JP2006071326A - トルク検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 磁気シールド部材が、組付け易く堅固に固定出来、また、防水機能及び防塵機能を兼ね備えたトルク検出装置の提供。
【解決手段】 連結軸３で同軸に連結された第１軸１及び第２軸２に、永久磁石５及び軟磁性体４ａ，４ｂが、それぞれ同軸に固設されて磁気結合し、検出器６が、軟磁性体４ａ，４ｂに磁気結合した補助軟磁性体８，８の誘導磁束を検出し、合成樹脂体１８ａ，１８ｂが、補助軟磁性体８，８及び検出器６をモールドし、磁気シールド部材２７が、合成樹脂体１８ｂを囲み、収納されたハウジング（図示せず）の開口部の周縁部と合成樹脂体１８ｂの鍔部２３とを共締めし、第１軸１に加えられたトルクを検出器６の出力に基づき検出するトルク検出装置。磁気シールド部材２７は、開口部の周縁部及び鍔部２３間を封止する封止部２７ａを有し、封止部２７ａが、周縁部及び鍔部２３間で共締めされた構成である。
【選択図】 図１

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、軟磁性体に磁気結合された複数の補助軟磁性体と、補助軟磁性体が誘導した磁束を検出する検出器及び該検出器に接続する電子部材とを備え、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１の分解斜視図（ａ）、縦断面図（ｂ）及び横断面図（ｃ）に示すように、トーションバー３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５と、出力軸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からなる磁気ヨークと、磁気ヨーク４ａ，４ｂに磁気結合され、磁気ヨーク４ａ，４ｂ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が誘導した磁束を検出する２つの磁気センサ６，６（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６，６の出力に基づき、トルクを検出するトルクセンサが提案されている。

また、特許文献２には、上述したトルクセンサで、磁気ヨークを合成樹脂によりモールドし、集磁リングを合成樹脂によりモールドすると共に、集磁リングを外部の磁気的ノイズから遮蔽する為の磁気シールドを、モールドした合成樹脂に周設したトルクセンサが開示されている。
特開２００３−１４９０６２号公報 特開２００４−１２５７１７号公報

上述したトルクセンサでは、磁気シールドの組付け易さ及びその固定強度は考慮されていないという問題がある。また、車両の電動パワーステアリング装置は、その搭載場所により防水機能及び防塵機能が必要であるが、トルクセンサを電動パワーステアリング装置に使用する場合は、当然、トルクセンサにも防水機能及び防塵機能が要求されるという問題がある。
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、磁気シールド部材が、組付け易く堅固に固定出来、また、防水機能及び防塵機能を兼ね備えた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軸に、それぞれ同軸に固設され磁気結合した永久磁石及び複数の軟磁性体と、該軟磁性体に磁気結合した複数の補助軟磁性体と、該補助軟磁性体が誘導した磁束を検出する検出器及び該検出器に接続した電子回路部材と、前記補助軟磁性体、検出器及び電子回路部材をモールドしてある合成樹脂体と、該合成樹脂体を囲む磁気シールド部材とを備え、開口部を備えたハウジングに収納され、該開口部の周縁部と前記合成樹脂体に設けられた鍔部とを共締めしてあり、前記第１軸又は第２軸に加えられたトルクを、前記検出器の出力に基づき検出するトルク検出装置において、前記磁気シールド部材は、前記周縁部及び鍔部間を封止する封止部を有し、該封止部が、該周縁部及び鍔部間で共締めされていることを特徴とする。

第２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軸に、それぞれ同軸に固設され磁気結合した永久磁石及び複数の軟磁性体と、該軟磁性体に磁気結合した複数の補助軟磁性体と、該補助軟磁性体が誘導した磁束を検出する検出器及び該検出器に接続した電子回路部材とを備え、開口部を備えたハウジングに該開口部から収納され、前記第１軸又は第２軸に加えられたトルクを、前記検出器の出力に基づき検出するトルク検出装置において、前記複数の補助軟磁性体の前記検出器に重なる部分、前記検出器及び電子回路部材をモールドしてある合成樹脂体と、前記補助軟磁性体を保護し、該補助軟磁性体の前記連結軸の径方向を磁気シールドし、前記開口部の周縁部に取付ける為の鍔部を有する第１磁気シールド部材と、前記合成樹脂体を保護し、前記検出器及び電子回路部材の前記径方向を磁気シールドし、前記周縁部に取付ける為の鍔部を有する第２磁気シールド部材とを備え、前記第１磁気シールド部材及び第２磁気シールド部材の各鍔部を前記周縁部に共締めしてあることを特徴とする。

