(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
トルク伝達軸に設けた一対の磁気異方性部と、この磁気異方性部に対応して設けられた一対の検出コイルとを備え、この一対の検出コイルにより上記トルク伝達軸に加えられたトルクの大小を検出するようにしたトルク検出方法において、
一方の検出コイルに印加される交流の位相を他方の検出コイルに印加される交流に対して所定の周期で変位させるとともに、両交流の位相が一致する際のタイミングを検出し、両交流の位相が一致した状態において各検出コイルに発生された交流の振幅の差を検出することにより上記トルク伝達軸に加えられたトルクの大小を検出することを特徴とするトルク検出方法。
【請求項２】
上記両交流の位相が一致したら、両交流の位相が９０°の位相角度となった際に、上記交流の振幅の差を検出することを特徴とする請求項１に記載のトルク検出方法。
【請求項３】
トルク伝達軸に設けた一対の磁気異方性部と、この磁気異方性部に対応して設けられた一対の検出コイルとを備え、この一対の検出コイルにより上記トルク伝達軸に加えられたトルクの大小を検出するようにしたトルク検出装置において、
上記各検出コイルに交流を印加する発振器と、各検出コイルに接続されるとともに、各検出コイルに発生された交流の振幅の差から、上記トルク伝達軸に加えられたトルクの大小を検出する交流差動回路と、上記各検出コイルに印加される一方の交流の位相を他方の交流の位相に対して所定の周期で変位させる位相スキャン回路と、上記位相スキャン回路によりスキャンされる両交流の位相が一致するタイミングを検出する位相検出回路と、上記位相検出回路からの信号を入力し、両交流の位相が一致した状態において上記交流差動回路の出力をホールドしてこれを出力するサンプル＆ホールド回路とを備えることを特徴とするトルク検出装置。
【請求項４】
上記各検出コイルの少なくとも一方に可変抵抗が接続され、この可変抵抗により、上記トルク伝達軸にトルクが加えられていない状態において、上記各検出コイルに発生された交流の振幅が同一の大きさとなるように調整されることを特徴とする請求項３に記載のトルク検出装置。
【請求項５】
上記各検出コイルの少なくともいずれか一方にトリマーコンデンサが接続され、このトリマーコンデンサにより、上記トルク伝達軸にトルクが加えられていない状態において、上記各検出コイルに発生された交流の位相差が零となるように調整されることを特徴とする請求項３又は請求項４に記載のトルク検出装置。
【請求項６】
上記位相スキャン回路は、いずれか一方の検出コイルに接続したバリキャップと、このバリキャップの印加電圧を上記所定の周期で増減させる発振回路とを備えていることを特徴とする請求項３ないし請求項５のいずれかに記載のトルク検出装置。
【請求項７】
上記交流差動回路は、上記位相スキャン回路により位相がスキャンされた両交流の振幅を減算する交流差動アンプを備えており、上記位相検出回路は、上記差動アンプの出力が最小となることによって両交流の位相が一致したことを検出するようになっていることを特徴とする請求項３ないし請求項６のいずれかに記載のトルク検出装置。
【請求項８】
上記交流差動回路の出力は、ＬＰＦを通した後にサンプル＆ホールド回路でホールドされることを特徴とする請求項３ないし請求項７のいずれかに記載のトルク検出装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はトルク検出方法およびトルク検出装置に関し、より詳しくは、磁歪を利用したトルク検出方法およびトルク検出装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、磁歪式のトルク検出装置として、トルク伝達軸に設けた一対の磁気異方性部と、この磁気異方性部に対応して設けられた一対の検出コイルとを備え、この一対の検出コイルにより上記トルク伝達軸に加えられたトルクの大小を検出するようにしたものが知られている（特開平４−２９９２２６号公報）。
