JP2006064577A - トルク検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 入力軸の軸長方向の長さを短縮出来るトルク検出装置の提供。
【解決手段】 連結軸により同軸に連結された第１軸１及び第２軸２と、第１軸１に固設された永久磁石５と、第２軸２に固定され、永久磁石５の磁界内に配置されて磁気回路を形成する複数の軟磁性体４ａ，４ｂと、軟磁性体４ａ，４ｂが誘導した磁束を検出する検出器６とを備え、第１軸１又は第２軸２にトルクが加えられたときに、検出器６の出力に基づき、トルクを検出するように構成してあるトルク検出装置。永久磁石５は、円錐台形状であり、周面が、周方向に交互に磁極が反転するように着磁されると共に、軟磁性体４ａ，４ｂに対向する構成である。
【選択図】 図２

Description

本発明は、車両の電動パワーステアリング装置等に好適に使用され、連結軸により同軸に連結された第１軸及び第２軸と、第１軸に固設された永久磁石と、第２軸に固定され、永久磁石の磁界内に配置されて磁気回路を形成する複数の軟磁性体と、軟磁性体が誘導した磁束を検出する検出器とを備え、第１軸又は第２軸にトルクが加えられたときに、検出器の出力に基づき、トルクを検出するトルク検出装置に関するものである。

車両の舵取装置に、電動モータを駆動して操舵補助を行ない、運転者の負担を軽減する電動パワーステアリング装置がある。これは、操舵部材（ステアリングホイール、ハンドル）に繋がる入力軸と、ピニオン及びラック等により操向車輪に繋がる出力軸と、入力軸及び出力軸を連結する連結軸とを備え、連結軸に生じる捩れ角度によって、トルク検出装置が入力軸に加わる操舵トルクを検出し、検出した操舵トルク値に基づき、出力軸に連動する操舵補助用の電動モータを駆動制御するものである。このような電動パワーステアリング装置のトルク検出装置には、従来、コイルを用いて回転位置を検出する磁気検知式レゾルバ、又は光の透過を検知する光学式エンコーダの検出装置等が使用されている。

また、特許文献１には、図３（ｂ）の模式的な縦断面図に示すように、トーションバー（図示せず）により同軸に連結された入力軸１及び出力軸２と、入力軸１に固設されたリング状の２４極の永久磁石１５と、出力軸２に固定され、永久磁石１５の磁界内に配置されて磁気回路を形成する複数の軟磁性体４ｃ，４ｄからなる磁気ヨークと、磁気ヨーク４ｃ，４ｄに磁気結合され、磁気ヨーク４ｃ，４ｄからの磁束を誘導する２つの集磁リング８，８と、集磁リング８，８に設けられ集磁リング８，８が誘導した磁束を集める為の集磁部１９，１９と、集磁部１９，１９に集められた磁束を検出する磁気センサ６（ホールＩＣ）とを備え、入力軸１にトルクが加えられたときに、磁気センサ６の出力に基づき、トルクを検出するトルクセンサ（トルク検出装置）が提案されている。
特開２００３−１４９０６２号公報

上述したようなトルク検出装置では、磁気ヨーク４ｃ，４ｄは、永久磁石１５から一定以上の磁束を受けることが出来るようにしなければならないので、磁気ヨーク４ｃ，４ｄと永久磁石１５の磁極との対向する面積を一定以上に確保する必要がある。その為、永久磁石１５は、入力軸１の軸長方向に一定以上の長さ（高さ）が必要であり、トルク検出装置を入力軸１の軸長方向に短縮出来ず、小型化が難しいという問題がある。
本発明は、上述したような事情に鑑みてなされたものであり、入力軸の軸長方向に短縮出来るトルク検出装置を提供することを目的とする。

第１発明に係るトルク検出装置は、連結軸により同軸に連結された第１軸及び第２軸と、該第１軸に固設された永久磁石と、前記第２軸に固定され、前記永久磁石の磁界内に配置されて磁気回路を形成する複数の軟磁性体と、該軟磁性体が誘導した磁束を検出する検出器とを備え、前記第１軸又は第２軸にトルクが加えられたときに、前記検出器の出力に基づき、前記トルクを検出するように構成してあるトルク検出装置において、前記永久磁石は、円錐台形状であり、周面が、周方向に交互に磁極が反転するように着磁されると共に、前記軟磁性体に対向するように構成してあることを特徴とする。

第２発明に係るトルク検出装置は、前記軟磁性体に磁気結合され、該軟磁性体からの磁束をそれぞれ誘導すると共に、誘導した磁束を集める為の集磁部をそれぞれ有する複数の補助軟磁性体を更に備え、前記検出器は、前記集磁部に集められた磁束を検出するように構成してあることを特徴とする。

