JP2008051702A

JP2008051702A - トルク検出装置

Info

Publication number: JP2008051702A
Application number: JP2006229417A
Authority: JP
Inventors: Kaname Aoki; 要青木; Yasushi Norifuji; 安司則藤
Original assignee: JTEKT Corp
Current assignee: JTEKT Corp
Priority date: 2006-08-25
Filing date: 2006-08-25
Publication date: 2008-03-06

Abstract

【課題】簡素な構成にて、回転トルクと共に回転軸の回転角度を複数回転に亘って検出することができるトルク検出装置を提供する。
【解決手段】同軸的に連結された第１，第２軸２，３と、第１，第２軸２，３夫々の回転に応じて周期的な信号を各出力する第１，第２レゾルバ４，５とを備え、第１，第２レゾルバ４，５の出力信号に基づいて第１軸２又は第２軸３に加わる回転トルクを算出するトルク検出装置において、第１軸２の回転を遊星歯車減速機６によりキャリア６３に減速伝達して、第１レゾルバ４によりキャリア６３の回転に応じて周期的に変化する信号を出力するように構成してある。この結果、遊星歯車減速機６の減速比を適宜選定することにより、第１，第２レゾルバ４，５の出力信号に基づいて、第１軸２又は第２軸３に加わる回転トルクと共に第１軸２又は第２軸３の複数回転に亘る回転角度を簡素な構成にて検出することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、回転トルクと共に回転角度を検出することが可能なトルク検出装置に関する。

ステアリングホイール等の操舵部材の回転操作に応じて操舵補助用のモータを駆動し、該モータの回転力を舵取機構に伝えて操舵を補助する電動パワーステアリング装置においては、操舵補助用のモータの駆動制御に用いるべく操舵部材に加えられる操舵トルクを検出する必要があり、この検出のために従来から、操舵部材と舵取機構とを連結する操舵軸（回転軸）の中途に構成されたトルク検出装置が用いられている。

このトルク検出装置は、一般的に、第１軸と、第２軸と、第１，第２軸を同軸的に連結するトーションバーとからなる回転軸を検出対象としており、回転軸に回転トルクが加えられたとき、この回転トルクの作用により第１，第２軸間に生じる相対角変位を検出することにより前記回転トルクを精度良く求めるようにしてある。

第１，第２軸間の相対角変位の検出手段は、従来、種々提案されており、そのうちの一つとして、磁性体の回転子と巻線が施された固定子とが同軸をなして相対回転するとき、固定子巻線のインダクタンスが回転子の回転角度に応じて変化することを利用したレゾルバを検出手段とするトルク検出装置がある。このトルク検出装置は、第１，第２軸夫々にレゾルバを設け、第１，第２軸の回転に応じて夫々のレゾルバが出力する周期的な信号に基づいて相対角変位を算出し、回転トルクを求めるようにしてある（例えば、特許文献１参照）。
特開２００３−２７９４２７号公報

以上のようなトルク検出装置が用いられる電動パワーステアリング装置においては、操舵トルクと共に操舵部材の操作に伴って変化する操舵用の車輪の向き（以下、舵角という）を、車両の各種の制御に用いるべく検出することが要求され、操舵軸の中途にトルク検出装置と共に舵角検出のための回転角検出装置も設けられる場合がある。トルク検出装置と回転角検出装置とを備える電動パワーステアリング装置においては、これらを並設するため、軸長方向の設置スペースが大きくなるという問題がある。特許文献１のトルク検出装置は、第１軸及び第２軸に夫々設けられるレゾルバとして、軸倍角（極数の１／２）が異なるレゾルバを用い、回転角度を併せて検出できるようにしてある。これら２つのレゾルバによる出力信号は、１回転内に軸倍角と同数の波が夫々現れる信号として得られ、この２つの信号を組み合わせることにより、前述の相対角変位が求められると共に、レゾルバの軸倍角を適宜選定することにより回転軸の１回転内（３６０°）の回転角度が得られる。

