JP2014178178A - Magnetic shield member and torque detection apparatus - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、磁気遮蔽部材および電動パワーステアリング装置等に使用されるトルク検出装置に関する。 The present invention relates to a torque detection device used for a magnetic shielding member, an electric power steering device, and the like.
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、入力軸と出力軸とがトーションバーを介して同軸に連結されている。入力軸には短筒状の第1磁石が一体回転可能に連結され、出力軸には短筒状の第2磁石が一体回転可能に連結されている。第1磁石と第2磁石との間には、第1磁石からの磁束をそれぞれ検出する複数の入力軸回転角検出用の磁気センサと、第2磁石からの磁束をそれぞれ検出する複数の出力軸回転角検出用の磁気センサとが配置されている。また、入力軸回転角検出用の磁気センサと第2磁石との間には、第2磁石から入力軸回転角検出用の磁気センサへ向かう磁束を遮断するための第1磁気遮蔽部材が配置されている。さらに、出力軸回転角検出用の磁気センサと第1磁石との間には、第1磁石から出力軸回転角検出用の磁気センサへ向かう磁束を遮断するための第2磁気遮蔽部材が配置されている。
Torque detection devices used in electric power steering systems (EPS) and the like detect torque applied to the input shaft by detecting the torsion angle of the torsion bar that connects the input shaft and output shaft. It is configured to calculate.
As this type of torque detection device, the one disclosed in
一般的に磁気遮蔽部材は、厚さが大きくなると磁気遮蔽効果が大きくなる。しかしながら、磁気遮蔽部材の厚さを大きくするとコストが高くなる。
この発明の目的は、磁気遮蔽効果が高くかつコストが低い磁気遮蔽部材およびそれを備えたトルク検出装置を提供することである。
Generally, a magnetic shielding member has a greater magnetic shielding effect as the thickness increases. However, increasing the thickness of the magnetic shielding member increases the cost.
An object of the present invention is to provide a magnetic shielding member having a high magnetic shielding effect and a low cost, and a torque detection device including the same.
上記の目的を達成するための請求項1記載の発明は、磁石(52or51)と電子部品(61,62or63,64)との間に配置され、前記磁石から前記電子部品へ向かう磁束を遮断するための磁気遮蔽部材(53or54)であって、前記磁気遮蔽部材の厚さに対する前記磁気遮蔽部材を通過する前記磁石からの磁束密度の特性は、前記磁気遮蔽部材の厚さの増加に伴って前記磁気遮蔽部材を通過する磁束密度が徐々に低下していき、前記磁気遮蔽部材の厚さが所定値以上になると前記磁気遮蔽部材を通過する磁束密度が変化する度合いが小さくなるという特性を有しており、厚さが前記所定値である、磁気遮蔽部材である。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。
In order to achieve the above object, the invention according to
この発明によれば、磁気遮蔽部材の厚さを、高い磁気遮蔽効果が得られる厚さのうちの最小値に設定することが可能となる。これにより、磁気遮蔽効果が高くかつコストが低い磁気遮蔽部材を実現することができる。
請求項2記載の発明は、トルク検出用軸(10)の捩れ角を検出することによりトルクを検出するトルク検出装置(11)であって、前記トルク検出用軸の一端部に一体回転可能に連結された短筒状の第1磁石(51or52)と、前記トルク検出用軸の他端部に一体回転可能に連結された短筒状の第2磁石(52or51)と、前記第1磁石と前記第2磁石との間に配置され、前記第1磁石からの磁束をそれぞれ検出し、前記トルク検出用軸の前記一端部の回転角である第1回転角を検出するための複数の第1回転角検出用の磁気センサ(61,62or63,64)と、前記第1磁石と前記第2磁石との間に配置され、前記第2磁石からの磁束をそれぞれ検出し、前記トルク検出用軸の前記他端部の回転角である第2回転角を検出するための複数の第2回転角検出用の磁気センサ(63,64or61,62)と、前記第1磁石と前記第2磁石との間に配置され、前記第2磁石から前記第1回転角検出用の磁気センサへと向かう磁束を遮断するための第1磁気遮蔽部材(53or54)と、前記第1磁石と前記第2磁石との間に配置され、前記第1磁石から前記第2回転角検出用の磁気センサへと向かう磁束を遮断するための第2磁気遮蔽部材(54or53)とを含み、前記第1磁気遮蔽部材の厚さに対する前記第1磁気遮蔽部材を通過する前記第2磁石からの磁束密度の特性は、前記第1磁気遮蔽部材の厚さの増加に伴って前記第1磁気遮蔽部材を通過する磁束密度が徐々に低下していき、前記第1磁気遮蔽部材の厚さが第1所定値以上になると前記第1磁気遮蔽部材を通過する磁束密度が変化する度合いが小さくなるという特性を有しており、前記第1磁気遮蔽部材の厚さが前記第1所定値である、トルク検出装置である。
According to the present invention, the thickness of the magnetic shielding member can be set to the minimum value among the thicknesses that can provide a high magnetic shielding effect. Thereby, a magnetic shielding member having a high magnetic shielding effect and low cost can be realized.
