JP2012173258A - Torque measurement apparatus and steering apparatus mounting the same - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、トーションバーを介して同軸上に連結された2つの軸間に加わるトルクを測定するトルク測定装置、およびこれを搭載したステアリング装置に関する。 The present invention relates to a torque measuring device that measures torque applied between two shafts connected coaxially via a torsion bar, and a steering device equipped with the torque measuring device.
この種のトルク測定装置として、特許文献1に示すものが提案されている。その目的は、トーションバーの曲げ変形に伴うセンサターゲットと磁気センサとの間のエアギャップの変動を抑え、高精度での回転トルクの検出を可能とすることである。構成としては、トーションバーを介して同軸上に連結された入力軸および出力軸のそれぞれに螺旋状の突起からなる複数のセンサターゲットを設ける。各センサターゲットを検出する磁気センサを設け、トーションバーの捩じれに起因して各磁気センサの検出するセンサターゲットの変位で生じる差に基づき、両軸間に加わるトルクを検出する。
As this type of torque measuring device, the one shown in
他に、特許文献2に示すものが提案されている。その目的は、従来よりも非常に簡単な構造により、トルク検出精度を高めることである。構成としては、トーションバーを介して同軸上に連結された入力軸および出力軸のそれぞれに、少なくとも2つの磁気トラックを持つ磁気媒体をそれぞれ設ける。各磁気媒体に対向して、各磁気トラックに感応する磁気検出素子を配置し、これら磁気検出素子の出力信号に基づいて前記両軸間に加わるトルクを検出する。
In addition, what is shown in
なお、回転角度検出の分解能化を図るものとしては、磁気ラインセンサおよび逓倍回路を設けたものがある(例えば特許文献3,4)。これは、一列に並べた磁気ラインセンサからの信号を加算処理して中間信号S1,S2を生成し、さらにそれらの中間信号S1,S2を演算処理することによって90°位相のずれた2相の信号SIN,COSを得る構成である。この構成によれば、検出対象である磁気エンコーダに応じて正確な信号SIN,COSを得ることができ、この信号SIN,COSに基づいて高精度な逓倍出力を生成することができる。
また、複列の磁気エンコーダにより、基準信号を生成する基準信号パルス付エンコーダが提案されている(特許文献5,6)。
In addition, there exists what provided the magnetic line sensor and the multiplication circuit as what aims at resolution | decomposability of rotation angle detection (for example,
Further, an encoder with a reference signal pulse for generating a reference signal by a double-row magnetic encoder has been proposed (
特許文献1に開示のトルク測定装置では、センサターゲットとして部分的な螺旋状の突起を軸の周囲に繰り返し設ける必要があり、構成が複雑になる問題がある。
特許文献2に開示のトルク測定装置では、複数の磁気トラックとこれらに対向する複数の磁気センサが必要である。そのため、装置全体が軸方向に大きくなるという問題があり、適用できる範囲が制限される可能性がある。
In the torque measuring device disclosed in
The torque measuring device disclosed in
上記従来のトルク測定装置の問題を解決するために、本件出願人は、以下の提案(特願2009−230614)を行った。すなわち、2つの軸にセンサターゲットと磁気センサとをそれぞれ設け、両軸間に加わるトルクを測定するトルク測定装置において、前記各磁気センサは、対応するセンサターゲットにおける被検出極のピッチ内でその被検出極の並び方向に互いに位置ずれして配置された複数のセンサ素子を有し、SINおよびCOSの2相の信号出力を得る。または、同トルク測定装置において、前記各磁気センサは、対応するセンサターゲットにおける被検出極の並び方向に沿って複数のセンサ素子が並ぶラインセンサで構成され、SINおよびCOSの2相の信号出力を演算によって生成する。この提案例の構成によると、2軸間に加わるトルクを正確に測定でき、さらに小型化を図ることができる。さらに、磁気センサの逓倍検出機能を備えた構成とすれば、検出分解能が高まり、より一層トルクの測定精度が向上する。 In order to solve the problem of the conventional torque measuring device, the present applicant made the following proposal (Japanese Patent Application No. 2009-230614). That is, in each of the torque measuring devices for measuring the torque applied between the two shafts by providing a sensor target and a magnetic sensor on each of the two shafts, each of the magnetic sensors is covered within the pitch of the detected pole in the corresponding sensor target. It has a plurality of sensor elements that are displaced from each other in the direction in which the detection poles are arranged, and obtains a two-phase signal output of SIN and COS. Alternatively, in the torque measuring device, each of the magnetic sensors includes a line sensor in which a plurality of sensor elements are arranged along the arrangement direction of the detected poles in the corresponding sensor target, and outputs a two-phase signal output of SIN and COS. Generate by calculation. According to the configuration of this proposed example, the torque applied between the two axes can be accurately measured, and further downsizing can be achieved. Furthermore, if the structure of the magnetic sensor is provided with a multiplication detection function, the detection resolution is increased, and the torque measurement accuracy is further improved.
上記提案例のトルク測定装置は、軸の回転に伴って出力される回転パルス信号をカウントすることにより、両軸の各磁気センサ間でのねじり量を検出してトルク換算する構成であるが、入力トルクが零の状態で両軸のカウンタをリセットしないと、正確なトルクを求めることができない。そのため、電源ONの直後にトルクが印加された状態であった場合には、何らかの別の状態、例えばステアリング装置に適用した場合では、車両の状態等から入力トルクが零の状態を判断し、カウンタ値をリセットする操作が必要であった。 The torque measuring device of the proposed example is configured to detect a torsion amount between the magnetic sensors of both shafts by counting a rotation pulse signal output as the shaft rotates, and convert the torque. If the counters for both axes are not reset when the input torque is zero, accurate torque cannot be obtained. Therefore, if the torque is applied immediately after the power is turned on, if it is applied to some other state, for example, a steering device, the state where the input torque is zero is determined from the state of the vehicle, and the counter An operation to reset the value was necessary.
また、上記提案例には、センサターゲットが1回転する毎に基準信号を1回出力させることにより、回転パルス信号のカウントに誤カウントが発生した場合でも、カウントをリセットさせる構成も提示されている。しかし、電源ONの直後等のように、基準信号からの位相情報が無い状態では、トルクの測定誤差が発生する。上記のように1回転に1回の基準信号出力であると、位相情報の無い状態が長く続くこととなる。測定誤差はできるだけ発生せず、発生した場合でもできるだけ短時間で解消することが望まれる。
なお、基準信号出力用のセンサを別途設置すると、設置スペースやコストが増加するので、できるだけ簡単な構成で上記の課題を解決することが望まれる。
Further, the proposed example also presents a configuration in which the count is reset even if an erroneous count occurs in the count of the rotation pulse signal by outputting the reference signal once every rotation of the sensor target. . However, when there is no phase information from the reference signal, such as immediately after the power is turned on, a torque measurement error occurs. As described above, when the reference signal is output once per rotation, a state without phase information continues for a long time. A measurement error is not generated as much as possible, and even if it occurs, it is desirable to eliminate it in as short a time as possible.
If a sensor for outputting a reference signal is separately installed, the installation space and cost increase. Therefore, it is desirable to solve the above-described problem with the simplest possible configuration.
特許文献5,6の基準信号パルス付エンコーダは、いずれも、基準信号の生成用として周方向の一部に特異パターンが存在し、そのためトラック間の磁気干渉によるピッチ精度の悪化を招く恐れがある。
In any of the encoders with reference signal pulses of
この発明の目的は、トーションバーを介して同軸上に連結される2軸間に加わるトルクを正確に測定でき、小型化が可能で、さらに電源ONの直後等でもすぐにトルクの測定を行えるトルク測定装置を提供することである。
この発明の他の目的は、電源ONの直後等でもすぐにトルクを正確に測定でき、かつトルク測定装置の小型化が可能なステアリング装置を提供することである。
The object of the present invention is to accurately measure the torque applied between two shafts connected coaxially via a torsion bar, to enable downsizing, and to measure the torque immediately after the power is turned on. It is to provide a measuring device.
