CN101852664A - 转矩·转位传感器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及转矩·转位传感器。本发明提供了一种降低转位传感器与转矩传感器之间的干涉，把转位传感器与转矩传感器靠近地做成一体的转矩·转位传感器。这种转矩·转位传感器的特征是，它采用了把含有布置在圆环状的第一磁铁部分侧面的第一磁传感器的转矩传感器与含有布置在圆环状的编码器侧面的第二磁铁部分和第二磁传感器的转位传感器布置在同一根轴线上的结构，在上述转矩传感器的上述第一磁传感器与上述转位传感器的上述第二磁铁部分之间设有让从上述第二磁铁部分向上述第一磁传感器辐射的磁通改变方向的磁通改变装置。

Description

转矩·转位传感器

技术领域

本发明涉及转矩·转位传感器，例如，组装在汽车的转向装置系统等中，把检测其转向操作时的转向转矩的转矩传感器，以及检测转向轴的转数的转位传感器做成一体的转矩·转位传感器。

背景技术

在随着对方向盘等的转向部件的转向操作而驱动辅助转向用的电动机，从而把该电动机的转动力传递给转向机构，用以辅助转向的动力转向装置中，必须检测用于驱动和控制辅助转向用的电动机对转向部件所施加的转向转矩。以往，为了这种检测，一直都使用在把转向部件与转向机构连接起来的转向轴的中途构成的转矩传感器。

此外，在使用转矩传感器的电动动力转向装置中，为了将随着对方向盘的操作而改变的转向用车轮的方向(下文中称之为转向角)与转向转矩一起用于车辆的各种控制，要求检测转向角。

作为转向角检测装置，以往一直使用机械式的旋转位传感器。例如，在专利文献1(日本特开2007-269281号公报)中记载了这样一种机械式的旋转位传感器：它具有一对齿数不同的齿轮，这对齿轮与转向轴的转动联动，能绕与转向轴平行的轴自由转动，借助于磁传感器检测出各个齿轮的转动角度，根据所检测到的转动角度的组合来进行转向角的检测。

此外，除了专利文献1中所记载的那种机械式的传感器之外，还有作为检测转向轴的转数的装置的转位传感器。所谓转位传感器，是指随着转向轴的转动而形成转动基准位置的装置。

下面，参照图5说明转位传感器的基本结构。图5表示从轴向观察安装了转位传感器的转向轴(操纵轴)时的断面。在图5所示的转位传感器21中，通过轴环22，把用导磁率高的物质构成的轭铁23安装在转向轴4上，在上述轴环22的外部从上述转向轴4的旋转轴中心朝向外圆周方向，呈直线状地设置了磁铁211、检测从磁铁所产生的磁通密度的变化的霍尔元件(磁传感器)212、以及当上述已检测到的磁通密度的变化超过了预先设定的阈值时，输出基准位置信号的比较仪213。

用图6说明上述转位传感器的作用。图6中，图6(b)表示不进行转向操作的状态，即转向轴4处于基准位置的状态，而图6(a)表示进行转向操作，转向轴4正在转动的状态。在图6(b)所示的基准状态下，轭铁23处于最接近磁铁211的状态。由于轭铁23是用导磁率很高的物质构成的，在这种基准状态下，从磁铁211产生的磁通26便集中在轭铁23上，由霍尔元件212检测到的磁通密度达到最大。

另一方面，当进行转向操作，转向轴4转动时，便如图6(a)所示，由于轭铁23偏离了磁铁211的极轴，集中在轭铁23上的磁通26便朝向磁铁211的相对极(图中的S极)，于是由霍尔元件212检测到的磁通密度减小。当从基准位置开始的转动角度增大到某种程度时，由于集中在轭铁23上的磁通26减少，由霍尔元件212检测到的磁通密度便下降，达到一定的值。

这里，用于改变车轮方向的转向操作，通常并不是只转动一转就结束，而是要转动多圈以上而达到最大的转向角。在这种转向操作过程中，从磁铁211产生的磁通26按照转向轴4通过基准位置的次数集中在轭铁23上，由霍尔元件212检测到的磁通密度便达到最大。如图5所示，在转位传感器21中，设有当所检测到的磁通密度的变化超过预先设定的阈值时便输出基准位置信号的比较仪213，当转向轴4通过基准位置，便按照霍尔元件212检测到的磁通密度超过上述阈值的次数，从比较仪213输出基准位置信号。即，可以通过利用转位传感器21来检测转向轴4通过基准位置的情况，并计测通过了基准位置的次数而对转向轴4的转数进行检测。

