JP5529804B2 - トルクセンサ - Google Patents

Description

本発明は、回転軸に加わる軸トルクを磁束密度の変化（磁界の強さ）として検出するトルクセンサに関する。

従来、電動パワーステアリング装置等において軸トルクを検出するトルクセンサが知られている。例えば、特許文献１に記載のトルクセンサは、複数のＮ極とＳ極とが周方向に交互に着磁された「多極磁石」を用いる。そして、入力軸と出力軸とを連結するトーションバーに捩じれが生じたとき、多極磁石と一組の磁気ヨークとの周方向の相対位置の変化により一組の磁気ヨークに発生する磁束を検出することで軸トルクを検出する。

一方、特許文献２〜４のトルクセンサは、軸方向の一方をＮ極、他方をＳ極に着磁した「単極磁石」を用いる。また、特許文献５のトルクセンサは、径方向の外方と内方とをＮ極およびＳ極に着磁した「単極磁石」を用いる。単極磁石は、多極磁石に比べ着磁工数が少なくなる。

特開２００３−１４９０６２号公報 特開２００８−２１６０１９号公報 特開２００８−２０３１７６号公報 特開２００５−３０８４４３号公報 特開２００５−２６５５３９号公報

特許文献２のトルクセンサでは、径方向の相対的に内側に位置する「磁石側磁性体１１Ａ、１１Ｂ」から径方向の相対的に外側に位置する「磁性体部６」へ向かう経路が磁束伝達経路となる。ここで、「磁石側磁性体１１Ａ、１１Ｂ」の最外径は、「磁性体部６」の最内径より小さい。そのため、「磁石側磁性体１１Ａ、１１Ｂ」と「磁性体部６」とは、相対回転位置に関わらず軸方向で重複しない。つまり、「磁性体の凸部６ＡＹ、６ＢＹ」は、相対的に面積の広い軸方向の面が「磁石側磁性体１１Ａ、１１Ｂ」に対向せず、相対的に面積の狭い径内側の端面のみが「磁石側磁性体１１Ａ、１１Ｂ」に対向している。したがって、磁束が有効に伝達されないという問題がある。また、特許文献３のトルクセンサは、特許文献２のトルクセンサと同様の構成であり、同様の問題がある。

また、特許文献４のトルクセンサでは、径方向の内側に位置する「磁性体コア７１、７２により構成されるロータ７０」と、径方向の外側に位置する「磁性体コア８１、８２により構成されるロータ８０」とは、比較的面積の広い歯形突出部７４、７５と歯形突出部８４、８５とが対向している。しかし、現実には、互いに隣接する異極の歯形突出部同士で磁界が相殺し、十分な磁束を発生させることができないと考えられる。

さらに、特許文献５のトルクセンサは、径方向の４つの磁束伝達経路が軸方向に並べて配置されるため、トルクセンサの体格が大きくなる。
本発明は、このような点に鑑みて創作されたものであり、その目的は、単極磁石を用いるトルクセンサにおいて、体格を大きくすることなく、磁束伝達経路を構成するヨーク同士の対向面積を確保することにある。

請求項１〜４に記載のトルクセンサは、トーションバー、磁石、一組の磁石端ヨーク、一組の中間ヨークおよび磁気センサを備える。トーションバーは、第１の軸と第２の軸とを同軸上に連結し、第１の軸と第２の軸との間に加わるトルクを捩じれ変位に変換する。
また、請求項１に記載のトルクセンサと、請求項２に記載のトルクセンサとは、磁石、一組の磁石端ヨーク、及び一組の中間ヨークの相対位置に関する技術的特徴が、「軸方向」と「径方向」とで対応する関係にある。詳しくは、以下に説明する。

まず請求項１に記載のトルクセンサでは、磁石は、第１の軸またはトーションバーの一端側に固定され、「軸方向」にＮ極およびＳ極に着磁される。すなわち、この磁石は、２極からなる単極磁石である。
一組の磁石端ヨークは、磁石のＮ極に接続されるＮ極ヨーク、及び磁石のＳ極に接続されるＳ極ヨークからなる。Ｎ極ヨークおよびＳ極ヨークは径外方向に突出する複数の爪を周方向に等間隔に有する。Ｎ極ヨークの爪とＳ極ヨークの爪とは、周方向にずれて交互に配置される。

一組の中間ヨークは、一組の磁石端ヨークの径外側で第２の軸またはトーションバーの他端側に固定され、互いに離間する第１中間ヨークおよび第２中間ヨークからなる。一組の磁石端ヨークは、一組の磁石端ヨークと共に磁気回路を形成し、トーションバーの捩れに応じ一組の磁石端ヨークに対して相対回転したとき磁気回路に発生する磁束密度が変化する。
磁気センサは、磁気回路に発生する磁束密度を検出する。

また、第１中間ヨークおよび第２中間ヨークは、径内方向に突出する複数の爪を周方向に等間隔に有する。第１中間ヨークの爪と第２中間ヨークの爪とは周方向にずれて交互に配置される。
具体的には、第１中間ヨークおよび第２中間ヨークは、リング部と、当該リング部から突出する複数の爪とから構成される。複数の爪は、リング部から直接径内方向に延びてもよく、或いは、リング部から一旦軸方向に延びてから径内方向に曲折してもよい。

一組の磁石端ヨークと一組の中間ヨークとの相対回転の位置が所定位置のとき、Ｎ極ヨークまたはＳ極ヨークのうち一方の爪、第１中間ヨークの爪、Ｎ極ヨークまたはＳ極ヨークのうち他方の爪、及び第２中間ヨークの爪がこの順に周方向に交互に配置される。
一組の中間ヨークが一組の磁石端ヨークに対して所定位置から相対回転したとき、一組の磁石端ヨークの爪と一組の中間ヨークの爪とが「軸方向の投影において」重複する。
この構成により、トルクセンサの体格を大きくすることなく、磁束伝達経路を構成する一組の磁石端ヨークと一組の中間ヨークとの対向面積を有効に確保することができる。

さらに、トーションバーの捩じれ変位がゼロである中立点において磁気回路に発生する磁束がゼロとなるように、中立点において、第１中間ヨークの爪および第２中間ヨークの爪は、Ｎ極ヨークの爪とＳ極ヨークの爪との中間位置に対してずらして配置される。

