JP3645143B2 - Torque sensor - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば操舵トルクに応じた操舵補助力を付与するパワーステアリング装置において、その操舵トルクを検出するのに適したトルクセンサに関する。
【0002】
【従来の技術】
例えば車両のパワーステアリング装置においては、ステアリングホイールの回転をステアリングシャフトを介して車輪に伝達する際、そのステアリングシャフトにより伝達されるトルクをトルクセンサにより検出し、その検出トルクの大きさに応じて操舵補助力を付与している。
【0003】
そのトルクセンサとして、トルク変化に応じた磁気抵抗の変動に基づきトルクを検出するものが従来から用いられている。その検出原理に基づくトルクセンサは、第1シャフトと、この第1シャフトに弾性的に相対回転可能に連結された第2シャフトと、第1シャフトに固定される磁性材製の第1検出リングと、第2シャフトに固定される磁性材製の第2検出リングと、両検出リングの対向間を覆うコイルとを備え、各検出リングの端面に複数の歯が周方向に沿って設けられ、一方の検出リングの歯と他方の検出リングの歯とはエアギャップを介して対向する。このトルクセンサにおいては、両シャフトによるトルク伝達により両検出リングが相対回転する時、一方の検出リングの歯と他方の検出リングの歯との対向面積が変化する。その面積変化により、両検出リングの歯の間のエアギャップを通過する上記コイルの発生磁束に対する磁気抵抗が変化する。その磁気抵抗の変化に基づき両シャフトにより伝達されるトルクが検出される。さらに、温度変化によるトルク検出値の変動を補償するため、上記コイルと同一仕様の磁束発生用コイルと、その磁束に対する磁気抵抗の温度変化による変化を検出するための磁気回路とが設けられている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来のトルクセンサは、両シャフトから径方向に張り出す第1、第2検出リングを必要とするため大型になる。また、複数の検出リングが必要であるため、部品点数、組み立て工数、コストの増大、構造の複雑化、大型化、組み立て誤差の累積による検出精度の低下が問題になる。また、検出感度を増大するためには各検出リングに設ける歯の数を多くする必要があるが、そうすると各検出リングの各シャフトからの張り出し寸法が大きなって大型化するため、検出感度の向上が制限される。さらに、温度変化による補償のためだけに専用の磁気回路が必要になる。
【0005】
本発明は、上記問題を解決することのできるトルクセンサを提供することを目的とする。
【0006】
【課題を解決するための手段】
本発明のトルクセンサは、第1シャフトと、その第1シャフトに弾性的に相対回転可能に連結される第2シャフトと、その第2シャフトに同行回転するように連結される筒状部材と、その筒状部材の外周を囲むように配置されるコイルとを備え、その筒状部材の少なくとも一部は、その第1シャフトの外周を覆う磁性材製の磁束通過部とされ、その第1シャフトの外周の少なくとも一部は、その筒状部材の磁束通過部により覆われる磁性材製の磁束通過部とされ、その筒状部材の磁束通過部に開口が形成され、その第1シャフトの磁束通過部に、その開口と径方向において重なる段差面が形成され、その開口の内周面と段差面とは、前記磁束が通過するエアギャップを介して互いに対向する対向部を有し、両シャフトの相対回転軸方向における前記エアギャップの寸法が、両シャフトの相対回転量の変化に応じて変化するように、その開口の内周面における対向部と段差面における対向部の中の少なくとも一方は、両シャフトの相対回転軸回りの螺線に沿って形成され、そのエアギャップの寸法変化に応じた前記磁束に対する磁気抵抗の変化に基づき、両シャフトにより伝達されるトルクが検出される。
その磁性材としては、例えば軟質磁性金属材料や、合成樹脂製の基材中に軟質磁性粉末を分散させることで構成される磁性樹脂材料等を用いることができる。
本発明の構成によれば、トルク伝達時における両シャフトの相対回転により、筒状部材における磁性材製の磁束通過部に形成された開口の内周面と、第1シャフトにおける磁束通過部に形成された段差面との相対位置が変化する。その開口の内周面と段差面とはエアギャップを介して互いに対向する対向部を有し、両対向部の中の少なくとも一方は両シャフトの相対回転軸回りの螺線に沿うので、両シャフトの相対回転軸方向における前記エアギャップの寸法を、両シャフトの相対回転量の変化に応じて変化させることができる。そのエアギャップをコイルの発生磁束が通過するので、そのエアギャップ寸法の変化に応じて磁束に対する磁気抵抗が変化する。その磁気抵抗の変化に基づき、両シャフトにより伝達されるトルクを検出できる。
そのエアギャップを介して互いに対向する対向部は、第1シャフトの外周に形成される段差面と、その第1シャフトの外周を覆う筒状部材に形成される開口の内周面とにより構成されるので、構造が簡単で、両シャフトから径方向に大きく張り出すことはないので小型化を図ることができる。
【0007】
両シャフトの相対回転軸方向における前記開口の寸法は、両シャフトの相対回転軸方向における前記コイルの寸法未満とされ、その開口は両シャフトの相対回転軸方向において前記コイルの両端間に配置されているのが好ましい。
これにより、第1シャフトと第2シャフトとコイルの軸方向における相対位置が、製造公差や組み立て公差により変動しても、両シャフトの相対回転軸方向において開口をコイルの両端間に配置できる。よって、その公差による磁気抵抗の変動をなくし、検出精度の低下を防止できる。
【0008】
その第1シャフトの外周に前記螺線に沿って溝が形成され、その溝の内部側面により前記段差面が構成されているのが好ましい。
これにより、第1シャフトの外周を加工するだけで螺線に沿う段差面を形成でき、部品点数、組み立て工数、コストの低減、構造の簡単化、小型化、組み立て誤差の累積低減による検出精度の向上を図ることができる。
【0009】
