JP2002090235A - トルク検出装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 構造が簡単かつコンパクトで、低コストの過
負荷防止機能を備えた信頼性の高いトルク検出装置を得
ること。 【解決手段】 加えられたトルクに対応した磁界が発生
するように着磁された検出軸１と、中空部１１ａ，１１
ｇを有する第１，第２の保護軸１０ａ，１０ｂが円周方
向にすき間を介して軸方向に連結され、中空部１１ａ，
１１ｂ内に検出軸１が収容されてその両端部が第１，第
２の保護軸１０ａ，１０ｂにそれぞれ固定された保護軸
１０と、この保護軸１０の外側において検出軸１の着磁
部２Ａ，２Ｂに対向配置された磁界検出センサ３ａ，３
ｂとを備えた。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、軸に加わるトルク
を非接触で検出するトルク検出装置に関すものである。

【０００２】

【従来の技術】従来この種トルク検出装置には、例え
ば、特公平７−１１７４６４号公報や特許第２８１１９
８０号公報に記載されているように、磁歪合金軸に直接
±４５°の溝を設けたものや、エッチング処理により±
４５°のリスット加工を施したアモルファス合金箔を軸
に接着した検出部を備えたトルク検出軸を、軸受により
回転自在かつ軸方向に位置規制して支持すると共に、ト
ルク検出軸の外周に検出部と対向し、かつ所定の間隙を
隔てて検出コイルを配設して一体に構成したものがあ
る。そして、トルク検出軸にトルクが加わると、磁歪合
金軸又はアモルファス合金箔の応力変化に伴う透磁率の
変化を検出コイルのインピーダンスの変化として検出す
るようにしたものである。

【０００３】このようなトルク検出器において、磁歪合
金軸に直接±４５°の溝を加工するものは、トルク特性
に影響を及ぼすパラメータが多く、また部品点数が多い
ばかりでなく各部品の精度が要求されるため製造が面倒
で、高価になるという問題がある。また、アモルファス
合金箔を用いたものは、トルク検出軸にアモルファス合
金箔を接着するのが面倒であると共に、接着したアモル
ファス合金箔とトルク検出軸の熱膨張係数の違いによ
り、温度特性が悪いという問題がある。

【０００４】また、トルクが加わるシャフトに直接スト
レーンゲージを接着固定し、トルクによる歪量をスリッ
プリングで外部に取出すようにした歪検出方式のものも
ある。しかしながら、このような歪検出方式は、歪量を
信号として外部に取出す手段としてスリップリングを用
いているため、定期的なスリップリングの交換が必要で
あるばかりでなく、スリップリングを内蔵しているため
外形寸法が大きくなり、高価な商品でメンテナンス費用
もかかるため、検査機器など特定の装置に使用範囲が限
定されている。

【０００５】上記のような問題を解決するために、特許
第２７９７０２１号公報には、磁歪合金軸に溝を設けた
り、軸にアモルファス合金箔やストレンゲージを接着す
ることなく、軸に加わるトルクを検出するトルク測定装
置が開示されている。この装置は、回転自在に支承され
て、回転停止又は所定の回転数で回転駆動されるトーシ
ョンバーと、このトーションバーの両端部に設けられ、
回転方向に所定ピッチでハウジングに固定され、多相正
弦波による回転磁界を発生する一対となった第１回転磁
界発生部及び第２回転磁界発生部と、トーションバーの
両端部に設けられ、第１回転磁界発生部に対向した第１
誘導起電圧発生体及び第２回転磁界発生部に対向した第
２誘導起電圧発生体と、第１誘導起電圧発生体及び第２
誘導起電圧発生体の夫々の誘導起電圧の位相差を検出す
る位相差計とから構成したものである。

【０００６】そして、第１回転磁界発生部及び第２回転
磁界発生部から発生する回転磁界により第１誘導起電圧
発生体及び第２誘導起電圧発生体の夫々に誘導起電圧が
誘起される。第１誘導起電圧発生体と第２誘導起電圧発
生体とは、トーションバーの捩じれにより捩じれ量に応
じた量だけ回転方向に位相がずれるので、両者に発生す
る誘導起電圧間には、捩じれ量に応じた位相差が生じ
る。その位相差を位相差計により検出して、位相変位量
が算出され、それに基づいてトーションバーに加わるト
ルク量を算出する。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】上記のように構成した
トルク測定装置においては、トルクが加わるトーション
バーの入出力の位相角を確保するために、トーションバ
ーをねじれ易くする手段としてその軸径を細くする必要
があり、このため機械的強度が不足して安全上問題があ
った。また、トーションバーに加わるねじれ応力が過負
荷状態（ねじれ過ぎ）になった際に、トルク検出器の特
性であるヒステリシスや零点戻り特性に多大の影響を与
える要因にもなっていた。

