JP2007139426A - Torque sensor - Google Patents

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To detect torque occurring in a rotary shaft in a noncontact manner. <P>SOLUTION: An input shaft 1 is connected to an output shaft 2 via a torsion bar 3; a cylindrical material 4 made of conductive and non-magnetic material is fixed to the input shaft 1 integrally in the rotation direction so as to surround the outer peripheral surface of the output shaft 2; a surrounded section 1A of the output shaft 2 is made of magnetic material; the surrounded section 1A is provided with grooves 5a and 5b extending in the axial direction of the output shaft 2; the cylindrical material 4 is provided with windows 4a and 4b whose overlapping state with the grooves 5a and 5b varies in response to a relative rotation position with the output shaft 2; coils 10 and 11 are arranged so as to surround the windows 4a and 4b; a sensor circuit substrate 20 is provided with exciting coils 21 and 23 magnetically coupled to the coils 10 and 11 and detecting coils 22 and 24; detecting coils 22 and 24 detect variation in impedance of the coils 10 and 11; and a controller 35 determines torque occurring in the input shaft 1 and output shaft 2 based on detection outputs of the detecting coils 22 and 24. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

本発明は、回転軸に発生するトルクを検出するトルクセンサに関し、特に、発生するトルクを非接触で検出するためのコイルの取り付け構造の改良に関する。   The present invention relates to a torque sensor that detects torque generated on a rotating shaft, and more particularly to improvement of a coil mounting structure for detecting generated torque in a non-contact manner.

従来のトルクセンサとしては、例えば、ステアリングホイールに連結された入力軸とピニオン軸に連結された出力軸を同軸に配設するとともに、入力軸と出力軸とをトーションバーを介して連結し、導電性で且つ非磁性の材料からなる円筒部材を、出力軸の外周面を包囲するように、入力軸に回転方向一体に固定し、出力軸の少なくとも円筒部材で包囲された被包囲部を磁性材料で形成し、被包囲部に出力軸の軸方向に延びる溝を形成し、この溝の周方向幅を被包囲部の溝でない部分の周方向幅よりも広くし、円筒部材には出力軸との相対回転位置に応じて溝との重なる具合が変化する窓を形成し、窓が形成された部分を包囲するようにコイルを配設し、コイルのインピーダンスの変化に基づいて入力軸と出力軸に発生するトルクを検出するようにしたもの提案されている（特許文献１参照）。このトルクセンサによれば、コイルのインピーダンス変化比を大きくすることで、センサ感度を向上させることができる。
特許第３３４６１５１号公報 As a conventional torque sensor, for example, an input shaft connected to a steering wheel and an output shaft connected to a pinion shaft are arranged coaxially, and the input shaft and the output shaft are connected via a torsion bar to conduct electricity. A cylindrical member made of a non-magnetic and non-magnetic material is integrally fixed to the input shaft in the rotational direction so as to surround the outer peripheral surface of the output shaft, and the surrounding portion surrounded by at least the cylindrical member of the output shaft is magnetic material Forming a groove extending in the axial direction of the output shaft in the enclosed portion, and making the circumferential width of the groove wider than the circumferential width of the non-grooved portion of the enclosed portion. A window is formed in which the degree of overlap with the groove changes according to the relative rotational position of the coil, and a coil is arranged so as to surround the portion where the window is formed, and the input shaft and the output shaft are changed based on the change in the impedance of the coil. Detecting torque generated in Unishi was has been proposed (see Patent Document 1). According to this torque sensor, sensor sensitivity can be improved by increasing the impedance change ratio of the coil.
Japanese Patent No. 3346151

しかし、従来のトルクセンサにおいては、図１２に示すように、コイル１００の出力を、センサ回路基板１０２を介して演算装置（ＥＣＵ）１０４に転送するに際して、コイル１００のコイル端末１０６を、スルーホールを介してセンサ回路基板１０２に半田付けしなければならず、コイル１００とセンサ回路基板１０２との接続作業が面倒である。すなわち、アッセンブリ工程で取り付けられたセンサ回路基板１０２にコイル端末１０６を半田付けすることは、奥まった部分に対する半田付け作業が余儀なくされ、作業が面倒である。   However, in the conventional torque sensor, as shown in FIG. 12, when the output of the coil 100 is transferred to the arithmetic unit (ECU) 104 via the sensor circuit board 102, the coil terminal 106 of the coil 100 is connected to the through hole. The sensor circuit board 102 must be soldered to the coil 100, and the connection work between the coil 100 and the sensor circuit board 102 is troublesome. That is, soldering the coil terminal 106 to the sensor circuit board 102 attached in the assembly process necessitates a soldering operation for the recessed portion, which is troublesome.

本発明は、前記従来技術の課題に鑑みて為されたものであり、回転軸に発生するトルクを非接触で検出することにある。   The present invention has been made in view of the above-described problems of the prior art, and is to detect the torque generated on the rotating shaft in a non-contact manner.