一方、車両の操舵部材は、左右の最大舵角範囲（以下、全舵角範囲という）に亘って操舵するために、通常３〜５回転（片側１．５〜２．５回転）するように構成されており、回転角検出装置は、１０８０°〜１８００°の範囲の回転角度を検出できるように構成されることが望ましい。しかしながら特許文献１のトルク検出装置は、レゾルバの軸倍角を適宜選定したとしても検出可能な範囲は３６０°であり、操舵軸の回転角度を全舵角範囲に亘って検出するためには、操舵軸が何回転目であるかを検出する検出手段が別途必要となるという問題がある。

本発明は斯かる事情に鑑みてなされたものであり、簡素な構成にて、回転トルクと共に回転軸の回転角度を複数回転に亘って検出することができるトルク検出装置を提供することを目的とする。

第１発明に係るトルク検出装置は、同軸的に連結された第１，第２軸と、該第１，第２軸夫々の回転に応じて周期的な信号を各出力する第１，第２出力手段とを備え、該第１，第２出力手段の出力信号に基づいて前記第１軸又は第２軸に加わる回転トルクを算出するトルク検出装置において、前記第１軸と同軸的に回転する回転体と、該回転体に前記第１軸の回転を減速伝達する減速手段と、前記第１，第２出力手段の出力信号に基づいて前記第１軸又は第２軸の回転角度を複数回転に亘って算出する算出手段とを備え、前記第１出力手段は、前記回転体の回転に応じて周期的な信号を出力するように構成してあることを特徴とする。

第２発明に係るトルク検出装置は、前記第１軸又は第２軸の複数回転に亘る回転角度と前記第１，第２出力手段の出力値との対応関係を夫々示す第１，第２参照テーブルを備え、前記算出手段は、前記第１，第２出力手段の出力値を前記第１，第２参照テーブルに夫々適用して複数の第１，第２候補角度を求め、求めた第１，第２候補角度の差が所定の範囲内にある角度を前記第１軸又は第２軸の回転角度として決定することを特徴とする。

第３発明に係るトルク検出装置は、前記第１，第２出力手段は、レゾルバであることを特徴とする。

第４発明に係るトルク検出装置は、前記減速手段は、前記第１軸に周設されたサンギヤと、該サンギヤと同軸をなし、内面に歯を有する固定リングギヤと、該固定リングギヤ及び前記サンギヤに夫々噛合する遊星ギヤとを備える遊星歯車減速機であり、前記回転体は、前記遊星ギヤのキャリアであることを特徴とする。

第１発明によれば、第１軸の回転を減速手段により回転体に減速伝達して、第１出力手段により回転体の回転に応じて周期的に変化する信号を出力し、第２出力手段により第２軸の回転に応じて周期的に変化する信号を出力するように構成してある。この結果、減速比を適宜選定することにより、第１，第２出力手段の出力信号に基づいて、第１軸又は第２軸に加わる回転トルクと共に第１軸又は第２軸の複数回転に亘る回転角度を簡素な構成にて検出することができ、また設置に要するスペースを削減することができる。

第２発明によれば、第１，第２出力手段の出力値を第１，第２参照テーブルに夫々適用して、回転軸の複数回転に亘る回転角度の範囲内における複数の第１，第２候補角度を求め、求めた第１，第２候補角度の差が所定の範囲内にある角度を前記第１軸又は第２軸の回転角度として決定しているから、減速比を適宜選定することにより、回転軸の回転角度を複数回転に亘って検出することができる。

第３発明によれば、第１，第２出力手段にレゾルバを用いているから、これらの出力信号に基づいて回転軸の回転角度を高精度に検出することができる。

第４発明によれば、回転体に回転軸の回転を減速伝達するための減速手段として、第１軸に周設されたサンギヤと、該サンギヤと同軸をなす固定リングギヤと、これらに夫々噛合する遊星ギヤとを備える遊星歯車減速機を採用しているから、安定した減速が可能となり、回転トルク及び回転角度を安定して高精度に検出することができる。また装置構成がコンパクトになる。

