JP3575319B2

JP3575319B2 - Torque sensor

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Publication number: JP3575319B2
Application number: JP08955799A
Authority: JP
Inventors: 次郎中野; 一郎長島; 健塚本; 剛山川
Original assignee: Toyoda Koki KK
Current assignee: Toyoda Koki KK
Priority date: 1999-03-30
Filing date: 1999-03-30
Publication date: 2004-10-13
Anticipated expiration: 2019-03-30
Also published as: JP2000283863A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、物体に作用するトルクを検出するトルクセンサであって、車両の操舵ハンドルに連結された入力軸と操舵機構に連結された出力軸との間に作用するトルクの検出に好適なトルクセンサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
本出願人は、先の出願において、センサコイルのレアショート、信号印加回路の異常およびトルク検出回路の異常などを検出できるトルクセンサを提案した（特願平１０−３３９９３７号）。以下、そのトルクセンサについて説明する。
図１０は、上記トルクセンサが備えられた操舵機構の構造を一部断面を含んで示す説明図であり、図１１は、図１０に示すトルクセンサの電気的構成をブロックで示す説明図である。
最初に、上記トルクセンサが備えられた操舵機構の構造について図１０を参照して説明する。
操舵機構５０には、車両の操舵ハンドル（図示省略）に連結された中空のシャフト１１が備えられており、シャフト１１の下部は、ハウジング１２の上部１２ａに挿通されている。ハウジング１２の下部１２ｂには、シャフト１３の上部が挿通されており、シャフト１３の下部には、ラックＲと噛み合うピニオン１４が取付けられている。また、ラックＲには、操舵力をアシストする図示しないモータの回転トルクが伝達するようになっている。
【０００３】
シャフト１１の内部には、トーションバー１５が収容されており、トーションバー１５の上端は、ピン１６によってシャフト１１と結合されている。トーションバー１５の下端は、シャフト１３の内部とスプライン係合している。
つまり、ハンドルの操作によりシャフト１１にトルクが伝わると、トーションバー１５がねじれることにより、シャフト１１とシャフト１３との間で相対変位が生じるようになっている。
ハウジング１２の内部であって、シャフト１１には、磁性体材料で形成されたセンサリング１７が設けられており、シャフト１３には、磁性体材料で形成されたセンサリング１８が設けられている。
【０００４】
また、ハウジング１２の内部であって、センサリング１７，１８の外周面と対向する箇所には、各センサリング１７，１８と所定のギャップを隔ててセンサコイル１００，２００が設けられている。シャフト１１とシャフト１３との間で相対変位が生じると、センサリング１７，１８のオーバラップ量が変位し、センサコイル１００，２００のインダクタンスが変化する。これにより、トルクに応じた信号が得られる。また、センサコイル１００，２００は、ハウジング１２の図面右端に設けられたインターフェース回路（以下、Ｉ／Ｆ回路と称する）７０に接続されており、Ｉ／Ｆ回路７０は、車両に備えられたマイクロコンピュータ（以下、マイコンと称する。図１１に番号３１で示す。）に接続されている。
【０００５】
次に、上記トルクセンサの電気的構成について図１０を参照して説明する。
トルクセンサは、センサ部６２に接続されたＩ／Ｆ回路７０と、このＩ／Ｆ回路７０に接続されたマイコン３１とから構成される。センサ部６２は、センサコイル１００，２００と、センサリング１７，１８と（図１０）、センサコイル１００，２００およびセンサリング１７，１８間のギャップからなる磁気回路で構成されている。
【０００６】
Ｉ／Ｆ回路７０に備えられた中立電圧回路１０２，２０２は、それぞれ入力電源７１，７２から供給される直流電源を用いて信号処理の基準電位となる電圧を発生し、レギュレータ回路１０３，２０３は、それぞれ発振回路１０４，２０４に用いる安定した基準電圧を発生する。そして、発振回路１０４，２０４は、それぞれセンサコイル１００，２００に正弦波信号を印加し、ＤＣカット回路１０５，２０５は、センサコイル１００，２００の各両端に出力されるセンサ信号からトルク信号となる交流成分を取り出す。続いて、検波回路１０６，２０６は、それぞれＤＣカット回路１０５，２０５によって取り出された交流成分の振幅値を検出し、その振幅値を有する信号（以下、検波信号と称する）を出力する。
【０００７】
ＡＣカット回路１１３，２１３は、それぞれセンサコイル１００，２００の各両端に出力されるセンサ信号から直流成分を取り出し、その取り出した直流成分を有する信号に基づきトルクを補正するための信号（以下、補正信号と称する）として出力する。この補正信号は、センサコイル１００，２００のインダクタンスによって変動する交流信号には関係なく、センサコイル１００，２００の直流抵抗と、センサコイル１００，２００に印加される直流オフセット電圧によって決定される。
したがって、センサコイル１００，２００の直流抵抗が温度によって変動すれば、それに比例した信号を得ることができる。つまり、ＡＣカット回路１１３，２１３から出力される補正信号は、温度補正信号に他ならない。
【０００８】
スケーリング回路１１４，２１４は、それぞれＡＣカット回路１１３，２１３から出力される補正信号を中立点（トルクがない状態）の温度特性を補正するための信号に変換し、その変換した信号（以下、中立点温特補正信号と称する）を出力する。加算回路１０９は、検波回路１０６から出力された検波信号と、スケーリング回路１１４から出力された中立点温特補正信号とを加算することにより、検波回路１０６から出力された検波信号にオフセット補正を加える。また、同様に、加算回路２０９は、検波回路２０６から出力された検波信号と、スケーリング回路２１４から出力された中立点温特補正信号とを加算することにより、検波回路２０６から出力された検波信号にオフセット補正を加える。
つまり、中立点におけるセンサコイル１００，２００の温度特性が線形性を有するため、オフセットおよびゲインのみの調整により、中立点温特補正を行うことができる。
【０００９】
スケーリング回路１１５，２１５は、それぞれＡＣカット回路１１３，２１３から出力された補正信号をトルクの温度特性を補正するための信号（以下、トルク温特補正信号と称する）を出力し、可変ゲインアンプ回路１１２，２１２は、それぞれスケーリング回路１１５，２１５から出力されたトルク温特補正信号を用いて、加算回路１０９，２０９から出力された信号にそれぞれゲイン補正をかける。
つまり、トルクの変化率は、温度によって線形に変動、換言すればトルクによって温度特性曲線（この温度特性曲線は、直線とみなせる）の傾きが変化するため、ゲインを変化させるだけでトルク温特補正を行うことができる。
そして、可変ゲインアンプ回路１１２，２１２からそれぞれ出力された信号は、それぞれトルク信号１，トルク信号２として、それぞれマイコン３１のＡ／Ｄ入力３１ａ，３１ｂに入力される。
【００１０】
次に、マイコン３１は、Ａ／Ｄ入力３１ａからトルク信号１を入力し、デジタル変換を行い、その変換されたトルク信号１に基づいて操舵機構のアシスト量を演算し、その演算されたアシスト量に対応した駆動信号をモータへ出力し、そのモータの回転によって操舵機構のアシストが行われる。
また、マイコン３１は、Ａ／Ｄ入力３１ａ，３１ｂに入力され、デジタル変換されたトルク信号１の電圧ＶＡからトルク信号２の電圧ＶＢを減算して電位差Ｖαを演算する。続いて、マイコン３１は、電位差Ｖαが、予めＲＯＭ（図示省略）などに記憶されている設定電圧Ｖ１以上であり、かつ、設定電圧Ｖ２以下の範囲内であるかを判定し、その範囲内でない場合は、異常信号を出力する。この異常信号は、たとえば、車両に備えられたインスツルメントパネルのインジケータへ出力され、そのインジケータが所定の異常表示を行う。
その異常表示により、センサコイル１００，２００の少なくとも一方のレアショート、レギュレータ回路１０３，２０３、発振回路１０４，２０４により構成される回路（信号印加回路）の異常、ＤＣカット回路１０５，２０５、検波回路１０６，２０６、可変ゲインアンプ回路１１２，２１２により構成される回路（トルク検出回路）の異常のいずれかが発生したことを知ることができる。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記トルクセンサは、完全な二重系となっているため、センサコイルが２個必要である他、Ｉ／Ｆ回路を構成する各回路も２個ずつ必要である。また、可変ゲインアンプ回路１１２，２１２から出力されるトルク信号１，２はアナログ信号であるため、電圧降下が生じた場合でも、マイコン３１の動作電圧より低くならないようにしておかなければトルクを検出できない。そのため、マイコン３１の動作電圧（たとえば５Ｖ）よりも高めの電圧（たとえば８Ｖ）をレギュレータ回路１０３，２０３に供給する入力電源７１，７２を別途設けなければならない。
【００１２】
