(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
連結軸により同軸に連結された第１軸及び第２軸と、該第１軸に固設された永久磁石と、前記第２軸に固定され、前記永久磁石の磁界内に配置されて磁気回路を形成する複数の軟磁性体と、該軟磁性体に磁気結合され、該軟磁性体からの磁束を誘導する複数の補助軟磁性体と、該補助軟磁性体が誘導した磁束を検出する検出器とを備え、前記第１軸又は第２軸にトルクが加えられたときに、前記検出器の出力に基づき、前記トルクを検出すべくなしてあるトルク検出装置において、
前記補助軟磁性体及び検出器を収納する合成樹脂製のケースを備え、前記補助軟磁性体は弾性を有し、該補助軟磁性体を前記弾性により伸縮させて前記ケースに嵌め込んであることを特徴とするトルク検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、車両の電動パワーステアリング装置等に好適に使用され、連結軸により同軸に連結された第１軸及び第２軸と、第1軸に固設された永久磁石と、第２軸に固定され、永久磁石の磁界内に配置されて磁気回路を形成する複数の軟磁性体と、軟磁性体に磁気結合され、軟磁性体からの磁束を誘導する複数の補助軟磁性体と、補助軟磁性体が誘導した磁束を検出する検出器とを備え、第１軸又は第２軸にトルクが加えられたときに、検出器の出力に基づき、トルクを検出するトルク検出装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
車両の舵取装置に、電動モータを駆動して操舵補助を行ない、運転者の負担を軽減する電動パワーステアリング装置がある。これは、操舵部材（ステアリングホイール、ハンドル）に繋がる入力軸と、ピニオン及びラック等により操向車輪に繋がる出力軸と、入力軸及び出力軸を連結する連結軸とを備え、連結軸に生じる捩れ角度によって、トルク検出装置が入力軸に加わる操舵トルクを検出し、検出した操舵トルク値に基づき、出力軸に連動する操舵補助用の電動モータを駆動制御するものである。このような電動パワーステアリング装置のトルク検出装置には、従来、コイルを用いて回転位置を検出する磁気検知式レゾルバ、又は光の透過を検知する光学式エンコーダの検出装置等が使用されている。
【０００３】
また、特許文献１には、図１の分解斜視図（ａ）、縦断面図（ｂ）及び横断面図（ｃ）に示すように、トーションバー３により同軸に連結された入力軸１及び出力軸２と、入力軸１に固設されたリング状の２４極の永久磁石５と、出力軸２に固定され、永久磁石５の磁界内に配置されて磁気回路を形成する複数の軟磁性体４ａ，４ｂからなる磁気ヨークと、磁気ヨーク４ａ，４ｂに磁気結合され、磁気ヨーク４ａ，４ｂからの磁束を誘導する２つの集磁リング８，８と、集磁リング８，８が誘導した磁束を検出する２つの磁気センサ６，６（ホールＩＣ）とを備え、入力軸１にトルクが加えられたときに、磁気センサ６，６の出力に基づき、トルクを検出するトルクセンサが提案されている。
【０００４】
また、本出願人は、上述したトルクセンサで、図１に示すように、磁気ヨーク４ａ，４ｂを合成樹脂２４により一体にモールドし、集磁リング８，８と磁気センサ６，６とを合成樹脂２８により一体にモールドして、組み立てを容易にしたトルクセンサを、特願２００３−３３２５１１号にて提案している。
【特許文献１】特開２００３−１４９０６２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特願２００３−３３２５１１号にて提案したトルクセンサでは、集磁リング８，８を合成樹脂によりモールドしている為、合成樹脂の硬化時の体積変化により、集磁リング８，８に応力及び歪みが生じる。集磁リング８，８にはパーマロイ（ニッケル−鉄合金）を使用しているが、パーマロイの磁気特性は、応力及び歪みに敏感であり、図９に示すように、応力及び歪みが大きくなると、透磁率が小さくなり、保磁力が大きくなる。その為、磁気センサ６，６が検出する磁束が変化し、トルク値を正確に検出出来ないという問題がある。
【０００６】
