JP2008216172A

JP2008216172A - トルクセンサ及び電動式パワーステアリング装置

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Publication number: JP2008216172A
Application number: JP2007056914A
Authority: JP
Inventors: Atsuyoshi Asaga; 淳愛浅賀
Original assignee: NSK Ltd
Current assignee: NSK Ltd
Priority date: 2007-03-07
Filing date: 2007-03-07
Publication date: 2008-09-18
Anticipated expiration: 2027-03-07
Also published as: JP5041139B2

Abstract

【課題】トルクセンサの信頼性を向上させる。
【解決手段】第１軸11と第２軸12とをトーションバー2を挟んで連結し、第１軸11に取り付けられて周囲に磁界を生じさせる永久磁石１６と、第２軸１２に取り付けられ、かつ永久磁石１６により生じた磁界内に配置されて所定の磁気回路を形成し、トーションバー２の捩れ変形によって永久磁石１６との相対的な位置関係が変化することに伴って、磁気回路に発生する磁束量が変化する構成を有するセンサヨーク15と、センサヨーク15から発生した磁束の磁束密度の変化を検出することで、捩れトルクの状態を測定する複数の磁束検出器27A,27Bとを備えたトルクセンサであって、各磁束検出器27A,27Bに対して各々電力を供給する電源回路102A,102Bが、各磁束検出器27A,27Bに対応して独立して設けられている。
【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度を測定すると共に、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。
特許第２７４１３８８号

しかしながら、上述した特許文献１に開示された測定機構においては、磁気センサに電力を供給する電源回路に異常が発生した場合、トルクセンサによる検出が不能となってしまうという問題があった。

本発明はこのような課題を解決するためになされており、その目的は、電源回路に異常が発生した場合であってもトルクセンサによる検出を可能とし、信頼性を向上させたトルクセンサ及び電動式パワーステアリング装置を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明は以下の手段を採用した。すなわち、本発明のトルクセンサは、所定方向に延出した第１軸と第２軸とを連結し、当該第１軸と第２軸との間に捩れトルクが入力されて捩れ変形する弾性部材と、前記第１軸あるいは前記弾性部材の一端側に取り付けられて周囲に磁界を生じさせる磁石と、前記第２軸あるいは前記弾性部材の他端側に取り付けられ、かつ前記磁石により生じた磁界内に配置されて所定の磁気回路を形成し、前記弾性部材の捩れ変形によって前記磁石との相対的な位置関係が変化することに伴って、前記磁気回路に発生する磁束量が変化する構成を有する磁性体と、前記磁性体から発生した磁束の磁束密度の変化を検出することで、前記捩れトルクの状態を測定する複数の磁束検出器とを備えたトルクセンサであって、前記各磁束検出器に対して各々電力を供給する電源回路が、前記各磁束検出器に対応して独立して設けられているものである。

このような構成にすることで、磁束検出器のみでなくその電源を含めた２重系を構成することができ、トルクセンサの信頼性を向上させることができる。

前記複数の磁束検出器は、２個の磁束検出器であり、前記２個の磁束検出器は差動出力を構成してなる。

前記複数の磁束検出器は、３個以上の磁束検出器である。

本発明のトルクセンサは、所定方向に延出した第１軸と第２軸とを連結し、当該第１軸と第２軸との間に捩れトルクが入力されて捩れ変形する弾性部材と、前記第１軸あるいは前記弾性部材の一端側に取り付けられて周囲に磁界を生じさせる磁石と、前記第２軸あるいは前記弾性部材の他端側に取り付けられ、かつ前記磁石により生じた磁界内に配置されて所定の磁気回路を形成し、前記弾性部材の捩れ変形によって前記磁石との相対的な位置関係が変化することに伴って、前記磁気回路に発生する磁束量が変化する構成を有する磁性体と、前記磁性体から発生した磁束の磁束密度の変化を検出することで、前記捩れトルクの状態を測定する第１および第２の磁束検出器とを備えたトルクセンサであって、前記第１の磁束検出器に対して電力を供給する第１の電源回路と、前記第２の磁束検出器に対して電力を供給する第２の電源回路とを有する。

