JP2004163304A - トルクセンサ - Google Patents

Abstract

【課題】構造がシンプルで電気的な接触部を持たず、且つ中立点付近で精度の良いトルクセンサ１を提供すること。
【解決手段】トルクセンサ１は、入力軸２と出力軸３とを同軸上に連結するトーションバー４、入力軸２の端部に取り付けられるリング状の磁石５、出力軸３の端部に取り付けられる一組の磁気ヨーク６、及び磁気ヨーク６に生じる磁束密度を検出する磁気センサ７等より構成される。磁気ヨーク６は、磁石５のＮ極及びＳ極と同数（１２個）の爪６ａが全周に等間隔に設けられている。この磁気ヨーク６と磁石５は、トーションバー４に捩じれが生じていない状態で、磁気ヨーク６に設けられた爪６ａの中心と磁石５のＮ極とＳ極との境界とが一致するように配置されている。磁気センサ７は、軸方向に対向する磁気ヨーク６Ａと磁気ヨーク６Ｂとの間に設けられるギャップ内に挿入されて磁束密度を検出する。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば電動パワーステアリング装置等の回転動力を伝達する機構における軸トルクを検出するトルクセンサに関する。
【０００２】
【従来技術】
磁石と磁気センサを使った従来技術としては、磁石と磁気センサをトーションバーの両端に同定し、トルクが印加された際に、トーションバーが捩じれることによって磁石と磁気センサの位置関係が変化し、磁気センサからトルクに比例した出力を得るものがある（例えば、特許文献１参照。）。
【０００３】
また、磁石と磁気センサとトーションバーを使用する点で上記の特許文献１と同じであるが、トーションバーの捩じれをギヤを使って軸方向の運動に変える機構にして磁気センサをハウジングに固定させ、磁気センサヘの電力供給と信号の取り出しを行う電気的接触部を不要にしている（例えば、特許文献２参照。）。
【０００４】
【特許文献１】
特開平８−１５９８８７号公報
【特許文献２】
特開平６−２８１５１３号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、特許文献１の方式では、磁石と磁気センサがトーションバーに固定されているため、磁気センサヘの電力供給と信号の取り出しを行うために電気的な接触部が必要となり、具体的にはスリップリングとブラシを使用しているため、接触部の信頼性が懸念される。
【０００６】
また、特許文献２の方式では、トーションバーの捩じれを軸方向の運動に変換するギヤ機構を有しているため、構造が複雑になり、且つギヤ機構のバックラッシやギヤの摩耗等により、誤差及び応答遅れ等が生じるため、性能面での懸念点がある。
【０００７】
本発明は、上記事情に基づいて成されたもので、その目的は、構造がシンプルで電気的な接触部を持たないトルクセンサを提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、請求項１では、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の軸との間に捩じれトルクが入力されると、自身に捩じれを生じる弾性部材と、第１の軸に連結されて、周囲に磁界を形成する硬磁性体と、第２の軸に連結され、且つ硬磁性体により形成される磁界内に配置されて磁気回路を形成し、弾性部材の捩じれによって硬磁性体との相対位置が変化すると、磁気回路に発生する磁束密度が変化する構造を有する一組の軟磁性体と、軟磁性体と非接触に設置され、軟磁性体の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、硬磁性体は、周方向に着磁され、軟磁性体は、硬磁性体の外周に配置され、且つ軸方向にギャップを介して対向しており、磁石の極数と同数の爪が全周に等間隔に設けられ、且つ一方の軟磁性体に設けられる爪と他方の軟磁性体に設けられる爪とが周方向にずれて交互に配置され、爪は、根本部と先端部とを有し、根本部の周方向の幅が先端部の周方向の幅よりも大きく、根本部の周方向の幅Ａと、一方の軟磁性体の爪の根本部の周方向一端から隣り合う爪の根本部の周方向一端までの周方向の長さＰとの間に以下の関係が成立することを特徴としている。
