JP3387337B2 - Torque sensor - Google Patents

Torque sensor

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JP3387337B2
JP3387337B2 JP33625996A JP33625996A JP3387337B2 JP 3387337 B2 JP3387337 B2 JP 3387337B2 JP 33625996 A JP33625996 A JP 33625996A JP 33625996 A JP33625996 A JP 33625996A JP 3387337 B2 JP3387337 B2 JP 3387337B2
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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
し、そのコイルのインピーダンス変化に基づいてトルク
を検出するようになっているトルクセンサにおいて、ト
ルクの検出精度がより向上す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は、例えば、
実開平2−89338号公報に開示されたものがある。
即ち、この従来のトルクセンサは、回転軸に作用してい
るトルクをコイルのインピーダンス変化に反映させ、そ
のインピーダンス変化を検出することによりトルクを検
出するようになっている。 【0003】つまり、コイルは回転軸を包囲するように
配設されていて、回転軸のトルクに応じてコイルのイン
ピーダンスを変化させるようになっているから、そのイ
ンピーダンス変化をコイルの端子電圧を測定することに
より検出すれば、回転軸に発生しているトルクを検出す
ることができるのである。 【0004】 【発明が解決しようとする課題】ここで、上述したよう
な従来のトルクセンサにあっては、ボビンに巻き付けら
れたコイルは、磁束が漏れないようにその外周面及び両
端面が鉄製のヨーク部材で覆われている。しかし、コイ
ルの端部はヨーク部材の外部に引き出さなければならな
いため、ヨーク部材にはそのコイル端部を引き出すため
の切欠きが形成されることになる。 【0005】すると、その切欠きによって、コイル内側
の磁界が周方向で不均一になってしまうため、コイルと
回転軸との位相差によってコイルと鎖交する磁束数に変
化が生じる。この結果、トルクとは無関係にコイルのイ
ンピーダンスが変化してしまうから、その分だけトルク
の検出精度が低下してしまうのである。 【0006】なお、上記公報記載のトルクセンサのよう
にトルクに応じてインピーダンスが互いに逆方向に変化
するように二つのコイルを設け、それら二つのコイルを
含むブリッジ回路を形成し、そのブリッジ回路の二つの
出力の差動に基づいてトルクを検出するようにした場
合、温度変化等によるインピーダンス変化は差動によっ
て相殺できても、上記の切欠きによるインピーダンス変
化は逆に増幅されてしまい、トルク検出値に含まれてし
まうのである。 【0007】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、上記の
ような切欠きによるインピーダンス変化を低減してトル
ク検出精度を向上できるトルクセンサを提供することを
目的としている。 【0008】 【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、前記被包囲部には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トルクセンサにおいて、前記コイル
を内側に抱え込むヨーク部材の外周に、前記コイルの端
部を前記ヨーク部材の外部に引き出すための第1の切欠
きと、この第1の切欠きとは別の少なくとも一つ以上の
第2の切欠きとを形成し、それら第1及び第2の切欠き
の形成位置は、前記第1の切欠きによって生じる前記コ
イル内側の磁界の不均一性に伴う前記コイルのインピー
ダンス変化と、前記第2の切欠きによって生じる前記コ
イル内側の磁界の不均一性に伴う前記コイルのインピー
ダンス変化とが、互いに低減し合う位置とした。 【0009】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。 【0010】 【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乃至図4は本発明の一実施
の形態を示す図であって、この実施の形態は、本発明に
かかるトルクセンサを、車両の電動パワーステアリング
装置に適用したものである。 【0011】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,5b及び5c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間はスプライン結合により回転方向
に一体であり、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おいてピン3aにより結合され
て回転方向に一体となっている。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。 【0012】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。 【0013】入力軸2の端部は出力軸3端部外周面を包
囲し、その入力軸2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2a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。 【0014】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。 【0015】さらに、入力軸2の出力軸3側の端部に
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、入力軸2
端部に近い側には、周方向に等間隔離隔した長方形の複
数(この実施例では、八つ)の窓8a,…,8aが形成
され、入力軸2端部から遠い側には、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、八
つ)の窓8b,…,8bが形成されている。 【0016】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、従ってこの例では八つ)の溝
3Aが形成されている。 【0017】そして、円筒部材8は、コイルボビン9
A,9Bに巻き付けられた同一規格の二つのコイル10
及び11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し、コイル1
1は窓8b,…,8bが形成された部分を包囲するよう
