JP5569887B2

JP5569887B2 - 電動パワーステアリング装置用トルクセンサ

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Description

本発明は、電動パワーステアリング装置に用いる操舵トルクを測定するトルクセンサに関し、捩り剛性が高いトルクセンサのトルクを検出する方法と構造に関するものである。

従来の電動パワーステアリング装置における操舵トルクを測定するトルクセンサの多くは、トーションバーの捩れを磁気回路の磁気抵抗の変化やポテンショメータの動きによる電気抵抗の変化など、各種の原理を用いて電気的な出力としており、それらの出力を出来るだけ大きな変化として検出するために、トーションバーの捩れ部を軸径の細いものにして、操舵トルクに対するトーションバーの捩れ部の捩れ角度を大きくしている。そのため、トーションバーの捩れ部の軸径が細いトルクセンサを用いた電動パワーステアリング装置は、ステアリングホイールと転舵輪の動きに運転者が感じられるほどの差を生じて、操舵フィーリングが悪いものになっていた。

また、捩れ部の軸径が細いトーションバーは、大きなトルクに対して永久変形や破断をしないように、その周りには最大捩れ角度を制限する構造や曲げられないように支持する構造が必要となるため、複雑な構造となっていた。

そこで、これらを解決するために、［特許文献１］、［特許文献２］などでは、磁歪式トルクセンサにすることにより、トーションバーの捩れ部を軸径の太いものにして、捩り剛性を高めて操舵フィーリングを改善すると共にトルクセンサ全体の構造を簡単なものにしている。

特開平５−２５４４５１号公報特開平９−９５２４７号公報

しかしながら、従来の磁歪式トルクセンサは、軸の歪みにより生じる透磁率の変化を電気的に検出するものであり、検出するコイルから出力するトルク信号は極めて微弱であるので、安定したトルク値を得るには高感度の磁歪素子と高度な回路技術とが必要となるため、コストが高くなるという問題があった。

本発明は、上述のような事情に鑑み、捩り剛性の高いトルクセンサを簡単な構造で実現し、良好な操舵フィーリングが得られる電動パワーステアリング装置用のトルクセンサを安価に提供することにある。

本発明による電動パワーステアリング装置用のトルクセンサは、上記の課題を解決するために、トーションバーの捩れ部の軸方向の両端の２カ所に前記トーションバーの径方向に拡がる部品取付部材を固定して取り付け、その前記２カ所の部品取付部材の前記捩れ部を挟んで向かい合う２つの部品取付面の一方には２個の透過型フォトインタラプタを固定して取り付け、もう一方の部品取付面には、前記トーションバーの軸中心線を中心とした前記捩れ部の捩れによる回転移動によって対面に固定して取り付けた前記２個の透過型フォトインタラプタの出射スリットと入射スリットの間を通る２つの検出光のそれぞれを遮る量を変化させ、測定するトルク値の範囲内では、透過型フォトインタラプタ内部の前記２個の受光素子の受光量が、前記捩れ部の捩れ角度が変化することにより一方が増加する時には他方が減少し、且つ、前記捩れ部の捩れが無いときには等しくて、前記捩れ部の捩れる方向により多い方と少ない方が入れ替わるように配置した２個の遮光部材を固定して取り付けて、前記２個の受光素子による２つのトルク信号の電圧差をトルク値として用いるものである。

また、前記２個の透過型フォトインタラプタの前記２つの検出光が通る出射スリットと入射スリットの全てを、前記トーションバーの軸中心線に直交する一つの仮想平面の上に一列に並べて配置して、そこを通る前記２つの検出光を遮る部分の外形が丸棒状の前記２個の遮光部材を、前記丸棒状の部分が互いに平行で、且つ、前記トーションバーの前記捩れ部が曲げられていない状態では、前記トーションバーの軸方向に対しても平行に前記部品取付面に固定して取り付けて、前記出射スリットと前記入射スリットの全てが重なる位置になる方向から見て、前記２個の遮光部材が前記トーションバーの軸中心線に近い側または遠い側の何れかの同じ側から前記２つの検出光を遮るようにしているものである。

本発明によれば、操舵トルクによるトーションバーの捩れ部の僅かな捩れを、捩れ部の軸方向の長さと遮光部材のトーションバーの軸中心からの径方向の距離とで拡大して、透過型フォトインタラプタの検出部での遮光部材の大きな変位にするため、トーションバーの捩れ部を捩り剛性の高い材料や太さにしても、透過型フォトインタラプタの内部の受光素子の受光量は大きく変化するから、トルク値は受光素子によるトルク信号の大きな電圧の変化値として測定することが可能となる。そして、トーションバーの捩れ部の捩れによる２個の透過型フォトインタラプタの内部の２個の受光素子の受光量が、捩れ部の捩れ角度が変化することにより一方が増加する時には他方が減少し、且つ、捩れ部の捩れが無いときには等しくて、捩れ部の捩れる方向により多い方と少ない方が入れ替わるように２個の遮光部材を配置することにより、トルク値は大きな電圧差として測定することができるようになる。

