JP2008203176A

JP2008203176A - トルクセンサ及びこれを使用した電動パワーステアリング装置

Info

Publication number: JP2008203176A
Application number: JP2007041906A
Authority: JP
Inventors: Ikunori Sakatani; 郁紀坂谷; Atsuyoshi Asaga; 淳愛浅賀
Original assignee: NSK Ltd
Current assignee: NSK Ltd
Priority date: 2007-02-22
Filing date: 2007-02-22
Publication date: 2008-09-04

Abstract

【課題】磁石の多極着磁を解消してトルクセンサとしての測定精度を向上させると共に、磁石と磁性体との接触を確実に防止する。
【解決手段】同軸上に弾性部材３を介して相対回転可能に連結された第１及び第２の回転軸１，２と、該第１の回転軸１に連結され軸方向にＮＳに着磁された磁石６と、該磁石の軸方向両側に配置され外周面に複数の磁脚を有する一対の磁石側磁性体７ａ，７ｂと、前記第２の回転軸２に連結され磁石側磁性体７ａ，７ｂの磁極と対向する複数の磁脚を有する一対の磁性体１４，１５と、該磁性体１４，１５の磁気回路に発生する磁束密度を検出する磁気検出部１８とを備え、前記磁石側磁性体７ａ，７ｂの一方の磁脚７ｃが前記磁性体１４，１５の一方の磁脚１４ｂに対向しているときに、磁石側磁性体７ａ，７ｂの他方の磁脚７ｄが前記磁性体の他方の磁脚１５ｂに対向するように配置されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、第１の軸及び第２の軸間に、捩れトルクが入力されたときに自身に捩れを生じる弾性部材を介挿し、この弾性部材の捩れを磁石によって発生させる磁束密度の変化として検出するトルクセンサ及びこれを使用した電動パワーステアリング装置に関する。

この種のトルクセンサとしては、例えば、筐体に回動自在に軸支される第１軸体と、該第１軸体に固定される多極着磁された永久磁石と、前記筐体に回動自在に軸支されると共に前記第１軸体に対して対向して配置される第２軸体と、該第２軸体に固定されると共に前記多極着磁数に対応する歯状体を有する磁性体コアと、前記筐体に固定されると共に前記磁性体コアの外周面の近傍に配設された磁性体部材により挟持される磁気センサとからある相対変位検出装置であって、前記永久磁石と前記磁性体コアとの相対変位により生じる磁束の変化を、前記第１軸体及び前記第２軸体の回動軸周りの相対位置変化の方向と変位の変化量として、前記磁気センサにより検出するために、個数Ｋ分の前記歯状体としてラジアル方向に角度θの角度間隔で設け、前記磁気センサを１対の第１の磁気センサと第２の磁気センサとして、前記第１磁気センサと前記第２磁気センサとを互いにラジアル方向に角度｛（２Ｋ＋１）／２｝θ−３６０°隔てて設けるようにした相対変位検出装置が知られている（例えば特許文献１参照）。

また、入力軸と出力軸とを同軸上に連結するトーションバーと、入力軸の端部に取付けられる一組の磁気ヨーク及び磁気ヨークに生じる磁束密度を検出する磁気センサ等により構成されるトルクセンサであって、軸ヨークは磁石のＮ極及びＳ極と同数（１２個）の爪が全周に等間隔に設けられ、トーションバーに捩れが生じていない状態で、磁気ヨークに設けられた爪の中心と磁石のＮ極とＳ極の境界とが一致するように配置され、磁気センサは軸方向に対向する磁気ヨークと磁気ヨーク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ように構成されたトルクセンサが知られている（例えば特許文献２参照）。
特許第２７４１３８８号公報特開２００３−１４９０６２号公報

しかしながら、上記特許文献１及び２に記載の従来例にあっては、磁石を円周方向に多極着磁する必要があり、着磁工数が必要となると共に、多極に着磁するには着磁強度がバラツキ、その結果トルクセンサとしての測定精度が劣化するという課題があり改善が要望されている。
また、磁石の着磁面と対向する磁性体との間の隙間を狭くする必要があるため、磁石表面に保護層を設けることかできず、組立不良による磁石と磁性体との間の接触などによって磁石表面が破損し易いという課題もあり、改善が要望されている。

そこで、本発明は、上記従来例の課題に着目してなされたものであり、磁石の多極着磁を解消してトルクセンサとしての測定精度を向上させると共に、磁石と磁性体との接触を確実に防止することができるトルクセンサ及びこれを使用した電動パワーステアリング装置を提供することを目的としている。

上記目的を達成するために、請求項１に係るトルクセンサは、同軸上に捩じれトルクが伝達されたときに捩じれる弾性部材を介して相対回転可能に連結された第１及び第２の回転軸と、該第１の回転軸及び前記弾性部材における当該第１の回転軸側の何れかに連結され軸方向にＮＳに着磁された磁石と、該磁石の軸方向両側に配置され外周面に複数の磁脚を有する一対の磁石側磁性体と、前記第２の回転軸及び前記弾性部材の当該第２の回転軸側の何れかに連結され、前記磁石及び磁石側磁性体によって形成される磁界内に配置されて磁気回路を形成する複数の磁脚を有する一対の磁性体と、該磁性体の磁気回路に発生する磁束密度を検出する磁気検出部とを備え、一方の前記磁石側磁性体の磁脚が一方の前記磁性体の磁脚に対向しているときに、他方の磁石側磁性体の磁脚が他方の前記磁性体の磁脚に対向するように配置されていることを特徴としている。

また、請求項２に係るトルクセンサは、請求項１に係る発明において、前記一対の磁石側磁性体は、夫々外周面に所定間隔で凹凸が繰り返される複数の磁脚が形成され、一方の磁石側磁性体の隣接する磁脚間に他方の磁石側磁性体の磁脚が配設されていることを特徴としている。
これら請求項１又は２に係る発明では、磁石を軸方向の一方をＮ極に他方をＳ極に着磁するだけで、磁性体の磁極で第１の回転軸及び第２の回転軸の相対回転による磁束密度の変化を生じ、この磁束密度の変化を磁気検出部で検出することができ、磁石の着磁が容易であり、着磁工数を軽減することができると共に、着磁の強度のバラツキが少なくなり、着磁精度を向上させることができ、さらに磁石外周面には対向する部品を設ける必要がないので、磁石の表面を保護層で保護することが可能となり、磁石の破損などの問題を改善することができる。

