JP3874642B2 - トルクセンサ及びこのトルクセンサを具備する電動パワーステアリング装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば電動パワーステアリング装置等の回転動力を伝達する機構における軸トルクを検出するトルクセンサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
磁石と磁気センサを使った従来技術としては、特開平８−１５９８８７号公報に示される方式（従来技術▲１▼とする）が考えられる。これは、磁石と磁気センサをトーションバーの両端に固定し、トルクが印加された際に、トーションバーが捩じれることによって磁石と磁気センサの位置関係が変化し、磁気センサからトルクに比例した出力を得るものである。
【０００３】
また、特開平６−２８１５１３号公報に示される方式（従来技術▲２▼とする）は、磁石と磁気センサとトーションバーを使用する点で上記の従来技術▲１▼と同じであるが、トーションバーの捩じれをギヤを使って軸方向の運動に変える機構にしたため、磁気センサをハウジングに固定できるので、磁気センサへの電力供給と信号の取り出しを行う電気的接触部が不要である。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、従来技術▲１▼の方式では、磁石と磁気センサがトーションバーに固定されているため、磁気センサへの電力供給と信号の取り出しを行うために電気的な接触部が必要となり、具体的にはスリップリングとブラシを使用しているため、接触部の信頼性が懸念される。
【０００５】
また、従来技術▲２▼の方式では、トーションバーの捩じれを軸方向の運動に変換するギヤ機構を有しているため、構造が複雑になり、且つギヤ機構のバックラッシやギヤの摩耗等により、誤差及び応答遅れ等が生じるため、性能面での懸念点がある。
本発明は、上記事情に基づいて成されたもので、その目的は、構造がシンプルで電気的な接触部を持たず、且つ中立点付近で精度の良いトルクセンサを提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
（請求項１の手段）
本発明のトルクセンサは、第１の軸と第２の軸との間に捩じれトルクが入力されて弾性部材に捩じれが生じると、硬磁性体と軟磁性体との相対位置が変化することで、軟磁性体の磁気回路に発生する磁束密度が変化する。この磁束密度の変化を磁気センサで検出することにより、第１の軸と第２の軸との間に印加される捩じれトルクを求めることができる。この構成によれば、硬磁性体から発生する磁束を直接磁気センサで検出する必要がないので、非接触式の磁気センサを定位置に固定して使用することができる。その結果、磁気センサに対し電気的な接触部を設ける必要がないので、信頼性の高いトルクセンサを提供できる。
また、硬磁性体は、周方向にＮ極とＳ極とが交互に着磁されたリング状の磁石であり、軟磁性体は、磁石の外周に配置され、軸方向にギャップを介して対向する一組の磁気ヨークであり、それぞれの磁気ヨークには、磁石のＮ極及びＳ極と同数の爪が全周に等間隔に設けられ、且つ一方の磁気ヨークに設けられる爪と他方の磁気ヨークに設けられる爪とが周方向にずれて交互に配置され、磁気センサは、ギャップ内に挿入されて、一組の磁気ヨーク間に生じる磁束密度を検出する。
この構成によれば、弾性部材の捩じれによって磁石と軟磁性体（一組の磁気ヨーク）との相対位置が変化すると、一方の磁気ヨークに設けられた爪がＮ極またはＳ極に近接し、他方の磁気ヨークに設けられた爪がＳ極またはＮ極に近接する。これにより、一方の磁気ヨークと他方の磁気ヨークには、それぞれ逆の極性を有する磁束が流れるため、両磁気ヨーク間のギャップには、弾性部材の捩じれ量に略比例した正負の磁束密度が発生する。この磁束密度をギャップに挿入された磁気センサで検出することにより、第１の軸と第２の軸との間に印加される捩じれトルクを求めることができる。
また、本発明のトルクセンサでは、磁石の軸方向の長さを、磁気ヨークの軸方向の長さより長くした。
磁石と磁気ヨークとの軸方向長さを略同一に設定すると、外部から鉄粉などが侵入した場合に、鉄粉が磁石と磁気ヨークとの間に付着して磁気回路がショートし、誤検出を招く恐れがある。これに対し、磁石の軸方向長さを磁気ヨークの軸方向長さより長く設定すると、磁石のエッジ部分に優先的に鉄粉が付着する（磁石は、エッジ部分に磁束が集中する特性がある）ため、トルク検出に関わる磁気回路への影響を抑えることができ、誤検出を防止できる。
【０００７】
（請求項２の手段）
本発明のトルクセンサは、第１の軸と第２の軸との間に捩じれトルクが入力されて弾性部材に捩じれが生じると、硬磁性体と軟磁性体との相対位置が変化することで、軟磁性体の磁気回路に発生する磁束密度が変化する。更に、軟磁性体に発生する磁束が補助軟磁性体に導かれて、その補助軟磁性体に設けられた集磁部に集められる。従って、集磁部を介して補助軟磁性体に生じる磁束密度を磁気センサで検出することにより、第１の軸と第２の軸との間に印加される捩じれトルクを求めることができる。
【０００８】
この構成によれば、硬磁性体から発生する磁束を直接磁気センサで検出する必要がないので、非接触式の磁気センサを定位置に固定して使用することができる。その結果、磁気センサに対し電気的な接触部を設ける必要がないので、信頼性の高いトルクセンサを提供できる。また、補助軟磁性体に生じる磁束を集磁部に集めることにより、軟磁性体の全周で発生する磁束密度の平均を磁気センサで検出することができる。これにより、磁気回路を構成する部品の製造ばらつきや組付け精度、センタずれ等による検出誤差を小さくできる。
【００１１】
