JP2729319B2

JP2729319B2 - トルク検出器

Info

Publication number: JP2729319B2
Application number: JP16078789A
Authority: JP
Inventors: 直樹斉藤; 浩一佐藤; 勝義川崎
Original assignee: NSK Ltd
Current assignee: NSK Ltd
Priority date: 1989-06-26
Filing date: 1989-06-26
Publication date: 1998-03-18
Anticipated expiration: 2013-03-18
Also published as: JPH0326932A

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕この発明は、回転軸に生ずるトルクを検出するトルク
検出器の改良に関し、特に、磁石及び磁気感知素子を用
いた非接触形のトルク検出器において、簡易な構成で、
回転位相による検出値の変動が防止できるようにしたも
のである。

〔従来の技術〕

従来の非接触形のトルク検出器としては、例えば、特
開昭63−171332号公報に開示されたものがある。

この従来のトルク検出器を簡単に説明すると、第１及
び第２の軸を相対回動可能に連結すると共に、第２の軸
に互いに逆磁性となる所定対の磁石を固定し、第１の軸
に、前記対となった磁石の中央部に対向する磁路部材を
固定し、さらに、この磁路部材を流れる磁束の量を検出
する磁気検出素子をハウジング等に設けたものである。

そして、第１及び第２の軸間に相対回動が生じて磁路
部材と磁石との相対位置が変化すると、その変化量に比
例して磁路部材を流れる磁束の量が変動し、その変化の
方向に応じて磁束の方向が変動するため、第１及び第２
の軸を伝わる回転トルクを検出することができた。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかしながら、上記従来のトルク検出器にあっては、
多数の小さな磁石を必要とする構造であるため、組みつ
け作業が面倒であると共に、組みつけ誤差が発生し易い
し、個々の磁石の品質のばらつきを皆無にすることは困
難であるから、装置の信頼性あまり高くなかった。

そして、所定対の磁石が周方向に散在する構成である
ので、軸の回転位置の変化に伴って磁石と磁気検出素子
との相対位置が変わり、これが検出値に影響を与えてし
まうという問題点がある。

本発明は、このような従来の技術が有する未解決の課
題に着目してなされたものであり、簡易な構成で、回転
位相による検出値の変動が防止できるトルク検出器を提
供することを目的とする。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的を達成するために、本発明のトルク検出器
は、ハウジングに回転自在に支持された第１及び第２の
軸と、これら第１及び第２の軸を連結する弾性体と、前
記第１の軸に外嵌するリング状の磁石と、この磁石の一
方の極に接し且つ前記第１の軸と一体に回転するリング
状の第１の磁極部材と、この第１の磁極部材には非接触
で前記磁石の他方の極に接し且つ前記第１の軸と一体に
回転するリング状の第２の磁極部材と、この第２の磁極
部材に設けられた第１の突起と、前記第１及び第２の磁
極部材間で前記第１の突起に対向し且つ前記第２の軸と
一体に回転する第２の突起と、前記ハウジングに設けら
れ且つ前記第１及び第２の磁極部材間を通過する磁束の
量を測定する磁束測定手段と、を備えた。

なお、本発明に用いたリング状の磁石は、例えば請求
項（２）記載の発明のように軸方向に極を有してもよい
し、或いは、請求項（３）記載の発明のように径方向に
極を有してもよいが、軸方向に極を有する場合には、非
磁性部材の間座を介して第１の軸に外嵌させる。

〔作用〕

第１及び第２の軸は、ハウジングに対して回転可能で
あると共に、弾性体を介して連結されているので、第１
及び第２の軸に回転トルクが発生すると、弾性体の捩じ
れを伴って、第１及び第２の軸間に相対回転が生じる。

一方、第１の軸に固定されたリング状の磁石によって
生じる磁束は、磁石の両極に接する第１及び第２の磁極
部材を介して磁気回路を構成するが、一つの磁気回路
は、第２の磁極部材に設けられた第１の突起と、これに
対向し且つ第２の軸と一体に回転する第２の突起とを通
じるため、第１及び第２の軸間に相対回転が生じると、
第１及び第２の突起間の距離が変動し、それに伴って両
突起間を通過する磁束の量が変化するが、磁石によって
作られる磁束の量は一定であるから、その変化は、第１
及び第２の磁極部材間を通過する磁束に現れる（磁束の
量が変化する）。

