JP5634930B2 - 相対角度検出装置、電動パワーステアリング装置 - Google Patents
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Description
例えば、特許文献1には、以下のように構成されたトルクセンサ(相対角度検出装置)が記載されている。すなわち、特許文献1に記載のトルクセンサは、入力軸と出力軸とを同軸上に連結するトーションバー、入力軸の端部に取り付けられるリング状の磁石、出力軸の端部に取り付けられる一組の磁気ヨーク、及び磁気ヨークに生じる磁束密度を検出する磁気センサ等より構成される。磁気ヨークは、磁石のN極及びS極と同数(12個)の爪が全周に等間隔に設けられている。この磁気ヨークと磁石は、トーションバーに捩れが生じていない状態で、磁気ヨークに設けられた爪の中心と磁石のN極とS極との境界とが一致するように配置されている。磁気センサは、軸方向に対向する磁気ヨークと磁気ヨークとの間に設けられるギャップ内に挿入されて磁束密度を検出する。
弾性部材の破損を防ぐために、2つの回転軸の相対回転角度が過大となることを抑制する手段を設けることも考えられる。その際、装置の組立て性を考慮して設けることが望ましい。
本発明は、組立て性を悪化させることなく2つの回転軸を連結する弾性部材の破損を防止することができる装置を提供することを目的とする。
他の観点から捉えると、本発明は、弾性部材にて連結された第1の回転軸と第2の回転軸との相対回転角度を、固定前に予め着磁され当該第1の回転軸に固定された磁石と、当該第2の回転軸に固定された磁性部材とで検出する相対角度検出装置であって、前記第1の回転軸および前記第2の回転軸のいずれか一方の回転軸に設けられた凸部と他方の回転軸に設けられ当該凸部が嵌め込まれる凹部とから構成され、前記弾性部材が所定の角度を超えて捩れるのを規制する規制部を、当該第1の回転軸および当該第2の回転軸の周方向に等間隔に複数備え、前記磁石のいずれかの磁極の数を前記規制部の数で除算することにより得られる数が自然数であることを特徴とする相対角度検出装置である。
図1は、実施の形態に係る電動パワーステアリング装置100の概略構成を示す図である。図2は、ステアリングギアボックス107内を示す断面図である。なお、図2においては、後述する下部連結シャフト108、ピニオンシャフト106および相対角度検出装置20などを左右非対称に示している。
電動パワーステアリング装置100(以下、単に「ステアリング装置100」と称する場合もある。)は、乗り物の進行方向を任意に変えるためのかじ取り装置であり、本実施の形態においては自動車に適用した構成を例示している。
また、ステアリング装置100は、ピニオンシャフト106を収納するステアリングギアボックス107を有している。ピニオンシャフト106は、ステアリングギアボックス107にてトーションバー140(図2参照)を介して上述した下部連結シャフト108と連結されている。
ステアリングギアボックス107の内部には、下部連結シャフト108とピニオンシャフト106との相対角度に基づいて、言い換えればトーションバー140の捩れ量を検出する相対角度検出装置20が設けられている。この相対角度検出装置20については後で詳述する。
ステアリング装置100は、また、電動モータ110の作動を制御する制御装置10を備えている。制御装置10には、上述した相対角度検出装置20の出力値、自動車の移動速度である車速Vを検出する車速センサ170の出力値が入力される。
図3は、図2におけるX部の拡大図である。図4は、相対角度検出装置20の主要部品の概略構成図である。図5は、相対角度検出装置20を、図2におけるY方向から見た図である。なお、図4においては、後述するブラケット60は省略している。
相対角度検出装置20は、下部連結シャフト108に取り付けられる磁石21と、磁石21が形成する磁界内に配置されたヨーク30と、ヨーク30に生じる磁束密度を検出する磁気センサ40とを有している。
第1の突起部31bは、磁石21のN極およびS極と同数形成されている。つまり、磁石21のN極およびS極がそれぞれ例えば12個である場合には、第1の突起部31bも12個形成されている。そして、この第1の突起部31bは、下部連結シャフト108の回転半径方向においては、図3,図5に示すように、磁石21の外周面と対向するようにこの外周面よりもやや外側に配置されており、その第1の突起部31bの磁石21と対向する面は、下部連結シャフト108の回転軸に直交する方向に見ると長方形である。