捩じれ変位がゼロである中立点において、仮に、第１中間ヨークの爪および第２中間ヨークの爪をＮ極ヨークの爪とＳ極ヨークの爪との中間位置に配置した場合を想定する。
このとき、Ｎ極ヨークの爪から第１中間ヨークの爪へ向かう磁束とＮ極ヨークの爪から第２中間ヨークの爪へ向かう磁束とは、ほぼキャンセルする。同様に、第１中間ヨークの爪からＳ極ヨークの爪へ向かう磁束と第２中間ヨークの爪からＳ極ヨークの爪へ向かう磁束とは、ほぼキャンセルする。

ただし、磁石のＮ極側からＳ極側へ向かう磁束が根本的に発生しているため、磁気センサは、磁石のＮ極からＮ極ヨークを経由して中間ヨークに伝達され、中間ヨークからＳ極ヨークを経由して磁石のＳ極へ戻る磁束が発生する。すなわち、トーションバーの捩じれ変位に応じ、磁束密度は、ゼロを基準としてではなく、オフセットした中立点での磁束密度を基準として正負方向に変化することとなる。この場合、磁束密度が回転角度（捩じれ変位）に対して直線的に変化する直線領域が十分に得られないおそれがある。
そこで、請求項１の構成により、中立点で磁気回路に発生する磁束がゼロとなるようにすれば、トーションバーの捩じれ変位に応じて検出される磁束密度がゼロを中心として変化するため、磁束密度の直線領域を延長することができる。

次に請求項２に記載のトルクセンサでは、磁石は、第１の軸またはトーションバーの一端側に固定され、「径方向」にＮ極およびＳ極に着磁される。すなわち、この磁石は、２極からなる単極磁石である。
一組の磁石端ヨークは、磁石の径外側の磁極に接続される外極ヨーク、及び磁石の径内側の磁極に接続される内極ヨークからなる。外極ヨークおよび内極ヨークは軸方向の一方の側に突出する複数の爪を周方向に等間隔に有する。外極ヨークの爪と内極ヨークの爪とは、周方向にずれて交互に配置される。

一組の中間ヨークは、軸方向の一組の磁石端ヨークの爪が突出する側で第２の軸またはトーションバーの他端側に固定され、互いに離間する第１中間ヨークおよび第２中間ヨークからなる。一組の中間ヨークは、一組の磁石端ヨークと共に磁気回路を形成し、トーションバーの捩れに応じ一組の磁石端ヨークに対して相対回転したとき磁気回路に発生する磁束密度が変化する。
磁気センサは、磁気回路に発生する磁束密度を検出する。

また、第１中間ヨークおよび第２中間ヨークは、磁石に向かって軸方向に突出する複数の爪を周方向に等間隔に有し、第１中間ヨークの爪と第２中間ヨークの爪とは周方向にずれて交互に配置される。
具体的には、第１中間ヨークおよび第２中間ヨークは、リング部と、当該リング部から突出する複数の爪とから構成される。複数の爪は、リング部から直接軸方向に延びてもよく、或いは、リング部から一旦径方向に延びてから軸方向に曲折してもよい。

一組の磁石端ヨークと一組の中間ヨークとの相対回転の位置が所定位置のとき、外極ヨークまたは内極ヨークのうち一方の爪、第１中間ヨークの爪、外極ヨークまたは内極ヨークのうち他方の爪、及び第２中間ヨークの爪がこの順に周方向に交互に配置される。
一組の中間ヨークが一組の磁石端ヨークに対して所定位置から相対回転したとき、一組の磁石端ヨークの爪と一組の中間ヨークの爪とが「径方向の投影において」重複する。
この構成により、磁束伝達経路を構成する一組の磁石端ヨークと一組の中間ヨークとの対向面積を有効に確保することができる。

さらに、トーションバーの捩じれ変位がゼロである中立点において磁気回路に発生する磁束がゼロとなるように、中立点において、第１中間ヨークの爪および第２中間ヨークの爪は、外極ヨークの爪と内極ヨークの爪との中間位置に対してずらして配置される。
これにより、請求項１に記載の発明と同様に、トーションバーの捩じれ変位に応じて検出される磁束密度の直線領域を延長することができる。

請求項３に記載の発明によると、磁石および磁石端ヨークは、周方向に分割して形成される。
磁石および磁石端ヨークを、例えば周方向に４分割〜８分割して形成することにより、部品の製造が容易となる。また、環状の磁石および磁石端ヨークにトーションバーを挿通する場合に比べ、分割した磁石および磁石端ヨークをトーションバーの径外方向から取り付けることができるため、組み付け性が向上する。

請求項４に記載のトルクセンサは、一組の集磁ヨークを備える。一組の集磁ヨークは、一組の中間ヨークに軸方向または径方向で対向し、一組の中間ヨークから磁束を集める。磁気センサは、一組の集磁ヨークの間に設けられ、一組の集磁ヨークによって集められた磁束の磁束密度を検出する。
これにより、磁気回路の磁束を効率よく検出することができる。

本発明の第１実施形態によるトルクセンサの分解斜視図である。 本発明の第１実施形態によるトルクセンサが適用される電動パワーステアリング装置の概略構成図である。 本発明の第１実施形態によるトルクセンサの検出部の斜視図である。 本発明の第１実施形態によるトルクセンサの動作を説明する検出部の（ａ）平面模式図、（ｂ）側面模式図である。 本発明の第１実施形態によるトルクセンサの動作を説明する検出部の（ａ）平面模式図、（ｂ）側面模式図である。 本発明の第１実施形態によるトルクセンサの動作を説明する検出部の（ａ）平面模式図、（ｂ）側面模式図である。 本発明の第２実施形態によるトルクセンサの検出部の平面模式図である。 本発明の（ａ）第１実施形態、（ｂ）第２実施形態によるトルクセンサの回転角度と磁束密度との関係を示す特性図である。 本発明の第３実施形態によるトルクセンサの検出部の平面模式図である。 本発明の第４実施形態によるトルクセンサの検出部の斜視図である。 本発明の第４実施形態によるトルクセンサの検出部の（ａ）平面模式図、（ｂ）側面模式図である。 本発明の第４実施形態によるトルクセンサの動作を説明する検出部の断面模式図である。 本発明の第４実施形態によるトルクセンサの動作を説明する検出部の断面模式図である。 （ａ）：本発明の第５実施形態によるトルクセンサの検出部の平面模式図である。（ｂ）：本発明の第６実施形態によるトルクセンサの検出部の平面模式図である。

