JPH04110627A - 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、回転軸に伝達されたトルクを検出するトル
クセンサに関する。

〔従来の技術〕

トーションバー等の弾性部材を介して連結された２本の
回転軸にトルクが伝達されると、それら２本の回転軸間
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
。そして、その相対回転の方向及び量は、回転軸に伝達
されたトルクの方向及び大きさによって決まるから、そ
の相対回転を測定すれば、トルクを検出することができ
、このような原理によってトルクを検出する従来のトル
クセンサとして、例えば、特公昭６３−４５５２８号公
報、特開昭５７−１９０２４０号公報等に開示されたも
のがある。

〔発明が解決しようとする課題］ しかしながら、上記公報に開示されたような従来のトル
クセンサにあっては、回転軸に軸方向の力が加わってト
ーションバーに軸方向の変形が生じた場合に、相対回転
を測定する手段も影響を受けて、測定結果がトルクとは
無関係に変動してしまうという未解決の課題がある。

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、軸方向の力が加わっ
た場合でも、測定結果の変動を防止することができるト
ルクセンサを提供することを目的としている。

〔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且つ同軸に支持された第１及び
第２の回転軸と、これら第１及び第２の回転軸を連結す
る弾性部材と、前記第１の回転軸と一体に回転し且つ軸
方向に離隔した第１及び第２のフランジ部と、これら第
１及び第２のフランジ部間に配設され且つ前記第１の回
転軸回りに回転変位可能な第１の可動部材と、前記第１
及び第２の回転軸と平行であって一端側は前記第２の回
転軸に結合され他端側は前記第１の可動部材に結合され
且つそれら結合部位の少なくとも一方の軸方向の結合力
が前記第１の可動部材と前記第１の回転軸との軸方向の
結合力よりも小さい回転力伝達軸と、前記第１の可動部
材と一体に回転し且つ前記第１のフランジ部に隣接した
第３のフランジ部と、前記第１の可動部材と一体に回転
し且つ前記第３のフランジ部から軸方向に離隔した第４
のフランジ部と、これら第３及び第４のフランジ部間に
配設され且つ軸方向には前記第１の可動部材と一体で回
転方向には前記ハウジングと一体の第２の可動部材と、
この第２の可動部材に設けられたコイルと、前記第１及
び第３のフランジ部に構成され且つ前記第１の回転軸及
び前記第１の可動部材間の相対回転に応じて前記コイル
のインダクタンスを変化させるインダクタンス可変手段
と、前記コイルのインダクタンスに基づいて前記第１及
び第２の回転軸に伝達されたトルクを演算するトルク演
算手段と、を備えた。

〔作用〕

第１及び第２の回転軸にトルクが伝達されると、それら
第１及び第２の回転軸間には、弾性部材の捩じれを伴っ
て、そのトルクの方向及び大きさに応じた相対回転が生
じる。

すると、第１及び第２のフランジ部も第１の回転軸と一
体に回転するが、それら第１及び第２のフランジ部間に
配設された第１の可動部材は、回転力伝達軸を介して第
２の回転軸に連結されているため、第１の回転軸と一体
に回転する第１のフランジ部と、第１の可動部材と一体
に回転する第３のフランジ部との間にも、トルクの方向
及び大きさに従った相対回転が生じる。

そして、インダクタンス可変手段が、第１の回転軸と第
１の可動部材との間の相対回転に応じて、第２の可動部
材に設けられたコイルのインダクタンスを変化させるた
め、そのインダクタンスに基づきトルク演算手段におい
て第１及び第２の回転軸に伝達されたトルクが演算され
る。

さらに、第２の回転軸の回転力を第１の可動部材に伝達
する回転力伝達軸は、第１及び第２の回転軸と平行であ
るとともに、第２の回転軸側の結合部位及び第１の可動
部材側の結合部位の少なくとも一方の軸方向の結合力が
、第１の可動部材と第１の回転軸との軸方向の結合力よ
りも小さいし、コイルが設けられた第２の可動部材は、
回転方向にはハウジングと一体であるが、軸方向には第
１の可動部材と一体であるので、第１及び第２の回転軸
に軸方向の力が加わって、第１の回転軸と第２の回転軸
との間、並びに第１の回転軸とハウジングとの間に軸方
向の相対変位が生じても、その相対変位は、第１の回転
軸と第１の可動部材との間、並びに第１の可動部材と第
２の可動部材との間には影響を与えない、即ち、第１の
フランジ部。

