JP2005201712A - Detection device of rotation angle and torque - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は軸もしくはステアリングシャフトの回転角度およびこれにかかるトルクの検出を行う回転角度およびトルク検出装置に関するものである。 The present invention relates to a rotation angle and a torque detection device for detecting a rotation angle of a shaft or a steering shaft and a torque applied thereto.
従来、この種の検出装置は図8に示されるような構成を有していた。図8において、軸110の中間部分にトルクを測定するためのトーションバー120が形成されている。軸110には歯車102が設けられている。この歯車102には歯車103と歯車104が係合している。取り付け部121からスリーブ122が歯車102の方向に向かって延びており、その端部には歯車123が設けられており、この歯車123は歯車102と同じ歯数nを有している。さらに歯車123には歯車124を係合させ、この歯車124は歯車103と同じ歯数mを有している。そして歯車103と歯車124と歯車104の近傍には、図示していないがマグネットとこれに対応する磁気センサを備えている。
Conventionally, this type of detection apparatus has a configuration as shown in FIG. In FIG. 8, a
トーションバー120にトルクが作用すると、歯車102と歯車123とが互いに相対的に回動することにより、歯車103の回転角度に対して同じ歯数の歯車124の回転角度に差が生じる。この歯車103と歯車124の回転角度の差から角度変化を求めることにより、作用するトルクを検出することができる。
When torque acts on the
この角度変化量としては運転者がハンドルを操舵する際にハンドルとタイヤとの関係に違和感が生じないように、左回転、右回転それぞれ3度程度に設定されている。 This angle change amount is set to about 3 degrees each for left rotation and right rotation so that the driver does not feel uncomfortable in the relationship between the steering wheel and the tire when steering the steering wheel.
また、歯車103と歯車104とは歯数がわずかに違った値を有しており、これにより軸110の多回転にわたって回転角度の絶対位置を決定することができる。
Further, the
なお、この出願の発明に関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。
しかしながら、上記従来の構成では主軸110の一部に設けたトーションバー120にトルクが発生しその捻れ角を検出していたが、捻れ角が小さいために歯車伝達部の加工誤差の影響を大きく受けて検出精度が悪くなるという問題点を有していた。
However, in the conventional configuration described above, torque is generated in the
本発明は上記従来の課題を解決するもので、検出精度の高い回転角度およびトルク検出装置を提供することを目的とするものである。 The present invention solves the above-described conventional problems, and an object thereof is to provide a rotation angle and torque detection device with high detection accuracy.
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。 In order to achieve the above object, the present invention has the following configuration.
本発明の請求項1に記載の発明は、操舵軸を第1の操舵軸と第2の操舵軸に分割してこの第1の操舵軸と第2の操舵軸との間にはリミッター部を配置し、前記第1の操舵軸および第2の操舵軸には歯数mの第1の主歯車および第2の主歯車をそれぞれ配置し、前記第1の主歯車に係合する歯数nの第1の検出歯車と、前記第2の主歯車に係合する歯数nの第2の検出歯車と、前記第1の検出歯車に係合する歯数pの第3の検出歯車とを配置し、前記第1の検出歯車と前記第2の検出歯車との間にはトーションバーを配置し、前記第1の検出歯車と前記第2の検出歯車と前記第3の検出歯車にそれぞれ対向して第1の回転角度検出部と第2の回転角度検出部と第3の回転角度検出部を設け、前記第1の回転角度検出部と第2の回転角度検出部とでトルクを、前記第1の回転角度検出部と前記第3の回転角度検出部とで回転角度をそれぞれ検出するように構成したことにより、回転角度とともにトルクの検出が精度良くできるという作用効果が得られる。 According to the first aspect of the present invention, the steering shaft is divided into a first steering shaft and a second steering shaft, and a limiter portion is provided between the first steering shaft and the second steering shaft. The first main gear and the second main gear with m teeth are arranged on the first steering shaft and the second steering shaft, respectively, and the number of teeth n engaged with the first main gear is arranged. A first detection gear, a second detection gear with n teeth engaged with the second main gear, and a third detection gear with p teeth engaged with the first detection gear. And a torsion bar is disposed between the first detection gear and the second detection gear, and faces the first detection gear, the second detection gear, and the third detection gear, respectively. A first rotation angle detection unit, a second rotation angle detection unit, and a third rotation angle detection unit, and the first rotation angle detection unit and the second rotation angle detection unit, By configuring the torque to be detected by the first rotation angle detection unit and the third rotation angle detection unit, respectively, an effect of being able to accurately detect the torque together with the rotation angle is obtained. It is done.
