JP2002107244A - 車輌用トルク計測装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】高精度で、構造が簡単で、無調整な車輌用トル
ク計測装置を提供する。 【解決手段】一側端が操向ハンドルと結合された入力軸
２と、一側端が車輪側と結合された出力軸３と、この入
力軸２と出力軸３とを連結し、操向ハンドルのねじれ程
度によってねじれるトーションバー１の回転角度を検出
する多極バリアブルリラクタンスレゾルバを、前記入力
軸２に設けた。多極バリアブルリラクタンスレゾルバの
固定子５は車輌の図示していない箇所に固定されている
が、多極バリアブルリラクタンスレゾルバの回転子５２
は入力軸２の外周面に結合していて、入力軸の回転と共
に回転し、トーションバー１の回転に応じて固定子巻線
から対応した出力が得られる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、車輌用走行装置に
関するもので、特に回転角度検出器にレゾルバを使用し
た車輌用走行装置のトルク計測装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】一般的に、自動車は運転者が走行中また
は停止時に操向ハンドルを回転させることにより、路面
と接触している車輪が回転して操向される。しかしなが
ら、車輪と路面との間には摩擦力が作動しているので、
動力の伝達過程中の損失によって操向ハンドルの回転角
度ほどには車輪は回転しない。

【０００３】従って、操向ハンドルと車輪との回転角度
の違いを測定して補償することが必要であるが、このよ
うな機能を有する装置がトルクセンサである。すなわ
ち、操向ハンドルと車輪の回転角度の偏差をトルクセン
サを通じて測定し、測定された偏差程度に応じて、別個
の動力手段によって車輪を回転させる。これにより、車
両は、運転者が進行させようとする方向に正確に操向さ
れる。

【０００４】図５および図６はこのような機能を有する
従来の車両用操向装置のトルクセンサを示すものであ
り、図示するように、一側端が操向ハンドル７１と結合
された入力軸７２と、一側端が車輪側と結合された出力
軸７４が具備され、この入力軸７２と出力軸７４とを連
結し、操向程度によりねじれるトーションバー７３が具
備される。そして、前記入力軸７２と出力軸７４との間
には、3個の検出リング６６〜６８が設けられている。
これら検出リング６６〜６８は、磁性体からなり、入力
軸７２と出力軸７４との間に一定の間隔で設置されてい
る。このうち、第1検出リング６６は、操向ハンドル７
１側の入力軸７２の外周面に結合されており、操向ハン
ドル７１と同一の角度だけ回転する。第2検出リング６
７は、トーションバー７３の中心部の外周面に結合され
ている。そして、第3検出リング６８は、車輪側に連結
された出力軸７４の他端部の外周面に結合されて、車輪
と略同一の角度だけ回転する。

【０００５】また、前記第1検出リング６６の一面、す
なわち、前記第2検出リング６７と対向する面には、凹
凸形状の歯部が形成されている。同様に、第2検出リン
グ６７および第3検出リング６８における互いの対向面
にも、それぞれ歯部が形成されている。また、前記第1
検出リング６６と第2検出リング６７との間の外側面
と、第2検出リング６７と第3検出リング６８との間の外
側面には、それぞれコイル６０・６１が捲線されてい
る。そして、これらコイル６０・６１は処理部６９と接
続される。

【０００６】このように構成された従来の車両用操向装
置のトルクセンサの動作は次のようである。まず運転者
が操向ハンドル７１を回転させると、入力軸７２，出力
軸７４およびトーションバー７３も回転する．このと
き、操作ハンドル７１側と結合されたトーションバー７
３の一方の端部が、車輪側と結合されたトーションバー
７３の他方の端部より大きくねじれて、多く回転する。
すなわち、前記操向ハンドル７１を回転させるとき、車
輪と路面との摩擦力によって、第一検出リング６６＞第
2検出リング６７＞第3検出リング６８の順に回転角度が
大きくなる。

