JP3351197B2 - トルクセンサ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】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、発生す
るトルクに応じてインピーダンスが変化するコイルを有
するトルクセンサにおいて、簡易な構成でコイルのイン
ピーダンスを高くし、消費電力を抑えて検出回路等の発
熱を低減できるようにしたものである。

【０００２】

【従来の技術】例えば車両の操舵系の一部に捩じれ方向
に弾性変形可能なトーションバーを設けることにより、
トーションバーを介して連結される軸間に操舵トルクに
比例した相対回転を発生させ、その相対回転を測定する
ことにより操舵トルクを検出することができ、その検出
されたトルクに応じて操舵補助トルクを発生させること
により運転者の負担を軽減するパワーステアリング装置
がある。そして、そのような相対回転を測定する形式の
トルクセンサとして、従来から、トルクに応じてコイル
のインピーダンスを変化させ、そのコイルのインピーダ
ンスを測定することによりトルクを検出するものが存在
する（例えば、特開平２−１０２４２８号公報等参
照。）。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ここで、上述したよう
な車両用のパワーステアリング装置にあっては、配設ス
ペース上の制約が大きいため各構成部材の小型化が望ま
れており、当然にトルクセンサの小型化も要求されてい
る。そして、トルクセンサ用の基板等に設けられている
トランジスタ等の半導体や抵抗を小型化すると、電力消
費量の上限と発熱の対策が問題となるため、コイルの電
流量が減るように、そのインピーダンスを上げることが
必要となる。しかしながら、コイルのインピーダンスを
単純に上げようとすると、その巻数を増大させることに
なり、これでは小型化の要求に反することになってしま
う。

【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、大型化
を招くことなく、コイルのインピーダンスを上げること
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、この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、前記被包囲部には軸方向に延びる溝を
形成し、前記円筒部材には前記被包囲部の前記溝でない
部分よりも周方向幅の広い窓を形成し、それら溝及び窓
の位置関係は、前記トーションバーに捩じれが生じてい
ないときに前記窓の周方向中央部と前記溝の周方向端部
とが重なるように設定し、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、
前記コイルのインピーダンス変化に基づいて前記第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】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。

【０００７】

【発明の実施の形態】以下、この発明の実施の形態を図
面に基づいて説明する。図１は本発明の一実施の形態の
全体構成を示す断面図であって、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
に適用した例である。

【０００８】先ず、構成を説明すると、ハウジング１内
には、トーションバー４を介して連結された入力軸２及
び出力軸３が、軸受５ａ及び５ｂによって回転自在に支
持されている。これら入力軸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て、入力軸２及びトー
ションバー４間は、それら各端部がスプライン結合され
るスリーブ２Ａを介して連結され、トーションバー４の
他端側は出力軸３内の深く入り込んだ位置にスプライン
結合されている。また、入力軸２及び出力軸３は、鉄等
の磁性材料から形成されている。

【０００９】そして、入力軸２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３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２，トーションバー４，
出力軸３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。

【００１０】入力軸２端部に固定されたスリーブ２Ａ
は、出力軸３端部外周面を包囲するような長さを有して
いる。そして、そのスリーブ２Ａの出力軸３端部外周面
を包囲する部分の内周面には軸方向に長い複数の凸部２
ａが形成され、これら凸部２ａに対向する出力軸３の外
周面には軸方向に長い複数（凸部２ａと同数）の溝３ａ
が形成され、それら凸部２ａ及び溝３ａは周方向に余裕
を持って嵌め合わされていて、これにより、入力軸２及
び出力軸３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。

【００１１】そして、出力軸３には、これと同軸且つ一
体に回転するウォームホイール６が外嵌し、このウォー
ムホイール６の樹脂製の噛合部６ａと、電動モータ７の
出力軸７ａ外周面に形成されたウォーム７ｂとが噛み合
っている。従って、電動モータ７の回転力は、その出力
軸７ａ，ウォーム７ｂ及びウォームホイール６を介して
出力軸３に伝達されるようになっており、電動モータ７
の回転方向を適宜切り換えることにより、出力軸３に任
意の方向の操舵補助トルクが付与されるようになってい
る。

