JP2010139307A - 操舵角・トルクセンサ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 操舵角・トルクセンサ装置において、計測誤差の発生要因を特定し、その要因に対処可能な手段を案出することで計測誤差の発生を抑制して、より誤差の少ない正確なトルク計測を可能とした操舵角・トルクセンサ装置を提供する。
【解決手段】 この操舵角・トルクセンサ装置は、磁気検出部である操舵角センサ本体３とそれに対向配置される磁石４とを有して操舵軸６の回転角度を検出する操舵角センサ２と、操舵軸６に掛かるトルクを検出するトルクセンサ１とを有しており、かつ磁石４がトルクセンサ１に隣接して配置された操舵角・トルクセンサ装置であって、磁石４における操舵角センサ本体３に対向した面とは反対側の面に近接して、磁石４の磁化方向９と略平行に、磁性体板５を配置してなることを特徴とするものである。
【選択図】 図１

Description

本発明は、例えば自動車のステアリング装置系などに組み込まれ、その操舵操作における操舵角を検出する操舵角センサと操舵トルクを検出するトルクセンサとを隣接して備えた、操舵角・トルクセンサ装置に関する。

従来、この種の操舵角・トルクセンサ装置では、一つの操舵軸における操舵操作の入力に関しての、操舵角度を検出する操舵角センサと、操舵トルクを検出するトルクセンサとを、装置全体の小型化を図るために、隣接して配置した構造とする場合が多い。そして、そのどちらのセンサも、操舵軸の回転に対応して生じる磁界変化や電磁相互作用等に基づいて、操舵角度や操舵トルクを検出するように設定されている場合が多い。

図５（ａ）は、そのような２つのセンサが隣接して配置される構造を有する、従来の一般的な操舵角・トルクセンサ装置の一例を示す平面図であり、図５（ｂ）は、そのＡ−Ａ´断面図である。なお、図５（ａ）では、図示の簡潔化を図るために、操舵角センサおよび回転伝達機構の図示は省略してある。

トルクセンサ１００は、操舵軸１０１の回転を受けると、それに対応して内部に設けられているトーションバー機構（図示省略）に捩れが生じ、その捩れの度合いに対応して、そのとき操舵軸１０１に入力されている操舵トルクを検出する。その捩れの度合いの計測は、多くの場合、このトルクセンサ１００の内部に設けられている電磁相互作用を応用した回転角度差検出手段等によって行われるように設定されている場合が多い。

操舵角センサ２００は、操舵角センサ本体２０１およびそれに付属する磁石２０２からその主要部が構成されている。この操舵角センサ２００では、操舵軸１０１の回転運動が回転伝達機構（図示省略）によって伝達されると、その回転運動に対応して、内部に設けられている磁気検出部が機能し、そのときの操舵軸１０１の回転角度つまり操舵角を検出するように設定されている。

トルクセンサ１００の周囲のうちの、隣接して設けられている操舵角センサ２００と対面する面側の約半周に亘って、操舵角センサ本体２０１およびそれに付属する磁石２０２や外部からの電磁気的外乱等による悪影響を防ぐために、シールドカバー１０２が設けられる場合が多い。また、磁石２０２の周囲にも、外部からの磁気的外乱等の悪影響を防ぐために、シールドリング２０３が設けられる場合も多い（以上、特許文献１参照）。

特開２００７−２６９２８１号公報

しかしながら、上記のような従来提案されている操舵角・トルクセンサ装置においては、トルクセンサ１００の周囲にはシールドカバー１０２を設けると共に磁石２０２の周囲にもシールドリング２０３を設けているにも関わらず、無視できない計測誤差が発生するという問題があった。しかも、斯様な計測誤差の発生要因それ自体からして、未だ明確には特定されていなかった。
本発明は、このような問題に鑑みて成されたもので、その目的は、トルクセンサ１００と操舵角センサ２００とを、装置全体の小型化のために隣接配置してなる操舵角・トルクセンサ装置において、計測誤差の発生要因を特定し、その要因に対して効果的に対処可能
な手段を案出することで計測誤差の発生を抑制して、より誤差の少ない正確なトルク計測を可能とした操舵角・トルクセンサ装置を提供することにある。

