JP5054320B2 - 磁歪式トルクセンサ - Google Patents
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Description
この磁歪式トルクセンサは、シャフトの表面に磁気異方性をもった磁歪膜(例えば、Ni−Fe系の合金膜)を被着している。そして、シャフトに外部からトルクが作用したときには、シャフトに生じる捩れに応じた磁歪膜の磁気特性(透磁率)の変化を磁気的に被接触で検出する構成となっている。
図6は、従来の電動パワーステアリング装置を示す模式図である。
図7は、従来の電動パワーステアリング装置における磁歪式トルクセンサの設置状態を示す要部断面図である。
ヨーク119,120およびシャフト114を形成している鉄合金と、磁歪膜117,118を形成する電磁鋼板と、センサ収容ケース111を形成しているアルミニウム合金等とを比較すると、アルミニウム合金の線膨張率が2倍近く大きい。
自動車の電動パワーステアリング装置101が使用される環境は、−40℃〜80℃であり、それ以上の過酷な温度の場合もある。
磁歪式トルクセンサ103は、この与圧によって、ヨーク119,120の磁気特性が変化し、コイル115,116に交番通電されて形成されるヨーク119,120と、磁歪膜117,118との間の磁束が変化し、出力が変化するという問題点がある。
磁歪式トルクセンサ103は、この隙間aにより、ヨーク119,120とセンサ収容ケース111との間の与圧量がなくなると共に、ヨーク119,120とセンサ収容ケース111との間にがたつきが発生してヨーク119,120と磁歪膜117,118との間の磁束が変化し、出力が変化するという問題点がある。
このため、温度変化によってハウジング等が熱膨張したとしても、常に、固定部の固定部テーパ面が付勢手段によってヨークのヨークテーパ面に圧接しているため、両者間の距離が一定となり、軸方向からの圧力が略一定にできる。したがって、ヨークの磁気特性を安定化できる。その結果、出力特性を安定化できる。また、がたつきも解消できる。その結果、ヨークと磁歪膜と間の相対位置変動によって磁束が変化することを解消できる。
その結果、温度や膨張によって磁歪式トルクセンサの出力が不安定になることを解消して、出力の安定化を図ることができる。
なお、本発明に係る磁歪式トルクセンサは、シャフトに作用する回転力によってシャフトが回転するトルクを検出するものであり、以下、本発明の実施形態の一例として、電動パワーステアリング装置における操舵トルクを検出する場合を例に挙げて説明する。
まず、本発明の実施形態に係る磁歪式トルクセンサを説明するのに先立って、磁歪式トルクセンサが搭載される車両の電動パワーステアリング装置について説明する。
また、磁歪式トルクセンサは、設置する方向によって上下左右の方向が変化するものであり、図面の上側を上方向として説明する。
図1は、本発明の実施形態に係る磁歪式トルクセンサを備えた電動パワーステアリング装置を示す模式図である。
図1に示すように、電動パワーステアリング装置11は、前記従来技術で説明した図6および図7に示す磁歪式トルクセンサ103を備えた電動パワーステアリング装置101と、磁歪式トルクセンサ1以外は同様な構成となっている。
すなわち、図1に示す電動パワーステアリング装置11は、ハンドル12から運転者によって入力される操舵トルクを検出する磁歪式トルクセンサ1と、運転者の操舵に対して補助操舵力を付与するモータ14と、このモータ14の回転トルクを増大させる減速装置15と、磁歪式トルクセンサ1および車速センサ16等からの検出信号に応じてモータ14を駆動制御するECU(Electrical Control Unit)17と、モータ14の回転をタイヤ18,18に伝えてタイヤ18の向きを変えるラック軸19およびピニオンギヤ41とを主に構成されている。
図2は、本発明の実施形態に係る磁歪式トルクセンサの設置状態を示す電動パワーステアリング装置の要部概略断面図である。
図2に示すように、磁歪式トルクセンサ1は、センサ収容ケース2に、軸受3によって回転自在に支持されたシャフト4と、このシャフト4に設けられた磁気特性変化部5と、この磁気特性変化部5の磁気特性変化を磁気特性変化部5と所定距離bをおいて対向して配置され、シャフト4に印加されたトルクを検出する検出部7と、を備えている。
以下、磁歪膜51,52、コイル71,72、およびヨーク73,74を備えた磁歪式トルクセンサ1の場合を例に挙げて、本発明の実施形態を説明する。
センサ収容ケース2は、磁歪式トルクセンサ1等を収納するためのケースであり、上側に配置されるアッパケース部21と、このアッパケース部21の下側に合致させてボルト締めされるロアケース部22とからなる。
センサ収納部21bは、上端部に軸孔21a、下端部に開口部21cを有する円筒状の空間を有してなる。このセンサ収納部21bには、開口部21c側から順番にヨーク73、保持部材8、ヨーク74、板ばね6が挿入されて、サークリップ9を開口部21c内に装着することによって、それらの部材が互いに弾接する状態に収納されている。