【００１２】さらに、入力軸２と一体となっているスリ
ーブ２Ａには、出力軸３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８が回転方向に一体に固定
されている。即ち、円筒部材８は導電性で且つ非磁性の
材料（例えば、アルミニウム）から形成されていて、こ
の円筒部材８及びその周囲の斜視図である図２にも示す
ように、円筒部材８の出力軸３を包囲する部分のうち、
スリーブ２Ａに近い側には、周方向に等間隔離隔した長
方形の複数（この実施例では、九つ）の窓８ａ，…，８
ａが形成され、スリーブ２Ａから遠い側には、窓８ａ，
…，８ａ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８ａと同形状）の複数（この実施例
では、九つ）の窓８ｂ，…，８ｂが形成されている。

【００１３】また、出力軸３の円筒部材８に包囲された
部分の外周面には、軸方向に延びる横断面略長方形の複
数（窓８ａ，８ｂと同数、従ってこの例では九つ）の溝
３Ａが形成されている。より具体的には、図１のＡ−Ａ
線における円筒部材８及び出力軸３の断面図である図３
及び図１のＢ−Ｂ線における円筒部材８及び出力軸３の
断面図である図４にそれぞれ示すように、円筒部材８の
周面を周方向にＮ（この例ではＮ＝９）等分した角度を
一周期角度θ（＝３６０／Ｎ、この例ではθ＝４０度）
とし、円筒部材８のスリーブ２Ａに近い側の部分では一
周期角度θの一方の端からａ度の部分が窓８ａ，…，８
ａとなり、残りの（θ−ａ）度の部分が塞がっており、
また、窓８ａ，…，８ａとの位相が１８０度ずれるよう
に、円筒部材８のスリーブ２Ａから遠い側の部分では一
周期角度θの他方の端からａ度の部分が窓８ｂ，…，８
ｂとなり、残りの（θ−ａ）度の部分が塞がっている。
なお、溝３Ａ，…，３Ａの間の横断面凸型の凸部３Ｂの
周方向幅をｂ度、円筒部材８及び出力軸３間（入力軸２
及び出力軸３間）の相対回転可能範囲をｃ度としてい
る。

【００１４】ただし、トーションバー４に捩じれが生じ
ていないとき（操舵トルクが零のとき）に、図３に示す
ように、窓８ａの周方向幅中央部と、溝３Ａの周方向の
一方の端部（凸部３Ｂの一方のエッジ部）とが重なり、
図４に示すように、窓８ｂの周方向幅中央部と、溝３Ａ
の周方向の他方の端部（凸部３Ｂの他方のエッジ部）と
が重なり合うようになっている。従って、窓８ａ及び溝
３Ａの重なり状態と、窓８ｂ及び溝３Ａの重なり状態と
は、周方向で逆になっている。

【００１５】そして、上記各角度の関係は、本実施の形
態では、 ａ＞ｂ ……（１） ａ≦２（θ−ｃ−ｂ） ……（２） としている。なお、この（１）式の条件は、後述するコ
イルのインピーダンスを上げるためのものであり、
（２）式の条件は、窓８ａ，８ｂから凸部３Ｂが完全に
飛び出さないようにするためのものである。つまり、ト
ーションバー４に捩じれが生じていないときに窓８ａ及
び８ａ間の塞がった部分の内側にある凸部３Ｂのエッジ
部が、トーションバー４の捩じれを伴って円筒部材８及
び出力軸３間に相対回転が生じても窓８ａ，８ｂの内側
に位置しないようにするためには、 ｂ−ａ／２＋ｃ≦θ−ａ ……（３） という条件を満足すればよいから、この（３）式をａに
ついて整理すると、上記（２）式のようになるのであ
る。

【００１６】そして、円筒部材８は、同一規格のコイル
１０及び１１が巻き付けられたヨーク９で包囲されてい
る。即ち、コイル１０及び１１は、円筒部材８と同軸に
配置されていて、コイル１０は窓８ａ，…，８ａが形成
された部分を包囲するようにヨーク９に巻き付けられ、
コイル１１は窓８ｂ，…，８ｂが形成された部分を包囲
するようにヨーク９に巻き付けられていて、ヨーク９は
ハウジング１に固定されている。なお、ハウジング１内
のウォームホイール６が配設されている空間とヨーク９
が配設されている空間との間は、オイルシール１２によ
って隔離されていて、これによりウォームホイール６及
びウォーム７の噛み合い部分に供給される潤滑油がヨー
ク９側に入り込まないようになっている。

【００１７】そして、コイル１０及び１１は、センサケ
ース１３内の制御基板１４上に構成されているモータ制
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定電流部２０
を介してコイル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２５
Ｂと、それらノイズ除去フィルタ２５Ａ，２５Ｂの出力
の例えば平均値に基づいて入力軸２及び円筒部材８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７に供給する
モータ駆動部２７と、から構成されている。

