JP4878747B2 - トルクセンサ - Google Patents

Description

本発明は、例えば電動式パワーステアリング装置のシャフトの捩れ方向に加わるトルクを検出するトルクセンサに関するものである。

従来のトルクセンサとして、入力軸及び出力軸を同軸上に連結するトーションバーと、入力軸の端部に取り付けられた円筒状の磁石と、この磁石の外周に近接して配置され、出力軸の端部に取り付けられた一組の磁気ヨークと、それぞれの磁気ヨークの外周に近接して配置され、周方向の一箇所に外方に突出して対向する平板状の集磁部が設けられた一組の集磁リングと、平板状の集磁部の間に挿入された磁気センサとから構成されたものがある。このように構成されたトルクセンサにおいては、磁石から発生した磁束が磁気ヨークを通って集磁リングに導かれ、その集磁リングに設けられた平板状の集磁部に集まって磁気センサに至る（例えば、特許文献１参照）。
特開２００３−１４９０６２（第６−７頁、図５，図６）

前述した従来のトルクセンサでは、磁気ヨークと集磁リングとの間、集磁リングと磁気センサとの間の２箇所にエアギャップがあるため、磁気的なロスが大きかった。また、集磁リングは、材料に保磁力が小さく透磁率の大きいパーマロイが使用されているため、大変高価なものとなり、また、加工時においては、大きい透磁率となるように焼鈍という工程が必要であり、また、成型応力の開放を目的とした樹脂アニール工程が必要となり、さらには、振れ回り対策のために高い真円度が要求され、加工が容易ではなかった。
本発明は、かかる課題を解決するためになされたもので、安価で加工が容易な、しかもエアギャップによる磁気的ロスの少ないトルクセンサを提供することを目的とする。

本発明に係るトルクセンサは、第１軸及び第２軸を同軸上に連結し、その両軸間に加わるトルクを捩れ変位に変換するトーションバーと、第１軸の端部に固定され、軸方向にトーションバーが挿通された磁石と、第２軸の端部に固定され、磁石の外周に軸方向に互いに対向する環状部を有する磁気ヨークとを備えたトルクセンサにおいて、Ｌ字形状に折り曲げられた板状からなり、その一方の片の上下面が前記磁気ヨークの各環状部と対向するように該環状部の間に配置され、他方の片が基板に設けられ、トーションバーの捻れ変位に応じてその環状部の間に生じる磁石からの磁束を集める集磁部と、集磁部の一方の片の上下面の何れかの面に取り付けられ、集磁部を介して磁束を検出する磁気センサとを設けたものである。

本発明においては、磁気ヨークの環状部の間に集磁部及び集磁部に取り付けられた磁気センサを配置したので、従来必要であった集磁リングが不要になり、その材料のコストを削減できる。また、集磁リングが不要になったため、磁気ヨークと集磁リングの間、集磁リングと磁気センサの間にそれぞれエアギャップが形成されていた従来と比べ、エアギャップが磁気ヨークと磁気センサの間の１箇所となり、このため、磁気的ロスを小さく抑えることができ、磁気ヨークの材料を安価なものに変更できる。

実施の形態１．
図１は本発明の実施の形態１に係るトルクセンサを示す軸方向半分断面表示の側面図である。
本実施の形態のトルクセンサは、例えば車輌の電動式パワーステアリング装置に使用されるもので、ステアリングシャフトを構成する入力軸１（第１軸）と出力軸２（第２軸）との間に設けられている。このトルクセンサは、トーションバー３、磁石４、磁気ヨーク５、固定部６、集磁部７、磁気センサ８及び基板９から構成されている。トーションバー３は、一端側が入力軸１に、他端側が出力軸２にそれぞれピン１０により連結された棒状の弾性部材からなり、ステアリングシャフトに操舵トルクが加わったときに、そのトルクの大きさに応じて捩れ変位を生じる。