【０００８】このため、トーションバーが過負荷状態に
なるのを防止するために、メカニカルストッパー等から
なる過負荷防止機構が必要になり、また、前述の位相差
を検出するための装置も必要なため、これらを組込んだ
トルク測定装置が大形になり、その上、これらの構成部
品は高精度加工を必要とするため高コストになるなど、
種々問題があった。

【０００９】本発明は、上記の課題を解決するためにな
されたもので、構造が簡単かつコンパクトで、低コスト
の過負荷防止機能を備えた信頼性の高いトルク検出装置
を提供することを目的としたものである。

【００１０】

【課題を解決するための手段】（１）本発明に係るトル
ク検出装置は、加えられたトルクに対応した磁界が発生
するように着磁された検出軸と、中空部を有する第１，
第２の保護軸が円周方向にすき間を介して軸方向に連結
され、前記中空部内に前記検出軸が収容されてその両端
部が前記第１，第２の保護軸にそれぞれ固定された保持
軸と、該保護軸の外側において前記検出軸の着磁部に対
向配置された磁界検出センサとを備えたものである。

【００１１】（２）上記（１）の第１，第２の保護軸の
連結部に形成されたすき間を、保持軸の回転角にして±
１°〜±５°、好ましくは±２°〜±３°に設定した。

【００１２】（３）上記（１）又は（２）のトルク検出
装置において、保護軸より大径で内部に前記保護軸が挿
通されて第１，第２の保護軸をそれぞれ回転自在に支持
する円筒状のハウジングと、前記保護軸とハウジングと
の間において、該保護軸内に収容された検出軸の着磁部
に対向配置された磁界検出センサとを備えた。

【００１３】

【発明の実施の形態】図４は本発明に係るトルク検出装
置の原理的説明図である。図において、１は磁性材料か
らなり、回転可能に支持されて加えられたトルクを検出
するトルク検出軸（以下、単に検出軸という）で、この
検出軸１には軸方向と直交し、かつ所定の間隔を隔てて
円周方向に、互いに反対方向に着磁された着磁帯２ａ，
２ｂ（以下、単に２と記すことがある）が設けられてい
る。

【００１４】いま、検出軸１の円周方向に実線矢印で示
すようにトルクが加えられると、検出軸１の表面には矢
印で示すように、軸方向に対して４５°のねじり応力が
生じる。このねじり応力により、着磁帯２ａ，２ｂに
は、応力磁気効果により軸方向の磁界が生じる。この磁
界は着磁帯２ａ，２ｂが反対方向に着磁されているため
着磁帯２ａ，２ｂの境界は同極性となり、互いに反発し
て検出軸１の表面から外部（空中）に、加えられたトル
クに対応した漏洩磁界Ｍが発生する。

【００１５】３ａ，３ｂは例えば磁気抵抗素子やホール
素子等からなり、発生した漏洩磁界を非接触で検出する
磁界検出センサで、検出軸１の着磁帯２ａ，２ｂに対向
して配設されており、検出軸１にトルクが加えられて漏
洩磁界Ｍが発生すると、漏洩磁界Ｍの強さに対応した電
気信号あるいは位相の変化などを検出する。４は増幅
器、５は変換器で、磁界検出センサ３ａ，３ｂの出力に
よる電気信号の変化を増幅し、トルク値に変換すること
により、図５に示すように、直線的なトルク値を得るこ
とができる。なお、磁界検出センサ３ａ，３ｂによって
検出された電気信号の処理手段は、上記に限定するもの
ではなく、適宜の手段を採用することができる。

【００１６】図１は本発明に係るトルク検出装置の一実
施の形態の縦断面図である。図において、１は磁性材料
からなる検出軸で、例えば、磁歪特性を有するＮｉ４〜
５％を含む鋼材、マルテンサイト状態のＮｉを含有する
ステンレス鋼、あるいは析出系ステンレス鋼などが用い
られる。この検出軸１には、軸方向と直交して円周方向
に、隣接する着磁帯２が所定の幅でかつ互いに反対方向
に着磁された２帯、好ましくは３帯の着磁帯２からなる
２組の着磁帯群２Ａ，２Ｂが、所定の間隔を隔てて設け
られている。なお図には３帯の着磁帯２からなる２組の
着磁帯群２Ａ，２Ｂを設けた場合を示したが、各着磁群
２Ａ，２Ｂを構成する着磁帯２は１帯以上であればよ
い。

