JP6071609B2 - Magnetostrictive torque sensor - Google Patents
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Description
この発明は、逆磁歪効果による磁気特性の変化に基づいてトルクを検出する磁歪式トルクセンサに関し、例えば、操向ハンドル(ステアリングホイール)等の操作部材による車両の操舵時に、電動機の動力を操舵系(ステアリング系)に補助操舵力(操舵アシスト力)として伝え、運転者による前記操向ハンドル等の前記操作部材の操作負担を軽減する電動パワーステアリング装置に適用して好適な磁歪式トルクセンサに関する。 The present invention relates to a magnetostrictive torque sensor that detects torque based on a change in magnetic characteristics due to an inverse magnetostrictive effect. For example, when a vehicle is steered by an operation member such as a steering handle (steering wheel), the power of an electric motor is controlled by a steering system. The present invention relates to a magnetostrictive torque sensor suitable for application to an electric power steering device that transmits an auxiliary steering force (steering assist force) to a (steering system) and reduces an operation load on the operation member such as the steering handle by a driver.
図21の模式的構成図に示すように、従来技術に係る磁歪式トルクセンサ(操舵トルクセンサ)44を搭載したピニオン駆動型の電動パワーステアリング装置10は、ステアリング軸(操舵軸)14上に設けられた図22に詳細を示す磁歪式トルクセンサ44によって検出された操舵トルク信号VTをECU(制御装置)110中に設けられた変換回路にて操舵トルク信号VT3(図23)に変換し、この操舵トルク信号VT3、車速信号及びモータ回転信号に基づいて、ECU110にて電動機(モータ)36に動力を発生させるための目標モータ電流(目標電流)を演算する。
As shown in the schematic configuration diagram of FIG. 21, a pinion drive type electric
ECU110はこの目標電流を電動機36に通電するための駆動電圧(PWM信号)を発生すると共に、実際に電動機36に通電された実モータ電流を電流センサにて検出し、前記目標モータ電流と実モータ電流が一致するようにPI(比例・積分)制御を行って電動機36に動力を発生させている。
The
この電動機36の動力をピニオン軸22に設けた減速機構42(ウォームギヤ38とウォームホイールギヤ40)を介して、ステアリング軸14に伝達させて運転者の操舵負荷を軽減している(特許文献1参照)。
The power of the
ここで、磁歪式トルクセンサ(操舵トルクセンサ)44としては、例えばNiFeめっきを磁歪膜mf(mf1、mf2)とした磁歪式トルクセンサが用いられている。 Here, as the magnetostrictive torque sensor (steering torque sensor) 44, for example, a magnetostrictive torque sensor using NiFe plating as a magnetostrictive film mf (mf1, mf2) is used.
図22は、従来の磁歪式トルクセンサ44を用いたピニオン駆動型の前記電動パワーステアリング装置10の一部断面図である。
FIG. 22 is a partial cross-sectional view of the pinion drive type electric
図23は、従来の磁歪式トルクセンサ44のトルク検出回路図である。
FIG. 23 is a torque detection circuit diagram of a conventional
図24は、磁歪式トルクセンサ44に加えられた操舵トルクTs[kgfcm]に対応する出力電圧VT[V]の例としての特性図である。
FIG. 24 is a characteristic diagram as an example of the output voltage VT [V] corresponding to the steering torque Ts [kgfcm] applied to the
図21及び図22に示すように、前記の磁歪膜mfには、ピニオン軸22の上下に方向の異なる第1異方性ma1及び第2異方性ma2が付与され、それぞれに対し第1検出コイル51及び第2検出コイル52、第3検出コイル53及び第4検出コイル54が設けられている。
As shown in FIGS. 21 and 22, the magnetostrictive film mf is provided with a first anisotropy ma1 and a second anisotropy ma2 having different directions above and below the
第1〜第4検出コイル51〜54は、図23に示すように、一端側に抵抗器を通じて直流電源Vbbが供給され、他端側がスイッチング素子68の出力端に接続されるとともに、ピーク値抑制用の抵抗器、ダイオードを通じて直流電源Vbbに接続されている。このように接続される第1〜第4検出コイル51〜54は、繰り返し矩形波の駆動信号(励磁信号)Sdにてスイッチング素子68を介して駆動され、このときに発生する第1〜第4検出コイル51〜54の中点電圧Vma2、Vma1を、それぞれボトムホールド回路81、82でホールドした後、増幅回路(増幅器ともいう。)83、84で増幅し、図24の特性で示す出力電圧VT1及び出力電圧VT2を得ている。
As shown in FIG. 23, the first to
出力電圧VT1と出力電圧VT2の差動出力である操舵トルク信号VT3(図24)を差動増幅回路(差動増幅器ともいう。)86により得、上述したように、この操舵トルク信号VT3に基づいて、目標電流を演算している。なお、出力電圧VT1、VT2を用いて故障検出を行うことができる。 A steering torque signal VT3 (FIG. 24), which is a differential output between the output voltage VT1 and the output voltage VT2, is obtained by a differential amplifier circuit (also referred to as a differential amplifier) 86, and as described above, based on the steering torque signal VT3. The target current is calculated. Note that failure detection can be performed using the output voltages VT1 and VT2.
この場合、第1〜第4検出コイル51〜54に前記駆動信号Sdに基づく交番電流を通電することにより磁歪膜mf中に所定の磁界を発生させ、出力のヒステリシスを低減している。
In this case, by applying an alternating current based on the drive signal Sd to the first to
なお、図24の操舵トルクTsと出力電圧VTとの関係を示す図23のトルク検出回路の特性図は、その傾斜は異なるが傾向が同一であるので、実施形態に係るトルク検出回路の特性図としても利用する。 Note that the characteristic diagram of the torque detection circuit in FIG. 23 showing the relationship between the steering torque Ts and the output voltage VT in FIG. 24 has the same tendency although the inclination is different, so the characteristic diagram of the torque detection circuit according to the embodiment. Also used as.
次に、特許文献2には、この発明と同様に、軸材(シャフト)のトルクを検出するためにホール素子を用いたトルク検出装置が提案されている。特許文献2に係るトルク検出装置は、トルクを受ける大きさに応じたねじれを生じる軸材と、この軸材のねじれを受ける部分に形成されたアモルファス部材と、このアモルファス部材に近接して配置されるS極とN極とを有する磁石と、前記トルクの大きさに応じて前記アモルファス部材を通る磁束の変化よりトルクの大きさを検出するトルク検出用ホール素子とを備え、前記磁石は所定の間隔をおいて2つ設けられ、一方の磁石のN極が他方の磁石のS極と対向し、且つ前記一方の磁石のS極が前記他方の磁石のN極と対向するように配置され、前記トルク検出用ホール素子が前記2つの磁石の略中央の位置に配置された構成を有している。 Next, Patent Document 2 proposes a torque detection device using a Hall element to detect the torque of a shaft (shaft) as in the present invention. The torque detection device according to Patent Document 2 is disposed near a shaft member that generates a twist corresponding to the magnitude of receiving torque, an amorphous member formed in a portion that receives the twist of the shaft member, and the amorphous member. A magnet having an S pole and an N pole, and a torque detecting Hall element that detects the magnitude of the torque based on a change in magnetic flux passing through the amorphous member in accordance with the magnitude of the torque. Two are provided at intervals, and are arranged so that the N pole of one magnet faces the S pole of the other magnet, and the S pole of the one magnet faces the N pole of the other magnet, The torque detecting Hall element is arranged at a substantially central position of the two magnets.
図22等を参照して説明した従来の磁歪式トルクセンサ44は、4個の多重巻きの励磁兼用の第1〜第4検出コイル51〜54を用いると共に、図23に示した検出回路を用いることにより、高感度に操舵トルクを検出することができるが、4つの多重巻の第1〜第4検出コイル51〜54を対向させて配置するため磁歪膜mfが軸方向に長くなっていた。さらに磁歪膜mf中に所定の磁界を発生させるために第1〜第4検出コイル51〜54の巻き数を多く設定しているため、磁歪式トルクセンサ44が大型化すると共に重量が重くなるという課題があった。
The conventional
一方、上記特許文献2に開示されたホール素子を用いた磁歪式トルクセンサは、小型で重量が軽いものと思量されるが、永久磁石で生成された磁束の変化を、ホール素子で直接検出するようにしているので、外部からの電磁ノイズに対するロバスト性が低いという課題がある。 On the other hand, although the magnetostrictive torque sensor using the Hall element disclosed in Patent Document 2 is considered to be small and light in weight, the Hall element directly detects a change in magnetic flux generated by a permanent magnet. As a result, there is a problem that the robustness against external electromagnetic noise is low.
この発明はこのような課題を考慮してなされたものであり、小型、軽量で且つ外部からの電磁ノイズに対するロバスト性が向上した磁歪式トルクセンサを提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of such problems, and an object of the present invention is to provide a magnetostrictive torque sensor that is small and lightweight and has improved robustness against external electromagnetic noise.
なお、上記の図21、図22中、符号の意味を説明していない部材については、重複を避けるため、[発明を実施するための形態](実施形態)の項にて説明する。 In addition, in order to avoid duplication about the member which does not demonstrate the meaning of a code | symbol in said FIG. 21, FIG. 22, it demonstrates in the section of [Mode for carrying out the invention] (embodiment).