になっている。 【0018】さらに、コイル10,11の外周面及び両
端面は鉄製のヨーク部材13,14によって覆われてい
る。なお、ヨーク部材13,14の構成は同等であるた
め、以下の説明はヨーク部材14について行う。 【0019】即ち、図3(a)はヨーク部材14の断面
図、図3(b)はヨーク部材14の正面図である。な
お、図3(a)は図3(b)のA−A線断面図に相当す
る。これら図3(a)、(b)に示すように、ヨーク部
材14は、コイル11の外周面及び一方の端面を覆う断
面L字形のリング部材14Aと、コイル11の他方の端
面を覆う断面方形のリング部材14Bとから構成されて
いる。そして、リング部材14Aのコイル11の外周面
を覆う部分は、リング部材14Bの外周面をも覆うよう
になっていて、これにより、コイル11の外周面及び両
端面の全体がヨーク部材14で覆われるようになってい
る。 【0020】ただし、リング部材14Aのリング部材1
4Bを覆う部分には、三つの切欠き16A,16B及び
16Cが、周方向に等間隔(つまり120度間隔)に形
成されている。なお、各切欠き16A〜16Cは、コイ
ル11の外周面に若干重なるような寸法に形成されてい
て、そのうちの一つの切欠き16Aに嵌まり込むよう
に、リング部材14Bの外周面にプラスチック等の不導
体からなる端子保持部材17が固定されている。そし
て、その端子保持部材17の径方向外側を向く面には、
二つの端子17A,17Bが先端側を径方向外側に向け
て固定されており、一方の端子17Aの基端側はコイル
11の一方の端部に接続され、他方の端子17Bの基端
側はコイル11の他方の端部に接続されている。かかる
構成により、コイル11の両端部が、ヨーク部材14の
外部に引き出されているのである。 【0021】また、切欠き16B及び16Cは、切欠き
16Aと同寸法ではあるが、特にこれら切欠き16B,
16Cに対応して端子保持部材等は設けられていない。
従って、切欠き16B及び16Cが形成されている部分
は、コイルボビン9A,9Bの一部が露出していること
になる。 【0022】そして、他方のヨーク部材13もヨーク部
材14と同等の構成であって、両者は、図1に示すよう
に、リング部材13B及び14Bが当接し、且つ、端子
保持部材17A同士が重なるように突き合わせた状態
で、ハウジング1内に配設されている。 【0023】さらに、計4本の各端子17A,17Bの
先端は、ハウジング1を貫通してセンサケース18内に
至っており、コイル10及び11は、それら各端子17
A,17Bを介して、センサケース18内の制御基板1
9上に構成されているモータ制御回路に接続されてい
る。 【0024】モータ制御回路は、例えば図4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の端
子電圧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の端子電圧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,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。 【0025】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。 【0026】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。 【0027】円筒部材8に窓がない状態では、円筒部材
8は導電性で且つ非磁性の材料からなるから、コイルに
交流電流を流してコイル内部に交番磁界を生じさせる
と、円筒部材8の外周面にコイル電流と反対方向の渦電
流が発生する。 【0028】この渦電流による磁界とコイルによる磁界
とを重ね合わせると、円筒部材8の内側の磁界は相殺さ
れる。円筒部材8に窓8a,8bを設けた場合、円筒部
材8の外周面に生じた渦電流は、窓8a,8bによって
外周面を周回できないため、窓8a,8bの端面に沿っ
て円筒部材8の内周面側に回り込み、内周面をコイル電
流と同方向に流れ、また隣の窓8a,8bの端面に沿っ
て外周面側に戻り、ループを形成する。 【0029】つまり、コイルの内側に、渦電流のループ
を周方向に周期的に(θ=360/N)に配置した状態
となる。コイル電流と渦電流の作る磁界は重ね合わさ
れ、円筒部材8の内外には、周方向に周期的な磁界の強
弱と、更に中心に向かうほど小さくなる勾配を持った磁
界が形成される。周方向の磁界の強弱は隣り合う渦電流
の影響を強く受ける窓8a,8bの中心部分で強く、そ
こから半周期(θ/2)ずれたところが弱くなる。そし
て、円筒部材8の内側には、磁性材料からなる出力軸3
が同軸に配設され、その出力軸3には、溝3Aによって
凸部及び凹部が窓8a,8bと同じ周期を持って形成さ
れているが、磁界中に置かれた磁性体は磁化して、自発
磁化(磁束)を発するがその量は飽和に至るまでは磁界
の強さに応じて大きくなる。 【0030】このため、円筒部材8によって作られる周
方向に周期的な強弱と半径方向に勾配を持つ磁界によっ
て、出力軸3の自発磁化は、円筒部材8との相対的な位
相によって増減する。自発磁化が最大となる位相は、窓
8a,8bの中心と凸部の中心とが一致した状態であ
る。 【0031】そして、自発磁化の増減に応じて、コイル
10,11のインダクタンスも増減し、その変化は、ほ
ぼ正弦波状となる。トルクが作用しない状態において
は、自発磁化(インダクタンス)が最大となる位相に対
して1/4周期(θ/4)ずれた状態となっており、更
に入力軸2端部に近い側の窓列と他方の窓列との位相は
前述のように1/2周期(θ/2)の位相差としてあ
る。 【0032】このため、トルクにより円筒部材8と出力
軸3に位相差が生じると、二つのコイル10,11のイ
ンダクタンスの一方は増加し、他方は同じ割合で減少す
るが、コイル10,11のインダクタンスがこのように
変化すれば、電流増幅部26から供給される電流の周波
数が一定という条件下では、コイル10及び11のイン
ピーダンスも同様の傾向で変化するし、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の端子電圧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
の変化は相殺される。 【0033】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。 【0034】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。 【0035】さらに、本実施の形態にあっては、コイル
10,11を内側に抱え込むヨーク部材13,14に、
コイル10,11の端子を外部に取り出すための切欠き
16Aの他に、切欠き16B,16Cを形成するととも
に、それら切欠き16A〜16Cの形成位置を互いに周
方向に120度ずつずらしているので、各切欠き16A
