(57)【要約】  【課題】  二つのセンサを使用して、容易且つ高精度で回転軸の捻れ角、換言すれば回転軸に加わっているトルクを検出することが可能なトルク検出装置の提供を目的とする。  【解決手段】  レシオメトリック特性を有すると共に同一特性を有する二つのセンサ１、２で電動パワーステアリング装置のトーションバーの捻れ量を同時的にそれぞれ検出することによってトーションバーに加わっているトルクを検出する。二つのセンサ１、２の内の一方のセンサのゲインを正に、他方のセンサのゲインを負にそれぞれ設定しておき、二つのセンサ１、２の検出出力の差に所定の係数を乗じることにより、トーションバーに加わっているトルクを制御回路３が算出する。【選択図】        図１
2006162272.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
二つのセンサで同一の回転軸の捻れ量を同時的にそれぞれ検出することにより、前記回転軸に加わっているトルクを検出するトルク検出装置において、
前記二つのセンサはレシオメトリック特性を有すると共に同一特性を有しており、
前記二つのセンサそれぞれのゲインが逆極性に設定されており、
前記二つのセンサの検出出力の差に基づいて、前記回転軸に加わっているトルクを算出するように構成してあることを特徴とするトルク検出装置。
【請求項２】
電源電圧が供給されており、検出対象である回転軸の捻れ量に応じて基準電圧を変換した電圧信号が、前記基準電圧と電源電圧とが等しい場合は前記電圧信号を出力信号として出力し、前記基準電圧と電源電圧とが異なる場合は両者間の比率に応じて前記電圧信号を変換した電圧信号を出力信号として出力するセンサを二つ備え、
前記二つのセンサそれぞれのゲインが逆極性に設定されており、
前記二つのセンサにより同一の回転軸の捻れ量を同時的にそれぞれ検出した結果の検出出力の差に所定の係数を乗じることにより、前記回転軸に加わっているトルクを算出する手段と
を備えたことを特徴とするトルク検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はセンサで軸の捻れ量を検出することにより、軸に加わっているトルクを検出するトルク検出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般の自動車において、ステアリングホイールの操作時、即ち操舵時に運転者がステアリングホイールに加えるべき操作力を軽減して自動車の運転を容易にするためにパワーステアリング装置が利用されているが、近年では電動式のパワーステアリング装置（電動パワーステアリング装置）が普及している。電動パワーステアリング装置は、ステアリングホイールが回転操作されることにより生じるトルクを検出することによって操舵方向，操舵量等のような運転者の操舵操作の意図を判断して操舵補助用の電動モータのオン／オフ及びオン時の回転力の調整を行なうように構成されている。
【０００３】
ところで、運転者がステアリングホイールを回転操作することにより生じるトルクは通常はステアリングホイールの回転に伴なって回転するステアリングシャフトを二分した間に接続されたトーションバーの捩れ量として検出される。そのようなトーションバーの捩れ量の検出のためには種々のセンサが使用されるが、ホール効果センサもその一種である。
【０００４】
ホール効果センサは、通常は捩れ量の検出対象、即ち移動する側に磁石を固定し、移動しない位置にホール効果センサを設置し、ホール効果センサ側に基準電圧を印加した場合に、ホール効果センサと磁石との相対位置関係に応じてホール効果センサから出力される電圧に基づいて両者間の相対的位置関係を検出するものである。
【０００５】
ところで、ホール効果センサは電源電圧の変動に応じてゲイン，中点等が変動する特性があり、従って同一の検出結果に対しても電源電圧が変動すると出力電圧も変動することになる。このため、従来はホール効果センサを電動パワーステアリング装置のトルクセンサとして使用することは難しかった。
【０００６】
