JP2011089890A - トルク検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】装置の寸法やコストの増大を抑制しつつ、外部磁界ノイズの影響を排除する能力を高めたトルク検出装置を提供する。
【解決手段】第１集磁体７１，７２に沿って設けられ、端部７７ａが、第１集磁体７１，７２よりも第２集磁体７３，７４の集磁端部７３ａ，７４ａに接近して対向するように形成された第１磁気シールド７７と、第２集磁体７３，７４に沿って設けられ、端部７８ａが、第２集磁体７３，７４よりも第１集磁体７１，７２の集磁端部７１ａ，７２ａに接近して対向するように形成された第２磁気シールド７８とを設ける。
【選択図】図４

Description

本発明は、電動パワーステアリング装置の操舵トルク検出に使用されるトルク検出装置に関する。

自動車等の電動パワーステアリング装置には、ドライバーの操舵トルクを検出して適切な操舵補助力を生じさせるためのトルク検出装置が設けられている。トルク検出装置は、ステアリングホイールに接続されたトーションバーの捩れ角（すなわち操舵トルク）に対応した磁束を発生する磁気装置（永久磁石・ヨーク）を備えており、この磁気装置が発生する磁束を、集磁リングとホールＩＣとにより検出して操舵トルクを検出する構成となっている（例えば、特許文献１〜３参照。）。

このようなホールＩＣを用いたトルク検出装置では、外部磁界ノイズの影響をできるだけ排除してトルク検出の精度を高めたい。そこで、トルク検出装置の外面を覆うように、外部から到来する磁界ノイズを遮蔽する磁気シールドを取り付ける構成が提案されている（例えば特許文献２参照。）。なお、トルク検出装置に影響を与える外部磁界ノイズとしては、例えば、車両に搭載された電装品のオン・オフによるノイズ、高圧送電線によるノイズ、道路や周辺の建物から発生するノイズ等がある。

特開２００５−２６５５９３号公報（図１） 特開２００６−７１３２６号公報（図１、図３） 特開２００４−１２５７１７号公報（図１）

しかしながら、上記のような従来のトルク検出装置では、磁気シールドによってある程度、外部磁界ノイズの影響を除去しているものの、シールドの限度を超える外部磁界ノイズもあり、全ての外部磁界ノイズに対して十分なシールド性能を有しているとは言えない。より大きな外部磁界ノイズに備えるには、磁気シールドを大きくすることや、磁気装置の永久磁石を強力にしてＳ／Ｎ比を高めることが考えられるが、その場合、装置の寸法やコストが増大する。また、基本設計を変更する必要があり、合理的ではない。

かかる従来の問題点に鑑み、本発明は、装置の寸法やコストの増大を抑制しつつ、外部磁界ノイズの影響を排除する能力を高めたトルク検出装置を提供することを目的とする。

（１）本発明のトルク検出装置は、トーションバーを介して互いに接続された入力軸・出力軸間の捩れ角に対応した磁束を発生させる円筒状の磁気装置と、前記磁気装置の外周面に沿って円弧状に設けられ、前記磁気装置が発生する磁束を捕捉する第１集磁体と、前記磁気装置の外周面に沿って円弧状に、かつ、前記第１集磁体と軸方向に並んで設けられ、前記磁気装置が発生する磁束を捕捉する第２集磁体と、前記第１集磁体の集磁端部と、これに対向する前記第２集磁体の集磁端部との間に介装された磁界検出センサと、前記第１集磁体に沿って設けられ、端部が、前記第１集磁体よりも前記第２集磁体の集磁端部に接近して対向するように形成された第１磁気シールドと、前記第２集磁体に沿って設けられ、端部が、前記第２集磁体よりも前記第１集磁体の集磁端部に接近して対向するように形成された第２磁気シールドとを備えたものである。