シャフト4は、図1に示すように、ハンドル12に自在継手13,13を介在して連結され、ハンドル12と共に回転する操舵軸である。このシャフト4は、図2に示すように、下端部にピニオンギヤ41が一体的に設けられ、ベアリング31,32を介在してセンサ収容ケース2に、上下方向に向けて回転自在に収納されている。このシャフト4のコイル71,72に対向する外周面には、磁気特性変化部5の磁歪膜51,52が2箇所に配設されている。シャフト4の上端部は、アッパケース部21の軸孔21aおよびリング状のシール材10を挿通してセンサ収容ケース2から突出した状態に設けられている。
図2に示すように、軸受3は、前記シャフト4を回動自在に軸支する部材であり、例えば、複数のベアリング31,32から構成されている。ベアリング31,32は、例えば、ボールベアリングまたはローラベアリングからなり、シャフト4の下端部や、ピニオンギヤ41の上側のシャフト4をそれぞれ軸支するようにロアケース部22内に装着されている。
磁気特性変化部5は、シャフト4に操舵トルクが印加されることによって発生する歪により磁歪膜51,52の磁気特性(透磁率)を変化させるものであり、シャフト4の外周面(外方面)に、軸方向に所定間隔(所定隙間c)を介して上下に複数配置された磁歪膜51,52によって構成されている。
磁歪膜51,52は、例えば、Fe−Ni系や、Fe−Cr系の合金膜等からなる磁歪材をメッキや蒸着によってシャフト4に一体的に固定されている。この磁歪膜51,52は、互いに逆方向の異方性をもった磁歪材からなる。
検出部7は、磁歪膜51,52の磁気特性を電気的に検出することによって、シャフト4の操舵トルクを検出するものである。この検出部7は、複数のコイル71,72と、このコイル71,72の周辺に設けられてそれぞれのコイル71,72を保持するヨーク73,74とを備えてなる。
この検出部7は、図1に示すように、磁歪特性の変化に合わせてコイル71,72が交番通電されて発信されるトルク検出電圧を検出する検出回路75,76を介してECU17に電気的に接続されている。
<コイルの構成>
図3に示すように、コイル71,72は、磁歪膜51,52に通電して、操舵トルク入力時に、磁歪膜51,52の磁歪特性である透磁率の変化を検出する検出用の励磁コイルからなる。このコイル71,72は、アッパケース部21の内周側に上下に離間して設けられ、操舵トルクを検出する検出手段である。コイル71,72は、ボビン(図示せず)に巻回されて各ヨーク73,74に内設され、磁歪膜51,52に所定間隔(所定距離b)を介してそれぞれ対向させて配置される。
図3に示すように、ヨーク73,74は、コイル71,72の外枠を構成する部材であり、断面が略コ字状の環状部材からなる。ヨーク73,74は、例えば、軟磁性の鋼板等からなる。このヨーク73,74には、上下の外周端部に、約45度に面取りするように形成されたヨークテーパ面73a,73b,74a,74bがそれぞれ形成されている。ヨーク73,74間のシャフト4の軸方向には、上下の外周端部に約45度の固定部テーパ面8a,8bを有する保持部材8が介在されて、所定隙間cがある。
なお、ヨークテーパ面73a,73b,74a,74bおよび固定部テーパ面8a,8bの角度は、45度に限定されるものではなく、適宜に変更可能であって、例えば、30度や60度等であってもよい。
このように、センサ収納部21b内に配設されたヨーク73,74は、下側のヨーク74の下側に配設された板ばね(付勢手段)6によって、軸方向(矢印A方向)に付勢されると共に、ヨーク73,74の外周端部に形成されたヨークテーパ面73b,74aと、ヨーク73,74をアッパケース部(ハウジング)21に保持させる保持部材(固定部)8に形成された固定部テーパ面8a,8bと、がそれぞれ当接し合うように設けられている。
図3に示すように、保持部材8は、上側のヨーク73と下側のヨーク74との間に介在されて、ヨーク73,74間を常に、所定間隔(所定隙間c)に保つように配設される部材である。この保持部材8は、例えば、断面が略直角三角形の環状部材からなり、内面上側と内面下側とに(軸方向の両端に)、ヨークテーパ面73b,74aに圧接する固定部テーパ面8a,8bが形成されている。
図3に示すように、板ばね6は、例えば、環状の波板ばねからなり、軸方向にばね性を備えたばね鋼等の金属から形成されている。この板ばね6は、ヨーク73,74を軸孔21aがある軸方向に付勢するためのばね部材であり、例えば、下側のヨーク74とサークリップ9との間に介在されている。このように配設された板ばね6は、センサ収納部21b内において、軸方向に直列的に配置されたヨーク73、保持部材8、およびヨーク74を上方向に押圧して、それぞれ隣設された部材同志が互いに圧接するように弾圧する状態に組み付けられている。
なお、板ばね6は、特許請求の範囲に記載の「付勢手段」に相当する。
サークリップ9は、板ばね6、ヨーク73,74、保持部材8がセンサ収納部21bから離脱するのを防止するための部材である。このサークリップ9は、センサ収納部21bに収納された板ばね6を圧縮させた状態で開口部21cの内壁に装着される。
