(57)【要約】【課題】回転軸に回転トルクが加えられたとき、光学的検出方法によりひずみを検出し、この検出結果に基づき回転トルクを算出することができるトルク検出装置を提供する。【解決手段】ステアリング軸３に加わる操舵トルクを検出するトルク検出装置４において、例えば光を回折させる短冊形の複数のシート３ａ，３ａ…をステアリング軸３の外周に設け、これら複数のシート３ａ，３ａ…に光を照射してシート３ａ，３ａ…に生じた像又は光学的性状の変化を撮像する構成としているため、ステアリング軸３が回転しても少なくとも一つのシート３ａは撮像可能となるため、干渉縞のパターンを読取り、該干渉縞のパターンからひずみを検出することができ、これによりステアリング軸３の操舵トルクの算出が可能になる。【選択図】図２
2007139654.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転軸に加わる回転トルクを検出するトルク検出装置において、表面に形成されている像又は表面の光学的性状が外力の作用により生じるひずみに応じて変化し、前記回転軸の外周に長辺が軸長方向と平行をなして固定された短冊形の複数のシートと、これら複数のシートの少なくとも一つに光を照射する発光手段と、該発光手段により光が照射された前記シートを撮像する撮像手段と、該撮像手段の撮像結果に基づいて前記回転軸に加わる回転トルクを算出する算出手段とを備えることを特徴とするトルク検出装置。
【請求項２】
前記発光手段は、前記回転軸に固定された複数の前記シートに光を照射し、前記撮像手段は、前記発光手段により光が照射された複数の前記シートを撮像域に含み、該撮像手段により得られた前記撮像域内の各シート夫々の撮像結果に表れた特徴値を検出する検出手段と、該検出手段により検出された夫々の特徴値を統計的に処理して前記回転軸に加わる回転トルクを算出する前記算出手段とを備えることを特徴とする請求項１記載のトルク検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光学的検出方法によりひずみを検出し、この検出結果に基づき回転トルクを算出するトルク検出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ステアリングホイール等の操舵部材の回転操作に応じて操舵補助用のモータを駆動し、該モータの回転力を操舵機構に加えて操舵を補助する電動パワーステアリング装置は、操舵部材に加えられる操舵トルクをトルク検出装置により検出し、検出された操舵トルクに基づいて目標補助力を定め、該目標補助力を発生させるべく操舵補助用のモータの駆動電流を増減制御する構成となっている。このような電動パワーステアリング装置に用いられているトルク検出装置は、一般に、操舵部材と操舵機構とを連結するステアリング軸を上下の２軸に分割し、これらの２軸をトーションバーにより同軸上に連結して、トーションバーの捩れに応じて前記２軸間に生じる相対角変位を適宜の手段により検出して操舵トルクを算出する構成となっている（例えば、特許文献１，特許文献２参照）。特許文献１のトルク検出装置は、検出手段として公知のＭＲセンサが用いられ、特許文献２のトルク検出装置は、検出手段として公知のホール素子が用いられている。
【特許文献１】特開２００２−１２２４９５号公報
【特許文献２】特開２００１−４４６６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ところが、前述のようなトーションバーを用いるトルク検出装置では、操舵トルクの検出精度を上げるために低剛性のトーションバーを用いて相対角変位が大きく生じるようにしているため、トーションバーが一種のダンパーの働きをし、路面状態が操舵部材に伝わりにくいという状況が生じたり、操舵部材を回転させるときに若干の時間遅れを伴って操舵機構が反応したりというような現象が発生し、操舵感が悪化するという問題があった。このため、トーションバーを使用しないトルク検出装置を採用し、操舵感を向上したいという要望があった。
