JP2006047188A - トルクセンサ - Google Patents

Abstract

【課題】 回転するシャフトのねじれからトルクを検出する非接触タイプのトルクセンサの検出精度を高めること。
【解決手段】 ねじりトルクが加わるシャフト１と、シャフト１がねじれるのに伴って相対回転位置が変化する第一、第二リング２，３と、第一、第二リング２，３のそれぞれを磁気が通るように導く磁束ループ構成部２０と、第一、第二リング２，３が相対回転するのに伴って磁束ループ構成部２０の磁場を変化させる磁場変化手段と、磁束ループ構成部２０の磁束密度を検出するホール素子（磁束密度検出手段）５とを備えるトルクセンサにおいて、第一、第二リング２，３にそれぞれ対峙する環状の第一、第二ヨーク２１，２２を備え、磁束ループ構成部２０をこの第一、第二ヨーク２１，２２によって環状に形成し、第一、第二ヨーク２１，２２とホール素子５を互いに結合する非磁性部材３０を備えたことを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、回転するシャフトのねじれからトルクを検出する非接触タイプのトルクセンサの改良に関するものである。

車両のステアリング系に設けられるトルクセンサは、歪みゲージ式トルクセンサが一般的に用いられている。しかし、この歪みゲージ式トルクセンサにあっては、トルクセンサおよび配線がステアリングシャフトと一緒に回転するため、トルクセンサから延びる信号線をステアリングシャフトに巻き付けて配設しなければならず、この信号線が絡みやすいという問題点があった。

この対策として、特許文献１に開示されたものは、回転するシャフトに対して接触しないで設けられる非接触タイプのトルクセンサがあり、これは上記配線の問題を解消できる。

この非接触タイプのトルクセンサは、図５に示すように、ねじりトルクが加わるシャフト１と、シャフト１がねじれるのに伴って相対回転位置が変化する第一、第二リング２，３と、第一、第二リング２，３の各端面２ｃ，３ｃのそれぞれに軸方向から対峙して固定される磁束ループ構成部１０と、磁束ループ構成部１０に設けられ互いに対向する磁極１１ａ，１２ａ間の磁束を検出するホール素子（磁束密度検出手段）５と、第一、第二リング２，３の相対回転位置が変化するのに伴って磁束ループ構成部１０の磁場を変化させる磁場変化手段（第一、第二リング２，３の各対向端面２ａ，３ａに開口する切り欠き２ｂ，３ｂ）とを備える。

磁束ループ構成部１０は第一、第二リング２，３の各端面２ｃ，３ｃのそれぞれに軸方向から対峙して固定されるＬ字型の磁石１１，１２からなっている。

このトルクセンサにおいて、シャフト１にねじりトルクが加えられてねじれると、第一、第二リング２，３が相対回転し、磁束ループ構成部１０の磁場が変化する。このとき、ホール素子５が磁束ループ構成部１０において互いに対向する磁極１１ａ，１２ａ間の磁束密度を計測することにより、シャフト１に加わるねじりトルクを検出することができる。

このトルクセンサにおいて、シャフト１が回転するのに伴って第一、第二リング２，３が回転するが、磁束ループ構成部１０およびホール素子５は回転しないように固定することが可能となり、ホール素子５から延びる信号線が絡まる心配がない。
特開２００２−３１０８１９号公報

しかしながら、このような従来の非接触タイプのトルクセンサにあっては、車体側に固定して取り付けられるホール素子５とＬ字型の磁石１１，１２の組み付け誤差が生じやすく、トルクの検出値にバラツキが生じるという問題点がある。

本発明は上記の問題点に鑑みてなされたものであり、回転するシャフトのねじれからトルクを検出する非接触タイプのトルクセンサの検出精度を高めることを目的とする。

本発明は、ねじりトルクが加わるシャフトと、このシャフトがねじれるのに伴って相対回転位置が変化する第一、第二リングと、磁気がこの第一、第二リングのそれぞれを通るように導く磁束ループ構成部と、第一、第二リングが相対回転するのに伴って磁束ループ構成部の磁場を変化させる磁場変化手段と、磁束ループ構成部の磁束密度を検出する磁束密度検出手段とを備える非接触タイプのトルクセンサに適用する。

