JP2004150882A

JP2004150882A - 回転角検出装置およびトルク検出装置

Info

Publication number: JP2004150882A
Application number: JP2002314511A
Authority: JP
Inventors: Yoshitomo Tokumoto; 欣智徳本
Original assignee: Koyo Seiko Co Ltd
Current assignee: Koyo Seiko Co Ltd
Priority date: 2002-10-29
Filing date: 2002-10-29
Publication date: 2004-05-27
Also published as: FR2846412A1; DE10350363A1; US6983664B2; KR20040038766A; US20040098219A1

Abstract

【課題】検査が容易な回転角検出装置を提供する。
【解決手段】本発明の回転角検出装置は、回転体に同行回転可能に設けられその軸の周方向に略等間隔で突き出した磁性体からなる歯を複数有する平歯車形状のターゲットと、前記歯に対向する位置に配置され前記回転体の回転に応じた出力信号を出力する磁気センサとを備えている。この装置は、磁気センサからの出力信号を用いて回転体の回転角を検出する。そして、平歯車形状のターゲットは、全ての歯の歯先面７１における周方向側の両端部７４が、角部になっている。
【選択図】図３

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、自動車用の電動パワーステアリング装置などに用いられる、回転体の回転角を検出する回転角検出装置、および回転体に加わるトルクを検出するトルク検出装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
自動車等の車両に搭載され、ドライバーの操舵動作を補助する操舵補助装置には、操舵補助力として例えば電動モータの回転力を付与する電動パワーステアリング装置がある。このような電動パワーステアリング装置は、操舵部材および操向用の車輪側にそれぞれ連結され、ドライバーの操舵動作に伴って回転する入力軸および出力軸を備えている。さらに、このステアリング装置には、入出力軸の各回転角を検出する回転角検出装置およびこの検出装置の検出結果を用いて操舵部材に加わる操舵トルクを検出するトルク検出装置が組み込まれており、このステアリング装置は検出した操舵トルクに基づき電動モータへの指令値を決定し、減速機構を介して操舵系にモータ回転力を伝達させることにより、この操舵系に操舵補助力を付与させて操舵アシストを行う（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
ところで、上記した回転角検出装置およびトルク検出装置には、入出力軸毎に嵌着固定されて同行回転可能に取り付けられた磁性体からなる歯を複数有するターゲットと、このターゲットの歯と対向する位置に、磁気抵抗効果素子を有し、対応する入出力軸の回転に応じて周期的に変化する出力信号を出力する磁気センサとが設けられている。これら装置において、回転角は、例えば、磁気センサからの出力信号（必要に応じてデジタル処理した信号）を用い、予め回転角と磁気センサとの出力信号とを対応させて記憶しているテーブルを参照することにより検出できるようになっている。また、トルクは、例えば、入力軸側の磁気センサからの出力信号（必要に応じてデジタル処理した信号）と出力軸側の磁気センサからの出力信号（必要に応じてデジタル処理した信号）とを用いて入力軸と出力軸との回転角度差（相対角度変位）を求め、この相対角度変位から算出して検出できるようになっている。そして、これら装置において、磁気センサの検知対象であるターゲットとしては、部品調達が容易である等の理由から、例えば、図７に示すように、歯の側面５１がインボリュート曲面（平面視においてインボリュート曲線、以下同様）で歯先面５２の両端部５３がなだらかな曲面となった平歯車形状の歯車５４を用いている（特願２００２−１５１０４７号、平成１４年５月２４日出願）。
【０００４】
【特許文献１】
特開２００２−１０７１１２号公報（第２頁）
