JP2013024866A - 回転角およびトルクのセンサ - Google Patents

Abstract

【解決手段】 回転角およびトルクのセンサは、シャフト部分（１、２）と共に回転しないように接続されている２つの歯車（４、５）を備え、これら２つの歯車は、歯車（６、７）と噛合する。一方の歯車（７）には、単極磁石または多極磁石（１２、１３）が取着されている。他方の歯車（６）には、極の数に合った複数の磁束誘導部（１７、１８）が取着されており、Ｌ字形状を持つ。磁束誘導部（１７、１８）の一方の足部は、多極磁石（１２、１３）の方向を向き、他方の足部は、歯車（６）に平行に延伸し、一方の足部は歯車（６）の一方の側にあり、他方の足部は歯車（６）の他方の側にあり、これらの足部の間には、歯車（６）内に配されている第２のセンサ（１６）が配されている。
【選択図】 図３

Description

本発明は、請求項１のプリアンブルに記載のように回転角およびトルクのセンサに関する。当該センサは、独国特許文献ＤＥ１９８ ３４ ３２２Ａ１から公知である。

本発明は、自動車のステアリングに適用するのが好ましい。自動車のステアリングでは、ステアリング歯車軸の回転角を測定するのみではなく、トルクとして作用してステアリング歯車軸に加えられる力も測定する。このトルクは、ステアリング歯車軸の２つの部分の間に配置されているトーションバー（ねじれ棒）のトルク角として測定され得る。これによって、トーションバーの他のパラメータが求められる。

上述した独国特許文献ＤＥ１９８ ３４ ３２２Ａ１では、回転可能なシャフトのトルクおよび回転角を同時に測定する回転角およびトルクのセンサが開示されている。２つのシャフト部分には、第１および第２の歯車が設けられており、対応するシャフト部分と共に回転する。第１の歯車は、磁石を担持する第３の歯車と噛合する。この磁石には第１の磁気センサが対応付けられている。他方のシャフト部分の第２の歯車は、第４および第５の歯車と噛合する。第４および第５の歯車についても、磁石および磁気センサが対応付けられている。第４および第５の歯車の歯の数には、少なくとも１の差があるので、回転角が３６０度より大きい場合でも、シャフト部分の絶対回転角を公知の方法で決定することが可能である。第３および第４の歯車の歯の数は、第１および第２の歯車と同様に、同じであるので、ねじれがかからない回転の場合、第３および第４の歯車は同期して回転する。しかし、ねじれが発生すれば、第１および第２のシャフト部分の間で、ねじれ角またはトルク角が発生し、第３および第４の歯車に対応付けられている磁気センサを評価することによって決まる第３および第４の歯車の回転状態が異なってしまい、これら２つの磁気センサの出力信号から差分信号が形成される。要約すると、公知の回転角およびトーションのセンサは、５個の歯車、３個の磁石、および３個の磁気センサを備える。

回転角および／またはトルクを測定する同様のセンサは、欧州特許文献ＥＰ１ ４２６ ７５０ Ａ１および米国特許第７，２５８，０２７ Ｂ２からも公知である。両特許文献でも、歯車、磁石および磁気センサが用いられるとしてよい。

上述したセンサでは、磁石の相互スクリーニングが問題となる。これらの磁石の磁界は、対応付けられている磁気センサへのみ影響を与え、当該磁気センサに隣接する磁石には影響を与えないようになっている。このため、このようなセンサを小型化する際に問題が発生し得る。また、磁石の材料コストも重要な役割を持つ。

このため、本発明は、構成が簡略化され、干渉が抑制された回転角およびトルクのセンサであって、より高いコスト効率で製造可能な回転角およびトルクのセンサを製造することを目的とする。

この課題は、請求項１に記載の特徴によって解決される。本発明の有益な実施形態およびその他の形態は、従属項から理解されたい。

先行技術と同様、本発明に係る回転角およびトルクのセンサは、５個の歯車および３個のセンサを利用するが、磁石については利用するのは２個のみである。２個の磁気センサは、磁石のうち１つに対応付けられている。第１の磁気センサは、対応する磁石に直接割り当てられており、角度状態を検出する。本発明では、少なくとも２つの扇形磁気誘導部を提供する。これらは互いに間隔を空けて配されており、第１の磁石に割り当てられている。これらの扇形磁気誘導部の磁界は、対応する数の磁束誘導部によって第２の磁気センサに誘導される。第２の磁気センサは、磁界強度を測定し、ホールセンサであることが好ましい。

