JP3649057B2

JP3649057B2 - Torque sensor

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Publication number: JP3649057B2
Application number: JP27269099A
Authority: JP
Inventors: 剛史石川; 利行鬼塚; 浩一佐藤
Original assignee: NSK Ltd
Current assignee: NSK Ltd
Priority date: 1999-09-27
Filing date: 1999-09-27
Publication date: 2005-05-18
Anticipated expiration: 2019-09-27
Also published as: JP2001091378A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、回転軸に発生するトルクを検出するトルクセンサに関し、特に、発生するトルクに応じて互いに逆方向にインピーダンスが変化する一対の検出コイルを備えたトルクセンサにおいて、検出コイルとその他の回路要素との接続部の接触不良によるトルクの誤検出を防止するトルクセンサの改良に関する。
【０００２】
【従来の技術】
非接触型のトルクセンサとしては、本出願人が先に提案した特開平１０−３８７１５号公報に開示されたものがある。上記公報に開示された従来のトルクセンサは、トルクに比例したトーションバーの捩れを検出コイルのインダクタンスの変化に変換し、このインダクタンスの変化を一対の検出コイルと抵抗体で構成するブリッジ回路で検出するものである。
【０００３】
即ち、一対の検出コイルと抵抗体で構成する第１及び第２のアームを備えたブリッジ回路に交流電圧を供給し、そのときの第１のアームの検出コイルと抵抗体の接続部に表れる出力電圧と、第２のアームの検出コイルと抵抗体の接続部に表れる出力電圧との差分の電圧を差動増幅器で検出し、トルク信号を得るように構成されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記した構成のトルクセンサは、プリント配線基板の上に一対の検出コイルと抵抗体がブリッジ回路を構成するように接続されている。検出コイルとプリント配線基板とはハンダ付けなどで接続されるが、ハンダ付け不良など接続が確実になされていないと、検出コイルや抵抗体とプリント配線基板との間に接触抵抗が生じ、不正確なトルク信号が出力されてしまうという不都合がある。
【０００５】
この発明は、上記した検出コイルや抵抗体とプリント配線基板との間の接触抵抗の増加を監視し、接触抵抗が増加した場合には検出トルク信号の出力を阻止して不正確なトルク信号が出力されないようにし、信頼性の高いトルクセンサを提供することを目的とするものである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
この発明は上記課題を解決するもので、請求項１の発明は、回転軸に生じたトルクに応じて互いに逆方向にインピーダンスが変化する一対の検出コイルのそれぞれと一対の抵抗体のそれぞれを個別に直列接続したブリッジ回路に交流電圧を印加し、前記一対の検出コイルの端子部に表れる交流電圧の差分電圧に基いてトルクを検出するトルクセンサにおいて、前記印加した交流電圧の波形と、前記一対の検出コイル端子部に表れる交流電圧の差分の波形との位相差を検出し、位相差が所定の値を越えたとき検出コイル抵抗が異常であると判定する監視回路を備えたことを特徴とする。
【０００７】
そして、前記検出コイル抵抗の異常には、前記一対の検出コイルと前記一対の抵抗体との間の接触抵抗の増加が含まれる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。以下に説明する実施の形態は、この発明の実施の形態のトルクセンサを車両用の電動パワーステアリング装置に適用した例である。
【０００９】
図１は、トルク検出部を含む電動パワーステアリング装置の主要部の構成を示す断面図、図２はそのトルク検出部の構成を示す斜視図である。
【００１０】
図１及び図２において、５ａ及び５ｂはハウジングであり、入力軸側５ａと出力軸側５ｂとの２分割構造となつている。ハウジング５ａ及び５ｂの内部には、入力軸１、その内部に配置されたトーシヨンバー３、及びトーシヨンバー３を介して入力軸１に連結された出力軸２が、軸受６ａ、６ｂ及び６ｃによつて回転自在に支持されている。
【００１１】
入力軸１、トーシヨンバー３、及び出力軸２は同軸に配置されており、入力軸１とトーシヨンバー３とはスプライン結合し、また、トーシヨンバー３と出力軸２もスプライン結合している。図１において、入力軸１の左端側には、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。
【００１２】
また、出力軸２には、これと同軸で且つ一体に回転するウオームホイール７が固着されており、図示されていない電動モータで駆動されるウオーム８と噛合している。ウオームホイール７は金属製のハブ７ａに合成樹脂製の歯部７ｂが一体的に固定されている。電動モータの回転力は、ウオーム８及びウオームホイール７を介して出力軸２に伝達され、電動モータの回転方向を適宜切り換えることにより、出力軸２に任意の方向の操舵補助トルクが付与される。
【００１３】
次に、図１及び図２を参照してトルクセンサのトルク検出部の構成を説明する。トルク検出部は入力軸１の、図１で右端側に形成されたセンサシャフト部１１と、ハウジング５ａの内側に配置された検出コイル１３と１４、及び両者の間に配置された円筒部材１２から構成される。
【００１４】
図２はトルク検出部の構成を示す斜視図である。入力軸１の、図１で右端に近い外側には磁性材料で構成されたセンサシャフト部１１が形成されており、センサシャフト部１１の表面には、軸方向に延びた複数（図示の例では９個）の凸条１１ａが円周方向に沿つて等間隔に形成されており、凸条１１ａの間には凸条１１ａの幅ｔ1 よりも幅広の溝部１１ｂが形成されている。
【００１５】
また、センサシャフト部１１の外側には、センサシャフト部１１に接近して導電性で且つ非磁性の材料、例えばアルミニウムで構成された円筒部材１２がセンサシャフト部１１と同軸に配置されており、円筒部材１２の延長部１２ｅは出力軸２の端部２ｅの外側に固定されている。
【００１６】
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。
【００１７】
円筒部材１２の外周は、同一規格の検出コイル１３及び１４が捲回されたヨーク１５で包囲されている。即ち、検出コイル１３及び１４は円筒部材１２と同軸に配置され、検出コイル１３は窓１２ａからなる第１の窓列部分を包囲し、検出コイル１４は窓１２ｂからなる第２の窓列部分を包囲する。ヨーク１５はハウジング５ａの内部に固定され、検出コイル１３及び１４の出力線はハウジング５ａの内部に配置された回路基板１６に接続される。
【００１８】
図３の（ａ）及び（ｂ）はセンサシャフト部の表面の凸条と円筒部材の窓配置を説明する図で、図３の（ａ）は、基準位置（トーシヨンバー３が捩れていない状態）におけるセンサシャフト部１１の表面の凸条１１ａと円筒部材１２の第１の窓列の窓１２ａとの位置関係を示し、図３の（ｂ）は基準位置（トーシヨンバー３が捩れていない状態）におけるセンサシャフト部１１の表面の凸条１１ａと円筒部材１２の第２の窓列の窓１２ｂとの位置関係を示す図である。
【００１９】
