JP5790142B2 - トルクセンサ及びこれを備えた電動パワーステアリング装置 - Google Patents
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Description
しかしながら、上記特許文献1に記載のトルクセンサでは、トルクによる非磁性円筒体とセンサシャフト部との相対回転差を検出してトルクを検出することが主目的であり、 非磁性円筒体の軸方向変位は検出することができないという未解決の課題がある。
また、本発明の第4の形態に係る電動パワーステアリング装置は、第1又は第2の形態のトルクセンサを備え、該トルクセンサの検出トルクに基づいてステアリング機構に伝達する操舵補助トルクを発生する電動モータを駆動して操舵補助制御を行う操舵補助制御部と、前記トルクセンサの複数のトルク演算部から出力される複数の検出トルクに基づいて前記トルクセンサのトルク検出部の異常を判定する異常判定部とを有することを特徴としている。
図1は、本発明に係る電動パワーステアリング装置の主要部を示す断面図であり、図2は、本発明に係るトルクセンサの構成を示す斜視図である。
図1において、ハウジング5は入力軸側ハウジング部5aと出力軸側ハウジング部5bとに2分割された構造を有する。入力軸側ハウジング部5aの内部には、入力軸1が軸受6aによって回転自在に支持されている。また、出力軸側ハウジング部5bの内部には出力軸2が軸受6b及び6cによって回転自在に支持されている。
入力軸1、トーションバー3及び出力軸2は同軸に配置されており、入力軸1とトーションバー3とはピン結合し、また、トーションバー3と出力軸2とはスプライン結合している。図1において、入力軸1の出力軸2とは反対側には、図示されていないステアリングホイールが一体的に取り付けられている。また、出力軸2には入力軸1とは反対側にピニオン軸2aが一体的に形成されており、ピニオン軸2aはラック軸4と噛合して公知のラックアンドピニオン式ステアリング機構を構成している。
円筒部材12には、前記したセンサシャフト部11の表面の凸条11aに対向する位置に、円周方向に等間隔に配置された複数個(図2では9個)の長方形の窓12aからなる第1の窓列と、前記第1の窓列から軸方向にずれた位置に、前記窓12aと同一形状で、円周方向の位相が異なる複数個(図2では9個)の長方形の窓12bからなる第2の窓列とが設けられている。
そして、検出コイル13a、13b及び13c、13dは円筒部材12と同軸に配置され、検出コイル13a及び13cは窓12a及び12cからなる第1の窓列部分を包囲し、検出コイル13b及び13dは窓12b及び12dからなる第2の窓列部分を包囲する。ヨーク15a及び15bは入力軸側ハウジング部5aの内部に固定され、検出コイル13a、13b及び13c、13dの出力線17は入力軸側ハウジング部5aの内部に配置された回路基板18に接続されている。
窓12a〜12dの角度aは窓12a〜12dのない部分の角度bよりも小さく設定(a<b)され、凸条11aの角度cは溝部11bの角度dよりも小さく設定(c<d)される。これは、検出コイルのインピーダンスの変化を急峻にするためである。
円筒部材12に窓が形成されている場合は、円筒部材12の外周面に発生した渦電流は、窓12a及び12bによって外周面を周回できないため、窓12a及び12bの端面に沿って円筒部材12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12a及び12bの端面に沿って外周面側に戻り、ループを形成する。つまり、検出コイル内側に渦電流のループを、円周方向に周期的に配置した状態が発生する。コイル電流による磁界と渦電流による磁界とは重畳され、円筒部材12の内外には、円周方向に周期的に強弱変化する磁界と、中心に向かうほど小さくなる半径方向に勾配を持った磁界が形成される。円周方向の周期的な磁界の強弱は、隣り合う渦電流の影響を受ける窓12a,12c及び12b,12dの中心で強く、そこからずれるに従い弱くなる。
