JP2012163493A - トルク検出装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】トルク検出装置における第1軸の軸方向と直交する方向の大きさを低減化できるトルク検出装置を提供する。
【解決手段】トルクセンサ20は、入力軸9に一体回転可能に連結された環状の第1の磁石41と、出力軸10に一体回転可能に連結されかつ第1の磁石41に対向する環状の第2の磁石42と、両磁石41,42の間に配置されかつ第1の磁石41に対向する第1の磁気センサ43Aおよび第2の磁気センサ43Bと、両磁石41,42の間に配置されかつ第2の磁石41に対向する第3の磁気センサ44Aおよび第4の磁気センサ44Bとを含んでいる。第3の磁気センサ44Aは、第1の磁石41における第1の磁気センサ43Aが対向する位置と第1の磁気センサ43Aとを結ぶ線の延長線上に配置されており、第4の磁気センサ44Bは、第1の磁石41における第2の磁気センサ43Bが対向する位置と第2の磁気センサ43Bとを結ぶ線の延長線上に配置されている。
【選択図】図4
【解決手段】トルクセンサ20は、入力軸9に一体回転可能に連結された環状の第1の磁石41と、出力軸10に一体回転可能に連結されかつ第1の磁石41に対向する環状の第2の磁石42と、両磁石41,42の間に配置されかつ第1の磁石41に対向する第1の磁気センサ43Aおよび第2の磁気センサ43Bと、両磁石41,42の間に配置されかつ第2の磁石41に対向する第3の磁気センサ44Aおよび第4の磁気センサ44Bとを含んでいる。第3の磁気センサ44Aは、第1の磁石41における第1の磁気センサ43Aが対向する位置と第1の磁気センサ43Aとを結ぶ線の延長線上に配置されており、第4の磁気センサ44Bは、第1の磁石41における第2の磁気センサ43Bが対向する位置と第2の磁気センサ43Bとを結ぶ線の延長線上に配置されている。
【選択図】図4
Description
この発明は、トルク検出装置に関する。
電動パワーステアリング装置(EPS:Electric Power Steering System)などに使用されるトルク検出装置は、入力軸と出力軸とを連結するトーションバーの捩れ角を検出することにより、入力軸に加えられたトルクを演算する構成となっている。
この種のトルク検出装置として、下記特許文献1に開示されたものが既に提案されている。具体的には、入力軸(第1軸)と出力軸(第2軸)とがトーションバー(連結軸)を介して同軸に連結されている。入力軸には、複数の磁極を有する円筒状の永久磁石が固定されている。出力軸には、前記永久磁石を囲む2つの環状の磁気ヨークが固定されている。各磁気ヨークの周囲には、各磁気ヨークからの磁束をそれぞれ誘導するとともに、誘導した磁束を集めるための集磁部を有する2つの集磁リングが配置されている。また、各集磁部に集められた磁束をそれぞれ検出するための2つの磁束検出器が設けられている。そして、各磁束検出器の出力信号に基づいて、入力軸に加えられたトルクが演算される。
この種のトルク検出装置として、下記特許文献1に開示されたものが既に提案されている。具体的には、入力軸(第1軸)と出力軸(第2軸)とがトーションバー(連結軸)を介して同軸に連結されている。入力軸には、複数の磁極を有する円筒状の永久磁石が固定されている。出力軸には、前記永久磁石を囲む2つの環状の磁気ヨークが固定されている。各磁気ヨークの周囲には、各磁気ヨークからの磁束をそれぞれ誘導するとともに、誘導した磁束を集めるための集磁部を有する2つの集磁リングが配置されている。また、各集磁部に集められた磁束をそれぞれ検出するための2つの磁束検出器が設けられている。そして、各磁束検出器の出力信号に基づいて、入力軸に加えられたトルクが演算される。
前述したような従来のトルク検出装置では、入力軸に固定された筒状の永久磁石の周囲に、永久磁石を囲む2つの環状の磁気ヨークを配置する必要がある。また、各磁気ヨークの周囲に、集磁リングをそれぞれ配置する必要がある。このため、トルク検出装置における入力軸の軸方向と直交する方向の大きさが大きくなるという問題がある。
この発明の目的は、トルク検出装置における第1軸の軸方向と直交する方向の大きさを低減化できるトルク検出装置を提供することである。
この発明の目的は、トルク検出装置における第1軸の軸方向と直交する方向の大きさを低減化できるトルク検出装置を提供することである。
この発明の他の目的は、トルク検出装置における第1軸の軸方向と直交する方向の大きさを低減化できるとともにトルク検出装置における第1軸の軸方向の大きさも低減できるトルク検出装置を提供することである。
上記の目的を達成するための請求項1記載の発明は、第1軸(9)と第2軸(10)とを連結する連結軸(11)を含み、前記連結軸の捩れに起因する前記第1軸と前記第2軸の相対的回転変位量に基づいて、前記第1軸に加えられたトルクを検出するトルク検出装置(20,12)であって、前記第1軸に一体回転可能に連結された環状の第1の磁石(41)と、前記第2軸に一体回転可能に連結されかつ前記第1の磁石と対向する環状の第2の磁石(42)と、前記第1の磁石と前記第2の磁石との間に前記第1の磁石と対向して配置され、前記第1の磁石からの磁束と前記第2の磁石からの磁束との和に応じた第1および第2の出力信号(V1,V2)をそれぞれ出力する第1および第2の磁気センサ(43A,43B)と、前記第1の磁石と前記第2の磁石との間に前記第2の磁石に対向して配置され、前記第2の磁石からの磁束と前記第1の磁石からの磁束との和に応じた第3および第4の出力信号(V3,V4)をそれぞれ出力する第3および第4の磁気センサ(44A,44B)とを含み、前記第3の磁気センサは、前記第1の磁石における前記第1の磁気センサが対向する位置と前記第1の磁気センサとを結ぶ線の延長線上に配置されており、前記第4の磁気センサは、前記第1の磁石における前記第2の磁気センサが対向する位置と前記第2の磁気センサとを結ぶ線の延長線上に配置されており、前記第1の出力信号と前記第3の出力信号とに基づいて、前記第1の出力信号から前記第2の磁石からの磁束の影響が除去された第1の信号成分(sinθ1)を演算するとともに、前記第3の出力信号から前記第1の磁石からの磁束の影響が除去された第3の信号成分(sinθ2)を演算する手段(12)と、前記第2の出力信号と前記第4の出力信号とに基づいて、前記第2の出力信号から前記第2の磁石からの磁束の影響が除去された第2の信号成分(cosθ1)を演算するとともに、前記第4の出力信号から前記第1の磁石からの磁束の影響が除去された第4の信号成分(cosθ2)を演算する手段(12)と、前記第1〜第4の信号成分を用いて、前記第1軸に加えられたトルクを演算するトルク演算手段(12)とをさらに含む、トルク検出装置である。なお、括弧内の英数字は、後述の実施形態における対応構成要素等を表すが、むろん、この発明の範囲は当該実施形態に限定されない。以下、この項において同じ。
