JP2001272204A

JP2001272204A - ねじれ量測定装置

Info

Publication number: JP2001272204A
Application number: JP2000083987A
Authority: JP
Inventors: Makoto Naruse; 誠成瀬; Yuji Maruyama; 裕児丸山
Original assignee: Sumtak Corp
Current assignee: Sumtak Corp
Priority date: 2000-03-24
Filing date: 2000-03-24
Publication date: 2001-10-05
Also published as: WO2001071288A1

Abstract

(57)【要約】【課題】簡単な構造で小型かつ低コスト化が可能なト
ルク測定装置を提供する。【解決手段】円周方向に回動自在に配置された入力側
ロータ２と出力側ロータ４とを有し、これら入力側ロー
タ２と出力側ロータ４との相対ねじれ量を検出するねじ
れ量測定装置であって、前記入力側ローター２と周方向
に対向する位置には所定間隔をおいて入力側ステータ１
を有し、前記出力側ローター４と周方向に対向する位置
には所定間隔をおいて出力側ステータ３を有し、前記入
力側ステータ１と出力側ステータ３は、それぞれ励磁巻
線および出力巻線５，６を有し、かつこの入力側ステー
タ１の出力巻線と出力側ステータ３の出力巻線とが相互
に接続されている構成のねじれ量測定装置とした。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、自動車用のパワ
ーステアリング装置のように、入力軸を回転させること
によって、トーションバーをねじりながら入力軸および
出力軸が回転するとともに、このときの入力軸と出力軸
との相対回転量をレゾルバを介して検出してトルクを算
出、測定するねじれ量測定装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】図７〜図１０に示した従来の装置は、ト
ーションバー１０１の一端を図示していない入力軸に固
定し、他端を同じく図示していない出力軸に固定してい
る。そして、ハンドルを回転して入力軸を回すと、入力
軸と出力軸とは、トーションバー１０１をねじりながら
回転する。この時のトーションバー１０１のねじれ量す
なわち両軸の相対回転量を検出することによって、入力
トルクを検出できる。上記のように両軸の相対回転量を
検出するのがレゾルバ機構であるが、以下に、このレゾ
ルバ機構を具体的に説明する。

【０００３】上記トーションバー１０１には、その入力
軸側に入力側円筒ロータ１０２を固定し、その出力軸側
に出力側円筒ロータ１０３を固定している。また、ハウ
ジング１０４は、これら両ロータ１０２、１０３の周囲
を囲むようにしている。上記ハウジング１０４の内周に
は、図８に示すように、環状の第１ヨーク１０５を設け
るとともに、その第１ヨーク１０５内に第１コイル１０
６を設けている。また、入力側円筒ロータ１０２の外周
には、第１ヨーク１０５と対向する環状の第２ヨーク１
０７を固定し、その中にも第２コイル１０８を設けてい
る。そして、上記第１ヨーク１０５および第１コイル１
０６と、第２ヨーク１０７および第２コイル１０８と
で、磁気回路（回転トランス）を構成するようにしてい
る。

【０００４】さらに、この入力側円筒ロータ１０２に
は、その円周上に第３ヨーク１０９を固定している。こ
の第３ヨーク１０９の周囲には、位相を９０°ずらした
２種類のコイルからなる第３コイル１１０を巻き付ける
とともに、この第３コイル１１０を、上記第２コイル１
０８と接続している。一方、前記ハウジング１０４の内
周には、上記第３ヨーク１０９および第３コイル１１０
と対向する第４ヨーク１１１および第４コイル１１２を
設けている。なお、この第４コイル１１２も、第３コイ
ル１１０と同様に、位相を９０°ずらした２種類のコイ
ルからなる。これら各構成要素で、入力側レゾルバ機構
Ｒ1 を構成する。なお、図中符号１１３は第１コイル１
０６に接続したリード線、１１４は第４コイル１１２に
接続したリード線で、何れもハウジング１０４の外方に
引き出している。

