JPH0743287B2 - Torque sensor - Google Patents

Torque sensor

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JPH0743287B2
JPH0743287B2 JP275387A JP275387A JPH0743287B2 JP H0743287 B2 JPH0743287 B2 JP H0743287B2 JP 275387 A JP275387 A JP 275387A JP 275387 A JP275387 A JP 275387A JP H0743287 B2 JPH0743287 B2 JP H0743287B2
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magnetic
shaft
pole
pickup
torque
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伸一 猪尾
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株式会社ユニシアジェックス
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【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は、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。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a torque sensor, and more particularly to a torque sensor that measures rotational torque in a non-contact manner.

(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。
(Prior Art) In general, the number of devices driven by rotational driving force is very large, and its application fields are diverse. Torque control often occupies an important position in controlling such devices. That is, the torque is one of the most basic and important parameters when controlling the rotary drive system,
When the information on the torque and the number of revolutions is obtained, the product of them is proportional to the horsepower, so that it becomes possible to grasp the generation state and transmission state of power.

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。
As a conventional torque sensor, for example, there is a torque sensor described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 54-17228, which is applied to a steering force detecting device for detecting a steering force applied to a steering wheel of a vehicle. In this device, a steering wheel and a steering shaft are connected via an elastic body, and a relative torsional displacement generated between the steering wheel and the steering shaft due to a torsional action generated in the elastic body according to the magnitude of the steering torque during steering. It is detected by turning on and off the contacts that are interposed between the steering wheel and the steering shaft. However, in such a device, contacts and microswitches that are turned on and off by twisting displacement are provided, so high work accuracy is required for the placement of these contacts, and the amount of relative twisting displacement that turns on is large. There is a problem that it is difficult to individually set the relative torsional displacement amount that turns OFF or OFF. Further, the device described in Japanese Patent Laid-Open No. 55-44013 is provided with an electric displacement detection unit such as a strain gauge on an input shaft to which steering torque is transmitted from the steering wheel, and the steering torque and steering resistance input from the steering wheel. It detects the relative torsional displacement of the input shaft that occurs depending on the difference between the temperature and the temperature.Because an electrical displacement detector such as a strain gauge was fixed to the input shaft to detect the torsional displacement of the input shaft, There is a problem that it is susceptible to changes, its operation is unstable, and its reliability is poor.

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。
Therefore, as a solution to such a problem,
JP-A-58-194664, JP-A-58-218627, JP-A-58-
No. 105877, No. 57-192872, No. 58-101153,
The ones disclosed in JP-A-58-5626 and JP-A-61-21861 are known.

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。
For example, in the device described in JP-A-58-194664, a column shaft whose one end is connected to a steering wheel and the other end is connected to a steering gear is divided, and the two divided shafts are separated by an elastic body. The steering device is connected to enable relative rotational displacement, and the relative rotational displacement of these two shafts is converted into an axial displacement, which is added to the steering wheel according to the magnitude of the axial displacement. The steering force applied is detected. Further, there is the one described in the above-mentioned JP-A-61-21861 as one in which the twist of the torsion bar mechanism is converted into a change in electrostatic capacity.

(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。
(Problems to be Solved by the Invention) However, in such a conventional device, the torsional displacement of the torsion bar mechanism is detected by using a member such as a switch, or the relative rotational displacement is determined as the axial displacement. In the case of so-called contact type torque sensors such as those that convert, the structure is complicated, the number of mechanical and electrical parts of the detector is large, and considerable accuracy is required for mounting, which not only increases the manufacturing cost. Detection accuracy may deteriorate due to environmental changes such as temperature and humidity. That is, when the torque is detected as the sensor, since the rotary shaft is the target, a non-contact type torque sensor is desirable from the viewpoint of reliability such as wear resistance and safety. On the other hand, even a non-contact type torque sensor, for example, one that photoelectrically detects the amount of torsional displacement (see Japanese Patent Laid-Open No. 58-5626) cannot be used particularly in a heavily soiled place. Sometimes. In addition to the above-mentioned problems, in the conventional device, whether the torque sensor is a contact type or a non-contact type, the conventional device detects the rotational displacement direction (that is, the direction in which the torque acts) and the stationary torque. Is quite difficult, and a torque sensor that solves these problems has not been realized yet.

