JP4732473B2 - 磁歪式トルクセンサおよび車両用操舵装置 - Google Patents

Description

本発明は、回転軸の表面に形成された磁歪膜の外周にボビンに巻回されたコイルを配置し、前記コイルの外周に円筒状のバックヨークを配置し、前記磁歪膜の磁気特性の変化を前記コイルで検出することで前記回転軸に加えられたトルクを検出する磁歪式トルクセンサと、その磁歪式トルクセンサを操舵トルクセンサとして用いた車両用操舵装置とに関する。

シャフトに加わるトルクを検出する磁歪式トルクセンサが、シャフトの外周に相互に逆方向の磁気異方性を有するように形成された一対の磁歪膜と、各々の磁歪膜の外周を囲む励磁コイルおよび検出コイルとを備え、シャフトの捩じれ変形に応じて変化する一対の磁歪膜の透磁率の変化を前記励磁コイルおよび前記検出コイルの交流抵抗の変化に基づいて検出することで、シャフトに入力されるトルクを検出するものが、下記特許文献１により公知である。
特開平１１−１３２８７７号公報

ところで、かかる磁歪式トルクセンサは、励磁コイルおよび検出コイルの周囲を囲んで磁路を構成するためのバックヨークを備えているが、上記特許文献１に記載された磁歪式トルクセンサのバックヨークは、励磁コイルおよび検出コイルの周囲を３６０°に亘って囲繞しているため、渦電流が発生し易くなって検出精度に悪影響を及ぼす可能性があった。

また磁束はバックヨークのエッジ部に集中して発生し易いため、バックヨークのエッジ形状が不規則であったり、そのエッジ形状にばらつきがあったりすると、コイルの交流抵抗もばらついてしまう可能性があった。

本発明は前述の事情に鑑みてなされたもので、磁歪式トルクセンサのコイルの外周にバックヨークを配置した場合に、そのバックヨークに渦電流が発生するのを抑制するとともにコイルの交流抵抗を安定させて検出精度を高めることを目的とする。

上記目的を達成するために、請求項１に記載された発明によれば、回転軸の表面に形成された磁歪膜の外周にボビンに巻回されたコイルを配置し、前記コイルの外周に円筒状のバックヨークを配置し、前記磁歪膜の磁気特性の変化を前記コイルで検出することで前記回転軸に加えられたトルクを検出する磁歪式トルクセンサであって、前記バックヨークは矩形状の一様断面の磁性体製金属板を円筒状に湾曲させて形成され、前記バックヨークの対向する一対の端面間に、径方向に一定の幅を有して軸線方向に延びるスリットが構成されることを特徴とする磁歪式トルクセンサにおいて、前記バックヨークの軸線方向両端部を覆う一対のヨークリングを備え、前記バックヨークおよび前記ヨークリングは相互に非接触に配置されることを特徴とする磁歪式トルクセンサが提案される。

また請求項２に記載された発明によれば、請求項１の構成に加えて、前記ボビンは径方向外側に延出する環状の延出部を備え、前記延出部が前記バックヨークおよび前記ヨークリング間に挟持されることを特徴とする磁歪式トルクセンサが提案される。

また請求項３に記載された発明によれば、請求項１または請求項２に記載の磁歪式トルクセンサを用いた車両用操舵装置であって、前記磁歪式トルクセンサを、ステアリングシャフトに入力される操舵トルクを検出する操舵トルクセンサとして使用し、前記操舵トルクセンサで検出した操舵トルクに基づいて電動パワーステアリング装置のアクチュエータの作動を制御することを特徴とする車両用操舵装置が提案される。

尚、実施の形態の上部ステアリングシャフト１２および下部ステアリングシャフト１４は本発明のステアリングシャフトに対応し、実施の形態のピニオンシャフト１７は本発明の回転軸に対応し、実施の形態の第１、第２磁歪膜３９Ａ，３９Ｂは本発明の磁歪膜に対応し、実施の形態の第１、第２励磁コイル４１Ａ，４１Ｂおよび第１、第２検出コイル４２Ａ，４２Ｂは本発明のコイルに対応し、実施の形態の操舵トルクセンサＳｔは本発明の磁歪式トルクセンサに対応し、実施の形態の電動モータＭは本発明のアクチュエータに対応する。

