JP2015081881A

JP2015081881A - 車両用検出装置

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Publication number: JP2015081881A
Application number: JP2013220883A
Authority: JP
Inventors: 裕太片岡; Yuta Kataoka; 健作堀田; Kensaku Hotta
Original assignee: Hitachi Metals Ltd; JTEKT Corp
Current assignee: JTEKT Corp; Proterial Ltd
Priority date: 2013-10-24
Filing date: 2013-10-24
Publication date: 2015-04-27
Anticipated expiration: 2033-10-24
Also published as: US20150114139A1; CN104568257A; EP2868551A1; CN104568257B; EP2868551B1; US9395255B2; JP6239342B2

Abstract

【課題】小型化が可能で、回転検出部からトルク検出部への磁束の干渉を抑制することができる車両用検出装置を提供する。【解決手段】車両用検出装置１は、操舵操作によって回転するステアリング軸１０が受けるトルクを磁気的に検出するトルク検出部２と、ステアリング軸１０の回転を磁気的に検出する回転検出部３とを備え、回転検出部３は、ステアリング軸１０の側方にステアリング軸１０と一体に回転するように配置され、一対の磁極を有する回転検出用磁石３３と、ステアリング軸１０の側方に配置され、ステアリング軸１０の回転に伴い回転検出用磁石３３が接近又は離間することによる磁束密度の変化を検出する磁気検出素子３４とを備え、回転検出用磁石３３は、ステアリング軸１０の周方向に沿って一対の磁極が並ぶように配置されている。【選択図】図１

Description

本発明は、車両の回転軸に加わるトルクと回転軸の回転数を検出する車両用検出装置に関する。

従来、車両のステアリング軸（回転軸）に加わるトルク、及びステアリング軸の回転数を検出する車両用検出装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特許文献１に記載の車両用検出装置は、ステアリング軸に加わるトルクを磁気的に検出するトルクセンサ（トルク検出部）と、ステアリング軸の回転を磁気的に検出するポジションセンサ（回転検出部）とを備えている。

トルクセンサは、ステアリング軸の周囲を取り囲むように配置された円筒状のトルク検出用永久磁石と、磁束密度を検出可能なトルク検出用の磁気センサと、トルク検出用永久磁石によって形成される磁束を磁気センサに導く磁気回路とを備える。磁気回路は、磁気センサによって検出される磁束密度がステアリング軸に加わるトルクによって捩じれるトーションバーの捩じれ角度によって変化するように構成されている。

ポジションセンサは、ステアリング軸の径方向に沿って一対の磁極が形成されたポジション検出用永久磁石と、ポジション検出用永久磁石をステアリング軸に固定する樹脂製の磁石保持部材と、ポジション検出用永久磁石がステアリング軸の回転方向の所定位置にあることを検出するためのポジション検出用の磁気センサと、この磁気センサを保持する樹脂製のセンサホルダとを備え、磁石保持部材には磁石側ヨークが、またセンサホルダには検出用ヨークが、それぞれ保持されている。

磁石側ヨークと検出用ヨークとは、ポジション検出用永久磁石がステアリング軸の回転によって所定位置に来たときに磁気的につながり、ポジション検出用永久磁石の磁束が磁石側ヨーク及び検出用ヨークによってポジション検出用の磁気センサに導かれる。これにより、磁気センサの出力信号の変化によってステアリング軸の回転を磁気的に検出することができる。

また、この車両用検出装置では、磁石側ヨークがポジション検出用永久磁石とトルクセンサとの間に介在するように配置されており、この磁石側ヨークによる磁気遮蔽効果によってトルクセンサとポジションセンサとの磁気的な干渉が抑制されている。

特開２０１１−８８５０７号公報

しかし、特許文献１に記載の車両用検出装置によると、ポジション検出用永久磁石の一対の磁極がステアリング軸の径方向に沿うように配置されているので、磁石側ヨーク及び検出用ヨークがステアリング軸の径方向に延在し、車両用検出装置におけるポジションセンサの部分の大きさがステアリング軸の径方向に増大してしまう。また、磁石側ヨークを磁石保持部材に保持すると共に、検出用ヨークをセンサホルダに保持する必要があるので、部品点数及び組み付け工数が増大してしまう。

