JP2002062203A

JP2002062203A - トルクセンサ

Info

Publication number: JP2002062203A
Application number: JP2000252497A
Authority: JP
Inventors: Ikuma Fukui; 郁磨福井; Toshiyuki Nakamura; 寿幸中村; Hiroshige Uematsu; 裕滋上松; Hiroshi Sagawa; 浩佐川
Original assignee: Omron Corp; Omron Tateisi Electronics Co
Current assignee: Omron Corp
Priority date: 2000-08-23
Filing date: 2000-08-23
Publication date: 2002-02-28

Abstract

(57)【要約】【課題】スライドコアを備えたタイプであっても、部
品点数が少なくて安価に制作できる上、小型で高感度な
トルクセンサを提供する。【解決手段】トーションバー３の外周部に、順次、ス
ライドコア４及びコイル５ｂを配設する。スライドコア
４は、入力軸１と出力軸２の間に作用するトルクに基づ
いてトーションバー３が捻れることにより、その軸方向
にスライドする構成とする。コイル５ｂは、スライドコ
ア４のスライド動作によって透磁率を変化させる位置に
配置する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、車両のパワーステ
アリングシャフト、電動自転車のペダルシャフト、工作
機械の回転軸、ゲーム機のステアリングシャフト等、回
転軸に作用するトルクを検出するためのトルクセンサに
関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、トルクセンサとして、例えば、入
力軸と出力軸の間に作用するトルクによって発生するト
ーションバーの捻れ変位を、軸方向へのコアのスライド
変位に変換するようにしたものがある（特開平７−３３
３０８２号公報、特開平７−３３３０８０号公報、特開
平７−１９８５１０号公報等参照）。このトルクセンサ
では、その外周側に配設されて差動トランスを構成する
一対のコイルにより、前記コアのスライド変位に基づ
き、誘導起電圧を発生させ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、前記構
成のトルクセンサでは、周囲の温度変化に拘わらず高感
度を維持できるようにコイル特性、ヨーク寸法、材料特
性を高度に均一化する必要があり、高価である。

【０００４】また、前記両コイルで差動トランスを構成
するために、これらコイルを、非磁性材料のスリーブに
磁性材料のリングを設けた構成のボビンで保持する必要
がある。これは、スリーブを磁性材料で構成すると磁束
がコアを流れず、コアのスライド変位に基づいて一方の
コイルに誘導起電圧を発生させることが不能となり、コ
アのスライド変位を検出できないからである。このた
め、部品点数が多くなり、製造工程が複雑となるばかり
か、大型化し、高感度のものを得ることができない。

【０００５】そこで、本発明は、スライドコアを備えた
タイプであっても、部品点数が少なくて安価に制作でき
る上、小型で高感度なトルクセンサを提供することを課
題とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明は、前記課題を解
決するための手段として、同軸上に配設した入力軸及び
出力軸と、該入力軸及び出力軸を連結するトーションバ
ーと、該トーションバーの外周部に配設され、前記入力
軸と出力軸の間に作用するトルクに基づいて前記トーシ
ョンバーが捻れることにより、その軸方向にスライドす
るスライドコアとを備えたトルクセンサにおいて、前記
スライドコアの外周部に配設され、両端面及び外周面を
ヨークで覆われたコイルを備え、該コイルを、前記スラ
イドコアのスライド動作によって磁気回路の磁気特性を
変化させる位置に配置したものである。

【０００７】この構成により、両軸間にトルクが作用し
てトーションバーが捻れ、スライドコアがスライド移動
すると、透磁率すなわち磁気抵抗が変化する。これに伴
って、コイルの誘起電圧の振幅や励磁電流の位相差も変
化するので、この変化に基づいてトルクを検出すること
ができる。そして、このセンサでは、スライドコアとコ
イルとの間に隙間は殆ど形成されず、小型化を図ること
ができる。また、コイルは両端面及び外周面をヨークで
覆われただけであり、内周面近傍にはスライドコアが位
置しているので、部品点数が少なく、製造容易で安価な
上、磁束の漏れが殆どなく、高感度である。

【０００８】また、前記コイルとは別に、前記スライド
コアのスライド動作によっては透磁率を変化させない位
置に第２のコイルを配置することにより、温度補償機能
を持たせると、車両等の温度変化に対する条件の厳しい
場所であっても使用可能となる点で好ましい。

