JP5193110B2 - トルク・インデックスセンサ - Google Patents

Description

本発明は、例えば自動車のステアリング装置系などに組み込まれ、その操舵操作における操舵トルクを検出するトルクセンサと、操舵軸の回転数を検出するインデックスセンサとを一体化したトルク・インデックスセンサに関する。

ステアリングホイール等の操舵部材の回転操作に応じて操舵補助用のモータを駆動し、該モータの回転力を舵取機構に伝えて操舵を補助するパワーステアリング装置においては、操舵補助用のモータの駆動制御に用いるべく操舵部材に加えられる操舵トルクを検出する必要があり、この検出のために従来から、操舵部材と舵取機構とを連結する操舵軸の途中に構成されたトルクセンサが用いられている。

また、トルクセンサが用いられる電動パワーステアリング装置においては、操舵トルクと共にステアリングホイールの操作に伴って変化する操舵用の車輪の向き（以下、操舵角という）を車両の各種の制御に用いるべく、操舵角を検出することが要求される。

操舵角検出手段としては、従来機械式の回転角センサが用いられている。例えば特許文献１には、ステアリング軸の回転に連動してステアリング軸と平行をなす軸回りに自在に回転する歯数の異なる１対の歯車が備えられ、それぞれの歯車の回転角度を磁気センサにより検出し、検出された回転角度の組み合わせから操舵角の検出を行う機械式の回転角センサが記載されている。

また、特許文献１に記載されているような機械式のセンサの他に、ステアリング軸の回転数を検出する手段としてインデックスセンサがある。インデックスセンサとはステアリング軸の回転に伴って回転基準位置を生成するものである。

インデックスセンサの基本的な構成を図５を用いて説明する。図５はインデックスセンサが取り付けられているステアリング軸（操舵軸）を軸方向から見たときの断面を表している。図５に示すインデックスセンサ２１において、ステアリング軸４にはカラー２２を介して透磁率の大きい物質で構成されたヨーク２３が取り付けられており、前記カラー２２の外部には前記ステアリング軸４の回転軸中心から外周方向に向かって磁石２１１、磁石から発生する磁束密度の変化を検出するホール素子（磁気センサ）２１２、前記検出された磁束密度の変化が予め設定した閾値を超えたとき基準位置信号を出力するコンパレータ２１３が直線状に配設されている。

前記インデックスセンサの作用を図６を用いて説明する。図６において、操舵操作を行っていない状態、すなわちステアリング軸４が基準位置にある状態を図６（ｂ）に示し、操舵操作を行い、ステアリング軸４が回転されている状態を図６（ａ）に示す。図６（ｂ）に示す基準状態では、ヨーク２３が磁石２１１に最も近接した状態となっている。ヨーク２３は透磁率の大きい物質で構成されているため、当該基準状態では磁石２１１から発する磁束２６はヨーク２３に集中し、ホール素子２１２で検出される磁束密度が最大となる。

一方、操舵操作がなされ、ステアリング軸４が回転すると、図６(ａ)に示すようにヨーク２３が磁石２１１の極軸とずれるので、ヨーク２３に集中する磁束２６は磁石２１１の対極（図ではＳ極）に向かうようになり、ホール素子２１２で検出される磁束密度が減少する。基準位置からの回転角度がある程度大きくなると、ヨーク２３に集中する磁束２６が減少するため、ホール素子２１２で検出される磁束密度は下がり、一定の値となる。

ここで、車輪の向きを変えるための操舵操作は、通常１回転のみで終了することはなく、複数回転以上して最大操舵角に達する。この操舵操作の過程で、ステアリング軸４が基準位置を通過する度、磁石２１１から発せられる磁束２６がヨーク２３に集中し、ホール素子２１２で検出される磁束密度が最大となることになる。図５に示すように、インデックスセンサ２１には検出された磁束密度の変化が予め設定した閾値を超えたとき基準位置信号を出力するコンパレータ２１３が備えられており、ステアリング軸４が基準位置を通過し、ホール素子２１２で検出される磁束密度が前記閾値を超える度に、コンパレータ２１３からは基準位置信号が出力される。すなわち、インデックスセンサ２１により、ステアリング軸４が基準位置を通過したことが検出され、基準位置を通過した回数を計測することでステアリング軸４の回転数を検出することが出来る。

