JP2006112941A - 捻れ検出装置、ステアリングトルク検出装置及び捻れ検出方法 - Google Patents

Abstract

【課題】検出対象物に軟性材料部分を設けることなく検出対象物の捻れを検出することができる捻れ検出装置及びその関連技術を提供する。
【解決手段】ステアリングシャフト１の外周に検出用及び参照用光ファイバ３，５を略螺旋状に巻回して設け、ステアリングシャフト１の捻れに伴って生じる両光ファイバ３，５の長さ変動差を干渉計を用いて検出し、その検出結果に基づいてステアリングトルクを検出する。なお、ステアリングシャフト１の捻れに応じて、両光ファイバ３，５の長さ変動差を有効に生じさせるため、ステアリングシャフト１の軸方向に対する検出用光ファイバ３の巻回範囲Ｑ１の方が、参照用光ファイバ５の巻回範囲Ｑ２よりも大きく設定されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、検出対象物の捻れを検出する捻れ検出装置及びその関連技術に関する。

従来の車両のステアリングトルクの検出では、ステアリングシャフトの中間部に軟性材料により形成した部分を設け、この部分に生じる捻れ変形を磁気センサや抵抗素子を用いて検出し、その検出結果に基づいてトルクを検出するようになっている。検出されたトルク値は、パワーステアリング装置の出力レベルの制御等に利用される。

しかしながら、上述の従来技術では、捻れの検出対象物であるステアリングシャフトに軟性材料により形成された部分を設ける必要があり、検出対象物の構成の大幅な変更が必要である等の課題がある。

そこで、本発明の解決すべき課題は、検出対象物に軟性材料部分を設けることなく検出対象物の捻れを検出することができる捻れ検出装置及びその関連技術を提供することである。

上記の課題を解決するため、請求項１の発明では、検出対象物の捻れを検出する捻れ検出装置であって、前記検出対象物に所定の捻れ軸回りに略螺旋状に設けられた検出用光ファイバと、前記検出用光ファイバ中を伝搬する光の光路長の変化状況に基づいて、前記検出対象物の前記捻れを検出する検出手段とを備える。

また、請求項２の発明では、請求項１の発明に係る捻れ検出装置において、前記検出用光ファイバの周辺に配置された参照用光ファイバをさらに備え、前記検出手段は、前記参照用光ファイバ中を伝搬する光の光路長を基準として、前記検出用光ファイバ中を伝搬する前記光の光路長の変化度合いを検出する干渉計と、前記干渉計が検出した前記変化度合いに基づいて前記検出対象物の前記捻れを検出する処理部とを備える。

また、請求項３の発明では、請求項２の発明に係る捻れ検出装置において、前記干渉計は、光を生成する光源と、受光器と、前記光源が生成した前記光を分配して前記検出用光ファイバ及び前記参照用光ファイバにその一端側から入射させるとともに、前記検出用光ファイバ及び前記参照用光ファイバの他端側で反射されて前記一端側から出射される前記光を統合して前記受光器に入射させる分配統合素子とを備える。

また、請求項４の発明では、請求項２又は３の発明に係る捻れ検出装置において、前記検出用光ファイバ及び前記参照用光ファイバは、前記検出対象物の外周に前記捻れ軸回りに略螺旋状に巻回されており、前記検出用光ファイバが前記参照用光ファイバよりも前記検出対象物の前記捻れ軸方向に対して広い範囲に渡って巻回されている。

また、請求項５の発明では、請求項２ないし４のいずれかの発明に係る捻れ検出装置において、前記検出用光ファイバ及び前記参照用光ファイバは、同程度の長さに設定されている。

また、請求項６の発明では、請求項３の発明に係る捻れ検出装置において、前記検出用光ファイバ及び前記参照用光ファイバの前記他端側の端面は鏡面とされている。

また、請求項７の発明では、請求項１ないし６のいずれかの発明に係る捻れ検出装置を用い、車両のステアリングシャフトにかかるトルクを検出するステアリングトルク検出装置であって、前記検出対象物として前記ステアリングシャフトが設定され、前記検出手段は、前記検出用光ファイバ中を伝搬する光の光路長の変化状況に基づいて前記ステアリングシャフトにかかるトルクを検出する。

