JP2006220529A - Detection device for absolute angle of rotation and torque - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、車両のパワーステアリング等に用いられる絶対回転角度及びトルク検出装置に関わるものであり、特にステアリングの絶対回転角度とトルクの検出を同時に可能とする絶対回転角度及びトルク検出装置に関するものである。 The present invention relates to an absolute rotation angle and torque detection device used for vehicle power steering and the like, and more particularly to an absolute rotation angle and torque detection device capable of simultaneously detecting the absolute rotation angle and torque of a steering. is there.
従来、回転角度およびトルクを検出する方式として、図9に示すような方式が知られている。図9において、歯車部33は回転角度を検出したい回転軸(図示せず)に係合バネ34を介して取り付けられる。歯車部33は外周端面に複数個の磁極を着磁したコード板35が取り付けられた歯車部36と噛み合っており、検出する回転軸の回転にしたがってコード板35に設けられた磁極が移動する。この磁極の数を外周端面に対向して設けた検出素子37でカウントすることにより、回転角度を検出する。また、この構成による機構をトーションバーを介して連結された2本の軸に各々取り付けることにより、2本の軸間にトルクが作用して軸間のねじれが発生した時、各々の軸の回転角度を比較することによって作用したトルクの量を検出する。
Conventionally, a method as shown in FIG. 9 is known as a method for detecting the rotation angle and torque. In FIG. 9, the
なお、この出願の発明に関する先行技術文献情報としては、例えば、特許文献1が知られている。
しかしながら、このように構成された回転角センサあるいはトルク検出センサにおいては、軸の回転角をコード板の外周端面に配置された複数の磁極の移動数をカウントすることにより検出するため、検出角度の分解能を向上させるためには着磁磁極の寸法を細かくする必要があり、また、コード板の回転と軸の回転とは歯車を介しているため、バックラッシュ等により検出精度の向上が困難であるという課題があった。またこの回転センサは相対回転角の検出しかできなくて、絶対回転角度の検出ができないという課題があった。 However, in the rotation angle sensor or torque detection sensor configured as described above, the rotation angle of the shaft is detected by counting the number of movements of a plurality of magnetic poles arranged on the outer peripheral end surface of the code plate. In order to improve the resolution, it is necessary to reduce the size of the magnetized magnetic pole, and since the rotation of the code plate and the rotation of the shaft are via gears, it is difficult to improve detection accuracy due to backlash or the like. There was a problem. In addition, this rotation sensor can only detect the relative rotation angle and cannot detect the absolute rotation angle.
本発明は、上記のような課題を解決するもので、回転軸に連結し外周面に交互に極性の異なる磁極を着磁させたターゲットを用いて、高精度・高分解能に多回転の絶対回転角度およびトルク検出を行う装置を提供することを目的とするものである。 The present invention solves the above-mentioned problems, and uses a target that is connected to a rotating shaft and magnetized with magnetic poles having different polarities alternately on the outer peripheral surface, and performs high-precision, high-resolution, multi-turn absolute rotation. An object of the present invention is to provide an apparatus that performs angle and torque detection.
上記目的を達成するために、本発明の絶対回転角度およびトルク検出装置は以下の構成を有するものである。 In order to achieve the above object, the absolute rotation angle and torque detection device of the present invention has the following configuration.