以下、本発明の複数の実施形態によるトルクセンサを図面に基づいて説明する。
（第１実施形態）
図２に示すように、本発明の第１実施形態によるトルクセンサ３は、例えば車両のステアリング操作をアシストするための電動パワーステアリング装置に適用される。

図２は、電動パワーステアリング装置９０を備えたステアリングシステムの全体構成を示す。ハンドル９１に接続されたステアリングシャフト９２には操舵トルクを検出するためのトルクセンサ３が設置されている。ステアリングシャフト９２の先端にはピニオンギア９６が設けられており、ピニオンギア９６はラック軸９７に噛み合っている。ラック軸９７の両端には、タイロッド等を介して一組の車輪９８が回転可能に連結されている。ステアリングシャフト９２の回転運動は、ピニオンギア９６によってラック軸９７の直線運動に変換され、一組の車輪９８が操舵される。

トルクセンサ３は、ステアリングシャフト９２を構成する入力軸１１と出力軸１２との間に設けられ、ステアリングシャフト９２に加わる操舵トルクを検出してＥＣＵ９３に出力する。ＥＣＵ９３は、検出された操舵トルクに応じて電動モータ９４の出力を制御する。電動モータ９４が発生した操舵アシストトルクは、減速ギア９５を介して減速され、ステアリングシャフト９２に伝達される。

次に、トルクセンサ３の構成について、図１、図３を参照して説明する。以下の説明では、図１、図３の上方向を「上」、図１、図３の下方向を「下」として説明する。
図１に示すように、トルクセンサ３は、トーションバー１３および検出部２０１から構成される。トーションバー１３は、一端側が「第１の軸」としての入力軸１１に、他端側が「第２の軸」としての出力軸１２に、それぞれ固定ピン１５で固定され、入力軸１１と出力軸１２とを同軸上に連結する。トーションバー１３は、棒状の弾性部材であり、ステアリングシャフト９２に加わる操舵トルクを捩じれ変位に変換する。

検出部２０１は、磁石２Ｚ、「一組の磁石端ヨーク」としてのＮ極ヨーク３ＡおよびＳ極ヨーク３Ｂ（以下、総括して、「Ｎ／Ｓ極ヨーク３Ａ、３Ｂ」という。）、「一組の中間ヨーク」としての第１中間ヨーク４Ａおよび第２中間ヨーク４Ｂ、「一組の集磁ヨーク」としての第１集磁ヨーク５Ａおよび第２集磁ヨーク５Ｂ、並びに磁気センサ６から構成される。
磁石２Ｚは、入力軸１１に固定され、「軸方向」にＮ極およびＳ極に着磁される単極磁石である。本実施形態では、入力軸１１（上）側がＮ極に着磁され、出力軸１２（下）側がＳ極に着磁されている。

Ｎ極ヨーク３Ａは、磁石２ＺのＮ極に接続され、Ｓ極ヨーク３Ｂは、磁石２ＺのＳ極に接続される。
Ｎ／Ｓ極ヨーク３Ａ、３Ｂは、リング部３０Ａ、３０Ｂから径外方向に突出する複数の爪３１Ａ、３１Ｂを周方向に等間隔に有している。また、Ｎ極ヨークの爪３１ＡとＳ極ヨークの爪３１Ｂとは周方向にずれて交互に配置される。本実施形態では、Ｎ極ヨーク３ＡおよびＳ極ヨーク３Ｂは、それぞれ８個の爪３１Ａ、３１Ｂを４５°間隔で有しており、Ｎ極ヨークの爪３１ＡとＳ極ヨークの爪３１Ｂとは、互いに２２．５°ずれて交互に配置される（図４参照）。

第１中間ヨーク４Ａおよび第２中間ヨーク４Ｂは、Ｎ／Ｓ極ヨーク３Ａ、３Ｂの径外側で出力軸１２に固定され、互いに離間している。中間ヨーク４Ａ、４Ｂは、磁石２ＺおよびＮ／Ｓ極ヨーク３Ａ、３Ｂと共に磁気回路を形成する。トーションバー１３の捩れに応じてＮ／Ｓ極ヨーク３Ａ、３Ｂとの相対位置が変化したとき、磁気回路に発生する磁束密度が変化する。
中間ヨーク４Ａ、４Ｂは、リング部４０Ａ、４０Ｂから径内方向に突出する複数の爪４１Ａ、４１Ｂを周方向に等間隔に有している。また、第１中間ヨークの爪４１Ａと第２中間ヨークの爪４１Ｂとは周方向にずれて交互に配置される。

本実施形態では、第１中間ヨーク４Ａが軸方向上側に設けられ、第２中間ヨーク４Ｂが軸方向下側に設けられる。第１中間ヨーク４Ａおよび第２中間ヨーク４Ｂは、それぞれ８個の爪４１Ａ、４１Ｂを４５°間隔で有している。第１中間ヨークの爪４１Ａは、リング部４０Ａから一旦軸方向下向きに延びてから径内方向へ曲折する。第２中間ヨークの爪４１Ｂは、リング部４０Ｂから一旦軸方向上向きに延びてから径内方向へ曲折する。また、第１中間ヨークの爪４１Ａと第２中間ヨークの爪４１Ｂとは、互いに２２．５°ずれて交互に配置される。

第１集磁ヨーク５Ａは、第１中間ヨーク４Ａのリング部４０Ａの周方向の一部（本実施形態では約１２０°）に沿って、第１中間ヨーク４Ａの軸方向上側に設けられる。第２集磁ヨーク５Ｂは、第２中間ヨーク４Ｂのリング部４０Ｂの周方向の一部に沿って、第２中間ヨーク４Ｂの軸方向下側に設けられる。集磁ヨーク５Ａ、５Ｂは、中間ヨーク４Ａ、４Ｂに軸方向で対向し、中間ヨーク４Ａ、４Ｂから磁束を集める。
磁気センサ６は、第１集磁ヨーク５Ａおよび第２集磁ヨーク５Ｂの間に設けられ、集磁ヨーク５Ａ、５Ｂによって集められた磁束密度を検出し、電圧信号に変換して出力する。磁気センサ６として具体的には、ホール素子、磁気抵抗素子等を使用することができる。

