JP5837699B2 - トルクセンサ - Google Patents

Description

本発明は、例えば車両のパワーステアリング装置に適用され、運転者の操舵トルクを検出するトルクセンサに関する。

例えば自動車のパワーステアリング装置に適用される従来のトルクセンサとしては、以下の特許文献１に記載されたものが知られている。

概略を説明すれば、このトルクセンサは、トーションバーを介して相対回転可能に連結される２つの軸部材からなるステアリングシャフトのうち一方の軸部材の外周に結合され、周方向において複数の磁極を有する磁性部材と、前記２軸のうち他方の軸部材の外周に所定のホルダを介し連結される軟磁性体からなる一対の環状部材であって、それぞれ径方向内側に延設された複数の爪部を有し、軸方向において相互に対向するように配置される第１、第２ヨーク部材と、これら各ヨーク部材の周方向の一部の範囲に当該ヨーク部材間において（軸方向において）相互に対向するかたちで設けられ、両者間に磁界を発生させる一対の第１、第２集磁部材と、これら両集磁部材間に形成されるエアギャップ内に収容配置され、当該集磁部材間を通過する磁束を検出する磁気センサと、を備え、磁気センサにより検出される磁束（磁束密度）の変化に応じてステアリングシャフトへと入力されたトルクを検出するものである。

特開２００４−３０９４６３号公報

ところで、前記トルクセンサでは、前記磁性部材が、マグネットリングたる円環状のマグネットと当該マグネットをステアリングシャフトに固定するためのマグネットホルダたるスリーブとから構成されていて、これらマグネットとスリーブとは、所定の樹脂材を介して結合される構成となっている。

しかしながら、前記樹脂材は温度変化に弱く、経年劣化の影響も大きいことから、例えば金属材よりも大きな線膨張係数に基づく熱膨張や、冷間時の収縮による破損により、マグネットを安定して固定できないという問題があった。

本発明は、かかる技術的課題に鑑みて案出されたものであって、マグネットの固定状態を安定して維持し得るトルクセンサを提供するものである。

本発明は、トーションバーにより接続された金属材からなる第１軸部材及び第２軸部材により構成された回転部材に発生したトルクを検出するトルクセンサであって、前記第１軸部材を包囲するように円環状ないし円弧状に形成されたスリーブ本体と、前記スリーブ本体に設けられ該スリーブ本体を前記第１軸部材に固定する固定部と、前記スリーブ本体に設けられ使用状態において鉛直方向上側に面する支持面を有する軸方向位置規制部と、前記スリーブ本体に設けられ前記回転部材の回転軸方向に向かって延設された径方向位置規制部とから構成される金属材からなるスリーブと、樹脂材と磁性材の複合材により前記第１軸部材を包囲する円環状に形成され、かつ、周方向に異なる磁極が交互に配置され、前記支持面上に配置されることによって前記回転部材の回転軸方向位置が規制されると共に、前記径方向位置規制部によってその径方向位置が規制されるマグネットと、前記マグネットと前記径方向位置規制部の双方に密着するかたちで設けられ、前記マグネットよりもヤング率の小さい樹脂材によって形成された充填材と、前記マグネットと対向するように配置された複数の第１爪部と、該各第１爪部同士を接続する第１円環部とを有し、前記第２軸部材と一体回転するように該第２軸部材に設けられた磁性材からなる第１ヨーク部材と、前記各第１爪部の周方向間に交互に並ぶかたちで前記マグネットと対向するように配置された複数の第２爪部と、該各第２爪部同士を接続する第２円環部と、を有し、前記第２軸部材と一体回転するように該第２軸部材に設けられた磁性材からなる第２ヨーク部材と、前記第１ヨーク部材と前記第２ヨーク部材との間に生ずる磁界の変化を検出するホール素子を有する磁気センサと、を備え、前記磁気センサの出力信号に基づいて前記回転部材に発生したトルクを検出することを特徴としている。

本発明によれば、金属材によって形成されたスリーブの支持面と径方向位置規制部とをもってマグネットの軸方向及び径方向の位置ずれが抑制可能となる結果、第１軸部材に対する当該マグネットの固定状態の安定した維持が図れる。

本発明に係るトルクセンサの適用対象たるパワーステアリング装置の構成を示す概略図である。 本発明に係るトルクセンサの第１実施形態を示し、図１に示す操舵系（第１ラック・ピニオン機構近傍）の縦断面図である。 図２に示すトルクセンサの斜視図である。 図３に示すトルクセンサの分解斜視図である。 図２のＡ−Ａ線に沿う断面図である。 図５（ａ）に示すトルクセンサ近傍の要部拡大図である。 本発明に係るトルクセンサの第１実施形態を示し、図６に示す磁性部材の分解斜視図である。 図７に示す永久磁石とスリーブの組立体を表した斜視図である。 図８をＢ方向から見た矢視図である。 図７に示す組立体に充填材を充填してなる図６に示す磁性部材の斜視図である。 図６に示す磁性部材近傍の要部拡大図である。 図７に示す組立体の要部拡大平面図である。 本発明に係るトルクセンサの第１実施形態の第１変形例を表した図であって、図１１の要部拡大図に相当する図である。 本発明に係るトルクセンサの第１実施形態の第２変形例を表した図であって、図１１の要部拡大図に相当する図である。 本発明に係るトルクセンサの第１実施形態の第３変形例を表した図であって、図１１に相当する磁性部材の要部拡大断面図である。 本発明に係るトルクセンサの第１実施形態の第４変形例を表した図であって、図１１に相当する磁性部材の要部拡大断面図である。 本発明に係るトルクセンサの第２実施形態を示し、図１に示す操舵系（第１ラック・ピニオン機構近傍）の縦断面図である。 図１７に示す磁性部材を表した図であって、（ａ）が分解斜視図、（ｂ）が（ａ）に示す永久磁石とスリーブの組立体を表した斜視図である。 図１７に示す磁性部材の断面図であって、（ａ）は図１７に示す磁性部材近傍の要部拡大図、（ｂ）は（ａ）のＣ−Ｃ線断面図である。 本発明の第２実施形態の第１変形例に係る磁性部材を表した図であって、（ａ）が分解斜視図、（ｂ）が（ａ）に示す永久磁石とスリーブの組立体を表した斜視図である。 同変形例に係る磁性部材の断面図であって、（ａ）は図１７に示す磁性部材近傍の要部拡大相当図、（ｂ）は（ａ）のＤ−Ｄ線断面図である。 本発明の第２実施形態の第２変形例に係る磁性部材を表した図であって、（ａ）が分解斜視図、（ｂ）が（ａ）に示す永久磁石とスリーブの組立体を表した斜視図である。 同変形例に係る磁性部材の断面図であって、（ａ）は図１７に示す磁性部材近傍の要部拡大相当図、（ｂ）は（ａ）のＥ−Ｅ線断面図である。

