JP2016023966A - トルクセンサ及び電動パワーステアリング装置 - Google Patents

トルクセンサ及び電動パワーステアリング装置 Download PDF

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Abstract

【課題】径方向への張り出しを抑制して車両に対する搭載性を向上させることが可能なトルクセンサを提供する。【解決手段】ハウジング7内に回転自在に支持された入力軸3と出力軸5との相対角度変位による磁気的変化に基づいて入力軸3に作用するトルクを検出するトルクセンサ100は、ハウジング7の径方向側面に貫通して形成される貫通孔73を通じて磁気的変化を検出する検出部50と、ハウジング7の外周面から径方向外側に隆起して形成され内部に貫通孔73が開口するとともに検出部50を収容する収容室72と、ハウジング7の外周に対する接線方向に延設されハウジング7の外部と収容室72の内部とを連通する連通孔74と、連通孔74に嵌装されるとともに検出部50に対して傾斜して接続され検出信号に基づく信号を外部へ出力する出力端子81と、を備える。【選択図】図8

Description

本発明は、トルクセンサ及び電動パワーステアリング装置に関する。
特許文献1には、車両の電動パワーステアリング装置の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トルクセンサが開示されている。このトルクセンサは、入力シャフトに固定される磁気発生部と、出力シャフトに固定される回転磁気回路部と、入力シャフト及び出力シャフトを収容するハウジングに固定される固定磁気回路部と、固定磁気回路部に導かれる磁束密度を検出する磁気センサと、を備える。
入力シャフトと出力シャフトとを連結するトーションバーにトルクが作用してトーションバーがねじれ変形すると、磁気発生部と回転磁気回路部との回転方向の相対位置が変化する。これに伴い磁気発生部から回転磁気回路部を通じて固定磁気回路部に導かれる磁束密度が変化する。磁気センサは磁束密度に応じた信号を出力する。トーションバーに作用するトルクは、磁気センサから出力された信号に基づいて検出される。
また、トルクセンサは、固定磁気回路部の集磁ヨークと、磁気センサと、磁気センサに接続される基板と、を一体的に収容する樹脂製のセンサホルダを備える。さらに、磁気センサから基板に出力された信号を外部のコントローラ等に導くため、センサホルダの外側面には出力端子が設けられる。
特開2012−194144号公報
上記従来の技術では、センサホルダの外側面に出力端子が設けられるので、出力端子がステアリングシャフトの径方向に張り出し、車両への搭載性が低下する可能性がある。
本発明は、このような技術的課題に鑑みてなされたものであり、径方向への張り出しを抑制して車両に対する搭載性を向上させることが可能なトルクセンサを提供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入力軸と出力軸との相対角度変位による磁気的変化に基づいて入力軸に作用するトルクを検出するトルクセンサであって、ハウジングの径方向側面に貫通して形成される貫通孔を通じて磁気的変化を検出する検出部と、ハウジングの外周面から径方向外側に隆起して形成され内部に貫通孔が開口するとともに検出部を収容する収容室と、ハウジングの外周に対する接線方向に延設されハウジングの外部と収容室の内部とを連通する連通孔と、連通孔に嵌装されるとともに検出部に対して傾斜して接続され検出信号に基づく信号を外部へ出力する出力端子と、を備えることを特徴とする。
本発明によれば、出力端子が嵌装される連通孔がハウジングの外周に対する接線方向に延設され、出力端子が検出部に対して傾斜して接続されるので、トルクセンサにおける出力端子の径方向への張り出しを抑制することができる。よって、トルクセンサの車両への搭載性を向上させることができる。
本発明の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一部を示す縦断面図である。 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。 検出部を上部ハウジングの外側から見た状態を示す斜視図である。 検出部を上部ハウジングの内側から見た状態を示す斜視図である。 上部ハウジングの側面を示す平面図である。 図6のVII−VII断面を示す断面図である。 上部ハウジングに組み込まれるトルクセンサを分解して示す分解斜視図である。
図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。
図1は、本実施形態におけるトルクセンサ100が適用される電動パワーステアリング装置1の一部を示す縦断面図である。
電動パワーステアリング装置1は、ステアリングホイールに連結されるステアリングシャフト2がステアリングホイールに連係して回転し、ステアリングシャフト2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。