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、インボリュート歯形の歯車５４は、一般に歯車は噛み合わせて用いることで動力伝達を行うことを主目的とし欠け等の不具合をなくすためと考えられるが、歯先面５２の両端部５３がなだらかな曲面で角部がないよう加工されるので、全ての歯の形状を寸法精度よく揃えるのが難しいという問題がある。また、磁気センサからの出力信号は主に歯先面５２との距離によって決定されることから、ターゲットの検査は一般に歯ピッチによって行っているが、インボリュート歯形の歯車５４の場合、同図に示すように、歯ピッチＬの測定は、仮想的な角部６１を想定した上で行う必要があり、センサ検知対象であるターゲットの検査を行いにくいという問題もある。
【０００６】
本発明はこのような事情に鑑みなされたものであり、検査が容易な回転角検出装置およびそれを用いたトルク検出装置の提供をその目的とする。さらに、検査が容易なことに加えて、安価である回転角検出装置およびそれを用いたトルク検出装置の提供をその目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明の回転角検出装置は、回転体と同行回転可能に設けられその軸の周方向に略等間隔で突き出した磁性体からなる歯を複数有する平歯車形状のターゲットと、前記歯に対向する位置に配置され前記回転体の回転に応じた出力信号を出力する磁気センサとを備え、前記出力信号を用いて前記回転体の回転角を検出する回転角検出装置であって、前記平歯車形状のターゲットは、全ての歯の歯先面における周方向側の両端部が、角部になっていることを特徴としている（請求項１）。
上記の構成によれば、歯先面の両端部が角部になっているので、その角部を基準とすれば、簡単に歯ピッチを計測することができる。そのため、このような歯車を用いた回転角検出装置の検査を簡単に行うことができる。
ここで、本発明において「角部」とは、歯先面の両端部が尖っており、その部分を基準に直接歯ピッチを測定できる部分をいう。
【０００８】
上記の回転角検出装置において、各歯の歯側面が平面である場合には（請求項２）、ターゲットの歯側面がインボリュート曲面のような特殊な形状ではなく、簡単な平面であるので、歯切り加工、もしくはプレス加工、焼結加工が容易なために製造コストを抑制でき、その結果として安価な回転角検出装置が提供できる。
また、上記の回転角検出装置において、各歯の歯先面の間が径方向に凹設された円弧面である場合には（請求項３）、ターゲットの歯側面がインボリュート曲面のような特殊な形状ではなく、簡単な円弧面であるので、歯切り加工、もしくはプレス加工、焼結加工が容易なために製造コストを抑制でき、その結果として安価な回転角検出装置を提供できる。
【０００９】
本発明のトルク検出装置は、第１の回転軸とこの回転軸と同軸的に連結された第２の回転軸とを備えた回転体に対して、前記第１および第２の各回転軸に請求項１に記載の回転角検出装置を設けるとともに、対応する前記回転角検出装置によって検出された前記第１および第２の回転軸の各回転角を用いて、前記回転体に加わるトルクを検出するトルク検出部を設けたことを特徴としている（請求項４）。
上記の構成であれば、検査が容易な回転角検出装置が組み込まれているので、同様に、検査が容易なトルク検出装置を提供できる。特に、ターゲットとして、各歯の歯側面が平面のもの、あるいは各歯の歯先面の間が径方向に凹設された円弧面のものを用いた場合は、検査が容易であることに加えて、安価な製品提供が可能となる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の回転角検出装置およびトルク検出装置を示す好ましい実施形態について、図面を参照しながら説明する。なお、以下の説明では、電動パワーステアリング装置に本発明を適用した場合について説明する。
【００１１】
図１は、本発明の一実施形態に係る回転角検出装置およびトルク検出装置を含んで構成された電動パワーステアリング装置の要部構成を模式的に示す図である。この電動パワーステアリング装置は、例えば自動車に搭載され、操舵部材（ステアリングホイール）１とピニオン２との間に、操舵軸３を介在させたものである。操舵軸３は、その中心に設けられたトーションバー３１と、トーションバー３１の入力側（上方）に固定された第１の回転軸としての入力軸３２と、トーションバー３１の出力側（下方）に固定された第２の回転軸としての出力軸３３とを備えている。入力軸３２と出力軸３３とは、互いに同軸に配置されているが、相互には直接連結されておらず、トーションバー３１を介在させて同軸的に連結されている。
