JP4030945B2 - トルク検出装置 - Google Patents

Description

本発明は、車両の電動パワーステアリング装置等に好適に使用され、連結軸により同軸に連結された第１軸及び第２軸と、第1軸に固設された永久磁石と、第２軸に固定され、永久磁石の磁界内に配置されて磁気回路を形成する複数の軟磁性体と、軟磁性体に発生した磁束を検出し、電気信号を出力する検出器とを備え、第１軸又は第２軸に回転トルクが加えられたときに、検出器が出力した電気信号に基づき、回転トルクを検出するトルク検出装置に関するものである。

車両の舵取装置に、電動モータを駆動して操舵補助を行ない、運転者の負担を軽減する電動パワーステアリング装置がある。これは、操舵部材（ステアリングホイール、ハンドル）に繋がる入力軸と、ピニオン及びラック等により操向車輪に繋がる出力軸と、入力軸及び出力軸を連結する連結軸とを備え、連結軸に生じる捩れ角度によって、トルク検出装置が入力軸に加わる操舵トルクを検出し、検出した操舵トルク値に基づき、出力軸に連動する操舵補助用の電動モータを駆動制御するものである。

このような電動パワーステアリング装置のトルク検出装置には、従来、コイルを用いて回転位置を検出する磁気検知式レゾルバ、又は光の透過を検知する光学式エンコーダの検出装置等が使用されている。また、特許文献１には、トーションバーにより同軸に連結された入力軸及び出力軸と、入力軸に固設されたリング状の永久磁石と、出力軸に固定され、永久磁石の磁界内に配置されて磁気回路を形成する複数の軟磁性体からなる磁気ヨークと、磁気ヨークに発生した磁束を検出する磁気センサとを備え、入力軸にトルクが加えられたときに、磁気センサの出力に基づき、トルクを検出するトルクセンサが提案されている。

特許文献１には、また、トーションバーにより同軸に連結された入力軸及び出力軸と、入力軸に固設されたリング状の永久磁石と、出力軸に固定され、永久磁石の磁界内に配置されて磁気回路を形成する複数の軟磁性体からなる磁気ヨークと、磁気ヨークに磁気結合され、磁気ヨークからの磁束を誘導する複数の集磁リングと、集磁リングが誘導した磁束を検出する磁気センサとを備え、入力軸にトルクが加えられたときに、磁気センサの出力に基づき、トルクを検出するトルクセンサが提案されている。
特開２００３−１４９０６２号公報

上述したようなトルクセンサでは、磁気センサ及び永久磁石の軸方向の相対位置に精度が要求され、また、磁気センサ及び永久磁石の相対角度（垂直）にも高い精度が要求される。しかし、磁気センサをトルクセンサのハウジング側に組み付け、永久磁石を入力軸に組み付けている為に、軸方向の相対位置に所定の精度を得、相対角度に高い精度を得ることは難しく、組み付けに手間がかかるという問題がある。

本発明は、上述したような事情に鑑みてなされたものであり、磁気センサ及び永久磁石の軸方向の相対位置に所定の精度を得ること、及び磁気センサ及び永久磁石の相対角度に高い精度を得ることがが容易で、組み付けに手間がかからないトルク検出装置を提供することを目的とする。

第１発明に係るトルク検出装置は、連結軸により同軸に連結された第１軸及び第２軸と、該第１軸に固設された永久磁石と、前記第２軸に固定され、前記永久磁石の磁界内に配置されて磁気回路を形成する複数の軟磁性体と、該軟磁性体に磁気結合され、該軟磁性体からの磁束を誘導する複数の補助軟磁性体と、該補助軟磁性体が誘導した磁束を検出し、電気信号を出力する検出器とを備え、前記第１軸又は第２軸に回転トルクが加えられたときに、前記電気信号に基づき前記回転トルクを検出すべくなしてあるトルク検出装置において、前記複数の補助軟磁性体及び前記検出器は、前記第２軸に固定されていることを特徴とする。

このトルク検出装置では、第１軸及び第２軸が、連結軸により同軸に連結され、永久磁石が、第１軸に固設されている。複数の軟磁性体が、第２軸に固定され、永久磁石の磁界内に配置されて磁気回路を形成し、複数の補助軟磁性体が、軟磁性体に磁気結合され、軟磁性体からの磁束を誘導する。検出器が、補助軟磁性体が誘導した磁束を検出して電気信号を出力し、第１軸又は第２軸に回転トルクが加えられたときに、検出器が出力した電気信号に基づきその回転トルクを検出する。複数の補助軟磁性体及び検出器は、第２軸に固定されている。

第２発明に係るトルク検出装置は、前記検出器は、スパイラルケーブルを有し、該スパイラルケーブルを介して電力を得、外部へ電気信号を出力すべくなしてあることを特徴とする。

