JP3649069B2 - トルクセンサ - Google Patents
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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互いに逆方向にインピーダンスが変化する一対の検出コイルと一対の抵抗体からなるブリッジ回路を備えたトルクセンサにおいて、検出コイルに直列に接続された抵抗体に障害が発生して抵抗値が変化したような場合に、トルクの誤検出を防止できるトルクセンサの改良に関する。
【０００２】
【従来の技術】
非接触型のトルクセンサとしては、トルクに比例したトーションバーの捩れを検出コイルのインダクタンスの変化に変換し、このインダクタンスの変化を一対の検出コイルと抵抗体で構成するブリッジ回路で検出するものがある。
【０００３】
即ち、一対の検出コイルと抵抗体で構成する第１及び第２のアームを備えたブリッジ回路に交流電圧を供給し、そのときの第１のアームの検出コイルと抵抗体の接続部に表れる出力電圧と、第２のアームの検出コイルと抵抗体の接続部に表れる出力電圧との差分の電圧を差動増幅器で検出し、トルク信号を得るように構成されている。
【０００４】
図６は、上記したトルクセンサのトルク検出回路の一例を示すブロック図である。トルク検出回路１００はコネクタ１０９を介して図示しない制御装置に接続され、制御装置からは各回路要素に電源電圧Ｖ及び基準電圧Ｖref がノイズフイルタ１０８を経て供給され、検出されたメイントルク信号及びサブトルク信号が図示されていない制御装置に出力される。
【０００５】
トルクを検出するブリッジ回路は、検出コイル１１１と抵抗Ｒ101 とが直列に接続された第１のアームと、検出コイル１１２と抵抗Ｒ102 とが直列に接続された第２のアームとから構成される。
【０００６】
発振部１２１は電源電圧Ｖ及び基準電圧Ｖref の供給を受けて所定周波数の交流電圧を出力する。出力された交流電圧は電流増幅部１２２で増幅され、増幅された交流電圧Ｖosc が、検出コイル１１１と抵抗Ｒ101 とで構成されたブリッジ回路の第１のアーム、及び検出コイル１１２と抵抗Ｒ102 とで構成されたブリッジ回路の第２のアームに供給される。なお、トルクが作用しない状態では検出コイル１１１及び１１２の両端に表れる電圧が等しくなるように予め抵抗Ｒ101 及びＲ102 の値を調整しておくものとする。
【０００７】
検出コイル１１１及び検出コイル１１２の両端に表れる電圧信号は、メイン増幅・全波整流部１２３において両検出コイルの差分の信号に変換されて増幅されると共に整流され、更にメイン平滑・中立調整部１２６で出力波形が調整された後、ノイズフイルタ１０８を経てメイントルク信号として出力される。
【０００８】
さらに、検出コイル１１１及び検出コイル１１２の両端に表れる電圧信号は、サブ増幅・全波整流部１２４において両検出コイルの差分の信号に変換されて増幅されると共に整流され、更にサブ平滑・中立調整部１２７で出力波形が調整された後、ノイズフイルタ１０８を経てサブトルク信号として出力される。
【０００９】
なお、検出トルクに基いて装置を制御する制御装置、例えば電動パワーステアリング装置の制御装置に入力される検出トルク信号は、メイン増幅・全波整流部から出力される両検出コイルの差分の信号であるメイントルク信号である。
【００１０】
トルク検出回路１００をメイン増幅・全波整流部１２３とメイン平滑・中立調整部１２６、及びサブ増幅・全波整流部１２４とサブ平滑・中立調整部１２７との２組設け、２組の検出トルク信号（メイントルク信号及びサブトルク信号）を出力するように構成されているのは、図示しない制御回路においてこれ等の２組の信号電圧が正常な使用範囲にあるか否かに基いて、回路要素の故障等を検出するためである。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
前記したトルク検出回路では、ブリッジ回路を構成する抵抗Ｒ101 又はＲ102 の抵抗値は本来変化しないものとして扱われてきたが、実際にはプリント配線基板と抵抗体との間に接触不良が発生したり、抵抗体自体の破損や経年変化などの原因により、抵抗値が変化することがある。
【００１２】
このような抵抗体の抵抗値の変化は、あたかも検出コイルのインピーダンスが変化したように検出回路で検出される。
【００１３】
前記したトルク検出回路で説明すれば、ブリッジ回路を構成する抵抗Ｒ101 又は抵抗Ｒ102 の抵抗値が変化すると、検出コイル１１１又は検出コイル１１２のインピーダンスが変化していない状態（トルクが発生していない状態）においても、抵抗値の変化によりブリッジ回路の第１アームに流れる電流の大きさと、第２アームに流れる電流の大きさとの間に差が生じるから、検出コイル１１１の両端の電圧と検出コイル１１２の両端の電圧との間に電圧差が生じる。
【００１４】
このため、トルクが発生しておらず、検出コイル１１１又は検出コイル１１２のインピーダンスは変化していないにも拘らず、あたかもトルクが発生したように、検出コイル１１１又は１１２のインピーダンスの変化として検出され、メイン増幅・全波整流部及びサブ増幅・全波整流部から両検出コイルの差分の信号が検出トルク信号として出力されてしまうことになる。
【００１５】
一方、前記した構成のトルク検出回路では、ブリッジ回路の検出コイル１１１及び検出コイル１１２の両端に表れる電圧信号が、それぞれ検出回路であるメイン増幅・全波整流部１２３及びサブ増幅・全波整流部１２４に入力されるから、ブリッジ回路を構成する抵抗Ｒ101 又はＲ102 に障害が発生して抵抗値に変化が生じた場合でも、メイン増幅・全波整流部１２３の出力電圧とサブ増幅・全波整流部１２４の出力電圧には差がなく、抵抗値の変化に対応する電圧信号は出力されないから、上記構成のトルク検出回路では抵抗体自体の抵抗値が変化するなどの破損が生じても、その故障を検出することはできず、誤つたトルク信号が出力されてしまう。
【００１６】
この発明は、トルク検出回路を構成するブリッジ回路の回路要素に障害が発生した場合に、この障害の発生を検知することができる信頼性の高いトルクセンサを提供することを目的とするものである。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
この発明は上記課題を解決するもので、請求項１の発明は、回転軸に生じたトルクに応じて互いに逆方向にインピーダンスが変化する一対の検出コイルと、各検出コイルに直列に接続された一対の抵抗体とから構成されるブリッジ回路に交流電圧を印加し、前記一対の検出コイルの端子部に表れる交流電圧の差分の電圧に基いてトルクを検出するトルクセンサにおいて、前記一対の抵抗体はそれぞれ直列に接続された２つの抵抗要素から構成されることを特徴とする。
【００１８】
具体的には、前記トルクセンサは、前記一対の検出コイルの端子部に表れる交流電圧を入力し、その差分の電圧を出力する第１の増幅器と、前記一対の直列に接続された２つの抵抗要素の中間点に表れる交流電圧を入力し、その差分の電圧を出力する第２の増幅器とから構成される。
【００１９】
そして、前記トルクセンサによれば、前記一対の直列に接続された２つの抵抗要素の中間点に表れる交流電圧の差分の電圧を、前記一対の検出コイルの端子部に表れる交流電圧の差分の電圧と比較することにより前記ブリッジ回路の回路要素の異常を検出することができる。
【００２０】
【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。以下に説明する実施の形態は、この発明の実施の形態の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。
【００２１】
図１は、トルク検出部を含む電動パワーステアリング装置の主要部の構成を示す断面図、図２はそのトルク検出部の構成を示す斜視図である。
【００２２】
