JP4878746B2 - トルクセンサ - Google Patents

Description

本発明は、例えば電動式パワーステアリング装置のシャフトの捩れ方向に加わるトルクを検出するトルクセンサに関するものである。

従来のトルクセンサとして、入力軸及び出力軸を同軸上に連結するトーションバーと、入力軸の端部に取り付けられた円筒状の磁石と、この磁石の外周に近接して配置され、出力軸の端部に取り付けられた一組の磁気ヨークと、それぞれの磁気ヨークの外周に近接して配置され、周方向の一箇所に外方に突出して対向する平板状の集磁部が設けられた一組の集磁リングと、平板状の集磁部の間に挿入された磁気センサとから構成されたものがある。このように構成されたトルクセンサにおいては、磁石から発生した磁束が磁気ヨークを通って集磁リングに導かれ、その集磁リングに設けられた平板状の集磁部に集まって磁気センサに至る（例えば、特許文献１参照）。
特開２００３−１４９０６２（第６−７頁、図５，図６）

前述した従来のトルクセンサでは、磁気ヨークの出力軸側が振れ回った場合、磁気ヨークと集磁リングの双方の対向面積が変化し、これに併せて集磁部に集まる磁束が変化する。このような状態になった場合、出力軸の振れ回りに応じた磁束の変化をトルクの変化として検出する可能性があった。
本発明は、かかる課題を解決するためになされたもので、磁気ヨークの出力軸側の振れ回りに左右されることのないトルクセンサを提供することを目的とする。

本発明に係るトルクセンサは、第１軸及び第２軸を同軸上に連結し、その両軸間に加わるトルクを捩れ変位に変換するトーションバーと、第１軸の端部に固定され、軸方向にトーションバーが挿通された磁石と、第２軸の端部に固定され、磁石の外周に軸方向に互いに対向する環状部を有する磁気ヨークと、軸方向の上下面が磁気ヨークの各環状部と対向するように該環状部の間に配置され、トーションバーの捻れ変位に応じてその環状部の間に生じる磁石からの磁束を集める集磁部と、前記集磁部の上下面の何れか一方の面に取り付けられ、該集磁部を介して磁束を検出する磁気センサとを備え、集磁部は、環状部の径方向の幅よりも短く設定されている。

本発明においては、磁気ヨークの環状部の間に配置された集磁部をその環状部の径方向の幅よりも短く設定しているので、磁気ヨークの振れ回りに左右されることなく、トルクの変化に応じた磁束を磁気センサにより検出することができ、このため、トルクセンサの検出精度が向上するという効果がある。

実施の形態１．
図１は本発明の実施の形態１に係るトルクセンサを示す軸方向半分断面表示の側面図である。
本実施の形態のトルクセンサは、例えば車輌の電動式パワーステアリング装置に使用されるもので、ステアリングシャフトを構成する入力軸１（第１軸）と出力軸２（第２軸）との間に設けられている。このトルクセンサは、トーションバー３、磁石４、磁気ヨーク５、固定部６、集磁部７、保持部８、磁気センサ９及び基板１０から構成されている。トーションバー３は、一端側が入力軸１に、他端側が出力軸２にそれぞれピン１１により連結された棒状の弾性部材からなり、ステアリングシャフトに操舵トルクが加わったときに、そのトルクの大きさに応じて捩れ変位を生じる。

磁石４は、円筒状に形成され、周方向にＮ極とＳ極とが交互に着磁されている。この円筒状の磁石４は、中心穴にトーションバー３が挿通されて入力軸１の端部に固定されている。磁気ヨーク５は、軸方向で互いに対向する環状部５Ａ、５Ｂと、環状部５Ａ、５Ｂの内周縁にそれぞれ周方向に等間隔に互いにずれて設けられた磁極爪５ａ、５ｂとからなっている。この磁極爪５ａ、５ｂは、それぞれ磁石４のＮ極及びＳ極と同数あり、双方の位置関係は、円筒状に形成された固定部６によって位置決めされている。この磁気ヨーク５は、トーションバー３に捻れが生じていない状態では、それぞれの磁極爪５ａ、５ｂの中心が磁石４のＮ極及びＳ極の境界と一致するように、出力軸２の端部に固定されている。

