JP3346085B2 - トルクセンサ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、回転軸に発生するト
ルクを検出するトルクセンサに関し、特に、簡易な構造
で検出感度が高まるようにしたものである。

【０００２】

【従来の技術】従来のトルクセンサとして、例えば特開
昭５７−１９０２４０号公報の第１１図に開示されたも
のがあり、この従来のトルクセンサは、相対回転可能に
同軸に配設された入力軸及び出力軸の重なり合った部分
を、アルミニウム製の比較的短い円筒部材で包囲すると
ともに、入力軸及び出力軸間の相対変位に応じてその円
筒部材を軸方向に進退させるようになっている。そし
て、円筒部材の周囲にはコイルが配設されていて、その
コイルに誘導される自己誘導起電力を測定し、その結果
に基づいて入力軸及び出力軸間の相対回転変位（トル
ク）を検出するようにしていた。つまり、円筒部材が軸
方向に進退すると、コイルの自己インダクタンスが変化
するから、コイルの自己誘導起電力に基づけば入力軸及
び出力軸に生じているトルクが検出できる、というもの
であった。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
た従来のトルクセンサにあっては、第１及び第２の回転
軸間の相対回転変位を、円筒部材の軸方向変位に変換す
る機構が必要であったため、構造が複雑になりその分信
頼性も落ちるという問題点があった。また、アルミニウ
ム製の円筒部材を変位させるだけでは、コイルの自己イ
ンダクタンスを急峻に変化させることはできなかった。
このため、センサ感度を高くするには例えばコイルの巻
き数を多くすること等が必要となるが、これでは装置の
大型化等を招いてしまうという欠点がある。

【０００４】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って、簡易な
構造でしかも検出感度を高めることができるトルクセン
サを提供することを目的としている。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明に係るトルクセンサは、同軸に配設された第
１及び第２の回転軸をトーションバーを介して連結する
とともに、導電性で且つ非磁性の材料からなる円筒部材
を、前記第１の回転軸の外周面を包囲するように、前記
第２の回転軸と回転方向に一体とし、前記第１の回転軸
の少なくとも前記円筒部材に包囲された被包囲部を磁性
材料で形成し、前記被包囲部に軸方向に延びる溝を形成
し、前記円筒部材には、前記第１の回転軸との間の相対
回転位置に応じて前記溝との重なり具合が変化するよう
に窓を形成し、そして、前記円筒部材の前記窓が形成さ
れた部分を包囲するようにコイルを配設し、そのコイル
に起電力を誘導させてこれを測定する起電力測定手段を
設け、その起電力測定手段の測定結果に基づいて、前記
第１及び第２の回転軸に発生するトルクを検出するよう
にした。

【０００６】

【作用】例えば第１の回転軸を入力軸とし、第２の回転
軸を出力軸とすれば、第１の回転軸からトーションバー
を介して第２の回転軸にトルクが伝達するため、それら
第１の回転軸及び第２の回転軸間には、トーションバー
の捩じれを伴って相対回転が生じる。すると、第１の回
転軸と円筒部材との間にも相対回転が生じるから、第１
の回転軸に形成された溝と、円筒部材に形成された窓と
の重なり具合が変化する。

【０００７】そして、それら溝及び窓の重なり面積が大
きければ、窓を通じて露出するのは被包囲部の表面では
なく溝の底面であるから、磁性材料からなる第１の回転
軸の被包囲部表面の比較的多くの部分が導電性で且つ非
磁性の材料で覆われたことと等価になる。逆に、その重
なり面積が小さければ、窓を通じて露出するのは被包囲
部の表面であるから、その磁性材料からなる第１の回転
軸の被包囲部表面の比較的少ない部分が、導電性で且つ
非磁性の材料で覆われたことと等価になる。

【０００８】ここで、本発明における非磁性の材料と
は、常磁性体及び一部の反磁性体のことであり、磁性材
料とは、強磁性体のことである。そして、非磁性材料の
透磁率は、空気と同程度であり、磁性体の透磁率に比べ
て小さい。また、導電体に磁束が鎖交するとその磁束の
変化を妨げるように“うず電流”が生じ、これによって
磁界が発生するため、物質内を均等に磁束が通らないで
表皮部分に磁束が集中する表皮効果が表れる。従って、
導電性で且つ非磁性材料からなる領域は、空気よりも磁
束を通し難い性質を有する。

