JP2011191159A - 回転角度・トルク検出装置 - Google Patents

回転角度・トルク検出装置 Download PDF

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Abstract

【課題】主に自動車のステアリングの回転角度や回転トルクの検出等に用いられる回転角度・トルク検出装置に関し、誤差がなく、高精度で確実な回転トルクの検出が可能なものを提供することを目的とする。
【解決手段】第一の検出体31と第二の検出体32の回転角度を検出する、磁石33A、34Aや磁気検出素子33B、34B等から形成された回転角度検出手段を設けると共に、制御手段29が回転トルク検出手段と回転角度検出手段の両方を用いて回転トルクを検出することによって、磁石22等の回転トルク検出手段に鉄粉等の異物が付着した場合でも、回転角度検出手段によって回転トルクの検出が行えると共に、回転トルク検出手段の不具合も判別できるため、誤差がなく、高精度で確実な回転トルクの検出が可能な回転角度・トルク検出装置を得ることができる。
【選択図】図1

Description

本発明は、主に自動車のステアリングの回転角度や回転トルクの検出等に用いられる回転角度・トルク検出装置に関するものである。
近年、自動車の高機能化が進むなか、様々な回転トルク検出装置や回転角度検出装置を用いてステアリングの回転トルクや回転角度を検出し、パワーステアリング装置やブレーキ装置等の車両の各種制御を行うものが増えている。
このような、従来の回転角度・トルク検出装置について、図5を用いて説明する。
図5は従来の回転角度・トルク検出装置の断面図であり、同図において、1はステアリングに連動して回転する略円筒状の第一の回転体、2は略円筒状の保持体、3は複数のN極とS極が交互に隣接して形成された略円筒状の磁石で、磁石3が保持体2の外周下端に固着されると共に、この保持体2の外周上方が第一の回転体1の内周上方に固着されている。
そして、4は略円筒状の第二の回転体、5は略リング状の第一の磁性体、6は同じく第二の磁性体で、第二の回転体4が第一の回転体1の下方に配置されると共に、上下に配置された第一の磁性体5と第二の磁性体6が、略リング状のスペーサ7を介して、磁石3外周と所定の間隙を空けて対向するように、第二の回転体4上端に各々固着されている。
さらに、8は左右面に複数の配線パターン(図示せず)が形成された配線基板で、第一の回転体1と第二の回転体4の側方にほぼ平行に配置され、磁石3との対向面には、第一の磁性体5と第二の磁性体6の間に配設された、ホール素子等の磁気検出素子9が実装装着されている。
そして、これらの第一の磁性体5と第二の磁性体6、及び対向した磁石3と磁気検出素子9によって回転トルク検出手段10が形成されると共に、配線基板8にはマイコン等の電子部品によって、磁気検出素子9に接続された制御手段11が形成されている。
また、第一の回転体1と第二の回転体4の間には、上端が第一の回転体1に、下端が第二の回転体4に各々固着されたトーションバー等の略円柱状で鋼等の連結体12が設けられている。
さらに、13は外周下面に平歯車部が形成された第三の回転体、14は外周側面に平歯車部が形成された第一の検出体、15は同じく第二の検出体で、第三の回転体13が第一の回転体1外周下端に固着されると共に、この第三の回転体13に第一の検出体14が、第一の検出体14に第二の検出体15が各々噛合している。
そして、この第一の検出体14の中央には磁石16Aが、第二の検出体15の中央には磁石17Aが、各々インサート成形等により装着されると共に、これらの側方にほぼ平行に配置された配線基板8の、磁石16Aと17Aとの対向面には、AMR(異方性磁気抵抗)素子等の磁気検出素子16Bと17Bが各々装着されている。
さらに、この磁石16Aと磁気検出素子16B、磁石17Aと磁気検出素子17Bによって、回転角度検出手段16と17が各々形成されると共に、磁気検出素子16Bと17Bが制御手段11に接続されて、回転角度・トルク検出装置が構成されている。