〜16Cによって生じるコイル10,11内側の磁界の
不均一性に伴う各コイル10,11のインピーダンス変
化が低減するようになっている。 【0036】即ち、本実施の形態では、上述のように溝
3Aと窓8a,8bとの重なり具合の変化によってコイ
ル10,11のインピーダンスが変化するようになって
いるが、それら溝3Aと窓8a、8bとの組が周方向に
八つ存在するため、例えば切欠き16Aによるコイル1
0,11内側の磁束の不均一性によって、出力軸3が一
回転する度に、トルクと無関係なインピーダンス変化が
八つの波として現れることになる。 【0037】しかし、コイル10,11内側の磁束の不
均一性に伴うトルクと無関係なインピーダンス変化は、
切欠き16Bによっても生じるし、切欠き16Cによっ
ても生じる。このため、各切欠き16A〜16Cによる
トルクと無関係なインピーダンス変化は、それら切欠き
16A〜16Cの個数や形成位置を適宜選定することに
より、強め合うことになったり、逆に弱め合うことにな
ったりする。 【0038】仮に、ヨーク部材13,14に、切欠き1
6Aの他に、これから180度ずれた位置に同寸法の切
欠きを一つだけ形成したとすると、溝3Aと窓8a,8
bとの組み合わせ周方向に等間隔に八つ存在するた
め、それら二つの切欠きによるインピーダンス変化は同
じタイミングで発生してしまう。このため、インピーダ
ンス変化は互いに強め合ってしまう。 【0039】これに対し、本実施の形態のように、三つ
の切欠き16A〜16Cが形成されていると、溝3Aと
窓8a,8bとの組み合わせ周方向に等間隔に八つ存
在するため、例えば切欠き16Aと各溝3Aとの位置関
係に対して、切欠き16Bと各溝3Aとの位置関係は2
π/3だけ位相が遅れ、切欠き16Cと各溝3Aとの位
置関係は4π/3だけ位相が遅れることになる。このた
め、各切欠き16A〜16Cによるトルクに無関係なイ
ンピーダンス変化は、互いに弱め合うようになるから、
結果としてインピーダンス変化が大幅に低減されるので
ある。 【0040】図5は、本実施の形態と同様の構成で、ト
ルクを零としたまま、入力軸2及び出力軸3を一回転さ
せた場合のコイル10のインピーダンス変化率の測定結
果を示している。これによれば、インピーダンスには、
振幅の小さい低周波(一回転当たり一周期)の変化と、
振幅の極めて小さい高周波(一回転当た八周期)の変化
とが認められる。低周波の変化は、溝3Aや円筒部材8
等の製造誤差等に起因するものであるから、図4に示す
ような差動アンプ24A,24Bで差動をとれば、その
出力電圧の変化率は、図6に示すように振幅の極めて小
さい高周波の変化だけになり、極めて高精度のトルク検
出が可能になる。よって、操舵系には正確な操舵補助ト
ルクを付与することができる。 【0041】ちなみに、従来のトルクセンサと同様に、
切欠き16Aは形成するが、切欠き16B及び16Cを
形成しなかった場合には、トルクが零であっても、コイ
ル10のインピーダンスには、図7に示すように、振幅
の小さい低周波(一回転当たり一周期)の変化と、振幅
の大きい高周波(一回転当た八周期)の変化とが発生し
てしまう。また、コイル11のインピーダンスにも、図
8に示すように、振幅の小さい低周波(一回転当たり一
周期)の変化と、振幅の大きい高周波(一回転当た八周
期)の変化とが発生してしまうが、窓8a,…,8aと
窓8b,…,8bとの間には180度の位相差があるた
め、コイル11のインピーダンスの高周波の変化成分
は、コイル10のインピーダンスの高周波の変化成分に
対して位相が180度ずれてしまう。 【0042】このため、差動アンプ24A,24Bで差
動をとっても、低周波の変化成分を相殺することはでき
るが、高周波の成分は逆に増幅されてしまう。このた
め、差動アンプ24A,24Bの出力電圧は、図9に示
すようにトルクに関係なく大きく変化してしまうから、
それだけトルクの検出精度が落ちてしまい、良好な操舵
補助トルク制御を実行する上で支障になってしまう。 【0043】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
に対応し、切欠き16Aが第1の切欠きに対応し、切欠
き16B,16Cが第2の切欠きに対応する。 【0044】なお、上記実施の形態では、溝3Aと窓8
a,8bとの組み合わせが周方向に8組ずつ存在するた
め、三つの切欠き16A〜16Cを周方向に等間隔に形
成して、インピーダンス変化の位相を互いに弱め合うよ
うにずらしているが、ヨーク部材13,14に形成する
切欠きの個数や位置は上記実施の形態に限定されるもの
ではなく、溝3Aや窓8a,8b等のトルクに応じてイ
ンピーダンスを変化させる構造の組数に応じて適宜設定
すればよい。要は、コイル10,11の端部をヨーク部
材13,14の外部に引き出すための切欠きによって生
じるインピーダンス変化と、他の切欠きによって生じる
インピーダンス変化とが互いに低減し合うように、各切
欠きを形成すればよい。 【0045】また、上記実施の形態では、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、これに限定されるも
のではなく、他の用途のトルクセンサであっても適用可
能である。 【0046】 【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
ヨーク部材に、コイルの端部を外部に引き出すための第
1の切欠きと、この第1の切欠きとは別の少なくとも一
つ以上の第2の切欠きとを形成し、第1の切欠きによっ
て生じるコイル内側の磁界の不均一性に伴うコイルのイ
ンピーダンス変化と、第2の切欠きによって生じるコイ
ル内側の磁界の不均一性に伴うコイルのインピーダンス
変化とが、互いに低減し合うようにしたため、高精度の
トルク検出が行えるという効果がある。
Description: BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a torque sensor for detecting a torque generated on a rotating shaft, and more particularly, to a torque sensor having a coil whose impedance changes according to the generated torque. In a torque sensor that detects a torque based on a change in impedance of the coil, the torque detection accuracy is further improved. [0002] As a conventional torque sensor, for example,
There is one disclosed in Japanese Utility Model Laid-Open No. 2-89338.
