JP2012103003A - トルクセンサ - Google Patents

Abstract

【課題】簡素な構成でありながら、温度ドリフトの補償性能にも優れ、故障診断機能も具備したトルクセンサを提供する。
【解決手段】所定の励磁用交流信号を直流接続された２つのコイル１１、１２に印加し、該２つのコイルから生じる１つのコイル出力交流信号を、コイル等の故障若しくは異常に応答する直流電圧によりオフセットすることで、故障情報をコイル出力信号中の直流電圧成分に含める。この直流電圧成分を検出し、故障診断用のオフセット電圧として生成する。また、励磁用交流信号のピークレベルをチェックするために、該ピークレベルに相当する直流電圧をオフセット電圧に含めてよい。コイル検出出力交流電圧成分と基準交流電圧成分との差を求める回路において、求めた差信号を前記オフセット電圧でオフセットした出力を生じる。こうして、故障情報としてのオフセット電圧を含む差信号がトルク検出信号としてトルク測定用の回路に伝送される。
【選択図】図１

Description

この発明は２軸間の相対的回転位置を検出するトルクセンサに関し、例えば自動車のパワーステアリング軸に負荷されるねじり負荷を検出するためのトルクセンサとしての用途に適したものである。

トーションバーを介して連結された入力軸及び出力軸に発生するトルクを、該入力軸及び出力軸間のねじれ量（相対回転位置）として検出するトルクセンサが公知である。例えば、下記特許文献１では、円周方向に複数の開口窓を２列で設けたアルミニウム製の円筒体をそれぞれ入力軸及び出力軸に取り付け、両円筒体における２列の開口窓列が互いに重なり合うように配置し、各開口窓列に対応して検出コイルをそれぞれ配置し、ねじれ量（相対回転位置）に応じた各列における開口窓の重なりの変化を検出コイルで検出するようにしている。しかし、特許文献１のトルクセンサは、コイルを含むセンサ構成部品の温度ドリフト特性補償対策が不十分であるため、検出精度を出しにくく、また、検出出力信号のダイナミックレンジを大きくとることもできず、更に、センサ構成部品の故障時の対策も不十分であった。

下記特許文献２においては、トルクセンサにおいて温度補償用抵抗（サーミスタ等）を検出コイルに直列に設けることで検出コイルの温度ドリフト特性補償を行うようにしたことが示されている。また、検出コイルの出力交流電圧と励磁用交流電圧の位相を合わせた上でその差を差動増幅回路で求め、その差電圧をピーク位置でサンプルホールドすることにより、検出したトルクに応じたアナログ直流電圧を得るようにしたことが示されている。しかし、これでも検出出力信号のダイナミックレンジを十分に大きくとることができず、限界があった。例えば、差動増幅回路の増幅率を上げることで見掛け上ダイナミックレンジを大きくしようとした場合、Ｓ／Ｎ比が問題となるので好ましくない。また、サンプルホールド制御用のサンプリングパルスを生成するためのサンプリングパルス発生回路は励磁用交流電圧をアナログ処理するように構成されているので、そのアナログ回路部分で温度ドリフト特性を持ってしまい、検出精度に悪影響を与えるおそれがあった。

一方、下記特許文献３〜５においては、故障診断機能を備えたトルクセンサが示されている。これらの従来技術においては、検出コイルの出力交流信号の位相あるいはその直流成分のいずれか一方から、断線、半断線等の故障、異常等を検出するようにしている。しかし、検出コイルの出力交流信号の位相及びその直流成分の両方を考慮した総合的な故障診断機能を簡便な構成で具備することが望まれている。

しかし、従来技術においては、各種のタイプの故障診断が個別の診断用回路を用いて行われていたため、極端な場合は、個々のタイプの故障検知信号別に、個別の配線を介して診断結果を中央の制御装置（例えば自動車におけるＥＣＵ）に通知しなければならず、配線数が増してしまう。例えば、検出コイルの出力交流信号の直流成分を考慮した故障診断にあっては、従来技術では、出力交流信号をローパスフィルタすることでその直流電圧成分を取り出し、取り出した直流電圧成分を評価するようにしていた。そのため、センサ部から中央の制御装置に対する出力ラインとして、出力交流信号ラインとは別に、ローパスフィルタから出力した直流電圧成分のラインを設ける必要があり、伝送線の配線数が増す、という問題があった。

特開平８−１１４５１８号 特許第３５８８６８４号 特許第３５８９０５３号 特許第３６４９０５７号 特許第４０４３１１６号

この発明は上述の点に鑑みてなされたもので、簡素な構成でありながら、温度ドリフトの補償性能にも優れ、故障診断機能も具備したトルクセンサを提供しようとするものである。また、直流電圧成分に基づき精度のよい故障診断を行えるトルクセンサを提供しようとするものであり、特に、直流電圧成分に基づく故障診断情報あるいは励磁信号振幅異常に基づく故障診断情報を少ない伝送線数で実現できるトルクセンサを提供しようとするものである。更に、検出出力信号のダイナミックレンジを大きくとれるように構成することで検出精度を向上させた、トルクセンサを提供しようとするものである。