そして、このように構成された回転角度・トルク検出装置が、第一の回転体1や第二の回転体4にステアリング軸が装着されて、自動車のステアリングホイール下方に装着されると共に、制御手段11がコネクタやリード線(図示せず)等を介して自動車本体の電子回路(図示せず)に接続される。
以上の構成において、ステアリングホイールを回転すると、これに伴って第一の回転体1が回転し、この下端に固着された第三の回転体13が回転するため、第三の回転体13に噛合した第一の検出体14、及び第一の検出体14に噛合した第二の検出体15が各々連動して回転する。
また、第一の検出体14と第二の検出体15の回転に伴って、これらの中央に装着された磁石16A、17Aも回転して、この磁石16A、17Aの変化する磁力を磁気検出素子16B、17Bが検出し、増減を繰返す正弦波や余弦波、または略鋸歯状の回転角度検出信号が制御手段11へ入力される。
そして、この第一の検出体14と第二の検出体15からの回転角度検出信号と、各々の歯車の歯数から、制御手段11が所定の演算を行って、第三の回転体13即ちステアリング軸の回転角度を検出し、これが自動車本体の電子回路へ出力される。
また、この時、ステアリング軸と第一の回転体1の回転に伴って、連結体12が捩じれた後、第一の回転体1にやや遅れて第二の回転体4が回転するが、この時、例えば車両が走行時には回転トルクが小さいため、第一の回転体1に対する第二の回転体4の回転の遅れは少なく、停車時には回転トルクが大きいため、第二の回転体4の回転の遅れが大きくなる。
そして、この第一の回転体1と第二の回転体4の回転に伴って、これらに固着された磁石3と、これにやや遅れて第一の磁性体5と第二の磁性体6も回転し、交互に隣接形成された磁石3のN極とS極の磁気の変化を、磁気検出素子9が第一の磁性体5と第二の磁性体6を介して検出し、これが制御手段11へ入力される。
なお、この時、磁気検出素子9が検出する磁気は、磁石3が固着された第一の回転体1に対し、第一の磁性体5と第二の磁性体6が固着された第二の回転体4の、回転の遅れが少ない場合には磁気が弱く、回転の遅れが大きな場合には磁気が強くなる。
そして、この第一の磁性体5と第二の磁性体6を介して検出された磁気検出素子9の磁気の強弱から、制御手段11が第一の回転体1、即ちステアリング軸の回転トルクを算出して、これが車両本体の電子回路へ出力され、電子回路がこの回転トルクや、上述した制御手段11からのステアリング軸の回転角度、あるいは車体の各部に装着された速度センサ等からの様々なデータを演算して、パワーステアリング装置やブレーキ装置等の車両の様々な制御が行われる。
つまり、制御手段11から出力された回転角度や回転トルクに応じて、ステアリングホイールの回転操作角度にあわせたブレーキ装置の効き具合の制御や、ステアリングホイールを回転操作する力の制御等が、電子回路によって行われるように構成されているものであった。
なお、この出願の発明に関連する先行技術文献情報としては、例えば、特許文献1が知られている。
特開2008−82826号公報
しかしながら、上記従来の回転角度・トルク検出装置においては、回転トルクを検出するための磁石3や第一の磁性体5、第二の磁性体6が、第一の回転体1や第二の回転体4によって覆われてはいるが、これらに鉄粉等の異物が付着した場合には、磁気検出素子9が第一の磁性体5と第二の磁性体6を介して検出する磁石3の磁気に誤差が生じてしまい、回転トルクの正確な検出が行えなくなってしまうという課題があった。
本発明は、このような従来の課題を解決するものであり、誤差がなく、高精度で確実な回転トルクの検出が可能な回転角度・トルク検出装置を提供することを目的とする。
