JP2005037345A - トルク検出装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】 温度補償コイル及びトルク検出コイルに印加される電圧の位相が温度ドリフトなどの外乱によって不安定であっても常時正確なトルク検出を可能にするトルク検出装置を提供する。
【解決手段】 予め設定された直流電圧レベルにバイアスされた一定周波数を有する交流電圧信号を検波して検波出力信号を発生させる同期検波器と、ステアリングホイールの回転に対応してインダクタンスが変化するトルク検出コイルと温度変化に対応してインダクタンスが変化する温度補償コイルとが直列接続され、前記直列接続された２つのコイルの両端に前記検波出力信号と前記直流電圧がそれぞれ印加され、前記２つのコイルの接点に前記インダクタンスの変化による第１検出電圧が誘起されるブリッジ回路部と、予め定められた基準電圧と前記第１検出電圧のそれぞれのピーク値の差に対応する大きさのトルク検出信号を発生させる信号変換部とを含む。
【選択図】 図４
【解決手段】 予め設定された直流電圧レベルにバイアスされた一定周波数を有する交流電圧信号を検波して検波出力信号を発生させる同期検波器と、ステアリングホイールの回転に対応してインダクタンスが変化するトルク検出コイルと温度変化に対応してインダクタンスが変化する温度補償コイルとが直列接続され、前記直列接続された２つのコイルの両端に前記検波出力信号と前記直流電圧がそれぞれ印加され、前記２つのコイルの接点に前記インダクタンスの変化による第１検出電圧が誘起されるブリッジ回路部と、予め定められた基準電圧と前記第１検出電圧のそれぞれのピーク値の差に対応する大きさのトルク検出信号を発生させる信号変換部とを含む。
【選択図】 図４
Description
本発明は、車両の操舵装置に関し、特に、ステアリングホイールのトルクを検出するための車両操舵装置のトルク検出装置に関するものである。
操舵装置のパワーステアリングシステム(Power Steering System)は、別途の補助駆動装置によって車輪に補助操舵力を提供することにより、車両の低速走行中及び停車中に運転者がステアリングホイールに加えるべき操舵力を軽減させてステアリングホイールの操作を容易にする。電子式パワーステアリングシステム(ＥＰＳ, Electronic Power Steering System)は、低速走行中及び停車中には大きい補助操舵力を提供し、高速走行中に相対的に小さい補助操舵力のみを提供することにより、低速走行時及び停車中の操舵力軽減と高速走行時の走行安定性を全て満足させる。
電子式パワーステアリングシステムにおいては、ステアリングホイールの回転方向及び角度によって補助操舵力の方向と大きさが決定されるが、このステアリングホイールの回転方向及び角度を検出するために、トルクセンサ(Torque Sensor)が用いられる。トルクセンサのトルク検出原理はステアリングホイールの回転によるトルク検出コイル周辺の磁束変化を利用することである。車両の車輪駆動軸とステアリングホイール駆動軸との間にはトーションバー(Torsion Bar)が設置され、ステアリングホイールの回転によってトーションバーのねじりが生じる。トーションバーのねじりはトルク検出コイル周辺の磁束を変化させるので、この磁束の変化によってトルク検出コイルのインダクタンスの大きさが変化し、トルク検出コイルに誘起される電圧の大きさが変わる。この誘起電圧の増加又は減少する方向と大きさはステアリングホイールの回転方向及び角度を示す指標になる。
図１は特許文献１に開示されている従来のトルク検出装置のブロック図である。図１に示した従来のトルク検出装置において、電流増幅器３１から出力される交流電圧と反転電流増幅器３２から出力される反転交流電圧が、コイルＬ1とコイルＬ2との直列回路の両端に印加される。また、コイルＬ1、コイルＬ2、抵抗Ｒ1、および抵抗Ｒ2により構成されるブリッジ回路から検出されたトルク検出電圧と基準電圧との差が増幅された後、同期検波及びサンプリングを経てトルク検出信号ＴSが得られる。
