JP2000346728A - トルク検出装置 - Google Patents
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Abstract
る。 【解決手段】 両端が、それぞれ第1および第2の軸に
固定、又は支持された弧状をなし、第1の軸1,第2の
軸2間の相対捻れ角に応じて、固定された両端間の距離
が変化すると、弧の曲率が変化し、その中央部を径方向
又は軸方向に変位させる可動体31と、可動体31の変
位を検出する手段を備えた。
Description
ステアリング機構等、回転軸に外力が印加された際のト
ルクを非接触で検出するためのトルク検出装置に関する
ものである。
ては、パワーアシストの量を決定するために、操舵輪に
加わるトルクを検出する必要がある。このためのトルク
検出装置としては例えば実開平1−180737号公報
にて開示されたトルク検出装置がある。この装置の構造
を図6に基づいて説明する。図において、1は図示しな
い操舵輪が取付けられた第1の軸、2は操舵機構の図示
しないピニオンギアが取付けられた第2の軸、3は、第
1の軸1と第2の軸2の中心軸上に設けられ、2つの軸
を捻り方向に弾性的に接続するトーションバー、4は筒
状のケース、5はケース4内に備えられたボビン、6は
軸1とケース4を回転自在に固定するベアリング、11
及び12はそれぞれ第1の軸1に固着された、軟磁性材
料よりなる第1,第2の円筒、13及び14は、それぞ
れ第2の軸2に固着された、軟磁性材料よりなる第3,
第4の円筒、11a〜14aはそれぞれ第1〜第4の円
筒に設けられた歯部、21a〜21dはそれぞれボビン
5に巻装された第1〜第4のコイルである。
に操舵輪からのトルクが印加されると、トーションバー
3に捻り変形が発生し、第1の軸1と第2の軸2に相対
角度ずれが発生する。すると、それぞれの軸に固着され
た第1の円筒11と第3の円筒13に周方向の相対変位
が発生し、それぞれの円筒に設けられた歯部11aと1
3aの、磁路となる対向面積が変化するため、第1のコ
イル21aのインダクタンスが変化する。図示しない検
出回路によってこのインダクタンスの変化を検出するこ
とにより、トルクを求める事ができる。しかし、第1の
コイル21aのインダクタンスは、トルクによってのみ
ならず、温度によっても変化するため、トーションバー
の捻れによってはインダクタンスが変化せず、温度によ
ってのみ第1のコイルと同様にインダクタンスの変化す
る第3のコイル21cを設け、そのインダクタンスを検
出する事により、温度補償を行っている。以上のよう
に、第1、第3の円筒と、第1、第3のコイルよりなる
第1の検出セットだけでも温度補償のされたトルク計測
が可能であるが、この従来例では、さらに第2の検出セ
ットを備えている。第2の円筒12と第4の円筒14
は、第1の検出セットと同じく、それぞれ第1の軸1と
第2の軸2に固着されているので、第2、第4のコイル
とで第2の検出セットを構成し、第1の検出セットと同
様に動作する。したがって、どちらかの検出セットに断
線等の故障が発生した場合にも他方の出力によってシス
テムを動作させることが可能な2重安全機能を備えてい
る。
は、以上のように構成されているので、第1〜第4の円
筒は、多数の歯を持った複雑な形状となり、かつ、高い
寸法精度を求められるので、生産コストが高く付くとい
う課題があった。また、円筒間の周方向の相対変位によ
って発生する、歯部の対向面積の変化による磁気抵抗の
変化率は、あまり大きくできないために、高感度化が難
しく、温度変化等の誤差要因の影響を受けやすいという
課題があった。また、感度が低いために、十分な精度を
確保するためには、一定トルクに対するトーションバー
の稔れ角を大きくして対向面積の変化を稼がざるを得
ず、トーションバーの剛性を高くする事ができなかっ
た。従って、自動車のパワーステアリング横構に用いる
場合には、ふわふわとした頼りない操作フィーリングに