上記目的を達成するために本発明は、第一及び第二の回転体に連動して回転する第一及び第二の検出体と、この第一及び第二の検出体の回転角度を検出する回転角度検出手段を設けると共に、制御手段が回転トルク検出手段と回転角度検出手段を用いて、回転トルクを検出するようにして回転角度・トルク検出装置を構成したものであり、制御手段が回転トルク検出手段と回転角度検出手段の両方から回転トルクを検出することで、磁石や磁性体等の回転トルク検出手段に鉄粉等の異物が付着した場合でも、回転角度検出手段によって回転トルクの検出が行えると共に、回転トルク検出手段の不具合も判別できるため、誤差がなく、高精度で確実な回転トルクの検出が可能な回転角度・トルク検出装置を得ることができるという作用を有するものである。
以上のように本発明によれば、誤差がなく、高精度で確実な回転トルクの検出が可能な回転角度・トルク検出装置を実現することができるという有利な効果が得られる。
本発明の一実施の形態による回転角度・トルク検出装置の断面図 同分解斜視図 同部分側面図 同他の形態による分解斜視図 従来の回転角度・トルク検出装置の断面図
以下、本発明の実施の形態について、図1〜図4を用いて説明する。
(実施の形態)
図1は本発明の一実施の形態による回転角度・トルク検出装置の断面図、図2は同分解斜視図であり、同図において、21は略円筒状でステアリングに連動して回転するポリブチレンテレフタレート等の絶縁樹脂製の第一の回転体で、上端外周には平歯車部21Aが形成されている。
そして、22は略円筒状でフェライトやNd−Fe−B合金等の磁石で、この磁石22は、図3の部分側面図に示すように、磁極の異なる所定数のN極とS極が所定の角度間隔で、例えば16個の場合には22.5度の間隔で、上下左右に隣接して着磁形成されると共に、第一の回転体21の外周下端に、インサート成形や接着等によって固着されている。
また、23は略円筒状でポリブチレンテレフタレート等の絶縁樹脂製の第二の回転体で、上端外周には平歯車部23Aが形成されると共に、第一の回転体21の下方に配置されている。
さらに、24はパーマロイや鉄、Ni−Fe合金等の第一の磁性体、25は同じく第二の磁性体で、略帯状の板材がリング状に巻回されて形成されると共に、第一の磁性体24と第二の磁性体25が内周を磁石22に対向させるようにして、第二の回転体23外周に各々配置されている。
また、26は略舌片状でパーマロイや鉄、Ni−Fe合金等の第三の磁性体で、複数の第三の磁性体26が所定の角度間隔で、例えば8個の第三の磁性体26が45度の間隔で、磁石22外周と第一及び第二の磁性体24、25内周の間に位置するように、第二の回転体23内にインサート成形等によって放射状に固着されている。
そして、27は紙フェノールやガラス入りエポキシ等の配線基板で、上下面には銅箔等によって複数の配線パターン(図示せず)が形成されると共に、第一の回転体21と第二の回転体23の側方に水平に配置されている。
さらに、28は垂直方向の磁気を検出するホール素子や、水平方向の磁気を検出するGMR素子等の磁気検出素子で、配線基板27に実装装着され、第一の磁性体24と第二の磁性体25の間に磁石22と対向するように配設されている。
そして、これらの第一の磁性体24と第二の磁性体25、第三の磁性体26、及び対向した磁石22と磁気検出素子28によって回転トルク検出手段が形成されると共に、配線基板27にはマイコン等の電子部品によって、磁気検出素子28に接続された制御手段29が形成されている。
また、第一の回転体21と第二の回転体23の間には、上端が第一の回転体21に、下端が第二の回転体23に各々固着された、トーションバー等の略円柱状で鋼等の連結体30が設けられている。
さらに、31は外周側面に平歯車部31Aが形成された絶縁樹脂または金属製の第一の検出体、32は同じく外周側面に平歯車部32Aが形成された第二の検出体で、第一の回転体21の平歯車部21Aに第一の検出体31の平歯車部31Aが、第二の回転体23の平歯車部23Aに第二の検出体32の平歯車部32Aが各々噛合している。