第2の突起部32bは、磁石21のN極およびS極と同数形成されている。そして、この第2の突起部32bは、下部連結シャフト108の回転半径方向においては、図3,図5に示すように、磁石21の外周面と対向するようにこの外周面よりもやや外側に配置されており、その第2の突起部32bの磁石21と対向する面は、下部連結シャフト108の回転軸に直交する方向に見ると長方形である。
第3の突起部33bおよび第4の突起部34bは、磁石21のN極およびS極と同数形成されている。そして、この第3の突起部33bおよび第4の突起部34bは、下部連結シャフト108の回転半径方向においては、図3,図5に示すように、磁石21の外周面と対向するようにこの外周面よりもやや外側に配置されており、その第3の突起部33bおよび第4の突起部34bの磁石21と対向する面は、下部連結シャフト108の回転軸に直交する方向に見ると長方形である。
なお、本実施の形態に係る第3のヨーク33においては、第3の突起部33bおよび第4の突起部34bは、下部連結シャフト108の軸方向に一体的に連続して形成されている。
第2の磁気センサ42は、ハウジング120に固定されており、下部連結シャフト108の軸方向において、第2のヨーク32の第2の円環部32aと第3のヨーク33の第3の円環部33aとの間に配置されている。第2の磁気センサ42は、制御装置10から電源電圧が供給されることにより作動して、第2のヨーク32と第3のヨーク33との間の磁束密度を検出し、検出した磁束密度を電気信号(例えば電圧信号)に変換して出力する。
そして、第1の磁気センサ41と第2の磁気センサ42とは、例えば下部連結シャフト108の軸方向に同じ向きの磁界が生じている場合には、同じ符号の磁束密度を検出するように配置されている。これら第1の磁気センサ41および第2の磁気センサ42としては、磁気抵抗素子、ホールIC、ホール素子などを例示することができる。
図6は、下部連結シャフト108とピニオンシャフト106とが相対変位する前の相対角度検出装置20の状態を示す図である。図6(a)は、磁石21とヨーク30との関係を、図2におけるY方向に見た図である。図6(b)は、磁石21およびヨーク30を、(a)におけるZ方向に見た図である。
図7は、図5で見た場合に、磁石21(下部連結シャフト108)がヨーク30(ピニオンシャフト106)に対して時計回転方向に回転した状態を示す図である。図8は、図5で見た場合に、磁石21がヨーク30に対して反時計回転方向に回転した状態を示す図である。それぞれの図において、(a)は磁石21とヨーク30との関係を、図2におけるY方向から見た図である。(b)は磁石21およびヨーク30を、(a)におけるZ方向に見た図である。
また、図9は、磁石21(下部連結シャフト108)とヨーク30(ピニオンシャフト106)との相対角度(トーションバー140の捩れ角θ)と第1の磁気センサ41および第2の磁気センサ42が検出する磁束密度との関係を示す図である。
図10においては、横軸に操舵トルクT、縦軸に第1の電圧信号V1sの第1の電圧V1および第2の電圧信号V2sの第2の電圧V2を示している。横軸は、操舵トルクTが零の状態、言い換えれば、トーションバー140の捩れ量が零の状態を中点にし、右方向の操舵トルクTをプラス、左方向の操舵トルクをマイナスとしている。
そして、本実施の形態に係る第1の磁気センサ41および第2の磁気センサ42は、図10に示すように、第1の電圧信号V1sが示す第1の電圧V1および第2の電圧信号V2sが示す第2の電圧V2が、最大電圧VHiと最小電圧VLoとの間で変化するように構成されている。なお、最大電圧VHiは、第1の磁気センサ41,第2の磁気センサ42が第1の電圧信号V1s,第2の電圧信号V2sとして出力可能な出力上限値よりわずかに低く、最小電圧VLoは、出力可能な出力下限値よりわずかに高く設定される。
さらに、操舵トルクTの変化に対する第1の電圧信号V1sの変化の割合と第2の電圧信号V2sの変化の割合(絶対値)は等しく、同じ操舵トルクTを示す第1の電圧信号V1sの第1の電圧V1と第2の電圧信号V2sの第2の電圧V2を合計した合計電圧Vt(以下、単に「合計電圧Vt」と称する場合がある)が常に予め定められた所定電圧となる特性を有する。本実施の形態において、合計電圧Vtは、一定電圧(VHi+VLo)となるように構成されており、「VHi+VLo」が所定電圧となる。
