JP2006234724A - 回転角およびトルク検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】一対の着磁を施したリング状磁石と歯車機構を用いて高精度で高信頼性な回転角およびトルク検出装置を提供することを目的とする。
【解決手段】トーションバー２２を有する軸の一方に固定された第一の回転軸１と、この外周面に固定した複数の磁極をもつ第一のリング状磁石４と、第一の回転軸１と同軸上に配置され、トーションバー２２を有する軸の他方に固定された第二の回転軸５と、この外周面に固定した複数の磁極をもつ第二のリング状磁石４ａと、軸に設けた第一の歯車９と、この第一の歯車９に噛合って配置された第二の歯車１０と、第一および第二のリング状磁石４，４ａの磁極に対向して配置された第一および第二の磁気検出素子７ａ，７ｂと、回転磁石１１の磁界に対向して配置された第三の磁気検出素子１２からなる簡単な構成で、軸の絶対角検出とトルク検出を高精度に信頼性高く検出するものである。
【選択図】図１

Description

本発明は、自動車のパワーステアリング等に用いられる回転角およびトルク検出装置に関するものである。

従来、回転角およびトルクを検出する方式として、例えば、図７に示されたような方式が知られている。図７において、ターゲット１００，１０１は回転角を検出したい軸１０２，１０３にそれぞれ独立して回転自在に取り付けられている。これらのターゲット１００，１０１は磁気センサ１０４ａ，１０４ｂ，１０５ａ，１０５ｂに対向して配置されており、このターゲット１００，１０１の回転変位を磁気センサ１０４ａ，１０４ｂ，１０５ａ，１０５ｂで検出することで軸１０２，１０３の回転角を検出する。また、この軸間にトルクが作用して軸１０２と軸１０３との間に相対的な回転角差が生じたときは、上下の２つのターゲット１００，１０１の相対回転角を比較することにより、作用したトルクの量を検出することができる。

なお、この出願の発明に関する先行技術文献情報としては、例えば、特許文献１が知られている。
特開２００３−９８０１８号公報

しかしながら、このように構成された回転角およびトルク検出装置においては、ターゲット１００，１０１が１回転すると磁気センサ１０４ａ，１０４ｂ，１０５ａ，１０５ｂに対して同じ出力を発生するため、１回転以上の回転角の検出は困難であった。

また、強磁性体で構成されたターゲット１００，１０１は、その材料バラツキや寸法精度のバラツキが検出精度に影響を与えるため高精度な部品加工が必要であり、さらに磁気センサ１０４ａ，１０４ｂ，１０５ａ，１０５ｂにはバイアス用の磁石が必要になるといった課題があった。本発明は、上記のような課題を解決するもので、一対の着磁を施したリング状磁石と歯車機構を用いて高精度で高信頼性な回転角およびトルク検出装置を提供することを目的としたものである。

本発明に関わる回転角およびトルク検出装置は、ハウジングと、このハウジングに設けた軸受によって外周面を回転自在に保持され、トーションバーを有する軸の一方に固定されたパイプ状の第一の回転軸と、この第一の回転軸の外周面に固定した複数の磁極をもつ第一のリング状磁石と、前記第一の回転軸と同軸上に配置され、前記第一の回転軸とは別体に軸受でハウジングの他端に回転自在に保持され、前記トーションバーを有する軸の他方に固定されたパイプ状の第二の回転軸と、この第二の回転軸の外周面に固定した複数の磁極をもつ第二のリング状磁石と、前記第一または第二の回転軸の少なくとも一方に設けた第一の歯車と、この第一の歯車に噛合って配置され、その端面に回転磁石を備えた第二の歯車と、前記第一および第二のリング状磁石の磁極に対向して配置された第一および第二の磁気検出素子と、前記回転磁石の磁界に対向して配置された第三の磁気検出素子とで構成した回転角およびトルク検出装置であり、回転軸に設けられた一対のリング状磁石が形成する磁界をこれに相対向して配置された一対の磁気検出素子でそれぞれ検出することにより、軸の回転角を検出するとともに、軸の相対的な変位量から軸に作用するトルクを検出することができる。更に、回転軸に設けられた歯車で軸の回転を減速して回転磁石に伝達し、これを第三の磁気検出素子で検出することで、１回転以上の多回転の場合にも絶対的な回転角を検出することができる。またリング状の磁石を用いることで均一な磁界が得られることにより、検出精度を向上することができる。

本発明の回転角およびルトク検出装置は、簡素なリング状磁石と歯車を用いた簡潔な構造で、軸の絶対角検出とトルク検出を高精度に信頼性高く検出できるという効果を奏するものである。