以下、本発明に係るトルクセンサの実施形態等につき、図面に基づいて詳述する。なお、下記の実施形態等では、このトルクセンサを、自動車のラック・ピニオン式電動パワーステアリング装置に適用したものを例に説明する。
〔第１実施形態〕
図１〜図１２は、本発明に係るトルクセンサの第１実施形態を示す。まず、本発明に係るトルクセンサの適用対象たる電動パワーステアリング装置は、図１に示すように、一端側がステアリングホイールＳＷに連係される入力軸１（本発明に係る第２軸部材に相当）と、一端側が前記入力軸１にトーションバー２を介して相対回転可能に連結される第１出力軸３（本発明に係る第１軸部材に相当）とからなる操舵軸が車体幅方向の一方側に設けられる第１ラック・ピニオン機構ＲＰ１を介して図示外の転舵輪に連係されると共に、前記操舵軸の外周に配設されるトルクセンサＴＳ１の出力信号に基づいてＥＣＵ４により駆動制御される電動モータＭに例えばウォームギヤなど所定の減速機構５を介して連係される第２出力軸６が車体幅方向の他方側に設けられる第２ラック・ピニオン機構ＲＰ２を介して前記図示外の転舵輪に連係されることによって構成されている。なお、前記操舵軸を構成する両軸１，３は、所定の磁性金属材料によって形成されている。

ここで、前記第１ラック・ピニオン機構ＲＰ１は、第１出力軸３の他端側に設けられるピニオン歯３ａと、各端がタイロッド７，７を介してそれぞれ前記図示外の転舵輪に連係されるラックバー８の一端側に設けられる図示外の第１ラック歯とから構成され、第２ラック・ピニオン機構ＲＰ２は、第２出力軸６の先端部に連係される第２ピニオン歯６ａと、前記ラックバー８の他端側に設けられる図示外の第２ラック歯とから構成されている。

そして、上述のような構成から、ステアリングホイールＳＷより入力軸１へと入力された操舵トルクに基づいてトーションバー２が捩れ変形し、この捩れ変形に伴い当該トーションバー２の復元時に生ずる回転トルクに基づいて回転する第１出力軸３の回転運動が前記第１ラック・ピニオン機構ＲＰ１を介してラックバー８の直線運動に変換されると共に、前記操舵トルクに基づいて電動モータＭに生ずる操舵アシストトルクに基づいて回転する第２出力軸６の回転運動が前記第２ラック・ピニオン機構ＲＰ２を介してラックバー８の直線運動に変換されることで、前記電動モータＭによる操舵補助を得つつ前記図示外の転舵輪の向きが変更されることとなる。

前記操舵軸は、特に図２に示すように、入力軸１の他端側と第２出力軸３の全体とが前記第１ラック・ピニオン機構ＲＰ１を収容する第１ギヤハウジング１０の内部に収容される構成となっていて、当該第１ギヤハウジング１０は、周方向に複数配置されるボルト９により締結される一対のハウジング構成部材である、第１出力軸３の全体を収容するほぼ円筒状のハウジング本体１１と、このハウジング本体１１の上端部である一端側開口部を閉塞するように設けられるハウジングカバー１２と、から構成されている。

前記ハウジング本体１１は、一端側が段差状に拡径されてなる大径部１１ａとして構成される一方、他端側が第２出力軸３の外径よりも若干大きい程度の比較的小径に形成されてなる小径部１１ｂとして構成されていて、前記大径部１１ａ内に収容される入力軸１の他端部と第２出力軸３の一端部とを突き合わせてなる両軸１，３の連結部の外周域に、前記トルクセンサＴＳ１が配設されている。また、前記ハウジング本体１１の小径部１１ｂの両端部には一対の軸受ＢＲ１，ＢＲ２が配設されていて、該一対の軸受ＢＲ１，ＢＲ２により第２出力軸３が回転自在に支持されるようになっている。一方、ハウジングカバー１２にも、軸方向中間部に形成される括れ部１２ａの内周に軸受ＢＲ３が配設されていて、該軸受ＢＲ３により入力軸１が回転自在に支持されるようになっている。