以下では、図面を参照しつつ実施形態例に基づき本発明をより詳細に説明する。図面は以下の通りである。
本発明に係る回転角およびトルクのセンサを、上方から斜視した場合の概略斜視図である。 図１の回転角およびトルクのセンサを、下方から斜視した場合の概略斜視図である。 図１および図２に示す回転角およびトルクのセンサを示す断面図である。 図３のラインＡ−Ａに沿って切断した場合の拡大断面図である。 本発明の第２の実施形態例を示す図４と同様の断面図である。 本発明の第２の実施形態例を示す図１と同様の図である。 図６と同様の図であるが、磁束誘導部の配置を分かりやすく示すべく、歯車を抜いた図である。

図１から図３に示すセンサは、例えば、自動車のステアリング機構のステアリング歯車軸である第１のシャフト部分１、および、例えば、自動車ステアリングのいわゆるピニオンシャフトである第２のシャフト部分２を備えるシャフトに取着されている。これら２つのシャフト部分１および２は、ねじれロッド３によって互いに接続されている。

歯の数がＮ１である第１の歯車４は、第１のシャフト部分１と共に回転しないように取着されている。歯の数が同じくＮ１である第２の歯車５は、第２のシャフト部分２に接続されている。第１の歯車４は、第３の歯車６と噛合する。第３の歯車６の歯の数Ｎ２は、歯車比率を考慮して、歯の数Ｎ１よりも大幅に少ない。第２の歯車５は、第４の歯車７と噛合する。第４の歯車７は、第３の歯車６と同じ歯車モジュールを持つ。また、第２の歯車５は、第５の歯車８と噛合する。第５の歯車８の歯の数Ｎ３は同様に、第２の歯車５の歯の数Ｎ１よりもかなり少ないが、歯の数Ｎ２とは異なる数であり、その差分は少なくとも１であることが好ましい。

第４の歯車７には、第１の磁石９が割り当てられている。第１の磁石９は、歯車７と共に回転し、直径方向に磁気を帯びる。

第５の歯車８には、第２の磁石１０が割り当てられている。第２の磁石１０は、第５の歯車８と共に回転し、同様に直径方向に磁気を帯びる。

第１の磁石９には、第１のセンサ１１が割り当てられている。第１のセンサ１１は、長尺状導体プレート２４上に固定され、第１の磁石９の回転状態を検出する。第１のセンサ１１は、例えば、ＡＭＲセンサとしてよい。

第１のセンサ１１は、第４の歯車７のうち第２のシャフト部分２の側に配置されている。第４の歯車７のうち第１のシャフト部分１の側には、少なくとも２つの扇形磁気誘導部１２および１３が配設されており、第１の磁石９と磁気結合される。扇形磁気誘導部同士の間には、空隙を形成する間隔１４が設けられている。２つの磁気誘導部１２および１３は、強磁性材料で形成され、第４の歯車７と共に回転しないように接続され、平坦なディスク形状を持つ。磁気誘導部１２は、第１の磁石９によって第１の磁気方向（例えば、南向き）に磁気を帯び、磁気誘導部１３は、反対方向（例えば、北向き）に磁気を帯びる。このため、２つの磁気誘導部１２および１３の間の間隔１４は、空隙を形成している。

第４の歯車７が非磁性材料で形成されることは理解できるであろう。

第３の歯車６および第４の歯車７は、シャフトの回転軸に平行な共通回転軸１５を中心に回転する。

第２の磁気センサ１６は、第３の歯車６の中央の開口２０の内部に配設されている。また、複数の磁束誘導部１７および１８が、扇形磁気誘導部１２および１３と同数設けられ、第３の歯車６に取着されている。図３の断面図において、磁束誘導部１７および１８は、実質的にＬ字形状を持ち、各磁束誘導部の一方の足部が扇形磁気誘導部１２および１３の方向に突出しており、わずかに間隔１９を空けて終端している。この間隔１９は空隙を形成している。磁束誘導部１７および１８の他方の足部は、第３の歯車６の平面に平行に延伸し、これらの水平足部のうち一方は、第３の歯車６の一方の側で延伸し、これらの水平足部のうち他方は、第３の歯車６の他方の側で延伸する。このように、第２のセンサ１６は、磁束誘導部１７および１８の２つの水平足部の間に配置されており、第３の歯車６には第２のセンサ１６のために凹部２０が形成されている。第２の磁気センサ１６は、固定長尺状導体プレート２２に取着されているピン２１によって保持されている。ピン２１は、磁束誘導部１７の水平足部内の開口２３を貫通して突出しており、当該ピンを介して第２の磁気センサ１６には導体が誘導される。

