JPH01127927A - 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】 〔発明の目的〕 （産業上の利用分野） 本発明は、軸に生じたねじれ角を検出することによって
、軸に茄えられたトルクを検出するトルク検出装置に関
し、特に自動車の電動パワーステアリングにおけるトル
ク検出用に適したトルク検出装置に関する。

（従来の技術） 現在の電動パワーステアリングはほとんど油圧式である
。運転手のハンドル操舵力のアシストは、ハンドル軸の
途中にねじれ捧（トーションバー）を置いて、そのねじ
れ棒のねじれ角に応じて油圧コントロール弁を動かし、
この油圧コントロール弁により油圧ポンプから油圧シリ
ンダへ流れる油の量を制御することによって行なう。こ
の方式では、油圧コントロール弁がトルク検出装置と制
御装置とを兼ねており、トルク検出装置を特に必要とし
ない。

しかしこの油圧式パワーステアリングは、油圧ポンプ、
コントロール弁、油圧シリンダ、油圧タンク及びこれら
の間を接続する油圧配管等を有するため、効率が悪い上
に油づまり、油もれ等を起こす問題点がある。さらに近
年パワーステアリングに対し、低速では軽く回り高速で
は重い感触を味わうことができ、滑らかでかつ応答の速
い操舵力アシストが要求されているが、油圧式ではこれ
らの要求にきめ細く対応することができない。

このような問題を解決するものとして、ハンドル操舵力
をトルク検出装置で、速度を速度センサでそれぞれ検出
し、検出したこれらの信号に基づいて制御装置が電動モ
ータを制御することによって操舵力を補助する電動パワ
ーステアリングが実用化されつつある。この電動パワー
ステアリング用のトルク検出装置として、ねじれ棒を用
いた方式が主に提案されており、さらにこの方式には代
表的なものとしてポテンショメータ式とホール素子式が
ある。

ポテンショメータ式は、その固定子側と回転子側とをね
じれ棒の両端にそれぞれ固定し、この両端の間に生じた
ねじれ角を抵抗の変化量として検出する。ここで、約４
回転するハンドル軸に連結されたねじれ棒にポテンショ
メータを固定するためにポテンショメータも回転し、ポ
テンショメータからの出力信号を外部に取り出せるよう
にスリップリングを用いて電気的に接続する必要がある
。

一方ホ、−ル素子式は、永久磁石とホール素子とをねじ
れ棒の両端にそれぞれ固定し、この両端の間に生じたね
じれ角をホール素子に加えられる磁界強度の変化量とし
て検出する。この場合、ホール素子からの出力信号が小
さいのでアンプをホール素子の近くに設置する必要があ
る。また、ホール素子、アンプ共にハンドル軸の回転と
ともに回転するため、出力信号を外部に取り出せるよう
にスリップリングで電気的に接続しなければならない。

（発明が解決しようとする問題点） しかしポテンショメータ式には、抵抗膜上を回転子が摺
動するため、抵抗膜が劣化して接触不良が発生するとい
う問題点があった。さらにこの方式において用いられて
いるスリップリングにも摺動部分が存在するため、同様
に接触不良が発生するという問題点があった。

またホール素子式には、ホール素子からの出力か小さい
ためノイズに弱いという問題点、使用される永久磁石が
劣化するという問題点、使用される半導体の許容温度を
越える温度条件の苛酷なエンジンルームのような環境に
置くことができないという問題点、さらにはポテンショ
メータ式と同様に使用されるスリップリングに接触不良
が発生する等の多くの問題点が存在した。そしてこれら
の問題点は、人命にも影響しかねない重大な事故を引き
起こす可能性があった。

