JPH01187425A - 操舵軸用トルクセンサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［発明の目的］ （産業上の利用分野） 本発明は、磁歪効果を利用して操舵軸のトルクを検出す
る操舵軸用トルクセンサに関する。

（従来の技術） 周知のように、軸トルクを検出するトルクセンサには種
々のタイプがある。これらの中には非晶質磁性金属材の
磁歪効果を利用したトルクセンサがある。非晶質磁性金
属材の磁歪効果を利用したトルクセンサの代表的なもの
は、特公昭６２−２８４１３号公報に開示されているよ
うに、軸の外周面に磁歪効果の大きい非晶質磁性金属帯
を固着するとともに、この金属帯の近傍に軸とは非接触
にコイルを配設し、軸に加えられる回転力によって生じ
る非晶質磁性金属帯の透磁率変化に伴うコイルのインピ
ーダンス変化や誘起電圧変化から軸トルクを検出するよ
うにしている。このタイプのトルクセンサは、軸とは非
接触にトルク検出が行なえること、既存の軸にも設置で
きること、非晶質磁性金属帯の磁化容易軸の選択等によ
ってトルクの方向までも容易に検出できること、軸の機
械的強度を弱めるような加工を必要としないこと。

軸構成材を制限しないこと、さらには温度変化の影響が
少ないことなどの特徴を有している。

ところで、非晶質磁性金属材の磁歪効果を利用したトル
クセンサは、上記のように他のトルクセンサに比べて種
々の利点を備えているので、単に工作機械やロボット等
の用途に限らず、自動車等に搭載され苛酷な条件にさら
されるパワーステアリング装置のトルクセンサとして用
いることが考えられる。

しかしながら、非晶質磁性金属材の磁歪効果を利用した
トルクセンサを自動車等のパワーステアリング装置のト
ルクセンサとして利用しようとすると次のような問題が
あった。すなわち、トルクセンサの設けられる位置は必
然的に操舵軸の回りとなる。一般に、操舵軸の上端には
ステアリングホイールが取付けてあり、このステアリン
グホイールには手動操作式のホーンスイッチが設けられ
ている。そして１通常は操舵軸をホーン駆動回路を構成
する導電路の一部として利用している。このため、ホー
ンスイッチを操作すると５Ａ程度のホーン駆動電流が操
舵軸内を軸方向に流れる。このように、操舵軸に軸方向
に電流が流れると、操舵軸の周方向に磁界が発生する。

この磁界は操舵軸に固着されている非晶質磁性金属材の
磁化の状態を変える。このため、操舵軸にホーン駆動電
流が流れているときには、軸トルクを正確に検出できな
い問題があった。

そこで、操舵軸にホーン駆動電流が流れないようにホー
ン駆動回路を構成することが考えられるが、このように
するとホーン駆動回路の構成が複雑化することになる。

（発明が解決しようとする課題） 上述の如く、非晶質磁性金属材の磁歪効果を利用したト
ルクセンサをパワーステアリング装置のトルクセンサと
して使用しようとすると、操舵軸に流れるホーン駆動電
流によって発生する磁界の影響を受け、正確なトルク検
出ができない問題があった。

そこで本発明は、操舵軸にホーン駆動電流が流れても正
確にトルク検出が行なえ、非晶質磁性金属材の磁歪効果
を利用したことによる特徴を最大限に発揮させ得る操舵
軸用トルクセンサを提供することを目的としている。

［発明の構成コ （課題を解決するための手段） 上記目的を達成するために１本発明の操舵軸用トルクセ
ンサにおいては、操舵軸に軸方向に流れるホーン駆動電
流によって生じる雑音信号成分の周波数とトルク信号の
周波数との違いに基いて上記雑音信号成分を除去する雑
音信号除去手段を設けている。

（作　用） 操舵軸に流れるホーン駆動電流の周波数は一般に、３０
０〜５００Ｈｚ程度である。一方、検出しようとするト
ルク信号の周波数は直流から数１０Ｈｚ程度である。本
発明に係る操舵軸用トルクセンサは。

上記周波数の違いに着目したもので、得られた原信号か
ら高周波信号成分、つまりホーン駆動電流によって生じ
る雑音信号成分を除去している。したがって、ホーン駆
動電流には無関係のトルク信号成分だけを出力すること
が可能となる。