このように、少なくとも２つの磁束検出器に対し、それぞれ２つの電源回路で電力を供給することで、トルクセンサの信頼性を向上させることができる。

本発明の電動式パワーステアリング装置は、入力軸に印加された操舵トルクをトルクセンサにより検知し、検知し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出力軸に伝達する電動式パワーステアリング装置であって、前記トルクセンサとして上記のトルクセンサを適用する。

これにより、電動式パワーステアリング装置の信頼性を向上させることができる。

本発明のトルクセンサ及び電動式パワーステアリング装置によれば、電源も含めた２重系を構成することができ、一方の電源回路に異常が発生した場合であっても、他方の電源回路を使用することができるため、信頼性を大幅に向上させることができる。

図１（Ａ）は本発明の一実施形態に係るトルクセンサの制御ブロック図であり、図１（Ｂ）は、同トルクセンサの要部側面図である。図２は同トルクセンサの断面図、図３は同トルクセンサの詳細な構造を示した要部斜視図である。

図２に示したように、トルクセンサ１は、弾性部材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（磁性体）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、平面が円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と対向した位置に設けられている。

図３に示すように、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よりも小径で、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（爪）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（爪）２２並びに凹部２３が周方向に交互に形成されている。凸部２２及び凹部２３の形成数は凸部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。

永久磁石１６は、磁石の平面部が１６極に着磁された中空円板状の磁石である（図３（Ｂ）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。また、センサヨーク要素１５Ａ，１５Ｂが備える凸部２０，２２のそれぞれの径方向寸法は永久磁石１６の径方向寸法よりも大きい。

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は例えば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。また、磁束の検出及び磁束検出器の固定のために、磁束集中部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束検出器２７が位置している。磁束検出器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。本実施形態では、二つの磁束検出器（以下、必要に応じてこれら二つの磁束検出器を符号２７Ａ，２７Ｂを用いて区別する。）を用いている。図２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、及び磁束検出器２７は樹脂でモールドして一体化されてもよい。

次に、トルクセンサ１の動作を説明する。図４に磁気回路の概略図を示す。図４（Ａ）に示したように、相対角度最大のときには、永久磁石１６のＮ極から出た磁束（矢印で示した）は一方のセンサヨーク要素１５Ａから集磁ヨーク要素２５Ａに入り、磁束検出器２７を通って他方の集磁ヨーク要素２５Ｂに入り、他方のセンサヨーク要素１５Ｂを経由して、永久磁石１６のＳ極に入り込む。

図４（Ｂ）に示したように、相対角度０のときには、永久磁石１６のＮ極から出た磁束はセンサヨーク要素１５Ａ，１５Ｂに入り永久磁石１６のＳ極に入り込む。このように、相対角度０のときには、磁束は磁束検出器２７を通らない構成となっている。センサヨーク１５と永久磁石１６はそれぞれトーションバー２の第１軸１１と第２軸１２に固定されており、センサヨーク１５と永久磁石１６間にねじりトルクが作用すると、センサヨーク１５と永久磁石１６は相対角度が回転方向に変位するので、回転角度に応じた磁束を磁束検出器２７で検出することによって、ねじりトルクを測定することができる。

図１（Ａ）に、トルクセンサ１の制御ブロック図（回路図）を示す。符号１００はＥＳＰ全体を制御する制御部（ＥＣＵ：Electronic Control Unit、電子制御装置）である。

図示するように、制御部１００には、バッテリ１０１が接続される。また、制御部１００は、接地電位に接続されている。

制御部１００中には、第１電源回路１０２Ａ及び第２電源回路１０２Ｂが内蔵されている。これらの回路は、図示しない配線を介してバッテリ１０１と接続され、入力電圧を磁束検出器（２７Ａ，２７Ｂ）の電源電圧（駆動電圧）まで降下させる。この電圧（電力）が、各電源回路から出力され、それぞれ第１、第２磁束検出器２７Ａ，２７Ｂに供給（入力）される。

各磁束検出器２７Ａ，２７Ｂは、磁束に応じた出力信号（電圧）を出力し、当該信号は、制御部１００中の第１、第２入力端子１０３Ａ，１０３Ｂにそれぞれ入力される。この信号からトルクを算出し、入力トルクに応じた補助操舵トルクを発生させるための電力モータ（図示せず）の駆動電流を算出し、電動モータを駆動する。即ち、磁束（操舵トルク）に対応して電動モータを駆動し、補助操舵トルクが発生され出力軸に伝達される。このように電動式パワーステアリング装置を動作させることができる。