本発明の請求項2に記載の発明は、操舵軸を第1の操舵軸と第2の操舵軸に分割してこの第1の操舵軸と第2の操舵軸との間にはリミッター部を配置し、前記第1の操舵軸および第2の操舵軸には歯数mの第1の主歯車および第2の主歯車をそれぞれ配置し、前記第1の主歯車に係合する歯数nの第1の検出歯車と、前記第2の主歯車に係合する歯数nの第2の検出歯車と、前記第1の主歯車に係合する歯数pの第3の検出歯車とを配置し、前記第1の検出歯車と前記第2の検出歯車との間にトーションバーを配置し、前記第1の検出歯車と前記第2の検出歯車と前記第3の検出歯車にそれぞれ対向して第1の回転角度検出部と第2の回転角度検出部と第3の回転角度検出部を設け、前記第1の回転角度検出部と第2の回転角度検出部とでトルクを、前記第1の回転角度検出部と前記第3の回転角度検出部とで回転角度をそれぞれ検出するように構成したことにより、回転角度とともにトルクの検出が精度良くできるという作用効果が得られる。 According to a second aspect of the present invention, the steering shaft is divided into a first steering shaft and a second steering shaft, and a limiter portion is provided between the first steering shaft and the second steering shaft. The first main gear and the second main gear with m teeth are arranged on the first steering shaft and the second steering shaft, respectively, and the number of teeth n engaged with the first main gear is arranged. A first detection gear, a second detection gear having n teeth engaged with the second main gear, and a third detection gear having p teeth engaged with the first main gear. And a torsion bar is disposed between the first detection gear and the second detection gear, and is opposed to the first detection gear, the second detection gear, and the third detection gear, respectively. A first rotation angle detection unit, a second rotation angle detection unit, and a third rotation angle detection unit, and the first rotation angle detection unit and the second rotation angle detection unit Since the rotation angle is detected by the first rotation angle detection unit and the third rotation angle detection unit, the torque can be accurately detected together with the rotation angle. It is done.
本発明の請求項3に記載の発明は、歯数qの第4の検出歯車を第3の検出歯車に係合するように配置し、前記第4の検出歯車に対向して第4の回転角度検出部を設け、第1の回転角度検出部と第2の回転角度検出部とでトルクを、第3の回転角度検出部と前記第4の回転角度検出部とで回転角度をそれぞれ検出するように構成したことにより、回転角度とともにトルクの検出が精度良くできるという作用効果が得られる。 According to a third aspect of the present invention, the fourth detection gear having the number of teeth q is disposed so as to engage with the third detection gear, and the fourth rotation is opposed to the fourth detection gear. An angle detection unit is provided, and the first rotation angle detection unit and the second rotation angle detection unit detect torque, and the third rotation angle detection unit and the fourth rotation angle detection unit detect rotation angles, respectively. With such a configuration, it is possible to obtain an operational effect that the torque can be accurately detected together with the rotation angle.