【００１７】１０は非磁性材料からなり、第１の保護軸
１０ａと第２の保護軸１０ｂとを軸方向に連結してなる
保護軸で、第１の保護軸１０ａは検出軸１の外径より大
きい内径の中空部１１ａを有し、その底部には検出軸１
の一端が嵌入される嵌合部１２ａが設けられている。ま
た、第２の保護軸１０ｂは第１の保護軸１０ａの中空部
１１ａと同径の浅い中空部１１ｂを有し、その底部には
検出軸１の他端が嵌入する嵌合部１２ｂが設けられてい
る。１３は第１，第２の保護軸１０ａ，１０ｂの連結部
である。なお、上記の説明では、第１，第２の保護軸１
０ａ，１０ｂを非磁性材料によって構成した場合を示し
たが、第１の保護軸１０ａの着磁帯群２Ａ，２Ｂに対応
する部分を非磁性材料で構成し、その他の部分及び第２
の保護軸１０ｂを磁性材料で構成してもよい。

【００１８】図２に第１，第２の保護軸１０ａ，１０ｂ
の連結部１３の一例を示す。図２（ａ）は第１の保護軸
１０ａの連結部である先端部の構造の一例を示すもの
で、本例においては、先端部をほぼ４等分して凸部１４
ａ，１４ｂ（斜線で示す）と凹部１５ａ，１５ｂを交互
に設け、凸部１４ａ，１４ｂを形成する中心角を９０°
より若干小さく、９０°−αとし、凹部１５ａ，１５ｂ
を形成する中心角を９０°より若干大きく、９０°＋α
として、凹部１５ａ，１５ｂの円弧長を凸部１４ａ，１
４ｂの円弧長より若干長く形成したものである。

【００１９】また、図２（ｂ）は第２の保護軸１０ｂの
連結部である先端部の構造を示すもので、先端部をほぼ
４等分して第１の保護軸１０ａの凸部１４ａ，１４ｂに
対応して凹部１７ａ，１７ｂを設け、同じく凹部１５
ａ，１５ｂに対応して凸部１６ａ，１６ｂを設けたもの
で、凸部１６ａ，１６ｂを形成する中心角を９０°より
若干小さく９０°−αとし、凹部１７ａ，１７ｂを形成
する中心角を９０°より若干大きく９０°＋αとして、
凹部１７ａ，１７ｂの円弧長を凸部１６ａ，１６ｂの円
弧長より若干長く形成したものである。

【００２０】このように構成した第１，第２の保護軸１
０ａ，１０ｂは、その凸部１４ａ，１４ｂ、１６ａ，１
６ｂを相手方の凹部１５ａ，１５ｂ、１７ａ，１７ｂに
それぞれ嵌入して両者を連結する。このとき、図２
（ｃ）に示すように、連結部１３の両者の凸部１４ａ，
１４ｂと１６ａ，１６ｂとの間には、円周方向にすき間
ｇ（いわゆる遊び）が形成される。このすき間ｇは、検
出軸１や保護軸１０の外径等によって異なるが、保護軸
１０の回転角にして±１°〜±５°程度、好ましくは±
２°〜±３°前後である。

【００２１】図３は第１，第２の保護軸１０ａ，１０ｂ
の連結部の他の例を示すものである。第１の保護軸１０
ａの先端部には、図３（ａ）に示すように、大きい円弧
長（例えば、中心角が１１０°程度）の凸部１４ａ，１
４ｂと、小さい円弧長（例えば、中心角が７０°程度）
の凹部１５ａ，１５ｂが設けられ、第２の保護軸１０ｂ
の先端部には、第１の保護軸１０ａの凹部１５ａ，１５
ｂに対応し、かつこの凹部１５ａ，１５ｂの円弧長より
短かい円弧長の凸部１６ａ，１６ｂと、凹部１７ａ，１
７ｂを設けたものである。

【００２２】そして、第１，第２の保護軸１０ａ，１０
ｂの先端部を嵌合して両者を連結すると、両者の凸部１
４ａ，１４ｂと１６ａ，１６ｂとの間には、図３（ｃ）
に示すように、図２の例の場合と同様に、すき間ｇが形
成される。以上、第１，第２の保護軸１０ａ，１０ｂの
連結部１３の構造の例について説明したが、本発明はこ
れに限定するものではなく、両者の接合部の間にすき間
ｇを形成するものであれば、他の手段を用いてもよい。

