JP2021110593A - 磁束検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】磁気抵抗バランスが良くて磁気抵抗を低減できるとともに、集磁要素を小型化でき、機械的な強度とホールＩＣを通過する磁束の密度の調整が行いやすい磁束検出装置を提供する。【解決手段】トルク検出装置は、入力軸と同軸に配置された出力軸と一体回転する一対のリング状の磁気ヨーク２１、２２を備える。トルク検出装置は、磁気ヨーク２１、２２と一対の集磁要素２４、２５と、集磁部２８、２９間に配置されたホールＩＣ１６とを有する。集磁要素２４、２５は、磁気ヨーク２１、２２の周方向の一部を覆うように挟み込み配置されて、相互に対向する対向壁２４ｂ、２５ａを有する覆い部２６、２７を備える。集磁部２８、２９は、対向壁２４ｂ、２５ａからそれぞれ接近する方向へ突出して配置され、かつ、該対向壁とは全周囲にわたって連結されている。【選択図】図４

Description

本発明は、磁束検出装置に関する。

ステアリングシャフトに加えられるトルクを検出するトルク検出装置が、磁束検出装置の代表例として、特許文献１で公知である。前記ステアリングシャフトは、第１シャフトと、第２シャフトを含む。前記トルク検出装置は、同軸に配置された第１シャフト及び第２シャフト間に連結されたトーションバーを囲むように設けられている。

上記トルク検出装置を図９〜図１４を参照して説明する。
図９〜図１１に示すように、トルク検出装置１００は、図示しない前記第１シャフトの端部に対してマグネットホルダ１０２を介して取り付けられた筒状の多極磁石１０４と、図示しない第２シャフトの端部に対して磁気ヨークホルダを介して取り付けられた一対の磁気ヨーク１０６、１０８を備える。

多極磁石１０４は、Ｎ極とＳ極が軸方向に配置された複数の磁石が、隣接する他の磁石とは極の向きが相互に反対となるようにして交互に配置されることにより構成されている。なお、多極磁石１０４内にはその軸心と同軸となるように前記トーションバーが挿入されている。

磁気ヨーク１０６、１０８は、リング状の磁気ヨーク本体１０６ａ、１０８ａと、磁気ヨーク本体１０６ａ、１０８ａから径方向の内向きに突出した複数の爪１０７、１０９をそれぞれ有する。複数の爪１０７、１０９は、それぞれ等ピッチに配置されるとともに、その先端は、多極磁石１０４の軸方向の両端面に対してそれぞれ相対するようにして離間配置されている。

複数の爪１０７は、複数の爪１０９とは半ピッチずれて配置されている。また、多極磁石１０４の複数の磁石は複数の爪１０７が、多極磁石１０４の各Ｎ極にそれぞれ相対したときは、複数の爪１０９が、多極磁石１０４の各Ｓ極にそれぞれ相対するように構成されている。各磁気ヨーク１０６、１０８には、一対の集磁要素１１０、１１２を一組とする複数の組が配置されている。集磁要素１１０、１１２間にはホールＩＣ１２０が配置されている。集磁要素１１０、１１２及びホールＩＣ１２０は、図示しないセンサホルダを介して車体に取り付けられている。

集磁要素１１０、１１２は、磁気ヨーク１０６、１０８の両面に相対した一対の対向壁１１０ａ、１１０ｂ、１１２ａ、１１２ｂと、対向壁１１０ａ、１１０ｂ、１１２ａ、１１２ｂ間を連結する連結壁１１０ｃ、１１２ｃとを有している。対向壁１１０ａ、１１０ｂ間、１１２ａ、１１２ｂ間及び連結壁１１０ｃ、１１２ｃを共に切断した断面では、集磁要素１１０、１１２は、チャンネル状となっている。

また、集磁要素１１０は、多極磁石１０４の軸心と平行となるように対向壁１１０ｂの径方向の内端から集磁要素１１２側へ突出する突起１１０ｄが切り起こし形成されている。また、集磁要素１１２は、多極磁石１０４の軸心と平行となるように対向壁１１２ａの径方向の内端から集磁要素１１０側へ突出する突起１１２ｄが切り起こし形成されている。突起１１０ｄ、１１２ｄ間に前記ホールＩＣ１２０が配置されている。