【０００７】従って、前記第1検出リング６６の歯部と
第2検出リング６７との対向面積はほとんど変わらない
が、これに比べて、第2検出リング６７の歯部と第3検出
リング６８の歯部との対向面積は変化する。これによ
り、前記第2検出リング６７と第3検出リング６８との間
の外側磁束が変化し、第2コイル６１を貫く磁束が変化
する。第1コイル６０と第2コイル６１とのインダクタン
ス値は、同一に設定されている。そして、操向ハンドル
７１の回転によって，第１コイル６０を貫く磁束は不変
であるが、第2コイル６１を貫く磁束は変化する。これ
により、第１コイル６０の誘導起電力に対する第2コイ
ル６１の誘導起電力の値の変化を測定すれば操向ハンド
ル７１と車輪との回転偏差を測定することができる。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】上記した従来のトルク
センサの機構的装置においては、３個の検出リングと、
２個のコイルを用いて、第1検出リング６６の歯部と第2
検出リング６７との対向面積と、第2検出リング６７の
歯部と第3検出リング６８の歯部との対向面積との相対
的な面積変化によって変化する、第１コイル６０の誘導
起電力に対する第2コイル６１の誘導起電力の値の差を
測定するようになっている。

【０００９】しかし、操向ハンドル７１を回転させる
と、入力軸７２，出力軸７４およびトーションバー７３
が回転するが、このとき、操作ハンドル７１側と結合さ
れたトーションバー７３の一方の端部が、車輪側と結合
されたトーションバー７３の他方の端部より大きくねじ
れて、多く回転するので、第2検出リング６７の歯部と
第3検出リング６８の歯部との対向面積の相対的な変化
が少ない。従って、より高精度な測定が出来ないうえ
に、構成する部品の数も多くなり、そのため調整も必要
になる問題があった。

【００１０】本発明はかかる問題点を解消して、高精度
で、構造が簡単で、無調整な車輌用トルク計測装置を提
供することを目的としてなされたものである。

【００１１】

【課題を解決するための手段】前記目的を達成するため
に、請求項１記載の車両用操向装置のトルク計測装置
は、一側端が操向ハンドルと結合された入力軸と、一側
端が車輪側と結合された出力軸と、この入力軸と出力軸
とを連結し、操向ハンドルのねじれ程度によってねじれ
るトーションバーの回転角度を検出するバリアブルリラ
クタンスレゾルバを、前記入力軸の外周面に結合して設
けたことを特徴としている。

【００１２】本発明は上記のように構成したので、操向
ハンドルと車輪との回転角度の違いをバリアブルリラク
タンスレゾルバの回転子と固定子の回転角度差に置き換
えてトルクを検出することで、トーションバーに加わる
トルクを計測するように作用する。

【００１３】

【発明の実施の形態】本発明の実施の形態について、図
面を参考にして説明をする。図１は、本発明にかかる車
両用操向装置のトルク計測装置と周辺の構成の概略を示
す説明図である。また、図２は、本トルクセンサである
バリアブルリラクタンスレゾルバを拡大して示した説明
図である。

【００１４】図１において、操向程度によってねじれ
る、トーションバー１の一端部は入力軸２の一端部と結
合され、トーションバー１の他端部は出力軸３の他端部
と結合されている。入力軸２の他端は図示してしない、
操向ハンドルと結合されて、出力軸３の一端部は、図示
していない車輪側と結合されている。

【００１５】バリアブルリラクタンスレゾルバの固定子
５は車輌の図示していない箇所に固定されているが、バ
リアブルリラクタンスレゾルバの回転子５２は入力軸２
の外周面に結合していて、入力軸の回転と共に回転す
る。

【００１６】かかる車両用操向装置のトルク計測装置の
動作は次のようである。運転者が図示していない操向ハ
ンドルを回転させると、入力軸２，出力軸３およびトー
ションバー１が回転する．このとき、操向ハンドル側と
結合されたトーションバー１の一方の端部が、車輪側と
結合されたトーションバー１の他方の端部より大きくね
じれて、多く回転する。すなわち、前記操向ハンドルを
回転させるとき、車輪と路面との摩擦力によって、入力
軸２、トーションバー１、出力軸３、の順に回転角度が
大きくなる。バリアブルリラクタンスレゾルバの回転子
が固定子に対して回転すると、回転角度に対応した出力
が得られ、この出力をトルクの大きさ、即ち、操向ハン
ドルの回転角度として計測することができる。前記のよ
うに、前記操向ハンドルを回転させるとき、車輪と路面
との摩擦力によって、入力軸に設けたバリアブルリラク
タンスレゾルバの固定子の回転角度がもっとも大きくな
りバリアブルリラクタンスレゾルバをほかの場所、例え
は、出力軸に設けた場合より感度が良いことがわかる。