以下、本発明の実施の形態について、図面にしたがって詳細に説明する。

図１、図２は本発明の実施の形態における回転角およびトルク検出装置を示す断面図であり、図１（ａ）は正面断面図、図１（ｂ）は左側面断面図、図１（ｃ）は図１（ａ）のＸ−Ｙ断面図、また図２は右側面断面図、図３はリング状の磁石と磁気検出素子の関係を示す説明図である。

図１、図２、図３において、非磁性の金属または樹脂材料で形成された中空パイプ状の第一の回転軸１は、アルミダイキャスト等で形成されたハウジング２に固定された軸受３ａの内周面で回転自在に保持されている。この第一の回転軸１には段差が設けられており、この段差には半径方向に着磁された複数の磁極を備えた第一のリング状の磁石４が、接着・貼り付け・その他の手段で固定されている。また、この第一の回転軸１と同軸上に、中空パイプ状に形成された第二の回転軸５が、ハウジング２の他端に固定された軸受３ｂによって回転自在に保持されている。この第二の回転軸５には上記の第一の回転軸１と同様に段差が設けられ、第一のリング状磁石と同様に着磁された第二のリング状磁石４ａが設けられている。第一の回転軸１と第二の回転軸５は各々独立に回転が可能であり、これらの回転軸の中に車両側のトーションバー２２が貫通挿入されている。

第一の回転軸１はその内部に挿入されたトーションバー２２の入力軸側とビス６ａによって連結固定され、第二の回転軸５はトーションバー２２の他端の出力軸側とビス６ｂによって連結される。図３に示すように、第一のリング状磁石４および第二のリング状磁石４ａの半径方向（磁界方向）には、ＭＲ素子等からなる第一および第二の磁気検出素子７ａ，７ｂがそれぞれのリング状磁石４、４ａの磁界に対向した位置になるようにプリント基板８上に配置され、このプリント基板８はハウジング２上にビス６ｃにより固定されている。さらに第二の回転軸５の軸方向の下部には、第一の歯車９がビス６ｄにより固定されている。この第一の歯車９は、トーションバー２２の最大回転数により決まる所定の減速比に設定された第二の歯車１０と噛合っており、第二の歯車１０の端面には回転磁石１１が備えられている。この回転磁石１１と対向する位置には第三の磁気検出素子１２が配置されており、この第三の磁気検出素子１２を備えたサブプリント基板１３がハウジング２上に固定されている。これらの各部品は、上ケースと１４と下ケース１５によって収納されている。

以上のように構成された回転角およびトルク検出装置における動作を次に説明する。

車両側のトーションバー２２が回転すると、これに固定された第一の回転軸１が回転するので、この第一の回転軸１に固定された第一のリング状磁石４の磁界が、トーションバー２２の回転角に応じて変化する。この磁界変化を第一の磁気検出素子７ａで検出することで、トーションバー２２の回転角ひいてはステアリングの回転角を検出することができる。さらに、トーションバー２２にトルクが加わった場合には、第一の磁気検出素子７ａで検出される回転角と、第二の磁気検出素子７ｂで検出される回転角の差がトーションバー２２の捩れ角度に比例するので、これから加わっているトルクを検出することができる。また、トーションバー２２の回転は、第一の歯車９によって所定の減速比で減速されて第二の歯車１０に伝達されるので、トーションバー２２が一回転以上の多回転するような場合でも、第二の歯車１０に設けられた回転磁石１１は１回転以内の回転数に設定することができ、第三の磁気検出素子１２でトーションバー２２の複数回の絶対回転角が検出できることになる。したがって、本構成によれば簡単な構造でトーションバー２２のトルクと回転の絶対角度の両者を検出することができる。

また、リング状磁石は図３のように着磁されているので、均一な磁界が形成され、装置の精度の向上も期待できる。

ここで、トーションバー２２は一般に４回から６回程度回転するが、図１（ａ）〜図１（ｃ）に示すように、第一の歯車９と第二の歯車１０で構成される減速歯車列をウオーム歯車とピニオン歯車で構成することで、小型で減速比の大きい歯車構成を実現できるので、平歯車や遊星歯車を用いた場合に比べ装置全体をコンパクトで簡潔な構造とすることができる。

また、各リング状磁石の各回転軸への取り付けは、一般には接着・貼り付け等の手段が用いられるが、精度の確保と生産工数の面で課題となることがある。そこで図４に示すように、これらの回転軸１，５を樹脂材料で形成し、これを樹脂成形する際に、リング状磁石４，４ａを同時にインサート成形することにより、リング状磁石４，４ａの取り付け精度を確保し、組立工数と部品点数の削減を図ることができる。

さらに、図５に示すように第一の歯車９であるウオーム歯車をＰＯＭのような弾性を有した樹脂成形で作製し、この歯車が第二の回転軸５と嵌合する円筒面に突起部１６を設けて、この突起部１６を第二の回転軸５に設けた凹部１７を弾性嵌合させることによって、第一の歯車９を簡単で確実に第二の回転軸５に固定する構成とすることもできる。