図5の特性曲線L 13 、L 14 に示すインダクタンスの特性は比例して出力される電圧にそのまま置き換えることができ、特性曲線L 13 、L 14 に示すインダクタンスの特性を電圧に置き換えると、検出コイル13a(又は13c)の検出トルク電圧、検出コイル13b(又は13d)の検出トルク電圧と操舵トルクTとの関係になり、両検出トルク電圧の交点である中立電圧が本実施形態では2.5Vとなるように調整されている。この電圧クロス特性から検出コイル13a(又は13c)の検出トルク電圧と検出コイル13b(又は13d)の検出トルク電圧との合計値は2.5+2.5=5.0Vとなる。
トルク演算処理部20は、トルク検出部10の軸方向両端側の一対の検出コイル13a及び13bを使用して第1のトルクを検出する第1トルク検出系統と、軸方向中央側の一対の検出コイル13c及び13dを使用して第2のトルクを検出する第2トルク検出系統とを構成するように同一構成を有する2組のトルク演算部21A及び21Bを備えている。
トルク演算部21Aは、一対の検出コイル13a及び13bの一端が互い接続されて接地され、他端に抵抗R1a及びR1bが直列に接続され、これら抵抗R1a及びR1bの他端を互いに接続した構成を有するブリッジ回路210Aを備えている。
これらブリッジ回路210A及び210Bでは、入力軸1にトルクが作用していない状態では、検出コイル13a,13c及び13b,13dの両端に表れる電圧がそれぞれ等しくなるように、つまり差分電圧が0となるように予め抵抗R1a、R1b及びR2a、R2bの抵抗値が調整されている。
また、トルク演算部21Aは、ブリッジ回路210Aの検出コイル13a及び13bの両端に表れるインピーダンス変化に応じた電圧信号が入力されるとともに、交流電圧信号Vosc1が入力されたメイン増幅・全波整流部212Aと、このメイン増幅・全波整流部212Aから出力される整流信号が入力されるメイン平滑・中立調整部213Aを有する。ここで、メイン増幅・全波整流部212Aでは、検出コイル13a及び13bの両端に表れる電圧信号の差分信号Vdefを算出し、この差分信号Vdefを増幅するとともに、整流して整流信号をメイン平滑・中立調整部213Aに出力する。
コントロールユニット30は、図6に示すように、トルクセンサTSからメイン検出トルク信号Tm1、Tm2及びサブ検出トルク信号Ts1、Ts2が入力されている。このコントロールユニット30は、入力されたメイン検出トルク信号Tm1、Tm2及びサブ検出トルク信号Ts1、Ts2に基づいて信号監視を行う異常判定部32と、メイン検出トルク信号Tm1、Tm2に基づいて操舵補助制御を行って操舵補助用電動モータ31を駆動制御する操舵補助制御部33とを備えている。
ここで、サブ検出トルク信号Ts1、Ts2はトルクセンサの異常監視に利用されるのみで、操舵補助用電動モータの駆動には利用されない。
さらに、異常判定部32で、第1トルク検出系統及び第2トルク検出系統の双方の異常が判定された場合には、操舵補助制御部33で、正常な過去トルク値を使用して操舵補助用電動モータを駆動し、操舵補助トルクを徐々に減少させるトルク漸減処理を行い、安全に操舵補助制御を停止させるフェールセーフモードに移行する。
すなわち、軸方向変位検出部40では、図7に示す軸方向変位検出処理を実行する。この軸方向変位検出処理は、図7に示すように、所定時間(例えば100msec)毎のタイマ割込処理として実行され、先ず、ステップS1で、ブリッジ回路210Aから出力される検出コイル13a及び13bの両端に表れる現在の電圧信号Va(n)及びVb(n)を読込み、RAM等に形成した2段のシフトレジスタ構成を有する電圧信号記憶領域の初段に記憶する。
ΔVa=Va(n)−Va(n-1) …………(1)
ΔVb=Vb(n-1)−Vb(n) …………(2)
