JP2019200119A - 磁場検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】回転部材の回転に伴って生ずる磁場の検出精度を向上させる。【解決手段】磁石２は、ステアリングシャフト１００に結合される。磁気ヨーク部材３は、ステアリングシャフト１００の回転軸Ａと交差する方向に磁石２と対向する部分を有している。検出部４は、磁場を検出し、検出された磁場に応じた信号を出力する。支持体５は、検出部４を支持しており、少なくとも磁気ヨーク部材３の変位に追随して変位する。【選択図】図３

Description

本発明は、回転部材の回転に伴って生じる磁場を検出する磁場検出装置に関する。

この種の磁場検出装置の一例として、特許文献１は、トルク検出装置を開示している。当該トルク検出装置は、回転部材の一例として車両に搭載されるステアリングシャフトに加わるトルクを検出する。ステアリングシャフトは、トーションバーにより連結された入力軸部と出力軸部を備えている。トーションバーは、ねじれ変形が可能な弾性部材である。入力軸部は、ステアリングホイールなどの操舵部材に接続される。出力軸部は、パワーステアリング機構のギア機構に接続される。

入力軸部に入力される操舵力によっては、ステアリングシャフトに操舵トルクが生じる。これにより、トーションバーがねじれ変形し、入力軸部と出力軸部の間にステアリングシャフトの周方向に沿う相対変位が生じる。

上記のトルク検出装置は、磁石とヨークにより構成される磁気回路を備えている。磁石は入力軸部に結合され、ヨークは出力軸部に結合されている。入力軸部と出力軸部の間に相対変位が生じていない場合と相対変位が生じた場合とでは、磁気回路における磁束に差異が生じる。

トルク検出装置は、検出部を備えている。検出部は、磁気回路における磁束の検出を通じて、ステアリングシャフトに生じたトルクを検出する。

特開２０１６−０９９１４６号公報

本発明の目的は、回転部材の回転に伴って生ずる磁場の検出精度を向上させることである。

本願の発明者たちは、磁場の検出精度を向上させるために、回転部材の偏心に着目した。特許文献１に記載された装置においては、磁場の検出部が、回転部材を回転可能に支持するハウジングに固定されている。回転部材に偏心が存在する場合、回転に伴って回転軸が傾く一方で検出部が不動であるので、磁石とヨークの少なくとも一方と検出部との距離が変化する。本願の発明者たちは、この距離の変化を小さくすることにより、磁場の検出精度を向上させる余地があるとの着想を得た。

したがって、上記の目的を達成するための一態様は、磁場検出装置であって、
回転部材に結合される磁場発生源と、
前記回転部材の回転軸と交差する方向に前記磁場発生源と対向する部分を有しているヨークと、
磁場を検出し、検出された磁場に応じた信号を出力する検出部と、
前記検出部を支持し、少なくとも前記ヨークの変位に追随して変位する支持体と、
を備えている。

偏心を伴う回転部材の回転に伴い、回転軸が傾斜する。すなわち、ヨークは、回転部材の回転に伴って当該傾斜の方向へ変位する。しかしながら、磁場を検出する検出部がヨークの変位に追随して変位する支持体によって支持されているので、回転部材の回転に伴うヨークと検出部の間の距離の変化を抑制できる。したがって、回転部材の回転に伴って生ずる磁場の検出精度が向上する。

上記の磁場検出装置は、以下のように構成されうる。
前記支持体は、
前記ヨークと前記検出部を収容しているケースと、
前記ケースに対する前記ヨークの相対回転を許容しつつ、前記ヨークに対する前記検出部の変位を規制する連結部と、
を備えている。

このような構成によれば、検出部に対するヨーク部材の回転を許容しつつ、両者の相対変位を規制する構成が容易に得られる。

この場合、上記の磁場検出装置は、以下のように構成されうる。
前記検出部は、磁場検出素子と、当該磁場検出素子が搭載された基板を含んでおり、
前記ケースは、前記基板を着脱可能なスロットを備えている。

このような構成によれば、検出部に対する保守作業や、検出部のみの交換が容易になされうる。

上記の磁場検出装置は、以下のように構成されうる。
前記検出部から出力された前記信号を中継するコネクタと、
前記検出部と前記コネクタを接続するフレキシブルケーブルと、
を備えている。