また、硬磁性体は、周方向にＮ極とＳ極とが交互に着磁されたリング状の磁石であり、軟磁性体は、磁石の外周に配置され、軸方向にギャップを介して対向する一組の磁気ヨークであり、それぞれの磁気ヨークには、磁石のＮ極及びＳ極と同数の爪が全周に等間隔に設けられ、且つ一方の磁気ヨークに設けられる爪と他方の磁気ヨークに設けられる爪とが周方向にずれて交互に配置され、補助軟磁性体は、リング状に設けられた一組の補助ヨークから成り、一方の補助ヨークが一方の磁気ヨークの外周に配置され、他方の補助ヨークが他方の磁気ヨークの外周に配置されて、それぞれの補助ヨークに設けられる集磁部が対向して設けられ、磁気センサは、軸方向に対向する集磁部同士の間に挿入され、それぞれの集磁部を介して一組の補助ヨーク間に生じる磁束密度を検出する。
【００１２】
この構成によれば、弾性部材の捩じれによって磁石と軟磁性体（一組の磁気ヨーク）との相対位置が変化すると、一方の磁気ヨークに設けられた爪がＮ極またはＳ極に近接し、他方の磁気ヨークに設けられた爪がＳ極またはＮ極に近接する。これにより、一方の磁気ヨークと他方の磁気ヨークには、それぞれ逆の極性を有する磁束が流れる。更に、一方の磁気ヨークに発生する磁束が一方の補助ヨークに導かれて、その補助ヨークに設けられた集磁部に集められ、他方の磁気ヨークに発生する磁束が他方の補助ヨークに導かれて、その補助ヨークに設けられた集磁部に集められる。その結果、軸方向に対向する集磁部間には、弾性部材の捩じれ量に略比例した正負の磁束密度が発生する。この磁束密度を集磁部間に挿入された磁気センサで検出することにより、第１の軸と第２の軸との間に印加される捩じれトルクを求めることができる。
【００１３】
（請求項３の手段）
請求項２に記載したトルクセンサにおいて、
一組の補助ヨークは、集磁部同士が他の部位より軸方向に接近して設けられている。これにより、一組の補助ヨークの間で集磁部に磁束が集中するので、検出する磁束が増加し、全体の平均化ができるので、検出精度を向上できる。
【００１４】
（請求項４の手段）
請求項１〜３に記載した何れかのトルクセンサにおいて、
一組の磁気ヨークと磁石は、弾性部材の捩じれ角が所定値の時に、磁気ヨークに設けられた爪の中心と磁石に着磁されたＮ極とＳ極との境界とが略一致するように配置されている。
例えば、第１の軸と第２の軸との間に捩じれトルクが印加されていない場合、つまり、弾性部材に捩じれが発生していない時に、磁気ヨークの爪の中心と磁石のＮ極とＳ極との境界とが略一致するように配置することにより、温度変化による磁石の減磁特性の影響を受け難くできる。
【００１５】
（請求項５の手段）
請求項１〜４に記載した何れかのトルクセンサにおいて、
磁気センサを２個使用し、互いの磁気検出方向を逆向きに配置している。
この場合、２個の磁気センサの出力の差分を取ることで、磁石、磁気ヨーク、磁気センサを含めた温度ドリフトをキャンセルでき、且つ感度も倍にできる。
【００１６】
（請求項６の手段）
請求項５に記載したトルクセンサにおいて、
２個の磁気センサは、軸対称となる位置に配置されている。
この場合、２個の磁気センサの出力の差分を取ることで、磁気センサの温度ドリフトをキャンセルでき、同時に検出物理量が倍になるため、検出感度が２倍になる。また、軸ずれの影響も小さくできるので、検出精度が向上する。
【００１７】
（請求項７の手段）
請求項１に記載したトルクセンサにおいて、
２個以上の磁気センサを周方向に等間隔に配置し、それぞれの磁気検出方向を同一方向に向けて使用する。
この場合、２個以上の磁気センサの出力を加算、あるいは平均化することにより、磁石、磁気ヨーク等の磁気回路構成部品の寸法ばらつきと磁束検出位置による磁束密度のばらつきを低減でき、検出精度を向上できる。
【００１８】
（請求項８の手段）
請求項２に記載したトルクセンサにおいて、
補助軟磁性体は、集磁部を２箇所有し、その２箇所の集磁部がリング状に設けられた補助軟磁性体の１８０度対向する位置に設けられ、磁気センサは、２箇所の集磁部にそれぞれ配置され、互いの磁気検出方向を逆向きにして使用される。
この場合、２個の磁気センサの出力の差分を取ることで、磁気センサの温度ドリフトをキャンセルでき、同時に検出物理量が倍になるため、検出感度が２倍になる。また、軸ずれの影響も小さくできるので、検出精度が向上する。
【００１９】
（請求項９の手段）
請求項２に記載したトルクセンサにおいて、
リング状に設けられた補助軟磁性体の周方向に集磁部が複数箇所均等位置に設けられ、
複数個の磁気センサを集磁部毎に配置し、それぞれの磁気検出方向を同一方向に向けて使用する。
この場合、２個以上の磁気センサの出力を加算、あるいは平均化することにより、磁石、磁気ヨーク等の磁気回路構成部品の寸法ばらつきと磁束検出位置による磁束密度のばらつきを低減でき、検出精度を向上できる。
【００２０】
（請求項１０の手段）
請求項１〜９に記載した何れかのトルクセンサにおいて、
弾性部材の最大捩じれ角±θmax と、磁石の極数ｎとの間に以下の関係が成立する。
θmax ×ｎ≦１２０[deg]
この場合、検出する全トルク域で、感度良く検出することが可能である。
【００２１】
（請求項１１の手段）
請求項１〜９に記載した何れかのトルクセンサにおいて、
弾性部材の最大捩じれ角±θmax と、磁石の極数ｎとの間に以下の関係が成立する。
θmax ×ｎ≦６０[deg]
この場合、検出する全トルク域で直線性良く検出することが可能である。
【００２２】
（請求項１２の手段）
請求項１〜１１に記載した何れかのトルクセンサにおいて、
少なくとも磁気センサの周囲が磁気シールド材で覆われている。
この場合、地磁気やトルクセンサ周辺に発生する磁界の影響による検出誤差を軽減することができる。なお、磁気シールド材は、磁気センサの周囲だけを覆っても良いが、トルクセンサ全体を覆っても良い。