このステップS4では、電圧変化量ΔVbが予め設定した通常時のトルク変化に応じた電圧変化量より大きな閾値ΔVs2以上であるか否かを判定し、ΔVb≧ΔVs2であるときには、電圧変化量ΔVbが通常時より大きく、出力軸2すなわち円筒部材12が軸方向に変位したものと判断してステップS5に移行する。
このステップS5では、論理値“1”の軸方向変位検出信号Ssを外部の制御装置に出力してからタイマ割込処理の実行を終了する。
外部の制御装置では、論理値“1”の軸方向変位検出信号Ssが入力される各種電気系統の遮断動作、エアバッグの動作等の運転者の安全を確保するために必要な動作を行う。
先ず、入力軸1に衝撃荷重が付加されていない状態で、図示しないステアリングホイールを操舵していない状態では、入力軸1にトルクが伝達されないので、トーションバー3が捩じれることはなく、センサシャフト部11の凸条11aと円筒部材12の窓12a及び12bとは図3(a)及び(b)の関係を保っており、検出コイル13a及び13cのインダクタンス及び検出コイル13b及び13dのインダクタンスが図5の特性曲線L13及びL14のクロスする点となって、互いに等しい値となっている。
同様に、ブリッジ回路210Bにおいても、検出コイル13c及び13dの端子間電圧が等しくなり、メイン増幅・全波整流部212B及びサブ増幅全波整流部214Bから出力される検出トルクがともに零となり、コネクタ203からメイン検出トルク信号Tm2及びサブ検出トルク信号Ts2がコントロールユニット30に出力される。
このステアリングホイールの非操舵状態からステアリングホイールを右操舵(又は左操舵)すると、前述したように、検出コイル13a及び13cのインダクタンスが増加(又は減少)し、検出コイル13b及び13dのインダクタンスが減少(又は増加)する。このインダクタンスの変化に応じてブリッジ回路210A及び210Bから出力される差分電圧が正(又は負)となる。したがって、メイン増幅・全波整流部212A及び212Bとサブ増幅・全波整流部214A及び214Bから出力される検出トルクが正方向(又は負方向)に増加し、これに応じたメイン検出トルク信号Tm1及びTm2とサブ検出トルク信号Ts1及びTs2がコネクタ203を介してコントロールユニット30に出力される。
この正常状態から異常判定部32で第1のトルク検出系統が異常であると判定されたときには、第2のトルク検出系統が正常である状態では、操舵補助制御部33で、トルク演算部21Bのメイン増幅・全波整流部212B及びメイン平滑・中立調整部213Bで演算されたメイン検出トルク信号Tm2に基づいて操舵補助制御が継続されてモータ駆動回路34が制御され、このモータ駆動回路34から出力されるモータ電流で操舵補助用電動モータ31が駆動され、操舵トルクに応じた操舵補助トルクが発生される。
このように、トルクセンサTSに2つのトルク検出系統を設けているので、一方のトルク検出系統に異常が発生しても、操舵補助制御を正常に継続することができる。
また、ステップS3でΔVa<ΔVs1と判定されたときには直ちにステップS6に移行して、論理値“0”の軸方向変位検出信号Ssが外部の制御装置に出力される。
この円筒部材12の軸方向変位によって、図4に示す窓12aの右端がヨーク15aの軸方向右端側のフランジ部より右側に突出し、窓12bの右端も右側に移動してヨーク15aの軸方向左端側のフランジ部に対向する状態となると、ヨーク15bの軸方向左端側のフランジ部には窓12bが対向しない状態となる。
このように上記実施形態では、ヨーク15a及び15b内に装着される検出コイル13a及び13bがそれぞれ窓12a及び12bに対向し、ヨーク15c及び15d内に装着されるコイル13c及び13dがそれぞれ窓12c及び12dに対向するので、ヨーク内の検出コイル同士のトルクに対するインダクタンス特性が同一となり、ヨークを共用することができ、4つの検出コイル毎にヨークを形成する場合に比較して軸方向長さを短くすることができる。
