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JP3653264B2 - Torque sensor - Google Patents

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JP3653264B2
JP3653264B2 JP2002355732A JP2002355732A JP3653264B2 JP 3653264 B2 JP3653264 B2 JP 3653264B2 JP 2002355732 A JP2002355732 A JP 2002355732A JP 2002355732 A JP2002355732 A JP 2002355732A JP 3653264 B2 JP3653264 B2 JP 3653264B2
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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
この発明は、トルクセンサに関し、より詳しくは非接触型の磁歪式のトルクセンサに関する。
【0002】
【従来の技術】
非接触型の磁歪式のトルクセンサは、一般に、トルク伝達軸に固定され、一軸磁気異方性を備えた磁性金属薄膜と、それに近接して配置された励磁コイルと検出コイルとを備え、印加トルクによって磁歪膜に生じた透磁率の増減を検出コイルの電位差として取り出して印加トルクを検出する。
【0003】
この種の非接触型の磁歪式のトルクセンサの例としては下記の特許文献1で提案されるものを挙げることができる。この従来技術に係るトルクセンサは、電動機によって車両の操舵トルクを補助する電動パワーステアリング装置において、運転者からステアリングホイールを介して入力される操舵トルクを検出するのに使用される。
【0004】
具体的には、トルクセンサ(70)が検出した操舵トルクは電動パワーステアリング装置の制御手段(81)に送出され、制御手段(81)は入力された操舵トルクに基づいて電動機(82)を制御するように構成される。
【0005】
【特許文献1】
特開2001−133337号公報(段落0027、図2)
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
トルクセンサは、一般に、ハートレー(Hartley)やコルピッツ(Colpitts)などに代表されるアナログ発振回路から発生される正弦波を励磁信号として用いているため、温度変化や電源電圧の変動といった外乱の影響を受け易い。このため、従来技術に係るトルクセンサにあっては、安定した励磁信号(正弦波)が得られず、トルクの検出精度を低下させる恐れがあった。
【0007】
また、トルクセンサ、特に、上記した従来技術に係るトルクセンサのように車両のトルク伝達軸のトルク検出に使用されるものにあっては、トルクセンサの出力の異常をマイクロコンピュータなどからなる制御手段で常に監視し、トルクセンサの故障をできる限り早く(タイムリーに)検出できることが望ましい。しかしながら、従来技術に係るトルクセンサにあっては、トルクセンサとその異常を監視するマイクロコンピュータなどの制御手段が別系統(アナログ信号系とデジタル信号系)とされ、それぞれ異なる周波数で独立して動作していたため、トルクセンサが出力を生じてからマイクロコンピュータでその出力に基づいた故障検出が行なわれるまでに時間的な遅れが生じるという不都合があった。
【0008】
従って、この発明の目的は、安定した励磁信号を供給してトルクの検出精度を向上させることができると共に、トルクセンサが出力を生じてからマイクロコンピュータで故障検出が行なわれるまでの時間的な遅れを解消することができるようにしたトルクセンサを提供することにある。
【0009】
一方、励磁信号を生成するアナログ回路(特に、所定の周波数のみを通過させる帯域2次フィルタ(バンドパスフィルタ)など)の特性に個体差(製造バラツキ)が生じた場合、励磁信号にノイズが含まれてしまうことがあり、トルクの検出精度を低下させるという不都合があった。
【0010】
従って、この発明の第2の目的は、励磁信号を生成するアナログ回路の特性に個体差(製造バラツキ)が生じた場合でも、ノイズを含まない励磁信号を生成することができ、よってトルクの検出精度を一層向上させることができるようにしたトルクセンサを提供することにある。
【0011】
【課題を解決するための手段】
上記した目的を達成するために、請求項1項にあっては、トルク伝達軸に印加されるトルクを検出するトルクセンサにおいて、前記トルク伝達軸に固定される磁歪膜に近接して配置される1次側励磁コイルと、前記1次側励磁コイルが励磁されたときに出力を生じる2次側検出コイルと、前記1次側励磁コイルが励磁されたときに出力を生じる3次側検出コイルと、前記2次側検出コイルと3次側検出コイルの出力を入力して入力値から前記トルク伝達軸に印加されるトルクを検出するマイクロコンピュータと、前記マイクロコンピュータのクロック周波数を分周して得た矩形波から励磁信号を生成して前記1次側励磁コイルに供給する励磁信号生成部と、前記2次側検出コイルと3次側検出コイルの出力に基づいて前記トルクセンサの故障を検出する故障検出部と、を備えるように構成した。
【0012】
励磁コイルに供給する励磁信号をマイクロコンピュータのクロック周波数(動作周波数)を分周して得た矩形波から生成する、即ち、デジタル信号から励磁信号を生成するように構成したので、温度変化や電源電圧の変動の影響を受け難い安定した励磁信号を供給することができるため、トルクの検出精度を向上させることができる。また、マイクロコンピュータとトルクセンサの動作が同期することから、トルクセンサが出力を生じてからマイクロコンピュータで故障検出が行なわれるまでの時間的な遅れを解消することができる。さらに、2次側と3次側の2個の検出コイルを備え、それらの出力に基づいてトルクセンサの故障を検出するように構成したので、トルクセンサの故障をより正確に検出することができる。
【0013】
また、請求項2項にあっては、前記励磁信号生成部は、前記矩形波からアナログ回路を介して所定の周波数の正弦波を生成し、前記生成した正弦波から前記励磁信号を生成するように構成した。
【0014】
マイクロコンピュータのクロック周波数を分周して得た矩形波からアナログ回路を介して所定の周波数の正弦波を生成し、その正弦波から励磁信号を生成するように構成したので、マイクロコンピュータのプログラミングを変更してアナログ回路に入力される矩形波の周波数を調整することができる。具体的には、クロック周波数をカウントするカウンタの設定値(カウント値)を変更して分周比を変更することにより、アナログ回路に入力される矩形波の周波数を、アナログ回路の特性(特に、所定の周波数のみを通過させる帯域2次フィルタ(バンドパスフィルタ)の特性)に対応した値に設定することができる。このため、アナログ回路の特性に個体差が生じた場合であっても、ノイズを含まない励磁信号(正弦波)を生成することができ、よってトルクの検出精度を一層向上させることができる。
【0017】
また、請求項項にあっては、前記トルクセンサは、電動機によって車両の操舵トルクを補助する電動パワーステアリング装置の前記操舵トルクを検出するトルクセンサである如く構成した。
【0018】
請求項1項から項に係るトルクセンサは上記した効果を有するので、車両に搭載される電動パワーステアリング装置に装着されるときも、運転者からステアリングホイールを介して印加される操舵トルクを精度良く検出でき、よって電動パワーステアリングの操舵フィーリングを向上させることができると共に、トルクセンサが出力を生じてからマイクロコンピュータで故障検出が行なわれるまでの時間的な遅れを解消することができる。さらに、請求項2項に係るトルクセンサであるときは、製品の出荷前に励磁信号を生成するアナログ回路の個体差に応じて分周比を最適に設定することで、ノイズを含まない励磁信号を生成することができるため、トルクの検出精度を一層向上させることができる。
【0019】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面に即してこの発明の一つの実施の形態に係るトルクセンサを説明する。
【0020】
図1は、この発明の一つの実施の形態に係るトルクセンサを模式的に示す原理図である。
【0021】
図示の如く、トルクセンサ10は、トルク伝達軸(回転軸)12に固定され、磁気異方性を備えた磁歪膜(磁性金属薄膜)14と、磁歪膜14に近接して配置された励磁コイル(1次側と示す)16と、同様に磁歪膜14に近接して配置された2次側と3次側の2個の検出コイル20,22とを備える。以下、2次側の検出コイル20を「2次側検出コイル」と呼び、3次側の検出コイル22を「3次側検出コイル」と呼ぶ。
【0022】
トルク伝達軸12は、Niをほとんど含まない、クロムモリブデン鋼材(JIS−G−4105、記号SCM)などからなる。また、磁歪膜14は、磁気異方正が与えられた第1の磁歪膜14aと第2の磁歪膜14bから構成される。
【0023】
第1の磁歪膜14aと第2の磁歪膜14bは、具体的には、図に矢印で示す如く、トルク伝達軸12の軸線12aに対して±45度の方向に一軸磁気異方性を備えるように構成されると共に、トルク伝達軸12の全周に所定幅にわたって固定(貼付)される。より詳しくは、各磁歪膜14a,14bは歪み応力(圧縮応力および引っ張り応力)に対して透磁率の変化の大きい素材からなる金属膜であり、例えば、トルク伝達軸12の外周に湿式メッキ法で形成した、Ni−Fe系の合金膜からなる。Ni−Fe系の合金膜は、例えば、重量%においてNiが50から60であり、残余がFeである。
【0024】
磁歪膜14は上記したようにトルク伝達軸12の外表面に直接設けても良く、あるいはパイプ状の別部材上に形成した後、別部材ごとトルク伝達軸12上に固定するようにしても良い。また、磁歪膜14およびトルク伝達軸12の素材も上記したものに止まらないことはいうまでもない。
【0025】
励磁コイル16は、第1の励磁コイル16aと第2の励磁コイル16bから構成される。第1の励磁コイル16aと第2の励磁コイル16bは、それぞれ第1の磁歪膜14aと第2の磁歪膜14b(およびトルク伝達軸12)に近接して、より詳しくは0.4〜0.6mm程度の間隙をもって配置された磁心(図示せず)に巻かれてなり、励磁電源26から交流電流を通電されて励磁される。
【0026】
2次側検出コイル20は、第1の2次側検出コイル20aと第2の2次側検出コイル20bから構成される。第1の2次側検出コイル20aと第2の2次側検出コイル20bは、励磁コイル16と同様に、それぞれ第1の磁歪膜14aと第2の磁歪膜14b(およびトルク伝達軸12)に近接して、より詳しくは0.4〜0.6mm程度の間隙をもって配置される。励磁コイル16の磁心と検出コイル20の磁心は、磁歪膜14(およびトルク伝達軸12)に近接しつつ対向して配置される。また、第1の2次側検出コイル20aと第2の2次側検出コイル20bは巻き方向が逆向きにされ、差動結合、具体的には負電圧側同士の差動結合とされる。
【0027】
また、3次側検出コイル22も、第1の3次側検出コイル22aと第2の3次側検出コイル22bからなると共に、第1の3次側検出コイル22aと第2の3次側検出コイル22bは、それぞれ第1の磁歪膜14aと第2の磁歪膜14b(およびトルク伝達軸12)に近接して、より詳しくは0.4〜0.6mm程度の間隙をもって配置される。また、第1の3次側検出コイル22aと第2の3次側検出コイル22bも巻き方向が逆向きにされ、差動結合、具体的には正電圧側同士の差動結合とされる。
【0028】
尚、第1の3次側検出コイル22aは第1の2次側検出コイル20aと巻き方向が逆向きにされて極性が相違させられると共に、第2の3次側検出コイル22bは第2の2次側検出コイル20bと巻き方向が逆向きにされ、極性が相違させられる。
【0029】
このように、この実施の形態に係るトルクセンサ10にあっては、計4個の検出コイルを備えると共に、接続されるコイル同士、および同一の磁歪膜に近接して配置されるコイル同士は、それぞれ巻き方向が逆向き(背反的)になるように配置される。
【0030】
トルク伝達軸12(および磁歪膜14)と磁心の間には磁気回路が形成され、その磁気回路において、励磁コイル16が励磁されたとき、外部から印加されるトルクに応じてトルク伝達軸12に生じる応力歪みに比例する透磁率の増減が生じ、各検出コイル20,22の出力端にその誘導電圧が微少な電圧値の変化として出力される。
【0031】
2次側検出コイル20と3次側検出コイル22の出力は、処理回路28に入力される。処理回路28は、後述するように印加トルクの方向および大きさを検出し、それらを示す出力を生じる。
【0032】
以下、この実施の形態に係るトルクセンサ10を、車両の操舵トルクを補助する電動パワーステアリング装置に装着し、運転者から入力される操舵トルクを検出するトルクセンサとして利用した場合を例にとって詳説する。
【0033】
図2は、トルクセンサ10を電動パワーステアリング装置の操舵トルクを検出するトルクセンサとして利用した場合を示す説明図である。
【0034】
図示の如く、車両30において運転席に配置されたステアリングホイール34は、ステアリングシャフト36に連結され、ステアリングシャフト36はユニバーサルジョイント38,40を介してコネクティングシャフト42に連結される。
【0035】
コネクティングシャフト42は、ラック・ピニオン型ステアリングギア44のピニオン46に連結される。ピニオン46はラック48に噛み合っており、よってステアリングホイール34から入力された回転運動はピニオン46を介してラック48の往復運動に変換され、フロントアクスルの両端に配置されたタイロッド(ステアリングロッド)50およびキングピン(図示せず)を介して2個の前輪(操舵輪)52を所望の方向に転舵させる。
【0036】
ラック48上には同軸に電動機(電動モータ)54およびボールねじ機構56が配置され、電動機出力はボールねじ機構56を介してラック48の往復運動に変換され、ステアリングホイール34を介して入力された操舵トルク(操舵力)を補助(減少)する方向にラック48を駆動する。
【0037】
ここで、ステアリングシャフト36の適宜位置には前記したトルクセンサ10が設けられ、運転者が入力した操舵力(操舵トルク)の方向と大きさに応じた信号を出力する。
【0038】
