JP5821496B2 - トルクセンサ及びそれを備えた電動パワーステアリング装置 - Google Patents
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Description
この電動パワーステアリング装置の相対回転を測定する形式のトルクセンサとして、例えば特許文献1のように、トルクに応じて変化するコイルのインピーダンスを測定することによりトルクを検出するものが存在する。
そして、入力側回転軸及び出力側回転軸のねじれ角度が、円筒部材の窓と被包囲部の溝の重なり具合の変化によりコイルのインピーダンスの変化として現れるので、このインピーダンスの変化をトルク信号として取得している。
しかし、特許文献1のトルクセンサは、インピーダンスの波形に高調波成分が重畳しているので、インピーダンスのp−p中心値と、円筒部材の窓・被包囲部の溝の中立位置がずれてしまい、インピーダンスの波形を理想的な正弦波状の波形として得ることができない。
さらに、請求項5記載の発明は、請求項1乃至5の何れか1項に記載のトルクセンサを備え、ステアリングホイールを操舵することによって発生した操舵トルクを前記トルクセンサが検出することを特徴とする電動パワーステアリング装置である。
また、本発明に係る電動パワーステアリング装置によると、ステアリングホイールを操舵することによって発生した操舵トルクを高精度に検出し、操舵補助トルクを伝達することができる。
図1は、本発明に係る電動パワーステアリング装置の主要部を示す断面図であり、図2は、本発明に係るトルクセンサの構成を示す斜視図である。
先ず、電動パワーステアリング装置の構成を説明すると、図1に示すように、ハウジング1内に、トーションバー4を介して連結された入力軸2及び出力軸3が、軸受5a及び5bによって回転自在に支持されている。
入力軸2の図示しない右端側には、ステアリングホイール(不図示)が回転方向に一体に取り付けられており、また、出力軸3の左端には、例えば公知のラックアンドピニオン式ステアリング装置を構成するピニオン軸(不図示)が連結されている。従って、操縦者がステアリングホイールを操舵することによって発生した操舵力は、入力軸2、トーションバー4、出力軸3及びラックアンドピニオン式ステアリング装置を介して転舵輪(不図示)に伝達する。
入力軸2と一体となっているスリーブ2Aには、出力軸3の外周面に近接してこれを包囲するように、肉薄の円筒部材8が回転方向に一体に固定されている。
出力軸3のセンサシャフト部3bの外周面は、図4に示すように、出力軸3の周面を周方向にN(この例ではN=8)等分した角度を一周期角度θ1(=360/N、この例ではθ1=45度)とし、一周期角度θ1の一方の端からa2度の部分が歯部3Bの周方向幅(歯幅)となり、残りのb2度(b2=θ1−a2)の部分が溝3Aの周方向幅となっている。
モータ制御回路は、図5に示すように、発振器60、電気抵抗61a、61b、差動アンプ51、整流・平滑回路52、ローパスフィルタ53、ノイズ除去フィルタ54、トルク演算部55及びモータ駆動部56を備えている。
差動アンプ51は、コイル10,11の出力差、すなわち、コイル10,11の端子電圧の差(端子電圧差)を増幅して出力する。整流・平滑回路52は、差動アンプ51の出力を整流、及び平滑して出力する。ノイズ除去フィルタ54は、整流・平滑回路52の出力から高周波ノイズ成分を除去して出力する。
操舵系が直進状態にあって操舵トルクが零である場合は、トーションバー4には捩れが発生せず、入力軸2と出力軸3とは相対回転しない。出力軸3と円筒部材8との間にも、相対回転は生じない。
一方、ステアリングホイールを操作して入力軸2に回転力が加わると、その回転力はトーションバー4を経て出力軸3に伝達される。このとき、出力軸3には、転舵輪及び路面間の摩擦力や出力軸3の図示しない左端側に構成されたラックアンドピニオン式ステアリング装置のギアの噛み合い等の摩擦力に応じた抵抗力が生じるため、入力軸2及び出力軸3間には、トーションバー4が捩じれることによって出力軸3が遅れる相対回転が発生し、出力軸3及び円筒部材8間にも相対回転が生じる。
