JP6036220B2

JP6036220B2 - トルク検出装置

Info

Publication number: JP6036220B2
Application number: JP2012259722A
Authority: JP
Inventors: 池田　幸雄; 幸雄池田; 橋本　佳幸; 佳幸橋本
Original assignee: Hitachi Metals Ltd
Current assignee: Proterial Ltd
Priority date: 2012-11-28
Filing date: 2012-11-28
Publication date: 2016-11-30
Anticipated expiration: 2032-11-28
Also published as: JP2014106140A

Description

本発明は、例えば、車両の舵取りを行う際、電動モータを駆動して操舵を補助し運転者の負担を軽減する電動パワーステアリング装置等に適用され、ハンドルに加えられたトルクを検出するトルク検出装置に関する。

従来、ハンドルにつながる入力軸と、操舵輪につながる出力軸と、入力軸及び出力軸を連結する連結軸（トーションバー）とを備え、連結軸に生じる捩じれ角度によって、入力軸に加わる操舵トルクを検出するトルク検出装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。

特許文献１に記載のトルク検出装置において、入力軸には円筒形状の永久磁石が同軸に設けられ、出力軸には永久磁石の磁気回路を形成する円筒形状のヨークが同軸に設けられている。また、ヨークからの磁束を誘導する一対の集磁リングがヨークを挟むようにして配置され、その一対の集磁リングの間に２つのホールＩＣ（磁界センサ）が配置されている。２つのホールＩＣは、本体部から引き出されたリード線を互いに平行にして、集磁リングの径方向に対して直交する方向に並んで配置されている。

一対の集磁リング及び２つのホールＩＣは、環状の合成樹脂によりモールドされ一体化している。２つのホールＩＣは、各々の検出方向を逆にしてトルクの出力差を求めることにより、ホールＩＣの温度特性及び軸方向の検出感度の影響を相殺し、トルク検出装置の検出精度を高めている。２つのホールＩＣはそれぞれ、合成樹脂の外部に設けられた基板に接続され、２つのホールＩＣが検出した永久磁石からの磁力は、基板及び基板に接続された出力用電線を介して外部機器へ出力される。

特開２００５−２６５５８１号公報

しかし、上記特許文献１に記載のトルク検出装置において、ホールＩＣのリード線と接続された接続部も環状の合成樹脂によってモールドされている場合、環状の合成樹脂が温度変化の影響を受けてその環状方向に沿って熱膨張又は収縮すると、その接続部に応力がかかることがある。このため、例えばリード線と端子部とを強固に溶接する等、接続部の強度を高めるための工程を設ける必要があり、コスト削減を阻害する要因となっていた。

そこで、本発明の目的は、磁界センサをモールドする環状の樹脂部材が熱膨張又は収縮した場合でも、磁界センサと端子部との間における電気的な接続の信頼性の低下を抑制することができるトルク検出装置を提供することにある。

本発明は、上記課題を解決することを目的として、一端部から他端部に伝達されるトルクに応じて前記一端部と前記他端部との間で捩じれる軸状の弾性部材と、前記弾性部材の捩じれに応じて相対変位する一対の軟磁性部材を含む磁気回路と、前記磁気回路に磁束を発生させる環状の磁石と、前記磁気回路に発生する磁束密度を検出する磁界検出素子を収容するセンサ本体部、及び前記センサ本体部から引き出された複数のリード線からなる複数の磁界センサと、前記複数のリード線の先端部に接続された金属からなる複数の端子と、前記複数の磁界センサと前記複数のリード線と前記複数の端子とを一括してモールドする環状の樹脂部材とを備え、前記複数の磁界センサは、前記環状の磁石の周方向に沿って並べて配置され、前記環状の樹脂部材には、前記環状の磁石を収容する筒状の収容空間が形成され、前記複数の磁界センサの前記複数のリード線の引き出し方向に沿った中心線が互いに前記収容空間の内部で交差するトルク検出装置を提供する。

