JP2024045018A - Position detection device and vehicle steering device - Google Patents
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Abstract
【課題】小型化が可能な位置検出装置、及びその位置検出装置を備えた車両用転舵装置を提供する。
【解決手段】ストロークセンサ2は、導電部121と凹部120とが移動方向に並んで設けられたラックシャフト12の位置を検出する。ストロークセンサ2は、ラックシャフト12の移動方向に延在して配置された励磁コイル31及び検出コイル32,33を備え、励磁コイル31が発生する磁界によって検出コイル32,33に電圧が誘起される。検出コイル32,33に誘起される電圧の大きさは、検出コイル32,33に対するラックシャフト12の移動方向の位置によって変化する。車両用転舵装置1は、ラックシャフト12と、ラックシャフト12を収容する導電性金属からなるハウジング13と、ハウジング13に対するラックシャフト12の位置を検出するストロークセンサ2とを備える。
【選択図】図4
The present invention provides a position detection device that can be miniaturized and a vehicle steering device equipped with the position detection device.
A stroke sensor 2 detects the position of a rack shaft 12 in which a conductive part 121 and a recessed part 120 are arranged side by side in a moving direction. The stroke sensor 2 includes an excitation coil 31 and detection coils 32 and 33 that are arranged to extend in the direction of movement of the rack shaft 12, and a voltage is induced in the detection coils 32 and 33 by the magnetic field generated by the excitation coil 31. . The magnitude of the voltage induced in the detection coils 32 and 33 changes depending on the position of the rack shaft 12 in the moving direction with respect to the detection coils 32 and 33. The vehicle steering device 1 includes a rack shaft 12 , a housing 13 made of conductive metal that accommodates the rack shaft 12 , and a stroke sensor 2 that detects the position of the rack shaft 12 with respect to the housing 13 .
[Selection diagram] Figure 4
Description
本発明は、移動部材の位置を検出する位置検出装置、及びその位置検出装置を備えた車両用転舵装置に関する。 The present invention relates to a position detection device that detects the position of a moving member, and a vehicle steering device equipped with the position detection device.
従来、移動部材の位置を検出する位置検出装置が、例えば自動車の可動部に用いられている。本出願人は、このような位置検出装置として、特許文献1に記載のストロークセンサを提案している。
2. Description of the Related Art Conventionally, a position detection device for detecting the position of a moving member has been used, for example, in a moving part of an automobile. The present applicant has proposed a stroke sensor described in
特許文献1に記載のストロークセンサは、ホールIC等の磁界検出部と、磁界検出部をストローク体のストローク方向に挟み込む2本の平行ヨークと、2本の平行ヨークとの間に所定の間隔をあけてストローク体のストローク方向に延在する磁路形成ヨークと、2本の平行ヨーク及び磁路形成ヨークのそれぞれの一端部の間に配置された磁石と、2本の平行ヨークと磁路形成ヨークとの間で移動可能に配置され、2本の平行ヨークに対向する平行磁界形成ヨークと、平行磁界形成ヨークにおける磁路形成ヨーク側の面に一体に設けられた突起ヨークとを備えている。このストロークセンサは、平行磁界形成ヨークの位置に応じて磁界検出部で検出される磁界の強度が変化するので、この磁界の強度によって平行磁界形成ヨークの位置を検出可能である。
The stroke sensor described in
特許文献1に記載のストロークセンサでは、平行磁界形成ヨークの移動範囲の全体にわたり、平行磁界形成ヨーク及び突起ヨークを挟むように2本の平行ヨーク及び磁路形成ヨークを配置する必要があり、ストロークセンサの設置サイズが大きくなってしまう。そこで、本発明は、小型化が可能な位置検出装置、及びその位置検出装置を備えた車両用転舵装置を提供することを目的とする。
In the stroke sensor described in
本発明は、上記課題を解決することを目的として、導電部と前記導電部よりも電気抵抗が大きい非導電部とが所定の移動方向に並んで設けられた移動部材の位置を検出する位置検出装置であって、前記移動部材の前記移動方向に延在して配置された励磁コイル及び検出コイルを備え、前記励磁コイルが発生する磁界によって前記検出コイルに電圧が誘起され、前記検出コイルに誘起される電圧の大きさが前記検出コイルに対する前記移動部材の前記移動方向の位置によって変化する、位置検出装置を提供する。 In order to solve the above problems, the present invention provides position detection for detecting the position of a moving member in which a conductive part and a non-conductive part having a higher electrical resistance than the conductive part are arranged side by side in a predetermined moving direction. The device includes an excitation coil and a detection coil arranged to extend in the moving direction of the moving member, and a voltage is induced in the detection coil by a magnetic field generated by the excitation coil, and a voltage is induced in the detection coil. The present invention provides a position detection device in which the magnitude of the voltage applied to the detection coil changes depending on the position of the moving member in the moving direction with respect to the detection coil.
また、本発明は、上記課題を解決することを目的として、車幅方向に沿って軸方向に進退移動する導電性金属からなるシャフトと、前記シャフトを収容する導電性金属からなるハウジングと、前記ハウジングに対する前記シャフトの位置を検出する位置検出装置とを備え、前記シャフトが軸方向に移動することにより車輪が転舵される車両用転舵装置であって、前記シャフトに、径方向に窪んで形成された凹部が設けられており、前記位置検出装置は、前記シャフトの前記車幅方向に延在して配置された励磁コイル及び検出コイルを備え、前記励磁コイルが発生する磁界によって前記検出コイルに電圧が誘起され、前記検出コイルに誘起される電圧の大きさが前記ハウジングに対する前記シャフトの位置によって変化する、車両用転舵装置を提供する。 In order to solve the above problems, the present invention provides a vehicle steering device that includes a shaft made of conductive metal that moves axially back and forth along the vehicle width direction, a housing made of conductive metal that houses the shaft, and a position detection device that detects the position of the shaft relative to the housing, and in which the wheels are steered by the axial movement of the shaft, the shaft is provided with a recess formed by recessing in the radial direction, the position detection device includes an excitation coil and a detection coil arranged to extend in the vehicle width direction of the shaft, a voltage is induced in the detection coil by the magnetic field generated by the excitation coil, and the magnitude of the voltage induced in the detection coil changes depending on the position of the shaft relative to the housing.
