JPH04160331A - 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
る。

また、２本の回転軸間の相対回転に応じて２つのコイル
のインダクタンスを互いに逆方向に増減させ、それらコ
イルに起電力を誘導させたときのそれら起電力の差を求
め、そして、その起電力の差から２本の回転軸間の相対
回転、即ち、回転軸に伝達されたトルクを求めるように
すると、相対回転を非接触で測定できるから摩耗等に起
因する故障の危険性が低減するとともに、２つのコイル
の差動に基づいたトルク測定であるため、単独のコイル
で測定した場合に比へて倍の傾きをもった検出結果か得
られ、微小なトルクを高精度に測定することか可能とな
る。

〔発明か解決しようとする課題〕

しかしながら、上記のようなトルクセンサにあっては、
２つのコイルに誘導される起電力か交流であることから
、測定された起電力を整流する機能が必要であったため
、測定精度か低いという欠点があった。これは、ブリッ
ジ回路等によって２つのコイルの起電力を測定する場合
、一般にブリッジ回路出力が低電圧（通常、ｌＶ以下）
であるので、整流をシリコンダイオード等で行うとその
順方向電圧降下が無視できなくなり、これを補うために
その後の平滑回路をドライブさせる電流□ブーストが必
要となってしまう、というように回路が非常に複雑にな
るからである。

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、処理回路の簡略化が
図られ、測定精度が向上す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、本発明は、同軸に配設され
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及び第２の回転軸間
の相対回転に応じて互いに逆方向にインダクタンスが増
減する第１及び第２のコイルと、これら第１及び第２の
コイルに起電力を誘導させる起電力誘導手段と、前記第
１及び第２のコイルに誘導される起電力の差を求める差
　　。

値演算手段と、この差値演算手段の演算結果を前記第１
のコイルに誘導される起電力の極性か正及び負の一方で
あるときには同相のまま出力し且つ正及び負の他方であ
るときには逆相にして出力する位相切換手段と、この位
相切換手段の出力に基づいて前記第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のコイルのインダクタンスが互い
に逆方向に増減し、それら第１及び第２のコイルには、
起電力誘導手段によって、インダクタンスに応じた起電
力が誘導される。

そして、差値演算手段か、それら起電力の差を演算し、
位相切換手段か、第１のコイルに誘導される起電力の極
性に応じて、差値演算手段の演算結果を同相又は逆相と
して出力する。

その結果、差値演算手段の演算結果か正負で振れていて
も、位相切換手段の出力は、−の回転方向のトルクが発
生しているときには常に正の値となり、他の回転方向の
トルクが発生しているときには常に負の値となり、トル
ク演算手段は、その位相切換手段の出力に基づいて第１
及び第２の回転軸に伝達されたトルクを演算する。

〔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ｌ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
の磁性体製の入力軸２及び第２の回転軸としての出力軸
３か、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及びトーションバー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側の開口
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、公知のラックピニオン式ステ
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
おいてラックピ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、操縦者か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、第１図及び同図のＡ−Ａ線断面図である第２図に
示すように、入力軸２の左端部には、軸方向に連続した
突条部２ａ、２ａか形成され、これら突条部２ａ、２ａ
は、出力軸３の右端部に形成され且つ突条部２ａ、２ａ
よりも若干幅広の縦溝３ｂ、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。

ちなみに、第１図は、第２図のＢ−Ｂ線断面図である。

また、入力軸２には、他の部位よりも大径に成形するこ
とにより構成されたフランジ部９と、このフランジ部９
から軸方向に離隔し且つ入力軸２に軸方向及び回転方向
に一体に外嵌したリング状の磁性体からなるフランジ部
１０とが設けられており、さらに、これらフランジ部９
及び１０間には、入力軸２に対して相対回転可能である
非磁性体製の円筒部材１１が配設されている。

