CN104541140A - 相对旋转角度位移检测装置、使用了该检测装置的转矩检测装置及转矩控制装置、以及具备该控制装置的车辆 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种用简易的构造对能够进行相对的旋转移动的一对旋转构件的相对旋转角度位移进行检测的相对旋转角度位移检测装置。相对旋转角度位移检测装置具备：一对旋转构件，其在旋转轴线的周向上相对旋转；永磁体，其设置于一对旋转构件中的一方的旋转构件，以在旋转轴线的周向上极性交替不同的样态配置有在旋转轴线的轴线方向上磁化的磁极，磁极的各个具有周向上的宽度；引导环，其具有：多个突部，多个突部分别具有周向上的宽度，至少一个突部的周向上的宽度比至少一个磁极的周向上的宽度小；和环状的环主体，环状的环主体设置于一对旋转构件中的另一方的旋转构件，环状的环主体的轴线与旋转轴线同轴状配置，环状的环主体具有根据突部的位置相对于磁极的位置而变化的磁化的强度；以及磁检测部，其检测引导环的环主体的磁通量。

Description

相对旋转角度位移检测装置、使用了该检测装置的转矩检测装置及转矩控制装置、以及具备该控制装置的车辆
技术领域
本发明涉及相对旋转角度位移检测装置、使用该检测装置的转矩检测装置及转矩控制装置、以及具备该转矩控制装置的电动助力轮椅、电动助力骑乘车辆以及动力转向装置。
背景技术
例如，在以往的手动轮椅中，在左右一对大车轮的外侧设置有手扶圈。一对手扶圈以手扶圈的旋转轴线与车轴的轴线同轴的方式设置于大车轮。通过用户旋转该手扶圈，其旋转力传递至大车轮，从而使手动轮椅行驶。近年来，以减轻在轮椅中用户移动手扶圈的力的负担为目的，开发了动力辅助系统，所述动力辅助系统为电动马达将与移动手扶圈的手动的力相应的最合适的辅助力传递至驱动轮。
根据该系统，摇轮椅的手扶圈的力和根据该力而输出的马达的力融合而使车轮旋转，能够轻松地移动轮椅。这种动力辅助系统不限于轮椅，在其他的例如电动助力自行车、汽车的动力转向装置等中也被采用。
另外，在这种动力辅助系统中，具备检测装置，其用于对旋转轴线同轴配置的互相相对旋转的一对旋转构件的相对旋转角度位移进行检测，并检测转矩。作为这种相对旋转角度位移、相对旋转转矩的位移检测装置，公知如下装置(例如，参照专利文献1)。所述装置具备：旋转轴线同轴配置的一对第1轴构件以及第2轴构件；在第1轴构件固定的圆筒磁体；在第2轴构件固定的一对轭环(yoke ring)；一对集磁环，其以围绕各轭环的方式配置，具备集磁突起；磁传感器，其配置于集磁突起之间，构成为对根据第1轴构件以及第2轴构件的相对角位移而在轭环产生的磁通量的变化进行检测。
在如上构成的相对旋转角度位移检测装置中，第1轴构件具备与第1轴构件同轴状的圆筒磁体。圆筒磁体与第1轴构件一起旋转。该圆筒磁体在旋转轴线的径向上被磁化，具有在旋转轴线的径向上配置的磁极(N极和S极)。第2轴构件具备与该第2轴构件一体旋转的一对轭环。各轭环分别具有与所述N极、S极组数相同数量的磁极爪。在旋转轴线的径向上，各磁极爪在圆筒磁体的外侧以与圆筒磁体的磁极相对的方式配置。该一对轭环配置为如下状态：各自的磁极爪在旋转轴线的轴线方向上相对配置，并且在周向上交替排列。另外，用于汇集分别在这些轭环产生的磁通量的2个集磁环配置为在对应的轭环的旋转轴线的径向的外侧围绕轭环。当第1轴构件和第2轴构件相对旋转时，各轭环的磁极爪与圆筒磁体的磁极的相对位置发生变动。由此，集磁环间的磁通量变化。通过磁传感器检测该磁通量的变化。
现有技术文献
专利文献
专利文献：日本特开2008-249366号公报
发明内容
发明要解决的问题
在上述检测装置中，为了高精度地检测磁通量密度的变化，需要将一对轭环以形成于各环的三角形状的磁极爪在周向上交替设置的方式接近配置，需要配置成相邻的磁极爪的周向的间隔以及轴向的间隔都为一定。进一步，需要将磁极爪配置为各磁极爪和圆筒磁体的径向的间隔也为一定。因此，不仅要求各轭环的周向、轴向以及径向的尺寸加工精度高，而且要求该两轭环以及圆筒磁体的组装精度也高。因此，存在提高检测精度时检测装置的制造以及组装成本升高这一问题。
本发明是鉴于上述的以往的问题而完成的发明。本发明的目的在于提供一种检测装置的制造以及组装为简易的构造并且能够高精度地检测相对旋转角度位移的相对旋转角度位移检测装置、使用了该检测装置的转矩检测装置及转矩控制装置、以及具备该转矩控制装置的电动助力轮椅、电动助力骑乘车辆或者动力转向装置。
用于解决问题的手段
本发明为了解决上述问题，采用以下的结构。
(1)一种相对旋转角度位移检测装置，具备：
一对旋转构件，其在旋转轴线的周向上相对旋转；
永磁体，其设置于所述一对旋转构件中的一方的旋转构件，以在所述旋转轴线的周向上极性交替不同的样态配置有在所述旋转轴线的轴线方向上磁化的磁极，所述磁极的各个具有周向上的宽度；
引导环，其具有：多个突部，所述多个突部分别具有周向上的宽度，至少一个突部的周向上的宽度比至少一个所述磁极的周向上的宽度小；和环状的环主体，所述环状的环主体设置于所述一对旋转构件中的另一方的旋转构件，所述环状的环主体的轴线与所述旋转轴线同轴状配置，所述环状的环主体具有根据所述突部的位置相对于所述磁极的位置而变化的磁化的强度；以及