集磁部７は、例えば板状のパーマロイからなり、環状部５Ａ、５Ｂ間の中心に磁気センサ９が配置されるように、保持部８を介して基板１０に取り付けられている。この集磁部７の環状部５Ａ、５Ｂにそれぞれ対向する各面は、例えば環状部５Ａ、５Ｂの径方向に延びる長方形状に形成され、かつその長辺の長さが環状部５Ａ、５Ｂの径方向幅よりも短く設定されている。これは、集磁部７の各面にそれぞれ対向する環状部５Ａ、５Ｂが出力軸２の振れ回りによって傾いても、環状部５Ａ、５Ｂ側の集磁部７の各面に対向する面積が変わらないようにするためである。前述した磁気センサ９は、例えばホール素子からなり、接続ピンを介して基板１０に実装されている。なお、基板１０は、本センサのハウジング等に着脱可能に固定されている。

次に、本実施の形態の動作を説明する。
入力軸１と出力軸２との間に捻れトルクが加わっていない状態、つまりトーションバー３に捻れ変位が生じていないときでは、磁気ヨーク５の環状部５Ａ、５Ｂに設けられた各磁極爪５ａ、５ｂの中心が磁石４のＮ極及びＳ極の境界上に位置しているため、磁気ヨーク５の各磁極爪５ａ、５ｂには、磁石４のＮ極及びＳ極から同数の磁力線が出入りし、磁気ヨーク５内でそれぞれ磁力線が閉じられている状態になっている。このため、磁気ヨーク５の環状部５Ａ、５Ｂ間のエアギャップに漏れ磁束がなく、磁気センサ９の出力（電圧）が変位量としてゼロになっている。

入力軸１と出力軸２との間に捻れトルクが加わって、トーションバー３に捻れ変位が生じると、入力軸１に固定された磁石４と出力軸２に固定された磁気ヨーク５との相対位置が周方向に変化する。この場合、磁気ヨーク５の環状部５Ａ、５Ｂに設けられた各磁極爪５ａ、５ｂの中心と磁石４のＮ極及びＳ極の境界とが一致しなくなるため、磁気ヨーク５内には、Ｎ又はＳの極性を有する磁力線が増加し、磁気ヨーク５の環状部５Ａ、５Ｂにそれぞれ逆の極性を有する磁力線が生じ、環状部５Ａ、５Ｂ間のエアギャップに磁束が発生する。この時、集磁部７が配置されている環状部５Ａ、５Ｂ間の磁束は、その集磁部７に集められ、磁気センサ９によって検出される。

入力軸１と出力軸２との間に加わった捻れトルクにより、出力軸２側が偏芯を起こして磁気ヨーク５の環状部５Ａ、５Ｂが振れ回った場合、集磁部７との平行状態が保たれなくなるが、環状部５Ａ、５Ｂ側の集磁部７の各面に対する面積が変わらないため、集磁部７を挟む環状部５Ａ、５Ｂ間の磁束は、集磁部７によって集められ、磁気センサ９により検出される。

以上のように実施の形態１によれば、磁気ヨーク５の環状部５Ａ、５Ｂ間に配置された集磁部７の環状部５Ａ、５Ｂに対向する各面を、集磁部７と対向する環状部５Ａ、５Ｂ側の面よりも小さく形成したので、磁気ヨーク５の振れ回りに左右されることなく、トルクの変化に応じた磁束を検出することができ、このため、トルクセンサの検出精度が向上するという効果がある。

なお、前記の実施の形態１では、集磁部７を環状部５Ａ側に配置したが、その集磁部７を環状部５Ｂ側に配置してもよい。また、集磁部７と磁気センサ９を磁気ヨーク５の軸方向に配置したが、集磁部７と磁気センサ９を環状部５Ａ、５Ｂの周方向に、かつその間の中心に配置してもよい。また、磁気センサ９を磁気ヨーク５の環状部５Ａ、５Ｂ間の中心に配置し、その磁気センサ９と環状部５Ａとの間、或いは環状部５Ｂとの間に、保持部８によって保持された集磁部７を挿入して、トーションバー３の捻れに応じて生じる磁気ヨーク５の環状部５Ａ、５Ｂ間の磁束を検出するようにしてもよい。