上記のようなトルク検出装置では、外部磁界ノイズが到来したとき、各磁気シールドが磁界を吸収し、集磁体に対するシールド効果を発揮するが、吸収しきれなかった磁界は、集磁体がこれを拾うことになる。このような場合において、軸方向の一方向から到来した外部磁界ノイズが、例えば、第１磁気シールドから第２磁気シールドに向かって突き抜けていくとすると、同様に、外部磁界ノイズは、第１集磁体から第２集磁体に向かって突き抜けていくことになる。このような磁界の方向性に関して、第１磁気シールド及び第１集磁体は一方側にあり、第２磁気シールド及び第２集磁体が他方側にある。
ここで、第１磁気シールド（一方側）の端部は第２集磁体（他方側）の集磁端部に接近して対向し、また、第２磁気シールド（他方側）の端部は第１集磁体（一方側）の集磁端部に接近して対向しているので、それぞれ対向する逆極性の磁界がキャンセルされ、外部磁界ノイズの影響は低減される。軸方向の他方向から到来する外部磁界ノイズに対しても同様に、外部磁界ノイズの影響は低減される。

（２）また、上記（１）のトルク検出装置において、第１，第２磁気シールドはそれぞれ、第１，第２集磁体を、径方向外方から覆うように設けられていてもよい。
この場合、第１，第２磁気シールドは上記のように軸方向からの外部磁界ノイズの影響を低減する他、径方向外方より到来する外部磁界ノイズから各集磁体を遮蔽することにより、各方向からの外部磁界ノイズに対してシールド効果を発揮する。

（３）また、上記（１）のトルク検出装置において、第１，第２磁気シールドはそれぞれ、第１，第２集磁体を、軸方向から覆うように設けられていてもよい。
この場合、各磁気シールドの大部分（端部を除く部分。）を、平面的形状（二次元形状）で構成することができるので、一部材としての磁気シールドの製造が容易である。

（４）また、上記（１）〜（３）のいずれかのトルク検出装置において、上記端部を別部材として用意し、これにその他の本体部分を接続することにより第１，第２磁気シールドを構成してもよい。
この場合、前記端部を各集磁体や磁界検出センサと共に樹脂モールドしておき、これに、その他の本体部分を装着することにより、トルク検出装置の製造が容易になる。

本発明のトルク検出装置によれば、磁気シールドの端部の形態を工夫するだけの簡易な構成で、外部磁界ノイズの影響を低減し、外部磁界ノイズに対するトルク検出装置のシールド性能を高めることができる。

本発明の第１実施形態によるトルク検出装置の構成を示す分解斜視図である。 図１のトルク検出装置における、検出装置のみを示す正面図である。 図２の検出装置内の、集磁体及びホールＩＣの分解斜視図である。 図３の各集磁体及びホールＩＣに、磁気シールドを加えた組立後の配置を示す斜視図である。 図４の軸方向の上方から各部を見た平面図である。 （ａ）は、図５におけるVI−VI線断面の概略を示す図であり、（ｂ）は、図５におけるVI−VI線断面を逆方向に見た図である。 図６の（ａ）の部分拡大図であり、軸方向の一方向から外部磁界ノイズが到来する場合を示している。 図６の（ａ）の部分拡大図であり、軸方向の他方向から外部磁界ノイズが到来する場合を示している。 本発明の第２実施形態によるトルク検出装置における、検出装置の要部のみを示す図である。 本発明の第３実施形態によるトルク検出装置における、検出装置の要部のみを示す斜視図である。 自動車の電動パワーステアリング装置の概略構成を示す図である。

図１１は、自動車の電動パワーステアリング装置の概略構成を示す図である。図において、ステアリングホイール１０１は、入力軸１と接続されている。入力軸１はトーションバー３を介して出力軸２と接続されている。出力軸２は、ピニオン１０４とラック１０５との噛み合いを介して、操向車輪１０６を転舵させる。トルク検出装置１００は、トーションバー３の捻れ角に基づいて操舵トルクを検出し、その出力信号は、ＥＣＵ１０２に送られる。ＥＣＵ１０２は、トルク検出装置１００の出力に基づいてモータ１０３を駆動し、必要な操舵補助力を出力軸２に付与する。

《第１実施形態》
図１は、本発明の第１実施形態によるトルク検出装置１００の構成を示す分解斜視図である。図において、入力軸１と出力軸２とは、細径のトーションバー３を介して互いに接続されている。なお、図示の都合上、トーションバー３は、途中の図示を省略しているが、入力軸１から出力軸２までつながった１本のバーである。入力軸１には周方向に例えば２４極（Ｎ，Ｓ極×１２）の着磁が施された円筒形状の永久磁石４が取り付けられる。

