JP3157949B2

JP3157949B2 - 光学式回転トルク検出装置

Info

Publication number: JP3157949B2
Application number: JP09091693A
Authority: JP
Inventors: 廣康野口; 正明高木; 慎小田島
Original assignee: Nidec Copal Corp
Current assignee: Nidec Copal Corp
Priority date: 1993-03-25
Filing date: 1993-03-25
Publication date: 2001-04-23
Anticipated expiration: 2016-04-23
Also published as: JPH06281514A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は光学式回転トルク検出装
置に関する。より詳しくは、トーションバーにより連結
された入力軸と出力軸の相対的な回転捩れ量を光学的に
検出する装置に関する。かかる光学式回転トルク検出装
置は、例えば自動車の電動パワーステアリング等に応用
される。

【０００２】

【従来の技術】従来、回転トルク検出装置としてはスト
レインゲージとスリップリングを用いる構造、ポテンシ
ョメータとスリップリングを用いる構造、回転軸の捩れ
変位に基くインダクタンスの変化を検出する構造等が知
られている。しかしながら、第１番目の構造ではストレ
インゲージを回転軸へ取り付ける際熟練を要する為量産
性に問題がある。加えて、スリップリングが接触式であ
る為耐久性に乏しい。第２番目の構造ではポテンショメ
ータが接点としてブラシを使用している為耐久性及び振
動や衝撃による接点の安定性に問題がある。第３番目の
構造は非接触方式である為耐久性については問題がない
が、磁気インダクタンスの検出を利用している関係上周
囲からの影響を受け易く、所定のシールド対策を施すと
装置が大型化するという欠点がある。加えてこれらの従
来方式ではトルク情報のみしか得られず回転情報を得る
為には別の検出装置が必要であった。

【０００３】これらの従来方式とは別に、トルク情報と
回転情報の両者を同時に検出可能な光学式の回転トルク
検出装置が知られており、例えば特開昭６３−２８４４
４２号公報に開示されている。図８に示す様に、従来の
光学式回転トルク検出装置は、二本の回転軸１０１，１
０２を互いに連結するトーションバー１０３を備えてい
る。夫々の回転軸１０１，１０２には互いに対面する一
対の回転スリット板１０４，１０５が取り付けられてい
る。この対を介して発光素子１０６及び受光素子１０７
が対向配置されている。受光素子の出力に基いて二本の
回転軸１０１，１０２の相対的な捩れが検出される。