この実施例では、窓１２ａ及び１２ｂがそれぞれ９個設けられているから、第１の窓列の窓１２ａ及び第２の窓列の１２ｂは、それぞれ円周方向に角度θ＝３６０／Ｎ度（図２、図３の例では角度θ＝３６０／９＝４０度）づつずれていることになる。
【００２０】
窓１２ａ、１２ｂの角度ａは窓１２ａ、１２ｂ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。
【００２１】
図３の（ａ）及び（ｂ）から明らかなように、トーシヨンバー３が捩れていない状態、即ち操舵トルクが零（０）の状態では、窓１２ａの円周方向の幅の中央部にセンサシャフト部１１の凸条１１ａの円周方向の一方の端部が位置し、窓１２ｂの円周方向の幅の中央部に凸条１１ａの円周方向の他方の端部が位置するように、窓１２ａ及び１２ｂの円周方向の幅と凸条１１ａの幅、及び窓１２ａ及び１２ｂとの円周方向の相対位置関係が設定される。即ち、凸条１１ａに対する窓１２ａと１２ｂとの円周方向の位置関係は互いに逆になつている。
【００２２】
操舵系が直進状態にあつて操舵トルクが零である場合はトーションバー３には捩れが発生せず、入力軸１と出力軸２とは相対回転しない。従つて入力軸１の側にあるセンサシャフト部１１の表面の凸条１１ａと、出力軸２の側にある円筒部材１２との間にも相対回転が生じない。
【００２３】
一方、ステアリングホイールを操作して入力軸１に回転力が加わると、その回転力はトーションバー３を経て出力軸２に伝達される。このとき、出力軸２には舵輪と路面との間の摩擦力や出力軸２に結合されているステアリング機構のギヤの噛み合い等の摩擦力が作用するから、入力軸１と出力軸２との間を結合するトーションバーに捩れが発生し、入力軸１の側にあるセンサシャフト部１１の表面の凸条１１ａと出力軸２の側にある円筒部材１２との間に相対回転が生ずる。
【００２４】
円筒部材１２に窓がない場合は、円筒部材１２は導電性で且つ非磁性材で構成されているから、検出コイル１３及び１４に交流電流を流して交番磁界を発生させると、円筒部材１２の外周面にコイル電流と反対方向の渦電流が発生する。この渦電流による磁界とコイル電流による磁界とを重畳すると、円筒部材１２の内側の磁界は相殺される。
【００２５】
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によつて外周面を周回できないため、窓１２ａ及び１２ｂの端面に沿つて円筒部材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の端面に沿つて外周面側に戻り、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。
【００２６】
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つ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及び１２ｂの中心で強く、そこからずれるに従い弱くなる。
【００２７】
円筒部材１２の内側には、磁性材料からなるセンサシャフト部１１が同軸に配置されており、その凸条１１ａは、窓１２ａ及び１２ｂと同じ周期で配置されている。
【００２８】
磁界中に置かれた磁性体は磁化して磁束を生ずるが、磁束の量は飽和するまでは磁界の強さに応じて大きくなる。このため、円筒部材１２により円周方向の周期的な磁界の強弱と中心に向かうほど小さくなる半径方向に勾配を持つた磁界とにより、センサシャフト部１１に発生する磁束は、円筒部材１２とセンサシャフト部１１との相対的な位相により増減する。
【００２９】
磁束が最大となる位相は、円筒部材１２の窓１２ａ及び１２ｂの中心とセンサシャフト部１１の凸条１１ａの中心とが一致した状態で、磁束の増減に応じて検出コイル１３及び１４のインダクタンスも増減し、略正弦波状に変化する。
【００３０】
トルクが作用しない状態では、インダクタンスが最大となる位相（窓１２ａ及び１２ｂと凸条１１ａの中心とが一致している位相）に対して、センサシャフト部１１の凸条１１ａの中心は凸条１１ａの中心角ｃの１／２だけずれた位置に設定されているから、トルクが作用してトーションバー３が捩れ、センサシャフト部１１と円筒部材１２との間に位相差が生じると、２つの検出コイル１３及び１４のインダクタンスは、一方が増加し他方が減少する。
【００３１】
図４はトルクの大きさと検出コイル１３及び１４のインダクタンスの変化を説明する図で、横軸はトルクＴ、縦軸はインダクタンスＬを示す。右操舵トルク発生時は、図３の（ａ）及び（ｂ）において円筒部材１２が時計方向に回転するから、図４に示すように、トルクが増大するにつれ検出コイル１３のインダクタンスＬ13は増加し、検出コイル１４のインダクタンスＬ14は減少する。
【００３２】
また、左操舵トルク発生時は、図３の（ａ）及び（ｂ）において円筒部材１２が反時計方向に回転するから、図４に示すようにトルクが増大するにつれ検出コイル１３のインダクタンスＬ13は減少し、検出コイル１４のインダクタンスＬ14は増加する。
【００３３】
図５は、トルク検出回路のブロック図である。トルク検出回路２０はコネクタ２９を介して図示しない制御装置に接続され、制御装置からは各回路要素に電源電圧Ｖ及び基準電圧Ｖref がノイズフイルタ２８を経て供給され、検出されたメイン検出トルク信号及びサブ検出トルク信号が制御装置に出力される。
【００３４】
トルクを検出するブリッジ回路は、検出コイル１３と抵抗Ｒ1 とが直列に接続された第１のアームと、検出コイル１４と抵抗Ｒ2 とが直列に接続された第２のアームとから構成される。
【００３５】
発振部２１は電源電圧Ｖ及び基準電圧Ｖref の供給を受けて所定周波数の交流電圧を出力する。出力された交流電圧は電流増幅部２２で増幅され、増幅された交流電圧Ｖosc が、検出コイル１３と抵抗Ｒ1 とで構成されたブリッジ回路の第１のアーム、及び検出コイル１４と抵抗Ｒ2 とで構成されたブリッジ回路の第２のアームに供給される。なお、トルクが作用しない状態では検出コイル１３及び１４の両端に表れる電圧が等しくなるように予め抵抗Ｒ1 及びＲ2 の値を調整しておくものとする。
【００３６】
検出コイル１３及び検出コイル１４の両端に表れる電圧信号は、メイン増幅・全波整流部２３において両検出コイルの差分の信号に変換されて増幅されると共に整流され、更にメイン平滑・中立調整部２６で出力波形が調整された後、ノイズフイルタ２８を経てメイン検出トルク信号として制御装置に出力される。
【００３７】
さらに、検出コイル１３及び検出コイル１４の両端に表れる電圧信号は、サブ増幅・全波整流部２４において両検出コイルの差分の信号Ｖdef に変換されて増幅されると共に整流され、更にサブ平滑・中立調整部２７で出力波形が調整された後、ノイズフイルタ２８を経てサブ検出トルク信号として制御装置に出力される。
【００３８】
トルク検出回路２０をメイン増幅・全波整流部２３とメイン平滑・中立調整部２６、及びサブ増幅・全波整流部２４とサブ平滑・中立調整部２７との２組設け、２組の検出トルク信号を出力するように構成されているのは、図示しない制御回路においてこれ等の２組の信号を比較することで、検出コイルの断線や短絡、回路要素の故障等を検出するためである。
【００３９】
また、トルク検出回路２０には、サブ増幅・全波整流部２４とサブ平滑・中立調整部２７との間に監視部２５が設けられている。監視部２５は、検出コイル１３又は１４と抵抗Ｒ1 又はＲ2 との接触不良を接触抵抗の増加により検出するものである。以下、監視部２５の構成と動作について説明する。
【００４０】
図６は、監視部２５とその周辺回路のブロック図である。サブ増幅・全波整流部２４はオペアンプＯＰ1 と同期検波器ＳＲから構成される。オペアンプＯＰ1 の入力側（＋）端子には基準電圧Ｖref が接続され、オペアンプＯＰ1 の入力側（−）端子にはオペアンプＯＰ1 の出力が抵抗Ｒ5 を介して帰還される。