本発明に係るトルクセンサは、トーションバーを介して連結された第１及び第２の回転軸に発生するトルクを検出するトルクセンサであって、直列接続された２つのコイル、前記第１の回転軸に連結された第１の磁気応答部材、前記第２の回転軸に連結された第２の磁気応答部材を含み、前記第１及び第２の回転軸の相対的回転位置に応答してインピーダンス変化を該コイルに生じさせるように前記第1及び第２の磁気応答部材を構成したセンサ部と、ここで、該センサ部は前記直列接続された２つのコイルから１つのコイル出力交流信号を生じるものであり、所定の励磁用交流信号を前記コイルに印加するコイル駆動回路と、前記コイル出力交流信号に含まれる検出出力交流電圧成分と前記励磁用交流信号に基づく基準交流電圧成分との差を求める第１回路と、前記コイル出力交流信号に含まれる検出出力交流電圧成分と前記励磁用交流信号に基づく基準交流電圧成分との差を、前記第１回路における差演算とは逆極性で、求める第２回路と、前記コイル出力交流信号に含まれる直流電圧成分及び前記励磁用交流信号のピーク振幅値に相当する直流電圧の少なくとも一方に対応する電圧を、故障診断用のオフセット電圧として生成するオフセット電圧生成回路と、前記第１回路の出力を第１の直流電圧でオフセットしてメイントルク検出信号を出力し、前記第２回路の出力を第２の直流電圧でオフセットしてサブトルク検出信号を出力する第１及び第２の増幅回路と、ここで、前記第１の直流電圧及び第２の直流電圧の少なくとも一方が前記オフセット電圧生成回路から生成された前記オフセット電圧であり、前記メイントルク検出信号又はサブトルク検出信号に含まれる交流成分の振れ幅を検出することにより、前記コイルの前記インピーダンス変化に応答する検出データをトルク検出データとして取得するトルク検出部と、前記オフセット電圧でオフセットされた前記メイントルク検出信号又はサブトルク検出信号に関して、該信号中の交流成分の振れの中心に相当する電圧を前記オフセット電圧として抽出するオフセット電圧抽出部と、前記抽出したオフセット電圧に基づいて、前記コイル出力交流信号に含まれる直流電圧成分及び前記励磁用交流信号のピーク振幅値に相当する直流電圧の少なくとも一方に関する故障の有無を判定する故障診断部とを具備することを特徴とする。

本発明によれば、所定の励磁用交流信号を直列接続された２つのコイルに印加し、該直列接続された２つのコイルから生じる１つのコイル出力交流信号を、コイルの断線、半断線等の故障若しくは異常等に応答する直流電圧（オフセット電圧）によりオフセットして、トルク検出信号（メイントルク検出信号又はサブトルク検出信号）として出力する。例えば、コイルの断線、半断線等の故障がなければ、コイル出力交流信号中の直流電圧成分は変動が生じないが、断線、半断線等の故障が起きた場合は、それに応じてコイル出力交流信号中の直流電圧成分は変動する。オフセット電圧生成回路において、そのようなコイルの出力に含まれる直流電圧成分を、故障診断用のオフセット電圧として生成することで、該オフセット電圧によってコイルの断線、半断線等の故障を知らせることができる。一方、励磁用交流信号のレベル（ピーク振幅値）の変動をチェックすることも、故障診断にとっては重要である。従って、オフセット電圧生成回路において、励磁用交流信号のピーク振幅値に相当する直流電圧を、故障診断用のオフセット電圧に含めて生成することで、該オフセット電圧によって励磁用交流信号のレベル（ピーク振幅値）の変動として顕在化する故障を知らせることができる。

一方、コイル出力交流信号に含まれる検出出力交流電圧成分と励磁用交流信号に基づく基準交流電圧成分との差を求めることで、トルク検出信号のダイナミックレンジを拡張することは既に公知である。本発明においても、そのように有利な第１回路及び第２回路を使用して、メインとサブそれぞれのトルク検出信号を得るようにしている。その場合において、本発明が特徴とするところは、上記のように生成した故障診断用のオフセット電圧を、第１回路及び第２回路で求めた検出出力交流電圧成分と基準交流電圧成分との差信号に組み込む、つまり、該差信号をオフセット電圧でオフセットした点にある。こうして得られる差信号（メイントルク検出信号及びサブトルク検出信号の一方）は１つの信号でありながら、交流成分の振幅レベル（ピーク振幅値）成分において検出対象たるトルクを示す情報を含んでおり、かつ、オフセット電圧成分において上述した故障情報を含んでいる。

かくして、本発明によれば、第１又は第２回路から出力される１つの差信号（メイントルク検出信号及びサブトルク検出信号の一方）の中に、トルク検出情報と、直流成分の変動として顕在化する故障情報とを含ませることができる。従って、トルク検出情報と故障情報を含むトルク検出信号を伝送できることになり、極めて簡素化された配線構成からなるものでありながら、高度の故障診断機能を持つトルクセンサを提供することができる、という優れた効果を奏する。しかも、上述のように、第１又は第２回路はダイナミックレンジを拡張したトルク検出信号を提供するので、検出精度を向上させたトルクセンサを提供することができる。かつ、直列接続された２つのコイルから１つのコイル出力交流信号を生じさせる（２つのコイルの中点からコイル出力交流信号を出力する）ことで、温度ドリフト補償したコイル出力信号を生成することができ、これによっても、検出精度を向上させたトルクセンサを提供することができる。

本発明に係るトルクセンサの一実施例を示す回路図。

図１におけるセンサ部の機構の一例を示す一部断面側面図。

トルク検出処理及び故障診断処理の動作例を説明するためのタイムチャート。

図１におけるマイクロコンピュータが実行するトルク検出処理の一例を示すフローチャート。

第１（メイン）及び第２（サブ）のトルク検出データの値と検出トルク（相対回転位置）との間の相関関係の一例を示すグラフ。

図１におけるマイクロコンピュータが実行するオフセット電圧抽出処理の一例を示すフローチャート。

図１におけるマイクロコンピュータが実行する故障診断処理の一例を示すフローチャート。

以下、添付図面を参照してこの発明の実施の形態を詳細に説明する。
図１は、本発明に係るトルクセンサの一実施例を示す回路図である。トルクセンサは、センサ部１０と、該センサ部１０に近接配置された第１回路部２０と、これらのセンサ部１０及び第１回路部２０から離隔して配置される第２回路部３０とで構成される。