特開平８−６８７０３公報
しかしながら、従来のトルク検出装置では、図２に示すように、交流電圧ＶBとサンプリングパルス信号ＳＰａとの位相が互いに一致しなければ正確な同期検波及びサンプリングが行われない。図２は、図１に示した従来のトルク検出装置の交流電圧ＶBの位相変化とサンプリングパルス信号を示す図である。仮に、ＶB’とＶB”の如くサンプリングパルス信号ＳＰａと位相が一致しなければ、図３に示すようなサンプリングエラーが発生する。図３は図１に示した従来のトルク検出装置の交流電圧の位相変化によるサンプルホールド回路の出力電圧の変化を示す図である。図３に示すように、交流電圧ＶBの位相が図２のＶB”の如くサンプリングパルス信号ＳＰａの位相から外れると、図３のＶSA”の如く不正確なピーク値がサンプリングされる。サンプリングタイムｔSで正確なピーク値をサンプリングできなければ、電圧／電流変換器３９から出力されるトルク検出信号ＴSは信頼することができなくなる。
そこで、上記した問題点を解消すべく本発明に係るトルク検出装置は、温度補償コイル及びトルク検出コイルに印加される電圧の位相が温度ドリフトなどの外乱によって不安定であっても常時正確なトルク検出を可能にすることを目的とする。
上記の目的を達成するためになされた本発明のトルク検出装置は、予め設定された直流電圧レベルでバイアスされた一定周波数を有する交流電圧信号を検波して検波出力信号を発生させる同期検波器と、ステアリングホイールの回転に対応してインダクタンスが変化するトルク検出コイルと温度変化に対応してインダクタンスが変化する温度補償コイルとが直列接続され、前記直列接続された２つのコイルの両端に前記検波出力信号と前記直流電圧がそれぞれ印加され、前記２つのコイルの接点に前記インダクタンスの変化による第１検出電圧が誘起されるブリッジ回路部と、予め定められた基準電圧と前記第１検出電圧のそれぞれのピーク値の差に対応する大きさのトルク検出信号を発生させる信号変換部とを含むことを特徴する。
そして、前記同期検波器は、前記交流電圧信号のうち前記直流電圧レベル以上の片波信号のみを前記検波出力信号として出力することを特徴とする。
また、本発明のトルク検出装置は、前記交流電圧信号と同位相のサンプリングパルスを発生させるサンプリングパルス発生器をさらに含み、前記同期検波器が前記サンプリングパルスに同期されて前記交流電圧信号を検波することを特徴する。
そして、前記信号変換部は、前記第１検出電圧と前記基準電圧のそれぞれのピーク値を検出するピーク検出器と、前記ピーク検出器から検出される前記２つのピーク値の差を増幅する差動増幅器と、前記差動増幅器で増幅された電圧信号を電流信号に変換して前記トルク検出信号を発生させる電圧／電流変換器とを含むことを特徴する。
本発明の車両用ステアリングホイールのトルク検出装置は、サンプリングパルスを発生させるサンプリングパルス発生器と、前記サンプリングパルスと同位相の予め設定された直流レベルを有する交流電圧信号を受信し、前記交流電圧信号を検波して、前記交流電圧信号の片波信号のみからなる検波出力信号を発生させる同期検波器と、ステアリングホイールの回転に対応してインダクタンスが変化するトルク検出コイルと温度変化に対応してインダクタンスが変化する温度補償コイルとが直列接続され、前記直列接続された２つのコイルの両端に前記検波出力信号と前記直流電圧がそれぞれ印加され、前記２つのコイルの接点に前記インダクタンスの変化による第１検出電圧が誘起されるブリッジ回路部と、予め定められた基準電圧と前記第１検出電圧のそれぞれのピーク値の差に対応する大きさのトルク検出信号を発生させる信号変換部とを含むことを特徴する。
