JP2006162557A

JP2006162557A - トルクセンサ

Info

Publication number: JP2006162557A
Application number: JP2004358508A
Authority: JP
Inventors: Hideo Maehara; 秀雄前原; Noritomo Oki; 紀知大木; Katsumichi Sugihara; 克道杉原
Original assignee: Kayaba Industry Co Ltd
Current assignee: KYB Corp
Priority date: 2004-12-10
Filing date: 2004-12-10
Publication date: 2006-06-22
Anticipated expiration: 2024-12-10
Also published as: JP4704018B2

Abstract

【課題】磁気回路部の磁場を変化させる手段として１対の磁性リングの互いに対向する端面のぞれぞれに円周方向へ等間隔かつ交互に形成される凹凸部を備えるトルクセンサにおいて、凹凸部の表面からの漏れ磁束の影響が抑えられ、シャフトに加わる捩りトルクを精度よく検出しえるようにする。
【解決手段】磁束密度の検出位置を１対の磁性リング１２ａ，１２ｂの互いに対向する端面（凹凸部１７ａ，１６ａと凹凸部１７ｂ，１６ｂとの）間の中心Ｐからシャフト１１の軸方向へオフセットする。
【選択図】図１

Description

この発明は、回転するシャフトの捩りからトルクを検出する非接触タイプのトルクセンサに関する。

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る。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配線をステアリングシャフトに巻き付けておく必要があり、この配線が絡みすいという問題点が考えられる。

この対策として、図６のような非接触タイプのトルクセンサが開示される（特許文献１）。これは、シャフト１の捩りに伴って相対回転位置が変化する１対の磁性リング２ａ，２ｂと、１対の磁性リング２ａ，２ｂと共に磁気回路部３を構成する手段と、磁気回路部３の磁束密度を検出する手段４（磁気センサ）と、１対の磁性リング２ａ，２ｂの相対回転位置が変化するのに伴って磁気回路部３の磁場を変化させる手段と、から構成される。

磁気回路部３を構成する手段としては、１対の磁性リング２ａ，２ｂの各端面３ａ，３ｂに軸方向から対峙して固定されるＬ字形の磁石５ａ，５ｂが備えられる。磁気回路部３の磁場を変化させる手段としては、１対の磁性リング２ａ，２ｂの互いに対向する端面８ａ，８ｂのぞれぞれに凹凸部７ａ，６ａ、７ｂ，６ｂがリング２ａ，２ｂの円周方向へ等間隔かつ交互に形成される。

このトルクセンサにおいては、回転するシャフト１が捩れると、１対の磁性リング２ａ，２ｂの間に相対回転が生じるため、互いの凸部６ａ，６ｂ間の対向する面積の変化に伴って磁気回路部３の磁場が変化する。この変化は、磁気センサ４（ホール素子）により、Ｌ字形の磁石５ａ，５ｂの互いに対峙する磁極９ａ，９ｂ間の磁束密度から検出され、シャフト１に加わる捩りトルクが求められるのである。

シャフト１が回転すると、これに伴って１対の磁性リング２ａ，２ｂは回転するが、磁気回路部３および磁気センサ４は定位置に固定することが可能となり、磁気センサ４の配線がシャフトの回転により絡まることもない。
特開２００２−３１０８１９

ところが、このような非接触タイプのトルクセンサにあっては、シャフト１が回転すると、磁気回路１０の磁路断面に対して１対の磁性リング２ａ，２ｂの互いに対向する端面８ａ，８ｂの凹凸部７ａ，６ａ、７ｂ，６ｂが断続的に面するため、シャフト１の捩り角（捩りトルク）が一定にも拘わらず、磁気回路部３の磁束密度が周期的に変化してしまう。このため、シャフト１に加わる捩りトルクの検出に誤差を発生しやすいという問題点が考えられる。