【０００５】入力側円筒ロータ１０２とハウジング１０
４との間には、上記のようにした入力側レゾルバ機構Ｒ
1 を設けているが、出力側円筒ロータ１０３とハウジン
グ１０４との間にも、この入力側と全く同様の出力側レ
ゾルバ機構Ｒ2 を設けている。そして、上記のレゾルバ
機構を回路的に示したのが図９である。

【０００６】トーションバー１０１がねじれている場
合、第１コイル１０６に交流電圧ER1を加えると、その
電圧に応じて第１ヨーク１０５および第２ヨーク１０７
に磁束が発生するとともに、その時の磁束密度に応じ
て、第２コイル１０８に交流電圧が誘起される。第２コ
イル１０８は、第３コイル１１０に接続しているので、
この第３コイル１１０にも交流電圧が発生する。しか
し、第３コイル１１０は、９０°位相をずらした２種類
のコイルからなるので、その発生電圧も、９０゜位相が
ずれたものになる。この第３コイル１１０に発生した交
流電圧によって、第４コイル１１２に交流電圧が誘起さ
れ、この第４コイル１１２の交流電圧が、リード線１１
４からハウジング１０４外に取り出される。

【０００７】上記ハウジング１０４外に取りだした出力
電圧ES1 とES2 とは、次の通りである。 ES1＝kER1×cosθ1 ES2＝kER1×sinθ1

【０００８】なお、上記kは、変圧比を示す。この時の
出力電圧特性は、図１０に示す通りである。上記の２つ
の式からθ1 を算出することができる。この角度θ1
は、入力側円筒ロータ２の回転角度ということになる。
このようにして算出されたθ1は、レゾルバデジタル変
換器（以降Ｒ／Ｄ変換器）を介して図示していないコン
ピュータに記憶される。また、同様にして、出力側レゾ
ルバ機構Ｒ2 からも、出力側円筒ロータ２の回転角度θ
2 を検出してそれを上記コンピュータに入力する。そし
て、上記コンピュータは、入力側と出力側との相対角度
Δθを、Δθ＝θ1−θ2 として演算し、トーションバ
ー１のねじれ角度であるこの相対角度Δθと、トーショ
ンバー１の剛性とからトルクを算出する。

【０００９】上記のようにした従来の装置では、入力側
と出力側との両方に、レゾルバ機構とＲ／Ｄ変換器を必
要とする。そして、二組のレゾルバ機構から得られた信
号を用いてΔθを算出し、トルクを検出するので、その
分、装置が高額になるという問題があった。また、上記
のようにΔθを算出するための演算回路や、それらを引
き回すための配線構造を必要とし、それを組み込むスペ
ースも大きくせざるをえず、それだけ装置全体も大型化
したり、高価になるという問題があった。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】この発明の目的は、簡
単な構造で小型かつ低コスト化が可能なトルク測定装置
を提供することである。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記目的は、以下の構成
により達成される。（１）円周方向に回動自在に配置された入力側ロータ
（２）と出力側ロータ（４）とを有し、これら入力側ロ
ータ（２）と出力側ロータ（４）との相対ねじれ量を検
出するねじれ量測定装置であって、前記入力側ローター
（２）と周方向に対向する位置には所定間隔をおいて入
力側ステータ（１）を有し、前記出力側ローター（４）
と周方向に対向する位置には所定間隔をおいて出力側ス
テータ（３）を有し、前記入力側ステータ（１）と出力
側ステータ（３）は、それぞれ励磁巻線および出力巻線
（５，６）を有し、かつこの入力側ステータ（１）の出
力巻線と出力側ステータ（３）の出力巻線とが相互に接
続されているねじれ量測定装置。（２）前記入力側ステータ（１）の励磁巻線に励磁信
号を入力し、出力側ステータ（３）の励磁巻線から出力
信号を得る上記（１）のねじれ量測定装置。（３）前記入力側ステータ（１）の出力巻線と出力側
ステータ（３）の出力巻線は複数相の巻線を有し、それ
ぞれ同相の巻線同士が相互に接続されている上記（１）
または（２）のねじれ量測定装置。（４）前記出力信号は同期整流されてねじれ量を表す
信号とされる上記（１）〜（３）のいずれかのねじれ量
測定装置。（５）少なくとも前記入力側ステータ（１）と出力側
ステータ（３）との間には、磁気遮蔽手段（９）を有す
る上記（１）〜（４）のいずれかのねじれ量測定装置。

