JP2004045137A - Torque sensor - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば電動パワーステアリング装置において操舵トルクを検出するのに用いられるトルクセンサに関する。
【0002】
【従来の技術】
第1シャフトと、その第1シャフトに対して弾性的に相対回転可能な第2シャフトと、その第1シャフトの回転角を検出する第1レゾルバと、その第2シャフトの回転角を検出する第2レゾルバとを備えるトルクセンサが知られている。その第1レゾルバによる第1シャフトの検出回転角と第2レゾルバによる第2シャフトの検出回転角との差から両シャフトによる伝達トルクが求められる。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
レゾルバにより検出するシャフト回転角をθとした場合、レゾルバの回転子捲線に正弦波信号を入力すると、2相の固定子捲線からsinθに比例する信号とcosθに比例する信号とが出力されることから、tan−1(sinθ/cosθ)の演算をコンピュータにより行うことで回転角θを求めることができる。
【0004】
しかし、コンピュータにより正弦波信号や余弦波信号の出力値を取り込む際の分解能には限界があるため、トルクセンサの分解能が制限され、また、分解能が高くなる程に信号処理のための負荷が大きくなる。さらに、正弦波信号や余弦波信号の出力値は回転角θに対して非線形に変化するため、トルク検出精度の向上が阻害される。
本発明は上記課題を解決することのできるトルクセンサを提供することを目的とする。
【0005】
【課題を解決するための手段】
本発明のトルクセンサは、第1シャフトと、その第1シャフトに対して弾性的に相対回転可能な第2シャフトと、その第1シャフトの回転角変化に対応して位相が変化する第1交番信号を出力する第1交番信号出力手段と、その第2シャフトの回転角変化に対応して位相が変化する第2交番信号を出力する第2交番信号出力手段と、その第1交番信号と第2交番信号との間の位相差の変化に応じて波形が変化する位相差対応信号を出力する出力信号処理部とを備え、その位相差対応信号から第1、第2シャフトによる伝達トルクに対応する値が求められる。
本発明によれば、第1交番信号の位相変化は第1シャフトの回転角変化に対応し、第2交番信号の位相変化は第2シャフトの回転角変化に対応するので、第1交番信号と第2交番信号との間の位相差は第1シャフトと第2シャフトの回転角差に対応する。位相差対応信号は、その回転角差の変化に応じて波形が変化することになるので、第1、第2シャフトによる伝達トルクに対応する信号として用いることができる。すなわち、第1シャフトの回転角と第2シャフトの回転角とを個別に検出することなく、伝達トルクに対応する回転角差を直接的に求めることができる。よって、トルクを求めるために従来のように正弦波信号や余弦波信号の出力値を取り込む必要がなく、信号処理のための負荷を低減でき、非線形な要素をなくすことができる。
【0006】
その第1交番信号出力手段は第1検出器と第1信号処理部を備え、その第1検出器は、KEを係数、ωを励磁信号の角周波数、tを時間、θを第1シャフトの回転角として、KEsin(ωt)sinθで表される第1正弦振幅信号と、KEsin(ωt)cosθで表される第1余弦振幅信号を出力し、その第1信号処理部は、その第1正弦振幅信号をπ/2位相シフトすることでKEsin(ωt+π/2)sinθで表される第1位相シフト信号とする第1位相シフト回路と、その第1位相シフト信号と第1余弦振幅信号とを加算することでKEsin(ωt+θ)で表される前記第1交番信号とする第1加算回路を有し、その第2交番信号出力手段は第2検出器と第2信号処理部を備え、その第2検出器は、KEを係数、ωを励磁信号の角周波数、tを時間、θ+Δθを第2シャフトの回転角として、KEsin(ωt)sin(θ+Δθ)で表される第2正弦振幅信号と、KEsin(ωt)cos(θ+Δθ)で表される第2余弦振幅信号を出力し、その第2信号処理部は、その第2正弦振幅信号をπ/2位相シフトすることでKEsin(ωt+π/2)sin(θ+Δθ)で表される第2位相シフト信号とする第2位相シフト回路と、その第2位相シフト信号と第2余弦振幅信号とを加算することでKEsin(ωt+θ+Δθ)で表される前記第2交番信号とする第2加算回路を有するのが好ましい。
これにより、第1、第2検出器に正弦波信号を入力することで、第1、第2シャフトの回転角の変化に対応して位相が変化する第1、第2交番信号を、レゾルバ等の検出器、位相シフト回路、加算回路という汎用部品を用いて出力することができる。
【0007】
その第1交番信号出力手段は、KEを係数、ωを励磁信号の角周波数、tを時間、θを第1シャフトの回転角として、KEsin(ωt+θ)で表される前記第1交番信号を出力する第1検出器を備え、その第2交番信号出力手段は、KEを係数、ωを励磁信号の角周波数、tを時間、θ+Δθを第2シャフトの回転角として、KEsin(ωt+θ+Δθ)で表される前記第2交番信号を出力する第2検出器を備えるのが好ましい。
