JP2005326369A - トルク検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 磁気ヨークに並設される磁極爪の形状、位置及び大きさの適正化により、高い検出精度を簡易に実現し得るトルク検出装置を提供する。
【解決手段】 第２軸２と一体回転する磁気ヨーク５，５に並設される磁極爪51，51…を矩形形状とし、これらの磁極爪51，51…の周方向幅及び並設ピッチを、第１軸１と一体回転する円筒磁石４の周上に並ぶＮ極40，40…及びＳ極41，41…の着磁ピッチに対して適正に設定し．円筒磁石４に対する相対変位に応じて磁気ヨーク５，５に発生する磁束変化が、一様に、しかも大きく生じるようにする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、例えば、電動パワーステアリング装置において、操舵のために操舵部材に加えられる操舵トルクを検出すべく用いられるトルク検出装置に関する。

ステアリングホイール等の操舵部材の回転操作に応じて操舵補助用のモータを駆動し、該モータの回転力を舵取機構に伝えて操舵を補助する電動パワーステアリング装置においては、操舵補助用のモータの駆動制御に用いるべく操舵部材に加えられる操舵トルクを検出する必要があり、この検出のために従来から、操舵部材と舵取機構とを連絡するステアリング軸の中途に構成されたトルク検出装置が用いられている。

このトルク検出装置は、検出対象となるステアリング軸を細径のトーションバーを介して同軸上に連結された第１軸と第２軸とに分割し、操舵部材の回転操作によりステアリング軸に操舵トルクが加えられたとき、この操舵トルクの作用によるトーションバーの捩れを伴って第１，第２軸間に相対角変位が生じるようにし、この相対角変位を媒介として前記操舵トルクを検出する構成としてある。

第１，第２軸間の相対角変位の検出は、従来から種々の手段にて実現されており、そのうちの一つとして、第１軸と一体回転する円筒磁石と、第２軸と一体回転する磁気ヨークとを備え、この円筒磁石と磁気ヨークとの間の磁気回路の変化を利用して前記相対角変位を検出するように構成されたトルク検出装置がある（例えば、特許文献１参照）。

第１軸と一体回転する円筒磁石は、周方向に並設された複数の磁極を有する多極磁石であり、第１軸に同軸的に固定されている。また第２軸と一体回転する磁気ヨークは、リング形をなすヨーク本体の周上に軸方向に延びる磁極爪を周方向に複数並設して構成され、夫々の磁極爪を周方向に交互に並べた２個を一組として第２軸に固定され、夫々の磁極爪が円筒磁石の磁極（Ｎ，Ｓ極）の境界上に整合するように位置決めされている。

以上の構成により第１軸と第２軸との間に相対角変位が生じた場合、第１軸と一体回転する円筒磁石の磁極に対し、第２軸と一体回転する一組の磁気ヨークの磁極爪の周方向位置が互いに逆向きに変化し、夫々の磁気ヨーク内に発生する磁束が変化することとなり、この変化を、ホール素子等の磁気感応素子を用いてなる磁気センサにより検知することにより第１，第２軸に加わるトルク（操舵トルク）を検出することができる。
特開２００３−１４９０６２号公報

図６は、特許文献１に開示された従来のトルク検出装置の動作説明図であり、円筒磁石と磁気ヨークとの周方向の位置関係を平面展開して示してある。図６（ａ）は、組み付け時の位置関係を示しており、円筒磁石８と磁気ヨーク９，９とは、磁気ヨーク９，９の夫々に設けられた各複数の磁極爪91，91…が、円筒磁石８の周上に並ぶＮ極80とＳ極81との境界と一致するように周方向に位置決めして組み付けられている。

この状態において、２個の磁気ヨーク９，９の磁極爪91，91…は、円筒磁石８の周上にて相隣するＮ極80とＳ極81との間に形成される磁界内に同一の条件下にて位置するため、各磁極爪91，91…に出入りする磁力線が略同数となり、夫々の磁極爪91，91…の基部を連絡する磁気ヨーク９，９のヨーク本体90，90内に生じる磁束は同一となる。