さらに、請求項３に係るトルクセンサは、請求項１又は２に係る発明において、前記磁性体に近接して配置されて当該磁性体から磁束を導くと共に、その磁束を集める集磁部を有する一対の補助磁性体を有し、前記磁気検出部は集磁部を介して前記補助磁性体に生じる磁束密度を検出するように配置されていることを特徴としている。
この請求項３に係る発明では、磁気検出素子と磁性体との位置関係に変化が生じても、磁気回路への影響を少なくすることができ、且つ磁束を磁気検出素子へ集中させることができるため、偏心などの影響を小さくし、且つ磁気的な外乱にも強くできる。

さらにまた、請求項４に係るトルクセンサは、請求項１乃至３の何れか１つに係る発明において、前記一対の磁性体は、軸方向に所定間隔を保って対向された一対のヨークで構成され、各ヨークは、円環状部と、該円環状部の内周面から径方向内方に延長する径方向延長部と、該径方向延長部の先端から軸方向に他方の磁性体に向かう軸方向延長部とで構成される磁脚を有し、一方の磁性体の隣接する磁脚間に他方の磁性体の磁脚が配設されていることを特徴としている。

この請求項４に係る発明では、軸方向に異なる位置に配設された磁石側磁性体のどちらとも磁気回路を構成することができ、磁気検出素子へ誘導される磁束の向きを反転させることができる。
なおさらに、請求項５に係るトルクセンサは、請求項１乃至４の何れか１つに係る発明において、前記一対の磁石側磁性体は、前記磁石の着磁面全体を覆うように構成されていることを特徴としている。

この請求項５に係る発明では、磁石から発生する磁束を漏れなく磁気回路へ誘導することができ、トルク検出精度を向上させることができる。
また、請求項６に係るトルクセンサは、請求項１乃至５の何れか１つに係る発明において、前記一対の磁石側磁性体は、一方の磁石側磁性体の隣接する磁脚間の中心位置に、他方の磁石側磁性体の磁脚の中心が位置するように配設されていることを特徴としている。

この請求項６に係る発明では、一方の磁石側磁性体の磁極と他方の磁石側磁性体の磁極との周方向距離を大きくとることができ、捩じれ角度を大きくすることができる。
さらに、請求項７に係るトルクセンサは、請求項１乃至６の何れか１つに係る発明において、前記一対の磁石側磁性体の夫々は、軸対称な形状に構成されていることを特徴としている。

この請求項７に係る発明では、磁石側磁性体の磁極が軸に対して対称な位置に配設されるため、偏心などの影響を小さくすることができる。
さらにまた、請求項８に係るトルクセンサは、請求項１乃至７の何れか１つに係る発明において、前記一対の磁石側磁性体の夫々は、磁脚が等間隔に配置されていることを特徴としている。

この請求項８に係る発明では、磁石側磁性体の磁脚と磁脚との間の距離を大きくとることができ、捩じれ角度を大きくすることができる。
なおさらに、請求項９に係るトルクセンサは、請求項１乃至８の何れか１つに係る発明において、前記一対の磁性体は、一方の磁性体の隣接する磁脚間の中心位置に、他方の磁性体における磁脚の中心が位置するように配設されていることを特徴としている。

この請求項９に係る発明では、一方の磁性体の磁極と他方の磁性体の磁極との周方向距離を大きくとることができ、捩じれ角度を大きくすることができる。
また、請求項１０に係るトルクセンサは、請求項１乃至８の何れか１つに係る発明において、前記一対の磁性体の夫々は、軸対称な形状に構成されていることを特徴としている。

この請求項１０に係る発明では、磁性体の磁脚が軸に対して対称な位置に配設されるため、偏心などの影響を小さくすることができる。
さらに、請求項１１に係るトルクセンサは、請求項１〜１０の何れか１つに係る発明において前記一対の磁性体の夫々は、前記磁脚が等間隔に配置されていることを特徴としている。

この請求項１１に係る発明では、磁性体の磁脚と磁脚との間の距離を大きくとることができ、捩じれ角度を大きくすることができる。
さらにまた、請求項１２に係るトルクセンサは、請求項４乃至１１の何れか１つに係る発明において、前記一対の補助磁性体は、リング状に形成され、前記一対の磁性体に対して夫々径方向に近接対向し、且つ軸方向寸法が当該磁性体の円環状部の軸方向寸法より長く設定されていることを特徴としている。

この請求項１２に係る発明では、構成部品の加工誤差の影響を小さくすることができ、且つ偏心、アキシャル変動などの影響を小さくすることができる。
なおさらに、請求項１３に係るトルクセンサは、請求項３乃至１０の何れか１つに係る発明において、前記一対の補助磁性体は、前記一対の磁性体と夫々径方向で近接対向し、且つ当該磁性体を夫々軸方向で挟み込むように構成されていることを特徴としている。

この請求項１３に係る発明では、構成部品の加工誤差の影響を小さくでき、且つ偏心、アキシャル変動などの影響を小さくすることができる。
また、請求項１４に係るトルクセンサは、前記一対の補助磁性体は、軸方向に所定間隔を保って対向する一対のヨークで構成され、前記磁性体の前記円環状部の幅より狭い幅の帯状部を有し、該帯状部が前記磁性体と軸方向で対向していることを特徴としている。

この請求項１４に係る発明では、構成部品の加工誤差の影響を小さくでき、且つ偏心、アキシャル変動などの影響を小さくすることができる。
さらに、請求項１５に係るトルクセンサは、請求項１乃至１４の何れか１つに係る発明において、前記磁気検出部は、複数の磁気検出素子を有し、複数の磁気検出素子で検出した磁束密度に基づいて当該磁気検出素子の異常検出を行う異常検出回路を備えていることを特徴としている。

この請求項１５に係る発明では、磁気検出素子を２つ使用するので、トルク検出回路を２重系に構成することができる。
さらにまた、請求項１６に係るトルクセンサは、請求項１乃至１４の何れか１つに係る発明において、前記磁気検出部は、３つ以上の磁気検出素子を有し、各磁気検出素子で検出した磁束密度に基づいて当該磁気検出素子の異常検出を行う異常検出回路を備えていることを特徴としている。

