JP5978079B2 - 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及びこれを用いたパワーステアリング装置に関する。

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

しかしながら、前記従来のトルクセンサの場合、各ヨーク部材の爪部同士が異なる軸方向位置に配置される構成となっていることから、磁性部材とヨーク部材の相対軸方向位置が変化してしまった場合に、当該両者間のエアギャップに差が生じてしまうこととなる。この結果、トルクセンサの出力特性が大きく変化してしまい、適切なトルク検出を行えなくなってしまうおそれがあった。

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、磁性部材とヨーク部材の相対軸方向位置が変化してしまった場合でも適切なトルク検出を行い得るトルクセンサ等を提供するものである。

本願発明は、トーションバーによって接続された第１軸部材及び第２軸部材からなる回転部材のうち前記第１軸部材と一体回転するように当該第１軸部材に設けられ、前記回転部材の回転軸と同心円上において周方向に異なる磁極が交互に配置されてなる磁性部材と、前記回転軸と同心円上であって当該回転軸の径方向において前記磁性部材と対向するように配置された複数の第１爪部と、当該各第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当該第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、前記回転軸と同心円上であって前記各第１爪部の周方向間に交互に並ぶように当該回転軸の径方向において前記磁性部材と対向するように配置された複数の第２爪部と、前記第１円環部と離間対向するかたちで配置され、前記各第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当該第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、前記トーションバーの捩れによって生じる前記第１爪部及び第２爪部と前記磁性部材との相対角度変化に伴う前記第１円環部と前記第２円環部の間の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、を備えたことを特徴としている。

なお、前記第１爪部及び第２爪部については、上述のように両者が同一円周上に並ぶように構成するほか、前記各第２爪部が前記磁性部材と近接する側にオフセットしたかたちで前記各第１爪部の周方向間に交互に並ぶように構成してもよい。

本願発明によれば、第１爪部と第２爪部とが同一円周上において磁性部材と対向するように構成されていることから、磁性部材とヨーク部材の相対軸方向位置が変化してしまった場合でも適切なトルク検出を行うことができる。

また、前述のように、第１ヨーク部材の径方向外側に配置される第２ヨーク部材の第２爪部を磁性部材に対し相対的に近接配置させることで、第１ヨーク部材の磁路抵抗と、当該第１ヨーク部材よりも径方向外側に配置される分だけ増大化してしまう第２ヨーク部材の磁路抵抗との調整を図ることが可能となる。これにより、各ヨーク部材が受ける磁界特性の均一化が図れ、トルクセンサの検出精度の向上に供される。

本発明に係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等の第１実施形態を表した図であって、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。 本発明の第１実施形態における操舵軸の回転角−磁気センサの出力変動の関係を表したグラフである。 本発明の第１実施形態におけるヨーク部材と永久磁石との軸方向の位置ズレ−磁気センサの出力変動の関係を表したグラフである。 本発明の第１実施形態におけるヨーク部材と永久磁石との軸方向の位置ズレ−磁気センサの出力変動の関係を表したグラフである。 本発明に係るトルクセンサ等の第１実施形態の第１変形例を表した図であって、図６に相当する図である。 同第１変形例におけるヨーク部材と永久磁石との相対角度−磁気センサ出力の関係を表したグラフである。 本発明に係るトルクセンサ等の第１実施形態の第２変形例を表した図であって、（ａ）は図２のＡ−Ａ線断面に相当するトルクセンサの横断面図、（ｂ）は同図（ａ）のＢ−Ｂ線に沿う断面図である。 本発明に係るトルクセンサ等の第２実施形態を表した図であって、図１に示すトルクセンサの斜視図である。 同第２実施形態に係る図であって図１３に示すトルクセンサの分解斜視図である。 同第２実施形態に係る図であって、（ａ）は図２のＡ−Ａ線断面に相当するトルクセンサの横断面図、（ｂ）は同図（ａ）のＣ−Ｃ線に沿う断面図である。 本発明に係るトルクセンサ等の第３実施形態を表した図であって、図１に示すトルクセンサの斜視図である。 同第３実施形態に係る図であって図１６に示すトルクセンサの分解斜視図である。 同第３実施形態に係る図であって、（ａ）は図２のＡ−Ａ線断面に相当するトルクセンサの横断面図、（ｂ）は同図（ａ）のＤ−Ｄ線に沿う断面図である。

