【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は回転軸の回転角を計測する角度センサ、角度とトルクを計測する一体化構造の角度・トルクセンサ、及びそれを用いた電動パワーステアリング装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
電動パワーステアリング装置は、運転者の操舵トルクに応じて、モータのトルクを発生し、タイヤの転舵を補助する装置である。このモータのトルクを制御するためには、操舵トルクの大きさを検出する必要があり、安価なトルクセンサが不可欠である。
【０００３】
電動パワーステアリングを装着していない自動車においては、走行中にハンドルを手放した場合、タイヤが自動的に直進方向に向くようになっている。
【０００４】
一方、電動パワーステアリング装置を装着した自動車の場合には、手放し状態で走行しても、モータが負荷状態となって、タイヤが自動的に直進方向を向くとは限らない。そのような状態のときには、電動パワーステアリング装置は、モータを用いて、タイヤが直進方向になるように制御する。
【０００５】
従って、電動パワーステアリング装置では、トルクセンサのほかに、直進方向に対するタイヤの角度を検出する角度センサ、いわゆる舵角センサが必要である。
【０００６】
従来からトルクセンサとして、特許文献１（特開平５−１４９８０５号公報）、特許文献２（特開平６−１０２１１３号公報）に記載されているような非接触式トルクセンサが知られている。これらの装置は、トーションバーのねじれをインダクタンスの変化として検出している。そのため、検出精度やパラメータに対するロバスト性に優れている。
【０００７】
ステアリングホイールに接続された入力軸及び出力軸は、運転者の操作により回転する。出力軸の回転により、左右のタイヤの方向を転舵することができる。
【０００８】
電動パワーステアリング装置は、入力軸と出力軸の間に取り付けられたトルクセンサにより、運転者の操舵トルクを検出する。コントローラは、この検出したトルクを用いて、モータが発生すべき基準のアシストトルクを算出する。
【０００９】
電動パワーステアリング装置は、タイヤの転舵方向を示す舵角を検出する角度センサを備えている。この角度センサにより舵角を検出し、コントローラに入力する。コントローラは、車両の走行速度、舵角に応じて、アシストトルクを補正する演算を行ない、モータの発生するトルクを制御する。従って、電動パワーステアリング装置を制御するためには、運転者の操舵トルクと舵角を検出できるセンサが必要である。
【００１０】
操舵トルクを検出するトルクセンサは、入力軸と出力軸の間に配置されている。トルクセンサには、操舵トルクに応じてねじれるトーションバーが入力軸と出力軸の間に接続されている。また、トーションバーの入力軸側、及び、出力軸側には、それぞれ入力軸検出リング、出力軸検出リングが配置される。
【００１１】
これらの検出リングは、歯形状の磁性体を有しており、それぞれ入力軸及び出力軸と一体になって回転する。これらの検出リングの外周には、車体に固定されたトルク検出コイルが配置されている。トルク検出コイルの外周部に形成される磁路は、入力軸検出リング、出力軸検出リングとともに、コイルの周りを取り囲む磁性体により形成されている。
【００１２】
運転者がステアリングホイールを操舵すると、操舵トルクによりトーションバーがねじれる。このトーションバーのねじれにより、入力軸検出リングの歯形状磁性体と、それに対面した出力軸検出リングとの位置関係がずれる。その結果、トルク検出コイルのインダクタンスが変化する。従って、トルク検出コイルに高周波電圧を印加して、インダクタンスを検出することにより、操舵トルクを得ることができる。
【００１３】
インダクタンスを検出する際に、温度によりその出力値が変化する場合がある。その温度変化を補償するために、補償リングと補償コイルを備えている。補償リングは、入力軸と一体になって回転する。補償コイルは、補償コイルの外周部にある磁路、入力軸検出リングの磁性体、及び、歯形状の部分を含む補償リングの磁性体とから構成される磁路に取り囲まれる構造になっている。
【００１４】
この補償コイルで検出されるインダクタンスは常に一定であり、トルク検出コイルで操舵トルクが０のときに検出されるインダクタンスと同じになるように設定されている。そこで、トルク検出コイルの出力と補償コイルと出力の差を操舵トルクとして検出する。
【００１５】
トルク検出コイルと補償コイルは、それぞれ抵抗を介して発振器に接続されている。発振器からはそれぞれのコイルのインダクタンスを検出するための高周波信号が出力される。この信号が印加されると、トルク検出コイルの出力、補償コイルの出力はそれぞれインダクタンスの状態により変化する。
【００１６】
トルク検出コイルと補償コイルの出力が差動増幅器に入力されて、両者の差が出力される。この出力値が操舵トルクに比例するので、出力増幅器により増幅されて操舵トルクτを得る。
【００１７】
このような構成を採用することにより、周囲温度が変化したときのコイル抵抗の変化や出力特性の変化の影響を補償できるので、簡単な構造で、高精度のトルク検出を行うことができる。
【００１８】
また、インダクタンスの変化は、入力、出力軸検出リングの対面する歯形状の磁性体面積の総和で決定されるので、個々の歯の加工精度がインダクタンスに影響する割合を低減できる利点がある。このトルクセンサは、簡単な構造であるにもかかわらず、優れた特性を持っている。なお、角度センサとしては、接触式のポテンショメータを用いた角度センサがよく知られている。
【００１９】
また、トルクセンサと角度センサを一体にし、構造をコンパクト化することが提案されている。例えば、特許文献３（特開２００１−９１３７５号公報）、特許文献４（特開２００１−９１３７７号公報）などに記載されているような磁気センサやインダクタンスの変化を利用した装置が提案されている。
【００２０】
【特許文献１】
特開平５−１４９８０５号公報
【特許文献２】
特開平６−１０２１１３号公報
【特許文献３】
特開２００１−９１３７５号公報
【特許文献４】
特開２００１−９１３７７号公報
【００２１】
【発明が解決しようとする課題】
従来の装置は、優れたインダクタンス方式のトルクセンサである。しかしながら、電動パワーステアリング装置にインダクタンス方式のトルクセンサを適用する場合には、その他に、別途、舵角センサを配置しなければならなかった。これは取付コストや省スペース化の点から十分ではなかった。
【００２２】
本発明の目的は、インダクタンス方式のトルクセンサとの整合性に優れた簡単な構成で、舵角を精度良く検出する角度センサを提供することである。また、本発明の他の目的は、操舵トルクと舵角をそれぞれ精度良く、一体構造で検出できるセンサを提供することである。
【００２３】
【課題を解決するための手段】
本発明の一つの課題解決手段は、回転軸の回転に応じて回転する磁性体と、前記磁性体で構成される磁路中に磁束を発生させるコイルと、前記回転軸の回転により変化する磁束を検出する磁気感応素子と、その磁束の変化に応じた磁気感応素子の出力を用いて前記回転軸の回転角度を検出する検出回路を備えることである。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施例を図面を用いて説明する。図１は、角度・トルクセンサを用いた電動パワーステアリング装置の一構成例を示す略図である。ステアリングホイール１０に接続された入力軸１２と出力軸１４は、運転者のステアリングホイール１０の操作に応じて回転する。出力軸１４の回転により、左右のタイヤ１６ａ、１６ｂの方向を転舵することができる。
【００２５】
電動パワーステアリング装置は、入力軸１２と出力軸１４の間に取り付けられた角度・トルクセンサ１８により、運転者の操舵トルクτ及び舵角θを検出する。コントローラ２０は、車両の走行速度、検出したトルクτ、舵角θを用いて、アシストトルクを補正する演算を行って、モータ２２の発生すべきトルクを制御する。
【００２６】
電動パワーステアリング装置は、上記の原理に基づいて動作する。従って、電動パワーステアリング装置を制御するためには、運転者の操舵トルクτと舵角θを検出できるセンサが必要である。
【００２７】
図２は、回転に伴うインダクタンスの変化を利用してトルクを検出するトルクセンサと、局所的な磁束の変化状態から角度を検出するステアリング用一体構造の角度・トルクセンサ１８の一実施例を示す構成図である。
【００２８】
角度・トルクセンサ１８には、操舵トルクτに応じてねじれるトーションバー２４が入力軸１２と出力軸１４の間に接続される。また、トーションバー２４の入力軸側及び出力軸側には、それぞれ入力軸検出リング２６、出力軸検出リング２８が配置される。
【００２９】
これらの検出リング２６、２８は歯形状の磁性体を有しており、それぞれ入力軸１２及び出力軸１４と一体になって回転する。検出リング２６、２８の歯形状は、図４に示すように連続して凹凸形状を反復して形成されており、検出リング２６、２８の周辺端部に沿って設けられている。検出リング２６、２８のそれぞれの歯形状は、互いに対向している。これらの検出リング２６、２８の外周に対向して、車体に固定されたトルク検出コイル３０が配置されている。
【００３０】
内部状態を明示するために、図２ではリング状の検出コイル３０を切断した断面図で示している。トルク検出コイル３０の外周部にある磁路３２は、入力軸検出リング２６、出力軸検出リング２８とともに、コイルの周りを取り囲む磁性体によって構成されている。
【００３１】
運転者がステアリングホイール１０（図１）を操舵すると、操舵トルクによりトーションバー２４がねじれる。このトーションバー２４のねじれにより、入力軸検出リング２６の歯形状磁性体と、それに対面した出力軸検出リング２８の歯形状磁性体との位置関係が図４に示すように相対的にずれる。その結果、トルク検出コイル３０のインダクタンスが変化する。
【００３２】
従って、トルク検出コイル３０に高周波電圧を印加して、インダクタンスを検出することにより、操舵トルクτを得ることができる。なお、操舵トルクτが０のときには、入力、出力軸検出リング２６、２８の歯形状磁性体は、図４に示すように相互に１／２の面積が対面し、ほぼ中間のインダクタンスを計測できる構造になっている。
【００３３】
インダクタンスを検出する際に、温度によりその出力値が変化する場合がある。それを補償するために、補償リング３４と補償コイル３６を備えている。補償リング３４は、入力軸１２と一体になって回転する。補償コイル３６は、その外周部にある磁路３８、入力軸検出リング２６を構成する磁性体、及び、歯形状の部分を含む補償リング３４を構成する磁性体からなる磁路に取り囲まれる構造になっている。補償リング３４の歯形状も検出リング２６、２８と同じようにその歯形状は、連続して凹凸形状を反復して形成されており、その周辺端部に沿って設けられている。
