JPH03200028A - 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】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、回転軸に生ずるトルクを検出するトルクセ
ンサに関し、特に、磁石及び磁束密度検出素子を利用し
た非接触形のトルクセンサにおいさて、簡易な構成で、
高い測定精度が得られるよう復したものである。

〔従来の技術〕

磁石とホール素子等の磁束密度検出素子とを利用した非
接触形のトルクセンサは、ポテンショメータ等を利用し
た接触形のセンサに比べて、接触不良等の恐れがなく、
摩耗や欠損等の危険性がほとんどないので、耐久性等に
優れているという利点がある。

例えば、特開昭５９−３２８３５号公報や特開昭６４−
４３７３７号公報等に開示されるトルクセンサは、軸に
発生するトルクの大きさに比例して磁気回路中に設けら
れたギャップ等の可変磁気抵抗を変化させ、その磁気抵
抗の変化に伴う磁束の変化に基づいてトルクを検出する
。

即ち、これら従来のトルクセンサは、入力軸及び出力軸
を弾性体を介して連結すると共に、入力軸と一体に回動
し且つ入力軸と平行な方向に突出した部材と、出力軸と
一体に回動し且つ出力軸と平行な方向に突出した部材と
を非接触に対向させ、それら両部材を通過する磁気回路
を形成し、その磁気回路中の磁束密度を測定する素子を
、入力軸及び出力軸を回転自在に支持するハウジング側
に設けたものである。

つまり、発生したトルクによって入力軸及び出力軸間に
相対回転が生じると、入力軸及び出力軸に設けられた部
材同士の対向面積が増加又は減少する、即ち、磁気回路
中の磁気抵抗が変化するから、磁気回路中の磁束密度も
変動するので、その磁束密度の検知に基づき、発生した
トルクを検出することができる。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかしながら、トルクセンサは、実際の装置に使用され
る際には、入力軸及び出力軸間の相対回転が大きくなり
過ぎると種々の不具合（例えば、車両用パワーステアリ
ング装置であれば、トルクセンサの故障時に、入力軸か
ら出力軸に回転力が伝わらない。）が生じるので、通常
は、ストッパ等を設けて極小さい範囲で入力軸及び出力
軸間の相対回転を可能とするため、上記従来のトルクセ
ンサのように、入力軸及び出力軸に設けられた部材同士
の対向面積の変化によって磁気回路の磁気抵抗を変化さ
せる構成であると、磁気抵抗の変動幅が小さいから、検
出精度を上げるには、磁束密度検出素子の検出値を大き
く増幅しなければならず、従って、ノイズ等の影響を受
は易いという欠点がある。

また、ハウジング側に設けられた磁束密度検出素子と、
入力軸及び出力軸間の相対回転に伴って変化するギャッ
プとの位置関係は、入力軸及び出力軸がハウジングに対
して回転すると変化してしまうため、入力軸及び出力軸
が単に回転するだけで、磁気回路の長さ、即ち、磁気抵
抗が変わってしまうから、実際のトルクは一定値である
にも関わらず、磁束密度検出素子の検出値に脈動が生じ
てしまうという問題点もある。

そこで、この発明は、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り、簡易な構成
で、高い検出精度が得られると共に、脈動の発生も防止
できるトルクセンサを提供することを目的としている。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的を達成するために、本発明のトルクセンサは、
ハウジングに回転自在に支持された入力軸及び出力軸を
弾性体を介して連結し、それら入力軸及び出力軸間の相
対回転を移動部材の直線変位に変換する変位変換手段を
設けると共に、前記ハウジングに、磁石と、この磁石が
生成した磁束が通じる磁路部材と、この磁路部材を通じ
る磁束密度を測定する磁束密度測定手段とを固定し、さ
らに、前記移動部材と前記磁路部材とに、互いに対向し
且つ移動部材の直線変位に応じて対向距離が変化する対
向面を形成した。

（作用〕 発生したトルクに応じて入力軸及び出力軸間に相対回転
が生じると、変位変換手段が、その相対回転を移動部材
の直線変位に変換する。

移動部材が変位すると、移動部材及び磁路部材に設けら
れた対向面間の対向距離が変化するから、磁気回路の磁
気抵抗が変化したことになり、磁路ルクを検出すること
ができる。

そして、本発明では、入力軸及び出力軸間の相対回転を
、変位変換手段によって移動部材の直線変位に変換して
いるから、比較的小さな相対回転が大きな直線変位に変
換されるし、移動部材の直線変位によって、移動部材及
び磁路部材に設けられた対向面の対向距離を変化させて
いるので、入力軸及び出力軸間の相対回転に応じた磁気
抵抗の変動幅が大きくなる。

また、磁束密度測定手段と、移動部材及び磁路部材間の
間隙との位置関係は、入力軸及び出力軸の回転に関係な
く一定であるから、入力軸及び出力軸の回転に伴って磁
束密度測定手段の検出値に脈動が生じることはない。