次に、検出部２０１の作動について、図４〜図６を参照して説明する。図４〜図６の各図（ａ）は、検出部２０１を入力軸１１側から視た平面模式図であり、各図（ｂ）は、検出部２０１を側方から視た側面模式図である。
各図（ａ）では、中心軸Ｏの周囲に、Ｎ極ヨーク３Ａの上面全体が示されている。磁石２ＺおよびＳ極ヨーク３Ｂは、Ｎ極ヨーク３Ａの下側（紙面向こう側）に重なっており、Ｓ極ヨーク３Ｂの爪３１Ｂのみが見えている。また、Ｎ極ヨーク３Ａの径外方向に、第１中間ヨーク４Ａおよび第１集磁ヨーク５Ａが示されている。第１中間ヨーク４Ａのリング部４０Ａの紙面向こう側には第２中間ヨーク４Ｂのリング部４０Ｂが重なっており、第２中間ヨーク４Ｂの爪４１Ｂのみが見えている。

各図（ｂ）は、軸方向（図の上下方向）を誇張して示している。また、磁石２ＺおよびＮ／Ｓ極ヨーク３Ａ、３Ｂは、トーションバー１３の入力軸１１側に固定され、中間ヨーク４Ａ、４Ｂは、トーションバー１３の出力軸１２側に固定される。
図４〜図６では、入力軸１１側すなわち磁石２ＺおよびＮ／Ｓ極ヨーク３Ａ、３Ｂの回転方向の位置を固定し、出力軸１２側すなわち中間ヨーク４Ａ、４Ｂを磁石２ＺおよびＮ／Ｓ極ヨーク３Ａ、３Ｂに対して相対回転させた状態を示す。

まず、図４は、入力軸１１と出力軸１２との間に操舵トルクが加わっておらず、トーションバー１３に捩じれ変位が生じていない中立点の状態を示す。ここで、Ｎ極ヨークの爪３１ＡとＳ極ヨークの爪３１Ｂとの中間位置のうち、Ｎ極ヨークの爪３１Ａに対し紙面の反時計回り側の位置を基準位置Ｓ０とする。中立点では、第２中間ヨークの爪４１Ｂが基準位置Ｓ０に位置する。このとき、第１中間ヨークの爪４１Ａは、Ｎ極ヨークの爪３１ＡとＳ極ヨークの爪３１Ｂとの中間位置のうち、Ｎ極ヨークの爪３１Ａに対し紙面の時計回り側の位置に配置される。したがって、Ｎ極ヨークの爪３１Ａ、第１中間ヨークの爪４１Ａ、Ｓ極ヨークの爪３１Ｂ、第２中間ヨークの爪４１Ｂが周方向にこの順に並ぶ。

この中立点では、第１中間ヨークの爪４１Ａおよび第２中間ヨークの爪４１Ａは、Ｎ極ヨークの爪３１ＡとＳ極ヨークの爪３１Ｂとの中間位置に配置されるため、軸方向の投影において、いずれの爪同士も重複しない。このとき、Ｎ極ヨークの爪３１Ａから第１中間ヨークの爪４１Ａへ向かう磁束とＮ極ヨークの爪３１Ａから第２中間ヨークの爪４１Ｂへ向かう磁束とは、ほぼキャンセルする。同様に、第１中間ヨークの爪４１ＡからＳ極ヨークの爪３１Ｂへ向かう磁束と第２中間ヨークの爪４１ＢからＳ極ヨークの爪３１Ｂへ向かう磁束とは、ほぼキャンセルする。すなわち、次の図５、図６で説明するような「爪同士の重複」による磁束は発生しない。

ただし、磁石２ＺのＮ極からＳ極へ向かう磁束が根本的に存在する。すなわち、磁石２ＺのＮ極からＮ極ヨーク３Ａを経由して第１中間ヨーク４Ａに伝達され、第２中間ヨーク４ＢからＳ極ヨーク３Ｂを経由して磁石２ＺのＳ極へ戻る磁束（以下、「ベース磁束」という。）が発生する（図４（ｂ）参照）。このベース磁束の磁束密度Φ０が磁気センサ６によって検出される。

中立点に対し、入力軸１１と出力軸１２との間に操舵トルクが印加されてトーションバー１３に捩じれ変位が生じると、入力軸１１に固定された磁石２ＺおよびＮ／Ｓ極ヨーク３Ａ、３Ｂと、出力軸１２に固定された中間ヨーク４Ａ、４Ｂとが相対回転する。
図５に示す状態では、第２中間ヨークの爪４１Ｂの位置Ｓ＋は、基準位置Ｓ０に対し角度θ＋だけ反時計回り方向に回転している。以下、この回転方向を「進み方向」という。このとき、軸方向の投影において、Ｎ極ヨークの爪３１Ａと第１中間ヨークの爪４１Ａとが重複し、Ｓ極ヨークの爪３１Ｂと第２中間ヨークの爪４１Ｂとが重複する。すると、第１中間ヨーク４ＡにＮの極性を有する磁力線が増加し、第２中間ヨーク４ＢにＳの極性を有する磁力線が増加する結果、磁気センサ６を図５（ｂ）の上方から下方に向かう正の磁束密度Φ１が発生する。

図６に示す状態では、第２中間ヨークの爪４１Ｂの位置Ｓ−は、基準位置Ｓ０に対し角度θ−だけ時計回り方向に回転している。以下、この回転方向を「戻り方向」という。このとき、軸方向の投影において、Ｎ極ヨークの爪３１Ａと第２中間ヨークの爪４１Ｂとが重複し、Ｓ極ヨークの爪３１Ｂと第１中間ヨークの爪４１Ａとが重複する。すると、第２中間ヨーク４ＢにＮの極性を有する磁力線が増加し、第１中間ヨーク４ＡにＳの極性を有する磁力線が増加する結果、磁気センサ６を図６（ｂ）の下方から上方に向かう負の磁束密度Φ２が発生する。