これにより、第1、第2検出器に正弦波信号と余弦波信号を入力することで、第1、第2シャフトの回転角の変化に対応して位相が変化する第1、第2交番信号を、汎用部品であるレゾルバ等の検出器を用いて出力することができる。
【0008】
前記第1、第2シャフトによる伝達トルクが零の時に前記第1交番信号と第2交番信号との間の位相差がπ/2になるように、前記第1検出器と第2検出器は相対配置され、前記出力信号処理部は、前記第1交番信号を第1ロジック信号に変換する第1ロジック信号変換回路と、前記第2交番信号を第2ロジック信号に変換する第2ロジック信号変換回路と、その第1ロジック信号と第2ロジック信号の排他的論理和に対応するPWM信号を前記位相差対応信号として出力するPWM処理回路とを有するのが好ましい。
これにより、第1交番信号と第2交番信号との間の位相差の変化に応じてパルス幅が変化するPWM信号を位相差対応信号として出力することができる。また、そのPWM信号を、交番信号をロジック信号に変換する回路と、ロジック信号の排他的論理和に対応する信号を生成する回路という汎用部品を用いて出力することができる。
【0009】
前記出力信号処理部は、前記第1交番信号を第1ロジック信号に変換する第1ロジック信号変換回路と、前記第2交番信号を第2ロジック信号に変換する第2ロジック信号変換回路と、その第1ロジック信号の立ち上がり時点の検出回路と、その第2ロジック信号の立ち下がり時点の検出回路と、その第1ロジック信号の立ち上がり時点と第2ロジック信号の立ち下がり時点の中の一方が立ち上がり時点に対応し他方が立ち下がり時点に対応するPWM信号を前記位相差対応信号として出力するPWM処理回路とを有するのが好ましい。
これにより、第1交番信号と第2交番信号との間の位相差の変化に応じてパルス幅が変化するPWM信号を位相差対応信号として出力することができる。また、そのPWM信号を、交番信号をロジック信号に変換する回路と、ロジック信号の立ち上がり時点と立ち下がり時点を検出する回路と、ロジック信号の立ち上がり時点と立ち下がり時点に応じた立ち上がり時点と立ち下がり時点を有する信号を生成する例えばSRフリップフロップのような汎用部品を用いて出力することができる。
【0010】
【発明の実施の形態】
図1に示す本実施形態のトルクセンサ1は、電動パワーステアリング装置のステアリングシャフトにより伝達されるトルクを検出するために用いられ、そのステアリングシャフトを構成する筒状第1シャフト3と筒状第2シャフト4を有する。第1シャフト3に連結される図外ステアリングホイールの回転が、第2シャフト4に連結される図外ステアリングギヤを介して車輪に伝達されることで、車両の舵角が変化する。
【0011】
第1シャフト3と第2シャフト4にトーションバー(弾性部材)5が挿入されている。トーションバー5の一端は第1シャフト3にピンやセレーション等により連結され、他端は第2シャフト4にピンやセレーション等により連結され、これにより第1シャフト3と第2シャフト4は互いに対して同軸中心に弾性的に相対回転可能である。第1シャフト3はベアリング6を介してセンサハウジング7により支持され、第2シャフト4はセンサハウジング7に圧入された環状のレゾルバ押さえ9によりベアリング8を介して支持されている。そのセンサハウジング7により第1レゾルバ(第1検出器)21と第2レゾルバ(第2検出器)22が覆われている。
【0012】
第1レゾルバ21は、第1シャフト3の外周に同行回転するように嵌め合わされる第1レゾルバロータ21aと、第1レゾルバロータ21aを覆う環状の第1レゾルバステータ21bを有する。本実施形態では第1レゾルバロータ21aに第1シャフト3が圧入されることで、第1レゾルバロータ21aと第1シャフト3は同行回転する。第2レゾルバ22は、第2シャフト4の外周に同行回転するように嵌め合わされる第2レゾルバロータ22aと、第2レゾルバロータ22aを覆う環状の第2レゾルバステータ22bとを有する。本実施形態では第2レゾルバロータ22aに第2シャフト4が圧入されることで、第2レゾルバロータ22aと第2シャフト4は同行回転する。第1レゾルバステータ21bと第2レゾルバステータ22bとの間に筒状のスペーサ23が配置されている。
【0013】
第1レゾルバステータ21bと第2レゾルバステータ22bとスペーサ23は、センサハウジング7の内周に対して第1、第2シャフト3、4の径方向のクリアランスを介してシャフト軸方向から嵌め合わされる。両レゾルバステータ21b、22bとスペーサ23は、上記レゾルバ押さえ9とセンサハウジング7の内周に形成された段差7aとの間に挟み込まれることでセンサハウジング7に固定されている。スペーサ23の内周から内方に延びる環状の磁気遮蔽部24が、磁気遮蔽材によりスペーサ23と一体的に成形されている。磁気遮蔽部24により第1レゾルバ21と第2レゾルバ22との間の磁気遮蔽がなされる。
【0014】
