JP2007240496A - トルクセンサ - Google Patents

Abstract

【課題】 トルクを検出すべき二つの軸に取り付けても、軸方向の長さを短く抑えることができるトルクセンサを提供することにある。
【解決手段】 第１軸２に磁気発生部４を設け、第２軸３にはＬ字状に屈折した第１磁気ヨーク７と第２磁気ヨーク８を設けることにより、磁気発生部４で発生した磁束を第２軸３の外周側で検出できるようにすることで、当該磁束を検出するための磁気検出装置を第２軸の外周側に設けることができる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、パワーステアリング装置に用いて好適なトルクセンサに関するものである。

図９乃至図１２は従来技術（例えば、特許文献１に示す）のトルクセンサ１００の構成を示す。図９はトルクセンサ近傍の斜視図である。図１０は図９の一部拡大図である。図１１及び図１２は作用を説明する図である。
特許第３０９４０４９号

図９において、第１軸１０１と第２軸１０２との間にはトルクセンサ１００が設けられている。第１軸１０１には、磁束を出力する磁気発生部１０３が設けられている。前記磁気発生部１０３は、第１軸１０１を中心として周方向へ複数個設けられた磁石１０４を有している。磁石１０４は、第１軸１０１の軸芯方向（矢示方向）へ向けて着磁されていると共に、隣同士の磁石１０４は互いに逆方向へ着磁されていることによって、第２軸１０２側から磁気発生部１０３を観た場合、図１０に示すように、互いに異なった磁極が隣同士に並んだ状態になっている。即ち、Ｓ極とＮ極とが交互に配置されている。

図９に示すように、第２軸１０２には、アウターリング１０５と、インナーリング１０６とを備え、図１０に示すように、アウターリング１０５からは複数のアウター側磁路片１０７が延設され、インナーリング１０６からはインナー側磁路片１０８が延設されている。図１０に示すように、アウターリング１０５とインナーリング１０６との間には隙間１０９が設けられ、該隙間１０９内に磁気センサ１１０が配置されている。

次に、作用について説明する。ドライバーがハンドルを操舵しないとする。この場合、第１軸１０１は第２軸１０２に対して回転しないため、図１１に示すように、各アウター側磁路片１０７は磁石１０４のＮ極と、Ｓ極とに同面積づつ跨って対面し、各インナー側磁路片１０８も同様に磁石１０４のＮ極と、Ｓ極とに同面積づつ跨って対面している。この場合、磁束は、アウター側磁路片１０７及びインナー側磁路片１０８には誘導されず、磁石１０４のＮ極から出力された磁束は、磁石１０４のＳ極に入力される。従って、磁束センサ１１０は磁束を検出しない。

次に、ドライバーがハンドルを操舵したとする。この場合、第１軸１０１は第２軸１０２に対して回転して、図１２に示すように、例えば、アウター側磁路片１０７がＳ極側へ移動し、インナー側磁路片１０８がＮ極側へ移動する。この場合、磁石１０４のＮ極から出力された磁束は、インナー側磁路片１０８、インナーリング１０６、磁気センサ１１０、アウターリング１０５、アウター側磁路片１０７を経て磁石１０４のＳ極に至るため、磁気センサ１１０で検出された磁束量に基づいて、第２軸１０２に対する第１軸１０１の回転量、即ち、ハンドルの操舵トルクを検出することができる。

前述の背景技術においては、トルクセンサ１００は、第１軸１０１と第２軸１０２との軸方向の途中に設けられる構造であるため、トルクセンサ１００を配置するスペースのために、全体が軸方向に長くなってしまっていた。このため、従来から、軸方向にコンパクトに収容できるトルクセンサ１００が臨まれていた。

本発明は前述の背景技術の問題に鑑みて成されたもので、その目的は、トルクを検出すべき二つの軸に取り付けた場合、軸方向の長さを短く抑えることができるトルクセンサを提供することにある。