第３のフランジ部及びコイルの相対位置には変化は生じ
ないから、軸方向の力によって測定結果が変動してしま
うことがない。

〔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。

先ず、構成を説明すると、第１図は、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
面図であり、ハウジング１内には、弾性部材としてのト
ーションバー４を介して連結された第１の回転軸として
の入力軸２及び第２の回転軸としての出力軸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
。ただし、入力軸２．出力軸３及びトーションバ−４は
、同軸に配設されている。

なお、ハウジング１の入力軸２側の開口部は、シールリ
ング６によって封止されるとともに、出力軸３例の開口
部は、キャップ７によって封止されている。

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の左端部には、公知のランクビニオン式ステ
アリング装置を構成するピニオン軸３ａが一体に形成さ
れ、さらに、そのピニオン軸３ａは、ハウジング１内に
おいてランクビニオン式ステアリング装置のラック軸８
に噛合している。

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゜トーションバー
４．出力軸３．ピニオン軸３ａ及びラック軸８を介して
、図示しない転舵輪に伝達される。

一方、入力軸２の左端部には、軸方向に連続した突条部
２ａが形成され、この突条部２ａは、出力軸３の右端部
に形成され且つ突条部２ａよりも若干幅広の縦溝３ｂ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。

また、出力軸３の右端部には、図示しない電動モータの
出力を操舵補助トルクとして出力軸３に伝達するための
歯車３Ａが回転方向に一体に外嵌している。

なお、入力軸２の左端部内周面と、トーションバー４の
左端部外周面との間には、ブツシュ４ａが介在している
。

また、入力軸２には、内径側に形成されたボス１０ａが
外嵌することにより第１のフランジ部としてのアルミ等
の導体からなる円板１０が固着されるとともに、この円
板１０から軸方向の出力軸３側に離隔し且つ他の部位よ
りも大径に成形することにより構成された第２のフラン
ジ部としてのフランジ部１１が設けられている。

さらに、入力軸２０円板１０及びフランジ部１１間には
、第１の可動部材としての円筒部材１２が、ブツシュ１
３を介して入力軸２に対して相対回転可能に外嵌してい
る。

そして、円筒部材１２の円板ＩＯ側の端部には、内周側
に形成されたボス１４ａが外嵌することにより第３のフ
ランジ部としてのアルミ等の導体からなる円板１４が円
板１０に隣接した状態で固着されるとともに、フランジ
部１１側の端部には、他の部分よりも大径に成形するこ
とにより構成された第４のフランジ部としてのフランジ
部１５が設けられている。

また、円筒部材工２には、接触しないように充分な隙間
をもってフランジ部１１を貫通して出力軸３の角孔３ｃ
に一端側が緩く挿入され且つ入力軸２と平行な回転力伝
達軸としての円柱形のシャフト１６の他端側が圧入され
ている。

ここで、シャフト１６と角孔３ｃとは、出力軸３の回転
方向には一体であるが、シャフト１６の軸方向には緩く
挿入されていることから、比較的小さな力で軸方向に相
対変位が可能となっている。

さらに、円板１４及びフランジ部１５間には、第２の可
動部材としての円筒形のコイル保持部材１７が、円筒部
材１２に対して相対回転可能に配設されている。

コイル保持部材１７は、その外周面がハウジング１の内
周面に近接するとともに、その外周面に切削された軸に
平行な溝］、　７　ａにハウジング１に圧入されたピン
１８の内端が挿入されていて、これにより、回転方向に
はハウジング１と一体であるが、軸方向には円筒部材１
２と一体となっている。

さらに、コイル保持部材１７の円板１４側端面には、そ
れぞれが径方向及び軸方向に多層の二つの検出コイル２
０．２１及び一つの励磁コイル２２が巻きつけられたボ
ビン１７ｂが埋設されている。

即ち、検出コイル２０及び２１が円板１４側となり、励
磁コイル２２がフランジ部１５側となるように、これら
検出コイル２０及び２１と励磁コイル２２とが軸方向に
並ぶとともに、半径方向外側に一方の検出コイル２０が
巻きつけられ、半径方向内側に他方の検出コイル２１が
巻きつけられて互いに同心に配置されている。