前記コイルとして、両シャフトの相対回転軸方向に沿って並列する同一仕様の第1コイルと第2コイルとを備え、前記開口として、両シャフトの相対回転軸方向における間隔をおいて配置される第1開口と第2開口とを備え、前記溝における相対向する両内部側面それぞれにより、前記段差面が構成され、その第1開口は、その相対向する両内部側面の中の一方により構成される段差面と径方向において重なるように配置され、その第2開口は、その相対向する両内部側面の中の他方により構成される段差面と径方向において重なるように配置され、その第1開口の内周面と段差面の各対向部間が第1エアギャップとされ、その第2開口の内周面と段差面の各対向部間が第2エアギャップとされ、その第1コイルは第1エアギャップを通過する磁束を発生する位置に配置され、その第2コイルは第2エアギャップを通過する磁束を発生する位置に配置され、両シャフトの相対回転軸方向における第1エアギャップ寸法と第2エアギャップ寸法とは、両シャフトが検出原点位置にある時は互いに等しくされ、両シャフトの相対回転時における両エアギャップ寸法の変化量の絶対値は互いに等しくされ、その第1エアギャップ寸法の変化に応じた第1コイルの発生磁束に対する磁気抵抗の変化と、その第2エアギャップ寸法の変化に応じた第2コイルの発生磁束に対する磁気抵抗の変化との差に基づき、両シャフトにより伝達されるトルクが検出されるのが好ましい。
この構成によれば、螺線に沿う溝の相対向する両内部側面の中の一方により構成される段差面が第1開口と径方向において重なり、両内部側面の中の他方により構成される段差面が第2開口と径方向において重なるので、トルク伝達時に両シャフトが一方向に相対回転すると、第1エアギャップ寸法と第2エアギャップ寸法の中の一方は相対回転量に応じて増加し、他方は相対回転量に応じて減少する。各エアギャップ寸法の変化に応じて、各コイルの発生磁束に対する磁気抵抗が変化する。よって、第1エアギャップの寸法変化に対応する磁気抵抗の変化と、第2エアギャップの寸法変化に対応する磁気抵抗の変化との差に基づきトルクを検出することで、トルク検出感度を増大することができる。しかも、温度変化により両磁気抵抗は同じだけ変化するので、両磁気抵抗の変化の差に基づきトルクを検出することで温度変動による検出トルクの変動を相殺できる。
【0010】
前記溝は、前記第1シャフトの周方向における等間隔をおいて並列するように複数形成され、前記第1開口は、前記筒状部材の周方向における等間隔をおいて並列するように複数設けられ、前記第2開口は、前記筒状部材の周方向における等間隔をおいて並列するように複数設けられ、トルク検出範囲に対応する両シャフトの相対回転範囲において、各開口それぞれが重なる段差面は単一とされ、各溝における一方の段差面に重なる第1開口と他方の段差面に重なる第2開口との周方向間隔は、相隣接する第1開口の周方向間隔の1/2未満とされているのが好ましい。
この構成によれば、トルク検出範囲に対応する両シャフトの相対回転範囲において、各開口それぞれが重なる段差面が単一とされることで、両シャフトの相対回転量に応じた磁気抵抗の変化が急激に変動するのを防止できる。さらに、各溝における一方の段差面に重なる第1開口と他方の段差面に重なる第2開口との周方向間隔が、相隣接する第1開口の周方向間隔の1/2未満であるので、1/2以上である場合よりも、両段差面の中の一方に第2開口を重ねることなく両シャフトを相対回転させることができる範囲を大きくできる。よって、両シャフトの相対回転範囲に対応するトルク検出範囲が一定であれば、各溝における両段差面の間隔を小さくすることができる。これにより、大型化することなく溝の数を増加させ、開口の数を多くし、検出感度を向上することができる。
【0011】
【発明の実施の形態】
図1〜図4に示すトルクセンサ1は、車両のパワーステアリング装置における操舵トルクを検出する。そのトルクセンサ1は、ハウジング2と、第1シャフト3と、第2シャフト4とを備えている。その第1シャフト3は、軸受5を介してハウジング2により支持され、ブッシュ6を介して第2シャフト4の一端に形成された凹部4aの内周により支持される。その第2シャフト4は、軸受7を介してハウジング2により支持される。その検出トルクに応じて操舵補助力が付与される。
【0012】
その第1シャフト3に形成された軸方向孔3aと、その第2シャフト4の凹部4aとにトーションバー8が挿入されている。そのトーションバー8の一端はピン9により第1シャフト3に同行回転するように連結され、他端はセレーション10を介して第2シャフト4に同行回転するように連結される。これにより、その第2シャフト4は第1シャフト3と同軸心に配置されると共に、第1シャフト3に弾性的に相対回転可能に連結される。その第1シャフト3の一端側はステアリングホイール(図示省略)に接続され、その第2シャフト4の他端側は例えばラックピニオン式ステアリングギア等のステアリングギアに接続される。これにより、操舵のためのステアリングホイールの回転が第1、第2シャフト3、4を介して車輪に伝達され、操舵角が変化する。
【0013】
その第2シャフト4に円筒形の筒状部材11が同行回転するように連結されている。本実施形態では、その筒状部材11は第2シャフト4の一端側外周に嵌め合わされ、ネジや溶接等の適当な固着手段により一体化されている。この筒状部材11は、ハウジング2内において第1、第2シャフト3、4と同軸心に配置され、第1シャフト3の外周を覆う。
【0014】
そのハウジング2の内周に、磁性材製の第1コイルホルダー31と磁性材製の第2コイルホルダー32とが挿入されている。図2に示すように、各コイルホルダー31、32は、円筒状の外周部31a、32aと、その外周部31a、32aの一端側から内方に向かう円環状の周壁部31b、32bと、その外周部31a、32aの他端側から内方に向かう円環状の蓋部31c、32cとから構成される。各コイルホルダー31は、ハウジング2の内周に形成される段差2aと、ハウジング2の内周に嵌め合わされる止め輪53とにより、板バネ54を介して挟み込まれ、これによりハウジング2に固定される。
【0015】
