专利名称：动力转向装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及车辆动力转向装置中的位置传感器和扭矩传感器的配置。
背景技术：
日本专利局在2007年公布的JP2007-240496A中提出了一种非接触型扭矩传感 器，该非接触型扭矩传感器检测由车辆的驾驶员输入到车辆动力转向装置的转向轮操作扭 矩。一旦感测到转向轮操作扭矩，动力转向装置就将电动机的助力补充到转向轮操作扭矩， 由此以小的转向轮操作扭矩的输入来实现车辆的转向。扭矩传感器包括磁力产生部，其在壳体中与扭杆的一端一起旋转；旋转磁路，其 与扭杆的另一端一起旋转；固定磁路，其被固定到壳体；以及磁力传感元件，其检测通入固 定磁路的磁通量的密度。当扭杆响应于输入扭矩而扭转变形时，磁力产生部和旋转磁路的相对转动位置发 生变化。结果，从磁力产生部经由旋转磁路到达固定磁路的磁通量的密度发生变化并且磁 力传感元件输出表现磁通量变化的信号。此外，某些电动助力转向装置包括旋转位置传感器，其从电动机的旋转位置检测 车辆的转向轮的转向角；以及位置传感器，其检测车辆的转向轮的中立位置以使转向角的 测量零点与该转向轮的中立位置一致。
发明内容
考虑到动力转向装置的小型化和简单化，优选地将扭矩传感器和位置传感器容纳 在公共壳体中，并且使用于从这些传感器输出信号的电路板一体化。然而，当位置传感器由磁非接触型(magnetic non-contacttype)传感器构成时， 位置传感器和扭矩传感器必须配置在分开的位置以防止扭矩传感器的磁路与位置传感器 的磁路之间的磁干涉。因此难以共用公共电路板或者使壳体小型化。因此，本发明的目的是能够使扭矩传感器与位置传感器临近配置而不会产生磁干涉。为了实现上述目的，该发明提供一种车辆用动力转向装置，该车辆用动力转向装 置包括输入轴；扭矩传感器，其磁检测输入到输入轴中的旋转扭矩；以及位置传感器，其 检测输入轴的基准旋转位置。位置传感器包括磁体；第一磁路形成构件，其在输入轴的基准旋转位置形成磁 体的第一磁回路(magnetic loop)；磁力传感元件，其被配置在第一磁回路中；以及第二磁 路形成构件，其在输入轴的非基准旋转位置形成磁体的第二磁回路。本发明的细节以及其它的特征和优点在说明书的剩余部分中阐述并且示出在附 图中。
图1是根据本发明的动力转向装置的纵截面图。3
图2是动力转向装置的主要部分的放大纵截面图。图3是动力转向装置的控制系统的示意图。图4是包括扭矩传感器的动力转向装置的分解立体图。图5A和图5B分别是处于分解状态和装配状态下的旋转磁路的立体图。图6是旋转磁路和磁环的俯视图。图7与图2类似，但示出了本发明的另一实施方式。
具体实施例方式参照附图中的图1，车辆用动力转向装置1包括输入轴11，其根据由车辆的驾驶 员进行的转向轮的操作而旋转；输出轴12，其将转向力传递到车辆的转向轮；以及扭杆21， 其连接输入轴11和输出轴12。输出轴12经由固定到输出轴12的下端的小齿轮轴向地驱 动齿条轴，由此将转向力传递到转向轮。蜗轮9被固定到输出轴12。与蜗轮9啮合的蜗杆由图3中示出的电动机6驱动而 旋转，由此，将电动机6的扭矩补充到输入到输入轴11的转向轮操作扭矩，并且总的扭矩作 为转向力从输出轴12输出。参照图3，电动机6的操作由控制器3控制。控制器3由微型计算机构成，该微型计算机包括中央处理器(CPU)、只读存储器 (ROM)、随机存取存储器(RAM)以及输入/输出接口(I/O接口)。该控制器3可以由多个微 型计算机构成。数据作为信号从扭矩传感器2、位置传感器5和作为旋转角传感器的旋转角检测 电动机4被输入到控制器3中，其中，扭矩传感器2检测输入到输入轴11的转向轮操作扭 矩，旋转角传感器检测电动机6的旋转角度，位置传感器5检测输入轴11的基准旋转位置。 