請求項１の構成によれば、回転軸の表面に形成された磁歪膜の外周に配置されたコイルの外周に更に円筒状のバックヨークを配置したので、バックヨークおよび磁歪膜を通る磁気回路を構成してコイルの出力ゲインを増加させ、磁歪式トルクセンサの感度を高めることができる。しかもバックヨークに径方向に一定の幅を有して軸線方向に延びる一対の平坦な端面に挟まれたスリットを形成したので、バックヨークに発生する渦電流をスリットにより遮断して抑制することでコイルの交流抵抗を安定させ、磁歪式トルクセンサの検出精度を高めることができる。また矩形状の一様断面の磁性体製金属板を円筒状に湾曲させてバックヨークを形成し、その対向する一対の端面間にスリットを構成したので、バックヨークの構造が極めて単純になって安価に製造することができる。またバックヨークの軸線方向両端部を覆う一対のヨークリングを設けたので、コイルの出力ゲインを更に増加させることができるだけでなく、バックヨークおよびヨークリングを相互に非接触に配置したので、バックヨークおよびヨークリング間の接触状態による透磁率のばらつきを減少させて磁歪式トルクセンサの検出精度を更に高めることができる。

また請求項２の構成によれば、ボビンに径方向外側に延出するように設けた環状の延出部をバックヨークおよびヨークリング間に挟持したので、バックヨークおよびヨークリング間の距離を均一に保持して透磁率のばらつきを防止し、磁歪式トルクセンサの感度を高めながら検出精度をより一層高めることができる。

また請求項３の構成によれば、磁歪式トルクセンサを車両用操舵装置の操舵トルクセンサとして使用するので、ステアリングシャフトに入力される操舵トルクを高精度で検出してパワーステアリング装置のアクチュエータの作動を制御することで、操舵フィーリングを向上させることができる。

以下、本発明の実施の形態を添付の図面に基づいて説明する。

図１〜図６は本発明の第１の実施の形態を示すもので、図１は電動パワーステアリング装置の全体斜視図、図２は図１の２−２線拡大断面図、図３は図２の３−３線断面図、図４は図２の４部拡大図、図５はバックヨークの斜視図、図６は操舵トルクに対するトルク検出信号の変化特性を示す図である。

図１に示すように、ステアリングホイール１１と一体に回転する上部ステアリングシャフト１２は、上部ユニバーサルジョイント１３、下部ステアリングシャフト１４および下部ユニバーサルジョイント１５を介して、減速機１６から上方に突出するピニオンシャフト１７に接続される。減速機１６の下端に接続されたステアリングギヤボックス１８の左右両端から突出するタイロッド１９，１９が、左右の車輪ＷＬ，ＷＲの図示せぬナックルに接続される。減速機１６にはモータＭが支持されており、このモータＭの作動が、減速機１６の内部に収納した操舵トルクセンサＳｔからの信号が入力される電子制御ユニットＵにより制御される。

図２および図３に示すように、減速機１６はステアリングギヤボックス１８と一体の下部ケース２１と、その上面にボルト２２…で結合された上部ケース２３とを備えており、ステアリングギヤボックス１８および上部ケース２３にボールベアリング２６，２７で前記ピニオンシャフト１７が回転自在に支持される。ピニオンシャフト１７の下端に設けられたピニオン２８が、ステアリングギヤボックス１８の内部に左右移動自在に支持したラックバー２９に設けられたラック３０に噛合する。ステアリングギヤボックス１８に形成した貫通孔１８ａに押圧部材３１が摺動自在に収納されており、貫通孔１８ａを閉塞するナット部材３２との間に配置したスプリング３３で押圧部材３１をラックバー２９の背面に向けて付勢することで、ラックバー２９の撓みを抑制してラック３０をピニオン２８に正しく噛合させることができる。

減速機１６の内部に延びるモータＭの回転軸３４は、一対のボールベアリング３５，３６で下部ケース２１に回転自在に支持される。モータＭの回転軸３４に設けられたウオーム３７は、ピニオンシャフト１７に固定されたウオームホイール３８に噛合する。

図２および図４に示すように、ステアリングホイール１１に入力される操舵トルクを検出する操舵トルクセンサＳｔは、ピニオンシャフト１７の表面を所定幅で覆うように形成された、例えばＮｉ−Ｆｅメッキよりなる第１、第２磁歪膜３９Ａ，３９Ｂと、第１磁歪膜３９Ａの周囲を囲繞するように合成樹脂製のボビン４０の上部に巻回された第１励磁コイル４１Ａおよび第１検出コイル４２Ａと、第２磁歪膜３９Ｂの周囲を囲繞するように前記ボビン４０の下部に巻回された第２励磁コイル４１Ｂおよび第２検出コイル４２Ｂと、第１励磁コイル４１Ａ、第１検出コイル４２Ａ、第２励磁コイル４１Ｂおよび第２検出コイル４２Ｂを囲む磁性体製の概略円筒状のバックヨーク４３とを備える。

図５から明らかなように、バックヨーク４３は磁性体で形成された矩形状の板材を略円筒状に湾曲させたもので、その対向する二つの端面の間にスリット４３ａが形成される。バックヨーク４３のスリット４３ａを挟む二つの端面は平坦な細長い長方形で構成される。

