JP2012032198A

JP2012032198A - トルクセンサ

Info

Publication number: JP2012032198A
Application number: JP2010170100A
Authority: JP
Inventors: Kazuyuki Ishibashi; 和之石橋
Original assignee: Tamagawa Seiki Co Ltd
Current assignee: Tamagawa Seiki Co Ltd
Priority date: 2010-07-29
Filing date: 2010-07-29
Publication date: 2012-02-16

Abstract

【課題】本発明は、軸に取り付けるロータを二体とし、ロータに対向するステータコアを円周方向に沿って一対設け、２個のセンサを１個型としてコンパクト化することを目的とする。
【解決手段】本発明によるトルクセンサは、軸(1)の外周(1a)に軸方向(A)に離間する一対のロータ(2,3)を設け、この各ロータ(2,3)に対向して周方向に一対の第１、第２系統目ステータコア(10,20)を設け、前記軸(1)にトルクが発生した場合に、一方のロータ(3)が回転するため、正常時と歪み発生時における各合成出力電圧(V₁,V₂)の差の電圧差(V)を用いて軸(1)のトルクを検出する構成である。
【選択図】図１

Description

本発明は、トルクセンサに関し、特に、軸に取り付けるロータを二体とし、ロータに対抗するステータコアを円周方向に沿って一対設け、２個のセンサを１個型としてコンパクト化するための新規な改良に関する。

従来、用いられていたこの種のトルクセンサとしては、例えば、特許文献１に開示されているように、図示していないが、トーションバーの軸方向に沿って、巻線型のロータと巻線型のステータとからなる一対のレゾルバを直列に配設し、トーションバーに発生するトルクを各レゾルバからの出力信号の差によってトルクの大きさを検出していた。

特開２００６−３００８１５号公報

従来のトルクセンサは、以上のように構成されていたため、次のような課題が存在していた。
すなわち、トーションバーの軸方向に沿って、一対のレゾルバを配設し、トーションバーにかかるトルクの変化を検出しているため、トーションバーの全周でかつ所定の軸方向範囲にわたってレゾルバが位置を占めることになり、独立したレゾルバが一対必要となると共に、各レゾルバに高精度あるいは同一の誤差波形を有する必要があり、コストも高く、全体形状も小型化が困難であった。

本発明によるトルクセンサは、軸の外周に設けられ互いに軸方向に沿って離間する第１、第２ロータと、前記第１、第２ロータの外周に所定間隔で形成された凹部及び凸部と、前記第１、第２ロータの外側に固定配置されたステータコア体と、前記ステータコア体に設けられ前記第１、第２ロータに対応する第１、第２ステータ歯を有する第１系統目ステータコアと、前記ステータコア体に設けられ前記第１、第２ロータに対応する第３、第４ステータ歯を有する第２系統目ステータコアと、前記第１〜第４ステータ歯に設けられ励磁巻線及び出力巻線からなるステータ巻線と、からなり、前記第１系統目ステータコアと前記第２系統目ステータコアとは、前記各ロータの周方向に沿って互いに離間し、前記第１系統目ステータコアと前記第２系統目ステータコアは、前記各ロータの前記凹部と凸部に対して互いに逆位相位置に配設され、前記軸にトルクが発生して前記各ロータ間における凹部及び凸部の対応位置が変化し、前記第１ロータに対応する前記各出力巻線の出力による第１合成出力電圧と前記第２ロータに対応する前記各出力巻線の出力による第２合成出力電圧との間に発生する電圧差を用いて前記軸にかかるトルクを検出する構成であり、また、前記第１系統目ステータコアと前記第２系統目ステータコアとは、一体に形成されて前記ステータコア体を構成している構成であり、また、前記ステータコア体は複数個配設されて冗長系を構成している構成である。

本発明によるトルクセンサは、以上のように構成されているため、次のような効果を得ることができる。
すなわち、軸の外周に設けられ互いに軸方向に沿って離間する第１、第２ロータと、前記第１、第２ロータの外周に所定間隔で形成された凹部及び凸部と、前記第１、第２ロータの外側に固定配置されたステータコア体と、前記ステータコア体に設けられ前記第１、第２ロータに対応する第１、第２ステータ歯を有する第１系統目ステータコアと、前記ステータコア体に設けられ前記第１、第２ロータに対応する第３、第４ステータ歯を有する第２系統目ステータコアと、前記第１〜第４ステータ歯に設けられ励磁巻線及び出力巻線からなるステータ巻線と、からなり、前記第１系統目ステータコアと前記第２系統目ステータコアとは、前記各ロータの周方向に沿って互いに離間し、前記第１系統目ステータコアと前記第２系統目ステータコアは、前記各ロータの前記凹部と凸部に対して互いに逆位相位置に配設され、前記軸にトルクが発生して前記各ロータ間における凹部及び凸部の対応位置が変化し、前記第１ロータに対応する前記各出力巻線の出力による第１合成出力電圧と前記第２ロータに対応する前記各出力巻線の出力による第２合成出力電圧との間に発生する電圧差を用いて前記軸にかかるトルクを検出することにより、従来２つ必要であったレゾルバを１個にまとめることができ、かつ、出力電圧値の変化をねじれ角に換算して、軸にかかるトルクを検出することができ、安価で小型のトルクセンサを得ることができる。
また、前記第１系統目ステータコアと前記第２系統目ステータコアとは、一体に形成されて前記ステータコア体を構成していることにより、より小型で、取付けの容易な構成とすることができる。
また、前記ステータコア体は複数個配設されて冗長系を構成していることにより、簡単に冗長系のトルクセンサを得ることができる。

