JP2009210346A - 磁歪式トルクセンサ、磁歪式トルクセンサの製造方法および車両用操舵装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 磁歪式トルクセンサのバックヨークにスリットを形成した場合に、径方向の荷重に対するバックヨークの剛性を確保する。
【解決手段】 磁歪式トルクセンサの円筒状バックヨーク４３に軸線方向に延びるスリット４３ａを形成したので、バックヨーク４３に発生する渦電流をスリット４３ａにより遮断して抑制し、検出精度を高めることができる。またボビン４０Ａ，４０Ｂに巻回したコイル４１Ａ，４１Ｂ，４１Ｃ，４１Ｄに接続されたワイヤーを引き出す端子台４７Ａ，４７Ｂをバックヨーク４３のスリット４３ａに嵌合させたので、径方向の荷重が作用したときにバックヨーク４３がスリット４３ａを閉じる方向に変形するのを端子台４７Ａ，４７Ｂにより抑制し、スリット４３ａを形成したことによるバックヨーク４３の剛性低下を補償することができる。
【選択図】 図４

Description

本発明は、回転軸の表面に形成された磁歪膜の外周にボビンに巻回されたコイルを配置し、軸線方向に延びるスリットが形成された円筒状のバックヨークを前記コイルの外周に配置し、前記磁歪膜の磁気特性の変化を前記コイルで検出することで前記回転軸に加えられたトルクを検出する磁歪式トルクセンサおよびその製造方法と、前記磁歪式トルクセンサを操舵トルクセンサとして用いた車両用操舵装置とに関する。

シャフトに加わるトルクを検出する磁歪式トルクセンサが、シャフトの外周に相互に逆方向の磁気異方性を有するように形成された一対の磁歪膜と、各々の磁歪膜の外周を囲む励磁コイルおよび検出コイルとを備え、シャフトの捩じれ変形に応じて変化する一対の磁歪膜の透磁率の変化を前記励磁コイルおよび前記検出コイルの交流抵抗の変化に基づいて検出することで、シャフトに入力されるトルクを検出するものが、下記特許文献１により公知である。
特開２００７−２９２７２７号公報

ところで、かかる磁歪式トルクセンサは、励磁コイルおよび検出コイルの周囲を囲んで磁路を構成するためのバックヨークを備えているが、上記特許文献１に記載された磁歪式トルクセンサのバックヨークは、励磁コイルおよび検出コイルの周囲を３６０°に亘って囲繞しているため、渦電流が発生し易くなって検出精度に悪影響を及ぼす可能性があった。

そこで本出願人は、特願２００８−５２０９３において、バックヨークに軸線方向のスリットを形成することで渦電流の発生を抑制し、磁歪式トルクセンサの検出精度を高めるものを提案した。

しかしながら、バックヨークに軸線方向のスリットを形成すると、径方向の荷重に対するバックヨークの剛性が低下してしまい、外力によりスリットが閉じる方向にバックヨークが変形する懸念がある。

本発明は前述の事情に鑑みてなされたもので、磁歪式トルクセンサのバックヨークにスリットを形成した場合に、径方向の荷重に対するバックヨークの剛性を確保することを目的とする。

上記目的を達成するために、請求項１に記載された発明によれば、回転軸の表面に形成された磁歪膜の外周にボビンに巻回されたコイルを配置し、軸線方向に延びるスリットが形成された円筒状のバックヨークを前記コイルの外周に配置し、前記磁歪膜の磁気特性の変化を前記コイルで検出することで前記回転軸に加えられたトルクを検出する磁歪式トルクセンサであって、前記コイルに接続されたワイヤーを引き出す端子台を前記スリットに嵌合させたことを特徴とする磁歪式トルクセンサが提案される。

また請求項２に記載された発明によれば、請求項１の構成に加えて、前記ボビン、前記コイル、前記端子台および前記バックヨークは合成樹脂製のハウジングの内部に一体にモールドされることを特徴とする磁歪式トルクセンサが提案される。

また請求項３に記載された発明によれば、請求項２に記載された磁歪式トルクセンサの製造方法であって、前記ボビン、前記コイル、前記バックヨークおよび前記端子台を組み立ててコイルユニットを構成する工程と、前記コイルユニットを金型内に位置決めする工程と、前記金型のキャビティに合成樹脂を注入して前記ハウジングを成形する工程と、前記金型を型開きして前記コイルユニットを収納する前記ハウジングを取り出す工程とを備えることを特徴とする磁歪式トルクセンサの製造方法が提案される。