The invention according to
この発明によれば、第1磁気遮蔽部材の厚さを、高い磁気遮蔽効果が得られる厚さのうちの最小値に設定することが可能となる。これにより、磁気遮蔽効果が高くかつコストが低い第1磁気遮蔽部材を備えたトルク検出装置を実現することができる。
請求項3記載の発明は、前記第1磁気遮蔽部材は、前記複数の第1回転角検出用の磁気センサと前記第2磁石との間に配置され、かつ、前記第1磁石側から見て、前記第2磁石の中心軸を中心とした幅を有する円弧状に形成されており、前記第1磁気遮蔽部材の幅中心を通る円弧の長さは、前記第1磁気遮蔽部材の厚さが前記第1所定値以上であるときに、前記第1磁気遮蔽部材を通過する前記第2磁石からの磁束密度が一定となるような長さに決定されている、請求項2に記載のトルク検出装置である。
According to this invention, it is possible to set the thickness of the first magnetic shielding member to the minimum value among the thicknesses that can provide a high magnetic shielding effect. Thereby, the torque detection apparatus provided with the 1st magnetic shielding member with a high magnetic shielding effect and low cost is realizable.
According to a third aspect of the present invention, the first magnetic shielding member is disposed between the plurality of first rotation angle detection magnetic sensors and the second magnet, and is viewed from the first magnet side. The arc is formed in an arc shape having a width around the central axis of the second magnet, and the length of the arc passing through the center of the width of the first magnetic shielding member is the thickness of the first magnetic shielding member. The torque detection according to
この構成では、第1磁気遮蔽部材の幅中心を通る円弧の長さを、第1磁気遮蔽部材の厚さが前記第1所定値以上のときに第1磁気遮蔽部材を通過する磁束密度が増加しない長さのうちの最小値に設定することが可能となる。これにより、磁気遮蔽効果が高くかつコストが低い第1磁気遮蔽部材を備えたトルク検出装置を実現することができる。
請求項4記載の発明は、前記第2磁気遮蔽部材の厚さに対する前記第2磁気遮蔽部材を通過する前記第1磁石からの磁束密度の特性は、前記第2磁気遮蔽部材の厚さの増加に伴って前記第2磁気遮蔽部材を通過する磁束密度が徐々に低下していき、前記第2磁気遮蔽部材の厚さが第2所定値以上になると前記第1磁気遮蔽部材を通過する磁束密度が変化する度合いが小さくなるという特性を有しており、前記第2磁気遮蔽部材の厚さが前記第2所定値である、請求項2または3に記載のトルク検出装置である。
In this configuration, the length of the arc passing through the width center of the first magnetic shielding member is increased, and the magnetic flux density passing through the first magnetic shielding member is increased when the thickness of the first magnetic shielding member is equal to or greater than the first predetermined value. It becomes possible to set to the minimum value of the length not to be performed. Thereby, the torque detection apparatus provided with the 1st magnetic shielding member with a high magnetic shielding effect and low cost is realizable.
According to a fourth aspect of the present invention, the characteristic of the magnetic flux density from the first magnet that passes through the second magnetic shielding member with respect to the thickness of the second magnetic shielding member is an increase in the thickness of the second magnetic shielding member. Accordingly, the magnetic flux density passing through the second magnetic shielding member gradually decreases, and the magnetic flux density passing through the first magnetic shielding member when the thickness of the second magnetic shielding member exceeds a second predetermined value. The torque detecting device according to
この構成によれば、第2磁気遮蔽部材の厚さを、高い磁気遮蔽効果が得られる厚さのうちの最小値に設定することが可能となる。これにより、磁気遮蔽効果が高くかつコストが低い第2磁気遮蔽部材を備えたトルク検出装置を実現することができる。
請求項5記載の発明は、前記第2磁気遮蔽部材は、前記複数の第2回転角検出用の磁気センサと前記第1磁石との間に配置され、かつ、前記第2磁石側から見て、前記第1磁石の中心軸を中心とした幅を有する円弧状に形成されており、前記第2磁気遮蔽部材の幅中心を通る円弧の長さは、前記第2磁気遮蔽部材の厚さが前記第2所定値以上であるときに、前記第2磁気遮蔽部材を通過する前記第1磁石からの磁束密度が一定となるような長さに決定されている、請求項4に記載のトルク検出装置である。
According to this configuration, it is possible to set the thickness of the second magnetic shielding member to the minimum value among the thicknesses that can provide a high magnetic shielding effect. Thereby, the torque detection apparatus provided with the 2nd magnetic shielding member with a high magnetic shielding effect and low cost is realizable.
According to a fifth aspect of the present invention, the second magnetic shielding member is disposed between the plurality of second rotation angle detection magnetic sensors and the first magnet, and viewed from the second magnet side. The arc is formed in an arc shape having a width around the central axis of the first magnet, and the length of the arc passing through the center of the width of the second magnetic shielding member is the thickness of the second magnetic shielding member. 5. The torque detection according to
この構成では、第2磁気遮蔽部材の幅中心を通る円弧の長さを、第2磁気遮蔽部材の厚さが前記第2所定値以上のときに第2磁気遮蔽部材を通過する磁束密度が増加しない長さのうちの最小値に値に設定することが可能となる。これにより、磁気遮蔽効果が高くかつコストが低い第2磁気遮蔽部材を備えたトルク検出装置を実現することができる。
請求項6記載の発明は、前記複数の第1回転角検出用の磁気センサの出力信号に基づいて、前記第1回転角を演算する第1演算手段(65Aor65B)と、前記複数の第2回転角検出用の磁気センサの出力信号に基づいて、前記第2回転角を演算する第2演算手段(65Bor65A)と、前記第1演算手段によって演算される第1回転角と、前記第2演算手段によって演算される第2回転角とに基づいて、トルクを演算するトルク演算手段(65C)とを含む、請求項2〜6のいずれか一項に記載のトルク検出装置である。
In this configuration, the length of the arc passing through the width center of the second magnetic shielding member is increased, and the magnetic flux density passing through the second magnetic shielding member is increased when the thickness of the second magnetic shielding member is equal to or greater than the second predetermined value. It becomes possible to set the value to the minimum value of the length not to be performed. Thereby, the torque detection apparatus provided with the 2nd magnetic shielding member with a high magnetic shielding effect and low cost is realizable.
