JP5452957B2 - Magnetostrictive torque sensor and electric power steering device - Google Patents
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Description
本発明は、磁歪に起因する磁気特性の変化に基づいて回転軸に作用するトルクを検出する、磁歪式トルクセンサ及び電動パワーステアリング装置に関する。 The present invention relates to a magnetostrictive torque sensor and an electric power steering apparatus that detect torque acting on a rotating shaft based on a change in magnetic characteristics caused by magnetostriction.
非接触式トルクセンサとして、磁歪に起因する磁気特性の変化に基づいてトルクを検出する磁歪式トルクセンサが知られており、この磁歪式トルクセンサは、例えば、電動ステアリング装置の操舵トルク検出用等に用いられることが知られている(例えば、特許文献1(図3)。)。 As a non-contact type torque sensor, a magnetostrictive torque sensor that detects torque based on a change in magnetic characteristics caused by magnetostriction is known. This magnetostrictive torque sensor is used for detecting steering torque of an electric steering device, for example. (For example, Patent Document 1 (FIG. 3)).
特許文献1を次図に基づいて説明する。
図4に示されるように、従来の電動パワーステアリング装置100では、自在軸継手101に回転軸102の一端部102aが連結され、この回転軸102の他端部102bにラックアンドピニオン機構103を介してラック軸104が連結される。
Patent document 1 is demonstrated based on the following figure.
As shown in FIG. 4, in the conventional electric
回転軸102は、一端部102aを除いて、2個の軸受105,106でハウジング107に支持されている。そして、この回転軸102は、ラックアンドピニオン機構103のピニオン108の両端部だけを2個の軸受105,106で支持することになる。
The rotating
また、電動パワーステアリング装置100は、磁歪式トルクセンサ110を備えており、この磁歪式トルクセンサ110は、ステアリングハンドルに加えられたステアリング系の操舵トルクを検出するものであり、回転軸102の一端部102aの表面に設けられた磁歪膜111,112と、この磁歪膜111,112の近傍に配置された検出コイル113,114とからなる。回転軸102に作用するトルクに応じて磁歪膜111,112の磁歪特性が変化するため、これを検出イル113,114で検出することにより、トルクを磁気的に検出することができる。
The electric
また、上述した磁歪式トルクセンサ110の故障を誤検出するのを防止するために、第1磁性膜に第1検出コイルと第2検出コイルを対抗配置し、第2磁性膜に、第3検出コイルと第4検出コイルとを対抗配置し、第1検出回路の出力と第2検出コイルの出力と、第3検出コイルの出力と、第4検出コイルの出力と、に基づいて磁歪式トルクセンサ110の故障を検出する技術も知られている(例えば、特許文献2(図1)。)。
In order to prevent erroneous detection of the failure of the
ところで、回転軸102の上方に、自在軸継手101が配置され、この自在軸継手101が荷重源となって、回転軸102に下向きの力や角度θ2に起因する曲げ力が加わる。その結果、回転軸102に設けられた磁歪膜111、112にそれぞれ非対称な応力が作用し、磁歪膜111と磁歪膜112との間にインダクタンス量の変化に差異が生じることがある。
By the way, the
また、ステアリングシャフト内の温度変化や磁場変動からなる環境変化によってもその非対称な環境変化により各磁歪膜111、112のインダクタンスの変化に同様の差異が生じてしまう可能性がある。このように、磁歪膜111、112が、非対称な荷重や環境変化をうけてインダクタンス量の変化に差異が生じると、トルク中点電圧が変動して検出精度が落ちるという問題があった。
In addition, even if the environmental change is made up of a temperature change or a magnetic field fluctuation in the steering shaft, the asymmetrical environmental change may cause a similar difference in the change in inductance of each of the
本発明は、自在軸継手の影響や環境変化が作用してもインダクタンス量の変化を抑えることができる磁歪式トルクセンサ及び電動パワーステアリング装置を提供することを課題とする。 It is an object of the present invention to provide a magnetostrictive torque sensor and an electric power steering device that can suppress a change in inductance even when an influence of a universal shaft joint or an environmental change acts.