以下、本発明をその実施の形態を示す図面に基づいて詳述する。図１は、本発明に係るトルク検出装置の要部を示す縦断面図である。

本発明に係るトルク検出装置は、ハウジング１０に回転自在に支持される回転軸１を検出対象としており、回転軸１は、第１軸２と、第２軸３と、第１軸２及び第２軸３を同軸的に連結するトーションバー１１とからなる。トルク検出装置は、第１レゾルバ（第１出力手段）４と、第２レゾルバ（第２出力手段）５とを備えている。

図２は、図１のII−II線による横断面図であり、減速手段である遊星歯車減速機６の概略構成を示している。図２に示すように、遊星歯車減速機６は、サンギヤ６０と、固定リングギヤ６１と、両ギヤ６０，６１に夫々噛合する複数（図においては４つ）の遊星ギヤ６２，６２…とを備えている。

サンギヤ６０は、第１軸２に嵌着されており、第１軸２と一体的に回転する。固定リングギヤ６１は、内周面に歯が形成された内歯歯車であり、サンギヤ６０と同軸をなして、ハウジング１０に固設されている。サンギヤ６０と固定リングギヤ６１とは、第１軸２の軸長方向に整合するように配してある。遊星ギヤ６２，６２…は、円板形をなすキャリア６３の周方向に４等配されて、各別の軸回りに回転自在に取付けられている。

キャリア６３は、該キャリア６３の内周縁に連続し、軸長方向に同軸をなして延びる円筒部６３ａを備えている。円筒部６３ａには、第１レゾルバ４の回転子４０が外嵌固定してある。

第１レゾルバ４は、キャリア６３の回転に伴って回転する回転子４０と、回転子４０と軸長方向に整合するようにハウジング１０に固定された固定子４１とを備えている。

第２レゾルバ５は、第２軸３の回転に伴って回転する回転子５０と、回転子５０と軸長方向に整合するようにハウジング１０に固定された固定子５１とを備えている。第２レゾルバ５の回転子５０は、第２軸３の中途部に外嵌固定されている。

第１，第２レゾルバ４，５は、励磁巻線と出力巻線とを有し、回転子４０，５０の回転に応じて、固定子４１，５１に設けられた出力巻線により回転子４０，５０の回転角度の正弦に比例した信号及び余弦に比例した信号を出力するそれ自体公知の構成を有している。

以上の構成により、第１軸２が回転すると、遊星ギヤ６２，６２…は、夫々の軸回りに自転しつつ、固定リングギヤ６１が固定されていることにより、サンギヤ６０の周りを公転する。この結果、キャリア６３は、遊星ギヤ６２，６２…の公転と同じ角速度にて第１軸２周りを回転する。サンギヤ６０の歯数をＳ₁とし、固定リングギヤ６１の歯数をＳ₂としたとき、キャリア６３は、サンギヤ６０が１回転する間に、Ｓ₁／（Ｓ₁＋Ｓ₂）回転する。

第１，第２レゾルバ４，５により出力される信号（正弦波及び余弦波）は、図１に示すように算出部７へ与えられている。算出部７は、検出精度を均一化するために、第１，第２レゾルバ４，５により出力される信号を鋸歯形の信号波形に変換する変換回路を有している。算出部７は、これらの変換された出力信号に基づいて回転軸１に加わる回転トルクを算出し、また回転軸１の回転角度を複数回転に亘って算出する動作をなす。

図３は、回転軸１の回転角度と第１，第２レゾルバ４，５の出力値との関係を示す図である。図３（ａ）の横軸は第１軸２の回転角度を、縦軸は第１レゾルバ４の出力値を夫々示しており、図３（ｂ）の横軸は第２軸３の回転角度を、縦軸は第２レゾルバ５の出力値を夫々示している。

