JPS61176829A - 光学式トルク検出装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は光学式トルク検出装置に関する０本発明による
装置は、例えば自動車のハンドルを操舵するとき、タイ
ヤの接地抵抗等の原因により発生する反動のハンドルト
ルク等を検出するために用いられる。

従来技術、および発明が解決しようとする問題点トルク
検出器としては、ひずみによる検出とねじれ角による検
出が一般的である。ひずみによる検出としては例えばひ
ずみゲージがあるが、ひずみゲージの接着法、温度特性
等に問題がある。一方、ねじれ角による検出法として、
第１２図に示すような方式が一般的である。１１は内燃
機関（図示せず）とクラッチ（図示せず）と連結したシ
ャフト、１９はトーションバー、１２．１３は強磁性体
歯車、１４．１５は強磁性体歯車１３の回転による磁束
密度の変化を検出するマグネットピンクアップ、１６．
１７はマグネットピックアップ１４．１５からの出力を
それぞれ矩形波に整形する波形整形回路、１日は波形整
形回路１６゜１７からの矩形波の位相差を検出してトル
クを検出する検出回路である。この構成のトルクセンサ
においては、シャフト１１の回転にともない強磁性体歯
車１２．１３が回転し、マグネ・７トピソクアンプ１４
．１５から周期的な出力が発生する。

これらを波形整形回路１６．１７によりそれぞれの出力
は矩形波に整形される。

第１３図は発生した矩形波を表わす。Ｓ　（１６）は波
形整形回路１６から得られる矩形波であり、Ｓ　（１７
）は波形整形回路１７から得られる矩形波である。トル
クが発生したとき、トーションバー１９にねじれが発生
し、矩形波Ｓ　（１６）と矩形波Ｓ　（１７）の間には
位相差ｔ０が生ずることになる。この位相差を検出回路
１８により検出して、トルク検出を行う。この方法では
、強磁性体歯車１２．１３の回転にともなう出力を利用
するため、静止時に発生したトルクの検出は不可能とな
る。従って、ハンドルを回し始めの時等に発生するトル
クの検出は不可能となる。また、回転数の変化する２つ
の矩形波の微小位相差を検出するには、その検出回路が
複雑かつ高価なものになる。

本発明の目的は、前述の従来形における問題点口鑑み、
トーションバーを内蔵するシャフト、トルク発生時該ト
ーションバーのねじれ量検出用の互いに対向して配置さ
れた発光素子および１チップ２素子構成の受光素子、お
よび該受光素子からの信号を受ける信号処理回路を用い
、該信号処理回路において温度変化にともなう発光素子
の光量変化、受光素子の感度変化及び受光素子の暗電流
の影響を受けない出力を発生させ、静止時にもトルク検
出を行うことができる光学式トルク検出装置を提供する
ことにある。

問題点を解決するための手段、および作用本発明におい
ては、トーションバー、該トーションバーの一端に固定
された発光素子、該トーションバーの他端に固定され該
発光素子に対向して配置された１チップ２素子構成の受
光素子、該発光素子を駆動する駆動手段、および該受光
素子の２つの出力電圧（Ｖ＋　、ＶＺ　）を処理してト
ルクに対応した出力を発生する信号処理手段を具備し、
該信号処理手段は該受光素子の２つの出力電圧の比を求
める信号処理を行うようになっていることを特徴とする
光学式トルク検出装置が提供される。

本発明による装置においては、検出回路は、それぞれの
受光素子の出力の比をとることでトルクに対応した出力
に変換する。トルクが働いていない時は、発光素子の発
光スポットはデュアルの受光素子の中央に位置するため
、デュアルの受光素子の出力はバランスされる。トルク
が働くと、発光素子と受光素子の相対的位置が変化し、
デュアルの受光素子の出力はアンバランスされ、出力差
を生じる。この出力差がトルクに対応した信号になるわ
けであるが、実際には発光素子の発光量が温度によって
大きく増減する。そこでこの発光素子の温度特性とさら
に受光素子の温度特性も含めて）態度補償を行うため、
それぞれの受光素子の出力の比をとうてトルクに対応し
た出力に変換する。