在通常的动力转向装置中，虽然具有辅助转向用的电动机，也能从这种电动机的转动角度获得转向角度的信息，但从这种电动机的转动角度所获得的转向角的信息，是从0°到360°范围内的信息，即，只限于相对角度，而不能获得转向角度的绝对值。然而，通过把从辅助转向用的电动机所获得的相对角度信息与用转位传感器所获得的转向轴的转数信息组合在一起，就有可能获得精确度很高的，由转向操作所获得的转向角度的绝对角度的信息。

这样，当使用转位传感器时，由于不使用专利文献1中所记载的那种机械式转动角度传感器就能检测转向角，从而能获得减少零部件的数量，简化组装工序，降低成本，以及结构紧凑等等优点。

这样，虽然转位传感器通过组装到动力转向装置中而能具有很多优点，但因其结构而产生了不方便的问题。

即，如图5和图6所示，由于转位传感器的结构是根据从磁铁产生的磁通方向的变化所带来的磁通密度的变化来检测转向轴的转数的，于是就要经常从转位传感器辐射朝向任何方向的磁通。此时，作为动力转向装置中必要的结构要素，即，用于检测转向转矩的转矩传感器的结构，也要像专利文献1中所记载的那样，根据转向轴的转动检测出在转矩传感器内所产生的磁通的变化，根据这种磁通变化的大小来检测转向转矩。这样，由于转矩传感器也作为检测磁通变化的装置来使用，当把转位传感器布置得靠近转矩传感器时，由转位传感器辐射的磁通就与转矩传感器发生干涉，从而产生所谓转矩传感器的检测误差增大这样的问题。

为了不发生这样的问题，曾经考虑过把转矩传感器和转位传感器做成两个部件，分别设置在互不干涉的位置。可是，在这样布置的结构中，在制造动力转向装置时，就必须分别组装转矩传感器和转位传感器，产生制造效率不高那样不妥当的问题。

发明内容

本发明就是有鉴于上述问题而研究出来的，其目的是提供一种一体化的转矩·转位传感器，这种转矩·转位传感器由于能将具有零部件数量少，组装工序简单，成本低，结构紧凑等优点的转位传感器高效地组装在动力转向装置中而减小了转位传感器对转矩传感器的磁干涉。

有鉴于上述问题，本发明提供了一种转矩·转位传感器，其特征是，它在同一根轴上构成了含有布置在圆环状的第一磁铁部分侧面的第一磁传感器的转矩传感器，以及含有布置在圆环状的编码器侧面的第二磁铁部分和第二磁传感器的转位传感器；在上述转矩传感器的上述第一磁传感器与上述转位传感器的上述第二磁铁部分之间，设有改变从上述第二磁铁部分向上述第一磁传感器辐射的磁通的方向的磁通改变装置。

另外，本发明还提供了一种转矩·转位传感器，其特征是，上述磁通改变装置是用磁性体形成的板状部件。

再有，本发明还提供了一种转矩·转位传感器，其特征是，上述磁通改变装置是用比导磁率在1000以上的磁性体形成的板状部件。

此外，本发明还提供了一种转矩·转位传感器，其特征是，上述第二磁铁部分与上述磁通改变装置之间的距离在2.0mm±0.5mm的范围内。

本发明的效果如下。

根据本发明，为了能减小从转位传感器辐射的磁通对转矩传感器产生的干涉，可以将转位传感器和转矩传感器靠近配置，从而得到将转位传感器和转矩传感器一体化的转矩·转位传感器。

另外，该转矩·转位传感器由于可以将转位传感器和转矩传感器一体化并组装到动力转向装置中，因而可以将所得到的具有零部件数量少，组装工序简单，成本低，结构紧凑等优点的转位传感器高效地组装在动力转向装置中。

附图说明

图1是表示本发明的动力转向装置的结构的图。

图2是表示本发明的转矩·转位传感器的结构的图。

图3是表示本发明的转矩·转位传感器的作用的图。

图4是表示本发明的转矩·转位传感器的效果的图。

图5是表示以往的转矩·转位传感器的结构的图。

图6是表示以往的转矩·转位传感器的作用的图。

图中：1-动力转向装置，2-转矩·转位传感器，3-转矩传感器，4-转向轴，5-电动机，6-转向控制部分，11-磁性板，19-车轮，21-转位传感器，22-轴环，23-轭铁，24-转位传感器用的磁铁，25-转位传感器用的霍尔元件(磁传感器)，26-磁通，28-转位传感器用的霍尔元件的磁通检测方向，3-转矩传感器用的霍尔元件(磁传感器)，32-转矩传感器用的霍尔元件的磁通检测方向，41-方向盘，211-磁铁，212-霍尔元件(磁传感器)，213-比较仪。