さらに、トルクセンサTSのトルク演算処理部20が前述した構成を有するので、メイン検出トルク信号Tm1及びTm2とサブ検出トルク信号Ts1及びTs2との4つの検出トルク信号に基づいてトルク演算部の異常を判定することが可能となり、信頼性の高い電動パワーステアリング装置を提供することができる。
なお、上記実施形態においては、コントロールユニット30側に異常判定部32を設けた場合について説明したが、これに限定されるものではなく、トルク演算処理部20側に異常判定部32を設け、この異常判定部32の異常判定結果をコントロールユニット30に通知するようにしてもよい。
さらに、上記実施形態においては、軸方向変位検出部40で、電圧変化量ΔVa及びΔVbを算出して、軸方向変位を検出する場合について説明したが、電圧変化量ΔVa及びΔVbに代えて、電圧変化速度を検出して軸方向変位を検出するようにしてもよい。
また、上記実施形態においては、本発明によるトルクセンサTSを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、これに限定されるものではなく、電動パワーステアリング装置以外にも回転軸のトルクを検出する場合に本発明によるトルクセンサTSを適用することができる。
Claims (4)
- 軸方向の両端から内方に延長するフランジ部を形成して内周面を開放した断面コ字状で円環状を有し、内部に検出コイルを配置した一対のヨークを軸方向に隣接させて固定配置し、
該一対のヨークの内周面側に当該一対のヨークと所定間隔を保って対向して円筒部材を配置し、
該円筒部材の内周面側に、軸方向の凸条を円周方向に所定間隔で形成し、伝達されるトルクに応じて当該円筒部材と相対回転されるセンサシャフト部を配置し、
前記円筒部材に、前記一対のヨークに個別に対向し、円周方向に位置を異ならせて前記一対のヨークの検出コイルで互いに逆方向にインピーダンスを変化させる一対の窓を、各窓の軸方向の一端が、対向するヨークの前記軸方向の一端側のフランジ部の軸方向の厚み内に位置し、かつ、各窓の軸方向の他端が、対向するヨークの前記軸方向の他端側のフランジ部の軸方向の厚み内に位置するように形成し、
前記一対のヨークの各々に配置された一対の検出コイルのインピーダンスに基づいてトルクを演算するトルク演算部と、
前記一対の検出コイルのインピーダンス変化を検出して前記円筒部材の軸方向変位を検出する軸方向変位検出部と
を備えたトルクセンサ。 - 前記一対のヨークを2組軸方向にシールド板を介して配置し、
前記トルク演算部は、
前記2組の一対のヨークのうちの一方の組の一対のヨークに配置された一対の検出コイルとこれらに直列に接続した抵抗体とで構成される第1のブリッジ回路と、
前記2組の一対のヨークのうちの他方の組の一対のヨークに配置された一対の検出コイルとこれらに直列に接続した抵抗体とで構成される第2のブリッジ回路と、
前記第1のブリッジ回路及び第2のブリッジ回路に個別に交流信号を印加したときの差分信号に基づいて少なくとも2組の検出トルクを演算するトルク演算回路と
を備えたことを特徴とする請求項1に記載のトルクセンサ。 - 請求項1又は2に記載のトルクセンサを備え、該トルクセンサの検出トルクに基づいてステアリング機構に伝達する操舵補助トルクを発生する電動モータを駆動して操舵補助制御を行う操舵補助制御部を有することを特徴とする電動パワーステアリング装置。
- 請求項1又は2に記載のトルクセンサを備え、該トルクセンサの検出トルクに基づいてステアリング機構に伝達する操舵補助トルクを発生する電動モータを駆動して操舵補助制御を行う操舵補助制御部と、前記トルクセンサの複数のトルク演算部から出力される複数の検出トルクに基づいて前記トルクセンサのトルク検出部の異常を判定する異常判定部とを有す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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