図８（ａ）は、第１実施形態での「回転角度（捩じれ変位）θと磁気センサ６の検出磁束密度Φとの関係」を示す特性図である。図８（ａ）の破線Ｂ１で示すように、検出磁束密度Φは、中立点からの回転角度θに応じ、ベース磁束の磁束密度Φ０を中心として正負方向に変化する。本実施形態では、爪の配置周期が４５°であるため、理論上、回転角度θが±１１．２５°の範囲で、検出磁束密度Φが最小値から最大値まで変化する。

このように、磁気センサ６を通過する磁束密度は、トーションバー１３の捩じれ変位量に略比例し、かつトーションバー１３の捩じれ方向に応じて極性が反転する。この磁束密度を磁気センサ６が検出し、電圧信号として出力することで、トルクセンサ３は、入力軸１１と出力軸１２との間の操舵トルクを検出することができる。

続いて、本実施形態のトルクセンサ３の効果について説明する。トルクセンサ３は、中間ヨーク４Ａ、４ＢがＮ／Ｓ極ヨーク３Ａ、３Ｂに対して中立点から相対回転したとき、中間ヨークの爪４１Ａ、４１ＢとＮ／Ｓ極ヨークの爪３１Ａ、３１Ｂとが軸方向の投影において重複する。これにより、トルクセンサ３の体格を大きくすることなく、磁束伝達経路を構成するヨーク同士の対向面積を有効に確保することができる。

また、集磁ヨーク５Ａ、５Ｂは、中間ヨーク４Ａ、４Ｂに軸方向で対向し、中間ヨーク４Ａ、４Ｂから磁束を集める。磁気センサ６は、集磁ヨーク５Ａ、５Ｂの間に設けられ、集磁ヨーク５Ａ、５Ｂによって集められた磁束の磁束密度を検出する。これにより、磁気回路の磁束を効率よく検出することができる。

以下の第２〜第６実施形態は、第１実施形態に体し、検出部の構成が異なる。なお、第１実施形態に係る構成と実質的に同一の構成には同一の符号を付して説明を省略する。
（第２実施形態）
本発明の第２実施形態の検出部２０２について、図７を参照して説明する。
図７は、検出部２０２においてトーションバー１３の捩じれ変位がゼロである中立点の図である。図７に示すように、検出部２０２では、第１中間ヨークの爪４１Ａおよび第２中間ヨークの爪４１Ｂは、中立点で、Ｎ極ヨーク３Ａの爪３１ＡとＳ極ヨーク３Ｂの爪３１Ｂとの中間位置に対して図７の時計回り方向にずれて配置される。詳しく言うと、第２中間ヨークの爪４１Ｂが基準位置Ｓ０に対し、角度αだけ戻り方向に配置される。したがって、第１実施形態の検出部２０１において、中間ヨーク４Ａ、４ＢがＮ／Ｓ極ヨーク３Ａ、３Ｂに対して「戻り方向」に相対回転した状態（図６）と類似する状態となる。

ここで、第２実施形態の意義について、図８を参照して説明する。
図８（ａ）の破線Ｂ１に示すように、第１実施形態の検出部２０１では、上述のとおり、中立点でベース磁束の磁束密度Φ０が発生し、中立点からの回転角度θに応じ、ベース磁束の磁束密度Φ０を中心として検出磁束密度Φが正負方向に変化する。すなわち、磁束密度Φは、ゼロを基準としてではなく、オフセットした磁束密度Φ０を基準として変化する。この場合、磁束密度Φの直線領域Ｒ１が十分に得られないおそれがある。

それに対し、第２実施形態では、中立点で中間ヨーク４Ａ、４ＢがＮ／Ｓ極ヨーク３Ａ、３Ｂに対して「戻り方向」に偏っているため、この偏りによって生じる負の磁束と、ベース磁束とがキャンセルし、図８（ｂ）の実線Ｂ２に示すように、中立点で磁気センサ６が検出する磁束密度Φをゼロとすることができる。
これにより、トーションバー１３の捩じれ変位に応じて検出される磁束密度がゼロを中心として変化するため、磁束密度の直線領域Ｒ２を延長することができる。

（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態の検出部２０３について、図９を参照して説明する。
検出部２０３は、第２実施形態の検出部２０２（図７、及び第１実施形態を援用する図３参照）における環状の磁石２Ｚ、Ｎ極ヨーク３ＡおよびＳ極ヨーク３Ｂがいずれも周方向に４分割して形成される。
図９には、周方向に４分割して形成されたＮ極ヨーク３ＡＱが図示されている。Ｎ極ヨーク３ＡＱの下側（紙面向こう側）には、同様に周方向に４分割して形成された磁石およびＳ極ヨークが設けられ、Ｎ極ヨーク３ＡＱと共に４つの分割ユニットを構成する。

磁石およびＮ／Ｓ極ヨークを、周方向に、例えば４分割〜８分割して形成することにより、部品の製造が容易となる。また、環状の磁石およびＮ／Ｓ極ヨークにトーションバー１３を挿通する場合に比べ、分割した磁石およびＮ／Ｓ極ヨークをトーションバー１３の径外方向から取り付けることができるため、組み付け性が向上する。

（第４実施形態）
次に、本発明の第４実施形態の検出部２０４について、図１０〜図１３を参照して説明する。図１０の上方向を「上」、図１０の下方向を「下」として説明する。
第４実施形態は、第１実施形態に対し、磁石の着磁方向、「一組の磁石端ヨーク」の配置方向、「一組の磁石端ヨーク」と「一組の中間ヨーク」との爪の対向方向等を「軸方向」から「径方向」に変更した実施形態である。第４実施形態と第１実施形態とは、これらの方向が異なるのみであり、基本的な技術的思想は共通する。

検出部２０４は、磁石２Ｒ、「一組の磁石端ヨーク」としての外極ヨーク３Ｃおよび内極ヨーク３Ｄ（以下、総括して、「外／内極ヨーク３Ｃ、３Ｄ」という。）、「一組の中間ヨーク」としての第１中間ヨーク４Ｃおよび第２中間ヨーク４Ｄ、「一組の集磁ヨーク」としての第１集磁ヨーク５Ｃおよび第２集磁ヨーク５Ｄ、並びに磁気センサ６から構成される。
磁石２Ｒは、入力軸１１に固定され、「径方向」にＮ極およびＳ極に着磁される単極磁石である。本実施形態では、径方向の外側がＮ極に着磁され、内側がＳ極に着磁されている（図１０、図１１参照）。

