JPH08114518A - トルクセンサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】簡易な構成で高精度のトルク測定が行えるよう
にする。 【構成】磁性材料からなる入力軸１に形成された大径部
１Ａを包囲するように、導電性で且つ非磁性の材料から
なる肉薄の二つの円筒部材４及び５を、同軸に相対回転
可能に嵌め合わせた状態で配設し、円筒部材４は入力軸
１と回転方向に一体とし、円筒部材５は出力軸２と回転
方向に一体とする。そして、円筒部材４及び５には、そ
れらの相対回転位置に応じて重なり具合が変化するよう
に、窓４ａ，４ｂ，５ａ，５ｂを形成し、円筒部材４，
５の窓４ａ，５ａが形成された部分をコイル１０で包囲
し、窓４ｂ，５ｂが形成された部分はコイル１１で包囲
し、それらコイル１０，１１の自己誘導起電力を測定
し、その結果に基づいてトルクを求めるようにする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、回転軸に発生するト
ルクを検出するトルクセンサに関し、特に、簡易な構造
で検出感度が高まるようにしたものである。

【０００２】

【従来の技術】従来のトルクセンサとして、例えば特開
昭５７−１９０２４０号公報の第１１図に開示されたも
のがあり、この従来のトルクセンサは、相対回転可能に
同軸に配設された入力軸及び出力軸の重なり合った部分
を、アルミニウム製の比較的短い円筒部材で包囲すると
ともに、入力軸及び出力軸間の相対変位に応じてその円
筒部材を軸方向に進退させるようになっている。そし
て、円筒部材の周囲にはコイルが配設されていて、その
コイルに誘導される自己誘導起電力を測定し、その結果
に基づいて入力軸及び出力軸間の相対回転変位（トル
ク）を検出するようにしていた。つまり、円筒部材が軸
方向に進退すると、コイルの自己インダクタンスが変化
するから、コイルの自己誘導起電力に基づけば入力軸及
び出力軸に生じているトルクが検出できる、というもの
であった。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
た従来のトルクセンサにあっては、第１及び第２の回転
軸間の相対回転変位を、円筒部材の軸方向変位に変換す
る機構が必要であったため、構造が複雑になりその分信
頼性も落ちるという問題点があった。また、アルミニウ
ム製の円筒部材を変位させるだけでは、コイルの自己イ
ンダクタンスを急峻に変化させることはできなかった。
このため、センサ感度を高くするには例えばコイルの巻
き数を多くすること等が必要となるが、これでは装置の
大型化等を招いてしまうという欠点がある。

【０００４】本発明は、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って、簡易な
構造でしかも検出感度を高めることができるトルクセン
サを提供することを目的としている。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明に係るトルクセンサは、導電性で且つ非磁性
の材料からなる第１及び第２の円筒部材を相対回転可能
に同軸に嵌め合わせるとともに、同軸に配設された第１
及び第２の回転軸をトーションバーを介して連結し、前
記第１及び第２の円筒部材と前記第１及び第２の回転軸
とを同軸に配設し、前記第１の円筒部材及び前記第１の
回転軸を回転方向に一体とし、前記第２の円筒部材及び
前記第２の回転軸を回転方向に一体とし、前記第１及び
第２の円筒部材のそれぞれにそれらの間の相対回転位置
に応じて重なり具合が変化するように窓を形成し、前記
第１及び第２の円筒部材の前記窓が形成された部分の内
側の空間に磁性材料からなる部材を配設し、そして、前
記第１及び第２の円筒部材の前記窓が形成された部分を
包囲するようにコイルを配設し、そのコイルに起電力を
誘導させてこれを測定する起電力測定手段を設け、その
起電力測定手段の測定結果に基づいて、前記第１及び第
２の回転軸に発生するトルクを検出するようにした。

【０００６】

【作用】例えば第１の回転軸を入力軸とし、第２の回転
軸を出力軸とすれば、第１の回転軸からトーションバー
を介して第２の回転軸にトルクが伝達するため、それら
第１の回転軸及び第２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。すると、第１及び
第２の円筒部材間にも相対回転が生じるから、それら円
筒部材に形成された窓の重なり具合が変化する。