そこで、本発明は、小型化が可能で、回転検出部からトルク検出部への磁束の干渉を抑制することができる車両用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、操舵操作によって回転する回転軸が受けるトルクを磁気的に検出するトルク検出部と、前記回転軸の回転を磁気的に検出する回転検出部とを備え、前記回転検出部は、前記回転軸の側方に前記回転軸と一体に回転するように配置され、一対の磁極を有する磁石と、前記回転軸の側方に配置され、前記回転軸の回転に伴い前記磁石が接近又は離間することによる磁束密度の変化を検出する磁気検出素子とを備え、前記磁石は、前記回転軸の周方向に沿って一対の磁極が並ぶように配置された車両用検出装置を提供する。

本発明によれば、小型化を可能としながら、回転検出部からトルク検出部への磁束の干渉を抑制することができる。

本発明の第１の実施の形態に係る車両用検出装置の構成例を模式的に示す断面図である。トルク検出部の動作を説明するための図であり、（ａ）はトーションバーに捩じれが発生していない状態を示す斜視図、（ｂ）はトーションバーに捩じれが発生した状態を示す斜視図である。回転検出部の動作を説明するための図であり、（ａ）は回転検出用磁石が磁気検出素子に最も近づいた状態を示す断面図、（ｂ）は回転検出用磁石が磁気検出素子から離れた状態を示す断面図、（ｃ）は磁気検出素子の出力電圧の波形を示すグラフである。本発明の第２の実施の形態に係る車両用検出装置の構成例を示す断面図である。

［第１の実施の形態］
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る車両用検出装置の構成例を模式的に示す断面図である。なお、ステアリング軸に平行な方向を軸方向Ａ、ステアリング軸に直交する方向を径方向Ｂという。

この車両用検出装置１は、ステアリングホイールの操舵操作によって回転する回転軸としてのステアリング軸１０が受ける操舵トルクを磁気的に検出するトルク検出部２と、ステアリング軸１０の回転を磁気的に検出する回転検出部３とを備える。車両の操舵系には、操舵操作を補助する図略の電動パワーステアリング装置が設けられ、車両用検出装置１が検出した操舵トルク及びステアリング軸の回転数（車輪の向き）に応じて電動パワーステアリング装置の電動モータが車輪を転舵するためのアシストトルクを出力する。

ステアリング軸１０は、ステアリングホイールに接続され、操舵力が入力される入力軸１１と、電動パワーステアリング装置側に接続される出力軸１２と、入力軸１１と出力軸１２とを連結するトーションバー１３とを備え、図示しないコラムハウジングの内部に回転可能に支持されている。入力軸１１，出力軸１２，及びトーションバー１３は、鉄系金属等の磁性材料からなる。トーションバー１３は、ステアリングホイール側の一方の端部がピン１４によって入力軸１１と相対回転不能に固定され、他方の端部がピン１４によって出力軸１２と相対回転不能に固定されている。

（トルク検出部２の構成）
トルク検出部２は、入力軸１１の周囲を取り囲むように入力軸１１に固定された円筒状のトルク検出用磁石２０と、入力軸１１に固定された環状の第１の回転ヨーク２１と、出力軸１２に固定された環状の第２の回転ヨーク２２と、第１の回転ヨーク２１の外側に空隙を設けて配置された第１の固定ヨーク２３と、第２の回転ヨーク２２の外側に空隙を設けて配置された第２の固定ヨーク２４と、第１の固定ヨーク２３及び第２の固定ヨーク２４との間に配置された第１の磁気検出素子２５Ａ及び第２の磁気検出素子２５Ｂ（図１では第１の磁気検出素子２５Ａのみを示す）と、第１及び第２の固定ヨーク２３，２４を保持するモールド樹脂から形成された保持部材２６とを備える。