そのため、本出願人により、１対の磁性リングと共にシャフトを中心とする環状の磁気回路部を設けるようにしたものが提案されている（特願２００４−２３０７９２，特願２００４−２３３２２７、参照）。環状の磁気回路部は、１対の磁性リングの外周に対向する１組のリング状ヨークが備えられ、これらのリング状ヨークの互いに対峙する端面間に磁気センサが介装される。これによると、１対の磁性リングの互いに対向する端面間の全周で発生する磁束密度が検出されるので、シャフトの回転に伴って磁気回路部の磁束密度が周期的に変化するのを防止しえるようになる。

１対の磁性リングにおいては、互いに対向する端面の凹凸部により、これら表面からの漏れ磁束についても、リングの円周方向へ濃淡が生じる可能性が考えられる。既述の先願例においても、この漏れ磁束が磁気センサに影響すると、シャフトの回転に伴って磁気センサの近くを通過する漏れ磁束の濃淡により、磁気センサの検出が周期的に変化してしまう。つまり、環状の磁気回路部により、１対の磁性リングの全周で発生する磁束密度が検出され、シャフトの回転に伴って磁気回路部の磁束密度が周期的に変化するのを防止しえるものの、凹凸部による漏れ磁束の濃淡により、シャフトに加わる捩りトルクの検出に誤差が発生しかねないのである。

この発明は、このような問題点に着目してなされたものであり、漏れ磁束の影響が抑えられ、シャフトに加わる捩りトルクを精度よく検出しえるようにしたトルクセンサの提供を目的とする。

この発明は、請求項１または請求項３に係るトルクセンサにおいて、磁束密度の検出位置を１対の磁性リングの互いに対向する端面間の中心からシャフトの軸方向へオフセットしたことを特徴的な構成とするものである。

請求項１に係るトルクセンサは、シャフトの捩りに伴って相対回転位置が変化する１対の磁性リングと、１対の磁性リングと共にシャフトを中心とする環状の磁気回路部を構成する手段と、磁気回路部の磁束密度を検出する手段と、１対の磁性リングの相対回転位置が変化するのに伴って磁気回路部の磁場を変化させる手段として１対の磁性リングの互いに対向する端面のぞれぞれに円周方向へ等間隔かつ交互に形成される凹凸部と、を備える。

請求項３に係るトルクセンサは、複数の棒状の磁石からシャフトを中心にこれを囲う環状体に構成してシャフトの一端側に取り付けられる磁石体と、磁石体の軸方向からこれを挟むように配置してシャフトの他端側に取り付けられる１対の磁性リングと、１対の磁性リングと共にシャフトを中心とする環状の磁気回路部を構成する手段と、磁気回路部の磁束密度を検出する手段と、１対の磁性リングと環状の磁石体との相対回転位置が変化するのに伴って磁気回路部の磁場を変化させる手段として１対の磁性リングの互いに対向する端面のぞれぞれに円周方向へ等間隔かつ交互に形成される凹凸部と、を備える。

この発明においては、１対の磁性リングの互いに対向する端面のぞれぞれに凹凸部が円周方向へ等間隔かつ交互に形成されるが、磁束密度の検出位置を１対の磁性リングの互いに対向する端面間の中心からシャフトの軸方向へオフセットしたので、磁性リングの凹凸部からの漏れ磁束が磁束密度の検出位置に影響するのを抑えられるのである。そのため、シャフトに加わる捩りトルクの検出精度を確保しつつ、磁束密度の検出位置をシャフトに近づけることにより、トルクセンサの小径化（磁気回路の短縮化）も可能となる。

図に基づいて、この発明の実施形態に係るトルクセンサを説明する。

図３は先願例（特願２００４−２３０７９２）に係るトルクセンサを説明する参考図であり、トルクセンサは、シャフト１１の捩りに伴って相対回転位置が変化する１対の磁性リング１２ａ，１２ｂと、１対の磁性リング１２ａ，１２ｂと共にシャフト１１を中心とする環状の磁気回路部１３を構成する手段と、磁気回路部１３の磁束密度を検出する手段１４（磁気センサ）と、１対の磁性リング１２ａ，１２ｂの相対回転位置が変化するのに伴って磁気回路部１３の磁場を変化させる手段と、を備える。