第２図は円板１４の平面図、第３図は円板１０の平面図
、第４図はそれら円板］０及び１４を重ね合わせた状態
での平面図である。

即ち、第２図に示すように、円板１４には、検出コイル
２０に対向する半径方向外側と、検出コイル２１に対向
する半径方向内側とに、周方向に等間隔に散在した複数
の貫通孔２３．・・・、２３及び２４．・・・、２４が
開口している。

これら貫通孔２３．・・・、２３及び２４．・・・、２
４は、半径方向外側の貫通孔２３．２３間に、半径方向
内側の貫通孔２４が対向するように、互いに半ピツチず
れて開口している。

一方、第３図に示すように、円板１０には、貫通孔２３
．・・・、２３及び２４．・・・、２４と同じピッチで
、半径方向外側から内側に到る長細い貫通孔２５が開口
している。

そして、入力軸２及び出力軸３間に相対回転が生じてい
ないとき、即ち、操舵トルクが零であるときに、第４図
に示すように、貫通孔２３．２４と、貫通孔２５との重
なり合いが、５０％（最も重なり合った状態を１００％
とする。）となるように円板１０及び１４は固着されて
いる。

第５図は、励磁コイル２２及び検出コイル２０゜２１を
含んで構成され、それら検出コイル２０及び２１のイン
ダクタンスを測定し、それらインダクタンスの差に基づ
いて、入力軸２及び出力軸３間の相対回転、即ち、操舵
系に発生した操舵Ｉ・ルクを検出する回路のブロック図
である。

同図に示すように、励磁コイル２２の一端側は、増幅器
３０を介して所定周波数の励磁電流を供給する発振回路
３１に接続され、検出コイル２０の両端は、整流回路３
２を介して平滑回路３３に接続され、検出コイル２１の
両端は、整流回路３４を介して平滑回路３５に接続され
ている。

そして、平滑回路３３及び３５の出力側が、それらの差
を演算する差動増幅器３６に供給され、その差動増幅器
３６の出力が増幅器３７を介してこの検出回路の出力と
なっている。

さらに、この検出回路の出力が、図示しないコントロー
ラに供給されていて、コントローラは、供給される出力
、即ち操舵系に発生している操舵トルクに応じて、歯車
３Ａに連結された図示しない電動モータに作動電流を供
給する。

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２及び出力軸３間には相対回転は生
じないから、入力軸２と回転方向に一体となった円板１
０と、出力軸３の回転力がシャフト１６を介して伝達さ
れる円筒部材１２と回転方向に一体となった円板１４と
の間にも相対回転は生じない。従って、第４図に示すよ
うになり、貫通孔２３と貫通孔２５との重なり合い、及
び、貫通孔２４と貫通孔２５との重なり合いは、それぞ
れ５０％になっている。

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
、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側
が遅れる相対回動が生じる。

すると、円板１０及び１４間にも相対回動が生しるため
、貫通孔２３と貫通孔２５との重なり合い、及び貫通孔
２４と貫通孔２５との重なり合いに変化が生じる。

即ち、操舵トルクが零であるときに第４図のような重な
り合い状態にあれば、右回転方向の操舵トルクが増大す
ると、貫通孔２３と貫通孔２５との重なり合いは増大し
、貫通孔２４と貫通孔２５との重なり合いは減少する。

逆に、左回転方向の操舵トルクが増大すると、貫通孔２
３と貫通孔２５との重なり合いは減少し、貫通孔２４と
貫通孔２５との重なり合いは増大する。

ここで、励磁コイル２２に発振回路３１から交流電流が
供給されると、それに応じた磁束が発生し、その磁束に
よって検出コイル２０及び２１０両端に起電力が発生す
るが、その起電力は、検出コイル２０．２１のそれぞれ
のインダクタンスによって決まる。

そして、励磁コイル２２が生成した磁束が円板１０．１
４に鎖交する際に発生するうず電流によって磁気シール
ド効果が生じ、その磁気シールド効果によって検出コイ
ル２０と励磁コイル２２との相互インダクタンス及び検
出コイル２１と励磁コイル２２との相互インダクタンス
が変化するが、磁気シールド効果は、シールド面積に略
比例するので、結局、検出コイル２０と励磁コイル２２
との相互インダクタンスＭ１は、貫通孔２３と貫通孔２
５との重なり合いの影響を受け、検出コイル２１と励磁
コイル２２との相互インダクタンスＭ２は、貫通孔２４
と貫通孔２５との重なり合いの影響を受けて変化する。