図２は、センサ部１０の機構の一例を示す一部断面側面図である。この実施例に係るトルクセンサは、自動車のステアリングシャフトのトーションバーに負荷されるねじれトルクを検出する。公知のように、ステアリングシャフトにおいては入力軸（第１の回転軸）１と出力軸（第２の回転軸）２とがトーションバー（図示せず）を介して連結されている。入力軸１及び出力軸２はトーションバーによるねじれ変形の許す限りの限られた角度範囲（例えば最大でも＋６度〜−６度程度の範囲）で相対的に回転しうる。センサ部１０は、トーションバーの周囲に設置される。センサ部１０は、第１のコイル１１、第２のコイル１２、入力軸（第１の回転軸）１に連結された第１の磁気応答部材３、出力軸（第２の回転軸）２に連結された第２の磁気応答部材４を含む。第１及び第２の磁気応答部材３，４は、例えば、円筒形状を成した良導電性かつ非磁性（反磁性）の材質（例えば、アルミニウムあるいは銅など）からなり、それぞれ、円周方向に沿って所定ピッチ（角度）で複数の開口窓３ａ，３ｂ，４ａ，４ｂを２列備えている。

図示のよう組み立てられた状態において、第１の磁気応答部材３の円筒と第２の磁気応答部材４の円筒とが重なり合い、該円筒の重なり合いの内側にトーションバー（図示せず）が位置する。第１の磁気応答部材３の開口窓３ａの列と第２の磁気応答部材４の開口窓４ａの列とが重複し、その周りに第１のコイル１１が配置される。また、第１の磁気応答部材３の開口窓３ｂの列と第２の磁気応答部材４の開口窓４ｂの列とが重複し、その周りに第２のコイル１２が配置される。第１の磁気応答部材３の円筒と第２の磁気応答部材４の円筒との相対的回転位置つまりトーションバーのねじれ角に応じて、各列における開口窓３ａ，４ａ，３ｂ，４ｂの重なり具合が変化する。開口窓３ａと４ａ（又は３ｂと４ｂ）が全く重なっていない状態では、コイル１１（又は１２）の内周はすべて磁気応答部材３（又は４）の円筒材質で覆われ、渦電流損失が最大となり、該コイル１１（又は１２）のインダクタンス（インピーダンス）は最小となる。逆に、開口窓３ａと４ａ（又は３ｂと４ｂ）が完全に重なっている状態では、コイル１１（又は１２）の内周を覆う磁気応答部材３（又は４）の円筒材質の面積は最小となるので渦電流損失が最小となり、かつ、該重なった開口の空間を介して内側のトーションバー（磁性体）に対する磁気結合が最大となるので、該コイル１１（又は１２）のインダクタンス（インピーダンス）は最大となる。

一方、各列における開口窓３ａ，４ａ，３ｂ，４ｂの重なり具合の変化は互いに逆特性となるように、開口窓の配置を適切にずらして設定している。例えば、第１の磁気応答部材３においては、開口窓３ａの列（第１の列）と、開口窓３ｂの列（第２の列）とは、開口窓の繰り返しサイクルに関して、丁度の１／２サイクルの位相ずれを持つように開口窓列を形成（配置）する。その場合、第２の磁気応答部材４においては、開口窓４ａの列（第１の列）と、開口窓４ｂの列（第２の列）とは、開口窓の繰り返しサイクルに関して、丁度、同相となるように開口窓列を形成（配置）する。また、トーションバーのねじれ角が０の状態において、図示例のように、第１の列における開口窓３ａ，４ａの重なり具合は丁度半分となり、第２の列における開口窓３ｂ，４ｂの重なり具合も丁度半分となるように、各開口窓列を形成（配置）する。ねじれ角が０の状態から、時計方向にねじれ角が生じると、例えば、第１の列における開口窓３ａ，４ａの重なり具合が増大してそれに対応する第１のコイル１１のインダクタンス（インピーダンス）が増加するのに対して、第２の列における開口窓３ｂ，４ｂの重なり具合が減少してそれに対応する第２のコイル１２のインダクタンス（インピーダンス）が減少する。また、ねじれ角が０の状態から、反時計方向にねじれ角が生じると、第１の列における開口窓３ａ，４ａの重なり具合が減少してそれに対応する第１のコイル１１のインダクタンス（インピーダンス）が減少するのに対して、第２の列における開口窓３ｂ，４ｂの重なり具合が増加してそれに対応する第２のコイル１２のインダクタンス（インピーダンス）が増加する。

このように、センサ部１０においては、入出力軸（第１及び第２の回転軸）１，２の相対的回転位置に応答して互いに逆特性のインピーダンス変化を該第１及び第２のコイル１１，１２に生じさせるように、第１及び第２の磁気応答部材３，４を構成しかつ該第１及び第２のコイル１１，１２を配置している。なお、このようなセンサ部１０の構成それ自体は、特開平８−１１４５１８号その他で公知である。よって、センサ部１０の具体的構成は、図示の例に限らず、検出すべきトルク（ねじれ角）に対して逆特性の２つの出力を生じさせることのできる構成であれば、どのような構成であってもよい。

図１に戻り、センサ部１０内において、前記第１のコイル１１と第２のコイル１２とは直列接続されており、第１のコイル１１と第２のコイル１２との接続点Ｓ（中点）からコイル出力交流電圧を取り出すようになっている。また、第１のコイル１１と第２のコイル１２とは近接して配置されて互いが同じ温度環境におかれるため、コイル１１，１２それぞれで生じうる温度ドリフトによるインピーダンス変化特性は同じとなる。直列接続されたコイル１１，１２のインピーダンスの分圧比に応じて取り出されるコイル出力交流電圧においては、分圧比の分子と分母に温度ドリフトによるインピーダンス変化分がそれぞれ含まれるので該温度ドリフトによるインピーダンス変化分が相殺又は除去されることになる。このように、センサ部１０は簡単な構成であるにも関わらず、コイル１１，１２の温度ドリフト特性を補償するのに都合がよいものとなっている。図２において、第１回路部２０内の各回路を搭載した回路基板がセンサ部１０のケーシング１６内の基板収納スペース１５内に収納され、合成樹脂によってモールドされている。センサ部１０と検出回路部２０との間を接続する電気配線を着脱するために、センサ部１０のケーシング１６にはコネクタ１７が設けられている。

ケーシング１６の側（センサ部１０及び第１回路部２０の側）と第２回路部３０との間を接続する伝送線（電気配線）は、コイル励磁用交流信号供給ライン１８ａ、メイン検出出力ライン１８ｂ、サブ検出出力ライン１８ｃ、直流電源ライン１８ｄ、アースライン１８ｅからなる。