環状の磁気回路部１３を構成する手段としては、１対の磁性リング１２ａ，１２ｂの外周に対向する１組のリング状ヨーク２０ａ，２０ｂが設けられ、これらのリング状ヨーク２０ａ，２０ｂの一方に環状の磁石体２１が磁気回路部１３の一部を構成する具合に配置される。環状の磁石体２１は、外周と内周が異なる磁極（図示の場合、外周がＮ極、内周がＳ極）となるように着磁される。１組のリング状ヨーク２０ａ，２０ｂの互いに対峙する端面１９ａ，１９ｂのぞれぞれに１対の集磁部２２ａ，２２ｂが突設され、これらの互いに対向する先端間に磁束密度を検出する磁気センサ１４（ホールＩＣ）が介装される。

磁気回路部１３の磁場を変化させる手段としては、１対の磁性リング１２ａ，１２ｂの互いに対向する端面１８ａ，１８ｂのそれぞれに凹凸部１７ａ，１６ａ、１７ｂ，１６ｂが円周方向へ等間隔かつ交互に形成される。２３は１組のリング状ヨーク２０ａ，２０ｂと環状の磁石体２１と磁気センサ１４と、を互いに結合する非磁性部材である。

このトルクセンサにおいては、回転するシャフト１１が捩れると、１対の磁性リング１２ａ，１２ｂとの間に相対回転が生じるため、互いの凸部１６ａ，１６ｂ間の対向する面積の変化に伴って磁気回路部１３の磁場が変化する。凸部１６ａ，１６ｂ間の対向する面積が増えるのに伴って磁気回路部１３の磁場が強くなり、凸部１６ａ，１６ｂ間の対向する面積が減るのに伴って磁気回路部１３の磁場が弱くなる。この変化は、磁気センサ１４により、１組のリング状ヨーク２０ａ，２０ｂの互いに対向する集磁部２２ａ，２２ｂ間の磁束密度から検出され、シャフト１に加わる捩りトルクが求められるのである。

１対の磁性リング１２ａ，１２ｂにおいて、互いに対向する端面１８ａ，１８ｂの磁束密度は、凹凸部１７ａ，１６ａ、１７ｂ，１６ｂによりリング１２ａ，１２ｂの円周方向へ周期的な変化（疎密）を生じるが、環状の磁気回路部１３（環状の磁石体２１を含む）により、１対の磁性リング１２ａ，１２ｂ間の全周で発生する磁束密度が磁気センサ１４で検出されるため、シャフト１１の回転に伴って磁気回路部１３の磁束密度が周期的に変化するのを防止しえる。その一方、凹凸部１７ａ，１６ａ、１７ｂ，１６ｂによる漏れ磁束の濃淡により、凹凸部１７ａ，１６ａ、１７ｂ，１６ｂに因る漏れ磁束の濃淡により、シャフト１１の回転に伴って磁気センサ１４の検出が周期的に増減（変化）しかねない。

この発明は、図３のトルクセンサにおいて、凹凸部１７ａ，１６ａ、１７ｂ，１６ｂに因る漏れ磁束の影響を受けてシャフト１１に加わる捩りトルクの検出に誤差が生じるのを防止する手段が備えられる。具体的には、図１のように磁束密度の検出位置が１対の磁性リング１２ａ，１２ｂの互いに対向する端面１８ａ，１８ｂ（凹凸部）間の中心Ｐからシャフト１１の軸方向へオフセットされる。１組のリング状ヨーク２０ａ，２０ｂの各々は、軸方向部分と径方向部とから断面が略Ｌ字形に形成され、環状の磁石体２１を持つ一方のリング状ヨーク２０ａの軸方向部分を長く、他方のリング状ヨーク２０ｂの軸方向部分を短く形成することにより、１組のリング状ヨーク２０ａ，２０ｂの互いに対峙する端面（集磁部２２ａ，２２ｂ）間に設定される磁束密度の検出位置が１対の磁性リングの互いに対向する端面１８ａ，１８ｂ（凹凸部）間の中心Ｐからシャフト１１の軸方向へオフセットしえるのである。