第１発明に係るトルク検出装置によれば、入力軸の軸長方向の長さを短縮出来、小型化出来るので、電動パワーステアリング装置等への組込みが容易になる。

第２発明に係るトルク検出装置によれば、入力軸の軸長方向の長さを短縮出来、小型化出来るので、電動パワーステアリング装置等への組込みが容易になる。また、軟磁性体と補助軟磁性体とは磁気的に結合しているだけなので、電動パワーステアリング装置等の回転する軸に組込んだ場合でも、接続コード等の処理が不要であり、検出信号の取出しが容易である。

以下に、本発明をその実施の形態を示す図面に基づいて説明する。
図１及び図２は、本発明に係るトルク検出装置の実施の形態の構成を示す分解斜視図（図１）及び模式的な部分縦断面図（図２）である。このトルク検出装置は、入力軸１（第１軸）と出力軸２（第２軸）とを、細径のトーションバー３（連結軸）を介して同軸状に連結している。入力軸１及び出力軸２は、それぞれピン９によりトーションバー３に連結されている。

入力軸１には、周面に２４極（Ｎ，Ｓ極各１２極）が周方向に等間隔で着磁された円錐台形状の永久磁石５が、同軸に固設されている。出力軸２には、半径方向に適当な隙間を設けて永久磁石５の周面を囲む大小２つの磁気ヨーク４ａ，４ｂ（軟磁性体）が、同軸に固設されている。
小さい方の磁気ヨーク４ａは、永久磁石５の小径側に設けられ、板状のリングの板面に、永久磁石５の周面に沿って一方向に延びる１２個の二等辺三角形状の爪１０ａが等間隔に周設されている。大きい方の磁気ヨーク４ｂは、永久磁石５の大径側に設けられ、板状のリングの板面に、永久磁石５の周面に沿って他方向に延びる１２個の二等辺三角形状の爪１０ｂが等間隔に周設されている。
２つの磁気ヨーク４ａ，４ｂは、それぞれの爪１０ａ，１０ｂが周方向に適当な間隔でずれるように対向している。

磁気ヨーク４ａ，４ｂは、永久磁石５が形成する磁界内に配置され、トルクが入力軸１に加えられない中立状態で、それぞれの爪１０ａ，１０ｂの先端が、永久磁石５のＮ極及びＳ極の境界を指すように配置される。
磁気ヨーク４ａ，４ｂの周囲には、磁気ヨーク４ａ，４ｂにそれぞれ磁気結合され、磁気ヨーク４ａ，４ｂからの磁束をそれぞれ誘導し、磁気ヨーク４ａ，４ｂからそれぞれ等間隔に互いに平行に配置された大小２つの集磁リング８ａ，８ｂ（補助軟磁性体）が配設されている。集磁リング８ａ，８ｂは、互いに他部分より近接する平板状の集磁部１９ａ，１９ｂを有し、その近接する部分により隙間が形成され、それぞれ誘導した磁束が集磁部１９ａ，１９ｂ間に集まるように形成されている。

集磁部１９ａ，１９ｂによる隙間には、２つのホールＩＣ６（ホール素子、検出器）が挿入されている。集磁リング８ａ，８ｂは、図示しないハウジングにそれぞれ磁気的に絶縁された状態で固設されている。ホールＩＣ６は、図示しないハウジングに固定され、ホールＩＣ６の各リード線７は、図示しない基板に半田付けされ、ホールＩＣ６が作動する為の電源を供給し、ホールＩＣ６が検出した出力を得ている。

図３は、本発明に係るトルク検出装置を模式的に示す部分断面図（ａ）であり、従来のトルク検出装置を模式的に示す部分断面図（ｂ）である。本発明に係るトルク検出装置では、入力軸１の軸長方向の長さが、永久磁石１５が円筒形状である従来のトルク検出装置の入力軸１の軸長方向の長さＸに比較して短縮されており、集磁リング８ａ，８ｂに要する空間を考慮しても、二点鎖線で囲む空間分を節約することが出来る。

以下に、このような構成のトルク検出装置の動作を説明する。入力軸１又は出力軸２にトルクが加えられないとき、磁気ヨーク４ａ，４ｂの各爪１０ａ，１０ｂは、図４（ｂ）に示すように、永久磁石５のＮ極及びＳ極に対向する面積が等しくなり、Ｎ極から入る磁束とＳ極へ出る磁束とが等しくなるので、磁気ヨーク４ａ及び磁気ヨーク４ｂ間には磁束は生じない。