前記目的を達成するために、本発明は、第１の回転軸と、前記第１の回転軸を同軸に配設されてトーションバーを介して前記第１の回転軸に連結された第２の回転軸と、前記第１の回転軸の外周面を包囲するとともに、前記第２の回転軸に回転方向一体として固定されて、導電性で且つ非磁性の材料からなる円筒部材と、前記円筒部材に配設された主コイルと、前記円筒部材と相対向して配設されて前記主コイルに磁気結合され前記主コイルを励磁する励磁コイルと、前記円筒部材と相対向して配設されて前記主コイルに磁気結合され前記主コイルのインダクタンスの変化に応じて相互インダクタンスが変化する検出コイルと、前記検出コイルのインピーダンスの変化を基に前記第１の回転軸と前記第２の回転軸に発生するトルクを演算するトルク演算器とを備え、前記第１の回転軸の少なくとも前記円筒部材で包囲された被包囲部を磁性材料で形成し、前記被包囲部に前記第１の回転軸の軸方向に延びる複数の溝を形成し、前記円筒部材には前記第１の回転軸との相対回転位置に応じて前記溝との重なる具合が変化する窓を形成し、前記主コイルを前記窓を包囲する位置に配設してなるトルクセンサを構成したものである。   To achieve the above object, the present invention provides a first rotating shaft and a second rotating shaft disposed coaxially and connected to the first rotating shaft via a torsion bar. A cylindrical member that surrounds the outer peripheral surface of the rotary shaft and the first rotary shaft, and is fixed to the second rotary shaft as a single unit in the rotational direction, and made of a conductive and non-magnetic material; and the cylindrical member A main coil disposed on the opposite side of the cylindrical member, an excitation coil that is magnetically coupled to the main coil to excite the main coil, and is disposed opposite to the cylindrical member. A detection coil that is magnetically coupled to the main coil and whose mutual inductance changes in accordance with a change in inductance of the main coil, and the first rotation axis and the second rotation axis based on a change in impedance of the detection coil Calculate generated torque A plurality of first and second rotary shafts, and a surrounding portion surrounded by at least the cylindrical member is formed of a magnetic material, and a plurality of extending portions extending in the axial direction of the first rotational shaft are formed in the surrounding portion. A groove is formed, and a window is formed in the cylindrical member so that the degree of overlap with the groove changes according to the relative rotation position with respect to the first rotation shaft, and the main coil is disposed at a position surrounding the window. A torque sensor is provided.

前記した手段によれば、主コイルのインピーダンス（自己誘導起電力）の変化を検出コイルによって非接触で検出するようにしたため、主コイルのコイル端末を他の部材に半田付けする必要がなく、主コイルと他の部材との接続作業をなくすことができ、作業性向上および信頼性の向上に寄与することができる。   According to the above-described means, since the change in the impedance (self-induced electromotive force) of the main coil is detected in a non-contact manner by the detection coil, it is not necessary to solder the coil terminal of the main coil to another member. The connection work between the coil and the other member can be eliminated, which can contribute to improvement in workability and reliability.

また、本発明は、第１の回転軸と、前記第１の回転軸を同軸に配設されてトーションバーを介して前記第１の回転軸に連結された第２の回転軸と、前記第１の回転軸の外周面を包囲するとともに、前記第２の回転軸に回転方向一体として固定されて、導電性で且つ非磁性の材料からなる円筒部材と、前記円筒部材に配設された主コイルと、前記円筒部材と相対向して配設されて前記主コイルと磁気結合され前記主コイルのインダクタンスの変化に応じて自己インダクタンスが変化する検出コイルと、前記検出コイルのインピーダンスの変化を基に前記第１の回転軸と前記第２の回転軸に発生するトルクを演算するトルク演算器とを備え、前記第１の回転軸の少なくとも前記円筒部材で包囲された被包囲部を磁性材料で形成し、前記被包囲部に前記第１の回転軸の軸方向に延びる溝を形成し、前記円筒部材には前記第１の回転軸との相対回転位置に応じて前記溝との重なる具合が変化する窓を形成し、前記主コイルを、前記窓を包囲する位置に配設してなるトルクセンサを構成したものである。   The present invention also provides a first rotating shaft, a second rotating shaft that is coaxially disposed with the first rotating shaft and connected to the first rotating shaft via a torsion bar, and the first rotating shaft. A cylindrical member that surrounds the outer peripheral surface of the first rotating shaft and is fixed to the second rotating shaft as a single unit in the rotational direction, and is made of a conductive and non-magnetic material; and a main member disposed on the cylindrical member. A coil, a detection coil disposed opposite to the cylindrical member and magnetically coupled to the main coil, the self-inductance changing in accordance with a change in inductance of the main coil, and a change in impedance of the detection coil. And a torque calculator for calculating a torque generated on the first rotating shaft and the second rotating shaft, and the surrounding portion surrounded by at least the cylindrical member of the first rotating shaft is made of a magnetic material. Formed on the enclosed part Forming a groove extending in the axial direction of the first rotating shaft, and forming a window on the cylindrical member, the degree of overlapping with the groove changing according to the relative rotational position with respect to the first rotating shaft, A torque sensor having a main coil disposed at a position surrounding the window is configured.

前記した手段によれば、主コイルのインピーダンス（自己誘導起電力）の変化を検出コイルによって非接触で検出するようにしたため、主コイルのコイル端末を他の部材に半田付けする必要がなく、主コイルと他の部材との接続作業をなくすことができ、作業性向上および信頼性の向上に寄与することができる。   According to the above-described means, since the change in the impedance (self-induced electromotive force) of the main coil is detected in a non-contact manner by the detection coil, it is not necessary to solder the coil terminal of the main coil to another member. The connection work between the coil and the other member can be eliminated, which can contribute to improvement in workability and reliability.

本発明によれば、作業性向上および信頼性の向上に寄与することができる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, it can contribute to workability | operativity improvement and the improvement of reliability.

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。図１は、本発明の第１実施例を示す図であって、本発明に係るトルクセンサを、車両用の電動パワーステアリング装置に適用したときの操舵系の部分断面図である。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a diagram showing a first embodiment of the present invention, and is a partial sectional view of a steering system when a torque sensor according to the present invention is applied to an electric power steering device for a vehicle.

図１において、鉄などの磁性材料で形成された入力軸（第１の回転軸）１と出力軸（第２の回転軸）２は同軸に配設されて、トーションバー３を介して互いに連結されている。入力軸１の軸方向一端側はステアリングホイールに回転方向一体に接続されており、出力軸３の軸方向一端側はラックアンドピニオン式ステアリング装置の構成するピニオン軸に連結されている。すなわち、操縦者がステアリングホイールを操舵することによって発生する操舵力は、入力軸１、トーションバー３、出力軸２およびピニオン軸を介して、転舵輪に伝達されるようになっている（図５参照）。   In FIG. 1, an input shaft (first rotating shaft) 1 and an output shaft (second rotating shaft) 2 formed of a magnetic material such as iron are coaxially connected to each other via a torsion bar 3. Has been. One end of the input shaft 1 in the axial direction is integrally connected to the steering wheel in the rotational direction, and one end of the output shaft 3 in the axial direction is connected to a pinion shaft constituting the rack and pinion type steering device. That is, the steering force generated when the operator steers the steering wheel is transmitted to the steered wheels via the input shaft 1, the torsion bar 3, the output shaft 2, and the pinion shaft (FIG. 5). reference).