なお、これらの歯車の直径及び歯数は、第一の回転体21と第二の回転体23が最も大きく、第一の検出体31、第二の検出体32の順に小さくなっており、例えば、平歯車部21Aと23Aの歯数が84、平歯車部31Aの歯数が30、平歯車部32Aの歯数が28となっている。
そして、第一の検出体31の中央には磁石33Aが、第二の検出体32の中央には磁石34Aが、各々インサート成形等によって装着されると共に、これらの下方にほぼ平行に配置された配線基板27の、磁石33Aと34Aとの対向面には、AMR(異方性磁気抵抗)素子等の磁気検出素子33Bと34Bが各々装着されている。
さらに、これらの磁石33Aと磁気検出素子33B、磁石34Aと磁気検出素子34Bによって、各々回転角度検出手段が形成されると共に、磁気検出素子33Bと34Bが制御手段29に接続されて、回転角度・トルク検出装置が構成されている。
そして、このように構成された回転角度・トルク検出装置が、第一の回転体21や第二の回転体23にステアリング軸が装着されて、自動車のステアリングホイール下方に装着されると共に、制御手段29がコネクタやリード線(図示せず)等を通して自動車本体の電子回路(図示せず)に接続される。
以上の構成において、ステアリングホイールを回転すると、これに伴って第一の回転体21が回転し、連結体30が捩じれた後、第一の回転体21にやや遅れて第二の回転体23が回転するが、この時、例えば車両が走行時には回転トルクが小さいため、第一の回転体21に対する第二の回転体23の回転の遅れは少なく、停車時には回転トルクが大きいため、第二の回転体23の回転の遅れが大きくなる。
そして、この第一の回転体21と第二の回転体23の回転に伴って、第一の回転体21に噛合した第一の検出体31、及び第二の回転体23に噛合した第二の検出体32が各々連動して回転する。
また、第一の検出体31と第二の検出体32の回転に伴って、これらの中央に装着された磁石33Aと34Aも回転して、この磁石33Aと34Aの変化する磁力を磁気検出素子33Bと34Bが検出し、増減を繰返す正弦波や余弦波、または略鋸歯状の回転角度検出信号が制御手段29へ入力される。
なお、この時、第一の検出体31の平歯車部31Aと、第二の検出体32の平歯車部32Aは歯数が異なっているため、磁気検出素子33Bと34Bからのデータ波形は、位相差のある検出信号となって、制御手段29へ入力される。
そして、この第一の検出体31と第二の検出体32からの回転角度検出信号と、各々の歯車の歯数から、制御手段29が所定の演算を行って、第一の回転体21と第二の回転体23、即ちステアリング軸の回転角度を検出し、これが自動車本体の電子回路へ出力される。
また、この時、上記のように第二の回転体23は第一の回転体21に対してやや遅れて回転するため、この第二の回転体23に噛合した第二の検出体32も、第一の回転体21に噛合した第一の検出体31に対してやや遅れて回転する。
したがって、磁気検出素子34Bから制御手段29へ入力される回転角度検出信号は、磁気検出素子33Bからの回転角度検出信号に対し、この回転の遅れの分だけずれたものとなり、この遅れは上記のように、例えば車両が走行時には回転トルクが小さいため小さくなり、停車時には回転トルクが大きいため、大きな遅れとなる。
そして、この第二の検出体32からの回転角度検出信号と、第一の検出体31からの回転角度検出信号のずれ、及びこれらの歯車の歯数から、検出精度は0.7度前後とやや粗いものではあるが、制御手段29が上記のステアリング軸の回転角度に加え、ステアリング軸の回転トルクを検出する。
さらに、この第一の回転体21と、これにやや遅れた第二の回転体23の回転に伴って、これらに固着された磁石22と、これにやや遅れて第三の磁性体26が回転し、所定の角度間隔で隣接形成された磁石22のN極とS極の磁気の変化を、対向した磁気検出素子28が第一の磁性体24と第二の磁性体25を介して検出し、これが制御手段29へ入力される。