磁检测部，其检测所述引导环的所述环主体的磁通量。
根据(1)的结构，永磁体以在旋转轴线的轴线方向上磁化的磁极在旋转轴线的周向上极性交替不同的样态配置于在旋转轴线的周向上相对旋转的一对旋转构件中的一方的旋转构件。另外。引导环的多个突部的各个在周向具有宽度，至少一个突部的周向上的宽度比至少一个磁极的周向上的宽度小。在永磁体和突部这样地配置的状态下，环状的环主体具有根据突部的位置相对于磁极的位置而变化的磁化的强度。由此，能够使引导环的突部成为简单的形状。因此，能够高精度地形成引导环的突部。另外，永磁体的磁极以及多个突部具有周向上的宽度。多个突部中的至少一个突部的周向上的宽度比磁极的周向上的宽度小。环状的环主体具有根据这样的磁极和突部的相对位置关系(即突部的位置相对于磁极的位置)而变化的磁化的强度。可比较容易地设定该磁极与突部的相对位置关系。因而，引导环和永磁体等各构件的组装容易。因此，根据(1)的结构，成为制造以及组装简易的构造，并且能够高精度地检测相对旋转的一对旋转构件的相对旋转角度位移。
另外，本发明例如采用以下的结构。
(2)根据(1)所述的相对旋转角度位移检测装置，
所述引导环的环主体具备在横截所述永磁体的磁化方向的方向上扩展的环状的平面部，
所述磁检测部构成为检测所述环主体的所述环状的平面部的磁通量。
根据(2)的结构，磁检测部检测在横截永磁体的磁化方向的方向上扩展的环状的平面部的磁通量。环状的平面部在横截永磁体的磁化方向(旋转轴线的轴线方向)的方向上扩展。因此，即使磁检测部相对于环状的平面部的相对位置，在横截永磁体的磁化方向的方向(例如，旋转轴线的径向)上偏离，也不易产生对磁检测部的检测精度的影响。换言之，各构件的组装变得更加容易。因此，根据(2)的结构，既能更容易地进行制造以及组装，还能精度更高地检测相对旋转的一对旋转构件的相对旋转角度位移。
(3)根据(2)所述的相对旋转角度位移检测装置，
所述磁检测部包括检测磁通量的磁传感器，
所述磁传感器是对所述环状的平面部的磁通量中的所述永磁体的磁化方向的磁通量进行检测的传感器。
根据(3)的结构，磁传感器检测环状的平面部的磁通量中永磁体的磁化方向上的磁通量。环状的平面部的磁通量中永磁体的磁化方向上的磁通量比其他方向上的磁通量强。因此，磁传感器能够检测比较强的磁通量，不易受到干扰等的影响。由此，能精度更高地检测相对旋转的一对旋转构件的相对旋转角度位移。
(4)根据(3)所述的相对旋转角度位移检测装置，
所述引导环的所述环主体和所述磁传感器中的至少一个在所述旋转轴线的轴线方向上设置在与所述引导环的所述突部不同的位置。
根据(4)的结构，通过使环主体和磁传感器中的至少一个与突部的位置在轴线方向上不同，既能确保检测精度，又能使构造以及组装更容易化。
(5)根据(4)所述的相对旋转角度位移检测装置，
所述磁检测部包括中间磁轭，所述中间磁轭具有第1平面部，
所述第1平面部配置在所述磁传感器和所述环主体之间，配置成在所述永磁体的磁化方向上与所述环主体的所述环状的平面部隔开间隔而相对。
根据(5)的结构，通过设置中间磁轭，能够汇集引导环的磁通量，与突部的相位无关地直接使环主体从永磁体接受的磁通量的振幅平均化。由此，能够进一步提高检测精度。
(6)根据(5)所述的相对旋转角度位移检测装置，
所述中间磁轭的所述第1平面部的表面积比所述环主体的所述环状的平面部的表面积小。
根据(6)的结构，既能使制造以及组装更简易化，又能精度更高地检测相对旋转角度位移。
(7)根据(5)或(6)所述的相对旋转角度位移检测装置，
所述环主体、所述中间磁轭以及所述磁传感器中的至少任意一个在所述旋转轴线的径向上设置在与所述突部不同的位置。
根据(7)的结构，通过使环主体、中间磁轭以及磁传感器中的至少一个与突部的位置在旋转轴线的径向上不同，既能确保检测精度，又能使构造以及组装更容易化。
(8)根据(1)至(7)中任一项所述的相对旋转角度位移检测装置，
所述磁极具有N极组和S极组，
所述引导环具有磁化的强度相对小的第1状态、和磁化的强度相对大的第2状态，
在所述第1状态下，所述突部相对于所述磁极的位置是如下位置：由所述N极组实现的所述引导环的磁化的强度和由所述S极组实现的所述引导环的磁化的强度之差小，
在所述第2状态下，所述突部相对于所述磁极的位置是如下位置：由所述N极组实现的所述引导环的磁化的强度和由所述S极组实现的所述引导环的磁化的强度之差大。
根据(8)的结构，能够根据第1状态下的引导环的磁化的强度与第2状态下的引导环的磁化的强度之差，进一步提高相对位置的检测精度。
(9)根据(8)所述的相对旋转角度位移检测装置，
在所述第1状态下，所述突部相对于所述磁极的位置是如下位置：所述引导环由所述N极组和所述S极组实质上相等地磁化，
在所述第2状态下，所述突部相对于所述磁极的位置是如下位置：所述引导环由所述N极组和所述S极组中的实质上仅一方的组磁化。
根据(9)的结构，第1状态下的引导环的磁化的强度与第2状态下的引导环的磁化的强度之差变得更加明确，所以能够进一步提高相对位置的检测精度。
(10)根据(1)至(9)中任一项所述的相对旋转角度位移检测装置，
所述突部的各个的周向上的宽度比所述磁极的各个的周向上的宽度窄。
