JP3584624B2

JP3584624B2 - トルクセンサ

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Publication number: JP3584624B2
Application number: JP20940196A
Authority: JP
Inventors: 浩一佐藤; 利行鬼塚; 一穂力石
Original assignee: NSK Ltd
Current assignee: NSK Ltd
Priority date: 1996-07-22
Filing date: 1996-07-22
Publication date: 2004-11-04
Anticipated expiration: 2016-07-22
Also published as: KR980012832A; DE19731433C2; JPH1038715A; US5811695A; DE19731433A1

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、回転軸に発生するトルクを検出するトルクセンサに関し、特に、発生するトルクに応じてインピーダンスが変化するコイルを有するトルクセンサにおいて、コスト削減や発熱量低減等が図られるようにしたものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来のトルクセンサとしては、例えば特公昭６３−４５５２８号公報に開示されたものがある。即ち、この従来のトルクセンサにあっては、軸に発生するトルクに応じて相対的に回転するように二つの円筒体が同軸に嵌め合わされるとともに、内側の円筒体の外周面には軸方向に長い溝と歯とが交互に形成され、外側の円筒体にはそれら円筒体間の相対回転に応じて溝との重なり具合が変化するように切欠きが形成され、さらに外側の円筒体を包囲するようにコイルが配設されている。そして、二つの円筒体の相対回転位置が変化して溝の切欠きとの重なり具合が変化すると、コイルのインピーダンスが変化することから、そのコイルのインピーダンスを測定することにより軸に発生するトルクを検出できる、というものであった。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
確かに、上記従来のトルクセンサであれば、コイルのインピーダンス変化に基づいて軸に発生するトルクを検出することは可能である。しかし、上記公報に記載される従来のトルクセンサにあっては、コイルを駆動する電流が高周波の交流電流であったため、高精度のトルクセンサとするためには正確な正弦波状の交流電流を発振するための発振部が必要である。すると、多数の電子部品が必要となってしまい、しかも個々の電子部品自体に高い精度が要求されるから、コストが嵩むという問題点があった。
【０００４】
また、正弦波状の交流電流でコイルを駆動する構造であり、しかも実際には電流の向きは一定とするため（つまり片電源駆動とするため）にオフセット電圧を加えてコイルを駆動するといったことから、消費電流が非常に大きくて不経済であり、大消費電流に伴い発熱量が大きい、という問題点もあった。
【０００５】
本発明は、このような従来の技術が有する未解決の課題に着目してなされたものであって、コスト削減や発熱量低減等を図ることができるトルクセンサを提供することを目的としている。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明に係るトルクセンサは、同軸に配設された第１及び第２の回転軸をトーションバーを介して連結するとともに、導電性で且つ非磁性の材料からなる円筒部材を、前記第１の回転軸の外周面を包囲するように、前記第２の回転軸と回転方向に一体とし、前記第１の回転軸の少なくとも前記円筒部材に包囲された被包囲部を磁性材料で形成し、前記被包囲部には軸方向に延びる溝を形成し、前記円筒部材には前記第１の回転軸との相対回転位置に応じて前記溝との重なり具合が変化するように窓を形成し、前記円筒部材の前記窓が形成された部分を包囲するようにコイルを配設し、前記コイルと直列に電気抵抗を配設し、そして、前記コイルに方形波状に変化する電圧を供給した際に前記コイルと電気抵抗との間に発生する過度電圧に基づいて、前記第１及び第２の回転軸に発生するトルクを検出するようにした。
【０００７】
ここで、本発明における非磁性の材料とは、常磁性体及び一部の反磁性体のことであり、磁性材料とは、強磁性体のことである。そして、非磁性材料の透磁率は、空気と同程度であり、磁性体の透磁率に比べて小さい。
【０００８】
また、過渡電圧とは、方形波状に変化する電圧が供給されることにより変化している最終の電圧のことである。
そして、本発明にあっては、コイルを方形波状に変化する電圧で駆動するようになっているから、その方形波状の電圧の供給間隔は、トルクセンサの出力が供給されるコントローラ側のサンプリング・クロックに同期していればよい。このため、実際にコイルに電流が流れている時間が大幅に短くなり、消費電流が少なくなって発熱量も低減する。また、方形波は、正弦波に比べて少ない電子部品でも容易に高精度に発生させることができる。
