JP2011089838A - 光学式トルクセンサ - Google Patents

Abstract

【課題】構造が簡単で組み立てが容易な光学式トルクセンサを提供する。
【解決手段】回転トルクに応じて捩れ変形するトーションバー２の軸方向に光を出射する発光器３と、発光器３からの光が入射される反射器４と、反射器４で反射された光を受光する受光器５と、発光器３から反射器４までの間の光軸上に位置し、トーションバー２の捩れ角に応じて透過光量が変化する透過光量可変機構６とを備えた。
【選択図】図１

Description

本発明は、構造が簡単で組み立てが容易な光学式トルクセンサに関する。

自動車のステアリングシャフトには、回転トルクに応じて捩れ変形するトーションバーが使用されており、ステアリングホイールが回転操作されるとトーションバーに加わった回転トルクがトルクセンサで測定され、これに応じてアクチュエータから回転操作支援力が発生されるようになっている。

従来、トーションバーの回転トルクを測定する方法として、トーションバーの入力軸と出力軸にそれぞれ検知リングを取り付け、これら検知リングを囲むように検知コイルを配置することで、トーションバーの捩れに伴う２つの検知リングの周方向の相対変位を、検知コイルのインピーダンス変化としてトーションバーの捩れ角を取り出し、回転トルクを測定する方法（特許文献２）がある。

また、コイルから与えた磁界がトーションバーの捩れによって変化するように構成し、ホールＩＣ等の磁気センサで検出される磁界の強さからを検出することでトーションバーの捩れ角を取り出し、回転トルクを測定する方法がある。

特開２００９−１１３５３６号公報 特開２００４−１１４７０７号公報 特開２００２−７１４８０号公報

インピーダンスの変化や磁界の変化から得られる電気信号（電流又は電圧）の変化は微小である。輻射ノイズが検知コイルや磁気センサの電気信号に重畳されると、電気信号から求められる回転トルクに誤差が生じるため、回転操作支援力が正しく得られないことがある。

これに対して、特許文献３のように光学センサを採用することにより、輻射ノイズの影響は緩和できる。しかし、特許文献３では、捩れに応じて光反射に変化が生じるように、トーションバー自体に周方向に等間隔の溝部を形成している。一般にトーションバーには鋼管が使用されており、鋼管製のトーションバーにセンサの一部として機能するような精密な溝部を形成することはコスト上昇を招く。また、発光器からの光がトーションバーで反射して受光器に入射するためには、発光器、受光器の光軸をトーションバーの中心に向くよう合わせる必要があるが、この光軸合わせは容易でない。

そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、構造が簡単で組み立てが容易な光学式トルクセンサを提供することにある。

上記目的を達成するために本発明は、回転トルクに応じて捩れ変形するトーションバーの軸方向に光を出射する発光器と、前記発光器からの光が入射される反射器と、前記反射器で反射された光を受光する受光器と、前記発光器から前記反射器までの間の光軸上に位置し、前記トーションバーの捩れ角に応じて透過光量が変化する透過光量可変機構とを備えるものである。

前記透過光量可変機構は、前記トーションバーに取り付けられ、前記トーションバーの回転方向に沿って径方向開口幅が変化するスリットを有する遮蔽板を備えてもよい。

前記透過光量可変機構は、前記トーションバーに取り付けられ、所定の光透過率を有する材料からなり、前記トーションバーの回転方向に沿って厚みが変化する厚み変化部を有する遮蔽板を備えてもよい。

前記発光器は、前記トーションバーに取り付けられた発光器取付板に取り付けられ、前記反射器と前記受光器は、前記透過光量可変機構を挟んで前記発光器取付板とは反対側で、前記トーションバーに取り付けられた反射器受光器取付板に取り付けられてもよい。

本発明により、光学式トルクセンサの構造が簡単で組み立てが容易となる。

本発明の一実施形態を示す光学式トルクセンサの概略構成図である。 本発明の光学式トルクセンサにおけるスリットを用いた光学系の構成図である。 本発明の光学式トルクセンサにおける厚み変化部を用いた光学系の構成図である。

