JP5177800B2 - トルクセンサ及びパワーステアリング装置 - Google Patents

Description

本発明は、トルクセンサ及びパワーステアリング装置に関し、例えば自動車のパワーステアリング装置に適用して好適なものである。

従来、トルクセンサとしては、コイル方式、ツインレゾルバ方式、ポテンショ方式あるいは磁気方式などがあり、近年では、光学方式も採用されている。
光学方式のトルクセンサには、トルク伝達シャフト上に間隔をあけて固定された２つのディスクと、これらディスクを介して配設された発光素子及び受光素子とを備えたものがあり、それぞれのディスクに形成されたスロットが開口部を形成している。このトルクセンサでは、シャフト内のトルクによるディスク同士の相対的な運動によって、開口部の寸法が変化すると、受光素子での受光強度が変化することにより、トルクの推移を測定する（例えば、特許文献１参照）。

特許第３７２５５４５号公報

ところで、上記構造のトルクセンサは、スロットが形成された２つのディスクをシャフトに固定した複雑な構造であり、コストアップ及び大型化を招き、特に、外光を遮るためにケースで覆うと、装置のさらなる大型化が避けられなかった。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、装置の小型化及び低コスト化を図りつつ、高精度な検出が可能なトルクセンサ及びそれを備えたパワーステアリング装置を提供することを目的としている。

上記目的を達成するために、本発明のトルクセンサは、連結軸を介して同軸に連結された入力軸及び出力軸と、これら入力軸及び出力軸の回転角度を検出する入力側検出部及び出力側検出部とを有し、
前記入力側検出部及び出力側検出部は、前記入力軸及び出力軸にそれぞれ設けられて軸方向の幅が周方向に沿って変化する反射部と、前記入力軸及び出力軸に光を照射する発光部と、前記入力軸及び出力軸からの反射光をそれぞれ受光する受光部とを備え、前記受光部からの出力値から前記入力軸及び出力軸の角度のずれ量を求め、この角度のずれ量からトルクを算出することを特徴とする。

この構成によれば、反射部を有する入力軸及び出力軸に発光部からの光を照射し、入力軸及び出力軸からの反射光を受光した受光部からの出力値から、入力軸及び出力軸の角度のずれ量を求め、この角度のずれ量からトルクを算出するものであるので、光を通過させるスロットが形成された２つのディスクをシャフトに固定した複雑構造のトルクセンサなどと比較し、構造の簡略化による小型化及び低コスト化を図りつつ光学的にトルクを高精度に検出することができる。

また、前記受光部からの検出信号に基づいて、前記入力軸及び／又は出力軸の回転角度を検出しても良い。
この構成によれば、受光部からの出力値に基づいて、入力軸及び／又は出力軸の回転角度を検出するアングルセンサとしても用いることができる。これにより、アングルセンサを別個に設けることによる装置の大型化及びコストアップを回避することができる。

また、前記入力側検出部及び出力側検出部にて、前記発光部が共通とされていても良い。
この構成によれば、入力側検出部及び出力側検出部とで発光部が共用化されるので、さらなる小型化及び低コスト化を図ることができる。

また、前記反射部は、前記入力軸及び出力軸の周方向にわたって設けられていても良い。
この構成によれば、入力軸及び出力軸の角度検出を周方向にわたって広域に行なえるので、検出精度を向上させることができる。

また、前記反射部は、前記入力軸及び／又は出力軸の周方向の一か所又は複数箇所にて分割されていても良い。
この構成によれば、反射部の分割箇所を検出することで、回転角度の検出をより良好に行うことができる。

また、前記入力軸及び出力軸は、シボ加工、着色あるいは表面研削によって反射率を異ならせることにより、前記反射部が設けられていても良い。
この構成によれば、反射部の形成が容易となる。

また、前記受光部は、複数の受光素子を配列させた受光素子アレーからなり、前記反射部からの反射光を検出した前記受光素子アレーの前記受光素子の数から前記入力軸及び出力軸の角度を検出するものでも良い。

