JP2004309463A - シャフトに加えられるトルクを測定する装置 - Google Patents

Abstract

【課題】シャフト（１０）に加えられるトルクを測定するための従来の技術の装置を、公差が測定信号に余り強く作用しないように改善すること。
【解決手段】磁束リング（３８，４０）の間には、磁束センサ（４２）が設けられており、この磁束センサ（４２）に関連して磁束コンセントレータ（４６，４８）が設けられてなる装置において、前記磁束コンセントレータ（４６，４８）は、磁束リング（３８，４０）を包摂している。
【選択図】 図２

Description

本発明は、シャフトに加えられるトルクを測定するための装置であって、シャフトは第１のシャフト部分及び第２のシャフト部分を有し、これら２つのシャフト部分は相対して捩り可能であり、第１のシャフト部分を囲繞しかつこのシャフト部分に結合された多極マグネットリングと、第２のシャフト部分に取着されたステータホルダとを具備し、このステータホルダには２つのステータ要素が取着されており、各々のステータ要素は軸方向又は径方向に突出しているフィンガを有し、これらのフィンガは、周囲の少なくとも１部分に亘って、均等に配設されており、互いの間に隙間を有し、各々のステータ要素のフィンガは、磁束リングによって、互いに結合されており、磁束リングは互いに間隔を有し、これらの磁束リングの間には、磁束センサが設けられており、この磁束センサに関連して少なくとも１つの磁束コンセントレータが設けられてなる装置に関する。

US 4,984,474からは、実質的に、１つ又は複数のマグネットリングと、少数の極を有する２つのステータ要素とによって形成されるトルクセンサが公知である。少数の極の欠点は、ステアリング・シャフトの回転中に、センサによって測定された信号には、極の半分の幅だけずれた２つの信号の適切な電子式の追加によって又は完全に環状に構成された磁束収集リング（Flusssammelringe）によってしか補償されないリップルが変調されることである。更に、かように構成されたトルクセンサは比較的敏感でありかつ故障し易い。何故ならば、磁束コンセントレータはステータの径方向外側に取着されているからである。更に、かような構造体は同心度公差に対する大きな感度を有する。最後に、ステータはスペーサを有し、スペーサは複数の別個のリングによって形成される。このことによって、構造は比較的複雑になる。

FR 2,821,668 A1からは、センサが、分散的に構成された多極マグネットリングと、互いに組み込まれた２つの弱磁性のステータとにより構成されてなる装置が公知である。これらのステータは、径方向の内側に、磁極を走査するフィンガ形の構造体を有し、径方向の外側に、固定式の磁界センサがあってなる環状のギャップを有する。

マグネットホイールの分散的な構造によって、磁極ピッチを、比較的大まかに選択することができる（極の幅２９°）。このことは同様に大きな直線領域を引き起こすが、この直線領域は完全には活用されない。何故ならば、測定される角度の範囲は、トーションシステムの必要な剛性の故に、約±３°乃至５°だからである。磁束を最適に活用することはできない。何故ならば、磁気短絡を形成するエアギャップが、周囲全体に亘って、同一に形成されているので、磁束は大きな面に分布されており、従って、磁界センサの位置で比較的僅かに過ぎないからである。

残留磁気の高いマグネットの使用にも拘わらず、この装置は低い感度を有する。これに対し、機械的公差への、例えば、磁束密度が測定されてなるエアギャップの、その幅への測定信号の依存性は非常に大きい。

DE 102 22 118 A1からは、複数のステータ又は磁石継鉄の外側に設けられた環状の磁束導体（Flussleiter）又は磁束収集リングを有する構造体が公知である。磁束導体が高価に構成されており、ステータの半径方向公差及び軸方向公差によるすべての影響を補償することができる訳ではないことは、欠点と見なされる。

磁束を導く部材、特にステータを製造しかつ組み立てる際に、機械的公差を避けることができない。これまで知られたすべての構造体の場合、これらの公差は、磁気回路にあるエアギャップの大きさに直接作用し、従ってまた測定信号に妨害的に作用し、かくして、正確度の減少及び測定誤差をもたらすことがある。
米国特許第4,984,474号公報 フランス特許公開第2,821,668 A1号公報 ドイツ特許公開第102 22 118 A1号公報