一方、出力軸２には軟磁性体からなる磁気ヨーク５１，５２を含む、円筒形状のヨーク５が取り付けられる。永久磁石４はヨーク５の内側に挿入され、ヨーク５の内周面との間に径方向への僅かな隙間を空けて互いに対向する。永久磁石４及びヨーク５は、トーションバー３を介して互いに接続された入力軸１・出力軸２間の捩れ角に対応する磁束を発生する円筒状の磁気装置６を構成する。また、ヨーク５は検出装置７の内側に挿入され、両者は、径方向に僅かな隙間を空けて互いに対向する。検出装置７は、円弧状で一対２組の集磁体７１〜７４（詳細後述）を備えている。検出装置７の出力（電圧）はハーネス８を介して取り出される。なお、上記各部材は、相互に同軸的に配置されている。検出装置７は、取付部７ａに形成されている孔７ｂを利用して、所定の箇所に取り付けることができる。

図２は、検出装置７のみを示す正面図である。検出装置７は、上記取付部７ａの他、集磁体７１〜７４やホールＩＣ７５，７６を内蔵する集磁体保持部７ｃと、取付部７ａの中央に盛り上がって形成され、ホールＩＣ７５，７６の外付けコンデンサを含む回路部分（図示せず）が内蔵される回路収容部７ｄと、回路収容部７ｄの背面側にさらに盛り上がって形成され、回路部分とハーネス８とを熱カシメにより接続する部位を内蔵する接続部７ｅとを備えている。各部は樹脂モールドにより一体成形されており、集磁体７１〜７４の内周面のみが露出している。

図１，図２において、集磁体保持部７ｃの外周面には、磁性体（鉄）からなる一対の磁気シールド７７，７８が取り付けられている。また、図１，図２において、回路収容部７ｄにも、これを覆うように、磁性体（鉄）からなる磁気シールド７９が取り付けられている。磁気シールド７７〜７９は、磁気装置６（図１）とは無関係の外部磁界ノイズがホールＩＣ７５，７６に与える影響を低減する。磁気シールド７７，７８は、全体として特有の形態を成しているが、これについては後述する。

図３は、上記検出装置７内の、集磁体７１〜７４及びホールＩＣ７５，７６の分解斜視図である。図において、第１主集磁体７１及び第１副集磁体７２は、磁気装置６（図１）の外周面に沿って円弧状（ほぼ半円）に一対設けられたものであって、磁気装置６が発生する磁束を互いに等感度で捕捉する。同様に、第２主集磁体７３及び第２副集磁体７４は、磁気装置６の外周面に沿って、かつ、第１主集磁体７１及び第１副集磁体７２とは軸方向にずれた位置に、円弧状に一対設けられたものであって、磁気装置６が発生する磁束を互いに等感度で捕捉する。

第１主集磁体７１の端部に突設された集磁端部７１ａと、第２主集磁体７３の端部に突設された集磁端部７３ａとは軸方向に互いに対向し、それらの間に主ホールＩＣ７５が介装される。同様に、第１副集磁体７２の端部に突設された集磁端部７２ａと、第２副集磁体７４の端部に突設された集磁端部７４ａとは軸方向に互いに対向し、それらの間に副ホールＩＣ７６が介装される。

上記磁気装置６（図１）は、運転者がステアリングホイール１０１（図１１）を操作していないとき、すなわち、操舵トルクが０のときは、永久磁石４（図１）のＮ／Ｓの磁界が、ヨーク５（図１）の外部で見ると、ヨーク５により相殺されるようになっている。従って、各集磁体７１〜７４は極性を持たず、各ホールＩＣ７５，７６を通過する磁束が生じない。一方、操舵トルクが与えられると、その大きさに応じたＮ／Ｓの磁界が生じて、磁束が各ホールＩＣ７５，７６を通過する。このとき、操舵の方向（右／左）により、各ホールＩＣ７５，７６を通過する磁束の方向が異なる。
このようにして、トルク検出装置１００は、操舵トルクを検出することができる。

