JP2009020064A - トルク検出器及び電動パワーステアリング装置 - Google Patents

Abstract

【課題】小型化させ得るとともに材料効率を飛躍的に向上させることができるトルク検出器及び電動パワーステアリング装置を提案する。
【解決手段】連結軸を介して同軸に連結された第１及び第２の軸と、第２の軸に固定され、周方向に沿って多極着磁されたリング状の永久磁石と、第１の軸に固定され、永久磁石と共に磁気回路を形成するセンサヨークと、センサヨークを基準として永久磁石の軸方向反対側に配置され、永久磁石及びセンサヨークと共に磁気回路を形成する集磁ヨークと、センサヨーク及び集磁ヨークが誘導した磁束を検出する磁束検出器とを有し、第１の軸及び第２の軸のうちのいずれか一方に加えられたトルクを磁束検出器の出力に基づいて検出するトルク検出器であって、センサヨークを、同一又は略同一平面上に配置され、少なくとも一部が互いに分離して形成された複数のクローポールから構成するようにした。
【選択図】図１

Description

本発明は、トルク検出器及び電動パワーステアリング装置（ＥＰＳ：Electric Power Steering）に関し、例えば自動車の電動パワーステアリング装置に適用して好適なものである。

従来、トルク検出器として、特許文献１〜特許文献３に開示されたものが知られている。特許文献１に開示されたトルク検出器は、周方向に沿って多極着磁されたリング状の永久磁石の周側面と対向するように一対のリング状のセンサ部材が設けられ、これらセンサ部材間に配置された磁束検出器（磁気センサ）により検出された磁束に基づいて永久磁石側又はセンサ部材側に生じたトルクを検出する。また特許文献２に開示されたトルク検出器は、特許文献１に記載されたトルク検出器において、磁束検出器を２つ用いて磁束を検出する構成を有する。
特開平２−１６２２１１号公報 特開平２−１４１６１６号公報 特許第３８７４６４２号公報

しかしながら、特許文献１や特許文献２に開示された構成のトルク検出器では、磁束検出器の出力に基づいてかかるトルクを検出するためには、永久磁石が発生した磁束をセンサ部材が一定以上受ける必要があり、そのためにセンサ部材と永久磁石とが対向する面積を大きくする必要があった。

このため、かかる特許文献１や特許文献２に開示された構成のトルク検出器では、センサ部材及び永久磁石を軸方向に長く構成せざるを得ず、この結果、トルク検出器自体やひいては当該トルク検出器を備える電動パワーステアリング装置を小型化し難いという問題があった。

また、特許文献３には、内側にクローポールを持つ円環状部材から、クローポール部を曲げることでセンサヨークを形成している。しかしながら、円環状部材の内側は捨てられてしまうため、経済性が悪いという問題点がある。

本発明は以上の点を考慮してなされたもので、小型化させ得ると共に材料効率を飛躍的に向上させることができるトルク検出器及び電動パワーステアリング装置を提案しようとするものである。

かかる課題を解決するため本発明においては、連結軸を介して同軸に連結された第１及び第２の軸と、前記第２の軸に固定され、周方向に沿って多極着磁されたリング状の永久磁石と、前記第１の軸に固定され、前記永久磁石と共に磁気回路を形成するセンサヨークと、前記センサヨークを基準として前記永久磁石の軸方向反対側に配置され、前記永久磁石及び前記センサヨークと共に前記磁気回路を形成する集磁ヨークと、前記センサヨーク及び前記集磁ヨークが誘導した磁束を検出する磁束検出器とを有し、第１の軸及び第２の軸のうちのいずれか一方に加えられたトルクを前記磁束検出器の出力に基づいて検出するトルク検出器であって、前記センサヨークは、同一又は略同一平面上に配置され、少なくとも一部が互いに分離して形成された複数のクローポールから構成されることを特徴とする。

