JP2007071784A - Torque sensing device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、軸に加わる回転トルクを、該軸の捩れ角に基づいて検出するように構成されたトルク検出装置に関し、更に詳しくは、周辺温度を検出する温度センサとしての機能を併せ持つように構成されたトルク検出装置に関する。 The present invention relates to a torque detection device configured to detect a rotational torque applied to a shaft based on a twist angle of the shaft, and more particularly, to have a function as a temperature sensor for detecting an ambient temperature. The present invention relates to a torque detection device.
自動車用のパワーステアリング装置として、近年、制御が容易な電動モータを操舵補助用のアクチュエータとして備える電動パワーステアリング装置が普及している。この電動パワーステアリング装置は、ステアリングホイール等の操舵部材の操作を操舵機構に伝えるステアリング軸の中途にトルク検出装置を配し、このトルク検出装置により、操舵部材の操作に応じてステアリング軸に加わる回転トルク(操舵トルク)を検出し、この検出結果に基づいて駆動制御される操舵補助用のモータの回転力を操舵機構に加えて操舵を補助するように構成されている。 2. Description of the Related Art In recent years, an electric power steering apparatus that includes an electric motor that can be easily controlled as an actuator for assisting steering has become widespread as a power steering apparatus for an automobile. In this electric power steering device, a torque detection device is arranged in the middle of a steering shaft that transmits an operation of a steering member such as a steering wheel to a steering mechanism, and the torque is applied to the steering shaft according to the operation of the steering member. Torque (steering torque) is detected, and the rotational force of a steering assist motor that is driven and controlled based on the detection result is applied to the steering mechanism to assist steering.
このように用いられるトルク検出装置の多くは、検出対象となるステアリング軸を捩りばねとしての細径のトーションバーにより連結された第1軸と第2軸とに分割し、操舵部材の回転操作によりステアリング軸に操舵トルクが加えられたとき、トーションバーの捩れを伴って第1,第2軸間に生じる捩れ角を媒介として前記操舵トルクを検出する構成としてある。 Most of the torque detection devices used in this way divide a steering shaft to be detected into a first shaft and a second shaft connected by a small-diameter torsion bar as a torsion spring, and rotate the steering member. When a steering torque is applied to the steering shaft, the steering torque is detected using a twist angle generated between the first and second shafts as the torsion bar is twisted.
第1,第2軸間の捩れ角の検出は、従来から種々の手段にて実現されており、そのうちの一つとして、第1軸と一体回転する円筒磁石と、第2軸と一体回転するヨークリングとを備え、この円筒磁石とヨークリングとの間の磁気回路の変化をホールセンサにより検出するように構成されたトルク検出装置がある(例えば、特許文献1参照)。 The detection of the torsion angle between the first and second shafts has been realized by various means conventionally. One of them is a cylindrical magnet that rotates integrally with the first shaft, and one that rotates integrally with the second shaft. There is a torque detection device that includes a yoke ring and is configured to detect a change in a magnetic circuit between the cylindrical magnet and the yoke ring by a Hall sensor (see, for example, Patent Document 1).
ホールセンサは、磁気検知素子としてのホール素子と、出力補正用のICとを組み合わせて構成されている。出力補正用のICは、周辺温度の影響によるホール素子の特性変化を補正する機能を果たすものであり、組み合わされたホール素子に応じて適正な温度定数を予め設定することにより、周辺温度の影響による出力の変化程度を補正し、周辺温度の影響による検出精度の低下を抑えるべく利用されている。 The Hall sensor is configured by combining a Hall element as a magnetic detection element and an output correction IC. The IC for output correction performs the function of correcting the change in characteristics of the Hall element due to the influence of the ambient temperature. By setting an appropriate temperature constant in advance according to the combined Hall element, the influence of the ambient temperature is achieved. It is used to correct the degree of change in output due to, and to suppress a decrease in detection accuracy due to the influence of ambient temperature.