ところで、従来の電動パワーステアリング装置では、トーションバーの捩れ量を検出するために、同一特性の二つのセンサで実質的に同時に検出し、両者の検出結果が相異する場合には何らかの異常が発生したものと判断してパワーステアリング装置による操舵補助を行なわないようにして、いわゆるフェイルセーフ機能を持たせていた。
【０００７】
上述のような電動パワーステアリング装置のトルクセンサの異常時のフェイルセーフ機能としてはたとえば特許文献１、２及び３に開示されたような技術が知られている。以下、具体的に説明する。
【０００８】
二つのセンサに共通に供給される電源電圧の実際の値をＶccとした場合に第１のセンサの出力電圧をＶT1とし、第２のセンサの出力電圧をＶT2とする。この場合の両センサの出力電圧は下記式（１）、（２）により与えられる。
【０００９】
ＶT1＝（ａ×θ＋（Ｖcc／２））×（Ｖcc／Ｖref ）  …（１）
ＶT2＝（−ａ×θ＋（Ｖcc／２））×（Ｖcc／Ｖref ）…（２）
但し、θ：トーションバーの捩れ角
ａ：定数（ゲイン）
Ｖref ：センサの基準電圧（たとえば、５Ｖ）
Ｖcc／Ｖref ：センサのレシオメトリック定数
【００１０】
上記の式（１），（２）からは、原理的にはＶT1＝−ＶT2であり、特にトーションバーの捻れ角θがゼロである場合はＶT1＝ＶT2になるので、両センサの出力特性はクロス特性であることが理解される。
【００１１】
ここで、両センサに共通のセンサクランプ電圧を以下のように定める。
ＶclumpH：センサ出力上限電圧
ＶclumpL：センサ出力下限電圧
【００１２】
従って、ＶT1≪ＶclumpL又はＶT1≫ＶclumpHとなった場合は第１のセンサに異常が生じており、ＶT2≪ＶclumpL又はＶT2≫ＶclumpHとなった場合は第２のセンサに異常が生じていると判定される。
【００１３】
一方、センサへの電源からの供給電圧の異常も以下のようにして判断可能である。即ち、上記式（１），（２）からは下記式（３）が成立する。
ＶT1＋ＶT2＝（Ｖcc2 ／Ｖref ）  …（３）
ここで、Ｖcc、即ち電源電圧が一定値であるとするとＶref は定数であるので、「ＶT1＋ＶT2」も一定値になるはずである。但し、個々のセンサの検出精度には実際には若干のばらつきがあるので「ＶT1＋ＶT2」が一定値にはならない場合もある。従って、「Ｖcc2 ／Ｖref 」に若干の幅を持たせた上限値（Ｖmax ）及び下限値（Ｖmin ）を閾値として設定し、「ＶT1＋ＶT2」が下記式を満足する範囲内であれば両センサの出力電圧（の絶対値）がほぼ等しいとする。換言すれば、下記式が満足されない場合は、いずれか（場合によっては双方）のセンサの出力に大きな誤差が生じていると判断することができる。
Ｖmin ＜ＶT1＋ＶT2＜Ｖmax 
【００１４】
なお、Ｖcc＝Ｖref と仮定すると、即ち実際の電源電圧とセンサの基準電圧とが一致していると仮定すると、ＶT1＋ＶT2＝Ｖccになる。換言すれば、両センサの出力電圧の総計値が電源電圧に等しくなる。従って、ＶT1＋ＶT2の値（電圧値）をモニタすることにより、電源電圧の異常を検出することが可能になる。
【特許文献１】特公平４−５３７４８号公報
【特許文献２】特許第３０９４４８３号公報
【特許文献３】特公平８−１８５６４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
ところで、上記の各特許文献に開示されている発明ではいずれもセンサ出力そのものは、両センサの内のいずれかを主センサとし、上述のような異常検出を行ないつつ両センサの出力電圧及び電源電圧に異常がない場合の主センサの出力電圧をセンサ出力として採用する構成を採っている。このため、センサそのものに異常が生じた場合にはやむを得ないが、電源電圧が異常とは言えない程度に変動することはあり得ることである。しかし、上記の各特許文献に開示されている技術では、そのような異常とは言えない程度の電源電圧の変動時にも電源電圧に異常が発生したと判断されてフェイルセーフ機能が作動することになる。
