JP2007024694A - トルクセンサ - Google Patents

Abstract

【課題】 加工・組立コストの低廉化を図ることができるとともに、センサ全体の良好な組立性を得ることができるトルクセンサを提供する。
【解決手段】 トルク検出対象としての軸体２を構成する２つの軸部３，４（入力軸３と出力軸４）を同軸上で連結する弾性体５の捩れ角度を検出することにより、軸体２に作用するトルクを検出するトルクセンサ１において、磁束を周囲に発生する硬磁性体６と、弾性体５の捩れによって磁気抵抗を変化させる第１磁気回路Ｈ１を硬磁性体６と共に形成するための１対の第１軟磁性体７，８と、磁気抵抗を一定とする第２磁気回路Ｈ２を硬磁性体６と共に形成するための１対の第２軟磁性体９，１０と、弾性体５の捩れ角度に応じて変化する第２磁気回路Ｈ２の磁束密度を検出する磁束検出手段１２とを備えた。
【選択図】 図１

Description

本発明は、例えば電動パワーステアリング装置等の回転動力を伝達する機構における軸トルクを検出するトルクセンサに関する。

従来、この種のトルクセンサには、軸体を構成する２つの軸部（入出軸と出力軸）を同軸上で連結する弾性体（トーションバー）と、この弾性体の両端部のうち一端部に取り付けられる硬磁性体（磁石）と、他端部に取り付けられる１対の歯付き軟磁性体（ヨーク）と、これら１対の軟磁性体間に生じる磁束密度を検出する磁気センサとを備えたものが提案されている（例えば特許文献１，２）。

このようなトルクセンサにおける軸体トルクの検出は、弾性体に捩れが生じると、硬磁性体の磁極位置と軟磁性体の歯位置とが周方向に相対的に変化し、これに伴い軟磁性体に誘導される磁束量が変化するため、この変化量を測定することにより行われる。
特開２００３−１４９０６２号公報（図１） 特表２００４−５１９６７２号公報（図９）

ところで、トルクセンサにおいては、センサ外形寸法上の制約から、磁石の大きさは制限される。また、弾性体の捩れに対するトルク検出精度を高めるために、磁極数の多い磁石が用いられることから、磁石の磁極幅が小さくなる。

このため、従来（特許文献１，２）に示すトルクセンサによると、磁石と軟磁性体との間の寸法精度には特に厳密性が要求される。これは、磁石と軟磁性体との間の寸法にばらつきがあると、検出誤差が生じ易くなり、品質上の信頼性が低下してしまうからである。このことは、磁石の直径及び磁極幅が小さくなればなる程顕著である。この結果、磁石や軟磁性体の加工・組立精度が高くなり、加工・組立に多大の時間を費やすばかりか、加工・組立コストが嵩むという問題があった。

また、特許文献１，２に示すトルクセンサによると、円周方向での磁極変化があるため、磁気ヨークの組立が困難のものとなり、センサ全体の良好な組立性を得ることができないという問題もあった。

従って、本発明の目的は、加工・組立コストの低廉化を図ることができるとともに、センサ全体の良好な組立性を得ることができるトルクセンサを提供することにある。

（１）本発明は、上記目的を達成するために、トルク検出対象としての軸体を構成する２つの軸部を同軸上で連結する弾性体の捩れ角度を検出することにより、前記軸体に作用するトルクを検出するトルクセンサにおいて、磁束を周囲に発生する硬磁性体と、前記弾性体の捩れによって磁気抵抗を変化させる第１磁気回路を前記硬磁性体と共に形成するための１対の第１軟磁性体と、磁気抵抗を一定とする第２磁気回路を前記硬磁性体と共に形成するための１対の第２軟磁性体と、前記弾性体の捩れ角度に応じて変化する前記第２磁気回路の磁束密度を検出する磁束検出手段とを備えたことを特徴とするトルクセンサを提供する。