以下、本発明に係るトルクセンサ及びこれを用いたパワーステアリング装置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、このトルクセンサ等を、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。

図１〜図９は本発明に係るトルクセンサ等の第１実施形態を示しており、該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ＴＳの出力信号に基づいてＥＣＵ４によって駆動制御される電動モータＭに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。

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によって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た小径部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ＴＳ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ＴＳは、図２〜図６に示すように、ほぼ円筒状に構成され、第１出力軸３の一端部外周に取付固定されることによって当該第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によって当該入力軸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と対向するように、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Ｃ１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間に所定の隙間であるエアギャップＣ２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、磁性材料によって円環状に形成され、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）配置されてなる永久磁石２１と、所定の金属材料によってほぼ円筒状に形成され、一端側が前記永久磁石２１の内周部に所定の樹脂材料からなる絶縁部２２を介して絶縁状態に連結されたスリーブ２３と、から構成され、これら両者２１，２３が前記樹脂材料によって一体にモールド成形されたもので、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の先端を周方向に沿ってレーザ溶接することによって、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。

前記第１ヨーク部材３１は、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を介して連結されると共に、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が連結され、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の先端を周方向に沿ってレーザ溶接することによって、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Ｌ１よりも大きな軸方向長さＬ２に設定されていて、当該両軸方向延出部４１ａ，４２ａによって永久磁石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。

さらに、前記第１、第２爪部４１，４２は、永久磁石２１とのエアギャップついても、前記各径方向延出部４１ｂ，４２ｂと永久磁石２１との軸方向離間量Ｃ３に対して前記各軸方向延出部４１ａ，４２ａと永久磁石２１との径方向離間量であるエアギャップＣ４の方が十分に小さくなるように構成されている。

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により形成される径方向隙間Ｃ５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Ｘの一部が前記両円環部４３，４４内において当該両円環部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。

また、この際、前記第１、第２集磁リング５１，５２は、それぞれ永久磁石２１との関係で、当該各集磁リング５１，５２と前記各円環部４３，４４との径方向離間量であるエアギャップＣ６に対して当該各集磁リング５１，５２と永久磁石２１との軸方向離間量が十分に大きくなるように、当該各集磁リング５１，５２と前記各径方向延出部４１ｂ，４２ｂとの軸方向離間量Ｃ７に対し前記エアギャップＣ６の方が十分に小さくなるように構成されている。

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Ｃ５に収容配置され、その内部に収容されるホール素子によって当該両集磁リング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ＴＳ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、前記径方向隙間Ｃ５内では前記各集磁リング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Ｃ２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ＴＳ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。

前述のようにして構成されたトルクセンサＴＳによれば、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。

ここで、本実施形態では、前記各集磁リング５１，５２と前記各径方向延出部４１ｂ，４２ｂの軸方向離間量Ｃ７に対して前記各集磁リング５１，５２と前記各円環部４３，４４のエアギャップＣ６の方が十分に小さくなる（「Ｃ６＜＜Ｃ７」の関係となる）ように構成されているため、前記各集磁リング５１，５２に対しての前記永久磁石２１による磁界の直接的な影響が抑制されることとなる。これにより、図７に示すように、本実施形態の構成（同図中のＧ１に相当）では、「Ｃ６＞Ｃ７」の関係となるように構成した場合（同図中のＧ２に相当）と比べて前記磁界の直接的な影響により生ずる出力変動が極力抑制され、前記各円環部４３，４４より前記各集磁リング５１，５２へと伝達される磁束の検出精度を向上させることができる。