【０００４】図９は一対の回転スリット板１０４，１０
５の各々に形成されたスリットパタン形状を示してい
る。上側の回転スリット板１０４の表面には周方向に沿
って所定のピッチでスリット孔１０６が形成されてい
る。同様に、下側のスリット板１０５にも同一の周期で
スリット孔１０７が形成されている。一対の回転軸１０
１，１０２間に相対的な捩れ変位がない中立状態ではス
リット孔１０６，１０７は互いに整合しており発光素子
１０６からの透過光量が最大になる。一方、両回転軸間
に相対的な捩れ変位が発生した場合にはスリット孔１０
６，１０７が互いにずれる為実効的なスリット開口面積
が減少し透過光量が減る。受光素子１０７は受光量変化
に比例した検出信号を出力し捩れ情報が得られる。又、
一対の回転軸１０１，１０２がトーションバー１０３に
より連結した状態で一体となって回転すると一対のスリ
ット板１０４，１０５もこれに応じて回転する。この
時、スリット孔１０６，１０７は全周に沿って配置され
ているので、その通過に伴ない受光素子１０７の受光量
が断続的に変化する。その変化をモニタする事により回
転情報も併せて得られる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】図８及び図９に示した
従来の光学式回転トルク検出装置では、一対のスリット
板の相対的な回転変位を光量変化としてそのままトルク
検出に利用している。しかしながら、この方法だと発光
素子の温度依存性や寿命劣化等による発光量変化をその
ままトルク変化として捕えてしまい、様々な変動要因に
より検出誤差が生じるという課題がある。又、スリット
板の回転に伴ない透過光量が断続的に変化する為受光素
子の出力に回転リップルが発生する。安定的なトルク検
出を行なう為にはこの回転リップルを抑制する必要があ
る。従来、このリップルを除去する為複数のスリット孔
を透過した光を同時に受光検出していた。この為発光素
子及び受光素子の有効面積の大きなものが必要となり製
造コスト上不利になるという課題がある。逆に、発光素
子及び受光素子の有効面積を大きくしない場合には、ス
リット孔の配列ピッチを縮小する必要がある。この場合
にはトーションバーの応力歪を小さくして最大捩れ変位
量を縮小する必要がある。微小変化を検出する事になる
ので測定精度が悪化するという課題がある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上述した従来の技術の課
題に鑑み、本発明は光学式回転トルク検出装置の検出誤
差を抑制するとともに、回転リップルによる出力変動を
除去して安定したトルク検出を可能にする事を目的とす
る。かかる目的を達成する為に以下の手段を講じた。即
ち、本発明にかかる光学式回転トルク検出装置は、その
基本的な構成要素として、二本の回転軸を連結するトー
ションバーと、夫々が回転軸に固定され互いに対面する
一対の回転スリット板と、この対を介して互いに対向配
置された発光素子及び受光素子と、受光素子の出力に基
いて二本の回転軸の相対的な捩れを検出する処理回路と
を備えている。本発明の特徴事項として、一方の回転ス
リット板は、最大トルク時における片側捩れ量の４倍以
上に相当する幅を１周期としてその１／２周期分のスリ
ット孔を等間隔で全周に渡って２トラック分具備してい
る。他方の回転スリット板は、前記スリット孔に対し各
トラック逆方向に１／４周期分だけ位相のずれたスリッ
ト孔を全周に沿って２トラック具備している。受光素子
は径方向及び周方向（回転方向）に２個ずつ計４分割さ
れた受光領域を有している。個々の受光領域は（ｎ＋１
／２）周期（但し、ｎは整数）に等しい周方向幅を有し
ている。かかる構成において、前記処理回路は同一トラ
ック上の２個の受光領域からの出力をトラック毎に加算
処理し、その加算結果の差分処理により捩れトルクを検
出している。又、この処理回路は同一トラック上の２個
の受光領域からの出力を互いに比較処理して同時に回転
検出を行なっている。さらに処理回路は全受光領域から
の出力の総和を常に一定に保持する様に発光素子を制御
している。

【０００７】

【作用】本発明によれば、２本のトラックのうち一方に
沿って配列した２個の受光領域からの出力を加算処理し
ている。この出力は互いに相補的に変化し加算結果は一
定のレベルを有する信号となる。このレベルは例えば捩
れ量に応じて増大する。又、他方のトラックに沿って配
列した２個の受光領域からの出力も加算される。この出
力も互いに相補的であり加算結果は所定のレベルを有す
る。このレベルは逆に捩れ変化に応じて減少する。従っ
て、両加算結果は差動的に変化し差分処理を行なう事に
より捩れトルクを安定且つ高精度に検出できる。上述し
た様に同一トラック上の２個の受光領域からの出力は互
いに相補的である。従ってこれを比較処理すると回転に
応じたパルス信号が得られ、容易に回転情報の検出を行
なう事が可能になる。加えて、全受光領域からの出力の
総和を常に一定に保持する様に発光素子の自動光量制御
を行なう事により一層の動作安定化が図れる。

【０００８】

【実施例】以下図面を参照して本発明の好適な実施例を
詳細に説明する。図１は本発明にかかる光学式回転トル
ク検出装置の基本的な構成を示すブロック図である。本
装置は入力軸１と出力軸２を互いに回動可能に連結する
トーションバー３を備えている。入力軸１の連結部端面
には入力側スリット板４が取り付けられている。同様
に、出力軸２の連結部端面には出力側スリット板５が取
り付けられている。これら一対のスリット板４，５は互
いに対面配置されている。入力側スリット板４の下側に
は固定マスク板６を介して受光素子７が配置している。
出力側スリット板５の上側には受光素子７と対向する様
に発光素子８が固定配置されている。受光素子７には処
理回路５０が接続されており、その出力に基いて一対の
入力軸１、出力軸２の相対的な捩れを検出する。併せ
て、回転検出も行なう様にしている。