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。
As described above, there is a demand for the appearance of a torque sensor that can accurately detect rotation and static torque, which are extremely important parameters when controlling a rotation drive unit such as an engine or an electric motor, in a non-contact manner at low cost.

(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。
(Object of the invention) Therefore, the present invention focuses on a physical quantity called a magnetic field that is not affected by environmental changes such as temperature and humidity and dirt, and converts a torsional displacement into a change in the magnetic flux by a predetermined structure. The purpose of the present invention is to provide a non-contact type torque sensor which has a simple structure, has a good responsiveness, and can detect a torque at low cost regardless of whether it is stationary or rotating by detecting the change without contact and measuring the torsional displacement. There is.

(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極およびS極を固定磁極として配設して
第2シャフトに固定し、該固定磁極の対数と同数の第1
ピックアップ路を固定磁極の対を構成するN極およびS
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。
(Means for Solving Problems) The torque sensor according to the present invention has the first object to achieve the above object.
The tip portion of the shaft is connected to the second shaft as a structure capable of generating a torsional displacement, and a predetermined pair of N pole and S pole is arranged as a fixed magnetic pole so as to surround the periphery of this connection portion, and the shaft is attached to the second shaft. Fixed, the first number of the same number as the logarithm of the fixed magnetic pole
The pickup path has N poles and S poles that form a pair of fixed magnetic poles.
A second pickup path is provided so as to face the middle position of the poles and returns the magnetic flux flowing through the first pickup path to each of the magnetic poles, and the amount of magnetic flux flowing through the first and second pickup paths. First magnetic detection element for detecting
The first and second pickup paths are provided in a non-contact manner with the shaft, and depending on which side of the first pickup path or the second pickup path the N pole approaches when the first shaft is torsionally displaced with respect to the second shaft. Change the amount of magnetic flux flowing through the
The torsional displacement of the shaft is detected.

(作用) 本発明では、第1シャフトが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対のN極および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、該固定磁極の対数と同数の第1ピックアップ路が固
定磁極の対を構成するN極およびS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前記第1ピックアップ路が1対
を構成するN極あるいはS極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。
(Operation) In the present invention, the first shaft is connected to the second shaft so that the distal end portion has a structure capable of generating torsional displacement, and the predetermined pair of N pole and S pole are fixed magnetic poles so as to surround the periphery of the connection portion. Is fixed to the second shaft, and the same number of first pickup paths as the number of pairs of the fixed magnetic poles are arranged so as to face an intermediate position between the N pole and the S pole forming the pair of fixed magnetic poles. A second pickup path is provided for returning the magnetic flux flowing through the first pickup path to each of the magnetic poles. Further, a magnetic detection element that detects the amount of magnetic flux flowing through the first and second pickup paths is provided on the first shaft in a non-contact manner. Then, when the first shaft is twisted and displaced with respect to the second shaft, it flows through the first and second pickup paths depending on which side of the pair of N pole or S pole the first pickup path is located. The amount of magnetic flux changes, and the torsional displacement of the first shaft with respect to the second shaft is detected in a non-contact manner from the change in the magnetic flux. Therefore, the structure is simple, the response is good, and the torque can be accurately measured at low cost regardless of whether it is stationary or rotating.

(実施例) 以下、本発明を図面に基づいて説明する。(Example) Hereinafter, the present invention will be described with reference to the drawings.

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。
1 to 5 are views showing an embodiment of the present invention, FIG. 1 is an exploded perspective view of this embodiment, FIG. 2 is a vertical sectional side view, and FIG. 3 is a front view.