前記トルクセンサＴＳ１は、図２〜図６に示すように、ほぼ筒状に構成され、第１出力軸３の一端部外周に取付固定されることで当該第１出力軸３と一体回転可能に設けられる磁性部材２０と、いずれも軟磁性体によりほぼ円筒状に構成され、共に入力軸１の他端部外周に取付固定されることで当該入力軸１と一体回転可能に設けられ、一端側（図６中の下端部側）が前記磁性部材２０の径方向において当該磁性部材２０と対向し、かつ、相互に離間する（直接接続されない）ように設けられた一対の第１、第２ヨーク部材３１，３２と、これらヨーク部材３１，３２の他端側（図６中の上端部側）において当該両ヨーク部材３１，３２間に形成される径方向隙間に収容配置され、当該両ヨーク部材３１，３２の他端側へと漏洩した前記磁性部材２０による磁界（磁束）を所定の範囲に集約するほぼ円環状に形成された一対の第１、第２集磁リング５１，５２と、これら両集磁リング５１，５２間に所定の隙間たるエアギャップを介して収容配置され、当該両集磁リング５１，５２の間を通過する前記磁束を検出する一対の磁気センサ６０，６０と、から主として構成されている。

前記磁性部材２０は、図７、図１０、図１１に示すように、樹脂材料と磁性材料の複合材料によって円環状に形成されたマグネットである永久磁石２１と、金属材料によりほぼ円筒状に形成され、前記永久磁石２１を第１出力軸３へと固定するスリーブ２３と、が当該両者２１，２２間に充填される樹脂材料からなる充填材２２によって一体にモールド成形されたものであり、第１出力軸３の一端部外周に段差状に拡径形成された大径部３ｂに外嵌させたスリーブ２３の固定部であるテーパ状先端部２３ａを周方向に沿ってレーザ溶接することにより、当該スリーブ２３を介して第１出力軸３の外周に固定されている。

より具体的には、前記永久磁石２１は、周方向に異なる磁極（Ｎ極、Ｓ極）が交互に複数（本実施形態では各８極ずつ全１６極）配置されてなるもので、その外周面２１ａは平坦状に構成されている一方、その内周面２１ｂには、周方向９０度の等間隔位置に、軸方向に沿って貫通する断面ほぼ矩形凹状に構成された４つの係合溝２４が切欠形成されている。

なお、この永久磁石２１の内径は、少なくとも当該永久磁石２１の冷間収縮量よりも大きく設定されていて、この永久磁石２１の冷間収縮時に第１出力軸３と圧接することによって生ずる内部応力に基づいた当該永久磁石２１の磁界特性の変化が回避可能となっている。

前記スリーブ２３は、例えばステンレスやアルミニウムといった非磁性金属材料をもって薄肉に成型されてなるもので、前記大径部３ｂに嵌合可能に設けられた円筒状のスリーブ本体２５と、このスリーブ本体２５の基端（永久磁石２１と近接する側の端部）から径方向に沿ってそれぞれ独立して延設されることによって久磁石２１の支持に供する４つの支持面２６ａを有する軸方向位置規制部としてのフランジである支持部２６と、これら各支持部２６の周方向間に軸方向に沿って延設され、それぞれ永久磁石２１の各係合溝２４に係合することによって永久磁石２１の径方向の位置ずれ規制に供する径方向位置規制部である４つの係合突起２７と、から構成されている。

ここで、前記各支持部２６は、それぞれ周方向に沿って比較的大きな周方向幅に設定されると共に、永久磁石２１と同等の径方向幅に設定され、かかる所定の寸法構成をもって、永久磁石２１の安定した支持が可能となっている。

前記各係合突起２７は、各支持部２６の周方向間ほぼ中間位置において隣接する支持部２６との間に所定の周方向隙間Ｃ１（図１２参照）を空けるかたちで配置され、かつ、縦断面ほぼＬ字状となるようにスリーブ本体２５の基端から径方向外側へオフセットするかたちで立設されたものであり、当該スリーブ本体２５の基端から径方向外側へ水平状に延出することで後記の係合部２９を弾性変形可能に支持する弾性基部２８と、該弾性基部２８の先端より曲折状に立設され、各係合溝２４に嵌挿されることによって当該各係合溝２４との係合に供する係合部２９と、から構成されている。なお、これら各係合突起２７は、前述のような薄肉金属材料によって形成されていることで、前記弾性基部２８の基端部を支点として比較的容易に弾性変形可能となっている。

また、前記各係合突起２７と前記各係合溝２４の寸法関係としては、図１２に示すように、径方向においては、これら両者２４，２７の間に所定の径方向隙間Ｃ２が形成される設定となっている。すなわち、この径方向隙間Ｃ２は、少なくとも永久磁石２１の冷間収縮量よりも大きく設定され、これによって、永久磁石２１の冷間収縮時に係合突起２７と圧接することによって生ずる内部応力に基づいた磁界特性変化を回避することが可能となっている。なお、この際、当該各係合突起２７は、上述したような良好な弾性特性を有していることから、たとえ上記径方向隙間Ｃ２が小さく、永久磁石２１の冷間収縮によって当該各係合突起２７に押圧力が作用してしまう場合であっても、当該押圧力は上記弾性特性により低減され、永久磁石２１に生ずる内部応力の抑制が図れることとなる。

さらに、周方向においても、前記各係合突起２７と前記各係合溝２４との間には、一対の周方向隙間Ｃ３，Ｃ３が形成される設定となっている。すなわち、この周方向隙間Ｃ３，Ｃ３についても、永久磁石２１の冷間収縮量より大きく設定され、これによって、上記径方向隙間Ｃ２の場合と同様、永久磁石２１の内部応力に基づいた磁界特性の変化が回避可能となっている。

また、本実施形態では、１６の磁極数を有する永久磁石２１に対して４つの係合突起２７を周方向に等間隔に配置する構成、すなわちＮ、Ｓ４つの磁極間に１つの係合突起２７を配置する構成となっていることから、永久磁石２１における各係合突起２７の影響の均一化が図られ、磁界がアンバランスとなってしまう不具合についても回避可能となっている。

