JP2001264191A - トルクセンサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】簡単かつコンパクトな構成であるとともに、検
出精度の良いトルクセンサを提供すること。 【解決手段】入力軸９および出力軸１０には、相対向す
る第１および第２の円板３１，３２がそれぞれ対応する
軸９，１０と一体回転可能に設けられている。円板３
１，３２を挟んで環状の発光部３４および受光部３５が
相対向するように配置されている。第１および第２の円
板３１，３２は、それぞれ、両軸９，１０を同軸上に貫
く軸線Ｃを中心とする環状に並んで形成された複数のス
リットＳ１，Ｓ２を有している。第１の円板３１の各ス
リットＳ１は、第２円板３２の複数のスリットＳ２のそ
れぞれと対応しており、受光部３５には、各円板３１，
３２の対応するスリットＳ１，Ｓ２同士の重合部分を通
して発光部３４からの光が与えられる。受光部３５が受
ける光の総量を多くできると共に、両円板３１，３２の
位相ずれに対する光量変化を多くすることができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、トルクセンサに関
し、たとえば自動車の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供するものである。

【０００２】

【従来の技術】自動車の舵輪（ステアリングホイール）
を操作する力を補助するパワーステアリング装置には、
たとえば舵輪に加えられたトルクを検出し、その検出ト
ルクに応じて、操舵機構を駆動する電動モータを回転さ
せるものが知られている。このトルクを検出するトルク
検出手段として、たとえば特開昭５９−２０８４３１号
で開示されたトルクセンサが知られている。このトルク
センサは、たとえば入力軸および出力軸とを略筒状の磁
性体で囲い、検出コイルのインピーダンスの変化に基づ
いて、入力軸と出力軸との相対回転変位角が検出され、
この相対回転変位角に基づいて、トルクを検出できるよ
うになっている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来のトルクセンサは、軸方向に長い筒状の磁性体で入力
軸および出力軸を囲うために大型化していた。また、磁
性体を入力軸や出力軸と一体回転するようにハウジング
内に配設するには玉軸受け装置等を設ける必要があり、
このため部品点数が多くなって、トルクセンサの構成が
複雑なものとなっていた。

【０００４】一方、ねじ締めドライバ等他の機器に適用
されるトルク検出手段として、たとえば特開昭５９−１
１１０２９号公報に開示されたトルクセンサが知られて
いる。このトルクセンサは、回転軸に固定された一対の
円板を備え、この一対の円板を挟んで対向する発光部お
よび受光部を円板の周方向の一部に対応する位置に備え
ている。各円板には環状に並んだ複数のスリットが形成
されており、受光部には、一対の円板の各対応するスリ
ット同士の重合部分を通って、発光部からの光が受けら
れるようになっている。この受光部の受光量の変化に基
づいて回転軸の相対回転変位角が検出されるようになっ
ており、これにより、トーションバーに加えられたトル
クを検出することができるようになっている。

【０００５】しかしながら、このトルクセンサでは、発
光部および受光部が円板の周方向の一ヶ所に対応する限
られた領域に設けられているので、限られた領域に対応
するごく一部のスリットを通過する光のみが、受光部に
与えられる結果、受光部によって受けられる光量自体が
少ない。この場合、単位回転角の捩れ変位が生じたとき
の光量変化が少なくなる。また、各スリットの精度を受
光部位置で平均化させることができず、全回転するよう
なものには、精度よくトルクを検出することができず、
このトルクセンサをそのまま電動パワーステアリング装
置に組み込むのは好ましくない。

【０００６】本発明は、上記課題に鑑みてなされたもの
であり、本発明の目的は、簡単かつコンパクトな構成で
あるとともに、検出精度の良いトルクセンサを提供する
ことである。