ボビン４０は、円筒状のボビン本体４０ａから径方向外向きに張り出す第１〜第６フランジ４０ｂ〜４０ｇを備えており、第１、第２フランジ４０ｂ，４０ｃ間に第１検出コイル４２Ａが巻回され、第２、第３フランジ４０ｃ，４０ｄ間に第１励磁コイル４１Ａが巻回され、第４、第５フランジ４０ｅ，４０ｆ間に第２励磁コイル４１Ｂが巻回され、第５、第６フランジ４０ｆ，４０ｇ間に第２検出コイル４０Ｂが巻回される。

第１、第２励磁コイル４１Ａ，４１Ｂには励磁回路４４が接続され、第１、第２検出コイル４２Ａ，４２Ｂにはそれぞれ第１、第２変換回路４５Ａ，４５Ｂが接続され、第１、第２変換回路４５Ａ，４５Ｂにはアンプ４６が接続される。

ピニオンシャフト１７にトルクが作用して捩じれ変形すると第１、第２磁歪膜３９Ａ，３９Ｂの透磁率が変化するため、第１、第２励磁コイル４１Ａ，４１Ｂに励磁回路４４から高周波の交流電圧を印可することで、第１、第２磁歪膜３９Ａ，３９Ｂの透磁率の変化を第１、第２検出コイル４２Ａ，４２Ｂのインピーダンスの変化として検出することができる。

そして図２に示すように、バックヨーク４３およびボビン４０は、ステー４７を介して上部ケース２３に支持される。

図６に示すように、上記第１、第２検出コイル４２Ａ，４２Ｂのインピーダンスの変化を第１、第２変換回路４５Ａ，４５Ｂでそれぞれ電圧信号ＶＴ１，ＶＴ２に変換し、アンプ４６が二つの電圧信号ＶＴ１，ＶＴ２の差を増幅率ｋで増幅し、それに所定のバイアス電圧Ｖｂ（例えば、２．５Ｖ）を加えたトルク検出信号ＶＴ３を出力する。このトルク検出信号ＶＴ３はピニオンシャフト１７に入力されるトルクに応じて変化する。

ＶＴ３＝ｋ（ＶＴ１−ＶＴ２）＋Ｖｂ
このようにして、ステアリングホイール１１に入力される操舵トルクによりピニオンシャフト１７が第１、第２磁歪膜３９Ａ，３９Ｂと共に捩じれ変形すると、第１、第２磁歪膜３９Ａ，３９Ｂおよびバックヨーク４３で構成される二つの磁路に沿う磁束密度が変化することで、その磁束密度の変化に基づいて操舵トルクを検出することができる。

また第１、第２励磁コイル４１Ａ，４１Ｂの出力電圧をそれぞれＶＴ１２（インピーダンス小），ＶＴ２１（インピーダンス小）とし、第１、第２検出コイル４２Ａ，４２Ｂの出力電圧をそれぞれＶＴ１１（インピーダンス大），ＶＴ２２（インピーダンス大）としたとき、メインのトルク検出値：Ｖ３１＝ＶＴ１２／（ＶＴ１２＋ＶＴ２２）と、冗長系であるサブのトルク検出値：Ｖ３２＝ＶＴ２１／（ＶＴ１１＋ＶＴ２１）とを比較し、不一致の場合に故障判定をすることで、操舵トルクセンサＳｔの中立点のばらつきをなくして検出精度を高めることができる。

以上のように、第１、第２励磁コイル４１Ａ，４１Ｂおよび第１、第２検出コイル４２Ａ，４２Ｂを囲むバックヨーク４３に軸方向に延びるスリット４３ａを形成したので、第１、第２励磁コイル４１Ａ，４１Ｂを励磁したときにバックヨーク４３に渦電流が発生するのをスリット４３ａにより抑制し、操舵トルクセンサＳｔの検出精度を高めることができる。しかも、バックヨーク４３を１枚の矩形状の板部材を円筒状に曲げ加工して構成したので、曲げ加工時にバックヨーク４３の相対向する二つの端面の間に前記スリット４３ａを自動的に形成することができ、その構造が極めて簡素化されて製造コストが削減される。更に、バックヨーク４３の端面が平坦であるので、エッジの影響を受け難くなって第１、第２励磁コイル４１Ａ，４１Ｂおよび第１、第２検出コイル４２Ａ，４２Ｂの交流抵抗を安定させ、検出精度を一層高めることができる。

次に、図７に基づいて本発明の第２の実施の形態を説明する。

第２の実施の形態は、第１の実施の形態のバックヨーク４３の軸方向両端に、円環状の板体よりなるヨークリング４８，４８を付加することで、より一層有効な磁路を形成して第１、第２検出コイル４２Ａ，４２Ｂの出力ゲインを更に高めることを狙ったものである。このとき、仮にバックヨーク４３の軸方向端面にヨークリング４８，４８の内面を直接接触させると、その接触部の面粗度や平行度のばらつきによって透磁率の大きさが不安定になり、かえって操舵トルクセンサＳｔの検出精度を低下させる可能性がある。

