JP2024001958A - バネ体を内蔵する回転型差動変圧器を有するトルクセンサ - Google Patents

Abstract

【課題】従来のトーションバーを用いることなく、角度情報とトルクを検出することである。【解決手段】バネ体を内蔵する回転型差動変圧器を有するトルクセンサは、ハウジング２に回転自在に設けられた主軸１と、ハウジング２内に設けられ主軸１の外周１Ｂに位置するねじりバネ８からなるバネ体８Ａと、主軸１の端部４に設けられた回転型差動変圧器５と、を備え、バネ体８Ａの第１端部及び第２端部に位置する第１スプリングフック１０及び第２スプリングフック１１は、互いに逆方向に引張りを受けることができるようにし、主軸１の回転角度及びバネ体８Ａのねじり角度を角度情報として検出する構造である。【選択図】図１

Description

本発明は、バネ体を内蔵する回転型差動変圧器を有するトルクセンサに関し、特に、主軸が一定以上回転すると、一方のスプリングフックがハウジング内部のストッパに接触するため、過剰な回転を防止し、周知のＲＶＤＴ（回転型差動変圧器）の原理とねじりバネ機構とを組み合わせたトルクセンサとしての機能が得られるようにした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、図示しない特許文献１の図２及び図３で示されているように、車輌操舵時の操舵トルクを検出するための操舵トルクセンサが開示されており、この操舵トルクセンサは、ステアリングシャフトの中間部に設けられたトーションバーと、前記トーションバーの一端側に軸線方向にのみ変位可能にガイドされた移動コアと、前記トーションバーの一端側に対する他端側の捩れ変位を前記移動コアの前記軸線方向変位に変換する伝達機構と、前記移動コアの変位に応じた電気信号を出力するべく前記移動コアに絶縁材を介して摺接するように車体側に保持された差動変圧器コイルとを有し、前記移動コアがクロム及びアルミニウムのうち少なくとも何れか一方と、０．３重量％以下の炭素とを含むと共に、前記移動コアの前記絶縁材との前記移動コアの摺接面が軟窒化処理された構成となっていて、ステアリングシャフトに操舵トルクが発生するとトーションバーが捩れ、スリーブに設けられたピンがスリーブに対して周方向に相対的に移動することから、これらピン及び該ピンに係合する螺旋状の長孔を伝達機構として、トーションバーの捩れ変位を移動コアの軸線方向変位に変換する。

特開平４－７２５３２号公報

従来のトルクセンサは、一例として、以上のように構成されていたため、その構造部品として、現状ではあまり用いられていない光学部品や電子部品及び機械加工部品を、例えば、自動車等の電動ステアリング等に利用した場合、劣悪な環境の中においては、耐久性に問題があった。

本発明は、以上のような課題を解決するためになされたもので、特に、主軸が一定以上回転すると、一方のスプリングフックがハウジング内部のストッパに接触するため、過剰な回転を防止し、周知のＲＶＤＴとねじりバネ機構とを組み合わせたバネ体を内蔵する回転型差動変圧器を有するトルクセンサを得ることである。

本発明によるバネ体を内蔵する回転型差動変圧器を有するトルクセンサは、ハウジングに回転自在に設けられた主軸と、前記ハウジング内に設けられ前記主軸の外周に位置するねじりバネからなるバネ体と、前記主軸の端部に設けられた回転型差動変圧器と、を備え、前記バネ体の第１端部及び第２端部に位置する第１スプリングフック及び第２スプリングフックは、互いに逆方向に引張りを受けることができるようにし、前記主軸の回転角度の回転速度及びバネ体のねじり角度を角度情報として検出することを特徴とするバネ体を内蔵する回転型差動変圧器を有する構造であり、また、前記バネ体はスプリングよりなり、前記第１、第２スプリングフックは、前記スプリングの各端部をＵ字型に曲折して形成されている構造であり、また、前記ハウジング内には、ストッパが設けられ、前記主軸の過剰な回転を防止する構造である。