According to a sixth aspect of the present invention, there is provided first calculation means (65Aor65B) for calculating the first rotation angle based on output signals of the plurality of first rotation angle detection magnetic sensors, and the plurality of second rotations. Based on the output signal of the magnetic sensor for angle detection, the second calculation means (65 Bor65A) for calculating the second rotation angle, the first rotation angle calculated by the first calculation means, and the second calculation means The torque detection device according to any one of
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が適用され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、車両を操向するための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。
Hereinafter, embodiments of the present invention applied to an electric power steering apparatus will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
FIG. 1 is a schematic diagram showing a schematic configuration of an electric power steering device to which a torque detection device according to an embodiment of the present invention is applied.
The electric
ステアリングシャフト6は、ステアリングホイール2に連結された入力軸8と、中間軸7に連結された出力軸9とを含む。入力軸8と出力軸9とは、トーションバー(トルク検出用軸)10を介して同一軸線上で相対回転可能に連結されている。すなわち、ステアリングホイール2が回転されると、入力軸8および出力軸9は、互いに相対回転しつつ同一方向に回転するようになっている。
The steering
ステアリングシャフト6の周囲には、トルクセンサ(トルク検出装置)11が設けられている。トルクセンサ11は、入力軸8および出力軸9の相対回転変位量に基づいて、ステアリングホイール2に与えられた操舵トルクを検出する。トルクセンサ11によって検出される操舵トルクは、モータ制御用ECU(電子制御ユニット:Electronic Control Unit)12に入力される。
A torque sensor (torque detection device) 11 is provided around the
転舵機構4は、ピニオン軸13と、転舵軸としてのラック軸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は、ステアリングホイール2の操舵に連動して回転するようになっている。ピニオン軸13の先端には、ピニオン16が連結されている。
The steered
ラック軸14は、自動車の左右方向(直進方向に直交する方向)に沿って直線状に延びている。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。
The
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、操舵補助力を発生するための電動モータ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20と、このウォーム軸20と噛み合うウォームホイール21とを含むウォームギヤ機構からなる。減速機構19は、伝達機構ハウジングとしてのギヤハウジング22内に収容されている。
When the
The
ウォーム軸20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21は、出力軸9とは同方向に回転可能に出力軸9に連結されている。ウォームホイール21は、ウォーム軸20によって回転駆動される。
電動モータ18によってウォーム軸20が回転駆動されると、ウォームホイール21が回転駆動され、ステアリングシャフト6(出力軸9)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20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。
The
When the
電動モータ18のロータの回転角(ロータ回転角)は、レゾルバ等の回転角センサ25によって検出される。回転角センサ25の出力信号は、モータ制御用ECU12に入力される。電動モータ18は、モータ制御装置としてのモータ制御用ECU12によって制御される。
図2は、モータ制御用ECU12の電気的構成を示す概略図である。
The rotation angle of the rotor of the electric motor 18 (rotor rotation angle) is detected by a
FIG. 2 is a schematic diagram showing an electrical configuration of the
モータ制御用ECU12は、トルクセンサ11によって検出される操舵トルクThに応じて電動モータ18を駆動することによって、操舵状況に応じた適切な操舵補助を実現する。モータ制御用ECU12は、マイクロコンピュータ40と、マイクロコンピュータ40によって制御され、電動モータ18に電力を供給する駆動回路(インバータ回路)31と、電動モータ18に流れるモータ電流を検出する電流検出部32とを備えている。
The
電動モータ18は、例えば三相ブラシレスモータであり、図3に図解的に示すように、界磁としてのロータ100と、U相、V相およびW相のステータ巻線101,102,103を含むステータ105とを備えている。電動モータ18は、ロータの外部にステータを対向配置したインナーロータ型のものであってもよいし、筒状のロータの内部にステータを対向配置したアウターロータ型のものであってもよい。
The
