JP2008076148A - ねじりトルク測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】組み立てを容易にするとともに、磁石から発生する磁束を磁気センサに優先的に流すこと。
【解決手段】第１の軸体１２と、第１の軸体１２に固体された永久磁石１４と、第２の軸体１８と、第２の軸体１８に固定された磁性体コア２０、２２と、第１の軸体１２と第２の軸体１８とを連結する連結棒１６と、永久磁石１４および磁性体コア２０、２２を含む磁気回路中に配置されて永久磁石１４と磁性体コア２０、２２の回転方向の相対変位により生じる磁束の変化を検出する磁気センサ３０とを備え、磁気センサ３０は、磁性体３２、３４で挟まれた状態で磁性体コア２０と磁性体コア２２間に挿入され、磁性体３２、３４は、磁性体コア２０、２２間に流れる磁束を磁気センサ３０に優先的に集めるように配置されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、ねじりトルク測定装置に係り、例えば、自動車のステアリング装置などの回転軸に発生するねじりトルクを測定するためのねじりトルク測定装置に関する。

従来、回転軸に発生するねじれトルクを測定するものとしては、例えば、電動パワーステアリング装置のステアリングホイールに連結される第１軸体と、第１軸体に連設体を介して連結された第２軸体との相対変位を検出するようにした相対変位検出装置が提案されている（特許文献１参照）。この相対変位検出装置においては、第１軸体に固定された永久磁石と第２軸体に固定された一対の磁性体コアとの相対変位により生じる磁束の変化を、第１軸体と第２軸体の回動軸回りの相対位置変化の方向と変位の変化量として、磁気センサで検出する構成を採用し、耐久性の向上を図るようにしている。

しかし、磁気センサが、単に、一方の磁性体コアと他方の磁性体コアとの空間に配置されているので、磁性体コア間に生じる磁束が、磁気センサ以外の領域にも流れ、磁気センサに磁束を十分に流すことができない。

そこで、磁気センサに磁束を十分に流すために、一対の磁性体コア（軟磁性体による磁気ヨーク）の外側に、リング状の補助磁性体（集磁リング）を設けるとともに、補助磁性体の周方向の一部に集磁部を設け、磁石から発生する磁束を各磁性体コアから補助磁性体の集磁部を介して磁気センサに集中的に流すようにしたものが提案された（特許文献２参照）。
特開平２−９３３２１号公報 特開２００３−１４９０６２号公報

しかし、特許文献２に記載されたものでは、補助磁性体をリング状に形成しなければならず、製造が困難であり、また、リング状の補助磁性体と一対の磁性コア（軟磁性体による磁気ヨーク）を同軸上に組み立てる必要などの組み立て上の制約がある。

本発明は、前記従来技術の課題に鑑みて為されたものであり、その目的は、組み立てを容易にするとともに、磁石から発生する磁束を磁気センサに優先的に流すことにある。

前記目的を達成するために、本発明は、第１の軸体と、前記第１の軸体に固体された永久磁石と、第２の軸体と、前記第２の軸体に固定された複数の磁性体コアと、前記第１の軸体と前記第２の軸体とを連結する連結棒と、前記永久磁石および前記複数の磁性体コアを含む磁気回路中に配置されて前記永久磁石と前記複数の磁性体コアの回転方向の相対変位により生じる磁束の変化を検出する磁気センサとを備え、前記磁気センサは、前記各磁性体コア間に挿入された複数の磁性体で挟まれており、前記複数の磁性体は、前記各磁性体コアに流れる磁束を前記磁気センサに優先的に集めてなるねじりトルク測定装置を構成したものである。

本発明によれば、複数の磁性体で挟まれた磁気センサを磁性体コアの半径方向から磁性体コアの軸方向における空間に差し込むようにしたため、ねじりトルク測定装置を容易に組み立てることができ、組み立ての簡便化を図ることができるとともに、永久磁石から発生する磁束を磁気センサに優先的に流すことができる。

前記ねじりトルク測定装置を構成するに際しては、永久磁石を、多極着磁された磁石で構成したり、複数の磁性体を円弧状に形成し、各磁性体で磁気センサを軸方向において挟んだりすることができる。また、複数の磁性体を円弧状に形成し、円弧形状の磁性体を用いて磁気センサを周方向において挟むこともできる。また、磁気センサを複数個用い、各磁気センサを、複数の磁性体に挟まれた状態で各磁性体コア間に挿入することもできる。さらに、複数個の磁気センサを４個で構成することもできる。