本発明の請求項1に記載の発明は、入力軸と連結し外周面に等間隔をなして交互に極性の異なる磁極が着磁してある第1のターゲットを保持し多回転可能な歯車を持つ第1の回転体と、この第1の回転体の回転角度を検出する第1の検出手段と、前記第1の回転体の歯車に接続され第1の回転体より低速に回転し、中心部に磁石が配置された第2の回転体と、この第2の回転体の回転角度を検出する第2の検出手段と、出力軸と連結し外周面に等間隔をなして交互に極性の異なる磁極が着磁してある第2のターゲットを保持し多回転可能な歯車を持つ第3の回転体と、この第3の回転体の回転角度を検出する第3の検出手段とからなる構成を有しており、前記第1の検出手段により細かい絶対回転角度を検出し、前記第2の検出手段により粗い絶対回転角度を検出し、これらの絶対回転角度より第1の回転体の多回転の絶対回転角度を検出するとともに、簡単な構成で高精度・高分解能に絶対回転角度およびトルク検出を行うことができるという作用効果が得られる。 According to a first aspect of the present invention, there is provided a gear that is connected to an input shaft, holds a first target having an equally spaced magnetic pole on the outer circumferential surface, and is capable of multiple rotations. A first rotating body having a first detecting means for detecting a rotation angle of the first rotating body, a first rotating body connected to a gear of the first rotating body and rotating at a lower speed than the first rotating body; The second rotating body having a magnet disposed in the part, the second detecting means for detecting the rotation angle of the second rotating body, and the output shaft are connected to the outer peripheral surface at equal intervals and alternately polarized. A structure comprising a third rotating body holding a second target magnetized with different magnetic poles and having a gear capable of multiple rotations, and third detecting means for detecting the rotation angle of the third rotating body The absolute angle of rotation is detected by the first detecting means, and the coarse angle is detected by the second detecting means. The absolute rotation angle is detected, and the absolute rotation angle of the first rotating body is detected from these absolute rotation angles, and the absolute rotation angle and torque can be detected with high accuracy and high resolution with a simple configuration. The effect that it can be obtained.
本発明の請求項2に記載の発明は、特に第1のターゲットと第2のターゲットの磁極の数を同一にして、第1の検出手段より得られる絶対回転角度と第2の検出手段より得られる絶対回転角度との差動分により算出することにより、簡単な構成で高精度・高分解能に絶対回転角度およびトルク検出を行うことができるという作用効果が得られる。 According to the second aspect of the present invention, the absolute rotation angle obtained from the first detection means and the second detection means are obtained in particular by making the number of magnetic poles of the first target and the second target the same. By calculating the difference between the absolute rotation angle and the absolute rotation angle, it is possible to obtain an effect that the absolute rotation angle and the torque can be detected with high accuracy and high resolution with a simple configuration.
本発明の請求項3に記載の発明は、第1、第2および第3の検出手段を磁気検出素子で構成したものであり、これにより非接触で第1、第2および第3の回転体の絶対回転角度を検出できるため、装置の耐久性、信頼性の向上が図れるという作用効果が得られる。 According to a third aspect of the present invention, the first, second and third detection means are constituted by magnetic detection elements, whereby the first, second and third rotating bodies are non-contacted. Since the absolute rotation angle can be detected, it is possible to improve the durability and reliability of the apparatus.
本発明の請求項4に記載の発明は、特に、入力軸と出力軸の間にトーションバーを設けた構成を有しており、これによりトルクに対応した捩れ角を拡大することができるため、トルク検出の分解能を上げることができるという作用効果が得られる。 The invention described in claim 4 of the present invention particularly has a configuration in which a torsion bar is provided between the input shaft and the output shaft, so that the torsion angle corresponding to the torque can be expanded. The effect of increasing the resolution of torque detection can be obtained.
本発明の請求項5に記載の発明は、第1、第2および第3の検出手段から出力される正弦波信号と余弦波信号の感度を記憶する不揮発性のメモリを有し、第1と第2の回転体を組込んだ後、電源投入時毎に前記それぞれの感度にて前記正弦波信号と前記余弦波信号の補正を行うようにしたもので、検出素子および検出素子増幅部の感度バラツキによる角度検出誤差を発生することなく、回転体の回転角度を検出することができるという作用効果が得られる。
The invention according to
本発明の請求項6に記載の発明は、それぞれの磁気検出素子の感度を記憶するときに、その感度が規定値内であるか否かを確認する手段を有することにより、磁気検出素子の感度バラツキなどにより、感度が基準範囲外の信号が入力されても除去することができるという作用効果が得られる。
The invention according to
本発明の請求項7に記載の発明は、それぞれの磁気検出素子の感度を記憶するときに、出力信号の振幅の中心が規定値内であるか否かを確認する手段を有することにより、磁気検出素子の特性のバラツキなどにより基準範囲外の振幅中心を持つ信号が入力されても除去することができるという作用効果が得られる。 The invention according to claim 7 of the present invention includes means for confirming whether or not the center of the amplitude of the output signal is within a specified value when storing the sensitivity of each magnetic detection element. Even if a signal having an amplitude center outside the reference range is input due to variations in the characteristics of the detection elements, an effect of being able to be removed is obtained.