そして、第一、第二リングにそれぞれ対峙する第一、第二ヨークを備え、磁束ループ構成部をこの第一、第二ヨークによって形成し、第一、第二ヨークと磁束密度検出手段を互いに結合する非磁性部材を備えたことを特徴とするものとした。

本発明によると、トルクセンサは、第一、第二ヨークと磁束密度検出手段を非磁性部材を介して互いに結合することにより、磁束密度検出手段に対する第一、第二ヨークの位置精度を高められる。これにより、磁束ループ構成部における各部品の設置位置に生じるバラツキを抑えられ、トルクセンサの品質の向上がはかられる。

トルクセンサは、第一、第二ヨークと磁束密度検出手段が非磁性部材を介してサブッアッシとしてユニット化されることにより、部品点数が減り、車体への組み付けが容易に行える。

以下、本発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。

図１において、１は例えば車両のステアリングシャフト（以下シャフトという）を示す。このシャフト１はその一端がステアリングホイールに連結され、他端が図示しないステアリングギヤに連結され、操舵力を車輪に伝えるものである。

シャフト１の途中には部分的に縮径したトーションバー部が形成され、シャフト１はトーションバー部を挟んで入力側１ａと出力側１ｂの部位を有する。トーションバー部は入力側１ａに加えられる回転トルクに対してシャフト１のねじり歪みを拡大する。

トルクセンサは、シャフト１がねじれるのに伴って相対回転する第一、第二リング２，３と、磁気が第一、第二リング２，３のそれぞれを通るように導く磁束ループ構成部２０と、第一、第二リング２，３が相対回転するのに伴って磁束ループ構成部２０の磁場を変化させる磁場変化手段と、磁束ループ構成部２０の磁束密度を検出するホール素子（磁束密度検出手段）５とを備える。ホール素子５はこの磁場の変化に応じた電圧を信号として出力し、この出力に応じてシャフト１に加わるねじりトルクが求められる。

環状の第一、第二リング２，３は、トーションバー部を挟んでシャフト１の入力側１ａと出力側１ｂにそれぞれシャフト１と同軸上に固定され、シャフト１のねじれに伴って相対回転するようになっている。

第一、第二リング２，３は例えば鉄等の磁性材により直円筒状に形成される。磁場変化手段として、第一、第二リング２，３は互いにわずかな隙間６を持って略平行に対峙する対向端面２ａ，３ａを有する。環状に延びる各対向端面２ａ，３ａには複数の切り欠き２ｂ，３ｂが回転角度方向について所定の凹凸ピッチ（中心角度）Ｐを持って形成されている。凹凸ピッチＰの回転角度範囲に一つの対向端面２ａ，３ａと一つの切り欠き２ｂ，３ｂが並んで設けられる。

各切り欠き２ｂ，３ｂはシャフト１の回転軸について対称的に形成される。第一、第二リング２，３はシャフト１のねじれに伴って相対回転位置が変化することにより、対向端面２ａ，３ａが互いに対峙する面積が変化し、磁束ループ構成部２０の磁場を変化させるようになっている。

トルクセンサは、第一、第二リング２，３にそれぞれ対峙する環状の第一、第二ヨーク２１，２２を備え、磁束ループ構成部２０をこの第一、第二ヨーク２１，２２によって環状に形成し、第一、第二リング２，３のそれぞれに対して磁気が環状に導かれる構成とする。

第一、第二ヨーク２１，２２は例えば鉄等の磁性材によりＬ字形の断面を持った環状に形成される。

第一、第二ヨーク２１，２２は図示しない車体側に固定して取り付けられ、シャフト１および第一、第二リング２，３と接触しないように設けられる。すなわち、第一、第二ヨーク２１，２２の各内周面は、第一、第二リング２，３の各外周面２ｄ，３ｄのそれぞれに隙間２７，２８を持って径方向から対峙する。

なお、これに限らず、隙間２７，２８を設けず、第一、第二ヨーク２１，２２の各内周面を第一、第二リング２，３の各外周面２ｄ，３ｄに摺接させる構造としても良い。

また、第一、第二ヨークの各端面を、第一、第二リングの各端面のそれぞれに軸方向から対峙させても良い。

本実施の形態では、第一、第二ヨーク２１，２２は、第一、第二リング２，３の各外周面２ｄ，３ｄに対峙する部位に環状のリング磁石２５がそれぞれ設けられる。リング磁石２５はその内周をＳ極、その外周をＮ極とするように着磁されている。