本発明の操舵角・トルクセンサ装置は、磁気検出部と当該磁気検出部に対向して配置される磁石とを有して操舵軸の回転角度を検出する操舵角センサと、前記操舵軸に掛かるトルクを検出するトルクセンサとを有しており、かつ前記磁石が前記トルクセンサに隣接して配置された操舵角・トルクセンサ装置であって、前記磁石における前記磁気検出部に対向した面とは反対側の面に近接して、前記磁石の磁化方向と略平行に、磁性体板を配置してなることを特徴としている。
すなわち、我々は、従来の操舵角・トルクセンサ装置におけるトルク計測誤差の発生要因を解明するための種々の実験およびそれに対する考察等の精鋭努力を行った結果、トルクセンサによる操舵トルク検出における計測誤差の発生要因が、操舵角センサに付属してトルクセンサの近傍に設けられる磁石から発散される磁束に因るものであることを確認した。そして、斯様な計測誤差の発生要因である磁石に近接して磁性体板を配置することで、その磁石から発散される磁束をトルクセンサへと向かわせるのではなく磁性体板へと逃がすことにより、トルクセンサに対する磁石からの磁束の悪影響を防ぐことができることを、理論的な考察によることは勿論のこと実験的にも確認して、本発明を成すに到ったのであった。

本発明によれば、トルクセンサに隣接して配置された、操舵角センサの付属部品である磁石における、磁気検出部に対向した面とは反対側の面に近接して、磁石の磁化方向とほぼ平行に磁性体板を配置するようにしたので、磁石から発散される磁束をトルクセンサへと向かわせるのではなく磁性体板へと逃がすことが可能となり、その結果、操舵角センサの付属部品である磁石から発散される磁束に起因したトルクセンサへの磁気干渉を防いで、より誤差の少ない正確なトルク計測を達成することができる。

以下、本発明の実施の形態に係る操舵角・トルクセンサ装置について、図面を参照して説明する。
図１は、本発明の実施の形態に係る操舵角・トルクセンサ装置の主要な構成を示す側面図（部分的に断面を含む）、図２は、図１に示した操舵角・トルクセンサ装置の平面図である。

この操舵角・トルクセンサ装置では、トルクセンサ１と操舵角センサ２とが隣接して配置されている。操舵角センサ２は、操舵角センサ本体３と磁石４とをその主要部として有している。そして、磁石４における操舵角センサ本体３に対向した面とは反対側の面に近接して、磁石４の磁化方向とほぼ平行に、磁性体板５が設けられている。

トルクセンサ１は、操舵軸６の回転を受けると、内部に設けられているトーションバー機構（図示省略）に捩れが生じ、その捩れの度合いに応じて、そのとき操舵軸６に入力されている操舵トルクを検出（あるいは広義の計測；以下同様）するためのものである。その捩れの度合いの検出は、このトルクセンサ１の内部に設けられている電磁相互作用を応用した回転角度差検出手段等（図示省略）によって、そのときの捩れの度合いに応じてトーションバーの入力側と出力側との間に生じる回転角度差に基づいて行われる。

操舵角センサ２は、操舵軸６に対して直交方向にトルクセンサ１と並列して配置されている。操舵軸６の回転運動が回転伝達機構によって回転軸７に伝達されると、その回転軸７の回転運動に連動して磁石４が回転軸７を中心とした回転運動を行う。そして、この操
舵角センサ２では、内部に設けられている磁気検出部が、磁石４からの磁界の変化を検出し、それに基づいて、そのときの操舵軸６の回転角度つまり操舵角を検出（あるいは広義の計測；以下同様）する。

磁性体板５は、磁石４における操舵角センサ本体３に対向した面とは反対側の面（図１では磁石４における下側の面）に近接して、磁石４の磁化方向９とほぼ平行な姿勢で配置されて、磁石４からトルクセンサ１の下側の面へと流れようとする磁束の流れを、この磁性体板５へと流す（逃がす）ようにすることで、磁石４からトルクセンサ１への磁気的干渉を低減ないしは抑止するようにしたものである。
ここで、上記の「近接」とは、磁石４から発散される磁界をトルクセンサ１へと向かう方向から磁性体板５へと逃がす方向へと向かわせて、その磁界に起因したトルクセンサ１への磁気干渉を実際上の悪影響のないものにまで低減させることが可能な程度の位置、ということを意味している。また、上記の「近接」とは、磁性体板５が磁石４の下面と接する状態も含むものとする。
この磁性体板５の外形寸法は、磁石４の外形寸法以上の大きさとし、かつ、図２に示したように、磁石４の磁性体板５への平面的投影がこの磁性体板５の平面的輪郭内に完全に収まるように配置することが、より望ましい。これは、実施例で詳述するような我々が行った実験の結果に基づいた知見である。

