JPH0678955B2 - トルクセンサ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明はトルクセンサ、特に回転トルクを非接触で測定
するトルクセンサに関する。

（従来の技術） 一般に、回転駆動力によって駆動される機器の数は非常
に多く、その適用分野は多岐に亘っている。このような
機器の制御にはトルク制御が重要な位置を占める場合が
少なくない。すなわち、トルクは回転駆動系の制御を行
う際の最も基本的かつ重要なパラメータの１つであり、
トルクと回転数の情報を得るとそれらの積が馬力に比例
するので動力の発生状態および伝達状態を把握すること
が可能になる。

従来のトルクセンサとしては、例えばこれを車両のステ
アリングホイールへ加えられる操舵力を検出する操舵力
検出装置に適用してものとして、特開昭54−17228号公
報に記載のものがある。この装置では、ステアリングホ
イールとステアリングシャフトとを弾性体を介して連結
し、操舵時に操舵トルクの大きさに応じて弾性体に生じ
る捩れ作用によりステアリングホイールとステアリング
シャフトとの間に生じる相対捩れ変位をステアリングホ
イールとステアリングシャフトとの間に介装された接点
のON−OFFにより検出している。ところが、このような
装置では捩れ変位によりON−OFFされる接点やマイクロ
スイッチ等を配設するため、これらの接点の配設に高度
な工作精度が要求され、また、ONとなる相対捩れ変位量
やOFFとなる相対捩れ変位量を個々に設定するのが困難
であるという問題点がある。また、特開昭55−44013号
公報に記載の装置は、ステアリングホイールから操舵ト
ルクが伝達される入力軸にストレインゲージ等の電気的
変位検出部を設け、路面抵抗に比例したステアリングホ
イールから入力する操舵トルクに応じて生ずる入力軸の
相対捩れ変位を検出するものであるが、入力軸の捩れ変
位を検出するのにストレインゲージ等の電気的変位検出
器を入力軸に固着させていたため、温度変化の影響を受
け易く、その作動が不安定で、信頼性に欠けるという問
題点があった。

そこでこのような不具合を解消するものとしてさらに、
特開昭58−194664号、特開昭58−218627号、特開昭58−
105877号、実開昭57−192872号、実開昭58−101153号、
特開昭58−5626号、特開昭61−21861号の各公報に示さ
れたようなものが知られている。

例えば、特開昭58−194664号に記載の装置では、一端に
ステアリングホイールに連結され他端がステアリングギ
アに連結されたコラムシャフトを分割し、この分割され
た２つのシャフトが弾性体を介して相対的な回動変位を
可能にするように連結された操舵装置に設けられ、これ
ら２つのシャフトの相対回動変位を軸方向変位に変換し
て、軸方向変位の大きさによりステアリングホイールに
加えられる操舵力を検出している。また、トーションバ
ー機構の捩りを静電容量の変化に変換したものとして上
記特開昭61−21861号に記載されたものがある。

（発明が解決しようとする問題点） しかしながら、このような従来の装置にあっては、トー
ションバー機構の捩れ変位をスイッチ等の部材を用いて
検出するものや相対回動変位を軸方向変位に変換するも
の等のいわゆる接触型のトルクセンサでは、構造が複雑
で検出器の機構的、電気的部品点数が多く、かつ取付け
に際して相当の精度が要求されるため、製造コストの増
大を招くばかりか温度・湿度等の環境変化により検出精
度が悪化することがある。すなわち、センサとしてトル
クの検出を行う場合、回動軸が対象であるため、耐摩耗
性、保安性等の信頼性の面から非接触型のトルクセンサ
が望ましい。一方、非接触型のトルクセンサであって
も、例えば捩れ変位の量を光電的に検出するようにした
もの（上記特開昭58−5626号公報参照）では、特に汚れ
の激しい場所で使用できないことがある。また、以上の
ような問題点に加えて接触型、非接触型の何れのトルク
センサにあっても、従来の装置では回転変位の方向（す
なわち、トルクの働く方向）の検出や静止トルクの検出
は相当困難であって、これらの諸問題を解決したトルク
センサは未だ実現されていない。

このように、エンジンや電動機等の回転駆動部をコント
ロールする際に極めて重要なパラメータとなる回転およ
び静止トルクを非接触で正確に低コストで検出できるト
ルクセンサの出現が望まれている。

（発明の目的） そこで本発明は、温度・湿度等の環境変化や汚れによる
影響を受けない磁界という物理量に着目し、捩れ変位を
所定の構造により磁束量の変化に変換し、この磁束量の
変化を非接触で検出して捩れ変位を測定することによ
り、構造が簡単で応答性が良く静止、回転に拘らず低コ
ストでトルクを検出できる非接触型のトルクセンサを提
供することを目的としている。

