JP2014157066A

JP2014157066A - トルク検出装置

Info

Publication number: JP2014157066A
Application number: JP2013027521A
Authority: JP
Inventors: Yukio Ikeda; 幸雄池田
Original assignee: Hitachi Metals Ltd
Current assignee: Proterial Ltd
Priority date: 2013-02-15
Filing date: 2013-02-15
Publication date: 2014-08-28

Abstract

【課題】検出精度を確保しながら小型化を図ることが可能なトルク検出装置を提供する。
【解決手段】トルク検出装置は、一端部から他端部に伝達されるトルクに応じて一端部と他端部との間で捩じれる軸状のトーションバーと、トーションバーの捩じれに応じて相対変位する第１及び第２の回転ヨーク７１，７２を含む磁気回路と、磁気回路に磁束を発生させる磁石１０と、磁気回路に発生する磁束密度を検出する一対の磁界センサ６とを備え、一対の磁界センサ６は、磁気回路において第１及び第２の回転ヨーク７１，７２並びに磁石１０に対して直列に配置されている。
【選択図】図４

Description

本発明は、例えば、車両の舵取りを行う際、電動モータを駆動して操舵を補助し運転者の負担を軽減する電動パワーステアリング装置等に適用され、ハンドルに加えられたトルクを検出するトルク検出装置に関する。

従来、ハンドルにつながる入力軸と、操舵輪につながる出力軸と、入力軸及び出力軸を連結する連結軸（トーションバー）とを備え、連結軸に生じる捩じれ角度によって、入力軸に加わる操舵トルクを検出するトルク検出装置が知られている（例えば、特許文献１参照。）。

特許文献１に記載のトルク検出装置において、入力軸にはＮ極及びＳ極が周方向に等間隔に着磁された円筒形状の永久磁石が同軸に設けられ、出力軸には永久磁石の磁気回路を形成する円筒形状のヨークが同軸に設けられている。ヨークは、連結軸の軸方向に延びる二等辺三角形状の爪が交互に周設された一対の磁気ヨークから構成されている。また、ヨークからの磁束を誘導する一対の集磁リングがヨークを挟むようにして配置され、その一対の集磁リングの間に２つのホールＩＣ（磁界センサ）が配置されている。

永久磁石から放出された磁束は、一対の磁気ヨークと一対の集磁リングとが並列した磁気回路を流れる。入力軸に一方向のトルクが加えられたとき、トーションバーに捩じれが生じて、一対の磁気ヨークの各爪と永久磁石との相対位置が変化する。これにより、一対の磁気ヨークを流れる磁束の磁気抵抗が変化する。一対の磁気ヨークに発生した磁束の一部は、一対の集磁リングによりそれぞれ誘導される。誘導された磁束は、２つのホールＩＣにより検出される。

特開２００５−２６５５８１号公報

ところで、近年の車両の小型軽量化の要請により、車両に搭載される各種の装置はより高密度に配置されるようになっている。検出装置についても、さらなる車両への搭載性の向上が要請されている。

特許文献１に記載のトルク検出装置では、永久磁石がヨークに対して径方向内側に設けられているので、永久磁石を小さくすれば外径の小型化を図ることが可能である。しかしながら、永久磁石を単に小型化すれば入力軸にトルクが加えられた際にホールＩＣによって検出される磁束の変化量が少なくなるので、検出精度が低下するおそれがある。そのため、上記した従来の構成において永久磁石を小さくすることには制約がある。

そこで、本発明は、検出精度を確保しながら小型化を図ることが可能なトルク検出装置を提供することを目的とする。

本発明は、上記課題を解決することを目的として、一端部から他端部に伝達されるトルクに応じて前記一端部と前記他端部との間で捩じれる軸状の弾性部材と、前記弾性部材の捩じれに応じて相対変位する第１及び第２の軟磁性部材を含む磁気回路と、前記磁気回路に磁束を発生させる磁石と、前記磁気回路に発生する磁束密度を検出する磁界センサとを備え、前記磁界センサは、前記磁気回路において前記第１及び第２の軟磁性部材並びに前記磁石に対して直列に配置されているトルク検出装置を提供する。

