JPH0743288B2 - 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
検出装置に適用したものとして、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、ステアリングホイールから入力する
操舵トルクと操舵抵抗との差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、一端が
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、回転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
うに所定対のＮ極あるいはＳ極を固定磁極として配設し
て第２シャフトに固定し、該固定磁極と同数の第１ピッ
クアップ路を各固定磁極の中間位置に対向するように配
設し、この第１ピックアップ路を流れる磁束を前記各磁
極に帰還させる第２ピックアップ路を配設するととも
に、第１、第２ピックアップ路を流れる磁束の量を検出
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変位
前に各固定路極の中間位置にある第１ピックアップ路が
変位後にこの中間位置から外れて固定磁極側に近接する
ことによって第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。

（作用） 本発明では、第１シャフトの先端部が捩れ変位の発生が
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極あるいはＳ極が固
定磁極として配設されて第２シャフトに固定されるとと
もに、該固定磁極と同数の第１ピックアップ路が各固定
磁極の中間位置に対向するように配設され、この第１ピ
ックアップ路を流れる磁束を前記各磁極に帰還させる第
２ピックアップ路が配設される。また、第１、第２ピッ
クアップ路を流れる磁束の量を検出する磁気検出素子が
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変位前に
各固定路極の中間位置にある第１ピックアップ路が変位
後にこの中間位置から外れて固定磁極側に近接すること
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１〜５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図は縦断側面図、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図の縦断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成形
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８およびホール素子11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５が同心円状で
かつ等間隔になるように16個配設されている。さらに、
各磁性体５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５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５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５の個数を16個
としているが勿論これには限定されず、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く、また、切断
面4cにＳ極を臨むものでもよい。

一方、第１シャフトの小径部２側の外周面1aには円筒フ
ランジ型磁路材（第２ピックアップ路）７が嵌合・固着
されており、円筒フランジ型磁路材７の一端部7aはコモ
ンリング６の内周面6aと微少空隙（ピポットエアーギャ
ップ）を有するように第２シャフト３側に延長されてい
る。また、円筒フランジ型磁路材７の他端部7bは後述す
る円環状の磁路材（第１ピックアップ路）９の内周面9b
と所定の微少空隙を有して対向するように軸方向に対し
て垂直に折り曲げられており、円筒フランジ型磁路材７
の外周面7cには非磁性材からなるピックアップ部材８が
嵌合・固着されている。ピックアップ部材８には他端部
7bの先端側から軸方向側に微少空隙8aが画成されてお
り、ピックアップ部材８の外周側端面8bには円環状の磁
路材９が切断面4cに面し、かつ切断面4cと微少空隙を有
するように配設されている。円環状の磁路材９には各磁
性体５の中間位置に対向する16個の歯形突出部9aが形成
されている。ところで、円筒フランジ型磁路材７、円環
状の磁路材９は前記の磁性体５と同様に非磁性体からな
るピックアップ部材８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５が円筒フランジ型磁路材７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５から円環状の磁路材９の歯形突出部9aに至るまでの
ギャップ空間は何れも等しいものとなる。ここで、コモ
ンリング６、円筒フランジ型磁路材７および円環状の磁
路材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いる。さらに、
上述した円環状の磁路材９の歯形突出部9aと円筒フラン
ジ型磁路材７の端部7bとの間には磁路材やピックアップ
部材８と非接触でかつ歯形突出部9aから端部7bに（ある
いは端部7bから歯形突出部9a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）11が１個あ
るいは複数個配設され、ホール素子11はプリント基板12
に接着材等で固着される。プリント基板12上にはホール
素子11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12はプリント
基板に固着する支持部材12a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11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、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を磁性体５と歯形突出
部9aとの間のギャップ空間の変化としてとらえ、このギ
ャップ空間の変化により生じた磁束量の変化をホール素
子11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）は定常時におけるトルク検出機構21の
一部を模式的に示す斜視図であり、同図（ｂ）は回転力
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。