そしてこの種のトルク検出装置においては、上記トルク伝達軸にトルクが加えられた際には、該トルク伝達軸に設けた磁気異方性部における透磁率が変化するので、その変化量からトルク伝達軸に加えられたトルクの大小を検出するようにしている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
従来のトルク検出方法およびトルク検出装置は、上記透磁率の変化を各検出コイルに流れる交流電流を直流電流に変換した後、各直流電流の大きさの差を検出し、その差の大小からトルク伝達軸に加えられたトルクの大小を検出していた。
また、この種のトルク検出装置においては、温度補償を行なう際には３つ以上の磁気異方性部を設ける必要があることから、装置全体が大型化するという欠点があった。
本発明は、直流電流の大きさの差ではなく、各検出コイルに発生された交流の振幅の差からトルクの大小を検出することができるトルク検出方法およびトルク検出装置を提供するものである。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
すなわち請求項１の発明は、トルク伝達軸に設けた一対の磁気異方性部と、この磁気異方性部に対応して設けられた一対の検出コイルとを備え、この一対の検出コイルにより上記トルク伝達軸に加えられたトルクの大小を検出するようにしたトルク検出方法において、
一方の検出コイルに印加される交流の位相を他方の検出コイルに印加される交流に対して所定の周期で変位させるとともに、両交流の位相が一致する際のタイミングを検出し、両交流の位相が一致した状態において各検出コイルに発生された交流の振幅の差を検出することにより上記トルク伝達軸に加えられたトルクの大小を検出することを特徴とするものである。
さらに請求項３の発明は、トルク伝達軸に設けた一対の磁気異方性部と、この磁気異方性部に対応して設けられた一対の検出コイルとを備え、この一対の検出コイルにより上記トルク伝達軸に加えられたトルクの大小を検出するようにしたトルク検出装置において、
上記各検出コイルに交流を印加する発振器と、各検出コイルに接続されるとともに、各検出コイルに発生された交流の振幅の差から、上記トルク伝達軸に加えられたトルクの大小を検出する交流差動回路と、上記各検出コイルに印加される一方の交流の位相を他方の交流の位相に対して所定の周期で変位させる位相スキャン回路と、上記位相スキャン回路によりスキャンされる両交流の位相が一致するタイミングを検出する位相検出回路と、上記位相検出回路からの信号を入力し、両交流の位相が一致した状態において上記交流差動回路の出力をホールドしてこれを出力するサンプル＆ホールド回路とを備えるものである。
【０００５】
上記請求項１の発明であるトルク検出方法と、請求項３の発明であるトルク検出装置によれば、一方の検出コイルに印加される交流の位相を他方の検出コイルに印加される交流に対して所定の周期で変位させて、積極的に両交流間に位相差を生じさせている。そしてその状態で両交流の位相が一致する際のタイミングを検出し、両交流の位相が一致した状態において各検出コイルに発生された交流の振幅の差を検出することにより、上記トルク伝達軸に加えられたトルクの大小を検出している。
したがって、常に両交流の位相が一致する状態でトルク伝達軸に加えられたトルクの大小を検出することができる。
【０００６】
【発明の実施の形態】
以下図示実施例について本発明を説明すると、図１において、トルク伝達軸１は概略筒状のハウジング２に回転自在に軸支してあり、このトルク伝達軸１の外周面に一対の磁気異方性部３、４を形成してある。一方の磁気異方性部３は、トルク伝達軸１の軸方向に対して４５度傾斜させた溝を互いに平行となるように円周方向に多数形成することにより構成してあり、他方の磁気異方性部４は、上記一方の磁気異方性部３の溝とは逆の方向に４５度傾斜させた溝を互いに平行となるように円周方向に多数形成することにより構成してある。