【０００９】
なお、コイルと電気抵抗との間に発生する過度電圧を保持するためのサンプルホールド回路を設ければ、過渡電圧が極短い間の消えてしまっても、トルクを検出することが可能となる。
【００１０】
また、上記構成に加えて、異常状態を監視する異常監視部を設けることが望ましい。異常監視部としては、例えば過渡電圧を保持する他のサンプルホールド回路と、そのサンプルホールド回路の出力が適正な範囲外の値となったか否かを判定する上下限判定器と、を設け、上下限判定器が上記範囲外の値となったと判定した場合に、トルク検出のためのサンプルホールド回路の出力を強制的に零にするような回路が考えられる。
【００１１】
また、例えば他の異常監視部の形態としては、上記上下判定器の出力をそのままコントローラに供給し、コントローラにおいて異常の有無を判断するような形態であってもよい。
【００１２】
さらに、他の異常監視部の形態としては、コイルと電気抵抗との間の過渡電圧の他に、それらコイルと電気抵抗との間の定常時の電圧をホールドしてコントローラ側に供給し、コントローラが読み込んだ定常時の電圧と適切な電圧との差から異常の有無を判断するような形態であってもよい。
【００１３】
また、他の異常監視部の形態としては、コイルと電気抵抗との間の過渡電圧の他に、その過渡電圧の前後の定常時の二つの電圧をホールドしてコントローラ側に供給し、コントローラ側では、一つの過渡電圧と、二つの定常時の電圧とに基づいて異常を判断するような形態であってもよい。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１乃至図３は本発明の第１の実施の形態の構成を示す図であって、これは、本発明に係るトルクセンサを、車両用の電動パワーステアリング装置に適用した例である。
【００１５】
先ず、構成を説明すると、電動パワーステアリング装置全体の断面図である図１に示すように、ハウジング１内には、トーションバー４を介して連結された入力軸２及び出力軸３が、軸受５ａ及び５ｂによって回転自在に支持されている。これら入力軸２，出力軸３及びトーションバー４は、同軸に配置されていて、入力軸２及びトーションバー４間は、それら各端部がスプライン結合されるスリーブ２Ａを介して連結され、トーションバー４の他端側は出力軸３内の深く入り込んだ位置にスプライン結合されている。また、入力軸２及び出力軸３は、鉄等の磁性材料から形成されている。
【００１６】
そして、入力軸２の図示しない図１右端側には、ステアリングホイールが回転方向に一体に取り付けられており、また、出力軸３の図示しない図１左端側には、例えば公知のラックアンドピニオン式ステアリング装置を構成するピニオン軸が連結されている。従って、操縦者がステアリングホイールを操舵することによって発生した操舵力は、入力軸２，トーションバー４，出力軸３及びラックアンドピニオン式ステアリング装置を介して、図示しない転舵輪に伝達する。
【００１７】
入力軸２端部に固定されたスリーブ２Ａは、出力軸３端部外周面を包囲するような長さを有している。そして、そのスリーブ２Ａの出力軸３端部外周面を包囲する部分の内周面には軸方向に長い複数の凸部２ａが形成され、これら凸部２ａに対向する出力軸３の外周面には軸方向に長い複数（凸部２ａと同数）の溝３ａが形成され、それら凸部２ａ及び溝３ａは周方向に余裕を持って嵌め合わされていて、これにより、入力軸２及び出力軸３間の所定範囲（例えば±５度程度）以上の相対回転を防止している。
【００１８】
そして、出力軸３には、これと同軸且つ一体に回転するウォームホイール６が外嵌し、このウォームホイール６の樹脂製の噛合部６ａと、電動モータ７の出力軸７ａ外周面に形成されたウォーム７ｂとが噛み合っている。従って、電動モータ７の回転力は、その出力軸７ａ，ウォーム７ｂ及びウォームホイール６を介して出力軸３に伝達されるようになっており、電動モータ７の回転方向を適宜切り換えることにより、出力軸３に任意の方向の操舵補助トルクが付与されるようになっている。
【００１９】
さらに、入力軸２と一体となっているスリーブ２Ａには、出力軸３の外周面に近接してこれを包囲するように、肉薄の円筒部材８が回転方向に一体に固定されている。
【００２０】
即ち、円筒部材８は導電性で且つ非磁性の材料（例えば、アルミニウム）から形成されていて、この円筒部材８及びその周囲の斜視図である図２にも示すように、円筒部材８の出力軸３を包囲する部分のうち、スリーブ２Ａに近い側には、周方向に等間隔離隔した長方形の複数（この実施例では、九つ）の窓８ａ，…，８ａが形成され、スリーブ２Ａから遠い側には、窓８ａ，…，８ａと位相が１８０度ずれるように周方向に等間隔離隔した長方形（窓８ａと同形状）の複数（この実施例では、九つ）の窓８ｂ，…，８ｂが形成されている。
【００２１】
また、出力軸３の円筒部材８に包囲された部分の外周面には、軸方向に延びる横断面略長方形の複数（窓８ａ，８ｂと同数、従ってこの例では九つ）の溝３Ａが形成されている。
