JPH0348738A - 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） 本発明は回転軸のｉルクを測定するトルクセンサに関４
−るもので、特に車両用のパワーステアリング装置等に
使用されるトルクセンサに関するものである。

（従来の技術） 従来より車両用のパワーステアリング装置にはドライバ
ーが操舵に必要とする力を補助するための油圧制御弁と
油圧ポンプが配設されていた。このような装置には、は
とんどの場合、操舵感覚を持たせるために操舵力の帰還
手段を使用したメカニズムを有している。油圧式のパワ
ーステアリング装置には、パワーステアリング用の油の
保守が必要となる問題点がある。油圧式パワーステアリ
ング装置を駆動するために必要な油圧は、普通エンジン
によって油圧ポンプを駆動することによって供給される
。油圧式のパワーステアリング装置においては、補助ト
ルクがゼロの状態でも油圧ポンプがエンジンによって駆
動されるので、油圧ポンプの損失は比較的に太き（なる
。このような油圧ポンプの損失は、エンジンが小型化す
る一方でエンジンの効率が追求される今日では、ますま
す重要なものになってきている。

本発明は従来の油圧式のパワーステアリング装置を電動
式パワーステアリング装置に置き換えるためになされた
ものである。しかしながら、ステアリングホイールから
の入力トルクを測定しなければならない電動式パワース
テアリング装置では、小さな入力を検出するための高怒
度と、１００ｒし、Ｎｂｓ台の大きな入力に耐える強度
とが必要とされる。

従来より様々なトルクセンサが知られている。

しかしながら、これらのトルクセンサはいずれも電気式
パワーステアリング装置には適さないものであった。ト
ルクを測定する方法には回転軸の駆動力と回転軸の回転
速度の関数として間接的に測定する方法と、回転軸の実
際の変形を測定したり、あまり実用的な方法ではないが
、静止した基準面に加わる反動トルク（モーメント）を
測定することにより回転軸から間接的に測定する方法が
ある。

これまで、比較的大きなトルクで動作する大型の機械や
比較的小さなトルクで動作する小型の機械では、間接的
なトルク測定法は殆ど行われず、直接的なトルク測定法
がおこなわれることが多かった。また、機械以外の他の
分野でも同様に、トルクを測定する際には直接的な方法
が好まれていいた。このために、回転軸の変形を直接測
定する方法と測定手段が必要とされてきた。

以上のように、回転軸のねじれを測定するための従来の
方法は接触式と非接触式の二つの方法に大別される。

接触式によりトルク測定を行う場合には、たとえば変形
する部材に歪ゲージを取りつげる方法等が一般的である
。歪ゲージは信頼性が高く、便利で、経済的なセンサで
ある。しかしながら、歪みゲージは静止した部材に装着
された状態で最も良く機能する。したがって歪ゲージを
回転軸に装着する場合には、歪ゲージに接続する導線を
スリップリングを介して検出器に接続する必要がある。

スリップリングはそれ自体が電気的な雑音源であるし、
取り付は位置の影響を受は易く、また比較的に高価であ
る。回転軸に歪ゲージを装着したトルクセンサでは、歪
ゲージの出力信号を、電気的な雑音を発生ずるスリップ
リングと、互いに誘導結合し合った二本の導線を使用す
ることにより、離れたところにある電子回路に伝送する
ことになる。

現在までのところ、スリップリング等の回転変換器と歪
ゲージを使用した種々のトルクセンサはかなり高価な価
格でも商品として成立する。しかし、このようなトルク
センサは、構造が複雑な上に値段が高いので、研究や試
作の時以外にはあまり使用されない。

このような接触式のトルクセンサは車両のパワーステア
リング装置には適していない。一般にステアリングホイ
ールは、左右に所定の回転角度しか回転しないように製
作されている。それゆえに、接触式のトルクセンサを使
用する場合には、回転軸に装着された歪ゲージと離れた
所にある電子回路の接続をスリップリングを使用するこ
となく直接導線で接続する方が好ましい。しかしながら
、歪ゲージと電子回路とを直接導線で接続した場合には
、この導線がステアリングシャフトに巻きついたり緩ん
だりするので、導線が経時変化を起こすという問題点が
生じる。即ち、車両の安全性と信頼性を考慮した場合、
接触式のトルクセンサは車両用パワーステアリング装置
のトルクセンサには通していない。