したがって、操舵トルクTが零の中点では、第1の電圧信号V1sの第1の電圧V1および第2の電圧信号V2sの第2の電圧V2は共に2.5〔V〕となり、第1の電圧V1と第2の電圧V2との合計電圧Vtは常に5〔V〕となる。そして、操舵トルクTが右方向に増加すると、第1の電圧V1は2.5〔V〕から上昇し、第2の電圧V2は2.5〔V〕から低下する。他方、操舵トルクTが左方向に増加すると、第1の電圧V1は2.5〔V〕から低下し、第2の電圧V2は2.5〔V〕から上昇する。
制御装置10は、電動モータ110の制御を行う際の演算処理を行うCPU11と、CPU11にて実行されるプログラムや各種データ等が記憶されたROM12と、CPU11の作業用メモリ等として用いられるRAM13と、EEPROM(Electrically Erasable & Programmable Read Only Memory)14と、を備えている。
制御装置10には、上述した相対角度検出装置20からの出力値、車速センサ170にて検出された車速Vが出力信号に変換された車速信号vなどが入力される。
制御装置10は、相対角度検出装置20から入力される信号に基づいて操舵トルクTを検出(算出)するトルク検出部と、トルク検出部にて検出された操舵トルクTに基づいて電動モータ110に供給する目標電流を算出する目標電流算出部と、目標電流算出部が算出した目標電流に基づいてフィードバック制御などを行うモータ駆動制御部と、電動モータ110を駆動させるモータ駆動部と、を備えている。
なお、トルク検出部は、磁気センサ40の第1の磁気センサ41に異常が生じ、第2の磁気センサ42のみが正常である場合には、非常用として、第2の磁気センサ42からの第2の電圧信号V2sの第2の電圧V2に基づいて操舵トルクTを算出し、算出した操舵トルクTを電気信号に変換したトルク信号Tdを目標電流算出部へ出力する。
下部連結シャフト108における軸方向のピニオンシャフト106側の端部108aは、基本的には円筒状である。ピニオンシャフト106には、軸方向の下部連結シャフト108側の端部に、下部連結シャフト108側の端面から軸方向に基本的には円柱状に凹んだ軸方向凹部106bが設けられている。そして、図3に示すように、下部連結シャフト108の端部108aが、ピニオンシャフト106の軸方向凹部106bに挿入された状態で、下部連結シャフト108およびピニオンシャフト106はトーションバー140に連結される。
本実施の形態に係るステアリング装置100においては、図11に示すように、下部連結シャフト108およびピニオンシャフト106の周方向に等間隔に2つの規制部70aおよび70bを設けている。つまり、周方向に180度間隔で2つの規制部70が設けられており、その内の一方が凸部71aと径方向凹部72aとから構成される規制部70aであり、他方が凸部71bと径方向凹部72bとから構成される規制部70bである。これら凸部71aと凸部71bとは同じ形状であり、径方向凹部72aと径方向凹部72bとは同じ形状である。
図12は、下部連結シャフト108とピニオンシャフト106とに上述した規制部70が設けられておらず、下部連結シャフト108をトーションバー140に連結する前に、下部連結シャフト108をピニオンシャフト106に対して図5の時計回転方向に360度回転させたときに第1の磁気センサ41が検出する磁束密度B1を示す図でもある。
本実施の形態に係る相対角度検出装置20においては、磁石21がN極およびS極がそれぞれ12個ある極数が24の磁石であることから、磁極1個分の角度αは15度(α=360/24=15)であり、磁石21を時計回転方向に360度回転させたときに第1の磁気センサ41が検出する磁束密度B1の波形は、図12に示すような12周期の波形となる。
比較構成は、磁石21のN極とS極の数がそれぞれ11個であり、ヨーク30の第1の突起部31b、第2の突起部32b、第3の突起部33bおよび第4の突起部34bを11個とする。その他は、上述した実施の形態と同じであり、下部連結シャフト108およびピニオンシャフト106の周方向には等間隔に2つの規制部70が設けられているものとする。
図13は、比較構成において、磁石21の時計回転方向のN極とS極との境界線と第1のヨーク31の第1の突起部31bの周方向の中心とが一致する初期状態から磁石21を時計回転方向に360度回転させたときに第1の磁気センサ41が検出する磁束密度B1を示す図である。
したがって、本実施の形態に係るステアリング装置100においては、ピニオンシャフト106の凸部71aまたは凸部71bと、ピニオンシャフト106の径方向凹部72aまたは72bとの組み合わせを考慮する必要がないので、この比較構成と比べると、容易に組み立てることができると言える。