【００１２】
入力軸３２には操舵部材１が連結され、ドライバーの操舵動作による操舵部材１の回転が直接的に伝えられるようになっている。
一方、出力軸３３には、ウォーム５およびこれに噛み合うウォームホイール４を有する減速機構と、ウォーム５が出力軸に一体回転可能に取り付けられ制御ユニット２１により制御される操舵補助用の電動モータ６とが連結されており、この電動モータ６の回転を減速しピニオン２に操舵補助力として伝達する。このピニオン２の回転が、ラック７の直線運動に変換され、左右のタイロッド８を介して操向車輪９が転舵される。上記減速機構と電動モータ６とが、操舵部材１から操向車輪９に至る操舵系に操舵補助力を付与する操舵補助部を構成している。
【００１３】
また、上記入力軸３２および出力軸３３には、本発明の回転角検出装置およびトルク検出装置に含まれたターゲットと磁気センサとが設けられており、操舵部材１への上記操舵動作に伴い回転する入出力軸３２，３３に対応する出力信号を出力できるようになっている。
具体的には、図２も参照して、入力軸３２には、平歯車形状の第１のターゲット３４が嵌着固定されて同行回転可能に取り付けられ、さらにこのターゲット３４の歯と対向する位置に二個一組の第１の磁気センサＡ１，Ｂ１が周方向に離隔した状態で配置されている。同様に、出力軸３３には、平歯車形状の第２および第３のターゲット３５，３６が嵌着固定されて同行回転可能に取り付けられ、さらにターゲット３５の歯と対向する位置に二個一組の第２の磁気センサＡ２，Ｂ２が、ターゲット３６の歯と対向する位置に二個一組の第３の磁気センサＡ３，Ｂ３が、それぞれ周方向に離隔した状態で配置されている。
【００１４】
第１〜第３のターゲット３４〜３６は、それぞれ、複数の磁性体からなる歯が周方向に略等間隔で突き出した平歯車形状の歯車である。歯数は、第１のターゲット３４と第２のターゲット３５とが同数Ｎ（例えば３６）で、第３のターゲット３６はＮとは互いに素（１以外の公約数をもたない）である数（例えば３５）である。
そして、ターゲット３４〜３６の歯は、歯先面の周方向側の両端部が角部になっている。本発明は、この点が最大のポイントである。すなわち、従来はターゲット３４〜３６の歯側面がインボリュート曲面であり、歯先面の両端部がなだらかな曲面で角部になっていなかったが、本発明では角部になるようにしているからである。これにより、この角部を基準として歯ピッチを直接的に計測できるのでターゲットの検査を簡単に行うことが可能となる。
具体的には、図３に示すように、ターゲット３４は、その歯先面７１が円弧状で、歯底面７２も円弧状になっている。また、歯側面７３は、平面になっている。さらに、歯先面７１の周方向の両端部７４、すなわち歯先面７１と歯側面７３との境界（稜線）が角部になっている。これにより、同図に示すように、角部となった両端部７４を基準として、歯ピッチＬを直接計測することができる。
このようなターゲット３４は、例えば、磁性体製の円板に対しフライス盤等を用いて歯切り加工、もしくはプレス加工、焼結加工を施すことで簡単に製造することができる。
なお、ターゲット３５，３６も同様であるので説明は省略する。
【００１５】
図１、図２に戻って、第１〜第３のターゲット３４〜３６と対向する位置に配置される第１〜第３の磁気センサＡ１，Ｂ１，Ａ２，Ｂ２，Ａ３，Ｂ３は、３段２列に配置されており、これらはセンサボックス１０に収められている。そして、センサボックス１０は、車体の所定位置に固定されており、第１〜第３のターゲット３４〜３６と第１〜第３の磁気センサＡ１，Ｂ１，Ａ２，Ｂ２，Ａ３，Ｂ３との所定距離のギャップを維持できるようになっている。なお、上述したように、二個一組の第１の磁気センサＡ１，Ｂ１は、互いに離隔した状態で配置されている。同様に、二個一組の第２の磁気センサＡ２，Ｂ２は、互いに離隔した状態で配置され、二個一組の第３の磁気センサＡ３，Ｂ３は、互いに離隔した状態で配置されている。
【００１６】