【００３４】
この補償コイル３６で検出されるインダクタンスは常に一定であり、トルク検出コイル３０で操舵トルクτが０のときに検出されるインダクタンスと同じになるように設定されている。そこで、トルク検出コイル３０の出力と補償コイル３６と出力の差を操舵トルクτとして検出する。
【００３５】
トルク検出コイル３０と補償コイル３６は、図６に示すように、それぞれ抵抗４０，４２を介して発振器４４に接続されている。トルク検出コイル３０と補償コイル３６は、それぞれ並列接続されたキャパシタ４６，４８を有する。
【００３６】
各発振器４４からは、それぞれのコイル３０，３６のインダクタンスを検出するための高周波信号が出力される。この信号が印加されると、トルク検出コイル３０の出力、補償コイル３６の出力はそれぞれインダクタンスの状態により変化する。
【００３７】
トルク検出コイル３０と補償コイル３６の出力は、差動増幅器５０に入力されて、両者の差が出力される。この出力値が操舵トルクτに比例するので、出力増幅器５２により増幅されて操舵トルクτを得る。
【００３８】
このような構成を採用することにより、周囲温度が変化したときのコイル抵抗の変化や出力特性の変化の影響を補償できるので、簡単な構造で、高精度のトルク検出を行うことができる。
【００３９】
また、インダクタンスの変化は、入力、出力軸検出リング２６，２８の対面する歯形状の磁性体面積の総和で決定されるので、個々の歯の加工精度がインダクタンスに影響する割合を低減できる利点がある。このトルクセンサは、簡単な構造であるにもかかわらず、優れた特性を持っている。
【００４０】
この実施例は、コンパクト化を目的として、トルクセンサと角度センサは、一体構造である。ステアリング用角度・トルクセンサ１８は、回転に伴うインダクタンスの変化を利用して、トーションバーのねじれ角によりトルクを検出するトルクセンサと、ステアリングの入力軸の回転により変化する回転角度、つまり、舵角を検出する角度センサを一体構造にしたものである。
【００４１】
すなわち、この実施例は従来の装置と異なり、磁気感応素子の１つであるホール素子を有する角度検出部５４を入力軸検出リング２６と補償リング３４の間に挿入している。この角度検出部５４は、補償コイル３６とともに、車体に固定されており、回転しない構造になっている。
【００４２】
なお、図２の角度・トルクセンサ１８を分解したときの各部品の形状を図３に示す。図３に示すように、この角度・トルクセンサ１８は、ステアリング１０の入力軸１２、出力軸１４の間に配置されている。
【００４３】
この実施例では、トルクと角度が１つのセンサ１８で検出できるようにしているため、取付けが容易である。しかも、図２，３の角度・トルクセンサ１８は、従来の角度センサ、トルクセンサと同じ機能を持っている。
【００４４】
ステアリングホイール１０の操舵トルクτを検出する原理は、図２のトーションバー２４のねじれにより生じる入力軸検出リング２６と出力軸検出リング２８の相対位置関係を、インダクタンスの変化としてトルク検出コイル３０で検出することである。補償コイル３６、入力軸検出リング２６、補償リング３４の動作は、温度などによる出力変化を補償するものである。
【００４５】
このようなセンサにおいて、図２のように、角度検出部５４を挿入することにより、舵角を検出する原理について説明する。図５に、２つのホール素子５６，５８を有する角度検出部５４の配置を示す。
【００４６】
図２の補償リング３４の歯幅、及び、歯と歯の間の長さをいずれもピッチλとする。角度検出部５４において、長さがほぼλ／２のホール素子５６，５８は、隣接して配置されている。ホール素子５６，５８は、それぞれの入力端子Ｖｃｃ、ＧＮＤに電圧が印加され、入力電流が流れる。
【００４７】
ここで、ホール素子５６の垂直方向に磁束密度Ｂが加わると、それに比例して、出力端子Ｖａ１、Ｖａ２の間に出力電圧Ｖａが発生する。同様に、ホール素子５８の出力端子Ｖｂ１、Ｖｂ２の間には、その素子に加わる磁束密度に比例して、出力電圧Ｖｂが発生する。
【００４８】
図７に角度検出部５４と補償リング３４の相対位置関係が変化したときの展開図を示す。図７において、（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）はそれぞれ補償リング３４の電気角が０°、９０°、１８０°、２７０°になったときの位置関係を示す。図７では、図７（ａ）から図７（ｄ）まで、歯先面３４ａ、歯底面３４ｂが正方向に回転していることを示している。
【００４９】
なお、電気角３６０°は実際の機械角４５°に相当する。この電気角から入力軸１２の回転角度、つまり、舵角θを算出するものである。図８には、補償リング３４が回転したときのホール素子５６，５８の出力電圧Ｖａ、Ｖｂの特性を示す。横軸は図７の補償リング３４の電気角である。
【００５０】
図７（ａ）に示すように、電気角が０°の場合、いずれも磁束密度がほぼ０なので、ホール素子５６，５８の出力電圧Ｖａ、Ｖｂは０となっている。この状態から補償リング３４が正方向に回転すると、ホール素子５６の磁束密度は大きくなり、出力電圧Ｖａも増加する。
【００５１】
図７（ｂ）のように、電気角９０°になったときには、その磁束密度が最大となり、出力電圧Ｖａも最大となる。そのとき、ホール素子５８に加わる磁束密度はほぼ０である。さらに、補償リング３４が９０°から１８０°まで回転すると、ホール素子５８の磁束密度が増加し、その出力電圧Ｖｂは０から最大値まで変化する。
【００５２】
その間におけるホール素子５６の磁束密度はほぼ変化しないので、出力電圧Ｖａは最大値を保持する。図７（ｃ）に示すように、電気角が１８０°のときには、ホール素子５６，５８はいずれも磁束密度が最大になるので、そのときの出力電圧Ｖａ、Ｖｂはいずれも最大値になっている。
【００５３】
補償リング３４が１８０°から３６０°まで回転する場合についても、同様に、ホール素子５６，５８に加わる磁束密度が電気角に応じて変化し、それぞれの出力電圧Ｖａ、Ｖｂは図８に示すような特性となる。このような出力が入力軸１２の回転角度に応じて得られるので、角度検出部５４の出力電圧Ｖａ、Ｖｂから舵角θを算出することができる。
【００５４】
この実施例によれば、従来の電動パワーステアリング装置に用いられているトルクセンサにホール素子を配置し、トルクセンサに用いている磁束の変化状態を検出することにより、角度を得ることができる。そのため、センサの体積を大きくすることなく、トルクと角度を一体構造で正確に検出できる効果がある。
【００５５】
次に、磁気感応素子としてホール素子でなく、磁気抵抗効果素子を用いた場合の実施例を図９に示す。
【００５６】
図９が図２と異なる点は、ホール素子を有する角度検出部５４の代わりに、磁気抵抗効果素子を有する角度検出部６０を、補償コイル３６と磁路３８の間に配置したことである。
【００５７】
まず、角度検出部６０に発生する磁束の状態を図１０に示す。図１０は軸を含む平面を断面とする補償リング３４、磁路３８、角度検出部６０の断面図である。
【００５８】
図１０（ａ）のように、歯がある断面の場合、歯先面３４ａを通して、入力側検出リングからの磁束が集中し、磁路３８に流れる。この際、歯先面３４ａを通過した一部の磁束は角度検出部６０の面を斜め下方向から横切り、磁路３８に入る。
【００５９】
これに対して、図１０（ｂ）に示すように、歯がない断面の位置では、歯底面３４ｂから入ってくる磁束は少なく、歯がある位置から入ってきた磁束が円周方向に流れて磁路３８に磁束が流れる。
【００６０】
そのため、図１０（ｂ）において、角度検出部６０を通る磁束は図１０（ａ）の場合と比較して少ない。従って、角度検出部６０の面に生じる磁界の大きさは、補償リング３４の歯の有無、つまり、補償リング３４の位置により変化する。
【００６１】
磁気抵抗効果素子は、素子の面に発生する磁界が大きくなるにしたがい、電気的な抵抗値が小さくなる特性を持っている。そこで、角度検出部６０に磁気抵抗効果素子を備え、その面に発生する磁界の大きさを検出するものである。
【００６２】
次に、角度検出部６０の具体的な構成について、図１１を用いて説明する。図１１に示す角度検出部６０において、４つの磁気抵抗効果素子ＭＲ１、ＭＲ２、ＭＲ３、ＭＲ４がλ／２の間隔で配置されている。
【００６３】
図１１では、長さがほぼλ／２の磁気抵抗効果素子ＭＲ３、ＭＲ１が右から順に隣接し、λ／２の間隔を置いて、同じ長さの磁気抵抗効果素子ＭＲ２、ＭＲ４が並んでいる。また、電源端子Ｖｃｃ、グランド端子ＧＮＤに対して、直列に接続された２つの磁気抵抗効果素子ＭＲ１、ＭＲ３の間を出力端子ａとしている。
【００６４】
同様に、出力端子ｂは磁気抵抗効果素子ＭＲ２、ＭＲ４で直列接続された間の端子である。図１２にその回路構成を示す。角度検出部６０の電源端子Ｖｃｃを電圧源６２に接続している。
【００６５】
磁気抵抗効果素子の動作については、後述するが、出力端子ａ、ｂからは、入力軸１２の回転角度に応じて、電気角９０°の位相差を持つ２相の正弦波状の電圧Ｖａ、Ｖｂが発生する。次に、角度演算回路６４では、Ｖａ、Ｖｂを入力し、式（１）により、角度演算を行っている。
【００６６】
θ＝ｔａｎ−１［（Ｖｂ−Ｖｏ）／（Ｖａ−Ｖｏ）］ ・・・（１）
ここで、Ｖｏはオフセット電圧である。この方法で舵角を検出することができる。
【００６７】
磁気抵抗効果素子の動作について、図１３、図１４を用いて説明する。
【００６８】
図１３（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）は、固定している角度検出部６０に対して、補償リング３４がそれぞれ０°、９０°、１８０°、２７０°の電気角に回転したときの位置関係を示した配置図である。
【００６９】
図１３（ａ）の場合には、磁気抵抗効果素子ＭＲ１の面に最大の磁束が発生し、磁気抵抗効果素子ＭＲ２、ＭＲ３、ＭＲ４の面は磁束が０になっている状態である。このとき、それぞれの磁気抵抗効果素子ＭＲ１の抵抗が最小値、磁気抵抗効果素子ＭＲ２、ＭＲ３、ＭＲ４が抵抗最大となる。出力端子ａの電圧Ｖａは、電圧の中心値であるオフセット電圧ＶｏよりもＶｓだけ大きく、最大値となる。
【００７０】
出力端子ｂの電圧Ｖｂは、磁気抵抗効果素子ＭＲ２とＭＲ４の抵抗値が同じなので、オフセット電圧Ｖｏとなっている。次に、図１３（ａ）の状態から補償リング３４が正方向に回転すると、徐々に、磁気抵抗効果素子ＭＲ１の面に発生する磁束が減少し、磁気抵抗効果素子ＭＲ２の面の磁束が増加する。それにより、磁気抵抗効果素子ＭＲ１の抵抗値が増加し、磁気抵抗効果素子ＭＲ２の抵抗値が減少する。
【００７１】
図１３（ｂ）に示すように、補償リング３４の回転角度が９０°になったとき、ＭＲ２だけが最大磁束となり、磁気抵抗効果素子ＭＲ１、ＭＲ３、ＭＲ４は磁束０となる。そのため、磁気抵抗効果素子ＭＲ２の抵抗が最大値、磁気抵抗効果素子ＭＲ１、ＭＲ３、ＭＲ４の抵抗が最小値になる。
