JPH01107122A - 回転軸のトルク検出装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は２例えば車両のステアリングシャフトロボット
アーム、回転機などの回転軸の軸トルクを精度良く、非
接触で測定することができる回転軸のトルク検出装置に
関する。

〔従来技術］ 従来２回転軸の軸トルクを測定する手段としては１回転
軸にストレンゲージを貼り付けてその抵抗値変化により
トルクを検出する手段がある。また、車両のステアリン
グシャフトの軸トルクを検出する手段として、第１２図
に示すごとくアブソリュートエンコーダを用いる検出装
置がある（実開昭５９−１３７５４０）。

この検出装置は、第１２図に示すごとく、ステアリング
ホイール側のシャフト８１とタイヤホイール側のシャフ
ト８２との間にトーションバー８３をピン８１１，８２
１により取着し１両シャフ）８１．８２にはそれぞれこ
れらの回転状態を検出するためのコード板９１．９６を
装着して２＆［ｌのアブソリュートエンコーダ９Ａ、９
Ｂを形成したものである。また、該エンコーダ９Ａ、９
Ｂは。

スリットを設けたコード板９１．９６と、その両側に配
置したランプ９２．９７．ホトセル９３゜９８からなる
。なお、符号９０は遮光ケースである。しかして、これ
により、操舵角度、入力トルク、操舵速度などの舵取用
情報を得ようとするものである。

〔解決すべき問題点〕

しかしながら、ストレンゲージによる測定はゲージの貼
付けの良否如何が精度を左右すると共に。

テレメータ等を必要とし、装置が大きくなる。また、前
記第１２図に示した。アブソリュートエンコーダを用い
る装置は、トーションバーのねじれに基づく回転角度差
を求めるものであるが、光学式の絶対位置検出器を用い
るものである。そのため２分解能が低く、また構造が複
雑であると共に高価である。また、このものは、静止し
た回転軸のトルクを検出することが難しい。

本発明は、かかる問題点に鑑み、精度良く、非接触測定
が可能な回転軸のトルク検出装置を提供しようとするも
のである。

〔問題点の解決手段〕

本発明は１回転トルクを受ける回転軸上にトルクによる
回転角度差に対応してインダクタンスが変化する検出コ
イルを配設し、またコンデンサと回転軸に巻回したソレ
ノイドコイルとを直列に接続して前記回転軸上に固着す
ると共にこれらを直列に接続して共振回路を構成し、ま
た、磁心とこれに巻回したコイルとからなる入力コイル
及び出力コイルを１組とする検出部を設け、該検出部の
入力コイルと出力コイルとは前記回転軸の両側に前記ソ
レノイドコイルに対向して空隙をもってそれぞれ配置し
、上記共振回路と検出部とにより上記共振回路の共振周
波数により発振する発振回路を構成し、トルクに対応す
る回転角度差を発振周波数の変化として検出することを
特徴とする回転軸のトルク検出装置にある。

本発明において最も重要なことは、トルクによる回転角
度差（回転角度変位）に対応してインダクタンスが変化
する検出コイルを回転軸上に固定し、また前記ソレノイ
ドコイルに対向して空隙をもって検出部を設け、トルク
に対応する回転角度差を発振周波数の変化として検出す
るようにしたことにある。

しかして、上記検出コイルとしては、実施例に示すごと
き、磁心とこれに巻回したコイルとからなる検出器を用
い、この検出器を２個一組として互いに対向させて９回
転軸上に固定する。この対向は１回転軸の軸方向におい
て行う、また、この一対の検出器は直列に接続し９回転
角度差によってその相互インダクタンスが変化すること
により。

検出コイルの全インダクタンスが変化するようにする。

更には、検出コイルは２組配設し、１組の検出コイルは
相互インダクタンスが全体のインダクタンスを小さくす
るように接続し、他の１＆１１は相互インダクタンスが
全体のインダクタンスを大きくするように接続し、この
２つの発振周波数の差又は比を出力として共振回路に送
るようにすることもできる（第３実施例参照）。