【００４１】
検出コイル１３及び１４の両端に表れる電圧は、コンデンサＣ3 、抵抗Ｒ3 及びコンデンサＣ4 、抵抗Ｒ4 を経てオペアンプＯＰ1 の入力側（＋）端子及びオペアンプＯＰ1 の入力側（−）端子に入力され、その差分の信号Ｖdef が出力される。
【００４２】
オペアンプＯＰ1 の出力信号Ｖdef は、更に同期検波器ＳＲにおいて電流増幅部２２を経て供給された発振部２１から出力された交流電流に同期して整流され、後段のサブ平滑・中立調整部２７に出力される。
【００４３】
サブ平滑・中立調整部２７は、オペアンプＯＰ2 とコンデンサＣ5 、抵抗Ｒ9 で構成されており、オペアンプＯＰ2 の入力側（＋）端子には抵抗Ｒ8 を経て基準電圧Ｖref が接続され、オペアンプＯＰ2 の入力側（−）端子には同期検波器ＳＲの出力が抵抗Ｒ7 を経て供給される。オペアンプＯＰ2 の出力はコンデンサＣ5 、抵抗Ｒ9 を経て入力側（−）端子に帰還され、検出されたトルク信号は平滑及び波形調整されて出力される。
【００４４】
監視部２５は、２個のコンパレータＣＰ1 、ＣＰ2 とトランジスタＴＲから構成され、コンパレータＣＰ1 、ＣＰ2 の出力側とトランジスタＴＲのベースとの間には定電圧Ｖccに接続された抵抗Ｒ10と、抵抗Ｒ11、抵抗Ｒ12及びコンデンサＣ6 が挿入されている。
【００４５】
コンパレータＣＰ1 の入力側（＋）端子には発振部２１から電流増幅部２２を経て出力された交流電圧Ｖosc が入力され、入力側（−）端子には基準電圧Ｖref が入力される。また、コンパレータＣＰ2 の入力側（＋）端子にはオペアンプＯＰ1 の出力信号Ｖdef が入力され、入力側（−）端子には発振部２１から出力された交流電圧Ｖosc が入力される。コンパレータＣＰ1 及びＣＰ2 の出力は合成され、合成波形はトランジスタＴＲのベースに入力される。
【００４６】
図７は、正常時と異常時におけるコンパレータＣＰ1 、ＣＰ2 の入力波形、出力波形、及びコンパレータＣＰ1 、ＣＰ2 の出力の合成波形を示す図である。なお、正常時とは検出コイル１３又は１４と抵抗Ｒ1 又はＲ2 との接触不良がない状態を指し、異常時とは接触不良が発生して接触抵抗が増加した状態を指す。以下、図７を参照して正常時及び異常時の動作を説明する。
【００４７】
まず、正常時の動作を説明する。正常時には検出コイル１３又は１４と抵抗Ｒ1 又はＲ2 との間で接触不良が発生していない（異常の発生無し）から、検出コイル１３及び１４の両端に現われる電圧は等しく、位相のずれもないので、オペアンプＯＰ1 からは基準電圧Ｖref （正弦波）が出力される。
【００４８】
コンパレータＣＰ1 の入力側（＋）端子には発振部２１から電流増幅部２２を経て出力された交流電圧Ｖosc が入力され、コンパレータＣＰ1 の入力側（−）端子には基準電圧Ｖref が入力されるから入力波形は正弦波であり、このときの出力波形は正電位の矩形波形となる。
【００４９】
また、コンパレータＣＰ2 の入力側（＋）端子にはオペアンプＯＰ1 の出力信号Ｖdef （正弦波）が入力され、入力側（−）端子には発振部２１から電流増幅部２２を経て出力された交流電圧Ｖosc が入力されるから、入力波形はいずれも正弦波であり、このときの出力波形は負電位の矩形波形となり、コンパレータＣＰ1 の出力波形と同位相である。
【００５０】
従つて、コンパレータＣＰ1 、ＣＰ2 の出力の合成波形は、出力波形の間に位相のずれがなく、正電位と負電位が打ち消し合つて出力は零となるから、トランジスタＴＲのベースには定電圧Ｖccが印加され、トランジスタＴＲはＯＦＦの状態に保たれる。トランジスタＴＲのＯＦＦは、監視部２５から異常検出時の制御信号が出力されないことを意味する。
【００５１】
監視部２５が異常を検出しておらず、トランジスタＴＲがＯＦＦであるため、サブ平滑・中立調整部２７のオペアンプＯＰ2 の入力側（＋）端子には基準電圧Ｖref が印加されるから、入力側（−）端子に入力されたサブ増幅・全波整流部２４の出力はオペアンプＯＰ2 を経て出力される。
【００５２】
次に、異常時の動作を説明する。異常時には検出コイル１３又は１４と抵抗Ｒ1 又はＲ2 との間で接触不良が発生して接触抵抗が増加（異常の発生）しているから、検出コイル１３又は１４は見かけ上純抵抗が増加したことになり、検出コイル１３又は１４のインピーダンスが増加するので、オペアンプＯＰ1 からは正常時の出力信号の位相と比較して位相のずれた信号が出力される。
【００５３】
コンパレータＣＰ1 の入力側（＋）端子には発振部２１から電流増幅部２２を経て出力された交流電圧Ｖosc が、入力側（−）端子には基準電圧Ｖref が印加されるから入力波形は正弦波であり、このときの出力波形は正電位の矩形波形となる。この点は正常時と変らない。
【００５４】
コンパレータＣＰ2 の入力側（−）端子には発振部２１から電流増幅部２２を経て出力された交流電圧Ｖosc が印加され、入力側（＋）端子にはオペアンプＯＰ1 の出力Ｖdef （正弦波）が入力されるが、前記したとおり、検出コイル１３又は１４インピーダンスが増加しているので、コンパレータＣＰ2 の出力波形は負電位の矩形波形であるが、コンパレータＣＰ1 の出力波形との間に位相のずれが発生している。
【００５５】
従つて、コンパレータＣＰ1 、ＣＰ2 の出力の合成波形は、出力波形の間に位相のずれに対応した幅の矩形波形が出力され、これがトランジスタＴＲのベースに印加され、トランジスタＴＲはＯＮ（導通状態）となる。トランジスタＴＲのＯＮは、監視部２５から異常検出時の制御信号が出力されたことを意味する。
【００５６】
監視部２５が異常を検出し、トランジスタＴＲがＯＮ（導通状態）となると、サブ平滑・中立調整部２７のオペアンプＯＰ2 の入力側（＋）端子は接地されるから、入力側（−）端子に入力されたサブ増幅・全波整流部２４の出力はオペアンプＯＰ2 を経て出力されなくなる。即ち、検出コイル１３又は１４と抵抗Ｒ1 又はＲ2 との間で接触不良が発生して接触抵抗が増加したような回路異常が発生したときは、検出トルクの出力が禁止されることになる。
【００５７】
次に、前記した監視部の第２の実施の形態を説明する。第２の実施の形態の監視部は、発振部２１から出力された交流電圧（正弦波）が自身の中点を交差する点（正弦波の０°、１８０°の点）の前後における所定時間幅ｔm の中で、検出コイル１３及び１４の両端に表れる出力信号の差分の信号Ｖdef が所定の電圧値Ｖref3を越えるとき、発振部２１から出力された交流電圧との間の位相差が許容値を越えて異常が発生したと判断するものである。
【００５８】
図８は、前記した監視部の第２の実施の形態を示す回路ブロック図で、前記した監視部２５に置換することができるものである。
【００５９】
第２の実施の形態の監視部３０の周辺には、先に説明した、検出コイル１３と抵抗Ｒ1 とが直列に接続された第１のアームと検出コイル１４と抵抗Ｒ2 とが直列に接続された第２のアームとから構成されるトルク検出ブリッジ回路、発振部２１、電流増幅部２２、サブ増幅・全波整流部２４及びサブ平滑・中立調整部２７が接続されるが、これらの回路部の構成と動作は先に説明したものと変わらないのでここでは説明を省略し、以下、監視部３０について説明する。
【００６０】
監視部３０は、３個のコンパレータＣＰ11、ＣＰ12、ＣＰ13と、論理積演算回路であるアンド回路ＡＮ、トランジスタＴＲ、及び回路素子である抵抗Ｒ10と、抵抗Ｒ11、抵抗Ｒ12及びコンデンサＣ6 から構成される。
【００６１】