本発明によるトルクセンサを示す概略断面図である。本発明によるトルクセンサの動作を示す説明図である。図２の（Ａ）の状態を示す斜視図である。図２の（Ｂ）の状態を示す斜視図である。図２及び図３、図４のトルクセンサの動作時における合成出力波形図である。

本発明は、軸に取り付けるロータを二体とし、ロータに対向するステータコアを円周方向に沿って一対設け、２個のセンサを１個型としてコンパクト化したトルクセンサを提供することを目的とする。

以下、図面と共に本発明によるトルクセンサの好適な実施の形態について説明する。
図１において、符号１で示されるものは、トーションバーからなる、例えば、車輌のステアリング装置に設けられている軸であり、この軸１の外周１ａには、その軸方向Ａに沿って互いに離間した状態で一対の第１、第２ロータ２，３が設けられている。

前記各ロータ２，３は、図１では省略してあるが、軸１の外周１ａに沿って、この外周１ａを覆う輪状とするか、又は、一部の角度範囲とするセグメント型とするか、の何れかの構造で構成されている。

前記各ロータ２，３の外周面には、図２で示されるように、矩形波状の凹部２Ａ、３Ａと凸部２Ｂ、３Ｂが図３及び図４で示されるように、全周にわたって交互に形成されている。
前記各ロータ２，３は、軸方向Ａに沿う断面では断面Ｌ字型をなすように構成され、各ロータ２，３間には、互いに離間するための間隙Ｄが形成されていると共に、各ロータ２，３は連続した断面構成としては、凹形を形成している。

前記各ロータ２，３の外周側である外側には、図示しない装置側の固定部材を介して全体形状が凹状をなす第１系統目ステータコア１０が固定配設されており、前記第１系統目ステータコア１０は、前記各ロータ２，３の凹部２Ａ，３Ａと凸部２Ｂ，３Ｂに対してわずかなギャップＧを介して対向するように構成されている。

前記第１系統目ステータコア１０の軸方向Ａに沿う両端に突出して形成された第１、第２ステータ歯１０Ａ，１０Ｂの外周には、ステータ巻線１１，１２が設けられており、このステータ巻線１１，１２は、周知の励磁巻線Ｍ及び出力巻線Ｎから構成されている。

前記第１系統目ステータコア１０は、図２で示されるように、ステータコア体１００の一端１００ａ側に設けられ、このステータコア体１００の他端１００ｂ側には、前記第１系統目ステータコア１０と全く同一構成の第２系統目ステータコア２０が設けられている。

前記第２系統目ステータコア２０には、前記第１、第２ステータ歯１０Ａ，１０Ｂと同様に第３、第４ステータ歯２０Ａ，２０Ｂが形成され、前記各ステータ歯２０Ａ，２０Ｂには、前記ステータ巻線１１，１２と全く同一のステータ巻線２１，２２が設けられている。

前述の構成において、前記第１系統目ステータコア１０と第２系統目ステータコア２０の各ステータ歯１０Ａ，１０Ｂ，２０Ａ，２０Ｂは、図２の（Ａ）の状態で示されるように、軸１にトルクが発生していない無トルク負荷時においては、第１ロータ２だけではなく、第２ロータ３の各凹部２Ａ，３Ａ及び凸部２Ｂ，３Ｂに対しても互いに逆位相位置となるように配設されているため、軸１が回転した時に各系統目ステータコア１０，２０の各ステータ巻線１１，２２から得られる出力電圧の電圧変化をキャンセルして図５で示される平坦な電圧レベル信号として得られるように構成されている。

従って、以上の構成において、前述の各励磁巻線Ｍに励磁信号を供給し、磁束φが発生している状態下で、軸１にトルクが発生し、図２の（Ｂ）及び図４で示されるように、トルク負荷時の軸１の歪みが発生すると、例えば、第１ロータ２に対して第２ロータ３のみが回転するため、各ロータ２，３と各ステータコア１０，２０を流れる磁束φの大きさが変化する。
すなわち、図２の各系統目ステータコア１０，２０の上段、すなわち、第１、第３ステータ歯１０Ａ，２０Ａのステータ巻線１１，２１から得られる出力電圧の電圧レベルと、各系統目ステータコイル１０．２０の下段、すなわち、第２、第４ステータ歯１０Ｂ，２０Ｂのステータ巻線１２，２２から得られる出力電圧の電圧レベルとは、異なる状態となり、その差分である電圧差Ｖ（図３で示される）をねじれ角度として検出し、トルクに換算することができる。