また、インダクタンスの変化を大きくするためには、コ
イル径と同等以下の長さにコイルの幅を短くすること、
一対の検出コイルの対向距離を短くすることなどの手段
がある。また、コイル径は。

回転軸の最大計測角度差において、互いに対向する面積
がゼロとなる種以上とすることが好ましい。

例えば、直径５０■の軸に直径２．５ｍ＋のコイルを有
する検出コイルを固定した場合、６度の角度差で円周面
は約２．５■移動し、コイルの対向面積がなくなること
となる（後述する第２図参照）。

また１回転軸は前記従来技術に示したごとく。

駆動軸と従動軸とに分割すると共に両者を弾性体によっ
て連結したもの、或いは一体物であっても良い、そして
、前者の分割形式の場合には、検出“　　コイルは駆動
軸側と従動軸側とに互いに対向させて配設する。また、
後者の一体物の場合には、１本の回転軸上に、適宜の距
離を置いて、同様に対向させて配設する。

また、ソレノイドコイルは回転軸上に導線を巻回するこ
とにより構成し、該導線はコンデンサ及び前記検出コイ
ルと共に直列に接続する。これにより閉じた共振回路を
構成する。また、検出部の入力コイルと出力コイルとは
回転軸の両側に前記ソレノイドコイルに対向して空隙を
もって配設する。

また５本発明のトルク検出装置は、車両駆動系。

ステアリング系、その他の回転系のトルクを非接触で測
定する場合、更にはこれら回転系に実装してトルクを検
出し１回転系の制御を行わせる場合に特に優れた効果を
発揮する。

［作　用］ 本発明においては１回転軸にトルクが加わると。

駆動軸と従動軸との間など２回転軸上に回転角度差が発
生する。そして、その回転角度差によって検出コイルの
全インダクタンスが変化する。これは、一対の検出コイ
ルにおける対向面積が変化すると、互いに結合する磁力
線の数が変化することにより生ずるものである。しかし
て、この検出コイルにおける全インダクタンスの変化に
よって回転軸上に構成した共振回路の共振周波数が変化
し。

回転軸外に設けた検出部における発振周波数が変化する
。上記検出コイルにおけるインダクタンスの変化量は、
トルク量に対応するため９発振周波数の変化量から印加
トルクが検出される。

〔効　果〕

本発明によれば９回転軸上に検出コイル及び共振回路を
配設したので、検出コイルの全インダクタンスの変化は
共振回路における共振周波数に変化を与え、その変化は
回転軸外に設けた検出部によって非接触的に検出するこ
とができる。それ故。

その検出精度及び感度は掻めて優れている。

また１回転軸外に設けた検出部への信号伝達は。

ソレノイドコイルによって１周波数として伝送するので
、Ｓ／Ｎ比が高く、検出部の励磁コイルのパワーを少な
くすることができる。

このように１本発明によれば、精度良く、非接触で回転
軸のトルクを検出することができる。また、静止した回
転軸のトルク状態も測定することができる。

〔実施例〕

第１実施例 本例にかかるトルク検出装置を第１ないし第６図を用い
て説明する。

第１図は１本例のトルク検出装置における共振回路及び
検出部を示す概念図、第２図は回転軸のねじれにより生
ずる検出コイルの回転角度差を示す図、第３図は検出コ
イルＪ、ＬＣ直列回路Ｋ。