この請求項１６に係る発明では、磁気検出素子を３つ以上有するので、複数の磁気検出素子の出力値が等しく、残りの磁気検出素子の出力値が異なる場合に、異常となった磁気検出素子を特定することができる。
なおさらに、請求項１７に係るトルクセンサは、請求項３乃至１６の何れか１つに係る発明において、前記磁石側磁性体、磁性体、補助磁性体は、ニッケルの含有量が４０ｗｔ％以上、８０ｗｔ％以下に設定されていることを特徴としている。

この請求項１７に係る発明では、磁石側磁性体、磁性体及び補助磁性体の磁気特性を向上させることができる。
また、請求項１８に係る電動パワーステアリング装置は、前記請求項１乃至１７の何れか１項に記載のトルクセンサを使用し、ステアリングホイールに連結されたステアリングシャフトのトーションバーで連結される入力軸及び出力軸を夫々前記第１又は第２の回転軸として、前記ステアリングホイールに伝達される操舵トルクを検出することを特徴としている。

この請求項１７に係る発明では、精度の高いトルクセンサを使用して高精度な操舵補助制御を行うことができる。

本発明によれば、磁石を軸方向にＮ極及びＳ極に着磁するだけでよいので、着磁が容易であり、着磁工数を軽減することができると共に、着磁強度のバラツキが少なくなり、着磁精度を向上させることができ、さらに磁石外周面に対向する部品を設ける必要がないので、磁石の表面を保護層で保護することが可能となり、磁石の破損などの問題を改善することができるという効果が得られる。

また、上記効果を有するトルクセンサを使用して電動パワーステアリング装置を構成することにより、高精度の操舵補助制御を行うことができるという効果が得られる。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１は、本発明の一実施形態を示す全体構成を示す縦断面図、図２は図１の要部の斜視図、図３は図２の分解斜視図である、図４は磁石側磁性体の磁脚と磁性体の磁脚との位相が一致した状態の平面図及び側面図、図５は図４から磁性体が１５°（磁脚の数が６の場合）回転して磁石側磁性体の隣接する磁脚の中心と磁性体の磁脚間の中心位置との位相が一致した状態の平面図、図６は図５から磁性体が１５°（磁脚の数が６の場合）回転して磁石側磁性体の磁脚と磁性体の磁脚との位相が一致した状態の平面図及び側面図である。

図中、１は例えばステアリングホイール（図示せず）に連結される第１の回転軸であり、２は第１の回転軸１と同軸で且つ所定距離離間した例えば電動パワーステアリング装置の電動モータによってアシストされると共に、図示しないユニバーサルジョイント、中間シャフトを介して転舵輪を転舵するラックアンドピニオン機構に連結された第２の回転軸である。これら第１の軸１及び第２の軸２とは弾性部材としてのトーションバー３を介して連結されている。

第１の軸１のトーションバー３側端部には円板状の取付フランジ４が形成され、この取付フランジ４に円筒状で上端にフランジ部５ａを有し、アルミニウム合金などの非磁性体で構成された支持筒５が取付けられている。この支持筒５の外周面には、円環状の永久磁石６と、この永久磁石６を軸方向の両端から挟む例えば鉄系金属材料で形成された一対の磁石側磁性体７ａ及び７ｂとが取付けられている。

ここで、永久磁石６は、図１に示すように、軸方向の上半部をＮ極、下半部をＳ極とするように軸方向に１つのＮＳ極が配置されるように着磁されている。
また、磁石側磁性体７ａ及び７ｂの夫々は、図２及び図３から明らかなように、永久磁石６の軸方向両端を全て覆う円環状板部８ａ及び８ｂと、これら円環状板部８ａ及び８ｂの外周面から所定間隔例えば６０°間隔（磁脚の数が６の場合）で半径方向外方に所定長さＬだけ突出する矩形の磁脚９ａ及び９ｂが形成され、これら磁脚９ａ及び９ｂが夫々軸対称に配置されている。

そして、磁石側磁性体７ａ及び７ｂは、軸方向から見て、一方の磁石側磁性体例えば７ａの隣接する磁脚９ａ間の中心位置即ち凹部９ｃの中心位置に他方の磁石側磁性体７ｂの磁脚９ｂが位置し、同様に他方の磁石側磁性体７ｂにおける磁脚９ｂ間の中心位置即ち凹部９ｄの中心位置に一方の磁石側磁性体７ａにおける磁脚９ａの中心位置が位置するように、凹部９ｃと磁脚９ｂとの円周方向の位相及び凹部９ｄと磁脚９ａとの円周方向の位相が夫々一致するように配設されている。つまり、一方の磁石側磁性体７ａに対して他方の磁石側磁性体７ｂが円周方向に３０°（磁脚の数が６の場合）の位相差を持って配設されている。そして、永久磁石６の外周円筒面には合成樹脂材製の保護層１０が形成されている。

一方、第２の回転軸２におけるトーションバー３側の端部には、磁石側磁性体７ａ及び７ｂの磁脚９ａ及び９ｂより外側に延長する支持円板１１が取付けられ、この支持円板１１の上面における外周縁部側に形成された円環状台部１２に永久磁石６及び磁石側磁性体７ａ，７ｂを囲むように円筒状の磁性体支持部１３が配設されている。
この磁性体支持部１３は、軸方向の上端側に例えば鉄系金属材料で形成された第１の磁性体１４が配設され、下端側に同様に鉄系金属材料で形成された第２の磁性体１５が配設されており、第１の磁性体１４及び第２の磁性体１５で一対のヨークを構成している。第１の磁性体１４は、磁性体支持部１３の上端面の外周側に配設された軸方向の厚さが薄い円環状部１４ａと、この円環状部１４ａの内周面に６０°間隔（磁脚の数が６の場合）で径方向内方に突出形成された磁脚１４ｂとで構成されている。磁脚１４ｂは、円環状部１４ａの内周面から径方向内方に、トーションバー３の軸心を中心とし磁石側磁性体７ａ及び７ｂの磁脚９ａ及び９ｂの先端までの半径Ｒ１に対して長い半径Ｒ２の位置まで延長する径方向延長部１４ｃと、この径方向延長部１４ｃの内方端から軸方向下方に磁石側磁性体７ｂの下側まで延長する軸方向延長部１４ｄとでＬ字状に構成され、各磁脚１４ｂが軸対称に配置されている。

