JP5808846B2 - トルクセンサ - Google Patents

Description

本発明は、回転軸に加わる軸トルクを磁束密度の変化（磁界の強さ）として検出するトルクセンサに関する。

従来、電動パワーステアリング装置等において軸トルクを検出するトルクセンサが知られている。例えば、特許文献１に記載のトルクセンサは、入力軸と出力軸とを連結するトーションバーに捩じれが生じたとき、多極磁石とヨークとの周方向の相対位置の変化によって発生する磁束を、固定された磁気センサが検出することで軸トルクを検出する。ここで多極磁石は、周方向にＮ極およびＳ極が一定の着磁角度で交互に着磁されている。例えば特許文献１のトルクセンサは、Ｎ極およびＳ極が各１２極、計２４極設けられている。

特開２００３−１４９０６２号公報

トルクセンサは、多極磁石とヨークとの周方向の相対位置を検出するものであるから、磁気センサに対して多極磁石とヨークとが一体に回転したとき、すなわち、多極磁石とヨークとの周方向の相対位置が変化しないときには、磁気センサの出力は一定であることが望ましい。

しかし現実には、特許文献１に記載のトルクセンサで多極磁石とヨークとを一体に回転させると、回転角度に応じて出力が変動する。例えば、多極磁石のＮ極およびＳ極が各１２極である場合、１回転につき１２周期の出力変動が発生する。この出力変動は、回転角度の検出精度を低下させる要因となる。

本発明者は、この出力変動が、多極磁石から、ヨークを経由せず空間を通って磁気センサに直接到達する磁束に起因するものであることを解明した。
本発明、上述の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、多極磁石とヨークとを一体に回転させたとき、多極磁石から感磁部に直接到達する磁束によって発生する出力変動を低減するトルクセンサを提供することにある。

本発明のトルクセンサは、トーションバーと、多極磁石と、多極磁石の径外側に磁気回路を形成する一組のヨークと、磁気回路に発生する磁束密度を検出する感磁部を有する磁気センサとを備えるトルクセンサにおいて、さらに磁気シールド部材を備えることを特徴とする。この磁気シールド部材は、軟磁性体で形成され、軸方向において一組のヨークの間であって、径方向において多極磁石の外側かつ感磁部の内側に設けられ、多極磁石から磁気センサの感磁部に直接到達する磁束を遮蔽する。磁気シールド部材は、環状に設けられ、多極磁石または一組のヨークと共に前記磁気センサに対して回転可能である。
これにより、多極磁石から、磁束がヨークを経由せず空間を通って磁気センサに直接到達することを防ぎ、出力変動を低減することができる。

本発明の第１実施形態によるトルクセンサの分解斜視図である。 本発明の第１実施形態によるトルクセンサが適用される電動パワーステアリング装置の概略構成図である。 本発明の第１実施形態によるトルクセンサの（ａ）：断面図、（ｂ）：（ａ）のｂ方向矢視図である。 本発明の第１実施形態によるトルクセンサの中立状態を示す正面図（図３のＩＶ方向矢視図）である。 本発明の第１実施形態によるトルクセンサにおいて多極磁石が（ａ）：左方向に回転した状態、（ｂ）：右方向に回転した状態を示す正面図である。 本発明の第１１実施形態によるトルクセンサの分解斜視図である。 本発明の第１１実施形態によるトルクセンサの（ａ）：断面図、（ｂ）集磁部のｂ方向矢視図である。 本発明の第１１実施形態によるトルクセンサの中立状態を示す正面図である。 本発明の第１１実施形態によるトルクセンサにおいて多極磁石が（ａ）左方向に回転した状態、（ｂ）右方向に回転した状態を示す正面図である。 本発明の第１１実施形態による磁気シールド部材の作用を説明する模式図である。 本発明の第１１実施形態によるトルクセンサの出力特性図である。 本発明の第１２実施形態によるトルクセンサの断面図である。 本発明の第１３実施形態によるトルクセンサの断面図である。 本発明の第１３実施形態によるトルクセンサの中立状態を示す正面図（図１３のＸＩＶ方向矢視図）である。 本発明の第１４実施形態によるトルクセンサの断面図である。