トルクセンサ10の出力は、電動パワーステアリング装置用のECU(電子制御ユニット)60に入力される。ECU60は、マイクロコンピュータからなり、車載バッテリ(12Vの片電源)62から駆動電源を供給されて所定のクロック周波数(動作周波数)で動作する。
【0039】
ECU60は、トルクセンサ10が検出した操舵トルクの方向と大きさ、および図示しない別のECUから供給される車速を表す信号に基づいて操舵トルクのアシスト量と方向を決定し、指令値(PWM制御のデューティ比)を算出してモータ駆動回路64を介して電動機54を駆動制御する。このため、トルクセンサ10の操舵トルクの検出精度は、電動パワーステアリングの操舵フィーリングに影響することになる。
【0040】
また、ECU60は、トルクセンサ10の出力に基づいてトルクセンサ10の故障を検出し、故障が検出されたときは運転席付近に配置された警告灯66を点灯させて運転者に報告する。
【0041】
図3は、トルクセンサ10の構成を詳細に示すブロック図である。
【0042】
図示の如く、ECU60には、5Vの定電圧レギュレータ68を介して車載バッテリ62が接続され、5Vの動作電圧が供給される。ここで、ECU60のクロック周波数(動作周波数。より詳しくは、マイクロコンピュータを構成するCPUの内部周波数)は、クリスタル(水晶)発振子70の発振周波数(外部周波数)を内部で所定倍して得た周波数とされる。この実施の形態にあっては、クリスタル発振子70の発振周波数を10MHz、ECU60内部での倍率を4倍とし、よってECU60の内部では、供給された5Vの動作電圧から、振幅5V、周波数40MHzの矩形波が生成されるものとする。
【0043】
ECU60は、その内部に分周器(回路)60aを備える。分周器60aは、ECU60のクロック周波数をカウントするカウンタ(図示せず)を備え、外部からのプログラミングによってカウンタの設定値(カウント値)を変更することで、分周比を任意の値に設定することができる。この実施に形態にあっては、カウンタのカウント値を1600に設定することで分周比を1/1600とし、分周器60aから25kHz(振幅5V)の矩形波が出力されるものとする。
【0044】
分周器60aの出力は、リファレンス電圧生成部72に入力される。尚、この明細書で「リファレンス電圧」とは、処理回路28の内部で発生する交流信号の中点(振幅の中点)を示す電圧値を意味する。リファレンス電圧生成部72は、分周器60aから出力された振幅5Vの矩形波のデューティ比50%に相当する電圧、即ち、2.5Vの定電圧をリファレンス電圧として出力する。
【0045】
一方、分周器60aから出力された25kHzの矩形波は帯域2次フィルタ(バンドパスフィルタ)74にも入力され、そこで矩形波を構成する25kHz以外の高調波成分が除去(減衰)されると共に、リファレンス電圧生成部72で生成されたリファレンス電圧が入力され、よって中点を2.5Vとする振幅5V、周波数25kHzの正弦波(sin波)が生成される。
【0046】
帯域2次フィルタ74で生成された正弦波は、反転増幅部(オペアンプ)76で波形の反転と振幅の増幅処理が施された後(処理後の波形の中点も前記したリファレンス電圧とされる)、RCフィルタ(ローパスフィルタ)78を介して励磁コイル16(具体的には、第1の励磁コイル16aおよびそれに接続された第2の励磁コイル16b)に励磁信号として供給される。励磁コイル16に励磁信号が供給されると、2次側検出コイル20と3次側検出コイル22には、ステアリングシャフト36(図3で図示せず)に印加された操舵トルクの方向および大きさに応じた位相の出力(電圧波形)が生じる。
【0047】
この実施の形態では、上記した如く、励磁信号である正弦波はECU60から出力される矩形波を分周して得た波形から生成する、即ち、励磁信号をデジタル信号から生成するようにしたので、温度変化や電源電圧の変動の影響を受け難い安定した励磁信号を供給することができる。従って、2次側検出コイル20と3次側検出コイル22が出力する波形も安定するため、トルクの検出精度を向上させることができる。このため、運転者からステアリングホイール34を介して印加される操舵トルクを精度良く検出することができ、よって電動パワーステアリングの操舵フィーリングを向上させることができる。
【0048】
さらに、帯域2次フィルタ74や反転増幅部76、RCフィルタ78といった励磁信号を生成するためのアナログ回路の特性に個体差(製造バラツキ)が生じた場合には、外部からのプログラミングによってカウンタの設定値(カウント値)を変更し、分周器60aの分周比を変更することにより、アナログ回路に入力される矩形波の周波数をアナログ回路の特性、特に帯域2次フィルタ74の時定数に対応した値に設定することができる。このため、アナログ回路の特性に個体差が生じた場合であっても、ノイズを含まない励磁信号(正弦波)を生成することができ、トルクの検出精度を一層向上させることができる。
【0049】
また、正弦波(励磁信号)の中点を示すリファレンス電圧を矩形波のデューティ比50%に相当する電圧としたので、図4に示す如く、励磁電源から供給される電圧Vccに変動が生じて正弦波の振幅が変化しても、それに追従して振幅の中点を示すリファレンス電圧Vrefも変化することになる。例えば、励磁電源の電圧Vccが5.2Vを示すとき、リファレンス電圧Vrefはその50%、即ち、2.6Vとなる。
【0050】
このため、車載バッテリ62のような片電源(単電源)を利用して励磁信号を生成する場合でも、常に上下(具体的には、リファレンス電圧Vrefを中点としたときの上側の振幅と下側の振幅)で差の生じない大きな振幅の励磁信号を生成することができる。換言すれば、励磁電源から供給される最大電圧を利用して励磁信号を生成することができる。尚、図3に示す構成において励磁電源とは、車載バッテリ62から分周器60aに至るまでの各構成、即ち、車載バッテリ62、定電圧レギュレータ68、ECU60および分周器60aを示す。
【0051】
次いで、図5を参照し、2次側検出コイル20と3次側検出コイル22について詳説する。図5は、図3で符合Sで示すセンシング部の拡大図である。尚、センシング部Sは、励磁コイル16と、2次側検出コイル20と、3次側検出コイル22と、図示しないステアリングシャフト36(およびそれに固定された磁歪膜14)とからなる。
【0052】
図5に示すように、第1の励磁コイル16aに近接する位置には、第1の2次側検出コイル20aと第1の3次側コイル22aが配置される。前述したように、第1の2次側検出コイル20aと第1の3次側コイル22aは、巻き方向が逆向きに(背反的に)されて極性が相違させられる。具体的には、第1の励磁コイル16aと第1の2次側検出コイル20aは極性が同一にされると共に、第1の励磁コイル16aと第1の3次側コイル22aは極性が相違させられる。
【0053】
また、第2の励磁コイル16bに近接する位置には、第2の2次側検出コイル20bと第2の3次側コイル22bが設けられる。前述したように、第2の2次側検出コイル20bと第2の3次側コイル22bも、同様に巻き方向が逆向きに(背反的に)されて極性が相違させられる。具体的には、第2の励磁コイル16bと第2の2次側検出コイル20bは極性が相違させられると共に、第2の励磁コイル16bと第1の3次側コイル22bは極性が同一にされる。
【0054】
図示の如く、第1の励磁コイル16aと第2の励磁コイル16bは、それぞれ負電圧側と正電圧側が直列に接続される。他方、第1の2次側検出コイル20aと第2の2次側検出コイル20bは、それぞれの負電圧側同士が直列に接続された差動結合とされる。また、第1の3次側検出コイル22aと第2の3次側検出コイル22bは、それぞれの正電圧側同士が直列に接続された差動結合とされる。
【0055】
ここで、各コイルに生じる誘導電圧について説明する。同図において、矢印(黒)が自己誘導電圧を示し、矢印(白)が相互誘導電圧を示す。また、各矢印の添字は、1が励磁コイル、2が2次側検出コイル、3が3次側検出コイルの起電力によって生じた誘導電圧であることを示す。
【0056】
符合aが付される第1のコイル(16a,20a,22a)を例にとって説明すると、第1の励磁コイル16aに励磁信号が供給されて電圧が印加されると、第1の励磁コイル16aには電流i1が流れると共に、その流れ方向と逆向きの自己誘導電圧が生じる。このとき、第1の2次側検出コイル20aと第1の3次側検出コイル22aには、相互誘導電圧が生じる。
【0057】
第1の2次側検出コイル20aと第1の3次側検出コイル22aに誘導電圧が生じると、各コイルには電流(誘導電流)i2,i3が発生すると共に、発生した電流と逆向きの自己誘導電圧が生じる。第1の2次側検出コイル20aと第1の3次側検出コイル22aに自己誘導電圧が生じると、それに起因して第1の励磁コイル16aに相互誘導電圧が生じるため、第1の励磁コイル16aの見掛け上のインダクタンスが変化する(流れる電流が変化する)。
【0058】
しかしながら、この実施の形態にあっては、第1の2次側検出コイル20aと第1の3次側検出コイル22aの巻き方向が逆向きに(背反的に)されていることから、2つのコイルに流れる電流の位相が180度ずれるため、それらに生じる自己誘導電圧も対向する。従って、i2=i3ならば、第1の2次側検出コイル20aと第1の3次側検出コイル22aに生じる自己誘導電圧同士が相殺されて零になると共に、それらに起因して生じる第1の励磁コイル16aの相互誘導電圧も相殺されて零になる。
【0059】
よって各コイルにおいて発生する誘導電圧は、符合bが付される第2のコイル(16b,20b,22b)を例にとって示すように、励磁コイル16の自己誘導電圧と、それに起因して生じる2次側検出コイル20と3次側検出コイルの22の相互誘導電圧のみとなる。即ち、検出コイル20,22の自己誘導電圧に起因する励磁コイル16のインダクタンスの変化が生じなくなり、検出コイル20,22の出力が印加されたトルクのみを反映する値となる。
【0060】
このように、2次側検出コイル20と3次側検出コイル22のコイルの巻き方向を逆方向に(背反的に)したため、検出コイル20,22の自己誘導電圧およびそれに起因して発生する励磁コイル16の相互誘導電圧が相殺され、励磁コイル16のインダクタンスは変化しない。このため、検出コイル20,22の出力と印加されたトルクの関係が比例関係となり、よってトルクの検出精度を向上させることができる。
【0061】
次いで、温度変化に起因するインダクタンスの変化について説明する。前述した如く、第1の2次側検出コイル20aと第2の2次側検出コイル20bは、負電圧側同士が直列に接続された差動結合とされるため、温度変化に起因するインダクタンスの変化が第1および第2の2次側検出コイル20a,20bのそれぞれで生じたとしても、2次側検出コイル20全体としてはインダクタンスの変化は相殺されて零となる。また、3次側検出コイル22においても、第1の3次側検出コイル22aと第2の3次側検出コイル22bが正電圧側同士の差動結合とされるため、同様にインダクタンスの変化は相殺されて零となる。
【0062】
また、第1の2次側検出コイル20aと第2の2次側検出コイル20bを負電圧側同士の差動結合とすると共に、第1の3次側検出コイル22aと第2の3次側検出コイル22bを正電圧側同士の差動結合としたため、トルクセンサ10を電動パワーステアリング装置に装着して大きな温度変化に曝される場合でも、温度変化に起因するインダクタンスの変化を相殺してその影響を解消することができ、よって安定した検出特性を得ることができる。このため、運転者からステアリングホイール34を介して印加される操舵トルクを精度良く検出することができ、よって電動パワーステアリングの操舵フィーリングを一層向上させることができる。
【0063】
図3の説明に戻ると、RCフィルタ78から出力された励磁信号、より具体的には、実際に励磁コイル16に供給される電圧波形は、2次側バイアス電圧生成部80にも入力され、そこで位相が90度進められた2次側cos波が生成される。また、励磁信号(実際に励磁コイル16に入力される電圧波形)は3次側バイアス電圧生成部82にも入力され、そこで位相が90度遅らされた(−90度進められた)3次側cos波が生成される。
【0064】
2次側検出コイル20の出力(電圧波形)は2次側加算部84で前記した2次側cos波が加算され、2次側加算波形が生成される。また、3次側検出コイル22の出力(電圧波形)は3次側加算部86で前記した3次側cos波が加算され、3次側加算波形が生成される。即ち、2次側cos波と3次側cos波は、各検出コイルが出力した電圧波形に加算されるバイアス電圧を意味する。
【0065】
図6は、ステアリングシャフト36にトルクが印加されていないときの2次側加算波形などの各波形を示す説明グラフである。また、図7は、同様にステアリングシャフト36にトルクが印加されていないときの3次側加算波形などの各波形を示す説明グラフである。
【0066】
図6に示すように、ステアリングシャフト36にトルクが印加されていないときは、第1の2次側検出コイル20aと第2の2次側検出コイル20bの出力が相殺され、V2で示す2次側検出コイル20全体としての出力(以下、「2次側出力」と呼ぶ)は、リファレンス電圧Vrefと一致する(零となる)。従って、Vplus2で示す2次側加算波形は、Vcos2で示す2次側cos波と一致する。尚、実際に励磁コイル16に供給される励磁信号(正弦波)をVsinで示す。
【0067】
また、図7に示すように、ステアリングシャフト36にトルクが印加されていないときは、第1の3次側検出コイル22aと第2の3次側検出コイル22bの出力も相殺され、V3で示す3次側検出コイル22全体としての出力(以下、「3次側出力」と呼ぶ)はリファレンス電圧Vrefと一致する(零となる)。従って、Vplus3で示す3次側加算波形は、Vcos3で示す3次側cos波と一致する。
【0068】
他方、ステアリングシャフト36に右回転方向のトルクが印加されると、第1の2次側検出コイル20aと第2の2次側検出コイル20bのインダクタンスのバランスが崩れ、図8に示すように、励磁信号Vsinと同位相の2次側出力V2が生じる。このため、2次側加算波形Vplus2は、2次側cos波Vcos2より位相が遅れ方向にずれる。ステアリングシャフト36に右回転方向のトルクが印加されたときの2次側cos波Vcos2に対する2次側加算波形Vplus2の位相差(共にリファレンス電圧Vrefを示すときの位相差)を「R2」で示す。
【0069】