本発明によれば、位置検出装置の小型化が可能となる。また、位置検出装置の小型化により、車両用転舵装置の車両への搭載性が向上する。 According to the present invention, it is possible to miniaturize the position detection device. Furthermore, by miniaturizing the position detection device, the vehicle steering device can be easily mounted on the vehicle.
[実施の形態]
図1(a)は、本発明の実施の形態に係る車両用転舵装置1が搭載された車両の一部の構成を示す模式図である。図1(b)は、図1(a)のA-A線断面図である。
[Embodiment]
FIG. 1(a) is a schematic diagram showing a partial configuration of a vehicle equipped with a
この車両用転舵装置1は、ステアバイワイヤ式のステアリング装置であり、位置検出装置としてのストロークセンサ2を備えている。図1(a)では、車両用転舵装置1を車両前後方向の後方側から見た状態を示しており、図面右側が車幅方向の右側にあたり、図面左側が車幅方向の左側にあたる。なお、以下の図面を参照した説明において、「右」又は「左」という場合があるが、この表現は説明の便宜上用いられるものであり、ストロークセンサ2の実使用状態における配置の方向を限定するものではない。
This
図1(a)に示すように、車両用転舵装置1は、転動輪10(左右の前輪)に連結されたタイロッド11と、タイロッド11に連結されたラックシャフト12と、ラックシャフト12を収容するハウジング13と、ハウジング13の開口を閉塞する蓋部材14(図1(b)参照)と、ラックシャフト12のラック歯部122に噛み合わされたピニオンギヤ151を有するウォーム減速機構15と、ウォーム減速機構15を介してラックシャフト12に車幅方向の移動力を付与する電動モータ16と、運転者が操舵操作するステアリングホイール17と、ステアリングホイール17の操舵角を検出する操舵角センサ18と、操舵角センサ18によって検出された操舵角に基づいて電動モータ16を制御する操舵制御装置19とを備えている。
As shown in FIG. 1(a), the
ラックシャフト12は、ストロークセンサ2によってハウジング13に対する位置が検出される移動部材である。ラックシャフト12の移動方向は、ラックシャフト12の中心軸線C1と平行な軸方向である。転動輪10は、ラックシャフト12が軸方向に移動することにより転舵される。
The
図1(a)では、ハウジング13を仮想線で示し、その内部を実線で示している。ラックシャフト12は、例えば炭素鋼等の鋼材からなり、ハウジング13の両端部に取り付けられた一対のラックブッシュ131に支持されている。ウォーム減速機構15は、ウォームホイール152及びウォームギヤ153を有し、ウォームホイール152にピニオンギヤ151が固定されている。ウォームギヤ153は、電動モータ16のモータシャフト161に固定されている。
In FIG. 1(a), the
電動モータ16は、操舵制御装置19から供給されるモータ電流によってトルクを発生し、ウォームギヤ153を介してウォームホイール152及びピニオンギヤ151を回転させる。ピニオンギヤ151が回転すると、ラックシャフト12が車幅方向に沿って直線状に進退移動する。ラックシャフト12は、操舵角がゼロである場合の中立位置から所定の範囲で車幅方向の右側及び左側に移動可能である。
The
図1(a)では、ステアリングホイール17が左右の一方の最大舵角から他方の最大舵角まで操舵されたときのラックシャフト12の最大移動距離に相当するストローク範囲Rを両矢印で示している。ストロークセンサ2は、このストローク範囲Rの全体にわたり、ハウジング13に対するラックシャフト12の絶対位置を検出可能である。
In FIG. 1(a), the double arrow indicates the stroke range R, which corresponds to the maximum travel distance of the
(ストロークセンサ2の構成)
ストロークセンサ2は、ラックシャフト12に対向して配置された基板3と、電源部4及び演算部5とを備えている。ストロークセンサ2は、ハウジング13に対するラックシャフト12の軸方向(移動方向)の位置を検出し、検出した位置の情報を操舵制御装置19に出力する。操舵制御装置19は、ストロークセンサ2によって検出されたラックシャフト12の位置が操舵角センサ18によって検出されたステアリングホイール17の操舵角に応じた位置となるように、電動モータ16を制御する。
(Configuration of stroke sensor 2)
The
図2は、ラックシャフト12、ハウジング13、蓋部材14、及び基板3を示す斜視図である。なお、図2では、ハウジング13、蓋部材14、及び基板3を図面上下方向に離間させて図示している。
FIG. 2 is a perspective view showing the
ラックシャフト12及びハウジング13は、導電性金属からなる。ラックシャフト12は、例えばS45C等の機械構造用炭素鋼であり、基板3と向かい合う範囲における軸方向に対して垂直な断面の形状が、後述する凹部120の部分を除き、円形状である。ラックシャフト12の直径Dは、例えば25mmである。ハウジング13は、例えばダイキャスト成形された断面U字状のアルミニウム合金からなり、鉛直方向の上方に向かって開口している。ハウジング13の開口部130は、蓋部材14によって閉塞されている。
The
ラックシャフト12の外周面12aとハウジング13の内面13aとの間には、例えば1mm以上の隙間が形成されている。蓋部材14は、平板状に形成された非導電性の部材である。蓋部材14の材料としては、例えばエンジニアリングプラスチック等の樹脂を好適に用いることができる。
A gap of, for example, 1 mm or more is formed between the outer