【００７２】
電圧Ｖａは図１３（ａ）から図１３（ｂ）まで回転すると、最大電圧（Ｖｏ＋Ｖｓ）の状態からオフセット電圧Ｖｏまで減少する。電圧Ｖｂについては、磁気抵抗効果素子ＭＲ２の抵抗変化により、オフセット電圧Ｖｏから最大電圧（Ｖｏ＋Ｖｓ）に増加する。
【００７３】
補償リング３４の回転角度が９０°から１８０°まで回転するとき、つまり、図１３（ｂ）から図１３（ｃ）まで回転するときには、磁気抵抗効果素子ＭＲ３、及び、ＭＲ４の面に発生する磁束が増加し、それぞれの抵抗値が減少する。そのため、電圧Ｖａは、オフセット電圧Ｖｏの状態から最小電圧（Ｖｏ−Ｖｓ）に、電圧Ｖｂは最大電圧（Ｖｏ＋Ｖｓ）の状態からオフセット電圧Ｖｏに、それぞれ減少する。
【００７４】
同様に、補償リング３４の回転角度が１８０°から２７０°まで、２７０°から３６０°（０°）までについても、それぞれの磁気抵抗効果素子の面に発生する磁束が変化し、出力端子ａ、ｂの電圧Ｖａ、Ｖｂが変化する。この状態をまとめた表が図１４である。
【００７５】
以上のように、電気角で０°から３６０°まで回転することにより、Ｖａ、Ｖｂは９０°の位相を持った正弦波状の電圧となるので、図１２の回路で示した角度演算回路６４において、式（１）のような逆正接の演算を行うことにより、入力軸１２の回転角度を算出することができる。
【００７６】
この実施例の場合についても、角度検出部６０の他には、従来から用いている出力補償用磁束の変化を利用しているので、安価に角度検出機能をトルク検出機能に追加できる利点がある。
【００７７】
図１５はステアリングホイール１０が３回転乃至４回転する絶対角度を検出することができる角度・トルクセンサ１８の実施例である。
【００７８】
図１５が図２、図９と異なる点は、入力軸検出リング２６と補償リング６６の形状、補償コイル３６の外周にある磁路３８の形状、磁気感応素子である磁気抵抗効果素子を備えた角度検出部６８、７０を備えたこと、及び、補償リング６６の回転数をわずかに減速するための減速ギア機構７２を備えたことである。図１５の機構を表した断面図を図１６に示す。入力軸１２には、入力軸検出リング２６と減速機構７２の第１ギア７２ａが取り付けられており、入力軸１２と同じ回転をする。
【００７９】
減速機構７２を構成する第１ギア７２ａ、第２ギア７２ｂ、第３ギア７２ｃ、第４ギア７２ｄにおいて、第１ギア７２ａと噛み合う第２ギア７２ｂは第３ギア７２ｃと一体になって回転する構造になっている。第３ギア７２ｃは補償リング６６に取り付けられた第４ギア７２ｄと噛み合う構造になっている。
【００８０】
ここで、これらの歯数の関係は入力軸１２が１回転したとき、補償リング６６が３１／３２回転するように設計されている。このようにすると、ステアリングホイール１０が４回転したとき、入力検出リング２６も４回転するのに対して、補償リング６６は（３＋７／８）回転する。そのとき、入力検出リング２６と補償リング６６の相対的な回転角度差は機械角で４５°（１／８回転）となる。
【００８１】
また、角度検出部６８は入力軸検出リング２６の電気角を検出するため、角度検出部７０は、補償リング６６を検出するために、それぞれ磁路３８の入力軸検出リング２６側と補償リング６６側に斜めに配置されている。
【００８２】
角度検出部６８、７０において、それぞれに配置している磁気抵抗効果素子ＭＲ１、ＭＲ２、ＭＲ３、ＭＲ４の面に平行する磁界成分の大きさに応じて、それぞれの抵抗値が変化するので、角度検出部６８、７０は入力軸１２に対して斜めに傾斜させている。
【００８３】
これにより、入力軸検出リング２６では、角度検出部６８の磁気抵抗効果素子の回転角度が歯先部２６ｃにあるとき、抵抗値が最小となり、歯底部２６ｄにあるとき、抵抗値が最大値になる。
【００８４】
そこで、図１７（ａ）に示すように、角度検出部６８の磁気抵抗効果素子ＭＲ１、ＭＲ２、ＭＲ３、ＭＲ４の配置並びに配線接続方法を図１５の場合と同じようにすると、角度検出部６８から得られる入力軸検出リング２６の角度（電気角）θ１は図１８のようになる。
【００８５】
同様に、図１７（ｂ）に示す角度検出部７０の磁気抵抗効果素子ＭＲ１、ＭＲ２、ＭＲ３、ＭＲ４が、補償リング６６の歯先部６６ａ、歯底部６６ｂの磁界状態を計測することにより、補償リング６６の角度（電気角）θ２を図１８のように得ることができる。電気角における３６０°はこの実施例の場合、機械角で４５°になる。
【００８６】
前述したように、入力検出リング２６と補償リング６６の回転角度は、ステアリングホイール１０の回転位置により相対的な角度差を持っている。入力軸検出リング２６の角度θ１と補償リング６６の角度（電気角）θ２との差は、図１８に示すようになる。
【００８７】
従って、角度差（θ１−θ２）を検出すれば、ステアリングホイール１０の回転位置が０°から１４４０°（４回転）までのいずれにあるかを一義的に決定できる。
【００８８】
以上説明したように、絶対的な舵角を検出できる。しかも、入力軸検出リング２６の角度θ１の値から分解能の高い回転角度も得られるので、両者を併せて、高分解能の絶対舵角を安価に得ることができる。
【００８９】
なお、入力検出リング２６と補償リング６６との相対角度が変化した場合にも、入力検出リング２６、補償リング６６、磁路３８で構成される補償コイル３６の磁気回路の磁気抵抗は、磁束平滑部２６ｅ、６６ｃがあるため、ほとんど変化しない。そのため、補償コイル３６の磁気回路は、トルクセンサの補償信号を得る従来の役割も果たしている。
【００９０】
図１９は、図１５の補償リング６６で示した磁気回路の歯の形状を、矩形波状から正弦波状に変更したものである。図１９において、歯先部６６ａ、歯底部６６ｂは平坦でなく、正弦波状の最大値、最小値付近の形状になっている。
【００９１】
このとき、磁界の大きさも正弦波状になるので、角度検出部８０の磁気抵抗効果素子ＭＲ１、ＭＲ２、ＭＲ３、ＭＲ４は図１９のように小さくすることができる。つまり、磁気抵抗効果素子ＭＲ１、ＭＲ２、ＭＲ３、ＭＲ４がある局所部分の磁界の強さにより、抵抗値が変化するようになっている。
【００９２】
配置方法としては、歯先部６６ａから歯底部６６ｂまでの距離をλとすると、磁気抵抗効果素子ＭＲ１、ＭＲ２、ＭＲ３、ＭＲ４は距離λ／２毎に順番に並べてある。また、電源端子ＶｃｃとグランドＧＮＤの間に、磁気抵抗効果素子ＭＲ１とＭＲ３、ＭＲ２とＭＲ４をそれぞれ直列に接続して、それぞれの接続端子を出力の端子Ａ、端子Ｂとしている。
【００９３】
具体的な磁界の強さと磁気抵抗効果素子の位置関係を図２０により説明する。補償リング６６の歯先部２４ａは補償コイル３６の磁路３８に最も近いので、磁束が集中し、磁界の強さが最大となる。
【００９４】
図２０（ａ）は補償リング６６の回転角度が電気角で０°になっている場合には、磁気抵抗効果素子ＭＲ１が歯先部６６ａの位置になり、磁気抵抗効果素子ＭＲ１の抵抗値は最小になる。そのとき、磁気抵抗効果素子ＭＲ３は磁界の強さが最も小さい歯底部６６ｂの位置になるように配置されているので、磁気抵抗効果素子ＭＲ３の抵抗値は最大となる。
【００９５】
また、磁気抵抗効果素子ＭＲ２、ＭＲ４が配置されている位置は磁界の強さが中間の値になるので、磁気抵抗効果素子ＭＲ２、ＭＲ４の抵抗値も中間値となる。この場合、端子Ａの電圧は中心電圧であるオフセット電圧ＶｏよりもＶｓだけ大きい値になり、端子Ｂの電圧はオフセット電圧Ｖｏとなる。
【００９６】
また、図２０（ｂ）に示すように、補償リング６６が電気角９０だけ正方向に回転したとき、歯先部６６ａ、歯底部６６ｂはそれぞれ磁気抵抗効果素子ＭＲ２、ＭＲ４の位置になる。
【００９７】
そのため、磁気抵抗効果素子ＭＲ２、ＭＲ４の抵抗値はそれぞれ最小値、最大値になる。磁気抵抗効果素子ＭＲ１、ＭＲ３の抵抗値については、いずれも中間値となる。
【００９８】
そのときには、端子Ａの電圧はオフセット電圧Ｖｏとなり、端子Ｂの電圧はオフセット電圧ＶｏよりもＶｓだけ大きい値になる。さらに、補償リング６６が図２０（ｃ）、（ｄ）のように、１８０°、２７０°と回転した場合にも、同様の原理により、端子Ａ、端子Ｂの電圧はそれぞれ決定される。
【００９９】
その関係をまとめた表を図２１に示す。この表からわかるように、補償リング６６が電気角で３６０°回転すると、端子Ａ、端子Ｂの電圧はオフセット電圧Ｖｏを中心に、互いに９０°異なる２相の正弦波となる。従って、先に説明したように、この２相の正弦波から補償リング６６の角度を算出することができる。
【０１００】
本実施例の特徴は、磁気抵抗効果素子の面積が小さく、さらに低コストで角度検出を得ることができる点である。なお、この方法は、図１５の補償リング６６の角度を検出するものとして説明したが、入力軸検出リング２６の角度検出にも適用できることは言うまでもない。
【０１０１】
図２２は磁気抵抗効果素子をトルク検出にも適用した実施例であり、図１５で示した補償コイル３６、磁路３８、入力軸リング２６、補償リング７０の磁気回路だけを取り出したような構成である。図２２を分解した分解図を図２３に示す。
【０１０２】
このシステムは、入力軸１２に取り付けられた入力軸検出リング８２、出力軸１４に取り付けられた出力軸検出リング８４、入力軸１２と出力軸１４を接続するトーションバー２４、入力軸検出リング８２と出力軸検出リング８４とともに、磁気回路を構成する磁路３２、これらの磁気回路に磁束を発生するトルク検出コイル３０、出力軸１４と入力軸１２の角度を検出する角度検出部６８、７０から構成されている。運転者がステアリングホイール１０を回転すると、入力軸１２に操舵トルクτが発生するため、トーションバー２４が操舵トルクτに比例してねじれる。
【０１０３】
入力軸検出リング８２の回転角度により磁界の大きさが変化し、角度検出部７０に配置した磁気抵抗効果素子ＭＲ１１、ＭＲ１２、ＭＲ１３、ＭＲ１４の抵抗値が変化する。また、角度検出部６８の磁気抵抗効果素子ＭＲ２１、ＭＲ２２、ＭＲ２３、ＭＲ２４の抵抗値は、出力軸検出リング８４の回転角度に応じて変化する磁界の大きさにより決定される。
【０１０４】
そこで、図２４に示すように、トルク検出コイル３０には一定の電流が流れるように、電圧源６２に接続してある。これにより発生する磁束が磁路３２、出力軸検出リング８４、入力軸検出リング８２を通り、上述のように、磁気抵抗効果素子の抵抗値が変化する。
【０１０５】
角度検出部６８では、磁気抵抗効果素子ＭＲ２１とＭＲ２２、ＭＲ２３とＭＲ２４がそれぞれ直列に電圧源６２に接続されており、出力端子Ａ２、Ｂ２の電圧を角度演算回路８６に入力している。この回路で行われる演算は角度演算回路６４（図１２）と同じであり、これにより、出力軸１４の角度θ２を検出することができる。
【０１０６】
