JP5050509B2

JP5050509B2 - 電動パワーステアリング装置

Info

Publication number: JP5050509B2
Application number: JP2006324375A
Authority: JP
Inventors: 浩一佐藤; 雄一五代
Original assignee: NSK Ltd
Current assignee: NSK Ltd
Priority date: 2006-11-30
Filing date: 2006-11-30
Publication date: 2012-10-17
Anticipated expiration: 2026-11-30
Also published as: JP2008139113A

Description

本発明は、円周方向に磁気量が変化する磁気量可変部を有し、ハウジングに回転自在に支持されたシャフトと、該シャフトの磁気量可変部の磁気量変化を電気量変化として検出する励磁コイルを内装し、前記ハウジングに固定された一対の磁気ヨーク部と、該磁気ヨーク部の励磁コイルを駆動してトルクを検出するトルク検出部とを備えた電動パワーステアリング装置用トルクセンサに関する。

この種の電動パワーステアリング装置用トルクセンサとしては、例えば本出願人が先に提案した特許文献１に記載されたものが知られている。
この従来例は、ハウジングに、ステアリング系に発生するトルクに応じて状態が変化するセンサ部を収容するセンサ部収容空間とセンサ部の出力を受けて所定の処理を実行する回路部が搭載された基板を収容する基板収容空間とが形成され、センサ部のコイルユニットにおける各コイルの端部が、基板収容区間側に引き出され、基板の所定位置（スルーホール）に差し込まれて半田付けされた構成を有する。
特開２００１−１０８５４２号公報（段落番号「００１４」，「００１５」、図２）

しかしながら、上記特許文献１に記載の従来例にあっては、センサ部のコイルユニットにおける各コイルの端部即ち端子は４本あり、特許文献１の図２から明らかなようにコイルユニットの軸直角方向から見て２列に配置され、これら４本の端子がセンサ部の出力を受けて所定の処理を実行する回路部が搭載された基板に形成されたスルーホールに差し込まれて半田付けされるので、回路基板を配置する自由度が端子に対して直角方向即ちハウジングの軸方向に配置する場合に限定されてしまい、ハウジングの軸方向距離を短縮したいという要求に答えることができないという未解決の課題がある。

そこで、本発明は、上記従来例の未解決の課題に着目してなされたものであり、回路基板を配置する自由度を向上させることができる電動パワーステアリング装置用トルクセンサを提供することを目的としている。

上記目的を達成するために、請求項１に係る電動パワーステアリング装置用トルクセンサは、円周方向に磁気量が変化する磁気量可変部を有し、ハウジングに回転自在に支持されたシャフトと、該シャフトの磁気量可変部の磁気量変化を電気量変化として検出する励磁コイルを内装し、前記ハウジングに固定された一対の磁気ヨーク部と、該磁気ヨーク部の励磁コイルを駆動してトルクを検出するトルク検出部とを備えた電動パワーステアリング装置用トルクセンサであって、前記一対の磁気ヨーク部は、同一形状及び同一寸法のユニット構成とされ、軸方向から見て前記励磁コイルの中心線を通る線に対して前記トルク検出部を実装した回路基板と電気的に接続する端子を突出させた端子支持部が偏倚した位置に形成され、一方の裏面に他方の裏面を対面させたときに、両端子が軸直角方向から見て重なるように直線上に配置し、前記回路基板を軸方向と直交する垂直面に設置したことを特徴としている。

また、請求項２に係る電動パワーステアリング装置用トルクセンサは、請求項１に係る発明において、前記一対の磁気ヨーク部の端子は、前記回路基板の接続ランド部表面に接触された状態で電気的に接続されていることを特徴としている。

さらに、請求項３に係る電動パワーステアリング装置用トルクセンサは、請求項１に係る発明において、前記一対の磁気ヨーク部の端子は、クリップ端子で構成され、該クリップ端子を、前記回路基板に形成した接続ランド部を挟持するように装着してから当該クリップ端子と接続ランド部とを電気的に接続したことを特徴としている。
なおさらに、請求項４に係る電動パワーステアリング装置用トルクセンサは、請求項１に係る発明において、前記磁気ヨーク部の端子は、所定形状にフォーミングされ、フォーミングされた端子を半田付け又はヒュージングによって前記回路基板のランド部に電気的に接続したことを特徴としている。

