JP3666191B2 - Torque sensor - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、車両のハンドル操舵の回転軸に発生する操舵トルクを非接触で検出するトルクセンサに関し、特に発生する操舵トルクに応じてインピーダンスが変化するトルクセンサにおいて、寸法誤差、組立誤差、電子部品の出力誤差等により生じた中立時出力電圧ズレを簡単に補正すると共に、トルクの検出を行っていない時に、検出時とは異なる動作で各部の故障を検知するようにして信頼性を向上させたトルクセンサに関する。
【0002】
【従来の技術】
自動車や車両のステアリング装置をモ−タの回転力で補助負荷付勢する電動パワ−ステアリング装置は、モ−タの駆動力を減速機を介してギア又はベルト等の伝達機構により、ステアリングシャフト或いはラック軸に補助負荷付勢するようになっている。ここで、一般的な電動パワ−ステアリング装置の構成を図11に示して説明する。操向ハンドル1の軸2は減速ギア3A、ユニバ−サルジョイント4a及び4b、ピニオンラック機構5を経て操向車輪のタイロッド6に結合されている。軸2には、操向ハンドル1の操舵トルクを検出するトルクセンサ100が設けられており、操向ハンドル1の操舵力を補助するモ−タ20がクラッチ21、減速ギア3Aを介して軸2に結合されている。パワ−ステアリング装置を制御するコントロ−ルユニット200には、バッテリ14からイグニションキ−11を経て電力が供給され、コントロ−ルユニット200は、トルクセンサ100で検出された操舵トルクTと車速センサ12で検出された車速Vとに基づいてアシスト指令の操舵補助指令値Iの演算を行い、演算された操舵補助指令値Iに基づいてモ−タ20に供給する電流を制御する。クラッチ21はコントロ−ルユニット200でON/OFF制御され、通常の動作状態ではON(結合)されている。そして、コントロ−ルユニット200にはパワ−ステアリング装置が故障と判断された時、及びイグニションキ−11によりバッテリ14の電源がOFFとなっている時に、クラッチ21はOFF(切断)される。
【0003】
コントロ−ルユニット200は主としてCPUで構成されるが、そのCPU内部においてプログラムで実行される一般的な機能を示すと図12のようになる。トルクセンサ100で検出されて入力される操舵トルクTは、操舵系の安定性を高めるために位相補償器201で位相補償され、位相補償された操舵トルクTAが操舵補助指令値演算器202に入力される。また、車速センサ12で検出された車速Vも操舵補助指令値演算器202に入力される。操舵補助指令値演算器202は、入力された操舵トルクTA及び車速Vに基づいてモ−タ20に供給する電流の制御目標値である操舵補助指令値Iを決定し、操舵補助指令値演算器202にはメモリ203が付設されている。メモリ203は車速Vをパラメ−タとして操舵トルクに対応する操舵補助指令値Iを格納しており、操舵補助指令値演算器202による操舵補助指令値Iの演算に使用される。操舵補助指令値Iは減算器200Aに入力されると共に、応答速度を高めるためのフィ−ドフォワ−ド系の微分補償器204に入力され、減算器200Aの偏差(I−i)は比例演算器205に入力され、その比例出力は加算器200Bに入力されると共に、フィ−ドバック系の特性を改善するための積分演算器206に入力される。微分補償器204及び積分演算器206の出力も加算器200Bに加算入力され、加算器200Bでの加算結果である電流制御値Eが、モ−タ駆動信号としてモ−タ駆動回路207に入力される。モ−タ20のモ−タ電流値iはモ−タ電流検出回路208で検出され、モ−タ電流値iは減算器200Aにフィ−ドバックされる。
【0004】
上述のようなパワ−ステアリング装置のトルクセンサ100としては、例えば特公昭63−45528号公報に示されるものがある。このトルクセンサは、軸に発生するトルクに応じて相対的に回転するように2つの円筒体が同軸に嵌め合わされると共に、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、2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、コイルのインピ−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するものである。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
上述のような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、コイルを駆動する電流が高周波の交流電流であるため、高精度のトルクセンサとするためには正確な正弦波の交流電流を供給するための発振電源部が必要である。このため、多数の電子部品が必要となり、しかも個々の電子部品自体に高い精度が要求されるため、コストが嵩むという問題があった。また、正弦波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を一定(片電源駆動)とするため、オフセット電圧を加えてコイルを駆動するようにしており、消費電力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もあった。更に、コイルのインピ−ダンスの変化がそれ程急俊ではないため、センサ感度が余り良くないといった問題もある。
【0006】
一方、従来のトルクセンサにおいては、軸等のセンサ構成部品の組立誤差や信号処理の各電子部品公差等で、入力トルク零時の出力電圧がコントロ−ラ所定の中立電圧からズレてしまうため、常に出力電圧の調整が必要であった。しかし、この電圧調整はトルクセンサ側の位置調整等で行われており、作業が面倒なばかりか、固定方法の信頼性に頼っているため、動いてしまうとセルフステアの危険性を含んでいた。また、コントロ−ラ所定の電圧を決めているA/D等の基準電圧にも公差があり、正確にトルクセンサの中立電圧を所定値に合わせてもコントロ−ラがズレているように認識してしまう場合もあった。例えば特開平1−173843号公報は磁歪式センサに対してメモリを設け、2つのコイルのバランスをとることでセンサ初期中立ズレを補正するようにしているが、異常状態の検出はできない。そして、トルクセンサの信頼性を向上させる場合には、従来は同一のセンサを複数配置し、複数センサの検出値を常時比較してその差の変化から、異常状態の検出や誤作動の防止を行っていた。センサを複数配置することはコストの上昇となり、検出系も複雑になってしまう欠点がある。