本発明の請求項4に記載の発明は、歯数qの第4の検出歯車を第1の主歯車に係合するように配置し、前記第4の検出歯車に対向して第4の回転角度検出部を設け、第1の回転角度検出部と第2の回転角度検出部とでトルクを、第3の回転角度検出部と前記第4の回転角度検出部とで回転角度をそれぞれ検出するように構成したことにより、回転角度とともにトルクの検出が精度良くできるという作用効果が得られる。 According to a fourth aspect of the present invention, the fourth detection gear having the number of teeth q is arranged so as to engage with the first main gear, and the fourth rotation is opposed to the fourth detection gear. An angle detection unit is provided, and the first rotation angle detection unit and the second rotation angle detection unit detect torque, and the third rotation angle detection unit and the fourth rotation angle detection unit detect rotation angles, respectively. With such a configuration, it is possible to obtain an operational effect that the torque can be accurately detected together with the rotation angle.
本発明の請求項5に記載の発明は、第1の主歯車と第2の主歯車の歯数mを第1の検出歯車と第2の検出歯車の歯数nよりも大きくすることにより、検出歯車の回転角度が大きくとれるので更にトルクの検出精度が良くなるという作用効果が得られる。
The invention according to
本発明の請求項6に記載の発明は、主歯車の歯数mと検出歯車の歯数nの比を2〜5:1とすることにより、操舵軸の捻れ角度は検出歯車では2〜5倍に拡大され測定上の精度が上がるという作用効果が得られる。 In the invention according to claim 6 of the present invention, the ratio of the number of teeth m of the main gear to the number of teeth n of the detection gear is set to 2 to 5: 1. The effect is that the measurement accuracy is increased by a factor of two.
本発明の請求項7に記載の発明は、第1の検出歯車の歯数nを第3の検出歯車の歯数pよりわずかに大きく又はわずかに小さくすることにより、この歯数の違いによりハンドルを回動させるに伴い少しずつ磁石の向きが変化して回動による位相差が生じ、これを磁気検出素子で読み取ることにより、ハンドルの多回転にわたっての絶対的な回転角度を検出することができるという作用効果が得られる。 According to the seventh aspect of the present invention, the number n of teeth of the first detection gear is slightly larger or slightly smaller than the number p of teeth of the third detection gear. The direction of the magnet gradually changes as the handle is rotated, and a phase difference due to the rotation is generated. By reading this with a magnetic detection element, the absolute rotation angle over multiple rotations of the handle can be detected. The effect is obtained.
本発明の請求項8に記載の発明は、第3の検出歯車の歯数pを第4の検出歯車の歯数qよりわずかに大きく又はわずかに小さくすることにより、この歯数の違いによりハンドルを回動させるに伴い少しずつ磁石の向きが変化して回動による位相差が生じ、これを磁気検出素子で読み取ることにより、ハンドルの多回転にわたっての絶対的な回転角度を検出することができるという作用効果が得られる。 In the invention according to claim 8 of the present invention, the number of teeth p of the third detection gear is slightly larger or slightly smaller than the number of teeth q of the fourth detection gear. The direction of the magnet gradually changes as the handle is rotated, and a phase difference due to the rotation is generated. By reading this with a magnetic detection element, the absolute rotation angle over multiple rotations of the handle can be detected. The effect is obtained.
本発明の回転角度およびトルク検出装置は、機械的誤差によるトルク検出誤差が少なく、回転角度とともにトルクを精度良く検出することができるという効果を奏するものである。 The rotation angle and torque detection device of the present invention has an effect that torque detection error due to mechanical error is small and torque can be detected with high accuracy together with the rotation angle.