この構成では、第1の出力信号と第3の出力信号とに基づいて、第1の出力信号から第2の磁石からの磁束の影響が除去された第1の信号成分(sinθ1)が演算されるとともに、第3の出力信号から第1の磁石からの磁束の影響が除去された第3の信号成分(sinθ2)が演算される。また、第2の出力信号と第4の出力信号とに基づいて、第2の出力信号から第2の磁石からの磁束の影響が除去された第2の信号成分(cosθ1)が演算されるとともに、第4の出力信号から第1の磁石からの磁束の影響が除去された第4の信号成分(cosθ2)が演算される。そして、第1〜第4の信号成分を用いて、第1軸に加えられたトルクが演算される。
この構成によれば、第1の磁石と第2の磁石との間に、第1の磁石と対向して第1および第2の磁気センサが配置されているとともに、第2の磁石に対向して第3および第4の磁気センサが配置されているから、トルク検出装置における第1軸の軸方向に直交する方向の大きさを低減できる。
ところで、第2の磁石からの磁束を第1の磁気遮断部材を用いて遮断し、第1の磁石からの磁束のみを検出できる2つの磁気センサを設けるとともに、第1の磁石からの磁束を第2の磁気遮断部材を用いて遮断し、第2の磁石からの磁束のみを検出できる2つの磁気センサを設け、各磁気センサの出力信号に基づいて、第1軸に加えられたトルクを演算することが考えられる。しかしながら、このような構成では、2つの磁気遮断部材が必要となるため、構成が複雑となるとともに、トルク検出装置における入力軸の軸方向の大きさが大きくなる。
ところで、第2の磁石からの磁束を第1の磁気遮断部材を用いて遮断し、第1の磁石からの磁束のみを検出できる2つの磁気センサを設けるとともに、第1の磁石からの磁束を第2の磁気遮断部材を用いて遮断し、第2の磁石からの磁束のみを検出できる2つの磁気センサを設け、各磁気センサの出力信号に基づいて、第1軸に加えられたトルクを演算することが考えられる。しかしながら、このような構成では、2つの磁気遮断部材が必要となるため、構成が複雑となるとともに、トルク検出装置における入力軸の軸方向の大きさが大きくなる。
この発明によれば、磁気遮断部材が不要であるため、構成が簡単になるとともに、トルク検出装置における第1軸の軸方向の大きさを小さくすることができる。
請求項2記載の発明は、前記第1の磁石と前記第2の磁石との間に、前記第1の磁石に対向する第1の面と前記第2の磁石に対向する第2の面とを有するセンサ取付用基板(47)が配置されており、前記センサ取付用基板における前記第1の面に、前記第1および第2の磁気センサが取り付けられており、前記センサ取付用基板における前記第2の面に、前記第3および第4の磁気センサが取り付けられている、請求項1に記載のトルク検出装置である。
請求項2記載の発明は、前記第1の磁石と前記第2の磁石との間に、前記第1の磁石に対向する第1の面と前記第2の磁石に対向する第2の面とを有するセンサ取付用基板(47)が配置されており、前記センサ取付用基板における前記第1の面に、前記第1および第2の磁気センサが取り付けられており、前記センサ取付用基板における前記第2の面に、前記第3および第4の磁気センサが取り付けられている、請求項1に記載のトルク検出装置である。
この構成では、センサ取付用基板の一方の面に第1軸回転角検出用の磁気センサが取り付けられ、他方の面に第2軸回転角検出用の磁気センサが取り付けられているから、磁気センサを取り付けるための基板が1枚で済む。これにより、コストを低減化することができる。
請求項3記載の発明は、前記トルク演算手段は、前記第1の信号成分および前記第2の信号成分から演算される前記第1軸の回転角(θ1)と、前記第3の信号成分および前記第4の信号成分から演算される前記第2軸の回転角(θ2)と、前記連結軸のバネ定数(K)とを用いて、前記第1軸に加えられたトルク(T)を演算するように構成されている、請求項1または2に記載のトルク検出装置である。
請求項3記載の発明は、前記トルク演算手段は、前記第1の信号成分および前記第2の信号成分から演算される前記第1軸の回転角(θ1)と、前記第3の信号成分および前記第4の信号成分から演算される前記第2軸の回転角(θ2)と、前記連結軸のバネ定数(K)とを用いて、前記第1軸に加えられたトルク(T)を演算するように構成されている、請求項1または2に記載のトルク検出装置である。
この構成では、第1の信号成分および第2の信号成分から演算される第1軸の回転角(θ1)と第3の信号成分および第4の信号成分から演算される第2軸の回転角(θ2)とに基づいて、連結軸の捩れ角(γ)を演算することができる。そして、連結軸の捩れ角(γ)に、連結軸のバネ定数(K)を乗算することにより、第1軸に加えられたトルク(T)を演算することができる。
請求項4記載の発明は、前記トルク演算手段は、前記第1の信号成分および前記第2の信号成分から演算される前記第1軸の回転角(θ1)と、前記第3の信号成分および前記第4の信号成分から演算される前記第2軸の回転角(θ2)と、予め設定されかつ前記連結軸に捩れが生じていない状態における前記第1軸の回転角と前記第2軸の回転角との角度差(β)と、予め設定される前記連結軸のバネ定数(K)とを用いて、前記第1軸に加えられたトルク(T)を演算するように構成されている、請求項1または2に記載のトルク検出装置である。