第２回路部３０は、自動車のＥＣＵ（電子制御装置）に相当し、ＥＣＵのプリント回路基板上に搭載されたマイクロコンピュータ３１と周辺回路素子とを含んでいる。マイクロコンピュータ３１は、内部クロックに基づき所定の交流周波数の信号波形Ａをデジタル的に発生するように構成されている。一例として、マイクロコンピュータ３１が持つクロック発生機能を使用して、センサ部１０のコイル１１、１２を励磁するための交流信号の所望周波数に等しいクロック信号（例えばデューティ比５０％）を信号波形Ａとして発生し、出力ポートから出力する。クロック信号波形Ａはオープンコレクタ出力回路３２及びコイル励磁用交流信号供給ライン１８ａを介して第１回路部２０内の疑似SIN波生成回路２２に供給される。疑似SIN波生成回路２２は、供給されたクロック信号波形Ａに基づき、所定の直流電圧が加算された疑似SIN波励磁用交流信号Ｂを生成する。疑似SIN波生成回路２２は、矩形波を疑似SIN波に変換するアナログ回路と電圧加算回路とで構成することができる。なお、励磁用交流信号を生成するための回路２２としては、疑似SIN波生成回路に限らず、三角波状の交流信号を生成するもの、あるいはより精密なＳＩＮ波を生成するものなど、如何なる構成のものであってもよい。

なお、マイクロコンピュータ３１は、自動車におけるＥＣＵ内に搭載されている既存のマイクロコンピュータを使用する形態に限らず、本発明に係るトルクセンサのために専用のものを用意してもよい。勿論、マイクロコンピュータ３１に代えて、本発明を実施するために必要な制御・演算性能と同等の機能を達成するように構成した専用デジタル回路（クロック発生器、論理回路、計算回路、メモリ等を含むディスクリート回路若しくはＩＣあるいはＤＳＰなど）を用いてもよい。マイクロコンピュータ及び専用デジタル回路を総称してデジタル処理装置という。

交流信号生成回路２２で生成した励磁用交流信号Ｂはコイル駆動回路２１に供給される。コイル駆動回路２１は、直流バイアスされているコイル励磁用交流信号をコイル１１、１２の直列回路に印加する。基準電圧発生回路２３は、第２回路部３０から直流電源ライン１８ｄを介して供給される所定の直流電圧に基づいて、第１回路部２０内において所定の交流電圧を直流バイアスするための任意の電圧値の直流電圧を発生する。

第１のコイル１１と第２のコイル１２との接続点Ｓ（中点）から取り出されたコイル出力交流電圧は、第１の差動増幅回路２６（第１の回路に相当）の「+入力」に入力される。第１の基準信号生成回路２５はコイル駆動回路２１から出力されたコイル励磁用交流信号を入力し、該コイル励磁用交流信号のオフセットレベル（トルク０のときの振幅レベル）を調節し、該オフセットレベル調節された基準交流電圧を出力する。第１の基準信号生成回路２５から出力された基準交流電圧は、第１の差動増幅回路２６の「-入力」に入力される。第１の差動増幅回路２６では、コイル出力交流電圧（＋入力）とコイル励磁用交流信号に基づく基準交流電圧（−入力）との差信号を求める。このように差動増幅演算を行う理由は、コイル出力交流電圧から検出トルクに起因する成分を抽出し、トルク検出のダイナミックレンジを大きくとる（感度を上げる）ことができるようにするためである。第１の差動増幅回路２６から出力されるトルク検出信号（交流信号）はコンデンサＣ１を介して第1の増幅回路２７に入力され、基準電圧発生回路２３から与えられる所定の基準直流電圧Ｖｒｅｆ（オフセット電圧ＯＦ１）と加算されることで、直流バイアスされ、正電圧側にオフセットされる。すなわち、第１の差動増幅回路２６から出力される差信号は、オフセット電圧ＯＦ１の加算（オフセット）によって、正電圧の領域でのみ振動するものとなる。第1の増幅回路２７から出力される直流バイアスされたトルク検出信号（交流信号）は、メイントルク検出信号Ｃとしてメイン検出出力ライン１８ｂを介して第２回路部３０に伝送され、マイクロコンピュータ３１のＡ／Ｄポート（アナログ／デジタル変換入力ポート）＃１に入力される。これにより、トルク検出値のサンプリングを行う際に、正の値でのみトルク検出値のサンプリング値が得られるようにすることを可能にする。

また、第１のコイル１１と第２のコイル１２との接続点Ｓ（中点）から取り出されたコイル出力交流電圧は、第２の差動増幅回路２６´の「−入力」にも入力される。第２の基準信号生成回路２５´はコイル駆動回路２１から出力されたコイル励磁用交流信号を入力し、該コイル励磁用交流信号のオフセットレベル（トルク０のときの振幅レベル）を調節し、該オフセットレベル調節された基準交流電圧を出力する。第２の基準信号生成回路２５´から出力された基準交流電圧は、第２の差動増幅回路２６´（第２の回路に相当）の「＋入力」に入力される。第２の差動増幅回路２６´では、コイル出力交流電圧（−入力）とコイル励磁用交流信号に基づく基準交流電圧（＋入力）との差信号を求める。第２の差動増幅回路２６´から出力されるトルク検出信号（交流信号）はコンデンサＣ２を介して第２の増幅回路２７´に入力され、直流電圧（オフセット電圧ＯＦ２）と加算されることで、直流バイアスされる。

コイル直流抵抗検出回路２８は、第１のコイル１１と第２のコイル１２との接続点Ｓ（中点）から取り出されたコイル出力交流電圧に含まれる直流電圧成分を抽出する。ここで抽出される直流電圧成分は、コイル１１又は１２に断線、半断線等の故障がなければ、コイル駆動回路２１によりバイアスされた所定の直流電圧に対応するものとなり、変動が生じないが、断線、半断線等の故障が起きた場合は、それに応じて変動したレベルを持つものとなる。すなわち、コイル１１又は１２に関する断線、半断線等に関する故障情報を含んでいる。