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、ステアリングシャフト2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、電動モータによってステアリングシャフト2に操舵補助トルクを付与する。
ステアリングシャフト2は、ステアリングホイールに連結された入力軸としての入力シャフト3と、入力シャフト3に一端が連結されたトーションバー4と、トーションバー4の他端に連結された出力軸としての出力シャフト5と、から構成される。入力シャフト3は、転がり軸受6を介してハウジングとしての上部ハウジング7に回転自在に支持される。出力シャフト5は、転がり軸受8を介して下部ハウジング9に回転自在に支持される。入力シャフト3の下端側の外周と出力シャフト5の上端側の内周との間には、滑り軸受12が介装される。入力シャフト3と出力シャフト5とは、同一軸上で回転自在に上部ハウジング7及び下部ハウジング9に支持される。
入力シャフト3は円筒状に形成されており、入力シャフト3の内部にはトーションバー4が同軸に収められる。トーションバー4の上端部は、ピン10を介して入力シャフト3の上端部に連結される。トーションバー4の下端部は、入力シャフト3の下端開口部より突出しており、セレーション11を介して出力シャフト5に連結される。トーションバー4は、ステアリングホイールを介して入力シャフト3に入力される操舵トルクを出力シャフト5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はさらに、入力シャフト3と出力シャフト5とを連結するトーションバー4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を備える。
トルクセンサ100は、入力シャフト3に固定され入力シャフト3と共に回転する磁気発生部20と、出力シャフト5に固定され出力シャフト5と共に回転する回転磁気回路部30と、上部ハウジング7に固定された固定磁気回路部40と、トーションバー4のねじれ変形に伴って磁気発生部20から回転磁気回路部30を通じて固定磁気回路部40に導かれる磁束密度を検出する検出部50と、を備える。トルクセンサ100は、トーションバー4に作用する操舵トルクを検出部50の出力値に基づいて検出する。
なお、上記構成に代えて、磁気発生部20を出力シャフト5と共に回転するように出力シャフト5に固定し、回転磁気回路部30を入力シャフト3と共に回転するように入力シャフト3に固定するようにしてもよい。
図2は、磁気発生部20の底面図である。図3は、回転磁気回路部30の斜視図である。
図1及び図2に示すように、磁気発生部20は、入力シャフト3に圧入される環状のバックヨーク21と、バックヨーク21の下端面に結合される環状のリング磁石22と、を備える。
リング磁石22は、入力シャフト3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22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22の上端面及び下端面には、6個のN極と6個のS極とが周方向に交互に配設される。なお、リング磁石22の端面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21は、その下端面にリング磁石22の上端面である上部磁極面が接着剤を介して固定される。また、バックヨーク21は軟磁性体によって形成され、リング磁石22が及ぼす磁界によって磁化され、リング磁石22に吸着する。このように、リング磁石22とバックヨーク21とは、接着剤の接着力と磁力とによって結合される。バックヨーク21は、リング磁石22を入力シャフト3に連結する連結部材としての機能と、リング磁石22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22の下端面である下部磁極面に磁力を集中させる。
図1及び図3に示すように、回転磁気回路部30は、磁気発生部20のリング磁石22から発生する磁束が導かれる第1軟磁性リング31及び第2軟磁性リング32と、出力シャフト5に取り付けられる取付部材33と、取付部材33に第1軟磁性リング31及び第2軟磁性リング32を固定するモールド樹脂34と、を備える。
第1軟磁性リング31は、環状の第1磁路環部31aと、第1磁路環部31aから下向きに突出する第1磁路柱部31bと、各第1磁路柱部31bの下端からそれぞれ内向きに屈折してリング磁石22の下端面に対峙する第1磁路先端部31cと、からなる。第2軟磁性リング32は、環状の第2磁路環部32aと、第2磁路環部32aから上向きに突出する第2磁路柱部32bと、各第2磁路柱部32bの上端からそれぞれ内向きに屈折してリング磁石22の下端面に対峙する第2磁路先端部32cと、からなる。
第1軟磁性リング31及び第2軟磁性リング32は、それぞれプレス加工によって形成される。なお、第1軟磁性リング31及び第2軟磁性リング32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31c及び第2磁路先端部32cは平板状に形成される。第1磁路先端部31cと第2磁路先端部32cとは、トーションバー4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。