【００１２】

【発明の実施の形態】本発明のねじれ量測定装置は、例
えば図１に示すように同一軸上で円周方向に回動自在に
配置された入力側ロータ２と出力側ロータ４とを有し、
これら入力側ロータ２と出力側ロータ４との相対ねじれ
量を検出するねじれ量測定装置であって、前記入力側ロ
ータ２と周方向に対向する位置には所定間隔をおいて入
力側ステータ１を有し、前記出力側ロータ４と周方向に
対向する位置には所定間隔をおいて出力側ステータ３を
有し、前記入力側ステータ１と出力側ステータ３は、そ
れぞれ励磁巻線および出力巻線５，６を有し、かつこの
入力側ステータ１の出力巻線と出力側ステータ３の出力
巻線とが相互に接続されているものである。

【００１３】そして、前記入力側ステータの励磁巻線に
励磁信号を入力し、出力側ステータの励磁巻線から出力
信号を得る。

【００１４】また、好ましくは前記入力側ステータの出
力巻線と出力側ステータの出力巻線は複数相の巻線を有
し、それぞれ同相の巻線同士が相互に接続されている。

【００１５】図１についてさらに詳細に説明すると、ね
じれ量測定装置であるレゾルバは、同一軸上で円周方向
に回動自在に配置された入力側ロータ２と出力側ロータ
４とを有する。この入力側ロータ２と出力側ロータ４に
は図示しないねじれ量を検出するための回転体が接続さ
れる。この回転体は、一方が他方に対して相対的に異な
る変位量（回転量）を有するものであれば特に限定され
るものではないが、好ましくは相対的な変位量の差が±
４５°以内、特に±０〜２２．５°程度が好ましい。

【００１６】ロータ２，４は、変形した円筒ないし円盤
状の磁性体であって、その外側面と、ステータ１，３の
各磁極とのギャップが回転動作により変化し、励磁巻
線、出力巻線により回転変位量に応じた出力信号が得ら
れるように形成されている。この形状は、その中心軸が
固定子の中心軸とずれた円盤状、あるいは円筒状の回転
体としてもよいが、後述のように、高調波歪を除去する
ために、所定の極数でその外周が特殊曲線の突部を有す
る形状とすることが好ましい。

【００１７】ロータ２，４の好ましい形状について説明
する。ロータ２，４の形状は、通常のバリアブルリラク
タンス型レゾルバの回転子の形状を決定する手法を用い
ることができるが、好ましくは、特許第２６９８０１３
号に記載されている手法を用いる。

【００１８】ロータ２，４はＮ個の突極を有する磁性材
で巻線を設けない構造において、励磁巻線の電流によっ
て生ずる起磁力と突極によるギャップパーミアンスの変
動との作用で、ロータが全円周の１／Ｎ動くときに、そ
の磁束密度のピーク値の空間的位置は全円周の１／Ｎ動
くことを利用する。

【００１９】この磁束密度による出力巻線への誘導電圧
は、励磁巻線を単相とし、出力巻線を２相または３相と
した場合には、ロータの全円周の１／Ｎの動きを１周期
とする正弦波形の２相または３相電圧となり、励磁巻線
を２相とし、出力巻線を単相とした場合には、ロータが
全円周の１／Ｎ動くときに振幅が一周期（電気角２π）
変化する正弦波電圧となる。これらの電圧と回転子位置
との関係は、現在使用されているレゾルバあるいはシン
クロの場合と同一である。