第1レゾルバ21は、第1レゾルバロータ21aに設けられた捲線(図示省略)に励磁信号が入力されることで、第1レゾルバステータ21bに設けられた2相の捲線(図示省略)から第1正弦振幅信号と第1余弦振幅信号を出力する。すなわち、励磁信号をEsin(ωt)、θを第1シャフト3の回転角とすると、第1正弦振幅信号はKEsin(ωt)sinθで表され、第1余弦振幅信号はKEsin(ωt)cosθで表される。なお、Eは信号振幅、Kは変圧率、ωは励磁角周波数、tは時間である。
【0015】
第2レゾルバ22は、第2レゾルバロータ22aに設けられた捲線(図示省略)に励磁信号が入力されることで、第2レゾルバステータ22bに設けられた2相の捲線(図示省略)から第2正弦振幅信号と第2余弦振幅信号を出力する。励磁信号をEsin(ωt)、θ+Δθを第2シャフト4の回転角とすると、第2正弦振幅信号はKEsin(ωt)sin(θ+Δθ)で表され、第2余弦振幅信号はKEsin(ωt)cos(θ+Δθ)で表される。
【0016】
両レゾルバ21、22の出力信号は信号ケーブル25を介して、センサハウジング7の外部に設けられる図2に示す制御装置20に入力される。制御装置20は第1信号処理部26と第2信号処理部27と出力信号処理部28を有する。
【0017】
第1信号処理部26は、第1位相シフト回路26aと第1加算回路26bを有する。第1位相シフト回路26aは、入力インターフェース20aを介して第1レゾルバ21から送られる上記第1正弦振幅信号を、π/2位相シフトすることでKEsin(ωt+π/2)sinθで表される第1位相シフト信号とする。第1加算回路26bは、その第1位相シフト信号と、入力インターフェース20bを介して第1レゾルバ21から送られる上記第1余弦振幅信号とを加算することで、KEsin(ωt+π/2)sinθ+KEsin(ωt)cosθ=KEcos(ωt)sinθ+KEsin(ωt)cosθ=KEsin(ωt+θ)で表される第1交番信号とする。すなわち、第1レゾルバ21と第1信号処理部26は、第1シャフト3の回転角θの変化に対応して位相が変化する第1交番信号を出力する第1交番信号出力手段を構成する。
【0018】
第2信号処理部27は、第2位相シフト回路27aと第2加算回路27bを有する。第2位相シフト回路27aは、入力インターフェース20cを介して第2レゾルバ22から送られる上記第2正弦振幅信号を、π/2位相シフトすることでKEsin(ωt+π/2)sin(θ+Δθ)で表される第2位相シフト信号とする。第2加算回路27bは、その第2位相シフト信号と、入力インターフェース20dを介して第2レゾルバ22から送られる上記第2余弦振幅信号とを加算することで、KEsin(ωt+π/2)sin(θ+Δθ)+KEsin(ωt)cos(θ+Δθ)=KEcos(ωt)sin(θ+Δθ)+KEsin(ωt)cos(θ+Δθ)=KEsin(ωt+θ+Δθ)で表される第2交番信号とする。すなわち、第2レゾルバ22と第2信号処理部27は、第2シャフト4の回転角θ+Δθの変化に対応して位相が変化する第2交番信号を出力する第2交番信号出力手段を構成する。
【0019】
第1、第2シャフト3、4による伝達トルクが零の時に上記第1交番信号と第2交番信号との間の位相差がπ/2になるように、すなわちΔθ=0になるように、第1レゾルバ21と第2レゾルバ22は相対配置されている。
【0020】
出力信号処理部28は、第1ロジック信号変換回路28aと、第2ロジック信号変換回路28bと、PWM処理回路28cを有する。
【0021】
第1ロジック信号変換回路28aは上記第1交番信号を第1ロジック信号に変換する。第1ロジック信号は第1交番信号と周波数が等しいHとLの2値の方形波で表される。第2ロジック信号変換回路28bは上記第2交番信号を第2ロジック信号に変換する。第2ロジック信号は第2交番信号と周波数が等しいHとLの2値の方形波で表される。第1交番信号と第2交番信号の位相差は第1ロジック信号と第2ロジック信号の位相差に等しくされる。
【0022】
PWM処理回路28cは、その第1ロジック信号と第2ロジック信号の排他的論理和(EXOR)に対応するPWM信号を出力する。本実施形態では、そのPWM信号から求められるPWMデューティが第1、第2シャフト3、4による伝達トルクに対応する値として用いられる。すなわち、図3(1)は伝達トルクが零の場合における第1ロジック信号S1と第2ロジック信号S2とPWM処理回路28cから出力されるPWM信号S3を示す。この場合、第1ロジック信号S1と第2ロジック信号S2の位相差はπ/2となり、PWMデューティは50%になる。図3(2)は第1、第2シャフト3、4により一方向のトルクが伝達される場合における第1ロジック信号S1と第2ロジック信号S2とPWM信号S3を示す。この場合は第1ロジック信号S1と第2ロジック信号S2の位相差はπ/2+Δθ(Δθ>0)となり、伝達トルクが大きい程にPWMデューティが50%よりも大きくなる。図3(3)は第1、第2シャフト3、4により他方向のトルクが伝達される場合における第1ロジック信号S1と第2ロジック信号S2とPWM信号S3を示す。この場合は第1ロジック信号S1と第2ロジック信号S2の位相差はπ/2+Δθ(Δθ<0)となり、伝達トルクが大きい程にPWMデューティが50%よりも小さくなる。
【0023】