非接触式のトルク測定は、普通、磁気特性の測定を伴う
。種々の金属にトルクが加えられると、その金属の磁気
特性が変化することは良く知られている。特に、強磁性
部材の透磁率は、張力によって増加傾向を示し、逆に圧
縮力によって減少傾向を示す。この効果を利用したトル
クセンサとしては、例えば米国特許第４，４４１，８５
５号明細書に提案されたものがある。米国特許第４，４
４１．８５５号明細書には、非磁性体の回転軸の表面に
形成された磁性層の透磁率変化を、回転軸に隣接して配
置された少なくとも一つのビックアンプコイルによって
検出するトルクセンサが開示されている。ピックアップ
コイルのインダクタンスは、磁性層の透磁率変化に比例
する。磁性層の透磁率は回転軸に加えられるトルクに比
例するので、ピックアップコイルのインダクタンスは、
磁性層に加えられたトルクに比例する。従って、磁性層
が形成された回転軸に加えられるトルクはビックアンプ
コイルのインダクタンスを検出することによって決定す
ることができる。

しかしながら、磁性層の磁気特性は、回転軸に加えられ
るトルクだけでなく、回転軸の温度にも依存する。また
、磁性層と同様の材料を使用した回転軸を作成したとし
ても、なお多くの問題点が存在する。

（発明が解決しようとする課題） 一般的に、磁気抵抗や漏れ磁束変化を検出する電磁型の
トルクセンサは、トルクが加えられたことによって発生
する歪みや変形を測定する。もし、所定のトルクに対す
るこれらの変形が比較的大きい場合には、トルクセンサ
は比較的高感度なものになる。しかしながら、従来の高
感度なトルクセンサは、信頼性を落とさず大きなトルク
まで耐えることはできない。ステアリングホイールによ
って加えられる大きな入力トルクに耐えるようにすると
、弾性が乏しく感度の低いトルクセンサとなってしまう
。漏れ磁束型トルクセンサや磁気抵抗可変型のトルクセ
ンサといった従来の非接触式のトルクセンサの主要な問
題点は、車両用のパワーステアリング装置等に適用する
場合に必要な高感度と強度の両方を持ち合わせていない
ことである。

ステアリングホイールに加わるトルクの典型的な最大値
は、パワーステアリング装置が最大の補助トルクを発生
する際に７０ｉｎ、−１ｂｓ台である。しかしながら、
現在の車両設計基準は、パワーステアリング装置の故障
の可能性やドライバーが操作する可能性がある過負荷に
対しても充分な強度を有するように少なくとも１００ｉ
ｎ、−１ｂｓのトルクに耐えることを要求している。

そこで、本発明では、車両用のパワーステアリング装置
等に適用可能な、高感度と強度を共に持ち合わせたトル
クセンサを構成することを技術的な課題とする。

〔発明の構成〕

（課題を解決するための手段） 前述した課題を達成するために講じた技術的手段は、人
力軸と、出力軸と、前記入力軸が前記出力軸に結合する
までに入力軸が所定の回転角度だけ回転でき、これによ
り入力軸から出力軸へのトルクに応じたねじれを発生す
るねじれ機構と、前記入力軸に固定され、前記入力軸の
長手方向に少なくとも一対の溝を有する強磁性体部材と
、前記強磁性体部材に誘導励磁電流を形成し、これによ
り前記溝に漏れ磁束を発生させる一部コイルと、前記強
磁性部材にトルクが付与された時、前記溝内に発生する
漏れ磁束の変化を検出するためのピックアップコイルと
、前記ピックアップコイルの出力誘導電流を増幅し、そ
の位相を調整するための調整増幅手段と、を設けたこと
である。