出力軸２の入力軸１側端面には、トーションバー３の挿入部からさらに径方向に延びた溝２ａが形成されており、この溝２ａには、入力軸１の出力軸２側端面に形成された凸部１ａが挿入されている。ただし、溝２ａの幅（周方向寸法）は、凸部１ａの幅よりも若干広くなっているので、入力軸１および出力軸２間の所定範囲、例えば、±５度程度以上の相対回転を防止している。   A groove 2a extending further in the radial direction from the insertion portion of the torsion bar 3 is formed on the input shaft 1 side end surface of the output shaft 2. The groove 2a is formed on the output shaft 2 side end surface of the input shaft 1. The projected portion 1a is inserted. However, since the width (circumferential dimension) of the groove 2a is slightly larger than the width of the convex portion 1a, a relative rotation of a predetermined range between the input shaft 1 and the output shaft 2, for example, about ± 5 degrees or more is performed. It is preventing.

一方、入力軸１の出力軸２に近接した部分の外周面には、入力軸１と同軸の大径部（被包囲部）１Ａが形成されており、この大径部１Ａに近接してこれを包囲するように、肉薄の円筒部材４が配設されている。   On the other hand, a large-diameter portion (enclosed portion) 1A that is coaxial with the input shaft 1 is formed on the outer peripheral surface of the portion of the input shaft 1 that is close to the output shaft 2, and close to the large-diameter portion 1A. A thin cylindrical member 4 is disposed so as to surround the.

円筒部材４は、導電性で且つ非磁性の材料、例えば、アルミニウムから形成されており、この円筒部材４の軸方向端部内面には小径部４Ａが形成され、小径部４Ａが出力軸２に同軸に外嵌している。これにより、円筒部材４は出力軸２と回転方向に一体となっている。さらに、円筒部材４の大径部１Ａを包囲する肉薄の部分のうち、小径部４Ａから遠い側には、周方向に等間隔離隔した長方形の複数の窓４ａが６個形成され、小径部４Ａに近い側には、各窓４ａと位相が１８０度ずれるように、周方向に等間隔離隔して長方形の窓４ｂが６個形成されている。   The cylindrical member 4 is made of a conductive and nonmagnetic material, for example, aluminum. A small diameter portion 4A is formed on the inner surface of the axial end portion of the cylindrical member 4, and the small diameter portion 4A is formed on the output shaft 2. It fits coaxially. Thereby, the cylindrical member 4 is united with the output shaft 2 in the rotation direction. Further, among the thin portions surrounding the large-diameter portion 1A of the cylindrical member 4, six rectangular windows 4a that are equally spaced apart in the circumferential direction are formed on the side far from the small-diameter portion 4A, and the small-diameter portion 4A is formed. Six rectangular windows 4b are formed on the side close to the window 4a so as to be 180 degrees out of phase with each window 4a and spaced equally in the circumferential direction.

具体的には、各窓４ａは、円筒部材４の周面を周方向に１２等分し、その１２等分された領域を一つ置きに、長方形に開口するように形成されており、各窓４ｂは、窓４ａ同士の間の開口していない部分に対応する部分を開口するように形成されている。これに対して、入力軸１の円筒部材４で包囲される大径部１Ａのうち、窓４ａが形成された部分の内側には、周方向に等間隔離隔し開口が長方形の溝５ａが６個軸方向に沿って、窓４ａと同形状で形成されており、窓４ｂ形成された部分の内側には、溝５ａと同相に周方向に等間隔離隔し開口が長方形の溝５ｂが６個軸方向に沿って、溝５ａと同形状で形成されている。   Specifically, each window 4a is formed so that the circumferential surface of the cylindrical member 4 is equally divided into 12 parts in the circumferential direction, and every 12 divided areas are opened in a rectangular shape. The window 4b is formed so that the part corresponding to the part which is not opening between windows 4a opens. On the other hand, in the large-diameter portion 1A surrounded by the cylindrical member 4 of the input shaft 1, a groove 5a having a rectangular opening and an equally spaced opening in the circumferential direction is formed inside the portion where the window 4a is formed. Along the individual axis direction, it is formed in the same shape as the window 4a. Inside the portion where the window 4b is formed, there are six grooves 5b that are equally spaced in the circumferential direction in the same phase as the grooves 5a and that have rectangular openings. It is formed in the same shape as the groove 5a along the axial direction.

ただし、入力軸１と出力軸２間に相対回転が生じていないとき、すなわち、操舵トルクが零のときには、図２に示すように、窓４ａと溝５ａが半分だけ重なるように、円筒部材４と溝５ａは位置合わせをされている。従って、図３に示すように、操舵トルクが零のときには、窓４ｂと溝５ｂも半分だけ重なるようになるが、窓４ａと窓４ｂとの間の位相が１８０度ずれているため、窓４ａと溝５ａの重なり状態と、窓４ｂと溝５ｂの重なり状態は、図４に示すように、周方向で逆になっている。   However, when there is no relative rotation between the input shaft 1 and the output shaft 2, that is, when the steering torque is zero, as shown in FIG. 2, the cylindrical member 4 so that the window 4a and the groove 5a overlap by half. And the groove 5a are aligned. Therefore, as shown in FIG. 3, when the steering torque is zero, the window 4b and the groove 5b are also overlapped by half, but the phase between the window 4a and the window 4b is shifted by 180 degrees. As shown in FIG. 4, the overlapping state of the groove 5a and the overlapping state of the window 4b and the groove 5b are reversed in the circumferential direction.