請求項1に係る発明は、運転者が操舵のために操作するステアリング操作子と、このステアリング操作子の回転作用を伝達する自在軸継手と、この自在軸継手に回転軸の一端がつながれ、前記回転軸の捻れを磁性作用により検出して前記回転軸に加えられるトルクを算出する磁歪式トルクセンサと、前記磁歪式トルクセンサで算出された前記トルクに応じて前記回転軸に補助操舵力を付加するモータと、前記磁歪式トルクセンサにより算出された前記トルクに係る信号に基づいて前記モータの駆動を制御する電子制御装置と、を備えた磁歪式トルクセンサを備えた電動パワーステアリング装置であって、前記磁歪式トルクセンサは、前記回転軸の外周面に配置され、トルクが作用した状態で隣接する同士で磁気異方性を異にする、少なくとも第1磁性膜、第2磁性膜、および第3磁歪膜と、前記第1磁性膜に所定の間隙を空けて対向配置され、前記第1磁性膜の透磁率の変化に応じてインダクタンスの変化を検出する第1検出コイルと、前記第2磁性膜に所定の間隙を空けて対向配置され、前記第2磁性膜の透磁率の変化に応じてインダクタンスの変化を検出する2つの検出コイルからなる第2検出コイルと、前記第3磁性膜に所定の間隙を空けて対向配置され、前記第3磁性膜の透磁率の変化に応じてインダクタンスの変化を検出する第3検出コイルと、前記第1検出コイルと前記第2検出コイルの一方の検出コイルの出力信号の和によって、前記第1検出コイルと前記第2検出コイルの一方の検出コイルの出力信号のうち小さい方の出力信号を除算して第1の信号を生成し、前記第2検出コイルの他方の検出コイルと前記第3検出コイルの出力信号の和によって、前記第2検出コイルの他方の検出コイルと前記第3検出コイルの出力信号のうち小さい方の出力信号を除算して第2の信号を生成し、前記第1の信号と前記第2の信号との差分から前記回転軸に作用するトルクを算出する演算回路と、を備えたことを特徴とする。 The invention according to claim 1, a steering operator operated by a driver for steering a universal coupling for transmitting the rotation action of the steering operator, one end of the rotary shaft The universal joint coupling is connected, A magnetostrictive torque sensor that detects torsion of the rotating shaft by a magnetic action and calculates a torque applied to the rotating shaft, and an auxiliary steering force is applied to the rotating shaft according to the torque calculated by the magnetostrictive torque sensor. An electric power steering device comprising a magnetostrictive torque sensor comprising: a motor to be added; and an electronic control device that controls driving of the motor based on a signal related to the torque calculated by the magnetostrictive torque sensor. The magnetostrictive torque sensor is disposed on the outer peripheral surface of the rotating shaft and has different magnetic anisotropy between adjacent ones in a state where torque is applied. 1 magnetic film, a second magnetic layer, and the third magnetostrictive film, the first magnetic film are opposed with a predetermined gap therebetween, detecting a change in inductance in accordance with a change in the permeability of the first magnetic layer a first detection coil, the second magnetic film to be opposed with a predetermined gap therebetween, the first consisting of two detection coils for detecting a change in inductance in accordance with a change in magnetic permeability of said second magnetic layer Two detection coils, a third detection coil that is disposed opposite to the third magnetic film with a predetermined gap therebetween, and detects a change in inductance according to a change in permeability of the third magnetic film, and the first detection Therefore the sum of the coil and the output signal of one of the detection coil of the second detection coil, by dividing the output signal of the smaller of the output signals of one of the detection coil of the first detection coil and the second detection coil Generate the first signal, before By the sum of the other detecting coil and an output signal of the third detection coil of the second detection coil, dividing the output signal of the smaller of the output signal of the second said the other of the detection coil of the detection coil the third detection coil And an arithmetic circuit for generating a second signal and calculating a torque acting on the rotating shaft from a difference between the first signal and the second signal.
請求項2に係る発明は、請求項1記載の磁歪式トルクセンサを備えた電動パワーステアリング装置において、前記演算回路は、分母に前記第1検出コイルと前記第2検出コイルの一方の検出コイルの出力信号の和を割り当て、分子に前記第1検出コイルと前記第2検出コイルの一方の検出コイルの出力信号のうち小さい方の出力信号を割り当て除算して前記第1の信号を生成する第1のハーフブリッジと、分母に前記第2の前記第2検出コイルの他方の検出コイルと前記第3検出コイルの出力信号の和を割り当て、分子に前記第2検出コイルの他方の検出コイルと前記第3検出コイルの出力信号のうち小さい方の出力信号を割り当て除算して前記第2の信号を生成する第2のハーフブリッジと、を有することを特徴とする。 According to a second aspect of the present invention, in the electric power steering apparatus including the magnetostrictive torque sensor according to the first aspect, the arithmetic circuit has a denominator of one of the detection coils of the first detection coil and the second detection coil. A first output signal is generated by assigning a sum of output signals and assigning and dividing a smaller output signal of the output signals of one of the first detection coil and the second detection coil to the numerator. A sum of output signals of the other detection coil of the second detection coil and the third detection coil is assigned to the denominator, and the other detection coil of the second detection coil is assigned to the numerator. And a second half bridge that generates and outputs the second signal by assigning and dividing the smaller one of the output signals of the three detection coils.