右操舵トルク発生時は、図6に示すように、操舵トルクTが増大するにつれ検出コイル10のインダクタンスL10は減少し、コイル11のインダクタンスL11は増加する。
また、左操舵トルク発生時は、図6に示すように、操舵トルクTが増大するにつれ検出コイル10のインダクタンスL10は増加し、検出コイル11のインダクタンスL11のインダクタンスは減少する。
したがって、コイル10及び11の自己誘導起電力の差を求める差動アンプ51の出力は、操舵トルクの方向及び大きさに従ってリニアに変化するようになる。また、差動アンプ51においてコイル10及び11の端子電圧を求めているため、温度等による自己インダクタンスの変化はキャンセルされる。
Z1θ = DC1 + AC1・sinθ + AC2・cos2θ …… (1)
この(1)式のインピーダンスの波形Z1θには、2次高調波成分(AC2・cos2θ)が基本成分に重畳しており、この2次高調波成分が増大すると、インピーダンスの波形Z1θが理想的な正弦波状の波形として得られないので、モータ制御回路のトルク演算部26は、操舵トルクの大きさを高精度に検出することができない。
具体的には、円筒部材8の窓8A,…,8A(或いは8B,…,8B)の窓幅a1と、出力軸3のセンサシャフト部3bの歯幅a2との関係を、表1のように設定した適用1〜適用6のトルクセンサとすることで、インピーダンスの波形から2次高調波成分の大幅な減少を図っている。
本実施形態では、表1の比較1〜比較3、適用1〜適用6で示すトルクセンサは、円筒部材8の周方向に設けた全ての窓8A,…,8A、窓8B,…,8Bが同一形状に形成されている。
まず、表1の比較1,2及び適用1のトルクセンサについて説明する。
これら表1の比較1,2及び適用1のトルクセンサは、歯幅a2を12.0度に固定した状態で、窓幅a1を、10.0度、14.0度、18.0度に変化させたものであり、これらトルクセンサのインピーダンスを測定した。その結果、図7に示すように、窓幅a1が大きくなるに従い、2次高調波成分の直線的な減少変化が見られ、窓幅a1=18度に設定したときに、インピーダンスの波形から2次高調波成分が最も減少することがわかる。
また、歯幅a2=12.0度、窓幅a1=14.0度に設定した場合も、図9(a)に示すように、2次高調波成分の増大により理想的な正弦波状の波形とは異なるインピーダンスの波形となり、図9(b)に示すように、2つのコイル10及び11で発生するインピーダンスのp−p中央値が中立位置に一致しない。
ここで、窓幅a1=18.0度、歯幅a2=12.0度とした場合に、窓・歯の平均値Vは33.3%となる。
これら表1の比較3及び適用3,4のトルクセンサは、窓幅a1を16.5度に固定した状態で、歯幅a2を、11.0度、12.0度、13.5度に変化させたものであり、これらトルクセンサのインピーダンスを測定した。その結果、図11に示すように、2次高調波成分は、窓・歯の平均値Vに略比例して変化し、平均値Vが増大すると2次高調波成分が減少することがわかる。
適用5のトルクセンサは、窓幅a1=17.0度、歯幅a2=12.0度に設定され、窓・歯の平均値Vが32.2%であり、図11に示すように、2次高調波成分が0.5Ωを下回る小さな値となり、コイル10及び11で発生するインピーダンスの波形が理想的な正弦波状となるように、2次高調波成分を減少させることができる。
したがって、図11において最適範囲と記載したように、窓・歯の平均値Vが、31.7%≦V≦35.0となるように円筒部材8の窓8A,…,8A(或いは8B,…,8B)の窓幅a1及びセンサシャフト部3bの窓幅a1を所定値に設定すると、コイル10及び11で発生するインピーダンスの波形が理想的な正弦波状となるように、2次高調波成分を減少させることができる。
表1の適用2のトルクセンサは、窓幅a1及び歯幅a2を15.0度に設定することで、窓幅比R1及び歯幅比R2の両者を33.3%に設定している。
窓幅比R1=33.3%とは、円筒部材8の周面を周方向にN(この例ではN=8)等分した一周期角度θ1において、窓8A,8Bを形成した領域(窓有部)と、窓8A,8Bを形成していない領域(窓無部)との比が、窓有部:窓無部=1:2となっている。
