JP2012058249A - トルク・インデックスセンサ - Google Patents

Abstract

【課題】トルク・インデックスセンサのインデックスマグネットの形状を単純化して、生産性を向上させながらも、経済性に優れたトルク・インデックスセンサを実現する。
【解決手段】入力軸及び出力軸に連結されるステアリングシステムのトルク・インデックスセンサであって、ハウジング１３２、前記出力軸と共に回転し、矩形状に形成されたインデックスマグネット１４０、及び前記ハウジングの内部に固定結合され、前記インデックスマグネットの回転に応じて磁化信号を生成する磁気素子を含むトルク・インデックスセンサ１３５を提供する。したがって、インデックスマグネット１４０の形状が矩形状で、単純であることから、生産性及び経済性に優れる利点がある。
【選択図】図４

Description

本発明は、ステアリングシステムのトルク・インデックスセンサに関し、さらに具体的には、インデックスセンサ部のマグネット構造を単純化することで、生産性が向上し、経済性に優れたトルク・インデックスセンサに関するものである。

一般に、自動車は、車輪に連結されているステアリングホイールを操作して走行方向を操作できるようになっている。しかし、車輪と路面との抵抗が大きいかまたはステアリングの障害要因が発生する時に操作力が弱化され、迅速な操作が難しい場合があり、これを解決するために、パワーステアリング装置が用いられる。このようなパワーステアリング装置は、ステアリングホイールの操作に動力装置を介入して操作の力を軽減させる装置である。

このような動力装置がステアリングホイールを操作する力に介入するためには、操向軸にかかるトルクや操向角及び操向角速度を測定する必要性がある。ステアリングホイールのトルクを測定する装置として様々な方式の装置が用いられるが、特に、操向軸に結合されたマグネットとの相互磁場を測定して、トルクを検出する方式が経済性に優れていることから、多く用いられている。また、操向角や操向角速度を検出するために、ステアリングホイールと共に回転する歯車及びこの歯車に噛み合う従動歯車を採用して電気磁気的に回転を検出する方法が多く用いられる。しかし、このような操向角や操向角速度を検出する装置は、製造工程が複雑で、故障や誤動作の確率が高く、インデックス（ｉｎｄｅｘ）センサ方式が用いられる場合もある。

一般的なステアリング構造は、ステアリングホイールが結合される入力軸、車輪側のラックバーと噛み合うピニオンに結合される出力軸、及び前記入力軸と出力軸とを連結するトーションバー（ｔｏｒｓｈｉｏｎ ｂａｒ）からなる。

ステアリングホイールが回転すると、出力軸に回転力が伝達され、ピニオンとラックバーの作用により車輪の方向が変化する。この場合、抵抗が大きく作用する場合に、入力軸がさらに多く回転することになるため、トーションバーのねじれが生じるが、このようなトーションバーのねじれの程度を測定するのが磁気方式のトルクセンサである。

また、出力軸と共に回転するマグネットの回転を感知して回転角速度や角加速度を測定するのがインデックスセンサであるが、前記トルクセンサとインデックスセンサは、共に結合され一体に構成されるのが一般的である。これを、トルク・インデックスセンサ（Ｔｏｒｑｕｅ Ｉｎｄｅｘ Ｓｅｎｓｏｒ：ＴＩＳ）という。

図１は、従来技術によるトルク・インデックスセンサを示す斜視図であり、図２は、前記トルク・インデックスセンサのトルクセンサ部とインデックス部の主要部分を示す斜視図である。図面の上側でトルク・インデックスセンサに挿入される入力軸には、マグネットと結合したロータ１２が結合され、よって、前記ロータ１２は、リング状である。出力軸にはステータ１１が結合されるが、前記ステータ１１は、ロータ１２の外周面から離隔して配置され、軸方向に折り曲げられた垂直突出片１３を含む。

ロータ１２に結合された入力軸とステータ１１に結合された出力軸との回転量の差によって、トーションバーのねじれが発生すると、ロータ１２とステータ１１が相対的に回転するようになり、この時、ロータ１２の外周面と垂直突出片１３との間の対向面が変化することになって、磁化値が変化するため、これを活用すれば、トルクを測定することができる。

このような磁化値を集中するためにコレクタ１４が配置され、トルクセンサ磁気素子１５がコレクタ１４によって集中した磁化値を検出することになる。

一方、前記トルクセンサ部の下側にはインデックス部が配置される。前記インデックス部は、インデックスマグネット４０と、インデックス磁気素子３５とからなるが、前記インデックスマグネット４０は、ステータ１１と共に出力軸に連結され、共に回転する。