控制器3基于由上述输入信号所表示的车辆行驶条件和表示如车辆速度等车辆行驶条件 的信号控制电动机6的操作。位置传感器5检测输入轴11的作为基准旋转位置的中立位置，该基准旋转位置用 作由旋转角检测电动机4检测的输出轴12的旋转角的测量用零点，或者换句话说，用作转 向角的零点。控制器3基于从旋转角检测电动机4和位置传感器5输入的信号计算转向轮 从输入轴11的中立位置起的旋转角。再次参照图1，输入轴11经由滚柱轴承37由壳体30支撑。输出轴12经由滚柱轴 承38由固定到壳体30的另一壳体支撑。输入轴11的下端经由滚柱轴承39连接到输出轴 12的上端，使得输入轴11和输出轴12被支撑以在相同的转动轴线上相对地转动。在输入轴11上滑动的防尘圈(dust seal) 36被设置于壳体30中从而将壳体30 保持在密封状态。输入轴11形成为圆筒状。扭杆21被容纳于输入轴11的内部。扭杆21 的上端经由销观被连接到输入轴11，并且扭杆21的下端经由细齿(serration)四被连接 到输出轴12。这样，通过由扭杆21连接输入轴11和输出轴12，输入到输入轴11的转向轮操作 扭矩经由扭杆21被传递到输出轴12，而扭杆21承受对应于转向轮操作扭矩的扭转变形。扭矩传感器2包括磁力产生部22，其与输入轴11 一起旋转；旋转磁路25，其与输 出轴12—起旋转；固定磁路31，其被固定于壳体30;磁力传感元件48，其检测通入到固定磁路31的磁通量的密度；电路板47和端子41至43。参照图4，磁力产生部22包括经由背面磁轭(back yoke) M被固定到输入轴11的 磁环23。参照图6，磁环23由6个由硬磁材料制成的弧状磁体形成。每个弧状磁体具有被 磁化为N极的端部和被磁化为S极的另一个端部。弧状磁体被配置成使得磁体的N极和相 邻磁体的S极彼此抵接。根据该结构，磁环23具有6个N极和6个S极，这些N极和S极以等角度间隔被 交替地绕圆周布置。背面磁轭M是由软磁材料形成的圆筒形构件，并且被压配合到输入轴11的外周 面。磁环23被事先固定到背面磁轭M的下端的外周。背面磁轭M起到将磁环23固定到输入轴11的固定构件的作用和在相邻的N极 和S极之间传送磁通量的磁轭的作用。通过使背面磁轭M接触磁环23的上表面，磁环23 的磁通量被集中在磁环23的下表面。也能够提供与背面磁轭M分离的固定构件以将磁环23固定到输入轴11使得背 面磁轭M仅起到传送磁体之间的磁通量的作用。参照图5A和图5B，旋转磁路25包括用于接收由磁环23产生的磁通量的第一软磁 构件沈和第二软磁构件27、以及装配构件77，该装配构件77将第一软磁构件沈和第二软 磁构件27 —体化为一件。第一软磁构件沈包括第一磁环73、6个分别从第一磁环73向下突出的第一磁柱 72、以及第一磁端部71，该第一磁端部71通过向内弯曲各第一磁拄72的下端部以面对磁环 23的下端面而形成。第二软磁构件27包括第二磁环83、6个分别从第二磁环83向上突出的第二磁柱 82、以及第二磁端部81，该第二磁端部81通过向内弯曲各第二磁拄82的上端部以面对磁环 23的下端面而形成。第一软磁构件沈和第二软磁构件27事先通过压制成型分别地被形成。第一磁环73和第二磁环83沿着输入轴11的转动轴线0的方向被彼此移开使得 第一磁端部71和第二磁端部81以等角度间隔交替地配置在与扭杆21的转动轴线垂直的 同一个平面中。再次参照图4，固定磁路31包括第一磁收集环32、第二磁收集环33、第一磁收集磁 轭；34以及第二磁收集磁轭35。参照图2，第一磁收集环32和第二磁收集环33通过立桩(staking)被固定到壳体 30的内周面。第一磁收集环32具有面对第一软磁构件沈的第一磁柱72的内周面。第二 磁收集环33具有面对第二软磁构件27的第二磁柱82的内周面。