なるという課題があった。
めになされたもので、簡単な構造で、高精度であり、剛
性の高いトルク検出装置を得ることを目的とする。
ば、同軸配置され、かつ互いに先端側が対向する第1の
軸および第2の軸を有し、両軸相互間に作用するトルク
を検出するトルク検出装置において、上記第1の軸と第
2の軸との間に接続されて上記第1及び第2の軸間の捻
れ方向のトルクに応じて、捻れ変位を生ずる弾性部材
と、両端を、それぞれ第1及び第2の軸に固定又は支持
されて、かつ、弧状をなし、第1及び第2の軸間の相対
稔れ角に応じて、国定された両端間の距離が変化するこ
とで弧の曲率が変化して、その中央部が変位する可動体
と、上記可動体の変位を検出する手段を備えた。
の軸及び第2の軸の周方向に沿うように弧状に変形し
た。
の軸及び第2の軸の長手方向のいずれか一方の方向に弧
状に変形した。
もたせ、磁気的に可動体の変位を検出する手段を備え
た。
を備えており、可動体に生ずる渦電流で可動体の変位を
検出する手段を備えた。
ファス帯で構成した。
棒状となし、この弾性部材の外周側に位置する筒状の支
持部材を設け、上記第1の軸の弾性部材が接続された端
部を弾性部材に沿って延長させて、当該延長部を上記支
持部材の中を介して貫通させて、上記支持部材は第2の
軸側を当該第2の端部に固定してこの支持部材に設けた
開口部を介して可動体の一端部を上記第1の軸の上記延
長部に取付け、可動体の他端部を上記支持部材に取付け
た。
記第1の軸の外側に位置するような筒状部となし、この
筒状部の先端を上記第2の軸の端部に設けた穴に回動自
在に嵌入して支承した。
実施の形態1によるトルク検出装置を示す正面一部断面
図である。図において、従来例である図6と同一もしく
は同等の部材および部位には同一符号を付す。図1にお
いて、1は図示しない操舵輪が取付けられた第1の軸、
2は操舵機構の図示しないピニオンギアが取付けられた
第2の軸であり、それぞれベアリング6a,6bによっ
て筒状のケース4の両端側に回転自在に位置されてい
る。3は第1の軸1と第2の軸2の対向する端部間に接
続され、かつ、この第1の軸1及び第2の軸2の中心軸
上に設けられ、2つの軸を捻り方向に弾性的に接続する
棒状のトーションバーであり、5a,5bはケース4内
周に沿って備えられたボビン、21a,21bはそれぞ
れボビン5a,5bに巻装された第1,第2のコイル、
22a〜22cは、コイル21a,21bの外側を覆う
様に設けられた軟磁性材料より成るヨーク、32は左端
を第2の軸2に固定された支持部材であり(図2参
照)、33a〜33dは第1の軸1の外周上に固定さ
れ、支持部材32に設けられた開口部から頭を出した支
持部材である。図3及び図4はそれぞれ、図1に示すト
ルク検出装置に、矢印で示す方向のトルクが印加された
場合の図1に示すA−A断面図、およびB−B断面図で
ある。図において、31a〜31dは、コバルト系アモ
ルファスの平帯より成り、それぞれ弓なりに反る様に片
端を支持部材32に、他端を固定部材33a〜33dに
固定された弧状の可動体である。なお、第1の軸1のト
ーションバー3が接続された端部は、トーションバー3
の外周に沿って延長する筒状部となった延長部1fを有
している。
端部に穴部1m,2mを有し、第1の軸1の穴部1mと
第2の軸2の穴部2mにトーションバー3の両端が嵌合
される。上記トーションバー3の両端にはピン孔3aが
設けられて、このピン孔3aに、図外のピンを、上記第
1の軸1及び第2の軸2に設けた図外の孔を介して嵌入
することで、第1の軸1、第2の軸2の各端部間にトー
ションバー3を接続する。
より成り、図2に示すように第2の軸2の端部に固定さ
れた大径のベース部32aと、このベース部32aより
突出する本体部32bより成り、上記本体部32bのほ
ぼ中央と先端とに、リング状のリブ32cを有してい
る。支部部材32は樹脂モールドで成形されるので、こ
のリブ32cは、成形時の歪み防止と、成形後の強度確