このような構成によれば、回転部材が偏心を伴って回転することにより支持体が変位しても、その影響がコネクタの装着部分に及ぶことを防止できる。

この場合、上記の磁場検出装置は、以下のように構成されうる。
前記コネクタは、防水構造を備えている。

このような構成によれば、磁場検出装置を収容するハウジングにコネクタが固定される場合において、磁場検出装置に対する防水性や防塵性を確保できる。

上記の磁場検出装置は、以下のように構成されうる。
前記回転部材の回転方向への前記支持体の変位を規制する規制部材を備えている。

偏心を伴う回転部材の回転に支持体を追随させようとする力が生ずる場合がある。上記の構成によれば、このような力に起因する支持体の変位が規制され、回転軸の傾きに伴うヨークの変位に支持体を追随させることが容易になる。

相対回転可能に結合されている第一回転部材と第二回転部材を前記回転部材が含んでいる場合、上記の磁場検出装置において、前記磁場発生源を前記第一回転部材に結合し、前記ヨークを前記第二回転部材に結合することにより、前記検出部は、前記磁場に基づいて前記回転部材に加わるトルクを検出できる。

本発明によれば、回転部材の回転に伴って生ずる磁場の検出精度が向上する。

一実施形態に係るトルク検出装置の構成を示している。 図１のトルク検出装置における磁気ヨーク部材の構成を示している。 図１のトルク検出装置における支持体の変位を示している。 図１のトルク検出装置の一部を示している。 図１のトルク検出装置の一部を示している。

添付の図面を参照しつつ、実施形態例について以下詳細に説明する。以下の説明に用いる各図面では、各部材を認識可能な大きさとするために縮尺を適宜変更している。添付の図面において、矢印Ｕは、図示された構造の上方向を示している。矢印Ｄは、図示された構造の下方向を示している。以降の説明に現れる「上方」および「下方」という表現は、説明の便宜のために用いているに過ぎず、図示された構造の使用時における姿勢を限定する意図はない。

図１は、一実施形態に係るトルク検出装置１の構成を模式的に示している。トルク検出装置１は、磁場検出装置の一例である。

トルク検出装置１は、例えば車両のパワーステアリング装置におけるステアリングシャフト１００に装着される。ステアリングシャフト１００は、回転軸Ａを中心として回転可能な回転部材の一例である。

ステアリングシャフト１００は、入力軸部１０１、出力軸部１０２、およびトーションバー１０３を含んでいる。入力軸部１０１と出力軸部１０２は、トーションバー１０３を介して連結されている。トーションバー１０３は、ねじれ変形が可能な弾性部材である。入力軸部１０１は、ステアリングホイールなどの操舵部材に接続される。出力軸部１０２は、パワーステアリング装置のギア機構などに接続される。入力軸部１０１は、第一回転部材の一例である。出力軸部１０２は、第二回転部材の一例である。

トルク検出装置１は、磁石２を備えている。磁石２は、環形状を有している。磁石２においては、当該環形状の周方向についてＮ極とＳ極が交互に着磁されている。磁石２は、ステアリングシャフト１００の入力軸部１０１に結合される。具体的には、磁石２は、ステアリングシャフト１００の回転方向にＮ極とＳ極が交互に現れるように結合される。磁石２は、磁場発生源の一例である。磁石２は、磁化により強磁性やフェリ磁性を示す磁性体であれば、適宜の部材で置き換えられうる。

トルク検出装置１は、磁気ヨーク部材３を備えている。磁気ヨーク部材３は、スペーサ３０、第一ヨーク３１、および第二ヨーク３２を含んでいる。第一ヨーク３１と第二ヨーク３２の各々は、軟磁性体を含んでいる。スペーサ３０は、非磁性体を含んでいる。

図２の（Ａ）に示されるように、第一ヨーク３１は、第一基部３１ａと複数の第一歯部３１ｂを備えている。第一基部３１ａは、環形状を有している。複数の第一歯部３１ｂは、第一基部３１ａから上方へ突出している。複数の第一歯部３１ｂは、第一基部３１ａの周方向に沿って等間隔に配列されている。

図２の（Ｂ）に示されるように、第二ヨーク３２は、第二基部３２ａと複数の第二歯部３２ｂを備えている。第二基部３２ａは、環形状を有している。複数の第二歯部３２ｂは、第二基部３２ａから下方へ突出している。複数の第二歯部３２ｂは、第二基部３２ａの周方向に沿って等間隔に配列されている。

図１に示されるように、磁気ヨーク部材３は、全体として環形状を有している。磁気ヨーク部材３は、ステアリングシャフト１００の出力軸部１０２に装着される。磁気ヨーク部材３は、磁石２と同心状に配置される。