適用2のトルクセンサは、図11の前述した適用1,4と同様に、2次高調波成分が大幅に減少する(略0となる)。
窓幅a1>歯幅a2の関係となっていると、円筒部材8及び出力軸3のセンサシャフト部3bが相対回転する際に、窓8A(8B)を通じて露出する歯部3Bの表面積が大きくなるので、図6のインダクタンスL10及びL11が上側にオフセットし、その結果、コイル10,11が発生するインピーダンスを増大させることができる。
したがって、適用1、適用3、適用4、適用5及び適用6のトルクセンサは、コイル10,11が発生するインピーダンスを高くし、消費電力を抑えてセンサケース13内の制御基板14上に設けたモータ制御回路の発熱を低減することができる。
ところで、円筒部材8は、薄肉の円筒形状のアルミニウム材に、窓8A,…,8A及び窓8B,…,8Bを開けて加工しているが、窓8A,…,8Aと窓8B,…,8Bの間の領域が狭すぎると変形し易いので、生産性が低下しやすい。
そこで、本実施形態のトルクセンサは、円筒部材8の周方向に設けたN個の窓8A,…,8Aを窓幅a1=17.0度とし、N個の窓8B,…,8Bを窓幅a1=16.5度とし、センサシャフト部3bの歯幅a2=12.0度としている(表1の適用3及び適用5を組み合わせた構造とする。)。なお、N個の窓8B,…,8Bを窓幅a1=17.0度とし、N個の窓8A,…,8Aを窓幅a1=16.5度としてもよい。
また、本実施形態のトルクセンサは、窓・歯の平均値Vが31.7%の近傍となり、図11に示すように、比較2のトルクセンサ(窓幅a1=14.0度、歯幅a2=12.0度)と比較して、2次高調波成分が1/2を下回る値(0.3Ω程度)となる。したがって、コイル10及び11で発生するインピーダンスの波形が理想的な正弦波状となるように、2次高調波成分を減少させることができる。
したがって、本実施形態のトルクセンサも、窓・歯の平均値Vが、31.7%以上、且つ35.0%以下の値となるように窓幅a1及び歯幅a2を設定すると、コイル10及び11で発生するインピーダンスの波形が理想的な正弦波状となるように2次高調波成分を減少させることができる。
さらに、図12に示す円筒部材8は、スリーブ2Aに近い側に周方向に等間隔離隔した長方形の複数(この実施形態では、8つ)の窓8A,…,8Aからなる第1窓列が形成されているとともに、スリーブ2Aから遠い側に向けて、周方向に等間隔離隔した長方形(窓8Aと同形状)の複数の窓8B,…,8Bからなる第2窓列、複数の窓8C,…,8Cからなる第3窓列及び複数の窓8D,…,8Dからなる第4窓列が形成されている。
モータ制御回路は、図5に示すように、発振器60、電気抵抗61a、61b、差動アンプ51、整流・平滑回路52、ローパスフィルタ53、ノイズ除去フィルタ54、トルク演算部55及びモータ駆動部56を備えている。
コイル10,11には、電気抵抗61a、61bを介して発振器60が電気的に接続され、発振器60からコイル10,11に励磁電流が供給される。
トルク演算部55は、ノイズ除去フィルタ54の出力(例えば、平均値)に基づいて、入力軸2と円筒部材8との相対回転変位の方向及び大きさを演算し、その演算結果に、例えば、所定の比例定数を乗じて、操舵系に発生している操舵トルクを求める。モータ駆動部56は、トルク演算部55の演算結果に基づいて、運転者による操舵トルクを軽減する操舵補助トルクを発生できる駆動電流Icを電動モータ7に供給する。
モータ制御回路は、図13に示すように、第1信号処理回路57A、第2信号処理回路57B,トルク演算部55及びモータ駆動部56を備えている。
図13に示すように、一方の一対のコイル10A,11Aは、第1発振器60Aが電気的に接続され、第1発振器60Aによってコイル10A,11Aに励磁電流が供給される。また、他方の一対のコイル10B,11Bには、第2発振器60Bが電気的に接続され、第2発振器60Bによってコイル10B,11Bに励磁電流が供給される。第1発振器60A及び第2発振器60Bは、所定の励磁周波数の交流電流を生成する。