【0007】
本発明は上述のような事情よりなされたものであり、本発明の目的は、位置調整機構等による面倒な中立調整が不要で、コスト削減や発熱量低減等を図ることができると共に、小型省スペ−スで信頼性を向上させ、一系統の検出回路による構成を可能としたトルクセンサを提供することにある。
【0008】
【課題を解決するための手段】
本発明は、トルク検出のためのコイルの駆動タイミング及びサンプルホールドのタイミングを可変する制御演算部と、センサ各部の初期値を記憶する記憶部とを設け、前記制御演算部により、前記コイルを駆動させ、その過渡電圧のサンプリングに基づいてトルクを検出すると共に、前記コイルの非駆動時であって前記サンプリング時以外の時に、サンプリングホールド値に基づいて、前記記憶部の初期値と比較することによって前記センサ各部の故障を検出することによって達成される。
また、本発明は、ハンドルの操舵トルクを検出し、前記操舵トルクに応じて前記ハンドルと一体的に設けられたステアリングシャフトをモータで補助負荷付勢するようになっている電動パワーステアリング装置のトルクセンサに関するもので、本発明の上記目的は、前記操舵トルクをコイルの過渡電圧のサンプリングに基づいて検出するようにし、前記コイルの駆動タイミング及びサンプルホールドのタイミングを可変できる制御演算部を設けると共に、各部の初期値を記憶する記憶部を設け、前記操舵トルクの検出を行っていないサンプルホールドの合間に、前記初期値と比較することによって前記各部の故障を検知するようにすることにより達成される。即ち、前記コイルを駆動していないタイミングの前記サンプルホールド後のA/D値に基づいて、コイル、差動増幅器及びサンプルホールド部の故障を検知するようにし、更に中立電圧切替え後のA/D値に基づいて、前記差動増幅器の中立電圧部及び前記サンプルホールド部の故障を検知するようにしている。
【0009】
本発明のトルクセンサは構造的には、同軸に配設された第1及び第2の回転軸をト−ションバ−を介して連結されると共に、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、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渡電圧に基づいて、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。ここで、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。非磁性材料の透磁率は空気と同程度であり、磁性材料の透磁率に比べて小さい。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り、本発明ではコイルを方形波電圧で駆動するようになっているので、方形波電圧の供給間隔は、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る。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、消費電力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容易に高精度に発生させることができる利点がある。
【0010】
本発明では更に、コイルに定常状態と過渡状態という異なる状態が存在する駆動形式をとり、コイル駆動タイミングやサンプルホ−ルドのタイミングを可変させて、トルク検出を行っていないとき(トルク信号のサンプリングタイムの合間)に、トルク信号検出時とは異なる動作をさせると共に、記憶部に記憶された組み立て初期値と比較することによって各部の故障を検知するようにしている。また、各部駆動のタイミング組み合わせにより、全ての回路部を確認するようにして回路系の1系統化を実現している。
【0011】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施例を図面を参照して説明する。
【0012】
図1乃至図3は、本発明のトルクセンサ100を車両用の電動パワーステアリング装置に適用した構造例として示しており、電動パワーステアリング装置全体の断面構造を示す図1において、ハウジング101内には、トーションバ−102を介して連結された入力軸2(図11参照)及び出力軸3(図11における減速ギア3Aの軸に相当)がそれぞれ軸受103a及び103bによって回転自在に支持されている。入力軸2、出力軸3及びトーションバ−102は同軸に配置されており、入力軸2とトーションバ−102との間は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−102の他端側は出力軸3内に深く入り込んだ位置にスプライン結合されている。入力軸2及び出力軸3は鉄等の磁性材料で形成されている。また、入力軸2の右端側には操向ハンドル1(図11参照)が回転方向に一体に取り付けられており、出力軸3の左端側には減速ギア3、ユニバ−サルジョイント4a,4b、ピニオンラック機構5を介してタイロッド6に連結されている(図11参照)。従って、操縦者が操向ハンドル1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−102、出力軸3及びステアリング装置を介して転舵輪に伝達される。
【0013】
入力軸2の端部に固定されたスリーブ2Aは出力軸3の端部外周面を包囲するような長さを有しており、スリーブ2Aの出力軸3の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が形成されている。これら凸部2a及び溝3aは周方向に余裕を持って嵌め合わされており、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。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103が外嵌され、ウォームホイール103の樹脂製の噛合部103aと、モータ20の出力軸20aの外周面に形成されたウォーム20bとが噛み合っている。従って、モー夕20の回転力は、出力軸20a、ウォーム20b及びウォームホイール103を介して出力軸3に伝達され、モータ20の回転方向を適宜切り換えることにより、出力軸3に任意方向の操舵補助トルクが付与されるようになっている。