【０００９】
０．５×Ｐ＜Ａ＜Ｐ
本発明のトルクセンサは、第１の軸と第２の軸との間に捩じれトルクが入力されて弾性部材に捩じれが生じると、硬磁性体と軟磁性体との相対位置が変化することで、軟磁性体の磁気回路に発生する磁束密度が変化する。この磁束密度の変化を磁気センサで検出することにより、第１の軸と第２の軸との間に印加される捩じれトルクを求めることができる。この構成によれば、硬磁性体から発生する磁束を直接磁気センサで検出する必要がないので、非接触式の磁気センサを定位置に固定して使用することができる。その結果、磁気センサに対し電気的な接触部を設ける必要がないので、信頼性の高いトルクセンサを提供できる。
【００１０】
さらに、爪の根本部の周方向の幅Ａと、一方の軟磁性体の爪の根本部の周方向一端から隣り合う爪の根本部の周方向一端までの周方向の長さＰとの間に上記の関係式が成立することで、軟磁性体の大きさに関わらず、磁気センサが直線性の良い磁束密度を検出することができる。
【００１１】
また、請求項２では、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の軸との間に捩じれトルクが入力されると、自身に捩じれを生じる弾性部材と、第１の軸に連結されて、周囲に磁界を形成する硬磁性体と、第２の軸に連結され、且つ硬磁性体により形成される磁界内に配置されて磁気回路を形成し、弾性部材の捩じれによって硬磁性体との相対位置が変化すると、磁気回路に発生する磁束密度が変化する構造を有する一組の軟磁性体と、軟磁性体に近接して配置され、軟磁性体から磁束を導くと共に、磁束を集める集磁部を有する補助軟磁性体と、集磁部を介して補助軟磁性体に生じる磁束密度を検出する磁気センサとを備え、硬磁性体は、周方向に着磁され、軟磁性体は、硬磁性体の外周に配置され、且つ軸方向にギャップを介して対向しており、磁石の極数と同数の爪が全周に等間隔に設けられ、且つ一方の軟磁性体に設けられる爪と他方の軟磁性体に設けられる爪とが周方向にずれて交互に配置され、爪は、根本部と先端部とを有し、根本部の周方向の幅が先端部の周方向の幅よりも大きく、根本部の周方向の幅Ａと、一方の軟磁性体の爪の根本部の周方向一端から隣り合う爪の根本部の周方向一端までの周方向の長さＰとの間に以下の関係が成立することを特徴としている。
【００１２】
０．５×Ｐ＜Ａ＜Ｐ
本発明のトルクセンサは、第１の軸と第２の軸との間に捩じれトルクが入力されて弾性部材に捩じれが生じると、硬磁性体と軟磁性体との相対位置が変化することで、軟磁性体の磁気回路に発生する磁束密度が変化する。さらに、軟磁性体に発生する磁束が補助軟磁性体に導かれて、その補助軟磁性体に設けられた集磁部に集められる。従って、集磁部を介して補助軟磁性体に生じる磁束密度を磁気センサで検出することにより、第１の軸と第２の軸との間に印加される捩じれトルクを求めることができる。この構成によれば、硬磁性体から発生する磁束を直接磁気センサで検出する必要がないので、非接触式の磁気センサを定位置に固定して使用することができる。その結果、磁気センサに対し電気的な接触郡を設ける必要がないので、信頼性の高いトルクセンサを提供できる。また、補助軟磁性体に生じる磁束を集磁部に集めることにより、軟磁性体の全周で発生する磁束密度の平均を磁気センサで検出することができる。これにより、磁気回路を構成する部品の製造ばらつきや組付け精度、センタずれ等による検出誤差を小さくできる。
【００１３】