本発明は、ハウジングと、該ハウジング内に収容されて、トーションバーによって同軸状に連結された第１軸及び第２軸と、第１軸の外周を囲むように該第１軸に取り付けられて該第１軸の軸芯方向の磁束を出力する磁気発生部と、
前記磁気発生部から出力された磁束を案内する第１磁気ヨーク及び第２磁気ヨークから成る磁気ヨーク部を第２軸に複数個取り付け、
第１磁気ヨークと第２磁気ヨークとの間の磁気ギャップ内の磁束を磁気センサによって検出することにより、第１軸と第２軸との間のトルクを磁気的に検出するようにしたトルクセンサであって、
前記第１磁気ヨーク及び第２磁気ヨークは、その各一端部が前記磁気発生部に対面すると共に第１磁気ヨーク及び第２磁気ヨークは途中でそれぞれＬ字状に屈曲して前記第２軸の軸芯と直交する方向へ延設することにより、第１磁気ヨーク及び第２磁気ヨークの他端部同士は前記第２軸の外周側において軸芯方向に互いに離間して設けられ、
前記各磁気ヨーク部の前記第１磁気ヨークの他端部同士は第１磁気リングによって接続され、
前記各磁気ヨーク部の前記第２磁気ヨークの他端部同士は第２磁気リングによって接続され、
第１磁気リングと第２磁気リングとの間の磁気ギャップ内に磁気センサを設けたことを特徴とするトルクセンサである。

本発明によれば、磁気発生部から出力された磁束を軸の径方向外側へ誘導し、ハンドルの操舵トルクの変化に伴った磁束の変化を軸の径方向外側で検出するように構成したため、磁気センサを備えた磁気検出装置を軸の径方向外側に配置することができて、軸方向の長さをコンパクトに形成することができる。

本発明の原理を図に基づき説明する。図１は本発明のトルクセンサ１を電動パワーステアリング装置に適用して、入力軸２と、出力軸３との間のトルクを検出する場合に用いた例について説明する。入力軸２と出力軸３はハウジングＨ内に収容されている。

入力軸２には、ハンドルから操舵力が付与されるようになっている。出力軸３は、被操舵系側へ操舵補助力を付与するようになっている。該入力軸２と、出力軸３とはトーションバーを介して連結されている。

前記入力軸２には、磁気発生部４が設けられている。該磁気発生部４は、環状の磁性体で形成されたバックヨーク５に磁石部６が設けられた構成になっている。磁石部６は、磁性体を入力軸２の軸芯方向へ向けて着磁することにより形成されるが、周方向へは同図１に示すように、Ｎ極とＳ極とが交互に並ぶように着磁されている。

前記出力軸３には、第１磁気ヨーク７及び第２磁気ヨーク８で構成される磁気ヨーク部９が設けられている。該磁気ヨーク部９は、出力軸３の外周に周方向へ向けて複数設けられている。第１磁気ヨーク７は、直状部１０と、該直状部１０と直交する直交部１１とから形成されてＬ字状に屈折した形状を成している。第１磁気ヨーク７の直状部１０は軸方向に沿って設けられて、第１磁気ヨーク７の一端部は、前記磁石部６に対面している。又、第１磁気ヨーク７の直交部１１は径方向へ設けられて、第１磁気ヨーク７の他端部は、出力軸３の径方向外側へ臨んでいる。

又、第２磁気ヨーク８は、直状部１２と、該直状部１２と直交する直交部１３とから形成されてＬ字状に屈折した形状を成している。第２磁気ヨーク８の直状部１２は軸方向に沿って設けられて、第２磁気ヨーク８の一端部は、前記磁石部６に対面している。又、第２磁気ヨーク８の直交部１３は径方向へ設けられて、第２磁気ヨーク７の他端部は、出力軸３の径方向外側へ臨んでいる。第１磁気ヨーク７の他端部と、第２磁気ヨーク８の他端部とは、出力軸３の軸芯方向へ離間している。

