JP2014041044A - トルクセンサ - Google Patents

Abstract

【課題】バックヨークからのリング磁石の脱落を防止すること。
【解決手段】第１シャフト１１と共に回転する磁気発生部２２と、第２シャフト１２と共に回転する回転磁気回路部２５と、ハウジング３０に固定された固定磁気回路部３１と、トーションバー２１のねじれ変形に伴って磁気発生部２２から回転磁気回路部２５を通じて固定磁気回路部３１に導かれる磁束密度を検出する磁気検出器４８と、を備え、磁気発生部２２は、第１シャフト１１の外周面に固定される環状のバックヨーク２４と、バックヨーク２４の端面に結合される環状のリング磁石２３と、バックヨーク２４とリング磁石２３とに亘って吸着する熱収縮チューブ６０と、を備える。
【選択図】図５

Description

本発明は、ステアリングシャフトに作用するトルクを検出するトルクセンサに関するものである。

車両のステアリング装置に設けられるトルクセンサとして、ステアリングシャフトに作用する操舵トルクを磁力によって検出する非接触タイプのものが知られている。

特許文献１には、トルクセンサの磁気発生部として、入力シャフトに固定されるバックヨークと、バックヨークに固定されるリング磁石と、を備えるものが開示されている。

特開２００９−２４４２０５号公報

一般的に、リング磁石は接着剤を介してバックヨークに結合される。リング磁石とバックヨークの間の接着不良が発生した場合には、リング磁石がバックヨークから脱落するおそれがある。リング磁石が脱落した場合には、トルクセンサの出力に誤差が生じてしまう。

本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、バックヨークからのリング磁石の脱落を防止することを目的とする。

本発明は、ハウジング内に回転自在に支持された第１シャフトと第２シャフトとを連結するトーションバーに作用するトルクを検出するトルクセンサであって、前記第１シャフトと共に回転する磁気発生部と、前記第２シャフトと共に回転する回転磁気回路部と、前記ハウジングに固定された固定磁気回路部と、前記トーションバーのねじれ変形に伴って前記磁気発生部から前記回転磁気回路部を通じて前記固定磁気回路部に導かれる磁束密度を検出する磁気検出器と、を備え、前記磁気発生部は、前記第１シャフトの外周面に固定される環状のバックヨークと、前記バックヨークの端面に結合される環状のリング磁石と、前記バックヨークと前記リング磁石とに亘って吸着する熱収縮チューブと、を備えることを特徴とする。

本発明によれば、バックヨークとリング磁石とに亘って吸着する熱収縮チューブを備えるため、バックヨークからのリング磁石の脱落を防止することができる。

本発明の第１実施形態に係るトルクセンサが適用される電動パワーステアリング装置の縦断面図である。 リング磁石、回転磁気回路部、固定磁気回路部、及び磁気センサの斜視図である。 磁気発生部の底面図である。 回転磁気回路部の斜視図である。 磁気発生部の断面図である。 本発明の第２実施形態に係るトルクセンサの磁気発生部の断面図である。 図６の一点鎖線で囲んだ部分の拡大図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。

＜第１実施形態＞
本発明の第１実施形態に係るトルクセンサ１００について説明する。

まず、図１を参照して、トルクセンサ１００が適用される電動パワーステアリング装置１について説明する。

電動パワーステアリング装置１は、ステアリングシャフト１０と出力シャフト１２がステアリングホイールに連係して回転し、出力シャフト１２の下端に設けられたピニオンと噛合するラック軸を軸方向に移動させることで車輪を操舵するものである。

電動パワーステアリング装置１は、操舵トルクを補助的に付与するアシスト機構として、出力シャフト１２に連結されたウォームホイールと、ウォームホイールと噛合するウォームと、ウォームを回転駆動する電動モータと、を備える。電動パワーステアリング装置１は、電動モータの回転トルクによって出力シャフト１２に操舵補助トルクを付与する。

ステアリングシャフト１０は、第１シャフトとしての入力シャフト１１と、入力シャフト１１に連結されたトーションバー２１と、から構成される。入力シャフト１１は、転がり軸受３７を介してハウジング３０に回転自在に支持される。第２シャフトとしての出力シャフト１２は、転がり軸受３８を介してハウジング４１に回転自在に支持される。入力シャフト１１の下端側と出力シャフト１２の上端側との間には、滑り軸受３９が介装される。入力シャフト１１と出力シャフト１２は、同一軸上で回転自在にハウジング３０，４１に支持される。