ピン２１に代えて、十分な機械的強度があれば、導体のみを用いて第２の磁気センサ１６を支持することもできる。

一方に扇形磁気誘導部１２および１３、そして、他方に磁束誘導部１７および１８が配置されているので、磁気誘導部１２および１３に向いている磁束誘導部１７および１８の足部は、ねじれ角「０」と定義される中立状態であり、２つの扇形磁気誘導部１２および１３の間の間隔１４の真上に位置している。このため、扇形磁気誘導部１２および１３の両極の間の磁気回路は、上記の磁束誘導部１７および１８の足部および第２のセンサ１６が設けられている間隙を通るので、磁束誘導部１７および１８の水平足部の間には磁界が発生せず、第２のセンサ１６は出力信号を生成しない。２つのシャフト部分１および２の間にねじれ角が発生すれば、第３および第４の歯車６および７が互いに異なる量にねじれ、扇形磁気誘導部１２および１３に向けて突出している磁束誘導部１７および１８の足部は、間隔１４が形成している空隙からはずれ、磁束誘導部１７および１８を介して、磁界が第２のセンサ１６へと向けられ、第２のセンサ１６は磁界の強度に比例した出力信号を出力する。これが、測定対象のねじれ角の測定値となる。

第２の磁石１０に割り当てられている第３のセンサ２５は、第１のセンサ１１と同様の構成を持ち、固定長尺状導体プレート２４上に取着され、第１のセンサ１１および第３のセンサ２５は、共通長尺状導体プレート２４に取着可能である。第４および第５の歯車７および８は歯の数が異なる（Ｎ２およびＮ３）ので、公知の方法で、第２のシャフト部分２の回転角の検出可能な角度範囲は３６０度を超える。尚、第４および第５の歯車７および８の歯の数の差は、少なくとも１であることが好ましい。

ねじれ角に関する第２のセンサ１６の感度は、歯車のＮ１：Ｎ２の比率に応じて略決まる。歯車比率が大きくなるほど、ねじれ角が発生している場合には２つの歯車６および７の相対的なねじれが大きくなる。

しかし、歯車比率が高くなると、直径が非常に小さくなってしまうので、第３および第４の歯車６および７の歯の数が少なくなってしまう。第３および第４の歯車６および７は実際にはプラスチック製であるので、歯の数は所望通りに少なくすることができない。これは、シャフト部分１および２が高速回転する場合、摩擦によって高温が発生するので、歯車の摩耗が大きくなるためである。

しかし、ねじれ角の測定感度および分解能を高めるべく、図５から図７に示す本発明の別の実施形態は、軸方向に磁化された多極磁石およびより多数の磁束誘導部を利用する準備を整えておく。

図５に示す実施形態例によると、第４の歯車７上には、６個の扇形磁気部分２６、２７、２８、２９、３０、３１を持つ多極磁石が配されている。これらの扇形磁気部分は、交互に北向きおよび南向きに磁化されている。扇形磁気部分の数に対応して、同数の磁束誘導部３２、３３、３４、３５、３６、３７を設ける。磁束誘導部３２、３４、３６は、互いに接続され、水平足部は第３の歯車６の一方の側で延伸している。一方で、残りの磁束誘導部３３、３５、３７は、互いに接続されており、水平足部は第３の歯車６の他方の側で延伸している。このような構成によって、第３および第４の歯車６および７の間の相対的な回転角が小さくなると、第２のセンサ１６上の磁界の変化が大きくなるので、ねじれ角を測定する際の分解能が改善される。

この実施形態例では、変形すると、第１の磁石９には、図１および図３に示した実施形態例と同様に、直径方向に磁化されている双極磁石を利用することができる。第４の歯車７の一方の側に第１の磁石９、他方の側に多極磁石が設けられており、磁気スクリーニングプレート３９によって互いに分離しているので、第１の磁石９は、第１の実施形態例と同一の機能を持つ。一の代替例によると、第１の磁石９に代えて、多極磁石のＮ極とＳ極を通り抜け、第４の歯車７を通り抜け、磁気スクリーニングプレート３９内の開口を通り抜ける磁気ケーブルを用いることができる。こうして、双極磁石の磁界効果を第１の磁気センサ１１に伝達する。

また、多極磁石の利用は、トルクが発生すると、その結果発生して第２のセンサ１６に作用する磁界の強度が、図１から図３の実施形態例に係る双極磁石９を利用する場合に比べて、高くなるという点で有利である。