この発明に係る磁歪式トルクセンサは、軸材と、前記軸材に設けられた磁気異方性を有する磁歪材と、前記磁歪材に通す磁束を出力する界磁部と、前記界磁部から出力され、前記磁歪材を通った前記磁束を検出する磁束検出部と、前記磁束検出部の検出結果に基づいて前記軸材に加えられたトルクを検出するトルク検出部と、を備えた磁歪式トルクセンサであって、前記界磁部は、静磁界による磁束を発生する磁束発生部と、前記磁束発生部に係合されたヨークと、を備え、前記磁束発生部により発生した磁束を、前記ヨークを介して出力し、出力された前記磁束を前記軸材に設けられた前記磁歪材に通すことを特徴とする。 A magnetostrictive torque sensor according to the present invention includes a shaft member, a magnetostrictive material having magnetic anisotropy provided in the shaft member, a field portion that outputs a magnetic flux that passes through the magnetostrictive material, and the field portion. A magnetostriction type comprising: a magnetic flux detection unit that detects the magnetic flux that is output and passes through the magnetostrictive material; and a torque detection unit that detects torque applied to the shaft member based on a detection result of the magnetic flux detection unit. In the torque sensor, the field portion includes a magnetic flux generation portion that generates a magnetic flux by a static magnetic field, and a yoke engaged with the magnetic flux generation portion, and the magnetic flux generated by the magnetic flux generation portion is The magnetic flux is outputted through a yoke, and the outputted magnetic flux is passed through the magnetostrictive material provided on the shaft material.
この発明によれば、磁束発生部により発生した静磁界による磁束を、ヨークを介して出力し、出力された磁束を軸材に設けた磁歪材に通し、前記磁歪材を通った磁束を磁束検出部で検出するため、小型化が図れ、且つヨークを介して磁束を通すので、界磁部が発生する磁束を高効率(高磁束密度)下に磁歪材を通して前記磁束検出部で検出することができる。結果として、検出精度(検出感度)を高くでき、外部からの電磁ノイズに対するロバスト性(タフネス性)が向上する。 According to the present invention, a magnetic flux generated by the static magnetic field generated by the magnetic flux generator is output via the yoke, the output magnetic flux is passed through the magnetostrictive material provided on the shaft member, and the magnetic flux passing through the magnetostrictive material is detected as a magnetic flux. Since the magnetic flux is passed through the yoke, the magnetic flux generated by the magnetic field portion can be detected by the magnetic flux detection portion through the magnetostrictive material with high efficiency (high magnetic flux density). it can. As a result, the detection accuracy (detection sensitivity) can be increased, and the robustness (toughness) against external electromagnetic noise is improved.
時間的に変動しない静磁界を発生する磁束発生部としては、例えば、永久磁石、又は電磁石を用いることができる。電磁石は、前記ヨークにコイルを巻回し、コイルに一定の直流電流を流すようにして構成することもできる。磁束検出部としては、ホール素子、又は磁気抵抗素子等の磁気センサ(磁束検出デバイス)を利用することができる。なお、永久磁石を用いることが好ましく、磁束発生部用の電源が不要になる。 For example, a permanent magnet or an electromagnet can be used as the magnetic flux generator that generates a static magnetic field that does not vary with time. The electromagnet may be configured such that a coil is wound around the yoke and a constant direct current is passed through the coil. As the magnetic flux detection unit, a magnetic sensor (magnetic flux detection device) such as a Hall element or a magnetoresistive element can be used. In addition, it is preferable to use a permanent magnet, and the power supply for a magnetic flux generation part becomes unnecessary.
この場合、前記ヨークは、前記磁束発生部から前記軸材の周方向に沿って両方向に延びて形成され、前記ヨークの両開放端は、それぞれ前記ヨークから前記軸材の軸心に向かって延びる凸形状を呈するティースとされ、前記磁束発生部から前記ヨーク及び一方の前記ティースを通じて前記磁束を出力し、前記磁歪材を通った前記磁束を、他方の前記ティースに入力させて前記ヨークに前記磁束を通し前記磁束発生部まで戻すことで磁路を形成する。前記磁束検出部は、前記磁路中に設ける。 In this case, the yoke is formed to extend from the magnetic flux generating portion in both directions along the circumferential direction of the shaft member, and both open ends of the yoke extend from the yoke toward the shaft center of the shaft member, respectively. The teeth have a convex shape, and the magnetic flux is output from the magnetic flux generation unit through the yoke and one of the teeth, and the magnetic flux that has passed through the magnetostrictive material is input to the other tooth, and the magnetic flux is input to the yoke. The magnetic path is formed by returning to the magnetic flux generation section through the. The magnetic flux detection unit is provided in the magnetic path.
磁歪材の周方向に通す磁束が、一方のティースから出て、他方のティースに入るように作用するので、磁束が磁歪材の周方向の両側に回り込むことになる。よって、軸材の軸心に対するヨークの位置ずれが発生した場合においても、ティース部分での磁束密度が変化せず、磁束を安定して検出することができる。しかも、磁束が磁歪膜の全周を通るため、磁歪膜の膜厚が不均一であっても特性が平均化され、結果として、正確なトルクを検出することができる。この場合、前記一方のティースは前記他方のティースに対して、前記軸材の軸心に対して逆側に配置される。 The magnetic flux passing in the circumferential direction of the magnetostrictive material acts so as to exit from one tooth and enter the other tooth, so that the magnetic flux wraps around both sides of the magnetostrictive material in the circumferential direction. Therefore, even when the position of the yoke is displaced relative to the shaft center of the shaft material, the magnetic flux density at the tooth portion does not change, and the magnetic flux can be detected stably. In addition, since the magnetic flux passes through the entire circumference of the magnetostrictive film, the characteristics are averaged even if the film thickness of the magnetostrictive film is not uniform, and as a result, accurate torque can be detected. In this case, the said one tooth is arrange | positioned with respect to the said other tooth on the opposite side with respect to the axial center of the said shaft material.
なお、前記ヨークは円弧状に形成され、前記円弧状に形成された前記ヨークの円弧の中心角を180°未満にし、前記界磁部と前記磁束検出部とからなる組立体を、前記軸材の軸心に対して点対称に設けることで、検出感度を上げることができると共に、軸材の中心に対するヨークの位置ずれが発生した場合でも、より磁束を安定して検出することができる。 The yoke is formed in an arcuate shape, and the yoke formed in the arcuate shape has a center angle of less than 180 °, and an assembly including the field part and the magnetic flux detection part is formed as the shaft member. By providing them symmetrically with respect to the axial center, the detection sensitivity can be increased, and the magnetic flux can be detected more stably even when the yoke is displaced from the center of the shaft.
また、前記ヨークは、前記磁束発生部から前記軸材の周方向に沿って両方向に前記軸材の軸心に対して対称な位置まで延びて、さらに軸心に向かって延び、各前記ヨークは、その延びたところから、さらに、前記軸材の周方向に沿って両方向に分岐して延びて、前記軸材の外周近傍に複数の分岐ヨークを形成し、各前記分岐ヨークの端部は開放端とされ、前記開放端は、それぞれ前記軸材の軸心に向かって凸形状を呈する、ティースが形成され、前記磁束発生部から一方の前記ヨーク、一方の各前記分岐ヨーク、及び一方の各前記分岐ヨークに形成された前記ティースを通じて前記磁束を出力し、前記磁歪材を通らせた前記磁束を、他方の各前記分岐ヨークに形成された前記ティースに入力させ、他方の各前記分岐ヨークを通じて他方の前記ヨークに前記磁束を通し前記磁束発生部まで戻すことで磁路を形成し、前記磁路中に前記磁束検出部を設ける構成とすることで、軸材の軸がティース間に対して直交方向に偏位しても、検出精度を保持することができる。 In addition, the yoke extends from the magnetic flux generating portion along the circumferential direction of the shaft material to a position symmetrical to the shaft center of the shaft material in both directions, and further extends toward the shaft center. From the extended portion, it further branches and extends in both directions along the circumferential direction of the shaft member to form a plurality of branch yokes in the vicinity of the outer periphery of the shaft member, and the end portions of the branch yokes are opened. The open ends are respectively formed with teeth that are convex toward the shaft center of the shaft material, and are formed from the magnetic flux generating portion to one of the yokes, one of the branch yokes, and one of the respective ones. The magnetic flux is output through the teeth formed on the branch yoke, the magnetic flux passed through the magnetostrictive material is input to the teeth formed on the other branch yoke, and the other branch yoke is used. The other said A magnetic path is formed by passing the magnetic flux through the core and returning it to the magnetic flux generation section, and the magnetic flux detection section is provided in the magnetic path so that the shaft of the shaft member is orthogonal to the teeth. The detection accuracy can be maintained even if it is deviated.
この場合において、前記軸材を軸心に対して直交する断面において、軸心を通って直交する2つの線によって作られる4つの領域それぞれに、前記ティースがそれぞれ配置されるように構成することで、軸がどの方向にずれても、確実に、検出精度を保持することができる。 In this case, in the cross section orthogonal to the shaft center, the teeth are arranged in each of four regions formed by two lines orthogonal to each other through the shaft center. Even if the shaft is displaced in any direction, the detection accuracy can be reliably maintained.