また、第1磁路先端部31cと第2磁路先端部32cとは、トーションバー4にトルクが作用していない中立状態で、トーションバー4の径方向に延びるそれぞれの中心線がリング磁石22のN極とS極との境界を指すように配置される。
第1磁路柱部31bと第2磁路柱部32bとは、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31bは、所定の間隙を空けてリング磁石22の外周面を囲むように配置される。第1磁路柱部31bは、リング磁石22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32bは、回転軸Oに沿って第1磁路柱部31bと反対方向に延設される。
第1磁路環部31a及び第2磁路環部32a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31a及び第2磁路環部32a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31aはリング磁石22の下端面より上方に配置され、第2磁路環部32aはリング磁石22より下方に配置される。つまり、リング磁石22は、回転軸O方向について第1磁路環部31aと第2磁路環部32aとの間に配置される。
図1に示すように、固定磁気回路部40は、第1軟磁性リング31の第1磁路環部31aの外周に沿って設けられた第1集磁リング41と、第2軟磁性リング32の第2磁路環部32aの外周に沿って設けられた第2集磁リング42と、を備える。
第1集磁リング41及び第2集磁リング42は、部分的にスリットが形成されたC字形状であり、上部ハウジング7の内周面にかしめ固定される。第1集磁リング41の内周面は第1軟磁性リング31の第1磁路環部31aに対峙し、第2集磁リング42の内周面は第2軟磁性リング32の第2磁路環部32aに対峙する。
このように、第1集磁リング41及び第2集磁リング42は、回転磁気回路部30の外周に配置され、回転磁気回路部30の回転振れや偏心の影響を緩和して検出部50側へ磁束を導く機能を有する。
検出部50は、上部ハウジング7の径方向側面に配設される。検出部50は、第1集磁リング41に当接する第1集磁ヨーク51と、第2集磁リング42に当接する第2集磁ヨーク52と、第1集磁ヨーク51と第2集磁ヨーク52との隙間に設けられる磁気センサ53と、磁気センサ53と電気的に接続される回路基板54と、これら第1集磁ヨーク51、第2集磁ヨーク52、磁気センサ53及び回路基板54を一体的に担持するモールド樹脂55と、を備える。
第1集磁ヨーク51は、第1集磁リング41の外周面に当接する円弧状の内周面を有するブロック状に形成される。第2集磁ヨーク52は、第2集磁リング42の外周面に当接する円弧状の内周面を有するブロック状に形成される。
第1集磁ヨーク51と第2集磁ヨーク52とは、所定の隙間である磁気ギャップをもって互いに対向し、この磁気ギャップ内に磁気センサ53が配置される。第1集磁ヨーク51及び第2集磁ヨーク52は、回転磁気回路部30からの磁束を第1集磁リング41及び第2集磁リング42を介して磁気センサ53へ集める機能を有する。
磁気センサ53は、回路基板54に接続され、固定磁気回路部40に導かれる磁束密度を検出する。磁気センサ53はホール素子であり、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。
回路基板54は、ホール素子の信号を増幅する回路、温度補償を行う回路、及びノイズフィルタの回路等を構成する一つ以上の電子部品(図示せず)を備える。回路基板54は、磁気センサ53から出力される磁気ギャップの磁場の大きさ及び方向に応じた電圧を処理する。処理された信号は回路基板54に形成されるスルーホール54a(図5)に接続される出力端子81(図8)を通じて外部に出力される。
図4は、検出部50を上部ハウジング7の外側から見た状態を示す斜視図である。図5は、検出部50を上部ハウジング7の内側から見た状態を示す斜視図である。
図4に示すように、検出部50の外側面は、モールド樹脂55によって平面状に形成される。回路基板54は、検出部50の外側面より所定深さだけ内側寄りに配設される。所定深さは、回路基板54に設けられる電子部品の実装高さより深くなるように設定される。
図5に示すように、検出部50の内側面は、モールド樹脂55によって平面状に形成される平面部55aと、平面部55aから円形に突出した突出部55bと、を有する。突出部55bには第1集磁ヨーク51及び第2集磁ヨーク52が配設される。平面部55aには、回路基板54のスルーホール54aが表出するように凹部55cが形成される。
次に、検出部50が装着される上部ハウジング7の構造について説明する。
図6は、上部ハウジング7を側方から見た状態を示す側面図である。図7は、図6のVII−VII断面を示す断面図である。
図1に示すように、上部ハウジング7は全体として、ステアリングシャフト2に平行な軸心を有する円筒形状に形成される。