【０００９】このため、上述したように溝と窓との重な
り具合の変化によって第１の回転軸の被包囲部表面の露
出面積の割合（つまり、磁性材料が占める部分と、導電
性で且つ非磁性の材料が占める部分との割合）が変化す
ると、コイルの自己インダクタンス，相互インダクタン
スは、磁性材料と、導電性で且つ非磁性の材料との間に
磁束の通しやすさに大きな差があるから、第１の回転軸
と円筒部材との間の相対回転に応じて急峻に変化する。

【００１０】そして、コイルの誘導起電力が起電力測定
手段によって測定されるが、コイルの自己インダクタン
ス，相互インダクタンスが、第１の回転軸と円筒部材と
の間の相対回転に応じて変化することから、その測定結
果に基づけば、第１及び第２の回転軸に発生するトルク
が検出される。

【００１１】

【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。図１乃至図６は本発明の第１実施例を示す図で
あって、これは本発明に係るトルクセンサを、車両用の
電動パワーステアリング装置に適用したものである。先
ず、構成を説明すると、車両の操舵系の一部分の断面図
である図１に示すように、同軸に且つ回転自在に配置さ
れた入力軸１及び出力軸２間が、トーションバー３を介
して連結されている。なお、これら入力軸１及び出力軸
２は、鉄等の磁性材料から形成されている。

【００１２】入力軸１の図示しない図１右端側には、ス
テアリングホイールが回転方向に一体に取り付けられて
おり、また、出力軸２の図示しない図１左端側には、例
えば公知のラックアンドピニオン式ステアリング装置を
構成するピニオン軸が連結されている。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１，トーションバー３，出力軸２及
びラックアンド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。

【００１３】また、出力軸２の入力軸１側端面には、ト
ーションバー３の挿入部からさらに径方向に延びた溝２
ａが形成されていて、この溝２ａには、入力軸１の出力
軸２側端面に形成された凸部１ａが挿入されている。た
だし、溝２ａの幅（周方向寸法）は、凸部１ａの幅より
も若干広くなっていて、これにより、入力軸１及び出力
軸２間の所定範囲（例えば、±５度程度）以上の相対回
転を防止している。

【００１４】なお、出力軸２には、図示しない電動モー
タの回転力が例えばウォームギア等を介して伝達される
ようになっている。つまり、電動モータへの駆動電流の
方向及び大きさを適宜制御することにより、出力軸２に
任意の方向及び大きさの操舵補助トルクが付与されるよ
うになっている。一方、入力軸１の出力軸２に近接した
部分の外周面には、入力軸１と同軸の大径部１Ａが形成
されていて、この大径部１Ａの外周面に近接してこれを
包囲するように、肉薄の円筒部材４が配設されている。

【００１５】即ち、円筒部材４は、導電性で且つ非磁性
の材料（例えば、アルミニウム）から形成され、その図
１左方側端部内面には小径部４Ａが形成されていて、そ
の小径部４Ａが出力軸２に同軸に外嵌している。これに
より、円筒部材４は出力軸２と回転方向に一体となって
いる。さらに、円筒部材４の大径部１Ａを包囲する肉薄
の部分のうち、小径部４Ａから遠い側には、周方向に等
間隔離隔した長方形の複数（この実施例では、六つ）の
窓４ａ，…，４ａが形成され、小径部４Ａに近い側に
は、窓４ａ，…，４ａと位相が１８０度ずれるように周
方向に等間隔離隔した長方形（窓４ａと同形状）の複数
（この実施例では、六つ）の窓４ｂ，…，４ｂが形成さ
れている。

【００１６】より具体的には、窓４ａ，…，４ａは、円
筒部材４の周面を周方向に１２等分し、その１２当分さ
れた領域を一つ置きに長方形に開口することにより形成
されており、窓４ｂ，…，４ｂは、窓４ａ，…，４ａ同
士の間の開口していない部分に対応する部分を開口する
ことにより形成されている。これに対し、入力軸１の円
筒部材４で包囲される大径部１Ａのうち、窓４ａ，…，
４ａが形成された部分の内側には、周方向に等間隔離隔
し間口が長方形（窓４ａと同形状）の軸方向に沿った複
数（この実施例では、六つ）の溝５ａ，…，５ａが形成
され、窓４ｂ，…，４ｂが形成された部分の内側には、
溝５ａ，…，５ａと同相に周方向に等間隔離隔し間口が
長方形（溝５ａと同形状）の軸方向に沿った複数（この
実施例では、六つ）の溝５ｂ，…，５ｂが形成されてい
る。

