JP2000241265A - トルクセンサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】歯部同士を対向させる従来のトルクセンサで
は、歯部の加工に手間がかかる。歯部間の位置決めが困
難であり、個体毎に検出特性がばらつく。 【解決手段】舵輪にトルクが付与されて入力軸２と出力
軸３に相対回転が生ずると、コイルばね９が捩じりを強
めたり弱めたりする。その結果、コイルばね９のピッチ
が変化するので、隣接する巻き線間のエアギャップの量
が変化し、検出コイル１６，１７による磁気回路の磁気
抵抗が増減する。これに伴って、検出コイル１６，１７
のインピーダンスが変化する。これを検出コイル１６，
１７の両端の電圧として取り出し、トルクに応じた出力
を得る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はトルクセンサに関
し、例えば自動車の電動パワーステアリング装置に適用
するのに好適なトルクセンサを提供するものである。

【０００２】

【従来の技術】自動車の操舵輪を操作する力を補助する
パワーステアリング装置として電動式のものが開発され
つつある。これは操舵輪に加えられたトルクを検出し、
その検出トルクに応じて、操舵機構に設けた電動機を回
転させる構造となっている。ところで、このトルク検出
手段としては、例えば特開昭５９−２０８４３１号公報
に示されているトルクセンサが知られている。

【０００３】このトルクセンサでは、トーションバーを
介して連結された入力軸及び出力軸とそれぞれ一体に回
転する筒体を設けると共に、これら筒体の対向端面にそ
れぞれ歯部を設け、互いの歯部間に入力軸の軸方向及び
回転方向にそれぞれ所定の隙間を設けて対向させてい
る。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところが、複数の筒体
に歯部を加工するので、手間がかかり、製造コストが高
くなっていた。また、各筒体の歯部同士は軸方向及び回
転方向の双方にその位置がオーバーラップしており、歯
部間の隙間の設定が検出精度に大きく影響する。また、
トルク検出装置の組立時において、トルクが負荷されて
いないニュートラルな状態で高精度で位置決めして組み
付ける必要があるが、この組み付け作業が非常に困難で
あった。

【０００５】さらに、トルクがゼロの状態で前記のよう
な歯部同士の正確な位置決めを行うことは実質的に不可
能であり、このため、トルクセンサの個体間で検出特性
のばらつきが大きい。本発明は前記課題に鑑みてなされ
たものであり、手間のかかる加工や困難な組み付け作業
をなくすことができ、検出特性のばらつきも少ないトル
クセンサを提供することを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】前記目的を達成するため
の課題解決手段として、請求項１記載の発明の態様は、
トーションバーを介して相対回転可能に連結された入力
軸及び出力軸に負荷されるトルクを検出するトルクセン
サにおいて、前記入力軸及び出力軸の相対回転に伴って
捩じられるように、各端部が対応する軸に係合する磁性
体からなる螺旋状のコイルばねと、このコイルばねの周
囲を取り囲み、コイルばねのピッチ変化に伴う磁気抵抗
の変化に基づいてトルクを検出する検出コイルとを備え
ることを特徴とするものである。

【０００７】本態様では、入力軸と出力軸が相対回転す
ると、コイルばねがその捩じりを強めたり弱めたりし、
コイルばねの巻き線間のピッチが変化する。このピッチ
変化に伴う磁気抵抗の変化に基づいて、検出コイルによ
りトルクを検出する。単純で標準的な機械要素である螺
旋状のコイルばねを用いるので、困難な加工や組み付け
は不要である。また、厳格な位置決めを行わずとも、コ
イルばねの巻き線のピッチはあまりばらつかず、このよ
うなコイルばねのピッチ変化に基づいてトルクを検出す
るので、検出特性のばらつきも少ない。