【００２２】
より具体的には、円筒部材８の周面を周方向にＮ（この例ではＮ＝９）等分した角度を一周期角度θ（＝３６０／Ｎ，この例ではθ＝４０度）とし、円筒部材８の出力軸３から遠い側の部分では一周期角度θの一方の端から所定角度の部分が窓８ａ，…，８ａとなり、残りの部分が塞がっており、また、窓８ａ，…，８ａとの位相が半周期（θ／２）ずれるように、円筒部材８の出力軸３に近い側の部分では一周期角度θの他方の端から所定角度の部分が窓８ｂ，…，８ｂとなり、残りの部分が塞がっている。
【００２３】
ただし、トーションバー４に捩じれが生じていないとき（操舵トルクが零のとき）に、窓８ａの周方向幅中央部と、溝２Ａの周方向の一方の端部とが重なり、窓８ｂの周方向幅中央部と、溝２Ａの周方向の他方の端部とが重なり合うようになっている。従って、窓８ａ及び溝２Ａの重なり状態と、窓８ｂ及び溝２Ａの重なり状態とは、周方向で逆になっており、窓８ａ，８ｂの周方向幅中央部と溝２Ａの周方向幅中央部とはそれぞれθ／４ずつずれている。
【００２４】
そして、円筒部材８は、同一規格のコイル１０及び１１が巻き付けられたヨーク９で包囲されている。即ち、コイル１０及び１１は、円筒部材８と同軸に配置されていて、コイル１０は窓８ａ，…，８ａが形成された部分を包囲するようにヨーク９に巻き付けられ、コイル１１は窓８ｂ，…，８ｂが形成された部分を包囲するようにヨーク９に巻き付けられていて、ヨーク９はハウジング１に固定されている。なお、ハウジング１内のウォームホイール６が配設されている空間とヨーク９が配設されている空間との間は、オイルシール１２によって隔離されていて、これによりウォームホイール６及びウォーム７の噛み合い部分に供給される潤滑油がヨーク９側に入り込まないようになっている。
【００２５】
そして、コイル１０及び１１は、センサケース１３内の制御基板１４上に構成されているモータ制御回路に接続されている。
モータ制御回路は、図３に示すように、コイル１０，１１と直列に接続された電気抵抗値の等しい二つの電気抵抗Ｒ_０を有し、それらコイル１０，１１及び電気抵抗Ｒ_０によってブリッジ回路を形成している。このブリッジ回路のうち、コイル１０及び１１同士の接続部は、ＰＮＰ型のトランジスタＴ_ｒからなるコイル駆動部２０を介して電源Ｖ_ＤＤに接続され、電気抵抗Ｒ_０同士の接続部は接地側に接続されている。なお、コイル１０及び１１同士の接続部は、それらコイル１０及び１１に逆向きの起電力が発生した場合にのみ電流を許容するためのダイオード（いわゆるフライホイールダイオード）２１を介して接地側にも接続されている。
【００２６】
コイル駆動部２０のトランジスタＴ_ｒのゲートには、図示しないマイクロプロセッサやＡ／Ｄ変換器，Ｄ／Ａ変換器等のインタフェース回路等を含んで構成されたコントローラ２５から、制御電圧Ｖ_１が供給されるようになっている。この制御電圧Ｖ_１は、図４（ａ）に示すように方形波状に変化する電圧であって、その方形波の出力間隔はコントローラ２５のサンプリング・クロックに同期するようになっている。また、制御電圧Ｖ_１は、コイル駆動部２０のトランジスタＴ_ｒがＰＮＰ型であるため、そのトランジスタＴ_ｒをオンとするタイミングで論理値“１”から“０”に立ち下がり、トランジスタＴ_ｒをオフとするタイミングで論理値“０”から“１”に立ち上がる、いわゆる負論理の電圧となっている。
【００２７】
そして、コイル駆動部２０からコイル１０，１１に供給される電圧Ｖ_２は、トランジスタＴ_ｒのオン・オフに同期した図４（ｂ）に示すような方形波状に変化する電圧となる。つまり、電圧Ｖ_２は制御電圧Ｖ_１を反転した方形波となる。
【００２８】
さらに、コイル１０及び電気抵抗Ｒ_０間の電圧であるブリッジ回路の一方の出力電圧Ｖ_３と、コイル１１及び電気抵抗Ｒ_０間の電圧であるブリッジ回路の他方の出力電圧Ｖ_４とが、差動アンプ２２に入力されるようになっている。なお、差動アンプ２２には、コントローラ２５から供給される基準電圧Ｖ_Ｒを直列に接続された二つの電気抵抗Ｒ_１及びＲ_２で分圧することにより生成される所定の中立電圧Ｖ_ｒも供給されるようになっており、差動アンプ２２は、下記の（１）式で表されるような出力電圧Ｖ_５を出力するようになっている。なお、下記式中のＧはアンプゲインである。
【００２９】
Ｖ_５＝Ｇ×（Ｖ_３−Ｖ_４）＋Ｖ_ｒ ……（１）
例えば、基準電圧Ｖ_Ｒを５Ｖとし、電気抵抗Ｒ_１及びＲ_２を等しい電気抵抗値とすれば、Ｖ_ｒ＝２．５Ｖとなるから、出力電圧Ｖ_５は、２．５Ｖを中心に出力電圧Ｖ_３及びＶ_４の差に応じた振幅で変化するようになる。
【００３０】
差動アンプ２２の出力電圧Ｖ_５は、サンプルホールド回路２３によってホールドされることにより、所定のサンプリング時における出力電圧Ｖ_０としてコントローラ２５に供給されるようになっている。コントローラ２５は、サンプルホールド回路２３に、制御電圧Ｖ_１の立ち下がりと同時に立ち上がるとともに、それから所定時間経過後に立ち下がる図５（ｃ）に示すような短いパルス状の電圧でなるホールド信号Ｖ_Ｓを、サンプルホールド回路２３に供給するようになっていて、サンプルホールド回路２３は、そのホールド信号Ｖ_Ｓの立ち下がり時点における出力電圧Ｖ_５を出力電圧Ｖ_０としてホールドするようになっている。