そこで、本発明は、トルクの検出と、トルク検出回路の異常の検出とを簡単な回路構成で行うことができるトルクセンサを実現することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段、作用および発明の効果】
本発明は、上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、物体に作用するトルクの変化に対応してインダクタンスが変化する単一のコイルを備え、そのコイルのインダクタンスに基づいて前記トルクを検出するトルクセンサにおいて、前記コイルのインダクタンスを検出し、その検出したインダクタンスに対応する周期を有するパルス信号を発振する第１および第２の発振回路と、前記コイルの温度に対応する信号を温特信号として出力する温度検出回路と、前記第１の発振回路から出力された信号の波形を整形し、その整形した信号をトルク信号として出力するパルス整形回路と、前記トルク信号を入力してそのトルク信号の周期をクロック信号を用いて演算し、前記温特信号を入力してその温特信号の電圧を演算し、その演算された周期および電圧に基づいて温度補償されたトルクを演算するマイクロコンピュータと、前記第１および第２の発振回路からそれぞれ発振されたパルス信号を比較し、その比較結果に基づいて前記第１および第２の発振回路の少なくとも一方の異常を検出する異常検出手段と、前記コイルの全体および前記コイルの中間に位置する中間タップに発生する交直流重畳信号の直流成分をそれぞれ取出すとともに、その取出した直流成分に基づいて前記コイルのレアショートを検出するレアショート検出手段とが備えられており、かつ、前記コイルに正弦波を印加するための正弦波発振回路が備えられていないという技術的手段を採用する。
【００１４】
トルクが変化するとコイルのインダクタンスが変化し、その変化に対応する周期を有するパルス信号が第１および第２の発振回路の少なくとも一方から発振される。そして、トルク検出手段は、その発振されたパルス信号に基づいてトルクを検出する。そのトルクの検出は、たとえば、後述する発明の実施の形態に記載するように、マイコンの演算によって行われる。
つまり、トルクの変化に対応して変化するコイルのインダクタンスを用いるため、コイルに正弦波を印加するための正弦波印加回路が不要である。また、パルス信号を直接マイコンに入力することにより、トルクを検出できるため、Ａ／Ｄ変換回路が不要である。
したがって、従来のトルクセンサよりも回路構成を簡略化できる。また、回路構成が簡単なことに加えて、トルクに対応したパルス信号に基づいてトルクを検出できるため、トルク発生から検出までの応答性を高めることができる。
【００１５】
また、異常検出手段は、第１および第２の発振回路からそれぞれ発振されたパルス信号を比較し、その比較結果に基づいて第１および第２の発振回路の少なくとも一方の異常を検出する。
つまり、第１および第２の発振回路を構成する素子などに異常が発生すると、両発振回路から出力されるパルス信号が変化するため、両パルス信号を比較することにより、上記変化を検出できるので、上記異常を検出できる。
したがって、トルク検出の信頼性を高めることができる。
また、上記異常の検出は、たとえば、後述する発明の実施の形態に記載するように、マイコンの演算によって行われる。そして、たとえば、本発明のトルクセンサを車両の操舵トルクの検出に用いる場合には、車両のインスツルメントパネルなどに設けられたＬＥＤやＬＣＤなどを点灯または点滅させることにより、上記異常を報知できる。
さらに、トルクセンサに供給される電源電圧が変動し、第１および第２の発振回路から発振したパルス信号の振幅が変動した場合であっても、パルス信号の周期には影響しないため、正確なトルク検出を行うことができる。そのため、マイコンの動作電圧よりも高めの電圧を供給する入力電源（図１１の７１，７２）が不要となり、回路構成を簡略化することができる。
さらに、コイルにレアショートが発生すると、レアショートの発生しない場合にコイルの全体およびコイルの中間に発生する交直流重畳信号の直流成分が変化するため、その変化を検出することにより、コイルのレアショートを検出できる。
たとえば、後述する発明の実施の形態に記載するように、コイルの全体およびコイルの中間ににそれぞれ発生する交直流重畳信号の直流成分を差動増幅回路に入力し、その差動増幅回路の出力電圧が所定範囲内である場合には、レアショートであると判定する。
【００１６】
請求項２に記載の発明では、請求項１に記載のトルクセンサにおいて、前記異常検出手段は、前記第１または第２の発振回路の一方から発振されたパルス信号の周期を検出する周期検出手段と、前記第１または第２の発振回路の他方から発振されたパルス信号のパルス幅を検出するパルス幅検出手段とを備え、前記周期検出手段によって検出された周期および前記パルス幅検出手段によって検出されたパルス幅に基づいて前記第１および第２の発振回路の少なくとも一方の異常を検出するという技術的手段を採用する。
【００１７】
上記異常が発生すると、その異常はパルス信号の周期およびパルス幅の変化となって現れる。そこで、そのパルス信号の周期およびパルス幅に基づいて上記異常の発生を検出できる。その検出は、たとえば、後述する発明の実施の形態に記載するように、マイコンの演算によって行われ、一方の発振回路から発振されたパルス信号の周期から、他方の発振回路から発振されたパルス信号のパルス幅を整数倍たとえば２倍したものを減算する演算を行い、その演算値が所定値を超えている場合には上記異常であると判定する。
【００１８】
また、トルクセンサに供給される電源電圧が変動し、第１および第２の発振回路から発振したパルス信号の振幅が変動した場合であっても、パルス信号の周期およびパルス幅には影響しないため、正確な異常検出を行うことができる。
【００１９】
請求項３に記載の発明では、請求項１または請求項２に記載のトルクセンサにおいて、前記コイルには、発振周波数を決定するための抵抗回路が接続されており、その抵抗回路の所定箇所における電圧を検出し、その検出された電圧に基づいて前記抵抗回路の異常を検出する抵抗回路異常検出手段が備えられたという技術的手段を採用する。
【００２０】
抵抗回路に異常が発生すると、その抵抗回路の所定箇所における電圧が変化するため、その電圧の変化に基づいて抵抗回路の異常を検出できる。
たとえば、後述する発明の実施の形態に記載するように、抵抗回路が、２つの抵抗を直列接続した一対の直列回路を並列に接続したブリッジ回路である場合は、各直列回路の中間点からそれぞれ電圧を検出し、それら検出された電圧を差動増幅回路に入力し、その差動増幅回路の出力信号をマイコンで監視することにより、上記異常を検出できる。
【００２１】
請求項４に記載の発明では、請求項１ないし請求項３のいずれか１つに記載のトルクセンサにおいて、前記第１および第２の発振回路は、前記コイルのインダクタンスをおよび抵抗を用いたＬＲ発振回路であるという技術的手段を採用する。
【００２２】
つまり、コンデンサを用いていないため、温度の影響を受け難い。したがって、コンデンサを用いた発振回路よりも、トルクの検出精度を高めることができる。
【００２７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明のトルクセンサの一実施形態について図を参照して説明する。
なお、以下の実施形態では、本発明のトルクセンサとして、車両の操舵ハンドルに連結された入力軸と操舵機構に連結された出力軸との間に作用するトルクを検出するトルクセンサについて説明する。
図１は、本発明実施形態のトルクセンサが備えられた操舵機構の構造を一部断面を含んで示す説明図であり、図２は、図１に示すトルクセンサの電気的構成をブロックで示す説明図である。
なお、図１０および図１１に示した従来のトルクセンサと同じ構造については、その説明を省略する。
【００２８】
図１に示すように、操舵機構１０には、センサリング１７，１８と所定のギャップを隔ててセンサコイル４１が設けられている。シャフト１１とシャフト１３との間で相対変位が生じると、センサリング１７，１８のオーバラップ量が変位し、センサコイル４１のインダクタンスが変化する。これにより、トルクに応じた信号が得られる。また、センサコイル４１は、ハウジング１２の図面右端に設けられたＩ／Ｆ回路２０に接続されており、Ｉ／Ｆ回路２０は、車両に備えられたマイコン（図２に番号３０で示す。）に接続されている。
【００２９】
次に、本発明第１実施形態のトルクセンサの電気的構成について図２を参照して説明する。
トルクセンサは、センサ部４０と、このセンサ部４０に接続されたＩ／Ｆ回路２０と、このＩ／Ｆ回路２０に接続されたマイコン３０とから構成される。センサ部４０は、センサコイル４１と、センサリング１７，１８と（図１）、センサコイル４１およびセンサリング１７，１８間のギャップとからなる磁気回路で構成されている。
【００３０】
Ｉ／Ｆ回路２０は、トルクを検出するトルク検出回路２１と、このトルク検出回路２１の異常を検出するフェール検出回路２５とから構成されている。
トルク検出回路２１には、センサコイル４１のインダクタンスおよびメイン発振回路２２内に設けられた抵抗に基づいた信号を発振する。このメイン発振回路２２から発振されたパルス信号は、パルス整形回路２３によって波形整形され、その波形整形されたパルス信号は、トルク信号としてマイコン３０のタイマ入力３１に入力される。