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。
First, the configuration will be described. In FIG. 1, reference numeral 1 is a first shaft, and the first shaft 1 is connected to a second shaft 3 via a small diameter portion 2 for slightly lowering torsional rigidity, as shown by A and B in the figure. The rotational force of the first shaft in the circumferential direction is transmitted to the second shaft 3 via the small diameter portion 2. Further, as shown in the vertical cross-sectional side view of FIG. 2, the outer peripheral surface 3a of the second shaft 3 has a cylindrical tip member 4a of a cylindrical mold member (non-magnetic material) 4 formed so as to enclose the small diameter portion 2.
, And the mold member 4 is paired with a pickup member 8 and a Hall element 11, which will be described later, to form a torque detection mechanism 21. On the other hand, a donut-shaped magnetic material embedded portion 4b is formed on the other end of the mold member 4, and the magnetic material embedded portion 4b has a cut surface (end surface) 4c perpendicular to the axial direction. In the body-embedded portion 4b, eight magnetic bodies 5a arranged so that the N pole faces the end surface 4c and eight magnetic bodies 5b arranged so that the S pole face the end surface 4c are alternately concentric and equally spaced. It is arranged so that. Further, the other end of each magnetic body 5a, 5b is connected to an annular common ring 6, and the common ring 6 forms a part of a closed loop magnetic path for the magnetic field emitted from each magnetic body 5a, 5b. . Common ring 6 and each magnetic body 5a,
5b is embedded in the magnetic material embedded portion 4b and is integrally formed with the magnetic material embedded portion 4b made of a non-magnetic material. In the present embodiment, the number of the magnetic bodies 5a and 5b is eight, respectively, but of course the number is not limited to this, and another number may be used as long as the north pole and the south pole alternately face the end surface 4c at equal intervals. It may be one of the embodiments.

一方、第2図に示すように第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が端面4cに面し、かつ端面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5a、5bの中間位置に対向し、かつ各磁
性体5a、5bと1対となる8個の歯形突出部9aが形成され
ており、磁性体5a、5bと歯形突出部9aとはこれら1つず
つで1組をなしている。したがって、円環状の磁路材9
は第3図の正面図に示すように歯形突出部9aを挟んで右
側にN極、左側にS極が位置することになり、N極から
歯形突出部9aまでのギャップ空間lAとS極から歯形突出
部9aまでのギャップ空間lBとは互いに等しいものとな
る。なお、本実施例では右側にN極、左側にS極の態様
を示したがこれに限らず右側にS極、左側にN極のもの
でもよい。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
られており、前記磁性体5a、5bからの磁気力を受けて捩
れ角に応じた所定の磁路を形成する。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
a、5b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)では前述したように磁性体5aあるいは5b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、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lA、lB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
にはこれら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置さ
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。
On the other hand, as shown in FIG. 2, a cylindrical flange type magnetic path material (second pickup path) 7 is fitted and fixed to the outer peripheral surface 1a of the first shaft on the side of the small diameter portion 2, and the cylindrical flange type magnetic path is formed. One end 7a of the material 7 is extended to the second shaft 3 side so as to have a minute gap (pivot air gap) with the inner peripheral surface 6a of the common ring 6. The other end 7b of the cylindrical flange type magnetic path member 7 is axially arranged so as to face an inner peripheral surface 9b of an annular magnetic path member (first pickup path) 9 described later with a predetermined minute gap. The pickup member 8 made of a non-magnetic material is fitted and fixed to the outer peripheral surface 7c of the cylindrical flange type magnetic path material 7. The pickup member 8 has a small gap from the tip end side of the end portion 7b toward the axial direction side.
8a is defined, and the outer peripheral side end surface of the pickup member 8 is formed.
An annular magnetic path material 9 is arranged on 8b so as to face the end surface 4c and to have a minute gap with the end surface 4c. The annular magnetic path member 9 is formed with eight tooth-shaped protrusions 9a facing the intermediate positions of the magnetic bodies 5a and 5b and forming a pair with the magnetic bodies 5a and 5b. , 5b and the tooth-shaped protruding portion 9a form one set each. Therefore, the annular magnetic path material 9
As shown in the front view of FIG. 3, the N pole is located on the right side and the S pole is located on the left side across the tooth profile protrusion 9a, and the gap space l A from the N pole to the tooth profile protrusion 9a and the S pole are located. It becomes equal to each other and the gap space l B to toothed protrusion 9a from. In the present embodiment, the N pole is shown on the right side and the S pole is shown on the left side. However, the present invention is not limited to this, and an S pole on the right side and an N pole on the left side may be used. Here, the common ring 6, the cylindrical flange type magnetic path material 7 and the annular magnetic path material 9 are preferably made of a material that easily allows the magnetic field lines to pass therethrough, and are made of, for example, permalloy or ferrite. To form a predetermined magnetic path corresponding to the twist angle. By the way, the cylindrical flange type magnetic path material 7 and the annular magnetic path material 9 are the magnetic material 5 described above.
Like the a and 5b, it is integrally formed with the pickup member 8 made of a non-magnetic material, and in the steady state (that is, when the torque is 0), the magnetic material 5a or 5b is the cylindrical flange type magnetic path material 7 as described above. It is configured to be located exactly in the middle of. Therefore, as shown in FIG. 1, when a rotational force in the circumferential direction A (or B) is applied to the first shaft 1, the gap spaces l A and l B respectively change by a predetermined amount according to the rotational force. Further, between the tooth-shaped protruding portion 9a of the annular magnetic path member 9 and the end portion 7b of the cylindrical flange type magnetic-path member 7 described above, the tooth-shaped protruding portion 9a is not in contact with the magnetic path member or the pickup member 8. One or a plurality of Hall elements (magnetism detecting elements) 11 are arranged at a position perpendicular to the magnetic field applied from the end portion 7b to the tooth shape protruding portion 9a (or from the end portion 7b), and the Hall element 11 is a printed circuit board. It is fixed to 12 with an adhesive or the like. A member (not shown) for detecting and processing a signal from the Hall element 11 is arranged on the printed circuit board 12, and the printed circuit board 12 is provided with a support member 12a fixed to the printed circuit board to form a first shaft. 1 is rotatably displaced and fitted. The Hall element 11 is a sensor that utilizes the solid Hall effect, and is an element that generates an output voltage proportional to the strength of the magnetic field. Omit it.