また、請求項８の発明では、請求項７の発明に係るステアリングトルク検出装置であって、前記検出用光ファイバの端部は、前記ステアリングシャフトの回転量に対応できる程度の長さ余裕を持って前記ステアリングシャフトから引き出されている。

また、請求項９の発明では、検出対象物の捻れを検出する捻れ検出方法であって、前記検出対象物に所定の捻れ軸回りに略螺旋状に設けられた検出用光ファイバ中を伝搬する光の光路長の変化状況に基づいて、前記検出対象物の前記捻れを検出する。

請求項１に記載の発明によれば、検出対象物に所定の捻れ軸回りに略螺旋状に検出用光ファイバを設け、その検出用光ファイバ中を伝搬する光の光路長の変化状況に基づいて検出対象物の捻れを検出するため、検出対象物に軟性材料部分を設けることなく検出対象物の捻れを検出することができる。

請求項２に記載の発明によれば、参照用光ファイバ中を伝搬する光の光路長を基準として、検出用光ファイバ中を伝搬する光の光路長の変化度合いを干渉計で検出することによって捻れを検出するため、簡易な構成により温度等の環境依存性を抑制しつつ高精度で捻れを検出することができる。

請求項３に記載の発明によれば、簡易な構成により干渉計を構成することができる。

請求項４に記載の発明によれば、検出用光ファイバ及び参照用光ファイバが検出対象物の外周に捻れ軸回りに略螺旋状に巻回されているため、両光ファイバの温度等の環境を容易に一致させることができ、捻れ検出精度の向上が図れる。なお、検出用光ファイバが参照用光ファイバによりも検出対象物の捻れ軸方向に対して広い範囲に渡って巻回されており、これによって検出用光ファイバの方が参照用光ファイバよりも検出対象物の捻れの影響を大きく受けるため、その両光ファイバ間の捻れの影響差により捻れを検出することができる。

請求項５に記載の発明によれば、検出用光ファイバと参照用光ファイバとは同程度の長さに設定されているため、両光ファイバの温度による長さ変動等をほぼ一致させることができ、捻れ検出結果の温度依存性をより抑制できる。

請求項６に記載の発明によれば、検出用光ファイバ及び参照用光ファイバの他端側の端面は鏡面とされているため、両光ファイバの他端側端面での反射光量を増加させることができ、レーザ光の利用効率を向上できる。

請求項７に記載の発明によれば、ステアリングシャフトに軟性材料部分を設けることなくステアリングトルクを検出することができる。

請求項８に記載の発明によれば、ステアリングシャフトの回転により光ファイバが切断される等の不都合を回避することができる。

請求項９に記載の発明によれば、検出対象物に所定の捻れ軸回りに略螺旋状に検出用光ファイバを設け、その検出用光ファイバ中を伝搬する光の光路長の変化状況に基づいて検出対象物の捻れを検出するため、検出対象物に軟性材料部分を設けることなく検出対象物の捻れを検出することができる。

＜基本構成＞
図１は本発明の一実施形態に係るステアリングトルク検出装置のステアリングシャフト（以下、単に「シャフト」という）周辺の構成を示す図であり、図２はそのステアリングトルク検出装置の平面的な構成を示す図である。このステアリングトルク検出装置は、図１及び図２に示すように、車両のシャフト１に巻き付けられた検出用及び参照用光ファイバ３，５と、検出ユニット（検出手段）７とを備えて構成され、シャフト１にかかるトルクを検出する。

検出用及び参照用光ファイバ３，５は、径等の等しい同種の光ファイバで構成され、同程度の長さＬ１，Ｌ２（例えば、長さＬ１，Ｌ２の違いが±１０％以下）を有している。そして、両光ファイバ３，５の一部部分（巻回部分）が、シャフト１の外周に略螺旋状に同じ巻回方向に巻回された後、シャフト１から引き出されて検出ユニット７に接続されている。なお、両光ファイバ３，５のシャフト１に巻回されている巻回部分の長さ割合も同程度に設定されている。