同様に、第２の磁性体１５は、磁性体支持部１３の下端面の外周側に配設された軸方向の厚さが薄い円環状部１５ａと、この円環状部１５ａの内周面に６０°間隔（磁脚の数が６の場合）で径方向内方に突出形成された磁脚１５ｂとで構成されている。磁脚１５ｂは、円環状部１５ａの内周面から径方向内方に、トーションバー３の軸心を中心とし磁石側磁性体７ａ及び７ｂの磁脚９ａ及び９ｂの先端までの半径Ｒ１に対して長い半径Ｒ２の位置まで延長する径方向延長部１５ｃと、この径方向延長部１５ｃの内方端から軸方向上方に磁石側磁性体７ａの上側まで延長する軸方向延長部１５ｄとでＬ字状に構成され、各磁脚１５ｂが軸対称に配置されている。

そして、第１の磁性体１４及び第２の磁性体１５の磁脚１４ｂ及び１５ｂが一方の隣接する磁脚間の中心位置に他方の磁脚の中心が位置するように円周方向に３０°の位相差（磁脚の数が６の場合）を持って配設されている。
また、磁石側磁性体７ａ及び７ｂの磁脚９ａ及び９ｂと第１及び第２の磁性体１４及び１５の磁脚１４ｂ及び１５ｂとは、トーションバー３に捩れがないものとしたときに、平面から見て図５に示すように、磁石側磁性体７ａの磁脚９ａと反時計方向側の磁石側磁性体７ｂの磁脚９ｂとの中間位置に第１の磁性体１４における磁脚１４ｂの中心が位置し、磁石側磁性体７ａの磁脚９ａと時計方向側の磁石側磁性体７ｂの磁脚９ｂとの中間位置に第２の磁性体１５における磁脚１５ｂの中心が位置するように設定されている。

なお、図では、上記のように設定したが、磁石側磁性体７ａの磁脚９ａと反時計方向側の磁石側磁性体７ｂの磁脚９ｂとの中間位置に第２の磁性体１５における磁脚１５ｂの中心が位置するようにしてもよい。
さらに、磁性体支持部１３の外側に所定距離だけ隔てて固定部に固定された上下一対の補助磁性体１７ａ及び１７ｂと磁気検出部１８を内装した円筒状の補助磁性体支持部１９が配設されており、補助磁性体１７ａ及び１７ｂで一対のヨークを構成している。この補助磁性体１７ａ及び１７ｂの夫々は、例えば鉄系金属材料で形成され、第１及び第２の磁性体１４及び１５の円環状部１４ａ及び１５ａに対向し、軸方向の長さが円環状部１４ａ及び１５ａに対して長い円筒部１７ｃ及び１７ｄと、これら円筒部１７ｃ及び１７ｄの円周方向の一部から外方に延長して互いに対向する集磁部１７ｅ及び１７ｆとを備えている。

そして、互いに対向する集磁部１７ｅ及び１７ｆ間に磁気検出部１８が設けられている。この磁気検出部１８は、ホール素子、ＭＲ（ＭａｇｎｅｔｏＲｅｓｉｓｔａｎｃｅ）素子、ＭＩ（ＭａｇｎｅｔｏＩｍｐｅｄａｎｃｅ）素子やこれらを使用したＩＣの何れかでなる所要数の磁気検出素子で構成されており、この磁気検出素子は１つでもよいが本実施形態では図３に示すようにメイン及びサブとなる２つの磁気検出素子２０ａ及び２０ｂが配設されている。

次に、上記第１の実施形態の動作を説明する。
今、第１の回転軸１に対して第２の回転軸２に捩じれトルクを伝達してトーションバー３を捩じりながら時計方向に回転させることにより、平面から見て図４（ａ）に示すように、磁石側磁性体７ａ及び７ｂの磁脚９ａ及び９ｂに、第１及び第２の磁性体１４及び１５の磁脚１４ｂ及び１５ｂにおける軸方向延長部１４ｄ及び１５ｄが対向する状態としたものとする。

この状態では、永久磁石６のＮ極から出た磁束は、磁石側磁性体７ａを通り、その磁脚９ａに対向する第１の磁性体１４における磁脚１４ｂの軸方向延長部１４ｄ、径方向延長部１４ｃを通って円環状部１４ａから補助磁性体１７ａの円筒部１７ｃ及び集磁部１７ｅを通じて磁気検出素子２０ａ及び２０ｂに達し、補助磁性体１７ｂから第２の磁性体１５の円環状部１５ａ、磁脚１５ｂを経由して、他方の磁石側磁性体７ｂの磁脚９ｂを通って永久磁石６のＳ極に達する磁気通路が形成される。

このため、永久磁石６によって形成された磁気回路内の磁束を、磁気検出素子２０ａ及び２０ｂが検出することになり、磁気検出素子２０ａ及び２０ｂから夫々図７に示すＡ点の最大電圧Ｖｍａｘとなる出力電圧が出力される。
この状態から第２の回転軸２に対する捩じれトルクを弱めて、第２の回転軸２を例えば反時計方向に戻すと、これに応じて磁石側磁性体７ａ及び７ｂの磁脚９ａ及び９ｂは、第１の磁性体１４及び第２の磁性体１５の磁脚１４ｂ及び１５ｂにおける軸方向延長部１４ｄ及び１５ｄとが徐々に反時計方向にずれることになり、両者間を通る磁束が徐々に減少することにより、磁気検出素子２０ａ及び２０ｂで検出される磁気検出量が減少して、その出力電圧が図７に示すように最大電圧Ｖｍａｘから徐々に減少する。

その後、第１の回転軸１及び第２の回転軸２に捩じれトルクがなくなってトーションバー３の捩じれがなくなった状態では、図５に示すように、磁石側磁性体７ａ及び７ｂの磁脚９ａ及び９ｂは、第１及び第２の磁性体１４及び１５の磁脚１４ｂ及び１５ｂの中間位置となるため、磁気検出素子２０ａ及び２０ｂから出力される出力電圧は図７におけるＢ点で示すように中立電圧Ｖｎとなる。