従って、明細書導入部に記載のタイプの装置を、公差が測定信号に余り強く作用しないように改善するという課題が、本発明の基礎になっている。

この課題は、本発明により、磁束コンセントレータが磁束リングを包摂することによって解決される。

固定式に取着された磁束コンセントレータは、磁束リングの夫々両側には、磁束を集める面があるように、形成される。個々の磁束コンセントレータは、一側のみを走査する代わりに、付近の磁束リングを内側及び外側で包摂する。本発明に係わるこの実施の形態は、磁束リングの平面又は平坦の公差が平均化されるという極めて重要な利点を有する。磁束リングと磁束コンセントレータとの間の内側のエアギャップが狭くなるとき、同時に、内側のエアギャップに関連する外側のエアギャップは拡大する。磁束が２つのエアギャップを介して導かれるので、２つの効果は補償し合う。

本発明の好ましい実施の形態では、磁束コンセントレータは磁束リングをＣ字形に包摂する。この場合、磁束コンセントレータの自由端は、磁束リングの両側を、２０％乃至８０％、特に３０％乃至５０％の径方向長さに亘って覆う。

複数の磁束コンセントレータの間に磁束センサが設けられていることは好ましい。このことによって、磁束センサは一方では外的な影響に対し遮断されており、他方では磁束コンセントレータの近くに位置しているという利点が形成される。

他の最適化は、各々の磁束リングに関連して２つ又はそれより多くの磁束コンセントレータが設けられていることによって達成される。この場合、複数の磁束コンセントレータは、磁束リングの周囲に亘って均等に設けられている。このことは、例えば、２つの磁束コンセントレータを使用する際に、都合２つの磁束センサを用いることができ、これによって、冗長信号を発信することができるという極めて重要な利点を有する。更に、このことによって、信号の平均化を達成することができる。

磁束コンセントレータが、１０°乃至１８０°の角度範囲に亘って、特に２５°乃至９０°の角度範囲に亘って、磁束リングの周囲に亘って延びているという可能性がある。

或る実施の形態は、磁束コンセントレータが固定式のホルダに設けられていることを提案する。このホルダには、追加の電子機器構成要素、電子機器構成要素用のシートバー、プラグ及び／又は半田付け端末が設けられていてよい。ホルダは別個に操作可能な部材として形成されており、ステータ要素がホルダに対し比較的可動であるように、適切な箇所で、ステータ要素と結合されている。

磁束リングへの遊びを出来る限り僅かに保つために、ホルダは、滑り軸受によって、ステータホルダに支持される。この直接的な接触は、磁束リングと磁束コンセントレータとの間の自由空間を非常に小さく保つことができることを可能にする。

容易な組立は、ステータホルダが、第２のシャフト部分の自由端で、ホルダリングにクリップ留め可能であるか係着可能であることによって達成される。一方では、組立が容易化されるのみならず、修理作業及び保守作業も同様に容易に行なえる。

好ましい実施の形態では、磁束コンセントレータは型打ち・折曲げ・薄板製品である。このような型打ち・折曲げ・薄板製品は容易にかつ安価に製造可能である。他の実施の形態では、磁束コンセントレータは焼成製品か、ＭＩＴ（metal injection molding）製品すなわち金属射出成形品である。

本発明の他の利点、特徴及び詳細は、以下の記述から明らかである。そこでは、図面を参照して、特に好ましい実施の形態が詳述されている。図面に示され、請求項及び明細書に記載された特徴は、夫々、単独で又は任意の組合せで本発明に本質的である。

図１は、原動機付き車両の、全体で参照符号１０が付されたステアリング・シャフトを示している。ステアリング・シャフトのうち、２つのシャフト部分１２及び１４が認められる。２つのシャフト部分１２及び１４はトーションバー・スプリング１６によって、互いに結合されている。それ故に、互いに向き合った自由端１８及び２０は、トルクがステアリング・シャフト１０に加えられるとき、互いに相対して捩じられる。シャフト部分１４の自由端２０にはマグネットリングホルダ２２が取着されており、このマグネットリングホルダは、全体で参照符号２４が付されている多極マグネットリングを支持している。

このマグネットリング２４は、全体で参照符号２８が付されているステータによって囲繞されており、このステータは、ステータホルダ３０に取着されている。このステータホルダ３０は、同様に、シャフト部分１２の自由端１８に取着されており、係合装置によって保持リング３２に係合されている。