第1の磁石および第2の磁石の組み付け誤差等によって、連結軸に捩れが生じていない状態においても、第1の信号成分および第2の信号成分から演算される第1軸の回転角(θ1)と、第3の信号成分および第4の信号成分から演算される第2軸の回転角(θ2)との間に角度差(β)が生じるおそれがある。
この構成では、第1の信号成分および第2の信号成分から演算される第1軸の回転角(θ1)と、第3の信号成分および第4の信号成分から演算される第2軸の回転角(θ2)と、連結軸に捩れが生じていない状態における第1軸の回転角と出力軸の回転角との角度差(β)とに基づいて、連結軸の捩れ角(γ)を演算することができる。そして、連結軸の捩れ角(γ)に、連結軸のバネ定数(K)を乗算することにより、第1軸に加えられたトルク(T)を演算することができる。
この構成では、第1の信号成分および第2の信号成分から演算される第1軸の回転角(θ1)と、第3の信号成分および第4の信号成分から演算される第2軸の回転角(θ2)と、連結軸に捩れが生じていない状態における第1軸の回転角と出力軸の回転角との角度差(β)とに基づいて、連結軸の捩れ角(γ)を演算することができる。そして、連結軸の捩れ角(γ)に、連結軸のバネ定数(K)を乗算することにより、第1軸に加えられたトルク(T)を演算することができる。
この構成によれば、連結軸に捩れが生じていない状態において、第1軸の回転角と第2軸の回転角との間に角度差(β)がある場合にも、連結軸の捩れ角(γ)を正確に演算することができ、トルク(T)の演算精度を高めることができる。
以下では、この発明を、電動パワーステアリング装置に適用した場合の実施形態について、添付図面を参照して詳細に説明する。
図1は、この発明の一実施形態に係るトルク検出装置を備えた電動パワーステアリング装置の概略構成を示す模式図である。
電動パワーステアリング装置1は、操舵部材としてのステアリングホイール2と、このステアリングホイール2の回転に連動して転舵輪3を転舵する転舵機構4と、運転者の操舵を補助するための操舵補助機構5とを備えている。ステアリングホイール2と転舵機構4とは、ステアリングシャフト6および中間軸7を介して機械的に連結されている。
図1は、この発明の一実施形態に係るトルク検出装置を備えた電動パワーステアリング装置の概略構成を示す模式図である。
電動パワーステアリング装置1は、操舵部材としてのステアリングホイール2と、このステアリングホイール2の回転に連動して転舵輪3を転舵する転舵機構4と、運転者の操舵を補助するための操舵補助機構5とを備えている。ステアリングホイール2と転舵機構4とは、ステアリングシャフト6および中間軸7を介して機械的に連結されている。
ステアリングシャフト6は、ステアリングホイール2に連結された軸8と、軸8に一体回転可能に連結された入力軸(第1軸)9と、中間軸7に連結された出力軸(第2軸)10とを含む。入力軸9と出力軸10とは、トーションバー(連結軸)11を介して同一軸線上で相対回転可能に連結されている。
ステアリングシャフト6の周囲には、トルクセンサ20が設けられている。トルクセンサ20は、トーションバー11の捩れに起因する入力軸9および出力軸10の相対回転変位量に基づいて、ステアリングホイール2(入力軸9)に加えられたトルク(以下「操舵トルク」という)を検出する。トルクセンサ20は、後述するように4つの磁気センサ43A,43B,44A,44B(図4参照)を含んでいる。各磁気センサの出力信号は、マイクロコンピュータを含むECU(電子制御ユニット:Electronic Control Unit)12に入力される。ECU12は、各磁気センサの出力信号に基づいて、操舵トルクを演算する。したがって、トルクセンサ20とECU12とによってトルク検出装置が構成されている。また、ECU12には、車速センサ23によって検出される車速が入力される。
ステアリングシャフト6の周囲には、トルクセンサ20が設けられている。トルクセンサ20は、トーションバー11の捩れに起因する入力軸9および出力軸10の相対回転変位量に基づいて、ステアリングホイール2(入力軸9)に加えられたトルク(以下「操舵トルク」という)を検出する。トルクセンサ20は、後述するように4つの磁気センサ43A,43B,44A,44B(図4参照)を含んでいる。各磁気センサの出力信号は、マイクロコンピュータを含むECU(電子制御ユニット:Electronic Control Unit)12に入力される。ECU12は、各磁気センサの出力信号に基づいて、操舵トルクを演算する。したがって、トルクセンサ20とECU12とによってトルク検出装置が構成されている。また、ECU12には、車速センサ23によって検出される車速が入力される。
転舵機構4は、ピニオン軸13と、ラック軸14とを含むラックアンドピニオン機構からなる。ラック軸14の各端部には、タイロッド15およびナックルアーム(図示略)を介して転舵輪3が連結されている。ピニオン軸13は、中間軸7に連結されている。ピニオン軸13の先端(図1では下端)には、ピニオン16が連結されている。
ラック軸14は、自動車の左右方向に沿って直線状にのびている。ラック軸14の軸方向の中間部には、ピニオン16に噛み合うラック17が形成されている。このピニオン16およびラック17によって、ピニオン軸13の回転がラック軸14の軸方向移動に変換される。ラック軸14を軸方向に移動させることによって、転舵輪3を転舵することができる。
ラック軸14は、自動車の左右方向に沿って直線状にのびている。ラック軸14の軸方向の中間部には、ピニオン16に噛み合うラック17が形成されている。このピニオン16およびラック17によって、ピニオン軸13の回転がラック軸14の軸方向移動に変換される。ラック軸14を軸方向に移動させることによって、転舵輪3を転舵することができる。
ステアリングホイール2が操舵(回転)されると、この回転が、ステアリングシャフト6および中間軸7を介して、ピニオン軸13に伝達される。そして、ピニオン軸13の回転は、ピニオン16およびラック17によって、ラック軸14の軸方向移動に変換される。これにより、転舵輪3が転舵される。