（２）本発明は、上記目的を達成するために、トルク検出対象としての軸体を構成する２つの軸部を同軸上で連結する弾性体の捩れ角度を検出することにより、前記軸体に作用するトルクを検出するトルクセンサにおいて、前記２つの軸部のうちいずれか一方の軸部に固着され、Ｎ極及びＳ極が軸方向に着磁してなる硬磁性円筒体と、前記硬磁性円筒体の周囲に軸方向に並列して配設され、かつ前記２つの軸部にそれぞれ固着され、前記弾性体の捩れによってそれぞれが周方向に相対的に変位して磁気抵抗を変化させる第１磁気回路を前記硬磁性円筒体と共に形成するための１対の第１軟磁性円筒体と、前記１対の第１軟磁性円筒体の周囲に軸方向に並列して配設され、磁気抵抗を一定とする第２磁気回路を前記硬磁性円筒体と共に形成するための１対の第２軟磁性円筒体と、前記１対の第２軟磁性円筒体間に配設され、前記弾性体の捩れ角度に応じて変化する前記第２磁気回路の磁束密度を検出する磁束検出手段とを備えたことを特徴とするトルクセンサを提供する。

本発明によると、加工・組立コストの低廉化を図ることができるとともに、センサ全体の良好な組立性を得ることができる。

[実施の形態]
図１は、本発明の実施の形態に係るトルクセンサを説明するために示す断面図である。図２は、本発明の実施の形態に係るトルクセンサを説明するために示す分解斜視図である。図３は、本発明の実施の形態に係るトルクセンサの磁気回路を説明するために示す斜視図である。

〔トルクセンサの全体構成〕
図１及び図２において、符号１で示すトルクセンサは、トルク検出対象としての軸体２を構成する２つの軸部３，４（入力軸３と出力軸４）を同軸上で連結する弾性体５と、磁束を周囲に発生する硬磁性体６と、弾性体５の捩れによって磁気抵抗を変化させる第１磁気回路Ｈ１（図３に示す）を硬磁性体６と共に形成するための１対の第１軟磁性体７，８と、磁気抵抗を一定とする第２磁気回路Ｈ２（図３に示す）を硬磁性体６と共に形成するための１対の第２軟磁性体９，１０と、第１磁気回路Ｈ１及び第２磁気回路Ｈ２における磁力低下を防止するための第３軟磁性体１１と、弾性体５の捩れ角度に応じて変化する第２磁気回路Ｈ２の磁束密度を検出する磁束検出手段１２とを備えている。そして、弾性体５の捩れ角度を検出することにより、軸体２（入力軸３と出力軸４との間）に作用するトルクを検出するように構成されている。

（弾性体５の構成）
弾性体５は、図１に示すように、入力軸３を挿通するトーションバーからなり、両端部がピン（図示せず）等によってそれぞれ入力軸３と出力軸４に固定されている。そして、前述したように入力軸３と出力軸４とを同軸上で連結するように構成されている。

（硬磁性体６の構成）
硬磁性体６は、図１〜図３に示すように、Ｎ極及びＳ極が軸方向に着磁してなる無底円筒状の磁石からなり、第１軟磁性体７と第３軟磁性体１１との間に配設され、かつ入力軸３の外周面に固着されている。なお、硬磁性体６については、同種の磁石を複数個用意し、これらを選択的に用いると、長寿命化を図ることができる。この場合、異種の磁石を選択的に用いると、各磁石の減磁特性を補完してセンサの温度特性を改善することができる。

（第１軟磁性体７，８の構成）
第１軟磁性体７，８は、図１〜図３に示すように、無底円筒状の磁気ヨークからなり、硬磁性体６の外周囲に軸方向に互いに並列して配設され、かつ入力軸３及び出力軸４にそれぞれ固着されている。そして、弾性体５の捩れによってそれぞれが周方向に相対的に変位して磁気抵抗を変化させる第１磁気回路Ｈ１を硬磁性体６及び第３磁性体１１と共に形成するように構成されている。

第１軟磁性体７は、図２に示すように、下方に突出する複数の突子１３Ａからなる突子群１３を有し、磁気ヨーク形成用の孔付き円筒体（図示せず）の下端部を周方向に間欠的に切り欠くことにより形成されている。複数の突子１３Ａは、正面矩形状の凸片からなり、第１軟磁性体７の周方向に等間隔をもって並列する位置に配置されている。突子１３Ａの先端面（自由端面）は、内外２つの曲線及び左右２つの直線によって囲まれた平面形状を有し、軸体２（第１軟磁性体７の軸線）に直角な扁平面で形成されている。