また、前記中心線は互いに前記収容空間の中心部で交差するとよい。

また、前記複数の端子は、固定部材に一括して固定されているとよい。

また、前記環状の樹脂部材は、前記複数の磁界センサと前記複数のリード線と前記複数の端子と前記固定部材とを一括してモールドして成形されているとよい。

本発明に係るトルク検出装置によれば、磁界センサと端子部との間における電気的な接続の信頼性の低下を抑制することができる。

本発明の実施の形態に係るトルク検出装置の断面図である。トルク検出装置における磁気回路の構成例を示す分解斜視図である。磁気回路の構成例を示す断面図である。トルク検出装置の動作を示す説明図であり、（ａ）はトーションバーに捩じれが発生していない状態を、（ｂ）はトーションバーが捩じれた状態を、それぞれ示す。図１のＡ−Ａ断面を下から見た模式図である。本実施の形態に係る樹脂ケースが熱膨張した場合における磁界センサの位置の変化の例を示す説明図である。図６の比較例を示す説明図である。

［実施の形態］
図１は、本発明の実施の形態に係るトルク検出装置１の断面図である。

このトルク検出装置１は、例えば車両に搭載され、運転者がハンドルに付与する操舵トルクを検出するために用いられる。車両の操舵系には、操舵操作を補助する電動パワーステアリング装置が設けられ、トルク検出装置１が検出した操舵トルクに応じて電動モータが操舵輪（前輪）を転舵するためのトルクを出力する。

トルク検出装置１は、ハンドル側に連結された入力軸２と操舵輪側に連結された出力軸３との間に介在する軸状の弾性部材としてのトーションバー４と、トーションバー４の外周側に配置された環状の樹脂部材としての樹脂ケース５と、樹脂ケース５にモールドされた一対の磁界センサ６と、トーションバー４と樹脂ケース５との間に配置された磁気回路１Ａ及び環状の磁石１０とを有している。

磁気回路１Ａは、トーションバー４の捩じれに応じて相対変位する一対の軟磁性部材としての一対の回転ヨーク７と、一対の固定ヨーク８と、補助ヨーク９と、磁石１０とを有している。一対の回転ヨーク７は、その内周面が磁石１０の外周面に対向している。一対の固定ヨーク８は、一対の回転ヨーク７の外周側に配置され、樹脂ケース５に一対の磁界センサ６と共にモールドされている。補助ヨーク９は、磁石１０の軸方向の一端面に接触し、磁石１０の磁束を一方の回転ヨーク７に導くように配置されている。

入力軸２は、トーションバー４を挿通させる挿通孔２０が形成された円筒状であり、その内面にトーションバー４の一端部４ａが相対回転不能に連結されている。入力軸２の外周面には、筒部１１が固定され、この筒部１１の外周面に磁石１０が設けられている。筒部１１は、入力軸２と一方の回転ヨーク７とを相対回転不能に連結している。

出力軸３は、その中心軸に沿って大径の凹部３１と小径の凹部３２とを有している。小径の凹部３２には、トーションバー４の他端部４ｂが例えば圧入によって相対回転不能に連結されている。大径の凹部３１には、入力軸２の一端部が挿入され、大径の凹部３１の内周面と入力軸２の外周面との間には空隙３０が形成されている。大径の凹部３１の開口端には、非磁性体（例えば、黄銅、ＳＵＳ３０４等）からなるアダプタ１２が配置されている。アダプタ１２は、出力軸３と他方の回転ヨーク７とを相対回転不能に連結している。

トーションバー４は、その軸方向の中央部４ｃが一端部４ａ及び他端部４ｂよりも小径に形成されている。トーションバー４は、入力軸２から出力軸３に伝達されるトルクに応じて、一端部４ａと他端部４ｂとの間で中央部４ｃが捩じれる。一端部４ａと他端部４ｂとは、中央部４ｃの捩じれに応じて相対的に変位する。