（作用） 人力軸と出力軸の間にトルクが加えられると、入力軸に
固定された強磁性体部材が変位する。この時、強磁性体
部材の長手方向に形成された少なくとも一対の溝はトル
クの大きさに応じて変位する。

一方、強磁性体部材には、−次コイルの作用によって誘
導励磁電流が誘起させられる。そして同時に強磁性体部
材には誘導励磁電流が流れることにより磁束が発生する
。この磁束の一部は、少なくとも一つの溝において漏れ
磁束となる。

強磁性体部材に形成された少なくとも一対の溝はトルク
の大きさに応じて変位するので、溝において発生する漏
れ磁束の量は入力軸と出力軸の間に加えられたトルクの
大きさに応じて変化することになる。そして、この漏れ
磁束の量の変化は、差動的に接続された二つのピックア
ップコイルによって検出される。ピックアップコイルに
よって検出された信号は、調整増幅手段で位相を調整し
、さらに増幅された後に、トルクに対応する信号とし７
て出力される。

前述した技術的手段によれば、少なくとも一対の溝が発
生した漏れ磁束が、差動接続された二つのピックアップ
コイルによって検出される。従ってトルクセンサにトル
クが加えられていない時の出力信号が確実にゼロとなる
。それゆえに、調整増幅手段の利得を高く設定してトル
クセンサの感度を高くすることができる。

さらに、前述した技術的手段によれば、ねじれ機構の動
作範囲が所定の回転角度に制限され、ねじれ機構が所定
の回転角度だけ回転した後は前記入力軸が前記出力軸に
結合される。それゆえに、過負荷に対して充分な強度を
持たせることができる。

（実施例） 以下、図面に基づいて本発明の実施例について説明する
。

第１図に概略で示されているように、励磁電流を供給す
るソレノイドコイル１２の軸内に、表面に不連続点、ひ
び、あるいは傷１６が形成された強磁性部材１０が配さ
れると、矢印１４で示されるような渦電流が強磁性部材
１０内に発生する。

このような不連続点が強磁性体の外皮層に形成されると
、漏れ磁束１８で示される不連続点での漏れ磁束は、連
続する表面部分での矢印２０で示される誘導磁束より多
（なる。これは不連続部での透磁率の方が強磁性材の表
面部分での透磁率より多くなる。これは、不連続部での
透磁率の方が強磁性体の表面部分での透磁率よりも桁違
いに小さいからである。励磁電流の周波数と同じ周波数
でコイルに励起される漏れ磁束１８の大きさは、表面に
設けられた不連続部の大きさ、数、およびその深さに比
例する。

第２図を参照して本発明を適用したトルクセンサの構造
を説明する。この例では、トルク検出スリーブが二つの
スリーブＩ、２から形成されている。トーションバー３
はスリーブ内を貫通している。トーションバー３の一端
３ａはスリーブｌと一体回転するようにスリーブｌに強
固に固定されている。また、トーションバー３の他端３
ｂはスリーブ２と一体回転するように、スリーブ２に強
固に固定されている。

スリーブｌとスリーブ２の間には、スプライン構造のし
ストモーション機構４が設けられている。

第３図に第２図のＡ−Ａ断面図を示す。コストモーショ
ン機構４は、スリーブｌに設けられたスプラインまたは
複数の周方向の突起２ａと、この突起２ａがかみ合う凹
部１ａを備えている。突起２ａばスリーブｌに設けられ
ている。第２図に示されているように、突起２ａは凹部
１ａの側壁に対して空隙を有し′ζいる。したがって、
トルクがコストモーション機構４を介してスリーブｌと
２の間を伝達するまでに、スリーブｌはスリーブ２に対
し′ζ±７ζ相７度転し得る。従って、通常の入力トル
クが±７０ボンド・インチの時、即ち補助トルクが最大
の時にスリーブ１と２は±７度相対回転する。入力トル
クが１これより高い値の場合は、コストモーション機構
４がスリーブ１と２の相対回転を防止して、トルクを直
接スリーブｌと２の間で伝達する。それゆえに、トルク
センサは過大なトルク負荷に耐えることができる。