通常パワーステアリング装置には操舵補助用のモータが備えられており、当該モータの回転角からも舵角情報が得られるが、このモータの回転角から得られる舵角情報は０°から３６０°の範囲での情報、すなわち相対角度に限られ、舵角の絶対値を得ることは出来ない。しかしながら、インデックスセンサにより得られたステアリング軸の回転数情報に操舵補助用モータから得られる相対角度情報を組み合わせることによって操舵操作により得られた舵角の絶対角度情報を精度よく得ることが可能になる。

このように、インデックスセンサを用いると、特許文献１に記載してあるような機械式の回転角センサを用いることなく操舵角を検出することが可能となるため、部品点数の軽減、組み立て工程の簡略化、コストダウン、コンパクト化などのメリットを得ることが出来る。

特開２００７−２６９２８１号公報

このように、パワーステアリング装置に組み込むことにより多くのメリットをもたらし得るインデックスセンサであるが、その構成故の不都合が生じる。

すなわち、インデックスセンサは、図５および図６に示したように、磁石から発生する磁束の方向の変化がもたらす磁束密度の変化からステアリング軸の回転数を検出する構成となっているため、インデックスセンサからは常にいずれかの方向に磁束が放出されていることになる。ここで、パワーステアリング装置に必須の構成要素である、操舵トルクを検出するためのトルクセンサは、特許文献１にも記載されているように、ステアリング軸の回転によりトルクセンサ内で生成された磁束の変化を検出し、この磁束の変化の大きさに応じて操舵トルクを検出する構成となっている。このように、トルクセンサも磁束の変化を検出手段として用いているため、インデックスセンサがトルクセンサに近接して配設されると、インデックスセンサより放出されている磁束がトルクセンサに干渉し、トルクセンサの検出誤差を増大させてしまうという問題が生じる。

このような問題を発生させないためには、トルクセンサとインデックスセンサを別体とし、それぞれ互いに干渉しない位置に配設することが考えられる。しかしながら、このような配置構成では、パワーステアリング装置の製造時、トルクセンサとインデックスセンサを別々に組み付ける必要があり、製造効率が悪いという不都合が生じる。

本発明は上記問題点に鑑みてなされたもので、部品点数の軽減、組み立て工程の簡略化、コストダウン、コンパクト化などのメリットをもたらし得るインデックスセンサをパワーステアリング装置に効率よく組み込むため、インデックスセンサによるトルクセンサへの磁気干渉を低減した、一体化したトルク・インデックスセンサを提供することを目的とする。

上記課題に鑑み、本発明は、
円環状の第１磁石部の側方に配置される第１磁気センサを含むトルクセンサと、
円環状の符号器の側方に配置される第２磁石部と第２磁気センサを含むインデックスセンサと、
が同軸上に構成され、
前記トルクセンサの前記第１磁気センサと前記インデックスセンサの前記第２磁石部との間に、前記第２磁石部から前記第１磁気センサに向けて放射される磁束の方向を変化させる磁束変化手段を設けたこと
を特徴とするトルク・インデックスセンサを提供する。

また、本発明は、前記磁束変化手段が、磁性体で形成された板状部材であることを特徴とするトルク・インデックスセンサを提供する。

また、本発明は、前記磁束変化手段が、比透磁率１０００以上である磁性体で形成された板状部材であることを特徴とするトルク・インデックスセンサを提供する。

また、本発明は、前記第２磁石部と前記磁束変化手段との距離が２．０ｍｍ±０．５ｍｍの範囲内であることを特徴とするトルク・インデックスセンサを提供する。

本発明によれば、インデックスセンサから放出される磁束によるトルクセンサへの干渉を低減することができるため、インデックスセンサとトルクセンサを近接して配置することが可能となり、インデックスセンサとトルクセンサを一体化したトルク・インデックスセンサが得られる。
また、当該トルク・インデックスセンサは、インデックスセンサとトルクセンサを一体化してパワーステアリング装置に組み込むことが出来るため、部品点数の軽減、組み立て工程の簡略化、コストダウン、コンパクト化などのメリットをもたらし得るインデックスセンサをパワーステアリング装置に効率よく組み込むことが可能となる。