保のために設けられる。このような構成の第2の軸2に
固定された筒体より成る支持部材32の中に第1の軸1
の端部より突出する筒状の延長部1f及び上記トーショ
ンバー3を貫通させる如く位置させている。
なり、上記支持部材32を非接触で貫通しており、その
先端部1nは小径の筒状となっており、第2の軸2の端
部の穴部2mの出口側の穴2nに回動自在に嵌合する。
ここで、この先端部1nと穴2nの内面との間にブッシ
ュを介在させることで、第1の軸1を回動自在に支承す
る。このような支承構造とすることにより、第1の軸1
と第2の軸2との間に曲げ方向の力が加わっても、第1
の軸1の先端部1nが穴2n内のブッシュで回転自在に
支承されるので、第1の軸1と第2の軸2との曲げ方向
の変形が生じない。このため、剛性を高め得る。
左,右には上,下に一対の開口部32m,32nが設け
られている。なお、開口部32mと32nとは支持部材
32の周方向の反対方向にやや位置ずれしている。上,
下の開口部32m,32mに対応する部位に第1の軸1
の延長部1mの外周より固定部材33a,33bを突出
させ、これら固定部材33a,33bに支持部材32の
外側に沿うように弓状(弧状)に変形された平帯より成
り、かつ互いに対向する可動体31a,31bの一端
を、ねじ等で固定し、また、この可動体31a,31b
の他端を支持部材32の上記開口部32m側に設けた固
定部材32t,32tにねじ等で固定している。このよ
うに、可動体31a,31bは一端が延長部1mを介し
て第1の軸1に、他端が支持部材32を介して支持部材
32に固定される構成となっている。なお、可動体31
aは上端が固定部材32tに、下端が固定部材33a
に、可動部材31bは上端が固定部材33bに、下端が
固定部材32tに固定されて、取付け関係は、上,下逆
の関係となっている。
32n,32nに対応する部位に、第1の軸1の外周よ
り固定部材33c,33dを突出させ、これら固定部材
33c,33dに支持部材32の外側に沿うように弧状
に変形された平帯より成り、かつ、互いに対向する可動
体31c,31dの一端をねじ等で固定し、可動体31
c,31dの他端を支持部材32の上記開口部32n側
に設けた固定部材32fにねじ等で固定している。この
ように可動体31c,31dは一端が第1の軸1に、他
端が支持部材32に固定されることになる。この場合
も、可動体31c,31dは上,下逆の関係となってい
る。
は、図示右方の可動体31a,31bの構造体と31
c,31dの構造体との中間位置が対応しており、トー
ションバー3に捻れが加わると、このトーションバー3
は長手方向中心位置を隔てて左,右が反対方向に変位す
るので、上記可動体31a,31bには、矢印で示す互
いに反対方向に力が作用して反対方向に変形することに
なる。このように、可動体31a,31b,31c,3
1dは一端が延長部1fを介して第1の軸1に接続さ
れ、他端が支持部材32を介して第2の軸2に接続され
るので、第1の軸1,第2の軸2間の捻れ変位を検出可
能となる。
に、操舵輪から、例えば図1に示す矢印回転方向のトル
クが印加されると、トーションバー3にトルクの大きさ
に応じた量の稔り変形が発生する。すると、第1の軸1
と第2の軸2に相対角度ずれが発生し、第1の軸1の延
長部1fに固定された固定部材33a〜33dと、第2
の軸2に固定された支持部材32との間に周方向の相対
変位が発生する。すると、図3に示すように、可動体3
1a,31bは、両側から弾性的に押し縮められて中央
部が外側に膨れるように変位し、図4に示すように、可
動体31c,31dは、両側から引き延ばされて中央部
が内側にへこむように変位する。
は、ヨーク22a,22b,可動体31a,31bを通
る磁気回路を構成しており、第2のコイル21bによっ
て発生する磁束は、ヨーク22b,22c,可動体31
c,31dを通る磁気回路を構成しているが、ヨーク及
び可動体は軟磁性材料で構成されており、磁気抵抗が非