【０００４】
しかしながら、トーションバーではなく剛性の高い中空材又は中実材を操舵トルクの検出対象にする場合には、操舵トルクが加えられても微小な相対角変位しか生じないため、従来用いられていたＭＲセンサ又はホール素子等の検出手段では検出が困難であり、このような微小な相対角変位を検出することができる検出手段が必要となる。
【０００５】
そこで、主として静止物を対象とした材料試験において微小なひずみの検出のために利用されている光学的検出方法を採用することが考えられる。このような光学的検出方法には、例えば、光を回折させるシートを被検出部に固着し、外力が加わったときにシートに生じる干渉縞を観察して、この干渉縞の間隔を読取ることによりひずみを算出する方法がある。そしてひずみが算出されれば、該ひずみの値により被検出部に加わっている外力が算出できるのでトルクを知ることができる。ところが、このような光学的検出方法をトルク検出装置に適用する場合には、回転軸の回転に応じてシートに生じる干渉縞も移動するため、該干渉縞のパターンを読取ることが困難であるという問題があった。
【０００６】
本発明は斯かる事情に鑑みてなされたものであり、例えば光を回折させる短冊形の複数のシートを回転軸に固定し、夫々のシートに干渉縞を生じさせることにより、回転軸が回転している場合にも干渉縞のパターンを読取ることが可能な光学的検出方法を有したトルク検出装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
第１発明に係るトルク検出装置は、回転軸に加わる回転トルクを検出するトルク検出装置において、表面に形成されている像又は表面の光学的性状が外力の作用により生じるひずみに応じて変化し、前記回転軸の外周に長辺が軸長方向と平行をなして固定された短冊形の複数のシートと、これら複数のシートの少なくとも一つに光を照射する発光手段と、該発光手段により光が照射された前記シートを撮像する撮像手段と、該撮像手段の撮像結果に基づいて前記回転軸に加わる回転トルクを算出する算出手段とを備えることを特徴とする。
【０００８】
第２発明に係るトルク検出装置は、前記発光手段は、前記回転軸に固定された複数の前記シートに光を照射し、前記撮像手段は、前記発光手段により光が照射された複数の前記シートを撮像域に含み、該撮像手段により得られた前記撮像域内の各シート夫々の撮像結果に表れた特徴値を検出する検出手段と、該検出手段により検出された夫々の特徴値を統計的に処理して前記回転軸に加わる回転トルクを算出する前記算出手段とを備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
第１発明によれば、表面に形成されている像又は表面の光学的性状が外力の作用により生じるひずみに応じて変化する短冊形の複数のシートが回転軸に固定されており、少なくとも一つのシートに光を照射して撮像し、得られた撮像結果に基づいて回転軸に加わる回転トルクを算出しており、回転軸に加わる回転トルクに応じて夫々のシートに生じる像又は光学的性状の変化、例えば干渉縞を撮像するときに、回転軸が回転しても少なくとも一つのシートは撮像可能となるため、該シート上に生じた干渉縞のパターンを読取り、該干渉縞のパターンからひずみを検出することができ、これにより回転軸に加わる回転トルクの算出が可能になる。
【００１０】
第２発明によれば、回転軸に固定された複数のシートに光を照射し、光が照射された複数のシートを撮像域に含んでおり、得られた各シート夫々の撮像結果に表れた干渉縞の間隔等の特徴値を検出して、夫々の特徴値の平均値を求める等の統計的処理を行い、この処理結果を用いて回転トルクを算出しているので、ばらつきが少なく、常に安定的に回転トルクを算出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】
【００１１】