【０００７】そして、第１及び第２の円筒部材の窓同士
の重なり面積が小さければ、第１及び第２の円筒部材の
内側の空間に配設された磁性材料からなる部材の外周面
の比較的多くの部分が、導電性で且つ非磁性の材料から
なる材料で覆われたことと等価になる。逆に、窓同士の
重なり面積が大きければ、その磁性材料からなる部材の
外周面の比較的少ない部分が、導電性で且つ非磁性の材
料からなる材料で覆われたことと等価になる。

【０００８】ここで、本発明における非磁性の材料と
は、常磁性体及び一部の反磁性体のことであり、磁性材
料とは、強磁性体のことである。そして、非磁性材料の
透磁率は、空気と同程度であり、磁性体の透磁率に比べ
て小さい。また、導電体に磁束が鎖交するとその磁束の
変化を妨げるように“うず電流”が生じ、これによって
磁界が発生するため、物質内を均等に磁束が通らないで
表皮部分に磁束が集中する表皮効果が表れる。従って、
導電性で且つ非磁性材料からなる領域は、空気よりも磁
束を通し難い性質を有する。

【０００９】このため、上述したように窓の重なり具合
の変化によって、磁性材料からなる部材の外周面に占め
る導電性で且つ非磁性の材料で覆われた領域が変化する
と、コイルの自己インダクタンス，相互インダクタンス
は、磁性材料と、導電性で且つ非磁性の材料との間に磁
束の通しやすさに大きな差があるから、第１及び第２の
円筒部材間の相対回転に応じて急峻に変化する。

【００１０】そして、コイルの誘導起電力が起電力測定
手段によって測定されるが、コイルの自己インダクタン
ス，相互インダクタンスが第１及び第２の円筒部材間の
相対回転に応じて変化することから、その測定結果に基
づけば、第１及び第２の回転軸に発生するトルクが検出
される。

【００１１】

【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。図１乃至図６は本発明の第１実施例を示す図で
あって、これは本発明に係るトルクセンサを、車両用の
電動パワーステアリング装置に適用したものである。先
ず、構成を説明すると、車両の操舵系の一部分の断面図
である図１に示すように、同軸に且つ回転自在に配置さ
れた入力軸１及び出力軸２間が、トーションバー３を介
して連結されている。なお、これら入力軸１及び出力軸
２は、鉄等の磁性材料から形成されている。

【００１２】入力軸１の図示しない図１右端側には、ス
テアリングホイールが回転方向に一体に取り付けられて
おり、また、出力軸２の図示しない図１左端側には、例
えば公知のラックアンドピニオン式ステアリング装置を
構成するピニオン軸が連結されている。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１，トーションバー３，出力軸２及
びラックアンドピニオン式ステアリング装置を介して、
図示しない転舵輪に伝達する。

【００１３】また、出力軸２の入力軸１側端面には、ト
ーションバー３の挿入部からさらに径方向に延びた溝２
ａが形成されていて、この溝２ａには、入力軸１の出力
軸２側端面に形成された凸部１ａが挿入されている。た
だし、溝２ａの幅（周方向寸法）は、凸部１ａの幅より
も若干広くなっていて、これにより、入力軸１及び出力
軸２間の所定範囲（例えば、±５度程度）以上の相対回
転を防止している。

【００１４】なお、出力軸２には、図示しない電動モー
タの回転力が例えばウォームギア等を介して伝達される
ようになっている。つまり、電動モータへの駆動電流の
方向及び大きさを適宜制御することにより、出力軸２に
任意の方向及び大きさの操舵補助トルクが付与されるよ
うになっている。一方、入力軸１の出力軸２に近接した
部分の外周面には、入力軸１と同軸の大径部１Ａが形成
されていて、この大径部１Ａの外周面に近接してこれを
包囲するように、肉薄の二つの円筒部材４及び５が配設
されている。