第一磁收集磁轭34、第二磁收集磁轭35、磁力传感元件48以及电路板47经由树 脂成型体45被固定到传感器保持件40。传感器保持件40由树脂材料形成并且经由螺栓被 固定到金属壳体30。磁隙96形成在第一磁收集磁轭34和第二磁收集磁轭35之间，并且磁力传感元件 48被设置于磁隙96中。霍尔元件被用作磁力传感元件48。本来，霍尔元件响应于通过元件的磁通量的密度而输出电压信号。磁力传感元件48经由电路板47和端子41至43将与形成在第一磁收 集磁轭34和第二磁收集磁轭35之间的间隙96中的磁场的大小和方向对应的信号输出到 控制器3。优选地设置具有将霍尔元件产生的信号放大的电路、补偿温度变化的电路或者噪 声过滤的电路的磁力传感元件48。当动力转向装置1处于没有扭矩施加到扭杆21的中立位置时，第一软磁构件沈 的第一磁端部71和第二软磁构件27的第二磁端部81均勻地(evenly)面对磁环23的N 极和S极，由此在N极和S极之间产生磁短路(magnetic short circuit)。在这种状态下， 磁环23的磁通量不被传送到旋转磁路25和固定磁路31。当车辆的驾驶员操作转向轮时，沿一个方向的扭矩被输入到扭杆21并且扭杆21 承受根据输入扭矩的方向的扭转变形。假如旋转磁路25由于扭杆21的扭转变形而已经相对于磁环23沿图6中的顺时 针方向转动，第一磁端部71的面对N极的总面积增加并且第二磁端部81的面对S极的总 面积增加。结果，由磁环23产生的磁通量经由旋转磁路25被传送到固定磁路31，并且磁力传 感元件48响应于形成于磁隙96中的磁场的大小和方向而输出信号。在该状态下通过旋转磁路25和固定磁路31形成的磁路从磁环23的N极开始，接 着通过第一磁端部71、第一磁柱72、第一磁环73、第一磁收集环32、第一磁收集磁轭34、第 二磁收集磁轭35、第二磁收集环33、第二磁环83、第二磁柱82、第二磁端部81再到达磁环 23的S极。当车辆的驾驶员操作转向轮以沿相反的方向将扭矩输入到扭杆21时，旋转磁路 25相对于磁环23沿图6中的逆时针方向旋转。根据该操作，第二磁端部81的面对N极的 总面积增加并且第一磁端部71的面对S极的总面积增加。结果，由磁环23产生的磁通量经由旋转磁路25被传送到固定磁路31，并且磁力传 感元件48响应于形成于磁隙96中的磁场的大小和方向而输出信号。在该状态下通过旋转磁路25和固定磁路31形成的磁路从磁环23的N极开始，接 着通过第二磁端部81、第二磁柱82、第二磁环83、第二磁收集环33、第二磁收集磁轭35、第 一磁收集磁轭34、第一磁收集环32、第一磁环73、第一磁柱72、第一磁端部71再到达磁环 23的S极。扭杆21响应于输入扭矩而扭转变形。由于第一磁端部71的N极面对面积和S极 面对面积之间的差以及第二磁端部81的S极面对面积和N极面对面积之间的差增大，形成 于磁隙96中的磁场的大小增大并且来自磁力传感元件48的输出信号变得更显著。应当注意，磁环23的磁极数量能够在2个以上的范围内被任意设定。假设第一软 磁构件沈面对磁环23的面积与第二软磁环27面对磁环23的面积相同，通过增加磁环23 的磁极数量而使传送到磁力传感元件48的磁通量的密度增大。根据上述结构，扭矩传感器2无需接触输入轴11即可从伴随扭杆21的扭转变形 的磁通量的密度变化来检测扭杆21的扭转角。上述扭矩传感器2与美国专利商标局于2009年10月1日公布的US 2009/0241692 中公开的扭矩传感器相同。接着，将说明位置传感器5的结构。6