That is, in this conventional torque sensor, the torque acting on the rotating shaft is reflected on a change in the impedance of the coil, and the torque is detected by detecting the change in the impedance. In other words, the coil is arranged so as to surround the rotating shaft, and the impedance of the coil is changed according to the torque of the rotating shaft. Therefore, the impedance change is measured by measuring the terminal voltage of the coil. By doing so, the torque generated on the rotating shaft can be detected. [0004] In the above-described conventional torque sensor, the coil wound around the bobbin has an outer peripheral surface and both end surfaces made of iron so that magnetic flux does not leak. Is covered with a yoke member. However, since the end of the coil must be drawn out of the yoke member, a cutout is formed in the yoke member for drawing out the coil end. [0005] Then, the notch causes the magnetic field inside the coil to be non-uniform in the circumferential direction, so that the number of magnetic fluxes interlinking with the coil changes due to the phase difference between the coil and the rotating shaft. As a result, the impedance of the coil changes irrespective of the torque, and the detection accuracy of the torque is reduced accordingly. As in the torque sensor described in the above publication, two coils are provided so that the impedances change in opposite directions according to the torque, and a bridge circuit including the two coils is formed. If the torque is detected based on the difference between the two outputs, even if the impedance change due to a temperature change or the like can be canceled out by the differential, the impedance change due to the above notch will be amplified in reverse, and the torque detection will be performed. It is included in the value. SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in view of such unresolved problems of the prior art, and is capable of improving the torque detection accuracy by reducing the impedance change due to the notch as described above. It is intended to provide a sensor. [0008] In order to achieve the above object, a torque sensor according to the present invention connects first and second rotating shafts arranged coaxially through a torsion bar. A cylindrical member made of a conductive and non-magnetic material is integrally formed with the second rotating shaft in a rotating direction so as to surround an outer peripheral surface of the first rotating shaft; At least an enclosed portion surrounded by the cylindrical member is formed of a magnetic material; an axially extending groove is formed in the enclosed portion; and the cylindrical member has a relative rotational position with respect to the first rotation axis. A window is formed so that the degree of overlap with the groove changes in accordance with, a coil is disposed so as to surround a portion of the cylindrical member where the window is formed, and the coil is arranged based on a change in impedance of the coil. The torque generated on the first and second rotating shafts In a torque sensor for detecting a torque, a first notch is provided on an outer periphery of a yoke member that holds the coil inside, and a first notch for pulling out an end of the coil to the outside of the yoke member. Forming at least one or more second notches, and the first and second notches
Are formed due to the impedance change of the coil caused by the non-uniformity of the magnetic field inside the coil caused by the first notch and the non-uniformity of the magnetic field inside the coil caused by the second notch. The position where the impedance change of the coil is reduced to each other. Here, the non-magnetic material in the present invention refers to a paramagnetic material and some diamagnetic materials, and the magnetic material refers to a ferromagnetic material. The magnetic permeability of the non-magnetic material is substantially equal to that of air, and is smaller than the magnetic permeability of the magnetic material. Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. FIGS. 1 to 4 show an embodiment of the present invention. In this embodiment, a torque sensor according to the present invention is applied to an electric power steering device of a vehicle. First, the construction will be described. In the housing 1, an input shaft 2 and an output shaft 3 connected via a torsion bar 4 are rotatably supported by bearings 5a, 5b and 5c. The input shaft 2, the output shaft 3 and the torsion bar 4 are coaxially arranged, and the input shaft 2 and the torsion bar 4 are integrated in the rotational direction by spline coupling. The other end of the torsion bar 4 is connected to the output shaft. At the position where it is deeply inserted into the inside 3, it is connected by a pin 3 a and is integrated in the rotation direction. The input shaft 2 and the output shaft 3 are made of a magnetic material such as iron. A steering wheel is integrally mounted in the rotation direction on the right end (not shown) of the input shaft 2 in FIG. 1, and a known rack is mounted on the left end of the output shaft 3 (not shown) in FIG. A pinion shaft constituting the AND pinion type steering device is connected. Therefore, the steering force generated by the steering of the steering wheel by the driver is applied to the input shaft 2, the torsion bar 4,