ラックシャフト12には、基板3と向かい合う部分に、ラックシャフト12の径方向に窪んで形成された凹部120が設けられている。凹部120は、ラックシャフト12の外周面12aの周方向の一部に形成されている。本実施の形態では、この凹部120が空間であるが、凹部120を例えば樹脂等の非導電部材によって埋めてもよい。
The
ラックシャフト12の軸方向における凹部120の幅は、基板3の長手方向の長さよりも短い。ラックシャフト12において凹部120が設けられていない部分は、電気伝導性を有する導電部121である。すなわち、ラックシャフト12には、導電部121と、導電部121よりも電気抵抗が大きい非導電部とが軸方向に並んで設けられており、本実施の形態では、この非導電部が凹部120によって具現されている。つまり、本実施の形態では、凹部120は、基板3に対向しており、基板3に対向するラックシャフト12の部位は、軸方向(移動方向)に沿って、導電部121、非導電部としての凹部120、導電部121の順に並んでいる。
The width of the
凹部120は、ラックシャフト12の素材である丸棒の一部を例えば切削により切り欠いて形成されている。本実施の形態では、凹部120の底面120aが基板3と平行な平面であり、凹部120の両端面120b,120bが底面120aを挟んで軸方向に向かい合っている。ラックシャフト12の径方向における凹部120の深さDpは、例えば5mmである。ラックシャフト12は、底面120aが基板3と常に平行に向かい合うように、中心軸線C1を中心とするハウジング13に対する回転が規制されている。
The
基板3は、蓋部材14に取り付けられ、表(おもて)面3aがエアギャップGを介して凹部120を含むラックシャフト12の軸方向の一部と対向している。基板3に対して垂直な方向におけるエアギャップGの最小幅W1(基板3の表面3aとラックシャフト12の外周面12aとの最短距離)は、例えば1mm以下である。基板3の裏面3bは、接着剤20によって蓋部材14におけるラックシャフト12側の内面14aに固定されている。
The
基板3は、第1乃至第4の金属層301~304の間にFR4(ガラス繊維にエポキシ樹脂をしみ込ませて熱硬化処理を施したもの)等の誘電体からなる平板状の基材30が配置された4層基板である。それぞれの基材30の厚みは、例えば0.3mmである。第1乃至第4の金属層301~304は、例えば銅からなり、それぞれの層の厚みが例えば18μmである。基板3は、ラックシャフト12の移動方向が長辺方向(長手方向)となる平坦な長方形状である。なお、基板3は、リジッド基板に限らず、フレキシブル基板であってもよい。
The
図3(a)は、基板3の第1乃至第4の金属層301~304に形成された配線パターンを表面3a側から透視して見た全体図である。図3(b)は、図3(a)の部分拡大図である。図4(a)~(d)は、表面3a側から見た第1乃至第4の金属層301~304をそれぞれ示す平面図である。なお、図3(a)及び(b)ならびに図4(a)~(d)に示す配線パターンは一例に過ぎず、本発明の効果を得られるように基板3が形成されている限り、様々な形態の配線パターンを採用することが可能である。
FIG. 3(a) is an overall view of the wiring patterns formed on the first to
図3(a)及び(b)ならびに図4(a)~(d)では、第1の金属層301の配線パターンを実線で、第2の金属層302の配線パターンを破線で、第3の金属層303の配線パターンを一点鎖線で、第4の金属層304の配線パターンを二点鎖線で、それぞれ示している。また、図3(a)では、基板3を短手方向に二等分して長手方向に延びる中心軸線C2を示すと共に、ストロークセンサ2がラックシャフト12の絶対位置を検出可能な範囲のうち、一方側の端部及び他方側の端部にラックシャフト12が位置したときの凹部120の位置を点線で示している。なお、図1(b)に示すように、基板3と凹部120とはラックシャフト12の直径方向に重なるが、図3(a)では、凹部120の位置を基板3に対してその短手方向にずらして示している。
3(a) and (b) and 4(a) to (d), the wiring pattern of the
基板3の長手方向一端部には、図3(b)に二点鎖線で示すコネクタ6のコネクタピンがそれぞれ挿通される第1乃至第6のスルーホール341~346を有するコネクタ部340が設けられている。第1乃至第6のスルーホール341~346は、基板3の短手方向に沿って直線状に並んでいる。コネクタ6には、電源部4及び演算部5との接続のためのケーブル7のコネクタ71(図1(a)参照)が接続される。また、基板3には、配線パターンを層間接続するための第1乃至第3のバイア351~353が形成されている。
A connector portion 340 having first to sixth through holes 341 to 346, through which the connector pins of the
第1の金属層301には、第1の曲線部301aと、第1の曲線部301aの一端部を第2のスルーホール342に接続する第1のコネクタ接続部301bと、後述する第2の曲線部302a及び第4の曲線部304aのそれぞれの端部同士を接続する端部接続部301cとが形成されている。第2の金属層302には、第2の曲線部302aと、第2の曲線部302aの一端部を第4のスルーホール344に接続する第2のコネクタ接続部302bとが形成されている。第3の金属層303には、第3の曲線部303aと、第3の曲線部303aの一端部を第3のスルーホール343に接続する第3のコネクタ接続部303bとが形成されている。第4の金属層304には、第4の曲線部304aと、第4の曲線部304aの一端部を第5のスルーホール345に接続する第4のコネクタ接続部304bとが形成されている。
The
第1の曲線部301aと第3の曲線部303aとは、それぞれの他端部同士が第1のバイア351によって接続されている。端部接続部301cは、一方の端部が第2の曲線部302aの他端部と第2のバイア352によって接続され、他方の端部が第4の曲線部304aの他端部と第3のバイア353によって接続されている。