第1交番信号の位相変化は第1シャフト3の回転角変化に対応し、第2交番信号の位相変化は第2シャフト4の回転角変化に対応するので、第1交番信号と第2交番信号との間の位相差は、第1シャフト3と第2シャフト4の回転角差に対応する伝達トルクに対応する。その第1交番信号と第2交番信号の位相差は第1ロジック信号S1と第2ロジック信号S2の位相差に等しいことから、第1ロジック信号S1と第2ロジック信号S2の排他的論理和に対応するPWM信号S3は、第1交番信号と第2交番信号との間の位相差の変化に応じてパルス幅が変化することで波形が変化する位相差対応信号になる。そのPWM信号S3が第1、第2シャフト3、4による伝達トルクに対応する信号として用いられる。本実施形態では、第1、第2シャフト3、4の伝達トルクに応じた操舵補助力を、予め定められて記憶したPWMデューティと操舵補助力との関係から演算し、その演算した操舵補助力を発生するように操舵補助力発生用電動アクチュエータ(図示省略)を制御する。その操舵補助力発生用電動アクチュエータは公知のものを用いることができ、例えば、電動モータにより発生する操舵補助力を減速ギヤ機構を介してステアリングシャフトに伝達するものを用いることができる。
【0024】
上記実施形態のトルクセンサ1によれば、第1シャフト3の回転角と第2シャフト4の回転角とを個別に検出することなく、伝達トルクに対応する回転角差を直接的に求めることができる。よって、トルクを求めるために従来のように正弦波信号や余弦波信号の出力値を取り込む必要がなく、信号処理のための負荷を低減でき、非線形な要素をなくすことができる。その第1、第2交番信号を、レゾルバ21、22、位相シフト回路26a、27a、加算回路26b、27bという汎用部品を用いて出力することができ、さらに、第1交番信号と第2交番信号との間の位相差の変化に応じてパルス幅が変化するPWM信号を、交番信号をロジック信号に変換するロジック信号変換回路28a、28bと、ロジック信号の排他的論理和に対応する信号を生成するPWM処理回路28cという汎用部品を用いて出力することができる。
【0025】
図4、図5の(1)、(2)、(3)は制御装置20の変形例を示す。上記実施形態との相違は、第1、第2シャフト3、4による伝達トルクが零の時に上記第1交番信号と第2交番信号との間の位相差が零になるように第1レゾルバ21と第2レゾルバ22は相対配置されている。出力信号処理部28は、第1ロジック信号変換回路28aから出力される第1ロジック信号の立ち上がり時点検出回路28dと、第2ロジック信号変換回路28bから出力される第2ロジック信号の立ち下がり時点検出回路28eを有する。PWM処理回路28c′として、第1ロジック信号と第2ロジック信号の排他的論理和に対応するPWM信号を出力する回路に代えて、SR(セットリセット)フリップフロップを有する。第1ロジック信号の立ち上がり時点の検出信号はPWM処理回路28c′を構成するフリップフロップのS端子に入力され、第2ロジック信号の立ち下がり時点の検出信号はそのR端子に入力される。これにより、PWM処理回路28c′からPWM信号が出力される。そのPWM信号のPWMデューティが第1、第2シャフト3、4による伝達トルクに対応する。
【0026】
すなわち、図5(1)は伝達トルクが零の場合における第1ロジック信号S1と第2ロジック信号S2とPWM処理回路28c′から出力されるPWM信号S3と立ち上がり時点検出信号S4と立ち下がり時点検出信号S5を示す。この場合はΔθ=0で、第1ロジック信号と第2ロジック信号の位相差は零となり、第1ロジック信号の立ち上がり時点から第2ロジック信号の立ち下がり時点までの時間t1は、第2ロジック信号の立ち下がり時点から第1ロジック信号の立ち上がり時点までの時間t2に等しいので、PWMデューティは50%になる。図5(2)は第1、第2シャフト3、4により一方向のトルクが伝達される場合における第1ロジック信号S1と第2ロジック信号S2とPWM信号S3を示す。この場合は第1ロジック信号と第2ロジック信号の位相差はΔθ(>0)となり、第1ロジック信号の立ち上がり時点から第2ロジック信号の立ち下がり時点までの時間t1は、第2ロジック信号の立ち下がり時点から第1ロジック信号の立ち上がり時点までの時間t2よりも長いので、伝達トルクが大きい程にPWMデューティが50%から大きくなる。図5(3)は第1、第2シャフト3、4により他方向のトルクが伝達される場合における第1ロジック信号S1と第2ロジック信号S2とPWM信号S3を示す。この場合は第1ロジック信号と第2ロジック信号の位相差はΔθ(<0)となり、第1ロジック信号の立ち上がり時点から第2ロジック信号の立ち下がり時点までの時間t1は、第2ロジック信号の立ち下がり時点から第1ロジック信号の立ち上がり時点までの時間t2よりも短いので、伝達トルクが大きい程にPWMデューティが50%から小さくなる。これにより、第1交番信号と第2交番信号との間の位相差の変化に応じてパルス幅が変化するPWM信号を、交番信号をロジック信号に変換するロジック信号変換回路28a、28bと、ロジック信号の立ち上がり時点と立ち下がり時点を検出する回路28d、28eと、ロジック信号の立ち上がり時点と立ち下がり時点に応じた立ち上がり時点と立ち下がり時点を有する信号を生成するSRフリップフロップのような汎用部品を用いて出力することができる。他は上記実施形態と同様で同一部分は同一符号で示す。なお、PWM処理回路28c′を構成するSRフリップフロップのS端子に第2ロジック信号の立ち下がり時点の検出信号が入力され、R端子に第1ロジック信号の立ち上がり時点の検出信号が入力されてもよい。これによりPWM処理回路28c′は、第1ロジック信号の立ち上がり時点と第2ロジック信号の立ち下がり時点の中の一方が立ち上がり時点に対応し他方が立ち下がり時点に対応するPWM信号を上記位相差対応信号として出力する。