（実施例） 以下１図面を参照しながら実施例を説明する。

第１図には一実施例に係る操舵軸用トルクセンサを自動
車の操舵軸の回りに設置した例が概略的に示されている
。

すなわち１図中１は軸心線を斜めにして配置された金属
製の操舵軸である。この操舵軸１は、軸受２，３を介し
て車体の一部に設けられた支持体４．５に回転自在に支
持されている。操舵軸１の上端部にはステアリングホイ
ール６が取付けられている。このステアリングホイール
６にはホーンスイッチ７を形成する可動端子８と固定端
子９とが取付けである。可動端子８は絶縁支持体１０を
介して取付け４られており、また固定端子９は操舵軸１
の上端部に電気的導通状態に取付けられている。可動端
子８は操舵軸１に絶縁支持体１１を介して支持されたス
リップリング１２に接続されている。スリップリング１
２には支持体４に絶縁支持体１３を介して支持された摺
動片１４が摺動液触している。そして、摺動片１４は、
ホーン１５およびバッテリ１６を介して車体に電気的に
接続されている。また、軸受３を支持する支持体５も車
体に電気的に接続されている。したがって、ホーンスイ
ッチ７をオン操作すると、バッテリ１６〜ホーン１５〜
摺動片１４〜スリップリング１２〜可動端子８〜固定端
子９〜操舵軸１〜支持体５〜車体〜バッテリ１６の経路
でホーン駆動電流が流れてホーン１５が鳴動する。

一方、操舵軸１の周囲で軸受２と３との間には操舵軸用
トルクセンサ２１の検出部２２が配設されており、その
近傍には検出部２２に接続される信号処理部２３が設け
られている。

検出部２２は第２図に示すように構成されている。すな
わち１図中１は上述した操舵軸であり。

この操舵軸１の外周面には軸方向の２箇所に亙って非晶
質磁性金属帯３１．３２が周方向に固着されている。非
晶質磁性金属帯３１としては、操舵軸１の軸心線に対し
て角度αの方向を磁化容易軸とする一軸磁気異方性を有
したものが用いられて＝　　７　− いる。また、非晶質磁性金属帯３２も操舵軸１の軸心線
に対して角度−αの方向を磁化容易軸とする一軸磁気異
方性を有したものが用いられている。

操舵軸１の回りで、非晶質磁性金属帯３１．３２が設け
られている部分の回りおよび上記部分を中心にして両側
部分の回りには、操舵軸１を囲む関係に非磁性材で円筒
状に形成されたハウジング３３が固定されている。そし
て、ハウジング３３の両端部内面と操舵軸１との間には
、それぞれ軸受３４．３５が挿設されている。ハウジン
グ３３内で軸受３４と３５との間に位置する部分には。

非磁性材で形成された円筒状のコイルボビン３６が装着
されている。コイルボビン３６の外周面で非晶質磁性金
属帯３１．３２に対向する部分には。

溝３７．３８が周方向にそれぞれ形成されており。

これら溝３７．３８内には巻数の等しいコイル３９．４
０がそれぞれ装着されている。これらコイル３９．４０
の線端はハウジング３３外に導かれ。

次に述べる信号処理部２３に接続されている。なお、第
２図中４１はコイルボビン３６を保持するための係止凸
部を示し、４２はスペーサリングを示し、４３および４
４は軸受３４，３５の内側レースを固定するためのスト
ップリングを示している。

一方、信号処理部２３は第３図に示すように構成されて
いる。すなわち、上述したコイル３９゜４０と抵抗器４
５．４６とでブリッジ回路を構成し、このブリッジ回路
の電源入力端をバランス調整用の可変抵抗器４７．４８
を介して交流発振器４９の出力端に接続している。そし
て、ブリッジ回路の中点間電位を差動増幅器５０に入力
し、この差動増幅器５０の出力を同期検波回路５１に導
入している。同期検波回路５１は、参照波位相設定器５
２め出力位相に基いて差動増幅器５０の出力を検波整流
する。同期検波回路５１の出力はフィルタ回路５３で平
滑された後、一方においては減算回路５４の一方の入力
端に導入され、他方においてはバイパスフィルタ５５に
導入される。バイパスフィルタ５５は遮断周波数がホー
ン電流の周波数より低い値に設定されている。バイパス
フイルタ５５を通過した高い周波数成分信号は整流回路
５６で整流された後、減算回路５４の他方の入力端に導
入される。減算回路５４はフィルタ回路５３の出力から
整流回路５６の出力を減算した信号を出力する。そして
、減算回路５４の出力がフィルタ回路５７で平滑され、
直流のトルク信号■ｏとして出力される。このトルク信
号Ｖｏが図示しないパワーアシスト用モータの制御信号
として与えられる。