The power is transmitted to steered wheels (not shown) via the output shaft 3 and the rack-and-pinion type steering device. The end of the input shaft 2 surrounds the outer peripheral surface of the end of the output shaft 3, and the inner peripheral surface of the portion surrounding the outer peripheral surface of the end of the output shaft 3 of the input shaft 2 has a plurality of axially long convexes. A plurality of grooves 3a (same number as the number of the protrusions 2a) are formed in the outer peripheral surface of the output shaft 3 facing the protrusions 2a, and the protrusions 2a and the grooves 3a are formed in the circumferential direction. To prevent relative rotation between the input shaft 2 and the output shaft 3 beyond a predetermined range (for example, about ± 5 degrees). A worm wheel 6 that coaxially and integrally rotates with the output shaft 3 is externally fitted to the output shaft 3. The worm wheel 6 is formed on a resin meshing portion 6 a of the worm wheel 6 and on an outer peripheral surface of the output shaft 7 a of the electric motor 7. The formed worm 7b is engaged. Accordingly, the torque of the electric motor 7 is transmitted to the output shaft 3 via the output shaft 7a, the worm 7b and the worm wheel 6, and the electric motor 7
By appropriately switching the rotation direction, a steering assist torque in an arbitrary direction is applied to the output shaft 3. Further, a thin cylindrical member 8 is integrally fixed in the rotation direction at the end of the input shaft 2 on the output shaft 3 side so as to approach and surround the outer peripheral surface of the output shaft 3. I have. That is, the cylindrical member 8 is formed of a conductive and non-magnetic material (for example, aluminum), and as shown in FIG. 2 which is a perspective view of the cylindrical member 8 and its surroundings,
Of the cylindrical member 8 surrounding the output shaft 3, the input shaft 2
On the side near the end, a plurality of (eight in this embodiment) windows 8a,..., 8a are formed at regular intervals in the circumferential direction, and on the side far from the end of the input shaft 2 are windows. 8a, ..., 8a
, 8b (in this embodiment, eight) are formed in a rectangular shape (having the same shape as the window 8a) which is equally spaced in the circumferential direction so that the phase is shifted by 180 degrees. On the outer peripheral surface of a portion of the output shaft 3 surrounded by the cylindrical member 8, a plurality of grooves (same in number as the windows 8a and 8b, that is, eight in this example) extending in the axial direction and having a substantially rectangular cross section are provided. 3A is formed. The cylindrical member 8 has a coil bobbin 9
A, two coils 10 of the same standard wound around 9B
And 11. That is, coils 10 and 11
Are arranged coaxially with the cylindrical member 8, and the coil 10 surrounds the portion where the windows 8a,.
Numeral 1 surrounds the portion where the windows 8b,..., 8b are formed. Further, the outer peripheral surfaces and both end surfaces of the coils 10 and 11 are covered with iron yoke members 13 and 14, respectively. Since the configurations of the yoke members 13 and 14 are the same, the following description will be made with respect to the yoke member 14. That is, FIG. 3A is a sectional view of the yoke member 14, and FIG. 3B is a front view of the yoke member 14. Note that FIG. 3A corresponds to a cross-sectional view taken along the line AA of FIG. As shown in FIGS. 3A and 3B, the yoke member 14 includes a ring member 14A having an L-shaped cross section that covers the outer peripheral surface and one end surface of the coil 11, and a rectangular cross section that covers the other end surface of the coil 11. And the ring member 14B. The portion of the ring member 14A that covers the outer peripheral surface of the coil 11 also covers the outer peripheral surface of the ring member 14B, whereby the entire outer peripheral surface and both end surfaces of the coil 11 are covered with the yoke member 14. It has become. However, the ring member 1 of the ring member 14A
In the portion covering 4B, three notches 16A, 16B and 16C are formed at equal intervals in the circumferential direction (ie, at 120 ° intervals). Each of the notches 16A to 16C is formed to have a size that slightly overlaps with the outer peripheral surface of the coil 11, and a plastic or the like is formed on the outer peripheral surface of the ring member 14B so as to fit into one of the notches 16A. Is fixed. Then, on the surface of the terminal holding member 17 facing outward in the radial direction,
Two terminals 17A and 17B are fixed with their distal ends facing radially outward, the proximal end of one terminal 17A is connected to one end of the coil 11, and the proximal end of the other terminal 17B is It is connected to the other end of the coil 11. With this configuration, both ends of the coil 11 are drawn out of the yoke member 14. The notches 16B and 16C have the same dimensions as the notch 16A, but in particular, the notches 16B and 16C have the same dimensions.
No terminal holding member or the like is provided corresponding to 16C.
Therefore, in the portion where the notches 16B and 16C are formed, a part of the coil bobbins 9A and 9B is exposed. The other yoke member 13 has the same structure as the yoke member 14, and the two yoke members 13 and 14B abut on each other and the terminal holding members 17A overlap each other, as shown in FIG. It is arranged in the housing 1 in such a state that it abuts. Further, the tips of a total of four terminals 17A and 17B penetrate the housing 1 and reach the inside of the sensor case 18, and the coils 10 and 11 are connected to the terminals 17A and 17B.