ステータホルダ３０には、第１のステータ要素２６及び第２のステータ要素３３が取着されており、ステアリング・シャフト１０を包摂する。２つのステータ要素２６及び３３は、同軸で互いに向かい合っており、図２に示すように、径方向内側に突出している複数のフィンガ３４及び３６を有する。フィンガ３４及び３６は、夫々、磁束リング３８及び４０に付いている。これら磁束リングはフィンガ３４及び３６を囲繞し、フィンガ３４及び３６において夫々誘導される磁束を磁束センサ４２の方向に導く。この磁束センサ４２は、２つの磁束リング３８，４０間に設けられており、センサホルダ４４によって支持される。更に、図１及び２には、磁束リング３８及び磁束リング４０が，夫々、磁束コンセントレータ４６及び４８によって包摂されていることが明らかに見て取れる。２つの磁束コンセントレータ４６及び４８は、実質的にＣ字形の形状を有し、磁束コンセントレータの自由脚部は、磁束リング３８及び４０の両面で延びている。２つの磁束コンセントレータ４６及び４８は、同様に、センサホルダ４４によって支持され、２つの磁束リング３８及び４０に対して自らの位置に保たれる。

図１は、更に、センサホルダ４４には電子機器構成要素５２用のシートバー５０が格納されていること、及びケーブルを接続することができる複数のプラグ５４が設けられていることを示している。センサホルダ４４は、滑り軸受５６によって、ステータホルダ３０に支持される。

図２はマグネットリング２４の磁化を明示している。マグネットリングは、例えば、プラスチックに結合しておりかつ射出成形又はプレスされているマグネット材料からなる。マグネットリング２４は軸方向に多極で磁化されており、複数の極は、ステータ要素２６又は３３夫々のフィンガ３４又は３６が各極対に関連して設けられており、フィンガ３４及び３６が一方の極対から他方の極対への遷移に位置しているように、設けられている。

図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線断面を示す図３は、２つの磁束リング３８及び４０が、２つの磁束コンセントレータ４６及び４８によって覆われていることを明示している。このことによって、磁束コンセントレータ４６及び４８と磁束リング３８及び４０との間にあるエアギャップ５８の変化が、測定結果を変化させることが、防止される。例えば磁束リング３８又は４０において、一方のエアギャップ５８が磁束リング３８又は４０の揺動によって狭まるとき、同時に、一方のエアギャップに対応の他方のエアギャップの長さが増大する。これに対し、ひっくるめてコンセントレータ４６又は４８によって集められた磁束は一定である。更に、このことは、第２の磁束リングが同時に磁束コンセントレータにおいて如何に動くかには関係ない。

図４は、フィンガ３４及び３６が軸方向に曲げられてなる第２の実施の形態を示している。この実施の形態では、マグネットリング２４は径方向に多極に磁化されている。ここでも、フィンガ３４又は３６は各極対に関連して設けられており、フィンガ３４及び３６は一方の極対から他方の極対への遷移に位置している。この実施の形態では、ステータホルダ３０は、被着される代わりに、ステータ要素２６及び３３と共に、ホルダリング３２に射出成形されて結合されていてもよい。

図５及び６は、本発明に係わる装置のモジュール状の構成を示している。しかし、各々の磁束リング３８又は４０に関連して２つの磁束コンセントレータ４６及び４８が設けられており、これらの磁束コンセントレータはステアリング・シャフト１０の縦軸線６０に対し互いに向かい合っている。かくて、システムの一定の冗長が形成され、信号の平均化が可能である。

本発明に係わる装置の、図７に示した実施の形態では、磁束リング３８及び４０は径方向内側にかつマグネットリング２４への方向に曲げられたフィンガ３４及び３６を有する。このことによって、マグネットリング２４の軸方向の寸法が従来の技術よりも一層小さく保たれることができ、しかも、磁束コンセントレータ４６と４８との間には、磁束センサを収容するために十分なスペースが残っているという利点が達成される。マグネットの体積の減少によって、装置の全重量も減少され、コストも減少される。磁束リング３８と４０との依然として大きな間隔によって、磁気分路が小さいままであることが保証されている。マグネットリング２４は、今や、燒結された材料からなることができ、このことによって、磁界の増大が達成される。

