WO2005024369A1 - 絶対回転角度とトルクの検出装置 - Google Patents

絶対回転角度とトルクの検出装置 Download PDF

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Koji Oike
Kiyotaka Uehira
Masaharu Ushihara
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    • G01D2205/20—Detecting rotary movement
    • G01D2205/28—The target being driven in rotation by additional gears

Definitions

  • the present invention relates to a device that is attached to a torsion bar and simultaneously detects an absolute rotation angle and a torque.
  • the detection device of the present invention is used for power steering of automobiles and the like. Background art
  • Figure 6 shows a conventional rotation angle and torque detection device.
  • Gear 18 is attached to the input shaft (not shown) of the torsion bar.
  • the gear 21 engaged with the gear 18 has a circular code plate 20 having a large number of magnetic poles.
  • the code plate 20 rotates according to the rotation of the input shaft.
  • the magnetic detection element 22 detects the rotation angle of the input shaft by counting the number of rotating magnetic poles.
  • the gear 42 is attached to an output shaft (not shown) of the torsion bar, and the rotation angle of the output shaft is detected in the same manner as described above. When torque is applied to the torsion bar and the shaft is twisted, the torque can be detected by comparing the rotation angle between the input shaft and the output shaft.
  • the code plate 20 needs a large number of magnetic poles, and thus there is a problem that the size of the detection device becomes large. Also, arranging the magnetic detecting elements 22 in the radial direction of the code plate 20 increases the size of the detecting device. Further, this conventional detecting device does not detect an absolute angle. Disclosure of the invention
  • An absolute rotation angle and torque detecting device includes a torsion-pa unit having an input shaft, an output shaft, and a torsion member, a first gear connected to the input shaft, and a gear A engaged with the first gear. And a first absolute rotation angle detector located at the center of gear A , A second gear coupled to the output shaft, a gear B engaged with the second gear, and a second absolute rotation angle detector disposed at the center of the gear B.
  • FIG. 1 is a block diagram of the absolute rotation angle and torque detection device of the present invention.
  • Figure 2 is an explanatory diagram for determining the absolute rotation angle
  • Figure 3 is an explanatory diagram for obtaining the twist angle
  • FIG. 4 is a circuit block diagram of the detection device of the present invention.
  • Figure 5 is an illustration of error correction
  • FIG. 6 shows a conventional rotation angle and torque detection device.
  • FIG. 1 shows the configuration of the absolute rotation angle and torque detection device of the present embodiment.
  • the torsion unit is composed of an input shaft 2, a torsion bar 5 and an output shaft 4 which are made of the same rigid body and are arranged concentrically.
  • the first gear 1 and the second gear 3 are respectively coupled to an input shaft 2 and an output shaft 4 of the torsion unit.
  • the first gear 1 engages with gear A 6 and the second gear 3 engages with gear B 7.
  • a first magnet 8 is installed at the center of the gear A 6, and a second magnet 9 is installed at the center of the gear B 7.
  • the first magnet 8 and the second magnet 9 are magnetized into one pole pair.
  • the first magnetic detecting element 10 mounted on the substrate 12 is disposed at a position facing the first magnet 8, and the second magnetic detecting element 11 mounted on the substrate 13 is connected to the second magnet 9. It is arranged at the position facing to.
  • the first magnet 8 and the first magnetic detection element 10 form a first absolute rotation angle detector, and the second magnet 9 and the second magnetic detection element 11 form a second absolute rotation angle detector.
  • the first gear 1 and the second gear 3 have the same number of teeth c, the number of teeth of the gear A 6 is a, and the number of teeth of the gear B 7 is b (a ⁇ b).
  • the absolute rotation angles of the first gear 1 and the second gear 3 and the torsion bar 5 The calculation of the torque will be described.
  • FIG. 2 illustrates a method of calculating the absolute rotation angle.
  • the horizontal axis is the absolute rotation angle z of the first gear 1 and the second gear 3.
  • the upper row shows the absolute rotation angle X of the gear A 6 and the absolute rotation angle y of the gear B 7.
  • the lower part shows the absolute rotation angle difference (x-y) between the gear A 6 and the gear B 7.
  • the absolute rotation angle difference (X-y) forms a straight line and is uniquely related to the absolute rotation angle z. Therefore, the absolute rotation angle z is calculated by (X-y) which is the absolute rotation angle difference between the gear A and the gear B.
  • the vertical axis in FIG. 3 shows the difference T between the absolute rotation angle X of the gear A6 and the absolute rotation angle y of the gear B7 multiplied by the gear ratio (bZa) of the gears A6 and B7.
  • T changes stepwise as shown.
  • T fluctuates by ⁇ * (c / a) with respect to the case without twist, and the twist angle ⁇ can be calculated.
  • the detection accuracy of the absolute rotation angle z can be improved.
  • the torque is calculated from the twist angle ⁇ . If the torsion angle ⁇ exceeds the tolerance specified separately, it is determined that an abnormality has occurred and a warning is issued.
  • the above-described detection of the absolute rotation angle and the torque can be performed by making the number of teeth of the gear A6 and the gear B7 the same and making the number of teeth of the first gear 1 and the second gear 3 different.
  • the first magnetic detection element 10 and the second magnetic detection element 11 are connected to a CPU 14.
  • the nonvolatile memory EE PROM 15 is also connected to the CPU 14.
  • the CPU 14 Connected to master CPU 17 via serial communication line 16.
  • the initial absolute rotation angle of the gear A 6 is calculated from the signal of the first magnetic detection element 10
  • the initial absolute rotation angle of the gear B 7 is calculated from the signal of the second magnetic detection element 11, and their initial absolute rotation angles are calculated. Is stored in the non-volatile memory (EEPROM15). Each time the power is turned on, the initial absolute rotation angles stored in the EE PROM 15 are read out, and the rotation angles from those initial absolute rotation angles are used as the absolute rotation angles of the gear A 6 and the gear B 7.
  • the absolute rotation angle and torque detection device provides a vehicle power