以下、本発明の複数の実施形態によるトルクセンサを図面に基づいて説明する。複数の実施形態において実質的に同一の構成には同一の符号を付して説明を省略する。
なお、第１実施形態は、共通の構成を説明するための参考形態である。また、第２〜第１０実施形態は欠番とする。第１３、第１４実施形態は参考形態に相当する。
［電動パワーステアリング装置に適用されるトルクセンサの全体構成］
最初に、本発明の各実施形態のトルクセンサに共通の構成について説明する。なお、トルクセンサの符号は、第１実施形態のトルクセンサ１０１を代表として用いる。
図２に示すように、本発明の実施形態によるトルクセンサ１０１は、車両のステアリング操作をアシストするための電動パワーステアリング装置に適用される。

図２は、電動パワーステアリング装置９０を備えたステアリングシステムの全体構成を示す。ハンドル９３に接続されたステアリングシャフト９４には操舵トルクを検出するためのトルクセンサ１０１が設置されている。ステアリングシャフト９４の先端にはピニオンギア９６が設けられており、ピニオンギア９６はラック軸９７に噛み合っている。ラック軸９７の両端には、タイロッド等を介して、一対の車輪９８が回転可能に連結されている。ステアリングシャフト９４の回転運動は、ピニオンギア９６によってラック軸９７の直線運動に変換され、一対の車輪９８が操舵される。

トルクセンサ１０１は、ステアリングシャフト９４を構成する入力軸１１と出力軸１２との間に設けられ、ステアリングシャフト９４に加わる操舵トルクを検出してＥＣＵ９１に出力する。ＥＣＵ９１は、検出された操舵トルクに応じて、モータ９２の出力を制御する。モータ９２が発生した操舵アシストトルクは、減速ギア９５を介して減速され、ステアリングシャフト９４に伝達される。

次に、各実施形態のトルクセンサに共通の構成について、第１実施形態の図１、図３〜図５を参照して説明する。
図１に示すように、トルクセンサ（１０１）は、トーションバー１３、多極磁石１４、一組のヨーク３１、３２、一組の集磁リング（５０２）、及び磁気センサ４１等から構成される。なお、トルクセンサ、及び一組の集磁リングは実施形態毎に符号が異なるため、ここでは符号に括弧を付けて示す。

トーションバー１３は、一端側が「第１の軸」としての入力軸１１に、他端側が「第２の軸」としての出力軸１２に、それぞれ固定ピン１５で固定され、入力軸１１と出力軸１２とを回転軸Ｏの同軸上に連結する。トーションバー１３は、棒状の弾性部材であり、ステアリングシャフト９４に加わる操舵トルクを捩じれ変位に変換する。
円筒状の多極磁石１４は、入力軸１１に固定され、Ｎ極とＳ極とが周方向に交互に着磁される。例えば本実施形態では、Ｎ極とＳ極との数は１２極対、計２４極である。

一組のヨーク３１、３２は、軟磁性体からなる環状体であり、多極磁石１４の径外側で出力軸１２に固定される。ヨーク３１、３２は、それぞれ、多極磁石１４のＮ極およびＳ極と同数（本実施形態では１２個）の爪３１５、３２５がリングの内縁に沿って全周に等間隔に設けられる。一方のヨーク３１の爪３１５と他方のヨーク３２の爪３２５とは、周方向にずれて交互に配置される。こうして、一方のヨーク３１と他方のヨーク３２とは、軸方向にエアギャップを介して対向している。一組のヨーク３１、３２は、多極磁石１４が発生する磁界内に磁気回路を形成する。

ここで、多極磁石１４と一組のヨーク３１、３２とは、トーションバー１３に捩じれ変位が生じていない時、すなわち、入力軸１１と出力軸１２との間に操舵トルクが加わっていない時、ヨーク３１、３２の爪３１５、３２５の中心と多極磁石１４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。

一組の集磁リング（５０２）は、軟磁性体で形成され、本体部（５６）、連結部（５７）、及び集磁部（５２１、５２２）を含む。一組の集磁リング（５０２）は、図１の上下方向であるトーションバー１３の軸方向に、互いに対向するように設けられ、一組のヨーク３１、３２の磁束を集磁部（５２１、５２２）に集める。

集磁部（５２１、５２２）の間には、少なくとも１つの磁気センサ４１が備えられる。磁気センサ４１は、感磁部４１０を通過する磁束密度を電圧信号に変換してリード線４９に出力する。磁気センサ４１として具体的には、ホール素子、磁気抵抗素子等を使用することができる。
以下、実施形態毎に、一組の集磁リング、磁気センサ等についての特有の構成、及び、その構成によって導かれる作用効果を説明する。