以下、本発明の一実施形態を添付図面に基づいて詳述する。

図１に示されるように、本発明に係る光学式トルクセンサ１は、回転トルクに応じて捩れ変形するトーションバー２の軸方向に光を出射する発光器３と、発光器３からの光が入射される反射器４と、反射器４で反射された光を受光する受光器５と、発光器３から反射器４までの間の光軸上に位置し、トーションバー２の捩れ角に応じて透過光量が変化する透過光量可変機構６とを備える。

トーションバー２は、ステアリングホイール（図示せず）に連結された入力軸７に一端が固定され、タイヤ（図示せず）に間接的に連結された出力軸８に他端が固定される。入力軸７は、軸受け９，１０を介して回転可能にハウジング１１に支持される。出力軸８は、一端が軸受け１２を介して回転可能にハウジング１１に支持される。

この実施形態では、光学式トルクセンサ１は、トーションバー２の軸方向の異なる位置に、それぞれトーションバー２と同軸に取り付けられた４枚の同じ直径の円盤状プレート１３〜１６を備える。各円盤状プレート１３〜１６の中心には、トーションバー２に嵌め込むための嵌め込み穴１７（図２参照）が形成される。各円盤状プレート１３〜１６は、トーションバー２に固定される。

入力軸７に最も近く配置される円盤状プレート１３は、発光器３が取り付けられた発光器取付板１３である。発光器取付板１３の次に配置される２枚の円盤状プレート１４、１５は、透過光量可変機構６を構成する第一遮蔽板１４、第二遮蔽板１５である。入力軸７から最も遠く配置される円盤状プレート１６は、反射器４と受光器５が取り付けられた反射器受光器取付板１６である。このように、反射器受光器取付板１６は、透過光量可変機構６を挟んで発光器取付板１３とは反対側に配置される。

図２に詳しく示されるように、発光器３は、発光器取付板１３の下面（第一遮蔽板１４に臨む面）に、中心軸から所定距離の位置に、光の出射方向を下に向けて取り付けられる。発光器３は、後述するスリット幅の最大幅と最小幅の中間幅と同等かそれより大きいスポット幅を有する。

反射器４は、反射器受光器取付板１６の上面（第二遮蔽板１５に臨む面）に、中心軸から発光器３と同じ距離の位置に、光の入射方向を上に向けて取り付けられる。反射器４は、発光器３が相対的に回転移動したときの出射光が全て反射器４に入射されるよう、周方向に所定の長さを有する。

受光器５は、反射器受光器取付板１６の上面に、反射器４に対して受光面を臨ませて取り付けられる。

反射器４の反射面形状と受光器５の配置は相対的な関係にある。例えば、反射器４による光の反射方向が発光器３の回転移動位置によらず反射器受光器取付板１６の上面と平行でかつ反射器受光器取付板１６の中心軸に向かう方向となるよう、反射器４の反射面が周方向にわたり反射器受光器取付板１６の上面と４５°をなす円錐面に形成されているとすると、受光器５は、反射器４より中心軸に近い位置に受光面を反射器４に向けて取り付けられる。この構成により、透過光量可変機構６を除外した場合、発光器３の相対回転位置によらず、発光器３からの光が受光器５に同じ光量で入射することになる。

透過光量可変機構６を構成する第一遮蔽板１４と第二遮蔽板１５には、中心軸から発光器３と同じ距離の位置に、周方向に沿って径方向開口幅が変化するスリット１８、１９がそれぞれ形成される。ここで回転方向に角度θを定義すると、第一遮蔽板１４のスリット１８は、角度θが最大のスリット端部でスリット幅（径方向幅をいう）が最大となり、角度θが小さくなるにつれてスリット幅が減少し、角度θが最小のスリット端部でスリット幅が最小となるように形成される。一方、第二遮蔽板１５のスリット１９は、角度θが最大のスリット端部でスリット幅が最小となり、角度θが大きくなるにつれてスリット幅が増加し、角度θが最小のスリット端部でスリット幅が最大となるように形成される。スリット１８の両端部間の開き角度はスリット１９の両端部間の開き角度と同じであり、スリット１８、１９は各々の両端部同士が上下に重なるように配置される。両スリット１８、１９の両端部間の開き角度の中心角位置を角度θの原点と定義する。