また一方、電動パワーステアリング装置に用いられるトルク検出装置は、操舵補助用のモータの発生力の大きさを定める重要な検出装置であり、誤った検出結果に基づく不適切な制御がなされることを防止することを目的として、従来から、同一特性を有する2つのセンサ(主センサ及び副センサ)を同一条件下に配し、これら両センサによる捩れ角の検出結果が相違する場合に異常が発生していると判定して、例えこれらば、操舵補助用のモータの駆動制御を中止して操舵補助を行わせない等のフェイルセーフ動作を行うようにしてある(例えば、特許文献2参照)。
以上の如きフェイルセーフ動作は、捩れ角の検出手段として前述したホールセンサを用いてなるトルク検出装置においても実施されているが、前記副センサとしての一方のホールセンサは、主センサとして操舵補助用のモータの駆動制御に使用される他方のホールセンサのフェイル判定のためにのみ用いられており、フェイル時以外におけるこの副センサの出力の有効利用を図ることが切望されている。 The fail-safe operation as described above is also implemented in the torque detection device using the Hall sensor described above as a torsion angle detection means. However, one Hall sensor as the auxiliary sensor is used as a main sensor for assisting steering. It is used only for fail determination of the other hall sensor used for driving control of the motor, and it is desired to make effective use of the output of this sub sensor other than at the time of failure.
このような有効利用は、ホールセンサ以外のセンサを捩れ角の検出に用いてあるトルク検出装置においても、また電動パワーステアリング装置以外に適用されるトルク検出装置においても同様に切望されている。 Such effective use is also eagerly desired both in a torque detection device using a sensor other than a Hall sensor for detecting a torsion angle and also in a torque detection device applied to other than an electric power steering device.
本発明は斯かる事情に鑑みてなされたものであり、ホールセンサ等、温度による特性変化の調整が可能に構成されたセンサを捩れ角の検出手段として備える構成において、フェイル判定のためのセンサの通常時の検出結果を利用して周辺温度の検出を併せて行えるようにしたトルク検出装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of such circumstances, and in a configuration including a sensor configured to be able to adjust a change in characteristics due to temperature, such as a hall sensor, as a twist angle detection unit, a sensor for fail determination is provided. An object of the present invention is to provide a torque detection device that can detect the ambient temperature by using the detection result at the normal time.
本発明の第1発明に係るトルク検出装置は、温度による出力特性の変化を補正する補正定数の設定が可能な2つのセンサにより軸の捩れ角を同一条件下にて検出し、一方のセンサの出力により前記軸に加わる回転トルクを求め、両方のセンサの出力比較により両センサのフェイル判定を行うトルク検出装置において、前記2つのセンサに異なる補正定数が設定してあり、両センサの出力に基づいて周辺温度を算出する温度算出手段を備えることを特徴とする。 The torque detection device according to the first aspect of the present invention detects the torsion angle of the shaft under the same condition by two sensors capable of setting a correction constant for correcting a change in output characteristics due to temperature. In the torque detection device that obtains rotational torque applied to the shaft by output and determines the failure of both sensors by comparing the outputs of both sensors, different correction constants are set for the two sensors, and based on the outputs of both sensors And a temperature calculating means for calculating the ambient temperature.
本発明の第2発明に係るトルク検出装置は、前記2つのセンサが、夫々の出力のゲインが逆極性に設定されており、前記温度算出手段が、両方のセンサの出力の和に基づいて前記周辺温度を算出する構成としてあることを特徴とする。 In the torque detection device according to the second aspect of the present invention, the two sensors are configured such that the gains of the respective outputs are set to opposite polarities, and the temperature calculation means is configured to perform the above-described operation based on the sum of the outputs of both sensors. The configuration is characterized in that the ambient temperature is calculated.
本発明の第1発明に係るトルク検出装置においては、異なる補正定数が設定された2つのセンサにより対象となる軸の捩れ角を同一条件下にて検出したとき、両センサの出力に夫々に設定された補正定数に応じた差が生じることを利用し、両センサの出力に基づいてトルク検出装置の周辺温度を算出する構成としたから、フェイル判定のために設けられたセンサの有効利用を図ることが可能となる。 In the torque detection device according to the first aspect of the present invention, when the twist angle of the target shaft is detected under the same condition by two sensors having different correction constants, they are set to the outputs of both sensors, respectively. Since the difference between the corrected constants is used and the ambient temperature of the torque detector is calculated based on the outputs of both sensors, the sensor provided for fail determination is effectively used. It becomes possible.
また第2発明に係るトルク検出装置においては、2つのセンサが逆極性のゲイン特性を有するようにしたから、両センサの出力の和に基づいて、より具体的には、両センサの出力和の零からの偏倚量を用いて、簡易に、しかも高精度に検出することが可能となる等、本発明は優れた効果を奏する。 In the torque detector according to the second invention, since the two sensors have gain characteristics of opposite polarities, more specifically, based on the sum of the outputs of both sensors, more specifically, The present invention has an excellent effect, such as being able to detect easily and with high accuracy using a deviation amount from zero.
