CN114096797B - 旋转角度传感器、电动助力转向装置以及旋转角度传感器的制造方法 - Google Patents
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Abstract
旋转角度传感器具备：磁铁(10)，其固定于马达(2)的旋转轴(3)的与输出端(4)相反一侧的端部(5)；电路基板(11)，其安装有检测磁通变化的多个磁阻传感器元件(20、21)；以及支承部件(12)，其固定于马达(2)。电路基板(11)配置在固定于马达(2)的支承部件(12)与马达(2)之间，以使多个磁阻传感器元件(20、21)接近磁铁(10)的方式固定于支承部件(12)。
Description
技术领域
本发明涉及旋转角度传感器、电动助力转向装置以及旋转角度传感器的制造方法。
背景技术
作为检测马达的旋转角度的传感器，公知有旋转变压器。在下述专利文献1中记载了一种电动助力转向装置，其基于由旋转变压器检测出的马达的旋转角度来控制对车辆的转向系统赋予的转向辅助力。
另外，在下述专利文献2中记载了一种压电传感器的制造方法，通过对在电极间夹着压电薄膜的基板部与基板部所涂布的检测板的复合体进行加热处理，来缓和在复合体中产生的内部应力。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2019-156291号公报
专利文献2：国际公开第2015/093356号小册子
发明内容
发明所要解决的课题
在上述电动助力转向装置这样的具备马达的电动致动器产品中，考虑采用利用多个传感器同时检测1个马达的旋转角度的冗余结构。通过采用冗余结构，即使多个传感器中的任意传感器发生异常，也能够使用剩余的正常的传感器继续进行马达控制或者诊断传感器的异常等，提高电动致动器产品的可靠性。
但是，搭载多个昂贵的旋转变压器会导致电动致动器产品的制造成本的增加。
本发明是鉴于这样的问题而完成的，其目的在于廉价地实现由多个传感器同时检测1个马达的旋转角度的冗余结构。
用于解决课题的手段
为了实现上述目的，本发明的一个方式的旋转角度传感器具备：磁铁，其固定于马达的旋转轴的与输出端相反一侧的端部；电路基板，其安装有检测磁通变化的多个磁阻传感器元件；以及支承部件，其固定于马达，电路基板配置在固定于马达的支承部件与马达之间，以使多个磁阻传感器元件接近磁铁的方式固定于支承部件。
本发明的另一方式的电动助力转向装置具备上述的旋转角度传感器和马达，基于由旋转角度传感器检测出的马达的旋转角度，通过马达对车辆的转向系统赋予转向辅助力。
在本发明的另一方式的旋转角度传感器的制造方法中，将多个磁阻传感器元件安装于电路基板，将磁铁固定于马达的旋转轴的与输出端相反一侧的端部，将电路基板固定于支承部件，将支承部件固定于马达，由此，电路基板以使多个磁阻传感器元件接近磁铁的方式配置在支承部件与马达之间。
发明效果
根据本发明，能够廉价地实现利用多个传感器同时检测1个马达的旋转角度的冗余结构。
附图说明
图1是表示实施方式的旋转角度传感器的一例的概要的分解图。
图2是实施方式的旋转角度传感器的功能结构的说明图。
图3是实施方式的电子控制单元的角度运算功能的功能框图。
图4是结构数据的一例的说明图。
图5是表示实施方式的旋转角度传感器的另一例的概要的分解图。
图6是温度循环试验中的旋转角度传感器的角度误差的一例的说明图。
图7是在加热处理后进行了校正的情况下的角度误差的说明图。
图8是实施方式的旋转角度传感器的制造方法的一例的流程图。
图9是表示具备实施方式的旋转角度传感器的电动助力转向装置的一例的概要的结构图。
具体实施方式
参照附图对本发明的实施方式进行详细说明。此外，以下所示的本发明的实施方式例示了用于将本发明的技术思想具体化的装置、方法，但本发明的技术思想并不是将构成部件的结构、配置等特定为下述内容。本发明的技术思想能够在权利要求书所记载的权利要求所规定的技术范围内施加各种变更。