この状態からさらに第２の回転軸２を反時計方向にトーションバー３を捩じりながら回転させると、磁石側磁性体７ａの磁脚９ａが第２の磁性体１５の磁脚１５ｂにおける軸方向延長部１５ｄに近づき、磁石側磁性体７ｂの磁脚９ｂが第１の磁性体１４の磁脚１４ｂにおける軸方向延長部１４ｄに近づくことになるので、磁気検出素子２０ａ及び２０ｂから出力される出力電圧は図７に示すように中立電圧Ｖｎから徐々に減少する。

その後、さらに第２の回転軸２を反時計方向に回転させて、磁石側磁性体７ａの磁脚９ａが第２の磁性体１５の磁脚１５ｂにおける軸方向延長部１５ｄに対向すると共に、磁石側磁性体７ｂの磁脚９ｂが第１の磁性体１４の磁脚１４ｂにおける軸方向延長部１４ｄに対向する図６に示す状態となると、磁気検出素子２０ａ及び２０ｂから出力される出力電圧は図７におけるＣ点で示すように最小電圧Ｖｍｉｎとなる。

このように、第１の回転軸１と第２の回転軸２との間に捩じれトルクが付加されておらず、トーションバー３が捩じれていない状態では磁気検出素子２０ａ及び２０ｂの出力電圧が中立電圧Ｖｎとなり、この状態から第１の回転軸１に対して第２の回転軸２を時計方向にトーションバー３を捩じりながら回転させると出力電圧が中立電圧Ｖｎから増加し、逆に第１の回転軸１に対して第２の回転軸２を反時計方向にトーションバー３を捩じりながら回転させると磁気検出素子２０ａ及び２０ｂの出力電圧が中立電圧Ｖｎからは減少することになり、磁気検出素子２０ａ及び２０ｂから第１の回転軸１及び第２の回転軸２に加えられる捩じれトルクを、トーションバー３の捩じり剛性を用いて算出することができ、第１の回転軸１及び第２の回転軸２の何れかに伝達される捩じれトルクに応じた出力電圧を得ることができる。

このように、上記第１の実施形態によると、永久磁石６は軸方向にＮＳに着磁するだけでよいので、前述した従来例のように円周方向に多極着磁を行う必要がなく、着磁強度がバラツクことを確実に防止することができ、トルクセンサとしての測定精度を向上させることができる。
しかも、永久磁石６の軸方向の両端面が磁石側磁性体７ａ及び７ｂで完全に覆われ、これら磁石側磁性体７ａ及び７ｂの磁脚９ａ及び９ｂと磁性体１４及び１５の磁脚１４ｂ及び１５ｂとが近接対向し、永久磁石６と磁性体１４及び１５とは近接対向する必要がないので、永久磁石６の外周面に保護層１０を形成することができ、永久磁石６を破損から確実に保護することができ、トルクセンサの信頼性を向上させることができると共に、永久磁石６の軸方向の両端面が磁石側磁性体７ａ及び７ｂで完全に覆われているので、永久磁石６から発生する磁束を漏れなく磁気回路へ誘導することができ、トルク検出精度を向上させることができる。

また、磁性体１４及び１５の磁束を固定部に配設された補助磁性体１７ａ及び１７ｂに導き、この補助磁性体１７ａ及び１７ｂに流れる磁束を集磁部１７ｅ及び１７ｆで集めて磁気検出素子２０ａ及び２０ｂに導くので、磁気検出素子２０ａ及び２０ｂと磁性体１４及び１５との位置関係に変化が生じても、磁気回路への影響を小さくすることができ、且つ磁束を磁気検出素子２０ａ及び２０ｂに集中させることができるため、偏心などの影響を小さくし、且つ磁気的な外乱にも強くすることができる。

さらに、磁性体１４及び１５の磁脚１４ｂ及び１５ｂを構成する軸方向延長部１４ｄ及び１５ｄが磁石側磁性体７ａ及び７ｂの双方に対向するように延長されているので、軸方向に異なる位置に配設された磁石側磁性体７ａ及び７ｂの双方とで磁気回路を構成することができ、磁気検出素子２０ａ及び２０ｂへ誘導される磁束の向きを変化させることができる。

さらにまた、磁石側磁性体７ａ及び７ｂは一方の隣接する磁脚９ａ間の中心位置に他方の磁脚９ｂの中心が位置するように配置されているので、一方の磁石側磁性体７ａの磁脚９ａと他方の磁石側磁性体７ｂの磁脚９ｂとの周方向距離を大きくとることができる。同様に、磁性体１４及び１５についても一方の隣接する磁脚１４ｂ間の中心位置に他方の磁脚１５ｂの中心が位置するように配置されているので、一方の磁脚１４ｂと他方の磁脚１５ｂとの周方向距離を大きくとることができる。

なおさらに、磁石側磁性体７ａ及び７ｂの磁脚９ａ及び９ｂが軸対称に配置されているので、偏心などの影響を小さくすることができ、磁脚９ａ及び９ｂを等間隔に配置することで、隣接する磁脚９ａ及び９ｂ間の距離を大きくとることができる。同様に、磁性体１４及び１５についても磁脚１４ｂ及び１５ｂが軸対称に配置されているので、偏心などの影響を小さくすることができ、磁脚１４ｂ及び１５ｂを等間隔に配置することで、隣接する磁脚１４ｂ及び１５ｂ間の距離を大きくとることができる。

また、補助磁性体１７ａ及び１７ｂの、磁性体１４及び１５の円環状部１４ａ及び１５ａに対向する円筒部１７ｃ及び１７ｄの軸方向長さが円環状部１４ａ及び１５ａの軸方向長さ（厚さ）に対して長く設定されているので、構成部品の加工誤差の影響を小さくすることができると共に、偏心、アキシャル変動などの影響を小さくすることができる。
さらに、磁気検出素子を２つの磁気検出素子２０ａ及び２０ｂで構成すると、両磁気検出素子２０ａ及び２０ｂから第１の回転軸１又は第２の回転軸２に伝達される捩じれトルクに応じた略同一値の出力電圧が出力されるので、これらのうちの一方例えば磁気検出素子２０ａをメインのセンサとし、磁気検出素子２０ｂをサブのセンサとすることにより、トルク検出系を２重化することができると共に、両者の出力電圧を比較することで何れかの磁気検出素子２０ａ又は２０ｂの異常を検出することができる。この場合、磁気検出素子を３個以上配設するようにすれば、そのうちの複数の磁気検出素子の出力電圧が等しく、残りの１つの磁気検出素子の出力電圧が異なる場合に、この出力電圧が異なる磁気検出素子を異常が生じた磁気検出素子として特定することができる。また、磁気検出素子２０ａ及び２０ｂの磁束検出方向を互いに逆向きとすることで、差動出力にすることができ、トルクセンサの出力を差動出力にすることができる。さらに、各磁気検出素子に対して個別の専用電源を設けることにより、さらにトルクセンサ全体の信頼性を向上させることができる。