上記の各磁気センサＡ１〜Ａ３，Ｂ１〜Ｂ３は、磁界の作用により抵抗が変化する特性をもつ素子、例えば磁気抵抗効果素子（ＭＲ素子）を有するものであり、対向するターゲット３４〜３６の歯先面との距離により主に決定される周期的に変化する電圧信号を出力する。詳細には、ドライバーのステアリング操作に応じて、第１のターゲット３４が入力軸３２とともに回転すると、主に第１の磁気センサＡ１，Ｂ１と歯先面との距離により出力信号は入力軸３２およびターゲット３４の回転角の変化（角変位）に応じて変化する周期信号となる。また、第２のターゲット３５が出力軸３３とともに回転すると、主に第２の磁気センサＡ２，Ｂ２と歯先面との距離により出力信号は出力軸３３およびターゲット３５の回転角の変化に応じて変化する周期信号となる。また、第３のターゲット３６が出力軸３３とともに回転すると、主に第３の磁気センサＡ３，Ｂ３と歯先面との距離により出力信号は出力軸３３およびターゲット３６の回転角の変化に応じて変化する周期信号となる。そして、ターゲット３４〜３６として、上述したような、歯ピッチＬの管理を高度に行うことが可能な平歯車形状の歯車（図３参照）を用いているので、周期信号にずれがなく、より正確な出力信号が得られる。
【００１７】
また、第１の磁気センサＡ１とＢ１とは、それらの出力信号が、図４に示すように、電気角で例えばπ／２の位相差を生じるよう離隔した状態で配置されている。同様に、第２の磁気センサＡ２とＢ２とは、それらの出力信号がπ／２の位相差を生じるよう離隔した状態で配置され、第３の磁気センサＡ３とＢ３とは、それらの出力信号がπ／２の位相差を生じるよう離隔した状態で配置されている。このように、出力信号の位相を各々ずらすことにより、非線形な変化が出力波形の極大値および極小値付近で現れたときでも、後述する制御ユニット２１は２つの磁気センサＡ１〜Ａ３，Ｂ１〜Ｂ３の一方の信号が非線形領域のときは他方の線形領域の信号を用いることができ、入出力軸３２，３３の各回転検出精度が低下するのを防ぐことができる。
【００１８】
制御ユニット２１は、第１〜第３の磁気センサＡ１〜Ａ３，Ｂ１〜Ｂ３の出力信号を用いて（必要に応じて、この出力信号は図示しないＡ／Ｄコンバータによってデジタル信号に変換されて用いられる、以下演算に関する説明で同様）所定の演算を行う演算部２１ａと、この演算部２１ａの演算結果に基づき電動モータ６の駆動制御を行う駆動制御部２１ｂとを備えている。この制御ユニット２１には、車速センサ２２によって検出された車速の信号が入力されるようになっており、自動車の走行速度を鑑みて電動モータ６で発生させる回転力を決定するようになっている。また、制御ユニット２１には、不揮発性メモリ等により構成されたデータ記憶部（図示せず）が設けられており、このデータ記憶部には、電動モータ６の駆動制御に必要なプログラムやテーブル化された情報等が予め格納され、さらには当該ユニット２１の各部での演算結果などや上記車速センサ２２などからの自動車の走行状態等を示す情報が適宜記憶される。
【００１９】
演算部２１ａは、磁気センサＡ１〜Ａ３，Ｂ１〜Ｂ３の出力信号を用いて対応する入出力軸３２，３３の各回転角を検出する回転角検出部の機能、この回転角検出部によって検出された上記各回転角を用いて上記操舵部材１に加わる操舵トルクを検出するトルク検出部の機能、および上記検出された各回転角を用いて操舵部材１に加わる操舵トルクおよび操舵角を演算により求め、その求めた操舵トルクおよび操舵角に基づき上記操舵補助部から付与させる操舵補助力を決定する機能をもつように構成されている。具体的には、演算部２１ａは、所定のサンプリング周期で、例えば磁気センサＡ１，Ｂ１，Ａ２，Ｂ２の出力信号を取得し、対応する入力軸３２および出力軸３３の回転角を得た後、入出力軸３２，３３の相対回転角の絶対値を求めて、上記操舵部材１に加わる操舵トルクおよび操舵角を算出する。また、演算部２１ａは、算出した操舵トルクおよび操舵角に基づき電動モータ６への指令値を決定し駆動制御部２１ｂに指示する。なお、演算部２１ａが、第３の磁気センサＡ３，Ｂ３の出力信号を用いることにより、出力軸３３の絶対回転角の絶対値を求め、上記操舵トルクおよび操舵角を算出することもできる。
上記駆動制御部２１ｂは、演算部２１ａから指示された指令値に基づいて電動モータ６に電流を供給して当該電動モータ６を駆動する。これにより、本実施形態の電動パワーステアリング装置は、ドライバーの操舵動作を検出しその動作に応じた操舵補助力を付与することができる。