（問題点を解決するための手段） 本発明によるトルクセンサは上記目的達成のため、第１
シャフトの先端部を捩れ変位の発生が可能な構造として
第２シャフトに連結し、この連結部の周囲を取り囲むよ
うに所定数のＮ極およびＳ極を固定磁極として交互に配
設して第２シャフトに固定し、これらのＮ極およびＳ極
と同数の第１ピックアップ路および第２ピックアップ路
をそれぞれ各磁極の中間位置に対向するように配設する
とともに、第１、第２ピックアップ路を流れる磁束の変
化を検出する磁気検出素子を第１シャフトに非接触で設
け、第２シャフトに対して第１シャフトが捩れ変位した
とき前記Ｎ極が第１ピックアップ路あるいは第２ピック
アップ路の何れの側に近接するかによって第１、第２ピ
ックアップ路を流れる磁束量を変化させ、この磁束の変
化から第２シャフトに対する第１シャフトの捩れ変位を
検出するようにしたことを特徴とするトルクセンサを備
えている。

（作用） 本発明では、第１シャフトの先端部を捩れ変位の発生が
可能な構造として第２シャフトに連結され、この連結部
の周囲を取り囲むように所定数のＮ極およびＳ極を固定
磁極として交互に配設されて第２シャフトに固定される
とともに、これらのＮ極およびＳ極と同数の第１ピック
アップ路および第２ピックアップ路をそれぞれ各磁極の
中間位置に対向するように配設される。また、第１、第
２ピックアップ路を流れる磁束の変化を検出する磁気検
出素子を第１シャフトに非接触で設けられる。そして、
第２シャフトに対して第１シャフトが捩れ変位したとき
前記Ｎ極が第１ピックアップ路あるいは第２ピックアッ
プ路の何れの側に近接するかによって第１、第２ピック
アップ路を流れる磁束量が変化し、この磁束の変化から
第２シャフトに対する第１シャフトの捩れ変位が非接触
で検出される。したがって、構造が簡単で応答性が良く
静止・回転に拘らず低コストでトルクが精度良く測定で
きる。

（実施例） 以下、本発明を図面に基づいて説明する。

第１〜６図は本発明の一実施例を示す図であり、第１図
は本実施例の分解斜視図、第２図は縦側面図、第３図は
正面図である。

まず、構成を説明する。第１図において、１は第１シャ
フトであり、第１シャフト１は捩れ剛性を若干低くする
ための小径部２を介して第２シャフト３に連結されてお
り、図中Ａ、Ｂで示すような第１シャフトの円周方向の
回転力を小径部２を経由して第２シャフト３に伝達す
る。また、第２図の縦側面図に示すように第２シャフト
３の外周面3aには小径部２を包み込むようにして形成さ
れた円筒形のモールド部材（非磁性材）４の突端部4aが
嵌合・固着されており、モールド部材４は後述するピッ
クアップ部材７およびホール素子13等と一対となってト
ルク検出機構21を構成している。一方、モールド部材４
の他端側にはドーナッツ型の磁性体埋込み部4bが形成さ
れ、磁性体埋込み部4bは軸方向に対して垂直となるよう
な切断面（端面）4cを有し、磁性体埋込み部4bには端面
4cにＮ極を臨むように配置した磁性体5aと、端面4cにＳ
極を臨むように配置した磁性体5bとがそれぞれ８個づつ
交互に同心円状でかつ等間隔になるように配設されてい
る。さらに、各磁性体5a、5bの他端部は円環状のコモン
リング６に連結されており、コモンリング６は各磁性体
5a、5bから発する磁界について閉ループ状の磁気通路の
一部を形成する。コモンリング６および各磁性体5a、5b
は磁性体埋込み部4b内に埋設され、非磁性体からなる磁
性体埋込み部4bと一体形成されている。なお、本実施例
では磁性体5a、5bの個数をそれぞれ８個としているが勿
論これには限定されず、端面4cにＮ極、Ｓ極が交互に等
間隔で臨むものであれば他の個数の態様のものでもよ
い。