図１及び図２において、５ａ及び５ｂはハウジングであり、入力軸側５ａと出力軸側５ｂとの２分割構造となつている。ハウジング５ａ及び５ｂの内部には、入力軸１、その内部に配置されたトーシヨンバー３、及びトーシヨンバー３を介して入力軸１に連結された出力軸２が、軸受６ａ、６ｂ及び６ｃによつて回転自在に支持されている。
【００２３】
入力軸１、トーシヨンバー３、及び出力軸２は同軸に配置されており、入力軸１とトーシヨンバー３とはスプライン結合し、また、トーシヨンバー３と出力軸２もスプライン結合している。図１において、入力軸１の左端側には、図示されていないステアリングホイールが一体的に取り付けられている。また、出力軸２にはピニオン軸２ａが一体的に形成されており、ピニオン軸２ａはラック４と噛合して公知のラックアンドピニオン式ステアリング機構を構成している。
【００２４】
また、出力軸２には、これと同軸で且つ一体に回転するウオームホイール７が固着されており、図示されていない電動モータで駆動されるウオーム８と噛合している。ウオームホイール７は金属製のハブ７ａに合成樹脂製の歯部７ｂが一体的に固定されている。電動モータの回転力は、ウオーム８及びウオームホイール７を介して出力軸２に伝達され、電動モータの回転方向を適宜切り換えることにより、出力軸２に任意の方向の操舵補助トルクが付与される。
【００２５】
次に、図１及び図２を参照してトルクセンサのトルク検出部の構成を説明する。トルク検出部は入力軸１の、図１で右端側に形成されたセンサシャフト部１１と、ハウジング５ａの内側に配置された検出コイル１３と１４、及び両者の間に配置された円筒部材１２から構成される。
【００２６】
図２はトルク検出部の構成を示す斜視図である。入力軸１の、図１で右端に近い外側には磁性材料で構成されたセンサシャフト部１１が形成されており、センサシャフト部１１の表面には、軸方向に延びた複数（図示の例では９個）の凸条１１ａが円周方向に沿つて等間隔に形成されており、凸条１１ａの間には凸条１１ａの幅ｔ1 よりも幅広の溝部１１ｂが形成されている。
【００２７】
また、センサシャフト部１１の外側には、センサシャフト部１１に接近して導電性で且つ非磁性の材料、例えばアルミニウムで構成された円筒部材１２がセンサシャフト部１１と同軸に配置されており、円筒部材１２の延長部１２ｅは出力軸２の端部２ｅの外側に固定されている。
【００２８】
円筒部材１２には、前記したセンサシャフト部１１の表面の凸条１１ａに対向する位置に、円周方向に等間隔に配置された複数個（図２では９個）の長方形の窓１２ａからなる第１の窓列と、前記第１の窓列から軸方向にずれた位置に、前記窓１２ａと同一形状で、円周方向の位相が異なる複数個（図２では９個）の長方形の窓１２ｂからなる第２の窓列とが設けられている。
【００２９】
円筒部材１２の外周は、同一規格の検出コイル１３及び１４が捲回されたヨーク１５で包囲されている。即ち、検出コイル１３及び１４は円筒部材１２と同軸に配置され、検出コイル１３は窓１２ａからなる第１の窓列部分を包囲し、検出コイル１４は窓１２ｂからなる第２の窓列部分を包囲する。ヨーク１５はハウジング５ａの内部に固定され、検出コイル１３及び１４のリード線はハウジング５ａの内部に配置された回路基板１６に接続される。
【００３０】
図３の（ａ）及び（ｂ）はセンサシャフト部の表面の凸条と円筒部材の窓配置を説明する図で、図３の（ａ）は、基準位置（トーシヨンバー３が捩れていない状態）におけるセンサシャフト部１１の表面の凸条１１ａと円筒部材１２の第１の窓列の窓１２ａとの位置関係を示し、図３の（ｂ）は基準位置（トーシヨンバー３が捩れていない状態）におけるセンサシャフト部１１の表面の凸条１１ａと円筒部材１２の第２の窓列の窓１２ｂとの位置関係を示す図である。
【００３１】
この実施例では、窓１２ａ及び１２ｂがそれぞれ９個設けられているから、第１の窓列の窓１２ａ及び第２の窓列の１２ｂは、それぞれ円周方向に角度θ＝３６０／Ｎ度（図２、図３の例では角度θ＝３６０／９＝４０度）づつずれていることになる。
【００３２】
図３の（ａ）及び（ｂ）から明らかなように、トーシヨンバー３が捩れていない状態、即ち操舵トルクが零（０）の状態では、窓１２ａの円周方向の幅の中央部にセンサシャフト部１１の凸条１１ａの円周方向の一方の端部が位置し、窓１２ｂの円周方向の幅の中央部に凸条１１ａの円周方向の他方の端部が位置するように、窓１２ａ及び１２ｂの円周方向の幅と凸条１１ａの幅、及び窓１２ａ及び１２ｂとの円周方向の相対位置関係が設定される。即ち、凸条１１ａに対する窓１２ａと１２ｂとの円周方向の位置関係は互いに逆になつている。
【００３３】
操舵系が直進状態にあつて操舵トルクが零である場合はトーションバー３には捩れが発生せず、入力軸１と出力軸２とは相対回転しない。従つて入力軸１の側にあるセンサシャフト部１１の表面の凸条１１ａと、出力軸２の側にある円筒部材１２との間にも相対回転が生じない。
【００３４】
一方、ステアリングホイールを操作して入力軸１に回転力が加わると、その回転力はトーションバー３を経て出力軸２に伝達される。このとき、出力軸２には舵輪と路面との間の摩擦力や出力軸２に結合されているステアリング機構のギヤの噛み合い等の摩擦力が作用するから、入力軸１と出力軸２との間を結合するトーションバーに捩れが発生し、入力軸１の側にあるセンサシャフト部１１の表面の凸条１１ａと出力軸２の側にある円筒部材１２との間に相対回転が生ずる。
【００３５】
円筒部材１２に窓がない場合は、円筒部材１２は導電性で且つ非磁性材で構成されているから、検出コイル１３及び１４に交流電流を流して交番磁界を発生させると、円筒部材１２の外周面にコイル電流と反対方向の渦電流が発生する。この渦電流による磁界とコイル電流による磁界とを重畳すると、円筒部材１２の内側の磁界は相殺される。
【００３６】
円筒部材１２に窓が形成されている場合は、円筒部材１２の外周面に発生した渦電流は、窓１２ａ及び１２ｂによつて外周面を周回できないため、窓１２ａ及び１２ｂの端面に沿つて円筒部材１２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１２ａ及び１２ｂの端面に沿つて外周面側に戻り、ループを形成する。つまり、検出コイル内側に渦電流のループを、円周方向に周期的に配置した状態が発生する。
【００３７】
コイル電流による磁界と渦電流による磁界とは重畳され、円筒部材１２の内外には、円周方向に周期的に強弱変化する磁界と、中心に向かうほど小さくなる半径方向に勾配を持つた磁界が形成される。円周方向の周期的な磁界の強弱は、隣り合う渦電流の影響を受ける窓１２ａ及び１２ｂの中心で強く、そこからずれるに従い弱くなる。
【００３８】
円筒部材１２の内側には、磁性材料からなるセンサシャフト部１１が同軸に配置されており、その凸条１１ａは、窓１２ａ及び１２ｂと同じ周期で配置されている。
【００３９】
磁界中に置かれた磁性体は磁化して磁束を生ずるが、磁束の量は飽和するまでは磁界の強さに応じて大きくなる。このため、円筒部材１２により円周方向の周期的な磁界の強弱と中心に向かうほど小さくなる半径方向に勾配を持つた磁界とにより、センサシャフト部１１に発生する磁束は、円筒部材１２とセンサシャフト部１１との相対的な位相により増減する。
【００４０】
磁束が最大となる位相は、円筒部材１２の窓１２ａ及び１２ｂの中心とセンサシャフト部１１の凸条１１ａの中心とが一致した状態で、磁束の増減に応じて検出コイル１３及び１４のインダクタンスも増減し、略正弦波状に変化する。
【００４１】
トルクが作用しない状態では、インダクタンスが最大となる位相（窓１２ａ及び１２ｂと凸条１１ａの中心とが一致している位相）に対して、センサシャフト部１１の凸条１１ａの中心は凸条１１ａの中心角ｃの１／２だけずれた位置に設定されているから、トルクが作用してトーションバー３が捩れ、センサシャフト部１１と円筒部材１２との間に位相差が生じると、２つの検出コイル１３及び１４のインダクタンスは、一方が増加し他方が減少する。
【００４２】
図４はトルクの大きさと検出コイル１３及び１４のインダクタンスの変化を説明する図で、横軸はトルクＴ、縦軸はインダクタンスＬを示す。右操舵トルク発生時は、図３の（ａ）及び（ｂ）において円筒部材１２が時計方向に回転するから、図４に示すように、トルクが増大するにつれ検出コイル１３のインダクタンスＬ13は増加し、検出コイル１４のインダクタンスＬ14は減少する。