外極ヨーク３Ｃは、磁石２ＲのＮ極の径外側に接続され、内極ヨーク３Ｄは、磁石２ＲのＳ極の径内側に接続される。
外／内極ヨーク３Ｃ、３Ｄは、リング部３０Ｃ、３０Ｄから軸方向の一方の側（本実施形態では下側）に突出する複数の爪３１Ｃ、３１Ｄを周方向に等間隔に有している。また、外極ヨークの爪３１Ｃと内極ヨークの爪３１Ｄとは周方向にずれて交互に配置される。本実施形態では、外極ヨーク３Ｃおよび内極ヨーク３Ｄは、それぞれ８個の爪３１Ｃ、３１Ｄを４５°間隔で有しており、外極ヨークの爪３１Ｃと内極ヨークの爪３１Ｄとは、互いに２２．５°ずれて交互に配置される（図１２参照）。

第１中間ヨーク４Ｃおよび第２中間ヨーク４Ｄは、外／内極ヨーク３Ｃ、３Ｄの軸方向の下側、すなわち複数の爪３１Ｃ、３１Ｄが突出する側で出力軸１２に固定され、互いに離間している。中間ヨーク４Ｃ、４Ｄは、磁石２Ｒおよび外／内極ヨーク３Ｃ、３Ｄと共に磁気回路を形成する。トーションバー１３の捩れに応じて外／内極ヨーク３Ｃ、３Ｄとの相対位置が変化したとき、磁気回路に発生する磁束密度が変化する。
中間ヨーク４Ｃ、４Ｄは、リング部４０Ｃ、４０Ｄから磁石２Ｒに向かって軸方向（本実施形態では上方）に突出する複数の爪４１Ｃ、４１Ｄを周方向に等間隔に有している。また、第１中間ヨークの爪４１Ｃと第２中間ヨークの爪４１Ｄとは周方向にずれて交互に配置される。

本実施形態では、第１中間ヨークのリング部４０Ｃは、第２中間ヨークのリング部４０Ｄよりも直径が大きく形成されている。また、第１中間ヨークのリング部４０Ｃは軸方向の上方に、第２中間ヨークのリング部４０Ｄは軸方向の下方に配置される。第１中間ヨークの爪４１Ｃおよび第２中間ヨークの爪４１Ｄは、それぞれ８個の爪４１Ｃ、４１Ｄを約４５°間隔で有している。

第１中間ヨークの爪４１Ｃは、リング部４０Ｃから一旦径内方向に延びてから、第２中間ヨークのリング部４０Ｄと略同径の位置で軸方向上方へ曲折している。第２中間ヨークの爪４１Ｄは、リング部４０Ｄから真っ直ぐ軸方向上方へ延びている。また、第１中間ヨークの爪４１Ｃと第２中間ヨークの爪４１Ｄとは、互いに２２．５°ずれて交互に配置される。

第１集磁ヨーク５Ｃは、第１中間ヨーク４Ｃのリング部４０Ｃの周方向の一部（本実施形態では約１２０°）に沿って、第１中間ヨーク４Ｃの径外側に設けられる。第２集磁ヨーク５Ｄは、第２中間ヨーク４Ｄのリング部４０Ｄの周方向の一部に沿って、第２中間ヨーク４Ｄの径外側に設けられる。集磁ヨーク５Ｃ、５Ｄは、中間ヨーク４Ｃ、４Ｄに径方向で対向し、中間ヨーク４Ｃ、４Ｄから磁束を集める。
磁気センサ６は、第１集磁ヨーク５Ｃおよび第２集磁ヨーク５Ｄの間に設けられ、集磁ヨーク５Ｃ、５Ｄによって集められた磁束密度を検出し、電圧信号に変換して出力する。磁気センサ６として具体的には、ホール素子、磁気抵抗素子等を使用することができる。

次に、検出部２０４の作動について、図１１（ｂ）、図１２、図１３を参照して説明する。図１２は、図１１（ｂ）の中立点でのＸＩＩ−ＸＩＩ断面模式図であり、図１３（ａ）、（ｂ）は、捩じれ変位が生じたときの図１２に対応する断面模式図である。

図１１（ｂ）は、軸方向（図の上下方向）を誇張して示している。また、磁石２Ｒおよび外／内極ヨーク３Ｃ、３Ｄは、トーションバー１３の入力軸１１側に固定され、中間ヨーク４Ｃ、４Ｄは、トーションバー１３の出力軸１２側に固定される。
図１２、図１３では、入力軸１１側すなわち磁石２Ｒおよび外／内極ヨーク３Ｃ、３Ｄの回転方向の位置を固定し、出力軸１２側すなわち中間ヨーク４Ｃ、４Ｄを磁石２Ｒおよび外／内極ヨーク３Ｃ、３Ｄに対して相対回転させた状態を示す。図１２、図１３では、外／内極ヨークの爪３１Ｃ、３１Ｄと、中間ヨークの爪４１Ｃ、４１Ｄとの相対回転位置のみを示す。

まず、図１２は、入力軸１１と出力軸１２との間に操舵トルクが加わっておらず、トーションバー１３に捩じれ変位が生じていない中立点の状態を示す。ここで、外極ヨークの爪３１Ｄと内極ヨークの爪３１Ｄとの中間位置のうち、外極ヨークの爪３１Ｃに対し紙面の反時計回り側の位置を基準位置Ｓ０とする。中立点では、第２中間ヨークの爪４１Ｄが基準位置Ｓ０に位置する。このとき、第１中間ヨークの爪４１Ｃは、外極ヨークの爪３１Ｃと内極ヨークの爪３１Ｄとの中間位置のうち、外極ヨークの爪３１Ｃに対し紙面の時計回り側の位置に配置される。したがって、外極ヨークの爪３１Ｃ、第１中間ヨークの爪４１Ｃ、内極ヨークの爪３１Ｄ、第２中間ヨークの爪４１Ｄが周方向にこの順に並ぶ。