本発明の請求項8に記載の発明は、それぞれの磁気検出素子の感度を記憶するときに、正弦波信号と余弦波信号を複数回検出する手段を設けることにより、ノイズなどにより正弦波信号、余弦波信号に異常があった場合でも検出誤差を小さくすることができるという作用効果が得られる。 The invention according to claim 8 of the present invention provides a means for detecting a sine wave signal and a cosine wave signal a plurality of times when the sensitivity of each magnetic detection element is stored, whereby a sine wave signal due to noise or the like, Even if there is an abnormality in the cosine wave signal, it is possible to reduce the detection error.
本発明の請求項9に記載の発明は、それぞれの磁気検出素子の任意の特定位置を判断する手段を有し、その位置での正弦波信号と余弦波信号の値を記憶することで、一定回転範囲内での特定位置からの絶対回転角度を検出することができるという作用効果が得られる。 The invention according to claim 9 of the present invention has means for determining an arbitrary specific position of each magnetic detection element, and by storing the values of the sine wave signal and the cosine wave signal at the position, it is constant. An effect is obtained that an absolute rotation angle from a specific position within the rotation range can be detected.
本発明の絶対回転角度およびトルク検出装置は、上記の構成をとることにより、高精度・高分解能に多回転の絶対回転角度検出とトルク検出を行うことができるという効果を奏するものである。 The absolute rotation angle and torque detection device of the present invention has the effect of being able to perform multi-rotation absolute rotation angle detection and torque detection with high accuracy and high resolution by adopting the above configuration.
以下、本発明の実施の形態について、図1から図8を用いて説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to FIGS.
図1は本発明の実施の形態における絶対回転角度及びトルク検出装置の基本構成図、図2は第1、第3の磁気検出素子の回転角度検出信号を表す図、図3は第2の磁気検出素子の回転角度検出信号を表す図、図4は絶対回転角度及びトルク検出装置の回路ブロック図である。図5は第1、第3の回転体の絶対回転角度の理想値と実力値を示す図、図6はトルク検出特性図、図7はCPU内での各素子の回転角度演算出力と絶対回転角度を表す図、図8は第1、第2、第3の磁気検出素子の出力図を示す。 FIG. 1 is a basic configuration diagram of an absolute rotation angle and torque detection device according to an embodiment of the present invention, FIG. 2 is a diagram showing rotation angle detection signals of first and third magnetic detection elements, and FIG. FIG. 4 is a circuit block diagram of an absolute rotation angle / torque detection device. 5 is a diagram showing ideal and actual values of absolute rotation angles of the first and third rotating bodies, FIG. 6 is a torque detection characteristic diagram, and FIG. 7 is a rotation angle calculation output and absolute rotation of each element in the CPU. FIG. 8 is an output diagram of the first, second, and third magnetic detection elements.