さらに、爪の根本部の周方向の幅Ａと、一方の軟磁性体の爪の根本部の周方向一端から隣り合う爪の根本部の周方向一端までの周方向の長さＰとの間に上記の関係式が成立することで、軟磁性体の大きさに関わらず、磁気センサが直線性の良い磁束密度を検出することができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、図に示す実施形態について説明する。
【００１５】
図１は、トルクセンサ１の分解斜視図である。図２は、トルクセンサ１の軸方向断面図である。図３は、磁石５と一組の磁気ヨーク６との位置関係を示す軸方向平面図（ａ）と側面図（ｂ）である。図４は、トーションバー４の捩じれ角（磁石５と磁気ヨーク６とのずれ角）と磁気ヨーク６に生じる磁束密度との関係を表すグラフである。図５は、一組の磁気ヨーク６の側面図である。図６は、トーションバー４の捩じれ角（磁石５と磁気ヨーク６とのずれ角）と磁気ヨーク６に生じる磁束密度との関係を表わすグラフである。
【００１６】
本実施形態のトルクセンサ１は、例えば車両の電動式パワーステアリング装置に用いられるもので、ステアリングシャフトを構成する入力軸２（第１の軸）と出力軸３（第２の軸）との間に設けられ、ステアリングシャフトに加わる操舵トルクを検出している。
【００１７】
そのトルクセンサ１は、入力軸２と出力軸３とを同軸上に連結するトーションバー４（弾性部材）、入力軸２の端部（またはトーションバー４の一端側）に取り付けられる磁石５（硬磁性体）、出力軸３の端部（またはトーションバー４の他端側）に取り付けられる一組の磁気ヨーク６（軟磁性体）、及びこの一組の磁気ヨーク６間に生じる磁束密度を検出する磁気センサ７等より構成される。
【００１８】
トーションバー４は、両端がそれぞれピン８により入力軸２と出力軸３とに固定され、目的に応じた捩じれ／トルク特性を持たせてある。従って、入力軸２と出力軸３は、トーションバー４が捩じれを生じることで相対的に回動することができる。
【００１９】
磁石５は、リング状に設けられて周方向にＳ極とＮ極とが交互に着磁され、例えば２４極に形成されている。
【００２０】
一組の磁気ヨーク６（６Ａ、６Ｂ）は、図１に示す様に、磁石５の外周に近接して配置される環状体で、それぞれ磁石５のＮ極及びＳ極と同数（１２個）の爪６ａが全周に等間隔に設けられている。この一組の磁気ヨーク６は、互いの爪６ａが周方向にずれて交互に配置される様に、固定部９（図２参照）により位置決めされている。
【００２１】
また、一組の磁気ヨーク６と磁石５は、トーションバー４に捩じれが生じていない状態（入力軸２と出力軸３との間に捩じれトルクが加わっていない時）で、各磁気ヨーク６に設けられた爪６ａの中心と磁石５のＮ極とＳ極との境界とが一致するように配置されている（図３参照）。
【００２２】
磁気センサ７は、図３に示す様に、軸方向に対向する一方の磁気ヨーク６Ａと他方の磁気ヨーク６Ｂとの間に設けられるギャップＧ内に挿入され、両磁気ヨーク６間に生じる磁束密度を検出する。但し、この磁気センサ７は、磁気ヨーク６と接触することなく、図示しないハウジング等に固定されて、定位置に設けられている。
【００２３】
磁気センサ７としては、例えばホール素子、ホールＩＣ、磁気抵抗素子等を使用することができ、検出した磁束密度を電気信号（例えば電圧信号）に変換して出力する。
【００２４】
次に、本実施形態の作動を説明する。
【００２５】
入力軸２と出力軸３との間に捩じれトルクが印加されていない状態、つまりトーションバー４が捩じれていない中立位置では、図４（ｂ）に示す様に、磁気ヨーク６に設けられた爪６ａの中心と磁石５のＮ極とＳ極との境界とが一致している。この場合、各磁気ヨーク６の爪６ａには、磁石５のＮ極とＳ極から同数の磁力線が出入りするため、一方の磁気ヨーク６Ａと他方の磁気ヨーク６Ｂの内部でそれぞれ磁力線が閉じている。従って、磁気ヨーク６Ａと磁気ヨーク６Ｂとの間（ギャップＧ）に磁束が洩れることはなく、磁気センサ７で検出する磁束密度は０となる（図４参照）。