根据(10)的结构，由突部和磁极的位置关系的差异引起的引导环的磁化的强度的变化变得更加明确，所以能够进一步提高相对位置的检测精度。
(11)一种转矩检测装置，具有：
(1)至(10)中任一项所述的相对旋转检测位移装置；和
配置在所述一对旋转构件之间的弹性构件，
对所述一对旋转构件，通过所述弹性构件常时在相对旋转方向上施加作用力，
所述一对旋转构件具有相对旋转限制部，所述相对旋转限制部在所述一对旋转构件的任意一方的旋转构件对抗所述弹性构件的作用力而相对于另一方的旋转构件相对旋转了预定的旋转角度时，阻止两旋转构件的相对旋转。
(12)一种转矩控制装置，具备：
(1)至(10)中任一项所述的相对旋转检测位移装置；
旋转驱动构件，其与所述一对旋转构件的任意一方的旋转构件连接，被用户施加旋转力；
动力源，其向另一方的旋转构件施加旋转力；以及
控制部，其在所述一方的旋转构件相对于所述另一方的旋转构件相对旋转了预定的旋转角度时，根据所述磁检测部的输出来对所述动力源向所述另一方的旋转构件施加的旋转力进行控制。
(13)一种电动助力轮椅，其具备(12)所述的转矩控制装置。
(14)一种电动助力骑乘车辆，其具备(12)所述的转矩控制装置。
(15)一种动力转向装置，其具备(12)所述的转矩控制装置。
附图说明
图1是表示本发明实施方式涉及的相对旋转角度位移检测装置的概略结构的说明图。
图2是放大表示用图1的虚线包围的A部分的放大剖视图。
图3A是从旋转轴的轴向观察上述装置的主要部分而得到的相对旋转角度位移为0度的状态下的概略结构图。
图3B是从旋转轴的轴向观察上述装置的主要部分而得到的相对旋转角度位移为10度的状态下的概略结构图。
图4A是表示图3A的状态下的永磁体的磁极和引导环的突部之间的相对位置关系的说明图。
图4B是表示图3B的状态下的永磁体的磁极和引导环的突部之间的相对位置关系的说明图。
图5A是表示图3A的状态下的永磁体的磁极和引导环的磁通量分布状况的说明图。
图5B是表示图3A的状态下的永磁体、引导环、中间磁轭、磁传感器以及背部磁轭的磁通量分布状况的说明图。
图5C是表示图3A的状态下的永磁体、引导环、中间磁轭、磁传感器、背部磁轭、以及包括这些部件的周边的位置的磁通量分布状况的说明图。
图6A是表示图3B的状态下的永磁体的磁极和引导环的磁通量分布状况的说明图。
图6B是表示图3B的状态下的永磁体、引导环、中间磁轭、磁传感器以及背部磁轭的磁通量分布状况的说明图。
图6C是表示图3B的状态下的永磁体、引导环、中间磁轭、磁传感器、背部磁轭、以及包括这些部件的周边的位置的磁通量分布状况的说明图。
图7是将本发明涉及的相对旋转角度位移检测装置适用于电动助力自行车的动力辅助系统的概略说明图。
图8是将本发明涉及的相对旋转角度位移检测装置适用于电动助力轮椅的动力辅助系统的概略说明图。
图9是将本发明涉及的相对旋转角度位移检测装置适用于汽车的动力转向装置的动力辅助系统的概略说明图。
具体实施方式
以下，基于将本发明涉及的相对旋转角度位移检测装置适用于电动助力自行车(参照图7)的动力辅助系统的实施例进行说明。此外，本发明涉及的相对旋转角度位移检测装置不限于用于电动助力自行车的动力辅助系统的情况。本发明涉及的相对旋转角度位移检测装置检测旋转轴线同轴配置的一对旋转构件的相对旋转角度位移。本发明涉及的相对旋转角度位移检测装置也可以在对互相相对旋转的一对旋转构件的相对旋转角度位移进行检测的各种装置或者机构中采用。另外，例如本发明也适于在电动助力轮椅(参照图8)、汽车的动力转向装置(参照图9)等动力辅助系统等中采用。
例如，如图1所示，在本实施方式涉及的相对旋转角度位移检测装置X中，在轴部1的一端部安装有踏板P。在轴部1的一端部侧，以与轴部1同轴、换言之与旋转轴线R同轴的方式配置有作为第1旋转构件的杆构件10和作为第2旋转构件的链轮20。即，轴部1具有旋转轴线R。旋转轴线R也是一对旋转构件(杆构件10和链轮20)的旋转轴线。如图1所示，杆构件10和链轮20配置成互相相邻的接近状态，在旋转轴线R的周向上能够相对旋转移动。此外，旋转轴线R的旋转方向也可以意指杆构件10和链轮20的旋转方向。旋转轴线R的旋转方向也可以与杆构件10和链轮20的旋转方向相同。
如图3A所示，作为第1旋转构件的杆构件10一体形成有向轴部1的径向外侧延伸的多个(3个)卡止部11。杆构件10构成为伴随踏板P的旋转而与轴部1一起一体旋转。另一方面，如图1所示，作为第2旋转构件的链轮20设为以与轴部1同轴的方式经由轴承2能相对于作为第1旋转构件的杆构件10自由相对旋转。
如图3A所示，在杆构件10的各卡止部11，以向轴向外侧即链轮20侧突出的状态设有突起部12。各突起部12嵌入缝隙21，所述缝隙21以在周向上呈弧状延伸的方式形成于链轮20。伴随杆构件10的旋转移动，突起部12能在缝隙21在周向上延长的长度范围内自由滑动移动。突起部12和缝隙21构成相对旋转限制部25。相对旋转限制部25对作为第1旋转构件的杆构件10和作为第2旋转构件的链轮20之间的相对旋转进行限制。杆构件10和链轮20例如可在不足1圈(360°)的角度范围内相对旋转。