本発明は上記事情に鑑み、機械的に強固で温度条件の苛
酷な環境でも使用することができ、信頼性が高くかつ長
寿命のトルク検出装置を提供することを目的とする。

〔発明の構成〕

（問題点を解決するための手段） 上記目的は、被検出物である軸の円周上に固定され側面
に歯状突起部を有する円環状の第１の磁極と、前記第１
の磁極と空間を隔てて対向するように前記軸の円周上に
固定され前記第１の磁極と対向する側面に歯状突起部を
有する円環状の第２の磁極と、前記第１の磁極と前記第
２の磁極との外周に設けられた円環状の環状コイルと、
前記環状コイルによりつくられた磁束が前記第１の磁極
と前記第２の磁極とを通って閉じられた磁路を形成する
ように設けられた固定子鉄心とを有するトルクセンサと
、 前記軸にト、ルクが加わった場合に、前記第１の磁極と
前記第２の磁極の歯状突起部の相対する面積の変化によ
り前記環状コイルの自己インダクタンスの変化量を検出
する検出回路とを備え、前記検出回路により検出された
自己インダクタンスの変化量に基づいて前記第１の磁極
が固定された位置と前記第２の磁極が固定された位置と
の間の前記軸のねじれ角を求めて前記軸に加わったトル
クを検出することを特徴とするトルク検出装置によって
達成される。

（作　用） 軸にトルクが加えられると、この軸における第１の磁極
が固定された位置と第２の磁極が固定された位置との間
にねじれが生じる。これにより、第１の磁極と第２の磁
極との歯状突起部の相対する面積が変化して環状コイル
の自己インダクタンスが変化し、この自己インダクタン
スの変化量を検出回路が検出する。この検出結果に基づ
いて前記軸における第１の磁極が固定された位置と第２
の磁極が固定された位置との間のねじれ角を求めて、前
記軸に加わったトルクを検出する。

（実施例） 以下、本発明を図示する実施例に基づいて詳述する。

本発明の一実施例のトルク検出装置におけるトルクセン
サについて、第１図を参照し説明する。

ねじれ棒１が被検出物としての軸に相当し、入力側１ａ
と出力側１ｂとに分けて考える。フレキシブルカップリ
ング２は、ねじれ棒１における入力端１ａと出力側１ｂ
との間の寸法誤差、偏心等を吸収するためにねじれ棒１
の途中に設けられたものであるが、本発明のトルク検出
装置を構成する要素ではなく、さらに必ずしも用いる必
要のあるものではない。以上のねじれ軸１の入力端１ａ
と出力側１ｂとにまたがるように、第１の磁極５、第２
の磁極６、環状コイル９、固定鉄心７，８を備えたトル
クセンサが設けられている。

第１の回転筒３及び第２の回転筒４はプラスチック等の
絶縁物から成り、第１の回転筒３はねじれ棒１の入力側
１ａに第２の回転筒４は出力側１ｂにそれぞれねじれ捧
１との間にすべりが生じないように固定されている。本
実施例のトルクセンサの主要構成要素の斜視図である第
２図に示されるように、それぞれの外周部に突起部３ａ
。

４ａを有している。

第１の磁極５と第２の磁極６は共にフェライト等の強磁
性体から成り、第２図に示されるように一方の側面のそ
れぞれ歯状突起部５ａ、６ａをＨしている。第１の磁極
５は第１の回転筒３の外周に、歯状突起部５ａが第１の
回転筒３の突起部３ａと嵌合した状態で固定される。第
２の磁極６は第２回転筒４の外周に、歯状突起部６ａが
第２の回転筒４の突起部４ａと嵌合した状態で固定され
る。環状コイル９は第１の磁極５と第２の磁極６との外
周に設けられてあり、コイル端子１２を有している。固
定子鉄心７．８は共にフェライト等の強磁性体から成り
、環状コイル９によりつくられた磁束が第１の磁極５と
第２の磁極６との間を通って閉じられた磁路を形成する
ように、環状コイル９、第１の磁極５、第２の磁極６の
外周に設けられている。固定子鉄心７．８は、各主要構
成要素を組立てた後相互に接着される。スペーサ１．０
．１１は摩擦係数の小さいテフロン等のプラスチックか
ら成り、スペーサ１０は第１の磁極５と固定子鉄心７と
の間の滑り摩擦を、スペーサ１１は第２の磁極６と固定
子鉄心８との間の滑り摩擦を小さくするために用いられ
る。押え板ばね１４は非磁性体から成り、第１の磁極５
と第２の磁極６とをそれぞれ固定子鉄心７．８側へ押え
つける働きをする。ケース１３は、固定子鉄心７゜８を
覆うためのものである。