さらに、前記各爪部４１，４２と永久磁石２１のエアギャップの関係でも、前記各径方向延出部４１ｂ，４２ｂと永久磁石２１の軸方向離間量Ｃ３に対し前記各軸方向延出部４１ａ，４２ａと永久磁石２１のエアギャップＣ４の方が十分に小さくなる（「Ｃ３＞＞Ｃ４」の関係となる）ように構成されているため、たとえ前記各ヨーク部材３１，３２の軸方向の位置ずれが生じてしまった場合でも、当該位置ずれに基づく磁路抵抗の変化によって前記永久磁石２１の磁界が前記各径方向延出部４１ｂ，４２ｂに直接漏洩してしまう、といった当該各径方向延出部４１ｂ，４２ｂに対する前記永久磁石２１の磁界の直接的な影響が抑制されることとなる。これにより、図８に示すように、「Ｃ３＞＞Ｃ４」の関係となるようにした本実施形態の構成（同図中のＧ３に相当）では、「Ｃ３＜Ｃ４」の関係となるように構成した場合（同図中のＧ４に相当）と比べて前記磁界の直接的な影響により生ずる出力変動が極力抑制され、トーションバー２の捩れ量に応じた適切なトルク検出を行うこともできる。

加えて、前記各爪部４１，４２と永久磁石２１との重合量の関係でも、前記各軸方向延出部４１ａ，４２ａの軸方向長さＬ２が永久磁石２１の軸方向長さＬ１よりも長くなる（「Ｌ１＜Ｌ２」の関係となる）ように構成されているため、たとえ当該両者２１，４１ａ（４２ａ）の相対軸方向位置に多少のズレが生じても、当該両者２１，４１ａ（４２ａ）の所定重合量を維持することが可能となって、当該両者２１，４１ａ（４２ａ）の所定重合量の維持が容易となる。これにより、図９に示すように、「Ｌ１＜Ｌ２」の関係となるようにした本実施形態の構成（同図中のＧ５に相当）では、「Ｌ１＞Ｌ２」の関係となるように構成した場合（同図中のＧ６に相当）と比較して、当該両者２１，４１ａ（４２ａ）の相対軸方向位置が変化してしまった場合における前記各磁気センサ６０，６０の出力特性の変化を効果的に抑制することもできる。

以上、本実施形態に係る前記パワーステアリング装置（トルクセンサＴＳ）によれば、第１ヨーク部材３１に係る第１爪部４１の第１軸方向延出部４１ａと第２ヨーク部材４１に係る第２爪部４２の第２軸方向延出部４２ａとが前記回転軸Ｚの同心円上において永久磁石２１と対向するような構成となっていることから、永久磁石２１と前記両ヨーク部材３１，３２（前記両軸方向延出部４１ａ，４２ａ）の相対軸方向位置が変化してしまった場合であっても、当該相対位置変化により前記各磁気センサ６０，６０の出力特性が変化してしまうおそれがなく、当該各磁気センサ６０，６０によって適切なトルク検出を行うことができる。

さらに、前記トルクセンサＴＳは、前記両爪部４１，４２を軸方向一方側に、前記両円環部４３，４４を他方側にそれぞれ寄せて配置するようにして第１、第２ヨーク部材３１，３２を軸方向に延出させた構成となっていることから、前記各爪部４１，４２（前記各軸方向延出部４１ａ，４２ａ）と永久磁石２１との重合量を増大させたり、前記両円環部４３，４４同士の重合量を増大させたりする場合でも、これに伴って当該両ヨーク部材３１，３２が径方向に大型化してしまうおそれがなく、トルクセンサＴＳの径方向の小型化にも供される。

また、前記トルクセンサＴＳでは、前記両集磁リング５１，５２が周方向において有端状（円弧状）となるように形成されていることから、前記各円環部４３，４４より伝達される磁界（磁束）が当該各集磁リング５１，５２の限られた範囲に留められ、閉ループ状とした場合のように当該各集磁リング５１，５２内を循環してしまうおそれがない。これによって、前記磁束の変化を前記各磁気センサ６０，６０によって効率的に検出させることができる。