以下、本発明をその実施の形態を示す図面に基づいて詳述する。図１は、本発明に係るトルク検出装置を操舵トルクの検出手段として備える電動パワーステアリング装置の構成を示す模式図である。
【００１２】
図示の電動パワーステアリング装置はラックピニオン式の操舵機構を備える。ラックピニオン式の操舵機構は、図示しない車体の左右方向に延設されたラックハウジング１０の内部に軸長方向への移動自在に支持されたラック軸１と、ラックハウジング１０の中途に交叉するピニオンハウジング２０の内部に回転自在に支持されたピニオン軸２とを備える公知の構成を有している。
【００１３】
ラックハウジング１０の両側から外部に突出するラック軸１の両端は、各別のタイロッド１１，１１を介して操舵輪としての左右の前輪１２，１２に連結され、またピニオンハウジング２０の一側から外部に突出するピニオン軸２の上端は、操舵軸であるステアリング軸３を介して操舵部材としてのステアリングホイール３０に連結されている。またピニオンハウジング２０の内部に延びるピニオン軸２の下部には、図示しないピニオンが形成されており、該ピニオンは、ラックハウジング１０との交叉部において、ラック軸１の外面に適長に亘って形成されたラック歯に噛合させてある。
【００１４】
ステアリング軸３は、筒形をなすコラムハウジング３１の内部に回転自在に支持され、該コラムハウジング３１を介して、図示しない車室の内部に前方を下とした傾斜姿勢を保って固定されており、コラムハウジング３１の下方へのステアリング軸３の突出端にピニオン軸２が連結され、同じく上方への突出端にステアリングホイール３０が固設されている。
【００１５】
以上の構成により、操舵のためにステアリングホイール３０が回転操作された場合、この回転がステアリング軸３を介してピニオン軸２に伝達され、該ピニオン軸２の回転が、ピニオンとラック歯との噛合部においてラック軸１の軸長方向の移動に変換されることとなり、このようなラック軸１の移動により、左右の前輪１２，１２が各別のタイロッド１１，１１を介して押し引きされて操舵がなされる。
【００１６】
ステアリング軸３を支持するコラムハウジング３１の中途には、ステアリングホイール３０の回転操作によりステアリング軸３に加わる操舵トルクを検出すべく、後述するように構成されたトルク検出装置４が設けてあり、該トルク検出装置４よりも下位置に操舵補助用のモータ５が取付けてある。
【００１７】
操舵補助用のモータ５は、コラムハウジング３１の外側に軸心を略直交させて取付けてあり、例えば、コラムハウジング３１の内部に延びる出力端に固着されたウォームをステアリング軸３に外嵌固定されたウォームホイールに噛合させ、モータ５の回転を、ウォーム及びウォームホイールにより減速してステアリング軸３に伝えるように伝動構成されている。この構成によれば、操舵補助用のモータ５の回転は、ステアリング軸３に減速伝動され、該ステアリング軸３の下端に連設されたピニオン軸２に回転力が付与されることとなり、この回転に応じて前述のごとく行われる操舵が補助される。
【００１８】
尚、操舵補助用のモータ５は、図示の位置に限らず、ステアリング軸３、ピニオン軸２又はラック軸１に伝動構成して適宜の位置に取付けることができる。ラック軸１に伝動構成する場合、モータ５の回転をラック軸１の軸長方向の移動に変換するために、ボールねじ機構等の運動変換手段が必要となる。
【００１９】
このように取付けられた操舵補助用のモータ５は、アシスト制御部６から図示しないモータ駆動回路を介して与えられる制御指令に従って駆動される。アシスト制御部６には、トルク検出装置４による操舵トルクの検出値が与えられており、アシスト制御部６は、これに基づいて操舵補助用のモータ５に制御指令を発し、該モータ５の駆動電流を増減制御するアシスト制御動作を行う。
【００２０】