Another object of the present invention is to provide a steering device capable of accurately measuring torque immediately after the power is turned on and the like and capable of downsizing the torque measuring device.
この発明のトルク測定装置は、トーションバーを介して同軸上に連結された第1および第2の軸に、これらの軸と同心に円周方向に並ぶ複数の被検出極が等配された環状のセンサターゲットをそれぞれ設けると共に、これらのセンサターゲットの前記被検出極を検出する磁気センサをそれぞれ設け、各磁気センサの出力信号に基づき前記第1および第2の軸間に加わるトルクを測定するトルク測定装置であって、
前記各センサターゲットにはそれぞれ複数の被検出極が等配された2つの磁気トラックがあり、両磁気トラックは被検出極の位相が互いに円周方向の一方向にずれて形成されており、前記各磁気センサは、対向するセンサターゲットにおける前記2つの磁気トラックの被検出極をそれぞれ検出する2つのトラック別センサ部を有し、これら2つのトラック別センサ部の検出信号から、被検出極の1磁極対のピッチ内での、このピッチを複数に分割した各位置を表す回転パルス信号と、被検出極の1磁極対毎に1つの基準信号とを生成して出力することを特徴とする。
The torque measuring device according to the present invention has an annular shape in which a plurality of detected poles arranged concentrically with the first and second shafts coaxially connected via a torsion bar are arranged in the circumferential direction. Torque sensors for measuring the torque applied between the first and second shafts based on the output signals of the respective magnetic sensors. A measuring device,
Each sensor target has two magnetic tracks in which a plurality of detected poles are equally arranged, and both magnetic tracks are formed so that the phases of the detected poles are shifted from each other in one circumferential direction, Each magnetic sensor has two track-specific sensor units that respectively detect the detected poles of the two magnetic tracks in the opposing sensor target. From the detection signals of these two track-specific sensor units, one of the detected poles is detected. A rotation pulse signal representing each position obtained by dividing the pitch into a plurality of positions within the pitch of the magnetic pole pair and one reference signal for each magnetic pole pair of the detected pole are generated and output.
この構成によると、センサターゲットに形成された磁極対の個数分の基準信号と、被検出極の1磁極対のピッチ内での分割された各位置を表す回転パルス信号とが得られる。そのため、最大でも1磁極対分の回転運動を行えば、回転パルス信号のカウント値と基準信号とによって、磁極対内の絶対位置を取得することができる。例えば、36対の磁極対が形成されている場合、最大でも10度回転すれば、磁極対内の絶対位置が求められる。したがって、電源ONの直後など、2つの磁気センサ間の相対角度ずれが不明な状態であっても、僅かな回転を与えるだけで角度ずれの大きさが判明し、それにより第1および第2の軸間のねじれ角度を検出して、正確なトルク検出を行うことができる。それぞれの回転パルス信号のカウント値を記憶しておく必要もなく、簡易な検出回路構成が可能となる。すなわち、運転状態からトルクゼロの状態を判断し、カウンタのリセット動作をする必要もなく、検出処理回路や処理ソフトウェアの構成が簡易化される。
センサターゲットには、2つの磁気トラックが全周に渡って一定の周方向位相差を持って形成されているため、周方向に特異パターンが存在しない。そのため、トラック間の磁気干渉によるピッチ精度の悪化がなく、高い回転検出精度を得ることができる。したがって、より一層精度の良いトルク検出が行える。
According to this configuration, a reference signal corresponding to the number of magnetic pole pairs formed on the sensor target and a rotation pulse signal representing each divided position within the pitch of one magnetic pole pair of the detected poles are obtained. Therefore, if the rotational motion for one magnetic pole pair is performed at the maximum, the absolute position in the magnetic pole pair can be acquired from the count value of the rotation pulse signal and the reference signal. For example, when 36 magnetic pole pairs are formed, the absolute position in the magnetic pole pair can be obtained if the magnetic pole pair rotates by 10 degrees at the maximum. Therefore, even if the relative angular deviation between the two magnetic sensors is unknown, such as immediately after the power is turned on, the magnitude of the angular deviation can be determined by applying a slight rotation, and thereby the first and second Accurate torque detection can be performed by detecting the twist angle between the shafts. There is no need to store the count value of each rotation pulse signal, and a simple detection circuit configuration is possible. That is, it is not necessary to determine the torque zero state from the operation state and perform a counter reset operation, and the configuration of the detection processing circuit and the processing software is simplified.
In the sensor target, two magnetic tracks are formed with a constant circumferential phase difference over the entire circumference, so that there is no singular pattern in the circumferential direction. Therefore, there is no deterioration in pitch accuracy due to magnetic interference between tracks, and high rotation detection accuracy can be obtained. Therefore, more accurate torque detection can be performed.
この発明において、前記磁気センサの前記各トラック別センサ部は、対向する磁気トラックの被検出極の並び方向に沿ってセンサ素子が並ぶラインセンサを有し、SINおよびCOSの2相の信号出力を演算によって生成するものとしても良い。
このようにラインセンサを用いると、センサターゲットの被検出極のピッチを通常のABS(アンチロックブレーキシステム)センサ等と同等に保ちながら、磁気センサにより被検出極間の位置を検出することができて、第1および第2の軸の微小な回転検出が可能になる。そのため、前記両軸間のわずかな回転ずれでも検出でき、両磁気センサの検出回転角度の差から2軸間に加わる微小なトルクでも正確に測定することが可能となる。その結果、トーションバーを介して同軸上に連結される第1および第2の軸間に加わるトルクを正確に測定できる。
In the present invention, each track-specific sensor portion of the magnetic sensor has a line sensor in which sensor elements are arranged along the direction in which the detected poles of the opposing magnetic tracks are arranged, and outputs two-phase signal outputs of SIN and COS. It may be generated by calculation.
When the line sensor is used in this way, the position between the detected poles can be detected by the magnetic sensor while keeping the pitch of the detected poles of the sensor target equal to that of a normal ABS (anti-lock brake system) sensor or the like. Thus, it is possible to detect minute rotations of the first and second axes. Therefore, even a slight rotational deviation between the two axes can be detected, and even a minute torque applied between the two axes can be accurately measured from the difference in the detected rotation angles of the two magnetic sensors. As a result, it is possible to accurately measure the torque applied between the first and second shafts connected coaxially via the torsion bar.
この発明において、前記磁気センサが、前記被検出極を検出するセンサ素子部と、検出処理回路部とを備え、この検出処理回路部は、前記センサ素子部の出力信号を逓倍して前記出力信号よりも高分解能の回転パルス信号を生成する逓倍回路を有していても良い。
逓倍回路を設けることで、簡単でかつコンパクトな構成で、より高分解能の回転パルス信号を生成することができる。これにより、両軸間のわずかな回転ずれでも検出でき、両磁気センサの検出回転角度の差から2軸間に加わる微小なトルクでも正確に測定することが可能となる。
上記のように、ラインセンサを用いたり、逓倍回路を設けることで、第1および第2の軸の微小な回転角度を回転パルスの計数により検出することになるので、2つのセンサターゲットのうち一方が止まっていても、つまり前記2軸の一方が静止している状態でも、両軸間に加わるトルクを正確に測定することができる。
In the present invention, the magnetic sensor includes a sensor element unit that detects the detected pole, and a detection processing circuit unit. The detection processing circuit unit multiplies the output signal of the sensor element unit and outputs the output signal. A multiplication circuit that generates a rotation pulse signal with higher resolution may be included.
By providing the multiplication circuit, a rotation pulse signal with higher resolution can be generated with a simple and compact configuration. As a result, even a slight rotational deviation between the two axes can be detected, and even a minute torque applied between the two axes can be accurately measured from the difference in the detected rotation angles of the two magnetic sensors.