コンパレータＣＰ11の入力側（＋）端子には発振部２１から電流増幅部２２を経て出力された交流電圧Ｖosc が入力され、入力側（−）端子には第１の基準電圧Ｖref1が入力される。コンパレータＣＰ12の入力側（＋）端子には第２の基準電圧Ｖref2が入力され、入力側（−）端子には発振部２１から電流増幅部２２を経て出力された交流電圧Ｖosc が入力される。そして、コンパレータＣＰ11、ＣＰ12の出力は合成され、アンド回路ＡＮの第１入力端子に入力される。
【００６２】
コンパレータＣＰ13の入力側（＋）端子には第３の基準電圧Ｖref3が入力され、入力側（−）端子には、サブ増幅・全波整流部２４のオペアンプＯＰ1 の出力信号Ｖdef が入力される。そして、コンパレータＣＰ13の出力はアンド回路ＡＮの第２入力端子に入力される。
【００６３】
アンド回路ＡＮの出力端子は抵抗Ｒ11を介してトランジスタＴＲのベースに接続されており、アンド回路ＡＮがオンになると、その信号はトランジスタＴＲを導通させる。
【００６４】
以下、図９及び図１０を参照して監視部３０の動作を説明する。まず、異常検出を実行するタイミングを決定するための、所定時間幅ｔm を持つ矩形波信号を準備する。
【００６５】
即ち、コンパレータＣＰ11の入力側（＋）端子に交流電圧Ｖosc を入力し、入力側（−）端子に第１の基準電圧Ｖref1を入力し、さらにコンパレータＣＰ12の入力側（＋）端子に第２の基準電圧Ｖref2を入力し、入力側（−）端子に交流電圧Ｖosc を入力する。コンパレータＣＰ11及びＣＰ12の出力波形、及びその合成出力の波形は図９に示すようになり、コンパレータＣＰ11及びＣＰ12の出力を合成することにより、所定時間幅ｔm を持つ信号が得られる。前記したとおりこの信号はアンド回路ＡＮ（図８参照）の第１入力端子に入力される。
【００６６】
次に、検出コイル１３及び１４の両端に表れる出力信号の差分の信号が所定の電圧値Ｖref3以下か否かを判断するため、異常検出のコンパレータＣＰ13の入力側（＋）端子に判断基準となる基準電圧Ｖref3を入力し、（−）端子にはサブ増幅・全波整流部２４のオペアンプＯＰ1 の出力信号Ｖdef を入力する。この信号はアンド回路ＡＮ（図８参照）の第２入力端子に入力される。
【００６７】
図１０の（ａ）を参照して正常時の動作を説明する。正常時には、オペアンプＯＰ1 の出力信号Ｖdef には位相ずれが発生しておらず、基準電圧Ｖref3以下になることがないから、コンパレータＣＰ13の出力は零（０）となる。アンド回路ＡＮではコンパレータＣＰ13の出力信号と所定時間幅ｔm の信号（コンパレータＣＰ11及びＣＰ12の合成出力）との論理積をとるから、アンド回路ＡＮの出力もオフ（０）となり、トランジスタＴＲは導通状態にならず、異常が発生していないことが検出される。
【００６８】
次に、図１０の（ｂ）を参照して異常時の動作を説明する。オペアンプＯＰ1 の出力信号Ｖdef に位相ずれが発生し、所定時間幅ｔm の範囲内において基準電圧Ｖref3以下になるとき異常の発生と判断する。
【００６９】
コンパレータＣＰ13は、オペアンプＯＰ1 の出力信号Ｖdef が基準電圧Ｖref3以下のときには（１）を出力し、オペアンプＯＰ1 の出力信号Ｖdef が基準電圧Ｖref3以上のときには（０）を出力する。
【００７０】
アンド回路ＡＮでは、コンパレータＣＰ13の出力信号と所定時間幅ｔm の信号（コンパレータＣＰ11及びＣＰ12の合成出力）との論理積をとるから、所定時間幅ｔm の範囲内において、コンパレータＣＰ13の出力が基準電圧Ｖref3以下のときオン（１）となり、この期間トランジスタＴＲは導通状態となり、異常が発生したことが検出される。
【００７１】
なお、上記した第１及び第２の実施の形態で説明した監視部の回路構成は例示であり、この他にも同一機能を奏する種々の変形回路が考えられる。このような変形回路は当業者が容易に実施できる回路設計の範囲にあるもので、本件発明は例示した回路構成に限定されるものではない。
【００７２】
以上、この発明の実施の形態のトルクセンサを車両用の電動パワーステアリング装置に適用した例について説明したが、この発明のトルクセンサは、車両用の電動パワーステアリング装置以外の各種の機械装置におけるトルク検出装置にも適用できることは言うまでもない。
【００７３】
【発明の効果】
以上説明したとおり、この発明は、回転軸に生じたトルクに応じて互いに逆方向にインピーダンスが変化する一対の検出コイルのそれぞれと、一対の抵抗体のそれぞれを個別に直列接続したブリッジ回路に交流電圧を印加し、一対の検出コイルの端子部に表れる交流電圧の差分に基いてトルクを検出するトルクセンサにおいて、トルクを検出する検出コイルと他の回路要素との接触部の接触不良を、一対の検出コイル端子部に表れる交流電圧の差分の波形との間の位相差の発生により検出するものであるから、簡単な構成で検出コイルと他の回路要素との接触部の接触不良を検出することができ、信頼性の高いトルクセンサを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】電動パワーステアリング装置の主要部の構成を示す断面図。
【図２】電動パワーステアリング装置のトルクセンサの構成を示す斜視図。
【図３】センサシャフト部の表面の凸条と円筒部材の窓配置を説明する図。
【図４】トルクの大きさと２つの検出コイルのインダクタンスの変化を説明する図。
【図５】トルク検出回路のブロック図。
【図６】監視部とその周辺回路のブロック図。
【図７】正常時と異常時におけるコンパレータＣＰ1 、ＣＰ2 の入力波形、出力波形、及びその出力合成波形を説明する図。
【図８】監視部の第２の実施の形態を示す回路ブロック図。
【図９】所定時間幅ｔm の信号の作成を説明する図。
【図１０】正常時と異常時におけるコンパレータＣＰ11、ＣＰ12の合成波形、コンパレータＣＰ13の出力波形、及びアンド回路の出力波形を説明する図。
【符号の説明】
１入力軸
２出力軸
３トーシヨンバー
４ラック
５ａ、５ｂハウジング
６ａ、６ｂ、６ｃ軸受
７ウオームホイール
８ウオーム
１１センサシャフト部
１１ａ凸条
１１ｂ溝部
１２円筒部材
１２ａ窓（第１の窓列の）
１２ｂ窓（第２の窓列の）
１３、１４検出コイル
１５ヨーク
１６回路基板
２０トルク検出回路
２１発振部
２２電流増幅部
２３メイン増幅・全波整流部
２４サブ増幅・全波整流部
２５監視部
２６メイン平滑・中立調整部
２７サブ平滑・中立調整部
２８ノイズフイルタ
３０監視部
Ｒ1 、Ｒ2 抵抗
ＳＲ同期検波器
ＯＰ1 、ＯＰ2 オペアンプ
ＣＰ1 、ＣＰ2 コンパレータ
ＣＰ11、ＣＰ12、ＣＰ13 コンパレータ
ＡＮアンド回路
ＴＲトランジスタ[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a torque sensor for detecting torque generated on a rotating shaft, and more particularly, in a torque sensor having a pair of detection coils whose impedances change in opposite directions according to the generated torque, the detection coil and other circuits. The present invention relates to an improvement of a torque sensor that prevents erroneous detection of torque due to poor contact of a connecting portion with an element.