図２にも示すように、第一、第二ヨーク２１，２２は互いに対向して突出する二対の集磁凸部２１ａ，２２ａを有する。各集磁凸部２１ａがＮ極になり、各集磁凸部２２ａがＳ極となる。

二対の各集磁凸部２１ａ，２２ａは第一、第二ヨーク２１，２２の中心軸について対称的に形成される。各ホール素子５は第一、第二ヨーク２１，２２の中心軸について対称的に配置される。

なお、これに限らず、三対以上の集磁凸部を第一、第二ヨーク２１，２２の中心軸について対称的に形成し、三つ以上のホール素子５を各集磁凸部の間に介装しても良い。

また、一対の集磁凸部を第一、第二ヨーク２１，２２の中心軸について対称的に形成し、単一のホール素子５を各集磁凸部の間に介装しても良い。

図３に示すように、各集磁凸部２１ａ，２２ａは第一、第二ヨーク２１，２２の端面２１ｂ，２２ｂから回転角度方向について所定のピッチ（中心角度）Ｔを持って突出させる。

各集磁凸部２１ａ，２２ａのピッチＴは、第一、第二リング２，３の各対向端面２ａ，３ａに形成される各切り欠き２ｂ，３ｂの凹凸ピッチＰと等しく設定する。

ホール素子５は磁束密度検出手段として設けられる。各集磁凸部２１ａ，２２ａの間にそれぞれ介装され、磁束ループ構成部２０のＮ極とＳ極間の磁束密度に応じた電圧を信号として図示しない電線を介して出力する。

各集磁凸部２１ａ，２２ａは第一、第二ヨーク２１，２２の端面２１ｂ，２２ｂからホール素子５に向けて絞られるテーパ状に形成され、磁界をホール素子５に集めるようになっている。各集磁凸部２１ａ，２２ａの端面はホール素子５の外形と同じく矩形に形成される。

トルクセンサは、第一、第二ヨーク２１，２２とリング磁石２５とホール素子５を互いに結合する非磁性部材３０を備える。この非磁性部材３０は樹脂を材質とし、第一、第二ヨーク２１，２２の間に形成される。トルクセンサは、第一、第二ヨーク２１，２２とリング磁石２５とホール素子５が非磁性部材３０を介してサブッアッシとしてユニット化される。

トルクセンサの製造時、第一、第二ヨーク２１，２２とホール素子５を図示しない治具（型枠）を介して所定位置に保持した状態で、第一、第二ヨーク２１，２２の間に樹脂材料を充填して固化させる。

非磁性部材３０はＴ字形の断面を持った環状の円筒形に形成され、各集磁凸部２１ａ，２２ａを避けるようにして第一、第二ヨーク２１，２２の間に隙間なく形成される。

以上のように構成される本発明の実施の形態につき、次に作用を説明する。

シャフト１にねじりトルクが加えられ、シャフト１のトーションバー部がねじれると、第一、第二リング２，３が相対回転し、第一、第二リング２，３の対向端面２ａ，３ａが互いに対峙する面積が変化し、第一、第二ヨーク２１，２２を介して磁束ループ構成部２０を通る磁束密度が変化する。磁束ループ構成部２０の第一、第二リング２，３を通る磁束は、各対向端面２ａ，３ａが互いに対峙する面積が増えるのに伴って磁束ループ構成部２０の磁場が強くなり、逆に、各対向端面２ａ，３ａが互いに対峙する面積が減るのに伴って磁束ループ構成部２０の磁場が弱くなる。ホール素子５はこの磁場の変化に応じた電圧を信号として出力し、この出力に応じてシャフト１に加わるねじりトルクが検出される。

ステアリングホイールの操作によってシャフト１が回転するのに伴って第一、第二リング２，３が回転するが、車体に固定された第一、第二ヨーク２１，２２およびホール素子５は回転せず、ホール素子５から延びる信号線が絡まる心配がない。