【００２３】
（請求項１３の手段）
請求項２〜１２に記載した何れかのトルクセンサにおいて、
磁石（硬磁性体）の軸方向の長さを、磁気ヨーク（軟磁性体）の軸方向の長さより長くしたことを特徴とする。
【００２４】
磁石と磁気ヨークとの軸方向長さを略同一に設定すると、外部から鉄粉などが侵入した場合に、鉄粉が磁石と磁気ヨークとの間に付着して磁気回路がショートし、誤検出を招く恐れがある。これに対し、磁石の軸方向長さを磁気ヨークの軸方向長さより長く設定すると、磁石のエッジ部分に優先的に鉄粉が付着する（磁石は、エッジ部分に磁束が集中する特性がある）ため、トルク検出に関わる磁気回路への影響を抑えることができ、誤検出を防止できる。
【００２５】
（請求項１４の手段）
ステアリングの操舵機構に動力を与えてステアリングの操舵力を補助する電動モータと、ステアリングの操舵力を検出する操舵力検出手段と、この操舵力検出手段により検出された操舵力の大きさに応じて、電動モータに流す電流量を制御する制御回路とを備えた電動パワーステアリング装置において、
請求項１〜１３に記載した何れかのトルクセンサを操舵力検出手段として用いていることを特徴とする。
【００２６】
この構成によれば、従来方式の電動パワーステアリング装置と比較して、磁気変化検出用のコイルや温度保証用のコイル等が不要になるので、それらのコイルを収容するハウジングの大きさ（例えば径方向の大きさ）を小さくできる。
また、本発明のトルクセンサでは、従来のコイル式のように、コイルに交流電流を流す必要がないので、電磁ノイズを出さない、消費電力が少ないという特徴がある。
【００２７】
（請求項１５の手段）
請求項１４に記載した電動パワーステアリング装置において、
トルクセンサに用いられる磁気センサとしてホールＩＣを使用する。
この場合、ゲイン調整回路やオフセット調整回路、温特補正回路などを付加する必要がないので、部品点数の減少による小型化、コストダウンが可能になる。
また、ホールＩＣは、発振回路が不要なので、ノイズ放射がほとんどなく、周辺機器に影響を与えることがない。
【００２８】
（請求項１６の手段）
請求項１４または１５に記載した電動パワーステアリング装置において、
トルクセンサに用いられる磁気センサを制御回路と同一基板上に搭載したことを特徴とする。
この構成によれば、トルクセンサと制御回路とを繋ぐワイヤハーネス、及びコネクタが不要となるため、コストダウンが可能である。また、電気的接触部がなくなるので、信頼性の向上にも繋がる。
【００２９】
（請求項１７の手段）
請求項１４または１５に記載した電動パワーステアリング装置において、
トルクセンサと制御回路とを繋ぐワイヤハーネスのコネクタ部に磁気センサを取り付けたことを特徴とする。
この構成では、トルクセンサ側に特別な基板を設ける必要がなくなるため、コストダウンに繋がる。また、トルクセンサにコネクタを差し込むだけで制御回路と結線できるので、組み付け性も向上する。
【００３０】
（請求項１８の手段）
請求項１４〜１７に記載した何れかの電動パワーステアリング装置において、
トルクセンサは、ステアリングシャフトを構成する第１の軸と硬磁性体とが第１の回転力伝達手段を介して連結され、ステアリングシャフトを構成する第２の軸と軟磁性体とが第２の回転力伝達手段を介して連結され、第１の軸と第２の軸とを連結する弾性部材と、硬磁性体及び軟磁性体とが並列に配置されていることを特徴とする。
【００３１】
従来の電動パワーステアリング装置は、トルクセンサ、電動モータ、及び電動モータの回転力を伝達する動力伝達機構等が連続的に組み付けられていくため、組み付け工程が非常に複雑で組み付け難い作業であった。
これに対し、トルクセンサは、第１の軸と硬磁性体とが第１の回転力伝達手段を介して連結され、第２の軸と軟磁性体とが第２の回転力伝達手段を介して連結されることにより、硬磁性体と軟磁性体及び磁気センサをステアリングシャフトの外側に配置することができる。これにより、電動モータや動力伝達機構等とは別に、トルクセンサを単独に組み付けることができるので組み付けが容易となる。また、トルクセンサ単位だけではなく、それを構成する硬磁性体、軟磁性体、及び磁気センサ単品での交換も容易である。
【００３２】
（請求項１９の手段）
請求項１４〜１８に記載した何れかの電動パワーステアリング装置において、
トルクセンサが装着されるコラムハウジングの外周を磁性材料で覆っている。
これにより、トルクセンサの周囲を磁気シールドできるため、例えば車載スピーカ（磁石部材）が発生する外部磁界の影響を受けにくくできる。
【００３３】
（請求項２０の手段）
請求項１９に記載した電動パワーステアリング装置において、
磁性材料は、トルクセンサの主に磁気センサが配置されているコラムハウジングの周囲を覆っている。
これにより、磁気センサの周囲を効果的に磁気シールドできる。
【００３４】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
（第１実施例）
図１はトルクセンサ１の分解斜視図、図２はトルクセンサ１の軸方向断面図である。
本実施例のトルクセンサ１は、例えば車両の電動式パワーステアリング装置（図１７参照）に用いられるもので、ステアリングシャフトを構成する入力軸２と出力軸３との間に設けられ、ステアリングシャフトに加わる操舵トルクを検出している。
【００３５】
そのトルクセンサ１は、入力軸２と出力軸３とを同軸上に連結するトーションバー４（弾性部材）、入力軸２の端部（またはトーションバー４の一端側）に取り付けられる磁石５（硬磁性体）、出力軸３の端部（またはトーションバー４の他端側）に取り付けられる一組の磁気ヨーク６（軟磁性体）、及びこの一組の磁気ヨーク６間に生じる磁束密度を検出する磁気センサ７等より構成される。
