JPH08240491A - Torque sensor - Google Patents
Torque sensorInfo
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- JPH08240491A JPH08240491A JP7040395A JP7040395A JPH08240491A JP H08240491 A JPH08240491 A JP H08240491A JP 7040395 A JP7040395 A JP 7040395A JP 7040395 A JP7040395 A JP 7040395A JP H08240491 A JPH08240491 A JP H08240491A
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Abstract
Description
【０００１】[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。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a torque sensor for detecting a torque generated on a rotary shaft, and more particularly to a torque sensor having a simple structure to enhance detection sensitivity.
【０００２】[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。2. Description of the Related Art A conventional torque sensor is disclosed, for example, in FIG. 11 of Japanese Patent Application Laid-Open No. 57-190240. This conventional torque sensor has an input coaxially rotatably arranged. The overlapped portion of the shaft and the output shaft is surrounded by a relatively short cylindrical member made of aluminum, and the cylindrical member is advanced and retracted in the axial direction according to the relative displacement between the input shaft and the output shaft. A coil is arranged around the cylindrical member, and the self-induced electromotive force induced in the coil is measured, and the relative rotational displacement (torque) between the input shaft and the output shaft is detected based on the result. I was trying to do it. That is, when the cylindrical member moves back and forth in the axial direction, the self-inductance of the coil changes, so that the torque generated in the input shaft and the output shaft can be detected based on the self-induced electromotive force of the coil.
【０００３】[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、構造が複雑になりその分信
頼性も落ちるという問題点があった。また、アルミニウ
ム製の円筒部材を変位させるだけでは、コイルの自己イ
ンダクタンスを急峻に変化させることはできなかった。
このため、センサ感度を高くするには例えばコイルの巻
き数を多くすること等が必要となるが、これでは装置の
大型化等を招いてしまうという欠点がある。However, the above-mentioned conventional torque sensor requires a mechanism for converting the relative rotational displacement between the first and second rotary shafts into the axial displacement of the cylindrical member. Therefore, there is a problem that the structure is complicated and reliability is reduced accordingly. Moreover, the self-inductance of the coil cannot be changed sharply only by displacing the aluminum cylindrical member.
Therefore, in order to increase the sensor sensitivity, for example, it is necessary to increase the number of windings of the coil, but this has a drawback that the size of the device is increased.
【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。The present invention has been made by paying attention to the unsolved problems of the prior art as described above, and an object thereof is to provide a torque sensor having a simple structure and capable of enhancing the detection sensitivity. I am trying.
【０００５】[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、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する
とともに、導電性で且つ非磁性の材料からなる円筒部材
を、前記第１の回転軸の外周面を包囲するように、前記
第２の回転軸と回転方向に一体とし、前記第１の回転軸
の少なくとも前記円筒部材に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の回転軸との間の相対
回転位置に応じて前記溝との重なり具合が変化するよう
に窓を形成し、そして、前記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。In order to achieve the above object, a torque sensor according to the present invention has a first and a second rotating shafts, which are coaxially arranged, connected to each other via a torsion bar and has a conductive property. A cylindrical member made of a magnetic and non-magnetic material is integrated with the second rotary shaft in the rotation direction so as to surround the outer peripheral surface of the first rotary shaft, and at least the first rotary shaft of the first rotary shaft is formed. The enclosed portion surrounded by the cylindrical member is formed of a magnetic material, and a groove extending in the axial direction is formed in the enclosed portion. The cylindrical member is provided at a relative rotational position with respect to the first rotation shaft. Accordingly, a window is formed so that the degree of overlap with the groove changes, and a coil is arranged so as to surround the portion of the cylindrical member where the window is formed, and an electromotive force is induced in the coil. Electromotive force measuring means for measuring this Based on the measurement results of fixed means, and to detect the torque generated in the first and second rotating shafts.
【０００６】[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の回
転軸と円筒部材との間にも相対回転が生じるから、第１
の回転軸に形成された溝と、円筒部材に形成された窓と
の重なり具合が変化する。For example, if the first rotary shaft is used as the input shaft and the second rotary shaft is used as the output shaft, torque is transmitted from the first rotary shaft to the second rotary shaft through the torsion bar. Relative rotation occurs between the first rotating shaft and the second rotating shaft with the torsion of the torsion bar. Then, since relative rotation occurs between the first rotation shaft and the cylindrical member,
The degree of overlap between the groove formed on the rotating shaft of the and the window formed on the cylindrical member changes.