【０００７】

【課題を解決するための手段および発明の効果】上記の
目的を達成するために、請求項１記載の発明は、入力軸
および出力軸を同一の軸線上に連結するトーションバー
に加えられるトルクを検出するトルクセンサにおいて、
入力軸および出力軸にそれぞれ一体回転可能に設けら
れ、相対向する一対の円板と、各円板に上記軸線を中心
とする環状に並ぶように形成された複数のスリットと、
一対の円板を挟んで対向する発光部および受光部とを備
え、発光部および受光部はそれぞれ上記軸線を中心とす
る環状をなしており、受光部は一対の円板の対応するス
リットの重合部分を通して発光部からの光を受けること
を特徴とするトルクセンサである。

【０００８】本発明の構成では、環状の発光部および受
光部が円板の全周に対応するので、両円板の全周のスリ
ットの重合部分を通して、受光部に受光させることがで
きる。これにより、受光部が受ける光の総量を多くでき
ると共に、両円板の位相ずれに対する光量変化を多くす
ることができる。その結果、トルクセンサの検出精度を
向上させることができる。また、スリット毎の光量変化
にばらつきがあっても、全スリットでの変化量として
は、上記のばらつきが相殺される（実質的に平均化され
る）ため、各スリット精度や、受光位置等の寸法ばらつ
きを吸収することが可能となる。

【０００９】さらにまた、円板間の間隔や円板の径を従
来よりも小さく、しかも、従来よりも多い受光量を確保
して、高い検出精度を達成することが可能となる。

【００１０】

【発明の実施の形態】本発明の好ましい実施の形態を添
付図面を参照しつつ説明する。図１は、本発明に係るト
ルクセンサが組み込まれた舵取り装置の概略構成を模式
的に示す図である。図１を参照して、本舵取り装置は、
電動モータにより操舵捕助力を得る電動式パワーステア
リング装置であり、舵輪（ステアリングホイール）２に
連結しているステアリング軸３とステアリング軸３の先
端部に設けられたピニオンギア４と、このピニオンギア
４に噛合するラックギア部５とを有し、車両の左右方向
に延びたラック軸６とを有している。

【００１１】ラック軸６の両端にはタイロッド７がそれ
ぞれ結合されており、このタイロッド７は、それぞれ、
ナックルアームを介して車輪８に連結されている。舵輪
２が操作されてステアリング軸３が回転されると、この
回転がピニオンギア４およびラック軸６によって車両の
左右方向に沿う直線運動に変換され、これによって、車
輪８の転舵が達成される。ステアリング軸３は、舵輪２
側の筒状の入力軸９と、ピニオン４側の出力軸１０とに
分割されており、これら入力軸９と出力軸１０とは、こ
れらを同一の軸線上に連結するトーションバー１１を介
して互いに連結されている。１４は出力軸１０に係合さ
れた減速機であり、電動モータ１２により駆動される。

【００１２】操舵されると、舵輪２に加えられた操舵ト
ルクに応じてトーションバー１１に捩れが生じる。この
トーションバー１１に加えられるトルクは、トルクセン
サＴによって検出され、トルクセンサＴの出力信号が制
御部２１に与えられる。制御部２１では、トルクセンサ
Ｔの出力信号に基づいて、電動モータ１２への印加電圧
が定められ、この印加電圧に応じた電動モータ１２の駆
動力が、減速機１４を介して出力軸１０に与えられる。

【００１３】本実施形態の特徴はトルクセンサＴの構成
にあり、この構成を図２を用いて説明する。図２は、ト
ルクセンサが適用された舵取り装置の要部の模式的断面
図である。入力軸９および出力軸１０の対向端部には、
相対向する第１および第２の円板３１，３２がそれぞれ
対応する軸９，１０と一体回転可能に取り付けられてい
る。これらの円板３１，３２を挟んで発光部３４および
受光部３５が相対向するように配置されている。発光部
３４および受光部３５は、対応する軸９、１０の回りに
配置され、両軸９，１０を同軸上に貫く軸線Ｃを中心と
する環状をなしている。発光部３４は発光面３４ａを有
していて、受光部３５は発光部３４からの光を受ける受
光面３５ａを有している。