両光ファイバ３，５の巻回部分では、検出用光ファイバ３の巻回ピッチＰ１が参照用光ファイバ５の巻回ピッチＰ２よりも大きく設定されている。具体的には、検出用光ファイバ３は大きな巻回ピッチＰ１でシャフト１に巻回されているのに対して、参照用光ファイバ５は小さな巻回ピッチＰ２で実質的に隙間をあけずに密にシャフト１に巻回されている。そのため、シャフト１の軸方向に対する検出用光ファイバ３の巻回範囲Ｑ１の方が、参照用光ファイバ５の巻回範囲Ｑ２よりも大きく設定されている。

また、両光ファイバ３，５の巻回部分では、光ファイバ３，５が接着剤等の固着手段によりシャフト１の外周に固着されている。例えば、図１の例では、両光ファイバ３，５の点Ａ１，Ｂ１から点Ａ２，Ｂ２までの区間がシャフト１に巻回されて固着されている。

両光ファイバ３，５のシャフト１から引き出された部分（引出部分）は、シャフト１の回転量（例えば、最大で３回転半）に対応できる程度の長さ余裕を持って検出ユニット７に接続されている。検出ユニット７は車体本体に設置されている。例えば、シャフト１の周囲に略テーブル状の支持部材９を設け、両光ファイバ３，５の引出部分を図２に示すように渦巻き状に弛ませた状態で支持部材９で支持するようにしてもよい。また、検出ユニット７を支持部材９上に設置するようにしてもよい。

検出ユニット７は、図３に示すように、レーザ生成器（レーザ光源）１１と、分配統合素子１３と、受光器１５と、処理部１７とを備えている。このうち、レーザ生成器１１、分配統合素子１３及び受光器１５が干渉計を構成している。

レーザ生成器１１は、レーザ半導体素子等を備えて構成され、レーザ光を生成する。

分配統合素子１３は、ハーフミラー２１を備えて構成され、４箇所の光入出射部２３ａ〜２３ｄを有している。光入出射部２３ａには導光路２５を介してレーザ生成器１１の光出射部が接続され、光入出射部２３ｂ，２３ｃには検出用及び参照用光ファイバ３，５の一端部３ａ，５ａがそれぞれ接続され、光入出射部２３ｄには導光路２７を介して受光器１５の受光部が接続される。

そして、レーザ生成器１１によって生成されたレーザ光が導光路２５及び光入出射部２３ａを介して矢印Ｃ１で示すように分配統合素子１３中に入射すると、矢印Ｃ２，Ｃ３で示すようにハーフミラー２１によって２方向に分配され、光入出射部２３ｂ，２３ｃを介して検出用及び参照用光ファイバ３，５中に導入される。両光ファイバ３，５中に導入されたレーザ光は、両光ファイバ３，５の他端部３ｂ，５ｂで反射されて一端部３ａ，５ａに戻り、矢印Ｃ４，Ｃ５で示すように光入出射部２３ｂ，２３ｃを介して分配統合素子１３中に導入され、ハーブミラー２１によって統合されて矢印Ｃ６で示すように光入出射部２３ｄ及び導光路２７を介して受光器１５に導入される。

ここで、両光ファイバ３，５の他端部３ｂ，５ｂの端面は、レーザ光の反射効率を向上させるため、金属膜等が付与されて鏡面加工が施されている。

受光器１５は、受光素子等を備えて構成され、両光ファイバ３，５中を経由して分配統合素子１３で統合されて入射されるレーザ光の入射状況（入射強度等）を検出し、その入射状況を反映した信号を出力する。

処理部１７は、ＣＰＵ等を備えて構成されており、受光器１５から与えられる信号に基づいてシャフト１にかかっているトルクを検出する。

＜動作説明＞
次に、このステアリングトルク検出装置によるトルク検出原理及び動作について説明する。

このステアリングトルク検出装置において、図示しないハンドル等を介してシャフト１に回転方向Ｄ（図１参照）にトルクがかかると、そのトルクの大きさに応じた捻れ量でシャフト１に回転方向Ｄの捻れが発生し、それによって、シャフト１の表面に捻れ方向に沿った伸びが生じる。この伸びに伴い、光ファイバー３の巻回部分に、トルクの付与方向に対する光ファイバ１のシャフト１への巻回方向に応じて伸び又は縮みが生じる。例えば、図１に示す構成の場合、シャフト１に回転方向Ｄのトルクが付与されると、光ファイバ３の点Ａ２を基準として点Ａ１が矢印Ｅ方向に移動するようにして光ファイバ３に伸びが生じる。また、シャフト１に回転方向Ｄと反対方向のトルクが付与されると、光ファイバ３の点Ａ２を基準として点Ａ１が矢印Ｅと反対方向に移動するようにして光ファイバ３に縮みが生じる。このときの光ファイバ３の伸び縮みの量は、シャフト１に付与されているトルクに比例するようになっている。

