JP2008215942A - トルクセンサ及び電動式パワーステアリング装置 - Google Patents

Abstract

【課題】高い性能を得ることができるトルクセンサを提供する。
【解決手段】第１軸１１と第２軸１２とを同軸上に連結し、第１軸１１と第２軸１２との間に捩れトルクが入力されると、捩れ変形する弾性部材２と、第１軸１１または弾性部材２の一端側に連結されて周囲に磁界を形成する永久磁石１６と、第２軸１２または弾性部材２の他端側に連結され、永久磁石１６によって形成される磁界内に配置されて磁気回路を形成し、弾性部材２の捩れによって永久磁石１６との相対位置が変化すると、磁気回路に発生する磁束密度が変化する構造を有する磁性体１５と、磁性体１５の磁気回路に発生する磁束密度を検出する磁気検出素子２７とを備えたトルクセンサの、磁性体１５をニッケルを含む合金により構成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えば、自動車の電動式パワーステアリング装置（ＥＰＳ：Electric Power Steering）などのように、回転動力を伝達する機構における捩れトルクの状態を測定するトルクセンサに関する。

このようなトルク測定装置に関し、従来から次のような構成が知られている。例えば、特許文献１には、第１磁気センサと第２磁気センサの二つの磁気センサを用い、それぞれ極性の異なった出力信号を作動増幅した出力結果から電圧変化として捩れ角を測定するとともに、前記電圧変化の異常検出により、前記第１磁気センサと前記第２磁気センサの異常状態を検出可能にする構成が開示されている。

また、特許文献２にも同様のトルクセンサの構成が開示されている。
特許第２７４１３８８号公報 特開２００３−１４９０６２号公報

しかしながら、上述した特許文献１及び２に開示されたトルク測定装置においては、使用する磁性体の透磁率の低さや保磁力の高さのために十分な性能を得られないことがあるなどの問題があり、改善が望まれていた。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、高い性能を得ることができるトルクセンサ及びこれを備えた電動式パワーステアリング装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明のトルクセンサは、第１軸と第２軸とを同軸上に連結し、前記第１軸と第２軸との間に捩れトルクが入力されると、捩れ変形する弾性部材と、前記第１軸または前記弾性部材の一端側に連結されて周囲に磁界を形成する磁石と、前記第２軸または前記弾性部材の他端側に連結され、前記磁石によって形成される磁界内に配置されて磁気回路を形成し、前記弾性部材の捩れによって前記磁石との相対位置が変化すると、前記磁気回路に発生する磁束密度が変化する構造を有する磁性体と、前記磁性体の磁気回路に発生する磁束密度を検出する磁気検出素子とを備えたトルクセンサであり、前記磁性体がニッケルを含む合金により構成されたものである。

前記磁性体に近接して配置されて前記磁性体から磁束を導くと共に、その磁束を集める集磁部を有する補助磁性体と、前記集磁部を介して前記補助磁性体に生ずる磁束密度を検出する磁気検出素子とを備え、前記補助磁性体がニッケルを含む合金により構成されていてもよい。

ニッケルを含む合金を用いることにより、磁性体の透磁率が高まり、磁性体並びに磁気検出素子を通過する磁束の量を多くできる。また、保磁力を小さくできるので、出力のヒステリシスを小さくでき、トルクセンサの測定精度を大幅に向上することができる。

合金のニッケル含有量が４０ｗｔ％以上であると、ヒステリシスを十分に低く抑えることができる。合金のニッケル含有量が８０ｗｔ％以下であると、コストを抑えることができる。

さらに、ステアリングホイールに印加された操舵トルクに対応して、電動モータから補助操舵トルクを発生して、減速機により減速して操舵機構の出力軸に伝達する電動式パワーステアリング装置において、上記のいずれかに記載のトルクセンサを備えることができる。

本発明のトルクセンサによれば、磁性体等にニッケルを含む合金を使用しているため、磁性体の透磁率が高いので、磁性体又は磁気検出素子を通過する磁束の量を多くできる。その結果、出力電圧範囲を大きくすることができる。

また、保磁力を小さくできるので、出力のヒステリシスを小さくでき、トルクセンサの測定精度を大幅に向上することができる。

また、このようなトルクセンサを電動式パワーステアリング装置に使用することで、高精度な操舵力の補助ができる。

次に、本発明の一実施形態について図面を参照して説明する。図１は本実施形態に係るトルク検出器（トルクセンサ）の断面図、図２は該トルク検出器の詳細な構造を示した要部斜視図である。