次に、作用を説明する。Next, the operation will be described.

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5a、5bと歯形
突出部9aとの間のギャップ空間lA、lBの変化としてとら
え、このギャップ空間lA、lB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。
The torque sensor according to the present invention uses the torsional displacement generated between the first shaft 1 and the second shaft 3 as the change in the gap spaces l A and l B between the magnetic bodies 5a and 5b and the tooth profile protrusion 9a. The Hall element 11 detects the torque by detecting the flow of magnetic flux (magnetic path) and the change in the amount of magnetic flux caused by the change in the gap spaces l A and l B in a non-contact manner. Subsequently, the basic idea of the present invention will be described with reference to FIG. Figure 4 (a)
Is a perspective view schematically showing a part of the torque detection mechanism 21 in a steady state, FIG. 7B shows a case where a rotational force is applied in the circumferential direction A, and FIG. The case where the force is applied in the direction of the circumferential direction B is schematically shown.

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から円環状の磁路材9の歯形突出部9aまでのギ
ャップ空間lAと歯形突出部9aから磁性体5bまでのギャッ
プ空間lBとはそれぞれ等しく、各々の磁性体と歯形突出
部9aとの位置関係はどの場所においても一様である。
Since no constant torque is applied, as shown in FIG. 4 (a), the gap space l A from the magnetic body 5a to the tooth profile protrusion 9a of the annular magnetic path material 9 and the tooth profile protrusion 9a to the magnetic body 5b Gap spaces I B are equal to each other, and the positional relationship between each magnetic body and the tooth-shaped protrusion 9a is uniform at any place.