環状コイル９のコイル端子１２は、第３図に示される検
出回路に接続される。この検出回路は、発振器２１、ア
ンプ２２、環状コイル９に直列に接続されたコイル２４
、直列に相互に接続された抵抗２５，２６、及び同期整
流回路２３を備えている。

発振器２１は、基準となる交流電圧信号を発するもので
あり、アンプ２２はこの信号を増幅する。

アンプ２２の出力端は、同期整流回路２３の基準端子Ｒ
と、コイル２４と環状コイル９とから成る直列回路の一
端と、抵抗２５．２６から成る直列回路の一端とに接続
されている。コイル２４と環状コイル９との間の接続点
は同期整流回路２３の端子（Ｓ＋）に、抵抗２５と抵抗
２６との間の接続点は同期整流回路２３の端子（’Ｓ−
）に接続されている。さらに、コイル２４と環状コイル
９とから成る直列回路の一端と、抵抗２５．２６から成
る直列回路の一端とは接地されている。ここで、コイル
２４の自己インダクタンスは、ねじれ棒１にトルクが加
わっていない状態での環状コイル９の自己インダクタン
スに等しく、また抵抗２５と抵抗２６との抵抗値は等し
い。同期整流回路２３は、端子（Ｓ＋）と端子（Ｓ−）
との電位差が、基準端子Ｒの電圧と同相のとき正の直流
電圧を、逆相のとき負の直流電圧を、電位差の振幅に比
例した出力として出力端子２７に出力する。

ねじれ軸１にトルクが加えられると、入力端１ａと出力
側１ｂとの間に相対的にねじれ角変位が生じる。これに
より、入力側１ａの外周に第１の回転筒を介して固定さ
れた第１の磁極５と、出力側１ｂの外周に第２の回転筒
を介して固定された第２の磁極６との間に相対的に回転
角変位が生じる。第１の磁極５の歯状突起部５ａと第２
の磁極６の歯状突起部６ａの相対的に対向する面積がね
じれ角変位に比例して変化し、環状コイル９の自己イン
ダクタンスが変化する。

今、歯状突起部５ａと歯状突起部６ａとの間の空隙長を
δ、歯状突起部５ａと歯状突起部６ａの相対的に対向す
る面積をＡとし、この空隙以外の磁気抵抗を無視すると
、環状コイル９の自己インダクタンスしは以下のように
表わされる。

Ｌ−μｏ　Ｎ　　Ａ／δ 但し、ａ　　−４ｘ　Ｘ　１０−７Ｈ／ｍＮ；コイル巻
数 したがって、空隙長δが一定であればＬはＡに比例する
が、Ａはねじれ角に比例するので自己インダクタンスし
は完全にトルクに比例することになる。

自己インダクタンスの変化した量は、第３図の検出回路
によって電圧出力信号に変換される。発振器２１により
発生された交流電圧信号が、アンプ２２により増幅され
た後、コイル２４と環状コイル９とから成る直列回路の
一端と、抵抗２５゜２６から成る直列回路の一端と、同
期整流回路２３の基準端子Ｒとに与えられる。同期整流
回路２３は、ねじれ棒１にトルクが加えられていな、い
場合にはＯＶの直流電圧信号を出力する。正方向のトル
クがねじれ棒１に加えられると、環状コイル９の自己イ
ンダクタンスが増加し、端子（Ｓ＋）に加えられる電圧
が端子（Ｓ−）に加えられる電圧に対して相対的に増加
し、出力端子２７からトルクに比例した正の直流電圧信
号が出力される。

負方向のトルクがねじれ棒１に加えられると、環状コイ
ル９の自己インダクタンスが減少し、端子（Ｓ＋）に加
えられる電圧が端子（Ｓ−）に加えられる電圧に対して
相対的に減少し、出力端子２７からトルクに比例した負
の直流電圧信号が出力される。出力された直流電圧信号
から、ねじれ棒１における第１の磁極５の固定位置と第
２の磁極６の固定位置との間に発生したねじれ角が求ま
り、このねじれ角に基づいてねじれ棒１に加えられたト
ルクが求められる。