本発明は、上述したような事情に鑑みてなされたものであり、集磁リングに生じる応力及び歪みが小さいトルク検出装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明に係るトルク検出装置は、連結軸により同軸に連結された第１軸及び第２軸と、該第１軸に固設された永久磁石と、前記第２軸に固定され、前記永久磁石の磁界内に配置されて磁気回路を形成する複数の軟磁性体と、該軟磁性体に磁気結合され、該軟磁性体からの磁束を誘導する複数の補助軟磁性体と、該補助軟磁性体が誘導した磁束を検出する検出器とを備え、前記第１軸又は第２軸にトルクが加えられたときに、前記検出器の出力に基づき、前記トルクを検出すべくなしてあるトルク検出装置において、前記補助軟磁性体及び検出器を収納する合成樹脂製のケースを備え、前記補助軟磁性体は弾性を有し、該補助軟磁性体を前記弾性により伸縮させて前記ケースに嵌め込んであることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明に係るトルク検出装置によれば、補助軟磁性体に生じる応力及び歪みが小さくなって、集磁リングの磁気特性（透磁率、保磁力）の劣化が小さくなり、透磁率の低下が小さくなって、センサ感度が向上し、保磁力の増加が小さくなって、ヒステリシス（履歴現象）を小さく出来る。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下に、本発明をその実施の形態を示す図面に基づいて説明する。
（開示技術１）
図１は、開示するトルク検出装置の構成を示す説明図であり、（ａ）は分解斜視図、（ｂ）は縦断面図、（ｃ）は横断面図である。このトルク検出装置は、入力軸１（第１軸）と出力軸２（第２軸）とを、細径のトーションバー３（連結軸）を介して同軸状に連結している。入力軸１及び出力軸２は、それぞれピン９によりトーションバー３に連結されている。
【００１２】
入力軸１には、２４極（Ｎ，Ｓ極各１２極）が周方向に等間隔で着磁された円筒形状の（２４極）永久磁石５が、同軸に固設されている。出力軸２には、半径方向に適当な隙間を設けて永久磁石５を囲む円筒形状のヨーク４が、同軸に固設されている。ヨーク４は、図２に示すように、板状のリングに、その板面に垂直な一方向に延びる１２個の二等辺三角形状の爪１０が等間隔に周設された２つの磁気ヨーク４ａ，４ｂ（軟磁性体）を備えている。２つの磁気ヨーク４ａ，４ｂは、それぞれの爪１０が周方向に適当な間隔でずれるように対向する状態で、合成樹脂２４により円筒形状にモールドされている。
また、磁気ヨーク４ａ，４ｂは、トルクが加えられない中立状態で、それぞれの爪１０の先端が、永久磁石５のＮ極及びＳ極の境界を指すように配置される。
【００１３】
このトルク検出装置は、また、磁気ヨーク４ａ，４ｂにそれぞれ磁気結合され、磁気ヨーク４ａ，４ｂからの磁束をそれぞれ誘導する２つの集磁リング８，８（補助軟磁性体）を備えている。集磁リング８，８は、図２に示すように、平行に配置され、互いに他部分より近接する平板状の部分を有し、その近接する部分の隙間に、１又は複数のホールＩＣ６が挿入されている。
【００１４】
集磁リング８，８及びホールＩＣ６は、上述した状態で、合成樹脂２８によりモールドされ一体化されている。但し、合成樹脂２８には複数の穴１８，１８を設けて、集磁リング８，８と合成樹脂２８との接触面積を減らし、合成樹脂２８の硬化時の体積変化による集磁リング８，８への負荷（圧力）を小さくして、集磁リング８，８に生じる応力及び歪みを低減するようにしている。
【００１５】
図３は、上述したような構成のトルク検出装置を、電動パワーステアリング装置に実装した場合の構成例を示す縦断面図である。この電動パワーステアリング装置は、図示しないステアリング（ハンドル）に入力軸１が連結され、入力軸１の中空部にはトーションバー３の上半部が遊嵌され、トーションバー３の上端部はピン９ａにより入力軸１に連結されている。トーションバー３の下半部は、出力軸２の中空部に遊嵌され、トーションバー３の下端部はピン９ｂにより出力軸２に連結され、出力軸２の中空部の上部には、入力軸１の下部が遊嵌されている。出力軸２は、図示しない舵取機構に連結されている。
【００１６】
入力軸１は、軸受１３により電動パワーステアリング装置のハウジング１７に回動自在に支持され、出力軸２は、軸受１１，１２によりハウジング１７に回動自在に支持されている。