図1は車両の操舵系の一部を示す斜視図である。この図1に示すようにハンドル2に連結した車の操舵軸としてのステアリングシャフト1に回転角度およびトルク検出装置8を配置し、ステアリングシャフト1の先端に設けたピニオン3と、連結ロッド5に設けたラック4とを連結している。この連結ロッド5と車軸7の左右にタイヤ6を設けている。
FIG. 1 is a perspective view showing a part of a steering system of a vehicle. As shown in FIG. 1, a rotation angle and torque detection device 8 is arranged on a steering shaft 1 as a steering shaft of a vehicle connected to a handle 2, and a pinion 3 provided at the tip of the steering shaft 1 and a connecting
そして、操縦者がハンドル2を操舵することによって発生した操舵力は、ステアリングシャフト1に取り付けられた回転角度およびトルク検出装置8で検出され、さらにピニオン3からラック4を介してタイヤ6へ伝達される。 The steering force generated when the driver steers the steering wheel 2 is detected by a rotation angle and torque detection device 8 attached to the steering shaft 1 and further transmitted from the pinion 3 to the tire 6 via the rack 4. The
図2(a)、(b)は本発明の回転角度およびトルク検出装置8の詳細を示す上面図および正面図である。図2(b)において操舵軸は長手方向に2分割されており、ハンドル側の第1の操舵軸9aとタイヤ側の第2の操舵軸9bとに分かれている。
2A and 2B are a top view and a front view showing details of the rotation angle and torque detection device 8 of the present invention. In FIG. 2B, the steering shaft is divided into two in the longitudinal direction, and is divided into a steering wheel side
第1の操舵軸9aには第1の主歯車10aが、第2の操舵軸9bには第2の主歯車10bがそれぞれ同軸上に設けられている。第1の主歯車10aには第1の検出歯車11aが、第2の主歯車10bには第2の検出歯車11bがそれぞれ係合している。第1の検出歯車11aと第2の検出歯車11bはトーションバー12の両端にそれぞれ配置されている。トーションバー12の軸は操舵軸に平行に配置されている。第1の主歯車10aと第2の主歯車10bの歯数はm、第1の検出歯車11aと第2の検出歯車11bの歯数はnに設定している。歯数mと歯数nの比は2〜5:1に設定してある。
A first
第1の検出歯車11aの回転中心と第2の検出歯車11bの回転中心には第1の磁石13aと第2の磁石13bとが設けられている。第1の磁石13aに対向した位置には第1の磁気検出素子15aが回路基板14a上に設けられており、また第2の磁石13bに対向した位置には第2の磁気検出素子15bが回路基板14b上に設けられている。この第1の磁石13aと第1の磁気検出素子15aで第1の回転角度検出部を、第2の磁石13bと第2の磁気検出素子15bとで第2の回転角度検出部を構成している。
A
第1の操舵軸9aと第2の操舵軸9bは、軸受け16a、16bによりそれぞれ滑らかに回動するように保持されている。第1の検出歯車11aと第2の検出歯車11bとトーションバー12は、軸受け17a、17bにより滑らかに回動するように保持されている。そしてそれぞれの軸受け16a、16b、17a、17bは筐体(図示せず)にそれぞれ保持されている。第1の操舵軸9aと第2の操舵軸9bの結合部にはリミッター部18を有している。
The
第1の検出歯車11aには第3の検出歯車11cが係合している。第3の検出歯車11cの歯数pは第1の検出歯車11aの歯数nよりは若干大きくしている。第3の検出歯車11cの回転中心には第3の磁石13cが設けられている。第3の磁石13cに対向して第3の磁気検出素子15cが回転基板14a上に設けられている。この第3の磁石13cと第3の磁気検出素子15cとで第3の回転角度検出部を構成している。
A
図3は図2(b)のリミッター部18のA−B断面図である。19はリミッター部18の第1の操舵軸9aの端部に設けられた溝部である。20はリミッター部18の第2の操舵軸9bの端部に設けられた凸部である。溝部19の幅に対して凸部20の幅は狭く設定してあり、隙間tを有して結合されている。
FIG. 3 is a cross-sectional view of the
図4は第1の回転角度検出部の磁石からの磁力線の様子を示す断面図であり、第1の磁石13aから出て第1の検出歯車11aを介して第1の磁気検出素子15aを通る磁力線21の経路を示す。第2の磁石13b、第3の磁石13cの磁力線についても同様である。
FIG. 4 is a cross-sectional view showing the state of the lines of magnetic force from the magnets of the first rotation angle detector, and goes out of the
次に、この回転角度およびトルク検出装置8の動作について説明する。 Next, the operation of the rotation angle and torque detection device 8 will be described.