【０００９】なお、前記トーションバーの捻れ変位によ
ってはスライド移動しない固定コアを設け、該固定コア
の外周部に前記第２のコイルを配置してもよい。

【００１０】

【発明の実施の形態】以下、本発明に係る実施形態を添
付図面に従って説明する。（第１実施形態）図１及び図２は、第１実施形態に係る
トルクセンサを示す。このトルクセンサは、同軸上に配
設した入力軸１及び出力軸２と、これらを連結するトー
ションバー３と、トーションバー３の捻れ変位によりそ
の軸方向にスライド移動するスライドコア４と、一対の
コイル５ａ，ｂとを備えている。

【００１１】入力軸１及び出力軸２は、対向する端部に
筒状部１ａ（出力軸２側は図示せず。以下同じ）が形成
されている。入力軸１の外周部には環状のスプリング受
部６が形成され、先端側には周方向に４箇所等分で軸方
向に沿うスライド溝７が形成されている。出力軸２の先
端外周面に形成した凹部にはピン８が圧入され、先端面
から所定寸法離れた位置には環状のストッパ部９が形成
されている。

【００１２】トーションバー３は、前記筒状部１ａにそ
れぞれ挿入された状態で、端面を固定され、両軸１，２
を連結する。トーションバー３は、両軸１，２間に作用
するトルクによる捻れ変位を増大させる。

【００１３】スライドコア４は円筒状で、一端側には大
径部１０が形成される一方、他端側外周面には所定間隔
で一対の環状部１１ａ，１１ｂが形成されている。ま
た、中央部内周面には軸方向に対して傾斜する傾斜穴１
２が形成されている。また、スライドコア４の一端側内
周面には周方向に４箇所等分で軸方向に沿う突条１３
（図２（ｂ）参照）が形成されている。スライドコア４
は、突条１３を前記入力軸１に形成したスライド溝７に
摺動自在に係合させ、傾斜穴１２に前記出力軸２に設け
たピン８を摺動自在に係合させた状態で、入力軸１及び
出力軸２の外周部に装着され、入力軸１のスプリング受
部６と大径部１０の端面との間に配設したスプリング４
ａによって出力軸２のストッパ部９側に付勢されてい
る。これにより、両軸１，２間にトルクが作用し、トー
ションバー３に捻れ変位が発生すると、ピン８が傾斜穴
１２の内縁を押圧し、スライドコア４が軸方向にスライ
ド移動することになる。

【００１４】コイル５ａ，５ｂは、所定数巻回された状
態で両端面及び外周面をヨーク１４ａ，１４ｂによって
それぞれ覆われている。一方のコイル５ａは、スライド
コア４の大径部１０の外周部に配置され、スライドコア
４のスライド移動によって、ヨーク１４ａの内周面が大
径部１０から外れないようになっている。他方のコイル
５ｂは、そのヨーク１４ｂの各内周面がスライドコア４
の各環状部１１ａ，１１ｂにそれぞれ対向するように配
置され、スライドコア４のスライド移動により、対向面
積を変化させるようになっている。すなわち、図３
（ａ）に示すように、両軸１，２間にトルクが作用して
いない状態では、ピン８は傾斜穴１２の中央部に位置し
ている。そして、入力軸１に時計回り方向のトルクが作
用すると、図３（ｂ）に示すように、スライドコア４が
左方向にスライド移動し、ヨーク１４ｂの各内周面がス
ライドコア４の各環状部１１ａ，１１ｂから外れ、その
対向面積を最小とする。一方、入力軸１に反時計回り方
向のトルクが作用すると、図３（ｃ）に示すように、ス
ライドコア４が右方向にスライド移動し、ヨーク１４ｂ
の各内周面がスライドコア４の各環状部１１ａ，１１ｂ
に対向し、対向面積を最大とする。

【００１５】前記トルクセンサは、ベアリング１５を介
して円筒状のハウジング１６によって回転自在に覆われ
ている。ハウジング１６の外周面にはプリント基板１７
が配設され、実装された電気回路により、コイル５ａ，
５ｂに通電すると共に、後述するようにしてトーション
バー３の捻れを検出する。