【００１８】次に、本実施の形態の動作を説明する。
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２及び出力軸３間には相対回転は生
じない。従って、出力軸３と円筒部材８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に伝達される。このと
き、出力軸３には、転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
が遅れる相対回転が発生し、出力軸３及び円筒部材８間
にも相対回転が生じる。

【００１９】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、図３及び図
４において円筒部材８が反時計回りに回転することにな
るから、操舵トルク零の場合に比べて、窓８ａ及び凸部
３Ｂの重なり合った面積は大きくなり、窓８ｂ及び凸部
３Ｂの重なり合った面積は小さくなる。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、図３及び図４において円筒部材８が時計回りに回
転することになるから、操舵トルク零の場合に比べて、
窓８ａ及び凸部３Ｂの重なり合った面積は小さくなるの
に対し、窓８ｂ及び凸部３Ｂの重なり合った面積は大き
くなる。

【００２０】そして、円筒部材８はうず電流効果により
磁束を通し難い性質を有する導電性で且つ非磁性の材料
からなり、凸部３Ａは磁性材料からなるため、窓８ａ及
び凸部３Ｂ，窓８ｂ及び凸部３Ｂが重なり合った部分の
増減は、コイル１０，１１内側の磁性材料で占められた
領域の増減と同義であるから、誘導原理に基づけば、窓
８ａ，８ｂを通じて露出する凸部３Ｂの表面積が大きく
なる程、コイル１０，１１のインダクタンスＬは増大
し、逆に、窓８ａ，８ｂを通じて露出する凸部３Ｂの表
面積が小さくなる程、コイル１０，１１のインダクタン
スＬは減少することになる。

【００２１】つまり、図６に示すように、右操舵トルク
が増大するに従って、コイル１０のインダクタンスＬ₁₀
は増大、コイル１１のインダクタンスＬ₁₁は減少し、左
操舵トルクが増大するに従って、コイル１０のインダク
タンスＬ₁₀は減少、コイル１１のインダクタンスＬ₁₁は
増大するのである。なお、図６には、円筒部材８及び出
力軸３間の相対回転角度と、操舵トルクとの関係も合わ
せて図示していて、これによれば、操舵トルクが０の位
置から右操舵トルク又は左操舵トルクが増大する方向に
角度（ｂ−ａ／２＋ｃ）だけ相対角度が変化する範囲で
は、窓８ａ，８ｂと凸部３Ｂとの重なり面積は一方向に
のみ変化するため、インダクタンスＬ₁₀及びＬ₁₁は略直
線的に変化するが、それを越えると窓８ａ，８ｂと凸部
３Ｂとの重なり面積は逆方向に変化するため、インダク
タンスＬ₁₀及びＬ₁₁も逆方向に変化するようになる。そ
こで、上述のように、相対回転範囲を±ｃ度の範囲に限
っているのである。

【００２２】そして、インダクタンスＬ₁₀及びＬ₁₁が図
６に示すように変化すれば、発振部２１から供給される
電流の周波数ωが一定という条件下では、コイル１０及
び１１のインピーダンスも図６のインダクタンスＬ₁₀及
びＬ₁₁と同様の傾向で変化すし、コイル１０及び１１の
自己誘導起電力も同様の傾向で変化する。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、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。

【００２３】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７に供給する。

【００２４】すると、電動モータ７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３
に伝達されるから、出力軸３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。ここで、図５に示したような検出回路にあ
っては、コイル１０，１１と直列に接続される抵抗Ｒの
抵抗値と、コイル１０，１１のインダクタンスＬの値と
の間には、コイル１０及び１１の出力電圧に差が生じや
すくなる望ましい比率があるが、定電流部２０内のトラ
ンジスタＴｒのコレクタ損失により、コイル１０，１１
に流れる電流の最大値が制限されてしまい、そのコレク
タ損失は温度にも依存し、温度が上昇する自動車部品を
考えると、コイル１０，１１を流れる電流は小さくする
ことが望ましい。また、放熱効果を考えた場合には、制
御基板１４の表面積を大きくすることも必要になってし
まうが、これでは装置全体の大型化を招いてしまう。

【００２５】このような種々の条件を踏まえつつ、本実
施の形態では、上記望ましい比率を実現し、且つ、コイ
ル１０，１１に流れる電流を抑えるためにコイル１０，
１１の巻き数等を増大させることなく、コイル１０，１
１のインピーダンスの増大を達成している。具体的に
は、窓８ａ，８ｂの周方向幅である角度ａと、凸部３Ｂ
の周方向幅である角度ｂとの関係を、上記（１）式のよ
うに設定することによりコイル１０，１１のインピーダ
ンス増大を図っているのである。

