JPH0731149Y2 - トルクセンサ - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本考案はトルクセンサに関し、特に自動車の電動パワー
ステアリング装置に適用するのに好適なトルクセンサを
提案するものである。

〔従来の技術〕

自動車の操舵輪を操作する力を補助するパワーステアリ
ング装置として電動式のものが開発されつつある。これ
は操舵輪により加えられたトルクを検出し、その検出ト
ルクに応じて、操舵機構に設けた電動機を回転させる構
造となっている。ところで操舵輪により加えられたトル
クを検出する従来のトルクセンサはポテンションメータ
を用いた構造となっている。

しかしながらポテンションメータを用いると、その長期
使用によって接触不良が生じてトルクを誤検出する虞れ
がある。そのため本願出願人は例えば第３図に半截断面
図で示す構造のトルクセンサを提案している（例えば特
願昭63-72269号）。入力軸１は図示しない操舵輪が取り
付けられている上部軸1aと、操舵機構の図示しないピニ
オンが取り付けられている下部軸1cとがトーションバー
1bを介して同軸的に連結され、円筒のケース２内を挿通
させて軸受３によりケース２に回転自在に支持されてい
る。

上部軸1aの下端部（図面左側）には非磁性体からなる第
１スリーブ4aを外嵌固着し、その第１スリーブ4aには磁
性体からなる第１の円筒５及び第２の円筒６を軸方向に
適長離隔して外嵌固着している。

第２の円筒６は第１の円筒５の軸端面と対向しない側の
軸端面に多数の歯部6aが周設されている。一方、下部軸
1cには、非磁性体からなる第２スリーブ4bを外嵌固着し
ており、その第２スリーブ4bに磁性体からなる第３の円
筒７を外嵌固着している。この第３の円筒７は第２の円
筒６の軸端面と対向する軸端面に多数の歯部7aを周設し
ている。そして第2,第３の円筒6,7の歯部6a及び7aが形
成された軸端面は適長離隔して対向している。前記ケー
ス２内には内周面に２本の周設溝8a,8bを形成している
ボビン８が内嵌固着されており、第1,第２の円筒5,6の
軸端面対向位置に対向する周設溝8aには、第1,第２の円
筒5,6の磁気結合に関連する誘起電圧を得る温度補償コ
イル９を巻回している。また第2,第３の円筒6,7の軸端
面対向位置に対向する周設溝8bには、第2,第３の円筒6,
7の磁気結合による誘起電圧を得るトルク検出コイル10
を巻回している。

図示しない高周波発振器の発振出力をトルク検出コイル
10及び温度補償コイル９に与える。いま、上部軸1aに回
転トルクを与えるとトーションバー1bがそのトルクに応
じて捩じれ、上部軸1aに固設している第２の円筒６は、
下部軸1cに固設している第３の円筒７に対して相対的に
回転する。それにより両円筒6,7の軸端面の対向面積が
変化して、両円筒6,7の磁気結合状態がトルクに応じて
変化して、トルク検出コイル10の誘起電圧が変化する。
一方、温度補償コイル９の誘起電圧は第1,第２の円筒5,
6の磁気結合状態に応じて得られ、周囲温度が変化して
両円筒5,6の対向面積が変化した場合にそれに応じて変
化する。したがって、トルク検出コイル10と温度補償コ
イル９との誘起電圧差を求めて、温度補償された検出ト
ルクを得ている。また、これとは別に特開昭59-46526号
公報には、軸端部に鋸歯状端縁を形成しており、その鋸
歯状端縁を互いに対向させている高透磁率材料の１対の
筒状体と、この筒状体に接触しないように筒状体を包囲
するトルク検出コイルとを備えて構成している電磁スト
レスセンサが示されている。また特開昭58-73833号公報
には、励磁線輪の両側に検出線輪を並設しており、それ
により２個の検出線輪を備えて構成している、回転状態
における相対変位角非接触測定装置が示されている。

〔考案が解決しようとする課題〕

ところで、従来のトルクセンサ及び特開昭59-46526号公
報に示されている電磁ストレスセンサにはいずれも、単
一のトルク検出コイル10を設けているから、このトルク
検出コイル10が断線した場合には上部軸1aに作用したト
ルクが検出できなくなる。また特開昭58-73833号公報に
示されている、回転状態における相対変位角非接触測定
装置は、励磁線輪の両側に並設した２個の検出線輪の差
動出力を求めて相対変位角を測定するようにしているの
で、一方の検出線輪が断線した場合には、相対変位角が
検出できなくなるという問題がある。したがって、この
ようなトルクセンサを自動車に装備している場合には、
運転者はその断線後は操舵輪を強い力で操作することを
強いられるという問題がある。