このような円筒磁石８と磁気ヨーク９，９とが周方向に相対変位した場合、円筒磁石８のＮ極80及びＳ極81と２個の磁気ヨーク９，９夫々の磁極爪91，91…との位置関係が互いに逆向きに変化し、一方の磁気ヨーク９の磁極爪91，91…は、Ｎ極80との重なり面積を増し、他方の磁気ヨーク９の磁極爪91，91…は、Ｓ極81との重なり面積を増す。これにより磁気ヨーク９，９のヨーク本体90，90に正負の磁束が夫々発生することとなり、この磁束の変化を検出することにより、円筒磁石８と磁気ヨーク９，９との相対変位、即ち、この相対変位を生じさせているトルクを検出することができる。

さて、以上の如き磁束の変化は、図６（ｂ）に示す状態、即ち、一方の磁気ヨーク９の磁極爪91，91…がＮ極80，80…の中央に位置し、他方の磁気ヨーク９の磁極爪91，91…がＳ極81，81…の中央に位置する状態となるまでの間は同向きに生じるから、この間でのトルク検出が可能である。

ところが、特許文献１等に開示されたトルク検出装置においては、磁気ヨーク９，９の磁極爪91，91…の形状が、図６に示す如く、ヨーク本体90との連結端を底辺とし、先端に向けて縮幅せしめられた二等辺三角形となっているため、円筒磁石８と磁気ヨーク９，９との相対変位に応じて前記磁極爪91，91…とＮ極80又はＳ極81との間の重なり面積の増減が、図６（ａ）に示す中立位置から、図６（ｂ）に示す最終位置に至るまでの間にて一様に生じない。

従って、磁気ヨーク９，９間の磁束の変化を検出する磁気センサの出力は、図７に示す如く、中立位置の近傍において大きく、最終位置に近付くに従って小さくなる変化率を有する非線形な変化態様を示すこととなり、このような出力に基づいて求められるトルクの検出精度を高めるには、検出範囲の全域での変化率を正しく管理すべく、磁気ヨーク９，９夫々の磁極爪91，91…に高い形状精度及び位置精度が要求され、加工及び組立工数が増し、製品コストの上昇を招来するという問題があった。

また、トルクの検出精度を高めるためには、図７に示す如く得られる磁気センサの出力のうち、略一様な変化態様を示す中立位置近傍の出力のみを使用することも考え得るが、この場合、磁気センサの出力の変化幅が小さくなり、検出感度が低下する結果、磁気的な外乱の影響が大きくなり、所望の検出精度の向上効果は期待し得ない。

本発明は斯かる事情に鑑みてなされたものであり、磁気ヨークに並設される磁極爪の形状、位置及び大きさの適正化により、加工及び組立工数の増加を伴わずに高い検出精度を実現し得るトルク検出装置を提供することを目的とする。

本発明に係るトルク検出装置は、トーションバーを介して同軸上に連結された第１軸及び第２軸と、周方向に所定の着磁ピッチ毎に並設された複数の磁極を有し、前記第１軸と一体回転する円筒磁石と、該円筒磁石の外側に形成された磁界内にて周方向に交互に並ぶ各複数の磁極爪を有し、前記第２軸と一体回転する一組の磁気ヨークとを備えるトルク検出装置において、前記磁極爪は、前記円筒磁石の着磁ピッチよりもやや小さい周方向幅を有する矩形形状を備え、前記磁気ヨークの周上に前記着磁ピッチの略２倍のピッチにて並設してあることを特徴とする。

本発明においては、磁気ヨークに並設される磁極爪を周方向の幅が軸方向の全長に亘って一様な矩形形状とし、円筒磁石の磁極の着磁ピッチに対して適正に寸法設定し、円筒磁石に対する周方向の相対変位により、該円筒磁石の磁極との間に生じる重なり面積の変化を均一として、この面積変化に応じた磁気ヨーク間の磁束の変化を検出範囲の全域に亘って一様に生ぜしめ、また磁束の変化量を大きくして、高い検出感度を実現する。