検出部り及び波形整形回路Ｎからなる発振回路図。

第４図及び第５図は検出コイル及び検出部の周辺を示す
図、第６図は角度変位（回転角度差）と発振周波数の関
係図である。

本例におけるトルク検出装置は、第１図に示すごとく１
回転軸１及び２に対向して設けた検出コイルＪと１回転
軸１に固着したＬＣ直列回路にと。

回転軸１の外に設けた検出部りとを１組とするもので、
これによりトルクを検出しようとするものである。

即ち、まず回転軸１及び２は両者の間に弾性体（例えば
、ゴム弾性体、又は金属からなるバネ材）１０を介設し
てなる。しかして、検出コイルＪは１対の検出器３１．
３２よりなる。該検出器３１は、第４図に見られるごと
＜２ＭＩ心３１１に導線３１２を巻回してコイルを形成
したものである。この検出器３１は固定具１２により回
転軸ｌの端部１１に固定する。検出器３２も同様に回転
軸２の端部２Ｉに固定する。そして９両検出器３１と３
２とは１回転軸にトルクが印加されていないとき、その
軸芯が一致するよう配設する。

次に、上記検出コイルと共に共振回路を構成するＬＣ直
列回路には１回転軸１の全周に巻回したソレノイドコイ
ル５及び８亥ソレノイドコイル５と直列に接続したコン
デンサ５９とによって構成し。

これらは回転軸ｌ上に固定する。しかして、検出コイル
Ｊ、！：ＬＣ直列回路にとは直列に接続されて共振回路
を形成する。

また、上記ソレノイドコイル５から出力される共振周波
数を検出する検出部りは、駆動電源■に接続した入力コ
イル６と検出した信号を発信する出力コイル７とからな
る。入力コイル６は磁心６１とこれに巻回したコイル６
２とからなり、出力コイル７は磁心７１とこれに巻回し
たコイル７２とからなる。

上記入力コイル６及び出力コイル７は、第５図に見られ
るごとく、上記ソレノイドコイル５に対向してそれぞれ
配置し１両コイル６．７とソレノイドコイル５との間に
は空隙Ｍを有する。

次に、上記検出コイルＪ、ＬＣ直列回路Ｋ及び検出部り
とは、第３図に示すごとく、波形整形回路Ｎに電気的に
接続し、出力ｆｏを発信する発振回路を形成する。ここ
に、Ｔｏは共振周波数を示す。なお、同図において、４
１はコンパレータ。

４２はダイオード、４３は電流制限抵抗、■は駆動電源
である。

しかして９回転軸１及び２において１回転軸ｌを駆動軸
３回転軸２を従動軸とすると１回転軸Ｉにより回転軸２
を回転させ９両者にトルクを与えると１両輪１．２間に
設けた弾性体ＩＯにねじれが発生する。

そのため９回転軸ｌ及び２の両端１１及び１２に相対向
して配置した検出器３１．３２の間に位置づれを生ずる
。つまり、第２図に示すごとく回転角度差θを生ずる。

この対向面の位置づれにより、検出コイルにおける検出
器３１．３２の対向面積が変化し、互いに結合する磁力
線の数が変化する。それ故、相互インダクタンスが変化
し検出コイルＪの全インダクタンスが変化する。これに
伴い、検出コイルＪと結合したＬＣ直列回路にの共振周
波数が変化する。その変化に伴い検出部りにおける発振
周波数が変化し前記第３図に示す回路により、出力「０
として取り出される。

なお、上記において検出部りにおいては、入力コイル６
と出力コイル７とによって、上記ソレノイドコイル５か
らの出力信号をキャッチし、前記のごとく波形整形回路
Ｎへ出力する。波形整形回路からの出力ｆＯは１周波数
−電圧変換器等の周知の手段により電圧信号として出力
する。

しかして、検出コイルにおけるインダクタンスの変化量
はトルク量に対応するため１発振周波数の変化量から、
印加トルクを検出することができ第６図は、その角度変
位（回転角度差）と発振周波数との関係の一例を曲線Ａ
で示すものである。

本例は２回転軸１．２が直径５０ｍ、検出器３１゜３２
が直径２．５ｍで回転角度差が一６〜＋６度まで変化す
るときの関係を示している。同図より知られるごとく、
±６度の変化により発振周波数が約５ＫＨｚ変化するこ
とが分かる。