この結果、本発明によるトルク検出器によれば、クローポールにより形成されるセンサヨーク全体が一体ではなく、クローポールを個別に製造し、適宜組み合わせることができるため、材料効率が高い。また、クローポールが同一又は略同一平面上に配置されているため、トルク検出器全体としての軸方向の長さを短くできる。また、このようにすることにより、これらを樹脂等のモールド材により一体化する際にモールド材の量が少なくて良い。

また本発明においては、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パワーステアリング装置において、上記トルク検出器を備えることを特徴とする。

電動パワーステアリング装置にかかるトルク検出器を組み込むことにより、電動パワーステアリング装置の製造コストを低減することができる。

本発明によれば、センサヨークが円環部を持たないため、円環部の内側部分が無駄になることがなく、小型化させ得るとともに材料効率を飛躍的に向上させることができる。

以下、図面について本発明の一実施の形態を詳述する。

図１〜図５において、１は全体として本実施形態によるトルク検出器を示す。このトルク検出器１は、ねじり要素であるトーションバー（連結軸）２を介して連結された第１及び第２の軸３Ａ，３Ｂを備える。第１及び第２の軸３Ａ，３Ｂは円柱状に構成されており、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の軸３Ａには、その径方向外側に位置する平板状のセンサヨーク４が樹脂５でモールドされた状態で取り付けられている。また第２の軸３Ｂには、端面が順次交互にＮ極及びＳ極の極性となるように周方向に多極着磁されたリング状の永久磁石６が、バックヨーク７を介してセンサヨーク４と当該磁石６の軸方向片面とが面対向するように、固定配置されている。

センサヨーク４は、第１及び第２のセンサヨーク部４Ａ，４Ｂから構成される。第１のセンサヨーク部４Ａは、図２に示すように、環状に配置された複数の第１のクローポール４ＡＸから形成される。第１のクローポール４ＡＸは、磁性材からなる台形状の平板部材であり、幅細側の一端部を径方向内側、幅広側の他端部を径方向外側に向けて、合計８個配置されている。また第２のセンサヨーク部４Ｂは、環状に配置された複数の第２のクローポール４ＢＸから形成される。第２のクローポール４ＢＸは、磁性材からなる台形状の平板部材であり、幅細側の一端部を径方向内側、幅広側の他端部を径方向外側に向けて、第１のクローポール４ＡＸと交互に位置するように合計８個配置されている。これら第１及び第２のクローポール４ＡＸ、４ＢＸの数は、それぞれ後述する磁石６の極数の半数と同じ数に選定されている。

図３に示すように、すべての第１及び第２のクローポール４ＡＸ，４ＢＸは、樹脂５によりモールドされて一体化される。第１及び第２のクローポール４ＡＸ，４ＢＸは同一又はほぼ同一平面上に配置されているため、厚さ寸法を小さく形成することができると共に、これらを少ない樹脂５で一体化することができ、コストを低減させることができる。

また第１及び第２のクローポール４ＡＸ，４ＢＸは、同一又はほぼ同一の厚みの平板状に形成されている。このように第１及び第２のクローポール４ＡＸ，４ＢＸを平板状に形成することで第１及び第２のクローポール４ＡＸ，４ＢＸの軸方向の長さを短くすることができ、その分、装置全体として小型化することができる。

さらに第１及び第２のクローポール４ＡＸ，４ＢＸは、磁石６の径方向の幅よりも長く形成されており、これにより後述のようにこれら第１及び第２のクローポール４ＡＸ，４ＢＸにおいて磁石６から発生する磁束を受ける際に、当該磁束の漏れを低減させ得るようになされている。