前記充填材２２は、永久磁石２１よりもヤング率の小さい所定の樹脂材料によって形成されるもので、図１０、図１１に示すように、永久磁石２１の内周面側及び上下面側のほぼ全体を被覆するような内周被覆部２２ａ、上方被覆部２２ｂ及び下方被覆部２２ｃからなる縦断面コ字形状を成すように充填（形成）され、前記両周方向隙間Ｃ１，Ｃ３を含めて永久磁石２１と係合突起２７とに跨るように、当該両者２１，２７間の凹凸を埋め、かつ、当該両者２１，２７に密着するかたちで設けられる。

具体的には、図７に示すような状態から各係合部２９を各係合溝２４に係合させるように永久磁石２１をスリーブ本体２５の支持部２６上に載置した後、この組立体２１ａ（図８参照）を図示外の成形型内にセットし、当該成型型内へと充填材２２を充填した後、これを冷却固化させることで、図１０のように前記組立体２１ａが充填材２２により鋳包まれてなる前記磁性部材２０が成型される。なお、この充填材２２によってモールド成形された磁性部材２０頂部の充填材２２正面に各係合溝２４に対応するように設けられる４つの凹部３０は、前記成形型内において前記各係合溝２４を介して前記組立体２１ａを位置決め固定することによって形成されるものである。

前記第１ヨーク部材３１は、図２〜図６に示すように、一端側が比較的大径かつ他端側が比較的小径となる縦断面クランク状に形成されたものであって、一端側において径方向外側に拡径するような縦断面ほぼ逆さＬ字状となるように、かつ、磁性部材２０の外周域において所定の周方向間隔を空けるかたちで前記操舵軸（回転軸Ｚ）の同心円上に並ぶように形成された複数の第１爪部４１と、他端側において前記回転軸Ｚの周方向に沿って連続するような円環状に形成され、前記各第１爪部４１の基部に接続されることで当該各第１爪部４１同士を相互に接続する第１円環部４３と、によって構成されている。

前記第２ヨーク部材３２は、一端側が比較的小径かつ他端側が比較的大径となる縦断面クランク状に形成されたものであって、一端側において径方向内側に縮径するような縦断面ほぼ逆さＬ字状となるように、かつ、磁性部材２０の外周域において前記回転軸Ｚの同心円上であって前記各第１爪部４１の周方向間に当該各第１爪部４１と同一円周上に交互に並ぶように所定の周方向間隔を空けるかたちで形成された複数の第２爪部４２と、他端側において前記回転軸Ｚの周方向に沿って連続するような円環状に形成され、前記各第２爪部４２の基部に接続されることで当該各第２爪部４２同士を相互に接続する第２円環部４４と、によって構成されている。

そして、かかる第１ヨーク部材３１と第２ヨーク部材３２とは、前記各第１爪部４１と前記各第２爪部４２とが同一円周上に交互に整列するように、かつ、第１円環部４３の外周側にて第２円環部４４が離間対向するように配置された状態で、隣接する前記各爪部４１，４２同士が前記磁性部材２０と同様の樹脂材料からなる絶縁部３３を介して結合されると共に、当該絶縁部３３を介して第１円環部４３の内周側に所定の金属材料によりほぼ円筒状に形成されてなるスリーブ３４が結合され、かかるスリーブ３４を介して入力軸１の外周に固定されている。この際の具体的な固定手段としては、前記磁性部材２０と同様、入力軸１の他端部外周に段差状に拡径形成された大径部１ａに外嵌させたスリーブ３４のテーパ状先端部３４ａを周方向に沿ってレーザ溶接することにより、前記スリーブ３４を介して第１出力軸３の外周に固定されている。

また、前記第１、第２爪部４１，４２は、それぞれ、前記回転軸Ｚの軸方向に沿って延設されて径方向において永久磁石２１と対向する第１、第２軸方向延出部４１ａ，４２ａと、該各軸方向延出部４１ａ，４２ａから曲折するように前記回転軸Ｚの径方向に沿って延設された第１、第２径方向延出部４１ｂ，４２ｂと、から構成されている。そして、前記両軸方向延出部４１ａ，４２ａは、少なくとも永久磁石２１の軸方向長さよりも大きな軸方向長さに設定されていて、当該両軸方向延出部４１ａ，４２ａにより永久磁石２１が径方向外側から完全に包囲される構成となっている。

前記第１、第２集磁リング５１，５２は、いずれも、周方向有端となる円弧状であって、かつ、１８０度を超える周方向範囲をもって前記回転軸Ｚを包囲するように構成されると共に、第１集磁リング５１を内周側、第２集磁リング５２を外周側として当該両集磁リング５１，５２が径方向において相互に重合するように配置され、周方向の一部に対向形成された後述の第１、第２平坦部５１ａ，５２ａによって形成される径方向隙間に前記一対の磁気センサ６０，６０が収容配置されるようになっている。

すなわち、前記第１集磁リング５１は、３２０度程度の周方向広範囲を包囲するほぼ円環状に形成されると共に、周方向に切断されてなる第１切欠部５１ｂの反対側（点対称となる位置）に、当該位置における所定の周方向範囲を横断面ほぼ矩形状となるように径方向外側へと突出させてなる第１平坦部５１ａが設けられている一方、前記第２集磁リング５２は、前記第１集磁リング５１よりも狭い２９０度程度の周方向範囲を包囲するようなほぼ円環状に形成されると共に、周方向に切断されてなる第２切欠部５２ｂの反対側（点対称となる位置）に、当該位置における所定の周方向範囲を平坦状となるよう径方向内側へと押圧してなる第２平坦部５２ａが設けられている。