各相のステータ巻線101,102,103の方向にU軸、V軸およびW軸をとった三相固定座標(UVW座標系)が定義される。また、ロータ100の磁極方向にd軸(磁極軸)をとり、ロータ100の回転平面内においてd軸と直角な方向にq軸(トルク軸)をとった二相回転座標系(dq座標系。実回転座標系)が定義される。dq座標系は、ロータ100とともに回転する回転座標系である。dq座標系では、q軸電流のみがロータ100のトルク発生に寄与するので、d軸電流を零とし、q軸電流を所望のトルクに応じて制御すればよい。ロータ100の回転角(電気角)θ-Sは、U軸に対するd軸の回転角である。dq座標系は、ロータ角θ-Sに従う実回転座標系である。このロータ角θ-Sを用いることによって、UVW座標系とdq座標系との間での座標変換を行うことができる。
Three-phase fixed coordinates (UVW coordinate system) are defined in which the U, V, and W axes are taken in the direction of the
マイクロコンピュータ40は、CPUおよびメモリ(ROM、RAM、不揮発性メモリなど)を備えており、所定のプログラムを実行することによって、複数の機能処理部として機能するようになっている。この複数の機能処理部には、電流指令値設定部41と、電流偏差演算部42と、PI(比例積分)制御部43と、dq/UVW変換部44と、PWM(Pulse Width Modulation)制御部45と、UVW/dq変換部46と、回転角演算部47とを含む。
The
回転角演算部47は、回転角センサ25の出力信号に基づいて、電動モータ18のロータの回転角(電気角。以下、「ロータ角θS」という。)を演算する。
電流指令値設定部41は、dq座標系の座標軸に流すべき電流値を電流指令値として設定する。具体的には、電流指令値設定部41は、d軸電流指令値Id *およびq軸電流指令値Iq *(以下、これらを総称するときには「二相電流指令値Idq *」という。)を設定する。さらに具体的には、電流指令値設定部41は、q軸電流指令値Iq *を有意値とする一方で、d軸電流指令値Id *を零とする。より具体的には、電流指令値設定部41は、トルクセンサ11によって検出される操舵トルク(検出操舵トルク)Thに基づいて、q軸電流指令値Iq *を設定する。
The rotation
The current command
検出操舵トルクThに対するq軸電流指令値Iq *の設定例は、図4に示されている。検出操舵トルクThは、たとえば、右方向への操舵のためのトルクが正の値にとられ、左方向への操舵のためのトルクが負の値にとられている。また、q軸電流指令値Iq *は、電動モータ18から右方向操舵のための操作補助力を発生させるべきときには正の値とされ、電動モータ18から左方向操舵のための操作補助力を発生させるべきときには負の値とされる。q軸電流指令値Iq *は、検出操舵トルクThの正の値に対しては正をとり、検出操舵トルクThの負の値に対しては負をとる。検出操舵トルクThが零のときには、q軸電流指令値Iq *は零とされる。そして、検出操舵トルクThの絶対値が大きくなるほど、q軸電流指令値Iq *の絶対値が大きくなるように、q軸電流指令値Iq *が設定されている。
A setting example of the q-axis current command value I q * for the detected steering torque Th is shown in FIG. For the detected steering torque Th, for example, the torque for steering in the right direction is a positive value, and the torque for steering in the left direction is a negative value. The q-axis current command value I q * is a positive value when an operation assisting force for rightward steering is to be generated from the
電流指令値設定部41によって設定された二相電流指令値Idq *は、電流偏差演算部42に与えられる。
電流検出部32は、電動モータ18のU相電流IU、V相電流IVおよびW相電流IW(以下、これらを総称するときは、「三相検出電流IUVW」という。)を検出する。電流検出部32によって検出された三相検出電流IUVWは、UVW/dq変換部46に与えられる。
The two-phase current command value I dq * set by the current command
The
UVW/dq変換部46は、電流検出部32によって検出されるUVW座標系の三相検出電流IUVW(U相電流IU、V相電流IVおよびW相電流IW)を、dq座標系の二相検出電流IdおよびIq(以下総称するときには「二相検出電流Idq」という。)に座標変換する。この座標変換には、回転角演算部47によって演算されたロータ角θSが用いられる。
The UVW /
電流偏差演算部42は、電流指令値設定部41によって設定される二相電流指令値Idq *と、UVW/dq変換部46から与えられる二相検出電流Idqとの偏差を演算する。より具体的には、電流偏差演算部42は、d軸電流指令値Id *に対するd軸検出電流Idの偏差およびq軸電流指令値Iq *に対するq軸検出電流Iqの偏差を演算する。これらの偏差は、PI制御部43に与えられる。
The current
PI制御部43は、電流偏差演算部42によって演算された電流偏差に対するPI演算を行なうことにより、電動モータ18に印加すべき二相電圧指令値Vdq *(d軸電圧指令値Vd *およびq軸電圧指令値Vq *)を生成する。この二相電圧指令値Vdq *は、dq/UVW変換部44に与えられる。
dq/UVW変換部44は、二相電圧指令値Vdq *を三相電圧指令値VUVW *に座標変換する。この座標変換には、回転角演算部47によって演算されたロータ角θSが用いられる。三相電圧指令値VUVW *は、U相電圧指令値VU *、V相電圧指令値VV *およびW相電圧指令値VW *からなる。この三相電圧指令値VUVW *は、PWM制御部45に与えられる。
The
The dq /
PWM制御部45は、U相電圧指令値VU *、V相電圧指令値VV *およびW相電圧指令値VW *にそれぞれ対応するデューティのU相PWM制御信号、V相PWM制御信号およびW相PWM制御信号を生成し、駆動回路31に供給する。
駆動回路31は、U相、V相およびW相に対応した三相インバータ回路からなる。このインバータ回路を構成するパワー素子がPWM制御部45から与えられるPWM制御信号によって制御されることにより、三相電圧指令値VUVW *に相当する電圧が電動モータ18の各相のステータ巻線101,102、103に印加されることになる。
The
The
電流偏差演算部42およびPI制御部43は、電流フィードバック制御手段を構成している。この電流フィードバック制御手段の働きによって、電動モータ18に流れるモータ電流が、電流指令値設定部41によって設定された二相電流指令値Idq *に近づくように制御される。