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５から円環状の磁路材９の歯形突出部9aに至るま
でのギャップ空間はどの場所においても一様である。し
たがって、同図に示すように歯形突出部9aと歯形突出部
9aを挟む１対の磁性体５とを例に採り説明することがで
きる。いま、磁性体５のＮ極から発した磁束は矢印で示
す如く、ギャップ空間歯形突出部9a、内周面9bを経てホ
ール素子11に至り、ホール素子11を直交して円筒フラン
ジ型磁路材７の端部7b、7a、ピボットエアーギャップお
よびコモンリング６を経由して元の磁性体５のＳ極に帰
還する閉ループを形成している（このときの磁束をφと
呼ぶ）。この場合、ホール素子11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あるいはピポ
ットエアーギャップの大きさの差異により決定される
が、定常時ではこのギャップ空間は比較的大きいことか
ら、ホール素子11に印加される磁界の強さは殆どゼロと
なりトルクは検出されない。ところで、円筒フランジ型
磁路材７、円環状の磁路材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。

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
加わったときあるいは同図（ｃ）に示すように回転力が
円周方向Ｂに加わったときは何れも磁性体５から歯形突
出部9aまでのギャップ空間は小さくなり、これに伴って
磁路抵抗は減少してゆく。したがって、回転力に応じて
磁束は大きくなってゆき、その程度はＡあるいはＢ方向
に加わる捩れ角の大きさに比例する。その結果、第５図
に示すように発生トルクの大きさや静止トルクを適切に
検出することができる。

このように、本実施例では磁性体５から発した磁気力を
ホール素子11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５と歯形突出
部9aとの間のギャップ空間の変化としてとらえられ、こ
のギャップ空間の変化により生じた磁束量の変化がトル
クを示すものとしてピックアップ部材８と非接触で設け
られたホール素子11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。特に、本実施例では磁路の構
造が非常にシンプルであることから、部品点数の削減や
取付コストの低減を図ることができる。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８
の取り付け後にホール素子11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
では測定が困難であった静止トルク、回転トルクの双方
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
の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
ば磁性体や磁片およびシャフトの捩れ剛性を調節するこ
とにより使途に応じた回転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。

さらに、本実施例では磁気検出素子（ホール素子）を１
個用いた例を示したがこれには限定されず、磁気検出素
子を複数個設けてもよい。例えば第１シャフト１の軸線
を中心として180°の角度に相対する位置に２個の磁気
検出素子を設けるようにすれば、偏芯等の影響によるト
ルク・リプル分を相殺することができ、検出精度をより
一層高めることができる。

（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極あるいはＳ極を
固定磁極として配設して第２シャフトに固定し、該固定
磁極と同数の第１ピックアップ路を各固定磁極の中間位
置に対向するように配設し、この第１ピックアップ路を
流れる磁束を前記各磁極に帰還させる第２ピックアップ
路を配設するとともに、第１、第２ピックアップ路を流
れる磁束の量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
れ変位したとき変位前に各固定路極の中間位置にある第
１ピックアップ路が変位後にこの中間位置から外れて固
定磁極側に近接することによって第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ができる。

【図面の簡単な説明】

第１〜５図は本発明に係るトルクセンサの一実施例を示
す図であり、第１図はその分解斜視図、第２図はその縦
断側面図、第３図はその正面図、第４図（ａ）はその定
常時の作用を説明するために模式的に示した斜視図、第
４図（ｂ）はその一方の方向にトルクが加わった場合の
作用を説明するために模式的に示した斜視図、第４図
（ｃ）はその他方の方向にトルクが加わった場合の作用
を説明するために模式的に示した斜視図、第５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、５……磁性体、７……円筒フランジ型磁路材（第２
ピックアップ路）、９……円環状の磁路材（第１ピック
アップ路）、9a……歯形突出部、11……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極あるいはＳ極を固定
   磁極として配設して第２シャフトに固定し、該固定磁極
   と同数の第１ピックアップ路を各固定磁極の中間位置に
   対向するように配設し、この第１ピックアップ路を流れ
   る磁束を前記各磁極に帰還させる第２ピックアップ路を
   配設するとともに、第１、第２ピックアップ路を流れる
   磁束の量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
   位したとき変位前に各固定路極の中間位置にある第１ピ
   ックアップ路が変位後にこの中間位置から外れて固定磁
   極側に近接することによって第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。