励磁信号振幅検出＆加算回路２９は、コイル駆動回路２１から出力されたコイル励磁用交流信号の交流成分のみを整流し、該励磁用交流信号のピーク振幅値に相当する直流電圧を抽出する。ここで抽出される直流電圧は、励磁用交流信号に異常がなければ所定レベルを維持しているが、励磁用交流信号供給ライン１８ａのコネクタの外れや接触不良、断線、半断線など、なんらかの異常があれば、それに応じて変動したレベルを持つものとなる。すなわち、励磁用交流信号の供給系統に関する故障情報を含んでいる。

そして、励磁信号振幅検出＆加算回路２９は、コイル直流抵抗検出回路２８によって抽出したコイル出力交流電圧に含まれる直流電圧成分と、コイル励磁用交流信号の交流成分のみを整流して抽出した直流電圧とを加算した直流電圧（オフセット電圧ＯＦ２）を生成する。これにより、オフセット電圧ＯＦ２は、コイル１１又は１２に関する断線、半断線等に関する故障情報と励磁用交流信号の供給系統に関する故障情報の両方を含むものとなる。ただし、こうした故障が生じていない場合、オフセット電圧ＯＦ２は基準電圧発生回路２３から第１の増幅回路２７に対して与えられる所定の基準直流電圧Ｖｒｅｆ（オフセット電圧ＯＦ１）と同じ電圧値となるように調節される。これらのコイル直流抵抗検出回路２８，励磁信号振幅検出＆加算回路２９は、オフセット電圧生成回路に該当する。

第２の増幅回路２７´では、前記オフセット電圧ＯＦ２を前記差信号に加算し、該差信号をオフセット電圧ＯＦ２によって正側にオフセットする。すなわち、第２の差動増幅回路２６´から出力される差信号は、オフセット電圧ＯＦ２の加算（オフセット）によって、正電圧の領域でのみ振動するものとなり、かつ、該オフセット電圧ＯＦ２が持つ上記故障情報を含むものとなる。第２の増幅回路２７´から出力される直流バイアスされたトルク検出信号（交流信号）は、サブトルク検出信号としてサブ検出出力ライン１８ｃを介して第２回路部３０に伝送され、マイクロコンピュータ３１のＡ／Ｄポート（アナログ／デジタル変換入力ポート）＃２に入力される。これによって、１本のサブ検出出力ライン１８ｃで伝送されるサブトルク検出信号Ｄ中に、トルク検出情報と故障情報を含ませることができる。なお、メイントルク検出信号Ｃを求めるための第１の差動増幅回路２６と、サブトルク検出信号Ｄを求めるための第２の差動増幅回路２６´との間では、その＋入力及び−入力に入力されるコイル出力交流電圧と基準交流電圧の関係が逆（逆極性）になっているので、検出対象トルクに対するメイントルク検出信号Ｃとサブトルク検出信号Ｄの特性が互いに逆特性となるようにされている。例えば、トルクの漸次増大に伴って、メイントルク検出信号Ｃのトルク検出値が漸次増大するとすると、サブトルク検出信号Ｄのトルク検出値は漸次減少するような関係（逆特性）となるようにされている。

なお、第１又は第２の基準信号生成回路２５，２５´及び第１又は第２の増幅回路２７，２７´に付属して設けられている可変抵抗器として、デジタルポテンショ（デジタル制御可能な可変抵抗器）が用いられており、デジタルポテンショ通信インターフェース２４を介して、マイクロコンピュータ３１からの制御に従いこれらの抵抗値が可変調整されるようになっており、これにより、第１又は第２の基準信号生成回路２５，２５´に対するコイル励磁用交流信号のオフセットレベル（トルク０のときの振幅レベル）調整及び第１又は第２の増幅回路２７，２７´に対するゲイン調節を行うことができる。

図３はトルク検出処理及び故障診断処理の動作例を説明するためのタイムチャートであり、横軸が時間軸である。図３において、Ａはマイクロコンピュータ３１が発生する所定の交流周波数の信号波形（クロック信号）Ａを示し、Ｂは該信号波形Ａに応じて疑似SIN波生成回路２２が発生する励磁用交流信号Ｂを示し、疑似SIN波からなり、所定の直流電圧が加算されている。

ＣＫｓは、マイクロコンピュータ３１内で発生されるサンプリングクロックを示し、クロック信号Ａと同一周期であって、クロック信号Ａの立ち上がり時から時間Ｔｓ経過した時に発生される。図中、時間Ｔｇは、励磁用交流信号Ｂの疑似SIN波における最小値から最大値までの時間を示し、通常、クロック信号Ａの半周期の時間である。また、サンプリングクロックＣＫｍは、クロック信号Ａと同一周期であって、サンプリングクロックＣＫｓの発生タイミングから時間Ｔｇ後に発生される。すなわち、サンプリングクロックＣＫｓとＣＫｍは、半周期の位相ずれを持つ２相クロックである。

図３において、Ｃは、第１の増幅回路２７からメイン検出出力ライン１８ｂを経てマイクロコンピュータ３１のＡ／Ｄポート＃１に入力されるメイントルク検出信号Ｃの一例を示す。Ｄは、第２の増幅回路２７´からサブ検出出力ライン１８ｃを経てマイクロコンピュータ３１のＡ／Ｄポート＃２に入力されるサブトルク検出信号Ｄの一例を示す。なお、サンプリングクロックＣＫｓは、クロック信号Ａと同一周期に限らず、クロック信号Ａの２倍周期等であってもよく、要するに整数倍の周期であればよい。

概して、検出したトルクに対応するコイルのインピーダンスを検出するためには、その出力交流電圧のピーク値のレベルを検出する。一方、特定の位相タイミングでサンプリングを行う場合は、必ずしも、ピーク値のタイミングでサンプリングを行わなくてもインピーダンス検出は可能であり、要は、常に同じ位相タイミングでサンプリングを行えばよい。例えば、サンプリングクロックＣＫｓは、コイル出力交流電圧のピーク値の近傍に対応して前記差信号をサンプリングするように、サンプリングタイミングを設定している。