【００３１】
なお、ホールド信号Ｖ_Ｓの立ち下がりタイミング（つまり、ホールド信号Ｖ_Ｓとしてのパルス波の幅）は、過度状態（変化している状態）にある出力電圧Ｖ_３及びＶ_４が差動アンプ２２に供給されている最中とする。より具体的には、制御電圧Ｖ_１の立ち下がり時点から、コイル１０，１１のインダクタンスと電気抵抗Ｒ_０とで決まる時定数τだけ経過した時刻を、ホールド信号Ｖ_Ｓを立ち下げるタイミングとする。時定数τを用いるのは、出力電圧Ｖ_３及びＶ_４に差がある場合に、その差が最も大きくなる時点で出力電圧Ｖ_５をホールドするためである。
【００３２】
そして、コントローラ２５は、サンプルホールド回路２３から供給される出力電圧Ｖ_０に基づき、入力軸２及び円筒部材８の相対回転変位の方向及び大きさを演算しその結果に所定の比例定数を乗じて操舵系に発生している操舵トルクを求め、その演算結果に基づいて操舵トルクを軽減する操舵補助トルクが発生する駆動電流Ｉが電動モータ７に供給されるように、図示しないパワートランジスタ等から構成されるモータ駆動部２６を制御するようになっている。
【００３３】
なお、コントローラ２５には、図示しない車速センサから車速検出信号が供給されるようになっていて、その車速検出信号に基づいて車両が高速走行中であるか否かを判定し、高速走行中には操舵補助トルクは不要であると判断して、モータ駆動部２６に対する制御を禁止するようになっている。また、コントローラ２５には、図示しないが、電動モータ７の電流をフィードバック制御するための電流検出信号も供給されるようになっている。
【００３４】
次に、本実施の形態の動作を説明する。
今、操舵系が直進状態にあり、操舵トルクが零であるものとすると、入力軸２及び出力軸３間には相対回転は生じない。従って、出力軸３と円筒部材８との間にも、相対回転は生じない。
【００３５】
一方、ステアリングホイールを操舵して入力軸２に回転力が生じると、その回転力は、トーションバー４を介して出力軸３に伝達される。このとき、出力軸３には、転舵輪及び路面間の摩擦力や出力軸３の図示しない左端側に構成されたラックアンドピニオン式ステアリング装置のギアの噛み合い等の摩擦力に応じた抵抗力が生じるため、入力軸２及び出力軸３間には、トーションバー４が捩じれることによって出力軸３が遅れる相対回転が発生し、出力軸３及び円筒部材８間にも相対回転が生じる。
【００３６】
円筒部材８に窓がない状態では、円筒部材８は導電性で且つ非磁性の材料からなるから、コイルに交流電流を流してコイル内部に交番磁界を生じさせると、円筒部材８の外周面にコイル電流と反対方向の渦電流が発生する。
【００３７】
この渦電流による磁界とコイルによる磁界とを重ね合わせると、円筒部材８の内側の磁界は相殺される。
円筒部材８に窓８ａ，８ｂを設けた場合、円筒部材８の外周面に生じた渦電流は、窓８ａ，８ｂによって外周面を周回できないため、窓８ａ，８ｂの端面に沿って円筒部材８の内周面側に回り込み、内周面をコイル電流と同方向に流れ、また隣の窓８ａ，８ｂの端面に沿って外周面側に戻り、ループを形成する。
【００３８】
つまり、コイルの内側に、渦電流のループを周方向に周期的に（θ＝３６０／Ｎ）に配置した状態となる。
コイル電流と渦電流の作る磁界は重ね合わされ、円筒部材８の内外には、周方向に周期的な磁界の強弱と、更に中心に向かうほど小さくなる勾配を持った磁界が形成される。周方向の磁界の強弱は、隣り合う渦電流の影響を強く受ける窓８ａ，８ｂの中心部分で強く、そこから半周期（θ／２）ずれたところで弱い。
【００３９】
円筒部材８の内側には、磁性材料からなる軸３が同軸に配設され、その軸３には凸部３Ａ，凹部３Ｂが窓８ａ，８ｂと同じ周期を持って形成されている。
磁界中に置かれた磁性体は磁化して、自発磁化（磁束）を発するがその量は飽和に至るまでは磁界の強さに応じて大きくなる。
【００４０】
このため、円筒部材８によって作られる周方向に周期的な強弱と半径方向に勾配を持つ磁界によって、軸３の自発磁化は、円筒部材８との相対的な位相によって増減する。
【００４１】
自発磁化が最大となる位相は、窓８ａ，８ｂの中心と凸部の中心とが一致した状態であり、自発磁化の増減に応じて、コイルのインダクタンスも増減する。その変化は、ほぼ正弦波状となる。
【００４２】
トルクが作用しない状態においては、自発磁化（インダクタンス）が最大となる位相に対して１／４周期（θ／４）ずれた状態となっており、更にスリーブ２Ａに近い側の窓列と他方の窓列との位相は前述のように１／２周期（θ／２）の位相差としてある。
【００４３】
このため、トルクにより円筒部材８と軸３に位相差が生じると、二つのコイル１０，１１のインダクタンスは一方は増加し、他方は同じ割合で減少する。