【0027】
本発明は上記実施形態や変形例に限定されない。
例えば、上記実施形態と変形例では第1、第2レゾルバ21、22から出力される第1、第2正弦振幅信号を位相シフトした第1、第2位相シフト信号それぞれを、第1、第2余弦振幅信号に加算することで第1、第2交番信号を出力したが、第1、第2レゾルバ21、22から第1、第2交番信号を直接に出力してもよい。すなわち、第1レゾルバステータ21bの2相の捲線にEsin(ωt)とEcos(ωt)で表される励磁信号を入力することで、第1レゾルバロータ21aの捲線からKEsin(ωt+θ)で表される第1交番信号を出力し、第2レゾルバステータ22bの2相の捲線にEsin(ωt)とEcos(ωt)で表される励磁信号を入力することで、第2レゾルバロータ22aの捲線からKEsin(ωt+θ+Δθ)で表される第2交番信号を出力してもよい。この場合、各交番信号出力手段として上記実施形態における第1信号処理部26と第2信号処理部27は不要である。これにより第1、第2交番信号を汎用部品であるレゾルバ21、22を用いて出力することができ、構成をより簡単化できる。
【0028】
また図6に示すように、第1位相シフト回路26aと第2位相シフト回路27aに位相シフト量の調節手段が設けられてもよい。すなわち、各位相シフト回路26a、27aにおいては、正弦振幅信号が抵抗R1を介して演算増幅器OPの反転入力端子に入力され、コンテンサCを介して演算増幅器OPの非反転入力端子に入力され、演算増幅器OPの出力端子は抵抗R2を介して接地され、演算増幅器OPから出力される位相シフト信号は抵抗R3を介して負帰還され、そのコンテンサCと演算増幅器OPの間は可変抵抗R4を介して接地されている。その可変抵抗R4の抵抗値を変更することで、正弦振幅信号の位相シフト量を調節することが可能とされている。これにより、第1または第2の正弦振幅信号を、π/2位相シフトする際における位相シフト量の誤差をなくす事が可能になる。
【0029】
さらに、上記実施形態では出力信号処理部28から出力されるPWM信号のPWMデューティを伝達トルクに対応する値として用いているが、PWM信号の時間積分値を伝達トルクに対応する値として用いてもよい。
【0030】
【発明の効果】
本発明によれば、分解能の高い高精度のトルクセンサを低コストで提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施形態のトルクセンサの断面図
【図2】本発明の実施形態のトルクセンサにおける信号処理部の構成を示す図
【図3】本発明の実施形態のトルクセンサにおける(1)は伝達トルクが零の場合における第1ロジック信号と第2ロジック信号とPWM信号を示す図、(2)は一方向にトルクが伝達される場合における第1ロジック信号と第2ロジック信号とPWM信号を示す図、(3)は他方向にトルクが伝達される場合における第1ロジック信号と第2ロジック信号とPWM信号を示す図
【図4】本発明の変形例のトルクセンサにおける信号処理部の構成を示す図
【図5】本発明の変形例のトルクセンサにおける(1)は伝達トルクが零の場合における第1ロジック信号と第2ロジック信号とPWM信号と立ち上がり時点検出信号と立ち下がり時点検出信号を示す図、(2)は一方向にトルクが伝達される場合における第1ロジック信号と第2ロジック信号とPWM信号を示す図、(3)は他方向にトルクが伝達される場合における第1ロジック信号と第2ロジック信号とPWM信号を示す図
【図6】本発明の変形例のトルクセンサにおける位相シフト回路の構成を示す図
【符号の説明】
3 第1シャフト
4 第2シャフト
21 第1レゾルバ(第1検出器)
22 第1レゾルバ(第2検出器)
26 第1信号処理部
26a 第1位相シフト回路
26b 第1加算回路
27 第2信号処理部
27a 第2位相シフト回路
27b 第2加算回路
28 出力信号処理部
28a 第1ロジック信号変換回路
28b 第2ロジック信号変換回路
28c、28c′ PWM処理回路
28d 立ち上がり時点検出回路
28e 立ち下がり時点検出回路[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a torque sensor used for detecting a steering torque in, for example, an electric power steering device.