トルク検出回路２１には、センサコイル４１に接続されており、センサコイル４１の温度を検出する温度検出回路２４が設けられている。この温度検出回路２４は、センサコイル４１に発生する交直流重畳信号から直流成分を取り出し、この取り出した直流成分に必要なスケーリングを加え、このスケーリングを加えた信号を温度特性信号（以下、温特信号と称する）としてマイコン３０のＡ／Ｄ入力３２および差動増幅回路２９へ出力する。
【００３１】
フェール検出回路２５には、トルク検出回路２１に備えられたメイン発振回路２２とほぼ同じ構成のサブ発振回路２６が備えられている。このサブ発振回路２６は、メイン発振回路２２と同様にセンサコイル４１のインダクタンスおよびサブ発振回路２６内に設けられた抵抗に基づいた信号を発振する。また、サブ発振回路２６は、メイン発振回路２２の発振タイミングで発振し、このサブ発振回路２６から発振した信号は、パルス整形回路２７によって波形整形され、その波形整形された信号は、モニタ１信号としてマイコン３０のタイマ入力３３へ出力される。
また、フェール検出回路２５には、トルク検出回路２１に備えられた温度検出回路２４とほぼ同じ構成の温度検出回路２８が備えられている。この温度検出回路２８は、センサコイル４１に発生する交直流重畳信号から直流成分を取り出し、この取り出した直流成分に必要なスケーリングを加え、このスケーリングを加えた信号を温特信号として差動増幅回路２９へ出力する。
【００３２】
ここで、メイン発振回路２２およびサブ発振回路２６の構成について、それを示す図３を参照して説明する。
メイン発振回路２２は、抵抗回路Ｒ１、抵抗Ｒ２〜Ｒ５およびオペアンプＵ１から構成されており、サブ発振回路２６は、抵抗Ｒ６〜Ｒ９およびオペアンプＵ２から構成されている。抵抗回路Ｒ１は、抵抗Ｒ１ａ〜Ｒ１ｄの４個の抵抗によって構成されるブリッジ回路であり、抵抗Ｒ１と、センサコイル４１のインダクタンスＬとの間でＲＬ時定数が定まり、発振周波数を決定する。
【００３３】
抵抗Ｒ２，Ｒ３は、発振を成立させるためにオペアンプＵ１の＋入力のバイアス電圧を決定し、抵抗Ｒ４，Ｒ５は、オペアンプＵ１の−入力のスレッショルド電圧を決定する。オペアンプＵ１は、−入力および＋入力の電圧レベルを比較し、その比較結果をＨレベル（高電圧レベル）、または、Ｌレベル（低電圧レベル）の２値で出力するコンパレータとして動作する。オペアンプＵ１は、−入力＞＋入力であればＬレベルを出力し、−入力＜＋入力であればＨレベルを出力する。
抵抗Ｒ６，Ｒ７は、発振を成立させるためにオペアンプＵ２の＋入力のバイアス電圧を決定し、抵抗Ｒ８，Ｒ９は、オペアンプＵ２の−入力のスレッショルド電圧を決定する。オペアンプＵ２は、オペアンプＵ１と同じ動作をする。
なお、オペアンプＵ１，Ｕ２は、同じ機能を果たす回路であり、抵抗Ｒ２〜Ｒ５および抵抗Ｒ６〜Ｒ９も同じ機能を果たす回路である。
【００３４】
次に、メイン発振回路２２およびサブ発振回路２６の動作について説明する。今、オペアンプＵ１の出力（すなわちＪ点）が、ＬレベルからＨレベルになった瞬間を考える。そのＨレベルのエネルギは、抵抗回路Ｒ１を通り、センサコイル４１に充電される（ただし、オペアンプＵ１は、抵抗回路Ｒ１およびセンサコイル４１に十分な電流を供給できるものとする）。その結果、センサコイル端（すなわちＫ点）の電位は、放電により、最初のＨレベルの電位から次第に減少して行く。その減少特性は、抵抗回路Ｒ１およびセンサコイル４１のインダクタンスＬのＲＬ時定数により決定される。
【００３５】
上記Ｋ点の電位は、抵抗Ｒ２，Ｒ３からなるバイアス回路により、バイアスされ（電位が高くなり）、オペアンプＵ１の＋入力に印加される。
一方、オペアンプＵ１の−入力には、Ｊ点の電位を抵抗Ｒ４，Ｒ５により分圧した電位が印加される。Ｊ点の電位は安定しているため、オペアンプＵ１の−入力も安定したスレッショルド電位となる。
したがって、オペアンプＵ１の＋入力の電位が、最初のＨレベルの電位から次第に減少し、オペアンプＵ１の−入力のスレッショルド電位と同電位になるまで、Ｊ点がＨレベルの電位になっている状態が続く。この状態になっている期間を充電期間とする。
【００３６】
そして、オペアンプＵ１の＋入力の電位が、オペアンプＵ１の−入力のスレッショルド電位より小さくなった瞬間にオペアンプＵ１の出力は、ＨレベルからＬレベルに変化する。このとき、センサコイル４１に蓄積されたエネルギが放電される。その結果、Ｋ点の電位は負電位となり、そこから徐々に電位を増加して行く。その増加特性も抵抗回路Ｒ１およびセンサコイル４１のインダクタンスＬのＲＬ時定数により決定される。
充電期間において説明したのと同様に、Ｋ点の電位は、抵抗Ｒ２，Ｒ３からなるバイアス回路によりバイアスされ、オペアンプＵ１の＋入力に印加される。
【００３７】
一方、オペアンプＵ１の−入力は、Ｊ点のＬレベルの電位を抵抗Ｒ４，Ｒ５により分圧されたスレッショルド電位が印加される。
したがって、オペアンプＵ１の＋入力の電位が、Ｌレベルの電位から次第に増加し、オペアンプＵ１の−入力のスレッショルド電位と同電位になるまで、Ｊ点がＬレベルの電位になっている状態が続く。この状態になっている期間を放電期間とする。
そして、オペアンプＵ１の＋入力の電位が、オペアンプＵ１の−入力のスレッショルド電位より大きくなった瞬間にオペアンプＵ１の出力は、ＬレベルからＨレベルに変化し、充電期間に入る。
以降、充電期間および放電期間を繰り返し、オペアンプＵ１からパルス信号が発振出力される。
【００３８】
また、Ｋ点の電位は、サブ発振回路２６の抵抗Ｒ６，Ｒ７からなるバイアス回路によってバイアスされ、オペアンプＵ２の＋入力に印加される。一方、オペアンプＵ２の−入力には、Ｊ点の電位を抵抗Ｒ８，Ｒ９により分圧した電位が印加される。そして、オペアンプＵ２は、オペアンプＵ１と同じ発振タイミングで同じ発振動作を繰り返し、トルクの変化に対応した周期を有するパルス信号を出力する。
【００３９】
次に、マイコン３０が実行するトルク演算処理の流れについて、それを示す図７のフローチャートを参照して説明する。
まず、車両に備えられた操舵ハンドルが操作されると、シャフト１１とシャフト１３との間で相対変位が生じ、センサリング１７，１８（図１）のオーバラップ量が変位し、その変位によってセンサコイル４１のインダクタンスＬが変化する。そして、その変化したインダクタンスＬは、トルク検出回路２１のメイン発振回路２２のインダクタンスＬとして用いられ、メイン発振回路２２によって上記インダクタンスＬに比例した周期を有する信号が発振される。続いて、その発振された信号は、パルス整形回路２３によって波形整形され、トルク信号としてマイコン３０のタイマ入力３１に出力される。
また、温度検出回路２４は、センサコイル４１の温度に対応する信号を温特信号としてマイコン３０のＡ／Ｄ入力３２へ出力する。
【００４０】
そして、マイコン３０は、タイマ入力３１にトルク信号（図２）が入力されたことを検出し（ステップ（以下、Ｓと略す）１０：Ｙｅｓ）、Ａ／Ｄ入力３２から温特信号を入力すると（Ｓ１２）、入力したトルク信号の周期Ａ（図３）をクロック信号を用いて演算する（Ｓ１４）。続いて、マイコン３０は、温特信号の電圧Ｖ１を演算し（Ｓ１６）、周期Ａおよび電圧Ｖ１に基づいて、温度補償されたトルクを演算する（Ｓ１８）。
このトルクの演算は、たとえば、周期Ａとトルクとを対応付けた第１のテーブルと、電圧Ｖ１とトルクとを対応付けた第２のテーブルとを記憶しておき、第１のテーブルから抽出されたトルクに第２のテーブルから抽出されたトルクを加算することにより行う。
【００４１】
次に、メイン発振回路２２の異常を検出するためにマイコン３０が実行する処理（以下、異常検出処理１と称する）の流れについて、それを示す図８のフローチャートを参照して説明する。
マイコン３０は、タイマ入力３３にモニタ１信号（図２）が入力されたことを検出すると（Ｓ２０：Ｙｅｓ）、そのモニタ１信号のパルス幅Ｂ（図３）をクロック信号を用いて演算する（Ｓ２２）。続いて、マイコン３０は、演算したパルス幅Ｂを２倍した値から、トルク演算処理のＳ１４において演算された周期Ａを減算する演算（２Ｂ−Ａ）を行う（Ｓ２４）。続いて、マイコン３０は、その演算結果（２Ｂ−Ａ）が、図示しないＲＯＭなどに記憶されているしきい値±Ｃを超えているか否かを判定し（Ｓ２６）、演算結果（２Ｂ−Ａ）が、しきい値±Ｃを超えている場合は（Ｓ２６：Ｙｅｓ）、異常１信号を出力する（Ｓ２８）。
【００４２】
たとえば、パルスデューティが５０％に設定されており、上記メイン発振回路２２およびサブ発振回路２６が正常に動作している場合は、演算結果（２Ｂ−Ａ）は０になる。しかし、素子の劣化などが発生すると、パルス信号の周期およびパルス幅が変化するため、演算結果（２Ｂ−Ａ）は通常とは異なる値を示す。そこで、その値が±Ｃを超える値となったときに異常であると判定する。
±Ｃの値は、回路を構成する素子のばらつきなどを考慮して設定する。また、パルスデューティが５０％以外である場合は、Ｓ２６における判定内容は、（２Ｂ−Ａ）＞Ｃｏ±Ｃとなる（Ｃｏは、異常判定値の初期値）。
つまり、パルスデューティを必ずしも５０％に合わせなくても、異常検出を行うことができる。
なお、サブ発振回路２６に異常が発生した場合も、上記異常検出処理１を実行することにより、その異常を検出できる。また、上記Ｓ２８において出力された異常信号は、たとえば、車両に備えられたインスツルメントパネルのインジケータへ出力され、そのインジケータが所定の異常表示を行う。
【００４３】
次に、温度検出回路２４の異常を検出するためにマイコン３０が実行する処理（以下、異常検出処理２と称する）の流れについて、それを示す図９のフローチャートを参照して説明する。