具体实施方式

下面，参照附图说明本发明的实施方式。

图1是表示组装了本发明中的转矩·转位传感器的动力转向装置的结构图。在图1所示的动力转向装置1中，转向操作是通过使方向盘41转动来进行的。当借助于转向操作使方向盘41转动时，结合在该方向盘41中心上的转向轴(操纵轴)4便与方向盘41一起转动。在该转向轴4的另一端上装有小齿轮17，还设有压接在该小齿轮17上的齿条18。该齿条18能自由移动地支承在齿条壳体16内。车轮19通过联杆连接在从该齿条壳体16向外部突出的上述齿条18的两个端部上。

借助于上述结构，方向盘41的转动便能传递到转向轴4上，当小齿轮17随着转向轴4的转动而转动时，设置成压接在小齿轮17上的齿条18便沿着轴向移动，由于该齿条18沿轴向移动，通过联杆连接在齿条18的两个端部上的车轮19便改变方向，从而操纵车辆的方向。

这里，为了根据方向盘41的转动对转向进行辅助，在转向轴4上设有把转位传感器21和转矩传感器3做成一体的转矩·转位传感器2，以及辅助转向用的电动机5。

图2表示转矩·转位传感器2的结构。在图2(a)中，转矩·转位传感器2由转位传感器21和转矩传感器3构成，这个转位传感器21和转矩传感器3都设置在转向轴4上的同一根轴线上。该转位传感器21具有下列各部分：设置在构成圆环状的编码器的轴环22上的轭铁23，第二磁铁部分，即转位传感器用的磁铁24以及第二磁传感器，即转位传感器用的霍尔元件25。在转矩传感器3内，以包围上述转向轴4周围的方式设有圆环状的第一磁铁部分；在上述圆环状第一磁铁部分的侧面配置有用于检测由上述转向轴4的转动而在转矩传感器内产生的磁通的第一磁传感器，即转矩传感器用的霍尔元件31。作为上述第二磁传感器的转位传感器用的霍尔元件25和作为上述第一磁传感器的转矩传感器用的霍尔元件31，都布置在上述转向轴4的相同一侧。这样，由于把转位传感器用的霍尔元件25和转矩传感器用的霍尔元件31布置得靠近，从而提高了从这两个霍尔元件进行布线的性能，从而能将该转矩·转位传感器2的结构做得紧凑。

图2(b)表示图2(a)中的A-A’断面，即表示本实施方式的转位传感器21在半径方向上布置的结构。如图2(b)所示，转位传感器21由下列各部分构成：轭铁23；第二磁传感器，即转位传感器用的霍尔元件25以及第二磁铁部分，即转位传感器用的磁铁24。上述轭铁23具有安装在转向轴4上的轴环22，构成了圆环状的编码器。由于上述转向轴4与上述轴环22一体旋转地进行安装，因而上述轭铁23也与上述转向轴4和上述轴环22的旋转一起进行旋转。在上述转向轴4不转动的状态下，即，在基准状态下的轭铁23位置的侧面，也就是在圆环状的编码器的侧面，在连接上述转向轴4的中心轴线和上述基准状态下的轭铁23的轴线的延长线上，布置了转位传感器用的霍尔元件25，以使磁通的检测方向28与上述轴线平行，在上述轴线的垂直方向上，把两个转位传感器用的磁铁24布置成靠近上述转位传感器用的霍尔元件25。这两个转位传感器用的磁铁24都布置在连接上述转向轴4的中心轴线和上述基准状态下的轭铁23的轴线的垂线上，将其磁极对称地布置，使其靠近上述转位传感器用的霍尔元件25的一端是N极，而另一端是S极。

借助于这种结构，在基准状态下，当上述轭铁23处于最接近上述转位传感器用的霍尔元件25的状态时，从上述转位传感器用磁铁24辐射的磁通被上述轭铁23吸引到跟前，由于上述磁通的方向与上述磁通的检测方向28朝向同一个方向，因而从上述转位传感器用的霍尔元件25输出的功率增大。另一方面，当上述转向轴4转动，上述轭铁23从基准位置偏离时，由于从上述转位传感器用的磁铁24辐射的磁通相对于上述磁通的检测方向28朝向其垂直方向，因而从上述转位传感器用的霍尔元件25输出的功率减小。这样，根据这种结构，由于伴随着上述转向轴4的转动能得到磁通密度很大的变化，因而提高了上述转向轴4的转动基准位置的检测精度，以及转位传感器21的稳定性。