さらに、上記第１の実施形態では、永久磁石６の外周面に保護層１０を設ける場合について説明したが、これに限定されるものではなく、永久磁石６と磁石側磁性体７ａ及び７ｂとを合成樹脂材でモールドするようにしてもよい。この場合には、コスト面から安価なフェライトの焼結磁石を使用した場合でも全体を合成樹脂材でモールドするので、磁石が割れることを確実に防止することができる。

さらに、磁石側磁性体７ａ，７ｂ及び磁性体１４，１５の磁脚の数を６としたが、これに限定されるものではなく、両者の磁脚数は任意数に設定することができる。
次に、本発明の第２の実施形態を図８及び図９について説明する。
この第２の実施形態では、補助磁性体１７ａ及び１７ｂの構成を簡略化したものである。

すなわち、第２の実施形態においては、補助磁性体１７ａ及び１７ｂを、図８及び図９に示すように、磁性体１４及び１５の円環状部１４ａ及び１５ａの一部を外周側からその上面、外周面及び下面を挟み込むように対向する断面コ字状の磁束導入部３１ａ及び３１ｂが集磁部３１ｃを介して円周方向に所定間隔を隔てて配設された構成を有することを除いては前述した第１の実施形態と同様の構成を有し、第１の実施形態との対応部分には同一符号を付し、その詳細説明はこれを省略する。ここで、集磁部３１ｃは、磁束導入部３１ａ及び３１ｂ間を連結すると共に、外周方向に突出する連結板部３１ｄと、この連結板部３１ｄの外周縁から磁性体１４及び１５間の軸方向中央部に向かう軸方向延長部３１ｅと、この軸方向延長部３１ｅから径方向外方に延長する径方向延長部３１ｆとで構成されている。両補助磁性体１７ａ及び１７ｂの径方向延長部３１ｆ間に磁気検出素子２０ａ及び２０ｂが介挿されている。

この第２の実施形態によると、前述した第１の実施形態と同様の効果が得られる他、補助磁性体１７ａ及び１７ｂが磁性体１４及び１５の円環状部１４ａ及び１５ａを挟み込んで対向する磁束導入部３１ａ及び３１ｂと集磁部３１ｃとで構成されているので、簡易な構成とすることができると共に、機械的な外乱を受けても磁気回路への影響を小さくすることができるという効果が得られる。

次に、本発明の第３の実施形態を図１０〜図１２について説明する。
この第３の実施形態では、前述した第２の実施形態と同様に補助磁性体１７ａ及び１７ｂの構成を簡略化したものである。
すなわち、第３の実施形態では、図１０〜図１２に示すように、補助磁性体１７ａ及び１７ｂを磁性体１４及び１５の円環状部１４ａ及び１５ａの幅Ｗ１より狭い幅Ｗ２で同一曲率の帯状の磁束導入部４１ａと、この磁束導入部４１ａの円周方向の略中央位置から径方向に延長する集磁部４１ｂとで構成されていることを除いては前述した第１及び第２の実施形態と同様の構成を有し、第１及び第２の実施形態との対応部分には同一符号を付し、その詳細説明はこれを省略する。

ここで、補助磁性体１７ａの磁束導入部４１ａは、図示しない固定部に固定されて、図１２に示すように、磁性体１４の円環状部１４ａから軸方向に所定距離だけ離して対向配設され、同様に補助磁性体１７ｂの磁束導入部４１ａも磁性体１５の円環状部１５ａから軸方向に所定距離だけ離して対向配設されている。
また、集磁部４１ｂは、磁束導入部４１ａの円周方向の略中央位置から径方向外方に向かう径方向延長部４１ｃと、この径方向延長部４１ｃの先端から軸方向に磁性体１４及び１５間の中央位置に向かう軸方向延長部４１ｄと、この軸方向延長部４１ｄの下端から径方向外方に向かう径方向延長部４１ｅとで構成にされている。

そして、補助磁性体１７ａ及び１７ｂにおける集磁部４１ｂの径方向延長部４１ｅ間に磁気検出素子２０ａ及び２０ｂが介挿されている。
この第３の実施形態によっても、前述した第２の実施形態と同様の作用効果が得られる他、帯状の磁束導入部４１ａの幅Ｗ２を磁性体１４及び１５の円環状部１４ａ及び１５ａの幅Ｗ１より短くすることにより、偏心等の機械的な外乱を受けても磁気回路への影響を小さくすることができる。

なお、上記第１〜第３の実施形態においては、磁石側磁性体７ａ及び７ｂの磁脚９ａ及び９ｂを矩形に形成した場合について説明したが、これに限定されるものではなく、三角形、円弧形状等でもよく、必要とする出力特性が得られる先端形状を適宜選択することができる。
また、上記第１〜第３の実施形態においては、磁石側磁性体７ａ及び７ｂ、磁性体１４及び１５並びに補助磁性体１７ａ及び１７ｂを鉄系金属材料で形成した場合について説明したが、これに限定されるものではなく、これら磁石側磁性体７ａ及び７ｂ、磁性体１４及び１５並びに補助磁性体１７ａ及び１７ｂを、ニッケルを含んだ合金を使用して形成しても良い。ここで、ニッケル合金のニッケル含有量は４０重量％以上とすることにより、一般的な鉄系金属材料に比較してヒステリシスを格段に少なくすることができ、実用上は問題ないレベルまでヒステリシス特性を向上することができる。なお、ヒステリシスをさらに減少させたい場合はニッケル含有量を７０重量％以上含む合金を使用することが好ましいが、ニッケルは高価であるため、要求される性能によってニッケル含有量は８０重量％以下に設定することが好ましい。