マイコン３０は、Ａ／Ｄ入力３４にモニタ２信号（図２）を入力し（Ｓ３０）、モニタ２信号の電圧Ｖ２を演算する（Ｓ３２）。続いて、マイコン３０は、演算した電圧Ｖ２が、電圧ＶＢ以上であり、かつ、電圧ＶＡ以下であるか否か、つまり正常域の範囲内であるか否かを判定する（Ｓ３４）。そして、マイコン３０は、電圧Ｖ２が正常域の範囲内ではない、つまり、温度検出回路２４に異常が発生していると判定すると（Ｓ３４：Ｎｏ）、異常信号を出力する（Ｓ３６）。
この出力された異常信号は、たとえば、車両に備えられたインスツルメントパネルのインジケータへ出力され、そのインジケータが所定の異常表示を行う。
【００４４】
以上のように、本第１実施形態のトルクセンサを使用すれば、トルクの変化に対応して変化するセンサコイル４１のインダクタンスＬを用いるため、センサコイル４１に正弦波を印加するための正弦波印加回路が不要である。また、パルス信号を直接マイコン３０に入力することにより、トルクを検出できるため、Ａ／Ｄ変換回路が不要である。
また、本第１実施形態のトルクセンサは、パルス信号の周期Ａに基づいてトルクを検出するため、トルクセンサに供給される電源電圧が変動し、パルス信号の振幅が変動した場合であっても、パルス信号の周期には影響しないため、正確なトルク検出を行うことができる。そのため、マイコン３０の動作電圧よりも高めの電圧を供給する入力電源が不要である。
したがって、本第１実施形態のトルクセンサを使用すれば、回路構成を簡略化することができる。
しかも、温度の影響を受けるコンデンサを備えていないＬＲ発振回路を用いてトルクを検出するため、より一層、トルク検出の精度を高めることができる。また、トルクの検出を行うためのメイン発振回路２２および温度補償を行うための温度検出回路２４の異常発生を検出できるため、トルク検出の信頼性を高めることができる。
【００４５】
次に、本発明第２実施形態のトルクセンサについて図５を参照して説明する。
本第２実施形態のトルクセンサは、抵抗回路Ｒ１の異常を検出できることを特徴とする。図５は、抵抗回路Ｒ１の異常を検出する構成を示す説明図である。
抵抗回路Ｒ１を構成する４個の抵抗Ｒ１ａ〜Ｒ１ｄの抵抗値が総て同一であるとすると、Ｐ点およびＱ点の電位は等しくなる。
そこで、図５に示すように、Ｐ点およびＱ点の出力を差動増幅回路に入力し、その出力をマイコン３０によって監視するように構成することにより、４個の抵抗Ｒ１ａ〜Ｒ１ｄのいずれかの異常を検出することができる。
ただし、同時に２個以上の抵抗が同じ異常状態にならないことが上記異常検出の前提である。
以上のように、本第２実施形態のトルクセンサを使用すれば、メイン発振回路２２を構成する素子および回路の総ての異常を検出することができるため、トルク検出の信頼性をより一層高めることができる。
【００４６】
ところで、センサコイル４１では、通常は、発生することはないと考えられるが、たとえばコイルの被覆が剥がれ、センサコイル４１のインピーダンスが変化してしまう、いわゆるレアショートの発生が理論的には考えられる。
そこで、そのようなレアショートを検出できることを特徴とする本発明第３実施形態のトルクセンサについて図４を参照して説明する。図４は、本第３実施形態のトルクセンサの電気的構成をブロックで示す説明図である。
図４に示すように、フェール検出回路２５にレアショート検出回路４５を設けることにより、レアショートの検出を行う。
レアショート検出回路４５は、その構成を説明する図６に示すように、センサコイル４１の一端および中間タップＭに接続されており、センサコイル４１の全体およびセンサコイル４１の中間に位置する中間タップＭに発生する交直流重畳信号の直流成分をそれぞれ取り出す構成になっている。
【００４７】
センサコイル４１の一端から発生した交直流重畳信号は、抵抗Ｒ２０およびコンデンサＣ１によって、その直流成分が取り出され、その取り出された直流成分は、アンプ４５ａを介して差動増幅回路２９（図４）へ出力される。また、中間タップＭから発生した交直流重畳信号は、抵抗Ｒ２１およびコンデンサＣ２によって、その直流成分が取り出され、その取り出された直流成分は、アンプ４５ｂによって２倍に増幅され、その増幅された直流成分は、差動増幅回路２９へ出力される。
【００４８】
そして、差動増幅回路２９は、温度検出回路２４、温度検出回路２８およびレアショート検出回路４５から出力された信号を差動増幅し、その差動増幅された信号をモニタ２信号としてマイコン３０のＡ／Ｄ入力３４へ出力する。そして、マイコン３０は、Ａ／Ｄ入力３４に入力された信号の電圧Ｖ２に基づいて、温度検出回路２４の異常の検出およびセンサコイル４１のレアショートの検出を行う。たとえば、前述した異常検出処理２（図９）と同じ流れの処理を行い、電圧Ｖ２が正常域外である場合に異常信号を出力する。
以上のように、本第３実施形態のトルクセンサを使用すれば、各回路の異常検出に加えて、センサコイル４１のレアショートをも検出できるため、正常なトルク検出に万全を期すことができる。
【００４９】
ところで、上記各実施形態では、本発明のトルクセンサを車両の操舵装置に適用した場合を代表に説明したが、物体に作用するトルクの変化をインダクタンスの変化として検出する方式のトルクセンサを備えた装置であれば、そのような装置にも適用することができる。
【００５０】
なお、メイン発振回路２２が本発明の第１の発振回路に対応し、サブ発振回路２６が第２の発振回路に対応する。また、図５に示した構成が本発明の抵抗回路異常検出手段に対応し、中間タップＭおよびレアショート検出回路４５がレアショート検出手段に対応する。
そして、マイコン３０が実行する図８のＳ２０〜Ｓ２８が本発明の異常検出手段として機能し、図７のＳ１０〜Ｓ１８がトルク検出手段として機能する。また、マイコン３０が実行する図９のＳ３０〜Ｓ３６がレアショート検出手段として機能する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明第１実施形態のトルクセンサが備えられた操舵機構の構造を一部断面を含んで示す説明図である。
【図２】図１に示すトルクセンサの電気的構成をブロックで示す説明図である。
【図３】メイン発振回路２２およびサブ発振回路２６の構成を示す説明図である。
【図４】第３実施形態のトルクセンサの電気的構成をブロックで示す説明図である。
【図５】抵抗回路Ｒ１の異常を検出する構成を示す説明図である。
【図６】レアショート検出回路４５の構成を示す説明図である。
【図７】マイコン３０が実行するトルク演算処理の流れを示すフローチャートである。
【図８】マイコン３０が実行する異常検出処理１の流れを示すフローチャートである。
【図９】マイコン３０が実行する異常検出処理２の流れを示すフローチャートである。
【図１０】従来のトルクセンサが備えられた操舵機構の構造を一部断面を含んで示す説明図である。
【図１１】図１０に示すトルクセンサの電気的構成をブロックで示す説明図である。
【符号の説明】
１０操舵機構
１５トーションバー
１７，１８センサリング
２０Ｉ／Ｆ回路
２２メイン発振回路（第１の発振回路）
２６サブ発振回路（第２の発振回路）
３０マイコン
４１センサコイル[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a torque sensor for detecting a torque acting on an object, the torque sensor being suitable for detecting a torque acting between an input shaft connected to a steering wheel of a vehicle and an output shaft connected to a steering mechanism. Related to sensors.
[0002]
[Prior art]
In the prior application, the present applicant has proposed a torque sensor capable of detecting a rare short of a sensor coil, an abnormality of a signal application circuit, an abnormality of a torque detection circuit, and the like (Japanese Patent Application No. 10-339937). Hereinafter, the torque sensor will be described.
FIG. 10 is an explanatory diagram showing a structure of a steering mechanism provided with the torque sensor including a partial cross section, and FIG. 11 is an explanatory diagram showing an electric configuration of the torque sensor shown in FIG. 10 by blocks. .
First, a structure of a steering mechanism provided with the torque sensor will be described with reference to FIG.