また、3次側検出コイル22においても、第1の3次側検出コイル22aと第2の3次側検出コイル22bのインダクタンスのバランスが崩れることから、図9に示すように、励磁信号Vsinと同位相の3次側出力V3が生じる。このため、3次側加算波形Vplus3は、3次側cos波Vcos3より位相が進み方向にずれる。ステアリングシャフト36に右回転方向のトルクが印加されたときの3次側cos波Vcos3に対する3次側加算波形Vplus3の位相差(共にリファレンス電圧Vrefを示すときの位相差)を「R3」で示す。
【0070】
ステアリングシャフト36に左回転方向のトルクが印加されたときの2次側加算波形などの各波形を図10に示すと共に、3次側加算波形などの各波形を図11に示す。
【0071】
2次側出力V2は、図10に示すように、右回転方向のトルクが印加されたときのそれに対して180度位相がずれた波形となる。従って、2次側cos波Vcos2と2次側加算波形Vplus2の位相差(共にリファレンス電圧Vrefを示すときの位相差。「L2」で示す)も180度反対となり、2次側cos波Vcos2より位相が進み方向にずれる。また、3次側出力V3も、図11に示すように、右回転方向のトルクが印加されたときのそれに対して180度位相がずれた波形となり、3次側cos波Vcos3と3次側加算波形Vplus3の位相差(共にリファレンス電圧Vrefを示すときの位相差。「L3」で示す)も180度反対となる。即ち、3次側cos波Vcos3より位相が遅れ方向にずれる。
【0072】
図12に、印加されるトルクに対する2次側出力V2と3次側出力V3の関係を示す。前述の如く、2次側検出コイル20を負電圧側同士の差動結合としたのに対し、3次側検出コイル22を正電圧側同士の差動結合としたため、2次側出力V2と3次側出力V3は印加されるトルクに対して相反する特性を有する。
【0073】
このため、2次側出力V2と3次側出力V3のそれぞれにバイアス電圧を印加し、よって得た波形(即ち、2次側加算波形Vplus2と3次側加算波形Vplus3)とバイアス電圧(即ち、2次側cos波Vcos2と3次側cos波Vcos3)の位相差の方向と大きさを検出することで、印加されたトルクの方向と大きさを正確に検出することができる。
【0074】
ここで、励磁コイル16に発生する自己誘導電圧は、印加される電圧に対して逆向きの起電力となるため、実際に励磁コイル16に供給される励磁信号Vsinと90度の位相差を有する。従って、励磁信号Vsinの位相を90度ずらした波形をバイアス電圧とすることで前記位相差が最大となり、かつ左右のトルクに対して同一の位相差を得ることができる。換言すれば、トルクの検出感度が最大となると共に、左右のトルクに対して同一の感度を得ることができる。
【0075】
これについて、図13および図14を参照して説明する。図13は、2次側出力V2に2次側cos波Vcos2を加えたときのベクトル合成を示す説明図(フェーザ図)である。また、図14は、2次側出力V2に、励磁信号Vsinに対して60度位相ずれしたバイアス電圧を加えたときのベクトル合成を示す説明図(フェーザ図)である。両図において、V2(+)はステアリングシャフト36に右回転方向のトルクが印加されたときの2次側出力V2を示し、V2(−)は左回転方向のトルクが印加されたときの2次側出力V2を示す。
【0076】
図13および図14において、θRは励磁信号が生成されてから実際に励磁コイル16に供給されるまでの間に直流抵抗成分によって生じる位相差である。このθRが生じることから、前述の2次側および3次側バイアス電圧生成部80,82では、実際に励磁コイル16に供給される励磁信号Vsinの位相を所定量ずらして2次側および3次側cos波Vcos2,Vcos3を得るようにした。
【0077】
図13に示すように、右回転方向のトルクが印加されたときの2次側出力V2を示すベクトルに、2次側cos波Vcos2を示すベクトルを加算して合成することで、2次側加算波形Vplus2を示すベクトル(Vplus2(+))と2次側cos波Vcos2を示すベクトルのなす角度、即ち、位相差を最大とすることができる。また、同図から、2次側出力V2の電圧値が大きくなってそのベクトルが大きくなるに従って、2次側加算波形Vplus2を示すベクトルと2次側cos波Vcos2を示すベクトルのなす角度が大きくなり、位相差が大きくなることが分かる。即ち、トルクが印加されることによって発生する透磁率の増減を電圧値で検出し、さらにその電圧値の変化を位相の変化で記述することができる。
【0078】
尚、図14に示すように、右回転方向のトルクが印加されたときの2次側出力V2を示すベクトルに90度以外のバイアス電圧、例えば60度のバイアス電圧を加えることによっても、2次側加算波形Vplus2を示すベクトルとバイアス電圧を示すベクトルのなす角度、即ち、位相差は増大するが、90度の2次側cos波Vcos2を加えた場合に比して、その増加量は小さくなる。
【0079】
また、同じ60度のバイアス電圧を、左回転方向のトルクが印加されたときの2次側出力V2を示すベクトル(V2(−))に加算すると、2次側加算波形Vplus2を示すベクトル(Vplus2(−))と2次側cos波Vcos2を示すベクトルとのなす角度が、右回転方向のトルクが印加されたときのそれと相違するという不具合がある。即ち、入力されるトルクの大きさが同じでも、入力方向によって位相の変化量(ずれ量)が相違するため、右回転方向のトルクと左回転方向のトルクで検出感度が一致しないという不都合がある。
【0080】
これに対し、図13に示すように、+90度の2次側cos波Vcos2を加算することで、左右の角度の変化量(位相の変化量(ずれ量)の絶対値)を一致させることができ、よって右回転方向のトルクと左回転方向のトルクの検出感度を一致させることができる。
【0081】
尚、3次側出力V3と3次側cos波Vcos3のベクトル合成については、図13および図14において括弧内に記載した+と−が逆になると共に、+90度を示すベクトルの代わりに、それと逆向きの−90度を示すベクトルが使用される以外、上記の説明がそのまま妥当する。
【0082】
このように、励磁コイル16に供給される励磁信号Vsinの位相を所定量ずらして得たバイアス電圧と2次側および3次側検出コイル20,22の出力V2,V3を加算するようにしたので、加算値である2次側および3次側加算波形Vplus2,Vplus3と、その比較対象であるバイアス電圧(即ち、2次側および3次側cos波Vcos2,Vcos3)との位相のずれを大きくして検出感度を向上させることができるため、トルクの検出精度を向上させることができる。
【0083】
さらに、前記バイアス電圧を、励磁信号Vsinの位相を90度進めて生成した2次側cos波Vcos2と、励磁信号Vsinの位相を90度遅せて生成した3次側cos波Vcos3とすることで、2次側および3次側加算波形Vplus2,Vplus3と2次側および3次側cos波Vcos2,Vcos3との位相ずれが最大となって検出感度を一層向上させることができると共に、左右のトルクに対しても検出感度が同一となるため、より一層検出精度を向上させることができる。このため、運転者からステアリングホイール34を介して印加される操舵トルクを精度良く検出することができ、よって電動パワーステアリングの操舵フィーリングを一層向上させることができる。
【0084】
尚、2次側cos波Vcos2と3次側cos波Vcos3の位相を180度ずらして(90度と−90度に)設定したのは、図15に示すように、例えば処理回路28が温度変化などの影響を受けて2次側cos波Vcos2と3次側cos波Vcos3のそれぞれの位相にバラツキが生じても、それぞれのべクトルは同じ回転方向に動くことから、2次側と3次側でその影響が相殺されるためである。
【0085】
図3の説明に戻ると、位相比較部90は、上記した2次側加算波形Vplus2と2次側cos波Vcos2の位相差(ずれ)を検出する。具体的には、論理積回路(素子)、より具体的にはAND回路(2次側AND回路。図示せず)に励磁信号Vsinと2次側加算波形Vplus2を入力し、印加トルクの大きさと方向(換言すれば、2次側加算波形Vplus2と2次側cos波Vcos2の位相差)に対応した矩形波を得る。これを2次側検出トルクVt2とする。
【0086】
さらに、位相比較部90は、3次側加算波形Vplus3を図示しないインバータで反転させて得た波形(以下、「反転後3次側加算波形Vplus3inv」という)と3次側cos波Vcos3の位相差(ずれ)を検出する。具体的には、論理積回路(素子)、より具体的にはAND回路(3次側AND回路。図示せず)に励磁信号Vsinと反転後3次側加算波形Vplus3invを入力し、印加トルクの大きさと方向(換言すれば、反転後3次側加算波形Vplus3invと3次側cos波Vcos3の位相差)に対応した矩形波を得る。これを3次側検出トルクVt3とする。図6から図11の下部に、反転後3次側加算波形Vplus3inv、2次側検出トルクVt2および3次側検出トルクVt3などを示す各矩形波を示す。
【0087】
図6から図11に示す如く、2次側検出トルクVt2は、2次側加算波形Vplus2と励磁信号Vsinの両方がリファレンス電圧Vref以上となったときにH(High)信号(レベル)とされ、いずれか一方がリファレンス電圧Vrefを下回るときはL(Low)信号(レベル)とされる。また、3次側検出トルクVt3は、反転後3次側加算波形Vplus3invと励磁信号Vsinの両方がリファレンス電圧Vref以上となったときにH信号とされ、いずれか一方がリファレンス電圧Vrefを下回るときにL信号とされる。尚、理解の便宜のため、図6から図11において、H信号の出力期間をハッチングで示す。
【0088】
図6と図7を比較して分かるように、印加されるトルクが零のときは、2次側検出トルクVt2と3次側検出トルクVt3は常に同一の出力を示す。他方、図8と図9に示すように右回転方向のトルクが印加されると、印加トルクの大きさに比例して2次側検出トルクVt2のH信号の出力時間が延長される一方、3次側検出トルクVt3のH信号の出力時間が短縮される。また、図10と図11に示すように、左回転方向のトルクの印加されると、印加トルクの大きさに比例して2次側検出トルクVt2のH信号の出力時間が短縮される一方、3次側検出トルクVt3のH信号の出力時間が延長される。
【0089】
このように、2次側検出トルクVt2は、2次側加算波形Vplus2と2次側cos波Vcos2の位相差、即ち、印加トルクの大きさと方向に応じてH信号の出力時間が増減する。また、3次側検出トルクVt3も、反転後3次側加算波形Vplus3invと3次側cos波Vcos3の位相差、即ち、印加トルクの大きさと方向に応じてH信号の出力時間が増減する。そして、2次側検出トルクVt2と3次側検出トルクVt3は、印加トルクの方向に対して相反する出力を示すので、それらの差分をとることで、ステアリングシャフト36に印加されたトルクの方向と大きさを感度良く検出することができる。
【0090】
尚、図6から図11において、リファレンス電圧Vrefは前記したように励磁信号の中点を正確に示していることから、励磁信号Vsinを所定量位相させて得た2次側cos波Vcos2や3次側cos波Vcos3の中点、さらには2次側出力V2や3次側出力V3の中点も正確に示される。従って、2次側加算波形Vplus2や3次側加算波形Vplus3(および反転後3次側加算波形Vplus3inv)の中点も正確に示される。
【0091】
そのため、2次側cos波Vcos2と2次側加算波形Vplus2の位相差、および3次側cos波Vcos3と反転後3次側加算波形Vplus3invの位相差を正確に検出することができ、トルクの検出精度を向上させることができる。従って、運転者からステアリングホイール34を介して印加される操舵トルクを精度良く検出することができ、よって電動パワーステアリングの操舵フィーリングを一層向上させることができる。尚、この実施の形態にあって、検出波形の振幅の大きさは検出していないが、上記の如く、この実施の形態に係るトルクセンサ10は検出波形の振幅の中点を正確に知ることができるため、振幅の大きさを精度良く検出することも可能である。
【0092】
図3の説明に戻ると、位相比較部90から出力された2次側検出トルクVt2と3次側検出トルクVt3は、それぞれCRフィルタ(平滑回路)92,94を介して平滑化された後、ECU60に入力されると共に、差動増幅部96に入力されて前記した差分が増幅される。差動増幅部96の出力は、最終的な検出トルクVtfとしてECU60に入力される。
【0093】
ECU60は、入力された最終的な検出トルクVtf(および2次側検出トルクVt2と3次側検出トルクVt3)に基づき、ステアリングシャフト36に入力されたトルク(操舵トルク)の方向と大きさを検出する。
【0094】
このように、励磁信号の位相を所定量ずらして得たバイアス電圧を2次側出力V2および3次側出力V3のそれぞれに加算し、よって得た2次側加算波形Vplus2と3次側加算波形Vplus3(具体的には、それを反転させて得た反転後3次側加算波形Vplus3inv)のそれぞれをバイアス電圧と位相で比較し、その位相差に基づいてトルクを検出する、即ち、トルクの印加によって発生する透磁率の増減を電圧値の変化で検出し、その電圧値の変化を位相で検出するようにしたので、電圧値の変化のみでトルクを検出する場合に比して検出感度が高くなると共に、検出電圧が微弱であっても電動機54などの通電電流からのノイズの影響を受け難くなり、よってトルクの検出精度を向上させることができる。
【0095】
さらには、相反する特性を有する2次側出力V2と3次側出力V3(具体的には、それらから求められる2次側検出トルクVt2と3次側検出トルクVt3)のそれぞれに基づいて前記位相差を検出し、それらの差分を増幅してトルクを検出するようにしたので、検出感度がより向上し、差動増幅部96による増幅率を小さくすることができ、他の電気機器からのノイズの影響を受け難くなり(即ち、ノイズが増幅されないため、S/N比を大きくすることができ)、よってトルクの検出精度を一層向上させることができる。また、温度変化に起因するインダクタンスの変化および差動増幅部96の増幅率の変化を2つの出力(位相差)で相殺することができるため、その影響を解消して安定した検出特性を得ることができる。
【0096】
また、2次側出力V2と3次側出力V3に加算されるバイアス電圧を、それぞれ励磁信号の位相を90度または−90度ずらすことによって生成したので、バイアス電圧(2次側cos波Vcos2と3次側cos波Vcos3)に対する加算波形(2次側加算波形Vplus2と3次側加算波形Vplus3(具体的には、それを反転させて得た反転後3次側加算波形Vplus3inv))の位相差が最大となって検出感度を一層向上させることができると共に、トルクの入力方向が異なっても検出感度が一致するため、より一層検出精度を向上させることができる。
