JP3588684B2 - トルクセンサ - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、トルクセンサの改良に関し、特に自動車のパワーステアリング装置に好適なトルクセンサの改良に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
自動車の操舵輪を操作する力を補助するパワーステアリング装置として、電動式のものが実用化されている。これは操舵輪に作用したトルクをトルクセンサにより検出し、その検出トルクに応じて、操舵機構に設けられている操舵力を補助する電動機を駆動させる構造となっている。
【０００３】
図８はこの種のトルクセンサの回路構成を示すブロック図である。このトルクセンサでは、直流電源Ｅから電源電圧が供給され発振動作する発振回路１０の、直流電圧を含んだ発振電圧を出力する出力端子は、電流増幅回路１１、反転電流増幅回路１２及びサンプリングパルス発生回路１３の各入力端子と接続されている。電流増幅回路１１の出力端子と、反転電流増幅回路１２の出力端子との間には、温度補償用コイルＬ１とトルク検出用コイルＬ２との直列回路が介装されている。
【０００４】
温度補償用コイルＬ１は、作用するトルクに応じてインピーダンスが変化しないこと以外は、トルク検出用コイルＬ２と同様の条件の下に設置され、温度によるトルク検出用コイルＬ２への影響を補償する。
温度補償用コイルＬ１とトルク検出用コイルＬ２との直列回路には、抵抗Ｒ１と抵抗Ｒ２との直列回路が並列接続され、この２つの直列回路でブリッジ回路が形成されている。温度補償用コイルＬ１とトルク検出用コイルＬ２との接続節点は、差動増幅回路１５の一側入力端子と接続されている。
【０００５】
抵抗Ｒ１と抵抗Ｒ２との接続節点は、差動増幅回路１５の他側入力端子と接続され、差動増幅回路１５の出力端子はサンプルホールド回路１７の入力端子と接続されている。サンプリングパルス発生回路１３のパルス出力端子はサンプルホールド回路１７のサンプリングパルス入力端子と接続されている。
サンプルホールド回路１７の出力端子は電圧・電流変換回路１９の入力端子と接続され、電圧・電流変換回路１９からトルク検出信号Ｔｓが出力されている。
【０００６】
以下に、このような構成のトルクセンサの動作を説明する。
発振回路１０を発振動作させると、発振回路１０は、図３に示すように、直流電圧Ｖｄによりバイアスされた発振電圧Ｖａを出力する。この直流電圧Ｖｄを含んだ発振電圧Ｖａは、電流増幅回路１１及び反転電流増幅回路１２へ入力され、電流増幅回路１１は、図４に示すように、発振回路１０の出力電圧と同位相の交流電圧Ｖｂ及び正の直流電圧Ｖｄを出力する。
【０００７】
一方、反転電流増幅回路１２は、図５に示すように、発振回路１０の発振電圧の位相を１８０°ずらせた交流電圧Ｖｃ及び正の直流電圧Ｖｄを出力する。これにより温度補償用コイルＬ１とトルク検出用コイルＬ２との直列回路の両端には交流電圧ＶｂとＶｃとの差電圧、つまり発振電圧Ｖａの２倍の高い電圧が与えられる。
【０００８】
また、温度補償用コイルＬ１とトルク検出用コイルＬ２との直列回路の両端には同電位の直流電圧Ｖｄが与えられているため、温度補償用コイルＬ１及びトルク検出用コイルＬ２には、直流電流は流れない。そして、温度補償用コイルＬ１とトルク検出用コイルＬ２との接続節点の交流電圧は、図９に示すように、トルク検出用コイルＬ２のインピーダンスが温度補償用コイルＬ１のインピーダンスより大きい場合は、発振電圧Ｖａと同位相の交流電圧Ｖｂの変化をし、反対に小さい場合は発振電圧Ｖａと逆位相の交流電圧Ｖｃの変化をする。
【０００９】