以下本発明をその実施の形態を示す図面に基づいて詳述する。図1は、本発明に係るトルク検出装置を備える電動パワーステアリング装置の構成を示す模式図であり、この電動パワーステアリング装置は、図示しない車体の左右方向に延設されたラックハウジング10の内部に軸長方向への移動自在に支持されたラック軸1と、ラックハウジング10の中途に交叉するピニオンハウジング20の内部に回転自在に支持されたピニオン軸2とを備えるラックピニオン式の操舵機構を備えている。
Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the drawings illustrating embodiments thereof. FIG. 1 is a schematic diagram showing a configuration of an electric power steering apparatus provided with a torque detection device according to the present invention. The electric power steering apparatus is installed in a
ラックハウジング10の両側から外部に突出するラック軸1の両端は、各別のタイロッド11,11を介して操舵輪としての左右の前輪12,12に連結され、またピニオンハウジング20の一側から外部に突出するピニオン軸2の上端は、ステアリング軸3を介して操舵部材としてのステアリングホイール30に連結されている。ピニオンハウジング20の内部に延びるピニオン軸2の下部には、図示しないピニオンが形成されており、該ピニオンは、ラックハウジング10との交叉部において、ラック軸1の外面に適長に亘って形成されたラック歯に噛合させてある。
Both ends of the
ステアリング軸3は、筒形をなすコラムハウジング31の内部に回転自在に支持され、該コラムハウジング31を介して、図示しない車室の内部に前方を下とした傾斜姿勢を保って固定されている。コラムハウジング31の下方へのステアリング軸3の突出端には、ピニオン軸2が連結され、同じく上方への突出端には、ステアリングホイール30が固設されている。
The steering shaft 3 is rotatably supported inside a
以上の構成により、操舵のためにステアリングホイール30が回転操作された場合、この回転がステアリング軸3を介してピニオン軸2に伝達され、該ピニオン軸2の回転が、ピニオンとラック歯との噛合部においてラック軸1の軸長方向の移動に変換されることとなり、この移動により、左右の前輪12,12が各別のタイロッド11,11を介して押し引きされて操舵がなされる。
With the above configuration, when the
ステアリング軸3を支持するコラムハウジング31の中途には、操舵補助用のモータ4が取付けてあり、このモータ4の上位置のコラムハウジング31の内部に、ステアリングホイール30の回転操作によりステアリング軸3に加わる操舵トルクを検出すべく本発明に係るトルク検出装置5が構成されている。
A steering assisting motor 4 is mounted in the middle of the
操舵補助用のモータ4は、コラムハウジング31の外側に軸心を略直交させて取り付けてあり、例えば、コラムハウジング31の内部に延びるモータ4の出力端に固着されたウォームをステアリング軸3に外嵌固定されたウォームホイールに噛合させ、前記モータ4の回転を、ウォーム及びウォームホイールにより減速してステアリング軸3に伝えるように伝動構成されている。この構成によれば、操舵補助用のモータ4の回転は、ステアリング軸3に減速伝動され、該ステアリング軸3の下端に連設されたピニオン軸2に回転力が付与されることとなり、この回転に応じて前述の如く行われる操舵が補助される。
The steering assist motor 4 is attached to the outside of the
またトルク検出装置5は、検出対象となるステアリング軸3を上下の2軸に分割し、これらの2軸を捩れ特性が既知のトーションバーにより同軸上に連結して、操舵トルクの作用によりトーションバーの捩れを伴って前記2軸間に生じる捩れ角を検出する公知の構成を有している。
The
操舵補助用のモータ4は、アシスト制御部6から図示しない駆動回路を介して与えられる制御指令に従って駆動される。アシスト制御部6には、トルク検出装置5による操舵トルクの検出値が与えられ、また操舵補助用のモータ4に付設されたモータ電流センサ40から、前記モータ4の駆動電流の検出値が与えられている。
The steering assist motor 4 is driven in accordance with a control command given from the
アシスト制御部6は、CPU、ROM及びRAMを備え、ROMに記憶された制御プログラムに従うCPUの動作によりアシスト制御を実施するECUとして構成されており、トルク検出装置5により検出される操舵トルクに基づいて操舵補助用のモータ4に制御指令を発し、該モータ4の駆動電流を、モータ電流センサ40による駆動電流の検出値をフィードバック信号とする増減制御する公知のアシスト制御動作を行う。
The
図2は、トルク検出装置5の要部の構成例を示すブロック図である。このトルク検出装置5は、例えば、前記特許文献1に開示されているように、前記2軸の一方と一体回転する円筒磁石と他方と一体回転するヨークリングとの間の磁気回路の変化を検出する第1,第2のセンサ51,52と、これらのセンサ51,52の出力信号を入力してトルクを算出すると共に、両センサ51,52の異常の有無を判定する演算処理回路50とを備えている。
FIG. 2 is a block diagram illustrating a configuration example of a main part of the