本発明に係るパワーステアリング装置の構成を示す図である。 本発明に係るトルク・インデックスセンサの構成を示す図である。 本発明に係るトルク・インデックスセンサの作用を示す図である。 本発明に係るトルク・インデックスセンサの効果を示す図である。 従来のインデックスセンサの構成を示す図である。 従来のインデックスセンサの作用を示す図である。

以下、本発明の実施の形態を図に基づいて説明する。

図１は本発明にかかるトルク・インデックスセンサを組み込んだパワーステアリング装置の構成を示す。図１に示すパワーステアリング装置１において、操舵操作はステアリングホイール４１を回転させることにより行われる。ステアリングホイール４１が操舵操作により回転されると、該ステアリングホイール４１の中心に係合されているステアリング軸（操舵軸）４が、ステアリングホイール４１と一体に回転する。該ステアリング軸４の他端にはピニオン１７が設けられており、該ピニオン１７に当接するラック１８が設けられている。該ラック１８はラックハウジング１６内に移動自在に支持されている。該ラックハウジング１６から外部に突出した前記ラック１８の両端部には車輪１９がリンクを介して連接されている。

上記構成により、ステアリングホイール４１の回転がステアリング軸４に伝達され、ステアリング軸４の回転に伴ってピニオン１７が回転すると、ピニオン１７に当接して設けられたラック１８が軸方向に移動し、該ラック１８の軸方向の移動によりラック１８の両端部にリンクを介して連接された車輪１９が向きを変えることで操舵がなされる。

ここで、ステアリング軸４には、ステアリングホイール４１の回転に応じて操舵を補助するため、インデックスセンサ２１とトルクセンサ３が一体となったトルク・インデックスセンサ２と、操舵補助用のモータ５とが備えられている。

トルク・インデックスセンサ２の構成を図２に示す。図２（ａ）において、トルク・インデックスセンサ２はインデックスセンサ２１とトルクセンサ３とから構成されており、該インデックスセンサ２１と該トルクセンサ３とはステアリング軸４上に同軸上に配設される。インデックスセンサ２１は、円環状の符号器を構成するカラー２２に備えられたヨーク２３と、第２磁石部であるインデックスセンサ用磁石２４、及び第２磁気センサであるインデックスセンサ用ホール素子２５とを備えてなる。トルクセンサ３内には前記ステアリング軸４の周囲を取り囲むように円環状の第１磁石部が備えられ、前記ステアリング軸４の回転によりトルクセンサ内に発生する磁束を検出するための第１磁気センサであるトルクセンサ用ホール素子３１が前記円環状の第１磁石部の側方に配置されている。前記第２磁気センサであるインデックスセンサ用ホール素子２５と前記１磁気センサであるトルクセンサ用ホール素子３１とは前記ステアリング軸４の同じ側に配置される。このようにインデックスセンサ用ホール素子２５とトルクセンサ用ホール素子３１とを近接して配置することにより、両ホール素子からの配線の取り回し性が向上し、該トルク・インデックスセンサ２のコンパクトな構成が可能となる。

図２（ｂ）に、図２（ａ）のＡ−Ａ’断面、すなわち、本実施の形態におけるインデックスセンサ２１の半径方向配置構成を示す。図２（ｂ）に示すように、インデックスセンサ２１はヨーク２３と、第２磁気センサであるインデックスセンサ用ホール素子２５と、第２磁石部であるインデックスセンサ用磁石２４とから構成される。前記ヨーク２３はステアリング軸４に取り付けられたカラー２２に備えられ、円環状の符号器を構成する。前記ステアリング軸４と前記カラー２２とは一体に回転するように取り付けられているため、前記ヨーク２３も前記ステアリング軸４および前記カラー２２の回転と一体に回転する。前記ステアリング軸４が回転していない状態、すなわち基準状態におけるヨーク２３の位置の側方、すなわち円環状の符号器の側方には、前記ステアリング軸４の中心軸と前記基準状態におけるヨーク２３とを結ぶ軸線の延長線上に、磁束検知方向２８が前記軸線と平行になるようにインデックスセンサ用ホール素子２５が配置され、該インデックスセンサ用ホール素子２５には近接して、前記軸線の垂線方向に２つのインデックスセンサ用磁石２４が配置される。該２つのインデックスセンサ用磁石２４はいずれも、前記ステアリング軸４の中心軸と前記基準状態のヨーク２３とを結ぶ軸線の垂線上に、前記インデックスセンサ用ホール素子２５に近接した端をＮ極、他端をＳ極として磁極が対称となるように配設される。