しかも、この際、前記第１、第２集磁リング５１，５２については１８０度を超える周方向範囲を包囲するような構成となっていることから、当該両集磁リング５１，５２に径方向の位置ずれが生じた場合でも、当該位置ずれによる前記各磁気センサ６０，６０の検出誤差を抑制することもできる。

図１０、図１１は本発明に係るトルクセンサ等の前記第１実施形態の第１変形例を示したものであって、前記第１実施形態に係る前記各爪部４１，４２の構成を変更したものである。

すなわち、本変形例では、外周側に配置されて周方向長さが比較的長くなる第２ヨーク部材３２の第２径方向延出部４２ｂの径方向長さＬ３に対し、内周側に配置されて周方向長さが比較的短くなる第１ヨーク部材３１の第１径方向延出部４１ｂの径方向長さＬ４の方が長くなる（「Ｌ３＜Ｌ４」の関係となる）ように形成することで、前記両ヨーク部材３１，３２間にて前記両軸方向延出部４１ａ，４２ａが径方向外側へとオフセットされた構成となっている。

このように、円環部が内周側に配置される前記第１ヨーク部材３１の第１径方向延出部４１ｂを相対的に長くなるように構成することで、第１ヨーク部材３１の磁路抵抗と、当該第１ヨーク部材３１よりも径方向外側に配置される分だけ増大化してしまう第２ヨーク部材３２の磁路抵抗と、の調整を図ることが可能となる。

具体的には、図１１に示すように、この変形例に係る構成（同図中のＧ７に相当）では、前記各磁気センサ６０，６０の出力特性が適切となるのに対して、前記両ヨーク部材３１，３２の径方向延出部４１ｂ，４２ｂが相互に等しい径方向長さとなる場合（同図中のＧ８に相当）及び第２径方向延出部４２ｂの方が長く設定される場合（同図中のＧ９に相当）では、前記出力特性にズレが生じてしまうこととなる。

以上のように、本変形例では、前記両ヨーク部材３１，３２間の磁路抵抗の調整が図れる結果、当該両ヨーク部材３１，３２が受ける磁界特性の均一化が図られ、前記トルクセンサＴＳの検出精度の向上に供される。

図１２は本発明に係るトルクセンサ等の第１実施形態の第２変形例を示したものであって、前記第１実施形態に第１爪部４１の径方向位置を変更したものである。

すなわち、本変形例では、内周側に配置されることによって第２ヨーク部材３２よりも周方向長さが比較的長くなる第１ヨーク部材３１の第１径方向延出部４１ｂが相対的に長くなるように構成されることで、前記第１実施形態に対し当該第１軸方向延出部４１ａが径方向外側へとオフセット配置されている。換言すれば、第２軸方向延出部４２ａと永久磁石２１のエアギャップＣ８に対して第１軸方向延出部４１ａと永久磁石２１のエアギャップＣ９の方が大きくなる（「Ｃ８＜Ｃ９」の関係となる）ように構成されている。

このように、前記第１変形例のほか、円環部が外周側に配置される前記第２ヨーク部材３２の第２軸方向延出部４２ａを永久磁石２１に対し相対的に近接配置することによっても、前記第１変形例と同様、第１ヨーク部材３１の磁路抵抗と、当該第１ヨーク部材３１よりも径方向外側に配置される分だけ増大化してしまう第２ヨーク部材３２の磁路抵抗と、の調整を図ることができ、前記トルクセンサＴＳの検出精度の向上に供される。

図１３〜図１５は本発明に係るトルクセンサ等の第２実施形態を示したものであって、前記第１実施形態における第１ヨーク部材３１の第１爪部４１の径方向位置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実施形態に対し、前記第１ヨーク部材３１の第１径方向延出部４１ｂの径方向長さが短縮されることで、第１軸方向延出部４１ａが永久磁石２１の内周側に配置される構成となっている。