第一ヨーク３１の第一基部３１ａは、ステアリングシャフト１００の回転方向に沿って延びる部分を有している。複数の第一歯部３１ｂは、ステアリングシャフト１００の回転軸Ａに沿う方向に第一基部３１ａから突出しつつ、ステアリングシャフト１００の径方向に磁石２と対向している。ステアリングシャフト１００の径方向は、回転軸Ａと交差する方向の一例である。

第二ヨーク３２の第二基部３２ａは、ステアリングシャフト１００の回転方向に沿って延びる部分を有している。複数の第二歯部３２ｂは、ステアリングシャフト１００の回転軸Ａに沿う方向に第二基部３２ａから突出しつつ、ステアリングシャフト１００の径方向に磁石２と対向している。第二ヨーク３２における各第二歯部３２ｂの長さは、第一ヨーク３１における各第一歯部３１ｂの長さと一致している。

磁気ヨーク部材３は、スペーサ３０によって第一ヨーク３１と第二ヨーク３２がステアリングシャフト１００の回転軸Ａに沿う方向に離間するように、一体成形されている。

操舵部材を通じて入力軸部１０１に操舵力が入力されると、ステアリングシャフト１００全体が回転する。磁石２と磁気ヨーク部材３もまた、ステアリングシャフト１００とともに回転する。

入力軸部１０１に入力される操舵力によっては、ステアリングシャフト１００に操舵トルクが生じる。これにより、トーションバー１０３がねじれ変形し、入力軸部１０１と出力軸部１０２の間にステアリングシャフト１００の周方向に沿う相対変位が生じる。

図示を省略するが、第一ヨーク３１の周方向における各第一歯部３１ｂの中央部は、ステアリングシャフト１００の径方向から見て磁石２における着磁境界線上に位置している。同様に、第二ヨーク３２の周方向における各第二歯部３２ｂの中央部は、ステアリングシャフト１００の径方向から見て磁石２における着磁境界線上に位置している。

この場合、各第一歯部３１ｂと各第二歯部３２ｂには磁石２のＮ極とＳ極から同数の磁力線が出入りする。第一ヨーク３１と第二ヨーク３２の各内部で磁力線が閉ループを形成するので、磁気ヨーク部材３の外部に磁束が漏出しない。

ステアリングシャフト１００に操舵トルクが生じてトーションバー１０３がねじれ変形すると、磁石２と磁気ヨーク部材３の相対位置が、ステアリングシャフト１００の周方向に変化する。これにより、各第一歯部３１ｂと各第二歯部３２ｂの位置が上記の着磁境界線から当該周方向にずれる。

この場合、第一ヨーク３１と第二ヨーク３２には、それぞれ逆の極性を有する磁力線が増加する。その結果、両ヨーク間に磁束が発生する。すなわち、ステアリングシャフト１００に生じたトルクに応じて磁束が変化する。

トルク検出装置１は、検出部４を備えている。検出部４は、磁場を検出し、検出された磁場に応じた信号を出力するように構成されている。検出部４は、ホール素子や磁気抵抗素子などの磁場検出素子４１を含んでいる。検出部４は、ステアリングシャフト１００の回転軸Ａに沿う方向における第一ヨーク３１の第一基部３１ａと第二ヨーク３２の第二基部３２ａの間に配置されている。具体的には、検出部４は、第一基部３１ａと第二基部３２ａの間に生じた磁束を検出し、当該磁束の密度に応じた検出信号を出力するように構成されている。検出信号は、ＥＣＵなどの制御装置に送られ、信号処理に供される。

本願の発明者たちは、磁場の検出精度を向上させるために、ステアリングシャフトの偏心に着目した。特許文献１に記載された装置においては、磁場の検出部が、ステアリングシャフトを回転可能に支持するハウジングに固定されている。ステアリングシャフトに偏心が存在する場合、回転に伴って回転軸が傾く一方で検出部が不動であるので、磁石とヨークの少なくとも一方と検出部との距離が変化する。本願の発明者たちは、この距離の変化を小さくすることにより、磁場の検出精度を向上させる余地があるとの着想を得た。

そこで本実施形態においては、トルク検出装置１が、検出部４を支持するための支持体５を備えている。支持体５は、少なくとも磁気ヨーク部材３の変位に追随して変位するように構成されている。