[0002]
[Prior art]
As a non-contact type torque sensor, there is one disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 10-38715 previously proposed by the present applicant. The conventional torque sensor disclosed in the above publication converts torsion of the torsion bar in proportion to the torque into a change in inductance of the detection coil, and this change in inductance is detected by a bridge circuit composed of a pair of detection coils and resistors. To do.
[0003]
That is, an AC voltage is supplied to a bridge circuit having a first and second arm composed of a pair of detection coils and a resistor, and the output that appears at the connection between the detection coil and the resistor of the first arm at that time The differential voltage between the voltage and the output voltage appearing at the connection between the detection coil of the second arm and the resistor is detected by a differential amplifier to obtain a torque signal.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
In the torque sensor having the above-described configuration, a pair of detection coils and a resistor are connected on a printed wiring board so as to form a bridge circuit. The detection coil and printed wiring board are connected by soldering, etc., but if the connection is not made securely due to poor soldering, contact resistance is generated between the detection coil or resistor and the printed wiring board, which is inaccurate. There is a disadvantage that a large torque signal is output.
[0005]
The present invention monitors the increase in contact resistance between the above-described detection coil or resistor and the printed circuit board. If the contact resistance increases, the detection torque signal is prevented from being output and an inaccurate torque signal is generated. An object of the present invention is to provide a highly reliable torque sensor that prevents output.
[0006]
[Means for Solving the Problems]
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention solves the above-mentioned problems, and the invention according to claim 1 is configured so that each of the pair of detection coils and the pair of resistors whose impedances change in opposite directions according to the torque generated on the rotating shaft are individually provided. In a torque sensor that applies an alternating voltage to a bridge circuit connected in series to the bridge circuit and detects torque based on a differential voltage of the alternating voltage appearing at the terminal portions of the pair of detection coils, the waveform of the applied alternating voltage and the pair A monitoring circuit that detects a phase difference from the waveform of the difference of the AC voltage appearing at the detection coil terminal and determines that the detection coil resistance is abnormal when the phase difference exceeds a predetermined value. To do.
[0007]
The abnormality in the detection coil resistance includes an increase in contact resistance between the pair of detection coils and the pair of resistors.
[0008]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. The embodiment described below is an example in which the torque sensor according to the embodiment of the present invention is applied to an electric power steering device for a vehicle.
[0009]
FIG. 1 is a cross-sectional view showing a configuration of a main part of an electric power steering apparatus including a torque detector, and FIG. 2 is a perspective view showing a configuration of the torque detector.
[0010]
1 and 2, reference numerals 5a and 5b denote housings, which have a two-part structure of an input shaft side 5a and an output shaft side 5b. Inside the housings 5a and 5b, an input shaft 1, a torsion bar 3 disposed therein, and an output shaft 2 connected to the input shaft 1 through the torsion bar 3 are rotated by bearings 6a, 6b and 6c. It is supported freely.
[0011]
The input shaft 1, the torsion bar 3, and the output shaft 2 are arranged coaxially. The input shaft 1 and the torsion bar 3 are spline-coupled, and the torsion bar 3 and the output shaft 2 are also spline-coupled. In FIG. 1, a steering wheel (not shown) is integrally attached to the left end side of the input shaft 1. Further, a pinion shaft 2a is formed integrally with the output shaft 2, and the pinion shaft 2a meshes with a rack 4 to constitute a known rack and pinion type steering mechanism.
[0012]
A worm wheel 7 that is coaxial with the output shaft 2 and rotates integrally therewith is fixed to the output shaft 2 and meshes with a worm 8 that is driven by an electric motor (not shown). The worm wheel 7 has a synthetic resin tooth 7b integrally fixed to a metal hub 7a. The rotational force of the electric motor is transmitted to the output shaft 2 via the worm 8 and the worm wheel 7, and a steering assist torque in an arbitrary direction is applied to the output shaft 2 by appropriately switching the rotation direction of the electric motor.
[0013]
Next, the configuration of the torque detector of the torque sensor will be described with reference to FIGS. The torque detection unit includes a sensor shaft portion 11 formed on the right end side in FIG. 1 of the input shaft 1, detection coils 13 and 14 disposed inside the housing 5a, and a cylindrical member 12 disposed therebetween. Composed.
[0014]
FIG. 2 is a perspective view showing the configuration of the torque detector. A sensor shaft portion 11 made of a magnetic material is formed on the outer side of the input shaft 1 near the right end in FIG. 1, and a plurality of (in the illustrated example, axially extending) surfaces are formed on the surface of the sensor shaft portion 11. Nine) ridges 11a are formed at equal intervals along the circumferential direction, and groove portions 11b wider than the width t1 of the ridges 11a are formed between the ridges 11a.
[0015]
Further, on the outside of the sensor shaft portion 11, a cylindrical member 12 made of a conductive and non-magnetic material, for example, aluminum, which is close to the sensor shaft portion 11, is arranged coaxially with the sensor shaft portion 11, The extension 12 e of the cylindrical member 12 is fixed to the outside of the end 2 e of the output shaft 2.
[0016]
The cylindrical member 12 includes a plurality (9 in FIG. 2) of rectangular windows 12a arranged at equal intervals in the circumferential direction at positions facing the protrusions 11a on the surface of the sensor shaft portion 11 described above. A plurality of (9 in FIG. 2) rectangular windows having the same shape as the window 12a but having different phases in the circumferential direction at positions shifted in the axial direction from the first window row. And a second window row made of 12b.
[0017]
The outer periphery of the cylindrical member 12 is surrounded by a yoke 15 around which detection coils 13 and 14 of the same standard are wound. That is, the detection coils 13 and 14 are arranged coaxially with the cylindrical member 12, the detection coil 13 surrounds the first window row portion formed of the window 12a, and the detection coil 14 includes the second window row portion formed of the window 12b. Siege. The yoke 15 is fixed inside the housing 5a, and the output lines of the detection coils 13 and 14 are connected to a circuit board 16 arranged inside the housing 5a.
[0018]
FIGS. 3A and 3B are views for explaining the protrusions on the surface of the sensor shaft portion and the window arrangement of the cylindrical member. FIG. 3A is a reference position (a state where the torsion bar 3 is not twisted). 3 shows the positional relationship between the projections 11a on the surface of the sensor shaft portion 11 and the windows 12a of the first window row of the cylindrical member 12, and FIG. 3 (b) shows a reference position (a state where the torsion bar 3 is not twisted). 3 is a diagram showing a positional relationship between a convex strip 11a on the surface of a sensor shaft portion 11 and a window 12b of a second window row of a cylindrical member 12. FIG.
[0019]
In this embodiment, since nine windows 12a and 12b are provided, respectively, the window 12a of the first window row and the window 12b of the second window row are each angle θ = 360 / N degrees in the circumferential direction ( In the example of FIGS. 2 and 3, the angle θ is shifted by 360/9 = 40 degrees.
[0020]
The angle a of the windows 12a and 12b is set smaller than the angle b of the portion without the windows 12a and 12b (a <b), and the angle c of the ridge 11a is set smaller than the angle d of the groove 11b (c <d). Is done. This is to make the change in impedance of the detection coil steep.
[0021]
As apparent from FIGS. 3A and 3B, when the torsion bar 3 is not twisted, that is, when the steering torque is zero (0), the sensor shaft is located at the center of the circumferential width of the window 12a. So that one end in the circumferential direction of the ridge 11a of the portion 11 is located and the other end in the circumferential direction of the ridge 11a is located in the center of the circumferential width of the window 12b. The circumferential width of 12a and 12b, the width of the ridge 11a, and the relative positional relationship in the circumferential direction between the windows 12a and 12b are set. That is, the positional relationship in the circumferential direction of the windows 12a and 12b with respect to the ridge 11a is opposite to each other.
