JP3351198B2 - 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、簡易な
構造で、軸方向の部品精度及び組立誤差等が検出精度に
与える影響を小さく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】しかしながら、上述し
たようなトルクセンサにあっては、例えばハウジング側
にコイルを固定し、このハウジングに対して相対回転可
能な軸側にコイルのインピーダンスを変化させる部材を
固定するようになっているため、軸方向の組立誤差や製
造誤差がトルクセンサの検出精度に大きな影響を与える
ことになる。そして、十分な検出精度を得るためには、
高い組立精度及び高い部品精度が要求されるから、コス
ト的に不利になってしまう。

【０００４】この発明は、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、軸方向誤差が検出精度に与える影響を小さく
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、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、前記窓の軸方向長
さは、前記コイルの軸方向長さよりも長く且つ前記コイ
ルを内側に保持する磁性材料からなるヨークの軸方向長
さよりも短くし、そして、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＝（θ−ａ）＝ｂ＝（θ−ｂ）＝θ／２ ……（１） としている。また、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、 ｃ≦ａ／２ ……（２） という条件も満足するようにしている。

【００１６】そして、円筒部材８は、同一規格のコイル
１０及び１１を保持する磁性材料からなるヨーク９Ａ，
９Ｂ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８
ａ，…，８ａが形成された部分を包囲するようにヨーク
９Ａの内側に保持され、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９Ｂの内側に
保持されていて、ヨーク９Ａ，９Ｂ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９Ａ，９Ｂ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９Ａ，
９Ｂ側に入り込まないようになっている。

【００１７】また、図５に示すように、コイル１１の軸
方向長さをＡ，ヨーク９Ｂの軸方向長さをＢ、窓８ｂの
軸方向長さをＬ_W とそれぞれした場合に、これらＡ，Ｂ
及びＬ_W の間には、 Ａ＜Ｌ_W ＜Ｂ ……（３） という関係が成立するようになっている。なお、特に図
示はしないが、コイル１０はコイル１１と同形状であ
り、ヨーク９Ａはヨーク９Ｂと同形状であり、窓８ａは
窓８ｂと同形状であるため、コイル１０の軸方向長さＡ
と、ヨーク９Ａの軸方向長さＢと、窓８ａの軸方向長さ
Ｌ_W との間にも、上記（３）式の関係が成立している。

【００１８】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
６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。

【００１９】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。

【００２０】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。

【００２１】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。

【００２２】つまり、図７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７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。

【００２３】そして、インダクタンスＬ₁₀及びＬ₁₁が図
７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７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。

【００２４】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。

【００２５】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。さらに、本実施の形態では、コイル１０，
１１の軸方向長さＡ、ヨーク９Ａ，９Ｂの軸方向長さＢ
及び窓８ａ，８ｂの軸方向長さＬ_W を、上記（３）式を
満足するように設定しているため、ハウジング１に対す
る円筒部材８の軸方向の組付誤差や、円筒部材８におけ
る窓８ａ，８ｂの開口位置の軸方向ずれ等によって、コ
イル１０，１１並びにヨーク９Ａ，９Ｂの軸方向中心
と、窓８ａ，８ｂの軸方向中心との間に軸方向ずれが生
じても、コイル１０，１１のインピーダンスが大幅に低
下することを防止できるようになっている。

【００２６】即ち、図８は、コイル１０，１１並びにヨ
ーク９Ａ，９Ｂの軸方向中心と窓８ａ，８ｂの軸方向中
心との間の軸方向変位を横軸に、インピーダンス変化率
を縦軸にとったグラフであり、Ａを８ｍｍに固定し、Ｌ
_W を１０ｍｍから１４ｍｍまで１ｍｍ刻みに変化させた
場合のそれぞれについての測定結果を示しており、これ
によれば、Ｌ_W をＡより長くすればする程、軸方向変位
によるコイル１０，１１のインピーダンス変化が小さく
なることが判る。

【００２７】なお、Ｂについては、磁束浸透深さをδと
した場合に、 Ｂ＞Ａ＋２δ を満足すれば十分であるが、各部材の軸方向組付誤差等
により窓８ａ，８ｂがヨーク９Ａ，９Ｂからはみ出さな
いようにして、コイル１０及び１１同士の影響や、ヨー
ク９Ａ，９Ｂの軸方向外側の影響等を受けないようにす
ることが必要であるため、 Ｂ＞Ｌ_W とすることが好ましい。

【００２８】以上のような理由から、本実施の形態では
上記（３）式を満足するように、Ａ，Ｂ及びＬ_W の関係
を設定しているのである。そして、コイル１０，１１の
インピーダンス変化が小さくなれば、それだけ検出精度
が低下することを防止できるのであり、換言すれば、同
じ検出精度でよければ、組立精度及び部品精度を低くす
ることができるから、コスト的にも有利になるのであ
る。

【００２９】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、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。

【００３０】

【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に伴う
コイルのインピーダンス変化に基づいてトルクを検出す
るようにし、しかも、窓の軸方向長さは、前記コイルの
軸方向長さよりも長く且つ前記コイルを内側に保持する
磁性材料からなるヨークの軸方向長さよりも短くしたた
め、簡易な構造で、軸方向の部品精度及び組立誤差等が
検出精度に与える影響を小さくできるという効果が得ら
れる。

【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】実施の形態の要部の寸法関係を示す断面図であ
る。

【図６】モータの制御回路の一例を示す回路図である。

【図７】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８】コイル並びにヨークの軸方向中心と窓の軸方向
中心との間の軸方向変位を横軸に、インピーダンス変化
率を縦軸にとったグラフである。

【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 ４ トーションバー ８ 円筒部材 ８ａ，８ｂ 窓 ９Ａ，９Ｂ ヨーク 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９−61263（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、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、前記窓の軸方向長さは、前記コイルの軸
   方向長さよりも長く且つ前記コイルを内側に保持する磁
   性材料からなるヨークの軸方向長さよりも短くし、そし
   て、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。