図5は、トルクセンサ11の構成を図解的に示す模式図である。
The current
FIG. 5 is a schematic diagram schematically showing the configuration of the
入力軸8には、短筒状の第1磁石(多極磁石)51が一体回転可能に連結されている。第1磁石51は、入力軸8の外周面に嵌め合わされた状態で入力軸8に固定されている。出力軸9には、短筒状の第2磁石(多極磁石)52が一体回転可能に連結されている。第2磁石52は、出力軸9の外周面に嵌め合わされた状態で出力軸9に固定されている。
第1磁石51と第2磁石52との間には、基板50が配置されている。基板50は、これらの磁石51,52と平行にかつ入力軸8、出力軸9およびトーションバー10と干渉しないように配置されている。基板50は、磁石51,52および基板50が収容されかつ車体に支持されたハウジング(図示略)に取り付けられている。
A short cylindrical first magnet (multipolar magnet) 51 is connected to the
A
基板50における第1磁石51に面している表面(図5では上面)には、第1磁石51からの磁束を検出する第1磁気センサ61および第2磁気センサ62が取り付けられている。これらの磁気センサ61,62は、入力軸8の回転角(トーションバー10における入力軸8が連結されている側の端部の回転角)を検出するために用いられる。これらの磁気センサ61,62は、第1磁石51における基板50(第2磁石52)側に面している環状端面に対向して配置されている。
A first
基板50における第2磁石52に面している表面(図5では下面)には、第2磁石52からの磁束を検出する第3磁気センサ63および第4磁気センサ64が取り付けられている。これらの磁気センサ63,64は、出力軸9の回転角(トーションバー10における出力軸9が連結されている側の端部の回転角)を検出するために用いられる。これらの磁気センサ63,64は、第2磁石52における基板50(第1磁石51)側に面している環状端面に対向して配置されている。
A third
基板50と第2磁石52との間には、第2磁石52から第1および第2磁気センサ61,62に向かう磁束を遮断するための第1磁気シールド板(磁気遮蔽部材)53が配置されている。基板50と第1磁石51との間には、第1磁石51から第3および第4磁気センサ63,64に向かう磁束を遮断するための第2磁気シールド板(磁気遮蔽部材)54が配置されている。各磁気シールド板53,54は、SPCC(冷間圧延鋼板)から作られている。各磁気シールド板53,54は、たとえば、図示しないスペーサを介して基板50に取り付けられている。
Between the board |
図6Aは、第1磁石51側から第1磁気シールド板53を見た模式図である。図6Aにおいては、第1磁石51、基板50、第2磁気シールド板54および第3および第4磁気センサ63,64は省略されている。第1磁気シールド板53は、第1磁石51側から見て、第2磁石52の中心軸を中心とした幅のある円弧状である。第1および第2磁気センサ61,62は、第1磁石51側から見て、第1磁気シールド板53の中央部に配置されている。
FIG. 6A is a schematic view of the first
図6Bは、第2磁石52側から第2磁気シールド板54を見た模式図である。図6Bにおいては、第2磁石52、基板50、第1磁気シールド板53および第1および第2磁気センサ61,62は省略されている。第2磁気シールド板54は、第2磁石52側から見て、第1磁石51の中心軸を中心とした幅のある円弧状である。第3および第4磁気センサ63,64は、第2磁石52側から見て、第2磁気シールド板54の中央部に配置されている。
FIG. 6B is a schematic view of the second
第1磁気シールド板53の長さL1は、図6Aに示すように、第1磁気シールド板53の幅中央を通る円弧の長さとして定義される。同様に、第2磁気シールド板54の長さL2は、図6Bに示すように、第2磁気シールド板54の幅中央を通る円弧の長さとして定義される。第1磁気シールド板53の厚さD1(図5参照)および長さL1ならびに第2磁気シールド板54の厚さD2(図5参照)および長さL2は、それぞれ予め決定された大きさに設定されている。これらの大きさの決定方法については後述する。
The length L1 of the first
第1および第2磁気センサ61,62は、第1磁石51の回転に応じて互いに位相差を有する正弦波状の信号V1,V2をそれぞれ出力する。第3および第4磁気センサ63,64は、第2磁石52の回転に応じて互いに位相差を有する正弦波状の信号V3,V4をそれぞれ出力する。なお、各磁気センサ61〜64としては、たとえば、ホール素子、磁気抵抗素子(MR素子)等、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を備えたものを用いることができる。この実施形態では、各磁気センサ61〜64としては、ホール素子が用いられている。
The first and second
各磁気センサ61,62,63,64の出力信号V1,V2,V3,V4は、入力軸8に加えられる操舵トルクを演算するためのトルク演算用ECU65に入力されている。前記磁石51,52、前記磁気シールド板53,54、前記磁気センサ61,62,63,64およびトルク演算用ECU65によって、トルクセンサ11が構成されている。
トルク演算用ECU65は、マイクロコンピュータを含んでいる。マイクロコンピュータは、CPUおよびメモリ(ROM,RAM,不揮発性メモリ等)を備えており、所定のプログラムを実行することによって、複数の機能処理部として機能する。この複数の機能処理部には、第1の回転角演算部65Aと、第2の回転角演算部65Bと、トルク演算部65Cとを含んでいる。
The output signals V1, V2, V3, V4 of the
The
第1の回転角演算部65Aは、第1および第2磁気センサ61,62の出力信号V1,V2に基づいて入力軸8の回転角(電気角θ1)を演算する。第2の回転角演算部65Bは、第3および第4磁気センサ63,64の出力信号V3,V4に基づいて出力軸9の回転角(電気角θ2)を演算する。
トルク演算部65Cは、第1の回転角演算部65Aによって検出された入力軸8の回転角θ1と第2の回転角演算部65Bによって検出された出力軸9の回転角θ2とに基づいて、入力軸8に加えられた操舵トルクThを演算する。具体的には、操舵トルクThは、トーションバー10のバネ定数をKとし、各磁石51,52に設けられた磁極対数をNとすると、次式(1)に基づいて演算される。
The first
The
Th={(θ1−θ2)/N}×K …(1)
第1の回転角演算部65Aの動作と第2の回転角演算部65Bの動作は同様であるので、第1の回転角演算部65Aの動作についてのみ詳しく説明する。
図7は、第1磁石51の構成ならびに第1および第2磁気センサ61,62の配置を示す模式図である。
Th = {(θ1-θ2) / N} × K (1)