Control board 1 in sensor case 18 via A and 17B
9 is connected to the motor control circuit. As shown in FIG. 4, for example, the motor control circuit includes an oscillating unit 21 for supplying an alternating current of a predetermined frequency to the coils 10 and 11 via a constant current unit 20, and rectifying and smoothing the terminal voltage of the coil 10. And output rectifying / smoothing circuit 22
And a rectifying / smoothing circuit 23 for rectifying and smoothing the terminal voltage of the coil 11 and outputting the same, and differential amplifiers 24A and 24B for amplifying and outputting the difference between the output of the rectifying / smoothing circuit 22 and the output of the rectifying / smoothing circuit 23. And a noise removal filter 25A for removing high frequency noise components from the output of the differential amplifier 24A
A noise removal filter 25B for removing high-frequency noise components from the output of the differential amplifier 24B, and the direction of the relative rotational displacement of the input shaft 2 and the cylindrical member 8 based on, for example, an average value of the outputs of the noise removal filters 25A and 25B. And a magnitude, and multiplies the result by, for example, a predetermined proportionality constant to obtain a steering torque generated in the steering system; and a steering that reduces the steering torque based on the calculation result of the torque calculation unit 26. And a motor drive unit 27 that supplies a drive current I that generates an auxiliary torque to the electric motor 7. Next, the operation of this embodiment will be described.
Now, assuming that the steering system is in a straight running state and the steering torque is zero, no relative rotation occurs between the input shaft 2 and the output shaft 3. Therefore, no relative rotation occurs between the output shaft 3 and the cylindrical member 8. On the other hand, when the steering wheel is steered to generate a torque on the input shaft 2, the torque is transmitted to the output shaft 3 via the torsion bar 4. At this time, a resistance force corresponding to a frictional force between the steered wheels and the road surface and a frictional force such as meshing of gears of a rack and pinion type steering device formed on the left end side (not shown) of the output shaft 3 are applied to the output shaft 3. Therefore, the relative rotation of the output shaft 3 is delayed between the input shaft 2 and the output shaft 3 due to the torsion bar 4 being twisted, and the relative rotation is also generated between the output shaft 3 and the cylindrical member 8. When the cylindrical member 8 has no window, the cylindrical member 8 is made of a conductive and non-magnetic material. Therefore, when an alternating current is applied to the coil to generate an alternating magnetic field inside the coil, the cylindrical member 8 is An eddy current is generated on the outer peripheral surface in a direction opposite to the coil current. When the magnetic field due to the eddy current and the magnetic field due to the coil are superimposed, the magnetic field inside the cylindrical member 8 is canceled. When the windows 8a and 8b are provided in the cylindrical member 8, the eddy current generated on the outer peripheral surface of the cylindrical member 8 cannot go around the outer peripheral surface by the windows 8a and 8b, so that the cylindrical member 8 extends along the end surfaces of the windows 8a and 8b. , Flows in the same direction as the coil current in the inner circumferential surface, and returns to the outer circumferential surface along the end surfaces of the adjacent windows 8a and 8b to form a loop. That is, an eddy current loop is periodically arranged in the circumferential direction (θ = 360 / N) inside the coil. The magnetic field generated by the coil current and the eddy current are superimposed, and a magnetic field having a periodic strength in the circumferential direction and a magnetic field having a gradient that becomes smaller toward the center are formed inside and outside the cylindrical member 8. The strength of the magnetic field in the circumferential direction is strong at the central portions of the windows 8a and 8b which are strongly affected by the adjacent eddy currents, and weakens at a position shifted by half a period (θ / 2) therefrom. The output shaft 3 made of a magnetic material is provided inside the cylindrical member 8.
Are arranged coaxially, and the output shaft 3 has a groove 3A formed with a protrusion and a recess having the same period as the windows 8a and 8b, but the magnetic material placed in the magnetic field is magnetized. , And generates spontaneous magnetization (magnetic flux), but the amount increases according to the strength of the magnetic field until saturation is reached. For this reason, the spontaneous magnetization of the output shaft 3 is increased or decreased by the relative phase with the cylindrical member 8 by the magnetic field having the periodic periodic strength and the radial gradient generated by the cylindrical member 8. The phase at which the spontaneous magnetization is maximized is a state in which the centers of the windows 8a and 8b coincide with the centers of the protrusions. Then, the inductance of the coils 10 and 11 also increases and decreases according to the increase and decrease of the spontaneous magnetization, and the change becomes substantially sinusoidal. When no torque is applied, the phase is shifted by 1/4 cycle (θ / 4) from the phase at which the spontaneous magnetization (inductance) is maximized, and the window row on the side closer to the end of the input shaft 2 And the other window row have a phase difference of 1/2 cycle (θ / 2) as described above. Therefore, when a phase difference occurs between the cylindrical member 8 and the output shaft 3 due to the torque, one of the inductances of the two coils 10 and 11 increases and the other decreases at the same rate. If the inductance changes in this manner, the impedance of the coils 10 and 11 changes in a similar tendency under the condition that the frequency of the current supplied from the current amplifying unit 26 is constant, and the self-induction of the coils 10 and 11 occurs. Electric power also changes in a similar tendency. Therefore, the outputs of the differential amplifiers 24A and 24B that determine the difference between the terminal voltages of the coils 10 and 11 change according to the direction and magnitude of the steering torque. Further, since the difference between the rectifying / smoothing circuits 22 and 23 is obtained in the differential amplifiers 24A and 24B, a change in self-inductance due to temperature or the like is canceled. The torque calculator 26 calculates the average value of the outputs of the differential amplifiers 24A and 24B supplied via the noise removing filters 25A and 25B, and multiplies the average value by, for example, a predetermined proportional constant to perform steering. The torque is obtained, and the result is supplied to the motor drive unit 27. The motor drive unit 27
A drive current I according to the direction and magnitude of the steering torque is supplied to the electric motor 7. Then, a torque corresponding to the direction and magnitude of the steering torque generated in the steering system is generated in the electric motor 7, and the torque is output to the output shaft 3 via a worm gear or the like.