As described above, by using a line sensor or providing a multiplication circuit, a minute rotation angle of the first and second axes is detected by counting rotation pulses, so one of two sensor targets. Even when is stopped, that is, even when one of the two axes is stationary, the torque applied between the two axes can be measured accurately.
この発明において、前記検出処理回路部は、前記の逓倍された回転パルス信号として、互いに90°位相の異なるA相およびB相の2つの回転パルス信号を出力するものとしても良い。
上記A,B相の2つの回転パルス信号を出力した場合、これら2相の信号によって回転方向を判別することができる。そのため、正負どちらの回転方向のトルクでも測定することが可能となる。
In the present invention, the detection processing circuit unit may output two rotation pulse signals of A phase and B phase, which are 90 ° different from each other, as the multiplied rotation pulse signal.
When the two rotation pulse signals of the A and B phases are output, the rotation direction can be determined by these two phase signals. Therefore, it is possible to measure torque in either the positive or negative rotational direction.
この発明において、各磁気センサは、前記被検出極を検出するセンサ素子部と、検出処理回路部とを備え、この検出処理回路部は、前記センサ素子部の出力信号から、前記センサターゲットの1回転で1回のインデックス信号を生成するようにしても良い。1回転で1回のインデックス信号が出力されると、絶対角度の検出がより一層容易となる。 In the present invention, each magnetic sensor includes a sensor element unit for detecting the detected pole, and a detection processing circuit unit. The detection processing circuit unit is configured to detect one of the sensor targets from an output signal of the sensor element unit. One index signal may be generated by rotation. When one index signal is output in one rotation, detection of the absolute angle is further facilitated.
この発明において、前記各磁気センサの生成する回転パルス信号のカウント値から対応する各センサターゲットの回転角度を検出するカウンタと、このカウンタで検出された2つの回転角度の差分を求める角度差算出手段と、前記差分から前記第1および第2の軸間に加わるトルクを算出するトルク算出手段とを設けると共に、前記差分と前記第1および第2の軸の運転状態とから前記算出トルクに含まれる定常オフセット量を推定し、前記トルク算出からオフセット分をキャンセルするオフセットキャンセル手段を設けても良い。
各磁気センサの生成する回転パルスをカウンタで計数し、センサターゲットの回転角度をカウント値として保持する場合には、機械的なガタツキによって定常オフセットが発生したり、ノイズによる誤カウンタによって両カウンタの計数値がずれたりして、トルク演算に誤差が生じることがある。上記オフセットキャンセル手段で、回転パルスの差分をモニタしながら、運転状態に応じたフィルタ処理を行って定常オフセット分を抽出して、トルク算出手段での演算処理においてオフセットを除去すると、機械的なガタツキ等によって発生するオフセットの影響を低減して、正確なトルク測定を行うことができる。上記「運転状態」とは、このトルク測定装置を設置した自動車等の機器の停止状態と動作状態との区別や、トルク測定開始前の入力側の前記軸の回転方向等である。
In the present invention, a counter for detecting a rotation angle of each corresponding sensor target from a count value of a rotation pulse signal generated by each magnetic sensor, and an angle difference calculating means for obtaining a difference between two rotation angles detected by the counter. And a torque calculating means for calculating a torque applied between the first and second shafts from the difference, and included in the calculated torque from the difference and the operating state of the first and second shafts. An offset canceling unit that estimates the steady offset amount and cancels the offset from the torque calculation may be provided.
When the rotation pulses generated by each magnetic sensor are counted with a counter and the rotation angle of the sensor target is held as a count value, a steady offset occurs due to mechanical rattling, or the counters of both counters count due to erroneous counters due to noise. An error may occur in the torque calculation due to the deviation of numerical values. When the offset canceling means performs the filtering process according to the operating state while monitoring the difference between the rotation pulses to extract the steady offset, and the offset is removed in the calculation process by the torque calculating means, the mechanical rattle Thus, it is possible to reduce the influence of offset caused by the above and to perform accurate torque measurement. The “operating state” refers to a distinction between a stopped state and an operating state of a device such as an automobile in which the torque measuring device is installed, a rotation direction of the shaft on the input side before starting torque measurement, and the like.
この発明において、前記各磁気センサの生成する回転パルス信号のカウント数から対応する各センサターゲットの回転角度を検出するカウンタと、これらのカウンタで検出された2つの回転角度の差分を求める角度差算出手段と、前記差分から前記第1および第2の軸間に加わるトルクを算出するトルク算出手段とを設けると共に、前記第1および第2の軸にトルクが印加されていない運転状態において前記カウント値をリセットする計数値リセット手段を設けても良い。
この構成の場合、前記カウント値に積算されたノイズの影響等を除去して、正確なトルクの測定を行うことができる。
In the present invention, a counter for detecting the rotation angle of each corresponding sensor target from the number of rotation pulse signals generated by each magnetic sensor, and an angle difference calculation for obtaining a difference between the two rotation angles detected by these counters. And a torque calculating means for calculating a torque applied between the first and second shafts from the difference, and the count value in an operating state in which no torque is applied to the first and second shafts. Count value resetting means for resetting may be provided.
In the case of this configuration, it is possible to accurately measure the torque by removing the influence of noise accumulated on the count value.
この発明において、前記2つのセンサターゲット間に磁気干渉防止用の磁性体を設けても良い。
近接配置される2つの磁気センサでは、検出対象でないセンサターゲットの干渉を受ける恐れがある。2つのセンサターゲットの間に磁気干渉防止用の磁性体を介在させることで、磁気センサが検出対象でないセンサターゲットの干渉を受けるのを防止でき、これにより正確なトルク検出が可能となる。
In the present invention, a magnetic body for preventing magnetic interference may be provided between the two sensor targets.
Two magnetic sensors arranged close to each other may receive interference from a sensor target that is not a detection target. By interposing a magnetic body for preventing magnetic interference between the two sensor targets, it is possible to prevent the magnetic sensor from receiving interference from a sensor target that is not a detection target, thereby enabling accurate torque detection.
この発明の軸トルク測定機能付きステアリング装置は、この発明の上記のいずれかの構成のトルク測定装置を搭載したものである。
この発明のトルク測定装置は、第1および第2の軸間に加わるトルクを、電源ONの直後等でもすぐに正確に測定でき、かつ小型化が可能である。そのため、例えば自動車等のステアリング装置に搭載した場合、ハンドルに連結された入力軸と、舵取機構に連結された出力軸との間に加わるトルクを常に正確に測定でき、パワーステアリングやステアバイワイヤ等でのステアリング制御をより高度に行うことが可能となる。これにより、運転し易さ、安全の向上等に貢献することができる。また、検出の高精度化を図りながら、大型化を回避できる。
A steering device with a shaft torque measuring function according to the present invention is equipped with the torque measuring device according to any one of the above configurations of the present invention.
The torque measuring device according to the present invention can immediately and accurately measure the torque applied between the first and second shafts immediately after the power is turned on, and can be downsized. Therefore, for example, when mounted on a steering device such as an automobile, the torque applied between the input shaft connected to the steering wheel and the output shaft connected to the steering mechanism can always be accurately measured, such as power steering and steer-by-wire. This makes it possible to perform steering control at a higher level. Thereby, it is possible to contribute to easiness of driving, improvement of safety, and the like. Further, it is possible to avoid an increase in size while achieving high detection accuracy.