請求項3に係る発明は、請求項1記載の磁歪式トルクセンサを備えた電動パワーステアリング装置において、前記第1磁性膜と前記第3磁性膜は同じ第1の異方性を有し、前記第1磁性膜と前記第3磁性膜との間に前記第1の異方性とは異なる第2の異方性を有する前記第3磁性膜を配置することを特徴とする。 The invention of claim 3 is the electric power steering apparatus having a magnetostrictive torque sensor according to claim 1, wherein said third magnetic film and the first magnetic film has the same first anisotropic characterized by disposing said third magnetic film having a different second anisotropy and the first anisotropy between said first magnetic film and the third magnetic film .
請求項4に係る発明は、回転軸の捻れを磁性作用により検出して前記回転軸に加えられるトルクを算出する磁歪式トルクセンサにおいて、前記回転軸の外周面に配置され、トルクが作用した状態で隣接する同士で磁気異方性を異にする、少なくとも第1磁性膜、第2磁性膜、および第3磁歪膜と、前記第1磁性膜に所定の間隙を空けて対向配置され、前記第1磁性膜の透磁率の変化に応じてインダクタンスの変化を検出する第1検出コイルと、前記第2磁性膜に所定の間隙を空けて対向配置され、前記第2磁性膜の透磁率の変化に応じてインダクタンスの変化を検出する2つの検出コイルからなる第2検出コイルと、
前記第3磁性膜に所定の間隙を空けて対向配置され、前記第3磁性膜の透磁率の変化に応じてインダクタンスの変化を検出する第3検出コイルと、前記第1検出コイルと前記第2検出コイルの一方の検出コイルの出力信号の和によって、前記第1検出コイルと前記第2検出コイルの一方の検出コイルの出力信号のうち小さい方の出力信号を除算して第1の信号を生成し、前記第2検出コイルの他方の検出コイルと前記第3検出コイルの出力信号の和によって、前記第2検出コイルの他方の検出コイルと前記第3検出コイルの出力信号のうち小さい方の出力信号を除算して第2の信号を生成し、前記第1の信号と前記第2の信号との差分から前記回転軸に作用するトルクを算出する演算回路と、を備えたことを特徴とする。
According to a fourth aspect of the present invention, in the magnetostrictive torque sensor for detecting the twist of the rotating shaft by a magnetic action and calculating the torque applied to the rotating shaft, the magnetostrictive torque sensor is arranged on the outer peripheral surface of the rotating shaft and the torque is applied. At least the first magnetic film , the second magnetic film , and the third magnetostrictive film, which have different magnetic anisotropy between adjacent ones of the first magnetic film and the first magnetic film with a predetermined gap therebetween, 1 a first detection coil for detecting a change in inductance in accordance with a change in the magnetic permeability of the magnetic film, are opposed with a predetermined gap in the second magnetic film, a change in magnetic permeability of said second magnetic layer A second detection coil comprising two detection coils for detecting a change in inductance according to
A third detection coil disposed opposite to the third magnetic film with a predetermined gap to detect a change in inductance in accordance with a change in magnetic permeability of the third magnetic film; the first detection coil; and the second detection coil. The first signal is generated by dividing the smaller one of the output signals of the first detection coil and the second detection coil by the sum of the output signals of one of the detection coils of the detection coil. and, wherein the sum of the output signals of the second said the other of the detection coil of the detection coil the third detection coil, the smaller the output of the other detection coil and output signal of the third detection coil of the second detection coil An arithmetic circuit that divides the signal to generate a second signal and calculates a torque acting on the rotating shaft from a difference between the first signal and the second signal; .
