JP4036806B2

JP4036806B2 - トルク検出装置

Info

Publication number: JP4036806B2
Application number: JP2003303643A
Authority: JP
Inventors: 一恭吉田; 貴史加奥; 裕久桑野; 宣雄中谷; 章朗大須賀; 中根　　直樹
Original assignee: Denso Corp; JTEKT Corp
Current assignee: Denso Corp; JTEKT Corp
Priority date: 2003-08-27
Filing date: 2003-08-27
Publication date: 2008-01-23
Anticipated expiration: 2023-08-27
Also published as: JP2005069995A

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する２つの検出器とを備え、第１軸又は第２軸にトルクが加えられたときに、検出器の出力に基づき、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、図３の分解斜視図（ａ）及び縦断面図（ｂ）に示すように、トーションバー３により同軸に連結された入力軸１及び出力軸２と、入力軸１に固設されたリング状の２４極の永久磁石５と、出力軸２に固定され、永久磁石５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４ａ，４ｂからなる磁気ヨークと、磁気ヨーク４ａ，４ｂに磁気結合され、磁気ヨーク４ａ，４ｂからの磁束を誘導する２つの集磁リング８，８と、集磁リング８，８が誘導した磁束を検出する２つの磁気センサ６，６（ホールＩＣ）とを備え、入力軸１にトルクが加えられたときに、磁気センサ６，６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６，６は、トーションバー３に垂直な同一平面上に設けられており、磁気センサ６，６、磁気ヨーク４ａ，４ｂ及び永久磁石５の相対位置が変動すれば、磁気センサ６，６の各出力も変動するという問題がある。これは、２つの磁気センサ６，６の検出方向を逆にして、それらの出力の差を取り出してもキャンセルされない構造的な問題であり、軸方向の検出感度が高過ぎることに起因するものである。

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、軸方向の検出感度を低減することが出来る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軸の所定個所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軟磁性体である複数のヨークと、該ヨークに磁気結合され、該ヨークからの磁束を誘導する軟磁性体である複数の集磁リングと、該集磁リングが誘導した磁束を検出する２つの検出器とを備え、前記第１軸又は第２軸にトルクが加えられたときに、前記検出器の出力に基づき、前記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、前記集磁リングを３つ備え、該集磁リングは、互いに等間隔に配置され、隣り合うもの同士は、互いに他部分より近接する平板状の部分を有し、該近接する平板状の部分が形成する２つの隙間には、前記２つの検出器が、各１つずつ配設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軸の所定個所に固設され、複数のヨークが、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、複数の集磁リングが、ヨークに磁気結合され、ヨークからの磁束を誘導する。２つの検出器が、集磁リングが誘導した磁束を検出し、第１軸又は第２軸にトルクが加えられたときに、２つの検出器の出力に基づき、トルクを検出する。互いに等間隔に配置された集磁リングを３つ備え、集磁リングは、隣り合うもの同士は、互いに他部分より近接する平板状の部分を有し、近接する平板状の部分が形成する２つの隙間には、２つの検出器が、各１つずつ配設されている。これにより、軸方向の検出感度を低減することが出来る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は、前記２つの検出器の各出力の差に基づき、前記トルクを検出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、２つの検出器の各出力の差に基づき、トルクを検出するので、振れ回り、２つの検出器の温度特性及び軸方向の検出感度の各影響をキャンセルすることが出来、検出精度を高めることが出来る。

第１発明に係るトルク検出装置によれば、軸方向の検出感度を低減することが出来、磁気センサ、磁気ヨーク及び永久磁石の相対位置の変動に影響され難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、振れ回り、２つの検出器の温度特性及び軸方向の検出感度の各影響をキャンセルすることが出来、検出精度を高めることが出来る。

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の実施の形態の構成を示す説明図であり、（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、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、トルクが入力軸１に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。磁気ヨーク４ａ，４ｂの周囲には、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３つの集磁リング８ａ，８ｂ，８ｃ（補助軟磁性体）が配設されている。集磁リング８ａ，８ｂ，８ｃは、互いに等間隔に平行に配置され、隣り合うもの同士では、互いに他部分より近接する平板状の部分を有し、その近接する部分により２つの隙間が形成されている。