同様に、角度検出部７０では、磁気抵抗効果素子ＭＲ１１とＭＲ１２、ＭＲ１３とＭＲ１４がそれぞれ直列に電圧源６２に接続されており、出力端子Ａ１、Ｂ１の電圧を角度演算回路８８に入力している。この角度演算回路８８では、入力軸１２の角度θ１が演算されるので、入力軸１２のトルクτは（θ１−θ２）の差をトルク演算回路９０で算出することで得ている。
【０１０７】
この実施例によれば、ステアリングの角度だけでなく、操舵トルクも本発明により検出することができるので、よりコンパクトな構造で角度・トルクセンサを実現できる。
【０１０８】
図２５の実施例は、２つの検出リングだけで、操舵トルクと絶対舵角を同時に検出するトルク・舵角一体のセンサであり、図２２の装置をさらに拡張したものである。図２５が図２２と異なる点は、入力軸の回転を減速する減速機構９２と、減速した回転軸に配置され、その角度を検出するための角度検出部９４を備えたことである。
【０１０９】
減速機構９２には、入力軸１２に接続された第１ギア９２ａ、このギアにより減速回転する第２ギア９２ｂ、第２ギア９２ｂと同一の軸で回転する第３ギア９２ｃ、第３ギア９２ｃの回転をさらに減速する第４ギア９２ｄから構成されている。
【０１１０】
第４ギア９２ｄは、入力軸１２と同じ回転軸を中心に回転するようになっており、入力軸１２が４回転する間に、第４ギアは機械角で４５°回転（１／８回転）するように設計している。
【０１１１】
これにより、ステアリングホイール１０の回転角度により、第４ギア９２ｃと一体になって回転する角度検出部９４で得られる角度θ３は角度検出部７０で得られる入力軸１２の角度θ１と相対的に変化する。この角度θ１とθ３の関係は図１８に示した特性と同じ関係になるので、角度θ１とθ３の差から、絶対舵角を求めることができる。
【０１１２】
従って、本実施例によれば、２つの検出リングだけを用いて、操舵トルク、絶対舵角、角度分解能の高い相対的な舵角を得ることができる。
【０１１３】
図２６は非磁性体を含むトルクセンサに本発明を適用した実施例である。図２６を分解した図２７の分解図を用いて、基本的な動作を説明する。まず、従来から知られているトルクセンサの部分について説明する。図２７において、入力軸１２と一体になって回転するトルク検出リング９６、補償リング９８は磁性体である。
【０１１４】
それに対して、出力軸１４に接続され、一体になって回転する回転部１００，１０２は非磁性体で構成されている。トーションバー２４は入力軸１２と出力軸１４を接続し、入力軸１２にかかる操舵トルクτによりねじられる。
【０１１５】
トルク検出コイル３０は、トルク検出リング９６と磁路３２で構成される磁気回路のインダクタンスを検出するものであるが、非磁性体の回転部１００に空いた磁束を通す窓とトルク検出リング９６の歯先の相対位置関係により、磁束が通る磁路の断面積が変化する。
【０１１６】
つまり、操舵トルクの大きさにより、磁束の通る磁路の断面積が変化するため、トルク検出コイル３０で検出するインダクタンスが変化する。従って、インダクタンスの大きさを検出することにより、操舵トルクτを算出することができる。
【０１１７】
また、非磁性体の回転部１０２には大きい窓が空いているため、補償リング９８と磁路３８で構成される磁気回路のインダクタンスは、トーションバーのねじれの大きさに拘わらず一定になっている。また、操舵トルクが０のときのインダクタンスを常に保持するために、補償リングの歯先部９８ａは歯底部３５ｂの３倍の角度を占めるように設計されている。
【０１１８】
そのため、補償コイル３６では、操舵トルクが０のときのインダクタンスに対応する出力電圧が常に検出される。この電圧により、トルク検出コイル３０で得られる出力を補償する。このようにすると、温度等により変化する出力信号を補償して、高精度の操舵トルクを得ることができる。
【０１１９】
このトルクセンサにおいて、磁気感応素子であるホール素子１０４，１０６を備えた角度検出部９８を補償コイル３６の内周部に配置している。補償リング９８の歯先部９８ａの長さをＬとすると、ホール素子１０４，１０６はそれぞれ２倍の長さ（２Ｌ）を持っており、ホール素子１０４は磁路３２の左端部に、ホール素子１０６は磁路３２の右端部にそれぞれ配置されている。
【０１２０】
図２６（ａ）に示すように、角度が０°のときには、歯先部９８ａはホール素子１０４にも、ホール素子１０６にも重ならない角度にあり、それぞれの素子が発生する出力電圧は０である。
【０１２１】
補償リング９８が９０°回転して、図２８（ｂ）のような位置関係になると、ホール素子１０４だけに最大の磁束が発生することになる。そのため、ホール素子１０４の出力だけが最大電圧になり、ホール素子１０６の電圧は０のままである。
【０１２２】
さらに、補償リング９８が図２８（ｃ）まで回転するときには、ホール素子１０６の磁束が徐々に大きくなり、それに従って、ホール素子１０６の電圧は最大電圧まで増大する。そのとき、ホール素子１０４の電圧は最大電圧を維持する。
【０１２３】
次に、補償リング９８が２７０°まで回転すると、ホール素子１０４の磁束は徐々に減少し、０に達する。それに応じて、その電圧は０Ｖまで減少する。補償リング９８が２７０°を越えて３６０°まで回転するときには、ホール素子１０６の磁束も減少し、その電圧が０Ｖになる。
【０１２４】
この特性は図２の実施例で説明した図８の特性と同じになる。このようにすることにより、非磁性体を含むトルクセンサにも本発明を適用することができ、操舵トルクと舵角を一体のセンサで検出できる。
【０１２５】
以上本発明の一実施例である、トルクセンサと角度センサを一体にしたコンパクトな電動パワーステアリング用センサについて述べた。また、補償コイルをトルクセンサと角度センサに兼用する装置については、実施例では、電子回路でアナログとして処理しているが、マイクロコンピュータでのソフト処理で実施しても良い。複数の実施例について述べたが、これらを組み合わせて、それぞれの特徴を併せ持つセンサを構築することもできる。
【０１２６】
【発明の効果】
本発明によれば、磁路のインダクタンス変化により操舵トルクを検出するトルクセンサに、磁気感応素子を追加することにより回転角度を簡単な構造で検出できるので、電動パワーステアリング装置に要求される舵角を安価に、しかも、一体化構造で検出できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】角度・トルクセンサを用いた電動パワーステアリング装置の構成例を示す構成図である。
【図２】回転に伴うインダクタンスの変化を利用してトルクを検出するトルクセンサと局所的な磁束の変化状態から角度を検出するステアリング用一体構造の角度・トルクセンサの実施例を示す構成図である。
【図３】図１の角度・トルクセンサ１８を分解した構成要素を表す分解図である。
【図４】検出リングの歯形状磁性体の説明図である。
【図５】２つのホール素子５６，５８を有する角度検出部５４の回路配置を示す配置図である。
【図６】図２に示すトルクセンサに用いるトルク検出回路の詳細図である。
【図７】補償リング３４が回転して角度検出部５４との相対位置関係が変化したときの展開図である。
【図８】補償リング３４が回転したときのホール素子５６，５８の出力電圧Ｖａ、Ｖｂの特性を示す特性図である。
【図９】磁気感応素子としてホール素子でなく、磁気抵抗効果素子を用いた場合の角度・トルクセンサの実施例を示す構成図である。
【図１０】角度検出部６０に発生する磁束の状態を示す状態図である。
【図１１】角度検出部６０の具体的な回路構成を示す配置図である。
【図１２】入力軸１２、補償リング３４の回転角度を検出する角度検出部６０の回路構成を示す回路図である。
【図１３】補償リング３４が回転して角度検出部６０との相対位置関係が変化したときの展開図である。
【図１４】補償リング３４が回転したときに、角度検出部６０の出力端子Ａ、Ｂの電圧Ｖａ、Ｖｂが変化する状態を示す特性表である。
【図１５】ステアリングホイール１０が３回転、乃至、４回転する絶対角度を検出することができる角度・トルクセンサ１８の実施例を示す構成図である。
【図１６】図１４の角度・トルクセンサの断面を示す断面図である。
【図１７】図１４に示す角度検出部６８、７０の磁気抵抗効果素子の配置を示す配置図である。
【図１８】入力軸検出リング２６の角度θ１と補償リング６６の角度θ２との差から絶対舵角を検出するための原理を示す特性図である。
【図１９】図１３の補償リング６６で示した磁気回路の歯の形状を矩形波状から正弦波状に変更して角度を検出するための磁気抵抗効果素子の配置を示す角度検出部８０の配置図である。
【図２０】補償リング６６が回転して角度検出部８０との相対位置関係が変化したときの展開図である。
【図２１】補償リング６６が回転したときに、角度検出部８０の出力端子Ａ、Ｂの電圧Ｖａ、Ｖｂが変化する状態を示す特性表である。
【図２２】磁気抵抗効果素子をトルク検出にも適用した実施例を示す構成図である。
【図２３】図２０の角度・トルクセンサを分解した分解図である。
【図２４】図２０の角度・トルクセンサの検出回路を示す回路図である。
【図２５】２つの検出リングだけで、操舵トルクと絶対舵角を同時に検出する角度・トルクセンサの実施例を示す断面図である。
【図２６】非磁性体を含むトルクセンサに本発明の角度検出装置を適用した実施例を示す構成図である。
【図２７】図２４に示す角度・トルクセンサを分解した分解図である。
【図２８】補償リング９８が回転して角度検出部９８との相対位置関係が変化したときの展開図である。
【符号の説明】
１０…ステアリングホイール、１２…入力軸、１４…出力軸、１６ａ、１６ｂ…タイヤ、１８…角度・トルクセンサ、２０…コントローラ、２２…モータ、２４…トーションバー、２６…入力軸検出リング、２８…出力軸検出リング、３０…トルク検出コイル、３２…磁路、３４…補償リング、３６…補償コイル、３８…磁路、４０，４２…抵抗、４４…発振器、４６、４８…キャパシタ、５０…差動増幅器、５２…出力増幅器、５４…角度検出部、５６，５８…ホール素子、６０…角度検出部、６２…電圧源、６４…角度演算回路、６６…補償リング、６８、７０…角度検出部、７２…トルク演算回路、８０…角度検出部、８２…入力軸検出リング、８４…出力軸検出リング、８６…角度演算回路、８８…角度演算回路、９０…トルク演算回路、９２…減速機構、９４…角度検出部、９６…トルク検出リング、９８…補償リング、１００、１０２…回転部、１０４、１０６…ホール素子。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an angle sensor for measuring a rotation angle of a rotating shaft, an angle / torque sensor having an integrated structure for measuring an angle and a torque, and an electric power steering apparatus using the same.