また請求項４に記載された発明によれば、請求項１または請求項２の磁歪式トルクセンサを用いた車両用操舵装置であって、前記磁歪式トルクセンサを、ステアリングシャフトに入力される操舵トルクを検出する操舵トルクセンサとして使用し、前記操舵トルクセンサで検出した操舵トルクに基づいて電動パワーステアリング装置のアクチュエータの作動を制御することを特徴とする車両用操舵装置が提案される。

尚、実施の形態の上部ステアリングシャフト１２および下部ステアリングシャフト１４は本発明のステアリングシャフトに対応し、実施の形態のピニオンシャフト１７は本発明の回転軸に対応し、実施の形態の上部ケース２３は本発明のハウジングに対応し、実施の形態の第１、第２磁歪膜３９Ａ，３９Ｂは本発明の磁歪膜に対応し、実施の形態の第１、第２ボビン４０Ａ，４０Ｂは本発明のボビンに対応し、実施の形態の第１〜第４コイル４１Ａ〜４１Ｄは本発明のコイルに対応し、実施の形態の第１、第２端子台４７Ａ，４７Ｂは本発明の端子台に対応し、実施の形態の操舵トルクセンサＳｔは本発明の磁歪式トルクセンサに対応し、実施の形態の電動モータＭは本発明のアクチュエータに対応する。

請求項１の構成によれば、磁歪式トルクセンサのバックヨークに軸線方向に延びるスリットを形成したので、バックヨークに発生する渦電流をスリットにより遮断して抑制し、検出精度を高めることができる。また回転軸の磁歪膜の外周に配置したコイルに接続されたワイヤーを引き出す端子台をバックヨークのスリットに嵌合させたので、径方向の荷重が作用したときにバックヨークがスリットを閉じる方向に変形するのを端子台により抑制し、スリットを形成したことによるバックヨークの剛性低下を補償することができる。

また請求項２の構成によれば、ボビン、コイル、端子台およびバックヨークを合成樹脂製のハウジングの内部に一体にモールドしたので、それらを強固に一体化できるだけでなく、ハウジングの金型成形時の圧力でバックヨークがスリットを閉じる方向に変形するのを確実に防止することができる。

また請求項３の構成によれば、磁歪式トルクセンサを製造する際に、ボビン、コイル、バックヨークおよび端子台を組み立ててコイルユニットを構成し、コイルユニットを金型内に位置決めし、金型のキャビティに合成樹脂を注入してハウジングを成形し、金型を型開きしてコイルユニットをインサートしたハウジングを取り出すので、ハウジングの金型成形時の圧力でバックヨークがスリットを閉じる方向に変形するのを確実に防止することができる。

また請求項４の構成によれば、磁歪式トルクセンサを車両用操舵装置の操舵トルクセンサとして使用するので、ステアリングシャフトに入力される操舵トルクを高精度で検出してパワーステアリング装置のアクチュエータの作動を制御することで、操舵フィーリングを向上させることができる。

以下、本発明の実施の形態を添付の図面に基づいて説明する。

図１〜図１４は本発明の実施の形態を示すもので、図１は電動パワーステアリング装置の全体斜視図、図２は図１の２−２線拡大断面図、図３は図２の３−３線断面図、図４は図２の４部拡大図、図５は図４の５−５線断面図、図６はバックヨークの斜視図、図７は操舵トルクに対するトルク検出信号の変化特性を示す図、図８はコイルユニットセット工程の説明図、図９は図８の９−９線断面図、図１０は金型セット工程の説明図、図１１は図１０の１１−１１線断面図、図１２は図１０の１２−１２線断面図、図１３は樹脂モールド工程の説明図、図１４は完成した上部ケースを示す図である。

図１に示すように、ステアリングホイール１１と一体に回転する上部ステアリングシャフト１２は、上部ユニバーサルジョイント１３、下部ステアリングシャフト１４および下部ユニバーサルジョイント１５を介して、減速機１６から上方に突出するピニオンシャフト１７に接続される。減速機１６の下端に接続されたステアリングギヤボックス１８の左右両端から突出するタイロッド１９，１９が、左右の車輪ＷＬ，ＷＲの図示せぬナックルに接続される。減速機１６にはモータＭが支持されており、このモータＭの作動が、減速機１６の内部に収納した操舵トルクセンサＳｔからの信号が入力される電子制御ユニットＵにより制御される。