【００１５】即ち、円筒部材４及び５は、導電性で且つ
非磁性の材料（例えば、アルミニウム）から形成されて
いて、円筒部材４内に円筒部材５が挿入されて、相対回
転可能に同軸に嵌め合わされている。そして、円筒部材
４の図１右方側端部内面には小径部４Ａが形成されてい
て、その小径部４Ａが入力軸１に外嵌している。これに
より、円筒部材４は入力軸１と回転方向に一体となって
いる。また、円筒部材５の図１左方側端部内面には小径
部５Ａが形成されていて、その小径部５Ａが出力軸２に
外嵌している。これにより、円筒部材５は出力軸２と回
転方向に一体となっている。

【００１６】さらに、円筒部材４の大径部１Ａを包囲す
る肉薄の部分のうち、小径部４Ａに近い側には、周方向
に等間隔離隔した長方形の複数（この実施例では、六
つ）の窓４ａ，…，４ａが形成され、小径部５Ａに近い
側には窓４ａ，…，４ａと位相が１８０度ずれるように
周方向に等間隔離隔した長方形（窓４ａと同形状）の複
数（この実施例では、六つ）の窓４ｂ，…，４ｂが形成
されている。

【００１７】より具体的には、窓４ａ，…，４ａは、円
筒部材４の周面を周方向に１２等分し、その１２当分さ
れた領域を一つ置きに長方形に開口することにより形成
されており、窓４ｂ，…，４ｂは、窓４ａ，…，４ａ同
士の間の開口していない部分に対応する部分を開口する
ことにより形成されている。一方、円筒部材５の大径部
１Ａを包囲する肉薄の部分のうち、窓４ａ，…，４ａが
形成された部分の内側には、周方向に等間隔離隔した長
方形（窓４ａと同形状）の複数（この実施例では、六
つ）の窓５ａ，…，５ａが形成され、窓４ｂ，…，４ｂ
が形成された部分の内側には、窓５ａ，…，５ａと同窓
に周方向に等間隔離隔した長方形（窓５ａと同形状）の
複数（この実施例では、六つ）の窓５ｂ，…，５ｂが形
成されている。

【００１８】ただし、入力軸１及び出力軸２間に相対回
転が生じていないとき（操舵トルクが零のとき）に、図
１のＡ−Ａ線における円筒部材４及び５の断面図である
図２に示すように窓４ａ及び窓５ａが半分だけ重なるよ
うに、円筒部材４及び５は位置合わせをされてそれぞれ
入力軸１又は出力軸２に固定されている。従って、図１
のＢ−Ｂ線における円筒部材４及び５の断面図である図
３に示すように、操舵トルクが零のときには、窓４ｂ及
び５ｂも半分だけ重なるようになるが、窓４ａと４ｂと
の間の位相が１８０度ずれているため、窓４ａ及び５ａ
の重なり状態と、窓４ｂ及び５ｂの重なり状態とは、図
２，図３及び円筒部材４，５を固定した状態の入力軸
１，出力軸２の正面図である図４からも明らかなよう
に、周方向で逆になっている。

【００１９】そして、円筒部材４，５は、同一規格のコ
イル１０及び１１が巻き付けられたボビン９で包囲され
ている。即ち、コイル１０及び１１は、それら円筒部材
４，５と同軸に配置されていて、コイル１０は窓４ａ，
…，４ａが形成された部分を包囲するようにボビン９に
巻き付けられ、コイル１１は窓４ｂ，…，４ｂが形成さ
れた部分を包囲するようにボビン９に巻き付けられてい
る。