前述の電圧差Ｖは、図２の（Ｂ）で示す状態に第２ロータ３が第１ロータ２に対して位置ズレを発生した状態で、図１で示される第２ロータ３と各系統目ステータコア１０，２０との磁束の結合度が図２の（Ａ）の状態よりも低下するため、出力電圧の電圧レベルが低下するものである。

すなわち、図５は合成出力波形を示しており、縦軸に出力電圧、横軸に軸１、すなわち、第２ロータ３の回転の角度を示している。
前述の各系統目ステータコア１０，２０の各ステータ歯１０Ａ，１０Ｂと各ロータ２，３の対向関係が、図２の（Ａ）及び図３、すなわち、軸１にトルクが付加されていない時においては、各系統目ステータコア１０，２０の励磁による磁束φの大きさが正常であるため、第１、第２系統電源を合成すると、第１合成出力電圧Ｖ_２（点線で示す）が得られる。

これに対し、軸１にトルクが加えられて第２ロータ３が回転して歪みが派生する、図２の（Ｂ）及び図４の場合のように歪み発生時においては、図５の歪み発生時の記載のように、各系統目ステータコア１０，２０における励磁による磁束φの大きさが小さくなる歪み発生時においては、第１、第２系統電源を合成すると、第２合成出力電圧Ｖ_２（実線で示す）が得られ、この時の各合成出力電圧Ｖ_１とＶ_２の差が電圧差Ｖとして得られる。
この電圧差Ｖの大きさに基づき、周知の演算によって角度に変換した後、トルクに変換することができる。

前述の構成においては、前記各系統目ステータコア１０，２０を一体状に形成させてステータコア体１００を構成し、各系統目ステータコア１０，２０を軸１の周面の周方向に沿って互いに離間した状態で設けた場合について述べたが、前記各系統目ステータコア１０，２０は、ステータコア体１００として一体状、又は、別体状として構成することができる。

さらに、前述の構成においては、軸１の各ロータ２，３の外側位置に１個のステータコア体１００を設けた場合について述べたが、例えば、２個又は３個のステータコア体１００を配設した場合には、同一の出力信号である電圧差Ｖを２個又は３個同時に出力することができ、多重冗長系を構成することができる。

本発明によるトルクセンサは、自動車用のパワーステアリング装置への適用だけではなく、工作機やロボット等のトルク検出にも適用が可能である。

１軸
１ａ外周
２第１ロータ
２Ａ凹部
２Ｂ凸部
３第２ロータ
３Ａ凹部
３Ｂ凸部
１０第１系統目ステータコア
１０Ａ第１ステータ歯
１０Ｂ第２ステータ歯
１１,１２ステータ巻線
２０第２系統目ステータコア
２０Ａ第３ステータ歯
２０Ｂ第４ステータ歯
２１,２２ステータ巻線
１００ステータコア体
１００ａ一端
１００ｂ他端
Ａ軸方向
Ｄ間隙
Ｇギャップ
φ 磁束
Ｍ励磁巻線
Ｎ出力巻線

Claims

軸(1)の外周(1a)に設けられ互いに軸方向(A)に沿って離間する第１、第２ロータ(2,3)と、前記第１、第２ロータ(2,3)の外周に所定間隔で形成された凹部(2A,3A)及び凸部(2B,3B)と、前記第１、第２ロータ(2,3)の外側に固定配置されたステータコア体(100)と、前記ステータコア体(100)に設けられ前記第１、第２ロータ(2,3)に対応する第１、第２ステータ歯(10A,10B)を有する第１系統目ステータコア(10)と、前記ステータコア体(100)に設けられ前記第１、第２ロータ(2,3)に対応する第３、第４ステータ歯(20A,20B)を有する第２系統目ステータコア(20)と、前記第１〜第４ステータ歯(10A,10B,20A,20B)に設けられ励磁巻線(M)及び出力巻線(N)からなるステータ巻線(11,12,21,22)と、からなり、
前記第１系統目ステータコア(10)と前記第２系統目ステータコア(20)とは、前記各ロータ(2,3)の周方向に沿って互いに離間し、前記第１系統目ステータコア(10)と前記第２系統目ステータコア(20)は、前記各ロータ(2,3)の前記凹部(2A,3A)と凸部(2B,3B)に対して互いに逆位相位置に配設され、前記軸(1)にトルクが発生して前記各ロータ(2,3)間における凹部(2A,3A)及び凸部(2B,3B)の対応位置が変化し、前記第１ロータ(2)に対応する前記各出力巻線(N)の出力による第１合成出力電圧(V₁)と前記第２ロータ(3)に対応する前記各出力巻線(N)の出力による第２合成出力電圧(V₂)との間に発生する電圧差(V)を用いて前記軸(1)にかかるトルクを検出することを特徴とするトルクセンサ。
前記第１系統目ステータコア(10)と前記第２系統目ステータコア(20)とは、一体に形成されて前記ステータコア体(100)を構成していることを特徴とする請求項１記載のトルクセンサ。
前記ステータコア体(100)は複数個配設されて冗長系を構成していることを特徴とする請求項１又は２記載のトルクセンサ。