トルク検出装置１００は、第１軸と第２軸との間にトーションバーの捻れを伴って相対角変位が生ずると、磁気ヨーク１０６、１０８の爪１０７、１０９と多極磁石１０４のＮ極及びＳ極との位相は互いに逆向きに変化する。この位相が変化すると、一方の磁気ヨーク１０６の爪１０７と他方の磁気ヨーク１０８の爪１０９とには、互いに逆の極性を有する磁力線が増加し、それぞれの磁気ヨーク本体１０６ａ、１０８ａに正負の磁束が発生する。このとき発生する磁束の正負は、多極磁石１０４と磁気ヨーク１０６、１０８との間、すなわち、図示しない第１軸と第２軸との間に生じる相対角変位の向きに応じて定まり、正負の磁束の密度は、前記相対角変位の大きさに対応する。

この磁束が集磁要素１１０、１１２により集磁されて、突起１１０ｄ、１１２ｄ間に配置されるホールＩＣ１２０を通過することにより、ホールＩＣ１２０が前記磁束を検出することが可能となっている。

特開２００４−３０９４６３号公報

ところで、上記構成のトルク検出装置１００では、図１２（ａ）、図１２（ｂ）に示すように、ホールＩＣ１２０が有するホール素子１３０の中心に突起１１０ｄ、１１２ｄの位置が正しく合わされている。しかし、この位置が正しくないと、正確な磁束密度が検出されなくなり、その結果、検出精度が悪化する。従って、これらの位置精度を厳格にすることが好ましい。

これに対して、突起１１０ｄ、１１２ｄの位置精度が悪化しても、検出ができるようにするためには、図１３（ａ）、図１３（ｂ）に示すように、突起１１０ｄ、１１２ｄの厚みを厚くするなどの対策が必要となる。この場合は、集磁要素１１０、１１２の対向壁１１０ｂ、１１２ａの板厚に依存する。

ところが、この場合には、背反として、板厚の増加による集磁要素１１０、１１２の配置スペースの問題や、大型化、重量増加の問題が発生する。
また、検出する磁束密度を上げる場合は、突起１１０ｄ、１１２ｄの厚みが薄くなり、前記磁束密度を下げる場合は、前記厚みが厚くなるため、機械的な強度とホールＩＣを通過する磁束の密度の調整が行い難い。

また、図１４（ａ）、図１４（ｂ）は、集磁要素１１０、１１２における磁束φの流れを矢印で示している。同図に示すように、集磁要素１１０、１１２における磁束φが流れる磁気回路において、対向壁１１０ｂ、１１２ａにおける突起１１０ｄ、１１２ｄの周囲には、突起１１０ｄ、１１２ｄが切り起こし形成されているため、磁束が流れない切欠部１１６を有する。一方、突起１１０ｄ、１１２ｄを間にした切欠部１１６とは反対側の部位には磁束が流れるため、磁気抵抗バランスが悪くなり、検出精度の向上には限界がある。

本発明の目的は、磁気抵抗バランスが良くて磁気抵抗を低減できるとともに、集磁要素を小型化でき、機械的な強度とホールＩＣを通過する磁束の密度の調整が行いやすい磁束検出装置を提供することにある。

上記問題点を解決するために、本発明の磁束検出装置は、同軸上に配置された第１軸及び第２軸の一方と一体回転する円筒状の多極磁石と、前記多極磁石の磁界内に配置され、前記第１軸及び前記第２軸の他方と一体回転する一対のリング状の磁気ヨークと、相互に対向する一対の集磁部が少なくとも１組設けられており、前記一対の磁気ヨークとそれぞれ磁気的に結合された一対の集磁要素と、前記一対の集磁部の間に配置されたホール素子を有するホールＩＣとを含むとともに、前記一対の集磁部の間の磁束を検出する磁束検出要素と、を備えた磁束検出装置であって、各集磁要素は、前記磁気的に結合された前記磁気ヨークの周方向の少なくとも一部を覆うように挟み込み配置されるとともに、相互に対向する対向壁を有する覆い部を備え、前記相互に対向する一対の集磁部は、該対向壁からそれぞれ接近する方向へ突出して配置されていて、かつ、該対向壁とは全周囲にわたって連結されているものである。