【００２６】
入力軸２と出力軸３との間に捩じれトルクが印加されて、トーションバー４に捩じれが生じると、入力軸２に固定された磁石５と出力軸３に固定された一組の磁気ヨーク６との相対位置が周方向に変化する。これにより、図４（ａ）または（ｃ）に示す様に、磁気ヨーク６に設けられた爪６ａの中心と磁石５のＮ極とＳ極との境界とが一致しなくなるため、各磁気ヨーク６には、ＮまたはＳの極性を有する磁力線が増加する。
【００２７】
この時、一方の磁気ヨーク６Ａと他方の磁気ヨーク６Ｂは、それぞれ逆の極性を有する磁力線が増加するので、一方の磁気ヨーク６Ａと他方の磁気ヨーク６Ｂとの間（ギャップＧ）に磁束密度が発生する。この磁束密度は、図４に示す様に、トーションバー４の捩じれ量に略比例し、且つトーションバー４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７で検出し、電圧信号として取り出すことができる。
【００２８】
本実施形態のトルクセンサ１は、トーションバー４に捩じれが生じて、磁石５と一組の磁気ヨーク６との相対位置が周方向に変化すると、一組の磁気ヨーク６間の全周で磁束密度が変化する。即ち、一組の磁気ヨーク６間の全周で同一強度の磁束密度を検出できる。従って、一方の磁気ヨーク６Ａと他方の磁気ヨーク６Ｂとが対向するギャップＧ内に磁気センサ７を挿入することで、磁気ヨーク６に接触することなく、磁気ヨーク６間の磁束密度を検出することができる。これにより、磁気センサ７に対し電気的な接触部（例えばスリップリングとブラシ）を設ける必要がないので、信頼性の高いトルクセンサ１を提供できる。
【００２９】
また、磁気センサ７の検出トルク範囲において、磁気ヨーク６で発生する磁束密度の直線性を向上させるための磁気ヨーク６の形状の求め方について実験データに基づいて以下に説明する。
【００３０】
爪６ａは、図５に示すように、根本部６ａ１と先端部６ａ２とを有し、根本部６ａ１の周方向の幅Ａが先端部６ａ２の周方向の幅Ｂよりも大きく、周方向の中心に沿って対称である略台形形状を呈している。
【００３１】
そして、磁石５の極数ｎを２４極、磁気ヨーク６の内径ｒを３１ｍｍ、一方の磁気ヨーク６Ａから他方の磁気ヨーク６Ｂまでの軸方向の距離Ｆを８ｍｍとし、表１に示すように、爪６ａの根本部６ａ１の周方向の幅Ａを第１から第３水準の値に、根本部６ａ１から先端部６ａ２までの軸方向の長さＬを第１から第４水準の値にそれぞれ設定した。そして、磁気ヨーク６を磁石５との中立位置から周方向に２．５度回転させた場合の磁気ヨーク６で発生する磁束密度をそれぞれ測定した。
【００３２】
【表１】

【００３３】
他方の磁気ヨーク６Ｂの爪６ａは、図５に示すように、周方向に隣り合う第１の爪６１と第２の爪６２とを有しており、根本部６ａ１の周方向の幅Ａと第１の爪６１の根本部６ａ１の周方向一端（周方向右側一端）から第２の爪６２の根本部６ａ１の周方向一端（周方向右側一端）までの周方向の距離Ｐとが変化することで、第１の爪６１と第２の爪６２との周方向の間隔が変化し、磁石５と磁気ヨーク６との間を出入りする磁束の量が変化することから、磁気ヨーク６で発生する磁束密度の直線性を向上させるための理論を以下に説明する。
【００３４】
第１の爪６１の根本部６ａ１の周方向一端から第２の爪６２の根本部６ａ１の周方向一端までの周方向の距離Ｐは、一方の磁気ヨーク６Ａと他方の磁気ヨーク６Ｂとのそれぞれの爪６ａの極数ｎが１２極数であることから、以下の関係式▲１▼で求められる。
【００３５】
Ｐ［ｍｍ］＝π×ｒ（３１ｍｍ）／ｎ（１２）≒８．１１・・・・・・・▲１▼