また、前記受光部は、前記反射部の縁部の反射光を受光した受光素子の出力値から前記入力軸及び出力軸の角度を検出するものでも良い。

また、前記入力側検出部及び出力側検出部の前記受光素子アレーを構成する受光素子は、共通の基板に搭載されていても良い。
この構成によれば、入力側検出部及び出力側検出部の受光素子アレーを構成する受光素子を共通の基板に搭載することにより、さらなる小型化を図ることができる。

また、前記受光部は、複数の前記受光素子アレーが複数列に配列されていても良い。
この構成によれば、受光素子アレーの多重化により、検出の信頼性を高めることができる。

また、前記入力軸及び出力軸の角度検出前に、前記受光部が初期化されるものでも良い。
この構成によれば、角度検出前に受光部を初期化することにより、受光部からの検出信号を常に安定的に得ることができる。

また、前記入力側検出部及び出力側検出部は、前記入力軸及び前記出力軸の反射部と前記受光部の受光素子との間に、前記反射部からの反射光を前記受光素子へ集光させるレンズを備えていても良い。
この構成によれば、各受光素子での反射光の受光を良好にすることができ、入力側検出部及び出力側検出部での検出の信頼性を高めることができる。

また、本発明のパワーステアリング装置は、 ステアリングホイールに印加された操舵トルクに対応して、補助操舵トルクを発生させて出力軸に伝達するパワーステアリング装置において、上記のいずれかのトルクセンサを備えることを特徴とする。

この構成によれば、小型化及び低コスト化を図りつつ高精度なアシストができるパワーステアリング装置が得られる。

本発明のトルクセンサによれば、装置の小型化及び低コスト化を図りつつ、高精度な検出を実現することができる。
また、本発明のパワーステアリング装置によれば、小型化及び低コスト化を図りつつ高精度なアシストができるパワーステアリング装置とすることができる。

本発明の実施形態におけるパワーステアリング装置の概略構成図である。 本発明のトルクセンサの構成を説明する概略斜視図である。 トルクセンサを構成する発光部及び受光部の基板の平面図である。 入力側反射部及び出力側反射部を説明する図である。 トルクセンサの動作手順を説明するためのフローチャートである。 受光部の受光素子からの出力値の出力電圧を示すグラフ図である。 受光部の受光素子からの出力値の出力電圧を示すグラフ図である。 入力側反射部及び出力側反射部の変形例を説明する図である。 入力側反射部及び出力側反射部の変形例を説明する図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１は、本発明に係るトルクセンサを備えたパワーステアリング装置の一実施形態を示す全体構成図である。
図中、符号１は、ステアリングホイールであり、このステアリングホイール１に運転者から作用される操舵力が入力軸２ａと出力軸２ｂとを有するステアリングシャフト２に伝達される。このステアリングシャフト２は、入力軸２ａの一端がステアリングホイール１に連結され、他端はトルクセンサ３を介して出力軸２ｂの一端に連結されている。

そして、出力軸２ｂに伝達された操舵力は、ユニバーサルジョイント４を介してロアシャフト５に伝達され、さらに、ユニバーサルジョイント６を介してピニオンシャフト７に伝達される。このピニオンシャフト７に伝達された操舵力はステアリングギヤ８を介してタイロッド９に伝達され、図示しない転舵輪を転舵させる。ここで、ステアリングギヤ８は、ピニオンシャフト７に連結されたピニオン８ａとこのピニオン８ａに噛合するラック８ｂとを有するラックアンドピニオン形式に構成され、ピニオン８ａに伝達された回転運動をラック８ｂで直進運動に変換している。

ステアリングシャフト２の出力軸２ｂには、操舵補助力を出力軸２ｂに伝達する操舵補助機構１０が連結されている。この操舵補助機構１０は、出力軸２ｂに連結した減速ギヤ１１と、この減速ギヤ１１に連結されて操舵系に対して操舵補助力を発生する電動モータ１２とを備えている。

トルクセンサ３は、ステアリングホイール１に付与されて入力軸２ａに伝達された操舵トルクを検出するもので、このトルクセンサ３からの出力値が、コントローラ１５に入力される。

また、コントローラ１５には、トルクの他に、車速センサ１６から出力される車速検出値、図示しない電動モータ１２に流れるモータ電流検出値、レゾルバ、エンコーダ等で構成される図示しないロータ位置検出回路で検出した電動モータ１２のロータ回転角も入力される。
また、トルクセンサ３は、入力軸２ａ及び出力軸２ｂの回転角度を検出するアングルセンサとしての機能も備えており、このトルクセンサ３からの入力軸２ａ及び出力軸２ｂの回転角度の検出値もコントローラ１５に入力される。