【００３６】
トーションバー４は、両端がそれぞれピン８により入力軸２と出力軸３とに固定され、目的に応じた捩じれ／トルク特性を持たせてある。従って、入力軸２と出力軸３は、トーションバー４が捩じれを生じることで相対的に回動することができる。
磁石５は、リング状に設けられて周方向にＳ極とＮ極とが交互に着磁され、例えば２４極に形成されている。
【００３７】
一組の磁気ヨーク６（６Ａ、６Ｂ）は、図１に示す様に、磁石５の外周に近接して配置される環状体で、それぞれ磁石５のＮ極及びＳ極と同数（１２個）の爪６ａが全周に等間隔に設けられている。この一組の磁気ヨーク６は、互いの爪６ａが周方向にずれて交互に配置される様に、固定部９（図２参照）により位置決めされている。
また、一組の磁気ヨーク６と磁石５は、トーションバー４に捩じれが生じていない状態（入力軸２と出力軸３との間に捩じれトルクが加わっていない時）で、各磁気ヨーク６に設けられた爪６ａの中心と磁石５のＮ極とＳ極との境界とが一致するように配置されている（図３参照）。
【００３８】
磁気センサ７は、図３に示す様に、軸方向に対向する一方の磁気ヨーク６Ａと他方の磁気ヨーク６Ｂとの間に設けられるギャップＧ内に挿入され、両磁気ヨーク６間に生じる磁束密度を検出する。但し、この磁気センサ７は、磁気ヨーク６と接触することなく、図示しないハウジング等に固定されて、定位置に設けられている。
磁気センサ７としては、例えばホール素子、ホールＩＣ、磁気抵抗素子等を使用することができ、検出した磁束密度を電気信号（例えば電圧信号）に変換して出力する。
【００３９】
次に、本実施例の作動を説明する。
入力軸２と出力軸３との間に捩じれトルクが印加されていない状態、つまりトーションバー４が捩じれていない中立位置では、図４（ｂ）に示す様に、磁気ヨーク６に設けられた爪６ａの中心と磁石５のＮ極とＳ極との境界とが一致している。この場合、各磁気ヨーク６の爪６ａには、磁石５のＮ極とＳ極から同数の磁力線が出入りするため、一方の磁気ヨーク６Ａと他方の磁気ヨーク６Ｂの内部でそれぞれ磁力線が閉じている。従って、磁気ヨーク６Ａと磁気ヨーク６Ｂとの間（ギャップＧ）に磁束が洩れることはなく、磁気センサ７で検出する磁束密度は０となる（図４参照）。
【００４０】
入力軸２と出力軸３との間に捩じれトルクが印加されて、トーションバー４に捩じれが生じると、入力軸２に固定された磁石５と出力軸３に固定された一組の磁気ヨーク６との相対位置が周方向に変化する。これにより、図４（ａ）または（ｃ）に示す様に、磁気ヨーク６に設けられた爪６ａの中心と磁石５のＮ極とＳ極との境界とが一致しなくなるため、各磁気ヨーク６には、ＮまたはＳの極性を有する磁力線が増加する。
【００４１】
この時、一方の磁気ヨーク６Ａと他方の磁気ヨーク６Ｂは、それぞれ逆の極性を有する磁力線が増加するので、一方の磁気ヨーク６Ａと他方の磁気ヨーク６Ｂとの間（ギャップＧ）に磁束密度が発生する。この磁束密度は、図４に示す様に、トーションバー４の捩じれ量に略比例し、且つトーションバー４の捩じれ方向に応じて極性が反転する。この磁束密度を磁気センサ７で検出し、電圧信号として取り出すことができる。
【００４２】
（本実施例の効果）
本実施例のトルクセンサ１は、トーションバー４に捩じれが生じて、磁石５と一組の磁気ヨーク６との相対位置が周方向に変化すると、一組の磁気ヨーク６間の全周で磁束密度が変化する。即ち、一組の磁気ヨーク６間の全周で同一強度の磁束密度を検出できる。従って、一方の磁気ヨーク６Ａと他方の磁気ヨーク６Ｂとが対向するギャップＧ内に磁気センサ７を挿入することで、磁気ヨーク６に接触することなく、磁気ヨーク６間の磁束密度を検出することができる。これにより、磁気センサ７に対し電気的な接触部（例えばスリップリングとブラシ）を設ける必要がないので、信頼性の高いトルクセンサ１を提供できる。
【００４３】
また、入力軸２に固定された磁石５と、出力軸３に固定された一組の磁気ヨーク６とが、トーションバー４に捩じれが生じていない状態で、各磁気ヨーク６に設けられた爪６ａの中心と磁石５のＮ極とＳ極との境界とが一致するように配置されている。この構成によれば、図４に示す様に、例えば温度変化により磁石５の強さが変動する場合でも、磁気センサ７の中立点がずれることがないので、中立点付近の精度を安定させることができ、オフセットドリフトの影響を受け難くできる。
【００４４】
（第２実施例）
図５はトルクセンサ１の分解斜視図、図６はトルクセンサ１の軸方向断面図である。
本実施例のトルクセンサ１は、第１実施例の構成に対し、一組の集磁リング１０（補助軟磁性体）を加えた一例である。
一組の集磁リング１０（１０Ａ、１０Ｂ）は、磁気ヨーク６と同じ軟磁性体であり、図５に示す様にリング状に設けられ、それぞれ磁気ヨーク６Ａ、６Ｂの外周に近接して配置される。
【００４５】
この集磁リング１０には、周方向の一箇所に平板状の集磁部１０ａが設けられ、互いの集磁部１０ａ同士が軸方向に対向して配置される。但し、集磁部１０ａは、集磁リング１０の他の部位より軸方向に接近して設けられている。
磁気センサ７は、図６に示す様に、軸方向に対向する集磁部１０ａ同士の間に挿入され、その両集磁部１０ａ間に発生する磁束密度を検出する。
【００４６】
この構成によれば、集磁リング１０が磁気回路の一部を形成するため、磁石５から発生した磁束が磁気ヨーク６を通って集磁リング１０に導かれ、その集磁リング１０に設けられた集磁部１０ａに優先的に集まる。この集磁部１０ａ間に発生する磁束密度を磁気センサ７で検出することにより、磁気ヨーク６の全周で発生する磁束密度の平均を取ることができるので、磁気回路を構成する部品の製造ばらつきや組付け精度、及び入力側と出力側とのセンタずれ等による検出誤差を抑えることができる。