在链轮20的周向的多个部位(3个部位)形成有用于安装作为弹性构件的螺旋弹簧的弹簧安装孔22。在各弹簧安装孔22安装有螺旋弹簧S。该螺旋弹簧S的一端部卡止于弹簧安装孔22的周向的一端部。螺旋弹簧S的另一端部卡止于杆构件10的卡止部11。通过螺旋弹簧S对杆构件10的卡止部11在周向(附图中右旋方向，即顺时针方向)上施力。在用户不对踏板P施加旋转力的状态下，在杆构件10的各卡止部11设置的突起部12成为与形成于链轮20的各缝隙21的周向的一端侧卡止的状态。
因此，若从图3A所示的状态开始，绕逆时针方向(周向上与弹簧S的施力方向相反的方向)对踏板P施加旋转力，则如图3B所示，固定有该踏板P的轴部1旋转。伴随轴部1的旋转，对固定于轴部1的杆构件10施加旋转力。然后，杆构件10绕逆时针方向旋转。这样，若杆构件10绕逆时针方向旋转，则卡止部11一边对抗安装于链轮20的弹簧S的作用力，一边相对于链轮20进行相对旋转。此时，在杆构件10的卡止部11设置的突起部12在形成于链轮20的缝隙21内在周向(逆时针方向)上移动。
并且，在杆构件10的卡止部11设置的突起部12到达缝隙21的周向的另一端部时，卡止于缝隙21的另一端部。在此之后，伴随杆构件10的旋转，链轮20与杆构件10一起绕逆时针方向旋转。此外，在直到突起部12到达缝隙21的端部的这段期间内，通过施加在弹簧S的作用力的释放，链轮20也会绕逆时针旋转。
这样，在该实施方式中，作为第1旋转构件的杆构件10和作为第2旋转构件的链轮20在轴部1的周向的预定范围、即形成于链轮20的缝隙21的周向的长度范围内进行相对旋转。周向的长度范围例如是不满一圈的范围。相对旋转角度位移检测装置X，检测在该有限(受限)的周向的相对旋转范围中的两旋转构件的相对旋转角度位移、甚至是(进而是)相对旋转转矩。电动马达(省略图示)被控制，以使得融合对踏板P施加的旋转力和根据该旋转力而输出的电动马达的力，经由挂在链轮20的链条C来控制车轮(参照图7)的旋转力。
为了检测作为第1旋转构件的杆构件10和作为第2旋转构件的链轮20之间的相对旋转角度位移，在本实施方式中，如图1至图3所示，相对旋转角度位移检测装置X具备永磁体30、引导环40和磁检测部100。
永磁体30形成为圆环状或者环状。如图3A所示，永磁体30的轴线与旋转轴线R同轴状配置。即，永磁体30配置成与轴部1同轴。永磁体30例如由粘结磁体构成。永磁体30具有沿着轴部1的周向交替配置的N极和S极的磁极。交替配置的N极构成N极组。交替配置的S极构成S极组。各磁极在轴部1的轴向上被磁化。在本实施方式中，各磁极分别被磁化为与旋转轴线R的轴线方向平行。在本发明中，永磁体30的磁化的方向也可不必与旋转轴线R的轴线方向完全平行。永磁体的磁化的方向例如可以在相对于轴线方向为45度以内的范围内倾斜。
在该实施方式中，作为多组磁极对的例子，9组磁极对(9个S极和9个N极合计18个磁极)在周向上等间隔配置。该环状的永磁体30与杆构件10同轴配置、并且固定于该杆构件10。因此，永磁体30与杆构件10的旋转一起旋转。在本发明中，永磁体30不限于如上所述的形成为圆环状或环状的磁体。在本发明中，永磁体30也可以是在周向等间隔配置的多个磁体。另外，永磁体30可以是烧结磁体、粘结磁体的任一种，另外也可以是各向同性、各向异性的任一种，还可以是极性各向异性的磁体。
如图1至图3所示，引导环40与链轮20同轴配置。引导环40具有环状的环主体41和多个突部42。环状的环主体41在轴部1的径向上与永磁体30不重叠。即，环状的环主体41在从轴部1的轴向观察的情况下与永磁体30不重叠。多个突部42从环主体41的外周缘向轴部1的径向外侧突出形成，与所述永磁体30在径向上重叠。即，多个突部42在从轴部1的轴向观察的情况下与永磁体30重叠。
在本实施方式中，多个突部42的数量与磁极的对数(在该实施方式中为9对)相同。在本实施方式中，多个突部42分别具有比各磁极的周向的宽度窄的周向的宽度。更详细而言，引导环40的环主体41具备在横截永磁体30的磁化方向的方向上扩展的环状的平面部41a。另一方面，引导环40的各突部42形成为朝向径向外侧宽度变窄的尖端越来越细的大致三角形状或梯形状。在突部42中，在从轴部1的轴向观察的情况下与永磁体30的内周缘重叠的部分的周向的宽度尺寸W1，被设定为比各磁极的内周缘的周向的宽度尺寸W2窄(参照图4B)。如图1所示，该引导环40在与链轮20在轴向上隔开的状态下，经由安装构件23一体安装于该链轮20。即，引导环40构成为与链轮20一体旋转。
此外，在本实施方式中，各突部42向径向外侧延伸。但是，在本发明中，突部所延伸的方向不必须限定于该例子。突部42也可以具有从环主体41的内周缘向径向内侧延伸的形状。即，也可以具有如下形状：环主体41配置于呈环状配置的永磁体30的外侧，各突部42从环主体41向内侧延伸。
在本实施方式中，引导环40通过对钢板等进行冲压成形来制造。但是，在本发明中，引导环的制造方法不限定于该例子。引导环40也可以组合多个构件而构成。另外，在本实施方式中，例示了引导环40所具有的环主体41和各突部42形成在同一平面，但是本发明不必须限定于该例子。例如，引导环40例如也可以具有将突部42相对于环主体41弯折为预定角度而成的形状等。