【００１６】
本発明は以上のような事情に鑑みてなされたものであり、二つのセンサを使用するトルク検出装置において、異常とは言えない程度に電源電圧の変動が発生した場合にも、トルク検出を可能にするトルク検出装置の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
本発明の第１の発明は、二つのセンサで同一の回転軸の捻れ量を同時的にそれぞれ検出することにより、前記回転軸に加わっているトルクを検出するトルク検出装置において、前記二つのセンサはレシオメトリック特性を有すると共に同一特性を有しており、前記二つのセンサそれぞれのゲインが逆極性に設定されており、前記二つのセンサの検出出力の差に基づいて、前記回転軸に加わっているトルクを算出するように構成してあることを特徴とする。
【００１８】
このような第１の発明では、レシオメトリック特性を有すると共に同一特性を有する二つのセンサで同一の回転軸の捻れ量を同時的にそれぞれ検出し、二つのセンサそれぞれのゲインが逆極性に、即ち一方のセンサのゲインが正に、他方のセンサのゲインが負にそれぞれ設定されているので、二つのセンサの検出出力の差が一方のセンサの検出出力の２倍になるので、この値から回転軸に加わっているトルクが算出可能になる。
【００１９】
また本発明の第２の発明は、電源電圧が供給されており、検出対象である回転軸の捻れ量に応じて基準電圧を変換した電圧信号が、前記基準電圧と電源電圧とが等しい場合は前記電圧信号を出力信号として出力し、前記基準電圧と電源電圧とが異なる場合は両者間の比率に応じて前記電圧信号を変換した電圧信号を出力信号として出力するセンサを二つ備え、前記二つのセンサそれぞれのゲインが逆極性に設定されており、前記二つのセンサにより同一の回転軸の捻れ量を同時的にそれぞれ検出した結果の検出出力の差に所定の係数を乗じることにより、前記回転軸に加わっているトルクを算出する手段とを備えたことを特徴とする。
【００２０】
このような第２の発明では、基準電圧と電源電圧とが等しければ二つのセンサそれぞれのゲインが逆極性に、即ち一方のセンサのゲインが正に、他方のセンサのゲインが負にそれぞれ設定されているので、二つのセンサの検出出力の差が一方のセンサの検出出力の２倍になるので、この値から回転軸に加わっているトルクが算出可能になると共に、基準電圧と電源電圧とが異なる場合にも両者間の比率に応じて両センサは電圧信号を変換した電圧信号を出力信号として出力するので、基準電圧と電源電圧とが異なる場合にも同様にトルクを算出することが可能になる。
【発明の効果】
【００２１】
以上のような第１の発明に係るトルク検出装置によれば、レシオメトリック特性を有すると共に同一特性を有する二つのセンサで同一の回転軸の捻れ量を同時的にそれぞれ検出し、二つのセンサの内の一方のセンサのゲインが正に、他方のセンサのゲインが負にそれぞれ設定されているので、二つのセンサの検出出力の差が一方のセンサの検出出力の２倍になるので、この値から回転軸に加わっているトルクが算出可能になる。従って、ホール効果センサ等のような電源電圧が変動すると出力電圧も変動するという特性を有するセンサは電動パワーステアリング装置のトルク検出装置のセンサとしては従来は使用が難しかったが、かえって高精度のセンサとして使用することが可能になる。
【００２２】
また第２の発明に係るトルク検出装置によれば、基準電圧と電源電圧とが等しければ二つのセンサの内の一方のセンサのゲインが正に、他方のセンサのゲインが負にそれぞれ設定されているので、二つのセンサの検出出力の差が一方のセンサの検出出力の２倍になるので、この値から回転軸に加わっているトルクが算出可能になると共に、基準電圧と電源電圧とが異なる場合にも両者間の比率に応じて両センサは電圧信号を変換した電圧信号を出力信号として出力するので、基準電圧と電源電圧とが異なる場合にも同様にトルクを算出することが可能になる。従って、ホール効果センサ等のような電源電圧が変動すると出力電圧も変動するという特性を有するセンサは電動パワーステアリング装置のトルク検出装置のセンサとしては従来は使用が難しかったが、電源電圧がセンサの基準電圧と異なっている場合にもかえって高精度のセンサとして使用することが可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