【００２０】
なお、上記の説明では、ターゲット３４〜３６として、図３に示すような平歯車形状の歯車を用いる場合について説明したが、本発明はこれに限定するものではなく、例えば、図５に示すような歯車を用いてもよい。すなわち、ターゲット３４〜３６は、その歯先面８１が円弧状で、各歯先面８１の間に存在する面が、歯側面と歯底面との境界がない、径方向に凹設された円弧面８２で、歯先面８１の周方向の両端部８３、すなわち歯先面８１と円弧面８２との境界（稜線）が角部になっているものでもよい。なお、このものは、フライス盤による歯切り加工、プレス加工、焼結加工等により簡単に製造することができる。
また、図６に示すような歯車を用いてもよい。すなわち、ターゲット３４〜３６は、その歯先面９１が円弧状で、歯底面９２も円弧状で、歯側面９３が歯の内側に凹設された円弧状で、歯先面９１における周方向側の両端部９４、すなわち歯先面９１と歯側面９３との境界（稜線）が角部になっているものでもよい。なお、このものは、フライス盤による歯切り加工、プレス加工、焼結加工等により製造することができる。
【００２１】
また、上記の説明では、減速機構と電動モータ６とで上記操舵系に操舵補助力を付与する操舵補助部を有する電動パワーステアリング装置に適用した場合について説明したが、本発明の回転角検出装置及びトルク検出装置は、これに限定されるものではなく、回転体の回転角や回転体に加わるトルクを検出する各種検出装置に適用できるものであり、例えば、上記操舵トルクなどに基づき油圧バルブを制御する油圧式パワーステアリング装置にも適用することができる。
【００２２】
【発明の効果】
以上のように、請求項１の回転角検出装置によれば、歯先面における周方向側の両端部が角部になっているので、検査が容易なものを提供できる。
特に、上記の回転角検出装置において、各歯の歯側面が平面である場合、あるいは各歯の歯先面の間が径方向に凹設された円弧面である場合には、簡単な形状であるので、製造コストを抑制でき、その結果として安価になるという利点がある。
【００２３】
請求項４のトルク検出装置によれば、上記した回転角検出装置が組み込まれているので、同様に、検査が容易なものを提供できる。特に、各歯の歯側面が平面である場合、あるいは各歯の歯先面の間が径方向に凹設された円弧面である場合には、同様に、安価になるという利点がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態による電動パワーステアリング装置の構造を模式的に示す図である。
【図２】上記電動パワーステアリング装置におけるトーションバー、入力軸、出力軸、各ターゲット、および磁気センサを模式的に示す図である。
【図３】ターゲットの一例を模式的に示す部分的な平面図である。
【図４】上記磁気センサからの出力信号（電圧）を示すグラフである。
【図５】ターゲットの他の例を模式的に示す部分的な平面図である。
【図６】ターゲットのさらに他の例を模式的に示す部分的な平面図である。
【図７】従来のインボリュート歯形をしたターゲットを模式的に示す部分的な平面図である。
【符号の説明】
３４ターゲット
７１歯先面
７２歯底面
７３歯側面
７４周方向側の両端部
Ｌ歯ピッチ

Claims

回転体と同行回転可能に設けられその軸の周方向に略等間隔で突き出した磁性体からなる歯を複数有する平歯車形状のターゲットと、前記歯に対向する位置に配置され前記回転体の回転に応じた出力信号を出力する磁気センサとを備え、前記出力信号を用いて前記回転体の回転角を検出する回転角検出装置であって、
前記平歯車形状のターゲットは、全ての歯の歯先面における周方向側の両端部が、角部になっていることを特徴とする回転角検出装置。
各歯の歯側面が平面である請求項１記載の回転角検出装置。
各歯の歯先面の間が径方向に凹設された円弧面である請求項１記載の回転角検出装置。
第１の回転軸とこの回転軸と同軸的に連結された第２の回転軸とを備えた回転体に対して、前記第１および第２の各回転軸に請求項１〜３のいずれか一項に記載の回転角検出装置を設けるとともに、
対応する前記回転角検出装置によって検出された前記第１および第２の回転軸の各回転角を用いて、前記回転体に加わるトルクを検出するトルク検出部を設けたことを特徴とするトルク検出装置。