【0014】
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104が回転方向に一体に固定されている。即ち、円筒部材104は導電性で且つ非磁性の材料(例えばアルミニウム)で形成されており、図2に示すように円筒部材104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の窓104a,,・・・・・,104aが形成され、スリーブ2Aから遠い側には、窓104a,・・・・・,104a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104aと同形状)の複数の窓104b,・・・・・・,104bが形成されている。また、出力軸3の円筒部材104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の溝3Bが形成されている。
【0015】
より具体的には図3及び図4に示すように、円筒部材104の周面を周方向にN等分(本例ではN=9)した角度を一周期角度θ(=360/N、本例ではθ=40度)とし、円筒部材104のスリ−ブ2Aに近い側の部分では一周期角度θの一方の端からa度の部分が窓104a,・・・・,104aとなり、残りのb度(=θ−a)の部分が塞がっており、また、窓104a,・・・・・,104aとの位相が半周期(θ/2)ずれるように、円筒部材104のスリ−ブ2Aから遠い側の部分では一周期角度θの他方の端からa度の部分が窓104b,・・・・,104bとなり、残りのb度(=θ−a)部分が塞がっている。尚、溝3B,・・・・,3Bの間の横断面凸型の凸部3Cの周方向幅をc度、溝3B,・・・・,3Bの周方向幅をd度、円筒部材104及び出力軸3間(入力軸2及び出力軸3間)の相対回転可能範囲をe度としている。ただし、トーションバ−102に捩れが生じていない(操舵トルク零)ときに、例えばc=20度の場合、図3に示すように窓104aの周方向幅中央部と溝3Bの周方向の一方の端部(凸部3Cの一方のエッジ部)とが重なり、図4に示すように窓104bの周方向幅中央部と溝3Bの周方向の他方の端部(凸部3Cの他方のエッジ部)とが重なり合うようになっている。従って、窓104a及び溝3Bの重なり状態と、窓104b及び溝3Bの重なり状態とは周方向で逆になっており、窓104a,104bの周方向幅中央部と溝3Bの周方向幅中央部とはそれぞれθ/4ずつずれている。尚、本実施例ではb>a、d>c、e<θ/4となっている。
【0016】
また、円筒部材104は、同一規格のコイル110及び111が巻き付けられたヨーク112で包囲されている。即ち、コイル110及び111は円筒部材104と同軸に配置されており、コイル110は窓104a,・・・・・,104aが形成された部分を包囲するようにヨーク112に巻き付けられ、コイル111は窓104b,・・・・・,104bが形成された部分を包囲するようにヨーク112に巻き付けられ、ヨーク112はハウジング101に固定されている。尚、ハウジング101内のウォームホイール103が配設されている空間と、ヨーク112が配設されている空間との間はオイルシール113によって隔離されており、これによりウォームホイール103及びウォーム20bの噛み合い部分に供給される潤滑油がヨーク112側に入り込まないようになっている。
【0017】
そして、コイル110及び111は、センサケース114内の制御基板210上に構成されているコントロ−ルユニット200(モータ制御回路を含む)に接続されている。モータ制御回路は、図5に示すようにトルク検出部220及び演算部230で成り、コイル110,111と直列に接続された抵抗値の等しい2つの抵抗Roを有し、コイル110,111及び抵抗Ro,Ro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110及び111同士の接続部は、PNP型トランジスタTrからなるコイル駆動部221を介して接地され、電気抵抗Ro同士の接続部は演算部(MPUやA/D変換器、D/A変換器等のインタフェース回路等で構成)230のリファレンス電圧V2に接続されている。尚、コイル110及び111の接続部は、コイル110及び111に逆向きの起電力が発生した場合の電流を回生するダイオード222を介して、演算部230の出力ポ−ト1に接続されている。コイル駆動部221のトランジスタTrのゲートには、演算部230から制御電圧Vlが供給されるようになっている。この制御電圧Vlは図6(a)に示すような方形波電圧であり、その方形波の出力間隔は演算部230のサンプリング・クロックに同期している。また、制御電圧V1は、コイル駆動部221のトランジスタTrがPNP型であるため、そのトランジスタTr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Trをオフとするタイミングで論理値“0”から“1”に立ち上がる負論理の電圧となっている。そして、抵抗Ro及びコイル110,111からコイル駆動部221に供給されるリファレンス電圧V2は、トランジスタTrのオン/オフに同期した図6(b)に示すような方形波電圧となる。つまり、電圧V2は制御電圧Vlを反転した方形波となっている。
【0018】
更に、コイル110及び抵抗Ro間の電圧であるブリッジ回路の一方の出力電圧V3と、コイル111及び抵抗Ro間の電圧であるブリッジ回路の他方の出力電圧V4とが差動増幅器223に人力されると共に、それぞれ演算部230のA/D用のA/D1端子及びA/D2端子に入力されている。尚、差動増幅器223には、中立電圧切替部224から供給される中立電圧Vrが供給されており、差動増幅器223は、増幅率をGとして下記(1)式で表わされる出力電圧V5を出力する。
【0019】
V5=G×(V3−V4)+Vr ・・・・・・(1)
差動増幅器223の出力電圧V5は演算部230のA/D2端子に入力されると共に、演算部230からのホ−ルド信号Vsに従ってサンプルホールド回路225でホールドされ、所定サンプリング時における出力電圧Voが演算部230のA/D1端子に入力される。演算部230はサンプルホールド回路225に、制御電圧Vlの立ち下がりと同時に立ち上がると共に、それから所定時間経過後に立ち下がる図7(c)に示すような短いパルス状のホールド信号Vsをサンプルホールド回路225に入力し、サンプルホールド回路225はホールド信号Vsの立ち下がり時点における電圧V5を出力電圧Voとしてホールドし、電圧Voを演算部230でA/D変換する。また、演算部230には組み立て後の中立信号を記憶する不揮発性メモリの中立信号記憶部240が接続されると共に、組み立て終了後に中立信号記憶部240に記憶させるための書込信号を受ける書込信号通信部(シリアル通信ポ−ト又は汎用入出力ポ−ト)241が接続されている。