ここで、本実施の形態では、入力軸2が第2の回転軸に対応し、出力軸3が第1の回転軸に対応し、出力軸3の円筒部材8に包囲されたセンサシャフト部3bが被包囲部に対応する。
Claims (5)
- 同軸に配設された第1及び第2の回転軸をトーションバーを介して連結するとともに、導電性で且つ非磁性の材料からなる円筒部材を、前記第1の回転軸の外周面を包囲するように、前記第2の回転軸と回転方向に一体とし、前記第1の回転軸の少なくとも前記円筒部材に包囲された被包囲部を磁性材料で形成し、
前記円筒部材の周方向に、所定間隔をあけて複数の窓を形成し、
前記被包囲部の周方向に、複数の歯部及び溝を交互に形成し、
前記円筒部材の前記窓が形成された部分を包囲するようにコイルを配設し、
前記コイルのインピーダンス変化に基づいて前記第1及び第2の回転軸に発生するトルクを検出するようにしたトルクセンサにおいて、
前記円筒部材の周面を周方向にN等分した角度を一周期角度θ1とすると、前記窓は、前記一周期角度θ1の一方の端からa1度の角度の窓幅で開口し、残りのb1度の角度(b1=θ1−a1)の部分が塞がっており、
前記被包囲部の面を周方向にN等分した角度を一周期角度θ1とすると、前記一周期角度θ1の一方の端からa2度の角度で前記歯部が形成され、残りのb2度の角度(b2=θ1−a2)に前記溝が形成されており、
窓幅比R1(%)=a1/θ1とし、
歯幅比R2(%)=a2/θ1とし、
窓・歯の平均値V(%)=(窓幅比R1+歯幅比R2)÷2 とすると、
31.7%≦ 窓・歯の平均値V ≦35.0%の範囲となるように、前記円筒部材の全ての前記窓の前記窓幅と、前記被包囲部の全ての前記歯部の歯幅とを、所定値に設定しているとともに、
前記円筒部材に、前記被包囲部の前記歯部よりも周方向幅の広い前記窓を形成したことを特徴とするトルクセンサ。 - 窓・歯の平均値V = 33.3%となるように、前記円筒部材の全ての前記窓の前記窓幅と、前記被包囲部の全ての前記歯部の歯幅とを所定値に設定したことを特徴とする請求項1記載のトルクセンサ。
- 同軸に配設された第1及び第2の回転軸をトーションバーを介して連結するとともに、導電性で且つ非磁性の材料からなる円筒部材を、前記第1の回転軸の外周面を包囲するように、前記第2の回転軸と回転方向に一体とし、前記第1の回転軸の少なくとも前記円筒部材に包囲された被包囲部を磁性材料で形成し、
前記円筒部材の周方向に、所定間隔をあけて複数の窓を形成し、
前記被包囲部の周方向に、複数の歯部及び溝を交互に形成し、
前記円筒部材の前記窓が形成された部分を包囲するようにコイルを配設し、
前記コイルのインピーダンス変化に基づいて前記第1及び第2の回転軸に発生するトルクを検出するようにしたトルクセンサにおいて、
前記円筒部材の周面を周方向にN等分した角度を一周期角度θ 1 とすると、前記窓は、前記一周期角度θ1の一方の端からa1度の角度の窓幅で開口し、残りのb1度の角度(b1=θ1−a1)の部分が塞がっており、
前記被包囲部の面を周方向にN等分した角度を一周期角度θ 1 とすると、前記一周期角度θ 1 の一方の端からa2度の角度で前記歯部が形成され、残りのb2度の角度(b2=θ 1 −a2)に前記溝が形成されており、
前記円筒部材の全ての前記窓を、窓幅a1:窓以外の閉塞部分b1=1:2となるように形成し、前記被包囲部の全ての前記歯部を、歯幅a2:溝幅b2=1:2となるように形成しているとともに、
前記円筒部材に、前記被包囲部の前記歯部よりも周方向幅の広い前記窓を形成したことを特徴とするトルクセンサ。 - 前記円筒部材の前記窓が形成された部分を包囲する少なくとも2対のコイルを配設し、これら2対のコイルのインピーダンス変化に基づいて前記第1及び第2の回転軸に発生するトルクを検出するようにしたことを特徴とする請求項1乃至3の何れか1項に記載のトルクセンサ。
- 請求項1乃至4の何れか1項に記載のトルクセンサを備え、ステアリングホイールを操舵することによって発生した操舵トルクを前記トルクセンサが検出す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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