〔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。

第１図及び第２図（ａ）乃至（Ｃ）は本発明の第１実施
例を示す図であり、これは、本発明に係るトルクセンサ
を、車両用の電動式パワーステアリング装置に適用した
例である。

先ず、構成を説明すると、第１図において、ハウジング
１内には、弾性体としてのトーションバー４を介して連
結された入力軸２及び出力軸３が、軸受５ａ、５ｂ及び
５Ｃによって回動自在に支持されている。但し、入力軸
２．出力軸３及びトーションバー４は、同軸に配置され
ている。

入力軸２の図示しない第１図右端側には、ステアリング
ホイールが回動方向に一体に取り付けられており、また
、出力軸３の第１図左端側には、例えば公知のラックピ
ニオン式ステアリング装置を構成するビニオン軸が連結
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２゜１・−ジョンバ
ー４．出力軸３及びラックピニオン式ステアリング装置
を介して、図示しない転舵軸に伝達する。

は、出力軸３の右端部に形成され且つ突状部２ａよりも
幅広の縦溝３ａに挿入されていて、これにより、入力軸
２及び出力軸３間の所定範囲（±５度程度）以上の相対
回動を防止している。

そして、出力軸３には、出力軸３と同軸且つ一体に回動
する歯車６が外嵌し、この歯車６は、図示しない歯車列
等を介して、ハウジング１の周囲に配設された図示しな
い電動モータの出力軸に連結されている。

さらに、入力軸２には、入力軸２に対して軸方向及び回
動方向への相対変位が自在な、移動部材としての＠磁性
体からなる円筒形のスプール７が外嵌していて、このス
プール７の左端部に形成された縦溝７ａには、出力軸３
の右端部に圧入され且つ径方向外側に突出したビン３ｂ
の外端が挿入されている。

従って、出力軸３及びスプール７は、回動方向には一体
であるが、軸方向には縦溝７ａの券代の範囲において相
対変位が可能である。

スプール７は、スプリング８によって第１図右方に常時
付勢されていて、その内周面には、ボール９を転勤可能
に収納した孔７ｂが形成され、ボール９の一部分は、入
力軸２の外周面に形成されたｖ字状の螺旋溝２ｂに収ま
っている。

そして、スプール７の外周面は、歯車６側は入力軸２と
同軸の円周面７Ｃであり、軸受５ａ側は円周面７Ｃに連
続し且つ先端側に傾斜したテーパ面７ｄとなっている。

さらに、スプール７の外周面に対向するハウジング１に
は、スプール７の軸方向位置、即ち、ノλウジング１及
びスプール７間の軸方向の相対変位を検出するためのセ
ンサ本体ＩＯが固定されている。

センサ本体１０には、軸方向に極を有する磁石１１と、
この磁石１１の一方の極に一面が接した磁束密度測定手
段としてのホール素子１２と、磁石１１の他方の極に接
し且つ端部がスプール７の円周面７Ｃに対向した強磁性
体からなる磁路部材１３ａと、ホール素子１２の他面に
接し且つハウジング１内に突出した端面がスプール７の
テーパ面７ｄに対向した強磁性体からなる磁路部材１３
ｂとを備えている。

なお、テーパ面７ｄに対向した磁路部材１３ｂの端面は
、テーパ面７ｄに合わせて斜面１３ｃとなっている。こ
こで、本実施例では、テーパ面７ｄ及び斜面１３ｃが、
本発明における対向面に対応している。

また、センサ本体１０内には、ホール素子１２に所定電
流を供給すると共に、ホール素子１２の出力電圧を測定
し、その測定結果を、図示しないコントローラに供給す
るための電子回路が構成されていて、さらに、その測定
結果が供給されたコントローラは、測定結果に基づいて
、操舵系の操舵トルクを演算し、その演算された操舵ト
ルクに応じて上述した図示しない電動モータを駆動制御
することにより、歯車６を介して出力軸３に操舵補助ト
ルクを発生させる。

次に、本実施例の動作を説明する。

第２図（ａ）乃至（Ｃ）は、本実施例の動作を説明する
ための第１図の要部拡大断面図である。

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２及び出力軸３間には相対回転は生
じないから、出力軸３と一体に回転するスプール７と、
入力軸２との間にも相対回転は生じない、従って、ボー
ル９は、螺旋溝２ｂ内の所定の位置に収まった状態を維
持するから、スプール７には進退力は発生しない。

一方、ステアリングホイールを操舵して入力軸２に回転
力が生じると、その回転力は、トーションバー４を介し
て出力軸３に伝達する。

このとき、出力軸３には、転舵輪及び路面間の摩擦力や
出力軸３の図示しない左端側に構成されたラックピニオ
ン式ステアリング装置の摩擦力等に応じた抵抗力が生じ
るため、入力軸２及び出力・軸３間には、トーションバ
ー４が捩じれることによって出力軸３が遅れる相対回動
が発生する。