さらに、上記第１〜第３の実施形態においては、磁気検出素子２０ａ及び２０ｂから等しい出力電圧を得るようにした場合について説明したが、これに限定されるものではなく、磁気検出素子２０ａ及び２０ｂの出力特性を逆向きに設定しておくことにより、２個の磁気検出素子２０ａ及び２０ｂの差動を得ることができ、感度を２倍に向上させることができる。

さらにまた、上記第１〜第３の実施形態においては、磁性体１４及び１５の磁脚１４ｂ及び１５ｂを径方向延長部と軸方向延長部とを有するＬ字状に形成した場合について説明したが、これに限定されるものではなく、磁石側磁性体７ａ及び７ｂの磁脚９ａ及び９ｂを径方向外方に延長するＬ字状に形成し、これに応じて磁性体１４及び１５の磁脚１４ｂ及び１５ｂを径方向のみに延長する構成とすることもできる。

なおさらに、上記第１〜第３の実施形態においては、磁性体１４及び１５の円環状部１４ａ及び１５ａを磁性体支持部１３の上端面及び下端面に配置する場合について説明したが、これに限定されるものではなく、図１３に示すように、円環状部１４ａ及び１５ａを磁性体支持部１３の軸方向の中央寄り位置に軸方向に所定距離だけ離間させて配置し、この円環状部１４ａ及び１５ａの内周縁から磁石側磁性体７ａ及び７ｂの磁脚９ａ及び９ｂに対向するように軸方向に延長する磁脚１４ｂ及び１５ｂを設けて磁性体１４及び１５の軸方向両側を磁性体支持部１３で覆っても良い。

また、上記第１〜第３の実施形態においては、磁石側磁性体７ａ及び７ｂの磁脚９ａ及び９ｂ、磁性体１４及び１５の磁脚１４ｂ及び１５ｂが６つである場合について説明したが、これに限定されるものではなく、磁脚数は、捩じれ角に合わせて適宜設定することができる。
次に、本発明の第４の実施形態を図１４について説明する。

この第４の実施形態では、本発明によるトルクセンサを電動パワーステアリング装置に適用したものである。
すなわち、この第４の実施形態では、図１〜図１３に示すように、上記第１〜第３の実施形態で説明したトルクセンサの何れか１つが電動パワーステアリング装置に適用されている。

図中、５１は電動パワーステアリング装置であり、この電動パワーステアリング装置５１は、運転者が操舵するステアリング機構５２を備えている。
このステアリング機構５２は、ステアリングホイール５３に運転者から作用される操舵力が伝達される入力軸５４ａと出力軸５４ｂとが図示しないトーションバーで連結されたステアリングシャフト５４を有し、このステアリングシャフト５４は、入力軸５４ａの一端がステアリングホイール５３に連結されている。そして、入力軸５４ａ及び出力軸５４ｂ間に前述した第１〜第３の実施形態における何れか１つの構成を有するトルクセンサ５５が介挿されている。

そして、出力軸５４ｂに伝達された操舵力は、ユニバーサルジョイント５６を介してロアシャフト５７に伝達され、さらに、ユニバーサルジョイント５８を介してピニオンシャフト５９に伝達される。このピニオンシャフト５９に伝達された操舵力はステアリングギヤ６０を介してタイロッド６１に伝達され、図示しない転舵輪を転舵させる。
ここで、ステアリングギヤ６０は、ピニオンシャフト５９に連結されたピニオン６０ａとこのピニオン６０ａに噛合するラック６０ｂとを有するラックアンドピニオン形式に構成され、ピニオン６０ａに伝達された回転運動をラック６０ｂで直進運動に変換している。

ステアリングシャフト５４の出力軸５４ｂには、操舵補助力を出力軸５４ｂに伝達する操舵補助機構６２が連結されている。この操舵補助機構６２は、出力軸５４ｂに連結したウォーム減速機６３と、このウォーム減速機６３に連結された操舵補助力を発生する電動モータ６４とを備えている。
そして、この電動モータ６４は、操舵トルクセンサ５５で検出されるステアリングホイール５３に付与されて入力軸５４ａに伝達された操舵トルクの測定値及び車速を検出する車速センサ６５から出力される車速検出値が入力された制御装置６６によって駆動制御される。

この制御装置６６は、車速検出値をパラメータとして操舵トルクと操舵補助指令値との関係を記憶した制御マップを参照して、操舵補助指令値を算出し、算出した操舵補助指令値と電動モータ６４に流れるモータ電流とに基づいてフィードバック制御を行ってモータ電流指令値を算出し、算出したモータ電流指令値をインバータ回路で構成されるモータ駆動回路６７に供給して、このモータ駆動回路６７でモータ電流指令値に基づいてモータ駆動電流を形成し、このモータ駆動電流を電動モータ６４に供給することにより、電動モータ６４で、操舵補助指令値に応じた操舵補助力を発生することにより、ステアリングホイール５３を軽い操舵力で操舵することができる。

このように、電動パワーステアリング装置５１に前述した第１〜第３の実施形態における何れか１つの構成を有するトルクセンサ５５を適用することにより、トルクセンサ５５を小型化することができると共に、トルク検出精度を高めて高精度な操舵補助制御を行うことができる。

本発明に係るトルクセンサの第１実施形態を示す概略断面図である。図１の要部の斜視図である。図２の分解斜視図である。最大出力時の回転状態を示す説明図であって、（ａ）は平面図、（ｂ）は側面図である。中立電圧時の回転状態を示す平面図である。最小出力時の回転状態を示す平面図である。磁気検出素子の出力特性を示す特性線図である。本発明の第２の実施形態を示す要部の斜視図である。補助磁性体を示す分解斜視図である。本発明の第３の実施形態を示す要部の斜視図である。補助磁性体を示す分解斜視図である。補助磁性体を示す底面図である。磁性体の他の例を示す図１と同様の概略断面図である。本発明のトルクセンサを電動パワーステアリング装置に適用した場合の実施形態を示す概略構成図である。