図８は、磁束センサ４２が、磁束コンセントレータ４６及び４８の互いに向かい合った面から突出している複数の目板６２の間に取着されている、他の実施の形態を示している。２つの目板６２はほぼ軸方向に延びており、磁束コンセントレータ４６及び４８に一体的に設けられている。目板６２の自由端６４は径方向外側に曲げられており、夫々、磁束センサ４２用の接触面を形成する。このことは、磁界が均質であってなる大きな領域が形成されるという極めて重要な利点を有する。更に、磁束センサ４２の、接線方向及び径方向における位置公差は取るに足りない。

図９は、目板６２の自由端６４が成形されて結合されている磁束コンセントレータ４８を、斜視図で示している。自由端６４の面は約３×３ｍｍ^２の大きさである。

図４からは、漏れ磁束が、２つの磁束リング３８及び４０のフィンガ３４と３６の間で、磁束センサ４２及び目板６２の方向に発生していることが示されている。この漏れ磁束は、その都度、磁極につき、周方向に沿って、内側へ又は外側へ自らの方向を変える。磁束センサ４２の有効面は、対称面Ａに正確に位置しているのでなくて、通常、この対称面に対し少なくとも僅かに軸方向にずれているので、この漏れ磁束の一部は磁束センサ４２によって検出される。このことは磁極の数による信号の変調をもたらす。

図１０は、遮蔽板６８の形の遮蔽装置６６を示している。この遮蔽板は、磁束センサ４２と、２つの磁束リング３８及び４０のフィンガ３４及び３６との間にある。このことによって、磁束センサ４２に作用する漏れ磁束が除去される。遮蔽板６８は、２つの磁束コンセントレータ４６及び４８の互いに向かい合った領域の間隔の約５０％に対応する幅を有する。更に、遮蔽板６８は長手方向に湾曲されており、長さはほぼアンギュラ・セグメントに対応し、このアンギュラ・セグメントに亘って磁束コンセントレータ４６及び４８が延びている。

しかし、漏れ磁束の影響の減少は、目板６２の、曲げられた自由端６４によっても達成される。何故ならば、曲げられた自由端によって、磁束センサ４２を、径方向一層外側に設置することができるからである。

２つのシャフト部分の断面図を示しており、シャフト部分の端部にはトルクを算出するための装置が取着されている。 本発明に係わる装置の第１の実施の形態の斜視図を示している。 図２に示した断面ＩＩＩ−ＩＩＩを示している。 ２つのステータ要素の、径方向内側にある部分の図を示している。 図２に示した本発明に係わる装置の側面図を示している。 図５に示した装置の分解図を示している。 本発明の他の実施の形態の斜視図を示している。 図４に示した本発明に係わる装置の、他の実施の形態の図を示している。 磁束コンセントレータの斜視図を示している。 図４に示した本発明に係わる装置の、他の実施の形態の図を示している。

符号の説明

１０ シャフト
１２ シャフト部分
１４ シャフト部分
２４ 多極マグネットリング
２６ ステータ要素
３０ ステータホルダ
３２ ホルダリング
３３ ステータ要素
３４ フィンガ
３６ フィンガ
３８ 磁束リング
４０ 磁束リング
４２ 磁束センサ
４４ ホルダ
４６ 磁束コンセントレータ
４８ 磁束コンセントレータ
５０ シートバー
５２ 電子機器構成要素
５４ プラグ
５６ 滑り軸受
６２ 目板。

Claims (22)