本発明によれば、隣接する同士で磁気異方性を異にする、少なくとも第1磁性膜、第2磁性膜、第3磁歪膜と、この第1磁性膜、第2磁性膜、第3磁歪膜の透磁率の変化に応じてインダクタンスの変化を検出する、第1検出コイル、第2検出コイル、第3検出コイルとを設け、このうち、第2検出コイルは一方と他方の2つの検出コイルからなる。そして、演算回路を、第1検出コイルと第2検出コイルの一方の検出コイルの出力信号の和によって、第1検出コイルと第2検出コイルの一方の検出コイルの出力信号のうち小さい方の出力信号を除算して第1の信号を生成し、第2検出コイルの他方の検出コイルと第3検出コイルの出力信号の和によって、第2検出コイルの他方の検出コイルと第3検出コイルの出力信号のうち小さい方の出力信号を除算して第2の信号を生成し、第1の信号と第2の信号との差分から回転軸に作用するトルクを算出する構成とすることで、回転軸の一端にトルク以外の荷重が加わった場合のトルク中点電圧の変動を低減することができ、また、環境変化が発生した場合にもセンサ中電電圧の変動を抑制できる。 According to the present invention, at least the first magnetic film , the second magnetic film , and the third magnetostrictive film, and the first magnetic film , the second magnetic film , and the third magnetostrictive film , which have different magnetic anisotropy between adjacent ones. detecting a change in inductance in accordance with a change in the permeability of the membrane, the first detection coil, the second detection coil, and a third detection coil provided, of which the second detection coil one and the other of the two detection It consists of a coil. Then, the arithmetic circuit, the sum of the first detection coil and the output signal of one of the detection coil of the second detection coil, the output of the smaller of the first detection coil and the output signal of one of the detection coil of the second detection coil The signal is divided to generate the first signal, and the output of the other detection coil of the second detection coil and the output of the third detection coil is obtained by the sum of the output signals of the other detection coil of the second detection coil and the third detection coil. By dividing the smaller output signal of the signals to generate the second signal and calculating the torque acting on the rotating shaft from the difference between the first signal and the second signal, the rotating shaft The variation of the torque midpoint voltage when a load other than the torque is applied to one end of the sensor can be reduced, and the variation of the sensor medium voltage can be suppressed even when an environmental change occurs.
以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail.
図1に示されるように、電動パワーステアリング装置10において、ステアリング操作子としてのハンドル11から延びるステアリングシャフト12に、自在軸継手13が連結され、この自在軸継手13から中間軸14が延ばされ、この中間軸14の下端に自在軸継手15が連結され、この自在軸継手15に回転軸16が連結されている。
As shown in FIG. 1, in the electric
この回転軸16は、3つの軸受17、18、19で支持されており、下部にウオームホイール21及びピニオン22が設けられ、2つの軸受17、18間に、磁歪式トルクセンサ30が配置される。
The
ウオームホイール21は、モータ23のモータ軸に設けられているウオームギヤ24に噛み合っており、モータ22で駆動される。
ピニオン22は、左右の前輪25、26に渡されているラック軸27のラック28に噛み合い、ラック軸27を車幅方向へ移動させる。
The
The
磁歪式トルクセンサ30は、回転軸16の外周面の全周に渡り環状に設けられ、トルクが作用した状態で隣接する同士で透磁率が異っている、少なくとも第1磁歪膜31と、第2磁歪膜32(32a、32b)と、第3磁歪膜33と、この第1磁歪膜31と、第2磁歪膜32(32a、32b)と、第3磁歪膜33に所定の間隙を空けて対向配置され、それぞれの磁歪膜31、32(32a、32b)、33の透磁率の変化に応じてインダクタンスの変化を検出する、第1検出コイル34と、第2検出コイル35bと、第3検出コイル35aと、第4検出コイル36と、を有している。
The
各検出コイル34、35b、35a、36のインダクタンスの変化は、電圧変化に変換され、電子制御装置(ECU40)に出力される。
ECU40は、第1検出コイル34と第3検出コイル35aの出力信号を比較した第1の信号と、第2検出コイル3bと第4検出コイル36の出力信号を比較した第2の信号との差分から回転軸16に作用するトルクを算出する演算回路として機能する。
The change in inductance of each
The
なお、上述した第1磁歪膜31、第2磁歪膜32(32a、32b)、第3磁歪膜33のそれぞれの磁気異方性の方向、第1検出コイル34、第2検出コイル35b、第3検出コイル35a、第4検出コイル36のそれぞれにおけるインダクタンスの変化、および、ECU40によるトルク算出の原理ついては、図2以降を参照して詳細に説明する。
In addition, the direction of the magnetic anisotropy of each of the first
以下の説明で、(CC)(BB)(AA)(DD)は、磁歪膜31、32b、32a、33毎のインダクタンスを示す。
図2に示されるように、本発明の実施の形態に係る磁歪式トルクセンサ30は、回転軸16と、4つの磁歪膜31(CC)、32b(BB)、32a(AA)、333(DD)と、それぞれの磁歪膜31(CC)、32b(BB)、32a(AA)、333(DD)に所定の間隙を空けて対向配置され、各磁歪膜31(CC)、32b(BB)、32a(AA)、333(DD)の透磁率の変化に応じてインダクタンスの変化を検出する、第1検出コイル34、第2検出コイル35b、第3検出コイル35a、第4検出コイル36とで構成される。
In the following description, (CC), (BB), (AA), and (DD) indicate inductances for the
As shown in FIG. 2, the
ここで、4つの磁歪膜31(CC)、32b(BB)、32a(AA)、333(DD)の磁気異方性付加方向は、軸方向に、例えば、右、左、左、右のそれぞれとする。なお、左、右、右、左でもよい。
各磁歪膜31(CC)、32b(BB)、32a(AA)、333(DD)は、歪みに対して透磁率の変化が大きい素材からなる金属膜であり、メッキ法で形成したNi−Fe系の合金膜、スパッタ膜、シェブロン構造のいずれでもよい。
Here, the magnetic anisotropy adding directions of the four magnetostrictive films 31 (CC), 32b (BB), 32a (AA), and 333 (DD) are axial directions, for example, right, left, left, and right, respectively. And It may be left, right, right, left.