入力シャフト１１は円筒状に形成されており、入力シャフト１１の内部にはトーションバー２１が同軸に収められる。トーションバー２１の上端部は、ピン２８を介して入力シャフト１１の上端部に連結される。トーションバー２１の下端部は、入力シャフト１１の下端開口部より突出しており、セレーション２９を介して出力シャフト１２に連結される。トーションバー２１は、ステアリングホイールを介して入力シャフト１１に入力される操舵トルクを出力シャフト１２に伝達し、その操舵トルクに応じて回転軸Ｏを中心にねじれ変形する。

電動パワーステアリング装置１には、入力シャフト１１と出力シャフト１２とを連結するトーションバー２１に作用する操舵トルクを検出する非接触式のトルクセンサ１００が設けられる。以下では、トルクセンサ１００について説明する。

図１及び図２に示すように、トルクセンサ１００は、入力シャフト１１に固定され入力シャフト１１と共に回転する磁気発生部２２と、出力シャフト１２に固定され出力シャフト１２と共に回転する回転磁気回路部２５と、ハウジング３０に固定された固定磁気回路部３１と、トーションバー２１のねじれ変形に伴って磁気発生部２２から回転磁気回路部２５を通じて固定磁気回路部３１に導かれる磁束密度を検出する磁気検出器としての磁気センサ４８と、を備える。トルクセンサ１００は、トーションバー２１に作用する操舵トルクを磁気センサ４８の出力に基づいて検出する。

上記構成に代え、磁気発生部２２を出力シャフト１２と共に回転するように出力シャフト１２に固定し、回転磁気回路部２５を入力シャフト１１と共に回転するように入力シャフト１１に固定するようにしてもよい。

図１，図３，及び図５に示すように、磁気発生部２２は、入力シャフト１１に固定される環状のバックヨーク２４と、バックヨーク２４の端面に結合される環状のリング磁石２３と、を備える。

リング磁石２３は、入力シャフト１１の回転軸Ｏ方向に磁気を発生する環状の永久磁石である。リング磁石２３は、回転軸Ｏ方向へ向けて硬磁性体を着磁することによって形成される多極磁石であり、周方向に等しい幅で形成される１２個の磁極を有する。つまり、リング磁石２３の上端面２３ａ及び下端面２３ｂには、６個のＮ極と６個のＳ極が周方向に交互に配設される。リング磁石２３に形成される磁極数は、２個以上の範囲で任意に設定される。

バックヨーク２４は軟磁性体によって形成され、下端面５１ｃにリング磁石２３の上端面２３ａである上部磁極面が結合される。バックヨーク２４は、リング磁石２３を入力シャフト１１に連結する連結部材としての機能と、リング磁石２３の隣り合う磁極を結んで磁束を導く継鉄としての機能とを有し、リング磁石２３の下端面２３ｂである下部磁極面に磁力を集中させる。

図１，図２，及び図４に示すように、回転磁気回路部２５は、磁気発生部２２のリング磁石２３から発生する磁束が導かれる第１軟磁性リング２６及び第２軟磁性リング２７と、出力シャフト１２に取り付けられる取付部材７０と、取付部材７０に第１軟磁性リング２６及び第２軟磁性リング２７を固定するモールド樹脂７１と、を備える。

第１軟磁性リング２６は、環状の第１磁路環部２６Ｃと、第１磁路環部２６Ｃから下向きに突出する６個の第１磁路柱部２６Ｂと、各第１磁路柱部２６Ｂの先端からそれぞれ内向きに屈折してリング磁石２３の下端面２３ｂに対峙する第１磁路先端部２６Ａと、からなる。第２軟磁性リング２７は、環状の第２磁路環部２７Ｃと、第２磁路環部２７Ｃから上向きに突出する６個の第２磁路柱部２７Ｂと、各第２磁路柱部２７Ｂの端部からそれぞれ内向きに屈折してリング磁石２３の下端面２３ｂに対峙する第２磁路先端部２７Ａと、からなる。