常に小さいため、これらの磁気回路の磁気抵抗は、主に
ヨークと可動体との間のエアギャップの厚さによって決
まる。したがって、第1のコイル21aはエアギャップ
が小さく磁気抵抗が小さいため、インダクタンスが大き
くなり、第2のコイル21bはエアギャップが大きく磁
気抵抗が大きいため、インダクタンスが小さくなる。こ
のインダクタンス変化を電気的に検出することによっ
て、トーションバーの捻れ量、ひいてはトルクの大きさ
を知ることができる。
ギャップの逆数に比例するので、トーションバーの捻れ
角が同じ場合、エアギャップの初期値を小さくしておけ
ば、歯形構造を持つ従来のトルクセンサに比べて、はる
かに大きなインダクタンス変化が得られ、高感度なトル
クセンサが得られる。従って、トーションバーの剛性を
上げ、一定トルクに対する第1の軸1と第2の軸2に相
対角度ずれを小さくしてもトルクを正確に計測する事が
できるので、トルクセンサに高い剛性が求められる用途
にも使用することができる。コイルのインダクタンス
は、トルクによってのみならず、温度によっても変化す
るため、同様の温度特性を持つ2セットのコイルを備
え、そのインダクタンス変化を差動増幅する事によって
温度補償を行っている。実際には、この様な温度補償を
行っても温度変化による出力変化を完全には除去できな
いため、いくらかの誤差要因となるが、この実施の形態
によるトルクセンサでは、上記のように、トルクよる感
度が大きいので、温度変化等による誤差要因の影響を受
けにくい。
性変形する場合、可動体31c〜31dの厚さが厚い
と、一定の変形に対して可動体に大きな応力が発生する
ので、厚さが薄く、耐力も大きいアモルファス帯を用い
た。また、耐腐食性も考慮してコバルト系のアモルファ
ス帯を使用した。
態2によるトルク検出装置を示す正面一部断面図であ
る。32は実施の形態1と同じく左端の大径部を第2の
軸2に固定された筒状の支持部材、33gは第1の軸1
の延長部1fの外周上に固定され、かつ、支持部材32
に設けられた開口部から頭を出した固定部材である。支
持部材32に設けられた固定部材32w及び固定部材3
3gの可動体固定部には横方向の穴が開いており、軸方
向の一方方向に弓なりに反らせた線状の可動体31gの
両端がこの穴に挿入されている。可動体31gは自身の
バネ性によって広がろうとする力で固定部材32w,3
3gに設けられた横方向の穴の間で突っ張って留まって
いる。実施の形態1では、可動体31gの両端を、動か
ないように固定部材33w,33gに固定したが、この
実施の形態2では、穴(または溝であっても良い)に差
し込むだけで周方向には回転自在に支持する構造とし
た。このようにすると、組立が簡単になるだけでなく、
動作時に可動体の固定部に曲げ応力が発生しないので、
耐久性を上げることができる。
第1の軸1と第2の軸2に相対角度ずれが発生すると、
可動体の中央部が径方向に変位する様に構成されていた
が、この実施の形態2では、図示矢印方向のトルクが印
加されると、可動体31gが押縮められて、中央部が軸
方向の図示右側に変位する。すると、コイル21bに対
して、コイル21aのインダクタンスが大きくなるの
で、これを電気的に検出することによって、実施の形態
1と同様にトルクの大きさを知ることができる。
材料で構成し、径方向変位を磁気回路の磁気抵抗の変化
として捕らえたが、径方向変位を、仝知の渦電流変位計
の原理を用いて捕らえても良い。図1と同じ構成,形状
のコイル及び可動体を用いて可動体の材質のみを磁性材
から非磁性の導体に変更した場合、トーションバー3の
捻りに応じて可動体の中央部が外側に変位すると、コイ
ルに交流電流を流した場合に可動体に渦電流が発生し易
くなり、コイルのインビーダンスの実数成分が大きくな
る。これを電気的に検出することによってトルクを求め
る事ができる。
部材32の片側に1個設けているが反対側にも設けても
良い。また、図1の例では、可動体31a〜31cを4