フランジ部９及び１０の外周面には、周方向に等間隔に
散在した複数の突起９ａ及び１０ａが設けられていて、
これら突起９ａ及び１０ａは、同寸法であるか、それら
の一部分を展開した第３図に示すように、突起９ａ、９
ａ間に突起１０ａか対向し、突起１０ａ、１０ａ間に突
起９ａか対向するように、半ピツチずれて配置されてい
る。

なお、入力軸２と円筒部材１１との間の隙間及び円筒部
材１１とフランジ部９．１０との間の隙間は、比較的狭
く、２０μｍ〜３０μｍ程度に調整されている。

そして、円筒部材１１には、一端側が接触しないように
充分な隙間を持ってフランジ部９を貫通して出力軸３の
角溝３Ｃに緩く挿入され且つ入力軸２と平行な円柱形の
シャフト１２が圧入されている。

ここで、シャフト１２と角溝３ｃとは、出力軸３の回転
方向には一体であるか、シャフト１２の軸方向には、緩
く挿入されていることから、比較的小さな力で相対変位
か可能となっている。

また、円筒部材１１の外周面には、磁性体製のリング１
３か回転方向及び軸方向に一体に外嵌している。

このリング１３のフランジ９側を向く端面には複数の突
起１３ａが、フランジ１０側を向く端面には複数の突起
１３ｂか、周方向に等間隔に散在して構成されていて、
これら突起１’３ａ及び１３ｂは、第３図に示すように
、同寸法で且つ同ピツチであって、入力軸２及び出力軸
３間に相対回転が生じていない時に、突起９ａと突起１
３ａとのラップ量Ｓ１と、突起１０ａと突起１３ｂとの
ラップ量Ｓ２とが、それぞれ５０％になるように配置さ
れている。

なお、突起９ａと突起１３ａとの隙間Ｇ１と、突起１０
ａと突起１３ｂとの隙間Ｇ２とは、同じ距離であって、
比較的広く、０．３Ｍ〜０．６エ程度に調整されている
。

また、ハウジング１の内周面であって、フランジ部９．
ｌＯ及び円筒部材１１を取り囲む部分には、磁性体から
なる円筒形のホルダー１５が埋設されていて、このホル
ダー１５には、入力軸２側が開口し且つ隙間Ｇ＋、Ｇ２
を取り囲む二つの周溝１５ａ、１５ｂか形成され、さら
に、その周溝１５ａ及び１５ｂのそれぞれには、同一規
格のコイル１６．１７が収納されている。

コイル１６及び１７は、これらコイル１６及び１７に誘
導される起電力の差を演算し、その演算結果に基づいて
入力軸２及び出力軸３に伝達されるトルクを求め、その
求められたトルクが減少するように、例えばラック軸８
に連結された電動モータ等からなる操舵補助力付与装置
に制御信号を出力するコントローラに接続されている。

第４図は、コントローラ内に構成され、コイル１６及び
１７に誘導される起電力の差に基づいてトルクを求める
回路の一例を示す図であり、同図に示すように、コイル
１６及び１７の一端側を接続するとともにそれらの他端
側を抵抗値の等しい二つの抵抗Ｒ１及びＲ２を介して接
続したブリッジ回路２０と、このブリッジ回路２０に所
定周波数の交流電流を供給する発振器２１と、コイル１
６及び抵抗８．間が反転入力端子に接続され且つコイル
１７及び抵抗Ｒ２間が非反転入力端子に接続された差動
増幅器２２と、コイル１６及び抵抗Ｒ１間が非反転入力
端子に接続され且つ接地が反転入力端子に接続されたコ
ンパレータ２３と、差動増幅器２２の出力端子と差動増
幅器２４の非反転入力端子との間に介在し且つコンパレ
ータ２３の出力に応じてオン又はオフとなるアナログス
イッチ２５と、差動増幅器２２の出力端子と差動増幅器
２４の反転入力端子との間に介在し且つコンパレータ２
３の出力をインバータ２７において反転した値に応じて
オン又はオフとなるアナログスイッチ２６と、差動増幅
器２４の出力を平滑化する平滑回路２８と、を備えてい
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フラン
ジ部９．１０と、出力軸３の回転力がシャフト１２を介
して伝達される円筒部材１１．　　リング１３との間に
も相対回転は生じない。従って、突起９ａと突起１３ａ
とのラップ量Ｓ１と、突起１０ａと突起１３ｂとのラッ
プ量Ｓ２とは、それぞれ５０％の状態を維持するから、
コイル１６の自己インダクタンスＬ１と、コイル１７の
自己インダクタンスＬ２とは等しい。