また、２個の透過型フォトインタラプタの２つの検出光が通る出射スリットと入射スリットの全てを、トーションバーの軸中心線に直交する一つの仮想平面の上に一列に並べて配置して、そこを通る２つの検出光を遮る部分の外形が丸棒状で平行した２個の遮光部材で、出射スリットと入射スリットの全てが重なる位置になる方向から見て、トーションバーの軸中心線に近い側または遠い側の何れかの同じ側から遮るようにしているから、トーションバーの捩れ部の捩りに対しては、２個の透過型フォトインタラプタの内部の２個の受光素子の受光量は、捩れ部の捩れが無いときには等しくて、捩れ部の捩れ角度の変化により一方が増加する時には他方が減少し、トーションバーの捩れ部の曲がりに対しては、２個の透過型フォトインタラプタの内部の２個の受光素子の受光量の増減方向と変化量は同じになるので、その２個の受光素子による２つのトルク信号の電圧差をトルク値として用いることにより、トーションバーの捩れ部の曲がりの影響を受けずにトルク値を測定することが可能になる。

そして、上述のように、トーションバーの捩れ部を捩り剛性の高い材料や太さにしてもトルク値はトルク信号の大きな電圧差として測定することが可能となり、さらに、トーションバーの捩れ部の曲がりの影響を受けずにトルク値を測定することが可能になることから、トーションバーの捩れ部をステアリングホイールを操舵することによる捩る力や曲げる力に耐える材料や太さにすることにより、トーションバーの捩れ部の周辺には最大捩れ角度を制限する構造や曲げられないように支持する構造は不要となるため、捩り剛性の高いトルクセンサが簡単な構造で安価に実現できる。

本発明のトルクセンサ３０の断面図である。本発明のトルクセンサ３０の一部断面の斜視図である。トーションバー３１を捩るトルクＴが無い状態での部品取付部材（Ａ）３２の部品取付面３２ｆに取り付けられた透過型フォトインタラプタ６０Ａ、６０Ｂと部品取付部材（Ｂ）３３に固定して取り付けた遮光部材３４Ａ、３４Ｂとの位置関係を示す図である。トーションバー３１の捩れ部３１ｔが図２のＹＤ方向に曲げられた状態を図２のＸＸ方向から見た図である。トーションバー３１の捩れ部３１ｔが図２のＸＬ方向に曲げられた状態を図２のＹＹ方向から見た図である。透過型フォトインタラプタ６０の断面図である。透過型フォトインタラプタ６０の検出光６４を遮る遮光部材３４の位置と受光スリット幅Ｓ３を説明する図である。本発明のトルクセンサ３０の基本電気回路図である。透過型フォトインタラプタ６０の受光スリット幅Ｓ３とトルク信号ＶＴ１、ＶＴ２の関係を説明する図である。トーションバー３１の捩れ部３１ｔが捩られた場合と曲げられた場合のトルク信号ＶＴ１とトルク信号ＶＴ２の電圧と電圧差ｄＶの変化を説明する図である。本発明のトルクセンサ３０を用いた電動パワーステアリング装置の全体構成図である。

以下、本発明の実施の形態の一例を添付図面に基づいて説明する。

図１１は、本発明のトルクセンサ３０を用いた電動パワーステアリング装置の全体構成図である。電動パワーステアリング装置は、ステアリングホイール１０を回転させると転舵輪９０Ｒ、９０Ｌが転舵されるマニュアルの操舵機構に操舵補助装置が取り付けられている。操舵補助装置の取り付け位置は、ステアリング軸２０のステアリングホイール１０に近い側にトルクセンサ３０が、遠い側に操舵補助機構１００が取り付けられている。そして、これらの外部に制御装置４０が取り付けられている。制御装置４０の内部には演算部４１と駆動部４２とがあって、演算部４１にはプログラムを実行するマイクロプロセッサを中心に各種センサからの入力インターフェース、Ａ／Ｄ変換器、メモリー等の周辺ＬＳＩおよび駆動部４２への出力インターフェースを備えている。演算部４１の入力インターフェースにはスパイラルケーブル３００を経由してトルクセンサ３０からのトルク信号ＶＴ１、ＶＴ２と車速センサ５０からの車速信号ＶＳとが入力されている。トルク信号ＶＴ１とトルク信号ＶＴ２は電圧信号であり、Ａ／Ｄ変換器でデジタル値に変換される。車速信号ＶＳはパルス信号であり、入力インターフェース部で予め電圧信号に変換した後にＡ／Ｄ変換器でデジタル値に変換される。そして、演算部４１は、それらの入力信号に応じて処理した結果により、電動機７０の回転方向と電流の大きさを指示する信号を出力インターフェースから駆動部４２へ出力する。駆動部４２は、演算部４１からの指示に応じたＰＷＭ方式の駆動電流Ｉを電動機７０に出力することにより操舵補助を行うようになっている。