第１及び第２の固定ヨーク２３，２４、第１及び第２の磁気検出素子２５Ａ，２５Ｂ、及び保持部材２６は、コラムハウジングを介して車体に固定されている。

トルク検出用磁石２０は、ステアリング軸１０の軸方向Ａの端部に一対の磁極（Ｎ極及びＳ極）が形成されている。トルク検出用磁石２０は、本実施の形態では、図１において上側にＮ極、下側にＳ極が形成された永久磁石である。トルク検出用磁石２０としては、例えばフェライト磁石、ネオジウム磁石等を用いることができる。

第１及び第２の磁気検出素子２５Ａ，２５Ｂは、本実施の形態では、ホール素子を用い、磁束密度の検出方向２５ａが互いに逆向きとなるように配置されている。この配置により、ホール素子の温度特性及び軸方向Ａの検出感度の影響を相殺し、車両用検出装置１の検出精度を高めている。第１及び第２の磁気検出素子２５Ａ，２５Ｂの端子２５ｂには、電線２５ｃが接続されている。

（回転検出部３の構成）
回転検出部３は、入力軸１１の側方に入力軸１１と一体に回転するように配置された回転検出用磁石３３と、例えばモールド樹脂等の非磁性材料から形成され、入力軸１１に対して回転検出用磁石３３を保持する保持部材３２と、入力軸１１の側方に配置され、入力軸１１の回転に伴い回転検出用磁石３３が接近又は離間することによる磁束密度の変化を検出する磁気検出素子３４とを備える。ここで、「側方」とは、径方向の外方をいう。

回転検出用磁石３３は、入力軸１１の周方向に沿って一対の磁極が並ぶように配置されている。より具体的には、回転検出用磁石３３は、入力軸１１に直交する横断面において入力軸１１の径方向Ｂに直交する方向の端部に一対の磁極が形成されている。回転検出用磁石３３は、本実施の形態では、図１において奥側にＮ極、手前側にＳ極が形成された永久磁石であり、ステアリング軸１０の外周面に接触して配置されている。回転検出磁石３３としては、例えばフェライト磁石、ネオジウム磁石等を用いることができる。

磁気検出素子３４は、磁束密度の検出方向が入力軸１１の周方向に沿った方向である。つまり、磁気検出素子３４における磁束密度の検出方向は、磁気検出素子３４に回転検出用磁石３３が最も接近したときの回転検出用磁石３３の一対の磁極の並び方向に平行な方向である。

磁気検出素子３４の複数の端子３４ｂには、それぞれ電線３４ｃが接続されている。これらの電線３４ｃは、トルク検出部２の第１及び第２の磁気検出素子２５Ａ，２５Ｂに接続された電線２５ｃと共に、コルゲートチューブ１５内に収容されている。コルゲートチューブ１５の一端部と、コルゲートチューブ１５から導出された電線３４ｃと、磁気検出素子３４とは、トルク検出部２の第１及び第２の磁気検出素子２５Ａ，２５Ｂと共にモールド樹脂３５によってモールドされている。モールド樹脂３５は、コラムハウジングを介して車体に固定されている。

回転検出部３の磁気検出素子３４の出力信号は電線３４ｃを介して、またトルク検出部２の第１及び第２の磁気検出素子２５Ａ，２５Ｂの検出信号は電線２５ｃを介して、それぞれ電動パワーステアリング装置の制御部に伝達される。電動パワーステアリング装置の制御部は、これらの信号に基づいて電動モータを制御し、運転者の操舵操作を補助するためのアシストトルクを出力軸１２に付与する。

なお、磁気検出素子３４としては、例えばホール素子を用いることができる。また、磁気検出素子３４としては、ＭＲ素子、ＧＩＧ素子、ＧＭＲ素子等の他の磁気検出素子を用いてもよい。