【００２０】この方式においては、誤差の原因となる出
力巻線の誘導電圧に含まれる高調波成分を最小にするこ
とが重要である。本発明では、Ｎ個の突極によるギャッ
プパーミアンス係数のロータ位置θ₂ による変動がｃｏ
ｓ（Ｎθ)に比例する値となり、これに対する高調波成
分が極めて小さくなるような突極形状とすることによっ
て、これを実現できる。

【００２１】また、前記入力側ロータ２と周方向に対向
する位置には所定間隔をおいて入力側ステータ１を有
し、前記出力側ロータ４と周方向に対向する位置には所
定間隔をおいて入力側ステータ３を有する。これらのス
テータ１，３はレゾルバケース７に固定されている。

【００２２】ステータ１，３は、中空環状の磁性体であ
って、その軸中心方向には突出した複数の磁極を有し、
これらの磁極間に巻線が巻回されるスロットを有する構
成となっている。

【００２３】このようなステータの磁極には、励磁巻線
と出力巻線５，６とが巻回される。励磁巻線は磁界発生
用の巻線であり、出力巻線はこの励磁巻線により発生
し、ロータの回転移動によって変化する磁界により励起
される励起電圧を取り出す巻線である。出力巻線は発生
する誘起電圧分布が正弦波分布となるように分布巻きに
することが好ましい。

【００２４】また、例えば図６に示すように、入力側ス
テータの励磁信号によって出力側出力巻線を直接電磁誘
導しないように磁気遮蔽手段９を有することが好まし
い。磁気遮蔽手段としては、磁気を遮ぎうるものであれ
ば特に限定されるものではないが、例えば磁性材による
遮蔽板のようなものを設ければよい。なお、図６におけ
るその他の構成は図１と同様であり、同一構成要素には
同一符号を付して説明を省略する。

【００２５】このように、入力側ロータ２と入力側ステ
ータ１とにより入力側のレゾルバが構成され、出力側ロ
ータ４と出力側ステータ３とにより出力側のレゾルバが
構成される。この２つのレゾルバにより入力側と出力側
の変位量を電気信号として検出することができる。

【００２６】本発明では入力側ステータの出力巻線と出
力側ステータの出力巻線とを相互に接続する。具体的に
は、例えば図２に示すように、入力側のステータ１に
は、励磁巻線５ａと、出力巻線５ｂ、５ｃが巻回され、
出力側のステータ３には、励磁巻線６ａと、出力巻線６
ｂ、６ｃが巻回されている。

【００２７】そして、この例では２相の出力巻線のう
ち、入力側第１相の出力巻線５ｂの端子Ｓ１，Ｓ２と、
出力側第１相の出力巻線６ｂの端子Ｓ１１，Ｓ１２とを
それぞれ接続する。同様に入力側第２相の出力巻線５ｃ
の端子Ｓ３，Ｓ４と、出力側第２相の出力巻線６ｃの端
子Ｓ１３，Ｓ１４とをそれぞれ接続する。このようにし
て互いの出力巻線同士を接続することにより、入力側の
励磁巻線５ａの端子Ｒ１，Ｒ２間に入力信号ＥＲＩを加
えると、出力側の励磁巻線６ａの端子Ｒ１１，Ｒ１２間
には以下の式で表される出力信号ＥＲｏが表れる。

【００２８】すなわち下記式の入力信号ＥＲＩ＝Ｅｓｉｎωｔを端子Ｓ１，Ｓ２間に与えると、入力側の変位量φに応
じて、出力巻線５ｂ，５ｃの端子Ｓ１−２、Ｓ３−４間
には、ＥＳ１−２＝ＫｉＥｓｉｎωｔ・ｃｏｓ（Ｘ・φ）ＥＳ３−４＝ＫｉＥｓｉｎωｔ・ｓｉｎ（Ｘ・φ）が表れる。そして、これが出力巻線６ｂ，６ｃの端子Ｓ
１１−１２、Ｓ１３−１４間に印加されるので、出力側
の励磁巻線６ａの端子Ｒ１１，Ｒ１２間には、出力側の
変位量θに応じて、出力電圧ＥＲｏ＝Ｋｏｓｉｎωｔ・ｓｉｎＸ（φ−θ）（Ｋｉ、Ｋｏ：変圧比、Ｘ：軸倍角（Ｘ＝１〜８、特に
２〜８））が得られる。