このように、円環部が内周側に配置される前記第１ヨーク部材３１の第１軸方向延出部４１ａを永久磁石２１の内周側、円環部が外周側に配置される第２ヨーク部材３２の第２軸方向延出部４２ａを永久磁石２１の外周側に配置することにより、当該両軸方向延出部４１ａ，４２ａと永久磁石２１との対向面積をもって、第１ヨーク部材３１の磁路抵抗と、当該第１ヨーク部材３１より径方向外側に配置される分だけ増大化してしまう第２ヨーク部材３２の磁路抵抗と、の調整を図ることが可能となる。すなわち、外周側に配置される分、その周方向長さ（距離）が長くなるために第２ヨーク部材３２の磁路抵抗が大きくなるところ、第１軸方向延出部４１ａを内周側に配置することで、当該第１軸方向延出部４１ａの周方向長さが小さくなる分、これによって縮小される当該第１軸方向延出部４１ａとの対向面積に基づき第１ヨーク部材３１の磁路抵抗も大きくなることから、両ヨーク部材３１，３２に係る磁路抵抗の調整を図ることが可能となる。これにより、両ヨーク部材３１，３２が受ける磁界特性の均一化が図られ、トルクセンサＴＳの検出精度を向上させることができる。

図１６〜図１８は本発明に係るトルクセンサ等の第３実施形態を示したものであって、前記第１実施形態における第１、第２ヨーク部材３１，３２の第１、第２円環部４３，４４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、第２ヨーク部材３１，３２において、第１、第２円環部４３，４４が第１、第２径方向延出部４１ｂ，４２ｂの延長上に前記回転軸Ｚの径方向に沿って延設されていて、当該両円環部４３，４４が軸方向に対向する構成となっている。そして、かかる両円環部４３，４４間に形成される軸方向隙間Ｃ１０内に、ほぼ矩形板状に形成されてなる前記第１、第２集磁リング５１，５２に相当する一対の第１、第２集磁部材５４，５５が相互に対向するかたちで収容配置され、これら両集磁部材５４，５５間に前記一対の磁気センサ６０，６０がそれぞれ前記所定のエアギャップＣ２を介して収容配置されている。

なお、例えば前記磁性部材２０や前記第１、第２爪部４１，４２の構成など、特に言及しないその他の構成については、基本的に前記第１実施形態と同様であり、図面にも前記第１実施形態と同様の符号を示すことによって、具体的な説明は省略する。

以上のような構成から、本実施形態によっても、基本的に前記第１実施形態と同様の作用効果が奏せられることは勿論、特に本実施形態の場合には、第１、第２円環部４３，４４を前記回転軸Ｚの径方向に沿って延設するようにして、該両円環部４３，４４を回転軸Ｚの軸方向において重合させる構成としたことから、両ヨーク部材３１，３２の軸方向寸法の小型化、ひいてはトルクセンサＴＳの軸方向寸法の小型化が図れるといったメリットが得られる。

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ハウジング１０や前記操舵機構ＲＰ１，ＲＰ２の具体的な構成は勿論、本発明の特徴となる前記磁性部材２０や前記各ヨーク部材３１，３２、前記各集磁リング５１，５２（前記各集磁部材５４，５５）といった構成の具体的形状についても、前記作用効果を奏し得る形態であれば、適用するトルクセンサ等や搭載する車両の仕様等に応じて自由に変更できることは言うまでもない。

例えば、前記実施形態等では、前記トルクセンサＴＳを、操舵系とアシスト系とが独立したいわゆるデュアルピニオン式パワーステアリング装置について適用した例を示したが、当該トルクセンサＴＳを適用する本発明に係るパワーステアリング装置としては、第２出力軸６を廃止して第１出力軸３に減速機構５を介して電動モータＭを連係させてなるいわゆるシングルピニオン式パワーステアリング装置など、当該トルクセンサＴＳによるトルク検出に基づき制御されるパワーステアリング装置であれば、いかなるパワーステアリング装置にも適用可能である。