【0097】
図3の説明を続けると、2次側加算波形Vplus2と3次側加算波形Vplus3(インバータで反転させる前の波形)は、さらに故障検出部98に入力される。
【0098】
ここで、トルクセンサ10が正常な状態にある場合、2次側加算波形Vplus2は、図6、図8および図10に示すように、トルクの印加の有無に関わらず、励磁信号Vsinの電圧値がリファレンス電圧Vrefを上回る瞬間(下側の振幅から上側の振幅に移行する瞬間)において常にH信号を示すと共に、励磁信号Vsinの電圧値がリファレンス電圧Vrefを下回る瞬間(上側の振幅から下側の振幅に移行する瞬間)において常にL信号を示す。また、3次側加算波形Vplus3は、図7、図9および図11に示すように、トルクの印加の有無に関わらず、励磁信号Vsinの電圧値がリファレンス電圧Vrefを上回る瞬間において常にL信号を示すと共に、励磁信号Vsinの電圧値がリファレンス電圧Vrefを下回る瞬間において常にH信号を示す。しかしながら、トルクセンサ10に故障が発生すると、上記した出力の関係が崩れる場合がある。
【0099】
そこで、故障検出部98は、2次側加算波形Vplus2と3次側加算波形Vplus3の出力を励磁信号Vsinの立ち上がりと立ち下がりのタイミングで検出し、検出値が上記した関係にないとき、トルクセンサ10の故障を示す信号を生成してECU60に出力するようにした。
【0100】
ECU60は、故障検出部98からトルクセンサ10の故障を示す信号が出力されたとき、前記した警告灯66を点灯させて運転者に警報する。
【0101】
ここで、前述の如く、励磁信号VsinをECU60のクロック周波数(動作周波数)に基づいて生成するようにしたので、励磁信号Vsinの立ち上がりと立ち下がりのタイミングにおける2次側加算波形Vplus2と3次側加算波形Vplus3の検出を、ECU60の処理に同期して行うことができる。即ち、トルクセンサ10が出力を生じてからECU60で故障検出が行なわれるまでの時間的な遅れを解消することができる。このため、この実施の形態に係るトルクセンサ10にあっては、故障検出をできる限り早く(タイムリーに)行なう必要があるという、車両に搭載されるセンサに対する要求を十分に満足することができる。
【0102】
また、検出コイルを2系統(2次側と3次側)備え、それらの出力に基づいてトルクセンサ10の故障を検出するようにしたので、トルクセンサ10の故障をより正確に検出することができる。
【0103】
以上のように、この実施の形態に係るトルクセンサにあっては、トルク伝達軸12(およびステアリングシャフト36)に固定される磁歪膜14にそれぞれ近接して配置される励磁コイル16および検出コイル(2次側検出コイル20と3次側検出コイル22)と、励磁信号Vsinを生成して前記励磁コイル16に供給する励磁信号生成部(帯域2次フィルタ74、反転増幅部76、RCフィルタ78)と、前記励磁コイルが励磁されたときの前記検出コイルの出力(2次側出力V2と3次側出力V3)を入力して入力値から前記トルク伝達軸12に印加されるトルク(2次側検出トルクVt2、3次側検出トルクVt3、最終的な検出トルクVtf)を検出するマイクロコンピュータ(ECU60)とを備えたトルクセンサ10において、前記励磁信号生成部は、前記マイクロコンピュータのクロック周波数に基づいて前記励磁信号を生成するように構成した。
【0104】
また、前記励磁信号生成部は、前記マイクロコンピュータのクロック周波数を(分周器60aで)分周して得た矩形波からアナログ回路(帯域2次フィルタ74、反転増幅部76、RCフィルタ78)を介して所定の周波数の正弦波を生成し、前記生成した正弦波から前記励磁信号Vsinを生成するように構成した。
【0105】
また、前記トルクセンサ10は、前記検出コイルを複数個(2次側検出コイル20と3次側検出コイル22)備えると共に、前記励磁コイルが励磁されたときの前記複数個の検出コイルのそれぞれの出力V2,V3、より具体的には、それらに基づいて生成される2次側加算波形Vplus2と3次側加算波形Vplus3に基づいて前記トルクセンサ10の故障を検出する故障検出部98を備えるように構成した。
【0106】
また、前記トルクセンサ10は、電動機(電動モータ)64によって車両30の操舵トルクを補助する電動パワーステアリング装置の前記操舵トルクを検出するトルクセンサである如く構成した。
【0107】
尚、上記において、この発明に係るトルクセンサ10を、電動パワーステアリング装置に入力される操舵トルクを検出する場合を例にとって説明したが、トルクセンサ10の用途はそれに限定されるものではないことは言うまでもない。
【0108】
【発明の効果】
請求項1項にあっては、励磁コイルに供給する励磁信号をマイクロコンピュータのクロック周波数(動作周波数)を分周して得た矩形波から生成する、即ち、デジタル信号から励磁信号を生成するように構成したので、温度変化や電源電圧の変動の影響を受け難い安定した励磁信号を供給することができるため、トルクの検出精度を向上させることができる。また、マイクロコンピュータとトルクセンサの動作が同期することから、トルクセンサが出力を生じてからマイクロコンピュータで故障検出が行なわれるまでの時間的な遅れを解消することができる。さらに、2次側と3次側の2個の検出コイルを備え、それらの出力に基づいてトルクセンサの故障を検出するように構成したので、トルクセンサの故障をより正確に検出することができる。
【0109】
請求項2項にあっては、マイクロコンピュータのクロック周波数を分周して得た矩形波からアナログ回路を介して所定の周波数の正弦波を生成し、その正弦波から励磁信号を生成するように構成したので、マイクロコンピュータのプログラミングを変更してアナログ回路に入力される矩形波の周波数を調整することができる。具体的には、クロック周波数をカウントするカウンタの設定値(カウント値)を変更して分周比を変更することにより、アナログ回路に入力される矩形波の周波数を、アナログ回路の特性(特に、所定の周波数のみを通過させる帯域2次フィルタ(バンドパスフィルタ)の特性)に対応した値に設定することができる。このため、アナログ回路の特性に個体差が生じた場合であっても、ノイズを含まない励磁信号(正弦波)を生成することができ、よってトルクの検出精度を一層向上させることができる。
【0111】
請求項項にあっては、請求項1項から項に係るトルクセンサは上記した効果を有するので、車両に搭載される電動パワーステアリング装置に装着されるときも、運転者からステアリングホイールを介して印加される操舵トルクを精度良く検出でき、よって電動パワーステアリングの操舵フィーリングを向上させることができると共に、トルクセンサが出力を生じてからマイクロコンピュータで故障検出が行なわれるまでの時間的な遅れを解消することができる。さらに、請求項2項に係るトルクセンサであるときは、製品の出荷前に励磁信号を生成するアナログ回路の個体差に応じて分周比を最適に設定することで、ノイズを含まない励磁信号を生成することができるため、トルクの検出精度を一層向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】この発明の一つの実施の形態に係るトルクセンサを模式的に示す原理図である。
【図2】図1に示すトルクセンサを電動パワーステアリング装置の操舵トルクを検出するトルクセンサとして利用した場合を示す説明図である。
【図3】図1に示すトルクセンサの構造をより詳細に示すブロック図である。
【図4】図1に示すトルクセンサのリファレンス電圧を示す説明図である。
【図5】図1に示すトルクセンサのうち、センシング部を拡大して示す説明図である。
【図6】図1に示すトルクセンサにおいてトルク伝達軸にトルクが印加されていないときの2次側検出コイルなどの出力(電圧波形)を示す説明グラフである。
【図7】図1に示すトルクセンサにおいてトルク伝達軸にトルクが印加されていないときの3次側検出コイルなどの出力(電圧波形)を示す説明グラフである。
【図8】図1に示すトルクセンサにおいてトルク伝達軸に右回転方向の印加トルクが入力されたときの2次側検出コイルなどの出力(電圧波形)を示す説明グラフである。
【図9】図1に示すトルクセンサにおいてトルク伝達軸に右回転方向の印加トルクが入力されたときの3次側検出コイルなどの出力(電圧波形)を示す説明グラフである。
【図10】図1に示すトルクセンサにおいてトルク伝達軸に左回転方向の印加トルクが入力されたときの2次側検出コイルなどの出力(電圧波形)を示す説明グラフである。
【図11】図1に示すトルクセンサにおいてトルク伝達軸に左回転方向の印加トルクが入力されたときの3次側検出コイルなどの出力(電圧波形)を示す説明グラフである。
【図12】図1に示すトルクセンサの2次側検出コイルと3次側検出コイルの、印加トルクに対する出力特性を示すグラフである。
【図13】図1に示すトルクセンサの2次側検出コイルの出力に2次側cos波を加えたときのベクトル合成を示す説明図(フェーザ図)である。
【図14】図1に示すトルクセンサの2次側検出コイルの出力に励磁信号に対して60度位相ずれしたバイアス電圧を加えたときのベクトル合成を示す説明図(フェーザ図)である。
【図15】図1に示すトルクセンサの2次側検出コイルの出力に2次側cos波と3次側cos波を加えたときのベクトル合成を示す説明図(フェーザ図)である。
【符号の説明】
10 トルクセンサ
12 トルク伝達軸
14 磁歪膜
14a 第1の磁歪膜
14b 第2の磁歪膜
16 励磁コイル
16a 第1の励磁コイル
16b 第2の励磁コイル
20 2次側検出コイル(検出コイル)
20a 第1の2次側検出コイル
20b 第2の2次側検出コイル
22 3次側検出コイル(検出コイル)
22a 第1の3次側検出コイル
22b 第2の3次側検出コイル
30 車両
36 ステアリングシャフト(トルク伝達軸)
54 電動機(電動モータ)
60 ECU(マイクロコンピュータ)
60a 分周器
74 帯域2次フィルタ(励磁信号生成部)
76 反転増幅部(励磁信号生成部)
78 RCフィルタ(励磁信号生成部)
98 故障検出部
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a torque sensor, and more particularly to a non-contact type magnetostrictive torque sensor.
[0002]
[Prior art]
A non-contact type magnetostrictive torque sensor generally includes a magnetic metal thin film that is fixed to a torque transmission shaft and has uniaxial magnetic anisotropy, and an excitation coil and a detection coil that are arranged close to the magnetic metal thin film. The applied torque is detected by taking out the increase / decrease of the magnetic permeability generated in the magnetostrictive film by the torque as the potential difference of the detection coil.
[0003]
As an example of this type of non-contact type magnetostrictive torque sensor, the one proposed in Patent Document 1 below can be cited. The torque sensor according to the prior art is used to detect a steering torque input from a driver via a steering wheel in an electric power steering apparatus that assists the steering torque of the vehicle with an electric motor.
[0004]
Specifically, the steering torque detected by the torque sensor (70) is sent to the control means (81) of the electric power steering apparatus, and the control means (81) controls the electric motor (82) based on the inputted steering torque. Configured to do.
[0005]
[Patent Document 1]
JP 2001-133337 A (paragraph 0027, FIG. 2)
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
A torque sensor generally uses a sine wave generated from an analog oscillation circuit typified by Hartley, Colpitts, etc. as an excitation signal, so that it is not affected by disturbances such as temperature changes and power supply voltage fluctuations. Easy to receive. For this reason, in the torque sensor according to the prior art, a stable excitation signal (sine wave) cannot be obtained, and the torque detection accuracy may be reduced.