[0002]
[Prior art]
A first shaft, a second shaft elastically rotatable relative to the first shaft, a first resolver detecting a rotation angle of the first shaft, and a second resolver detecting a rotation angle of the second shaft. A torque sensor including two resolvers is known. From the difference between the detected rotation angle of the first shaft by the first resolver and the detected rotation angle of the second shaft by the second resolver, the transmission torque by both shafts is determined.
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
When a shaft rotation angle detected by the resolver is θ, when a sine wave signal is input to the rotor winding of the resolver, a signal proportional to sin θ and a signal proportional to cos θ are output from the two-phase stator winding. From tan -1 The rotation angle θ can be obtained by performing the calculation of (sin θ / cos θ) using a computer.
[0004]
However, there is a limit to the resolution when capturing the output values of the sine wave signal and the cosine wave signal by the computer, so the resolution of the torque sensor is limited, and as the resolution increases, the load for signal processing increases. Become. Further, since the output values of the sine wave signal and the cosine wave signal change non-linearly with respect to the rotation angle θ, improvement in torque detection accuracy is hindered.
An object of the present invention is to provide a torque sensor that can solve the above problems.
[0005]
[Means for Solving the Problems]
A torque sensor according to the present invention includes a first shaft, a second shaft elastically relatively rotatable with respect to the first shaft, and a first alternating shaft whose phase changes in response to a change in the rotation angle of the first shaft. First alternating signal output means for outputting a signal; second alternating signal output means for outputting a second alternating signal whose phase changes in response to a change in the rotation angle of the second shaft; An output signal processing section for outputting a phase difference corresponding signal whose waveform changes in accordance with a change in the phase difference between the two alternating signals, and corresponding to the transmission torque by the first and second shafts from the phase difference corresponding signal. Is determined.
According to the present invention, the phase change of the first alternating signal corresponds to a change in the rotation angle of the first shaft, and the phase change of the second alternating signal corresponds to a change in the rotation angle of the second shaft. The phase difference between the second alternating signal corresponds to the rotation angle difference between the first shaft and the second shaft. Since the waveform of the phase difference corresponding signal changes in accordance with the change in the rotation angle difference, it can be used as a signal corresponding to the torque transmitted by the first and second shafts. That is, the rotation angle difference corresponding to the transmission torque can be directly obtained without separately detecting the rotation angle of the first shaft and the rotation angle of the second shaft. Therefore, it is not necessary to take in the output values of the sine wave signal and the cosine wave signal in order to obtain the torque unlike the related art, so that the load for signal processing can be reduced and the non-linear element can be eliminated.
[0006]
The first alternating signal output means includes a first detector and a first signal processing unit. The first detector has a coefficient of KE, an angular frequency of the excitation signal of ω, a time of t, and θ of the first shaft. As a rotation angle, a first sine amplitude signal represented by KE sin (ωt) sin θ and a first cosine amplitude signal represented by KE sin (ωt) cos θ are output, and the first signal processing unit outputs the first sine amplitude signal. A first phase shift circuit that shifts the amplitude signal by π / 2 to obtain a first phase shift signal represented by KE sin (ωt + π / 2) sin θ, and converts the first phase shift signal and the first cosine amplitude signal. A first adding circuit for adding the first alternating signal represented by KEsin (ωt + θ), the second alternating signal output means including a second detector and a second signal processing unit; 2 The detector uses KE as a coefficient and ω as the angular circumference of the excitation signal. The second sine amplitude signal represented by KE sin (ωt) sin (θ + Δθ) and the second cosine represented by KE sin (ωt) cos (θ + Δθ), where the number and t are time and θ + Δθ is the rotation angle of the second shaft. An amplitude signal is output, and the second signal processing unit shifts the second sine amplitude signal by π / 2 to obtain a second phase shift signal represented by KE sin (ωt + π / 2) sin (θ + Δθ). It is preferable to have a second phase shift circuit and a second adder circuit that adds the second phase shift signal and the second cosine amplitude signal to obtain the second alternating signal represented by KE sin (ωt + θ + Δθ).
Thus, by inputting the sine wave signals to the first and second detectors, the first and second alternating signals whose phases change in response to the change in the rotation angles of the first and second shafts are converted to a resolver or the like. And output using general-purpose components such as a detector, a phase shift circuit, and an adder circuit.
[0007]
The first alternating signal output means outputs the first alternating signal represented by KE sin (ωt + θ), where KE is a coefficient, ω is the angular frequency of the excitation signal, t is time, and θ is the rotation angle of the first shaft. The second alternating signal output means is represented by KE sin (ωt + θ + Δθ), where KE is a coefficient, ω is the angular frequency of the excitation signal, t is time, θ + Δθ is the rotation angle of the second shaft. Preferably, a second detector for outputting the second alternating signal is provided.