Since the operation of the first rotation
FIG. 7 is a schematic diagram showing the configuration of the
第1磁石51は、周方向に等角度間隔で配された5組の磁極対(M1,M2),(M3,M4),(M5,M6),(M7,M8),(M9,M10)を有している。つまり、第1磁石51は、等角度間隔で配置された10個の磁極M1〜M10を有している。各磁極M1〜M10は、入力軸8の中心軸を中心として、36°(電気角では180°)の角度間隔(角度幅)で配置されている。各磁極M1〜M10の磁力の大きさは、ほぼ一定である。
The
2つの磁気センサ61,62は、第1磁石51における第2磁石52側に面している環状端面に対向して配置されている。これらの磁気センサ61,62は、入力軸8の中心軸を中心として9°(電気角では45°)の角度間隔で配置されている。
図7に矢印で示す方向を入力軸8の正方向の回転方向とする。そして、入力軸8が正方向に回転されると入力軸8の回転角が大きくなり、入力軸8が逆方向に回転されると、入力軸2の回転角が小さくなるものとする。各磁気センサ61,62からは、図8に示すように、入力軸8の回転に伴って、互いに位相が90度ずれた正弦波状の信号V1,V2が出力される。なお、図8の横軸の回転角[deg]は、機械角を表している。
The two
A direction indicated by an arrow in FIG. 7 is a positive rotation direction of the
各磁気センサ61,62の出力信号V1,V2が正弦波信号であるとみなし、入力軸8の回転角をθ1(電気角)とすると、第1磁気センサ61の出力信号V1は、V1=A1・sinθ1と表され、第2磁気センサ62の出力信号V2は、V2=A2・cosθ1と表される。A1,A2は、それぞれ振幅を表している。これらの振幅A1,A2が互いに等しいとみなすと、入力軸8の回転角θ1は、次式(2)に基づいて演算される。
Assuming that the output signals V1 and V2 of the
θ1=tan−1(V1/V2) …(2)
第2の回転角演算部65Bも同様な動作によって、第3および第4磁気センサ63,64の出力信号V3,V4に基づいて、出力軸9の回転角θ2を演算する。ただし、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ときには、第1の回転角演算部65Aによって演算される入力軸8の回転角θ1と、第2の回転角演算部65Bによって演算される出力軸9の回転角θ2とが同じ値になるように、第1磁石51と第2磁石52との間の各磁極の相対的な位置と、第1および第2磁気センサ61,63と第3および第4磁気センサ63,64との相対的な位置とが設定されている。
θ1 = tan −1 (V1 / V2) (2)
The second rotation
次に、第1磁気シールド板53の厚さD1および長さL1の決定方法について説明する。第1磁気シールド板53の厚さD1および長さL1は、実験によって決定される。以下、この実験方法について説明する。
長さL1および厚さD1の異なる複数の第1磁気シールド板53のサンプルを用意した。具体的には、長さL1が40[mm]で厚さD1が異なる複数のサンプルXと、長さL1が25[mm]で厚さD1が異なる複数のサンプルXと、長さL1が10[mm]で厚さD1が異なる複数のサンプルXとを用意した。そして、長さL1が異なるサンプル毎に、厚さD1に対するサンプルを通過する磁束密度の特性を調べた。
Next, a method for determining the thickness D1 and the length L1 of the first
Samples of a plurality of first
図9は実験方法を説明するための模式図である。図10は、図9の矢印Bの方向から見た矢視図である。ただし、図10では基板50を省略している。図9および図10に示すように、トルクセンサ11から第1磁石51および第2磁気シールド板54を取り外す。また、基板50と第2磁石52との間に、サンプルXを配置する。サンプルXと基板50との間の距離Hは、1[mm]に設定されている。基板50における第2磁石52側の表面とは反対側の表面の、サンプルSの中央に対向する位置に、1つの磁気センサSを配置する。そして、磁気センサSの出力に基づいて、サンプルXを通過する第2磁石52からの磁束密度[T]を検出する。サンプルXを代えて、同様な実験を繰り返す。
FIG. 9 is a schematic diagram for explaining the experimental method. 10 is an arrow view seen from the direction of arrow B in FIG. However, the
なお、第2磁石52の外径は、41[mm]である。第2磁石52の磁束密度は0.04[T]である。第1磁気シールド板53のサンプルの材料は、SPCC(冷間圧延鋼板)である。
図11は、実験結果を示すグラフである。
図11の折れ線aは、長さL1が40[mm]のサンプルXについての厚さD1に対するサンプルXを通過する磁束密度[T]の特性を表すグラフである。折れ線bは、長さL1が25[mm]のサンプルXについての厚さD1に対するサンプルXを通過する磁束密度[T]の特性を表すグラフである。折れ線cは、長さL1が10[mm]のサンプルXについての厚さD1に対するサンプルXを通過する磁束密度[T]の特性を表すグラフである。
The outer diameter of the
FIG. 11 is a graph showing experimental results.
A broken line a in FIG. 11 is a graph showing the characteristics of the magnetic flux density [T] passing through the sample X with respect to the thickness D1 for the sample X having a length L1 of 40 [mm]. The broken line b is a graph showing the characteristic of the magnetic flux density [T] passing through the sample X with respect to the thickness D1 for the sample X having a length L1 of 25 [mm]. The broken line c is a graph showing the characteristic of the magnetic flux density [T] passing through the sample X with respect to the thickness D1 for the sample X having a length L1 of 10 [mm].