この発明によれば、多重巻きの4個の励磁兼用検出コイルを用いることなくトルクを検出することが可能になり、磁歪式トルクセンサを小型・軽量にすることができる。 According to the present invention, it is possible to detect torque without using four multiplex winding excitation detection coils, and the magnetostrictive torque sensor can be reduced in size and weight.
すなわち、磁束発生部により発生した静磁界による磁束を、ヨークを介して出力し、出力された磁束を軸材に設けた磁歪材に通し、前記磁歪材を通った磁束を磁束検出部で検出する構成としたため、小型化・軽量化が図れ、且つヨークを介して磁束を通すので、界磁部が発生する磁束を高効率(高磁束密度)下に磁歪材を通して磁束検出部で検出することができる。結果として、検出精度(検出感度)を高くでき、外部からの電磁ノイズに対するロバスト性(タフネス性)を向上させることができる。 That is, the magnetic flux generated by the static magnetic field generated by the magnetic flux generator is output via the yoke, the output magnetic flux is passed through the magnetostrictive material provided on the shaft member, and the magnetic flux passing through the magnetostrictive material is detected by the magnetic flux detector. Because it is configured, it is possible to reduce the size and weight, and to pass the magnetic flux through the yoke, so that the magnetic flux generated by the field part can be detected by the magnetic flux detection part through the magnetostrictive material under high efficiency (high magnetic flux density). it can. As a result, detection accuracy (detection sensitivity) can be increased, and robustness (toughness) against external electromagnetic noise can be improved.
以下、この発明の実施形態について図面を参照して説明する。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
なお、以下に参照する図面において、上記図21〜図24に示したものと同一のもの又は対応するものには同一の符号を付けてその詳細な説明は省略する。また、繁雑さを避けるために、必要に応じて上記図21〜図24をも参照して説明する。 In the drawings referred to below, the same or corresponding parts as those shown in FIGS. 21 to 24 are designated by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted. Moreover, in order to avoid complication, it demonstrates with reference to the said FIGS. 21-24 as needed.
図1は、この発明の第1〜第4実施例に係る磁歪式トルクセンサ144(144A、144B、144C)が搭載(適用)されるピニオン駆動型の電動パワーステアリング装置10の模式的構成図である。
FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a pinion drive type electric
図1において、電動パワーステアリング装置10は、操向ハンドル12に連結されたステアリング軸14を備えている。ステアリング軸14は、操向ハンドル12に一体結合されたメインステアリングシャフト16と、ラック&ピニオン機構18のピニオンギヤ20が設けられたピニオン軸22とが、自在継ぎ手24によって連結された構成にされている。
In FIG. 1, the electric
ピニオン軸22は、ギヤハウジング29(29a、29b)に設けられた軸受26a、26b、によって、その下部、中間部を支持されており、ピニオンギヤ20はピニオン軸22の下端部に設けられている。ピニオンギヤ20は、車幅方向に往復動し得るラック軸28のラックギヤ30に噛合し、ラック軸28の両端には、タイロッド32を介して転舵輪としての左右の前輪34が連結されている。なお、図3に示すように、ラック軸28のラックギヤ30の裏面側は、ラックガイド47上を摺動する。このラックガイド47の裏面側は、ラックハウジング31に螺合されたラックガイドねじ48に一端が着座したラックガイドスプリング49(圧縮スプリング)の他端を通じて押圧力が付与されている。
The
この構成により、操向ハンドル12の操舵時に通常のラック&ピニオン式の転舵操作が可能であり、前輪34を転舵させて車両の向きを変えることができる。ここで、ラック軸28、ラックギヤ30、タイロッド32は転舵機構33を構成する。
With this configuration, a normal rack and pinion type steering operation can be performed when the steering handle 12 is steered, and the direction of the vehicle can be changed by turning the
転舵機構33と、ステアリング軸14(自在継ぎ手24によって連結されたメインステアリングシャフト16と、ラック&ピニオン機構18のピニオンギヤ20が設けられたピニオン軸22)と、操向ハンドル12とによりステアリング系が構成される。
A steering system is constituted by the
また、電動パワーステアリング装置10は、操向ハンドル12による操舵力を軽減するための補助操舵力をピニオン軸22に供給する電動機(モータ)36を備えており、この電動機36の出力軸37に設けられたウォームギヤ38(図1には現れていないが、図21参照)が、図1に示すように、ピニオン軸22の中間部の軸受26bの上側に設けられたウォームホイールギヤ40に噛合している。ウォームギヤ38とウォームホイールギヤ40により減速機構42が構成される。減速機構42は、電動機36の回転・駆動力をピニオン軸22の回転・駆動力に滑らかに且つ倍力変換する。
Further, the electric
また、ピニオン軸22の中間部の軸受26bの上部には、磁歪に起因する磁気特性、すなわち逆磁歪効果による磁気特性の変化に基づいてピニオン軸22(ステアリング軸14)のトルクを検出する磁歪式トルクセンサ144が配置されている。
A magnetostrictive type for detecting the torque of the pinion shaft 22 (steering shaft 14) based on a change in magnetic characteristics due to magnetostriction, that is, a magnetic characteristic due to the inverse magnetostriction effect, is provided above the bearing 26b in the intermediate portion of the
図2は、同様に、この発明の第1〜第4実施例に係る磁歪式トルクセンサ144(144A、144B、144C)が搭載(適用)されるコラム駆動型の電動パワーステアリング装置10Aの模式的構成図である。
FIG. 2 is also a schematic view of a column drive type electric
このコラム駆動型の電動パワーステアリング装置10Aでは、メインステアリングシャフト16と自在継ぎ手24間にコラム軸11(鋼材による回転軸であり、後述するように、軸材23ともいう。)が設けられている。
In this column drive type electric
コラム軸11はその下部、中間部、上部を軸受27a、27b、27cによって支持されている。
The
この電動パワーステアリング装置10Aは、操向ハンドル12による操舵力を軽減するための補助操舵力をコラム軸11に供給する電動機36を備えており、この電動機36の出力軸に設けられたウォームギヤ38が、コラム軸11の軸受27bと軸受27aとの間に設けられたウォームホイールギヤ40に噛合している。ウォームギヤ38とウォームホイールギヤ40により減速機構42が構成される。減速機構42は、電動機36の回転・駆動力をコラム軸11の回転・駆動力に滑らかに且つ倍力変換する。
The electric
この場合において、コラム軸11の中間部の軸受27bと上部の軸受27aとの間には、磁歪に起因する磁気特性の変化に基づいてコラム軸11(メインステアリングシャフト16)のトルクを検出する磁歪式トルクセンサ144が配置されている。
In this case, a magnetostriction for detecting the torque of the column shaft 11 (main steering shaft 16) based on a change in magnetic characteristics caused by magnetostriction is provided between the bearing 27b in the middle portion of the
以下、図1及び図2に示した電動パワーステアリング装置10、10Aに搭載(適用)される磁歪式トルクセンサの第1実施例(磁歪式トルクセンサ144)、第2実施例(磁歪式トルクセンサ144A)、第3実施例(磁歪式トルクセンサ144B)、及び第4実施例(磁歪式トルクセンサ144C)について、図1に示したピニオン駆動型の電動パワーステアリング装置10への搭載を例として説明する。
Hereinafter, a first embodiment (magnetostrictive torque sensor 144) and a second embodiment (magnetostrictive torque sensor) of the magnetostrictive torque sensor mounted (applied) to the electric
[第1実施例]
この発明の第1実施例に係る磁歪式トルクセンサ144について説明する。
[First embodiment]
A
図3及び図4に示すように、第1実施例に係る磁歪式トルクセンサ144は、ピニオンギヤ20とラックギヤ30とを備えるラック&ピニオン機構18のピニオン軸(軸材)22に設けられた軸材(鋼材による回転軸)23の外周全周に設けられ、逆方向の異方性(磁気異方性)が付与された上下2つの、第1異方性ma1と第2異方性ma2(異方性ma)が付与された第1磁歪部(NiFeめっき)mf1と第2磁歪部(NiFeめっき)mf2と、第1磁歪部mf1と第2磁歪部mf2を有する磁歪膜mfに直流磁界を発生させる第1及び第2磁束発生部(界磁発生部又は磁束発生部ともいう。ここでは、永久磁石)101、102と、第1及び第2磁束発生部101、102の磁束(磁界)を磁歪膜mfに出力し(印加し)、多くの磁束を安定的に流すための第1及び第2ヨーク111、112と、を有する。なお、図4に示すように、この第1実施例では、1つの磁歪膜mfに第1磁歪部mf1及び第2磁歪部mf2を設けた構成であるが、磁歪膜を2つ設け、一方の磁歪膜に第1磁歪部mf1を、他方の磁歪膜に第2磁歪部mf2を設ける構成としてもよい。