図１は、本発明のトルクセンサ３０の断面図である。本発明のトルクセンサ３０は、トーションバー３１がステアリング軸２０の軸方向の中間の一部分となるように取り付けられており、ステアリング軸２０と一体となってトーションバー３１の軸中心線３１ｃの周りを回転するようになっている。そして、そのトーションバー３１の捩れ部３１ｔの軸方向の両端の端部３１ａ、３１ｂには部品取付部材（Ａ）３２と部品取付部材（Ｂ）３３が固定して取り付けられている。そして、その部品取付部材（Ａ）３２のトーションバー３１の軸中心線３１ｃに直交する部品取付面３２ｆには、透過型フォトインタラプタ６０Ａと透過型フォトインタラプタ６０Ｂとが固定して取り付けられている。また、部品取付部材（Ｂ）３３には、対面の透過型フォトインタラプタ６０Ａ、６０Ｂと対になるように２個の遮光部材３４Ａ、３４Ｂが固定して取り付けられている。そして、それら透過型フォトインタラプタ６０Ａ、６０Ｂと遮光部材３４Ａ、３４Ｂの２つの対は外部からの遮光と防塵をするためのゴムなどの弾性体の材料で作られたカバー３５で覆われている。

上記の透過型フォトインタラプタ６０Ａと透過型フォトインタラプタ６０Ｂは同じもので、その断面を透過型フォトインタラプタ６０として図６に示す。透過型フォトインタラプタ６０は、発光素子であるＬＥＤ６２と受光素子であるフォトトランジスタ６３の一対がコの字形の断面のケース６１に納められており、ＬＥＤ６２から出た検出光６４は、ケース６１に開けられた出射スリット６１ａから出て、ケース６１のコの字形の内側の検出部を通り、ケース６１に開けられた入射スリット６１ｂに入り、フォトトランジスタ６３が受光するようになっている。出射スリット６１ａと入射スリット６１ｂは、図７のように、スリット長Ｓ１とスリット幅Ｓ２の矩形となっていて、その間を通る検出光６４の片側から遮るように丸棒状の遮光部材３４が配置されている。受光素子であるフォトトランジスタ６３を流れる電流は検出光６４の受光量によって変化するが、遮光部材３４はスリット長Ｓ１に対して十分長く、常に片側から全長を遮った状態となっているため、遮光部材３４がｘＬまたはｘＲの方向に移動して受光スリット幅Ｓ３が変化する場合のみフォトトランジスタ６３の受光量が変化する。また、丸棒状の遮光部材３４の直径寸法３４ｄはスリット幅Ｓ２よりも大きくなっていて、少なくとも測定するトルク値の範囲内では、遮光部材３４は常に検出光６４の片側から直線状の外形線で遮っている。尚、以下の説明では、透過型フォトインタラプタ６０Ａに関わるものは符号の後ろにＡを付けて記述し、透過型フォトインタラプタ６０Ｂに関わるものは符号の後ろにＢを付けて記述する。

図８は、本発明のトルクセンサ３０の基本電気回路図である。透過型フォトインタラプタ６０Ａ、６０Ｂの内部の発光素子であるＬＥＤ６２Ａ、６２Ｂと電流調整用の抵抗Ｒｄとは、電源Ｖｃｃと信号グランドＳＧの間を直列に接続されて、共通の順方向電流Ｉｆが流されている。そして、透過型フォトインタラプタ６０Ａ、６０Ｂの内部の受光素子であるフォトトランジスタ６３Ａ、６３Ｂのコレクタは電源Ｖｃｃに接続され、エミッタは独立した抵抗Ｒ１、Ｒ２で信号グランドＳＧに接続することにより、フォトトランジスタ６３Ａ、６３Ｂに流れる電流を電圧に変えてトルク信号ＶＴ１、ＶＴ２を出力している。図９は透過型フォトインタラプタ６０の受光スリット幅Ｓ３とトルク信号ＶＴ１、ＶＴ２の関係を説明する図である。受光スリット幅Ｓ３が拡がるとフォトトランジスタ６３Ａ、６３Ｂの受光量が増加してトルク信号ＶＴ１、ＶＴ２の電圧は高くなる。そして、本発明のトルクセンサ３０では受光スリット幅Ｓ３に対してトルク信号ＶＴ１、ＶＴ２の電圧が一次比例して変化する範囲を用いている。

