JPH0476426A - 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。

〔発明が解決しようとする課題］ しかしながら、トーションバー等の弾性部材を利用した
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不具合がある
。

また、トルクに応じて発生する２木の回転軸間の相対回
転の量を大きくすると、微小なトルクの変化をも検出で
きるから、測定精度が向上するという利点があり、その
ためには、トーションバーの捩じり強度を低くするか、
或いはトーションバーを長くして、トーションバーを捩
じれ易くすればよいが、これでは、２本の回転軸間のト
ルク伝達特性が低下してしまう。なお、トーションバー
を長くした場合には、装置が大型化してしまうという欠
点もある。

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できるとともに、回
転軸間の伝達特性を低下させることなく、測定精度の向
上が図られ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、
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
回転軸及び前記可動部材間の相対回転変位に応じて前記
第１のフランジ部及び可動部材間の磁気抵抗を変化させ
る第１の磁気抵抗可変手段と、前記第１の回転軸及び前
記可動部材間の相対回転変位に応じて前記第１の磁気抵
抗可変手段とは逆の方向に前記第２のフランジ部及び可
動部材間の磁気抵抗を変化させる第２の磁気抵抗可変手
段と、前記第１のフランジ部及び前記可動部材間の磁気
抵抗を測定する第１の測定手段と、前記第２のフランジ
部及び前記可動部材間の磁気抵抗を測定する第２の測定
手段と、これら第１及び第２の測定手段の測定結果の差
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及び第２のフランジ部
と、可動部材との間にも、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、第１の磁気抵抗可変手段によって変化する第１
のフランジ部及び可動部材間の磁気抵抗と、第２の磁気
抵抗可変手段によって変化する第２のフランジ部及び可
動部材間の磁気抵抗とは、相対回転に応して互いに逆方
向に変化する（一方が増加すれば、他方は減少する）の
で、第１の測定手段と第２の測定手段との差を求めると
、単一の測定結果に比べて倍の傾きをもった測定結果が
得られるから、その差に基づいてトルク演算手段がトル
クを演算すれば、微小なトルクも高い精度で検出される
。

また、周囲の温度変化や種々のノイズ等の影響を受けて
第１及び第２の測定手段にトルクとは無関係の変動が生
じても、互いの測定結果の差をとれば、その変動は相殺
されて最終的な測定結果からは除去される。

さらに、第２の回転軸の回転力を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、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ので、軸
方向の力が加わって第１及び第２の回転軸間に軸方向の
相対変位が生じても、その相対変位は可動部材には伝わ
らない、即ち、第１及び第２のフランジ部と、可動部材
との相対位置関係に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。

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。

人力軸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、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が形成され、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第１のフランジ部としてのフランジ
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
磁性体からなる第２のフランジ部としてのフランジ部Ｉ
Ｏ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、周方向に等間陽に
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ＩＯａは、同寸法であるが、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
ｃ間に突起１０ａが対向し、突起１０ａ、１０ａ間に突
起９ａが対向するように、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Ｊ１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、一端側がフランジ部９を接
触しないように充分な隙間を持って貫通して出力軸３の
角溝３０に緩く挿入され且つ入力軸２と平行な回転力伝
達軸としての円筒形のシャツ）１２が圧入されている。

ここで、シャフト１２と角溝３０とは、出力軸３の回転
方向には一体であるが、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
が可能となっている。

また、円筒部材１１の外周面には、磁性体製のリング１
３が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が、周方向に等間隔に散在して構成されていて、
これら突起１３ａ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１３
ａ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、０．３１１Ｉ１１〜０．６　ｍｍ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，
１０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ｃ、、Ｇ、
を取り囲む二つの周溝１５ａ、１５ｂが形成され、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のイ
ンダクタンスの差を演算し、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のインダクタンスを測定し、それらインダクタンス
の差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Ｒ
２を介して接続したブリッジ回路２０と、コイル１６．
１７間と抵抗Ｒ＋　、Ｒ２間との間に接続された発振器
２１と、コイル１６及び抵抗Ｒｔ間が非反転入力端子に
接続され且つコイル１７及び抵抗Ｒｔ間が反転入力端子
に接続された差動増幅器２２と、コイル１６及び抵抗Ｒ
，間が反転入力端子に接続され且つ接地が非反転入力端
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の非反転入力端子との間に介在し且
つコンパレータ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。

すると、コイル１６のインダクタンス■、と、コイル１
７のインダクタンスＩ２とは等しくなるから、第４図に
示した回路において、ブリッジ回路２０は平衡状態を維
持し、差動増幅器２２の再入力には差が生じない。

