KR20030028704A - 회전각 검출장치, 토크 검출장치 및 스티어링 장치 - Google Patents

회전각 검출장치, 토크 검출장치 및 스티어링 장치 Download PDF

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Abstract

제1축(1)에 끼워진 타깃판(3)을, 외주에 복수의 치가 타깃(3a), (3a)...으로서 병설된 기어로 하고, 이 타깃판(3)의 외주에 마주보고, 타킷(3a),(3a)...의 설치 간격에 대응하여 원주방향으로 설치된 MR 소자들을 구비하는 MR센서(5)를 고정 설치하고, 타깃판(3)의 회전에 수반하는 타깃(3a),(3a)...의 원주방향 변위에 응하여 양 MR 소자 사이에서 얻어지는 출력에 의거하여 타깃판(3)의 회전각도를 산출한다. 제2축(2)에 끼워져 설치된 타깃판(4)에 있어서도, 외주에 마찬가지의 타깃(4a),(4a)...을 설치한다. MR 센서(6)의 출력에 의거하여 타깃판(4)의 회전각도를 산출한다. 이들의 회전각도의 차에 의해, 제1축 및 제2축에 가해진 회전토크를 산출한다. 이와 같은 구성에 의해, 회전체와 검출수단과의 축 방향의 위치 편차에 기인하는 회전각도 및 회전 토크의 검출오차의 발생을 방지한다.

Description

회전각 검출장치, 토크 검출장치 및 스티어링 장치{Rotational angle detecting device, Torque detecting device and steering apparatus}
본 발명은, 회전체의 회전각도를 검출하는 회전각 검출장치 및 회전축에 가해지는 회전토크를 검출하는 토크 검출장치 및 상기 회전각 검출장치와 상기 토크 검출장치를 구비하는 자동차용의 스티어링 장치에 관한 것이다.
스티어링을 위한 타륜(스티어링 휘일)에 가해지는 스티어링 토크의 검출결과에 의거하여 스티어링 보조용 모터를 구동하고, 상기 모터의 회전력을 스티어링 기구에 전달하여 스티어링을 보조하도록 구성한 전동 파워 스티어링 장치는, 스티어링 보조력의 발생원으로서 유압액츄에이터를 사용하는 유압 파워 스티어링 장치와 비교하여, 차 속도의 고저, 스티어링의 빈도등과 같은 주행 상태에 따라 보조력 특성이 용이하게 제어될 수 있다는 잇점이 있다.
따라서, 전동 파워 스티어링 장치의 적용 범위가 확대되는 경향이 있다.
이와 같은 전동 파워 스티어링 장치에 있어서, 스티어링 토크는, 타륜과 스티어링 기구를 연결하는 스티어링 축의 중간부에서, 축 길이 방향으로 이격된 2개소의 회전각도를 검출함에 의해 검출된다. 즉, 스티어링 조작중의 스티어링 축 상에는, 타륜에 가해진 스티어링 토크의 작용에 의해 토션이 발생된다. 이 토션은, 전술한 2개소에서의 검출각도의 차이에 대응하므로, 이 차이를 이용함으로써 스티어링 축에 가해진 회전 토크(스티어링 토크)가 결정될 수 있다.
또한, 실제로는, 스티어링 축을 타륜 측의 제1축(입력축)과 스티어링장치 측의 제2축(출력축)으로 분리 구성하고, 이들 2축들은, 토션 부재로서 작은 직경을 갖는 토션 바를 통하여 동축상으로 연결되어, 상기 스티어링 토크의 작용시에 제1축과 제2축의 사이에 토션 바의 토션을 수반하여 큰 상대 각 변위가 발생된다. 따라서, 토크는, 검출 각도의 차이에 의거하여 고정도로 검출된다.
또한 전동 파워 스티어링 장치에 있어서는, 스티어링 보조용의 모터의 구동 제어에 이용하기 위하여, 스티어링 각도의 중심점으로부터의 스티어링 축의 회전각도, 즉, 스티어링 각을 검출할 필요가 있다. 전술한 토크 검출장치에 있어서는, 스티어링 축의 2개소에서 검출되는 회전각도에 의해 스티어링 각이 검출될 수 있다.
본 발명의 출원인은, 전술한 바와 같은 회전각도 및 회전토크에 적합하게 이용할 수 있는 검출장치를 일본 특허 공개 2002-107122에 제안하였다. 도1의 모식도에는 그 회전각 및 토크 검출장치의 구성이 도시되어 있다.
상기 종래의 회전각 및 토크 검출장치는, 도1에 도시된 바와 같이, 토션 바(T)를 통하여 동축 상에 연결된 제1축(1)과 제2축(2)의 연결 단부 근방에, 양 축(1),(2)의 각각에 끼워져 고정되고, 원판형의 타깃판(회전체)(30),(40)을 구비하고 있다. 그리고, 이들의 타깃판(30),(40)의 외주면에 대향하도록, 검출수단으로서의 MR(자기저항효과) 센서(50),(60)가 고정 배치되어 있다.
MR 센서(50),(60)가 각각 대향하는 타깃판(30),(40)의 외주면상에는, 검출대상이 되는 타깃(30a),(40a)이 설치되어 있다. 상기 타깃(30a),(40a)은, 제1도에 도시된 바와 같이, 축 길이방향에 대한 경사 방향이 주기적으로 전환하는 부분 나선의 연속체로서 구성된 자성체 재질의 돌기이고, 주변부에 대하여 자성적으로 불연속적인 부위로 되어 있다. 이와 같은 타깃(30a),(40a)은, MR 센서(50),(60)의 고정위치를 기준으로 하여 본 경우, 타깃판(30),(40)의 회전에 응하여 축 길이방향으로 왕복 변위하게 된다. 그리고, MR 센서(50),(60)는, 타깃(30a),(40a)의 축 길이 방향 변위에 응하여 주기적으로 변화하는 정현파 형상의 출력을 발생하도록 구성되어 있다.