つまり、ステアリングホイールが回転操作されず中立位置で、車両が直進状態にある場合には、図3(a)に示すように、複数の第三の磁性体26の中心が、磁石22の上下左右に磁極の異なるN極とS極が隣接した間の中央にあるため、これらN極からS極への磁力が第三の磁性体26によって各々釣り合った状態となっている。
したがって、磁石22や第三の磁性体26外方の、第一の磁性体24と第二の磁性体25の間にも磁束が発生しないため、これらの間に配設された磁気検出素子28が検出する磁気は0となっている。
これに対し、ステアリングホイールが右または左方向へ回転され、磁石22が回転して、例えば、図3(b)に示すように、磁石22が左方向へ回転した状態では、第三の磁性体26には磁石22によって、N極からS極への閉磁路となった磁束が生じる。
また、同時に、第一の磁性体24と第二の磁性体25にも、磁石22によってN極からS極への磁束が発生し、これらの磁気を磁気検出素子28が検出して、磁気の強弱に応じた電圧が、回転トルク検出信号として制御手段29へ出力される。
なお、この時、磁気検出素子28が検出する磁気は、磁石22が固着された第一の回転体21に対し、第三の磁性体26が固着された第二の回転体23の回転の遅れが少ない場合には、検出する磁気は弱く、回転の遅れが大きな場合には、検出する磁気は強くなる。
そして、この第一の磁性体24と第二の磁性体25、第三の磁性体26を介して検出された磁気検出素子28の磁気の強弱から、制御手段29が0.1度前後の検出精度で第一の回転体21、即ちステアリング軸の回転トルクを検出して、これが自動車本体の電子回路へ出力され、電子回路がこの回転トルクや、上記の回転角度、あるいは車体の各部に装着された速度センサ等からの様々なデータを演算して、パワーステアリング装置やブレーキ装置等の車両の様々な制御が行われる。
つまり、制御手段29から出力された回転トルクによって、車両の走行や停車状態に合わせ、例えば、車両が走行中でステアリングの回転トルクが小さな場合には、パワーステアリング装置の利きを緩めて、ステアリングホイールをある程度重い力で回転操作するようにし、車両が停車していてステアリングの回転トルクが大きな場合には、パワーステアリング装置を大きく利かせて、軽い力でもステアリングホイールの回転操作を行えるように構成されている。
あるいは、制御手段29からの回転角度によって、ステアリングホイールが大きく回転操作されている場合には、ブレーキ装置の効きを断続的にし、小さく回転操作されている場合には、ブレーキ装置を連続的に効かせる等の、ステアリングホイールの回転に応じたブレーキ装置の制御等が行われるようになっている。
そして、この時、制御手段29には磁気検出素子28からの回転トルク検出信号に加え、上述したように、磁気検出素子33Bと34Bからの回転角度検出信号が入力され、この二つの検出信号によって制御手段29がステアリング軸の回転トルクを検出するように構成されている。
すなわち、磁石22や磁気検出素子28等から形成された、回転トルク検出手段からの高精度な回転トルク検出信号と、磁石33A、34Aや磁気検出素子33B、34B等から形成された、回転角度検出手段からの検出精度のやや粗い回転角度検出信号の両方から、制御手段29が回転トルクを検出するようになっている。
このため、磁石22や第一の磁性体24、第二の磁性体25等に、例えば鉄粉等の異物が付着し、磁気検出素子28から誤差のある回転トルク検出信号が出力された場合でも、これと回転角度検出手段の回転角度検出信号から算出した回転トルクを比較することで、制御手段29がこの不具合を判別することが可能となる。
そして、このような鉄粉の付着等の不具合が生じ、磁気検出素子28からの回転トルク検出信号が誤差のあるものとなってしまった場合には、例えば制御手段29がこの検出信号ではなく、回転角度検出信号から算出した回転トルクを車両の電子回路へ出力するようにすれば、やや粗くはあるが、この回転トルクによってパワーステアリング装置の制御を行うことができる。