磁石４は、円筒状に形成され、周方向にＮ極とＳ極とが交互に着磁されている。この円筒状の磁石４は、中心穴にトーションバー３が挿通されて入力軸１の端部に固定されている。磁気ヨーク５は、軸方向で互いに対向する環状部５Ａ、５Ｂと、環状部５Ａ、５Ｂの内周縁にそれぞれ周方向に等間隔に互いにずれて設けられた磁極爪５ａ、５ｂとからなり、この磁極爪５ａ、５ｂの双方の位置関係は、円筒状に形成された固定部６によって固定されている。また、磁気ヨーク５の磁極爪５ａ、５ｂは、それぞれ磁石４のＮ極及びＳ極と同数あり、トーションバー３に捻れが生じていない状態では、それぞれの磁極爪５ａ、５ｂの中心が磁石４のＮ極及びＳ極の境界と一致するように、出力軸２の端部に固定されている。

集磁部７は、例えばＬ字状に折り曲げられた板状のパーマロイからなり、一方の片７ａが環状部５Ａ、５Ｂに対向するように、かつ磁気センサ８が環状部５Ａ、５Ｂ間の中心に配置されるように、他方の片７ｂが基板９に取り付けられている。この集磁部７の一方の片７ａは、他方の片７ｂより肉厚が厚くなっている。これは、環状部５Ａ、５Ｂ間に生じる磁束を集めるためである。前記の磁気センサ８は、例えばホール素子からなり、その片面が集磁部７の一方の片７ａに接触した状態で固定されている。なお、基板９は、本センサのハウジング等に着脱可能に固定されている。

次に、本実施の形態の動作を説明する。
入力軸１と出力軸２との間に捻れトルクが加わっていない状態、つまりトーションバー３に捻れ変位が生じていないときでは、磁気ヨーク５に設けられた各磁極爪５ａ、５ｂの中心が磁石４のＮ極及びＳ極の境界上に位置している。この場合、磁気ヨーク５の各磁極爪５ａ、５ｂには、磁石４のＮ極及びＳ極から同数の磁力線が出入りするため、磁気ヨーク５内でそれぞれ磁力線が閉じられている状態になっている。このため、磁気ヨーク５の環状部５Ａ、５Ｂ間のエアギャップに漏れ磁束がなく、磁気センサ８の出力（電圧）が変位量としてゼロになっている。

入力軸１と出力軸２との間に捻れトルクが加わって、トーションバー３に捻れ変位が生じると、入力軸１に固定された磁石４と出力軸２に固定された磁気ヨーク５との相対位置が周方向に変化する。この場合、磁気ヨーク５に設けられた各磁極爪５ａ、５ｂの中心と磁石４のＮ極及びＳ極の境界とが一致しなくなるため、磁気ヨーク５内には、Ｎ又はＳの極性を有する磁力線が増加し、磁気ヨーク５の環状部５Ａ、５Ｂにそれぞれ逆の極性を有する磁力線が生じ、環状部５Ａ、５Ｂ間のエアギャップに磁束が発生する。この時、集磁部７が配置されている環状部５Ａ、５Ｂ間の磁束は、その集磁部７に集められ、磁気センサ８によって検出される。

以上のように実施の形態１によれば、集磁部７とこの集磁部７に固定された磁気センサ８とを磁気ヨーク５の環状部５Ａ、５Ｂ間に配置して、トーションバー３の捻れ方向と量とに応じて生じる磁気ヨーク５の環状部５Ａ、５Ｂ間の磁束密度を検出するようにしたので、従来必要であった集磁リングが不要になり、その材料のコストを削減できる。また、集磁リングが不要になったため、磁気ヨークと集磁リングの間、集磁リングと磁気センサの間にそれぞれエアギャップが形成されていた従来と比べ、エアギャップが磁気ヨーク５と磁気センサ７の間の１箇所となり、このため、磁気的ロスを小さく抑えることができ、磁気ヨーク５の材料を安価なものに変更できる。

