JP2008215942A - トルクセンサ及び電動式パワーステアリング装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】高い性能を得ることができるトルクセンサを提供する。
【解決手段】第1軸11と第2軸12とを同軸上に連結し、第1軸11と第2軸12との間に捩れトルクが入力されると、捩れ変形する弾性部材2と、第1軸11または弾性部材2の一端側に連結されて周囲に磁界を形成する永久磁石16と、第2軸12または弾性部材2の他端側に連結され、永久磁石16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し、弾性部材2の捩れによって永久磁石16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磁性体15と、磁性体15の磁気回路に発生する磁束密度を検出する磁気検出素子27とを備えたトルクセンサの、磁性体15をニッケルを含む合金により構成する。
【選択図】図1
【解決手段】第1軸11と第2軸12とを同軸上に連結し、第1軸11と第2軸12との間に捩れトルクが入力されると、捩れ変形する弾性部材2と、第1軸11または弾性部材2の一端側に連結されて周囲に磁界を形成する永久磁石16と、第2軸12または弾性部材2の他端側に連結され、永久磁石16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し、弾性部材2の捩れによって永久磁石16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磁性体15と、磁性体15の磁気回路に発生する磁束密度を検出する磁気検出素子27とを備えたトルクセンサの、磁性体15をニッケルを含む合金により構成する。
【選択図】図1
Description
本発明は、例えば、自動車の電動式パワーステアリング装置(EPS:Electric Power Steering)などのように、回転動力を伝達する機構における捩れトルクの状態を測定するトルクセンサに関する。
このようなトルク測定装置に関し、従来から次のような構成が知られている。例えば、特許文献1には、第1磁気センサと第2磁気センサの二つの磁気センサを用い、それぞれ極性の異なった出力信号を作動増幅した出力結果から電圧変化として捩れ角を測定するとともに、前記電圧変化の異常検出により、前記第1磁気センサと前記第2磁気センサの異常状態を検出可能にする構成が開示されている。
また、特許文献2にも同様のトルクセンサの構成が開示されている。
特許第2741388号公報
特開2003−149062号公報
しかしながら、上述した特許文献1及び2に開示されたトルク測定装置においては、使用する磁性体の透磁率の低さや保磁力の高さのために十分な性能を得られないことがあるなどの問題があり、改善が望まれていた。
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、高い性能を得ることができるトルクセンサ及びこれを備えた電動式パワーステアリング装置を提供することを目的とする。
上記目的を達成するため、本発明のトルクセンサは、第1軸と第2軸とを同軸上に連結し、前記第1軸と第2軸との間に捩れトルクが入力されると、捩れ変形する弾性部材と、前記第1軸または前記弾性部材の一端側に連結されて周囲に磁界を形成する磁石と、前記第2軸または前記弾性部材の他端側に連結され、前記磁石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し、前記弾性部材の捩れによって前記磁石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磁性体と、前記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素子とを備えたトルクセンサであり、前記磁性体がニッケルを含む合金により構成されたものである。
前記磁性体に近接して配置されて前記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補助磁性体と、前記集磁部を介して前記補助磁性体に生ずる磁束密度を検出する磁気検出素子とを備え、前記補助磁性体がニッケルを含む合金により構成されていてもよい。
ニッケルを含む合金を用いることにより、磁性体の透磁率が高まり、磁性体並びに磁気検出素子を通過する磁束の量を多くできる。また、保磁力を小さくできるので、出力のヒステリシスを小さくでき、トルクセンサの測定精度を大幅に向上することができる。
合金のニッケル含有量が40wt%以上であると、ヒステリシスを十分に低く抑えることができる。合金のニッケル含有量が80wt%以下であると、コストを抑えることができる。
さらに、ステアリングホイールに印加された操舵トルクに対応して、電動モータから補助操舵トルクを発生して、減速機により減速して操舵機構の出力軸に伝達する電動式パワーステアリング装置において、上記のいずれかに記載のトルクセンサを備えることができる。