また図６に示すように、第一の回転軸１および第二の回転軸５を樹脂材料で形成し、これらの回転軸の段差部に複数の係止爪１８を設けて、リング状磁石４，４ａをこの係止爪１８で固定するような構成とすることもできる。この場合、リング状磁石４，４ａの接着・貼り付けといった煩雑な工程が省けるので工数を削減することができる。

第一の歯車９に上記のようなウオーム減速機構を用いた場合には、回転により第二の歯車１０であるピニオン歯車の軸方向に推力が生じる。この推力による噛合いのズレが発生すると歯車の回転精度が低下する。そこで、第二の歯車１０の軸に溝部１９を設け、これにハウジング２に固定した板ばね２０の略Ｕ字状の切欠き２１を嵌合させることで、軸方向に常時弾性力を発生させ噛合い歯面同士を常に当接させることで、多回転検出の場合の第三の磁気検出素子１２の回転検出精度を向上させることができる。

以上の説明では、リング状磁石として半径方向に着磁したものを用いて半径方向に磁気検出素子を配置した構成としたが、装置の外形制約等の条件から、着磁をリング状磁石の厚み方向としてそれに対応する位置に磁気検出素子を配置しても同様の効果が得られることはいうまでもない。

本発明の回転角およびルトク検出装置は、簡素なリング状磁石と歯車を用いた簡潔な構造で、軸の絶対角検出とトルク検出を高精度に信頼性高く検出できるという効果を奏し、自動車のパワーステアリング等に有用である。

（ａ）本発明の実施の形態における正面断面図、（ｂ）同左側面断面図、（ｃ）同（ａ）のＸ−Ｙ断面図 本発明の実施の形態における右側面断面図 （ａ）本発明の実施の形態におけるリング状磁石の正面図、（ｂ）同断面図 回転軸とリング状磁石の他の実施の形態を示す断面図 回転軸の他の実施の形態を示す断面図 回転軸の他の実施の形態を示す断面図 従来例の説明図

符号の説明

１ 第一の回転軸
２ ハウジング
３ａ，３ｂ 軸受
４ 第一のリング状磁石
４ａ 第二のリング状磁石
５ 第二の回転軸
６ａ，６ｂ，６ｃ，６ｄ ビス
７ａ 第一の磁気検出素子
７ｂ 第二の磁気検出素子
８ プリント基板
９ 第一の歯車
１０ 第二の歯車
１１ 回転磁石
１２ 第三の磁気検出素子
１３ サブプリント基板
１４ 上ケース
１５ 下ケース
１６ 突起部
１７ 凹部
１８ 係止爪
１９ 溝部
２０ 板ばね
２１ Ｕ字状切欠き
２２ トーションバー
１００，１０１ ターゲット

Claims (6)

1. ハウジングと、このハウジングに設けた軸受によって外周面を回転自在に保持され、トーションバーを有する軸の一方に固定されたパイプ状の第一の回転軸と、この第一の回転軸の外周面に固定した複数の磁極をもつ第一のリング状磁石と、前記第一の回転軸と同軸上に配置され、前記第一の回転軸とは別体に軸受でハウジングの他端に回転自在に保持され、前記トーションバーを有する軸の他方に固定されたパイプ状の第二の回転軸と、この第二の回転軸の外周面に固定した複数の磁極をもつ第二のリング状磁石と、前記第一または第二の回転軸の少なくとも一方に設けた第一の歯車と、この第一の歯車に噛合って配置され、その端面に回転磁石を備えた第二の歯車と、前記第一および第二のリング状磁石の磁極に対向して配置された第一および第二の磁気検出素子と、前記回転磁石の磁界に対向して配置された第三の磁気検出素子とで構成した回転角およびトルク検出装置。
2. 第一の歯車をウオーム歯車で形成した請求項１に記載の回転角およびトルク検出装置。
3. 第一および第二の回転軸を樹脂材料で形成し、第一および第二のリング状磁石をこれらの回転軸と一体にインサート成形により構成した請求項１に記載の回転角およびトルク検出装置。
4. 第一の歯車に突起部を設け、第一または第二の回転軸の外周円筒面に設けた凹部に、前記突起部を弾性嵌合させて固定した請求項１に記載の回転角およびトルク検出装置。
5. 第一および第二の回転軸の一部に係止爪を備え、第一または第二のリング状磁石を前記係止爪で固定した請求項１に記載の回転角およびトルク検出装置。
6. ウオーム歯車の軸に設けた溝部に略Ｕ字状の切欠きをもつ板ばねを弾性嵌合した請求項２に記載の回転角およびトルク検出装置。

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