上記構成により、検出する磁束密度を上げる場合は、集磁部自体は、対向壁からそれぞれ接近する方向へ突出して配置されて、かつ、該対向壁とは全周囲にわたって連結されている構成のため、集磁部の厚みを厚くしなくてよく、この結果、集磁部の配置スペースの問題や、大型化、重量増加の問題は生じない。

また、集磁部の厚みを薄くすることもなく、磁束密度を上げることもできることから、機械的な強度とホールＩＣを通過する磁束の密度の調整が行い易い。
集磁部の周囲は、従来と異なり、切欠部を有していないため、磁気抵抗バランスが良くて磁気抵抗を低減できる。

また、前記覆い部は、断面チャンネル状を成していて、前記集磁部の内面には凹部が形成されていてもよい。
上記構成により、集磁部をその内面側から、プレス絞り加工等により、簡単に形成することができる。

本発明によれば、磁気抵抗バランスが良くて磁気抵抗を低減できるとともに、集磁要素を小型化でき、機械的な強度とホールＩＣを通過する磁束の密度の調整が行いやすい効果がある。

一実施形態のトルク検出装置の断面図。 一実施形態の要部の斜視図。 一実施形態の要部の分解斜視図。 （ａ）は集磁要素とホールＩＣの断面図、（ｂ）はホールＩＣと集磁要素の相対配置関係の説明図。 （ａ）は一実施形態の集磁部へ磁束の流れる状態を集磁要素を断面視したときの説明図、（ｂ）は一実施形態の集磁部へ磁束の流れる状態を集磁要素を平面視したときの説明図。 一実施形態の集磁部の周囲の磁気抵抗の説明図。 （ａ）〜（ｃ）は、従来例の集磁要素の説明図。 （ａ）〜（ｄ）は、集磁部の他の変形例を平面視した説明図。 従来例のトルク検出装置の要部斜視図。 従来例のトルク検出装置の要部側面図。 従来例のトルク検出装置の要部の分解斜視図。 （ａ）は従来例の集磁要素とホールＩＣの断面図、（ｂ）は、ホール素子と、突起との相対配置関係の説明図。 （ａ）は従来例の集磁要素とホールＩＣの断面図、（ｂ）は同じくホールＩＣと集磁要素の相対配置関係の説明図。 （ａ）は集磁要素の断面視相当図であって、従来例の集磁要素へ磁束の流れる状態の説明図、（ｂ）は集磁要素の平面視相当図であって、従来例の集磁要素へ磁束の流れる状態の説明図。

以下、本発明の磁束検出装置をトルク検出装置１００に具体化した一実施形態を図１〜図６を参照して説明する。図１は、トルク検出装置１０の断面図である。
トルク検出装置１０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１０が検出した操舵トルクに応じて電動モータが転舵輪（前輪）を転向させるためのトルクを出力する。

トルク検出装置１０は、ハンドル側に連結された入力軸１２と出力軸１３との間に介在するトーションバー１４と、トーションバー１４の外周側に配置された環状の樹脂ケース１５と、樹脂ケース１５にモールドされたホールＩＣ１６と、トーションバー１４と樹脂ケース１５との間に配置された磁気回路部２０及び円筒状の多極磁石３０とを有する。

図１に示すように、入力軸１２及び出力軸１３は同軸に配置されて、車体側に対して固定されたホルダケース１７に対し、軸受１８ａ、１８ｂ、１８ｃを介して回転自在に支持されている。また、入力軸１２は、図示しないハンドルにより回転操作可能となっている。出力軸１３は、操舵輪側に連結されている。入力軸１２は第１軸に相当する。出力軸１３は第２軸に相当する。樹脂ケース１５は、ホルダケース１７に対して取り付け固定されている。

図１、図２、図３に示すように磁気回路部２０は、トーションバー１４の捩じれに応じて相対変位する一対の磁気ヨーク２１、２２と、一対の集磁要素２４，２５と、多極磁石３０とを有している。