この発明のトルク測定装置は、トーションバーを介して同軸上に連結された第1および第2の軸に、これらの軸と同心に円周方向に並ぶ複数の被検出極が等配された環状のセンサターゲットをそれぞれ設けると共に、これらのセンサターゲットの前記被検出極を検出する磁気センサをそれぞれ設け、各磁気センサの出力信号に基づき前記第1および第2の軸間に加わるトルクを測定するトルク測定装置であって、前記各センサターゲットにはそれぞれ複数の被検出極が等配された2つの磁気トラックがあり、両磁気トラックは被検出極の位相が互いに円周方向の一方向にずれて形成されており、前記各磁気センサは、対向するセンサターゲットにおける前記2つの磁気トラックの被検出極をそれぞれ検出する2つのトラック別センサ部を有し、これら2つのトラック別センサ部の検出信号から、被検出極の1磁極対のピッチ内での、このピッチを複数に分割した各位置を表す回転パルス信号と、被検出極の1磁極対毎に1つの基準信号とを生成して出力するため、トーションバーを介して同軸上に連結される2軸間に加わるトルクを正確に測定でき、小型化が可能で、さらに電源ONの直後等でもすぐにトルクの測定を行える。 The torque measuring device according to the present invention has an annular shape in which a plurality of detected poles arranged concentrically with the first and second shafts coaxially connected via a torsion bar are arranged in the circumferential direction. Torque sensors for measuring the torque applied between the first and second shafts based on the output signals of the respective magnetic sensors. In each of the sensor targets, each sensor target has two magnetic tracks in which a plurality of detected poles are equally arranged, and the phases of the detected poles are shifted from each other in one circumferential direction. Each of the magnetic sensors has two track-specific sensor portions that respectively detect the detected poles of the two magnetic tracks in the opposing sensor target. From the detection signals of the two track-specific sensor units, a rotation pulse signal representing each position obtained by dividing the pitch into a plurality of positions within the pitch of one magnetic pole pair of the detected pole, and one magnetic pole pair of the detected pole Since it generates and outputs one reference signal, it can accurately measure the torque applied between the two shafts that are coaxially connected via the torsion bar, and can be downsized. Torque can be measured.
この発明のステアリング装置は、この発明のトルク測定装置を搭載したため、電源ONの直後等でもすぐにトルクを正確に測定でき、かつトルク測定装置の小型化が可能である。 Since the steering device according to the present invention is equipped with the torque measuring device according to the present invention, the torque can be accurately measured immediately after the power is turned on, and the torque measuring device can be downsized.
この発明の第1の実施形態を図1および図2と共に説明する。図1は、このトルク測定装置の概略構成例の正面図である。同図において、第1および第2の軸21,22は、トーションバー23を介して同軸上に連結されている。第1の軸21は入力側の回転軸であり、その回転トルクがトーションバー23を介して出力側の回転軸である第2の軸22に伝達される。このトルク測定装置は、第1および第2の軸21,22間に加わるトルクを測定するものであって、各軸21,22にそれぞれ設けられたセンサターゲット1,2と、これらセンサターゲット1,2に対向して設けられた2つの磁気センサ3,4とを備える。これら磁気センサ3,4は、ホール素子等のセンサ素子で構成されるセンサ素子部3C,4Cと、このセンサ素子部3C,4Cの検出信号を処理する検出処理回路部3D,4Dを含む。
A first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 1 is a front view of a schematic configuration example of the torque measuring device. In the figure, the first and
センサターゲット1,2は、各軸21,22と同心に円周方向に並ぶ複数の被検出極1a,2aが等配された環状の部材であって、例えば磁気エンコーダからなる。ここでは、その周面に被検出極が並ぶラジアルタイプのセンサターゲット1,2の例を示しており、その周面が磁気センサ3,4で検出される被検出面となる。磁気エンコーダは、被検出極1a,2aとして、円周方向にN極、S極を交互に着磁することで、N極、S極からなる磁極対を、全周に渡り円周方向に複数等配したものである。なお、同図において、被検出極1a,2aは周方向の一部のもののみを図示し、他は図示を省略してある。センサターゲット1,2としては、磁気エンコーダのほか、歯車状のパルサリングを用いても良い。歯車状のパルサリングの場合、1対の歯の山と谷の組み合わせ部分が1磁極対となる。
The sensor targets 1 and 2 are annular members in which a plurality of detected
2つの磁気センサ3,4の検出処理回路部3D,4Dの出力信号は信号処理回路6に入力され、ここでの演算処理により、第1および第2の軸21,22間に加わるトルクが測定される。2つの磁気センサ3,4は、1つのセンサユニット5として構成されて、固定側部材26に設置される。センサユニット5は、2つの磁気センサ3,4のセンサ素子部3C,4Cのみを一体化したものであっても、また検出処理回路部3D,4Dを含めて一体化したものであっても良い。
Output signals of the detection
なお、図11に示すように、2つの磁気センサ3,4を前記信号処理回路6(図11には図示せず)等と共に1つの半導体チップ7上に搭載して、または1つの基板上に実装して、1つのセンサユニット5を構成しても良い。このようにセンサユニット5内で信号処理を行う構成とした場合は、外部に出力する信号線を最低限とすることができ、配線本数の削減、配線径の細線化、設置スペースの削減が可能になる。
As shown in FIG. 11, two
図2は、この実施形態のトルク測定装置の具体例を示す。図2(A)において、第1および第2の軸21,22は、それぞれ軸受24,25を介して、測定装置ハウジングとなる固定側部材26に回転自在に支持されている。トーションバー23は、第1および第2の軸21,22よりも小径とされている。第1および第2の軸21,22に取付けられるセンサターゲット1,2は、環状の芯金1b,2bの外周面に環状の多極磁石1c,2cを設けたラジアルタイプの磁気エンコーダが用いられている。芯金1b,2bは、磁性体または非磁性体からなる。多極磁石1c,2cが、センサターゲット1,2の外周面となる。
FIG. 2 shows a specific example of the torque measuring device of this embodiment. In FIG. 2A, the first and