【００４３】
また、左操舵トルク発生時は、図３の（ａ）及び（ｂ）において円筒部材１２が反時計方向に回転するから、図４に示すようにトルクが増大するにつれ検出コイル１３のインダクタンスＬ13は減少し、検出コイル１４のインダクタンスＬ14は増加する。
【００４４】
図５は、トルク検出回路のブロック図である。トルク検出回路２０はコネクタ２９を介して図示しない制御装置に接続され、制御装置からは各回路要素に電源電圧Ｖ及び基準電圧Ｖref が、ノイズフイルタ２８を経て供給され、一方、検出されたトルク信号がノイズフイルタ２８を経て制御装置に出力される。
【００４５】
トルクを検出するブリッジ回路は、検出コイル１３と抵抗Ｒ11及び抵抗Ｒ12とが直列に接続された第１アームと、検出コイル１４と抵抗Ｒ21及び抵抗Ｒ22とが直列に接続された第２アームとから構成される。
【００４６】
発振部２１は電源電圧Ｖ及び基準電圧Ｖref の供給を受けて所定周波数の交流電圧を出力する。出力された交流電圧は電流増幅部２２で増幅され、増幅された交流電圧Ｖosc が、検出コイル１３と抵抗Ｒ11及び抵抗Ｒ12とで構成されたブリッジ回路の第１のアーム、及び検出コイル１４と抵抗Ｒ21及び抵抗Ｒ22とで構成されたブリッジ回路の第２のアームに供給される。
【００４７】
なお、トルクが作用していない状態では、ブリッジ回路の第１アーム及び第２アームに等しい電流が流れて検出コイル１３の端部Ｐ3 に表れる電圧Ｖ3 と、検出コイル１４の端部Ｐ4 に表れる電圧Ｖ4 とが等しくなるように、予め検出コイル１３及び１４の特性を揃え、また、抵抗Ｒ11と抵抗Ｒ12の接合点Ｐ1 に表れる電圧Ｖ1 と抵抗Ｒ21と抵抗Ｒ22の接合点Ｐ2 に表れる電圧Ｖ2 とが等しくなるように、抵抗Ｒ11と抵抗Ｒ21の抵抗値、及び抵抗Ｒ12と抵抗Ｒ22の抵抗値を揃えておくものとする。
【００４８】
検出コイル１３の接合点Ｐ3 に表れる電圧Ｖ3 と、検出コイル１４の接合点Ｐ4 に表れる電圧Ｖ4 は、メイン増幅・全波整流部２３に入力されて、その差分の電圧信号Ｖdef-1 （＝Ｖ3 −Ｖ4 ）に変換されて増幅されると共に整流され、更にメイン平滑・中立調整部２５で出力波形が調整された後、ノイズフイルタ２８を経てメイントルク信号として制御装置に出力される。
【００４９】
一方、抵抗Ｒ11と抵抗Ｒ12の接合点Ｐ1 の電圧Ｖ1 と、抵抗Ｒ21と抵抗Ｒ22の接合点Ｐ2 の電圧Ｖ2 は、サブ増幅・全波整流部２４に入力され、その差分の電圧信号Ｖdef-2 （＝Ｖ1 −Ｖ2 ）に変換されて増幅されると共に整流され、更にサブ平滑・中立調整部２７で出力波形が調整された後、ノイズフイルタ２８を経てサブトルク信号として制御装置に出力される。
【００５０】
図示しない制御回路では、メイン平滑・中立調整部２５から出力された差分の電圧信号Ｖdef-1 と、サブ平滑・中立調整部２７から出力された差分の電圧信号Ｖdef-2 との差の信号ＶＤ検出し、この差の信号ＶＤが零であるか零以外であるかを判定する。
【００５１】
そして、零の場合はブリッジ回路を構成する回路要素は正常であると判定し、差の信号ＶＤが零以外の信号の場合は、ブリッジ回路を構成する回路要素が故障していると判定して、必要な処置、例えば警告表示をするほか、検出トルク信号を無効にするなどの処置をとる。
【００５２】
以下、トルク検出回路２０の動作と、ブリッジ回路の回路要素の故障判定について説明する。
【００５３】
まず、ブリッジ回路を構成する回路要素が正常で、トルクが発生していない状態を説明する。
【００５４】
この場合は、トルクが発生していないので検出コイル１３と検出コイル１４のインピーダンスは等しく、また、抵抗Ｒ11と抵抗Ｒ21の抵抗値、及び抵抗Ｒ12と抵抗Ｒ22の抵抗値は予め等しく設定されているから、ブリッジ回路を構成する第１のアーム（検出コイル１３側のアーム）に流れる電流Ｉ1 と、第２のアーム（検出コイル１４側のアーム）に流れる電流Ｉ2 とは等しくなる。
【００５５】
このため、検出コイル１３の接合点Ｐ3 に表れる電圧Ｖ3 と検出コイル１４の接合点Ｐ4 に表れる電圧Ｖ4 とは等しなり、メイン平滑・中立調整部２５からは差分の電圧信号Ｖdef-1 （＝Ｖ3 −Ｖ4 ）として、電圧信号Ｖdef-1 ＝０が出力される。
【００５６】
また、ブリッジ回路を構成する第１のアームに流れる電流Ｉ1 と第２のアームに流れるＩ2 とが等しいから、抵抗Ｒ11とＲ12の接合点Ｐ1 に表れる電圧Ｖ1 と抵抗Ｒ21とＲ22の抵抗接合点Ｐ2 に表れる電圧Ｖ2 とは等しくなり、サブ平滑・中立調整部２７からは差分の電圧信号Ｖdef-2 （＝Ｖ1 −Ｖ2 ）として、電圧信号Ｖdef-2 ＝０が出力される。
【００５７】
図示しない制御回路では、メイン平滑・中立調整部２５から出力された差分の電圧信号Ｖdef-1 と、サブ平滑・中立調整部２７から出力された差分の電圧信号Ｖdef-2 との差の信号ＶＤとして零（０）、即ち、
｛ＶＤ＝（Ｖdef-1 ）−（Ｖdef-2 ）＝０｝
が出力されるから、ブリッジ回路を構成する回路要素が正常で、故障のないことが判定できる。
【００５８】
次に、ブリッジ回路を構成する回路要素が正常で、トルクが発生している状態を説明する。
【００５９】
この場合は、トルクが発生しているため検出コイル１３と検出コイル１４のインピーダンスは一方が増加し、他方が減少する。ブリッジ回路を構成する第１のアーム（検出コイル１３側のアーム）に流れる電流Ｉ1 と、第２のアーム（検出コイル１４側のアーム）に流れる電流Ｉ2 とは、一方が増加し他方が減少して電流の大きさが異なる。
【００６０】
このため、検出コイル１３の接合点Ｐ3 に表れる電圧Ｖ3 と検出コイル１４の接合点Ｐ4 に表れる電圧Ｖ4 も異なり、メイン平滑・中立調整部２５からはその差分の電圧信号Ｖdef-1 （＝Ｖ3 −Ｖ4 ）として零以外の値（Ｘ0 ）の電圧信号が出力される。この信号は検出されたトルクの大きさに比例した検出トルク信号である。
【００６１】
また、ブリッジ回路を構成する第１のアームに流れる電流Ｉ1 と第２のアームに流れるＩ2 とは異なるから、抵抗Ｒ11とＲ12の接合点Ｐ1 に表れる電圧Ｖ1 と抵抗Ｒ21とＲ22の抵抗接合点Ｐ2 に表れる電圧Ｖ2 とは異なり、サブ平滑・中立調整部２７からは差分の電圧信号Ｖdef-2 （＝Ｖ1 −Ｖ2 ）として零以外の値（Ｙ0 ）の電圧信号が出力される。この信号も検出されたトルクの大きさに比例した信号である。
【００６２】
以上のとおり、前記した検出コイル接合点Ｐ3 とＰ4 に表れる電圧の差分の電圧信号Ｖdef-1 （＝Ｖ3 −Ｖ4 ＝Ｘ0 ）、及び抵抗接合点Ｐ1 とＰ2 に表れる電圧の差分の電圧信号Ｖdef-2 （＝Ｖ1 −Ｖ2 ＝Ｙ0 ）は、共に検出トルクの大きさに比例する信号であるから、予めトルク検出回路２０が正常な状態にあるとき、差分信号Ｖdef-1 （＝Ｖ3 −Ｖ4 ）と差分信号Ｖdef-2 （＝Ｖ1 −Ｖ2 ）との値が等しくなるように、即ち、電圧信号Ｖdef-1 とＶdef-2 の差の信号ＶＤが、
｛ＶＤ＝（Ｖdef-1 ）−（Ｖdef-2 ）＝（Ｘ0 −Ｙ0 ）＝０｝
になるように、メイン平滑・中立調整部２５及びサブ平滑・中立調整部２７の増幅度を設定しておくものとする。
【００６３】
このように、予めメイン平滑・中立調整部２５及びサブ平滑・中立調整部２７の増幅度を設定することにより、ブリッジ回路を構成する回路要素が正常の場合には、トルクが発生していない場合も、又トルクが発生している場合も、制御回路では電圧信号Ｖdef-1 とＶdef-2 の差の信号ＶＤとして零（０）、即ち、
｛ＶＤ＝（Ｖdef-1 ）−（Ｖdef-2 ）＝０｝
が出力されるから、ブリッジ回路を構成する回路要素が正常で、故障のないことが判定できる。
【００６４】
次に、ブリッジ回路を構成する回路要素に故障が生じ、且つトルクが発生していない状態を説明する。ここでは、検出コイル１３及び１４は正常で、抵抗Ｒ11、Ｒ12、Ｒ21、Ｒ22のいずれか１つの抵抗値が増加したものとして説明する。
【００６５】