また、抵抗Ｒ１と抵抗Ｒ２との接続節点の直流電圧は、両抵抗Ｒ１，Ｒ２が等しい場合は、図１０に示すように、直流電圧Ｖｄとなる。そして、温度補償用コイルＬ１とトルク検出用コイルＬ２との接続節点の電圧及び抵抗Ｒ１と抵抗Ｒ２との接続節点の電圧が、差動増幅回路１５へ入力されて差動増幅され、その出力電圧は、図１１に示すように、変化してサンプルホールド回路１７へ入力される。
【００１０】
ここで、発振回路１０の発振電圧Ｖａがサンプリングパルス発生回路１３へ入力されており、発振電圧Ｖａに同期してサンプリングパルスを発生しており、このサンプリングパルスがサンプルホールド回路１７へ与えられる。これによりサンプルホールド回路１７は、サンプリングパルスが与えられたタイミングで、差動増幅回路１５から入力された交流電圧をサンプリングしてホールドし、検出トルクに応じた電圧信号Ｖｓを得る。例えば、サンプリングのタイミングを交流電圧Ｖｂの山（交流電圧Ｖｃの谷）に合わせると、トルク検出用コイルＬ２のインピーダンスの大きさに応じた電圧信号Ｖｓを得ることができる。
【００１１】
サンプルホールドされた電圧信号Ｖｓは、電圧・電流変換回路１９へ入力されて電流信号に変換されると共に、所定のオフセット値が与えられて、トルク検出信号Ｔｓとして出力される。このトルク検出信号Ｔｓに基づいて操舵力を補助するモータ（図示せず）を駆動することにより、操舵力を適正に補助することができる。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
上述した従来のトルクセンサでは、温度補償用コイルＬ１は、トルク検出用コイルＬ２と同様の形状をしており、トルクセンサの中でトルク検出用コイルＬ２と同程度の空間を占め、また、高価である。そのため、温度補償用コイルＬ１に代わって、サーミスタを使用することが試みられている。
【００１３】
ここで、図６（ａ）において、Ｚ１，Ｚ２，Ｚ３及びＺ４を、トルク検出用コイルＬ２、温度補償用コイルＬ１、抵抗Ｒ２及び抵抗Ｒ１のそれぞれのインピーダンスとすると、従来のトルクセンサでは、ブリッジ回路の平衡条件、｜Ｚ１｜・｜Ｚ４｜＝｜Ｚ２｜・｜Ｚ３｜、Φ１＋Φ４＝Φ２＋Φ３（Φ１，Φ２，Φ３，Φ４はインピーダンスＺ１，Ｚ２，Ｚ３，Ｚ４の位相角）を満足させ、その平衡の僅かな歪みを利用して、インピーダンスの変化を検出している。位相角Φ１，Φ２は、Ｚ１，Ｚ２がコイルであるので、電圧の位相が電流の位相よりそれぞれ同程度に進み、位相角Φ３，Φ４は、Ｚ３，Ｚ４が抵抗であるので位相の進みがなく０である。
【００１４】
ところが、温度補償用コイルＬ１をサーミスタ（抵抗）で置き換えると、インピーダンスＺ２の位相角Φ２は０となるので、上述したブリッジ回路の平衡条件Φ１＋Φ４＝Φ２＋Φ３を満足させることができず、トルクに応じたインピーダンスの変化を検出できない問題があった。
【００１５】
本発明は、上述したような事情に鑑みてなされたものであり、温度補償用コイルの代わりに、温度補償用の抵抗を使用することが可能なトルクセンサを提供することを目的とする。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
本発明に係るトルクセンサは、作用するトルクに応じて変化するトルク検出用コイルのインピーダンスにより前記トルクを検出するトルクセンサにおいて、前記トルク検出用コイル及び該トルク検出用コイルの温度補償のための抵抗からなる直列回路と、該直列回路に並列接続されており、２つの抵抗からなる直列回路と、該２つの抵抗の内、前記温度補償のための抵抗に接続された抵抗に並列接続された容量とを備え、前記トルク検出用コイルによる位相のずれと、前記抵抗及び容量の並列回路による位相のずれとを相殺すべくなしてあり、前記トルク検出用コイル及び前記温度補償のための抵抗の接続点と、前記２つの抵抗の接続点との電位差を検出することにより、前記インピーダンスの変化を検出すべくなしてあることを特徴とする。
【００１７】