【００２０】コイル１０及び１１は、図示しないセンサ
ケースに収容されたモータ制御回路に接続されている。
モータ制御回路は、例えば図５に示すように、所定周波
数の交流電流をコイル１０，１１に供給する発振部２１
と、コイル１０の自己誘導起電力を整流及び平滑して出
力する整流・平滑回路２２と、コイル１１の自己誘導起
電力を整流及び平滑して出力する整流・平滑回路２３
と、整流・平滑回路２２の出力及び整流平滑回路２３の
出力の差を増幅して出力する差動アンプ２４Ａ，２４Ｂ
と、差動アンプ２４Ａの出力に含まれる外部からのノイ
ズ成分を除去するノイズ除去フィルタ２５Ａと、差動ア
ンプ２４Ｂの出力に含まれる外部からのノイズ成分を除
去するノイズ除去フィルタ２５Ｂと、それらノイズ除去
フィルタ２５Ａ，２５Ｂの出力の例えば平均値に基づい
て円筒部材４及び５の相対回転変位の方向及び大きさを
演算しその結果に例えば所定の比例定数を乗じて操舵系
に発生している操舵トルクを求めるトルク演算部２６
と、トルク演算部２６の演算結果に基づいて操舵トルク
を軽減する操舵補助トルクが発生するような駆動電流Ｉ
を電動モータに供給するモータ駆動部２７と、から構成
されている。

【００２１】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１及び出力軸２間には相対回転は生じな
い。従って、入力軸１と一体に回転する円筒部材４と、
出力軸２と一体に回転する円筒部材５との間にも、相対
回転は生じない。

【００２２】一方、ステアリングホイールを操舵して入
力軸１に回転力が生じると、その回転力は、トーション
バー３を介して出力軸２に伝達される。このとき、出力
軸２には、転舵輪及び路面間の摩擦力や出力軸２の図示
しない左端側に構成されたラックアンドピニオン式ステ
アリング装置のギアの噛み合い等の摩擦力に応じた抵抗
力が生じるため、入力軸１及び出力軸２間には、トーシ
ョンバー３が捩じれることによって出力軸２が遅れる相
対回転が発生し、円筒部材４及び５間にも相対回転が生
じる。

【００２３】ここで、例えば右操舵トルク（右回転方向
操舵時に発生する操舵トルク）発生時には、操舵トルク
零の場合に比べて、窓４ａ及び５ａの重なり合った面積
は大きくなり、窓４ｂ及び５ｂの重なり合った面積は小
さくなる。逆に、左右操舵トルク（左回転方向操舵時に
発生する操舵トルク）発生時には、操舵トルク零の場合
に比べて、窓４ａ及び５ａの重なり合った面積は小さく
なるのに対し、窓４ｂ及び５ｂの重なり合った面積は大
きくなる。

【００２４】そして、窓４ａ及び５ａ，窓４ｂ及び５ｂ
が重なり合った部分は、その内側に配設される磁性材料
からなる大径部１Ａの表面を露出することになる。換言
すれば、大径部１Ａの外周面のうち、導電性で且つ非磁
性の材料からなる円筒部材４，５で覆われた部分が操舵
トルクに応じて変化するのであり、具体的には、右操舵
トルク発生時には、その方向の操舵トルクが大きくなる
に従って、コイル１０の内側では大径部１Ａの外周面の
露出領域が増大し、コイル１１の内側ではその外周面の
露出領域は減少する。逆に、左操舵トルク発生時には、
その方向の操舵トルクが大きくなるに従って、コイル１
０の内側では大径部１Ａの外周面の露出領域が減少し、
コイル１１の内側ではその外周面の露出領域は増大す
る。

【００２５】すると、大径部１Ａは、円筒部材４，５よ
りも磁束を通しやすい性質を有しているため、右操舵ト
ルク発生時には、コイル１０の自己インダクタンスは増
大しコイル１１の自己インダクタンスは減少するから、
コイル１０の自己誘導起電力は大きくなり、コイル１１
の自己誘導起電力は小さくなる。逆に、左操舵トルク発
生時には、コイル１０の自己インダクタンスは減少しコ
イル１１の自己インダクタンスは増大するから、コイル
１０の自己誘導起電力は小さくなり、コイル１１の自己
誘導起電力は大きくなる。

【００２６】従って、コイル１０及び１１の自己誘導起
電力の差を求める差動アンプ２４Ａ及び２４Ｂの出力
は、図６に示すように、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ようになる。また、差動アンプ
２４Ａ及び２４Ｂにおいて整流・平滑回路２２，２３の
差を求めているため、温度等による自己インダクタンス
の変化はキャンセルされる。