도2는, 상기의 종래의 회전각 및 토크 검출장치에 따른 회전각도의 검출동작의 설명도이다. 도2에 도시된 바와 같이, MR 센서(50)는, 자계의 작용에 의해 전기저항을 변화시키는 특성을 갖는 한 쌍의 MR(자기저항효과) 소자(50a),(50b)를 직렬로 접속하고, 상기 한 쌍의 MR 소자(50a),(50b)의 일측 상에, 균등한 자계를 작용시키도록 내부자석(50c)이 배치되는 구성이다. 이와 같은 구성에 의해, MR 소자(50a),(50b)의 직렬회로에 소정 전압을 인가한 경우, 전위를 출력으로서 얻을 수 있다.
도2에는, 타깃판(30)의 외주에 설치된 타깃(30a)을 평면 전개한 상태가 도시되어 있고, 전술한 구성의 MR 센서(50)는, MR 소자(50a),(50b)의 타측(내부 자석 (50c)의 반대측)이 상기 타깃(30a)의 변위 영역의 거의 중앙이 되도록 배치되어 있다. 이 상태에서 타깃판(30)이 회전하면, MR 센서(50)는, 타깃판(30)의 외주를 따라 원주방향으로 상대적으로 위치 변화하고, 타깃판(30)의 외주의 타깃(30a)은, MR 소자(50a),(50b)의 병설 방향으로 변위한다.
여기서, 타깃(30a)은 자성체 재질이므로, 내부 자석(50c)에 의해 형성되는 자계는, 타깃(30a)의 변위에 응하여 MR 소자(50a),(50b)의 어느 한측으로 편향된다. 즉 도2에서의 A점에 MR 센서(50)가 위치하는 경우, 내부 자석(50c)에 의해 형성되는 자계는, 타깃(30a)에 대하여 상대적으로 접근하는 MR 소자(50a) 측으로 편향되어 MR 소자(50a)의 저항이 크게 되는 한편, 나머지 MR 소자(50b)의 저항이 작게 된다. 따라서, 양 MR 소자(50a),(50b) 사이에서 얻어지는 출력은 최소로 된다. 한편, 도2에서의 B점에 MR 센서(50)가 위치하는 경우, 상기 내부 자석(50c)에 의해 형성되는 자계는, 타깃(30a)에 대하여 상대적으로 접근하는 MR 소자(50b) 측으로 편향되어 MR 소자(50b)의 저항이 증대하는 한편, 나머지 MR 소자(50a)의 저항이 감소하므로, 양 MR 소자(50a),(50b) 사이에서 얻어지는 출력은 최대가 된다.
이와 같이 MR 센서(50)의 출력은, 타깃판(30)의 회전에 수반하는 타깃(30a)의 변위에 따라서, A점에서의 최소출력과 B점에서의 최대출력 사이에서 주기적으로 변화하는 정현파 형상의 출력이 된다. 따라서, 이 출력을 소정 샘플링 주기에 입력하여, 앞의 샘플링 시점으로부터의 출력변화의 누적치를 구함에 의해, 타깃판(30) 및 제1축(1)의 회전각도가 구해질 수 있다.
또한, 제2축(2)상의 타깃판(40)에 대향 배치된 MR 센서(60)에서, 완전히 동일한 출력이 타깃판(40)의 외주의 타깃(40a)에 응하여 구해질 수 있다. 이 출력변화에 의거하여, 타깃판(40) 및 제2축(2)의 회전각도가 구해질 수 있다. 더욱이, 제1축(1)과 제2축(2)에 가해진 회전토크가, 이와 같이 구해진 제1축(1)과 제2축(2)의 회전각도의 차이에 의해, 결정될 수 있다
그런데, 이상과 같이 구성된 종래의 회전각 및 토크 검출장치에 있어서는, 고정 배치된 MR 센서(50),(60)와, 제1축(1), 제2축(2)과 일체적으로 회전하는 타깃판(30),(40)이 축 길이방향으로 위치 편향되어 결합된 경우, 이러한 위치 편향이 MR 센서(50),(60)의 출력에 영향을 미치고, 이러한 출력의 변화에 의해 구해진 회전각도 및 회전토크의 정도가 저하한다는 문제가 있었다.
도3A, 도3B는, 이상과 같은 회전각 및 토크검출장치의 문제점의 설명도이다. 도3A는, 타깃판(30)에 대하여 MR 센서(50)가 위쪽으로 위치 편향되어 있는 상태를 나타내고 있는 도면이다. 도3B는 같은 방식으로 아래쪽으로 위치 편향되어 있는 상태를 나타내고 있는 도면이다. 도3A와 도3B는 각각의 경우에 얻을 수 있는 출력 파형을 또한 함께 나타내고 있다.
도3A에 도시된 상태에 있어서, MR 센서(50)의 검출영역은, 타깃판(30)에 설치된 타깃(30a)의 형성 영역의 위쪽으로 편향되어 있으므로, MR 센서(50)의 검출영역은, 타깃(30a)의 아래쪽의 경사 전환부를 제외하게 된다. 그 결과, MR 센서(50)의 출력 파형은, 타깃(30a)의 상하 절반부위에서 상이하게 된다. 도3A에 도시된 바와 같이, 타깃(30a)의 상반부에 대응하는 출력의 하반부는, 완만한 피크값을 갖는 파형이 되는 반면에, 타깃(30a)의 하반부에 대응하는 출력의 상반부는, 가파른 피크값을 갖는 파형이 된다.
