JP2006162460A - トルクセンサ - Google Patents

Abstract

【課題】トーションバーの一端側に取り付けられるリング状の磁石体と、トーションバーの他端側に取り付けられる１組の磁気ヨークと、１組の磁気ヨーク間に生じる磁束密度を検出する磁気センサと、を備えるトルクセンサにおいて、磁束密度の検出精度を確保しつつ、トルクセンサの小型化が容易に図れるようにする。
【解決手段】磁石体１３は、周方向へ等間隔に分割される領域１３ａ毎に外周と内周の磁極が異なり、これら磁極が周方向へ交互に現れるように着磁される。１組の磁気ヨーク１４は、径方向に所定の間隔を介して対向するアウタリング１４ａとインナリング１４ｂとからなり、アウタリング１４ａに磁気の入出端部を構成するべく周方向へ等間隔に配置されて磁石体１３の外周に対峙する複数の凸部１５ａと、インナリング１４ｂに磁気の入出端部を構成するべく周方向へ等間隔に配置されて磁石体１３の内周に対峙する複数の凸部１５ｂと、を備える。
【選択図】図１

Description

この発明は、回転するシャフトの捩りからトルクを検出する非接触タイプのトルクセンサに関する。

車両のステアリング系などに用いられる非接触タイプのトルクセンサとして、特許文献１および特許文献２に開示のようなものが知られている。トーションバーの一端側にリング状の磁石体が取り付けられ、トッションバーの他端側に１組の磁気ヨークが取り付けられる。磁石体は、Ｓ極とＮ極が周方向へ交互に現れるように着磁される。各ヨークは、複数の突起（磁路片または爪）が周方向へ等間隔に形成される。これら突起は、１組の磁気ヨークの間において、磁石体のＳ極とＮ極が周方向へ交互に現れる磁極面（磁石体の一端面または外周面）に沿って互い違いに突き出る配置に設定される。

各突起は、トーションバーの捩りが０の中立状態において、突起の中心が磁石体のＳ極とＮ極との境界と一致するようになっている。トーションバーが捩れると、磁石体と１組の磁気ヨークとの間に相対回転が生じるため、一方の磁気ヨークの各突起が磁石体のＳ極またはＮ極により多く面積でオーバラップする一方、もう一方の磁気ヨークの突起がＮ極またはＳ極により多く面積でオーバラップするようになり、１組の磁気ヨークの間に磁界が発生する。この磁界の変化を磁気センサ（ホール素子）で検出することにより、トーションバーの捩りトルクが求められるのである。
特許第３０９４０４９号 特開２００３−１４９０６２

ところで、このような従来のトルクセンサにあっては、磁石体の片側の磁極面のみを利用する（１組の磁気ヨークの各突起が磁石体のＳ極とＮ極が周方向へ交互に現れる磁極面の一方に沿って互い違いに突き出る）構成のため、トルクセンサの小型化を実現するべく磁石体の径を小さくすると、突起間の距離（間隔）も小さくなり、磁束の漏れ量が大きくなりやすく、磁束密度の検出精度に影響する可能性が考えられる。

電動パワーステアリング等においては、車両の操舵フィーリングを向上させるため、トーションバーの捩り角（捩れ量）の最大値を小さく設定する傾向にあり、突起間の距離を小さくすると、磁束の漏れ量が大きくなりやすく、磁束密度の検出精度の低下を招きかねないのである。

この発明は、このような不具合の改善が図れるようにしたトルクセンサの提供を目的とする。

この発明は、トーションバーの一端側に取り付けられるリング状の磁石体と、トーションバーの他端側に取り付けられる１組の磁気ヨークと、１組の磁気ヨーク間に生じる磁束密度を検出する磁気センサと、を備えるトルクセンサにおいて、磁石体は、周方向へ等間隔に分割される領域毎に外周と内周の磁極が異なり、これら磁極が周方向へ交互に現れるように着磁される一方、１組の磁気ヨークは、径方向に所定の間隔を介して対向するアウタリングとインナリングとからなり、アウタリングに磁気の入出端部を構成するべく周方向へ等間隔に配置されて磁石体の外周に対峙する複数の凸部と、インナリングに磁気の入出端部を構成するべく周方向へ等間隔に配置されて磁石体の内周に対峙する複数の凸部と、を備えることを特徴とする。

この発明によると、１組の磁気ヨークに磁気の入出端部を構成する複数の凸部が、磁石体の片側の磁極面のみに配置されるのでなく、磁石体の両側の磁極面に配置される構成のため、磁石体の両側の磁極面から複数の凸部を介して磁束が入出することになり、凸部間に余裕も生じるため、磁束密度の検出精度を確保しつつ、トルクセンサの小型化が容易に図れるようになる。