【００１６】続いて、前記トルクセンサの組立方法を説
明する。まず、出力軸２にスライドコア４を外装し、出
力軸２の凹部に傾斜穴１２を介してピン８を嵌合するこ
とにより、出力軸２からスライドコア４を脱落不能とす
る。そして、両軸１，２を、筒状部１ａに挿入するトー
ションバー３により連結する。このとき、スライドコア
４の突条１３を入力軸１のスライド溝７にスライド自在
に係合させる。また、入力軸１のスプリング受部６とス
ライドコア４の大径部１０の端面との間にスプリング４
ａを配設する。

【００１７】また、ハウジング１６に、予め、プリント
基板１７及び一方のベアリング１５のほか、一方のベア
リング１５とそれぞれヨーク１４ａ，１４ｂで覆った一
対のコイル５ａ，５ｂを取り付ける。この場合、各コイ
ル５ａ，５ｂは、各軸１，２にハウジング１６を装着す
る際に、スライドコア４の各環状部１１ａ，１１ｂ及び
大径部１０と正確に位置決めできるように予め決められ
た位置に取り付ける。

【００１８】そして、このハウジング１６を出力軸２側
から外装し、入力軸１側から他方のベアリング１５を装
着することにより、入力軸１のスプリング受部６と出力
軸２のストッパ部９とでハウジング１６の位置決めを行
う。これにより、コイル５ａのヨーク１４ａの各内周面
は、後述するように、スライドコア４がスライド移動し
ても大径部１０から外れることのない位置に位置決めさ
れる。また、コイル５ｂのヨーク１４ｂの各内周面とス
ライドコア４の各環状部１１ａ，１１ｂとが、対向面積
が丁度半分となるように位置決めされる。

【００１９】次に、前記トルクセンサの動作を説明す
る。入力軸１と出力軸２との間にトルクが作用すると、
トーションバー３に相対的な捻り変位が発生し、出力軸
２側のピン８が周方向に移動する。ピン８は、スプリン
グ４ａによって左方向に付勢されたスライドコア４の傾
斜穴１２の内縁を圧接し、スライドコア４をスライド移
動させる。すなわち、図３（ａ）に示す初期状態から入
力軸１に時計回り方向のトルクを作用させると、図３
（ｂ）に示すように、スライドコア４は左方向にスライ
ドし、各環状部１１ａ，１１ｂはコイル５ｂのヨーク１
４ｂの各内周面との対向面積を最小とする位置に移動す
る。また、図３（ａ）に示す初期状態から入力軸１に反
時計回り方向のトルクを作用させると、図３（ｃ）に示
すように、スライドコア４は右方向にスライドし、各環
状部１１ａ，１１ｂはコイル５ｂのヨーク１４ｂの各内
周面との対向面積を最大とする位置に移動する。これに
より、透磁率が変化し、コイル５ｂの自己誘起電圧の振
幅、あるいは、励磁電流の位相差がもたらされるので、
これを前記プリント基板１７に実装した図４又は図５に
示す電気回路によって検出する。図４では、各コイル５
ａ，５ｂに抵抗Ｒａ，Ｒｂをそれぞれ接続したものを並
列接続し、検出値をコンパレータ１８により、自己誘起
電圧の振幅、あるいは、励磁電流の位相差として取り出
すことができるようになっている。また、インピーダン
スの変化を検出する電気回路を利用してもよい。図５で
は、直列接続したコイル５と抵抗Ｒｃとを並列接続し、
各コイル５ａ，５ｂ間及び抵抗への印加電圧をコンパレ
ータ１８により、自己誘起電圧の振幅、あるいは、励磁
電流の位相差として取り出すことができるようになって
いる。また、コイル５ａによって検出される透磁率は変
化しないので、これを基準値として前記コイル５ｂによ
って検出される透磁率に基づいてトルクを算出すれば、
温度変化に拘わらず（温度補償機能を発揮して）、適切
にトルクを検出することができる。

【００２０】（第２実施形態）図６に第２実施形態に係
るトルクセンサを示す。このトルクセンサは、前記第１
実施形態のものとは、トーションバー３の捻れ変位によ
ってはスライド移動しない固定コア１９を備えている点
で相違している（他の部分はほぼ同一である。）。すな
わち、固定コア１９は、出力軸２に一体化され、その外
周面にはコイル５ａのヨーク１４ａの内周面が対向して
いる。したがって、スライドコア４がスライド移動して
も、コイル５ａで検出される透磁率は変化せず、これを
基準値としていわゆる温度補償機能を発揮させることが
できる。