なお、本実施形態の第１及び第２のクローポール４ＡＸ、４ＢＸの製造方法を図６に示す。第１及び第２のクローポール４ＡＸ，４ＢＸは、それぞれ平板状の材料１５から順次交互に異なる向きで打ち抜くようにして作成される。特許文献３に記載されている軟磁性体は、内側にクローポールを持つ円環状部材から、クローポール部を曲げることで製造しているが、その内側は捨てられてしまう。本実施形態では、内側が捨てられてしまう円環部を持たないため、材料１５の使用効率を飛躍的に上げることができる。

磁石６は、環状の硬磁性体を周方向に所定角度間隔で交互にＮ極又はＳ極に着磁することにより構成されている。本実施の形態の場合、磁石６は２２．５〔°〕間隔でＮ極及びＳ極に着磁されている。したがって、磁石６は、合計１６極の極数を有している。図５においては、斜線の部分がＮ極を表している。なお、磁石６を構成する磁石材料としては、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る。

センサヨーク４を基準として磁石６の反対側には、集磁ヨーク８が配置されている。集磁ヨーク８は、それぞれリング状の第１の集磁ヨーク部８Ａと、第１の集磁ヨーク部８Ａよりも小径であって当該第１の集磁ヨーク部８Ａと同軸及び同一平面に配置された第２の集磁ヨーク部８Ｂとから構成される。

集磁ヨーク８は、第１の集磁ヨーク部８Ａが第１のセンサヨーク部４Ａを構成する各第１のクローポール４ＡＸの幅広側とそれぞれ対向し、第２の集磁ヨーク部８Ｂが第２のセンサヨーク部４Ｂを構成する各第２のクローポール４ＢＸの幅細側とそれぞれ対向するように、図示しない静止部に固定されている。このように、第１及び第２のセンサヨーク部４Ａ，４Ｂの全周に渡って集磁ヨーク８を配置することにより、センサヨーク４及び集磁ヨーク８間の相対角度変動に起因する測定誤差の発生を防止することができる。

また集磁ヨーク８には、磁束集中部９が設けられている。より詳細には、第１の集磁ヨーク部８Ａの一部から径方向外側に向けて磁束集中部９の半体である磁束集中部構成部９Ａが形成されると共に、これと空隙を介して対向するように、第２の集磁ヨーク部８Ｂから径方向外側に向けて磁束集中部９のもう一方の半体である磁束集中部構成部９Ｂが形成されている。そして第１の集磁ヨーク部８Ａの磁束集中部構成部９Ａと、第２の集磁ヨーク部８Ｂの磁束集中部構成部９Ｂとの間には、磁束検出器１０が配置されている。

このように集磁ヨーク８に磁束集中部９を設けることによって、集磁ヨーク８を通る磁束を磁束集中部９に集中させることができ、さらに後述のような磁束検出器１０による磁束の検出を行ないやすくすることができる。また、かかる第１及び第２の磁束集中部構成部９Ａ，９Ｂを設けることにより、磁束検出器１０を設置しやすくすることができる。

さらに、磁束検出器１０を３つ以上用いるようにすれば、磁束検出器１０が一つ故障した場合においても、残りの正常な二つ以上の磁束検出器１０によって信頼性の高いデータを得ることができる。

磁束検出器１０としては、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が用いられる。本実施形態の場合、二つの磁束検出器１０を用いている。これは、二つの磁束検出器１０を用いることにより、出力の差を取ることで感度を２倍にすることができ、ゼロ点のドリフトをキャンセルすることができるからである。また磁束検出器１０を二つ用いることにより、センサ信号を２重化することができ、信頼性を向上させることができる。

第１及び第２の集磁ヨーク部８Ａ，８Ｂ並びに磁束検出器１０は、図１に示すように、樹脂５でモールドされて一体化される。なお、磁束検出器１０が挿入可能な孔を設けるように集磁ヨーク８のみをモールドし、モールド後にその孔に磁束検出器１０を挿入するようにしても良い。