第一、第二ヨーク２１，２２は第一、第二リング２，３の外周面２ｄ，３ｄに隙間２７，２８を持って対峙しているので、両者の摩耗が回避され、耐久性を確保できる。

第一、第二リング２，３の各対向端面２ａ，３ａは隙間を持って対峙しているので、両者の摩耗が回避され、耐久性を確保できる。

トルクセンサは、第一、第二リング２，３にそれぞれ対峙する環状の第一、第二ヨーク２１，２２によって環状の磁束ループ構成部２０を形成することにより、シャフト１が回転するのに伴って第一、第二リング２，３が第一、第二ヨーク２１，２２に対して相対回転しても、磁気が第一、第二リング２，３のそれぞれを通る条件が変化しにくい。このため、シャフト１の回転に伴って磁束ループ構成部２０の磁束密度が変化することを抑えられ、トルクの検出精度を高められる。

第一、第二ヨーク２１，２２の各内周面が、第一、第二リング２，３の各外周面２ｄ，３ｄのそれぞれに径方向から対峙する構造により、シャフト１の偏芯等により磁束ループ構成部２０と第一、第二リング２１，２２との位置関係が変化した場合、第一、第二ヨーク２１，２２と第一、第二リング２，３の間に画成される隙間２７，２８の断面積の一方が減少とすると他方が増加して各隙間２７，２８の断面積の和が変化しないため、シャフト１の回転に伴って磁束ループ構成部２０の磁束密度が変化することを抑えられ、トルクの検出精度を高められる。

磁場変化手段として、第一、第二リング２，３は互いに略平行に対峙する対向端面２ａ，３ａを有し、各対向端面２ａ，３ａに複数の切り欠き２ｂ，３ｂが回転角度方向について所定の凹凸ピッチＰを持って形成されることにより、シャフト１が捩れるに伴って環状の磁束ループ構成部２０における磁場がシャフト１の中心軸について対称的に変化するため、シャフト１の回転に伴って磁束ループ構成部２０の磁束密度が変化することを抑えられ、トルクの検出精度を高められる。

集磁凸部２１ａ，２２ａを第一、第二ヨーク２１，２２の端面２１ｂ，２２ｂから突出させることにより、磁束ループ構成部２０の磁束を集磁凸部２１ａ，２２ａを介してホール素子５に集められるため、ホール素子５の出力電圧を高められる。

二対の集磁凸部２１ａ，２２ａと二つのホール素子５を第一、第二ヨーク２１，２２の中心軸について対称的に配置することにより、第一、第二リング２，３の各切り欠き２ｂ，３ｂによって発生する磁束密度の強弱によって各ホール素子５に生じる周期的な出力変化が相反する方向に生じる。

さらに、シャフト１の偏芯等により磁束ループ構成部２０と第一、第二リング２１，２２との位置関係が変化した場合、各ホール素子５の出力変化が相反する方向に生じる。

このため、各ホール素子５の出力を加算してシャフト１に加わるトルクを算出することにより、各ホール素子５の検出誤差が互いに相殺され、トルクの検出精度を高められる。

各集磁凸部２１ａ，２２ａが突出するピッチＴを、第一、第二リング２，３の各対向端面２ａ，３ａに形成される複数の切り欠き２ｂ，３ｂの凹凸ピッチＰと等しく設定することにより、第一、第二リング２，３に対してシャフト１が回転するとき、磁束ループ構成部２０において集磁凸部２１ａ，２２ａが配置される磁路断面に対して第一、第二リング２，３の各対向端面２ａ，３ａに開口する切り欠き２ｂ，３ｂが面する割合が一定に保たれる。このため、振り角（トルク）一定の場合に磁束ループ構成部２０の磁束密度が変化することを抑えられ、ホール素子５と第一、第二リング２，３との相対位置関係に依存した検出誤差を緩和することが可能である。

トルクセンサは、第一、第二ヨーク２１，２２とリング磁石２５とホール素子５は非磁性部材３０を介して互いに結合することにより、第一、第二ヨーク２１，２２に対するホール素子５の位置精度を高められる。これにより、磁束ループ構成部２０を構成する各部品の設置位置の制御を組立工程の上で容易にし、各部品の設置位置のバラツキを抑えられ、トルクセンサの品質の向上がはかられる。