つまり、検出コイル２０．２１の巻き数等を適宜選定す
れば、貫通孔２３．２４と貫通孔２５との重なり合いが
上述したように操舵トルクに応じて変化することから、
相互インダクタンスＭ１゜Ｍｔは、操舵トルクの方向及
び大きさに従って変化し、それらは、第６図に示すよう
に、トルクが零の時点で交差する正反対の特性となる。

そして、検出コイル２０．２１の両端に発生する起電力
は、相互インダクタンスＭ＋　、Ｍｔによりて決まるか
ら、第５図に示す回路においてそれら検出コイル２０．
２１の起電力を測定すれば、操舵系に発生している操舵
トルクを検出することができる。

よって、第５図に示した検出回路の出力に応じて電動モ
ータを作動させれば、操舵系には操舵トルクに応じた操
舵補助トルクが付与されたことになるから、操舵トルク
は減少し、操縦者の負担が軽減される。

また、第７図に示すように、正反対の特性の相互インダ
クタンスＭ３．Ｍｚの差を求めると、単独の場合に比べ
て倍の傾きになるため、本実施例のように、コイル２０
．２１に生じる起電力の差を差動増幅器３６で求め、そ
の求められた差に基づいて操舵トルクを検出すれば、微
小なトルクの変化を、高精度に求めることができる。

その結果、トーションバー４を長くしたり、或いはトー
ションバ−４の捩じり強度を小さ（する等して、トーシ
ョンバ−４を捩じれ易くしなくても、測定精度を向上さ
せることができる。このことは、トーションバー４を長
くすることによる装置の大型化や、トーションバー４の
捩じり強度の低下に伴う入力軸２及び出力軸３間のトル
ク伝達特性の低下等を招かなくて済むし、さらには、従
来の装置と同等の精度を、トーションバー４の短い小型
の装置で実現できることにもなる。

また、相互インダクタンスＭＩ、Ｍ２の差に基づいてト
ルクを求めているため、例えば、検出コイル２０及び２
１の周囲の温度が変動したり、或いは種々のノイズが発
生して、それら相互インダクタンスＭ＋及びＭ２にトル
クに無関係な変動が生じても、それらは総合インダクタ
ンスＭ１及びＭ２で同じ方向に表れるから、それらの差
を求めると相殺され、最終的な検出値からは除去される
ことになる。つまり、温度補償が行われるとともに、ノ
イズにも強い装置となる。

さらに、シャフト１６と角孔３ｃとの軸方向の結合力を
なくし若しくは小さ（しているため、例えば、入力軸２
に軸方向の力が加わってトーシヨンバ−４が軸方間に変
形し、入力軸２及び出力軸３間の軸方向距離が変わって
も、その距離の変化は、シャフト１６が角孔３Ｃ内で進
退することにより吸収されるので、円筒部材１２には伝
達されず、円筒部材１２は、円板１０及びフランジ部１
１間で適切な軸方向位置を維持する。

また、コイル保持部材１７は、溝１７ａとビン１８とに
より、回転方向にはハウジング１と一体であるが、軸方
向には円筒部材１２と一体であるので、例えば、ラック
軸８とピニオン軸３ａとの噛合部から出る軸方向分力を
受けて、軸受５ａ。

５ｂ、５ｃの軸方向の支持剛性によって出力軸３及び入
力軸２が軸方向に僅かに動く時、入力軸２とハウジング
１との間の軸方向の相対位置に変化が生じても、コイル
保持部材１７は、入力軸２及び円筒部材１２とともに軸
方向に変位する。

つまり、相互インダクタンスＭ＋　、Ｍ！を変化させる
貫通孔２３，２４．２５が開口した円板１０．１４と、
検出コイル２０．２１及び励磁コイル２２を保持したコ
イル保持部材１７との相対位置は、軸方向の力、即ち、
操舵トルクとは無関係な力によっては変化しないから、
操舵トルクにのみ応じた出力が得られることになる。

また、入力軸２１円筒部材１２及びコイル保持部材１７
のそれぞれの間に軸方向の相対変位が生じなければ、円
板１０と円板１４との間の摩擦抵抗、フランジ部１１と
フランジ部１５との間の摩擦抵抗、及びコイル保持部材
１７と円板１０．フランジ部１５との間の摩擦抵抗も、
初期の状態から変動することもないから、摩擦力増大に
よる高熱の発生や、シャフト１６に加わる負担が増大し
てその耐久性が低下してしまうような不具合もない。

