JP3346102B2 - トルクセンサ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、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、簡易な構造
で検出感度が高まるようにしたものである。

【０００２】

【従来の技術】従来のトルクセンサとして、例えば特開
昭５７−１９０２４０号公報の第１１図に開示されたも
のがあり、この従来のトルクセンサは、相対回転可能に
同軸に配設された入力軸及び出力軸の重なり合った部分
を、アルミニウム製の比較的短い円筒部材で包囲すると
ともに、入力軸及び出力軸間の相対変位に応じてその円
筒部材を軸方向に進退させるようになっている。そし
て、円筒部材の周囲にはコイルが配設されていて、その
コイルに誘導される自己誘導起電力を測定し、その結果
に基づいて入力軸及び出力軸間の相対回転変位（トル
ク）を検出するようにしていた。つまり、円筒部材が軸
方向に進退すると、コイルの自己インダクタンスが変化
するから、コイルの自己誘導起電力に基づけば入力軸及
び出力軸に生じているトルクが検出できる、というもの
であった。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
た従来のトルクセンサにあっては、第１及び第２の回転
軸間の相対回転変位を、円筒部材の軸方向変位に変換す
る機構が必要であったため、装置が大型化になり易く、
しかも構造が複雑な分信頼性も落ちるという問題点があ
った。

【０００４】本発明は、このような従来の技術が有する
未解決の課題に着目してなされたものであって、簡易な
構造でしかも検出感度を高めることができるトルクセン
サを提供することを目的としている。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明に係るトルクセンサは、非導電性で且つ強磁
性の材料からなる第１の円筒部材と、導電性で且つ非磁
性の材料からなる第２の円筒部材とを、第１の円筒部材
を内側にして相対回転可能に同軸に嵌め合わせるととも
に、同軸に配設された第１及び第２の回転軸をトーショ
ンバーを介して連結し、前記第１及び第２の円筒部材と
前記第１及び第２の回転軸とを同軸に配設し、前記第１
の円筒部材及び前記第１の回転軸を回転方向に一体と
し、前記第２の円筒部材及び前記第２の回転軸を回転方
向に一体とし、前記第１及び第２の円筒部材のそれぞれ
にそれらの間の相対回転位置に応じて重なり具合が変化
するように窓を形成し、そして、前記第１及び第２の円
筒部材の前記窓が形成された部分を包囲するようにコイ
ルを配設し、そのコイルに起電力を誘導させてこれを測
定する起電力測定手段を設け、その起電力測定手段の測
定結果に基づいて、前記第１及び第２の回転軸に発生す
るトルクを検出するようにした。

【０００６】

【作用】例えば第１の回転軸を入力軸とし、第２の回転
軸を出力軸とすれば、第１の回転軸からトーションバー
を介して第２の回転軸にトルクが伝達するため、それら
第１の回転軸及び第２の回転軸間には、トーションバー
の捩じれを伴って相対回転が生じる。すると、第１及び
第２の円筒部材間にも相対回転が生じるから、それら円
筒部材に形成された窓の重なり具合が変化する。

【０００７】この場合、第１及び第２の円筒部材の窓同
士の重なり面積が小さければ、内側に位置する第１の円
筒部材の表面の比較的多くの部分が露出することにな
る。逆に、窓同士の重なり面積が大きければ、第１の円
筒部材の表面の比較的多くの部分が、空気よりも磁束を
通し難い導電性で且つ非磁性の材料からなる第２の円筒
部材の内側に隠れることになる。ここで、本発明におけ
る非磁性の材料とは、常磁性体及び一部の反磁性体のこ
とである。

【０００８】そして、第１の円筒部材を形成する非導電
性で且つ強磁性の材料は、空気よりも磁束を通し易い性
質を有するから、上述したように窓の重なり具合の変化
によって、第１の円筒部材の表面が外部に露出する割合
が変化すると、コイルの自己インダクタンス，相互イン
ダクタンスは、第１及び第２の円筒部材間の相対回転に
応じて急峻に変化する。