本発明に係るトルク検出装置においては、円筒磁石に対して相対変位する一組の磁気ヨークに並設される磁極爪の形状を矩形とし、これらの磁極爪の位置及び大きさを円筒磁石の周上における磁極の着磁ピッチに対して適正に寸法設定したから、トルクの作用下にて生じる磁気ヨーク間の磁束の変化が一様に生じ、また変化幅が大きくなって、この磁束変化の検出結果に基づくトルクの検出を高精度に行わせることが可能となる等、本発明は優れた効果を奏する。

以下本発明をその実施の形態を示す図面に基づいて詳述する。図１は、本発明に係るトルク検出装置の分解斜視図、図２は、組立て状態を示す縦断面図である。

本発明に係るトルク検出装置は、トーションバー３を介して同軸上に連結された第１軸１及び第２軸２に加わるトルクを検出対象とし、第１軸１と一体回転する円筒磁石４と、第２軸２と一体回転する２個一組の磁気ヨーク５，５とを備え、磁気ヨーク５，５の外側を各別に囲繞するように固定配置され、夫々の磁気ヨーク５，５内に生じる磁束を集める集磁リング６，６と、これらの集磁リング６，６間に配設された磁気センサ７とを備えて構成されている。

トーションバー３は、細径の丸棒の両端に、第１軸１及び第２軸２との連結のための太径短寸の連結部30，30を連設して構成されている。第１軸１及び第２軸２は、前記連結部30，30の内嵌が可能な連結孔10，20を夫々の軸心部に備えており、第１軸１と第２軸２とのトーションバー３による連結は、第１軸１，第２軸２の連結孔10，20にトーションバー３両端の連結部30，30を嵌め込み、各別の連結ピン11，21の打設により夫々と一体化せしめて実現されている。

このように連結された第１軸１と第２軸とに回転トルクが加えられた場合、この回転トルクの作用によりトーションバー３が捩れ変形し、第１軸１と第２軸２との間には、トーションバー３の捩れ角度に応じた相対角変位が生じる。この相対角変位の大きさは、捩りばねとして作用するトーションバー３の捩りばね定数によって一義に定まり、前記回転トルクの大きさに比例する。

第１軸１と一体回転する円筒磁石４は、図１に示す如く、周方向に各複数のＮ極40，40…及びＳ極41，41…を交互に並設してなる多極磁石として構成されており、両端面及び内面を適宜の厚さを有するモールド樹脂42により被覆し、該モールド樹脂42を介して第１軸１に同軸的に嵌合固定されている。

第２軸２と一体回転する２個一組の磁気ヨーク５，５は、図１に示す如く、リング形をなすヨーク本体50の内周面に、軸方向に延びる複数の磁極爪51，51…を周方向に等配して構成された磁性材料製の部材であり、夫々の磁極爪51，51…の突設側を対向させ、周方向に交互に並べた状態で位置決めし、これらの外側を円筒形に成形されたモールド樹脂52により覆って一体化し、該モールド樹脂52を一側に延長して形成されたボス部53を介して第２軸２の軸端部に同軸的に嵌合固定されている。

このように固定された磁気ヨーク５，５は、トーションバー３による第１軸１と第２軸２との前述した連結により、図２に示す如く、磁極爪51，51…を備える夫々のヨーク５の内面が第１軸１に嵌合固定された円筒磁石４の外周面にわずかなエアギャップを隔てて対向するように位置決めして組み付けられている。

本発明に係るトルク検出装置の特徴は、磁気ヨーク５，５に設けられた磁極爪51，51…の形状及び大きさにある。図３は、磁気ヨーク５，５の斜視図であり、図中に２点鎖線により示す円筒磁石４との間に、前述した組み付けにより実現される位置関係を保って示してある。

本図に示す如く磁気ヨーク５，５の磁極爪51，51…は、ヨーク本体50，50への連設端から先端に至るまでの全長に亘って等しい所定の幅ａを有する矩形形状をなしており、ヨーク本体50，50の周上に所定の並設ピッチｂにて並設されている。

図４は、以上の如き磁気ヨーク５，５の磁極爪51，51…と円筒磁石４の磁極（Ｎ極40，40…及びＳ極41，41…）との周方向の位置関係を示す説明図である。図４（ａ）には、組み付け時の位置関係（中立位置）が示されており、本図に示す如く円筒磁石４と磁気ヨーク５，５とは、２個の磁気ヨーク５，５の夫々に設けられた磁極爪51，51…の中心が、円筒磁石４の周上に並ぶＮ極40とＳ極41との境界と交互に一致するように周方向に位置決めされている。