［磁気シールド部材を用いて出力変動を低減する実施形態］
次に、磁気シールド部材を用いて出力変動を低減する本発明の第１１〜第１４実施形態について、図６〜図１５を参照して説明する。

（第１１実施形態）
第１１実施形態に特有の構成について、図６〜図１０を参照して説明する。第１１実施形態のトルクセンサ２０１の一組の集磁リング５０１は、半円形状の本体部５６、本体部５６の径外方向に突出する集磁部５１、及び、本体部５６と集磁部５１とを連結する連結部５７から構成され、ヨーク３１、３２の磁束を集磁部５１に集める。一組の集磁リング５０１は、特許請求の範囲に記載の「一組の集磁体」に相当する。
図８、図９に示すように、一組の集磁リング５０１の本体部５６は、軸方向において一組のヨーク３１、３２の間に設けられる。ここで、本体部５６は半円形状に形成されているため、ヨーク３１、３２の径外方向から組み付け可能である。
また、図７に示すように、本体部５６は、半円の外縁がヨーク３１、３２の外周と一致するように設けられており、軸方向に投影したときヨーク３１、３２と重複している。

一組の集磁リング５０１の集磁部５１について、図６の上側の集磁部と下側の集磁部とを区別するときは、上側の集磁部の符号末尾に「１」を付し、下側の集磁部の符号末尾に「２」を付す。以下の第１２〜第１４実施形態でも同様とする。
図６、図８、図９に示すように、集磁部５１１と集磁部５１２との間には、磁気センサ４１が備えられている。磁気センサ４１は、感磁部４１０が樹脂でモールドされた平板状のＩＣパッケージの形態で構成されており、具体的には、ホール素子や磁気抵抗素子のＩＣパッケージである。

トルクセンサ２０１は、リング状の磁気シールド部材７１を備えることを特徴とする。磁気シールド部材７１は、鉄やパーマロイ等の軟磁性体で形成され、軸方向において一組のヨーク３１、３２の間であって、径方向において、多極磁石１４の着磁円周面の外側かつ磁気センサ４１の感磁部４１０の内側に設けられる。
また本実施形態では、磁気シールド部材７１は、径方向において、ヨーク３１、３２の爪３１５、３２５の外側であって、集磁リング５０１の本体部５６の内縁の内側に設けられる。言い換えれば、磁気シールド部材７１は、径方向において、一組の集磁リング５０１の本体部５６とずれた位置に設けられる。
さらに本実施形態では、磁気シールド部材７１は、多極磁石１４又はヨーク３１、３２と共に回転可能な側に設置される。

ここで、トルクセンサ２０１の作動について、図８、図９を参照して説明する。
図８は、入力軸１１と出力軸１２との間に操舵トルクが加わっておらず、トーションバー１３に捩じれ変位が生じていない中立状態を示す。このとき、図の多極磁石１４の正面の中央にＳ極が見えている。また、ヨーク３１、３２の爪３１５、３２５の中心が、多極磁石１４のＮ極とＳ極との境界に一致する。

この状態では、磁気ヨーク３１、３２の爪３１５、３２５には、多極磁石１４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３１と他方の磁気ヨーク３２の内部でそれぞれ磁力線が閉ループを形成する。したがって、磁気ヨーク３１と磁気ヨーク３２との間のギャップに磁束が漏れることはなく、磁気センサ４１が検出する磁束密度はゼロとなる。

入力軸１１と出力軸１２との間に操舵トルクが印加されてトーションバー１３に捩じれ変位が生じると、入力軸１１に固定された多極磁石１４と出力軸１２に固定された一組の磁気ヨーク３１、３２との相対位置が周方向に変化する。図９（ａ）、（ｂ）は、中立状態から、多極磁石１４がヨーク３１、３２に対し相対回転した状態を示す。図９（ａ）は、多極磁石１４が正面から見て左方向に７．５°回転した状態を示し、図９（ｂ）は、多極磁石１４が正面から見て右方向に７．５°回転した状態を示している。

図９（ａ）の状態では、ヨーク３１の爪３１５がＮ極と、ヨーク３２の爪３２５がＳ極と対向する。図９（ｂ）の状態では、ヨーク３１の爪３１５がＳ極と、ヨーク３２の爪３２５がＮ極と対向する。そのため、磁気ヨーク３１と磁気ヨーク３２には、それぞれ逆の極性を有する磁力線が増加する。
その結果、磁気センサ４１を通過する磁束密度は、トーションバー１３の捩じれ変位量に略比例し、かつトーションバー１３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４１が検出し、電圧信号として出力することで、トルクセンサ２０１は、入力軸１１と出力軸１２との間の操舵トルクを検出する。

