JP2007263871A - トルク検出装置及びトルク検出装置の組立て方法 - Google Patents

Abstract

【課題】第１，第２軸と夫々一体回転する第１，第２回転部材の軸長方向の位置決めを，確実に、しかも簡易に実施することができるトルク検出装置、及びこのトルク検出装置の組立て方法を提供する。
【解決手段】トーションバー３を介して同軸上に連結された第１軸１及び第２軸２に加わる回転トルクを、第１軸１に外嵌固定された円筒磁石４と、第２軸２と一体回転し、円筒磁石４の外側を囲繞するヨークリング５，５との間に生じる相対角変位を利用して検出するトルク検出装置において、第１軸１と第２軸２との間に、円筒磁石４と第２軸２との間の間隙Ａよりも小さい間隙ａを隔てて対向する対向部12を設け、この対向部12を突き当てた位置を基準として磁石４とヨークリング５，５との軸長方向の位置決めを実施する。
【選択図】図２

Description

本発明は、回転軸に加わる回転トルクを検出するためのトルク検出装置、及びこのトルク検出装置の組立て方法に関する。

ステアリングホイール等の操舵部材の回転操作に応じて操舵補助用のモータを駆動し、該モータの発生力を舵取機構に加えて操舵を補助する電動パワーステアリング装置は、操舵補助用のモータの駆動制御に用いるべく、操舵部材に加えられる操舵トルクを検出するトルク検出装置を備えている。このトルク検出装置は、操舵部材と舵取機構とを連結するステアリング軸（回転軸）を細径のトーションバーにより同軸上に連結された第１軸と第２軸とに分割し、操舵部材の操作によりステアリング軸に加えられる操舵トルク（回転トルク）を、トーションバーの捩れを伴って第１，第２軸間に生じる相対角変位を媒介として検出するように構成されている。

第１，第２軸間の相対角変位の検出手段は、従来から種々の構成のものが提案されており、そのうちの一つとして、第１軸に外嵌固定された円筒磁石（第１回転部材）と、この円筒磁石の外側を囲繞し第２軸と一体回転するヨークリング（第２回転部材）とを備え、これらの円筒磁石とヨークリングとの間の磁気回路の変化を利用して前記相対角変位を検出するように構成されたトルク検出装置がある（例えば、特許文献１参照）。

円筒磁石は、周方向に複数のＮ，Ｓ極を並設してなり、第１軸に外嵌固定されている。またヨークリングは、円筒磁石のＮ，Ｓ極の組と同数の磁極爪を、円環状のリング本体の一側の端縁に周方向に等配してなる軟磁性体製の薄肉のリングであり、夫々の磁極爪が周方向に交互に並ぶように位置決めした２個を一組として、円筒形に成形された樹脂製のモールド体により一体化し、該モールド体の一側端部に一体成形された金属製のカラーを介して第２軸の連結側端部に外嵌固定されている。

円筒磁石とヨークリングとは、第１，第２軸間に相対角変位が生じていない中立状態にあるとき、円筒磁石のＮ，Ｓ極の境界上に夫々の磁極爪が整合するように周方向に位置決めして組み立ててある。これにより、ステアリング軸に操舵トルクが加わり第１，第２軸間に相対角変位が生じた場合、２個のヨークリングの磁極爪と円筒磁石の磁極との周方向の位置関係が互いに逆向きに変化し、この位置変化に応じて２個のヨークリング内に発生する磁束が変化するから、この磁束変化を検出することにより前記操舵トルクを知ることができる。
特開２００３−１４９０６２号公報

さて、以上の如く構成されたトルク検出装置の組立てにおいては、第１軸と一体回転する円筒磁石と第２軸と一体回転するヨークリングとを、前述したように周方向に位置決めすると共に、軸長方向にも正しい整合状態を得るべく位置決めする必要がある。