図２および図３に示すように、減速機１６はステアリングギヤボックス１８と一体の金属製の下部ケース２１と、その上面にボルト２２…で結合された合成樹脂製の上部ケース２３とを備えており、ステアリングギヤボックス１８、下部ケース２１および上部ケース２３にボールベアリング２５，２６，２７で前記ピニオンシャフト１７が回転自在に支持される。ピニオンシャフト１７の下端に設けられたピニオン２８が、ステアリングギヤボックス１８の内部に左右移動自在に支持したラックバー２９に設けられたラック３０に噛合する。ステアリングギヤボックス１８に形成した貫通孔１８ａに押圧部材３１が摺動自在に収納されており、貫通孔１８ａを閉塞するナット部材３２との間に配置したスプリング３３で押圧部材３１をラックバー２９の背面に向けて付勢することで、ラックバー２９の撓みを抑制してラック３０をピニオン２８に正しく噛合させることができる。

減速機１６の内部に延びるモータＭの回転軸３４は、一対のボールベアリング３５，３６で下部ケース２１に回転自在に支持される。モータＭの回転軸３４に設けられたウオーム３７は、ピニオンシャフト１７に固定されたウオームホイール３８に噛合する。

図２および図４に示すように、ステアリングホイール１１に入力される操舵トルクを検出する操舵トルクセンサＳｔは、ピニオンシャフト１７の表面を所定幅で覆うように形成された、例えばＮｉ−Ｆｅメッキよりなる第１、第２磁歪膜３９Ａ，３９Ｂと、第１磁歪膜３９Ａの周囲を囲繞するように合成樹脂製の第１ボビン４０Ａに巻回された第１，第２コイル４１Ａ，４１Ｂと、第２磁歪膜３９Ｂの周囲を囲繞するように合成樹脂製の第２ボビン４０Ｂに巻回された第３、第４コイル４１Ｃ，４１Ｄと、第１〜第４コイル４１Ａ〜４１Ｄを囲む磁性体製の概略円筒状のバックヨーク４３とを備える。

図４〜図６から明らかなように、バックヨーク４３は磁性体で形成された矩形状の板材を略円筒状に湾曲させたもので、その対向する二つの辺の間にスリット４３ａが形成される。

第１ボビン４０Ａは、円筒状のボビン本体４０ａから径方向外向きに張り出す第１〜第３フランジ４０ｂ〜４０ｄを備えており、第１、第２フランジ４０ｂ，４０ｃ間に第１コイル４１Ａが巻回され、第２、第３フランジ４０ｃ，４０ｄ間に第２コイル４１Ｂが巻回される。第２ボビン４０Ｂは、円筒状のボビン本体４０ｅから径方向外向きに張り出す第１〜第３フランジ４０ｆ〜４０ｈを備えており、第１、第２フランジ４０ｆ，４０ｇ間に第３コイル４１Ｃが巻回され、第２、第３フランジ４０ｇ，４０ｈ間に第４コイル４１Ｄが巻回される。

第１ボビン４０Ａの上端の第１フランジ４０ｂの上面に、前記バックヨーク４３と協働する磁性体よりなる円環状の第１ヨークリング４８Ａが重ね合わされ、第２ボビン４０Ｂの下端の第１フランジ４０ｆの下面に、前記バックヨーク４３と協働する磁性体よりなる円環状の第２ヨークリング４８Ｂが重ね合わされる。

第１〜４コイル４１Ａ〜４１Ｄには励磁回路４４および第１、第２変換回路４５Ａ，４５Ｂが接続され、第１、第２変換回路４５Ａ，４５Ｂにはアンプ４６が接続される。このとき、第１〜４コイル４１Ａ〜４１Ｄから延びるワイヤは、第１ボビン４０Ａと一体に形成された第１端子台４７Ａおよび第２ボビン４０Ｂと一体に形成された第２端子台４７Ｂを介して引き出される。そして第１、第２端子台４７Ａ，４７Ｂは、バックヨーク４３のスリット４３ａに、円周方向の隙間が存在しないように嵌合する。

上記バックヨーク４３、第１、第２ヨークリング４８Ａ，４８Ｂ、第１、第２ボビン４０Ａ，４０Ｂ、第１〜第４コイル４１Ａ〜４１Ｄおよび第１、第２端子台４７Ａ，４７Ｂは、本発明のコイルユニット４９を構成する。

ピニオンシャフト１７にトルクが作用して捩じれ変形すると第１、第２磁歪膜３９Ａ，３９Ｂの透磁率が変化するため、第１〜第４コイル４１Ａ〜４１Ｄに励磁回路４４から高周波の交流電圧を印可することで、第１、第２磁歪膜３９Ａ，３９Ｂの透磁率の変化を第１〜第４コイル４１Ａ〜４１Ｄのインピーダンスの変化として検出することができる。