【００２９】得られた出力波形は励磁信号Ｅｓｉｎωｔ
が重畳しているので、これを検波回路、整流回路等によ
り重畳している励磁信号成分を除去することにより、変
位角、つまりねじれ量に対応した信号、ＫｓｉｎＸ（φ−θ）〔Ｋ：変圧比（係数）〕が得られる。

【００３０】本発明では、得られた信号のうち、線形領
域のみを抽出して用いることが好ましい。すなわち、本
発明のねじれ量測定装置は、回転量のうち３６０°全角
を測定する必要はなく、通常のステアリングであれば、
±２０°以内、好ましくは±１５°以内の変位角を測定
できれば十分である。このため、得られた出力信号、ｓｉｎＸ（φ−θ）のうち、線形領域が上記測定角の中にあるようにすれ
ば、変位量（ねじれ量）を線形信号に置き換えることが
できる。

【００３１】

【実施例】次に、図を参照しつつ本発明の好適な実施例
について説明する。図３に示すねじれ量測定装置は、車
両のパワーステアリングにおけるトーションバーのねじ
れ量を測定する例を示している。

【００３２】図において、入力側ロータ２と出力側ロー
タ４には、それぞれトーションバー１３の入力軸、出力
軸が接続されている。その他の構成は図１に示した測定
装置と同様であり、同一構成要素には同一符号を付して
説明を省略する。なお、２つのレゾルバはハウジングケ
ース８内に納められている。また、この例では軸倍角Ｘ
を４とした。

【００３３】このような構成のねじれ量測定装置におい
て、入力側の励磁入力Ｒ１，Ｒ２に励磁入力電圧Ｅｓｉ
ｎωｔを与えると、ねじれ角度をに応じた信号ＥＲｏ＝Ｋｏｓｉｎωｔ・ｓｉｎ４（φ−θ）が出力される。

【００３４】得られた出力信号は単一の出力であり、出
力信号線はＲ１１−Ｒ１２に対応した一対の信号線で取
り出せる。このため、従来８本必要であった信号線が、
半分以下となり、信頼性が２倍以上に向上する。

【００３５】次に、得られた出力信号ＥＲｏを図４に示
すような同期整流回路の入力端子ＩＮ１に与えた。この
同期整流回路は、２つのオペアンプＯＰ１，ＯＰ２と抵
抗Ｒ１〜５による増幅回路と、この増幅回路の出力を時
分割してスイッチングするアナログスイッチＳＷとを有
する。そして、オペアンプＯＰ３およびコンデンサＣ
１、抵抗Ｒ７，８で構成されるロウパスフィルターによ
り、前記アナログスイッチＳＷの出力から高周波成分を
除去する。また、他の入力端子ＩＮ２に入力された励磁
信号Ｅｓｉｎωｔは、コンパレータＯＰ４および抵抗Ｒ
６，９，１０で構成されるコンパレータ回路により矩形
信号に変換され、アナログスイッチＳＷを駆動する。

【００３６】これにより、入力端子ＩＮ１に入力された
信号、Ｋｏｓｉｎωｔ・ｓｉｎ４（φ−θ）から、他の入力端子ＩＮ２に与えられた励磁信号成分Ｅ
ｓｉｎωｔが、この信号に同期するアナログスイッチに
より除去され、さらに高周波成分が除かれてその出力端
子ＯＵＴには、Ｋｓｉｎ４（φ−θ）が得られる。得られた出力信号を図５に示す。