両センサターゲット1,2は、その多極磁石1c,2cの外周面からなる被検出面が互いに軸方向に近接するように、第1および第2の軸21,22の対向する端面から突出して取付けられている。このように突出する取付けが可能なように、芯金1b,2bは、第1および第2の軸21,22の外周面に嵌合する円筒つば状の嵌合部1ba,2baが内周部から軸方向に突出して設けられている。両センサターゲット1,2を互いに軸方向に近接して配置することにより、これらセンサターゲット1,2に径方向に対向する磁気センサ3,4を、互いに軸方向に近接して(例えば5mm以下の間隔で)配置している。このように、2つのセンサターゲット1,2を互いに軸方向に近接配置し、対応する2つの磁気センサ3,4も互いに軸方向に近接配置することで、限られた設置スペース内で第1および第2の軸21,22間に加わるトルクを正確に検出することができる。
Both
この場合、近接配置された2つの磁気センサ3,4では、検出対象ではない方のセンサターゲット2,1の干渉を受ける恐れがある。そこで、この構成例では、2つのセンサターゲット1,2の被検出極1a,2aが互いに近接する軸方向中間部に磁性体からなるスペーサ2dを設けて、前記干渉を防止するようにしている。具体的には、一方のセンサターゲット2の芯金2aの他方のセンサターゲット1と対向する端部を外径側に延ばした筒状フランジ部とすることで、前記スペーサ2dを構成している。このスペーサ2dは、他方のセンサターゲット1に設けても良い。
In this case, the two
多極磁石1c,2cは、図2(B)に示すように、円周方向CにN極、S極を交互に着磁した磁石であり、そのN極、S極の着磁対で前記被検出極1a,2aが構成される。多極磁石1c,2cは、軸方向に並ぶ2つの磁気トラック401 ,402 を有する。各磁気トラック401 ,402 は、互いに同じ被検出極数で等ピッチの磁気パターンが形成され、それぞれの磁気トラック401 ,402 の被検出極1a1 ,1a2 の位相が互いに円周方向にずれている。図2(B)は、一つのセンサターゲット1の磁気トラック401 ,402 を示したが、他の一つのターゲット2についても、センサターゲット1と同様に、磁気トラック401 ,402 の被検出極2a1 ,2a2 の位相が互いに円周方向にずれている。なお、2本の磁気トラック401 ,402 の被検出極1a1 ,1a2 、および被検出極2a1 ,2a2 をそれぞれ併せたものを、センサターゲット1,2の被検出極1a,2aと称している。各センサターゲット1,2の2つの磁気トラック401 ,402 の間には、図2(A)のように、磁気干渉防止用の磁性体1e,2eを介在させることが好ましい。
As shown in FIG. 2B, the
図2(A)において、2つの磁気センサ3,4は、対応するセンサターゲット1,2の被検出極1a,2aを検出できるように、被検出面に対して径方向に微小のギャップを介して対向する状態で、固定側部材26に設置される。この例では、2つの磁気センサ3,4は、上記のように1つのセンサユニット5として構成され、固定側部材26の内周面に設置される。また、各磁気センサ3,4は、センサターゲット1,2の各磁気トラック401 ,402 の被検出極1a1 ,1a2 、被検出極2a1 ,2a2 をそれぞれ検出するトラック別センサ部31 ,32 、およびトラック別センサ部41 ,42 でそれぞれ構成される。
なお、磁気センサ3,4は、図1と共に前述したように、センサ素子部3C,4Cと検出処理回路部3D,4Dとを含み、センサ素子部3C,4Cは、トラック別センサ部31 ,32 ,41 ,42 毎に設けられるが、検出処理回路部3D,4Dは、両トラック別センサ部31 ,32 ,41 ,42 につき、一つで構成されていても、個別に2つ設けられていても、また個別部分と共通部分とで構成されていても良い。
In FIG. 2A, the two
As described above with reference to FIG. 1, the
各磁気センサ3,4は、それぞれの2つのトラック別センサ部31 ,32 ,41 ,42 の検出信号から、被検出極1a,2aの1磁極対のピッチλ内での位置を表す回転パルス信号と、被検出極の1磁極対毎に1つの基準信号とを生成して出力する。回転パルス信号としては、図3のようにA相信号とB相信号とを出力するようにすることが好ましいが、一つとしても良い。A相信号およびB相信号は、パルス周期を360°として、互いにその90°位相の異なる信号である。基準信号は、この明細書において、図3のようにZ相信号と称する場合がある。これらの信号を生成する方法は、後に説明する。なお、各磁気センサ3,4は、上記磁極ピッチ内の位置を表す回転パルス信号と基準信号の他に、センサターゲット1,2の原点位置を示す1回転で1回のインデックス信号を、前記回転パルス信号または基準信号から計算して出力するものとしてもよい。
Each of the
図4はこの発明の他に実施形態にかかるトルク測定装置を示す。図4(A)において、この例では、第1および第2の軸21,22に取付けるセンサターゲット1,2として、アキシアルタイプの磁気エンコーダが用いられる。これら各センサターゲット1,2は、芯金1b,2bと円環状の多極磁石1c,2cとからなり、各芯金1b,2bは、円筒部1ba,2baとその一端から外径側へ延びる円板状のフランジ部1bb,2bbとからなる断面L字形とされている。多極磁石1c,2cは、各芯金1b,2bのフランジ部1bb,2bbの外周縁に沿って設けられている。多極磁石1c,2cの被検出面は軸方向を向く面である。2つのセンサターゲット1,2は、その被検出面を構成する多極磁石1c,2cが径方向の外側と内側とに同心状に並ぶように配置される。また、これら多極磁石1c,2cは、その被検出面が互いに同じ方向を向き、かつ互いに同一平面に位置している。
FIG. 4 shows a torque measuring device according to an embodiment of the present invention. 4A, in this example, axial type magnetic encoders are used as the
両センサターゲット1,2は、上記のように被検出面を同一平面上で互いに同心に配置しているが、両センサターゲット1,2の多極磁石1c,2c間には、磁気干渉防止用の環状のスペーサ2dが設けてある。このスペーサ2dは、磁性体からなり、一方のセンサターゲット2の芯金2bのフランジ部2bbの外周縁に設けられた軸方向に延びる浅い円筒部で構成されている。なお、他方のセンサターゲット11の芯金1bにスペーサ2dを設けても良い。
Both
多極磁石1c,2cは、図4(B)に示すように、円周方向CにN極、S極を交互に着磁した磁石であり、そのN極、S極の着磁対で前記被検出極1a,2aが構成される。多極磁石1c,2cは、半径方向に並ぶ2つの磁気トラック401 ,402 を有する。各磁気トラック401 ,402 は、互いに同じ被検出極数で等ピッチの磁気パターンが形成され、それぞれの磁気トラック401 ,402 の被検出極1a1 ,1a2 の位相が互いに円周方向にずれている。このアキシアルタイプの場合の「等ピッチ」とは、円環状の磁気トラック401 ,402 の中心角度のピッチが等しいことである。図4(B)は、一つのセンサターゲット1の磁気トラック401 ,402 を示したが、他の一つのターゲット2についても、センサターゲット1と同様に、磁気トラック401 ,402 の被検出極2a1 ,2a2 の位相が互いに円周方向にずれている。なお、2本の磁気トラック401 ,402 の被検出極1a1 ,1a2 、および被検出極2a1 ,2a2 をそれぞれ併せたものを、センサターゲット1,2の被検出極1a,2aと称している。各センサターゲット1,2の2つの磁気トラック401 ,402 の間には、図2(A)のように、磁気干渉防止用の磁性体1e,2eを介在させることが好ましい。
As shown in FIG. 4 (B), the
図4(A)において、2つの磁気センサ3,4は、対応するセンサターゲット1,2の被検出極1a,2aを検出できるように、被検出面に対して軸方向に微小のギャップを介して対向する状態で、固定側部材26に設置される。この例では、2つの磁気センサ3,4は、上記のように1つのセンサユニット5として構成され、固定側部材26の内周面に設置される。また、各磁気センサ3,4は、センサターゲット1,2の各磁気トラック401 ,402 の被検出極1a1 ,1a2 、被検出極2a1 ,2a2 をそれぞれ検出するトラック別センサ部31 ,32 、およびトラック別センサ部41 ,42 でそれぞれ構成される。
なお、磁気センサ3,4は、図1と共に前述したように、センサ素子部3C,4Cと検出処理回路部3D,4D(図4には図示せず)とを含み、センサ素子部3C,4Cは、トラック別センサ部31 ,32 ,41 ,42 毎に設けられるが、検出処理回路部3D,4Dは、両トラック別センサ部31 ,32 ,41 ,42 につき、一つで構成されていても、個別に2つ設けられていても、また個別部分と共通部分とで構成されていても良い。
In FIG. 4A, the two
As described above with reference to FIG. 1, the