The steering mechanism 50 includes a hollow shaft 11 connected to a steering handle (not shown) of the vehicle, and a lower portion of the shaft 11 is inserted into an upper portion 12 a of the housing 12. The upper part of the shaft 13 is inserted through the lower part 12 b of the housing 12, and the pinion 14 that meshes with the rack R is attached to the lower part of the shaft 13. The rack R is configured to transmit the rotational torque of a motor (not shown) that assists the steering force.
[0003]
A torsion bar 15 is housed inside the shaft 11, and an upper end of the torsion bar 15 is connected to the shaft 11 by a pin 16. The lower end of the torsion bar 15 is spline-engaged with the inside of the shaft 13.
That is, when torque is transmitted to the shaft 11 by operating the handle, the torsion bar 15 is twisted, so that a relative displacement occurs between the shaft 11 and the shaft 13.
Inside the housing 12, the shaft 11 is provided with a sensor ring 17 made of a magnetic material, and the shaft 13 is provided with a sensor ring 18 made of a magnetic material.
[0004]
Further, sensor coils 100 and 200 are provided inside the housing 12 at positions facing the outer peripheral surfaces of the sensor rings 17 and 18 with a predetermined gap from each of the sensor rings 17 and 18. When a relative displacement occurs between the shaft 11 and the shaft 13, the amount of overlap between the sensor rings 17 and 18 changes, and the inductance of the sensor coils 100 and 200 changes. As a result, a signal corresponding to the torque is obtained. The sensor coils 100 and 200 are connected to an interface circuit (hereinafter, referred to as an I / F circuit) 70 provided at the right end of the housing 12 in the drawing. It is connected to a computer (hereinafter, referred to as a microcomputer, which is indicated by reference numeral 31 in FIG. 11).
[0005]
Next, an electrical configuration of the torque sensor will be described with reference to FIG.
The torque sensor includes an I / F circuit 70 connected to the sensor unit 62, and the microcomputer 31 connected to the I / F circuit 70. The sensor unit 62 is configured by a magnetic circuit including sensor coils 100 and 200, sensor rings 17 and 18 (FIG. 10), and a gap between the sensor coils 100 and 200 and the sensor rings 17 and 18.
[0006]
Neutral voltage circuits 102 and 202 provided in I / F circuit 70 generate a voltage serving as a reference potential for signal processing using DC power supplied from input power supplies 71 and 72, respectively. Generates stable reference voltages used for the oscillation circuits 104 and 204, respectively. The oscillation circuits 104 and 204 apply sine wave signals to the sensor coils 100 and 200, respectively, and the DC cut circuits 105 and 205 convert the sensor signals output to both ends of the sensor coils 100 and 200 into torque signals. Take out the AC component. Subsequently, the detection circuits 106 and 206 detect the amplitude value of the AC component extracted by the DC cut circuits 105 and 205, respectively, and output a signal having the amplitude value (hereinafter, referred to as a detection signal).
[0007]
The AC cut circuits 113 and 213 extract a DC component from the sensor signals output to both ends of the sensor coils 100 and 200, respectively, and a signal for correcting torque based on the signal having the extracted DC component (hereinafter referred to as “correction”). (Referred to as a signal). This correction signal is determined by the DC resistance of the sensor coils 100 and 200 and the DC offset voltage applied to the sensor coils 100 and 200 irrespective of the AC signal that fluctuates due to the inductance of the sensor coils 100 and 200.
Therefore, if the DC resistance of the sensor coils 100 and 200 fluctuates depending on the temperature, a signal proportional thereto can be obtained. That is, the correction signals output from the AC cut circuits 113 and 213 are nothing but temperature correction signals.
[0008]
Scaling circuits 114 and 214 convert the correction signals output from AC cut circuits 113 and 213 into signals for correcting the temperature characteristics at a neutral point (in a state where there is no torque), and convert the converted signals (hereinafter, neutral signals). (Referred to as a temperature correction characteristic signal). The addition circuit 109 adds offset detection to the detection signal output from the detection circuit 106 by adding the detection signal output from the detection circuit 106 and the neutral point temperature correction signal output from the scaling circuit 114. . Similarly, the addition circuit 209 adds the detection signal output from the detection circuit 206 and the neutral point temperature correction signal output from the scaling circuit 214 to generate a detection signal output from the detection circuit 206. Offset correction.
That is, since the temperature characteristics of the sensor coils 100 and 200 at the neutral point have linearity, the neutral point temperature characteristic correction can be performed by adjusting only the offset and the gain.
[0009]
The scaling circuits 115 and 215 output a correction signal output from the AC cut circuits 113 and 213 as a signal for correcting a temperature characteristic of torque (hereinafter, referred to as a torque temperature correction signal), and a variable gain amplifier circuit. 112 and 212 apply gain correction to the signals output from the adders 109 and 209, respectively, using the torque temperature characteristic correction signals output from the scaling circuits 115 and 215, respectively.
That is, the rate of change of the torque varies linearly with temperature, in other words, the slope of the temperature characteristic curve (this temperature characteristic curve can be regarded as a straight line) changes with the torque. It can be performed.
The signals output from the variable gain amplifier circuits 112 and 212 are input to the A / D inputs 31a and 31b of the microcomputer 31 as a torque signal 1 and a torque signal 2, respectively.
[0010]
Next, the microcomputer 31 inputs the torque signal 1 from the A / D input 31a, performs digital conversion, calculates an assist amount of the steering mechanism based on the converted torque signal 1, and calculates the calculated assist amount. Is output to the motor, and the rotation of the motor assists the steering mechanism.
Further, the microcomputer 31 calculates the potential difference Vα by subtracting the voltage VB of the torque signal 2 from the voltage VA of the torque signal 1 input to the A / D inputs 31a and 31b and being digitally converted. Subsequently, the microcomputer 31 determines whether or not the potential difference Vα is within the range of not less than the set voltage V1 and not more than the set voltage V2 stored in advance in a ROM (not shown) or the like. In this case, an abnormal signal is output. This abnormality signal is output to, for example, an indicator of an instrument panel provided in the vehicle, and the indicator performs a predetermined abnormality display.
The abnormal display indicates a rare short of at least one of the sensor coils 100 and 200, an abnormality in a circuit (signal applying circuit) constituted by the regulator circuits 103 and 203, the oscillation circuits 104 and 204, the DC cut circuits 105 and 205, and the detection circuit. It is possible to know that any of the abnormalities of the circuit (torque detecting circuit) constituted by the variable gain amplifier circuits 112 and 212 has occurred.
[0011]
[Problems to be solved by the invention]
However, since the torque sensor has a complete dual system, two sensor coils are required, and two circuits constituting the I / F circuit are also required. Further, since the torque signals 1 and 2 output from the variable gain amplifier circuits 112 and 212 are analog signals, even if a voltage drop occurs, the torque is detected unless the operating voltage of the microcomputer 31 is kept lower than the operating voltage. Can not. Therefore, it is necessary to separately provide input power supplies 71 and 72 for supplying a voltage (for example, 8 V) higher than the operating voltage (for example, 5 V) of the microcomputer 31 to the regulator circuits 103 and 203.
[0012]
Therefore, an object of the present invention is to realize a torque sensor that can detect a torque and detect an abnormality of a torque detection circuit with a simple circuit configuration.
[0013]
Means for Solving the Problems, Functions and Effects of the Invention
In order to achieve the above object, according to the first aspect of the present invention, the inductance changes according to the change in the torque acting on the object.singleA torque sensor having a coil and detecting the torque based on the inductance of the coil; first and second oscillations for detecting an inductance of the coil and oscillating a pulse signal having a cycle corresponding to the detected inductance; Circuit andA temperature detection circuit for outputting a signal corresponding to the temperature of the coil as a temperature characteristic signal; and a pulse shaping circuit for shaping a waveform of a signal output from the first oscillation circuit and outputting the shaped signal as a torque signal. And inputting the torque signal, calculating the cycle of the torque signal using a clock signal, inputting the temperature characteristic signal, calculating the voltage of the temperature characteristic signal, and calculating based on the calculated period and voltage. A microcomputer for calculating the temperature-compensated torque byAbnormality detecting means for comparing pulse signals respectively oscillated from the first and second oscillation circuits and detecting an abnormality of at least one of the first and second oscillation circuits based on the comparison result;Rare short detection means for extracting the DC component of the AC / DC superimposed signal generated at the intermediate tap located in the middle of the entire coil and the coil, and detecting a rare short of the coil based on the extracted DC component. And a sine wave oscillation circuit for applying a sine wave to the coil is not provided.It adopts the technical means of:
[0014]
When the torque changes, the inductance of the coil changes, and a pulse signal having a cycle corresponding to the change is oscillated from at least one of the first and second oscillation circuits. And the torque detecting means isoscillationThe torque is detected based on the pulse signal obtained. The detection of the torque is performed by calculation of a microcomputer, for example, as described in an embodiment of the invention described later.
That is, since the inductance of the coil that changes in response to the change in torque is used, a sine wave application circuit for applying a sine wave to the coil is unnecessary. Further, since the torque can be detected by directly inputting the pulse signal to the microcomputer, an A / D conversion circuit is not required.
Therefore, the circuit configuration can be simplified as compared with the conventional torque sensor. Further, in addition to the simplicity of the circuit configuration, the torque can be detected based on the pulse signal corresponding to the torque, so that the response from the generation of the torque to the detection can be improved.