第１軟磁性体８は、図２に示すように、上方に突出する複数の突子１４Ａからなる突子群１４を有し、磁気ヨーク形成用の孔付き円筒体（図示せず）の上端部を周方向に間欠的に切り欠くことにより形成されている。複数の突子１４Ａは、正面矩形状の凸片からなり、第１軟磁性体８の周方向に等間隔をもって並列する位置に配置されている。突子１４Ａの先端面（自由端面）は、突子１３Ａの先端面形状と同一の平面形状を有し、突子１３Ａの先端面と空隙Ｇ１（図１に示す）を介して対向し、かつ軸体２（第１軟磁性体８の軸線）に直角な扁平面で形成されている。

（第２軟磁性体９，１０の構成）
第２軟磁性体９，１０は、図１〜図３に示すように、無底円筒状の磁気ヨークからなり、第１軟磁性体７，８の外周囲に軸方向に互いに並列して配設され、かつ図示しない固定系に配設されている。そして、磁気抵抗を一定とする第２磁気回路Ｈ２を硬磁性体６及び第３軟磁性体１１と共に形成するように構成されている。

第２軟磁性体９は、図２に示すように、第１軟磁性体７の外周囲に空隙Ｇ２（図１に示す）を介して配置されている。第２の軟磁性体９の外周面には、その軸方向（下方）に突出する垂直部１５Ａ及びこの垂直部１５Ａと直角な方向（第２軟磁性体９の径方向）に突出する水平部１５Ｂからなる鉤形状の延在片１５が一体に設けられている。

第２軟磁性体１０は、図２に示すように、第１軟磁性体８の外周囲に空隙Ｇ３（図１に示し、Ｇ３＝Ｇ２）を介して配置されている。第２軟磁性体１０の外周面には、第２軟磁性体９の延在片１５と空隙Ｇ４をもって対向し、かつその軸方向（上方）に突出する垂直部１６Ｂ及びこの垂直部１６Ｂと直角な方向（第２軟磁性体１０の径方向）に突出する水平部１６Ａからなる鉤形状の延在片１６が一体に設けられている。

（第３軟磁性体１１の構成）
第３軟磁性体１１は、図１〜図３に示すように、両端部にそれぞれフランジ１１Ａ，１１Ｂを有する無底円筒状の磁気ヨークからなり、第１軟磁性体７，８の内周囲に配設され、かつ硬磁性体６の下端面に固着されている。第３軟磁性体１１のフランジ１１Ｂと第２軟磁性体１０の内面との間には空隙Ｇ５が形成されている。本実施の形態では、第３軟磁性体１１を硬磁性体６と第１軟磁性体８との間に配設したが、硬磁性体６と第１軟磁性体７との間に配設してもよい。なお、第３軟磁性体１１は、硬磁性体６と第１軟磁性体８との間に形成される空隙が磁気抵抗を大きく（長期的に見て磁力低下）しないような寸法であれば不要である。

（磁束検出手段１２の構成）
磁束検出手段１２は、図１及び図３に示すように、非接触型の磁束検出器からなり、第２軟磁性体９，１０の延在片１５，１６間（空隙Ｇ４内）に配設され、弾性体５の捩れ角度に応じて変化する第２磁気回路Ｈ２の磁束密度を検出するように構成されている。

次に、本発明の実施の形態に係るトルクセンサの動作につき、図１及び図３・図４を用いて説明する。

〔トルクセンサ１の動作〕
図４は、本発明の実施の形態に係るトルクセンサの動作を説明するために示す斜視図である。図４（ａ）は、弾性体の捩れ変形前のトルクセンサを示す斜視図である。図４（ｂ）は、弾性体の捩れ変形後のトルクセンサを示す斜視図である。