各磁気ヨーク部９の第１磁気ヨーク７の他端部同士は、第１磁気リング１４によって連結され、又、各磁気ヨーク部９の第２磁気ヨーク８の他端部同士は、第２磁気リング１５によって連結されている。

第１磁気リング１４の外側には、該第１磁気リング１４を囲むように、ハウジングＨの内面に第１集磁リング１７が設けられている。第１集磁リング１７は磁性体で形成されて、磁気回路の一部を構成するものである。第１集磁リング１７は板材を環状に屈曲した形状をなしている。第１集磁リング１７の軸方向の幅は、第１磁気リング１４の軸方向の幅よりも広幅に形成されている。又、第２磁気リング１５の外側には、該第２磁気リング１５を囲むように、ハウジングＨの内面に第２集磁リング１８が設けられている。第２集磁リング１８は磁性体で形成されて、磁気回路の一部を構成するものである。第２集磁リング１８は板材を環状に屈曲した形状をなしている。第２集磁リング１８の軸方向の幅は、第２磁気リング１５の軸方向の幅よりも広幅に形成されている。

第１集磁リング１７には第１集磁ヨーク１９が設けられ、第２集磁リング１８には第２集磁ヨーク２０が設けられている。第１集磁ヨーク１９と第２集磁ヨーク２０には、互いに対面するように二対の凸部２１，２２，２３，２４が設けられている。各一対の凸部２１，２２，２３，２４の間が、磁気ギャップに成って、磁気ギャップ内に磁気センサ２５、２６が配置されている。第１集磁ヨーク１９、第２集磁ヨーク２０、一対の凸部２１，２２，２３，２４によって、磁気ギャップ形成部が構成される。

次に、作用について説明する。ハンドルが操舵されていない状態においては、図２に示すように、第１磁気ヨーク７、第２磁気ヨーク８の各一端部の中心がＮ極とＳ極との境界にあって、当該各一端部が磁石部６のＮ極とＳ極とに跨った状態にあり、当該各一端部がＮ極とＳ極とに同面積づつ対面している。

図２に示すように、この状態においては、Ｎ極から出力された磁束は、第１磁気ヨーク７及び第２磁気ヨーク８に導かれることなく、磁石部６のＳ極に入力する。従って、図１に示す磁気センサ２５、２６は磁束を検出しない。

次に、運転者がハンドルを操舵したとする。この場合、入力軸２が出力軸３に対して回転することにより、図３に示すように、第１磁気ヨーク７の一端部の中心がＮ極側へ移動し、当該一端部が磁石部６のＮ極に対面する面積が、磁石部６のＳ極に対面する面積よりも広くなり、又、第２磁気ヨーク８の一端部の中心がＳ極側へ移動し、当該一端部が磁石部６のＳ極に対面する面積が、磁石部６のＮ極に対面する面積よりも広くなったとする。この場合、第１磁気ヨーク７には、磁石部６のＮ極から出力された磁束が入力した後、該磁束は、図１に示すように、第１磁気リング１４、第１集磁リング１７、第１集磁ヨーク１９、凸部２２，２４、磁気センサ２５、２６、凸部２１、２３、第２集磁ヨーク２０、第２集磁リング１８、第２磁気リング１５、第２磁気ヨーク８を経て磁石部６のＳ極に至る磁気回路を通過する。

磁気センサ２５、２６で検出される磁束の量は、第１磁気ヨーク７の一端部と磁石部６のＮ極との対面する面積、並びに、第２磁気ヨーク８の一端部と磁石部６のＳ極との対面する面積に対応しているものである。従って、磁気センサ２５、２６で検出される磁束の量によって、第１磁気ヨーク７、第２磁気ヨーク８の移動量、即ち、入力軸２を回転させるハンドルの操舵トルクを検出することができるものである。

このように、第１磁気ヨーク７及び第２磁気ヨーク８は、Ｌ字状に屈曲することにより、磁気発生部４から出力された磁束を出力軸３の外周側へ誘導し、出力軸３の外周側に磁気センサ２５、２６を備えた磁気検出装置を設けることができるようにしたので、入力軸２及び出力軸３の軸方向の長さを短く形成することができる。