以上のごとく２本例によれば２回転軸１．２の回転トル
クを検出コイル３１．３２によりインダクタンス変化と
して検出し、かつこれを非接触状態で回転軸外へ取り出
すことができるので、検出精度及び感度に優れている。

また、共振回路から検出部への信号伝達はソレノイドコ
イルによっているので、Ｓ／Ｎ比が高く、また検出部の
励磁コイルのパワーを少なくすることができる。

第２実施例 本例は、第７図に示すごとく、第１実施例に代えてソレ
ノイドコイル５０．５１及び検出部６５゜７５の配設を
変えたものである。

即ち、ソレノイドコイル５０及び５１は、電流の流れ方
向が回転軸の円周方向について互いに逆方向となるよう
配置し、直列に接続したものである。ソレノイドコイル
を上記のように配置することにより、検出部の入力コイ
ル６５と出力コイル７５を、小型化することができる。

つまり１両コイル６５．７５は、第１実施例のごときＵ
字型コアでなく、検出コイルと同様の小型ソレノイドコ
イルで構成することができる。なお、上記両コイル６５
．７５は、ソレノイドコイル５０及び５１の中間位置に
間隙をもって対向配設する。また。

同図において符号６５１．７５１は磁心、６５２゜７５
２はコイルである。

本例によれば、第１実施例と同様の効果が得られる外、
検出部を小型化できると共にコスト低下を図ることがで
きる。

第３実施例 本例は、第８図及び第９図に示すごとく、第２実施例に
示した構成を独立に２回路設けたものである。

即ち、まず１回転軸１．２の両端部１１．１２には、そ
れぞれ検出コイルＪｘ及びＪｙを固着する（第８図）、
そして、第９図に示すごとく、第２実施例と同様に、検
出コイルＪｘはＬＣ直列回路Ｋｘ、検出部Ｌｘと共に発
振回路を形成する。

また、検出コイルＪｊも同様にＬＣ直列回路Ｋｙ。

検出部Ｌｙと共に回路を形成する。

但し、ここに重要なことは、検出コイルＪｘとＪｙは次
のように異なる。即ち、第８図に見られるごとく、検出
コイルＪｘにおける検出器３１゜３２は、第１及び第２
実施例と同様に、その相互インダクタンスが全体のイン
ダクタンスを減少せしめる方向（以下、逆相という）に
接続する。−方、検出コイルＪｙにおける検出器３３．
３４は。

第１．第２実施例と異なり、全体のインダクタンスが増
加する方向（以下、−正相という）に接続する。

しかして、上記発振回路（第９図）においては。

前記第１実施例の発振回路（第３図）と同様に検出部Ｌ
ｘ、Ｌｙからの発信周波数は波形整形回路Ｎｘ、Ｎｙに
よって処理され、出力信号ｆｘ、ｆｙとしてそれぞれ取
り出される。このとき、前記のごとく検出コイルＪｘ、
Ｊｙは逆相と正相の状態にあるため、その角度変位と発
信周波数の関係は、第１θ図に示すごとく逆相の出力ｒ
ｘについては曲線Ｘで、正相の出力ｆｙについては曲線
Ｙで表される。そして、この発振周波数の差（ｆｘ−ｆ
ｙ）を出力とすると、上記関係は第１１図に示す曲線Ｂ
のごとく表されることとなる。そして。

この曲線Ｂは正相又は逆相のみの場合に比して。

角度変位に対して大きな変化を示す、即ち、検出コイル
を正相と逆相の２系統配設して、出力させることにより
、角度変位に対して大きな出力（発振周波数の差）を得
ることができる。