【０００７】そして、それら溝及び窓の重なり面積が大
きければ、窓を通じて露出するのは被包囲部の表面では
なく溝の底面であるから、磁性材料からなる第１の回転
軸の被包囲部表面の比較的多くの部分が導電性で且つ非
磁性の材料で覆われたことと等価になる。逆に、その重
なり面積が小さければ、窓を通じて露出するのは被包囲
部の表面であるから、その磁性材料からなる第１の回転
軸の被包囲部表面の比較的少ない部分が、導電性で且つ
非磁性の材料で覆われたことと等価になる。If the overlapping area of the groove and the window is large, it is not the surface of the surrounding portion that is exposed through the window but the bottom surface of the groove, so the surface of the surrounding portion of the first rotating shaft made of a magnetic material. Is covered with a conductive and non-magnetic material. On the contrary, if the overlapping area is small, it is the surface of the enclosed portion that is exposed through the window, so that the relatively small portion of the enclosed surface of the first rotating shaft made of the magnetic material is electrically conductive. It is also equivalent to being covered with a non-magnetic material.
【０００８】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り、磁性材
料とは、強磁性体のことである。そして、非磁性材料の
透磁率は、空気と同程度であり、磁性体の透磁率に比べ
て小さい。また、導電体に磁束が鎖交するとその磁束の
変化を妨げるように“うず電流”が生じ、これによって
磁界が発生するため、物質内を均等に磁束が通らないで
表皮部分に磁束が集中する表皮効果が表れる。従って、
導電性で且つ非磁性材料からなる領域は、空気よりも磁
束を通し難い性質を有する。Here, the non-magnetic material in the present invention means a paramagnetic material and a part of diamagnetic material, and the magnetic material means a ferromagnetic material. The magnetic permeability of the non-magnetic material is about the same as that of air, which is smaller than the magnetic permeability of the magnetic body. Also, when magnetic flux is linked to a conductor, an "eddy current" occurs so as to prevent the magnetic flux from changing, and this causes a magnetic field, so that the magnetic flux does not evenly pass through the substance and concentrates on the skin. The skin effect appears. Therefore,
The region made of a conductive and non-magnetic material has a property that it is harder for magnetic flux to pass therethrough than air.
【０００９】このため、上述したように溝と窓との重な
り具合の変化によって第１の回転軸の被包囲部表面の露
出面積の割合（つまり、磁性材料が占める部分と、導電
性で且つ非磁性の材料が占める部分との割合）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、磁性材料と、導電性で且つ非磁性の材料との間に
磁束の通しやすさに大きな差があるから、第１の回転軸
と円筒部材との間の相対回転に応じて急峻に変化する。Therefore, as described above, the ratio of the exposed area of the surface of the enclosed portion of the first rotating shaft (that is, the portion occupied by the magnetic material and the conductive and If the ratio of the portion occupied by the magnetic material) changes, the self-inductance and mutual inductance of the coil have a large difference in the ease of passing magnetic flux between the magnetic material and the conductive and non-magnetic material. , Sharply changes according to relative rotation between the first rotation shaft and the cylindrical member.
【００１０】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の回転軸と円筒部材と
の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。Then, the induced electromotive force of the coil is measured by the electromotive force measuring means, but the self-inductance and mutual inductance of the coil change in accordance with the relative rotation between the first rotating shaft and the cylindrical member. Therefore, based on the measurement result, the torque generated in the first and second rotating shafts is detected.
【００１１】[0011]
【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。なお、これら入力軸１及び出力軸
２は、鉄等の磁性材料から形成されている。Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. 1 to 6 are views showing a first embodiment of the present invention, in which the torque sensor according to the present invention is applied to an electric power steering device for a vehicle. First, the structure will be described. As shown in FIG. 1, which is a sectional view of a part of a steering system of a vehicle, a torsion bar 3 is provided between an input shaft 1 and an output shaft 2 which are coaxially and rotatably arranged. It is connected. The input shaft 1 and the output shaft 2 are made of a magnetic material such as iron.
【００１２】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。A steering wheel is integrally mounted in the rotational direction on the right end side of the input shaft 1 (not shown) in FIG. 1, and a known rack and pinion is mounted on the left end side of the output shaft 2 (not shown) in FIG. The pinion shaft which comprises a steering system is connected. Therefore, the steering force generated by the operator steering the steering wheel is transmitted through the input shaft 1, the torsion bar 3, the output shaft 2 and the rack and pinion type steering device.