図２は、トルク検出装置１における磁気回路１Ａの構成例を示す分解斜視図である。図３は、磁気回路１Ａの構成例を示す断面図である。

図２に示すように、筒部１１は、鍔部１１０と円筒部１１１とを一体に有し、入力軸２を挿通させるための挿通孔１１２が中心部に形成されている。筒部１１の外周には、磁石１０の磁束を通過させる磁気回路１Ａが配置されている。磁気回路１Ａには、図３に示すように、第１の磁路Ｈ１と第２の磁路Ｈ２とからなる磁路Ｈが形成されている。

磁石１０は、Ｎ極及びＳ極が中心軸に沿って形成され、磁路Ｈに磁束を発生させる。つまり、磁石１０は、中心軸方向の一端部がＮ極として、他端部がＳ極として、それぞれ形成されている。

一対の回転ヨーク７は、第１の回転ヨーク７１と第２の回転ヨーク７２とから形成され、軸方向に沿って磁石１０を挟む位置に配置されている。第１の回転ヨーク７１には、本体部７１０及び磁石１０側に突出する複数の突起部７１１が一体となって形成されている。同様に、第２の回転ヨーク７２には、本体部７２０及び磁石１０側に突出する複数の突起部７２１が一体となって形成されている。

一対の固定ヨーク８は、第１の固定ヨーク８１と第２の固定ヨーク８２とから形成される。第１の固定ヨーク８１は第１の回転ヨーク７１の外周側に、第２の固定ヨーク８２は第２の回転ヨーク７２の外周側に、それぞれ配置される。

第１の固定ヨーク８１は、第１の回転ヨーク７１の本体部７１０に対向する環状部８１０と、環状部８１０の外周面に形成されて第１の回転ヨーク７１の突起部７１１側に延出した延出部８１１と、延出部８１１の先端部から環状部８１０の外周面８１０ａに直交する方向に突出し、後述する第２の固定ヨーク８２の対向部８２２に対向する対向部８１２とを一体に有している。

同様に、第２の固定ヨーク８２は、第２の回転ヨーク７２の本体部７２０に対向する環状部８２０と、環状部８２０の外周面に形成されて第２の回転ヨーク７２の突起部７２１側に延出した延出部８２１と、延出部８２１の先端部から環状部８２０の外周面８２０ａに直交する方向に突出し、第１の固定ヨーク８１の対向部８１２に対向する対向部８２２とを一体に有している。第１の固定ヨーク８１の対向部８１２と第２の固定ヨーク８２の対向部８２２との間には、隙間１３０が形成され、その隙間１３０に一対の磁界センサ６（図３には、一方の磁界センサ６のみを示す）が配置されている。

図３に示すように、第１の磁路Ｈ１は、磁石１０と、一対の回転ヨーク７（第１の回転ヨーク７１，第２の回転ヨーク７２）と、補助ヨーク９とで構成される。第２の磁路Ｈ２は、磁石１０と、一対の回転ヨーク７と、一対の固定ヨーク８（第１の固定ヨーク８１，第２の固定ヨーク８２）とで構成される。

第１の磁路Ｈ１における磁束の経路は、磁石１０のＮ極→第１の回転ヨーク７１→第２の回転ヨーク７２→補助ヨーク９→磁石１０のＳ極となる。また、第２の磁路Ｈ２における磁束の経路は、磁石１０のＮ極→第１の回転ヨーク７１→第１の固定ヨーク８１→隙間１３０→第２の固定ヨーク８２→第２の回転ヨーク７２→補助ヨーク９→磁石１０のＳ極となる。なお、本実施の形態では、磁石１０のＮ極から出る磁束のうち、第１の磁路Ｈ１及び第２の磁路Ｈ２を経由せずに磁石１０のＳ極に入る磁束は、無視できるほど小さい。

図４は、トルク検出装置１の動作を示す説明図であり、（ａ）はトーションバー４に捩じれが発生していない状態を、（ｂ）はトーションバー４が捩じれた状態を、それぞれ示す。

入力軸２にトルクが作用してトーションバー４に捩じれが生じると、この捩じれに応じて第１の回転ヨーク７１が第２の回転ヨーク７２に対して相対的に回転し、図４（ａ）に示す位置から図４（ｂ）に示す位置に変位する。