上記各磁気異方性部３、４の周囲にはそれぞれを囲繞する検出コイル５、６を設けてあり、各検出コイル５、６はそれぞれ樹脂ヨーク７、８を介してハウジング２の内周面に固定してある。また、上記ハウジング２には基板９を固定してあり、この基板９に図２に示す回路を設けてある。
【０００７】
図２において、上記各検出コイル５、６の一端にはそれぞれインピーダンスのバラツキ補正用の補正抵抗Ｒ１、Ｒ２を直列に接続してあり、これらは抵抗Ｒ１１、Ｒ１２とともにインピーダンスブリッジ検出回路を構成している。このインピーダンスブリッジは、両者に共通に接続したバッファアンプ１２を介して、各検出コイル５、６に交流（正弦波）を印加する発振器１３に接続してある。また各検出コイル５、６の他端は相互に接続してある。
上記各検出コイル５、６における発振器１３側の端子には、それぞれ交流差動回路１６を構成する交流差動アンプ１７の一次側を接続してあり、かつこの交流差動アンプ１７の一次側の端子は、それぞれ抵抗Ｒ３、Ｒ４を介して接地してある。
上記各検出コイル５、６は、上記発振器１３によって交流が印加されるとそれぞれのインピーダンスベクトルに比例した電圧ベクトルを発生するようになるが、上記交流差動アンプ１７は両交流の振幅を減算し、各検出コイル５、６から入力される交流が同一である場合には出力が零となり、両者に差がある場合にはその差の大きさに応じた出力を出力することができるようになっている。したがってその差の大きさから、上記トルク伝達軸１に加えられたトルクの大小を検出することができる。
【０００８】
これをより詳細に説明すると、トルク伝達軸１にトルクが加えられていない状態において、各検出コイル５、６と補正抵抗Ｒ１、Ｒ２を含む回路のインピーダンスが同一となっており、かつインピーダンスブリッジに入力される交流が同一である場合には、交流差動アンプ１７の出力は零となる。
他方、この状態において、上記トルク伝達軸１にトルクが加えられて該トルク伝達軸１が一方向にねじられると、互いに逆方向に傾斜された多数の溝からなる磁気異方性部３、４のいずれか一方に圧縮力が、他方に引張り力がそれぞれ作用するようになるので、それぞれの部分で透磁率が増減するようになる。その結果、一方の検出コイル５又は６を含む回路のインピーダンスが増大して交流の振幅が増大するとともに、他方のインピーダンスが減少して交流の振幅が減少する。
これにより、各検出コイル５、６から交流差動アンプ１７に入力される交流の振幅に、上記トルクの大きさに応じた差が発生するので、該交流差動アンプ１７はその差に応じた大きさの出力を発生するようになる。そしてこの交流差動アンプ１７の出力は、カップリングコンデンサＣ１で直流成分がカットされてから直流アンプ１８に加えられ、さらにＬＰＦ（ローパスフィルター）に加えられる。
上記ＬＰＦは、上記各検出コイル５、６が生み出す正弦波とは異なる歪成分とか、交流差動回路１６が生み出す高調波成分を除去することにより、本来のトルク情報の外乱として与えられた影響を除去するので、Ｓ／Ｎを改善することができる。そして次に、後に詳述するサンプル＆ホールド回路２１によってその出力値がホールドされた後、直流アンプ２２から例えば＋の検出信号として出力されるようになる。
上記トルク伝達軸１に逆方向のトルクが加えられた際には、透磁率の増減が上述した場合とは逆となるので交流の振幅の増減も逆となり、この場合には上記直流アンプ２２から−の検出信号として出力されるようになる。
このように、上記交流差動回路１６は、上記トルク伝達軸１に加えられたトルクの大小と方向とに応じた出力を出力することができる。
【０００９】
ところで、上記各検出コイル５、６を含む回路は、例えば検出コイル５、６の内部抵抗とかリアクタンスのばらつきを含んでいるので、上記トルク伝達軸１にトルクが加えられていない状態であっても、各検出コイル５、６から交流差動アンプ１７に入力される交流波形は、一般に交流の振幅が異なったり位相が異なるため、同一とはならない。