[0022]
When the steering system is straight and the steering torque is zero, the torsion bar 3 is not twisted, and the input shaft 1 and the output shaft 2 do not rotate relative to each other. Therefore, relative rotation does not occur between the protrusion 11a on the surface of the sensor shaft portion 11 on the input shaft 1 side and the cylindrical member 12 on the output shaft 2 side.
[0023]
On the other hand, when a rotational force is applied to the input shaft 1 by operating the steering wheel, the rotational force is transmitted to the output shaft 2 via the torsion bar 3. At this time, a frictional force such as a frictional force between the steered wheel and the road surface or a meshing gear of a steering mechanism coupled to the output shaft 2 acts on the output shaft 2. Torsion occurs between the torsion bars connecting the two, and a relative rotation occurs between the projection 11a on the surface of the sensor shaft portion 11 on the input shaft 1 side and the cylindrical member 12 on the output shaft 2 side.
[0024]
When the cylindrical member 12 has no window, the cylindrical member 12 is made of a conductive and nonmagnetic material. Therefore, when an alternating current is generated in the detection coils 13 and 14 to generate an alternating magnetic field, the cylindrical member 12 Eddy currents in the direction opposite to the coil current are generated on the outer peripheral surface. When the magnetic field due to the eddy current and the magnetic field due to the coil current are superimposed, the magnetic field inside the cylindrical member 12 is canceled out.
[0025]
When a window is formed on the cylindrical member 12, the eddy current generated on the outer peripheral surface of the cylindrical member 12 cannot circulate around the outer peripheral surface by the windows 12a and 12b, so that the cylinder is formed along the end surfaces of the windows 12a and 12b. It wraps around the inner peripheral surface side of the member 12, flows in the same direction as the coil current, returns to the outer peripheral surface side along the end surfaces of the adjacent windows 12a and 12b, and forms a loop. That is, a state occurs in which eddy current loops are periodically arranged in the circumferential direction inside the detection coil.
[0026]
The magnetic field generated by the coil current and the magnetic field generated by the eddy current are superimposed, and a magnetic field that periodically changes in strength in the circumferential direction and a magnetic field having a gradient in the radial direction that decreases toward the center are formed inside and outside the cylindrical member 12. It is formed. The strength of the periodic magnetic field in the circumferential direction is strong at the center of the windows 12a and 12b affected by the adjacent eddy currents, and becomes weaker as it deviates from the center.
[0027]
A sensor shaft portion 11 made of a magnetic material is coaxially arranged inside the cylindrical member 12, and the ridges 11a are arranged at the same cycle as the windows 12a and 12b.
[0028]
A magnetic material placed in a magnetic field is magnetized to generate a magnetic flux, but the amount of magnetic flux increases according to the strength of the magnetic field until it is saturated. For this reason, the magnetic flux generated in the sensor shaft portion 11 by the cylindrical member 12 due to the strength of the periodic magnetic field in the circumferential direction and the magnetic field having a radial gradient that decreases toward the center is generated between the cylindrical member 12 and the sensor. It increases or decreases depending on the relative phase with the shaft portion 11.
[0029]
The phase at which the magnetic flux is maximum is such that the centers of the windows 12a and 12b of the cylindrical member 12 and the center of the ridge 11a of the sensor shaft portion 11 coincide with each other, and the inductances of the detection coils 13 and 14 according to the increase and decrease of the magnetic flux. Increase / decrease and change to a substantially sinusoidal shape.
[0030]
In the state where torque does not act, the center of the ridge 11a of the sensor shaft portion 11 is the ridge 11a with respect to the phase where the inductance is maximum (the phase where the windows 12a and 12b coincide with the center of the ridge 11a). Since the torque acts to twist the torsion bar 3 and a phase difference occurs between the sensor shaft portion 11 and the cylindrical member 12, One of the inductances of the detection coils 13 and 14 increases and the other decreases.
[0031]
FIG. 4 is a diagram for explaining the magnitude of torque and the change in inductance of the detection coils 13 and 14, where the horizontal axis indicates the torque T and the vertical axis indicates the inductance L. When the right steering torque is generated, the cylindrical member 12 rotates clockwise in FIGS. 3A and 3B. Therefore, as shown in FIG. 4, the inductance L13 of the detection coil 13 increases as the torque increases. The inductance L14 of the detection coil 14 decreases.
[0032]
In addition, when the left steering torque is generated, the cylindrical member 12 rotates counterclockwise in FIGS. 3A and 3B, so that the inductance L13 of the detection coil 13 increases as the torque increases as shown in FIG. As a result, the inductance L14 of the detection coil 14 increases.
[0033]
FIG. 5 is a block diagram of the torque detection circuit. The torque detection circuit 20 is connected to a control device (not shown) via a connector 29, and the power supply voltage V and the reference voltage Vref are supplied to each circuit element from the control device via the noise filter 28, and the detected main detection torque signal and A sub detection torque signal is output to the control device.
[0034]
The bridge circuit for detecting torque includes a first arm in which the detection coil 13 and the resistor R1 are connected in series, and a second arm in which the detection coil 14 and the resistor R2 are connected in series.
[0035]
The oscillating unit 21 is supplied with the power supply voltage V and the reference voltage Vref and outputs an AC voltage having a predetermined frequency. The output AC voltage is amplified by the current amplifying unit 22, and the amplified AC voltage Vosc is generated by the first arm of the bridge circuit composed of the detection coil 13 and the resistor R1, and the detection coil 14 and the resistor R2. It is supplied to the second arm of the constructed bridge circuit. It should be noted that the values of the resistors R1 and R2 are adjusted in advance so that the voltages appearing at both ends of the detection coils 13 and 14 are equal when no torque is applied.
[0036]
The voltage signals appearing at both ends of the detection coil 13 and the detection coil 14 are converted and amplified and rectified by the main amplification / full-wave rectification unit 23 into a difference signal between both detection coils, and the main smoothing / neutral adjustment unit 26. After the output waveform is adjusted, the signal is output to the control device through the noise filter 28 as a main detection torque signal.
[0037]
Further, the voltage signals appearing at both ends of the detection coil 13 and the detection coil 14 are converted and amplified and rectified by the sub-amplification / full-wave rectification unit 24 by being converted into a difference signal Vdef between both detection coils, and further sub-smooth / neutral. After the output waveform is adjusted by the adjustment unit 27, it is output to the control device through the noise filter 28 as a sub detection torque signal.
[0038]
Two sets of torque detection circuits 20 including a main amplification / full wave rectification unit 23 and a main smoothing / neutral adjustment unit 26 and a sub amplification / full wave rectification unit 24 and a sub smoothing / neutral adjustment unit 27 are provided. The reason for outputting the signal is to detect disconnection or short circuit of the detection coil, failure of the circuit element, or the like by comparing these two sets of signals in a control circuit (not shown).
[0039]
In the torque detection circuit 20, a monitoring unit 25 is provided between the sub amplification / full wave rectification unit 24 and the sub smoothing / neutral adjustment unit 27. The monitoring unit 25 detects a contact failure between the detection coil 13 or 14 and the resistor R1 or R2 by increasing the contact resistance. Hereinafter, the configuration and operation of the monitoring unit 25 will be described.
[0040]
FIG. 6 is a block diagram of the monitoring unit 25 and its peripheral circuits. The sub-amplification / full-wave rectification unit 24 includes an operational amplifier OP1 and a synchronous detector SR. The reference voltage Vref is connected to the input side (+) terminal of the operational amplifier OP1, and the output of the operational amplifier OP1 is fed back to the input side (−) terminal of the operational amplifier OP1 through the resistor R5.
