JP4073384B2 - トルク検出装置 - Google Patents

Description

本発明は、車両の電動パワーステアリング装置等に好適に使用され、連結軸により同軸に連結された第１軸及び第２軸と、第１軸に固設された永久磁石と、第２軸に固定され、永久磁石の磁界内に配置されて磁気回路を形成する複数の軟磁性体と、軟磁性体に発生した磁束を検出する検出器とを備え、第１軸又は第２軸にトルクが加えられたときに、検出器の出力に基づき、トルクを検出するトルク検出装置に関するものである。

車両の舵取装置に、電動モータを駆動して操舵補助を行ない、運転者の負担を軽減するものがある。これは、操舵部材（ステアリングホイール、ハンドル）に繋がる入力軸と、ピニオン及びラック等により操向車輪に繋がる出力軸と、入力軸及び出力軸を連結する連結軸とを備え、連結軸に生じる捩れ角度によって、トルク検出装置が入力軸に加わる操舵トルクを検出し、検出した操舵トルク値に基づき、出力軸に連動する操舵補助用の電動モータを駆動制御するものである。

このような舵取装置のトルク検出装置には、従来、コイルを用いて回転位置を検出する磁気検知式レゾルバ、又は光の透過を検知する光学式エンコーダの検出装置等が使用されている。また、特許文献１には、トーションバーにより同軸に連結された入力軸及び出力軸と、入力軸に固設されたリング状の永久磁石と、出力軸に固定され、永久磁石の磁界内に配置されて磁気回路を形成する複数の軟磁性体からなる磁気ヨークと、磁気ヨークに発生した磁束を検出する磁気センサとを備え、入力軸にトルクが加えられたときに、磁気センサの出力に基づき、トルクを検出するトルクセンサが提案されている。

特許文献１には、また、トーションバーにより同軸に連結された入力軸及び出力軸と、入力軸に固設されたリング状の永久磁石と、出力軸に固定され、永久磁石の磁界内に配置されて磁気回路を形成する複数の軟磁性体からなる磁気ヨークと、磁気ヨークに磁気結合され、磁気ヨークからの磁束を誘導する複数の集磁リングと、集磁リングが誘導した磁束を検出する磁気センサとを備え、入力軸にトルクが加えられたときに、磁気センサの出力に基づき、トルクを検出するトルクセンサが提案されている。
特開２００３−１４９０６２号公報

上述したようなトルクセンサでは、製造時に、磁気ヨークと磁気センサとの高精度の位置決め、又は集磁リングと磁気センサとの高精度の位置決めが必要であるので、組み付けには細心の注意を払わなければならず、手間がかかり、生産性が低下するという問題がある。本発明は、上述したような事情に鑑みてなされたものであり、製造時に組み付けが容易で生産性が向上するトルク検出装置を提供することを目的とする。

本発明に係るトルク検出装置は、連結軸により同軸に連結された第１軸及び第２軸と、該第１軸に固設された永久磁石と、前記第２軸に固定され、前記永久磁石の磁界内に配置されて磁気回路を形成する軟磁性体である２つの磁気ヨークと、該磁気ヨークに発生した磁束を検出する検出器とを備え、前記第１軸又は第２軸にトルクが加えられたときに、前記検出器の出力に基づき、前記トルクを検出すべくなしてあるトルク検出装置において、前記２つの磁気ヨークは、板状のリングに、その板面に垂直な一方向に延びる複数の二等辺三角形状の爪が等間隔に周設された２つの磁気ヨークであり、それぞれの爪が周方向に適当な間隔でずれるように対向する状態で、前記検出器と共に合成樹脂により円筒形状にモールドされて一体化されていることを特徴とする。

このトルク検出装置では、第１軸及び第２軸が連結軸により同軸に連結され、永久磁石が第１軸に固設されている。２つの磁気ヨークが、第２軸に固定され、永久磁石の磁界内に配置されて磁気回路を形成し、検出器が磁気ヨークに発生した磁束を検出し、第１軸又は第２軸にトルクが加えられたときに、検出器の出力に基づき、トルクを検出する。２つの磁気ヨークは、板状のリングに、その板面に垂直な一方向に延びる複数の二等辺三角形状の爪が等間隔に周設された２つの磁気ヨークであり、それぞれの爪が周方向に適当な間隔でずれるように対向する状態で、検出器と共に合成樹脂により円筒形状にモールドされて一体化されている。