ここで、操舵系が中立位置にあって操舵トルク零の場合には、コイル１０，１１のインダクタンスは等しいから、それらコイル１０，１１のインピーダンスには差は生じず、従ってコイル１０及び１１の自己誘導起電力は等しい。
【００４４】
この状態で、コントローラ２５からコイル駆動部２０に図４（ａ）に示すような制御電圧Ｖ_１が供給され、それを反転した図４（ｂ）に示すような電圧Ｖ_２がコイル１０及び１１に供給されると、ブリッジ回路の出力電圧Ｖ_３及びＶ_４は、図５（１）（ａ）に示すように、その過度時の値も等しくなる。すると、差動アンプ２２の出力電圧Ｖ_５は、図５（１）（ｂ）に示すように中立電圧Ｖ_ｒを維持するから、図５（１）（ｃ）に示すようなホールド信号Ｖ_Ｓが出力されても、図５（１）（ｄ）に示すようにサンプルホールド回路２３の出力電圧Ｖ_０は中立電圧Ｖ_ｒのままである。
【００４５】
この結果、コントローラ２５は操舵系の操舵トルクが零であることを検出するから、モータ駆動部２６からは特に駆動電流Ｉは出力されず、操舵系には不要な操舵補助トルクは発生しない。
【００４６】
一方、右操舵トルク発生時には、操舵トルク零の場合に比べて、右操舵トルクが増大するに従ってコイル１０のインダクタンスは増大、コイル１１のインダクタンスは減少する。逆に、左操舵トルクが増大するに従って、コイル１０のインダクタンスは減少、コイル１１のインダクタンスは増大する。
【００４７】
そして、コイル１０，１１のインダクタンスが上記のように変化すれば、コイル１０及び１１のインピーダンスも同様の傾向で変化するし、コイル１０及び１１の自己誘導起電力も同様の傾向で変化する。
【００４８】
このため、右操舵トルク発生時には、図５（２）（ａ）に示すように、出力電圧Ｖ_３は出力電圧Ｖ_４よりも素早く立ち上がるため、出力電圧Ｖ_３及びＶ_４の過渡期にはそれらに差が生じることになり、その差は発生する操舵トルクが大きい程、大きくなる。逆に、左操舵トルク発生時には、図５（３）（ａ）に示すように、出力電圧Ｖ_４は出力電圧Ｖ_３よりも素早く立ち上がるため、出力電圧Ｖ_３及びＶ_４の過渡期にはそれらに差が生じることになり、その差は発生する操舵トルクが大きい程、大きくなる。
【００４９】
以上から、図５（２）（ｂ），（３）（ｂ）に示すように、差動アンプ２２の出力電圧Ｖ_５は、発生した操舵トルクの方向及び大きさに従って、中立電圧Ｖ_ｒから大きく変化するようになる。なお、温度等による自己インダクタンスの変化も差動アンプ２２においてキャンセルされる。
【００５０】
すると、図５（２）（ｃ），（３）（ｃ）に示すようなホールド信号Ｖ_Ｓが供給されて過渡期の出力電圧Ｖ_５がホールドされると、右操舵トルク発生時には、図５（２）（ｄ）に示すように、中立電圧Ｖ_ｒよりも大きな出力電圧Ｖ_０が得られ、左操舵トルク発生時には、図５（３）（ｄ）に示すように、中立電圧よりも小さい出力電圧Ｖ_０が得られる。
【００５１】
そして、コントローラ２５は、供給される出力電圧Ｖ_０と中立電圧Ｖ_ｒとの差に比例定数を乗じて操舵トルクを求め、その結果をモータ駆動部２６に供給し、モータ駆動部２６は、操舵トルクの方向及び大きさに応じた駆動電流Ｉを電動モータ７に供給する。
【００５２】
すると、電動モータ７には、操舵系に発生している操舵トルクの方向及び大きさに応じた回転力が発生し、その回転力がウォームギア等を介して出力軸３に伝達されるから、出力軸３に操舵補助トルクが付与されたことになり、操舵トルクが減少し、操縦者の負担が軽減される。
【００５３】
このように、本実施の形態のようにコイル１０，１１に対して方形波状に変化する電圧Ｖ_２を供給するような構成であっても、差動アンプ２２及びサンプルホールド回路２３によって出力電圧Ｖ_３及びＶ_４の過渡電圧の差をホールドし、出力電圧Ｖ_０としてコントローラ２５に供給するようにしているから、操舵系に発生している操舵トルクの方向及び大きさを把握し、それに応じた操舵補助トルクを発生させることができる。
【００５４】
そして、コイル１０，１１を方形波状に変化する電圧Ｖ_２で駆動する構成であると、コイル１０，１１に電流が流れるのはその電圧Ｖ_２が立ち上がっている間だけであるから、電圧Ｖ_２の波形のデューティ比を十分に小さくすれば、消費電流を大幅に低減することができる。そこで、本実施の形態の構成であると、操舵トルクの検出に必要なのは、過渡期において出力電圧Ｖ_３及びＶ_４の差が十分に生じた際の出力電圧Ｖ_０であり、そのためには出力電圧Ｖ_１を立ち下げた時点から時定数τだけ経過するまで電圧Ｖ_２が立ち上がっていればよい。従って、安全率を見込んで、時定数τよりも若干長い時間だけトランジスタＴ_ｒをオンにすればよいから、電圧Ｖ_２のデューティ比を極小さく（例えば５％程度まで低減）することができる。その結果、コイル１０，１１に電流が流れる時間が極短くなるから、消費電力が小さくなって経済的であるし、発熱量も低減される。発熱量が低減されれば、故障発生率の低減等も期待できるようになる。
【００５５】