【0020】
尚、ホールド信号Vsの立ち下がりタイミングは、過渡状態にある出力電圧V3及びV4が差動増幅器223に供給されている最中である。より具体的には、制御電圧Vlの立ち下がり時点から、コイル110,111のインダクタンス及び抵抗Roで決まる時定数τだけ経過した時点を、ホールド信号Vsを立ち下げる夕イミングとする。時定数τを用いるのは、出力電圧V3及びV4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V5をホールドするためである。従って、ホールド信号Vsを時定数τまでの間で可変させれば、トルクセンサ出力のゲイン調整も可能となる。また、中立信号記憶部240は、バッテリ等のバックアップ電源を内蔵したメモリであってもよい。
【0021】
そして、演算部230は、サンプルホールド回路225から入力される電圧Voに基づいて入力軸2及び円筒部材104の相対回転変位の方向及び大きさを演算し、その演算結果に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、その演算に基づいて操舵補助トルクを発生する駆動電流Iがモータ20に供給されるようにモータ駆動回路207を制御する。図8はこのような通常動作のタイミングを示しており、同図(a)はコイル駆動の制御電圧V1のタイミングを示しており、時間T1がコイル非駆動時間であり、同図(b)が入力された制御電圧V1に対応するコイル電圧を示している。また、図8(c)はサンプルホ−ルド回路225の動作を示しており、ホ−ルド時間T2の間をCPU演算時間やモ−タ制御時間等に使用し、時点t1にセンサ出力をA/D変換する。尚、演算部230には車速センサ12から車速Vが入力されており、車速V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、モー夕駆動回路207に対する制御を禁止している。
【0022】
次に、本実施例の動作を説明する。
【0023】
操舵系が直進状態にあり、操舵トルクが零である場合には入力軸2及び出力軸3の間には相対回転は生ぜず、出力軸3と円筒部材104との間にも相対回転は生じない。一方、操向ハンドル1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−102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−ションバ−102が捩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104間にも相対回転が生じる。円筒部材104に窓がない状態では、円筒部材104は導電性で且つ非磁性材料で成っているため、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104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による磁界とを重ね合わせると、円筒部材104の内側の磁界は相殺される。
【0024】
円筒部材104に窓104a,104bを設けた場合、円筒部材104の外周面に生じた渦電流は窓104a,104bによって外周面を周回できないため、窓104a,104bの端面に沿って円筒部材104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104a,104bの端面に沿って外周面側に戻るループを形成する。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(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104の内外に、周方向に周期的な強弱を有し、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104a,104b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。円筒部材104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3B,凹部3Cが窓104a,104bと同じ周期をも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。
【0025】
このため、円筒部材104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104との相対的な位相によって増減する。
【0026】
自発磁化が最大となる位相は、窓104a,104b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となる。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、スリーブ2Aに近い側の窓列と他方の窓列との位相は1/2周期(θ/2)の位相差である。
【0027】
このため、トルクにより円筒部材104と軸3に位相差が生じると、2つのコイル110,111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。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110,111のインダクタンスは等しいからコイル110,111のインピーダンスには差が生ぜず、コイル110及び111の自己誘導起電力は等しい。この状態で、演算部230からコイル駆動部221に図6(a)に示すような方形波の制御電圧Vlが供給され、制御電圧Vlを反転した図6(b)に示すような方形波の電圧V2がコイル110及び111に供給されると、ブリッジ回路の出力電圧V3及びV4は図7の(1)−(a)に示すように、その過渡時の値も等しくなる。差が零であるから、差動増幅器223の出力電圧V5は図7の(1)−(b)に示すように中立電圧Vrを維持するから、図7の(1)−(c)に示すようなホールド信号Vsが出力されても、サンプルホールド回路225の出力電圧Voは同図(1)−(d)に示すように中立電圧Vrのままである。この結果、演算部230は操舵系の操舵トルクが零であることを検出するから、モータ駆動回路207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。