次に、トルク検出器１の動作について説明する。このトルク検出器１における磁気回路の概略図を図７に示す。

トルク検出器１では、図７（Ａ）に示すように、センサヨーク４及び磁石６間の相対角度が「０」のときに、各第１及び第２のクローポール４ＡＸ，４ＢＸの中心線がそれぞれ磁石６端面のＮ極及びＳ極の境界と軸方向に一致するように、第１及び第２のセンサヨーク部４Ａ，４Ｂが第１又は第２の軸３Ａ，３Ｂに固定される。したがって、センサヨーク４及び磁石６間の相対角度が「０」のときには、第１及び第２のセンサヨーク部４Ａ，４Ｂにおける磁石６のＮ極と対向する部分の面積と、当該第１及び第２のセンサヨーク部４Ａ，４Ｂにおける磁石６のＳ極と対向する部分の面積とが同じである。

そして、この状態のときには、磁石６のＮ極から出た磁束が、第１及び第２のセンサヨーク部４Ａ，４Ｂをそれぞれ構成する第１及び第２のクローポール４ＡＸ，４ＢＸを通って磁石６のＳ極に入り込む。つまりセンサヨーク４及び磁石６間の相対角度が「０」のときには、第１及び第２のセンサヨーク部４Ａ，４Ｂに入る磁束数と、出て行く磁束数とが同じであるため、磁石６から出射した磁束は磁束検出器１０を通らない。

一方、トルク検出器１においては、図７（Ｂ）に示すように、図７（Ａ）の状態からセンサヨーク４が磁石６に対して相対的に矢印ｘで示す右方向又はこれと逆の左方向に回転して、第１のセンサヨーク部４Ａ（各第１のクローポール４ＡＸ）がそれぞれ磁石６のＮ極部分又はＳ極部分のみと対向すると共に、第２のセンサヨーク部４Ｂ（各第２のクローポール４ＢＸ）がそれぞれ磁石６のＳ極部分又はＮ極部分のみと対向した状態がセンサヨーク４及び磁石６間の相対角度が最大となる。

そして、この状態のときには、第１及び第２のセンサヨーク部４Ａ，４Ｂに出入りする磁束数がバランスを失い、センサヨーク４が磁石６に対して相対的に右方向に回転したときには、磁石６のＮ極から出た磁束が第１のセンサヨーク部４Ａ（各第１のクローポール４ＡＸ）から第１の集磁ヨーク部８Ａ、第１の磁束集中部構成部９Ａ、磁束検出器１０、第２の磁束集中部構成部９Ｂ、第２の集磁ヨーク部８Ｂ及び第２のセンサヨーク部４Ｂ（各第２のクローポール４ＢＸ）を順次経由して磁石６のＳ極に入り込む。またセンサヨーク４が磁石６に対して相対的に左方向に回転したときには、磁石６のＮ極から出た磁束が第２のセンサヨーク部４Ｂ（各第２のクローポール４ＢＸ）から第２の集磁ヨーク部８Ｂ、第２の磁束集中部構成部９Ｂ、磁束検出器１０、第１の磁束集中部構成部９Ａ、第１の集磁ヨーク部８Ａ及び第１のセンサヨーク部４Ａ（各第１のクローポール４ＡＸ）を順次経由して磁石６のＳ極に入り込む。

また、センサヨーク４が磁石６に対して相対的に右方向に回転して、センサヨーク４及び磁石６間の相対角度が「０」及び最大角度間にあるときには、センサヨーク４及び磁石６間の相対角度に応じた磁束が、第１のセンサヨーク部４Ａ（各第１のクローポール４ＡＸ）から第１の集磁ヨーク部８Ａ、第１の磁束集中部構成部９Ａ、磁束検出器１０、第２の磁束集中部構成部９Ｂ、第２の磁束ヨーク部８Ｂ及び第２のセンサヨーク部４Ｂ（各第２のクローポール４ＢＸ）を順次経由して磁石６のＳ極に入り込む。さらにセンサヨーク４が磁石６に対して相対的に左方向に回転して、センサヨーク４及び磁石６間の相対角度が「０」及び最大角度間にあるときには、センサヨーク４及び磁石６間の相対角度に応じた磁束が第２のセンサヨーク部４Ｂ（各第２のクローポール４ＢＸ）から第２の集磁ヨーク部８Ｂ、第１の磁束集中部構成部９Ｂ、磁束検出器１０、第２の磁束集中部構成部９Ａ、第１の集磁ヨーク部８Ａ及び第１のセンサヨーク部４Ａ（各第１のクローポール４ＡＸ）を順次経由して磁石６のＳ極に入り込む。