本発明に係るトルク検出装置によれば、磁気ヨークと磁気センサとの位置決め作業が不要となるので、製造時に組み付けが容易で生産性が向上するトルク検出装置を実現することが出来る。

以下に、本発明をその実施の形態を示す図面に基づいて説明する。
（実施の形態）
図１は、本発明に係るトルク検出装置の実施の形態の構成を示す説明図であり、（ａ）は分解斜視図、（ｂ）は縦断面図、（ｃ）は横断面図である。このトルク検出装置は、入力軸１（第１軸）と出力軸２（第２軸）とを、細径のトーションバー３（連結軸）を介して同軸状に連結している。入力軸１及び出力軸２は、それぞれピン９によりトーションバー３に連結されている。

入力軸１には、２４極（Ｎ，Ｓ極各１２極）が周方向に等間隔で着磁された円筒形状の（２４極）永久磁石５が、同軸に固設されている。出力軸２には、半径方向に適当な隙間を設けて永久磁石５を囲む円筒形状のヨーク４が、同軸に固設されている。ヨーク４は、図２に示すように、板状のリングに、その板面に垂直な一方向に延びる１２個の二等辺三角形状の爪１０が等間隔に周設された２つの磁気ヨーク４ａ，４ｂ（軟磁性体）を備えている。２つの磁気ヨーク４ａ，４ｂは、それぞれの爪１０が周方向に適当な間隔でずれるように対向する状態で、合成樹脂により円筒形状にモールドされている。

磁気ヨーク４ａ，４ｂは、永久磁石５が形成する磁界内に配置されており、それらの間のギャップに生じる磁束を検出する１又は複数のホールＩＣ６（ホール素子、検出器）が、ギャップに挿入された状態で、磁気ヨーク４ａ，４ｂと共に合成樹脂によりモールドされ一体化されている。ホールＩＣ６は、図示しないハウジングに固定され、ホールＩＣ６のリード線７は、図示しない基板に半田付けされ、ホールＩＣ６が作動する為の電源を供給し、ホールＩＣ６が検出した出力を得ている。磁気ヨーク４ａ，４ｂは、トルクが加えられない中立状態で、それぞれの爪１０の先端が、永久磁石５のＮ極及びＳ極の境界を指すように配置される。

以下に、このような構成のトルク検出装置の動作を説明する。入力軸１又は出力軸２にトルクが加えられないとき、磁気ヨーク４ａ，４ｂの各爪１０は、図３（ｂ）に示すように、永久磁石５のＮ極及びＳ極に対向する面積が等しくなり、Ｎ極から入る磁束とＳ極へ出る磁束とが等しくなるので、磁気ヨーク４ａ及び磁気ヨーク４ｂ間には磁束は生じない。

入力軸１又は出力軸２に一方向のトルクが加えられたとき、トーションバー３に捩れが生じて、磁気ヨーク４ａ，４ｂの各爪１０及び永久磁石５の相対位置が変化する。このとき、例えば、図３（ａ）に示すように、磁気ヨーク４ａの各爪１０に対向する面積が、永久磁石５のＮ極の方がＳ極より大きくなり、Ｎ極から入る磁束の方がＳ極へ出る磁束より大きくなる。また、磁気ヨーク４ｂの各爪１０に対向する面積が、永久磁石５のＮ極の方がＳ極より小さくなり、Ｎ極から入る磁束の方がＳ極へ出る磁束より小さくなる。その結果、磁気ヨーク４ａから磁気ヨーク４ｂへの磁束が生じ、この磁束密度は、各爪１０に対向するＮ極及びＳ極の面積の差が大きい程、大きくなる。

一方、入力軸１又は出力軸２に他方向のトルクが加えられたとき、上記とは逆方向に、トーションバー３に捩れが生じて、磁気ヨーク４ａ，４ｂの各爪１０及び永久磁石５の相対位置が変化する。このとき、例えば、図３（ｃ）に示すように、磁気ヨーク４ａの各爪１０に対向する面積が、永久磁石５のＮ極の方がＳ極より小さくなり、Ｎ極から入る磁束の方がＳ極へ出る磁束より小さくなる。また、磁気ヨーク４ｂの各爪１０に対向する面積が、永久磁石５のＮ極の方がＳ極より大きくなり、Ｎ極から入る磁束の方がＳ極へ出る磁束より大きくなる。その結果、磁気ヨーク４ｂから磁気ヨーク４ａへの磁束が生じ、この磁束密度は、各爪１０に対向するＮ極及びＳ極の面積の差が大きい程、大きくなる。