本発明に係るトルク検出装置によれば、磁気シールド部材が、組付け易く堅固に固定出来、また、防水機能及び防塵機能を兼ね備えたトルク検出装置を実現することが出来る。

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。
（実施の形態１）
図１は、本発明に係るトルク検出装置の実施の形態１の構成を示す説明図であり、（ａ）は分解斜視図、（ｂ）は縦断面図、（ｃ）は（ｂ）のＡ−Ａ′面における横断面図である。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、２４極（Ｎ，Ｓ極各１２極）が周方向に等間隔で着磁された円筒形状の（２４極）永久磁石５が、同軸に固設されている。出力軸２には、径方向に適当な隙間を設けて永久磁石５を囲む円筒形状のヨーク４が、同軸に固設されている。ヨーク４は、図２に示すように、板状のリングに、その板面に垂直な一方向に延びる１２個の二等辺三角形状の爪１０が等間隔に周設された２つの磁気ヨーク４ａ，４ｂ（軟磁性体）を備えている。２つの磁気ヨーク４ａ，４ｂは、それぞれの爪１０が周方向に適当な間隔でずれるように対向する状態で、合成樹脂体１７により円筒形状にモールドされている。但し、磁気ヨーク４ａ，４ｂの永久磁石５に対向する面は、合成樹脂体１７から露出している。
また、磁気ヨーク４ａ，４ｂは、トルクが加えられない中立状態で、それぞれの爪１０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。

このトルク検出装置は、また、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する２つの集磁リング８，８（補助軟磁性体）を備えている。集磁リング８，８は、図２に示すように、平行に配置され、互いに他部分より近接する平板状の部分８ａ，８ａを有し、その近接する部分８ａ，８ａの隙間に、１又は複数のホールＩＣ６（検出器、磁気センサ）が挿入されている。

集磁リング８，８及びホールＩＣ６は、ホールＩＣ６に接続した電子回路が形成された回路基板１９（電子回路部材）と共に、上述した状態で、合成樹脂体１８ａ，１８ｂによりモールドされている。ホールＩＣ６は、複数のリード線７により、回路基板１９と接続され、回路基板１９は、コード１１により外部の図示しない制御装置に接続されている。

但し、磁気ヨーク４ａ，４ｂと集磁リング８，８との互いに対向する面は、合成樹脂体１７，１８ｂから露出している。また、合成樹脂によりモールドする際、２回に分けて成形しており、１回目の成形で、ホールＩＣ６，６及び回路基板１９の電子部品を柔軟性のある合成樹脂体１８ａ（例えばホットメルト）によりモールドし、２回目の成形で、集磁リング８，８を剛性のある合成樹脂体１８ｂ（例えばＰＢＴ）によりモールドしている。合成樹脂体１８ｂには、後述する電動パワーステアリング装置等のハウジングに取付ける為の取付孔２３ａを有する２つの鍔部２３，２３が形成されている。

合成樹脂体１８ａには、入力軸１及び出力軸２の径方向の磁気を遮蔽する磁気シールド部材２６が、小ねじ等で取付けられている。また、合成樹脂体１８ｂは、入力軸１及び出力軸２の径方向の磁気を遮蔽する磁気シールド部材２７が囲繞している。
磁気シールド部材２７は、図３の斜視図に示すように、合成樹脂体１８ｂの取付孔２３ａと位置が重なるように設けられた２つの取付孔２７ｂ，２７ｂを有する枠状の鍔部２７ａを備えている。

このような構成のトルク検出装置を収納する電動パワーステアリング装置等のハウジング１５は、図４の分解斜視図に示すように、出力軸２（操舵軸）を取り囲む筒部１４と、筒部１４の外周部１箇所に突設された取着座１２（周縁部）と、取着座１２を径方向へ貫通する貫通孔１３（開口部）とを有する。取着座１２は、ハウジング１５の中心線と平行な面であり、複数の取付穴１６が穿設されている。