操舵補助機構5は、操舵補助用の電動モータ18と、電動モータ18の出力トルクを転舵機構4に伝達するための減速機構19とを含む。電動モータ18は、この実施形態では、三相ブラシレスモータからなる。減速機構19は、ウォーム軸21と、このウォーム軸21と噛み合うウォームホイール22とを含むウォームギア機構からなる。ウォーム軸21は、電動モータ18によって回転駆動される。また、ウォームホイール22は、ステアリングシャフト6とは同方向に回転可能に連結されている。
操舵補助機構5は、操舵補助用の電動モータ18と、電動モータ18の出力トルクを転舵機構4に伝達するための減速機構19とを含む。電動モータ18は、この実施形態では、三相ブラシレスモータからなる。減速機構19は、ウォーム軸21と、このウォーム軸21と噛み合うウォームホイール22とを含むウォームギア機構からなる。ウォーム軸21は、電動モータ18によって回転駆動される。また、ウォームホイール22は、ステアリングシャフト6とは同方向に回転可能に連結されている。
電動モータ18によってウォーム軸21が回転駆動されると、ウォームホイール22が回転駆動され、ステアリングシャフト6が回転する。そして、ステアリングシャフト6の回転は、中間軸7を介してピニオン軸13に伝達される。ピニオン軸13の回転は、ラック軸14の軸方向移動に変換される。これにより、転舵輪3が転舵される。すなわち、電動モータ18によってウォーム軸21を回転駆動することによって、転舵輪3が転舵されるようになっている。
電動モータ18は、ECU12によって制御される。ECU12は、トルクセンサ20の出力信号に基づいて演算される操舵トルク、車速センサ23によって検出される車速等に基いて、電動モータ18を制御する。具体的には、ECU12では、操舵トルクと目標アシスト量との関係を車速ごとに記憶したマップを用いて目標アシスト量を決定し、電動モータ18の発生するアシスト力が目標アシスト量に近づくように制御する。
図2は、トルクセンサ20の一部を示す一部切欠き平面図である。図3は、図2のIII-III線に沿う断面図である。図4は、トルクセンサ20を示す分解斜視図である。以下の説明において、上とは図3の上側を、下とは図3の下側をそれぞれいうものとする。
図2および図3を参照して、入力軸9と出力軸10とは、トーションバー11を介して連結されている。入力軸9および出力軸10は、車体(図示略)に取り付けられているハウジング30に支持されている。ハウジング30は、センサハウジング31とギヤハウジング32とによって構成されている。ギヤハウジング32には、減速機構19等が収容される。センサハウジング31には、トルクセンサ20等が収容される。
図2および図3を参照して、入力軸9と出力軸10とは、トーションバー11を介して連結されている。入力軸9および出力軸10は、車体(図示略)に取り付けられているハウジング30に支持されている。ハウジング30は、センサハウジング31とギヤハウジング32とによって構成されている。ギヤハウジング32には、減速機構19等が収容される。センサハウジング31には、トルクセンサ20等が収容される。
減速機構19は、出力軸10の軸方向中間部に、一体回転可能に連結されたウォームホイール22と、このウォームホイール22に噛み合うウォーム軸21(図3では図示略)とを備えている。ウォームホイール22は、出力軸10に一体回転可能に連結された芯金22aと、芯金22aの周囲に形成されかつ外周面部に歯が形成された合成樹脂部材22bとを備えている。
出力軸10は、ウォームホイール22を挟んで配置される一対の転がり軸受33,34を介して、センサハウジング31およびギヤハウジング32に回転自在に支持されている。入力軸9は、転がり軸受け35を介して、センサハウジング31に回転自在に支持されている。
トーションバー11は、入力軸9および出力軸10を貫通している。トーションバー11の一端11aは、入力軸9に一体回転可能に連結されている。トーションバー11の他端11bは出力軸10に一体回転可能に連結されている。入力軸9には、ステアリングホイール2が連結されている軸8が、一体回転可能に連結されている。出力軸10には、中間軸7(図3では図示略)が一体回転可能に連結されている。
トーションバー11は、入力軸9および出力軸10を貫通している。トーションバー11の一端11aは、入力軸9に一体回転可能に連結されている。トーションバー11の他端11bは出力軸10に一体回転可能に連結されている。入力軸9には、ステアリングホイール2が連結されている軸8が、一体回転可能に連結されている。出力軸10には、中間軸7(図3では図示略)が一体回転可能に連結されている。
図2〜図4を参照して、トルクセンサ20は、入力軸9に一体回転可能に連結された環状の第1の磁石41と、出力軸10に一体回転可能に連結されかつ第1の磁石41に対向する環状の第2の磁石42と、両磁石41,42の間に配置されかつ第1の磁石41に対向する第1の磁気センサ43Aおよび第2の磁気センサ43Bと、両磁石41,42の間に配置されかつ第2の磁石42に対向する第3の磁気センサ44Aおよび第4の磁気センサ44Bとを含んでいる。この実施形態では、各磁気センサ43A,43B,44A,44Bとしては、ホール素子が用いられている。
入力軸9の外周面には、短筒状の第1の磁石固定金具45が嵌め合わされた状態で固定されている。出力軸10には、短筒状の第2の磁石固定金具46が嵌め合わされた状態で固定されている。第1の磁石固定金具45と第2の磁石固定金具46とは、入力軸9の軸方向に比較的短い間隔をおいて対向して配置されている。
第1の磁石固定金具45における第2の磁石固定金具46と対向する環状端面の外周縁部には、環状の切除部45aが形成されている。第2の磁石固定金具46における第1の磁石固定金具45と対向する環状端面の外周縁部には、環状の切除部46aが形成されている。
第1の磁石固定金具45における第2の磁石固定金具46と対向する環状端面の外周縁部には、環状の切除部45aが形成されている。第2の磁石固定金具46における第1の磁石固定金具45と対向する環状端面の外周縁部には、環状の切除部46aが形成されている。