第１軟磁性リング２６及び第２軟磁性リング２７は、それぞれプレス加工によって形成される。第１軟磁性リング２６及び第２軟磁性リング２７は、プレス加工に限らず、鋳造、焼結等によって形成してもよい。

第１磁路先端部２６Ａ及び第２磁路先端部２７Ａは平板状に形成される。第１磁路先端部２６Ａと第２磁路先端部２７Ａは、トーションバー２１の回転軸Ｏと直交する同一平面上に、回転軸Ｏを中心として周方向に交互に等間隔を空けて配置される。

第１磁路先端部２６Ａと第２磁路先端部２７Ａは、トーションバー２１にトルクが作用していない中立状態で、トーションバー２１の径方向に延びるそれぞれの中心線がリング磁石２３のＮ極とＳ極の境界を指すように配置される。

第１磁路柱部２６Ｂと第２磁路柱部２７Ｂは、それぞれ平板状に形成され、回転軸Ｏ方向に延設される。第１磁路柱部２６Ｂは、所定の間隙を空けてリング磁石２３の外周面を囲むように配置される。第１磁路柱部２６Ｂは、リング磁石２３の磁束を短絡しないように設けられる。また、第２磁路柱部２７Ｂは、回転軸Ｏに沿って第１磁路柱部２６Ｂと反対方向に延設される。

第１磁路環部２６Ｃ及び第２磁路環部２７Ｃは、回転軸Ｏと直交する平面上に配置され、全周がつながった環状に形成される。第１磁路環部２６Ｃ及び第２磁路環部２７Ｃは、この形状に限られず、部分的にスリットが形成されたＣ字形状であってもよい。

第１磁路環部２６Ｃはリング磁石２３より上方に配置され、第２磁路環部２７Ｃはリング磁石２３より下方に配置される。つまり、リング磁石２３は、回転軸Ｏ方向について第１磁路環部２６Ｃと第２磁路環部２７Ｃの間に配置される。

図１及び図２に示すように、固定磁気回路部３１は、第１軟磁性リング２６の第１磁路環部２６Ｃの外周に沿って設けられた第１集磁リング３２と、第２軟磁性リング２７の第２磁路環部２７Ｃの外周に沿って設けられた第２集磁リング３３と、第１集磁リング３２に接続された第１集磁ヨーク３４と、第２集磁リング３３に接続された第２集磁ヨーク３５と、を備える。

第１集磁リング３２及び第２集磁リング３３は、部分的にスリットが形成されたＣ字形状であり、ハウジング３０の内周面にかしめ固定される。第１集磁リング３２の内周面は第１軟磁性リング２６の第１磁路環部２６Ｃに対峙し、第２集磁リング３３の内周面は第２軟磁性リング２７の第２磁路環部２７Ｃに対峙する。

このように、第１集磁リング３２及び第２集磁リング３３は、回転磁気回路部２５の外周に配置され、回転磁気回路部２５の回転振れや偏心の影響を緩和して磁気センサ４８側へ磁束を導く機能を有する。

第１集磁ヨーク３４は第１集磁リング３２の外周面に当接する円弧状の内周面３４ａを有するブロック状に形成され、第２集磁ヨーク３５は第２集磁リング３３の外周面に当接する円弧状の内周面３５ａを有するブロック形状に形成される。

第１集磁ヨーク３４には一対の集磁凸部３４ｂが回転軸Ｏ方向に延設され、第２集磁ヨーク３５にも一対の集磁凸部３５ｂが回転軸Ｏ方向に延設される。第１集磁ヨーク３４の一対の集磁凸部３４ｂと第２集磁ヨーク３５の一対の集磁凸部３５ｂは、所定の隙間である磁気ギャップをもって互いに対向する。つまり、第１集磁ヨーク３４と第２集磁ヨーク３５との間には、周方向に並ぶ一対の磁気ギャップが形成される。一対の磁気ギャップ内のそれぞれには、磁気センサ４８が設置される。