このため、上記トルク伝達軸１にトルクが加えられていない状態で、上記各検出コイル５、６から交流差動アンプ１７に入力される交流の振幅が同一となるように調整するために、一方の検出コイル５と交流作動アンプ１７との間に直列に可変抵抗Ｒ５を設けるとともに、他方の検出コイル６と交流作動アンプ１７との間に直列に固定抵抗Ｒ６を設けている。そして上記可変抵抗Ｒ５の抵抗値を調整することにより、各検出コイル５、６から交流差動アンプ１７に入力される交流の振幅が同一となるように調整することができるようにしてある。なお、この抵抗Ｒ５、Ｒ６の配置は逆でもよく、両方が可変抵抗でもよい。
他方、本実施例では、位相スキャン回路２５により一方の検出コイル５に印加される交流の位相を他方の検出コイル６に印加される交流に対して一定の周期で変位させるとともに、位相検出回路２６によって両交流の位相が一致する際のタイミングを検出するようにしている。そして両交流の位相が同一となった状態において上記交流差動回路１６の出力をサンプル＆ホールド回路２１によりホールドすれば、その後に位相がずれても、上記ホールドされた値から、すなわち各検出コイル５、６に発生された交流の振幅の差から、上記トルク伝達軸１に加えられたトルクの大小を検出することができる。
【００１０】
上記位相スキャン回路２５は、バリキャップＣｖとコンデンサＣａとを備えており、これらは直列に接続した状態で、一方の検出コイル５の両端子間に接続してある。また位相スキャン回路２５はバリキャップＣｖとコンデンサＣａとの間に抵抗Ｒ７を介して接続した鋸波状の電圧を発生させる発振回路２７を備えており、この発振回路２７によりバリキャップＣｖの印加電圧を周期的に変更できるようにしている。
上記バリキャップＣｖは印加電圧が高くなると容量が小さくなる特性を有しており、上記発振回路２７によりバリキャップＣｖの容量を周期的に変化させることにより検出コイル５側のインピーダンスを変化させて、検出コイル５に印加される交流の位相を検出コイル６に印加される交流の位相に対して周期的に変位させることができるようにしてある。
なお、他方の検出コイル６の両端子間にはトリマーコンデンサＣｔを接続してあり、このトリマーコンデンサＣｔの容量を調整することにより、相対的に、上記位相スキャン回路２５により位相が変位される検出コイル５側の交流の位相が、検出コイル６側の交流の位相に対して一定の範囲内でずれるようにしてある。これにより、両交流は、必ずどこかのタイミングで両者の位相が一致するように設定してある。
【００１１】
上記位相検出回路２６は、上記交流差動アンプ１７の差動出力振幅のピークレベルを包絡線状に検出するピーク検出回路３１と、このピーク検出回路３１で検出した包絡線の最小値を検出する最小値検出回路３２とを備えており、サンプル＆ホールド許可回路３３は最小値を検出した瞬間に上記サンプル＆ホールド回路２１にサンプル＆ホールド信号を出力するようになっている。
上記位相検出回路２６の作動をより詳細に説明すると、図３は位相のずれと交流差動アンプ１７の差動出力との関係を示したもので、上記交流差動アンプ１７の差動出力は、検出コイル５側の交流と検出コイル６側の交流との位相が完全に一致しているときには零となり（図３（ｂ））、一方が他方に対して進んだり（図３（ａ））、遅れたり（図３（ｃ））したときには、位相が一致したときに比べて大きくなる。この関係は、トルクが印加されていても維持される。
図４の符号４１は、発振器１３によって発生される交流波形であり、また符合４２は発振回路２７によって発生される鋸波状の波形である。一例として、発振器１３は１４．３ＭＨｚで発振され、発振回路２７は１ＫＨｚで発振される。上記発振回路２７で発振される鋸波は、１回のスキャンで検出コイル５の位相を他方の位相に対して最も進ませた状態（符号４３の位置）から、一致させた状態（符号４４の位置）を経て、最も遅らせる（符号４５の位置）ことができるようになっている。
したがって上記交流差動アンプ１７の差動出力は、図４の符号４６で示すように、上記位相が最も進んだ状態（符号４３の位置）と最も遅れた状態（符号４５の位置）とで最大となり、位相が一致した状態（符号４４の位置）で最小となる。このことから、交流差動アンプ１７の出力が最小となる状態を検出することによって、両交流の位相が一致したことを検出することができるようになる。