シールドカバー８は、トルクセンサ１の周囲のうちの、操舵角センサ２と対面する面側の約半周に亘って設けられたもので、操舵角センサ本体３およびそれに付属する磁石４や外部からの電磁気的外乱等の悪影響等を防ぐためのものである。
また、図示の煩雑化を避けるために図１、図２では図示を省略してあるが、磁石４の周囲にも、外部からの磁気的外乱等の悪影響を防ぐために、シールドリングを設けるようにすることが望ましい。

また、回転伝達機構は、トルクセンサ１側に設けられて操舵軸６の回転と共に回転する第１の歯車１０ａと、操舵角センサ２側に設けられて、第１の歯車１０ａと噛合して回転することで操舵軸６の回転を回転軸７へと伝達する第２の歯車１０ｂとを、その主要部として備えた歯車機構とすることで、確実かつ精密に操舵軸６の回転を回転軸７へと伝達することが可能となる。そして、この場合には、磁性体板５は、歯車機構と磁石４との間に配置することが望ましい。これは、このように配置することにより、磁石４からトルクセンサ１への磁気的干渉を抑止する機能を、より効果的に発揮することが可能となるからである。なお、本実施の形態に係る回転伝達機構では、磁石４が、回転軸７に機械的に連結・支持されていて、その回転軸７の回転と共に回転運動（回転軸７を中心とした公転運動）させられるように設定されているが、図１では、図示の煩雑化を回避するために、その磁石４の連結・支持機構等についての詳細な図示は省略してある。

このように主要部が構成された、本発明の実施の形態に係る操舵角・トルクセンサ装置では、トルクセンサ１に隣接して配置された、操舵角センサ２の付属部品である磁石４における操舵角センサ本体３に対向した面とは反対側の面に近接して、磁石４の磁化方向９とほぼ平行な姿勢で磁性体板５を配置するようにしたので、磁石４から発散される磁束をトルクセンサ１へと向かわせるのではなく磁性体板５へと逃がすことが可能となり、その結果、操舵角センサ２の付属部品である磁石４から発散される磁束に起因したトルクセンサ１への磁気干渉を防いで、より誤差の少ない正確なトルク計測を達成することが可能となる。具体的な数値的態様としては、実施例で詳述するが、我々の行った実験結果によれば、従来技術に係る操舵角・トルクセンサ装置の場合と比べて約７０％以上もの磁気干渉の低減を達成することが可能となる。
また、そのように磁石４から発散される磁束に起因したトルクセンサ１への磁気干渉を防ぐことを可能としたので、そのような磁気干渉の発生する虞なくトルクセンサ１と操舵
角センサ２との間やトルクセンサ１と磁石４との間などの配置距離をさらに短縮することが可能となり、延いてはこの操舵角・トルクセンサ装置全体のさらなる小型化を達成するとも可能となる。

すなわち、図１および図２に示したような位置に磁性体板５を配置することで、磁石４から発散される磁束は、比透磁率が１の空気中を通ってトルクセンサ１へと向かうよりも、比透磁率が１より大きい磁性体からなる磁性体板５の内部を通ってそこに磁路を形成しやすい。よって、磁石４から発散される磁束は、その流れが磁性体板５に引き寄せられるように向かうこととなり、トルクセンサ１へは向かわなくなる傾向が強くなる。つまり、磁性体板５を備えていない従来技術に係る操舵角・トルクセンサ装置では、トルクセンサ１と磁石４との間に磁気的干渉の要因となるような強さで磁気的な結合が生じていたが、本発明の実施の形態に係る操舵角・トルクセンサ装置によれば、磁性体板５を配置したことで、その磁性体板５と磁石４との間に、より強い磁気的な結合が生じるので、トルクセンサ１に対する磁石４の磁気的干渉を大幅に低減することが可能となるものと考えられる。

なお、回転伝達機構として、上記のような歯車機構とすることは望ましい一態様であるが、これのみには限定されないことは言うまでもない。この他にも、例えばベルト式伝達機構なども可能である。
また、操舵角センサ２を２個以上のような複数個設けた構造とすることなども可能である。
あるいは、トルクセンサ１と操舵角センサ２とを、操舵軸６に対して直交方向に並列配置すること以外にも、例えば、それら両者を同一の操舵軸６上に直列的に配置し、かつ操舵角センサ２の直径をトルクセンサ１のそれよりも大きなものとし、そのトルクセンサ１の外周から外へと張り出した部分の操舵角センサ本体３の下面に磁石４の上面が対向するように配置した構造などもバリエーションとして可能である。この場合にも、磁性体板５は上記の実施の形態と同様に磁石４に近接して配置することで、上記の実施の形態の場合と同様の効果を得ることできる。