【００３７】そして、図中Ｒで示される領域が線形領域
であり、この領域±ｒは好ましく±２２．５°以内、よ
り好ましくは±２０°以内である。本発明のねじれ量測
定装置を通常のステアリング制御に用いた場合、±１０
°以内の変位角測定で十分である。従って、上記線形領
域の信号を利用することにより、Ａ／Ｄ変換を行うＲＤ
変換器を用いることなく、安価なオペアンプとコンパレ
ータを組み合わせた同期整流回路で変位量に応じた線形
信号を得ることができ、しかも配線の数も１／４にでき
ることが分かる。

【００３８】すなわち、２つの信号波形からΔθを演算
する必要がなくなり、演算回路を必要としなくなり、配
線の本数も少なくなるので、従来の装置に比べて、コス
トを著しく低減できる。また、レゾルバに付随する部品
点数を少なくできるということは、装置全体も小型化が
可能になり、設置スペースの小さい所にも用いることが
できるとともに、全体的にもコストを低減できる。ま
た、部品点数、特に配線が少なくなるので、信頼性も向
上する。したがって、レゾルバ機構の製造も極めて簡単
になる。

【００３９】

【発明の効果】以上のようにこの発明のねじれ量測定装
置によれば、簡単な構造で小型かつ低コスト化が可能な
トルク測定装置を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のねじれ量測定装置の断面図である。

【図２】図１の励磁巻線および出力巻線の回路図であ
る。

【図３】実施例の要部断面図である。

【図４】同期整流回路の一例を示す回路図である。

【図５】図４の回路の出力電圧特性図である。

【図６】ねじれ量測定装置の他の構成例を示した断面図
である。

【図７】従来の装置の概略図である。

【図８】レゾルバ機構の断面図である。

【図９】回路図である。

【図１０】出力電圧特性図である。

【符号の説明】

１，３ステータ２，４ロータ５，６出力巻線

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩテーマコート゛(参考）Ｇ０１Ｌ 3/10 Ｇ０１Ｌ 3/10 Ｚ 5/22 5/22 Ｈ０２Ｋ 24/00 Ｈ０２Ｋ 24/00 Ｆターム(参考） 2F051 AA01 AB05 BA03 2F063 AA34 BA08 CA34 CA40 DA05 DD03 EA03 GA22 KA01 KA02 LA30 2F077 AA21 AA43 FF03 FF13 FF34 FF39 TT21 TT82 UU26 3D033 CA28 DB05

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】円周方向に回動自在に配置された入力側
ロータ（２）と出力側ロータ（４）とを有し、これら入
力側ロータ（２）と出力側ロータ（４）との相対ねじれ
量を検出するねじれ量測定装置であって、前記入力側ローター（２）と周方向に対向する位置には
所定間隔をおいて入力側ステータ（１）を有し、前記出力側ローター（４）と周方向に対向する位置には
所定間隔をおいて出力側ステータ（３）を有し、前記入力側ステータ（１）と出力側ステータ（３）は、
それぞれ励磁巻線および出力巻線（５，６）を有し、か
つこの入力側ステータ（１）の出力巻線と出力側ステー
タ（３）の出力巻線とが相互に接続されているねじれ量
測定装置。
【請求項２】前記入力側ステータ（１）の励磁巻線に
励磁信号を入力し、出力側ステータ（３）の励磁巻線か
ら出力信号を得る請求項１のねじれ量測定装置。
【請求項３】前記入力側ステータ（１）の出力巻線と
出力側ステータ（３）の出力巻線は複数相の巻線を有
し、それぞれ同相の巻線同士が相互に接続されている請求項
１または２のねじれ量測定装置。
【請求項４】前記出力信号は同期整流されてねじれ量
を表す信号とされる請求項１〜３のいずれかのねじれ量
測定装置。
【請求項５】少なくとも前記入力側ステータ（１）と
出力側ステータ（３）との間には、磁気遮蔽手段（９）
を有する請求項１〜４のいずれかのねじれ量測定装置。