図6、図7に示すように、上部ハウジング7の径方向側面には、上部ハウジング7の外周面から径方向外側に向けて環状に隆起して形成される隆起部71が形成される。隆起部71は、上部ハウジング7と一体的に形成され、内部に検出部50を収容する収容室72が画成される。
収容室72の底部には、収容室72から上部ハウジング7の内部に向けて上部ハウジング7を貫通して形成される貫通孔73と、貫通孔73に隣接して設けられ収容室72から上部ハウジング7の外周、つまり収容室72の外部に向けて隆起部71を貫通して形成される連通孔74と、が形成される。貫通孔73と連通孔74とは、軸心が互いに傾斜して形成され、両者の開口部が収容室72の底部において隣接して配置される。
貫通孔73は、収容室72の底部から上部ハウジング7の内部までに亘って同一の内径を有するように形成される。貫通孔73には、収容室72に収容される検出部50の突出部55bが嵌装される。
連通孔74は、上部ハウジング7の外周に対する接線方向に延設され、収容室72の内外を連通する。連通孔74は、収容室72の内部側に配置される大径部74aと収容室72の外部側に配置される小径部74bとから構成され、大径部74aと小径部74bとの間には段部74cが形成される。
上部ハウジング7の外周面であって連通孔74の外部側付近には、連通孔74の延設方向に沿って径方向内側に湾曲した窪み75が形成される。この窪み75は、出力端子81(図8)が上部ハウジング7の外周面に干渉することを防止する。
図8は、上部ハウジング7に組み込まれるトルクセンサ100を分解して示す分解斜視図である。
トルクセンサ100は、上部ハウジング7の収容室72に収容される検出部50に接続される出力端子81と、収容室72の開口部71aを塞ぐカバー82と、収容室72の開口部71aとカバー82との間に介装される第1シール部材としてのシール板83と、をさらに備える。
出力端子81は、上部ハウジング7の連通孔74に収容室72側から嵌装されるとともに検出部50に対して傾斜して接続され回路基板54において処理された信号を外部へ出力する。出力端子81は、連通孔74に嵌装される円柱状の嵌装部81aと、連通孔74の内径より外径が大きい端子部81bと、を有する。
端子部81bには、回路基板54のスルーホール54aに挿入される4本の端子81cが突出して形成される。嵌装部81aと端子部81bとの境界には段部81dが形成され、段部81dには、内径が嵌装部81aの外径とほぼ同一の第2シール部材としてのシールリング84が配設される。シールリング84は、出力端子81が収容室72側から嵌装されることで出力端子81の段部81dと連通孔74の段部74cとの間で挟持され、連通孔74をシールする。
カバー82は、金属製であり平板状に形成される。カバー82は、上部ハウジング7の収容室72の開口部71aとほぼ同一の形状に形成され、外周には複数のボルト穴82aが形成される。カバー82は、隆起部71を覆うように設けられた状態で収容室72の開口部71aにボルト締結される。
シール板83は、カバー82とほぼ同一の形状に形成され、カバー82とともに収容室72の開口部71aにボルト締結される。シール板83は、カバー82と開口部71aとの間で挟持されることで開口部71aを全周に亘ってシールする。
図8に示すように、収容室72には、最初に出力端子81が連通孔74に嵌装される。これにより、連通孔74はシールリング84によってシールされる。
次に、検出部50が収容室72に収容される。これにより、出力端子81の端子81cが回路基板54のスルーホール54aに挿入される。出力端子81の端子81cと回路基板54とはこの状態でハンダ付けにより固定される。
続いて、収容室72の開口部71aにシール板83及びカバー82をこの順に被せ、カバー82を開口部71aにボルト締結する。これにより、開口部71aはシール板83によってシールされる。また、収容室72はシールリング84及びシール板83によって外部から完全に封止される。
以上の実施形態によれば、以下に示す効果を奏する。
出力端子81が嵌装される連通孔74が上部ハウジング7の外周に対する接線方向に延設され、出力端子81が検出部50に対して傾斜して接続されるので、トルクセンサ100における出力端子81の径方向への張り出しを抑制することができる。よって、トルクセンサ100の車両への搭載性を向上させることができる。
さらに、上部ハウジング7の外周面から径方向外側に隆起して形成され内部に貫通孔73が開口するとともに検出部50を収容する収容室72が設けられるので、検出部50の周囲が隆起部71によって覆われることで検出部50の堅牢性を向上させることができる。
さらに、出力端子81が収容室72の内部側から連通孔74に嵌装され、検出部50が収容室72に収容されることで検出部50と端子部81bとが接続される。これにより、検出部50と端子部81bとを別々に上部ハウジング7の側面に装着する場合と比較して、部品数及び組立工数を削減することができるので、製造コストを削減することができる。