（トルク検出部２の動作）
図２は、トルク検出部２の動作を説明するための図であり、（ａ）はトーションバー１３に捩じれが発生していない状態を示す斜視図、（ｂ）はトーションバー１３に捩じれが発生した状態を示す斜視図である。

図２（ａ）に示すように、第１の回転ヨーク２１は、環状の本体部２１０と、本体部２１０から軸方向Ａに突出して形成された複数（本実施の形態では１０個）の突起部２１１とを一体に有する。同様に、第２の回転ヨーク２２は、環状の本体部２２０と、本体部２２０から軸方向Ａに突出して形成された複数（第１の回転ヨーク２１の突起部２１１と同数）の突起部２２１とを一体に有する。

第１の固定ヨーク２３は、第１の回転ヨーク２１の本体部２１０と径方向Ｂに対向する内面を有する環状の環状部２３０と、環状部２３０から軸方向Ａに延出して形成された延出部２３１と、延出部２３１の先端部から外方（トーションバー１３から離間する方向）に向かって突出した突出部２３２とを一体に有する。同様に、第２の固定ヨーク２４は、第２の回転ヨーク２２の本体部２２０と径方向Ｂに対向する内面を有する環状の環状部２４０と、環状部２４０から軸方向Ａに延出して形成された延出部２４１と、延出部２４１の先端部から外方に向かって突出した突出部２４２とを一体に有する。

トルク検出部２における磁気回路は、図１に示すように、第１の磁路Ｈ_１と第２の磁路Ｈ_２とからなる磁路Ｈによって構成されている。第１の磁路Ｈ_１は、トルク検出用磁石２０と、第１及び第２の回転ヨーク２１，２２とで構成される。第２の磁路Ｈ_２は、トルク検出用磁石２０と、第１及び第２の回転ヨーク２２，２３の本体部２２０，２３０と、第１及び第２の固定ヨーク２３，２４とで構成される。

入力軸１１にトルクが作用してトーションバー１３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２１が第２の回転ヨーク２２に対して相対的に変位し、図２（ｂ）に示すように、第１の回転ヨーク２１の突起部２１１の先端面２１１ａと第２の回転ヨーク２２の突起部２２１の先端面２２１ａとが対向する面積が減少する。これにより、図１に示す第１の磁路Ｈ_１における磁気抵抗が大きくなり、第１の磁路Ｈ_１を流れる磁束の磁束密度が小さくなる。図１に示す第２の磁路Ｈ_２における磁気抵抗は、入力軸１１に作用するトルクの有無に関係なく一定であるため、第１の磁路Ｈ_１の磁束密度の低下によって、第２の磁路Ｈ_２の磁束密度が高くなる。

したがって、第１及び第２の磁気検出素子２５Ａ，２５Ｂは、トーションバー１３の捩じれ量、すなわち入力軸１１から出力軸１２に伝達される操舵力（操舵トルク）を、第２の磁路Ｈ_２の磁束密度の変化量として検出することが可能である。

（回転検出部３の動作）
図３は、回転検出部３の動作を説明するための図であり、（ａ）は回転検出用磁石３３が磁気検出素子３４に最も近づいた状態を示す断面図、（ｂ）は回転検出用磁石３３が磁気検出素子３４から離れた状態を示す断面図、（ｃ）はステアリング軸１０の回転中における磁気検出素子３４の出力電圧の波形の一例を示すグラフである。

ステアリング軸１０が回転して図３（ａ）に示すように回転検出用磁石３３が磁気検出素子３４に最も近づいた状態では、回転検出用磁石３３から放射された磁束３３ａがステアリング軸１０の径方向に対して直交する方向（ステアリング軸１０の周方向）に磁気検出素子３４を通過する。磁気検出素子３４は、その厚さ方向が磁束密度の検出方向に一致している。