このトルクセンサは、トルク検出用コイル及びトルク検出用コイルの温度補償のための抵抗からなる直列回路と、この直列回路に並列接続され２つの抵抗からなる直列回路と、この２つの抵抗の内、温度補償のための抵抗に接続された抵抗に並列接続された容量とを備えている。ここで、図６（ａ）において、Ｚ１をトルク検出用コイルのインピーダンス、Ｚ２を温度補償のための抵抗のインピーダンス、Ｚ３を抵抗のインピーダンス、Ｚ４を並列接続された抵抗と容量とのインピーダンスとすると、ブリッジ回路の平衡条件Φ１＋Φ４＝Φ２＋Φ３（Φ１，Φ２，Φ３，Φ４はインピーダンスＺ１，Ｚ２，Ｚ３，Ｚ４の位相角）を満足させることができる。
【００１８】
即ち、Φ１は、Ｚ１がコイルであるので、電圧の位相が電流の位相より進み、Φ４は、Ｚ４が並列接続された抵抗と容量とであるので、電圧の位相が電流の位相より遅れ、この位相の進みと遅れとを相殺するように定めておくと、式Φ１＋Φ４＝Φ２＋Φ３の両辺が０となる（Φ２，Φ３は、Ｚ２，Ｚ３が抵抗であるので位相の進みがなく０である）。
従って、このトルクセンサは、ブリッジ回路のもう１つの平衡条件｜Ｚ１｜・｜Ｚ４｜＝｜Ｚ２｜・｜Ｚ３｜も満足させれば、ブリッジ回路の平衡をとることができ、その平衡の僅かな歪みを利用して、インピーダンスの変化を検出でき、トルクを検出することができる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明を、その実施の形態を示す図面を参照しながら説明する。
図１は、本発明に係るトルクセンサの実施の形態の回路構成を示すブロック図である。このトルクセンサでは、直流電源Ｅから電源電圧が供給され発振動作する発振回路１０の、直流電圧を含んだ発振電圧を出力する出力端子は、電流増幅回路１１、反転電流増幅回路１２及びサンプリングパルス発生回路１３の各入力端子と接続されている。電流増幅回路１１の出力端子と、反転電流増幅回路１２の出力端子との間には、温度補償のための抵抗であるサーミスタＲ３とトルク検出用コイルＬ２との直列回路が介装されている。
【００２０】
サーミスタＲ３は、トルク検出用コイルＬ２と同様の温度条件の下に設置され、温度によるトルク検出用コイルＬ２への影響を補償する。
サーミスタＲ３とトルク検出用コイルＬ２との直列回路には、抵抗Ｒ１と抵抗Ｒ２との直列回路が並列接続され、サーミスタＲ３と接続された抵抗Ｒ１にはコンデンサＣ１が並列接続されている。この２つの直列回路でブリッジ回路が形成されている。サーミスタＲ３とトルク検出用コイルＬ２との接続節点は、差動増幅回路１５の一側入力端子と接続されている。
【００２１】
抵抗Ｒ１と抵抗Ｒ２との接続節点は、差動増幅回路１５の他側入力端子と接続され、差動増幅回路１５の出力端子はサンプルホールド回路１７の入力端子と接続されている。サンプリングパルス発生回路１３のパルス出力端子はサンプルホールド回路１７のサンプリングパルス入力端子と接続されている。
サンプルホールド回路１７の出力端子は電圧・電流変換回路１９の入力端子と接続され、電圧・電流変換回路１９からトルク検出信号Ｔｓが出力されている。
【００２２】
図２は、本発明に係るトルクセンサの縦断面図である。このトルクセンサは、図示しない操舵輪を取付けている上部軸２１と、操舵機構３０に取り付けられている下部軸２２とがトーションバー２３を介して同軸的に連結されており、下部軸２２は図示しない車体に固定して取付けてある筒状のケース２５に軸受２６を介して回転自在に支持されている。
【００２３】
上部軸２１の外周は段状部２１ｂを介して上部側が太径部２１ｃに、また下部側がそれより細径の縮径部２１ｄに形成されている。
そして、この上部軸２１の段状部２１ｂには、磁性体からなる第１の円筒２４がその上部端を太径部２１ｃの段壁面に当接された状態で圧入によって外嵌固着されている。
【００２４】
