磁歪式トルク・回転角検出装置

【課題】簡易な構造で小型化を図ることができるトルク・回転角検出装置を提供することを課題とする。
【解決手段】磁歪式トルク・回転角検出装置２０は、回転軸１６と、回転軸１６に被覆され且つ磁気異方性が付与されている第１磁歪膜部２７と、磁気異方性が第１磁歪膜部２７とは逆方向に付与されている第２磁歪膜部２８と、磁気異方性は付与されてない第３磁性膜部２９と、第１磁歪膜部２７に臨んで配置されている第１検出コイル３１と、第２磁歪膜部２８に臨んで配置されている第２検出コイル３２と、第３磁性膜部２９に臨んで配置されている第３検出コイル３３と、からなる。
【効果】部品数が少なく、配置もまとまっているので、検出装置を簡易な構造にして小型化を図ることができる。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、回転軸におけるトルクと回転角度とを一括して検出することができる磁歪式トルク・回転角検出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、自動車の電動パワーステアリングには、操舵力を補助する補助モータを制御するために、各種の検出装置が備えられている（例えば、特許文献１（図２）参照。）。
【０００３】
この特許文献１の技術を図面に基づいて以下に説明する。
図１３に示すように、ステアリング軸１０１には、ステアリング軸１０１におけるトルクを検出するトルク検出装置１０２と、ステアリング軸１０１における回転角度を検出する回転角検出装置１０３とが備えられている。
【０００４】
トルク検出装置１０２では、ステアリング軸１０１が矢印のように回転されると、トルクの作用によりトーションバー１０４がねじれ、ステアリング軸１０１と出力軸１０５との回転角度に変位が生じる。この変位により、ステアリング軸１０１に設けられている磁石１０６と、出力軸１０５に設けられているヨーク１０７との位置関係も変化する。すると、ヨーク１０７に磁束が発生し、集磁リング１０８を介して磁気センサ１０９で検知される。この検知情報に基づいて、トルクを検出することができる。
【０００５】
回転角検出装置１０３では、ステアリング軸１０１と一体的に内歯車１１１が回転されると、内歯車１１１に噛み合った外歯車１１２が回転する。外歯車１１２と一体的に磁石１１３も回転する。すると、筐体１１４に設けられている磁気センサ１１５で磁気特性の変化が検知される。この検知情報に基づいて、回転角度を検出することができる。
【０００６】
しかしながら、特許文献１に係る技術では、トルク検出装置１０２と回転角検出装置１０３が異なる位置に別々に配置されているので、部品数が多くなり、スペースも必要になる。すなわち、簡易な構造で小型化を図ることができるトルク・回転角検出装置が求められている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００７−２６９２８１公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、簡易な構造で小型化を図ることができるトルク・回転角検出装置を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