【００４７】
（第３実施例）
図７はトルクセンサ１の要部斜視図である。
本実施例のトルクセンサ１は、図７に示す様に、磁気センサ７を２個使用する場合の一例である。
２個の磁気センサ７は、図中矢印で示す様に、互いの磁気検出方向が逆向きになる様に取り付けられ、それぞれ差分回路１１に接続されている。
２個の磁気センサ７の出力は、差分回路１１で差分処理された後、トルク信号として出力される。
【００４８】
本実施例の構成によれば、２個の磁気センサ７を使用することで、１個の磁気センサ７を使用した場合に生じる磁気検出位置による検出ばらつきを低減でき、且つ両磁気センサ７の出力の差分を取ることで、温度ドリフトのキャンセルと感度アップを図ることが可能である。
差分回路１１は、トルクセンサ１の構成要件として取り入れても良いし、取り入れなくても良い。取り入れない場合は、２個の磁気センサ７の出力を、例えばＥＣＵ（図示しない）に取り込み、差分処理を行ってトルク換算すれば良い。
なお、本実施例は、集磁リング１０を用いた第２実施例の構成にも適用できることは言うまでもない。
【００４９】
（第４実施例）
図８はトルクセンサ１の要部斜視図である。
本実施例のトルクセンサ１は、第３実施例と同様に、磁気センサ７を２個使用するもので、その２個の磁気センサ７を軸対称となる位置（トーションバー４を中心として径方向に対向する位置）に配置した一例である。
この２個の磁気センサ７は、図８に示す様に、互いの磁気検出方向（図中矢印で示す）を逆向きにして取付けられ、それぞれ差分回路１１に接続されている。
２個の磁気センサ７の出力は、差分回路１１で差分処理された後、トルク信号として出力される。
【００５０】
本実施例の構成によれば、第３実施例と同様に、磁気センサ７を１個だけ使用した場合に生じる磁気検出位置による検出ばらつきを低減でき、且つ２個の磁気センサ７の出力の差分を取ることで、温度ドリフトをキャンセルできる。また、検出物理量が倍になるため、検出感度が２倍になり、且つ入力側と出力側との軸ずれの影響も小さくできるので、検出精度が向上する。
差分回路１１は、トルクセンサ１の構成要件として取り入れても良いし、取り入れなくても良い。取り入れない場合は、２個の磁気センサ７の出力を、例えばＥＣＵ（図示しない）に取り込み、差分処理を行ってトルク換算すれば良い。
【００５１】
（第５実施例）
図９はトルクセンサ１の要部斜視図である。
本実施例のトルクセンサ１は、第２実施例で説明した一組の集磁リング１０（１０Ａ、１０Ｂ）を有する構成に対し、２個の磁気センサ７を軸対称となる位置に配置した場合の一例である。
但し、集磁リング１０には、図９に示す様に、１８０度対向する位置に集磁部１０ａが２箇所設けられている。
【００５２】
２個の磁気センサ７は、それぞれ軸方向に対向する集磁部１０ａ同士の間に挿入され、図中矢印で示す様に、互いの磁気検出方向を逆向きにして取付けられている。２個の磁気センサ７の出力は、差分回路１１で差分処理された後、トルク信号として出力される。
本実施例の構成によれば、集磁リング１０を使用することによる効果（磁気ヨーク６の全周で発生する磁束密度の平均を取ることができる）に加えて、第４実施例と同様に、検出感度が２倍になり、且つ入力側と出力側との軸ずれの影響も小さくできるので、検出精度が向上する。
【００５３】
（第６実施例）
図１０はトルクセンサ１の要部斜視図である。
本実施例のトルクセンサ１は、図１０に示す様に、磁気センサ７を２個以上（本実施例では３個）使用する場合の一例である。
３個の磁気センサ７は、周方向に等間隔に配置されて、それぞれ演算回路１２に接続され、各磁気センサ７の磁気検出方向を同一方向に向けて使用される。
３個の磁気センサ７の出力は、演算回路１２で加算あるいは平均化処理された後、トルク信号として出力される。
【００５４】
本実施例の構成によれば、３個の磁気センサ７の出力を加算あるいは平均化処理することにより、１個の磁気センサ７を使用した場合に生じる磁気検出位置による検出ばらつきを低減でき、検出精度を向上できる。
演算回路１２は、トルクセンサ１の構成要件として取り入れても良いし、取り入れなくても良い。取り入れない場合は、３個の磁気センサ７の出力を、例えばＥＣＵ（図示しない）に取り込み、加算あるいは平均化処理を行ってトルク換算すれば良い。
【００５５】
（第７実施例）
図１１はトーションバー４の捩じれ角（磁石５と磁気ヨーク６とのずれ角）と磁気ヨーク６に生じる磁束密度との関係を表すグラフである。
本実施例は、磁石５及び磁気ヨーク６の極数をトーションバー４の最大捩じれ角との関係から規定した場合の例である。
【００５６】
トーションバー４の最大捩じれ角を±θmax （機械角）、磁石５及び磁気ヨーク６の極数をｎとした場合に、以下の関係式▲１▼で表される数値ｎに設定することで、感度の良いトルク検出が可能となる（図１１参照）。
θmax ×ｎ≦１２０[deg] ……………………………………………▲１▼
更に、直線性を重視する場合は、以下の関係式▲２▼で表される数値ｎに設定することで、直線性の良いトルク検出が可能となる（図１１参照）。
θmax ×ｎ≦６０[deg] ………………………………………………▲２▼
【００５７】
（第８実施例）
図１２はトルクセンサ１の軸方向断面図である。
本実施例のトルクセンサ１は、図１２に示す様に、磁石５の軸方向の長さを磁気ヨーク６の軸方向の長さより長くした一例である。
例えば、図１３に示す様に、磁石５と磁気ヨーク６との軸方向長さを略同一に設けると、外部から鉄粉などが侵入した場合に、磁石５と磁気ヨーク６との間に鉄粉が付着して磁気回路がショートし、誤検出を招く恐れがある。
【００５８】
