JP2005077304A - 絶対回転角およびトルク検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】車両のパワーステアリング等で使用され、簡単な構成で高密度・高分解能なトルク検知および絶対回転角検知を行うことができる絶対回転角およびトルク検出装置を提供する。
【解決手段】入力軸２と連結した第１の歯車１と、この第１の歯車１と噛み合って回転する歯車Ａ６を備え、この歯車Ａ６の中心部に配置した第１の絶対回転角検出部と、出力軸４と連結した第２の歯車３と、この第２の歯車３と噛み合って回転する歯車Ｂ７を備え、この歯車Ｂ７の中心部に配置した第２の絶対回転角検出部とから構成されたものである。
【選択図】図１

Description

本発明は車両のパワーステアリング等に用いられる絶対回転角およびトルク検出装置に関わるものであり、特にステアリングの絶対回転角とトルクが同時に検出可能な絶対回転角およびトルク検出装置に関するものである。

従来、トルクおよび回転角度を検知する方式として図７に示されるような方式が知られている。図７において、歯車部１８は回転角度を検知したい軸（図示せず）に係合バネ１９を介して固定して取り付けられる。歯車部１８は外周の端面に複数個の磁極を着磁したコード板２０が取り付けられた歯車部２１と噛み合っており、検知する軸の回転にしたがってコード板２０に設けられた磁極が移動する。この磁極の数を外周の端面に対向して設けられた検知素子２２でカウントすることにより回転角度を検知する。また、この構成による機構をトーションバーを介して連結された２本の軸にそれぞれ取り付けることにより、２本の軸間にトルクが作用して軸間の捩れが発生した時、それぞれの軸の回転角度を比較することによって作用したトルクの量を検知することも可能である。

なお、この出願の発明に関連する先行技術文献情報としては、例えば、特許文献１が知られている。
特開平１１−１９４００７号公報

しかしながら、このように構成された回転角センサあるいはトルク検知センサにおいては、軸の回転角をコード板２０の外周端面に配置した複数の磁極の移動数をカウントすることにより検知するため、検知角度の分解能を向上させるためには着磁させた磁極の寸法を細かくする必要があり、強い磁界が得られにくいことと、検知精度を上げるためには複数の磁極を精度良く着磁する必要があるという課題があった。また、この回転角センサは相対回転角の検知しかできなく、絶対回転角の検知ができないという課題があった。

本発明は上記のような課題を解決するもので、単極の磁石を用いた簡単な構成で高精度・高分解能なトルク検知および絶対回転角検知を行う絶対回転角およびトルク検出装置の提供を目的とするものである。

上記目的を達成するために、本発明は以下の構成を有する。

本発明の請求項１に記載の発明は、入力軸と連結した第１の歯車と、この第１の歯車と噛み合って回転する歯車Ａを備え、この歯車Ａの中心部に配置した第１の絶対回転角検出部と、出力軸と連結した第２の歯車と、この第２の歯車と噛み合って回転する歯車Ｂを備え、この歯車Ｂの中心部に配置した第２の絶対回転角検出部とから構成したものであり、簡単な構成で高精度・高分解能なトルク検知および絶対回転角検知を行うことができるという作用効果が得られる。

本発明の請求項２に記載の発明は、特に、第１および第２の絶対回転角検出部を第１および第２の磁石と、これらの磁石に対向する位置に配置した第１および第２の磁気検知素子で構成した絶対回転角およびトルク検出装置であり、非接触で歯車Ａと歯車Ｂの絶対回転角を検知できるため装置の耐久性や信頼性の向上が図れるという作用効果が得られる。

本発明の請求項３に記載の発明は、特に、入力軸と出力軸の間にトーションバーを設けた構成の絶対回転角およびトルク検出装置であり、トルクに対応した捩れ角を拡大することができるため、トルク検出の分解能を高めることができるという作用効果が得られる。