また、コントローラ２５でオン・オフ制御される制御電圧Ｖ_１をトランジスタＴ_ｒに供給するだけで、コイル１０，１１を方形波状に変化する電圧Ｖ_２で駆動させることができるから、正弦波駆動の場合と比較して必要な電子部品数も少なくなるし、個々の電子部品に要求される精度も低くて済む。このため、コスト低減も期待できる。
【００５６】
ここで、本実施の形態では、入力軸２が第２の回転軸に対応し、出力軸３が第１の回転軸に対応し、凸部３Ｂが溝でない部分に対応し、出力軸３の円筒部材８に包囲された部分が被包囲部に対応する。
【００５７】
図６は本発明の第２の実施の形態におけるモータ制御回路の構成を示す回路図である。なお、電動パワーステアリング装置等の全体的な構成は上記第１の実施の形態と同様であるため、その図示及び説明は省略する。また、上記第１の実施の形態と同様の構成には同じ符号を付し、その重複する説明は省略する。
【００５８】
即ち、本実施の形態にあっては、差動アンプ２２の前段側に二つのサンプルホールド回路２３Ａ，２３Ｂを設け、サンプルホールド回路２３Ａに出力電圧Ｖ_３を供給し、サンプルホールド回路２３Ｂに出力電圧Ｖ_４を供給するようにしている。そして、それらサンプルホールド回路２３Ａ，２３Ｂの出力電圧Ｖ_３’，Ｖ_４’を差動アンプ２２に供給し、差動アンプ２２の出力がコントローラ２５に供給されるようになっている。
【００５９】
このような構成であると、図７（１）〜（３）の（ａ）に示すように、出力電圧Ｖ_３及びＶ_４の差動増幅するよりも前に、過渡期にある出力電圧Ｖ_３及びＶ_４がホールドされ、図７（１）〜（３）の（ｃ）に示すように、それらホールドされた電圧Ｖ_３’，Ｖ_４’の差が差動アンプ２２で増幅されて出力電圧Ｖ_０が得られることになる。そして、サンプルホールド回路２３Ａ，２３Ｂの方が前段側にある分、ホールド信号Ｖ_Ｓのタイミングがずれてしまった場合の影響が少なくなる、という利点がある。
【００６０】
図８は本発明の第３の実施の形態におけるモータ制御回路の構成を示す回路図である。なお、電動パワーステアリング装置等の全体的な構成は上記第１の実施の形態と同様であるため、その図示及び説明は省略する。また、上記第１の実施の形態と同様の構成には同じ符号を付し、その重複する説明は省略する。
【００６１】
即ち、本実施の形態の構成は、異常監視部３０を設けた点を除いては、上記第１の実施の形態と同様の構成のモータ制御回路と同様である。そして、異常監視部３０は、ブリッジ回路の一方の出力電圧Ｖ_３が供給されるサンプルホールド回路３１と、このサンプルホールド回路３１の出力が供給される上下限判定器３２と、この上下限判定器３２の出力がゲートに供給されるＮＰＮ型のトランジスタ３３とで構成されている。サンプルホールド回路３１には、サンプルホールド回路２３と同様にコントローラ２５からホールド信号Ｖ_Ｓが供給されるようになっている。また、上下限判定器３２は例えばウインドコンパレータ等から構成されていて、サンプルホールド回路３１の出力である出力電圧Ｖ_３の瞬時値が適正な範囲外にある場合に、トランジスタ３３をオンとするような電圧をそのトランジスタ３３のゲートに供給するようになっている。そして、トランジスタ３３のエミッタは接地側に接続され、トランジスタ３３のコレクタは差動アンプ２２の中立電圧Ｖ_ｒ供給側に接続されている。
【００６２】
このような構成であると、コイル１０及び１１の両方が短絡又は断線するような異常が生じた場合には、出力電圧Ｖ_３が零又はＶ_ＤＤ（例えば５Ｖ）になり、これがサンプルホールド回路３１でホールドされて上下限判定器３２に供給されるから、上下限判定器３２は出力電圧Ｖ_３が適正な範囲外にあると判断し、トランジスタ３３をオンにする。すると、差動アンプ２２に供給される中立電圧Ｖ_ｒが強制的に零になるから、差動アンプ２２の出力電圧Ｖ_５は電圧Ｖ_３，Ｖ_４に関係なく零となり、出力電圧Ｖ_０も零となる。この結果、適正な範囲外にある出力電圧Ｖ_０に基づいて異常が発生したことを認識できるから、操舵補助トルクを発生させる制御を停止することができ、異常発生時に不要な操舵補助トルクが発生するようなことは防止される。
【００６３】
また、コイル１０又は１１の一方が短絡又は断線した場合には、出力電圧Ｖ_３及びＶ_４の差が極端に大きくなる（例えば、コイル１０が短絡した場合には出力電圧Ｖ_３はＶ_ＤＤとなるし、コイル１０が断線した場合には出力電圧Ｖ_３は零となる）から、差動アンプ２２の出力電圧Ｖ_５が適正な範囲外の値となり、サンプルホールド回路２３の出力電圧Ｖ_０も適正な範囲外の値となる。この結果、適正な範囲外にある出力電圧Ｖ_０に基づいて異常が発生したことを認識できるから、操舵補助トルクを発生させる制御を停止することができ、異常発生時に不要な操舵補助トルクが発生するようなことは防止される。
【００６４】
なお、コイル駆動部２０に異常が発生するなどしてコイル１０，１１に電流が流れない異常の場合には、出力電圧Ｖ_３，Ｖ_４は共に零であるから、差動アンプ２２の出力電圧Ｖ_５並びにサンプルホールド回路２３の出力電圧Ｖ_０は中立電圧Ｖ_ｒとなり、コントローラ２５は操舵トルクが零であると認識する。このため、かかる異常時に操舵補助トルクが発生して、却って運転者の負荷になってしまうようなことはない。