この場合において、かかるトルク検出器１では、センサヨーク４及び磁石６がそれぞれ第１又は第２の軸３Ａ，３Ｂに固定されるとともに、第１及び第２の軸３Ａ，３Ｂがトーションバー２を介して接続されているため、第１及び第２の軸３Ａ，３Ｂ間にねじりトルクが作用した場合、そのねじりトルクの大きさ（ねじりトルク量）及び向きが、センサヨーク４及び磁石６間の相対角度（向きも含む）として現れることになる。従って、このとき磁束検出器１０により検出される磁束数及びその向きに基づいて、第１及び第２の軸３Ａ，３Ｂ間に作用したねじりトルクの大きさ及び向きを検出することができる。

以上のように、本実施の形態によるトルク検出器１では、第１及び第２の軸３Ａ，３Ｂ間に作用したねじりトルクの大きさ及び向きを、センサヨーク４及び磁石６間の相対角度の変化に伴い磁束検出器１０を通過する磁束数及びその向きとして検出する。この場合において、本実施の形態によるトルク検出器１では、第１及び第２のセンサヨーク部４Ａ，４Ｂ（各第１及び第２のクローポール４ＡＸ，４ＢＸ）が平板状であり、さらに円環状の部位を持たないため、材料効率を飛躍的に向上することができ、経済性を向上させることができる。さらに軸方向の長さを短くすることができるため、トルク検出器１を小型に構築することができる。

また本実施の形態によるトルク検出器１では、センサヨーク４を、環状に配置された複数の第１のクローポール４ＡＸからなる第１のセンサヨーク部４Ａと、第１のクローポール４Ａと交互に位置するように環状に配置された複数の第２のクローポール４BＸからなる第２のセンサヨーク部４Ｂとで構成するようにしたことにより、これら第１及び第２のクローポール４ＡＸ，４ＢＸを図６のように平板状の材料２８から順次交互に異なる向きで打ち抜くようにして作成することができる。かくするにつき、その内側が無駄になる円環部をセンサヨーク４が有さず、材料効率を飛躍的に向上させることができる。特に、材料としてニッケルを多量に含む高価な金属を使用する場合に、低コストの効果が大きい。

なお、上述の実施の形態においては、第１及び第２のクローポール４ＡＸ，４ＢＸを台形状に形成するようにした場合について述べたが、本発明はこれに限らず、三角形状や矩形に形成するようにしても良い。

また、上述の実施の形態においては、磁石６の極数を１６とするようにした場合について述べたが、本発明はこれに限らず、１６極以外の極数の永久磁石を適用するようにしても良い。

さらに上述の実施の形態においては、磁石６の極数の半数と、第１及び第２のクローポール４ＡＸ及び４ＢＸの数とを同数とするようにした場合について述べたが、本発明はこれに限らず、これらの数を異ならせるようにしても良い。

さらに上述の実施の形態においては、磁束を有効に利用するためにバックヨーク７を取り付けるようにした場合について述べたが、本発明はこれに限らず、磁石６を第２の軸３Ｂに直接取り付けるようにしても良い。

さらに上述の実施の形態においては、磁束検出器１０として二つ以上の磁束検出器を用いるようにした場合について述べたが、本発明はこれに限らず、磁束検出器１０を一つのみ使用するようにしても良い。