図１０を参照すると、磁気センサ４１で検出される磁束ΦＤは、多極磁石１４のＮ極からヨーク３１、集磁リング５０１の集磁部５１１を経由して磁気センサ４１に到達する。そして、磁気センサ４１を通り、さらに集磁リング５０１の集磁部５１２、ヨーク３２を経由して、多極磁石１４の図示断面とは異なる断面にあるＳ極へ向かう。

ところで、上記構成のトルクセンサ２０１では、多極磁石１４とヨーク３１、３２とが一体に回転したときには、磁気センサ４１の出力は一定であることが望ましい。しかし、仮に磁気シールド部材７１を設けない場合には、図１０に破線で示す磁束ΦＲが、多極磁石１４からヨーク３１、３２を経由せず空間を通って直接磁気センサ４１の感磁部４１０に到達する。この磁束ΦＲの影響により、出力変動が発生する。

そこで本実施形態では、磁気シールド部材７１を設けることで、多極磁石１４から直接磁気センサ４１に向かう磁束ΦＲを遮蔽する。これをイメージで表すと、多極磁石１４から空中に放射された磁束ΦＲ’は、磁気シールド部材７１に当たって跳ね返されるため、磁気センサ４１に到達しない。
図１０を参照すると、磁気シールド部材７１を設ける最適な位置を推測することができる。軸方向においては、磁気シールド部材７１をヨーク３１、３２の間に設ける必要があることは自明であり、特に、磁気シールド部材７１が軸方向の範囲に磁気センサ４１を含むようにすることが好ましい。

径方向においては、磁気シールド部材７１をヨーク３１、３２の爪３１５、３２５よりも磁気センサ４１側、すなわち爪３１５、３２５の外側に設ける必要があることは自明である。また、仮に磁気シールド部材７１と一組の集磁リング５０１の本体部５６とが径方向において重なると、集磁リング５０１の一方の本体部５６から磁気シールド部材７１を経由して他方の本体部５６へ向かう磁気経路が構成される。すると、集磁リング５０１に集められた磁束の一部がこの経路に逃げるため、磁気センサ４１へ伝わる磁束が減少することとなる。これを防ぐため、磁気シールド部材７１は、径方向において、一組の集磁リング５０１の本体部５６とずれた位置に設けられることが好ましい。

以上の構成により、本実施形態のトルクセンサ２０１は、磁気シールド部材７１を設けることで、多極磁石１４から直接磁気センサ４１に向かう磁束を遮蔽することができる。よって、図１１に示すように、磁石１４とヨーク３１、３２とを一体に回転させたときの出力変動を低減することができる。

ここで、本実施形態では、磁気シールド部材７１は、多極磁石１４又はヨーク３１、３２と共に回転可能な側に設置されるため、磁気センサ４１と対向しシールド機能を発揮する部位が回転に伴って周方向に変化する。したがって、磁気シールド部材７１は、全周にわたってリング状に形成される必要がある。

また、本実施形態では、一組の集磁リング５０１を備えることで、ヨーク３１、３２の磁束を効率良く集磁部５１に集めることができる。一組の集磁リング５０１の本体部５６は半円形状に形成されており、ヨーク３１、３２の径外方向から組み付け可能であるため、環状の集磁リングに比べ組み付け性が向上する。
また、一組の集磁リング５０１の本体部５６は、軸方向においてヨーク３１、３２の間に設けられ、軸方向に投影したときヨーク３１、３２と重複しているため、集磁可能な磁束量を増加することができる。

続いて、第１２〜第１４実施形態について、図１２〜図１５を参照して説明する。これらの実施形態は、磁気シールド部材の軸方向の配置は第１１実施形態と同様であり、磁気シールド部材の径方向の配置や形状等が第１１実施形態と異なる。

（第１２実施形態）
図１２に示すように、第１２実施形態のトルクセンサ２０２は、第１１実施形態と同様に環状の磁気シールド部材７２が設けられている。この磁気シールド部材７２は、多極磁石１４又はヨーク３１、３２と共に回転可能な側に設置される。
また、磁気シールド部材７２は、径方向において、集磁リング５０１の本体部５６の外縁の外側かつ磁気センサ４１の感磁部４１０の内側に設けられる。この場合、磁気シールド部材７２は、径方向において、一部が集磁リング５０１の連結部５７と重なるものの、大部分は集磁リング５０１の本体部５６とずれた位置に設けられる。
この構成により、第１１実施形態と同様の作用効果が得られる。