한편, 도3B에 도시된 상태에 있어서, MR 센서(50)의 검출영역은, 타깃(30a)의 형성 영역의 아래쪽으로 편향되어 있으므로, MR 센서(50)의 검출영역은, 타깃(30a)의 위쪽의 경사 전환부를 제외하게 된다. 그 결과, MR 센서(50)의 출력 파형은, 완만한 피크값을 갖는 상반부와, 가파른 피크값을 갖는 하반부를 갖게 된다.
이와 같은 MR 센서(50)의 출력이 얻어진 경우에, 이 출력의 변화량을 누적하여 전술한 바와 같이 구해진 타깃판(30) 및 제1축(1)의 회전각도에는 오차가 발생한다. 완전히 동일한 방식으로, MR 센서(60)의 출력에 의거하여 구해진 타깃판(40) 및 제2축(2)의 회전각도에도 오차가 발생한다. 더욱이, 제1축과 제2축의 회전각도 차이에 의해 구해진 회전토크의 정도 또한 저하하게 된다.
더욱이, 제1축과 제2축에 대하여 타깃판(30),(40)이 축심이 기울어진 상태로 부착되어 있는 경우, 또는 타깃판(30),(40)이 취부된 제1축과 제2축이 흔들리면서 회전하고 있는 경우, 각각의 타깃판(30),(40)의 회전에 수반하여 MR 센서(50),(60)의 위치 편향 방향이 변화하게 된다. 따라서, 타깃판(30),(40)의 일 회전동안에 구해진 출력은 도3A, 도3B에 도시된 출력파형이 혼재하여, 회전각도 및 회전토크의 검출정도는 한층 저하하게 된다.
그러므로, 종래에는, 상술한 타깃판(30),(40)의 축 길이방향의 위치 편향에 기인하는 MR 센서(50),(60)의 출력의 오차 요인을 배제하기 위하여, MR 센서(50),(60) 및 타깃판(30),(40)을 고 정도로 취부할 필요가 있었다. 또한 타깃판(30),(40)의 지지 강성을 높임에 따라 흔들림 회전의 발생을 방지하고 있었다.그러므로, 상기 문제점들의 대책에 많은 노력과 시간이 요구된다고 하는 문제가 있었다.
본 발명은 이러한 사정을 감안하여 이루어진 것으로, 본 발명의 목적은, 회전체와 검출수단의 축 방향의 위치 편향에 기인하는 회전각도 및 회전토크의 검출오차의 발생을, 조립시의 노력과 시간을 요하지 않고 효과적으로 방지함에 따라, 고 정도의 검출이 가능한 회전각 검출장치 및 토크 검출장치를 제공하는 것이다. 또한, 본 발명의 목적은 이들을 이용한 자동차용 스티어링 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 제1 발명에 따른 회전각 검출장치는, 회전체 ; 상기 회전체의 회전원주 상에 설치된 타깃 ; 상기 회전체의 회전에 수반하는 상기 타깃의 변위에 응하여 출력을 주기적으로변화시키는 검출수단을 포함하여, 상기 검출수단의 출력변화에 의거하여 상기 회전체의 회전각도를 검출하며,
상기 타깃은, 상기 회전체의 원주방향으로 병설된 자성적으로 불연속적인 부위이고,
상기 검출수단은, 자기에 감응하는 한 쌍의 검출소자를 상기 타깃의 병설주기에 대응하여 원주방향으로 배치되어, 양 검출소자 사이에서 출력이 얻어질 수 있도록 구성되어 있는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 제1 발명에 있어서는, 회전체의 회전 원주상에 자성적으로 불연속적인 부위를 원주방향으로 병설하여 타깃을 형성하고, 회전체의 회전에 수반하는이들 타깃의 원주방향 변위를, 타깃의 병설 간격에 대응하도록 원주방향에 늘어선 자기에 감응하는 한 쌍의 검출소자 사이의 출력으로 하여 취하고, 이 출력의 변화에 의거하여 회전각도를 검출한다.
또한 본 발명의 제2 발명에 따른 회전각 검출장치는, 제1 발명에 따른 한 쌍의 검출소자가, 자계의 작용에 의해 전기저항을 변화시키는 자기저항효과소자인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 제2 발명에 있어서, 자계의 작용에 의해 전기저항을 변화시키는 MR 소자(자기 저항효과 소자)를 검출소자로서 이용하고, 회전체의 원주방향으로 늘어한 쌍의 MR 소자의 전기 저항이 회전체의 회전에 수반하는 타깃이 변위에 따라 변화함을 이용하고, 한 쌍의MR 소자를 포함한 브리지 회로의 출력 전압의 변화에 의거하여 회전체의 회전각도를 용이하게 구한다
또한, 본 발명의 제3 발명에 따른 회전각 검출장치는, 제1 또는 제2 발명의 회전체가, 외주면에 균등하게 배치된 복수의 자성체 재질의 치를 상기 타깃으로서 구비하는 기어인 것을 특징으로 하고, 또한 제4 발명에 따른 회전각 검출장치는, 제1 또는 제2 발명의 회전체가, 외주면에 균등 배치되어 형성된 복수의 슬리트를 타깃으로서 구비하는 자성체 재질의 링인 것을 특징으로 하고, 또한 제5 발명에 따른 회전각 검출장치는, 제1 또는 제2 발명의 회전체가, 외주면에 균등 배치를 이루어 교대로 병설된 상이한 극성의 자극을 타깃으로서 구비하는 원판인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 제3 내지 제5 발명에서, 자성적으로 불연속인 부위로서의 타깃을원주방향으로 병설하여 이루어진 회전체를, 자성체 재질의 치를 구비하는 기어, 원주면에 슬리트를 형성하고 있는 자성체 재질의 링, 또는 원주면에 N극과 S극을 교대로 착자하고 있는 원판에 의해 간단하게 구성한다
또한, 본 발명의 제 6 발명에 따른 토크검출장치는, 토션 부재를 통하여 동축 상에 연결된 제1축과 제2축에 가해진 회전토크를, 상기 토션 부재의 토션에 수반하는 상기 제1축과 제2축 사이의 상대각 변위에 의해 검출하는 토크검출장치에 있어서, 상기 제1축과 제2축의 각각에 부설된 제1 내지 제5 발명의 어느 하나의 회전각 검출장치와, 이들의 회전각 검출장치에 의해 검출된 회전각도의 차이에 의거하여 회전토크를 산출하는 토크산출수단을 구비하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 제6 발명에서, 토션 부재를 통해 연결된 제1축과 제2축의 각각에, 검출수단의 축방향 위치의 영향을 받지 않고 정확한 회전각도의 검출을 행할 수 있는 회전각 검출장치를 배치하고, 이들의 회전각 검출장치에 의해 검출된 회전각도의 차이에 의거하여 제1축과 제2축에 가해진 회전토크를 고 정도로 검출한다.