図３は、トーションバー３１を捩るトルクＴが無い状態での部品取付部材（Ａ）３２の部品取付面３２ｆに取り付けられた透過型フォトインタラプタ６０Ａ、６０Ｂと部品取付部材（Ｂ）３３に固定して取り付けられた遮光部材３４Ａ、３４Ｂとの位置関係を示す図である。先ず、透過型フォトインタラプタ６０Ａと透過型フォトインタラプタ６０Ｂは、それぞれ回路基板３７と回路基板３８の上に固定して取り付けられ、さらに、それら回路基板３７、３８はネジ３９で部品取付部材（Ａ）３２の部品取付面３２ｆに固定して取り付られている。そして、その透過型フォトインタラプタ６０Ａ、６０Ｂの検出部を通る検出光６４Ａ、６４Ｂの片側を遮るように、遮光部材３４Ａ、３４Ｂが対面の部品取付部材（Ｂ）３３に固定して取り付けられている。遮光部材３４Ａ、３４Ｂが検出光６４Ａ、６４Ｂを遮る位置は、部品取付面３２ｆとトーションバー３１の軸中心線３１ｃが交差する軸中心点３１ｄを通る縦座標軸Ｙからは距離Ｄ１となっており、軸中心点３１ｄを通り縦座標軸Ｙに直交する横座標軸Ｘからは距離Ｄ３Ａ、Ｄ３Ｂとなっている。また、透過型フォトインタラプタ６０Ａ、６０Ｂの位置は、透過型フォトインタラプタ６０Ａの出射スリット６１ａＡと入射スリット６１ｂＡの端が縦座標軸Ｙから距離Ｄ２Ａの位置に取り付けられており、透過型フォトインタラプタ６０Ｂの出射スリット６１ａＢと入射スリット６１ｂＢの端が縦座標軸Ｙからは距離Ｄ２Ｂの位置に取り付けられている。そして、トーションバー３１を捩るトルクＴが無い状態では、トルク信号ＶＴ１とトルク信号ＶＴ２の電圧が等しくなるように、遮光部材３４Ａ、３４Ｂに対して距離Ｄ２Ａ、Ｄ２Ｂが調整される。調整の方法としては、回路基板３７、３８を取り付ける長穴形状の取付穴３７ｈ、３８ｈを利用して、透過型フォトインタラプタ６０Ａ、６０Ｂの位置を横座標軸Ｘに平行する方向に移動させて行う。そして、この調整によりトルク信号ＶＴ１とトルク信号ＶＴ２の電圧が等しくなるということは、受光スリット幅Ｓ３Ａと受光スリット幅Ｓ３Ｂが同じになることであるから、調整後の出射スリット６１ａＡ、６１ａＢと入射スリット６１ｂＡ、６１ｂＢの縦座標軸Ｙからの距離Ｄ２Ａと距離Ｄ２Ｂは等しくなる。また、図６で示すように、透過型フォトインタラプタ６０の出射スリット６１ａと入射スリット６１ｂの端は、取付面６１ｃから同じ距離Ｓ０となっており、さらに、回路基板３７と回路基板３８とに同じ厚さのものを使っているから、図１、図４、図５で示すように、透過型フォトインタラプタ６０Ａ、６０Ｂの検出光６４Ａ、６４Ｂが通る出射スリット６１ａＡ、６１ａＢと入射スリット６１ｂＡ、６１ｂＢの全ては、部品取付面３２ｆから距離Ｄ４離れて平行してトーションバー３１の軸中心線３１ｃに直交する一つの仮想平面Ｐの上に一列に並べて配置される。

以上のように構成されたトルクセンサ３０は、ステアリング軸２０の軸方向の中間の一部分となるように取り付けられているが、ステアリングホイール１０による操舵は、運転者の手によってステアリングホイール１０の外周部を接線方向に引く、または押すという操作で行われるから、トーションバー３１には捩るトルクＴだけでなく、トーションバー３１を曲げる力も同時に作用するようになる。そこで、トーションバー３１にトルクＴが作用して捩られる場合と曲げる力が作用して曲げられる場合について説明する。