第１の回転ヨーク７１が変位すると、第１の回転ヨーク７１の突起部７１１と第２の回転ヨーク７２の突起部７２１とが周方向に沿って相対的に位置ずれし、突起部７１１の先端面７１１ａと突起部７２１の先端面７２１ａとが対向する面積が減少する。これにより、第１の磁路Ｈ１内の磁気抵抗が大きくなり、第１の磁路Ｈ１を流れる磁束が少なくなる。第２の磁路Ｈ２内の磁気抵抗は、入力軸２に作用するトルクの有無に関係なく一定であるため、第１の磁路Ｈ１を流れる磁束に対して、第２の磁路Ｈ２を流れる磁束が大きくなる。

従って、トーションバー４の捩じれ量、すなわち入力軸２から出力軸３に伝達されるトルクを、第２の磁路Ｈ２を流れる磁束の変化量として、後述する磁界センサ６によって検出することが可能である。

図５は、図１のＡ−Ａ断面を下から見た模式図である。

一対の磁界センサ６は、磁石１０の周方向に沿って並べて配置された第１の磁界センサ６１及び第２の磁界センサ６２からなり、樹脂ケース５に一括してモールドされている。

第１の磁界センサ６１は、磁気回路１Ａに発生する磁束密度を検出する磁界検出素子６１ａを収容するセンサ本体部６１０と、複数（本実施の形態では３本）のリード線６１１とを有している。複数のリード線６１１はそれぞれ、センサ本体部６１０と反対側の先端部において、金属からなる複数（本実施の形態では３つ）の端子６３に接続されている。

同様に、第２の磁界センサ６２は、磁気回路１Ａに発生する磁束密度を検出する磁界検出素子６２ａを収容するセンサ本体部６２０と、複数（本実施の形態では３本）のリード線６２１とを有している。複数のリード線６２１はそれぞれ、センサ本体部６２０と反対側の先端部において、金属からなる複数（本実施の形態では３つ）の端子６４に接続されている。磁界検出素子６１ａ，６２ａは、例えばホール効果を利用して磁界を検出するホール素子からなる。

端子６３及び端子６４は、固定部材６５に一括して固定されている。第１の磁界センサ６１，第２の磁界センサ６２，複数の端子６３，複数の端子６４，及び固定部材６５は、一括して樹脂ケース５にモールドされている。

樹脂ケース５は、円弧状の円弧部５１と、第１の磁界センサ６１及び第２の磁界センサ６２をモールドする本体部５２と、ボルト等によって車体に取り付けられる取付部５３とを一体に有している。本体部５２には、複数（本実施の形態では３本）の電線６６及び複数（本実施の形態では３本）の電線６７を挿通させる複数（本実施の形態では６つ）の挿通孔５４が形成されている。また、樹脂ケース５には、一対の回転ヨーク７と補助ヨーク９と磁石１０と筒部１１とアダプタ１２の一部とが収容される筒状の収容空間５０が形成されている。

第１の磁界センサ６１のセンサ本体部６１０及び第２の磁界センサ６２のセンサ本体部６２０は、収容空間５０の中心軸Ｃの周方向に沿って配置されている。これにより、センサ本体部６１０とセンサ本体部６２０とは、その間の距離に応じて互いに傾斜して配置されている。

センサ本体部６１０の外縁におけるリード線６１１の引き出し方向に沿った両辺の一方を辺６１０ａとし、他方を辺６１０ｂとすると、辺６１０ａからの距離と辺６１０ｂからの距離とが等しくなる点の軌跡（第１中心線６１ａ）が描かれる。同様に、センサ本体部６２０の外縁におけるリード線６２１の引き出し方向に沿った両辺の一方を辺６２０ａとし、他方を辺６２０ｂとすると、辺６２０ａからの距離と辺６２０ｂからの距離とが等しくなる点の軌跡（第２中心線６２ａ）が描かれる。第１の中心線６１ｂ及び第２の中心線６２ｂは、収容空間５０の内部における中心部（例えば、中心軸Ｃから半径１ｍｍ以内の範囲）で交差する。図５に示す例では、第１の中心線６１ｂ及び第２の中心線６２ｂとが、収容空間５０の中心軸Ｃで交わっている。

