JP5220792B2

JP5220792B2 - トルクセンサ

Info

Publication number: JP5220792B2
Application number: JP2010077912A
Authority: JP
Inventors: 賢次郎松本
Original assignee: Honda Lock Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Honda Lock Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2010-03-30
Filing date: 2010-03-30
Publication date: 2013-06-26
Anticipated expiration: 2030-03-30
Also published as: JP2011209143A

Description

本発明は、トーションバーを介して同軸に連結される第１軸および第２軸間の捩れを検出するトルクセンサに関する。

トーションバーで第２軸に連結される第１軸側にリング状である多極の永久磁石が固定され、該多極の永久磁石に対向して一対のリング状の磁性体が第２軸側に固定され、第１および第２軸の相対角変化による一対の磁性体間の磁束変化を検出することで第１軸および第２軸間の捩れを検出するようにしたトルクセンサが特許文献１で知られている。

特開２００８−１８０５１７号公報

ところで、リング状の磁性体は、その材料費および製造コストが高いものであり、上記特許文献１で開示されるようにリング状の磁性体が一対必要となるのでは、全体的にコストが高く、しかもトルクセンサの大型化を招いてしまう。

本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであり、磁性体を不要としてコスト低減を図るとともに、簡単な構成で小型化を可能としたトルクセンサを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明は、トーションバーを介して同軸に連結される第１軸および第２軸間の捩れを検出するトルクセンサであって、周方向に交互に着磁されて同一径のリング状に形成されるとともに相互に対向するようにして第１軸および第２軸にそれぞれ固定される第１および第２多極磁石と、第１および第２多極磁石間の中央部に配置される磁気センサと、前記トーションバーの捩れによる第１および第２軸の相対角を演算する演算手段とを備え、前記磁気センサは、前記第１および第２多極磁石間の中央部での、その両多極磁石の相互干渉による磁力のうち、これら両多極磁石の周方向に沿う分力と軸方向に沿う分力とを検出すると共に、前記演算手段は、これら分力の一方から他方を除算した商から算出された磁力の向きの角度に基づいて、前記相対角を演算することを特徴とする。

本発明の上記特徴によれば、多極磁石に対向する一対の磁性体が不要であるので、材料費および製造コストを低減して全体コストの低減を図ることが可能となるとともに、リング状の第１および第２多極磁石間の中央部に磁気センサが配置されるだけの簡単な構成であり、小型化が可能となるとともに組付けも容易となる。

トルクセンサの縦断面図である。トルクセンサの斜視図である。第１軸および第２軸間に相対角変化が生じていない中立状態での第１および第２多極磁石間の磁力線の方向を示す図である。第１軸が第２軸に対して中立状態から一方向に５度だけ角変位したときの図３に対応した図である。第１軸が第２軸に対して中立状態から他方向に５度だけ角変位したときの図３に対応した図である。磁気センサの出力および磁力方向の関係を示す図である。

以下、本発明の実施の形態について、添付の図１〜図６を参照しながら説明すると、先ず図１および図２において、電動パワーステアリング装置においてステアリングシャフトの中間部には、トーションバー１０で連結される第１軸１１および第２軸１２間の捩れを検出するようにして本発明に従って構成されるトルクセンサが介設される。

このトルクセンサは、周方向に交互に着磁されてリング状に形成されて第１軸１１に固定される第１多極磁石１３と、周方向に交互に着磁されて第１多極磁石１３と同一径のリング状に形成されるとともに第１多極磁石１３に対向するようにして第２軸１２に固定される第２多極磁石１４と、第１および第２多極磁石１３，１４間の中央部に配置される磁気センサ１５と、磁気センサ１５の検出値に基づいて前記トーションバー１０の捩れによる第１および第２軸１１，１２の相対角を演算する演算手段１６とを備える。