さらに、コイル保持部材１７をハウジング１に対して回
転方向には一体としたため、検出コイル２０．２１及び
励磁コイル２２と、ハウジング１外部に設けられる検出
回路とを、スリップリング等を用いなくても接続するこ
とができから、スリップリングの摩耗等による断線等の
危険性がなくなる。

ここで、本実施例では、円板ＩＯに形成した貫通孔２５
及び円板１４に形成した貫通孔２３．２４によってイン
ダクタンス可変手段が構成され、第５図に示した回路に
よってトルク演算手段が構成される。

なお、上記実施例では、一つの励磁コイル２２と、二つ
の検出コイル２０．２１を使用した場合（相互インダク
タンス型の装置）について説明したが、これに限定され
るものではなく、励磁コイルを使用せずに検出コイル２
０．２１に電流を供給してそれら検出コイル２０．２１
の起電力を測定する構成（自己インダクタンス型の装置
）であってもよい。

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。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明によれば、軸方向の力が加
わっても、第１のフランジ部、第３のフランジ部及び第
２の可動部材間に相対変位が生じない構成としたため、
トルクに無関係な力によって検出結果が変動してしまう
ことがないという効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の構成を示す断面図、第２図
は第３のフランジ部を構成する円板の平面図、第３図は
第１のフランジ部を構成する円板の平面図、第４図は両
日板を重ね合わせた状態での平面図、第５図は検出コイ
ルの出力に基づいてトルクを検出する回路の一例を示す
ブロック図、第６図はトルクとコイルの相互インダクタ
ンスとの関係を示すグラフ、第７図はコイルと相互イン
ダクタンスの差との関係を示すグラフである。 １・・・ハウジング、２・・・入力軸（第１の回転軸）
、３・・・出力軸（第２の回転軸）、４・・・トーシヨ
ンバー（弾性部材）、１０・・・円板（第１のフランジ
部）、１１・・・フランジ部（第２のフランジ部）、１
２・・・円筒部材（第１の可動部材）、１４・・・円板
（第３のフランジ部）、１５・・・フランジ部（第４の
フランジ部）、１６・・・シャフト（回転力伝達軸）、
１７・・・コイル保持部材（第２の可動部材）、２０゜
２１・・・検出コイル、２２・・・励磁コイル、２３，
２４．２５・・・貫通孔（インダクタンス可変手段）、
３０．３７・・・増幅器、３１・・・発振回路、３２．
３４・・・整流回路、３３．３５・・・平滑回路、３６
・・・差動増幅器

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）ハウジングに回転自在に且つ同軸に支持された第
   １及び第２の回転軸と、これら第１及び第２の回転軸を
   連結する弾性部材と、前記第１の回転軸と一体に回転し
   且つ軸方向に離隔した第１及び第２のフランジ部と、こ
   れら第１及び第２のフランジ部間に配設され且つ前記第
   １の回転軸回りに回転変位可能な第１の可動部材と、前
   記第１及び第２の回転軸と平行であって一端側は前記第
   ２の回転軸に結合され他端側は前記第１の可動部材に結
   合され且つそれら結合部位の少なくとも一方の軸方向の
   結合力が前記第１の可動部材と前記第１の回転軸との軸
   方向の結合力よりも小さい回転力伝達軸と、前記第１の
   可動部材と一体に回転し且つ前記第１のフランジ部に隣
   接した第３のフランジ部と、前記第１の可動部材と一体
   に回転し且つ前記第３のフランジ部から軸方向に離隔し
   た第４のフランジ部と、これら第３及び第４のフランジ
   部間に配設され且つ軸方向には前記第１の可動部材と一
   体で回転方向には前記ハウジングと一体の第２の可動部
   材と、この第２の可動部材に設けられたコイルと、前記
   第１及び第３のフランジ部に構成され且つ前記第１の回
   転軸及び前記第１の可動部材間の相対回転に応じて前記
   コイルのインダクタンスを変化させるインダクタンス可
   変手段と、前記コイルのインダクタンスに基づいて前記
   第１及び第２の回転軸に伝達されたトルクを演算するト
   ルク演算手段と、を備えたことを特徴とするトルクセン
   サ。