（実施の形態の作用及び効果）
次に、本実施の形態の作用及び効果について、図６及び図７を参照して説明する。

図６は、本実施の形態に係る樹脂ケース５が熱膨張した場合における磁界センサ６の位置の変化の例を示す説明図である。なお、図６では樹脂ケース５が熱膨張する前の位置を一点鎖線で示す。

樹脂ケース５が熱膨張する際、収容空間５０には、中心軸Ｃを基点として径方向に広がるように力が作用する。つまり、第１の中心線６１ｂ及び第２の中心線６２ｂの延伸方向に沿った力が作用する。第１の磁界センサ６１のセンサ本体部６１０は、第１の中心線６１ｂの延伸方向に沿って、リード線６１１の方向に動く。第２の磁界センサ６２のセンサ本体部６２０は、第２の中心線６２ｂの延伸方向に沿って、リード線６２１側に動く。

図７は、図６の比較例を示す説明図である。なお、図７では樹脂ケース５が熱膨張する前の位置を一点鎖線で示す。

図７において、収容空間５０の中心軸Ｃ、及び電線６６と電線６７との間を通る線を円周中心線６０とする。第１の磁界センサ６１のセンサ本体部６１０は、辺６１０ｂが円周中心線６０と平行になるように配置されている。第２の磁界センサ６２のセンサ本体部６２０は、辺６２０ａが円周中心線６０と平行になるように配置されている。

この場合において樹脂ケース５が熱膨張すると、センサ本体部６１０及びセンサ本体部６２０は、円周中心線６０の延伸方向に沿って固定部材６５側に動く。さらに、センサ本体部６１０及びセンサ本体部６２０は、円周中心線６０に対して傾斜する方向にも力を受ける。従って、リード線６１１と端子６３との間、及びリード線６２１と端子６４との間に応力が働き、これらの接続強度が低い場合には、接続不良を起こすこともあり得る。

一方、図６に示すように、第１中心線６１ａと第２中心線６２ａとが収容空間５０の内部で交差するようにセンサ本体部６１０及びセンサ本体部６２０を配置すると、センサ本体部６１０及びセンサ本体部６２０が受ける力の向きが樹脂ケース５の熱膨張による力の向きに沿うため、リード線６１１と端子６３との間及びリード線６２１と端子６４との間に働く応力が、図７の場合と比べて小さくなる。これにより、リード線６１１と端子６３との間、及びリード線６２１と端子６４との間における電気的な接続の信頼性の低下が抑制される。

また、第１の中心線６１ｂと第２の中心線６２ｂとが収容空間５０の中心部（例えば、中心軸Ｃから半径１ｍｍ以内の範囲）で交差することにより、センサ本体部６１０及びセンサ本体部６２０が受ける力の向きが樹脂ケース５の熱膨張による力の向きと一致し、リード線６１１と端子６３との間及びリード線６２１と端子６４との間に働く応力がより小さくなる。従って、リード線６１１と端子６３との間、及びリード線６２１と端子６４との間における電気的な接続の信頼性をさらに向上させることが可能となる。

また、磁界センサ６と複数の端子６３及び複数の端子６４と固定部材６５とが一括して樹脂ケース５にモールドされているため、各接続部分における鉄屑や鉄粉等の塵埃による接続不良の低減が可能となる。

以上、本発明の実施の形態を説明したが、上記に記載した実施の形態は特許請求の範囲に係る発明を限定するものではない。また、実施の形態の中で説明した特徴の組合せの全てが発明の課題を解決するための手段に必須であるとは限らない点に留意すべきである。

例えば、磁界センサ６のセンサ本体部６１０及びセンサ本体部６２０は、長方形状でなくてもよい。さらに、磁界センサ６の数に制限はなく、１つあるいは３つ以上でもよい。

また、リード線６１１及びリード線６２１と電線６６及び電線６７は３本以上でもよい。

また、磁石１０におけるＮ極及びＳ極の配列が中心軸と直交する方向に沿っていてもよい。その場合、第１の回転ヨーク７１の突起部７１１及び第２の回転ヨーク７２の突起部７２１の形状は錐体となる。