請求項１に係る発明は、回転軸と、この回転軸に被覆され且つ磁気異方性が付与されている第１磁歪膜部と、前記回転軸に被覆され且つ磁気異方性が前記第１磁歪膜部とは逆方向に付与されている第２磁歪膜部と、軸直角方向での膜厚が変化する形態で前記回転軸に被覆され且つ磁歪を示さない第３磁性膜部と、前記第１磁歪膜部に臨んで配置され第１磁歪膜部での磁気特性の変化を検出する第１検出コイルと、前記第２磁歪膜部に臨んで配置され第２磁歪膜部での磁気特性の変化を検出する第２検出コイルと、この第２検出コイルの検出情報と前記第１検出コイルの検出情報とから前記回転軸に加えられたトルクを演算するトルク演算部と、前記第３磁性膜部に臨んで配置され第３磁性膜部での磁気特性の変化を検出する第３検出コイルと、この第３検出コイルの検出情報から前記回転軸の回転角度を演算する回転角度演算部と、からなり、前記回転軸におけるトルクと回転角度とを一括して検出することができることを特徴とする。
【００１０】
請求項２に係る発明では、第３磁性膜部は、軸直角方向での膜厚が１８０°周期で変化する形態で回転軸に被覆されていることを特徴とする。
【００１１】
請求項３に係る発明では、第３磁性膜部は、ねじりトルクに対して磁界の変化を起こさない特性を有する膜であることを特徴とする。
【００１２】
請求項４に係る発明では、第３検出コイルは、集磁性に周期があるヨークを備えていることを特徴とする。
【００１３】
請求項５に係る発明は、第３磁性膜部には、集磁性に周期のあるヨークを備えた検出コイルが、１／４周期位相をずらして少なくとも２個配置されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
請求項１に係る発明では、回転軸と、回転軸に被覆されている第１、第２磁歪膜部、第３磁性膜部と、これらの第１、第２磁歪膜部、第３磁性膜部に臨んで配置されている第１〜第３検出コイルと、トルク演算部と、回転角度演算部とからなる。従来技術によれば、トルク検出装置と回転角度検出装置が異なる位置に別々に配置されているので、部品数が多くなり、スペースも必要になる。これに比較して、本発明では、部品数が少なく、配置もまとまっているので、検出装置を簡易な構造にして小型化を図ることができる。
【００１５】
請求項２に係る発明では、第３磁性膜部は、軸直角方向での膜厚が１８０°周期で変化する形態で回転軸に被覆されている。膜厚を変化させるだけで磁気抵抗が異なる部分を有する磁性膜を製造することができるので、製造コストを安価にすることができる。
【００１６】
請求項３に係る発明では、第３磁性膜部は、ねじりトルクに対して磁界の変化を起こさない特性を有する膜である。第３磁性膜部を、ねじりトルクに対して磁界の変化を起こす第１、第２磁歪膜部の近傍に配置しても、第３磁性膜部はねじりトルクの影響を受けないので、第１、第２磁歪膜部、第３磁性膜部をまとめて配置しコンパクト化を図ることができる。
【００１７】
請求項４に係る発明では、第３検出コイルは、集磁性に周期があるヨークを備えている。ヨークの形状を変えるだけで集磁効果の大きい部分を有するヨークを製造することができるので、製造コストを安価にすることができる。
【００１８】
請求項５に係る発明では、第３磁性膜部には、集磁性に周期のあるヨークを備えた検出コイルが、１／４周期位相をずらして少なくとも２個配置されている。回転軸の絶対角と回転方向を検出するのに、それぞれの検出コイル配置をずらすだけであるので、簡単な構造でコンパクトにすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明に係る磁歪式トルク・回転角検出装置の使用例を説明する図である。
【図２】本発明の実施形態に係る電動パワーステアリングの断面図である。
【図３】本発明に係る磁歪式トルク・回転角検出装置の断面図である。
【図４】図３の４−４線断面図である。
【図５】本発明に係る磁歪式トルク・回転角検出装置の構成図である。
【図６】第３検出コイルにおける出力変化の基本原理を説明する図である。