トルクが発生していないので検出コイル１３と検出コイル１４のインピーダンスは等しいが、抵抗Ｒ11、Ｒ12、Ｒ21、Ｒ22のいずれか１つの抵抗値が増加したので、ブリッジ回路を構成する第１のアーム（検出コイル１３側のアーム）に流れる電流Ｉ1 と、第２のアーム（検出コイル１４側のアーム）に流れる電流Ｉ2 との大きさが異なる。
【００６６】
このため、検出コイル１３の接合点Ｐ3 に表れる電圧Ｖ3 と検出コイル１４の接合点Ｐ4 に表れる電圧Ｖ4 も異なり、メイン平滑・中立調整部２５からはその差分の電圧信号Ｖdef-1 （＝Ｖ3 −Ｖ4 ）として零以外の値（Ｘ1 ）の電圧信号が出力される。即ち、あたかもトルクが発生しているような電圧信号Ｖdef-1 が出力される。
【００６７】
また、ブリッジ回路を構成する第１のアームに流れる電流Ｉ1 と第２のアームに流れるＩ2 とは異なるから、抵抗Ｒ11とＲ12の接合点Ｐ1 に表れる電圧Ｖ1 と抵抗Ｒ21とＲ22の抵抗接合点Ｐ2 に表れる電圧Ｖ2 とは異なり、サブ平滑・中立調整部２７からは差分の電圧信号Ｖdef-2 （＝Ｖ1 −Ｖ2 ）として零以外の値（Ｙ1 ）の電圧信号が出力される。ここで、値（Ｘ1 ）と値（Ｙ1 ）とは異なる値となるのが普通である。
【００６８】
何故ならば、先に述べたとおり、ブリッジ回路を構成する回路要素に故障がない場合に、電圧信号Ｖdef-1 とＶdef-2 の差の信号ＶＤが零になるようにメイン平滑・中立調整部２５及びサブ平滑・中立調整部２７の増幅度を設定しているからであり、ブリッジ回路を構成する回路要素に故障が生じた場合には、電圧信号Ｖdef-1 の値（Ｘ1 ）とＶdef-2 の値（Ｙ1 ）とは異なる値となる。
【００６９】
この結果、図示しない制御回路では、メイン平滑・中立調整部２５から出力された差分の電圧信号Ｖdef-1 と、サブ平滑・中立調整部２７から出力された差分の電圧信号Ｖdef-2 との差の信号ＶＤとして零以外の値、即ち、
｛ＶＤ＝（Ｖdef-1 ）−（Ｖdef-2 ）＝（Ｘ1 ）−（Ｙ1 ）≠０｝
が出力されるから、ブリッジ回路を構成する回路要素に故障要素のあることが判定できる。
【００７０】
次に、ブリッジ回路を構成する回路要素に故障が生じ、且つトルクが発生している場合は、検出コイル１３と検出コイル１４のインピーダンスに差が生じるから、ブリッジ回路を構成する第１のアーム（検出コイル１３側のアーム）に流れる電流Ｉ1 と、第２のアーム（検出コイル１４側のアーム）に流れる電流Ｉ2 との大きさが異なる。
【００７１】
このため、検出コイル１３の接合点Ｐ3 に表れる電圧Ｖ3 と検出コイル１４の接合点Ｐ4 に表れる電圧Ｖ4 も異なり、メイン平滑・中立調整部２５からはその差分の電圧信号Ｖdef-1 （＝Ｖ3 −Ｖ4 ）として零以外の値（Ｘ2 ）の電圧信号が出力される。
【００７２】
また、抵抗Ｒ11、Ｒ12、Ｒ21、Ｒ22のいずれか１つの抵抗値が増加したので、ブリッジ回路を構成する第１のアーム（検出コイル１３側のアーム）に流れる電流Ｉ1 と、第２のアーム（検出コイル１４側のアーム）に流れる電流Ｉ2 との大きさが異なるから、抵抗Ｒ11とＲ12の接合点Ｐ1 に表れる電圧Ｖ1 と抵抗Ｒ21とＲ22の抵抗接合点Ｐ2 に表れる電圧Ｖ2 とは異なり、サブ平滑・中立調整部２７からは差分の電圧信号Ｖdef-2 （＝Ｖ1 −Ｖ2 ）として零以外の値（Ｙ2 ）の電圧信号が出力される。ここで、値（Ｘ2 ）と値（Ｙ2 ）とは異なる値となるのが普通である。
【００７３】
この結果、図示しない制御回路では、メイン平滑・中立調整部２５から出力された差分の電圧信号Ｖdef-1 と、サブ平滑・中立調整部２７から出力された差分の電圧信号Ｖdef-2 との差の信号ＶＤとして零以外の値、即ち、
｛ＶＤ＝（Ｖdef-1 ）−（Ｖdef-2 ）＝（Ｘ2 ）−（Ｙ2 ）≠０｝
が出力されるから、ブリッジ回路を構成する回路要素に故障要素のあることが判定できる。
【００７４】
以上、この発明の実施の形態の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説明したが、この発明のトルクセンサは、車両用の電動パワーステアリング装置以外の各種の機械装置におけるトルク検出装置にも適用できることは言うまでもない。
【００７５】
【発明の効果】
以上説明したとおり、この発明は、回転軸に生じたトルクに応じて互いに逆方向にインピーダンスが変化する一対の検出コイルと、各検出コイルに直列に接続された一対の抵抗体とから構成されるブリッジ回路に交流電圧を印加し、前記一対の検出コイルの端子部に表れる交流電圧の差分の電圧に基いてトルクを検出するトルクセンサにおいて、前記一対の抵抗体をそれぞれ直列に接続された２つの抵抗要素から構成したもので、前記一対の直列に接続された２つの抵抗要素の中間点に表れる交流電圧の差分の電圧を、前記一対の検出コイルの端子部に表れる交流電圧の差分の電圧と比較して、ブリッジ回路を構成する回路要素の故障を検出するものである。
【００７６】
トルクセンサのブリッジ回路を構成する回路要素の故障、例えばプリント配線基板と抵抗体との間に発生した接触不良、抵抗体自体の破損や経年変化などの原因により抵抗値が変化した場合は、従来のトルクセンサでは、あたかも検出コイルのインピーダンスの変化したように検出され、誤つた検出トルク信号が出力されてしまうが、この発明によれば、このようなブリッジ回路を構成する回路要素の故障を確実に検出することができ、信頼性の高いトルクセンサを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】電動パワーステアリング装置の主要部の構成を示す断面図。
【図２】電動パワーステアリング装置のトルクセンサの構成を示す斜視図。
【図３】センサシャフト部の表面の凸条と円筒部材の窓配置を説明する図。
【図４】トルクの大きさと２つの検出コイルのインダクタンスの変化を説明する図。
【図５】トルク検出回路の構成を説明するブロック図。
【図６】従来のトルク検出回路の構成を説明するブロック図。
【符号の説明】
１ 入力軸
２ 出力軸
３ トーシヨンバー
４ ラック
５ａ、５ｂ ハウジング
６ａ、６ｂ、６ｃ 軸受
７ ウオームホイール
８ ウオーム
１１ センサシャフト部
１１ａ 凸条
１１ｂ 溝部
１２ 円筒部材
１２ａ 窓（第１の窓列の）
１２ｂ 窓（第２の窓列の）
１３、１４ 検出コイル
１５ ヨーク
１６ 回路基板
２０ トルク検出回路
２１ 発振部
２２ 電流増幅部
２３ メイン増幅・全波整流部
２４ サブ増幅・全波整流部
２５ メイン平滑・中立調整部
２７ サブ平滑・中立調整部
２８ ノイズフイルタ
２９ コネクタ
Ｒ11、Ｒ12、Ｒ21、Ｒ22 抵抗
【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互いに逆方向にインピーダンスが変化する一対の検出コイルと一対の抵抗体からなるブリッジ回路を備えたトルクセンサにおいて、検出コイルに直列に接続された抵抗体に障害が発生して抵抗値が変化したような場合に、トルクの誤検出を防止できるトルクセンサの改良に関する。
【０００２】
【従来の技術】
非接触型のトルクセンサとしては、トルクに比例したトーションバーの捩れを検出コイルのインダクタンスの変化に変換し、このインダクタンスの変化を一対の検出コイルと抵抗体で構成するブリッジ回路で検出するものがある。
【０００３】
即ち、一対の検出コイルと抵抗体で構成する第１及び第２のアームを備えたブリッジ回路に交流電圧を供給し、そのときの第１のアームの検出コイルと抵抗体の接続部に表れる出力電圧と、第２のアームの検出コイルと抵抗体の接続部に表れる出力電圧との差分の電圧を差動増幅器で検出し、トルク信号を得るように構成されている。
【０００４】
図６は、上記したトルクセンサのトルク検出回路の一例を示すブロック図である。トルク検出回路１００はコネクタ１０９を介して図示しない制御装置に接続され、制御装置からは各回路要素に電源電圧Ｖ及び基準電圧Ｖref がノイズフイルタ１０８を経て供給され、検出されたメイントルク信号及びサブトルク信号が図示されていない制御装置に出力される。
