JP5050385B2 - トルク検出装置 - Google Patents

Description

本発明は、回転角検出部を備えるトルク検出装置に関する。

ステアリングホイールの回転操作に応じて操舵補助用のモータを駆動し、該モータの回転力を舵取機構に伝えて操舵を補助する電動パワーステアリング装置においては、操舵補助用のモータの駆動制御に用いるべくステアリングホイールに加えられる操舵トルクを検出する必要があり、この検出のために従来から、ステアリングホイールと舵取機構とを連結するステアリング軸（回転軸）の中途に構成されたトルク検出装置が用いられている。

トルク検出装置は、回転トルクの作用により回転軸に生じる捩れを、該回転軸を支持するハウジングに固定された捩れ検出手段により検出し、回転トルクを求める構成としてある。そして回転軸の捩れの検出を容易にするためにトルク検出装置は、一般的に、検出対象となる回転軸を同軸上に連結された第１軸と第２軸とに分割し、これらの２軸をトーションバーにより同軸上に連結して、回転軸に回転トルクが加えられたとき、この回転トルクの作用により第１，第２軸間に相対角変位が生じるようにし、この相対角変位を検出することにより前記回転トルクを精度良く求めるようにしてある。

第１，第２軸間の相対角変位の検出手段は、従来から種々の手段が提案されており、そのうちの一つとして、第１軸及び第２軸のいずれか一方と一体回転する円筒磁石と、他方と一体回転するヨークリングとを備え、この円筒磁石とヨークリングとの間の磁気回路の変化を利用して前記相対角変位を検出するように構成されたトルク検出装置がある（例えば、特許文献１参照）。

このトルク検出装置は、磁気回路の変化を検出するために、ヨークリング内に生じた磁束を集める集磁リングと、集められた磁束の密度を検出すべく集磁リング間に配設された磁気センサとを用い、これらの集磁リング及び磁気センサをモールド樹脂により一体化して回転軸を支持するハウジングに固定し、ヨークリングの外周面と僅かなエアギャップを隔てて対向させるように構成されている。
特開２００５−９８８２１号公報

以上のようなトルク検出装置が用いられる電動パワーステアリング装置においては、操舵トルクと共にステアリングホイールの操作に伴って変化する操舵用の車輪の向き（以下、舵角という）を、車両の各種の制御に用いるべく検出することが要求され、トルク検出装置と共に回転角検出装置も設けられる場合がある。トルク検出装置と回転角検出装置とを備える電動パワーステアリング装置においては、これらの軸長方向の設置スペースが大きくなり、例えば、二次衝突時の衝撃エネルギを吸収するために略一定の摺動抵抗下にて生じさせる操舵軸の短縮ストロークを確保することが難しくなるという問題がある。

またトルク検出装置と回転角検出装置とを備える電動パワーステアリング装置においては、部品点数が多く、高価であるという問題もある。

本発明は斯かる事情に鑑みてなされたものであり、回転角検出部を備えることにより軸長方向の長さを可及的に短縮しながらトルクと共に回転角度を検出することができ、また部品点数を削減でき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、回転トルクの作用により回転軸に生じる捩れを、該回転軸を支持するハウジングに保持筒を介して固定された捩れ検出手段により検出し、該捩れ検出手段の検出結果に基づいて前記回転トルクを求めるトルク検出装置において、前記回転軸と同軸に設けた内歯車に噛合する外歯車と、該外歯車の回転角度を検出する角度検出手段とを、前記保持筒の一部を径方向外向きに延長して設けた延設部に取付け、該延設部近傍の前記保持筒の外周面に固定された回路基板に前記角度検出手段を接続し、前記回路基板を経て取り出される前記角度検出手段の検出結果に基づいて前記回転軸の回転角度を求める回転角検出部を備えることを特徴とする。

第２発明に係るトルク検出装置は、前記延設部が、前記捩れ検出手段の近傍に設けてあり、前記回路基板が、前記捩れ検出手段の検出信号を処理する回路基板を共有するように構成してあることを特徴とする。

