JP2008191168A - Magnetostrictive torque sensor - Google Patents

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Atsuhiko Yoneda
篤彦 米田
Yasuo Shimizu
康夫 清水
Shunichiro Sueyoshi
俊一郎 末吉
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a magnetostrictive torque sensor capable of stably sensing a torque applied to a rotating shaft, without being affected by the frequency characteristics of a peak-and-holding circuit used in a conventional device, without generating attenuation of gain or delay in the phase of a torque sense signal. <P>SOLUTION: This magnetostrictive torque sensor 20 comprises the rotating shaft 12b, a plurality of magnetostrictive films 20b, 20c each of which the magnetic characteristics are changed, in response to the torque applied to the rotating shaft, and a plurality of coils 20d, 20e, 20f, 20g each being responsive to variations in the magnetostrictive characteristics of each of the plurality of the magnetostrictive films. The magnetostrictive torque sensor is adapted to sense the torque applied to the rotary shaft and is constituted, such that the two coils are coupled in series and the torque is sensed, based on the voltage of the midpoint between the two coils. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

本発明は、磁歪膜の周囲に設けられたコイルのインダクタンスの値の変化に基づいて印加トルクを検出する磁歪式トルクセンサに関する。 The present invention relates to a magnetostrictive truxene Sa for detecting the applied torque based on the change in value of the inductance of the coil provided around the magnetostrictive films.

電動パワーステアリング装置では、機械的に構成された操舵装置に対して補助力発生用モータを付設し、モータから供給する回転トルクを制御装置を用いて制御することにより、運転者の操舵トルクを軽減している。従来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に連結されたステアリング軸に、操舵トルクを検出するための操舵トルク検出部(トルクセンサ)が設けられている。操舵トルク検出部の検出値は、制御装置に対し、モータに適切な補助操舵トルクを発生させるための信号として供給される。   In an electric power steering device, an auxiliary force generation motor is attached to a mechanically configured steering device, and the rotational torque supplied from the motor is controlled using a control device, thereby reducing the driver's steering torque. is doing. In a conventional electric power steering apparatus, a steering torque detector (torque sensor) for detecting steering torque is provided on a steering shaft connected to a steering wheel. The detection value of the steering torque detection unit is supplied to the control device as a signal for causing the motor to generate an appropriate auxiliary steering torque.

上記の操舵トルク検出部としては、従来、トーションバーの捻れを利用するトーションバー式トルクセンサが主流である。近年では磁歪式トルクセンサも知られている。磁歪式トルクセンサの一例としては、ステアリングホイールに連結されたステアリング軸の表面に例えばNi−Feメッキめっきのごとき磁歪膜を上下2箇所に設ける。2箇所の磁歪膜は、逆方向の磁気異方性となるように、軸方向所定幅で設けられる。ステアリング軸に操舵トルクが印加されたとき、磁歪膜での磁気異方性に基づいて発生する磁歪特性の変化を、磁歪膜の周囲に配設されたコイルにより検知する。このような磁歪式トルクセンサは、例えば特許文献1や特許文献2で開示されている。   Conventionally, a torsion bar type torque sensor using torsion of a torsion bar is mainly used as the steering torque detection unit. In recent years, magnetostrictive torque sensors are also known. As an example of the magnetostrictive torque sensor, magnetostrictive films such as Ni—Fe plating are provided on the surface of the steering shaft connected to the steering wheel at two locations on the upper and lower sides. The two magnetostrictive films are provided with a predetermined axial width so as to have opposite magnetic anisotropy. When a steering torque is applied to the steering shaft, a change in magnetostrictive characteristics that occurs based on the magnetic anisotropy in the magnetostrictive film is detected by a coil disposed around the magnetostrictive film. Such a magnetostrictive torque sensor is disclosed in Patent Document 1 and Patent Document 2, for example.

特許文献1と特許文献2で開示された磁歪式トルクセンサでは、ステアリング軸の表面に形成した2つの磁歪膜のそれぞれに励磁コイルと検出コイルを設けた構成である。励磁コイルを必要とする磁歪式トルクセンサの他に、検出コイルのみを使用し、検出コイルのインダクタンスの変化によりトルクを検出する方式もある(例えば、特許文献3と特許文献4を参照)。   The magnetostrictive torque sensor disclosed in Patent Document 1 and Patent Document 2 has a configuration in which an excitation coil and a detection coil are provided on each of two magnetostrictive films formed on the surface of the steering shaft. In addition to the magnetostrictive torque sensor that requires an excitation coil, there is also a method that uses only a detection coil and detects torque based on a change in inductance of the detection coil (see, for example, Patent Document 3 and Patent Document 4).

特許文献3で開示される磁歪式トルクセンサでの検出回路は、ステアリング軸の表面に形成された磁歪膜の周囲のコイルと、コイルに直列に抵抗素子とスイッチング素子が接続されている。コイルに対しては所要電圧を印加する電源が設けられている。さらに、抵抗素子とコイルとの間の接続部には、出力信号の最低値を保持するボトムホールド回路が接続されている。   The detection circuit in the magnetostrictive torque sensor disclosed in Patent Document 3 includes a coil around a magnetostrictive film formed on the surface of the steering shaft, and a resistance element and a switching element connected in series with the coil. A power source for applying a required voltage is provided for the coil. Further, a bottom hold circuit that holds the minimum value of the output signal is connected to a connection portion between the resistance element and the coil.