なお、前記の実施の形態１では、互いに接触させた集磁部７と磁気センサ８とを磁気ヨーク５の環状部５Ａ、５Ｂ間に挿入して、トーションバー３の捻れ方向と量とに応じて生じる磁気ヨーク５の環状部５Ａ、５Ｂ間の磁束密度を検出するようにしたが、磁気センサ８を磁気ヨーク５の環状部５Ａ、５Ｂ間の中心に配置し、その磁気センサ８と環状部５Ａとの間、或いは環状部５Ｂとの間にＬ字形集磁部７の一方の片７ａを配置して、トーションバー３の捻れ方向と量とに応じて生じる磁気ヨーク５の環状部５Ａ、５Ｂ間の磁束密度を検出するようにしてもよい。このように構成した場合でも、前述したように集磁リングが不要になるので、エアギャップが磁気ヨーク５と磁気センサ７との間の１箇所となり、磁気的ロスを小さくでき、材料のコストを削減でき、磁気ヨーク５の材料を安価なものに変更できるという効果がある。

実施の形態２．
図２は本発明の実施の形態２に係るトルクセンサを示す軸方向半分断面表示の側面図である。なお、図１で説明した実施の形態１と同一又は相当部分には同じ符号を付し説明を省略する。
本実施の形態は、図２に示すように、基板９に面実装されたホール素子の磁気センサ８と、基板９に取り付けられ、面実装された磁気センサ８を覆うように形成されたパーマロイの集磁部７１とを、基板９と共に磁気ヨーク５の環状部５Ａ、５Ｂ間に配置したものである。前記の基板９は、磁気センサ８が磁気ヨーク５の環状部５Ａ、５Ｂ間の中心に配置されるように、本センサのハウジング等に着脱可能に固定されている。

本実施の形態においては、磁気センサ８と集磁部７１とを基板９に設けて一体化しているので、磁気ヨーク５の環状部５Ａ、５Ｂ間における磁気センサ８の位置を精度良く設定することが可能になり、このため、磁気ヨーク５の環状部５Ａ、５Ｂ間のエアギャップが実施の形態１と比べ狭くなっている。
なお、入力軸１と出力軸２との間に捻れトルクが加わっていない状態の動作説明、及び入力軸１と出力軸２との間に捻れトルクが加わったときの動作説明については、実施の形態１と同様であるため割愛する。

以上のように実施の形態２によれば、磁気センサ８とこの磁気センサ８を覆うように形成された集磁部７１とを基板９に設けて、磁気ヨーク５の環状部５Ａ、５Ｂ間に配置したので、磁気ヨーク５の環状部５Ａ、５Ｂ間のエアギャップが狭くすることが可能になり、このため、実施の形態１と比べ磁気センサ８の検出感度が向上し、また、従来必要であった集磁リングが不要になるので、その材料のコストを削減でき、エアギャップが磁気ヨーク５と磁気センサ７の間の１箇所となり、このため、磁気的ロスを小さく抑えることができ、磁気ヨーク５の材料を安価なものに変更できる。

実施の形態３．
図３は本発明の実施の形態３に係るトルクセンサを示す軸方向半分断面表示の側面図である。なお、図１で説明した実施の形態１と同一又は相当部分には同じ符号を付し説明を省略する。
本実施の形態は、図３に示すように、コの字状に折り曲げられた板状のパーマロイからなる集磁部７２と、コの字状の集磁部７２の一方の片に取り付けられたホール素子の磁気センサ８とを、磁気ヨーク５の環状部５ａ、５ｂ間に配置したものである。前記の集磁部７２は、磁気センサ８が磁気ヨーク５の環状部５Ａ、５Ｂ間の中心に配置されるように、コの字状に折り曲げられており、本センサのハウジング等に着脱可能に固定されている。また、磁気センサ８には、板状のリード線１１の先端部に、図示していないが、基板に接続するためのコネクタが取り付けられている。
なお、入力軸１と出力軸２との間に捻れトルクが加わっていない状態の動作説明、及び入力軸１と出力軸２との間に捻れトルクが加わったときの動作説明については、実施の形態１と同様であるため割愛する。