すると、出力軸３と回動方向に一体となったスプール７
にも入力軸２に対する相対回動が生じるが、スプール７
の内面の孔７ｂに収容されたボール９が、入力軸２の外
周面の螺旋溝２ｂに収まっているので、螺旋溝２ｂの傾
斜角度に従って、スプール７は軸方向に進退する。なお
、ボール９と、螺旋溝２ｂ、孔７ｂの内面との間には、
ボール９が転勤できるように若干の隙間を持たせる必要
があるが、スプリング８がスプール７を一方向に付勢し
ているので、その隙間によるスプール７のがたつきは防
止される。

ここで、本実施例では、螺旋溝２ｂ、　ピン３ｂ。

縦溝７ａ、孔７ｂ、スプリング８．ボール９によって変
位変換手段が構成される。

つまり、スプール７は、入力軸２及び出力軸３間の相対
回転の方向及び大きさ、即ち、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て進退する。

そこで、例えば、右操舵時に発生する操舵トルクが最も
大きい場合にスプール７が最も歯車６側に移動しく第２
図（ａ）参照）、左操舵時に発生する操舵トルクが最も
大きい場合にスプール７が最も軸受５ａ側に移動しく第
２図（Ｃ）参照）、操舵トルクが零の時にスプール７が
それらの中間位置に移動する（第２図（ｂ）参照）よう
に構成する。

すると、磁路部材１３ａの端面及びスプール７の円周面
７０間の距離ＣＩｌ＋　Ｇｔｌ及びＧｅｌはスプール７
の進退位置に関係なく一定である（　Ｇ　＝　ｌ＝Ｇ　
ｚ　、＝　Ｇ　ｊｌ）が、磁路部材１３ａの斜面１３ｃ
及びスプール７のテーバ面７ｄ間の距離Ｇ１□、Ｇ、２
及びＧ３ｆｆ１は、スプール７の進退位置によって異な
る（Ｇ　、ｔ＞　Ｇｔｔ＞　０３り。

つまり、スプール７の進退に伴って、磁石１１゜磁路部
材１３ａ、１３ｂ及びスプール７で形成される磁気回路
中の磁気抵抗が変わり、磁気回路中の磁束密度が変化す
ることになる。

よって、操舵トルクの方向及び大きさに応じてホール素
子１２の出力値が変化するから、コントローラは、その
出力値に基づいて操舵トルクの方向及び大きさを判断し
、その操舵トルクが減少する方向に歯車６が回転するよ
うに電動モータを回転駆動させる。

すると、出力軸３に操舵補助トルクが付与されたことに
なるから、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。

そして、本実施例では、入力軸２及び出力軸３間の相対
回転をスプール７の直線変位に変換し、そのスプール７
の変位に応じて、スプール７のテーパ面７ｃ及び磁路部
材１３ｂの斜面１３ｄ間の距離を可変として、磁気回路
中の磁気抵抗を変える構成であるため、入力軸２及び出
力軸３間の相対回転が小さくても、磁気抵抗の変化幅を
大きくすることができる。

従って、ホール素子１２の出力値を大幅に増幅する必要
がないので、ノイズ等の影響を受けにくいトルクセンサ
となる。

また、入力軸２及び出力軸３が単に回転しても、スプー
ル７と磁路部材１３ａ、１３ｂの相対位置、即ち、磁気
回路の磁気抵抗は変動しないので、操舵トルクに関係な
くホール素子１２の出力値が脈動するようなことがない
。

そして、各部材の構成や形状も非常に簡単であるので、
製造工程が簡易となると共に、個々の部品が安価になる
から、コストの低下が図られるし、装置の小型化も容易
となる。また、スプール７等を簡単な旋盤加工で製造す
ることができれば、高い精度が出し易くなるという利点
もある。

また、磁気回路が閉回路であるため、磁石１１が生成し
た磁束の量は多く又はとんどがホール素子１２に供給さ
れるので、検出精度が向上するし、小さな磁石１１で済
むから、これによっても、装置の軽量化及び小型化が図
られる。

第３図（ａ）及び（ｂ）は、本発明の第２実施例を示す
図であり、同図（ａ）は第１実施例の第１図と同様に、
本発明に係るトルクセンサを適用した車両用パワーステ
アリング装置の断面図、第３図（ｂ）は同図（ａ）のＡ
−Ａ線断面図である。なお、上記第１実施例と同等の部
材及び部位には、同じ符号を付し、重複する説明は省略
する。