(结构)
参照图1。实施方式的旋转角度传感器具备：传感器单元1，其具备多个MR(磁阻：Magnetic Resistance)传感器元件；电子控制单元(ECU：Electronic Control Unit)13，其独立于传感器单元1；以及线束14，其传递传感器单元1与电子控制单元13之间的信号，旋转角度传感器对马达2的旋转角度进行检测。
传感器单元1具备磁铁10、电路基板11和支承部件12。
磁铁10固定于马达2的旋转轴3的与输出端4相反一侧的端部5，具有沿着旋转轴3的周向排列的不同的磁极(S极以及N极)。
在电路基板11安装有检测磁通的多个MR传感器元件。在图1的例子中，作为多个MR传感器元件，第一MR传感器元件20以及第二MR传感器元件21被安装于电路基板11。
电路基板11通过3个固定单元22、23、24以3个固定点固定于支承部件12。在图1的例子中，固定单元22、23、24是将电路基板11紧固于支承部件12的螺钉。
支承部件12通过固定单元25、26固定于马达2。在图1的例子中，固定单元25、26是将支承部件12紧固于马达2的螺钉。
通过3个固定单元22、23、24将电路基板11固定于支承部件12的位置和通过固定单元25、26将支承部件12固定于马达2的位置以如下方式决定：在电路基板11固定于支承部件12且支承部件12固定于马达2时，电路基板11配置在支承部件12与马达2之间，使得第一MR传感器元件20以及第二MR传感器元件21接近磁铁10。
支承部件12例如是覆盖电路基板11的罩。支承部件12例如具有在图1中向下方开口的凹部，电路基板11固定于支承部件12的凹部内。若将支承部件12固定于马达2，则支承部件12的凹部的开口部被马达2遮蔽，在由支承部件12的凹部和马达2划分出的内部空间内收纳有电路基板11。由此，保护电路基板11免受来自外部的冲击、异物。
支承部件12例如由铝合金等热传导性好的金属形成，也可以起到作为散热器的作用。另外，支承部件12也可以是散热器本身。
另外，安装于电路基板11的MR传感器元件的数量并不限定于2个，也可以将3个以上的MR传感器元件安装于电路基板11。
另外，将电路基板11固定于支承部件12的固定单元以及固定点的数量并不限定于3个，也可以利用4个以上的固定单元以及固定点将电路基板11固定于支承部件12。
将支承部件12固定于马达2的固定单元的数量也不限定于2个，也可以利用3个以上的固定单元将支承部件12固定于马达2。
优选将第一MR传感器元件20以及第二MR传感器元件21安装于电路基板11的位置、即电路基板11上的第一MR传感器元件20以及第二MR传感器元件21的面内位置配置于以由3个以上的固定单元(在图1的例子中为固定单元22、23、24)形成的3个以上的固定点(在图1的例子中为3个固定点)为顶点的多边形(在图1的例子中为三角形)的内侧。通过在这样的位置配置第一MR传感器元件20以及第二MR传感器元件21，能够抑制对传感器单元1施加振动、冲击时第一MR传感器元件20以及第二MR传感器元件21相对于磁铁10的相对位置的变动。
ECU 13基于第一MR传感器元件20以及第二MR传感器元件21的检测信号来运算马达2的旋转角度θm，根据运算出的旋转角度θm控制功率半导体开关元件(未图示)，驱动马达2。
参照图2。ECU 13具备CPU(Central Processing Unit：中央处理单元)或MPU(Micro-Processing Unit：微处理单元)等处理器30、存储器31、模拟数字转换器(ADC：Analog-Digital Converter)32～35。存储器31和ADC 32～35有时内置于MPU等处理器30中。以下说明的ECU 13的功能例如通过处理器30执行储存于存储器31的计算机程序来实现。