As shown in FIGS. 3 and 4, the
第1及び第2ヨーク111、112は、それぞれ磁性体の薄板(軟鉄)が積層された略円弧状の形状とされ、すなわち、円弧状磁性材料薄板の積層体構造とされ、積層体構造により渦電流の発生を抑制できる構成になっている。第1及び第2ヨーク111、112は、同形状であり、軸材23の径より大径であって、軸材23の円周よりも大径の同心円上に乗る円弧状に形成されている。
Each of the first and
なお、磁束発生部101と第1ヨーク(単に、ヨークともいう。)111により界磁部(第1界磁部)211が形成され、磁束発生部102と第2ヨーク(単に、ヨークともいう。)112により界磁部(第2界磁部)212が形成されている。
A magnetic field generation section (first field magnet section) 211 is formed by the magnetic
磁歪式トルクセンサ144は、軸材23に作用される捩りトルクに応じて変化する磁歪膜mf(mf1、mf2)の透磁率の変化を検出する。
The
図5は、図3及び図4に示した第1実施例に係る磁歪式トルクセンサ144の第1界磁部211側の模式的横断面説明図である。
FIG. 5 is a schematic cross-sectional explanatory view on the first
図5に示すように、軸材23に形成された磁歪膜mf(mf1、mf2)の透磁率の変化は、第1ヨーク111及び第2ヨーク112(図5には、現れていない。)中に流れる磁束φを変化させるので、この際の磁束φの変化を第1ヨーク111に挟まれた第1磁束検出部(磁界検出部)121及び第2ヨーク112に挟まれた第2磁束検出部(磁界検出部)122にて検出する。第1及び第2磁束検出部121、122は、ホール素子等の磁界検出素子{磁束検出素子、又は磁束(磁界)検出デバイスともいう。}により構成される。磁界検出素子としては、ホール素子の他に、磁気抵抗素子(MR素子)等を用いることができる。
As shown in FIG. 5, the change in the magnetic permeability of the magnetostrictive film mf (mf1, mf2) formed on the
第1及び第2磁束発生部101、102は、永久磁石に代替して電磁石を用いることもできる。電磁石を用いる場合には、例えば、図5において、永久磁石である磁束発生部101の占める位置までヨーク111aを延ばし、延ばしたヨーク111aに巻線(コイル)を施し、この巻線に直流電源から電流(直流電流、定常電流)を流す構成すれがよい。
The first and second
図6は、第1及び第2センサハウジング131、132を含む磁歪式トルクセンサ144の斜視説明図である。
FIG. 6 is an explanatory perspective view of the
上述したように、磁歪式トルクセンサ144は、基本的には、磁束発生部101(102)と、この磁束発生部101(102)に係合されたヨーク111(112)と、からなる界磁部211(212)と、軸材23の表面の一部の全周に渡って設けられた磁気異方性ma1(ma2)を有する磁歪部mf1(mf2)と、ヨーク111(112)に流れる磁束φの軸材23の捩れに基づく変化を検出する磁束検出部121(122)と、を有する。
As described above, the
以下の説明においては、煩雑さを回避するために、基本的には、上側の第1磁歪部mf1と第1ヨーク111等を含む第1センサハウジング131を例として説明し、下側の第2磁歪部mf2と第2ヨーク112等を含む第2センサハウジング132についての説明は必要に応じて行う。
In the following description, in order to avoid complications, the
図5に示したように、ヨーク111は、磁束発生部101からそれぞれ軸材23の周方向に沿って両方向に延びて配置され、且つ、両方向に延びて配置されたヨーク111(111a、111b)同士は、軸材23の軸心(軸中心)に対して対称に配される各開放端220(220a、220b)を有し、各前記開放端220(220a、220b)は、軸材23の軸心O(周面)に向かって凸形状を呈するティース222(222a、222b)とされる。なお、ティース222の軸材23の周面に対向する部位は、軸材23の同心円であって円筒内面の一部切欠形状になっている。各ティース222a、222bと軸心(軸中心)Oとを結んだ2本の線がなす角θは、この第1実施例では、180゜に選択している。すなわち、ティース222a、222bは、軸心Oに対して逆側に位置している。なお、ティース222a、222bと軸心Oとを結んだ2本の線がなす角θは、90゜≦θ≦180゜に設定することができる。
As shown in FIG. 5, the
そして、磁束発生部101のN極から一方のヨーク111a及び一方のティース222aを通じて磁束φを出力し、磁歪部mf1の両周方向(略全周)を通らせた磁束φを、他方のティース222bに入力させ他方のヨーク111bに磁束φを通すことで磁束発生部101のS極までの磁路を形成し、磁路中に、磁束検出部121を設けている。磁束発生部101から出力される磁束φの磁束密度B[mT]は、磁歪部mf1の比透磁率μsの変化に応じて変化する点に留意する。
Then, the magnetic flux φ is output from the N pole of the magnetic
この第1実施例では、磁束発生部101のS極とヨーク111bの端部との間に、磁束検出部121を設けているが、磁束検出部121は、ヨーク111中のどの位置に設けてもよい。
In the first embodiment, the magnetic
この場合、磁束検出部121は、ヨーク111の断面(磁束φが直交する断面)に、その感磁面を平行させて配置させる。すなわち、検出感度が高くなるように、前記感磁面が、磁束φと直交するように磁束検出部121を配置する。
In this case, the magnetic
図6に示すように、第1及び第2センサハウジング131、132は、それぞれ、磁束発生部101、102、ヨーク111、112、磁束検出部121、122、及び樹脂モールド141、142により構成される。
As shown in FIG. 6, the first and
図7は、樹脂モールド141に支持される第1検出回路151と、樹脂モールド142に支持される第2検出回路152からなる検出回路153の回路図を示している。
FIG. 7 shows a circuit diagram of a
図6及び図7に示すように、第1センサハウジング131は、あらかじめヨーク111、磁束発生部101、及び磁束検出部121を一体的に樹脂でモールドし、樹脂モールド141の一部に、電源回路162、増幅回路164、168により構成される第1検出回路151が実装されている組立体(アセンブリ)とされる。
As shown in FIGS. 6 and 7, in the
第2センサハウジング132は、あらかじめヨーク112、磁束発生部102、磁束検出部122を一体的に樹脂でモールドし、樹脂モールド142の一部に、第2増幅回路166により構成される第2検出回路152が実装されている組立体(アセンブリ)とされる。
In the
つまり、磁歪式トルクセンサ144は、第1検出回路151と第2検出回路152が実装されている第1センサハウジング131と第2センサハウジング132の組立体を、上下に内包している。
That is, the
図1及び図2において、ECU110からリード線及びカプラ(コネクタ)170(図3参照)を介して、第1検出回路151(図7)に内蔵されている電源回路(レギュレータ)162に12[V]の電源Vbbが供給される。
1 and 2, 12 [V] is supplied from the
図7に示すように、電源回路162により安定化された5[V]の電源Vccが生成され、電源Vccがそれぞれホール素子からなる第1及び第2磁束検出部121、122と、第1増幅回路164と、差動増幅回路168と、第2増幅回路166とに供給される。
As shown in FIG. 7, a stabilized power supply Vcc of 5 [V] is generated by the
磁束検出部121、122は、制御電流が流されたホール素子の感磁面に直交する磁束(磁界)φに応じた出力電圧を発生する。第1及び第2増幅回路164、166はこの電圧を増幅して、出力電圧VT1及び出力電圧VT2を出力する。
The
また、差動増幅回路168では出力電圧VT1と出力電圧VT2の差電圧を生成して、操舵トルク信号VT3を出力する。出力電圧VT1、出力電圧VT2、及び操舵トルク信号VT3は、カプラ170を通じて制御装置であるECU110(図1、図2)に伝達される。
Further, the
この操舵トルク信号VT3、車速センサ13からの車速信号Vs及び電動機36の回転数センサからのモータ回転信号に基づいて、ECU110にて電動機36に動力を発生させるための目標モータ電流を演算する。
Based on the steering torque signal VT3, the vehicle speed signal Vs from the
ECU110は、この目標電流を電動機36に通電するための駆動電圧(PWM信号)に変換して発生すると共に、実際に電動機36に通電された実モータ電流を電流センサにて検出し、前記目標モータ電流と実モータ電流が一致するようにPI(比例積分)制御を行って電動機36に動力を発生させる。
The
このモータの動力を、図3に示すように、ピニオン軸22に設けた減速機構42(ウォームギヤ38とウォームホイールギヤ40)を介して、ステアリング軸14(メインステアリングシャフト16)に伝達させて運転者の操舵負荷を軽減している。
As shown in FIG. 3, the power of this motor is transmitted to the steering shaft 14 (main steering shaft 16) via the speed reduction mechanism 42 (
さらにECU110は、上述したように、出力電圧VT1及び出力電圧VT2を用いて故障検出を行っている。すなわち、出力電圧VT1と出力電圧VT2の和(VT1+VT2)の値が所定範囲(図24例では、+2.5V±ΔVの範囲)に有るか否かを監視し、所定範囲を外れた際には故障と判定している。
Further, as described above,
図8Aに示すように、軸材23に磁歪膜mfを形成した後、軸材23に所定の捩りトルク(右トルク)を加えた状態で熱処理を行い、自然に冷却した後に、捩りトルクを取り除く。これにより、上側の磁歪部mf1に第1異方性ma1が設けられる。
As shown in FIG. 8A, after the magnetostrictive film mf is formed on the
このときの熱処理は高周波加熱によって所定時間加熱する。また、好ましくは磁歪膜mfは、主成分がNiFe(鉄ニッケル)からなり、所定の捩りトルクは50[Nm]以上且つ100[Nm]以下である。 The heat treatment at this time is performed for a predetermined time by high-frequency heating. The magnetostrictive film mf is preferably made of NiFe (iron nickel) as a main component and has a predetermined torsional torque of 50 [Nm] or more and 100 [Nm] or less.