本発明に係るトルク検出装置によれば、検出精度を確保しながら小型化を図ることが可能である。

本発明の実施の形態に係るトルク検出装置の断面図である。トルク検出装置における磁気回路の構成例を示す分解斜視図である。図１のＡ部を拡大した模式図である。トルク検出装置の動作を示す説明図であり、（ａ）はトーションバーに捩じれが発生していない状態を、（ｂ）はトーションバーが捩じれた状態を、それぞれ示す。磁路を示す模式図である。

［実施の形態］
図１は、本発明の実施の形態に係るトルク検出装置の断面図である。

（トルク検出装置１の構成）
このトルク検出装置１は、例えば車両に搭載され、運転者がハンドルに付与する操舵トルクを検出するために用いられる。車両の操舵系には、操舵操作を補助する電動パワーステアリング装置が設けられ、トルク検出装置１が検出した操舵トルクに応じて電動モータが操舵輪（前輪）を転舵するためのトルクを出力する。

トルク検出装置１は、ハンドル側に連結された入力軸２と操舵輪側に連結された出力軸３との間に介在する軸状の弾性部材としてのトーションバー４と、トーションバー４を中心軸としてその外周に設けられた磁気回路１Ｍと、磁気回路１Ｍに磁束を発生させる磁石１０と、磁気回路１Ｍに発生する磁束密度を検出する長方形状の一対の磁界センサ６とを備えている。

磁気回路１Ｍは、トーションバー４の捩じれに応じて相対変位する第１及び第２の軟磁性部材としての一対の回転ヨーク７（第１の回転ヨーク７１及び第２の回転ヨーク７２）と、磁石１０で発生する磁束を一対の回転ヨーク７に誘導する第１及び第２の補助軟磁性部材としての一対の固定ヨーク８（第１の固定ヨーク８１及び第２の固定ヨーク８２）と、補助ヨーク９と、磁石１０とを有している。

磁石１０及び一対の磁界センサ６は、一対の回転ヨーク７の外側に配置され、一対の固定ヨーク８及び補助ヨーク９と共に樹脂からなるモールド成形体５によって一括してモールドされている。

入力軸２は、トーションバー４を貫通させる貫通孔２０が形成された円筒状であり、その内面にトーションバー４の一端部４ａが相対回転不能に連結されている。入力軸２の外周面には、筒部材１１が固定されている。筒部材１１は、鍔部１１０と円筒部１１１とを一体に有している。鍔部１１０は、円筒部１１１の一端部（トーションバー４の一端部４ａ側の端部）にて外周側に突出して形成され、鍔部１１０の外周面には、第１の回転ヨーク７１が設けられている。筒部材１１は、入力軸２と第１の回転ヨーク７１とを相対回転不能に連結している。

出力軸３は、その中心軸に沿って大径の凹部３１と小径の凹部３２とを有している。小径の凹部３２には、トーションバー４の他端部４ｂが例えば圧入によって相対回転不能に連結されている。大径の凹部３１には、入力軸２の一端部が挿入され、大径の凹部３１の内周面と入力軸２の外周面との間には空間３０が形成されている。大径の凹部３１の開口端には、非磁性体（例えば、黄銅、ＳＵＳ３０４等）からなるアダプタ１２が配置されている。アダプタ１２は、出力軸３と第２の回転ヨーク７２とを相対回転不能に連結している。

トーションバー４は、その軸方向の中央部４ｃが一端部４ａ及び他端部４ｂよりも小径に形成されている。トーションバー４は、入力軸２から出力軸３に伝達されるトルクに応じて、一端部４ａと他端部４ｂとの間で中央部４ｃが捩じれる。一端部４ａと他端部４ｂとは、中央部４ｃの捩じれに応じて相対的に回転する。

（磁気回路１Ｍの構成）
図２は、トルク検出装置１における磁気回路１Ｍの構成例を示す分解斜視図である。図３は、図１のＡ部を拡大した模式図である。なお、図３において、断面の後方に見える第１の回転ヨーク７１及び第２の回転ヨーク７２については図示を省略している。また、磁路Ｐを二点鎖線で示す。