[0002]
[Prior art]
The electric power steering device is a device that generates a torque of a motor according to a steering torque of a driver and assists in turning a tire. In order to control the torque of the motor, it is necessary to detect the magnitude of the steering torque, and an inexpensive torque sensor is indispensable.
[0003]
In an automobile not equipped with electric power steering, if the handle is released during traveling, the tire is automatically directed in the straight direction.
[0004]
On the other hand, in the case of an automobile equipped with an electric power steering device, even if the vehicle is run in the hand-off state, the motor is in a load state, and the tire does not always automatically turn straight. In such a state, the electric power steering device uses a motor to control the tire so that it is in a straight direction.
[0005]
Therefore, in the electric power steering device, in addition to the torque sensor, an angle sensor for detecting the angle of the tire with respect to the straight traveling direction, a so-called steering angle sensor is necessary.
[0006]
Conventionally, as a torque sensor, a non-contact type torque sensor as described in Patent Document 1 (Japanese Patent Laid-Open No. 5-149805) and Patent Document 2 (Japanese Patent Laid-Open No. 6-102113) is known. These devices detect torsion bar torsion as a change in inductance. Therefore, it is excellent in robustness with respect to detection accuracy and parameters.
[0007]
An input shaft and an output shaft connected to the steering wheel are rotated by a driver's operation. The direction of the left and right tires can be steered by the rotation of the output shaft.
[0008]
The electric power steering device detects the steering torque of the driver by a torque sensor attached between the input shaft and the output shaft. The controller calculates a reference assist torque to be generated by the motor using the detected torque.
[0009]
The electric power steering apparatus includes an angle sensor that detects a steering angle indicating a steering direction of the tire. This angle sensor detects the steering angle and inputs it to the controller. The controller performs calculation for correcting the assist torque in accordance with the traveling speed and steering angle of the vehicle, and controls the torque generated by the motor. Therefore, in order to control the electric power steering device, a sensor capable of detecting the steering torque and the steering angle of the driver is necessary.
[0010]
A torque sensor that detects steering torque is disposed between the input shaft and the output shaft. In the torque sensor, a torsion bar that twists according to the steering torque is connected between the input shaft and the output shaft. An input shaft detection ring and an output shaft detection ring are arranged on the input shaft side and the output shaft side of the torsion bar, respectively.
[0011]
These detection rings have tooth-shaped magnetic bodies and rotate together with the input shaft and the output shaft, respectively. A torque detection coil fixed to the vehicle body is disposed on the outer periphery of these detection rings. The magnetic path formed on the outer periphery of the torque detection coil is formed of a magnetic body surrounding the coil together with the input shaft detection ring and the output shaft detection ring.
[0012]
When the driver steers the steering wheel, the torsion bar is twisted by the steering torque. Due to the twist of the torsion bar, the positional relationship between the tooth-shaped magnetic body of the input shaft detection ring and the output shaft detection ring facing it is shifted. As a result, the inductance of the torque detection coil changes. Accordingly, the steering torque can be obtained by detecting the inductance by applying a high frequency voltage to the torque detection coil.
[0013]
When detecting the inductance, the output value may change depending on the temperature. In order to compensate for the temperature change, a compensation ring and a compensation coil are provided. The compensation ring rotates together with the input shaft. The compensation coil has a structure surrounded by a magnetic path composed of a magnetic path on the outer periphery of the compensation coil, a magnetic body of the input shaft detection ring, and a magnetic body of the compensation ring including a tooth-shaped portion. .
[0014]
The inductance detected by the compensation coil is always constant and is set to be the same as the inductance detected when the steering torque is 0 by the torque detection coil. Therefore, the difference between the output of the torque detection coil and the output of the compensation coil is detected as the steering torque.
[0015]
The torque detection coil and the compensation coil are each connected to an oscillator via a resistor. A high-frequency signal for detecting the inductance of each coil is output from the oscillator. When this signal is applied, the output of the torque detection coil and the output of the compensation coil vary depending on the inductance state.
[0016]
The outputs of the torque detection coil and the compensation coil are input to the differential amplifier, and the difference between the two is output. Since this output value is proportional to the steering torque, it is amplified by the output amplifier to obtain the steering torque τ.
[0017]
By adopting such a configuration, it is possible to compensate for the effects of changes in coil resistance and output characteristics when the ambient temperature changes, so that highly accurate torque detection can be performed with a simple structure.
[0018]
In addition, since the change in inductance is determined by the sum of the areas of tooth-shaped magnetic bodies facing each other of the input and output shaft detection rings, there is an advantage that the rate at which the processing accuracy of each tooth affects the inductance can be reduced. This torque sensor has excellent characteristics despite its simple structure. As an angle sensor, an angle sensor using a contact type potentiometer is well known.
[0019]
In addition, it has been proposed that the torque sensor and the angle sensor are integrated to make the structure compact. For example, magnetic sensors and devices using changes in inductance have been proposed as described in Patent Document 3 (Japanese Patent Laid-Open No. 2001-91375), Patent Document 4 (Japanese Patent Laid-Open No. 2001-91377), and the like. .
[0020]
[Patent Document 1]
JP-A-5-149805
[Patent Document 2]
JP-A-6-102113
[Patent Document 3]
JP 2001-91375 A
[Patent Document 4]
JP 2001-91377 A
[0021]
[Problems to be solved by the invention]
The conventional device is an excellent inductance type torque sensor. However, in the case where an inductance type torque sensor is applied to the electric power steering apparatus, a steering angle sensor must be separately arranged. This was not sufficient in terms of installation cost and space saving.
[0022]
An object of the present invention is to provide an angle sensor that accurately detects a steering angle with a simple configuration excellent in consistency with an inductance type torque sensor. Another object of the present invention is to provide a sensor that can detect the steering torque and the steering angle with high accuracy and an integral structure.
[0023]
[Means for Solving the Problems]
One problem-solving means of the present invention includes a magnetic body that rotates in accordance with rotation of a rotating shaft, a coil that generates a magnetic flux in a magnetic path composed of the magnetic body, and a magnetic flux that changes by rotation of the rotating shaft. And a detection circuit for detecting the rotation angle of the rotating shaft using the output of the magnetic sensitive element according to the change of the magnetic flux.
[0024]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a schematic diagram showing a configuration example of an electric power steering device using an angle / torque sensor. The input shaft 12 and the output shaft 14 connected to the steering wheel 10 rotate according to the driver's operation of the steering wheel 10. By rotating the output shaft 14, the directions of the left and right tires 16a, 16b can be steered.
[0025]
The electric power steering apparatus detects the steering torque τ and the steering angle θ of the driver by an angle / torque sensor 18 attached between the input shaft 12 and the output shaft 14. The controller 20 controls the torque to be generated by the motor 22 by performing a calculation for correcting the assist torque using the traveling speed of the vehicle, the detected torque τ, and the steering angle θ.
[0026]
The electric power steering apparatus operates based on the above principle. Therefore, in order to control the electric power steering apparatus, a sensor capable of detecting the steering torque τ and the steering angle θ of the driver is necessary.
[0027]
FIG. 2 shows an embodiment of a torque sensor that detects torque by using a change in inductance accompanying rotation, and an angle / torque sensor 18 having an integrated structure for steering that detects an angle from a local change state of magnetic flux. It is a block diagram.
[0028]
A torsion bar 24 that twists according to the steering torque τ is connected between the input shaft 12 and the output shaft 14 in the angle / torque sensor 18. An input shaft detection ring 26 and an output shaft detection ring 28 are disposed on the input shaft side and the output shaft side of the torsion bar 24, respectively.
[0029]
These detection rings 26 and 28 have tooth-shaped magnetic bodies and rotate together with the input shaft 12 and the output shaft 14 respectively. As shown in FIG. 4, the tooth shapes of the detection rings 26 and 28 are formed by continuously repeating the uneven shape, and are provided along the peripheral ends of the detection rings 26 and 28. The tooth shapes of the detection rings 26 and 28 face each other. A torque detection coil 30 fixed to the vehicle body is disposed opposite to the outer periphery of the detection rings 26 and 28.
[0030]
In order to clarify the internal state, FIG. 2 shows a sectional view of the ring-shaped detection coil 30 cut. The magnetic path 32 on the outer periphery of the torque detection coil 30 is constituted by a magnetic body surrounding the coil together with the input shaft detection ring 26 and the output shaft detection ring 28.
[0031]
When the driver steers the steering wheel 10 (FIG. 1), the torsion bar 24 is twisted by the steering torque. Due to the twist of the torsion bar 24, the positional relationship between the tooth-shaped magnetic body of the input shaft detection ring 26 and the tooth-shaped magnetic body of the output shaft detection ring 28 facing the input shaft detection ring 26 is relatively shifted as shown in FIG. As a result, the inductance of the torque detection coil 30 changes.
[0032]
Therefore, the steering torque τ can be obtained by applying a high frequency voltage to the torque detection coil 30 and detecting the inductance. When the steering torque τ is 0, the tooth-shaped magnetic bodies of the input and output shaft detection rings 26 and 28 face each other with a half area as shown in FIG. It has a structure.
[0033]
When detecting the inductance, the output value may change depending on the temperature. In order to compensate for this, a compensation ring 34 and a compensation coil 36 are provided. The compensation ring 34 rotates together with the input shaft 12. The compensation coil 36 is surrounded by a magnetic path formed of a magnetic path 38 on the outer periphery thereof, a magnetic body constituting the input shaft detection ring 26, and a magnetic body constituting the compensation ring 34 including a tooth-shaped portion. It has become. As with the detection rings 26 and 28, the tooth shape of the compensation ring 34 is formed by repeating a concavo-convex shape continuously, and is provided along the peripheral edge.
[0034]
The inductance detected by the compensation coil 36 is always constant, and is set to be the same as the inductance detected by the torque detection coil 30 when the steering torque τ is zero. Therefore, the difference between the output of the torque detection coil 30 and the output of the compensation coil 36 is detected as the steering torque τ.
[0035]
As shown in FIG. 6, the torque detection coil 30 and the compensation coil 36 are connected to an oscillator 44 through resistors 40 and 42, respectively. Torque detection coil 30 and compensation coil 36 have capacitors 46 and 48 connected in parallel, respectively.
[0036]
Each oscillator 44 outputs a high-frequency signal for detecting the inductance of each coil 30 and 36. When this signal is applied, the output of the torque detection coil 30 and the output of the compensation coil 36 change depending on the inductance state.
[0037]
The outputs of the torque detection coil 30 and the compensation coil 36 are input to the differential amplifier 50, and the difference between the two is output. Since this output value is proportional to the steering torque τ, it is amplified by the output amplifier 52 to obtain the steering torque τ.