一方、第１シャフトの小径部２側の外周面1aには端面4c
に面し、かつ端面4cと微少空隙を有する円板形のピック
アップ部材（非磁性体）７が嵌合・固着されており、ピ
ックアップ部材７の入力側の端面7aには端面7aに外接し
てアウターリング８とその内方にインナーリング９とが
設けられている。また、端面4cに面したピックアップ部
材７の端面7bには磁性体5aあるいは5bからの磁気力を受
けて磁路となる磁路片10aと磁路片10bとが磁性体5aおよ
び5bとそれぞれ１対１で応答するように８個づつ交互に
同心円状でかつ等間隔になるように配設され、磁路片10
aはアウターリング８に磁路片10bはインナーリング９に
連結される。磁路片10aとアウターリング８とは第１ピ
ックアップ路11を構成し、磁路片10bとインナーリング
９とは第２ピックアップ路12を構成する。ここで、コモ
ンリング６、磁路片10a、10b、アウターリング８および
インナーリング９は磁力線を通し易い材質のものが望ま
しく、例えばパーマロイ、フェライト等で作られてお
り、前記の磁性体5a、5bから発した磁気力を磁路片10
a、10bを介してアウターリング８およびインナーリング
９に誘導する。ところで、磁路片10a、10bは前記の磁性
体5a、5bと同様に非磁性体からなるピックアップ部材７
内に一体形成されており、定常時（すなわち、トルクが
０のとき）では第３図の正面図に示すように磁性体5aあ
るいは5bが磁路片10aおよび10bの丁度中間に位置するよ
うに構成されている。したがって、磁性体5aから磁路片
10aに至るまでのギャップ空間l_Aと磁性体5aから磁路片1
0bに至るまでのギャップ空間l_Bとは互いに等しく、同様
に磁性体5bから磁路片10bまでのギャップ空間l_Aと磁性
体5bから磁路片10aまでのギャップ空間l_Bとは相等し
い。したがって、第１図に示すように第１シャフト１に
円周方向Ａ（あるいはＢ）の回転力が加わると前記ギャ
ップ空間l_A、l_Bはその回転力に応じてそれぞれ所定量づ
つ変化する。さらに、上述したアウターリング８とイン
ナーリング９との間にはこれらリングやピックアップ部
材７と非接触でかつアウターリング８からインナーリン
グ９に（あるいはインナーリング９からアウターリング
８に）かかる磁界と直角となるような位置にホール素子
（磁気検出素子）13が配置され、ホール素子13はプリン
ト基板14に接着材等で固着される。プリント基板14上に
はホール素子13からの信号を検出・処理するための部材
（図示せず）が配設されるとともに、プリント基板14は
プリント基板に固着する支持部材14aを介して第１シャ
フト１に回動変位自在に嵌合される。なお、ホール素子
13は固体のホール効果を利用したセンサであり、磁界の
強さに比例した出力電圧を発生する素子であるが従来公
知のものと同様のものが使用可能であるので詳しい説明
は省略する。

次に、作用を説明する。

本発明に係るトルクセンサは、磁性体5a、5bから発した
磁気力をホール素子13で検知する際に、第１シャフト１
と第２シャフト３との間に生じた機械的な捩れ変位を磁
性体5a、5bと磁路片10a、10bとの間のギャップ空間l_A、
l_Bの変化（換言すれば、空間磁路長の変化）として捉
え、このギャップ空間l_A、l_Bの変化により生じた磁束の
流れ（磁路）と磁束量の変化をホール素子13により非接
触で検知してトルクを検出している。続いて、第４、５
図を用いて本発明の基本的な考え方を述べる。第４図
（ａ）は定常的におけるトルク検出機構21の一部を模式
的に示す図であり、同図（ｂ）は前述の第１図に示した
ように回転力が円周方向Ａの向きに加わった場合を示
し、同図（ｃ）は回転力が円周方向Ｂの向きに加わった
場合を模式的に示している。また、第５図は定常時にお
けるトルク検出機構21の一部を模式的に示した斜視図で
ある。

定常時 トルクが加わっていないので第４図（ａ）に示すように
磁性体5aから磁路片10aまでのギャップ空間l_Aと磁性体5
aから磁路片10bまでのギャップ空間l_Bとはそれぞれ等し
く、各々の磁性体と磁路片との位置関係はどの場所にお
いても一様である。したがって、第５図に示すように１
対の磁性体5a、5bおよび磁路片10a、10bを代表として例
に採り説明することができる。いま、磁性体5aのＮ極か
ら発した磁束は実線の矢印で示す如く、ギャップ空間l_A
を経て磁路片10aに入り、磁路片10aの先端部を通過して
ギャップ空間l_Bを経て磁性体5bのＳ極に到達する。同様
に、磁性体5aのＮ極から発した磁束は一方ではギャップ
空間l_Bを経て磁路片10bに入り、磁路片10bの先端部を通
過してギャップ空間l_Aを経て磁性体5bのＳ極に到達す
る。5bのＮ極から発した磁束は何れもコモンリング６を
通して磁性体5aのＳ極に到達する。このように、磁性体
5a、5b、磁路片10a（あるいは10b）およびコモンリング
６はギャップ空間l_A、l_Bを挟んで１つの閉ループ状の磁
気通路を形成しており、この磁路を主磁路と呼び、この
ときの磁束をφ_１と呼ぶ。