It is transmitted to the steered wheels (not shown).
【００１３】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。On the end surface of the output shaft 2 on the input shaft 1 side, a groove 2 extending further in the radial direction from the insertion portion of the torsion bar 3 is formed.
a is formed, and the convex portion 1a formed on the end surface of the input shaft 1 on the output shaft 2 side is inserted into the groove 2a. However, the width (circumferential dimension) of the groove 2a is slightly larger than the width of the convex portion 1a, and as a result, the width of the groove 2a is not less than a predetermined range (for example, about ± 5 degrees) between the input shaft 1 and the output shaft 2. Relative rotation is prevented.
【００１４】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
部分の外周面には、入力軸１と同軸の大径部１Ａが形成
されていて、この大径部１Ａの外周面に近接してこれを
包囲するように、肉薄の円筒部材４が配設されている。The rotating force of an electric motor (not shown) is transmitted to the output shaft 2 via, for example, a worm gear. That is, by appropriately controlling the direction and magnitude of the drive current to the electric motor, the steering assist torque of any direction and magnitude is applied to the output shaft 2. On the other hand, a large diameter portion 1A coaxial with the input shaft 1 is formed on the outer peripheral surface of the input shaft 1 in the vicinity of the output shaft 2 and surrounds the outer peripheral surface of the large diameter portion 1A. Thus, the thin cylindrical member 4 is arranged.
【００１５】即ち、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、その図
１左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（この実施例では、六つ）の
窓４ａ，…，４ａが形成され、小径部４Ａ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。That is, the cylindrical member 4 is formed of a conductive and non-magnetic material (for example, aluminum), and a small diameter portion 4A is formed on the inner surface of the left side end portion in FIG. 4A is coaxially fitted onto the output shaft 2. Thereby, the cylindrical member 4 is integrated with the output shaft 2 in the rotational direction. Further, in the thin portion surrounding the large diameter portion 1A of the cylindrical member 4, on the side far from the small diameter portion 4A, a plurality of rectangular windows (six in this embodiment) 4a are equally spaced in the circumferential direction. , 4a are formed, and on the side close to the small-diameter portion 4A, a plurality of rectangles (the same shape as the window 4a) are equally spaced in the circumferential direction so as to be 180 degrees out of phase with the windows 4a ,. In the embodiment, six windows 4b, ..., 4b are formed.
【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。これに対し、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，…，
４ａが形成された部分の内側には、周方向に等間隔離隔
し間口が長方形（窓４ａと同形状）の軸方向に沿った複
数（この実施例では、六つ）の溝５ａ，…，５ａが形成
され、窓４ｂ，…，４ｂが形成された部分の内側には、
溝５ａ，…，５ａと同相に周方向に等間隔離隔し間口が
長方形（溝５ａと同形状）の軸方向に沿った複数（この
実施例では、六つ）の溝５ｂ，…，５ｂが形成されてい
る。More specifically, the windows 4a, ..., 4a are formed by dividing the circumferential surface of the cylindrical member 4 into 12 equal parts in the circumferential direction, and opening the regions corresponding to the 12 equal parts in a rectangular shape. The windows 4b, ..., 4b are formed by opening portions corresponding to the unopened portions between the windows 4a ,. On the other hand, in the large diameter portion 1A surrounded by the cylindrical member 4 of the input shaft 1, the windows 4a, ...,
Inside the portion where 4a is formed, a plurality of (six in this embodiment) grooves 5a, which are equally spaced in the circumferential direction and have a rectangular opening (same shape as the window 4a) along the axial direction, 5a is formed, and inside the portion where the windows 4b, ..., 4b are formed,
A plurality of (six in this embodiment) grooves 5b, ..., 5b are formed in the same phase as the grooves 5a, ... Has been formed.