図2(b)において、ハンドル2を回すと第1の操舵軸9aが回り、その回転は第1の主歯車10aから第1の検出歯車11aに伝わり、更にトーションバー12を介して第2の検出歯車11bに伝達され、更に第2の主歯車10bへと伝わり第2の操舵軸9bを回動させる。
In FIG. 2 (b), when the handle 2 is turned, the
この間、第1の磁石13aから発せられる磁力線21は、第1の磁気検出素子15a内で方向を変えながら回動する。第1の磁気検出素子15aはこの磁力線21の方向を検出する。同様に第2の磁気検出素子15bは第2の磁石13bの磁力線21の方向を、第3の磁気検出素子15cは第3の磁石13cの磁力線21の方向を検出する。そして、第2の操舵軸9bに負荷トルクが生じるとトーションバー12には負荷トルクに応じた捻りが発生し、その結果第1の磁気検出素子15aと第2の磁気検出素子15bの出力には相対的な差を生じ、この差の大きさによってトーションバー12にかかっている負荷トルクの大きさを回路基板14a上の計算回路(図示せず)により算定することができる。
During this time, the magnetic lines of
所定の大きさを超える負荷トルクがかかるとリミッター部18の隙間tは0となり、第1の操舵軸9aと第2の操舵軸9bとはトルク的には直結状態となり、所定の大きさを超える負荷トルクは全て第1の操舵軸9aから第2の操舵軸9bへと直接伝わる。これによりトーションバー12に過大なトルクがかかって破壊してしまうようなことは防止される。なお、隙間tは操舵の感触に違和感がないように左右ともに第1の操舵軸9aと第2の操舵軸9bの間で右回り左回りともに3度ずつ程度の捻り角度に相当するように設定してある。
When a load torque exceeding a predetermined magnitude is applied, the gap t between the
また、主歯車10a、10bと検出歯車11a、11bとの歯数の比を2〜5:1程度にしていることによって、操舵軸の捻れ角度は検出歯車11a、11bでは2〜5倍に拡大されており、それだけ磁気検出素子15a、15bでの測定上の精度が上がることになる。
Further, by setting the ratio of the number of teeth of the
この回転角度およびトルク検出装置8で検出された信号は操舵アシスト機構(図示せず)により倍力されて第2の操舵軸9bに加えられることになり、運転者は軽い操舵力で車のハンドル操作ができることになる。 The rotation angle and the signal detected by the torque detection device 8 are boosted by a steering assist mechanism (not shown) and applied to the second steering shaft 9b. It will be possible to operate.
次に本発明の回転角度およびトルク検出装置8の有効性について述べる。 Next, the effectiveness of the rotation angle and torque detection device 8 of the present invention will be described.
本発明の回転角度およびトルク検出装置8の有利な点は、従来例のように操舵軸と同軸にトーションバーが設けられている方式のものと比較して、機械的誤差によるトルク検出誤差が少なくトルクの検出精度が優れている点にある。 The advantage of the rotation angle and torque detection device 8 of the present invention is that there is less torque detection error due to mechanical error compared to the conventional system in which a torsion bar is provided coaxially with the steering shaft. The torque detection accuracy is excellent.