【００２６】即ち、図３及び図４に示したような角度の
関係において、窓８ａ，８ｂ，溝３Ａ，凸部３Ｂの周方
向幅を全て等しくした場合を考えると、 ａ＝（θ−ａ）＝ｂ＝（θ−ｂ）＝θ／２ となり、Ｎ＝９であるから、 θ／２＝２０度 である。

【００２７】そこで、 ｂ＝（θ−ｂ）＝２０度 に固定した状態で、角度ａ及び（θ−ａ）を２０度を中
心に変化させてインピーダンスを測定してみたところ、
図７に示すような結果が得られた。つまり、角度ａを角
度θ／２（＝２０度）よりも大きくすると、インピーダ
ンスは大きくなり、逆に角度ａを角度θ／２（＝２０
度）よりも小さくすると、インピーダンスは小さくなる
のであり、これを角度ａと角度ｂとの関係について書き
換えると、上記（１）式に示す関係が得られるのであ
る。

【００２８】即ち、角度ａ及びｂ間に上記（１）式の関
係があれば、円筒部材８及び出力軸３間の相対回転角度
且つ出力軸３の仕様（溝３Ａ，凸部３Ｂの寸法等）が同
一という条件下で窓８ａ，８ｂを通じて露出する凸部３
Ｂの表面積が大きくなるから、図６に示すインダクタン
スＬ₁₀及びＬ₁₁が上側にオフセットし、その結果、イン
ピーダンスが増大するのである。

【００２９】そして、巻数等はそのままでコイル１０，
１１のインピーダンスを増大させることができれば、コ
イル１０，１１の電流量が減り、検出回路内のトランジ
スタや抵抗等の小型化が可能となるのである。また、コ
イル１０，１１の電流量が減れば、発熱量も抑えられる
から、例えば制御基板１４等を大型化してその放熱効果
を向上させる必要などもなくなり、これによっても装置
全体の小型化が図られるのである。さらに、このように
トルクセンサの構成を従来に比べて小型化できるという
利点は、本実施の形態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。

【００３０】ここで、本実施の形態では、入力軸２が第
２の回転軸に対応し、出力軸３が第１の回転軸に対応
し、凸部３Ｂが溝でない部分に対応し、出力軸３の円筒
部材８に包囲された部分が被包囲部に対応する。

【００３１】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
第１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２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、その窓の周方向幅を、被包囲部の溝でない部分の周
方向幅よりも広くし、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、簡易な構成でコイルのイ
ンピーダンスを高くし、消費電力を抑えて検出回路等の
発熱を低減できるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施の形態の構成を示す正断面図で
ある。

【図２】実施の形態の要部の斜視図である。

【図３】図１のＡ−Ａ線における円筒部材及び出力軸の
断面図である。

【図４】図１のＢ−Ｂ線における円筒部材及び出力軸の
断面図である。

【図５】モータの制御回路の一例を示す回路図である。

【図６】操舵トルクとコイルのインダクタンスとの関係
を示すグラフである。

【図７】操舵トルク零時の角度ａとインピーダンスとの
関係を示すグラフである。

【符号の説明】

２ 入力軸（第２の回転軸） ３ 出力軸（第１の回転軸） ３Ａ 溝 ３Ｂ 凸部（溝でない部分） ４ トーションバー ８ 円筒部材 ８ａ，８ｂ 窓 １０，１１ コイル ２０ 定電流部 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 平９−61265（ＪＰ，Ａ) 特開 平９−61264（ＪＰ，Ａ) 特開 平８−313374（ＪＰ，Ａ) 特開 平８−240482（ＪＰ，Ａ) 特開 平８−240491（ＪＰ，Ａ) 特開 平８−240490（ＪＰ，Ａ) 特開 平８−114518（ＪＰ，Ａ) 特開 平８−114402（ＪＰ，Ａ) 特公 昭63−45528（ＪＰ，Ｂ１) (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
   被包囲部には軸方向に延びる溝を形成し、前記円筒部材
   には前記被包囲部の前記溝でない部分よりも周方向幅の
   広い窓を形成し、それら溝及び窓の位置関係は、前記ト
   ーションバーに捩じれが生じていないときに前記窓の周
   方向中央部と前記溝の周方向端部とが重なるように設定
   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、前記コイルのインピー
   ダンス変化に基づいて前記第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。