【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線における入力軸１及び円筒部材４の断面図
である図２に示すように窓４ａ及び溝５ａが半分だけ重
なるように、円筒部材４及び溝５ａは位置合わせをされ
ている。従って、図１のＢ−Ｂ線における入力軸１及び
円筒部材４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及び溝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及び溝５ａの重なり状態と、窓４
ｂ及び溝５ｂの重なり状態とは、図２，図３及び円筒部
材４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。However, when relative rotation does not occur between the input shaft 1 and the output shaft 2 (when the steering torque is zero), a sectional view of the input shaft 1 and the cylindrical member 4 taken along the line AA in FIG. The cylindrical member 4 and the groove 5a are aligned so that the window 4a and the groove 5a overlap by half as shown in FIG. Therefore, as shown in FIG. 3 which is a cross-sectional view of the input shaft 1 and the cylindrical member 4 taken along the line BB in FIG. 1, when the steering torque is zero, the window 4b and the groove 5b are also overlapped by half. Since the phase between the windows 4a and 4b is shifted by 180 degrees, the overlapping state of the window 4a and the groove 5a and the window 4a
2 and 3 and the overlapping state of the groove 5b are opposite to each other in the circumferential direction, as is apparent from FIG. 4 which is a front view of the input shaft 1 and the output shaft 2 with the cylindrical member 4 fixed. Has become.
【００１８】そして、円筒部材４は、同一規格のコイル
１０及び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。即
ち、コイル１０及び１１は、円筒部材４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１２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 for supporting the bobbin 12 around which the coils 10 and 11 of the same standard are wound on the inner peripheral side. That is, the coils 10 and 11 are arranged coaxially with the cylindrical member 4, and the coil 10 is wound around the bobbin 12 so as to surround the portion where the windows 4a, ... , 4b is wound around the bobbin 12 so as to surround the portion where the 4b is formed.
【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入力軸１及び円筒部
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。The coils 10 and 11 are connected to a motor control circuit housed in a sensor case (not shown).
The motor control circuit includes, for example, as shown in FIG. 5, an oscillating unit 21 that supplies an alternating current having a predetermined frequency to the coils 10 and 11.
A rectifying / smoothing circuit 22 for rectifying and smoothing the self-induced electromotive force of the coil 10 and outputting the rectified / smoothing circuit 23 for rectifying and smoothing the self-induced electromotive force of the coil 11 and outputting
And differential amplifiers 24A and 24B for amplifying and outputting the difference between the output of the rectifying / smoothing circuit 22 and the output of the rectifying / smoothing circuit 23.
A noise removal filter 25A for removing high frequency noise components from the output of the differential amplifier 24A, and a differential amplifier 24B
Noise removal filter 25B that removes high-frequency noise components from the output of
Based on, for example, the average value of the output of B, the direction and magnitude of the relative rotational displacement of the input shaft 1 and the cylindrical member 4 are calculated, and the result is multiplied by, for example, a predetermined proportional constant to determine the steering torque generated in the steering system. It includes a torque calculation unit 26 to be obtained, and a motor drive unit 27 that supplies a drive current I to the electric motor such that a steering assist torque for reducing the steering torque is generated based on the calculation result of the torque calculation unit 26. .
【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と円筒部材４との間にも、相対回
転は生じない。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、入力軸１及び円筒部材４間にも相対
回転が生じる。Next, the operation of this embodiment will be described. Now, assuming that the steering system is in a straight traveling state and the steering torque is zero, relative rotation does not occur 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. On the other hand, when the steering wheel is steered to generate a rotational force on the input shaft 1, the rotational force is transmitted to the output shaft 2 via the torsion bar 3. At this time, the output shaft 2 has a resistance force corresponding to a frictional force between the steered wheels and the road surface and a frictional force such as meshing of gears of a rack-and-pinion steering device configured on the left end side (not shown) of the output shaft 2. Since the torsion bar 3 is twisted between the input shaft 1 and the output shaft 2, relative rotation in which the output shaft 2 is delayed occurs, and relative rotation also occurs between the input shaft 1 and the cylindrical member 4.
【００２１】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及び溝５ａの重なり合った面
積は小さくなり、窓４ｂ及び溝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及び溝５ａの重なり合った面積は大
きくなるのに対し、窓４ｂ及び溝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 during steering in the right rotation direction) is generated, the overlapping area of the window 4a and the groove 5a is smaller than that when the steering torque is zero, and the window 4b and the groove are reduced. The overlapping area of 5b becomes large. On the other hand, when the left steering torque (steering torque generated during steering in the left rotation direction) is generated, the overlapping area of the window 4a and the groove 5a is larger than that when the steering torque is zero, whereas the window 4b and the groove 5b are larger. The overlapping area of is small.