[0038]
By adopting such a configuration, it is possible to compensate for the effects of changes in coil resistance and output characteristics when the ambient temperature changes, so that highly accurate torque detection can be performed with a simple structure.
[0039]
In addition, since the change in inductance is determined by the sum of the tooth-shaped magnetic body areas facing the input and output shaft detection rings 26 and 28, there is an advantage that the rate at which the processing accuracy of each tooth affects the inductance can be reduced. is there. This torque sensor has excellent characteristics despite its simple structure.
[0040]
In this embodiment, the torque sensor and the angle sensor have an integral structure for the purpose of downsizing. The steering angle / torque sensor 18 uses a change in inductance accompanying rotation to detect a torque based on a torsion angle of a torsion bar, and a rotation angle that changes according to the rotation of a steering input shaft, that is, a steering angle. The angle sensor for detecting the above is an integral structure.
[0041]
That is, in this embodiment, unlike the conventional apparatus, an angle detector 54 having a Hall element, which is one of the magnetically sensitive elements, is inserted between the input shaft detection ring 26 and the compensation ring 34. The angle detector 54 is fixed to the vehicle body together with the compensation coil 36, and has a structure that does not rotate.
[0042]
FIG. 3 shows the shape of each component when the angle / torque sensor 18 of FIG. 2 is disassembled. As shown in FIG. 3, the angle / torque sensor 18 is disposed between the input shaft 12 and the output shaft 14 of the steering 10.
[0043]
In this embodiment, since the torque and angle can be detected by one sensor 18, the mounting is easy. Moreover, the angle / torque sensor 18 of FIGS. 2 and 3 has the same function as the conventional angle sensor and torque sensor.
[0044]
The principle of detecting the steering torque τ of the steering wheel 10 is that the relative position relationship between the input shaft detection ring 26 and the output shaft detection ring 28 caused by the torsion of the torsion bar 24 in FIG. It is to be. The operations of the compensation coil 36, the input shaft detection ring 26, and the compensation ring 34 compensate for output changes due to temperature and the like.
[0045]
In such a sensor, the principle of detecting the steering angle by inserting the angle detection unit 54 as shown in FIG. 2 will be described. FIG. 5 shows an arrangement of the angle detection unit 54 having two Hall elements 56 and 58.
[0046]
The tooth width of the compensating ring 34 in FIG. 2 and the length between the teeth are both set to the pitch λ. In the angle detector 54, the Hall elements 56 and 58 having a length of approximately λ / 2 are arranged adjacent to each other. In the Hall elements 56 and 58, voltages are applied to the input terminals Vcc and GND, and an input current flows.
[0047]
Here, when the magnetic flux density B is applied in the vertical direction of the Hall element 56, an output voltage Va is generated between the output terminals Va1 and Va2 in proportion thereto. Similarly, an output voltage Vb is generated between the output terminals Vb1 and Vb2 of the Hall element 58 in proportion to the magnetic flux density applied to the element.
[0048]
FIG. 7 shows a developed view when the relative positional relationship between the angle detector 54 and the compensation ring 34 changes. In FIG. 7, (a), (b), (c), and (d) show the positional relationship when the electrical angle of the compensation ring 34 becomes 0 °, 90 °, 180 °, and 270 °, respectively. FIG. 7 shows that the tooth tip surface 34a and the tooth bottom surface 34b rotate in the positive direction from FIG. 7 (a) to FIG. 7 (d).
[0049]
The electrical angle of 360 ° corresponds to the actual mechanical angle of 45 °. The rotation angle of the input shaft 12, that is, the steering angle θ is calculated from the electrical angle. FIG. 8 shows the characteristics of the output voltages Va and Vb of the Hall elements 56 and 58 when the compensation ring 34 rotates. The horizontal axis represents the electrical angle of the compensation ring 34 in FIG.
[0050]
As shown in FIG. 7A, when the electrical angle is 0 °, the magnetic flux density is almost zero, so that the output voltages Va and Vb of the Hall elements 56 and 58 are zero. When the compensation ring 34 rotates in the positive direction from this state, the magnetic flux density of the Hall element 56 increases and the output voltage Va also increases.
[0051]
As shown in FIG. 7B, when the electrical angle reaches 90 °, the magnetic flux density becomes maximum and the output voltage Va also becomes maximum. At that time, the magnetic flux density applied to the Hall element 58 is almost zero. Further, when the compensation ring 34 rotates from 90 ° to 180 °, the magnetic flux density of the Hall element 58 increases, and the output voltage Vb changes from 0 to the maximum value.
[0052]
During this period, the magnetic flux density of the Hall element 56 does not substantially change, so the output voltage Va maintains the maximum value. As shown in FIG. 7C, when the electrical angle is 180 °, the Hall elements 56 and 58 both have the maximum magnetic flux density, and the output voltages Va and Vb at that time are both the maximum values. Yes.
[0053]
Similarly, when the compensation ring 34 rotates from 180 ° to 360 °, the magnetic flux density applied to the Hall elements 56 and 58 changes according to the electrical angle, and the output voltages Va and Vb are as shown in FIG. Characteristics. Since such an output is obtained according to the rotation angle of the input shaft 12, the steering angle θ can be calculated from the output voltages Va and Vb of the angle detection unit 54.
[0054]
According to this embodiment, the angle can be obtained by arranging the Hall element in the torque sensor used in the conventional electric power steering apparatus and detecting the change state of the magnetic flux used in the torque sensor. Therefore, there is an effect that the torque and the angle can be accurately detected with an integral structure without increasing the volume of the sensor.
[0055]
Next, FIG. 9 shows an embodiment in which a magnetoresistive element is used as a magnetic sensitive element instead of a Hall element.
[0056]
9 differs from FIG. 2 in that an angle detector 60 having a magnetoresistive element is arranged between the compensation coil 36 and the magnetic path 38 instead of the angle detector 54 having a Hall element.
[0057]
First, the state of the magnetic flux generated in the angle detector 60 is shown in FIG. FIG. 10 is a cross-sectional view of the compensating ring 34, the magnetic path 38, and the angle detection unit 60 whose cross section is a plane including the axis.
[0058]
As shown in FIG. 10A, in the case of a cross section with teeth, the magnetic flux from the input side detection ring is concentrated through the tooth tip surface 34 a and flows to the magnetic path 38. At this time, a part of the magnetic flux that has passed through the addendum surface 34 a crosses the surface of the angle detection unit 60 obliquely downward and enters the magnetic path 38.
[0059]
On the other hand, as shown in FIG. 10B, at the position of the cross section without the teeth, the magnetic flux entering from the bottom surface 34b is small, and the magnetic flux entering from the position with the teeth flows in the circumferential direction. Magnetic flux flows through the magnetic path 38.
[0060]
Therefore, in FIG.10 (b), the magnetic flux which passes the angle detection part 60 is few compared with the case of Fig.10 (a). Accordingly, the magnitude of the magnetic field generated on the surface of the angle detection unit 60 varies depending on the presence / absence of teeth of the compensation ring 34, that is, the position of the compensation ring 34.
[0061]
The magnetoresistive element has a characteristic that the electrical resistance value decreases as the magnetic field generated on the surface of the element increases. Therefore, the angle detection unit 60 is provided with a magnetoresistive element and detects the magnitude of the magnetic field generated on the surface.
[0062]
Next, a specific configuration of the angle detection unit 60 will be described with reference to FIG. In the angle detector 60 shown in FIG. 11, four magnetoresistive elements MR1, MR2, MR3, MR4 are arranged at intervals of λ / 2.
[0063]
In FIG. 11, magnetoresistive elements MR3 and MR1 having a length of approximately λ / 2 are adjacent in order from the right, and magnetoresistive elements MR2 and MR4 having the same length are arranged at an interval of λ / 2. . An output terminal a is defined between two magnetoresistive elements MR1 and MR3 connected in series with respect to the power supply terminal Vcc and the ground terminal GND.
[0064]
Similarly, the output terminal b is a terminal between the magnetoresistive elements MR2 and MR4 connected in series. FIG. 12 shows the circuit configuration. The power supply terminal Vcc of the angle detector 60 is connected to the voltage source 62.
[0065]
The operation of the magnetoresistive effect element will be described later. From the output terminals a and b, the two-phase sinusoidal voltages Va and Vb having a phase difference of 90 electrical degrees according to the rotation angle of the input shaft 12 are output. Will occur. Next, in the angle calculation circuit 64, Va and Vb are input and the angle calculation is performed according to the equation (1).
[0066]
θ = tan− 1 [(Vb−Vo) / (Va−Vo)] (1)
Here, Vo is an offset voltage. The steering angle can be detected by this method.
[0067]
The operation of the magnetoresistive effect element will be described with reference to FIGS.
[0068]
FIGS. 13A, 13B, 13C, and 13D show the electrical angles of the compensation ring 34 of 0 °, 90 °, 180 °, and 270 ° with respect to the fixed angle detector 60, respectively. It is the arrangement | positioning figure which showed the positional relationship when it rotated to.
[0069]
In the case of FIG. 13A, the maximum magnetic flux is generated on the surface of the magnetoresistive effect element MR1, and the surfaces of the magnetoresistive effect elements MR2, MR3, and MR4 are in a state where the magnetic flux is zero. At this time, the resistance of each magnetoresistive element MR1 has the minimum value, and the magnetoresistive elements MR2, MR3, MR4 have the maximum resistance. The voltage Va at the output terminal “a” is larger than the offset voltage Vo, which is the center value of the voltage, by Vs, and has a maximum value.
[0070]
The voltage Vb at the output terminal b is the offset voltage Vo because the resistance values of the magnetoresistive elements MR2 and MR4 are the same. Next, when the compensation ring 34 rotates in the positive direction from the state of FIG. 13A, the magnetic flux generated on the surface of the magnetoresistive element MR1 gradually decreases, and the magnetic flux on the surface of the magnetoresistive element MR2 increases. To do. Thereby, the resistance value of the magnetoresistive effect element MR1 increases and the resistance value of the magnetoresistive effect element MR2 decreases.
[0071]
As shown in FIG. 13B, when the rotation angle of the compensation ring 34 reaches 90 °, only MR2 becomes the maximum magnetic flux, and the magnetoresistive elements MR1, MR3, MR4 become zero magnetic flux. Therefore, the resistance of the magnetoresistive effect element MR2 has the maximum value, and the resistances of the magnetoresistive effect elements MR1, MR3, and MR4 have the minimum value.
[0072]
When the voltage Va rotates from FIG. 13A to FIG. 13B, the voltage Va decreases from the state of the maximum voltage (Vo + Vs) to the offset voltage Vo. The voltage Vb increases from the offset voltage Vo to the maximum voltage (Vo + Vs) due to the resistance change of the magnetoresistive element MR2.
[0073]
When the rotation angle of the compensation ring 34 is rotated from 90 ° to 180 °, that is, when rotating from FIG. 13 (b) to FIG. 13 (c), the magnetic flux generated on the surfaces of the magnetoresistive effect elements MR3 and MR4. Increases and the respective resistance value decreases. Therefore, the voltage Va decreases from the state of the offset voltage Vo to the minimum voltage (Vo−Vs), and the voltage Vb decreases from the state of the maximum voltage (Vo + Vs) to the offset voltage Vo.