当該構成により、基準状態において、前記ヨーク２３が前記インデックスセンサ用ホール素子２５に最も近接している状態では、前記インデックスセンサ用磁石２５から放射される磁束が前記ヨーク２３に引き寄せられ、前記磁束の向きが前記磁束検出方向２８と同じ方向を向くため前記インデックスセンサ用ホール素子２５からの出力が大きくなる。一方、前記ステアリング軸４が回転し、前記ヨーク２３が基準位置からずれると、前記インデックスセンサ用磁石２４から放射される磁束は前記磁束検知方向２８に対して垂直方向を向くため、前記インデックスセンサ用２５からの出力が小さくなる。このように、当該構成によれば、前記ステアリング軸４の回転に伴い大きな磁束密度の変化が得られるため、前記ステアリング軸４の回転基準位置検出精度およびインデックスセンサ２１の安定性が向上する。

上記構成により、ステアリング軸４の回転により、インデックスセンサ２１において該ステアリング軸４の回転数が検出されると共に、トルクセンサ３において磁束の変化が検出される。トルクセンサ３において検出された磁束の変化は図１に示す操舵制御部６に送信され、操舵制御部６では送信された前記磁束の変化を基に操舵トルクを検出し、検出された操舵トルクに応じた必要な操舵補助力を発生させるべく図１に示すモータ５に信号を送る。操舵制御部６より信号を受け取ったモータ５は、必要とされる操舵補助力を発生するべく回転を開始してステアリング軸４に操舵補助力を与えると共に、このときの回転角を相対角として操舵制御部６に信号を送り返す。モータ５より相対角信号を受け取った操舵制御部６は、インデックスセンサ２１で検出されたステアリング軸４の回転数と組み合わせ、車輪１９の向きを絶対角で検出し、車両の各種の制御に用いている。

図２に示すトルク・インデックスセンサ２には、前記インデックスセンサ２１と前記トルクセンサ３との間に、磁束変化手段としての磁性体で形成された板状部材である磁性板１１が配置されている。本実施の形態においては、前記磁性板１１は長さ４０ｍｍ、幅５ｍｍ、厚さ０．８５ｍｍの直方体形状であり、材質はＳＰＣＣ（ＪＩＳ Ｇ ３１４１ 冷間圧延鋼板及び鋼帯 記載の一般用に該当するもの）である。該磁性板１１は比透磁率が１０００以上であることが望ましい。

該磁性板１１は、前記インデックスセンサ２１から前記トルクセンサ３に向かう方向に対し、前記直方体形状の長辺部が垂直方向となる姿勢で配置される。この時、図２（ａ）中にＢ−Ｂ’破線で示すように、インデックスセンサ用磁石２４のステアリング軸４側の端面と、磁性板１１のステアリング軸４側の端面とは、該ステアリング軸４の中心線からの半径方向距離が同じ距離となるよう配置される。

本実施の形態においては、図２（ａ）に示すインデックスセンサ２１とトルクセンサ３との中心間距離Ｌは１３．５ｍｍであり、磁性板１１とインデックスセンサ用磁石２４との距離ｄは２ｍｍである。

しかしながら、本発明の実施の形態は上記に限定されるものではなく、インデックスセンサ用磁石からの磁束がトルクセンサの磁気センサに干渉を与えず、また磁性板自身がインデックスセンサ用磁気センサに影響を及ぼさない範囲内で自由に設定することが出来る。