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Abstract

トーションバーユニットの入力軸（２）と連結した第１の歯車（１）と、第１の歯車（１）と係合する歯車Ａ（６）と、歯車Ａ（６）の中心部に配置した第１の絶対回転角度検出部と、トーションバーユニットの出力軸（４）と連結した第２の歯車（３）と、第２の歯車（３）と係合する歯車Ｂ（７）と、歯車Ｂ（７）の中心部に配置した第２の絶対回転角度検出部とを備える絶対回転角度とトルクの検出装置。

Description

明 細 書
絶対回転角度とトルクの検出装置 技術分野
本発明は、 ト一シヨンバーに取り付けられて、 絶対回転角度とトルクを同時に 検出する装置に関する。 本発明の検出装置は、 自動車のパワーステアリング等に 用いられる。 背景技術
図 6は、 従来の回転角度とトルクの検出装置である。 歯車 1 8はトーシヨンバ —の入力軸 （図示せず） に取り付けられる。 歯車 1 8と係合する歯車 2 1は、 多 数の磁極を有する円形のコード板 2 0を有する。 入力軸の回転にしたがってコー ド板 2 0が回転する。 磁気検出素子 2 2は回転する磁極の数をカウントして入力 軸の回転角度を検出する。 歯車 4 2はトーシヨンバーの出力軸 （図示せず） に取 り付けられ、 上記と同様にして、 出力軸の回転角度が検出される。 トーシヨンバ 一にトルクが作用して軸に捩れが発生した時、 入力軸と出力軸の回転角度を比較 してトルクを検出できる。
しかし、 回転角度を高精度で得ようとすると、 コード板 2 0は多数の磁極を必 要とするので、 検出装置の寸法が大きくなる問題がある。 また、 磁気検出素子 2 2をコード板 2 0の半径方向に配置することも、 検出装置の寸法を大きくする。 また、 この従来の検出装置は絶対角度を検出しない。 発明の開示
本発明の絶対回転角度とトルクの検出装置は、 入力軸と出力軸とトーションパ —を有するトーシヨンパ一ユニットと、 入力軸と結合する第 1の歯車と、 第 1の 歯車と係合する歯車 Aと、 歯車 Aの中心部に配置した第 1の絶対回転角度検出器 と、 出力軸と結合する第 2の歯車と、 第 2の歯車と係合する歯車 Bと、 歯車 Bの 中心部に配置した第 2の絶対回転角度検出器とを備える。 図面の簡単な説明
図 1は、 本発明の絶対回転角度とトルクの検出装置の構成図
図 2は、 絶対回転角度を求めるための説明図
図 3は、 捩れ角度を求めるための説明図
図 4は、 本発明の検出装置の回路ブロック図
図 5は、 誤差補正の説明図
図 6は、 従来の回転角度とトルクの検出装置 発明を実施するための最良の形態
以下、本発明の実施例について、 図面を用いて説明する。
図 1は、 本実施例の絶対回転角度とトルクの検出装置の構成を示す。 ト一ショ ンバ一ュニットは、 同一の剛体で作られ同心配置された入力軸 2とトーションバ 一 5と出力軸 4で構成される。 第 1の歯車 1と第 2の歯車 3はそれぞれト一ショ ンバ一ュニットの入力軸 2と出力軸 4に結合される。 第 1の歯車 1は歯車 A 6と 係合し、 第 2の歯車 3は歯車 B 7と係合する。 歯車 A 6の中央に第 1の磁石 8が 設置され、 歯車 B 7の中央に第 2の磁石 9が設置される。 第 1の磁石 8と第 2の 磁石 9は 1極対に着磁される。 基板 1 2に搭載された第 1の磁気検出素子 1 0は 第 1の磁石 8に対向する位置に配置され、 基板 1 3に搭載された第 2の磁気検出 素子 1 1は第 2の磁石 9に対向する位置に配置される。 第 1の磁石 8と第 1の磁 気検出素子 1 0は第 1の絶対回転角度検出器を、 第 2の磁石 9と第 2の磁気検出 素子 1 1で第 2の絶対回転角度検出器を構成する。 第 1の歯車 1と第 2の歯車 3 の歯数は同数の c、歯車 A 6の歯数は a、歯車 B 7の歯数は b ( a≠b )である。 次に、 第 1の歯車 1と第 2の歯車 3の絶対回転角度とトーションバー 5にかか るトルクの算出について説明する。