また、前記凸部と窓の数や幅は適宜変更可能である。例えば、図６のようにそれらの数を８個として幅を既述の例から狭めており、これらが半分ずつ重ならない場合もあり得る。   The number and width of the convex portions and windows can be changed as appropriate. For example, as shown in FIG. 6, the number is 8 and the width is narrowed from the above-described example, and these may not overlap by half.

円筒部材４は、同一規格のコイル１０、１１が巻き付けられたボビン１２を内周側に支持する磁性材料からなるヨーク９で包囲されている（図６参照）。コイル１０、１１は、主コイルとして、円筒部材４と同軸に配置されていて、コイル１０は、各窓４ａが形成された部分を包囲するようにボビン１２に巻き付けられ、コイル１１は、各窓４ｂが形成された部分を包囲するようにボビン１２に巻き付けられている。この場合、コイル１０、１１はそれぞれ巻き始めと巻き終わりがショートされた状態でボビン１２に巻き付けられている。   The cylindrical member 4 is surrounded by a yoke 9 made of a magnetic material that supports a bobbin 12 around which coils 10 and 11 of the same standard are wound on the inner peripheral side (see FIG. 6). The coils 10 and 11 are arranged as main coils coaxially with the cylindrical member 4, and the coil 10 is wound around the bobbin 12 so as to surround a portion where each window 4 a is formed. It is wound around the bobbin 12 so as to surround the portion where 4b is formed. In this case, the coils 10 and 11 are wound around the bobbin 12 with the start and end of winding being short-circuited.

コイル１０は、図７〜図９に示すように、センサ回路基板２０に実装された励磁コイル２１と検出コイル２２と磁気結合するように配置され、コイル１１は、センサ回路基板２０に実装された励磁コイル２３と検出コイル２４と磁気結合するように配置されている。換言すれば、励磁コイル２１、２３と検出コイル２２、２４は、円筒部材４と相対向してセンサ回路基板２０に配設されて、励磁コイル２１と検出コイル２２がコイル１０に磁気結合され、励磁コイル２３と検出コイル２４がコイル１１に磁気結合されている。すなわち、コイル１０、１１のコイル端末をセンサ回路基板２０に半田付けすることなく、コイル１０、１１のインピーダンスの変化を非接触で検出するために、コイル１０、１１と近接して、励磁コイル２１、２３と検出コイル２２、２４が実装されたセンサ回路基板２０が配置されている。   As shown in FIGS. 7 to 9, the coil 10 is disposed so as to be magnetically coupled to the excitation coil 21 and the detection coil 22 mounted on the sensor circuit board 20, and the coil 11 is mounted on the sensor circuit board 20. The exciting coil 23 and the detecting coil 24 are arranged so as to be magnetically coupled. In other words, the excitation coils 21 and 23 and the detection coils 22 and 24 are disposed on the sensor circuit board 20 so as to face the cylindrical member 4, and the excitation coil 21 and the detection coil 22 are magnetically coupled to the coil 10. An excitation coil 23 and a detection coil 24 are magnetically coupled to the coil 11. That is, in order to detect a change in impedance of the coils 10 and 11 in a non-contact manner without soldering the coil terminals of the coils 10 and 11 to the sensor circuit board 20, the excitation coil 21 is adjacent to the coils 10 and 11. , 23 and the detection coil 22, 24 are mounted on the sensor circuit board 20.

励磁コイル２１、２３は、抵抗２５、２６を介して発振回路２７に接続されており、発振回路２７の発振に伴って、所定周波数の交流電流が抵抗２５、２６を介して励磁コイル２１、２３に供給されると、励磁コイル２１、２３に磁気結合されたコイル１０、１１には、励磁コイル２１とコイル１０の相互インダクタンスまたは励磁コイル２３とコイル１１の相互インダクタンスに基づいた励磁電流が流れるようになっている。各コイル１０、１１に励磁電流が流れると、各コイル１０、１１のインダクタンスの変化あるいはインピーダンスの変化に伴う電力が検出コイル２２、２４で検出されるようになっている。なお、励磁コイル２１、２３や検出コイル２２、２４は、面実装のチップインダクタで構成したり、あるいは探傷機用アモルファス針状コアのコイルとして構成したりすることができる。   The exciting coils 21, 23 are connected to the oscillation circuit 27 via resistors 25, 26, and an alternating current of a predetermined frequency is generated via the resistors 25, 26 as the oscillation circuit 27 oscillates. , The exciting current based on the mutual inductance between the exciting coil 21 and the coil 10 or the mutual inductance between the exciting coil 23 and the coil 11 flows through the coils 10 and 11 magnetically coupled to the exciting coils 21 and 23. It has become. When an exciting current flows through each of the coils 10 and 11, the detection coils 22 and 24 detect the electric power accompanying the change in inductance or impedance of each of the coils 10 and 11. The excitation coils 21 and 23 and the detection coils 22 and 24 can be configured as surface-mounted chip inductors or as amorphous acicular core coils for a flaw detector.

検出コイル２２、２４の検出による電力（自己誘導起電力）はそれぞれ差動増幅回路２８、２９に入力され、差動増幅回路２８、２９において、検出コイル２２、２４の検出電力の差が増幅され、増幅された信号は全波整流回路３０、３１で全波整流された後、平滑・調整回路３２、３３で平滑化されるとともに、高調波成分が除去されるようになっている。平滑・調整回路３２の出力信号は、メインの信号として、ケーブル３４を介してコントローラ３５に転送され、平滑・調整回路３３の出力信号は、サブの信号として、ケーブル３４を介してコントローラ３５に転送されるようになっている。   The electric power (self-induced electromotive force) detected by the detection coils 22 and 24 is input to the differential amplifier circuits 28 and 29, respectively. The differential amplifier circuits 28 and 29 amplify the difference between the detection powers of the detection coils 22 and 24. The amplified signal is full-wave rectified by the full-wave rectifier circuits 30 and 31, and then smoothed by the smoothing / adjusting circuits 32 and 33, and the harmonic component is removed. The output signal of the smoothing / adjusting circuit 32 is transferred as a main signal to the controller 35 via the cable 34, and the output signal of the smoothing / adjusting circuit 33 is transferred as a sub signal to the controller 35 via the cable 34. It has come to be.