Each of the magnetostrictive films 31 (CC), 32b (BB), 32a (AA), and 333 (DD) is a metal film made of a material having a large change in magnetic permeability with respect to strain, and Ni—Fe formed by a plating method. Any of an alloy film, a sputtered film and a chevron structure may be used.
また、各磁歪膜31(CC)、32b(BB)、32a(AA)、333(DD)の透磁率の変化に応じてインダクタンスの変化を検出する検出ブリッジは、一方の(第1)ハーフブリッジをVT1=CC/(AA+CC)とし、他方の(第2)ハーフブリッジをVT2=BB/(BB+DD)とする2つのハーフブリッジの差動アンプ41による差動出力(VT3=VT2−VT1)とするフルブリッジ構成とする。ここで、VT1,VT2は、ハーフブリッジ出力電圧であり、VT3は、トルク検出電圧である。 The detection bridge that detects the change in inductance in accordance with the change in the magnetic permeability of each of the magnetostrictive films 31 (CC), 32b (BB), 32a (AA), and 333 (DD) is one (first) half bridge. VT1 = CC / (AA + CC) and the other (second) half bridge is VT2 = BB / (BB + DD), and the differential output by the two half-bridge differential amplifiers 41 (VT3 = VT2-VT1). Full bridge configuration. Here, VT1 and VT2 are half-bridge output voltages, and VT3 is a torque detection voltage.
但し、インダクタンス変化は、自在軸継手15からの荷重による影響により、自在軸継手15と各磁歪膜31(CC)、32b(BB)、32a(AA)、333(DD)の中心位置までの距離に応じて変化する。ここでは、BB>DD、CC>AAである。 However, due to the influence of the load from the universal shaft joint 15, the inductance change is a distance from the universal shaft joint 15 to the center position of each of the magnetostrictive films 31 (CC), 32b (BB), 32a (AA), and 333 (DD). It changes according to. Here, BB> DD and CC> AA.
このことを利用し、ECU40は、第1ハーフブリッジを構成する分母に第1検出コイル34と第3検出コイル35bの出力信号の和を、分子に第1検出コイル34と第3検出コイル35bの出力信号のうち小さい方(ここでは第1検出コイル34)を割り当て除算することにより第1の検出信号であるハーフブリッジ出力電圧VT1を生成する(VT1=CC/(AA+CC))。
また、第2のハーフブリッジを構成する分母に第2検出コイル35bと第4検出コイル34の出力信号の和を、分子に第2検出コイル35bと第4検出コイル34の出力信号のうち小さい方(ここでは第2検出コイル35b)を割り当てて除算することにより第2の検出信号であるハーフブリッジ出力電圧VT2を生成する(VT2=BB/(BB+DD))。
Using this, the
The sum of the output signals of the
なお、故障検出出力VTFは、従来同様、加算器42による、第1の検出信号VT1と第2の検出信号VT2との和動出力(VTF=VT1+VT2)である。
The failure detection output VTF is a sum output (VTF = VT1 + VT2) of the first detection signal VT1 and the second detection signal VT2 by the
磁歪式トルクセンサ30のトルク検出出力特性を図3で説明する。図3において、横軸は、回転軸16(回転軸)に加えられたトルクを、縦軸は電圧(インダクタンス変化)を意味する。
The torque detection output characteristics of the
図3に示されるように、VT1=CC/(AA+CC)とVT2=BB/(BB+DD)は、隣接する磁歪膜がそれぞれ互いに逆方向となる磁気異方性を有することから、VT1とVT2が交わる交点Bを含む縦軸に関して略線対称の関係にある。
VT3は、このVT1とVT2を利用し、両特性の差動をとることによって作成されるトルク出力特性を示す。このVT3を監視することにより、回転軸16に印加されるトルクを算出することができる。実際には、VT3の点Bを原点位置(トルク中点)に設定し、右側部分を正領域、左側部分を負領域として扱う。このVT3によりトルクの回転方向と大きさの情報を得ることができる。
As shown in FIG. 3, VT1 = CC / (AA + CC) and VT2 = BB / (BB + DD) have magnetic anisotropies in which the adjacent magnetostrictive films are in opposite directions, so that VT1 and VT2 intersect. The vertical axis including the intersection B is substantially line symmetric.