前記インデックスマグネット４０は、トルクセンサ部の下部に配置されたインデックスハウジング３２に結合され、出力軸と共に回転する。

前記トルクセンサ部とインデックス部は、ハウジング２２の内部でモジュール化され、一体に構成されるが、それぞれ異なる役割を果たすことになる。つまり、トルクセンサ部は、磁化値の変化に応じてトルクの変化を測定してプリント回路基板２１に検出信号を送り、インデックス部は、インデックスマグネット４０の回転に応じて、インデックス磁気素子３５から変化される磁化量の検出信号を送ることになる。

一方、図３は、前記従来技術のトルク・インデックスセンサのインデックス部の主要部分を示す断面図及びインデックスマグネットの拡大図である。

前記のようにインデックスマグネット４０は、インデックスハウジング３２の外周面に結合したり、または円柱状の外面の一部を構成しながら、共に回転するよう配置されるが、一側が、ハウジング２２に固定配置されたインデックス磁気素子３５に隣接したりまたは遠くなったりしながら、インパルス（ｉｍｐｕｌｓｅ）信号を生成することができる。

前記インデックスマグネット４０は、インパルス信号を生成するために、基本的に、３つのそれぞれのマグネットで構成される。図３は、このようなインデックスマグネット４０を拡大して示す。

前記インデックスマグネット４０は、インデックスハウジング３２に着磁し、またインデックス磁気素子３５に磁界量を一定にするために、弧（ａｒｃ）の形状からなる。

ところが、このようなインデックスマグネット４０を構成するために、各々のマグネットを弧状に形成させ、その接触面４１で結合する過程を経ることになるが、このような製造及び加工工程を経るためには、生産コストが高くなり、作業の非効率性が存在する。

このような問題は、特に、生産コストを節減し、構造を単純化するためのトルク・インデックスセンサの利点を半減させる結果につながる。

そこで、本発明は、上記問題点を解消するために導出されたものであって、トルク・インデックスセンサのインデックスマグネットの形状を単純化して、生産性を向上させながらも、経済性に優れたトルク・インデックスセンサを提供することに目的がある。

上記の課題を解決するための本発明に係るトルク・インデックスセンサは、入力軸及び出力軸に連結されるステアリングシステムのトルク・インデックスセンサであって、ハウジング、前記出力軸と共に回転し、矩形状に形成されたインデックスマグネット、及び、前記ハウジングの内部に固定結合し、前記インデックスマグネットの回転に応じて磁化信号を発生する磁気素子、を含むトルク・インデックスセンサを提供する。したがって、インデックスマグネットの形状が矩形状で、単純であることから、生産性及び経済性に優れる利点がある。

また、本発明に係るトルク・インデックスセンサによれば、前記出力軸と前記インデックスマグネットとの間に介在され、リング状からなり、前記インデックスマグネットは、外周面の一部に沿って結合するインデックスハウジングをさらに含むトルク・インデックスセンサを提供する。したがって、矩形状に形成されるインデックスマグネットが安定的に着磁されることができる。

また、本発明に係るトルク・インデックスセンサによれば、前記インデックスマグネットは、複数のマグネットが互いに接触して配列され、前記マグネットは、隣接するマグネット間の極性が逆であり、それぞれ、矩形状に形成されるトルク・インデックスセンサを提供する。したがって、個々のマグネットの結合が容易で、生産性が向上するトルク・インデックスセンサが提供される。

さらに、本発明に係るトルク・インデックスセンサによれば、前記インデックスマグネットは、３つのマグネットが長さ方向に沿って互いに接触して配列され、前記マグネット間の接触面は、互いに平行である、トルク・インデックスセンサを提供する。したがって、マグネット間の結合及び着磁ガ容易となる。

またさらに、本発明に係るトルク・インデックスセンサによれば、前記磁気素子は、前記インデックスマグネットの回転に応じてインパルス信号を生成するトルク・インデックスセンサを提供する。したがって、構造が単純でかつ角度センシングの効率性に優れる利点がある。

さらにまた、本発明に係るトルク・インデックスセンサによれば、前記磁気素子は、ホール素子（Ｈａｌｌ ＩＣ）であるトルク・インデックスセンサを提供する。

上述のように構成された本発明によるトルク・インデックスセンサは、インデックスマグネットの形状が矩形状で、単純であることから、生産性及び経済性に優れた効果がある。また、個々のマグネットは、矩形状に形成されるため、相互間の結合や配置が容易になり、かつ、角度センシングの効率性に優れる利点がある。