図３（ａ）は、本発明の実施例に係る操舵角・トルクセンサ装置における、トルクセンサと磁石と磁性体板との配置関係を示す平面図であり、図３（ｂ）は、その側面図、図４は、図３に示した操舵角・トルクセンサ装置を用いた実験結果として、磁石の位置と磁気干渉の低減の割合との相関関係を折れ線グラフで示す図である。ここで、図３では、図１、図２と同様の部位にはそれらに付したものと同じ符号を付して示してある。また、図３においては図示の煩雑化を回避するために省略してあるが、実際には、一般的なシールドカバー８およびシールドリングが設けられている。

磁性体板５の外形寸法は、一辺の長さＬを３０ｍｍとし、他辺の長さＷを２２ｍｍ、２４ｍｍ、２６ｍｍの３種類とした。これらを、この順に、ケース１、ケース２、ケース３とした。また、比較例として、磁性体板５を全く備えていない従来の技術に係る操舵角・トルクセンサ装置を用いた実験も行った。これらの各ケースについての磁性体板５の外形寸法を纏めて表１に示す。

磁性体板５の厚さｔは、長さＷがどの場合も共通で１ｍｍとした。また、トルクセンサ１の下面と磁石４の上面との間の距離（高さ）ｈは、長さＷがどの場合も共通で１．４ｍｍとした。そして、トルクセンサ１と磁性体板５との間の水平方向距離ｂは、１０ｍｍとした。
また、磁性体板５の材質は、ＳＰＣＣ（ＪＩＳ Ｇ ３１４１ 冷間圧延鋼板および鋼帯 に記載の一般用に該当するもの）とした。
ここで、磁石４は、回転軸７の回転によって回転運動するが、その場合、磁石４からトルクセンサ１への磁気干渉が最も強くなるのは、磁石４がトルクセンサ１に最も近づいた状態のときである。このため、本実施例に係る実験では、磁石４をトルクセンサ１に最も近づいた位置（つまり図３に示したような位置）に配置した状態で実験を行うこととした。

磁石４としては、６０ｍＴ対応のネオジウム磁石を用いた。その外形寸法は、６ｍｍ×５ｍｍ×２ｍｍとした。

そして、図３（ａ）、図３（ｂ）に示したような、この実施例の操舵角・トルクセンサ装置における、磁石４とトルクセンサ１との間の水平距離ｄを、０ｍｍ（つまり接した状態）以上〜２０ｍｍ以下の範囲内で２ｍｍずつ移動させ、その個々の場合ごとでのトルクセンサ１からの出力電圧を、磁石４から発散される磁束の磁気干渉に起因した誤差的応答として測定した。その誤差的応答を、磁性体板５を全く備えていない従来技術に係る操舵角・トルクセンサ装置の場合に測定された誤差的応答と比較して、その割合（つまり比較例との比）をそれぞれのケース毎に算出した。

その結果は、図４の折れ線グラフに纏めて示したようなものとなった。この折れ線グラフでは、横軸には磁石の位置（磁石４とトルクセンサ１との間の水平距離ｄ）を取り、縦軸には比較例の場合の出力電圧に対する各ケースの出力電圧の割合を取ってある。

トルクセンサ１と磁石４との間の水平距離ｄは、従来技術で一般に、少なくとも１０ｍｍ以上は必要とされていた。そこで、水平距離ｄ＝１０ｍｍにおける磁気干渉の割合を比較したところ、ケース１の場合には従来技術の場合と比較して約７０％低減されていた。また、ケース２、ケース３では、どちらの場合も約８５％低減されていた。
この結果から、磁性体板５を設けることにより、磁石４からトルクセンサ１への磁気的干渉に起因したトルクセンサ１の計測誤差を、少なくとも７０％以上と大幅に低減させることが可能であることが確認できた。

特に、ケース３の場合には、磁石４とトルクセンサ１との間の水平距離ｄが５ｍｍ以上１２ｍｍ以下の範囲内では、ほぼ一定に、磁気的干渉を従来よりも８５％以上低減できて
いる。この結果から、ケース３の場合には、水平距離ｄを５〜６ｍｍ程度にまで近付けても、８５％以上もの磁気的干渉の低減効果が期待でき、延いては操舵角・トルクセンサ装置全体のさらなる小型化が期待できるということが判明した。