[0007]
Further, in a torque sensor, in particular, a sensor used for torque detection of a torque transmission shaft of a vehicle, such as the torque sensor according to the prior art described above, a control means comprising a microcomputer or the like for abnormality in the output of the torque sensor It is desirable that the torque sensor can be monitored as soon as possible (timely). However, in the torque sensor according to the prior art, the torque sensor and the control means such as a microcomputer for monitoring the abnormality are separated into separate systems (analog signal system and digital signal system) and operate independently at different frequencies. Therefore, there is a disadvantage that a time delay occurs between the time when the torque sensor generates an output and the time when the microcomputer detects a failure based on the output.
[0008]
Therefore, an object of the present invention is to improve the torque detection accuracy by supplying a stable excitation signal and to delay the time from when the torque sensor generates an output until failure detection is performed by the microcomputer. It is an object of the present invention to provide a torque sensor that can eliminate the problem.
[0009]
On the other hand, if there is an individual difference (manufacturing variation) in the characteristics of an analog circuit that generates an excitation signal (especially, a band secondary filter (bandpass filter) that passes only a predetermined frequency), the excitation signal contains noise. There is a disadvantage that the accuracy of torque detection is lowered.
[0010]
Therefore, a second object of the present invention is to generate an excitation signal that does not include noise even when individual differences (manufacturing variation) occur in the characteristics of the analog circuit that generates the excitation signal. It is an object of the present invention to provide a torque sensor that can further improve accuracy.
[0011]
[Means for Solving the Problems]
  In order to achieve the above object, in claim 1,In the torque sensor for detecting the torque applied to the torque transmission shaft,Arranged close to the magnetostrictive film fixed to the torque transmission shaftPrimary sideExcitation coilAnd the secondary side that generates an output when the primary side excitation coil is excited.A detection coil;A tertiary detection coil that produces an output when the primary excitation coil is excited;SaidSecondary detection coil and tertiary detection coilThat detects the torque applied to the torque transmission shaft from the input valueWhen,Clock frequency of the microcomputerFrom the rectangular wave obtained by dividingGenerate excitation signalAn excitation signal generation unit that supplies the primary side excitation coil and a failure detection unit that detects a failure of the torque sensor based on outputs of the secondary detection coil and the tertiary detection coil.It was configured as follows.
[0012]
  The excitation signal supplied to the excitation coil is the microcomputer clock frequency (operating frequency).From the rectangular wave obtained by dividingSince it is configured to generate an excitation signal from a digital signal, it is possible to supply a stable excitation signal that is not easily affected by temperature changes and power supply voltage fluctuations, thus improving torque detection accuracy. be able to. Further, since the operations of the microcomputer and the torque sensor are synchronized, it is possible to eliminate a time delay from when the torque sensor generates an output until failure detection is performed by the microcomputer.Furthermore, since the two detection coils on the secondary side and the tertiary side are provided and the failure of the torque sensor is detected based on their outputs, the failure of the torque sensor can be detected more accurately. .
[0013]
  Further, in the present invention, the excitation signal generator isNoriA sine wave having a predetermined frequency is generated from the waveform wave via an analog circuit, and the excitation signal is generated from the generated sine wave.
[0014]
Since the sine wave of a predetermined frequency is generated from the rectangular wave obtained by dividing the clock frequency of the microcomputer through an analog circuit, the excitation signal is generated from the sine wave. The frequency of the rectangular wave input to the analog circuit by changing can be adjusted. Specifically, the frequency of the rectangular wave input to the analog circuit is changed by changing the division ratio by changing the setting value (count value) of the counter that counts the clock frequency, and the characteristics of the analog circuit (particularly, It can be set to a value corresponding to a band secondary filter (bandpass filter characteristic) that passes only a predetermined frequency. For this reason, even when individual differences occur in the characteristics of the analog circuit, an excitation signal (sine wave) that does not include noise can be generated, and thus the torque detection accuracy can be further improved.
[0017]
  Claims3In the above configuration, the torque sensor is configured to be a torque sensor that detects the steering torque of an electric power steering apparatus that assists the steering torque of the vehicle with an electric motor.
[0018]
  From claim 12Since the torque sensor according to the above item has the above-described effect, it is possible to accurately detect the steering torque applied from the driver via the steering wheel even when mounted on the electric power steering device mounted on the vehicle. The steering feeling of the power steering can be improved, and a time delay from when the torque sensor generates an output until failure detection is performed by the microcomputer can be eliminated. Furthermore, when the torque sensor according to claim 2 is used, an excitation signal that does not include noise can be obtained by optimally setting a frequency division ratio according to individual differences of analog circuits that generate the excitation signal before shipping the product. Therefore, the torque detection accuracy can be further improved.
[0019]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
A torque sensor according to an embodiment of the present invention will be described below with reference to the attached drawings.
[0020]
FIG. 1 is a principle diagram schematically showing a torque sensor according to one embodiment of the present invention.
[0021]
As shown in the figure, the torque sensor 10 is fixed to a torque transmission shaft (rotating shaft) 12 and has a magnetostrictive film (magnetic metal thin film) 14 having magnetic anisotropy, and an excitation coil disposed close to the magnetostrictive film 14. (Indicated as the primary side) 16 and two detection coils 20 and 22 on the secondary side and the tertiary side, which are similarly arranged close to the magnetostrictive film 14. Hereinafter, the secondary detection coil 20 is referred to as a “secondary detection coil”, and the tertiary detection coil 22 is referred to as a “tertiary detection coil”.
[0022]
The torque transmission shaft 12 is made of chromium molybdenum steel (JIS-G-4105, symbol SCM) or the like that hardly contains Ni. The magnetostrictive film 14 includes a first magnetostrictive film 14a and a second magnetostrictive film 14b to which magnetic anisotropy is given.
[0023]
Specifically, the first magnetostrictive film 14a and the second magnetostrictive film 14b have uniaxial magnetic anisotropy in a direction of ± 45 degrees with respect to the axis 12a of the torque transmission shaft 12 as indicated by an arrow in the figure. In addition, the torque transmission shaft 12 is fixed (applied) over a predetermined width to the entire circumference. More specifically, each of the magnetostrictive films 14a and 14b is a metal film made of a material having a large permeability change with respect to strain stress (compressive stress and tensile stress). For example, the outer periphery of the torque transmission shaft 12 is wet plated. It consists of a formed Ni—Fe alloy film. In the Ni—Fe-based alloy film, for example, Ni is 50 to 60 in weight%, and the balance is Fe.
[0024]
The magnetostrictive film 14 may be provided directly on the outer surface of the torque transmission shaft 12 as described above, or may be fixed on the torque transmission shaft 12 together with another member after being formed on another pipe-shaped member. . Needless to say, the materials of the magnetostrictive film 14 and the torque transmission shaft 12 are not limited to those described above.
[0025]
The exciting coil 16 includes a first exciting coil 16a and a second exciting coil 16b. The first excitation coil 16a and the second excitation coil 16b are close to the first magnetostrictive film 14a and the second magnetostrictive film 14b (and the torque transmission shaft 12), respectively, and more specifically 0.4 to 0. It is wound around a magnetic core (not shown) arranged with a gap of about 6 mm, and excited by being supplied with an alternating current from the excitation power supply 26.
[0026]
The secondary detection coil 20 includes a first secondary detection coil 20a and a second secondary detection coil 20b. Similar to the exciting coil 16, the first secondary detection coil 20a and the second secondary detection coil 20b are respectively connected to the first magnetostrictive film 14a and the second magnetostrictive film 14b (and the torque transmission shaft 12). In close proximity, more specifically, it is arranged with a gap of about 0.4 to 0.6 mm. The magnetic core of the excitation coil 16 and the magnetic core of the detection coil 20 are arranged to face each other while being close to the magnetostrictive film 14 (and the torque transmission shaft 12). Further, the first secondary detection coil 20a and the second secondary detection coil 20b are wound in opposite directions, and are differentially coupled, specifically, differential coupling between the negative voltage sides.
[0027]
Further, the tertiary detection coil 22 includes a first tertiary detection coil 22a and a second tertiary detection coil 22b, and the first tertiary detection coil 22a and the second tertiary detection. The coils 22b are arranged close to the first magnetostrictive film 14a and the second magnetostrictive film 14b (and the torque transmission shaft 12), respectively, and more specifically with a gap of about 0.4 to 0.6 mm. In addition, the first tertiary detection coil 22a and the second tertiary detection coil 22b are also wound in opposite directions, and are differentially coupled, specifically, differential coupling between the positive voltage sides.
[0028]
The first tertiary detection coil 22a has a polarity opposite to that of the first secondary detection coil 20a, and the second tertiary detection coil 22b has a second polarity. The winding direction of the secondary side detection coil 20b is reversed and the polarity is made different.
[0029]
Thus, in the torque sensor 10 according to this embodiment, while including a total of four detection coils, connected coils, and coils arranged close to the same magnetostrictive film, They are arranged so that the winding direction is opposite (inverse).
[0030]
A magnetic circuit is formed between the torque transmission shaft 12 (and the magnetostrictive film 14) and the magnetic core. When the excitation coil 16 is excited in the magnetic circuit, the torque transmission shaft 12 is applied to the torque transmission shaft 12 according to the torque applied from the outside. The permeability increases or decreases in proportion to the generated stress strain, and the induced voltage is output to the output terminals of the detection coils 20 and 22 as a minute voltage value change.
[0031]
Outputs from the secondary detection coil 20 and the tertiary detection coil 22 are input to the processing circuit 28. The processing circuit 28 detects the direction and magnitude of the applied torque, as will be described later, and generates an output indicating them.
[0032]
Hereinafter, the case where the torque sensor 10 according to this embodiment is mounted on an electric power steering device that assists the steering torque of the vehicle and is used as a torque sensor that detects the steering torque input from the driver will be described in detail as an example. .
[0033]
FIG. 2 is an explanatory diagram showing a case where the torque sensor 10 is used as a torque sensor for detecting the steering torque of the electric power steering apparatus.
[0034]
As shown in the figure, the steering wheel 34 disposed at the driver's seat in the vehicle 30 is connected to a steering shaft 36, and the steering shaft 36 is connected to a connecting shaft 42 via universal joints 38 and 40.
[0035]
The connecting shaft 42 is connected to a pinion 46 of the rack and pinion type steering gear 44. The pinion 46 meshes with the rack 48, so that the rotational motion input from the steering wheel 34 is converted into the reciprocating motion of the rack 48 via the pinion 46, and tie rods (steering rods) 50 disposed at both ends of the front axle and Two front wheels (steering wheels) 52 are steered in a desired direction via a kingpin (not shown).
[0036]
An electric motor (electric motor) 54 and a ball screw mechanism 56 are coaxially arranged on the rack 48, and the electric motor output is converted into a reciprocating motion of the rack 48 via the ball screw mechanism 56 and input via the steering wheel 34. The rack 48 is driven in a direction to assist (decrease) the steering torque (steering force).
[0037]
Here, the torque sensor 10 described above is provided at an appropriate position of the steering shaft 36, and outputs a signal corresponding to the direction and magnitude of the steering force (steering torque) input by the driver.
[0038]
The output of the torque sensor 10 is input to an ECU (electronic control unit) 60 for the electric power steering apparatus. The ECU 60 is composed of a microcomputer, and is supplied with driving power from an in-vehicle battery (12V single power source) 62 and operates at a predetermined clock frequency (operating frequency).
[0039]
The ECU 60 determines the assist amount and direction of the steering torque based on the direction and magnitude of the steering torque detected by the torque sensor 10 and a signal representing the vehicle speed supplied from another ECU (not shown). ) And the drive of the motor 54 is controlled via the motor drive circuit 64. For this reason, the detection accuracy of the steering torque of the torque sensor 10 affects the steering feeling of the electric power steering.
[0040]
Further, the ECU 60 detects a failure of the torque sensor 10 based on the output of the torque sensor 10, and when a failure is detected, turns on a warning lamp 66 arranged near the driver's seat and reports it to the driver.
[0041]
FIG. 3 is a block diagram showing the configuration of the torque sensor 10 in detail.
[0042]
As shown in the drawing, the vehicle-mounted battery 62 is connected to the ECU 60 via a constant voltage regulator 68 of 5V, and an operating voltage of 5V is supplied. Here, the clock frequency (operating frequency, more specifically, the internal frequency of the CPU constituting the microcomputer) of the ECU 60 is obtained by multiplying the oscillation frequency (external frequency) of the crystal oscillator 70 by a predetermined value internally. The frequency. In this embodiment, the oscillation frequency of the crystal oscillator 70 is set to 10 MHz, and the magnification inside the ECU 60 is set to 4 times. Therefore, in the ECU 60, from the supplied operating voltage of 5 V, the amplitude is 5 V and the frequency is 40 MHz. Assume that a square wave is generated.
[0043]
The ECU 60 includes a frequency divider (circuit) 60a therein. The frequency divider 60a includes a counter (not shown) that counts the clock frequency of the ECU 60, and sets the frequency division ratio to an arbitrary value by changing the set value (count value) of the counter by external programming. can do. In this embodiment, the frequency division ratio is set to 1/1600 by setting the count value of the counter to 1600, and a rectangular wave of 25 kHz (amplitude 5 V) is output from the frequency divider 60a.