次に、図４は、上記各集磁体７１〜７４及びホールＩＣ７５，７６に、磁気シールド７７，７８を加えた組立後の配置を示す斜視図である。図５は、図４の軸方向の上方から各部を見た平面図である。ここで、既に登場した部材名称を、以下のように定義する。
第１主集磁体７１＋第１副集磁体７２ → 第１集磁体７１，７２
第２主集磁体７３＋第２副集磁体７４ → 第２集磁体７３，７４
磁気シールド７７ → 第１磁気シールド７７
磁気シールド７８ → 第２磁気シールド７８

第１磁気シールド７７は、第１集磁体７１，７２に沿って、軸方向から見ると概ね「Ｕ」の字を成すように設けられている。そのＵの字の一方の終端から直角に（図５参照）、斜め板状部７７ｂを経て端部７７ａが、第１集磁体７１，７２よりも第２集磁体７３，７４の集磁端部７３ａ，７４ａに接近して対向するように延伸して形成されている。但し、上記の「直角」は一例にすぎず、直角以外の角度でもよい。また、斜め板状部７７ｂと端部７７ａとは必ずしも同一平面でなくてもよく、両者間に折り曲げが入ってもよい。
なお、図４は図示の便宜上、端部７７ａと、集磁端部７３ａ，７４ａとの間に比較的大きな軸方向隙間があるかのように描いているが、実際には、接近の程度は、例えば１ｍｍ未満である。すなわち、端部７７ａと、集磁端部７３ａ，７４ａとの間の軸方向隙間は、磁束の通り道となるよう、例えば１ｍｍ未満の微小な値である。

同様に、第２磁気シールド７８は、第２集磁体７３，７４に沿って、軸方向から見ると概ね「Ｕ」の字を成すように設けられている。そのＵの字の一方の終端から例えば直角に、斜め板状部７８ｂを経て端部７８ａが、第２集磁体７３，７４よりも第１集磁体７１，７２の集磁端部７１ａ，７２ａに接近して対向するように延伸して形成されている。また、端部７８ａと、集磁端部７１ａ，７２ａとの間の軸方向隙間は、磁束の通り道となるよう、例えば１ｍｍ未満の微小な値である。

図６の（ａ）は、図５におけるVI−VI線断面の概略を示す図である。図中の二点鎖線は、各磁気シールド７７，７８における磁路のつながりを示している。すなわち、第１磁気シールド７７の端部７７ａは、第２集磁体７４の集磁端部７４ａに接近して対向している。また、第２磁気シールド７８の端部７８ａは、第１集磁体７２の集磁端部７２ａに接近して対向している。なお、（ｂ）は、図５におけるVI−VI線断面を逆方向に見た図であり、第１磁気シールド７７の端部７７ａは、第２集磁体７３の集磁端部７３ａに接近して対向している。また、第２磁気シールド７８の端部７８ａは、第１集磁体７１の集磁端部７１ａに接近して対向している。

次に、外部磁界ノイズに対する磁気シールド７７，７８の作用について説明する。図４において、各集磁体７１〜７４の径方向外方から到来する外部磁界ノイズに対しては、第１，第２磁気シールド７７，７８は、各集磁体７１〜７４を遮蔽することにより、シールド効果を発揮する。

一方、軸方向の外部磁界ノイズに対して、第１，第２磁気シールド７７，７８は以下のように作用する。
図７及び図８は、図６の（ａ）の部分拡大図である。操舵トルク０で、外部磁界ノイズが到来したとき、この外部磁界ノイズの影響を受けやすい状態となる。このとき、各磁気シールド７７，７８が磁界を吸収し、集磁体７１〜７４に対するシールド効果を発揮するが、吸収しきれなかった磁界は、集磁体７１〜７４がこれを拾うことになる。