先ず、トーションバー３１を捩るトルクＴが図２の時計方向ＣＷまたは反時計方向ＣＣＷに作用した場合を図３を用いて説明する。トーションバー３１にトルクＴが図２の時計方向ＣＷに作用すると、トーションバー３１の捩れ部３１ｔが捩られて、部品取付部材（Ｂ）３３はトーションバー３１の軸中心線３１ｃの周りを部品取付部材（Ａ）３２に対して時計方向ＣＷに回転移動するから、部品取付部材（Ｂ）３３に取り付けられた遮光部材３４Ａ、３４Ｂは、透過型フォトインタラプタ６０Ａ、６０Ｂに対して、トーションバー３１の軸中心点３１ｄを中心にして時計方向ＣＷに回転移動する。これにより、透過型フォトインタラプタ６０Ａの受光スリット幅Ｓ３Ａが拡がるため、フォトトランジスタ６３Ａの受光量が増加するので、トルク信号ＶＴ１の電圧は高くなり、他方の透過型フォトインタラプタ６０Ｂの受光スリット幅Ｓ３Ｂは狭くなるため、フォトトランジスタ６３Ｂの受光量が減少するので、トルク信号ＶＴ２の電圧は低くなる。同様に、トーションバー３１にトルクＴが図２の反時計方向ＣＣＷに作用すると、トーションバー３１の捩れ部３１ｔが捩られて、部品取付部材（Ｂ）３３はトーションバー３１の軸中心線３１ｃの周りを部品取付部材（Ａ）３２に対して反時計方向ＣＣＷに回転移動するから、部品取付部材（Ｂ）３３に取り付けられた遮光部材３４Ａ、３４Ｂは透過型フォトインタラプタ６０Ａ、６０Ｂに対してトーションバー３１の軸中心点３１ｄを中心にして反時計方向ＣＣＷに回転移動する。これにより、透過型フォトインタラプタ６０Ａの受光スリット幅Ｓ３Ａは狭くなるため、フォトトランジスタ６３Ａの受光量が減少するので、トルク信号ＶＴ１の電圧は低くなり、他方の透過型フォトインタラプタ６０Ｂの受光スリット幅Ｓ３Ｂは拡がるため、フォトトランジスタ６３Ｂの受光量が増加するので、トルク信号ＶＴ２の電圧は高くなる。このように、トーションバー３１の捩れ部３１ｔの捩れによるフォトトランジスタ６３Ａとフォトトランジスタ６３Ｂの受光量は一方が増加する時には他方が減少するようになり、それに合わせてトルク信号ＶＴ１とトルク信号ＶＴ２の電圧が変化する方向も互いに逆方向となる。そして、図１において、部品取付部材（Ａ）３２と部品取付部材（Ｂ）３３の間の捩れ部３１ｔの軸径Ｄｔを細くする、また、捩れ部３１ｔの長さＬｔを長くする、さらに、図３において、遮光部材３４Ａ、３４Ｂが検出光６４Ａ、６４Ｂを遮る位置の距離Ｄ３Ａ、Ｄ３Ｂを大きくしたり、距離Ｄ１を小さくするなどにより、トルクＴに対してのトルク信号ＶＴ１、ＶＴ２の電圧の変化は大きくなる。

次に、トーションバー３１に曲げる力が作用して捩れ部３１ｔが曲げられる場合を説明する。

先ず、トーションバー３１の捩れ部３１ｔが図２のＹＤ方向またはＹＵ方向に曲げられる場合を説明する。図４は、トーションバー３１の捩れ部３１ｔが図２のＹＤ方向に曲げられた状態を図３の横座標軸Ｘに対して平行する図２のＸＸ方向から見た図である。トーションバー３１の捩れ部３１ｔが図２のＹＤ方向に曲げられた場合は、遮光部材３４Ａ、３４Ｂは透過型フォトインタラプタ６０Ａ、６０Ｂに対してｄＹＵ方向に移動するが、その移動する方向は図７で透過型フォトインタラプタ６０に対して遮光部材３４がｙＵ方向またはｙＤ方向であるため、受光スリット幅Ｓ３Ａ、Ｓ３Ｂは変化しないから、フォトトランジスタ６３Ａとフォトトランジスタ６３Ｂの受光量は変化しないので、トルク信号ＶＴ１とトルク信号ＶＴ２の電圧は変化しない。図示しないが、同様にトーションバー３１の捩れ部３１ｔが図２のＹＵ方向に曲げられた場合も、受光スリット幅Ｓ３Ａ、Ｓ３Ｂは変化しないから、フォトトランジスタ６３Ａとフォトトランジスタ６３Ｂの受光量は変化しないので、トルク信号ＶＴ１とトルク信号ＶＴ２の電圧は変化しない。