The first
第1乃至第4の曲線部301a,302a,303a,304aは、正弦波状に湾曲した導体線である。第1の曲線部301aと第3の曲線部303a、及び第2の曲線部302aと第4の曲線部304aは、基板3の中心軸線C2を対称軸線とし、この対称軸線に対して対称な形状である。
The first to fourth
基板3は、ラックシャフト12の導電部121に磁束を発生させる励磁コイル31と、導電部121に発生する磁束が鎖交する二つの検出コイル32,33とを備えている。励磁コイル31及び二つの検出コイル32,33は、ラックシャフト12の軸方向に延在して配置されている。二つの検出コイル32,33のうち、一方の検出コイル32は、第1の曲線部301a及び第3の曲線部303aによって形成されている。他方の検出コイル33は、第2の曲線部302a、第4の曲線部304a、及び端部接続部301cによって形成されている。つまり、二つの検出コイル32,33のそれぞれは、ラックシャフト12の軸方向に対して垂直な方向から見た形状が、中心軸線C2を挟んで対称となる二つの正弦曲線状の導体線を組み合わせた形状である。
The
励磁コイル31は、ラックシャフト12の軸方向に延在する一対の長辺部311,312、及び一対の長辺部311,312の間の一対の短辺部313,314を有する長方形状であり、検出コイル32,33を囲むように形成されている。本実施の形態では、長辺部311,312及び短辺部313,314が、第1の金属層301に配線パターンとして形成されている。一対の短辺部313,314のうち、コネクタ部340側の短辺部313は、図3(b)に示すように第1乃至第4のコネクタ接続部301b,302b,303b,304bを挟む二つの直線部313a,313bからなり、二つの直線部313a,313bのそれぞれの端部が第1の金属層301に形成されたコネクタ接続部301d,301eによって第1のスルーホール341及び第6のスルーホール346に接続されている。
The
なお、励磁コイル31は、第1の金属層301に限らず、第2乃至第4の金属層302~304に何れかに形成されていてもよく、複数層にわたって形成されていてもよい。また、基板3とは別体に励磁コイルが形成されていてもよい。
The
励磁コイル31には、電源部4から正弦波状の交流電流が供給される。ラックシャフト12の導電部121には、励磁コイル31に供給される交流電流によって発生する磁束によって渦電流が発生する。この渦電流により、二つの検出コイル32,33に鎖交する磁束の密度が低くなり、基板3において導電部121と向かい合う部分の磁束密度が非導電部である凹部120と向かい合う部分よりも低くなる。導電部121と凹部120は、ラックシャフト12の軸方向(移動方向)に沿って、導電部121、凹部120、導電部121の順に基板3に対向して並んでいる。このため、基板3において凹部120と向かい合う部分の磁束密度が、導電部121と向かい合う部分の磁束密度よりも大きくなる。したがって、二つの検出コイル32,33には、凹部120の磁束が鎖交することにより誘起電圧が発生する。検出コイル32,33に誘起される電圧のピーク値は、凹部120の位置に応じて変化する。なお、ここで電圧のピーク値とは、励磁コイル31に供給される交流電流の1周期分の期間内における電圧の絶対値の極大値をいう。
The
ラックシャフト12が軸方向の一方の移動端から他方の移動端まで移動する間に検出コイル32,33のそれぞれに誘起される電圧の位相は、互いに異なっている。本実施の形態では、検出コイル32,33に誘起される電圧の位相が90°異なる。以下、二つの検出コイル32,33のうち、一方の検出コイル32を正弦波形状検出コイル32といい、他方の検出コイル33を余弦波形状検出コイル33という。
The phases of the voltages induced in the detection coils 32, 33 while the
ラックシャフト12の導電部121の磁束が鎖交することによって正弦波形状検出コイル32及び余弦波形状検出コイル33に誘起される電圧のピーク値は、ラックシャフト12が軸方向の一方の移動端から他方の移動端まで移動する間に、1周期分以下の範囲で変化する。これにより、ストロークセンサ2は、ラックシャフト12が軸方向に移動可能なストローク範囲Rの全体にわたって、ラックシャフト12の絶対位置を検出可能である。
The peak value of the voltage induced in the sine wave-shaped
図3(a)に示すように、励磁コイル31の一対の短辺部313,314のそれぞれと正弦波形状検出コイル32及び余弦波形状検出コイル33との間には、一対の短辺部313,314を流れる電流によって発生する磁束によって正弦波形状検出コイル32及び余弦波形状検出コイル33に誘起される電圧を抑制する第1及び第2の緩衝領域E1,E2が設けられている。図3(a)に示す例では、基板3の長手方向における第1の緩衝領域E1の長さL1と第2の緩衝領域E2の長さL2とが同じであるが、L1とL2が異なっていてもよい。
As shown in FIG. 3A, between each of the pair of
図5は、電源部4から励磁コイル31に供給される供給電圧V0と、正弦波形状検出コイル32に誘起される誘起電圧V1及び余弦波形状検出コイル33に誘起される誘起電圧V2との関係の一例を示すグラフである。図5のグラフの横軸は時間軸であり、左右の縦軸に供給電圧V0及び誘起電圧V1,V2を示している。励磁コイル31には、例えば1MHz程度の高周波の交流電圧が供給電圧V0として供給される。誘起電圧V1,V2は、正弦波形状検出コイル32及び余弦波形状検出コイル33の出力電圧として、ケーブル7を介して演算部5に出力される。
FIG. 5 shows the relationship between the supply voltage V0 supplied from the