【００１７】ただし、入力軸１及び出力軸２間に相対回
転が生じていないとき（操舵トルクが零のとき）に、図
１のＡ−Ａ線における入力軸１及び円筒部材４の断面図
である図２に示すように窓４ａ及び溝５ａが半分だけ重
なるように、円筒部材４及び溝５ａは位置合わせをされ
ている。従って、図１のＢ−Ｂ線における入力軸１及び
円筒部材４の断面図である図３に示すように、操舵トル
クが零のときには、窓４ｂ及び溝５ｂも半分だけ重なる
ようになるが、窓４ａと４ｂとの間の位相が１８０度ず
れているため、窓４ａ及び溝５ａの重なり状態と、窓４
ｂ及び溝５ｂの重なり状態とは、図２，図３及び円筒部
材４を固定した状態の入力軸１，出力軸２の正面図であ
る図４からも明らかなように、周方向で逆になってい
る。

【００１８】そして、円筒部材４は、同一規格のコイル
１０及び１１が巻き付けられたボビン１２を内周側に支
持する磁性材料からなるヨーク９で包囲されている。即
ち、コイル１０及び１１は、円筒部材４と同軸に配置さ
れていて、コイル１０は窓４ａ，…，４ａが形成された
部分を包囲するようにボビン１２に巻き付けられ、コイ
ル１１は窓４ｂ，…，４ｂが形成された部分を包囲する
ようにボビン１２に巻き付けられている。

【００１９】コイル１０及び１１は、図示しないセンサ
ケースに収容されたモータ制御回路に接続されている。
モータ制御回路は、例えば図５に示すように、所定周波
数の交流電流をコイル１０，１１に供給する発振部２１
と、コイル１０の自己誘導起電力を整流及び平滑して出
力する整流・平滑回路２２と、コイル１１の自己誘導起
電力を整流及び平滑して出力する整流・平滑回路２３
と、整流・平滑回路２２の出力及び整流平滑回路２３の
出力の差を増幅して出力する差動アンプ２４Ａ，２４Ｂ
と、差動アンプ２４Ａの出力から高周波ノイズ成分を除
去するノイズ除去フィルタ２５Ａと、差動アンプ２４Ｂ
の出力から高周波ノイズ成分を除去するノイズ除去フィ
ルタ２５Ｂと、それらノイズ除去フィルタ２５Ａ，２５
Ｂの出力の例えば平均値に基づいて入力軸１及び円筒部
材４の相対回転変位の方向及び大きさを演算しその結果
に例えば所定の比例定数を乗じて操舵系に発生している
操舵トルクを求めるトルク演算部２６と、トルク演算部
２６の演算結果に基づいて操舵トルクを軽減する操舵補
助トルクが発生するような駆動電流Ｉを電動モータに供
給するモータ駆動部２７と、から構成されている。

【００２０】次に、本実施例の動作を説明する。今、操
舵系が直進状態にあり、操舵トルクが零であるものとす
ると、入力軸１及び出力軸２間には相対回転は生じな
い。従って、入力軸１と円筒部材４との間にも、相対回
転は生じない。一方、ステアリングホイールを操舵して
入力軸１に回転力が生じると、その回転力は、トーショ
ンバー３を介して出力軸２に伝達される。このとき、出
力軸２には、転舵輪及び路面間の摩擦力や出力軸２の図
示しない左端側に構成されたラックアンドピニオン式ス
テアリング装置のギアの噛み合い等の摩擦力に応じた抵
抗力が生じるため、入力軸１及び出力軸２間には、トー
ションバー３が捩じれることによって出力軸２が遅れる
相対回転が発生し、入力軸１及び円筒部材４間にも相対
回転が生じる。

【００２１】ここで、例えば右操舵トルク（右回転方向
操舵時に発生する操舵トルク）発生時には、操舵トルク
零の場合に比べて、窓４ａ及び溝５ａの重なり合った面
積は小さくなり、窓４ｂ及び溝５ｂの重なり合った面積
は大きくなる。逆に、左操舵トルク（左回転方向操舵時
に発生する操舵トルク）発生時には、操舵トルク零の場
合に比べて、窓４ａ及び溝５ａの重なり合った面積は大
きくなるのに対し、窓４ｂ及び溝５ｂの重なり合った面
積は小さくなる。

【００２２】そして、窓４ａ及び溝５ａ，窓４ｂ及び溝
５ｂが重なり合った部分は、大径部１Ａの表面ではな
く、溝５ａ，５ｂの底面を露出させることになる。換言
すれば、大径部１Ａの表面のうち、窓４ａ，４ｂを通じ
て露出する部分と、導電性で且つ非磁性の材料からなる
円筒部材４で覆われた部分との割合が、操舵トルクに応
じて変化するのであり、具体的には、右操舵トルク発生
時には、その方向の操舵トルクが大きくなるに従って、
コイル１０の内側では大径部１Ａ表面の露出割合が増大
し、コイル１１の内側ではその表面の露出割合は減少す
る。逆に、左操舵トルク発生時には、その方向の操舵ト
ルクが大きくなるに従って、コイル１０の内側では大径
部１Ａ表面の露出割合が減少し、コイル１１の内側では
その表面の露出割合は増大する。