【０００９】そして、コイルの誘導起電力が起電力測定
手段によって測定されるが、コイルの自己インダクタン
ス，相互インダクタンスが第１及び第２の円筒部材間の
相対回転に応じて変化することから、その測定結果に基
づけば、第１及び第２の回転軸に発生するトルクが検出
される。

【００１０】

【実施例】以下、この発明の実施例を図面に基づいて説
明する。図１乃至図６は本発明の第１実施例を示す図で
あって、これは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ものである。先
ず、構成を説明すると、車両の操舵系の一部分の断面図
である図１に示すように、同軸に且つ回転自在に配置さ
れた入力軸１及び出力軸２間が、トーションバー３を介
して連結されている。

【００１１】入力軸１の図示しない図１右端側には、ス
テアリングホイールが回転方向に一体に取り付けられて
おり、また、出力軸２の図示しない図１左端側には、例
えば公知のラックアンドピニオン式ステアリング装置を
構成するピニオン軸が連結されている。従って、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し
た操舵力は、入力軸１，トーションバー３，出力軸２及
びラックアンドピニオン式ステアリング装置を介して、
図示しない転舵輪に伝達する。

【００１２】また、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２
ａが形成されていて、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て、これにより、入力軸１及び出力
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。

【００１３】なお、出力軸２には、図示しない電動モー
タの回転力が例えばウォームギア等を介して伝達される
ようになっている。つまり、電動モータへの駆動電流の
方向及び大きさを適宜制御することにより、出力軸２に
任意の方向及び大きさの操舵補助トルクが付与されるよ
うになっている。一方、入力軸１の出力軸２に近接した
部分の外周面をある程度の隙間１Ａを開けて包囲するよ
うに、肉薄の二つの円筒部材４及び５が配設されてい
る。

【００１４】即ち、円筒部材４は非導電性で（導電率が
低く）且つ強磁性の材料（例えば、フェライト）から形
成され、円筒部材５は導電性で且つ非磁性の材料（例え
ば、アルミニウム）から形成されていて、円筒部材５内
に円筒部材４が挿入されて、相対回転可能に同軸に嵌め
合わされている。そして、円筒部材４の図１右方側端部
内面には小径部４Ａが形成されていて、その小径部４Ａ
が入力軸１に外嵌している。これにより、円筒部材４は
入力軸１と回転方向に一体となっている。また、円筒部
材５の図１左方側端部内面には小径部５Ａが形成されて
いて、その小径部５Ａが出力軸２に外嵌している。これ
により、円筒部材５は出力軸２と回転方向に一体となっ
ている。

【００１５】さらに、円筒部材４の円筒部材５と嵌め合
わさっている部分のうち、小径部４Ａに近い側には、周
方向に等間隔離隔した長方形の複数（この実施例では、
六つ）の窓４ａ，…，４ａが形成され、小径部５Ａに近
い側には窓４ａ，…，４ａと位相が１８０度ずれるよう
に周方向に等間隔離隔した長方形（窓４ａと同形状）の
複数（この実施例では、六つ）の窓４ｂ，…，４ｂが形
成されている。

【００１６】より具体的には、窓４ａ，…，４ａは、円
筒部材４の周面を周方向に１２等分し、その１２当分さ
れた領域を一つ置きに長方形に開口することにより形成
されており、窓４ｂ，…，４ｂは、窓４ａ，…，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
ことにより形成されている。一方、円筒部材５の円筒部
材４と嵌め合わさっている部分のうち、窓４ａ，…，４
ａが形成された部分の外側には、周方向に等間隔離隔し
た長方形（窓４ａと同形状）の複数（この実施例では、
六つ）の窓５ａ，…，５ａが形成され、窓４ｂ，…，４
ｂが形成された部分の外側には、窓５ａ，…，５ａと同
窓に周方向に等間隔離隔した長方形（窓４ａと同形状）
の複数（この実施例では、六つ）の窓５ｂ，…，５ｂが
形成されている。