本発明によれば、一対の磁気ヨーク部は、同一形状及び同一寸法のユニット構成とされ、軸方向から見て前記励磁コイルの中心線を通る線に対して前記トルク検出部を実装した回路基板と電気的に接続する端子を偏倚した位置に形成したので、一対の磁気ヨーク部同士を逆向きとして対面させたときに、端子を一列に整列させることが可能となり、トルク検出部を実装した回路基板を軸方向及び軸直角方向の何れの方向にも配置することが可能となって、回路基板の配置自由度を向上させることができるという効果が得られる。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１は、トルクセンサを含む電動パワーステアリング装置の主要部の構成を示す断面図、図２はそのトルクセンサの構成を示す斜視図である。
これら図１及び図２において、１はハウジングであり、入力側半体１ａと出力側半体１ｂとに２分割されて構成されている。ハウジング１の内部には、シャフトとしての入力軸２と、この入力軸２にトーションバー３を介して連結された出力軸４とが軸受５ａ、５ｂ及び５ｃによって回転自在に支持されている。

入力軸２、トーションバー３及び出力軸４は、同軸に配置されており、入力軸２とトーションバー３とはスプライン結合され、トーションバー３と出力軸４ともスプライン結合されている。また、図１において入力軸２のトーションバー３とは反対側の端部が図示しないステアリングホイールに連結され、出力軸４のトーションバー３とは反対側にピニオン軸６が一体的に形成されており、ピニオン軸６はラック７と噛合してラックアンドピニオン式ステアリング機構を構成している。

また、出力軸４のトーションバー３側には、これと同軸でかつ一体に回転するウォームホイール８が固定されており、このウォームホイール８に電動モータ９によって駆動されるウォーム１０が噛合している。ウォームホイール８は金属製のハブ８ａに合成樹脂製の歯部８ｂが一定に固定されている。
電動モータ９の回転力は、ウォーム１０及びウォームホイール８を介して出力軸４に伝達され、電動モータ９の回転方向を適宜切り換えることにより、出力軸４に任意の方向の操舵補助トルクが付与される。

次に、図１及び図２を参照して、トルクセンサ１１の構成を説明する。トルクセンサ１１は、図１で入力軸２の出力軸４側に形成された磁性材料製の磁気量可変部としてのセンサシャフト部１２と、ハウジング１の入力側半体１ａの内側に配置された検出コイル１３及び１４を内装する一対の磁気ヨーク部１５及び１６とから構成されている。
センサシャフト部１２には、図２に示すように、外周面に軸方向に延びた比較的狭い幅の複数例えば９個の凸条１２ａが円周方向に等間隔で突出形成されている。また、センサシャフト部１２の外側には、センサシャフト部１２に接近して導電性で且つ非磁性の材料
、例えばアルミニウムで構成された円筒部材１７がセンサシャフト部１２と同軸に配置されており、円筒部材１７の延長部１７ｅは出力軸４の端部４ｅの外側に固定されている。

この円筒部材１７には、前述したセンサシャフト部１２の表面に形成された凸条１２ａに対向する位置に、円周方向に等間隔に配置された複数個例えば９個の長方形の窓１７ａからなる第１の窓列と、この第１の窓列から軸方向にずれた位置に、前記窓１７ａと同一形状で、円周方向の位相が異なる複数個例えば９個の長方形の窓１７ｂからなる第２の窓列とが形成されている。