図２は、本発明に係るトルク検出装置４の構成を略図する断面図であり、図３は、図２のIII−III線による矢視図である。図２に示すように、本発明に係るトルク検出装置４は、コラムハウジング３１の内部にベアリング３２，３２を介して回転自在に支持されたステアリング軸３の中途を被検出部としており、このステアリング軸３の外周に固定された短冊形の複数のシート３ａ，３ａ…と、これら複数のシート３ａ，３ａ…に光を照射する発光手段７，７と、発光手段７，７により光が照射されたシート３ａ，３ａ…に生じる像又は光学的性状の変化、例えば干渉縞を撮像するＣＣＤ等の撮像手段８と、撮像手段８から得られた画像に基づきステアリング軸３に加わる操舵トルクを算出する算出部９とを備えた構成となっている。
【００２１】
発光手段７，７は、軸長方向と角度αをなすようコラムハウジング３１の周壁に固設されている。この角度αは、後述するように発光手段７，７からシート３ａ，３ａ…に照射された光がこれらのシート３ａ，３ａ…と垂直をなす方向に回折反射するように決められている。撮像手段８は、シート３ａ，３ａ…により回折反射した光の進路上にあり、シート３ａ，３ａ…と対向するように発光手段７，７の中間位置に設けられている。複数のシート３ａ，３ａ…は、同寸法の短冊形をなしており、ステアリング軸３の外周に軸長方向と平行をなして固着されている。そして撮像手段８の撮像域３ｂは、図３に二点鎖線で示すように複数のシート３ａ，３ａ…に亘っている。
【００２２】
ここで、モアレ干渉法について説明する。図４は、モアレ干渉法の原理説明の図である。まず、モアレとは、ほぼ等間隔に並んだ模様を２つ重ね合わせると元の模様と異なる縞模様が現れる現象をいう。モアレ干渉法は、この現象を利用して形状又は変形の計測をする検出方法であり、検出対象部材の表面に回折格子を固着し、この固着部位に２方向から平行光を照射したときに、回折格子からの反射光に干渉による干渉縞が生じる現象を利用する。ここで、回折格子は、例えば非常に薄いアルミニウムの蒸着膜でできており、レーザービームの干渉縞を記録したホログラフィ用乾板等の高分解能乾板を型にして作成される。
【００２３】
図４に示すように検出対象部材にピッチｐ、空間周波数ｆ（ｆ＝１／ｐ）の回折格子を固着し、この回折格子に平面波頭を持つ平行な光（レーザービーム）を、２方向から対称に、夫々入射角α，−αで照射する。尚、入射光Ａ，Ｂの入射角α，−αは、いずれの方向の光も検出対象部材表面に対して垂直方向に回折反射するように調整しておく。検出対象部材が変形していないとき、入射光Ａ，Ｂの回折反射により生じる回折光Ａｄ，Ｂｄは、ともに検出対象部材表面に平行な平面波頭をもって現れるため干渉縞は生じない。検出対象部材が変形しているとき、その変形に応じて回折格子も変形するため回折光Ａｄ，Ｂｄの角度がわずかにずれ、Ａｄ，Ｂｄの波頭は平行でなくなり、この二つの回折光の重ね合わせにより、干渉縞が生じる。このとき、縞次数ｍの縞はｍ／（２×ｆ）で表される等変位線となっている。そして、生じた干渉縞の間隔及び変形前の回折格子のピッチｐに基づいて、変形により生じたひずみを算出することができる。
【００２４】
このようなモアレ干渉法を適用する場合には、以上のような回折格子を図３で示したステアリング軸３に固着されるシート３ａ，３ａ…として用いる。そして、加えられた操舵トルクによりステアリング軸３が変形した場合に、ステアリング軸３に固着されたシート３ａ，３ａ…も変形するので、この結果として夫々のシート３ａ，３ａ…に干渉縞が生じる。
【００２５】
前述したようにトルク検出装置４において、発光手段７，７の２方向から夫々入射角α，−αで複数のシート３ａ，３ａ…に光を照射し、これらのシート３ａ，３ａ…を撮像手段８により撮像した場合に、撮像域３ｂ内の複数のシート３ａ，３ａ…に夫々干渉縞が生じている様子が画像として得られる。従って得られた画像中に含まれる各シート３ａ夫々の干渉縞の間隔を検出し、得られた夫々の干渉縞の間隔及び回折格子のピッチに基づいて撮像域３ｂ内にある各シート３ａ，３ａ…のひずみを算出し、これらのひずみの平均値を用いてステアリング軸３に加えられている操舵トルクを算出することができる。このようにして操舵トルクを算出するときに、撮像域３ｂ全てのシート３ａ，３ａ…の画像を用いてもよいし、一部を用いてもよい。また各シート３ａ，３ａ…の干渉縞の間隔の平均値を求める統計的処理を先に行い、求められた平均値によりひずみを算出して操舵トルクを求めてもよい。さらに平均値を用いる代わりに、中央値等の他の統計的処理により求めた値を用いてもよい。