本発明の請求項４に記載の発明は、特に、第１の歯車と第２の歯車の歯数を同一にし歯車Ａと歯車Ｂの歯数を異なるようにして、絶対回転角は歯車Ａと歯車Ｂの絶対回転角差より算出し、トルクは歯車Ａの絶対回転角と歯車Ｂの絶対回転角に歯車Ａおよび歯車Ｂの歯数比をかけたものとの差からの差動分により算出する絶対回転角およびトルク検出装置であり、簡単な構成で高精度・高分解能なトルク検知および絶対回転角検知を行うことができるという作用効果が得られる。

本発明の請求項５に記載の発明は、特に、第１の歯車と第２の歯車の歯数を異なるようにし歯車Ａと歯車Ｂの歯数を同一にして、絶対回転角は歯車Ａと歯車Ｂの絶対回転角差より算出し、トルクは歯車Ａの絶対回転角と歯車Ｂの絶対回転角に第１および第２の歯車の歯数比をかけたものとの差からの差動分により算出する絶対回転角およびトルク検出装置であり、簡単な構成で高精度・高分解能な軸のトルク検知および絶対回転角検知を行うことができるという作用効果が得られる。

本発明の請求項６に記載の発明は、特に、歯数Ａと歯数Ｂの初期絶対回転角をそれぞれ不揮発性メモリに記憶し、この初期絶対回転角からの回転角より算出した歯車Ａと歯車Ｂの絶対回転角に基づき、絶対回転角およびトルクを求めるものであり、歯車Ａおよび歯車Ｂの初期絶対回転角を機械的に合わせ込まなくてもよいという作用効果が得られる。

本発明の請求項７に記載の発明は、特に、回転角検出範囲にわたって歯車Ａと歯車Ｂの絶対回転角の理想値と実力値との差である補正角を不揮発性メモリに記憶し、この補正角で修正した歯車Ａと歯車Ｂの絶対回転角に基づき、絶対回転角およびトルクを求めるものであり、絶対回転角およびトルクをより高精度に検出できるという作用効果が得られる。

本発明の請求項８に記載の発明は、特に、歯車Ａの絶対回転角と歯車Ｂの絶対回転角に歯車Ａおよび歯車Ｂの歯数比をかけたものとの差がある値以上になった時、異常を知らせるようにした絶対回転角およびトルク検出装置であり、この装置の機構、回路、素子等の故障が原因で異常となった絶対回転角およびトルクの値を装置の外部に出力しないという作用効果が得られる。

本発明の請求項９に記載の発明は、特に、歯車Ａの絶対回転角と歯車Ｂの絶対回転角に第１および第２の歯車の歯数比をかけたものとの差がある値以上になった時、異常を知らせるようにした絶対回転角およびトルク検出装置であり、この装置の機構、回路、素子等の故障が原因で異常となった絶対回転角およびトルクの値を装置の外部に出力しないという作用効果が得られる。

本発明は、入力軸と連結した第１の歯車と、この第１の歯車と噛み合って回転する歯車Ａを備え、この歯車Ａの中心部に配置した第１の絶対回転角検出部と、出力軸と連結した第２の歯車と、この第２の歯車と噛み合って回転する歯車Ｂを備え、この歯車８の中心部に配置した第２の絶対回転角検出部とから構成した絶対回転角およびトルク検出装置を提供するものであり、以上の簡単な構成で高精度・高分解能なトルク検知および絶対回転角検知を行うことができるという効果を奏するものである。

図１は本発明の実施の形態における絶対回転角およびトルク検出装置の基本構成図、図２は絶対回転角を求める原理図、図３はトルクを求める原理図である。図４は第１、第２の歯車の絶対回転角と歯車Ａ，Ｂの絶対回転角との関係を示す図、図５は絶対回転角およびトルク検出装置の回路ブロック図である。図６は歯車Ａと歯車Ｂの絶対回転角の理想値と実力値を示す図である。