VT3 indicates a torque output characteristic created by using VT1 and VT2 and taking the difference between the two characteristics. By monitoring this VT3, the torque applied to the
本発明の実施の形態に係る磁歪式トルクセンサ30によれば、上述した検出ブリッジを構成する分子に磁性変化の少ない磁歪膜を割り当てることで、VT1とVT2の差動によるトルク算出時の変動相殺効果を増大させ、回転軸16にトルク以外の荷重が印加された場合のトルク中点電圧の変動を低減させることができる。
According to the
本発明の実施の形態に係る磁歪式トルクセンサ30の評価データを次に示す。
Evaluation data of the
表1は、自在軸継手15に250Nmの荷重が印加された場合の磁歪式トルクセンサ30のインピーダンス変化の様子について、4枚の磁歪膜(DD、AA、BB、CC)毎、自在軸継手15の配置位置を原点に各磁歪膜中心位置までの距離(位置)と、初期インピーダンス(初期Z)と、荷重印加時のインピーダンス(荷重時Z)と、インピーダンス変化(Δ)とを対応づけて表形式で示したものである。
Table 1 shows the state of impedance change of the
表1において、例えば、磁歪膜(DD)について、位置が83.5mm、初期Zが250Ω、荷重時Zが248.2414Ω、Δが11.75859Ωである。以下、同様に、磁歪膜(AA)、(BB)、(CC)毎の位置、初期Z、荷重時Z、Δが示されている。表1によれば、自在軸継手15の近くに位置する磁歪膜ほど特性変化が小さいことが理解できる(DD<AA<BB<CC)。 In Table 1, for example, for the magnetostrictive film (DD), the position is 83.5 mm, the initial Z is 250Ω, the loaded Z is 248.2414Ω, and Δ is 11.75859Ω. Hereinafter, similarly, the position, initial Z, loading Z, and Δ for each of the magnetostrictive films (AA), (BB), and (CC) are shown. According to Table 1, it can be understood that the magnetostrictive film located near the universal shaft joint 15 has a smaller characteristic change (DD <AA <BB <CC).
表2は、このときのVT1、VT2、VT3の電圧変化の様子を表形式で示したものである。
表2において、Aは、例えば、特許文献2に開示された一対の磁歪膜に対して検出を行う従来方法を適用し、外乱が加わった場合のトルク中点電圧値、Bは本発明を適用した場合のトルク中点電圧値であり、これにより、9%程度(9.331104)発生していたトルク中点電圧の変動を1%以下(0.8127638)にまで低減できることが理解できる。
Table 2 shows the state of voltage changes of VT1, VT2, and VT3 at this time in a table format.
In Table 2, A is a conventional method for detecting a pair of magnetostrictive films disclosed in Patent Document 2, for example, and a torque midpoint voltage value when a disturbance is applied. B is an application of the present invention. Thus, it can be understood that the fluctuation of the torque midpoint voltage generated by about 9% (9.331104) can be reduced to 1% or less (0.8127638).