【0028】
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110のインダクタンスが増大し、コイル111のインダクタンスが減少する。逆に左操舵トルクが増大するに従って、コイル110のインダクタンスが減少し、コイル111のインダクタンスが増大する。そして、コイル110,111のインダクタンスが上記のように変化すれば、コイル110及び111のインピーダンスも同様の傾向で変化し、コイル110及び111の自己誘導起電力も同様の傾向で変化する。このため、右操舵トルク発生時には、図7の(2)−(a)に示すように出力電圧V3は出力電圧V4よりも急峻に立ち上がるため、同図(2)−(b)に示すように出力電圧V3及びV4の過渡期には差が生じることになり、その差(V5)は発生する操舵トルクが大きいほど大きくなる。逆に、左操舵トルク発生時には、図7の(3)−(a)に示すように出力電圧V4は出力電圧V3よりも急峻に立ち上がるため、同図(3)−(b)に示すように出力電圧V3及びV4の過渡期には同様に差が生じることになり、その差(V5)は発生する操舵トルクが大きいほど大きくなる。
【0029】
以上のように、差動増幅器223の出力電圧V5は図7の(2)−(b)及び(3)−(b)に示すように、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Vrから大きく変化する。従って、図7の(2)−(c)及び(3)− (c)に示すようなタイミングでホールド信号Vsがサンプルホ−ルド回路225に入力されて電圧V5がホールドされると、右操舵トルク発生時には図7の (2)−(d)に示すように中立電圧Vrよりも大きな出力電圧Voのホ−ルド値が得られ、左操舵トルク発生時には図7の(3)−(d)に示すように中立電圧よりも小さい出力電圧Voのホ−ルド値が得られる。
【0030】
そして、演算部230は入力される出力電圧Vo等に基づいて操舵トルクを求めてモータ駆動回路207に入力し、モータ駆動回路207は操舵トルクの方向及び大きさに応じた駆動電流Iをモー夕20に供給する。これにより、モータ20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を発生し、その回転力がウォーム20b等を介して出力軸3に伝達され、出力軸3に操舵補助トルクが付与されて操縦者の負担が軽減される。
【0031】
このようにコイル110,111に対して、図8に示すように、方形波電圧V1すなわちV2(なお、上記したように電圧V2は制御電圧V1を反転した方形波となっている)を供給するような構成であっても、差動増幅器223及びサンプルホールド回路225によって出力電圧V3及びV4の過渡電圧の差をホールドし、出力電圧Voとして演算部230に入力している。このため、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。そして、コイル110,111を方形波電圧V1すなわちV2が立ち上がっている間だけであるから、電圧V1すなわちV2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。本実施例の構成であると、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V3及びV4の差が十分に生じた際の出力電圧Voであり、そのためには出力電圧V1を立ち下げた時点から時定数τだけ経過するまで、電圧V1すなわちV2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Trをオンにすればよいから、電圧V2のデューティ比をごく小さく(例えば5%程度)することができる。その結果、コイル110,111に電流が流れる時間が非常に短くなるから、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。また、演算部230でオン/オフ制御される制御電圧V1をトランジスタTrに供給するだけで、コイル110,111を方形波電圧V2で駆動することができるから、正弦波駆動の場合に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。
【0032】
一方、本発明では演算部230に中立信号記憶部240が接続されており、組み立て終了後に書込信号通信部241を経て中立信号記憶部240に組み立て初期値を記憶させている。組み立て終了後、入力トルク零時(図7の(1))にはサンプルホ−ルド回路225の出力電圧Voは中立電圧値Vr(A/Dの中央値の2.5V)となるはずであるが、実際には図10に示すように、軸等の部品個々の寸法誤差、組み立ての角度誤差、トルク検出部220の部品公差等により、初期ズレをαとして、出力電圧Voは(2.5±α)Vとなり、初期ズレαによるズレ範囲±αが使用電圧範囲以上までズレる可能性がある。この状態で図10に示すように、外部通信により演算部230に予め決められたソフト調整可能な範囲に入るように、中立切替部224を作動させる信号を出力ポ−ト3より送出させると共に、予め決められたソフト調整可能な範囲内に入った時の出力電圧 (2.5±α1)Vをオフセット値として記憶する記憶命令を書込信号通信部241を介して送り、この記憶命令を受けて演算部230は中立信号記憶部240に組み立て初期値を中立信号として記憶する。その後外部信号通信部241の機能を外し、システムを作動させると以後は常に中立信号記憶部240に記憶された初期値を差動増幅器223の中立(±α1の補正)とし、駆動電流Iの算出を行う。以上により初期組み立て公差による中立ズレ(±α)の影響を受けることなく、面倒な機械的中立調整を省いてシステムを稼働することができる。
【0033】