再次参照图2，位置传感器5沿着壳体30中的转动轴线0与扭矩传感器2排列布置。位置传感器5包括磁体52以及磁力传感元件56，该磁力传感元件56对响应于输 入轴11的旋转位置而从磁体52通入的磁通量作出响应。位置传感器5无需接触输入轴11 即可检测输入轴11的基准旋转位置，该基准旋转位置与中立位置对应。磁体52经由由树脂制成的磁体保持构件66被固定到输入轴11。由铁磁材料制成的棒状磁体构成磁体52。磁体52以形成N极的端部指向径向并 且形成S极的另一端部指向转动轴线0的状态被装配到磁体保持构件66。磁力传感元件56被固定到电路板47并且经由电路板47和传感器保持件40被壳 体30支撑。霍尔开关被用作磁力传感元件56。霍尔开关根据通过霍尔开关的磁通量的密度相 对于基准密度的大小而经由电路板47和端子44选择性地将ON信号和OFF信号输出到控 制器3。磁阻元件或根据磁通量的密度输出电压信号的霍尔元件也可以被用作磁力传感 元件56。位置传感器5对在输入轴11位于基准旋转位置的状态下由磁体52产生的并且经 由磁回路M被通入到磁力传感元件56的磁通量作出响应。磁回路M由磁体52、磁体侧磁轭67、传感器侧第一磁轭68和传感器侧第二磁轭69 形成，该传感器侧第一磁轭68和传感器侧第二磁轭69经由树脂成型体45被传感器保持体 40支撑。当输入轴11位于与转向角的零点对应的基准旋转位置时，磁体52和磁体侧磁轭 67在作为传感器侧第一磁轭68和传感器侧第二磁轭69的延长线的直线上布置。磁体侧磁轭67在转动轴线0的方向上介于磁体52和扭矩传感器2之间。磁体侧磁轭67被形成为由软磁材料制成并且被弯曲成L-形状的带状板。磁体侧 磁轭67具有接触磁体52的S极的基部67a和在径向上被暴露于磁体保持构件66的外侧 的端部67b。在输入轴11的基准旋转位置形成磁回路M，该磁回路M经过形成于磁体侧磁轭67 的端部67b和传感器侧第一磁轭68的端部之间的窄的间隙和形成于磁体52的N极和传感 器侧第二磁轭69的端部之间的窄的间隙。
磁体侧磁轭67的端部67b被布置在转动轴线0的方向上与磁体52的N极相距预 定距离的位置处。以如下的方式确定该预定距离使得从磁体52的N极放射的磁通量在磁 体52和磁体侧磁轭67的端部67b之间产生短路以在输入轴11位于非基准旋转位置的状 态下形成磁回路N。这里的非基准旋转位置表示输入轴11的除了基准旋转位置以外的任何 旋转位置。形成在磁体侧磁轭67的端部67b和传感器侧第一磁轭68的端部之间的间隙以及 形成在磁体52的N极和传感器侧第二磁轭69的端部之间的间隙被设定成比该预定距离短。磁体侧磁轭67与磁体52 —起被固定到由树脂制成的磁体保持构件66。由树脂形 成磁体保持构件66和由软磁材料形成带状板的磁体侧磁轭67在减轻动力转向装置1的重量方面是优选的。然而，由软磁材料形成磁体保持构件66仍是可以的。传感器侧第一磁轭68和传感器侧第二磁轭69分别由棒状构件构成，该棒状构件 经由树脂成型体45沿径向被固定到传感器保持件40。传感器侧第一磁轭68和传感器侧第 二磁轭69构成固定磁路。传感器侧第二磁轭69的内端部从树脂成型体45向磁体保持构件66突出，而传感 器侧第二磁轭69的外端部面对传感器保持件40中的磁力传感元件56。传感器侧第一磁轭68被弯曲成J形状，使得传感器侧第一磁轭68的内端部从树 脂成型体45向磁体保持构件66突出，而传感器侧第一磁轭68的外端部在传感器侧第二磁 轭69的相对侧面对传感器保持件40中的磁力传感元件56。当输入轴11位于基准旋转位置时，磁体52的N极面对传感器侧第二磁轭69的内 端部，并且磁体侧磁轭67的端部67b面对传感器侧第一磁轭68的内端部，从而形成磁回路 M0通过磁回路M形成的磁通量使磁力传感元件56将ON信号输出到控制器3。由于由磁体 52产生的磁通量被集中在磁回路M中，从位置传感器5向扭矩传感器2泄漏的磁通量被抑 制为小。另一方面，当输入轴11不位于基准旋转位置或者在非基准位置时，磁体52和磁体 侧磁轭67形成磁回路N。