さらに特許文献4には、上記方式を改良した磁歪式トルクセンサが開示されている。この磁歪式トルクセンサでも、磁歪膜の周囲に配置されたコイルと、このコイルに直列に抵抗素子およびスイッチング素子とが接続されている。
特開2001−133337公報 特開2002−168706公報 特開2002−71476公報 特開2005−321316公報
Further, Patent Document 4 discloses a magnetostrictive torque sensor obtained by improving the above method. Also in this magnetostrictive torque sensor, a coil disposed around the magnetostrictive film and a resistance element and a switching element are connected in series with this coil.
JP 2001-133337 A JP 2002-168706 A JP 2002-71476 A JP-A-2005-321316

従来の特許文献4等で開示される磁歪式トルクセンサでは、スイッチング素子のオン・オフ周波数は例えば約30kHzという高い周波数である。このため、磁歪膜の磁気特性の変化に感応するコイルの端子から取り出される電圧信号の変化の周波数も約30kHzとなる。その結果、ピークホールド回路の検出周期は、約30kHzの逆数という短い周期となる。しかし、通常、使用されるピークホールド回路の周波数特性は、30kHzという周波数領域ではゲインが減衰し、位相遅れも大きくなる。磁歪式トルクセンサの出力信号における位相遅れが大きいと、電動パワーステアリング装置の制御が不安定になり、操舵を補助するアシスト出力が振動的になる。この結果、操舵トルクが振動的になり、操舵フィーリングを不良にするという問題が提起される。   In the conventional magnetostrictive torque sensor disclosed in Patent Document 4 or the like, the on / off frequency of the switching element is a high frequency of about 30 kHz, for example. For this reason, the frequency of change of the voltage signal taken out from the terminal of the coil that is sensitive to the change of the magnetic characteristics of the magnetostrictive film is also about 30 kHz. As a result, the detection period of the peak hold circuit is a short period of the reciprocal of about 30 kHz. However, normally, the frequency characteristics of the peak hold circuit used are such that the gain is attenuated and the phase delay is increased in the frequency region of 30 kHz. When the phase lag in the output signal of the magnetostrictive torque sensor is large, the control of the electric power steering device becomes unstable, and the assist output for assisting the steering becomes oscillating. As a result, there arises a problem that the steering torque becomes oscillating and the steering feeling becomes poor.

本発明の目的は、上記課題に鑑み、従来装置で使用されたピークホールド回路の周波数特性による影響を受けず、トルク検出信号でゲインの減衰や位相遅れを生じることなく、回転軸に印加されたトルクを安定して検出できる磁歪式トルクセンサを提供することにある。 In view of the above problems, the object of the present invention is not affected by the frequency characteristics of the peak hold circuit used in the conventional apparatus, and is applied to the rotating shaft without causing gain attenuation or phase delay in the torque detection signal. It is to provide a magnetostrictive truxene service can detect torque stably.

本発明に係る磁歪式トルクセンサは、上記の目的を達成するために、次のように構成される。 Magnetostrictive truxene service according to the present invention, in order to achieve the above object, configured as follows.

第1の磁歪式トルクセンサ(請求項1に対応)は、回転軸と、回転軸に印加されるトルクに応じて磁気特性が変化する複数の磁気特性変化部と、複数の磁気特性変化部のそれぞれの磁気特性の変化に感応する複数のコイルとを備え、回転軸に印加されるトルクを検出する磁歪式トルクセンサにおいて、2つのコイルが直列に接続され、2つのコイルの間の中点の電圧に基づいてトルクを検出することを特徴とする。 The first magnetostrictive torque sensor (corresponding to claim 1) includes a rotating shaft, a plurality of magnetic property changing portions whose magnetic properties change according to torque applied to the rotating shaft, and a plurality of magnetic property changing portions. In a magnetostrictive torque sensor that detects a torque applied to the rotating shaft, two coils are connected in series, and a middle point between the two coils is provided. Torque is detected based on the voltage.

第2の磁歪式トルクセンサ(請求項2に対応)は、上記の構成において、好ましくは、複数のコイルは4つのコイルであり、2つのコイルが直列に接続された第1の回路部分と残りの2つのコイルが直列に接続された第2の回路部分とからなり、第1の回路部分における中点の電圧と第2の回路部分の中点における電圧とに基づいてトルクを検出することを特徴とする。
第3の磁歪式トルクセンサ(請求項3に対応)は、上記の構成において、好ましくは、複数のコイルのそれぞれの巻き方向は同一であることを特徴とする。
In the second magnetostrictive torque sensor (corresponding to claim 2), preferably, the plurality of coils are four coils, the first circuit portion in which the two coils are connected in series, and the rest. A second circuit portion connected in series, and detecting a torque based on a voltage at a midpoint in the first circuit portion and a voltage at a midpoint in the second circuit portion. Features.
The third magnetostrictive torque sensor (corresponding to claim 3) is preferably characterized in that, in the above configuration, the winding directions of the plurality of coils are the same.

本発明に係る磁歪膜トルクセンサによれば、簡易な構成で良好な検出感度を得ることができる。 According to the magnetostrictive film torque sensor of the present invention , good detection sensitivity can be obtained with a simple configuration.

以下、本発明の好適な実施形態を添付図面に基づいて説明する。   DESCRIPTION OF EXEMPLARY EMBODIMENTS Hereinafter, preferred embodiments of the invention will be described with reference to the accompanying drawings.