【００１７】ただし、入力軸１及び出力軸２間に相対回
転が生じていないとき（操舵トルクが零のとき）に、図
１のＡ−Ａ線における円筒部材４及び５の断面図である
図２に示すように窓４ａ及び窓５ａが半分だけ重なるよ
うに、円筒部材４及び５は位置合わせをされてそれぞれ
入力軸１又は出力軸２に固定されている。従って、図１
のＢ−Ｂ線における円筒部材４及び５の断面図である図
３に示すように、操舵トルクが零のときには、窓４ｂ及
び５ｂも半分だけ重なるようになるが、窓４ａと４ｂと
の間の位相が１８０度ずれているため、窓４ａ及び５ａ
の重なり状態と、窓４ｂ及び５ｂの重なり状態とは、図
２，図３及び円筒部材４，５を固定した状態の入力軸
１，出力軸２の正面図である図４からも明らかなよう
に、周方向で逆になっている。

【００１８】そして、円筒部材４，５は、同一規格のコ
イル１０及び１１が巻き付けられたボビン９で包囲され
ている。即ち、コイル１０及び１１は、それら円筒部材
４，５と同軸に配置されていて、コイル１０は窓４ａ，
…，４ａが形成された部分を包囲するようにボビン９に
巻き付けられ、コイル１１は窓４ｂ，…，４ｂが形成さ
れた部分を包囲するようにボビン９に巻き付けられてい
る。

【００１９】コイル１０及び１１は、図示しないセンサ
ケースに収容されたモータ制御回路に接続されている。
モータ制御回路は、例えば図５に示すように、所定周波
数の交流電流をコイル１０，１１に供給する発振部２１
と、コイル１０の自己誘導起電力を整流及び平滑して出
力する整流・平滑回路２２と、コイル１１の自己誘導起
電力を整流及び平滑して出力する整流・平滑回路２３
と、整流・平滑回路２２の出力及び整流平滑回路２３の
出力の差を増幅して出力する差動アンプ２４Ａ，２４Ｂ
と、差動アンプ２４Ａの出力から高周波ノイズ成分を除
去するノイズ除去フィルタ２５Ａと、差動アンプ２４Ｂ
の出力から高周波ノイズ成分を除去するノイズ除去フィ
ルタ２５Ｂと、それらノイズ除去フィルタ２５Ａ，２５
Ｂの出力の例えば平均値に基づいて円筒部材４及び５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
ルクを求めるトルク演算部２６と、トルク演算部２６の
演算結果に基づいて操舵トルクを軽減する操舵補助トル
クが発生するような駆動電流Ｉを電動モータに供給する
モータ駆動部２７と、から構成されている。

【００２０】次に、本実施例の動作を説明する。今、操
舵系が直進状態にあり、操舵トルクが零であるものとす
ると、入力軸１及び出力軸２間には相対回転は生じな
い。従って、入力軸１と一体に回転する円筒部材４と、
出力軸２と一体に回転する円筒部材５との間にも、相対
回転は生じない。

【００２１】一方、ステアリングホイールを操舵して入
力軸１に回転力が生じると、その回転力は、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、転舵輪及び路面間の摩擦力や出力軸２の図示
しない左端側に構成されたラックアンドピニオン式ステ
アリング装置のギア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及び出力軸２間には、トーシ
ョンバー３が捩じれることによって出力軸２が遅れる相
対回転が発生し、円筒部材４及び５間にも相対回転が生
じる。

【００２２】ここで、例えば右操舵トルク（右回転方向
操舵時に発生する操舵トルク）発生時には、操舵トルク
零の場合に比べて、窓４ａ及び５ａの重なり合った面積
は小さくなり、窓４ｂ及び５ｂの重なり合った面積は大
きくなる。逆に、左操舵トルク（左回転方向操舵時に発
生する操舵トルク）発生時には、操舵トルク零の場合に
比べて、窓４ａ及び５ａの重なり合った面積は大きくな
るのに対し、窓４ｂ及び５ｂの重なり合った面積は小さ
くなる。