次に、光学式トルクセンサ１の動作を説明する。

ステアリングホイールの回転操作により入力軸７が回転される。このときタイヤの接地摩擦などにより出力軸８は回転に抵抗するので、トーションバー２に捩れトルクが加わり、トーションバー２は捩れる。これに伴い、トーションバー２の軸方向の異なる位置に取り付けられた発光器取付板１３、第一遮蔽板１４、第二遮蔽板１５、反射器受光器取付板１６は、それぞれ異なる角度回転する。ここでは、説明を簡単にするため、反射器受光器取付板１６に対して第一遮蔽板１４と第二遮蔽板１５は回転せず、発光器取付板１３のみが回転するものとする。このとき、発光器取付板１３の回転に伴い、発光器３が回転移動する。

すでに述べたように、透過光量可変機構６を除外した場合、発光器３の回転位置によらず、発光器３から出射された光は反射器４で反射されて受光器５に同じ光量で入射する。しかし、光学式トルクセンサ１では透過光量可変機構６が存在するため、発光器３から出射された光は 、第一遮蔽板１４のスリット１８と第二遮蔽板１５のスリット１９を順に通過する。このとき、発光器３が原点から角度θの大きい方向に回転すると、発光器３の出射光軸はスリット１８のスリット幅が大きいほうへ移動するものの、同時にスリット１９のスリット幅が小さいほうへ移動するので、スリット１９によって光が絞られる。逆に、発光器３が原点から角度θの小さい方向に回転すると、発光器３の出射光軸はスリット１８のスリット幅が小さいほうへ移動するので、スリット１８によって光が絞られる。したがって、受光器５で受光される光の光量は、発光器３が原点にあるとき最大となり、発光器３が原点からずれていくと小さくなり、発光器３の回転角度θが最大又は最小のとき最小となる。

これにより、受光器５で受光される光の光量から発光器３の回転角度θが検出できる。なお、第一遮蔽板１４のみ使用し第二遮蔽板１５は使用しない場合、あるいは第一遮蔽板１４は使用せず第二遮蔽板１５のみ使用する場合でも、発光器３の回転角度θに応じた光量変化は得られるが、本実施形態の構成により、受光光量が最大になったことをもって、発光器３が原点にあることを特定できる。

以上の説明は、反射器受光器取付板１６に対して第一遮蔽板１４と第二遮蔽板１５は回転せず、発光器取付板１３のみが回転するものとしたが、実際には第一遮蔽板１４と第二遮蔽板１５はトーションバー２の捩れに応じてそれぞれ回転する。しかし、この場合でも、受光器５で受光される光の光量は、発光器３の光軸とスリット１８とスリット１９の位置関係に応じるのであり、スリット１８とスリット１９による透過面積に依存することになる。トーションバー２の単位長さにおける捩れ量に対する受光器５の受光光量の比例関係はあらかじめ分かるので、受光光量から捩れ量を求めることができ、この捩れ量とトーションバー２の剛性（弾性係数）とからトーションバー２に加わる捩れトルクを算出することができる。

本発明の光学式トルクセンサ１によれば、光学的に回転角度を検出するので、輻射ノイズの影響をなくすることができる。

本発明の光学式トルクセンサ１によれば、トーションバー２自体に溝部などの加工をする必要がなく、従来からあるトーションバー２に、円盤状プレート１３〜１６を取り付ける程度なので、構造が簡素で組み立てが容易であり、コストも低く抑えられる。

本発明の光学式トルクセンサ１によれば、発光器３から反射器４までの光軸がトーションバー２の軸方向に向いているので、従来技術に比べて発光器３、スリット１８、スリット１９、反射器４、受光器５の光軸合わせが容易である。

本発明の光学式トルクセンサ１によれば、透過光量可変機構６を構成する第一遮蔽板１４、第二遮蔽板１５だけでなく、発光器取付板１３、反射器受光器取付板１６もトーションバー２に取り付けられるので、発光器３、スリット１８、スリット１９、反射器４、受光器５からなる光学系部材が全てトーションバー２に対して組み付けられることになり、ハウジング１１に収納する前の段階で光軸が合っているかどうかの検査が可能となる。

本発明の光学式トルクセンサ１によれば、トーションバー２の捩れにより回転移動する発光器３、スリット１８、スリット１９、反射器４がトーションバー２の外周より径の大きい位置に配置されるので、トーションバー２の外周面よりも変位を拡大して捉えることができる。