第１の回転ヨーク７１及び第２の回転ヨーク７２は、トーションバー４を中心軸とした同心円状に形成されている。第１の回転ヨーク７１は、環状の本体部７１０と、第２の回転ヨーク７２に向かって突出する複数（本実施の形態では４つ）の第１の突起部７１１とを一体に有している。第１の突起部７１１には、磁気回路１Ｍに発生した磁束が通る空隙１００（図３参照）を介して第２の回転ヨーク７２に対向する第１の対向面７１１ａが形成されている。第１の対向面７１１ａは、トーションバー４の軸方向に対して傾斜している。

同様に、第２の回転ヨーク７２は、環状の本体部７２０と、第１の回転ヨーク７１に向かって突出する複数（本実施の形態では４つ）の第２の突起部７２１とを一体に有している。第２の突起部７２１には、第１の対向面７１１ａに対向する第２の対向面７２１ａが形成されている。第２の対向面７２１ａは、トーションバー４の軸方向に対して傾斜している。なお、本実施の形態では、第１の突起部７１１及び第２の突起部７２１はそれぞれ三角形状である。

第１の固定ヨーク８１は、第１の回転ヨーク７１の外周側に、第２の固定ヨーク８２は、第２の回転ヨーク７２の外周側に、それぞれ配置されている。磁石１０及び一対の磁界センサ６は、第１の固定ヨーク８１と第２の固定ヨーク８２との間に配置されている。

第１の固定ヨーク８１は、トーションバー４を中心軸として同心円状に形成されて第１の回転ヨーク７１の外周に配置された環状部８１０と、環状部８１０から径方向外側に突出した突出部８１１と、突出部８１１における環状部８１０とは反対側の一端から第２の固定ヨーク８２側に延出した延出部８１２と、延出部８１２における突出部８１１とは反対側の一端から環状部８１０の径方向外側（本実施の形態では、突出部８１１に平行な方向）に突出し、後述する第２の固定ヨーク８２の対向部８２３に対向する対向部８１３とを一体に有している。

同様に、第２の固定ヨーク８２は、トーションバー４を中心軸として同心円状に形成されて第２の回転ヨーク７２の外周に配置された環状部８２０と、環状部８２０から径方向外側に突出した突出部８２１と、突出部８２１における環状部８２０とは反対側の一端から第１の固定ヨーク８１側に延出した延出部８２２と、延出部８２２における突出部８２１とは反対側の一端から環状部８２０の径方向外側（本実施の形態では、突出部８２１に平行な方向）に突出し、第１の固定ヨーク８１の対向部８１３に対向する対向部８２３とを一体に有している。

第１の固定ヨーク８１の対向部８１３と第２の固定ヨーク８２の対向部８２３との間には、磁石１０、補助ヨーク９、及び一対の磁界センサ６が配置されている。磁石１０は、第１の固定ヨーク８１の対向部８１３側に、一対の磁界センサ６は、第２の固定ヨーク８２の対向部８２３側に配置されている。

補助ヨーク９は、磁石１０の一端面に接触する接触部９１と、一対の磁界センサ６に対向するセンサ対向部９２と、接触部９１及びセンサ対向部９２を連結する連結部９３とを一体に有している。磁石１０は、Ｎ極及びＳ極が中心軸に沿って形成され、磁気回路１Ｍに磁束を発生させる。磁石１０は、中心軸方向の一端部（本実施の形態では、第１の固定ヨーク８１側）がＮ極として、他端部（本実施の形態では、第２の固定ヨーク８２側）がＳ極として、それぞれ形成されている。

磁石１０で発生した磁束の経路（磁路Ｐ）は、図３に示すように、磁石１０のＮ極→第１の固定ヨーク８１→第１の回転ヨーク７１→第２の回転ヨーク７２→第２の固定ヨーク８２→補助ヨーク９→磁石１０のＳ極となる。なお、本実施の形態では、磁石１０のＮ極から放出される磁束のうち、磁路Ｐを経由せずに磁石１０のＳ極に入る磁束は、無視できるほど小さい。

（トルク検出装置１の動作）
図４は、トルク検出装置１の動作を示す説明図であり、（ａ）はトーションバー４に捩じれが発生していない状態を、（ｂ）はトーションバー４が捩じれた状態を、それぞれ示す。図５は、磁路Ｐを示す模式図である。