【００２７】そして、トルク演算部２６は、ノイズ除去
フィルタ２５Ａ，２５Ｂを介して供給される差動アンプ
２４Ａ，２４Ｂの出力の平均値を演算し、その値に例え
ば所定の比例定数を乗じて操舵トルクを求め、その結果
をモータ駆動部２７に供給する。モータ駆動部２７は、
操舵トルクの方向及び大きさに応じた駆動電流Ｉを電動
モータに供給する。

【００２８】すると、電動モータには、操舵系に発生し
ている操舵トルクの方向及び大きさに応じた回転力が発
生し、その回転力がウォームギア等を介して出力軸２に
伝達されるから、出力軸２に操舵補助トルクが付与され
たことになり、操舵トルクが減少し、操縦者の負担が軽
減される。そして、導電性で且つ非磁性の材料からなる
円筒部材４，５は、交番磁界と鎖交する場合には、うず
電流が発生して磁束を通し難くなるため、空気よりも更
に磁束を通し難い性質を有する。これに対し、円筒部材
４，５の内周面に近接した大径部１Ａは、磁束を通し易
い（空気よりも通し易い）。従って、大径部１Ａ外周面
の露出面積の変化は、コイル１０，１１の自己インダク
タンスを急峻に変化させることになるから、差動アンプ
２４Ａ，２４Ｂの出力を急峻にしてセンサ感度を上げる
ことができる。逆に、センサ感度が従来のままでよけれ
ば、コイル１０，１１の巻き数等を少なくしてコイル１
０，１１を小型化できる。

【００２９】また、円筒部材４及び５内を通過する磁束
は、うず電流による表皮効果によって、コイル１０，１
１に近い表皮部分に集中することになる。ちなみに、コ
イル１０，１１に供給する交流電流の周波数をｆ、円筒
部材４，５をなす材料の透磁率をμ、その電気伝導率を
σとすれば、磁束が集中する表皮の厚さδは、下記の
（１）式のようになる。

【００３０】 δ＝２／（２πｆ・σ・μ）^1/2 ……（１） つまり、円筒部材４，５の厚みは、上記（１）式で求め
られる厚さδ以上あればよいから、円筒部材４，５を含
んだセンサ部分の外径寸法を小さくできる。以上から、
本実施例の構成であれば、トルクセンサが配設される部
分を従来に比べて小型化（細く）できるという利点があ
り、本実施例のようにスペース的な余裕が小さい車両に
適用される装置にとっては特に有益である。

【００３１】さらには、入力軸１及び出力軸２間の相対
回転変位を他の部材の直進運動に変換する機構が必要が
ないから、構造が簡易であるし、変換機構が不要な分、
精度が向上するという利点がある。ここで、本実施例で
は、入力軸１が第１の回転軸に対応し、出力軸２が第２
の回転軸に対応し、円筒部材４が第１の円筒部材に対応
し、円筒部材５が第２の円筒部材に対応し、大径部１Ａ
が磁性材料からなる部材に対応し、発振部２１，整流・
平滑回路２２，２３及び差動アンプ２４Ａ，２４Ｂによ
って起電力測定手段が構成される。

【００３２】図７は本発明の第２実施例を示す図であっ
て、上記第１実施例の図４と同様に円筒部材４，５を固
定した状態の入力軸１，出力軸２の正面図である。な
お、上記第１実施例と同様の部材，部位には、同じ符号
を付し、その重複する説明は省略する。即ち、上記第１
実施例では、円筒部材５に軸方向に離隔して二列の窓５
ａ，…，５ａ、窓５ｂ，…，５ｂを形成しているが、本
実施例では、円筒部材５に軸方向に長い窓５ｃ，…，５
ｃを形成することにより、それら二列の窓５ａ，…，５
ａ、窓５ｂ，…，５ｂを共通化したものである。これに
より、製造コストを低減できるという利点がある。その
他の作用効果は上記第１実施例と同様である。