一方、磁性体5aのＮ極から発した磁束は、単に磁路片10
a（あるいは磁路片10b）を通過して磁性体5bのＳ極に達
する上述のような主磁路を形成するだけではなく磁路片
10a、10bの軸心方向（アウターリング８およびインナー
リング９方向）に向かうものも存在する。すなわち、同
図一点鎖線の矢印で示すように磁性体5aのＮ極から発し
た磁束の一部は、ギャップ空間l_A、磁路片10a、アウタ
ーリング８を経てホール素子13に至り、ホール素子13を
直交してインナーリング９、磁路片10bおよびギャップ
空間l_Aを経由し、磁性体5bのＳ極に帰還するバイパス磁
路を形成している（この方向でバイパス磁路を通る磁束
をφ_２と呼ぶ）。ところで、磁性体5aのＮ極で発生した
磁気力は、一方では磁路片10b側にも等しく印加してお
り（但し、極性は異なる）、同図破線の矢印で示すよう
に上述した場合とは逆向きのルートでバイパス磁路を形
成している（この逆向きの流れでバイパス磁路を通る磁
束を−φ_２と呼ぶ）。この場合、ホール素子13に印加す
る磁界の強さは、実際上、透磁率の大きい磁路材やコモ
ンリング６に比して透磁率が極めて小さいギャップ空間
l_Aあるいはl_Bの大きさの差異により決定される。また、
磁路片10a、10b、アウターリング８、インナーリング９
およびコモンリング６の各部材は定常時、非定常時とも
共通の磁気通路を形成していることから、これら各部材
に経年変化等による劣化があってもトルクの検出精度の
低下を来たさない。

このように、トルクが加わらない定常時にあっては、主
磁路を流れる磁束φ_１がバイパス磁路を流れる磁束｜φ
_２｜よりも極めて大きい（φ_１≫｜φ_２｜）ことから、
実際上はホール素子13が配設されているバイパス磁路に
は殆ど磁束は流れ込まない。また、ギャップ空間l_A、l_B
は互いに等しいので、多少の洩れ磁束｜φ_２｜があって
も前記磁束φ_２、−φ_２は等しい大きさ（φ_２＝−
φ_２）となり互いに相殺し合ってホール素子11は感応せ
ずトルクは検出されない。

ここで、本発明では上記バイパス磁路における磁束変化
をトルク検出のパラメータとしている。すなわち、バイ
パス磁路の途中にホール素子13を設けている。一方、主
磁路についてはトルクの変化により磁束の変化が生じる
ものの、検出対象としていない。但し、主磁路の磁束に
よってもトルク検出が可能であり、本出願人はこれを他
出願として提案する意向である。そのため、以後はバイ
パス磁路における磁束変化に着目して具体的作用を説明
していく。

非定常時（トルクが加わった場合） 第４図（ｂ）に示すように回転力が円周方向Ａの向きに
加わったときは磁性体5aから磁路片10aまでのギャップ
空間l_Aと磁性体5bから磁路片10bまでのギャップ空間l_A
は何れも大きくなり、逆に磁性体5aから磁路片10bまで
のギャップ空間l_Bと磁性体5bから磁路片10aまでのギャ
ップ空間l_Bとは何れも小さくなる。これに伴ってバイパ
ス磁路の磁束−φ_２の磁路抵抗は減少し、主磁路φ_１の
磁路抵抗は大きくなる。したがって、磁束の流れは定常
時に優勢であった主磁路のφ_１からバイパス磁路の方に
移行していくとともに、磁束−φ_２が磁束φ_２よりも大
きくなってゆき、その程度はＡ方向に加わる捩れ角の大
きさに比例する（第６図参照）。例えば、Ａ方向の回転
力によりホール素子13に印加する磁界の向きを正方向と
し、その出力電圧がプラスの値となるようにホール素子
13の出力を設定すれば、第６図に示すように発生トルク
の大きさおよび方向そして静止トルクを適切に検出する
ことができる。また、第４図（ｃ）に示すように回転力
が円周方向Ｂの向きに加わったときは磁束φ_２が磁束−
φ_２よりも大きくなり、上記の場合とは逆向きのトルク
を検出することができる。