또한, 본 발명의 제7 발명에 따른 스티어링 장치는, 타륜과 스티어링 기구를 연결하는 스티어링 축의 중간에, 청구항 1 내지 청구항 5 기재의 어느 하나의 회전각 검출장치, 및/또는 청구항 6 기재의 토크검출장치를 구비하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 제7 발명에서, 이상과 같은 회전각 검출장치 및 토크검출장치를 자동차의 스티어링 장치에 적용하고, 스티어링 각 및 스티어링 토크의 정확한 검출값을 얻고, 이 결과를, 전동 파워 스티어링 장치에서의 스티어링 보조용의 모터의구동 제어등, 높은 신뢰성이 요구되는 각종의 제어에 이용한다.
본 발명의 상기 목적과 특징 및 또 다른 목적과 특징이 다음의 상세한 설명과 첨부도면에 의해 더욱 충분히 나타날 것이다.
도1은 종래의 회전각 및 토크 검출장치의 구성을 나타낸 모식도
도2는 종래의 회전각 및 토크 검출장치에 따른 회전각도의 검출동작의 설명도
도3a, 도3b는 종래의 회전각 검출장치 및 토크 검출장치의 문제점의 설명도
도4는 자동차의 스티어링 장치에 적용된 본 발명에 따른 회전각 및 토크 검출장치의 구성을 나타낸 모식도
도5a 내지 도5d는 본 발명에 따른 회전각 및 토크 검출장치에 따른 회전각도의 검출동작의 설명도
도6은 MR 센서에 따른 출력 샘플을 나타내는 도면
도7은 축 길이방향의 위치 편향의 발생하에서 이루어진 검출동작의 설명도
도8은 본 발명에 따른 회전각 및 토크 검출장치의 제 2실시예를 나타내는 모식도
도9는 본 발명에 따른 회전각 및 토크 검출장치 의 제3 실시예를 나타내는 모식도
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
1 ; 제1축2 ; 제2축
3 ; 타깃판(회전체)3a ; 타깃
3b ; 슬리트3c, 3d ; 자극
5 ; MR 센서5a, 5b ; MR 소자
5c ; 내부자석7 ; 연산처리부
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 나타내는 도면에 의거하여 본 발명을 상세히 설명한다.
(제1실시예)
도4는, 자동차의 스티어링 장치에 적용된 본 발명에 따른 회전각 및 토크 검출장치의 구성을 나타낸 모식도이다.
도4에 도시된 바와 같이, 스티어링 조작용 타륜(스티어링 휘일)S에 상단이 연결된 제1축(입력축)(1)과, 스티어링 기구의 일부를 이루는 피니온(P)에 하단이 연결된 제2축(출력축)(2)과을 작은 직경의 죠인트 바(T)를 통해 동축상에 연결함에 의해, 타륜(S)와 스티어링 기구를 연결하는 스티어링 축이 구성되어 있다. 본 발명에 따른 회전각 및 토크검출장치는, 제1축(1) 및 제2축(2)의 연결부 근방에 끼워져 고정되어 있고 각각과 일체적으로 회전하는 원판형을 이루는 타깃판(회전체)(3),(4)과, 이들의 타깃판(3),(4)의 외주면에 서로 대향하도록 고정 배치된 MR 센서(검출수단)(5),(6)를 포함하고 있다.
제1축(1) 측의 타깃판(3)은, 외주면에 다수의 치가 균등 배치되어 병설된 자성체 재질의 기어이고, 각각의 치가 원주방향으로 자성적으로 불연속인 부위로서의 타깃(3a),(3a)...을 구성하고 있다. 제2축(2) 측의 타깃판(4)도, 마찬가지의타깃(4a),(4a)...을 구비하는 기어이다.
타깃판(3),(4)는, 각각의 타깃(3a),(3a)...과 타깃(4a),(4a)...이 원주 방향으로 정확히 맞도록 위치 결정되어 있다. 또한 타깃판(3),(4)은 각각의 외주의 치의 형성 부위만이 자성체 재질이면 된다
이와 같은 타깃(3a),(3a)...은, 제1축(1)과 함께 발생하는 타깃판(3)의 회전에 응하여 원주방향으로 변위하고, 타깃판(3)의 외주에 대향하는 MR 센서(5)는, 타깃(3a),(3a)...의 통과에 감응하여 주기적으로 변화하는 정현파 형상의 출력을 발생하도록 다음과 같이 구성되어 있다.