両シャフト3、4の相対回転軸方向に沿って同一仕様の第1コイル33と第2コイル34とが並列する。すなわち、その第1コイルホルダー31の内周に第1コイル33が挿入され、その第2コイルホルダー32の内周に第2コイル34が挿入されている。各コイル33、34は、導線33a、34aを絶縁材製のボビン33b、34bに第1シャフト3の軸心まわりに巻き付けることで構成される。各コイルホルダー31、32及びコイル33、34は、上記筒状部材11の外周を隙間を介して囲むように配置される。
【0016】
その筒状部材11は磁性材製とされ、これにより、各コイル33、34の発生磁束が通過する磁束通過部を有する。なお、筒状部材11を磁性材製部分と非磁性材製部分とから構成してもよく、要は筒状部材11の少なくとも一部が第1シャフト3の外周を覆う磁性材製の磁束通過部とされていればよい。
【0017】
その第1シャフト3は磁性材製とされ、これにより、その外周において各コイル33、34の発生磁束が通過する磁束通過部を有する。この第1シャフト3の磁束発生部は、上記筒状部材11の磁束通過部により隙間δを介して覆われる。なお、第1シャフト3を磁性材製部分と非磁性材製部分とから構成してもよく、要は第1シャフト3の外周の少なくとも一部が、筒状部材11の磁束通過部により隙間δを介して覆われる磁性材製の磁束通過部とされていればよい。
【0018】
その筒状部材11の磁束通過部に、開口として複数の第1開口41と複数の第2開口42とが形成されている。その第1開口41と第2開口42とは、両シャフト3、4の相対回転軸方向における間隔をおいて配置されている。それら第1開口41は、互いに筒状部材11の周方向における等間隔をおいて並列する。それら第2開口42は、互いに筒状部材11の周方向における等間隔をおいて並列する。各開口41、42の形状、寸法は互いに等しくされ、本実施形態では両シャフト3、4の回転軸方向に平行な縁と回転周方向に平行な縁とを有する4辺形に沿う形状を有する。
【0019】
図2に示すように、両シャフト3、4の相対回転軸方向における各開口41、42の寸法L1は、両シャフト3、4の相対回転軸方向における上記コイル33、34の寸法L2未満とされ、第1開口41は両シャフト3、4の相対回転軸方向において第1コイル33の両端間に配置され、第2開口42は両シャフト3、4の相対回転軸方向において第2コイル34の両端間に配置されている。これにより、第1シャフト3と第2シャフト4と第1コイル33と第2コイル34の軸方向における相対位置が、製造公差や組み立て公差により変動しても、両シャフト3、4の相対回転軸方向において開口41、42をコイル33、34の両端間に配置できる。よって、公差による後述の磁気抵抗の変動をなくし、検出精度の低下を防止できる。
【0020】
その第1シャフト3の磁束通過部の外周に、各開口41、42と径方向において重なる段差面51、52が形成されている。すなわち、第1シャフト3の外周に、両シャフト3、4の相対回転軸回りの螺線に沿う複数の溝55が形成されている。それら溝55は、第1シャフト3の周方向における等間隔をおいて並列する。各溝55における相対向する両内部側面それぞれにより、上記段差面51、52が構成されている。
【0021】
図3に示すように、各第1開口41は、各溝55における一方の内部側面により構成される段差面51と径方向において重なるように配置され、その第2開口42は、各溝55における他方の内部側面により構成される段差面52と径方向において重なるように配置される。トルク検出範囲に対応する両シャフト3、4の相対回転範囲においては各開口41、42それぞれが単一の段差面のみに対向するように、溝55および開口41、42の寸法と配列ピッチが定められている。換言すれば、トルク検出範囲に対応する両シャフト3、4の相対回転範囲においては、各開口41、42は両シャフト3、4が検出原点位置にある時に対向する段差面以外の段差面と対向することはない。
【0022】
各溝55における一方の段差面51に対向する第1開口41と他方の段差面52に対向する第2開口42との周方向間隔θbは、相隣接する第1開口41の周方向間隔θaの1/2未満とされている。
【0023】
その開口41、42の内周面と段差面51、52とは、上記磁束が通過するエアギャップα1、α2を介して互いに対向する対向部41a、42a、51a、52aを有する。各溝55において、第1開口41の内周面における対向部41aと一方の段差面51における対向部51aとの間が第1エアギャップα1とされ、第2開口42の内周面における対向部42aと他方の段差面52における対向部52aとの間が第2エアギャップα2とされている。両シャフト3、4の相対回転軸方向における第1エアギャップα1の寸法と第2エアギャップα2の寸法とは、両シャフト3、4が検出原点位置にある時、すなわち舵角が零の時は互いに等しくされている。
【0024】
上記第1コイル33は第1エアギャップα1を通過する磁束を発生する位置に配置される。上記第2コイル34は第2エアギャップα2を通過する磁束を発生する位置に配置される。これにより、図2において二点鎖線βで示すように、第1コイル33の発生磁束が第1コイルホルダー31、筒状部材11の磁束通過部、第1シャフト3の磁束通過部、および第1エアギャップα1を通過することで、その第1コイルホルダー31、筒状部材11の磁束通過部、第1シャフト3の磁束通過部、および第1エアギャップα1を構成要素として含む第1磁気回路が構成される。また、第2コイル34の発生磁束が第2コイルホルダー32、筒状部材11の磁束通過部、第1シャフト3の磁束通過部、および第2エアギャップα2を通過する磁束を発生することで、その第2コイルホルダー32、筒状部材11の磁束通過部、第1シャフト3の磁束通過部、および第2エアギャップα2を構成要素として含む第2磁気回路が構成される。
【0025】