符号の説明

１…第１の回転軸、２…第２の回転軸、３…トーションバー、６…永久磁石、７ａ，７ｂ…磁石側磁性体、９ａ，９ｂ…磁脚、１０…保護層、１１…支持円板、１３…磁性体支持部、１４…第１の磁性体、１４ａ…円環状部、１４ｂ…磁脚、１４ｃ…径方向延長部、１４ｄ…軸方向延長部、１５…第２の磁性体、１５ａ…円環状部、１５ｂ…磁脚、１５ｃ…径方向延長部、１５ｄ…軸方向延長部、１７ａ，１７ｂ…補助磁性体、１７ｃ，１７ｄ…円筒部、１７ｅ，１７ｆ…集磁部、１８…磁気検出部、２０ａ，２０ｂ…磁気検出素子、３１ａ，３１ｂ…磁束導入部、３１ｃ…集磁部、４１ａ…磁束導入部、４１ｂ…集磁部、５１…電動パワーステアリング装置、５２…ステアリング機構、５３…ステアリングホイール、５４ステアリングシャフト、５４ａ…入力軸、５４ｂ…出力軸、５５…トルクセンサ、６０…ステアリングギヤ、６３…ウォーム減速機、６４…電動モータ、６６…制御装置、６７…モータ駆動回路

Claims

同軸上に捩じれトルクが伝達されたときに捩じれる弾性部材を介して相対回転可能に連結された第１及び第２の回転軸と、該第１の回転軸及び前記弾性部材における当該第１の回転軸側の何れかに連結され軸方向にＮＳに着磁された磁石と、該磁石の軸方向両側に配置され外周面に複数の磁脚を有する一対の磁石側磁性体と、前記第２の回転軸及び前記弾性部材の当該第２の回転軸側の何れかに連結され、前記磁石及び磁石側磁性体によって形成される磁界内に配置されて磁気回路を形成する複数の磁脚を有する一対の磁性体と、該磁性体の磁気回路に発生する磁束密度を検出する磁気検出部とを備え、一方の前記磁石側磁性体の磁脚が一方の前記磁性体の磁脚に対向しているときに、他方の磁石側磁性体の磁脚が他方の前記磁性体の磁脚に対向するように配置されていることを特徴とするトルクセンサ。
前記一対の磁石側磁性体は、夫々外周面に所定間隔で凹凸が繰り返される複数の磁脚が形成され、一方の磁石側磁性体の隣接する磁脚間に他方の磁石側磁性体の磁脚が配設されていることを特徴とする請求項１に記載のトルクセンサ。
前記一対の磁性体に近接して配置されて当該磁性体から磁束を導くと共に、その磁束を集める集磁部を有する一対の補助磁性体を有し、前記磁気検出部は集磁部を介して前記補助磁性体に生じる磁束密度を検出するように配置されていることを特徴とする請求項１又は２に記載のトルクセンサ。
前記一対の磁性体は、軸方向に所定間隔を保って対向された一対のヨークで構成され、各ヨークは、円環状部と、該円環状部の内周面から径方向内方に延長する径方向延長部と、該径方向延長部の先端から軸方向に他方の磁性体に向かう軸方向延長部とで構成される磁脚を有し、一方の磁性体の隣接する磁脚間に他方の磁性体の磁脚が配設されていることを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載のトルクセンサ。
前記一対の磁石側磁性体は、前記磁石の着磁面全体を覆うように構成されていることを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項に記載のトルクセンサ。
前記一対の磁石側磁性体は、一方の磁石側磁性体の隣接する磁脚間の中心位置に、他方の磁石側磁性体の磁脚の中心が位置するように配設されていることを特徴とする請求項１乃至５の何れか１項に記載のトルクセンサ。
前記一対の磁石側磁性体の夫々は、軸対称な形状に構成されていることを特徴とする請求項１乃至６の何れか１項に記載のトルクセンサ。
前記一対の磁石側磁性体の夫々は、磁脚が等間隔に配置されていることを特徴とする請求項１乃至７の何れか１項に記載のトルクセンサ。
前記一対の磁性体は、一方の磁性体の隣接する磁脚間の中心位置に、他方の磁性体における磁脚の中心が位置するように配設されていることを特徴とする請求項１乃至８の何れか１項に記載のトルクセンサ。
前記一対の磁性体の夫々は、軸対称な形状に構成されていることを特徴とする請求項１乃至８の何れか１項に記載のトルクセンサ。
前記一対の磁性体の夫々は、前記磁脚が等間隔に配置されていることを特徴とする請求項１乃至１０の何れか１項に記載のトルクセンサ。
前記一対の補助磁性体は、リング状に形成され、前記一対の磁性体に対して夫々径方向に近接対向し、且つ軸方向寸法が当該磁性体の円環状部の軸方向寸法より長く設定されていることを特徴とする請求項３乃至１１の何れか１項に記載のトルクセンサ。
前記一対の補助磁性体は、前記一対の磁性体と夫々径方向で近接対向し、且つ当該磁性体を夫々軸方向で挟み込むように構成されていることを特徴とする請求項３乃至１１の何れか１項に記載のトルクセンサ。
前記一対の補助磁性体は、軸方向に所定間隔を保って対向する一対のヨークで構成され、前記磁性体の前記円環状部の幅より狭い幅の帯状部を有し、該帯状部が前記磁性体と軸方向で対向していることを特徴とする請求項３乃至１１の何れか１項に記載のトルクセンサ。
前記磁気検出部は、複数の磁気検出素子を有し、複数の磁気検出素子で検出した磁束密度に基づいて当該磁気検出素子の異常検出を行う異常検出回路を備えていることを特徴とする請求項１乃至１４の何れか１項に記載のトルクセンサ。
前記磁気検出部は、３つ以上の磁気検出素子を有し、各磁気検出素子で検出した磁束密度に基づいて当該磁気検出素子の異常検出を行う異常検出回路を備えていることを特徴とする請求項１乃至１４の何れか１項に記載のトルクセンサ。
前記磁石側磁性体、磁性体、補助磁性体は、ニッケルの含有量が４０ｗｔ％以上、８０ｗｔ％以下に設定されていることを特徴とする請求項３乃至１６の何れか１項に記載のトルクセンサ。
前記請求項１乃至１７の何れか１項に記載のトルクセンサを使用し、ステアリングホイールに連結されたステアリングシャフトのトーションバーで連結される入力軸及び出力軸を夫々前記第１又は第２の回転軸として、前記ステアリングホイールに伝達される操舵トルクを検出することを特徴とする電動パワーステアリング装置。