出力軸２には、ウォームホイール１５が固設され、ウォームホイール１５には、図示しない操舵補助モータのモータ軸に連結されたウォーム１４が噛合している。
【００１７】
入力軸１には永久磁石５が同軸に固設され、出力軸２には、半径方向に適当な隙間を設けて永久磁石５を囲む２つの磁気ヨーク４ａ，４ｂが、同軸に固設されている。磁気ヨーク４ａ，４ｂの周囲には、磁気ヨーク４ａ，４ｂにそれぞれ磁気結合され、互いに等間隔に平行に配置された２つの集磁リング８，８が配設されている。集磁リング８，８の互いに近接する平板状の部分間には、２つのホールＩＣ６が挿入されている。
【００１８】
磁気ヨーク４ａ，４ｂは、合成樹脂２４により一体にモールドされ、集磁リング８，８及び２つのホールＩＣ６は、合成樹脂２８により一体にモールドされ、合成樹脂２８は、電動パワーステアリング装置のハウジング１７に固定されている。但し、合成樹脂２８には複数の穴１８を設けて、合成樹脂２８からの負荷（圧力）により、集磁リング８，８に生じる応力及び歪みを低減するようにしている。
ホールＩＣ６は、各リード線７が基板１６に半田付けされ、基板１６は、ホールＩＣ６が作動する為の電源を供給し、ホールＩＣ６が検出した出力を得ている。
【００１９】
以下に、このような構成のトルク検出装置の動作を説明する。入力軸１又は出力軸２にトルクが加えられないとき、磁気ヨーク４ａ，４ｂの各爪１０は、図４（ｂ）に示すように、永久磁石５のＮ極及びＳ極に対向する面積が等しくなり、Ｎ極から入る磁束とＳ極へ出る磁束とが等しくなるので、磁気ヨーク４ａ及び磁気ヨーク４ｂ間には磁束は生じない。
【００２０】
入力軸１又は出力軸２に一方向のトルクが加えられたとき、トーションバー３に捩れが生じて、磁気ヨーク４ａ，４ｂの各爪１０及び永久磁石５の相対位置が変化する。このとき、例えば、図４（ａ）に示すように、磁気ヨーク４ａの各爪１０に対向する面積が、永久磁石５のＮ極の方がＳ極より大きくなり、Ｎ極から入る磁束の方がＳ極へ出る磁束より大きくなる。また、磁気ヨーク４ｂの各爪１０に対向する面積が、永久磁石５のＮ極の方がＳ極より小さくなり、Ｎ極から入る磁束の方がＳ極へ出る磁束より小さくなる。その結果、磁気ヨーク４ａから磁気ヨーク４ｂへの磁束が生じ、この磁束密度は、各爪１０に対向するＮ極及びＳ極の面積の差が大きい程、大きくなる。
【００２１】
一方、入力軸１又は出力軸２に他方向のトルクが加えられたとき、上記とは逆方向に、トーションバー３に捩れが生じて、磁気ヨーク４ａ，４ｂの各爪１０及び永久磁石５の相対位置が変化する。このとき、例えば、図４（ｃ）に示すように、磁気ヨーク４ａの各爪１０に対向する面積が、永久磁石５のＮ極の方がＳ極より小さくなり、Ｎ極から入る磁束の方がＳ極へ出る磁束より小さくなる。また、磁気ヨーク４ｂの各爪１０に対向する面積が、永久磁石５のＮ極の方がＳ極より大きくなり、Ｎ極から入る磁束の方がＳ極へ出る磁束より大きくなる。その結果、磁気ヨーク４ｂから磁気ヨーク４ａへの磁束が生じ、この磁束密度は、各爪１０に対向するＮ極及びＳ極の面積の差が大きい程、大きくなる。
【００２２】
上述した磁気ヨーク４ａ及び磁気ヨーク４ｂ間のギャップに生じる磁束密度の変化を、トーションバー３の捩れ角である電気角−１８０〜１８０ｄｅｇ．（機械角−１５〜１５ｄｅｇ．）に対応させて図示すると、図４（ｄ）に示すような正弦波状となる。実際に使用される範囲は、トーションバー３の剛性から、−９０〜９０ｄｅｇ．を超えることはない。
【００２３】
上述した磁気ヨーク４ａ及び磁気ヨーク４ｂ間のギャップの磁束密度に応じて、磁気ヨーク４ａ，４ｂに生じた磁束は、集磁リング８，８によりそれぞれ誘導され、誘導された磁束は、集磁リング８，８の互いに近接する部分に集中し、ホールＩＣ６，６により検出される。集磁リング８，８により、ホールＩＣ６，６は、磁気ヨーク４ａ，４ｂの全周で発生する磁束密度の平均を検出することが出来る。
【００２４】