更に本発明では、各出力電圧と切替部のデ−タも中立信号記憶部240に記憶しておき、各部の故障判定に用いている。即ち、図9に示すように、過渡電圧変化に基づくトルク検出のタイミングは、演算部230の制御により随時一定周期(数ミリ秒)にて行われているが、コイルが駆動されているのは数十マイクロ秒であり、その大部分はコイルが駆動されていない時間T1となっている。このコイルが駆動されていないコイル非駆動時間T1の間に、図9(c)に示すように時間T3及びT4の間隔でサンプリングすると共に、時間T3の間の時点t1においてそのホ−ルド値をA/D変換してトルク出力を得、次のサンプリング後の時点t2において各部のA/D変換を得、中立信号記憶部240に記憶されている初期値と比較する。そして、コイル電圧V3及びV4が初期値と異なる場合にはコイル地絡、又はコイル駆動用トランジスタ導通と判定し、差動増幅器223の出力電圧V5が初期値と異なる場合には中立電圧異常、差動増幅器異常、又はA/D変換部の異常があると判断する。また、サンプルホ−ルド回路225の出力電圧Voが初期値と異なる場合にはサンプルホ−ルド回路の異常又はA/D変換部の異常と判断する。
【0034】
更に、その後の時点t3に中立電圧切替部224で中立電圧を切替え、その後の時点t4における各部のA/D値を、時点t2での各部のA/D値と比較する。そして、差動増幅器223の出力電圧V5が正常値(初期値+切替えによるオフセット電圧)でない場合には、中立電圧部224が異常であると判断し、サンプルホ−ルド回路225の出力電圧Voが正常値(初期値+時点t2における出力電圧Vo)でない場合には、サンプルホ−ルド回路225が異常であると判断する。
【0035】
尚、上記実施例では、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。
【0036】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明のトルクセンサによれば、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渡電圧に基づいてトルクを検出するようにしているため、コイルに電流が流れる時間が非常に短くなり、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。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ため、製造コストも低減するという効果がある。付言すれば、本発明では、コイルを方形波電圧で駆動するようになっているので、方形波電圧の供給間隔は、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る。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、消費電力が少なくなって発熱量も低減し、かつ、方形波は、正弦波に比べて少ない電子部品で容易に高精度に発生させることができる利点がある。
また、組み立て初期値を記憶させておき、初期ズレを補正するようにしているので信頼性が向上し、操舵トルクの検出を行っていないサンプルホールドの合間に、初期値と比較することによって各部の故障を検知するようにしているので、回路の1系統化を実現できる。付言すれば、コイルに定常状態と過渡状態という異なる状態が存在する駆動形式をとり、コイル駆動タイミングやサンプルホールドのタイミングを可変させて、トルク検出を行っていないとき(トルク信号のサンプリングタイムの合間)に、トルク信号検出時とは異なる動作をさせると共に、記憶部に記憶された組み立て初期値と比較することによって各部の故障を検知するようにした。また、各部駆動のタイミング組み合わせにより、全ての回路部を確認するようにして回路系の1系統化を実現した。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明のトルクセンサを適用した電動パワ−ステアリング装置の構成を示す断面図である。
【図2】円筒部材及びその周囲の斜視図である。
【図3】図1のA−A線における円筒部材及び出力軸の断面図である。
【図4】図1のB−B線における円筒部材及び出力軸の断面図である。
【図5】モータ制御回路の一例を示す回路図である。
【図6】方形波駆動の動作を説明するための図である。
【図7】本発明の動作タイミングを示すタイミングチャ−トである。
【図8】通常時の動作例を示すタイミングチャ−トである。
【図9】故障検出時の動作例を示すタイミングチャ−トである。
【図10】本発明の動作を説明するための波形図である。
【図11】電動パワ−ステアリング装置の一般的構成を示す構成図である。
【図12】電動パワ−ステアリング装置のコントロ−ルユニットの一例を示すブロック図である。
【符号の説明】
1 操向ハンドル
6 タイロッド
12 車速センサ
100 トルクセンサ
102 トーションバー
104 円筒部材
110,111 コイル
200 コントロールユニット
203 メモリ
220 トルク検出部
223 差動増幅器
224 中立電圧切替部
225 サンプルホールド回路
230 演算部(MPU)
240 中立信号記憶部[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a torque sensor that detects a steering torque generated on a rotating shaft of a steering wheel of a vehicle in a non-contact manner, and particularly in a torque sensor whose impedance changes according to the generated steering torque, a dimensional error, an assembly error, and an electronic component The neutral output voltage misalignment caused by the output error is easily corrected, and the reliability is improved by detecting the failure of each part with the operation different from the detection when the torque is not detected. The present invention relates to a torque sensor.