これに対し、図１２に示す様に、磁石５の軸方向両端が磁気ヨーク６の軸方向両端より突出する様に、磁石５の軸方向長さを磁気ヨーク６の軸方向長さより長くすると、磁石５のエッジ部分に優先的に鉄粉が付着する（磁石５は、エッジ部分に磁束が集中する特性がある）ため、トルク検出に関わる磁気回路への影響を抑えることができ、誤検出を防止できる。
【００５９】
（第９実施例）
図１４はトルクセンサ１の軸方向平面図、図１５はトルクセンサ１の軸方向断面図である。
本実施例は、磁気シールド材（磁性材料）１３によりトルクセンサ１を磁気シールドした場合の一例である。
磁気シールド材１３は、図１４及び図１５に示す様に、トルクセンサ１の磁気回路部全体を円筒状に覆うことにより、地磁気やトルクセンサ１の周辺に発生する磁界の影響による検出誤差を軽減することができる。
また、磁気シールド材１３は、トルクセンサ全体ではなく、図１６に示す様に、磁気センサ７の周囲だけを覆っても良い。
【００６０】
（第１０実施例）
次に、本発明のトルクセンサを用いた電動パワーステアリング装置の一例を説明する。
電動パワーステアリング装置は、図１７に示す様に、ステアリング１４の操舵機構に動力を与えてステアリング１４の操舵力を補助する電動モータ１５と、ステアリング１４の操舵力を検出する本発明のトルクセンサ（操舵力検出手段）１と、このトルクセンサ１により検出された操舵力の大きさに応じて電動モータ１５に流す電流量を制御する制御回路１６とを備えている。なお、トルクセンサの構成は、例えば第１実施例と同じである。
【００６１】
この電動パワーステアリング装置では、従来方式と比較して、磁気変化検出用のコイルや温度保証用のコイル等が不要になるので、それらのコイルを収容するハウジングの大きさを小さくできる。
また、本発明のトルクセンサは、従来のコイル式のように、コイルに交流電流を流す必要がないので、電磁ノイズを出さない、消費電力が少ないという特徴がある。
【００６２】
トルクセンサに用いられる磁気センサ７（図１参照）にホールＩＣを使用することにより、ゲイン調整回路やオフセット調整回路、温特補正回路などを付加する必要がないので、部品点数の減少による小型化及びコストダウンが可能になる。
また、ホールＩＣは、発振回路が不要なので、ノイズ放射がほとんどなく、周辺機器に影響を与えることがない。更に、ホールＩＣ以外の電子部品を必要としないため、消費電力が少なく、且つホールＩＣの使用温度範囲の要求を満たせば良いので、高温での使用が可能になる。
【００６３】
ホールＩＣのみでゲイン調整、オフセット調整、及び温特補正ができるので、トルクセンサ単体で精度保証ができる。この場合、従来のようにＥＣＵで補正する必要がないので、故障の時など、トルクセンサのみを交換することで対応できる。また、トルクセンサシステムとしてイニシャル処理等をする必要がなくなるので、生産効率が上がり、コストダウンに繋がる。
【００６４】
（第１１実施例）
本実施例の電動パワーステアリング装置は、図１８に示す様に、トルクセンサに用いる磁気センサ７を制御回路１６（図１７参照）と同一基板１７上に搭載した場合の一例である。制御回路１６の基板１７は、トルクセンサを収容するハウジング１８にスクリュ１９等で固定されている。
この場合、トルクセンサと制御回路１６とを繋ぐワイヤハーネス、及びコネクタが不要となるため、コストダウンに繋がり、同時に電気的接触部がなくなるので、信頼性の向上にも繋がる。
【００６５】
（第１２実施例）
本実施例の電動パワーステアリング装置は、図１９に示す様に、トルクセンサと制御回路１６（図１７参照）とを繋ぐワイヤハーネス２０のコネクタ部２１に磁気センサ７を取り付けた場合の一例である。
この場合、トルクセンサ側に特別な基板が必要なくなるため、コストダウンに繋がる。また、トルクセンサにコネクタ部２１を差し込むだけで制御回路１６と結線できるので、組み付け性も向上する。
【００６６】
（第１３実施例）
本実施例の電動パワーステアリング装置は、トルクセンサのセンシング部Ｓ（後述する）を後組み付けできる構成とした一例である。
トルクセンサは、図２０に示す様に、入力軸２及び出力軸３に対し、トーションバー４とセンシング部Ｓとが並列に配置されている。具体的には、入力軸２と磁石５とが第１の回転力伝達手段（下述する）を介して連結され、出力軸３と一組の磁気ヨーク６とが第２の回転力伝達手段（下述する）を介して連結されている。ここで、センシング部Ｓとは、磁石５、一組の磁気ヨーク６（６Ａ、６Ｂ）、及び磁気センサ７から構成される。
【００６７】
第１の回転力伝達手段は、入力軸２と同軸に取り付けられたギヤ２２と、リング状の磁石５と同軸に取り付けられたギヤ２３とで構成され、両ギヤが噛み合って入力軸２の回転が磁石５に伝達される。
第２の回転力伝達手段は、出力軸３と同軸に取り付けられたギヤ２４と、環状体である一組の磁気ヨーク６と同軸に取り付けられたギヤ２５とで構成され、両ギヤが噛み合って出力軸３の回転が一組の磁気ヨーク６に伝達される。
【００６８】
本実施例の構成によれば、トルクセンサのセンシング部Ｓをステアリングシャフト（入力軸２と出力軸３）の外側に配置できる、つまりステアリングシャフトに対し、トーションバー４とセンシング部Ｓとを並列に組み付けることができる。これにより、電動モータ１５（図１７参照）や動力伝達機構等とは別に、センシング部Ｓを単独に組み付けることができるので、トルクセンサ自体の組み付けが容易となる。また、センシング部Ｓだけを単独で交換することもできるので、メンテナンス性も向上する。
【００６９】
（第１４実施例）
本実施例は、電動パワーステアリング装置に使用されるトルクセンサ１の周囲を磁性材料２６で磁気シールドした場合の一例である。
磁性材料２６は、図２１に示す様に、トルクセンサ１が装着されるコラムハウジング（例えばアルミニウム製）２７の外周全体を覆うことにより、トルクセンサ１の周囲を磁気シールドしている。