この位置決めは、トーションバーによる第１，第２軸の連結前に、これら両軸を相対移動させて実施されるが、対象となる円筒磁石とヨークリングとが第１軸及び第２軸を回転自在に支持するハウジングの内部に位置しており、目視による位置確認ができない。そこで従来においては、第２軸をハウジング内に位置決め支持しておき、この第２軸、又は第２軸と一体化されたヨークリングの一部に第１軸に外嵌固定された円筒磁石の端部を突き当て、この突き当て位置を基準位置として第１軸を、第２軸から離反する向きに予め定めた長さだけ移動させる手順により軸長方向の位置決めを実施している。

しかしながら、第１軸に外嵌固定された円筒磁石は、短冊形の磁石片を周方向に複数並べ、前記ヨークリングの場合と同様に、これらの磁石片を円筒形に成形された樹脂製のモールド体により一体化して構成されており、このモールド体を介して第１軸に外嵌固定してあることから、前述した位置決め手順の実施において、基準位置の決定のために第２軸に突き当てたとき、樹脂製のモールド体に、割れ、ひび等の欠陥が生じる虞れがある。

そして、このような欠陥の発生に気付かずに軸長方向の位置決めを実施し、更に周方向の位置決めを実施して組立てを終えた場合、モールド体により一体化された円筒磁石の固定強度が保てないことから、トルク検出精度の低下を招来するという問題がある。この問題は、基準位置の決定のための突き当てを緩やかに実施することにより緩和し得るが、組立て作業が煩雑となる上、欠陥の発生を完全に防止し得るものではない。

前述したように、電動パワーステアリング装置用のトルク検出装置は、トーションバーを介して連結された第１，第２軸間の相対角変位の検出手段の構成を変えて種々実用化されており、他のトルク検出装置においても、第１軸に外嵌固定された第１回転部材と、第２軸と一体回転する第２回転部材との間の相対角変位を検出する構成としてあり、これらのトルク検出装置においても、回転部材間に軸長方向の位置決めを必要とする場合には、前述した問題が同様に発生する虞れがある。

本発明は斯かる事情に鑑みてなされたものであり、第１，第２軸と夫々一体回転する第１，第２回転部材の軸長方向の位置決めを，確実に、しかも簡易に実施することができるトルク検出装置、及びこのトルク検出装置の組立て方法を提供することを目的とする。

本発明に係るトルク検出装置は、トーションバーを介して同軸上に連結された第１軸及び第２軸に加わる回転トルクを、前記第１軸に外嵌固定され、該第１軸と一体回転する第１回転部材と、該第１回転部材の外側を囲繞し、前記第２軸と一体回転する第２回転部材との間に、前記トーションバーの捩れを伴って生じる相対角変位を利用して検出するトルク検出装置において、前記第１軸と前記第２軸との間に、前記第１回転部材と前記第２軸又は第２回転部材との間よりも狭い間隙を隔て軸長方向に対向する対向部を備えることを特徴とする。

また本発明に係るトルク検出装置の組立て方法は、トーションバーを介して同軸上に連結された第１軸及び第２軸に加わる回転トルクを、前記第１軸に外嵌固定され、該第１軸と一体回転する第１回転部材と、該第１回転部材の外側を囲繞し、前記第２軸と一体回転する第２回転部材との間の相対角変位を利用して検出するトルク検出装置を、前記第１回転部材と前記第２回転部材とを周方向及び軸長方向に位置決めして組み立てる方法において、前記第１軸と前記第２軸との間に、前記第１回転部材と前記第２軸又は第２回転部材との間よりも小さい間隙を隔て軸長方向に対向する対向部を設け、前記第１回転部材と前記第２回転部材との軸長方向の位置決めを、前記対向部を相互に当接させた基準位置から、前記第１軸及び第２軸を予め定めた長さだけ軸長方向に移動させて実施する位置決め工程を含むことを特徴とする。

本発明においては、第１軸と第２軸との間に、前者に外嵌固定された第１回転部材と後者との間よりも小さい間隙を隔て軸長方向に対向する対向部を設けてあるから、第１，第２回転部材の軸長方向の位置決めを、前記対向部を突き当てた位置を基準として、第１回転部材と第２軸又は第２回転部材とを衝突させることなく実施することができ、煩雑な手間を要することなく位置決め状態を良好に維持し、特性不良の発生を有効に防止することができる等、本発明は優れた効果を奏する。