第1の磁石41および第2の磁石42は、同形同大の環状であり、その周方向に等間隔で10個の磁極(5組の磁極対)が着磁されている。第1の磁石41は、第1の磁石固定金具45の環状の切除部45aに嵌め込まれた状態で、第1の磁石固定金具45に固定されている。第2の磁石42は、第2の磁石固定金具46の環状の切除部46aに嵌め込まれた状態で、第2の磁石固定金具46に固定されている。
第1の磁石41と第2の磁石42との間には、センサ取付用基板47が配置されている。 センサ取付用基板47は、入力軸9の軸方向から見て略矩形であり、その下部に入力軸9を通すための略半円形の切欠部47aが形成されている。センサ取付用基板47における第1の磁石41に対向する第1の面に、第1の磁気センサ43Aおよび第2の磁気センサ43Bが取り付けられている。センサ取付用基板47における第2の磁石42に対向する第2の面に、第3の磁気センサ44Aおよび第4の磁気センサ44Bが取り付けられている。つまり、第1〜第4の磁気センサ43A,43B,44A,44Bは、第1の磁石41と第2の磁石42との間(第1の磁石41と第2の磁石42とによって挟まれた空間内)に配置されている。
第1の磁石41側から第2の磁石を見た場合、第1の磁気センサ43Aはセンサ取付用基板47の右側部の下端よりに配置され、第2の磁気センサ43Bは第1の磁気センサ43Aに対して反時計方向に電気角で90°の角度間隔をおいて配置されている。第1の磁石41側から第2の磁石を見た場合、第3の磁気センサ44Aは、センサ取付用基板47を挟んで、第1の磁気センサ43Aの真後に配置されている。また、第1の磁石41側から第2の磁石を見た場合、第4の磁気センサ44Bは、センサ取付用基板47を挟んで、第2の磁気センサ43Bの真後に配置されている。
つまり、第3の磁気センサ44Aは、第1の磁石41における第1の磁気センサ43Aが対向する位置と第1の磁気センサ43Aとを結ぶ線の延長線上に配置されており、第4の磁気センサ44Bは、第1の磁石41における第2の磁気センサ43Bが対向する位置と第2の磁気センサ43Bとを結ぶ線の延長線上に配置されている。
また、第1の磁石41と第1の磁気センサ43Aおよび第2の磁気センサ43Bとの間隔と、第2の磁石42と第3の磁気センサ44Aおよび第4の磁気センサ44Bとの間隔とは等しい。
また、第1の磁石41と第1の磁気センサ43Aおよび第2の磁気センサ43Bとの間隔と、第2の磁石42と第3の磁気センサ44Aおよび第4の磁気センサ44Bとの間隔とは等しい。
センサ取付用基板47は、ボルト51,52等によって、センサハウジング31に支持されている基板固定金具50に取り付けられている。
トルクセンサ20およびECU12による操舵トルクの検出方法について説明する。
図5は、ステアリングホイール2が中立位置にあり、ステアリングホイール2に操舵トルクが加えられていない状態において、センサ取付用基板47側から第1の磁石41を見た場合の第1および第2の磁気センサ43A,43Bと第1の磁石41との位置関係を示す模式図である。図6は、ステアリングホイール2が中立位置にあり、ステアリングホイール2に操舵トルクが加えられていない状態において、センサ取付用基板47側から第2の磁石42を見た場合の第3および第4の磁気センサ44A,44Bと第2の磁石42との位置関係を示す模式図である。
トルクセンサ20およびECU12による操舵トルクの検出方法について説明する。
図5は、ステアリングホイール2が中立位置にあり、ステアリングホイール2に操舵トルクが加えられていない状態において、センサ取付用基板47側から第1の磁石41を見た場合の第1および第2の磁気センサ43A,43Bと第1の磁石41との位置関係を示す模式図である。図6は、ステアリングホイール2が中立位置にあり、ステアリングホイール2に操舵トルクが加えられていない状態において、センサ取付用基板47側から第2の磁石42を見た場合の第3および第4の磁気センサ44A,44Bと第2の磁石42との位置関係を示す模式図である。
ステアリングホイール2が中立位置にあり、ステアリングホイール2に操舵トルクが加えられていない状態においては、第1の磁石41のN極の磁極と第2の磁石41のN極の磁極とが対向するように、第1の磁石41および第2の磁石41はそれぞれ入力軸9および出力軸10に固定されている。したがって、トーションバー11に捩れが生じていない状態においては、第1の磁石41のN極の磁極と第2の磁石41のN極の磁極とは互いに対向している。
ステアリングホイール2側から見て入力軸9が時計方向に回転すると、それに伴って第1の磁石41および第2磁石42も時計方向に回転する。この場合、第1および第2の磁気センサ43A,43B側から第1の磁石41を見ると、図5に矢印Aで示す方向(反時計方向)に第1の磁石41が回転する。一方、第3および第4の磁気センサ44A,44B側から第2の磁石42を見ると、図6に矢印Aで示す方向(時計方向)に第2の磁石42が回転する。そこで、図5および図6に矢印Aで示す方向を正方向とし、各磁石41,42が正方向に回転されると、各磁石41,42の回転角が大きくなり、各磁石41,42が逆方向に回転されると、各磁石41,42の回転角が小さくなるものとする。
第1および第2の磁気センサ43A,43Bは、第1の磁石41からの磁束と第2の磁石42からの磁束との和に応じた第1および第2の出力信号V1,V2をそれぞれ出力する。第1の磁石41の回転角(電気角)をθ1とすると、第1の出力信号V1に含まれる第1の磁石41からの磁束のみに基づく信号成分はsinθ1となり、第2の出力信号V2に含まれる第1の磁石41からの磁束のみに基づく信号成分はcosθ1となる。ただし、当該信号成分の振幅を1としている。
第3および第4の磁気センサ44A,44Bは、第2の磁石42からの磁束と第1の磁石41からの磁束との和に応じた第3および第4の出力信号V3,V4をそれぞれ出力する。第2の磁石42の回転角(電気角)をθ2とすると、第3の出力信号V3に含まれる第2の磁石42からの磁束のみに基づく信号成分はsinθ2となり、第4の出力信号V4のうち、第2の磁石42からの磁束のみに基づく信号成分はcosθ2となる。ただし、当該信号成分の振幅を1としている。