これにより、１対の磁性リング１２ａ，１２ｂの凹凸部１７ａ，１６ａ、１７ｂ，１６ｂからの漏れ磁束が磁束密度の検出位置（磁気センサ１４）に影響するのを抑えられ、シャフト１１の回転に伴って磁気センサ１４の近くを通過する漏れ磁束の濃淡による磁気センサ１４の検出の周期的な変化（検出誤差）を緩和しえることになる。このため、磁束密度の検出位置をシャフト１１に近づけることにより、シャフト１１に加わる捩りトルクの検出精度を確保しつつ、トルクセンサの小径化（磁気回路の短縮化）も可能となる。

図４は、先願例（特願２００４−２３３２２７）に係るトルクセンサを説明する参考図であり、トルクセンサは、複数の棒状の磁石３５ａ（図５、参照）からシャフト３１を中心にこれを囲う環状体に組成してシャフト３１の一端側に取り付けられる磁石体３５と、磁石体３５の軸方向からこれを挟むように配置してシャフト３１の他端側に取り付けられる１対の磁性リング３３ａ，３３ｂと、１対の磁性リング３２ａ，３２ｂと共にシャフト３１を中心とする環状の磁気回路部３３を構成する手段と、磁気回路部３３の磁束密度を検出する手段３４（磁気センサ）と、１対の磁性リング３２ａ，３２ｂと環状の磁石体３５との相対回転位置が変化するのに伴って磁気回路部３３の磁場を変化させる手段と、を備える。

環状の磁気回路部３３を構成する手段としては、１対の磁性リング３２ａ，３２ｂの外周に対向する１組のリング状ヨーク３３ａ，３３ｂが設けられる。１組のリング状ヨーク３３ａ，３３ｂの互いに対峙する端面３９ａ，３９ｂのぞれぞれに１対の集磁部４２ａ，４２ｂが突設され、これらの互いに対向する先端間に磁束密度を検出する磁気センサ３４（ホールＩＣ）が介装される。

環状の磁石体３５を構成する各磁石３５ａは、両端の磁極（Ｎ極，Ｓ極）が隣接する磁石の両端の磁極（Ｓ極、Ｎ極）と異なるように配置される（図５、参照）。磁気回路部３３の磁場を変化させる手段としては、１対の磁性リング３２ａ，３２ｂの互いに対向する端面３８ａ，３８ｂのそれぞれに凹凸部３７ａ，３６ａ、３７ｂ，３６ｂが円周方向へ等間隔かつ交互に形成される。凸部３６ａ，３６ｂの個数については、磁石体３５を構成する磁石の個数の１／２に設定される。

シャフト３１の捩れが０の中立位置においては、図５（ａ）のように１対の磁性リング３２ａ，３２ｂの互いに対向する凸部３６ａ，３６ｂの中心が磁石体３５の隣接する磁石３５ａ間の中心（Ｎ極とＳ極との境界）と一致するようになっている。この場合、磁性リング３２ａ，３２ｂの各凸部３６ａ，３６ｂを磁石体３５のＮ極とＳ極とから同数の磁力線が出入りするため、磁石体３５と磁性リング３２ａ，３２ｂとの間で磁束が閉じられ、磁気回路部３３の磁束密度は０となる。

シャフト３１が捩れると、磁石体３５とこれを挟む１対の磁性リング３２ａ，３２ｂとの間に相対回転が生じる。このため、図５（ｂ）のように各凸部３６ａ，３６ｂの中心が磁石体３５のＮ極とＳ極との境界からずれるので、１対の磁性リング３２ａ，３２ｂにおいて、互いに極性の異なる磁力線が増加することになり、１組のリング状ヨーク３３ａ，３３ｂの互いに対峙する端面（集磁部４２ａ，４２ｂ）間に磁束密度が発生する。この磁束密度を磁気センサ１４で検出することにより、シャフト３１に加わる捩りトルクが求められるのである。