【００２２】そして、窓４ａ及び溝５ａ，窓４ｂ及び溝
５ｂが重なり合った部分は、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。換言
すれば、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、
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 overlapping portion of the window 4a and the groove 5a and the window 4b and the groove 5b exposes the bottom surface of the groove 5a, 5b, not the surface of the large diameter portion 1A. In other words, the ratio of the portion of the surface of the large-diameter portion 1A exposed through the windows 4a and 4b to the portion covered with the cylindrical member 4 made of a conductive and non-magnetic material depends on the steering torque. Specifically, when the right steering torque is generated, as the steering torque in that direction increases,
The exposure rate of the surface of the large diameter portion 1A increases inside the coil 10, and the exposure rate of the surface decreases inside the coil 11. On the contrary, when the left steering torque is generated, the exposure rate of the surface of the large diameter portion 1A inside the coil 10 decreases and the exposure rate of the surface inside the coil 11 increases as the steering torque in that direction increases.
【００２３】すると、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。Then, since the large-diameter portion 1A has a property of allowing magnetic flux to pass through more easily than the cylindrical member 4, the self-inductance of the coil 10 increases and the self-inductance of the coil 11 decreases when the right steering torque is generated. Therefore, the self-induced electromotive force of the coil 10 increases and the self-induced electromotive force of the coil 11 decreases. 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.
, The self-induced electromotive force of the coil 11 increases, and the self-induced electromotive force of the coil 11 increases.
【００２４】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。Therefore, the outputs of the differential amplifiers 24A and 24B for obtaining the difference between the self-induced electromotive forces of the coils 10 and 11 change linearly according to the direction and magnitude of the steering torque, as shown in FIG. . Further, since the difference between the rectifying / smoothing circuits 22 and 23 is obtained in the differential amplifiers 24A and 24B, the change in the self-inductance due to the temperature or the like is canceled.
【００２５】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。Then, the torque calculation unit 26 calculates the average value of the outputs of the differential amplifiers 24A and 24B supplied through the noise removal filters 25A and 25B, and multiplies the calculated value by a predetermined proportional constant, for steering. The torque is obtained and the result is supplied to the motor drive unit 27. The motor drive unit 27 is
A drive current I according to the direction and magnitude of the steering torque is supplied to the electric motor.
【００２６】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。そして、導電性で且つ非磁性の材料からなる
円筒部材４は、交番磁界と鎖交する場合には、うず電流
が発生して磁束を通し難くなるため、空気よりも更に磁
束を通し難い性質を有する。これに対し、磁性材料から
なる入力軸１の大径部１Ａは、磁束を通し易い（空気よ
りも通し易い）。従って、大径部１Ａ表面の露出割合の
変化は、コイル１０，１１の自己インダクタンスを急峻
に変化させることになるから、差動アンプ２４Ａ，２４
Ｂの出力を急峻にしてセンサ感度を上げることができ
る。逆に、センサ感度が従来のままでよければ、コイル
１０，１１の巻き数等を少なくしてコイル１０，１１を
小型化できる。Then, a rotating force is generated in the electric motor in accordance with the direction and magnitude of the steering torque generated in the steering system, and the rotating force is transmitted to the output shaft 2 via the worm gear or the like. Since the steering assist torque is applied to the output shaft 2, the steering torque is reduced and the burden on the operator is reduced. When the cylindrical member 4 made of a conductive and non-magnetic material is interlinked with the alternating magnetic field, an eddy current is generated to make it difficult for the magnetic flux to pass. Have. On the other hand, the large-diameter portion 1A of the input shaft 1 made of a magnetic material allows magnetic flux to easily pass therethrough (more easily than air). Therefore, a change in the exposure ratio of the surface of the large diameter portion 1A causes a steep change in the self-inductance of the coils 10 and 11, and therefore the differential amplifiers 24A and 24A.
The sensor sensitivity can be increased by making the output of B steep. On the contrary, if the sensor sensitivity is unchanged from the conventional one, the number of turns of the coils 10 and 11 can be reduced and the coils 10 and 11 can be downsized.