[0044]
The output of the frequency divider 60 a is input to the reference voltage generation unit 72. In this specification, “reference voltage” means a voltage value indicating the midpoint (midpoint of amplitude) of an AC signal generated inside the processing circuit 28. The reference voltage generation unit 72 outputs a voltage corresponding to a duty ratio of 50% of a rectangular wave with an amplitude of 5V output from the frequency divider 60a, that is, a constant voltage of 2.5V as a reference voltage.
[0045]
On the other hand, the 25 kHz rectangular wave output from the frequency divider 60 a is also input to the band second-order filter (bandpass filter) 74 where harmonic components other than 25 kHz constituting the rectangular wave are removed (attenuated). The reference voltage generated by the reference voltage generation unit 72 is input, and thus a sine wave (sin wave) having an amplitude of 5 V and a frequency of 25 kHz with a midpoint of 2.5 V is generated.
[0046]
The sine wave generated by the band second-order filter 74 is subjected to waveform inversion and amplitude amplification processing by an inverting amplification unit (op-amp) 76 (the midpoint of the processed waveform is also set as the reference voltage described above. ) And an RC filter (low-pass filter) 78, and supplied as an excitation signal to the excitation coil 16 (specifically, the first excitation coil 16 a and the second excitation coil 16 b connected thereto). When an excitation signal is supplied to the excitation coil 16, the direction and the magnitude of the steering torque applied to the steering shaft 36 (not shown in FIG. 3) are applied to the secondary detection coil 20 and the tertiary detection coil 22. A phase output (voltage waveform) corresponding to
[0047]
In this embodiment, as described above, the sine wave as the excitation signal is generated from the waveform obtained by dividing the rectangular wave output from the ECU 60, that is, the excitation signal is generated from the digital signal. Thus, it is possible to supply a stable excitation signal that is hardly affected by temperature changes and power supply voltage fluctuations. Accordingly, the waveforms output from the secondary side detection coil 20 and the tertiary side detection coil 22 are also stabilized, so that the torque detection accuracy can be improved. For this reason, the steering torque applied from the driver via the steering wheel 34 can be detected with high accuracy, and thus the steering feeling of the electric power steering can be improved.
[0048]
Further, when individual differences (manufacturing variations) occur in the characteristics of analog circuits for generating excitation signals such as the band secondary filter 74, the inverting amplifier 76, and the RC filter 78, the counter is set by programming from the outside. By changing the value (count value) and changing the frequency division ratio of the frequency divider 60a, the frequency of the rectangular wave input to the analog circuit corresponds to the characteristics of the analog circuit, particularly the time constant of the band secondary filter 74. Value can be set. For this reason, even when individual differences occur in the characteristics of the analog circuit, an excitation signal (sine wave) that does not include noise can be generated, and the torque detection accuracy can be further improved.
[0049]
Further, since the reference voltage indicating the midpoint of the sine wave (excitation signal) is set to a voltage corresponding to a duty ratio of 50% of the rectangular wave, the voltage Vcc supplied from the excitation power supply varies as shown in FIG. Even if the amplitude of the sine wave changes, the reference voltage Vref indicating the midpoint of the amplitude also changes following the change. For example, when the voltage Vcc of the excitation power supply indicates 5.2V, the reference voltage Vref is 50%, that is, 2.6V.
[0050]
For this reason, even when the excitation signal is generated using a single power source (single power source) such as the in-vehicle battery 62, the upper and lower amplitudes (specifically, the upper amplitude and the lower when the reference voltage Vref is set to the middle point). It is possible to generate an excitation signal having a large amplitude that does not cause a difference in (side amplitude). In other words, the excitation signal can be generated using the maximum voltage supplied from the excitation power supply. In the configuration shown in FIG. 3, the excitation power source refers to each configuration from the on-vehicle battery 62 to the frequency divider 60a, that is, the on-vehicle battery 62, the constant voltage regulator 68, the ECU 60, and the frequency divider 60a.
[0051]
Next, the secondary detection coil 20 and the tertiary detection coil 22 will be described in detail with reference to FIG. FIG. 5 is an enlarged view of the sensing unit indicated by a symbol S in FIG. The sensing unit S includes an exciting coil 16, a secondary side detection coil 20, a tertiary side detection coil 22, and a steering shaft 36 (and a magnetostrictive film 14 fixed thereto) (not shown).
[0052]
As shown in FIG. 5, a first secondary detection coil 20a and a first tertiary coil 22a are arranged at a position close to the first excitation coil 16a. As described above, the first secondary side detection coil 20a and the first tertiary side coil 22a have the winding directions reversed (reversely) to make the polarities different. Specifically, the first excitation coil 16a and the first secondary detection coil 20a have the same polarity, and the first excitation coil 16a and the first tertiary coil 22a have different polarities. It is done.
[0053]
In addition, a second secondary detection coil 20b and a second tertiary coil 22b are provided at a position close to the second excitation coil 16b. As described above, the second secondary side detection coil 20b and the second tertiary side coil 22b are similarly reversed in the winding direction (reversely) to have different polarities. Specifically, the second excitation coil 16b and the second secondary detection coil 20b have different polarities, and the second excitation coil 16b and the first tertiary coil 22b have the same polarity. The
[0054]
As shown in the figure, the first excitation coil 16a and the second excitation coil 16b are connected in series on the negative voltage side and the positive voltage side, respectively. On the other hand, the first secondary detection coil 20a and the second secondary detection coil 20b are differentially coupled with their negative voltage sides connected in series. The first tertiary detection coil 22a and the second tertiary detection coil 22b are differentially coupled with their positive voltage sides connected in series.
[0055]
Here, the induced voltage generated in each coil will be described. In the figure, an arrow (black) indicates a self-induced voltage, and an arrow (white) indicates a mutual induction voltage. The subscripts of the arrows indicate that 1 is an exciting coil, 2 is a secondary detection coil, and 3 is an induced voltage generated by an electromotive force of a tertiary detection coil.
[0056]
The first coil (16a, 20a, 22a) to which the symbol a is attached will be described as an example. When an excitation signal is supplied to the first excitation coil 16a and a voltage is applied, the first excitation coil 16a is applied to the first excitation coil 16a. Causes a current i1 to flow and a self-induced voltage opposite to the flow direction. At this time, a mutual induction voltage is generated in the first secondary detection coil 20a and the first tertiary detection coil 22a.
[0057]
When an induced voltage is generated in the first secondary detection coil 20a and the first tertiary detection coil 22a, currents (inductive currents) i2 and i3 are generated in the respective coils, and the directions opposite to the generated currents are generated. Self-induced voltage is generated. When a self induction voltage is generated in the first secondary detection coil 20a and the first tertiary detection coil 22a, a mutual induction voltage is generated in the first excitation coil 16a. The apparent inductance of 16a changes (the flowing current changes).
[0058]
However, in this embodiment, since the winding directions of the first secondary detection coil 20a and the first tertiary detection coil 22a are reversed (reversely), Since the phases of the currents flowing through the coils are shifted by 180 degrees, the self-induced voltages generated in them are also opposed. Therefore, if i2 = i3, the self-induced voltages generated in the first secondary detection coil 20a and the first tertiary detection coil 22a cancel each other and become zero, and the first generated due to them. The mutual induction voltage of the exciting coil 16a is also canceled and becomes zero.
[0059]
Therefore, as shown in the second coil (16b, 20b, 22b) to which the reference symbol b is given as an example, the induced voltage generated in each coil is the self-induced voltage of the exciting coil 16 and the secondary voltage resulting therefrom. Only the mutual induction voltage of the side detection coil 20 and the tertiary detection coil 22 is obtained. That is, the inductance of the exciting coil 16 is not changed due to the self-induced voltage of the detection coils 20 and 22, and the output of the detection coils 20 and 22 reflects only the applied torque.
[0060]
Thus, since the winding directions of the secondary detection coil 20 and the tertiary detection coil 22 are reversed (reversely), the self-induced voltage of the detection coils 20 and 22 and the excitation generated due to the self-induced voltage are generated. The mutual induction voltage of the coil 16 is canceled and the inductance of the exciting coil 16 does not change. For this reason, the relationship between the output of the detection coils 20 and 22 and the applied torque becomes a proportional relationship, so that the accuracy of torque detection can be improved.
[0061]
Next, the change in inductance caused by the temperature change will be described. As described above, since the first secondary detection coil 20a and the second secondary detection coil 20b are differentially coupled with the negative voltage sides connected in series, the inductance caused by the temperature change is reduced. Even if the change occurs in each of the first and second secondary detection coils 20a and 20b, the change in inductance of the secondary detection coil 20 as a whole is canceled and becomes zero. Also in the tertiary detection coil 22, since the first tertiary detection coil 22a and the second tertiary detection coil 22b are differentially coupled to each other on the positive voltage side, the change in inductance is similarly Canceled to zero.
[0062]
The first secondary detection coil 20a and the second secondary detection coil 20b are differentially coupled to each other on the negative voltage side, and the first tertiary detection coil 22a and the second tertiary side Since the detection coil 22b is a differential coupling between the positive voltage sides, even when the torque sensor 10 is mounted on the electric power steering device and exposed to a large temperature change, the inductance change caused by the temperature change is canceled out. The influence can be eliminated, and thus stable detection characteristics can be obtained. For this reason, the steering torque applied from the driver via the steering wheel 34 can be detected with high accuracy, and the steering feeling of the electric power steering can be further improved.
[0063]
Returning to the description of FIG. 3, the excitation signal output from the RC filter 78, more specifically, the voltage waveform actually supplied to the excitation coil 16 is also input to the secondary side bias voltage generation unit 80, Therefore, a secondary cosine wave whose phase is advanced by 90 degrees is generated. The excitation signal (the voltage waveform that is actually input to the excitation coil 16) is also input to the tertiary bias voltage generator 82, where the phase is delayed by 90 degrees (advanced by -90 degrees). A side cos wave is generated.
[0064]
The secondary side cos wave is added to the output (voltage waveform) of the secondary side detection coil 20 by the secondary side adder 84 to generate a secondary side addition waveform. Further, the output (voltage waveform) of the tertiary side detection coil 22 is added with the above-mentioned tertiary side cosine wave by the tertiary side addition unit 86 to generate a tertiary side addition waveform. That is, the secondary side cosine wave and the tertiary side cosine wave mean a bias voltage added to the voltage waveform output from each detection coil.
[0065]
FIG. 6 is an explanatory graph showing each waveform such as a secondary addition waveform when torque is not applied to the steering shaft 36. FIG. 7 is an explanatory graph showing each waveform such as a tertiary addition waveform when no torque is applied to the steering shaft 36 in the same manner.
[0066]
As shown in FIG. 6, when no torque is applied to the steering shaft 36, the outputs of the first secondary detection coil 20a and the second secondary detection coil 20b cancel each other, and the secondary indicated by V2 The output of the entire side detection coil 20 (hereinafter referred to as “secondary side output”) matches the reference voltage Vref (becomes zero). Therefore, the secondary side addition waveform indicated by Vplus2 matches the secondary side cosine wave indicated by Vcos2. An excitation signal (sine wave) actually supplied to the excitation coil 16 is indicated by Vsin.
[0067]
Further, as shown in FIG. 7, when no torque is applied to the steering shaft 36, the outputs of the first tertiary detection coil 22a and the second tertiary detection coil 22b are also canceled out and indicated by V3. The output of the tertiary detection coil 22 as a whole (hereinafter referred to as “tertiary output”) matches the reference voltage Vref (becomes zero). Accordingly, the tertiary side addition waveform indicated by Vplus3 matches the tertiary side cosine wave indicated by Vcos3.
[0068]
On the other hand, when torque in the clockwise direction is applied to the steering shaft 36, the balance of the inductances of the first secondary detection coil 20a and the second secondary detection coil 20b is lost, and as shown in FIG. A secondary output V2 having the same phase as the excitation signal Vsin is generated. For this reason, the phase of the secondary side addition waveform Vplus2 is shifted in the delay direction from the secondary side cosine wave Vcos2. A phase difference (second phase difference when both indicate the reference voltage Vref) of the secondary side added waveform Vplus2 with respect to the secondary side cos wave Vcos2 when a torque in the clockwise direction is applied to the steering shaft 36 is indicated by “R2”.
[0069]
Also in the tertiary side detection coil 22, since the balance of the inductances of the first tertiary side detection coil 22a and the second tertiary side detection coil 22b is lost, as shown in FIG. A tertiary output V3 having the same phase is generated. For this reason, the phase of the tertiary side addition waveform Vplus3 is shifted in the advance direction from the tertiary side cosine wave Vcos3. The phase difference of the tertiary side added waveform Vplus3 with respect to the tertiary side cos wave Vcos3 when the torque in the clockwise direction is applied to the steering shaft 36 (phase difference when both indicate the reference voltage Vref) is indicated by “R3”.
[0070]
Each waveform such as the secondary side addition waveform when torque in the left rotation direction is applied to the steering shaft 36 is shown in FIG. 10, and each waveform such as the tertiary side addition waveform is shown in FIG.