以下、本発明の一実施の形態について図面を参照して説明する。図１は本発明に係るトルク検出装置を電動パワーステアリング装置に組み込んだ場合の要部の構成例を示すブロック図である。
【００２４】
電動パワーステアリング装置の基本的な構成そのものは公知であるので、ここではトーションバーの捻れ量を検出する二つのセンサ１、２と、両センサ１、２が出力する電圧信号を入力してトルクを算出し、その結果に応じて操舵補助用のモータ４を駆動制御する制御回路３とを示している。
【００２５】
両センサ１、２は共にたとえばホール効果センサであるが、両者はレシオメトリック特性を有すると共に同一特性を有するように構成されている。前述の式（１），（２）に示したように、両センサ１、２はゲインがその値そのものは同一であるが逆極性に、即ち一方は正に、他方は負にそれぞれ設定されている。また、両センサ１、２には同一の電源から電源電圧Ｖccが供給されており、両センサ１、２は図示しないトーションバーの捻れ量を同時的に、換言すれば実質的に同時にそれぞれ検出して検出結果に応じた電圧信号ＶT1、ＶT2をそれぞれ出力して制御回路３に与える。
【００２６】
なお、レシオメトリック（ratiometric)特性とは、電源電圧の変動に応じて出力電圧も比例して変動する特性のことをいう。
【００２７】
制御回路３は詳細は後述するが、両センサ１、２から与えられる電圧信号ＶT1、ＶT2に基づいてトーションバーに加わっているトルクを算出し、この算出結果に応じた制御信号を出力することにより、操舵補助モータ４を駆動制御する。
【００２８】
図２はセンサ基準電圧Ｖref が電源電圧Ｖccと等しい場合と、センサ基準電圧Ｖref に対して一例として電源電圧Ｖccが２０％低下している状態、即ち電源電圧Ｖccがセンサ基準電圧Ｖref の４／５である場合とにおける、二つのセンサの出力電圧を示すグラフである。
【００２９】
図２において横軸はトーションバーの捩れ角θを、縦軸はセンサの出力電圧をそれぞれ示している。実線で示したＶT11 は電源電圧Ｖccがセンサの基準電圧Ｖref に等しい場合のトーションバーの捩れ角θに対応した第１のセンサの出力電圧を、ＶT21 は電源電圧Ｖccがセンサの基準電圧Ｖref に等しい場合のトーションバーの捩れ角θに対応した第２のセンサの出力電圧をそれぞれ示している。また、一点鎖線で示したＶT12 は電源電圧Ｖccがセンサの基準電圧Ｖref の４／５である場合のトーションバーの捩れ角θに対応した第１のセンサの出力電圧を、同じくＶT22 は電源電圧Ｖccがセンサの基準電圧Ｖref の４／５である場合のトーションバーの捩れ角θに対応した第２のセンサの出力電圧をそれぞれ示している。
【００３０】
このようにレシオメトリック特性を有すると共に特性が同一の二つのセンサでは、電源電圧Ｖccがセンサの基準電圧Ｖref と等しい場合、前述したように双方のゲインを逆極性に、即ち一方のゲインを正、他方のゲインを負とすることにより、中点（検出対象が中立位置である場合、この例ではトーションバーの捻れ角θがゼロの場合）が一致し、しかもセンサの基準電圧Ｖref の１／２になる。
【００３１】
また、レシオメトリック特性を有するセンサでは、電源電圧Ｖccがセンサの基準電圧Ｖref と異なる場合、その程度に比例して出力電圧も変化する。従って、図２に一点鎖線にて示した電源電圧Ｖccがセンサの基準電圧Ｖref の４／５である場合の両センサの出力電圧も両者が等しい場合の４／５になるので、電源電圧Ｖccの１／２で中点が一致し、しかもその電圧はセンサの基準電圧Ｖref の４／５である。
【００３２】