第1異方性ma1を付与した後、図8Bに示すように、反対方向に所定の捩りトルク(左トルク)を加えた状態で熱処理を行い、自然に冷却した後に、捩りトルクを取り除く。これにより、下側の磁歪部mf2に第2異方性ma2が設けられる。 After providing the first anisotropy ma1, as shown in FIG. 8B, heat treatment is performed in a state where a predetermined torsion torque (left torque) is applied in the opposite direction, and after naturally cooling, the torsion torque is removed. Thereby, the second anisotropy ma2 is provided in the lower magnetostrictive portion mf2.
図9は、異方性ma(ma1、ma2)が付与された後の軸材23の入力トルクTs[Nm]と磁歪膜mf(mf1、mf2)の比透磁率μsの関係を示す特性181、182を示している。異方性ma1、ma2が付与されることにより、例えば、入力トルクTs[Nm](0〜50の右トルク)に対して第1磁歪部mf1では比透磁率μsが増大し、第2磁歪部mf2では比透磁率μsが減少する。逆方向の入力トルクTs[Nm](0〜−50の左トルク)に対して第1磁歪部mf1では比透磁率μsが減少し、第2磁歪部mf2では比透磁率μsが増大する。
FIG. 9 shows a characteristic 181 showing the relationship between the input torque Ts [Nm] of the
図10は、磁束発生部101、102の磁力を、ヨーク111、112を介して、図9の特性181、182を有する磁歪部mf1、mf2に作用させた時の入力トルク(操舵トルク)Ts[Nm]に対するヨーク111、112の磁束密度B[mT]の変化を示す特性のうち、磁歪式トルクセンサ144としての実使用範囲(±15[Nm])の特性191、192を示している。
10 shows the input torque (steering torque) Ts [when the magnetic force of the
例えば、第1磁歪部mf1では右トルクの入力トルクTs[Nm]が増大するに従い磁束密度[mT]が増大する。 For example, in the first magnetostrictive portion mf1, the magnetic flux density [mT] increases as the input torque Ts [Nm] of the right torque increases.
図11A、図11B、図11Cは、この際の、ヨーク111の磁束密度変化の模式図を示している。
11A, FIG. 11B, and FIG. 11C are schematic diagrams showing changes in the magnetic flux density of the
図10の特性191上の点aでは透磁率が小さいため、図11Aに示すように、ヨーク111の磁束密度B[mT]が小さく(195[mT])、点cでは透磁率が大きいため、図11Cに示すように、ヨーク111の磁束密度B[mT]が大きく(205[mT])なっている。入力トルクTs[Nm]が0値の点bでは、図11Bに示すように、その中間(200[mT])の磁束密度B[mT]になっている。
Since the magnetic permeability at point a on the characteristic 191 in FIG. 10 is small, as shown in FIG. 11A, the magnetic flux density B [mT] of the
つまり、界磁部211に流れる磁束φの磁束密度B[mT]が、軸材23に印加される入力トルクTs[Nm]に応じて変化する磁歪部mf1の比透磁率μsの変化に基づき変化することになる。図11A〜図11Bを参照して説明すれば、界磁部211の磁束発生部101のN極から発生する磁束φ自体が、比透磁率μsが増加乃至減少する磁歪部mf1により増加乃至減少され、増加乃至減少された磁束φが、界磁部211の磁束発生部101のS極まで戻る、その磁路中に磁束検出部121が設けられる。
That is, the magnetic flux density B [mT] of the magnetic flux φ flowing in the
磁束発生部101とヨーク111とからなる界磁部211は、磁束検出部121と、樹脂モールド141(図6)によって一体的に構成された組立体(アセンブリ)とされている。
The
上述した第1実施例の磁歪式トルクセンサ144によれば、磁束発生部101、102により発生した静磁界による磁束φを、ヨーク111、112を介して出力し、出力された磁束φを軸材23に設けた磁歪膜mfの磁歪部mf1、mf2に通し、磁歪部mf1、mf2を通った磁束φをヨーク111、112を介して磁束検出部121、122で検出する構成としたため、従来技術のように多重巻きの4個の励磁兼用の検出コイル51〜54を用いる必要がなくなるので、小型・軽量化が図れ、且つヨーク111、112を介して磁束φを通すので、界磁部211、212が発生する磁束φを高効率(高磁束密度)下に磁歪部mf1、mf2を通して磁束検出部121、122で検出することができる。結果として、検出精度(検出感度)を高くでき、外部からの電磁ノイズに対するロバスト性(タフネス性)を向上させることができる。
According to the
第1実施例に係る磁歪式トルクセンサ144のさらなる作用効果については後述する[実施形態のまとめ]の欄にて説明する。
Further operational effects of the
[第2実施例]
次に、図12及び図13を参照して、この発明の第2実施例に係る磁歪式トルクセンサ144Aについて説明する。
[Second Embodiment]
Next, a
この第2実施例に係る磁歪式トルクセンサ144Aは、第1実施例に係る磁歪式トルクセンサ144に比較して異なる形状のヨーク111P、111Qを備える。
The
上側のヨーク111Pを例として説明する。ヨーク111Pは、磁束発生部101から軸材23の周方向に沿って両方向に第1及び第2のヨーク111a、111bとして、軸材23の軸心Oに対して対向する位置(中心角で180°の位置)まで円弧状に延び、さらに、軸心Oに向かって僅かに延び、さらに、第1及び第2ヨーク111a、111bからそれぞれ、軸材23の周方向に沿って外側及び内側の両方向に円弧状に延びて、第1ヨーク111aから離れる方向(外側方向)に第1分岐ヨーク301が形成されると共に、第1ヨーク111aに近づく方向(内側方向)に第2分岐ヨーク302が形成される一方、第2ヨーク111bから離れる方向(外側方向)に第3分岐ヨーク303が形成されると共に、第2ヨーク111bに近づく方向(内側方向)に第4分岐ヨーク304が形成され、第1分岐ヨーク301と第4分岐ヨーク304は、軸材23の軸心Oに対して対称(相互に逆側)に配される開放端を有し、各前記開放端は、軸材23の軸心O(周面)に向かって凸形状を呈する第1ティース401及び第4ティース404とされ、第2分岐ヨーク302と第3分岐ヨーク303は、軸材23の軸心Oに対して対称(相互に逆側)に配される開放端を有し、各前記開放端は、軸材23の軸心O(周面)に向かって凸形状を呈する第2ティース402及び第3ティース403とされる。
The
このようなヨーク111Pの構成下に、磁束発生部101のN極から第1ヨーク111a、第1分岐ヨーク301、及び第1ティース401を通じて磁束φを図13中、上側の周面(表面)に出力し、磁歪部mf1の片側の周方向を通らせた磁束φを、第3ティース403に入力させ、第3分岐ヨーク303、及び第2ヨーク111bに磁束φを通すことで磁束発生部101のS極までの第1磁路を形成する一方、磁束発生部101から第1ヨーク111a、第2分岐ヨーク302、及び第2ティース402を通じて磁束φを出力し、磁歪部mf1の軸心Oに対向する他の片側の周方向を通らせた磁束φを、第4ティース404に入力させ、第4分岐ヨーク304、及び第2ヨーク111bに磁束φを通すことで磁束発生部101のS極までの第2磁路を形成し、合成された前記第1磁路及び前記第2磁路中に磁束検出部121を設けた構成としている。
Under such a configuration of the
このように構成される第2実施例に係る磁歪式トルクセンサ144Aにおいては磁歪部mf1、mf2へ磁束φを通すためのティース401〜404が複数(4個)設けてある。これにより、ヨーク111P、111Qと軸材23の軸心O(回転中心)がずれた場合であっても、磁束φが平均化されるため出力電圧VT1、VT2及び操舵トルク信号VT3の変化を抑制することができる。より具体的に説明すると、磁歪部mf1、mf2とティース401〜404のギヤップ(空隙)の一方が狭まった場合、他方が広くなるのでヨーク111P、111Qの磁束密度は平均化され変化しない。この第2実施例ではティース401〜404を片側に2つ設けたものを示したが、図13に示す2点鎖線で示す位置に、さらにティース405、406を設ける等、片側に3個設けてもよく、それ以上設けてもよい。
In the
なお、この第2実施例においても、1つの磁歪膜mfに第1磁歪部mf1及び第2磁歪部mf2を設けた構成で説明しているが、磁歪膜を2つ設け、一方の磁歪膜に第1磁歪部mf1を、他方の磁歪膜に第2磁歪部mf2を設ける構成にしてもよい。 In the second embodiment, the first magnetostrictive portion mf1 and the second magnetostrictive portion mf2 are provided in one magnetostrictive film mf. However, two magnetostrictive films are provided, and one magnetostrictive film is provided on one magnetostrictive film. The first magnetostrictive portion mf1 may be configured such that the second magnetostrictive portion mf2 is provided on the other magnetostrictive film.