【００１４】第１および第２の円板３１，３２は、相等
しい外径を有しており、それぞれ、両軸９，１０を同軸
上に貫く軸線Ｃを中心とする環状に並んで形成された複
数のスリットＳ１，Ｓ２を有している。第１の円板３１
の各スリットＳ１は、第２円板３２の複数のスリットＳ
２のそれぞれと対応しており、受光部３５には、各円板
３１，３２の対応するスリットＳ１，Ｓ２同士の重合部
分を通して発光部３４からの光が与えられるようになっ
ている。制御部２１には、受光部３５の受光量に基づい
た電気信号が与えられるようになっている。なお、３６
は、受光部３５の受光面３５ａに外部からの光が入らな
いようにトルクセンサＴを覆う遮蔽部材である。

【００１５】図３は、図２の矢印Ａ方向から見た各スリ
ットの形状を模式的に示す図である。なお、図３におい
ては、説明のため、第１の円板３１を第２の円板３２よ
りも小径に示している。第１の円板３１には、たとえば
８個の扇形をなすスリットＳ１が円周等配に設けられて
いる。第２の円板３２には、スリットＳ１と同数のスリ
ットＳ２が円周等配に設けられている。各スリットＳ２
は、スリットＳ１よりも若干小さい相似形の扇形をなし
ている。両スリットＳ１，Ｓ２の位相があった状態で
は、軸線Ｃに平行な方向から見てスリットＳ２がスリッ
トＳ１の領域内に含まれるようになっている。ただし、
スリットＳ１とスリットＳ２の形状、寸法をほぼ同じ大
きさにすることもできる。

【００１６】図４（ａ），（ｂ）は、第１および第２の
円板の対応するスリットの重合状態を模式的に示す図で
ある。図４（ａ）は、トーションバーにトルクが加えら
れていない場合、図４（ｂ）は、トーションバーに一方
方向のトルクが加えられている場合を示す。なお、図４
（ａ），（ｂ）においては、便宜上、第１の円板３１を
第２の円板３２よりも小径に示している。図４（ａ），
（ｂ）に示すように、発光部３４から発された光（図４
（ａ），（ｂ）において一点鎖線で囲う帯状のもの）
が、各円板３１，３２において、扇状のスリットＳ１，
Ｓ２の径方向の中間部に当たるように、環状の発光部３
４の寸法が設定されている。ただし、環状の発光部３４
の幅（径方向の長さ）を、環状に並べられたスリットＳ
１の幅（径方向の長さ）とほぼ同じ寸法に設定すること
もできるし、たとえば第１および第２の円板３１，３２
の外径程度の寸法に設定することもできる。

【００１７】図４（ａ）を参照して、トルクがゼロの状
態で円板３１の各スリットＳ１の一部と、対応する第２
の円板３２のスリットＳ２の一部とが重合するように、
各円板３１，３２の円周方向の位置決めがなされてい
る。舵輪２が操作されると、連結された入力軸９および
出力軸１０が相対的に回転し、トーションバー１１にト
ルクが発生する。これに伴い、出力軸１０および入力軸
９にそれぞれ固定された第１および第２の円板３１，３
２同士が相対的に回転変位し、各対応するスリットＳ
１，Ｓ２同士の重合部分の面積が変化する。

【００１８】図４（ｂ）を参照して、舵輪２がたとえば
左方向に切られたときには、入力軸９が図４（ｂ）に示
す反時計回りに回転し、対応するスリットＳ１，Ｓ２同
士の重合部分の面積［（図４（ａ），（ｂ）に斜線で示
す領域］は、図４（ａ）に示すトルクがゼロの場合に比
べて増加する。発光部３４および受光部３５が環状であ
るので、各円板３１，３２の全周に分散配置されている
全てのスリットＳ１，Ｓ２を通して受光部３５に光が与
えられる。したがって、両円板３１，３２間に少しの位
相ずれが生じただけでも、対応する全スリットＳ１，Ｓ
２同士の重合部分の面積全体としては大きく増加し、そ
の結果、受光部３５の受光量が大きく増加する。逆に、
舵輪２が反対方向（たとえば右方向）に切られたときに
は、対応する全スリットＳ１，Ｓ２の重合部分の面積と
しては大きく減少するので、受光部３５の受光量が大き
く減少することとなる。