以上のように実施の形態３によれば、コの字状の集磁部７２とこの集磁部７一方の片にに取り付けられた磁気センサ８とを磁気ヨーク５の環状部５Ａ、５Ｂ間に配置して、トーションバー３の捻れ方向と量とに応じて生じる磁気ヨーク５の環状部５Ａ、５Ｂ間の磁束密度を検出するようにしたので、従来必要であった集磁リングが不要になり、その材料のコストを削減できる。また、集磁リングが不要になったため、磁気ヨークと集磁リングの間、集磁リングと磁気センサの間にそれぞれエアギャップが形成されていた従来と比べ、エアギャップが磁気ヨーク５と磁気センサ７の間の１箇所となり、このため、磁気的ロスを小さく抑えることができ、磁気ヨーク５の材料を安価なものに変更できる。

なお、前述した実施の形態では、磁気センサ８にホール素子を用いたことを述べたが、これに代えて、ホールＩＣ、磁気抵抗素子の何れでもよい。また、集磁部７の材料としてパーマロイを使用したことを述べたが、これに代えてフェライトでもよい。

本発明の実施の形態１に係るトルクセンサを示す軸方向半分断面表示の側面図である。 本発明の実施の形態２に係るトルクセンサを示す軸方向半分断面表示の側面図である。 本発明の実施の形態３に係るトルクセンサを示す軸方向半分断面表示の側面図である。

符号の説明

１ 入力軸、２ 出力軸、３ トーションバー、４ 磁石、５ 磁気ヨーク、５Ａ，５Ｂ 環状部、５ａ，５ｂ 磁極爪、６ 固定部、７，７１，７２ 集磁部、８ 磁気センサ、９ 基板。

Claims (3)

1. 第１軸及び第２軸を同軸上に連結し、その両軸間に加わるトルクを捩れ変位に変換するトーションバーと、第１軸の端部に固定され、軸方向に前記トーションバーが挿通された磁石と、第２軸の端部に固定され、前記磁石の外周に軸方向に互いに対向する環状部を有する磁気ヨークとを備えたトルクセンサにおいて、
   Ｌ字形状に折り曲げられた板状からなり、その一方の片の上下面が前記磁気ヨークの各環状部と対向するように該環状部の間に配置され、他方の片が基板に設けられ、前記トーションバーの捻れ変位に応じてその環状部間に生じる前記磁石からの磁束を集める集磁部と、
   前記集磁部の一方の片の上下面の何れかの面に取り付けられ、該集磁部を介して磁束を検出する磁気センサと
   を設けたことを特徴とするトルクセンサ。
2. 第１軸及び第２軸を同軸上に連結し、その両軸間に加わるトルクを捩れ変位に変換するトーションバーと、第１軸の端部に固定され、軸方向に前記トーションバーが挿通された磁石と、第２軸の端部に固定され、前記磁石の外周に軸方向に互いに対向する環状部を有する磁気ヨークとを備えたトルクセンサにおいて、
   基板に面実装され、該基板と共に前記磁気ヨークの環状部の間に配置された磁気センサと、
   前記磁気センサを覆うようにして前記基板に取り付けられた集磁部と
   を設けたことを特徴とするトルクセンサ。
3. 第１軸及び第２軸を同軸上に連結し、その両軸間に加わるトルクを捩れ変位に変換するトーションバーと、第１軸の端部に固定され、軸方向に前記トーションバーが挿通された磁石と、第２軸の端部に固定され、前記磁石の外周に軸方向に互いに対向する環状部を有する磁気ヨークとを備えたトルクセンサにおいて、
   前記磁気ヨークの環状部の間に配置され、コの字形状に折り曲げられた板状の集磁部と、
   前記集磁部の互いに対向する片の何れか一方に取り付けられた磁気センサと
   を設けたことを特徴とするトルクセンサ。

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