そして、コントローラ１５は、トルクセンサ３からの出力値、車速検出値及びロータ回転角に基づいて、運転者の操舵操作に応じた操舵補助力を電動モータ１２で発生するための操舵補助指令値を算出し、算出した操舵補助指令値とモータ電流検出値とにより、電動モータ１２に供給する駆動電流をフィードバック制御するためのモータ駆動電流を算出する。これにより、運転者の操舵操作に応じた操舵補助力を発生させるようになっている。

次に、トルクセンサ３の構造について説明する。
図２に示すように、トルクセンサ３は、入力軸２ａと出力軸２ｂとの間に、ねじり要素であるトーションバー（連結軸）２１を一直線上（同軸）に備えており、このトーションバー２１によって入力軸２ａと出力軸２ｂとが連結されている。

このトルクセンサ３には、入力軸２ａ及び出力軸２ｂのそれぞれの周面に対して間隔をおいて向き合うように、入力軸側検出部２２及び出力軸側検出部２３が対向配置されている。これら入力軸側検出部２２及び出力軸側検出部２３は、入力軸２ａ及び出力軸２ｂのそれぞれの周面に向かって光を照射する発光部３１と、入力軸２ａ及び出力軸３ｂからの反射光をそれぞれ受光可能な受光部３２とを有している。

発光部３１は、発光ダイオードなどの発光素子３３を備えてなるもので、図３に示すように、回路基板３４にそれぞれ搭載されている。なお、発光部３１としては、発光アレーや導光板アレーなどでも良い。
また、受光部３２は、複数の受光素子３５を一列に配置した受光素子アレー３６を備えてなるもので、回路基板（基板）２９にそれぞれ搭載されている。なお、この受光素子アレー３６は、入力軸２ａ側及び出力軸２ｂ側にそれぞれ対応するように一対ずつ設けられており、一対の一方がメインとされ、他方がサブとされて二重化されている。

また、入力軸２ａ及び出力軸２ｂには、その周面に、周方向にわたって延在する入力側反射部（反射部）４１及び出力側反射部（反射部）４２が設けられている。これら入力側反射部４１及び出力側反射部４２は、その周囲の周面と比較し、例えば、シボ加工を施したり、表面を削って粗面化したり、あるいは黒色に着色したりして反射率が低くなっている。
これら入力側反射部４１及び出力側反射部４２は、図４に示すような展開状態では、入力軸２ａ及び出力軸２ｂの軸方向に沿う幅が周方向の一側（図示左端側）から他側（図示右端側）へ向かって次第に狭くなるように形成されており、これにより、入力軸２ａ及び出力軸２ｂの周方向一回転で幅寸法が最小から最大となるように、それぞれの幅寸法が次第に変化するものとなっている。

そして、上記トルクセンサ３では、入力軸側検出部２２及び出力軸側検出部２３の発光部３１から照射された光が、入力側反射部４１及び出力側反射部４２を含む入力軸２ａ及び出力軸２ｂの周面にて反射され、その反射光が、入力軸側検出部２２及び出力軸側検出部２３の各受光部３２にて受光され、電気信号に変換されて出力値としてコントローラ１５に送信される。

そして、コントローラ１５は、受光部３２からの出力値に基づいて、入力軸２ａ及び出力軸２ｂの角度のずれ量を算出し、その角度のずれ量からトルクを算出する。
また、コントローラ１５は、受光部３２からの出力値に基づいて、入力軸２ａ及び出力軸２ｂの回転角度を検出する。つまり、トルクセンサ３は、アングルセンサの機能も有している。

次に、上記のように構成された実施形態のトルクセンサによる検出動作について説明する。
図５は、本実施形態のトルクセンサの動作手順を説明するためのフローチャートである。

入力軸側検出部２２及び出力軸側検出部２３の発光部３１から入力軸２ａ及び出力軸２ｂに光が照射されると（ステップＳ０１）、その光は、入力軸２ａ及び出力軸２ｂの周面にて反射し（ステップＳ０２）、その反射光が受光部３２の受光素子アレー３６にて受光される（ステップＳ０３）。