図1は、本発明に係る磁歪式トルクセンサを搭載した電動パワーステアリング装置の全体構成を示す。電動パワーステアリング装置10は、ステアリングホイール11に連結されるステアリング軸12a等に対して補助用の操舵力(操舵トルク)を与えるように構成されている。ステアリング軸12aは、ステアリング軸12bと、自在軸継手12cを介して連結されており、ステアリング軸12aの上端はステアリングホイール11に連結され、ステアリング軸12bの下端にはピニオンギヤ13が取り付けられている。ピニオンギヤ13に対して、これに噛み合うラックギヤ14aを設けたラック軸14が配置されている。ピニオンギヤ13とラックギヤ14aによってラック・ピニオン機構15が形成される。ラック軸14の両端にはタイロッド16が設けられ、各タイロッド16の外側端には前輪17が取り付けられる。上記ステアリング軸12bに対し動力伝達機構18を介してモータ19が設けられている。動力伝達機構18は、ウォームギヤ18aとウォームホイール18bによって形成されている。モータ19は、操舵トルクを補助する回転力(トルク)を出力し、この回転力を、動力伝達機構18を経由して、ステアリング軸12b,12aに与える。またステアリング軸12bには操舵トルク検出部20が設けられている。操舵トルク検出部20は、運転者がステアリングホイール11を操作することによって生じる操舵トルクをステアリング軸12a,12bに加えたとき、ステアリング軸12a,12bに加わる当該操舵トルクを検出する。21は車両の車速を検出する車速検出部であり、22はコンピュータで構成される制御装置である。制御装置22は、操舵トルク検出部20から出力される操舵トルク信号Tと車速検出部21から出力される車速信号Vを取り入れ、操舵トルクに係る情報を車速に係る情報に基づいて、モータ19の回転動作を制御する駆動制御信号SG1を出力する。上記のラック・ピニオン機構15等は図1中で図示しないギヤボックスに収納されている。   FIG. 1 shows an overall configuration of an electric power steering apparatus equipped with a magnetostrictive torque sensor according to the present invention. The electric power steering device 10 is configured to give an auxiliary steering force (steering torque) to a steering shaft 12 a and the like connected to the steering wheel 11. The steering shaft 12a is connected to the steering shaft 12b via a universal shaft joint 12c, the upper end of the steering shaft 12a is connected to the steering wheel 11, and the pinion gear 13 is attached to the lower end of the steering shaft 12b. A rack shaft 14 provided with a rack gear 14a meshing with the pinion gear 13 is disposed. A rack and pinion mechanism 15 is formed by the pinion gear 13 and the rack gear 14a. Tie rods 16 are provided at both ends of the rack shaft 14, and front wheels 17 are attached to the outer ends of the tie rods 16. A motor 19 is provided via a power transmission mechanism 18 for the steering shaft 12b. The power transmission mechanism 18 is formed by a worm gear 18a and a worm wheel 18b. The motor 19 outputs a rotational force (torque) that assists the steering torque, and applies this rotational force to the steering shafts 12 b and 12 a via the power transmission mechanism 18. A steering torque detector 20 is provided on the steering shaft 12b. The steering torque detector 20 detects the steering torque applied to the steering shafts 12a and 12b when the steering torque generated by the driver operating the steering wheel 11 is applied to the steering shafts 12a and 12b. Reference numeral 21 denotes a vehicle speed detection unit that detects the vehicle speed of the vehicle, and reference numeral 22 denotes a control device constituted by a computer. The control device 22 takes in the steering torque signal T output from the steering torque detection unit 20 and the vehicle speed signal V output from the vehicle speed detection unit 21, and uses the information related to the steering torque based on the information related to the vehicle speed. A drive control signal SG1 for controlling the rotation operation is output. The rack and pinion mechanism 15 and the like are housed in a gear box (not shown) in FIG.

上記において電動パワーステアリング装置10は、通常のステアリング系の装置構成に対し、操舵トルク検出部20、車速検出部21、制御装置22、モータ19、動力伝達機構18を付加することによって構成されている。   In the above, the electric power steering device 10 is configured by adding a steering torque detection unit 20, a vehicle speed detection unit 21, a control device 22, a motor 19, and a power transmission mechanism 18 to a normal steering system configuration. .

上記構成において、運転者がステアリングホイール11を操作して自動車の走行運転中に走行方向の操舵を行うとき、ステアリング軸12a,12bに加えられた操舵トルクに基づく回転力はラック・ピニオン機構15を介してラック軸14の軸方向の直線運動に変換され、さらにタイロッド16を介して前輪17の走行方向を変化させようとする。このときにおいて、同時に、ステアリング軸12bに付設された操舵トルク検出部20は、ステアリングホイール11での運転者による操舵に応じた操舵トルクを検出して電気的な操舵トルク信号Tに変換し、この操舵トルク信号Tを制御装置22へ出力する。また、車速検出部21は、車両の車速を検出して車速信号Vに変換し、この車速信号Vを制御装置22へ出力する。制御装置22は、操舵トルク信号T、車速信号Vに基づいてモータ19を駆動するためのモータ電流を発生する。モータ電流によって駆動されるモータ19は、動力伝達機構18を介して補助操舵力をステアリング軸12b,12aに作用させる。以上のごとくモータ19を駆動することにより、ステアリングホイール11に加えられる運転者による操舵力が軽減される。   In the above configuration, when the driver operates the steering wheel 11 to steer in the traveling direction during the traveling operation of the automobile, the rotational force based on the steering torque applied to the steering shafts 12a and 12b is applied to the rack and pinion mechanism 15. It is converted into a linear motion in the axial direction of the rack shaft 14 via the tie rod 16 and further changes the traveling direction of the front wheel 17 via the tie rod 16. At this time, at the same time, the steering torque detector 20 attached to the steering shaft 12b detects the steering torque corresponding to the steering by the driver at the steering wheel 11 and converts it into an electrical steering torque signal T. A steering torque signal T is output to the control device 22. In addition, the vehicle speed detection unit 21 detects the vehicle speed of the vehicle, converts it into a vehicle speed signal V, and outputs the vehicle speed signal V to the control device 22. The control device 22 generates a motor current for driving the motor 19 based on the steering torque signal T and the vehicle speed signal V. The motor 19 driven by the motor current causes an auxiliary steering force to act on the steering shafts 12 b and 12 a via the power transmission mechanism 18. By driving the motor 19 as described above, the steering force applied by the driver to the steering wheel 11 is reduced.

図2は、電動パワーステアリング装置10の機械的機構の要部と電気系の具体的構成を示す。ラック軸14の左端部および右端部の一部は断面で示されている。ラック軸14は、車幅方向(図2中左右方向)に配置される筒状ハウジング31の内部に軸方向へスライド可能に収容されている。ハウジング31から突出したラック軸14の両端にはボールジョイント32がネジ結合され、これらのボールジョイント32に左右のタイロッド16が連結されている。ハウジング31は、図示しない車体に取り付けるためのブラケット33を備えると共に、両端部にストッパ34を備えている。   FIG. 2 shows a specific configuration of the main part of the mechanical mechanism of the electric power steering apparatus 10 and the electric system. A part of the left end portion and the right end portion of the rack shaft 14 is shown in cross section. The rack shaft 14 is housed in a cylindrical housing 31 arranged in the vehicle width direction (left-right direction in FIG. 2) so as to be slidable in the axial direction. Ball joints 32 are screwed to both ends of the rack shaft 14 protruding from the housing 31, and left and right tie rods 16 are connected to these ball joints 32. The housing 31 includes a bracket 33 for attaching to a vehicle body (not shown), and includes stoppers 34 at both ends.