さらに、出力端子81が連通孔74に嵌装され検出部50が収容室72に収容されてから端子81cと回路基板54とがハンダ付けによって固定されるので、検出部50及び出力端子81の組み付け精度にバラツキがあってもハンダ付け部分に応力が付加されることを防止することができる。よって、端子81c及び回路基板54の接続状態をより確実に保持することができる。
さらに、収容室72の開口部71aを閉塞するカバー82と開口部71aとの間にシール板83が介装されるとともに、出力端子81の嵌装部81aと端子部81bとの境界の段部81dにシールリング84が介装されるので、収容室72の防水性を保つことができる。
さらに、収容室72の防水性を保つことで検出部50の防水性が保たれるので、検出部50自体に防水性を持たせる必要がない。これにより、検出部50の構造を簡素化及び小型化することができ、トルクセンサ100における径方向への張り出しを抑制して車両への搭載性を向上させることができる。
また、検出部50の防水性を保つために特殊な防水構造を採用する必要がないので、検出部50の構造を簡素化及び小型化できるとともに、検出部50の製造コストを低減することができる。
さらに、収容室72の開口部71aを塞ぐカバー82が金属製であるので、収容室72の内部に収容される検出部50をより強固に保護することができる。また、カバー82が金属製であることにより耐磁性を有するので、検出部50が上部ハウジング7の周囲に搭載される部品等から磁気の影響を受けることを防止して、トルクセンサ100の検出精度の低下を防止することができる。
以上、本発明の実施形態について説明したが、上記実施形態は本発明の適用例の一つを示したに過ぎず、本発明の技術的範囲を上記実施形態の具体的構成に限定する趣旨ではない。
例えば、上記実施形態では、電動パワーステアリング装置1にトルクセンサ100が適用される場合について例示したが、このトルクセンサ100をその他の装置に適用することも可能である。
さらに、上記実施形態では、出力端子81を収容室72の内部側から連通孔74に嵌装する場合について例示したが、出力端子81を収容室72の外部側から連通孔74に嵌装してもよい。
さらに、上記実施形態では、検出部50と出力端子81とは別体であり、出力端子81を連通孔74に嵌装してから検出部50を収容室72に収容しているが、検出部50と出力端子81とは一体的に形成されていてもよい。
さらに、上記実施形態では、収容室72の開口部71aとカバー82との間にシール板83を介装しているが、シール板83に代えて、カバー82の外周に沿って環状に形成されるシールリングを用いてもよい。
さらに、上記実施形態では、出力端子81の嵌装部81aと端子部81bとの境界の段部81dにシールリング84が配設されているが、連通孔74をシールすることが可能であればシールリング84以外のシール構造を適用してもよい。
さらに、上記実施形態では、カバー82が金属製であるが、カバー82はその他の素材から構成されていてもよい。
3 入力シャフト(入力軸)
5 出力シャフト(出力軸)
7 上部ハウジング(ハウジング)
50 検出部
71a 開口部
72 収容室
73 貫通孔
74 連通孔
81 出力端子
81a 嵌装部
81b 端子部
81d 段部
82 カバー
83 シール板(第1シール部材)
84 シールリング(第2シール部材)
100 トルクセンサ

Claims (5)

  1. ハウジング内に回転自在に支持された入力軸と出力軸との相対角度変位による磁気的変化に基づいて前記入力軸に作用するトルクを検出するトルクセンサであって、
    前記ハウジングの径方向側面に貫通して形成される貫通孔を通じて前記磁気的変化を検出する検出部と、
    前記ハウジングの外周面から径方向外側に隆起して形成され内部に前記貫通孔が開口するとともに前記検出部を収容する収容室と、
    前記ハウジングの外周に対する接線方向に延設され前記ハウジングの外部と前記収容室の内部とを連通する連通孔と、
    前記連通孔に嵌装されるとともに前記検出部に対して傾斜して接続され検出信号に基づく信号を外部へ出力する出力端子と、
    を備えることを特徴とするトルクセンサ。
  2. 前記出力端子は前記収容室の内部側から前記連通孔に嵌装され、前記検出部が前記収容室に収容されることで前記検出部と前記出力端子とが接続される、
    ことを特徴とする請求項1に記載のトルクセンサ。
  3. 前記出力端子は、前記連通孔に嵌装される嵌装部と前記連通孔の内径より外径が大きい端子部とを有し、
    前記収容室の開口部を塞ぐカバーと、
    前記収容室の開口部と前記カバーとの間に介装され前記開口部を全周に亘ってシールする第1シール部材と、
    前記出力端子の前記嵌装部と前記端子部との境界の段部に配置され前記連通孔をシールする環状の第2シール部材と、
    をさらに備えることを特徴とする請求項1又は請求項2に記載のトルクセンサ。
  4. 前記カバーは金属製である、
    ことを特徴とする請求項3に記載のトルクセンサ。
  5. 請求項1から請求項4までのいずれか一項に記載のトルクセンサを備えることを特徴とする電動パワーステアリング装置。
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