各磁気センサ3,4は、それぞれの2つのトラック別センサ部31 ,32 ,41 ,42 の検出信号から、被検出極1a,2aの1磁極対のピッチλ内での各位置を表す回転パルス信号と、被検出極の1磁極対毎に1つの基準信号とを生成して出力する。回転パルス信号としては、図3のようにA相信号とB相信号とを出力するようにすることが好ましいが、一つとしても良い。A相信号およびB相信号は、パルス周期を360°として、互いにその90°位相の異なる信号である。この実施形態におけるその他の構成は、図1,図2と共説明した第1の実施形態の場合と同様である。
Each of the
上記各実施形態における、図1に示した各磁気センサ3,4の検出処理回路部3D,4D等の構成例を説明する。各磁気センサ3,4において、2つのトラック別センサ部31 ,32 ,41 ,42 の検出信号から、図3のように回転パルス信号と基準信号(Z相信号)を生成する検出処理回路部3D,4D(図1)の構成例、およびその構成に対応するセンサ素子部3C,3Dの構成例としては、大別して次の3種類が採用できる。
(1)各トラック別センサ部31 ,32 ,41 ,42 の磁気センサ素子をそれぞれ1個とし、その出力から回転パルス信号と基準信号を生成する構成。
(2)各トラック別センサ部31 ,32 ,41 ,42 のセンサ素子を、後に図6と共に説明するように、90°位相差の2個とし、その出力から回転パルス信号と基準信号を生成する構成。
(3)各トラック別センサ部31 ,32 ,41 ,42 のセンサ素子を、後に図7と共に説明するようにラインセンサとし、その出力から回転パルス信号と基準信号を生成する構成。
A configuration example of the detection
(1) A configuration in which each of the track-
(2) The sensor elements of the track-
(3) A configuration in which the sensor elements of the track-
上記(1)の構成例を説明する。両センサターゲット1,2および磁気センサ3,4の構成は、互いに同じであるため、片方のセンサターゲット1および磁気センサ3について説明し、もう片方については説明を省略する。
センサターゲット1の2つの磁気トラック401 ,402 の被検出極1a1 ,1a2 の位相は、例えば、1磁極対λを1周期として互いに円周方向に90°の位相差を持つようにする(なお、図3の例の位相差は90°ではない)。各トラック別センサ部31 ,32 は、それぞれホール素子等の一つの磁気センサ素子とし、互いに同じ円周方向位置に設置する。これらトラック別の2つの磁気センサ素子から得られる2相の検出信号は、被検出極1a1 ,1a2 の位相差のため、90°の位相差を持つSIN信号,COS信号(sin φ,cos φ) である。検出処理回路部3Dは、これら2つの検出信号(sin φ,cos φ) から、次式、φ=tan -1(sin φ,cos φ) で磁極内位相φを算出する。この磁極内位相を、例えば90°毎に出力されるパルスとして出力することで、被検出極1aの4逓倍の分解能の回転検出が可能になる。
A configuration example of the above (1) will be described. Since the configurations of both
The detected poles 1a1 and 1a2 of the two
基準信号については、例えばトラック別の2つの磁気センサ素子から得られる2相の検出信号(SIN信号,COS信号)の差分を検出し、その差分が閾値を超えた範囲のパルスを生成することで、いずれか1方の被検出極1a1 ,1a2 の端部毎に出力されるパルス信号が得られる。閾値は適宜設定する。検出処理回路部3Dは、このように得られるパルス信号を、上記基準信号として出力する。
For the reference signal, for example, a difference between two-phase detection signals (SIN signal, COS signal) obtained from two magnetic sensor elements for each track is detected, and a pulse whose range exceeds the threshold is generated. The pulse signal output at each end of the detected poles 1a1 and 1a2 is obtained. The threshold is set as appropriate. The detection
上記(2)の90°位相差の2個センサ素子を用いる例を、図6と共に説明する。この例では、各磁気センサ3,4における2つのトラック別センサ部31 ,32 ,41 ,42 (図2,図3)毎に、1磁極対を360°として、90°位相差(λ/4)となるように磁極の並び方向を離して配置したホール素子等の2つの磁気センサ素子3A,3B(4A,4B)を用いる。これら2つの磁気センサ素子3A,3B(4A,4B)により得られる2相の信号(sin φ,cos φ)から磁極内位相(φ=tan -1(sin φ/cos φ))を算出する。この磁極内位相を例えば90°毎に出力されるパルスとして検出することで、被検出極数の4逓倍の分解能の回転検出が可能となる。なお、図6の波形図は、センサターゲット1,2の一つの磁気トラックにおける磁極の配列を磁界強度に換算して示したものである。
An example in which the two sensor elements having the 90 ° phase difference (2) are used will be described with reference to FIG. In this example, for each of the two track-
磁気センサ3,4の各トラック別センサ部31 ,32 ,41 ,42 をこのような構成とすると、被検出極1a,2a内の位置をより細かく検出でき、より高精度でセンサターゲット1,2の位相を検出することが可能である。この場合、磁気ノイズの影響を低減するため、前記2つの磁気センサ素子3A,3B(4A,4B)を差動構成として、より安定した信号を得るように構成しても良い。
When the track-
基準信号については、例えば、上記のように得たトラック別の2つのパルス信号の差分を検出し、その差分が閾値を超えた範囲のパルスを生成することで、いずれか1方の被検出極1a1 ,1a2 ,(2a1 ,2a2 )の端部毎に出力されるパルス信号が得られる。図1の検出処理回路部3Dは、このように得られるパルス信号を、上記基準信号として出力する。
For the reference signal, for example, by detecting the difference between the two pulse signals for each track obtained as described above, and generating a pulse in a range where the difference exceeds the threshold value, one of the detected poles A pulse signal output at each end of 1a1, 1a2, (2a1, 2a2) is obtained. The detection
上記(3)のラインセンサを用いる例を図7と共に説明する。この例では、磁気センサ3,4における2つのトラック別センサ部31 ,32 ,41 ,42 (図2,図3)毎に、対応するセンサターゲット1,2の被検出極1a,2aの並び方向に沿って磁気センサ素子3a,4aが並ぶラインセンサ3AA,3AB(4AA,4AB)を用いる。なお、図7(A)は、センサターゲット1,2における一つの磁気トラックについての1被検出極1a,2aの区間を磁界強度に換算して波形図で示したものである。この場合、磁気センサ3,4の第1のラインセンサ3AA,4AAは、図7(A)における180°の位相区間のうち90°の位相区間に対応づけて配置し、第2のラインセンサ3AB,4ABは残りの90°の位相区間に対応づけて配置する。このような配置構成により、第1のラインセンサ3AA,4AAの検出信号を加算回路31で加算した信号S1と、第2のラインセンサ3AB,4ABの検出信号を加算回路32で加算した信号S2を別の加算回路33で加算することで、図7(C)に示すような磁界信号に応じたSIN信号を得る。また、信号S1と、インバータ35を介した信号S2をさらに別の加算回路34で加算することで、図7(C)に示すような磁界信号に応じたCOS信号を得る。
An example using the line sensor (3) will be described with reference to FIG. In this example, the direction in which the detected