スリーブｌには、ステンレス鋼製のスリーブ５がビン６
により固定されている。このスリーブ５の中にはスリー
ブ２が挿入されている。スリーブ５の外周側には、検出
用スリーブ？ａ、７ｂが固定されている。検出用スリー
ブ７ａ、７ｂはスリーブ５と一体に、即らスリーブ１と
−・体に回転する。

検出用スリーブ７ａ、？ｂの間には、もう−・・つの検
出用スリーブ９が固定されている。検出用スリーブ９は
ビン８によってスリーブ２に固定されている。従って、
検出用スリーブ９はスリーブ２と一体に回転する。

第４ａ図を参照して説明する。第４ａ図は検出用スリー
ブ７ａ、ｆｆｂと検出用スリーブ９の関係を描いた第２
図の要部拡大図である。検出用スリーブ７ａと検出用ス
リーブ９の間には多数の磁気抵抗部７１．７３と突起１
２．１４が形成されている。全（同様に、検出用スリー
ブ７ｂと検出用スリーブ９の間には多数の磁気抵抗部７
５．７７と突起７６．７Ｂが形成されている。

第４ｂ図に示すように、磁気抵抗部７３と７５は斤いに
相対する位置に形成されている。また、磁気抵抗部７１
は、トルクセンサにトルクが加えみれていない状態にお
いて磁気抵抗部７３と所定の間隔αだけ、正方向（図示
す方）にずれた位置に形成されている。さらに、磁気抵
抗部７７は、）・ルクセンサにトルクがｊＪ■えられて
いない状態においで磁気抵抗部７５と所定の間隔αだけ
、負方向（図示上方）にずれた位置に形成されている。

本実施例装置では、（・ルクセ〉・すにトルクが加えら
れていない状態において発生する漏れ磁束の量が等しく
なるように、前述した間隔αを設定している。このよう
な間隔αを設定すると、温度ドＪフトといったような外
界からの要因の影響が相殺され、安定したトルクセンサ
が構成できる。

再び第４ａ図を参照して説明する。磁気抵抗部’ｒｌ、
７２の直上には、−次コイル４２と差動的に接続された
ピックアップコイル４４．４６が配設されている。ピッ
クアップコイル４４．４６は強磁性体の磁気抵抗部７１
．７２の近傍で起こる距離の変化に伴う漏れ磁束の変化
を検出している。

以下、検出用スリーブ７ａと９の間に発生ずる漏れ磁束
を第５ａ図と第５ｂ図を参照して説明する。

トルクが加えられていない状態のトルクセンサは５０％
結合された状態である。人力トルクにより突起７６と７
８の間の距離が短くなったり、長くなったりし、これに
より検出用スリーブＴｂ＆９間の空隙により生じる漏れ
磁束が減少したり増大したりする。第６ａ図に示すよう
に突起７６と７８の間の距離が長くなると、第６ｂ図に
示すように漏れ磁束が増大する。図示していないが、突
起７６と７８の間の距離が長くなった時には、突起７２
と７４の間の距離が短くなっている。それゆえに、差動
的に接続された二つのピックアップコイル４１４６から
は約２倍の出力が得られる。

第７図に検出用スリーブ７ａと９の間および検出用スリ
ーブ７ｈと９の間に発生ずる漏れ磁束の量を検出するた
めの回路構成を示す。なお差動的に接続されたピックア
ップコイル４４．４６から出ツノされる信号の位相およ
び振幅を引き出すためには他の一般的な回路を用いるこ
ともできる。第７図に示した例では、正弦波発振回路５
０が一部コイル４２に接続されて検出用スリーブ７ａ１
７ｂおよび９に磁束を誘導するための励磁電流を供給す
る。ピックアップコイル４４．４６は四回路切換スイッ
チ５２に接続されている。ゼロ点検出回路５４はオペア
ンプ５６とインバータ５８からなり、正弦波発振回路５
０を四回路切換スイッチ５２に接続している。オペアン
プ５６は比較器として動作し、ＯＶが基準値になってい
る。四回路切換スイッチ５２の出力は積分回路６０によ
りろ波される。第２のオペアンプ６２は積分回路６０の
出力を増幅する。