さらに上述の実施の形態においては、センサヨーク４及び集磁ヨーク８を一体化するのに樹脂モールドするようにした場合について述べたが、本発明はこれに限らず、プラスチックやアルミなどの非磁性体を組み込んで一体構造とするようにしても良い。

さらに上述の実施の形態においては、すべての第１及び第２のクローポール４ＡＸ，４ＢＸを個別に作成するようにした場合について述べたが、本発明はこれに限らず、第１及び又は第２のクローポール４ＡＸ，４ＢＸの一部をそれぞれ一体に連結した構成とするようにしても良い。具体的には、第１及び第２のクローポール４ＡＸ，４ＢＸを、それぞれ例えば２〜４個ずつを一体に連結した構成としても良い。

さらに図８に示すように、第２のセンサヨーク３０を、円環状の連結部３０Ｂの外周側に第２のクローポール４ＢＸとほぼ同じ形状の突起部３０Ａを一定間隔で突出形成した構成（つまり各第２のクローポール４ＢＸの幅細側を連結部３０Ｂで一体に連結した形状）としたり、図９に示したように、円環状の連結部３１Ｂの内周側に第１のクローポール４ＡＸとほぼ同じ形状の突起部３１Ａを一定間隔で突出形成した構成（つまり各第１のクローポール４ＡＸの幅広側を連結部３１Ｂで一体に連結した形状）とするようにしても良い。このようにすることによって、センサヨーク４の機械的強度を上げ、さらに組み立てを容易化することができる。

本実施形態によるトルク検出器の概略構成を模式的に示す端面図である。 同トルク検出器の要部斜視図である。 同トルク検出器のモールド後の斜視図である。 同トルク検出器の裏側斜視図である。 同トルク検出器の分解斜視図である。 同トルク検出器が備えるクローポールの製造方法について示した図である。 同トルク検出器の動作を説明するための、磁気回路の概略図である。 他の実施形態によるトルク検出器の概略構成を模式的に示す分解斜視図である。 他の実施形態によるトルク検出器の概略構成を模式的に示す分解斜視図である。

符号の説明

１……トルク検出器、２……トーションバー、３Ａ，３Ｂ……軸、５……樹脂、６……永久磁石、４……センサヨーク、４Ａ，４Ｂ……クローポール、１７……バックヨーク、２５……集磁ヨーク、３０Ｂ……連結部、３１Ｂ……連結部。

Claims (3)

1. 連結軸を介して同軸に連結された第１及び第２の軸と、前記第２の軸に固定され、周方向に沿って多極着磁されたリング状の永久磁石と、前記第１の軸に固定され、前記永久磁石と共に磁気回路を形成するセンサヨークと、前記センサヨークを基準として前記永久磁石の軸方向反対側に配置され、前記永久磁石及び前記センサヨークと共に前記磁気回路を形成する集磁ヨークと、前記センサヨーク及び前記集磁ヨークが誘導した磁束を検出する磁束検出器とを有し、第１の軸及び第２の軸のうちのいずれか一方に加えられたトルクを前記磁束検出器の出力に基づいて検出するトルク検出器であって、
   前記センサヨークは、
   同一又は略同一平面上に配置され、少なくとも一部が互いに分離して形成された複数のクローポールから構成される
   ことを特徴とするトルク検出器。
2. 前記センサヨークは、
   前記複数のクローポールの一部から構成される第１のセンサヨーク部と、
   残りの前記クローポールのから構成される第２のセンサヨーク部と
   を備え、
   前記第１及び第２のセンサヨーク部は、
   当該第１又は第２のセンサヨーク部を構成する各前記クローポールが一体に連結するように形成された
   ことを特徴とする請求項１に記載のトルク検出器。
3. 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パワーステアリング装置において、
   請求項１又は２に記載のトルク検出器を備える
   ことを特徴とする電動パワーステアリング装置。

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