按照上述结构，借助于转向轴4的转动，便能在转位传感器21中检测到该转向轴4的转数的同时，在转矩传感器3中检测到磁通的变化。在转矩传感器3中检测到的磁通的变化，发送到图1所示的转向控制部分6中，在转向控制部分6中，根据发送来的上述磁通的变化检测出转向转矩，为了产生与检测出来的转向转矩相应的必要的转向助力而将信号发送到图1所示的电动机5。接收到转向控制部分6发来的信号的电动机5，便开始转动并产生所要求的转向助力，在把转向助力传递给转向轴4的同时，还把此时的转动角度作为相对角而把信号发回到转向控制部分6中。接收到电动机5发来的相对角信号的转向控制部分6，把它与由转位传感器21检测到的转向轴4的转数组合在一起检测出车轮19的朝向的绝对角度用于车辆的各种控制。

在图2所示的转矩·转位传感器2中，在上述转位传感器21与上述转矩传感器3之间配置有作为磁通改变装置的由磁性体形成的板状部件即磁性板11。在本实施方式中上述磁性板11是长度为40mm，宽度为5mm，厚度为0.85mm的长方体形状其材质为SPCC(JIS G 3141冷轧钢板和钢带相当于所记载的普通用途的材料)。这种磁性板11的比导磁率最好在1000以上。

这块磁性板11以从上述转位传感器21对着上述转矩传感器3的方向，布置成上述长方体形状的长边部分处于垂直方向的姿态。此时如图2(a)中的B-B’虚线所示转位传感器用的磁铁24的转向轴4一侧的端面，与磁性板11的转向轴4一侧的端面布置成离开该转向轴4的中心线的半径方向的距离为同样的距离。

在本实施方式中图2(a)所示的转位传感器21与转矩传感器3的中心之间的距离L为13.5mm磁性板11与转位传感器用的磁铁24之间距离d为2mm。

不过本发明的实施方式并不限定于上述方式在从转位传感器用的磁铁辐射的磁通不与转矩传感器的磁传感器产生干涉并且磁性板本身对转位传感器用的磁传感器不产生影响的范围内可以自由地设定。

图3表示本发明的作用。图3(a)表示不具备作为磁通改变装置的磁性板11的情形，而图3(b)表示作为本发明的实施方式的具有磁通改变装置的磁性板11的情形。在图3(a)中当没有磁性板11时由于转位传感器21根据它的基本结构总是从转位传感器用的磁铁24辐射磁通26因而所辐射的磁通26便到达转矩传感器用的霍尔元件31。此时由于到达转矩传感器用的霍尔元件31的磁通26的方向与转矩传感器用的霍尔元件31的磁通检测方向32是同一个方向，于是从转位传感器用的磁铁24辐射的磁通26会对用转矩传感器用的霍尔元件31的磁通检测产生干涉使转矩传感器3的检测精度降低。与此相反在作为本发明的实施方式的图3(b)中由于在转位传感器21与转矩传感器3之间设置了磁性板11因而在从转位传感器用的磁铁24辐射的磁通26到达转矩传感器用的霍尔元件31之前由于磁性板11改变了它的方向。因而从转位传感器用的磁铁24辐射的磁通26的一部分就不能到达转矩传感器用的霍尔元件31。此外，如图3(b)所示，已到达转矩传感器3的磁通26，在达到了转矩传感器3之后便朝向磁性板11改变了方向。这样一来，从转位传感器用的磁铁24辐射的磁通26的方向便由于磁性板11而产生了变化，朝向与转矩传感器用的霍尔元件31的磁通检测方向32不同的方向，即，朝向与该磁通检测方向32垂直相交的方向。由于这一效果，就能够防止从转位传感器用的磁铁24辐射的磁通26对转矩传感器用的霍尔元件31产生的干涉，从而能够把转位传感器21与转矩传感器3布置得很接近，可以实现形成一体的转矩·转位传感器2。