（第１３、第１４実施形態）
図１３、図１４に示すように、第１３実施形態のトルクセンサ２０３は、リングを半分に切断した「Ｃ字状」の磁気シールド部材７３が設置される。この磁気シールド部材７３は、第１１、第１２実施形態とは異なり、回転側でなく、磁気センサ４１と共に固定される側に設置される。固定側に設置される場合には、周方向の磁気センサ４１側だけにシールド機能を発揮する部位を有していればよいため、このようなＣ字状に形成されている。

要するに、磁気シールド部材が固定側に設置される場合には、図１５に示す第１４実施形態のトルクセンサ２０４のように、最小限の磁気シールド部材７４は、周方向において少なくとも磁気センサ４１の範囲に対応する範囲に設けられるものであればよい。すなわち、磁気シールド部材７４の周方向の幅Ｗｓが磁気センサ４１の周方向の幅Ｗｄ以上であればよい。磁気シールド部材７４を最小限に形成することで、部品コストを低減することができる。

（磁気シールド部材を用いる実施形態の変形例）
多極磁石１４から直接磁気センサ４１に向かう磁束を磁気シールド部材によって遮蔽するトルクセンサにおいて、「一組の集磁体」としての一組の集磁リングを備えなくてもよい。一組の集磁リングを備えない場合、第１１、第１２実施形態のように、磁気シールド部材と集磁リングとが径方向に重なることについての配慮は不要となる。

［本発明による出力変動を低減するトルクセンサのその他の実施形態］
（ア）多極磁石の磁極数は、１２極対、２４極に限らない。また、これに対応するヨーク３１、３２の爪３１５、３２５の数も各１２個に限らない。
（イ）上記説明におけるＮ極とＳ極とを逆にしてもよい。

（ウ）上記実施形態では、「磁石および一組の磁石端ヨーク」がトーションバー１３の入力軸１１側に固定され、「一組の中間ヨーク」がトーションバー１３の出力軸１２に固定される。これと逆に、「磁石および一組の磁石端ヨーク」が出力軸１２に、「一組の中間ヨーク」が入力軸１１に固定されてもよい。

以上、本発明はこのような実施形態に限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲において、種々の形態で実施することができる。例えば、電動パワーステアリング装置に限らず、軸トルクを検出する様々な装置に適用することができる。

２０１〜２０４・・・トルクセンサ、
１１ ・・・入力軸（第１の軸）、 １２ ・・・出力軸（第２の軸）、
１３ ・・・トーションバー、 １４ ・・・多極磁石、
３１、３２・・・一組のヨーク、
４１ ・・・磁気センサ、
４１０・・・感磁部、
５０１・・・一組の集磁リング（一組の集磁体）、
７１、７２、７３、７４・・・磁気シールド部材。

Claims (2)

1. 第１の軸（１１）と第２の軸（１２）とを同軸上に連結し、前記第１の軸と前記第２の軸との間に加わるトルクを捩じれ変位に変換するトーションバー（１３）と、
   前記第１の軸または前記トーションバーの一端側に固定され、周方向にＮ極およびＳ極が交互に着磁された多極磁石（１４）と、
   前記多極磁石の径外側で前記第２の軸または前記トーションバーの他端側に固定され、かつ軸方向にギャップを介して対向し、前記多極磁石が発生する磁界内に磁気回路を形成する一組のヨーク（３１、３２）と、
   前記一組のヨークの径方向外側に設けられ、前記磁気回路に発生する磁束密度を検出する感磁部（４１０）を有する磁気センサ（４１）と、
   軟磁性体で形成され、軸方向において前記一組のヨークの間であって径方向において前記多極磁石の外側かつ前記感磁部の内側に設けられ、前記多極磁石から前記磁気センサの前記感磁部に直接到達する磁束を遮蔽する磁気シールド部材（７１、７２）と、
   を備え、
   前記磁気シールド部材は、環状に設けられ、前記多極磁石または前記一組のヨークと共に前記磁気センサに対して回転可能であることを特徴とするトルクセンサ（２０１、２０２）。
2. 前記一組のヨークから前記磁気センサに磁束を集める一組の集磁体（５０１）を備え、
   前記磁気シールド部材は、径方向において前記一組の集磁体とずれた位置に設けられることを特徴とする請求項１に記載のトルクセンサ。

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