本設けることに限定されず、1個でも良い。
2の軸との間に接続されて上記第1及び第2の軸間の捻
れ方向のトルクに応じて、捻れ変位を生ずる弾性部材
と、両端を、それぞれ第1及び第2の軸に固定又は支持
されて、かつ、弧状をなし、第1及び第2の軸間の相対
稔れ角に応じて、国定された両端間の距離が変化するこ
とで弧の曲率が変化して、その中央部が変位する可動体
と、上記可動体の変位を検出する手段を備えたので、複
雑な歯形構造を高精度に加工する必要がなく、組立てが
簡単で生産コストが低いトルクセンサが得られる効果が
ある。また、高感度であり温度変化などによる誤差要因
の影響を受けにくく、剛性の高いトルクセンサが得られ
る効果がある。
の軸及び第2の軸の周方向に沿うように弧状に変形した
ので、コンパクトな形状となる。
の軸及び第2の軸の長手方向のいずれか一方の方向に弧
状に変形したので、コンパクトな形状とできる。
もたせ、磁気的に可動体の変位を検出する手段を備えた
ので、トルク検出を簡単にしかも正確に行える。
を備えており、可動体に生ずる渦電流で可動体の変位を
検出する手段を備えたので、トルク検出を簡単にしかも
正確に行える。
ファス帯で構成したので、構造が簡単となる。
棒状となし、この弾性部材の外周側に位置する筒状の支
持部材を設け、上記第1の軸の弾性部材が接続された端
部を弾性部材に沿って延長させて、当該延長部を上記支
持部材の中を介して貫通させて、上記支持部材は第2の
軸側を当該第2の端部に固定してこの支持部材に設けた
開口部を介して可動体の一端部を上記第1の軸の上記延
長部に取付け、可動体の他端部を上記支持部材に取付け
たので、高感度であり、温度変化などによる誤差要因の
影響を受けにくくできる効果を有する。
記第1の軸の外側に位置するような筒状部となし、この
筒状部の先端を上記第2の軸の端部に設けた穴に回動自
在に嵌入して支承したので、剛性を高め得る。
示す正面一部断面図である。
示す要部側面図である。
トルクを印加した場合の、図1のA−A断面を示す側面
断面図である。
トルクを印加した場合の、図1のB−B断面を示す側面
断面図である。
示す正面一部断面図である。
である。
ケース、5 ボビン、21 コイル、22 ヨーク、
31a,31b,31c,31d,31g 可動体、3
2 支持部材。
3)
左,右には上,下に一対の開口部32m,32nが設け
られている。上,下の開口部32m,32mに対応する
部位に第1の軸1の延長部1fの外周より固定部材33
a,33bを突出させ、これら固定部材33a,33b
に支持部材32の外側に沿うように弓状(弧状)に変形
された平帯より成り、かつ互いに対向する可動体31
a,31bの一端を、ねじ等で固定し、また、この可動
体31a,31bの他端を支持部材32の上記開口部3
2m側に設けた固定部材32t,32tにねじ等で固定
している。このように、可動体31a,31bは一端が
延長部1fを介して第1の軸1に、他端が支持部材32
を介して第2の軸2に固定される構成となっている。な
お、可動体31aは上端が固定部材32tに、下端が固
定部材33aに、可動体31bは上端が固定部材33b
に、下端が固定部材32tに固定されて、取付け関係
は、上,下逆の関係となっている。
ギャップの逆数に比例するので、トーションバーの捻れ
角が同じ場合、エアギャップの初期値を小さくしておけ
ば、歯形構造を持つ従来のトルクセンサに比べて、はる
かに大きなインダクタンス変化が得られ、高感度なトル
クセンサが得られる。従って、トーションバーの剛性を
上げ、一定トルクに対する第1の軸1と第2の軸2に相
対角度ずれを小さくしてもトルクを正確に計測する事が
できるので、トルクセンサに高い剛性が求められる用途
にも使用することができる。コイルのインダクタンス
は、トルクによってのみならず、温度によっても変化す
るため、同様の温度特性を持つ2セットのコイルを備
え、そのインダクタンス変化を差動増幅する事によって