実施の形態２．
図２は本発明の実施の形態２に係るトルクセンサを示す軸方向半分断面表示の側面図である。なお、図１で説明した実施の形態１と同一又は相当部分には同じ符号を付し説明を省略する。
本実施の形態のトルクセンサは、磁気ヨーク５の環状部５Ａ、５Ｂ間の中心に磁気センサ９が配置されるように、集磁部７１を基板１０に取り付けたものである。この集磁部７１は、実施の形態１と同様に板状のパーマロイからなり、磁気ヨーク５の環状部５Ａ、５Ｂの間で、環状部５Ａ側に突出して折り返すように折り曲げられている。これら突出部分及び折返し部分の環状部５Ａ、５Ｂにそれぞれ対向する各面は、例えば、環状部５Ａ、５Ｂの径方向に延びる長方形状に形成され、かつその長辺の長さが環状部５Ａ、５Ｂの径方向幅よりも短く設定されており、突出部分及び折返し部分の双方とも同じ大きさの形状となっている。

これは、実施の形態１で述べたように、集磁部７１側の各面にそれぞれ対向する環状部５Ａ、５Ｂが出力軸２の振れ回りによって傾いても、環状部５Ａ、５Ｂ側の集磁部７１の各面に対する面積が変わらないようにするためである。前述した磁気センサ９は、例えばホール素子からなり、接続ピンを介して基板１０に実装されている。なお、基板１０は、本センサのハウジング等に着脱可能に固定されている。

本実施の形態においては、入力軸１と出力軸２との間に捻れトルクが加わっていない状態の動作説明、及び入力軸１と出力軸２との間に捻れトルクが加わったときの動作説明、並びに入力軸１と出力軸２との間に加わった捻れトルクによって磁気ヨーク５の環状部５Ａ、５Ｂが振れ回ったときの動作説明については、実施の形態１と同様であるため割愛する。

以上のように実施の形態２によれば、磁気ヨーク５の環状部５Ａ、５Ｂ間に配置された集磁部７１の環状部５Ａ、５Ｂに対向する各面を、集磁部７１と対向する環状部５Ａ、５Ｂ側の面よりも小さく形成したので、磁気ヨーク５の振れ回りに左右されることなく、トルクの変化に応じた磁束を検出することができ、このため、トルクセンサの検出精度が向上するという効果がある。

なお、前記の実施の形態２では、集磁部７１の折返し部分に磁気センサ９を固定したことを述べたが、集磁部７１の突出部分に磁気センサ９を固定するようにしてもよい。

実施の形態３．
図３は本発明の実施の形態３に係るトルクセンサを示す軸方向半分断面表示の側面図である。なお、図１で説明した実施の形態１と同一又は相当部分には同じ符号を付し説明を省略する。
本実施の形態のトルクセンサは、磁気ヨーク５の環状部５Ａ、５Ｂの外周縁に突出部５１Ａ、５１Ｂを設け、また、この突出部５１Ａ、５１Ｂ間の中心に磁気センサ９が配置されるように、基板１０に取り付けられた集磁部７２を設けたものである。前述した突出部５１Ａ、５１Ｂは、環状部５Ａ、５Ｂの外周縁から軸方向に互いに接近するように折り曲げられて、環状部５Ａ、５Ｂの径方向に互いに対向するように折り曲げられてなっている。集磁部７２は、例えばＬ字状に形成された板状のパーマロイからなり、突出部５１Ａ、５１Ｂ側にそれぞれ対向する各面は、例えば突出部５１Ａ、５１Ｂの径方向に延びる長方形状に形成され、かつその長辺の長さが突出部５１Ａ、５１Ｂの径方向幅よりも長く設定されている。

これは、集磁部７２の各面にそれぞれ対向する環状の突出部５１Ａ、５１Ｂが出力軸２の振れ回りによって傾いても、突出部５１Ａ、５１Ｂ側の集磁部７２の各面に対する面積が一定に保たれるようにするためである。前述した磁気センサ９は、例えばホール素子からなり、接続ピンを介して基板１０に実装されている。なお、基板１０は、本センサのハウジング等に着脱可能に固定されている。

本実施の形態においては、入力軸１と出力軸２との間に捻れトルクが加わっていない状態の動作説明、及び入力軸１と出力軸２との間に捻れトルクが加わったときの動作説明については、実施の形態１と同様であるため割愛する。
入力軸１と出力軸２との間に加わった捻れトルクにより、出力軸２側が偏芯を起こして磁気ヨーク５の環状部５Ａ、５Ｂが振れ回った場合、環状部５Ａ、５Ｂに設けられた突出部５１Ａ、５１Ｂが集磁部７２に対し平行状態が保たれなくなるが、集磁部７２側の突出部５１Ａ、５１Ｂに対する対向面積が大きいので、集磁部７２を挟む突出部５１Ａ、５１Ｂ間の磁束は、集磁部７２によって集められ、磁気センサ９により検出される。