よって、差動増幅器２２の出力は零となり、その差動増
幅器２４で増幅し、平滑回路２８で平滑化しても、出力
は零となり、トルクは零であると判断される。

従って、コントローラで求められたトルクに応じた操舵
補助トルクをラック軸８に付与する操舵補助力付与装置
は作動しないから、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、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、転舵軸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ＳＩ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のインダクタンスＩ、及びＩ２が変化す
る。

ここで、例えば右回転方向のトルクが発生しているとき
にラップ量Ｓ１が増大しラップ量Ｓ！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ときにラップ量
Ｓ、が減少しラップ量Ｓｚが増大するように構成してい
るものとすると、インダクタンス１１及びＩ２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。

すると、コイル１６及び１７のインダクタンスに差が生
じるから、ブリッジ回路２０の平衡状態が崩れ、差動増
幅器２２の両人力に差が生じ、その差が差動増幅器２２
で求められてアナログスイッチ２５及び２６に供給され
る。

ここで、差動増幅器２２の出力は発振器２１の周波数に
応じて正弦波となるが、本実施例では、差動増幅器２２
の非反転入力の極性が正の場合には、コンパレータ２３
の出力が論理値“０°”でインバータ２７の出力が論理
値１１１”となるから、アナログスイッチ２５がオフで
且つアナログスイッチ２６がオンとなり、差動増幅器２
２の出力は差動増幅器２４の非反転入力端子に供給され
るし、差動増幅器２２の非反転入力の極性が負の場合に
は、コンパレータ２３の出力が論理値“１　＋＋でイン
バータ２７の出力が論理値゛′０”となるから、アナロ
グスイッチ２５がオンで且つアナログスイッチ２６がオ
フとなり、差動増幅器２２の出力は差動増幅器２４の反
転入力端子に供給されるため、差動増幅器２４の出力は
、差動増幅器２２の出力の絶対値になる。

従って、平滑回路２８の出力は、操舵トルクの方向及び
大きさに従って、リニアに変化する値となる。

そして、コントローラは、平滑回路２８の出力に例えば
所定のゲインを乗じて操舵１−ルクを求め、その操舵ト
ルクが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。

そして、本実施例では、トルクに応じて互いに逆方向の
出力を得るコイル１６及び１７を備えるとともに、それ
らの差を求める差動増幅器２２の出力に基づいてトルク
を演算しているため、差動増幅器２２の出力は、第６図
に示すように、コイル１６又は１７の単独の測定値より
も傾き（第５図参照）が大きくなるから、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。このごとは、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、インダクタンスＩ、及び１つ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、それらインダク
タンス■、及び■、にトルクに無関係な変動が生じても
、それらはインダクタンス■１及びＩ２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３０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１１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３０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が軸方向に変位しなければ、円筒部
材１１とフランジ部９．ｌＯ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。

ここで、本実施例では、円筒部材１１及びリング１３が
可動部材に対応し、複数の突起９ａ及び複数の突起１３
ａが第１の磁気抵抗可変手段に対応し、複数の突起１０
ａ及び複数の突起１３ｂが第２の磁気抵抗可変手段に対
応し、コイル１６及びこれを取り囲むホルダー１５が第
１の測定手段に対応し、コイル１７及びこれを取り囲む
ホルダー１５が第２の測定手段に対応し、コントローラ
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。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明によれば、装置の大型化や
回転軸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とともに、軸方向の力
により測定結果が変動してしまうような不具合がないと
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１図のＡ−Ａ線断面図、第３図は磁気抵抗を変化さ
せる部分の展開図、第４図はコイルのインダクタンスを
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
トルクとインダクタンスの差との関係を示すグラフであ
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）、
９・・・フランジ部（第１のフランジ部）、１０・・・
フランジ部（第２のフランジ部）、９ａ、１０ａ。

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
   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の回転軸及び前記可動部材間の相対回転変位に応じ
   て前記第１のフランジ部及び可動部材間の磁気抵抗を変
   化させる第１の磁気抵抗可変手段と、前記第１の回転軸
   及び前記可動部材間の相対回転変位に応じて前記第１の
   磁気抵抗可変手段とは逆の方向に前記第２のフランジ部
   及び可動部材間の磁気抵抗を変化させる第２の磁気抵抗
   可変手段と、前記第１のフランジ部及び前記可動部材間
   の磁気抵抗を測定する第１の測定手段と、前記第２のフ
   ランジ部及び前記可動部材間の磁気抵抗を測定する第２
   の測定手段と、これら第１及び第２の測定手段の測定結
   果の差に基づいて前記第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。