ベトの構成により動作を説明する。ゼロ点検出回路５４
は、その人力正弦波の極性が正の間、出力端５６７に正
の極性の方形波を出力し、一方インハータ５８の出力端
５８２は入力正弦波の極性が負の間、正の極性の方形波
を出力する。出力端７の正のパルスはピックアップコイ
ル４４．４６に接続されたスイッチＢおよびＣをオンと
し、積分回路６Ｇに出力電流を供給する。出力端５８２
に生ずる正のパルスは同様にピックアップコイル４４．
４６に接続されたスイッチ０およびＡをオンとして積分
回路６０に出力電流を供給する。

本実施例装置の典型的な出力特性を第８図に示す。第８
図に示されるようにこのトルクセンサは限られた領域内
では両方向のトルクを直線性良く検出することができる
。

〔発明の効果］ 本発明によれば、トルクの検出感度が高く、しかも過大
なトルクにも充分な強度を持つトルクセンサを構成する
ことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は強磁性体の表面に形成された磁気抵抗部に発生
ずる漏れ磁束を描いた斜視図である。 第２図は本発明を適用したトルクセンサを描いた断面図
である。 第３図は第２図のＡ−Ａ断面図である。 第４ａ図は第２図の要部拡大断面図である。 第４ｂ図は検出用スリーブに形成された磁気抵抗部のず
れを示す要部拡大図である。 １５ａ図は本発明のトルクセンサにトルクが加わってい
ない状態の検出用スリーブを描いたトルクセンサの部分
側面図である。 第５ｂ図は検出用スリーブからの漏れ磁束を描いた第５
ａ図のＢ−Ｂ断面図である。 第６ａ図は本発明のトルクセンサにトルクが加わった状
態の検出用スリーブを描いたトルクセンサの部分側面図
である。 第６ｂ図は検出用スリーブからの漏れ磁束を描いた第６
ａ図のＣ−Ｃ断面図である。 第７図は本発明のトルクセンサの回路図である。 第８図はトルクに対するトルクセンサの出力信号をプロ
ットしたグラフである。 １・・・スリーブ（出力軸）、 ２・・・スリーブ（入力軸）、 ３・・・トーションバー（ねじれ機構）、４・・・ロス
トモーション機構（ねじれ機構）、５・・・スリーブ、
６・・・ビン、 ７ａ、７ｂ・・・検出用スリーブ、 ８・・・ビン、 ９・・・検出用スリーブ（強磁性体部材）、４２・・・
−次コイル、 ４４．４６・・・ピックアップコイル、５０・・・正弦
波発振回路（調整増幅手段）、５２・・・四回路切換ス
イッチ（調整増幅手段）５４・・・ゼロ点検出回路（調
整増幅手段）、５８・・・インバータ（調整増幅手段）
、６０・・・積分回路（調整増幅手段）、６２・・・第
２のオペアンプ（調整増幅手段）７１・・・磁気抵抗部
、７２・・・突起、７３．７５・・・磁気抵抗部（一対
の溝）、７４．７６・・・突起、７７・・・磁気抵抗部
、７８・・・突起。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 入力軸と、 出力軸と、 前記入力軸が前記出力軸に結合するまでに入力軸が所定
   の回転角度だけ回転でき、これにより入力軸から出力軸
   へのトルクに応じたねじれを発生するねしれ機構と、 前記入力軸に固定され、前記入力軸の長手方向に少なく
   とも一対の溝を有する強磁性体部材と、前記強磁性体部
   材に誘導励磁電流を形成し、これにより前記溝に漏れ磁
   束を発生させる一次コイルと、 前記強磁性部材にトルクが付与された時、前記溝内に発
   生する漏れ磁束の変化を検出するためのピックアップコ
   イルと、 前記ピックアップコイルの出力誘導電流を増幅し、その
   位相を調整するための調整増幅手段と、を備えたトルク
   センサ。