JPS61178626A

JPS61178626A - 光学式トルク検出装置

Info

Publication number: JPS61178626A
Application number: JP1850385A
Authority: JP
Inventors: Mitsutaka Katada; 満孝堅田; Minoru Nishida; 実西田; Yoshinori Otsuka; 義則大塚
Original assignee: Nippon Soken Inc
Current assignee: Soken Inc
Priority date: 1985-02-04
Filing date: 1985-02-04
Publication date: 1986-08-11

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。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１（１図に示すような方式が一般的である。１
１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
ンプ、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、１８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口ぼである。

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
ネットビックアンプ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１１図は発生した
矩形波を表わす。５ｒ１Ｗは波形整形回路１６から得ら
れる矩形波であり、Ｓａη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５（１６１と矩形波
ＳＱηの間には位相差（。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
一本発明の目的は、前述の従来形における問題点に鑑み、
トーションバーを内蔵するシャフト、トルク発生時の該
トーションバーのねじれ量を変位量として検出するため
互いに対向して配置された発光素子および１チツプ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、電圧
変動等による発光素子の光量変化、温度変化にともなう
出力変化の影響を受けず、トルクに対して直線的に変化
する出力を発生させ、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、光学式トルク検出装置であって、該装ｚ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
向して設置された１チツプ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、該受光素子の出力
電圧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、トルク発生時のトーションバーのねじ
れ量が該受光素子上の光スポットの移動量として検出さ
れ、該信号処理手段は該受光素子の２つの出力電圧（Ｖ
ｔ　、　ＶＺ）に対して（Ｖ、　−Ｖｔ）　／　（Ｖ＋
＋Ｖｚ）なる信号処理を行な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
受光素子の出力の差と和の商をとることでトルクに対応
した出力を直線的に変換する。トルクが働くと１チフプ
２素子構成の受光素子と発光素子の相対的位置が変化し
、ｌチップ２素子構成の受光素子の出力差Ｖ、−ＶＺに
変動を生ずる。この変動量がトルクに対応した信号とな
るが、実際にはその出力は温度に大きく依存する。それ
で、温度補償として出力比をとるのであるが、これはト
ルクに対し直線的に変化しない。そこで（Ｖｔ−Ｖｔ）
　／　（Ｌ＋Ｖｚ）をとることによりトルクに対し直線
的な出力とする。Ｖ、＋Ｖ！は全光量に対応する出力で
あり各温度で一定となる。これにより温度補償可能でト
ルクに対して直線的な出力を発生することかできるトル
ク検出器を得ることができる。

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３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
からの信号処理する信号処理回路である。

第２図は、第１図におけるシャフト部２を示した図であ
る。シャフト部２はトーションバー２．２を内蔵し、上
部はシャツ）２１と結合し、下部はピニオンシャフト２
３と結合している。ピニオンシャフト２３には、ステア
リングギヤハウジングロア２４１　と結合するためベア
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２
１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
のねじ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図で示されるように、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チツプ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にブラシ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　、４
５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により圧入にて固定される。発光部３はシャ
ツ）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、発光素
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３８　、３７、回転電極３４　、３５及び基
板３３の互いの絶縁を保つ絶縁体３６０，３６１．３６
２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４１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チツ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４１１．４１２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。半導体ｌ１ｆ４１７を
有する面と反対の面には電源電極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４１３．４
１４はそれぞれ例えばＡｌ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３１＾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および受光素子
４１の接続関係を示す回路図である。

６４は受光素子４１から発生した２つの出力の和を検出
する加算回路、６５は受光素子４１から発生した出力の
差を検出する減算回路、６６は前記加算回路６４から発
生した出力と前記減算回路から発生した出力の比を検出
するため、例えばＩＮＴＥＲ５ＩＬ社製品８０１３金製
品８０１３回路である。

このような構成の信号処理回路６を用いることにより、
得られる出力は、受光素子４１から発生した出力をＬ　
、Ｖｔとすると、（ＶＩ　　Ｖ２）　／　（Ｖｌ　＋Ｖ
ｚ）となる。すなわち、それぞれの出力の比の関数とし
て検出することになる。