第1の磁気センサ43Aおよび第2の磁気センサ43Bと第2の磁石42との距離は、第3の磁気センサ44Aおよび第4の磁気センサ44Bと第2の磁石42との距離より、センサ取付用基板47の厚み分だけ大きい。このため、第3の磁気センサ44Aおよび第4の磁気センサ44Bによる第2の磁石42の磁束の検出量に対して、第1の磁気センサ43Aおよび第2の磁気センサ43Bによる第2の磁石42の磁束の検出量は小さくなる。第3の磁気センサ44Aおよび第4の磁気センサ44Bによる第2の磁石42からの磁束の検出量に対する、第1の磁気センサ43Aおよび第2の磁気センサ43Bによる第2の磁石42からの磁束の検出量の割合を第1の減衰係数k1と定義する。第1の減衰係数k1は、たとえば、第1の磁石41からの距離と当該磁石41に基づく磁束密度との関係を測定し、第1の磁石41と第3の磁気センサ44Aとの距離に対応する磁束密度を第1の磁石41と第1の磁気センサ43Aとの距離に対応する磁束密度で除算することによって求めることができる。
同様に、第1の磁気センサ43Aおよび第2の磁気センサ43Bによる第1の磁石41からの磁束の検出量に対する、第3の磁気センサ44Aおよび第4の磁気センサ44Bによる第1の磁石41からの磁束の検出量の割合を第2の減衰係数k2と定義する。第2の減衰係数k2は、たとえば、第2の磁石42からの距離と当該磁石42に基づく磁束密度との関係を測定し、第2の磁石42と第1の磁気センサ43Aとの距離に対応する磁束密度を第2の磁石42と第3の磁気センサ44Aとの距離に対応する磁束密度で除算することによって求めることができる。
以上のように減衰係数k1,k2を定義すると、第1の出力信号V1に含まれる第2の磁石42からの磁束のみに基づく信号成分は、k1・sinθ2となる。第2の出力信号V2に含まれる第2の磁石42からの磁束のみに基づく信号成分は、k1・cosθ2となる。第3の出力信号V3に含まれる第1の磁石41からの磁束のみに基づく信号成分は、k2・sinθ1となる。第4の出力信号V4に含まれる第1の磁石41からの磁束のみに基づく信号成分は、k2・cosθ1となる。
したがって、第1〜第4の出力信号V1〜V4は、それぞれ次式(1)〜(4)で表される。
V1=sinθ1+k1・sinθ2 …(1)
V2=cosθ1+k1・cosθ2 …(2)
V3=sinθ2+k2・sinθ1 …(3)
V4=cosθ2+k2・cosθ1 …(4)
前記(1)式と(3)式とから、sinθ1を演算することができる。具体的には、(1/k1)×V1−V3を演算すると次式(5)が得られる。
(1/k1)×V1−V3=(1/k1)・sinθ1+sinθ2−sinθ2−k2・sinθ1
={(1/k1)−k2}・sinθ1 …(5)
sinθ1について整理すると、次式(6)が得られる。
V1=sinθ1+k1・sinθ2 …(1)
V2=cosθ1+k1・cosθ2 …(2)
V3=sinθ2+k2・sinθ1 …(3)
V4=cosθ2+k2・cosθ1 …(4)
前記(1)式と(3)式とから、sinθ1を演算することができる。具体的には、(1/k1)×V1−V3を演算すると次式(5)が得られる。
(1/k1)×V1−V3=(1/k1)・sinθ1+sinθ2−sinθ2−k2・sinθ1
={(1/k1)−k2}・sinθ1 …(5)
sinθ1について整理すると、次式(6)が得られる。
sinθ1={(1/k1)×V1−V3}/{(1/k1)−k2}…(6)
また、前記(1)式と(3)式とから、sinθ2を演算することができる。具体的には、(1/k2)×V3−V1を演算すると次式(7)が得られる。
(1/k2)×V3−V1=(1/k2)・sinθ2+sinθ1−sinθ1−k1・sinθ2
={(1/k2)−k1}・sinθ2 …(7)
sinθ2について整理すると、次式(8)が得られる。
また、前記(1)式と(3)式とから、sinθ2を演算することができる。具体的には、(1/k2)×V3−V1を演算すると次式(7)が得られる。
(1/k2)×V3−V1=(1/k2)・sinθ2+sinθ1−sinθ1−k1・sinθ2
={(1/k2)−k1}・sinθ2 …(7)
sinθ2について整理すると、次式(8)が得られる。
sinθ2={(1/k2)×V3−V1}/{(1/k2)−k1}…(8)
また、前記(2)式と(4)式とから、cosθ1を演算することができる。具体的には、(1/k1)×V2−V4を演算すると次式(9)が得られる。
(1/k1)×V2−V4=(1/k1)・cosθ1+cosθ2−cosθ2−k2・cosθ1
={(1/k1)−k2}・cosθ1 …(9)
cosθ1について整理すると、次式(10)が得られる。
また、前記(2)式と(4)式とから、cosθ1を演算することができる。具体的には、(1/k1)×V2−V4を演算すると次式(9)が得られる。
(1/k1)×V2−V4=(1/k1)・cosθ1+cosθ2−cosθ2−k2・cosθ1
={(1/k1)−k2}・cosθ1 …(9)
cosθ1について整理すると、次式(10)が得られる。
cosθ1={(1/k1)×V2−V4}/{(1/k1)−k2}…(10)
また、前記(2)式と(4)式とから、cosθ2を演算することができる。具体的には、(1/k2)×V4−V2を演算すると次式(11)が得られる。
(1/k2)×V4−V2=(1/k2)・cosθ2+cosθ1−cosθ1−k1・cosθ2
={(1/k2)−k1}・cosθ2 …(11)
cosθ2について整理すると、次式(12)が得られる。
また、前記(2)式と(4)式とから、cosθ2を演算することができる。具体的には、(1/k2)×V4−V2を演算すると次式(11)が得られる。
(1/k2)×V4−V2=(1/k2)・cosθ2+cosθ1−cosθ1−k1・cosθ2
={(1/k2)−k1}・cosθ2 …(11)
cosθ2について整理すると、次式(12)が得られる。