円筒部材１７の外周は、同一規格の検出コイル１３及び１４が巻回された磁気ヨーク部１５及び１６で包囲されている。すなわち、検出コイル１３及び１４は円筒部材１７と同軸に配置され、検出コイル１３は窓１７ａからなる第１の窓列部分を包囲し、検出コイル１４は窓１７ｂからなる第２の窓列部分を包囲する。
磁気ヨーク部１５及び１６の夫々は、図２、図３（ａ）及び（ｂ）に示すように、内周面に検出コイル１３及び１４を収容する溝部１８を形成して断面凹状に形成された円環状部１９と、この円環状部１９の外周面の一部から突出する端子支持部２０と、この端子支持部２０から突出された検出コイル１３（又は１４）の両端から導出される２本の棒状端子で構成される端子２１ａ，２１ｂとを備えた互いに同一形状及び同一寸法のヨークユニット２２で構成されている。

ここで、端子支持部２０は、円環状部１９の幅ｗ１より僅かに短い幅ｗ２を有し、円環状部１９の厚みｔ１より薄い厚みｔ２を有する略直方体状に形成され、幅方向の中央位置が円環状部１９の裏面に一致し、軸方向即ち正面から見て図３（ａ）に示すように右端面２０ａが円環状部１９の中心点Ｏを通る垂直線ＶＬに対して所定距離ΔＬだけ左方に偏倚した位置とされ、且つ上端面２０ｂが垂直線ＶＬと円環状部１９の外周面との交点における接線ＴＬと平行で且つこの接線ＴＬより所定距離ΔＴだけ上方に離間した位置となるように円環状部１９に突出形成されている。また、端子支持部２０の上端面２０ｂから前記端子２１ａ，２１ｂが垂直線ＶＬと平行な端子支持部中心線ＶＬ２を挟む対称位置に図３（ｂ）に示すように軸直角方向の側面から見て重なってその中心線が円環状部１９の裏面を含む面上に位置するように突出されている。

そして、２つのヨークユニット２２を、図４（ａ）及び（ｂ）に示すように、一方のヨークユニットをその正面を向けて配置した状態でその裏面側に他方をその裏面を対面させて配置することにより、磁気ヨーク部１５及び１６が形成され、これら磁気ヨーク部１５及び１６の互いの端子２１ａ及び２１ｂが軸直角方向即ち図４（ｂ）に示す側面から見て４本の端子が重なる状態となる。

このように、磁気ヨーク部１５及び１６を構成した状態で、ハウジング１に端子２１ａ，２１ｂを垂直方向に向けて固定される。このように、磁気ヨーク部１５及び１６を配置することにより、端子２１ａ，２１ｂが図１で紙面と直交する方向に一直線に整列することになる。
一方、ハウジング１に、図１に示すように、磁気ヨーク部１５及び１６の端子２１ａ，２１ｂと対向する位置に基板収容空間３０を形成し、この基板収容空間３０に磁気ヨーク部１５及び１６に収容された検出コイル１３及び１４に通電してトルクを検出するトルク検出部としてのトルク検出回路３１を実装した回路基板３２を軸方向と直交する垂直面に設置する。

このように回路基板３２を配置することにより、図７（ａ）及び（ｂ）に示すように、回路基板３２の接続ランド部３３ａ〜３３ｄに磁気ヨーク部１５及び１６の端子２１ａ，２１ｂを個別に接触させる状態とすることができ、この状態で、磁気ヨーク部１５及び１６の端子２１ａ，２１ｂと接続ランド部３３ａ〜３３ｄとを半田付けして、両者を電気的に接続する。

そして、回路基板３２には、少なくともトルク検出回路３１から出力されるトルク検出値に基づいて操舵系に付加された操舵トルクに応じた操舵補助力を電動モータ９で発生させる操舵補助電流指令値を演算する演算処理装置３４と、この演算処理装置３４から出力される操舵補助電流指令値に基づいて電動モータ９を駆動するモータ駆動回路３５とが実装されている。

次に、上記実施形態の動作を説明する。
先ず、磁気ヨーク部１５及び１６を構成するには、前述した図４に示すように、同一形状で同一寸法のヨークユニット２２を互いに逆向きに重ね併せることにより、図４（ｂ）に示すように、入力軸２の軸方向と直交する側面方向から見たときに、各ヨークユニット２２の端子２１ａ及び２１ｂが一直線上に整列する状態となる磁気ヨーク部１５及び１６を形成することができる。