本実施の形態に示すトルクセンサ１においては、図１及び図３に示すように、硬磁性体６（Ｎ極）−第１軟磁性体７−空隙Ｇ１−第１軟磁性体８−空隙Ｇ５−第３軟磁性体１１−硬磁性体６（Ｓ極）からなる第１磁気回路Ｈ１が、また硬磁性体６（Ｎ極）−第１軟磁性体７−空隙Ｇ２−第２軟磁性体９−空隙Ｇ４−第２軟磁性体１０−空隙Ｇ３−第１軟磁性体８−空隙Ｇ５−第３軟磁性体１１−硬磁性体６（Ｓ極）からなる第２磁気回路Ｈ２がそれぞれ形成されている。なお、本実施の形態では、硬磁性体６のＮ極から出る磁束のうち磁気回路Ｈ１，Ｈ２を経由せずにＳ極に戻る磁束は無視できる程小さい。

ここで、軸体２（入力軸３）にトルクが作用して弾性体５に捩れが生じると、この捩れ角度に応じて第１軟磁性体７が図４（ａ）に示す位置から周方向に変位して図４（ｂ）に示す位置に配置される。

この場合、第１軟磁性体７が変位すると、突子１３Ａと突子１４Ａとが周方向に相対的にずれ、その各先端面の対向面積が互いに減少する。このため、第１軟磁性体７，８間（第１磁気回路Ｈ１内）の磁気抵抗が大きくなり、第１磁気回路Ｈ１を流れる磁束が少なくなる。これに対し、第２軟磁性体９，１０間（第２磁気回路Ｈ２内）の磁気抵抗が軸体２に作用するトルクの有無に関係なく一定であるため、第２磁気回路Ｈ２を流れる磁束が多くなる。

一方、突子１３Ａと突子１４Ａとが周方向に相対的にずれ、その各先端面の対向面積が互いに増加すると、第１軟磁性体７，８間（第１磁気回路Ｈ１内）の磁気抵抗が小さくなり、第１磁気回路Ｈ１を流れる磁束が多くなる。また、第２磁気回路Ｈ２を流れる磁束が少なくなる。

このようにして、弾性体５に生じた捩れ量（捩れ角度）は第２磁気回路Ｈ２を流れる磁束の変化量として検出することができ、この検出量をトルク検出量として磁束検出手段１２によって求めることができる。

[実施の形態の効果]
以上説明した第１の実施の形態によれば、次に示す効果が得られる。

（１）弾性体５の捩れによって硬磁性体６と第２軟磁性体磁石９，１０との間に相対的な位置変化がないため、硬磁性体６と第２軟磁性体９，１０との間の寸法精度には厳密性が要求されることはない。これにより、硬磁性体６や第２軟磁性体９，１０を含む構成部品の加工・組立精度を緩和することができ、加工・組立時間を短縮することができるとともに、加工・組立コストの低廉化を図ることができる。

（２）円周方向での磁極変化がないため、磁気ヨークの組立作業を簡単に行うことができ、センサ全体の良好な組立性を得ることができる。

以上、本発明のトルクセンサを上記の実施の形態に基づいて説明したが、本発明は上記の実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々の態様において実施することが可能であり、例えば次に示すような変形も可能である。

（１）本実施の形態では、突子１３Ａ，１４Ａの正面形状が矩形である場合について説明したが、本発明はこれに限定されず、図５に示すような略鋸歯形であってもよい。この場合、正面略鋸歯形状の突子１３Ａ，１４Ａは、正面矩形状の突子にその自由端縁の周方向端部を切り欠いて傾斜面５１，５２を設けることにより形成することが可能である。これにより、両傾斜面５１，５２間に形成される空隙寸法が大きくなり、それだけ磁気抵抗が大きくなる。このため、磁束検出手段１２による検出磁束が両傾斜面５１，５２間で弾性体５の捩れ変位に対して大きく変化して感度の高いトルクセンサを得ることができる。

（２）本実施の形態では、突子１３Ａ，１４Ａの断面形状が矩形である場合について説明したが、本発明はこれに限定されず、図６に示すような略楔形であってもよい。この場合、断面略楔形状の突子１３Ａ，１４Ａは、断面矩形状の突子にその自由端縁の径方向端部を切り欠いて傾斜面を設けることにより形成することが可能である。これにより、突子１３Ａ，１４Ａの対向面積を大きい面積とすることができ、同一の対向面積を確保する場合には第１軟磁性体７，８の径方向寸法を短縮することができ、センサ全体の小型化を図ることができる。