[0041]
The voltage appearing at both ends of the detection coils 13 and 14 is input to the input side (+) terminal of the operational amplifier OP1 and the input side (−) terminal of the operational amplifier OP1 through the capacitor C3, the resistor R3, the capacitor C4, and the resistor R4, and the difference between them. The signal Vdef is output.
[0042]
The output signal Vdef of the operational amplifier OP1 is further rectified in synchronization with the alternating current output from the oscillation unit 21 supplied via the current amplification unit 22 in the synchronous detector SR, and output to the sub-smoothing / neutral adjustment unit 27 in the subsequent stage. Is done.
[0043]
The sub-smoothing / neutral adjustment unit 27 includes an operational amplifier OP2, a capacitor C5, and a resistor R9. A reference voltage Vref is connected to an input side (+) terminal of the operational amplifier OP2 through a resistor R8, and an input side of the operational amplifier OP2 The output of the synchronous detector SR is supplied to the (−) terminal via a resistor R7. The output of the operational amplifier OP2 is fed back to the input side (-) terminal via the capacitor C5 and the resistor R9, and the detected torque signal is output after being smoothed and adjusted in waveform.
[0044]
The monitoring unit 25 includes two comparators CP1 and CP2 and a transistor TR. Between the output side of the comparators CP1 and CP2 and the base of the transistor TR, a resistor R10 connected to a constant voltage Vcc, a resistor R11, A resistor R12 and a capacitor C6 are inserted.
[0045]
The AC voltage Vosc output from the oscillator 21 via the current amplifier 22 is input to the input (+) terminal of the comparator CP1, and the reference voltage Vref is input to the input (−) terminal. Further, the output signal Vdef of the operational amplifier OP1 is inputted to the input side (+) terminal of the comparator CP2, and the AC voltage Vosc outputted from the oscillation unit 21 is inputted to the input side (−) terminal. The outputs of the comparators CP1 and CP2 are combined, and the combined waveform is input to the base of the transistor TR.
[0046]
FIG. 7 is a diagram showing input waveforms and output waveforms of the comparators CP1 and CP2 during normal and abnormal times, and a combined waveform of the outputs of the comparators CP1 and CP2. The normal state refers to a state where there is no contact failure between the detection coil 13 or 14 and the resistor R1 or R2, and the abnormal state refers to a state where contact failure occurs and the contact resistance increases. Hereinafter, the normal operation and the abnormal operation will be described with reference to FIG.
[0047]
First, normal operation will be described. Since there is no contact failure between the detection coil 13 or 14 and the resistor R1 or R2 at the normal time (no abnormality occurs), the voltages appearing at both ends of the detection coils 13 and 14 are equal and there is no phase shift. The operational amplifier OP1 outputs a reference voltage Vref (sine wave).
[0048]
The AC voltage Vosc output from the oscillator 21 via the current amplifier 22 is input to the input side (+) terminal of the comparator CP1, and the reference voltage Vref is input to the input side (−) terminal of the comparator CP1. The input waveform is a sine wave, and the output waveform at this time is a positive potential rectangular waveform.
[0049]
Further, the output signal Vdef (sine wave) of the operational amplifier OP1 is input to the input side (+) terminal of the comparator CP2, and the AC voltage output from the oscillation unit 21 via the current amplification unit 22 is input to the input side (−) terminal. Since Vosc is input, all of the input waveforms are sine waves, and the output waveform at this time is a rectangular waveform with a negative potential, which is in phase with the output waveform of the comparator CP1.
[0050]
Accordingly, the combined waveform of the outputs of the comparators CP1 and CP2 has no phase shift between the output waveforms, and the positive potential and the negative potential cancel each other so that the output becomes zero. Therefore, the base of the transistor TR has a constant voltage Vcc. Is applied, and the transistor TR is kept in the OFF state. The OFF state of the transistor TR means that the control signal at the time of abnormality detection is not output from the monitoring unit 25.
[0051]
Since the monitoring unit 25 has not detected an abnormality and the transistor TR is OFF, the reference voltage Vref is applied to the input side (+) terminal of the operational amplifier OP2 of the sub-smoothing / neutral adjustment unit 27. The output of the sub-amplification / full-wave rectification unit 24 input to the (−) terminal is output through the operational amplifier OP2.
[0052]
Next, the operation at the time of abnormality will be described. When an abnormality occurs, a contact failure occurs between the detection coil 13 or 14 and the resistor R1 or R2 and the contact resistance increases (occurrence of abnormality), so that the detection coil 13 or 14 has an apparent increase in pure resistance. Since the impedance of the detection coil 13 or 14 increases, the operational amplifier OP1 outputs a signal whose phase is shifted as compared with the phase of the output signal at the normal time.
[0053]
Since the AC voltage Vosc output from the oscillation unit 21 via the current amplification unit 22 is applied to the input side (+) terminal of the comparator CP1, and the reference voltage Vref is applied to the input side (−) terminal, the input waveform is a sine wave. The output waveform at this time is a rectangular waveform with a positive potential. This point is the same as normal.
[0054]
The AC voltage Vosc output from the oscillator 21 through the current amplifier 22 is applied to the input side (−) terminal of the comparator CP2, and the output Vdef (sine wave) of the operational amplifier OP1 is input to the input side (+) terminal. However, as described above, since the impedance of the detection coil 13 or 14 is increased, the output waveform of the comparator CP2 is a rectangular waveform having a negative potential, but a phase shift occurs between the output waveform of the comparator CP1. doing.
[0055]
Accordingly, the combined waveform of the outputs of the comparators CP1 and CP2 outputs a rectangular waveform having a width corresponding to the phase shift between the output waveforms, which is applied to the base of the transistor TR, and the transistor TR is turned on (conducting state). It becomes. The ON state of the transistor TR means that the control signal at the time of abnormality detection is output from the monitoring unit 25.
[0056]
When the monitoring unit 25 detects an abnormality and the transistor TR is turned on (conductive state), the input side (+) terminal of the operational amplifier OP2 of the sub-smoothing / neutral adjustment unit 27 is grounded. The output of the input sub-amplifier / full-wave rectifier 24 is not output via the operational amplifier OP2. That is, when a circuit abnormality occurs such that a contact failure occurs between the detection coil 13 or 14 and the resistor R1 or R2 and the contact resistance increases, the output of the detected torque is prohibited.
[0057]
Next, a second embodiment of the monitoring unit will be described. The monitoring unit according to the second embodiment has a predetermined time before and after the point where the AC voltage (sine wave) output from the oscillation unit 21 intersects its midpoint (points of 0 ° and 180 ° of the sine wave). When the difference signal Vdef of the output signals appearing at both ends of the detection coils 13 and 14 within the width tm exceeds a predetermined voltage value Vref3, the phase difference from the AC voltage output from the oscillator 21 is an allowable value. It is judged that an abnormality has occurred beyond this point.
[0058]
FIG. 8 is a circuit block diagram showing a second embodiment of the monitoring unit described above, and can be replaced with the monitoring unit 25 described above.
[0059]
In the vicinity of the monitoring unit 30 of the second embodiment, the first arm in which the detection coil 13 and the resistor R1 are connected in series, the detection coil 14, and the resistor R2 described above are connected in series. The torque detection bridge circuit composed of the second arm, the oscillation unit 21, the current amplification unit 22, the sub-amplification / full-wave rectification unit 24, and the sub-smoothing / neutral adjustment unit 27 are connected to these circuit units. The configuration and operation of the monitoring unit 30 are the same as those described above, so the description thereof is omitted here, and the monitoring unit 30 will be described below.
[0060]
The monitoring unit 30 includes three comparators CP11, CP12, and CP13, an AND circuit AN that is an AND circuit, a transistor TR, and a resistor R10 that is a circuit element, a resistor R11, a resistor R12, and a capacitor C6. .