また、樹脂ケース５の本体部５２及び取付部５３の形状に制限はなく、磁界センサ６と、端子６３及び端子６４と、固定部材６５とが一括してモールドされていればよい。

また、樹脂ケース５は熱膨張だけでなく収縮する場合においても、本発明は有効である。

１…トルク検出装置、１Ａ…磁気回路、２…入力軸、３…出力軸、４…トーションバー（弾性部材）、４ａ…一端部、４ｂ…他端部、４ｃ…中央部、５…樹脂ケース（樹脂部材）、６…磁界センサ、７…回転ヨーク（軟磁性部材）、８…固定ヨーク、９…補助ヨーク、１０…磁石、１１…筒部、１２…アダプタ、２０…挿通孔、３０…空隙、３１…大径の凹部、３２…小径の凹部、５０…収容空間、５１…円弧部、５２…本体部、５３…取付部、５４…挿通孔、６０…円周中心線、６１…第１の磁界センサ、６１ａ…磁界検出素子、６１ｂ…第１の中心線、６２…第２の磁界センサ、６２ａ…磁界検出素子、６２ｂ…第２の中心線、６３…端子、６４…端子、６５…固定部材、６６…電線、６７…電線、７１…第１の回転ヨーク（軟磁性部材）、７２…第２の回転ヨーク（軟磁性部材）、８１…第１の固定ヨーク、８２…第２の固定ヨーク、１１０…鍔部、１１１…円筒部、１１２…挿通孔、１３０…隙間、６１０…センサ本体部、６１０ａ…辺、６１０ｂ…辺、６１１…リード線、６２０…センサ本体部、６２０ａ…辺、６２０ｂ…辺、６２１…リード線、７１０…本体部、７１１…突起部、７１１ａ…先端面、７２０…本体部、７２１…突起部、７２１ａ…先端面、８１０…環状部、８１０ａ…外周面、８１１…延出部、８１２…対向部、８２０…環状部、８２０ａ…外周面、８２１…延出部、８２２…対向部、Ｃ…中心軸、Ｈ…磁路、Ｈ１…磁路、Ｈ２…磁路

Claims

一端部から他端部に伝達されるトルクに応じて前記一端部と前記他端部との間で捩じれる軸状の弾性部材と、
前記弾性部材の捩じれに応じて相対変位する一対の軟磁性部材を含む磁気回路と、
前記磁気回路に磁束を発生させる環状の磁石と、
前記磁気回路に発生する磁束密度を検出する磁界検出素子を収容するセンサ本体部、及び前記センサ本体部から引き出された複数のリード線からなる複数の磁界センサと、
前記複数のリード線の先端部に接続された金属からなる複数の端子と、
前記複数の端子が一括して固定される固定部材と、
円弧状の円弧部と、前記複数の磁界センサをモールドする本体部と、ボルト等によって車体に取り付けられる取付部とを一体に有し、前記複数の磁界センサと前記複数のリード線と前記複数の端子と前記固定部材とを一括してモールドする環状の樹脂部材とを備え、
前記複数の磁界センサは、前記環状の磁石の周方向に沿って並べて配置され、
前記環状の樹脂部材には、前記環状の磁石を収容する筒状の収容空間が形成され、
前記複数の磁界センサの前記複数のリード線の引き出し方向に沿った中心線が互いに前記収容空間の内部で交差する、
トルク検出装置。
前記中心線は互いに前記収容空間の中心部で交差する、
請求項１に記載のトルク検出装置。
前記複数のリード線は、前記引き出し方向に沿って前記センサ本体部から引き出されると共に、前記引き出し方向と交差する方向に屈曲されて前記複数の端子に接続される、
請求項１又は２に記載のトルク検出装置。
前記本体部に、複数の電線を挿通させる複数の挿通孔を備える、
請求項３に記載のトルク検出装置。