By inputting the sine wave signal and the cosine wave signal to the first and second detectors, the first and second alternating signals whose phases change in response to changes in the rotation angles of the first and second shafts. Can be output using a detector such as a resolver, which is a general-purpose component.
[0008]
The first detector and the second detector are arranged such that a phase difference between the first alternating signal and the second alternating signal becomes π / 2 when the torque transmitted by the first and second shafts is zero. A first logic signal conversion circuit configured to convert the first alternating signal into a first logic signal; and a second logic signal conversion circuit configured to convert the second alternating signal into a second logic signal. It is preferable to include a circuit and a PWM processing circuit that outputs a PWM signal corresponding to an exclusive OR of the first logic signal and the second logic signal as the phase difference corresponding signal.
Thus, a PWM signal whose pulse width changes in accordance with a change in the phase difference between the first alternating signal and the second alternating signal can be output as a phase difference corresponding signal. In addition, the PWM signal can be output using general-purpose components such as a circuit that converts an alternating signal into a logic signal and a circuit that generates a signal corresponding to an exclusive OR of the logic signal.
[0009]
A first logic signal conversion circuit for converting the first alternating signal into a first logic signal; a second logic signal conversion circuit for converting the second alternating signal into a second logic signal; A detecting circuit for detecting a rising point of the first logic signal, a detecting circuit for detecting a falling point of the second logic signal, and determining whether one of the rising point of the first logic signal and the falling point of the second logic signal is the rising point And a PWM processing circuit that outputs a PWM signal corresponding to the falling point of the other as the phase difference corresponding signal.
Thus, a PWM signal whose pulse width changes in accordance with a change in the phase difference between the first alternating signal and the second alternating signal can be output as a phase difference corresponding signal. A circuit for converting the PWM signal from an alternating signal to a logic signal; a circuit for detecting a rising time and a falling time of the logic signal; a rising time and a falling time corresponding to the rising time and the falling time of the logic signal; The signal having the time point can be output using a general-purpose component such as an SR flip-flop.
[0010]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
The
[0011]
A torsion bar (elastic member) 5 is inserted into the
[0012]
The
[0013]
The
[0014]
The
[0015]
The
[0016]
Output signals of both
[0017]
The first
[0018]
The second
[0019]
When the transmission torque by the first and
[0020]
The output
[0021]
The first logic
[0022]
The
[0023]
Since the phase change of the first alternation signal corresponds to the change in the rotation angle of the
[0024]
According to the
[0025]
(1), (2), and (3) of FIGS. 4 and 5 show modified examples of the
[0026]
That is, FIG. 5A shows the first logic signal S1, the second logic signal S2, the PWM signal S3 output from the
[0027]
The present invention is not limited to the above-described embodiments and modified examples.
For example, in the above-described embodiment and the modified example, the first and second phase shift signals obtained by phase-shifting the first and second sine amplitude signals output from the first and
[0028]
Further, as shown in FIG. 6, the first
[0029]
Further, in the above embodiment, the PWM duty of the PWM signal output from the output
[0030]
【The invention's effect】
According to the present invention, a high-precision torque sensor with high resolution can be provided at low cost.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a sectional view of a torque sensor according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a diagram showing a configuration of a signal processing unit in the torque sensor according to the embodiment of the present invention.
3A and 3B are diagrams illustrating a first logic signal, a second logic signal, and a PWM signal when the transmission torque is zero in the torque sensor according to the embodiment of the present invention, and FIG. And FIG. 3C is a diagram showing the first logic signal, the second logic signal, and the PWM signal when torque is transmitted in the other direction.
FIG. 4 is a diagram showing a configuration of a signal processing unit in a torque sensor according to a modification of the present invention.
FIG. 5 is a diagram showing a first logic signal, a second logic signal, a PWM signal, a rising point detection signal, and a falling point detection signal when the transmission torque is zero in the torque sensor according to the modified example of the present invention. (2) is a diagram showing a first logic signal, a second logic signal and a PWM signal when torque is transmitted in one direction, and (3) is a diagram showing a first logic signal and torque when torque is transmitted in the other direction. The figure which shows a 2nd logic signal and a PWM signal
FIG. 6 is a diagram showing a configuration of a phase shift circuit in a torque sensor according to a modification of the present invention.
[Explanation of symbols]
3 First shaft
4 Second shaft
21 1st resolver (1st detector)
22 1st resolver (2nd detector)
26 first signal processing unit
26a first phase shift circuit
26b first adder circuit
27 Second signal processing unit
27a Second phase shift circuit
27b Second adder circuit
28 Output signal processing unit
28a first logic signal conversion circuit
28b Second logic signal conversion circuit
28c, 28c 'PWM processing circuit
28d rising point detection circuit
28e Fall time detection circuit
Claims (5)
その第1シャフトに対して弾性的に相対回転可能な第2シャフトと、
その第1シャフトの回転角変化に対応して位相が変化する第1交番信号を出力する第1交番信号出力手段と、
その第2シャフトの回転角変化に対応して位相が変化する第2交番信号を出力する第2交番信号出力手段と、
その第1交番信号と第2交番信号との間の位相差の変化に応じて波形が変化する位相差対応信号を出力する出力信号処理部とを備え、
その位相差対応信号から第1、第2シャフトによる伝達トルクに対応する値が求められるトルクセンサ。A first shaft;
A second shaft elastically rotatable relative to the first shaft;
First alternating signal output means for outputting a first alternating signal whose phase changes in accordance with the rotation angle change of the first shaft;
Second alternating signal output means for outputting a second alternating signal whose phase changes in accordance with the rotation angle change of the second shaft;
An output signal processing unit that outputs a phase difference corresponding signal whose waveform changes according to a change in a phase difference between the first alternating signal and the second alternating signal,
A torque sensor for obtaining a value corresponding to the torque transmitted by the first and second shafts from the phase difference corresponding signal.