図5に示す例では、供給電圧V0と誘起電圧V1,V2とが同相であるが、正弦波形状検出コイル32に誘起される誘起電圧V1は、基板3の表面3a及び裏面3bに対して垂直な基板垂直方向から見た第1の金属層301の第1の曲線部301aと第3の金属層303の第3の曲線部303aとの交点に対応する位置を凹部120が通過するときに同相と逆相とが切り替わる。また、余弦波形状検出コイル33に誘起される誘起電圧V2は、基板垂直方向から見た第2の金属層302の第2の曲線部302aと第4の金属層304の第4の曲線部304aとの交点に対応する位置を凹部120が通過するときに同相と逆相とが切り替わる。
5, the supply voltage V0 and the induced voltages V1 and V2 are in phase, but the induced voltage V1 induced in the sine wave-shaped
図6(a)は、正弦波形状検出コイル32に誘起される誘起電圧V1のピーク値であるピーク電圧VSと凹部120の位置との関係を模式的に示す説明図である。図6(b)は、余弦波形状検出コイル33に誘起される誘起電圧V2のピーク値であるピーク電圧VCと凹部120の位置との関係を模式的に示す説明図である。
FIG. 6A is an explanatory diagram schematically showing the relationship between the peak voltage VS, which is the peak value of the induced voltage V1 induced in the sine wave
図6(a)及び(b)に示すピーク電圧VS,VCのグラフでは、横軸に凹部120の左右方向の中心部の位置を示している。横軸のP1は、凹部120の左端部と正弦波形状検出コイル32及び余弦波形状検出コイル33の左端部とが一致したときの凹部120の中心点120cの位置を示している。横軸のP2は、凹部120の右端部と正弦波形状検出コイル32及び余弦波形状検出コイル33の右端部とが一致したときの凹部120の中心点120cの位置を示している。図6(a)及び(b)では、中心点120cがP1の位置にあるときの凹部120を一点鎖線で示し、中心点120cがP2の位置にあるときの凹部120を二点鎖線で示している。ここで、凹部120の中心点120cは、図2に示すように底面120aの中心の位置である。
In the graphs of peak voltages VS and VC shown in FIGS. 6A and 6B, the horizontal axis indicates the position of the center of the
正弦波形状検出コイル32及び余弦波形状検出コイル33は、導電部121に対向する部位の磁界の強度が凹部120に対向する部位の磁界の強度よりも弱い。このため、正弦波形状検出コイル32及び余弦波形状検出コイル33は、ラックシャフト12の位置に応じて出力電圧が変化する。図6(a)に示すグラフにおいて、ピーク電圧VSは、正弦波形状検出コイル32に誘起される誘起電圧V1が励磁コイル31に供給される供給電圧V0と同相であるときを正値とし、逆相であるときを負値としている。また、図6(b)に示すグラフにおいて、ピーク電圧VCは、余弦波形状検出コイル33に誘起される誘起電圧V2が励磁コイル31に供給される供給電圧V0と同相であるときを正値とし、逆相であるときを負値としている。
In the sine wave
ラックシャフト12が一方の移動端から他方の移動端まで一方向に一定の速度で移動する場合には、図6(a)及び(b)に示すように、ピーク電圧VSが正弦波状に変化し、ピーク電圧VCが余弦波状に変化する。このため、演算部5は、正弦波形状検出コイル32及び余弦波形状検出コイル33の出力電圧に基づいて、ラックシャフト12の位置を演算によって求めることができる。
When the
図3(a)に示すように、基板3の長手方向における正弦波形状検出コイル32及び余弦波形状検出コイル33の左端部の位置を基準位置Oとし、基板3の長手方向における正弦波形状検出コイル32及び余弦波形状検出コイル33の長さをLとし、凹部120の中心点120cが基準位置Oと基板垂直方向に並ぶときのラックシャフト12の位置Xを0(ゼロ)とし、基準位置Oから正弦波形状検出コイル32及び余弦波形状検出コイル33の右端部に向かう方向をラックシャフト12の位置Xのプラス側とした場合、ラックシャフト12の位置Xは、下記式(1)によって求めることができる。
演算部5は、正弦波形状検出コイル32及び余弦波形状検出コイル33の出力電圧に基づいて式(1)によって求めた位置をラックシャフト12の位置として操舵制御装置19に出力する。正弦波形状検出コイル32及び余弦波形状検出コイル33の長さLに対するラックシャフト12の軸方向における凹部120の長さの割合をuとしたとき、演算部5は、(1-u)Lの長さの範囲でラックシャフト12の絶対位置を求めることができる。なお、uは、0.5よりも小さい値である。uの値は、小さいほど長い距離にわたってラックシャフト12の絶対位置を検出できるが、uの値が小さすぎると誘起電圧V1,V2が小さくなって誤差が大きくなりやすい。このため、uの値は、例えば0.01以上0.5未満であることが望ましい。
The
図7(a)は、基準位置からのラックシャフト12の移動量を横軸とし、縦軸にストロークセンサ2によって検出したラックシャフト12の位置を示したグラフである。なお、縦軸の値は、電磁界シミュレーションを用いて求めた誘起電圧V1,V2に基づく上記の式(1)の演算値である。図7(b)は、基準位置からのラックシャフト12の移動量を軸とし、縦軸にラックシャフト12の移動量の検出誤差の割合を示したグラフである。
Figure 7(a) is a graph showing the amount of movement of the
図7(a)のグラフに示すように、ラックシャフト12の実際の位置とストロークセンサ2によって求めたラックシャフト12の位置とは概ね線形の関係にあり、図7(b)に示すように検出誤差が5%以下に抑えられている。なお、この誤差は、例えば振動等によって偶発的に発生するものではなく、検出特性として定常的に発生するものであるため、補正演算を行うことによって補正することが可能である。