【０００５】
トルクを検出するブリッジ回路は、検出コイル１１１と抵抗Ｒ101 とが直列に接続された第１のアームと、検出コイル１１２と抵抗Ｒ102 とが直列に接続された第２のアームとから構成される。
【０００６】
発振部１２１は電源電圧Ｖ及び基準電圧Ｖref の供給を受けて所定周波数の交流電圧を出力する。出力された交流電圧は電流増幅部１２２で増幅され、増幅された交流電圧Ｖosc が、検出コイル１１１と抵抗Ｒ101 とで構成されたブリッジ回路の第１のアーム、及び検出コイル１１２と抵抗Ｒ102 とで構成されたブリッジ回路の第２のアームに供給される。なお、トルクが作用しない状態では検出コイル１１１及び１１２の両端に表れる電圧が等しくなるように予め抵抗Ｒ101 及びＲ102 の値を調整しておくものとする。
【０００７】
検出コイル１１１及び検出コイル１１２の両端に表れる電圧信号は、メイン増幅・全波整流部１２３において両検出コイルの差分の信号に変換されて増幅されると共に整流され、更にメイン平滑・中立調整部１２６で出力波形が調整された後、ノイズフイルタ１０８を経てメイントルク信号として出力される。
【０００８】
さらに、検出コイル１１１及び検出コイル１１２の両端に表れる電圧信号は、サブ増幅・全波整流部１２４において両検出コイルの差分の信号に変換されて増幅されると共に整流され、更にサブ平滑・中立調整部１２７で出力波形が調整された後、ノイズフイルタ１０８を経てサブトルク信号として出力される。
【０００９】
なお、検出トルクに基いて装置を制御する制御装置、例えば電動パワーステアリング装置の制御装置に入力される検出トルク信号は、メイン増幅・全波整流部から出力される両検出コイルの差分の信号であるメイントルク信号である。
【００１０】
トルク検出回路１００をメイン増幅・全波整流部１２３とメイン平滑・中立調整部１２６、及びサブ増幅・全波整流部１２４とサブ平滑・中立調整部１２７との２組設け、２組の検出トルク信号（メイントルク信号及びサブトルク信号）を出力するように構成されているのは、図示しない制御回路においてこれ等の２組の信号電圧が正常な使用範囲にあるか否かに基いて、回路要素の故障等を検出するためである。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
前記したトルク検出回路では、ブリッジ回路を構成する抵抗Ｒ101 又はＲ102 の抵抗値は本来変化しないものとして扱われてきたが、実際にはプリント配線基板と抵抗体との間に接触不良が発生したり、抵抗体自体の破損や経年変化などの原因により、抵抗値が変化することがある。
【００１２】
このような抵抗体の抵抗値の変化は、あたかも検出コイルのインピーダンスが変化したように検出回路で検出される。
【００１３】
前記したトルク検出回路で説明すれば、ブリッジ回路を構成する抵抗Ｒ101 又は抵抗Ｒ102 の抵抗値が変化すると、検出コイル１１１又は検出コイル１１２のインピーダンスが変化していない状態（トルクが発生していない状態）においても、抵抗値の変化によりブリッジ回路の第１アームに流れる電流の大きさと、第２アームに流れる電流の大きさとの間に差が生じるから、検出コイル１１１の両端の電圧と検出コイル１１２の両端の電圧との間に電圧差が生じる。
【００１４】
このため、トルクが発生しておらず、検出コイル１１１又は検出コイル１１２のインピーダンスは変化していないにも拘らず、あたかもトルクが発生したように、検出コイル１１１又は１１２のインピーダンスの変化として検出され、メイン増幅・全波整流部及びサブ増幅・全波整流部から両検出コイルの差分の信号が検出トルク信号として出力されてしまうことになる。
【００１５】
一方、前記した構成のトルク検出回路では、ブリッジ回路の検出コイル１１１及び検出コイル１１２の両端に表れる電圧信号が、それぞれ検出回路であるメイン増幅・全波整流部１２３及びサブ増幅・全波整流部１２４に入力されるから、ブリッジ回路を構成する抵抗Ｒ101 又はＲ102 に障害が発生して抵抗値に変化が生じた場合でも、メイン増幅・全波整流部１２３の出力電圧とサブ増幅・全波整流部１２４の出力電圧には差がなく、抵抗値の変化に対応する電圧信号は出力されないから、上記構成のトルク検出回路では抵抗体自体の抵抗値が変化するなどの破損が生じても、その故障を検出することはできず、誤つたトルク信号が出力されてしまう。
【００１６】
この発明は、トルク検出回路を構成するブリッジ回路の回路要素に障害が発生した場合に、この障害の発生を検知することができる信頼性の高いトルクセンサを提供することを目的とするものである。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
この発明は上記課題を解決するもので、請求項１の発明は、回転軸に生じたトルクに応じて互いに逆方向にインピーダンスが変化する一対の検出コイルと、各検出コイルに直列に接続された一対の抵抗体とから構成されるブリッジ回路に交流電圧を印加し、前記一対の検出コイルの端子部に表れる交流電圧の差分の電圧に基いてトルクを検出するトルクセンサにおいて、前記一対の抵抗体はそれぞれ直列に接続された２つの抵抗要素から構成されることを特徴とする。
【００１８】
具体的には、前記トルクセンサは、前記一対の検出コイルの端子部に表れる交流電圧を入力し、その差分の電圧を出力する第１の増幅器と、前記一対の直列に接続された２つの抵抗要素の中間点に表れる交流電圧を入力し、その差分の電圧を出力する第２の増幅器とから構成される。
【００１９】
そして、前記トルクセンサによれば、前記一対の直列に接続された２つの抵抗要素の中間点に表れる交流電圧の差分の電圧を、前記一対の検出コイルの端子部に表れる交流電圧の差分の電圧と比較することにより前記ブリッジ回路の回路要素の異常を検出することができる。
【００２０】
【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。以下に説明する実施の形態は、この発明の実施の形態の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。
【００２１】
図１は、トルク検出部を含む電動パワーステアリング装置の主要部の構成を示す断面図、図２はそのトルク検出部の構成を示す斜視図である。
【００２２】
図１及び図２において、５ａ及び５ｂはハウジングであり、入力軸側５ａと出力軸側５ｂとの２分割構造となつている。ハウジング５ａ及び５ｂの内部には、入力軸１、その内部に配置されたトーシヨンバー３、及びトーシヨンバー３を介して入力軸１に連結された出力軸２が、軸受６ａ、６ｂ及び６ｃによつて回転自在に支持されている。
【００２３】
入力軸１、トーシヨンバー３、及び出力軸２は同軸に配置されており、入力軸１とトーシヨンバー３とはスプライン結合し、また、トーシヨンバー３と出力軸２もスプライン結合している。図１において、入力軸１の左端側には、図示されていないステアリングホイールが一体的に取り付けられている。また、出力軸２にはピニオン軸２ａが一体的に形成されており、ピニオン軸２ａはラック４と噛合して公知のラックアンドピニオン式ステアリング機構を構成している。
【００２４】
また、出力軸２には、これと同軸で且つ一体に回転するウオームホイール７が固着されており、図示されていない電動モータで駆動されるウオーム８と噛合している。ウオームホイール７は金属製のハブ７ａに合成樹脂製の歯部７ｂが一体的に固定されている。電動モータの回転力は、ウオーム８及びウオームホイール７を介して出力軸２に伝達され、電動モータの回転方向を適宜切り換えることにより、出力軸２に任意の方向の操舵補助トルクが付与される。
【００２５】
次に、図１及び図２を参照してトルクセンサのトルク検出部の構成を説明する。トルク検出部は入力軸１の、図１で右端側に形成されたセンサシャフト部１１と、ハウジング５ａの内側に配置された検出コイル１３と１４、及び両者の間に配置された円筒部材１２から構成される。
【００２６】