このとき、径方向の投影において、いずれの爪同士も重複しない。したがって、次の図１３で説明するような「爪同士の重複」による磁束は発生しない。
ただし、第１実施形態で説明したとおり、ベース磁束が発生する。

中立点に対し、入力軸１１と出力軸１２との間に操舵トルクが印加されてトーションバー１３に捩じれ変位が生じると、入力軸１１に固定された磁石２Ｚおよび外／内極ヨーク３Ｃ、３Ｄと出力軸１２に固定された中間ヨーク４Ｃ、４Ｄとが相対回転する。
図１３（ａ）に示す状態では、第２中間ヨークの爪４１Ｄの位置Ｓ＋は、基準位置Ｓ０に対し角度θ＋だけ反時計回り方向（進み方向）に回転している。このとき、径方向の投影において、外極ヨークの爪３１Ｃと第１中間ヨークの爪４１Ｃとが重複し、内極ヨークの爪３１Ｄと第２中間ヨークの爪４１Ｄとが重複する。すると、第１実施形態の図５に示す状態と同様の作用により、磁気センサ６に正の磁束密度が発生する。

図１３（ｂ）に示す状態では、第２中間ヨークの爪４１Ｄの位置Ｓ−は、基準位置Ｓ０に対し角度θ−だけ時計回り方向（戻り方向）に回転している。このとき、径方向の投影において、外極ヨークの爪３１Ｃと第２中間ヨークの爪４１Ｄとが重複し、内極ヨークの爪３１Ｄと第１中間ヨークの爪４１Ｃとが重複する。すると、第１実施形態の図６に示す状態と同様の作用により、磁気センサ６に負の磁束密度が発生する。

このように、第４実施形態の検出部２０４は、第１実施形態の検出部２０１と同様の作用により、図８（ａ）の特性を示し、検出磁束密度Φによって、入力軸１１と出力軸１２との間の操舵トルクを検出することができる。
第４実施形態では、中間ヨーク４Ｃ、４Ｃが外／内極ヨーク３Ｃ、３Ｄに対して中立点から相対回転したとき、中間ヨークの爪４１Ｃ、４１Ｄと外／内極ヨークの爪３１Ｃ、３１Ｄとが径方向の投影において重複する。これにより、第１実施形態と同様に、トルクセンサの体格を大きくすることなく、磁束伝達経路を構成するヨーク同士の対向面積を有効に確保することができる。

また、集磁ヨーク５Ｃ、５Ｄは、中間ヨーク４Ｃ、４Ｄに径方向で対向し、中間ヨーク４Ｃ、４Ｄから磁束を集める。磁気センサ６は、集磁ヨーク５Ｃ、５Ｄの間に設けられ、集磁ヨーク５Ｃ、５Ｄによって集められた磁束の磁束密度を検出する。これにより、磁気回路の磁束を効率よく検出することができる。

（第５、第６実施形態）
次に、本発明の第５、第６実施形態の検出部２０５、２０６について、図１４を参照して説明する。
検出部２０５、２０６は、第４実施形態の検出部２０４（図１１参照）における環状の磁石２Ｒ、および外／内極ヨーク３Ｃ、３Ｄがいずれも周方向に４分割して形成される。
図１４（ａ）に示す検出部２０５では、「磁石および一組の磁石端ヨーク」は、磁石２ＲＱ、内極ヨーク３ＣＱおよび外極ヨーク３ＤＱからなる分割ユニットを４つ合わせて構成される。互いに隣接する分割ユニット同士の隙間は、比較的狭く配置されている。

図１４（ｂ）に示す検出部２０６では、「磁石および一組の磁石端ヨーク」は、磁石２ＲＵ、内極ヨーク３ＣＵおよび外極ヨーク３ＤＵからなる分割ユニットを４つ合わせて構成される。互いに隣接する分割ユニット同士の隙間は、比較的広く配置されている。
このように、「磁石および一組の磁石端ヨーク」を周方向に分割して形成することで、第３実施形態の検出部２０３と同様、部品の製造が容易となり、また、組み付け性が向上する。

（その他の実施形態）
（ア）「一組の磁石端ヨーク」の爪の数、「一組の中間ヨーク」の爪の数は、上記実施形態で例示する８個に限らない。また、各爪の形状は、上記実施形態の形状に限らない。
（イ）磁石は、第１〜第３実施形態に対し、Ｎ極およびＳ極が軸方向の逆向きに、すなわち下側がＮ極、上側がＳ極に着磁されてもよい。また、第４〜第６実施形態に対し、Ｎ極およびＳ極が径方向の逆向きに、すなわち径内側がＮ極、径外側がＳ極に着磁されてもよい。それに対応して、各相対回転位置における「一組の磁石端ヨーク」の極性も上記実施形態と逆になる。

（ウ）「一組の集磁ヨーク」を設けなくてもよい。
（エ）上記実施形態では、「磁石および一組の磁石端ヨーク」がトーションバー１３の入力軸１１側に固定され、「一組の中間ヨーク」がトーションバー１３の出力軸１２に固定される。これと逆に、「磁石および一組の磁石端ヨーク」が出力軸１２に、「一組の中間ヨーク」が入力軸１１に固定されてもよい。

（オ）本発明のトルクセンサは、電動パワーステアリング装置に限らず、軸トルクを検出する様々な装置に適用することができる。
以上、本発明はこのような実施形態に限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲において、種々の形態で実施することができる。

３ ・・・トルクセンサ、
１１ ・・・入力軸（第１の軸）、
１２ ・・・出力軸（第２の軸）、
１３ ・・・トーションバー、
２Ｚ、２Ｒ・・・磁石、
２０１、２０２、２０３、２０４、２０５、２０６・・・検出部、
３Ａ ・・・Ｎ極ヨーク（磁石端ヨーク）、
３Ｂ ・・・Ｓ極ヨーク（磁石端ヨーク）、
３Ｃ ・・・外極ヨーク（磁石端ヨーク）、
３Ｄ ・・・内極ヨーク（磁石端ヨーク）、
３０Ａ、３０Ｂ、３０Ｃ、３０Ｄ・・・リング部、
３１Ａ、３１Ｂ、３１Ｃ、３１Ｄ・・・爪、
４Ａ ・・・第１中間ヨーク（中間ヨーク）、
４Ｂ ・・・第２中間ヨーク（中間ヨーク）、
４Ｃ ・・・第１中間ヨーク（中間ヨーク）、
４Ｄ ・・・第２中間ヨーク（中間ヨーク）、
４０Ａ、４０Ｂ、４０Ｃ、４０Ｄ・・・リング部、
４１Ａ、４１Ｂ、４１Ｃ、４１Ｄ・・・爪、
５Ａ ・・・第１集磁ヨーク（集磁ヨーク）、
５Ｂ ・・・第２集磁ヨーク（集磁ヨーク）、
５Ｃ ・・・第１集磁ヨーク（集磁ヨーク）、
５Ｄ ・・・第２集磁ヨーク（集磁ヨーク）、
６ ・・・磁気センサ。