上記構成によれば、各段差面51、52における対向部51a、52aは螺線に沿い、各開口41、42の内周面における対向部41a、42aは両シャフト3、4の周方向に沿うので、両シャフト3、4の相対回転軸方向におけるエアギャップα1、α2の寸法は、両シャフト3、4の相対回転量の変化に応じて変化する。すなわち、トルク伝達時における両シャフト3、4の相対回転により、筒状部材11における磁性材製の磁束通過部に形成された開口41、42の内周面と、第1シャフト3における磁束通過部に形成された段差面51、52との相対位置が変化する。図3における二点鎖線51′、52′は両シャフト3、4が一方向に相対回転した時の段差面51、52の位置変化を示し、二点鎖線51″、52″は両シャフト3、4が一方向に相対回転した時の段差面51、52の位置変化を示す。その開口41、42の内周面と段差面51、52とはエアギャップα1、α2を介して互いに対向する対向部41a、42a、51a、52aを有し、段差面51、52の対向部51a、52aは両シャフト3、4の相対回転軸回りの螺線に沿うので、両シャフト3、4の相対回転軸方向におけるエアギャップα1、α2の寸法を、両シャフト3、4の相対回転量の変化に応じて変化させることができる。また、螺線に沿う溝55の相対向する両内部側面の中の一方により構成される段差面51が第1開口41と径方向において重なり、両内部側面の中の他方により構成される段差面52が第2開口42と径方向において重なるので、トルク伝達時に両シャフト3、4が相対回転すると、その相対回転軸方向における第1エアギャップα1の寸法と第2エアギャップα2の寸法の中の一方は相対回転量に応じて増加し、他方は相対回転量に応じて減少する。
【0026】
よって、両シャフト3、4が相対的に一方向に回転する時、その相対回転量の増加に応じて第1エアギャップα1は増加すると共に第2エアギャップα2は減少する。両シャフト3、4が相対的に他方向に回転する時、その相対回転量の増加に応じて第1エアギャップα1は減少すると共に第2エアギャップα2は増加する。すなわち、両シャフト3、4の相対回転量の増加により、各エアギャップα1、α2の寸法の変化量の絶対値は増加する。また、両シャフト3、4の相対回転時における各エアギャップα1、α2の寸法の変化量の絶対値は互いに等しくされている。
【0027】
各エアギャップα1、α2をコイル33、34の発生磁束が通過するので、各エアギャップα1、α2の寸法の変化に応じて磁束に対する磁気抵抗が変化する。その磁気抵抗の変化に基づき、両シャフト3、4により伝達されるトルクを検出できる。しかも、第1エアギャップα1の寸法変化に対応する磁気抵抗の変化と、第2エアギャップα2の寸法変化に対応する磁気抵抗の変化との差に基づきトルクを検出することで、トルク検出感度を増大することができる。さらに、温度変化により両磁気抵抗は同じだけ変化するので、両磁気抵抗の変化の差に基づきトルクを検出することで温度変動による検出トルクの変動を相殺できる。
【0028】
本実施形態では、各コイル33、34は、ハウジング2の外面側に取り付けられるプリント基板35に配線を介して接続される。そのプリント基板35に、図4に示す信号処理回路が形成されている。その回路において、第1コイル33は抵抗45を介して発振器46に接続され、第2コイル34は抵抗47を介して発振器46に接続され、各コイル33、34は差動増幅回路48に接続される。これにより、両シャフト3、4間でのトルク伝達によりトーションバー8が捩れることで両シャフト3、4が弾性的に相対回転すると、両シャフト3、4の相対回転軸方向における各エアギャップα1、α2の寸法が変化する。そのエアギャップα1、α2の寸法変化により上記第1、第2磁気回路の磁気抵抗が変化する。その磁気抵抗の変化に基づき第1、第2コイル33の出力が変化する。その第1エアギャップα1の寸法の変化に応じた第1コイル33の発生磁束に対する磁気抵抗の変化と、その第2エアギャップα2の寸法の変化に応じた第2コイル34の発生磁束に対する磁気抵抗の変化との差に対応する差動増幅回路48の出力に基づき、両シャフト3、4により伝達されるトルクが検出される。その差動増幅回路48から出力される伝達トルクに対応した信号に応じて駆動されるモータ等の図外アクチュエータにより操舵補助力が付与される。その操舵補助力の付与機構は公知の構成を採用できる。
【0029】
上記構成によれば、エアギャップα1、α2を介して互いに対向する対向部41a、42a、51a、52aは、第1シャフト3の外周に形成される段差面51、52と、その第1シャフト3の外周を覆う筒状部材11に形成される開口41、42の内周面とにより構成されるので、構造を簡単化すると共に、両シャフト3、4から径方向に大きく張り出すことはなく、小型化を図ることができる。また、第1シャフト3の外周を加工するだけで螺線に沿う段差面51、52を形成でき、部品点数、組み立て工数、コストの低減、構造の簡単化、小型化、組み立て誤差の累積低減による検出精度の向上を図ることができる。
また、トルク検出範囲に対応する両シャフト3、4の相対回転範囲において、各開口41、42それぞれが重なる段差面が単一とされることで、両シャフト3、4の相対回転量に応じた磁気抵抗の変化の急激な変動を防止できる。さらに、各溝55における一方の段差面51に対向する第1開口41と他方の段差面52に対向する第2開口42との周方向間隔θbが、相隣接する第1開口41の周方向間隔θaの1/2未満であるので、1/2以上である場合よりも、一方の段差面51に第2開口42を重ねることなく両シャフト3、4を相対回転させることができる範囲を大きくできる。よって、両シャフト3、4の相対回転範囲に対応するトルク検出範囲が一定であれば、各溝55における両段差面51、52の間隔を小さくすることができる。これにより、大型化することなく溝55の数を増加させ、開口41、42の数を多くし、検出感度を向上することができる。
【0030】
本発明は上記実施形態に限定されない。例えば、第1シャフト3の一端側をステアリングギアに接続し、第2シャフト4の他端側をステアリングホイールに接続するようにしてもよい。また、段差面51、52における対向部51a、52aと共に開口41、42の内周面における対向部41a、42aを両シャフト3、4の相対回転軸回りの螺線に沿って形成したり、段差面51、52における対向部51a、52aを両シャフト3、4の回転周方向に沿うようにすると共に開口41、42の内周面における対向部41a、42aを両シャフト3、4の相対回転軸回りの螺線に沿って形成してもよい。また、本発明のトルクセンサをステアリング装置以外においてトルクを検出するために用いてもよい。