一対の磁界センサ６は、図５に示すように、磁気回路１Ｍにおいて、第１及び第２の回転ヨーク７１，７２、第１及び第２の固定ヨーク８１，８２、磁石１０、及び補助ヨーク９に対して直列に配置されている。磁石１０の起磁力の大きさをＦ、磁気回路１Ｍ内を流れる磁束の大きさΦ、第１の回転ヨーク７１と第２の回転ヨーク７２との間の空隙１００における磁気抵抗の大きさをＲ_１、磁気回路１Ｍ内の空隙１００における磁気抵抗以外の磁気抵抗の大きさをＲ_２とすると、Ｆ、Φ、Ｒ_１、Ｒ_２それぞれの関係は次式（数１）のようになる。

すなわち、一対の磁界センサ６で検出される磁束の大きさΦは、磁気回路１Ｍ内の磁気抵抗の大きさＲ_１＋Ｒ_２に反比例する。なお、Ｒ_２には、第１の回転ヨーク７１、第２の回転ヨーク７２、第１の固定ヨーク８１、第２の固定ヨーク８２、補助ヨーク９の磁気抵抗、及び磁石１０の内部磁気抵抗が含まれる。空隙１００における磁気抵抗の大きさＲ_１は、Ｒ_２よりも大きく、磁気回路１Ｍの全体の磁気抵抗の中ではＲ_１が支配的である。

例えば、入力軸２にトルクが作用してトーションバー４に捩じれが生じると、この捩じれに応じて第１の回転ヨーク７１が第２の回転ヨーク７２に対して相対的に回転し、図４（ａ）に示す位置から図４（ｂ）に示す位置に相対変位する。これにより、空隙１００における第１の対向面７１１ａと第２の対向面７２１ａとの間の距離が変化し、第１の回転ヨーク７１と第２の回転ヨーク７２との間の空隙１００における磁気抵抗の大きさＲ_１が変化する。

より具体的には、入力軸２に図１に示す矢印ａ方向のトルクが作用した場合は、空隙１００における第１の対向面７１１ａと第２の対向面７２１ａとの間の距離が短くなり、空隙１００における磁気抵抗（Ｒ_１）が小さくなる。これにより、空隙１００を流れる磁束の大きさΦが大きくなる。

逆に、入力軸２に図１に示す矢印ｂ方向のトルクが作用した場合は、空隙１００における第１の対向面７１１ａと第２の対向面７２１ａとの間の距離が離れ、空隙１００における磁気抵抗（Ｒ_１）が大きくなる。これにより、空隙１００を流れる磁束の大きさΦが小さくなる。

一方、第１の固定ヨーク８１及び第２の固定ヨーク８２は、トーションバー４に捩じれが生じても相対回転しないため、第１の固定ヨーク８１と第２の固定ヨーク８２との間の磁気抵抗の大きさは入力軸２に作用するトルクの有無に関係なく一定である。したがって、磁気回路１Ｍ内の空隙１００における磁気抵抗以外の磁気抵抗の大きさＲ_２は、入力軸２に作用するトルクの有無に関係なく一定となる。

この磁気回路１Ｍ内を流れる磁束の大きさΦの変化量を一対の磁界センサ６で検出することにより、トーションバー４の捩じれ量、すなわち入力軸２に入力されたトルク量を検出することができる。

（実施の形態の作用及び効果）
以上説明した実施の形態によれば、以下のような作用及び効果が得られる。

（１）一対の磁界センサ６は、磁気回路１Ｍにおいて、第１及び第２の回転ヨーク７１，７２、第１及び第２の固定ヨーク８１，８２、並びに磁石１０に対して直列に配置されているため、一対の磁界センサ６で検出される磁束の大きさΦは、磁気回路１Ｍ内の磁気抵抗の大きさＲ_１＋Ｒ_２に反比例する。第１の回転ヨーク７１と第２の回転ヨーク７２との間の空隙１００における磁気抵抗の大きさＲ_１は、空隙１００における第１の対向面７１１ａと第２の対向面７２１ａとの距離に応じて変化するが、磁気回路１Ｍ内の空隙１００における磁気抵抗以外の磁気抵抗の大きさＲ_２は一定値である。したがって、空隙１００における第１の対向面７１１ａと第２の対向面７２１ａとの距離が、一対の磁界センサ６で検出される磁束の磁束密度に直接的に影響する。これにより、第１の回転ヨーク７１と第２の回転ヨーク７２との間の空隙１００における磁気抵抗の変化量ΔＲ_１が小さい場合でも、一対の磁界センサ６で検出される磁束の変化量ΔΦは大きくなる。すなわち、一対の磁界センサ６は、入力軸２に作用するトルク量が小さい場合においても、高精度に磁束の変化量ΔΦを検出することが可能である。

