JP2008157762A - トルク測定器 - Google Patents

Abstract

【課題】組み立て時に、各軸体相互の位置決めを容易にするとともに、別の磁性体部材で磁気遮蔽することなく、磁気センサに外部から流入する磁束を磁気遮蔽すること。
【解決手段】第１の軸体１２に、永久磁石２６、２８とともに、爪３６、３８を有する磁性体３２、３４を固定し、第２の軸体２０に、爪Ｉ４６、４８を有する磁性体４２、４４と磁性体４０を固定し、磁性体４０〜４４の外側に断面形状が「コ」字形の固定子５２を配置し、固定子５２の内周側に磁気センサ５４を配置し、組み立て時に、磁性体３２、３４の爪３６、３８の位相を互いに調整するとともに、磁性体３２、３４の爪３６、３８の位相を互いに調整するだけで、第１の軸体１２と第２の軸体２０相互の位置決めを容易にすることができ、固定子５２の内周側に配置された磁気センサ５４に対して、別の磁性体部材で磁気遮蔽することなく、外部から流入する磁束を磁気遮蔽することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、トルク測定器に係り、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トルクを測定するためのトルク測定器に関する。

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、多極に着磁した磁石と、この磁石に対向して、複数の爪を有する磁石を配置するに際して、トーションバーのねじれが生じていない状態で、後者の各磁石のＮ極とＳ極の境界部分に前者の各磁極が一致するように配置する必要があるが、磁気の境界位置を磁石の形状で判断できないので、組み立て時に各磁石の回転方向の位置決めが困難であった。しかも、特許文献１、２に記載されているものは、いずれも外部から磁束が入った場合には、この磁束を磁気センサが検出してしまうので、磁気センサの周囲を別の磁性体部材で磁気遮蔽することが余儀なくされていた。

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、組み立て時に、各軸体相互の位置決めを容易にするとともに、別の磁性体部材で磁気遮蔽することなく、磁気センサに外部から流入する磁束を磁気遮蔽することにある。

前記目的を達成するために、本発明は、ハウジングに回転自在に支持された第１の軸体および第２の軸体と、前記第１の軸体と前記第２の軸体とを連結する弾性体と、前記第１の軸体に固定されて前記第１の軸体の軸方向に沿って着磁された環状の永久磁石と、環状に形成されて前記永久磁石の両磁極端部に分かれて固定された複数の第１の磁性体と、環状に形成され、且つ前記第２の軸体に固定されて前記永久磁石および前記第１の磁性体と一定のギャップを保って相対向して配置された複数の第２の磁性体と、前記永久磁石と前記第１の磁性体および前記第２の磁性体を含む磁気回路中に配置されて前記第１の磁性体と前記第２の磁性体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、磁性材料を用いて略筒状に形成されて前記ハウジングに固定された固定子とを備え、前記各第１の磁性体の外周には、相対向する第１の磁性体に向かって軸方向に突出した第１の爪が複数個周方向に沿って配置され、前記複数の第２の磁性体のうち前記各第１の磁性体に相対向して両側に分かれて配置された一対の第２の磁性体の外周には、相対向する第２の磁性体に向かって軸方向に突出した第２の爪が複数個周方向に沿って配置され、前記各第１の爪と前記各第２の爪は、前記第１の軸体と前記第２の軸体の相対角度変位により、前記各第１の爪を含む磁気回路面積と前記各第２の爪を含む磁気回路面積のうち一方が増加したときには他方が減少するように配置され、前記一対の第２の磁性体の中間の第２の磁性体は前記磁気センサに相対向して配置され、前記磁気センサは、前記固定子内に配置され、前記固定子には、前記磁気センサと前記中間の第２の磁性体とを結ぶ領域に開口が形成され、前記第１の軸体と前記第２の軸体との間に働くトルクを、前記磁気回路内における前記第１の爪と前記第２の爪の相対変位に伴って前記磁気センサを貫通する磁束密度の変化で検出するトルク測定器を構成したものである。

前記構成によれば、組み立て時に、各第１の磁性体の第１の爪の位相を互いに調整するとともに、各第２の磁性体の爪の位相を互いに調整するだけで、第１の軸体と第２の軸体相互の位置決めを容易にすることができるととともに、固定子の内周側に磁気センサを配置したので、別の磁性体部材で磁気センサを磁気遮蔽することなく、磁気センサに外部から流入する磁束を磁気遮蔽することができる。