磁気シールド部材２７、合成樹脂体１８ａ，１８ｂ、及び図示していない合成樹脂体１７は、ハウジング１５に貫通孔１３から収納される。磁気シールド部材２７の鍔部２７ａは、ハウジング１５の取着座１２と、合成樹脂体１８ｂの鍔部２３，２３に連なる部分及び鍔部２３，２３との間に挟まった状態で、図５の断面図に示すように、取付孔２３ａ及び取付孔２７ｂを貫き取付穴１６に螺合されたねじ２９により共締めされている。これにより、磁気シールド部材２７の鍔部２７ａ（封止部）は、合成樹脂体１８ｂ及び取着座１２間を封止し、ハウジング１５内への防水機能及び防塵機能を備えることが出来る。
永久磁石５は、図示していない入力軸１に固設された状態で、筒部１４の図示しない一方の端部の開口部から嵌装される。

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１０は、図６（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、トーションバー３に捩れが生じて、磁気ヨーク４ａ，４ｂの各爪１０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６（ａ）に示すように、磁気ヨーク４ａの各爪１０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１０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１０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、トーションバー３に捩れが生じて、磁気ヨーク４ａ，４ｂの各爪１０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６（ｃ）に示すように、磁気ヨーク４ａの各爪１０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１０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１０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６（ｄ）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８，８によりそれぞれ誘導され、誘導された磁束は、集磁リング８，８の互いに近接する部分に集中し、ホールＩＣ６，６により検出される。集磁リング８，８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る。

以上により、ホールＩＣ６，６は、それぞれ集磁リング８，８に生じた磁束に応じた磁束密度、即ち、入力軸１又は出力軸２に加えられたトルクに応じた磁束密度を検出することが出来る。つまり、検出した磁束密度に基づき、加えられたトルクを知ることが出来る。特に、ホールＩＣ６，６の検出方向を逆にし、それらの出力の差を求めることにより、振れ回り、ホールＩＣ６，６の温度特性及び軸方向の検出感度の各影響を相殺することが出来、検出精度を高めることが出来る。
尚、上述した実施の形態において、集磁リング８，８を除き、磁気ヨーク４ａ，４ｂに生じた磁束を、直接、ホールＩＣ６，６が検出するように構成しても、同様にトルクを検出することは可能である。

（実施の形態２）
図７は、本発明に係るトルク検出装置の実施の形態２の構成を示す説明図であり、（ａ）は分解斜視図、（ｂ）は縦断面図、（ｃ）は（ｂ）のＢ−Ｂ′面における横断面図である。このトルク検出装置は、集磁リング８，８の平板状の部分８ａ，８ａ付近及びホールＩＣ６が、ホールＩＣ６に接続した電子回路が形成された回路基板１９（電子回路部材）と共に、合成樹脂体１８ｃ，１８ｄによりモールドされている。

合成樹脂によりモールドする際、２回に分けて成形しており、1回目の成形で、集磁リング８，８の平板状の部分８ａ，８ａ、ホールＩＣ６，６及び回路基板１９の電子部品を柔軟性のある合成樹脂体１８ｃ（例えばホットメルト）によりモールドし、２回目の成形で、平板状の部分８ａ，８ａ付近の残り及び合成樹脂体１８ｃを剛性のある合成樹脂体１８ｄ（例えばＰＢＴ）によりモールドしている。合成樹脂体１８ｄには、ハウジングに取付ける為の鍔部は設けていない。また、集磁リング８，８の大部分はモールドされていない。

合成樹脂体１８ｃ，１８ｄには、集磁リング８，８、ホールＩＣ６，６及び回路基板１９を、入力軸１及び出力軸２の径方向の磁気から遮蔽し、合成樹脂体１８ｃを保護する磁気シールド部材３０（第２磁気シールド部材）が取付けられている。磁気シールド部材３０は、プレス鋼等の堅固な材質であり、ハウジングに取付ける為の取付孔３０ｂを有する２つの鍔部３０ａを備えている。合成樹脂体１８ｃ，１８ｄは、モールド時の流し込み、形成後の圧入、又は小ねじ等により磁気シールド部材３０に固定されている。

また、集磁リング８，８、ホールＩＣ６，６及び回路基板１９を、入力軸１及び出力軸２の径方向の磁気から遮蔽し、集磁リング８，８を保護する磁気シールド部材３７（第１磁気シールド部材）が、集磁リング８，８を囲繞している。
磁気シールド部材３７は、プレス鋼等の堅固な材質であり、図３の斜視図に示すように、枠状の鍔部３７ａを備え、鍔部３７ａには、ハウジングに取付ける為の２つの取付孔３７ｂ，３７ｂが設けられている。