図１において、第１の歯車１は入力軸２に嵌合して連結されており、同様に第２の歯車３は出力軸４に嵌合して連結されている。トーションバー５は入力軸２と出力軸４の間で同心軸上に配置されている。歯車Ａ６は第１の歯車１に係合され、同様に歯車Ｂ７は第２の歯車３に係合して配置され、それらの中央部には第１の磁石８と第２の磁石９が設置されている。第１の磁石８に対向する位置にはこの磁界方向を検出する第１の磁気検知素子１０が、第２の磁石９に対向する位置にはこの磁界方向を検出する第２の磁気検知素子１１がそれぞれ基板１２，１３を介して配置されている。この第１の磁石８と第１の磁気検知素子１０で第１の絶対回転角検出部を、第２の磁石９と第２の磁気検知素子１１で第２の絶対回転角検出部を構成している。ここで第１の歯車１の歯数と第２の歯車３の歯数は同数とし、その値をｃとする。一方、歯車Ａ６の歯数はａ、歯車Ｂの歯数はｂとし、ａ≠ｂとする。

図２の上段図において、横軸は第１の歯車１および第２の歯車３の絶対回転角を示しており、縦軸は歯車Ａ６と歯車Ｂ７の絶対回転角を示している。ｘは歯車Ａ６の絶対回転角を、ｙは歯車Ｂ７の絶対回転角を示している。

図２の下段図において、横軸は第１の歯車１および第２の歯車３の絶対回転角を示しており、縦軸は歯車Ａ６と歯車Ｂ７の絶対回転角差（ｘ−ｙ）を示している。

図３において、横軸は第１の歯車１および第２の歯車３の絶対回転角を示しており、縦軸は歯車Ａ６の絶対回転角と歯車Ｂ７の絶対回転角に歯車Ａ６および歯車Ｂ７の歯数比をかけたものとの差を示している。

図４において、横軸は第１の歯車１および第２の歯車３の絶対回転角を示しており、縦軸は歯車Ａ６と歯車Ｂ７の絶対回転角を示している。

図５において、絶対回転角およびトルク検出装置の基板１２および基板１３に設置されている第１の磁気検知素子１０と第２の磁気検知素子１１は、ＣＰＵ１４に接続されている。このＣＰＵ１４には不揮発性メモリであるＥＥＰＲＯＭ１５も接続されている。一方、ＣＰＵ１４で算出される絶対回転角とトルクを出力するためにシリアル通信ライン１６を介してマスタＣＰＵ１７とも接続されている。

図６の上段図において、横軸は第１の歯車１および第２の歯車３の絶対回転角を示しており、縦軸は歯車Ａ６と歯車Ｂ７の絶対回転角を示している。ここで、点線は歯車Ａ６および歯車Ｂ７の絶対回転角の理想値を示しており、実線は歯車Ａ６および歯車Ｂ７の絶対回転角の実力値を示している。

図６の下段図において、横軸は第１の歯車１および第２の歯車３の絶対回転角を示しており、縦軸は歯車Ａ６と歯車Ｂ７の絶対回転角差（ｘ−ｙ）を示している。ここで、点線はこの絶対回転角差（ｘ−ｙ）の理想値を、実線は実力値を示している。

次に、以上の構成における第１の歯車１および第２の歯車３の絶対回転角とトーションバー５にかかるトルクの算出方法について説明する。

図１において同一の剛体からできている入力軸２とトーションバー５と出力軸４が回転したとき、この入力軸２と嵌合して連結している第１の歯車１が回転する。この第１の歯車１が回転すると、この第１の歯車１と係合している歯車Ａ６が回転する。この歯車Ａ６の絶対回転角は中央に配置された第１の磁石８の磁界方向と一致するので、この磁界方向を第１の磁気検知素子１０で検知して算出する。一方、出力軸４と嵌合して連結している第２の歯車３も回転する。この第２の歯車３が回転すると、この第２の歯車３と係合している歯車Ｂ７が回転する。この歯車Ｂ７の絶対回転角は中央に配置された第２の磁石９の磁界方向と一致するので、この磁界方向を第２の磁気検知素子１１で検知して算出する。この時、第１の歯車１の歯数と第２の歯車３の歯数は同数でｃであるが、歯車Ａ６の歯数ａと歯車Ｂ７の歯数ｂは異なるため、入力軸２、トーションバー５、出力軸４に対して歯車Ａ６と歯車Ｂ７は異なる速さで回転する。

