JP5675700B2 - トルクセンサ - Google Patents
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Description
本発明は、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。
一対の磁気センサは、磁気回路に発生する磁束密度を検出する感磁部を有し、感磁部が検出した検出信号を外部の演算手段に出力する。一対の磁気センサは、演算手段が当該一対の磁気センサの出力差を演算することで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が相殺されるように、演算手段に検出信号を出力する。
第1のグループでは、一対の磁気センサは、互いに隣接し、軸方向において感磁部同士が一対の磁気センサの軸方向の中心位置に対して対称となる位置に配置される。この場合、演算手段は、一対の磁気センサの出力差を演算する。
このように、本発明のトルクセンサによれば、外部の演算手段が、一対の磁気センサの出力差を演算することで、出力変動を相殺することができるため、回転角度の検出精度を向上することができる。
なお、第6〜第9、第11〜第17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。
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。
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。
以下に説明する本発明の第1〜第10実施形態は、「一対の磁気センサの出力和又は出力差」により出力変動を相殺するものである。また、第1〜第10実施形態において、ECU91は、特許請求の範囲に記載の「演算手段」として機能する。
第1〜第10実施形態は、(1)第1〜第5実施形態のグループ、(2)第6〜第9実施形態のグループ、(3)第10実施形態の3つのグループに分けられる。
第1〜第5実施形態のグループは、集磁リングの1つの集磁部に一対の磁気センサを含み、当該一対の磁気センサの出力和により出力変動を相殺する。第1〜第5実施形態について、図1、図3〜図10を参照して説明する。
第1実施形態に特有の構成について、図1、図3〜図5を参照して説明する。第1実施形態のトルクセンサ101の一組の集磁リング502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52、及び、本体部56と集磁部52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52に集める。
図4、図5に示すように、一組の集磁リング502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3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。
また、一組の集磁リング502の集磁部52について、図1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2〜第5実施形態でも同様とする。
ここで、一般に市販の磁気センサは、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おり、第1〜第10実施形態では、この構成の磁気センサを使用することを前提とする。また、第1〜第10実施形態において、1つの実施形態に含まれる複数の磁気センサは、ICパッケージの外郭サイズ、ICパッケージ中の感磁部の配置、感磁部の磁気的性能等が同等であることを前提とする。
以上の構成により、本実施形態の磁気センサ41及び磁気センサ42は、本発明における「一対の磁気センサ」をなす。
図4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。
その結果、磁気センサ41、42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、42が検出し、電圧信号として出力することで、トルクセンサ101は、入力軸11と出力軸12との間の操舵トルクを検出する。
本実施形態の多極磁石14は、12極対のS極及びN極を有しているため、図6(b)に示すように、出力変動は、30°を1周期として現れる。
そこで、本実施形態のトルクセンサ101は、「一対の磁気センサ」である磁気センサ41、42の出力差により出力変動を相殺する点を特徴とする。
磁気センサ41、42は、軸方向において感磁部410、420同士が軸方向中心面Vに対して対称となるように配置されているため、トーションバー13に加わるトルク、又は捩じれ角に基づく磁気センサ41の出力S1と磁気センサ42の出力S2とは、回転角度に対する傾きの正負が逆転する関係にある。一方、感磁部410、420には、周方向中心面Uc上にある多極磁石14の磁極からの磁束が空間を通って共通に到達すると考えられるため、多極磁石14とヨーク31、32とを一体に回転させたとき、回転角度に対して各磁気センサの出力変動が同方向に増減する。
S1=E1+δ ・・・式(1)
S2=E2+δ ・・・式(2)
ECU91は、下式(3)により、出力S1と出力S2との差の半分の値を演算する。
E=(S1−S2)/2=(E1−E2)/2 ・・・式(3)
これにより、出力変動を相殺することができる。
また、一組の集磁リング502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。
図7に示すように、第2実施形態のトルクセンサ102は、周方向中心面Ucに対して対称に設けられた集磁リング503の集磁部531、532間に3個の磁気センサ41、42、43が一列に搭載されている。互いに隣接する磁気センサ41と磁気センサ42とは、軸方向において感磁部410、420同士が軸方向中心面Vに対して対称となるように配置される。また、互いに隣接する磁気センサ42と磁気センサ43とは、軸方向において感磁部420、430同士が軸方向中心面Vに対して対称となるように配置される。