【0031】
【発明の効果】
本発明によれば、構造の簡単化、小型化、部品点数、組み立て工数、コストの低減、検出精度、感度の向上を図ることができるトルクセンサを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施形態のトルクセンサの断面図
【図2】本発明の実施形態のトルクセンサの要部の断面図
【図3】本発明の実施形態のトルクセンサの筒状部材の部分展開図
【図4】本発明の実施形態のトルクセンサの回路図
【符号の説明】
1 トルクセンサ
3 第1シャフト
4 第2シャフト
11 筒状部材
33 第1コイル
34 第2コイル
41 第1開口
42 第2開口
51、52 段差面
α1 第1エアギャップ
α2 第2エアギャップ[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a torque sensor suitable for detecting the steering torque in, for example, a power steering apparatus that applies a steering assist force according to the steering torque.
[0002]
[Prior art]
For example, in a power steering device for a vehicle, when the rotation of a steering wheel is transmitted to a wheel via a steering shaft, torque transmitted by the steering shaft is detected by a torque sensor, and steering is performed according to the magnitude of the detected torque. Auxiliary power is given.
[0003]
As such a torque sensor, a sensor that detects torque based on a change in magnetic resistance in accordance with a torque change has been conventionally used. A torque sensor based on the detection principle includes a first shaft, a second shaft elastically coupled to the first shaft so as to be relatively rotatable, and a first detection ring made of a magnetic material fixed to the first shaft. And a second detection ring made of a magnetic material fixed to the second shaft, and a coil covering between the opposing faces of the two detection rings, and a plurality of teeth are provided along the circumferential direction on the end face of each detection ring, The teeth of this detection ring and the teeth of the other detection ring face each other through an air gap. In this torque sensor, when the two detection rings rotate relative to each other due to torque transmission by both shafts, the facing area between the teeth of one detection ring and the teeth of the other detection ring changes. Due to the change in area, the magnetic resistance to the magnetic flux generated by the coil passing through the air gap between the teeth of both detection rings changes. Based on the change in the magnetic resistance, the torque transmitted by both shafts is detected. Furthermore, in order to compensate for fluctuations in the detected torque value due to temperature changes, a magnetic flux generating coil having the same specifications as the above coils and a magnetic circuit for detecting changes due to temperature changes in the magnetic resistance with respect to the magnetic flux are provided. .