１対の磁性リング３２ａ，３２ｂにおいて、互いに対向する端面３８ａ，３８ｂの磁束密度は、凹凸部３７ａ，３６ａ、３７ｂ，３６ｂによりリング３２ａ，３２ｂの円周方向へ周期的な変化（疎密）を生じるが、環状の磁気回路部３３（環状の磁石体３５を含む）により、１対の磁性リング３２ａ，３２ｂ間の全周で発生する磁束密度が磁気センサ３４で検出されるため、シャフト３１の回転に伴って磁気回路部３３の磁束密度が周期的に変化するのを防止しえる。その一方、凹凸部３７ａ，３６ａ、３７ｂ，３６ｂに因る漏れ磁束の濃淡により、シャフト３１の回転に伴って磁気センサ３４の検出が周期的に増減（変化）しかねない。

この発明は、図４のトルクセンサにおいて、凹凸部３７ａ，３６ａ、３７ｂ，３６ｂに因る漏れ磁束の影響を受けてシャフト３１に加わる捩りトルクの検出に誤差が生じるのを防止する手段が備えられる。具体的には、図２のように磁束密度の検出位置が１対の磁性リング３２ａ，３２ｂの互いに対向する端面３８ａ，３８ｂ（凹凸部）間の中心Ｐからシャフト３１の軸方向へオフセットされる。１組のリング状ヨーク３３ａ，３３ｂの各々は、軸方向部分と径方向部とから断面が略Ｌ字形に形成され、一方のリング状ヨーク３３ａの軸方向部分を長く、他方のリング状ヨーク３３ｂの軸方向部分を短く形成することにより、１組のリング状ヨーク３３ａ，３３ｂの互いに対峙する端面（集磁部４２ａ，４２ｂ）間に設定される磁束密度の検出位置が１対の磁性リング３２ａ，３２ｂの互いに対向する端面３８ａ，３８ｂ（凹凸部）間の中心Ｐからシャフト３１の軸方向へオフセットしえるのである。

これにより、１対の磁性リング３２ａ，３２ｂの凹凸部３７ａ，３６ａ、３７ｂ，３６ｂからの漏れ磁束が磁束密度の検出位置（磁気センサ３４）に影響するのを抑えられ、シャフト３１の回転に伴って磁気センサ３４の近くを通過する漏れ磁束の濃淡による磁気センサ３４の検出の周期的な変化（検出誤差）を緩和しえることになる。このため、磁束密度の検出位置をシャフト３１に近づけることにより、シャフト３１に加わる捩りトルクの検出精度を確保しつつ、トルクセンサの小径化（磁気回路の短縮化）も可能となる。

１対の磁性リング３２ａ，３２ｂの間にシャフト３１の軸方向から挟まれる環状の磁石体３５についても、シャフト３２の回転に伴って回転するので、磁気センサ３４に影響する漏れ磁束の濃淡を生じる要因と考えられるが、磁束密度の検出位置と１対の磁性リング３２ａ，３２ｂの互いに対向する端面３８ａ，３８ｂ（凹凸部）間の中心Ｐとのオフセットにより、磁束密度の検出位置が１対の磁性リング３２ａ，３２ｂの互いに対向する端面３８ａ，３８ｂ間に挟まれる磁石体３５からシャフト３１の軸方向へ大きく離されるため、磁石体３５の漏れ磁束が磁気センサ３４に影響するのも抑えられるのである。

以上のとおり、図３または図４のトルクセンサにおいては、１対の磁性リング１２ａ，１２ｂまたは３２ａ，３２ｂの外周に環状の磁気回路部１３または３３を構成すると共に磁束密度の検出位置を１対の磁性リング１２ａ，１２ｂまたは３２ａ，３２ｂの互いに対向する端面間の中心Ｐからオフセットするにより、磁気回路部１３または３３の磁束密度（シャフトの捩りトルク）の検出精度を飛躍的に高めることができる。