このように、本実施例では磁性体5a、5bから発した磁気
力をホール素子13で検知する際に、第１シャフト１と第
２シャフト３との間に生じた捩れ変位が磁性体5a、5bと
磁路片10a、10bとの間のギャップ空間l_A，l_Bの変化とし
てとらえられ、このギャップ空間l_A，l_Bの変化が磁界の
強さの変化としてピックアップ部材７と非接触で設けら
れたホール素子13により正確に検知される。したがっ
て、従来の問題点で述べたように、相対回動変位を軸方
向変位に変換するもの等の従来装置に比して回動部分が
なく構造を極めて簡素にすることができ、応答性や信頼
性に優れ、かつ測定精度の良いトルクセンサを低コスト
で実現することができる。また、構造が簡単なことに加
えてモールド部材４やピックアップ部材７の取り付け後
にホール素子13等の調整を行うことができるため、これ
ら各部材の取り付けにおいて高い精度の要求される困難
な工作を必要としない。しかも、本発明では回転トルク
の情報を非接触で検出しているので、測定精度面の向上
は元より、耐摩耗性、保安性等の信頼性を飛躍的に向上
させることができるばかりか、従来の装置同様静止トル
クをも精度よく検出することができる。

以上のような特徴を有する本発明を例えば、自動車の操
舵力検出用としてステアリング装置に適用すれば操舵力
を制御に極めて好適である。

なお、本実施例では回転トルク検出の例として回転角が
±６°のみの態様を示しているが、これに限らず、例え
ば磁性体や磁路片およびシャフトの捩れ剛性を調節する
ことにより広範囲な静動トルクをも検出できることは勿
論である。

また、本発明では第１シャフトの先端部を捩れ変位の発
生が可能な構造として第２シャフトに連結する構成とし
ているが、この第１シャフトと第２シャフトとは別々の
部材であっても、あるいは本実施例のように第１、第２
実施例とも１本の部材で形成されるものであってもよい
ことは言うまでもない。

（効果） 本発明によれば、第１シャフトの先端部を捩れ変位の発
生が可能な構造として第２シャフトに連結し、この連結
部の周囲を取り囲むように所定数のＮ極およびＳ極を固
定磁極として交互に配設して第２シャフトに固定し、こ
れらのＮ極およびＳ極と同数の第１ピックアップ路第１
ピックアップ路および第２ピックアップ路をそれぞれ各
磁極の中間位置に対向するように配設するとともに、第
１、第２ピックアップ路を流れる磁束の変化を検出する
磁気検出素子を第１シャフトに非接触で設け、第２シャ
フトに対して第１シャフトが捩れ変位したとき前記Ｎ極
が第１ピックアップ路あるいは第２ピックアップ路の何
れの側に近接するかによって第１、第２ピックアップ路
を流れる磁束量を変化させ、この磁束の変化から第２シ
ャフトに対する第１シャフトの捩れ変位を検出するよう
にしているので、構造が簡単で応答性が良く静止、回転
に拘らず低コストで精度良く非接触でトルクを検出する
ことができる。

【図面の簡単な説明】

第１〜６図は本発明の一実施例を示す図であり、第１図
はその分解斜視図、第２図はその縦側面図、第３図はそ
の正面図、第４図はその作用を説明するための模式図、
第５図はその作用を説明するために模式的に示した斜視
図、第６図はその効果を説明するための回転トルクの特
性図である。 １……第１シャフト、 ２……小径部、 ３……第２シャフト 5a、5b……磁性体、 10a、10b……磁路片、 11……第１ピックアップ路、 12……第２ピックアップ路、 13……ホール素子（磁気検出素子）。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】第１シャフトの先端部を捩れ変位の発生が
   可能な構造として第２シャフトに連結し、この連結部の
   周囲を取り囲むように所定数のＮ極およびＳ極を固定磁
   極として交互に配設して第２シャフトに固定し、これら
   のＮ極およびＳ極と同数の第１ピックアップ路および第
   ２ピックアップ路をそれぞれ各磁極の中間位置に対向す
   るように配設するとともに、第１、第２ピックアップ路
   を流れる磁束の変化を検出する磁気検出素子を第１シャ
   フトに非接触で設け、第２シャフトに対して第１シャフ
   トが捩れ変位したとき前記Ｎ極が第１ピックアップ路あ
   るいは第２ピックアップ路の何れの側に近接するかによ
   って第１、第２ピックアップ路を流れる磁束量を変化さ
   せ、この磁束の変化から第２シャフトに対する第１シャ
   フトの捩れ変位を検出するようにしたことを特徴とする
   トルクセンサ。