前記トルク器を構成するに際しては、固定子を、その断面がコの字形状に形成し、固定子と磁気センサとの間には磁性体を配置したり、固定子を、その断面がコの字形状に形成し、固定子外周のうち磁気センサと相対向する部位に凹部を形成し、磁気センサを凹部に近接して配置したりすることもできる。また、永久磁石を、複数のリング状磁石で構成したり、永久磁石を、単一のリング状磁石で構成し、リング状磁石の中央部に、中間の第２の磁性体に相対向して、リング状の第１の磁性体を配置したりすることもできる。さらに、永久磁石を、樹脂成型磁石で構成するとともに、第１の磁性体または第２の磁性体のうち少なくとも一方と一体成型することもできる。

本発明によれば、組み立て時に、各軸体相互の位置決めを容易にするとともに、別の磁性体部材で磁気遮蔽することなく、磁気センサに外部から流入する磁束を磁気遮蔽することができる。

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実施例を示すトルク測定器の断面図である。図１において、トルク測定器１０は、略円筒状に形成された第１の軸体１２を備えており、第１の軸体１２は、軸受１４を介してハウジング１６に回転自在に支持されている。第１の軸体１２は、軸方向一端側が、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）に連結され、軸方向他端の内周側が、弾性体、例えば、トーションバー１８を介して第２の軸体に連結され、軸方向他端の外周側が、円筒状の非磁性体２２に連結されている。弾性体であるトーションバー１８は、第１の軸体１２と第２の軸体２０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２０に連結されている。第２の軸体２０は、軸受２４を介してハウジング１６に回転自在に支持されている。

円筒状の非磁性体２２の外周面には、図２（ａ）に示すように、リング状の永久磁石２６、２８が装着されているとともに、略円盤状に形成された磁性体（第１の磁性体）３０、３２、３４が装着されている。各永久磁石２６、２８は、軸方向において着磁されて、Ｎ極とＳ極が軸方向に沿って配列されている。磁性体３０は、永久磁石２６と永久磁石２８との間に配置されている。磁性体３２、３４は、軸方向に突出した爪３６、３８を複数個備え、永久磁石２６、２８の両極端部に分かれて配置されており、各爪３６、３８は、図３に示すように、円周方向に沿って互いに１８０°の位相差を保って等間隔で配列されている。磁性体３２、３４は、爪３６、３８が相対向するように配置されており、各爪３６と各爪３８は、各永久磁石２６、２８、３０の磁極に従って、Ｎ極またはＳ極に着磁されている。

リング状の永久磁石２６、２８と磁性体３０、３２、３４に相対向して、永久磁石２６、２８と磁性体３０〜３４の周囲には、リング状の磁性体（第２の磁性体）４０が磁性体３０と一定のギャップを保って配置されているとともに、磁性体４０の両側にリング状の磁性体（第２の磁性体）４２、４４が永久磁石２６、２８と一定のギャップを保って配置されている（図２（ｂ）参照）。磁性体４２、４４は、軸方向に突出した爪４６、４８を複数個備えており、各爪４６、４８は、円周方向に沿って等間隔で配列されている。磁性体４２、４４は、爪４６、４８が相対向するように配置されており、各爪４６と各爪４８は、円周方向における位相が同相となるように配置されている。磁性体４０、４２、４４は、ブラケット５０を介して第２の軸体２０に連結されており、第１の軸体１２と第２の軸体２０との間の相対回転に伴って、永久磁石２６、２８と磁性体３０に対して、円周方向に沿って変位するようになっている。この場合、各爪４６と各爪４８は、図４に示すように、永久磁石２６、２８と磁性体３０に対してＸ方向に動くときには、永久磁石２６、２８のＮ極との重なりが増加し、一方、Ｓ極との重なりが減少し、中央の磁性体４０に磁束が流れることになる。すなわち、各爪４２、４４と各爪４６、４８は、第１の軸体１２と第２の軸体２０の相対角度変位により、各爪４２、４４を含む磁気回路面積と各爪４６、４８を含む磁気回路面積のうち一方が増加したときには他方が減少するように配置されている。