コントローラ３５は、例えば、ＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭなどを有するマイクロコンピュータで構成されており、平滑・調整回路３２、３３の出力信号を取り込み、その平均値に基づいて入力軸１と円筒部材４の相対回転変位の方向及び大きさを演算し、その結果に、例えば、所定の比例定数を乗じて操舵系に発生している操舵トルクを演算するトルク演算部（トルク演算器）と、このトルク演算部の演算結果に基づいて操舵トルクを軽減するための操舵補助トルクに対応した駆動電流を電動モータに供給するモータ駆動部としての機能を備えて構成されている。   The controller 35 is composed of, for example, a microcomputer having a CPU, a RAM, a ROM, and the like. The controller 35 takes in the output signals of the smoothing / adjustment circuits 32 and 33 and based on the average value thereof, A torque calculation unit (torque calculator) for calculating the steering torque generated in the steering system by calculating the direction and magnitude of the rotational displacement and multiplying the result by a predetermined proportional constant, for example, and the torque calculation unit And a function as a motor drive unit for supplying a drive current corresponding to the steering assist torque for reducing the steering torque to the electric motor based on the calculation result.

次に、本実施例の作用を説明する。まず、操舵系が直進状態にあり、操舵トルクが零であるときには、入力軸１と出力軸２間には相対回転は生じない。従って、入力軸１と円筒部材４との間にも、相対回転は生じない。   Next, the operation of this embodiment will be described. First, when the steering system is in a straight traveling state and the steering torque is zero, no relative rotation occurs between the input shaft 1 and the output shaft 2. Therefore, relative rotation does not occur between the input shaft 1 and the cylindrical member 4.

一方、ステアリングホイールの操舵に伴って、入力軸１に回転力が生じると、この回転力は、トーションバー３を介して出力軸２に伝達される。このとき、出力軸２には、転舵輪と路面間の摩擦力やピニオン軸に連なるギヤの噛み合い等の摩擦力に応じた抵抗力が生じるため、入力軸１と出力軸２間には、トーションバー３が捩れることによって出力軸２が遅れる相対回転が発生し、入力軸１と円筒部材４間にも相対回転が生じる。   On the other hand, when a rotational force is generated on the input shaft 1 as the steering wheel is steered, the rotational force is transmitted to the output shaft 2 via the torsion bar 3. At this time, a resistance force corresponding to a frictional force such as a frictional force between the steered wheel and the road surface or a gear meshing with the pinion shaft is generated on the output shaft 2, so that a torsional force is generated between the input shaft 1 and the output shaft 2. When the bar 3 is twisted, a relative rotation in which the output shaft 2 is delayed occurs, and a relative rotation also occurs between the input shaft 1 and the cylindrical member 4.

ここで、例えば、右操舵トルク（右回転方向への操舵時に発生する操舵トルク）発生時には、操舵トルクが零の場合に比べて、窓４ａと溝５ａの重なり合った面積は小さくなり、窓４ｂと溝５ｂの重なり合った面積は大きくなる。逆に、左操舵トルク（左回転方向への操舵時に発生する操舵トルク）発生時には、操舵トルクが零の場合に比べて、窓４ａと溝５ａの重なり合った面積は大きくなるのに対して、窓４ｂと溝５ｂの重なり合った面積は小さくなる。   Here, for example, when the right steering torque (steering torque generated when steering in the right rotation direction) is generated, the overlapping area of the window 4a and the groove 5a is smaller than when the steering torque is zero, and the window 4b The overlapping area of the grooves 5b increases. Conversely, when left steering torque (steering torque generated when steering in the left rotation direction) is generated, the overlapping area of the window 4a and the groove 5a is larger than when the steering torque is zero, whereas the window The overlapping area of 4b and groove 5b is reduced.

窓４ａと溝５ａが重なった部分と窓４ｂと溝５ｂが重なった部分は、大径部１Ａの表面ではなく、溝５ａ、５ｂの底面を露出させることになる。すなわち、大径部１Ａの表面のうち、窓４ａ、４ｂを通じて露出する部分と、導電性で且つ非磁性の材料からなる円筒部材４で覆われた部分との割合が、操舵トルクに応じて変化することになる。具体的には、右操舵トルク発生時には、その方向の操舵トルクが大きくなるに従って、コイル１０の内側では大径部１Ａ表面の露出割合が増大し、コイル１１の内側ではその表面の露出割合は減少する。逆に、左操舵トルク発生時には、その方向の操舵トルクが大きくなるに従って、コイル１０の内側では大径部１Ａ表面の露出割合が減少し、コイル１１の内側ではその表面の露出割合は増大する。   The portion where the window 4a and the groove 5a overlap and the portion where the window 4b and the groove 5b overlap expose the bottom surfaces of the grooves 5a and 5b, not the surface of the large diameter portion 1A. That is, the ratio of the portion exposed through the windows 4a and 4b and the portion covered with the cylindrical member 4 made of a conductive and nonmagnetic material on the surface of the large diameter portion 1A changes according to the steering torque. Will do. Specifically, when the right steering torque is generated, the exposure ratio of the surface of the large diameter portion 1A increases inside the coil 10 and the exposure ratio of the surface decreases inside the coil 11 as the steering torque in that direction increases. To do. Conversely, when the left steering torque is generated, as the steering torque in that direction increases, the exposure ratio of the surface of the large diameter portion 1A decreases inside the coil 10, and the exposure ratio of the surface increases inside the coil 11.