【００３３】なお、上記実施例では、信頼性を向上させ
るために、差動アンプ２４Ａ，２４Ｂ及びノイズ除去フ
ィルタ２５Ａ，２５Ｂを二系統設けているが、これは必
ずしも必要ではなく、個々の回路の信頼性が十分であれ
ば一系統であっもよいし、逆に三系統以上設けてもよ
い。また、上記実施例では、本発明に係るトルクセンサ
を、車両用の電動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。

【００３４】そして、上記実施例では、コイル１０，１
１の自己誘導起電力を測定する構成としているが、発振
コイルを設けることにより相互誘導起電力を測定する構
成としてもよい。或いは、差動を採ることなく、一つの
コイルの自己誘導起電力，相互誘導起電力に基づいてト
ルクを求めるようにしてもよい。

【００３５】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
導電性で且つ非磁性の材料からなる第１及び第２の円筒
部材を相対回転可能に同軸に嵌め合わせるとともに、同
軸に配設された第１及び第２の回転軸をトーションバー
を介して連結し、前記第１及び第２の円筒部材と前記第
１及び第２の回転軸とを同軸に配設し、前記第１の円筒
部材及び前記第１の回転軸を回転方向に一体とし、前記
第２の円筒部材及び前記第２の回転軸を回転方向に一体
とし、前記第１及び第２の円筒部材のそれぞれにそれら
の間の相対回転位置に応じて重なり具合が変化するよう
に窓を形成し、前記第１及び第２の円筒部材の前記窓が
形成された部分の内側の空間に磁性材料からなる部材を
配設し、そして、前記第１及び第２の円筒部材の前記窓
が形成された部分を包囲するようにコイルを配設し、そ
のコイルに起電力を誘導させてこれを測定する起電力測
定手段を設け、その起電力測定手段の測定結果に基づい
て、前記第１及び第２の回転軸に発生するトルクを検出
するようにしたため、簡易な構造で高精度のトルク検出
が行え、しかも装置の小型化も図れるという効果があ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例の構成を示す正断面図であ
る。

【図２】図１のＡ−Ａ線における円筒部材の断面図であ
る。

【図３】図１のＢ−Ｂ線における円筒部材の断面図であ
る。

【図４】円筒部材を固定した状態の正面図である。

【図５】モータの制御回路の一例を示す回路図である。

【図６】操舵トルクと差動アンプの出力との関係を示す
グラフである。

【図７】本発明の第２実施例における円筒部材を固定し
た状態の正面図である。

【符号の説明】

１ 入力軸（第１の回転軸） ２ 出力軸（第２の回転軸） ３ トーションバー ４ 円筒部材（第１の円筒部材） ４ａ，４ｂ 窓 ５ 円筒部材（第２の円筒部材） ５ａ，５ｂ 窓 １０，１１ コイル ２１ 発振部 ２２，２３ 整流・平滑回路 ２４Ａ，２４Ｂ 差動アンプ ２５Ａ，２５Ｂ ノイズ除去フィルタ ２６ トルク演算部 ２７ モータ駆動回路

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 導電性で且つ非磁性の材料からなる第１
   及び第２の円筒部材を相対回転可能に同軸に嵌め合わせ
   るとともに、同軸に配設された第１及び第２の回転軸を
   トーションバーを介して連結し、前記第１及び第２の円
   筒部材と前記第１及び第２の回転軸とを同軸に配設し、
   前記第１の円筒部材及び前記第１の回転軸を回転方向に
   一体とし、前記第２の円筒部材及び前記第２の回転軸を
   回転方向に一体とし、前記第１及び第２の円筒部材のそ
   れぞれにそれらの間の相対回転位置に応じて重なり具合
   が変化するように窓を形成し、前記第１及び第２の円筒
   部材の前記窓が形成された部分の内側の空間に磁性材料
   からなる部材を配設し、そして、前記第１及び第２の円
   筒部材の前記窓が形成された部分を包囲するようにコイ
   ルを配設し、そのコイルに起電力を誘導させてこれを測
   定する起電力測定手段を設け、その起電力測定手段の測
   定結果に基づいて、前記第１及び第２の回転軸に発生す
   るトルクを検出することを特徴とするトルクセンサ。