[0015]
The abnormality detection means compares pulse signals oscillated from the first and second oscillation circuits, respectively, and detects an abnormality of at least one of the first and second oscillation circuits based on the comparison result.
In other words, when an abnormality occurs in the elements constituting the first and second oscillation circuits, the pulse signals output from the two oscillation circuits change, and the change can be detected by comparing the two pulse signals. , The abnormality can be detected.
Therefore, the reliability of torque detection can be improved.
The detection of the abnormality is performed, for example, by calculation of a microcomputer as described in an embodiment of the invention described later. For example, when the torque sensor of the present invention is used for detecting the steering torque of a vehicle, the abnormality can be notified by turning on or blinking an LED or LCD provided on an instrument panel or the like of the vehicle. .
Furthermore, even when the power supply voltage supplied to the torque sensor fluctuates and the amplitude of the pulse signal oscillated from the first and second oscillation circuits fluctuates, the pulse signal cycle is not affected, so that accurate Torque detection can be performed. Therefore, an input power supply (71, 72 in FIG. 11) for supplying a voltage higher than the operating voltage of the microcomputer becomes unnecessary, and the circuit configuration can be simplified.
Further, when a rare short occurs in the coil, the DC component of the alternating-current superimposed signal generated in the entire coil and in the middle of the coil changes when the rare short does not occur. By detecting the change, the rare short of the coil is detected. Short can be detected.
For example, as described in an embodiment of the invention described later, a DC component of an AC / DC superimposed signal generated in the entire coil and in the middle of the coil is input to a differential amplifier circuit, and the output of the differential amplifier circuit is If the voltage is within the predetermined range, it is determined that a rare short has occurred.
[0016]
According to a second aspect of the present invention, in the torque sensor according to the first aspect, the abnormality detecting unit detects a period of a pulse signal oscillated from one of the first and second oscillation circuits. And pulse width detection means for detecting a pulse width of a pulse signal oscillated from the other of the first and second oscillation circuits, wherein the cycle detected by the cycle detection means and the pulse width detected by the pulse width detection means Technical means for detecting an abnormality of at least one of the first and second oscillation circuits based on the determined pulse width is employed.
[0017]
When the abnormality occurs, the abnormality appears as a change in the cycle and pulse width of the pulse signal. Thus, the occurrence of the abnormality can be detected based on the cycle and pulse width of the pulse signal. The detection is performed, for example, by a microcomputer operation as described in an embodiment of the invention described later, and the pulse signal oscillated from the other oscillation circuit is calculated based on the period of the pulse signal oscillated from one oscillation circuit. Is performed by subtracting an integer multiple, for example, twice, of the pulse width of the pulse width.
[0018]
Further, even when the power supply voltage supplied to the torque sensor fluctuates and the amplitude of the pulse signal oscillated from the first and second oscillation circuits fluctuates, the period and pulse width of the pulse signal are not affected. , Accurate abnormality detection can be performed.
[0019]
According to a third aspect of the present invention, in the torque sensor according to the first or second aspect, a resistor circuit for determining an oscillation frequency is connected to the coil. Technical means is employed in which a resistance circuit abnormality detecting means for detecting a voltage and detecting an abnormality in the resistance circuit based on the detected voltage is provided.
[0020]
When an abnormality occurs in the resistance circuit, the voltage at a predetermined portion of the resistance circuit changes, so that the abnormality of the resistance circuit can be detected based on the change in the voltage.
For example, as described in an embodiment of the invention described below, when the resistor circuit is a bridge circuit in which a pair of series circuits in which two resistors are connected in series are connected in parallel, each of the resistor circuits is connected from an intermediate point of each series circuit. The abnormality can be detected by detecting voltages, inputting the detected voltages to a differential amplifier circuit, and monitoring an output signal of the differential amplifier circuit by a microcomputer.
[0021]
According to a fourth aspect of the present invention, in the torque sensor according to any one of the first to third aspects, the first and second oscillating circuits include an LR using an inductance and a resistance of the coil. The technical means of being an oscillation circuit is adopted.
[0022]
That is, since no capacitor is used, it is hardly affected by temperature. Therefore, the accuracy of torque detection can be improved as compared with an oscillation circuit using a capacitor.
[0027]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, an embodiment of a torque sensor of the present invention will be described with reference to the drawings.
In the following embodiments, a torque sensor that detects a torque acting between an input shaft connected to a steering wheel of a vehicle and an output shaft connected to a steering mechanism will be described as a torque sensor of the present invention.
FIG. 1 is an explanatory view showing a structure of a steering mechanism provided with a torque sensor according to an embodiment of the present invention, including a partial cross section. FIG. 2 is a block diagram showing an electric configuration of the torque sensor shown in FIG. FIG.
The description of the same structure as that of the conventional torque sensor shown in FIGS. 10 and 11 is omitted.
[0028]
As shown in FIG. 1, the steering mechanism 10 is provided with a sensor coil 41 at a predetermined gap from the sensor rings 17 and 18. When a relative displacement occurs between the shaft 11 and the shaft 13, the amount of overlap between the sensor rings 17 and 18 changes, and the inductance of the sensor coil 41 changes. As a result, a signal corresponding to the torque is obtained. The sensor coil 41 is connected to an I / F circuit 20 provided at the right end of the housing 12 in the drawing, and the I / F circuit 20 is provided by a microcomputer (indicated by reference numeral 30 in FIG. 2) provided in the vehicle. It is connected to the.
[0029]
Next, an electrical configuration of the torque sensor according to the first embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
The torque sensor includes a sensor unit 40, an I / F circuit 20 connected to the sensor unit 40, and a microcomputer 30 connected to the I / F circuit 20. The sensor section 40 is configured by a magnetic circuit including a sensor coil 41, sensor rings 17, 18 (FIG. 1), and a gap between the sensor coil 41 and the sensor rings 17, 18.
[0030]
The I / F circuit 20 includes a torque detection circuit 21 for detecting torque, and a failure detection circuit 25 for detecting an abnormality of the torque detection circuit 21.
The torque detection circuit 21 oscillates a signal based on the inductance of the sensor coil 41 and the resistance provided in the main oscillation circuit 22. The pulse signal oscillated from the main oscillation circuit 22 is shaped by the pulse shaping circuit 23, and the shaped pulse signal is input to the timer input 31 of the microcomputer 30 as a torque signal.
The torque detection circuit 21 is connected to the sensor coil 41, and is provided with a temperature detection circuit 24 for detecting the temperature of the sensor coil 41. The temperature detection circuit 24 extracts a DC component from the AC / DC superimposed signal generated in the sensor coil 41, adds necessary scaling to the extracted DC component, and outputs a signal obtained by adding the scaling to a temperature characteristic signal (hereinafter, a temperature characteristic signal). (Referred to as a signal) to the A / D input 32 of the microcomputer 30 and the differential amplifier circuit 29.
[0031]
The failure detection circuit 25 includes a sub-oscillation circuit 26 having substantially the same configuration as the main oscillation circuit 22 provided in the torque detection circuit 21. The sub-oscillation circuit 26 oscillates a signal based on the inductance of the sensor coil 41 and the resistance provided in the sub-oscillation circuit 26, similarly to the main oscillation circuit 22. The sub-oscillation circuit 26 oscillates at the oscillation timing of the main oscillation circuit 22. The signal oscillated from the sub-oscillation circuit 26 is shaped by a pulse shaping circuit 27, and the shaped signal is the monitor 1 signal. Is output to the timer input 33 of the microcomputer 30.
Further, the fail detection circuit 25 includes a temperature detection circuit 28 having substantially the same configuration as the temperature detection circuit 24 provided in the torque detection circuit 21. The temperature detection circuit 28 extracts a DC component from the AC / DC superimposed signal generated in the sensor coil 41, adds necessary scaling to the extracted DC component, and uses the signal obtained by adding the scaling as a temperature characteristic signal as a differential amplifier circuit. 29.
[0032]
Here, the configurations of the main oscillation circuit 22 and the sub oscillation circuit 26 will be described with reference to FIG.
The main oscillation circuit 22 includes a resistance circuit R1, resistors R2 to R5, and an operational amplifier U1, and the sub oscillation circuit 26 includes resistances R6 to R9 and an operational amplifier U2. The resistance circuit R1 is a bridge circuit composed of four resistors R1a to R1d. The RL time constant is determined between the resistor R1 and the inductance L of the sensor coil 41, and the oscillation frequency is determined.
[0033]
The resistors R2 and R3 determine the bias voltage of the + input of the operational amplifier U1 to establish oscillation, and the resistors R4 and R5 determine the threshold voltage of the-input of the operational amplifier U1. The operational amplifier U1 operates as a comparator that compares the voltage levels of the − input and the + input, and outputs the comparison result as a binary value of an H level (high voltage level) or an L level (low voltage level). The operational amplifier U1 outputs an L level when −input> + input, and outputs an H level when −input <+ input.
The resistors R6 and R7 determine the bias voltage of the + input of the operational amplifier U2 to establish oscillation, and the resistors R8 and R9 determine the threshold voltage of the-input of the operational amplifier U2. The operational amplifier U2 performs the same operation as the operational amplifier U1.