第１発明によれば、外歯車と、該外歯車の回転角度を検出する角度検出手段とをトルク検出装置の保持筒の一部を径方向外向きに延長して設けた延設部に取付け、回転軸と同軸に設けた内歯車に前記外歯車を噛合させて回転角検出部を構成してあるから、トルク検出装置の保持筒を外歯車及び角度検出手段の保持部材として共有化し、回転角検出部の並設に必要なスペースを削減することができ、また部品点数を削減することができる。

第２発明によれば、トルク検出装置の捩れ検出手段と回転角検出部の角度検出手段とが回路基板を共有するから、回転角検出部の並設に必要なスペース及び部品点数を更に削減することができる。

以下、本発明をその実施の形態を示す図面に基づいて詳述する。図１は、本発明に係るトルク検出装置の組立て状態を示す要部の縦断面図であり、図２は、本発明に係るトルク検出装置の要部の分解斜視図である。

本発明に係るトルク検出装置は、検出対象となる回転軸１をトーションバー１０を介して同軸上に連結された第１軸１ａと第２軸１ｂに分割し、第１軸１ａと一体回転する円筒磁石２と、第２軸１ｂと一体回転する２個一組のヨークリング３，３とを備え、ヨークリング３，３の外側を各別に囲繞するように配置され、夫々のヨークリング３，３内に生じる磁束を集める集磁リング４，４と、これらの集磁リング４，４間に配設された磁気センサ５，５とを備えて構成されている。

円筒磁石２は、図２に示すように、Ｎ極及びＳ極が周方向に交互に並設された多極磁石として構成されており、端面及び内面をモールド樹脂により覆い、図１に示すように該モールド樹脂を介して第１軸１ａに同軸的に固定されている。

ヨークリング３，３は、図２に示すように、円環状をなすヨーク本体３０，３０の内面に、軸長方向に延びる三角形をなす複数の磁極爪３１，３１…を夫々有しており、周方向に交互に磁極爪３１，３１…を並べた状態でモールド樹脂３２により一体化され、図１に示すようにモールド樹脂３２を一側に延長して形成されたボス部３３を介して第２軸１ｂに同軸的に固定されている。

以上のようなヨークリング３，３は、図１に示すように、内面が円筒磁石２の外周面と僅かなエアギャップを隔てて対向し、ヨークリング３，３の磁極爪３１，３１…が円筒磁石２の磁極の境界に夫々位置するように組み付けられている。この組み付け状態においては、ヨークリング３，３夫々のヨーク本体３０，３０内に生じる磁束が同一になる。

ヨークリング３，３の磁極爪３１，３１…と円筒磁石２の磁極の位置関係は、回転トルクの作用によるトーションバー１０の捩れに応じて、円筒磁石２が固定された第１軸１ａとヨークリング３，３が固定された第２軸１ｂとの間に生じる相対角変位に伴って変化する。この変化した位置関係に応じて、一方のヨークリング３の磁極爪３１，３１…と他方のヨークリング３の磁極爪３１，３１…には、夫々逆の極性を有する磁力線が増加し、夫々のヨーク本体３０，３０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、円筒磁石２とヨークリング３，３との間、即ち、第１軸１ａと第２軸１ｂ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。

このようなヨークリング３，３に発生する磁束を集める集磁リング４，４は、ヨーク本体３０，３０の外径よりも若干大きい内径を有する磁性材料製の円環であり、周方向に適長離隔した２箇所に、軸長方向に延び、先端部を径方向外向きに屈曲成形してなる集磁突起４０，４０を備えている。集磁リング４，４は、集磁突起４０，４０が互いに僅かなエアギャップを隔てて対向するように樹脂製の保持筒４１の内側に一体化されている。この保持筒４１は、集磁リング４，４の内周面がヨークリング３，３の外周面と近接対向するように図１に一部を示すハウジング８の内部に組み付けてある。