サンプリングクロックＣＫｓは、検出出力交流電圧Ｃ，Ｄの正のピークの近傍で発生し、該検出出力交流電圧Ｃ，Ｄの正（上）のピークの近傍の値をサンプリングするために使用される。サンプリングクロックＣＫｍは、前記検出出力交流電圧Ｃ，Ｄの負のピークの近傍で発生し、該検出出力交流電圧Ｃ，Ｄの負（下）のピークの近傍の値をサンプリングするために使用される。

図４は、マイクロコンピュータ３１が実行するトルク検出処理の一例を示す。ステップＳ１では、上サンプリングクロックＣＫｓの発生タイミングかを判定する。上サンプリングクロックＣＫｓのタイミングであれば、ステップＳ２では、Ａ／Ｄポート＃１，＃２からの前記各トルク検出信号Ｃ，Ｄのデジタルデータをサンプリングし、サンプリングした各データを上ピークのホールド値Ｕ１，Ｕ２として所定のレジスタ内にホールドする。次に、ステップＳ３では、下サンプリングクロックＣＫｍの発生タイミングかを判定する。下サンプリングクロックＣＫｍのタイミングであれば、ステップＳ４では、Ａ／Ｄポート＃１，＃２からの前記各トルク検出信号Ｃ，Ｄのデジタルデータをサンプリングし、サンプリングした各データを下ピークのホールド値Ｄ１，Ｄ２として所定のレジスタ内にホールドする。ステップＳ５では、それぞれ、第１のコイル１１に関する上ピークのホールド値Ｕ１と下ピークのホールド値Ｄ１の差Ｕ１−Ｄ１と、第２のコイル１２に関する上ピークのホールド値Ｕ２と下ピークのホールド値Ｄ２の差Ｕ２−Ｄ２を演算し、メイントルク検出信号Ｃに関する第１（メイン）のトルク検出データＴＤＤ１とサブトルク検出信号Ｄに関する第２（サブ）のトルク検出データＴＤＤ２を得る。次のステップＳ６では、第１（メイン）のトルク検出データＴＤＤ１をトルク検出データとして出力する。第２（サブ）のトルク検出データＴＤＤ２は、後述の故障診断に際して利用される。なお、各トルク検出信号Ｃ又はＤにはオフセット電圧ＯＦ１又はＯＦ２が含まれているが、上述のように、上ピークと下ピークの差を演算することによりトルク検出データＴＤＤ１又はＴＤＤ２を得ているので、オフセット電圧ＯＦ１又はＯＦ２が自動的に相殺される。なお、ステップＳ６において、第２（サブ）のトルク検出データＴＤＤ２をトルク検出データとして出力するようにしてもよい。

例えば、図３に示されたＣの例では、サンプリングクロックＣＫｓの発生タイミングにおけるメイントルク検出信号Ｃのデジタル値がＬ１であり、この値Ｌ１が上ピークのホールド値Ｕ１としてレジスタ内にホールドされる。また、サンプリングクロックＣＫｍの発生タイミングにおけるメイントルク検出信号Ｃのデジタル値がＬ２であり、この値Ｌ２が下ピークのホールド値Ｄ１としてレジスタ内にホールドされる。そして、上ピークのホールド値Ｕ１と下ピークのホールド値Ｄ１の差Ｕ１−Ｄ１は、「Ｌ１−Ｌ２」であり、これが第１のトルク検出データＴＤＤ１としてホールドされ、出力される。

例えば、第１のトルク検出データＴＤＤ１のとりうる最小値は、上ピークのホールド値Ｕ１のとりうる最小値（例えば略ＯＦ１）と下ピークのホールド値Ｄ１のとりうる最大値（例えば略ＯＦ１）との差であるから略０であり（例えばＵ１−Ｄ１＝略ＯＦ１−略ＯＦ１＝０）、一方、トルク検出データＴＤＤ１のとりうる最大値は、Ｕ１のとりうる最大値とＤ１のとりうる最小値との差であるから、差Ｄのとりうる所定の最大値に近いものとなる。従って、ダイナミックレンジが拡大されていることが理解できる。従って、高感度でトルク検出を行うことができる。

なお、図３に示されたＤの例では、サンプリングクロックＣＫｓの発生タイミングにおけるサブトルク検出信号Ｄのデジタル値がＬ２であり、この値Ｌ２が上ピークのホールド値Ｕ２としてレジスタ内にホールドされる。また、サンプリングクロックＣＫｍの発生タイミングにおけるサブトルク検出信号Ｄのデジタル値がＬ１であり、この値Ｌ１が下ピークのホールド値Ｄ２としてレジスタ内にホールドされる。そして、上ピークのホールド値Ｕ２と下ピークのホールド値Ｄ２の差Ｕ２−Ｄ２は、「Ｌ２−Ｌ１」であり、これが第２のトルク検出データＴＤＤ２としてホールドされ、出力される。

図５は、第１（メイン）及び第２（サブ）のトルク検出データＴＤＤ１，ＴＤＤ２の値と検出トルク（相対回転位置）との間の相関関係の一例を示すグラフである。このように、第１（メイン）のトルク検出データＴＤＤ１の関数と第２（サブ）のトルク検出データＴＤＤ２の関数とは、検出トルク（相対回転位置）に関して逆特性を示し、正常であれば、両者を加算した値ＴＣは常に略一定値となる。なお、横軸において、「０」の位置はトルク０の位置を示し、その右側の「＋」で記した領域は例えば時計方向のねじれに応じた領域を示し、左側の「−」で記した領域は例えば反時計方向のねじれに応じた領域を示す。図５では、トルク検出データＴＤＤ１，ＴＤＤ２の値と検出トルク（相対回転位置）との間の相関関係は、リニア特性を示しているが、これに限らず、非リニア特性であってもよい。