一対の磁気ヨーク２１、２２は、軟磁性体からなり、その内周面が多極磁石３０の径方向外側に配置されて、多極磁石の外周面に対向している。詳説すると、一対の磁気ヨーク２１、２２は、リング状に形成された磁気ヨーク本体２１ａ、２２ａと、磁気ヨーク本体２１ａ、２２ａの内周から軸方向に延び、磁気ヨーク２１、２２の周方向に等間隔に配置された複数の爪２１ｂ、２２ｂとを有する。図１に示すように、一対の磁気ヨーク２１、２２は、爪２１ｂ、２２ｂが周方向に交互に配置されて適当な間隔でずれるように隣合う状態で、樹脂製の保持筒１９にモールドされて、出力軸１３の一端に取り付け固定されている。

一対の集磁要素２４，２５については、後述する。
図２に示すように多極磁石３０は、Ｎ極とＳ極が軸方向に配置された複数の磁石が、隣接する他の磁石とは極の向きが相互に反対となるようにして交互に配置されることにより円筒状に形成されている。多極磁石３０は、図１に示すように入力軸１２の一端に対して、同軸となるように保持筒３１を介して一体回転可能に結合されている。

図１に示すように、一対の集磁要素２４，２５は、軟磁性体からなり、一対の磁気ヨーク２１、２２の外周側に配置され、樹脂ケース１５にホールＩＣ１６と共にモールドされている。図２、図３に示すように、一対の集磁要素２４，２５は、磁気ヨーク本体２１ａ、２２ａの周方向の一部を挟み込み可能な形状を有する覆い部２６、２７を有している。すなわち、覆い部２６、２７は、相互に対向する対向壁２４ａ、２４ｂ、２５ａ、２５ｂと、対向する両者を連結する連結壁２４ｃ、２５ｃとを有していて、断面チャンネル状に形成されている。

図４（ａ）、図４（ｂ）に示すように、集磁要素２４、２５において、相互に対向する対向壁２４ｂ、２５ａには相互に接近する方向へ突出する集磁部２８、２９が形成されている。また、図４（ｂ）に示すように集磁部２８、２９は、ホールＩＣ１６のホール素子１６ａの中心が、その集磁部２８、２９の中心に合致するように配置されている。

また、図４（ｂ）に示すように、集磁部２８、２９の端面は、ホール素子１６ａ全体を十分に覆う面積を有している。これにより、集磁部２８、２９間を流れる磁束をホール素子１６ａが検出可能としている。集磁部２８、２９の相互に対向する端面は、本実施形態では、円形としている。本実施形態では、集磁部２８、２９は、対向壁２４ｂ、２５ａの内面側から、絞り加工により形成されていて、該対向壁２４ｂ、２５ａとは全周囲にわたって連結されているとともに、内面には凹部２８ａ、２９ａが形成されている。

集磁部２８、２９間には、ホールＩＣ１６が配置されている。ホールＩＣ１６は、ホール素子１６ａと図示しない周辺回路とが樹脂モールドされている。
前記集磁要素２４、２５と、集磁部２８、２９間に配置されたホール素子１６ａを有するホールＩＣ１６とにより、集磁部２８、２９間を流れる磁束を検出する磁束検出要素が構成されている。

（実施形態の作用）
次に、本実施形態のトルク検出装置１０の作用を図４（ａ）、図４（ｂ）、図５（ａ）、図５（ｂ）、及び図６を参照して説明する。

トルク検出装置１０は、入力軸１２と出力軸１３との間にトーションバー１４の捻れを伴って相対角変位が生ずると、図２に示す磁気ヨーク２１、２２の爪２１ｂ、２２ｂと多極磁石３０のＮ極及びＳ極との位相は互いに逆向きに変化する。この位相が変化すると、一方の磁気ヨーク２１の爪２１ｂと他方の磁気ヨーク２２の爪２２ｂとには、互いに逆の極性を有する磁力線が増加し、それぞれの磁気ヨーク本体２１ａ、２２ａに正負の磁束が発生する。このとき発生する磁束の正負は、多極磁石３０と磁気ヨーク２１、２２との間、すなわち、入力軸１２と出力軸１３との間に生じる相対角変位の向きに応じて定まり、正負の磁束φの密度は、前記相対角変位の大きさに対応する。