图3A示出初始状态。在初始状态下，不从外部向轴部1施加外力。在初始状态下，引导环40的各突部42位于永磁体30的S极和N极的大致中间。若在该状态下从外部向轴部1施加外力，则杆构件10旋转。伴随杆构件10的旋转，杆构件10相对于链轮20产生相对位移。此时，在杆构件10的卡止部11设置的突起部12沿着在链轮20形成的缝隙21移动。此时，杆构件10的突起部12沿着缝隙21移动，直至与缝隙21的周向的另一端部卡止而进一步的相对位移受到限制。
这样，在杆构件10的突起部12移动到与缝隙21的另一端部卡止的状态下，如图3B所示，引导环40的所有突部42分别位于与永磁体30的N极和S极中的一方(S极)重叠的面积比例变多的位置。另外，例如，杆构件10的突起部12与缝隙21的另一端部卡止后，杆构件10和链轮20一起旋转360°。
磁检测部100对根据引导环40的各突部41和永磁体30的各S极及N极之间的相对位置而被磁化的引导环40的环主体41的磁通量进行检测。磁检测部100包括中间磁轭50、磁传感器60以及背部磁轭70。
如图1以及图2所示，中间磁轭50具有第1平面部51。第1平面部51以第1平面部51的一部分(径向外侧部分)与引导环40的环主体41在旋转轴线R的径向上重叠的方式配置。换言之，第1平面部51以从旋转轴线R的轴向观察时第1平面部51的一部分(径向外侧部分)与引导环40的环主体41重叠的方式配置。第1平面部51与引导环40的环主体41隔开间隙地配置。更具体而言，第1平面部51在旋转轴线R的轴线方向上，与引导环40的环主体41隔开间隙地相对。
中间磁轭50由铁等强磁性体构成。中间磁轭50设置为为了汇集被永磁体30磁化的引导环40的磁通量，与突部42的相位无关地直接使环主体41从永磁体30接受的磁通量的振幅平均化。中间磁轭部50的第1平面部51的表面积比环主体41的环状的平面部41a的表面积小。此外，作为第1平面部51的表面积和环状的平面部41a的表面积，使用彼此相对的面的面积。另外，在本实施方式中，第1平面部51的表面积比环状的平面部41a的表面积小，但是不发明不限定于此。在本发明中，例如，第1平面部51的表面积也可以与环状的平面部41a的表面积相同。另外，第1平面部51的表面积也可以比环状的平面部41a的表面积大。
如图1以及图2所示，磁传感器60在旋转轴线R的径向上与中间磁轭50重叠。即，磁传感器60在从旋转轴线R的轴线方向观察时，与中间磁轭50重叠。磁传感器60是用于检测通过中间磁轭50的磁通量的元件。作为磁传感器60，优选使用例如霍尔元件(霍尔IC)。如图2所示，磁传感器60安装于树脂性的基板61，经由基板支架62固定于车体侧的非旋转构件80。非旋转构件80不与第1旋转构件10和第2旋转构件20一起旋转。
背部磁轭(back yoke)70由铁等强磁性体构成。背部磁轭70以埋设于基板支架62的状态一体设于基板支架62。该背部磁轭70在径向上与磁传感器60重叠。即，背部磁轭70在从旋转轴线R的轴向观察时与磁传感器60重叠。背部磁轭70设置成与磁传感器60靠近。
即，中间磁轭50、磁传感器60以及背部磁轭70以从旋转轴线R的轴向观察时互相重叠的方式配置为一体构造。中间磁轭50的至少一部分、磁传感器60至少一部分以及背部磁轭70至少一部分，在从旋转轴线R的轴向观察时互相重叠。中间磁轭50、磁传感器60以及背部磁轭70构成作为被永磁体30磁化的引导环40的磁通量的磁回路的一部分的集磁回路。这样用引导环40、中间磁轭50以及背部磁轭70形成了集磁回路，但是不构成为如下状态：永磁体30的磁通量路径在从一方的磁极到另一方的磁极的全部路径中积极构成磁阻小的磁闭环。换言之，采用了磁回路仿佛在背部磁轭70终结这样的结构。
相对旋转角度位移检测装置X，通过采用这样的结构，能够使作为装置整体的构造极简化，同时通过磁传感器60检测在中间磁轭50与背部磁轭70之间通过的磁通量的变化。此外，也可以通过中间磁轭50以及背部磁轭70以外的部件、例如轴部1等车辆侧的构成部件等来结果性地构成磁闭环回路。
另外，在该实施方式中，如上述那样，中间磁轭50、磁传感器60以及背部磁轭70与作为相对旋转移动的检测对象构件的杆构件10以及链轮20独立地、固定于安装杆构件10以及链轮20的车体侧的非旋转构件80，因此，安装构造进一步简单化。另外，由于磁传感器60侧不旋转，所以具有发生故障的可能性小的优点。
接着，对相对旋转角度位移检测装置X的动作原理进行说明。图4A表示作为第1旋转构件的杆构件10和作为第2旋转构件的链轮20没有相对旋转的初始状态(图3A所示的状态)。在该初始状态下，引导环40的各突部42位于永磁体30的磁极的中间位置、即N极和S极的中间。在该初始状态下，如图5A所示，各突部42构成相邻的N极和S极之间的磁回路。
另外，在环主体41中，在从轴部1的轴向观察时，各突部42位于N极和S极的中间。S极与突部42重叠的面积和N极与突部42重叠的面积相同。因此，环主体41维持沿着其周向与磁体的N极以及S极对应而被N极以及S极交替地弱磁化的状态。即环主体41维持几乎为磁中性的状态(参照图5A)。