As shown in the graph of FIG. 7(a), there is a roughly linear relationship between the actual position of the
(比較例)
図8(a)は、導電性の金属部材である検出ターゲット123が取り付けられたラックシャフト12Aのハウジング13Aに対する位置を上記の実施の形態に係るストロークセンサ2によって検出する場合の構成例を示す断面図である。図8(b)は、ラックシャフト12A、検出ターゲット123、及びハウジング13Aを示す斜視図である。
(Comparative example)
FIG. 8(a) is a cross-sectional view showing a configuration example in which the position of the
ラックシャフト12Aは、上記の実施の形態に係るラックシャフト12と同様、軸方向に対して垂直な断面が円形状の機械構造用炭素鋼であるが、凹部120は形成されていない。検出ターゲット123は、ラックシャフト12Aと同等の導電性を有する鋼材等の金属又はラックシャフト12Aよりも導電性が高い銅合金やアルミニウム合金等の良導電性の金属からなり、ラックシャフト12Aの外周面12Aaから基板3に向かって突出するようにラックシャフト12Aに取り付けられている。
The
基板3に対して垂直な方向におけるラックシャフト12Aの外周面12Aaからの検出ターゲット123の突出高さHは、上記の実施の形態に係るラックシャフト12の凹部120の深さDpと同じく5mmである。検出ターゲット123における基板3との対向面123aは、基板3の表面3aと平行であり、基板3の表面3aと検出ターゲット123の対向面123aとの間のエアギャップGの幅W2は、上記の実施の形態におけるエアギャップGの幅W1と同じく1mm以下である。
The protrusion height H of the
ハウジング13Aは、上記の実施の形態に係るハウジング13と同様、断面U字状のアルミニウム合金からなり、鉛直方向の上方に向かって開口している。ただし、検出ターゲット123の突出高さHの分だけ、基板3に対して垂直な方向におけるハウジング13Aの外形寸法が上記の実施の形態に係るハウジング13よりも大きくなっている。
Like the
この比較例では、正弦波形状検出コイル32及び余弦波形状検出コイル33における検出ターゲット123に対向する部位の磁界の強度が、検出ターゲット123に対向しない部位の磁界の強度よりも弱い。この磁界の強度の差により、正弦波形状検出コイル32及び余弦波形状検出コイル33の出力電圧は、ラックシャフト12Aの位置に応じて出力電圧が変化する。
In this comparative example, the strength of the magnetic field at a portion of the sine wave
図9は、比較例に係るラックシャフト12Aの移動量の検出誤差を示すグラフである。このグラフに示すように、ラックシャフト12Aの基準位置からの移動量を検出ターゲット123の位置によって検出した場合には、上記の実施の形態よりも検出誤差が大きくなっている。
FIG. 9 is a graph showing the detection error of the movement amount of the
この検出誤差の増大の原因としては、励磁コイル31が発生する磁界が検出ターゲット123の側方におけるハウジング13Aにも作用してしまうことが考えられる。つまり、上記の実施の形態では、導電性金属からなるラックシャフト12と基板3との距離が近接しているためにハウジング13Aに作用する磁界の影響を受けにくいが、比較例のものでは、ラックシャフト12の軸方向における検出ターゲット123の長さが基板3に対して相対的に短いので、上記の実施の形態よりもハウジング13Aに作用する磁界の影響を大きく受けてしまうと考えられる。
The cause of this increase in detection error is thought to be that the magnetic field generated by the
(実施の形態の効果)
以上説明した実施の形態によれば、凹部120が形成されたラックシャフト12に基板3を対向させて配置することによりハウジング13に対するラックシャフト12の位置を検出できるので、ストロークセンサ2の設置サイズを小さくすることができる。より具体的には、ラックシャフト12の位置による正弦波形状検出コイル32及び余弦波形状検出コイル33の出力電圧の変化を凹部120によって生じさせるので、例えば上記の比較例のように、検出ターゲット123をラックシャフト12Aに取り付けることによるハウジング13Aの大型化を招来しない。また、ストロークセンサ2の設置サイズを小さくできることにより、車両用転舵装置1の小型軽量化が可能となる。
(Effects of embodiment)
According to the embodiment described above, the position of the
(実施の形態のまとめ)
次に、以上説明した実施の形態から把握される技術思想について、実施の形態における符号等を援用して記載する。ただし、以下の記載における各符号は、特許請求の範囲における構成要素を実施の形態に具体的に示した部材等に限定するものではない。
(Summary of embodiments)
Next, technical ideas understood from the embodiments described above will be described using reference numerals and the like in the embodiments. However, each reference numeral in the following description does not limit the constituent elements in the scope of the claims to those specifically shown in the embodiments.