ここで、磁気ヨーク５，５の磁極爪51，51…の幅ａ、及びこれらの磁極爪51，51…の並設ピッチｂは、円筒磁石４の周上における磁極（Ｎ極40，40…及びＳ極41，41…）の着磁ピッチＰに基づいて定められ、幅ａは．着磁ピッチＰよりもやや小さく、また並設ピッチｂは、着磁ピッチＰの２倍に略等しくなるように寸法設定されている。

以上の如き並設ピッチｂの設定により、図４（ａ）に示す中立位置において、２個の磁気ヨーク５，５の夫々に設けられた磁極爪51，51…の中心が、円筒磁石４の周上に並ぶ全てのＮ極40とＳ極41との境界上に交互に位置することとなり、また以上の如き幅ａの設定により、Ｎ極40とＳ極41との境界上に位置する磁極爪51，51…の夫々は、両側のＮ極40及びＳ極41の略半幅を占めることとなる。

このような組み付け時の位置関係において、２個の磁気ヨーク５，５の磁極爪51，51…は、円筒磁石４の周上において互いに相隣するＮ極40とＳ極41との間に形成される磁界内に同一の条件下にて位置するため、これらの磁極爪51，51…に出入りする磁力線が略同数となり、夫々の磁極爪51，51…の基部を連絡する磁気ヨーク５，５のヨーク本体50，50内に生じる磁束は同一となる。

このように実現された磁気ヨーク５，５と円筒磁石４との位置関係は、円筒磁石４が固定された第１軸１と磁気ヨーク５，５が固定された第２軸２との間にトーションバー３の捩れを伴って生じる相対角変位に応じて、図４（ｂ）に示す最終位置、即ち、磁極爪51，51…の中心と、円筒磁石４の周上に並ぶＮ極40又はＳ極41の中心とが略一致するまで変化する。

この間、２個の磁気ヨーク５，５夫々の磁極爪51，51…と円筒磁石４のＮ極40とＳ極41との境界との位置関係が互いに逆向きに変化して、一方の磁気ヨーク５の磁極爪51，51…は、Ｎ極40との重なり面積を増し、他方の磁気ヨーク５の磁極爪51，51…は、Ｓ極41との重なり面積を増す結果、一方の磁気ヨーク５の磁極爪51，51…と、他方の磁気ヨーク５の磁極爪51，51…とには、夫々逆の極性を有する磁力線が増加し、一方のヨーク本体50と他方のヨーク本体50とに正負の磁束が発生する。

このとき、磁気ヨーク５，５のヨーク本体50，50内に発生する磁束の正負は、第１軸１と第２軸２との間の相対角変位に応じて円筒磁石４と磁気ヨーク５，５との間に生じる相対変位の向きに応じて定まり、これらの磁束の密度は、前記相対変位に応じて磁極爪51，51…とＮ極40又はＳ極41との間に生じる重なり面積の増減程度に応じて変化する。

ここで本発明に係るトルク検出装置においては、磁気ヨーク５，５の磁極爪51，51…が前述の如く寸法設定された矩形形状を有しており、円筒磁石４と磁気ヨーク５，５とが、図４（ａ）に示す中立位置から、図４（ｂ）に示す最終位置の直前に達するまで相対変位する間、磁極爪51，51…とＮ極40又はＳ極41との間の重なり面積の増減は、前記相対変位に略比例して生じる。

このような磁気ヨーク５，５の外側を各別に囲繞する集磁リング６，６は、図１に示す如く、ヨーク本体50の外径よりもやや大きい内径を有する磁性材料製の円環であり、周方向の一か所にて軸長方向に延び、先端部を径方向外向きに屈曲成形してなる集磁突起60，60を備えている。このような集磁リング６，６は、夫々の集磁突起60，60の先端の屈曲部が所定の間隔を隔てて対面するように同軸上に位置決めし、この状態を保ってモールド樹脂61により一体化させてあり、該モールド樹脂61を介して図２に一部を示すハウジングＨに内嵌保持させ、夫々の集磁リング６，６の内周面を各別の磁気ヨーク５，５のヨーク本体50，50の外周面に近接対向せしめて組み付けられている。