２つの隙間は、例えば、入力軸１の周方向に１８０°異なる位置に配設され、集磁リング８ａ，８ｂの近接する部分による隙間には、ホールＩＣ６ａ（ホール素子、検出器）が挿入され，集磁リング８ｂ，８ｃの近接する部分による隙間には、ホールＩＣ６ｂ（ホール素子、検出器）が挿入されている。集磁リング８ａ，８ｂ，８ｃは、図示しないハウジングにそれぞれ磁気的に絶縁された状態で固設されている。ホールＩＣ６ａ，６ｂは、図示しないハウジングに固定され、ホールＩＣ６ａ，６ｂの各リード線７は、図示しない基板に半田付けされ、ホールＩＣ６ａ，６ｂが作動する為の電源を供給し、ホールＩＣ６ａ，６ｂが検出した出力を得ている。

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、−９０〜９０ｄｅｇ．を超えることはない。

上述した磁気ヨーク４ａ及び磁気ヨーク４ｂ間のギャップの磁束密度に応じて、磁気ヨーク４ａ，４ｂに生じた磁束は、集磁リング８ａ，８ｂ，８ｃによりそれぞれ誘導され、誘導された磁束は、集磁リング８ａ，８ｂ，８ｃの互いに近接する部分に集中し、ホールＩＣ６ａ，６ｂにより検出される。集磁リング８ａ，８ｂ，８ｃにより、ホールＩＣ６ａ，６ｂ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。

この際、集磁リング８ｂは、磁気ヨーク４ａ及び磁気ヨーク４ｂに対向する面積が等しいので、磁気ヨーク４ａ，４ｂにそれぞれ生じた磁束は、集磁リング８ｂ内で相殺され、集磁リング８ｂに生じる磁束密度は常に０である。その為、集磁リング８ｂは、集磁リング８ａ，８ｃにそれぞれ生じた磁束密度に応じた磁束を、集磁リング８ａ，８ｃとそれぞれ授受することが出来、これらも集磁リング８ｂ内で相殺される。但し、ホールＩＣ６ａ，６ｂ、磁気ヨーク４ａ，４ｂ及び永久磁石５の相対位置が変動し、一方のホールＩＣを貫く磁束密度が高くなると、その分、他方は低くなり、相対位置の変動による影響を低減することが出来る。

以上により、ホールＩＣ６ａ，６ｂは、それぞれ集磁リング８ａ，８ｃに生じた磁束に応じた磁束密度、即ち、入力軸１又は出力軸２に加えられた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、加えられたトルクを知ることが出来る。特に、ホールＩＣ６ａ，６ｂの検出方向を逆にし、それらの出力の差を求めることにより、振れ回り、ホールＩＣ６ａ，６ｂの温度特性及び軸方向の検出感度の各影響を相殺することが出来、検出精度を高めることが出来る。

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。本発明に係るトルク検出装置の実施の形態の動作を示す説明図である。従来のトルク検出装置の構成例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永久磁石
６ａ，６ｂホールＩＣ（ホール素子、検出器）
７リード線
８ａ，８ｂ，８ｃ集磁リング（補助軟磁性体）
１０爪

Claims

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軸の所定個所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軟磁性体である複数のヨークと、該ヨークに磁気結合され、該ヨークからの磁束を誘導する軟磁性体である複数の集磁リングと、該集磁リングが誘導した磁束を検出する２つの検出器とを備え、前記第１軸又は第２軸にトルクが加えられたときに、前記検出器の出力に基づき、前記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、
前記集磁リングを３つ備え、該集磁リングは、互いに等間隔に配置され、隣り合うもの同士は、互いに他部分より近接する平板状の部分を有し、該近接する平板状の部分が形成する２つの隙間には、前記２つの検出器が、各１つずつ配設されていることを特徴とするトルク検出装置。
前記２つの検出器の各出力の差に基づき、前記トルクを検出すべくなしてある請求項１記載のトルク検出装置。