本考案は斯かる問題に鑑み、１つのトルク検出コイルに
よるトルク検出が不能になっても、引き続きトルクを検
出するトルクセンサを提供することを目的とする。

〔課題を解決するための手段〕

本考案に係るトルクセンサは、トーションバーを介して
連結された２つの軸の一方の軸に固設され、一側軸端面
に歯部を周設している磁性体製の第1,第２の円筒と、他
方の軸に固設され、一側軸端面に歯部を周設しており該
歯部が前記第1,第２の円筒の前記一側軸端面と対向し、
その他側軸端面が互いに対向している磁性体製の第3,第
４の円筒と、第１の円筒と第３の円筒との磁気結合に関
連する誘起電圧を得る第１のトルク検出コイルと、第２
の円筒と第４の円筒との磁気結合に関連する誘起電圧を
得る第２のトルク検出コイルと、第３の円筒の外周に配
設された第１の温度補償コイルと、第４の円筒の外周に
配設された第２の温度補償コイルと、第１のトルク検出
コイルと第１の温度補償コイルとの差動出力を第１の出
力とし、第２のトルク検出コイルと第２の温度補償コイ
ルとの差動出力を第２の出力とし、前記第１の出力，第
２の出力が入力されるとともに、両出力のいずれか一方
を選択出力する選択手段とを備えていることを特徴とす
る。

〔作用〕

トーションバーを介して連結された２つの軸の一方の軸
に回転トルクを与えるとトーションバーが捩じれる。第
１と第３の円筒及び第２と第４の円筒とが夫々等量で相
対的に回転して、夫々が対向している軸端面の対向面積
が変化する。第１のトルク検出コイルには、第1,第３の
円筒の磁気結合状態に相応する誘起電圧が生じる。第２
のトルク検出コイルには、第2,第４の円筒の磁気結合状
態に相応する誘起電圧が生じる。

第1,第２の温度補償コイル夫々には、第３の円筒と第４
の円筒とが対向している軸端面の磁気結合状態に関連す
る誘起電圧が生じる。第１のトルク検出コイルの誘起電
圧と第１の温度補償コイルの誘起電圧との電圧差が温度
補償された検出トルクである第１の出力となり、第２の
トルク検出コイルの誘起電圧と第２の温度補償コイルの
誘起電圧との電圧差が温度補償された検出トルクである
第２の出力となる。故障により第１の出力又は第２の出
力が消滅すると、選択手段は第２の出力又は第１の出力
を選択して出力する。

これにより、一方の軸に与えた回転トルクを、第1,第２
のトルク検出コイルがともに検出する。故障により第１
の出力、第２の出力のいずれかが消滅しても、トルクの
検出が不能にならない。

これにより、一方の軸に与えた回転トルクは第1,第２の
トルク検出コイルがともに検出する。

〔実施例〕

以下本考案をその実施例を示す図面によって詳述する。

第１図は本考案に係るトルクセンサの構造を示す半截断
面図である。入力軸100は図示しない操舵輪が取り付け
られている上部軸11aと操舵機構の図示しないピニオン
が取り付けられている下部軸11cとがトーションバー11b
を介して同軸的に連結されているものであり、上部軸11
aは例えば車体に固定されている筒状のケース12に軸受1
3を介して回転自在に支持されている。

上部軸11aの下端部（図面左側）の外径は、下部軸11cの
上端部（図面右側）の孔への挿入のために小径となって
いる。下部軸11cの上端部寄りには適幅寸法の周設凹部1
1dが設けられている。この周設凹部11d位置には、内径
寸法が下部軸11cの外径寸法より稍大径の非磁性体から
なる第１スリーブ14aを遊嵌して配設しており、この第
１スリーブ14aはこれに係入させたピン15を、下部軸11c
の径方向に貫通させて上部軸11aの小径部に係入させ上
部軸11aに同心的に周設されている。なお、ピン15は第
１スリーブ14aの周方向に複数本等配しており、またそ
れらのピンが貫通している下部軸11c部分は、下部軸11c
の回転を妨げないように周方向に適長のピン孔11eを設
けている。それにより第１スリーブ14aは上部軸11aと連
動するようになっている。

第１スリーブ14aには、一側軸端面に多数の歯部61aを周
設している磁性体からなる第１の円筒61を、その歯部61
aを上部軸11aの上端側（図面右側）にして外嵌固着して
いる。