受光素子アレー３６では、各受光素子３５が、受光した光の強弱に応じて光電変換を行い、電気信号である出力値としてコントローラ１５へ出力する（ステップＳ０４）。
なお、入力軸側検出部２２及び出力軸側検出部２３の受光部３２の受光素子アレー３６を構成する各受光素子３５は、検出動作前に初期化される。

コントローラ１５では、各受光素子３５からの出力値に、例えば、電圧の増幅などの信号処理を施し（ステップＳ０５）、さらに、補正・平滑化処理を施す。これらの処理により、発光部３１、入力軸２ａ及び出力軸２ｂの周面、受光素子３５に付着したゴミや汚れ、あるいは受光素子３５の感度ムラなどによる出力レベルのバラツキが抑制される（ステップＳ０６）。

その後、コントローラ１５は、各受光素子３５からの出力値から、入力軸２ａ及び出力軸２ｂの回転角度を検出する（ステップＳ０７）。
そして、コントローラ１５は、各受光素子３５からの出力値から入力軸２ａ及び出力軸２ｂの回転角度のずれ量を求め、このずれ量から、ステアリングホイール１に加えられたトルクを検出する（ステップＳ０８）。

このようにして求めたトルク及び回転角度等をパラメータとし、コントローラ１５は、電動モータ１２を駆動制御して適切な操舵補助力を発生させる。

ここで、入力軸側検出部２２あるいは出力軸側検出部２３の受光部３２の受光素子アレー３６からの出力信号の変化について、入力軸側検出部２２の受光素子アレー３６を例にとって説明する。
図６は、１ｂｉｔからＸｂｉｔ（Ｘ：整数）の受光素子３５を備えた受光素子アレー３６からの出力値の出力電圧を示す図である。

入力軸２ａが回転し、発光部３１からの光の照射位置に、反射率の低い入力側反射部４１が全くさしかかっていない状態（外れた状態）から僅かにさしかかった状態に移行すると、受光素子アレー３６では、その一端側（図３では右端側に相当）における１ｂｉｔ側の受光素子３５での受光量が低下し、図６（ａ）に示すように、入力側反射部４１からの反射光を受光する１ｂｉｔ側の受光素子３５からの出力電圧が低下する。

入力軸２ａがさらに回転し、発光部３１からの光の照射位置における入力側反射部４１の幅が増加すると、入力側反射部４１からの反射光を受光する受光素子３５のｂｉｔ数が１ｂｉｔ側からＸｂｉｔ側に向かって次第に増加し、図６（ｂ）に示すように、出力電圧が低下する範囲も、１ｂｉｔ側からＸｂｉｔ側に向かって次第に増加する。

入力軸２ａがさらに回転し、発光部３１からの光の照射位置における入力側反射部４１の幅が最大となると、入力側反射部４１からの反射光を受光する受光素子３５が全ｂｉｔとなり、図６（ｃ）に示すように、出力電圧が低下する範囲が最大となる。
入力軸２ａがさらに回転し、発光部３１からの光の照射位置から入力側反射部４１が外れると、入力側反射部４１からの反射光を受光する受光素子３５がなくなり、図６（ｄ）に示すように、全ての受光素子３５からの出力電圧が高い状態となる。

以上説明した入力軸側検出部２２における受光素子アレー３６からの出力信号の変化は、出力軸側検出部２３における受光素子アレー３６の出力信号についても同様である。したがって、コントローラ１５では、これら受光素子アレー３６の受光素子３５からの出力電圧が低下するｂｉｔ数を算出することにより、入力軸２ａ及び出力軸２ｂの回転角度を検出することが可能である。
また、コントローラ１５は、例えば、全ての受光素子３５からの出力電圧が高い状態（図６（ｄ）の状態）をカウントすることにより、入力軸２ａ及び出力軸２ｂの回転数を検出することも可能である。