あるいは、制御手段29から電子回路へ回転トルクのデータを出力することを停止し、これに応じて電子回路が例えば、パワーステアリングを利かせない、または警告灯を点灯する等の操作を行うことで、上記のような不具合を報知するようにすることもできる。
さらに、以上の説明では、第一の回転体21と第二の回転体23に、歯数の異なる第一の検出体31と第二の検出体32を噛合させた構成について説明したが、図4の分解斜視図に示すように、第二の回転体23に第一の検出体31と同じ歯数の、例えば歯数が30の第三の検出体35を噛合させると共に、第一の回転体21に噛合した第一の検出体31に、歯数の異なる第二の検出体32を噛合させた構成としてもよい。
つまり、第一の検出体31と、これに対してやや遅れて回転する同じ歯数の、第三の検出体35からの回転角度検出信号を用いて、制御手段29が回転トルクの検出を行うことで、第一の回転体21や第二の回転体23と、第一の検出体31や第三の検出体35の歯数の演算を行わなくとも、第一の検出体31に対する第三の検出体35の回転の遅れ分だけで、制御手段29が回転トルクの検出を容易に行うことが可能となる。
このように本実施の形態によれば、第一の検出体31と第二の検出体32の回転角度を検出する、磁石33A、34Aや磁気検出素子33B、34B等から形成された回転角度検出手段を設けると共に、制御手段29が回転トルク検出手段と回転角度検出手段の両方を用いて回転トルクを検出することによって、磁石22等の回転トルク検出手段に鉄粉等の異物が付着した場合でも、回転角度検出手段によって回転トルクの検出が行えると共に、回転トルク検出手段の不具合も判別できるため、誤差がなく、高精度で確実な回転トルクの検出が可能な回転角度・トルク検出装置を得ることができるものである。
なお、以上の説明では、第一の回転体21や第二の回転体23、第一の検出体31や第二の検出体32等の外周に各々平歯車部を形成し、これらが噛合して互いに連動して回転する構成について説明したが、平歯車部以外にも傘歯車等、他の形状の歯車を用いた構成や、あるいは歯車に代えて、回転を伝達できる凹凸部や高摩擦部などを各回転体や検出体の外周に形成し、これによって互いに連動して回転する構成としても、本発明の実施は可能である。
また、以上の説明では、配線基板27に磁気検出素子28や磁気検出素子33B、34Bと共に、制御手段29を設けた構成について説明したが、制御手段29は車両の電子回路に一体に設け、これに各磁気検出素子を接続して、ステアリング軸の回転角度や回転トルクを検出する構成としてもよい。
本発明による回転角度・トルク検出装置は、誤差がなく、高精度で確実な回転トルクの検出が可能なものを実現することができ、主に自動車のステアリングの回転角度や回転トルクの検出用として有用である。
21 第一の回転体
21A、23A 平歯車部
22 磁石
23 第二の回転体
24 第一の磁性体
25 第二の磁性体
26 第三の磁性体
27 配線基板
28 磁気検出素子
29 制御手段
30 連結体
31 第一の検出体
31A、32A 平歯車部
32 第二の検出体
33A、34A 磁石
33B、34B 磁気検出素子
35 第三の検出体

Claims (1)

  1. ステアリングに連動して回転する第一の回転体と、この第一の回転体に連結体を介して固着された第二の回転体と、上記第一の回転体の回転トルクを検出する回転トルク検出手段と、上記第一の回転体に連動して回転する第一の検出体と、上記第二の回転体に連動して回転する第二の検出体と、上記第一及び第二の検出体の回転角度を検出する回転角度検出手段と、上記回転トルク検出手段と回転角度検出手段に接続された制御手段からなり、上記制御手段が上記回転トルク検出手段と回転角度検出手段を用いて回転トルクを検出する回転角度・トルク検出装置。
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