実施例 本発明の一実施例としての光学式トルク検出装置が第１
図に示される。第１図装置は例えばラックアンドピニオ
ン式ステアリングギヤに装着したトルクセンサとして示
される。２は上部をハンドル（図示せず）、下部をラッ
ク（図示せず）と結合するシャフト部、２４１はラック
（図示せず）とシャフト部２を結合するステアリングギ
ヤハウジングロア、２５１はステアリングギヤハウジン
グアッパ、２５２はシャフト部２の回転を自由にし、ス
テアリングギヤアッパ２５１とシャフト部２を結合する
ベアリング、２７はステアリングギヤハウジングロア２
４１とステアリングギヤハウジングアッパ２５１を接続
する変換フランジ、３は発光部、４は受光部、５はブラ
シ、６は発光部３、受光部４へ電力を供給し、受光部４
からの信号を処理する信号処理回路である。

第１図装置におけるシャフト部２の構成が第２図に示さ
れる。シャフト部２はトーションバー２２を内蔵し、上
部はシャフト２１と結合し、下部はビニオンシャフト２
３と結合している。ピニオンシャフト２３には、ステア
リングギャハウジングロア２４１と結合するためヘアリ
ング２４２が打込まれている。トルクが発生するとトー
ションバー２２がねじれ、それにともないシャフト２１
とピニオンシャフト２３は互いにトーションバー２２の
ねじれ量だけ軸方向に回転する。トーションバー２２の
ねしれ量がある値に達するとシャフト２１とピニオンシ
ャフト２３は互いに接触し、ねじれ量がそれ以上になら
ないような構造を有している。

第１図に示されるように、ピニオンシャフト２３には受
光部４、シャツ）２１には発光部３が固定されている。

受光部４はホルダ４０．１チップ２素子構成の（デュア
ルの）受光素子４１を設置し印刷配線された例えばセラ
ミックスの基板４２、デュアルの受光素子４１への電力
供給及び２つの信号を取り出すためブラシ５により外部
との接続を可能にする３つの回転電極４３，４４．４５
、基板４２と回転電極４３，４４．４５を接続するピン
４６．４７、回転電極４３，４４，４５、基板４２の互
いの絶縁を保つ絶縁体４８０，４８１゜４８２．４８３
で構成される。ピニオンシャフト２３へはホルダ４０に
より固定される。発光部３はシャツ１−２１へ固定され
るホルダ３０、例えば発光ダイオードのような発光素子
３１及びデュアルの受光素子４１と発光素子３１の距離
を調整するスペーサ３２を設置し、印刷配線された例え
ばセラミックスの基板３３、受光素子３１への電力供給
をブラシ５により可能にする回転電極３４゜３５、基板
３３と回転電極３４．３５を接続するピン３７．３８、
回転電極３４．３５及び基板３３の互いの絶縁を保つ絶
縁体３６０，３６１，３６２により構成される。第３図
はデュアルの受光素子４１の正面図、第４図はデュアル
の受光素子４１の断面図である。デュアルの受光素子４
１は例えばＰＩＮ型の構造を有したフォトダイオード２
素子を１チップで取扱ったものであり、例えばＮ型を有
した半導体層４１７と例えば高抵抗率を有した半導体層
４１６を共通とし、例えばＰ型を有した半導体領域４１
１，４１２のみが分離した構造となっている。半導体領
域４１１，４１２を有する面と反対側の面には電源電極
４１８が付され前述の基板４２の印刷配線と例えば半田
付により接続されている。半４体層４１７を有する面と
反対の面には電極４１３，４１４がそれぞれの半導体領
域４１１．４１２へ反射防止膜４１５に形成された穴を
通して接続されている。電極４１３゜４１４はそれぞれ
例えばＡ１線などにより前述の基板４２上の印刷配線と
接続されている。

第５図は発光素子３１とデュアルの受光素子４１の位置
関係を示した図である。発光素子３１とデュアルの受光
素子４１は互いに対向し発光素子３１から発せられた光
スポット３１Ａはデュアルの受光素子４１上に照射され
る位置関係にある。