図に基づいて、この発明の実施形態に係るトルクセンサを説明する。

図１〜図３において、１０はトーションバーであり、第１軸（１１）と第２軸（１２）との間を同軸上に連結する。トーションバー１０の一端側に磁石体１３が非磁性部材を介して取り付けられ、トーションバー１０の他端側に１組の磁気ヨーク１４が非磁性部材を介して取り付けられる。

磁石体１３はリング（円環体）状に形成され、周方向へ等角度に分割される円弧領域１３ａ毎に外周の磁極と内周の磁極が異なり、これら磁極が円環の周方向へ交互に現れるように着磁される。

１組の磁気ヨーク１４は、径方向に所定の間隔を介して対向するアウタリング１４ａ（外筒体）とインナリング１４ｂ（内筒体）とから構成される。アウタリング１４ａに磁気の入出端部を構成するべく磁石体１３の外周に対峙する複数の凸部１５ａが周方向へ等間隔に配置される。インナリング１４ｂに磁気の入出端部を構成するべく磁石体１３の内周に対峙する複数の凸部１５ｂが周方向へ等間隔に配置される。

磁石体１３の外周に対峙する各凸部１５ａおよび磁石体１３の内周に対峙する各凸部１５ｂについては、トーションバー１０の捩りが０の中立状態において、磁石体１３のＳ極とＮ極との境界を跨ぐ形でこれらに同一面積でオーバラップするようになっている。

各リング１４ａ，１４ｂの凸部１５ａ，１５ｂと反対側の端部間に１対の集磁リング１６，１６ｂ（円環体）が非接触に介装される。１対の集磁リング１６ａ，１６ｂは、互いに所定の間隙（ギャップ）を介して同心円状に配置され、これらの間隙に生じる磁束密度を検出する磁気センサ１８（ホール素子）が挿入される（図３、参照）。

磁気センサ１８および１対の集磁リング１６ａ，１６ｂは、これらを結合する非磁性部材を介してハウジング側に固定される。図示の場合、２つの磁気センサ１８が軸対称に配置されるが、これはトーションバーの偏心などの影響を除くためであり、基本的には１つの磁気センサ１８のみでも良い。

トーションバー１０の捩りが０の中立状態のときは、各ヨーク１４ａ，１４ｂの凸部１５ａ，１５ｂが磁石体１３のＳ極とＮ極との境界を跨ぐ形でこれらに同一面積でオーバラップする。磁石体１３の隣接する円弧領域１３ａにおいて、磁石体１３の外周に対峙する凸部１５ａおよび磁石体１３の内周に対峙する凸部１５ｂにより、円弧領域１３ａ間の磁束が閉じられ、１組の磁気ヨーク１４を１対の集磁リング１６ａ，１６ｂへ流れる磁束を生じないため、磁気センサ１８で検出される磁束密度は０となる（図４−ａ、参照）。

トーションバー１０が捩れると、磁石体１３と１組の磁気ヨーク１４との間に相対回転が生じる。図４−ｂは、この相対回転により、１組の磁気ヨーク１４が反時計回りに変位した場合を例示するものであり、磁石体１３の外周に対峙する凸部１５ａがＮ極により多く面積でオーバラップする一方、磁石体１３の内周に対峙する凸部１５ｂがＳ極により多く面積でオーバラップする。磁石体１３の隣接する円弧領域１３ａにおいて、これら凸部１５ａ，１５ｂを介して１対の集磁リング１６ａ，１６ｂへ流れる磁束が生じるため、集磁リング１６ａ，１６ｂ間の磁束密度を磁気センサ１８で検出することにより、トーションバー１０に加わる捩りトルクが求められるのである。

このトルクセンサにおいては、１組の磁気ヨーク１４に磁気の入出端部を構成する複数の凸部１５ａ，１５ｂが、磁石体１３の片側の磁極面のみに配置されるのでなく、磁石体１３の両側の磁極面に配置される構成のため、磁石体１３の両側の磁極面から複数の凸部１５ａ，１５ｂを介して磁束が入出することになり、凸部１５ａ間および凸部１５ｂ間に余裕も生じるため、磁束密度の検出精度を確保しつつ、トルクセンサの小型化が容易に図れるようになる。

電動パワーステアリングにおいては、凸部１５ａ間および凸部１５ｂ間の距離を過度に縮小させることなく、車両の操舵フィーリングを向上させるため、トーションバー１０の捩り角（捩れ量）の最大値を小さく設定しえるのである。

磁気センサ１８および１対の集磁リング１６ａ，１６ｂについては、これらを結合する非磁性部材を介してハウジング側に固定されるので、磁気センサ１８の配線がトーションバー１０の回転に伴って絡まるようなこともなく、メンテナンスも簡便に行えるようになる。