負荷トルクは操舵軸での左右3度の小さい捻れの範囲内で検出する必要があるが、従来例のものでは検出歯車への歯車伝達の過程で歯車の加工誤差や取り付け誤差に起因する誤差の影響が10パーセント程度もあり、その誤差が倍加されて操舵軸に加えられるため、ハンドルを回す際にがたがたとした違和感を生じ微妙な角度のハンドル捌きが困難となるのに対して、本発明の回転角度およびトルク検出装置8においてはトーションバー12で生じた捻れが第1の磁気検出素子15aと第2の磁気検出素子15bとで直接に検出することができるため、回転角度差から求めるトルクが一義的に決まり、トルク値と信号値とが正確に対応して歯車の伝達による誤差の影響が入り込まないことになる。このようにして精度の良い負荷トルクの検出が可能となるものである。
The load torque needs to be detected within a small twisting range of 3 degrees on the left and right of the steering shaft. However, in the conventional example, errors caused by gear machining errors and mounting errors in the process of gear transmission to the detection gear are not required. There is an influence of about 10%, and the error is doubled and added to the steering shaft. Therefore, it is difficult to handle the steering wheel at a subtle angle due to the uncomfortable feeling when turning the steering wheel. In the rotation angle and torque detection device 8, the torsion generated in the
更に、第1の検出歯車11aに係合する第3の検出歯車11cは第1の検出歯車11aの歯数nよりやや大きめの値の歯数pであり、この歯数の違いによりハンドル2を回動させるに伴い少しずつ磁石の向きが変化して回動による位相差が生じ、これを第1の磁気検出素子15aと第3の磁気検出素子15cで読み取ることにより、ハンドル2の多回転にわたっての絶対的な回転角度を検出することができる。
Further, the
また、図5に示すように歯数nの第1の検出歯車11aと歯数pの第3の検出歯車11dとが共に第1の主歯車10aに係合された構成においても、第1の検出歯車11aと第3の検出歯車11dに対応する位置に第1の磁気検出素子15aと第3の磁気検出素子15dとを設けて、この間で回転角度の検出を実行しても同じ効果が得られるものである。
Further, as shown in FIG. 5, the
また、図6に示すように、回転角度の検出は歯数pの第3の検出歯車11eとそれに係合する歯数qの第4の検出歯車11fと、それらにそれぞれ対応する第3の磁気検出素子15eと第4の磁気検出素子15fとを専用に設けて実行してもよいものである。
Further, as shown in FIG. 6, the rotation angle is detected by detecting the
また、図7に示すように、回転角度の検出はそれぞれ主歯車10aに係合する第3の検出歯車11gと第4の検出歯車11hと、それらにそれぞれ対応する第3の磁気検出素子15gと第4の磁気検出素子15hとを専用に設けて実行してもよいものである。
Further, as shown in FIG. 7, the rotation angle is detected by a third detection gear 11g and a
本発明にかかる回転角度およびトルク検出装置は、第1の主歯車には第1の検出歯車が第2の主歯車には第2の検出歯車がそれぞれ係合しており、この第1の検出歯車と第2の検出歯車との間にトーションバーを設け、更に第3の検出歯車あるいは第4の検出歯車を設けた構成にすることにより、トルクの検出にあたっては歯車の加工誤差や取り付けに起因する誤差が入り込まないのでセンサの検出精度を高めることができるという効果を有するとともに、ハンドルの回転角度をも同時に検出することができるので、車載用の電動パワーステアリング装置や姿勢制御などに有用である。 In the rotation angle and torque detection device according to the present invention, the first detection gear is engaged with the first main gear, and the second detection gear is engaged with the second main gear. By providing a torsion bar between the gear and the second detection gear, and further providing a third detection gear or a fourth detection gear, torque detection is caused by gear machining errors or attachment. This is useful for in-vehicle electric power steering devices and attitude control because the detection accuracy of the sensor can be increased and the rotation angle of the steering wheel can be detected at the same time. .
1 ステアリングシャフト
2 ハンドル
3 ピニオン
4 ラック
5 連結ロッド
6 タイヤ
7 車軸
8 回転角度およびトルク検出装置
9a 第1の操舵軸
9b 第2の操舵軸
10a 第1の主歯車
10b 第2の主歯車
11a 第1の検出歯車
11b 第2の検出歯車
11c、11d、11e、11g 第3の検出歯車
11f、11h 第4の検出歯車
12 トーションバー
13a 第1の磁石
13b 第2の磁石
13c 第3の磁石
14a、14b 回路基板
15a 第1の磁気検出素子
15b 第2の磁気検出素子
15c、15d、15e、15g 第3の磁気検出素子
15f、15h 第4の磁気検出素子
16a、16b、17a、17b 軸受け
18 リミッター部
19 溝部
20 凸部
21 磁力線
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Steering shaft 2 Handle 3 Pinion 4
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