【００７０】
電動パワーステアリング装置に使用されるトルクセンサ１は、例えば車載スピーカ（磁石部材）が発生する外部磁界の影響により検出誤差を生じる可能性があるため、上記の様にトルクセンサ１の周囲を磁気シールドすることにより、外部磁界の影響を受けにくくして検出誤差を防止することができる。
また、磁性材料２６は、トルクセンサ１が装着されるコラムハウジング２７の外周全体を覆うのではなく、図２２に示す様に、主に磁気センサ７が配置されているコラムハウジング２７の周囲だけを覆う様にしても良い。
【図面の簡単な説明】
【図１】トルクセンサの分解斜視図である（第１実施例）。
【図２】トルクセンサの軸方向断面図である（第１実施例）。
【図３】磁石と一組の磁気ヨークとの位置関係を示す軸方向平面図（ａ）と側面図（ｂ）である。
【図４】トーションバーの捩じれ角（磁石と磁気ヨークとのずれ角）と磁気ヨークに生じる磁束密度との関係を表すグラフである。
【図５】トルクセンサの分解斜視図である（第２実施例）。
【図６】トルクセンサの軸方向断面図である（第２実施例）。
【図７】トルクセンサの要部斜視図である（第３実施例）。
【図８】トルクセンサの要部斜視図である（第４実施例）。
【図９】トルクセンサの要部斜視図である（第５実施例）。
【図１０】トルクセンサの要部斜視図である（第６実施例）。
【図１１】トーションバーの捩じれ角（磁石と磁気ヨークとのずれ角）と磁気ヨークに生じる磁束密度との関係を表すグラフである（第７実施例）。
【図１２】トルクセンサの軸方向断面図である（第８実施例）。
【図１３】トルクセンサの軸方向断面図である。
【図１４】トルクセンサの軸方向平面図である（第９実施例）。
【図１５】トルクセンサの軸方向断面図である（第９実施例）。
【図１６】トルクセンサの軸方向断面図である（第９実施例）。
【図１７】電動パワーステアリング装置の全体構成図である（第１０実施例）。
【図１８】トルクセンサの構成を示す断面図である（第１１実施例）。
【図１９】トルクセンサの構成を示す断面図である（第１２実施例）。
【図２０】トルクセンサの構成を示す断面図（ａ）と回転力伝達手段の平面図（ｂ）である（第１３実施例）。
【図２１】コラムハウジングに装着されたトルクセンサの全体断面図（ａ）と軸方向から見た概略図（ｂ）である（第１４実施例）。
【図２２】コラムハウジングに装着されたトルクセンサの全体断面図（ａ）と軸方向から見た概略図（ｂ）である（第１４実施例）。
【符号の説明】
１ トルクセンサ（操舵力検出手段）
２ 入力軸（第１の軸）
３ 出力軸（第２の軸）
４ トーションバー（弾性部材）
５ 磁石（硬磁性体）
６ 磁気ヨーク（軟磁性体）
６ａ 爪
７ 磁気センサ
１０ 集磁リング（補助軟磁性体、補助ヨーク）
１０ａ 集磁部
１３ 磁気シールド材
１４ ステアリング
１５ 電動モータ
１６ 制御回路
１７ 基板
２０ ワイヤハーネス
２１ コネクタ部
２２、２３ ギヤ（第１の回転力伝達手段）
２４、２５ ギヤ（第２の回転力伝達手段）
２６ 磁性材料
２７ コラムハウジング

Claims (20)

1. 第１の軸と第２の軸とを同軸上に連結し、前記第１の軸と第２の軸との間に捩じれトルクが入力されると、自身に捩じれを生じる弾性部材と、
   前記第１の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硬磁性体と、
   前記第２の軸または前記弾性部材の他端側に連結され、且つ前記硬磁性体により形成される磁界内に配置されて磁気回路を形成し、前記弾性部材の捩じれによって前記硬磁性体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軟磁性体と、
   この軟磁性体と非接触に設置され、前記軟磁性体の磁気回路に発生する磁束密度を検出する磁気センサとを備え、
   前記硬磁性体は、周方向にＮ極とＳ極とが交互に着磁されたリング状の磁石であり、
   前記軟磁性体は、前記磁石の外周に配置され、軸方向にギャップを介して対向する一組の磁気ヨークであり、それぞれの磁気ヨークには、前記磁石のＮ極及びＳ極と同数の爪が全周に等間隔に設けられ、且つ一方の磁気ヨークに設けられる爪と他方の磁気ヨークに設けられる爪とが周方向にずれて交互に配置され、
   前記磁石の軸方向の長さは、前記磁気ヨークの軸方向の長さより長くされ、
   前記磁気センサは、前記ギャップ内に挿入されて、前記一組の磁気ヨーク間に生じる磁束密度を検出することを特徴とするトルクセンサ。
2. 第１の軸と第２の軸とを同軸上に連結し、前記第１の軸と第２の軸との間に捩じれトルクが入力されると、自身に捩じれを生じる弾性部材と、
   前記第１の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硬磁性体と、
   前記第２の軸または前記弾性部材の他端側に連結され、且つ前記硬磁性体により形成される磁界内に配置されて磁気回路を形成し、前記弾性部材の捩じれによって前記硬磁性体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軟磁性体と、
   この軟磁性体に近接して配置され、前記軟磁性体から磁束を導くとともに、その磁束を集める集磁部を有する補助軟磁性体と、
   前記集磁部を介して前記補助軟磁性体に生じる磁束密度を検出する磁気センサとを備え、
   前記硬磁性体は、周方向にＮ極とＳ極とが交互に着磁されたリング状の磁石であり、
   前記軟磁性体は、前記磁石の外周に配置され、軸方向にギャップを介して対向する一組の磁気ヨークであり、それぞれの磁気ヨークには、前記磁石のＮ極及びＳ極と同数の爪が全周に等間隔に設けられ、且つ一方の磁気ヨークに設けられる爪と他方の磁気ヨークに設けられる爪とが周方向にずれて交互に配置され、