The operational amplifiers U1 and U2 perform the same function, and the resistors R2 to R5 and the resistors R6 to R9 also perform the same function.
[0034]
Next, operations of the main oscillation circuit 22 and the sub oscillation circuit 26 will be described. Now, consider the moment when the output of the operational amplifier U1 (that is, the point J) changes from L level to H level. The H-level energy passes through the resistor circuit R1 and charges the sensor coil 41 (provided that the operational amplifier U1 can supply a sufficient current to the resistor circuit R1 and the sensor coil 41). As a result, the potential of the sensor coil end (that is, the point K) gradually decreases from the initial H level potential due to the discharge. The decrease characteristic is determined by the RL time constant of the resistance circuit R1 and the inductance L of the sensor coil 41.
[0035]
The potential at the point K is biased (increases in potential) by a bias circuit including resistors R2 and R3, and is applied to the + input of the operational amplifier U1.
On the other hand, a potential obtained by dividing the potential at the point J by the resistors R4 and R5 is applied to the minus input of the operational amplifier U1. Since the potential at the point J is stable, the negative input of the operational amplifier U1 also has a stable threshold potential.
Accordingly, the state in which the point J is at the H level potential until the potential of the + input of the operational amplifier U1 gradually decreases from the potential of the first H level and becomes the same potential as the threshold potential of the − input of the operational amplifier U1. Continue. The period in this state is referred to as a charging period.
[0036]
Then, at the moment when the potential of the + input of the operational amplifier U1 becomes smaller than the threshold potential of the-input of the operational amplifier U1, the output of the operational amplifier U1 changes from the H level to the L level. At this time, the energy stored in the sensor coil 41 is discharged. As a result, the potential at the point K becomes a negative potential, and the potential gradually increases from there. The increase characteristic is also determined by the RL time constant of the resistance circuit R1 and the inductance L of the sensor coil 41.
As described in the charging period, the potential at the point K is biased by the bias circuit including the resistors R2 and R3 and applied to the + input of the operational amplifier U1.
[0037]
On the other hand, a threshold potential obtained by dividing the L level potential at the point J by the resistors R4 and R5 is applied to the minus input of the operational amplifier U1.
Therefore, the state where the point J is at the L level potential continues until the potential of the + input of the operational amplifier U1 gradually increases from the L level potential and becomes the same potential as the threshold potential of the − input of the operational amplifier U1. The period in this state is referred to as a discharge period.
Then, at the moment when the potential of the + input of the operational amplifier U1 becomes larger than the threshold potential of the-input of the operational amplifier U1, the output of the operational amplifier U1 changes from the L level to the H level, and enters a charging period.
Thereafter, the charge period and the discharge period are repeated, and a pulse signal is oscillated and output from the operational amplifier U1.
[0038]
Further, the potential at the point K is biased by a bias circuit composed of the resistors R6 and R7 of the sub-oscillation circuit 26, and is applied to the + input of the operational amplifier U2. On the other hand, a potential obtained by dividing the potential at the point J by the resistors R8 and R9 is applied to the minus input of the operational amplifier U2. Then, the operational amplifier U2 repeats the same oscillation operation at the same oscillation timing as the operational amplifier U1, and outputs a pulse signal having a cycle corresponding to a change in torque.
[0039]
Next, the flow of the torque calculation process executed by the microcomputer 30 will be described with reference to the flowchart of FIG.
First, when the steering wheel provided on the vehicle is operated, a relative displacement occurs between the shaft 11 and the shaft 13, and the amount of overlap between the sensor rings 17, 18 (FIG. 1) is displaced. The inductance L of the coil 41 changes. Then, the changed inductance L is used as the inductance L of the main oscillation circuit 22 of the torque detection circuit 21, and a signal having a cycle proportional to the inductance L is oscillated by the main oscillation circuit 22. Subsequently, the oscillated signal is subjected to waveform shaping by the pulse shaping circuit 23 and output to the timer input 31 of the microcomputer 30 as a torque signal.
The temperature detection circuit 24 outputs a signal corresponding to the temperature of the sensor coil 41 to the A / D input 32 of the microcomputer 30 as a temperature characteristic signal.
[0040]
Then, the microcomputer 30 detects that the torque signal (FIG. 2) has been input to the timer input 31 (step (hereinafter abbreviated as S) 10: Yes), and when the temperature signal is input from the A / D input 32, (S12), the cycle A (FIG. 3) of the input torque signal is calculated using the clock signal (S14). Subsequently, the microcomputer 30 calculates the voltage V1 of the temperature characteristic signal (S16), and calculates the temperature-compensated torque based on the cycle A and the voltage V1 (S18).
In the calculation of the torque, for example, a first table in which the cycle A is associated with the torque and a second table in which the voltage V1 is associated with the torque are stored and extracted from the first table. This is performed by adding the torque extracted from the second table to the generated torque.
[0041]
Next, a flow of processing (hereinafter, referred to as abnormality detection processing 1) executed by the microcomputer 30 to detect an abnormality of the main oscillation circuit 22 will be described with reference to a flowchart of FIG.
When detecting that the monitor 1 signal (FIG. 2) is input to the timer input 33 (S20: Yes), the microcomputer 30 calculates the pulse width B (FIG. 3) of the monitor 1 signal using the clock signal (FIG. 3). S22). Subsequently, the microcomputer 30 performs a calculation (2B-A) of subtracting the period A calculated in S14 of the torque calculation process from a value obtained by doubling the calculated pulse width B (S24). Subsequently, the microcomputer 30 determines whether or not the calculation result (2B-A) exceeds a threshold value ± C stored in a ROM (not shown) or the like (S26), and determines the calculation result (2B-A). ) Exceeds the threshold value ± C (S26: Yes), an abnormal 1 signal is output (S28).
[0042]
For example, when the pulse duty is set to 50% and the main oscillation circuit 22 and the sub oscillation circuit 26 operate normally, the operation result (2B-A) becomes 0. However, when deterioration of the element occurs, the period and pulse width of the pulse signal change, so that the calculation result (2B-A) shows a value different from the normal value. Therefore, when the value exceeds ± C, it is determined to be abnormal.
The value of ± C is set in consideration of, for example, variations in elements constituting the circuit. When the pulse duty is other than 50%, the determination in S26 is (2B-A)> Co ± C (Co is the initial value of the abnormality determination value).
That is, abnormality detection can be performed without necessarily setting the pulse duty to 50%.
In addition, even when an abnormality occurs in the sub-oscillation circuit 26, the abnormality can be detected by executing the abnormality detection processing 1. Further, the abnormal signal output in S28 is output to, for example, an indicator of an instrument panel provided in the vehicle, and the indicator performs a predetermined abnormal display.
[0043]
Next, a flow of processing (hereinafter, referred to as abnormality detection processing 2) executed by the microcomputer 30 to detect an abnormality of the temperature detection circuit 24 will be described with reference to a flowchart of FIG.
The microcomputer 30 inputs the monitor 2 signal (FIG. 2) to the A / D input 34 (S30), and calculates the voltage V2 of the monitor 2 signal (S32). Subsequently, the microcomputer 30 determines whether the calculated voltage V2 is equal to or higher than the voltage VB and equal to or lower than the voltage VA, that is, whether the calculated voltage V2 is within the normal range (S34). When the microcomputer 30 determines that the voltage V2 is not within the normal range, that is, determines that an abnormality has occurred in the temperature detection circuit 24 (S34: No), the microcomputer 30 outputs an abnormality signal (S36).
The output abnormality signal is output to, for example, an indicator of an instrument panel provided in the vehicle, and the indicator performs a predetermined abnormality display.
[0044]
As described above, when the torque sensor according to the first embodiment is used, since the inductance L of the sensor coil 41 that changes according to the change in torque is used, the sine wave for applying a sine wave to the sensor coil 41 is used. No application circuit is required. Further, since the torque can be detected by directly inputting the pulse signal to the microcomputer 30, an A / D conversion circuit is unnecessary.
Further, since the torque sensor according to the first embodiment detects the torque based on the cycle A of the pulse signal, even when the power supply voltage supplied to the torque sensor fluctuates, the amplitude of the pulse signal fluctuates. Since it does not affect the cycle of the pulse signal, accurate torque detection can be performed. Therefore, an input power supply for supplying a voltage higher than the operating voltage of the microcomputer 30 is not required.
Therefore, if the torque sensor according to the first embodiment is used, the circuit configuration can be simplified.
Moreover, since the torque is detected using the LR oscillation circuit that does not include the capacitor affected by the temperature, the accuracy of the torque detection can be further improved. Further, since the occurrence of an abnormality in the main oscillation circuit 22 for detecting torque and the temperature detection circuit 24 for performing temperature compensation can be detected, the reliability of torque detection can be improved.
[0045]
Next, a torque sensor according to a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
The torque sensor according to the second embodiment is characterized in that an abnormality of the resistance circuit R1 can be detected. FIG. 5 is an explanatory diagram showing a configuration for detecting an abnormality of the resistance circuit R1.
Assuming that the resistance values of the four resistors R1a to R1d forming the resistor circuit R1 are all the same, the potentials at the points P and Q become equal.