図３（ａ）及び（ｂ）では、磁気検出素子３４の検出方向３４ａを両矢印で示している。この検出方向３４ａは、入力軸１１の周方向に沿った方向であり、磁気検出素子３４の出力電圧は、磁気検出素子３４を検出方向３４ａに沿って通過する磁束の磁束密度に応じて変化する。本実施の形態では、回転検出用磁石３３が磁気検出素子３４に最も接近したときに磁気検出素子３４を通過する磁束の方向を正方向とし、その出力電圧が正の電圧となるように磁気検出素子３４が配置されている。この正方向とは反対向きの逆方向に磁束が通過する場合には、磁気検出素子３４の出力電圧が負の電圧となる。なお、図３（ａ）及び（ｂ）では、回転検出用磁石３３から放射された磁束の主たる経路を磁束３３ａとして二点鎖線で図示している。

図３（ａ）に示す位置からステアリング軸１０が図３（ｂ）に示す矢印方向に回転し、回転検出用磁石３３が磁気検出素子３４から離れると、磁気検出素子３４を通過する回転検出用磁石３３の磁束が減少する。また、ステアリング軸１０がさらに回転して回転検出用磁石３３がステアリング軸１０を挟んで磁気検出素子３４の反対側に位置すると、磁気検出素子３４を通過する磁束の向きが逆向きとなる。

図３（ｃ）では、横軸に時間ｔを示し、縦軸に磁気検出素子３４の出力電圧ｖを示している。

磁気検出素子３４の出力電圧ｖは、回転検出用磁石３３が磁気検出素子３４に最も接近する時刻ｔ_１及びｔ_３において正の極大値となり、回転検出用磁石３３が磁気検出素子３４から最も離間した位置にある時刻ｔ_２において負の極大値となる。したがって、電動パワーステアリング装置の制御部は、この磁気検出素子３４の出力電圧ｖが例えば正の極大値となったとき、もしくは正負の符号が反転したゼロクロスを検出したときに、ステアリング軸１０が１回転したことを検知することができる。

（第１の実施の形態の作用及び効果）
上記した第１の実施の形態によれば、以下に示す作用及び効果が得られる。

（１）回転検出用磁石３３は、一対の磁極の並び方向がステアリング軸１０の周方向に沿った方向であるので、回転検出用磁石３３から放射された磁束がトルク検出部２側に流れ込みにくい。つまり、仮に回転検出用磁石３３の一対の磁極の並び方向がステアリング軸１０の径方向である場合には、回転検出用磁石３３から放射された磁束がステアリング軸１０の外方に向かって大きく膨らみ、トルク検出部２の第１及び第２の固定ヨーク２３，２４に流れ込みやすくなるが、本実施の形態では、回転検出用磁石３３の一対の磁極の並び方向がステアリング軸１０の周方向に沿った方向であるので、第１及び第２の固定ヨーク２３，２４への磁束の流れ込みが抑制される。これにより、トルク検出部２におけるトルクの検出精度に与える影響が低減される。

（２）回転検出用磁石３３における一対の磁極の並び方向をステアリング軸１０の周方向に沿った方向とすることでトルク検出部２側への磁束の流れ込みが抑制されるので、回転検出用磁石３３の磁束がトルク検出部２におけるトルクの検出精度に与える影響を抑制しながら回転検出部３とトルク検出部２とを近づけることができる。これにより、車両用検出装置１を小型化することが可能となる。

（３）磁気検出素子３４は、磁束密度の検出方向がステアリング軸１０の周方向に沿った方向であり、この検出方向が磁気検出素子３４の厚さ方向に一致しているので、例えば図１に示すように、端子３４ｂがステアリング軸１０の径方向に延在するように磁気検出素子３４を配置することができる。これにより、端子３４ｂを屈曲させることなく磁気検出素子３４をモールド樹脂３５内に配置でき、製造工程を簡略化できると共に、モールド樹脂３５にクラック等が発生することを抑制できる。これに対し、例えばステアリング軸１０の径方向に沿って一対の磁極が配置されている場合には、磁気検出素子３４の厚さ方向がステアリング軸１０の径方向となるように端子３４ｂを屈曲させる必要があり、製造時における作業工数が増大すると共に、モールド樹脂３５に破損が生じやすくなるが、本実施の形態では、回転検出用磁石３３及び磁気検出素子３４の配置によってこのような問題を回避可能である。