도5A 내지 도5D는, 본 발명에 따른 회전각 및 토크 검출장치에 따른 회전각도의 검출동작의 설명도이다. 도5A 내지 도5D에 나타낸 바와 같은 MR 센서(5)는, 자계의 작용에 의해 전기저항을 변화시키는 특성을 갖는 한 쌍의 MR 소자(자기 저항효과)(5a),(5b)를 직렬로 접속하고, 이들의 일측에, MR 소자(5a),(5b)에 균등한 자계를 작용시키도록 하는 바이어스용의 내부 자석(5c)을 배치하여 이루는 브리지 회로이다. 그리고, MR 소자(5a),(5b)의 직렬 회로에 소정의 전압을 인가한 경우의 MR 소자(5a),(5b) 사이의 전위가 출력으로서 취출되는 구성으로 되어 있다.
도5A 내지 도5D에는, 타깃판(3)의 외주에 설치된 타깃(3a),(3a)...을 평면전개한 상태가 도시되어 있다. 타깃판(3)을 검출대상으로 하는 MR 센서(5)에는, 한 쌍의 MR 소자(5a),(5b)가 그 내부 자석(50c)의 반대측을, 상기 타깃(3a),(3a)...이 설치된 타깃판(3)의 외주로 향한 상태로, 타깃판(3)의 원주방향으로 늘어서 설치되어 있다. 여기서, MR 소자(5a),(5b)의 병설 간격은, 타깃판(3)의 원주상에서의 타깃(3a),(3a)...의 병설 간격과 대응하도록 설정되어 있다. 도5A에 도시된 바와 같이, MR 소자(5a),(5b)의 각각이, 서로 인접하는 타깃(3a),(3a)...에 대향하는 위치에 설치되어 있다.
이 상태에서 타깃판(3)이 일 방향으로 회전하면, 타깃판(3)의 외주에 병설된 타깃(3a),(3a)은, MR 센서(5)의 한 쌍의 MR 소자(5a),(5b)의 병설 방향으로 변위한다. 도5B, 도5C, 도5D에 도시된 바와 같이, MR 소자(5a),(5b) 및 이들 사이의 내부 자석(50c)의 대향상태가 순차 변화한다. 여기서, 타깃(3a),(3a)은 자성체 재질이므로, 내부 자석(50c)에 의해 MR 소자(5a),(5b)의 주변에 형성된 자계는, 이들 반대측에서의 타깃(3a),(3a)의 변위에 응하여 다음과 같이 변화한다.
우선, 도5A에 도시된 상태인 경우, MR 소자(5a),(5b)의 각각과 대향하는 타깃(3a),(3a)의 거의 중앙에 내부 자석(50c)이 위치하고 있다. 이 경우, 양 MR 소자(5a),(5b) 주변의 자계의 강도는 거의 동일하다. 이 상태에서 타깃(3a),(3a)이 변위한 경우, 도5B에 도시된 바와 같이, 내부 자석(50c)에 대하여, MR 소자(5a) 측의 타깃(3a)은 접근하고, MR 소자(5b) 측의 타깃(3a)은 떨어진다. 이 결과, MR 소자(5a),(5b) 주변의 자계 강도는, MR 소자(5a) 측에서 강해지고, MR 소자(5b)측에서 약해진다. 그러므로, MR 소자(5a),(5b) 사이의 위치에서 취출되는 MR 센서(5)의 출력은, 도5A에 도시된 상태에서 도5B에 도시된 상태로의 이행에 수반하여 감소한다.
타깃(3a),(3a)이 더욱 변위한 경우, 도5C에 도시된 바와 같이, MR 소자(5a),(5b)의 거의 중앙에 하나의 타깃(3a)이 위치한 상태가 된다. 이 상태에서MR 소자(5a),(5b) 사이에 위치하는 내부 자석(50c)은, 상기 타깃(3a)에 대향하게 된다. 이 경우, 도5A에 도시된 경우와 마찬가지로, 양 MR 소자(5a),(5b) 주변의 자계 강도는 거의 같게된다. 따라서, MR 센서(5)의 출력은, 도5B에 도시된 상태에서 도5C에 도시된 상태로의 이행에 수반하여 증대한다.
타깃(3a),(3a)이 더욱 변위한 경우, 도5D에 도시된 바와 같이, 내부 자석(50c)에 대향하고 있는 타깃(3a)이 MR 소자(5b) 측에 접근하고, MR 소자(5a) 측으로부터 이반하게 된다. MR 소자(5a),(5b) 주변의 자계 강도는, MR 소자(5a) 측에서 약해지고, MR 소자(5b)측에서 강해진다. 그러므로, MR 센서(5)의 출력은, 도5C에 도시된 상태에서 도5D에 도시된 상태로의 이행에 수반하여 증대한다.
타깃(3a),(3a)이 더욱 변위한 경우, 도5A에 도시된 상태로 되돌아간다. 이 경우, MR 소자(5a),(5b) 주변의 자계 강도는 거의 같게된다. 따라서, MR 센서(5)의 출력은, 도5D에 도시된 상태에서 도5A에 도시된 상태로의 이행에 수반하여 감소한다.
이와 같이, 타깃판(3)에 대향 배치된 MR 센서(5)는, 타깃판(3)의 회전에 수반하여, 이들의 외주에 설치된 타깃(3a),(3a)의 접근과 분리에 응하여 주기적인 증감을 반복하는 출력, 예를들면, 도6에 도시된 바와 같은 정현파 형상의 출력을 발생하게 된다. 또한, 도6에서 도면부호 A-D는, 도5A-도5D에 각각 도시된 상태에 대응한다.