図６は、マイクロコンピュータ３１が実行するオフセット電圧抽出処理の一例を示す。ステップＳ７では、前記ステップＳ２及びＳ４でホールドしたデータを用い、交流成分の振れの中心に相当する電圧を抽出するための、
ＯＦ２＝｛（Ｕ２−Ｄ２）／２｝＋Ｄ２
なる式に従い、第２（サブ）のオフセット電圧ＯＦ２を抽出する。つまり、第２（サブ）の検出データ（サブトルク検出信号Ｄ）の上ピークホールド値Ｕ２から下ピークのホールド値Ｄ２を引き、それを２で割り、Ｄ２を加算することにより、オフセット電圧ＯＦ２を抽出する。なお、本実施例においては故障判定処理に当たってオフセット電圧ＯＦ２のみを用いているので図６の電圧抽出処理においてはオフセット電圧ＯＦ２のみを抽出するようにしているが、オフセット電圧ＯＦ１も使用する実施形態を採用する場合は、
ＯＦ１＝｛（Ｕ１−Ｄ１）／２｝＋Ｄ１
なる式に従い、第１（メイン）のオフセット電圧ＯＦ１を抽出する処理ステップを追加するようにすればよい。

図７は、マイクロコンピュータ３１が実行する故障診断処理の一例を示すものである。ステップＳ１０は、第１（メイン）のトルク検出データＴＤＤ１と第２（サブ）のトルク検出データＴＤＤ２との加算値ＴＣ（＝ＴＤＤ１＋ＴＤＤ２）が所定の正常値の範囲内であるか否かを判定する。前述の通り、正常であれば該加算値ＴＣは常に略一定の正常値を示すので、該ステップＳ１０がＮＯの場合は、コイルが異常である旨の警報信号を出力する（ステップＳ１５）。

ステップＳ１１〜Ｓ１４では、上記抽出したオフセット電圧ＯＦ２に基づき故障診断を行う。前述の通り、コイル内の断線、半断線（切れかかり）、あるいはショートなどが生じている場合、あるいはコイル接続端子部分での接触不良、接続外れ、接続コネクタの異常、接続ケーブルの異常などが生じている場合などには、サブトルク検出信号Ｄ中の直流成分に異常が生じる。このようなサブトルク検出信号Ｄ中の直流成分の異常を検出するために、オフセット電圧ＯＦ２がトルク検出信号Ｄ中に含まれるようになっており、これは図６のルーチンで抽出される。従って、ステップＳ１１〜Ｓ１４において、抽出したオフセット電圧ＯＦ２に基づきこれらの異常検出を容易に行うことができる。

ステップＳ１１では、サブトルク検出信号Ｄから抽出したオフセット電圧ＯＦ２が所定の上限値ＯＦｍａｘより大きいかを判定する。ステップＳ１２では、オフセット電圧ＯＦ２が所定の下限値ＯＦｍｉｎより小さいかを判定する。オフセット電圧ＯＦ２が所定の上限値ＯＦｍａｘと下限値ＯＦｍｉｎの範囲内に収まっていれば、サブトルク検出信号Ｄに含まれる直流成分が異常ではないことを意味する。ステップＳ１１とＳ１２が共にＮＯであれば、検出用コイル１１，１２の直流成分に異常がないことを意味する。その場合は、ステップＳ１３でコイル１１，１２が正常である旨の判定を行う。一方、ステップＳ１１又はＳ１２がＹＥＳであれば、検出用コイル１１，１２の直流成分に異常があることを意味する。その場合は、ステップＳ１４でコイルの直流成分が異常である旨の判定を下し、その旨の警報信号を出力する。

なお、オフセット電圧ＯＦ１及びＯＦ２の両方を用いてコイル直流成分に関連する故障判定を行うことも可能である。その場合は、ステップＳ１１〜Ｓ１４に代えて、例えばＯＦ１＝ＯＦ２が成立するか否かの判定を行い、ＹＥＳである場合には正常と判定し、ＮＯである場合には異常であると判定する。すなわち、正常であればＯＦ２がＯＦ１（所定の基準直流電圧Ｖｒｅｆ）と同じであるはずであるからである。なお、その場合、ＯＦ１＝ＯＦ２が成立するとは、両者の値が完全に一致していることのみを意味するのではなく、所定の許容範囲内で両者の値が略一致している場合をも含む。すなわち、｜ＯＦ１−ＯＦ２｜（ＯＦ１とＯＦ２の差の絶対値）が所定範囲（許容範囲）内であるときを正常と判定し、所定範囲外であるときを異常と判定するようにしてもよい。

なお、励磁信号振幅検出＆加算回路２９から出力される、コイル１１又は１２に関する断線、半断線等に関する故障情報と励磁用交流信号の供給系統に関する故障情報の両方を含むオフセット電圧ＯＦ２を第１の増幅回路２７に入力するようにしてもよく、その場合は、該第１の増幅回路２７では該オフセット電圧ＯＦ２を前記第１の差動増幅回路２６からの差信号に加算し、該第１の増幅回路２７から出力されるメイントルク検出信号Ｃにトルク検出情報と故障情報とが含まれることになる。なお、その場合、第２の増幅回路２７´に入力するオフセット電圧としてはＯＦ２に代えてＯＦ１を用いるようにしてよい。あるいは、前記オフセット電圧ＯＦ２を第１の増幅回路２７と第２の増幅回路２７´の両方に入力するようにしてもよく、その場合はメイントルク検出信号Ｃ及びサブトルク検出信号Ｄの両方にトルク検出情報と故障情報とが含まれることになる。すなわち、メイントルク検出信号Ｃ又はサブトルク検出信号Ｄの少なくとも一方にトルク検出情報と故障情報とが含まれていればよい。その場合、トルク検出情報と故障情報との双方を含むトルク検出信号（メイントルク検出信号Ｃ又はサブトルク検出信号Ｄ）から抽出したオフセット電圧（ＯＦ２）に基づいて故障判定を行えばよい。