図７に示すように、上記第１〜第４コイル４１Ａ〜４１Ｄのインピーダンスの変化を第１、第２変換回路４５Ａ，４５Ｂでそれぞれ電圧信号ＶＴ１，ＶＴ２に変換し、アンプ４６が二つの電圧信号ＶＴ１，ＶＴ２の差を増幅率ｋで増幅し、それに所定のバイアス電圧Ｖｂ（例えば、２．５Ｖ）を加えたトルク検出信号ＶＴ３を出力する。このトルク検出信号ＶＴ３はピニオンシャフト１７に入力されるトルクに応じて変化する。

ＶＴ３＝ｋ（ＶＴ１−ＶＴ２）＋Ｖｂ
このようにして、ステアリングホイール１１に入力される操舵トルクによりピニオンシャフト１７が第１、第２磁歪膜３９Ａ，３９Ｂと共に捩じれ変形すると、第１、第２磁歪膜３９Ａ，３９Ｂ、バックヨーク４３および２個のヨークリング４８Ａ，４８Ｂで構成される二つの磁路に沿う磁束密度が変化することで、その磁束密度の変化に基づいて操舵トルクを検出することができる。

次に、コイルユニット４９を一体にインサートした上部ケース２３の成形工程を、図８〜図１４に基づいて説明する。

先ず、図８および図９に示すように、金型Ｄの下型５１に立設した円柱状のコイルユニット支持部５１ａに、予めサブアセンブリ化したコイルユニット４９の第１、第２ボビン４０Ａ，４０Ｂの内周面を嵌合させる。このとき、下型５１に立設した角柱状のスリット嵌合部５１ｂが、バックヨーク４３のスリット４３ａの下部、つまり第２端子台４７Ｂよりも下側部分に嵌合する。

続いて、図１０〜図１２に示すように、下型５１の上部に左右の横型５２，５３をセットし、更に上方から上型５４をセットする。このとき、下型５１のコイルユニット支持部５１ａの上端部は上型５４の開口５４ａに密に嵌合し、また上型５４から垂下する角柱状のスリット嵌合部５４ｂが、バックヨーク４３のスリット４３ａの上部、つまり第１端子台４７Ａよりも上側部分に嵌合する。

このようにして、コイルユニット４９と、その周囲に配置された下型５１、横型５２，５３および上型５４との間にキャビティ５５が形成されると．図１３に示すように、前記キャビティ５５に溶融した合成樹脂を射出して上部ケース２３を成形する。そして合成樹脂の硬化後に金型Ｄを開くことで、図１４に示すように、コイルユニット４９を内部に一体にインサートした上部ケース２３が完成する。

以上のように、第１〜第４コイル４１Ａ〜４１Ｄを囲むバックヨーク４３に軸方向に延びるスリット４３ａを形成したので、第１〜第４コイル４１Ａ〜４１Ｄを励磁したときにバックヨーク４３に渦電流が発生するのをスリット４３ａにより抑制し、操舵トルクセンサＳｔの検出精度を高めることができる。しかも、バックヨーク４３を１枚の矩形状の板部材を円筒状に曲げ加工して構成したので、その構造が極めて簡素化されて製造コストが削減されるだけでなく、曲げ加工時にバックヨーク４３の相対向する二つの辺の間に前記スリット４３ａを自動的に形成することができるため、更なる製造コストの削減が可能になる。

またバックヨーク４３にスリット４３ａを形成したことで、径方向内向きの荷重が加わったときにバックヨーク４３がスリット４３ａを縮める方向に変形し易くなるが、そのスリット４３ａに第１、第２端子台４７Ａ，４７Ｂを嵌合させたことで、前記バックヨーク４３の変形を確実に阻止することができる。例えば、コイルユニット４９を金型Ｄ内にセットして上部ケース２３を射出成形する場合にも、射出される樹脂の圧力でバックヨーク４３が径方向内向きに変形しようとするが、スリット４３ａに嵌合する第１、第２端子台４７Ａ，４７Ｂと、下型５１および上型５４のスリット嵌合部５１ｂ，５４ｂでバックヨーク４３の変形を確実に阻止することができる。また前記下型５１および上型５４のスリット嵌合部５１ｂ，５４ｂは、バックヨーク４３のスリット４３ａに嵌合することで、コイルユニット４９を金型Ｄ内で回転方向に位置決めする機能も発揮する。

しかして、本実施の形態で説明した操舵トルクセンサＳｔを車両用操舵装置に使用すれば、ステアリングホイール１１に入力される操舵トルクを高精度で検出してパワーステアリング装置の電動モータＭを制御することで、操舵フィーリングを向上させることができる。