（２）磁石１０及び一対の磁界センサ６は、第１の回転ヨーク７１及び第２の回転ヨーク７２の外周側に配置されているため、第１の回転ヨーク７１及び第２の回転ヨーク７２を小さくすることができ、トルク検出装置１の小型化につながる。

（３）第１の回転ヨーク７１における第１の突起部７１１の第１の対向面７１１ａ、及び第２の回転ヨーク７２における第２の突起部７２１の第２の対向面７２１ａは、それぞれトーションバー４の軸方向に対して傾斜しているため、第１の対向面７１１ａと第２の対向面７２１ａとの間の距離がトーションバー４の捩じれに応じて緩やかに変化する。これにより、第１の回転ヨーク７１と第２の回転ヨーク７２との間の空隙１００における磁気抵抗の大きさＲ_１は定常的に変化し、一対の磁界センサ６における磁束密度の検出をより高精度に行うことができる。

（実施の形態のまとめ）
次に、以上説明した実施の形態から把握される技術思想について、実施の形態における符号等を援用して記載する。ただし、以下の記載における各符号等は、特許請求の範囲における構成要素を実施の形態に具体的に示した部材等に限定するものではない。

［１］一端部（４ａ）から他端部（４ｂ）に伝達されるトルクに応じて前記一端部（４ａ）と前記他端部（４ｂ）との間で捩じれる軸状の弾性部材（トーションバー４）と、前記弾性部材（トーションバー４）の捩じれに応じて相対変位する第１及び第２の軟磁性部材（第１及び第２の回転ヨーク７１，７２）を含む磁気回路（１Ｍ）と、前記磁気回路（１Ｍ）に磁束を発生させる磁石（１０）と、前記磁気回路（１Ｍ）に発生する磁束密度を検出する磁界センサ（６）とを備え、前記磁界センサ（６）は、前記磁気回路（１Ｍ）において前記第１及び第２の軟磁性部材（第１及び第２の回転ヨーク７１，７２）並びに前記磁石（１０）に対して直列に配置されているトルク検出装置（１）。

［２］前記磁石（１０）及び前記磁界センサ（６）は、前記第１及び第２の軟磁性部材（第１及び第２の回転ヨーク７１，７２）の外周側に配置されている、［１］に記載のトルク検出装置（１）。

［３］前記第１の軟磁性部材（第１の回転ヨーク７１）は、前記第２の軟磁性部材（第２の回転ヨーク７２）に向かって突出し、前記磁気回路（１Ｍ）に発生した磁束が通る空隙（１００）を介して前記第２の軟磁性部材（第２の回転ヨーク７２）に対向する第１の対向面（７１１ａ）が形成された複数の第１の突起部（７１１）を有し、前記第２の軟磁性部材（第２の回転ヨーク７２）は、前記空隙（１００）を介して前記第１の対向面（７１１ａ）に対向する第２の対向面（７２１ａ）が形成された複数の第２の突起部（７２１）を有し、前記第１及び第２の対向面（７１１ａ，７２１ａ）は、それぞれ前記弾性部材（トーションバー４）の軸方向に対して傾斜している、［１］又は［２］に記載のトルク検出装置（１）。

［４］前記第１及び第２の軟磁性部材（第１及び第２の回転ヨーク７１，７２）の外側には、それぞれ前記磁石（１０）にて発生する磁束を前記第１及び第２の軟磁性部材（第１及び第２の回転ヨーク７１，７２）に誘導する第１及び第２の補助軟磁性部材（第１及び第２の固定ヨーク８１，８２）が配置され、前記第１及び第２の軟磁性部材（第１及び第２の回転ヨーク７１，７２）は、前記第１及び第２の補助軟磁性部材（第１及び第２の固定ヨーク８１，８２）に対して相対変位し、前記磁石（１０）及び前記磁界センサ（６）は、前記第１の補助軟磁性部材（第１の固定ヨーク８１）と前記第２の補助軟磁性部材（第２の固定ヨーク８２）との間に配置されている、［１］乃至［３］の何れか１項に記載のトルク検出装置（１）。