以下，对实施方式的旋转角度传感器的旋转角度θm的检测进行说明。
第一MR传感器元件20通过检测与马达2的旋转轴3一起旋转的磁铁10的磁通，输出与马达2的旋转角度θm对应的正弦信号SIN1＝sinθm和余弦信号COS1＝cosθm。ECU 13读取由ADC 32和ADC 33转换为数字信号的正弦信号SIN1和余弦信号COS1。ECU 13基于正弦信号SIN1以及余弦信号COS1来计算马达2的旋转角度θm。
第二MR传感器元件21与第一MR传感器元件20独立地输出与马达2的旋转角度θm对应的正弦信号SIN2＝sinθm和余弦信号COS2＝cosθm。ECU 13读取由ADC 34和ADC 35分别转换为数字信号的正弦信号SIN2和余弦信号COS2。ECU 13基于正弦信号SIN2和余弦信号COS2来计算马达2的旋转角度θm。
这样，实施方式的旋转角度传感器具有利用多个MR传感器元件同时检测1个马达的旋转角度的冗余结构。
参照图3，对ECU 13的旋转角度θm的运算功能的一例进行说明。另外，在此对基于第一MR传感器元件20的正弦信号SIN1和余弦信号COS1的旋转角度θm的运算进行说明，但基于第二MR传感器元件21的正弦信号SIN2和余弦信号COS2的旋转角度θm的运算也是同样的。
ECU 13具备加法器40、减法器41、角度运算部42以及校正部43。
角度运算部42基于加法器40的输出(COS1+SIN1)和减法器41的输出(COS1-SIN1)，将检测角度θd运算为马达2的旋转角度θm。
校正部43通过减法器45从检测角度θd中减去储存在ECU 13的存储器31中的校正数据44，由此对检测角度θd进行校正，输出表示马达2的旋转角度θm的角度信号。
校正数据44是对作为检测对象的实际的旋转角度θm与检测角度θd的误差(所谓的线性误差)进行校正的数据。
参照图4。横轴表示马达2的旋转轴3的实际的旋转角度θm，纵轴表示与旋转角度θm相同的基准角度θr(单点划线)和检测角度θd(实线)。
校正数据44例如是将检测角度θd和基准角度θr的差值(θd-θr)与检测角度θd相对应地储存在存储器31中的数据。
校正数据44例如可以通过利用校正完毕的旋转角度传感器读取马达2的旋转轴3的实际的旋转角度θm作为基准角度θr的同时计算检测角度θd，将检测角度θd和基准角度θr的差值(θd-θr)与检测角度θd相关联地存储而生成。
校正部43从存储器31读出与检测角度θd相关联地存储的校正数据44(θd-θr)，并将其从检测角度θd中减去，由此计算出校正后的旋转角度θr＝θm。
根据以上那样的结构，能够使用比较廉价的MR传感器元件，实现利用多个传感器同时检测1个马达的旋转角度的冗余结构。
此外，以上说明的结构只不过是一个例子，本发明并不意图限定于上述结构。
例如，传感器单元1和ECU 13可以一体地构成。例如，ECU 13的处理器30、存储器31以及ADC 32～35可以安装于电路基板11。
另外，支承部件12可以由多个部件形成。
参照图5。支承部件12例如可以具备由铝合金等导热性良好的金属形成的罩(或散热器)27、安装有功率半导体开关元件的铝制的功率基板28、以及安装在电路基板11与功率基板28之间的树脂制的嵌入部件29。ECU 13与电路基板11一体化，在嵌入部件29的内部布置有将电路基板11与功率基板28电连接的电线(例如母线)。
并且，通过3个以上的固定单元(未图示)将电路基板11以3个以上的固定点固定于经由功率基板28固定于罩27的嵌入部件29，将罩或散热器27固定于马达2，由此以使第一MR传感器元件20以及第二MR传感器元件21接近磁铁10的方式，将电路基板11配置在支承部件12与马达2之间。