[1]導電部(121)と前記導電部(121)よりも電気抵抗が大きい非導電部(凹部120)とが所定の移動方向に並んで設けられた移動部材(ラックシャフト12)の位置を検出する位置検出装置(ストロークセンサ2)であって、前記移動部材(12)の前記移動方向に延在して配置された励磁コイル(31)及び検出コイル(32,33)を備え、前記励磁コイル(31)が発生する磁界によって前記検出コイル(32,33)に電圧が誘起され、前記検出コイル(32,33)に誘起される電圧の大きさが前記検出コイル(32,33)に対する前記移動部材(12)の前記移動方向の位置によって変化する、位置検出装置(2)。 [1] Determine the position of the moving member (rack shaft 12) in which a conductive part (121) and a non-conductive part (recess 120) having a higher electrical resistance than the conductive part (121) are arranged side by side in a predetermined moving direction. A position detection device (stroke sensor 2) for detecting the position, comprising an excitation coil (31) and a detection coil (32, 33) extending in the movement direction of the moving member (12), A voltage is induced in the detection coil (32, 33) by the magnetic field generated by the coil (31), and the magnitude of the voltage induced in the detection coil (32, 33) is the same as that for the detection coil (32, 33). A position detection device (2) that changes depending on the position of the moving member (12) in the moving direction.
[2]複数の前記検出コイル(32,33)を備え、前記移動部材(12)の移動時にこれら複数の前記検出コイル(32,33)のそれぞれに誘起される電圧の位相が互いに異なる、上記[1]に記載の位置検出装置(2)。 [2] A position detection device (2) as described in [1] above, which includes a plurality of the detection coils (32, 33), and in which the phases of the voltages induced in each of the detection coils (32, 33) differ from each other when the moving member (12) moves.
[3]複数の前記検出コイル(32,33)のそれぞれに誘起される電圧の大きさが、前記移動部材(12)が軸方向の一方の移動端から他方の移動端まで移動する間に1周期分以下の範囲で変化する、上記[2]に記載の位置検出装置(2)。 [3] The magnitude of the voltage induced in each of the plurality of detection coils (32, 33) is 1 while the moving member (12) moves from one moving end to the other moving end in the axial direction. The position detection device (2) according to the above [2], which changes in a range equal to or less than a period.
[4]複数の前記検出コイル(32,33)のそれぞれは、前記移動方向に対して垂直な方向から見た形状が前記移動方向に対して平行な対称軸線(中心軸線C2)を挟んで対称となる二つの正弦曲線状の導体線(第1乃至第4の曲線部301a,302a,303a,304a)を組み合わせた形状である、上記[2]又は[3]に記載の位置検出装置(2)。
[4] The position detection device (2) described in [2] or [3] above, in which each of the multiple detection coils (32, 33) has a shape that is a combination of two sinusoidal conductor lines (first to fourth
[5]前記励磁コイル(31)及び複数の前記検出コイル(32,33)が1枚の基板(3)に形成されており、前記励磁コイル(31)は、複数の前記検出コイル(32,33)を囲むように前記基板(3)に形成されている、上記[1]に記載の位置検出装置(2)。 [5] The position detection device (2) described in [1] above, in which the excitation coil (31) and the multiple detection coils (32, 33) are formed on a single substrate (3), and the excitation coil (31) is formed on the substrate (3) so as to surround the multiple detection coils (32, 33).
[6]前記移動部材(12)は、前記導電部(121)の断面形状が円形であり、前記非導電部が前記移動部材(12)の外周面(12a)の周方向の一部に形成された凹部(120)であり、前記基板(3)が前記凹部(120)に対向する、上記[5]に記載の位置検出装置(2)。 [6] The position detection device (2) described in [5] above, in which the cross-sectional shape of the conductive portion (121) of the moving member (12) is circular, the non-conductive portion is a recess (120) formed in a portion of the circumferential direction of the outer circumferential surface (12a) of the moving member (12), and the substrate (3) faces the recess (120).
[7]車幅方向に沿って軸方向に進退移動する導電性金属からなるシャフト(ラックシャフト12)と、前記シャフト(12)を収容する導電性金属からなるハウジング(13)と、前記ハウジング(13)に対する前記シャフト(12)の位置を検出する位置検出装置(ストロークセンサ2)とを備え、前記シャフト(12)が軸方向に移動することにより車輪(10)が転舵される車両用転舵装置(1)であって、前記シャフト(12)に、径方向に窪んで形成された凹部(120)が設けられており、前記位置検出装置(2)は、前記シャフト(12)の前記車幅方向に延在して配置された励磁コイル(31)及び検出コイル(32,33)を備え、前記励磁コイル(31)が発生する磁界によって前記検出コイル(32,33)に電圧が誘起され、前記検出コイル(32,33)に誘起される電圧の大きさが前記ハウジング(13)に対する前記シャフト(12)の位置によって変化する、車両用転舵装置(1)。 [7] A vehicle steering device (1) comprising a shaft (rack shaft 12) made of conductive metal that moves axially back and forth along the vehicle width direction, a housing (13) made of conductive metal that houses the shaft (12), and a position detection device (stroke sensor 2) that detects the position of the shaft (12) relative to the housing (13), in which the wheels (10) are steered by the axial movement of the shaft (12), the shaft (12) is provided with a recess (120) formed by being recessed in the radial direction, the position detection device (2) comprises an excitation coil (31) and detection coils (32, 33) arranged to extend in the vehicle width direction of the shaft (12), a voltage is induced in the detection coils (32, 33) by the magnetic field generated by the excitation coil (31), and the magnitude of the voltage induced in the detection coils (32, 33) changes depending on the position of the shaft (12) relative to the housing (13).