又、第１集磁リング１７、第２集磁リング１８は、第１磁気リング１４、第２磁気リング１５のそれぞれ外側において、これら第１磁気リング１４、第２磁気リング１５と対面して、これら第１磁気リング１４、第２磁気リング１５を囲むように設けられている。このため、第１磁気リング１４、及び、第２磁気リング１５が仮に、偏心したとしても、これら第１磁気リング１４、及び、第２磁気リング１５を通過する磁束の全てが、第１集磁リング１７、及び第２集磁リング１８に効率よく、導かれることができる。しかも、第１集磁リング１７、第２集磁リング１８は、第１磁気リング１４、第２磁気リング１５よりもそれぞれ軸方向へ幅広に形成されているため、第１磁気リング１４、第２磁気リング１５を通過した磁束は、一層、効率よく、第１集磁リング１７、第２集磁リング１８に導かれる。

又、第１集磁リング１７、第２集磁リング１８は、第１磁気リング１４、第２磁気リング１５のそれぞれ外側において、これら第１磁気リング１４、第２磁気リング１５よりもそれぞれ幅広に形成されている。このため、第１磁気リング１４と第１集磁リング１７との間、並びに、第２磁気リング１５と第２集磁リング１８との間に、軸芯に沿った方向に位置ズレの誤差があったとしても、第１集磁リング１７は第１磁気リング１４に対面でき、又、第２集磁リング１８は第２磁気リング１５に対面できる。このため、第１集磁リング１７と第１磁気リング１４との間、並びに、第２集磁リング１８と第２磁気リング１５との間において、磁束の損失を抑えて効率よく伝達できる。

又、第１磁気ヨーク７に対面している側の磁石部６のＮ極から出力された磁束は、複数の第１磁気ヨーク７、第１磁気リング１４、第１集磁リング１７、第２集磁リング１８、第２磁気リング１５、複数の第２磁気ヨーク８を経て、第２磁気ヨーク８に対面している側の磁石部６のＳ極に至る途中において、第１集磁ヨーク１９の凸部２２，２４、及び第２集磁ヨーク２０の凸部２１、２３の間に高密度に集中して磁気センサ２５、２６を通過するため、磁気センサ２５、２６は、ハンドルの操作に伴った磁束の変化を効率よく高精度に検出することができる。

図４乃至図７は、第１磁気ヨーク７、第２磁気ヨーク８、第１磁気リング１４、第２磁気リング１５を樹脂にモールドしたヨークモールド体３０にスリーブ３１を設けたスリーブ組付体３２を示す。図４は該スリーブ組付体３２の端面図を示し、図５は図４のＡ―Ａ断面図を示し、図６は図４のＢ―Ｂ断面図を示し、図７は図４のＣ―Ｃ断面図を示す。

図５乃至図７に示すように、スリーブ３１は先端側からヨークモールド体３０内へ挿入された形状であって、該スリーブ３１の後端側はヨークモールド体３０外が露出した構成になっている。該スリーブ３１は、後述のように、スリーブ組付体３２を出力軸３に組み付ける際に、出力軸３に圧入されるものである。

前述のように、スリーブ３１の後端側の外周には樹脂が設けられていないため、スリーブ３１を出力軸３に圧入する際、スリーブ３１が拡径しても樹脂が損傷する虞が少なく、更には、スリーブ３１の拡径力が、応力として、樹脂に残ることが少ない。

以上の図１に示す実施形態において、第１集磁リング１７、第２集磁リング１８、第１集磁ヨーク１９、第２集磁ヨーク２０を削除し、第１磁気リング１４と第２磁気リング１５との間を磁気ギャップをとし、該磁気ギャップ内に磁気センサ２５，２６を設けても、本発明の所期の課題を達成することができる。