図２はトルク検出部の構成を示す斜視図である。入力軸１の、図１で右端に近い外側には磁性材料で構成されたセンサシャフト部１１が形成されており、センサシャフト部１１の表面には、軸方向に延びた複数（図示の例では９個）の凸条１１ａが円周方向に沿つて等間隔に形成されており、凸条１１ａの間には凸条１１ａの幅ｔ1 よりも幅広の溝部１１ｂが形成されている。
【００２７】
また、センサシャフト部１１の外側には、センサシャフト部１１に接近して導電性で且つ非磁性の材料、例えばアルミニウムで構成された円筒部材１２がセンサシャフト部１１と同軸に配置されており、円筒部材１２の延長部１２ｅは出力軸２の端部２ｅの外側に固定されている。
【００２８】
円筒部材１２には、前記したセンサシャフト部１１の表面の凸条１１ａに対向する位置に、円周方向に等間隔に配置された複数個（図２では９個）の長方形の窓１２ａからなる第１の窓列と、前記第１の窓列から軸方向にずれた位置に、前記窓１２ａと同一形状で、円周方向の位相が異なる複数個（図２では９個）の長方形の窓１２ｂからなる第２の窓列とが設けられている。
【００２９】
円筒部材１２の外周は、同一規格の検出コイル１３及び１４が捲回されたヨーク１５で包囲されている。即ち、検出コイル１３及び１４は円筒部材１２と同軸に配置され、検出コイル１３は窓１２ａからなる第１の窓列部分を包囲し、検出コイル１４は窓１２ｂからなる第２の窓列部分を包囲する。ヨーク１５はハウジング５ａの内部に固定され、検出コイル１３及び１４のリード線はハウジング５ａの内部に配置された回路基板１６に接続される。
【００３０】
図３の（ａ）及び（ｂ）はセンサシャフト部の表面の凸条と円筒部材の窓配置を説明する図で、図３の（ａ）は、基準位置（トーシヨンバー３が捩れていない状態）におけるセンサシャフト部１１の表面の凸条１１ａと円筒部材１２の第１の窓列の窓１２ａとの位置関係を示し、図３の（ｂ）は基準位置（トーシヨンバー３が捩れていない状態）におけるセンサシャフト部１１の表面の凸条１１ａと円筒部材１２の第２の窓列の窓１２ｂとの位置関係を示す図である。
【００３１】
この実施例では、窓１２ａ及び１２ｂがそれぞれ９個設けられているから、第１の窓列の窓１２ａ及び第２の窓列の１２ｂは、それぞれ円周方向に角度θ＝３６０／Ｎ度（図２、図３の例では角度θ＝３６０／９＝４０度）づつずれていることになる。
【００３２】
図３の（ａ）及び（ｂ）から明らかなように、トーシヨンバー３が捩れていない状態、即ち操舵トルクが零（０）の状態では、窓１２ａの円周方向の幅の中央部にセンサシャフト部１１の凸条１１ａの円周方向の一方の端部が位置し、窓１２ｂの円周方向の幅の中央部に凸条１１ａの円周方向の他方の端部が位置するように、窓１２ａ及び１２ｂの円周方向の幅と凸条１１ａの幅、及び窓１２ａ及び１２ｂとの円周方向の相対位置関係が設定される。即ち、凸条１１ａに対する窓１２ａと１２ｂとの円周方向の位置関係は互いに逆になつている。
【００３３】
操舵系が直進状態にあつて操舵トルクが零である場合はトーションバー３には捩れが発生せず、入力軸１と出力軸２とは相対回転しない。従つて入力軸１の側にあるセンサシャフト部１１の表面の凸条１１ａと、出力軸２の側にある円筒部材１２との間にも相対回転が生じない。
【００３４】
一方、ステアリングホイールを操作して入力軸１に回転力が加わると、その回転力はトーションバー３を経て出力軸２に伝達される。このとき、出力軸２には舵輪と路面との間の摩擦力や出力軸２に結合されているステアリング機構のギヤの噛み合い等の摩擦力が作用するから、入力軸１と出力軸２との間を結合するトーションバーに捩れが発生し、入力軸１の側にあるセンサシャフト部１１の表面の凸条１１ａと出力軸２の側にある円筒部材１２との間に相対回転が生ずる。
【００３５】
円筒部材１２に窓がない場合は、円筒部材１２は導電性で且つ非磁性材で構成されているから、検出コイル１３及び１４に交流電流を流して交番磁界を発生させると、円筒部材１２の外周面にコイル電流と反対方向の渦電流が発生する。この渦電流による磁界とコイル電流による磁界とを重畳すると、円筒部材１２の内側の磁界は相殺される。
【００３６】
円筒部材１２に窓が形成されている場合は、円筒部材１２の外周面に発生した渦電流は、窓１２ａ及び１２ｂによつて外周面を周回できないため、窓１２ａ及び１２ｂの端面に沿つて円筒部材１２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１２ａ及び１２ｂの端面に沿つて外周面側に戻り、ループを形成する。つまり、検出コイル内側に渦電流のループを、円周方向に周期的に配置した状態が発生する。
【００３７】
コイル電流による磁界と渦電流による磁界とは重畳され、円筒部材１２の内外には、円周方向に周期的に強弱変化する磁界と、中心に向かうほど小さくなる半径方向に勾配を持つた磁界が形成される。円周方向の周期的な磁界の強弱は、隣り合う渦電流の影響を受ける窓１２ａ及び１２ｂの中心で強く、そこからずれるに従い弱くなる。
【００３８】
円筒部材１２の内側には、磁性材料からなるセンサシャフト部１１が同軸に配置されており、その凸条１１ａは、窓１２ａ及び１２ｂと同じ周期で配置されている。
【００３９】
磁界中に置かれた磁性体は磁化して磁束を生ずるが、磁束の量は飽和するまでは磁界の強さに応じて大きくなる。このため、円筒部材１２により円周方向の周期的な磁界の強弱と中心に向かうほど小さくなる半径方向に勾配を持つた磁界とにより、センサシャフト部１１に発生する磁束は、円筒部材１２とセンサシャフト部１１との相対的な位相により増減する。
【００４０】
磁束が最大となる位相は、円筒部材１２の窓１２ａ及び１２ｂの中心とセンサシャフト部１１の凸条１１ａの中心とが一致した状態で、磁束の増減に応じて検出コイル１３及び１４のインダクタンスも増減し、略正弦波状に変化する。
【００４１】
トルクが作用しない状態では、インダクタンスが最大となる位相（窓１２ａ及び１２ｂと凸条１１ａの中心とが一致している位相）に対して、センサシャフト部１１の凸条１１ａの中心は凸条１１ａの中心角ｃの１／２だけずれた位置に設定されているから、トルクが作用してトーションバー３が捩れ、センサシャフト部１１と円筒部材１２との間に位相差が生じると、２つの検出コイル１３及び１４のインダクタンスは、一方が増加し他方が減少する。
【００４２】
図４はトルクの大きさと検出コイル１３及び１４のインダクタンスの変化を説明する図で、横軸はトルクＴ、縦軸はインダクタンスＬを示す。右操舵トルク発生時は、図３の（ａ）及び（ｂ）において円筒部材１２が時計方向に回転するから、図４に示すように、トルクが増大するにつれ検出コイル１３のインダクタンスＬ13は増加し、検出コイル１４のインダクタンスＬ14は減少する。
【００４３】
また、左操舵トルク発生時は、図３の（ａ）及び（ｂ）において円筒部材１２が反時計方向に回転するから、図４に示すようにトルクが増大するにつれ検出コイル１３のインダクタンスＬ13は減少し、検出コイル１４のインダクタンスＬ14は増加する。
【００４４】
図５は、トルク検出回路のブロック図である。トルク検出回路２０はコネクタ２９を介して図示しない制御装置に接続され、制御装置からは各回路要素に電源電圧Ｖ及び基準電圧Ｖref が、ノイズフイルタ２８を経て供給され、一方、検出されたトルク信号がノイズフイルタ２８を経て制御装置に出力される。
【００４５】
トルクを検出するブリッジ回路は、検出コイル１３と抵抗Ｒ11及び抵抗Ｒ12とが直列に接続された第１アームと、検出コイル１４と抵抗Ｒ21及び抵抗Ｒ22とが直列に接続された第２アームとから構成される。
【００４６】
発振部２１は電源電圧Ｖ及び基準電圧Ｖref の供給を受けて所定周波数の交流電圧を出力する。出力された交流電圧は電流増幅部２２で増幅され、増幅された交流電圧Ｖosc が、検出コイル１３と抵抗Ｒ11及び抵抗Ｒ12とで構成されたブリッジ回路の第１のアーム、及び検出コイル１４と抵抗Ｒ21及び抵抗Ｒ22とで構成されたブリッジ回路の第２のアームに供給される。
【００４７】