以上に説明したように本発明の実施の形態に係る磁歪式トルクセンサ30によれば、回転軸16に少なくとも3枚の磁歪膜を設け、軸方向上端から、例えば、右、左、右のように互いに異なる磁気異方性を付加し、また、検出ブリッジを構成する分子に磁性変化の小さな磁歪膜を配置することで、シャフト上端に入力トルク以外の荷重が印加された場合のトルク中点電圧の変動を低減させることができる。また、温度変化により、あるいは走行環境により磁場変化がシャフト上端から下端に発生した場合にも同様、トルク中点電圧の変動を大幅に減少できる。このことにより、磁歪式トルクセンサ30の信頼性を大幅に高めることができ、電動パワーステアリング装置10をはじめとした適用分野を広げることができる。
As described above, according to the
また、本発明の実施の形態に係る磁歪式トルクセンサ30を備えた電動パワーステアリング装置10によれば、磁歪式トルクセンサ30により算出されたトルクに係る信号に基づいてモータ23の駆動を制御することにより、自在軸継手15等の支点位置により回転軸16の一端にトルク以外の荷重が印加された場合にも、トルク中点電圧の変動を低減することができ、また、温度や磁場変化が発生した場合にもトルク中点電圧の変動を抑制でき、信頼性の高い電動パワーステアリング装置10を提供することができる。
In addition, according to the electric
本発明は、電動パワーステアリング装置10の操舵トルク検出に用いる磁歪式トルクセンサ30に適用して特に顕著な効果が得られる。
The present invention is particularly effective when applied to the
10…電動パワーステアリング装置、13、15…自在軸継手、16…回転軸、30…磁歪式トルクセンサ、31…第1磁歪膜、32a、32b…第2磁歪膜、33…第3磁歪膜、34…第1検出コイル、35…第2検出コイル、36…第3検出コイル、40…ECU、41…差動アンプ、42…加算器
DESCRIPTION OF
Claims (4)
このステアリング操作子の回転作用を伝達する自在軸継手と、
この自在軸継手に回転軸の一端がつながれ、前記回転軸の捻れを磁性作用により検出して前記回転軸に加えられるトルクを算出する磁歪式トルクセンサと、
前記磁歪式トルクセンサで算出された前記トルクに応じて前記回転軸に補助操舵力を付加するモータと、
前記磁歪式トルクセンサにより算出された前記トルクに係る信号に基づいて前記モータの駆動を制御する電子制御装置と、を備えた磁歪式トルクセンサを備えた電動パワーステアリング装置であって、
前記磁歪式トルクセンサは、
前記回転軸の外周面に配置され、トルクが作用した状態で隣接する同士で磁気異方性を異にする、少なくとも第1磁性膜、第2磁性膜、および第3磁歪膜と、
前記第1磁性膜に所定の間隙を空けて対向配置され、前記第1磁性膜の透磁率の変化に応じてインダクタンスの変化を検出する第1検出コイルと、
前記第2磁性膜に所定の間隙を空けて対向配置され、前記第2磁性膜の透磁率の変化に応じてインダクタンスの変化を検出する2つの検出コイルからなる第2検出コイルと、
前記第3磁性膜に所定の間隙を空けて対向配置され、前記第3磁性膜の透磁率の変化に応じてインダクタンスの変化を検出する第3検出コイルと、
前記第1検出コイルと前記第2検出コイルの一方の検出コイルの出力信号の和によって、前記第1検出コイルと前記第2検出コイルの一方の検出コイルの出力信号のうち小さい方の出力信号を除算して第1の信号を生成し、前記第2検出コイルの他方の検出コイルと前記第3検出コイルの出力信号の和によって、前記第2検出コイルの他方の検出コイルと前記第3検出コイルの出力信号のうち小さい方の出力信号を除算して第2の信号を生成し、前記第1の信号と前記第2の信号との差分から前記回転軸に作用するトルクを算出する演算回路と、
を備えたことを特徴とする磁歪式トルクセンサを備えた電動パワーステアリング装置。 A steering operator operated by the driver for steering;
A universal shaft coupling that transmits the rotational action of the steering operator;
One end of the rotating shaft to the universal joint coupling is connected, the magnetostrictive torque sensor to calculate the torque applied to the rotating shaft is detected by the magnetic action of twisting of said rotary shaft,
A motor for adding an auxiliary steering force to the rotating shaft according to the torque calculated by the magnetostrictive torque sensor;
An electronic control device that controls driving of the motor based on a signal related to the torque calculated by the magnetostrictive torque sensor, and an electric power steering device comprising a magnetostrictive torque sensor,
The magnetostrictive torque sensor is
At least a first magnetic film , a second magnetic film , and a third magnetostrictive film that are disposed on the outer peripheral surface of the rotating shaft and have different magnetic anisotropy between adjacent ones in a state where torque is applied;
A first detection coil disposed opposite to the first magnetic film with a predetermined gap and detecting a change in inductance according to a change in permeability of the first magnetic film;
Said second magnetic film to be opposed with a predetermined gap therebetween, the second detection coil composed of two detection coils for detecting a change in inductance in accordance with a change in magnetic permeability of said second magnetic layer,
A third detection coil disposed opposite to the third magnetic film with a predetermined gap and detecting a change in inductance according to a change in permeability of the third magnetic film;
Wherein the sum of the first detection coil and the output signal of one of the detection coil of the second detection coil Therefore, the smaller of the output signals of the output signals of one of the detection coil of the first detection coil and the second detection coil To generate the first signal, and the other detection coil of the second detection coil and the third detection by the sum of the output signals of the other detection coil of the second detection coil and the third detection coil An arithmetic circuit that generates a second signal by dividing the smaller one of the output signals of the coil, and calculates a torque acting on the rotating shaft from a difference between the first signal and the second signal When,
An electric power steering apparatus comprising a magnetostrictive torque sensor.