【００２３】上記のように構成した検出軸１と保護軸１
０を組立てるには、先ず、第１の保護軸１０ａの中空部
１１ａに検出軸１を挿入してその先端部を嵌合部１２ａ
に嵌入し、ピン１８ａにより固定する。ついで、検出軸
１の他端に第２の保護軸１０ｂの嵌合部１２ｂを嵌合す
ると共に、その先端部に設けた凸部１６ａ，１６ｂ及び
凹部１７ａ，１７ｂを、第１の保護軸１０ａの凹部１５
ａ，１５ｂ及び凸部１４ａ，１４ｂに嵌合して両者を連
結し、検出軸１の他端をピン１８ｂにより第２の保護軸
１０ｂに固定すれば、組立てが完了する。なお、上記の
説明では、検出軸１を第１，第２の保護軸１０ａ，１０
ｂにピン１８ａ，１８ｂで固定した場合を示したが、両
者をガタなく回転不能に結合できるものであれば、スプ
ライン加工その他の手段を用いてもよい。

【００２４】２０は例えば鋼材等からなり、内径が保護
軸１０の外径より大径で円筒状のハウジングであり、中
空部２１内に検出軸１を有する保護軸１０が挿通され、
軸受２２ａ，２２ｂにより回転自在に支持される。これ
により、着磁帯２が設けられた検出軸１は、ケーシング
２０内に密封される。

【００２５】２３ａ，２３ｂは保護軸１０とハウジング
２０との間の中空部２１内において、検出軸１の着磁帯
群２Ａ，２Ｂと対向して配設されたプリント基板で、そ
の保護軸１０と対向する面には、着磁帯群２Ａと対向し
て磁界検出センサ３ａ，３ａが、また、着磁帯群２Ｂと
対向して磁界検出センサ３ｂ，３ｂがそれぞれ設けられ
ている。なお、図示してないが、プリント基板２３ａ，
２３ｂにはプリント配線が形成されて、増幅器等を構成
する多くの電気部品が搭載されている。また、プリント
基板２３ａ，２３ｂと電源とを接続するリード線や、プ
リント基板２３ａ，２３ｂから信号を出力するリード線
は省略してある。

【００２６】上記のように構成した本発明に係るトルク
検出装置においては、保護軸１０の両端部が被トルク検
出部に連結され、ハウジング２０が例えばフレーム等に
固定される。いま、第２の保護軸１０ｂに例えば矢印ａ
方向のトルクが加えられると、このトルクはピン１８ｂ
を介して検出軸１の一端に加えられる。しかし、このト
ルクは第１，第２の保持軸１０ａ，１０ｂの連結部１３
にすき間ｇが設けられているため、第１の保護軸１０ａ
には伝達されず、検出軸１にこのトルクに対応したねじ
れ応力が生じる。

【００２７】このねじれ応力によって、検出軸１に設け
た着磁帯群２Ａ，２Ｂには、前述のように検出軸１に加
えられたトルクに対応した磁界が生じ、検出軸１の表面
に漏洩磁界が発生する。この漏洩磁界を磁界検出センサ
３ａ，３ｂで検出することにより、第２の保護軸１０
ｂ、したがって、検出軸１に加えられたトルクを測定す
ることができる。保護軸１０ｂに反矢印ａ方向のトルク
が加えられた場合も、同様にしてこのトルクを測定する
ことができる。

【００２８】このように、第１，第２の保護軸１０ａ，
１０ｂの連結部１３には、すき間ｇが設けられていわゆ
る遊びが存在するため、第２の保護軸１０ｂに通常のト
ルクが加えられた場合は、第２の保護軸１０ｂはすき間
ｇの範囲（許容範囲）で回動するため、検出軸１にのみ
トルクが伝達され、第１の保護軸１０ａにはトルクは伝
達されない。

【００２９】しかし、第２の保護軸１０ｂに大きなトル
クが加えられて第２の保護軸１０ｂがすき間ｇを超えて
回動すると、第２の保護軸１０ｂの回動は連結部１３を
介して第１の保護軸１０ａに伝達され、第１，第２の保
護軸１０ａ，１０ｂが一体となって回動する。これによ
り、検出軸１も保護軸１０と共に回動するためねじれが
発生せず、このため損傷したり破断したりすることがな
い。