이와 같은 MR 센서(5)의 출력은, 마이크로 프로세서를 이용하여 이루어지는 연산처리부(7)에 부여되고 있다. 연산처리부(7)에서는, 소정의 샘플링 주기마다 입력되는 MR 센서(5)의 출력의 변화분을 순차 적산함에 의해, 타깃판(3) 및 제1축(1)의 회전각도가 산출된다. 예를 들면, 도6에서의 y점에서 샘플링이 이루어진 경우, 동일하게 x점으로서 도시된 앞선 샘플링 시점으로부터의 출력의 변화량 △V이 구해진다. 더욱이, 이 변화량 △V에 대응하는 회전각도의 변화량△θ을 구할 수 있다. 이 회전각도의 변화량△θ을, x점에서 먼저 산출된 회전각도 θx에 가감산하는 것에 의해, y점에서의 회전각도 θy가 산출된다. 이하 마찬가지의 처리를 반복함에 의해, 연속된 회전각도의 산출이 가능하게 된다.
또한, 타깃판(3)의 외측에, 상기와 같은 MR 센서(5)을 2개 설치하고, 이들에 의해 위상이 상이한 출력이 얻어질 수 있도록 하여, 양 출력을 적절히 절환하여 이용함에 의해, 도6에 도시된 바와 같은 정현파 형상의 출력의 극대값 또는 극소값 근방의 부정확한 출력 영역에서의 샘플링을 피함에 따라, 전 원주에 걸쳐 정확한 회전각도의 산출이 행하여지도록 하는 것이 바람직하다. 또한, 2개의 MR 센서(5),(5)를 배치하는 경우, 이것을 공통의 하우징 내에 일체로 수납하고, 타깃판(3)의 외측에 대면시키어 고정하는 것이 바람직하다.
제2축(2) 측의 타깃판(4)에 대향 배치된 MR 센서(6)에 있어서도, 타깃판(3)의 외주의 타깃(4a),(4a)...에 감응하여 완전히 마찬가지의 출력이 얻어지고, 연산처리부(7)에 부여된다.
연산처리부(7)에 있어서는, 이 출력변화에 의거하여 타깃판(4) 및 제2축(2)의 회전각도가 산출된다. 더욱이, 각기 산출된 제1축(1) 및 제2축(2)의 회전각도의차이에 의해 양 축(1)(2)에 가해진 회전 토크(스티어링 토크)가 산출된다.
이상과 같이 구성된 회전각 및 토크검출장치에 있어서는, 타깃판(3)으로서 기어를 이용하고, 이 타깃판(3)의 외주에 병설된 치를 타깃(3a),(3a)....으로 하고, 타깃판(3)의 회전에 수반하는 타깃(3a),(3a)....의 원주방향의 변위를, 타깃(3a),(3a)...의 병설방향으로 늘어선 한 쌍의 검출소자(MR 소자(5a),(5b)) 사이의 출력으로서 취출하도록 되어 있다. 이에 따라, MR 소자(5a),(5b)를 구비하여 고정 배치된 MR 센서(5)와 검출대상이 되는 타깃판(3)과의 사이에 축 길이방향의 위치 편향이 생긴 상태에서도 MR 센서(5)의 출력에 영향이 생기지 않고, 제1축(1) 및 타깃판(3)의 회전각도를 고 정도로 검출할 수 있다.
도7은, 축 길이방향의 위치 편향의 발생 하에서 이루어지는 검출동작의 설명도이다. 타깃판(3)에 대하여 MR 센서(5)가, 도7 상에서 위쪽으로 위치 편향되어 취부된 상태를 도시하고 있다. 이와 같은 MR 센서(5)의 검출 영역은, 도7에서 X-X선으로 하여 나타낸 위치가 되고, 도7에서 Y-Y선으로 하여 나타낸 정규의 검출영역보다도 위쪽으로 편향된 위치가 된다. 그러나, 타깃판(3)의 회전에 수반하는 타깃(3a),(3a)...의 변위는, X-X선상에 있어서, 정규의 Y-Y선상에 있어서와 완전히 마찬가지로 발생된다. 따라서, X-X선 상을 검출영역으로 하는 MR 센서(5)의 출력은, 정규의 검출영역인 Y-Y선상에서의 출력과 거의 동일하게 되고, 축 길이방향의 위치 편향에 영향을 받지 않고 정확한 회전각도의 산출이 가능하게 된다. 또, 도7에서, 타깃판(3)의 원주 상에 늘어선 타깃(3a),(3a)...은 해칭하여 도시된다.
마찬가지로, MR 센서(6)의 출력에 의거한 제2축(2) 및 타깃판(4)의 회전각도의 산출도, 위치 편향의 영향을 받지 않고 정도가 좋게 행하여진다. 그러므로, 타깃판(3),(4)의 회전각도 차이를 이용하여 산출되는 회전 토크(스티어링 토크)도 위치 편향의 영향을 받지 않고 고 정도로 산출된다. 따라서, 본 발명에 따른 회전각도검출 및 토크검출장치에 있어서는, 그 조립시에, 회전체인 타깃판(3)(4)와 검출수단인 MR 센서(5)(6)과의 사이에서의 정확한 위치 결정이 불필요하고, 조립시의 노력 및 시간이 경감될 수 있다.