このトルク検出装置を収納するハウジングは、図４に示すハウジング１５と同様であり、磁気シールド部材３０の鍔部３０ａ、及び磁気シールド部材３７の鍔部３７ａが、ハウジング１５の取着座１２に重なる状態で収納される。この状態で、図５の断面図と同様に（但し、合成樹脂体の鍔部に相当するものは存在しない）、取付孔３０ｂ及び取付孔３７ｂを貫き取付穴１６に螺合されたねじ２９により共締めされている。これにより、磁気シールド部材３７の鍔部３７ａ（封止部）は、磁気シールド部材３０及び取着座１２間を封止し、ハウジング１５内への防水機能及び防塵機能を備えることが出来る。
本実施の形態２のトルク検出装置のその他の構成及び動作は、上述した実施の形態１のトルク検出装置の構成及び動作と同様であるので、説明を省略する。

本実施の形態２のトルク検出装置では、磁気シールド部材が保護カバーを兼ねているので、構造が単純化され、また、集磁リングの大部分をモールドしないので、合成樹脂の使用量を低減することが出来ると共に、合成樹脂の熱変形を安定化させ、集磁リングの変形を防ぐ為のアニ―リング工程が不要になる。以上により、部品コスト及び製造コストの低減を図ることが出来ると共に、高い信頼性を確保することが出来る。

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説明図である。 本発明に係るトルク検出装置の磁気ヨーク及び集磁リングを示す分解斜視図である。 磁気シールド部材の外観を示す斜視図である。 ハウジングを示す分解斜視図である。 磁気シールド部材及び合成樹脂体のハウジングへの取付け状態を示す断面図である。 トルク検出装置の動作を説明する為の説明図である。 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
８ 集磁リング（補助軟磁性体）
１０ 爪
１１ コード
１２ 取着座（周縁部）
１３ 貫通孔（開口部）
１５ ハウジング
１６ 取付穴
１７，１８ａ，１８ｂ，１８ｃ，１８ｄ 合成樹脂体
１９ 回路基板（電子回路部材）
２３，３０ａ 鍔部
２３ａ，２７ｂ，３０ｂ，３７ｂ 取付孔
２６，２７ 磁気シールド部材
２７ａ，３７ａ 鍔部（封止部）
２９ ねじ
３０ 磁気シールド部材（第２磁気シールド部材）
３７ 磁気シールド部材（第１磁気シールド部材）

Claims (2)

1. 連結軸により同軸に連結された第１軸及び第２軸に、それぞれ同軸に固設され磁気結合した永久磁石及び複数の軟磁性体と、該軟磁性体に磁気結合した複数の補助軟磁性体と、該補助軟磁性体が誘導した磁束を検出する検出器及び該検出器に接続した電子回路部材と、前記補助軟磁性体、検出器及び電子回路部材をモールドしてある合成樹脂体と、該合成樹脂体を囲む磁気シールド部材とを備え、開口部を備えたハウジングに収納され、該開口部の周縁部と前記合成樹脂体に設けられた鍔部とを共締めしてあり、前記第１軸又は第２軸に加えられたトルクを、前記検出器の出力に基づき検出するトルク検出装置において、
   前記磁気シールド部材は、前記周縁部及び鍔部間を封止する封止部を有し、該封止部が、該周縁部及び鍔部間で共締めされていることを特徴とするトルク検出装置。
2. 連結軸により同軸に連結された第１軸及び第２軸に、それぞれ同軸に固設され磁気結合した永久磁石及び複数の軟磁性体と、該軟磁性体に磁気結合した複数の補助軟磁性体と、該補助軟磁性体が誘導した磁束を検出する検出器及び該検出器に接続した電子回路部材とを備え、開口部を備えたハウジングに該開口部から収納され、前記第１軸又は第２軸に加えられたトルクを、前記検出器の出力に基づき検出するトルク検出装置において、
   前記複数の補助軟磁性体の前記検出器に重なる部分、前記検出器及び電子回路部材をモールドしてある合成樹脂体と、前記補助軟磁性体を保護し、該補助軟磁性体の前記連結軸の径方向を磁気シールドし、前記開口部の周縁部に取付ける為の鍔部を有する第１磁気シールド部材と、前記合成樹脂体を保護し、前記検出器及び電子回路部材の前記径方向を磁気シールドし、前記周縁部に取付ける為の鍔部を有する第２磁気シールド部材とを備え、前記第１磁気シールド部材及び第２磁気シールド部材の各鍔部を前記周縁部に共締めしてあることを特徴とするトルク検出装置。

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