第１および第２多極磁石１３，１４は、複数ずつのＮ極およびＳ極が周方向交互に隣接するように着磁されて成るものであり、各Ｎ極および各Ｓ極の周方向に沿う幅は、たとえば中心角が１５度となるようにして同一に設定される。また第１および第２多極磁石１３，１４は、第１および第２軸１１，１２間に相対角変位が生じていない中立状態では、図３で示すように、第１多極磁石１３のＮ極に第２多極磁石１４のＳ極が対向し、第１多極磁石１３のＳ極に第２多極磁石１４のＮ極が対向するようにして第１軸１１および第２軸１２に固定される。しかも第１および第２多極磁石１３，１４での周方向に隣接するＮ極およびＳ極間での磁力線を阻害しないように近づけすぎない距離となるようにして第１および第２多極磁石１３，１４間の距離が設定される。これにより、第１多極磁石１３側でＮ極からＳ極に向けて生じる磁力線の向きと、第２多極磁石１４側でＮ極からＳ極に向けて生じる磁力線の向きは、図３の白抜き太線矢印で示すように、周方向同一箇所では相互に反対方向を向くことになる。

前記磁気センサ１５は、この実施の形態ではＧＭＲ（Giant Magneto Resistance）素子であり、この磁気センサ１５および前記演算手段１６は合成樹脂によるセンサハウジング１７に埋封され、センサハウジング１７に一体に形成されるカプラ部１７ａ内に配置される複数の端子１８…から出力される。なお磁気センサ１５の故障に備えて一対の磁気センサ１５…が前記センサハウジング１７に埋封されるようにしてもよい。

ところで、第１および第２多極磁石１３，１４間を複数に分割するとともに第１および第２多極磁石１３，１４の周方向に間隔をあけた複数箇所では、第１多極磁石１３側の磁力線が二点鎖線の矢印で示すように生じ、第２多極磁石１４側の磁力線が破線の矢印で示すように生じるものであり、その結果、第１多極磁石１３および第２多極磁石１４の相互磁力干渉による磁力Ｆが実線矢印で示すように生じることになる。

而して第１および第２軸１１，１２間に相対角変位が生じていない中立状態では、図３で示すように、第１および第２多極磁石１３，１４の相互干渉による磁力Ｆの方向が第１および第２多極磁石１３，１４の軸方向に沿うことになる。

それに対し、第２軸１２に対して第１軸１１が周方向一方に相対角変位したとき、たとえば中立状態から第１軸１１が図３の右方向に５度だけ角変位したときには、第１多極磁石１３側の磁力線、第２多極磁石１４側の磁力線、ならびに第１および第２多極磁石１３，１４の相互干渉による磁力Ｆが図４で示すように変化する。

また第２軸１２に対して第１軸１１が周方向他方に相対角変位したとき、たとえば中立状態から第１軸１１が図３の左方向に５度だけ角変位したときには、第１多極磁石１３側の磁力線、第２多極磁石１４側の磁力線、ならびに第１および第２多極磁石１３，１４の相互干渉による磁力Ｆが図５で示すように変化する。

ところで第１および第２多極磁石１３，１４間の中央部に配置される磁気センサ１５からは、図６で示すように、第１および第２多極磁石１３，１４間の中央部での両多極磁石１３，１４の相互干渉による磁力Ｆのうち第１および第２多極磁石１３，１４の周方向に沿う分力Ｆｃｏｓθｍと、前記相互干渉による磁力Ｆのうち第１および第２多極磁石１３，１４の軸方向に沿う分力Ｆｓｉｎθｍとが出力される。而して第１および第２多極磁石１３，１４の相互干渉による磁力Ｆの向きの角度θｍは次の第（１）式によって得られる。

θｍ＝ａｒｃｔａｎ（ｓｉｎθｍ／ｃｏｓθｍ）・・・（１）
一方、本願の発明者が実行したコンピュータシミュレーションの結果、相互干渉による前記磁力Ｆの向きの角度θｍと、第１および第２多極磁石１３，１４すなわち第１および第２軸１１，１２の相対角とは、その相対角が０度〜７．５度の範囲では比例関係にあることが判明した。これを前提にすると次の第（２）式が成立する。