従って、その第１及び第２の磁極部材間を通過する磁
束の量を磁束測定手段によって測定すれば、第１及び第
２の軸間の相対回転の量、即ち、トルクを検出すること
ができる。

また、磁石及び両磁極部材はリング状をしているの
で、周方向の何れの位置の磁束の量を測定しても同じ条
件で測定されるから、第１及び第２の軸とハウジングに
固定された磁束検出手段との間の相対回転位置が変化し
ても、検出値は影響を受けない。

〔実施例〕

以下、この発明の実施例を図面に基づいて説明する。

第１図乃至第５図は、本発明の第１実施例を示した図
であり、これは、車両用のパワーステアリング装置に本
発明に係るトルク検出器を適用したものである。

先ず、構成を説明すると、第１図において、ハウジン
グ１内には、弾性体としてのトーションバー４を介して
連結された第１の軸としての入力軸２と第２の軸として
の出力軸３とが、軸受5a,5b及び5cによって回動自在に
支持されている。但し、入力軸2,出力軸３及びトーショ
ンバー４は、同軸に配置されている。

入力軸２の第１図右端側には、図示しないステアリン
グシャフトを介してステアリングホイールが回動方向に
一体に取り付けられている。

一方、出力軸３の第１図左端側には、例えば公知のラ
ックピニオン式ステアリング装置を構成するピニオン軸
（図示せず）が連結されている。

従って、操縦者がステアリングホイールを操舵するこ
とによって発生した操舵力は、入力軸2,トーションバー
4,出力軸３及びラックピニオン式ステアリング装置を介
して、図示しない転舵輪に伝達する。

入力軸２には、非磁性部材からなるリング状の間座６
が外嵌すると共に、この間座６には、リング状の磁石７
が外嵌する。

そして、磁石７は軸方向（第１図左右方向）に極を有
していて、ステアリングホイール側に位置する一方の極
には磁性部材からなる第１のリング部材８が接触し、他
方の極には磁性部材からなる第２のリング部材９が接触
している。

ここで、本実施例では、入力軸２の一部分と第１のリ
ング部材８とで第１の磁極部材が構成され、且つ、第２
のリング部材９が第２の磁極部材を構成する。

第１のリング部材８は、その小径部8aが入力軸２に外
嵌して回転方向に一体をなすと共に、第２のリング部材
９は、間座６に外嵌して入力軸２と回転方向に一体をな
している。但し、第２のリング部材９は、入力軸２及び
第１のリング部材８とは非接触である。

また、第２のリング部材９の第１図左方を向く面に
は、第１の突起としての複数の突起9aが周方向に等しい
間隔をおいて形成されている。

一方、出力軸３には、磁性部材からなる筒体10が外嵌
すると共に、この筒体10の第１図右方を向く端面には、
第２の突起としての複数の突起10aが、入力軸２及び突
起9a間に位置し且つ突起9aと後述する関係をもって対向
するように形成されている。

なお、入力軸２及び出力軸３は、第１図のＡ−Ａ線断
面図である第２図に示すように、入力軸２の端部が、出
力軸３の端部に回転方向に適度な余裕をもって挿入され
ていて、これにより、両軸間の所定範囲（±５度程度）
以上の相対回動を防止している。

第１図に戻って、第１のリング部材８及び第２のリン
グ部材９の外周部には、磁石７の外周面よりも径方向に
突出し且つ周方向全域に連続した突状部8b及び9bが形成
されている。

そして、ハウジング１の外周部には、磁束測定手段と
してのセンサ部11が固定されていて、このセンサ部11に
取り付けられた例えばホール素子等の磁束検出素子11a
が、上記突状部8b及び9b間に位置している。