１組の磁気ヨーク１４に磁気の入出端部を構成する複数の凸部１５ａ，１５ｂについては、図５のように形成することにより、凸部１５ａがそれぞれ磁石体の外周に向き合う面の面積と、凸部１５ｂがそれぞれ磁石体の内周に向き合う面の面積と、が等しくなるように設定すると良い。これにより、凸部１５ａ，１５ｂの間において、磁石体１３を挟む両側の磁路の面積（磁束）が揃えられ、トーションバー１０の捩りに伴う磁場の変化をさらに精度よく検出できるのである。

図１〜図３に示す実施形態においては、集磁凸部２０ａ，２０ｂが集磁リング１６ａ，１６ｂに一体形成されるが、集磁凸部２０ａ，２０ｂは、図６のように集磁リング１６ａ，１６ｂと別体に分割形成することも考えられる。その場合、集磁リング１６ａ，１６ｂと各磁気ヨーク１４（アウタリング１４ａ，インナリング１４ｂ）との間を非磁性部材により結合する一方、集磁凸部２０ａ，２０ｂおよびこれらの間（ギャップ）に介装される磁気センサ１８についてのみ、非磁性部材により結合してハウジング側に固定することも可能となる。

図７は、別の実施形態を説明するものであり、集磁リング１６ａ，１６ｂが省略され、アウタリング１４ａとインナリング１４ｂとの間に集磁凸部２０ａ，２０ｂが非接触に設けられる。集磁凸部２０ａ，２０ｂおよびこれらの間（ギャップ）に介装される磁気センサ１８は、非磁性部材で結合してハウジング側に固定されるのである。

この発明の実施形態に係るトルクセンサの要部分解図である。 同じく部分的な組立図およびその断面図である。 同じく部分的な組立図およびその断面図である。 同じく中立状態（ａ）および捩り状態（ｂ）に係る説明図である。 凸部の変形例を表す中立状態（ａ）および捩り状態（ｂ）に係る説明図である。 集磁リングの変形例を説明する部分的な組立図である。 別の実施形態に係る部分的な組立図である。

符号の説明

１０ トーションバー
１１ 第１軸
１２ 第２軸
１３ 磁石体
１３ａ 磁石体の円弧領域
１４ １組の磁気ヨーク
１４ａ アウタリング
１４ｂ インナリング
１５ａ、１５ｂ 凸部
１６ａ，１６ｂ 集磁リング
１８ 磁気センサ
２０ａ，２０ｂ 集磁凸部

Claims (7)

1. トーションバーの一端側に取り付けられるリング状の磁石体と、トーションバーの他端側に取り付けられる１組の磁気ヨークと、１組の磁気ヨーク間に生じる磁束密度を検出する磁気センサと、を備えるトルクセンサにおいて、磁石体は、周方向へ等間隔に分割される領域毎に外周と内周の磁極が異なり、これら磁極が周方向へ交互に現れるように着磁される一方、１組の磁気ヨークは、径方向に所定の間隔を介して対向するアウタリングとインナリングとからなり、アウタリングに磁気の入出端部を構成するべく周方向へ等間隔に配置されて磁石体の外周に対峙する複数の凸部と、インナリングに磁気の入出端部を構成するべく周方向へ等間隔に配置されて磁石体の内周に対峙する複数の凸部と、を備えることを特徴とするトルクセンサ。
2. １組の磁気ヨークは、トーションバーの捩りが０の中立状態において、磁石体の外周に対峙する各凸部および磁石体の内周に対峙する各凸部が、磁石体のＳ極とＮ極との境界を跨ぐ形でこれらに同一面積でオーバラップするように設定したことを特徴とする請求項１に記載のトルクセンサ。
3. １組の磁気ヨークは、アウタリングの各凸部がそれぞれ磁石体の外周に対峙する面積と、インナリングの各凸部がそれぞれ磁石体の内周に対峙する面積と、が等しくなるように設定したことを特徴とする請求項１に記載のトルクセンサ。
4. １組の磁気ヨークにおいて、インナリングとアウタリングとの間に１対の集磁リングが非接触に設けられ、磁気センサは１対の集磁リングの間に介装したことを特徴とする請求項１に記載のトルクセンサ。
5. 磁気センサおよび１対の集磁リングは、これらを結合する非磁性部材を介してハウジング側に固定したことを特徴とする請求項３に記載のトルクセンサ。
6. １組の磁気ヨークにおいて、インナリングとアウタリングとの間に１対の集磁凸部を非接触に設けられ、磁気センサは１対の集磁凸部の間に介装したことを特徴とする請求項１に記載のトルクセンサ。
7. 磁気センサおよび１対の集磁凸部は、これらを結合する非磁性材を介してハウジング側に固定したことを特徴とする請求項５に記載のトルクセンサ。

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