本発明によれば、組み立ての簡便化を図ることができるとともに、永久磁石から発生する磁束を磁気センサに優先的に流すことができる。

以下、本発明の一実施例を図面に基づいて説明する。図１は、本発明の第１実施例を示すねじりトルク測定装置の断面図である。図１において、ねじりトルク測定装置１０は、略円柱状に形成された第１の軸体１２を備えており、第１の軸体１２は、軸方向一端側が軸受（図示せず）によって回転自在に支持されている。第１の軸体１２の軸方向一端側には、電動パワーステアリング装置のステアリングホイール（図示せず）が連結され、軸方向他端側には円環状の永久磁石１４が固定されているとともに、連結棒１６が連結されている。

永久磁石１４は、軸方向において多極着磁されて、Ｎ極とＳ極が軸方向に配列された複数個の磁極部が、相異なる磁極同士が隣接するように、等間隔で円周方向に沿って配列されている。連結棒１６は、第１の軸体１２と第２の軸体１８とを連結する連結部材として、その軸方向両端側がそれぞれ第１の軸体１２と第２の軸体１８に連結されている。第２の軸体１８は、軸方向一端側が軸受（図示せず）によって回転自在に支持されている。

永久磁石１４の周囲には、円環状に形成された１組の磁性体コア２０、２２が第１の軸体１２と第２の軸体１８の軸方向に沿って相対向して配置されている。各磁性体コア２０、２２は、互いに離れて配置されているとともに、永久磁石１４の周辺部を囲むように、かつ、永久磁石１４との間に一定の間隙を保って配置されており、非磁性体で構成された円環状のスペーサ２４を介して互いに連結されている。

磁性体コア２０の内周側には、歯形形状のコア片２０ａが複数個等間隔で周方向に沿って形成されており、磁性体コア２２の内周側には、歯形形状のコア片２２ａが複数個等間隔で周方向に沿って形成されている。各コア片２０ａ、２２ａは、第１の軸体１２の非回転時において、周方向における中心が永久磁石１４の相隣接する磁極（Ｎ極）と磁極（Ｓ極）との境界部分に位置するように位置決めされており、２０ａと２２ａは位相となっている。

磁性体コア２２は、その底部側がフランジ２６、２８を介して第２の軸体１８に連結されている。すなわち、第２の軸体１８には、フランジ２６、２８を介して磁性体コア２２が固定されているとともに、フランジ２６、２８、磁性体コア２２、スペーサ２４を介して磁性体コア２０が固定されている。このため、ステアリングホイールの操舵に伴う操舵力によって第１の軸体１２が回転すると、永久磁石１４が回転し、この回転力が連結棒１６を介して第２の軸体１８に伝達されるようになっている。

磁性体コア２０と磁性体コア２２との間には、磁束量によって出力電圧が変化するリニア出力タイプの磁気センサ３０が配置されており、磁気センサ３０の上面側と下面側に磁性体３２、３４がそれぞれ装着されている。すなわち、磁気センサ３０は、磁性体３２と磁性体３４で挟まれた状態で、磁性体コア２０と磁性体コア２２との間に挿入されている。磁気センサ３０は、永久磁石１４と磁性体コア２０、２２を含む磁気回路中に配置されてハウジング（図示せず）に固定され、永久磁石１４と磁性体コア２０、２２の回転方向の相対変位により生じる磁束の変化を検出するセンサとして構成されている。

磁気センサ３０は、磁性体コア２０と磁性体コア２２との間に挿入された複数の磁性体３２、３４で挟まれており、磁性体３２、３４は、磁性体コア２０、２２に流れる磁束を磁気センサ３０に優先的に集めることができる。すなわち、磁気センサ３０と磁性体３２、３４は磁気センササブアッシーとして構成されて、磁性体コア２０と磁性体コア２２との間に挿入されるので、磁気センササブアッシーが存在する領域の磁気抵抗は、他の領域に比べて低くなり、磁性体コア２０、２２に流れる磁束が磁気センササブアッシーが存在する領域を優先的に流れ、その結果、磁性体コア２０、２２に流れる磁束は、磁気センサ３０を優先的に流れることになる。