本発明のトルクセンサによれば、磁性体等にニッケルを含む合金を使用しているため、磁性体の透磁率が高いので、磁性体又は磁気検出素子を通過する磁束の量を多くできる。その結果、出力電圧範囲を大きくすることができる。
また、保磁力を小さくできるので、出力のヒステリシスを小さくでき、トルクセンサの測定精度を大幅に向上することができる。
また、このようなトルクセンサを電動式パワーステアリング装置に使用することで、高精度な操舵力の補助ができる。
次に、本発明の一実施形態について図面を参照して説明する。図1は本実施形態に係るトルク検出器(トルクセンサ)の断面図、図2は該トルク検出器の詳細な構造を示した要部斜視図である。
図1に示したように、トルク検出器1は、ねじり要素であるトーションバー(連結軸)2で連結された第1軸11及び第2軸12を備える。第1軸11及び第2軸12は円柱状であり、その中心軸及びトーションバー2の中心軸が一直線上に延在している。第1軸11には、その径方向外側に延在して、後述する平板状のセンサヨーク15が樹脂18でモールドされた状態で取り付けられている。図の破線部で示した部位は、樹脂18で一体化されている要素である。第2軸12には、周方向に多極着磁されたリング状の永久磁石16がバックヨーク17を介して、センサヨーク15と軸方向で対向した位置に設けられている。
センサヨーク15は、平板状かつリング形状のセンサヨーク要素15Aと、センサヨーク要素15Aよりも小径の、センサヨーク要素15Aと厚さが同じであるとともにセンサヨーク要素15Aと同軸および同一平面上に位置した,センサヨーク要素15Bとにより構成されている。センサヨーク要素15Aは、径方向内側に突出する平面視台形状の凸部20並びに凹部21が周方向に交互に形成されている。センサヨーク要素15Bは、径方向外側に突出する平面視台形状の凸部22並びに凹部23が周方向に交互に形成されている。凸部(爪)22及び凹部23の形成数は凸部(爪)20及び凹部21と同じであり、凸部22と凹部21、及び、凹部23と凸部20とが互いに非接触状態で噛み合った状態となっている。本実施形態においては、凸部20,22の合計数は、永久磁石16が有する磁極数(後述)と同じとなっている。すなわち凸部20及び凸部22の数が、それぞれN極またはS極の数と同じである。
なお、センサヨーク要素15Aの外周部及びセンサヨーク要素15Bの円周部は、円環状を呈しており、後述する集磁ヨーク25A及び25Bと軸方向に対向している。
なお、センサヨーク要素15Aの外周部及びセンサヨーク要素15Bの円周部は、円環状を呈しており、後述する集磁ヨーク25A及び25Bと軸方向に対向している。
永久磁石16は、中空円筒状であり、センサヨーク要素15A、15B側の平面が、多極に着磁されている(図2Bの斜線がN極を表す)。永久磁石16の磁極数はセンサヨーク要素15A,15Bが備える凸部20,22の合計数と同じである。
センサヨーク15に対して永久磁石16の反対側には、集磁ヨーク25が配置されている。集磁ヨーク25は静止部材に固定され、センサヨーク15に対して面対向する位置に配置されている。集磁ヨーク25はリング状の集磁ヨーク要素25Aと、集磁ヨーク要素25Aよりも小径であって集磁ヨーク要素25Aと同軸及び同一平面に配置された集磁ヨーク要素25Bとを有し、センサヨーク15の周方向全体に渡って連続して配置されている。全周に渡って集磁ヨーク25が配置されていることにより、センサヨーク15と集磁ヨーク25が傾いて配置されていても角度変動による誤差が無くなる。
また、磁束の検出及び磁気検出素子の固定のために、磁束集中部(集磁部)26が設けられている。より詳細には、集磁ヨーク要素25Aの一部から径方向外側に磁束集中部要素26Aが伸び、集磁ヨーク要素25Bからは周方向における同じ角度位置から径方向外側に磁束集中部要素26Bが伸び、磁束集中部要素26Aと磁束集中部要素26Bとの間に挟まれて磁気検出素子27が位置している。磁気検出素子27はホール素子、MR素子、MI素子など、磁束の強さを検出できるものであればよい。図1に示したように、二つの集磁ヨーク要素25A,25B、磁束集中部26、及び磁気検出素子27は樹脂でモールドして一体化されている。なお、樹脂モールドで一体化せず、各々の部品を組み合わせても良い。
第1軸11と第2軸12にねじりトルクが作用すると、トーションバー2が捩れ、その結果、永久磁石16とセンサヨーク15が相対回転する。その結果、センサヨーク15と集磁ヨーク25で構成される磁気回路内を流れる磁束が変化する。磁気検出素子27でその磁束の変化量を検出し、磁石とセンサヨークの相対角度変化を求め、トーションバー2に作用するねじりトルクを測定する。ねじりトルクの測定結果は、磁気検出素子27から例えば、電気信号(出力電圧)として、配線を通じて伝達される。