しかし、以上の図１に示す実施形態のように構成した場合には、以下の作用効果を奏する。仮に、第１集磁リング１７、第２集磁リング１８を設けずに、第１磁気リング１４と第２磁気リング１５との間に磁気ギャップを設けて磁気ギャップ内の磁束を磁気センサ２５，２６で検出するようにした場合、仮に、第１磁気リング１４と第２磁気リング１５とが互いに高精度に平行に組み付けられていない時には、入力軸２と出力軸３の回転に伴って、第１磁気リング１４と第２磁気リング１５との間の隙間の幅が変動して磁気ギャップの間隔が変動して、磁束の検出に影響を与える。つまり、第１磁気リング１４と第２磁気リング１５との間の組み付けの誤差の影響によって、入力軸２に対する出力軸３の回転を磁気的に高精度に検出することが困難になる。

これに対して、以上の図１に示す実施形態においては、第１磁気リング１４と第２磁気リング１５の外側において、ハウジングＨに第１集磁リング１７と第２集磁リング１８をそれぞれ設け、該第１集磁リング１７と第２集磁リング１８に第１集磁ヨーク１９と第２集磁ヨーク２０を設け、これら第１集磁ヨーク１９と第２集磁ヨーク２０に２対の突起２１乃至２４を設け、これら２対の突起２１乃至２４の間を磁気ギャップとしたものであって、第１集磁リング１７及び第２集磁リング１８はハウジングＨに取り付けられて固定である。このため、磁気ギャップの間隔は、入力軸２と出力軸３の回転の影響を受けることなく一定である。つまり、以上の図１に示す実施形態の場合には、入力軸２と出力軸３の回転の影響を受けることなく、ハンドルの操舵力を誤差を少なくして検出することができる。

図８は、前述のトルクセンサ１を組み込んだ状態の電動パワーステアリング装置４０の縦断面図を示す。ハウジングＨ内には、上下方向に入力軸２と、出力軸３とが配置され、入力軸２及び出力軸３は、軸受４１，４２によってハウジングＨに回転自在に支持されている。入力軸２は筒状に形成され、内側にトーションバー４３が配置されている。トーションバー４３は上端がピン４４によって入力軸２に連結されている。

トーションバー４３の下端側は、セレーション４４を介して出力軸３に連結されている。

入力軸２には、磁気発生部４が取付られている。磁気発生部４は、中心に軸挿通孔４５が形成されて環状の磁性体で形成されたバックヨーク４６と、該バックヨーク４６に取り付けられた磁石部６とを備えた構成になっている。バックヨーク４６は磁性体で形成されて磁路として機能する部材である。

又、出力軸３には、スリーブ組付体３２が圧入されて取り付けられている。スリーブ組付体３２は、スリーブ３１が出力軸３の上端に圧入されるようにして、出力軸３の上端に組み付けられるものである。スリーブ３１は非磁性体によって形成されることにより、磁気発生部４で発生した磁束を出力軸３側へ洩れないようにしている。

同図８に示すように、スリーブ組付体３２が出力軸３に組付けられた状態において、第１磁気ヨーク７、第２磁気ヨーク８の一端部が、磁気発生部４の磁石部６に僅かの隙間を開けて対面している。

ハウジングＨの内面には、第１集磁リング１７と第２集磁リング１８が取り付けられている。第１集磁リング１７は第１磁気リング１４よりも幅広に形成されて、第１磁気リング１４に対面している。第２集磁リング１８は第２磁気リング１５よりも幅広に形成されて、第２磁気リング１５に対面している。

ハウジングＨには、磁気検出装置取付孔４７が形成され、該磁気検出装置取付孔４７に磁気検出装置４８が取付られるようになっている。磁気検出装置４８は磁気センサ２５、２６を備えると共に、該磁気センサ２５、２６の出力に基づき磁束量を演算する演算部等を内蔵している。

前記磁気検出装置取付孔４７内において、第１集磁リング１７には第１集磁ヨーク１９が取付られている。又、第２集磁リング１８には、第２集磁ヨーク２０が取り付けられている。第１集磁ヨーク１９と第２集磁ヨーク２０には、互いに対面するように凸部２１，２３、２２、２４（図１に示す）が設けられている。互いに対面する凸部２１，２３、２２、２４の間には、磁気センサ２５、２６が配置されている。