从磁体52的N极放射的磁通量经由磁回路N到达磁体52的S 极。在这种状态中，传感器侧第一磁轭68和传感器侧第二磁轭69位于在圆周方向上从磁 体侧磁轭67的端部67b和磁体52的N极移位的位置。因此，磁通量不能被传送到传感器侧第一磁轭68和传感器侧第二磁轭69。结果， 磁通量不能通过磁力传感元件56并且磁力传感元件56将OFF信号输出到控制器3。仍在这一状态下，由于磁通量被集中在磁回路N中，从位置传感器5向扭矩传感器 2泄漏的磁通量被抑制为小。根据上述的动力转向装置1，在任何时间从位置传感器5向扭矩传感器2泄漏的磁 通量都被抑制为小。结果，扭矩传感器2和位置传感器5能够位于靠近彼此的位置而不会 不利地影响这些传感器的检测精度。通过使扭矩传感器2和位置传感器5位于彼此靠近的 位置，扭矩传感器2和位置传感器5能够共用公共电路板47。结果，能够使传感器保持件 40紧凑并且在小型化动力转向装置1方面获得更好的效果。参照图7，将说明本发明的另一实施方式。在该实施方式中，磁体侧磁轭67被形成为由软磁材料制成并且被弯曲成U形的带 状板。磁体侧磁轭67的中央部67c接触磁体52的S极，磁体侧磁轭67的上端部67d和下 端部67e在径向上与磁体52平行地延伸，磁体侧磁轭67的各端部暴露于磁体保持构件66 的外侧。本动力转向装置的除了磁体侧磁轭67以外的结构与根据第一实施方式的动力转 向装置1的结构相同。在输入轴11位于基准旋转位置的状态下，磁体52的N极面对传感器侧第一磁轭 68的内端部，而磁体侧磁轭67的上端部67d面对传感器侧第二磁轭69的内端部。结果，磁 体52、磁体侧磁轭67、传感器侧第二磁轭69和传感器侧第一磁轭68形成通过磁力传感元 件56的磁回路M。因此磁力传感元件56将ON信号输出到控制器3。在输入轴11不位于基准旋转位置的状态下，在磁体52的N极和磁体侧磁轭67的 上端部67d之间以及在磁体52的N极和磁体侧磁轭67的下端部67e之间形成短路，由此形成磁回路N。在该状态下，由于传感器侧第一磁轭68在圆周方向上从磁体52的N极移位并且 传感器侧第二磁轭69在圆周方向上从磁体侧磁轭67的上端部67d移位，磁通量未通入到 传感器侧第一磁轭68和传感器侧第二磁轭69。因此，未形成通过磁力传感元件56的磁通 量，因此，磁力传感元件56将OFF信号输出到控制器3。也根据该实施方式，在输入轴11位于基准旋转位置的状态下，形成磁回路M，并且 在输入轴11位于非基准旋转位置的状态下，形成磁回路N。当操作动力转向装置时，从位置 传感器5向扭矩传感器2泄漏的磁通量在任何时间均被抑制为小。在日本的申请日为2009年10月21日的特愿2009-242166的内容通过引用包含 于此。尽管已经参照某些实施方式对本发明进行了说明，然而本发明不限于上述实施方 式。在权利要求书的范围内，本领域的技术人员可以对上述实施方式进行变型和变化。例如，在上述实施方式中，磁体52被装配到磁体保持构件66，然而，磁体52也可以 装配到树脂成型体45。同样也在该情况下，在磁体保持构件66中设置磁轭67防止由磁体 52产生的磁通量泄漏到扭矩传感器2。对于位置传感器5，多个磁体52可以装配到输入轴11并且磁力传感元件56也可 以被配置成在输入轴11的多个旋转位置中输出ON信号。本发明的要求排他性权益或特权的具体方案如权利要求书所限定。
权利要求
1.一种车辆用动力转向装置(1)，该动力转向装置包括输入轴(11)；扭矩传感器O)，其磁检测被输入到所述输入轴(11)中的输入扭矩；位置传感器(5)，其检测所述输入轴(11)的基准旋转位置，该位置传感器包括磁体(52)；第一磁路形成构件(67，68，69)，其在所述输入轴(11)的基准旋转位置形成所述磁体 (52)的第一磁回路(M)；磁力传感元件(56)，其被布置于所述第一磁回路(M)中；第二磁路形成构件(67)，其在所述输入轴(11)的除了所述基准旋转位置以外的任意 旋转位置形成所述磁体(5 的第二磁回路(N)。