第３図は第１図の要部拡大図であり、第４図（ａ）〜
（ｃ）は第３図のＢ−Ｂ線断面図である。

即ち、磁石７は、リング状をなすと共に、軸方向に極
を有するため、これによって作られる磁気回路は、磁石
７の外周面側を通過するものと、磁石７の内周面側を通
過するものとがある。

そして、磁石７の両極には、第１及び第２のリング部
材８及び９が接触しているため、磁石７から出る磁束の
多くは、これらリング部材８及び９を通じて磁気回路を
構成する。

従って、磁石７の外周面側を通過する磁束の多くは、
第３図中C₁で示すように、突状部8b及び9b間を通じ、磁
石７の内周面側を通過する磁束の多くは、第３図中C₂で
示すように、突起9a及び10a間を通じるようになる。

そして、一方の磁気回路C₁を構成する磁束の量は、突
状部8b及び9b間の距離（一定）に応じて決まり、他方の
磁気回路C₂を構成する磁束の量は、突起9a及び10a間の
距離（可変）に応じてきまるが、磁石７によって作られ
る磁束の量は一定であるため、入力軸２及び出力軸３間
に相対回動が生じて突起9a及び10a間の距離が変動する
と、他方の磁気回路C₂を構成する磁束の量が変化し、そ
の変化を相殺するように、磁気回路C₁を構成する磁束の
量も変化する。

ここで、両突起9a及び10aは、入力軸２及び出力軸３
間に相対回動が生じていない状態では、第４図（ａ）に
示すように、突起9a及び10a間の距離は中程度であり、
入力軸２が出力軸３に対して反時計方向に進む相対回動
（即ち、左方向の操舵トルク）が生じると、第４図
（ｂ）に示すように、突起9a及び10a間の距離は大きく
なり、また、入力軸２が出力軸３に対して時計方向に進
む相対回動（即ち、右方向の操舵トルク）が生じると、
第４図（ｃ）に示すように、突起9a及び10a間の距離は
小さくなる。

但し、入力軸２が出力軸３に対して反時計方向に進む
相対回動が最大となる時点と、入力軸２が出力軸３に対
して時計方向に進む相対回動が最大となる時点との間に
おいて、突起9a及び10a間の距離がリニアに変化するよ
うに、入力軸２及び出力軸３間の相対回動範囲や、突起
9a,10aの設置数等を選定する。

そして、左方向の操舵トルクが発生して突起9a及び10
a間の距離が大きくなると、これら突起9a及び10a間を通
じる磁気回路C₂の磁束の量は減少し、右方向の操舵トル
クが発生して突起9a及び10a間の距離が小さくなると、
磁気回路C₂の磁束の量は増加するので、それに伴い、磁
気回路C₁の磁束の量は、左方向の操舵トルクが発生して
いる際には多いが、右方向の操舵トルクが発生している
際には少なくなる。

従って、磁気回路C₁の磁束の量を測定する磁気検出素
子11aの出力（ホール素子であれば電圧値）と、操舵系
に発生している操舵トルクとの関係は、第５図に示す４
ようになる。

そして、センサ部11で検出された操舵トルクは、図示
しないコントローラに供給され、そのコントローラは、
例えばラックピニオン式ステアリング装置のピニオン軸
に連結された電動モータを適宜制御して、操舵系に操舵
補助トルクを発生させるように構成されている。

次に、上記実施例の動作を説明する。

今、車両が直進状態にあり、入力軸２及び出力軸３間
に相対回動が生じていないものとすると、突起9a及び10
aは、第４図（ａ）の状態を維持するため、磁石７によ
って作られる磁束には変化は生じない。

従って、センサ部11の出力が供給されるコントローラ
は、操舵系に操舵トルクが生じていないものと判断する
から、操舵補助トルクは発生せず、操舵系は直進状態を
維持する。

そして、ステアリングホイールを操舵して入力軸２に
回転力が生じると、その回転力は、トーションバー４を
介して出力軸３に伝達する。

この時、出力軸３には、操舵輪及び路面間の摩擦力
や、出力軸３の図示しない左端側に構成されたラックピ
ニオン式ステアリング装置の摩擦力等に応じた抵抗力が
生じるため、入力軸２及び出力軸３間には、トーション
バー４が捩じれることによって出力軸３が遅れる相対回
動が生じる。