そして、本発明のトルク検出装置では、同期検波器が、予め設定された直流レベルを有する一定の周波数の交流電圧信号を検波し、交流電圧信号の半波信号のみからなる検波出力信号を発生させる。ブリッジ回路部は、ステアリングホイールの回転と温度変化によってインダクタンスが変化するトルク検出コイルと、温度変化によってのみインダクタンスが変化する温度補償コイルとが直列接続され、直列接続された２つのコイルの両端に検波出力信号と直流電圧が印加され、２つのコイルと抵抗との接点でインダクタンスの変化によって誘起される第１及び第２検出電圧がそれぞれ得られる。この際、抵抗の接点は、常時インダクタンスの変化による検出電圧の大きさが一定であるため、基準電圧の役割を果たす。信号変換部は第１及び第２検出電圧のそれぞれのピーク値の差からトルク検出信号を発生させる。
本発明に係るトルク検出装置は、発振信号を予め同期検波して温度補償コイル及びトルク検出コイルに印加し、両コイル間の接点から得られる検出電圧と基準電圧のそれぞれのピーク値を差動増幅することにより、位相変化によるトルク検出信号の歪みを防止することができる。その結果として、常時正確なトルク検出を行うことができる。
以下、本発明に係るトルク検出装置の好適な実施例を図４ないし図９に基づいて説明する。図４は本発明に係るトルク検出装置を示すブロック図である。図４に示すように、発振器４０２は直流電圧ＶDCでバイアスされて一定の周波数の発振信号ＶOSCを発生させる。電流増幅器４０４は、発振器４０２から出力される発振信号ＶOSCの電流成分を増幅するが、電圧成分の位相と振幅はそのまま維持して交流電圧信号Ｖ1を発生させる。従って、この交流電圧信号Ｖ1は発振器４０２からの発振信号ＶOSCの位相、振幅及び直流電圧レベルが全て同一である。
サンプリングパルス発生器４０６は、発振器４０２からの発振信号ＶOSCを入力してサンプリングパルス信号ＶRを発生させる。このサンプリングパルス信号ＶRの位相は交流電圧信号Ｖ1の位相と同一である。同期検波器４０８は電流増幅器４０４とサンプリングパルス発生器４０６からそれぞれ交流電圧信号Ｖ1とサンプリングパルス信号ＶRを入力して交流電圧信号Ｖ1のうちサンプリングパルス信号ＶRと同一の位相を有する部分のみを片検波して検波出力信号Ｖ2として出力する。
ブリッジ回路部４２８は、温度補償コイルＬ1とトルク検出コイルＬ2との直列回路および第１抵抗Ｒ1と第２抵抗Ｒ2との直列回路から構成される。温度補償コイルＬ1とトルク検出コイルＬ2との直列回路の両端、及び第１抵抗Ｒ1と第２抵抗Ｒ2との直列回路の両端には、同期検波器４０８からの検波出力信号Ｖ2と直流電圧ＶDCが印加される。温度補償コイルＬ1とトルク検出コイルＬ2との接点ではステアリングホイールのトルクに応じた第１検出電圧ＶCが得られる。
ブリッジ回路部４２８を用いたステアリングホイールのトルク検出原理は次の通りである。車輪の駆動軸とステアリングホイールの駆動軸との間にはトーションバーが設けられ、ステアリングホイールが回転すると、このトーションバーのねじりが発生する。このトーションバーのねじりはトルク検出コイルＬ2周辺の磁束を変化させるが、この磁束の変化によってトルク検出コイルＬ2のインダクタンスが変化する。従って、このトルク検出コイルＬ2のインダクタンスの変化からステアリングホイールのトルクを検出する。
温度補償コイルＬ1はトルク検出コイルＬ2から純粋なトーションバーのねじりによるインダクタンスの変化のみを検出することを可能にする補償装置である。トルク検出コイルＬ2のインダクタンスはステアリングホイールの回転と温度変化によって変化するが、温度補償コイルＬ1のインダクタンスは温度変化によってのみ変化するだけで、ステアリングホイールの回転とは関係ない。従って、温度補償コイルＬ1におけるインダクタンスの変化は周辺の温度変化などの外乱によるものなので、トルク検出コイルＬ2におけるインダクタンスの変化で温度補償コイルＬ1におけるインダクタンスの変化を相殺すると、周辺温度の変化などによるインダクタンスの変化が排除され、純粋なステアリングホイールの回転によるインダクタンスの変化のみを検出することができる。ブリッジ回路部４２８の第１抵抗Ｒ1と第２抵抗Ｒ2との接点では、Ｌ1＝Ｌ2の時の第１検出電圧ＶCと同一の位相及び振幅の第２検出電圧ＶEが得られる。ステアリングホイールのトルク検出は、温度補償コイルＬ1とトルク検出コイルＬ2との接点から得られる第１検出電圧ＶCと、第１抵抗Ｒ1と第２抵抗Ｒ2との接点から得られる第２検出電圧ＶEとを比較してその差を獲得することによりなされる。