[0074]
Similarly, when the rotation angle of the compensation ring 34 is 180 ° to 270 °, 270 ° to 360 ° (0 °), the magnetic flux generated on the surface of each magnetoresistive element changes, and the output terminals a, The voltages Va and Vb of b change. FIG. 14 is a table summarizing this state.
[0075]
As described above, by rotating the electrical angle from 0 ° to 360 °, Va and Vb become sinusoidal voltages having a phase of 90 °. Therefore, in the angle calculation circuit 64 shown in the circuit of FIG. The rotation angle of the input shaft 12 can be calculated by performing an arctangent calculation such as Equation (1).
[0076]
Also in the case of this embodiment, in addition to the angle detection unit 60, since the change of the conventionally used output compensation magnetic flux is used, there is an advantage that the angle detection function can be added to the torque detection function at a low cost. .
[0077]
FIG. 15 shows an embodiment of an angle / torque sensor 18 that can detect an absolute angle at which the steering wheel 10 rotates three to four times.
[0078]
15 differs from FIGS. 2 and 9 in that the shape of the input shaft detection ring 26 and the compensation ring 66, the shape of the magnetic path 38 on the outer periphery of the compensation coil 36, and the magnetoresistive effect element which is a magnetic sensing element are provided. The angle detectors 68 and 70 are provided, and the reduction gear mechanism 72 for slightly reducing the rotational speed of the compensation ring 66 is provided. FIG. 16 is a sectional view showing the mechanism of FIG. The input shaft 12 is attached with the input shaft detection ring 26 and the first gear 72a of the speed reduction mechanism 72, and rotates the same as the input shaft 12.
[0079]
In the first gear 72a, the second gear 72b, the third gear 72c, and the fourth gear 72d constituting the speed reduction mechanism 72, the second gear 72b that meshes with the first gear 72a rotates integrally with the third gear 72c. It has become. The third gear 72c is structured to mesh with a fourth gear 72d attached to the compensation ring 66.
[0080]
Here, the relationship between the number of teeth is designed such that the compensation ring 66 rotates 31/32 when the input shaft 12 rotates once. In this way, when the steering wheel 10 rotates four times, the input detection ring 26 also rotates four times, whereas the compensation ring 66 rotates (3 + 7/8). At that time, the relative rotation angle difference between the input detection ring 26 and the compensation ring 66 is 45 ° (1/8 rotation) in mechanical angle.
[0081]
In addition, since the angle detector 68 detects the electrical angle of the input shaft detection ring 26, the angle detector 70 detects the compensation ring 66, and the magnetic path 38 side and the compensation ring 66 respectively. It is arranged diagonally on the side.
[0082]
In the angle detectors 68 and 70, the respective resistance values change according to the magnitude of the magnetic field component parallel to the surfaces of the magnetoresistive effect elements MR1, MR2, MR3, and MR4 disposed in the angle detectors 68 and 70, respectively. The portions 68 and 70 are inclined obliquely with respect to the input shaft 12.
[0083]
Thereby, in the input shaft detection ring 26, when the rotation angle of the magnetoresistive effect element of the angle detection unit 68 is at the tooth tip portion 26c, the resistance value becomes the minimum, and when the rotation angle is at the tooth bottom portion 26d, the resistance value becomes the maximum value. Become.
[0084]
Therefore, as shown in FIG. 17A, if the arrangement and wiring connection method of the magnetoresistive effect elements MR1, MR2, MR3, MR4 of the angle detector 68 are the same as those in FIG. The obtained angle (electrical angle) θ1 of the input shaft detection ring 26 is as shown in FIG.
[0085]
Similarly, the magnetoresistive effect elements MR1, MR2, MR3, and MR4 of the angle detection unit 70 shown in FIG. 17B measure the magnetic field states of the tooth tip portion 66a and the tooth bottom portion 66b of the compensation ring 66, thereby compensating. The angle (electrical angle) θ2 of the ring 66 can be obtained as shown in FIG. In this embodiment, 360 ° in electrical angle is 45 ° in mechanical angle.
[0086]
As described above, the rotation angles of the input detection ring 26 and the compensation ring 66 have a relative angle difference depending on the rotation position of the steering wheel 10. The difference between the angle θ1 of the input shaft detection ring 26 and the angle (electrical angle) θ2 of the compensation ring 66 is as shown in FIG.
[0087]
Therefore, if the angle difference (θ1−θ2) is detected, it can be uniquely determined whether the rotational position of the steering wheel 10 is from 0 ° to 1440 ° (four rotations).
[0088]
As described above, an absolute steering angle can be detected. In addition, since a rotation angle with high resolution can be obtained from the value of the angle θ1 of the input shaft detection ring 26, a high resolution absolute steering angle can be obtained at a low cost by combining the two.
[0089]
Even when the relative angle between the input detection ring 26 and the compensation ring 66 changes, the magnetic resistance of the magnetic circuit of the compensation coil 36 composed of the input detection ring 26, the compensation ring 66, and the magnetic path 38 becomes the magnetic flux smoothing. Since there are the parts 26e and 66c, it hardly changes. Therefore, the magnetic circuit of the compensation coil 36 also plays a conventional role of obtaining a compensation signal for the torque sensor.
[0090]
In FIG. 19, the shape of the teeth of the magnetic circuit indicated by the compensation ring 66 in FIG. 15 is changed from a rectangular wave shape to a sine wave shape. In FIG. 19, the tooth tip portion 66 a and the tooth bottom portion 66 b are not flat but have a sine wave-like shape near the maximum value and the minimum value.
[0091]
At this time, since the magnitude of the magnetic field is also sinusoidal, the magnetoresistive elements MR1, MR2, MR3, MR4 of the angle detector 80 can be made small as shown in FIG. That is, the resistance value changes according to the strength of the magnetic field in the local portion where the magnetoresistive effect elements MR1, MR2, MR3, and MR4 are present.
[0092]
As an arrangement method, if the distance from the tooth tip portion 66a to the tooth bottom portion 66b is λ, the magnetoresistive elements MR1, MR2, MR3, and MR4 are arranged in order for each distance λ / 2. In addition, magnetoresistive elements MR1 and MR3, MR2 and MR4 are connected in series between the power supply terminal Vcc and the ground GND, and the connection terminals are used as an output terminal A and a terminal B, respectively.
[0093]
A specific relationship between the strength of the magnetic field and the magnetoresistive effect element will be described with reference to FIG. Since the tooth tip portion 24a of the compensation ring 66 is closest to the magnetic path 38 of the compensation coil 36, the magnetic flux is concentrated and the strength of the magnetic field is maximized.
[0094]
In FIG. 20A, when the rotation angle of the compensation ring 66 is 0 ° in electrical angle, the magnetoresistive element MR1 is positioned at the tooth tip 66a, and the resistance value of the magnetoresistive element MR1 is Be minimized. At this time, since the magnetoresistive element MR3 is arranged so as to be at the position of the tooth bottom 66b having the smallest magnetic field strength, the resistance value of the magnetoresistive element MR3 is maximized.
[0095]
Further, since the magnetic field strength has an intermediate value at the position where the magnetoresistive elements MR2 and MR4 are disposed, the resistance values of the magnetoresistive elements MR2 and MR4 also have an intermediate value. In this case, the voltage at the terminal A becomes a value higher by Vs than the offset voltage Vo, which is the center voltage, and the voltage at the terminal B becomes the offset voltage Vo.
[0096]
As shown in FIG. 20B, when the compensating ring 66 rotates in the positive direction by an electrical angle 90, the tooth tip portion 66a and the tooth bottom portion 66b are positioned at the magnetoresistive effect elements MR2 and MR4, respectively.
[0097]
Therefore, the resistance values of the magnetoresistive effect elements MR2 and MR4 are the minimum value and the maximum value, respectively. The resistance values of the magnetoresistive elements MR1 and MR3 are both intermediate values.
[0098]
At that time, the voltage at the terminal A becomes the offset voltage Vo, and the voltage at the terminal B becomes a value higher than the offset voltage Vo by Vs. Further, when the compensation ring 66 is rotated by 180 ° and 270 ° as shown in FIGS. 20C and 20D, the voltages at the terminal A and the terminal B are determined by the same principle.
[0099]
A table summarizing the relationship is shown in FIG. As can be seen from this table, when the compensation ring 66 rotates 360 ° in electrical angle, the voltages at the terminals A and B become two-phase sine waves that differ from each other by 90 ° around the offset voltage Vo. Therefore, as described above, the angle of the compensation ring 66 can be calculated from the two-phase sine wave.
[0100]
The feature of the present embodiment is that the area of the magnetoresistive effect element is small, and angle detection can be obtained at low cost. Although this method has been described as detecting the angle of the compensation ring 66 in FIG. 15, it goes without saying that this method can also be applied to angle detection of the input shaft detection ring 26.
[0101]
FIG. 22 shows an embodiment in which the magnetoresistive effect element is also applied to torque detection, and only the magnetic circuit of the compensation coil 36, magnetic path 38, input shaft ring 26 and compensation ring 70 shown in FIG. It is. An exploded view of FIG. 22 is shown in FIG.
[0102]
This system includes an input shaft detection ring 82 attached to the input shaft 12, an output shaft detection ring 84 attached to the output shaft 14, a torsion bar 24 connecting the input shaft 12 and the output shaft 14, and an input shaft detection ring 82. Along with the output shaft detection ring 84, the magnetic path 32 that constitutes the magnetic circuit, the torque detection coil 30 that generates magnetic flux in these magnetic circuits, and angle detection units 68 and 70 that detect the angle between the output shaft 14 and the input shaft 12 are configured. Has been. When the driver rotates the steering wheel 10, a steering torque τ is generated on the input shaft 12, so that the torsion bar 24 is twisted in proportion to the steering torque τ.
[0103]
The magnitude of the magnetic field changes depending on the rotation angle of the input shaft detection ring 82, and the resistance values of the magnetoresistive effect elements MR11, MR12, MR13, and MR14 arranged in the angle detection unit 70 change. Further, the resistance values of the magnetoresistive effect elements MR21, MR22, MR23, MR24 of the angle detection unit 68 are determined by the magnitude of the magnetic field that changes in accordance with the rotation angle of the output shaft detection ring 84.
[0104]
Therefore, as shown in FIG. 24, the torque detection coil 30 is connected to a voltage source 62 so that a constant current flows. The magnetic flux generated thereby passes through the magnetic path 32, the output shaft detection ring 84, and the input shaft detection ring 82, and the resistance value of the magnetoresistive effect element changes as described above.
[0105]
In the angle detector 68, the magnetoresistive elements MR 21 and MR 22, MR 23 and MR 24 are connected in series to the voltage source 62, and the voltages at the output terminals A 2 and B 2 are input to the angle calculation circuit 86. The calculation performed by this circuit is the same as that of the angle calculation circuit 64 (FIG. 12), whereby the angle θ2 of the output shaft 14 can be detected.