以下本発明をその実施の形態を示す図面に基づいて詳述する。図１は、本発明に係るトルク検出装置の分解斜視図、図２は、組立て状態を示す要部の縦断面図である。

本発明に係るトルク検出装置は、トーションバー３を介して同軸上に連結された２つの軸（第１軸１及び第２軸２）に加わるトルクを検出対象とし、第１軸１と一体回転する円筒磁石４と、第２軸２と一体回転する２個一組のヨークリング５，５と、これらのヨークリング５，５に発生する磁束を集める集磁リング６，６と、これらの集磁リング６，６の間に後述の如く配設された２つの磁気センサ７，７とを備えて構成されている。

トーションバー３は、捩りばねとして細径の丸棒の両端に、第１，第２軸１，２との連結のために太径とした連結部30，30を備えており、第１軸１及び第２軸２は、これらの軸心部に形成された連結孔10，20にトーションバー３両端の連結部30，30を夫々内嵌し、後述の如く軸長方向及び周方向の位置決めを行った後、各別の連結ピン11，21の打設により一体化せしめて連結されている。

このように連結された第１軸１と第２軸２とに回転トルクが加えられた場合、この回転トルクの作用によりトーションバー３が捩れ変形し、第１軸１と第２軸２との間には、前記回転トルクの方向に、該回転トルクに対応する大きさを有する相対角変位が生じる。

図２は、電動パワーステアリング装置において、操舵部材と舵取機構とを連結するステアリング軸に加わる操舵トルクの検出手段としての適用例が示してある。ステアリング軸の中途を２軸に分割してなる第１軸１と第２軸２とは、トーションバー３を介して同軸上に連結されており、上位置にある第１軸１は、図示しない操舵部材に連結され、下位置にある第２軸２は、図示しない舵取機構に連結されている。なお図２中には、トーションバー３と第２軸２の連結部のみが示されている。

舵取機構の側の第２軸２は、図中に一部を示すハウジング８内に上下２つの軸受80，81により両持ち支持されており、これらの軸受80，81間には、ウォームホイール82が嵌着固定されている。このウォームホイール82は、操舵補助用のモータの出力端のウォーム（図示せず）に噛合させてあり、操舵補助用のモータが駆動された場合、該モータが発生する回転力がウォームホイール82に減速伝動され、第２軸２を介して舵取機構に操舵補助力が加えられる構成となっている。

第２軸２は、軸受80による支持位置の上部に連設された大径の連結筒22を備えており、第１軸１の連結側端部は、連結筒22の端面に開口し、トーションバー３の連結孔20に連続する支持孔23内に適長挿入され、該支持孔23に内嵌固定されたブッシュ24により同軸を保って支持されている。

第１軸１と一体回転する円筒磁石４は、図１に示すように、周方向に各複数のＮ極40，40…及びＳ極41，41…を交互に並べ、端面及び内面を適宜の厚さを有して覆う樹脂製のモールド体42により一体化してなる多極磁石として構成されている。この円筒磁石４は、図２に示すように、モールド体42を介して第１軸１に外嵌固定し、モールド体42の下端面と第２軸２の連結筒22の上端面とが予め定めた間隔Ａを隔て対向するように軸長方向に位置決めされている。

第１軸１の円筒磁石４の嵌合部は、図示の如く他部よりも大径とされ、円筒磁石４の長さを超えて下方に延長されており、この延長端は、垂直に切り下げられて、第２軸２の連結筒22の上端面と間隔ａを隔て対向面12が設けてある。この間隔ａは、図２に示すように、連結筒22とモールド体42との間隔Ａよりも小さくなるように設定してある。