分母に前記第1検出コイルと前記第2検出コイルの一方の検出コイルの出力信号の和を割り当て、分子に前記第1検出コイルと前記第2検出コイルの一方の検出コイルの出力信号のうち小さい方の出力信号を割り当て除算して前記第1の信号を生成する第1のハーフブリッジと、
分母に前記第2の前記第2検出コイルの他方の検出コイルと前記第3検出コイルの出力信号の和を割り当て、分子に前記第2検出コイルの他方の検出コイルと前記第3検出コイルの出力信号のうち小さい方の出力信号を割り当て除算して前記第2の信号を生成する第2のハーフブリッジと、
を有することを特徴とする請求項1記載の磁歪式トルクセンサを備えた電動パワーステアリング装置。 The arithmetic circuit is:
The sum of the output signals of one detection coil of the first detection coil and the second detection coil is assigned to the denominator, and the smaller one of the output signals of the detection coils of the first detection coil and the second detection coil is assigned to the numerator. A first half bridge that assigns and divides one output signal to generate the first signal;
The sum of the output signals of the other detection coil of the second detection coil and the third detection coil is assigned to the denominator, and the output of the other detection coil of the second detection coil and the third detection coil is assigned to the numerator. A second half bridge that assigns and divides the smaller output signal of the signals to generate the second signal;
An electric power steering apparatus comprising the magnetostrictive torque sensor according to claim 1.
前記回転軸の外周面に配置され、トルクが作用した状態で隣接する同士で磁気異方性を異にする、少なくとも第1磁性膜、第2磁性膜、および第3磁歪膜と、
前記第1磁性膜に所定の間隙を空けて対向配置され、前記第1磁性膜の透磁率の変化に応じてインダクタンスの変化を検出する第1検出コイルと、
前記第2磁性膜に所定の間隙を空けて対向配置され、前記第2磁性膜の透磁率の変化に応じてインダクタンスの変化を検出する2つの検出コイルからなる第2検出コイルと、
前記第3磁性膜に所定の間隙を空けて対向配置され、前記第3磁性膜の透磁率の変化に応じてインダクタンスの変化を検出する第3検出コイルと、
前記第1検出コイルと前記第2検出コイルの一方の検出コイルの出力信号の和によって、前記第1検出コイルと前記第2検出コイルの一方の検出コイルの出力信号のうち小さい方の出力信号を除算して第1の信号を生成し、前記第2検出コイルの他方の検出コイルと前記第3検出コイルの出力信号の和によって、前記第2検出コイルの他方の検出コイルと前記第3検出コイルの出力信号のうち小さい方の出力信号を除算して第2の信号を生成し、前記第1の信号と前記第2の信号との差分から前記回転軸に作用するトルクを算出する演算回路と、
を備えたことを特徴とする磁歪式トルクセンサ。 In a magnetostrictive torque sensor that detects torsion of a rotating shaft by a magnetic action and calculates torque applied to the rotating shaft,
At least a first magnetic film , a second magnetic film , and a third magnetostrictive film that are disposed on the outer peripheral surface of the rotating shaft and have different magnetic anisotropy between adjacent ones in a state where torque is applied;
A first detection coil disposed opposite to the first magnetic film with a predetermined gap and detecting a change in inductance according to a change in permeability of the first magnetic film;
Said second magnetic film to be opposed with a predetermined gap therebetween, the second detection coil composed of two detection coils for detecting a change in inductance in accordance with a change in magnetic permeability of said second magnetic layer,
A third detection coil disposed opposite to the third magnetic film with a predetermined gap and detecting a change in inductance according to a change in permeability of the third magnetic film;
By the sum of the output signal of one of the detection coil of the second detection coil and the first detection coil, the output signal of the smaller of the output signals of one of the detection coil of the first detection coil and the second detection coil The first detection signal is generated by division, and the other detection coil of the second detection coil and the third detection coil are obtained by the sum of the output signals of the other detection coil of the second detection coil and the third detection coil. An arithmetic circuit that generates a second signal by dividing a smaller one of the output signals of the output signal, and calculates a torque acting on the rotating shaft from a difference between the first signal and the second signal; ,
A magnetostrictive torque sensor comprising:
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