したがって、同図に示すように1対の磁性体5a、5bおよ
び歯形突出部9a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矢印で示
す如く、ギャップ空間lAを経て円環状の磁路材9の歯形
突出部9aに入り、歯形突出部9aを通過してギャップ空間
lBを経て磁性体5bのS極に到達する。また、磁性体5bの
N極から発した磁束はコモンリング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、円環状
の磁路材9の歯形突出部9aおよびコモンリング6はギャ
ップ空間lA、lBを挟んで1つの閉ループを形成してお
り、この磁路を主磁路と呼び、このときの磁束をφ
呼ぶ。一方、磁性体5aのN極から発した磁束は、単に歯
形突出部9aを通過して磁性体5bのS極に達する主磁路を
形成するだけではなく円環状の磁路材9の中心方向(内
周面9b方向)に向かうものも存在する。すなわち、同図
(c)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lA、円環状の磁路材9の歯形
突出部9aおよび内周面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7
b、7a、ピポ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5a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と呼ぶ)。ところが、歯形突出部9aには磁性体5aの
磁束だけではなく磁性体5bからの磁束も印加しており
(但し、極性は異なる)、同図(b)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
lA、lB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。また、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。
Therefore, as shown in the figure, the pair of magnetic bodies 5a and 5b and the tooth-shaped protruding portion 9a can be described as a representative example. Now, the magnetic flux emitted from the N pole of the magnetic body 5a enters the tooth profile protrusion 9a of the annular magnetic path member 9 through the gap space l A as shown by the arrow, passes through the tooth profile protrusion 9a, and passes through the gap space.
It reaches the south pole of the magnetic body 5b via l B. The magnetic flux generated from the N pole of the magnetic body 5b passes through the common ring 6 and the magnetic body 5a.
To reach the south pole. In this way, the magnetic bodies 5a and 5b, the tooth-shaped protruding portion 9a of the annular magnetic path member 9 and the common ring 6 form one closed loop with the gap spaces l A and l B sandwiched between them. It is called the main magnetic path, and the magnetic flux at this time is called φ 1 . On the other hand, the magnetic flux generated from the N pole of the magnetic body 5a not only forms the main magnetic path that reaches the S pole of the magnetic body 5b by passing through the tooth-shaped protruding portion 9a, but also in the center direction of the annular magnetic path material 9. There are also those that go toward (inner circumferential surface 9b direction). That is, part of the magnetic flux emitted from the N pole of the magnetic member 5a as shown by the arrows in FIG. (C), the gap space l A, toothed protrusion 9a of the annular magnetic path member 9 and the inner peripheral surface 9b To the Hall element 11, and the Hall element 11 is orthogonal to the end portion 7 of the cylindrical flange type magnetic path material 7.
b, 7a, Pivot air gap and common ring 6
To form a bypass magnetic path that returns to the S pole of the original magnetic body 5a via (the magnetic flux passing through the bypass magnetic path in this direction is referred to as φ 2 ). However, not only the magnetic flux of the magnetic body 5a but also the magnetic flux from the magnetic body 5b is applied to the tooth-shaped protruding portion 9a (however, the polarity is different), which is different from the case described above as shown by the arrow in FIG. Forms a bypass magnetic path in the reverse route (the magnetic flux passing through the bypass magnetic path by this reverse flow is referred to as -φ 2 ). In this case, the strength of the magnetic field applied to the Hall element 11 is, in fact, very small as compared with the magnetic path material having a large magnetic permeability or the common ring 6 in the gap space.
It is determined by the difference in size of l A , l B or the pivot air gap. In addition, since each member of the cylindrical flange type magnetic path member 7, the annular magnetic path member 9 and the common ring 6 forms a common magnetic path during steady state and non-steady state, these members are aged. Even if there is deterioration due to, for example, the accuracy of torque detection does not decrease.

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がバイパス磁路を流れる磁束|φ
|よりも極めて大きい(φ≫|φ|)ことから、
実際上はホール素子11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lA、lB
は互いに等しいので、多少の洩れ磁束|φ|があって
も前記磁束φ、−φは等しい大きさ(φ=|−φ
|)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。
Thus, in the steady state where no torque is applied, the magnetic flux φ 1 flowing in the main magnetic path is the magnetic flux | φ flowing in the bypass magnetic path.
Since it is much larger than 2 | (φ 1 >> | φ 2 |),
In reality, almost no magnetic flux flows into the bypass magnetic path in which the Hall element 11 is arranged. Also, the gap spaces l A and l B
Are equal to each other, the magnetic fluxes φ 2 and −φ 2 have the same magnitude (φ 2 = | −φ) even if there is some leakage flux | φ 2 |.
2 |) and cancel each other out, and the Hall element 11 is insensitive and torque is not detected.