本発明に係るトルク検出装置は、ブリッジ回路部４２８から得られた第１検出電圧ＶC
と第２検出電圧ＶEのそれぞれのピーク値を差動増幅してトルク検出信号ＴSを発生させる。図４の第１ピーク検出器４１０は第２検出電圧ＶEのピーク値を検出して第２ピーク検出電圧ＶP4を発生させ、第２ピーク検出器４１２は第１検出電圧ＶCのピーク値を検出して第１ピーク検出電圧ＶP3を発生させる。第１及び第２ピーク検出器４１０、４１２からそれぞれ出力される第２ピーク検出電圧ＶP4と第１ピーク検出電圧ＶP3との差は、差動増幅器４１４によって増幅された後、電圧／電流変換器４１６で電流の形に変換されることにより、トルク検出信号ＴSが作られる。このトルク検出信号ＴSは操舵装置に補助駆動力を提供するモータの駆動に利用することができる。図４において、抵抗Ｒ1’、Ｒ2’、第３及び第４ピーク検出器４１８、４２０、差動増幅器４２２、電圧／電流変換器４２４はフェールセーフ(fail-safe)用補助回路である。
と第２検出電圧ＶEのそれぞれのピーク値を差動増幅してトルク検出信号ＴSを発生させる。図４の第１ピーク検出器４１０は第２検出電圧ＶEのピーク値を検出して第２ピーク検出電圧ＶP4を発生させ、第２ピーク検出器４１２は第１検出電圧ＶCのピーク値を検出して第１ピーク検出電圧ＶP3を発生させる。第１及び第２ピーク検出器４１０、４１２からそれぞれ出力される第２ピーク検出電圧ＶP4と第１ピーク検出電圧ＶP3との差は、差動増幅器４１４によって増幅された後、電圧／電流変換器４１６で電流の形に変換されることにより、トルク検出信号ＴSが作られる。このトルク検出信号ＴSは操舵装置に補助駆動力を提供するモータの駆動に利用することができる。図４において、抵抗Ｒ1’、Ｒ2’、第３及び第４ピーク検出器４１８、４２０、差動増幅器４２２、電圧／電流変換器４２４はフェールセーフ(fail-safe)用補助回路である。
図５は電流増幅器４０４から出力される交流電圧信号Ｖ1とサンプリングパルス発生器４０６から出力されるサンプリングパルス信号ＶRを示す図である。図５より、交流電圧信号Ｖ1の位相とサンプリングパルス信号ＶRの位相とが互いに一致することが分る。図６は同期検波器４０８から出力される検波出力信号Ｖ2とサンプリングパルス発生器４０６から出力されるサンプリングパルス信号ＶRを示す図である。図６に示すように、同期検波器４０８における片検波によって、交流電圧信号Ｖ1のうち直流電圧ＶDCレベル以上に相当する部分のみからなる検波出力信号Ｖ2が作られる。
図７は温度補償コイルＬ1とトルク検出コイルＬ2のインダクタンスの変化による第１検出電圧ＶCの大きさの変化を示す図である。図７に示すように、ステアリングホイールが回転しない場合にはＬ1＝Ｌ2になって基準大きさの第１検出電圧ＶC1が得られる。これとは異なり、ステアリングホイールが反時計方向ＣＣＷに回転すると、トーションバーの作用によってＬ1＞Ｌ2になって基準大きさの第１検出電圧ＶC1より大きい第１検出電圧ＶC2が得られ、ステアリングホイールが時計方向ＣＷに回転すると、トーションバーの作用によってＬ1＜Ｌ2になって基準大きさの第１検出電圧ＶC1より小さい第１検出電圧ＶC3が得られる。図８は第１抵抗Ｒ1と第２抵抗Ｒ2との接点から得られる第２検出電圧ＶEを示す図である。この第２検出電圧ＶEと第１検出電圧ＶCとの差からステアリングホイールのトルクを検出する。