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
、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
か遅れる相対回動が発生する。

すると、入力軸２と一体に回動するフランジ部９．１０
間において、出力軸３の回転力がシャフト１２を介して
伝達される円筒部材１１が回転方向に変位するため、リ
ング１３も回転方向に変位し、ラップ量Ｓ１及びＳ２が
変化する。

このとき、第３図に示すように、突起９ａ及び１０ａを
半ピツチずらして配置しているため、これらの間でリン
グ１３が回転方向に変位すると、ラップ量Ｓ１及びＳ２
の一方は増大し、他方は減少し、その増減に従ってコイ
ル１６及び１７の自己インダクタンスＬ１及びＲ２が互
いに逆方向に増減する。

ここで、例えば右回転方向のトルクか発生しているとき
にラップ量Ｓｌが増大しラップ量Ｓ２が減少するととも
に、左回転方向のトルクが発生している生きにラップ量
Ｓｌが減少しラップ量Ｓ２が増大するように構成してい
るものとすると、自己インダクタンスし、及びＲ２は、
第５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。

第７図乃至第９図は、第４図に示す回路の内部及び出力
の波形を示すグラフであり、第７図は左回転方向の操舵
トルクが生じている場合の波形図、蛸８図はトルクが零
である場合の波形図、第９図は右回転方向の操舵トルク
か生じている場合の波形図である。

ここで、操舵トルクか零であるものとすると、上述した
ように、コイル１６及び１７の自己インダクタンスＬ１
及びＲ２は等しいから、発振器２１の出力電圧Ｖがブリ
ッジ回路２０に供給されても、コイル１６及び１７に誘
導される起電力は等しく、よって、第８図に示すように
、抵抗Ｒ２及びコイル１７間の電圧ＶＡと、抵抗Ｒ１及
びコイル１６間の電圧Ｖ、とは等しい。

従って、差動増幅器２２の出力電圧ｖ６は零であり、そ
の他の回路の作用に関係な（、平滑回路２８の出力電圧
ｖ１は零となって、操舵トルクは零であると判断される
。

その結果、コントローラは、ラック軸８に操舵補助トル
クを付与する操舵補助力付与装置を作動させないから、
操舵補助トルクは発生せず、操舵系は直進状態を維持す
る。

一方、操舵系に左回転方向の操舵トルクか発生している
ものとすると、上述したように、第５図に示す特性に従
ってコイル１６の自己インダクタンスＬ１は減少し、且
つ、コイル１７の自己インダクタンスＬ２は増加するか
ら、第７図に示すように、発振器２１の出力電圧Ｖかブ
リッジ回路２０に供給されると、コイル１７に誘導され
る起電力は大きくなり、且つ、コイル１６に誘導される
起電力は小さくなり、その結果、電圧ＶＡの振幅は増大
し、電圧ｖ８の振幅は小さくなる。

また、コンパレータ２３の出力電圧Ｖ。は、電圧ＶＢと
同相の矩形波となり、インバータ２７の出力電圧Ｖゎは
、電圧ｖｌｌと逆相の矩形波となるから、アナログスイ
ッチ２５は、電圧ＶＩｌの極性か正であるときにのみオ
ンとなり、アナログスイッチ２６は電圧ＶＢの極性が負
であるときにのみオンとなる。