（３）本実施の形態では、突子１３Ａ，１４Ａの先端面形状が左右対称な形状ある場合について説明したが、本発明はこれに限定されず、図７（ａ）及び（ｂ）に示すように左右非対象な先端面形状をもつ突子１３Ａ，１４Ａであってもよい。すなわち要するに、本発明における突子１３Ａ，１４Ａの先端面形状は、弾性体５の捩れ角度に応じて先端面の対向面積変化量を変化させるような形状であってもよい。これにより、突子１３Ａ，１４Ａ（先端面）の面積変化が弾性体５の捩れ変位に対して大きく変化して感度の高いトルクセンサを得ることができる。

（４）本実施の形態では、突子１３Ａ，１４Ａの先端面が互いに対向する場合について説明したが、本発明はこれに限定されず、図８に示すように突子１３Ａの内面又は外面が突子１４Ａの外面又は内面に対向するものであってもよい。この場合、図９に示すように突子１３Ａの内面には段部Ｄ１が、また突子１４Ａの外面には段部Ｄ２がそれぞれ設けられているものでもよい。これにより、突子１３Ａ，１４Ａの対向面積を大きい面積とすることができ、同一の対向面積を確保する場合には第１軟磁性体７，８の径方向寸法を短縮することができ、センサ全体の小型化を図ることができる。

（５）本実施の形態では、突子１３Ａ，１４Ａがそれぞれ第１軟磁性体７，８の周方向に等間隔をもって並列する場合について説明したが、本発明はこれに限定されず、図１０に示すように突子群１３，１４の突子１３Ａ，１４Ａ（突子群１３及び突子１３Ａのみ図示）のうち互いに隣り合う２つの突子間寸法を周方向に沿って異なる寸法に設定してもよい。これにより、弾性体５の捩れ角度に応じて感度の異なるトルクセンサを得ることができる。

（６）本実施の形態では、磁束検出器が非接触型である場合について説明したが、本発明はこれに限定されず、接触型であってもよい。

（７）本実施の形態では、磁束検出手段１２が単一の磁束検出器からなる場合について説明したが、本発明はこれに限定されず、各温度特性を互いに異にする複数の磁束検出器からなるものでもよい。この場合、複数の磁束検出器は第２磁気回路Ｈ２内に選択的に配置される。

本発明の実施の形態に係るトルクセンサを説明するために示す断面図。 本発明の実施の形態に係るトルクセンサを説明するために示す分解斜視図。 本発明の実施の形態に係るトルクセンサの磁気回路を説明するために示す斜視図。 （ａ）及び（ｂ）は、本発明の実施の形態に係るトルクセンサの動作を説明するために示す斜視図。 本発明の実施の形態に係るトルクセンサにおける第１軟磁性体の変形例（１）を説明するために示す斜視図。 本発明の実施の形態に係るトルクセンサにおける第１軟磁性体の変形例（２）を説明するために示す断面図。 （ａ）及び（ｂ）は、本発明の実施の形態に係るトルクセンサにおける第１軟磁性体の変形例（３）を説明するために示す斜視図と下面図。 本発明の実施の形態に係るトルクセンサにおける第１軟磁性体の変形例（４）を説明するために示す断面図。 本発明の実施の形態に係るトルクセンサにおける第１軟磁性体の変形例（５）を説明するために示す断面図。 本発明の実施の形態に係るトルクセンサにおける第１軟磁性体の変形例（６）を説明するために示す正面図。

符号の説明

１…トルクセンサ、２…軸体、３…入力軸、４…出力軸、５…弾性体、６…硬磁性体、７，８…第１軟磁性体、９，１０…第２軟磁性体、１１…第３軟磁性体、１１Ａ，１１Ｂ…フランジ、１２…磁束検出手段、１３，１４…突子群、１３Ａ，１４Ａ…突子、１５，１６…延在片、１５Ａ，１６Ｂ…垂直部、１５Ｂ，１６Ａ…水平部、Ｇ１〜Ｇ５…空隙、Ｈ１…第１磁気回路、Ｈ２…第２磁気回路