【００２１】（第３実施形態）図７に第３実施形態に係
るトルクセンサを示す。このトルクセンサでは、コイル
５ｂのみが配設されており、前記各実施例のような温度
補償用のコイル５ａは備えていない。したがって、構成
を簡略化でき、安価に製作することが可能となる。そし
て、温度変化の少ない部材、例えば、自転車のペダルシ
ャフトやゲーム機のステアリングシャフト等の用いるこ
とができる。但し、図８に示すように、プリント基板１
７に形成した電気回路にサーミスタ２０を設け、温度変
化による影響をキャンセルするような構成とすれば、温
度補償機能を発揮させることが可能となる。

【００２２】（第４実施形態）図９に第４実施形態に係
るトルクセンサを示す。このトルクセンサは、固定遮磁
部２１がコイル５ｂのヨーク１４ｂの各内周面のうち、
一方のみに外周面を対向するように配設されており、ス
ライドコアの代わりにスライド遮磁部２３を用いた点
で、前記第２実施形態と相違する。コイル５ｂはコア２
２と磁気結合させ、捩じり変位により、スライド遮磁部
２３でコア２２の巾を増減させてトルクの変化を検出し
ようとしている。これによれば、部品形状がより一層簡
略化でき、安価なトルクセンサが得られる。また、スラ
イド遮磁部２３を銅合金などで構成すると、渦電流磁界
を放出するので、スライド遮磁部２３の位置変化がコイ
ル５ｂに大きな影響を与える。このため、コイル５ｂの
大きさの割に磁気変化が激しく、高感度のセンサに適し
ている。これによれば、部品の加工がより一層簡単にな
るという利点がある。

【００２３】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
によれば、トーションバーの軸方向にスライド移動する
スライドコアとの間で透磁率を変化させるコイルを設け
たので、部品点数が少なく、容易かつ安価に制作するこ
とができる。また、コイルは両端面及び外周面をヨーク
によって覆われ、しかも内周面にはスライドコアが近接
しているので、磁束の漏れを殆どなくして高感度な構成
とすることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１実施形態に係るトルクセンサの断面図で
ある。

【図２】図１のＡ−Ａ線断面図（ａ）及びＢ−Ｂ線断
面図（ｂ）である。

【図３】図１のスライドコアの動作状態を示す概略図
である。

【図４】図１のコアの位置ずれに基づいてトルクを検
出するための回路図である。

【図５】図１のコアの位置ずれに基づいてトルクを検
出するための他の例を示す回路図である。

【図６】第２実施形態に係るトルクセンサの断面図で
ある。

【図７】第３実施形態に係るトルクセンサの断面図で
ある。

【図８】図１のコアの位置ずれに基づいてトルクを検
出する際の温度補償を行うための他の例を示す回路図で
ある。

【図９】第４実施形態に係るトルクセンサの断面図で
ある。

【符号の説明】

１…入力軸２…出力軸３…トーションバー４…スライドコア５ａ，５ｂ…コイル８…ピン１０…大径部１１ａ，１１ｂ…環状部１２…傾斜穴１４…ヨーク

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者上松裕滋京都府京都市下京区塩小路通堀川東入南不動堂町801番地オムロン株式会社内 (72)発明者佐川浩京都府京都市下京区塩小路通堀川東入南不動堂町801番地オムロン株式会社内Ｆターム(参考） 2F051 AA01 AA11 AB05 AC04 BA03 3D033 CA28 DB05

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】同軸上に配設した入力軸及び出力軸と、該入力軸及び出力軸を連結するトーションバーと、該トーションバーの外周部に配設され、前記入力軸と出
力軸の間に作用するトルクに基づいて前記トーションバ
ーが捻れることにより、その軸方向にスライドするスラ
イドコアとを備えたトルクセンサにおいて、前記スライドコアの外周部に配設され、両端面及び外周
面をヨークで覆われたコイルを備え、該コイルを、前記
スライドコアのスライド動作によって磁気回路の磁気特
性を変化させる位置に配置したことを特徴とするトルク
センサ。
【請求項２】前記コイルとは別に、前記スライドコア
のスライド動作によっては透磁率を変化させない位置に
第２のコイルを配置することにより、温度補償機能を持
たせたことを特徴とする請求項１に記載のトルクセン
サ。
【請求項３】前記トーションバーの捻れ変位によって
はスライド移動しない固定コアを設け、該固定コアの外
周部に前記第２のコイルを配置したことを特徴とする請
求項２に記載のトルクセンサ。