第1,第2のセンサ51,52は、磁気検知素子としてのホール素子と、該ホール素子の出力補正用のICとを備えるホールセンサとしてあり、これらの第1,第2のセンサ51,52は、夫々のゲインが、ゲイン値そのものは同一であるが逆極性となるように設定されている。
The first and
図3は、第1,第2のセンサ51,52夫々の出力と操舵トルクとの関係を示す図である。前述したゲイン設定により、第1のセンサ51は、一方向の操舵トルクに対して正、他方向の操舵トルクに対して負となるように所定の変化率(ゲイン値)にて変化する出力特性を示し、第2のセンサ52は、一方向の操舵トルクに対して負、他方向の操舵トルクに対して正となるように、第1のセンサ51と同一の変化率にて変化する出力特性を示す。
FIG. 3 is a diagram showing the relationship between the outputs of the first and
このような第1,第2のセンサ51,52の出力信号が与えられる演算処理回路50においては、一方(例えば、第1のセンサ51)の出力を操舵トルクの算出に用い、他方(例えば、第2のセンサ52)の出力は、第1のセンサ51(又は第2のセンサ52)のフェイル判定に用いられる。
In the arithmetic processing circuit 50 to which the output signals of the first and
操舵トルクは、逐次与えられる第1のセンサ51の出力を、例えば、図3に対応する演算テーブルに適用し、図3中に破線の矢符にて示す如く求められる。また第1,第2のセンサ51,52のフェイル判定は、逆極性にゲイン設定された第1,第2のセンサ51,52の出力が共に正しい場合、これらの出力の和(図3中のA点)が零となることを利用してなされ、例えば、逐次与えられる第1,第2のセンサ51,52の出力の和を求め、この和が、零を中心とする所定の不感帯域から外れている場合に異常が生じていると判定される。
The steering torque is obtained as indicated by a broken line arrow in FIG. 3 by applying the output of the
このようなフェイル判定の結果は、アシスト制御部6に与えられており、このフェイル判定に応じてアシスト制御部6は、例えば、前述したアシスト制御動作の中止、警報の発生等のフェイルセーフ動作を実施する。なお、以上の手順によるフェイル判定は、演算処理回路50において実施し、図2中に示す如く判定の結果のみをアシスト制御部6に与えるようにしてもよく、また第1,第2のセンサ51,52の出力をアシスト制御部6に直接与え、該アシスト制御部6内にてフェイル判定を行わせるようにしてもよい。
The result of such a fail determination is given to the assist
更に本発明に係るトルク検出装置5においては、第1,第2のセンサ51,52の出力を用い、トルク検出装置5の周辺温度を検出可能としてある。この温度検出は、ホールセンサとして構成された第1,第2のセンサ51,52に備えられた出力補正用のICを利用して以下の如く行われる。
Furthermore, in the
第1,第2のセンサ51,52に備えられた出力補正用のICは、ホール素子が保有する出力の温度依存性を補正し、温度の如何に拘らず略同一の出力特性が得られるように設けられているものであり、補正定数を予め外部設定することにより目的を達成すべく使用される。
The output correction ICs provided in the first and
本発明においては、第1,第2のセンサ51,52の夫々の出力補正用ICに異なる補正定数を設定する。即ち、操舵トルクの算出に用いる第1のセンサ51には、本来の目的である出力特性の温度依存性を排除すべく正しい補正定数を設定するのに対し、第2のセンサ52には、正しい補正定数から外れた補正定数を設定する。
In the present invention, different correction constants are set in the output correction ICs of the first and
図4は、種々の温度下での第1,第2のセンサ51,52の出力特性を示す図であり、図中の実線は、標準温度下での出力特性を示し、図中の破線は、標準温度よりも低い温度下での出力特性を、また一点鎖線は、標準温度よりも高い温度下での出力特性を夫々示している。本図に示すように、正しい補正定数が設定された第1のセンサ51の出力特性は、周辺温度の高低に拘らず標準温度下におけると略同一の出力特性を示すのに対し、誤った補正定数が設定された第2のセンサ52の出力特性は、周辺温度の高低に応じて大きく変化することとなる。
FIG. 4 is a diagram showing output characteristics of the first and
従って、第1,第2のセンサ51,52の出力の和は、高温下においては、図4中にAとして示す如く、零点から第2のセンサ52の出力の側に偏倚し、この偏倚量αは、周辺温度の上昇に応じて大きくなる。逆に、低温下での出力の和は、第1のセンサ51の側に偏倚し、この偏倚量は、温度下降に応じて大きくなる。
Therefore, the sum of the outputs of the first and
このように、異なる補正定数の設定がなされた第1,第2のセンサ51,52を使用した場合、両センサ51,52の出力の和は、これらの周辺温度の高低を夫々の大きさを含めて示すものとなる。演算処理部50においては、逐次与えられる第1,第2のセンサ51,52の出力の和を求め、この和を用いて周辺温度を算出し、この結果を温度検出値として出力し、アシスト制御部6に与える。なおフェイル判定の場合と同様に、第1,第2のセンサ51,52の出力をアシスト制御部6に直接与え、該アシスト制御部6内にて前述した手順での温度算出を行わせることもできる。
As described above, when the first and