cosθ2={(1/k2)×V4−V2}/{(1/k2)−k1}…(12)
入力軸9の回転角(電気角)θ1は、次式(13)によって表される。
θ1=tan−1{sinθ1/cosθ1}
={(1/k1)×V1−V3}/{(1/k1)−k2}÷{(1/k1)
×V2−V4}/{(1/k1)−k2} …(13)
出力軸10の回転角(電気角)θ2は、次式(14)によって表される。
入力軸9の回転角(電気角)θ1は、次式(13)によって表される。
θ1=tan−1{sinθ1/cosθ1}
={(1/k1)×V1−V3}/{(1/k1)−k2}÷{(1/k1)
×V2−V4}/{(1/k1)−k2} …(13)
出力軸10の回転角(電気角)θ2は、次式(14)によって表される。
θ2=tan−1{sinθ2/cosθ2}
={(1/k2)×V3−V1}/{(1/k2)−k1}÷{(1/k2)
×V4−V2}/{(1/k2)−k1} …(14)
トーションバー11の捩れ角γ[deg]の最大値の絶対値は、前記電気角の360°に相当する機械角72[deg]より小さいので、トーションバー11の捩れ角(機械角)γは次式(15)によって表される。
={(1/k2)×V3−V1}/{(1/k2)−k1}÷{(1/k2)
×V4−V2}/{(1/k2)−k1} …(14)
トーションバー11の捩れ角γ[deg]の最大値の絶対値は、前記電気角の360°に相当する機械角72[deg]より小さいので、トーションバー11の捩れ角(機械角)γは次式(15)によって表される。
γ=(θ2−θ1)/5 …(15)
前記式(15)における「5」は、各磁石41,42に設けられた磁極対の数である。
操舵トルクTは、トーションバー11のバネ定数をK[Nm]とすると、次式(16)によって表される。
T=γ×K …(16)
減衰係数k1,k2およびトーションバー11のバネ定数Kは、ECU12内の不揮発性メモリに予め記憶されている。
前記式(15)における「5」は、各磁石41,42に設けられた磁極対の数である。
操舵トルクTは、トーションバー11のバネ定数をK[Nm]とすると、次式(16)によって表される。
T=γ×K …(16)
減衰係数k1,k2およびトーションバー11のバネ定数Kは、ECU12内の不揮発性メモリに予め記憶されている。
ECU12は、所定の演算周期毎に、各磁気センサ43A,43B,44A,44Bの出力信号V1,V2,V3,V4を取り込んで、操舵トルクTを演算する。具体的には、取り込んだ出力信号V1,V2,V3,V4と、減衰係数k1,k2と、トーションバー11のバネ定数Kと、前記式(13)〜(16)に基づいて、操舵トルクTを演算する。
なお、第1の磁石41と第2の磁石42の組み付け誤差等により、トーションバー11に捩れが生じていない状態において、前記式(13)に基づいて演算される入力軸9の回転角(電気角)θ1と前記式(14)に基づいて演算される出力軸10の回転角(電気角)θ2との間に所定の角度差Δθが存在する場合がある。このような場合には、次のようにして、操舵トルクTが演算される。
なお、第1の磁石41と第2の磁石42の組み付け誤差等により、トーションバー11に捩れが生じていない状態において、前記式(13)に基づいて演算される入力軸9の回転角(電気角)θ1と前記式(14)に基づいて演算される出力軸10の回転角(電気角)θ2との間に所定の角度差Δθが存在する場合がある。このような場合には、次のようにして、操舵トルクTが演算される。
トーションバー11に捩れが生じていない状態における前記所定の角度差Δθに相当する機械角をβとする。この角度差βは生産時に予め求められて、ECU12内の不揮発性メモリに記憶される。
前記式(13)によって演算される第1の磁石41の回転角(電気角)θ1と前記式(14)によって演算される第2の磁石42の回転角(電気角)θ2との差に相当する機械角をα(=(θ2−θ1)/5)とすると、α=β+γとなる。
前記式(13)によって演算される第1の磁石41の回転角(電気角)θ1と前記式(14)によって演算される第2の磁石42の回転角(電気角)θ2との差に相当する機械角をα(=(θ2−θ1)/5)とすると、α=β+γとなる。
そこで、ECU12は、次式(17)に基づいて、操舵トルクTを演算する。
T=γ×K
=(α−β)×K
=[{(θ2−θ1)/5}−β]×K …(17)
つまり、この場合には、ECU12は、演算周期毎に、取り込んだ出力信号V1,V2,V3,V4と、減衰係数k1,k2と、トーションバー11のバネ定数Kと、角度差βと、上記式(13),(14),(17)に基づいて、操舵トルクTを演算する。
T=γ×K
=(α−β)×K
=[{(θ2−θ1)/5}−β]×K …(17)
つまり、この場合には、ECU12は、演算周期毎に、取り込んだ出力信号V1,V2,V3,V4と、減衰係数k1,k2と、トーションバー11のバネ定数Kと、角度差βと、上記式(13),(14),(17)に基づいて、操舵トルクTを演算する。
前記実施形態では、入力軸9に一体回転可能に連結された第1の磁石41と出力軸10に一体回転可能に連結された第2の磁石42との間に、第1〜第4の磁気センサ43A,43B,44A,44Bが配置されている。したがって、トルクセンサ11における入力軸9の軸方向に直交する大きさを小さくすることができる。
ところで、第2の磁石42からの磁束を第1の磁気遮断部材を用いて遮断し、第1の磁石41からの磁束のみを検出できる2つの磁気センサを設けるとともに、第1の磁石41からの磁束を第2の磁気遮断部材を用いて遮断し、第2の磁石42からの磁束のみを検出できる2つの磁気センサを設けて、トーションバー11の捩れ角を演算することが考えられる。具体的には、第1の磁石41からの磁束のみを検出できる2つの磁気センサの出力信号に基づいて入力軸9の回転角(電気角)を演算する。一方、第2の磁石42からの磁束のみを検出できる2つの磁気センサの出力信号に基づいて出力軸10の回転角(電気角)を演算する。そして、入力軸9の回転角と出力軸10の回転角との差に基づいて、トーションバー11の捩れ角を演算する。このような構成では、2つの磁気遮断部材が必要となるため、構成が複雑となるとともに、トルクセンサにおける入力軸の軸方向の大きさが大きくなる。