従来技術によるトルク・インデックスセンサを示す斜視図である。 従来技術によるトルク・インデックスセンサの主要部分を示す斜視図である。 従来技術によるトルク・インデックスセンサのインデックス部を示す平坦面図である。 本発明によるトルク・インデックスセンサのインデックス部を示す平坦面図である。 従来技術によるトルク・インデックスセンサと、本発明に係るトルク・インデックスセンサとの磁化量を視覚的に示す図である。 従来技術によるトルク・インデックスセンサと、本発明に係るトルク・インデックスセンサの磁気素子における磁化値を示すグラフである。

以下、添付図面を参照しながら本発明の好ましい実施例によるトルク・インデックスセンサについて詳細に説明する。

従来技術に示すように、本発明によるトルク・インデックスセンサは、外形を形成するハウジング内部に、トルクセンサ部とインデックス部がモジュール化されて結合される。

トルクセンサ部は、上記したように、入力軸と出力軸の回転量を測定できるように、ロータが入力軸に、ステータが出力軸に連結され、車輪の抵抗により相対的に回転しながら、磁化値が変化するため、トルクを測定することになる。

つまり、車輪の抵抗により、入力軸と出力軸の回転量が異なる場合、トーションが発生したと理解することができ、この差を磁気場として測定することになるのは、上記の通りである。

ただし、ロータが出力軸に連結され、ステータが入力軸に連結できることは勿論である。

一方、前記トルクセンサ部に隣接してインデックス部が配置されるが、以下、本発明に係るトルク・インデックスセンサのインデックス部について、図４に基づいてさらに詳細に説明する。

図４は、本発明によるトルク・インデックスセンサのインデックス部を示す平面図であり、上部の図は、インデックス部の主要構成を示し、下部の図は、インデックスマグネットを拡大して示す。

前記のようなトルクセンサ部の下側にはインデックス部が配置されるが、インデックスマグネット１４０とインデックス磁気素子１３５とからなる。前記インデックスマグネット１４０は、出力軸に連結されて共に回転することが一般的である。

また、インデックスマグネット１４０の形状は、ロータのマグネットとは異なって、円周方向に所定の長さだけを有するように形成される。

インデックス磁気素子１３５は、前記インデックスマグネット１４０から、相対的にトルク・インデックスセンサに固定配置されるため、これによって、インデックス磁気素子１３５は、インデックスマグネット１４０の回転に応じて磁気変化を感知して、インパルス（ｉｍｐｕｌｓｅ）信号を出力することになる。

前記インデックス磁気素子１３５は、ホール素子（Ｈａｌｌ ＩＣ）であることが好ましい。

前記インデックスマグネット１４０は、本発明の概念に基づいて矩形状に形成される。

従来技術では、インデックスマグネットが出力軸の外周面に沿って弧状に形成されるため、一部の外面を包む形状になるのに対し、本発明によるインデックスマグネット１４０は、出力軸の一点の接線方向と平行に形成される。

つまり、インデックスマグネット１４０は、前記接線方向を長さ方向に定義するとき、長さ方向に長く、厚さ方向、すなわち、外周方向に薄い、横断面上において矩形状をなすように形成される。

一方、前記インデックスマグネット１４０は、出力軸に直接結合して共に回転するように配置されてもよいが、図４の上部に示すように、出力軸の外周面を包むインデックスハウジング１３２の一側に結合するよう配置してもよい。

前記インデックスハウジング１３２は、出力軸の外周面を包むようにリング状からなり、一部分が前記インデックスマグネット１４０と結合する。

前記インデックスマグネット１４０は、前記インデックスハウジング１３２の外周面に結合されてもよく、上端部または下端部の一側に結合してもよい。また、勿論、インデックスハウジング１３２の一部に溝を形成し、埋め込まれる形状に配置してもよい。

したがって、前記インデックスマグネット１４０とインデックスハウジング１３２との結合関係は、インデックス磁気素子１３５の磁化値の変化測定に影響を与えない範囲で多様に選択して行うことができる。

一方、図４の下部の図は、本発明によるインデックスマグネット１４０を拡大して示す図であって、それぞれのマグネットが配置された様子を示す。

前記図では３つだけが示されているが、勿論、選択に応じて、それ以上が配置されてもよい。

図面において、中心部にＳ極が配置され、長さ方向に両側に接触したマグネットは、Ｎ極に磁化されている。本発明の概念に基づいて、前記マグネットの配列は矩形状をなすため、それぞれのマグネットも、矩形状や正方形状からなることが好ましい。

ただし、前記Ｎ極とＳ極の配置は、相互変更して適用することができる。

したがって、マグネット間のマグネット接触面１４１は互いに平行になり、言い換えれば、インデックスハウジング１３２の外周面に接する接線に垂直な方向に接触面１４１及びインデックスマグネット１４０の両端部が形成される。