【００６５】
このように、本実施の形態の構成であれば、異常監視部３０を設けたため、コントローラ２５においてモータ駆動回路の異常を容易に検出することができ、異常時に不要な操舵補助トルクが発生するようなことを防止できるという利点がある。その他の作用効果は、上記第１の実施の形態と同様である。
【００６６】
図９は本発明の第４の実施の形態におけるモータ制御回路の構成を示す回路図である。なお、電動パワーステアリング装置等の全体的な構成は上記第１の実施の形態と同様であるため、その図示及び説明は省略する。また、上記各実施の形態と同様の構成には同じ符号を付し、その重複する説明は省略する。
【００６７】
即ち、本実施の形態の構成は、異常監視部３０のトランジスタ３３を省略した点を除いては、上記第３の実施の形態と同様の構成のモータ制御回路と同様である。そして、異常監視部３０の上下限判定器３２の出力がコントローラ２５に供給されるようになっている。このような構成であれば、コイル１０及び１１の両方が短絡又は断線するような異常が生じた場合には、出力電圧Ｖ_３が零又はＶ_ＤＤになり、これがサンプルホールド回路３１でホールドされて上下限判定器３２に供給され、上下限判定器３２は出力電圧Ｖ_３が適正な範囲外にあると判断し、その結果をコントローラ２５に供給する。この結果、コントローラ２５は異常が発生したことを認識できるから、操舵補助トルクを発生させる制御を停止して、異常発生時に不要な操舵補助トルクが発生するようなことは防止される。その他の異常が発生した場合の作用効果は上記第３の実施の形態と同様であり、またその他の作用効果は上記第１の実施の形態と同様である。
【００６８】
そして、本実施の形態にあっては、上記第３の実施の形態と比較してトランジスタ３３が省略できるという利点がある。
図１０は本発明の第５の実施の形態におけるモータ制御回路の構成を示す回路図である。なお、電動パワーステアリング装置等の全体的な構成は上記第１の実施の形態と同様であるため、その図示及び説明は省略する。また、上記第１の実施の形態と同様の構成には同じ符号を付し、その重複する説明は省略する。
【００６９】
即ち、本実施の形態の構成は、ブリッジ回路の一方の出力電圧Ｖ_３をレベル変換器３５を介してコントローラ２５に供給するようにした点を除いては、上記第１の実施の形態と同様の構成のモータ制御回路と同様である。そして、コントローラ２５は、図１１（ａ）に示すように変化する出力電圧Ｖ_３を、図１１（ｂ）に示すようなタイミングで読み込むようになっている。つまり、コントローラ２５は、定常状態にある出力電圧Ｖ_３を読み込むようになっている。
【００７０】
このような構成でれば、コイル１０及び１１の両方が短絡又は断線するような異常が生じた場合には、定常状態の出力電圧Ｖ_３が零又はＶ_ＤＤになり、これがレベル変換器３５を介してコントローラ２５に供給されるから、コントローラ２５は異常が発生したことを認識でき、操舵補助トルクを発生させる制御を停止して、異常発生時に不要な操舵補助トルクが発生するようなことは防止される。その他の異常が発生した場合の作用効果は上記第３の実施の形態と同様であり、またその他の作用効果は上記第１の実施の形態と同様である。
【００７１】
そして、本実施の形態にあっては、上記第３，第４の実施の形態と比較して異常監視部３０が簡略化できるという利点がある。
図１２は本発明の第６の実施の形態を説明する波形図である。なお、本実施の形態の装置構成は上記第５の実施の形態と同様であるため、その図示及び説明は省略する。
【００７２】
即ち、本実施の形態にあっては、上記第５の実施の形態と同様の構成及び同様の動作を奏する他に、図１２（ａ）〜（ｃ）に示すように、ホールド信号Ｖ_Ｓの出力タイミングを、差動アンプ２２の出力電圧Ｖ_５の過渡期Ｔ_２以外に、その前後の定常時Ｔ_１，Ｔ_３にもそれぞれ設定することにより、電圧Ｖ_２の一つの方形波毎に３回ずつ出力電圧Ｖ_５をホールドして、図１２（ｄ）に示すように各タイミング毎に出力電圧Ｖ_０をコントローラ２５が読み込むようにしている。
【００７３】
このような構成であれば、コントローラ２５は出力電圧Ｖ_０の三つの状態を認識でき、各出力電圧Ｖ_０に基づいて差動アンプ２２が正常に稼働しているか否かを判断することができる。つまり、過渡期Ｔ_２にホールドされ読み込まれた出力電圧Ｖ_０に基づき上記第１の実施の形態と同様に発生している操舵トルクの方向及び大きさを判断して操舵補助トルク制御を実行する一方で、二つの定常時Ｔ_１及びＴ_３にホールドされ読み込まれた出力電圧Ｖ_０が等しく中立電圧Ｖ_ｒになければ、差動アンプ２２に異常が発生したと判断することができる。また、例えばコイル１０及び１１の接続部に溶接不良や半田脱落等の異常がある場合、その接触抵抗が増加するため、定常時Ｔ_１又はＴ_３にホールドされ読み込まれた出力電圧Ｖ_０が中立電圧Ｔ_ｒよりも低下するようになるから、それら出力電圧Ｖ_０の中立電圧Ｖ_ｒからのずれに基づいてコイル１０，１１の接続状態を判断することもできる。そして、上記第５の実施の形態と同様の作用により、コイル１０及び１１の両方が短絡又は断線するような異常が生じた場合も検出できる。なお、その他の異常が発生した場合の作用効果は上記第３の実施の形態と同様であり、またその他の作用効果は上記第１の実施の形態と同様である。