図２にて同一の剛体からできている入力軸２とトーションバー５と出力軸４の絶対回転角を算出する方法について説明する。

図２の上段図において、歯車Ａ６は第１の歯車１の回転に対して歯数比倍（ｃ／ａ）の速さで回転し、歯車Ｂ７は第２の歯車３の回転に対して歯数比倍（ｃ／ｂ）の速さで回転する。図２の下段図において、歯車Ａ６の歯数ａと歯車Ｂ７の歯数ｂが異なるので、歯車Ａ６と歯車Ｂ７の絶対回転角差（ｘ−ｙ）はある規則性をもって変動する。すなわち、第１の歯車１および第２の歯車３の絶対回転角ｚに対して、歯車Ａ６と歯車Ｂ７の絶対回転角差（ｘ−ｙ）は絶対回転角検出範囲において直線上に乗り、絶対回転角ｚは絶対回転角差（ｘ−ｙ）に対し一意的に決定されることを示している。

図３にてトーションバー５にかかるトルクに応じた捩れ角を算出する方法について説明する。縦軸は歯車Ａ６の絶対回転角と歯車Ｂ７の絶対回転角に歯車Ａ６と歯車Ｂ７の歯数比（ｂ／ａ）をかけたものとの差（Ｔと呼ぶことにする）を示している。ただし、この差の値Ｔがマイナスになった時は１８０ｄｅｇ加えて補正する。図３に示すようにトーションバー５にトルクがかかっていない時（すなわちトーションバー５に捩れが発生していない時）、理想的にはこの差の値Ｔは第１の歯車１および第２の歯車３の絶対回転角に対して階段状に変化する。トーションバー５にトルクがかかった時には、捩れ角（ΔＴと呼ぶことにする）の分だけ第１の歯車１の絶対回転角と第２の歯車３の絶対回転角との間に差が発生する。

出力軸４が固定されていて入力軸２が捩れてΔＴだけ回転したとすると、第２の歯車３の絶対回転角は変わらないが、第１の歯車１の絶対回転角は捩れ方向にΔＴだけ増加する。このΔＴを歯車Ａ６の絶対回転角にするとΔＴ＊（ｃ／ａ）と表すことができる。すなわちトルクがかかった時には、図３における理想値Ｔに対しΔＴ＊（ｃ／ａ）だけ変動する。理想値Ｔは第１の歯車１および第２の歯車３の絶対回転角に応じて段階状に変化するが、隣の理想値（例えばＴ１とＴ２）との差が最大トルク時の捩れ角（ΔＴmaxと呼ぶことにする）の２倍以上の値であれば理想値Ｔとの区別をすることができる。その結果、トルクに応じたΔＴ＊（ｃ／ａ）の値を算出することができる。このΔＴ＊（ａ／ｃ）を図２に示した歯車Ａ６と歯車Ｂ７の絶対回転角差（ｘ−ｙ）に加えて、第１の歯車１および第２の歯車３の絶対回転角ｚの検出精度を向上させることもできる。

一方、最大トルクがかかった時の捩れ角（ΔＴmax）以上の値｛ΔＴmax＊（ｃ／ａ）｝を検出した時には、機構、回路、磁気検知素子のどこかに異常が発生したと判断することができる。この時には図５に示すシリアル通信ライン１６からマスタＣＰＵ１７に異常を知らせることができる。