[8]前記ハウジング(13)に、前記車幅方向に延在する開口部(130)が形成されており、前記ハウジング(13)の前記開口部(130)を閉塞する非導電体からなる蓋部材(14)をさらに備え、前記励磁コイル(31)及び複数の前記検出コイル(32,33)が1枚の基板(3)に形成されており、前記蓋部材(14)に前記基板(3)が取り付けられている、上記[7]に記載の位置検出装置(1)。 [8] The position detection device (1) described in [7] above, further comprising a cover member (14) made of a non-conductive material that closes the opening (130) of the housing (13), the excitation coil (31) and the multiple detection coils (32, 33) are formed on a single substrate (3), and the substrate (3) is attached to the cover member (14).
以上、本発明の実施の形態を説明したが、上記に記載した実施の形態は特許請求の範囲に係る発明を限定するものではない。また、実施の形態の中で説明した特徴の組合せの全てが発明の課題を解決するための手段に必須であるとは限らない点に留意すべきである。 Although the embodiments of the present invention have been described above, the embodiments described above do not limit the invention according to the claims. Furthermore, it should be noted that not all combinations of features described in the embodiments are essential for solving the problems of the invention.
また、ストロークセンサ2による位置の検出対象の移動部材としては、車両用転舵装置1のラックシャフト12に限らず、車載用もしくは車載用以外のシャフトであってもよい。また、移動部材の形状としては、軸状体に限らず、例えば平板状等の様々な形状のものを用いることができる。
Further, the moving member whose position is to be detected by the
1…車両用転舵装置 12…ラックシャフト(移動部材)
120…凹部(非導電部) 121…導電部
13…ハウジング 14…蓋部材
2…ストロークセンサ(位置検出装置) 3…基板
31…励磁コイル 32…正弦波形状検出コイル
33…余弦波形状検出コイル C2…中心軸線(対称軸線)
301a,302a,303a,304a…第1乃至第4の曲線部
1...
120... Concave portion (non-conductive part) 121...
301a, 302a, 303a, 304a...first to fourth curved parts
Claims (8)
前記移動部材の前記移動方向に延在して配置された励磁コイル及び検出コイルを備え、
前記励磁コイルが発生する磁界によって前記検出コイルに電圧が誘起され、
前記検出コイルに誘起される電圧の大きさが前記検出コイルに対する前記移動部材の前記移動方向の位置によって変化する、
位置検出装置。 A position detection device for detecting the position of a moving member in which a conductive part and a non-conductive part having a higher electrical resistance than the conductive part are arranged side by side in a predetermined moving direction,
comprising an excitation coil and a detection coil arranged to extend in the moving direction of the moving member,
A voltage is induced in the detection coil by the magnetic field generated by the excitation coil,
The magnitude of the voltage induced in the detection coil varies depending on the position of the moving member in the moving direction with respect to the detection coil.
Position detection device.
請求項1に記載の位置検出装置。 A plurality of detection coils are provided, and voltages induced in each of the plurality of detection coils when the movable member is moved have different phases.
The position detection device according to claim 1.
請求項2に記載の位置検出装置。 the magnitude of the voltage induced in each of the plurality of detection coils changes within a range of one period or less while the movable member moves from one moving end to the other moving end in the axial direction;
The position detection device according to claim 2 .
請求項2又は3に記載の位置検出装置。 Each of the plurality of detection coils is a combination of two sinusoidal conductor wires whose shape when viewed from a direction perpendicular to the movement direction is symmetrical across a symmetry axis parallel to the movement direction. is the shape,
The position detection device according to claim 2 or 3.
前記励磁コイルは、複数の前記検出コイルを囲むように前記基板に形成されている、
請求項1に記載の位置検出装置。 The excitation coil and the plurality of detection coils are formed on one substrate,
The excitation coil is formed on the substrate so as to surround the plurality of detection coils,
The position detection device according to claim 1.
前記基板が前記凹部に対向する、
請求項5に記載の位置検出装置。 the conductive portion of the movable member has a circular cross-sectional shape, and the non-conductive portion is a recess formed in a part of an outer circumferential surface of the movable member in a circumferential direction,
The substrate faces the recess.
The position detection device according to claim 5 .
前記シャフトに、径方向に窪んで形成された凹部が設けられており、
前記位置検出装置は、
前記シャフトの前記車幅方向に延在して配置された励磁コイル及び検出コイルを備え、
前記励磁コイルが発生する磁界によって前記検出コイルに電圧が誘起され、
前記検出コイルに誘起される電圧の大きさが前記ハウジングに対する前記シャフトの位置によって変化する、
車両用転舵装置。 A steering device for a vehicle, comprising: a shaft made of a conductive metal that moves back and forth in an axial direction along a vehicle width direction; a housing made of a conductive metal that accommodates the shaft; and a position detection device that detects a position of the shaft relative to the housing, wherein the wheels are steered by the axial movement of the shaft,
The shaft is provided with a recess formed by being recessed in a radial direction,
The position detection device is
An excitation coil and a detection coil are disposed to extend in the vehicle width direction of the shaft,
A voltage is induced in the detection coil by a magnetic field generated by the excitation coil,
the magnitude of the voltage induced in the detection coil varies with the position of the shaft relative to the housing;
Steering device for vehicles.
前記ハウジングの前記開口部を閉塞する非導電体からなる蓋部材をさらに備え、
前記励磁コイル及び複数の前記検出コイルが1枚の基板に形成されており、
前記蓋部材に前記基板が取り付けられている、
請求項7に記載の車両用転舵装置。
an opening extending in the vehicle width direction is formed in the housing;
further comprising a lid member made of a non-conductive material that closes the opening of the housing,
The excitation coil and the plurality of detection coils are formed on one substrate,
the substrate is attached to the lid member;
The vehicle steering device according to claim 7.
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