【００１７】図２に示すように、バリアブルリラクタン
スレゾルバの固定子には、複数の極５１と回転子５２に
複数個の歯５５を設けて、固定子の同じ極に励磁巻線５
３と、回転子のＸ方向成分を出力する出力巻線５４Ｘ、
および回転子のＹ方向成分を出力する出力巻線５４Ｙを
巻回している。複数の極の出力巻線の出力の和を一つの
出力巻線の出力として得る構造のバリアブルレゾルバの
励磁巻線５３、回転子のＸ方向成分を出力する出力巻線
５４Ｘ、および回転子のＹ方向成分を出力する出力巻線
５４Ｙの位相関係ついて図３を用いて説明する。図３に
おいて、レゾルバは回転子のＸ方向成分を出力する出力
巻線５４Ｘ、および回転子のＹ方向成分を出力する出力
巻線５４Ｙが、レゾルバの回転角度に対応してディジタ
ル出力をするレゾルバディジタル回路３０に接続されて
いる。

【００１８】図３において、回転子のＸ方向成分を出力
する出力巻線５４Ｘの出力は、励磁巻線５３によって出
力巻線５４Ｘに誘起する電圧が作る磁化の方向が励磁巻
線５３の磁化と同じ方向の場合、任意の一つの極に誘起
される電圧ＥＮＳは励磁巻線５３に加える交流電圧ＶＰ
をＥsinωｔとすると式１で示される。ここでωは角周
波数で２πｆで表される。ただしｆは周波数、ａ、ｂは
励磁巻線５３、出力巻線５４Ｘ、および回転子と固定子
の特性で決まる定数である。

【００１９】 ＥＮＳ＝（ａ＋ｂsinθ）・Ｅsinωｔ （式１）

【００２０】また、励磁巻線５３によって出力巻線５４
Ｘに誘起する電圧が作る磁化の方向が励磁巻線５３の磁
化と異なる方向の場合、任意の一つの極に誘起される電
圧ＥＮＮは式２で示される。

【００２１】 ＥＮＮ＝（−ａ＋ｂsinθ）・Ｅsinωｔ （式２）

【００２２】いま任意の極に巻回する励磁巻線５３と出
力巻線５４Ｘの関係を以下のように定める。すなわち励
磁巻線５３は磁化のＮ極とＳ極が１極ごとに交互に生じ
るように巻回し、出力巻線５４ＸはＮ極とＳ極が２極一
組で生じるように巻回してある。すなわち極の励磁巻
線５３がＮ極の場合、出力巻線５４Ｘの極と極はＮ
極に、極と極はＳ極になり、以後これを繰り返す。
出力巻線５４Ｙについても同様である。

【００２３】かかる構造に巻回した出力巻線の極１と極
２を直列接続した場合の電圧Ｖ１２は式１と式２から式
３となる。

【００２４】 Ｖ１２＝（a+bsinθ）・Ｅsinωt＋(-a+bsinθ)・Ｅsinωt （式３）

【００２５】同様にして、極３と極４によって式４の電
圧Ｖ３４が生じる。

【００２６】 Ｖ３４＝（-a+ｂsinθ）・Ｅsinωt+（a+bsinθ)・Ｅsinωｔ（式４）

【００２７】式３と式４を整理すると、隣り合う極と極
を直列接続した時には定数ａの項が消去されて、式５の
ような電圧Ｖ１２、Ｖ３４が得られる。

【００２８】 Ｖ１２＝２ｂsinθ・Ｅsinωｔ＝Ｖ３４ （式５）

【００２９】従って２の倍数の極数の場合にはすべての
極の出力巻線を直列接続すると定数ａの項が消去されて
出力巻線５４Ｘの出力電圧ＶＳは式６になる。ここでＫ
は定数ｂと極数によって決まる定数で極の数をＮとする
と式７で表せる。