【００７４】
図１３は本発明の第７の実施の形態におけるモータ制御回路の構成を示す回路図である。なお、電動パワーステアリング装置等の全体的な構成は上記第１の実施の形態と同様であるため、その図示及び説明は省略する。また、上記第１の実施の形態と同様の構成には同じ符号を付し、その重複する説明は省略する。
【００７５】
即ち、本実施の形態の構成は、ブリッジ回路の出力電圧Ｖ_３，Ｖ_４をコントローラ２５に直接供給する点を除いては上記第１の実施の形態と同様である。ただし、コントローラ２５には、各出力電圧Ｖ_０，Ｖ_３，Ｖ_４を読み込むために少なくとも三つのＡ／Ｄ変換器を設けている。
【００７６】
そして、本実施の形態の波形図である図１４に示すように、ホールド信号Ｖ_Ｓの出力タイミングを定常時Ｔ_１と過渡期Ｔ_２とに設定することにより、一つの方形波毎に二回ずつ出力電圧Ｖ_５をホールドするようになっている。また、図１５に示すように、二つの定常状態時に、ブリッジ回路の出力電圧を読み込むようにしている。なお、図１５（ｂ）は、出力電圧Ｖ_３，Ｖ_４の読み込みタイミングを表している。
【００７７】
このような構成であれば、コントローラ２５は出力電圧Ｖ_０に基づいて差動アンプ２２が稼働しているか否か及び基準電圧Ｖ_ｒが正常かを認識できる一方、各出力電圧Ｖ_３，Ｖ_４に基づいてコイル１０，１１の接続部に異常がある場合やトランジスタＴ_ｒに異常がある場合もコントローラ２５で予め設定された値との比較で認識することができる。その他の作用効果は上記第１，３の実施の形態と同様である。
【００７８】
なお、上記各実施の形態では、本発明にかかるトルクセンサを車両用の電動パワーステアリング装置に適用した場合について説明したが、本発明の適用対象はこれに限定されるものではない。
【００７９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明にあっては、コイルに方形波状に変化する電圧を供給した際にコイルと電気抵抗との間に発生する過度電圧に基づいてトルクを検出するようにしたため、コイルに電流が流れる時間が極短くなるから、消費電力が小さくなって経済的であるし、発熱量も低減され、しかも、必要な電子部品数も少なくなり、個々の電子部品に要求される精度も低くて済むから、コストも低減するという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態の構成を示す正断面図である。
【図２】実施の形態の要部の斜視図である。
【図３】第１の実施の形態のモータ制御回路の回路図である。
【図４】コントローラからコイルに供給される電圧の波形図である。
【図５】第１の実施の形態のモータ制御回路内の各電圧の波形図である。
【図６】第２の実施の形態のモータ制御回路の回路図である。
【図７】第２の実施の形態のモータ制御回路内の各電圧の波形図である。
【図８】第３の実施の形態のモータ制御回路の回路図である。
【図９】第４の実施の形態のモータ制御回路の回路図である。
【図１０】第５の実施の形態のモータ制御回路の回路図である。
【図１１】第５の実施の形態のモータ制御回路内の各電圧の波形図である。
【図１２】第６の実施の形態のモータ制御回路内の各電圧の波形図である。
【図１３】第７の実施の形態のモータ制御回路の回路図である。
【図１４】第７の実施の形態のモータ制御回路内の各電圧の波形図である。
【図１５】第７の実施の形態のモータ制御回路内の各電圧の波形図である。
【符号の説明】
２入力軸（第２の回転軸）
３出力軸（第１の回転軸）
３Ａ溝
３Ｂ凸部（溝でない部分）
４トーションバー
８円筒部材
８ａ，８ｂ窓
１０，１１コイル
２０コイル駆動部
２２差動アンプ
２３サンプルホールド回路
２３Ａ，２３Ｂサンプルホールド回路
２５コントローラ
２６モータ駆動部
３０異常監視部
３１サンプルホールド回路
３２上下限判定器
３３トランジスタ

Claims

同軸に配設された第１及び第２の回転軸をトーションバーを介して連結するとともに、導電性で且つ非磁性の材料からなる円筒部材を、前記第１の回転軸の外周面を包囲するように、前記第２の回転軸と回転方向に一体とし、前記第１の回転軸の少なくとも前記円筒部材に包囲された被包囲部を磁性材料で形成し、前記被包囲部には軸方向に延びる溝を形成し、前記円筒部材には前記第１の回転軸との相対回転位置に応じて前記溝との重なり具合が変化するように窓を形成し、前記円筒部材の前記窓が形成された部分を包囲するようにコイルを配設し、前記コイルと直列に電気抵抗を配設し、そして、前記コイルに方形波状に変化する電圧を供給した際に前記コイルと電気抵抗との間に発生する過度電圧に基づいて、前記第１及び第２の回転軸に発生するトルクを検出するようになっていることを特徴とするトルクセンサ。