[0071]
As shown in FIG. 10, the secondary output V2 has a waveform that is 180 degrees out of phase with that when the torque in the clockwise direction is applied. Accordingly, the phase difference between the secondary side cosine wave Vcos2 and the secondary side addition waveform Vplus2 (both phase differences when the reference voltage Vref is indicated; indicated by “L2”) is also 180 degrees opposite, and the phase difference from the secondary side cosine wave Vcos2 Shifts in the direction of travel. Further, as shown in FIG. 11, the tertiary output V3 also has a waveform that is 180 degrees out of phase with that when the torque in the clockwise direction is applied, and the tertiary cosine wave Vcos3 and the tertiary addition The phase difference of the waveform Vplus3 (both phase differences when indicating the reference voltage Vref, indicated by “L3”) is also opposite by 180 degrees. That is, the phase is shifted in the delay direction from the tertiary cos wave Vcos3.
[0072]
FIG. 12 shows the relationship between the secondary output V2 and the tertiary output V3 with respect to the applied torque. As described above, since the secondary detection coil 20 is differentially coupled to the negative voltage side, the secondary detection coil 22 is differentially coupled to the positive voltage side. The secondary output V3 has characteristics that are contradictory to the applied torque.
[0073]
For this reason, a bias voltage is applied to each of the secondary side output V2 and the tertiary side output V3, and the resulting waveforms (ie, the secondary side addition waveform Vplus2 and the tertiary side addition waveform Vplus3) and the bias voltage (ie, By detecting the direction and magnitude of the phase difference between the secondary side cosine wave Vcos2 and the tertiary side cosine wave Vcos3), it is possible to accurately detect the direction and magnitude of the applied torque.
[0074]
Here, since the self-induced voltage generated in the excitation coil 16 becomes an electromotive force in the opposite direction to the applied voltage, it has a phase difference of 90 degrees from the excitation signal Vsin actually supplied to the excitation coil 16. . Therefore, the phase difference is maximized by using a waveform obtained by shifting the phase of the excitation signal Vsin by 90 degrees as the bias voltage, and the same phase difference can be obtained for the left and right torques. In other words, torque detection sensitivity is maximized, and the same sensitivity can be obtained for the left and right torques.
[0075]
This will be described with reference to FIG. 13 and FIG. FIG. 13 is an explanatory diagram (phasor diagram) illustrating vector synthesis when the secondary side cosine wave Vcos2 is added to the secondary side output V2. FIG. 14 is an explanatory diagram (phasor diagram) showing vector synthesis when a bias voltage shifted by 60 degrees with respect to the excitation signal Vsin is applied to the secondary output V2. In both figures, V2 (+) indicates the secondary output V2 when the torque in the right rotation direction is applied to the steering shaft 36, and V2 (-) indicates the secondary output when the torque in the left rotation direction is applied. Side output V2 is shown.
[0076]
13 and 14, θR is a phase difference caused by a DC resistance component from when the excitation signal is generated to when it is actually supplied to the excitation coil 16. Since this θR is generated, the secondary side and tertiary side bias voltage generators 80 and 82 described above shift the phase of the excitation signal Vsin actually supplied to the excitation coil 16 by a predetermined amount to shift the secondary side and the tertiary side. Side cos waves Vcos2 and Vcos3 were obtained.
[0077]
As shown in FIG. 13, the addition of the secondary side is performed by adding the vector indicating the secondary side cos wave Vcos2 to the vector indicating the secondary side output V2 when the torque in the clockwise direction is applied, and combining them. The angle formed by the vector indicating the waveform Vplus2 (Vplus2 (+)) and the vector indicating the secondary cosine wave Vcos2, that is, the phase difference can be maximized. In addition, as shown in the figure, as the voltage value of the secondary output V2 increases and the vector increases, the angle formed by the vector indicating the secondary addition waveform Vplus2 and the vector indicating the secondary cos wave Vcos2 increases. It can be seen that the phase difference increases. In other words, it is possible to detect the increase or decrease in the magnetic permeability generated by applying the torque by the voltage value, and further describe the change of the voltage value by the change of the phase.
[0078]
As shown in FIG. 14, the secondary voltage V2 can also be applied by adding a bias voltage other than 90 degrees, for example, a bias voltage of 60 degrees, to the vector indicating the secondary output V2 when the torque in the clockwise direction is applied. The angle formed by the vector indicating the side addition waveform Vplus2 and the vector indicating the bias voltage, that is, the phase difference increases, but the increase is smaller than when the 90 ° secondary side cosine wave Vcos2 is added. .
[0079]
Further, when the same bias voltage of 60 degrees is added to the vector (V2 (−)) indicating the secondary output V2 when the torque in the counterclockwise direction is applied, the vector (Vplus2) indicating the secondary addition waveform Vplus2 There is a problem in that the angle formed by (−)) and the vector indicating the secondary cos wave Vcos2 is different from that when the torque in the clockwise direction is applied. That is, even if the magnitude of the input torque is the same, the amount of phase change (deviation amount) differs depending on the input direction, so that the detection sensitivity does not match between the torque in the right rotation direction and the torque in the left rotation direction. .
[0080]
On the other hand, as shown in FIG. 13, by adding the +90 degree secondary cosine wave Vcos2, the amount of change in the left and right angles (the absolute value of the amount of phase change (deviation)) can be matched. Therefore, the detection sensitivity of the torque in the right rotation direction and the torque in the left rotation direction can be matched.
[0081]
As for the vector synthesis of the tertiary output V3 and the tertiary cos wave Vcos3, + and − described in parentheses in FIGS. 13 and 14 are reversed, and instead of the vector indicating +90 degrees, The above description is valid as it is except that a vector indicating −90 degrees in the reverse direction is used.
[0082]
Thus, the bias voltage obtained by shifting the phase of the excitation signal Vsin supplied to the excitation coil 16 by a predetermined amount and the outputs V2 and V3 of the secondary side and tertiary side detection coils 20 and 22 are added. The phase shift between the secondary side and tertiary side addition waveforms Vplus2 and Vplus3 that are the addition values and the bias voltage that is the comparison target (that is, the secondary side and tertiary side cosine waves Vcos2 and Vcos3) is increased. Thus, the detection sensitivity can be improved, so that the torque detection accuracy can be improved.
[0083]
Further, the bias voltage is set to a secondary side cosine wave Vcos2 generated by advancing the phase of the excitation signal Vsin by 90 degrees, and a tertiary side cosine wave Vcos3 generated by delaying the phase of the excitation signal Vsin by 90 degrees. The phase shift between the secondary side and tertiary side added waveforms Vplus2 and Vplus3 and the secondary side and tertiary side cosine waves Vcos2 and Vcos3 is maximized, and the detection sensitivity can be further improved and the left and right torque can be increased. In contrast, since the detection sensitivity is the same, the detection accuracy can be further improved. For this reason, the steering torque applied from the driver via the steering wheel 34 can be detected with high accuracy, and the steering feeling of the electric power steering can be further improved.
[0084]
Note that the phase of the secondary side cosine wave Vcos2 and the tertiary side cosine wave Vcos3 are set to be shifted by 180 degrees (to 90 degrees and -90 degrees) as shown in FIG. Even if the phases of the secondary side cosine wave Vcos2 and the tertiary side cosine wave Vcos3 vary due to the influence of the above, etc., the respective vectors move in the same rotational direction, so the secondary side and the tertiary side This is because the effect is offset.
[0085]
Returning to the description of FIG. 3, the phase comparator 90 detects the phase difference (deviation) between the secondary side added waveform Vplus2 and the secondary side cosine wave Vcos2. Specifically, the excitation signal Vsin and the secondary addition waveform Vplus2 are input to an AND circuit (element), more specifically, an AND circuit (secondary AND circuit, not shown), and the magnitude of the applied torque is calculated. A rectangular wave corresponding to the direction (in other words, the phase difference between the secondary addition waveform Vplus2 and the secondary cos wave Vcos2) is obtained. This is the secondary side detection torque Vt2.
[0086]
Further, the phase comparison unit 90 inverts the waveform obtained by inverting the tertiary side added waveform Vplus3 with an inverter (not shown) (hereinafter referred to as “the inverted third side added waveform Vplus3inv”) and the phase difference between the tertiary side cosine wave Vcos3. (Displacement) is detected. Specifically, the excitation signal Vsin and the inverted third-side added waveform Vplus3inv are input to an AND circuit (element), more specifically, an AND circuit (third-order AND circuit, not shown), and the applied torque A rectangular wave corresponding to the magnitude and direction (in other words, the phase difference between the inverted third-side added waveform Vplus3inv and the tertiary-side cosine wave Vcos3) is obtained. This is the tertiary detection torque Vt3. Each rectangular wave showing the inverted third-side added waveform Vplus3inv, the secondary-side detected torque Vt2, the tertiary-side detected torque Vt3, etc. is shown in the lower part of FIGS.
[0087]
As shown in FIG. 6 to FIG. 11, the secondary detection torque Vt2 is made an H (High) signal (level) when both the secondary addition waveform Vplus2 and the excitation signal Vsin are equal to or higher than the reference voltage Vref. When either one falls below the reference voltage Vref, the signal is set to an L (Low) signal (level). Further, the tertiary side detection torque Vt3 is an H signal when both the inverted tertiary side addition waveform Vplus3inv and the excitation signal Vsin are equal to or higher than the reference voltage Vref, and when either one is lower than the reference voltage Vref. L signal. For convenience of understanding, the output period of the H signal is indicated by hatching in FIGS.
[0088]
As can be seen by comparing FIG. 6 and FIG. 7, when the applied torque is zero, the secondary detection torque Vt2 and the tertiary detection torque Vt3 always show the same output. On the other hand, when the torque in the clockwise direction is applied as shown in FIGS. 8 and 9, the output time of the H signal of the secondary detection torque Vt2 is extended in proportion to the magnitude of the applied torque, while 3 The output time of the H signal of the secondary detection torque Vt3 is shortened. Also, as shown in FIGS. 10 and 11, when the torque in the counterclockwise direction is applied, the output time of the H signal of the secondary detection torque Vt2 is shortened in proportion to the magnitude of the applied torque, The output time of the H signal of the tertiary detection torque Vt3 is extended.
[0089]
As described above, the output time of the H signal increases or decreases according to the phase difference between the secondary addition waveform Vplus2 and the secondary cosine wave Vcos2, that is, the magnitude and direction of the applied torque. In addition, the output time of the H signal also increases or decreases in the tertiary detection torque Vt3 according to the phase difference between the inverted tertiary addition waveform Vplus3inv and the tertiary cos wave Vcos3, that is, the magnitude and direction of the applied torque. Since the secondary side detection torque Vt2 and the tertiary side detection torque Vt3 indicate outputs that are opposite to the direction of the applied torque, the difference between them indicates the direction of the torque applied to the steering shaft 36. The size can be detected with high sensitivity.
[0090]
6 to 11, since the reference voltage Vref accurately indicates the midpoint of the excitation signal as described above, the secondary side cosine waves Vcos2 and 3 obtained by phase-shifting the excitation signal Vsin by a predetermined amount are used. The midpoint of the secondary cosine wave Vcos3, and the midpoint of the secondary output V2 and the tertiary output V3 are also shown accurately. Therefore, the midpoint of the secondary side addition waveform Vplus2 and the tertiary side addition waveform Vplus3 (and the inverted tertiary side addition waveform Vplus3inv) is also accurately shown.
[0091]
Therefore, the phase difference between the secondary side cosine wave Vcos2 and the secondary side addition waveform Vplus2 and the phase difference between the tertiary side cosine wave Vcos3 and the inverted tertiary side addition waveform Vplus3inv can be accurately detected, and torque can be detected. Accuracy can be improved. Therefore, the steering torque applied from the driver via the steering wheel 34 can be detected with high accuracy, and the steering feeling of the electric power steering can be further improved. In this embodiment, the magnitude of the amplitude of the detected waveform is not detected, but as described above, the torque sensor 10 according to this embodiment accurately knows the midpoint of the amplitude of the detected waveform. Therefore, it is possible to detect the magnitude of the amplitude with high accuracy.
[0092]
Returning to the explanation of FIG. 3, the secondary side detection torque Vt2 and the tertiary side detection torque Vt3 output from the phase comparison unit 90 are smoothed through CR filters (smoothing circuits) 92 and 94, respectively. The difference is input to the ECU 60 and input to the differential amplifier 96 to amplify the difference. The output of the differential amplifier 96 is input to the ECU 60 as the final detected torque Vtf.
[0093]
The ECU 60 detects the direction and magnitude of the torque (steering torque) input to the steering shaft 36 based on the input final detection torque Vtf (and the secondary detection torque Vt2 and the tertiary detection torque Vt3). To do.
[0094]
In this way, the bias voltage obtained by shifting the phase of the excitation signal by a predetermined amount is added to each of the secondary side output V2 and the tertiary side output V3, and the secondary side addition waveform Vplus2 and the tertiary side addition waveform thus obtained are obtained. Each of Vplus3 (specifically, the inverted third-side added waveform Vplus3inv obtained by inverting it) is compared with the bias voltage and the phase, and the torque is detected based on the phase difference, that is, the application of torque Increase / decrease in permeability caused by the change in voltage value is detected and the change in voltage value is detected in phase, so detection sensitivity is higher than when detecting torque only by change in voltage value. In addition, even if the detection voltage is weak, it is difficult to be affected by noise from the energizing current of the electric motor 54 and the like, so that the torque detection accuracy can be improved.