以上により、ホールＩＣ６，６は、それぞれ集磁リング８，８に生じた磁束に応じた磁束密度、即ち、入力軸１又は出力軸２に加えられたトルクに応じた磁束密度を検出することが出来る。つまり、検出した磁束密度に基づき、加えられたトルクを知ることが出来る。特に、ホールＩＣ６，６の検出方向を逆にし、それらの出力の差を求めることにより、振れ回り、ホールＩＣ６，６の温度特性及び軸方向の検出感度の各影響を相殺することが出来、検出精度を高めることが出来る。
【００２５】
（開示技術２）
図５は、開示するトルク検出装置の構成を示す説明図であり、（ａ）は分解斜視図、（ｂ）は縦断面図、（ｃ）は横断面図である。このトルク検出装置は、実施の形態１の合成樹脂２８の複数の穴１８を更に大きくして方形状の穴１９にしてあり、合成樹脂２８ａは、集磁リング８，８及び２つのホールＩＣ６を一体化するのに必要な部分のみからなっている。
【００２６】
これにより、集磁リング８，８と合成樹脂２８ａとの接触面積を更に減らし、合成樹脂２８ａの硬化時の体積変化による集磁リング８，８への負荷（圧力）を更に小さくして、集磁リング８，８に生じる応力及び歪みを更に低減することが出来る。その他の構成及び動作は、開示技術１で説明したトルク検出装置の構成及び動作と同様であるので、説明を省略する。
【００２７】
（実施の形態）
図６は、本発明に係るトルク検出装置の実施の形態の構成を示す説明図であり、（ａ）は分解斜視図、（ｂ）は縦断面図、（ｃ）は横断面図である。このトルク検出装置は、開示技術１，２のように、合成樹脂により集磁リング８，８及び２つのホールＩＣ６をモールドして一体化するのではなく、集磁リング８ａ，８ａ及び２つのホールＩＣ６を嵌め込める形状に、先ず、合成樹脂２８ｂ（ケース）を成形する。この際、２つのホールＩＣ６については、合成樹脂２８ｂと一体にモールドすることも可能であり、また、合成樹脂２８ｂの成形後に嵌め込むことも可能である。
【００２８】
集磁リング８ａ，８ａは、図７に示すように、ホールＩＣ６を挟む部分に対向する部分２０，２０が切れており、集磁リング８ａ，８ａを合成樹脂２８ｂに嵌め込む際は、切れた部分２０，２０の両端を接近させるか重ねることにより、集磁リング８ａ，８ａを縮めて小さくする。集磁リング８ａ，８ａは、合成樹脂２８ｂに嵌め込まれた状態では、元の形に復元しており、応力及び歪みが殆ど生じない。尚、切れた部分２０，２０の両端間が１ｍｍ程度であれば、集磁リング８ａ，８ａの磁気特性は、切れていない場合と変わらない。
【００２９】
また、切れた部分２０，２０を有する集磁リング８ａ，８ａに代えて、図８に示すような、伸縮可能な波形の部分２１を有する集磁リング８ｂ，８ｂとしても、同様に合成樹脂２８ｂに嵌め込むことが可能である。その他の構成及び動作は、開示技術１で説明したトルク検出装置の構成及び動作と同様であるので、説明を省略する。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】開示するトルク検出装置の構成を示す説明図である。
【図２】図１に示すトルク検出装置の磁気ヨーク及び集磁リングの例を示す分解斜視図である。
【図３】開示するトルク検出装置を電動パワーステアリング装置に実装した場合の構成例を示す縦断面図である。
【図４】開示するトルク検出装置の動作例を示す説明図である。
【図５】開示するトルク検出装置の構成を示す説明図である。
【図６】本発明に係るトルク検出装置の実施の形態の構成を示す説明図である。
【図７】図６に示すトルク検出装置の磁気ヨーク及び集磁リングの例を示す分解斜視図である。
【図８】図６に示すトルク検出装置の他の磁気ヨーク及び集磁リングの例を示す分解斜視図である。
【図９】パーマロイの磁気特性の例を示す特性図である。
【符号の説明】
【００３１】
１  入力軸（第１軸）
２  出力軸（第２軸）
３  トーションバー（連結軸）
４ａ，４ｂ  磁気ヨーク（軟磁性体）
５  永久磁石
６  ホールＩＣ（ホール素子、検出器）
７  リード線
８，８ａ，８ｂ  集磁リング（補助軟磁性体）
１０  爪
１８，１９  穴
２０  （集磁リングの）切れた部分
２１  （集磁リングの）波形の部分
２４，２８，２８ａ  合成樹脂
２８ｂ  合成樹脂（ケース）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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