１…入力軸
２…出力軸
３，４…磁気応答部材
３ａ，３ｂ，４ａ，４ｂ…開口窓
１０…センサ部
１１，１２…コイル
１５…基板収納スペース
１６…ケーシング
１７…コネクタ
１８ａ…コイル励磁用交流信号供給ライン
１８ｂ…メイン検出出力ライン
１８ｃ…サブ検出出力ライン
１８ｄ…直流電源ライン
１８ｅ…アースライン
２０…第１回路部
２１…コイル駆動回路
２２…疑似SIN波生成回路
２３…基準電圧発生回路
２４…デジタルポテンショ通信インターフェース
２５…第１の基準信号生成回路
２５´…第２の基準信号生成回路
２６…第１の差動増幅回路
２６´…第２の差動増幅回路
２７…第１の増幅回路
２７´…第２の増幅回路
２８…コイル直流抵抗検出回路
２９…励磁信号振幅検出＆加算回路
３０…第２回路部
３１…マイクロコンピュータ
３２…オープンコレクタ回路

Claims (8)

1. トーションバーを介して連結された第１及び第２の回転軸に発生するトルクを検出するトルクセンサであって、
   直列接続された２つのコイル、前記第１の回転軸に連結された第１の磁気応答部材、前記第２の回転軸に連結された第２の磁気応答部材を含み、前記第１及び第２の回転軸の相対的回転位置に応答してインピーダンス変化を該コイルに生じさせるように前記第1及び第２の磁気応答部材を構成したセンサ部と、ここで、該センサ部は前記直列接続された２つのコイルから１つのコイル出力交流信号を生じるものであり、
   所定の励磁用交流信号を前記コイルに印加するコイル駆動回路と、
   前記コイル出力交流信号に含まれる検出出力交流電圧成分と前記励磁用交流信号に基づく基準交流電圧成分との差を求める第１回路と、
   前記コイル出力交流信号に含まれる検出出力交流電圧成分と前記励磁用交流信号に基づく基準交流電圧成分との差を、前記第１回路における差演算とは逆極性で、求める第２回路と、
   前記コイル出力交流信号に含まれる直流電圧成分及び前記励磁用交流信号のピーク振幅値に相当する直流電圧の少なくとも一方に対応する電圧を、故障診断用のオフセット電圧として生成するオフセット電圧生成回路と、
   前記第１回路の出力を第１の直流電圧でオフセットしてメイントルク検出信号を出力し、前記第２回路の出力を第２の直流電圧でオフセットしてサブトルク検出信号を出力する第１及び第２の増幅回路と、ここで、前記第１の直流電圧及び第２の直流電圧の少なくとも一方が前記オフセット電圧生成回路から生成された前記オフセット電圧であり、
   前記メイントルク検出信号又はサブトルク検出信号に含まれる交流成分の振れ幅を検出することにより、前記コイルの前記インピーダンス変化に応答する検出データをトルク検出データとして取得するトルク検出部と、
   前記オフセット電圧でオフセットされた前記メイントルク検出信号又はサブトルク検出信号に関して、該信号中の交流成分の振れの中心に相当する電圧を前記オフセット電圧として抽出するオフセット電圧抽出部と、
   前記抽出したオフセット電圧に基づいて、前記コイル出力交流信号に含まれる直流電圧成分及び前記励磁用交流信号のピーク振幅値に相当する直流電圧の少なくとも一方に関する故障の有無を判定する故障診断部と
   を具備することを特徴とするトルクセンサ。
2. 前記センサ部は、前記直列接続された２つのコイルの中点から前記コイル出力交流信号を出力することを特徴とする請求項１に記載のトルクセンサ。
3. 前記オフセット電圧生成回路は、前記コイルの出力に含まれる直流電圧成分と前記励磁用交流信号のピーク振幅値に相当する直流電圧との加算電圧に対応する電圧を前記オフセット電圧として生成する、請求項１又は２に記載のトルクセンサ。
4. 前記第２の増幅回路は、前記第２の直流電圧として前記オフセット電圧生成回路から生成された前記オフセット電圧を使用して、前記第２回路の出力をオフセットして前記サブトルク検出信号を出力することを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載のトルクセンサ。
5. 前記故障診断部は、前記抽出したオフセット電圧が所定範囲内であるとき正常と判定し、所定範囲外のとき異常と判定することを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載のトルクセンサ。
6. 前記第１の直流電圧及び第２の直流電圧の一方が所定の基準直流電圧であり、他方が前記オフセット電圧生成回路から生成された前記オフセット電圧であり、
   前記オフセット電圧生成回路は、正常時の前記オフセット電圧として前記所定の基準直流電圧に対応する電圧を生成し、
   前記オフセット電圧抽出部は、前記メイントルク検出信号から前記第１の直流電圧に対応する電圧を抽出し、前記サブトルク検出信号から前記第２の直流電圧に対応する電圧を抽出し、該抽出した電圧の一方が前記オフセット電圧に対応しており、
   前記故障診断部は、前記抽出した第１及び第２の直流電圧に対応する電圧の差が所定範囲内であるとき正常と判定し、所定範囲外のとき異常と判定することを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載のトルクセンサ。
7. 前記トルク検出部は、前記メイントルク検出信号に含まれる交流成分の振れ幅を検出することにより第１のトルク検出データを取得し、前記サブトルク検出信号に含まれる交流成分の振れ幅を検出することにより前記第１のトルク検出データとは逆特性の第２のトルク検出データを取得し、
   前記故障診断部は、さらに、前記第１及び第２のトルク検出データの加算値に基づき異常の有無を判定することを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載のトルクセンサ。
8. 前記トルク検出部は、
   所定のクロック信号の整数倍周期で正振幅領域に対応する第１のサンプリングタイミング信号と負振幅領域に対応する第２のサンプリングタイミング信号とを生成し、
   前記差動増幅回路が出力する差信号の振幅値を前記第１及び第２のサンプリングタイミング信号でそれぞれサンプリングし、サンプリングした振幅値の差を求めることで前記トルク検出データを取得する、ことを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載のトルクセンサ。

Images