以上、本発明の実施の形態を説明したが、上記に記載した実施の形態は特許請求の範囲に係る発明を限定するものではない。また、実施の形態の中で説明した特徴の組合せの全てが発明の課題を解決するための手段に必須であるとは限らない点に留意すべきである。

本発明は、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変形して実施することが可能である。例えば、上記実施の形態では、第１の突起部７１１及び第２の突起部７２１はそれぞれ三角形状であったが、これに限らず、第１の突起部７１１と第２の突起部７２１とが対向する面（第１の対向面７１１ａ及び第２の対向面７２１ａ）が形成されていればよい。

また、上記実施の形態では、一対の磁界センサ６により磁束を検出していたが、磁界センサ６の数や形状について特に制限はない。

また、上記実施の形態では、磁石１０と一対の磁界センサ６との間に補助ヨーク９が配置されていたが、これに限らず、例えば磁石１０のトーションバー４の軸方向における寸法が大きい場合には、補助ヨーク９は不要である。

１…トルク検出装置、１Ｍ…磁気回路、２…入力軸、３…出力軸、４…トーションバー（弾性部材）、４ａ…一端部、４ｂ…他端部、４ｃ…中央部、５…モールド成形体、６…磁界センサ、７…回転ヨーク（軟磁性部材）、８…固定ヨーク（補助軟磁性部材）、９…補助ヨーク、１０…磁石、１１…筒部材、１２…アダプタ、２０…貫通孔、３０…空間、３１…大径の凹部、３２…小径の凹部、７１…第１の回転ヨーク（第１の軟磁性部材）、７２…第２の回転ヨーク（第２の軟磁性部材）、８１…第１の固定ヨーク（第１の補助軟磁性部材）、８２…第２の固定ヨーク（第２の補助軟磁性部材）、９１…接触部、９２…センサ対向部、９３…連結部、１００…空隙、１１０…鍔部、１１１…円筒部、７１０…本体部、７１１…第１の突起部、７１１ａ…第１の対向面、７２０…本体部、７２１…第２の突起部、７２１ａ…第２の対向面、８１０，８２０…環状部、８１１，８２１…突出部、８１２，８２２…延出部、８１３，８２３…対向部、Ｐ…磁路

Claims

一端部から他端部に伝達されるトルクに応じて前記一端部と前記他端部との間で捩じれる軸状の弾性部材と、
前記弾性部材の捩じれに応じて相対変位する第１及び第２の軟磁性部材を含む磁気回路と、
前記磁気回路に磁束を発生させる磁石と、
前記磁気回路に発生する磁束密度を検出する磁界センサとを備え、
前記磁界センサは、前記磁気回路において前記第１及び第２の軟磁性部材並びに前記磁石に対して直列に配置されている
トルク検出装置。
前記磁石及び前記磁界センサは、前記第１及び第２の軟磁性部材の外周側に配置されている、
請求項１に記載のトルク検出装置。
前記第１の軟磁性部材は、前記第２の軟磁性部材に向かって突出し、前記磁気回路に発生した磁束が通る空隙を介して前記第２の軟磁性部材に対向する第１の対向面が形成された複数の第１の突起部を有し、
前記第２の軟磁性部材は、前記空隙を介して前記第１の対向面に対向する第２の対向面が形成された複数の第２の突起部を有し、
前記第１及び第２の対向面は、それぞれ前記弾性部材の軸方向に対して傾斜している、
請求項１又は２に記載のトルク検出装置。
前記第１及び第２の軟磁性部材の外側には、それぞれ前記磁石にて発生する磁束を前記第１及び第２の軟磁性部材に誘導する第１及び第２の補助軟磁性部材が配置され、
前記第１及び第２の軟磁性部材は、前記第１及び第２の補助軟磁性部材に対して相対変位し、
前記磁石及び前記磁界センサは、前記第１の補助軟磁性部材と前記第２の補助軟磁性部材との間に配置されている、
請求項１乃至３の何れか１項に記載のトルク検出装置。