前記実施形態等から把握される特許請求の範囲に記載した以外の技術的思想について、以下に説明する。

（ａ）請求項４に記載のトルクセンサであって、
前記磁気センサは、前記第１集磁リングと前記第２集磁リングの間に配置されることを特徴とするトルクセンサ。

かかる構成とすることで、第１集磁リングと第２集磁リングの間に発生する磁界を効率的に検出することができる。

（ｂ）請求項５に記載のトルクセンサであって、
前記第１集磁リングは、前記磁性部材よりも前記第１円環部と近接する位置に配置されることを特徴とするトルクセンサ。

かかる構成とすることで、第１集磁リングに対しての磁性部材の磁界の直接的影響の抑制が図れ、当該第１集磁リングの第１円環部より受ける磁界の検出精度の向上に供される。

（ｃ）請求項４に記載のトルクセンサであって、
前記第１ヨーク部材は、前記第１円環部が前記第１爪部に対して小径に形成されることにより、前記第１円環部と前記第１爪部との間に、前記第１円環部側から前記第１爪部側に向かって前記回転軸の径方向外側へと延出する第１径方向延出部を有する一方、
前記第２ヨーク部材は、前記第２円環部が前記第２爪部に対して大径に形成されることにより、前記第２円環部と前記第２爪部との間に、前記第１円環部側から前記第２爪部側に向かって前記回転軸の径方向内側へと延出する第２径方向延出部を有し、
前記第１爪部及び第２爪部は、前記第１径方向延出部及び第２径方向延出部よりも前記磁性部材に近接して配置されていることを特徴とするトルクセンサ。

かかる構成とすることで、前記各径方向延出部に対しての磁性部材の磁界の直接的影響の抑制が図れ、トーションバーの捩れ量に応じた適切なトルク検出に供される。

（ｄ）請求項４に記載のトルクセンサであって、
前記第１爪部及び第２爪部は、共にその軸方向長さが前記磁性部材の軸方向長さよりも長くなるように設定されていることを特徴とするトルクセンサ。

かかる構成とすることで、磁性部材とヨーク部材との重合量を維持しやすくなることから、当該両者の相対軸方向位置が変化してしまった場合の出力特性の変化をより効果的に抑制することができる。

（ｅ）請求項３に記載のトルクセンサであって、
前記第１ヨーク部材は、前記第１円環部が前記第１爪部に対して小径に形成されることにより、前記第１円環部と前記第１爪部との間に、前記第１円環部側から前記第１爪部側に向かって前記回転軸の径方向外側へと延出する第１径方向延出部を有する一方、
前記第２ヨーク部材は、前記第２円環部が前記第２爪部に対して大径に形成されることにより、前記第２円環部と前記第２爪部との間に、前記第１円環部側から前記第２爪部側に向かって前記回転軸の径方向内側へと延出する第２径方向延出部を有し、
前記第１径方向延出部は、前記第２径方向延出部よりも長くなるように設定されていることを特徴とするトルクセンサ。

上述のように円環部が第２ヨーク部材の径方向内側に配置される第１ヨーク部材の第１径方向延出部を相対的に長くなるように設定することにより、第１ヨーク部材の磁路抵抗と、当該第１ヨーク部材よりも径方向外側に配置される分だけ増大化してしまう第２ヨーク部材の磁路抵抗との調整を図ることが可能となる。これにより、各ヨーク部材が受ける磁界特性の均一化が図れ、トルクセンサの検出精度の向上に供される。

（ｆ）請求項５に記載のトルクセンサであって、
前記第１爪部及び第２爪部は、ともに前記磁性部材に対して前記回転軸の径方向一方側に配置されることを特徴とするトルクセンサ。