集磁リング４，４に設けられた集磁突起４０，４０の対向部間には、夫々磁気センサ５，５が配してある。この磁気センサ５，５は、電源回路、検出結果の信号を処理する信号処理回路等が形成された回路基板５０に各別のリードにより接続されており、回路基板５０と共に保持筒４１の一部に連設されたモールド樹脂４２に埋設されている。

以上の構成により集磁リング４，４には、ヨークリング３，３に発生する磁束が誘導され、この磁束は、集磁突起４０，４０の先端に集束され、夫々に対向する集磁突起４０，４０間のエアギャップに漏れ出す。磁気センサ５，５は、この漏れ出す磁束密度に対応する出力を発し、この出力は回路基板５０を経て図示しないコネクタにより外部に取り出される。

このように磁気センサ５，５により検出される磁束密度は、夫々の集磁リング４，４に対応するヨークリング３，３のヨーク本体３０，３０に生じる磁束によって変化し、ヨーク本体３０，３０に生じる磁束は、円筒磁石２に対するヨークリング３，３夫々の相対角変位、即ち第１軸１ａと第２軸１ｂとの相対角変位に応じて生じるから、磁気センサ５，５の出力は、第１軸１ａ及び第２軸１ｂに加えられる回転トルクの方向及び大きさに対応するものとなり、磁気センサ５の出力変化に基づいて、回転トルクを検出することができる。

以上のような本発明に係るトルク検出装置には、第１軸１ａの回転角度を検出する回転角検出部６が一体的に設けられている。図３は、図１のIII−III線による横断面図であり、回転角検出部６の概略構成を示している。回転角検出部６は、図３に示すように、第１軸１ａと一体回転する内歯車６０と、この内歯車６０と噛合する歯数の異なる２つの外歯車（第１外歯車６１及び第２外歯車６２）とを備え、この２つの外歯車６１，６２の回転角度に基づいて内歯車６０及び第１軸１ａの回転角度を複数回転に亘って検出するように以下のように構成されている。

内歯車６０は、図１に示すように、円筒磁石２よりも上位置にて第１軸１ａに嵌合固定されている。この内歯車６０の上部は、保持筒４１と取り外し可能に結合され、保持筒４１と一体となって回転角検出部６の筐体を構成する上蓋６７により覆ってある。

一方、第１外歯車６１及び第２外歯車６２は、トルク検出装置の保持筒４１を周壁の一箇所から外向きに延設した延設部４３の上端面に、第１軸１ａと平行な軸回りに回転可能に取付けてある。また延設部４３の上端面には、第１外歯車６１及び第２外歯車６２に夫々対面するように、磁気センサ６３，６４が固設してあり、第１外歯車６１及び第２外歯車６２には、磁気センサ６３，６４と僅かなエアギャップを隔てて対向するように、２極着磁の磁石６５，６６が夫々設けてある。

第１外歯車６１と第２外歯車６２とは、周方向に適長離隔した２箇所にて内歯車６０と夫々噛合している。第１外歯車６１と第２外歯車６２の歯数は、複数回転に亘る全検出範囲の回転角度よりも両者の最小公倍数が大きくなるように決められており、これにより第１外歯車６１と第２外歯車６２との回転角度の組み合わせは、全検出範囲内において一つのみ存在することとなる。

また磁気センサ６３，６４は、電源回路、検出結果の信号を処理する信号処理回路等が形成された回路基板６８に各別のリードにより接続されており、回路基板６８は、前記保持筒４１の外面に固定され、コネクタ６９に接続されている。

以上の構成により第１軸１ａの回転に伴う内歯車６０の回転が、この内歯車６０に噛合する第１外歯車６１及び第２外歯車６２に夫々伝達され、磁石６５，６６が夫々取付けてある両外歯車６１，６２は夫々回転する。磁気センサ６３，６４は、これら２つの磁石６５，６６の回転に伴い変化する磁界に対応する出力を夫々発し、この出力は回路基板６８を経てコネクタ６９により外部に取り出される。