図２におけるピーク検出回路３１は上記交流差動アンプ１７の出力を入力し、その出力のピーク値を結んで図４に示す包絡線４７を生成するものであり、また最小値検出回路３２はこの包絡線４７から最小値を検出するものである。最小値検出回路３２は上記包絡線４７から最小値４８を入力してこれを記憶し、その最小値をサンプル＆ホールド許可回路３３に出力する。このサンプル＆ホールド許可回路３３は、最小値検出回路３２から与えられた最小値と、交流差動アンプ１７から与えられるリアルタイムの出力とを比較し、交流差動アンプ１７の出力が最小値検出回路３２から与えられた最小値となったら、上記サンプル＆ホールド回路２１にサンプル＆ホールド信号を出力する。つまりサンプル＆ホールド許可回路３３は、鋸波の１波長前に得られた最小値と、リアルタイムの出力とを比較するようになっており、この最小値は鋸波の１波長毎に更新されることになる。
そして上記サンプル＆ホールド回路２１にサンプル＆ホールド許可回路３３からのサンプル＆ホールド信号が入力されると、その瞬間に、すなわち両交流の位相が一致した瞬間に、交流差動アンプ１７の出力値をホールドするようになり、このサンプル＆ホールド回路２１は次のサンプル＆ホールド信号が入力されるまでの間、つまり次に両交流の位相が一致するまでの間、同一の出力値をホールドすることになる。
このとき、上記包絡線４７は交流差動アンプ１７の出力のピーク値を結ぶものであるから、結果的に両交流の位相角度が９０°となる位置で交流差動アンプ１７の出力を検出していることになる。また上記最小値は、トルク伝達軸１にトルクが加えられていないときには原理的に零となるが、トルク伝達軸１にトルクが加えられている際にはそのトルクの大小に応じて増減することになる。そのため、上記サンプル＆ホールド許可回路３３は、最小値検出回路３２から与えられた最小値の変化から次の最小値を予測し、その予測した最小値と上記交流差動アンプ１７から与えられるリアルタイムの出力とを比較するようになっている。
また、上述したように発振回路２７は１ＫＨｚで発振させることができるので、サンプル＆ホールド回路２１がホールドする時間を極めて短くすることができる。したがって例えばパワーステアリングのトルク検出装置に本装置を用いても、運転者に違和感を与えることはない。
【００１２】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、各検出コイルに発生された交流の振幅の差から、トルク伝達軸に加えられたトルクの大小を検出することができるとともに、両交流間に位相差が生じることによる誤差を無くし若しくは低減することができるという効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の実施例を示す断面図。
【図２】  本発明の第１実施例のトルク検出回路を示す回路図。
【図３】  （ａ）は位相が進んだ際の差動出力の状態を示した図、（ｂ）は位相が一致した際の差動出力の状態を示した図、（ｃ）は位相が遅れた際の差動出力の状態を示した図。
【図４】  位相検出回路２６の作動を説明するための説明図。
【符号の説明】
１  トルク伝達軸                ３、４  磁気異方性部
５、６  検出コイル              １３  発振器
１６  交流差動回路              １７  交流差動アンプ
２１  サンプル＆ホールド回路    ２５  位相スキャン回路
２６  位相検出回路              ２７  発振回路
２８  加算アンプ                ２９  カウンタ回路
Ｃｔ  トリマーコンデンサ        Ｃｖ  バリキャップ
Ｒ５  可変抵抗
【図１】
0003702844.tif 000002
【図２】
0003702844.tif 000003
【図３】
0003702844.tif 000004
【図４】
0003702844.tif 000005