本発明の作用を図３に示す。図３（ａ）は、磁束変化手段である磁性板１１が備えられていない場合を示し、図３（ｂ）は本発明の実施の形態である磁束変化手段たる磁性板１１が備えられている場合を示す。図３（ａ）において、磁性板１１が備えられていないと、インデックスセンサ２１はその基本的構造より常にインデックスセンサ用磁石２４から磁束２６が放射されているため、放射された磁束２６はトルクセンサ用ホール素子３１に到達する。ここで、トルクセンサ用ホール素子３１に到達する磁束２６の向きは、トルクセンサ用ホール素子３１の磁束検知方向３２と同一方向であるため、インデックスセンサ用磁石２４から放出された磁束２６がトルクセンサ用ホール素子３１での磁束の検出に干渉し、トルクセンサ３の検出精度を低下させてしまうことになる。これに対し、本発明の実施の形態である図３（ｂ）においては、インデックスセンサ２１とトルクセンサ３との間に磁性板１１が配置されているため、インデックスセンサ用磁石２４から放射された磁束２６はトルクセンサ用ホール素子３１に到達する前に磁性板１１によりその方向が変化させられる。このため、インデックスセンサ用磁石２４からの磁束２６の一部はトルクセンサ用ホール素子３１に到達することがなくなる。また、図３（ｂ）に図示するように、トルクセンサ３に到達した磁束２６は、トルクセンサ３に到達したのち磁性板１１に向かって方向が変化させられる。このようにして、インデックスセンサ用磁石２４から放射された磁束２６の向きが磁性板１１によって変化させられ、トルクセンサ用ホール素子３１の磁束検知方向３２と異なる方向、すなわち、該磁束検知方向３２と直交する方向を向く。この効果により、インデックスセンサ用磁石２４から放射される磁束２６のトルクセンサ用ホール素子３１に対する干渉を防ぐことが出来、インデックスセンサ２１とトルクセンサ３を近接して配置し、一体として形成するトルク・インデックスセンサ２の実現が可能となる。

本発明の実施例を図４に示す。図４（ａ）は、磁性板１１の寸法、比透磁率を一定として、磁性板１１とインデックスセンサ用磁石２４との距離ｄを、インデックスセンサ用磁石２４の磁性板１１側端面を起点として１．５ｍｍ、２ｍｍ、３ｍｍ、４ｍｍの４通りに変化させたときの干渉割合とインデックス信号振幅を示したものである。このとき、インデックスセンサ２１とトルクセンサ３との中心間距離Ｌを１３．５ｍｍとし、インデックスセンサ用磁石２４のステアリング軸４側の端面と、磁性板１１のステアリング軸４側の端面とは、該ステアリング軸４の中心線からの半径方向距離が同じ距離となるよう配置している。また、図４（ｂ）は、磁性板１１の寸法と磁性板１１とインデックスセンサ用磁石２４との距離ｄを２ｍｍで一定として、磁性板１１の比透磁率μｒを１０、１００、１０００、１００００の４通りに変化させたときの干渉割合とインデックス信号振幅を示したものである。インデックスセンサ２１とトルクセンサ３との中心間距離Ｌ、及びインデックスセンサ用磁石２４と磁性板１１のステアリング軸４に対する半径方向配置構成は図４（ａ）と同様である。

図４（ａ）および（ｂ）において、干渉割合とはトルクセンサ用ホール素子３１に対する干渉の割合であり、図３（ａ）に示されるような磁性板１１を設置しない場合のトルクセンサ３の出力電圧を１００とした時のそれぞれの実施例における出力電圧をパーセント表示したもので、この割合が低いほどインデックスセンサ２１がトルクセンサ用ホール素子３１に対する干渉が低いと判断される。また、インデックス信号振幅とはインデックスセンサ用ホール素子２５の出力低下割合であり、同様に磁性板１１を設置しない場合のインデックスセンサ２１の出力電圧を１００とした時のそれぞれの実施例における出力電圧をパーセント表示したもので、この割合が高いほど磁性板１１がインデックスセンサ２１に及ぼす干渉が低いと判断される。