Claims (11)

1. トルク検出対象としての軸体を構成する２つの軸部を同軸上で連結する弾性体の捩れ角度を検出することにより、前記軸体に作用するトルクを検出するトルクセンサにおいて、
   磁束を周囲に発生する硬磁性体と、
   前記弾性体の捩れによって磁気抵抗を変化させる第１磁気回路を前記硬磁性体と共に形成するための１対の第１軟磁性体と、
   磁気抵抗を一定とする第２磁気回路を前記硬磁性体と共に形成するための１対の第２軟磁性体と、
   前記弾性体の捩れ角度に応じて変化する前記第２磁気回路の磁束密度を検出する磁束検出手段とを備えたことを特徴とするトルクセンサ。
2. トルク検出対象としての軸体を構成する２つの軸部を同軸上で連結する弾性体の捩れ角度を検出することにより、前記軸体に作用するトルクを検出するトルクセンサにおいて、
   前記２つの軸部のうちいずれか一方の軸部に固着され、Ｎ極及びＳ極が軸方向に着磁してなる硬磁性円筒体と、
   前記硬磁性円筒体の周囲に軸方向に並列して配設され、かつ前記２つの軸部にそれぞれ固着され、前記弾性体の捩れによってそれぞれが周方向に相対的に変位して磁気抵抗を変化させる第１磁気回路を前記硬磁性円筒体と共に形成するための１対の第１軟磁性円筒体と、
   前記１対の第１軟磁性円筒体の周囲に軸方向に並列して配設され、磁気抵抗を一定とする第２磁気回路を前記硬磁性円筒体と共に形成するための１対の第２軟磁性円筒体と、
   前記１対の第２軟磁性円筒体間に配設され、前記弾性体の捩れ角度に応じて変化する前記第２磁気回路の磁束密度を検出する磁束検出手段とを備えたことを特徴とするトルクセンサ。
3. 前記１対の第１軟磁性円筒体のうちいずれか一方の第１軟磁性円筒体と前記硬磁性円筒体との間に介在する第３軟磁性円筒体をさらに備えた請求項２に記載のトルクセンサ。
4. 前記１対の第１軟磁性円筒体は、周方向に並列する突子群をそれぞれ有し、
   前記１対の第１軟磁性円筒体における各突子群の突子は、その先端面が軸方向に所定の間隔をもって互いに対向するような位置に配置されている請求項１〜３のいずれかに記載のトルクセンサ。
5. 前記突子群の各突子には、その自由端縁の周方向端部を切り欠き形成することにより傾斜面が設けられている請求項４に記載のトルクセンサ。
6. 前記突子群の各突子には、その自由端縁の径方向端部を切り欠き形成することにより傾斜面が設けられている請求項４に記載のトルクセンサ。
7. 前記突子群の各突子の先端面形状は、前記弾性体の捩れ角度に応じて前記先端面の対向面積変化量を変化させるような先端面形状である請求項４〜６のいずれかに記載のトルクセンサ。
8. 前記１対の第１軟磁性円筒体は、周方向に並列する突子群をそれぞれ有し、
   前記１対の第１軟磁性円筒体における両突子群のうち一方の突子群の内面が他方の突子群の外面に対向するような位置に配置されている請求項１〜３のいずれかに記載のトルクセンサ。
9. 前記一方の突子群における各突子の内面及び他方の突子群における各突子の外面にはそれぞれ段部が設けられている請求項４に記載のトルクセンサ。
10. 前記突子群の突子のうち周方向に隣り合う２つの突子間の周方向寸法は、前記第１軟磁性体の周方向に沿って互いに異なる寸法に設定されている請求項４〜９のいずれかに記載のトルクセンサ。
11. 前記磁束検出手段は、各温度特性が互いに異なる複数の磁束検出器からなり、
    前記複数の磁束検出器は、前記第２磁気回路内に選択的に配置されている請求項１〜１０のいずれかに記載のトルクセンサ。

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