第６図は信号処理回路６、発光素子３１、およびデュア
ルの受光素子４１の接続関係を示す回路図である。６３
１は例えば非安定マルチバイブレークで構成された発振
回路、６３２は発振回路６３１からの出力により発光素
子３１のオン・オフを制御する例えばトランジスタのよ
うなスイッチング素子、６１はデュアルの受光素子４１
からの２つの出力のうち発振回路６３１からの出力によ
りタイミングをとり光電流だけを検出する検出回路、６
２は検出回路６１からの２つのオドダイ検出回路６１は
発光素子３１のオン時タイミングを発生する例えば単安
定マルチバイブレークのようなタイミング回路６１３、
ノットゲートを前段に有し発光素子３１のオフ時にタイ
ミングを発生させる例えば単安定マルチバイブレークの
ようなタイミング回路６１４、前記タイミング回路６１
３からのタイミングにより発光素子３１のオン時のデュ
アルの受光素子４１の２つの出力をそれぞれ検出するサ
ンプルホールド回路６１５゜６１６、前記タイミング回
路６１４からのタイミングにより発光素子３１のオフ時
のデュアルの受光素子４工の２つの出力をそれぞれ検出
するサンプルホールド回路６１７，６１８、発光素子３
１のオン時の出力及びオフ時のデュアルの受光素子４１
のそれぞれの差をとる減算回路６１１，６１２で構成さ
れている。サンプルホールド回路は例えばＣＲ−ＢＯＸ
（７）ＬＸＯ２５を使用する。

第７図は発振回路６３１の出力Ｓ　（６３１）と、それ
に対応して発生するタイミング回路６１３からの出力Ｓ
　（６１３）及びタイミング回路６１４からの出力Ｓ　
（６１４）の関係を示した図である。発振回路６３１の
オン時には、第７図（２）のごとくタイミング回路６１
３からサンプルホールド回路６１５゜６１６へサンプル
信号Ｓ　（６１３）が送られ、その時、すなわち発光素
子３１のオン時の受光素子４１の出力が検出される。一
方、発振回路６３１のオフ時には第７図（２）のごとく
、タイミング回路６１４からサンプルホールド回路６１
７，６１８へサンプル信号Ｓ　（６１４）が送られ、発
光素子３１のオフ時の受光素子４１の出力が検出される
。

このような信号処理回路６を使用すれば発光素子３１に
より発生したデュアルの受光素子４１の２つの出力の出
力比を検出することが可能となる。

第８図は前記検出回路の別の実施例を示す。デュアルの
受光素子４１には逆バイアスが印加されているため、そ
の出力は常に正となるが、検出回路６１０におけるコン
デンサ６１１，６１２によより変動出力、すなわち発光
素子３１による出力を検出するものである。このような
構成の検出回路６１０を使用しても前記と同様の効果を
期待できる。

第９図は暗電流が出力に比べ充分無視し得る程度微小な
ときに使用可能な一実施例である。検出部６１０′は出
力を適当に増幅する増幅回路で構成され、割算回路６２
により出力比をとる。

このような構成のトルク検出器において、トルクが発生
していない場合、第１θ図のごとく光スポット３１Ａが
デュアルの受光素子４１上に例えば均等に照らされてい
るとする。次に、トルクが発生するとトーションバー２
２がねじれ、それにともない前述のごとくシャフト２１
とピニオンシャフト２３は軸方向に回転移動し、それに
ともない、光スポラ）３１Ａはデュアルの受光素子上を
第１１図のごとく移動する。これにより、各素子上の光
量変化が発生し、出力変化が起こることになる。この光
量変化を検出すればトルク検出が可能であり静止時にも
トルク検出可能となる。

この検出法では単体の受光素子でもトルク検出は可能で
あるが、電源電圧の変動等による発光素子の光量変化及
び温度変化による出力の変動の影響を受ける。この影響
をなくすには光量比の変化を検出すればよい。本発明の
実施例による装置においてはデュアルの受光素子４１を
使用しているため、特性がそろっている。このため、そ
の出力は前述の影響を受けずに光量比の変化を容易に検
出することが可能となる。また、デュアルの受光素子４
１には前述のごとく逆バイアスを印加するため暗電流が
発生する。特にそれは高温で顕著となる。また、発光素
子以外の光の影響も受けやすい。したがって、単にデュ
アルの受光素子４１の出力をそのまま検出しただけでは
誤差を生ずることになる。本発明においては検出回路６
１により発光素子３１の光量分だけを検出する構成とな
っており、前述の問題点は解決されている。