【００２７】また、円筒部材４を通過する磁束は、うず
電流による表皮効果によって、コイル１０，１１に近い
表皮部分に集中することになる。ちなみに、コイル１
０，１１に供給する交流電流の周波数をｆ、円筒部材４
をなす材料の透磁率をμ、その電気伝導率をσとすれ
ば、磁束が集中する表皮の厚さδは、下記の（１）式の
ようになる。Further, the magnetic flux passing through the cylindrical member 4 is concentrated on the skin portion near the coils 10 and 11 due to the skin effect of the eddy current. By the way, coil 1
The frequency of the alternating current supplied to 0 and 11 is f, and the cylindrical member 4
Assuming that the magnetic permeability of the material of which is and the electrical conductivity thereof is σ, the thickness δ of the skin where the magnetic flux concentrates is given by the following equation (1).
【００２８】 δ＝２／（２πｆ・σ・μ）1/2 ……（１） つまり、円筒部材４の厚みは、上記（１）式で求められ
る厚さδ以上あればよいから、円筒部材４を含んだセン
サ部分の外径寸法を小さくできるし、円筒部材４が薄け
れば、センサの外形寸法を最小限に抑えることができる
ばかりか、コイル１０，１１と大径部１Ａとの間の距離
を短くできるため、センサ感度をより向上させることが
できるという利点がある。Δ = 2 / (2πf · σ · μ) 1/2 (1) That is, the thickness of the cylindrical member 4 may be equal to or greater than the thickness δ obtained by the above formula (1). The outer diameter dimension of the sensor portion including 4 can be reduced, and if the cylindrical member 4 is thin, the outer dimension of the sensor can be minimized, and further, between the coils 10 and 11 and the large diameter portion 1A. Since the distance can be shortened, there is an advantage that the sensor sensitivity can be further improved.
【００２９】以上から、本実施例の構成であれば、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。さらには、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機構が必要
がないから、構造が簡易であるし、変換機構が不要な
分、精度が向上するという利点がある。From the above, the structure of this embodiment has an advantage that the portion where the torque sensor is arranged can be made smaller (thinner) than the conventional one, and there is a space margin as in this embodiment. It is especially beneficial for devices applied to small vehicles. Furthermore, since there is no need for a mechanism for converting the relative rotational displacement between the input shaft 1 and the output shaft 2 into a linear motion of another member, the structure is simple, and the conversion mechanism is unnecessary, and the accuracy is improved. There is an advantage.
【００３０】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、大
径部１Ａが磁性材料からなる被包囲部に対応し、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。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等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。Here, in this embodiment, the input shaft 1 corresponds to the first rotating shaft, the output shaft 2 corresponds to the second rotating shaft, and the large diameter portion 1A is the enclosed portion made of a magnetic material. Correspondingly, the oscillator 21, the rectifying / smoothing circuits 22 and 23, and the differential amplifier 24
Electromotive force measuring means is constituted by A and 24B. Figure 7
FIG. 8 is a view showing a second embodiment of the present invention, and is a front view of the input shaft 1 and the output shaft 2 with the cylindrical member 4 and the like fixed, similarly to FIG. 4 of the first embodiment. The same members and parts as those in the first embodiment are designated by the same reference numerals, and their duplicated description will be omitted.
【００３１】即ち、上記第１実施例では、軸方向に離隔
した二列の溝５ａ，…，５ａ、溝５ｂ，…，５ｂを形成
しているが、本実施例では、軸方向に長い溝５ｃ，…，
５ｃを形成することにより、それら二列の溝５ａ，…，
５ａ、溝５ｂ，…，５ｂ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。That is, in the first embodiment, the two rows of grooves 5a, ..., 5a and the grooves 5b, ..., 5b which are separated in the axial direction are formed, but in the present embodiment, the grooves which are long in the axial direction are formed. 5c, ...
By forming 5c, these two rows of grooves 5a, ...,
5a, grooves 5b, ..., 5b are shared. This has the advantage that the manufacturing cost can be reduced. Other functions and effects are similar to those of the first embodiment.
【００３２】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。In the above embodiment, two systems of the differential amplifiers 24A and 24B and the noise removal filters 25A and 25B are provided in order to improve the reliability, but this is not always necessary, and the individual circuits are not necessarily provided. If the reliability is sufficient, one system may be provided, or conversely, three or more systems may be provided. Further, in the above embodiment, the case where the torque sensor according to the present invention is applied to the electric power steering device for a vehicle has been described, but the application target of the present invention is not limited to this.
【００３３】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。In the above embodiment, the coils 10, 1
Although the self-induced electromotive force of No. 1 is measured, the mutual induced electromotive force may be measured by providing an oscillation coil. Alternatively, the torque may be obtained based on the self-induced electromotive force and the mutual induced electromotive force of one coil without taking the differential.