【００２３】すると、大径部１Ａは、円筒部材４よりも
磁束を通しやすい性質を有しているため、右操舵トルク
発生時には、コイル１０の自己インダクタンスは増大し
コイル１１の自己インダクタンスは減少するから、コイ
ル１０の自己誘導起電力は大きくなり、コイル１１の自
己誘導起電力は小さくなる。逆に、左操舵トルク発生時
には、コイル１０の自己インダクタンスは減少しコイル
１１の自己インダクタンスは増大するから、コイル１０
の自己誘導起電力は小さくなり、コイル１１の自己誘導
起電力は大きくなる。

【００２４】従って、コイル１０及び１１の自己誘導起
電力の差を求める差動アンプ２４Ａ及び２４Ｂの出力
は、図６に示すように、操舵トルクの方向及び大きさに
従ってリニアに変化するようになる。また、差動アンプ
２４Ａ及び２４Ｂにおいて整流・平滑回路２２，２３の
差を求めているため、温度等による自己インダクタンス
の変化はキャンセルされる。

【００２５】そして、トルク演算部２６は、ノイズ除去
フィルタ２５Ａ，２５Ｂを介して供給される差動アンプ
２４Ａ，２４Ｂの出力の平均値を演算し、その値に例え
ば所定の比例定数を乗じて操舵トルクを求め、その結果
をモータ駆動部２７に供給する。モータ駆動部２７は、
操舵トルクの方向及び大きさに応じた駆動電流Ｉを電動
モータに供給する。

【００２６】すると、電動モータには、操舵系に発生し
ている操舵トルクの方向及び大きさに応じた回転力が発
生し、その回転力がウォームギア等を介して出力軸２に
伝達されるから、出力軸２に操舵補助トルクが付与され
たことになり、操舵トルクが減少し、操縦者の負担が軽
減される。そして、導電性で且つ非磁性の材料からなる
円筒部材４は、交番磁界と鎖交する場合には、うず電流
が発生して磁束を通し難くなるため、空気よりも更に磁
束を通し難い性質を有する。これに対し、磁性材料から
なる入力軸１の大径部１Ａは、磁束を通し易い（空気よ
りも通し易い）。従って、大径部１Ａ表面の露出割合の
変化は、コイル１０，１１の自己インダクタンスを急峻
に変化させることになるから、差動アンプ２４Ａ，２４
Ｂの出力を急峻にしてセンサ感度を上げることができ
る。逆に、センサ感度が従来のままでよければ、コイル
１０，１１の巻き数等を少なくしてコイル１０，１１を
小型化できる。

【００２７】また、円筒部材４を通過する磁束は、うず
電流による表皮効果によって、コイル１０，１１に近い
表皮部分に集中することになる。ちなみに、コイル１
０，１１に供給する交流電流の周波数をｆ、円筒部材４
をなす材料の透磁率をμ、その電気伝導率をσとすれ
ば、磁束が集中する表皮の厚さδは、下記の（１）式の
ようになる。

【００２８】 δ＝２／（２πｆ・σ・μ）^1/2 ……（１） つまり、円筒部材４の厚みは、上記（１）式で求められ
る厚さδ以上あればよいから、円筒部材４を含んだセン
サ部分の外径寸法を小さくできるし、円筒部材４が薄け
れば、センサの外形寸法を最小限に抑えることができる
ばかりか、コイル１０，１１と大径部１Ａとの間の距離
を短くできるため、センサ感度をより向上させることが
できるという利点がある。

【００２９】以上から、本実施例の構成であれば、トル
クセンサが配設される部分を従来に比べて小型化（細
く）できるという利点があり、本実施例のようにスペー
ス的な余裕が小さい車両に適用される装置にとっては特
に有益である。さらには、入力軸１及び出力軸２間の相
対回転変位を他の部材の直進運動に変換する機構が必要
がないから、構造が簡易であるし、変換機構が不要な
分、精度が向上するという利点がある。

【００３０】ここで、本実施例では、入力軸１が第１の
回転軸に対応し、出力軸２が第２の回転軸に対応し、大
径部１Ａが磁性材料からなる被包囲部に対応し、発振部
２１，整流・平滑回路２２，２３及び差動アンプ２４
Ａ，２４Ｂによって起電力測定手段が構成される。図７
は本発明の第２実施例を示す図であって、上記第１実施
例の図４と同様に円筒部材４等を固定した状態の入力軸
１，出力軸２の正面図である。なお、上記第１実施例と
同様の部材，部位には、同じ符号を付し、その重複する
説明は省略する。