この状態で、基板収容空間３０にトルク検出回路３１、演算処理装置３４及びモータ駆動回路３５を実装した回路基板３２を入力軸２の軸方向と直交する面内に配置することにより、図５（ａ）及び（ｂ）に示すように、回路基板３２の下端側に形成した４つの接続ランド部３３ａ〜３３ｄと磁気ヨーク部１５及び１６の端子２１ａ，２１ｂとを接触させることができ、この状態で接続ランド部３３ａ〜３３ｄと磁気ヨーク部１５及び１６の端子２１ａ，２１ｂとを半田付けすることにより、両者を電気的に接続することができる。

そして、今、ステアリングホイールを操舵していない操舵トルクが零である状態では、トーションバー３に捩れが発生することはなく、入力軸２と出力軸４とが相対回転しない状態を維持している。この状態では、入力軸２の側にあるセンサシャフト部１２の表面の凸条１２ａと、出力軸４の側にある円筒部材１７との間にも相対回転は生じない。
一方、ステアリングホイールを操作して入力軸２に回転力が加わると、その回転力はトーションバー３を経て出力軸４に伝達される。このとき、出力軸４には転舵輪と路面との摩擦力や出力軸４に結合されているステアリング機構のギヤの噛み合い等の摩擦力が作用するから、入力軸２と出力軸４との間を結合するトーションバー３に捩れが発生し、入力軸２の側にあるセンサシャフト部１２の表面の凸条１２ａと出力軸４との間に相対回転が生じる。

このとき、円筒部材１７に窓１７ａ及び１７ｂが形成されているので、検出コイル１３及び１４に交流電流を流して交番磁界を発生させると、円筒部材１７の外周面に発生した渦電流は、窓１７ａ及び１７ｂの端面に沿って円筒部材１７の内周面側に回り込み、内周面をコイル電流と同方向に流れ、また隣の窓１７ａ及び１７ｂの端面に沿って円筒部材１７の内周面側に回り込み、内周面をコイル電流と同方向に流れ、また、隣の窓１７ａ及び１７ｂの端面に沿って外周面側に戻り、ループを形成する。つまり、検出コイル１３及び１4の内側に渦電流のループを、円周方向に周期的に配置した状態が発生する。

ここで、コイル電流による磁界と渦電流による磁界とは重畳され、円筒部材１７の内外には、円周方向に周期的に強弱変化する磁界と、中心に向かう程小さくなる半径方向に勾配を持った磁界が形成される。円周方向の周期的な磁界の強弱は、隣り合う渦電流の影響を受ける窓１７ａ及び１７ｃの中心で強く、そこからずれるに従い弱くなる。
円筒部材１７の内側には、磁性材料からなるセンサシャフト部１２が同軸に配置されており、その凸条１２ａは、窓１７ａ及び１７ｂと同じ周期で配置されている。

磁界中におかれた磁性体は磁化して磁束を生ずるが、磁束の量は飽和するまでは磁界の
強さに応じて大きくなる。このため、円筒部材１７により円周方向の周期的な磁界の強弱と中心に向かうほど小さくなる半径方向に勾配を持った磁界とにより、センサシャフト部１２に発生する磁束は、円筒部材１７とセンサシャフト部１２との相対的な位相により増減する。

磁束が最大となる位相は、円筒部材１７の窓１７ａ及び１７ｂの中心とセンサシャフト部１２の凸条１２ａの中心とが一致した状態で、磁束の増減に応じて検出コイル１３及び１４のインダクタンスも増減し、略正弦波状に変化する。
トルクが作用しない状態では、インダクタンスが最大となる位相（窓１７ａ及び１７ｂと凸条１２ａの中心とが一致している位相）に対して、センサシャフト部１２の凸条１２ａの中心は３６０°／（凸部の数×４）という角度だけずれた位置に設定すると、トルクが作用してトーションバー３が捩れ、センサシャフト部１２と円筒部材１７との間に位相さが生じると、２つの検出コイル１３及び１４のインダクタンスは、図５に示すように一方が増加し他方が減少する。