図2において、35はイグニションスイッチ、36は車載バッテリ、37は車両エンジンに付設された交流発電機(ACG)である。交流発電機37は車両エンジンの動作で発電を開始する。制御装置22に対してバッテリ36または交流発電機37から必要な電力が供給される。制御装置22はモータ19に付設されている。また38はラック軸の移動時にストッパ34に当たるラックエンドであり、39はギヤボックスの内部を水、泥、埃等から保護するためのダストシール用ブーツである。   In FIG. 2, 35 is an ignition switch, 36 is an in-vehicle battery, and 37 is an AC generator (ACG) attached to the vehicle engine. The AC generator 37 starts power generation by the operation of the vehicle engine. Necessary electric power is supplied from the battery 36 or the AC generator 37 to the control device 22. The control device 22 is attached to the motor 19. Reference numeral 38 denotes a rack end that contacts the stopper 34 when the rack shaft is moved. Reference numeral 39 denotes a dust seal boot for protecting the inside of the gear box from water, mud, dust, and the like.

図3は図2中のA−A線断面図である。図3では、ステアリング軸12bの支持構造、操舵トルク検出部20、動力伝達機構18、ラック・ピニオン機構15の具体的構成が明示される。   FIG. 3 is a cross-sectional view taken along line AA in FIG. In FIG. 3, the specific structure of the support structure of the steering shaft 12b, the steering torque detector 20, the power transmission mechanism 18, and the rack and pinion mechanism 15 is clearly shown.

図3において、上記ギヤボックス24を形成するハウジング24aにおいてステアリング軸12bは2つの軸受け部41,42によって回転自在に支持されている。ハウジング24aの内部にはラック・ピニオン機構15と動力伝達機構18が収納され、さらに上部には操舵トルク検出部20が付設されている。ハウジング24aの上部開口はリッド43で塞がれ、リッド43はボルトで固定されている。ステアリング軸12bの下端部に設けられたピニオン13は軸受け部41,42の間に位置している。ラック軸14は、ラックガイド45で案内され、かつ圧縮されたスプリング46で付勢されピニオン13側へ押さえ付けられている。動力伝達機構18は、モータ19の出力軸に結合される伝動軸48に固定されたウォームギヤ18aとステアリング軸12bに固定されたウォームホイール18bとによって形成される。操舵トルク検出部20はリッド43に取り付けられている。   In FIG. 3, the steering shaft 12 b is rotatably supported by two bearing portions 41 and 42 in a housing 24 a that forms the gear box 24. A rack and pinion mechanism 15 and a power transmission mechanism 18 are housed inside the housing 24a, and a steering torque detector 20 is additionally provided at the top. The upper opening of the housing 24a is closed with a lid 43, and the lid 43 is fixed with bolts. The pinion 13 provided at the lower end portion of the steering shaft 12b is located between the bearing portions 41 and 42. The rack shaft 14 is guided by a rack guide 45 and is urged by a compressed spring 46 and pressed against the pinion 13 side. The power transmission mechanism 18 is formed by a worm gear 18a fixed to a transmission shaft 48 coupled to an output shaft of the motor 19 and a worm wheel 18b fixed to a steering shaft 12b. The steering torque detector 20 is attached to the lid 43.

上記したように操舵トルク検出部20は、ステアリング・ギヤボックス24内に設けられており、ステアリング軸12bに作用する操舵トルクを検出し、その検出値は制御装置22へ入力されて、モータ19に適切な補助操舵トルクを発生させるための基準信号として供給される。   As described above, the steering torque detection unit 20 is provided in the steering gear box 24, detects the steering torque acting on the steering shaft 12b, and the detected value is input to the control device 22 to the motor 19. It is supplied as a reference signal for generating an appropriate auxiliary steering torque.

ここで用いられる操舵トルク検出20は磁歪式トルクセンサである。以下では、「磁歪式トルクセンサ20」という。図3に示すように、ステアリングホイール11からステアリング軸12a、自在軸継手12cを介して連結されたステアリング軸12bの表面に例えばNi−Feめっきのごとき磁気異方性を有する磁歪膜を上下2箇所(20bおよび20c)でそれぞれ逆方向の異方性となるように軸方向所定幅で設け、磁歪膜20b,20cに操舵トルクが作用したときに発生する逆磁歪特性を、磁歪膜20b,20cの周囲に配設されたコイル20d,20eの交流抵抗等を利用して検知するものである。また、コイル20f,20gは、抵抗素子として用いるコイルである。   The steering torque detection 20 used here is a magnetostrictive torque sensor. Hereinafter, it is referred to as “magnetostrictive torque sensor 20”. As shown in FIG. 3, two magnetostrictive films having magnetic anisotropy such as Ni—Fe plating are provided on the surface of the steering shaft 12b connected from the steering wheel 11 via the steering shaft 12a and the universal joint 12c. (20b and 20c) are provided with a predetermined axial width so as to have anisotropy in the reverse direction, and the reverse magnetostrictive characteristics generated when the steering torque is applied to the magnetostrictive films 20b and 20c are expressed by the magnetostrictive films 20b and 20c. The detection is performed by utilizing the AC resistance of the coils 20d and 20e disposed around the periphery. The coils 20f and 20g are coils used as resistance elements.

次に、本発明の実施形態に係る磁歪式トルクセンサ20について詳細に説明する。この磁歪式トルクセンサ20は、図3に示されるように磁性材からなるステアリング軸12bの周囲面で2箇所に磁歪膜20b,20cが設けられ、ステアリング軸12bに設けられた磁歪膜の磁化の変化を検出するコイル20d,20eと20f,20gが設けられている。また、検出コイル20d,20eの外周にはヨーク部20hが設けられている。   Next, the magnetostrictive torque sensor 20 according to the embodiment of the present invention will be described in detail. As shown in FIG. 3, the magnetostrictive torque sensor 20 is provided with magnetostrictive films 20b and 20c at two locations on the peripheral surface of the steering shaft 12b made of a magnetic material, and the magnetization of the magnetostrictive film provided on the steering shaft 12b. Coils 20d, 20e and 20f, 20g for detecting changes are provided. A yoke portion 20h is provided on the outer periphery of the detection coils 20d and 20e.