ここで、上述のように、第１、第２集磁リング５１，５２同士は、内周側に配置される第１集磁リング５１に係る第１切欠部５１ｂの周方向範囲が狭く、外周側に配置される第２集磁リング５２に係る第２切欠部５２ｂの周方向範囲が広くなるように形成されることで、これら両集磁リング５１，５２の周長がほぼ等しくなるように構成されていて、これによって、当該両集磁リング５１，５２間の磁路抵抗が均一化されている。

そして、前記第１、第２集磁リング５１，５２は、前記磁性部材２０や前記両ヨーク部材３１，３２と同様の樹脂材料からなる絶縁部５３を介して相互に連結され、少なくともその軸方向領域の一部が前記両円環部４３，４４内にて当該両円環部４３，４４と径方向に重合するように、前記絶縁部５３を介して所定の固定手段（例えばボルトによる締結）によりハウジング本体１１の大径部１１ａに取付固定されている。

前記一対の磁気センサ６０，６０は、いずれも、前記第１、第２集磁リング５１，５２間の径方向隙間に収容配置され、その内部に収容されるホール素子により当該両集磁リング５１，５２（前記両平坦部５１ａ，５２ａ）間を通過する磁界（磁束）を検出するホールＩＣである検出部６１と、この検出部６１を前記トルクセンサＴＳ１の上方に配置される制御基板６３（図２参照）に接続するための接続端子６２と、から構成されている。すなわち、この磁気センサ６０，６０自体は、それぞれ、前記各接続端子６２，６２を介して制御基板６３に接続されることによって固定され、前記両集磁リング５１，５２間の径方向隙間内では当該各集磁リング５１，５２（前記各平坦部５１ａ，５２ａ）との間に前記所定のエアギャップを隔てるかたちで収容配置されている。そして、当該両磁気センサ６０，６０は、前記ホール素子によるホール効果を利用することで前記各検出部６１，６１により前記両集磁リング５１，５２間を通過する磁束密度を検出し、当該磁束密度に応じて変化する前記各検出部６１，６１からの出力信号をもって制御基板６３におけるトルク演算に供される。

なお、前記制御基板６３は、図２に示すように、ハウジング本体１１の大径部１１ａ側方に貫通形成された窓孔１１ｃを通じて当該ハウジング本体１１内へと引き込まれるボードｔｏボードコネクタ６４を介してＥＣＵ４（図１参照）に接続されている。

以下、本実施形態に係る前記トルクセンサＴＳ１の作用及びこれに伴う効果について、図１〜図６に基づいて説明する。

前記トルクセンサＴＳ１においては、入力軸１（前記両軸１，３間）に操舵トルクが作用しておらず前記操舵軸が中立状態にあるときは、永久磁石２１の各極境界が第１、第２爪部４１，４２の周方向のちょうど中間位置に位置することとなり、当該永久磁石２１の前記各爪部４１，４２に対する磁路抵抗は等しくなる。その結果、当該永久磁石２１に発生した磁界は第１、第２爪部４２との間で短絡して前記各円環部４３，４４へと漏洩することはないため、当該磁界の磁束が前記各磁気センサ６０，６０によって検出されることはない。

続いて、ステアリングホイールＳＷが操舵されて入力軸１（前記両軸１，３間）に操舵トルクが作用した場合には、永久磁石２１の各極境界が第１、第２爪部４１，４２の周方向一方側に偏倚することとなって、永久磁石２１の前記各爪部４１，４２に対する磁路抵抗のうち前記極境界が偏倚した周方向一方側の磁路抵抗が大きくなる。これによって、当該永久磁石２１に発生した磁界は、前記各円環部４３，４４へと漏洩し、当該各円環部４３，４４を渡って隣接する磁極へと流れることとなる。この結果、前記各集磁リング５１，５２間には一方側から他方側に磁束が通過することとなって、当該磁束密度が前記各磁気センサ６０，６０によって検出され、当該各磁気センサ６０，６０の出力信号により演算される操舵トルクに基づき、ＥＣＵ４にて電動モータＭによる操舵アシストトルクが演算される。なお、この際、前記各集磁リング５１，５２間を通過する磁束の方向をもって、操舵方向及びこれに基づいて付与される前記操舵アシストトルクの付与方向が特定されることとなる。

以上のように、本実施形態に係るトルクセンサＴＳ１によれば、金属材からなるスリーブ２３の支持部２６及び係合突起２７、さらには第１ヨーク部材３１の爪部４１（径方向延出部４１ｂ）をもって、たとえ充填材２２が経年劣化したり、温度変化によって破損したりしてしまった場合でも、永久磁石２１の軸・径方向、さらには周方向（回転方向）の位置ずれを規制することが可能となる。

すなわち、本実施形態の場合、永久磁石２１が各支持部２６上に載置されることにより、当該各支持部２６が永久磁石２１の鉛直下方移動のストッパーとして機能することとなる結果、充填材２２の劣化時等における永久磁石２１の鉛直下方側の移動規制を図ることができる。

しかも、この際、前記各支持部２６はスリーブ本体２５に対して径方向外側に延出するように設けられているため、これに載置される永久磁石２１の外径を大きく設定することが可能となって、トルクセンサＴＳ１の感度の向上にも供される。

さらに、各係合突起２７を各係合溝２４に係合させることにより、当該両者２４，２７の係合をもって、当該両者２４，２７間の径方向の相対移動が規制されると共に、当該両者２４，２７間の周方向の相対移動（相対回転）が規制されることとなる結果、充填材２２の劣化時等における永久磁石２１の周・径両方向の移動規制を図ることもできる。

なお、この際、スリーブ２３側に各係合突起２７が設けられ、永久磁石２１側に各係合溝２４が設けられていることで、永久磁石２１側に係合突起を配置する場合と比べて、当該係合突起の破損を抑制することが可能となり、トルクセンサＴＳ１の耐久性の向上にも供される。