Claims (4)

1. 第１の軸と第２の軸とを同軸上に連結し、前記第１の軸と前記第２の軸との間に加わるトルクを捩じれ変位に変換するトーションバーと、
   前記第１の軸または前記トーションバーの一端側に固定され、軸方向にＮ極およびＳ極に着磁された磁石と、
   前記磁石のＮ極に接続されるＮ極ヨーク、及び前記磁石のＳ極に接続されるＳ極ヨークからなる一組の磁石端ヨークであって、前記Ｎ極ヨークおよび前記Ｓ極ヨークは径外方向に突出する複数の爪を周方向に等間隔に有し、前記Ｎ極ヨークの爪と前記Ｓ極ヨークの爪とが周方向にずれて交互に配置される一組の磁石端ヨークと、
   前記一組の磁石端ヨークの径外側で前記第２の軸または前記トーションバーの他端側に固定され、互いに離間する第１中間ヨークおよび第２中間ヨークからなり、前記一組の磁石端ヨークと共に磁気回路を形成し、前記トーションバーの捩れに応じ前記一組の磁石端ヨークに対して相対回転したとき前記磁気回路に発生する磁束密度が変化する一組の中間ヨークと、
   前記磁気回路に発生する磁束密度を検出する磁気センサと、
   を備え、
   前記第１中間ヨークおよび前記第２中間ヨークは、径内方向に突出する複数の爪を周方向に等間隔に有し、前記第１中間ヨークの爪と前記第２中間ヨークの爪とは周方向にずれて交互に配置され、
   前記一組の磁石端ヨークと前記一組の中間ヨークとの相対回転の位置が所定位置のとき、前記Ｎ極ヨークまたは前記Ｓ極ヨークのうち一方の爪、前記第１中間ヨークの爪、前記Ｎ極ヨークまたは前記Ｓ極ヨークのうち他方の爪、及び前記第２中間ヨークの爪がこの順に周方向に交互に配置され、
   前記一組の中間ヨークが前記一組の磁石端ヨークに対して前記所定位置から相対回転したとき、前記一組の磁石端ヨークの爪と前記一組の中間ヨークの爪とが軸方向の投影において重複し、
   前記トーションバーの捩じれ変位がゼロである中立点において前記磁気回路に発生する磁束がゼロとなるように、前記中立点において、前記第１中間ヨークの爪および前記第２中間ヨークの爪は、前記Ｎ極ヨークの爪と前記Ｓ極ヨークの爪との中間位置に対してずらして配置されることを特徴とするトルクセンサ。
2. 第１の軸と第２の軸とを同軸上に連結し、前記第１の軸と前記第２の軸との間に加わるトルクを捩じれ変位に変換するトーションバーと、
   前記第１の軸または前記トーションバーの一端側に固定され、径方向にＮ極およびＳ極に着磁された磁石と、
   前記磁石の径外側の磁極に接続される外極ヨーク、及び前記磁石の径内側の磁極に接続される内極ヨークからなる一組の磁石端ヨークであって、前記外極ヨークおよび前記内極ヨークは軸方向の一方の側に突出する複数の爪を周方向に等間隔に有し、前記外極ヨークの爪と前記内極ヨークの爪とが周方向にずれて交互に配置される一組の磁石端ヨークと、
   軸方向の前記一組の磁石端ヨークの爪が突出する側で前記第２の軸または前記トーションバーの他端側に固定され、互いに離間する第１中間ヨークおよび第２中間ヨークからなり、前記一組の磁石端ヨークと共に磁気回路を形成し、前記トーションバーの捩れに応じ前記一組の磁石端ヨークに対して相対回転したとき前記磁気回路に発生する磁束密度が変化する一組の中間ヨークと、
   前記磁気回路に発生する磁束密度を検出する磁気センサと、
   を備え、
   前記第１中間ヨークおよび前記第２中間ヨークは、前記磁石に向かって軸方向に突出する複数の爪を周方向に等間隔に有し、前記第１中間ヨークの爪と前記第２中間ヨークの爪とは周方向にずれて交互に配置され、
   前記一組の磁石端ヨークと前記一組の中間ヨークとの相対回転の位置が所定位置のとき、前記外極ヨークまたは前記内極ヨークのうち一方の爪、前記第１中間ヨークの爪、前記外極ヨークまたは前記内極ヨークのうち他方の爪、及び前記第２中間ヨークの爪がこの順に周方向に交互に配置され、
   前記一組の中間ヨークが前記一組の磁石端ヨークに対して前記所定位置から相対回転したとき、前記一組の磁石端ヨークの爪と前記一組の中間ヨークの爪とが径方向の投影において重複し、
   前記トーションバーの捩じれ変位がゼロである中立点において前記磁気回路に発生する磁束がゼロとなるように、前記中立点において、前記第１中間ヨークの爪および前記第２中間ヨークの爪は、前記外極ヨークの爪と前記内極ヨークの爪との中間位置に対してずらして配置されることを特徴とするトルクセンサ。
3. 前記磁石および前記磁石端ヨークは、周方向に分割して形成されることを特徴とする請求項１または２に記載のトルクセンサ。
4. 前記一組の中間ヨークに軸方向または径方向で対向し、前記一組の中間ヨークから磁束を集める一組の集磁ヨークを備え、
   前記磁気センサは、前記一組の集磁ヨークの間に設けられ、前記一組の集磁ヨークによって集められた磁束の磁束密度を検出することを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載のトルクセンサ。

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