図 1において、 トーシヨンバーユニットの入力軸 2が回転すると、 第 1の歯車 1、 そして歯車 A 6が回転する。 第 1の磁気検出素子 10は、 第 1の磁石 8の磁 界を検出して歯車 A 6の絶対回転角度を算出する。 トーシヨンバーュニットの出 力軸 4が回転すると、 第 2の歯車 3、 そして歯車 B 7が回転する。 第 2の磁気検 出素子 11は、 第 2の磁石 9の磁界を検出して歯車 B 7の絶対回転角度を算出す る。
図 2は、 絶対回転角度を算出する方法を説明する。 横軸は第 1の歯車 1と第 2 の歯車 3の絶対回転角度 zである。 上段は、 歯車 A 6の絶対回転角度 Xと歯車 B 7の絶対回転角度 yを示す。 下段は、 歯車 A 6と歯車 B 7の絶対回転角度差 （x -y) を示す。 図示のように、 絶対回転角度差 （X— y) は直線を形成し絶対回 転角度 zと一意的関係である。 したがって、 絶対回転角度 zは、 歯車 Aと歯車 B の絶対回転角度差である （X— y) により算出される。
図 3の縦軸は、 歯車 A 6の絶対回転角度 Xと歯車 B 7の絶対回転角度 yに歯車 A 6と歯車 B 7の歯数比 （bZa) を掛けたものとの差 Tを示す。 ト一シヨンバ —5に捩れがない場合、 Tは図示のように階段状に変化する。 ト一シヨンバー 5 が ΔΤだけ捩れた場合、 Tは捩れがない場合に対し ΔΤ* (c/a)だけ変動し、 捩れ角度 ΔΤが算出できる。 この ΔΤ* (c/a) を図 2に示した （x— y) に 加えて絶対回転角度 zの検出精度を向上させることもできる。 トルクは捩れ角度 ΔΤから算出される。 捩れ角度 ΔΤが別途定める許容値を超えた場合は異常が発 生したと判断して警報をする。
上記の絶対回転角度とトルクの検出は、歯車 A 6と歯車 B 7の歯数を同じにし、 第 1の歯車 1と第 2の歯車 3の歯数を異なるようにしても可能である。
図 4に示すように、 第 1の磁気検出素子 10と第 2の磁気検出素子 11は、 C PU 14に接続される。 CPU 14には不揮発性メモリ EE PROM 15も接続 される。 一方、 CPU14で算出される絶対回転角度とトルクを出力するために シリアル通信ライン 16を介してマスタ CPU 17と接続される。
歯車 A 6と歯車 B 7を、 両者のゼロ回転角度を一致させてトーションバーュニ ットに取りつけることが望まれるが、 それは高精度の困難な作業なので、 その代 わりに、 トーシヨンバーユニットに歯車 A 6と歯車 B 7を取りつけた後、 次のよ うにゼロ回転角度の補正を行う。 歯車 A 6の初期絶対回転角度を第 1の磁気検出 素子 10の信号より算出し、 歯車 B 7の初期絶対回転角度を第 2の磁気検出素子 11の信号より算出し、 それらの初期絶対回転角度を不揮発性メモリ （EEPR OM15) に記憶する。 電源投入毎に EE PROM 15に記億した初期絶対回転 角度を読み出し、 それらの初期絶対回転角度からの回転角度をもって歯車 A 6と 歯車 B 7の絶対回転角度とする。
更に、 図 5に示すように、 磁気検出素子が算出する絶対回転角度 （実線） は正 しい絶対回転角度 （破線） に対して種々の要因による誤差を含むので、 次のよう に補正を行う。 トーションバーュニットに歯車 A 6と歯車 B 7を取りつけた後、 入力軸 2を高精度に回転させる。 これにより、 歯車 A 6と歯車 B 7の磁気検出素 子が算出する絶対回転角度と正しい絶対回転角度との差である補正角度を得る。 この補正角度を EE PROM 15に記憶させる。 電源投入毎に EE PROM 15 に記憶した補正角度を読み出し、 この値を磁気検出素子が算出する絶対回転角度 に加えることにより、 正しい値に近づいた絶対回転角度を得る。 産業上の利用可能性
本発明の絶対回転角度およびトルク検出装置は、 車両のパワー
で使用されるのに適している。