この場合、従来技術では弧状からなるため、それぞれのマグネットの生産コストが上昇し、結合過程において複雑性を有するという問題点が、それぞれのマグネット及びインデックスマグネット１４０全体が矩形状に形成されることによって解消できる利点があることに留意しなければならない。

前記のように配置されたインデックス部のインデックス磁気素子１３５は、出力軸の回転に応じて、インデックスマグネット１４０と隣接または離れる過程を繰り返すことになり、隣接する過程で磁化量の変化が発生する。

インデックス磁気素子１３５は、このような磁化量の変化を検出し、回転角速度及び角加速度をアルゴリズムによって分速できるように検出信号を出力する。つまり、インデックス部は、３６０度を周期としてインパルス（ｉｍｐｕｌｓｅ）信号を出力する。

一方、図５は、従来技術によるトルク・インデックスセンサと本発明によるトルク・インデックスセンサの磁化量を視覚的に示す図である。

図５の上部の図は、従来技術の円柱状のインデックスマグネットが配置されたトルク・インデックスセンサの磁化量を示し、下部の図は、矩形状のインデックスマグネットが配置されたトルク・インデックスセンサの磁化量を示す。図面において、明るい部分は磁化量が大きい部位を意味し、暗い部分は小さい部位を意味する。

図面から確認できるように、磁化量において視覚的に大きな相違点がない点に留意しなければならない。つまり、これは、より単純な構造を有するインデックスマグネットを適用してもトルク及び角度の検出性能において低下がないことを意味する。

図６は、出力軸の回転によるインデックス磁気素子の磁化値をガウス（Ｇａｕｓｓ）単位で示すグラフである。

グラフの全体的な様子は、中心部を基準に下方にインパルス信号を示すようになるが、グラフの横軸の中心部は、Ｓ極が配置された部位でのインデックス磁気素子１３５の磁化量が負の方向に最大化されたことを意味する。

ここで、従来技術に比べ、本発明による矩形状のインデックスマグネット１４０を適用したとき、負の方向及び正の方向のピーク（ｐｅａｋ）の値がやや減少していることを確認することができる。

ただし、出力軸の１回転毎にインパルス信号を発生する磁気素子において、特定の磁化量以上になると、磁化量は、操向軸角度のセンシングにおいて意味がなくなる。

つまり、インデックス部は、インパルス信号を検出することに意味があり、その大きさの関係は、情報の処理に影響を与えないため、ピーク値で略２００ガウス程度の差は無視できる値となる。

したがって、本発明によるインデックスマグネット１４０を適用した場合も、十分に感知可能なインパルス信号が生成でき、これは、従来技術と角度検出の性能面において差がないことを意味していることに留意しなければならない。

上記のように構成される本発明によるトルク・インデックスセンサは、インデックスマグネット及びこれを構成する各々のマグネットが矩形状に形成されるため、構造が単純で、生産性が向上しながらも、効果的にインデックスのセンサとして機能することができる利点がある。

以上から、本発明は、実施例及び添付図面に基づいて詳細に説明した。しかし、以上の実施例及び図面により本発明の範囲が制限されることはなく、本発明の範囲は、後述する特許請求の範囲の記載によってのみ制限される。

１３２ インデックスハウジング
１３５ インデックス磁気素子
１４０ インデックスマグネット

Claims (6)

1. 入力軸及び出力軸に連結されるステアリングシステムのトルク・インデックスセンサであって、
   ハウジング、
   前記ハウジングの内部に収容され、前記出力軸と共に回転できるように前記出力軸に連結され、断面が矩形状に形成されたインデックスマグネット、及び、
   前記ハウジングの内部に固定結合され、前記インデックスマグネットの回転に応じて磁化信号を出力する磁気素子、を含むことを特徴とするトルク・インデックスセンサ。
2. 前記出力軸と前記インデックスマグネットとの間に介在され、リング状からなり、前記インデックスマグネットは、外周面の一部に沿って結合するインデックスハウジング、をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載のトルク・インデックスセンサ。
3. 前記インデックスマグネットは、複数のマグネットが互いに接触して配列され、
   前記マグネットは、隣接するマグネット間の極性が逆であり、それぞれ、矩形状に形成されることを特徴とする請求項１に記載のトルク・インデックスセンサ。
4. 前記インデックスマグネットは、３つのマグネットが長さ方向に沿って互いに接触して配列され、
   前記マグネット間の接触面は、互いに平行であることを特徴とする請求項１に記載のトルク・インデックスセンサ。
5. 前記磁気素子は、前記インデックスマグネットの回転に応じてインパルス信号を生成することを特徴とする請求項１に記載のトルク・インデックスセンサ。
6. 前記磁気素子は、ホール素子であることを特徴とする請求項１に記載のトルク・インデックスセンサ。