次に、上記のように構成された操舵軸用トルクセンサの
動作を説明する。

まず、差動増幅器５０の出力振幅が最小となるように抵
抗器４７．４８を予め調整しておく。

第２図に示すように、操舵軸１に操舵トルクＴが加わる
と、このトルクＴの影響で操舵軸１上の非晶質磁性金属
帯３１．３２に歪みが生じる。この結果、磁歪効果によ
って非晶質磁性金属帯３１゜３２の透磁率が変化する。

前述の如く、非晶質磁性金属帯３１．３２としては操舵
軸１の軸心線に対して角度α、−αの方向を磁化容易軸
とする一軸磁気異方性を有したものが用いられている。

αを概ね４５度とすると、磁化容易軸は操舵トルクＴに
よって操舵軸１に発生する表面応力の方向と同一方向と
なる。このため、第２図に示すように操舵トルクＴが加
わった状態では非晶質磁性金属帯３１には引張り応力が
、また非晶質磁性金属帯３２には圧縮応力が加わること
になり、磁歪効果が効率よく生じて非晶質磁性金属帯３
１の透磁率が増加し、非晶質磁性金属帯３２の透磁率が
減少する。この透磁率の変化に伴ってコイル３９，４０
のインピーダンスが変化する。したがって、信号処理部
２３の出力ｖｏは、操舵トルクＴの大きさおよび方向に
対応して変化する。この出力Ｖ。

はパワーアシスト用モータの制御信号に供される。

ところで、このような状態において、ホーンスイッチ７
をオン操作すると、操舵軸１に第２図中実線矢印で示す
ようにホーン駆動電流■が軸方向に流れる。この結果、
操舵軸１の周囲には第２図中実線矢印で示すように磁界
Ｈ，が生じる。この磁界Ｈ１が非晶質磁性金属帯３１．
３２に印加されると、非晶質磁性金属帯３１．３２の磁
化状態が変化し、その結果としてコイル３９．’４０の
インピーダンスが変化する。つまり、ホーン駆動電流工
によってもコイル３９．４０の交流インピーダンスが変
化してしまう。この関係を詳しく説明すると以下の通り
である。

すなわち、第４図は非晶質磁性金属帯３１゜３２に働く
磁界および磁化の構成を示している。

ホーン駆動電流Ｉによって生じた磁界Ｈ，は、非晶質磁
性金属帯３１．３２に対してそれぞれ同一方向に加わる
。一方、コイル３９．４０で発生した磁界ＨＰ　１　＋
　ＨＰ　２は、非晶質磁性金属帯３１゜３２に対して磁
界Ｈ１とは直交する関係に加わる。

図では磁界ＨＰ１．ＨＰ２が非晶質磁性金属帯３１．３
２に対して同一方向に加えられた状態を示している。非
晶質磁性金属帯３１．３２の磁気異方性定数Ｋｕ１．Ｋ
ｕ２は非晶質磁性金属帯３１゜３２の組成によって決り
、同一組成の材料の場合には等しくなる。磁化容易軸の
方向αは０〈αく±π／２であるが、トルクセンサの場
合には、−般に軸の応力方向に合わせてπ／４に設定さ
れる。

また、自発磁化Ｉｓ１．Ｉｓ２は非晶質磁性金属帯３１
．３２の組成や処理によって決まる定数である。また、
非晶質磁性金属帯３１の磁気的なエネルギＥ１は。

Ｅｌ　ｍＫｕｌ　ｓｉｎ　”　　（πバー０１）Ｉｓ　
ＩＨｐ　１ｅＯ８θ１ −Ｉ８１ＨＩｓｉｎθ１　　　　　　−　（１）となり
、同様に非晶質磁性金属帯３２の磁気的なエネルギＥ２
は。

Ｅ２　＝Ｋｕ２　ｓｉｎ　２（θ２−πハ）−Ｉｓ２Ｈ
ｐ２ｃｏｓθ２ −ＩＳ２Ｈ１ｓｉｎθ２・・・（２） となる。自発磁化ＩＳ１＋　　１８２の角度θ１゜Ｏ２
は（１）、　（２）式の各エネルギが最小となる条件９
　Ｅｌ　／ａ　０１＝０，９　Ｅ２　／ａθ２＝０によ
り求まる。

コイル３９．４０で生じた磁界ＨＰ　１　＋　ＨＰ　２
の方向の自発磁化の大きさ１１．Ｉ２は。

Ｉ　１＝　Ｉ　ｓ　１ｅＯ８θ１　　　　　　　−　（
３）Ｉ　２　　””　Ｉ　ｓ２　　ＣＯ８Ｏ２・・・（
４）である。コイル３９．４０のインピーダンスはそれ
ぞれ１１＋　　Ｉ２に比例する。