ここで磁束検出器を複数備えることのメリットを説明する。磁束検出器を２個以上使用することで、装置の信頼性を高めることができる。例えば、２個の磁束検出器を用いる場合、各磁束検出器の磁束の検出方向を変え、各磁束検出器の出力差を差動出力として磁束を測定することができる。この場合、ゼロ点の変動をキャンセルすることができる。さらに、２個の磁束検出器を用いると、差動出力に伴ってダイナミックレンジが広くなり、外来ノイズの影響を受けにくくでき、磁束検出器の温度ドリフトをキャンセルすることもできる。

さらに、３個以上磁束検出器を用いると、磁束検出器の一つが故障した場合でも正常な検出器が２ケ以上残るため、多数決による信頼性が高いデータを得ることができる。

図１（Ｂ）に、磁束集中部要素間に配置される磁束検出器の構成例を示す。図示するように、磁束集中部要素２６Ａと磁束集中部要素２６Ｂとの間に、２個の磁束検出器２７Ａ，２７Ｂが配置されている。これらの磁束検出器からは、３本の配線（端子、ＴＡ１〜ＴＡ３、ＴＢ１〜ＴＢ３）が延在している。これら配線により、各磁束検出器２７Ａ，２７Ｂと制御部１００が接続される。これらの配線は、例えば、前述した通り、電源電位線、接地電位線、第１もしくは第２入力端子接続線となる（図１（Ａ）参照）。なお、配線の数や機能は、上記のものに限られるものではない。

なお、ここでは、磁束集中部要素間に磁束検出器が２個配置される場合について説明したが、３個以上配置してもよい。この場合、磁束検出器の数に応じて、電源回路も同数設ける。また、図３においては、磁束集中部２６を、集磁ヨーク要素２５Ａ，２５Ｂにそれぞれ１箇所設けたが、２箇所以上設け、それぞれの箇所に磁束検出器（２７Ａ、２７Ｂ）を配置してもよい。

このように、本実施形態においては、磁束検出器は複数設けられ、これら各磁束検出器２７Ａ，２７Ｂに対して各々電力を供給する電源回路が、各磁束検出器２７Ａ，２７Ｂに対して独立して設けられている。すなわち、第１電源回路１０２Ａが第１磁束検出器２７Ａへ、第２電源回路１０２Ｂが第２磁束検出器２７Ｂへ電力を供給しているため、完全な２重系を構成できる。したがって一方の電源回路または磁束検出器に異常が発生した場合でも、異常の生じていない他方の電源回路と磁束検出器の組を用いてトルクを検出することが可能であるため、トルクセンサの信頼性を向上させることができる。

例えば、図９に示す比較例においては、電源回路１０２に異常が生じた場合には、トルクを検出することができないが、本実施形態によれば、トルクを検出することができ、トルクセンサの信頼性を向上させることができる。

前述した通り、このようなトルクセンサは電動式パワーステアリング装置に用いられる。すなわち、入力軸に印加された操舵トルクをトルクセンサにより検知し、検知し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、トルクセンサとして上記実施形態のトルクセンサを使用する。このように構成することで、上述のように、一方の電源回路または磁束検出器に異常が発生した場合でも、異常の生じていない他方の電源回路と磁束検出器の組を用いてトルクを検出することが可能であるため、電動式パワーステアリング装置の信頼性を向上させることができる。

なお、電源回路１０２Ａ，１０２Ｂとしては、リニアレギュレータ、スイッチングレギュレータ、ツェナーダイオード、トランジスタ回路等、電圧をコントロールでき、磁束検出器２７Ａ，２７Ｂを動作させるのに必要な電流を供給できるものならばいずれの方法でもよい。

また、本実施形態では電源回路１０２Ａ，１０２Ｂが制御部１００内に組み込まれているが、別体でもよい。また、バッテリ電圧が磁束検出器２７Ａ，２７Ｂの電源電圧以下になってしまう場合を考慮し降圧のみでなく昇圧も可能なタイプを用いてもよい。