此外，在本实施方式中，如图4A及图4B所示，环主体41的外周缘和永磁体30的内周缘之间的间隔狭窄。因此，如上述那样，环主体41成为沿着其周向与磁体的N极以及S极对应而在周向上被N极以及S极交替地弱磁化的状态。但是，若将环主体41的外周缘和永磁体30的内周缘之间的间隔扩大，则其磁化状态会进一步变弱。其结果，能够进一步提高检测精度。
因此，在该初始状态下，从引导环40(环主体41)向中间磁轭50的磁通量流为极弱或者几乎不产生磁通量流的状态(参照图5B以及图5C)。在该初始状态下，在周向上被弱磁化的引导环主体41的磁通量通过与此相邻配置的中间磁轭50以及背部磁轭70而被汇集，集中通过配置于磁轭50以及70之间的磁传感器60(参照图5B以及图5C)。因此，磁传感器60能够切实地检测引导环主体41的磁通量。
另一方面，若从该状态开始将杆构件10绕逆时针方向旋转预定角度(在图示实施方式中为10度)，则如图4B所示，当从旋转轴线R的轴向观察时，引导环40的各突部42与永磁体30的某一磁极(在实施方式中为S极)重叠。突部42被与各突部42重叠的永磁体30的磁极(在实施方式中为S极)强磁化(参照图6A)。因此，引导环主体41在整个周向上被与各突部42重叠的永磁体30的磁极(在实施方式中为S极)磁化。
因此，这样被磁化的引导环40的磁通量通过与其相邻配置的中间磁轭50以及背部磁轭70而被汇集，集中通过配置于这些磁轭间之的磁传感器60(参照图6B以及图6C)。因此，这样能够切实地检测沿着周向被一方的磁极(在实施方式中为S极)磁化的引导环主体41的磁通量。
本实施方式的相对旋转角度位移检测装置X，这样构成仅是由引导环40、中间磁轭50、背部磁轭70构成的集磁回路的磁回路。由此，相对旋转角度位移检测装置X即使不积极形成磁闭环回路，也能够通过磁传感器60检测通过集磁回路的磁通量的位移。此外，如图5C以及图6C所示，在该装置中，虽然永磁体30经由引导环40、中间磁轭50以及背部磁轭70而形成磁闭环回路，但也可以不使用上述各构件以外的构件来积极构成磁闭环回路。
在此，“不积极构成磁闭环回路”的意思是指，积极具备至少由引导环40、中间磁轭50、背部磁轭70构成的集磁回路就足够了。换言之，在本发明中，也可以车体侧等的其他的构成构件、例如车轴1和/或其周边的构件与上述引导环40、中间磁轭50、背部磁轭70一起在结果上构成磁闭环回路。即，在本发明中，不一定必须积极构成磁闭环回路。
如以上说明的那样，在图3A以及图4A所示的状态(第1状态)和图3B以及图4B所示的状态(第2状态)之间，作为第1旋转构件的杆构件10和作为第2旋转构件的链轮20构成为相对旋转角度产生位移。
对踏板P施加的旋转力在图3A所示的状态即不施加旋转力的状态、和图3B所示的状态即施加超过弹簧S的作用力的旋转力的状态之间变化。由此，作为第1旋转构件的杆构件10和作为第2旋转构件的链轮20之间的相对旋转角度会变化。伴随该变化，引导环40的环主体41的磁化的状况在如下状态之间变化：在整个周向上被弱磁化的所谓的磁中性或接近磁中性的状态、和整周被S极或者N极磁化的状态(在实施方式中被S极磁化)。
这样，根据与对踏板P施加的旋转力对应的、永磁体30和引导环40之间的相对旋转角度位移，磁传感器60检测磁通量的变化。根据检测到的磁通量的变化的状态，能连续地检测相对旋转角度位移。在该实施方式中，因为装备有弹簧S，所以能够检测杆构件10和链轮20之间的相对旋转角度位移、甚至是(进而是)相对旋转转矩位移。因此，相对旋转角度位移检测装置X，能够基于该位移，通过控制单元(省略图示)来控制电动驱动单元(省略图示)，辅助踏板P的旋转力。进而，磁传感器60的位置及大小设定为磁传感器60可检测环状的平面部41a的磁通量中、永磁体30的磁化方向上的环状的平面部41a的磁通量。
此外，在上述实施方式中，对作为第1旋转构件的杆构件10相对于作为第2旋转构件的链轮20仅绕一个方向(图中，逆时针方向)产生旋转位移的情况进行了示例说明。
但是，本发明的相对旋转角度位移检测装置X，也可以构成为绕逆时针方向以及顺时针方向的两方向产生旋转位移。在该情况下，通过磁传感器60的磁通量的方向根据两旋转构件的相对旋转角度位移方向而改变。也可以基于该磁传感器60的输出，控制回路(省略图示)控制作为辅助动力源的电动马达(省略图示)。由此，例如在电动助力轮椅中，不仅能够辅助前进驱动，而且能够辅助后退驱动。
另外，在上述实施方式中，作为弹性构件例示了使用螺旋弹簧S的情况，但是可以使用各种弹簧来代替螺旋弹簧，另外，或者也可以使用由各种树脂、金属构件构成的其他弹性构件、例如扭力杆等来检测第1以及第2旋转构件的相对旋转角度位移、甚至是(进而是)旋转转矩。
这样根据本发明的实施方式，相对旋转角度位移检测装置具备永磁体30、引导环40、中间磁轭50、磁传感器60以及背部磁轭70。永磁体30固定于一对旋转构件中的一方的旋转构件10，以在旋转轴1的轴向上被磁化的磁极在轴部1的周向上极性交替不同的方式配置。
引导环40固定于一对旋转构件中的另一方的旋转构件20，具有以从轴部1的轴向观察时与永磁体30不重叠的方式配置的环状的环主体41、和从该环主体41沿旋转轴1的径向突出并以在从轴部1的轴向观察时与永磁体30重叠的方式配置的多个突部42。突部的数量与磁极的对数相同，分别具有比各磁极的周向的宽度窄的周向的宽度。