加えて、磁性部材２０の鉛直上方に比較的近接するかたちで第１ヨーク部材３１が配置されることにより、当該第１ヨーク部材３１の径方向延出部４１ｂが永久磁石２１の鉛直上方移動のストッパーとして機能することとなる結果、充填材２２の劣化時等における永久磁石２１の鉛直上方側への移動規制を図ることもできる。

また、永久磁石２１とスリーブ２３の接続を充填材２２によって行ったことにより、当該充填材２２をもって前記両者２１，２３間のヤング率の差を吸収できることは勿論、特に本実施形態では、当該充填材２２に永久磁石２１よりもヤング率の小さい樹脂材を採用すると共に、当該充填材２２を永久磁石２１とスリーブ２３とに跨るかたちでこれら両者２１，２３を包むように充填する構成としたことにより、当該充填材２２の温度変化に伴う膨張・収縮をもって、永久磁石２１とスリーブ２３との結合力を高めることが可能となる。

具体的には、充填材２２が永久磁石２１とスリーブ２３との間に形成される隙間、例えば前記径方向隙間Ｃ２や前記各周方向隙間Ｃ１，Ｃ３に充填されることで、高温時には、充填材２２が前記各隙間Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３内で永久磁石２１よりも大きく熱膨張することによって、当該充填材２２が前記両者２１，２３間で突っ張るように当該両者２１，２３に対しさらに密着することとなる結果、これら永久磁石２１とスリーブ２３との結合力が高められることとなる。

一方、低温時には、充填材２２が永久磁石２１よりも小さく収縮することによって、永久磁石２１を外側から被覆している前記各被覆部２２ａ，２２ｂ，２２ｃが永久磁石２１とスリーブ２３とを外側から押さえ込むように当該両者２１，２３に対しさらに密着することとなる結果、かかる低温時においても、これら永久磁石２１とスリーブ２３との結合力が高められることとなる。特に、前記上方被覆部２２ｂと下方被覆部２２ｃの冷間収縮によって、前記両者２１，２３を挟み込むように作用することになるため、永久磁石２１の軸方向位置をより安定して維持することができる。

また、本実施形態では、各係合溝２４が永久磁石２１の内周部に配置され、第１、第２ヨーク部材３１，３２の各爪部４１，４２が永久磁石２１の外周側に配置される構成となっていることで、各係合溝２４によって磁界特性が変化してしまう不都合の抑制も図れる。

さらに、スリーブ２３については非磁性材料によって形成したことで、永久磁石２１の磁界によってスリーブ２３が磁化されることがなく、当該スリーブ２３を設けたことによって磁界特性が変化してしまうおそれもない。

加えて、本実施形態では、磁性部材２０（永久磁石２１）が固定される第１出力軸３が磁性材料によって形成されたものであることから、永久磁石２１の内周側にも磁性体が配置されることとなり、当該永久磁石２１のパーミアンス係数の向上にも供される。一方で、トルク検出に供する第１、第２爪部４１，４２については磁性体である第１出力軸３に対し遠く離間する永久磁石２１の外周側に配置されていることから、第１出力軸３が磁性材料で形成されることによるトルク検出精度への影響も最小限に抑えられる。

図１３は、本発明に係るトルクセンサの前記第１実施形態の第１変形例を示し、前記各係合突起２７の径方向オフセット量を拡大したものである。

すなわち、本変形例では、前記各係合溝２４が永久磁石２１の径方向中間部に下方から角穴状に穿設され、永久磁石２１の内外周面２１ａ，２１ｂが共に平坦状に形成されている。

よって、本変形例の場合も、前記各係合溝２４やこれに係合する前記各係合突起２７が永久磁石２１の外周面２１ａに臨んで第１、第２ヨーク部材３１，３２の爪部４１，４２と対向してしまうこともないことから、加工作業性の面では前記第１実施形態に劣るものの、当該第１実施形態と同様の作用効果が奏せられる。

また、特に、本実施例では、前記各係合溝２４が袋状に形成されていることによって、前記径方向隙間Ｃ２及び周方向隙間Ｃ３内における前記熱膨張効果が高められ、高温時における永久磁石２１とスリーブ２３の結合力のさらなる向上が図れる。

図１４は、本発明に係るトルクセンサの前記第１実施形態の第２変形例を示し、前記各係合突起２７の径方向オフセット量を前記第１変形例よりもさらに拡大したものである。

すなわち、本変形例では、前記永久磁石２１の外周面２１ａに前記各係合溝２４が穿設されていて、前記各弾性基部２８を延長することによって、前記各係合部２９が永久磁石２１の内周側から当該各係合溝２４内へ嵌挿される構成となっている。

したがって、本変形例の場合でも、前記各係合溝２４やこれに係合する前記各係合突起２７が永久磁石２１の外周面２１ａに臨んで第１、第２ヨーク部材３１，３２の爪部４１，４２と対向してしまうことによる磁界への影響を除き、前記第１実施形態と同様の作用効果を得ることができる。

図１５は、本発明に係るトルクセンサの第１実施形態の第３変形例を示し、前記第１実施形態における充填材２２の構成を変更したものである。

すなわち、前記充填材２２によって永久磁石２１の内周側を被覆するように構成した前記第１実施形態に対し、本実施形態では、充填材２２によって永久磁石２１の外周側を被覆する構成としたものであり、当該充填材２２を、上方被覆部２２ｂ及び下方被覆部２２ｃと外周被覆部２２ｄによって構成したものである。