【００３０】 ＶＳ＝Ｋsinθ・Ｅsinωｔ （式６）

【００３１】 Ｋ＝Ｎ・Ｂ （式７）

【００３２】従って、式８で示すように、回転子の回転
角度θの変化に応じた出力が得られる。

【００３３】 ＶＳ＝Ｎ・Ｂ・sinθ・Ｅsinωｔ （式８）

【００３４】同様にして出力巻線５４Ｙの出力電圧も求
められ、各出力はレゾルバディジタル回路３０に加えら
れ、トルクを測定する。

【００３５】

【実施例】以下図２のバリアブルリラクタンスレゾルバ
の回転子の歯数と軸倍率を求める。いま、固定子のトー
ションバーのばね定数を２．４Ｎｍ／度、測定すべき最
大トルクは±１０Ｎｍとする。この場合、最大トルク
と、ばね定数の関係から、トルクを測定する角度の測定
範囲は±４．２度、幅としては２倍の８．４度必要であ
る。

【００３６】従って、レゾルバとしての軸倍角は、３６
０／８．４＝４２倍以下になる。また、バリアブルリラ
クタンスレゾルバでは、固定子のスロット間隔を等間隔
にするために、固定子の４５度位置での回転子の歯５５
の位置関係は、１／４ピッチずれていることが必要であ
る。このような条件での回転子の歯数を求めると、軸倍
角は４２または３８となる。

【００３７】図２は前記条件を満たし、軸倍角３８の場
合の固定子と回転子の断面図である。かかるバリアブル
リラクタンスレゾルバの精度は回転子の歯幅および、回
転子の角度により変化する。例えば図４（ａ）のよう
に、回転子の回転角度に対して、波を打つようになる場
合がある。従って、前記したように、トルクを測定する
角度の測定範囲は±４．２度なので、回転子は図４
（ａ）のもっとも誤差の低い位置を基準にして定めて使
用する。図４（ｂ）はかかる位置における印加トルクと
ディジタル出力をするレゾルバディジタル回路３０の直
線性を求めた一例である。印加トルク１０Ｎｍに対して
直線性の良い出力が得られている。

【００３８】

【発明の効果】本発明によれは、請求項１記載の車両用
操向装置のトルク計測装置は、一側端が操向ハンドルと
結合された入力軸と、一側端が車輪側と結合された出力
軸と、この入力軸と出力軸とを連結し、操向ハンドルの
ねじれ程度によってねじれるトーションバーの回転角度
を検出するバリアブルリラクタンスレゾルバを入力軸の
外周面に結合して設けたことによって、高精度で、構造
が簡単で、無調整な車輌用トルク計測装置を提供するこ
とが出来る。

【００３９】また、バリアブルリラクタンスレゾルバの
回転子が前記入力軸と一緒に回転するように設けたこと
によって、操向ハンドルのねじれに伴ってトーションバ
ーのねじれを感度良く検出することが出来る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の車両用操向装置のトルク計測装置を示
す説明図である。

【図２】本トルクセンサであるバリアブルリラクタンス
レゾルバの拡大図である。

【図３】バリアブルリラクタンスレゾルバの動作説明図
である。

【図４】本発明の車輌用トルク計測装置の特性データの
一例である。

【図５】従来の車両用操向装置のトルクセンサである。

【図６】図５の一部の拡大図である。

【符号の説明】

１ トーションバー ２ 入力軸 ３ 出力軸 ５ 固定子 ５２回転子 ５１固定子の極 ５３励磁巻線 ５４固定子の歯 ５５回転子の歯 ６１Ｘ軸の出力巻線 ６２Ｙ軸の出力巻線

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】一側端が操向ハンドルと結合された入力軸
   と、一側端が車輪側と結合された出力軸と、この入力軸
   と出力軸とを連結し、操向ハンドルのねじれ程度によっ
   てねじれるトーションバーの回転角度を検出するバリア
   ブルリラクタンスレゾルバを、前記入力軸の外周面に結
   合して設けたことを特徴とする車両用トルク計測装置。