図７において、図示のように軸方向の一方向から到来する外部磁界ノイズが、例えば、図４の第１磁気シールド７７から第２磁気シールド７８に向かって突き抜けていくと、同様に、外部磁界ノイズは、第１集磁体７２から第２集磁体７４に向かって突き抜けていくことになる。このような磁界の方向性に関して、第１磁気シールド７７及び第１集磁体７２は一方側にあり、第２磁気シールド７８及び第２集磁体７４が他方側にある。
ここで、図７において、第１磁気シールド７７（一方側）の端部７７ａは第２集磁体７４（他方側）の集磁端部７４ａに接近して対向し、また、第２磁気シールド７８（他方側）の端部７８ａは第１集磁体７２（一方側）の集磁端部７２ａに接近して対向しているので、それぞれ対向する逆極性の磁界が図中の矢印Ｙに示すようにキャンセルされ、外部磁界ノイズの影響は低減される。そして、キャンセルしきれなかった磁界による磁束のみが例えば矢印Ｘに示すように、ホールＩＣ７６を通過するが、キャンセルをしたことによって、この磁束は大幅に低減される。

また、図８に示すように、軸方向の他方向から外部磁界ノイズが到来した場合も同様に、図中の矢印Ｙに示すように、それぞれ対向する逆極性の磁界がキャンセルされ、外部磁界ノイズの影響は低減される。そして、キャンセルしきれなかった磁界による磁束のみが例えば矢印Ｘに示すように、ホールＩＣ７６を通過するが、キャンセルをしたことによって、この磁束は大幅に低減される。

こうして、磁気シールド７７，７８の端部７７ａ，７８ａの形態を工夫するだけの簡易な構成で、外部磁界ノイズの影響を低減し、外部磁界ノイズに対するトルク検出装置１００のシールド性能を高めることができる。
なお、必要により、磁気シールド７７の端部７７ａと、集磁端部７３ａ，７４ａとの間の軸方向隙間、及び、磁気シールド７８の端部７８ａと、集磁端部７１ａ，７２ａとの間の軸方向隙間をそれぞれ調整し、磁束の通り道のバランスを変更することにより、キャンセル効果を調節することも可能である。

なお、上記実施形態における磁気シールド７７，７８の形態は一例に過ぎず、端部７７ａ，７８ａや、そこに至る途中の斜め板状部７７ｂ，７８ｂの形状は、種々の変形が可能である。要するに、磁気シールドで捉える磁界と、集磁体で捉える磁界とで互いに磁界をキャンセルできるように、一対の磁気シールドの位置関係を端部で互いに入れ替えて、それぞれの集磁体の集磁端部に対向させる、という構成があればよい。

《第２実施形態》
図９は、本発明の第２実施形態によるトルク検出装置における、検出装置７の要部のみを示す図である。図示する以外の構成は、第１実施形態と同様である。本実施形態の特徴は、磁気シールド７７，７８の各々が、２つの部分に分かれている点である。

すなわち、第１実施形態（図４）における（斜め板状部７７ｂ＋端部７７ａ）に相当する端末部分７７ｃ、並びに、（斜め板状部７８ｂ＋端部７８ａ）に相当する端末部分７８ｃは、それぞれ、磁気シールド７７，７８のＵ字状の本体部分７７ｄ，７８ｄとは別部材であって、樹脂モールドされる。そして、本体部分７７ｄ，７８ｄが矢印に示すように所定位置に装着されることにより、樹脂モールドの表面に露出している接続部７７ｂ１、７８ｂ１と、本体部分７７ｄ，７８ｄとの磁気的な接続がそれぞれ完成するという構成である。この構成は、端末部分７７ｃ，７８ｃを先にモールドしておき、後で本体部分７７ｄ，７８ｄと接続すればよいので、製造が容易である。

《第３実施形態》
図１０は、本発明の第３実施形態によるトルク検出装置における、検出装置７の要部のみを示す斜視図である。第１実施形態との違いは磁気シールド７７，７８の形態であり、その他の構成は、第１実施形態と同様である。すなわち、図１０において、第１、第２磁気シールド７７，７８は、共に、集磁体７１〜７４に対して軸方向の外側にあり、かつ、軸方向に直交する円環状の形態を成している。言い換えれば、第１磁気シールド７７及び第２磁気シールド７８はそれぞれ、第１集磁体７１，７２及び第２集磁体７３，７４を、軸方向から覆うように設けられている。