【０００８】請求項２記載の発明の態様は、請求項１に
おいて、前記コイルばねは、入力軸及び出力軸の相対向
する一対の端面同士の間に介在し、前記一対の端面は軸
方向に対して傾斜した傾斜面とされ、これら傾斜面間の
位相ずれによりコイルばねのばね長を変化させることを
特徴とするものである。本態様では、入力軸と出力軸と
が相対回転すると、傾斜面からなる両軸の端面が互いの
間で、コイルばねのばね長を変化させる。これにより、
コイルばねを単にねじるだけの場合と比較して、コイル
ばねのピッチ変化をより大きくして検出出力をより大き
くすることができる。その結果、検出感度や検出精度を
向上することができる。

【０００９】請求項３記載の発明の態様は、請求項１又
は２において、前記コイルばねの巻き線は角形断面をし
ていることを特徴とするものである。角形断面であれ
ば、丸形断面の場合と比較して、隣接する巻き線間の最
小隙間を検出コイルに近い側で得ることができる。した
がって、磁気回路の長さを短くして検出出力を向上で
き、結果として検出感度を向上させることができる。

【００１０】

【発明の実施の形態】本発明の好ましい実施の形態を添
付図面を参照しつつ説明する。図１は本発明のトルクセ
ンサが組み込まれた操舵装置の要部の模式的断面図であ
る。図１を参照して、本操舵装置１は図示しない舵輪に
連結される入力軸２と、図示しない舵取り機構に連結さ
れる出力軸３と、入力軸２と出力軸３とを相対回転可能
に連結するトーションバー４とを備えている。入力軸２
及び出力軸３の対向端部には、それぞれの軸２，３と一
体回転する第１及び第２の筒体５，６が取り付けられて
いる。両筒体５，６の対向する端面７，８は互いに平行
な傾斜面とされており、これら端面７，８同士の間に螺
旋状のコイルばね９が介在している。

【００１１】このコイルばね９は鉄等の磁性体からな
り、コイルばね９の巻き端としての両端部９ａ，９ｂ
は、各筒体５，６の端面７，８から突出する環状のスプ
リングガイド１０，１１の外周に嵌められている。１２
はコイルばね９の各端部９ａ，９ｂを対応するスプリン
グガイド１０，１１に固定するピン又はリベットからな
る固定部材である。コイルばね９の巻き線の断面は図２
（ａ）及び（ｂ）に示すように矩形をしている。

【００１２】両筒体５，６とこれらの間に介在するコイ
ルばね９の周囲は、車両の所定部に固定される筒状のハ
ウジング１３によって取り囲まれている。第１の筒体５
は、針状ころ軸受１４を介してハウジング１３に回動自
在に支持されており、第２の筒体６は玉軸受１５を介し
てハウジング１３に回動自在に支持されている。また、
ハウジング１３の内周にはコイルばね９の周囲を取り囲
む第１及び第２の検出コイル１６，１７が軸方向に相隣
接して配置されている。各検出コイル１６，１７は、ハ
ウジング１３の内周の第１の環状凹部１８に保持された
断面コの字形形状の磁性体製の筒体１９，２０の周溝内
に巻回状態で収容保持されている。２１は両筒体１９，
２０間に介在して検出コイル１６，１７間の距離を規制
するスペーサである。

【００１３】２２は第１の環状凹部１８よりも大径の第
２の環状凹部２３の一端の周溝に嵌め入れられた止め輪
であり、この止め輪２２と筒体２０の端面との間には、
両筒体１９，２０及びスペーサ２１を一体的に軸方向に
付勢する付勢手段としての皿ばね２４が介在している。
皿ばね２４により付勢された筒体１９が第１の環状凹部
１８の一端の位置決め段部２５に当接し、これにより、
両検出コイル１６，１７が軸方向に位置決めされ保持さ
れている。