2.根据权利要求1所述的动力转向装置(1)，其特征在于，仅在所述输入轴(11)的基 准旋转位置形成所述第一磁回路(M)。
3.根据权利要求2所述的动力转向装置(1)，其特征在于，所述动力转向装置还包括 壳体(30)，所述壳体支撑所述输入轴(11)以使所述输入轴能够自由旋转，其中，所述磁体 (52)被固定到所述输入轴(11)并且所述磁力传感元件(56)被固定到所述壳体(30)。
4.根据权利要求3所述的动力转向装置(1)，其特征在于，所述扭矩传感器( 包括 磁力传感元件(48)，所述动力转向装置(1)还包括由所述位置传感器(5)的磁力传感元 件(56)和所述扭矩传感器O)的磁力传感元件0 共用的用于输出信号的公共电路板 07)。
5.根据权利要求4所述的动力转向装置(1)，其特征在于，所述动力转向装置(1)还包 括传感器保持件(40)，其被固定到所述壳体(30)以容纳所述位置传感器( 的磁力传感元 件(56)、所述扭矩传感器O)的磁力传感元件G8)和所述公共电路板07)。
6.根据权利要求3所述的动力转向装置(1)，其特征在于，所述动力转向装置(1)还包 括磁体保持构件(66)，所述磁体保持构件(66)由树脂制成并且将所述磁体(5 固定到所 述输入轴(11)。
7.根据权利要求6所述的动力转向装置(1)，其特征在于，所述第二磁路形成构件(67) 被固定到所述磁体保持构件(66)。
8.根据权利要求1所述的动力转向装置(1)，其特征在于，所述扭矩传感器( 和所述 位置传感器( 沿着所述输入轴(11)排列配置，所述磁体(5 由相对于所述输入轴(11) 沿径向配置的棒状磁体构成，并且所述第二磁路形成构件(67)包括位于所述棒状磁体和 所述扭矩传感器( 之间的磁体侧磁轭，以经由预定间隙在所述磁体(5 的N极和S极之 间产生短路。
9.根据权利要求8所述的动力转向装置(1)，其特征在于，所述第一磁路形成构件(67， 68,69)包括传感器侧第一磁轭(68)，其在所述输入轴(11)的基准旋转位置以比所述预定 间隙小的间隙面对所述磁体侧磁轭；传感器侧第二磁轭(69)，其在所述输入轴(11)的基准 旋转位置以比所述预定间隙小的间隙面对所述磁体(5 的N极或S极。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的动力转向装置(1)，其特征在于，所述动力转 向装置(1)还包括输出轴(12)，其被联接到车辆的转向轮；以及扭杆(21)，其连接所述输 入轴(11)和所述输出轴(12)，并且根据输入到所述输入轴(11)的输入扭矩能扭转变形。
全文摘要
本发明涉及一种车辆用动力转向装置(1)，该动力转向装置(1)包括输入轴(11)；扭矩传感器(2)，其磁检测被输入到输入轴(11)中的输入扭矩；位置传感器(5)，其检测输入轴(11)的基准旋转位置。该位置传感器(5)包括磁体(52)；第一磁路形成构件(67、68、69)，其在输入轴(11)的基准旋转位置形成磁体(52)的第一磁回路M；以及磁力传感元件(56)，其被布置于第一磁回路M中。通过为位置传感器(5)设置第二磁路形成构件(67)，在输入轴(11)的除了基准旋转位置以外的任意旋转位置形成磁体(52)的第二磁回路N，防止磁体(52)的磁通量被泄漏到扭矩传感器(2)。
文档编号G01L3/00GK102039930SQ20101050558
公开日2011年5月4日 申请日期2010年10月11日 优先权日2009年10月21日
发明者前原秀雄 申请人:萱场工业株式会社