下部軸２２の上端部には、磁性体製の第２の円筒２７が外嵌固着されている。そして第１の円筒２４と第２の円筒２７との対向端部には周方向に複数の歯部２４ａ，２７ａが設けられている。
ケース２５の内側には磁性体からなる筒体２９が下部軸２２側から挿入され、内嵌固着されている。筒体２９は上部側の第１の円筒２４と第２の円筒２７との対向部分と対向させて配設されている。
【００２５】
筒体２９の周設溝にはトルク検出用コイルＬ２が収納されており、それにより筒体２９は、第１の円筒２４と第２の円筒２７と磁気回路を構成する。トルク検出用コイルＬ２のインピーダンスは、上部軸２１に加わるトルクに応じて変化する、歯部２４ａと歯部２７ａとの対向面積の変化に応じた磁気回路の磁気抵抗の変化により変化するようになっている。
ここで、温度補償用コイルを設けようとすれば、ケース２５の内側に、筒体２９、第１の円筒２４、第２の円筒２７、歯部２４ａ，２７ａ等をさらに１セット、トルク検出用コイルＬ２に隣接して設ける必要がある。従って、温度補償用コイルを省くことによって、トルクセンサを小型化できることが分かる。
【００２６】
以下に、このような構成のトルクセンサの動作を説明する。
発振回路１０を発振動作させると、発振回路１０は、図３に示すように、直流電圧Ｖｄによりバイアスされた発振電圧Ｖａを出力する。この直流電圧Ｖｄを含んだ発振電圧Ｖａは、電流増幅回路１１及び反転電流増幅回路１２へ入力され、電流増幅回路１１は、図４に示すように、発振回路１０の出力電圧と同位相の交流電圧Ｖｂ及び正の直流電圧Ｖｄを出力する。
【００２７】
一方、反転電流増幅回路１２は、図５に示すように、発振回路１０の発振電圧の位相を１８０°ずらせた交流電圧Ｖｃ及び正の直流電圧Ｖｄを出力する。これによりサーミスタＲ３とトルク検出用コイルＬ２との直列回路の両端には交流電圧ＶｂとＶｃとの差電圧、つまり発振電圧Ｖａの２倍の高い電圧が与えられる。また、サーミスタＲ３とトルク検出用コイルＬ２との直列回路の両端には同電位の直流電圧Ｖｄが与えられているため、サーミスタＲ３及びトルク検出用コイルＬ２には、直流電流は流れない。
【００２８】
ここで、図６（ａ）において、Ｚ１をトルク検出用コイルＬ２のインピーダンス、Ｚ２をサーミスタＲ３のインピーダンス、Ｚ３を抵抗Ｒ２のインピーダンス、Ｚ４を並列接続された抵抗Ｒ１と容量Ｃ１とのインピーダンスすると、ブリッジ回路の平衡条件Φ１＋Φ４＝Φ２＋Φ３（Φ１，Φ２，Φ３，Φ４はインピーダンスＺ１，Ｚ２，Ｚ３，Ｚ４の位相角）を満足させることができる。
即ち、Φ１は、トルク検出用コイルＬ２により、電圧の位相が電流の位相より進み、Φ４は、並列接続された抵抗Ｒ１と容量Ｃ１とにより、電圧の位相が電流の位相より遅れ、この位相の進みと遅れとを相殺するように定めておくと、式Φ１＋Φ４＝Φ２＋Φ３の両辺が０となる。位相角Φ２，Φ３は、それぞれ、サーミスタＲ３、抵抗Ｒ１により、位相の進みがなく０である。
【００２９】
これをインピーダンスＺ１，Ｚ２，Ｚ３，Ｚ４のベクトル図で示すと、図６（ｂ）のようになり、インピーダンスＺ１とインピーダンスＺ２とのなす角θａ（位相角の差Φ１の補角）、インピーダンスＺ３とインピーダンスＺ４とのなす角θｂ（位相角の差Φ４の補角）が図示できる。
ここで、インピーダンスＺ１からインピーダンスＺ２の方向へ流れる電流をＩａ、インピーダンスＺ３からインピーダンスＺ４の方向へ流れる電流をＩｂとして、電圧Ｚ１・Ｉａ，Ｚ２・Ｉａ，Ｚ３・Ｉｂ，Ｚ４・Ｉｂを、図７のベクトル図で示すと、電圧Ｚ１・Ｉａと電圧Ｚ２・Ｉａとは、（ａ）に示すように、角θａをなし、電圧Ｚ３・Ｉｂと電圧Ｚ４・Ｉｂとは、（ｂ）に示すように、角θｂをなす。
【００３０】