すなわち、大径部１Ａは、円筒部材４よりも磁束を通しやすい性質を有しているため、右操舵トルク発生時には、コイル１０の自己インダクタンスは増大し、コイル１１の自己インダクタンスは減少するから、コイル１０の自己誘導起電力は大きくなり、コイル１１の自己誘導起電力は小さくなる。逆に、左操舵トルク発生時には、コイル１０の自己インダクタンスは減少し、コイル１１の自己インダクタンスは増大するから、コイル１０の自己誘導起電力は小さくなり、コイル１１の自己誘導起電力は大きくなる。   That is, since the large-diameter portion 1A has a property of allowing magnetic flux to pass more easily than the cylindrical member 4, when the right steering torque is generated, the self-inductance of the coil 10 increases and the self-inductance of the coil 11 decreases. The self-induced electromotive force of the coil 10 is increased, and the self-induced electromotive force of the coil 11 is decreased. On the contrary, when the left steering torque is generated, the self-inductance of the coil 10 decreases and the self-inductance of the coil 11 increases, so that the self-induced electromotive force of the coil 10 decreases and the self-induced electromotive force of the coil 11 increases.

従って、コイル１０、１１の自己誘導起電力を検出コイル２２、２４で検出し、両者の差を差動増幅回路２８、２９でそれぞれ増幅すると、差動増幅回路２８、２９の出力は、操舵トルクの方向及び大きさに従ってリニアに変化する。そして、トルク演算部において、全波整流された後、高調波成分の除去された、差動増幅回路２８、２９の出力の平均値を演算し、その値に、例えば、所定の比例定数を乗じることで、操舵トルクを求めることができる。操舵トルクが得られると、操舵トルクの方向と大きさに応じた駆動電流がモータ駆動部で生成され、生成された駆動電流が電動モータに供給される。   Therefore, when the self-induced electromotive force of the coils 10 and 11 is detected by the detection coils 22 and 24 and the difference between the two is amplified by the differential amplifier circuits 28 and 29, the outputs of the differential amplifier circuits 28 and 29 are the steering torque. It changes linearly according to the direction and size of. Then, the torque calculation unit calculates the average value of the outputs of the differential amplifier circuits 28 and 29 from which the harmonic components have been removed after full-wave rectification, and multiplies that value by, for example, a predetermined proportional constant. Thus, the steering torque can be obtained. When the steering torque is obtained, a drive current corresponding to the direction and magnitude of the steering torque is generated by the motor drive unit, and the generated drive current is supplied to the electric motor.

電動モータに駆動電流が供給されると、電動モータには、操舵系に発生している操舵トルクの方向と大きさに応じた回転力が発生し、その回転力がウオームギア等を介して出力軸２に伝達されるから、出力軸２に操舵補助トルクが付与されたことになり、操舵トルクが減少し、操縦者の負担を軽減することができる。   When a drive current is supplied to the electric motor, the electric motor generates a rotational force corresponding to the direction and magnitude of the steering torque generated in the steering system, and the rotational force is output to the output shaft via a worm gear or the like. Therefore, the steering assist torque is applied to the output shaft 2, the steering torque is reduced, and the burden on the operator can be reduced.

本実施例によれば、コイル１０、１１と近接して、励磁コイル２１、２３と検出コイル２２、２４が実装されたセンサ回路基板２０を配置し、コイル１０、１１のインピーダンス（自己誘導起電力）の変化を検出コイル２２、２４によって非接触で検出するようにしたため、コイル１０、１１のコイル端末をセンサ回路基板２０に半田付けする必要がなく、コイル１０、１１とセンサ回路基板２０との接続作業をなくすことができ、作業性向上および信頼性の向上に寄与することができる。   According to the present embodiment, the sensor circuit board 20 on which the excitation coils 21 and 23 and the detection coils 22 and 24 are mounted is disposed in the vicinity of the coils 10 and 11, and the impedance (self-induced electromotive force) of the coils 10 and 11 is arranged. ) Is detected in a non-contact manner by the detection coils 22, 24, so there is no need to solder the coil terminals of the coils 10, 11 to the sensor circuit board 20, and the coil 10, 11 and the sensor circuit board 20 Connection work can be eliminated, which contributes to improved workability and reliability.

次に、本発明の第２実施例を図１０に従って説明する。本実施例は、センサ回路基板２０から励磁コイル２１、２３を取り除き、検出コイル２２、２４をそれぞれ差動増幅回路２８、２９に接続するとともに、抵抗２５、２６を介して発振回路２７に接続するようにしたものであり、他の構成は第１実施例と同様である。   Next, a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. In the present embodiment, the excitation coils 21 and 23 are removed from the sensor circuit board 20, and the detection coils 22 and 24 are connected to the differential amplifier circuits 28 and 29, respectively, and are connected to the oscillation circuit 27 via the resistors 25 and 26. The other configuration is the same as that of the first embodiment.

この場合、コイル１０、１１はそれぞれ巻き始めと巻き終わりがショートされた状態でボビン１２に巻き付けられている。コイル１０は、センサ回路基板２０に実装された検出コイル２２と磁気的に結合するように配置され、コイル１１は、センサ回路基板２０に実装された検出コイル２４と磁気的に結合するように配置されている。すなわち、コイル１０、１１のコイル端末をセンサ回路基板２０に半田付けすることなく、コイル１０、１１のインピーダンスの変化を非接触で検出するために、コイル１０、１１と近接して、検出コイル２２、２４が実装されたセンサ回路基板２０が配置されている。   In this case, the coils 10 and 11 are wound around the bobbin 12 with the start and end of winding being short-circuited. The coil 10 is disposed so as to be magnetically coupled with the detection coil 22 mounted on the sensor circuit board 20, and the coil 11 is disposed so as to be magnetically coupled with the detection coil 24 mounted on the sensor circuit board 20. Has been. That is, in order to detect a change in impedance of the coils 10 and 11 in a non-contact manner without soldering the coil terminals of the coils 10 and 11 to the sensor circuit board 20, the detection coil 22 is adjacent to the coils 10 and 11. , 24 are mounted on the sensor circuit board 20.