［第２の実施の形態］
図４は、本発明の第２の実施の形態に係る車両用検出装置の構成例を示す断面図である。この第２の実施の形態は、第１の実施の形態において、磁気検出素子３４の両側に一対の磁性部材３６を配置したものであり、その他の構成は第１の実施の形態と共通である。

磁性部材３６は、例えば板状の鉄やパーマロイ等の磁性材料から形成されている。磁性部材３６の大きさとしては、磁気検出素子２４の検出部と同等以上の大きさであることが望ましい。

一対の磁性部材３６は、磁気検出素子３４の磁束密度の検出方向に沿って、磁気検出素子３４をその厚さ方向に挟むように配置されている。本実施の形態では、一対の磁性部材３６が磁気検出素子３４に直接的に接触しているが、一対の磁性部材３６と磁気検出素子３４との間には隙間が形成されていてもよく、この隙間にモールド樹脂３５の一部が介在していてもよい。

本実施の形態によれば、第１の実施の形態について説明した作用及び効果に加え、回転検出用磁石３３から放射される磁束を一対の磁性部材３６によって積極的に磁気検出素子３４に導くことができ、回転検出部３の検出精度を高めることができる。

（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］操舵操作によって回転する回転軸（１０）が受けるトルクを磁気的に検出するトルク検出部（２）と、回転軸（１０）の回転を磁気的に検出する回転検出部（３）とを備え、前記回転検出部（３）は、前記回転軸（１０）の側方に前記回転軸（１０）と一体に回転するように配置され、一対の磁極を有する磁石（３５）と、前記回転軸（１０）の側方に配置され、前記回転軸（１０）の回転に伴い前記磁石（３５）が接近又は離間することによる磁束密度の変化を検出する磁気検出素子（３４）とを備え、前記磁石（３５）は、前記回転軸（１０）の周方向に沿って一対の磁極が並ぶように配置された車両用検出装置（１）。

［２］前記磁気検出素子（３４）は、前記磁束密度の検出方向（３４ａ）が前記回転軸（１０）の周方向に沿った方向である、前記［１］に記載の車両用検出装置（１）。

［３］前記検出方向（３４ａ）に沿って前記磁気検出素子（３４）の両側に設けられた一対の磁性部材（３６）をさらに備えた、前記［２］に記載の車両用検出装置（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。

例えば、上記各実施の形態では、回転検出用磁石３３を入力軸１１に接触させたが、入力軸１１との間に隙間を設けて回転検出用磁石３３を配置してもよい。

また、トルク検出部２と回転検出部３との間に回転検出用磁石３３から発生する磁束を遮蔽する遮蔽部材を配置してもよい。

１…車両用検出装置
２…トルク検出部
３…回転検出部
１０…ステアリング軸（回転軸）
１１…入力軸
１２…出力軸
３３…回転検出用磁石（磁石）
３３ａ…磁束
３４…磁気検出素子
３４ａ…検出方向
３６…磁性部材

Claims

操舵操作によって回転する回転軸が受けるトルクを磁気的に検出するトルク検出部と、
前記回転軸の回転を磁気的に検出する回転検出部とを備え、
前記回転検出部は、
前記回転軸の側方に前記回転軸と一体に回転するように配置され、一対の磁極を有する磁石と、
前記回転軸の側方に配置され、前記回転軸の回転に伴い前記磁石が接近又は離間することによる磁束密度の変化を検出する磁気検出素子とを備え、
前記磁石は、前記回転軸の周方向に沿って一対の磁極が並ぶように配置された
車両用検出装置。
前記磁気検出素子は、前記磁束密度の検出方向が前記回転軸の周方向に沿った方向である、
請求項１に記載の車両用検出装置。
前記検出方向に沿って前記磁気検出素子の両側に設けられた一対の磁性部材をさらに備えた、
請求項２に記載の車両用検出装置。