図１に示したように、トルク検出器１は、ねじり要素であるトーションバー（連結軸）２で連結された第１軸１１及び第２軸１２を備える。第１軸１１及び第２軸１２は円柱状であり、その中心軸及びトーションバー２の中心軸が一直線上に延在している。第１軸１１には、その径方向外側に延在して、後述する平板状のセンサヨーク１５が樹脂１８でモールドされた状態で取り付けられている。図の破線部で示した部位は、樹脂１８で一体化されている要素である。第２軸１２には、周方向に多極着磁されたリング状の永久磁石１６がバックヨーク１７を介して、センサヨーク１５と軸方向で対向した位置に設けられている。

センサヨーク１５は、平板状かつリング形状のセンサヨーク要素１５Ａと、センサヨーク要素１５Ａよりも小径の、センサヨーク要素１５Ａと厚さが同じであるとともにセンサヨーク要素１５Ａと同軸および同一平面上に位置した，センサヨーク要素１５Ｂとにより構成されている。センサヨーク要素１５Ａは、径方向内側に突出する平面視台形状の凸部２０並びに凹部２１が周方向に交互に形成されている。センサヨーク要素１５Ｂは、径方向外側に突出する平面視台形状の凸部２２並びに凹部２３が周方向に交互に形成されている。凸部（爪）２２及び凹部２３の形成数は凸部（爪）２０及び凹部２１と同じであり、凸部２２と凹部２１、及び、凹部２３と凸部２０とが互いに非接触状態で噛み合った状態となっている。本実施形態においては、凸部２０，２２の合計数は、永久磁石１６が有する磁極数（後述）と同じとなっている。すなわち凸部２０及び凸部２２の数が、それぞれＮ極またはＳ極の数と同じである。
なお、センサヨーク要素１５Ａの外周部及びセンサヨーク要素１５Ｂの円周部は、円環状を呈しており、後述する集磁ヨーク２５Ａ及び２５Ｂと軸方向に対向している。

永久磁石１６は、中空円筒状であり、センサヨーク要素１５Ａ、１５Ｂ側の平面が、多極に着磁されている（図２Ｂの斜線がＮ極を表す）。永久磁石１６の磁極数はセンサヨーク要素１５Ａ，１５Ｂが備える凸部２０，２２の合計数と同じである。

センサヨーク１５に対して永久磁石１６の反対側には、集磁ヨーク２５が配置されている。集磁ヨーク２５は静止部材に固定され、センサヨーク１５に対して面対向する位置に配置されている。集磁ヨーク２５はリング状の集磁ヨーク要素２５Ａと、集磁ヨーク要素２５Ａよりも小径であって集磁ヨーク要素２５Ａと同軸及び同一平面に配置された集磁ヨーク要素２５Ｂとを有し、センサヨーク１５の周方向全体に渡って連続して配置されている。全周に渡って集磁ヨーク２５が配置されていることにより、センサヨーク１５と集磁ヨーク２５が傾いて配置されていても角度変動による誤差が無くなる。

また、磁束の検出及び磁気検出素子の固定のために、磁束集中部（集磁部）２６が設けられている。より詳細には、集磁ヨーク要素２５Ａの一部から径方向外側に磁束集中部要素２６Ａが伸び、集磁ヨーク要素２５Ｂからは周方向における同じ角度位置から径方向外側に磁束集中部要素２６Ｂが伸び、磁束集中部要素２６Ａと磁束集中部要素２６Ｂとの間に挟まれて磁気検出素子２７が位置している。磁気検出素子２７はホール素子、ＭＲ素子、ＭＩ素子など、磁束の強さを検出できるものであればよい。図１に示したように、二つの集磁ヨーク要素２５Ａ，２５Ｂ、磁束集中部２６、及び磁気検出素子２７は樹脂でモールドして一体化されている。なお、樹脂モールドで一体化せず、各々の部品を組み合わせても良い。

第１軸１１と第２軸１２にねじりトルクが作用すると、トーションバー２が捩れ、その結果、永久磁石１６とセンサヨーク１５が相対回転する。その結果、センサヨーク１５と集磁ヨーク２５で構成される磁気回路内を流れる磁束が変化する。磁気検出素子２７でその磁束の変化量を検出し、磁石とセンサヨークの相対角度変化を求め、トーションバー２に作用するねじりトルクを測定する。ねじりトルクの測定結果は、磁気検出素子２７から例えば、電気信号（出力電圧）として、配線を通じて伝達される。