このように磁気センサ６３，６４により検出される磁界の変化は、第１外歯車６１及び第２外歯車６２の夫々の回転角度に応じて生じるから、磁気センサ６３，６４の出力は、第１軸１ａの回転角度に対応するものとなり、両外歯車６１，６２の回転角度の検出結果を組み合わせることにより、複数回転に亘る第１軸１ａの回転角度を求めることができる。

このように本発明に係るトルク検出装置においては、ハウジング８に固定された樹脂製の保持筒４１に２つの外歯車６１，６２及び磁気センサ６３，６４を取付け、第１外歯車６１と第２外歯車６２を第１軸１ａに嵌合固定された内歯車６０に夫々噛合させて、回転角検出部６を構成してあるから、トルク検出装置の保持筒４１を２つの外歯車６１，６２及び磁気センサ６３，６４の保持部材として共有化することになり、設置に要する軸長方向の長さを短縮することができ、また部品点数を削減することができる。

図４は、本発明に係る他の実施の形態におけるトルク検出装置の組立て状態を示す要部の縦断面図である。内歯車６０は、円筒磁石２よりも上位置にて第１軸１ａに嵌合固定されている。

一方、第１外歯車６１及び第２外歯車６２は、トルク検出装置の保持筒４１の上端面に、第１軸１ａと平行な軸回りに回転可能に取付けてある。また保持筒４１の上端面には、第１外歯車６１及び第２外歯車６２に夫々対面するように、磁気センサ６３，６４が固設してあり、第１外歯車６１及び第２外歯車６２には、磁気センサ６３，６４と僅かなエアギャップを隔てて対向するように、２極着磁の磁石６５，６６が夫々設けてある。

第１外歯車６１及び第２外歯車６２は、周方向に適長離隔した２箇所にて内歯車６０と夫々噛合している。

磁気センサ６３，６４は、保持筒４１の一部に連設されたモールド樹脂４２に埋設されているトルク検出装置の回路基板５０に各別のリードにより接続されており、回路基板５０は、コネクタ５１に接続されている。

以上の構成により第１軸１ａの回転に伴う内歯車６０の回転が、この内歯車６０に噛合する第１外歯車６１及び第２外歯車６２に夫々伝達され、磁石６５，６６が夫々取付けてある両外歯車６１，６２は、異なる回転速度で夫々回転する。磁気センサ６３，６４は、これら２つの磁石６５，６６の回転に伴い変化する磁界に対応する出力を夫々発し、この出力は回路基板５０を経てコネクタ５１により外部に取り出される。

その他の構成は、図１に示す実施の形態と同様であるため、対応する構成部材に図１と同一の参照符号を付して、その構成及び動作の詳細な説明を省略する。

このように図４に示すトルク検出装置においては、回路基板５０及びコネクタ５１をトルク検出装置の磁気センサ５，５と回転角検出部６の磁気センサ６３，６４とが共有するから、回路基板５０及びコネクタ５１を夫々１つに集約することにより、設置に要する軸長方向の長さを短縮することができ、また部品点数を削減することができる。

なお前述した実施の形態において、トルク検出装置は、第１軸１ａと一体回転する円筒磁石２と、第２軸１ｂと一体回転するヨークリング３，３とを備え、この円筒磁石２とヨークリング３，３との間の磁気回路の変化を利用して前記相対角変位を検出するように構成されているが、これに限定されないのは言うまでもない。トルク検出装置は、回転軸に加わる回転トルクに応じて生じる前記回転軸の捩れを、該回転軸を支持するハウジングに保持筒を介して固定された捩れ検出手段により検出するよう構成されていればよい。

なお以上の実施の形態においては、集磁リング４，４の保持筒４１を周壁の一箇所から外向きに延設した延設部４３の上端面に２つの外歯車６１，６２及び磁気センサ６３，６４を取付けてあるが、延設部４３の下端面に２つの外歯車６１，６２及び磁気センサ６３，６４を取付けて、この外歯車６１，６２、磁気センサ６３，６４、磁石６５，６６及び内歯車６０を備える回転角検出部６を、円筒磁石２、ヨークリング３，３、集磁リング４，４及び磁気センサ５，５を備えるトルク検出部よりも下位置に配するようにしてもよい。