このように構成されたトルク検出器1では、二つのセンサヨーク要素15A,15Bが平板状であるため、軸方向の長さを短くすることができるので、検出器の小型化が可能となる。またこれらセンサヨーク要素15A,15Bが同一平面上に配置されているため、モールドで一体化する際に使用するモールド材(樹脂18)を少なくすることができ、コストを低減することが可能となる。また、二つのセンサヨーク要素15A,15Bが同一厚さであるため、プレスで加工する際に1枚の鉄板で加工できるので、加工コストを低減することができる。なお、プレス加工で加工するだけで加工できるので、塑性加工による歪みが少なくなり、ヒステリシスをさらに低減することができる。
さらに、永久磁石16の磁極数はセンサヨーク要素15A,15Bが備える凸部20,22の合計数と同じである。これにより、永久磁石16から発生する磁束を有効に利用することができる。また、集磁ヨーク25は、センサヨーク15の周方向全体に渡って配置されていることから、センサヨーク15と集磁ヨーク25の相対角度変動による誤差をなくすことができる。また、集磁ヨーク25を固定しやすくなる。さらに、磁束集中部26を設けることにより、磁束が集中し、磁気検出素子27で検出しやすくなる。
また、磁性体であるセンサヨーク15、及び、補助磁性体である集磁ヨーク25の材料をニッケルを含有した合金とすることで、センサヨーク15及び集磁ヨーク25の透磁率を高めることができ、また、保磁力を小さくすることができる。その結果、ヒステリシスが少なく、高出力のトルクセンサを構成することができる。
図3にセンサヨーク15及び集磁ヨーク25を構造用鋼とした際の磁気検出素子の出力特性を示す。縦軸は、出力電圧[V]、横軸は角度変位[deg]を示す(図4、5も同じ)。図3に示すように、出力特性にはヒステリシスが存在しており、出力値から角度を正確に測定することが難しい。これは、センサヨーク並びに集磁ヨークに使用した材料の磁気特性によるものである。そこで、センサヨーク15及び集磁ヨーク25の磁気特性を改善するため、ニッケルを含んだ合金を使用した結果を図4に示す。図4はセンサヨーク15及び集磁ヨーク25にニッケルを約45wt%(重量%)含んだ合金を使用した際の出力特性である。
図3と比較すると、出力のヒステリシスが格段に改善されており、トルクセンサとして良好な性能を得ることができることが分かる。また出力電圧の変化(傾き)も大きくなっており、性能が大幅に改善されていることが分かる。しかしながら、僅かにヒステリシスが残っている。
そこで、更に磁気特性を向上させるために、ニッケルを約75wt%含んだ合金を使用した際の出力特性を図5に示す。
図5からわかるように、図4と比べるとヒステリシスをほぼゼロとすることができることがわかる。しかしながら、ニッケルは高価な金属であり、ニッケル含有量が増加すると共に磁性体の価格は高価になってしまう。そのため、ニッケル使用量は少ない方が好ましい。
図6に、ニッケル含有量とヒステリシスとの関係を示す。図6から分かるように、ヒステリシスはニッケル含有量が40wt%未満になると急激に大きくなっており、精度の良い測定をするためには、ニッケル含有量が40wt%以上必要であることが分かる。しかしながら、図6から分かるように、磁性体自体の価格はニッケル含有量とともに高価となる。そのためコスト的にはニッケル含有量が少ない方が好ましい。
なお、図6から分かるように、ニッケル含有量が80wt%を超えるとヒステリシスの減少程度は少なくなる。その結果、価格の上昇割合に比べてヒステリシスの減少程度は少なく、性能とコストからはニッケル含有量が40wt%以上80wt%以下であるのが好ましい。
このように、センサヨーク15及び集磁ヨーク25をニッケル含有量が40wt%以上80wt%以下の合金により構成することで、センサヨーク15及び集磁ヨーク25の透磁率が高くなり、センサヨーク15、集磁ヨーク25及び磁束集中部26を通過する磁束の量を多くできる。その結果、出力電圧範囲を大きくすることができる。
また、保磁力を小さくできるので、出力のヒステリシスを小さくでき、トルクセンサの測定精度を大幅に向上することができる。
また、このようなトルクセンサを、ステアリングホイールに印加された操舵トルクに対応して、電動モータから補助操舵トルクを発生して、減速機により減速して操舵機構の出力軸に伝達する電動式パワーステアリング装置に対して適用することにより、高精度なアシストを実現することができる。
なお、本構造は図1及び図2に示した構造のみでなく、磁石と磁気回路を使用した構造のトルクセンサに幅広く適用可能である。また、上記の例では磁性体であるセンサヨーク15、及び、補助磁性体である集磁ヨーク25の材料の双方に、ニッケルを含有した合金を用いたが、これらの部材の一方にニッケルを含有した合金を用いてもよい。なお、センサヨーク15に、ニッケルを含有した合金を用いた方が効果的である。また、上記の例では集磁リングを設けた構造としたが、集磁リングが無く、各々のセンサヨーク15に集磁部を設け、その間に非接触で磁気検出素子を配置した構造でもよい。