検出コイル２２、２４は、抵抗２５、２６を介して発振回路２７に接続されており、発振回路２７の発振に伴って、所定周波数の交流電流が抵抗２５、２６を介して検出コイル２２、２４に供給されると、検出コイル２２、２４に磁気的に結合されたコイル１０、１１には、検出コイル２２とコイル１０の相互インダクタンスまたは検出コイル２４とコイル１１の相互インダクタンスに基づいた励磁電流が流れるようになっている。各コイル１０、１１に励磁電流が流れると、各コイル１０、１１のインダクタンスの変化あるいはインピーダンスの変化に伴う電力が自己誘導起電力として検出コイル２２、２４で検出されるようになっている。   The detection coils 22 and 24 are connected to the oscillation circuit 27 via resistors 25 and 26, and an alternating current of a predetermined frequency is detected via the resistors 25 and 26 as the oscillation circuit 27 oscillates. , The coils 10 and 11 magnetically coupled to the detection coils 22 and 24 have an excitation current based on the mutual inductance between the detection coil 22 and the coil 10 or the mutual inductance between the detection coil 24 and the coil 11. It comes to flow. When an exciting current flows through each of the coils 10 and 11, the electric power associated with the change in inductance or impedance of each of the coils 10 and 11 is detected by the detection coils 22 and 24 as self-induced electromotive force.

検出コイル２２、２４の検出による電力（自己誘導起電力）はそれぞれ差動増幅回路２８、２９に入力され、差動増幅回路２８、２９において、検出コイル２２、２４の検出電力の差が増幅され、増幅された信号は全波整流回路３０、３１で全波整流された後、平滑・調整回路３２、３３で平滑化されるとともに、高調波成分が除去されるようになっている。平滑・調整回路３２の出力信号は、メインの信号として、ケーブル３４を介してコントローラ３５に転送され、平滑・調整回路３３の出力信号は、サブの信号として、ケーブル３４を介してコントローラ３５に転送されるようになっている。   The electric power (self-induced electromotive force) detected by the detection coils 22 and 24 is input to the differential amplifier circuits 28 and 29, respectively. The differential amplifier circuits 28 and 29 amplify the difference between the detection powers of the detection coils 22 and 24. The amplified signal is full-wave rectified by the full-wave rectifier circuits 30 and 31, and then smoothed by the smoothing / adjusting circuits 32 and 33, and the harmonic component is removed. The output signal of the smoothing / adjusting circuit 32 is transferred as a main signal to the controller 35 via the cable 34, and the output signal of the smoothing / adjusting circuit 33 is transferred as a sub signal to the controller 35 via the cable 34. It has come to be.

本実施例によれば、コイル１０、１１と近接して、検出コイル２２、２４が実装されたセンサ回路基板２０を配置し、コイル１０、１１のインピーダンス（自己誘導起電力）の変化を検出コイル２２、２４によって非接触で検出するようにしたため、コイル１０、１１のコイル端末をセンサ回路基板２０に半田付けする必要がなく、コイル１０、１１とセンサ回路基板２０との接続作業をなくすことができ、作業性向上および信頼性の向上に寄与することができる。   According to the present embodiment, the sensor circuit board 20 on which the detection coils 22 and 24 are mounted is disposed close to the coils 10 and 11, and the change in impedance (self-induced electromotive force) of the coils 10 and 11 is detected by the detection coil. Since detection is made in a non-contact manner by means of 22 and 24, it is not necessary to solder the coil terminals of the coils 10 and 11 to the sensor circuit board 20, and the connection work between the coils 10 and 11 and the sensor circuit board 20 can be eliminated. It is possible to contribute to improving workability and reliability.

なお、差動増幅回路２８、２９、全波整流回路３０、３１、平滑・調整回路３２、３３はセンサ回路基板２０に実装されているが、これらをコントローラ３５に実装することもできる。また、発振回路２７からサイン波を出力する代わりに、矩形波を出力することもできる。   The differential amplifier circuits 28 and 29, the full wave rectifier circuits 30 and 31, and the smoothing / adjustment circuits 32 and 33 are mounted on the sensor circuit board 20, but they can also be mounted on the controller 35. Further, instead of outputting a sine wave from the oscillation circuit 27, a rectangular wave can be output.

前記実施例においては、出力軸２をピニオン軸に連結するピニオンタイプについて述べたが、本発明は、図１１に示すように、出力軸２をコラムに連結するコラムタイプのものにも用いることができる。   In the above-described embodiment, the pinion type in which the output shaft 2 is connected to the pinion shaft has been described. However, as shown in FIG. 11, the present invention can be used for a column type in which the output shaft 2 is connected to the column. it can.

本発明の一実施例を示すトルクセンサの操舵系の部分断面図。1 is a partial sectional view of a steering system of a torque sensor showing an embodiment of the present invention. 図１のＡ-Ａ線に沿う円筒部材の断面図。Sectional drawing of the cylindrical member which follows the AA line of FIG. 図１のＢ−Ｂ線に沿う円筒部材の断面図。Sectional drawing of the cylindrical member which follows the BB line of FIG. 入出力軸に円筒部材を固定した状態を示す正面図。The front view which shows the state which fixed the cylindrical member to the input-output shaft. 本発明をピニオンタイプに適用したときの操舵系の正面断面図。Front sectional drawing of a steering system when this invention is applied to a pinion type. 円筒部材とコイルの要部断面斜視図。The principal part cross-sectional perspective view of a cylindrical member and a coil. コイルとセンサ回路基板との関係を示す斜視図。The perspective view which shows the relationship between a coil and a sensor circuit board. コイルとセンサ回路基板との関係を示す側面図。The side view which shows the relationship between a coil and a sensor circuit board. センサ回路基板に実装された回路の一実施例を示す構成図。The block diagram which shows one Example of the circuit mounted in the sensor circuit board. センサ回路基板に実装された回路の他の実施例を示す構成図。The block diagram which shows the other Example of the circuit mounted in the sensor circuit board. 本発明をコラムタイプに適用したときの操舵系の正面断面図。Front sectional drawing of a steering system when this invention is applied to a column type. 従来のトルクセンサのコイルとセンサ回路基板との関係を示す側面図。The side view which shows the relationship between the coil of the conventional torque sensor, and a sensor circuit board.