入力軸１又は出力軸２に一方向のトルクが加えられたとき、そのトルクの大きさに応じて、トーションバー３に捩れが生じ、磁気ヨーク４ａ，４ｂの各爪１０ａ，１０ｂ及び永久磁石５の相対位置が変化する。
このとき、例えば、図４（ａ）に示すように、磁気ヨーク４ａの各爪１０ａに対向する面積が、永久磁石５のＮ極の方がＳ極より大きくなり、Ｎ極から入る磁束の方がＳ極へ出る磁束より大きくなる。また、磁気ヨーク４ｂの各爪１０ｂに対向する面積が、永久磁石５のＮ極の方がＳ極より小さくなり、Ｎ極から入る磁束の方がＳ極へ出る磁束より小さくなる。
その結果、磁気ヨーク４ａから磁気ヨーク４ｂへの磁束が生じ、この磁束密度は、各爪１０ａ，１０ｂに対向するＮ極及びＳ極の面積の差が大きい程、大きくなる。

一方、入力軸１又は出力軸２に他方向のトルクが加えられたとき、上記とは逆方向に、そのトルクの大きさに応じて、トーションバー３に捩れが生じ、磁気ヨーク４ａ，４ｂの各爪１０ａ，１０ｂ及び永久磁石５の相対位置が変化する。
このとき、例えば、図４（ｃ）に示すように、磁気ヨーク４ａの各爪１０ａに対向する面積が、永久磁石５のＮ極の方がＳ極より小さくなり、Ｎ極から入る磁束の方がＳ極へ出る磁束より小さくなる。また、磁気ヨーク４ｂの各爪１０ａに対向する面積が、永久磁石５のＮ極の方がＳ極より大きくなり、Ｎ極から入る磁束の方がＳ極へ出る磁束より大きくなる。
その結果、磁気ヨーク４ｂから磁気ヨーク４ａへの磁束が生じ、この磁束密度は、各爪１０ａ，１０ｂに対向するＮ極及びＳ極の面積の差が大きい程、大きくなる。

上述した磁気ヨーク４ａ及び磁気ヨーク４ｂ間のギャップに生じる磁束密度の変化を、トーションバー３の捩れ角である電気角−１８０〜１８０ｄｅｇ．（機械角−１５〜１５ｄｅｇ．）に対応させて図示すると、図５に示すような正弦波状となる。実際に使用される範囲は、トーションバー３の剛性から、−９０〜９０ｄｅｇ．を超えることはない。

上述した磁気ヨーク４ａ及び磁気ヨーク４ｂ間のギャップの磁束密度に応じて、磁気ヨーク４ａ，４ｂに生じた磁束は、集磁リング８ａ，８ｂによりそれぞれ誘導され、誘導された磁束は、集磁リング８ａ，８ｂの集磁部１９ａ，１９ｂに集中し、ホールＩＣ６，６により検出される。集磁リング８ａ，８ｂにより、ホールＩＣ６，６は、磁気ヨーク４ａ，４ｂの全周で発生する磁束密度の平均を検出することが出来、その磁束密度の平均は、入力軸１又は出力軸２に加えられたトルクの大きさに対応する。

本発明に係るトルク検出装置の実施の形態の構成を示す分解斜視図である。 本発明に係るトルク検出装置の実施の形態の構成を模式的に示す部分縦断面図である。 本発明に係るトルク検出装置の効果を示す説明図である。 本発明に係るトルク検出装置の動作を示す説明図である。 本発明に係るトルク検出装置の動作を示す説明図である。

符号の説明

１ 入力軸（第１軸）
２ 出力軸（第２軸）
３ トーションバー（連結軸）
４ａ，４ｂ 磁気ヨーク（軟磁性体）
５ 永久磁石
６ ホールＩＣ（ホール素子、検出器）
７ リード線
８ａ，８ｂ 集磁リング（補助軟磁性体）
１０ａ，１０ｂ 爪
１９ａ，１９ｂ 集磁部

Claims (2)

1. 連結軸により同軸に連結された第１軸及び第２軸と、該第１軸に固設された永久磁石と、前記第２軸に固定され、前記永久磁石の磁界内に配置されて磁気回路を形成する複数の軟磁性体と、該軟磁性体が誘導した磁束を検出する検出器とを備え、前記第１軸又は第２軸にトルクが加えられたときに、前記検出器の出力に基づき、前記トルクを検出するように構成してあるトルク検出装置において、
   前記永久磁石は、円錐台形状であり、周面が、周方向に交互に磁極が反転するように着磁されると共に、前記軟磁性体に対向するように構成してあることを特徴とするトルク検出装置。
2. 前記軟磁性体に磁気結合され、該軟磁性体からの磁束をそれぞれ誘導すると共に、誘導した磁束を集める為の集磁部をそれぞれ有する複数の補助軟磁性体を更に備え、前記検出器は、前記集磁部に集められた磁束を検出するように構成してある請求項１記載のトルク検出装置。

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