なお、トルクが作用していない状態では、ブリッジ回路の第１アーム及び第２アームに等しい電流が流れて検出コイル１３の端部Ｐ3 に表れる電圧Ｖ3 と、検出コイル１４の端部Ｐ4 に表れる電圧Ｖ4 とが等しくなるように、予め検出コイル１３及び１４の特性を揃え、また、抵抗Ｒ11と抵抗Ｒ12の接合点Ｐ1 に表れる電圧Ｖ1 と抵抗Ｒ21と抵抗Ｒ22の接合点Ｐ2 に表れる電圧Ｖ2 とが等しくなるように、抵抗Ｒ11と抵抗Ｒ21の抵抗値、及び抵抗Ｒ12と抵抗Ｒ22の抵抗値を揃えておくものとする。
【００４８】
検出コイル１３の接合点Ｐ3 に表れる電圧Ｖ3 と、検出コイル１４の接合点Ｐ4 に表れる電圧Ｖ4 は、メイン増幅・全波整流部２３に入力されて、その差分の電圧信号Ｖdef-1 （＝Ｖ3 −Ｖ4 ）に変換されて増幅されると共に整流され、更にメイン平滑・中立調整部２５で出力波形が調整された後、ノイズフイルタ２８を経てメイントルク信号として制御装置に出力される。
【００４９】
一方、抵抗Ｒ11と抵抗Ｒ12の接合点Ｐ1 の電圧Ｖ1 と、抵抗Ｒ21と抵抗Ｒ22の接合点Ｐ2 の電圧Ｖ2 は、サブ増幅・全波整流部２４に入力され、その差分の電圧信号Ｖdef-2 （＝Ｖ1 −Ｖ2 ）に変換されて増幅されると共に整流され、更にサブ平滑・中立調整部２７で出力波形が調整された後、ノイズフイルタ２８を経てサブトルク信号として制御装置に出力される。
【００５０】
図示しない制御回路では、メイン平滑・中立調整部２５から出力された差分の電圧信号Ｖdef-1 と、サブ平滑・中立調整部２７から出力された差分の電圧信号Ｖdef-2 との差の信号ＶＤ検出し、この差の信号ＶＤが零であるか零以外であるかを判定する。
【００５１】
そして、零の場合はブリッジ回路を構成する回路要素は正常であると判定し、差の信号ＶＤが零以外の信号の場合は、ブリッジ回路を構成する回路要素が故障していると判定して、必要な処置、例えば警告表示をするほか、検出トルク信号を無効にするなどの処置をとる。
【００５２】
以下、トルク検出回路２０の動作と、ブリッジ回路の回路要素の故障判定について説明する。
【００５３】
まず、ブリッジ回路を構成する回路要素が正常で、トルクが発生していない状態を説明する。
【００５４】
この場合は、トルクが発生していないので検出コイル１３と検出コイル１４のインピーダンスは等しく、また、抵抗Ｒ11と抵抗Ｒ21の抵抗値、及び抵抗Ｒ12と抵抗Ｒ22の抵抗値は予め等しく設定されているから、ブリッジ回路を構成する第１のアーム（検出コイル１３側のアーム）に流れる電流Ｉ1 と、第２のアーム（検出コイル１４側のアーム）に流れる電流Ｉ2 とは等しくなる。
【００５５】
このため、検出コイル１３の接合点Ｐ3 に表れる電圧Ｖ3 と検出コイル１４の接合点Ｐ4 に表れる電圧Ｖ4 とは等しなり、メイン平滑・中立調整部２５からは差分の電圧信号Ｖdef-1 （＝Ｖ3 −Ｖ4 ）として、電圧信号Ｖdef-1 ＝０が出力される。
【００５６】
また、ブリッジ回路を構成する第１のアームに流れる電流Ｉ1 と第２のアームに流れるＩ2 とが等しいから、抵抗Ｒ11とＲ12の接合点Ｐ1 に表れる電圧Ｖ1 と抵抗Ｒ21とＲ22の抵抗接合点Ｐ2 に表れる電圧Ｖ2 とは等しくなり、サブ平滑・中立調整部２７からは差分の電圧信号Ｖdef-2 （＝Ｖ1 −Ｖ2 ）として、電圧信号Ｖdef-2 ＝０が出力される。
【００５７】
図示しない制御回路では、メイン平滑・中立調整部２５から出力された差分の電圧信号Ｖdef-1 と、サブ平滑・中立調整部２７から出力された差分の電圧信号Ｖdef-2 との差の信号ＶＤとして零（０）、即ち、
｛ＶＤ＝（Ｖdef-1 ）−（Ｖdef-2 ）＝０｝
が出力されるから、ブリッジ回路を構成する回路要素が正常で、故障のないことが判定できる。
【００５８】
次に、ブリッジ回路を構成する回路要素が正常で、トルクが発生している状態を説明する。
【００５９】
この場合は、トルクが発生しているため検出コイル１３と検出コイル１４のインピーダンスは一方が増加し、他方が減少する。ブリッジ回路を構成する第１のアーム（検出コイル１３側のアーム）に流れる電流Ｉ1 と、第２のアーム（検出コイル１４側のアーム）に流れる電流Ｉ2 とは、一方が増加し他方が減少して電流の大きさが異なる。
【００６０】
このため、検出コイル１３の接合点Ｐ3 に表れる電圧Ｖ3 と検出コイル１４の接合点Ｐ4 に表れる電圧Ｖ4 も異なり、メイン平滑・中立調整部２５からはその差分の電圧信号Ｖdef-1 （＝Ｖ3 −Ｖ4 ）として零以外の値（Ｘ0 ）の電圧信号が出力される。この信号は検出されたトルクの大きさに比例した検出トルク信号である。
【００６１】
また、ブリッジ回路を構成する第１のアームに流れる電流Ｉ1 と第２のアームに流れるＩ2 とは異なるから、抵抗Ｒ11とＲ12の接合点Ｐ1 に表れる電圧Ｖ1 と抵抗Ｒ21とＲ22の抵抗接合点Ｐ2 に表れる電圧Ｖ2 とは異なり、サブ平滑・中立調整部２７からは差分の電圧信号Ｖdef-2 （＝Ｖ1 −Ｖ2 ）として零以外の値（Ｙ0 ）の電圧信号が出力される。この信号も検出されたトルクの大きさに比例した信号である。
【００６２】
以上のとおり、前記した検出コイル接合点Ｐ3 とＰ4 に表れる電圧の差分の電圧信号Ｖdef-1 （＝Ｖ3 −Ｖ4 ＝Ｘ0 ）、及び抵抗接合点Ｐ1 とＰ2 に表れる電圧の差分の電圧信号Ｖdef-2 （＝Ｖ1 −Ｖ2 ＝Ｙ0 ）は、共に検出トルクの大きさに比例する信号であるから、予めトルク検出回路２０が正常な状態にあるとき、差分信号Ｖdef-1 （＝Ｖ3 −Ｖ4 ）と差分信号Ｖdef-2 （＝Ｖ1 −Ｖ2 ）との値が等しくなるように、即ち、電圧信号Ｖdef-1 とＶdef-2 の差の信号ＶＤが、
｛ＶＤ＝（Ｖdef-1 ）−（Ｖdef-2 ）＝（Ｘ0 −Ｙ0 ）＝０｝
になるように、メイン平滑・中立調整部２５及びサブ平滑・中立調整部２７の増幅度を設定しておくものとする。
【００６３】
このように、予めメイン平滑・中立調整部２５及びサブ平滑・中立調整部２７の増幅度を設定することにより、ブリッジ回路を構成する回路要素が正常の場合には、トルクが発生していない場合も、又トルクが発生している場合も、制御回路では電圧信号Ｖdef-1 とＶdef-2 の差の信号ＶＤとして零（０）、即ち、
｛ＶＤ＝（Ｖdef-1 ）−（Ｖdef-2 ）＝０｝
が出力されるから、ブリッジ回路を構成する回路要素が正常で、故障のないことが判定できる。
【００６４】
次に、ブリッジ回路を構成する回路要素に故障が生じ、且つトルクが発生していない状態を説明する。ここでは、検出コイル１３及び１４は正常で、抵抗Ｒ11、Ｒ12、Ｒ21、Ｒ22のいずれか１つの抵抗値が増加したものとして説明する。
【００６５】
トルクが発生していないので検出コイル１３と検出コイル１４のインピーダンスは等しいが、抵抗Ｒ11、Ｒ12、Ｒ21、Ｒ22のいずれか１つの抵抗値が増加したので、ブリッジ回路を構成する第１のアーム（検出コイル１３側のアーム）に流れる電流Ｉ1 と、第２のアーム（検出コイル１４側のアーム）に流れる電流Ｉ2 との大きさが異なる。
【００６６】
このため、検出コイル１３の接合点Ｐ3 に表れる電圧Ｖ3 と検出コイル１４の接合点Ｐ4 に表れる電圧Ｖ4 も異なり、メイン平滑・中立調整部２５からはその差分の電圧信号Ｖdef-1 （＝Ｖ3 −Ｖ4 ）として零以外の値（Ｘ1 ）の電圧信号が出力される。即ち、あたかもトルクが発生しているような電圧信号Ｖdef-1 が出力される。
【００６７】
また、ブリッジ回路を構成する第１のアームに流れる電流Ｉ1 と第２のアームに流れるＩ2 とは異なるから、抵抗Ｒ11とＲ12の接合点Ｐ1 に表れる電圧Ｖ1 と抵抗Ｒ21とＲ22の抵抗接合点Ｐ2 に表れる電圧Ｖ2 とは異なり、サブ平滑・中立調整部２７からは差分の電圧信号Ｖdef-2 （＝Ｖ1 −Ｖ2 ）として零以外の値（Ｙ1 ）の電圧信号が出力される。ここで、値（Ｘ1 ）と値（Ｙ1 ）とは異なる値となるのが普通である。
【００６８】
何故ならば、先に述べたとおり、ブリッジ回路を構成する回路要素に故障がない場合に、電圧信号Ｖdef-1 とＶdef-2 の差の信号ＶＤが零になるようにメイン平滑・中立調整部２５及びサブ平滑・中立調整部２７の増幅度を設定しているからであり、ブリッジ回路を構成する回路要素に故障が生じた場合には、電圧信号Ｖdef-1 の値（Ｘ1 ）とＶdef-2 の値（Ｙ1 ）とは異なる値となる。