本発明によるバネ体を内蔵する回転型差動変圧器を有するトルクセンサは、以上のような構成を有しているため、次のような効果を得ることができる。
すなわち、トーションバーを使用しないため、製造が容易となる。
また、回転型差動変圧器からの電圧出力を汎用的な測定器を使用することで、角度情報を得ることが可能となる。
また、回転型差動変圧器は、２相の出力電圧から演算した和電圧をモニターすることで、断線検出も可能となるため、故障検出も可能となる。
さらに、ねじりバネをハウジング内部に取付けることで、ストッパ強度を向上し、よりねじりトルクの大きなバネも使用が可能となり、トルク検出範囲を向上できる。

本発明の実施の形態によるバネ体を内蔵する回転型差動変圧器を有するトルクセンサを示す断面図である。 図１のスプリングフックを示す拡大平面図である。 図３の主軸の初期位置（０°）の平面図である。 図３の主軸を１００°に回転させた状態の平面図である。 図３の主軸を１２５°に回転させた状態でストッパに接触して停止した状態を示す平面図である。 主軸回転等のスプリングフックの位置変化を示す平面図である。 図６のＡ－Ａ断面図である。 図６のＢ－Ｂ断面図である。 図６のＣ－Ｃ断面図である。 一対のスプリングフックが回転及び停止状態であることを示す平面図である。 本発明の実施の形態に用いられるＲＶＤＴの出力を示す特性図である。 本発明の実施の形態に用いられるねじりバネの出力図である。 本発明の実施の形態におけるねじりバネの斜視図である。 本発明の実施の形態におけるＲＶＤＴのトルクを示す出力図である。

本発明は、主軸が一定以上回転すると、一方のスプリングフックがハウジング内部のストッパに接触するため、過剰な回転を防止し、周知のＲＶＤＴとねじりバネ機構とを組み合わせたバネ体を内蔵する回転型差動変圧器を有するトルクセンサを得ることである。

以下、図面と共に本発明によるバネ体を内蔵する回転型差動変圧器を有す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、時計回り（ＣＷ）及び反時計回り（ＣＣＷ）の二方向に回転自在な主軸であり、この主軸１は軸受２Ａを介してハウジング２内に回転自在に設けられている。
前記ハウジング２外でかつ前記主軸１の端部４には、前記ハウジング２に取付けられた周知のＲＶＤＴ（周知の回転型差動変圧器）５の回転軸６が前記主軸１に接続されている。
前記主軸１の外周に設けられた一対で、かつ、互いに別体として形成された第１、第２スプリングフック１０、１１間には、ねじりバネ８からなるバネ体８Ａが挟み込まれている。

図２に示すように、前記各スプリングフック１０、１１に設けられたアーム１１Ａは前記主軸１に取付けられており、前記主軸１の回転によって前記アーム１１Ａが前記各スプリングフック１０、１１を次々と押すことになり、結果としてねじりバネ８がねじられる。
前記主軸１の回転方向とは逆方向の第１スプリングフック１０は、第１、第２ストッパ１３、１４の何れかに接触しており、当該スプリングフック１０は回転することなく停止状態に保持されている。

図３～図５に示されるものは、主軸１に設けられ、前記ハウジング２に対して、前記主軸１の軸端から見てＣＣＷ回転の場合、図３は、主軸１が初期位置（０°）である場合、すなわち、主軸１が停止状態を示している。
図４は、前記主軸１が図３の状態から１００°回転した状態を示し、前記第１スプリングフック１０も同時回転してねじられ、所定のトルクが生じる。
図５は、前記主軸１が一定以上回転すると、第１スプリングフック１０がハウジング２内の第１、第２ストッパ１３、１４のうちの第２ストッパ１４に乗り上げるような状態（１２５°回転）で、これ以上、前記主軸１のスプリングフック１０がストッパ１４に押されると、スプリングフック１０が破損する恐れがあるため、前記第１スプリングフック１０のスプリングを保護している。

次に、図６から図９までは、前述の図１で示したトルクセンサ１Ａを、図６のＡ－Ａ線、Ｂ－Ｂ線及びＣ－Ｃ線による断面として示し、互いに別体構成の第１、第２スプリングフック１０、１１のねじりによってトルク出力を得ることができることが示されている。
図７は、図６のＡ－Ａ断面を示し、図８は、図６のＢ－Ｂ断面を示し、図９は図６のＣ－Ｃ断面を示している。
すなわち、前記各スプリングフック１０、１１が各ストッパ１３、１４に接触すると、図１０で示されるように、前記ねじりバネ８は２個の前記スプリングフック１０、１１によって、挟み込まれている。