[第3実施例]
次に、図14を参照して、この発明の第3実施例に係る磁歪式トルクセンサ144Bについて説明する。
[Third embodiment]
Next, a
この磁歪式トルクセンサ144Bは、第1実施例に係る磁歪式トルクセンサ144(図6参照)に比較して、磁歪膜mf(mf1、mf2)と軸材(鋼材)23との間に非磁性体の環(薄肉の円筒体であって、以下、非磁性環という。)410を設けたものである。
This
非磁性環410は、例えば、軸材23に銅めっきを施したものであって、この非磁性環410上にNiFeめっきを施して磁歪部mf1、mf2を形成する。あるいは、軸材23に銅製の円筒管(円管)を圧入し、この非磁性環410上にNiFeめっきを施して磁歪部mf1、mf2を形成するようにしてもよい。非磁性環410は、銅製に限らず、アルミニウム製又は非磁性ステンレス製でもよい。
The
非磁性環410を設けることで、磁歪部mf1、mf2を通る磁束φが軸材23に対して進入し難くなり、換言すれば軸材23への漏れ磁束が少なくなり、その分、検出感度が増大し、SN比(信号雑音比)が高くなる。
By providing the
しかも、軸材23に外部から流れてくる図示していない磁束、例えば、エンジンノイズによる磁束、他のモータ電流による磁束、及びホーン電流による磁束等が、非磁性環410により遮断されることとなるので、磁歪部mf1、mf2に流れるノイズ磁束が少なくなり、外来ノイズに対するロバスト性(タフネス性)がより向上する。
In addition, a magnetic flux (not shown) flowing from the outside to the
なお、この第3実施例においても、1つの磁歪膜mfに第1磁歪部mf1及び第2磁歪部mf2を設けた構成で説明しているが、磁歪膜を2つ設け、一方の磁歪膜に第1磁歪部mf1を、他方の磁歪膜に第2磁歪部mf2を設ける構成にしてもよい。 In the third embodiment, the first magnetostrictive portion mf1 and the second magnetostrictive portion mf2 are provided in one magnetostrictive film mf. However, two magnetostrictive films are provided, and one magnetostrictive film is provided on one magnetostrictive film. The first magnetostrictive portion mf1 may be configured such that the second magnetostrictive portion mf2 is provided on the other magnetostrictive film.
[第4実施例]
次に、図15及び図16を参照して、この発明の第4実施例に係る磁歪式トルクセンサ144Cについて説明する。
[Fourth embodiment]
Next, a
図15に示すように、磁歪式トルクセンサ144Cでは、軸材23の上側に位置する第1異方性ma1を有する磁歪部mf1に対して、2つの界磁部211a、211bを設けている。
As shown in FIG. 15, in the
界磁部211aは、磁束発生部101aと、この磁束発生部101aから両側に延びる円孤状のヨーク111xと、により構成される。界磁部211bは、磁束発生部101bと、この磁束発生部101bから両側に延びる円孤状のヨーク111yにより構成される。界磁部211a、211bは、軸材23の軸心Oに対して点対称に配置される。界磁部211aに対して磁束検出部121aが設けられ、界磁部211bに対して磁束検出部121bが設けられる。
The
ヨーク111xのティース220cからティース220dまでの円弧状の長さ及びヨーク111yのティース220eからティース220fまでの円弧状の長さは、軸心Oとティース220cとティース220dで形成される中心角θ1及び軸心Oとティース220eとティース220fで形成される中心角θ1がθ1<180゜の範囲に設定される。
The arc-shaped length from the teeth 220c to the teeth 220d of the
図示はしないが、軸材23の下側に位置する第2異方性ma2を有する磁歪部mf2に対しても、同様に、2つの界磁部211a′、211b′が設けられる。その2つの界磁部211a′、211b′に対してもそれぞれ磁束検出部121a′、121b′が設けられる。
Although not shown, two
この場合、図16の第4実施例に係るトルク検出回路153Aの回路図に示すように、磁歪部mf1上に位置する磁束検出部121aと磁束検出部121bの出力を加算回路165によって加算し、加算結果を第1増幅回路164で増幅して出力電圧VT1を得る。すなわち、2つの磁束検出部121a、121bの出力の和によって磁歪部mf1の第1異方性ma1の磁気変化を検出する。
In this case, as shown in the circuit diagram of the
また、磁歪部mf2上に位置する磁束検出部121a′と磁束検出部121b′の出力を加算回路167によって加算し、加算結果を第2増幅回路166で増幅して出力電圧VT2を得る。すなわち、2つの磁束検出部121a′、121b′の出力の和によって磁歪部mf2の第2異方性ma2の磁気変化を検出する。
Further, the outputs of the magnetic
これら出力電圧VT1と出力電圧VT2を差動増幅回路168で差動増幅して操舵トルク信号VT3を得る。
These output voltage VT1 and output voltage VT2 are differentially amplified by a
これにより、ヨーク111x、111yと軸材23の軸心(回転軸の中心)Oがずれた場合であっても、磁束φが平均化されるため、すなわち、遠ざかる方の磁束検出部、例えば、磁束検出部121a、121a´での検出磁束φは減少するが、近づく方の磁束検出部、この場合には、磁束検出部121b、121b´での検出磁束φが増加するので、和は同じ結果となり、出力の変化を抑制することができる。しかも、検出感度が2倍になる。
As a result, even if the
なお、この第4実施例においても、1つの磁歪膜mfに第1磁歪部mf1及び第2磁歪部mf2を設けた構成で説明しているが、磁歪膜を2つ設け、一方の磁歪膜に第1磁歪部mf1を、他方の磁歪膜に第2磁歪部mf2を設ける構成にしてもよい。 In the fourth embodiment, the first magnetostrictive portion mf1 and the second magnetostrictive portion mf2 are provided in one magnetostrictive film mf. However, two magnetostrictive films are provided, and one magnetostrictive film is provided on one magnetostrictive film. The first magnetostrictive portion mf1 may be configured such that the second magnetostrictive portion mf2 is provided on the other magnetostrictive film.
[実施形態のまとめ]
以上説明したように、上述した実施形態によれば、例えば、図1〜図11Cを参照して説明した第1実施例に係る磁歪式トルクセンサ144は、軸材23と、軸材23に設けられた磁気異方性ma1、ma2を有する磁歪材としての磁歪膜mf(mf1、mf2)と、磁歪膜mf(mf1、mf2)に通す磁束φを出力する界磁部211、212(図4)と、界磁部211、212から出力され、磁歪膜mf(mf1、mf2)を通った磁束φを検出する磁束検出部121、122と、磁束検出部121、122の検出結果に基づいて軸材23に加えられた操舵トルクTsを検出するトルク検出部としてのトルク検出回路153(図7)、を備える。
[Summary of Embodiment]
As described above, according to the above-described embodiment, for example, the
この場合、界磁部211、212は、静磁界による磁束φを発生する小容積の磁束発生部101、102と、磁束発生部101、102に係合されたヨーク111、112と、を備え、磁束発生部101、102により発生した磁束φを、磁気抵抗の小さい磁束通路として機能するヨーク111、112に導き、前記ヨーク111、112を介して(通過して)出力し、出力された磁束φを軸材23に設けられた磁歪膜mf(mf1、mf2)に通すように構成している。
In this case, the
このように、磁束発生部101、102により発生した静磁界による磁束φを、ヨーク111、112を通過させて出力し、出力された磁束φを軸材23に設けた磁歪膜mf(mf1、mf2)に通し、磁歪膜mf(mf1、mf2)を通った磁束φを磁束検出部121、122で検出するため、小型化が図れ、且つヨーク111、112を介して磁束φを通すので、界磁部211、212が発生する磁束φを高効率(高磁束密度)下に磁歪膜mf(mf1、mf2)を通して磁束検出部121、122で検出することができる。結果として、検出精度(検出感度)を高くでき、外部からの電磁ノイズに対するロバスト性(タフネス性)が向上する。
In this way, the magnetic flux φ due to the static magnetic field generated by the
時間的に変動しない静磁界を発生する磁束発生部101、102としては、永久磁石、又は電磁石を用いることができる。電磁石としては、ヨーク111、122にコイルを巻回してソレノイドを形成し、前記ソレノイドに一定の直流電流を流すようにして構成するようにしてもよい。
As the
永久磁石を用いることで、磁束発生部用の電源が不要になる。磁束検出部121、122としては、ホール素子、又は磁気抵抗素子等の磁気センサ(磁束検出デバイス)を利用することができる。
Using a permanent magnet eliminates the need for a power source for the magnetic flux generator. As the magnetic
この場合、ヨーク111、112は、磁束発生部101、102から軸材23の周方向に沿って両方向に延びて円弧状に形成され、前記円弧状を形成するヨーク111、112の両開放端は、それぞれ軸材23の軸心Oに向かって延びる凸形状を呈するティース222(222a、222b)とされ、例えば、図5に示したように、磁束発生部101のN極からヨーク111a及び一方のティース222aを通じて磁束φを出力し、磁歪部mf1の両側に分かれて表面を通った磁束φを、他方のティース222bに入力させてヨーク111bに磁束φを通し磁束発生部101のS極まで戻すことで磁路を形成する。前記磁束検出部121は、磁路中に設けている。
In this case, the
