JP5814443B2 - 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、一組のヨークから集磁部に磁束を集める一組の集磁体と、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、さらにスペーサを備えることを特徴とする。このスペーサは、磁気センサの感磁部が一組の集磁体の集磁部から等距離の位置に配置されるように一組の集磁体と磁気センサとの間隔を調整する。感磁部は、磁気センサの厚さ方向の中心からずれた位置に設けられており、スペーサおよび磁気センサのモールド部分は、磁気的特性が同等である。
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よる出力変動は、集磁部の軸方向の中間位置ではゼロとなる傾向がある。したがって、スペーサにより感磁部を集磁部の軸方向の中間位置に配置することで、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１５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１５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１５実施形態によるトルクセンサの（ａ）：中立状態を示す正面図（図７のＶＩＩＩａ方向矢視図）、（ｂ）：（ａ）のｂ部拡大図である。 本発明の第１５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１６実施形態によるトルクセンサの拡大図である。 本発明の第１７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。

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１４実施形態は欠番とする。
［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。

［スペーサを用いて出力変動を低減する実施形態］
次に、スペーサを用いて出力変動を低減する本発明の第１５〜第１７実施形態について、図６〜図１１を参照して説明する。
（第１５実施形態）
まず、第１５実施形態について、図６〜図９を参照して説明する。図６に示すトルクセンサ２０５において、図の上側に示される入力軸１１側の集磁リング５０７は本体部５６１、連結部５７１、集磁部５１１を含み、図の下側に示される出力軸１２側の集磁リング５０７は本体部５６２、連結部５７２、集磁部５１２を含む。以下、集磁部５１１を「第１集磁部」、集磁部５１２を「第２集磁部」と区別する。
一組の集磁リング５０７は、特許請求の範囲に記載の「一組の集磁体」に相当する。

図６〜図８に示すように、第１集磁部５１１と第２集磁部５１２との間には、磁気センサ４１の他にスペーサ８１が介設されている。本実施形態では、スペーサ８１は、第１集磁部５１１と磁気センサ４１との間に設けられている。スペーサ８１は、樹脂等の非磁性体で形成されている。

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。ここで、一般に市販の磁気センサでは、ＩＣパッケージの厚さ方向の中心からずれた位置に感磁部が設けられている。例えば本実施形態では、図７（ｂ）、図８に示すように、感磁部４１０は、磁気センサ４１の厚さ方向の中心よりも第１集磁部５１１側にずれている。
そこで、第１集磁部５１１と磁気センサ４１との間に適当な厚さのスペーサ８１を介設することで、感磁部４１０が、第１集磁部５１１及び第２集磁部５１２から等距離の位置に配置されるようにする。すなわち、図７（ｂ）、図８において、第１集磁部５１１から感磁部４１０までの距離ｄ１と、第２集磁部５１２から感磁部４１０までの距離ｄ２とが等しくなるように調整する。

スペーサ８１は、樹脂等の非磁性体で形成されており、磁気センサ４１のＩＣパッケージの樹脂モールド部分と磁気的特性が同等である。したがって、距離ｄ１と距離ｄ２とが等しければ、第１集磁部５１１と感磁部４１０との間の磁気的な関係と、第２集磁部５１２と感磁部４１０との間の磁気的な関係が等価となる。

図９に示すように、距離ｄ１と距離ｄ２とが異なる場合には、距離ｄ１と距離ｄ２のいずれが大きいかによって、磁石１４とヨーク３１、３２とを一体に回転させたときの回転角度に対し、互いに逆向きの出力変動が発生する。それに対し、本実施形態では、スペーサ８１を用いて距離ｄ１と距離ｄ２とを等しく調整することで、出力変動を低減することができる。

ところで図８に示すように、感磁部４１０を含みトルクセンサ２０５の軸に直交する仮想平面Ｄを定義すると、集磁リング５０７は、集磁部５１１、５１２だけでなく本体部５６１、５６２も仮想平面Ｄに対称に形成されているため、両本体部５６１、５６２から仮想平面Ｄまでの距離ｅ１、ｅ２は等しい。また、多極磁石１４も仮想平面Ｄに対称に位置しているため、多極磁石１４の軸方向の両端部から感磁部４１０までの距離ｆ１、ｆ２は等しい。

しかしながら、出力変動の抑制効果は、あくまで、「感磁部４１０が第１集磁部５１１及び第２集磁部５１２から等距離の位置にある」構成によって実現されるのであり、集磁リング５０７の本体部５６１、５６２や多極磁石１４の対称性は重要な意味を持たない。したがって、第１５実施形態に代えて、次の第１６、第１７実施形態を採用してもよい。

（第１６、第１７実施形態）
図１０に示すように、第１６実施形態のトルクセンサ２０６では、集磁リング５０８の本体部５６３、５６４が仮想平面Ｄに対して非対称である。すなわち、図の上側の本体部５６３から仮想平面Ｄまでの距離ｅ１と図の下側の本体部５６４から仮想平面Ｄまでの距離ｅ３とは異なる。

また、図１１に示すように、第１７実施形態のトルクセンサ２０７では、多極磁石１４は、仮想平面Ｄに対して非対称である。すなわち、多極磁石１４の上端から仮想平面Ｄまでの距離ｆ１と多極磁石１４の下端から仮想平面Ｄまでの距離ｆ３とは異なる。
しかし、第１６、第１７実施形態のいずれも、第１集磁部５１１から感磁部４１０までの距離ｄ１と、第２集磁部５１２から感磁部４１０までの距離ｄ２とは等しい。したがって、第１５実施形態と同様に、出力変動を低減することができる。

（スペーサを用いる実施形態の変形例）
スペーサの数は１つに限らず、複数のスペーサを組み合わせてもよい。例えば、第１集磁部５１１と磁気センサ４１との間と、第２集磁部５１２と磁気センサ４１との間とに、厚さの異なるスペーサをそれぞれ介設してもよい。その場合、２つのスペーサの厚さの差を利用して、集磁部５１１、５１２の中心に感磁部４１０を配置することができる。
或いは、集磁部を厚さ方向の中心に配置したＩＣパッケージを特別に製作してもよい。この場合、思想的には、ＩＣパッケージの樹脂モールド部分の一部が本発明のスペーサを包含するものと解釈することができる。

［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。

２０５〜２０７・・・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、
５０７、５０８・・・一組の集磁リング（一組の集磁体）、
８１ ・・・スペーサ。

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、
   本体部（５６１、５６２、５６３、５６４）、及び当該本体部の径外方向に突出して形成される集磁部（５１１、５１２）から構成され、前記一組のヨークから前記集磁部に磁束を集める一組の集磁体（５０７、５０８）と、
   前記一組の集磁体の前記集磁部同士の間に設けられ、前記磁気回路に発生する磁束密度を検出する感磁部（４１０）を内部に有する平板状の磁気センサ（４１）と、
   前記磁気センサ内の前記感磁部が前記一組の集磁体の前記集磁部から等距離の位置に配置されるように前記集磁部と前記磁気センサとの間隔を調整するスペーサ（８１）と、
   を備え、
   前記感磁部は、前記磁気センサの厚さ方向の中心からずれた位置に設けられており、
   前記スペーサおよび前記磁気センサのモールド部分は、磁気的特性が同等であることを特徴とするトルクセンサ（２０５、２０６、２０７）。
2. 前記スペーサおよび前記磁気センサのモールド部分は、非磁性体で形成されてい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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