そしてまた、入力側反射部４１及び出力側反射部４２は、入力軸２ａ及び出力軸２ｂの軸方向に沿う幅が周方向に沿って次第に狭くなることより、受光素子３５の出力電圧は、入力側反射部４１及び出力側反射部４２の一側部において、図７（ａ）に示すように１ｂｉｔの受光素子３５にて、あるいは図７（ｂ）に示すように複数ｂｉｔの受光素子３５にて、その受光量に応じて出力電圧の低下量が小さくなる。

したがって、コントローラ１５では、入力側反射部４１及び出力側反射部４２の一側部での受光素子３５の出力電圧に基づいて、入力軸２ａ及び出力軸２ｂの回転角度を、より詳細に検出することができる。

このように、上記実施形態によれば、入力側反射部４１及び出力側反射部４２を有する入力軸２ａ及び出力軸３ｂに発光部３１からの光を照射し、その反射光を受光した受光部３２からの出力値から、入力軸２ａ及び出力軸２ｂの角度のずれ量を求め、この角度のずれ量からトルクを算出するものであるので、光を通過させるスロットが形成された２つのディスクをシャフトに固定した複雑構造のトルクセンサなどと比較し、構造の簡略化による小型化及び低コスト化を図りつつ光学的にトルクを高精度に検出することができる。
したがって、外光を遮るためにケースで覆ったとしても、装置全体の大型化を極力抑えることができる。

また、受光部３１からの出力値に基づいて、入力軸２ａ及び出力軸２ｂの両方もしくはいずれか一方の回転角度を検出することができるので、アングルセンサとしても用いることができる。これにより、アングルセンサを別個に設けることによる装置の大型化及びコストアップを回避することができる。
また、入力側反射部４１及び出力側反射部４２を入力軸２ａ及び出力軸２ｂの周方向にわたって延在するように設けたので、入力軸２ａ及び出力軸２ｂの角度検出を周方向にわたって広域に行えるようになり、検出精度の向上を図ることができる。

しかも、シボ加工、着色あるいは表面研削によって容易に反射率を異ならせて入力側反射部４１及び出力側反射部４２を形成したので、さらにコストを抑えることができる。
さらに、受光素子アレー３６を構成する受光素子３５からの出力信号に基づいて入力軸２ａ及び出力軸２ｂの角度を精度良く検出することができる。

また、入力側検出部２２及び出力側検出部２３の受光素子アレー３６を構成する受光素子３５を共通の回路基板２９に搭載したので、さらなる小型化及び低コスト化を図ることができる。
さらには、入力側検出部２２及び出力側検出部２３にて、受光素子アレー３６を多重化（上記実施形態では二重化）したので、検出の信頼性を高めることができる。

そして、以上に述べたトルクセンサ１を電動式パワーステアリング装置に設ければ、小型化を図りつつ高精度なアシストができる電動式パワーステアリング装置が得られる。

なお、上記実施形態では、入力側反射部４１及び出力側反射部４２を、入力軸２ａ及び出力軸２ｂの軸方向に沿う幅が周方向に沿って次第に狭くなる形状に形成したが、図８の展開図に示すように、例えば、入力側反射部４１と出力側反射部４２とで、一方（入力側反射部４１）は入力軸２ａ及び出力軸２ｂの軸方向に沿う幅が周方向に沿って次第に狭くなり、他方（出力側反射部４２）は逆に次第に広くなるように構成してもよい。このようにすると、入力側検出部２２及び出力側検出部２３の受光部３２からの出力電圧の増減を逆にすることができ、クロス特性の信号を得ることができる。

また、入力側反射部４１及び出力側反射部４２を、図９に示すように、入力軸２ａ及び出力軸２ｂの周方向における例えば中間位置の一か所にて分割した構成としても良い。このようにすると、入力側検出部２２及び出力側検出部２３の受光部３２からの出力値から、入力側反射部４１及び出力側反射部４２の分割箇所を検出し、入力軸２ａ及び出力軸２ｂの中立位置をコントローラ１５にて認識させることができる。なお、入力側反射部４１及び出力側反射部４２の分割箇所は複数でも良く、また、入力側反射部４１あるいは出力側反射部４２の一方のみを分割しても良い。

また、上記実施形態では、入力側検出部２２及び出力側検出部２３のそれぞれに発光部３１を設けたが、入力側検出部２２及び出力側検出部２３にて一つの発光部３１を共通にしても良く、このようにすると、装置のさらなる小型化を図ることができる。