【図７】第３磁性膜部における回転軸と検出コイルの配置を説明する図である。
【図８】回転軸の回転角度を検出する工程を説明する図である。
【図９】図８に対応した第３検出コイルで検出される磁気特性と回転角度の関係を説明する図である。
【図１０】検出コイルの出力特性とトルクの関係を説明ずる図である。
【図１１】磁歪膜の製造方法を説明する図である。
【図１２】本発明に係る別実施例を説明する図である。
【図１３】従来の技術の基本原理を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
本発明の実施の形態を添付図に基づいて以下に説明する。なお、図面は符号の向きに見るものとする。
【実施例１】
【００２１】
先ず、本発明の実施例１を図面に基づいて説明する。
図１に示されるように、車両１０において、ステアリングハンドル１１が回されると、この回転力がステアリング軸１２を介して電動パワーステアリング機構１３（詳細構造は後述）に伝えられ、この伝えられた回転力に応じたトルクが、この電動パワーステアリング機構１３で付加される。増加されたトルクでラック軸１４が水平に動かされ、車輪１５が操舵される。
【００２２】
図２に示されるように、電動パワーステアリング機構１３は、回転軸１６と、この回転軸１６のトルクと回転角度を一括して検出する磁歪式トルク・回転角検出装置２０と、補助動力を伝達する補助動力伝達機構２１と、回転軸１６の回転運動を往復運動に変換するピニオン・ラック機構２２と、これらの外側を囲うハウジング２３およびリッド２４とからなる。回転軸１６は、軸受２５、２６を用いてハウジング２３に回転自在に支持されている。
【００２３】
磁歪式トルク・回転角検出装置２０は、回転軸１６に設けられている第１磁歪膜部２７、第２磁歪膜部２８および第３磁性膜部２９と、これらの第１、第２磁歪膜部２７、２８、第３磁性膜部２９に臨むようにリッド２４に設けられている第１検出コイル３１、第２検出コイル３２および第３検出コイル３３と、からなる。
【００２４】
補助動力伝達機構２１は、ハウジング２３に設けられ補助動力を発生する補助モータ３４と、この補助モータ３４に設けられ回転力を伝達する伝達軸３５と、この伝達軸３５に設けられているウォームギヤ３６と、ウォームギヤ３６に噛み合うように回転軸１６に設けられ補助動力を伝達するウォームホイール３７と、からなる。
【００２５】
ピニオン・ラック機構２２は、回転軸１６に設けられているピニオン４０と、このピニオン４０に噛み合うように設けられているラック４１と、ハウジング２３にラック４１に向かって摺動自在に設けられラック４１を案内するラックガイド４２と、ハウジング２３にキャップ４３を介して設けられラックガイド４２がピニオン４０に押し付けられるように付勢する圧縮ばね４４と、からなる。
【００２６】
図３に示されるように、磁歪式トルク・回転角検出装置２０は、回転軸１６と、回転軸１６に被覆され且つ磁気異方性が付与されている第１磁歪膜部２７と、回転軸１６に被覆され且つ磁気異方性が第１磁歪膜部２７とは逆方向に付与されている第２磁歪膜部２８と、軸直角方向での膜厚が変化する形態で回転軸１６に被覆され且つ磁歪を示さない第３磁性膜部２９と、第１磁歪膜部２７に臨んで配置され第１磁歪膜部２７での磁気特性の変化を検出する第１検出コイル３１と、第２磁歪膜部２８に臨んで配置され第２磁歪膜部２８での磁気特性の変化を検出する第２検出コイル３２と、第３磁性膜部２９に臨んで配置され第３磁性膜部２９での磁気特性の変化を検出する第３検出コイル３３と、回転軸１６の周囲に配置される１個の励磁コイル４７と、からなる。
なお、磁気異方性の方向をＡ、Ｂで示す。
【００２７】