【００２３】そして、窓４ａ及び５ａ，窓４ｂ及び５ｂ
が重なり合った部分は、円筒部材４と入力軸１との間の
隙間１Ａを露出させることになる。つまり、窓５ａ及び
５ｂを介して露出する円筒部材４の表面積が、操舵トル
クに応じて変化するのであり、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、円筒部材４の表面積の露出領域が増大し、コイル
１１の内側ではその表面積の露出領域は減少する。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の内側では円筒部材４
の表面積の露出領域が減少し、コイル１１の内側ではそ
の表面積の露出領域は増大する。

【００２４】すると、非導電性で且つ強磁性の材料から
なる円筒部材４は、隙間１Ａ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。

【００２５】従って、コイル１０及び１１の自己誘導起
電力の差を求める差動アンプ２４Ａ及び２４Ｂの出力
は、図６に示すように、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ようになる。また、差動アンプ
２４Ａ及び２４Ｂにおいて整流・平滑回路２２，２３の
差を求めているため、温度等による自己インダクタンス
の変化はキャンセルされる。

【００２６】そして、トルク演算部２６は、ノイズ除去
フィルタ２５Ａ，２５Ｂを介して供給される差動アンプ
２４Ａ，２４Ｂ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て操舵トルクを求め、その結果
をモータ駆動部２７に供給する。モータ駆動部２７は、
操舵トルクの方向及び大きさに応じた駆動電流Ｉを電動
モータに供給する。

【００２７】すると、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及び大きさに応じた回転力が発
生し、その回転力がウォ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、操縦者の負担が軽
減される。このように、本実施例の構成であれば、入力
軸１及び出力軸２間の相対回転変位を他の部材の直進運
動に変換することなく、それら入力軸１及び出力軸２間
のトルクを検出することができるから、構造が簡易で済
み、その分トルクセンサが配設される部分を従来に比べ
て小型化（細く）できるという利点があり、本実施例の
ようにスペース的な余裕が小さい車両に適用される装置
にとっては特に有益であるし、変換機構が不要な分、精
度が向上するという利点がある。

【００２８】また、円筒部材４をフェライト等の非導電
性で且つ強磁性の材料から形成していると、かかる部材
については防錆が不要であるし、焼結材を使用すれば金
型成形により量産時の加工コストが低減できるから、部
品コストを低減できるという利点もある。ここで、本実
施例では、入力軸１が第１の回転軸に対応し、出力軸２
が第２の回転軸に対応し、円筒部材４が第１の円筒部材
に対応し、円筒部材５が第２の円筒部材に対応し、発振
部２１，整流・平滑回路２２，２３及び差動アンプ２４
Ａ，２４Ｂによって起電力測定手段が構成される。

【００２９】図７は本発明の第２実施例を示す図であっ
て、上記第１実施例の図４と同様に円筒部材４，５を固
定した状態の入力軸１，出力軸２の正面図である。な
お、上記第１実施例と同様の部材，部位には、同じ符号
を付し、その重複する説明は省略する。即ち、上記第１
実施例では、円筒部材４に軸方向に離隔して二列の窓４
ａ，…，４ａ、窓４ｂ，…，４ｂを形成しているが、本
実施例では、円筒部材４に軸方向に長い窓４ｃ，…，４
ｃを形成することにより、それら二列の窓４ａ，…，４
ａ、窓４ｂ，…，４ｂを共通化したものである。これに
より、製造コストを低減できるという利点がある。その
他の作用効果は上記第１実施例と同様である。

【００３０】なお、上記実施例では、信頼性を向上させ
るために、差動アンプ２４Ａ，２４Ｂ及びノイズ除去フ
ィルタ２５Ａ，２５Ｂを二系統設けているが、これは必
ずしも必要ではなく、個々の回路の信頼性が十分であれ
ば一系統であっもよいし、逆に三系統以上設けてもよ
い。また、上記実施例では、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場
合について説明したが、本発明の適用対象はこれに限定
されるものではない。

【００３１】そして、上記実施例では、コイル１０，１
１の自己誘導起電力を測定する構成としているが、発振
コイルを設けることにより相互誘導起電力を測定する構
成としてもよい。或いは、差動を採ることなく、一つの
コイルの自己誘導起電力，相互誘導起電力に基づいてト
ルクを求めるようにしてもよい。