このように、永久磁石２１の外周側に充填材２２を配置する場合であっても、前記第１実施形態と同様の作用効果が奏せられる。

図１６は、本発明に係るトルクセンサの第１実施形態の第４変形例を示し、前記第１実施形態における充填材２２の構成を変更したものである。

すなわち、本実施形態では、前記第１実施形態における充填材２２の上方被覆部２２ｂを廃止し、その代わりに、永久磁石２１の内周面２１ｂに周方向に沿う一連の周方向溝２１ｃを切欠形成し、当該周方向溝２１ｃを含めて充填材２２を充填することで内周被覆部２２ａとして構成したものである。

かかる構成によっても、永久磁石２１の安定保持の点で前記第１実施形態と同様の作用効果が奏せられることは勿論、温度変化に伴う充填材２２の膨張・収縮の観点でも、高温時には、前記周方向溝２１ｃ内にて充填材２２が熱膨張することによって前記永久磁石２１とスリーブ２３の結合力向上が図れる一方、低温時には、前記周方向溝２１ｃ内に充填される溝内充填部２２ｅと下方被覆部２２ｃの冷間収縮作用による前記永久磁石２１とスリーブ２３の結合力向上が図れることとなる。
〔第２実施形態〕
図１７〜図１９は、本発明に係るトルクセンサの第２実施形態を示している。なお、本実施形態においても、トルクセンサ及びこれが適用される電動パワーステアリング装置の基本構成については前記第１実施形態と同様であるため、前記第１実施形態と同様の構成については同一の符号を付すことにより、具体的な説明については省略する。

本実施形態に係るトルクセンサの適用対象であるパワーステアリング装置は、前記第１実施形態と異なり、前記軸受ＢＲ１がボールベアリングによって構成されると共に、当該軸受ＢＲ１がハウジング本体１１の大径部１１ａの内周に螺着されるロックナット１４によって固定され、このロックナット１４の内周側に本実施形態に係るトルクセンサＴＳ２を収容配置してなるものである。

そして、前記トルクセンサＴＳ２は、前記第１実施形態に係るトルクセンサＴＳ１とは反対に、前記スリーブ２３における支持部２６及び係合突起２７が共にスリーブ本体２５の基端から径方向内側へと向かって延設され、前記永久磁石２１がスリーブ本体２５よりも小径に構成されている。

すなわち、本実施形態に係る支持部２６は、径方向内側に向かって段差状に縮径するかたちで構成されてなるもので、スリーブ本体２５の基端から径方向内側に向かって延設され、大径部３ｂの端面と当接する第１支持部７１と、該第１支持部７１から鉛直方向上側へと向かって立設された基部７２と、該基部７２の先端から径方向内側に延設され、永久磁石２１を直接支持するフランジとしての第２支持部７３と、によって構成され、前記第２支持部７３の上面に構成される平坦状の支持面７３ａ上に永久磁石２１が載置されるようになっている。

したがって、本実施形態によれば、前記スリーブ２３における支持部２６をスリーブ本体２５の基端から径方向内側に向かって延出させる構成としたことで、トルクセンサＴＳ２としての径方向寸法の小型化を図ることができ、前記パワーステアリング装置など当該トルクセンサＴＳ２の適用対象に対する搭載性の向上や当該適用対象自体の小型化等に供される。

また、前記支持部２６については、基部７２によって永久磁石２１の支持部（第２支持部７３）をスリーブ本体２５から底上げするかたちで構成したため、かかる底上げによって、前記樹脂材２２の下方被覆部２２ｃを、永久磁石２１とスリーブ本体２５の間となる第２支持部７３の下側にも回り込ませることが可能となる。このように、軸方向において樹脂材２２の一部を第２支持部７３に係止させることで、永久磁石２１とスリーブ２３とをより強固に結合でき、永久磁石２１の保持性の向上も図れる。

図２０、図２１は本発明に係るトルクセンサの前記第２実施形態の第１変形例を示したものであり、前記第２実施形態における各係合突起２７を廃止し、該各係合突起２７の機能を各支持部２６に包摂させたものである。

すなわち、本変形例では、前記各支持部２６において、基部７２が第２支持部７３と一体に構成されると共に、該第２支持部７３が基端側に向かって漸次拡径するほぼ円錐テーパ状に形成されている。そして、かかる第２支持部７３の構成に伴い、前記永久磁石２１の下端部内周縁に、各第２支持部７３の高さ寸法よりも浅く形成され、かつ、該各第２支持部２６が係合可能に構成された各係合溝２４が切欠形成されている。

このように、前記各第２支持部７３を円錐テーパ状に構成したことで、該各第２支持部７３の外側面により構成される各支持面７３ａをもって、スリーブ２３に対する永久磁石２１の軸方向（鉛直下方）及び径方向の相対移動が規制可能になると共に、当該第２支持部７３の周方向側面をもって、スリーブ２３に対する永久磁石２１の周方向の相対移動が規制可能になる。これによって、スリーブ２３の構成の簡素化が図れ、第２実施形態の作用効果に加え、トルクセンサＴＳ２の生産性向上やコスト低減にも供される。

さらに、前記各第２支持部７３が円錐テーパ状に形成されていることにより、充填材２２の劣化時等には、当該円錐テーパ状の支持面７３ａにより永久磁石２１をセンタリング（調芯）することが可能となって、該永久磁石２１の同軸性を確保することもできる。

図２２、図２３は本発明に係るトルクセンサの前記第２実施形態の第２変形例を示したものであり、前記第２実施形態における各係合突起２７を廃止し、該各係合突起２７の機能を各支持部２６に包摂させたものである。

すなわち、本変形例では、前記各係合突起２７を一体化してなる支持部２６を、永久磁石２１の下端面の径方向中間部に周方向に沿って円弧状に切欠形成した凹状の係合溝２４に係合させることによって構成したものである。