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
The conventional torque sensor is large in size because it requires first and second detection rings projecting radially from both shafts. In addition, since a plurality of detection rings are required, the number of parts, the number of assembly steps, an increase in cost, a complicated structure, an increase in size, and a decrease in detection accuracy due to accumulation of assembly errors become problems. In addition, in order to increase the detection sensitivity, it is necessary to increase the number of teeth provided on each detection ring, but if this is done, the projecting dimension from each shaft of each detection ring is large, resulting in an increase in detection sensitivity. Is limited. Furthermore, a dedicated magnetic circuit is required only for compensation due to temperature changes.
[0005]
An object of this invention is to provide the torque sensor which can solve the said problem.
[0006]
[Means for Solving the Problems]
The torque sensor of the present invention includes a first shaft, a second shaft that is elastically and relatively connected to the first shaft, a cylindrical member that is connected to the second shaft so as to rotate together, A coil disposed so as to surround the outer periphery of the cylindrical member, and at least a part of the cylindrical member is a magnetic flux passing portion made of a magnetic material covering the outer periphery of the first shaft, and the first shaft At least a part of the outer periphery of the cylindrical member is a magnetic material magnetic flux passage portion covered by the magnetic flux passage portion of the cylindrical member, an opening is formed in the magnetic flux passage portion of the cylindrical member, and the magnetic flux passage of the first shaft A stepped surface that overlaps the opening in the radial direction is formed in the portion, and the inner peripheral surface and the stepped surface of the opening have opposing portions that face each other through an air gap through which the magnetic flux passes, In the direction of the relative rotation axis At least one of the facing portion on the inner peripheral surface of the opening and the facing portion on the step surface is a relative rotation of both shafts so that the dimension of the air gap changes according to the change in the relative rotation amount of both shafts. Torque transmitted along both shafts is detected on the basis of a change in the magnetic resistance with respect to the magnetic flux according to a change in the size of the air gap.
As the magnetic material, for example, a soft magnetic metal material, a magnetic resin material formed by dispersing soft magnetic powder in a synthetic resin base material, or the like can be used.
According to the structure of this invention, it forms in the internal peripheral surface of the opening formed in the magnetic flux passage part made from a magnetic material in a cylindrical member, and the magnetic flux passage part in a 1st shaft by relative rotation of both shafts at the time of torque transmission. The relative position with the stepped surface changes. The inner peripheral surface and the step surface of the opening have opposing portions facing each other through an air gap, and at least one of the opposing portions follows a spiral around the relative rotation axis of both shafts. The dimension of the air gap in the relative rotation axis direction can be changed according to the change in the relative rotation amount of both shafts. Since the magnetic flux generated by the coil passes through the air gap, the magnetic resistance to the magnetic flux changes according to the change in the air gap dimension. Based on the change in the magnetic resistance, the torque transmitted by both shafts can be detected.
Opposing portions facing each other through the air gap are constituted by a step surface formed on the outer periphery of the first shaft and an inner peripheral surface of an opening formed in a cylindrical member covering the outer periphery of the first shaft. Therefore, the structure is simple, and since it does not protrude greatly from both shafts in the radial direction, the size can be reduced.
[0007]
The dimension of the opening in the relative rotational axis direction of both shafts is less than the dimension of the coil in the relative rotational axis direction of both shafts, and the opening is disposed between both ends of the coil in the relative rotational axis direction of both shafts. It is preferable.
Thereby, even if the relative position in the axial direction of the first shaft, the second shaft, and the coil fluctuates due to manufacturing tolerances and assembly tolerances, the opening can be disposed between both ends of the coils in the relative rotational axis direction of both shafts. Therefore, the fluctuation of the magnetic resistance due to the tolerance can be eliminated, and the decrease in detection accuracy can be prevented.
[0008]
It is preferable that a groove is formed along the spiral on the outer periphery of the first shaft, and the step surface is constituted by an inner side surface of the groove.
This makes it possible to form a stepped surface along the spiral simply by processing the outer periphery of the first shaft, reducing the number of parts, assembly man-hours, cost, simplifying the structure, downsizing, and reducing assembly error accumulation. Improvements can be made.
[0009]
The coil includes a first coil and a second coil of the same specification arranged in parallel along the relative rotational axis direction of both shafts, and the opening is disposed at an interval in the relative rotational axis direction of both shafts. 1 step and 2nd opening are comprised, The said level | step difference surface is comprised by each of the mutually opposing internal side surfaces in the said groove | channel, The 1st opening is comprised by one of the mutually opposing internal side surfaces The second opening is disposed so as to overlap with the step surface in the radial direction, and the second opening is disposed so as to overlap with the step surface constituted by the other of the opposing inner side surfaces in the radial direction. A first air gap is formed between the facing portions of the inner peripheral surface and the step surface, and a second air gap is formed between the inner peripheral surface of the second opening and the facing portions of the step surface. The first coil is the first coil. Through the air gap The second coil is disposed at a position where the magnetic flux is generated, and the second coil is disposed at a position where the magnetic flux passing through the second air gap is generated. Are equal to each other when both shafts are at the detection origin position, and the absolute value of the amount of change in both air gap dimensions at the time of relative rotation of both shafts is equal to each other, and the first value corresponding to the change in the first air gap size is The torque transmitted by both shafts is detected based on the difference between the change in magnetic resistance with respect to the magnetic flux generated by one coil and the change in magnetic resistance with respect to the magnetic flux generated by the second coil according to the change in the second air gap dimension. It is preferable.