つまり、電圧Ｖ、の極性か正であるときには、差動増幅
器２２の出力電圧Ｖ。は差動増幅器２４の非反転入力端
子に供給されるから、差動増幅器２４の出力電圧Ｖ。は
電圧■８と同相であり、電圧Ｖ、の極性か負であるとき
には、差動増幅器２２の出力電圧Ｖ６は差動増幅器２４
の反転入力端子に供給されるから、差動増幅器２４の出
力電圧ｖ）Ｉは電圧Ｖ、と逆相となる。

従って、左回転方向の操舵トルクか発生しているときに
は、電圧Ｖ、の負側に現れる信号が差動増幅器２４にお
いて反転されるため、第７図に示すように、差動増幅器
２４の出力電圧ｖ８は、正側にのみ現れる。

よって、差動増幅器２４の出力をそのまま平滑回路２８
で平滑化すれば、その出力電圧Ｖ１は、第７図に示すよ
うに、正の値となる。

また、操舵系に右回転方向の操舵トルクが発生している
場合には、第５図の特性に従って、コイル１６の自己イ
ンダクタンスＬ１か増大し、且つ、コイル１７の自己イ
ンダクタンスＬ２か減少するから、第９図に示すように
、電圧ＶＡの振幅は小さく、電圧Ｖｓの振幅は大きくな
る。

この場合であっても、コンパレータ２３の出力電圧Ｖ。

は、電圧ｖ８と同相の矩形波となり、インバータ２７の
出力電圧Ｖ、は、電圧ｖ８と逆相の矩形波となるから、
アナログスイッチ２５は、電圧ＶＢの極性が正であると
きにのみオンとなり、アナログスイッチ２６は電圧ＶＢ
の極性が負であるときにのみオンとなるが、この場合の
差動増幅器２２の出力電圧ｖｌ：は、電圧ｖＡ及びＶ、
の振幅が上記のような関係にあるため、左回転方向のト
ルクか発生している場合の電圧Ｖ、（第７図参照）と逆
相の値となる。

従って、電圧Ｖ、の正側に現れる信号か差動増幅器２４
において反転されるため、差動増幅器２４の出力電圧は
、第９図に示すように、負側にのみ現れる。

よって、差動増幅器２４の出力をそのまま平滑回路２８
で平滑化すれば、その出力電圧Ｖ１は、第９図に示すよ
うに、負の値となる。

そして、コントローラは、平滑回路２８の出力電圧Ｖ１
が零でなければ、その値は操舵トルクに比例した値であ
ることから、その値に基づいて操舵トルクか減少するよ
うに操舵補助力付与装置に制御信号を出力する。

すると、操舵系には、操舵トルクに応じた操舵補助トル
クか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。

そして、コイル１６及び１７の自己インダクタンスＬ１
及びＬ２の差は、第６図に示すように、コイル１６又は
１７の自己インダクタンスし、及びＬ２の傾き（第５図
参照）に比べて倍の傾きとなるから、本実施例のように
、コイル１６及び１７に誘導される起電力で決まる電圧
ｖＡ及びＶ。

の差を求める差動増幅器２２の出力に基づいてトルクを
演算すれば、微小なトルクの変化が高精度に求められる
。

その結果、トーションバー４を捩じれ易くすることなく
、即ち、装置の大型化や、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くことなく、測定精度を向上
させることができる。換言すれば、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、自己インダクタンスＬ１及びＬ２の差を求めてい
るため、例えば、コイル１６及び１７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、それら自己
インダクタンスＬ１及びＬ２にトルクに無関係な変動が
生じても、それらは自己インダクタンスＬ１及びＬ２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
、最終的な測定値から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１２と角溝３ｃとの軸方向の結合力を
なくし若しくは小さくし、且つ、円筒部材１．１を微小
な隙間をもって入力軸２に外嵌させているため、例えば
入力軸２に軸方向の力が加わっても、その力は、シャフ
ト１２が角溝３Ｃ内で進退することにより吸収されるの
で、円筒部材１１にはその軸方向の力の影響は伝達され
ず、円筒部材１１は、フランジ部９及び１０間で適切な
軸方向位置を維持する。