以上の説明においては、トルクセンサ１を電動パワーステアリング装置４０に適用した場合について説明したが、電動パワーステアリング装置４０に限らずに、二つの軸間のトルクを検出する際に広く適用することができるものである。

本発明の原理を示す図である。 作用を説明する図である。 作用を説明する図である。 第１磁気ヨーク、第２磁気ヨーク、第１磁気リング、第２磁気リングを樹脂にモールドし、且つスリーブを組み付けた状態の端面図である。 図２のＡ―Ａ断面図である。 図２のＢ―Ｂ断面図である。 図２のＣ―Ｃ断面図である。 電動パワーステアリング装置の縦断面図である。 トルクセンサ近傍の斜視図である。（従来技術） 図７の一部拡大図である。（従来技術） 作用を説明する図である。（従来技術） 作用を説明する図である。（従来技術）

符号の説明

１ トルクセンサ
２ 入力軸
３ 出力軸
４ 磁気発生部
６ 磁石部
７ 第１磁気ヨーク
８ 第２磁気ヨーク
９ 磁気ヨーク部
１４ 第１磁気リング
１５ 第２磁気リング
１７ 第１集磁リング
１８ 第２集磁リング
１９ 第１集磁ヨーク
２０ 第２集磁ヨーク
３１ スリーブ
Ｈ ハウジング

Claims (4)

1. ハウジングと、該ハウジング内に収容されて、トーションバーによって同軸状に連結された第１軸及び第２軸と、第１軸の外周を囲むように該第１軸に取り付けられて該第１軸の軸芯方向の磁束を出力する磁気発生部と、
   前記磁気発生部から出力された磁束を案内する第１磁気ヨーク及び第２磁気ヨークから成る磁気ヨーク部を第２軸に複数個取り付け、
   第１磁気ヨークと第２磁気ヨークとの間の磁気ギャップ内の磁束を磁気センサによって検出することにより、第１軸と第２軸との間のトルクを磁気的に検出するようにしたトルクセンサであって、
   前記第１磁気ヨーク及び第２磁気ヨークは、その各一端部が前記磁気発生部に対面すると共に第１磁気ヨーク及び第２磁気ヨークは途中でそれぞれＬ字状に屈曲して前記第２軸の軸芯と直交する方向へ延設することにより、第１磁気ヨーク及び第２磁気ヨークの他端部同士は前記第２軸の外周側において軸芯方向に互いに離間して設けられ、
   前記各磁気ヨーク部の前記第１磁気ヨークの他端部同士は第１磁気リングによって接続され、
   前記各磁気ヨーク部の前記第２磁気ヨークの他端部同士は第２磁気リングによって接続され、
   第１磁気リングと第２磁気リングとの間の磁気ギャップ内に磁気センサを設けたことを特徴とするトルクセンサ。
2. 前記第１磁気リングに対面して、前記ハウジングに第１集磁リングを設け、
   前記第２磁気リングに対面して、前記ハウジングに第２集磁リングを設け、
   前記第１集磁リングと、前記第２集磁リングとの間に前記磁気ギャップを形成するための磁気ギャップ形成部を設けたことを特徴とするトルクセンサ。
3. 前記第１集磁リングを前記第１磁気リングよりも広幅に設け、第２集磁リングを前記第２磁気リングよりも広幅に設けたことを特徴とする請求項２に記載のトルクセンサ。
4. 磁気ギャップ形成部は、第１集磁リングに連結された第１集磁ヨークと、第２集磁リングに連結された第２集磁ヨークと、第１集磁ヨークと第２集磁ヨークとに設けられた２対の突起とを備え、これら２対の突起同士の間が各磁気ギャップになって、各磁気ギャップ内に各磁気センサが設けられたことを特徴とする請求項２又は請求項３に記載のトルクセンサ。

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