上部軸11aの下端部における大径部には、非磁性体から
なる第２スリーブ14bを外嵌固着しており、この第２ス
リーブ14bには、一側軸端面に前記歯部61aと同ピッチで
多数の歯部62aを周設している磁性体からなる第２の円
筒62を、その歯部62aを前記歯部61a側にして外嵌固着し
ている。下部軸11cの上端部には非磁性体からなる第３
スリーブ14cを外嵌固着しており、この第３スリーブ14c
には、一側軸端面に歯部61aと同ピッチで多数の歯部63a
を周設した磁性体からなる第３の円筒63及び同様に多数
の歯部64aを周設した磁性体からなる第４の円筒64を、
歯部63a,64aを有しない他側軸端面63b,64bを互いに適長
離隔して対向させて外嵌固着している。そして、第１の
円筒61の歯部61aを有する軸端面と第３の円筒63の歯部6
3aを有する一側軸端面とが、また第２の円筒62の歯部62
aを有する一側軸端面と第４の円筒64の歯部64aを有する
一側軸端面とが、ともに等しい距離で対向させている。
また歯部61aと63a及び歯部62aと64aとは対向状態を同じ
にしてある。

なお対向させた歯部同士は歯幅全部で対向させているが
歯幅の一部で対向させてもよい。

前記ケース12内には、内周面に４本の周設溝16a,16b,16
c,16dを軸方向に並設しているボビン16を内嵌固着して
いる。そしてこのボビン16がケース12の所定位置に内嵌
された場合には、周設溝16aの幅方向中心が歯部61aと63
aとの対向位置に、周設溝16b,16cが第3,第４の円筒63,6
4の他側軸端面63b,64bの対向位置寄りに、周設溝16dの
幅方向の中心が第2,第４の円筒62,64の歯部62a,64aの対
向位置に夫々位置すべく設けている。そして周設溝16a
には第１のトルク検出コイル17を、周設溝16dには第２
のトルク検出コイル18を夫々溝に沿わせて巻回してお
り、これらのコイル17,18の線径は同一に、巻回数は適
宜の同一巻回数にしてある。

また周設溝16bには第１の温度補償コイル19を、周設溝1
6cには第２の温度補償コイル20を夫々溝に沿わせて巻回
しており、これらのコイル19,20の線径は同一に、巻回
数は適宜の同一巻回数にしてある。更に、トルク検出コ
イル17,18の巻回方向は同方向であり、温度補償コイル1
9,20の巻回方向を同方向にしている。

第２図は本考案のトルクセンサの電気回路要部の回路図
である。第1,第２のトルク検出コイル17,18及び第1,第
２の温度補償コイル19,20の夫々の一端を接地してい
る。

第１のトルク検出コイル17及び第１の温度補償コイル19
の各他端を第１の差動増幅器21の正，負入力端子＋，−
と各接続している。また第２のトルク検出コイル18及び
第２の温度補償コイル20の各他端を第２の差動増幅器22
の正，負入力端子＋，−と各接続している。第1,第２差
動増幅器21,22の夫々の出力を増幅回路23,24へ各入力し
ている。増幅回路23,24の夫々の出力をマルチプレクサ2
5の入力端子25a,25bへ各入力しており、マルチプレクサ
25が選択した出力信号TSはパワーステアリング用モータ
の制御回路（図示せず）へ与えられる。また図示しない
選択制御部からマルチプレクサ25に選択指令信号SSを与
えるようになっている。

次に本考案のトルクセンサの動作を第１図により説明す
る。このトルクセンサを動作させる場合には、例えば５
〜10kHzで発振する図示しない高周波発振器を発振させ
てその発振出力を第1,第２のトルク検出コイル17,18及
び第1,第２の温度補償コイル19,20の夫々に与える。そ
うすると、トルク検出コイル17には円筒61と63との一側
軸端面の磁気結合状態に関連する誘起電圧が、トルク検
出コイル18には円筒62と64との一側軸端面の磁気結合状
態に関連する誘起電圧が、温度補償コイル19,20には円
筒63と64との他側軸端面の磁気結合状態に関連する誘起
電圧が生じることになる。

さて、第１図において図示しない操舵輪を操作して上部
軸11aを時計方向（実線矢符方向）へ回転させるとトー
ションバー11bが捩じれて、第1,第２の円筒61,62が第3,
第４の円筒63,64に対して時計回転方向へ相対的に回転
して、歯部61aと63aとの及び62aと64aとの対向面積が減
少し、磁気結合が小となり、第1,第２のトルク検出コイ
ル17,18の誘起電圧が低くなる。これに対し第3,第４の
円筒63,64の他側軸端面63b,64bが対向している部分の磁
気結合は不変であるから、第1,第２の温度補償コイル1
9,20の誘起電圧が変化しない。それにより差動増幅器2
1,22の各出力は前述した相対回転差に関連したものとな
る。そして両差動増幅器21,22の夫々の出力が増幅回路2
3,24へ入力されて、増幅された後マルチプレクサ25へ入
力される。マルチプレクサ25は選択指令信号SSによっ
て、増幅回路23,24のいずれかの出力を選択して、図示
しない制御回路へ出力して、検出トルクに応じて電動機
を駆動することになる。