こうして、磁気センサ41と磁気センサ42、磁気センサ42と磁気センサ43は、それぞれ「一対の磁気センサ」をなす。
図8に示すように、第3実施形態のトルクセンサ103の集磁リング504は、第2実施形態の集磁リング503に対し、集磁部541、542間に、さらに磁気センサ43と隣接する4個目の磁気センサ44が搭載されている。磁気センサ43と磁気センサ44とは、軸方向において感磁部430、440同士が軸方向中心面Vに対して対称となるように配置されており、「一対の磁気センサ」をなす。
図9に示すように、第4実施形態のトルクセンサ104は、周方向中心面Ucに対して対称に設けられた集磁リング505の集磁部551、552間に4個の磁気センサ41、42、45、46が周方向に2個ずつ二列に搭載されている。磁気センサ41と磁気センサ42とは、「一対の磁気センサ」をなす。また、周方向に隣接する磁気センサ45と磁気センサ46とは、軸方向において感磁部450、460同士が軸方向中心面Vに対して対称となるように配置され、「一対の磁気センサ」をなす。さらに、径方向に隣接する磁気センサ41と磁気センサ45、磁気センサ42と磁気センサ46も、それぞれ感磁部同士が軸方向中心面Vに対して対称となるように配置される。
図10に示すように、第5実施形態のトルクセンサ105は、第1実施形態のトルクセンサ101に対し、半円形状の本体部56を有する一組の集磁リング502に代えて、本環状の体部58を有する一組の集磁リング506が用いられる。集磁リング506の集磁部521、522間には、第1実施形態と同様、2個の磁気センサ41、42が一列に設けられている。この形態でも、第1実施形態と同様に出力変動を相殺することができる。
第6実施形態に特有の構成について、図11〜図13を参照して説明する。第6実施形態のトルクセンサ106の一組の集磁リング602は、半円形状の本体部66、本体部66の径外方向に突出する2つの集磁部61、62、及び、本体部66と各集磁部61、62とを連結する連結部67から構成される。
また、一組の集磁リング602の集磁部61、62について、図11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7〜第10実施形態でも同様とする。
また、感磁部410、420は、周方向の中心がそれぞれ周方向中心面U1、U2に含まれる。この点についても、以下の第7〜第10実施形態において同様である。
以上の構成により、本実施形態の磁気センサ41及び磁気センサ42は、本発明における「一対の磁気センサ」をなす。
磁気センサ41、42は、軸方向において感磁部410、420同士の位置が同じであるため、トーションバー13に加わるトルク、又は捩じれ角に基づく磁気センサ41の出力S1と磁気センサ42の出力S2とは一致する。一方、磁気センサ41、42は、対応する多極磁石14の磁極が異極であるため、多極磁石14とヨーク31、32とを一体に回転させたとき、回転角度に対して各磁気センサの出力変動が逆方向に増減する。
S1=E+δ ・・・式(4)
S2=E−δ ・・・式(5)
ECU91は、下式(6)により、出力S1と出力S2との和の半分の値を演算する。
E=(S1+S2)/2=2E/2 ・・・式(6)
これにより、出力変動を相殺することができる。
また、集磁部602の形状、配置による効果は、第1実施形態と同様である。
図15に示すように、第7実施形態のトルクセンサ107は、集磁リング603に3つの集磁部61、62、63が設けられる。集磁部61、62、63は、周方向中心面U1、U2、U3上に設けられ、中立状態で、多極磁石14の連続して隣接するS極、N極、S極に対応している。磁気センサ41、42、43は、軸方向において感磁部410、420、430同士が同じ位置になるように集磁部61、62、63に配置される。
図16に示すように、第8実施形態のトルクセンサ108の集磁リング604は、第7実施形態の集磁リング603に対し、さらに4つ目の集磁部64が設けられる。集磁部64は、周方向中心面U4上に設けられ、中立状態で、集磁部63が対応する多極磁石14のS極と隣接するN極に対応している。集磁部64に搭載される4個目の磁気センサ44は、軸方向において感磁部440が、磁気センサ41、42、43の感磁部410、420、430と同じ位置になるように配置される。また、感磁部430と感磁部440との角度間隔θ3−4は、やはり多極磁石14の着磁角度θmと等倍である。
したがって、磁気センサ43と磁気センサ44とは、「一対の磁気センサ」をなす。
図17に示すように、第9実施形態のトルクセンサ109は、集磁リング605に2つの集磁部61、64が設けられる。集磁部61、64は、周方向中心面U1、U4上に設けられ、中立状態で、多極磁石14の、間にN極とS極とを1つずつおいたS極及びN極に対応している。集磁部61に搭載されるセンサ41と集磁部64に搭載されるセンサ44とは、軸方向において感磁部410、440同士が同じ位置になるように配置されている。
また、一対の磁気センサを、感磁部同士の角度が多極磁石14の着磁角度θmの3倍以上の奇数倍とするように配置することで、着磁角度θmの1倍とする場合に比べ、磁気センサ同士の間隔を離し、漏れ磁束の影響を小さくすることができる。
(第10実施形態)
図18に示すように、第10実施形態のトルクセンサ110は、集磁リング605に2つの集磁部61、63が設けられる。集磁部61、63は、周方向中心面U1、U3上に設けられ、中立状態で、多極磁石14の、間にN極を1つおいたS極及びS極に対応している。集磁部61に搭載されるセンサ41と集磁部63に搭載されるセンサ43とは、軸方向において感磁部410、430同士が軸方向中心面Vに対して対称となるように配置されている。