この発明に係る構成（磁束密度の検出位置を１対の磁性リングの互いに対向する端面間の中心からシャフトの軸方向へオフセットする）については、磁気回路部の磁場を変化させる手段として１対の磁性リングのそれぞれにその円周方向へ等間隔かつ交互に形成される凹凸部を備えるトルクセンサに広く適用可能となる。

この発明の実施形態に係るトルクセンサの平面図である。同じく別の実施形態に係るトルクセンサの平面図である。この発明の実施形態を説明するトルクセンサの一部断面斜視図（参考図）である。この発明の実施形態を説明するトルクセンサの軸方向断面図（参考図）である。図４のトルクセンサに係る作用説明図（参考図）である。従来技術を説明するトルクセンサの斜視構成図である。

符号の説明

１１、３１シャフト
１２ａ，１２ｂ、３２ａ，３２ｂ１対の磁性リング
１３，３３磁気回路部
１４、３４磁気センサ
１７ａ，１６ａ、１７ｂ，１６ｂ、３７ａ，３６ａ、３７ｂ，３６ｂ凹凸部
２０ａ，２０ｂ，３３ａ，３３ｂ１組のリング状ヨーク
２１、３５環状の磁石体
２２ａ，２２ｂ、４２ａ，４２ｂ集磁部

Claims

シャフトの捩りに伴って相対回転位置が変化する１対の磁性リングと、１対の磁性リングと共にシャフトを中心とする環状の磁気回路部を構成する手段と、磁気回路部の磁束密度を検出する手段と、１対の磁性リングの相対回転位置が変化するのに伴って磁気回路部の磁場を変化させる手段として１対の磁性リングの互いに対向する端面のぞれぞれに円周方向へ等間隔かつ交互に形成される凹凸部と、を備えるトルクセンサにおいて、磁束密度の検出位置を１対の磁性リングの互いに対向する端面間の中心からシャフトの軸方向へオフセットしたことを特徴とするトルクセンサ。
環状の磁気回路部を構成する手段は、１対の磁性リングの外周に対向する１組のリング状ヨークと、これらのリング状ヨークの一方に磁気回路部の一部を構成する具合に配置される環状の磁石体と、を備えてなり、１組のリング状ヨークの互いに対峙する端面間に磁束密度を検出する手段を介装したことを特徴とする請求項１に記載のトルクセンサ。
複数の棒状の磁石からシャフトを中心にこれを囲う環状体に構成してシャフトの一端側に取り付けられる磁石体と、磁石体の軸方向からこれを挟むように配置してシャフトの他端側に取り付けられる１対の磁性リングと、１対の磁性リングと共にシャフトを中心とする環状の磁気回路部を構成する手段と、磁気回路部の磁束密度を検出する手段と、１対の磁性リングと環状の磁石体との相対回転位置が変化するのに伴って磁気回路部の磁場を変化させる手段として１対の磁性リングの互いに対向する端面のぞれぞれに円周方向へ等間隔かつ交互に形成される凹凸部と、を備えるトルクセンサにおいて、磁束密度の検出位置を１対の磁性リングの互いに対向する端面間の中心からシャフトの軸方向へオフセットしたことを特徴とするトルクセンサ。
環状の磁気回路部を構成する手段は、１対の磁性リングの外周に対向する１組のリング状ヨークを備えてなり、１組のリング状ヨークの互いに対峙する端面間に磁束密度を検出する手段を介装したことを特徴とする請求項３に記載のトルクセンサ。
１組のリング状ヨークの各々については、軸方向部分と径方向部とから断面が略Ｌ字形に形成され、一方のリング状ヨークの軸方向部分を他方のリング状ヨークの軸方向部分よりも長く形成することにより、１組のリング状ヨークの互いに対峙する端面間に設定される磁束密度の検出位置を１対の磁性リングの互いに対向する端面間の中心からシャフトの軸方向へオフセットしたことを特徴とする請求項２または請求項４に記載のトルクセンサ。