ここで、第１の軸体１２が非回転状態にあるときには、磁性体コア２０、２２のコア片２０ａ、２２ａは、周方向における中心が永久磁石１４の相隣接する磁極（Ｎ極）と磁極（Ｓ極）との境界部分に位置決めされているので、コア片２０ａ、２２ａと永久磁石１４において短絡閉磁気回路が形成され、磁性体コア２０と磁性体コア２２との間の空間には何ら磁束が生じることはない。このため、磁気センサ３０からは出力電圧は発生しない。
一方、第１の軸体１２がステアリングホイールの操舵に応答して、右回転または左回転し、かつ第１の軸体と第２の軸体間にねじりトルクが作用すると、連結棒１６がねじれ、磁性体コア２０、２２と永久磁石１４間に、相対角度変化が生じる。

その結果、磁性体コア２０、２２のコア片２０ａ、２２ａは、その中心が永久磁石１４の相隣接する磁極（Ｎ極）と磁極（Ｓ極）との境界部分から外れ、永久磁石１４、コア片２０ａ、２２ａ、磁性体３２、３４、磁気センサ３０を結ぶ磁気回路が形成され、磁性体コア２０と磁性体コア２２との間の空間に磁束が発生する。この磁束は、磁気センササブアッシーが存在する領域を優先的に流れるので、磁性体コア２０、２２に流れる磁束は、磁気センサ３０を優先的に流れることになる。このため、磁気センサ３０からは磁束に応じた電圧が発生することになり、この電圧を基に演算回路（図示せず）において、第１の軸体１２に作用するねじれトルクを求めることができる。

磁気センササブアッシーを構成する磁性体３２、３４は、図２に示すように、平面形状を円弧形状とすることもできるが、円弧形状に限らず、方形形状（正方形、長方形、台形）、円形、楕円形などの形状とすることもできる。また、軸方向に錐形成とすることもできる。

また、磁気センササブアッシーは１個でもよいが、図２に示すように、２個の磁気センササブアッシーを１８０°対向方向に配置し、各磁気センサ３０の出力の和または差を測定することで、磁性体コア２０、２２の平行度による磁束密度の変化の影響を緩和することができる。

なお、２個の磁気センササブアッシーを１８０°対向方向に配置した場合、磁気センサ３０の検出方向を逆向きにしたときには差を、同一方向にしたときには和を取ることが望ましい。

また、磁気センササブアッシーを４個配置することもできる。この場合、４個の磁気センサ３０の出力による測定値を平均化することで、測定精度をより向上させることができる。さらに、対向する２個の磁気センサ３０の出力が２組得られるので、２組の磁気センサ３０の出力を比較することで、いずれか１個の磁気センサ３０が故障しても、故障した磁気センサ３０を検出することができるので、信頼性の向上を図ることができる。なお、２組の磁気センササブアッシーを配置するに際しては、互いに直交する角度以外で配置しても良いが、互いに直交する角度で配置すると、平均化の効果が得られ易くなる。

本実施例によれば、円弧状の磁性体３２、３４で挟まれた磁気センサ３０を磁性体コア２０、２２の半径方向から磁性体コア２０、２２の軸方向における空間に差し込むようにしたため、磁性体３２、３４をリング状に形成する必要がなく、ねじりトルク測定装置を容易に組み立てることができ、組み立ての簡便化を図ることができるとともに、磁性体コア２０、２２に流れる磁束を磁気センサ３０に優先的に流すことができる。

次に、本発明の第２実施例を図３に基づいて説明する。本実施例は、磁気センサ３０と磁性体３２、３４を含む磁気センササブアッシーを２組設け、各組の磁気センササブアッシーを１８０°相対向させて配置し、永久磁石１４の代わりに、永久磁石３６を用いたものであり、その他の構成は、第１実施例と同様である。

永久磁石３６は、円環状に形成されて、半径方向において多極着磁されて、Ｎ極とＳ極が半径方向に配列された複数個の磁極部が、相異なる磁極同士が隣接するように、等間隔で円周方向に沿って配列されている。

磁性体コア２０の内周側には、歯形形状のコア片２０ａが複数個等間隔で周方向に沿って形成されており、磁性体コア２２の内周側には、歯形形状のコア片２２ａが複数個等間隔で周方向に沿って形成されている。各コア片２０ａ、２２ａは、第１の軸体１２の非回転時において、周方向における中心が永久磁石１４の相隣接する磁極（Ｎ極）と磁極（Ｓ極）との境界部分に位置するように位置決めされており、２０ａに対する磁極の関係と２２ａに対する磁極の関係が反対になるよう２０ａと２２ａの位相がずれている。