このトルク検出装置では、検出器が、スパイラルケーブルを有し、スパイラルケーブルを介して電力を得、外部へ電気信号を出力するので、磁気センサが入力軸及び出力軸と同行回転しても、磁気センサのコードが入力軸及び出力軸に絡み付いて不具合が生じる虞がない。

第１発明に係るトルク検出装置によれば、磁気センサ及び永久磁石の軸方向の相対位置に所定の精度を得ること、及び磁気センサ及び永久磁石の相対角度に高い精度を得ることが容易になり、組み付けに手間がかからないトルク検出装置を実現することが出来る。

第２発明に係るトルク検出装置によれば、磁気センサが入力軸及び出力軸と同行回転しても、磁気センサのケーブルが入力軸及び出力軸に絡み付いて不具合が生じる虞がなく、磁気センサ及び永久磁石の軸方向の相対位置に所定の精度を得ること、及び磁気センサ及び永久磁石の相対角度に高い精度を得ることが容易で、組み付けに手間がかからないトルク検出装置を実現することが出来る。

以下に、本発明をその実施の形態を示す図面に基づいて説明する。
図１は、本発明に係るトルク検出装置を説明する為のトルク検出装置の構成を模式的に示す説明図であり、（ａ）は分解斜視図、（ｂ）は部分縦断面図である。このトルク検出装置は、入力軸１（第１軸）と出力軸２（第２軸）とを、細径のトーションバー３（連結軸）を介して同軸状に連結している。入力軸１及び出力軸２は、それぞれピン９によりトーションバー３に連結されている。

入力軸１には、２４極（Ｎ，Ｓ極各１２極）が周方向に等間隔で着磁された円筒形状の（２４極）永久磁石５が、同軸に固設されている。出力軸２には、半径方向に適当な隙間を設けて永久磁石５を囲む２つの磁気ヨーク４ａ，４ｂ（軟磁性体）が、同軸に固設されている。磁気ヨーク４ａ，４ｂは、板状のリングに、その板面に垂直な一方向に延びる１２個の二等辺三角形状の爪１０が等間隔に周設されている。２つの磁気ヨーク４ａ，４ｂは、それぞれの爪１０が周方向に適当な間隔でずれるように対向している。

磁気ヨーク４ａ，４ｂは、永久磁石５が形成する磁界内に配置されており、磁気ヨーク４ａ，４ｂ間のギャップに生じる磁束を検出する１又は複数のホールＩＣ６（ホール素子、磁気センサ、検出器）が、ギャップに挿入されている。磁気ヨーク４ａ，４ｂは、回転トルクが加えられない中立状態で、それぞれの爪１０の先端が、永久磁石５のＮ極及びＳ極の境界を指すように配置される。

ホールＩＣ６は、出力軸２に固定され、トルク検出装置の外部とはスパイラルケーブル１１により接続されている。スパイラルケーブル１１は、トルク検出装置のハウジング１２を貫通するコネクタ１３に接続され、コネクタ１３の各端子は、図示しない基板に半田付けされている。スパイラルケーブル１１は、ホールＩＣ６が作動する為の電力を供給し、ホールＩＣ６が磁束を検出して出力した電気信号を外部に与える。ホールＩＣ６及び磁気ヨーク４ａ，４ｂは、例えば、合成樹脂によりモールドして一体に形成し、出力軸２に固定するようにしても良い。

以下に、このような構成のトルク検出装置の動作を説明する。入力軸１又は出力軸２に回転トルクが加えられないとき、磁気ヨーク４ａ，４ｂの各爪１０は、図２（ｂ）に示すように、永久磁石５のＮ極及びＳ極に対向する面積が等しくなり、Ｎ極から入る磁束とＳ極へ出る磁束とが等しくなるので、磁気ヨーク４ａ及び磁気ヨーク４ｂ間には磁束は生じない。

入力軸１又は出力軸２に一方向の回転トルクが加えられたとき、トーションバー３に捩れが生じて、磁気ヨーク４ａ，４ｂの各爪１０及び永久磁石５の相対位置が変化する。このとき、例えば、図２（ａ）に示すように、磁気ヨーク４ａの各爪１０に対向する面積が、永久磁石５のＮ極の方がＳ極より大きくなり、Ｎ極から入る磁束の方がＳ極へ出る磁束より大きくなる。また、磁気ヨーク４ｂの各爪１０に対向する面積が、永久磁石５のＮ極の方がＳ極より小さくなり、Ｎ極から入る磁束の方がＳ極へ出る磁束より小さくなる。その結果、磁気ヨーク４ａから磁気ヨーク４ｂへの磁束が生じ、この磁束密度は、各爪１０に対向するＮ極及びＳ極の面積の差が大きい程大きくなる。