なお、シャフト１の捻れに伴って参照用光ファイバ５にも伸び又は縮みが生じるが、シャフト１の軸方向に対する検出用光ファイバ３の巻回範囲Ｑ１の方が、参照用光ファイバ５の巻回範囲Ｑ２よりも大きく設定されているため、検出用光ファイバ３に生じる伸び縮みの方が参照光ファイバ５に生じる伸び縮みよりも大きくなるようになっている。

そこで、本実施形態では、シャフト１の捻れに伴って生じる参照用光ファイバ５の長さＬ２（光路長）を基準とした検出用光ファイバ３の長さＬ１（光路長）の相対的な変化度合いを干渉計により検出し、その検出結果を利用してステアリングトルクを検出するようになっている。

すなわち、シャフト１の捻れにより両光ファイバ３，５中を伝搬するレーザ光の光路長（Ｌ１，Ｌ２）の差が変化すると、その光路差の変化の影響により、両光ファイバ３，５に伝搬されて統合されて受光器１５に入射されるレーザ光の入射状況が変化する。そして、処理部１７がこの受光器１５へのレーザ光の入射状況の変化を受光器１５を介して検出し、その検出結果に基づいてシャフト１に付与されているトルクを検出するようになっている。

より具体的には、シャフト１のトルクが付与されて両光ファイバ３，５間の光路差が増大すると、受光器１５へのレーザ光の入射強度はその光路差の増大に伴って強、弱に周期的に変動する。このため、例えば、特定の基準状態（例えば、シャフト１にトルクが付与されていない状態）から受光器１５へのレーザ光の入射強度に生じた強、弱変動の回数等を受光器１５を介して処理部１７に検出させることにより、その入射強度の変動状況に基づいてトルクを検出することができる。なお、シャフト１にトルクが印加されていないことは、例えば受光器１５へのレーザ光の入射強度の変動が所定時間以上生じないこと等により判別できる。

処理部１７によって検出されたステアリングトルクに関する情報は、例えばパワーステアリング装置の駆動出力レベルの制御等に用いられる。

以上のように、本実施形態によれば、シャフト１に略螺旋状に検出用光ファイバ３を設け、その検出用光ファイバ３中を伝搬する光の光路長の変化状況に基づいてシャフト１に付与されているトルクを検出するため、シャフト１に軟性材料部分を設けることなくステアリングトルクを検出することができる。

また、参照用光ファイバ５中を伝搬するレーザ光の光路長を基準として、検出用光ファイバ３中を伝搬するレーザ光の光路長の変化度合いを干渉計で検出することによってステアリングトルクを検出するため、簡易な構成により温度等の環境依存性を抑制しつつ高精度でステアリングトルクを検出することができる。

また、検出用及び参照用光ファイバ３，５がシャフト１の外周に略螺旋状に巻回されているため、両光ファイバ３，５の温度等の環境を容易に一致させることができ、トルク検出精度の向上が図れる。

また、両光ファイバ３，５の長さＬ１，Ｌ２が同程度（例えば、±１０％以内の相違）に設定されているため、両光ファイバ３，５の温度による長さ変動等をほぼ一致させることができ、捻れ検出結果の温度依存性をより抑制できる。

また、両光ファイバ３，５の他端部３ｂ，５ｂの端面は鏡面とされているため、両光ファイバ３，５の他端部３ｂ，５ｂでの反射光量を増加させることができ、レーザ光の利用効率を向上できる。

また、両光ファイバ３，５の引出部にシャフト１の回転量に対応する長さ余裕が設けられているため、シャフト１の回転により光ファイバ３，５が切断される等の不都合を回避することができる。

なお、上述の実施形態では、参照用光ファイバ５をシャフト１の外周に巻回するようにしたが、変形例として、例えば図４に示すように、シャフト１の周囲に設けた筒状部材３１に参照用光ファイバ５を巻き付ける等して設置するようにしてもよい。