本実施例によれば、平面形状が円弧状の磁性体３２、３４で挟まれた磁気センサ３０を磁性体コア２０、２２の半径方向から磁性体コア２０、２２の軸方向における空間に差し込むようにしたため、磁性体３２、３４をリング状に形成する必要がなく、ねじりトルク測定装置を容易に組み立てることができ、組み立ての簡便化を図ることができるとともに、磁性体コア２０、２２に流れる磁束を磁気センサ３０に優先的に流すことができる。
次に、本発明の第３実施例を図４に基づいて説明する。本実施例は、磁性体３２、３４の代わりに、平面形状が円弧形状または三日月形状の磁性体３８、４０を用い、磁気センサ３０を磁性体３８、４０で磁性体コア２０、２２の半径方向において挟み込んだものであり、その他の構成は、第２実施例と同様である。

本実施例によれば、平面形状が円弧形状または三日月形状で、かつ、軸方向断面がＬ字状の磁性体３８、４０で挟まれた磁気センサ３０を磁性体コア２０、２２の半径方向から磁性体コア２０、２２の軸方向における空間に差し込むようにしたため、磁性体３８、４０をリング状に形成する必要がなく、ねじりトルク測定装置を容易に組み立てることができ、組み立ての簡便化を図ることができるとともに、磁性体コア２０、２２に流れる磁束を磁気センサ３０に優先的に流すことができる。

なお、第２実施例および第３実施例において、磁気センササブアッシーを１組または４組とすることもできる。また、磁性体３８、４０は、円弧形状に限らず、方形形状（正方形、長方形、台形）、円形、楕円形などの形状とすることもできる。

前記各実施例においては、自動車のステアリングなどの回転軸に発生するねじりトルクを測定するものについて述べたが、本発明は、各種回転機械装置の回転軸に発生するねじりトルクあるいは静止軸に発生するねじりトルクを測定するものにも適用することができる。

本発明の第１実施例を示すねじりトルク測定装置の断面図である。 磁気センサを２個配置したときの要部平面図である。 本発明の第２実施例を示すねじりトルク測定装置の断面図である。 本発明の第３実施例を示すねじりトルク測定装置の断面図である。

符号の説明

１０ ねじりトルク測定装置
１２ 第１の軸体
１４ 永久磁石
１６ 連結棒
１８ 第２の軸体
２０、２２ 磁性体コア
２０ａ、２２ａ コア片
３０ 磁気センサ
３２、３４ 磁性体
３６ 磁石
３８、４０ 磁性体

Claims (6)

1. 第１の軸体と、前記第１の軸体に固体された永久磁石と、第２の軸体と、前記第２の軸体に固定された複数の磁性体コアと、前記第１の軸体と前記第２の軸体とを連結する連結棒と、前記永久磁石および前記複数の磁性体コアを含む磁気回路中に配置されて前記永久磁石と前記複数の磁性体コアの回転方向の相対変位により生じる磁束の変化を検出する磁気センサとを備え、前記磁気センサは、前記各磁性体コア間に挿入された複数の磁性体で挟まれており、前記複数の磁性体は、前記各磁性体コアに流れる磁束を前記磁気センサに優先的に集めてなるねじりトルク測定装置。
2. 前記永久磁石は、多極着磁された磁石であることを特徴とする請求項１に記載のねじりトルク測定装置。
3. 前記複数の磁性体は円弧状に形成されており、前記各磁性体は前記磁気センサを軸方向において挟んでなることを特徴とする請求項１または２に記載のねじりトルク測定装置。
4. 前記複数の磁性体は円弧状に形成されており、前記各磁性体は前記磁気センサを周方向において挟んでなることを特徴とする請求項１または２に記載のねじりトルク測定装置。
5. 前記磁気センサを複数個備え、前記各磁気センサは、複数の磁性体に挟まれた状態で前記各磁性体コア間に挿入されてなることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載のねじりトルク測定装置。
6. 前記複数個の磁気センサは４個で構成されてなることを特徴とする請求項５に記載のねじりトルク測定装置。

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