長さL1が異なる各サンプルXとも、厚さD1が大きくなるにしたがってサンプルXを通過する磁束密度が徐々に減少している。そして、各サンプルXの厚さD1が所定値A以上(この例では0.35[mm]以上)になると、サンプルXを通過する磁束密度の変化量が小さくなっている。つまり、各サンプルXの厚さD1を前記所定値Aより大きくしても、サンプルXを通過する磁束密度はほとんど低下しない。そこで、第1磁気シールド板53の厚さD1を前記所定値A(この例では0.35[mm])に決定している。これにより、第1磁気シールド板53の厚さD1を、高い磁気遮蔽効果が得られる厚さのうちの最小値に設定することができる。これにより、磁気遮蔽効果が高くかつコストが低い第1磁気シールド板53を実現することができる。
In each sample X having a different length L1, the magnetic flux density passing through the sample X gradually decreases as the thickness D1 increases. When the thickness D1 of each sample X reaches a predetermined value A or more (in this example, 0.35 [mm] or more), the amount of change in magnetic flux density passing through the sample X is small. That is, even if the thickness D1 of each sample X is larger than the predetermined value A, the magnetic flux density passing through the sample X hardly decreases. Therefore, the thickness D1 of the first
また、長さL1が40[mm]のサンプルXでは、サンプルXの厚さD1が前記所定値A以上のときにおいても、サンプルXの厚さD1が大きくなるにしたがって、若干ではあるがサンプルXを通過する磁束密度が減少している。長さL1が10[mm]のサンプルXでは、サンプルXの厚さD1が前記所定値A以上のときには、サンプルXの厚さD1が大きくなるにしたがって、若干ではあるがサンプルXを通過する磁束密度が増加している。長さL1が25[mm]のサンプルXでは、サンプルXの厚さD1が前記所定値A以上のときには、サンプルXの厚さD1が大きくなってもサンプルXを通過する磁束密度は一定となる。そこで、第1磁気シールド板53の長さL1を、サンプルXの厚さが前記所定値A以上のときに、サンプルXを通過する磁束密度が一定となるような長さL1(この例では25[mm])に決定している。これにより、第1磁気シールド板53の長さD1を、サンプルXの厚さD1が前記所定値A以上のときにサンプルXを通過する磁束密度が増加しない長さのうちの最小値に値に設定することができる。これにより、磁気遮蔽効果が高くかつコストが低い第1磁気シールド板53を実現することができる。
Further, in the sample X having the length L1 of 40 [mm], even when the thickness D1 of the sample X is equal to or larger than the predetermined value A, the sample X slightly increases as the thickness D1 of the sample X increases. The magnetic flux density passing through is reduced. In the sample X having a length L1 of 10 [mm], when the thickness D1 of the sample X is equal to or greater than the predetermined value A, the magnetic flux passing through the sample X is slightly increased as the thickness D1 of the sample X increases. The density is increasing. In the sample X having a length L1 of 25 [mm], when the thickness D1 of the sample X is equal to or greater than the predetermined value A, the magnetic flux density passing through the sample X is constant even if the thickness D1 of the sample X increases. . Therefore, the length L1 of the first
なお、第2磁気シールド板54の厚さD2および長さL2も、第1磁気シールド板53の厚さD1および長さL1と同様な方法で決定される。なお、この実施形態では、第1磁石51と第2磁石52との特性はほぼ同じであり、各磁気センサ61〜64の特性はほぼ同じであり、第1磁石51と第2磁気シールド板54との距離は第2磁石52と第1磁気シールド板53との距離とほぼ同じである。したがって、第2磁気シールド板54の厚さD2および長さL2は、それぞれ第1磁気シールド板53の厚さD1および長さL1と同じ値に設定されている。
The thickness D2 and the length L2 of the second
以上、この発明の一実施形態について説明したが、この発明はさらに他の実施形態で実施することもできる。たとえば、第1磁石51からの磁束を検出する複数の磁気センサに基づいて入力軸8の回転角を演算する方法は、前述した演算方法以外の方法であってもよい。また、第2磁石52からの磁束を検出する複数の磁気センサに基づいて出力軸9の回転角を演算する方法は、前述した演算方法以外の方法であってもよい。
As mentioned above, although one Embodiment of this invention was described, this invention can also be implemented in another embodiment. For example, the method of calculating the rotation angle of the
また、入力軸8の回転角を演算するために用いられる磁気センサの数は、3個以上であってもよい。同様に、出力軸9の回転角を演算するために用いられる磁気センサの数は、3個以上であってもよい。
また、前記実施形態では、磁気センサ61〜64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。
Further, the number of magnetic sensors used for calculating the rotation angle of the
In the above-described embodiment, Hall elements are used as the
なお、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。
The present invention can also be applied to devices other than the electric power steering device.
In addition, various design changes can be made within the scope of matters described in the claims.
8…入力軸、9…出力軸、10…トーションバー(トルク検出用軸)、11…トルクセンサ(トルク検出装置)、51…第1磁石、52…第2磁石、53…第1磁気シールド板、54…第2磁気シールド板、61〜64…磁気センサ(電子部品)、65A…第1の回転角演算手段、65B…第2の回転角演算手段、65C…トルク演算手段
DESCRIPTION OF
Claims (6)
前記磁気遮蔽部材の厚さに対する前記磁気遮蔽部材を通過する前記磁石からの磁束密度の特性は、前記磁気遮蔽部材の厚さの増加に伴って前記磁気遮蔽部材を通過する磁束密度が徐々に低下していき、前記磁気遮蔽部材の厚さが所定値以上になると前記磁気遮蔽部材を通過する磁束密度が変化する度合いが小さくなるという特性を有しており、
厚さが前記所定値である、磁気遮蔽部材。 A magnetic shielding member disposed between a magnet and an electronic component for blocking a magnetic flux from the magnet toward the electronic component;
The magnetic flux density characteristic from the magnet passing through the magnetic shielding member with respect to the thickness of the magnetic shielding member is such that the magnetic flux density passing through the magnetic shielding member gradually decreases as the thickness of the magnetic shielding member increases. Then, when the thickness of the magnetic shielding member becomes a predetermined value or more, the magnetic flux density passing through the magnetic shielding member has a characteristic that the degree of change is small,
A magnetic shielding member whose thickness is the predetermined value.