図３は、ステアリングシャフト１００が偏心を伴って回転する場合におけるトルク検出装置１の動作を示している。この場合、ステアリングシャフト１００の回転に伴い、回転軸Ａは、同図における左右方向に傾斜を繰り返す。すなわち、磁気ヨーク部材３は、ステアリングシャフト１００の回転に伴って回転軸Ａの傾斜方向へ変位する。しかしながら、磁場を検出する検出部４が、磁気ヨーク部材３の変位に追随して変位する支持体５によって支持されているので、ステアリングシャフト１００の回転に伴う磁気ヨーク部材３と検出部４の間の距離の変化を抑制できる。したがって、ステアリングシャフト１００の回転に伴って生ずる磁場の検出精度が向上する。

図３に示された例においては、ステアリングシャフト１００の入力軸部１０１と出力軸部１０２が同心状態を保ったまま傾斜している。しかしながら、入力軸部１０１と出力軸部１０２が独立して偏心を伴う回転をし、磁石２と検出部４の距離が変化する場合もありうる。このような場合においても、検出部４を支持する支持体５が少なくとも磁気ヨーク部材３の変位に追随して変位するので、ステアリングシャフト１００がより複雑な偏心を伴う回転をする場合においても、磁場の検出精度の低下を抑制できる。

より具体的には、図１に示されるように、支持体５は、磁気ヨーク部材３と検出部４を収容する共通のケース５１を備えている。ケース５１には、第一開口５１ａと第二開口５１ｂが形成されている。ケース５１は、入力軸部１０１と出力軸部１０２がそれぞれ第一開口５１ａと第二開口５１ｂ内を延びるように、ステアリングシャフト１００に装着されている。

このような構成によれば、検出部４に対する磁気ヨーク部材３の回転を許容しつつ、両者の相対変位を規制する構成が容易に得られる。すなわち、ケース５１の第一開口５１ａと第二開口５１ｂの少なくとも一方は、連結部として機能する。

好ましくは、ケース５１の第一開口５１ａの内縁とステアリングシャフト１００の入力軸部１０１の間には、樹脂製の第一軸受５２ａが介在されることが好ましい。同様に、ケース５１の第二開口５１ｂの内縁とステアリングシャフト１００の出力軸部１０２の間には、樹脂製の第二軸受５２ｂが介在されることが好ましい。

このような構成においては、ステアリングシャフト１００が偏心を伴って回転する場合、入力軸部１０１と第一軸受５２ａの間、および出力軸部１０２と第二軸受５２ｂの間の少なくとも一方において摺動抵抗が生じる。これにより、ステアリングシャフト１００の回転に支持体５を追随させようとする力が生ずる。上記の構成によれば、このような力に起因する支持体５の変位が規制され、回転軸Ａの傾きに伴う磁気ヨーク部材３の変位に支持体５を追随させることが容易になる。すなわち、第一軸受５２ａと第二軸受５２ｂの少なくとも一方は、連結部として機能する。

第一軸受５２ａと第二軸受５２ｂに加えてあるいは代えて、支持体５は、軸受支持機構５３を備えうる。軸受支持機構５３は、ケース５１と磁気ヨーク部材３の間に介在するように配置されうる。軸受支持機構５３は、ステアリングシャフト１００の回転に伴う磁気ヨーク部材３のケース５１に対する相対回転を許容する一方、磁気ヨーク部材３に対する検出部４の変位を規制する。すなわち、軸受支持機構５３は、連結部として機能する。

図１に示されるように、検出部４は、上記の磁場検出素子４１に加えて基板４２を含んでいる。磁場検出素子４１は、基板４２に搭載されている。基板４２上には、磁場検出素子４１の動作に必要とされる適宜の回路が形成されている。

図１と図４の（Ａ）に示されるように、ケース５１にはスロット５１ｃが形成されている。図１と図４の（Ｂ）は、基板４２がスロット５１ｃに装着された状態を示している。

このような構成によれば、検出部４に対する保守作業や、検出部４のみの交換が容易になされうる。

図１に示されるように、トルク検出装置１は、他の回路部品などを収容するためのハウジング１０４に収容されうる。この場合、図４の（Ｂ）に示されるように、トルク検出装置１は、コネクタ６１とフレキシブルケーブル６２を備えうる。

コネクタ６１は、検出された磁場に応じて検出部４から出力された信号を中継するように構成されている。フレキシブルケーブル６２は、検出部４とコネクタ６１を接続する。図５に示されるように、コネクタ６１は、トルク検出装置１を収容するハウジング１０４に固定される。

図３に示されるように、ステアリングシャフト１００が偏心を伴って回転する場合、検出部４を支持している支持体５は、ハウジング１０４内で変位する。しかしながら、ハウジング１０４に固定されたコネクタ６１と検出部４の間がフレキシブルケーブル６２によって接続されているので、上記の変位の影響がコネクタ６１に及ぶことがない。