前記アーム１１Ａは、前記主軸１に取付けられており、前記主軸１がＣＷ又はＣＣＷ方向の何れかに回転することにより、前記アーム１１Ａが第２スプリングフック１１を押し、その結果として前記ねじりバネ８がねじられる。
また、前記主軸１の回転方向が前述とは逆方向の前記第１スプリングフック１０は、前記第２ストッパ１４に接触しており、回転しない状態である。

前記バネ体８Ａの第１、第２端部に位置する第１、第２スプリングフック１０、１１は、互いに逆方向に引っ張りを受けることができるようにされ、前記主軸１の回転角度及びバネ体８Ａのねじり角度情報として検出することができる。
前記バネ体８Ａは、周知のスプリングよりなり、図１３に示すように、前記第１、第２スプリングフック１０、１１は前記スプリングの各端部をＵ字型（Ｕ字型部８Ｍ、８Ｎとなるよう）に曲折している。
さらに、前記ハウジング２内の第１、第２ストッパ１３、１４は、前記主軸１のＣＷ及びＣＣＷ方向の過剰な回転を防止することができる構造である。

尚、前述のＲＶＤＴ５については、周知の装置であるため、図１１に出力電圧の内容、図１２にねじりバネ８の出力（トルク）の状態を示している。

図１３のねじりバネ８と図１４のＲＶＤＴ５のトルク出力は、以下の通りである。
・ＲＶＤＴの出力は傾き（感度）ｋ１で、角度θに比例し変化する。
・ねじりバネのバネ定数は、その材料、巻き数等により一意に決定される。
計測方法の概略について説明すると、
１．ＲＶＤＴの出力電圧より、角度θ１を測定。Ｅ＝ｋ１×θ１
２．バネ定数ｋ２とθ１より、トルクを換算する。Ｔ＝ｋ２×θ１
ＲＶＤＴの出力Ｖａ－Ｖｂは、マイナス方向へ回転した場合、マイナスの電圧となる。これにより回転方向も確認できる（図１４のθ２の場合を参照）。トルクは絶対値として換算すればよい（回転方向に依らず、起点からのねじれ角にのみ依存するため）。

本発明によるバネ体を内蔵する回転型変圧器を有するトルクセンサは、バネ体を主軸に設け、主軸の左右回転時にバネ体に発生するねじり角度情報をトルクとして検出し、各ストッパにより各スプリングフックの安全を確保できる。

１ 主軸
１Ａ トルクセンサ
１Ｂ 外周
２ ハウジング
２Ａ 軸受
４ 端部
５ ＲＶＤＴ（回転型差動変圧器）
６ 回転軸
８ ねじりバネ
８Ａ バネ体
８Ｍ、８Ｎ Ｕ字型部
１０ 第１スプリングフック
１１ 第２スプリングフック
１１Ａ アーム
１３ 第１ストッパ
１４ 第２ストッパ

Claims (3)

1. ハウジング(2)に回転自在に設けられた主軸(1)と、前記ハウジング(2)内に設けられ前記主軸(1)の外周(1B)に位置するねじりバネ(8)からなるバネ体(8A)と、前記主軸(1)の端部(4)に設けられた回転型差動変圧器(5)と、を備え、
   前記バネ体(8A)の第１端部及び第２端部に位置する第１スプリングフック(10)及び第２スプリングフック(11)は、互いに逆方向に引張りを受けることができるようにし、前記主軸(1)の回転角度及びバネ体(8A)のねじり角度を角度情報として検出することを特徴とするバネ体を内蔵する回転型差動変圧器を有するトルクセンサ。
2. 前記バネ体(8A)はスプリングよりなり、前記第１、第２スプリングフック(10,11)は、前記スプリングの各端部をＵ字型に曲折して形成されていることを特徴とする請求項１記載のバネ体を内蔵する回転型差動変圧器を有するトルクセンサ。
3. 前記ハウジング(2)内には、ストッパ(13,14)が設けられ、前記主軸(1)の過剰な回転を防止する構造としたことを特徴とする請求項１又は２記載のバネ体を内蔵する回転型差動変圧器を有するトルクセンサ。