【００３１】即ち、上記第１実施例では、軸方向に離隔
した二列の溝５ａ，…，５ａ、溝５ｂ，…，５ｂを形成
しているが、本実施例では、軸方向に長い溝５ｃ，…，
５ｃを形成することにより、それら二列の溝５ａ，…，
５ａ、溝５ｂ，…，５ｂを共通化したものである。これ
により、製造コストを低減できるという利点がある。そ
の他の作用効果は上記第１実施例と同様である。

【００３２】なお、上記実施例では、信頼性を向上させ
るために、差動アンプ２４Ａ，２４Ｂ及びノイズ除去フ
ィルタ２５Ａ，２５Ｂを二系統設けているが、これは必
ずしも必要ではなく、個々の回路の信頼性が十分であれ
ば一系統であっもよいし、逆に三系統以上設けてもよ
い。また、上記実施例では、本発明に係るトルクセンサ
を、車両用の電動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
されるものではない。

【００３３】そして、上記実施例では、コイル１０，１
１の自己誘導起電力を測定する構成としているが、発振
コイルを設けることにより相互誘導起電力を測定する構
成としてもよい。或いは、差動を採ることなく、一つの
コイルの自己誘導起電力，相互誘導起電力に基づいてト
ルクを求めるようにしてもよい。

【００３４】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
第２の回転軸と一体に回転する導電性で且つ非磁性の材
料からなる円筒部材に窓を形成するとともに、第１の回
転軸の少なくとも円筒部材に包囲された被包囲部を磁性
材料で形成し、その被包囲部に軸方向に延びる溝を形成
し、そして、それら窓と溝との重なり具合の変化をコイ
ルの起電力に基づいて測定し、その測定結果に基づいて
第１及び第２の回転軸に発生するトルクを検出するよう
にしたため、簡易な構造で高精度のトルク検出が行え、
しかも装置の小型化も図れるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例の構成を示す正断面図であ
る。

【図２】図１のＡ−Ａ線における円筒部材の断面図であ
る。

【図３】図１のＢ−Ｂ線における円筒部材の断面図であ
る。

【図４】円筒部材を固定した状態の正面図である。

【図５】モータの制御回路の一例を示す回路図である。

【図６】操舵トルクと差動アンプの出力との関係を示す
グラフである。

【図７】本発明の第２実施例における円筒部材を固定し
た状態の正面図である。

【符号の説明】

１ 入力軸（第１の回転軸） １Ａ 大径部（被包囲部） ２ 出力軸（第２の回転軸） ３ トーションバー ４ 円筒部材 ４ａ，４ｂ 窓 ５ａ，５ｂ，５ｃ 溝 １０，１１ コイル ２１ 発振部 ２２，２３ 整流・平滑回路 ２４Ａ，２４Ｂ 差動アンプ ２５Ａ，２５Ｂ ノイズ除去フィルタ ２６ トルク演算部 ２７ モータ駆動回路

フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭57−190240（ＪＰ，Ａ) 特開 昭60−157003（ＪＰ，Ａ) 特開 平８−114518（ＪＰ，Ａ) 特開 平８−240492（ＪＰ，Ａ) 特開 平８−240490（ＪＰ，Ａ) 特公 平５−58128（ＪＰ，Ｂ２) 特公 昭63−45528（ＪＰ，Ｂ１) 国際公開93／17312（ＷＯ，Ａ１) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G01L 3/10 B62D 5/04

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 同軸に配設された第１及び第２の回転軸
   をトーションバーを介して連結するとともに、導電性で
   且つ非磁性の材料からなる円筒部材を、前記第１の回転
   軸の外周面を包囲するように、前記第２の回転軸と回転
   方向に一体とし、前記第１の回転軸の少なくとも前記円
   筒部材に包囲された被包囲部を磁性材料で形成し、前記
   被包囲部に軸方向に延びる溝を形成し、前記円筒部材に
   は、前記第１の回転軸との間の相対回転位置に応じて前
   記溝との重なり具合が変化するように窓を形成し、そし
   て、前記円筒部材の前記窓が形成された部分を包囲する
   ようにコイルを配設し、そのコイルに起電力を誘導させ
   てこれを測定する起電力測定手段を設け、その起電力測
   定手段の測定結果に基づいて、前記第１及び第２の回転
   軸に発生するトルクを検出することを特徴とするトルク
   センサ。