本発明の実施例におけるトルクセンサを用いれば簡単な
回路構成で、静止時にも検出可能で、温度特性等の出力
変動の影響を受けずにトルクの検出が可能となる。

本発明の実施例による装置においては、第１０図のごと
くトルクの発生しない状態で光スポット３１Ａをデュア
ルの受光素子４１上に均等に照らしたが、これは出力変
化の領域であればどこを基準としてもよい、また、第１
０図、第１１図における光スポットの大きさは、トルク
検出が可能であればどのような大きさ、形状でもよい。

第７図（１）において発振回路６３１からの出力波形を
矩形波により実施例を説明したが、出力が常に０７以上
で、オン時とオフ時が検出可能であれば波形はどのよう
なものでもよい。

発明の効果 本発明によれば、トーションバーを内蔵するシャフト、
トルク発生時酸トーションバーのねじれ量検出用の互い
に対向して配置された発光素子および１チンプ２素子構
成の受光素子、および該受光素子からの信号を受ける信
号処理回路を用い、該信号処理回路に°おいて温度変化
にともなう発光素子の光量変化、受光素子の感度変化及
び受光素子の暗電流の影響を受けない出力を発生させる
ことができ、静止時にもトルク検出を行うことができる
光学式トルク検出装置が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の一実施例としての光学式トルク検出
装置を示す図、 第２図は、第１図装置におけるシャフト部の構成図、 第３図は、第１図装置におけるデュアルの受光素子の正
面図、 第４図は、第１図装置におけるデュアルの受光素子の断
面図、 第５図は、第１図装置における発光素子とデュアルの受
光素子の位置関係を示す図、 第６図は、第１図装置における信号処理回路の構成を示
す図、 第７図は第６図回路における発振回路の出力と２つのタ
イミング回路からサンプルホールド回路へ送られる出力
との関係を示す図、 第８図は、第６図装置における検出回路の別の例を示す
図、 第９図は、暗電流が出力に比べ十分微小であるとき使用
可能な信号処理回路の例を示す図、第１０図、第１１図
はいずれもトルクと光スポットの位置との関係を説明す
る図、 第１２図は従来のトルクセンサの一例を示す図、第１３
図は、第１２図のトルクセンサの２つの波形整形器から
発生する出力の波形を示す波形図である。 ２・・・シャフト部、２１・・・シャフト、２２・・・
トーシヨンバー、２３・・・ピニオンシャフト、２５１
・・・ベアリング、２４１・・・ステアリングギヤハウ
ジングロア、２４２・・・ベアリング、２５１・・・ス
テアリングギヤハウジングアッパ、２７・・・変換フラ
ンジ、３・・・発光部、４・・・受光部、５・・・ブラ
シ、６・・・信号処理回路。 第３図 摺へ　５　ａ】 ｉＡ ３１Ａ４１ ３１Ａ　　　　　４１ 第１２図 噛１３図 一一十−ｔ。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、トーションバー、該トーションバーの一端に固定さ
   れた発光素子、該トーションバーの他端に固定され該発
   光素子に対向して配置された１チップ２素子構成の受光
   素子、該発光素子を駆動する駆動手段、および該受光素
   子の２つの出力電圧（Ｖ＿１、Ｖ＿２）を処理してトル
   クに対応した出力を発生する信号処理手段を具備し、該
   信号処理手段は該受光素子の２つの出力電圧の比を求め
   る信号処理を行うようになっていることを特徴とする光
   学式トルク検出装置。 ２、該駆動手段により該発光素子を断続的に発光するよ
   うにし、該受光素子の２つの信号の発光時の出力電圧（
   Ｖ＿１、Ｖ＿２）と非発光時の出力電圧（Ｖ＿０＿１、
   Ｖ＿０＿２）から（Ｖ＿１−Ｖ＿０＿１）／（Ｖ＿２−
   Ｖ＿０＿２）の信号処理を行うようになっている特許請
   求の範囲第１項記載の装置。