なお発光素子３１、受光素子はそれぞれ電源ＰＳ１．Ｐ
Ｓ２から電源供給を受ける。

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７図のごとく光スポラ）　３１Ａが
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２２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、
光スポット３１Ａは受光素子上を移動する。これにより
、各素子上の光量変化が発生し、出力変化が生ずること
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の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。本発明においては受
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
化を容易に検出できる。また、信号処理回路６より発生
する出力はｒ　（Ｖ、−Ｖ２）　／（ＶＩ＋Ｖｔ）　Ｊ
即ちｒ　（（Ｖ＋／Ｖｚ）　−１”）　／　（（Ｖ＋／
Ｖｔ）　＋　１）　Ｊであり、比の関数となっている。

トーションバー２２のねじれ角は材質の弾性限界内でな
ければならない。このため、そのねじれ角は３°程度と
なるので、発光素子３１及び受光素子４１のシャフト軸
中心からの距離、発光素子３１のスポット径、デュアル
の受光素子４１の大きさ、形状を適当に選ぶことにより
出力差［ｖｌ−Ｖ、Ｊはトルクに対し直線変化可能とな
る。一方出力和ｒＬ＋％ｈＪはデュアルの受光素子４１
上の全光量に対応する出力となるので、トルクに対し一
定となる。すなわち、信号処理回路６から得られる出力
は、トルクに対し１直線的に変化させることが可能とな
る。

以上の動作のまとめが、第９図を参照しつつ説明される
。デュアルの受光素子４１の２つの出力Ｖ、、Ｖ、は前
述のごとく微小変位となるため、＋１）のごとくトルク
に対し直線性を有し、一体化による素子間の位置決めの
容易さ及び特性の一致により対称性を有した出力特性を
有する。しかしながら、例えば温度変化Ｔ＋　、　Ｔｔ
（Ｔ＋　＜Ｔｚ）により、その出力特性は大きく変化す
る。この変化を補償するには光量比すなわち出力比Ｖｚ
／Ｖ＋のトルクに対する変化を検出すればよいが、単に
出力比を検出しただけでは第９図（２）のごとく、その
出力特性は直線性を失ってしまう。しかしながら、本実
施例の構成を持つ信号処理回路６を使用すれば前述の説
明のごとく、第９図（３）に示されるようにトルクに対
し直線変化を示す出力特性が得られ、しかもその出力特
性は発光素子３１の光量変化、温度特性等の影響を受け
ずにトルクの検出が可能となる。

前述の実施例においては、トルクの発生しない状態でデ
ュアルの受光素子４１上に均等光スボツ１−３ＬＡが照
らされていたが、これに限らず、出力変化の領域であれ
ば、どこを基準としても構わない。また、第７図、第８
図における光スポット３１＾の大きさは、デュアルの受
光素子４１上の全光量がトルクに対し一定となり、それ
ぞれの出力をトルクに対し直線的に変化させることが可
能であればどのような大きさ、形状でもよい。

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、
トルク発生時の該トーションバーのねじれ量を変位量と
して検出するため互いに対向して配置された発光素子お
よび１チツプ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が用いられ、該信号処
理回路において電圧変動等による発光素子の光量変化、
温度変化にともなう出力変化の影響を受けずトルクに対
して直線的に変化する出力が発生させられ、それにより
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
検出装置を得ることができる。

【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のトルク検
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を示す
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３図における信号処理回路の例を示す図、第７図、第８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９図は、トルクに対する信号処理回路の出力特性を説
明するための図、第１０図は従来のトルクセンサの一例を示した構成図、第１１図は、第１０図中の２つの波型整形器から発生し
た出力を示す図である。（符号の説明）２・・・シャフト部、　　２１・・・シャフト、２２・
・・トーションバー、２３・・・ピニオンシャフト、２
５１　・・・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ソバ、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。Ｗｋｚ図第３図第　４　図３’ｌＡ婚７図婚８図３１Ａ　　　　　　４１１１９図第１０図第１１図一二、。

Claims

【特許請求の範囲】

光学式トルク検出装置であって、該装置はトーションバ
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
設置された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、該受光素子の出力電圧を
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、トルク発生時のトーションバーのねじれ量が
該受光素子上の光スポットの移動量として検出され、該
信号処理手段は該受光素子の２つの出力電圧（Ｖ＿１、
Ｖ＿２）に対して（Ｖ＿１−Ｖ＿２）／（Ｖ＿１＋Ｖ＿
２）なる信号処理を行な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。