以上説明したように、本実施例のトルク検出装置によれ
ば次のような効果が得られる。ねじれ棒１の外周に取り
付けられた環状コイル９から検出回路への信号線は２本
でよいため配線が容易である。しかも配線の途中にスリ
ップリング等の摺動部分が存在しないため、接触不良の
発生が防止される。

環状コイル９に与える電力レベルを大きくとれば、外部
電気ノイズに対して強い信号が得られる。

また、発振器２１から出力される交流電圧信号の周波数
成分のみを通すフィルタを同期整流回路２３の入力側に
設けることによってさらに外部電気ノイズに対する影響
を除くことができる。また、ねじれ棒１が固定子鉄心７
，８に対して偏心していても、ねじれ棒１上に固定され
た第１の磁Ｉ’！！ｉ！５と第２の磁極６との対向する
それぞれの側面に多数の歯状突起部５ａ’　６ａ’が存
在するため平均化され、偏心による影響を取り除くこと
ができる。

半導体等の能動部品は使用せず、温度による影響の小さ
い受動部品のみで検出回路が構成されているため、許容
温度を高くとることができる。

このように本実施例のトルク検出装置は信頼性が高く、
かつ機械的に強固であり、温度条件の苛酷な環境でも用
いることができる。

第１の磁極５と第２の磁極６、固定子鉄心７と固定子鉄
心８は、それぞれ同一形状のものを使用することができ
る。さらに、これらの部品は大量生産に適した加圧成形
品として生産され得るものである。また、ねじ等が不要
で組立が容易な構造であるため、生産コストが低いとい
う特徴も有している。

本実施例では、非磁性体からなる第１の回転筒３及び第
２の回転筒４を用いているが、ねじれ棒１と第１の磁極
５、第２の磁極６、固定子鉄心７゜８との間に磁束が通
過しないような状態に保たれる構成であれば用いなくと
もよい。第１の磁極５と固定子鉄心７との間及び第２の
磁極６と固定子鉄心８との間には摩擦係数の小さいスペ
ーサ１０゜１１が用いられているが、隙間を設ける等に
より、第１の磁極５と第２の磁極６とが相対的に回転し
得る構成であれば用いなくともよい。検出回路は、ねじ
れ棒１のねじれによって生ずる環状コイル９の自己イン
ダクタンスの変化量を検出し得る回路であれば、第３図
に示された回路と異なる構成によるものであってもよい
。

本発明の他の実施例によるトルク検出装置について以下
に説明する。まず、本装置のトルクセンサについて、第
４図及びその主要構成要素の斜視図である第５図を参照
し説明する。第１図に示された実施例の構成要素に対応
する要素については同一番号又は同一番号にダッシュを
付した番号を用い、説明を省略する。

被検出物たるねじれ棒３１の入力側３１ａと出力側３１
ｂとにそれぞれ１組の第１図に示されたトルクセンサが
並べられた構成となっている。第１の回転筒３３及び第
２の回転筒３４には、組立上の都合のためそれぞれ短冊
部３３ｂ、３４ｂか設けられている。第１の回転筒３３
はねじれ棒３１の入力側３１ａに、第２の回転筒３４は
出力側３１ｂに固定される。第１の磁極５は第１の回転
筒３３の外周に、歯状突起部５ａが第１の回転筒３の突
起部３ａに嵌合して固定される。第４の磁極６′は第２
の回転筒３４の外周に、歯状突起部６ａ′が第２の回転
筒３４の突起部３４ａに嵌合して固定される。さらに第
２の磁極６は第２の回転筒３４の短Ｉ’ｌｌ）部３４ｂ
の外周に、第３の磁極５′は第１の回転筒３３の短冊部
３３ｂの外周にそれぞれ接着されて固定される。ここで
、第１の回転筒３３の短冊部３３ｂの円弧幅は、これに
対向する第２の回転筒３４の短冊部３４ｂにおける先端
開放部の円弧幅よりも幾分小さいため、第１の回転筒３
３と第２の回転筒３４とはねじれ棒３１のねじれに応じ
て相対的に回転が可能である。