将电路基板11固定于树脂制的嵌入部件29的固定单元可以是螺钉等紧固部件。或者，可以在将嵌入部件29的树脂制的销(突起部)插入到形成于电路基板11的贯通孔后，通过凿紧该销而将电路基板11固定于嵌入部件29。
使用了以上那样的MR传感器元件的旋转角度传感器具有“紧凑”、“容易冗余化”等优点，另一方面，具有检测信号的温度特性、应力特性比以往的旋转变压器差这样的缺点。
因此，存在如下问题：例如即使在出厂时在常温气氛下校正旋转角度传感器(即生成校正数据44)，若在出厂后施加热，则即使之后返回到常温，旋转角度传感器的直线性也无法恢复出厂时。
图6表示温度循环试验中的旋转角度传感器的角度误差。标绘点50表示在35℃下校正后的旋转角度传感器的角度误差为0，标绘点51、52表示在第一次温度循环中80℃和120℃时的角度误差。
标绘点53、54表示在第一次温度循环后返回到35℃时的角度误差，标绘点55表示在第二次温度循环中120℃时的角度误差。标绘点56表示在第二次温度循环后返回到35℃时的角度误差。
如标绘点51、52、55所示，若对旋转角度传感器施加热，则角度误差增大，即使之后温度恢复，温度35℃下的角度误差(标绘点53、54、56)也不会返回到施加热之前的角度误差(标绘点50)。
另一方面，可知在第二次温度循环之后返回到35℃时的角度误差(标绘点56)与第一次温度循环之后返回到35℃时的角度误差(标绘点53、54)大致相等。即，可知一旦施加热之后的常温时的角度误差，即使之后再次施加热也返回相同大小的误差。
其原因认为是由于MR元件相对于应力变化的输出变动大，以及若施加热则支承MR传感器元件的构造物(电路基板11、支承部件12)发生塑性变形，施加于MR传感器元件的应力从校正时起发生变化。
因此，在本实施方式的旋转角度传感器中，预先通过加热处理使电路基板11和支承部件12塑性变形。由此，即使在出厂后对旋转角度传感器施加热，也能够使返回到常温时的角度误差返回到出厂时的角度误差。
通过固定单元22、23、24将电路基板11固定于支承部件12时产生的应力也会对施加于第一MR传感器元件20以及第二MR传感器元件21的应力产生影响。
其结果是，当因加热引起的塑性变形而使电路基板11与支承部件12的固定状态发生变化时，角度误差发生变化。因此，使电路基板11与支承部件12塑性变形的加热处理优选在通过固定单元22、23、24将电路基板11固定于支承部件12的状态下进行。
由此，能够减轻与加热引起的塑性变形相伴的电路基板11与支承部件12的固定状态的变化所引起的角度误差的变化。
另外，优选在通过加热处理使电路基板11和支承部件12塑性变形后，在常温气氛下对利用从第一MR传感器元件20输出的正弦信号SIN1和余弦信号COS1运算出的检测角度θd进行校正，将得到的校正数据44储存在存储器31中。关于第二MR传感器元件21的正弦信号SIN2以及余弦信号COS 2也是同样的。
在使电路基板11和支承部件12塑性变形的加热处理中，优选以实际使用环境下的旋转角度传感器的环境温度以上的温度对电路基板11和支承部件12进行加热。
例如，在检测电动助力转向装置的马达的旋转角度的旋转角度传感器的情况下，MR传感器元件的环境温度有时受到马达发热等的影响而到达100℃左右。因此，使电路基板11与支承部件12塑性变形的加热处理优选在100℃以上的温度下进行。
这样，通过在加热处理后进行校正，能够提高常温气氛下的旋转角度传感器的检测精度。
参照图7。标绘点60表示在25℃下刚刚校正后的旋转角度传感器的角度误差为0。标绘点61表示在第一次温度循环中100℃时的角度误差。标绘点62表示在第一次温度循环之后返回到25℃时的角度误差。如上所述，一旦施加热之后的常温下的角度误差(标绘点62)不会返回到施加热之前的角度误差(标绘点60)。