ところで、センサの出力電圧とトーションバーの捩れ角θ（トルク）との関係は電源電圧Ｖccがセンサの基準電圧Ｖref に等しいことを前提として定められているため、電源電圧Ｖccがセンサの基準電圧Ｖref と異なる状態ではセンサの出力電圧からトーションバーの捩れ角θ（トルク）を求めることは出来ない。
【００３３】
図３は上述の図２において説明を簡単にするために、センサ基準電圧Ｖref と電源電圧Ｖccとが一致している場合の両センサ１、２が出力する電圧信号ＶT1、ＶT2を示すグラフである。
【００３４】
この図３のグラフからは、センサの基準電圧Ｖref と電源電圧Ｖccとが等しい場合には両センサの出力電圧の差とトーションバーの捩れ角θとの間には正比例関係があることが明らかに認められる。その理由は、両センサの出力電圧がクランプ電圧に達しない範囲ではいずれもトーションバーの捩れ角θと正比例しているので、両者の差も同様にトーションバーの捩れ角θと正比例するからである。このことは、図２に一点破線にて示すセンサの基準電圧Ｖref と電源電圧Ｖccとが等しくない場合においても同様であることは明らかである。
【００３５】
以上のことから、本発明では制御回路３が下記式（４）によりトーションバーに加わるトルクを算出する。
トルク＝（ＶT1−ＶT2）×「トルク−電圧換算係数」  …（４）
ここで、ＶT1、ＶT2は両センサの出力電圧であってこれらの値は勿論制御回路３に入力されているので、「トルク−電圧換算係数」を乗ずることによって、トーションバーに加わっているトルクを算出することが可能になる。なお、「トルク−電圧換算係数」は両センサの同一である特性が判明していれば容易に定めることが可能であり、予め制御回路３に記憶させておけばよい。
【００３６】
なお、前述した式（１）、（２）は以下の通りである。
ＶT1＝（ａ×θ＋（Ｖcc／２））×（Ｖcc／Ｖref ）  …（１）
ＶT2＝（−ａ×θ＋（Ｖcc／２））×（Ｖcc／Ｖref ）…（２）
従って、式（４）の「ＶT1−ＶT2」は下記式（５）のようになる。
ＶT1−ＶT2＝（２ａ×θ）×（Ｖcc／Ｖref ）  …（５）
【００３７】
上記式（５）において、「ａ」は定数（ゲイン）、「θ」はトーションバーの捩れ角であるが、電源電圧Ｖccはセンサ基準電圧Ｖref が５Ｖである場合に現実には±０．２Ｖ程度の変動量であり、パーセンテージにすれば４％程度であるので、この程度の誤差は実用上の問題にはならない。
【００３８】
以上のように、ホール効果センサ等のような電源電圧が変動すると出力電圧も変動するという特性を有するセンサは電源電圧に応じてゲイン（出力電圧），中点の出力電圧等が変動するので、電動パワーステアリング装置のトルク検出装置のセンサとしては従来は使用が難しかったが、上述のような本発明によればかえって高精度のセンサとして使用することが可能になる。
【００３９】
なお、上述の実施の形態ではセンサ１、２としてホール効果センサを使用しているが、レシオメトリック特性を有するセンサであれば他にたとえばポテンショメータ等でも同様に利用することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】本発明に係るトルク検出装置を電動パワーステアリング装置に組み込んだ場合の要部の構成例を示すブロック図である。
【図２】センサ基準電圧Ｖref が電源電圧Ｖccと等しい場合と、センサ基準電圧Ｖref に対して一例として電源電圧Ｖccが２０％低下している状態である場合とにおける、二つのセンサの出力電圧を示すグラフである。
【図３】図２において説明を簡単にするために、センサ基準電圧Ｖref と電源電圧Ｖccとが一致している場合の両センサが出力する電圧信号ＶT1、ＶT2を示すグラフである。
【符号の説明】
【００４１】
１  センサ（第１のセンサ）
２  センサ（第２のセンサ）
３  制御回路
４  操舵補助モータ
Ｖcc  電源電圧
ＶT1  第１のセンサが出力する電圧信号
ＶT2  第２のセンサが出力する電圧信号
【図１】
2006162272.tif 000003
【図２】
2006162272.tif 000004
【図３】
2006162272.tif 000005