第１レゾルバ４により出力される信号は、遊星歯車減速機６により第１軸２の回転を減速伝達されたキャリア６３の回転に応じて生じる周期的な信号である。この結果、図３（ａ）に示すように、回転子４０が固定されたキャリア６３の１回転内に、第１レゾルバ４に設定された軸倍角と同数の波が周期的に現れる信号となり、第１軸２の１回転内に、軸倍角の数を遊星歯車減速機６の減速比により除算した数と同数の波が現れる信号となる。第２レゾルバ５により出力される信号は、図３（ｂ）に示すように、回転子５０が固定された第２軸３の１回転内に、第２レゾルバ５に設定された軸倍角と同数（図においては１個）の波が周期的に現れる信号となる。

なお、第１レゾルバ４の出力信号の周期と第２レゾルバ５の出力信号の周期との最小公倍数が、回転軸１の複数回転に亘る全検出範囲（本実施の形態においては１４４０°）以上になるように、第１，第２レゾルバ４，５の軸倍角及び遊星歯車減速機６の減速比が設定されている。更に、トーションバー１１が所定の角度（例えば、±６°）捩れた場合に、第１候補角度と第２候補角度との角度差が所定の角度差内になる第１候補角度と第２候補角度の組合せが一組のみ存在するように、第１，第２レゾルバ４，５の軸倍角及び遊星歯車減速機６の減速比が設定されている。

また、第１，第２レゾルバ４，５は、回転軸１の中立位置において、夫々Ｚ点が検出されるように位置決めして取付けられている。なお、第１，第２レゾルバ４，５の出力値により夫々求めた第１，第２候補角度が第１，第２軸２，３の回転角度であるか否かは、第１候補角度と第２候補角度との角度差が、トーションバー１１の所定の捩れ角度（例えば、±６°）と、第１，第２レゾルバ４，５の検出誤差とを考慮して決められた適宜の値以内であるか否かにより判断する。また、第１，第２レゾルバ４，５の検出誤差を小さくするために、第１，第２レゾルバ４，５の出力信号の周期は、トーションバー１１が所定の角度捩れた場合に、全検出範囲において第１，第２軸２，３の回転角度が一つに決まる条件下において可能な限り短い方が望ましい。

なお、図３の横軸の回転角度は、４回転目まで示しているが、これに限定されるものではない。また、図３では、鋸歯形の信号波形を示しているが、この信号波形は、センサの原信号波形を変換することで得られる波形であり、鋸歯形に限定されるわけではない。

算出部７は、図３（ａ）に示すような第１軸２の複数回転に亘る回転角度と第１レゾルバ４の出力値との対応関係を示す第１軸角度マップ（第１参照テーブル）と、図３（ｂ）に示すような第２軸３の複数回転に亘る回転角度と第２レゾルバ５の出力値との対応関係を示す第２軸角度マップ（第２参照テーブル）とを有している。第１，第２軸角度マップには、第１，第２軸２，３の回転角度に夫々対応する第１，第２レゾルバ４，５の出力値が、回転軸１の全検出範囲（本実施の形態においては４回転）に亘って記憶されている。

図４は、回転軸１に加わる回転トルク及び複数回転に亘る回転軸１の回転角度を算出する算出部７の処理手順を示すフローチャートである。算出部７は、第１，第２レゾルバ４，５の出力値Ｖ_a，Ｖ_bを所定のサンプリング周期にて夫々取込む（ステップＳ１，２）。

算出部７は、第１レゾルバ４の出力値Ｖ_aを第１軸角度マップに適用して第１候補角度θ_a（Ｍ）を求める（ステップＳ３）。第１候補角度θ_a（Ｍ）はｐ個のデータからなる（Ｍ＝１，２，…，ｐ）。次に、第２レゾルバ５の出力値Ｖ_bを第２軸角度マップに適用して第２候補角度θ_b（Ｎ）を求める（ステップＳ４）。第２候補角度θ_b（Ｎ）は、ｑ個のデータからなる（Ｎ＝１，２，…，ｑ）。