第１集磁ヨーク３４及び第２集磁ヨーク３５は、回転磁気回路部２５からの磁束を第１集磁リング３２及び第２集磁リング３３を介して磁気センサ４８へ集める機能を有する。

第１集磁ヨーク３４、第２集磁ヨーク３５、磁気センサ４８、及び基板４７は、モールド樹脂を介してセンサホルダ４０に固定される。樹脂製のセンサホルダ４０は、円筒部４０ａがハウジング３０の開口部３０ａに嵌挿されると共に、ボルトを介して金属製のハウジング３０に取り付けられる。

磁気を検出するための磁気センサ４８にはホール素子が用いられる。ホール素子は、これを通過する磁束密度に応じた電圧を信号として出力するものである。磁気センサ４８は、磁気ギャップの磁場の大きさ及び方向に応じた電圧を、基板４７及び端子４４を通じて出力する。端子４４は、センサホルダ４０に接続される配線を介して電動パワーステアリング装置１の駆動を制御するコントローラに接続される。

次に、トルクセンサ１００による操舵トルクの検出方法について説明する。

トーションバー２１にトルクが作用しない中立状態では、第１軟磁性リング２６の第１磁路先端部２６Ａと第２軟磁性リング２７の第２磁路先端部２７Ａとは、それぞれリング磁石２３のＮ極及びＳ極に同一の面積で対峙して両者を磁気短絡する。そのため、磁束は回転磁気回路部２５と固定磁気回路部３１に導かれない。

ドライバによるステアリングホイールの操作によってトーションバー２１に特定の方向のトルクが作用した場合には、このトルクの方向に応じてトーションバー２１はねじれ変形する。トーションバー２１がねじれ変形すると、第１磁路先端部２６ＡがＳ極よりＮ極に大きな面積を持って対峙する一方、第２磁路先端部２７ＡがＮ極よりＳ極に大きな面積を持って対峙する。リング磁石２３からの磁束は回転磁気回路部２５を通じて固定磁気回路部３１に導かれる。具体的には、Ｎ極から第１軟磁性リング２６、第１集磁リング３２、第１集磁ヨーク３４、第２集磁ヨーク３５、第２集磁リング３３、第２軟磁性リング２７を経由してＳ極に向かう経路である。第１集磁ヨーク３４と第２集磁ヨーク３５の間の磁気ギャップに設置された磁気センサ４８は、磁束の大きさ及び方向に応じた電圧値を出力する。

一方、ドライバによるステアリングホイールの操作によってトーションバー２１に上記とは逆方向のトルクが作用した場合には、このトルクの方向に応じてトーションバー２１が逆方向にねじれ変形する。トーションバー２１がねじれ変形すると、第１磁路先端部２６ＡがＮ極よりＳ極に大きな面積を持って対峙する一方、第２磁路先端部２７ＡがＳ極よりＮ極に大きな面積を持って対峙する。リング磁石２３からの磁束は、回転磁気回路部２５を通じて固定磁気回路部３１に導かれるが、上記とは逆の経路となる。具体的には、Ｎ極から第２軟磁性リング２７、第２集磁リング３３、第２集磁ヨーク３５、第１集磁ヨーク３４、第１集磁リング３２、第１軟磁性リング２６を経由してＳ極に向かう経路である。第１集磁ヨーク３４と第２集磁ヨーク３５の間の磁気ギャップに設置された磁気センサ４８は、磁束の大きさ及び方向に応じた電圧値を出力する。

第１磁路先端部２６Ａがリング磁石２３のＮ極とＳ極に対峙する面積差、及び第２磁路先端部２７Ａがリング磁石２３のＮ極とＳ極に対峙する面積差が大きいほど磁気ギャップに誘導される磁束が大きくなり、磁気センサ４８の出力電圧も増大する。したがって、リング磁石２３の磁極数を増やすことにより、磁気センサ４８に導かれる磁束密度を高めることができる。

以下では、主に図５を参照して、磁気発生部２２について詳しく説明する。

バックヨーク２４は、入力シャフト１１の外径と略同一の内径を有し、入力シャフト１１の外周面に圧入されて固定される環状の本体部５１と、本体部５１と同一の内径を有すると共に本体部５１と比較して外径が小さい薄肉環状部５２と、を備える。