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から歯形突出部9aまでのギャッ
プ空間lAは増大する反面、磁性体5bから歯形突出部9aま
でのギャップ空間lAは逆に減少していく。これに伴って
バイパス磁路の磁束−φの磁路抵抗は減少し、バイパ
ス磁路の磁束φおよび主磁路φの磁路抵抗は何れも
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からバイパス磁路の方に移行してい
くとともに、磁束−φは磁束φ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5図参照)。例えば、A方向の回転力によりホ
ール素子11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11の出力を
設定すれば、第5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性体5aに歯形突出部9aが近
づくことから磁束φが増大して大きくなり、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。
At unsteady state (when torque is applied) As shown in FIG. 4 (b), when the rotational force is applied in the circumferential direction A, the gap space l A from the magnetic body 5a to the tooth profile protrusion 9a increases. On the other hand, the gap space l A from the magnetic body 5b to the tooth profile protrusion 9a decreases conversely. Along with this, the magnetic path resistance of the magnetic flux −φ 2 of the bypass magnetic path decreases, and both the magnetic flux φ 2 of the bypass magnetic path and the magnetic path resistance of the main magnetic path φ 1 increase. Therefore, the flow of the magnetic flux shifts from φ 1 of the main magnetic path, which was dominant in the steady state, toward the bypass magnetic path, and the magnetic flux −φ 2 becomes larger than the magnetic flux φ 2 , and the degree thereof is A It is proportional to the magnitude of the twist angle applied to the direction (see Fig. 5). For example, if the direction of the magnetic field applied to the Hall element 11 by the rotational force in the A direction is positive and the output of the Hall element 11 is set so that its output voltage has a positive value, as shown in FIG. It is possible to properly detect the magnitude and direction of the generated torque and the static torque. Further, as shown in FIG. 4 (c), when the rotational force is applied in the direction of the circumferential direction B, the tooth-shaped protrusion 9a approaches the magnetic body 5a, so that the magnetic flux φ 2 increases and becomes large. The torque in the opposite direction to that in the case can be detected.

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5a、5bと
歯形突出部9aとの間のギャップ空間lA、lBの変化として
とらえられ、このギャップ空間lA、lBの変化により生じ
た磁束の流れと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精度よく検出する
ことができる。
As described above, in the present embodiment, when the magnetic force generated from the magnetic bodies 5a and 5b is detected by the Hall element 11, the torsional displacement generated between the first shaft 1 and the second shaft 3 causes the magnetic displacement of the magnetic bodies 5a and 5a. gap space l a between 5b and toothed protrusions 9a, seen as a change in l B, the gap space l a, assuming that the change in the magnetic flux flow and the magnetic flux amount caused by changes in l B indicates torque Hall element 11 provided without contact with the pickup member 8
Is accurately detected by. Therefore, as described in the conventional problem, compared with the conventional device such as a device that converts the relative rotational displacement into the axial displacement, there is no rotational portion, and the structure can be extremely simplified, and the responsiveness and It is possible to realize a torque sensor with excellent reliability and high measurement accuracy at low cost. In particular, in this embodiment, the structure of the magnetic path is very simple, so that it is possible to reduce the number of parts and the mounting cost. Further, in addition to the simple structure, since the Hall element 11 and the like can be adjusted after the mold member 4 and the pickup member 8 are mounted, it is necessary to perform difficult work requiring high precision in mounting each of these members. Not. Moreover, since the information of the rotating torque is detected in a non-contact manner in the present invention, not only the improvement of the measurement accuracy, but also the abrasion resistance, the reliability such as the safety can be dramatically improved, Both static torque and rotational torque, which were difficult to measure with the conventional device, can be accurately detected.

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。
If the present invention having the above characteristics is applied to a steering device for detecting a steering force of an automobile, for example, it is extremely suitable for controlling the steering force.

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。
In this embodiment, the rotation angle is detected as an example in which the rotation angle is only ± 6 °. However, the invention is not limited to this. For example, the torsional rigidity of the magnetic body, the magnetic piece, and the shaft can be adjusted to be used. It goes without saying that the corresponding rotation torque can also be detected.