また以上の実施の形態においては、磁石６５，６６を外歯車６１，６２に固定してあるが、例えば、外歯車６１，６２の回転軸を適宜に延長し、この延長端に設けた回転板に磁石６５，６６を固定して、これらの磁石６５，６６が外歯車６１，６２と一体回転するように構成してもよい。この場合、軸長方向寸法の短縮要求に応えながら、磁石６５，６６及び磁気センサ６３，６４をトルクセンサから離して配置することができ、トルク検出部との磁気的な相互干渉を排除して、回転トルク及び回転角度の安定した検出が可能となる。

また以上の実施の形態においては、内歯車６０を大径歯車とし、外歯車６１，６２を小径歯車としてあるが、これとは逆に、内歯車６０を小径歯車とし、外歯車６１，６２を大径歯車としてもよく、内歯車６０と外歯車６１，６２とは、前述したように、内歯車６０が複数回転に亘って回転する間に両外歯車６１，６２の回転角度の組み合わせが一通りのみ存在する歯数を定めてあればよい。

更に本発明に係るトルク検出装置は、回転軸に加わる回転トルクと共に回転軸の回転角度を検出することが要求される用途全般に適用可能であり、その他、特許請求の範囲に記載した事項の範囲内において種々変更した形態にて実施することが可能であることは言うまでもない。

以上のようなトルク検出装置は、電動パワーステアリング装置のステアリングホイールと舵取機構とを連結するステアリング軸（回転軸）の中途に介装され、ステアリングホイールに加えられる操舵トルクを検出するために用いることができる。電動パワーステアリング装置において、第１軸１ａの上端は、ステアリングホイールに連結され、第２軸１ｂの下端は、舵取機構に連結される。この結果ステアリングホイールに加わる操舵トルクは、第１軸１ａに作用し、前述したような第１軸１ａ及び第２軸１ｂ間の相対角変位を生じさせることとなる。二次衝突の衝撃エネルギを吸収するエネルギ吸収機構を備えるパワーステアリング装置において本発明に係るトルク検出装置を適用した場合、回転角検出装置とトルク検出装置の設置に要する軸長方向の長さを短縮することができるため、摺動抵抗下にて生じさせる操舵軸の短縮ストロークを十分確保することができる。

本発明に係るトルク検出装置の組立て状態を示す要部の縦断面図である。 本発明に係るトルク検出装置の要部の分解斜視図である。 図１のIII−III線による横断面図である。 本発明に係る他の実施の形態におけるトルク検出装置の組立て状態を示す要部の縦断面図である。

符号の説明

１ 回転軸、５ 磁気センサ（捩れ検出手段）、６ 回転角検出部、８ ハウジング、４１ 保持筒、５０，６８ 回路基板、５１，６９ コネクタ、６０ 内歯車、６１ 第１外歯車（外歯車）、６２ 第２外歯車（外歯車）６３，６４ 磁気センサ（角度検出手段）

Claims (2)

1. 回転トルクの作用により回転軸に生じる捩れを、該回転軸を支持するハウジングに保持筒を介して固定された捩れ検出手段により検出し、該捩れ検出手段の検出結果に基づいて前記回転トルクを求めるトルク検出装置において、
   前記回転軸と同軸に設けた内歯車に噛合する外歯車と、該外歯車の回転角度を検出する角度検出手段とを、前記保持筒の一部を径方向外向きに延長して設けた延設部に取付け、該延設部近傍の前記保持筒の外周面に固定された回路基板に前記角度検出手段を接続し、前記回路基板を経て取り出される前記角度検出手段の検出結果に基づいて前記回転軸の回転角度を求める回転角検出部を備えることを特徴とするトルク検出装置。
2. 前記延設部は、前記捩れ検出手段の近傍に設けてあり、前記回路基板は、前記捩れ検出手段の検出信号を処理する回路基板を共有するように構成してある請求項１記載のトルク検出装置。

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