バックヨーク２４は、本体部５１の上端面５１ａに荷重を加えることによって入力シャフト１１の外周面に圧入され、本体部５１の内周に形成された段部５１ｂが入力シャフト１１の外周に形成された段部１１ａ（図１参照）に当接するまで圧入される。このように、本体部５１の上端面５１ａは、バックヨーク２４の圧入時に荷重受け面として機能する。

入力シャフト１１の外周面には互いに平行な平面部が形成され、その平面部に薄肉環状部５２の一部がかしめられる。このように、薄肉環状部５２は入力シャフト１１の外周面に固定され、入力シャフト１１に対するバックヨーク２４の相対回転が防止される。

リング磁石２３は、上端面２３ａが接着剤を介してバックヨーク２４の下端面５１ｃに接合される。また、バックヨーク２４は軟磁性体によって形成されるため、リング磁石２３が及ぼす磁界によって磁化され、リング磁石２３に吸着する。このように、リング磁石２３とバックヨーク２４は、接着剤の接着力及び磁力によって結合する。

しかし、リング磁石２３とバックヨーク２４の間の接着不良が発生した場合には、リング磁石２３がバックヨーク２４から脱落するおそれがある。その対策として、磁気発生部２２は、バックヨーク２４とリング磁石２３とに亘って吸着する熱収縮チューブ６０を備える。

熱収縮チューブ６０は、熱を加えることによって収縮する特性を有する樹脂製のチューブである。熱収縮チューブ６０をバックヨーク２４とリング磁石２３とに亘って吸着させる際には、リング磁石２３が接着剤を介してバックヨーク２４に結合された状態で、バックヨーク２４とリング磁石２３を円筒状の熱収縮チューブ６０の内側に配置し、加熱炉内で熱収縮チューブ６０に熱を加える。これにより、熱収縮チューブ６０は収縮してバックヨーク２４とリング磁石２３とに亘って吸着し、両者を覆う。熱収縮チューブ６０は径方向の収縮率が高いが、軸方向にも収縮する。なお、加熱炉内で熱収縮チューブ６０に熱を加える代わりに、ヒートガンを用いて熱収縮チューブ６０に熱を加えるようにしてもよい。

収縮した熱収縮チューブ６０は、内側に折れ曲ってバックヨーク２４の上端面５１ａに吸着する第１屈折部６０ａと、バックヨーク２４及びリング磁石２３の外周面に吸着する円筒部６０ｂと、内側に折れ曲ってリング磁石２３の下端面２３ｂに吸着する第２屈折部６０ｃと、を備える。第１屈折部６０ａは、バックヨーク２４に引っ掛かってバックヨーク２４に対する熱収縮チューブ６０の軸方向（回転軸Ｏ方向）への移動を規制する機能を有する。一方、第２屈折部６０ｃは、リング磁石２３を抱え込んでリング磁石２３を保持する機能を有する。このように、熱収縮チューブ６０はバックヨーク２４とリング磁石２３を一体に保持する機能を有するため、バックヨーク２４からのリング磁石２３の脱落が防止される。

以上の第１実施形態によれば、バックヨーク２４とリング磁石２３は、両者に亘って吸着する熱収縮チューブ６０によって一体に保持されるため、バックヨーク２４からのリング磁石２３の脱落を防止することができる。

＜第２実施形態＞
主に図６及び図７を参照して、本発明の第２実施形態に係るトルクセンサについて説明する。

以下では、上記第１実施形態と異なる点を中心に説明し、第１実施形態と同様の機能を有する構成には同一の符号を付して説明を省略する。

第２実施形態に係るトルクセンサは、バックヨーク２４及び熱収縮チューブ６０の構成が第１実施形態と異なる。以下に、詳しく説明する。

上記第１実施形態では、熱収縮チューブ６０の第１屈折部６０ａは、折れ曲って径方向に収縮する際、円筒部６０ｂと異なりバックヨーク２４によって収縮が規制されないため、収縮量が大きい。そのため、均等に収縮せず盛り上がってしまうおそれがある。その場合には、その盛り上がった部分が周辺の部材に当たって損傷してゴミが発生し、そのゴミがトルクセンサ１００の出力の外乱となるおそれがある。また、第１屈折部６０ａは、バックヨーク２４の圧入時に荷重受け面として機能する上端面５１ａに吸着するものであるため、バックヨーク２４の圧入時に第１屈折部６０ａが荷重を受けて損傷するおそれがある。これらの問題点を解決するために、第２実施形態ではバックヨーク２４及び熱収縮チューブ６０が以下のように構成される。