以上、本発明の実施の形態を説明したが、本発明はその要旨を逸脱しない範囲で種々の設計変更を行うことが可能である。

例えば、実施の形態では磁歪式トルクセンサを操舵トルクセンサＳｔに適用しているが、本発明の磁歪式トルクセンサは回転軸に入力されるトルクを検出する任意の用途のトルクセンサに適用することができる。

また実施の形態では第１、第２端子台４７Ａ，４７Ｂを第１、第２ボビン４０Ａ，４０Ｂと一体に形成しているが、それらを別体に形成することができる。

また実施の形態のコイルユニット４９は第１、第２ヨークリング４８Ａ，４８Ｂを備えているが、それらの第１、第２ヨークリング４８Ａ，４８Ｂは省略可能である。

電動パワーステアリング装置の全体斜視図 図１の２−２線拡大断面図 図２の３−３線断面図 図２の４部拡大図 図４の５−５線断面図 バックヨークの斜視図 操舵トルクに対するトルク検出信号の変化特性を示す図 コイルユニットセット工程の説明図 図８の９−９線断面図 金型セット工程の説明図 図１０の１１−１１線断面図 図１０の１２−１２線断面図 樹脂モールド工程の説明図 完成した上部ケースを示す図

符号の説明

１２ 上部ステアリングシャフト（ステアリングシャフト）
１４ 下部ステアリングシャフト（ステアリングシャフト）
１７ ピニオンシャフト（回転軸）
２３ 上部ケース（ハウジング）
３９Ａ 第１磁歪膜（磁歪膜）
３９Ｂ 第２磁歪膜（磁歪膜）
４０Ａ 第１ボビン（ボビン）
４０Ｂ 第２ボビン（ボビン）
４１Ａ 第１コイル（コイル）
４１Ｂ 第２コイル（コイル）
４１Ｃ 第３コイル（コイル）
４１Ｄ 第４コイル（コイル）
４３ バックヨーク
４３ａ スリット
４７Ａ 第１端子台（端子台）
４７Ｂ 第２端子台（端子台）
４９ コイルユニット
５５ キャビティ
Ｄ 金型
Ｍ 電動モータ（アクチュエータ）
Ｓｔ 操舵トルクセンサ（磁歪式トルクセンサ）

Claims (4)

1. 回転軸（１７）の表面に形成された磁歪膜（３９Ａ，３９Ｂ）の外周にボビン（４０Ａ，４０Ｂ）に巻回されたコイル（４１Ａ〜４１Ｄ）を配置し、軸線方向に延びるスリット（４３ａ）が形成された円筒状のバックヨーク（４３）を前記コイル（４１Ａ〜４１Ｄ）の外周に配置し、前記磁歪膜（３９Ａ，３９Ｂ）の磁気特性の変化を前記コイル（４１Ａ〜４１Ｄ）で検出することで前記回転軸（１７）に加えられたトルクを検出する磁歪式トルクセンサであって、
   前記コイル（４１Ａ〜４１Ｄ）に接続されたワイヤーを引き出す端子台（４７Ａ，４７Ｂ）を前記スリット（４３ａ）に嵌合させたことを特徴とする磁歪式トルクセンサ。
2. 前記ボビン（４０Ａ，４０Ｂ）、前記コイル（４１Ａ〜４１Ｄ）、前記端子台（４７Ａ，４７Ｂ）および前記バックヨーク（４３）は合成樹脂製のハウジング（２３）の内部に一体にモールドされることを特徴とする、請求項１に記載の磁歪式トルクセンサ。
3. 請求項２に記載された磁歪式トルクセンサの製造方法であって、
   前記ボビン（４０）、前記コイル（４１Ａ〜４１Ｄ）、前記バックヨーク（４３）および前記端子台（４７Ａ，４７Ｂ）を組み立ててコイルユニット（４９）を構成する工程と、
   前記コイルユニット（４９）を金型（Ｄ）内に位置決めする工程と、
   前記金型（Ｄ）のキャビティ（５５）に合成樹脂を注入して前記ハウジング（２３）を成形する工程と、
   前記金型（Ｄ）を型開きして前記コイルユニット（４９）をインサートした前記ハウジング（２３）を取り出す工程と、
   を備えることを特徴とする磁歪式トルクセンサの製造方法。
4. 請求項１または請求項２の磁歪式トルクセンサを用いた車両用操舵装置であって、
   前記磁歪式トルクセンサを、ステアリングシャフト（１２，１４）に入力される操舵トルクを検出する操舵トルクセンサ（Ｓｔ）として使用し、前記操舵トルクセンサ（Ｓｔ）で検出した操舵トルクに基づいて電動パワーステアリング装置のアクチュエータ（Ｍ）の作動を制御することを特徴とする車両用操舵装置。

Images