第２軸２と一体回転するヨークリング５，５は、図１に示すように、リング形をなすヨーク本体50の内周縁に、軸方向に延びる複数の磁極爪51，51…を周方向に等配をなして連設してなる軟磁性体製の円環である。ヨークリング５の磁極爪51，51…は、先端に向けて縮幅された三角形状を有し，円筒磁石４のＮ，Ｓ極40，41の組と同数設けてあり、２個のヨークリング５，５は、夫々の磁極爪51，51…の延長側を向き合わせて同軸上に配置し、各磁極爪51，51…が周方向に交互に並ぶように位置決めして、これらの外側を円筒形にモールド成形された樹脂製のモールド体52により覆って一体化されている。

このように構成されたヨークリング５，５は、図２に示すように、モールド体52の端部内周に一体化されたカラー53を介して第２軸２上端の連結筒22に外嵌固定され、夫々の内面が第１軸１に嵌合固定された円筒磁石４の外周面にわずかなエアギャップを隔て対向し、この円筒磁石４に対し、軸長方向及び周方向に所定の位置関係が得られるように組み付けられている。

図３は、ヨークリングの磁極爪と円筒磁石の磁極との位置関係を示す説明図である。図３（ｂ）には、組み付け時の位置関係が示されており、ヨークリング５，５と円筒磁石４とは、軸長方向（図の上下方向）に相互に整合するような位置関係を保った上で、前者の磁極爪51，51…が後者の周上に並ぶＮ極40とＳ極41との境界と一致するように周方向に位置決めされている。このとき、２個のヨークリング５，５の磁極爪51，51…は、円筒磁石４の周上において互いに相隣するＮ極40とＳ極41との間に形成される磁界内に同一の条件下にて位置することとなり、これらの磁極爪51，51…の基部を連絡するヨーク本体50，50内に生じる磁束は同一となる。

このような磁極爪51，51…とＮ極40及びＳ極41との周方向の位置関係は、円筒磁石４が固定された第１軸１とヨークリング５，５が固定された第２軸２との間にトーションバー３の捩れを伴って生じる相対角変位に応じて、図３（ａ）又は図３（ｃ）に示す如く互いに逆向きに変化する。この変化が生じた場合、一方のヨークリング５の磁極爪51，51…と他方のヨークリング５の磁極爪51，51…とには、逆の極性を有する磁力線が増加し、夫々のヨーク本体50，50に正負の磁束が発生する。

このとき発生する磁束の正負は、円筒磁石４とヨークリング５，５との間、即ち、第１軸１と第２軸２との間に生じる相対角変位の向きに応じて定まり、正負の磁束の密度は、前記相対角変位の大きさに対応するから、この磁束を検出することにより、第１軸１と第２軸２との間の相対角変位、即ち、第１，第２軸に加わる回転トルク（操舵トルク）を知ることができる。

このようにヨークリング５，５に発生する磁束は、各別の集磁リング６，６に集められて磁気センサ７，７により検出される。集磁リング６，６は、ヨーク本体50の外径よりもやや大きい内径を有する軟磁性材料製の円環であり、図１に示すように、周方向の対応する２か所に、夫々から軸長方向に延び先端を略直角外向きに屈曲させてなる集磁部60，60を備えている。これらの集磁リング６，６は、集磁部60，60の延長側を向き合わせて同軸上に配置し、夫々の集磁部60，60の先端が軸方向に所定のエアギャップを隔て対向するように位置決めし、これらの外側を円筒形にモールド成形された樹脂製のモールド体61により覆って一体化されている。

これらの集磁リング６，６の集磁部60，60先端のエアギャップ間には、ホール素子等の磁気検知素子を用いてなる磁気センサ７が配してある。なお集磁リング６，６は、周方向の２か所に集磁部60，60を備えており、図１に示すように、２か所の集磁部60，60先端のエアギャップの夫々に磁気センサ７，７が配してあり、これらは、図２に示すように、集磁リング６，６と共にモールド体61により一体化されている。

このように集磁リング６，６及び磁気センサ７，７を保持するモールド体61は、図２に示すように、内面に露出する集磁リング６，６の夫々をヨークリング５，５の外側に近接対向せしめてハウジング８に内嵌固定されている。これにより集磁リング６，６には、夫々の内側に近接するヨークリング５，５に発生する磁束が誘導され、夫々の集磁部60，60に集束されて、これらの間に確保されたエアギャップに漏れ出すこととなり、磁気センサ７，７は、漏洩磁束の密度に対応する出力を発する。