次に、トーションバー３１の捩れ部３１ｔが図２のＸＬ方向またはＸＲ方向に曲げられる場合を説明する。図５は、トーションバー３１の捩れ部３１ｔが図２のＸＬ方向に曲げられた状態を図３の縦座標軸Ｙに対して平行する図２のＹＹ方向から見た図である。２個の透過型フォトインタラプタ６０Ａ、６０Ｂの出射スリット６１ａＡ、６１ａＢと入射スリット６１ｂＡ、６１ｂＢの全ては、トーションバー３１の軸中心線３１ｃに直交する一つの仮想平面Ｐの上に一列に並べて配置されているから、図２のＹＹ方向から見ると、それら全ては図５では一番手前となる出射スリット６１ａＡに重なる位置になる。また、遮光部材３４Ａと遮光部材３４Ｂは平行になっており、検出光６４Ａ、６４Ｂを前記トーションバーの軸中心線に近い側から丸棒状の遮光部材３４Ａと遮光部材３４Ｂで遮るようになっている。そのため、トーションバー３１の捩れ部３１ｔがＸＬ方向に曲げられた場合は、遮光部材３４Ａと遮光部材３４Ｂの両方は同じｄＸＲ方向に少し斜めに移動する。そして、その移動する方向は、主に図７のｘＬ方向またはｘＲ方向であり、フォトトランジスタ６３Ａとフォトトランジスタ６３Ｂの受光量は増加する方向であるが、遮光部材３４Ａと遮光部材３４Ｂは丸棒状で平行して部品取付部材（Ｂ）３３に固定して取り付けられているから、それらの外形線は軸周りのどの角度からも平行した直線状であるため、たとえ捩れ部３１ｔが捩られて図２のＹＹ方向から見た遮光部材３４Ａと遮光部材３４Ｂの外形線の位置が一致しない場合でも、遮光部材３４Ａと遮光部材３４Ｂは検出光６４Ａと検出光６４Ｂのスリット長Ｓ１と同じとなる全幅を平行した同じ傾きの直線状の外形線で遮りながら同じ距離を移動するから、フォトトランジスタ６３Ａとフォトトランジスタ６３Ｂの受光量は同じ量の増加をして、トルク信号ＶＴ１とトルク信号ＶＴ２の電圧は差を保ったまま両方が同じだけ高くなる。図示しないが、同様にトーションバー３１の捩れ部３１ｔが図２のＸＲ方向に曲げられた場合は、フォトトランジスタ６３Ａとフォトトランジスタ６３Ｂの受光量は同じ量の減少をするので、トルク信号ＶＴ１とトルク信号ＶＴ２の電圧は差を保ったまま両方が同じだけ低くなる。

そして、トーションバー３１の捩れ部３１ｔが図２のＹＤ方向やＹＵ方向またはＸＬ方向やＸＲ方向の中間の方向に曲げられた場合は、それらの方向への影響の割合が変わるだけであるから、ＹＤ方向やＹＵ方向の割合にはトルク信号ＶＴ１とトルク信号ＶＴ２の電圧は変化しないで、ＸＬ方向またはＸＲ方向の割合に応じてトルク信号ＶＴ１とトルク信号ＶＴ２の電圧は差を保ったまま両方が同じ方向の変化をする。

図１０（１）は、本発明のトルクセンサ３０のトーションバー３１の捩れ部３１ｔが捩られた場合と曲げられた場合のトルク信号ＶＴ１とトルク信号ＶＴ２の電圧の変化を説明する図である。ＶＴ１ａ、ＶＴ１ｂ、ＶＴ１ｃはトルク信号ＶＴ１の出力であり、ＶＴ２ａ、ＶＴ２ｂ、ＶＴ２ｃはトルク信号ＶＴ２の出力である。既に説明したように、透過型フォトインタラプタ６０Ａと透過型フォトインタラプタ６０Ｂの位置は、トーションバー３１の捩れ部３１ｔを捩るトルクＴが無いトルクＴ＝０のときに、トルク信号ＶＴ１とトルク信号ＶＴ２の電圧は等しくなるように調整されており、トーションバー３１の捩れ部３１ｔの捩れによるトルク信号ＶＴ１とトルク信号ＶＴ２の電圧は、トルクＴの大きさに一次比例して変化し、また、電圧の変化する方向は互いに逆方向となっている。中段のＶＴ１ｂとＶＴ２ｂは、トーションバー３１の捩れ部３１ｔに曲がりが無い場合、または、図２のＹＤ方向やＹＵ方向に曲げられた場合である。上段のＶＴ１ａとＶＴ２ａは、トーションバー３１の捩れ部３１ｔが図２のＸＬ方向に曲げられた場合である。下段のＶＴ１ｃとＶＴ２ｃは、トーションバー３１の捩れ部３１ｔが図２のＸＲ方向に曲げられた場合である。そして、トーションバー３１の捩れ部３１ｔが曲げられるとトルク信号ＶＴ１とトルク信号ＶＴ２の電圧は変化するが、トーションバー３１の捩れ部３１ｔが曲げられても、トルクＴ＝ｔのときのトルク信号ＶＴ１とトルク信号ＶＴ２の電圧差ｄＶ（ｔ）は、常にｄＶ（ｔ）ａ＝ｄＶ（ｔ）ｂ＝ｄＶ（ｔ）ｃとなっている。