完全を期すべく、歯車４から８は全て、プラスチック等の非磁性材料で形成されることに再度言及しておく。歯車６、７および８は、独国特許文献ＤＥ１９９ ６２ ２４１ Ａ１に記載されているような公知の構成を持つ張力フレームに保持されている。

Claims (10)

1. 回転角およびトルクのセンサであって、２つのシャフト部分を備え、前記２つのシャフト部分の間にねじれロッドが配置されており、
   トルク耐性を持つように第１の前記シャフト部分に接続されている第１の歯車と、
   トルク耐性を持つように第２の前記シャフト部分と接続されている第２の歯車と、
   前記第１の歯車と噛合している第３の歯車と、
   前記第２の歯車と噛合している第４の歯車および第５の歯車と、
   前記第４の歯車および前記第５の歯車に対応付けられている２つの磁石と、
   前記第３の歯車に対応付けられている第１の磁気センサと、
   前記第４の歯車に対応付けられている第２の磁気センサと、
   前記第５の歯車に対応付けられている第３の磁気センサと
   を備え、
   前記第１の歯車および前記第２の歯車は歯の数が同数（Ｎ１）であり、
   前記第３の歯車および前記第４の歯車は、歯の数が同数（Ｎ２）であり、前記第３の歯車および前記第４の歯車の歯の数（Ｎ２）は、前記第１の歯車および前記第２の歯車の歯の数（Ｎ１）よりも少なく、
   前記第５の歯車の歯の数（Ｎ３）は、前記第４の歯車の歯の数（Ｎ２）との差分が少なくとも１であり、
   前記第４の歯車には、扇形磁気誘導部が取着されており、
   前記第３の歯車には、磁束誘導部が取着されており、前記磁束誘導部の端部は、前記扇形磁気誘導部から間隔を空けて配されており、
   前記磁気誘導部の足部は、前記第３の歯車に対応付けられている前記第３の磁気センサの両側に配置されている回転角およびトルクのセンサ。
2. 前記扇形磁気誘導部は、空隙を形成している間隔が両者間に設けられている請求項１に記載の回転角およびトルクのセンサ。
3. 前記磁束誘導部は、前記第４の歯車のうち前記第３の歯車に対向する側に配置されており、前記第１の磁気センサは、前記第４の歯車のうち前記磁束誘導部とは反対側に配置されている請求項１または請求項２に記載の回転角およびトルクのセンサ。
4. 前記磁束誘導部は、断面がＬ字形状であり、前記第３の歯車に平行に延伸する足部、および、前記第３の歯車に垂直に延伸する足部を有し、平行に延伸する複数の前記足部のうち１つは、前記第３の歯車の一方の側で延伸しており、他方の磁束誘導部の平行に延伸する一の足部が前記第３の歯車の他方の側で延伸しており、前記第２の磁気センサが、前記平行に延伸する複数の足部の間に配置されている請求項１から請求項３のうちいずれか一項に記載の回転角およびトルクのセンサ。
5. 前記第２の磁気センサは、前記第３の歯車の開口内に配置されており、前記第３の歯車に平行に延伸する足部のうち１つに形成されている開口を貫通して突出する導電体を介して、固定長尺状導体プレートに接続されている請求項４に記載の回転角およびトルクのセンサ。
6. 前記第２の磁気センサは、前記第３の歯車の開口内に配置されており、前記第３の歯車に平行に延伸する足部のうち１つに形成されている開口を貫通して突出するピンおよび導電体の少なくとも１方を介して、固定長尺状導体プレートに接続されている請求項４に記載の回転角およびトルクのセンサ。
7. 前記第１の磁気センサは、ＡＭＲセンサであり、前記第２の磁気センサは、ホールセンサである請求項１から請求項６のうちいずれか一項に記載の回転角およびトルクのセンサ。
8. 前記扇形磁気誘導部は、交互に北向きおよび南向きに磁化されている複数の磁気部分を含む多極磁石によって形成されており、
   ２つの群の磁束誘導部が設けられ、第１の群は、前記第３の歯車の一方の側に水平足部を持ち、第２の群は、前記第３の歯車の他方の側に配される水平足部を持つ請求項１に記載の回転角およびトルクのセンサ。
9. 前記多極磁石は、前記第１の磁気センサに対向する磁気スクリーニングプレートによって磁気的にスクリーニングされる請求項８に記載の回転角およびトルクのセンサ。
10. 前記多極磁石のＮ極およびＳ極は、磁気導体によって接続され、前記第４の歯車および前記磁気スクリーニングプレートを貫通して前記第１の磁気センサの方向に延伸する請求項９に記載の回転角およびトルクのセンサ。

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