次に、図３に示した光学式トルクセンサ３１は、発光器取付板１３と反射器受光器取付板１６については図１、図２の光学式トルクセンサ１と同じであり、透過光量可変機構６についてのみ構成が異なる。

この透過光量可変機構６は、発光器取付板１３と反射器受光器取付板１６との間に、これらと同軸にトーションバー２に取り付けられた同じ直径の１枚の遮蔽板３２を備える。遮蔽板３２は、所定の光透過率を有する材料からなる。遮蔽板３２には、前述のスリット１８、１９に相当する位置に、トーションバー２の回転方向に沿って厚みが変化する厚み変化部３３を有する。

厚み変化部３３は、角度θが最大の端部で厚みが最大となり、角度θが小さくなるにつれて厚みが減少し、角度θが原点にて厚みが最小となり、さらに角度θが小さくなると厚みが増加に転じ、角度θが最小の端部で厚みが最大となるように形成される。

光学式トルクセンサ３１においても、透過光量可変機構６を除外した場合、発光器３の相対回転位置によらず、発光器３からの光が受光器５に同じ光量で入射するようになっている。透過光量可変機構６を構成する遮蔽板３２では、トーションバー２の捻りに応じて発光器３の出射光軸が厚み変化部３３を周方向に移動すると、これに応じて透過光量が変化する。このためトーションバー２が捩れると、受光器５における受光光量が変化する。トーションバー２の単位長さにおける捩れ量に対する受光器５の受光光量の比例関係はあらかじめ分かるので、受光光量から捩れ量を求めることができ、この捩れ量とトーションバー２の剛性（弾性係数）とからトーションバー２に加わる捩れトルクを算出することができる。

これまでの実施形態では、発光器３、反射器４、受光器５がトーションバー２に取り付けられた円盤状プレート１３、１６に取り付けられるものとしたが、発光器３、反射器４、受光器５はハウジング１１に取り付けてもよく、発光器３から反射器４までの間の光軸上で透過光量可変機構６によって透過光量が変化すればよい。

これまでの実施形態では、受光器５が反射器４と共に反射器受光器取付板１６に取り付けられるものとしたが、受光器５は別途の円盤状プレートに取り付けてもよく、あるいは受光器５を発光器取付板１３に取り付けてもよく、このような受光器５の配置に応じて反射器４の反射面を形成すればよい。

図１の実施形態では、透過光量可変機構６は、２枚の円盤状プレート（第一遮蔽板１４と第二遮蔽板１５）にスリット１８とスリット１９を形成したが、１枚の円盤状プレートにスリットを形成しても本発明は実施できる。

１、３１ 光学式トルクセンサ
２ トーションバー
３ 発光器
４ 反射器
５ 受光器
６ 透過光量可変機構
１３ 発光器取付板
１４ 第一遮蔽板
１５ 第二遮蔽板
１６ 反射器受光器取付板
３２ 遮蔽板
３３ 厚み変化部

Claims (4)

1. 回転トルクに応じて捩れ変形するトーションバーの軸方向に光を出射する発光器と、前記発光器からの光が入射される反射器と、前記反射器で反射された光を受光する受光器と、前記発光器から前記反射器までの間の光軸上に位置し、前記トーションバーの捩れ角に応じて透過光量が変化する透過光量可変機構とを備えることを特徴とする光学式トルクセンサ。
2. 前記透過光量可変機構は、前記トーションバーに取り付けられ、前記トーションバーの回転方向に沿って径方向開口幅が変化するスリットを有する遮蔽板を備えることを特徴とする請求項１記載の光学式トルクセンサ。
3. 前記透過光量可変機構は、前記トーションバーに取り付けられ、所定の光透過率を有する材料からなり、前記トーションバーの回転方向に沿って厚みが変化する厚み変化部を有する遮蔽板を備えることを特徴とする請求項１記載の光学式トルクセンサ。
4. 前記発光器は、前記トーションバーに取り付けられた発光器取付板に取り付けられ、前記反射器と前記受光器は、前記透過光量可変機構を挟んで前記発光器取付板とは反対側で、前記トーションバーに取り付けられた反射器受光器取付板に取り付けられることを特徴とする請求項１〜３いずれか記載の光学式トルクセンサ。

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