図６及び図７に示すように、バックヨーク２４の本体部５１の外周面には、環状の溝部６５が形成される。溝部６５は、リング磁石２３から遠ざかる方向に向かって外径が小さくなるテーパ面６５ａを有するＶ字形状に形成される。

熱収縮チューブ６０の第１屈折部６０ａは、上端面５１ａではなく溝部６５の内側、具体的にはテーパ面６５ａに吸着するように構成される。

第１屈折部６０ａは溝部６５に引っ掛かってバックヨーク２４に対する熱収縮チューブ６０の軸方向（回転軸Ｏ方向）への移動を規制するものであり、上端面５１ａに引っ掛かるものではないため、バックヨーク２４の圧入時に上端面５１ａに荷重を作用させても、第１屈折部６０ａが損傷することがない。

また、第１屈折部６０ａが吸着するテーパ面６５ａは傾斜状に形成されるため、第１屈折部６０ａは、折れ曲って径方向に収縮する際、上記第１実施形態の場合と比較して径方向の収縮量が小さい。そのため、均等に収縮し、盛り上がるのが防止される。

万が一盛り上がったとしても、第１屈折部６０ａは溝部６５の内側にあるため、盛り上がった部分が周辺の部材に当たって損傷するのが防止され、また、盛り上がった部分がバックヨーク２４の外径寸法に影響を与えることもない。

本発明は上記の実施の形態に限定されずに、その技術的な思想の範囲内において種々の変更がなしうることは明白である。

本発明は、ドライバがハンドルに加える操舵力を補助する電動パワーステアリング装置に用いられるトルクセンサとして利用することができる。

１００ トルクセンサ
１ 電動パワーステアリング装置
１１ 入力シャフト
１２ 出力シャフト
２１ トーションバー
２２ 磁気発生部
２３ リング磁石
２４ バックヨーク
２５ 回転磁気回路部
３０ ハウジング
３１ 固定磁気回路部
６０ 熱収縮チューブ
６０ａ 第１屈折部
６０ｂ 円筒部
６０ｃ 第２屈折部
６５ 溝部
６５ａ テーパ面

Claims (5)

1. ハウジング内に回転自在に支持された第１シャフトと第２シャフトとを連結するトーションバーに作用するトルクを検出するトルクセンサであって、
   前記第１シャフトと共に回転する磁気発生部と、
   前記第２シャフトと共に回転する回転磁気回路部と、
   前記ハウジングに固定された固定磁気回路部と、
   前記トーションバーのねじれ変形に伴って前記磁気発生部から前記回転磁気回路部を通じて前記固定磁気回路部に導かれる磁束密度を検出する磁気検出器と、を備え、
   前記磁気発生部は、
   前記第１シャフトの外周面に固定される環状のバックヨークと、
   前記バックヨークの端面に結合される環状のリング磁石と、
   前記バックヨークと前記リング磁石とに亘って吸着する熱収縮チューブと、
   を備えることを特徴とするトルクセンサ。
2. 前記熱収縮チューブは、内側に折れ曲って前記バックヨークに吸着する第１屈折部を有することを特徴とする請求項１に記載のトルクセンサ。
3. 前記熱収縮チューブは、前記バックヨーク及び前記リング磁石の外周面に吸着する円筒部と、内側に折れ曲って前記リング磁石に吸着する第２屈折部と、をさらに有することを特徴とする請求項２に記載のトルクセンサ。
4. 前記バックヨークの外周面には、環状の溝部が形成され、
   前記熱収縮チューブの前記第１屈折部は、前記溝部の内側に吸着することを特徴とする請求項２又は請求項３に記載のトルクセンサ。
5. 前記溝部は、前記リング磁石から遠ざかる方向に向かって外径が小さくなるテーパ面を有し、
   前記熱収縮チューブの前記第１屈折部は、前記テーパ面に吸着することを特徴とする請求項４に記載のトルクセンサ。

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