【０００９】本発明の特徴事項として、出力側スリット
板５は、最大トルク時における片側捩れ量の４倍以上に
相当する幅（両側捩れ量の２倍以上に相当する幅）を１
周期Ｔとしてその１／２周期分の幅を有するスリット孔
を等間隔で全周に渡って２トラック分具備している。入
力側スリット板４は、出力側スリット孔に対し各トラッ
ク逆方向に１／４周期分だけ位相のずれたスリット孔を
全周に渡って２トラック具備している。受光素子７はス
リット板の径方向及び周方向（回転方向）に２個ずつ計
４分割された受光領域Ａ，ＲＡ，Ｂ，ＲＢを有してい
る。個々の受光領域は（ｎ＋１／２）周期に等しい周方
向幅を有している。処理回路５０は、同一トラック上の
２個の受光領域からの出力をトラック毎に加算処理し、
その加算結果の差分処理により捩れトルクを検出してい
る。具体的には、外側トラック上に位置する２個の受光
領域Ａ，ＲＡからの出力（以下出力を示す参照記号は対
応する受光領域の参照記号と同一のものを用いる）を、
加算増幅器５１により加算処理する。内側トラック上に
位置する２個の受光領域Ｂ，ＲＢからの出力は加算増幅
器５２により互いに加算処理される。これらの加算結果
（Ａ＋ＲＡ）と（Ｂ＋ＲＢ）は差動増幅器５３により差
分処理され、捩れトルクを表わすトルク信号出力が得ら
れる。又、外側トラック上の２個の受光領域Ａ，ＲＡか
らの出力は差動増幅器５４により互いに比較処理され、
Ａ相出力が得られる。同様に、内側トラック上に位置す
る２個の受光領域Ｂ，ＲＢからの出力は差動増幅器５５
により互いに比較処理されＢ相出力が得られる。一対の
Ａ相出力とＢ相出力は回転信号出力を構成し、入力軸
１、出力軸２の一体的な回転量及び回転方向が検出でき
る。さらに、加算増幅器５１，５２の出力は後段の加算
増幅器５６により互いに足し合わされる。加算増幅器５
６の出力段には発光素子制御器５７が接続されており、
全受光領域Ａ，ＲＡ，Ｂ，ＲＢからの出力の総和を常に
一定に保持する様に発光素子８を自動光量制御してい
る。

【００１０】次に、図２ないし図５を参照して主要構成
部品の具体例を詳細に説明する。先ず最初に、図２は出
力側スリット板５のスリットパタン形状を示す模式的な
部分平面図である。出力側スリット板５は周方向に沿っ
て二本のトラックを備えている。外側のトラックには所
定の周期Ｔでスリット孔１１が全周に配列されている。
本例ではこの周期Ｔは最大トルク時における片側捩れ量
の４倍に相当する幅に設定されている。なお、これ以上
であっても良い。個々のスリット孔１１はＴ／２に等し
い周方向幅寸法を有している。内側のトラックにも周期
Ｔでスリット孔１２が全周配列されている。このスリッ
ト孔１２もＴ／２に相当する周方向幅寸法を有してい
る。外側トラックのスリット孔１１と内側トラックのス
リット孔１２は同一位相で配列されている。

【００１１】図３は入力側スリット板４のパタン形状を
示す模式的な部分平面図である。このスリット板４も周
方向に沿って二本のトラックを備えている。外側のトラ
ックには周期Ｔでスリット孔９が全周配列されている。
スリット孔９はＴ／２に相当する幅寸法を有している。
このスリット孔９は出力側スリット板５の対応するスリ
ット孔１１に対してＴ／４分だけ反時計方向に位相がず
れている。内側トラックにも周期Ｔでスリット孔１０が
全周配列されている。このスリット孔１０はＴ／２の幅
寸法を有するとともに、出力側スリット板５の内側トラ
ックに形成された対応するスリット孔１２に対し、時計
方向に位相がＴ／４だけずれている。

【００１２】図４は固定マスク板６のパタン形状を示す
模式的な平面図である。外側トラックに対応して透過パ
タン１３，１４が設けられている。又、内側トラックに
対応して透過パタン１５，１６が設けられている。透過
パタン１３，１４は周方向に沿って互いにＴ／２分だけ
位相がずれている。同様に、透過パタン１５，１６も互
いにＴ／２分だけ位相がずれている。一方、透過パタン
１３，１５は互いに同位相の関係にあり、透過パタン１
４，１６も互いに同位相の関係にある。