すると、左方向の操舵トルクであれば突起9a及び10a
間の距離は大きくなり、右方向の操舵トルクであれば突
起9a及び10a間の距離は小さくなって、磁気回路C₂を構
成する磁束の量が増減し、それとは逆に、磁気回路C₁を
構成する磁束の量が減増する。

そして、磁気検出素子11aの出力と操舵トルクとの間
には第５図に示すような関係があるので、磁気検出素子
11aにより突起8b及び9b間を通じる磁束の量を測定すれ
ば、操舵系に発生している操舵トルクが検出される。

よって、センサ部11の出力に応じて、コントローラが
例えばピニオン軸に連結された電動モータを作動させる
と、操舵系に操舵補助トルクが発生するので、操舵トル
クが減少し、操縦者の負担が軽減される。

さらに、上記実施例にあっては、磁石７がリング状で
あると共に、これに接する第１及び第２のリング部材８
及び９も同様であるため、突状部8b及び9b間の磁束密度
は、周方向全域に渡って均一となるから、入力軸２及び
出力軸３がハウジング１に対して回転しても、磁気検出
素子11aの出力に影響を与えることがなく、信頼性及び
精度の高い検出値が得られる。

しかも、上記実施例の構成であれば、磁石７は一つで
済むから、組みつけ作業が簡易となるし、その他の部材
の構造も単純であるので、コストを低減できるという利
点もある。

次に説明する第２乃至第５実施例は、いずれも、上記
第１実施例と同様に、軸方向に極を有する磁石７を使用
した場合を示している。

第６図は、本発明の第２実施例の構成を示した図であ
り、上記第１実施例で用いた第３図と同様の部位を示し
ている。

即ち、この実施例では、筒体10の外周面を切削して突
起10aを形成すると共に、第２のリング部材９に円筒部9
cを形成し、この円筒部9cの内面に突起9aを形成したも
のである。

このような構成であると、上記第１実施例と同様の作
用効果が得られると共に、両突起9a及び10bの強度が増
すので、製造時等における破損事故を防止できる。

第７図は、本発明の第３実施例の構成を示した図であ
り、上記第１実施例で用いた第３図と同様の部位を示し
ている。

即ち、この実施例では、突起9aを第２のリング部材９
の端面に形成すると共に、突起10aを筒体10の大径部10b
の端面に形成して、突起9a及び10aが軸方向に対向する
ようにしたものである。

このような構成であっても、上記第２実施例と同様の
作用効果を得ることができる。

第８図は、本発明の第４実施例の構成を示す図であ
り、上記第１実施例で用いた第３図と同様の部位を示し
ている。

即ち、この実施例では、センサ部11に、一端側が第１
のリング部材８の外周面に近接し且つ他端側が第２のリ
ング部材９の外周面に近接した磁性部材からなる磁路部
材11bを埋設すると共に、この磁路部材11bの両端部に、
磁束検出素子11aを固定したものである。

このような構成であると、第１及び第２のリング部材
８及び９の外周面間を通じる磁束のほとんどが磁路部材
11bを通過するため、磁束検出素子11aを通過する磁束の
量を上記第１乃至第３実施例よりも多量にすることがで
きるから、センサ部11の検出精度を向上することができ
るし、磁石７の小型化も図れる。

第９図は、本発明の第５実施例の構成を示す図であ
り、上記第１実施例で用いた第３図と同様の部位を示し
ている。

即ち、この実施例では、一端部が第１のリング部材８
の外周面に近接する磁路部材11cと、一端部が第２のリ
ング部材９の外周面に近接する磁路部材11dとをセンサ
部11に埋設すると共に、それら磁路部材11c及び11dの他
端部間に磁束検出素子11aを挟み込んだものである。

このような構成であっても、第１及び第２のリング部
材８及び９の外周面間を通じる磁束のほとんどが磁路部
材11c,11dを通過するため、上記第４実施例と同様の作
用効果を得ることができる。