磁気センサ７，７の出力として検出される磁束密度は、集磁リング６，６の内側に対向するヨークリング５，５内部の磁束によって変化し、この磁束は、前述したように、第１軸１と第２軸２との間の相対角変位に対応するから、磁気センサ７，７の出力は、第１軸１及び第２軸２に加えられ、前記相対角変位を生じさせる回転トルクの方向及び大きさに対応するものとなり、これらの磁気センサ７，７の出力変化に基づいて第１軸１及び第２軸２に加わる回転トルクを検出することができる。２つの磁気センサ７，７を設けてあるのは、一方をトルク検出用とし、他方をフェイル判定用とするためである。このフェイル判定は、例えば、２つ磁気センサ７，７の出力を経時的に比較し、両者間に明らかな差が存在するとき、その前後に非定常な出力変化を示している磁気センサ７がフェイル状態にあると判定する公知の手順により行われる。

以上の如き回転トルクの検出を高精度に行わせるためには、円筒磁石４とヨークリング５，５とが、軸長方向及び周方向に正しく位置決めされている必要がある。この位置決めは、円筒磁石４が取付けられた第１軸１とヨークリング５，５が取付けられた第２軸２とをトーションバー３による連結前に相対移動させて行われる。

図４は、円筒磁石４とヨークリング５，５との位置決め手順の説明図である。この位置決めに際しては、ヨークリング５，５が固定された第２軸２を、前述の如く軸受80，81によりハウジング８の内部に位置決め支持しておき、この第２軸２に対し、円筒磁石４が外嵌固定された第１軸１を同軸上に位置決めし、図４（ａ）に示すように、連結筒22の端部に開口する支持孔23内に先端を挿入しつつ第２軸２に接近する向きに移動させる。

このとき、トーションバー３は、第２軸２の連結孔20に嵌合され、連結ピン21により連結されているが、第１軸１には連結されておらず、第１軸１は、第２軸２に対して軸長方向及び周方向に自在に移動させることができる。なお図４中には、ハウジング８及び軸受80，81の図示は省略してある。

第１軸１の移動は、第２軸２に突き当たり、更なる移動が拘束される位置に達するまで実施される。図４（ｂ）は、第１軸１が第２軸２に突き当てられた状態が示されている。前述の如く本発明に係るトルク検出装置は、第１軸の円筒磁石４の嵌合部の下方への延長端に、第２軸２の連結筒22の上端面と軸長方向に対向する対向面12が設けてあり、この対向面12と連結筒22との間の間隔ａは、円筒磁石４と連結筒22との対向面間の間隔Ａよりも小さく設定してあるから、第２軸２への突き当たりは、図４（ｂ）に示すように、連結筒22の上端面に対向面12が衝突することにより生じる。

このとき円筒磁石４は、第２軸２との間に所定の間隔（＝Ａ−ａ）を保って対向しており、円筒磁石４、より詳しくは、円筒磁石４の外側を覆う樹脂製のモールド体42が第２軸２に衝突する虞れはない。従って、実際には目視による確認ができないハウジング８の内部において実施される第１軸１及び第２軸２の突き当てに際し、両者が強く衝突させられた場合においても、円筒磁石４のモールド体42に、割れ、ひび等の形状欠陥が発生することはない。

第１軸１は、以上の突き当て状態を実現した後、この位置を基準位置として図４（ｂ）中に白抜矢符にて示す如く、第２軸２から離反する向きに、前述した間隔ａに相当する長さ分だけ引き戻され、第２軸２に対する軸長方向の位置決めが終了する。これにより、連結筒22の上端面と対向面12との間に間隔ａが確保され、同時に、連結筒22の上端面と円筒磁石４の下端面との間に間隔Ａが確保されることとなり、円筒磁石４はヨークリング５，５に対し、図２に示すように軸長方向に正しく整合するように位置決めされる。