Therefore, as shown in FIG. 5, the output at the point P and the point Q is input to the differential amplifier circuit, and the output is monitored by the microcomputer 30, so that any one of the four resistors R1a to R1d can be used. Abnormality can be detected.
However, it is a premise of the abnormality detection that two or more resistances do not become the same abnormal state at the same time.
As described above, if the torque sensor according to the second embodiment is used, it is possible to detect all the abnormalities of the elements and circuits constituting the main oscillation circuit 22, so that the reliability of the torque detection is further improved. be able to.
[0046]
By the way, in the sensor coil 41, it is generally considered that this does not occur. However, for example, the occurrence of a so-called rare short, in which the coil coating is peeled off and the impedance of the sensor coil 41 changes, is considered. .
Therefore, a torque sensor according to a third embodiment of the present invention, which is capable of detecting such a rare short, will be described with reference to FIG. FIG. 4 is an explanatory diagram showing the electrical configuration of the torque sensor according to the third embodiment by blocks.
As shown in FIG. 4, by providing a rare short detection circuit 45 in the fail detection circuit 25, rare short detection is performed.
The rare short detection circuit 45 is connected to one end of the sensor coil 41 and the intermediate tap M, as shown in FIG. The DC components of the AC / DC superimposed signal generated in M are taken out.
[0047]
The DC component of the AC / DC superimposed signal generated from one end of the sensor coil 41 is extracted by the resistor R20 and the capacitor C1, and the extracted DC component is passed through the amplifier 45a to the differential amplifier circuit 29 (FIG. 4). Output to The alternating-current superimposed signal generated from the intermediate tap M has its direct-current component extracted by the resistor R21 and the capacitor C2. The extracted direct-current component is amplified twice by the amplifier 45b, and the amplified direct-current component is amplified. The component is output to the differential amplifier circuit 29.
[0048]
The differential amplifier circuit 29 differentially amplifies the signals output from the temperature detection circuit 24, the temperature detection circuit 28, and the rare short detection circuit 45, and uses the differentially amplified signal as a monitor 2 signal of the microcomputer 30. Output to A / D input 34. Then, the microcomputer 30 detects an abnormality of the temperature detection circuit 24 and a rare short-circuit of the sensor coil 41 based on the voltage V2 of the signal input to the A / D input 34. For example, the same process as the above-described abnormality detection process 2 (FIG. 9) is performed, and an abnormal signal is output when the voltage V2 is outside the normal range.
As described above, when the torque sensor according to the third embodiment is used, since a rare short circuit of the sensor coil 41 can be detected in addition to the abnormality detection of each circuit, it is possible to ensure the normal torque detection. .
[0049]
By the way, in each of the above embodiments, the case where the torque sensor of the present invention is applied to a steering device of a vehicle has been described as a representative. However, a torque sensor of a type that detects a change in torque acting on an object as a change in inductance is provided. If it is a device, it can be applied to such a device.
[0050]
Note that the main oscillation circuit 22 corresponds to the first oscillation circuit of the present invention, and the sub oscillation circuit 26 corresponds to the second oscillation circuit. Further, the configuration shown in FIG. 5 corresponds to the resistance circuit abnormality detecting means of the present invention, and the intermediate tap M and the rare short detecting circuit 45 correspond to the rare short detecting means.
8 executed by the microcomputer 30 function as abnormality detecting means of the present invention, and S10 to S18 in FIG. 7 function as torque detecting means. 9 executed by the microcomputer 30 function as a rare short detecting means.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an explanatory diagram showing a structure of a steering mechanism provided with a torque sensor according to a first embodiment of the present invention, including a partial cross section.
FIG. 2 is an explanatory diagram showing an electric configuration of a torque sensor shown in FIG. 1 by blocks;
FIG. 3 is an explanatory diagram showing a configuration of a main oscillation circuit 22 and a sub oscillation circuit 26.
FIG. 4 is an explanatory diagram showing an electric configuration of a torque sensor according to a third embodiment by blocks;
FIG. 5 is an explanatory diagram showing a configuration for detecting an abnormality of a resistance circuit R1.
FIG. 6 is an explanatory diagram showing a configuration of a rare short detection circuit 45;
FIG. 7 is a flowchart illustrating a flow of a torque calculation process executed by the microcomputer 30;
FIG. 8 is a flowchart showing a flow of abnormality detection processing 1 executed by the microcomputer 30;
FIG. 9 is a flowchart showing a flow of abnormality detection processing 2 executed by the microcomputer 30;
FIG. 10 is an explanatory view showing a structure of a steering mechanism provided with a conventional torque sensor, including a partial cross section.
FIG. 11 is an explanatory diagram showing the electrical configuration of the torque sensor shown in FIG. 10 by using blocks.
[Explanation of symbols]
10 Steering mechanism
15 Torsion bar
17, 18 sensor ring
20 I / F circuit
22 Main oscillation circuit (first oscillation circuit)
26 Sub oscillation circuit (second oscillation circuit)
30 microcomputer
41 Sensor coil

Claims

物体に作用するトルクの変化に対応してインダクタンスが変化する単一のコイルを備え、そのコイルのインダクタンスに基づいて前記トルクを検出するトルクセンサにおいて、
前記コイルのインダクタンスを検出し、その検出したインダクタンスに対応する周期を有するパルス信号を発振する第１および第２の発振回路と、
前記コイルの温度に対応する信号を温特信号として出力する温度検出回路と、
前記第１の発振回路から出力された信号の波形を整形し、その整形した信号をトルク信号として出力するパルス整形回路と、
前記トルク信号を入力してそのトルク信号の周期をクロック信号を用いて演算し、前記温特信号を入力してその温特信号の電圧を演算し、その演算された周期および電圧に基づいて温度補償されたトルクを演算するマイクロコンピュータと、
前記第１および第２の発振回路からそれぞれ発振されたパルス信号を比較し、その比較結果に基づいて前記第１および第２の発振回路の少なくとも一方の異常を検出する異常検出手段と、
前記コイルの全体および前記コイルの中間に位置する中間タップに発生する交直流重畳信号の直流成分をそれぞれ取出すとともに、その取出した直流成分に基づいて前記コイルのレアショートを検出するレアショート検出手段とが備えられており、かつ、前記コイルに正弦波を印加するための正弦波発振回路が備えられていないことを特徴とするトルクセンサ。A torque sensor that includes a single coil whose inductance changes in response to a change in torque acting on an object, and detects the torque based on the inductance of the coil.
First and second oscillation circuits for detecting an inductance of the coil and oscillating a pulse signal having a cycle corresponding to the detected inductance;
A temperature detection circuit that outputs a signal corresponding to the temperature of the coil as a temperature characteristic signal,
A pulse shaping circuit that shapes a waveform of a signal output from the first oscillation circuit and outputs the shaped signal as a torque signal;
The torque signal is input, the cycle of the torque signal is calculated using a clock signal, the temperature characteristic signal is input, the voltage of the temperature characteristic signal is calculated, and the temperature is calculated based on the calculated period and voltage. A microcomputer for calculating the compensated torque;
Abnormality detecting means for comparing pulse signals respectively oscillated from the first and second oscillation circuits and detecting an abnormality of at least one of the first and second oscillation circuits based on the comparison result;
Rare short detection means for extracting the DC component of the AC / DC superimposed signal generated at the intermediate tap located in the middle of the entire coil and the coil, and detecting a rare short of the coil based on the extracted DC component. And a sine wave oscillation circuit for applying a sine wave to the coil is not provided .

前記異常検出手段は、
前記第１または第２の発振回路の一方から発振されたパルス信号の周期を検出する周期検出手段と、
前記第１または第２の発振回路の他方から発振されたパルス信号のパルス幅を検出するパルス幅検出手段とを備え、
前記周期検出手段によって検出された周期および前記パルス幅検出手段によって検出されたパルス幅に基づいて前記第１および第２の発振回路の少なくとも一方の異常を検出することを特徴とする請求項１に記載のトルクセンサ。The abnormality detecting means includes:
Cycle detecting means for detecting a cycle of a pulse signal oscillated from one of the first or second oscillation circuit;
Pulse width detection means for detecting a pulse width of a pulse signal oscillated from the other of the first or second oscillation circuit,
2. The apparatus according to claim 1, wherein an abnormality of at least one of the first and second oscillation circuits is detected based on a cycle detected by the cycle detection unit and a pulse width detected by the pulse width detection unit. A torque sensor as described.

前記コイルには、発振周波数を決定するための抵抗回路が接続されており、
その抵抗回路の所定箇所における電圧を検出し、その検出された電圧に基づいて前記抵抗回路の異常を検出する抵抗回路異常検出手段が備えられたことを特徴とする請求項１または請求項２に記載のトルクセンサ。A resistance circuit for determining an oscillation frequency is connected to the coil,
3. A resistance circuit abnormality detecting means for detecting a voltage at a predetermined portion of the resistance circuit and detecting an abnormality of the resistance circuit based on the detected voltage. A torque sensor as described.

前記第１および第２の発振回路は、
前記コイルのインダクタンスをおよび抵抗を用いたＬＲ発振回路であることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１つに記載のトルクセンサ。The first and second oscillation circuits include:
The torque sensor according to any one of claims 1 to 3, wherein the LR oscillation circuit uses an inductance and a resistance of the coil.