また、上述の実施形態では、車両のステアリングシャフト１にかかるトルク（その捻れ）を検出するようにしたが、本実施形態に係る技術を一般の検出対象物に生じる捻れ（又はそれに印加される捻れトルク）の検出に適用してもよい。

本発明の一実施形態に係るステアリングトルク検出装置のステアリングシャフト周辺の構成を示す図である。 図１のステアリングトルク検出装置の平面的な構成を示す図である。 図１のステアリングトルク検出装置の光学的な構成を示す図である。 図１のステアリングトルク検出装置の変形例を示す断面図である。

符号の説明

１ ステアリングシャフト
３ 検出用光ファイバ
５ 参照用光ファイバ
７ 検出ユニット
９ 支持部材
１１ レーザー生成器
１３ 分配統合素子
１５ 受光器
１７ 処理部

Claims (9)

1. 検出対象物の捻れを検出する捻れ検出装置であって、
   前記検出対象物に所定の捻れ軸回りに略螺旋状に設けられた検出用光ファイバと、
   前記検出用光ファイバ中を伝搬する光の光路長の変化状況に基づいて、前記検出対象物の前記捻れを検出する検出手段と、
   を備えることを特徴とする捻れ検出装置。
2. 請求項１に記載の捻れ検出装置において、
   前記検出用光ファイバの周辺に配置された参照用光ファイバをさらに備え、
   前記検出手段は、
   前記参照用光ファイバ中を伝搬する光の光路長を基準として、前記検出用光ファイバ中を伝搬する前記光の光路長の変化度合いを検出する干渉計と、
   前記干渉計が検出した前記変化度合いに基づいて前記検出対象物の前記捻れを検出する処理部と、
   を備えることを特徴とする捻れ検出装置。
3. 請求項２に記載の捻れ検出装置において、
   前記干渉計は、
   光を生成する光源と、
   受光器と、
   前記光源が生成した前記光を分配して前記検出用光ファイバ及び前記参照用光ファイバにその一端側から入射させるとともに、前記検出用光ファイバ及び前記参照用光ファイバの他端側で反射されて前記一端側から出射される前記光を統合して前記受光器に入射させる分配統合素子と、
   を備えることを特徴とする捻れ検出装置。
4. 請求項２又は３に記載の捻れ検出装置において、
   前記検出用光ファイバ及び前記参照用光ファイバは、前記検出対象物の外周に前記捻れ軸回りに略螺旋状に巻回されており、
   前記検出用光ファイバが前記参照用光ファイバよりも前記検出対象物の前記捻れ軸方向に対して広い範囲に渡って巻回されていることを特徴とする捻れ検出装置。
5. 請求項２ないし４のいずれかに記載の捻れ検出装置において、
   前記検出用光ファイバ及び前記参照用光ファイバは、同程度の長さに設定されていることを特徴とする捻れ検出装置。
6. 請求項３に記載の捻れ検出装置において、
   前記検出用光ファイバ及び前記参照用光ファイバの前記他端側の端面は鏡面とされていることを特徴とする捻れ検出装置。
7. 請求項１ないし６のいずれかに記載の捻れ検出装置を用い、車両のステアリングシャフトにかかるトルクを検出するステアリングトルク検出装置であって、
   前記検出対象物として前記ステアリングシャフトが設定され、
   前記検出手段は、前記検出用光ファイバ中を伝搬する光の光路長の変化状況に基づいて前記ステアリングシャフトにかかるトルクを検出することを特徴とするステアリングトルク検出装置。
8. 請求項７に記載のステアリングトルク検出装置であって、
   前記検出用光ファイバの端部は、前記ステアリングシャフトの回転量に対応できる程度の長さ余裕を持って前記ステアリングシャフトから引き出されていることを特徴とするステアリングトルク検出装置。
9. 検出対象物の捻れを検出する捻れ検出方法であって、
   前記検出対象物に所定の捻れ軸回りに略螺旋状に設けられた検出用光ファイバ中を伝搬する光の光路長の変化状況に基づいて、前記検出対象物の前記捻れを検出することを特徴とする捻れ検出方法。

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