図４（ａ）に示すように、この磁束φが集磁要素２４、２５により集磁されて、集磁部２８、２９ｄ間に配置されるホールＩＣ１６を通過することにより、ホールＩＣ１６が前記磁束φを検出する。

ここで、集磁部２８における磁束φの流れについて見ると、図５（ａ）及び図５（ｂ）に示すように、対向壁２４ｂでは、突出した集磁部２８の全方位からの磁束φが矢印で示すように収束し、集磁部２８における磁気バランスが良好となる。図示はしないが、集磁部２９においても、磁束φの流れについて見ると、対向壁２５ａでは、突出した集磁部２９の全方位からの磁束φが同様に収束し、集磁部２９における磁気バランスが良好となる。このため、集磁部２８、２９間に配置されたホールＩＣ１６のホール素子１６ａでの検出精度を向上することが可能となる。

また、背景技術では詳説はしていないが、特許文献１では、図７（ａ）に示す集磁要素１１０、１１２の構造のものも提案されている。同図に示すように、突起１１０ｄ、１１２ｄからは、ホールＩＣ対向壁１１０ｅ、１１２ｅが径方向外側に屈曲して相互に平行となるように集磁要素１１０、１１２から切り起こして切欠部１１６が形成されている。

この構成は、図７（ａ）に示すように、ホールＩＣ対向壁１１０ｅの先端と対向壁１１０ｂ間及びホールＩＣ対向壁１１２ｅの先端と対向壁１１２ａ間の漏洩磁束に影響し、磁気抵抗の変化が大きくなる。

すなわち、製造誤差により、図７（ｂ）に示すように、ホールＩＣ対向壁１１０ｅ、１１２ｅの先端がθ１分開いていたり、図７（ｃ）に示すように、ホールＩＣ対向壁１１０ｅ、１１２ｅの先端がθ２分閉じ方向に配置していたりすると、前述した両者間の漏洩磁束に影響し、磁気抵抗の変化が大きくなる。このことは、前述した切り起こしによる磁気バランスの悪化に加えて、漏洩磁束による悪化が重なることになる。

また、ホールＩＣ対向壁１１０ｅの先端と対向壁１１０ｂ間及びホールＩＣ対向壁１１２ｅの先端と対向壁１１２ａ間のそれぞれの部位間のバラツキが漏洩磁束に影響する。
これに対して、本実施形態では図６に示すように、集磁部２８、２９は、全周囲が、切り起こし形成されないで、対向壁２４ｂ、２５ａから突出している構成であるため、漏洩磁束による磁気抵抗も抑制でき、さらには、切り起こしによる磁気バランスが悪化することもない。

また、本実施形態では、ホールＩＣ１６のホール素子１６ａが検出する磁束密度を向上させたい場合、集磁要素２４、２５の板厚、すなわち、対向壁２４ｂ、２５ａの厚みを厚くすることなく、集磁部２８、２９のホール素子１６ａに相対する面を適切な面積とするだけでよくなる。このことにより、集磁要素２４、２５の大きさ、重量、及びスペースに起因する大型化の問題が生ずることがない。

従来は、検出するための磁束密度を上げると前述したように板厚を薄くし、磁束密度を下げると板厚が厚くなり、機械的な強度や、ホールＩＣが検出する磁束密度の調整が難しくなる問題がある。しかし、本実施形態によれば、ホールＩＣが検出する磁束密度の調整を容易に行うことが可能となる。

本実施形態では、下記の特徴を有する。
（１）本実施形態は、各集磁要素２４、２５は、磁気的に結合された磁気ヨーク２１、２２（磁気ヨーク本体２１ａ、２２ａ）の周方向の一部を覆うように挟み込み配置されるとともに、相互に対向する対向壁２４ｂ、２５ａを有する覆い部２６、２７を備えている。そして、相互に対向する一対の集磁部２８、２９は、対向壁２４ｂ、２５ａからそれぞれ接近する方向へ突出して配置され、かつ、該対向壁とは全周囲にわたって連結されている。

この結果、検出する磁束密度を上げる場合は、集磁部２８、２９自体は、対向壁２４ｂ、２５ａからそれぞれ接近する方向へ突出して配置される構成のため、集磁部２８、２９の厚みを厚くしなくてよく、この結果、集磁部２８、２９の配置スペースの問題や、大型化、重量増加の問題は生じない。