このように軸方向の位置決めを完了した後、円筒磁石４とヨークリング５，５とを周方向に位置決めする。円筒磁石４とヨークリング５，５との周方向位置を変えた場合、前述のように、集磁リング６，６の間に配した磁気センサ７，７の出力が変化するから、周方向の位置決めは、磁気センサ７、７の出力を監視しつつ第１軸１を周方向に回転させる手順により実施することができ、第１軸１と第２軸２とは、以上の位置決め完了後、トーションバー３の他端部を第１軸１に連結することにより一体化される。

この連結により、円筒磁石４とヨークリング５，５とは、周方向だけでなく、軸長方向にも正しい位置関係を保って位置決めされるから、前述したトルク検出を高精度に実施することができる。本発明においては、円筒磁石４とヨークリング５，５との軸長方向の位置決めに際して必要な第１軸１と第２軸２との突き当てが、第１軸１に設けた対向面12と連結筒22との間にて生じ、円筒磁石４を保持する樹脂製のモールド体42に欠陥が発生する虞れがない。従って、組立ての煩雑さを伴うことなく円筒磁石４の固定強度を十分に確保することができ、円筒磁石４の固定不良に起因するトルク検出精度の低下を未然に防止することが可能となり、製品歩留りの向上、及び製品コストの低下に寄与することができ、実施の形態に示すように、電動パワーステアリング装置において操舵部材に加えられる操舵トルクを検出するためのトルク検出装置として好便に用いることができる。

なお以上の実施の形態においては、第１軸１に外嵌固定された第１回転部材として円筒磁石４を備え、第２軸２と一体回転するヨークリング５，５（第２回転部材）との間の相対角変位を検出する構成としたトルク検出装置について説明したが、本発明は、他の構成の第１，第２回転部材を有し、これらの間に軸長方向の位置決めを必要とするトルク検出装置全般に適用することができる。

本発明に係るトルク検出装置の分解斜視図である。 本発明に係るトルク検出装置の組立て状態を示す要部の縦断面図である。 ヨークリングの磁極爪と円筒磁石の磁極との周方向の位置関係を示す説明図である。 円筒磁石とヨークリングとの位置決め手順の説明図である。

符号の説明

１ 第１軸、２ 第２軸、３ トーションバー、４ 円筒磁石（第１回転部材）、
５ ヨークリング（第２回転部材）、12 対向面（対向部）、22 連結筒（対向部）

Claims (2)

1. トーションバーを介して同軸上に連結された第１軸及び第２軸に加わる回転トルクを、前記第１軸に外嵌固定され、該第１軸と一体回転する第１回転部材と、該第１回転部材の外側を囲繞し、前記第２軸と一体回転する第２回転部材との間に、前記トーションバーの捩れを伴って生じる相対角変位を利用して検出するトルク検出装置において、
   前記第１軸と前記第２軸との間に、前記第１回転部材と前記第２軸又は第２回転部材との間よりも狭い間隙を隔てて軸長方向に対向する対向部を備えることを特徴とするトルク検出装置。
2. トーションバーを介して同軸上に連結された第１軸及び第２軸に加わる回転トルクを、前記第１軸に外嵌固定され、該第１軸と一体回転する第１回転部材と、該第１回転部材の外側を囲繞し、前記第２軸と一体回転する第２回転部材との間の相対角変位を利用して検出するトルク検出装置を、前記第１回転部材と前記第２回転部材とを周方向及び軸長方向に位置決めして組み立てる方法において、
   前記第１軸と前記第２軸との間に、前記第１回転部材と前記第２軸又は第２回転部材との間よりも小さい間隙を隔てて軸長方向に対向する対向部を設け、
   前記第１回転部材と前記第２回転部材との軸長方向の位置決めを、前記対向部を相互に当接させた基準位置から、前記第１軸及び第２軸を予め定めた長さだけ軸長方向に移動させて実施する位置決め工程を含むことを特徴とするトルク検出装置の組立て方法。

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