因此，如标绘点63所示，再次进行校正，在25℃下使旋转角度传感器的角度误差为0。
其后的标绘点64、66分别表示在第二次、第三次温度循环中100℃时的角度误差，标绘点65、67表示在第二次、第三次温度循环之后返回到25℃时的角度误差。
通过在第一次温度循环之后在返回到25℃时进行校正，能够使第二次、第三次温度循环之后返回到25℃时的角度误差(标绘点65、67)返回到与校正后的角度误差(标绘点60)相同的程度。
(旋转角度传感器的制造方法)
接着，参照图8对实施方式的旋转角度传感器的制造方法进行说明。
在步骤S1中，将第一MR传感器元件20以及第二MR传感器元件21安装于电路基板11。
在步骤S2中，将磁铁10固定于马达2的旋转轴3的与输出端4相反一侧的端部5。
在步骤S3中，利用3个以上的固定单元将电路基板11以3个以上的固定点固定于支承部件12。
在步骤S4中，通过对固定有电路基板11的支承部件12进行加热处理，使电路基板11及支承部件12塑性变形。
另外，也可以在步骤S1之前执行步骤S2，也可以在步骤S4之后执行步骤S2。
在步骤S5中，将支承部件12固定于马达2。
在步骤S6中，对在常温气氛下利用从第一MR传感器元件20输出的正弦信号SIN1以及余弦信号COS1运算出的检测角度θd进行校正，将得到的校正数据44储存于存储器31。关于第二MR传感器元件21的正弦信号SIN2以及余弦信号COS2也是同样的。之后，处理结束。
(旋转角度传感器的应用)
接下来，参照图9，对将本实施方式的旋转角度传感器应用于对施加于车辆的转向系统的转向辅助力进行控制的电动助力转向装置的情况的结构例进行说明。
转向盘101的柱轴102经由减速齿轮103、万向接头104A、104B、齿轮齿条机构105与转向车轮的拉杆106连结。在柱轴102上设置有检测转向盘101的转向转矩Th的转矩传感器110，辅助转向盘101的转向力的马达2经由减速齿轮103与柱轴102连结。
上述ECU 13被用作控制助力转向装置的电子控制单元。从作为电源的电池114向ECU 13供给电力，并且从点火键111输入点火键信号。
ECU 13基于如上述那样运算出的马达2的旋转角度θm和减速齿轮103的减速比N，对转向盘101的转向角θ进行运算。ECU 13基于转向角θ、转向扭矩Th以及由车速传感器112检测出的车速Vh，使用辅助映射等进行辅助指令的转向辅助指令值的运算，基于运算出的转向辅助指令值来控制向马达2供给的电流I。
在这样构成的电动助力转向装置中，利用转矩传感器110检测从转向盘101传递来的基于驾驶员的转向盘操作的转向转矩Th，基于马达2的旋转角度θm运算转向角θ，根据基于转向转矩Th、转向角θ以及车速Vh计算出的转向辅助指令值来驱动控制马达2，该驱动作为驾驶员的转向盘操作的辅助力(转向辅助力)赋予转向系统。
(实施方式的效果)
(1)实施方式的旋转角度传感器具备：磁铁10，其固定于马达2的旋转轴3的与输出端4相反一侧的端部5；电路基板11，其安装有多个MR传感器元件；以及支承部件12，其固定于马达2。电路基板11以使多个MR传感器元件接近磁铁10的方式固定于支承部件12，配置于固定于马达2的支承部件12与马达2之间。
由此，能够使用比较廉价的MR传感器元件，实现利用多个传感器同时检测1个马达的旋转角度的冗余结构。因此，能够廉价地实现利用多个传感器同时检测1个马达的旋转角度的冗余结构。
(2)电路基板11以3个以上的固定点固定于支承部件12，电路基板11的MR传感器元件的面内位置可以配置于以3个以上的固定点为顶点的多边形的内侧。
由此，能够抑制对旋转角度传感器施加振动或冲击时的MR传感器元件相对于磁铁10的相对位置的变动。
(3)电路基板11及支承部件12可以预先通过加热处理而塑性变形。由此，即使在出厂后对旋转角度传感器施加热，也能够使返回到常温时的角度误差返回到出厂时的角度误差。