また、ケース３の結果と併せて考えると、図２に示したように磁性体板５の外形寸法を磁石４の外形寸法以上の大きさとし、かつ磁石４の磁性体板５への平面的投影が磁性体板５の平面的輪郭内に完全に収まるように配置することで、より確実に磁気的干渉を低減可能となることが期待できる。あるいは、そのような配置とすることにより、磁性体板５の外形寸法を磁石４のそれと同程度にまで小さくしても、上記のケース１、ケース２、ケース３の場合と同程度の磁気的干渉の低減効果が期待できる。

以上のように、本発明の実施例に係る操舵角・トルクセンサ装置を用いた実験から、本発明に係る操舵角・トルクセンサ装置によれば、磁石４から発散される磁束をトルクセンサ１へと向かわせるのではなく磁性体板５へと逃がすことが可能となり、その結果、操舵角センサ２の付属部品である磁石４から発散される磁束に起因したトルクセンサ１への磁気干渉を防いで、誤差の少ない正確なトルク計測を達成可能となることが実証された。また、それと共に、操舵角・トルクセンサ装置全体のさらなる小型化を達成可能となることが実証された。

本発明の実施の形態に係る操舵角・トルクセンサ装置の主要な構成を示す側面図である。 図１に示した操舵角・トルクセンサ装置の平面図である。 図３（ａ）は、本発明の実施例に係る操舵角・トルクセンサ装置における、トルクセンサと磁石と磁性体板との配置関係を示す平面図であり、図３（ｂ）は、その側面図である。 図３に示した操舵角・トルクセンサ装置を用いた実験結果として、磁石の位置と磁気干渉の低減の割合との相関関係を折れ線グラフとして示す図である。 図５（ａ）は、トルクセンサと操舵角センサとが隣接して配置される構造を有する、従来の一般的な操舵角・トルクセンサ装置の一例を示す平面図であり、図５（ｂ）は、そのＡ−Ａ´断面図である。

符号の説明

１ トルクセンサ
２ 操舵角センサ
３ 操舵角センサ本体
４ 磁石
５ 磁性体板
６ 操舵軸
７ 回転軸
８ シールドカバー
９ 磁化方向

Claims (6)

1. 磁気検出部と当該磁気検出部に対向して配置される磁石とを有して操舵軸の回転角度を検出する操舵角センサと、前記操舵軸に掛かるトルクを検出するトルクセンサとを有しており、かつ前記磁石が前記トルクセンサに隣接して配置された操舵角・トルクセンサ装置であって、
   前記磁石における前記磁気検出部に対向した面とは反対側の面に近接して、前記磁石の磁化方向と略平行に、磁性体板を配置してなる
   ことを特徴とする操舵角・トルクセンサ装置。
2. 請求項１記載の操舵角・トルクセンサ装置において、
   前記トルクセンサと前記操舵角センサの前記磁気検出部とが、前記操舵軸に対して直交方向に並列して配置されており、かつ前記操舵軸から受けた回転運動を前記トルクセンサおよび前記操舵角センサのうちの一方から他方へと伝達する回転伝達機構を備えた
   ことを特徴とする操舵角・トルクセンサ装置。
3. 請求項２記載の操舵角・トルクセンサ装置において、
   前記回転伝達機構が、前記トルクセンサ側に設けられて前記操舵軸の回転と共に回転する第１の歯車と、前記操舵角センサ側に設けられて前記第１の歯車と噛合して回転する第２の歯車とを有する歯車機構であり、
   前記磁性体板が、前記歯車機構と前記磁石との間に配置されている
   ことを特徴とする操舵角・トルクセンサ装置。
4. 請求項１ないし３のうちいずれか１つの項に記載の操舵角・トルクセンサ装置において、
   前記トルクセンサの周囲に、外来磁場に起因した外乱を防止するためのシールドカバーを設けてなる
   ことを特徴とする操舵角・トルクセンサ装置。
5. 請求項１ないし４のうちいずれか１つの項に記載の操舵角・トルクセンサ装置において、
   前記磁石の周囲を囲むように、外来磁場に起因した外乱を防止するためのシールドリングを設けてなる
   ことを特徴とする操舵角・トルクセンサ装置。
6. 請求項１ないし５のうちいずれか１つの項に記載の操舵角・トルクセンサ装置において、
   前記磁性体板の外形寸法を前記磁石の外形寸法以上の大きさとし、前記磁石の前記磁性体板への平面的投影が前記磁性体板の平面的輪郭内に完全に収まるように、前記磁性体板を配置してなる
   ことを特徴とする操舵角・トルクセンサ装置。