また２本例によれば、温度補償も行うことができる。即
ち、検出コイルを１個用いた場合には。

発振周波数は温度変化によってオフセットが生ずる。こ
れは検出コイルにおけるフェライトコアの温度依存性に
よる。そして、正相、逆相いずれの場合でも、その温度
依存性は温度上昇に伴って発振周波数が低下する。そこ
で、上記のごと（正相と逆相との出力差をとれば、この
温度依存性はキャンセルすることができるのである。こ
のことは。

正相と逆相の比を取った場合も同様である。

以上のごとく３本例によれば第１及び第２実施例と同様
の効果が得られる外１回転角度差に対する発振周波数の
差を得ることができると共に温度補償を行うことができ
、より精度良くトルクを検出することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図ないし第６図は本発明の第１実施例を示し、第１
図はトルク検出装置の概念図、第２図は回転軸及び検出
コイルの回転角度差を示す図、第３図は発振回路図、第
４図は検出コイルの配役図。 第５図は検出部の配設図、第６図は角度変位と発振周波
数の関係を示す線図、第７図は第２実施例におけるトル
ク検出装置の概念図、第８図ないし第１１図は第３実施
例を示し、第８図はトルク検出装置の概念図、第９図は
発振回路図、第１０図は角度変位と発振周波数の関係を
示す線図、第１１図は角度変位と発振周波数の差を示す
線図、第１２図は従来例のトルク検出装置を示す断面図
である。 １．２・・・回転軸。 ＩＯ・・・弾性体。 ３１．３２，３３．３４・・・検出器。 ５．５０．５１・・・ソレノイドコイル。 ５９・・・コンデンサ。 ６．６５・・・入力コイル。 ７．７５・・・出力コイル。 Ｊ、Ｊｘ、Ｊｙ、、、検出コイル。 Ｋ、Ｋｘ、Ｋｙｌ、、ＬＣ直列回路。 Ｌ、Ｌｘ、Ｌｙ、、、検出部。 Ｎ、Ｎｘ、Ｎｙ、、、波形整形回路。 出願人株式会社豊田自動議機製作所 代理人　弁理士　高　橋　祥　泰 第１図 くＴ ざ］ ば） ≧ｎ− 第７図 第８１２１ 第９図 角度Ｊト位 ＄１２図

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）回転トルクを受ける回転軸上にトルクによる回転
   角度差に対応してインダクタンスが変化する検出コイル
   を配設し、またコンデンサと回転軸に巻回したソレノイ
   ドコイルとを直列に接続して前記回転軸上に固着すると
   共にこれらを直列に接続して共振回路を構成し、 また、磁心とこれに巻回したコイルとからなる入力コイ
   ル及び出力コイルを１組とする検出部を設け、該検出部
   の入力コイルと出力コイルとは前記回転軸の両側に前記
   ソレノイドコイルに対向して空隙をもってそれぞれ配置
   し、 上記共振回路と検出部とにより上記共振回路の共振周波
   数により発振する発振回路を構成し、トルクに対応する
   回転角度差を発振周波数の変化として検出することを特
   徴とする回転軸のトルク検出装置。
2. （２）回転軸は駆動軸と従動軸とに分割すると共に弾性
   体によって連結し、検出コイルは駆動軸側と従動軸側と
   に互いに対向させて配設することを特徴とする特許請求
   の範囲第１項に記載の回転軸のトルク検出装置。
3. （３）検出コイルは、回転軸上にその軸方向において互
   いに対向して配設すると共に両者を直列に接続し、回転
   角度差によってその相互インダクタンスが変化すること
   により、検出コイルのインダクタンスが変化するように
   したことを特徴とする特許請求の範囲第１項に記載の回
   転軸のトルク検出装置。
4. （４）上記検出コイルは２組配設し、１組の検出コイル
   は相互インダクタンスが全体のインダクタンスを小さく
   するように接続し、他の１組はこれを大きくするように
   接続し、２つの発振周波数の差または比を出力として共
   振回路に送るようにしたことを特徴とする特許請求の範
   囲第１項ないし第３項に記載の回転軸のトルク検出装置
   。