[0002]
[Prior art]
An electric power steering device that energizes a steering device of an automobile or a vehicle with an auxiliary load by the rotational force of a motor is configured such that the driving force of the motor is transmitted through a reduction mechanism by a transmission mechanism such as a gear or a belt. An auxiliary load is applied to the rack shaft. Here, the configuration of a general electric power steering apparatus will be described with reference to FIG. A
[0003]
The
[0004]
An example of the
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
With the conventional torque sensor as described above, it is possible to detect the torque generated on the shaft based on the impedance change of the coil. However, since the current for driving the coil is a high-frequency alternating current, an oscillation power supply unit for supplying an accurate sinusoidal alternating current is necessary to obtain a highly accurate torque sensor. For this reason, a large number of electronic components are required, and high accuracy is required for the individual electronic components themselves, resulting in a problem of increased costs. In addition, the coil is driven by a sinusoidal alternating current, and the coil is driven by applying an offset voltage in order to make the current direction constant (single power supply drive). Is very large and uneconomical, and there is also a problem that a large amount of heat is generated with a large current consumption. Further, since the change in impedance of the coil is not so steep, there is a problem that the sensor sensitivity is not so good.
[0006]
On the other hand, in the conventional torque sensor, because the output voltage at zero input torque deviates from the controller's neutral voltage due to assembly errors of sensor components such as shafts and signal processing electronic component tolerances, It was always necessary to adjust the output voltage. However, this voltage adjustment is done by adjusting the position on the torque sensor side, etc., which is not only cumbersome, but also depends on the reliability of the fixing method, so there is a risk of self-steering if it moves . Also, there is a tolerance in the reference voltage such as A / D that determines the controller's predetermined voltage, and it is recognized that the controller is misaligned even if the neutral voltage of the torque sensor is accurately adjusted to the predetermined value. There was also a case. For example, Japanese Patent Laid-Open No. 1-173843 provides a memory for a magnetostrictive sensor to correct the initial neutral deviation of the sensor by balancing the two coils, but it cannot detect an abnormal state. In order to improve the reliability of the torque sensor, conventionally, multiple identical sensors are arranged, the detection values of the multiple sensors are constantly compared, and the change in the difference is detected to detect abnormal conditions and prevent malfunctions. I was going. Disposing a plurality of sensors increases the cost and has the disadvantage that the detection system becomes complicated.
[0007]
The present invention has been made under the circumstances as described above, and an object of the present invention is to eliminate the need for troublesome neutral adjustment by a position adjusting mechanism or the like, and can achieve cost reduction, heat generation reduction, etc. It is an object of the present invention to provide a torque sensor capable of improving reliability with a space and enabling a configuration with a single detection circuit.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
The present invention is provided with a control calculation unit that varies the drive timing of the coil for torque detection and the timing of sample hold, and a storage unit that stores initial values of each part of the sensor,The control arithmetic unit drives the coil, andDetect torque based on transient voltage sampling,Based on the sampling hold value when the coil is not driven and other than the sampling time,This is achieved by detecting a failure of each part of the sensor by comparing with an initial value of the storage unit.
The present invention also provides a torque of an electric power steering apparatus that detects steering torque of a steering wheel and biases a steering shaft provided integrally with the steering wheel by a motor in accordance with the steering torque. The above object of the present invention relates to the sensor.steeringThe torque is detected based on the sampling of the transient voltage of the coil, and a control operation unit that can vary the drive timing and sample hold timing of the coil is provided.Each partThis is achieved by providing a storage unit for storing initial values, and detecting a failure of each unit by comparing with the initial values between sample and hold times where the steering torque is not detected. That is, the coil is not drivenTimingBased on the A / D value after the sample hold,coil, Differential amplifier andSample hold sectionFurther, the neutral voltage portion of the differential amplifier and the neutral amplifier are changed based on the A / D value after switching the neutral voltage.Sample hold sectionIt is intended to detect malfunctions.
[0009]
The torque sensor of the present invention is structurally a cylindrical member made of a conductive and non-magnetic material and having a first and second rotating shafts arranged coaxially connected via a torsion bar. So as to surround the outer peripheral surface of the first rotating shaft in a rotational direction, and to enclose the surrounding portion surrounded by at least the cylindrical member of the first rotating shaft. A groove extending in the axial direction is formed in the surrounding portion, and the degree of overlap with the groove is changed in the cylindrical member according to a relative rotation position with respect to the first rotation shaft. A window is formed, a coil is disposed so as to surround the portion of the cylindrical member where the window is formed, an electric resistance is disposed in series with the coil, and a voltage that changes in a square wave shape is supplied to the coil. Based on the transient voltage generated between the coil and the electric resistance So as to detect the torque generated in the first and second rotating shafts. Here, the nonmagnetic material is a paramagnetic material and a part of the diamagnetic material, and the magnetic material is a ferromagnetic material. The magnetic permeability of the nonmagnetic material is about the same as that of air, and is smaller than the magnetic permeability of the magnetic material. In addition, the transient voltage is a final voltage that is changed by supplying a voltage that changes in a square waveform. In the present invention, the coil is driven by a square wave voltage. The supply interval of the wave voltage is synchronized with the sampling clock on the controller side to which the output of the torque sensor is supplied. For this reason, the time during which the current actually flows through the coil is significantly shortened, power consumption is reduced, and the heat generation amount is also reduced. Further, the square wave has an advantage that it can be easily generated with high accuracy with fewer electronic components than the sine wave.