【００６９】
この結果、図示しない制御回路では、メイン平滑・中立調整部２５から出力された差分の電圧信号Ｖdef-1 と、サブ平滑・中立調整部２７から出力された差分の電圧信号Ｖdef-2 との差の信号ＶＤとして零以外の値、即ち、
｛ＶＤ＝（Ｖdef-1 ）−（Ｖdef-2 ）＝（Ｘ1 ）−（Ｙ1 ）≠０｝
が出力されるから、ブリッジ回路を構成する回路要素に故障要素のあることが判定できる。
【００７０】
次に、ブリッジ回路を構成する回路要素に故障が生じ、且つトルクが発生している場合は、検出コイル１３と検出コイル１４のインピーダンスに差が生じるから、ブリッジ回路を構成する第１のアーム（検出コイル１３側のアーム）に流れる電流Ｉ1 と、第２のアーム（検出コイル１４側のアーム）に流れる電流Ｉ2 との大きさが異なる。
【００７１】
このため、検出コイル１３の接合点Ｐ3 に表れる電圧Ｖ3 と検出コイル１４の接合点Ｐ4 に表れる電圧Ｖ4 も異なり、メイン平滑・中立調整部２５からはその差分の電圧信号Ｖdef-1 （＝Ｖ3 −Ｖ4 ）として零以外の値（Ｘ2 ）の電圧信号が出力される。
【００７２】
また、抵抗Ｒ11、Ｒ12、Ｒ21、Ｒ22のいずれか１つの抵抗値が増加したので、ブリッジ回路を構成する第１のアーム（検出コイル１３側のアーム）に流れる電流Ｉ1 と、第２のアーム（検出コイル１４側のアーム）に流れる電流Ｉ2 との大きさが異なるから、抵抗Ｒ11とＲ12の接合点Ｐ1 に表れる電圧Ｖ1 と抵抗Ｒ21とＲ22の抵抗接合点Ｐ2 に表れる電圧Ｖ2 とは異なり、サブ平滑・中立調整部２７からは差分の電圧信号Ｖdef-2 （＝Ｖ1 −Ｖ2 ）として零以外の値（Ｙ2 ）の電圧信号が出力される。ここで、値（Ｘ2 ）と値（Ｙ2 ）とは異なる値となるのが普通である。
【００７３】
この結果、図示しない制御回路では、メイン平滑・中立調整部２５から出力された差分の電圧信号Ｖdef-1 と、サブ平滑・中立調整部２７から出力された差分の電圧信号Ｖdef-2 との差の信号ＶＤとして零以外の値、即ち、
｛ＶＤ＝（Ｖdef-1 ）−（Ｖdef-2 ）＝（Ｘ2 ）−（Ｙ2 ）≠０｝
が出力されるから、ブリッジ回路を構成する回路要素に故障要素のあることが判定できる。
【００７４】
以上、この発明の実施の形態の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説明したが、この発明のトルクセンサは、車両用の電動パワーステアリング装置以外の各種の機械装置におけるトルク検出装置にも適用できることは言うまでもない。
【００７５】
【発明の効果】
以上説明したとおり、この発明は、回転軸に生じたトルクに応じて互いに逆方向にインピーダンスが変化する一対の検出コイルと、各検出コイルに直列に接続された一対の抵抗体とから構成されるブリッジ回路に交流電圧を印加し、前記一対の検出コイルの端子部に表れる交流電圧の差分の電圧に基いてトルクを検出するトルクセンサにおいて、前記一対の抵抗体をそれぞれ直列に接続された２つの抵抗要素から構成したもので、前記一対の直列に接続された２つの抵抗要素の中間点に表れる交流電圧の差分の電圧を、前記一対の検出コイルの端子部に表れる交流電圧の差分の電圧と比較して、ブリッジ回路を構成する回路要素の故障を検出するものである。
【００７６】
トルクセンサのブリッジ回路を構成する回路要素の故障、例えばプリント配線基板と抵抗体との間に発生した接触不良、抵抗体自体の破損や経年変化などの原因により抵抗値が変化した場合は、従来のトルクセンサでは、あたかも検出コイルのインピーダンスの変化したように検出され、誤つた検出トルク信号が出力されてしまうが、この発明によれば、このようなブリッジ回路を構成する回路要素の故障を確実に検出することができ、信頼性の高いトルクセンサを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】電動パワーステアリング装置の主要部の構成を示す断面図。
【図２】電動パワーステアリング装置のトルクセンサの構成を示す斜視図。
【図３】センサシャフト部の表面の凸条と円筒部材の窓配置を説明する図。
【図４】トルクの大きさと２つの検出コイルのインダクタンスの変化を説明する図。
【図５】トルク検出回路の構成を説明するブロック図。
【図６】従来のトルク検出回路の構成を説明するブロック図。
【符号の説明】
１ 入力軸
２ 出力軸
３ トーシヨンバー
４ ラック
５ａ、５ｂ ハウジング
６ａ、６ｂ、６ｃ 軸受
７ ウオームホイール
８ ウオーム
１１ センサシャフト部
１１ａ 凸条
１１ｂ 溝部
１２ 円筒部材
１２ａ 窓（第１の窓列の）
１２ｂ 窓（第２の窓列の）
１３、１４ 検出コイル
１５ ヨーク
１６ 回路基板
２０ トルク検出回路
２１ 発振部
２２ 電流増幅部
２３ メイン増幅・全波整流部
２４ サブ増幅・全波整流部
２５ メイン平滑・中立調整部
２７ サブ平滑・中立調整部
２８ ノイズフイルタ
２９ コネクタ
Ｒ11、Ｒ12、Ｒ21、Ｒ22 抵抗
Claims (2)
- 回転軸に生じたトルクに応じて互いに逆方向にインピーダンスが変化する一対の検出コイルと、各検出コイルに直列に接続された一対の抵抗体とから構成されるブリッジ回路に交流電圧を印加し、前記一対の検出コイルの端子部に表れる交流電圧の差分の電圧に基いてトルクを検出するトルクセンサにおいて、
前記一対の抵抗体はそれぞれ直列に接続された２つの抵抗要素から構成されること
を特徴とするトルクセンサ。 - 前記トルクセンサは、前記一対の検出コイルの端子部に表れる交流電圧を入力し、その差分の電圧を出力する第１の増幅器と、前記一対の直列に接続された２つの抵抗要素の中間点に表れる交流電圧を入力し、その差分の電圧を出力する第２の増幅器と
を備えたことを特徴とする請求項１記載のトルクセンサ。
Priority Applications (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP34211199A JP3649069B2 (ja) | 1999-12-01 | 1999-12-01 | トルクセンサ |
| US09/670,288 US6456090B1 (en) | 1999-09-27 | 2000-09-25 | Torque sensor |
| DE10047949A DE10047949B4 (de) | 1999-09-27 | 2000-09-27 | Drehmomentsensor |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP34211199A JP3649069B2 (ja) | 1999-12-01 | 1999-12-01 | トルクセンサ |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2001159570A JP2001159570A (ja) | 2001-06-12 |
| JP3649069B2 true JP3649069B2 (ja) | 2005-05-18 |
Family
ID=18351242
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP34211199A Expired - Lifetime JP3649069B2 (ja) | 1999-09-27 | 1999-12-01 | トルクセンサ |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3649069B2 (ja) |
-
1999
- 1999-12-01 JP JP34211199A patent/JP3649069B2/ja not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP2001159570A (ja) | 2001-06-12 |
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