このため、時計方向の操舵トルク発生時は、円筒部材１７が時計方向に回転するから、図５に示すように、トルクが増大するにつれて検出コイル１３のインダクタンスＬ１３は増加し、検出コイル１４のインダクタンスＬ１４は減少する。
また、反時計方向の操舵トルク発生時は、円筒部材１７が反時計方向に回転するから、図５に示すように、トルクが増大するにつれて検出コイル１３のインダクタンスＬ１３は減少し、検出コイル１４のインダクタンスＬ１４は増加する。

そして、図６に示すように、抵抗Ｒ１と検出コイル１３とを直列に接続すると共に、抵抗Ｒ２と検出コイル１４とを直列に接続して、両者を並列に接続してブリッジ回路を構成することにより、抵抗Ｒ１及びＲ２の接続点を交流電源３６に、検出コイル１３及び１４の接続点を接地することにより、抵抗Ｒ１及び検出コイル１３の接続点と抵抗Ｒ１及び検出コイル１４の接続点から検出コイル１３及び１４の両端に表れる電圧信号を検出し、この電圧信号を信号処理部３７で増幅して平滑化することにより、操舵トルク信号を得ることができる。

このように、上記実施形態によると、磁気ヨーク部１５及び１６の端子２１ａ，２１ｂを軸方向と直交する方向から見て１直線上に整列させることができるので、図１に示すように、回路基板３２を軸方向と直交する面内に配置することができ、この回路基板３２の前方側即ちハウジング１の入力側半体１ａの出力側半体１ｂとは反対側に空間部を形成することができ、この空間部に隣接する機器や車体側部材を配置することができる。

しかも、磁気ヨーク部１５及び１６の端子２１ａ，２１ｂが上方に突出しているので、前述した従来例のように回路基板３２をハウジング１の中心軸線と平行に配置する場合でも回路基板３２の各端子２１ａ，２１ｂと対向する位置にスルーホールを形成して、このスルーホールに各端子２１ａ，２１ｂを挿通することにより、従来例と同様に回路基板３２を配置することができ、回路基板３２の配置自由度を向上させることができる。

しかも、磁気ヨーク部１５及び１６は同一形状、同一寸法のヨークユニット２２を逆向きに組み合わせるだけで構成することができるので、磁気ヨーク部１５及び１６を個別に形成する場合に比較して異種類の部品点数を削減することができる。
なお、上記実施形態においては、磁気ヨーク部１５及び１６の端子２１ａ及び２１ｂを側面から見て一直線上に整列させた場合について説明したが、これに限定されるものではなく、端子２１ａ及び２１ｂを軸方向に回路基板３２の厚み分ずらして配置するようにしてもよく、この場合には端子２１ａ及び２１ｂで回路基板３２を挟持することができ、回路基板３２を基板収容空間３０に装着する際に仮止めすることができる。この場合、回路
基板３２の接続ランド部３３ａ〜３３ｄも端子２１ａ及び２１ｂに合わせて回路基板３２の表裏に形成する。

また、上記実施形態においては、磁気ヨーク部１５及び１６の端子２１ａ及び２１ｂを棒状端子で構成した場合について説明したが、これに限定されるものではなく、図８に示すように、回路基板３２の下端側を挟持可能なクリップ端子４１ａ，４１ｂとすることにより、これらクリップ端子４１ａ，４１ｂで回路基板３２を挟持することができるので、基板収容空間３０に回路基板３２を装着する場合にクリップ端子４１ａ，４１ｂで仮止めすることができ、回路基板３２の装着を容易に行うことができると共に、クリップ端子４１ａ，４１ｂと接続ランド部３３ａ〜３３ｄとの半田付けを容易に行うことができる。