또한 상기의 제1 실시예에 있어서는, 외주에 병설된 자성체 재질의 치를 타깃(3a),(3a)... 및 타깃(4a),(4a)...으로서 구비하는 기어에 의해 회전체인 타깃판(3),(4)을 구성했다. 그러나, 타깃판(3),(4)는, 회전원주 상에 원주방향으로 병설된 자성적으로 불연속인 부위로서의 타깃을 구비하는 것이면 좋고, 기어 이외의 적절한 구성을 채용할 수 있다.
도8 및 도9는, 본 발명에 따른 회전각 및 토크검출장치의 제2, 제3 실시예를 나타낸 모식도이다. 도8에 있어서는, 타깃판(3),(4)으로서, 제1축(1) 및 제2축(2)에 동축상으로 끼워져 고정되고, 외주면에 균등배치를 이루어 병설된 복수의 슬리트(3b),(3b) 및 슬리트(4b),(4b)를 타깃으로서 구비하는 자성체 재질의 링이 이용되고 있다. 또한 도9에 있어서는, 타깃판(3)(4)으로서, 제1축(1) 및 제2축(2)에 동축상으로 끼워져 고정되고, 외주면에 균등배치를 이루어 교대로 병설된 상이한 극성의 자극(3c),(3d) 및 (4c),(4d)을 상기 타깃으로서 구비하는 착자 원판이 이용되고 있다. 또한, 이들의 실시예에 있어서는, 타깃판(3)(4)이외의 부분의 구성은, 도4 에 도시된 제1 실시예와 동일하고, 공통의 구성부재에 동일한 참조부호를 붙이고 상세한 설명은 생략한다.
도8에 도시된 제2 실시예에 있어서, 타깃판(3)의 외주에 대향 배치된 MR 센서(5)는, 타깃판(3)의 회전에 수반하는 슬리트(3b),(3b)의 원주방향 변위에 응하고, 인접한 슬리트(3b),(3b) 사이의 자성체 부분에 감응하여 주기적으로 변화하는 출력을 발생한다. 따라서, 이 출력이 부여되는 연산처리부(7)에 있어 타깃판(3) 및 제1축(1)의 회전각도의 산출이 이루어진다.
또한 도9에 도시된 제3 실시예에 있어서, 타깃판(3)의 외주에 대향 배치된 MR 센서(5)는, 타깃판(3)의 외부에 늘어선 자극(3c),(3d)의 원주방향 변위에 응하고, 인접한 자극(3c),(3d) 사이에 형성되는 자계의 작용에 의해 주기적으로 변화하는 출력을 발생한다. 따라서, 이 출력이 부여되는 연산처리부(7)에 있어 타깃판(3) 및 제1축(1)의 회전각도의 산출이 이루어진다.
또한 이 실시예에 있어서는, MR 센서(5)의 바이어스용의 내부 자석(50c)은 불필요하게 된다.
전술한 제1 실시예와 마찬가지로, 타깃판(4)의 외주에 대향 배치된 MR 센서(6)의 출력을 이용하여 타깃판(4) 및 제2축(2)의 회전각도를 산출할 수 있고, 더욱이, 각기 산출되는 제1축(1) 및 제2축(2)의 회전각도의 차이에 의해 양 축(1),(2)에 가해진 회전 토크(스티어링 토크)가 산출될 수 있다.
이들의 실시예에 있어서도, 회전각도 및 회전토크의 산출결과는, 회전체인 타깃판(3),(4)와 검출수단인 MR 센서(5),(6)과의 사이의 축 길이방향의 위치 편향의 영향을 받지 않는다. 실질적으로, 도8에 있어서는, 슬리트(3b),(3b)...의 축 길이방향 폭의 범위내의 위치 편향을, 도9에 있어서는, 타깃판(3)(4)의 폭의 범위내의 위치 편향을 각각 허용할 수 있다.
이상 상세히 설명한 바와 같이, 본 발명의 제1발명에 따른 회전각 검출장치에 있어서는, 회전체의 회전 원주상에 자성적으로 불연속인 부위를 원주방향으로 병설하여 타깃으로 하고, 회전체의 회전에 수반하는 이들의 타깃의 원주 방향 변위를 , 타깃의 병설 간격에 대응하도록 원주방향에 늘어선 한 쌍의 검출소자 간의 출력으로서 취출하는 구성으로 하였다.
그러므로, 이 출력의 변화를 이용하여 산출된 회전각도에 회전체와 검출수단과의 사이의 축 길이방향의 위치편향의 영향이 생기지 않고, 조립시의 위치결정의 노력 및 시간을 요하지 않고, 회전각도의 고 정도의 검출이 가능하게 된다.
또한 제2발명에 따른 회전각 검출장치에 있어서는, 회전체에 설치된 타깃에 대향하는 한 쌍의 검출소자로서, 자계의 작용에 의해 전기저항을 변화시키는 자기저항효과소자를 이용하므로, 양 소자를 포함한 브리지 회로의 출력 전압에 의거하여 상기 회전체의 회전각도를 용이하게 구할 수 있다.
또한 제3-제5발명에 따른 회전각 검출장치에 있어서는, 외주면에 균등 배치된 복수의 자성체 재질의 치를 타깃으로서 구비하는 기어, 외주면에 균등 배치를 이루어 형성된 복수의 슬리트를 타깃으로서 구비하는 자성체 재질의 링, 또는 외주면에 균등배치를 이루어 교대로 병설된 상이한 극성의 자극을 타깃으로서 구비하는 원판에 의해 회전체를 구성한 것이므로, 소정의 타깃을 구비하는 회전체를 용이하게 제조할 수 있다.