上述した磁気ヨーク４ａ及び磁気ヨーク４ｂ間のギャップに生じる磁束密度の変化を、トーションバー３の捩れ角である電気角−１８０〜１８０ｄｅｇ．（機械角−１５〜１５ｄｅｇ．）に対応させて図示すると、図３（ｄ）に示すような正弦波状となる。実際に使用される範囲は、トーションバー３の剛性から、−９０〜９０ｄｅｇ．を超えることはなく、加えられたトルクに応じた磁束密度を検出することが出来る。つまり、検出した磁束密度に基づき、加えられたトルクを知ることが出来る。

（開示技術）
図４は、開示されるトルク検出装置の構成を示す説明図であり、（ａ）は分解斜視図、（ｂ）は縦断面図、（ｃ）は横断面図である。このトルク検出装置は、磁気ヨーク４ａ，４ｂにそれぞれ磁気結合され、磁気ヨーク４ａ，４ｂからの磁束をそれぞれ誘導する２つの集磁リング８，８（補助軟磁性体）を備えている。集磁リング８，８は、図５に示すように、平行に配置され、互いに他部分より近接する平板状の部分を有し、その近接する部分の隙間に、１又は複数のホールＩＣ６が挿入されている。

集磁リング８，８及びホールＩＣ６は、上述した状態で、合成樹脂によりモールドされ一体化されている。これとは別に、磁気ヨーク４ａ，４ｂも、実施の形態と同様の形態で、合成樹脂によりモールドされ一体化されて、ヨーク４１を形成している。その他の構成は、実施の形態で説明したトルク検出装置の構成と同様であるので、説明を省略する。

このような構成のトルク検出装置では、磁気ヨーク４ａ，４ｂに生じた磁束は、集磁リング８，８によりそれぞれ誘導され、誘導された磁束は、集磁リング８，８の互いに近接する部分に優先的に集まり、ホールＩＣ６により検出される。集磁リング８，８により、ホールＩＣ６は、磁気ヨーク４ａ，４ｂの全周で発生する磁束密度の平均を検出することが出来る。その他の動作は、実施の形態で説明したトルク検出装置の動作と同様であるので、説明を省略する。

［図１］ 本発明に係るトルク検出装置の実施の形態の構成を示す説明図である。
［図２］ 図１に示すトルク検出装置の磁気ヨーク及びホールＩＣを示す分解斜視図である。
［図３］ 本発明に係るトルク検出装置の実施の形態の動作を示す説明図である。
［図４］ 開示されるトルク検出装置の構成を示す説明図である。
［図５］ 図４に示すトルク検出装置の磁気ヨーク、集磁リング及びホールＩＣを示す分解斜視図である。

符号の説明

１ 入力軸（第１軸）
２ 出力軸（第２軸）
３ トーションバー（連結軸）
４ ヨーク
４ａ，４ｂ 磁気ヨーク（軟磁性体）
５ （２４極）永久磁石
６ ホールＩＣ（ホール素子、検出器）
７ リード線
８ 集磁リング（補助軟磁性体）
１０ 爪

Claims (1)

1. 連結軸により同軸に連結された第１軸及び第２軸と、該第１軸に固設された永久磁石と、前記第２軸に固定され、前記永久磁石の磁界内に配置されて磁気回路を形成する軟磁性体である２つの磁気ヨークと、該磁気ヨークに発生した磁束を検出する検出器とを備え、前記第１軸又は第２軸にトルクが加えられたときに、前記検出器の出力に基づき、前記トルクを検出すべくなしてあるトルク検出装置において、
   前記２つの磁気ヨークは、板状のリングに、その板面に垂直な一方向に延びる複数の二等辺三角形状の爪が等間隔に周設された２つの磁気ヨークであり、それぞれの爪が周方向に適当な間隔でずれるように対向する状態で、前記検出器と共に合成樹脂により円筒形状にモールドされて一体化されていることを特徴とするトルク検出装置。

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