図5は、図1に示したトルクの演算を行う信号処理回路6の概略の構成をブロック図で示した図である。磁気センサ3,4は、上記(1)〜(3)のいずれかの構成とすることで、対応するセンサターゲット1,2(図1)における被検出極1a,2a(図1)の数の数倍〜数十倍の分解能で回転検出が可能な逓倍機能と、1磁極対毎の基準信号の出力機能を有するものとされる。
FIG. 5 is a block diagram showing a schematic configuration of the
各磁気センサ3,4の次段に設けられた位相検出回路8A,8Bは、各磁気センサ3,4の検出信号である回転パルス信号(SIN,COS信号)に基づき、対応するセンサターゲット1,2の磁気位相を検出する。磁気位相とは、1磁極対内の位置を表す位相で、1磁極対を360°とする。その次段に設けられた位相差検出手段9は、前記各位相検出回路8A,8Bから出力される検出位相信号に基づき、これらの間の位相差を出力する。この位相差から前記第1および第2の軸21,22間のねじれ角度を求める。その次段に設けられたトルク算出手段10は、前記位相差検出手段9で求められた位相差から、予め設定された計算パラメータに従って前記両軸21,22間に加わるトルクを算出する処理を行なう。得られたトルク値は、出力回路11によって電圧値、電流値、PWM信号、あるいはCANバス(コントローラエリアネットワークバス)等の通信インターフェースを通じたデータ形式で外部に出力される。コントローラ12は、外部との通信等により、前記トルク算出手段10における計算パラメータを書き換えたり、演算結果を読み出す等の機能を有する。また、これらの機能の他、センサターゲット1,2の被検出極1a,2aの数等、磁気センサ3,4の構成によって変わるパラメータを記憶する機能を有するものとしても良い。
The
このように、このトルク測定装置は、磁気センサ3,4により、検出された磁気位相に基づき、逓倍パルスを生成して、A相信号とB相信号との回転パルス信号を出力する。それにより、磁気エンコーダ等からなるセンサターゲット1,2の被検出極1a,2aのピッチを通常のABS(アンチロックブレーキシステム)センサ等と同等に保ちながら、第1および第2の軸21,22の微小な回転検出が可能になる。そのため、センサギャップ等の取付け公差を従来の場合と同等に保ちながら、自動車用ステアリング装置のような過酷な使用環境の装備に搭載しても高分解能の回転検出が可能となる。これにより、両磁気センサ3,4の検出回転角度の差から2軸21,22間に加わる微小なトルクでも測定することが可能となる。例えば、センサターゲット1,2として磁気エンコーダを用い、その被検出極1a,2aにおけるN極およびS極の磁極幅を2.5mm程度として、20極対の磁極を形成した32mm程度の大きさとした場合、互いに±2.1度以下の高い分解能で検出することが可能になる。検出結果に含まれるノイズは、平均化処理により容易に低減できる。
Thus, this torque measuring device generates a multiplied pulse based on the magnetic phase detected by the
さらに、この構成のトルク測定装置は、磁気センサ3,4から、1組の磁極対ごとに1パルスの基準信号となるZ相信号を出力する。このため、信号処理回路6は、前記A、B相信号とZ相信号とを用いて、1磁極内の絶対位置を検出することができる。例えば、電源ONの直後には位相情報が不明な状態にあるが、最大で1磁極対の回転を与えれば磁気位相が判明する。それにより、第1および第2の軸間のねじれ角度を検出して、両軸間のトルクを演算することが可能である。
Furthermore, the torque measuring device having this configuration outputs a Z-phase signal that is a reference signal of one pulse for each pair of magnetic poles from the
このトルク測定装置は、磁気位相を検出する検出信号とは別に、1組の磁極対ごとに1パルスの基準信号を出力する構成でありながら、センサターゲット1,2の各2つの磁気トラック401 ,402 の磁気パターンに同期して前記基準信号を生成するものとしたため、基準信号出力用のセンサを別途設置する必要がなく、設置スペースやコストを低減できる。
The torque measuring device is configured to output a reference signal of one pulse for each pair of magnetic poles separately from a detection signal for detecting a magnetic phase, but each of the two
図8は、図1に示した信号処理回路6の他の構成例をブロック図で示したものである。なお、この例は、上記いずれかの構成のトルク測定装置を、例えば後述の図12に示す自動車のパワーステアリング装置に適用した場合の回路構成を示す。図9は、この場合の各磁気センサ3,4の概略構成をブロック図で示したものである。この場合の各磁気センサ3,4は、対応するセンサターゲット1,2における被検出極1a,2aの数の数倍〜数十倍の分解能で回転検出が可能な逓倍機能を有するものとされる。この機能を満たすために、磁気センサ3,4は、そのセンサ素子部3C,4Cが出力する回転検出信号を逓倍して高分解能な回転パルスを生成する逓倍回路14を、前記検出処理回路部3D,4Dに有する。つまり、逓倍回路14は、センサターゲット1,2の被検出極1a,2a内における逓倍位置情報として回転パルスを出力する。
FIG. 8 is a block diagram showing another configuration example of the
図10は、この場合の逓倍回路14の一構成例を示す。この逓倍回路14は、信号発生手段41と、扇形検出手段42と、マルチプレクサ手段43と、微細内挿手段44とを備える。
FIG. 10 shows a configuration example of the
信号発生手段41は、前記磁気センサ3,4におけるセンサ素子部3C,4Cの出力である2相の信号すなわちSIN信号およびCOS信号から、同一の振幅A0と同一の平均値C0とを有し、相継いで互いに2π/(2m−1)ずつ位相がずれた(2m−1)個の信号siを生成する手段である。なお、mはn以下の正の整数、iは1〜(2m−1)の正の整数である。
The signal generating means 41 has the same amplitude A0 and the same average value C0 from the two-phase signals that are the outputs of the
扇形発生手段42は、2m個の等しい扇形Piを定義するようにコード化された、m個のディジタル信号bn−m+1,bn−m+2,…,bn−1,bnを発生する、(2m−1)個の信号siによって区切られた2m個の扇形Piを検出する手段である。
The
マルチプレクサ手段43は、上記扇形発生手段42から発生するm個の上記ディジタル信号bn−m+1,bn−m+2,…,bn−1,bnによって制御され、上記信号発生手段41から生成される(2m−1)個の上記信号siを処理して、振幅が一連の(2m−1)個の上記信号siの上記平均値C0と第1のしきい値L1との間にある部分によって構成される一方の信号Aと、振幅が一連の(2m−1)個の上記信号siの上記しきい値L1とこのしきい値L1よりも高い第2のしきい値L2との間にある部分によって構成される他方の信号Bとを生成するアナログの手段である。
The multiplexer means 43 is controlled by the m digital signals bn−m + 1, bn−
微細内挿手段44は、所望の分解能を得るために、角度2π/2mの2m個の上記扇形Piの各々を角度2π/2nの(2n−m)個の同じサブ扇形に細分するようにコード化された、(n−m)個のディジタル信号b1,b2,…,bn−m−1,bn−mを生成するために、2m個の扇形Piの各々において、上記マルチプレクサ手段43から生成される上記一方の信号Aと上記他方の信号Bとを微細内挿する手段である。 In order to obtain a desired resolution, the fine interpolation means 44 codes so as to subdivide each of the 2m sectors Pi having an angle 2π / 2m into (2n−m) same sub-segments having an angle 2π / 2n. To generate (n−m) digital signals b1, b2,..., Bn−m−1, bn−m, in each of 2m sectors Pi, generated from the multiplexer means 43. Means for finely interpolating the one signal A and the other signal B.