磁性体４０、４２、４４に相対向して、磁性体４０、４２、４４の周囲には、円環状に形成されて、固定子５２が磁性体４０、４２、４４と一定のギャップを保って配置されている。固定子５２は、磁性体で構成されて、ハウジング１６に固定されており、固定子５２の内周側には、図２（ｃ）および図５に示すように、複数の磁気センサ５４が配置されている。固定子５２は、各磁気センサ５４の周囲を囲むとともに、各磁気センサ５４と中間の磁性体４０とを結ぶ領域に、磁束の通路となる開口を形成するために、例えば、その断面形状が「コ」の字形に形成されている。

各磁気センサ５４は、固定子５２の内周側に固定されたリング状の磁性体５６と一定のギャップを保って配置されている。第１の軸体１２に永久磁石２６、２８と磁性体３０、３２、３４が固定され、第２の軸体２０に磁性体４０、４２、４４が固定され、ハウジング１６に固定子５２が固定されたときの組み立て状態を図６に示す。

上記構成において、第１の軸体１２からのトルクがトーションバー１８を介して第２の軸体２０に作用しない、中立状態のときには、図３および図４に示すように、磁性体３２、３４の爪３６、３８に対して、磁性体４２、４４の爪４６、４８は、爪３６、３８のそれぞれの磁極であるＮ極、Ｓ極に対して９０度位相がずれた状態になっている。この状態では、爪３６によるＮ極と爪４６との磁気的重なり（磁気抵抗）と爪３８によるＳ極と爪４８との磁気的重なり（磁気抵抗）が、略等しいので、固定子５２には、軸方向の磁束のみが流れるので、固定子５２の中央に配置した磁気センサ５４には、磁束は流れない。

これに対して、第１の軸体１２からのトルクがトーションバー１８を介して第２の軸体２０に作用し、例えば、第２の軸体２０が、図４に示すように、第１の軸体１２に対してＸ方向にずれた場合、爪３６によるＮ極と爪４６との磁気的重なりが増加し、すなわち、磁気的な流れ易さを示すパーミアンスが増加し、逆に、爪３８によるＳ極と爪４８との磁気的重なり減少（パーミアンス）が減少するので、爪３６によるＮ極から出た磁束は、第２の軸体２０の磁性体４０を介して、固定子５２側から磁気センサ５４に流れる。この磁束は、磁気センサ５４によって検出される。

一方、第１の軸体１２からのトルクがトーションバー１８を介して第２の軸体２０に作用し、例えば、第２の軸体２０が第１の軸体１２に対して、図４に示すＸ方向とは逆方向にずれた場合、爪３６によるＮ極と爪４６との磁気的重なり（磁気抵抗）が減少し、逆に、爪３８によるＳ極と爪４８との磁気的重なり（磁気抵抗）が増加するので、爪３８によるＳ極から出た磁束は、第２の軸体２０の磁性体４０から磁気センサ５４を介して、固定子５２側へ流れる。この磁束は、磁気センサ５４によって検出される。

以上の作用により、図７に示すように、第１の軸体１２と第２の軸体２０の相対角度変位に応じて、磁気センサ５４に流れる磁束（磁束密度）が変化し、第１の軸体１２からのトルクがトーションバー１８を介して第２の軸体２０に作用しない、中立状態のときには、磁気センサ５４を貫通する磁束はゼロとなり、第１の軸体１２からのトルクがトーションバー１８を介して第２の軸体２０に作用し、第２の軸体２０が、第１の軸体１２に対してＸ方向にずれたときに、磁気センサ５４を貫通する磁束の極性と、第２の軸体２０が、第１の軸体１２に対してＸ方向とは逆方向にずれたときに、磁気センサ５４を貫通する磁束の極性は互いに反対となる。

これにより、磁気センサ５４は、第１の軸体１２と第２の軸体２０間に作用するトルクを、磁気センサ５４を貫通する磁束変化で検出することができる。

本実施例によれば、組み立て時に、磁性体３２、３４の爪３６、３８の位相を互いに調整するとともに、磁性体４２、４４の爪４６、４８の位相を互いに調整するだけで、第１の軸体１２と第２の軸体２０相互の位置決めを容易にすることができるととともに、断面形状が「コ」の字形の固定子５２の内周側に磁気センサ５４を配置したので、別の磁性体部材で磁気センサ５４を磁気遮蔽することなく、磁気センサ５４に外部から流入する磁束を磁気遮蔽することができる。