図1において、第1の回転体1は入力軸2に嵌合して連結された多回転可能な歯車を持つ回転体である。第1のターゲット3はその第1の回転体1に保持され、外周面に等間隔をなして交互に極性の異なる磁極が着磁されている。第3の回転体4は出力軸5に嵌合して連結された多回転可能な歯車を持つ回転体である。第2のターゲット6はその第3の回転体4に保持され、外周面に等間隔をなして交互に極性の異なる磁極が着磁されている。トーションバー7は入力軸2と出力軸5の間の同心軸上に配置されている。第2の回転体8は第1の回転体1の歯車に係合するように設けられた回転体であり、その中央部には磁石9が配置されている。第1の磁気検出素子(検出手段)11は第1のターゲット3に対向する位置に、第2の磁気検出素子(検出手段)10は磁石9に対向する位置に、第3の磁気検出素子(検出手段)12は第2のターゲット6に対向する位置にそれぞれ配置され、この磁界方向を検出する。第1、第2、第3の磁気検出素子11、10、12は基板13上に設置されている。第1の回転体1の歯車と第2の回転体8の歯車とは連結されており、第2の回転体8は第1の回転体1が回転するとそれぞれの歯車の歯数の比による速度で回転する。
In FIG. 1, a first rotating body 1 is a rotating body having a multi-rotatable gear that is fitted and connected to an
第1のターゲット3と第2のターゲット6の磁極の数は同数とする。その磁極の数は最大トルク検出量やトーションバー定数によって決まる。たとえば、最大トルク検出を±12N・m、トーションバー定数を2N・m/degとした時の磁極の数は、30極となりN極15、S極15と決定している。この場合は1極あたり12degとなる。
The number of magnetic poles of the
第1、第2、第3の磁気検出素子11、10、12について、磁気抵抗素子(以下MR素子とする)を用いた場合について説明する。各磁気検出素子からは磁界変化に対して、正弦波信号と余弦波信号がアナログ出力される。第1、第3の磁気検出素子11、12で第1、第2のターゲット3、6の磁界変化を検出する場合、1極に対し1周期の正弦波および余弦波信号が出力されるため、1回転あたり磁極の数の分だけ正弦波および余弦波信号出力を得ることができる。この出力を増幅器にて規定の振幅に増幅し、マイクロコンピュータ(以下CPUとする)内のA/Dコンバータを介して演算処理し、第1、第2のターゲット3、6の回転すなわち第1、第3の回転体1、4の絶対回転角度を算出することができる。図2にその波形を示す。図2の上段図において、横軸は入力軸2および出力軸5の絶対回転角度を示しており、縦軸は第1、第3の磁気検出素子11、12からの正弦波および余弦波信号を示している。図2の下段図において、横軸は入力軸2および出力軸5の絶対回転角度を示しており、縦軸は第1、第3の回転体1、4のCPUの演算過程における絶対回転角度を示している。
A case where a magnetoresistive element (hereinafter referred to as an MR element) is used as the first, second, and third
第2の磁気検出素子10は第2の回転体8の中心部に配置された磁石9の磁界変化を検出し、磁石9の1回転に対し2周期の正弦波および余弦波信号が出力される。この出力をCPUにて演算処理し、第2の回転体8の絶対回転角度を算出することができる。図3にその波形を示す。図3の上段図において、横軸は入力軸2および出力軸5の絶対回転角度を示しており、縦軸は第2の磁気検出素子10からの正弦波および余弦波信号を示している。図3の下段図において、横軸は入力軸2および出力軸5の絶対回転角度を示しており、縦軸は第2の回転体8のCPUの演算過程における絶対回転角度を示している。
The second
図4において、第1、第2、第3の磁気検出素子11、10、12からの出力信号は増幅部16を介してCPU14に入力され、演算処理されることにより絶対回転角度とトルクを出力する。また、このCPU14には不揮発性メモリであるEEPROM15が接続されている。
In FIG. 4, output signals from the first, second, and third
図5の上段図において、横軸は入力軸2および出力軸5の絶対回転角度を示しており、縦軸は第1、第3の回転体1、4から得られる細かい絶対回転角度差を示している。点線は第1、第3の回転体1、4の絶対回転角度の理想値を、実線は第1、第3の回転体1、4から得られる絶対回転角度の実力値を示している。
In the upper diagram of FIG. 5, the horizontal axis indicates the absolute rotation angle of the
図5の下段図において、横軸は入力軸2および出力軸5の絶対回転角度を示しており、縦軸は第2の回転体8から得られる粗い絶対回転角度を示している。点線は第2の回転体8の絶対回転角度の理想値を、実線は第2の回転体8から得られる絶対回転角度の実力値を示している。
In the lower diagram of FIG. 5, the horizontal axis indicates the absolute rotation angle of the
図6はトルク検出特性を示す図であり、横軸は入力軸2および出力軸5の絶対回転角度を示し、縦軸は第1の回転体1と第3の回転体4の絶対回転角度差を示している。第1の回転体1の絶対回転角度をX、第3の回転体4の絶対回転角度をY、トーションバー定数をTとすると、検出トルクは(X−Y)×Tで算出することができる。
FIG. 6 is a diagram illustrating torque detection characteristics, where the horizontal axis indicates the absolute rotation angle of the
次に、トーションバーにかかるトルクの算出方法について説明する。 Next, a method for calculating the torque applied to the torsion bar will be described.