According to this configuration, the step surface formed by one of the opposing inner side surfaces of the groove along the spiral overlaps the first opening in the radial direction, and the step formed by the other of the inner side surfaces Since the surface overlaps the second opening in the radial direction, when both shafts rotate relative to each other during torque transmission, one of the first air gap dimension and the second air gap dimension increases according to the relative rotation amount, The other decreases according to the relative rotation amount. According to the change of each air gap dimension, the magnetic resistance to the magnetic flux generated by each coil changes. Therefore, the torque detection sensitivity is increased by detecting the torque based on the difference between the change in magnetoresistance corresponding to the dimensional change of the first air gap and the change in magnetoresistance corresponding to the dimensional change of the second air gap. be able to. In addition, since both magnetoresistances change by the same amount due to temperature changes, the detected torque fluctuation due to temperature fluctuations can be offset by detecting the torque based on the difference between the two magnetoresistance changes.
[0010]
The plurality of grooves are formed to be arranged in parallel at equal intervals in the circumferential direction of the first shaft, and the plurality of first openings are provided to be arranged in parallel at equal intervals in the circumferential direction of the cylindrical member. A plurality of the second openings are provided so as to be arranged in parallel at equal intervals in the circumferential direction of the cylindrical member, and in the relative rotation range of both shafts corresponding to the torque detection range, the respective step surfaces overlap each other. The circumferential interval between the first opening that overlaps one step surface and the second opening that overlaps the other step surface in each groove is less than 1/2 of the circumferential interval between adjacent first openings. It is preferable that
According to this configuration, in the relative rotation range of both shafts corresponding to the torque detection range, the step surface where each opening overlaps is made single, so that the change in magnetic resistance according to the relative rotation amount of both shafts is achieved. Abrupt fluctuations can be prevented. Furthermore, since the circumferential interval between the first opening that overlaps one step surface and the second opening that overlaps the other step surface in each groove is less than ½ of the circumferential interval between adjacent first openings, The range in which both shafts can be rotated relative to each other without overlapping the second opening on one of the stepped surfaces can be made larger than in the case of being 1/2 or more. Therefore, if the torque detection range corresponding to the relative rotation range of both shafts is constant, the distance between both step surfaces in each groove can be reduced. Thereby, the number of grooves can be increased without increasing the size, the number of openings can be increased, and the detection sensitivity can be improved.
[0011]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
A torque sensor 1 shown in FIGS. 1 to 4 detects a steering torque in a power steering device of a vehicle. The torque sensor 1 includes a
[0012]
A
[0013]
A
[0014]
A
[0015]
A
[0016]
The
[0017]
The
[0018]
A plurality of
[0019]
As shown in FIG. 2, the dimension L1 of each
[0020]
On the outer periphery of the magnetic flux passage portion of the
[0021]
As shown in FIG. 3, each
[0022]
The circumferential interval θb between the
[0023]
The inner peripheral surfaces of the
[0024]
The
[0025]
According to the said structure, the opposing
[0026]
Therefore, when the
[0027]
Since the magnetic flux generated by the
[0028]
In the present embodiment, the
[0029]
According to the above configuration, the opposing
Further, in the relative rotation range of both
[0030]
The present invention is not limited to the above embodiment. For example, one end side of the
[0031]
【The invention's effect】
ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the torque sensor which can aim at the simplification of a structure, size reduction, the number of parts, the number of assembly steps, cost reduction, detection accuracy, and an improvement in sensitivity can be provided.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a sectional view of a torque sensor according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a cross-sectional view of a main part of a torque sensor according to an embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a partial development view of a cylindrical member of the torque sensor according to the embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a circuit diagram of a torque sensor according to an embodiment of the present invention.