また、入力軸２ａ及び出力軸２ｂの入力側反射部４１及び出力側反射部４２と受光部３１との間に、入力側反射部４１及び出力側反射部４２からの反射光を受光素子３５へ集光させるレンズを設けても良く、このようにすると、各受光素子３５での反射光の受光を良好にすることができ、入力側検出部２２及び出力側検出部２３での検出の信頼性を高めることができる。

なお、上記実施形態では、電動モータ１２によって補助操舵力を付与する電動式のパワーステアリング装置を例にとって説明したが、油圧によって補助操舵力を付与する油圧式のパワーステアリング装置でも良い。

１…ステアリングホイール、２ａ…入力軸、２ｂ…出力軸、１２…電動モータ、２１…トーションバー（連結軸）、２２…入力側検出部、２３…出力側検出部、２９…回路基板（基板）、３１…発光部、３２…受光部、３５…受光素子、３６…受光素子アレー、４１…入力側反射部（反射部）、４２…出力側反射部（反射部）。

Claims (11)

1. 連結軸を介して同軸に連結された入力軸及び出力軸と、これら入力軸及び出力軸の回転角度を検出する入力側検出部及び出力側検出部とを有し、
   前記入力側検出部及び出力側検出部は、前記入力軸及び出力軸にそれぞれ設けられて軸方向の幅が周方向に沿って変化する反射部と、前記入力軸及び出力軸に光を照射する発光部と、前記入力軸及び出力軸からの反射光をそれぞれ受光する受光部とを備え、前記受光部からの出力値から前記入力軸及び出力軸の角度のずれ量を求め、この角度のずれ量からトルクを算出するものであって、
   前記受光部は、複数の受光素子を配列させた受光素子アレーからなり、前記反射部からの反射光を検出した前記受光素子アレーの前記受光素子の数、及び、前記反射部の縁部の反射光を受光した受光素子の出力値から、前記入力軸及び出力軸の角度を検出することを特徴とするトルクセンサ。
2. 請求項１に記載のトルクセンサであって、
   前記受光部からの出力値に基づいて、前記入力軸及び／又は出力軸の回転角度を検出することを特徴とするトルクセンサ。
3. 請求項１または請求項２に記載のトルクセンサであって、
   前記入力側検出部及び出力側検出部にて、前記発光部が共通とされていることを特徴とするトルクセンサ。
4. 請求項１から３のいずれか一項に記載のトルクセンサであって、
   前記反射部は、前記入力軸及び出力軸の周方向にわたって設けられていることを特徴とするトルクセンサ。
5. 請求項４に記載のトルクセンサであって、
   前記反射部は、前記入力軸及び／又は出力軸の周方向の一か所又は複数箇所にて分割されていることを特徴とするトルクセンサ。
6. 請求項１から５のいずれか一項に記載のトルクセンサであって、
   前記入力軸及び出力軸は、シボ加工、着色あるいは表面研削によって反射率を異ならせることにより、前記反射部が設けられていることを特徴とするトルクセンサ。
7. 請求項１に記載のトルクセンサであって、
   前記入力側検出部及び出力側検出部の前記受光素子アレーを構成する受光素子は、共通の基板に搭載されていることを特徴とするトルクセンサ。
8. 請求項１から７のいずれか一項に記載のトルクセンサであって、
   前記受光部は、複数の前記受光素子アレーが複数列に配列されていることを特徴とするトルクセンサ。
9. 請求項１から８のいずれか一項に記載のトルクセンサであって、
   前記入力軸及び出力軸の角度検出前に、前記受光部が初期化されることを特徴とするトルクセンサ。
10. 請求項１から９のいずれか一項に記載のトルクセンサであって、
    前記入力側検出部及び出力側検出部は、前記入力軸及び前記出力軸の反射部と前記受光部の受光素子との間に、前記反射部からの反射光を前記受光素子へ集光させるレンズを備えていることを特徴とするトルクセンサ。
11. ステアリングホイールに印加された操舵トルクに対応して、補助操舵トルクを発生させて出力軸に伝達するパワーステアリング装置において、
    請求項１から１０のいずれか一項に記載のトルクセンサを備えることを特徴とする電動パワーステアリング装置。

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