図４（ａ）において、磁性板１１とインデックスセンサ用磁石２４との距離ｄを、インデックスセンサ用磁石２４の磁性板１１側端面を起点として１．５ｍｍ、２ｍｍ、３ｍｍ、４ｍｍの４通りに変化させると、トルクセンサ用ホール素子３１に対する干渉割合は距離が短くなるほど低下し、ｄが２ｍｍの場合には磁性板１１がない場合に比較して干渉割合は４７％低下している。一方、インデックスセンサ用ホール素子２５の出力は、ｄが小さくなると低下するものの、その低下割合はｄが２ｍｍの場合で４．９％であった。これらの結果から、本発明の実施の形態としては、インデックスセンサ用磁石２４と磁性板１１との距離ｄは２ｍｍが好適である。なお、本実施例の干渉割合とインデックス信号振幅は、室温（２０℃）における値となっているが、トルクセンサ３とインデックスセンサ２１の特性は、温度によって変動する。また、製造上の誤差等の要因により、トルクセンサ３とインデックスセンサ２１の特性は、若干変動する。これらの特性の変動要因を考慮して、インデックスセンサ用磁石２４と磁性板１１との距離ｄは２ｍｍ±０．５ｍｍの範囲内に設定することが望ましい。

図４（ｂ）において、磁性板１１とインデックスセンサ用磁石２４との距離ｄを一定にし、磁性板１１の比透磁率μｒを１０、１００、１０００、１００００の４通りに変化させると、μｒが１０００以上において、干渉割合およびインデックス信号振幅は急激に変化しない傾向が認められた。これらの結果から、本発明の実施の形態として、磁性板１１の比透磁率μｒは１０００以上であることが好適であることがわかる。

以上のように、本発明によれば、インデックスセンサから放出される磁束によるトルクセンサへの干渉を低減することができるため、インデックスセンサとトルクセンサを近接して配置することが可能となり、インデックスセンサとトルクセンサを一体化したトルク・インデックスセンサが得られる。

また、当該トルク・インデックスセンサによれば、インデックスセンサとトルクセンサを一体化してパワーステアリング装置に組み込むことが出来るため、部品点数の軽減、組み立て工程の簡略化、コストダウン、コンパクト化などのメリットをもたらし得るインデックスセンサをパワーステアリング装置に効率よく組み込むことが可能となる。

１…パワーステアリング装置、２…トルク・インデックスセンサ、３…トルクセンサ、４…ステアリング軸（操舵軸）、５…モータ、６…操舵制御部、１１…磁性板、１９…車輪、２１…インデックスセンサ、２２…カラー、２３…ヨーク、２４…インデックスセンサ用磁石、２５…インデックスセンサ用ホール素子（磁気センサ）、２６…磁束、２８…インデックスセンサ用ホール素子の磁束検知方向、３１…トルクセンサ用ホール素子（磁気センサ）、３２…トルクセンサ用ホール素子の磁束検知方向、４１…ステアリングホイール、２１１…磁石、２１２…ホール素子（磁気センサ）、２１３…コンパレータ。

Claims (4)

1. 円環状の第１磁石部の側方に配置される第１磁気センサを含むトルクセンサと、
   円環状の符号器の側方に配置される第２磁石部と第２磁気センサを含むインデックスセンサと、
   が同軸上に構成され、
   前記トルクセンサの前記第１磁気センサと前記インデックスセンサの前記第２磁石部との間に、前記第２磁石部から前記第１磁気センサに向けて放射される磁束の方向を変化させる磁束変化手段を設けたこと
   を特徴とするトルク・インデックスセンサ。
2. 前記磁束変化手段が、磁性体で形成された板状部材であることを特徴とする請求項１に記載のトルク・インデックスセンサ。
3. 前記磁束変化手段が、比透磁率１０００以上である磁性体で形成された板状部材であることを特徴とする請求項１に記載のトルク・インデックスセンサ。
4. 前記第２磁石部と前記磁束変化手段との距離が２．０ｍｍ±０．５ｍｍの範囲内であることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載のトルク・インデックスセンサ。

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