一対の磁気センサを備え、その出力和又は出力差により出力変動を相殺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。
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19〜図28を参照して説明する。
第11実施形態に特有の構成について、図19〜図23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21、図22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20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。
図19、図21、図22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。
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。
図21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。
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23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。
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。
図25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。
図26、図27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。
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。
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29〜図34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29〜図32を参照して説明する。図29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。
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30(b)、図31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。
図33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。
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。
(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。
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、42、43・・・一対の磁気センサ、
410、420、430・・・感磁部、
502〜506、606・・・一組の集磁リング(一組の集磁体)、
91 ・・・ECU(演算手段)。
Claims (4)
- 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極が一定の着磁角度で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、
周方向に配置され、前記磁気回路に発生する磁束密度を検出する感磁部(410、420)を有し、前記感磁部が検出した検出信号を外部の演算手段(91)に出力する一対の磁気センサ(41、42)と、を備え、
前記一対の磁気センサは、互いに隣接し、軸方向において前記感磁部同士が前記一対の磁気センサの軸方向の中心位置に対して対称となる位置に配置され、
前記演算手段が当該一対の磁気センサの出力差を演算することで前記多極磁石から前記感磁部に直接到達する磁束によって発生する出力変動が相殺されるように、前記演算手段に検出信号を出力することを特徴とするトルクセンサ(101−105)。
- 請求項1に記載のトルクセンサにおいて、
前記一対の磁気センサの一方の磁気センサに対し、互いに隣接し、軸方向において前記感磁部同士が前記一対の磁気センサの軸方向の中心位置に対して対称となる位置に配置される第3の磁気センサ(43)を備えることを特徴とするトルクセンサ(102)。 - 請求項2に記載のトルクセンサにおいて、
3つの前記磁気センサの一方の端部の磁気センサに対し、互いに隣接し、軸方向において前記感磁部同士が前記一対の磁気センサの軸方向の中心位置に対して対称となる位置に配置される第4の磁気センサ(44)を備えることを特徴とするトルクセンサ(103)。 - 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極が一定の着磁角度で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、
周方向に配置され、前記磁気回路に発生する磁束密度を検出する感磁部(410、430)を有し、前記感磁部が検出した検出信号を外部の演算手段(91)に出力する一対の磁気センサ(41、43)と、を備え、
前記一対の磁気センサは、前記感磁部同士の角度間隔が前記多極磁石の着磁角度の偶数倍となるように、かつ軸方向において前記感磁部同士が前記一対の磁気センサの軸方向の中心位置に対して対称となる位置に配置され、
前記演算手段が当該一対の磁気センサの出力差を演算することで前記多極磁石から前記感磁部に直接到達する磁束によって発生する出力変動が相殺されるように、前記演算手段に検出信号を出力することを特徴とするトルクセンサ(110)。
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