(4)电路基板11及支承部件12可以在电路基板11固定于支承部件12的状态下进行了加热处理而塑性变形。由此，能够减轻与加热引起的塑性变形相伴的电路基板11与支承部件12的固定状态的变化所引起的角度误差的变化。
(5)实施方式的旋转角度传感器还可以具备存储器31，该存储器31用于储存用于校正MR传感器元件的输出信号的校正数据44。可以在通过加热处理使电路基板11及支承部件12塑性变形后，将在常温气氛下对磁阻传感器元件进行校正而生成的校正数据44储存在存储器31中。
这样，通过在加热处理后进行校正，能够提高常温气氛下的旋转角度传感器的检测精度。
标号说明
1：传感器单元；2：马达；3：旋转轴；4：输出端；5：端部；10：磁铁；11：电路基板；12：支承部件；13：电子控制单元(ECU)；14：线束；20、21：磁阻(MR)传感器元件；22、23、24、25、26：固定单元；27：盖(或散热器)；28：功率基板；29：嵌入部件；30：处理器；31：存储器；32、33、34、35：模拟数字转换器(ADC)；40：加法器；41、45：减法器；42：角度运算部；43：校正部；44：校正数据；101：转向盘；102：柱轴；103：减速齿轮；104A、104B：万向接头；105：齿轮齿条机构；106：拉杆；110：转矩传感器；111：点火键；112：车速传感器；114：电池。
Claims (8)
1.一种旋转角度传感器，其特征在于，
所述旋转角度传感器具备：
磁铁，其固定于马达的旋转轴的与输出端相反一侧的端部；
电路基板，其安装有多个磁阻传感器元件；
支承部件，其固定于所述马达，
所述电路基板配置在固定于所述马达的所述支承部件与所述马达之间，以使所述多个磁阻传感器元件接近所述磁铁的方式固定于所述支承部件，
所述电路基板以及所述支承部件通过加热处理而塑性变形。
2.根据权利要求1所述的旋转角度传感器，其特征在于，
所述电路基板以3个以上的固定点固定于所述支承部件，
所述电路基板中的所述磁阻传感器元件的面内位置配置于以所述3个以上的固定点为顶点的多边形的内侧。
3.根据权利要求2所述的旋转角度传感器，其特征在于，
所述电路基板以及所述支承部件在所述电路基板被固定于所述支承部件的状态下进行了加热处理而塑性变形。
4.根据权利要求1或3所述的旋转角度传感器，其特征在于，
所述旋转角度传感器还具备存储器，所述存储器用于储存用于对所述磁阻传感器元件的输出信号进行校正的校正数据，
在通过加热处理使所述电路基板以及所述支承部件塑性变形后对所述磁阻传感器元件进行校正而生成的校正数据被储存于所述存储器中。
5.一种电动助力转向装置，其特征在于，
所述电动助力转向装置具备：
权利要求1至4中任一项所述的旋转角度传感器；以及
马达，
基于由所述旋转角度传感器检测出的所述马达的旋转角度，通过所述马达对车辆的转向系统赋予转向辅助力。
6.一种旋转角度传感器的制造方法，其特征在于，
将多个磁阻传感器元件安装于电路基板，
将磁铁固定于马达的旋转轴的与输出端相反一侧的端部，
将所述电路基板固定于支承部件，
通过加热处理使所述电路基板以及所述支承部件塑性变形，
通过将所述支承部件固定于所述马达，以使所述多个磁阻传感器元件接近所述磁铁的方式将所述电路基板配置在所述支承部件与所述马达之间。
7.根据权利要求6所述的旋转角度传感器的制造方法，其特征在于，
在将所述电路基板固定于所述支承部件之后，通过加热处理使所述电路基板以及所述支承部件塑性变形。
8.根据权利要求7所述的旋转角度传感器的制造方法，其特征在于，
在通过加热处理使所述电路基板以及所述支承部件塑性变形后，对所述磁阻传感器元件进行校正。
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