   前記補助軟磁性体は、リング状に設けられた一組の補助ヨークから成り、一方の補助ヨークが前記一方の磁気ヨークの外周に配置され、他方の補助ヨークが前記他方の磁気ヨークの外周に配置されて、それぞれの補助ヨークに設けられる前記集磁部が対向して設けられ、
   前記磁気センサは、軸方向に対向する前記集磁部同士の間に挿入され、それぞれの集磁部を介して前記一組の補助ヨーク間に生じる磁束密度を検出することを特徴とするトルクセンサ。
3. 請求項２に記載したトルクセンサにおいて、
   前記一組の補助ヨークは、前記集磁部同士が他の部位より軸方向に接近して設けられていることを特徴とするトルクセンサ。
4. 請求項１〜３に記載した何れかのトルクセンサにおいて、
   前記一組の磁気ヨークと前記磁石は、前記弾性部材の捩じれ角が所定値の時に、前記磁気ヨークに設けられた爪の中心と前記磁石に着磁されたＮ極とＳ極との境界とが略一致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。
5. 請求項１〜４に記載した何れかのトルクセンサにおいて、
   前記磁気センサを２個使用し、互いの磁気検出方向を逆向きに配置していることを特徴とするトルクセンサ。
6. 請求項５に記載したトルクセンサにおいて、
   前記２個の磁気センサは、軸対称となる位置に配置されていることを特徴とするトルクセンサ。
7. 請求項１に記載したトルクセンサにおいて、
   ２個以上の前記磁気センサを周方向に等間隔に配置し、それぞれの磁気検出方向を同一方向に向けて使用することを特徴とするトルクセンサ。
8. 請求項２に記載したトルクセンサにおいて、
   前記補助軟磁性体は、前記集磁部を２箇所有し、その２箇所の集磁部がリング状に設けられた前記補助軟磁性体の１８０度対向する位置に設けられ、
   前記磁気センサは、前記２箇所の集磁部にそれぞれ配置され、互いの磁気検出方向を逆向きにして使用されることを特徴とするトルクセンサ。
9. 請求項２に記載したトルクセンサにおいて、
   リング状に設けられた前記補助軟磁性体の周方向に前記集磁部が複数箇所均等位置に設けられ、
   複数個の前記磁気センサを前記集磁部毎に配置し、それぞれの磁気検出方向を同一方向に向けて使用することを特徴とするトルクセンサ。
10. 請求項１〜９に記載した何れかのトルクセンサにおいて、
    前記弾性部材の最大捩じれ角±θ max と、前記磁石の極数ｎとの間に以下の関係が成立することを特徴とするトルクセンサ。
    θ max ×ｎ≦１２０ [deg]
11. 請求項１〜９に記載した何れかのトルクセンサにおいて、
    前記弾性部材の最大捩じれ角±θ max と、前記磁石の極数ｎとの間に以下の関係が成立することを特徴とするトルクセンサ。
    θ max ×ｎ≦６０ [deg]
12. 請求項１〜１１に記載した何れかのトルクセンサにおいて、
    少なくとも前記磁気センサの周囲が磁気シールド材で覆われていることを特徴とするトルクセンサ。
13. 請求項２〜１２に記載した何れかのトルクセンサにおいて、
    前記磁石（硬磁性体）の軸方向の長さを、前記磁気ヨーク（軟磁性体）の軸方向の長さより長くしたことを特徴とするトルクセンサ。
14. ステアリングの操舵機構に動力を与えて前記ステアリングの操舵力を補助する電動モータと、
    前記ステアリングの操舵力を検出する操舵力検出手段と、
    この操舵力検出手段により検出された操舵力の大きさに応じて、前記電動モータに流す電流量を制御する制御回路とを備えた電動パワーステアリング装置において、
    請求項１〜１３に記載した何れかのトルクセンサを前記操舵力検出手段として用いていることを特徴とする電動パワーステアリング装置。
15. 請求項１４に記載した電動パワーステアリング装置において、
    前記トルクセンサに用いられる前記磁気センサとしてホールＩＣを使用することを特徴とする電動パワーステアリング装置。
16. 請求項１４または１５に記載した電動パワーステアリング装置において、
    前記トルクセンサに用いられる前記磁気センサを前記制御回路と同一基板上に搭載したことを特徴とする電動パワーステアリング装置。
17. 請求項１４または１５に記載した電動パワーステアリング装置において、
    前記トルクセンサと前記制御回路とを繋ぐワイヤハーネスのコネクタ部に前記磁気センサを取り付けたことを特徴とする電動パワーステアリング装置。
18. 請求項１４〜１７に記載した何れかの電動パワーステアリング装置において、
    前記トルクセンサは、ステアリングシャフトを構成する前記第１の軸と前記硬磁性体とが第１の回転力伝達手段を介して連結され、前記ステアリングシャフトを構成する前記第２の軸と前記軟磁性体とが第２の回転力伝達手段を介して連結され、前記第１の軸と第２の軸とを連結する前記弾性部材と、前記硬磁性体及び前記軟磁性体とが並列に配置されていることを特徴とする電動パワーステアリング装置。
19. 請求項１４〜１８に記載した何れかの電動パワーステアリング装置において、
    前記トルクセンサが装着されるコラムハウジングの外周を磁性材料で覆っていることを特徴とする電動パワーステアリング装置。
20. 請求項１９に記載した電動パワーステアリング装置において、
    前記磁性材料は、前記トルクセンサの主に前記磁気センサが配置されている前記コラムハウジングの周囲を覆ってい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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