そのため、制御装置４０の演算部４１は、トーションバー３１の捩れ部３１ｔの曲がりを考慮することなく、図１０（２）に示すように、そのときのトルク信号ＶＴ１とトルク信号ＶＴ２のＡ／Ｄ変換されたデジタル値を用いて電圧差ｄＶ（ｔ）（＝ＶＴ１−ＶＴ２）を計算することにより、その符号が正（＋）または負（−）であるかによってトルクＴの方向が時計方向ＣＷまたは反時計方向ＣＣＷのいずれであるかの判別ができ、電圧差ｄＶ（ｔ）の絶対値によりトルク値ｔを得ることができる。

以上のように、本発明のトルクセンサ３０は、透過型フォトインタラプタ６０が遮光部材３４の一方向の動きのみを検出することができるという特性を利用して、透過型フォトインタラプタ６０Ａ、６０Ｂと遮光部材３４Ａ、３４Ｂの配置を工夫することにより、トーションバー３１の捩れ部３１ｔが曲げられても得られるトルク値ｔが影響を受けないようになっている。
尚、これまでの説明では、図２のＹＹ方向から見て、遮光部材３４Ａ、３４Ｂが前記トーションバー３１の軸中心線３１ｃに近い側から検出光６４Ａ、６４Ｂを遮る場合であるが、遮光部材３４Ａ、３４Ｂが前記トーションバー３１の軸中心線３１ｃに遠い側から検出光６４Ａ、６４Ｂを遮るようにしても、トーションバー３１を捩る方向や曲げる方向に対するフォトトランジスタ６３Ａ、６３Ｂの受光量の増減の方向が入れ替わるだけであり、同様の特性が得られるようになる。

また、本発明のトルクセンサ３０に用いた透過型フォトインタラプタ６０には、出力するトルク信号ＶＴ１、ＶＴ２の電圧の変化が大きいという特徴がある。図８の抵抗Ｒｄ、Ｒ１、Ｒ２の抵抗値を適切に設定することにより、図９のように、受光スリット幅Ｓ３が変化するとトルク信号ＶＴ１、ＶＴ２の電圧は、約０ボルトから最大トルク信号電圧ＶＴｍａｘ（＝電源Ｖｃｃの電圧−コレクタ・エミッタ間飽和電圧Ｖｃｅ（ｓａｔ））まで、受光スリット幅Ｓ３にほぼ一次比例して変化する。一般的なフォトトランジスタ６３のコレクタ・エミッタ間飽和電圧Ｖｃｅ（ｓａｔ）は０．２〜０．４ボルトであるから、電源Ｖｃｃの電圧が５ボルトの場合でもトルク信号ＶＴ１、ＶＴ２の最大トルク信号電圧ＶＴｍａｘは４．６〜４．８ボルトになる。出力の一例として、トーションバー３１の材料が鉄のＳ４５Ｃで、捩れ部３１ｔの寸法が軸径Ｄｔ＝１７ｍｍ、長さＬｔ＝２５ｍｍの軸方向の両端の端部３１ａ、３１ｂに部品取付部材（Ａ）３２と部品取付部材（Ｂ）３３とを取り付けて、それらに遮光部材３４Ａ、３４Ｂが検出光６４Ａ、６４Ｂを遮る位置が距離Ｄ１＝１ｍｍ、距離Ｄ３Ａ＝２０ｍｍ、距離Ｄ３Ｂ＝２０ｍｍとなるように、スリット幅Ｓ２＝０．５ｍｍの透過型フォトインタラプタ６０Ａ、６０Ｂと遮光部材３４Ａ、３４Ｂとを取り付けて、電源Ｖｃｃの電圧＝５ボルトという条件において、トルクＴ＝１０Ｎｍの場合に、トルク値ｔの電圧差ｄＶとして約０．６ボルトが得られた。そのため、増幅しないでそのまま、または小さな倍率で増幅して、制御装置４０に取り込んで利用することが可能になり、外来の電気ノイズや温度変化に対しても影響を受けにくい、安定したトルクセンサが実現できる。