【００１９】図５は、入力軸の出力軸に対する相対回転
変位角と受光部に受けられる受光量との関係を示すグラ
フである。たとえば舵輪２を急激に切ったときにトーシ
ョンバー１１に加わるトルクは最大となるが、このとき
の入力軸９と出力軸１０との相対的な相対回転変位角は
３°程度である。そこで、舵輪２を左に切ったときの軸
９，１０の相対回転の向きを正方向として、トルクを良
好に検出するために、相対回転変位角が−３°から３°
の範囲で、相対回転変位角と受光量とが比例するように
設定してある。すなわち、この角度範囲における軸９，
１０の相対回転により、対応するスリットＳ１，Ｓ２同
士が完全に重なったり、逆に対応するスリットＳ１，Ｓ
２同士が全く重ならなかったりすることのないように、
第１の円板３１と第２の円板３２との互いの位置決めが
なされている。

【００２０】なお、この条件を満たすものであれば、各
円板３１，３２に形成されるスリットＳ１，Ｓ２は、そ
の大きさができるだけ大きいことが好ましく、また、そ
の個数もできるだけ多いことが好ましい。この場合に
は、各対応するスリットＳ１，Ｓ２同士の重合部分を通
って受光部３５に受けられる光量が多いので、トルク検
出の検出精度が向上するからである。以上、本実施形態
によれば、発光部３４および受光部３５が環状であり、
発光部３４からの光を円板３１,３２の全周に分散する
多数のスリットＳ１，Ｓ２を通して受光部３５により受
けることができる。したがって、受光部３５が受ける光
量が多くなり、入力軸９および出力軸１０が相対的に回
転する際に、受光部３５に受けられる光量の変化が大き
い。これにより、トルクセンサＴの検出精度を向上させ
ることができる。

【００２１】また、全周のスリットＳ１，Ｓ２で受光量
の変化を検出するため、トータルとしては部品精度のば
らつきを相殺でき（実質的に平均化でき）、その結果、
部品精度の影響を受けない構造にできる。その他、本発
明の特許請求の範囲内で種々の変更が可能であることは
いうまでもない。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係るトルクセンサが組み込まれた舵取
り装置の概略構成を模式的に示す図である。

【図２】トルクセンサが適用された舵取り装置の要部の
模式的断面図である。

【図３】図２の矢印Ａ方向から見た各スリットの形状を
模式的に示す図である。

【図４】発光部から光が発された場合の第１および第２
の円板の各スリットの重合状態を模式的に示す図であ
る。（ａ）は、トーションバーにトルクが加えられてい
ない場合、（ｂ）は、トーションバーに一方方向のトル
クが加えられている場合を示す。

【図５】入力軸の出力軸に対する相対回転変位角と受光
部に受けられる受光量との関係を示すグラフである。

【符号の説明】

Ｔ トルクセンサ ３４ 受光部 ３１ 第１の円板 ３２ 第２の円板 ３４ 発光部 ３５ 受光部 Ｃ 軸線 Ｓ１，Ｓ２ スリット

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】入力軸および出力軸を同一の軸線上に連結
   するトーションバーに加えられるトルクを検出するトル
   クセンサにおいて、 入力軸および出力軸にそれぞれ一体回転可能に設けら
   れ、相対向する一対の円板と、 各円板に上記軸線を中心とする環状に並ぶように形成さ
   れた複数のスリットと、 一対の円板を挟んで対向する発光部および受光部とを備
   え、 発光部および受光部はそれぞれ上記軸線を中心とする環
   状をなしており、 受光部は一対の円板の対応するスリットの重合部分を通
   して発光部からの光を受けることを特徴とするトルクセ
   ンサ。