第３磁性膜部２９の断面構造を次図で説明する。
図４に示されるように、第３磁性膜部２９は、軸直角方向での膜厚ｔが１８０°周期で変化する形態で回転軸１６に被覆されている。第３検出コイル３３は、集磁性に周期のあるヨーク４８を備えている。
【００２８】
第３磁性膜部２９は、エアギャップの大きさにより磁気抵抗が変わる。第３磁性膜部２９において、膜厚ｔが厚い部分はエアギャップが小さくなり磁気抵抗は小さくなる。逆に、膜厚ｔが薄い部分はエアギャップが大きくなり磁気抵抗は大きくなる。
また、ヨーク４８を半割れ構造にすることで、集磁性に周期を持たせることができる。ヨーク４８の集磁効果の大きい領域をＲとし、集磁効果の小さい領域をＳとする。
なお、膜厚の周期性は１８０°に限定されず、３６０°／ｎ周期で軸直角方向での膜厚が変化する形態で回転軸１６に被覆されていても差し支えない。ヨーク４８は１８０°周期であるがこれに限定されず、３６０°周期等でもよく、第３磁性膜部２９の３６０°／ｎ周期で軸直角方向に変化する膜厚に合わせて変更しても差し支えない。集磁効果の大きい領域Ｒ、または集磁効果の小さい領域Ｓの数をＮとして、ｎ＝１のとき、Ｎ≧１であればよいし、ｎ≧２のとき、Ｎ＝１またはＮ＝ｎであればよい。ただし、ｎ＝１、２、・・・、Ｎ＝１、２、・・・とし、領域Ｒおよび領域Ｓの位置は３６０°／Ｎ間隔とする。例えば、Ｎ＝２であれば、１８０°間隔、Ｎ＝３でれば１２０°間隔とする。
【００２９】
次に図３に示した第１〜第３検出コイル３１、３２、３３に係る演算部を説明する。
図５に示されるように、第１、第２磁歪膜部２７、２８、第３磁性膜部２９に対して配置されている励磁コイル４７と、第１〜第３検出コイル３１、３２、３３とを電気的関係として概念的に示している。第１、第２磁歪膜部２７、２８、第３磁性膜部２９に共通に配置されている励磁コイル４７には、励磁用交流電流を常に供給する交流電源５１が接続されている。第１〜第３検出コイル３１、３２、３３は、それぞれ、上段と下段に分けて２個ずつ配置されている。上下段の第１検出コイル３１、３１の各出力端子からは、トルクに対応する誘導電圧Ｖ_Ａ、Ｖ_Ｂが出力される。上下段の第２検出コイル３２、３２の各出力端子からは、トルクに対応する誘導電圧Ｖ_Ｃ、Ｖ_Ｄが出力される。上下段の第３検出コイル３３、３３の各出力端子からは、回転角度に対応する誘導電圧Ｖ_Ｅ、Ｖ_Ｆが出力される。
【００３０】
第１、第２検出コイル３１、３１、３２、３２の各出力端子から出力された誘導電圧Ｖ_Ａ、Ｖ_Ｂ、Ｖ_Ｃ、Ｖ_Ｄは、トルク演算部５２に入力される。トルク演算部５２は、誘導電圧Ｖ_Ａ、Ｖ_Ｂ、Ｖ_Ｃ、Ｖ_Ｄに基づいて、回転軸１６に加えられたトルクを演算する。
なお、これらの４個の検出コイル３１、３１、３２、３２のそれぞれから出力される誘導電圧Ｖ_Ａ、Ｖ_Ｂ、Ｖ_Ｃ、Ｖ_Ｄを所定の関係に基づいて組み合わせることにより、第１、第２磁歪膜部２７、２８いずれかで故障した場合に、故障検出を行うこともできる。
【００３１】
第３検出コイル３３、３３の各出力端子から出力された誘導電圧Ｖ_Ｅ、Ｖ_Ｆは、回転角度演算部５３に入力される。回転角度演算部５３は、誘導電圧Ｖ_Ｅ、Ｖ_Ｆに基づいて、回転軸１６の回転角度を演算する。
なお、トルク演算部５２および回転角度演算部５３は、マイコン等の演算手段または演算用電気回路で構成されている。
【００３２】
図６に示されるように、基準線５４からの回転軸１６の回転角度をθとする。
（ａ）に示すように、θ＝０°の場合は、第３磁性膜部２９の膜厚が最も厚い部分が領域Ｒに臨んでいる。
（ｂ）に示すように、矢印（１）の向きに回転軸１６を回転させ、θ＝４５°にした場合は、第３磁性膜部２９の膜厚が少し薄くなった部分が領域Ｒに臨んでいる。