Claims

請 求 の 範 囲
1 . 入力軸と出力軸と 1 ^一シヨンバーを有する 1 ^一ションバーュニットと、 前記入力軸と結合する第 1の歯車と、
前記第 1の歯車と係合する歯車 Aと、
前記歯車 Aの中心部に配置した第 1の絶対回転角度検出器と、
前記出力軸と結合する第 2の歯車と、
前記第 2の歯車と係合する歯車 Bと、
前記歯車 Bの中心部に配置した第 2の絶対回転角度検出部とを備える絶対回 転角度とトルクの検出装置。
2 . 前記第 1の絶対回転角度検出器が、 第 1の磁石と、 前記第 1の磁石に対向す る位置に配置した第 1の磁気検出素子とを備える請求項 1に記載の絶対回転 角度とトルクの検出装置。
3 . 前記第 2の絶対回転角度検出器が、 第 2の磁石と、 前記第 2の磁石に対向す る位置に配置した第 2の磁気検出素子とを備える請求項 1に記載の絶対回転 角度とトルクの検出装置。
4. 前記第 1と第 2の歯車の歯数を同一にし、 前記歯車 Aと Bの歯数を異なるよ うにして、 絶対回転角度は前記歯車 Aと Bの絶対回転角度差より算出し、 ト ルクは前記歯車 Aの絶対回転角度と前記歯車 Bの絶対回転角度に前記歯車 A と Bの歯数比をかけたものとの差により算出する請求項 1に記載の絶対回転 角度とトルクの検出装置。
5 . 前記第 1と第 2の歯車の歯数を異なるようにし、 前記歯車 Aと Bの歯数を同 一にして、 絶対回転角度は前記歯車 Aと Bの絶対回転角度差より算出し、 ト ルクは前記歯車 Aの絶対回転角度と前記歯車 Bの絶対回転角度に前記第 1と 第 2の歯車の歯数比をかけたものとの差により算出する請求項 1に記載の絶 対回転角度とトルクの検出装置。
6 . 前記歯車 Aと Bの初期絶対回転角度をそれぞれあらかじめ不揮発性メモリに 記憶し、 前記記憶された初期絶対回転角度からの回転角度を前記歯車 Aと B の絶対回転角度とみなして絶対回転角度とトルクの算出に用いる請求項 4に 記載の絶対回転角度とトルクの検出装置。
7 . 前記歯車 Aと Bの絶対回転角度の正しい値と前記第 1と第 2の磁気検出素子 が算出する絶対回転角度との差である補正角度をあらかじめ不揮発性メモリ に記憶し、 前記記憶された補正角度を前記第 1と第 2の磁気検出素子が算出 する絶対回転角度に加えた値を前記歯車 Aと Bの絶対回転角度とみなして絶 対回転角度とトルクの算出に用いる請求項 4に記載の絶対回転角度とトルク の検出装置。
8 . 前記歯車 Aの絶対回転角度と前記歯車 Bの絶対回転角度に前記歯車 Aと Bの 歯数比を乗じたものとの差が所定の許容値を超えた時に異常を警報する請求 項 4に記載の絶対回転角度とトルクの検出装置。
9 . 前記歯車 Aの絶対回転角度と前記歯車 Bの絶対回転角度に前記第 1と第 2の 歯車の歯数比をかけたものとの差が所定の許容値を超えた時に異常を警報す る請求項 5に記載の絶対回転角度とトルクの検出装置。
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