なお、磁性体３２、３４の爪３６、３８と磁性体４２、４４の爪４６、４８の形状としては、実施例では四角形形状としたが、クローポールモータのように、三角形形状にすることもできる。

また、固定子５２に磁気センサ５４を配置するに際しては、図８に示すように、固定子５２の外周側に凹部５８を設け、凹部５８の内周側に磁気センサ５４を配置する構成を採用することもできる。この場合、磁性体５６を用いることなく、磁気センサ５４に磁束を集めることができ、部品点数を削減できる。

次に、本発明の第２実施例を図９に基づいて説明する。本実施例は、リング状の永久磁石２６、２８の代わりに、リング状の永久磁石６０を用い、磁性体３０の代わりに、リング状の磁性体６２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６０は、樹脂成型磁石として構成されており、リング状の磁性体６２は、永久磁石６０外周面の略中央部に配置されている。永久磁石６０と磁性体３２、３４、６２を周方向に展開した状態を図１０に、磁性体４０、４２、４４を周方向に展開した状態を図１１に、固定子を周方向に展開した状態を図１２に、各部品を組み立てた状態を図１３に示す。

永久磁石６０を、樹脂成型磁石として構成するに際しては、爪３６、３８をそれぞれ有する磁性体３２、３４を一体成型するとともに、永久磁石６０外周面の略中央部に磁性体６２を一体成型することで、組み立て時の部品点数を削減できるとともに、組み立て作業を容易にすることができる。永久磁石６０に磁性体３２、３４、６２を一体成型した場合、成型後に、永久磁石６０や磁性体３２、３４、６２にその軸方向から着磁することができる。

本実施例によれば、組み立て時に、磁性体３２、３４の爪３６、３８の位相を互いに調整するとともに、磁性体４２、４４の爪４６、４８の位相を互いに調整するだけで、第１の軸体１２と第２の軸体２０相互の位置決めを容易にすることができるととともに、断面形状が「コ」の字形の固定子５２の内周側に磁気センサ５４を配置したので、別の磁性体部材で磁気センサ５４を磁気遮蔽することなく、磁気センサ５４に外部から流入する磁束を磁気遮蔽することができる。

また、本実施例によれば、単一の永久磁石６０を第１の軸体１２に固定するようにしたため、第１実施例のものよりも、部品点数を削減できる。

また、本実施例においては、各磁性体３２、３４、６２を固定するための部材は省略してあるが、各磁性体３２、３４、６２を永久磁石６０とともに樹脂で一体成型するときに、樹脂で各磁性体３２、３４、６２を固定することができる。もちろん、樹脂だけではなく、プラスチックやアルミなどの非磁性体に各磁性体３２、３４、６２を組み込んで一体構造とすることもできる。

電動パワーステアリング装置を搭載した車両において、トルク測定器をトルクセンサとして用いてステアリングの制御を行う場合、万一トルクセンサが故障した場合には、単一のトルクセンサでは操舵制御ができなくなるが、前記各実施例のように、固定子５２に、複数、例えば、２個の磁気センサ５４を配置して２重系を構成することで、信頼性を確保することができる。この場合、信頼性の精度をより高めるために、磁気センサ５４をさらに増設することがこともできる。