このように構成されたトルク検出器１では、二つのセンサヨーク要素１５Ａ，１５Ｂが平板状であるため、軸方向の長さを短くすることができるので、検出器の小型化が可能となる。またこれらセンサヨーク要素１５Ａ，１５Ｂが同一平面上に配置されているため、モールドで一体化する際に使用するモールド材（樹脂１８）を少なくすることができ、コストを低減することが可能となる。また、二つのセンサヨーク要素１５Ａ，１５Ｂが同一厚さであるため、プレスで加工する際に１枚の鉄板で加工できるので、加工コストを低減することができる。なお、プレス加工で加工するだけで加工できるので、塑性加工による歪みが少なくなり、ヒステリシスをさらに低減することができる。

さらに、永久磁石１６の磁極数はセンサヨーク要素１５Ａ，１５Ｂが備える凸部２０，２２の合計数と同じである。これにより、永久磁石１６から発生する磁束を有効に利用することができる。また、集磁ヨーク２５は、センサヨーク１５の周方向全体に渡って配置されていることから、センサヨーク１５と集磁ヨーク２５の相対角度変動による誤差をなくすことができる。また、集磁ヨーク２５を固定しやすくなる。さらに、磁束集中部２６を設けることにより、磁束が集中し、磁気検出素子２７で検出しやすくなる。

また、磁性体であるセンサヨーク１５、及び、補助磁性体である集磁ヨーク２５の材料をニッケルを含有した合金とすることで、センサヨーク１５及び集磁ヨーク２５の透磁率を高めることができ、また、保磁力を小さくすることができる。その結果、ヒステリシスが少なく、高出力のトルクセンサを構成することができる。

図３にセンサヨーク１５及び集磁ヨーク２５を構造用鋼とした際の磁気検出素子の出力特性を示す。縦軸は、出力電圧［Ｖ］、横軸は角度変位［ｄｅｇ］を示す（図４、５も同じ）。図３に示すように、出力特性にはヒステリシスが存在しており、出力値から角度を正確に測定することが難しい。これは、センサヨーク並びに集磁ヨークに使用した材料の磁気特性によるものである。そこで、センサヨーク１５及び集磁ヨーク２５の磁気特性を改善するため、ニッケルを含んだ合金を使用した結果を図４に示す。図４はセンサヨーク１５及び集磁ヨーク２５にニッケルを約４５ｗｔ％（重量％）含んだ合金を使用した際の出力特性である。

図３と比較すると、出力のヒステリシスが格段に改善されており、トルクセンサとして良好な性能を得ることができることが分かる。また出力電圧の変化（傾き）も大きくなっており、性能が大幅に改善されていることが分かる。しかしながら、僅かにヒステリシスが残っている。

そこで、更に磁気特性を向上させるために、ニッケルを約７５ｗｔ％含んだ合金を使用した際の出力特性を図５に示す。

図５からわかるように、図４と比べるとヒステリシスをほぼゼロとすることができることがわかる。しかしながら、ニッケルは高価な金属であり、ニッケル含有量が増加すると共に磁性体の価格は高価になってしまう。そのため、ニッケル使用量は少ない方が好ましい。

図６に、ニッケル含有量とヒステリシスとの関係を示す。図６から分かるように、ヒステリシスはニッケル含有量が４０ｗｔ％未満になると急激に大きくなっており、精度の良い測定をするためには、ニッケル含有量が４０ｗｔ％以上必要であることが分かる。しかしながら、図６から分かるように、磁性体自体の価格はニッケル含有量とともに高価となる。そのためコスト的にはニッケル含有量が少ない方が好ましい。

なお、図６から分かるように、ニッケル含有量が８０ｗｔ％を超えるとヒステリシスの減少程度は少なくなる。その結果、価格の上昇割合に比べてヒステリシスの減少程度は少なく、性能とコストからはニッケル含有量が４０ｗｔ％以上８０ｗｔ％以下であるのが好ましい。

このように、センサヨーク１５及び集磁ヨーク２５をニッケル含有量が４０ｗｔ％以上８０ｗｔ％以下の合金により構成することで、センサヨーク１５及び集磁ヨーク２５の透磁率が高くなり、センサヨーク１５、集磁ヨーク２５及び磁束集中部２６を通過する磁束の量を多くできる。その結果、出力電圧範囲を大きくすることができる。

また、保磁力を小さくできるので、出力のヒステリシスを小さくでき、トルクセンサの測定精度を大幅に向上することができる。

また、このようなトルクセンサを、ステアリングホイールに印加された操舵トルクに対応して、電動モータから補助操舵トルクを発生して、減速機により減速して操舵機構の出力軸に伝達する電動式パワーステアリング装置に対して適用することにより、高精度なアシストを実現することができる。