トルクセンサは、第一、第二ヨーク２１，２２とリング磁石２５とホール素子５が非磁性部材３０を介してサブッアッシとしてユニット化されることにより、部品点数が減り、車体への組み付けが容易に行える。

トルクセンサの製造時、第一、第二ヨーク２１，２２とリング磁石２５とホール素子５を図示しない治具（型枠）を介して所定位置に保持した状態で、第一、第二ヨーク２１，２２の間に樹脂材料を充填して固化させることにより、第一、第二ヨーク２１，２２に対するホール素子５の位置精度を高められる。

非磁性部材３０をホール素子５を避けるようにして第一、第二ヨーク２１，２２の間に形成することにより、磁束ループ構成部２０におけるホール素子５に対する集磁効果を高められるため、ホール素子５の出力電圧を高められる。

他の実施の形態として、図４に示す第一、第二ヨーク２１，２２は、第一、第二リング２，３の各外周面２ｄ，３ｄに対峙する部位に環状のリング磁石２５，２６がそれぞれ設けられる。リング磁石２５，２６は磁束ループ構成部２０に沿ってＳ極とＮ極が並ぶように配置される。すなわち、リング磁石２５はその内周をＳ極、その外周をＮ極とする一方、リング磁石２６はその内周をＮ極とし、その外周をＳ極とするように着磁している。これにより、磁束ループ構成部２０の磁界を強められる。

なお、これに限らず、環状のリング磁石を第一、第二ヨーク２１，２２の途中に介装しても良い。また、第一、第二ヨーク２１，２２をリング磁石によって一体的に形成しても良い。

また、第一、第二リング２，３側に環状のリング磁石を設けても良い。

本発明は上記の実施の形態に限定されずに、その技術的な思想の範囲内において種々の変更がなしうることは明白である。

本発明は、回転するシャフトのねじれからトルクを検出する非接触タイプのトルクセンサに利用できる。

本発明の実施の形態を示すトルクセンサの斜視図。 同じくトルクセンサの側面図。 同じく図２のＡ−Ａ線に沿う断面図。 本発明の他の実施の形態を示すトルクセンサの斜視図。 従来例を示すトルクセンサの斜視図。

符号の説明

１ シャフト
２ 第一リング
２ａ 対向端面
２ｂ 切り欠き
３ 第二リング
３ａ 対向端面
３ｂ 切り欠き
５ ホール素子（磁束密度検出手段）
２０ 磁束ループ構成部
２１ 第一ヨーク
２２ 第二ヨーク
２５ リング磁石
３０ 非磁性部材

Claims (4)

1. ねじりトルクが加わるシャフトと、このシャフトがねじれるのに伴って相対回転位置が変化する第一、第二リングと、この第一、第二リングのそれぞれを磁気が通るように導く磁束ループ構成部と、前記第一、第二リングが相対回転するのに伴ってこの磁束ループ構成部の磁場を変化させる磁場変化手段と、前記磁束ループ構成部の磁束密度を検出する磁束密度検出手段とを備えるトルクセンサにおいて、
   前記第一、第二リングにそれぞれ対峙する第一、第二ヨークを備え、前記磁束ループ構成部をこの第一、第二ヨークによって形成し、前記第一、第二ヨークと前記磁束密度検出手段を互いに結合する非磁性部材を備えたことを特徴とするトルクセンサ。
2. 前記第一、第二ヨークを前記第一、第二リングにそれぞれ対峙する環状に形成し、前記磁束ループ構成部の途中に介在する環状のリング磁石を備え、前記非磁性部材がこのリング磁石と前記第一、第二ヨークと前記磁束密度検出手段を互いに結合したことを特徴とする請求項１に記載のトルクセンサ。
3. 前記第一、第二ヨークは互いに対向して突出する集磁凸部を有し、この各集磁凸部の間に前記磁束密度検出手段を介装し、前記非磁性部材を各集磁凸部を避けるようにして環状に形成したことを特徴とする請求項２に記載のトルクセンサ。
4. 前記非磁性部材は前記第一、第二ヨークの間に樹脂材料を充填して固化させたことを特徴とする請求項１から３のいずれか一つに記載のトルクセンサ。

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