このように、前記両爪部を磁性部材の径方向一方側に配置することで、当該爪部の径方向寸法の小型化を図ることが可能となる。

（ｇ）請求項５に記載のトルクセンサであって、
前記第１円環部と前記第２円環部とは、互いに前記回転軸の径方向において重合するように配置され、
前記第１爪部は、前記磁性部材に対し前記回転軸の径方向内側に配置される一方、前記第２爪部は、前記磁性部材に対し前記回転軸の径方向外側に配置されることを特徴とするトルクセンサ。

上述のように円環部が内周側に配置される第１ヨーク部材の第１爪部を磁性部材の内周側、円環部が外周側に配置される第２ヨーク部材の第２爪部を磁性部材の外周側に配置することで、当該第１、第２爪部と磁性部材との対向面積をもって、第１ヨーク部材の磁路抵抗と、当該第１ヨーク部材より径方向外側に配置される分だけ増大化してしまう第２ヨーク部材の磁路抵抗と、の調整を図ることが可能となる。これにより、各ヨーク部材が受ける磁界特性の均一化が図れ、トルクセンサの検出精度の向上に供される。

（ｈ）請求項６に記載のパワーステアリング装置であって、
前記第１円環部及び第２円環部は、ともに前記第１爪部及び第２爪部に対し前記回転軸の軸方向一方側に配置されることを特徴とするパワーステアリング装置。

このように、前記両円環部を回転軸の軸方向一方側に延設することで、当該両ヨーク部材の径方向寸法の小型化を図ることが可能となる。

（ｉ）前記（ｈ）に記載のパワーステアリング装置であって、
前記第１円環部と前記第２円環部とは、互いに前記回転軸の軸方向において重合するように配置されることを特徴とするパワーステアリング装置。

このように、前記両円環部を回転軸の軸方向において重合させるように構成したことで、両ヨーク部材の軸方向寸法の小型化、ひいてはトルクセンサの軸方向寸法の小型化に供される。

（ｊ）前記（ｉ）に記載のパワーステアリング装置であって、
前記第１円環部と前記第２円環部の間に配設されると共に、磁性材料により前記回転軸の周方向において１８０度よりも大きな範囲を包囲するような円弧状に形成され、前記第１円環部に生じる磁界を受けて内部に磁界を発生させる第１集磁リングと、
前記第１集磁リングと前記第２円環部の間に配設され、磁性材料により前記回転軸の周方向において１８０度よりも大きな範囲を包囲するような円弧状に形成され、前記第２円環部に生じる磁界を受けて内部に磁界を発生させる第２集磁リングと、
を備え、
前記磁気センサは、前記第１集磁リングと前記第２集磁リングの間に生ずる磁界の変化を検出することを特徴とするパワーステアリング装置。

このように、前記各集磁リングを、その周方向の一部を切り欠いてなる円弧状に形成したことで、当該各集磁リングに生ずる磁界を限られた範囲に留め、当該磁界の変化を磁気センサによって効率的に検出させることが可能となる。

また、この際、前記両集磁リングについて、１８０度を超える周方向範囲を包囲する構成としたことから、当該両集磁リングについて径方向の位置ずれによる磁気センサの検出誤差についても抑制することができる。

（ｋ）前記（ｊ）に記載のパワーステアリング装置であって、
前記磁気センサは、前記第１集磁リングと前記第２集磁リングの間に配置されることを特徴とするパワーステアリング装置。

かかる構成とすることで、第１集磁リングと第２集磁リングの間に発生する磁界を効率的に検出することができる。

（ｌ）前記（ｋ）に記載のパワーステアリング装置であって、
前記第１集磁リングは、前記磁性部材よりも前記第１円環部と近接する位置に配置されることを特徴とするパワーステアリング装置。