アシスト制御部6は、このように与えられる温度検出値をトルク検出装置5の周辺温度として認識し、例えば、この温度検出値を、操舵補助用のモータ4の過負荷、該モータ4からステアリング軸3への伝動系の不具合等、トルク検出装置5の周辺の異常の有無の判定に用い、異常有りと判定された場合、アシスト制御動作の中止等の所定のフェイルセーフ動作を実施する。
The
このような温度検出は、トルク検出装置5に本来必要な第1,第2のセンサ51,52の出力を用い、これらの和を求めるだけの単純な演算により実施することができ、専用の温度センサを用いることなく周辺の異常判定が可能となり、センサ異常以外の理由によるフェイルセーフ動作を行わせることができる。
Such temperature detection can be performed by a simple calculation that uses the outputs of the first and
またこのような温度検出は、想定される温度下にて生じる前記偏倚量αの最大値を制限することにより、前述の如く行われる異常判定に影響を及ぼすことなく実施することができる。具体的には、前記偏倚量αの最大値を異常判定に際して前述の如く設定される不感帯域内におさめるようにすればよく、このことは、前記補正定数の適正な設定により実現される。 Further, such temperature detection can be performed without affecting the abnormality determination performed as described above by limiting the maximum value of the deviation amount α that occurs at an assumed temperature. Specifically, the maximum value of the deviation amount α may be set within the dead band set as described above in the abnormality determination, and this is realized by appropriately setting the correction constant.
なお以上の実施の形態においては、電動パワーステアリング装置に操舵トルクの検出のために装備されるトルク検出装置への適用例について述べたが、本発明に係るトルク検出装置は、回転軸に加わる回転トルクを検出する用途全般に適用可能であることは言うまでもない。また以上の実施の形態においては、第1,第2のセンサ51,52としてホールセンサを用いた場合について述べたが、温度による出力特性の変化の補正機能を有するセンサであれば、ホールセンサ以外のセンサを備えるものであってもよい。
In the above embodiment, the application example to the torque detection device provided for detecting the steering torque in the electric power steering device has been described. However, the torque detection device according to the present invention is a rotation applied to the rotation shaft. Needless to say, the present invention can be applied to all applications for detecting torque. In the above embodiment, the case where Hall sensors are used as the first and
3 ステアリング軸(軸)
5 トルク検出装置
50 演算処理回路(温度算出手段)
51 第1のセンサ
52 第2のセンサ部(制御手段)
3 Steering shaft (shaft)
5 Torque detection device
50 Arithmetic processing circuit (temperature calculation means)
51 First sensor
52 Second sensor unit (control means)
Claims (2)
前記2つのセンサに異なる補正定数が設定してあり、両センサの出力に基づいて周辺温度を算出する温度算出手段を備えることを特徴とするトルク検出装置。 Two sensors capable of setting correction constants that correct changes in output characteristics due to temperature detect the torsion angle of the shaft under the same conditions, and determine the rotational torque applied to the shaft by the output of one sensor. In the torque detection device that performs fail determination of both sensors by comparing the outputs of the sensors,
A torque detection apparatus comprising temperature calculating means for setting different correction constants for the two sensors and calculating an ambient temperature based on outputs of both sensors.
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