【００１３】図５は受光素子７の４分割された受光領域
パタンを示す模式的な平面図である。図示する様に、受
光素子７は径方向及び周方向に２個ずつ計４分割された
受光領域１７ないし２０を有している。個々の受光領域
はＴ／２に等しいかそれ以上の周方向幅を有している。
本発明はこれに限られるものではなく、受光領域は一般
に（ｎ＋１／２）Ｔで表わされる周方向幅を有していれ
ば良い。一対の受光領域１７，１８は外側トラックに整
合して配列されており、各々出力Ａ，ＲＡを送出する。
他方の一対の受光領域１９，２０は内側トラックに整合
して配列されており、各々出力信号Ｂ，ＲＢを送出す
る。図５と図４を比較すれば明らかな様に、マスクパタ
ン１３は受光領域１７に整合しており、マスクパタン１
４は受光領域１８に整合しており、マスクパタン１５は
受光領域１９に整合しており、マスクパタン１６は受光
領域２０に整合している。

【００１４】図６及び図７を参照して、図１に示した光
学式回転トルク検出装置の動作を詳細に説明する。図６
は、捩れ変位に伴なう入力側スリット板４、出力側スリ
ット板５、固定マスク板６の相対的な位置関係を示す模
式図である。（イ）に示した中立状態では捩れ量が０に
なっている。この時、外側トラックでは受光素子の左半
分領域で入力側スリット板のスリット孔９と出力側スリ
ット板のスリット孔１１とがＴ／４分だけ重なり合いハ
ッチングで示す開口２１が形成される。同様に、内側ト
ラックでは受光素子の右半分側領域で入力側スリット板
のスリット孔１０と出力側スリット板のスリット孔１２
とがＴ／４分だけ重なり合いハッチングで示す開口２２
が形成される。図から理解される様に、内側と外側のト
ラックで開口２１，２２は互いに等しい面積を有してい
る。

【００１５】次に（ロ）に示す様に、出力軸２に図面上
反時計方向へ回転トルクが加わるとトーションバー３が
捩られ、入力側スリット板４と出力側スリット板５の相
対位置がシフトし、検出トルクの限界まで回転した
（ロ）の状態では前述した外側トラックの開口２１はＴ
／２分まで拡大した開口２３となる。一方、内側トラッ
クの開口２２は縮小してその面積が零になる。

【００１６】（ハ）に示す状態は、出力軸２に図面上時
計方向へ検出トルクの限界までトルクが加わった場合で
あり、トーションバー３が捩られ入力側スリット板４と
出力側スリット板５の相対位置がずれる。この結果、
（イ）に示した中立状態における外側トラックの開口２
１は消滅する。一方中立状態における内側トラックの開
口２２はＴ／２分まで拡大された開口２４となる。

【００１７】図７は入力側スリット板４と出力側スリッ
ト板５が相対的な位置関係を保ったまま回転した場合に
おける各受光領域からの出力を示した波形図である。な
お、図７の（イ），（ロ），（ハ）は図６の（イ），
（ロ），（ハ）に夫々対応している。（イ）に示す中立
状態で一対のスリット板が一体となって回転すると、外
側のトラックから互いに相補的な出力Ａ，ＲＡが得られ
る。この一対の出力は互いに位相が逆の関係にある。こ
の出力は開口２１の通過に伴ない周期的に変動する。両
出力Ａ，ＲＡは互いに相補的である為その加算結果Ａ＋
ＲＡは所定の直流電圧レベルＶＡを有する。この電圧レ
ベルＶＡは開口２１の面積に比例している。同様に、内
側のトラックから互いに相補的な一対の出力Ｂ，ＲＢが
得られる。その加算結果Ｂ＋ＲＢも開口２２の面積に応
じた所定の直流電圧レベルＶＢを有する。中立状態では
内側トラックの開口２１と外側トラックの開口２２が等
しい面積を有している。従ってＶＡ，ＶＢを差分処理し
た結果は０レベルの直流電圧となり中立状態が検出され
る。なお、（イ）の波形から明らかな様に、出力ＲＡと
Ａの差分処理を施すと回転に応じたパルス信号が得られ
Ａ相出力となる。同様に、出力Ｂと出力ＲＢの差分処理
を施す事により回転に応じたパルス信号が得られＢ相出
力になる。Ａ相出力とＢ相出力は互いに位相がＴ／４分
だけずれている為、回転量のみならず回転方向も検出す
る事ができる。

【００１８】（ロ）の状態では外側トラックの開口２３
が最大範囲まで拡大している。従って大きな振幅を有す
る出力Ａ，ＲＡが得られる。この一対の出力を加算処理
する事により開口２３の面積に応じた直流電圧ＶＡが得
られる。一方内側トラックの開口は消滅している。従っ
て、出力Ｂ，ＲＢは略０レベルに近く、加算結果Ｂ＋Ｒ
Ｂも０レベルに近い出力電圧ＶＢを有している。両加算
結果の差分処理を行なう事により捩れ量に応じたトルク
信号出力が得られる。