図4は、磁歪式トルクセンサ20の回路構成を示す。磁歪式トルクセンサ20は、ステアリング軸12bの2箇所にそれぞれ逆の磁気異方性を持つように磁歪膜20b,20cが形成されている。これら磁歪膜20b,20cは、ステアリング軸12bにトルクが印加されると、そのトルクに応じて磁気特性が変化する磁気特性変化部として作用する。この回路では、ステアリング軸12bにトルクが印加されたときの磁歪膜20b,20cの磁化の変化に感応し、この磁化変化をインダクタンスの変化として検出するコイル20d,20eが磁歪膜の周囲に設けられている。またこの回路では、コイル20d,20eに対してそれぞれ直列に接続されたコイル20f,20g(以下「抵抗素子20f,20g」ともいう)が設けられる。さらに、コイル20d,20eと抵抗素子20f,20gで形成する2つの直列回路から成るブリッジ回路に対して所定周期で電圧を印加するための、スイッチング素子50a,50b,50c,50dとこれらに接続された定電圧源51とから成る電圧印加部52が設けられている。   FIG. 4 shows a circuit configuration of the magnetostrictive torque sensor 20. In the magnetostrictive torque sensor 20, magnetostrictive films 20b and 20c are formed so as to have opposite magnetic anisotropies at two locations on the steering shaft 12b. These magnetostrictive films 20b and 20c act as a magnetic characteristic changing portion in which the magnetic characteristics change according to the torque when a torque is applied to the steering shaft 12b. In this circuit, coils 20d and 20e are provided around the magnetostrictive film in response to a change in magnetization of the magnetostrictive films 20b and 20c when torque is applied to the steering shaft 12b, and detecting the change in magnetization as a change in inductance. ing. In this circuit, coils 20f and 20g (hereinafter also referred to as “resistance elements 20f and 20g”) connected in series to the coils 20d and 20e, respectively, are provided. Further, switching elements 50a, 50b, 50c, 50d for applying a voltage at a predetermined period to a bridge circuit composed of two series circuits formed by the coils 20d, 20e and the resistance elements 20f, 20g are connected to these. A voltage application unit 52 including a constant voltage source 51 is provided.

また、図4に示した回路構成では、コイル20d,20eのそれぞれの両端の電圧(端子電圧)の変化を検出するため、抵抗素子20f,20gとコイル20d,20eの各接続部に検出端子53,54を設けている。さらに、コイル20d,20eのそれぞれの両端の電圧変化の位相を反転(180°シフト)させる位相シフト部55,56を設けている。検出端子53,54から取り出される電圧信号と、位相シフト部55,56の出力端から取り出される電圧信号を、交互に選択して出力する選択部57,58を設けている。選択部57は、固定側の検出用端子53,55aを交互に選択する選択子59(例えばマルチプレクサ)を備える。また選択部58は、同様に、検出用端子54,56aを選択する選択子60を備える。   Further, in the circuit configuration shown in FIG. 4, in order to detect a change in voltage (terminal voltage) at both ends of each of the coils 20d and 20e, the detection terminal 53 is connected to each connection portion of the resistance elements 20f and 20g and the coils 20d and 20e. , 54 are provided. Furthermore, phase shift sections 55 and 56 are provided that invert (180 ° shift) the phase of the voltage change at both ends of the coils 20d and 20e. Selection units 57 and 58 for alternately selecting and outputting the voltage signal extracted from the detection terminals 53 and 54 and the voltage signal extracted from the output terminals of the phase shift units 55 and 56 are provided. The selection unit 57 includes a selector 59 (for example, a multiplexer) that alternately selects the detection terminals 53 and 55a on the fixed side. Similarly, the selection unit 58 includes a selector 60 that selects the detection terminals 54 and 56a.

また選択部57の次段にはフィルタ61が設けられる。フィルタ61は、選択部57から出力される電圧信号に含まれるノイズをカットすると共に当該電圧信号の変化を平滑する働きを有する。フィルタ61は、その入力段に、選択部57から出力される電圧信号の変化を平滑して直流電圧を出力する平滑部63を備えている。同様に、選択部58の次段には、その出力電圧信号に含まれるノイズをカットする共に当該出力電圧信号の変化を平滑するフィルタ61が設けられる。フィルタ61の入力段には選択部58からの出力電圧信号の変化を平滑して直流電圧を出力する平滑部64を備える。フィルタ61,62の次段には、フィルタ61,62の各増幅器61a,62aから出力される2つの直流電圧の差を演算する演算部65を備えている。   A filter 61 is provided at the next stage of the selection unit 57. The filter 61 functions to cut noise included in the voltage signal output from the selection unit 57 and smooth the change in the voltage signal. The filter 61 includes, at its input stage, a smoothing unit 63 that smoothes changes in the voltage signal output from the selection unit 57 and outputs a DC voltage. Similarly, a filter 61 that cuts noise included in the output voltage signal and smoothes the change in the output voltage signal is provided at the next stage of the selection unit 58. The input stage of the filter 61 includes a smoothing unit 64 that smoothes changes in the output voltage signal from the selection unit 58 and outputs a DC voltage. The next stage of the filters 61 and 62 includes an arithmetic unit 65 that calculates the difference between the two DC voltages output from the amplifiers 61 a and 62 a of the filters 61 and 62.

演算部65の後段には、演算部65からのアナログ信号をデジタル信号に変換するAD変換部66と、AD変換部66からのデジタル信号をホールドするサンプルホールド回路67と、サンプルホールド回路67から出力される信号をトルク値に変換する電圧−トルク変換部が設けられている。   At the subsequent stage of the calculation unit 65, an AD conversion unit 66 that converts an analog signal from the calculation unit 65 into a digital signal, a sample hold circuit 67 that holds the digital signal from the AD conversion unit 66, and an output from the sample hold circuit 67 A voltage-torque converter that converts the signal to be converted into a torque value is provided.