中间磁轭50与引导环40的环主体41接近配置，对根据引导环40的各突部42和永磁体30的各磁极之间的相对位置而磁化的引导环40的磁通量进行汇集。中间磁轭50与背部磁轭70一起构成磁通量的集磁回路。
磁传感器60，其配置于中间磁轭50和背部磁轭70之间，对通过由中间磁轭50和背部磁轭70构成的集磁回路的磁通量进行检测。
因此，相对旋转角度位移检测装置X，能够用简易的构造切实地检测相对旋转角度的位移。另外，不积极形成永磁体30的磁闭环回路就能够用磁传感器60对通过由中间磁轭50以及背部磁轭70构成的集磁回路的磁通量进行检测。由此，能够进一步将构造简略化，能够将制造以及组装简略化，进而能够谋求成本的减少。
接着，比较第1状态(图3A及图4A)和第2状态(图3B及图4B)。此外，第2状态下的引导环40的磁化的强度比第1状态下的引导环40的磁化的强度大。
在从突部42和永磁体30相对的方向观察的情况下，如图4A及图4B所示，产生突部42和永磁体30重叠的部分。与一极(S极)重叠的部分的面积相对于重叠部分整体的面积的比例、和与另一极(N极)重叠的部分的面积相对于重叠部分整体的面积的比例之差，在第1状态和第2状态之间不同。例如，在图4A(第1状态的例子)中，与S极重叠的部分的面积的比例(大约50％)和与N极重叠的部分的面积的比例(大约50％)之差为大致0％。另一方面，在图4B(第2状态的例子)中，与S极重叠的部分的面积的比例(100％)和与N极重叠的部分的面积的比例(0％)之差为100％。这样，在本实施方式中，第2状态下的两比例的差(100％)比第1状态下的两比例的差(大致0％)大。在本发明中，各比例不特别地限定。本实施方式中的比例是本发明的一例。
在图4A(第1状态的例子)中，引导环40被N极组和S极组磁化。即，突部42相对于磁极的位置的位置是如下位置：由N极组实现的引导环40的磁化的强度和由S极组实现的引导环40的磁化的强度之差小。在图4B(第2状态的例子)中，引导环40被S极组磁化。即，突部42相对于磁极的位置是如下位置：由N极组实现的引导环40的磁化的强度和由S极组实现的引导环40的磁化的强度之差大。
一对旋转构件构成为在旋转轴线的周向上，在不足一圈(360°)的角度范围内相对旋转。一对旋转构件中一方的旋转构件以相对于另一方的旋转构件相对地朝向旋转轴线的周向上的一方旋转的方式被施力。即，一对旋转构件中一方的旋转构件，通过被施加旋转力，而从所述角度范围的一端(施力方向的下游侧端)移动到另一端(施力方向的上游侧端)。一对旋转构件中一方的旋转构件，例如在第1状态下，位于所述角度范围的一端及另一端中的一方，在第2状态下，位于所述角度范围的一端及另一端中的另一方。
在本实施方式中，磁检测部包括中间磁轭。但是，在本发明中，磁检测部不一定必须具备中间磁轭。在本实施方式中，例如，在旋转轴线的轴线方向上，磁传感器与永磁体隔开间隔地配置。例如，在旋转轴线的径向上，磁传感器配置在与永磁体不同的位置，与永磁体不重叠。例如，磁传感器检测由永磁体发出并在轴线方向上入射到磁传感器的磁通量。另外，在本实施方式中，环主体41、中间磁轭50以及磁传感器60全部在旋转轴线R的径向上，设置在与突部42不同的位置，但是，本发明不限定于该例。在本发明中，优选环主体41、中间磁轭50以及磁传感器60的至少一个在旋转轴线R的径向上，设置在与突部42不同的位置。在旋转轴线R的径向上与突部42不同的位置，例如是在旋转轴线R的径向上与突部42不重叠的位置。此外，在本发明中，环主体41、中间磁轭50以及磁传感器60的全部也可以在旋转轴线R的径向上，设置在与突部42相同的位置。在旋转轴线R的径向上与突部42相同的位置，例如是在旋转轴线R的径向上与突部42重叠的位置。
在本实施方式中，突部的各周向的宽度比磁极的各周向的宽度小。但是，本发明不限定于该例。在本发明中，只要至少一个突部的周向的宽度比至少一个磁极的周向的宽度小即可。
必须认识到，在此使用的用语以及表达用于说明而不用于限定地解释，不排除在此示出并且叙述的特征事项的任何均等物，也允许本发明要求保护的范围内的各种变形。
本发明可以具体化为多种不同的方式，但是该公开应被视为是提供本发明的原理的实施例，这些实施例不是意图将本发明限定于在此记载并且/或者图示的优选实施方式，基于如上的理解，在此记载了多种图示实施方式。
在此记载了几个本发明的图示实施方式，但是本发明不限于在此记载的各种优选实施方式，包括本领域技术人员能够根据该公开而认识到的、具有均等的要素、修正、删除、组合(例如，跨各种实施方式的特征的组合)、改良以及/或者变更的所有实施方式。权利要求的限定事项应该基于该权利要求所使用的用语来宽泛地解释，不应该限定于本说明书或者本申请的法律文件(prosecution)中所记载的实施例，应该将这样的实施例解释为非排他的实施例。例如，在该公开中，“优选”这一用语是非排他的用语，意思是指“优选但是不限于此”。
产业上的可利用性
本发明涉及的相对旋转角度位移检测装置适于作为如下装置使用：例如电动助力轮椅、电动助力自行车、汽车的动力转向装置、对在旋转轴的周向上相对旋转的一对旋转构件的相对旋转角度位移进行检测的相对旋转角度位移检测装置、使用了该检测装置的转矩检测装置及转矩控制装置、以及该转矩控制装置。