集磁リング６，６の集磁突起60，60間には、ホール素子等の磁気感知素子を用いてなる磁気センサ７が介装されている。この磁気センサ７は、電源回路、出力処理回路等の周辺回路が形成された回路基板70と共に集磁リング６，６を保持するモールド樹脂61内に埋設され、集磁突起60，60間に確保されたエアギャップ内に正しく位置決めされている。

以上の構成により集磁リング６，６には、夫々の内側に近接するヨーク本体50，50内に発生する磁束が誘導され、この磁束は、夫々の集磁突起60，60の先端に集束されて、両者間に確保されたエアギャップに漏れ出す。磁気センサ７は、エアギャップの漏洩磁束を感知し、前記エアギャップ間の磁束密度に対応する出力を発し、この出力が、回路基板７を経て外部に取り出される。

ここで、集磁突起60，60間の磁束密度は、夫々の集磁リング６，６に対応するヨーク本体50，50に発生する磁束によって変化し、ヨーク本体50，50内の発生磁束は、前述の如く寸法設定された矩形の磁極爪51，51…の採用により、円筒磁石４と磁気ヨーク５，５との間の相対変位、即ち、第１軸１と第２軸２との間の相対角変位に略比例して生じるから、前記磁気センサ７の出力は、第１軸１及び第２軸に加えられ、前記相対角変位を生じさせる回転トルクの方向及び大きさに正しく対応するものとなり、磁気センサ７の出力変化に基づいて第１軸１、第２軸２に加わる回転トルクを高精度に検出することができる。

図５は、検出対象となるトルクと磁気センサ７の出力との関係を示す図である。本図に示す如く磁気センサ７の出力は、中立位置から最終位置に至るまでの略全域に亘り、検出対象トルクの変化に対して略比例する一様な変化態様を示しており、このような変化態様を有する磁気センサ７の出力変化に基づいて高精度のトルク検出が可能となる。

また、磁気センサ７の出力の変化は、円筒磁石４と磁気ヨーク５，５との相対変位に応じて、後者の磁極爪51，51…と前者のＮ極40又はＳ極41との間の重なり面積の増減によって生じるが、本発明に係るトルク検出装置においては、前記重なり面積の増減が矩形形状を有する磁極爪51，51…の幅方向全長に亘って生じ、大なる出力変化を生じさせて検出感度を高めることが可能であり、磁気的な外乱の影響による検出精度の低下を軽微に抑えることが可能である。

本発明に係るトルク検出装置の分解斜視図である。 本発明に係るトルク検出装置の組立て状態を示す縦断面図である。 磁気ヨークの斜視図である。 磁気ヨークの磁極爪と円筒磁石の磁極との周方向の位置関係を示す説明図である。 検出対象となるトルクと磁気センサの出力との関係を示す図である。 従来のトルク検出装置の動作説明図である。 従来のトルク検出装置における検出対象となるトルクと磁気センサの出力との関係を示す図である。

符号の説明

１ 第１軸
２ 第２軸
３ トーションバー
４ 円筒磁石
５ 磁気ヨーク
40 Ｎ極（磁極）
41 Ｓ極（磁極）
51 磁極爪

Claims (1)

1. トーションバーを介して同軸上に連結された第１軸及び第２軸と、周方向に所定の着磁ピッチ毎に並設された複数の磁極を有し、前記第１軸と一体回転する円筒磁石と、該円筒磁石の外側に形成された磁界内にて周方向に交互に並ぶ各複数の磁極爪を有し、前記第２軸と一体回転する一組の磁気ヨークとを備えるトルク検出装置において、
   前記磁極爪は、前記円筒磁石の着磁ピッチよりもやや小さい周方向幅を有する矩形形状を備え、前記磁気ヨークの周上に前記着磁ピッチの略２倍のピッチにて並設してあることを特徴とするトルク検出装置。

Images