なお、操舵輪を反時計方向（破線矢符方向）へ操作した
場合も、前述した場合と同様に電磁結合状態が小となっ
て第1,第２のトルク検出コイル17,18の誘起電圧が低く
なり、前記同様に出力することになる。

そして、前記相対回転量は入力軸11に操舵輪によって加
えた回転トルクによって定まるから、結局は差動増幅器
21又は22の出力によりトルクが検出できたことになる。

しかして、例えばトルク検出コイル17が断線すると、そ
の誘起電圧が消滅してそれによるトルク検出が不能とな
るが、それを図示しない選択制御部が制御するとマルチ
プレクサ25に新たな選択指令信号SSを与えて、マルチプ
レクサ25は増幅回路24の出力を選択して出力信号TSを出
力することになり、マルチプレクサ25の出力が瞬時的に
も消滅せず、トルクセンサによるトルク検出が不能に陥
ることがない。

したがって、１つのトルク検出コイルが例え断線して
も、パワーステアリング制御を継続させることができる
ことになる。

これとは別に、トルクセンサの周囲温度が変化した場合
には、熱膨張係数により第1,第３の円筒61,63の軸端面
の対向間隙及び第2,第４の円筒62,64の軸端面の対向間
隙が変化するが、それに相応して第3,第４の他側軸端面
63b,64bの対向間隙も変化するから、トルク検出コイル1
7,18及び温度補償コイル19,20の誘起電圧変化に及ぼす
影響が等しくなり、差動増幅器21,22でトルク検出コイ
ル17,18と温度補償コイル19,20との夫々の誘起電圧差を
求めることでトルク検出の温度補償が行える。

なお、磁性体からなる円筒61,62,63,64の歯部の形状は
本実施例に限定されるものではなく、その相対回転によ
って対向軸端面間の磁気結合状態が変化する形状であれ
ばよい。またマルチプレクサ25をOR回路に替えて一方の
増幅回路の出力が消滅したときには他方の増幅回路の出
力を出力するようにしてもよい。

そして、本考案のトルクセンサは自動車のパワーステア
リング装置に限らず、例えば回転量自体の測定にも適用
できることは勿論である。

〔考案の効果〕

以上詳述したように本考案のトルクセンサは、第1,第２
のトルク検出コイル及び第1,第２の温度補償コイルを備
え、第１のトルク検出コイルの出力と第１の温度補償コ
イルの出力との差動出力、及び第２のトルク検出コイル
の出力と第２の温度補償コイルの出力との差動出力がと
もに得られるようにし、それらを選択手段により選択し
て出力するようにしたから、故障により一方の差動出力
が得られなくなった場合には、選択手段により他方の差
動出力が選択されて出力され、トルクが検出できない状
態になる虞れがなく、またトルク検出の温度補償が行わ
れて、フェイルセーフ機能を備えるとともに、トルクの
検出精度を高めることができる。

よって本考案は信頼性及び安全性に優れたトルクセンサ
を提供できる優れた効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本考案に係るトルクセンサの構造を示す半截断
面図、第２図は本考案のトルクセンサの電気回路要部の
回路図、第３図は従来のトルクセンサの構造を示す半截
断面図である。 11a…上部軸、11b…トーションバー、11c…下部軸、12
…ケース、17…第１のトルク検出コイル、18…第２のト
ルク検出コイル、19,20…温度補償コイル、61…第１の
円筒61a…歯部、62…第２の円筒、62a…歯部63…第３の
円筒、63a…歯部、64…第４の円筒64a…歯部、100…入
力軸

Claims (1)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 【請求項１】トーションバーを介して連結された２つの
   軸の一方の軸に固設され、一側軸端面に歯部を周設して
   いる磁性体製の第1,第２の円筒と、他方の軸に固設さ
   れ、一側軸端面に歯部を周設しており該歯部が前記第1,
   第２の円筒の前記一側軸端面と対向し、その他側軸端面
   が互いに対向している磁性体製の第3,第４の円筒と、第
   １の円筒と第３の円筒との磁気結合に関連する誘起電圧
   を得る第１のトルク検出コイルと、第２の円筒と第４の
   円筒との磁気結合に関連する誘起電圧を得る第２のトル
   ク検出コイルと、第３の円筒の外周に配設された第１の
   温度補償コイルと、第４の円筒の外周に配設された第２
   の温度補償コイルと、第１のトルク検出コイルと第１の
   温度補償コイルとの差動出力を第１の出力とし、第２の
   トルク検出コイルと第２の温度補償コイルとの差動出力
   を第２の出力とし、前記第１の出力，第２の出力が入力
   されるとともに、両出力のいずれか一方を選択出力する
   選択手段とを備えていることを特徴とするトルクセン
   サ。