上記の電気回路の構成でのコイル20d,20e,20f,20g(なおコイル20f,20gは抵抗素子としても作用する)は、図5に示すように、実際のステアリング軸12bの周囲に巻設されている。図5に示されるように、電源端子70からの配線71はコイル20dの一端に接続され、コイル20dの他端からの配線72はコイル20fの一端に接続され、コイル20fの他端からの配線73は他の電源端子74に接続される。また、接続点75は配線76によりVS1の端子に接続されている。さらに電源端子70からの配線77はコイル20eの一端に接続され、コイル20eの他端からの配線78はコイル20gの一端に接続され、コイル20gの他端からの配線79は、電源端子74に接続されている。また、接続点80はVS2の端子に接続されている。このようにコイル20d〜20gの各々は、ステアリング軸12bの長手方向に発生する磁界H1,H2,H3,H4の方向が全て一致するように、それらの巻き線方向が設定されている。ステアリング軸12bの周囲に巻設されるコイル20d〜20gの各々の巻き方向は同じとなるように設定される。なお電源端子70,74には前述した電圧印加部52によって所定周期の交流電圧が供給される。   The coils 20d, 20e, 20f, and 20g (the coils 20f and 20g also function as resistance elements) in the above-described electric circuit configuration are wound around the actual steering shaft 12b as shown in FIG. ing. As shown in FIG. 5, the wiring 71 from the power supply terminal 70 is connected to one end of the coil 20d, the wiring 72 from the other end of the coil 20d is connected to one end of the coil 20f, and the wiring from the other end of the coil 20f. 73 is connected to another power supply terminal 74. The connection point 75 is connected to the terminal of VS1 by a wiring 76. Further, the wiring 77 from the power terminal 70 is connected to one end of the coil 20e, the wiring 78 from the other end of the coil 20e is connected to one end of the coil 20g, and the wiring 79 from the other end of the coil 20g is connected to the power terminal 74. It is connected. The connection point 80 is connected to the terminal of VS2. As described above, the winding directions of the coils 20d to 20g are set so that the directions of the magnetic fields H1, H2, H3, and H4 generated in the longitudinal direction of the steering shaft 12b all coincide. The winding directions of the coils 20d to 20g wound around the steering shaft 12b are set to be the same. The power supply terminals 70 and 74 are supplied with an AC voltage having a predetermined cycle by the voltage application unit 52 described above.

図5で示したコイルの配置と配線では、スイッチング素子をオンしたときに、各コイルがステアリング軸12bの長手方向に発生する磁束(磁界H1〜H4)の方向(矢印A,B,C,D)が全て一致するように、コイルの巻き線方向を設定しているため、ステアリング軸12bの全体に各コイルの発生する磁界の合算磁界(矢印F)をかけることが可能となる。これにより、磁歪膜20b,20cに対して均一な強い磁界をかけることが可能となり、ヒステリシスが低減し、ハンドルを切ってから戻したときに、磁歪式トルクセンサのヒステリシスにより、アシストが減少せずにハンドル戻りが悪化することが生じなくなり、滑らかな操舵フィーリングを安定して得ることができる。   In the arrangement and wiring of the coils shown in FIG. 5, the direction (arrows A, B, C, D) of magnetic fluxes (magnetic fields H1 to H4) generated in the longitudinal direction of the steering shaft 12b when each switching element is turned on. Since the coil winding direction is set so that all of the coils are matched, it is possible to apply the combined magnetic field (arrow F) of the magnetic field generated by each coil to the entire steering shaft 12b. As a result, a uniform strong magnetic field can be applied to the magnetostrictive films 20b and 20c, the hysteresis is reduced, and the assist does not decrease due to the hysteresis of the magnetostrictive torque sensor when the handle is turned back. Thus, the steering wheel return does not deteriorate, and a smooth steering feeling can be stably obtained.

次に、図6と図7を参照して、上記のように構成された磁歪式トルクセンサ20の動作を説明する。図6は図5を簡略して示した等価回路を示し、図7は図6の回路での各箇所での電圧変化を示している。図6の示した電気回路において、スイッチング素子50Aとスイッチング素子50Bは所定の周期でオン・オフ動作する。スイッチング素子50Aとスイッチング素子50Bは、定電圧源51におけるブリッジ回路を構成する4つのスイッチング素子50a,50b,50c,50dによって作られる。   Next, the operation of the magnetostrictive torque sensor 20 configured as described above will be described with reference to FIGS. FIG. 6 shows an equivalent circuit in which FIG. 5 is simplified, and FIG. 7 shows voltage changes at various points in the circuit of FIG. In the electric circuit shown in FIG. 6, the switching element 50A and the switching element 50B are turned on and off at a predetermined cycle. The switching element 50A and the switching element 50B are formed by four switching elements 50a, 50b, 50c, and 50d that form a bridge circuit in the constant voltage source 51.

一方の磁歪膜20cに対する検出回路について説明する。図7の(a)〜(e)は、それぞれ、スイッチング素子50Aをオン・オフしたときの印加電圧の時間変化、端子53と端子55aと選択部57の出力端のそれぞれからの出力電圧の時間変化、平滑部63の出力端からの出力電圧の時間変化を示す。図7中、横軸は時間を示し、縦軸は電圧を示す。まず図7の(a)で示すようにスイッチング素子50Aが時刻t1,t3,t5でオンし、t2,t4,t6でオフしたとき、この抵抗素子20gとコイル20eを含む回路に電流が流れ、端子53は、図7の(b)で示す時間変化で電圧が変化する。このときのコイル20eのインダクタンス(L)の値はL(μ1)であるとする。   A detection circuit for one magnetostrictive film 20c will be described. 7A to 7E respectively show changes in applied voltage with time when the switching element 50A is turned on / off, and output voltage times from the terminal 53, the terminal 55a, and the output terminal of the selector 57, respectively. The change and the time change of the output voltage from the output terminal of the smoothing part 63 are shown. In FIG. 7, the horizontal axis indicates time, and the vertical axis indicates voltage. First, as shown in FIG. 7A, when the switching element 50A is turned on at time t1, t3, t5 and turned off at t2, t4, t6, a current flows through the circuit including the resistance element 20g and the coil 20e. The voltage of the terminal 53 changes with the time change shown in FIG. It is assumed that the inductance (L) of the coil 20e at this time is L (μ1).

図7の(b)において、V(t)は、端子53の時刻tにおける電圧であり、Eは電源の電圧である。またtは時間である。スイッチング素子50Aをオフする時刻t2,t4,t6は、好ましくは、コイル20eに流れる最大電流が、その最大電流により発生するコイル20eからの磁束により磁歪膜20cの磁化が飽和する領域に達するまでの値となるようにする。   In FIG. 7B, V (t) is the voltage at time t of the terminal 53, and E is the voltage of the power supply. T is time. The time t2, t4, t6 when the switching element 50A is turned off is preferably until the maximum current flowing through the coil 20e reaches a region where the magnetization of the magnetostrictive film 20c is saturated by the magnetic flux from the coil 20e generated by the maximum current. To be a value.

また位相シフト部55の出力端からの電圧波形は、半周期(180°)の分だけシフトした電圧波形が出力されるように設定される。その出力電圧は図7の(c)で示される。   The voltage waveform from the output terminal of the phase shift unit 55 is set so that a voltage waveform shifted by a half cycle (180 °) is output. The output voltage is shown in FIG.