一方、入力軸１又は出力軸２に他方向の回転トルクが加えられたとき、上記とは逆方向に、トーションバー３に捩れが生じて、磁気ヨーク４ａ，４ｂの各爪１０及び永久磁石５の相対位置が変化する。このとき、例えば、図２（ｃ）に示すように、磁気ヨーク４ａの各爪１０に対向する面積が、永久磁石５のＮ極の方がＳ極より小さくなり、Ｎ極から入る磁束の方がＳ極へ出る磁束より小さくなる。また、磁気ヨーク４ｂの各爪１０に対向する面積が、永久磁石５のＮ極の方がＳ極より大きくなり、Ｎ極から入る磁束の方がＳ極へ出る磁束より大きくなる。その結果、磁気ヨーク４ｂから磁気ヨーク４ａへの磁束が生じ、この磁束密度は、各爪１０に対向するＮ極及びＳ極の面積の差が大きい程大きくなる。

上述した磁気ヨーク４ａ及び磁気ヨーク４ｂ間のギャップに生じる磁束密度の変化を、トーションバー３の捩れ角である電気角−１８０〜１８０ｄｅｇ．（機械角−１５〜１５ｄｅｇ．）に対応させて図示すると、図２（ｄ）に示すような正弦波状となる。実際に使用される範囲は、トーションバー３の剛性から、電気角−９０〜９０ｄｅｇ．を超えることはなく、加えられた回転トルクに応じた磁束密度を検出することが出来る。つまり、検出した磁束密度に基づき、加えられた回転トルクを知ることが出来る。また、ホールＩＣ６が、出力軸２に同行回転したときは、スパイラルケーブル１１が自在に伸縮するので、スパイラルケーブル１１にたるみが生じることがなく、出力軸２及び入力軸１にひっかからず、不具合が生じない。

（実施の形態）
図３は、本発明に係るトルク検出装置の実施の形態の構成を模式的に示す説明図であり、（ａ）は分解斜視図、（ｂ）は縦断面図である。このトルク検出装置は、磁気ヨーク４ａ，４ｂにそれぞれ磁気結合され、磁気ヨーク４ａ，４ｂからの磁束をそれぞれ誘導する２つの集磁リング８，８（補助軟磁性体）を備えている。

集磁リング８，８は、平行に配置され、互いに他部分より近接する平板状の部分を有し、その近接する部分の隙間に、１又は複数のホールＩＣ６が挿入されている。集磁リング８，８及びホールＩＣ６は、出力軸２に固定されている。集磁リング８，８及びホールＩＣ６は、例えば、合成樹脂によりモールドして一体に形成し、出力軸２に固定するようにしても良い。また、磁気ヨーク４ａ，４ｂも含めて合成樹脂によりモールドして一体に形成しても良い。その他の構成は、図１で説明したトルク検出装置の構成と同様であるので、同一個所には同一符号を付して、説明を省略する。

このような構成のトルク検出装置では、磁気ヨーク４ａ，４ｂに生じた磁束は、集磁リング８，８によりそれぞれ誘導され、誘導された磁束は、集磁リング８，８の互いに近接する部分に集中し、ホールＩＣ６により検出される。集磁リング８，８により、ホールＩＣ６は、磁気ヨーク４ａ，４ｂの全周で発生する磁束密度の平均を検出することが出来る。その他の動作は、図２で説明したトルク検出装置の動作と同様であるので、説明を省略する。

本発明に係るトルク検出装置を説明する為のトルク検出装置の構成を示す説明図である。 図１に示すトルク検出装置の動作を示す説明図である。 本発明に係るトルク検出装置の実施の形態の構成を示す説明図である。

符号の説明

１ 入力軸（第１軸）
２ 出力軸（第２軸）
３ トーションバー（連結軸）
４ａ，４ｂ 磁気ヨーク（軟磁性体）
５ （２４極）永久磁石
６ ホールＩＣ（ホール素子、磁気センサ、検出器）
８ 集磁リング（補助軟磁性体）
１０ 爪
１１ スパイラルケーブル
１２ ハウジング
１３ コネクタ

Claims (2)

1. 連結軸により同軸に連結された第１軸及び第２軸と、該第１軸に固設された永久磁石と、前記第２軸に固定され、前記永久磁石の磁界内に配置されて磁気回路を形成する複数の軟磁性体と、該軟磁性体に磁気結合され、該軟磁性体からの磁束を誘導する複数の補助軟磁性体と、該補助軟磁性体が誘導した磁束を検出し、電気信号を出力する検出器とを備え、前記第１軸又は第２軸に回転トルクが加えられたときに、前記電気信号に基づき前記回転トルクを検出すべくなしてあるトルク検出装置において、
   前記複数の補助軟磁性体及び前記検出器は、前記第２軸に固定されていることを特徴とするトルク検出装置。
2. 前記検出器は、スパイラルケーブルを有し、該スパイラルケーブルを介して電力を得、外部へ電気信号を出力すべくなしてある請求項１記載のトルク検出装置。

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