附图标记说明
1   旋转轴
2   轴承
10  旋转构件(杆构件)
11  卡止部
12  突起部
20  旋转构件(链轮)
21  缝隙
22  弹簧安装孔
25  相对旋转限制部
30  永磁体
40  引导环
41  环主体
41a 平面部
42  突部
50  中间磁轭
51  第1平面部
60  磁传感器
61  基板
62  基板支架
70  背部磁轭
80  非旋转构件
100 磁检测部
C   链条
P   踏板
R   旋转轴线
S   螺旋弹簧
X   相对旋转角度位移检测装置

Claims (15)

1.一种相对旋转角度位移检测装置，具备：
一对旋转构件，其在旋转轴线的周向上相对旋转；
永磁体，其设置于所述一对旋转构件中的一方的旋转构件，以在所述旋转轴线的周向上极性交替不同的样态配置有在所述旋转轴线的轴线方向上磁化的磁极，所述磁极的各个具有周向上的宽度；
引导环，其具有：多个突部，所述多个突部分别具有周向上的宽度，至少一个突部的周向上的宽度比至少一个所述磁极的周向上的宽度小；和环状的环主体，所述环状的环主体设置于所述一对旋转构件中的另一方的旋转构件，所述环状的环主体的轴线与所述旋转轴线同轴状配置，所述环状的环主体具有根据所述突部的位置相对于所述磁极的位置而变化的磁化的强度；以及
磁检测部，其检测所述引导环的所述环主体的磁通量。
2.根据权利要求1所述的相对旋转角度位移检测装置，
所述引导环的环主体具备在横截所述永磁体的磁化方向的方向上扩展的环状的平面部，
所述磁检测部构成为检测所述环主体的所述环状的平面部的磁通量。
3.根据权利要求2所述的相对旋转角度位移检测装置，
所述磁检测部包括检测磁通量的磁传感器，
所述磁传感器是对所述环状的平面部的磁通量中的所述永磁体的磁化方向的磁通量进行检测的传感器。
4.根据权利要求3所述的相对旋转角度位移检测装置，
所述引导环的所述环主体和所述磁传感器中的至少一个在所述旋转轴线的轴线方向上设置在与所述引导环的所述突部不同的位置。
5.根据权利要求4所述的相对旋转角度位移检测装置，
所述磁检测部包括中间磁轭，所述中间磁轭具有第1平面部，
所述第1平面部配置在所述磁传感器和所述环主体之间，配置成在所述永磁体的磁化方向上与所述环主体的所述环状的平面部隔开间隔。
6.根据权利要求5所述的相对旋转角度位移检测装置，
所述中间磁轭的所述第1平面部的表面积比所述环主体的所述环状的平面部的表面积小。
7.根据权利要求5或6所述的相对旋转角度位移检测装置，
所述环主体、所述中间磁轭以及所述磁传感器中的至少任意一个在所述旋转轴线的径向上设置在与所述突部不同的位置。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的相对旋转角度位移检测装置，
所述磁极具有N极组和S极组，
所述引导环具有磁化的强度相对小的第1状态、和磁化的强度相对大的第2状态，
在所述第1状态下，所述突部相对于所述磁极的位置是如下位置：由所述N极组实现的所述引导环的磁化的强度和由所述S极组实现的所述引导环的磁化的强度之差小，
在所述第2状态下，所述突部相对于所述磁极的位置是如下位置：由所述N极组实现的所述引导环的磁化的强度和由所述S极组实现的所述引导环的磁化的强度之差大。
9.根据权利要求8所述的相对旋转角度位移检测装置，
在所述第1状态下，所述突部相对于所述磁极的位置是如下位置：所述引导环由所述N极组和所述S极组实质上相同地磁化，
在所述第2状态下，所述突部相对于所述磁极的位置是如下位置：所述引导环由所述N极组和所述S极组中的实质上仅一方的组磁化。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的相对旋转角度位移检测装置，
所述突部的各个的周向上的宽度比所述磁极的各个的周向上的宽度窄。
11.一种转矩检测装置，具有：
权利要求1至10中任一项所述的相对旋转检测位移装置；和
配置在所述一对旋转构件之间的弹性构件，
对所述一对旋转构件，通过所述弹性构件常时在相对旋转方向上施加作用力，
所述一对旋转构件具有相对旋转限制部，所述相对旋转限制部在所述一对旋转构件的任意一方的旋转构件对抗所述弹性构件的作用力而相对于另一方的旋转构件相对旋转了预定的旋转角度时，阻止两旋转构件的相对旋转。
12.一种转矩控制装置，具备：
权利要求1至10中任一项所述的相对旋转检测位移装置；
旋转驱动构件，其与所述一对旋转构件的任意一方的旋转构件连接，被用户施加旋转力；
动力源，其向另一方的旋转构件施加旋转力；以及
控制部，其在所述一方的旋转构件相对于所述另一方的旋转构件相对旋转了预定的旋转角度时，根据所述磁检测部的输出来对所述动力源向所述另一方的旋转构件施加的旋转力进行控制。
13.一种电动助力轮椅，其具备权利要求12所述的转矩控制装置。
14.一种电动助力骑乘车辆，其具备权利要求12所述的转矩控制装置。
15.一种动力转向装置，其具备权利要求12所述的转矩控制装置。
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