選択部57は、スイッチング素子50Bの半周期ごとに切り換えるように設定される。そのときの選択部57の出力端からの出力される電圧信号の波形は図7の(d)で示される。   The selector 57 is set to switch every half cycle of the switching element 50B. The waveform of the voltage signal output from the output terminal of the selection unit 57 at that time is shown in FIG.

その後ノイズカットフィルタ61を通過した後、平滑部63からは、図7の(e)で示すように直流電圧<V>が出力される。平滑部63では、選択部57から出力された電圧波形の平均値に比例した値が出力される。記号「<V>」は「電圧波形の平均値に比例した値」という意味である。 Thereafter, after passing through the noise cut filter 61, the smoothing unit 63 outputs a DC voltage <V> 1 as shown in FIG. The smoothing unit 63 outputs a value proportional to the average value of the voltage waveform output from the selection unit 57. The symbol “<V>” means “a value proportional to the average value of the voltage waveform”.

図8の(a)〜(e)は、それぞれ、コイル20eのインダクタンスの値(L(μ2))が前述のインダクタンスの値(L(μ1))より大きい場合におけるスイッチング素子50Aをオン・オフしたときの印加電圧の時間変化、端子53と端子55aと選択部57の出力端のそれぞれからの出力電圧の時間変化、平滑部63の出力端からの出力電圧の時間変化を示す。まず図8の(a)で示すように、スイッチング素子50Aが時刻t1,t3,t5でオンし、時刻t2,t4,t6でオフしたとき、この抵抗素子20gとコイル20eを含む回路に電流が流れる。コイル20eは、図8の(b)で示す時間変化で電圧が変化する。このときのコイル20eのインダクタンス(L)の値はL(μ2)であるとする。   8A to 8E, the switching element 50A is turned on / off when the inductance value (L (μ2)) of the coil 20e is larger than the inductance value (L (μ1)). The time change of the applied voltage at the time, the time change of the output voltage from each of the output terminals of the terminal 53, the terminal 55a and the selection unit 57, and the time change of the output voltage from the output terminal of the smoothing unit 63 are shown. First, as shown in FIG. 8A, when the switching element 50A is turned on at times t1, t3, and t5 and turned off at times t2, t4, and t6, a current is supplied to the circuit including the resistance element 20g and the coil 20e. Flowing. The voltage of the coil 20e changes with time as shown in FIG. It is assumed that the inductance (L) of the coil 20e at this time is L (μ2).

また位相シフト部55の出力端から出力される電圧信号は、前述のように半周期の分だけシフトした電圧波形が出力されるように設定される。その出力電圧は図8の(c)で示される。   Further, the voltage signal output from the output terminal of the phase shift unit 55 is set so that a voltage waveform shifted by a half period as described above is output. The output voltage is shown in FIG.

選択部57は、前述のようにスイッチング素子の半周期ごとに切り換えるように設定しておき、そのときの選択部57から出力される電圧信号の波形は図8の(d)で示される。   The selector 57 is set so as to switch every half cycle of the switching element as described above, and the waveform of the voltage signal output from the selector 57 at that time is shown in FIG.

ノイズカットフィルタ61を通過した後、平滑部63からは図8の(e)で示すように直流電圧<V>が出力される。平滑部63の出力端からは、選択部57から出力された波形の平均値に比例した値が出力される。 After passing through the noise cut filter 61, the smoothing unit 63 outputs a DC voltage <V> 2 as shown in FIG. A value proportional to the average value of the waveform output from the selection unit 57 is output from the output end of the smoothing unit 63.

図7と図8で示されるように、直流電圧<V>と直流電圧<V>は、インダクタンスの値L(μ)の違いによって異なった値を示す。インダクタンスL(μ)は、磁歪膜の透磁率μに依存し、その透磁率μは磁歪膜にトルクが作用することによって変化するため、この電圧を測定することにより、操舵トルクを検出することができる。 As shown in FIGS. 7 and 8, the DC voltage <V> 1 and the DC voltage <V> 2 show different values depending on the difference in inductance value L (μ). The inductance L (μ) depends on the magnetic permeability μ of the magnetostrictive film, and the magnetic permeability μ changes when the torque acts on the magnetostrictive film. Therefore, the steering torque can be detected by measuring this voltage. it can.

もう一方の磁歪膜20bに対する回路も上記と同様の動作がなされ、平滑部64からは、トルクを反映した直流電圧が出力される。   The circuit for the other magnetostrictive film 20b is also operated in the same manner as described above, and a DC voltage reflecting torque is output from the smoothing unit 64.

図9は、印加トルク(操舵トルク)と直流電圧との関係を示すグラフである。2つの磁歪膜20b,20cの各々の検出回路を経由して検出される直流電圧は曲線L10と直線L11となる。これは、磁歪膜20b,20cは、上下2箇所で、それぞれ逆方向となる磁気異方性を持つように堆積されており、その磁気異方性が反映された結果、縦軸に対して対称的になっている。直線L12は2つのコイル20e,20fによって検出された特性曲線L10から特性曲線L11を引いた値を示すものであり、操舵トルクがゼロのときにその値はゼロとなり、操舵トルクの変化にほぼ直線的に変化することを示す。直線L12の特性を利用することで、2つの検出用コイル20e,20fを含むそれぞれの検出回路の値から操舵トルクを検出することができる。   FIG. 9 is a graph showing the relationship between applied torque (steering torque) and DC voltage. The DC voltages detected via the detection circuits of the two magnetostrictive films 20b and 20c are a curve L10 and a straight line L11. This is because the magnetostrictive films 20b and 20c are deposited so as to have magnetic anisotropies in opposite directions at two upper and lower positions, and as a result of reflecting the magnetic anisotropy, the magnetostrictive films 20b and 20c are symmetrical with respect to the vertical axis. It has become. The straight line L12 indicates a value obtained by subtracting the characteristic curve L11 from the characteristic curve L10 detected by the two coils 20e and 20f. When the steering torque is zero, the value becomes zero, and the change in the steering torque is almost linear. That change By using the characteristic of the straight line L12, the steering torque can be detected from the values of the respective detection circuits including the two detection coils 20e and 20f.