なお、本構造は図１及び図２に示した構造のみでなく、磁石と磁気回路を使用した構造のトルクセンサに幅広く適用可能である。また、上記の例では磁性体であるセンサヨーク１５、及び、補助磁性体である集磁ヨーク２５の材料の双方に、ニッケルを含有した合金を用いたが、これらの部材の一方にニッケルを含有した合金を用いてもよい。なお、センサヨーク１５に、ニッケルを含有した合金を用いた方が効果的である。また、上記の例では集磁リングを設けた構造としたが、集磁リングが無く、各々のセンサヨーク１５に集磁部を設け、その間に非接触で磁気検出素子を配置した構造でもよい。

また、上記本実施形態において、センサヨーク要素１５Ａ，１５Ｂの凸部２０，２２は平面視台形形状であるが、三角形状や矩形であってもよい。また、永久磁石１６の磁極数と凸部２０，２２の合計数とを同数とすることにより永久磁石から発生する磁束を有効に利用できるが、例えばセンサヨーク１５の凸部２０，２２の合計数を永久磁石１６の磁極数の半分としてもよい。また、本実施形態では、磁束を有効に利用するためにバックヨーク１７を取り付けているが、直接第２軸１２に永久磁石１６を取り付けても良い。バックヨークがあったほうが磁石の磁束を有効に利用できるので望ましい。また、本実施形態では１６極の永久磁石１６を用いているが、磁極数はこれに限ったものではなく、適宜変更することができるのは言うまでもない。
また、第１軸１１に永久磁石１６を取り付け、第２軸１２にセンサヨーク１５を取り付ける構成としてもよい。または、トーションバー２の両端に、これらを取り付ける構成としてもよい。

また、本実施形態では、センサヨーク１５及び集磁ヨーク２５を一体化するのに樹脂でモールドしているが、プラスチックやアルミなどの非磁性体とセンサヨーク１５や集磁ヨーク２５を各々組み合わせる構成としてもよい。

永久磁石１６を構成する磁石材料は、フェライト磁石や希土類磁石、金属磁石、焼結磁石、プラスチック磁石、ゴム磁石などを使用可能であり、適宜変更が可能である。

本実施形態に係るトルク検出器の断面図である。 本実施形態に係るトルク検出器の詳細な構造を示した要部斜視図である。 センサヨーク及び集磁ヨークを構造用鋼とした際の磁気検出素子の出力特性を示した図である。 センサヨーク及び集磁ヨークにニッケルを約４５ｗｔ％含んだ合金を使用した際の出力特性である。 センサヨーク及び集磁ヨークにニッケルを約７５ｗｔ％含んだ合金を使用した際の出力特性である。 ニッケル含有量と、価格及びヒステリシスとの関係を示した図である。

符号の説明

１…トルク検出器、２…トーションバー（弾性部材）、１１…第１軸、１２…第２軸、１５…センサヨーク（磁性体）、１６…永久磁石、１７…バックヨーク、１８…樹脂、２５…集磁ヨーク（補助磁性体）、２６…磁束集中部、２７…磁気検出素子

Claims (5)

1. 第１軸と第２軸とを同軸上に連結し、前記第１軸と第２軸との間に捩れトルクが入力されると、捩れ変形する弾性部材と、
   前記第１軸または前記弾性部材の一端側に連結されて周囲に磁界を形成する磁石と、
   前記第２軸または前記弾性部材の他端側に連結され、前記磁石によって形成される磁界内に配置されて磁気回路を形成し、前記弾性部材の捩れによって前記磁石との相対位置が変化すると、前記磁気回路に発生する磁束密度が変化する構造を有する磁性体と、
   前記磁性体の磁気回路に発生する磁束密度を検出する磁気検出素子とを備えたトルクセンサであり、
   前記磁性体がニッケルを含む合金により構成された、トルクセンサ。
2. 前記磁性体に近接して配置されて前記磁性体から磁束を導くと共に、その磁束を集める集磁部を有する補助磁性体と、
   前記集磁部を介して前記補助磁性体に生ずる磁束密度を検出する磁気検出素子とを備え、
   前記補助磁性体がニッケルを含む合金により構成された、請求項１に記載のトルクセンサ。
3. 前記合金のニッケル含有量が、４０ｗｔ％以上である、請求項１または２に記載のトルクセンサ。
4. 前記合金のニッケル含有量が、４０ｗｔ％以上８０ｗｔ％以下である、請求項１または２に記載のトルクセンサ。
5. ステアリングホイールに印加された操舵トルクに対応して、電動モータから補助操舵トルクを発生して、減速機により減速して操舵機構の出力軸に伝達する電動式パワーステアリング装置において、
   請求項１から４のいずれかに記載のトルクセンサを備えた、電動式パワーステアリング装置。