符号の説明Explanation of symbols

１ 入力軸（第１の回転軸）
１Ａ 大径部（被包囲部）
２ 出力軸（第２の回転軸）
３ トーションバー
４ 円筒部材
４ａ、４ｂ 窓
５ａ、５ｂ 溝
１０、１１ コイル
２０ センサ回路基板
２１、２２ 励磁コイル
２３、２４ 検出コイル
２７ 発振回路
２８、２９ 差動増幅回路
３０、３１ 全波整流回路
３２、３３ 平滑・調整回路
３５ コントローラ 1 Input shaft (first rotating shaft)
1A Large diameter part (enclosed part)
2 Output shaft (second rotary shaft)
3 Torsion bar 4 Cylindrical member 4a, 4b Window 5a, 5b Groove 10, 11 Coil 20 Sensor circuit board 21, 22 Excitation coil 23, 24 Detection coil 27 Oscillation circuit 28, 29 Differential amplification circuit 30, 31 Full wave rectification circuit 32 33 Smoothing / adjustment circuit 35 Controller

Claims (2)

第１の回転軸と、前記第１の回転軸を同軸に配設されてトーションバーを介して前記第１の回転軸に連結された第２の回転軸と、前記第１の回転軸の外周面を包囲するとともに、前記第２の回転軸に回転方向一体として固定されて、導電性で且つ非磁性の材料からなる円筒部材と、前記円筒部材に配設された主コイルと、前記円筒部材と相対向して配設されて前記主コイルに磁気結合され前記主コイルを励磁する励磁コイルと、前記円筒部材と相対向して配設されて前記主コイルに磁気結合され前記主コイルのインダクタンスの変化に応じて相互インダクタンスが変化する検出コイルと、前記検出コイルのインピーダンスの変化を基に前記第１の回転軸と前記第２の回転軸に発生するトルクを演算するトルク演算器とを備え、前記第１の回転軸の少なくとも前記円筒部材で包囲された被包囲部を磁性材料で形成し、前記被包囲部に前記第１の回転軸の軸方向に延びる複数の溝を形成し、前記円筒部材には前記第１の回転軸との相対回転位置に応じて前記溝との重なる具合が変化する窓を形成し、前記主コイルを前記窓を包囲する位置に配設してなるトルクセンサ。 A first rotating shaft; a second rotating shaft disposed coaxially with the first rotating shaft and connected to the first rotating shaft via a torsion bar; and an outer periphery of the first rotating shaft A cylindrical member that surrounds the surface and is fixed integrally with the second rotating shaft in the rotational direction, and is made of a conductive and non-magnetic material; a main coil disposed on the cylindrical member; and the cylindrical member And an exciting coil that is magnetically coupled to the main coil to excite the main coil, and an inductance of the main coil that is disposed opposite to the cylindrical member and magnetically coupled to the main coil. A detection coil whose mutual inductance changes in accordance with the change of the torque, and a torque calculator for calculating a torque generated on the first rotary shaft and the second rotary shaft based on a change in impedance of the detection coil. The first rotation A surrounding portion surrounded by at least the cylindrical member is formed of a magnetic material, and a plurality of grooves extending in the axial direction of the first rotating shaft are formed in the surrounding portion, and the cylindrical member includes the first portion. A torque sensor formed by forming a window whose degree of overlap with the groove changes in accordance with a relative rotation position with respect to the rotation axis of the motor, and disposing the main coil at a position surrounding the window. 第１の回転軸と、前記第１の回転軸を同軸に配設されてトーションバーを介して前記第１の回転軸に連結された第２の回転軸と、前記第１の回転軸の外周面を包囲するとともに、前記第２の回転軸に回転方向一体として固定されて、導電性で且つ非磁性の材料からなる円筒部材と、前記円筒部材に配設された主コイルと、前記円筒部材と相対向して配設されて前記主コイルと磁気結合され前記主コイルのインダクタンスの変化に応じて自己インダクタンスが変化する検出コイルと、前記検出コイルのインピーダンスの変化を基に前記第１の回転軸と前記第２の回転軸に発生するトルクを演算するトルク演算器とを備え、前記第１の回転軸の少なくとも前記円筒部材で包囲された被包囲部を磁性材料で形成し、前記被包囲部に前記第１の回転軸の軸方向に延びる溝を形成し、前記円筒部材には前記第１の回転軸との相対回転位置に応じて前記溝との重なる具合が変化する窓を形成し、前記主コイルを前記窓を包囲する位置に配設してなるトルクセンサ。

A first rotating shaft; a second rotating shaft disposed coaxially with the first rotating shaft and connected to the first rotating shaft via a torsion bar; and an outer periphery of the first rotating shaft A cylindrical member that surrounds the surface and is fixed integrally with the second rotating shaft in the rotational direction, and is made of a conductive and non-magnetic material; a main coil disposed on the cylindrical member; and the cylindrical member A detection coil that is disposed opposite to the main coil and is magnetically coupled to the main coil, and the self-inductance changes in response to a change in inductance of the main coil, and the first rotation based on a change in impedance of the detection coil A shaft and a torque calculator for calculating a torque generated in the second rotating shaft, wherein the surrounding portion surrounded by at least the cylindrical member of the first rotating shaft is formed of a magnetic material, and the enclosed portion The first rotating shaft in the part A groove extending in the axial direction is formed, and a window is formed in the cylindrical member so that the overlapping state with the groove changes according to a relative rotational position with respect to the first rotation shaft, and the main coil is surrounded by the window. A torque sensor arranged at a position where

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