このように、永久磁石２１の下端面に前記凹状の各係合溝２４を設け、これら各係合溝２４に各第２支持部７３を係合させることによっても、当該下端側に配置される第２支持部７３の支持面７３ａをもって、スリーブ２３に対する永久磁石２１の鉛直下方側の相対移動が規制可能になると共に、当該第２支持部７３の凹状の係合溝２４内への係合をもって、スリーブ２３に対する永久磁石２１の径方向及び周方向の相対移動が規制可能になる。したがって、本変形例によっても、前記第１変形例と同様に、スリーブ２３の構成の簡素化によるトルクセンサＴＳ２生産性向上及びコスト低減を図ることができる。

本発明は前記実施形態等の構成に限定されるものではなく、例えば本発明の特徴とは直接関係しない前記各ヨーク部材３１，３２や前記各集磁リング５１，５２等の具体的構成は勿論、本発明の特徴となる前記永久磁石２１や前記スリーブ２３といった構成の具体的構成についても、前述した本発明の作用効果を奏し得るような形態であればあらゆる態様を採ることができ、適用するトルクセンサの仕様等に応じて自由に変更可能である。

１…入力軸（第１軸部材）
２…トーションバー
３…第１出力軸（第２軸部材）
２０…磁性部材
２１…永久磁石（マグネット）
２２…充填材
２３…スリーブ
２３ａ…テーパ状先端部（固定部）
２５…スリーブ本体
２６…支持部（軸方向位置規制部）
２６ａ…支持面
２７…係合突起（径方向位置規制部）
３１…第１ヨーク部材
３２…第２ヨーク部材
４１…第１爪部
４２…第２爪部
４３…第１円環部
４４…第２円環部
６０…磁気センサ
ＴＳ１，ＴＳ２…トルクセンサ
Ｚ…回転軸（回転部材の回転軸）

Claims (11)

1. トーションバーにより接続された金属材からなる第１軸部材及び第２軸部材により構成された回転部材に発生したトルクを検出するトルクセンサであって、
   前記第１軸部材を包囲するように円環状ないし円弧状に形成されたスリーブ本体と、前記スリーブ本体に設けられ該スリーブ本体を前記第１軸部材に固定する固定部と、前記スリーブ本体の径方向内側へと向かって延設されたフランジ部によって構成され、使用状態において鉛直方向上側に面する支持面を有する軸方向位置規制部と、前記スリーブ本体に設けられ前記回転部材の回転軸方向に延設された径方向位置規制部とから構成される金属材からなるスリーブと、
   樹脂材と磁性材の複合材により前記第１軸部材を包囲する円環状に形成され、かつ、周方向に異なる磁極が交互に配置され、前記支持面上に配置されることによって前記回転部材の回転軸方向位置が規制されると共に、前記径方向位置規制部によってその径方向位置が規制されるマグネットと、
   前記マグネットと前記径方向位置規制部の双方に密着するかたちで設けられ、前記マグネットよりもヤング率の小さい樹脂材によって形成された充填材と、
   前記マグネットと対向するように配置された複数の第１爪部と、該各第１爪部同士を接続する第１円環部とを有し、前記第２軸部材と一体回転するように該第２軸部材に設けられた磁性材からなる第１ヨーク部材と、
   前記各第１爪部の周方向間に交互に並ぶかたちで前記マグネットと対向するように配置された複数の第２爪部と、該各第２爪部同士を接続する第２円環部と、を有し、前記第２軸部材と一体回転するように該第２軸部材に設けられた磁性材からなる第２ヨーク部材と、
   前記第１ヨーク部材と前記第２ヨーク部材との間に生ずる磁界の変化を検出するホール素子を有する磁気センサと、
   を備え、
   前記磁気センサの出力信号に基づいて前記回転部材に発生したトルクを検出することを特徴とするトルクセンサ。
2. 前記軸方向位置規制部は、前記スリーブ本体から鉛直方向上側へと延出するように設けられた基部を有し、
   前記支持面は、前記基部より径方向内側に向かって延設され、
   前記充填材は、前記スリーブ本体と前記マグネットとの間に充填されることを特徴とする請求項１に記載のトルクセンサ。
3. 前記マグネットは、その表面に開口する凹状の係合部を有し、
   前記径方向位置規制部は、前記係合部と係合し、
   前記樹脂材は、前記径方向位置規制部を包囲すると共に前記係合部内に充填されることを特徴とする請求項１に記載のトルクセンサ。
4. 前記係合部は、前記マグネットの内周側に設けられ、
   前記径方向位置規制部と前記係合部の間には所定の径方向隙間が設けられ、
   前記径方向隙間は、前記マグネットの冷却に伴う収縮時にも前記径方向位置規制部からの押圧による内部応力が発生しない程度に設定されていることを特徴とする請求項３に記載のトルクセンサ。
5. 前記径方向位置規制部は、弾性特性を有することを特徴とする請求項４に記載のトルクセンサ。
6. 前記充填材は、前記スリーブと前記マグネットの間に形成される隙間に充填されることを特徴とする請求項１に記載のトルクセンサ。
7. 前記径方向位置規制部は、前記マグネットの径方向内側に配置され、
   前記充填材は、前記マグネットと前記径方向位置規制部の径方向内側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。
8. 前記充填材は、ほぼコ字形状の断面を有し、該コ字形状の断面との間で前記スリーブと前記マグネットとを挟持するよう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。
9. 前記スリーブは、非磁性材によって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。
10. 前記フランジ部は、前記径方向位置規制部の周方向両側に所定距離だけ離間して配置され、
    前記充填材は、前記径方向位置規制部を周方向に跨ぐように、該径方向位置規制部の周方向両側に設けられる前記フランジ部との間に充填されることを特徴とする請求項１に記載のトルクセンサ。
11. 前記径方向位置規制部は、周方向において等間隔に複数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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