しかしながら、第２の実施の形態では、ボビン４０の軸方向両端のフランジ４０ｂ，４０ｇを径方向に延長して一定厚さの板状の延出部４０ｈ，４０ｈを形成し、それらの延出部４０ｈ，４０ｈをバックヨーク４３およびヨークリング４８，４８間に挟持することで、バックヨーク４３およびヨークリング４８，４８を相互に非接触にしている。そのためにバックヨーク４３およびヨークリング４８，４８間の透磁率は多少減少するが、接触部の状態による透磁率のばらつきが解消され、かつ両者間の距離が一定に保たれることで透磁率を均一化し、結果的に操舵トルクセンサＳｔの検出精度を向上させることができる。

しかして、第１、第２の実施の形態で説明した操舵トルクセンサＳｔを車両用操舵装置に使用すれば、ステアリングホイール１１に入力される操舵トルクを高精度で検出してパワーステアリング装置の電動モータＭを制御することで、操舵フィーリングを向上させることができる。

以上、本発明の実施の形態を説明したが、本発明はその要旨を逸脱しない範囲で種々の設計変更を行うことが可能である。

例えば、実施の形態では磁歪式トルクセンサを操舵トルクセンサＳｔに適用しているが、本発明の磁歪式トルクセンサは回転軸に入力されるトルクを検出する任意の用途のトルクセンサに適用することができる。

第１の実施の形態に係る電動パワーステアリング装置の全体斜視図 図１の２−２線拡大断面図 図２の３−３線断面図 図２の４部拡大図 バックヨークの斜視図 操舵トルクに対するトルク検出信号の変化特性を示す図 第２の実施の形態に係る、前記図４に対応する図

１２ 上部ステアリングシャフト（ステアリングシャフト）
１４ 下部ステアリングシャフト（ステアリングシャフト）
１７ ピニオンシャフト（回転軸）
３９Ａ 第１磁歪膜（磁歪膜）
３９Ｂ 第２磁歪膜（磁歪膜）
４０ ボビン
４０ｈ 延出部
４１Ａ 第１励磁コイル（コイル）
４１Ｂ 第２励磁コイル（コイル）
４２Ａ 第１検出コイル（コイル）
４２Ｂ 第２検出コイル（コイル）
４３ バックヨーク
４３ａ スリット
４８ ヨークリング
Ｍ 電動モータ（アクチュエータ）
Ｓｔ 操舵トルクセンサ（磁歪式トルクセンサ）

Claims (3)

1. 回転軸（１７）の表面に形成された磁歪膜（３９Ａ，３９Ｂ）の外周にボビン（４０）に巻回されたコイル（４１Ａ，４１Ｂ；４２Ａ，４２Ｂ）を配置し、前記コイル（４１Ａ，４１Ｂ；４２Ａ，４２Ｂ）の外周に円筒状のバックヨーク（４３）を配置し、前記磁歪膜（３９Ａ，３９Ｂ）の磁気特性の変化を前記コイル（４１Ａ，４１Ｂ；４２Ａ，４２Ｂ）で検出することで前記回転軸（１７）に加えられたトルクを検出する磁歪式トルクセンサであって、
   前記バックヨーク（４３）は矩形状の一様断面の磁性体製金属板を円筒状に湾曲させて形成され、前記バックヨーク（４３）の対向する一対の端面間に、径方向に一定の幅を有して軸線方向に延びるスリット（４３ａ）が構成されるものにおいて、
   前記バックヨーク（４３）の軸線方向両端部を覆う一対のヨークリング（４８）を備え、前記バックヨーク（４３）および前記ヨークリング（４８）は相互に非接触に配置されることを特徴とする磁歪式トルクセンサ。
2. 前記ボビン（４０）は径方向外側に延出する環状の延出部（４０ｈ）を備え、前記延出部（４０ｈ）が前記バックヨーク（４３）および前記ヨークリング（４８）間に挟持されることを特徴とする、請求項１に記載の磁歪式トルクセンサ。
3. 請求項１または請求項２に記載の磁歪式トルクセンサを用いた車両用操舵装置であって、
   前記磁歪式トルクセンサを、ステアリングシャフト（１２，１４）に入力される操舵トルクを検出する操舵トルクセンサ（Ｓｔ）として使用し、前記操舵トルクセンサ（Ｓｔ）で検出した操舵トルクに基づいて電動パワーステアリング装置のアクチュエータ（Ｍ）の作動を制御することを特徴とする車両用操舵装置。

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