实施例

图4表示本发明的实施例。图4(a)是表示当磁性板11的尺寸、比导磁率一定时，以转位传感器用的磁铁24的磁性板11一侧的端面作为起点，在磁性板11与转位传感器用的磁铁24之间的距离d在1.5mm、2mm、3mm、4mm这四个值之间变化时的干涉比例与转位信号振幅的图。此时，把转位传感器21与转矩传感器3的中心之间的距离定为13.5mm，把转位传感器用的磁铁24的转向轴4一侧的端面与磁性板11的转向轴4一侧的端面，布置成其间的距离与离开该转向轴4的中心线的半径方向的距离相同。此外，图4(b)表示的是，当磁性板11的尺寸和磁性板11与转位传感器用的磁铁24之间的距离d为一定即2mm时，让磁性板11的比导磁率μr在10、100、1000、10000这四个值之间变化时的干涉比例与转位信号的振幅。转位传感器21与转矩传感器3的中心之间的距离L，以及转位传感器用的磁铁24与磁性板11相对于转向轴4的半径方向的布置结构则与图4(a)相同。

在图4(a)与(b)中，所谓干涉比例，是对于转矩传感器用的霍尔元件31的干涉的比例，当把不设置如图3(a)所示的那种磁性板11情况下的转矩传感器3的输出电压作为100时用百分比来表示的各个实施例的输出电压，这个比例越低，就能断定转位传感器21对于转矩传感器用的霍尔元件31的干涉越小。此外，所谓转位信号的振幅，是指转位传感器用的霍尔元件25的输出降低的比例，同样地当将不设置磁性板11情况下的转位传感器21的输出电压作为100时用百分比来表示各个实施例的输出电压，这个比例越高，就能断定磁性板11对于转位传感器21的干涉越小。

在图4(a)中，当以转位传感器用的磁铁24的磁性板11一侧的端面作为起点，使磁性板11与转位传感器用的磁铁24之间的距离d在1.5mm、2mm、3mm、4mm这4个值之间变化时，距离越短，对于转矩传感器用的霍尔元件31干涉的比例就越小，在d为2mm的情况下，与没有磁性板11的情况相比，干涉比例下降到47％。另一方面，转位传感器用的霍尔元件25的输出，虽然当d变小时输出下降了，但在d为2mm的情况下，其下降的比例为4.9％。从这些结果可知，作为本发明的实施方式，转位传感器用的磁铁24与磁性板11之间的距离d最好是2mm。另外，本实施例的干涉比例与转位信号的振幅都是在室温(20℃)时的值，但转矩传感器3与转位传感器21的特性是随着温度而变化的。此外，转矩传感器3与转位传感器21的特性也会由于制造上的误差等重要原因而发生一些变动。考虑到这些改变特性的重要原因，转位传感器用的磁铁24与磁性板11之间的距离最好设定在2mm±0.5mm的范围内。

在图4(b)中，当固定了磁性板11与转位传感器用的磁铁24之间的距离d，而让磁性板11的比导磁率μr在10、100、1000、10000这四个值之间变化时，可以确认，在μr超过1000时，干涉比率和转位信号的振幅就没有急剧变化的倾向。从这些结果可知，作为本发明的实施方式，磁性板11的比导磁率μr最好在1000以上。

如上所述，按照本发明，由于能减小从转位传感器辐射的磁通对转矩传感器的干涉，因而可以把转位传感器与转矩传感器布置得很接近，从而能获得转位传感器与转矩传感器一体化的转矩转位传感器。

此外，根据本发明的这种转矩转位传感器，由于可以把转位传感器与转矩传感器一体化并组装在动力转向装置中，因而就能把具有零部件的数量少，组装工序简单，成本降低，结构紧凑等等优点的转位传感器，高效率地组装到动力转向装置中去。

Claims (4)

1.一种转矩·转位传感器，其特征在于，

它在同一根轴上构成了含有布置在圆环状的第一磁铁部分侧面的第一磁传感器的转矩传感器，以及

含有布置在圆环状的编码器侧面的第二磁铁部分和第二磁传感器的转位传感器；

在上述转矩传感器的上述第一磁传感器与上述转位传感器的上述第二磁铁部分之间，设有改变从上述第二磁铁部分向上述第一磁传感器辐射的磁通的方向的磁通改变装置。

2.如权利要求1所述的转矩·转位传感器，其特征在于，上述磁通改变装置是用磁性体形成的板状部件。

3.如权利要求1所述的转矩·转位传感器，其特征在于，上述磁通改变装置是用比导磁率在1000以上的磁性体形成的板状部件。

4.如权利要求1～3中任何一项所述的转矩·转位传感器，其特征在于，上述第二磁铁部分与上述磁通改变装置之间的距离在2.0mm±0.5mm的范围内。

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