, The steering assist torque is applied to the output shaft 3, the steering torque decreases, and the burden on the driver is reduced. Further, in the present embodiment, the yoke members 13 and 14 that hold the coils 10 and 11 inside,
In addition to the notch 16A for taking out the terminals of the coils 10 and 11 to the outside, notches 16B and 16C are formed, and the positions of the notches 16A to 16C are shifted from each other by 120 degrees in the circumferential direction. , Each notch 16A
The impedance change of each of the coils 10 and 11 due to the non-uniformity of the magnetic field inside the coils 10 and 11 caused by 1616C is reduced. That is, in the present embodiment, as described above, the impedance of the coils 10 and 11 is changed by changing the degree of overlap between the groove 3A and the windows 8a and 8b. Since there are eight pairs of the coils 8a and 8b in the circumferential direction, for example, the coil 1
Due to the non-uniformity of the magnetic flux inside 0,11, each time the output shaft 3 makes one rotation, a torque-independent impedance change appears as eight waves. However, the impedance change unrelated to the torque due to the non-uniformity of the magnetic flux inside the coils 10 and 11 is as follows.
It is caused by the notch 16B and also by the notch 16C. For this reason, the impedance change unrelated to the torque due to each of the notches 16A to 16C can be strengthened or weakened by appropriately selecting the number and formation position of the notches 16A to 16C. Or Assuming that the notches 1 are provided in the yoke members 13 and 14,
If only one notch of the same size is formed at a position shifted by 180 degrees from the groove 3A, the groove 3A and the windows 8a, 8a
Since eight combinations with b exist at equal intervals in the circumferential direction, impedance changes due to these two notches occur at the same timing. For this reason, the impedance changes reinforce each other. On the other hand, when three notches 16A to 16C are formed as in the present embodiment, eight combinations of the groove 3A and the windows 8a and 8b are present at equal intervals in the circumferential direction. Therefore, for example, the positional relationship between the notch 16B and each groove 3A is 2 with respect to the positional relationship between the notch 16A and each groove 3A.
The phase is delayed by π / 3, and the positional relationship between the notch 16C and each groove 3A is delayed by 4π / 3. For this reason, the impedance changes irrespective of the torque due to the notches 16A to 16C are weakened with each other.
As a result, the impedance change is greatly reduced. FIG. 5 shows a measurement result of the impedance change rate of the coil 10 when the input shaft 2 and the output shaft 3 are rotated once while the torque is set to zero with the same configuration as that of the present embodiment. I have. According to this, the impedance includes:
Changes in low frequency (one cycle per revolution) with small amplitude,
A change in high frequency (eight cycles per rotation) of extremely small amplitude is recognized. The change in low frequency is caused by the groove 3A or the cylindrical member 8
If the differential amplifiers 24A and 24B as shown in FIG. 4 perform differential operation, the rate of change of the output voltage becomes extremely small as shown in FIG. Only high-frequency changes enable extremely high-precision torque detection. Therefore, accurate steering assist torque can be applied to the steering system. Incidentally, like the conventional torque sensor,
When the notches 16A are formed but the notches 16B and 16C are not formed, even if the torque is zero, as shown in FIG. A change in one cycle per rotation) and a change in high frequency (eight cycles per rotation) having a large amplitude occur. Also, as shown in FIG. 8, the impedance of the coil 11 has a change in low frequency (one cycle per rotation) with a small amplitude and a change in high frequency (eight cycles per rotation) with a large amplitude. However, since there is a 180 degree phase difference between the windows 8a,..., 8a and the windows 8b,. The phase is shifted by 180 degrees with respect to the component. For this reason, even if the differential amplifiers 24A and 24B take the differential, the low-frequency change component can be canceled, but the high-frequency component is amplified in reverse. Therefore, the output voltages of the differential amplifiers 24A and 24B greatly change regardless of the torque as shown in FIG.
As a result, the detection accuracy of the torque is reduced, which hinders the execution of good steering assist torque control. In this embodiment, the input shaft 2 corresponds to the second rotating shaft, the output shaft 3 corresponds to the first rotating shaft, and the portion of the output shaft 3 surrounded by the cylindrical member 8. Corresponds to the surrounding portion, the notch 16A corresponds to the first notch, and the notches 16B and 16C correspond to the second notch. In the above embodiment, the groove 3A and the window 8
Since there are eight combinations of a and 8b in the circumferential direction, three notches 16A to 16C are formed at equal intervals in the circumferential direction to shift the impedance change phases so as to weaken each other. The number and position of the notches formed in the yoke members 13 and 14 are not limited to those in the above-described embodiment, but may be determined according to the number of sets of structures that change the impedance according to the torque of the grooves 3A and the windows 8a and 8b. May be set appropriately. In short, the notches for pulling out the ends of the coils 10 and 11 to the outside of the yoke members 13 and 14 and the impedance changes caused by other notches are reduced so that the impedance changes caused by the other notches are mutually reduced. May be formed. In the above embodiment, the case where the torque sensor according to the present invention is applied to an electric power steering device for a vehicle has been described. However, the present invention is not limited to this. Even if there is, it is applicable. As described above, according to the present invention,
A first notch for drawing out an end of the coil to the outside and at least one or more second notches other than the first notch are formed in the yoke member, and the first notch is formed. Because the impedance change of the coil due to the non-uniformity of the magnetic field inside the coil caused by the notch and the impedance change of the coil due to the non-uniformity of the magnetic field inside the coil caused by the second notch are reduced mutually. Thus, there is an effect that highly accurate torque detection can be performed.