円弧状のヨーク111を半円周(中心角180゜)に形成しているので、磁歪部mf1の周方向に通す磁束φを、軸心Oに対して対称に(それぞれ逆側に)配置したティース222a、222bを介して通すことになるので、磁束φが磁歪部mf1の周方向の両側に回り込むことから、軸に対するヨーク111の位置ずれが発生した場合でも、ティース222a、222b部分での磁束密度が変化せず、磁束φを安定して検出可能となる。換言すれば、磁束φが磁歪部mf1の全周を通るため、磁歪部mf1の膜厚が不均一であっても特性が平均化され、結果として、正確なトルクを検出することができる。
Since the arc-shaped
円弧状のヨーク111を半円周(中心角180°)に形成した場合の作用効果をさらに、図17A、図17B、図18A、図18Bを参照して説明する。
The effects of forming the arc-shaped
図17Aに示すように、軸材23とヨーク111の中心310(円弧の端部間を結ぶ線)が一致している場合には、軸材23の磁歪部mf1上の磁路m1と磁路n1の長さが等しく(m1=n1)、磁気抵抗は同一であるので、磁束φは、磁歪部mf1を均等に分かれて流れる。
As shown in FIG. 17A, when the
たとえ、図17Bに示すように、軸材23とヨーク111の中心310がずれた場合であっても、一方の磁路m2の長さが長くなって(m2>m1=n1)、磁気抵抗が増大し磁束φが減少しても、他方の磁路n2の長さが短くなって(n2<m2)、磁気抵抗が減少し磁束φが増えるので、磁歪部mf1、及びヨーク111を流れる全体の磁束φの量は変化しない。このように、磁歪式トルクセンサ144によれば、軸材23とヨーク111の中心310がずれた場合であっても正確なトルク検出が可能である。
For example, as shown in FIG. 17B, even when the
また、磁歪式トルクセンサ144では、半円周に対応する円弧状のヨーク111を有しているので、磁歪部mf1の膜厚が不均一であったり、組成が不均一であったりして、回転位相に対して磁気抵抗が異なった場合であっても、正確にトルクを検出することができる。例えば、図18Aでは、ヨーク111側に近い軸材23の半周の膜厚が厚い磁歪部mf1xになっており、図18Bでは、ヨーク111から遠い側の軸材23の半周の膜厚が厚い磁歪部mf1yになっている。
In addition, since the
図18A、図18Bに示すような膜厚が偏った磁歪部mf1x、mf1yであっても、磁束φは、磁歪部mf1の全周を通るため、磁歪部mf1の特性が平均化される。したがって回転位相によらず磁歪部mf1及びヨーク111を通る磁束φが一定になるので、磁束検出部121で正確に磁束φを検出することができ、ひいては正確なトルクを検出することができる。
Even in the magnetostrictive portions mf1x and mf1y whose thicknesses are biased as shown in FIGS. 18A and 18B, the magnetic flux φ passes through the entire circumference of the magnetostrictive portion mf1, and thus the characteristics of the magnetostrictive portion mf1 are averaged. Therefore, the magnetic flux φ passing through the magnetostrictive portion mf1 and the
また、第1〜第4実施例に係る磁歪式トルクセンサ144、144A、144B、144Cでは、図21〜図23に示した多重巻きの4個の励磁兼用の検出コイル51〜54を用いることなく操舵トルクTsを検出することが可能となり、小型化・軽量化を図ることができる。
Further, in the
[バイアス磁界の印加について]
上述した第1〜第4実施形態に係る磁歪式トルクセンサ144、144A、144B、144Cでは、磁歪膜mfにバイアス磁界Hbiasをかけ透磁率μが安定な領域で磁歪式トルクセンサ144、144A、144B、144Cを使用している。
[Application of bias magnetic field]
In the
この場合、図19のB−Hカーブに示すように、磁歪膜mfの保持力Hc以上の、磁歪膜mfの磁束密度Bを飽和させるのに十分なバイアス磁界Hbiasを磁歪膜mfにかければよい。なお、図19では、残留磁束密度Br及び飽和磁束密度Bsも記入している。 In this case, as shown in the BH curve of FIG. 19, a bias magnetic field Hbias sufficient to saturate the magnetic flux density B of the magnetostrictive film mf that is equal to or greater than the holding force Hc of the magnetostrictive film mf may be applied to the magnetostrictive film mf. . In FIG. 19, the residual magnetic flux density Br and the saturation magnetic flux density Bs are also entered.
磁歪膜mfにバイアス磁界Hbiasをかける場合には、軸材23自体を磁化させておく、軸材23に永久磁石を配置する、又は軸材23にコイルを巻き付けて前記コイルに直流電源を接続する等、種々の構成を採り得ることができる。
When the bias magnetic field Hbias is applied to the magnetostrictive film mf, the
磁歪膜mfにバイアス磁界Hbiasをかけておくことにより、出力電圧V1、V2、及び操舵トルク信号VT3の各電圧が安定化する。 By applying a bias magnetic field Hbias to the magnetostrictive film mf, the output voltages V1, V2 and the steering torque signal VT3 are stabilized.
上記した第1〜第4実施形態に係る磁歪式トルクセンサ144、144A、144B、144Cでは、界磁部211、212等を構成する磁束発生部101、102としての永久磁石によりバイアス磁界Hbiasをかけている。
In the
外部磁界などの影響で、B−Hカーブの傾きが大きい図19中の原点から立ち上がる領域で、磁界の強さHが変化すると、磁束密度Bが安定しなくなり、結果として第1及び第2磁束検出部121、122等で検出される検出値としての出力電圧VT1、VT2が安定しない。これを防止するために、B−Hカーブの傾斜が少ない保持力Hc以上の領域を使用する。このため、磁歪膜mfに保持力Hc以上のバイアス磁界Hbiasを予めかけておく。
When the magnetic field strength H changes in a region where the BH curve has a large slope due to an external magnetic field and rises from the origin in FIG. 19, the magnetic flux density B becomes unstable, resulting in the first and second magnetic fluxes. The output voltages VT1 and VT2 as detection values detected by the
図20は、図19のB−Hカーブにおいて磁界の強さHがゼロ値から増大していく際の初透磁率曲線の傾き(微分値)により、磁界の強さHに対する透磁率μの変化を求めたものである。図20に示すバイアス磁界Hbias以上のバイアス磁界を磁歪膜mfにかけることにより、外部磁界などの影響で磁界の強さHが変化したとしても、透磁率μ[H/m]が大きく変化することが無い、透磁率μ[H/m]の安定した領域で磁歪式トルクセンサ144、144A、144B、144Cを使用することができる。
FIG. 20 shows a change in the magnetic permeability μ with respect to the magnetic field strength H by the slope (differential value) of the initial magnetic permeability curve when the magnetic field strength H increases from zero in the BH curve of FIG. Is what we asked for. By applying a bias magnetic field equal to or greater than the bias magnetic field Hbias shown in FIG. 20 to the magnetostrictive film mf, even if the magnetic field strength H changes due to the influence of an external magnetic field or the like, the magnetic permeability μ [H / m] changes greatly. The
なお、この発明は、上述の実施形態に限らず、この明細書の記載内容に基づき、種々の構成を採り得ることはもちろんである。 Note that the present invention is not limited to the above-described embodiment, and it is needless to say that various configurations can be adopted based on the contents described in this specification.
10、10A…電動パワーステアリング装置
12…操向ハンドル 14…ステアリング軸
16…メインステアリングシャフト 22…ピニオン軸
23…軸材 36…電動機(モータ)
44、144、144A〜144C…磁歪式トルクセンサ
101、101a、101b、102…磁束発生部
110…ECU
111、111a、111b、111P、111Q、111x、111y、112…ヨーク
121、122…磁束検出部 131…第1センサハウジング
132…第2センサハウジング 141、142…樹脂モールド
151、152、153…検出回路
211、211a、211b、212…界磁部
220、220a、220b…開放端
222、222a〜222f、401〜406…ティース
301〜304…分岐ヨーク 310…中心
410…非磁性環
DESCRIPTION OF
44, 144, 144A to 144C ...
111, 111a, 111b, 111P, 111Q, 111x, 111y, 112 ...