また、集磁部２８、２９の厚みを薄くすることもなく、磁束密度を上げることもできることから、機械的な強度とホールＩＣを通過する磁束の密度の調整が行い易い。また、従来と異なり、集磁部２８、２９の周囲は、切欠部を有していないため、磁気抵抗バランスが良くて磁気抵抗を低減できる。

（２）本実施形態では、覆い部２６、２７は、断面チャンネル状を成していて、集磁部２８、２９の内面には凹部が形成されている。上記構成により、集磁部をその内面側から、プレス絞り加工等により、簡単に形成することができる。

本実施形態は、以下のように変更して実施することができる。
本実施形態及び以下の変更例は、技術的に矛盾しない範囲で互いに組み合わせて実施することができる。

・前記実施形態では、磁束検出装置として、トルク検出装置としたが、トルク検出装置に限定するものではない。例えば、多極磁石と磁気ヨークとの間、すなわち、図示しない第１軸と第２軸との間に生じる相対角変位の向きに応じて定まり、正負の磁束の密度は、相対角変位の大きさに対応することになるため、相対角度を検出する相対角度検出装置に具体化してもよい。

・前記実施形態では、磁気ヨーク２１、２２の周方向の一部を集磁要素２４、２５がそれぞれ覆うようにしたが、一部ではなく、周方向の全部を覆うように形成してもよい。
・前記実施形態では、集磁部２８、２９は、対向壁２４ｂ、２５ａの内面側から、絞り加工により形成されているが、絞り加工に限定するものではない。例えば、半抜き加工でもよく、或いは打ち抜き加工、または剪断加工において、中途で加工を停止して集磁部２８、２９が対向壁２４ｂ、２５ａから分離しない加工であってもよい。

・前記実施形態では、集磁部２８、２９の相互に対向する端面を円形としたが、円形に限定するものではなく、図８（ａ）の楕円、図８（ｂ）の略四角形、図８（ｃ）の十字形、図８（ｄ）の六角形等の多角形にしてもよい。

・前記実施形態では、集磁部２８、２９は、絞り加工等により突出するように形成したが、軟磁性体からなる別部材で、対向壁２４ｂ、２５ａの面に対して磁気的に結合された態様で一体に固定してもよい。固定方法は限定しない。このように構成すると、凹部２８ａ、２９ａを省略することができる。

・前記実施形態では、一対の集磁部が１組設けられていたが、２組以上設けられていてもよい。

１０…トルク検出装置
１２…入力軸（第１軸）
１３…出力軸（第２軸）
１６…ホールＩＣ
１６ａ…ホール素子
２０…磁気回路部
２１、２２…磁気ヨーク
２４、２５…集磁要素
２４ａ、２４ｂ、２５ａ、２５ｂ…対向壁
２６、２７…覆い部
２８、２９…集磁部、
２８ａ、２９ａ…凹部
３０…多極磁石

Claims (2)

1. 同軸上に配置された第１軸及び第２軸の一方と一体回転する円筒状の多極磁石と、前記多極磁石の磁界内に配置され、前記第１軸及び前記第２軸の他方と一体回転する一対のリング状の磁気ヨークと、相互に対向する一対の集磁部が少なくとも１組設けられており、前記一対の磁気ヨークとそれぞれ磁気的に結合された一対の集磁要素と、前記一対の集磁部の間に配置されたホール素子を有するホールＩＣとを含むとともに、前記一対の集磁部の間の磁束を検出する磁束検出要素と、を備えた磁束検出装置であって、
   各集磁要素は、前記磁気的に結合された前記磁気ヨークの周方向の少なくとも一部を覆うように挟み込み配置されるとともに、相互に対向する対向壁を有する覆い部を備え、
   前記相互に対向する一対の集磁部は、該対向壁からそれぞれ接近する方向へ突出して配置されていて、かつ、該対向壁とは全周囲にわたって連結されている磁束検出装置。
2. 前記覆い部は、断面チャンネル状を成していて、前記集磁部の内面には凹部が形成されている請求項１に記載の磁束検出装置。

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