以上のように実施の形態３によれば、磁気ヨーク５の環状部５Ａ、５Ｂに設けられた突出部５１Ａ、５１Ｂ間に、突出部５１Ａ、５１Ｂよりも対向面積の大きい集磁部７２を磁気センサ９と共に配置したので、磁気ヨーク５の振れ回りに左右されることなく、トルクの変化に応じた磁束を検出することができ、このため、トルクセンサの検出精度が向上するという効果がある。

なお、前記の実施の形態３では、Ｌ字状の集磁部７２を突出部５１Ａ側に配置したが、その集磁部７２を突出部５１Ｂ側に配置してもよい。また、集磁部７２と磁気センサ９を磁気ヨーク５の軸方向に配置したが、集磁部７２と磁気センサ９を突出部５１Ａ、５１Ｂの周方向に、かつその間の中心に配置してもよい。また、磁気センサ９を環状部５Ａ、５Ｂの突出部５１Ａ、５１Ｂ間の中心に配置し、その磁気センサ９と突出部５１Ａとの間、或いは突出部５１Ｂとの間に、Ｌ字状の集磁部７２を挿入して、トーションバー３の捻れに応じて生じる磁気ヨーク５の環状部５Ａ、５Ｂ間の磁束を検出するようにしてもよい。

また、前述した各実施の形態では、磁気センサ９にホール素子を用いたことを述べたが、これに代えて、ホールＩＣ、磁気抵抗素子の何れでもよい。また、集磁部７、７１、７２の材料としてパーマロイを使用したことを述べたが、これに代えてフェライトでもよい。

本発明の実施の形態１に係るトルクセンサを示す軸方向半分断面表示の側面図である。 本発明の実施の形態２に係るトルクセンサを示す軸方向半分断面表示の側面図である。 本発明の実施の形態３に係るトルクセンサを示す軸方向半分断面表示の側面図である。

符号の説明

１ 入力軸、２ 出力軸、３ トーションバー、４ 磁石、５ 磁気ヨーク、
５Ａ，５Ｂ 環状部、５ａ，５ｂ 磁極爪、５１Ａ，５１Ｂ 突出部、６ 固定部、
７，７１，７２ 集磁部、８ 保持部、９ 磁気センサ、１０ 基板。

Claims (3)

1. 第１軸及び第２軸を同軸上に連結し、その両軸間に加わるトルクを捩れ変位に変換するトーションバーと、
   第１軸の端部に固定され、軸方向に前記トーションバーが挿通された磁石と、
   第２軸の端部に固定され、前記磁石の外周に軸方向に互いに対向する環状部を有する磁気ヨークと、
   軸方向の上下面が前記磁気ヨークの各環状部と対向するように該環状部の間に配置され、前記トーションバーの捻れ変位に応じてその環状部の間に生じる前記磁石からの磁束を集める集磁部と、
   前記集磁部の上下面の何れか一方の面に取り付けられ、該集磁部を介して磁束を検出する磁気センサと
   を備え、
   前記集磁部は、前記環状部の径方向の幅よりも短く設定されていることを特徴とするトルクセンサ。
2. 第１軸及び第２軸を同軸上に連結し、その両軸間に加わるトルクを捩れ変位に変換するトーションバーと、
   第１軸の端部に固定され、軸方向に前記トーションバーが挿通された磁石と、
   第２軸の端部に固定され、前記磁石の外周に軸方向に互いに対向する環状部を有する磁気ヨークと、
   前記磁気ヨークの各環状部の外周縁に、互いに接近して対向するように形成された突出部と、
   軸方向の上下面が前記環状部の突出部と対向するように該突出部の間に配置され、前記トーションバーの捻れ変位に応じてその突出部の間に生じる前記磁石からの磁束を集める集磁部と、
   前記集磁部の上下面の何れか一方の面に取り付けられ、該集磁部を介して磁束を検出する磁気センサと
   を備え、
   前記集磁部は、前記突出部の径方向の幅よりも長く設定されていることを特徴とするトルクセンサ。
3. 前記磁気センサは、前記集磁部の上下面の何れか一方の面に代えて、前記集磁部の両側面の何れか一方の面に取り付けられていることを特徴とする請求項１又は２記載のトルクセンサ。

Images