その第1信号処理部は、その第1正弦振幅信号をπ/2位相シフトすることでKEsin(ωt+π/2)sinθで表される第1位相シフト信号とする第1位相シフト回路と、その第1位相シフト信号と第1余弦振幅信号とを加算することでKEsin(ωt+θ)で表される前記第1交番信号とする第1加算回路を有し、
その第2交番信号出力手段は第2検出器と第2信号処理部を備え、
その第2検出器は、KEを係数、ωを励磁信号の角周波数、tを時間、θ+Δθを第2シャフトの回転角として、KEsin(ωt)sin(θ+Δθ)で表される第2正弦振幅信号と、KEsin(ωt)cos(θ+Δθ)で表される第2余弦振幅信号を出力し、
その第2信号処理部は、その第2正弦振幅信号をπ/2位相シフトすることでKEsin(ωt+π/2)sin(θ+Δθ)で表される第2位相シフト信号とする第2位相シフト回路と、その第2位相シフト信号と第2余弦振幅信号とを加算することでKEsin(ωt+θ+Δθ)で表される前記第2交番信号とする第2加算回路を有する請求項1に記載のトルクセンサ。The first alternating signal output means includes a first detector and a first signal processing unit. The first detector has a coefficient of KE, an angular frequency of the excitation signal of ω, a time of t, and θ of the first shaft. A first sine amplitude signal represented by KEsin (ωt) sin θ and a first cosine amplitude signal represented by KEsin (ωt) cosθ are output as rotation angles,
The first signal processing unit shifts the first sine amplitude signal by π / 2 to obtain a first phase shift signal represented by KE sin (ωt + π / 2) sin θ, and a first phase shift circuit. A first adder circuit that adds the one phase shift signal and the first cosine amplitude signal to the first alternating signal represented by KEsin (ωt + θ),
The second alternating signal output means includes a second detector and a second signal processing unit,
The second detector is a second sine amplitude signal represented by KE sin (ωt) sin (θ + Δθ), where KE is a coefficient, ω is the angular frequency of the excitation signal, t is time, and θ + Δθ is the rotation angle of the second shaft. And outputs a second cosine amplitude signal represented by KE sin (ωt) cos (θ + Δθ),
A second phase shift circuit that shifts the second sine amplitude signal by π / 2 to obtain a second phase shift signal represented by KE sin (ωt + π / 2) sin (θ + Δθ); The torque sensor according to claim 1, further comprising a second addition circuit that adds the second phase shift signal and the second cosine amplitude signal to obtain the second alternating signal represented by KEsin (ωt + θ + Δθ).
その第2交番信号出力手段は、KEを係数、ωを励磁信号の角周波数、tを時間、θ+Δθを第2シャフトの回転角として、KEsin(ωt+θ+Δθ)で表される前記第2交番信号を出力する第2検出器を備える請求項1に記載のトルクセンサ。The first alternating signal output means outputs the first alternating signal represented by KE sin (ωt + θ), where KE is a coefficient, ω is the angular frequency of the excitation signal, t is time, and θ is the rotation angle of the first shaft. Comprising a first detector,
The second alternating signal output means outputs the second alternating signal represented by KE sin (ωt + θ + Δθ), where KE is a coefficient, ω is the angular frequency of the excitation signal, t is time, and θ + Δθ is the rotation angle of the second shaft. The torque sensor according to claim 1, further comprising a second detector that performs the operation.
前記出力信号処理部は、前記第1交番信号を第1ロジック信号に変換する第1ロジック信号変換回路と、前記第2交番信号を第2ロジック信号に変換する第2ロジック信号変換回路と、その第1ロジック信号と第2ロジック信号の排他的論理和に対応するPWM信号を前記位相差対応信号として出力するPWM処理回路とを有する請求項2または3に記載のトルクセンサ。The first detector and the second detector are arranged such that a phase difference between the first alternating signal and the second alternating signal becomes π / 2 when the torque transmitted by the first and second shafts is zero. Relative to each other,
A first logic signal conversion circuit for converting the first alternating signal into a first logic signal; a second logic signal conversion circuit for converting the second alternating signal into a second logic signal; 4. The torque sensor according to claim 2, further comprising: a PWM processing circuit that outputs a PWM signal corresponding to an exclusive OR of the first logic signal and the second logic signal as the phase difference corresponding signal.
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