Claims (5)
前記軸材に設けられた磁気異方性を有する磁歪材と、
前記磁歪材に通す磁束を出力する界磁部と、
前記界磁部から出力され、前記磁歪材を通った前記磁束を検出する磁束検出部と、
前記磁束検出部の検出結果に基づいて前記軸材に加えられたトルクを検出するトルク検出部と、
を備えた磁歪式トルクセンサであって、
前記界磁部は、静磁界による磁束を発生する磁束発生部と、前記磁束発生部に係合されたヨークと、を備え、
前記ヨークは、前記磁束発生部から前記軸材の周方向に沿って両方向に延びて形成され、前記ヨークの両開放端は、それぞれ前記ヨークから前記軸材の軸心に向かって延びる凸形状を呈するティースとされ、
前記磁束発生部から前記ヨーク及び一方の前記ティースを通じて前記磁束を出力し、出力された前記磁束を前記軸材に設けられた前記磁歪材の周方向に通し、前記磁歪材を通った前記磁束を、他方の前記ティースに入力させて前記ヨークに前記磁束を通し前記磁束発生部まで戻すことで磁路を形成し、前記磁路中に前記磁束検出部が設けられ、
前記ヨークは円弧状に形成され、
前記円弧状に形成された前記ヨークの円弧の中心角が180°未満にされ、
前記界磁部と前記磁束検出部とからなる組立体が、前記軸材の軸心に対して点対称に設けられた
ことを特徴とする磁歪式トルクセンサ。 Shaft material,
A magnetostrictive material having magnetic anisotropy provided on the shaft material;
A field portion for outputting a magnetic flux passed through the magnetostrictive material;
A magnetic flux detection unit that detects the magnetic flux output from the field part and passed through the magnetostrictive material;
A torque detection unit that detects torque applied to the shaft member based on a detection result of the magnetic flux detection unit;
A magnetostrictive torque sensor comprising:
The field portion includes e Bei magnetic flux generator for generating a magnetic flux by the static magnetic field, a yoke engaged with the magnetic flux generating portion,
The yoke is formed to extend in both directions along the circumferential direction of the shaft member from the magnetic flux generating portion, and both open ends of the yoke have convex shapes extending from the yoke toward the shaft center of the shaft member, respectively. Teeth to be presented,
The outputs the magnetic flux through the yoke and one of the teeth from the magnetic flux generating unit, the outputted magnetic flux is passed in the circumferential direction of the magnetostrictive material provided on the shaft member, the magnetic flux through the magnetostrictive material The magnetic path is formed by inputting the magnetic flux to the other tooth and returning the magnetic flux to the yoke and returning the magnetic flux to the magnetic flux generation section, and the magnetic flux detection section is provided in the magnetic path,
The yoke is formed in an arc shape,
The central angle of the arc of the yoke formed in the arc shape is less than 180 °,
A magnetostrictive torque sensor characterized in that an assembly composed of the field magnet part and the magnetic flux detection part is provided point-symmetrically with respect to the axis of the shaft member .
前記軸材の軸心に対して点対称に設けられた各前記組立体中の各前記界磁部を構成する各前記磁束発生部の極性が、前記磁歪材の各周方向を通る各磁束の向きが軸心に対して互いに逆方向又は同方向になるように設定されているThe polarities of the magnetic flux generating parts constituting the field parts in the assemblies provided point-symmetrically with respect to the shaft center of the shaft material are the magnetic fluxes passing through the circumferential directions of the magnetostrictive material. The direction is set so that they are opposite or in the same direction with respect to the axis.
ことを特徴とする磁歪式トルクセンサ。A magnetostrictive torque sensor.
前記軸材に設けられた磁気異方性を有する磁歪材と、
前記磁歪材に通す磁束を出力する界磁部と、
前記界磁部から出力され、前記磁歪材を通った前記磁束を検出する磁束検出部と、
前記磁束検出部の検出結果に基づいて前記軸材に加えられたトルクを検出するトルク検出部と、
を備えた磁歪式トルクセンサであって、
前記界磁部は、静磁界による磁束を発生する磁束発生部と、前記磁束発生部に係合されたヨークと、を備え、
前記ヨークは、前記磁束発生部から前記軸材の周方向に沿って両方向に延びて、その延びたところから、前記軸材の外周近傍に複数の分岐ヨークを形成し、各前記分岐ヨークの端部は開放端とされ、前記開放端は、それぞれ前記軸材の軸心に向かって凸形状を呈する、複数のティースが形成され、
前記磁束発生部から一方の前記ヨーク、及び一方の各前記分岐ヨークに形成された前記ティースを通じて前記磁束を出力し、前記磁歪材を通らせた前記磁束を、他方の各前記分岐ヨークに形成された前記ティースに入力させ、他方の各前記分岐ヨークを通じて他方の前記ヨークに前記磁束を通し前記磁束発生部まで戻すことで磁路を形成し、前記磁路中に前記磁束検出部を設けた
ことを特徴とする磁歪式トルクセンサ。 Shaft material,
A magnetostrictive material having magnetic anisotropy provided on the shaft material;
A field portion for outputting a magnetic flux passed through the magnetostrictive material;
A magnetic flux detection unit that detects the magnetic flux output from the field part and passed through the magnetostrictive material;
A torque detection unit that detects torque applied to the shaft member based on a detection result of the magnetic flux detection unit;
A magnetostrictive torque sensor comprising:
The field portion includes a magnetic flux generating portion that generates a magnetic flux by a static magnetic field, and a yoke engaged with the magnetic flux generating portion ,
Before SL yoke may extend in both directions from said magnetic flux generating portion along the circumferential direction of the shaft member, where it extends thereof to form a plurality of branches yoke near the outer periphery of the shaft member, each said branch yokes The end portion is an open end, and the open end is formed with a plurality of teeth each having a convex shape toward the axial center of the shaft member,
The magnetic flux is output from the magnetic flux generating section through one of the yokes and the teeth formed in one of the branch yokes, and the magnetic flux passing through the magnetostrictive material is formed in the other branch yoke. A magnetic path is formed by causing the teeth to be input, passing the magnetic flux through the other branch yoke to the other yoke, and returning the magnetic flux to the magnetic flux generation section, and providing the magnetic flux detection section in the magnetic path .
Magnetostrictive torque sensor, wherein the this.
前記軸材に設けられた磁気異方性を有する磁歪材と、
前記磁歪材に通す磁束を出力する界磁部と、
前記界磁部から出力され、前記磁歪材を通った前記磁束を検出する磁束検出部と、
前記磁束検出部の検出結果に基づいて前記軸材に加えられたトルクを検出するトルク検出部と、
を備えた磁歪式トルクセンサであって、
前記界磁部は、静磁界による磁束を発生する磁束発生部と、前記磁束発生部に係合されたヨークと、を備え、
前記ヨークは、前記磁束発生部から前記軸材の周方向に沿って両方向に前記軸材の軸心に対して対称な位置まで延びて、さらに軸心に向かって延び、各前記ヨークは、その延びたところから、さらに、前記軸材の周方向に沿って両方向に分岐して延びて、前記軸材の外周近傍に円弧状の合計4つの分岐ヨークを形成し、各前記分岐ヨークの端部は開放端とされ、4つの前記開放端は、それぞれ前記軸材の軸心に向かって凸形状を呈する、合計4つのティースが形成され、
前記磁束発生部から一方の前記ヨーク、一方の2つの各前記分岐ヨーク、及び一方の2つの各前記分岐ヨークに形成された2つの前記ティースを通じて前記磁束を出力し、前記磁歪材を通らせた前記磁束を、他方の2つの各前記分岐ヨークに形成された2つの前記ティースに入力させ、他方の2つの各前記分岐ヨークを通じて他方の前記ヨークに前記磁束を通し前記磁束発生部まで戻すことで磁路を形成し、前記磁路中に前記磁束検出部を設けた
ことを特徴とする磁歪式トルクセンサ。 Shaft material,
A magnetostrictive material having magnetic anisotropy provided on the shaft material;
A field portion for outputting a magnetic flux passed through the magnetostrictive material;
A magnetic flux detection unit that detects the magnetic flux output from the field part and passed through the magnetostrictive material;
A torque detection unit that detects torque applied to the shaft member based on a detection result of the magnetic flux detection unit;
A magnetostrictive torque sensor comprising:
The field portion includes a magnetic flux generating portion that generates a magnetic flux by a static magnetic field, and a yoke engaged with the magnetic flux generating portion ,
Before SL yoke extends from said magnetic flux generating portion to symmetrical positions with respect to the axis of the shaft member in both directions along the circumferential direction of the shaft member extends further towards the axis, each of said yoke, From the extended portion, it further branches and extends in both directions along the circumferential direction of the shaft member to form a total of four branch yokes in the form of arcs in the vicinity of the outer periphery of the shaft member. The portion is an open end, and the four open ends each have a convex shape toward the axis of the shaft, and a total of four teeth are formed.
The magnetic flux is output from the magnetic flux generator through the two teeth formed on one of the yokes, one of the two branch yokes, and one of the two branch yokes, and passes the magnetostrictive material. The magnetic flux is input to the two teeth formed in the other two branch yokes, and the magnetic flux is returned to the magnetic flux generation unit through the other two branch yokes and through the other yoke. A magnetic path is formed, and the magnetic flux detector is provided in the magnetic path .
Magnetostrictive torque sensor, wherein the this.
前記軸材を軸心に対して直交する断面において、軸心を通って直交する2つの線によって作られる4つの領域それぞれに、前記4つのティースがそれぞれ配置される
ことを特徴とする磁歪式トルクセンサ。 The magnetostrictive torque sensor according to claim 4 , wherein
The magnetostrictive torque, wherein the four teeth are arranged in each of four regions formed by two lines orthogonal to each other through the shaft center in a cross section orthogonal to the shaft center. Sensor.
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