ところで、（ａ），（ｂ）における点Ａ及び点Ｂは、インピーダンスＺ１，Ｚ３の接続節点Ａ及びインピーダンスＺ２，Ｚ４の接続節点Ｂであり、（ａ），（ｂ）において、それぞれ同位相である。そのため、θａ＝θｂ、｜Ｚ１｜・｜Ｚ４｜＝｜Ｚ２｜・｜Ｚ３｜となるように定めておけば、サーミスタＲ３とトルク検出用コイルＬ２との接続節点の電圧の位相及び抵抗Ｒ１と抵抗Ｒ２との接続節点の電圧の位相が同じになり、サーミスタＲ３、トルク検出用コイルＬ２、抵抗Ｒ１、抵抗Ｒ２及びコンデンサＣ１で形成されたブリッジ回路の平衡を取ることができる。従って、その平衡の僅かな歪みを利用して、インピーダンスの変化を検出できる。
その平衡の歪みに応じた電圧差は、差動増幅回路１５へ入力されて差動増幅され、その出力電圧は、サンプルホールド回路１７へ入力される。
【００３１】
ここで、発振回路１０の発振電圧Ｖａがサンプリングパルス発生回路１３へ入力されており、発振電圧Ｖａに同期してサンプリングパルスを発生しており、このサンプリングパルスがサンプルホールド回路１７へ与えられる。これによりサンプルホールド回路１７は、サンプリングパルスが与えられたタイミングで、差動増幅回路１５から入力された交流電圧をサンプリングしてホールドし、検出トルクに応じた電圧信号Ｖｓを得る。
【００３２】
サンプルホールドされた電圧信号Ｖｓは、電圧・電流変換回路１９へ入力されて電流信号に変換されると共に、所定のオフセット値が与えられて、トルク検出信号Ｔｓとして出力される。このトルク検出信号Ｔｓに基づいて操舵力を補助するモータ（図示せず）を駆動することにより、操舵力を適正に補助することができる。
【００３３】
【発明の効果】
本発明に係るトルクセンサによれば、温度補償用コイルの代わりに、温度補償のための抵抗を使用することができるので、小型化及び低価格化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るトルクセンサの実施の形態の回路構成を示すブロック図である。
【図２】本発明に係るトルクセンサの縦断面図である。
【図３】発振回路の発振電圧波形を示す波形図である。
【図４】電流増幅回路の出力電圧波形を示す波形図である。
【図５】反転電流増幅回路の出力電圧波形を示す波形図である。
【図６】ブリッジ回路の各インピーダンスのベクトルを説明するための説明図である。
【図７】ブリッジ回路の各インピーダンスの電圧ベクトルを説明するための説明図である。
【図８】従来のトルクセンサの回路構成を示すブロック図である。
【図９】温度補償用コイルとトルク検出用コイルとの接続節点の交流電圧の波形を示す波形図である。
【図１０】第１抵抗と第２抵抗との接続節点の直流電圧の波形を示す波形図である。
【図１１】差動増幅回路の出力電圧波形を示す波形図である。
【符号の説明】
１０ 発振回路
１１ 電流増幅回路
１２ 反転電流増幅回路
１３ サンプリングパルス発生回路
１５ 差動増幅回路
１７ サンプルホールド回路
１９ 電圧・電流変換回路
Ｃ１ コンデンサ（容量）
Ｌ２ トルク検出用コイル
Ｒ１，Ｒ２ 抵抗
Ｒ３ サーミスタ（温度補償のための抵抗）

Claims (1)

1. 作用するトルクに応じて変化するトルク検出用コイルのインピーダンスにより前記トルクを検出するトルクセンサにおいて、
   前記トルク検出用コイル及び該トルク検出用コイルの温度補償のための抵抗からなる直列回路と、該直列回路に並列接続されており、２つの抵抗からなる直列回路と、該２つの抵抗の内、前記温度補償のための抵抗に接続された抵抗に並列接続された容量とを備え、前記トルク検出用コイルによる位相のずれと、前記抵抗及び容量の並列回路による位相のずれとを相殺すべくなしてあり、前記トルク検出用コイル及び前記温度補償のための抵抗の接続点と、前記２つの抵抗の接続点との電位差を検出することにより、前記インピーダンスの変化を検出すべくなしてあることを特徴とするトルクセンサ。

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