温度補償を行っている。実際には、この様な温度補償を
行っても温度変化による出力変化を完全には除去できな
いため、いくらかの誤差要因となるが、この実施の形態
によるトルクセンサでは、上記のように、トルクよる感
度が大きいので、温度変化等による誤差要因の影響を受
けにくい。
性変形する場合、可動体31a〜31dの厚さが厚い
と、一定の変形に対して可動体に大きな応力が発生する
ので、厚さが薄く、耐力も大きいアモルファス帯を用い
た。また、耐腐食性も考慮してコバルト系のアモルファ
ス帯を使用した。
態2によるトルク検出装置を示す正面一部断面図であ
る。32は実施の形態1と同じく左端の大径部を第2の
軸2に固定された筒状の支持部材、33gは第1の軸1
の延長部1fの外周上に固定され、かつ、支持部材32
に設けられた開口部から頭を出した固定部材、32wは
支持部材32に設けられた固定部材、上記固定部材33
g及び固定部材32wの可動体固定部には横方向の穴が
開いており、軸方向の一方方向に弓なりに反らせた線状
の可動体31gの両端がこの穴に挿入されている。可動
体31gは自身のバネ性によって広がろうとする力で固
定部材32w,33gに設けられた横方向の穴の間で突
っ張って留まっている。実施の形態1では、可動体31
a,31bの両端を、動かないように固定部材32tと
固定部材33a,33b間に固定したが、この実施の形
態2では、穴(または溝であっても良い)に可動体31
gの両端を差し込むだけで周方向には回転自在に支持す
る構造とした。このようにすると、組立が簡単になるだ
けでなく、動作時に可動体の固定部に曲げ応力が発生し
ないので、耐久性を上げることができる。
Claims (8)
- 【請求項1】 同軸配置され、かつ互いに先端側が対向
する第1の軸および第2の軸を有し、両軸相互間に作用
するトルクを検出するトルク検出装置において、上記第
1の軸と第2の軸との間に接続されて上記第1および第
2の軸間の捻れ方向のトルクに応じて、捻れ変位を生ず
る弾性部材と、両端を、それぞれ第1および第2の軸に
固定、または支持されてかつ、弧状をなし、第1および
第2の軸間の相対稔れ角に応じて、国定された両端間の
距離が変化することで弧の曲率が変化して、その中央部
が変位する可動体と、上記可動体の変位を検出する手段
を備えたことを特徴とするトルク検出装置。 - 【請求項2】 可動体は、第1の軸及び第2の軸の周方
向に沿うように弧状に変形された請求項1に記載のトル
ク検出装置。 - 【請求項3】 可動体は、第1の軸及び第2の軸の長手
方向のいずれか一方の方向に弧状に変形された請求項1
に記載のトルク検出装置。 - 【請求項4】 可動体は磁性を備えており、磁気的に可
動体の変位を検出する手段を備えたことを特徴とする請
求項1に記載のトルク検出装置。 - 【請求項5】 可動体は導電性を備えており、可動体に
生ずる渦電流で可動体の変位を検出する手段を備えたこ
とを特徴とする請求項1に記載のトルク検出装置。 - 【請求項6】 可動体はアモルファス帯で構成されたこ
とを特徴とする請求項1ないし請求項5のいずれかに記
載のトルク検出装置。 - 【請求項7】 上記弾性部材を棒状となし、この弾性部
材の外周側に位置する筒状の支持部材を設け、上記第1
の軸の弾性部材が接続された端部を、弾性部材に沿って
延長させて、当該延長部を上記支持部材の中を介して貫
通させ、上記支持部材は、上記第2の軸の端部に固定
し、この支持部材に設けた開口部を介して可動体の一端
部を上記第1の軸の上記延長部に取付け、可動体の他端
部を上記支持部材に取付けたことを特徴とする請求項1
に記載のトルク検出装置。 - 【請求項8】 上記延長部は上記第1の軸の外側に位置
するような筒状部となし、この筒状部の先端を上記第2
の軸の端部に設けた穴に回動自在に嵌入して支承した請
求項7に記載のトルク検出装置。
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