演算部65では、2つの直流電圧を減算する演算を行い、AD変換部66でAD変換してサンプルホールド回路67に入力している。サンプルホールド回路67からの出力は、電圧−トルク変換部68で電圧値をトルク値に変換して出力している。   The arithmetic unit 65 performs an operation of subtracting two DC voltages, AD-converts by the AD converter 66, and inputs to the sample hold circuit 67. The output from the sample and hold circuit 67 is converted into a torque value by the voltage-torque converter 68 and output.

このように、演算部65で出力される電圧と予めトルクと電圧との関係を求めたテーブルを有する電圧−トルク変換部68によってトルク(T)を検出することができる。   Thus, the torque (T) can be detected by the voltage-torque conversion unit 68 having a table in which the voltage output from the calculation unit 65 and the relationship between the torque and the voltage are obtained in advance.

上記のように、サンプルホールド回路67に入力される電圧は直流電圧になる。このため、ホールド回路を周波数特性の減衰域で使用することがなくなり、ホールド回路の位相遅れもなくなり、センサ出力の位相遅れがなくなる。それにより、電動パワーステアリング装置の制御の位相遅れがなくなり、制御が安定化し、滑らかな操舵フィーリングを得ることができる。   As described above, the voltage input to the sample and hold circuit 67 is a DC voltage. For this reason, the hold circuit is not used in the attenuation range of the frequency characteristic, the phase delay of the hold circuit is eliminated, and the phase delay of the sensor output is eliminated. Thereby, there is no phase delay in the control of the electric power steering apparatus, the control is stabilized, and a smooth steering feeling can be obtained.

本発明は、ステアリング軸に印加されるトルクを安定に検出できる磁歪式トルクセンサの実現に利用され、良好な操舵フィーリング特性を有する電動パワーステアリング装置の実現に利用される。   The present invention is used to realize a magnetostrictive torque sensor that can stably detect torque applied to a steering shaft, and is used to realize an electric power steering apparatus having good steering feeling characteristics.

本発明の磁歪式トルクセンサが適用される電動パワーステアリング装置の全体構成図である。1 is an overall configuration diagram of an electric power steering apparatus to which a magnetostrictive torque sensor of the present invention is applied. 電動パワーステアリング装置の機械的機構の要部と電気系の具体的構成を示す図である。It is a figure which shows the specific structure of the principal part of the mechanical mechanism of an electric power steering apparatus, and an electric system. 図2中のA−A線断面図である。It is the sectional view on the AA line in FIG. 本発明に係る磁歪式トルクセンサの実施形態を説明するための電気回路図である。It is an electric circuit diagram for demonstrating embodiment of the magnetostrictive torque sensor which concerns on this invention. コイルの配置と結線の関係を具体的に示す図である。It is a figure which shows concretely the arrangement | positioning and connection of a coil. 本発明に係る磁歪式トルクセンサの要部構成を示す電気回路図である。It is an electric circuit diagram which shows the principal part structure of the magnetostrictive torque sensor which concerns on this invention. 第1のインダクタンス値での図6に示した電気回路における各箇所での電圧波形を示す波形図である。It is a wave form diagram which shows the voltage waveform in each location in the electric circuit shown in FIG. 6 in the 1st inductance value. 第2のインダクタンス値での図6に示した電気回路における各箇所での電圧波形を示す波形図である。It is a wave form diagram which shows the voltage waveform in each location in the electric circuit shown in FIG. 6 in the 2nd inductance value. 操舵トルクと検出電圧との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between steering torque and a detection voltage.

符号の説明Explanation of symbols

10 電動パワーステアリング装置
11 ステアリングホイール
18 動力伝達機構
19 モータ
20 操舵トルク検出部(磁歪式トルクセンサ)
20b,20c 磁歪膜
20d,20e コイル
20f,20g コイル(抵抗素子)
22 制御装置
51 定電圧源
52 電圧印加部
53,54 検出端子
55,56 位相シフト部
57,58 選択部
63,64 平滑部
65 演算部
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Electric power steering apparatus 11 Steering wheel 18 Power transmission mechanism 19 Motor 20 Steering torque detection part (magnetostrictive torque sensor)
20b, 20c Magnetostrictive film 20d, 20e Coil 20f, 20g Coil (resistance element)
22 control device 51 constant voltage source 52 voltage application unit 53, 54 detection terminal 55, 56 phase shift unit 57, 58 selection unit 63, 64 smoothing unit 65 calculation unit

Claims (3)

回転軸と、前記回転軸に印加されるトルクに応じて磁気特性が変化する複数の磁気特性変化部と、前記複数の磁気特性変化部のそれぞれの前記磁気特性の変化に感応する複数のコイルとを備え、前記回転軸に印加される前記トルクを検出する磁歪式トルクセンサにおいて、A rotating shaft; a plurality of magnetic characteristic changing portions whose magnetic characteristics change according to a torque applied to the rotating shaft; and a plurality of coils sensitive to changes in the magnetic characteristics of each of the plurality of magnetic characteristic changing portions. In a magnetostrictive torque sensor that detects the torque applied to the rotating shaft,
2つの前記コイルが直列に接続され、前記2つのコイルの間の中点の電圧に基づいて前記トルクを検出することを特徴とする磁歪式トルクセンサ。A magnetostrictive torque sensor, wherein the two coils are connected in series, and the torque is detected based on a midpoint voltage between the two coils.
前記複数のコイルは4つのコイルであり、The plurality of coils are four coils,
2つの前記コイルが直列に接続された第1の回路部分と残りの2つの前記コイルが直列に接続された第2の回路部分とからなり、  A first circuit portion in which the two coils are connected in series and a second circuit portion in which the remaining two coils are connected in series;
前記第1の回路部分における中点の電圧と前記第2の回路部分の中点における電圧とに基づいて前記トルクを検出することを特徴とする請求項1記載の磁歪式トルクセンサ。2. The magnetostrictive torque sensor according to claim 1, wherein the torque is detected based on a midpoint voltage in the first circuit portion and a midpoint voltage in the second circuit portion.
前記複数のコイルのそれぞれの巻き方向は同一であることを特徴とする請求項1または2記載の磁歪式トルクセンサ。3. The magnetostrictive torque sensor according to claim 1, wherein the winding directions of the plurality of coils are the same.
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