【００３２】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
非導電性で且つ強磁性の材料からなる第１の円筒部材
と、導電性で且つ非磁性の材料からなる第２の円筒部材
とを、第１の円筒部材を内側にして相対回転可能に同軸
に嵌め合わせるとともに、同軸に配設された第１及び第
２の回転軸をトーションバーを介して連結し、前記第１
及び第２の円筒部材と前記第１及び第２の回転軸とを同
軸に配設し、前記第１の円筒部材及び前記第１の回転軸
を回転方向に一体とし、前記第２の円筒部材及び前記第
２の回転軸を回転方向に一体とし、前記第１及び第２の
円筒部材のそれぞれにそれらの間の相対回転位置に応じ
て重なり具合が変化するように窓を形成し、そして、前
記第１及び第２の円筒部材の前記窓が形成された部分を
包囲するようにコイルを配設し、そのコイルに起電力を
誘導させてこれを測定する起電力測定手段を設け、その
起電力測定手段の測定結果に基づいて、前記第１及び第
２の回転軸に発生するトルクを検出するようにしたた
め、構造が簡易で済み、その分トルクセンサが配設され
る部分を従来に比べて小型化（細く）できるという利点
があり、変換機構が不要な分、精度が向上するという効
果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例の構成を示す正断面図であ
る。

【図２】図１のＡ−Ａ線における円筒部材の断面図であ
る。

【図３】図１のＢ−Ｂ線における円筒部材の断面図であ
る。

【図４】円筒部材を固定した状態の正面図である。

【図５】モータの制御回路の一例を示す回路図である。

【図６】操舵トルクと差動アンプの出力との関係を示す
グラフである。

【図７】本発明の第２実施例における円筒部材を固定し
た状態の正面図である。

【符号の説明】

１ 入力軸（第１の回転軸） ２ 出力軸（第２の回転軸） ３ トーションバー ４ 円筒部材（第１の円筒部材） ４ａ，４ｂ 窓 ５ 円筒部材（第２の円筒部材） ５ａ，５ｂ 窓 １０，１１ コイル ２１ 発振部 ２２，２３ 整流・平滑回路 ２４Ａ，２４Ｂ 差動アンプ ２５Ａ，２５Ｂ ノイズ除去フィルタ ２６ トルク演算部 ２７ モータ駆動回路

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平８−114518（ＪＰ，Ａ) 特開 平８−240492（ＪＰ，Ａ) 特開 平８−240491（ＪＰ，Ａ) 特開 平８−240490（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−220539（ＪＰ，Ａ) 特開 昭57−190240（ＪＰ，Ａ) 特公 平５−58128（ＪＰ，Ｂ２) 特公 昭63−45528（ＪＰ，Ｂ２) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G01L 3/10 B62D 5/04 G01L 5/22

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 非導電性で且つ強磁性の材料からなる第
   １の円筒部材と、導電性で且つ非磁性の材料からなる第
   ２の円筒部材とを、第１の円筒部材を内側にして相対回
   転可能に同軸に嵌め合わせるとともに、同軸に配設され
   た第１及び第２の回転軸をトーションバーを介して連結
   し、前記第１及び第２の円筒部材と前記第１及び第２の
   回転軸とを同軸に配設し、前記第１の円筒部材及び前記
   第１の回転軸を回転方向に一体とし、前記第２の円筒部
   材及び前記第２の回転軸を回転方向に一体とし、前記第
   １及び第２の円筒部材のそれぞれにそれらの間の相対回
   転位置に応じて重なり具合が変化するように窓を形成
   し、そして、前記第１及び第２の円筒部材の前記窓が形
   成された部分を包囲するようにコイルを配設し、そのコ
   イルに起電力を誘導させてこれを測定する起電力測定手
   段を設け、その起電力測定手段の測定結果に基づいて、
   前記第１及び第２の回転軸に発生するトルクを検出する
   ことを特徴とするトルクセンサ。