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トルクあるいは静止軸に発生する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実施例を示すトルク測定器の断面図である。 （ａ）は、第１の軸体に固定される永久磁石と磁性体の分解斜視図、（ｂ）は、第２の軸体に固定される磁性体の分解斜視図、（ｃ）は、固定子の斜視図である。 （ａ）は、第１の軸体に固定される永久磁石と磁性体の断面図、（ｂ）は、（ａ）は、第１の軸体に固定される永久磁石と磁性体の展開図である。 （ａ）は、第２の軸体に固定される磁性体の断面図、（ｂ）は、第２の軸体に固定される磁性体の展開図である。 （ａ）は、固定子の断面図、（ｂ）は、固定子の展開図である。 第１実施例のトルク測定器の組み立て状態を示す断面図である。 第１の軸体と第２の軸体の相対角度変位と磁束密度との関係を示す特性図である。 （ａ）は、固定子の他の実施例を示す要部断面図、（ｂ）固定子の他の実施例を示す要部拡大断面図である。 本発明の第２実施例を示すトルク測定器の断面図である。 （ａ）は、第２実施例における第１の軸体に固定される永久磁石と磁性体の断面図、（ｂ）は、第２実施例における第１の軸体に固定される永久磁石と磁性体の展開図である。 （ａ）は、第２実施例における第２の軸体に固定される磁性体の断面図、（ｂ）は、第２実施例における第２の軸体に固定される磁性体の展開図である。 （ａ）は、第２実施例における固定子の断面図、（ｂ）は、第２実施例における固定子の展開図である。 第２実施例のトルク測定器の組み立て状態を示す断面図である。

符号の説明

１０ トルク測定器
１２ 第１の軸体
１８ トーションバー
２０ 第２の軸体
２６、２８、３０ 永久磁石
３２、３４ 磁性体
３６、３８ 爪
４０、４２、４４ 磁性体
４６、４８ 爪
５２ 固定子
５４ 磁気センサ
５８ 凹部
６０ 永久磁石
６２ 磁性体

Claims (6)

1. ハウジングに回転自在に支持された第１の軸体および第２の軸体と、前記第１の軸体と前記第２の軸体とを連結する弾性体と、前記第１の軸体に固定されて前記第１の軸体の軸方向に沿って着磁された環状の永久磁石と、環状に形成されて前記永久磁石の両磁極端部に分かれて固定された複数の第１の磁性体と、環状に形成され、且つ前記第２の軸体に固定されて前記永久磁石および前記第１の磁性体と一定のギャップを保って相対向して配置された複数の第２の磁性体と、前記永久磁石と前記第１の磁性体および前記第２の磁性体を含む磁気回路中に配置されて前記第１の磁性体と前記第２の磁性体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、磁性材料を用いて略筒状に形成されて前記ハウジングに固定された固定子とを備え、
   前記各第１の磁性体の外周には、相対向する第１の磁性体に向かって軸方向に突出した第１の爪が複数個周方向に沿って配置され、前記複数の第２の磁性体のうち前記各第１の磁性体に相対向して両側に分かれて配置された一対の第２の磁性体の外周には、相対向する第２の磁性体に向かって軸方向に突出した第２の爪が複数個周方向に沿って配置され、前記各第１の爪と前記各第２の爪は、前記第１の軸体と前記第２の軸体の相対角度変位により、前記各第１の爪を含む磁気回路面積と前記各第２の爪を含む磁気回路面積のうち一方が増加したときには他方が減少するように配置され、前記一対の第２の磁性体の中間の第２の磁性体は前記磁気センサに相対向して配置され、前記磁気センサは、前記固定子内に配置され、前記固定子には、前記磁気センサと前記中間の第２の磁性体とを結ぶ領域に開口が形成され、
   前記第１の軸体と前記第２の軸体との間に働くトルクを、前記磁気回路内における前記第１の爪と前記第２の爪の相対変位に伴って前記磁気センサを貫通する磁束密度の変化で検出するトルク測定器。
2. 前記固定子は、その断面がコの字形状に形成されており、前記固定子と前記磁気センサとの間には磁性体が配置されてなることを特徴とする請求項１に記載のトルク測定器。
3. 前記固定子は、その断面がコの字形状に形成されており、前記固定子外周のうち前記磁気センサと相対向する部位には凹部が形成され、前記磁気センサが前記凹部に近接して配置されてなることを特徴とする請求項１に記載のトルク測定器。
4. 前記永久磁石は、複数のリング状磁石で構成されてなることを特徴とする請求項１乃至３いずれか１項に記載のトルク測定器。
5. 前記永久磁石は、単一のリング状磁石で構成され、前記リング状磁石の中央部には、前記中間の第２の磁性体に相対向して、リング状の第１の磁性体が配置されてなることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のトルク測定器。
6. 前記永久磁石は、樹脂成型磁石であって、前記第１の磁性体または前記第２の磁性体のうち少なくとも一方と一体成型されてなる特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載のトルク測定器。

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