θｍ＝｛１−相対角／（３６０／磁極数）｝×９０・・・（２）
この第（２）式によれば、角度θｍがわかれば相対角を得ることが可能であり、たとえば角度θｍを６０度、磁極数を２４としたときに、相対角は５度となるものである。演算手段１６は、第（１）式および第（２）式の演算を行うものであり、磁気センサ１５の検出値に基づいて前記トーションバー１０の捩れによる第１および第２軸１１，１２の相対角を演算することができる。

而して前記角度θｍがマイナスの値であるときには、１８０度を加算して代入することで反転させればよい。また前記相対角が正の値であるときには右回転、負の値であるときには左回転であるとわかる。

次にこの実施の形態の作用について説明すると、周方向に交互に着磁されて同一径のリング状に形成されるとともに相互に対向する第１および第２多極磁石１３，１４が第１軸１１および第２軸１２にそれぞれ固定され、第１および第２多極磁石１３，１４間の中央部に、両多極磁石１３，１４の相互干渉による磁力Ｆのうち、これら両多極磁石１３，１４の周方向に沿う分力Ｆｃｏｓθｍと軸方向に沿う分力Ｆｓｉｎθｍとを検出する磁気センサ１５が配置され、第１および第２軸１１，１２間を結ぶトーションバー１０の捩れによる第１および第２軸１１，１２の相対角が、磁気センサ１５で検出される磁力Ｆの分力の一方Ｆｓｉｎθｍから他方Ｆｃｏｓθｍを除算した商から算出される磁力Ｆの向きの角度θｍに基づいて演算手段１６で演算されるので、磁性体が不要となり、材料費および製造コストを低減して全体コストの低減を図ることが可能となる。

しかもリング状の第１および第２多極磁石１３，１４間の中央部に磁気センサ１５が配置されるだけの簡単な構成であり、小型化が可能となるとともに組付けも容易となる。

以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明を逸脱することなく種々の設計変更を行うことが可能である。

１０・・・トーションバー
１１・・・第１軸
１２・・・第２軸
１３・・・第１多極磁石
１４・・・第２多極磁石
１５・・・磁気センサ
１６・・・演算手段
Ｆ・・・多極磁石の相互干渉による磁力
Ｆｃｏｓθｍ・・・両多極磁石の相互干渉による磁力のうち両多極磁石の周方向に沿う分力
Ｆｓｉｎθｍ・・・両多極磁石の相互干渉による磁力のうち両多極磁石の軸方向に沿う分力
θｍ・・・磁力の向きの角度

Claims

トーションバー（１０）を介して同軸に連結される第１軸（１１）および第２軸（１２）間の捩れを検出するトルクセンサであって、
周方向に交互に着磁されて同一径のリング状に形成されるとともに相互に対向するようにして第１軸（１１）および第２軸（１２）にそれぞれ固定される第１および第２多極磁石（１３，１４）と、
第１および第２多極磁石（１３，１４）間の中央部に配置される磁気センサ（１５）と、
前記トーションバー（１０）の捩れによる第１および第２軸（１１，１２）の相対角を演算する演算手段（１６）とを備え、
前記磁気センサ（１５）は、前記第１および第２多極磁石（１３，１４）間の中央部での、その両多極磁石（１３，１４）の相互干渉による磁力（Ｆ）のうち、これら両多極磁石（１３，１４）の周方向に沿う分力（Ｆｃｏｓθｍ）と軸方向に沿う分力（Ｆｓｉｎθｍ）とを検出すると共に、前記演算手段（１６）は、これら分力の一方から他方を除算した商から算出された前記磁力（Ｆ）の向きの角度（θｍ）に基づいて、前記相対角を演算することを特徴とするトルクセンサ。