以上の絶対回転角検知とトルク検知は、図１の歯車Ａ６の歯車と歯車Ｂ７の歯数を等しくし、第１の歯車１の歯数と第２の歯車３の歯数を異なるようにしても可能である。

次に、図４、図５を用いて歯車Ａ６と歯車Ｂ７の絶対回転角のゼロ点をそろえる方法について説明する。通常、歯車Ａ６と歯車Ｂ７の絶対回転角のゼロ点は図４に示すように合っていない。図２、図３で説明した絶対回転およびトルク検知方法はこのゼロ点が合っていなければ成立しないので、歯車Ａ６と歯車Ｂ７の組込み時にそれぞれの方向をそろえる必要があるが、機械的にはかなりの精度が必要となるので困難である。そこで、すべての歯車を組み込んだ後、図５に示すマスタＣＰＵ１７からシリアル通信ライン１６を通じてＣＰＵ１４に歯車Ａ６の初期絶対回転角（第１の磁気検知素子１０の信号より算出）と歯車Ｂ７の初期絶対回転角（第２の磁気検知素子１１の信号より算出）を不揮発性メモリ（ＥＥＰＲＯＭ１５）に記憶させるコードを送信できるようにしておく。これらの初期絶対回転角からの回転角より歯車Ａ６と歯車Ｂ７の絶対回転角を求めるようにすると、この初期絶対回転角がゼロ点となる。電源投入毎にＥＥＰＲＯＭ１５に記憶した初期絶対回転角を読み込み前記の方策を行うことにより、歯車Ａ６と歯車Ｂ７の組込み方向を気にしなくてもよくなる。

図６にて同一の剛体からできている入力軸２とトーションバー５と出力軸４の絶対回転角の算出精度を向上させる方法について説明する。

図６の上段図において、歯車Ａ６は第１の歯車１の回転に対して歯数比倍（ｃ／ａ）の速さで回転し、歯車Ｂ７は第２の歯車３の回転に対して歯数比倍（ｃ／ｂ）の速さで回転する。

しかし、歯車のピッチ間の誤差や磁気検知素子の絶対回転角の検知誤差や回路誤差等により、歯車Ａ６および歯車Ｂ７の絶対回転角の実力値（実線で示されている値）は理想値（点線で示されている値）に対し誤差を含む。その結果図６の下段図に示すように、歯車Ａ６と歯車Ｂ７の絶対回転角差（ｘ−ｙ）の実力値（実線で示されている値）も、理想値（点線で示されている値）に対し誤差を含んだ形でもって変動する。

そこで、車両搭載前に図２に示す同一剛体である入力軸２とトーションバー５と出力軸４をモータ等により高精度に回転させる。このモータの回転（すなわち第１の歯車１および第２の歯車３の回転）に対し、歯車Ａ６および歯車Ｂ７の絶対回転角の理想値と実力値との差である補正角を、それぞれ図５に示すＥＥＰＲＯＭ１５に記憶させる。通常動作時は歯車Ａ６および歯車Ｂ７の絶対回転角（実力値）に対する補正角（ＥＥＰＲＯＭ１５に記憶したもの）を読み込み、この値を実力値に加えることにより実力値を理想値に近づけることができる。

以上のように本実施の形態における絶対回転角およびトルク検出装置は、入力軸と連結した第１の歯車と、この第１の歯車と噛み合って回転する歯車Ａを備え、この歯車Ａの中心部に配置した第１の絶対回転角検出部と、出力軸と連結した第２の歯車と、この第２の歯車と噛み合って回転する歯車Ｂを備え、この歯車Ｂの中心部に配置した第２の絶対回転角検出部とから構成したものであり、以上の簡単な構成で高精度・高分解能なトルク検知および絶対回転角検知を行うことができるという作用効果が得られる。

本発明にかかる絶対回転角およびトルク検出装置は、簡単な構成で高精度・高分解能なトルク検知および絶対回転角検知を行うことができるという作用効果を有しており、車両のパワーステアリング等で使用されるのに適している。