【００１９】（ハ）の状態では外側トラックの開口が略
消滅し、内側トラックの開口２４が拡大している。従っ
て外側トラックの出力Ａ，ＲＡは略０レベルに近く、加
算結果も０レベルに近い電圧ＶＡとなっている。一方、
内側トラックからの出力Ｂ，ＲＢはその振幅が増大して
いる。加算結果Ｂ＋ＲＢの直流電圧レベルＶＢも増大す
る。両加算結果の差分をとる事により捩れ量に応じたト
ルク信号出力が得られる。このトルク信号出力の極性に
より捩れ方向を検出する事ができる。

【００２０】以上の様にトルク変化に対応して加算出力
が変動し、且つＡ相とＢ相が逆方向へ変化する事を利用
して補償する事ができるので、安定したトルク情報が得
られる。又、各波形を比較する事により回転情報も得る
事ができる。さらに全波形の加算出力が一定となる様に
発光素子を制御する事により温度や回転速度等に影響さ
れなくなる。

【００２１】

【発明の効果】以上説明した様に、本発明によれば、一
対のスリット板に相対位置の変化を生じさせ、これによ
り透過光量を変化させている。この光量変化を４分割し
た受光領域にて検出し且つ加算処理及び差分処理を施す
事により精度良く安定したトルクの測定が非接触で可能
になるという効果が得られる。加えて、エンコーダとし
ても機能するので精度良く安定した回転情報も同時に得
る事ができるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明にかかる光学式回転トルク検出装置の基
本的な構成を示すブロック図である。

【図２】出力側スリット板のパタン形状を示す部分平面
図である。

【図３】入力側スリット板のパタン形状を示す部分平面
図である。

【図４】固定マスク板のパタン形状を示す平面図であ
る。

【図５】受光素子の分割領域を示す平面図である。

【図６】図１に示した光学式回転トルク検出装置の動作
説明図である。

【図７】同じく図１に示した光学式回転トルク検出装置
の動作波形図である。

【図８】従来の光学式回転トルク検出装置の一例を示す
模式図である。

【図９】図８に示した従来構造に組み込まれる一対のス
リット板を示す模式的な斜視図である。

【符号の説明】

１入力軸２出力軸３トーションバー４入力側スリット板５出力側スリット板６固定マスク板７受光素子８発光素子９スリット孔１０スリット孔１１スリット孔１２スリット孔５０処理回路

フロントページの続き (56)参考文献特開昭59−65738（ＪＰ，Ａ) 特開昭62−157541（ＪＰ，Ａ) 特開平５−281060（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G01L 3/12

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】二本の回転軸を連結するトーションバー
と、夫々の回転軸に固定され互いに対面する一対の回転
スリット板と、この対を介して互いに対向配置された発
光素子及び受光素子と、受光素子の出力に基いて二本の
回転軸の相対的な捩れを検出する処理回路とからなる光
学式回転トルク検出装置において、一方の回転スリット板は、最大トルク時における片側捩
れ量の４倍以上に相当する幅を１周期としてその１／２
周期分のスリット孔を等間隔で全周に沿って２トラック
分具備しており、他方の回転スリット板は、該スリット孔に対し各トラッ
ク逆方向に１／４周期分だけ位相のずれたスリット孔を
全周に沿って２トラック具備しており、前記受光素子は、径方向及び周方向に２個ずつ計４分割
された受光領域を有しており、個々の受光領域は（ｎ＋
１／２）周期（但し、ｎは整数）に等しい周方向幅を有
しており、前記処理回路は、同一トラック上の２個の受光領域から
の出力をトラック毎に加算処理し、その加算結果の差分
処理により捩れトルクを検出する事を特徴とする光学式
回転トルク検出装置。
【請求項２】前記処理回路は、同一トラック上の２個
の受光領域からの出力を互いに比較処理して回転検出を
行なう事を特徴とする請求項１記載の光学式回転トルク
検出装置。
【請求項３】前記処理回路は、全受光領域からの出力
の総和を常に一定に保持する様に発光素子を制御する事
を特徴とする請求項１記載の光学式回転トルク検出装
置。