（ｃ）に示すように、矢印（２）の向きに回転軸１６を回転させ、θ＝９０°にした場合は、第３磁性膜部２９の膜厚が最も薄い部分が領域Ｒに臨んでいる。
（ｄ）はステアリング軸の回転角度と検出されるインピーダンス（磁気特性）の関係を示すグラフであり、第３検出コイル３３では、ＣＯＳ曲線のような結果となる。なお、第１、第２検出コイル（図５、符号３１、３２）では、回転軸１６の回転による変化がない。
【００３３】
図７（ａ）に示されるように、第３磁性膜部２９には、集磁性に周期のあるヨーク４８を備えた第３検出コイル３３、３３が、上段下段に分かれて２個配置されている。
（ｂ）は上段の第３検出コイル３３の配置を示す図であり、基準線５４上に、第３検出コイル３３の領域Ｒが位置している。
（ｃ）は下段の第３検出コイル３３の配置を示す図であり、基準線５４から、１／４周期（実施例１では４５°）位相をずらして第３検出コイル３３の領域Ｒが位置している。
なお、第３検出コイルの数は２個に限定されず、３個、４個など少なくとも２個配置されていても差し支えない。
【００３４】
以上の述べた磁歪式トルク・回転角検出装置の作用を次に述べる。
図８に示されるように、回転角度θ＝０°における上段の第３検出コイル３３部分を（ａ）に示し、下段の第３検出コイル３３部分を（ｂ）に示す。
回転軸１６を回転させ、回転角度θ＝４５°にすると、上段の第３検出コイル３３部分は（ｃ）のようになり、下段の第３検出コイル３３部分は（ｄ）のようになる。
さらに回転軸１６を回転させ、回転角度θ＝９０°にすると、上段の第３検出コイル３３部分は（ｅ）のようになり、下段の第３検出コイル３３部分は（ｆ）のようになる。
【００３５】
図９（ａ）に示されるように、上段の第３検出コイル（図５、符号３３）では、ＣＯＳ曲線のような結果を得る。他方、下段の第３検出コイル３３では、１／４周期位相がずれた波形を得る。上段の第３検出コイルの波形と、下段の第３コイルの波形から、回転角度演算部５３を通して、回転軸１６絶対角度と回転方向を検出することができる。この結果、（ｂ）に示すように、検出される磁気特性と操舵角の関係を得る。
【００３６】
図１０に示されるように、第３磁性膜部（図３、符号２９）は、ねじりトルクに対して磁性の変化を起こさない特性を有する膜であるので、第３検出コイル（図３、符号３３）の出力特性はねじりトルクに対して変化しない。
他方、第１、第２磁歪膜部（図３、符号２７、２８）は磁歪特性を示すので、ねじりトルクに対して磁性の変化を起こす。
【００３７】
図１１（ａ）に示されるように、回転軸１６に、例えば、矢印（３）のように、回転軸１６を回転させながら、Ｎｉ−Ｆｅ合金材を外周面に電解めっきする。めっき電極に近いところの電界密度が高いので、Ｐ１、Ｐ３部では回転速度を遅くし、めっきを厚くする。Ｐ２、Ｐ４部では回転速度を速くし、めっきを薄くする。
すると、（ｂ）に示すように、軸直角方向での膜厚が１８０°周期で変化する形態で、回転軸１６に第３磁性膜部２９を形成させることができる。
【００３８】
第１、第２磁歪膜部（図３、符号２７、２８）に対しては、磁歪特性を示す組成比のＮｉ−Ｆｅ合金を溶射するか、もしくはめっきを施す。さらに、回転軸１６にトルクを印加した状態で高周波加熱すること等で、磁気異方性を加えることができる。
なお、第１、第２磁歪膜部２７、２８は、Ｎｉ−Ｆｅ合金材に限定されず、磁歪特性を示す材料であれば、他の材料でも差し支えない。第３磁性膜部２９は、磁歪特性を示さない組成比のＮｉ−Ｆｅ合金材に限定されず、磁性を示す材料であれば、他の材料でも差し支えない。それぞれの成膜方法は、溶射、めっきに限定されない。