また、根本部６ａ１の周方向の幅Ａが第３水準（４．２ｍｍ）の時に、図６に示す正弦波である実線の波形になり、且つ、表２より根本部６ａ１から先端部６ａ２までの軸方向の長さＬが第２水準（７．０ｍｍ）、根本部６ａ１の周方向の幅Ａが第２水準（３．７ｍｍ）の時に、磁気ヨーク６で発生する磁束密度を最も大きくすることができると共に、図６に示す点線の波形になることがわかった。この点線の波形では、磁束密度の変化が少ない不感帯領域を生じるため、磁気角±９０ｄｅｇ付近の磁気ヨーク６で発生する磁束密度を直線性にできない。
【００３６】
このことから、本発明では、第３水準（４．２ｍｍ）を根本部６ａ１の周方向の幅Ａの閾値とした。また、本実施形態では、第１の爪６１の根本部６ａ１の周方向一端から第２の爪６２の根本部６ａ１の周方向一端までの周方向の距離Ｐを固定させている。そのため、根本部６ａ１の周方向の幅Ａを上述の関係式▲４▼で求めた距離Ｐで割ることで、根本部６ａ１の周方向の幅Ａと第１の爪６１の根本部６ａ１の周方向一端から第２の爪６２の根本部６ａ１の周方向一端までの周方向の距離Ｐとの比例定数を求めることができる（関係式▲２▼参照）。
【００３７】
Ａ（４．２ｍｍ）／Ｐ（８．１１ｍｍ）≒０．５１７・・・・・・・・▲２▼
以上説明したように、以下の関係式▲２▼から数値Ａを以下の関係式▲３▼の範囲に設定することによって、磁気ヨーク６で発生する磁束密度は、図６の実線の波形のように、正弦波にすることができ、磁気センサ７が直線性の良い磁束密度を検出することができる。なお、実験データに若干の誤差があることを考慮して比例定数を決定した。
【００３８】
０．５×Ｐ＜Ａ＜Ｐ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・▲３▼
また、本実施形態では、磁気ヨーク６もしくは磁石５の極数ｎを２４極、磁気ヨーク６の内径ｒを３１ｍｍ、一方の磁気ヨーク６Ａから他方の磁気ヨーク６Ｂまでの軸方向の距離Ｆを８ｍｍとしているが、磁気ヨーク６の大きさが変化して極数ｎ、内径ｒ、距離Ｆの値が比例的に変わったとしても、磁石５と磁気ヨーク６との間を流れる磁束の量及び磁束の経路が変わらないため、上記の関係式▲３▼の関係を満たすことで、図６に示す正弦波の波形にできる。
【００３９】
なお、本実施形態では、例えば根本部６ａ１の周方向の幅Ａが３．７ｍｍである場合に、最も磁気センサ６の磁束密度が大きくできると説明したが、３．７ｍｍ付近の値でさらに磁気センサ６の磁束密度を大きくできる値があることも考えられる。
【００４０】
なお、本実施形態での爪６ａは、根本部６ａ１の周方向の幅Ａが先端部６ａ２の周方向の幅Ｂよりも大きい略台形形状を呈しているが、先端部６ａ２の周方向の幅Ｂが０である略三角形形状であってもよい。
【００４１】
なお、図７に示すように、磁気ヨーク６Ａ、６Ｂの外周に近接してリング状の集磁リング１０（補助軟磁性体）が設けられていてもよい。この集磁リング１０は、磁気ヨーク６Ａ，６Ｂと同じ軟磁性体であって、周方向の一箇所に平板状の集磁部１０ａが設けられ、互いの集磁部１０ａ同士が軸方向に対向して配置される。但し、集磁部１０ａは、集磁リング１０の他の部位より軸方向に接近して設けられる。さらに、軸方向に対向する集磁部１０ａ同士の間に磁気センサ７が挿入され、その両集磁部１０ａ間に発生する磁束密度を検出する。
【００４２】
この構成によれば、集磁リング１０が磁気回路の一部を形成するため、磁石５から発生した磁束が磁気ヨーク６を通って集磁リング１０に導かれ、その集磁リング１０に設けられた集磁部１０ａに優先的に集まる。この集磁部１０ａ間に発生する磁束密度を磁気センサ７で検出することにより、磁気ヨーク６の全周で発生する磁束密度の平均を取ることができるので、磁気回路を構成する部品の製造ばらつきや組み付け誤差、及び入力側と出力側とのセンタずれ等による検出誤差を抑えることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】トルクセンサの分解斜視図である。