[Explanation of symbols]
1 Torque sensor
3 First shaft
4 Second shaft
11 Tubular member
33 First coil
34 Second coil
41 1st opening
42 Second opening
51, 52 Step surface
α1 1st air gap
α2 2nd air gap
Claims (5)
その第1シャフトに弾性的に相対回転可能に連結される第2シャフトと、
その第2シャフトに同行回転するように連結される筒状部材と、
その筒状部材の外周を囲むように配置されるコイルとを備え、
その筒状部材の少なくとも一部は、その第1シャフトの外周を覆う磁性材製の磁束通過部とされ、
その第1シャフトの外周の少なくとも一部は、その筒状部材の磁束通過部により覆われる磁性材製の磁束通過部とされ、
その筒状部材の磁束通過部に開口が形成され、
その第1シャフトの磁束通過部に、その開口と径方向において重なる段差面が形成され、
その開口の内周面と段差面とは、前記磁束が通過するエアギャップを介して互いに対向する対向部を有し、
両シャフトの相対回転軸方向における前記エアギャップの寸法が、両シャフトの相対回転量の変化に応じて変化するように、その開口の内周面における対向部と段差面における対向部の中の少なくとも一方は、両シャフトの相対回転軸回りの螺線に沿って形成され、
そのエアギャップの寸法変化に応じた前記磁束に対する磁気抵抗の変化に基づき、両シャフトにより伝達されるトルクが検出されるトルクセンサ。A first shaft;
A second shaft that is elastically and relatively rotatably coupled to the first shaft;
A cylindrical member connected to the second shaft so as to rotate along with the second shaft;
A coil disposed so as to surround the outer periphery of the cylindrical member,
At least a part of the cylindrical member is a magnetic flux passage made of a magnetic material that covers the outer periphery of the first shaft,
At least a part of the outer periphery of the first shaft is a magnetic flux passage made of a magnetic material covered by the magnetic flux passage of the cylindrical member,
An opening is formed in the magnetic flux passage part of the cylindrical member,
A stepped surface overlapping with the opening in the radial direction is formed in the magnetic flux passage portion of the first shaft,
The inner peripheral surface and the step surface of the opening have opposing portions facing each other through an air gap through which the magnetic flux passes,
The dimension of the air gap in the direction of the relative rotation axis of both shafts changes at least of the facing portion on the inner peripheral surface of the opening and the facing portion on the step surface so as to change according to the change in the relative rotation amount of both shafts. One is formed along a spiral around the relative rotational axis of both shafts,
A torque sensor for detecting a torque transmitted by both shafts based on a change in magnetic resistance with respect to the magnetic flux in accordance with a change in dimension of the air gap.
前記開口として、両シャフトの相対回転軸方向における間隔をおいて配置される第1開口と第2開口とを備え、
前記溝における相対向する両内部側面それぞれにより、前記段差面が構成され、その第1開口は、その相対向する両内部側面の中の一方により構成される段差面と径方向において重なるように配置され、その第2開口は、その相対向する両内部側面の中の他方により構成される段差面と径方向において重なるように配置され、
その第1開口の内周面と段差面の各対向部間が第1エアギャップとされ、その第2開口の内周面と段差面の各対向部間が第2エアギャップとされ、
その第1コイルは第1エアギャップを通過する磁束を発生する位置に配置され、その第2コイルは第2エアギャップを通過する磁束を発生する位置に配置され、両シャフトの相対回転軸方向における第1エアギャップ寸法と第2エアギャップ寸法とは、両シャフトが検出原点位置にある時は互いに等しくされ、両シャフトの相対回転時における両エアギャップ寸法の変化量の絶対値は互いに等しくされ、
その第1エアギャップ寸法の変化に応じた第1コイルの発生磁束に対する磁気抵抗の変化と、その第2エアギャップ寸法の変化に応じた第2コイルの発生磁束に対する磁気抵抗の変化との差に基づき、両シャフトにより伝達されるトルクが検出される請求項3に記載のトルクセンサ。As the coil, comprising a first coil and a second coil of the same specification arranged in parallel along the relative rotational axis direction of both shafts,
As the opening, provided with a first opening and a second opening arranged with an interval in the relative rotational axis direction of both shafts,
The stepped surfaces are formed by the opposing internal side surfaces of the groove, and the first opening is disposed so as to overlap the stepped surface formed by one of the opposing internal side surfaces in the radial direction. And the second opening is disposed so as to overlap in a radial direction with a step surface constituted by the other of the opposing inner side surfaces,
Between the inner peripheral surface of the first opening and each facing portion of the step surface is a first air gap, and between the inner peripheral surface of the second opening and each facing portion of the step surface is a second air gap,
The first coil is disposed at a position for generating a magnetic flux passing through the first air gap, and the second coil is disposed at a position for generating a magnetic flux passing through the second air gap. The first air gap dimension and the second air gap dimension are equal to each other when both shafts are at the detection origin position, and the absolute values of changes in both air gap dimensions at the time of relative rotation of both shafts are equal to each other,
The difference between the change in magnetoresistance with respect to the magnetic flux generated by the first coil in accordance with the change in the first air gap dimension and the change in magnetoresistance with respect to the magnetic flux generated in the second coil according to the change in the second air gap dimension. The torque sensor according to claim 3, wherein the torque transmitted by both shafts is detected based on the torque sensor.
前記第1開口は、前記筒状部材の周方向における等間隔をおいて並列するように複数設けられ、
前記第2開口は、前記筒状部材の周方向における等間隔をおいて並列するように複数設けられ、
トルク検出範囲に対応する両シャフトの相対回転範囲において、各開口それぞれが重なる段差面は単一とされ、
各溝における一方の段差面に重なる第1開口と他方の段差面に重なる第2開口との周方向間隔は、相隣接する第1開口の周方向間隔の1/2未満とされている請求項4に記載のトルクセンサ。A plurality of the grooves are formed so as to be arranged at equal intervals in the circumferential direction of the first shaft,
A plurality of the first openings are provided so as to be arranged at equal intervals in the circumferential direction of the cylindrical member,
A plurality of the second openings are provided so as to be arranged in parallel at equal intervals in the circumferential direction of the cylindrical member,
In the relative rotation range of both shafts corresponding to the torque detection range, the step surface where each opening overlaps is made single,
The circumferential interval between the first opening that overlaps one step surface and the second opening that overlaps the other step surface in each groove is less than ½ of the circumferential interval between adjacent first openings. 4. The torque sensor according to 4.
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