【００１４】第１及び第２の筒体５，６、コイルばね
９、並びに第１及び第２の検出コイル１６，１７によっ
てトルクセンサＴが構成されている。次いで、本トルク
センサの動作について説明する。図示しない発振器の発
振動作によって各検出コイル１６，１７に発生した磁束
は、図２（ａ）及び（ｂ）に示すように、螺旋状のコイ
ルばね９の隣接する巻き線９ｃ，９ｄを介する磁気回路
Ｃ１，Ｃ２を構成するが、磁気回路Ｃ１，Ｃ２の磁気抵
抗は、コイルばね９の隣接する巻き線９ｃ，９ｄ間のエ
アギャップの量ｄ１，ｄ２により左右される。一方、こ
のエアギャップの量は、操舵が行われて入力軸２と出力
軸３との間に相対回転を生じたときにコイルばね９が捩
じりを強めたり弱めたりすることにより変化する。

【００１５】例えばコイルばね９が右巻きである場合
に、舵輪が右に切られると、コイルばね９は捩じりを強
めるため、コイルばね９の巻き線のピッチが狭くなり、
その結果、操舵装置が中立位置にあるときと比較してエ
アギャップ量ｄ１は図２（ａ）のように狭くなる。この
ため、各検出コイル１６，１７による磁気回路の磁気抵
抗が減少し、各検出コイル１６，１７のインピーダンス
が増大する。

【００１６】一方、舵輪が左に切られるとコイルばね９
は捩じりを弱めるため、コイルばね９の巻き線のピッチ
が広くなり、その結果、操舵装置が中立位置にあるとき
と比較してエアギャップ量ｄ２は図２（ｂ）のように広
くなる。このため、各検出コイル１６，１７の磁気回路
の磁気抵抗が増大し、各検出コイル１６，１７のインピ
ーダンスが減少する。これらのインピーダンス変化を各
検出コイル１６，１７の両端の電圧として取り出し、図
示しない増幅器にて増幅して、トルクに応じた出力を得
る。

【００１７】本実施の形態では、入力軸２と出力軸３の
端部に固定した筒体５，６間にコイルばね９を取り付
け、これを検出コイル１６，１７が装着されたハウジン
グ１３内に挿入することで、トルクセンサＴを簡単に組
み立てることができる。歯部同士を対向させる従来の場
合では、トルクがゼロの状態で、歯部同士を軸方向及び
回転方向の双方に位置決めしなければならなかったが、
単純な機械要素であるコイルばね９のピッチ変化に基づ
いてトルクを検出する本実施の形態では、軸方向の位置
決めはラフで良く、この点からも組立が簡単である。ま
た、厳格な位置決めを行わずとも、コイルばね９の巻き
線のピッチはあまりばらつかず、このようなコイルばね
９のピッチ変化に基づいてトルクを検出するので、検出
特性のばらつきも少ない。

【００１８】特に、各検出コイル１６，１７はコイルば
ね９の全周にわたってのエアギャップ変化を検出するこ
とになるので、組み付け時のコイルばね９のセット長の
ばらつきは検出特性にほとんど影響を与えない。また、
入力軸２と出力軸３の相対回転に伴って、第１及び第２
の筒体５，６の傾斜面からなる端面７，８が互いの位相
をずらし、これにより、コイルばね９の全長が周方向の
一部で部分的に変化する。一方、検出コイル１６，１７
はコイルばね９の全周にわたってのエアギャップ変化の
影響を受けるので、前記のピッチの部分的な変化を検出
することができる。すなわち、入、出力軸２，３間に相
対回転を生じたときに、単にコイルばね９の捩じりが増
減されるだけでなく、コイルばね９の全長が部分的に変
化する。これにより、入、出力軸２，３の相対回転の量
に対して相対的に大きなピッチ変化を得ることができ、
その結果、検出コイル１６，１７の検出出力を高めるこ
とができる。ひいては検出感度を向上させることができ
る。

【００１９】さらに、コイルばね９の巻き線の断面を矩
形としたので、断面が丸形である場合と比較して、隣接
する巻き線間の最小隙間の量（最小のエアギャップ量）
を各検出コイル１６，１７に近い側で得ることができ
る。したがって、磁気回路の長さを短くして検出コイル
１６，１７の検出出力を向上でき、結果として検出感度
を向上させることができる。