1. シャフト（１０）に加えられるトルクを測定するための装置であって、前記シャフト（１０）は、第１のシャフト部分（１４）及び第２のシャフト部分（１２）を有し、これら２つのシャフト部分（１２及び１４）は相対して捩り可能であり、前記第１のシャフト部分（１４）を囲繞しかつこのシャフト部分に結合された多極マグネットリング（２４）と、前記第２のシャフト部分（１２）に取着されたステータホルダ（３０）とを具備し、このステータホルダ（３０）には２つのステータ要素（２６，３３）が取着されており、各々のステータ要素（２６，３３）は、軸方向又は径方向に突出しているフィンガ（３４，３６）を有し、これらのフィンガは、周囲の少なくとも１部分に亘って、均等に配設されており、互いの間に隙間を有し、各々のステータ要素（２６，３３）の前記フィンガ（３４，３６）は、磁束リング（３８，４０）によって、互いに結合されており、前記磁束リング（３８，４０）は互いに間隔を有し、これらの磁束リング（３８，４０）の間には、磁束センサ（４２）が設けられており、この磁束センサ（４２）に関連して少なくとも１つの磁束コンセントレータ（４６，４８）が設けられてなる装置において、
   前記磁束コンセントレータ（４６，４８）は、前記磁束リング（３８，４０）を包摂することを特徴とする装置。
2. 前記磁束コンセントレータ（４６又は４８）は、前記磁束リング（３８又は４０）をＣ字形に包摂することを特徴とする請求項１に記載の装置。
3. 前記磁束コンセントレータ（４６，４８）の間には前記磁束センサ（４２）が設けられていることを特徴とする請求項１又は２に記載の装置。
4. 各々の磁束リング（３８，４０）に関連して２つ又はそれより多くの磁束コンセントレータ（４６，４８）が設けられていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１に記載の装置。
5. 前記複数の磁束コンセントレータ（４６，４８）は、前記磁束リング（３８，４０）の周囲に亘って均等に設けられていることを特徴とする請求項４に記載の装置。
6. 前記磁束コンセントレータ（４６，４８）は、１０°乃至１８０°に亘って、特に２５°乃至９０°に亘って、前記磁束リング（３８，４０）の周囲に亘って延びていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１に記載の装置。
7. 前記磁束コンセントレータ（４６，４８）は固定式のホルダ（４４）に設けられていることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１に記載の装置。
8. 前記ホルダ（４４）には、追加の電子機器構成要素（５２）、電子機器構成要素用のシートバー（５０）、プラグ（５４）及び／又は半田付け端末が設けられていることを特徴とする請求項７に記載の装置。
9. 前記ホルダ（４４）は、滑り軸受（５６）によって、前記ステータホルダ（３０）に支持されることを特徴とする請求項７又は８に記載の装置。
10. 前記ステータホルダ（３０）は、前記第２のシャフト部分（１２）の自由端で、ホルダリング（３２）にクリップ留め可能であるか係着可能であることを特徴とする請求項１、８又は９に記載の装置。
11. 前記ステータホルダ（３０）は、前記ステータ要素（２６，３３）と共に、前記ホルダリング（３２）に射出成形されて結合されていることを特徴とする請求項１ないし１０のいずれか１に記載の装置。
12. 前記磁束コンセントレータ（４６，４８）は型打ち・折曲げ・薄板製品か、焼成製品か、金属射出成形品であることを特徴とする請求項１ないし１１のいずれか１に記載の装置。
13. 前記一方の磁束コンセントレータ（４６又は４８）は、前記他方の磁束コンセントレータ（４６又は４８）の方向に突出している少なくとも１つの目板（６２）を有し、前記磁束センサ（４２）はこの目板に取着されていることを特徴とする請求項１ないし１２のいずれか１に記載の装置。
14. 前記目板（６２）は前記磁束コンセントレータ（４６，４８）から径方向に突出していることを特徴とする請求項１３に記載の装置。
15. ２つの磁束コンセントレータ（４６又は４８）は目板（６２）を有することを特徴とする請求項１３又は１４に記載の装置。
16. 前記２つの磁束コンセントレータ（４６及び４８）の間には前記磁束センサ（４２）が設けられていることを特徴とする請求項１５に記載の装置。
17. 前記目板（６２）の自由端は、径方向に、特に、径方向外側に曲げられていることを特徴とする請求項１３乃至１６のいずれか１に記載の装置。
18. 前記目板（６２）の前記自由端は、前記磁束センサ（４２）用の接触面を有することを特徴とする請求項１７に記載の装置。
19. 前記フィンガ（３４，３６）と前記磁束センサ（４２）との間には、遮蔽装置、特に、弱磁性の遮蔽板が設けられていることを特徴とする請求項１ないし１８のいずれか１に記載の装置。
20. 前記遮蔽装置の幅は、前記２つの磁束コンセントレータ（４６及び４８）の間隔の２５％乃至７５％、特に５０％であることを特徴とする請求項１９に記載の装置。
21. 前記遮蔽装置は前記ステータ要素（２６，３３）に同軸に曲げられていることを特徴とする請求項１９又は２０に記載の装置。
22. 前記遮蔽装置は、磁束コンセントレータ（４６及び４８）が延びている範囲にほぼ対応するアンギュラ・セグメントに亘って延びていることを特徴とする請求項１９乃至２１のいずれか１に記載の装置。

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