つまり、本実施例の構成であれば、軸方向の力が加わっ
て、入力軸２及び出力軸３間の軸方向の相対位置が変化
しても、測定結果に影響は与えられず、トルクのみに応
じた出力が得られる。

また、円筒部材１１か軸方向に変位しなければ、円筒部
材１１とフランジ部９．１０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１２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。

そして、本実施例では、第４図に示すように、電圧ＶＢ
の位相に応じて差動増幅器２２の出力を同相又は逆相に
した信号に基づいてトルクを求めているため、整流器や
電流ブーストが不要であるから、回路構成が単純となっ
て、高精度のトルク測定が可能となる。

ここで、本実施例では、コイル１６が第１のコイルに対
応し、コイル１７が第２のコイルに対応し、抵抗Ｒ１ｌ
　Ｒ２１ブリッジ回路２０及び発振器２１によって起電
力誘導手段が構成され、差動増幅器２２が差値演算手段
に対応し、コンパレータ２３．差動増幅器２４．アナロ
グスイッチ２５゜２６、インバータ２７によって位相切
換手段が構成され、平滑回路２８がトルク演算手段に対
応する。

なお、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。

また、上記実施例では、入力軸２及び出力軸３間の相対
回転に応じてコイル１６及び１７の自己インダクタンス
を増減させる形式のトルクセンサに本発明を適用した場
合について説明したか、これに限定されるものではなく
、励磁コイルと、２つの検出コイルとを備え、入力軸２
及び出力軸３間の相対回転に応じてそれら励磁コイル及
び検出コイル間の相互インダクタンスを増減させる形式
のトルクセンサであっても構わない。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明にあっては、第１及び第２
のコイルに誘導される起電力の差を演算するとともに、
その演算結果を、第１のコイルに誘導される起電力の極
性に応じて同相又は逆相とし、その位相変換した信号に
基づいてトルクを求める構成であるため、回路構成が単
純になり、測定精度が向上するという効果がある。

【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１図のＡ−Ａ線断面図、第３図はコイルのインダク
タンスを変化させる部分の展開図、第４図はコイルに誘
導される起電力を測定する回路の一例を示す回路図、第
５図はトルクとコイルの自己インダクタンスとの関係を
示すグラフ、第６図はトルクと自己インダクタンスの差
との関係を示すグラフ、第７図は左回転方向のトルクが
発生している時の波形図、第８図はトルクが零の時の波
形図、第９図は右回転方向のトルクが発生している時の
波形図である。 ２・・・入力軸（第１の回転軸）、３・・・出力軸（第
２の回転軸）、４・・・トーションバー（弾性部材）、
１６・・・コイル（第１のコイル）、１７・・・コイル
（第２のコイル）、２０・・・ブリッジ回路、２１・・
・発振器、２２・・・差動増幅器（差値演算手段）、２
３・・・コンパレータ、２４・・・差動増幅器、２５，
２６・・・アナログスイッチ、２７・・・インバータ、
２８・・・平滑回路

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）同軸に配設された第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及び第２の回転軸間の相対回転に応じて互いに逆方向
   にインダクタンスが増減する第１及び第２のコイルと、
   これら第１及び第２のコイルに起電力を誘導させる起電
   力誘導手段と、前記第１及び第２のコイルに誘導される
   起電力の差を求める差値演算手段と、この差値演算手段
   の演算結果を前記第１のコイルに誘導される起電力の極
   性が正及び負の一方であるときには同相のまま出力し且
   つ正及び負の他方であるときには逆相にして出力する位
   相切換手段と、この位相切換手段の出力に基づいて前記
   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。