[0061]
The AC voltage Vosc output from the oscillation unit 21 via the current amplification unit 22 is input to the input side (+) terminal of the comparator CP11, and the first reference voltage Vref1 is input to the input side (−) terminal. The second reference voltage Vref2 is input to the input side (+) terminal of the comparator CP12, and the AC voltage Vosc output from the oscillation unit 21 via the current amplification unit 22 is input to the input side (−) terminal. The outputs of the comparators CP11 and CP12 are combined and input to the first input terminal of the AND circuit AN.
[0062]
The third reference voltage Vref3 is input to the input side (+) terminal of the comparator CP13, and the output signal Vdef of the operational amplifier OP1 of the sub-amplification / full-wave rectification unit 24 is input to the input side (−) terminal. The output of the comparator CP13 is input to the second input terminal of the AND circuit AN.
[0063]
The output terminal of the AND circuit AN is connected to the base of the transistor TR via the resistor R11. When the AND circuit AN is turned on, the signal makes the transistor TR conductive.
[0064]
Hereinafter, the operation of the monitoring unit 30 will be described with reference to FIGS. 9 and 10. First, a rectangular wave signal having a predetermined time width tm is prepared for determining the timing for executing abnormality detection.
[0065]
That is, the AC voltage Vosc is input to the input side (+) terminal of the comparator CP11, the first reference voltage Vref1 is input to the input side (−) terminal, and the second side is input to the input side (+) terminal of the comparator CP12. The reference voltage Vref2 is input, and the AC voltage Vosc is input to the input side (−) terminal. The output waveforms of the comparators CP11 and CP12 and their combined output waveforms are as shown in FIG. 9, and a signal having a predetermined time width tm is obtained by combining the outputs of the comparators CP11 and CP12. As described above, this signal is input to the first input terminal of the AND circuit AN (see FIG. 8).
[0066]
Next, in order to determine whether or not the difference signal between the output signals appearing at both ends of the detection coils 13 and 14 is equal to or less than a predetermined voltage value Vref3, the input side (+) terminal of the abnormality detection comparator CP13 becomes a determination criterion. The reference voltage Vref3 is input, and the output signal Vdef of the operational amplifier OP1 of the sub-amplification / full-wave rectification unit 24 is input to the (−) terminal. This signal is input to the second input terminal of the AND circuit AN (see FIG. 8).
[0067]
The normal operation will be described with reference to FIG. Under normal conditions, the output signal Vdef of the operational amplifier OP1 has no phase shift and does not become lower than the reference voltage Vref3, so that the output of the comparator CP13 becomes zero (0). Since the AND circuit AN takes the logical product of the output signal of the comparator CP13 and the signal of the predetermined time width tm (the combined output of the comparators CP11 and CP12), the output of the AND circuit AN is also turned off (0), and the transistor TR is in the conductive state. Thus, it is detected that no abnormality has occurred.
[0068]
Next, the operation at the time of abnormality will be described with reference to FIG. When a phase shift occurs in the output signal Vdef of the operational amplifier OP1, and it falls below the reference voltage Vref3 within a predetermined time width tm, it is determined that an abnormality has occurred.
[0069]
The comparator CP13 outputs (1) when the output signal Vdef of the operational amplifier OP1 is lower than the reference voltage Vref3, and outputs (0) when the output signal Vdef of the operational amplifier OP1 is higher than the reference voltage Vref3.
[0070]
In the AND circuit AN, a logical product of the output signal of the comparator CP13 and a signal having a predetermined time width tm (combined output of the comparators CP11 and CP12) is obtained, so that the output of the comparator CP13 is a reference voltage within the range of the predetermined time width tm. When Vref3 or less, the transistor TR is turned on (1), and during this period, the transistor TR is in a conducting state, and it is detected that an abnormality has occurred.
[0071]
In addition, the circuit configuration of the monitoring unit described in the first and second embodiments described above is an exemplification, and various other modified circuits having the same function are conceivable. Such a modified circuit is within the scope of circuit design that can be easily implemented by those skilled in the art, and the present invention is not limited to the illustrated circuit configuration.
[0072]
The example in which the torque sensor according to the embodiment of the present invention is applied to an electric power steering device for a vehicle has been described above. However, the torque sensor of the present invention is a torque in various mechanical devices other than the electric power steering device for a vehicle. Needless to say, the present invention can also be applied to a detection device.
[0073]
【The invention's effect】
As described above, the present invention provides alternating current to a bridge circuit in which each of a pair of detection coils whose impedances change in opposite directions according to the torque generated on the rotating shaft and each of the pair of resistors are individually connected in series. In a torque sensor that applies a voltage and detects torque based on a difference between AC voltages appearing at the terminal portions of the pair of detection coils, the contact failure of the contact portion between the detection coil that detects torque and another circuit element Since the detection is based on the occurrence of a phase difference between the difference waveform of the AC voltage appearing on the detection coil terminal of the contact coil, the contact failure of the contact portion between the detection coil and other circuit elements is detected with a simple configuration. And a highly reliable torque sensor can be provided.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view showing a configuration of a main part of an electric power steering apparatus.
FIG. 2 is a perspective view showing a configuration of a torque sensor of the electric power steering apparatus.
FIG. 3 is a diagram for explaining the protrusions on the surface of the sensor shaft and the window arrangement of the cylindrical member.
FIG. 4 is a diagram for explaining changes in the magnitude of torque and the inductance of two detection coils.
FIG. 5 is a block diagram of a torque detection circuit.
FIG. 6 is a block diagram of a monitoring unit and its peripheral circuits.
7A and 7B are diagrams for explaining input waveforms, output waveforms, and output composite waveforms of comparators CP1 and CP2 when normal and abnormal.
FIG. 8 is a circuit block diagram showing a second embodiment of the monitoring unit.
FIG. 9 is a view for explaining generation of a signal having a predetermined time width tm.
FIG. 10 is a diagram for explaining a combined waveform of comparators CP11 and CP12, an output waveform of a comparator CP13, and an output waveform of an AND circuit at normal time and abnormal time;
[Explanation of symbols]
1 Input shaft
2 Output shaft
3 Torsion bar
4 racks
5a, 5b housing
6a, 6b, 6c Bearing
7 Worm wheel
8 Worm
11 Sensor shaft
11a ridge
11b Groove
12 Cylindrical member
12a window (of the first window row)
12b Window (second window row)
13, 14 Detection coil
15 York
16 Circuit board
20 Torque detection circuit
21 Oscillator
22 Current amplifier
23 Main amplification and full wave rectification
24 Sub-amplification / Full-wave rectifier
25 Monitoring unit
26 Main smoothing / neutral adjustment section
27 Sub-smooth / neutral adjustment section
28 Noise filter
30 Monitoring unit
R1 and R2 resistance
SR synchronous detector
OP1, OP2 operational amplifier
CP1, CP2 comparator
CP11, CP12, CP13 comparator
AN AND circuit
TR transistor

Claims

An AC voltage is applied to each of a pair of detection coils whose impedances change in opposite directions according to torque generated on the rotating shaft and a pair of resistors individually connected in series, and the pair of detections In a torque sensor that detects torque based on the difference in AC voltage that appears at the terminal of the coil,
A phase difference between the waveform of the applied AC voltage and the waveform of the differential voltage of the AC voltage appearing at the pair of detection coil terminal portions is detected, and the detection coil resistance is abnormal when the phase difference exceeds a predetermined value. A torque sensor comprising a monitoring circuit for determining

The torque sensor according to claim 1, wherein the abnormality in the detection coil resistance includes an increase in contact resistance between the pair of detection coils and the pair of resistors.