本発明の実施の形態における絶対回転角およびトルク検出装置の基本構成図 本発明の実施の形態における絶対回転角を求める原理図 本発明の実施の形態におけるトルクを求める原理図 本発明の実施の形態における第１および第２の歯車の絶対回転角と歯車ＡおよびＢの絶対回転角との関係を示す図 本発明の実施の形態における絶対回転角およびトルク検出装置の回路ブロック図 本発明の実施の形態における歯車Ａと歯車Ｂの絶対回転角の理想値と実力値を示す図 トルクおよび回転角度を検知する従来の方式を示す断面図

符号の説明

１ 第１の歯車
２ 入力軸
３ 第２の歯車
４ 出力軸
５ トーションバー
６ 歯車Ａ
７ 歯車Ｂ
８ 第１の磁石
９ 第２の磁石
１０ 第１の磁気検知素子
１１ 第２の磁気検知素子
１２ 基板
１３ 基板
１４ ＣＰＵ
１５ ＥＥＰＲＯＭ
１６ シリアル通信ライン
１７ マスタＣＰＵ

Claims (9)

1. 入力軸と連結した第１の歯車と、この第１の歯車と噛み合って回転する歯車Ａを備え、この歯車Ａの中心部に配置した第１の絶対回転角検出部と、出力軸と連結した第２の歯車と、この第２の歯車と噛み合って回転する歯車Ｂを備え、この歯車Ｂの中心部に配置した第２の絶対回転角検出部とから構成した絶対回転角およびトルク検出装置。
2. 第１および第２の絶対回転角検出部は、第１および第２の磁石とこれらの磁石に対向する位置に配置した第１および第２の磁気検知素子からなる請求項１に記載の絶対回転角およびトルク検出装置。
3. 入力軸と出力軸の間にトーションバーを設けた請求項１に記載の絶対回転角およびトルク検出装置。
4. 第１の歯車と第２の歯車の歯数を同一にし歯車Ａと歯車Ｂの歯数を異なるようにして、絶対回転角は前記歯車Ａと前記歯車Ｂの絶対回転角差より算出し、トルクは前記歯車Ａの絶対回転角と前記歯車Ｂの絶対回転角に前記歯車ＡおよびＢの歯数比をかけたものとの差からの差動分により算出する請求項１に記載の絶対回転角およびトルク検出装置。
5. 第１の歯車と第２の歯車の歯数を異なるようにし歯車Ａと歯車Ｂの歯数を同一にして、絶対回転角は前記歯車Ａと前記歯車Ｂの絶対回転角差より算出し、トルクは前記歯車Ａの絶対回転角と前記歯車Ｂの絶対回転角に前記第１および第２の歯車の歯数比をかけたものとの差からの差動分により算出する請求項１に記載の絶対回転角およびトルク検出装置。
6. 歯車Ａと歯車Ｂの初期絶対回転角をそれぞれ不揮発性メモリに記憶し、前記初期絶対回転角からの回転角より算出した前記歯車Ａと前記歯車Ｂの絶対回転角に基づき絶対回転角およびトルクを求める請求項４または５に記載の絶対回転角およびトルク検出装置。
7. 回転角検出範囲にわたって歯車Ａと歯車Ｂの絶対回転角の理想値と実力値との差である補正角を不揮発性メモリに記憶し、前記補正角で修正した前記歯車Ａと前記歯車Ｂの絶対回転角に基づき絶対回転角およびトルクを求める請求項４または５に記載の絶対回転角およびトルク検出装置。
8. 歯車Ａの絶対回転角と歯車Ｂの絶対回転角に前記歯車ＡおよびＢの歯数比をかけたものとの差がある値以上になった時、異常を知らせるようにした請求項４に記載の絶対回転角およびトルク検出装置。
9. 歯車Ａの絶対回転角と歯車Ｂの絶対回転角に第１および第２の歯車の歯数比をかけたものとの差がある値以上になった時、異常を知らせるようにした請求項５に記載の絶対回転角およびトルク検出装置。

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