【００２０】また、第１及び第２の検出コイル１６，１
７の出力性向を互いに逆向き（一方の出力が増加すると
き他方の出力が減少すること）にしておけば、両検出コ
イル１６，１７の差動出力を取ってこれを１／２とする
ことにより、各検出コイル１６，１７の出力にそれぞれ
同等量含まれている温度影響成分を相殺して、温度補償
を行うことができる。

【００２１】なお、本発明は前記実施の形態に限定され
るものではなく、例えば、筒体５，６の端面７，８を、
入力軸２や出力軸３の中心軸線と直交する面とすること
もできる。また、コイルばね９の巻き線の断面形状は丸
形であっても良い。さらに、筒体５，６を対応する入力
軸２及び出力軸３と一体に形成しても良い。また、本実
施の形態では温度補償を目的として検出コイルを一対設
けたが、単一の検出コイルを用いるようにしても良く、
その他、本発明の範囲で種々の変更を施すことができ
る。

【００２２】

【発明の効果】請求項１記載の発明では、単純で標準的
な機械要素である螺旋状のコイルばねを用いるので、困
難な加工や組み付けは不要であり、製造コストを安くす
ることができる。また、厳格な位置決めを行わずとも、
コイルばねの巻き線のピッチはあまりばらつかず、この
ようなコイルばねのピッチ変化に基づいてトルクを検出
するので、検出特性のばらつきも少ない。

【００２３】請求項２記載の発明では、入力軸と出力軸
の相対回転に伴って、コイルばねの全長をも変化させる
ことができるので、コイルばねを単にねじるだけの場合
と比較して、コイルばねのピッチ変化をより大きくで
き、その結果、検出出力をより大きくして、検出感度を
向上させることができる。請求項３記載の発明では、隣
接する巻き線間の最小隙間を検出コイルに近い側で得る
ことができるので、磁気回路の長さを短くして検出出力
を向上できる結果、検出感度を向上させることができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施の形態のトルクセンサが適用さ
れた操舵装置の要部の模式的断面図である。

【図２】コイルばねと検出コイルの要部の模式的断面図
であり、（ａ）はコイルばねの捩じりを強める方向に操
舵されたとき、（ｂ）はコイルばねの捩じりを弱める方
向に操舵されたときの磁気回路の状態をそれぞれ示して
いる。

【符号の説明】

Ｔ トルクセンサ １ 操舵装置 ２ 入力軸 ３ 出力軸 ４ トーションバー ５ 第１の筒体 ６ 第２の筒体 ７，８ 端面 ９ コイルばね ９ａ，９ｂ 端部 ９ｃ，９ｄ 巻き線 １３ ハウジング １６ 第１の検出コイル １７ 第２の検出コイル

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】トーションバーを介して相対回転可能に連
   結された入力軸及び出力軸に負荷されるトルクを検出す
   るトルクセンサにおいて、 前記入力軸及び出力軸の相対回転に伴って捩じられるよ
   うに、各端部が対応する軸に係合する磁性体からなる螺
   旋状のコイルばねと、 このコイルばねの周囲を取り囲み、コイルばねのピッチ
   変化に伴う磁気抵抗の変化に基づいてトルクを検出する
   検出コイルとを備えることを特徴とするトルクセンサ。
2. 【請求項２】前記コイルばねは、入力軸及び出力軸の相
   対向する一対の端面同士の間に介在し、 前記一対の端面は軸方向に対して傾斜した傾斜面とさ
   れ、これら傾斜面間の位相ずれによりコイルばねのばね
   長を変化させることを特徴とする請求項１記載のトルク
   センサ。
3. 【請求項３】前記コイルばねの巻き線は角形断面をして
   いることを特徴とする請求項１又は２記載のトルクセン
   サ。