次に、算出部７は、Ｎ及びＭを夫々初期化し（Ｎ＝１，Ｍ＝１：ステップＳ５，６）、第１候補角度θ_a（Ｍ）と第２候補角度θ_b（Ｎ）との差Δθを算出する（ステップＳ７）。

算出部７は、Δθが所定値Ｃ以下か否かを判定し（ステップＳ８）、Δθが所定値Ｃ以下である場合（ステップＳ８：ＹＥＳ）、このときの第１候補角度θ_a（Ｍ）を第１軸２の回転角度、即ち回転軸１の回転角度として決定すると共に、Δθを用いて回転軸１に加わる回転トルクを算出する（ステップＳ９）。一方、Δθが所定値Ｃ以下でない場合（ステップＳ８：ＮＯ）、Ｍがｐと等しいか否かを判定する（ステップＳ１０）。なお、ステップＳ８の判定に用いる所定値Ｃは、トーションバー１１の所定の捩れ角度（例えば、±６°）と、第１，第２レゾルバ４，５の検出誤差とを考慮して決められた適宜の値である。

Ｍがｐより小さい場合（ステップＳ１０：ＮＯ）、Ｍに１を加算して（ステップＳ１１）、ステップＳ７に戻って一連の動作を繰り返す。一方、Ｍがｐに等しい場合（ステップＳ１０：ＹＥＳ）、Ｎがｑと等しいか否かを判定する（ステップＳ１２）。Ｎがｑより小さい場合（ステップＳ１２：ＮＯ）、Ｎに１を加算して（ステップＳ１３）、ステップＳ６に戻って一連の動作を繰り返す。Ｎがｑと等しい場合（ステップＳ１２：ＹＥＳ）、算出部７は、異常を報せる信号を出力して（ステップＳ１４）、第１軸２の回転角度を決定せずに終了する。

以上のように、算出部７は、複数の第１候補角度θ_a（Ｍ）と複数の第２候補角度θ_b（Ｎ）とを相互に比較して、両者の差が所定の範囲内にある第１候補角度θ_a（Ｍ）の角度を回転軸１の回転角度として決定し、また求めた角度差を用いて回転軸１に加わる回転トルクを算出する。

また、本実施の形態においては、第１軸２の回転角度と第１レゾルバ４の出力値との関係を示す第１軸角度マップを用いて、第１軸２の第１候補角度θ_a（Ｍ）を求めているが、これに限定されず、第１軸２の回転角度を第１レゾルバ４の出力値を変数とする関数により表し、この関数により第１軸２の第１候補角度θ_a（Ｍ）を求めてもよい。第２軸３の第２候補角度θ_b（Ｎ）についても同様に、マップではなく関数により求めるよう構成してもよい。

このように本発明に係るトルク検出装置においては、第１軸２の回転を遊星歯車減速機６によりキャリア６３に減速伝達して、第１レゾルバ４によりキャリア６３の回転に応じて周期的に変化する信号を出力し、第２レゾルバ５により第２軸３の回転に応じて周期的に変化する信号を出力するように構成してある。第１，第２レゾルバ４，５の出力値Ｖ_a，Ｖ_bを第１，第２軸角度マップに夫々適用して、第１，第２軸２，３の複数回転に亘る回転角の範囲内における複数の第１，第２候補角度θ_a（Ｍ），θ_b（Ｎ）を求め、求めた第１，第２候補角度θ_a（Ｍ），θ_b（Ｎ）の差が所定の範囲内にある角度を第１軸２又は第２軸３の回転角度として決定しているから、遊星歯車減速機６の減速比を適宜選定することにより、回転軸１に加わる回転トルクと共に回転軸１の複数回転に亘る回転角度を簡素な構成にて検出することができる。また設置に要するスペースを削減することができる