【図面の簡単な説明】 【図1】本発明の一実施の形態を示す全体の断面図であ
る。 【図2】コイル及びその周辺の構造を示す斜視図であ
る。 【図3】ヨーク部材の構成を示す図である。 【図4】モータ制御回路の一例を示す回路図である。 【図5】実施の形態におけるインピーダンス変化率を示
す波形図である。 【図6】実施の形態における差動アンプの出力電圧変化
率を示す波形図である。 【図7】従来のトルクセンサにおける一方のコイルのイ
ンピーダンス変化率を示す波形図である。 【図8】従来のトルクセンサにおける他方のコイルのイ
ンピーダンス変化率を示す波形図である。 【図9】図7及び図8の結果を差動アンプに入力した場
合の出力電圧変化率を示す波形図である。 【符号の説明】 1 ハウジング 2 入力軸(第2の回転軸) 3 出力軸(第1の回転軸) 3A 溝 4 トーションバー 8 円筒部材 8a,8b 窓 9A,9B コイルボビン 10,11 コイル 13,14 ヨーク部材 16A 切欠き(第1の切欠き) 16B,16C 切欠き(第2の切欠き) 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
BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is an overall sectional view showing an embodiment of the present invention. FIG. 2 is a perspective view showing a coil and a structure around the coil. FIG. 3 is a diagram showing a configuration of a yoke member. FIG. 4 is a circuit diagram illustrating an example of a motor control circuit. FIG. 5 is a waveform chart showing an impedance change rate in the embodiment. FIG. 6 is a waveform chart showing an output voltage change rate of the differential amplifier according to the embodiment. FIG. 7 is a waveform diagram showing an impedance change rate of one coil in a conventional torque sensor. FIG. 8 is a waveform diagram showing an impedance change rate of the other coil in the conventional torque sensor. FIG. 9 is a waveform diagram showing an output voltage change rate when the results of FIGS. 7 and 8 are input to a differential amplifier. [Description of Signs] 1 Housing 2 Input shaft (second rotating shaft) 3 Output shaft (first rotating shaft) 3A Groove 4 Torsion bar 8 Cylindrical member 8a, 8b Window 9A, 9B Coil bobbin 10, 11 Coil 13, 14 Yoke member 16A Notch (first notch) 16B, 16C Notch (second notch) 20 Constant current unit 21 Oscillator 22, 23 Rectifier / smoothing circuit 24A, 24B Differential amplifier 25A, 25B Noise removal filter 26 Torque calculation unit 27 Motor drive circuit

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】 【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
には前記第1の回転軸と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
トルクセンサにおいて、 前記コイルを内側に抱え込むヨーク部材の外周に、前記
コイルの端部を前記ヨーク部材の外部に引き出すための
第1の切欠きと、この第1の切欠きとは別の少なくとも
一つ以上の第2の切欠きとを形成し、それら第1及び第
2の切欠きの形成位置は、前記第1の切欠きによって生
じる前記コイル内側の磁界の不均一性に伴う前記コイル
のインピーダンス変化と、前記第2の切欠きによって生
じる前記コイル内側の磁界の不均一性に伴う前記コイル
のインピーダンス変化とが、互いに低減し合う位置と
たことを特徴とするトルクセンサ。
(57) [Claim 1] A cylindrical member made of a conductive and non-magnetic material while connecting a first and a second rotating shaft arranged coaxially through a torsion bar. Is integrated with the second rotating shaft in the rotating direction so as to surround the outer peripheral surface of the first rotating shaft, and the enclosed portion of the first rotating shaft surrounded by at least the cylindrical member is made of magnetic material. It is formed of a material, a groove extending in the axial direction is formed in the enclosed portion, and the degree of overlap with the groove changes in the cylindrical member according to a relative rotation position with respect to the first rotation shaft. A window is formed, a coil is disposed so as to surround a portion of the cylindrical member where the window is formed, and a torque generated in the first and second rotating shafts is detected based on a change in impedance of the coil. In the torque sensor, the coil is held inside A first notch on the outer periphery of the yoke member for drawing out an end of the coil to the outside of the yoke member, and at least one or more second notches different from the first notch; Forming the first and second
The position of the notch 2 is determined by the impedance change of the coil due to the non-uniformity of the magnetic field inside the coil caused by the first notch , and the position of the magnetic field inside the coil caused by the second notch. The torque sensor according to claim 1, wherein a change in impedance of said coil due to uniformity is at a position where they are reduced to each other.
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