図1において同一剛体である入力軸2とトーションバー7と出力軸5が回転したとき、この入力軸2と嵌合し連結している第1の回転体1が回転する。この第1の回転体1が回転すると、この第1の回転体1に保持されている第1のターゲット3が回転する。これにより、第1のターゲット3に対向する位置に配置された第1の磁気検出素子11が磁界変化を検出し、その出力をCPUにて演算処理して第1の回転体1の絶対回転角度を算出する。一方、出力軸5と嵌合し連結している第3の回転体4も回転する。この第3の回転体4が回転するとこの第3の回転体4に保持されている第2のターゲット6が回転する。これにより、第2のターゲット6に対向する位置に配置された第3の磁気検出素子12が磁界変化を検出し、その出力をCPUにて演算処理して第3の回転体4の絶対回転角度を算出する。この第1の回転体1と第3の回転体4との絶対回転角度の差をとり、これにトーションバー定数を乗することでトルクを算出することができる。
In FIG. 1, when the
次に、回転体の回転角度検出方法について説明する。 Next, a method for detecting the rotation angle of the rotating body will be described.
図1において、第1の回転体1が回転したとき、その第1の回転体1の歯車に接続された第2の回転体8の歯車によって第2の回転体8を回転させる。第1の回転体1の歯車の歯数をa、第2の回転体8の歯車の歯数をbとすると、第2の回転体8は第1の回転体1に対してa/b倍の速さで回転する。この際、歯車の歯数a、bを適切に選択することにより、第1の回転体1よりも十分低速で回転する。 In FIG. 1, when the first rotating body 1 rotates, the second rotating body 8 is rotated by the gear of the second rotating body 8 connected to the gear of the first rotating body 1. When the number of teeth of the gear of the first rotating body 1 is a and the number of teeth of the gear of the second rotating body 8 is b, the second rotating body 8 is multiplied by a / b with respect to the first rotating body 1. It rotates at a speed of. At this time, the gears rotate at a sufficiently lower speed than the first rotating body 1 by appropriately selecting the number of gear teeth a and b.
第1の回転体1に保持されている第1のターゲット3に対向する位置に配置された第1の磁気検出素子11により、第1の回転体1の回転に対する磁界変化を検出することで出力が変化する。一方、中心部に磁石9が配置された第2の回転体8に対向して配置された第2の磁気検出素子10は、第2の回転体8が回転すると第2の磁気検出素子10を貫く磁界変化を検出することで出力が変化する。さらに、第1の磁気検出素子11と第2の磁気検出素子10の出力をCPU内のA/Dコンバータを介して入力する。第2の磁気検出素子10の出力から第2の回転体8が初期位置から何度であるかという粗い絶対角度検出を行い、第1の磁気検出素子11の出力から第1の回転体1の回転角度の細かい絶対角度を検出し、その出力から絶対回転角度を算出し出力する。図7にCPU内での各磁気検出素子の回転角度演算出力と回転角度検出装置の絶対回転角度を示す。出力19は第1の磁気検出素子11の回転角度演算出力、出力20は第2の磁気検出素子10の回転角度演算出力、出力21は回転角度検出装置の算出絶対回転角度、出力22は理想絶対回転角度を示す。
An output is obtained by detecting a change in the magnetic field with respect to the rotation of the first rotating body 1 by the first
次に、第1、第2、第3の磁気検出素子11、10、12および増幅部16の感度バラツキを抑え、動作時の回転角度検出誤差の発生を防止する方法について、図1、図4、図8より説明する。
Next, a method for suppressing the variation in sensitivity of the first, second, and third