また、本発明のトルクセンサは、図３に示すものに限られず種々の変形が可能である。図５〜図８に他のトルクセンサの詳細な構造を示す。図５および図６に示すように、集磁ヨーク要素２５Ａ，２５Ｂおよびセンサヨーク要素１５Ａ，１５Ｂを、軸方向に延在させ、センサヨーク要素１５Ａ，１５Ｂの凸部（爪）２０、２２を折り曲げ、永久磁石１６に対向させてもよい。また、図７および図８に示すように、集磁ヨーク要素２５Ａ，２５Ｂおよびセンサヨーク要素１５Ａ，１５Ｂを、磁石に対して軸方向に延在させ、対向させてもよい。この場合は、磁石の内外周面が多極に着磁されている。なお、トルクセンサの動作は、図３に示すものと同様であるためその説明を省略する。

（Ａ）は、本発明の一実施形態に係るトルクセンサの制御ブロック図であり、（Ｂ）は、同トルクセンサの要部側面図である。本発明の一実施形態に係るトルクセンサの断面図である。本発明の一実施形態に係るトルクセンサの詳細な構造を示した要部斜視図である。本発明の一実施形態に係るトルクセンサの動作を説明するための、磁気回路の概略図である。本発明の一実施形態に係る他のトルクセンサの要部斜視図である。本発明の一実施形態に係る他のトルクセンサの要部斜視図である。本発明の一実施形態に係る他のトルクセンサの要部斜視図である。本発明の一実施形態に係る他のトルクセンサの要部斜視図である。本発明の比較例を示すトルクセンサの制御ブロック図である。

符号の説明

１…トルクセンサ、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、２７（２７Ａ，２７Ｂ）…磁束検出器、１００…制御部、１０２Ａ…第１電源回路、１０２Ｂ…第２電源回路、ＴＡ１〜ＴＡ３、ＴＢ１〜ＴＢ３…配線（端子）

Claims

所定方向に延出した第１軸と第２軸とを連結し、当該第１軸と第２軸との間に捩れトルクが入力されて捩れ変形する弾性部材と、前記第１軸あるいは前記弾性部材の一端側に取り付けられて周囲に磁界を生じさせる磁石と、前記第２軸あるいは前記弾性部材の他端側に取り付けられ、かつ前記磁石により生じた磁界内に配置されて所定の磁気回路を形成し、前記弾性部材の捩れ変形によって前記磁石との相対的な位置関係が変化することに伴って、前記磁気回路を流れる磁束量が変化する構成を有する磁性体と、前記磁気回路に流れる磁束の磁束密度の変化を検出することで、前記捩れトルクの状態を測定する複数の磁束検出器とを備えたトルクセンサであって、
前記各磁束検出器に対して各々電力を供給する電源回路が、前記各磁束検出器に対応して独立して設けられている、トルクセンサ。
前記複数の磁束検出器は、２個の磁束検出器であり、前記２個の磁束検出器は差動出力を構成してなる請求項１記載のトルクセンサ。
前記複数の磁束検出器は、３個以上の磁束検出器である請求項１記載のトルクセンサ。
所定方向に延出した第１軸と第２軸とを連結し、当該第１軸と第２軸との間に捩れトルクが入力されて捩れ変形する弾性部材と、前記第１軸あるいは前記弾性部材の一端側に取り付けられて周囲に磁界を生じさせる磁石と、前記第２軸あるいは前記弾性部材の他端側に取り付けられ、かつ前記磁石により生じた磁界内に配置されて所定の磁気回路を形成し、前記弾性部材の捩れ変形によって前記磁石との相対的な位置関係が変化することに伴って、前記磁気回路を流れる磁束量が変化する構成を有する磁性体と、前記磁気回路を流れる磁束の磁束密度の変化を検出することで、前記捩れトルクの状態を測定する第１および第２の磁束検出器とを備えたトルクセンサであって、
前記第１の磁束検出器に対して電力を供給する第１の電源回路と、前記第２の磁束検出器に対して電力を供給する第２の電源回路とを有するトルクセンサ。
入力軸に印加された操舵トルクをトルクセンサにより検知し、検知し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、
前記トルクセンサは、請求項１乃至４のいずれか一項に記載のトルクセンサである、電動式パワーステアリング装置。