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。
Further, in the present invention, although the tip end portion of the first shaft is connected to the second shaft as a structure capable of generating a torsional displacement, the first shaft and the second shaft may be separate members, Alternatively, as in this embodiment, the first and second
It goes without saying that the embodiment may be formed of one member.

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。
Further, in this embodiment, the magnetic detection element (hall element) is
Although an example in which one piece is used is shown, the present invention is not limited to this, and a plurality of magnetic detection elements may be provided. For example, if two magnetic detection elements are provided at positions facing each other at an angle of 180 ° about the axis of the first shaft 1, the torque ripple component due to the influence of eccentricity or the like can be offset, and the detection can be performed. The accuracy can be further enhanced.

(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対のN極および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
極の対数と同数の第1ピックアップ路を固定磁極の対を
構成するN極およびS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前記
第1ピックアップ路が1対を構成するN極あるいはS極
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トルクを検出すること
ができる。
(Effect) According to the present invention, the tip end portion of the first shaft is connected to the second shaft as a structure capable of generating torsional displacement, and a predetermined pair of N pole and S pole is provided so as to surround the periphery of the connection portion. It is arranged as a fixed magnetic pole and is fixed to the second shaft, and the same number of first pickup paths as the number of pairs of the fixed magnetic poles are arranged so as to face the intermediate position between the N pole and the S pole forming the pair of fixed magnetic poles. A second pickup path for returning the magnetic flux flowing through the first pickup path to each of the magnetic poles is provided, and a magnetic detection element for detecting the amount of the magnetic flux flowing through the first and second pickup paths is provided on the first shaft. Provided by contact, second
When the first shaft is twisted and displaced with respect to the shaft, the amount of magnetic flux flowing in the first and second pickup paths is changed depending on which side of the pair of N pole or S pole the first pickup path approaches. Since the torsional displacement of the first shaft with respect to the second shaft is detected from the change of the magnetic flux, the structure is simple and the response is good,
Torque can be detected accurately at low cost regardless of rotation.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

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、5a、5b……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)。
1 to 5 are views showing an embodiment of the torque sensor according to the present invention. FIG. 1 is an exploded perspective view thereof, FIG. 2 is a longitudinal side view thereof, and FIG. 3 is a front view thereof. FIG. 4A is a perspective view schematically shown for explaining the operation in the steady state, and FIG. 4B is a schematic view for explaining the operation when torque is applied in one direction. The perspective view shown in FIG. 4 (c) is a perspective view schematically shown for explaining the action when the torque is applied in the other direction, and FIG. 5 is the rotational torque for explaining the effect. FIG. 1 ... 1st shaft, 2 ... small diameter part, 3 ... 2nd shaft, 5a, 5b ... magnetic material, 7 ... cylindrical flange type magnetic path material (second pickup path), 9 ... annular shape Magnetic path material (first
Pickup path), 9a ... Toothed protrusion, 11 ... Hall element (magnetic detection element).

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] 【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対のN極およびS極を固定磁
極として配設して第2シャフトに固定し、該固定磁極の
対数と同数の第1ピックアップ路を固定磁極の対を構成
するN極およびS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前記第1
ピックアップ路が1対を構成するN極あるいはS極の何
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。
1. A front end portion of a first shaft is connected to a second shaft as a structure capable of generating a torsional displacement, and a predetermined pair of N pole and S pole is arranged as a fixed magnetic pole so as to surround the periphery of the connection portion. Is fixed to the second shaft, and the same number of the first pickup paths as the number of pairs of the fixed magnetic poles are arranged so as to face the intermediate position between the N pole and the S pole forming the pair of fixed magnetic poles. A second pickup path for returning the magnetic flux flowing through the pickup path to each of the magnetic poles is provided, and
A magnetic detection element that detects the amount of magnetic flux flowing through the first and second pickup paths is provided on the first shaft in a non-contact manner, and when the first shaft is torsionally displaced with respect to the second shaft, the first
The amount of magnetic flux flowing through the first and second pickup paths is changed depending on which side of the N pole or the S pole of the pair the pickup path is located. A torque sensor characterized by detecting a twist displacement.
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