더욱이, 본 발명의 제 6발명에 따른 토크검출장치에 있어서는, 토션 부재를 통해 동축상에 연결된 제1축과 제2축의 각각에, 회전체와 검출수단과의 사이의 축 길이방향의 위치 편향의 영향을 받지 않고 정확한 회전각도의 검출을 행할 수 있는 제1-제5 발명에 따른 회전각 검출장치를 구비한 것이므로, 이들의 회전각 검출장치에 의해 검출된 회전각도의 차이에 의거하여 제1축과 제2축에 가해지는 회전토크를 고 정도로 검출할 수 있다.
더욱이, 본 발명의 제7발명에 따른 스티어링 장치에 있어서는, 타륜과 스티어링 기구를 연결하는 스티어링 축에, 스티어링 축를 검출대상으로 하여 이상과 같은 회전각 검출장치 및 토크검출장치의 한쪽 또는 양쪽을 구비한 것이므로, 스티어링 각 및 스티어링 토크의 한쪽 또는 양쪽을 고 정도로 검출할 수 있고, 전동 파워 스티어링 장치에서의 스티어링 보조용의 모터의 구동 제어등, 높은 신뢰성이 요구되는 각종 제어에 편리하게 이용할 수 있다.
본 발명은, 필수의 특징사항의 정신으로부터 일탈함이 없이 여러 방식으로 실시될 수 있으므로, 본 실시예는 예시적인 것이고 본 발명을 한정하는 것이 아니다. 본 발명의 범위는, 첨부의 청구항에 의해 정의되고, 이들 청구항의 경계내의 모든 변형 또는 청구항의 경계의 균등물은 청구항에 포함되는 것이다.

Claims (16)

  1. 회전체; 상기 회전체의 회전원주 상에 설치된 타깃 ; 상기 회전체의 회전에 수반하는 상기 타깃의 변위에 대응하여 출력을 주기적으로 변화시키는 검출수단을 포함하여,
    상기 검출수단의 출력변화에 의거하여 상기 회전체의 회전각도가 검출되는 회전각 검출장치에 있어서,
    상기 타깃은, 상기 회전체의 원주방향으로 병설된 자성적으로 불연속적인 부위이고,
    상기 검출수단은, 자기에 감응하는 한 쌍의 검출소자가 상기 타깃의 병설주기에 대응하여 원주방향으로 배치되어, 상기 양 검출소자들 사이에서 출력을 얻을 수 있도록 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 회전각 검출장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 회전체는, 상기 타깃으로서 외주면에 균등 배치된 복수의 자성체 재질의 치를 구비하는 기어인 것을 특징으로 하는 회전각 검출장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 회전체는, 상기 타깃으로서 외주면에 균등 배치 형성된 복수의 슬리트를 구비하는 자성체 재질의 링인 것을 특징으로 하는 회전각 검출장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 회전체는, 상기 타깃으로서 외주면에 균등 배치되고 교대로 병설된 상이한 극성의 자극을 구비하는 원판인 것을 특징으로 하는 회전각 검출장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 한 쌍의 검출소자는, 자계의 작용에 의해 전기저항을 변화시키는 자기저항효과소자인 것을 특징으로 하는 회전각 검출장치.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 회전체는, 외주면에 균등 배치된 복수의 자성체 재질의 치를 상기 타깃으로서 구비하는 기어인 것을 특징으로 하는 회전각 검출장치.
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 회전체는, 외주면에 균등 배치 형성된 복수의 슬리트를 상기 타깃으로서 구비하는 자성체 재질의 링인 것을 특징으로 하는 회전각 검출장치.
  8. 제 5 항에 있어서,
    상기 회전체는, 외주면에 균등 배치되고 교대로 병설된 상이한 극성의 자극을 상기 타깃으로서 구비하는 원판인 것을 특징으로 하는 회전각 검출장치.
  9. 토션 부재를 통해 동축 상에 연결된 제1축 및 제2축에 가해지는 회전토크를, 상기 토션 부재의 토션에 수반하는 상기 제1축 및 제2축 사이의 상대각 변위에 의해 검출하는 토크검출장치에 있어서,
    상기 제1축 및 제2축의 각각에 설치된 청구항1 기재의 상기 회전각 검출장치와;
    상기 회전각 검출장치들에 의해 각각 검출된 회전각도의 차에 의거하여 상기 회전토크를 산출하는 토크산출수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 토크검출장치.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 한 쌍의 검출소자는, 자계의 작용에 의해 전기저항을 변화시키는 자기저항효과소자인 것을 특징으로 하는 토크검출장치.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 회전체는, 외주면에 균등 배치된 복수의 자성체 재질의 치를 상기 타깃으로서 구비하는 기어인 것을 특징으로 하는 토크검출장치.
  12. 제 10 항에 있어서,
    상기 회전체는, 외주면에 균등 배치 형성된 복수의 슬리트를 상기 타깃으로서 구비하는 자성체 재질의 링인 것을 특징으로 하는 토크검출장치.
  13. 제 10 항에 있어서,
    상기 회전체는, 외주면에 균등 배치되고 교대로 병설된 상이한 극성의 자극을 상기 타깃으로서 구비하는 원판인 것을 특징으로 하는 토크검출장치.
  14. 스티어링 휘일과 스티어링 기구를 연결하는 스티어링 축의 중간에, 청구항1 기재의 회전각 검출장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 스티어링 장치.
  15. 스티어링 휘일과 스티어링 기구를 연결하는 스티어링 축의 중간에, 청구항9 기재의 토크검출장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 스티어링 장치.
  16. 스티어링 휘일과 스티어링 기구를 연결하는 스티어링 축의 중간에, 청구항1 기재의 회전각 검출장치 및 청구항9 기재의 회전각 검출장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 스티어링 장치.
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