また、膜厚に周期を持たせるには、上述した製造方法に限定されず、成膜後に研磨する方法等、膜厚に周期を持たせることができれば、他の製造方法であっても差し支えない。
【実施例２】
【００３９】
次に、本発明の実施例２を図面に基づいて説明する。
図１２（ａ）に示されるように、ヨーク４８、４８に溝部５５、５５を設ける。これにより、フリンジング磁束による磁路長を変化させ、集磁性に周期を持たせることができる。ヨーク４８の集磁効果の大きい領域をＲとし、集磁効果の小さい領域をＳとする。
【実施例３】
【００４０】
次に、本発明の実施例３を図面に基づいて説明する。
図１２（ｂ）に示されるように、ヨーク４８の内側５６を楕円形状にする。第３磁性膜部とヨーク４８の内側５６が近い部分ではエアギャップが小さくなり、集磁効果の大きい領域Ｒを得る。エアギャップが大きい部分では、集磁効果の小さい領域Ｓを得る。
【００４１】
尚、本発明に係る磁歪式トルク・回転角検出装置は、実施の形態では自動車のステアリング軸に適用したが、船舶の舵にも適用可能であり、回転軸のトルクと回転角度を検出するものであれば、一般の機械部品に適用することは差し支えない。
【産業上の利用可能性】
【００４２】
本発明の磁歪式トルク・回転角検出装置は、自動車のステアリング軸に好適である。
【符号の説明】
【００４３】
１６…回転軸、２０…磁歪式トルク・回転角検出装置、２７…第１磁歪膜部、２８…第２磁歪膜部、２９…第３磁性膜部、３１…第１検出コイル、３２…第２検出コイル、３３…第３検出コイル、４８…ヨーク、５２…トルク演算部、５３…回転角度演算部、Ａ、Ｂ…磁気異方性、θ…回転角度。

【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転軸と、この回転軸に被覆され且つ磁気異方性が付与されている第１磁歪膜部と、前記回転軸に被覆され且つ磁気異方性が前記第１磁歪膜部とは逆方向に付与されている第２磁歪膜部と、軸直角方向での膜厚が変化する形態で前記回転軸に被覆され且つ磁歪を示さない第３磁性膜部と、前記第１磁歪膜部に臨んで配置され第１磁歪膜部での磁気特性の変化を検出する第１検出コイルと、前記第２磁歪膜部に臨んで配置され第２磁歪膜部での磁気特性の変化を検出する第２検出コイルと、この第２検出コイルの検出情報と前記第１検出コイルの検出情報とから前記回転軸に加えられたトルクを演算するトルク演算部と、前記第３磁性膜部に臨んで配置され第３磁性膜部での磁気特性の変化を検出する第３検出コイルと、この第３検出コイルの検出情報から前記回転軸の回転角度を演算する回転角度演算部と、からなり、
前記回転軸におけるトルクと回転角度とを一括して検出することができることを特徴とする磁歪式トルク・回転角検出装置。
【請求項２】
前記第３磁性膜部は、軸直角方向での膜厚が３６０°／ｎ周期で変化する形態で前記回転軸に被覆されていることを特徴とする請求項１記載の磁歪式トルク・回転角検出装置。
【請求項３】
前記第３磁性膜部は、ねじりトルクに対して磁界の変化を起こさない特性を有する膜であることを特徴とする請求項１記載又は請求項２の磁歪式トルク・回転角検出装置。
【請求項４】
前記第３検出コイルは、集磁性に周期があるヨークを備えていることを特徴とする請求項１、請求項２又は請求項３記載の磁歪式トルク・回転角検出装置。
【請求項５】
前記第３磁性膜部には、集磁性に周期のあるヨークを備えた検出コイルが、１／４周期位相をずらして少なくとも２個配置されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項記載の磁歪式トルク・回転角検出装置。

【図１】