【図２】トルクセンサの軸方向断面図である。
【図３】磁石と一組の磁気ヨークとの位置関係を示す軸方向平面図（ａ）と側面図（ｂ）である。
【図４】トーションバーの捩じれ角（磁石と磁気ヨークとのずれ角）と磁気ヨークに生じる磁束密度との関係を表すグラフである。
【図５】一組の磁気ヨークの側面図である。
【図６】トーションバーの捩じれ角（磁石と磁気ヨークとのずれ角）と磁気ヨークに生じる磁束密度との関係を表わすグラフである。
【図７】トルクセンサの分解斜視図である。（他の実施例）
【符号の説明】
１…トルクセンサ、
２…入力軸、
３…出力軸、
４…トーションバー、
５…磁石、
６…磁気ヨーク、
７…磁気センサ、
８…ピン、
９…固定部

Claims (2)

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の軸との間に捩じれトルクが入力されると、自身に捩じれを生じる弾性部材と、
   前記第１の軸に連結されて、周囲に磁界を形成する硬磁性体と、
   前記第２の軸に連結され、且つ前記硬磁性体により形成される磁界内に配置されて磁気回路を形成し、前記弾性部材の捩じれによって前記硬磁性体との相対位置が変化すると、前記磁気回路に発生する磁束密度が変化する構造を有する一組の軟磁性体と、
   前記軟磁性体と非接触に設置され、前記軟磁性体の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、
   前記硬磁性体は、周方向に着磁され、
   前記軟磁性体は、前記硬磁性体の外周に配置され、且つ軸方向にギャップを介して対向しており、前記磁石の極数と同数の爪が全周に等間隔に設けられ、且つ一方の軟磁性体に設けられる爪と他方の軟磁性体に設けられる爪とが周方向にずれて交互に配置され、
   前記爪は、根本部と先端部とを有し、前記根本部の周方向の幅が前記先端部の周方向の幅よりも大きく、
   前記根本部の周方向の幅Ａと、一方の軟磁性体の前記爪の根本部の周方向一端から隣り合う前記爪の根本部の周方向一端までの周方向の長さＰとの間に以下の関係が成立することを特徴とするトルクセンサ。
   ０．５×Ｐ＜Ａ＜Ｐ
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の軸との間に捩じれトルクが入力されると、自身に捩じれを生じる弾性部材と、
   前記第１の軸に連結されて、周囲に磁界を形成する硬磁性体と、
   前記第２の軸に連結され、且つ前記硬磁性体により形成される磁界内に配置されて磁気回路を形成し、前記弾性部材の捩じれによって前記硬磁性体との相対位置が変化すると、前記磁気回路に発生する磁束密度が変化する構造を有する一組の軟磁性体と、
   前記軟磁性体に近接して配置され、前記軟磁性体から磁束を導くと共に、前記磁束を集める集磁部を有する補助軟磁性体と、
   前記集磁部を介して前記補助軟磁性体に生じる磁束密度を検出する磁気センサとを備え、
   前記硬磁性体は、周方向に着磁され、
   前記軟磁性体は、前記硬磁性体の外周に配置され、且つ軸方向にギャップを介して対向しており、前記磁石の極数と同数の爪が全周に等間隔に設けられ、且つ一方の軟磁性体に設けられる爪と他方の軟磁性体に設けられる爪とが周方向にずれて交互に配置され、
   前記爪は、根本部と先端部とを有し、前記根本部の周方向の幅が前記先端部の周方向の幅よりも大きく、
   前記根本部の周方向の幅Ａと、一方の軟磁性体の前記爪の根本部の周方向一端から隣り合う前記爪の根本部の周方向一端までの周方向の長さＰとの間に以下の関係が成立することを特徴とするトルクセンサ。
   ０．５×Ｐ＜Ａ＜Ｐ

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