かかる構成とすることで、第１集磁リングに対しての磁性部材の磁界の直接的影響の抑制が図れ、当該第１集磁リングの第１円環部より受ける磁界の検出精度の向上に供される。

（ｍ）前記（ｊ）に記載のパワーステアリング装置であって、
前記第１ヨーク部材は、前記第１円環部が前記第１爪部に対して小径に形成されることにより、前記第１円環部と前記第１爪部との間に、前記第１円環部側から前記第１爪部側に向かって前記回転軸の径方向外側へと延出する第１径方向延出部を有する一方、
前記第２ヨーク部材は、前記第２円環部が前記第２爪部に対して大径に形成されることにより、前記第２円環部と前記第２爪部との間に、前記第１円環部側から前記第２爪部側に向かって前記回転軸の径方向内側へと延出する第２径方向延出部を有し、
前記第１爪部及び第２爪部は、前記第１径方向延出部及び第２径方向延出部よりも前記磁性部材に近接して配置されていることを特徴とするパワーステアリング装置。

かかる構成とすることで、前記各径方向延出部に対しての磁性部材の磁界の直接的影響の抑制が図れ、トーションバーの捩れ量に応じた適切なトルク検出に供される。

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
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
ＴＳ…トルクセンサ
Ｚ…回転軸（回転部材の回転軸）

Claims (3)

1. トーションバーによって接続された第１軸部材及び第２軸部材からなる回転部材に生じたトルクを検出するトルクセンサであって、
   前記第１軸部材と一体回転するように当該第１軸部材に設けられ、前記回転部材の回転軸と同心円上において周方向に異なる磁極が交互に配置されてなる磁性部材と、
   前記回転軸と同心円上であって前記磁性部材の外周側に対向するように配置された複数の第１爪部と、該第１爪部に対し前記回転軸の軸方向一方側に配置され、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当該第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、
   前記回転軸と同心円上であって前記各第１爪部の周方向間に該各第１爪部と同一円周上に交互に並ぶように前記磁性部材の外周側に対向するように配置された複数の第２爪部と、該第２爪部に対し前記回転軸の軸方向一方側において前記第１円環部の外周側に該第１円環部と離間対向するかたちで配置され、前記各第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当該第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、
   前記トーションバーの捩れによって生じる前記第１爪部及び第２爪部と前記磁性部材との相対角度変化に伴う前記第１円環部と前記第２円環部の間の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生じるトルクを検出することを特徴とするトルクセンサ。
2. 前記第１円環部と前記第２円環部の間に配設されると共に、磁性材料により前記回転軸の周方向において１８０度よりも大きな範囲を包囲するような円弧状に形成され、前記第１円環部に生じる磁界を受けて内部に磁界を発生させる第１集磁リングと、
   前記第１集磁リングと前記第２円環部の間に配設され、磁性材料により前記回転軸の周方向において１８０度よりも大きな範囲を包囲するような円弧状に形成され、前記第２円環部に生じる磁界を受けて内部に磁界を発生させる第２集磁リングと、
   を備え、
   前記磁気センサは、前記第１集磁リングと前記第２集磁リングの間に生ずる磁界の変化を検出することを特徴とする請求項１に記載のトルクセンサ。
3. トーションバーによって接続された第１軸部材及び第２軸部材からなる回転部材に生じたトルクを検出するトルクセンサであって、
   前記第１軸部材と一体回転するように当該第１軸部材に設けられ、前記回転部材の回転軸と同心円上において周方向に異なる磁極が交互に配置されてなる磁性部材と、
   前記回転軸と同心円上であって当該回転軸の径方向において前記磁性部材と対向するように配置された複数の第１爪部と、当該各第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当該第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、
   前記回転軸と同心円上であって前記各第１爪部に対して前記磁性部材と近接する側にオフセットしたかたちで前記各第１爪部の周方向間に交互に並ぶように前記回転軸の径方向において前記磁性部材と対向するように配置された複数の第２爪部と、前記第１円環部と離間対向するかたちで配置され、前記各第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当該第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、
   前記トーションバーの捩れによって生じる前記第１爪部及び第２爪部と前記磁性部材との相対角度変化に伴う前記第１円環部と前記第２円環部の間の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生じるトルクを検出することを特徴とするトルクセンサ。

Images