また、図９に示すように、予め所定形状にフォーミングされた端子５１ａ，５１ｂを適用し、これら端子５１ａ，５１ｂの先端と回路基板３２の接続ランド部３３ａ〜３３ｄとを接触させた状態で半田付け又は端子５１ａ，５１ｂに通電して抵抗発熱させた状態で加熱圧接するヒュージング（熱カシメ）によって電気的に接続するようにしてもよい。
さらに、磁気ヨーク部１５及び１６の端子と回路基板３２の接続ランド部３３ａ〜３３ｄとの電気的接続は半田付けやヒュージングに限定されるものではなく、ロー付けやスポット溶接、圧着端子などの種々の電気的な結合方法を適用することができる。

本発明を電動パワーステアリング装置に適用した場合一実施形態を示す断面図である。電動パワーステアリング装置用トルクセンサの要部を示す斜視図である。トルクセンサの磁気ヨーク部を構成するヨークユニットを示す図であって、（ａ）は正面図、（ｂ）は側面図である。ヨークユニットで磁気ヨーク部を構成した図であって、（ａ）は正面図、（ｂ）は側面図である。トルクセンサのトルクの大きさと２つの検出コイルのインダクタンス変化とを説明する図である。トルク検出回路を示す回路図である。磁気ヨーク部と回路基板との接続状態を示す図であって、（ａ）は正面図、（ｂ）は側面図である。本発明の磁気ヨーク部の端子の他の例を示す図であって、（ａ）は正面図、（ｂ）は側面図である。本発明の磁気ヨーク部の端子のさらに他の例を示す図であって、（ａ）は正面図、（ｂ）は側面図である。

符号の説明

１…ハウジング、１ａ…入力側半体、１ｂ…出力側半体、２…入力軸、３…トーションバー、４…出力軸、６…ピニオン軸、７…ラック、８…ウォームホイール、９…電動モータ、１０…ウォーム、１１…トルクセンサ、１２…センサシャフト部、１３，１４…検出コイル、１５，１６…磁気ヨーク部、１７…円筒部材、２０…端子支持部、２１ａ，２１ｂ…端子、２２…ヨークユニット、３０…基板収容空間、３１…トルク検出回路、３２…回路基板、３３ａ〜３３ｄ…接続ランド部、４１ａ，４１ｂ…クリップ端子、５１ａ，５１ｂ…端子

Claims

円周方向に磁気量が変化する磁気量可変部を有し、ハウジングに回転自在に支持されたシャフトと、該シャフトの磁気量可変部の磁気量変化を電気量変化として検出する励磁コイルを内装し、前記ハウジングに固定された一対の磁気ヨーク部と、該磁気ヨーク部の励磁コイルを駆動してトルクを検出するトルク検出部とを備えた電動パワーステアリング装置用トルクセンサであって、
前記一対の磁気ヨーク部は、同一形状及び同一寸法のユニット構成とされ、軸方向から見て前記励磁コイルの中心線を通る線に対して前記トルク検出部を実装した回路基板と電気的に接続する端子を突出させた端子支持部が偏倚した位置に形成され、一方の裏面に他方の裏面を対面させたときに、両端子が軸直角方向から見て重なるように直線上に配置し、
前記回路基板を軸方向と直交する垂直面に設置した
ことを特徴とする電動パワーステアリング装置用トルクセンサ。
前記一対の磁気ヨーク部の端子は、前記回路基板の接続ランド部表面に接触された状態で電気的に接続されていることを特徴とする請求項１に記載の電動パワーステアリング装置用トルクセンサ。
前記一対の磁気ヨーク部の端子は、クリップ端子で構成され、該クリップ端子を、前記回路基板に形成した接続ランド部を挟持するように装着してから当該クリップ端子と接続ランド部とを電気的に接続したことを特徴とする請求項１に記載の電動パワーステアリング装置用トルクセンサ。
前記磁気ヨーク部の端子は、所定形状にフォーミングされ、フォーミングされた端子を半田付け又はヒュージングによって前記回路基板のランド部に電気的に接続したことを特徴とする請求項１に記載の電動パワーステアリング装置用トルクセンサ。