[0010]
Furthermore, the present invention adopts a drive type in which different states, a steady state and a transient state, exist in the coil, and when the torque detection is not performed by varying the coil drive timing or the sample hold timing (torque signal sampling). In the interval of time), an operation different from that at the time of detecting the torque signal is performed, and a failure of each part is detected by comparing with an initial assembly value stored in the storage unit. In addition, the circuit system is integrated into one system by checking all the circuit units by combining the driving timings of the respective units.
[0011]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
[0012]
FIGS. 1 to 3 show a structural example in which the
[0013]
The
[0014]
Further, a thin
[0015]
More specifically, as shown in FIGS. 3 and 4, the angle obtained by dividing the circumferential surface of the
[0016]
The
[0017]
The
[0018]
Further, one output voltage V3 of the bridge circuit, which is a voltage between the
[0019]
V5 = G × (V3-V4) + Vr (1)
The output voltage V5 of the
[0020]
Note that the fall timing of the hold signal Vs is in the middle of supplying the output voltages V3 and V4 in a transient state to the
[0021]
The
[0022]
Next, the operation of this embodiment will be described.
[0023]
When the steering system is in a straight traveling state and the steering torque is zero, no relative rotation occurs between the
[0024]
When the
[0025]
For this reason, the spontaneous magnetization of the
[0026]
The phase at which the spontaneous magnetization is maximized is a state in which the centers of the
[0027]
For this reason, when a phase difference occurs between the
[0028]
On the other hand, when the right steering torque is generated, the inductance of the
[0029]
As described above, the output voltage V5 of the
[0030]
The
[0031]
Thus, for the
[0032]
On the other hand, in the present invention, the neutral
[0033]
Furthermore, in the present invention, each output voltage and data of the switching unit are also stored in the neutral
[0034]
Further, the neutral voltage is switched by the neutral
[0035]
In addition, although the said Example demonstrated the case where a torque sensor was applied to the electric power steering apparatus for vehicles, the application object of this invention is not limited to this.
[0036]
【The invention's effect】
As described above, according to the torque sensor of the present invention, the torque is detected based on the transient voltage generated between the coil and the electric resistance when a voltage that changes in a square waveform is supplied to the coil. Therefore, the time during which current flows through the coil is very short, power consumption is reduced, and it is economical, and the amount of heat generation is also reduced. In addition, since the number of necessary electronic components is reduced and the accuracy required for each electronic component is low, there is an effect of reducing the manufacturing cost.In other words, in the present invention, since the coil is driven with a square wave voltage, the supply interval of the square wave voltage is synchronized with the sampling clock on the controller side to which the output of the torque sensor is supplied. For this reason, the time during which the current actually flows through the coil is significantly shortened, the power consumption is reduced and the amount of heat generation is reduced, and the square wave has high electronic accuracy with fewer electronic components than the sine wave. There are advantages that can be generated.
In addition, since the initial assembly value is stored and the initial deviation is corrected, the reliability is improved, and by comparing with the initial value between the sample hold in which the steering torque is not detected, each part is compared. Since a failure is detected, one circuit can be realized.In other words, when the coil is driven with a different state of steady state and transient state and the coil drive timing and sample hold timing are varied and torque detection is not performed (between the sampling time of the torque signal) ) Is operated differently from the detection of the torque signal, and the failure of each part is detected by comparing with the assembly initial value stored in the storage part. In addition, the circuit system is integrated into one system by checking all the circuit parts by combining the timings of driving each part.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view showing a configuration of an electric power steering apparatus to which a torque sensor of the present invention is applied.
FIG. 2 is a perspective view of a cylindrical member and its surroundings.
3 is a cross-sectional view of a cylindrical member and an output shaft taken along line AA in FIG. 1. FIG.
4 is a cross-sectional view of a cylindrical member and an output shaft taken along line BB in FIG. 1. FIG.
FIG. 5 is a circuit diagram showing an example of a motor control circuit.
FIG. 6 is a diagram for explaining an operation of square wave driving.
FIG. 7 is a timing chart showing the operation timing of the present invention.
FIG. 8 is a timing chart showing an example of normal operation.
FIG. 9 is a timing chart showing an operation example when a failure is detected.
FIG. 10 is a waveform diagram for explaining the operation of the present invention.
FIG. 11 is a configuration diagram showing a general configuration of an electric power steering apparatus.
FIG. 12 is a block diagram showing an example of a control unit of the electric power steering apparatus.
[Explanation of symbols]
1 Steering handle
6 Tie Rod
12 Vehicle speed sensor
100 Torque sensor
102 Torsion bar
104 Cylindrical member
110, 111 coil
200 Control unit
203 memory
220 Torque detector
223 Differential amplifier
224 Neutral voltage switching part
225 Sample hold circuit
230 Calculation unit (MPU)
240 Neutral signal storage
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