即ち、本実施例では、スプール７に、軸受５ａ側を向き
且つ進退方向に対して直交する対向面としての平面７ｅ
を設けると共に、第３図（ｂ）に示すように、センサ本
体１０の磁石１１．ホール素子１２及び磁路部材１３ａ
、１３ｂを入力軸２に直交する方向に並べ、さらに、両
磁路部材１３ａ及び１３ｂの歯車６側を向く側面１３ｄ
を、対向面として平面７ｅに対向させている。

従って、本実施例の構成であっても、操舵トルクに応じ
てスプール７が進退し、スプール７の平面７ｅと、磁路
部材１３ａ、１３ｂの側面１３ｄとの間の距離が変化す
るから、上記第１実施例と同様に、磁気回路中の磁気抵
抗が増減するので、ホール素子１２の出力値から、操舵
系の操舵トルクが検出される。その他の作用効果は、上
記第１実施例と同様である。

第４図は本発明の第３実施例を示す図であり、これも、
本発明に係るトルクセンサを通用した車両用パワーステ
アリング装置の断面図である。なお、上記実施例と同等
の部材及び部位には、同じ符号を付し、その重複する説
明は省略する。

即ち、本実施例では、センサ本体１０の磁石１１、ホー
ル素子１２及び磁路部材１３ａ、１３ｂをスプール７の
進退方向に沿って並べると共に、一方の磁路部材１３ａ
の端面をスプール７の円周面７ｃに対向させ、ハウジン
グ１内に突出した他方の磁路部材１３ｂの歯車６側を向
く側面１３ｅをスプール７の平面７ｅに対向させている
。

従って、本実施例の構成であっても、操舵トルクに応じ
てスプール７が進退し、スプール７の平面７ｅと、磁路
部材１３ｂの側面１３ｅとの間の距離が変化するから、
上記第１実施例と同様に、磁気回路中の磁気抵抗が増減
するので、ホール素子１２の出力値から、操舵系の操舵
トルクが検出される。その他の作用効果は、上記第１実
施例と同様である。

なお、上記各実施例では、磁束密度測定手段としてホー
ル素子を用いた場合について説明しているが、磁束密度
測定手段は、これに限定されるものではなく、例えば磁
気抵抗素子等の他の素子であってもよいし、その他のも
のであってもよい。

また、上記各実施例では、本発明のトルクセンサを、車
両用の電動式パワーステアリング装置に通用した場合に
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。

さらに、変位変換手段も上記実施例の構成に限定される
ものではなく、その他の公知の構成を適用することがで
きる。

そして、使用する磁石や、ホール素子等の磁束密度検出
素子の数も上記実施例に限定されるものではなく、例え
ば複数の磁束密度検出素子を用いる構成としてもよい。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明によれば、入力軸及び出力
軸間の相対回転を移動部材の直線変位に変換すると共に
、その直線変位に応じて、移動部材と磁路部材とに設け
られた対向面間の対向距離を変化させる構成としたため
、入力軸及び出力軸間の相対回転が比較的小さくても、
磁気抵抗の変化幅を大きくすることができるから、磁束
密度測定手段の測定値を大幅に増幅する必要がないので
、ノイズ等の影響を受は難くなり、検出精度が向上する
し、また、入力軸及び出力軸が単に回転しても磁気回路
の磁気抵抗は変動しないので、トルクに関係なく検出値
が脈動するようなことはない、という種々の効果が得ら
れる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１実施例の構成を示す断面図、第２
図（ａ）乃至（Ｃ）は本実施例の作用を説明する第１図
の要部拡大図、第３図（ａ）は本発明の第２実施例の構
成を示す断面図、第３図（ｂ）は同図（ａ）のＡ−Ａ線
断面図、第４図は本発明の第３実施例の構成を示す断面
図である。 １・・・ハウジング、２・・・入力軸、３・・・出力軸
、４・・・トーションバー（弾性体）、７・・・スプー
ル（移動部材）、７ａ・・・縦溝、７ｂ・・・孔、７ｄ
・・・テーバ面（対向面）、７ｅ・・・平面（対向面）
、１１・・・磁石、１２・・・ホール素子（１東回度測
定手段）、１３ａ、１３ｂ・・・磁路部材、１３ｃ・・
・斜面（対向面）、１３ｄ、１３ｅ−側面（対向面）

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）ハウジングに回転自在に支持された入力軸及び出
   力軸を弾性体を介して連結し、それら入力軸及び出力軸
   間の相対回転を移動部材の直線変位に変換する変位変換
   手段を設けると共に、前記ハウジングに、磁石と、この
   磁石が生成した磁束が通じる磁路部材と、この磁路部材
   を通じる磁束密度を測定する磁束密度測定手段とを固定
   し、さらに、前記移動部材と前記磁路部材とに、互いに
   対向し且つ移動部材の直線変位に応じて対向距離が変化
   する対向面を形成したことを特徴とするトルクセンサ。