[0106]
Similarly, in the angle detector 70, the magnetoresistive elements MR11 and MR12, MR13 and MR14 are connected in series to the voltage source 62, and the voltages at the output terminals A1 and B1 are input to the angle calculation circuit 88. . In this angle calculation circuit 88, the angle θ1 of the input shaft 12 is calculated, so the torque τ of the input shaft 12 is obtained by calculating the difference of (θ1−θ2) by the torque calculation circuit 90.
[0107]
According to this embodiment, since not only the steering angle but also the steering torque can be detected by the present invention, the angle / torque sensor can be realized with a more compact structure.
[0108]
The embodiment of FIG. 25 is a torque / steering angle integrated sensor that simultaneously detects the steering torque and the absolute steering angle using only two detection rings, and further expands the apparatus of FIG. FIG. 25 differs from FIG. 22 in that a reduction mechanism 92 that reduces the rotation of the input shaft and an angle detection unit 94 that is disposed on the reduced rotation axis and detects the angle are provided.
[0109]
The speed reduction mechanism 92 includes a first gear 92a connected to the input shaft 12, a second gear 92b that rotates at a reduced speed by this gear, a third gear 92c that rotates on the same shaft as the second gear 92b, and a third gear 92c. It is comprised from the 4th gear 92d which further decelerates rotation.
[0110]
The fourth gear 92d rotates about the same rotation axis as the input shaft 12, and the fourth gear rotates 45 ° in mechanical angle (1/8 rotation) while the input shaft 12 rotates four times. Designed to do.
[0111]
As a result, the angle θ3 obtained by the angle detector 94 that rotates together with the fourth gear 92c changes relative to the angle θ1 of the input shaft 12 obtained by the angle detector 70 depending on the rotation angle of the steering wheel 10. To do. Since the relationship between the angles θ1 and θ3 is the same as the characteristic shown in FIG. 18, the absolute steering angle can be obtained from the difference between the angles θ1 and θ3.
[0112]
Therefore, according to the present embodiment, the steering torque, the absolute steering angle, and the relative steering angle with high angular resolution can be obtained using only two detection rings.
[0113]
FIG. 26 shows an embodiment in which the present invention is applied to a torque sensor including a non-magnetic material. The basic operation will be described with reference to the exploded view of FIG. 27, which is an exploded view of FIG. First, a conventionally known torque sensor portion will be described. In FIG. 27, the torque detection ring 96 and the compensation ring 98 that rotate integrally with the input shaft 12 are magnetic bodies.
[0114]
On the other hand, the rotating parts 100 and 102 connected to the output shaft 14 and rotating together are made of a non-magnetic material. The torsion bar 24 connects the input shaft 12 and the output shaft 14 and is twisted by a steering torque τ applied to the input shaft 12.
[0115]
The torque detection coil 30 detects the inductance of the magnetic circuit composed of the torque detection ring 96 and the magnetic path 32. Depending on the relative positional relationship of the tooth tips, the cross-sectional area of the magnetic path through which the magnetic flux passes changes.
[0116]
That is, since the cross-sectional area of the magnetic path through which the magnetic flux passes changes depending on the magnitude of the steering torque, the inductance detected by the torque detection coil 30 changes. Therefore, the steering torque τ can be calculated by detecting the magnitude of the inductance.
[0117]
In addition, since the nonmagnetic rotating part 102 has a large window, the inductance of the magnetic circuit composed of the compensation ring 98 and the magnetic path 38 is constant regardless of the torsion bar torsion. Yes. Further, in order to always maintain the inductance when the steering torque is 0, the tip portion 98a of the compensation ring is designed to occupy an angle three times that of the bottom portion 35b.
[0118]
Therefore, the compensation coil 36 always detects the output voltage corresponding to the inductance when the steering torque is zero. The output obtained by the torque detection coil 30 is compensated by this voltage. In this way, it is possible to compensate for an output signal that varies depending on the temperature or the like and obtain a highly accurate steering torque.
[0119]
In this torque sensor, an angle detection unit 98 including Hall elements 104 and 106 that are magnetically sensitive elements is disposed on the inner peripheral portion of the compensation coil 36. When the length of the tooth tip portion 98a of the compensation ring 98 is L, the Hall elements 104 and 106 each have twice the length (2L), and the Hall element 104 is located at the left end of the magnetic path 32. 106 are respectively arranged at the right end of the magnetic path 32.
[0120]
As shown in FIG. 26A, when the angle is 0 °, the tooth tip portion 98a is at an angle that does not overlap the Hall element 104 and the Hall element 106, and the output voltage generated by each element is 0. is there.
[0121]
When the compensation ring 98 is rotated 90 ° and the positional relationship shown in FIG. 28B is reached, the maximum magnetic flux is generated only in the Hall element 104. Therefore, only the output of the Hall element 104 becomes the maximum voltage, and the voltage of the Hall element 106 remains zero.
[0122]
Further, when the compensation ring 98 rotates to FIG. 28C, the magnetic flux of the Hall element 106 gradually increases, and the voltage of the Hall element 106 increases to the maximum voltage accordingly. At that time, the voltage of the Hall element 104 maintains the maximum voltage.
[0123]
Next, when the compensation ring 98 is rotated to 270 °, the magnetic flux of the Hall element 104 gradually decreases and reaches zero. In response, the voltage decreases to 0V. When the compensation ring 98 rotates beyond 270 ° to 360 °, the magnetic flux of the Hall element 106 also decreases, and its voltage becomes 0V.
[0124]
This characteristic is the same as the characteristic of FIG. 8 described in the embodiment of FIG. By doing so, the present invention can be applied to a torque sensor including a non-magnetic material, and the steering torque and the steering angle can be detected by an integrated sensor.
[0125]
The compact electric power steering sensor in which the torque sensor and the angle sensor are integrated as one embodiment of the present invention has been described above. In addition, in the embodiment, the device that uses the compensation coil as both the torque sensor and the angle sensor is processed as an analog by an electronic circuit, but may be implemented by a software process in a microcomputer. Although a plurality of embodiments have been described, it is also possible to construct a sensor having both characteristics by combining them.
[0126]
【The invention's effect】
According to the present invention, since the rotation angle can be detected with a simple structure by adding a magnetic sensing element to the torque sensor that detects the steering torque based on the inductance change of the magnetic path, the steering angle required for the electric power steering device. Can be detected at a low cost and with an integrated structure.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a configuration diagram illustrating a configuration example of an electric power steering apparatus using an angle / torque sensor.
FIG. 2 is a block diagram showing an embodiment of a torque sensor that detects torque by using a change in inductance with rotation and an angle / torque sensor of a steering integrated structure that detects an angle from a local change state of magnetic flux. is there.
FIG. 3 is an exploded view showing components obtained by disassembling the angle / torque sensor 18 of FIG. 1;
FIG. 4 is an explanatory diagram of a tooth-shaped magnetic body of a detection ring.
FIG. 5 is a layout diagram showing a circuit layout of an angle detection unit 54 having two Hall elements 56 and 58;
6 is a detailed view of a torque detection circuit used in the torque sensor shown in FIG.
FIG. 7 is a developed view when the compensation ring 34 rotates and the relative positional relationship with the angle detector 54 changes.
FIG. 8 is a characteristic diagram showing characteristics of output voltages Va and Vb of the Hall elements 56 and 58 when the compensation ring 34 rotates.
FIG. 9 is a configuration diagram showing an embodiment of an angle / torque sensor when a magnetoresistive effect element is used as a magnetic sensitive element instead of a Hall element.
10 is a state diagram illustrating a state of magnetic flux generated in the angle detection unit 60. FIG.
11 is a layout diagram illustrating a specific circuit configuration of the angle detection unit 60. FIG.
12 is a circuit diagram showing a circuit configuration of an angle detection unit 60 that detects the rotation angle of the input shaft 12 and the compensation ring 34. FIG.
13 is a developed view when the compensation ring 34 rotates and the relative positional relationship with the angle detection unit 60 changes. FIG.
14 is a characteristic table showing a state in which the voltages Va and Vb of the output terminals A and B of the angle detection unit 60 change when the compensation ring 34 rotates. FIG.
FIG. 15 is a configuration diagram showing an embodiment of an angle / torque sensor 18 capable of detecting an absolute angle at which the steering wheel 10 rotates three to four times.
16 is a cross-sectional view showing a cross section of the angle / torque sensor of FIG. 14;
17 is a layout diagram illustrating a layout of magnetoresistive elements of the angle detectors 68 and 70 shown in FIG. 14;
18 is a characteristic diagram showing the principle for detecting the absolute steering angle from the difference between the angle θ1 of the input shaft detection ring 26 and the angle θ2 of the compensation ring 66. FIG.
19 is a layout diagram of an angle detector 80 showing the layout of magnetoresistive elements for detecting the angle by changing the tooth shape of the magnetic circuit shown by the compensation ring 66 of FIG. 13 from a rectangular wave shape to a sine wave shape. It is.
20 is a developed view when the compensation ring 66 rotates and the relative positional relationship with the angle detector 80 changes. FIG.
FIG. 21 is a characteristic table showing a state in which the voltages Va and Vb of the output terminals A and B of the angle detector 80 change when the compensation ring 66 rotates.
FIG. 22 is a configuration diagram showing an embodiment in which the magnetoresistive effect element is also applied to torque detection.
FIG. 23 is an exploded view of the angle / torque sensor of FIG. 20;
24 is a circuit diagram showing a detection circuit of the angle / torque sensor of FIG. 20. FIG.
FIG. 25 is a cross-sectional view showing an embodiment of an angle / torque sensor that detects a steering torque and an absolute steering angle at the same time using only two detection rings.
FIG. 26 is a configuration diagram showing an embodiment in which the angle detection device of the present invention is applied to a torque sensor including a non-magnetic material.
27 is an exploded view of the angle / torque sensor shown in FIG. 24. FIG.
28 is a developed view when the compensation ring 98 rotates and the relative positional relationship with the angle detector 98 changes. FIG.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Steering wheel, 12 ... Input shaft, 14 ... Output shaft, 16a, 16b ... Tire, 18 ... Angle / torque sensor, 20 ... Controller, 22 ... Motor, 24 ... Torsion bar, 26 ... Input shaft detection ring, 28 ... Output shaft detection ring, 30 ... Torque detection coil, 32 ... Magnetic path, 34 ... Compensation ring, 36 ... Compensation coil, 38 ... Magnetic path, 40, 42 ... Resistance, 44 ... Oscillator, 46, 48 ... Capacitor, 50 ... Difference Dynamic amplifier 52 ... Output amplifier 54 ... Angle detector 56,58 ... Hall element 60 ... Angle detector 62 ... Voltage source 64 ... Angle calculation circuit 66 ... Compensation ring 68,70 ... Angle detector 72 ... Torque calculation circuit, 80 ... Angle detection unit, 82 ... Input shaft detection ring, 84 ... Output shaft detection ring, 86 ... Angle calculation circuit, 88 ... Angle calculation circuit, 90 ... Torque calculation Road, 92 ... speed reduction mechanism, 94 ... angle detector, 96 ... torque detector ring, 98 ... compensation ring, 100, 102 ... rotary part, 104, 106 ... Hall element.