第２磁気シールド７８を第１集磁体７１，７２の集磁端部７１ａ，７２ａに接近・対向させるための斜め板状部７８ｂ及びその先の端部７８ａは、例えば別部材をこのような形状に加工したのち、第２磁気シールド７８の円環状部分に固着させることにより、第２磁気シールド７８の一部（端末部分）を成している。同様に、第１磁気シールド７７を第２集磁体７３，７４の集磁端部７３ａ，７４ａに接近・対向させるための斜め板状部７７ｂ及びその先の端部７７ａは、例えば別部材をこのような形状に加工したのち、第１磁気シールド７７の円環状部分に固着させることにより、第１磁気シールド７７の一部（端末部分）を成している。

図１０の構成における第１，第２磁気シールド７７，７８及びそれらの端部７７ａ，７８ａの磁気的な作用は、第１実施形態と同様である。
この構成は、各磁気シールド７７，７８の大部分（円環状の部分）を、平面的形状（二次元形状）で構成することができるので、部材としての磁気シールドの製造が容易である。なお、斜め板状部７８ｂ及び端部７８ａ（斜め板状部７７ｂ及び端部７７ａも同様。）の形態は一例に過ぎず、種々の変形が可能である。すなわち、第１実施形態と同様に、磁気シールドで捉える磁界と、集磁体で捉える磁界とで互いに磁界をキャンセルできるように、一対の磁気シールドの位置関係を端部で互いに入れ替えて、それぞれの集磁体の集磁端部に対向させる、という構成があればよい。

《その他》
なお、磁気シールドは、集磁体７１〜７４の径方向外側(図４)と、軸方向(図１０)とに両方（一体又は別体で）設けることもできる。
また、上記各実施形態において磁気シールド７７，７８は、集磁体７１〜７４に沿った円筒状（第１実施形態）又は円環状（第３実施形態）を基調とする形状であるが、基本的には集磁体７１〜７４に沿ってこれらを覆う形状であればよいので、矩形や多角形を基調とする形状であってもよい。
また、磁気シールドは必ずしも集磁体７１〜７４に沿って全体的に設けなくてもよく、部分的に覆う形状（例えば円弧状）であってもよい。

１：入力軸、２：出力軸、３：トーションバー、６：磁気装置、７１，７２：第１集磁体、７１ａ，７２ａ：集磁端部、７３，７４：第２集磁体、７３ａ，７４ａ：集磁端部、７７：第１磁気シールド、７７ａ：端部、７７ｄ：本体部分、７８：第２磁気シールド、７８ａ：端部、７８ｄ：本体部分

Claims (4)

1. トーションバーを介して互いに接続された入力軸・出力軸間の捩れ角に対応した磁束を発生させる円筒状の磁気装置と、
   前記磁気装置の外周面に沿って円弧状に設けられ、前記磁気装置が発生する磁束を捕捉する第１集磁体と、
   前記磁気装置の外周面に沿って円弧状に、かつ、前記第１集磁体と軸方向に並んで設けられ、前記磁気装置が発生する磁束を捕捉する第２集磁体と、
   前記第１集磁体の集磁端部と、これに対向する前記第２集磁体の集磁端部との間に介装された磁界検出センサと、
   前記第１集磁体に沿って設けられ、端部が、前記第１集磁体よりも前記第２集磁体の集磁端部に接近して対向するように形成された第１磁気シールドと、
   前記第２集磁体に沿って設けられ、端部が、前記第２集磁体よりも前記第１集磁体の集磁端部に接近して対向するように形成された第２磁気シールドと
   を備えたことを特徴とするトルク検出装置。
2. 前記第１，第２磁気シールドはそれぞれ、前記第１，第２集磁体を、径方向外方から覆うように設けられている請求項１記載のトルク検出装置。
3. 前記第１，第２磁気シールドはそれぞれ、前記第１，第２集磁体を、軸方向から覆うように設けられている請求項１記載のトルク検出装置。
4. 前記端部を別部材として用意し、これにその他の本体部分を接続することにより前記第１，第２磁気シールドを構成する請求項１〜３のいずれか１項に記載のトルク検出装置。

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