[0095]
Further, based on each of the secondary side output V2 and the tertiary side output V3 (specifically, the secondary side detection torque Vt2 and the tertiary side detection torque Vt3 obtained from them) having opposite characteristics, Since the phase difference is detected and the difference is amplified to detect the torque, the detection sensitivity can be further improved, the amplification factor by the differential amplifier 96 can be reduced, and noise from other electric devices can be reduced. (That is, since the noise is not amplified, the S / N ratio can be increased), and the torque detection accuracy can be further improved. In addition, since the change in inductance caused by the temperature change and the change in amplification factor of the differential amplifier 96 can be canceled by two outputs (phase differences), the influence can be eliminated and stable detection characteristics can be obtained. Can do.
[0096]
In addition, since the bias voltage added to the secondary side output V2 and the tertiary side output V3 is generated by shifting the phase of the excitation signal by 90 degrees or -90 degrees, respectively, the bias voltage (secondary side cosine wave Vcos2 and Phase difference of the addition waveform (secondary addition waveform Vplus2 and tertiary addition waveform Vplus3 (specifically, the inverted third addition waveform Vplus3inv obtained by inverting it) with respect to the tertiary cosine wave Vcos3) The detection sensitivity can be further improved and the detection sensitivity can be improved even if the input direction of the torque is different, so that the detection accuracy can be further improved.
[0097]
If the explanation of FIG. 3 is continued, the secondary side addition waveform Vplus2 and the tertiary side addition waveform Vplus3 (waveform before being inverted by the inverter) are further input to the failure detection unit 98.
[0098]
Here, when the torque sensor 10 is in a normal state, the secondary addition waveform Vplus2 is the voltage value of the excitation signal Vsin regardless of whether or not torque is applied, as shown in FIGS. H always indicates the H signal at the moment when the voltage exceeds the reference voltage Vref (the moment when the lower amplitude shifts to the upper amplitude), and the moment when the voltage value of the excitation signal Vsin falls below the reference voltage Vref (from the upper amplitude to the lower amplitude). L signal is always shown at the moment of transition to amplitude). Further, as shown in FIGS. 7, 9, and 11, the tertiary side addition waveform Vplus3 always outputs the L signal at the moment when the voltage value of the excitation signal Vsin exceeds the reference voltage Vref regardless of whether torque is applied. In addition, the H signal is always indicated at the moment when the voltage value of the excitation signal Vsin falls below the reference voltage Vref. However, when a failure occurs in the torque sensor 10, the above output relationship may be disrupted.
[0099]
Therefore, the failure detection unit 98 detects the outputs of the secondary side addition waveform Vplus2 and the tertiary side addition waveform Vplus3 at the rising and falling timings of the excitation signal Vsin, and when the detected value does not have the above relationship, the torque sensor A signal indicating 10 failures is generated and output to the ECU 60.
[0100]
When a signal indicating a failure of the torque sensor 10 is output from the failure detection unit 98, the ECU 60 turns on the warning lamp 66 to alert the driver.
[0101]
Here, as described above, since the excitation signal Vsin is generated based on the clock frequency (operation frequency) of the ECU 60, the secondary side added waveform Vplus2 and the tertiary side at the rising and falling timings of the excitation signal Vsin. The addition waveform Vplus3 can be detected in synchronization with the processing of the ECU 60. That is, it is possible to eliminate a time delay from when the torque sensor 10 generates an output until the ECU 60 detects a failure. For this reason, in the torque sensor 10 according to this embodiment, it is possible to sufficiently satisfy the requirement for the sensor mounted on the vehicle that the failure detection needs to be performed as soon as possible (timely). .
[0102]
In addition, since two detection coils (secondary side and tertiary side) are provided and a failure of the torque sensor 10 is detected based on their outputs, the failure of the torque sensor 10 can be detected more accurately. it can.
[0103]
As described above, in the torque sensor according to this embodiment, the excitation coil 16 and the detection coil (disposed in proximity to the magnetostrictive film 14 fixed to the torque transmission shaft 12 (and the steering shaft 36)) ( Secondary detection coil 20 and tertiary detection coil 22), and an excitation signal generator (band secondary filter 74, inverting amplifier 76, RC filter 78) that generates the excitation signal Vsin and supplies it to the excitation coil 16. And the output (secondary output V2 and tertiary output V3) of the detection coil when the excitation coil is excited, and the torque (secondary side) applied to the torque transmission shaft 12 from the input value. In the torque sensor 10 including a microcomputer (ECU 60) for detecting the detected torque Vt2, the tertiary detected torque Vt3, and the final detected torque Vtf) It said excitation signal generating unit configured to generate the excitation signal based on the clock frequency of the microcomputer.
[0104]
Further, the excitation signal generation unit generates an analog circuit (band secondary filter 74, inverting amplification unit 76, RC filter 78) from a rectangular wave obtained by dividing the clock frequency of the microcomputer (by the frequency divider 60a). A sine wave having a predetermined frequency is generated via the sine wave, and the excitation signal Vsin is generated from the generated sine wave.
[0105]
The torque sensor 10 includes a plurality of detection coils (secondary detection coil 20 and tertiary detection coil 22), and each of the plurality of detection coils when the excitation coil is excited. It is provided with a failure detection unit 98 for detecting a failure of the torque sensor 10 based on the outputs V2 and V3, more specifically, the secondary addition waveform Vplus2 and the tertiary addition waveform Vplus3 generated based on the outputs V2 and V3. Configured.
[0106]
The torque sensor 10 is configured to be a torque sensor that detects the steering torque of an electric power steering device that assists the steering torque of the vehicle 30 by an electric motor (electric motor) 64.
[0107]
In the above description, the torque sensor 10 according to the present invention has been described by taking as an example the case where the steering torque input to the electric power steering apparatus is detected. However, the application of the torque sensor 10 is not limited thereto. Needless to say.
[0108]
【The invention's effect】
  According to the first aspect of the present invention, the excitation signal supplied to the excitation coil is the microcomputer clock frequency (operating frequency).From the rectangular wave obtained by dividingSince it is configured to generate an excitation signal from a digital signal, it is possible to supply a stable excitation signal that is not easily affected by temperature changes and power supply voltage fluctuations, thus improving torque detection accuracy. be able to. Further, since the operations of the microcomputer and the torque sensor are synchronized, it is possible to eliminate a time delay from when the torque sensor generates an output until failure detection is performed by the microcomputer.Furthermore, since the two detection coils on the secondary side and the tertiary side are provided and the failure of the torque sensor is detected based on their outputs, the failure of the torque sensor can be detected more accurately. .
[0109]
According to a second aspect of the present invention, a sine wave having a predetermined frequency is generated from a rectangular wave obtained by dividing the clock frequency of the microcomputer via an analog circuit, and an excitation signal is generated from the sine wave. Since it is configured, it is possible to adjust the frequency of the rectangular wave input to the analog circuit by changing the programming of the microcomputer. Specifically, the frequency of the rectangular wave input to the analog circuit is changed by changing the division ratio by changing the setting value (count value) of the counter that counts the clock frequency, and the characteristics of the analog circuit (particularly, It can be set to a value corresponding to a band secondary filter (bandpass filter characteristic) that passes only a predetermined frequency. For this reason, even when individual differences occur in the characteristics of the analog circuit, an excitation signal (sine wave) that does not include noise can be generated, and thus the torque detection accuracy can be further improved.
[0111]
  Claim3In the paragraph, from claim 12Since the torque sensor according to the above item has the above-described effect, it is possible to accurately detect the steering torque applied from the driver via the steering wheel even when mounted on the electric power steering device mounted on the vehicle. The steering feeling of the power steering can be improved, and a time delay from when the torque sensor generates an output until failure detection is performed by the microcomputer can be eliminated. Furthermore, when the torque sensor according to claim 2 is used, an excitation signal that does not include noise can be obtained by optimally setting a frequency division ratio according to individual differences of analog circuits that generate the excitation signal before shipping the product. Therefore, the torque detection accuracy can be further improved.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a principle view schematically showing a torque sensor according to one embodiment of the present invention.
FIG. 2 is an explanatory diagram showing a case where the torque sensor shown in FIG. 1 is used as a torque sensor for detecting a steering torque of an electric power steering apparatus.
FIG. 3 is a block diagram showing the structure of the torque sensor shown in FIG. 1 in more detail.
4 is an explanatory diagram showing a reference voltage of the torque sensor shown in FIG. 1. FIG.
FIG. 5 is an explanatory diagram showing an enlarged sensing unit in the torque sensor shown in FIG. 1;
6 is an explanatory graph showing the output (voltage waveform) of the secondary detection coil and the like when no torque is applied to the torque transmission shaft in the torque sensor shown in FIG. 1;
7 is an explanatory graph showing an output (voltage waveform) of a tertiary detection coil and the like when no torque is applied to the torque transmission shaft in the torque sensor shown in FIG. 1;
8 is an explanatory graph showing an output (voltage waveform) of a secondary detection coil or the like when a clockwise applied torque is inputted to the torque transmission shaft in the torque sensor shown in FIG. 1;
9 is an explanatory graph showing an output (voltage waveform) of a tertiary detection coil and the like when a clockwise applied torque is inputted to the torque transmission shaft in the torque sensor shown in FIG. 1;
10 is an explanatory graph showing an output (voltage waveform) of a secondary side detection coil and the like when applied torque in the left rotation direction is input to the torque transmission shaft in the torque sensor shown in FIG. 1;
11 is an explanatory graph showing an output (voltage waveform) of a tertiary detection coil and the like when an applied torque in the left rotation direction is input to the torque transmission shaft in the torque sensor shown in FIG.
12 is a graph showing output characteristics with respect to applied torque of the secondary side detection coil and the tertiary side detection coil of the torque sensor shown in FIG. 1; FIG.
13 is an explanatory diagram (phasor diagram) showing vector synthesis when a secondary cosine wave is added to the output of the secondary detection coil of the torque sensor shown in FIG. 1; FIG.
14 is an explanatory diagram (phasor diagram) illustrating vector synthesis when a bias voltage shifted by 60 degrees from the excitation signal is applied to the output of the secondary side detection coil of the torque sensor shown in FIG. 1; FIG.
15 is an explanatory diagram (phasor diagram) showing vector synthesis when a secondary cosine wave and a tertiary cosine wave are added to the output of the secondary side detection coil of the torque sensor shown in FIG. 1; FIG.
[Explanation of symbols]
10 Torque sensor
12 Torque transmission shaft
14 Magnetostrictive film
14a First magnetostrictive film
14b Second magnetostrictive film
16 Excitation coil
16a First exciting coil
16b Second exciting coil
20 Secondary detection coil (detection coil)
20a First secondary detection coil
20b Second secondary detection coil
22 Tertiary detection coil (detection coil)
22a First tertiary detection coil
22b Second tertiary detection coil
30 vehicles
36 Steering shaft (torque transmission shaft)
54 Electric motor
60 ECU (microcomputer)
60a divider
74 Band secondary filter (Excitation signal generator)
76 Inversion amplifier (excitation signal generator)
78 RC filter (excitation signal generator)
98 Failure detection unit

Claims (3)

トルク伝達軸に印加されるトルクを検出するトルクセンサにおいて、前記トルク伝達軸に固定される磁歪膜に近接して配置される1次側励磁コイルと、前記1次側励磁コイルが励磁されたときに出力を生じる2次側検出コイルと、前記1次側励磁コイルが励磁されたときに出力を生じる3次側検出コイルと、前記2次側検出コイルと3次側検出コイルの出力を入力して入力値から前記トルク伝達軸に印加されるトルクを検出するマイクロコンピュータと、前記マイクロコンピュータのクロック周波数を分周して得た矩形波から励磁信号を生成して前記1次側励磁コイルに供給する励磁信号生成部と、前記2次側検出コイルと3次側検出コイルの出力に基づいて前記トルクセンサの故障を検出する故障検出部と、を備えることを特徴とするトルクセンサ。 In the torque sensor for detecting the torque applied to the torque transmission shaft, when the primary side excitation coil disposed close to the magnetostrictive film fixed to the torque transmission shaft and the primary side excitation coil are excited The outputs of the secondary side detection coil generating the output, the tertiary side detection coil generating the output when the primary side excitation coil is excited, and the outputs of the secondary side detection coil and the tertiary side detection coil are input. detecting a torque applied to the torque transmission shaft from the input value each and a microcomputer, supplied to the microcomputer of the primary excitation coil to generate the excitation signal a clock frequency from the rectangular wave obtained by dividing to an excitation signal generator, torque, characterized in that it comprises a failure detecting section detecting a failure of the torque sensor based on an output of the secondary detector coil and tertiary detector coil Sensor. 前記励磁信号生成部は、前記矩形波からアナログ回路を介して所定の周波数の正弦波を生成し、前記生成した正弦波から前記励磁信号を生成することを特徴とする請求項1項記載のトルクセンサ。Said excitation signal generating section, the front through the analog circuit to generate a sine wave of a predetermined frequency from Kinori square wave, claim 1, wherein said generating said excitation signal from the sine wave said generated Torque sensor. 前記トルクセンサは、電動機によって車両の操舵トルクを補助する電動パワーステアリング装置の前記操舵トルクを検出するトルクセンサであることを特徴とする請求項1項または2項記載のトルクセンサ。The torque sensor, the torque sensor of claim 1 wherein or 2 wherein wherein the a torque sensor that detects the steering torque of the electric power steering device for assisting the steering torque of the vehicle by the electric motor.
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