次に、図1〜図3を参照して、磁歪式トルクセンサ1の作用を説明する。
図1に示すように、電動パワーステアリング装置11では、運転者がハンドル操作したときの操舵トルクを、磁歪式トルクセンサ1を用いて検出すると共に、ECU17により磁歪式トルクセンサ1からの検出信号、車速センサ16からの検出信号等に応じてモータ14を駆動制御し、このときのモータ14のトルクを、減速装置15により増大させると共にピニオンギヤ41、ラック軸19を介してタイヤ18,18に伝えている。
下側のヨーク74は、板ばね6によって矢印Aの上方向に押圧されることにより、上側のヨークテーパ面74aが保持部材8の下側の固定部テーパ面8bを矢印Cの斜め上方向に押圧する。このため、環状の下側のヨーク74は、環状の保持部材8の固定部テーパ面8bの反力(矢印Cの逆方向の力)によって、矢印D方向(シャフト4の軸心方向)に押されてシャフト4の回転中心側に寄せられる。その結果、下側のヨーク72は、シャフト4の表面に配設された磁歪膜52との間隔(所定距離b)が一定となり、がたつくことが解消される。
その結果、出力が安定化する。また、振動を受けても、磁歪式トルクセンサ1は、操舵トルクの検出精度が良好に保たれる。
例えば、低温時には、センサ収容ケース2がヨーク73,74の収縮の大きさに対して約2倍の大きさに収縮するが、板ばね6のばね力によって許容される。また、高温時には、センサ収容ケース2がヨーク73,74に対して膨張しても、板ばね6のばね力によって許容される。
次に、図4および図5を参照して、本発明の変形例を説明する。
なお、変形例において、図1〜図3に示した前記実施形態に係る磁歪式トルクセンサ1と同一機能を有する部材の説明は省略する。
図4は、本発明の実施形態に係る磁歪式トルクセンサの変形例を示す図であり、磁歪式トルクセンサの設置状態を示す電動パワーステアリング装置の要部概略断面図である。図5は、図4に示す磁歪式トルクセンサの要部拡大図である。
図2および図3に示す板ばね6は、センサ収納部21bに収納されたヨーク73,74を付勢して、がたつきや、ヨーク73,74と保持部材8との隙間や、保持部材8とセンサ収納部21bの内壁との隙間等を解消するための弾性材でればよい。例えば、板ばね6は、さらばねや、ばね座金、円筒形コイルばね、円錐形コイルばね、弾性片を一体形成した環状部材、ゴム材料からなるもの等でもよく、形状、種類、および材質は特に限定されない。
2 センサ収容ケース(ハウジング)
3 軸受
4 シャフト
5 磁気特性変化部
6,6A 板ばね(付勢手段)
7,7A 検出部
8,8A 保持手段(固定部)
8a,8b,8Aa 固定部テーパ面
11 電動パワーステアリング装置
14 モータ
21 アッパケース部(ハウジング)
21b センサ収納部
71,72,71A,72A コイル
73,74,73A,74A ヨーク
73a,73b,74a,74b,74Ab ヨークテーパ面
b 所定距離
c 所定隙間
Claims (4)
- 回転自在なシャフトと、
このシャフトの外周面に設けられて当該シャフトに印加されたトルクによって磁気特性が変化する磁気特性変化部と、
当該磁気特性変化部の磁気特性の変化を検出する検出部と、を備えた磁歪式トルクセンサにおいて、
前記検出部は、前記磁気特性変化部と径方向に所定距離をおいて対向して配置されたコイルと、このコイルの周辺に設けられて当該コイルを保持するヨークと、を備えてなり、
このヨークは、付勢手段により軸方向に付勢されると共に、当該ヨークの端部に形成されたヨークテーパ面と、当該ヨークをハウジングに保持する固定部に形成された固定部テーパ面と、が当接し合うことにより、前記シャフトの回転中心方向に押圧された状態で、前記ハウジングに形成された円筒状のセンサ収納部内に配設されていることを特徴とする磁歪式トルクセンサ。 - 複数の前記磁気特性変化部および複数の前記ヨークは、それぞれ軸方向に所定隙間を介して設けられ、
前記複数のヨークは、当該複数のヨークの間に介在された前記固定部によって前記所定隙間の間隔に保持されてい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。 - 前記複数のヨーク間には、当該複数のヨークの軸方向の外周端部に面取りするようにそれぞれに形成された前記ヨークテーパ面が、前記固定部の軸方向の両端部内側にそれぞれ形成された前記固定部テーパ面に当接した状態に前記固定部が介在され、
前記複数のヨークと前記固定部と前記付勢手段とは、隣設し合うもの同志が互いに前記付勢手段のばね力によって当接した状態で前記センサ収納部に収納されていることを特徴とする請求項2に記載の磁歪式トルクセンサ。 - 操舵トルクに応じてモータを駆動して車両の転舵を行う電動パワーステアリング装置に適用したことを特徴とする請求項1ないし請求項3のいずれか1項に記載の磁歪式トルクセンサ。
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