この逓倍回路14によって、磁気センサ3,4のセンサ本体部13で得られた2相の信号(SIN信号、COS信号)が、逓倍信号である(n−m)個のディジタル信号b1,b2,…,bn−m−1,bn−m(ここでは、b1,b2,…,b8,b9)の回転パルスに逓倍される。
By this
図8の構成において、回転パルス差分算出回路15は、前記各磁気センサ3,4の逓倍回路14が生成する回転パルスを計数して、これらの計数値の差分を求める手段である。この回転パルス差分算出手段15は、一方の磁気センサ3側の逓倍回路14が生成する回転パルスを計数する第1のカウンタ16と、他方の磁気センサ4側の逓倍回路14が生成する回転パルスを計数する第2のカウンタ17と、これら両カウンタ16,17の計数値の差分を算出する角度差分算出手段18とを備える。
In the configuration of FIG. 8, the rotation pulse difference calculation circuit 15 is means for counting the rotation pulses generated by the
トルク算出手段10Aは、前記回転パルス差分算出手段15によって求められた差分から、予め設定された計算パラメータにしたがって前記両軸21,22間に加わるトルクを算出する処理を行う手段である。得られたトルク値は、先の実施形態の場合と同様に、出力回路11によって電圧値、電流値、PWM信号、あるいはCANバス等の通信インターフェースを通じたデータ形式で外部に出力される。
The torque calculation means 10A is a means for performing processing for calculating the torque applied between the
このように、この実施形態では、各磁気センサ3,4から出力される回転パルスから演算してトルクを求めるので、信号位相差を検出する先の実施形態の場合には不可能であった、両軸21,22のうち片方の軸が静止している状態でのトルク測定も可能である。
As described above, in this embodiment, the torque is calculated by calculating from the rotation pulses output from the
この実施形態において、2つの磁気センサ3,4は互いに異なる分解能であっても良い。この場合、2つのカウンタ16,17は異なる速度で変化することになるので、各計数値の差分を求める前に、両者の公倍数になるように各計数値に定数を掛け算し、速度変化を同じになるようにしてやれば良い。
In this embodiment, the two
ところで、回転パルスを計数し、センサターゲット1,2の回転角度をカウント値として保持するこの実施形態の場合、機械的なガタツキによって定常オフセットが発生したり、ノイズによる誤カウントによって両カウンタ16,17の計数値がずれたりして、トルク算出手段10Aでのトルク演算に誤差を生じることがある。そこで、この実施形態でのコントローラ12Aには、図5の信号処理回路6におけるコントローラ12の場合に挙げた計算パラメータの書き換えや演算結果の読み出し等の機能の他に、オフセットキャンセル手段19と、計数値リセット手段20とを持たせてある。オフセットキャンセル手段19は、前記回転パルス差分算出手段15により求められた回転パルスの差分をモニタしながら、別途自動車の制御部から送られて来る運転状態を示す所定のデータに応じたファイル処理を行うことにより定常オフセット分を抽出して、前記トルク算出手段10Aにより演算されるトルクに含まれる定常オフセット分を除去する手段である。計数値リセット手段20は、前記回転パルス差分算出手段15におけるカウンタ16,17が計数する計数値を、トルクの印加されていない運転状態においてリセットする手段である。上記の自動車の制御部から送られて来る「運転状態」とは、ハンドルの操舵方向,操舵角度の信号や、車両の停止,走行の区別の情報等である。
By the way, in the case of this embodiment in which rotation pulses are counted and the rotation angles of the
このように、コントローラ12Aにおけるオフセットキャンセル手段19が、回転パルス差分算出手段15により求められた回転パルスの差分をモニタしながら、運転状態に応じたフィルタ処理を行って定常オフセット分を抽出し、トルク算出手段10Aでの演算処理においてオフセットを除去するので、機械的なガタツキ等によって発生するオフセットの影響を低減して、正確なトルク測定を行うことができる。
As described above, the offset canceling means 19 in the
また、コントローラ12Aにおける計数値キャンセル手段20が、トルクの印加されていない運転状態のタイミングで、定期的にカウンタ16,17をリセットするので、カウンタ16,17に積算されたノイズの影響等による誤カウンタ値を除去して、正確なトルクを測定することができる。磁気センサ3,4から出力される回転パルスが、ABZ0 信号のように、1回転で1回のインデックス信号Z0 を備えている場合には、ノイズ等による誤カウント値はインデックス信号Z0 の入力毎にリセットされるため、前記計数値キャンセル手段20からリセット指令を出さなくても良い。
Further, since the count value canceling means 20 in the
これらの処理により、第1および第2の軸21,22間の微小なねじれ角を高分解能で検出できるため、両軸21,22間に加わるトルクを正確に測定することができる。また、この実施形態において、各磁気センサ3,4内のセンサ本体部13からは互いに90°位相の異なるA相およびB相の2相の信号が出力されるので、これら2相の信号から回転方向を判別することができる。この位相差に応じて、磁気センサ3,4の逓倍回路14が、回転パルスとして互いに90°位相の異なるA相およびB相の2つのパルス信号を生成するものとしても良い。これにより、正負のどちらの方向のトルクも検出することが可能となる。
By these processes, a minute torsion angle between the first and
このように、上記したトルク測定装置を、例えば自動車等のステアリング装置に搭載した場合、ハンドルに連結された入力軸と、舵取機構に連結された出力軸との間に加わるトルクを正確に測定できるため、パワーステアリングやステアバイワイヤ等でのステアリング制御をより硬度に行うことが可能となり、運転し易さ、安全の向上等に貢献することができる。 As described above, when the torque measuring device described above is mounted on a steering device such as an automobile, the torque applied between the input shaft connected to the steering wheel and the output shaft connected to the steering mechanism is accurately measured. Therefore, the steering control by power steering, steer-by-wire, or the like can be performed with higher hardness, which can contribute to easiness of driving and improvement of safety.
図12は、この発明の一実施形態にかかるパワーステアリング装置の一例を示す概念図である。ハンドル51で回転操作される入力軸である第1の軸21と、舵取機構52の駆動モータ53で回転力が与えられる出力軸である第2の軸22との間に、トルク測定装置50が設けられている。舵取機構52は、車輪55の方向を変える機構である。トルク測定装置50は、上記各実施形態におけるいずれかの構成のものである。信号処理回路6は、上記いずれの構成のものであっても良いが、例えば図8に示す構成のものである。制御回路54は、トルク測定装置50の信号処理回路6から出力されたトルク値に応じて、トルク値とモータ出力との設定関係に基づき、モータ53にその駆動を制御するモータ制御信号を出力する装置である。なお、信号処理回路6は、第1の軸21または第2の軸22の回転角度であるハンドル角を出力する機能を有するものとし、前記制御回路54は、信号処理回路6の出力するトルク値とハンドル角との両方から、設定関係に基づいてモータ制御信号を出力するものとしても良い。
FIG. 12 is a conceptual diagram showing an example of a power steering apparatus according to an embodiment of the present invention. Between the
1,2…センサターゲット
1a,2a…被検出極
1a1 ,1a2 ,2a1 ,2a2 …被検出極
2d…磁気干渉防止用スペーサ
3,4…磁気センサ
3A,3B,4A,4B,3a,4a…磁気センサ素子
3AA,3AB,4AA,4AB…ラインセンサ
3C,3D…センサ素子部
3D,4D…検出処理回路部
31 ,32 ,41 ,42 …トラック別センサ部
14…逓倍回路
15…回転パルス差分算出手段
16,17…カウンタ
18…角度差算出手段
19…オフセットキャンセル手段
20…計数値リセット手段
21…第1の軸
22…第2の軸
23…トーションバー
401 ,402 …磁気トラック
1, 2 ...
Claims (9)
前記各センサターゲットにはそれぞれ複数の被検出極が等配された2つの磁気トラックがあり、両磁気トラックは被検出極の位相が互いに円周方向の一方向にずれて形成されており、前記各磁気センサは、対向するセンサターゲットにおける前記2つの磁気トラックの被検出極をそれぞれ検出する2つのトラック別センサ部を有し、これら2つのトラック別センサ部の検出信号から、被検出極の1磁極対のピッチ内での、このピッチを複数に分割した各位置を表す回転パルス信号と、被検出極の1磁極対毎に1つの基準信号とを生成して出力することを特徴とするトルク測定装置。 Each of the first and second shafts connected coaxially via the torsion bar is provided with an annular sensor target in which a plurality of detection poles arranged concentrically with these shafts in the circumferential direction are equally arranged, A torque measuring device for providing a magnetic sensor for detecting the detected poles of these sensor targets, and measuring a torque applied between the first and second shafts based on an output signal of each magnetic sensor,
Each sensor target has two magnetic tracks in which a plurality of detected poles are equally arranged, and both magnetic tracks are formed so that the phases of the detected poles are shifted from each other in one circumferential direction, Each magnetic sensor has two track-specific sensor units that respectively detect the detected poles of the two magnetic tracks in the opposing sensor target. From the detection signals of these two track-specific sensor units, one of the detected poles is detected. A torque characterized by generating and outputting a rotation pulse signal representing each position obtained by dividing the pitch into a plurality of positions within the pitch of the magnetic pole pair, and one reference signal for each magnetic pole pair of the detected pole. measuring device.
A steering device with a shaft torque measuring function, wherein the torque measuring device according to any one of claims 1 to 8 is mounted.
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JP2011038368A JP2012173258A (en) | 2011-02-24 | 2011-02-24 | Torque measurement apparatus and steering apparatus mounting the same |
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Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2016060294A (en) * | 2014-09-16 | 2016-04-25 | 株式会社ジェイテクト | Power steering device |
JP2016223977A (en) * | 2015-06-02 | 2016-12-28 | 日本精工株式会社 | Rotation transmission device with torque measuring instrument |
KR20200010705A (en) * | 2018-07-20 | 2020-01-31 | 한국기계연구원 | Apparatus and method for non-contact measuring the torque of a rotating shaft |
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2011
- 2011-02-24 JP JP2011038368A patent/JP2012173258A/en not_active Withdrawn
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