（１）〜（４）式から判かるように、１１．Ｉ２は操舵
軸１に流れるホーン駆動電流■によって生じる磁界ＨＩ
の関数である。したがって、コイル３９゜４０のインピ
ーダンスはホーン駆動電流■によって変化する。このホ
ーン駆動電流Ｉによるインピーダンスの変化分はトルク
検出には有害である。

しかし、この実施例においては、信号処理部２３におい
てフィルタ回路５３の出力を原信号とし、この原信号に
含まれているホーン駆動電流に伴う信号骨、つまり雑音
信号成分をバイパスフィルタ５５と整流回路５６とで取
出し、減算回路５４において原信号から雑音信号成分を
除去するようにしている。したがって、出力ｖｏは操舵
トルクＴのみに対応したものとなり、結局、操舵軸１に
流れるホーン駆動電流Ｉの影響を受けることなくトルク
を検出することが可能となる。

なお、コイル３９．４０によって発生する磁界ＨＰ　１
　ｒ　ＨＰ　２の方向を互いに反対方向にすると。

Ｋ　ｕ　１−Ｋ　ｕ　２　＋　ＨＰ　１　＝　ＨＰ　２
の場合には。

θ１＝０２となる。このため、第３図に示す信号処理部
２３の構成ではホーン駆動電流による雑音信号成分を検
知しないことになる。しかし、非晶質磁性金属帯３１．
３２の磁化容易軸の角度を完全に等しくすることは異方
性付与処理上不可能なことであり、またコイル３９．４
０を非晶質磁性金属帯３１．３２に対して全く同じ条件
に設けること、すなわちＨＰ１＝ＨＰ２とすることも困
難であることからして１通常、θ１−０２にはならない
。したがって、コイル３９．４０には必ずインピーダン
ス差が生じ、ホーン駆動電流による雑音信号成分を検知
するため、雑音信号成分の除去が有効である。

また、上述した実施例ではホーン駆動電流が直流の場合
であるが、交流の場合には整流回路５６を設けずに、バ
イパスフィルタ５５の出力を直接減算回路５４に導入す
ればよい。また、操舵軸１が強磁性材で中空に形成され
ているが、中実に形成されていてもよく、また非磁性金
属材で形成されていてもよい。さらに、別に交流励磁用
のコイルを設け、コイル３９．４０に誘起される電圧の
差を出力として取出すようにしてもよい。また。

非晶質磁性金属帯は操舵軸を一周する長さである必要は
ない。

［発明の効果コ 本発明に係る操舵軸用トルクセンサは、上記のように構
成されているので次のような効果を奏する。

操舵軸に流れるホーン駆動電流によって生じる雑音信号
成分を除去する手段を設けているので。

ホーン駆動電流とは無関係に操舵トルクを正確に検出す
ることができ、信頼性に富んだパワーステアリング装置
の実現に寄与できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は一実施例に係る操舵軸用トルクセンサを操舵軸
の周辺に設けた例の概略構成図、第２図は同トルクセン
サにおける検出部の縦断面図、第３図は同検出部に接続
される信号処理部の回路構成因、第４図は同センサに与
えるホーン駆動電流の影響を説明するための図である。 １・・・操舵軸、６・・・ステアリングホイール、７・
・・ホーンスイッチ、１５・・・ホーン、１６・・・バ
ッテリ。 ２１・・・操舵軸用トルクセンサ、２２・・・検出部。 ２３・・・信号処理部、３１．３２・・・非晶質磁性金
属帯、３３・・・ハウジング、３４．３５・・・軸受、
３６・・・コイルボビン、３９．４０・・・コイル、５
０・・・差動増幅器、５１・・・同期検波回路、５２・
・・参照波位相設定器、５３．５７・・・フィルタ回路
、５４・・・減算回路、５５・・・バイパスフィルタ。 出願人代理人　弁理士　鈴江武彦 第１図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 　操舵軸に磁歪効果を有する非晶質磁性金属材を固着す
   るともに上記非晶質磁性金属材の近傍に上記操舵軸とは
   非接触に複数のコイルを配設し、上記操舵軸に加えられ
   る回転力によって生じる上記非晶質磁性金属材の透磁率
   の変化に伴なって変化する上記複数のコイルのインピー
   ダンスもしくは誘起電圧に対応した信号を上記操舵軸の
   トルク信号として出力するようにした操舵軸用トルクセ
   ンサにおいて、前記操舵軸に軸方向に流れる電流によっ
   て生じる雑音信号成分の周波数とトルク信号の周波数と
   の違いに基いて上記雑音成分信号を除去する雑音信号除
   去手段を具備してなることを特徴とする操舵軸用トルク
   センサ。