図14に示した構成では、下部連結シャフト108およびピニオンシャフト106の周方向に等間隔に3つの規制部70a、70bおよび70cを設けている。つまり、周方向に120度間隔で3つの規制部70が設けられており、その内の一つが凸部71aと径方向凹部72aとから構成される規制部70aであり、他の一つが凸部71bと径方向凹部72bとから構成される規制部70bであり、残りの一つが凸部71cと径方向凹部72cとから構成される規制部70cである。そして、これら凸部71a、凸部71bおよび凸部71cは同じ形状であり、径方向凹部72a、径方向凹部72bおよび径方向凹部72cは同じ形状である。
図15に示すように、規制部70の凸部71と径方向凹部72との組み合わせがいずれであっても磁気センサ40が検出する磁束密度(B1またはB2)は同じとなる。すなわち、磁気センサ40が検出する磁束密度は、凸部71aが径方向凹部72bに、凸部71bが径方向凹部72cに、凸部71cが径方向凹部72aに嵌合された状態で下部連結シャフト108およびピニオンシャフト106がトーションバー140に連結されたとしても、凸部71aが径方向凹部72aに、凸部71bが径方向凹部72bに、凸部71cが径方向凹部72cに嵌合された状態で連結された場合と同じになる。つまり、初期状態から、図5で見た場合に、磁石21(下部連結シャフト108)がヨーク30(ピニオンシャフト106)に対して時計回転方向に回転するにしたがって、第1の磁気センサ41が検出する磁束密度B1がプラスの方向へ大きくなり、第2の磁気センサ42が検出する磁束密度B2がマイナスの方向へ大きくなる。また、磁石21がヨーク30に対して反時計回転方向に回転するにしたがって、第1の磁気センサ41が検出する磁束密度B1がマイナスの方向へ大きくなり、第2の磁気センサ42が検出する磁束密度B2がプラスの方向へ大きくなる。同様に、磁気センサ40が検出する磁束密度は、凸部71aが径方向凹部72cに、凸部71bが径方向凹部72aに、凸部71cが径方向凹部72bに嵌合された状態で下部連結シャフト108およびピニオンシャフト106がトーションバー140に連結されたとしても、凸部71aが径方向凹部72aに、凸部71bが径方向凹部72bに、凸部71cが径方向凹部72cに嵌合された状態で連結された場合と同じになる。
また、ヨーク30の第1の突起部31b、第2の突起部32b、第3の突起部33bおよび第4の突起部34bとして、下部連結シャフト108の回転軸に直交する方向に見た形状が長方形である突起部を例示したが、特にかかる形状に限定されない。例えば、これらの突起部の基端から先端に向かうにしたがって細くなるように形成された台形、三角形であってもよい。
Claims (3)
- 弾性部材にて連結された第1の回転軸と第2の回転軸との相対回転角度を、当該第1の回転軸に固定された磁石と、当該第2の回転軸に固定された磁性部材とで検出する相対角度検出装置であって、
前記第1の回転軸および前記第2の回転軸のいずれか一方の回転軸に設けられた凸部と他方の回転軸に設けられ当該凸部が嵌め込まれる凹部とから構成され、前記弾性部材が所定の角度を超えて捩れるのを規制する規制部を、当該第1の回転軸および当該第2の回転軸の周方向に等間隔に複数備え、
前記磁石のいずれかの磁極の数を前記規制部の数で除算することにより得られる数が自然数である(ただし当該磁石のいずれかの磁極の数が6個かつ当該規制部の数が3つである場合を除く)ことを特徴とする相対角度検出装置。 - 弾性部材にて連結された第1の回転軸と第2の回転軸との相対回転角度を、固定前に予め着磁され当該第1の回転軸に固定された磁石と、当該第2の回転軸に固定された磁性部材とで検出する相対角度検出装置であって、
前記第1の回転軸および前記第2の回転軸のいずれか一方の回転軸に設けられた凸部と他方の回転軸に設けられ当該凸部が嵌め込まれる凹部とから構成され、前記弾性部材が所定の角度を超えて捩れるのを規制する規制部を、当該第1の回転軸および当該第2の回転軸の周方向に等間隔に複数備え、
前記磁石のいずれかの磁極の数を前記規制部の数で除算することにより得られる数が自然数であることを特徴とする相対角度検出装置。 - 請求項1又は2に記載の相対角度検出装置と、
前記相対角度検出装置からの出力に基づいてステアリングホイールに操舵補助力を与える電動モータを制御する制御装置と、
を備えることを特徴とする電動パワーステアリング装置。
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