また、上記本実施形態において、センサヨーク要素15A,15Bの凸部20,22は平面視台形形状であるが、三角形状や矩形であってもよい。また、永久磁石16の磁極数と凸部20,22の合計数とを同数とすることにより永久磁石から発生する磁束を有効に利用できるが、例えばセンサヨーク15の凸部20,22の合計数を永久磁石16の磁極数の半分としてもよい。また、本実施形態では、磁束を有効に利用するためにバックヨーク17を取り付けているが、直接第2軸12に永久磁石16を取り付けても良い。バックヨークがあったほうが磁石の磁束を有効に利用できるので望ましい。また、本実施形態では16極の永久磁石16を用いているが、磁極数はこれに限ったものではなく、適宜変更することができるのは言うまでもない。
また、第1軸11に永久磁石16を取り付け、第2軸12にセンサヨーク15を取り付ける構成としてもよい。または、トーションバー2の両端に、これらを取り付ける構成としてもよい。
また、第1軸11に永久磁石16を取り付け、第2軸12にセンサヨーク15を取り付ける構成としてもよい。または、トーションバー2の両端に、これらを取り付ける構成としてもよい。
また、本実施形態では、センサヨーク15及び集磁ヨーク25を一体化するのに樹脂でモールドしているが、プラスチックやアルミなどの非磁性体とセンサヨーク15や集磁ヨーク25を各々組み合わせる構成としてもよい。
永久磁石16を構成する磁石材料は、フェライト磁石や希土類磁石、金属磁石、焼結磁石、プラスチック磁石、ゴム磁石などを使用可能であり、適宜変更が可能である。
1…トルク検出器、2…トーションバー(弾性部材)、11…第1軸、12…第2軸、15…センサヨーク(磁性体)、16…永久磁石、17…バックヨーク、18…樹脂、25…集磁ヨーク(補助磁性体)、26…磁束集中部、27…磁気検出素子
Claims (5)
- 第1軸と第2軸とを同軸上に連結し、前記第1軸と第2軸との間に捩れトルクが入力されると、捩れ変形する弾性部材と、
前記第1軸または前記弾性部材の一端側に連結されて周囲に磁界を形成する磁石と、
前記第2軸または前記弾性部材の他端側に連結され、前記磁石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し、前記弾性部材の捩れによって前記磁石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磁性体と、
前記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素子とを備えたトルクセンサであり、
前記磁性体がニッケルを含む合金により構成された、トルクセンサ。 - 前記磁性体に近接して配置されて前記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補助磁性体と、
前記集磁部を介して前記補助磁性体に生ずる磁束密度を検出する磁気検出素子とを備え、
前記補助磁性体がニッケルを含む合金により構成された、請求項1に記載のトルクセンサ。 - 前記合金のニッケル含有量が、40wt%以上である、請求項1または2に記載のトルクセンサ。
- 前記合金のニッケル含有量が、40wt%以上80wt%以下である、請求項1または2に記載のトルクセンサ。
- ステアリングホイールに印加された操舵トルクに対応して、電動モータから補助操舵トルクを発生して、減速機により減速して操舵機構の出力軸に伝達する電動式パワーステアリング装置において、
請求項1から4のいずれかに記載のトルクセンサを備えた、電動式パワーステアリング装置。
Priority Applications (2)
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JP2007051643A JP2008215942A (ja) | 2007-03-01 | 2007-03-01 | トルクセンサ及び電動式パワーステアリング装置 |
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Applications Claiming Priority (1)
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JP2007051643A JP2008215942A (ja) | 2007-03-01 | 2007-03-01 | トルクセンサ及び電動式パワーステアリング装置 |
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JP2013100999A (ja) * | 2011-11-07 | 2013-05-23 | Nidec Copal Corp | トルク検出装置 |
WO2018180041A1 (ja) * | 2017-03-31 | 2018-10-04 | 株式会社不二工機 | 電動弁 |
US10982792B2 (en) | 2017-02-20 | 2021-04-20 | Fujikoki Corporation | Electric valve |
-
2007
- 2007-03-01 JP JP2007051643A patent/JP2008215942A/ja active Pending
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