図1において、第1の回転体1が回転すると第1のターゲット3も回転する。この第1のターゲット3の回転により磁界が変化し、この磁界変化を第1の磁気検出素子11で検出する。第1の磁気検出素子11からは、この磁界変化に対して正弦波信号24と余弦波信号23を出力する。図8にこれらの出力信号を示す。これらの信号は増幅器を介してCPUに入力され、正弦波信号24と余弦波信号23より逆正接信号を算出する。しかし、図8に示すように正弦波信号レベル27と余弦波信号レベル26が磁気検出素子や増幅部の感度バラツキにより微妙に異なると、算出された逆正接信号の精度が落ちてくる。そこで図4に示すスイッチ29をONして感度記憶モードにした時のみ、第2の回転体8が180deg以上回転するように第1の回転体1を回転させ、正弦波信号24と余弦波信号23の最大、最小レベルを算出し、それぞれの信号レベル(感度)を不揮発性のメモリ(EEPROM)15に記憶する。次にスイッチ29をOFFして、回転角度を算出する時には、記憶した感度により正弦波信号24と余弦波信号23の最大、最小レベルが一致するように操作して逆正接信号を算出して回転角度を求める。
In FIG. 1, when the first rotating body 1 rotates, the
また、図8の第1、第2の磁気検出素子11、10の出力の最大値、最小値が基準範囲28内にない場合、温度特性などによって出力が変化しなかったり、必要な分解能が得られないことが発生する。そこで、出力が基準範囲28内に最大値、最小値があることを確認する手段(図示しない)を用いて確認することにより誤出力の防止が可能になる。なお、第1、第2の磁気検出素子11、10の出力の振幅中心を比較確認する手段(図示しない)で確認することにより、特性バラツキによる誤出力の防止が可能になる。さらに、このとき複数回ずつ入力を行い平均値を取るか、もしくは最大値、最小値を除いた平均値を取るなどすれば、より高い精度で誤出力の防止が可能となる。
Further, when the maximum and minimum values of the outputs of the first and second
また、任意の特定位置での第1の磁気検出素子11、第2の磁気検出素子10の出力を記憶することにより、任意の特定位置からの絶対回転角度の検出も可能となる。またこのとき、図4の特定位置決定用信号線31のように電気信号で特定位置であることの信号を送れば、機械的な動作なしで特定位置の確定ができる。さらに、電気信号を複数回読み込んでチェックするか、またはシリアル信号などで送るようにすれば、ノイズなどにより誤った信号が入った場合除去することができる。なお、特定位置決定用信号線31は出力信号線32と入出力を切り替えて同じ端子を使っても、同様の効果が得られる。
Further, by storing the outputs of the first
本発明の絶対回転角度及びトルク検出装置は、簡単な構成で高精度・高分解能に絶対回転角度およびトルク検出を行うことができるので、車両のパワーステアリング等で使用される絶対回転角度及びトルク検出装置への適用に有用である。 The absolute rotation angle and torque detection device of the present invention can detect the absolute rotation angle and torque with high accuracy and high resolution with a simple configuration. Therefore, the absolute rotation angle and torque detection used in vehicle power steering and the like. Useful for device applications.
1 第1の回転体
2 入力軸
3 第1のターゲット
4 第3の回転体
5 出力軸
6 第2のターゲット
7 トーションバー
8 第2の回転体
9 磁石
10 第2の磁気検出素子
11 第1の磁気検出素子
12 第3の磁気検出素子
13 基板
14 マイクロコンピュータ(CPU)
15 不揮発性メモリ(EEPROM)
16 増幅部
19 第1の磁気検出素子の回転角度演算出力
20 第2の磁気検出素子の回転角度演算出力
21 回転角度検出装置の算出絶対回転角度
22 理想絶対角度
23 余弦波信号
24 正弦波信号
26 余弦波信号レベル
27 正弦波信号レベル
28 基準範囲
29 スイッチ
31 特定位置決定用信号線
32 出力信号線
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 1st
15 Nonvolatile memory (EEPROM)
16
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