このようなステアリングホイールの回転方向と、温度補償コイルＬ1およびトルク検出コイルＬ2の各インダクタンスと、第１検出電圧ＶCとの相互関係を表１に示した。
図９は本発明に係るトルク検出装置における第１検出電圧ＶCの位相変化による第２ピーク検出器４１２の第１ピーク検出電圧ＶP3を示す図である。図９に示すように、本発明に係る第２ピーク検出器４１２は第１検出電圧ＶCのピーク値を検出し、検出されたピーク値に相当する直流電圧レベルの第１ピーク検出電圧ＶP3を出力する。従って、温度補償コイルＬ1およびトルク検出コイルＬ2の各インダクタンスの変化による第１検出電圧ＶCの位相変化の影響を受けず、常時同一の第１ピーク検出電圧ＶP3を得ることができるため、トルク検出信号ＴSの歪みを防止することができる。
４０２ 発振器
４０４ 電流増幅器
４０６ サンプリングパルス発生器
４０８ 同期検波器
４１０ 第１ピーク検出部
４１２ 第２ピーク検出部
４１４ 差動増幅器
４１６ 電圧／電流変換器
４２８ ブリッジ回路部
Ｌ1 温度補償コイル
Ｌ2 トルク検出コイル
４０４ 電流増幅器
４０６ サンプリングパルス発生器
４０８ 同期検波器
４１０ 第１ピーク検出部
４１２ 第２ピーク検出部
４１４ 差動増幅器
４１６ 電圧／電流変換器
４２８ ブリッジ回路部
Ｌ1 温度補償コイル
Ｌ2 トルク検出コイル
Claims (5)
- 予め設定された直流電圧レベルでバイアスされた一定周波数を有する交流電圧信号を検波して検波出力信号を発生させる同期検波器と、
ステアリングホイールの回転に対応してインダクタンスが変化するトルク検出コイルと温度変化に対応してインダクタンスが変化する温度補償コイルとが直列接続され、前記直列接続された２つのコイルの両端に前記検波出力信号と前記直流電圧がそれぞれ印加され、前記２つのコイルの接点に前記インダクタンスの変化による第１検出電圧が誘起されるブリッジ回路部と、
予め定められた基準電圧と前記第１検出電圧のそれぞれのピーク値の差に対応する大きさのトルク検出信号を発生させる信号変換部とを含むトルク検出装置。 - 前記同期検波器は、前記交流電圧信号のうち前記直流電圧レベル以上の片波信号のみを前記検波出力信号として出力する請求項１記載のトルク検出装置。
- 前記交流電圧信号と同位相のサンプリングパルスを発生させるサンプリングパルス発生器をさらに含み、
前記同期検波器が前記サンプリングパルスに同期されて前記交流電圧信号を検波する請求項１記載のトルク検出装置。 - 前記信号変換部は、
前記第１検出電圧と前記基準電圧のそれぞれのピーク値を検出するピーク検出器と、
前記ピーク検出器から検出される前記２つのピーク値の差を増幅する差動増幅器と、
前記差動増幅器で増幅された電圧信号を電流信号に変換して前記トルク検出信号を発生させる電圧／電流変換器とを含む請求項１記載のトルク検出装置。 - サンプリングパルスを発生させるサンプリングパルス発生器と、
前記サンプリングパルスと同位相の予め設定された直流レベルを有する交流電圧信号を受信し、前記交流電圧信号を検波して、前記交流電圧信号の片波信号のみからなる検波出力信号を発生させる同期検波器と、
ステアリングホイールの回転に対応してインダクタンスが変化するトルク検出コイルと温度変化に対応してインダクタンスが変化する温度補償コイルとが直列接続され、前記直列接続された２つのコイルの両端に前記検波出力信号と前記直流電圧がそれぞれ印加され、前記２つのコイルの接点に前記インダクタンスの変化による第１検出電圧が誘起されるブリッジ回路部と、
予め定められた基準電圧と前記第１検出電圧のそれぞれのピーク値の差に対応する大きさのトルク検出信号を発生させる信号変換部とを含む車両用ステアリングホイールのトルク検出装置。
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