図５に示されるように、コネクタ６１は、防水構造を備えうる。具体的には、コネクタ６１は、封止部材６１ａを備えている。封止部材６１ａとしては、弾性を有するＯリングやガスケットが例示されうる。

このような構成によれば、コネクタ６１が固定されるハウジング１０４内に収容されたトルク検出装置１に対する防水性や防塵性を確保できる。

図５に示されるように、トルク検出装置１は、規制部材７を備えうる。規制部材７は、ステアリングシャフト１００の回転方向への支持体５の変位を規制するように構成されている。図示の例においては、規制部材７は、支持体５のケース５１の外面に設けられた突起として提供されている。突起の先端は、ハウジング１０４の内壁面１０４ａに当接している。

ステアリングシャフト１００の回転方向への支持体５の変位を規制できるのであれば、規制部材７は、ハウジング１０４の内壁面１０４ａに設けられてもよい。また、ステアリングシャフト１００の回転軸Ａに沿って延びる突起によって、ステアリングシャフト１００の回転方向への支持体５の変位を規制してもよい。

上記の実施形態は、本発明の理解を容易にするための例示にすぎない。上記の実施形態に係る構成は、本発明の趣旨を逸脱しなければ、適宜に変更・改良されうる。

上記の実施形態においては、磁気ヨーク部材３の相対回転を許容している支持体５に検出部が支持されている。しかしながら、ステアリングシャフト１００の偏心に伴う磁気ヨーク部材３の変位に検出部４を追随させることができれば、磁気ヨーク部材３と一体に設けられた支持体に検出部４を支持させてもよい。

上記の実施形態においては、検出部４による磁場の検出を通じて、入力軸部１０１と出力軸部１０２が相対回転可能に結合されたステアリングシャフト１００に加わるトルクを検出している。しかしながら、上述した磁気ヨーク部材３の構成は、回転部材の回転の有無を検出するために使用されうる。この場合、当該回転部材は、相対回転可能に結合された二つの回転部材を備える必要はない。磁石２を当該回転部材に結合し、磁気ヨーク部材３をステータとして磁石２と同心状に配置すれば、当該回転部材の回転に伴う磁場の変化を検出部４によって検出できる。

１：トルク検出装置、２：磁石、３：磁気ヨーク部材、４：検出部、５：支持体、５１：ケース、５１ａ：第一開口、５１ｂ：第二開口、５１ｃ：スロット、５２ａ：第一軸受、５２ｂ：第二軸受、５３：軸受支持機構、６１：コネクタ、６１ａ：封止部材、６２：フレキシブルケーブル、７：規制部材、１００：ステアリングシャフト、１０１：入力軸部、１０２：出力軸部、Ａ：回転軸

Claims (7)

1. 回転部材に結合される磁場発生源と、
   前記回転部材の回転軸と交差する方向に前記磁場発生源と対向する部分を有しているヨークと、
   磁場を検出し、検出された磁場に応じた信号を出力する検出部と、
   前記検出部を支持し、少なくとも前記ヨークの変位に追随して変位する支持体と、
   を備えている、
   磁場検出装置。
2. 前記支持体は、
   前記ヨークと前記検出部を収容しているケースと、
   前記ケースに対する前記ヨークの相対回転を許容しつつ、前記ヨークに対する前記検出部の変位を規制する連結部と、
   を備えている、
   請求項１に記載の磁場検出装置。
3. 前記検出部は、磁場検出素子と、当該磁場検出素子が搭載された基板を含んでおり、
   前記ケースは、前記基板を着脱可能なスロットを備えている、
   請求項２に記載の磁場検出装置。
4. 前記検出部から出力された前記信号を中継するコネクタと、
   前記検出部と前記コネクタを接続するフレキシブルケーブルと、
   を備えている、
   請求項１から３のいずれか一項に記載の磁場検出装置。
5. 前記コネクタは、防水構造を備えている、
   請求項４に記載の磁場検出装置。
6. 前記回転部材の回転方向への前記支持体の変位を規制する規制部材を備えている、
   請求項１から５のいずれか一項に記載の磁場検出装置。
7. 前記回転部材は、相対回転可能に結合されている第一回転部材と第二回転部材を含んでおり、
   前記磁場発生源は、前記第一回転部材に結合されており、
   前記ヨークは、前記第二回転部材に結合されており、
   前記信号に基づき前記回転部材に加わるトルクを検出するトルク検出部を備えている、
   請求項１から６のいずれか一項に記載の磁場検出装置。

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