第10図及び第11図は、本発明の第６実施例を示す図で
あり、第10図は全体構成を示す断面図、第11図は第10図
の要部拡大図である。なお、上記第１実施例と同様の部
材及び部位には、同じ符号を付してある。

本実施例では、磁石７は、径方向に極を有すると共
に、入力軸２に直接外嵌したことを除いては、上記第１
実施例と同等の構成であり、本実施例でも、入力軸２の
一部分と第１のリング部材８とで第１の磁極部材が構成
され、第２のリング部材９が第２の磁極部材を構成して
いる。

本実施例の作用効果は、軸方向に極を有する磁石を用
いた上記第１実施例等と同様であるが、間座が不要であ
るため、その分、組立作業が簡易になると共に、安価な
構成となる。

また、径方向に極を有する磁石７を用いた場合であっ
ても、上記第２乃至第５実施例と同様に、突起9a及び10
aの形状や、センサ部11の構造を適宜変更することは可
能である。

なお、上記各実施例では、本発明に係るトルク検出器
を、車両のパワーステアリング装置に適用した場合につ
いて説明したが、本発明の適用対象はこれに限定される
ものではなく、他の装置であってもよい。

また、上記各実施例では、入力軸２を第１の軸とし、
出力軸３を第２の軸としているが、これらの関係は逆に
することもできる。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明のトルク検出器によれ
ば、リング状の磁石及び磁極部材を使用したため、第１
及び第２の磁極部材間を通じる磁束の密度は、周方向全
域に渡って均一となるから、回転位相による検出値の変
動を防止することができるという効果があるし、構成も
簡易であるので、コストの上昇を招くこともない。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１実施例の構成を示す縦断面図、第
２図は第１図のＡ−Ａ線断面図、第３図は第１図の要部
拡大図、第４図（ａ）〜（ｃ）は第３図のＢ−Ｂ線断面
図であり、同図（ａ）はトルク零の状態、同図（ｂ）は
左方向のトルクが発生した状態、同図（ｃ）は右方向の
トルクが発生した状態を示す。第５図は磁束検出素子の
出力とトルクとの関係を示したグラフ、第６図は本発明
の第２実施例を示す断面図、第７図は本発明の第３実施
例を示す断面図、第８図は本発明の第４実施例を示す断
面図、第９図は本発明の第５実施例を示す断面図、第10
図は本発明の第６実施例の構成を示す縦断面図、第11図
は第10図の要部拡大図である。１……ハウジング、２……入力軸（第１の軸）、３……
出力軸（第２の軸）、４……トーションバー（弾性
体）、６……間座、７……磁石、８……第１のリング部
材（第１の磁極部材）、8b……突状、９……第２のリン
グ部材（第２の磁極部材）、9a……突起（第１の突
起）、9b……突状、10……筒体、10a……突起（第２の
突起）、11……センサ部（磁束測定手段）、11a……磁
束検出素子。

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】ハウジングに回転自在に支持された第１及
び第２の軸と、これら第１及び第２の軸を連結する弾性
体と、前記第１の軸に外嵌するリング状の磁石と、この
磁石の一方の極に接し且つ前記第１の軸と一体に回転す
るリング状の第１の磁極部材と、この第１の磁極部材に
は非接触で前記磁石の他方の極に接し且つ前記第１の軸
と一体に回転するリング状の第２の磁極部材と、この第
２の磁極部材に設けられた第１の突起と、前記第１及び
第２の磁極部材間で前記第１の突起に対向し且つ前記第
２の軸と一体に回転する第２の突起と、前記ハウジング
に設けられ且つ前記第１及び第２の磁極部材間を通過す
る磁束の量を測定する磁束測定手段と、を備えたことを
特徴とするトルク検出器。
【請求項２】前記磁石は、軸方向に極を有すると共に、
非磁性部材からなる間座を介して前記第１の軸に外嵌す
る請求項（１）記載のトルク検出器。
【請求項３】前記磁石は径方向に極を有する請求項
（１）記載のトルク検出器。