【００３４】[0034]
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
第２の回転軸と一体に回転する導電性で且つ非磁性の材
料からなる円筒部材に窓を形成するとともに、第１の回
転軸の少なくとも円筒部材に包囲された被包囲部を磁性
材料で形成し、その被包囲部に軸方向に延びる溝を形成
し、そして、それら窓と溝との重なり具合の変化をコイ
ルの起電力に基づいて測定し、その測定結果に基づいて
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、簡易な構造で高精度のトルク検出が行え、
しかも装置の小型化も図れるという効果がある。As described above, according to the present invention,
A window is formed in a cylindrical member made of a conductive and non-magnetic material that rotates integrally with the second rotating shaft, and an enclosed portion surrounded by at least the cylindrical member of the first rotating shaft is formed of a magnetic material. Then, a groove extending in the axial direction is formed in the enclosed portion, and a change in the degree of overlap between the window and the groove is measured based on the electromotive force of the coil. Based on the measurement result, the first and second Since the torque generated on the rotating shaft of is detected, highly accurate torque detection can be performed with a simple structure.
Moreover, there is an effect that the device can be downsized.
【図１】本発明の第１実施例の構成を示す正断面図であ
る。FIG. 1 is a front sectional view showing a configuration of a first embodiment of the present invention.
【図２】図１のＡ−Ａ線における円筒部材の断面図であ
る。FIG. 2 is a cross-sectional view of the cylindrical member taken along the line AA of FIG.
【図３】図１のＢ−Ｂ線における円筒部材の断面図であ
る。3 is a cross-sectional view of the cylindrical member taken along the line BB in FIG.
【図４】円筒部材を固定した状態の正面図である。FIG. 4 is a front view showing a state where a cylindrical member is fixed.
【図５】モータの制御回路の一例を示す回路図である。FIG. 5 is a circuit diagram showing an example of a motor control circuit.
【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。FIG. 6 is a graph showing the relationship between steering torque and the output of a differential amplifier.
【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。FIG. 7 is a front view of the second embodiment of the present invention with a cylindrical member fixed.
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，５ｃ 溝 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 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Input shaft (1st rotating shaft) 1A Large diameter part (Enclosed part) 2 Output shaft (2nd rotating shaft) 3 Torsion bar 4 Cylindrical member 4a, 4b Window 5a, 5b, 5c Groove 10,11 Coil 21 Oscillator 22,23 Rectification / smoothing circuit 24A, 24B Differential amplifier 25A, 25B Noise removal filter 26 Torque calculator 27 Motor drive circuit
Claims (1)
をトーションバーを介して連結するとともに、導電性で
且つ非磁性の材料からなる円筒部材を、前記第１の回転
軸の外周面を包囲するように、前記第２の回転軸と回転
方向に一体とし、前記第１の回転軸の少なくとも前記円
筒部材に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の回転軸との間の相対回転位置に応じて前
記溝との重なり具合が変化するように窓を形成し、そし
て、前記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。1. A first and a second rotating shafts, which are coaxially arranged, are connected via a torsion bar, and a cylindrical member made of a conductive and non-magnetic material is attached to the first rotating shaft. The surrounding portion is integrally formed with the second rotating shaft in the rotation direction so as to surround the outer peripheral surface, and the surrounding portion surrounded by at least the cylindrical member of the first rotating shaft is formed of a magnetic material. An axially extending groove is formed in the cylindrical member, a window is formed in the cylindrical member so that the degree of overlap with the groove changes according to the relative rotational position between the cylindrical member, and A coil is arranged so as to surround the portion of the cylindrical member in which the window is formed, and an electromotive force measuring means for inducing an electromotive force in the coil to measure the electromotive force is provided, and the measurement result of the electromotive force measuring means. Torque generated on the first and second rotating shafts based on A torque sensor characterized by detecting.
Priority Applications (4)
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|---|---|---|---|
| JP7040395A JP3346085B2 (en) | 1995-03-06 | 1995-03-06 | Torque sensor |
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| DE19608740A DE19608740C2 (en) | 1995-03-06 | 1996-03-06 | Torque sensor |
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-
1995
- 1995-03-06 JP JP7040395A patent/JP3346085B2/en not_active Expired - Lifetime
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