ところで、第2の磁石42からの磁束を第1の磁気遮断部材を用いて遮断し、第1の磁石41からの磁束のみを検出できる2つの磁気センサを設けるとともに、第1の磁石41からの磁束を第2の磁気遮断部材を用いて遮断し、第2の磁石42からの磁束のみを検出できる2つの磁気センサを設けて、トーションバー11の捩れ角を演算することが考えられる。具体的には、第1の磁石41からの磁束のみを検出できる2つの磁気センサの出力信号に基づいて入力軸9の回転角(電気角)を演算する。一方、第2の磁石42からの磁束のみを検出できる2つの磁気センサの出力信号に基づいて出力軸10の回転角(電気角)を演算する。そして、入力軸9の回転角と出力軸10の回転角との差に基づいて、トーションバー11の捩れ角を演算する。このような構成では、2つの磁気遮断部材が必要となるため、構成が複雑となるとともに、トルクセンサにおける入力軸の軸方向の大きさが大きくなる。
このような構成と比較すると、前記実施形態では、磁気遮断部材が不要であるため、構成が簡単になるとともに、トルクセンサにおける入力軸の軸方向の大きさを小さくすることができる。
また、前記実施形態では、センサ取付用基板47の一方の面(第1の面)に、第1および第2の磁気センサ43A,43Bが取り付けられており、他方の面(第2の面)に第3および第4の磁気センサ44A,44Bが取り付けられている。これにより、磁気センサを取り付けるための基板が1枚で済むため、コストを低減化することができる。
また、前記実施形態では、センサ取付用基板47の一方の面(第1の面)に、第1および第2の磁気センサ43A,43Bが取り付けられており、他方の面(第2の面)に第3および第4の磁気センサ44A,44Bが取り付けられている。これにより、磁気センサを取り付けるための基板が1枚で済むため、コストを低減化することができる。
前記実施形態では、磁気センサ43A,43B,44A,44Bとして、ホール素子が用いられているが、磁界の作用により電気的特性が変化する特性を有する素子であれば、磁気抵抗素子(MR素子)等のホール素子以外の素子を用いてもよい。
この発明は、電動パワーステアリング装置以外の他の装置にも適用することができる。
その他、特許請求の範囲に記載された事項の範囲で種々の設計変更を施すことが可能である。
この発明は、電動パワーステアリング装置以外の他の装置にも適用することができる。
その他、特許請求の範囲に記載された事項の範囲で種々の設計変更を施すことが可能である。
9…入力軸(第1軸)、10…出力軸(第2軸)、11…トーションバー、41…第1の磁石、42…第2の磁石、43A,43B,44A,44B…磁気センサ、47…センサ取付用基板、12…ECU
Claims (4)
- 第1軸と第2軸とを連結する連結軸を含み、前記連結軸の捩れに起因する前記第1軸と前記第2軸の相対的回転変位量に基づいて、前記第1軸に加えられたトルクを検出するトルク検出装置であって、
前記第1軸に一体回転可能に連結された環状の第1の磁石と、
前記第2軸に一体回転可能に連結されかつ前記第1の磁石と対向する環状の第2の磁石と、
前記第1の磁石と前記第2の磁石との間に前記第1の磁石と対向して配置され、前記第1の磁石からの磁束と前記第2の磁石からの磁束との和に応じた第1および第2の出力信号をそれぞれ出力する第1および第2の磁気センサと、
前記第1の磁石と前記第2の磁石との間に前記第2の磁石に対向して配置され、前記第2の磁石からの磁束と前記第1の磁石からの磁束との和に応じた第3および第4の出力信号をそれぞれ出力する第3および第4の磁気センサとを含み、
前記第3の磁気センサは、前記第1の磁石における前記第1の磁気センサが対向する位置と前記第1の磁気センサとを結ぶ線の延長線上に配置されており、
前記第4の磁気センサは、前記第1の磁石における前記第2の磁気センサが対向する位置と前記第2の磁気センサとを結ぶ線の延長線上に配置されており、
前記第1の出力信号と前記第3の出力信号とに基づいて、前記第1の出力信号から前記第2の磁石からの磁束の影響が除去された第1の信号成分を演算するとともに、前記第3の出力信号から前記第1の磁石からの磁束の影響が除去された第3の信号成分を演算する手段と、
前記第2の出力信号と前記第4の出力信号とに基づいて、前記第2の出力信号から前記第2の磁石からの磁束の影響が除去された第2の信号成分を演算するとともに、前記第4の出力信号から前記第1の磁石からの磁束の影響が除去された第4の信号成分を演算する手段と、
前記第1〜第4の信号成分を用いて、前記第1軸に加えられたトルクを演算するトルク演算手段とをさらに含む、トルク検出装置。 - 前記第1の磁石と前記第2の磁石との間に、前記第1の磁石に対向する第1の面と前記第2の磁石に対向する第2の面とを有するセンサ取付用基板が配置されており、
前記センサ取付用基板における前記第1の面に、前記第1および第2の磁気センサが取り付けられており、
前記センサ取付用基板における前記第2の面に、前記第3および第4の磁気センサが取り付けられている、請求項1に記載のトルク検出装置。 - 前記トルク演算手段は、前記第1の信号成分および前記第2の信号成分から演算される前記第1軸の回転角と、前記第3の信号成分および前記第4の信号成分から演算される前記第2軸の回転角と、前記連結軸のバネ定数とを用いて、前記第1軸に加えられたトルクを演算するように構成されている、請求項1または2に記載のトルク検出装置。
- 前記トルク演算手段は、前記第1の信号成分および前記第2の信号成分から演算される前記第1軸の回転角と、前記第3の信号成分および前記第4の信号成分から演算される前記第2軸の回転角と、予め設定されかつ前記連結軸に捩れが生じていない状態における前記第1軸の回転角と前記第2軸の回転角との角度差と、予め設定される前記連結軸のバネ定数とを用いて、前記第1軸に加えられたトルクを演算するように構成されている、請求項1または2に記載のトルク検出装置。
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