また、キャリア６３に第１軸２の回転を減速伝達するための減速手段として遊星歯車減速機６を採用しているから、安定した減速が可能となり、回転トルク及び回転角度を安定して高精度に検出することができ、また装置構成がコンパクトになる。

なお、前述した実施の形態において、第１，第２軸２，３の回転に応じて生じる周期的な信号を出力する第１，第２レゾルバ４，５を、夫々の軸２，３に設けているが、これに限定されず、第１軸２及び第２軸３の回転に応じて生じる周期的な信号を出力する適宜のセンサを夫々の軸２，３に設けるとしてもよい。

更に、前述した実施の形態においては、第１軸２の回転角度を回転軸１の回転角度として決定しているが、これに限定されず、第２軸３の回転角度を回転軸１の回転角度として決定してもよい。

なお、本発明に係るトルク検出装置は、回転軸に加わる回転トルクと共に回転軸の回転角度を検出することが要求される用途全般に適用可能であり、その他、特許請求の範囲に記載した事項の範囲内において種々変更した形態にて実施することが可能であることは言うまでもない。

以上のようなトルク検出装置は、電動パワーステアリング装置の操舵部材と舵取機構とを連結する操舵軸（回転軸）の中途に介装され、操舵部材に加えられる操舵トルクを検出するために用いることができる。電動パワーステアリング装置において、第２軸３の上端は、操舵部材に連結され、第１軸２の下端は、舵取機構に連結される。この結果、操舵部材に加わる操舵トルクは、第２軸３に作用し、前述したような第１軸２及び第２軸３間の相対角変位を生じさせることとなる。パワーステアリング装置において本発明に係るトルク検出装置を適用した場合、簡素な構成にて、設置に要するスペースを削減することができる。

本発明に係るトルク検出装置の要部を示す縦断面図である。図１のII−II線による横断面図である。回転軸の回転角度と第１，第２レゾルバの出力値との関係を示す図である。算出部の処理手順を示すフローチャートである。

符号の説明

１回転軸、２第１軸、３第２軸、４第１レゾルバ（第１出力手段）、５第２レゾルバ（第２出力手段）、６遊星歯車減速機（減速手段）、６０サンギヤ、６１固定リングギヤ、６２遊星ギヤ、６３キャリア（回転体）、７算出部（算出手段）

Claims

同軸的に連結された第１，第２軸と、該第１，第２軸夫々の回転に応じて周期的な信号を各出力する第１，第２出力手段とを備え、該第１，第２出力手段の出力信号に基づいて前記第１軸又は第２軸に加わる回転トルクを算出するトルク検出装置において、前記第１軸と同軸的に回転する回転体と、該回転体に前記第１軸の回転を減速伝達する減速手段と、前記第１，第２出力手段の出力信号に基づいて前記第１軸又は第２軸の回転角度を複数回転に亘って算出する算出手段とを備え、前記第１出力手段は、前記回転体の回転に応じて周期的な信号を出力するように構成してあることを特徴とするトルク検出装置。
前記第１軸又は第２軸の複数回転に亘る回転角度と前記第１，第２出力手段の出力値との対応関係を夫々示す第１，第２参照テーブルを備え、前記算出手段は、前記第１，第２出力手段の出力値を前記第１，第２参照テーブルに夫々適用して複数の第１，第２候補角度を求め、求めた第１，第２候補角度の差が所定の範囲内にある角度を前記第１軸又は第２軸の回転角度として決定する請求項１記載のトルク検出装置。
前記第１，第２出力手段は、レゾルバである請求項１又は請求項２記載のトルク検出装置。
前記減速手段は、前記第１軸に周設されたサンギヤと、該サンギヤと同軸をなし、内面に歯を有する固定リングギヤと、該固定リングギヤ及び前記サンギヤに夫々噛合する遊星ギヤとを備える遊星歯車減速機であり、前記回転体は、前記遊星ギヤのキャリアである請求項１乃至請求項３のいずれか一つに記載のトルク検出装置。