前記トルク検出用軸の一端部に一体回転可能に連結された短筒状の第1磁石と、
前記トルク検出用軸の他端部に一体回転可能に連結された短筒状の第2磁石と、
前記第1磁石と前記第2磁石との間に配置され、前記第1磁石からの磁束をそれぞれ検出し、前記トルク検出用軸の前記一端部の回転角である第1回転角を検出するための複数の第1回転角検出用の磁気センサと、
前記第1磁石と前記第2磁石との間に配置され、前記第2磁石からの磁束をそれぞれ検出し、前記トルク検出用軸の前記他端部の回転角である第2回転角を検出するための複数の第2回転角検出用の磁気センサと、
前記第1磁石と前記第2磁石との間に配置され、前記第2磁石から前記第1回転角検出用の磁気センサへと向かう磁束を遮断するための第1磁気遮蔽部材と、
前記第1磁石と前記第2磁石との間に配置され、前記第1磁石から前記第2回転角検出用の磁気センサへと向かう磁束を遮断するための第2磁気遮蔽部材とを含み、
前記第1磁気遮蔽部材の厚さに対する前記第1磁気遮蔽部材を通過する前記第2磁石からの磁束密度の特性は、前記第1磁気遮蔽部材の厚さの増加に伴って前記第1磁気遮蔽部材を通過する磁束密度が徐々に低下していき、前記第1磁気遮蔽部材の厚さが第1所定値以上になると前記第1磁気遮蔽部材を通過する磁束密度が変化する度合いが小さくなるという特性を有しており、前記第1磁気遮蔽部材の厚さが前記第1所定値である、トルク検出装置。 A torque detection device that detects torque by detecting a torsion angle of a torque detection shaft,
A short cylindrical first magnet coupled to one end of the torque detection shaft so as to be integrally rotatable;
A short cylindrical second magnet coupled to the other end of the torque detection shaft so as to be integrally rotatable;
In order to detect a magnetic flux from each of the first magnets and to detect a first rotation angle, which is a rotation angle of the one end of the torque detection shaft, between the first magnet and the second magnet. A plurality of magnetic sensors for detecting the first rotation angle;
It is arrange | positioned between the said 1st magnet and the said 2nd magnet, each detects the magnetic flux from the said 2nd magnet, and detects the 2nd rotation angle which is a rotation angle of the said other end part of the said shaft for torque detection. A plurality of magnetic sensors for detecting the second rotation angle,
A first magnetic shielding member disposed between the first magnet and the second magnet and configured to block a magnetic flux from the second magnet toward the first rotation angle detection magnetic sensor;
A second magnetic shielding member disposed between the first magnet and the second magnet and configured to block a magnetic flux from the first magnet toward the second rotation angle detection magnetic sensor;
The characteristic of the magnetic flux density from the second magnet passing through the first magnetic shielding member with respect to the thickness of the first magnetic shielding member is that the first magnetic shielding member increases as the thickness of the first magnetic shielding member increases. The magnetic flux density passing through the member gradually decreases, and when the thickness of the first magnetic shielding member exceeds a first predetermined value, the degree of change in the magnetic flux density passing through the first magnetic shielding member is reduced. A torque detection device having characteristics, wherein the thickness of the first magnetic shielding member is the first predetermined value.
前記第1磁気遮蔽部材の幅中心を通る円弧の長さは、前記第1磁気遮蔽部材の厚さが前記第1所定値以上であるときに、前記第1磁気遮蔽部材を通過する前記第2磁石からの磁束密度が一定となるような長さに決定されている、請求項2に記載のトルク検出装置。 The first magnetic shielding member is disposed between the plurality of magnetic sensors for detecting the first rotation angle and the second magnet, and is viewed from the first magnet side, and the central axis of the second magnet Is formed in an arc shape having a width centered on
The length of the arc passing through the width center of the first magnetic shielding member is the second length that passes through the first magnetic shielding member when the thickness of the first magnetic shielding member is equal to or greater than the first predetermined value. The torque detection device according to claim 2, wherein the torque detection device is determined to have a constant magnetic flux density from the magnet.
前記第2磁気遮蔽部材の幅中心を通る円弧の長さは、前記第2磁気遮蔽部材の厚さが前記第2所定値以上であるときに、前記第2磁気遮蔽部材を通過する前記第1磁石からの磁束密度が一定となるような長さに決定されている、請求項4に記載のトルク検出装置。 The second magnetic shielding member is arranged between the plurality of magnetic sensors for detecting the second rotation angle and the first magnet, and is viewed from the second magnet side, and the central axis of the first magnet Is formed in an arc shape having a width centered on
The length of the arc passing through the width center of the second magnetic shielding member is such that the first magnetic shielding member passes through the second magnetic shielding member when the thickness of the second magnetic shielding member is equal to or greater than the second predetermined value. The torque detection device according to claim 4, wherein the torque detection device is determined to have a constant magnetic flux density from the magnet.
前記複数の第2回転角検出用の磁気センサの出力信号に基づいて、前記第2回転角を演算する第2演算手段と、
前記第1演算手段によって演算される第1回転角と、前記第2演算手段によって演算される第2回転角とに基づいて、トルクを演算するトルク演算手段とを含む、請求項2〜5のいずれか一項に記載のトルク検出装置。 First calculation means for calculating the first rotation angle based on output signals of the plurality of first rotation angle detection magnetic sensors;
Second calculating means for calculating the second rotation angle based on output signals of the plurality of second rotation angle detection magnetic sensors;
The torque calculation means of calculating torque based on the first rotation angle calculated by the first calculation means and the second rotation angle calculated by the second calculation means. The torque detection apparatus as described in any one.
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