【００３０】例えば、通常の自動車におけるパワーステ
アリング用のトルク検出装置においては、検出すべきト
ルク値は１０Ｎ・ｍ程度であるが、ステアリングシャフ
トは３００Ｎ・ｍ程度のトルクにも耐え得るようになっ
ている。本発明に係るトルク検出装置は、通常必要とさ
れるトルク値である１０Ｎ・ｍ程度までのトルク値を検
出し、１０Ｎ・ｍを超える３００Ｎ・ｍ程度までの大き
なトルクが加えられたときは、検出軸１の外周を覆う保
護軸１０で賄うことにより、検出軸１を保護する。

【００３１】上記の説明では、保護軸１０の周囲にハウ
ジング２０を設けた場合を示したが、トルクを検出する
対象物によってはこのハウジング２０を省略してもよ
い。ただし、この場合は、磁気検出センサ３ａ，３ｂを
有するプリント基板２３ａ，２３ｂの取付部を設けると
共に、プリント基板２３ａ，２３ｂが外部磁界の影響を
受けないように磁気シールド手段を講ずる必要がある。

【００３２】

【発明の効果】（１）本発明に係るトルク検出装置は、
加えられたトルクに対応した磁界が発生するように着磁
された検出軸と、中空部を有する第１，第２の保護軸が
円周方向にすき間を介して軸方向に連結され、中空部内
に検出軸が収容されてその両端部が第１，第２の保護軸
にそれぞれ固定された保持軸と、この保護軸の外側にお
いて検出軸の着磁部に対向配置された磁界検出センサと
を備えたので、過負荷が加えられても検出軸が損傷した
り破断したりするおそれがなく、構造が簡単かつコンパ
クトで、信頼性の高いトルク検出装置を得ることができ
る。

【００３３】（２）また、上記（１）の第１，第２の保
護軸の連結部に形成されたすき間を、保持軸の回転角に
して±１°〜±５°、好ましくは±２°〜±３°に設定
したので、検出軸を過負荷から確実に保護することがで
きる。

【００３４】（３）さらに、上記（１）又は（２）のト
ルク検出装置において、保護軸より大径で内部に保護軸
が挿通されて第１，第２の保護軸をそれぞれ回転自在に
支持する円筒状のハウジングと、保護軸とハウジングと
の間において、保護軸内に収容された検出軸の着磁部に
対向配置された磁界検出センサとを備えたので、保護軸
を保護すると共に、ハウジングを鋼材等で構成した場合
は、プリント基板を外部磁界から保護することができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施の形態の縦断面図である。

【図２】図１の第１，第２の保護軸の連結部の一例の説
明図である。

【図３】図１の第１，第２の保護軸の連結部の他の例の
説明図である。

【図４】本発明に係るトルク検出装置の原理的説明図で
ある。

【図５】図４のトルク検出装置によるトルクと出力電圧
との関係を示す線図である。

【符号の説明】

１ 検出軸 ２Ａ，２Ｂ 着磁帯群 ３ａ，３ｂ 磁気検出センサ １０ 保護軸 １０ａ 第１の保護軸 １０ｂ 第２の保護軸 １１ａ，１１ｂ 中空部 １３ 連結部 ２０ ハウジング ２３ａ，２３ｂ プリント基板 ｇ 第１，第２の保護軸の連結部における円周方向のす
き間

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 馬場 正春 東京都小平市天神町１丁目171番地 光洋 電子工業株式会社内 (72)発明者 矢谷 俊晃 東京都小平市天神町１丁目171番地 光洋 電子工業株式会社内

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 加えられたトルクに対応した磁界が発生
   するように着磁された検出軸と、 中空部を有する第１，第２の保護軸が円周方向にすき間
   を介して軸方向に連結され、前記中空部内に前記検出軸
   が収容されてその両端部が前記第１，第２の保護軸にそ
   れぞれ固定された保持軸と、 該保護軸の外側において前記検出軸の着磁部に対向配置
   された磁界検出センサとを備えたことを特徴とするトル
   ク検出装置。
2. 【請求項２】 第１，第２の保護軸の連結部に形成され
   たすき間を、保持軸の回転角にして±１°〜±５°、好
   ましくは±２°〜±３°に設定したことを特徴とする請
   求項１記載のトルク検出装置。
3. 【請求項３】 保護軸より大径で内部に前記保護軸が挿
   通されて第１，第２の保護軸をそれぞれ回転自在に支持
   する円筒状のハウジングと、 前記保護軸とハウジングとの間において、該保護軸内に
   収容された検出軸の着磁部に対向配置された磁界検出セ
   ンサとを備えたことを特徴とする請求項１又は２記載の
   トルク検出装置。