本発明は、上記の実施の形態に限定されず、特許請求の範囲に記載した事項の範囲内において種々変更した形態にて実施することが可能である。例えば、トルクセンサ３０のトーションバー３１とステアリング軸２０とを一体の部品としたり、部品取付部材（Ａ）３２や部品取付部材（Ｂ）３３をトーションバー３１と一体の部品とすることなどによっても実現可能である。また、透過型フォトインタラプタ６０Ａ、６０Ｂの検出部を通る検出光６４Ａと検出光６４Ｂの進む方向の組み合わせを変えたり、遮光部材３４Ａ、３４Ｂが検出光６４Ａ、６４Ｂを遮る側を変えても、トーションバー３１の捩れ部３１ｔの捩りや曲がりに対する特性は同様に実現可能である。また、トルクＴ＝０のときにトルク信号ＶＴ１とトルク信号ＶＴ２の電圧を同じにする調整は、出射スリット６１ａＡ、６１ａＢと入射スリット６１ａＡ、６１ｂＢの縦座標軸Ｙから距離Ｄ２Ａと距離Ｄ２Ｂが等しくなるように固定して取り付けられた透過型フォトインタラプタ６０Ａ、６０Ｂに対して遮光部材３４Ａ、３４Ｂを移動させて受光スリット幅Ｓ３Ａ、Ｓ３Ｂを調整する方式によっても実現可能である。さらに、トルクＴ＝０のときにトルク信号ＶＴ１とトルク信号ＶＴ２の電圧を同じにする調整は、厳密に調整しないとか、調整する機構は設けないで部品の寸法精度のみで取り付けるなどで、ほぼ電圧が等しくなる状態にしておいて、トルクＴ＝０のときのトルク信号ＶＴ１とトルク信号ＶＴ２の電圧をＡ／Ｄ変換したデジタル値を予め演算部４１のメモリーに記憶しておき、制御するときに演算部４１の内部のプログラムがトルク値ｔを計算するときに記憶したデジタル値を用いて補正する方法によっても実現可能である。

１０ステアリングホイール
２０ステアリング軸
３０トルクセンサ
３１トーションバー
３１ｔ捩れ部
３２部品取付部材（Ａ）
３３部品取付部材（Ｂ）
３４遮光部材
３７、３８回路基板
４０制御装置
５０車速センサ
６０透過型フォトインタラプタ
６１ケース
６１ａ出射スリット
６１ｂ入射スリット
６２ＬＥＤ
６３フォトトランジスタ
６４検出光
７０電動機
１００操舵補助機構
１０１減速機
３００スパイラルケーブル
Ｐ仮想平面

Claims

トーションバーの捩れ部の軸方向の両端の２カ所に前記トーションバーの径方向に拡がる部品取付部材を固定して取り付け、その前記２カ所の部品取付部材の前記捩れ部を挟んで向かい合う２つの部品取付面の一方には２個の透過型フォトインタラプタを固定して取り付け、もう一方の部品取付面には、前記トーションバーの軸中心線を中心とした前記捩れ部の捩れによる回転移動によって対面に固定して取り付けた前記２個の透過型フォトインタラプタの出射スリットと入射スリットの間を通る２つの検出光のそれぞれを遮る量を変化させ、測定するトルク値の範囲内では、透過型フォトインタラプタ内部の前記２個の受光素子の受光量が、前記捩れ部の捩れ角度が変化することにより一方が増加する時には他方が減少し、且つ、前記捩れ部の捩れが無いときには等しくて、前記捩れ部の捩れる方向により多い方と少ない方が入れ替わるように配置した２個の遮光部材を固定して取り付けて、前記２個の受光素子による２つのトルク信号の電圧差をトルク値として用いることを特徴とする電動パワーステアリング装置用のトルクセンサ。
前記２個の透過型フォトインタラプタの前記２つの検出光が通る出射スリットと入射スリットの全てを、前記トーションバーの軸中心線に直交する一つの仮想平面の上に一列に並べて配置して、そこを通る前記２つの検出光を遮る部分の外形が丸棒状の前記２個の遮光部材を、前記丸棒状の部分が互いに平行で、且つ、前記トーションバーの前記捩れ部が曲げられていない状態では、前記トーションバーの軸方向に対しても平行に前記部品取付面に固定して取り付けて、前記出射スリットと前記入射スリットの全てが重なる位置になる方向から見て、前記２個の遮光部材が前記トーションバーの軸中心線に近い側または遠い側の何れかの同じ側から前記２つの検出光を遮ることを特徴とする請求項１に記載の電動パワーステアリング装置用のトルクセンサ。