【００２６】
そして、このように複数のシート３ａ，３ａ…を撮像しているので、ステアリング軸３が回転しても少なくとも一つのシート３ａは撮像可能となるため、干渉縞のパターンを読取り、該干渉縞のパターンからひずみを検出することができ、これによりステアリング軸３の操舵トルクの算出が可能になる。また、撮像手段８により撮像された複数のシート３ａ，３ａ…、例えば撮像手段８と最も近いシート３ａ及びこれに隣接する２つのシート３ａ，３ａの画像に基づいて夫々算出されたひずみを統計的に処理し、操舵トルクの算出に用いているため、算出されたひずみのばらつきが少なくなり、常に安定的に操舵トルクを算出することが可能になる。尚、撮像手段８と最も近いシート３ａの干渉縞のパターンが鮮明に撮像されている場合には該シート３ａの画像に基づいて算出したひずみを用い、該シート３ａの干渉縞のパターンが不鮮明又は不完全の場合には該シート３ａに隣接する２つのシート３ａ，３ａの画像に基づき夫々算出したひずみの平均値を用いるという構成としてもよい。
【００２７】
以上のように構成されたトルク検出装置４においては、光を回折させる短冊形の複数のシート３ａ，３ａ…をステアリング軸３に設け、夫々のシート３ａ，３ａ…に干渉縞を生じさせることにより、ステアリング軸３が回転している場合にも干渉縞のパターンを読取ることができる光学的検出方法を採用しているから、トーションバーを使用せずに剛性の高い中空材又は中実材を用いることができるため、ステアリング軸３の剛性を高め、操舵感の向上を図ることができる。
【００２８】
尚、以上の実施の形態では、モアレ干渉法を適用した例について述べたが、同様に、光弾性法、モアレ法、スペックル干渉法、格子法等の他の光学的検出方法を適用することが考えられる。もちろん、光学的検出方法は、例示したこれらの検出方法に限定されず、外力の作用により生じるひずみに応じて表面に形成されている像又は表面の光学的性状が変化するシート３ａ，３ａ…を撮像し、この撮像された画像からひずみを算出可能な検出方法であればよい。これらの光学的検出方法に用いられるシート３ａは、検出方法に応じた適宜の材質及び形状を有することは言うまでもない。
【００２９】
尚、以上の実施の形態では、ラックピニオン式の操舵機構を備える電動パワーステアリング装置における操舵トルクの検出手段としての適用例について述べたが、本発明は、ボールねじ式の操舵機構等、他の形式の操舵機構への適用も可能である。更に、操舵トルクの検出手段としての用途に限らず、多くの産業分野において回転軸に加わる回転トルクを検出する用途全般に適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明に係るトルク検出装置を操舵トルクの検出手段として備える電動パワーステアリング装置の構成を示す模式図である。
【図２】本発明に係るトルク検出装置の構成を略図する断面図である。
【図３】図２のIII−III線による矢視図である。
【図４】モアレ干渉法の原理説明の図である。
【符号の説明】
【００３１】
３      ステアリング軸（回転軸）
３ａ    シート
３ｂ    撮像域
４      トルク検出装置
６      アシスト制御部
７      発光手段
８      撮像手段
９      算出部（検出手段，算出手段）
【図１】
2007139654.tif 000003
【図２】
2007139654.tif 000004
【図３】
2007139654.tif 000005
【図４】
2007139654.tif 000006