環状コイル９，９′のコイル端子１２．１２’は、第７
図に示される検出回路に接続される。第３図に示された
検出回路と比較し、コイル２４と環状コイル９′とから
成る直列回路が環状コイル９．９′から成る直列回路に
置き換えられた点のみが異なっている。ここで、環状コ
イル９の自己インダクタンスと環状コイル９′の自己イ
ンダクタンスとは、ねじれ棒３１にトルクが加わってい
ない場合に等しい。

ねじれ棒３１にトルクが加えられると、入力側３１ａと
出力側３１ｂとの間に相対的にねじれ角変位が生じる。

この場合の第１の磁極５、第２の磁極６、第３の磁極５
′、第４の磁極６′の間に生ずる変位の相対的関係につ
いて、第６図を参照し説明する。

第１の磁極５と第３の磁極５′は、共に第１の回転筒３
３に固定されているため相対的な回転角変位は生じない
。同様に第２の磁極６と第４の磁極６′は、共に第２の
回転筒３４に固定されているため相対的な回転角変位は
生じない。第１の磁極５と第２の磁極、第３の磁極と第
４の磁極との間には、第１図に示された実施例と同様に
ねじれ棒のねじれ向きに対応した相対的回転角変位が生
じる。第１の磁極５の歯状突起部５ａと第２の磁極６の
歯状突起部６ａの相対的に対向する面積がねじれ角変位
に比例して変化し、環状コイル９の自己インダクタンス
が変化する。同様に第３の磁極５′の歯状突起部５ａ′
と第２の磁極６′の歯状突起部６ａ′の相対的に対向す
る面積がねじれ角変位に比例して変化し、環状コイル９
の自己インダクタンスが変化する。

今、正方向のトルクがねじれ棒３１に加わると、第６図
の矢印で示されるように、第１の磁極５と第３の磁極５
′とが上方向に、第２の磁極６と第４の磁極６′とが下
方向に回転する。第１の磁極５の歯状突起部５ａと第２
１７）磁極６の歯状突起部６ａの相対的に対向する面積
が減少し、第３の磁極５′の歯状突起部５　ａ　／　と
第４の磁極６′の歯状突起部６ａ’の相対的に対向する
面積が増加する。これにより、環状コイル９の自己イン
ダクタンスは減少し、環状コイル９′の自己インダクタ
ンスは増加する。逆に負方向のトルクが加わった場合に
は環状コイル９の自己インダクタンスは増加し、環状コ
イル９′の自己インダクタンスは減少する。このように
、環状コイル９の自己インダクタンスと環状コイル９′
の自己インダクタンスは加えられたトルクに対し、差動
的に変化する。

自己インダクタンスの変化した量は、第７図の検出回路
によって電圧出力信号に変換される。同期整流回路２３
は、ねじれ棒１にトルクが加えられていない場合にはＯ
ｖの直流電圧信号を出力する。正方向のトルクがねじれ
棒３１に加えられると、環状コイル９の自己インダクタ
ンスの方が環状コイル９′の自己インダクタンスよりも
相対的に増加し、出力端子２７からトルクに比例した正
の直流電圧信号が出力される。負方向のトルクがねじれ
棒３１に加えられると、環状コイル９の自己インダクタ
ンスの方が環状コイル９′の自己インダクタンスよりも
相対的に減少し、出力端子２７からトルクに比例した負
の直流電圧信号が出力される。出力された直流電圧信号
から、ねじれ棒３１における第１の回転筒３３の固定位
置と第２の回転筒３４の固定位置との間に発生したねじ
れ角が求まり、このねじれ角に基づいて棒３１に加えら
れたトルクが求められる。

本実施例によるトルク検出装置は、第１〜３図に示され
た実施例によるトルク検出装置と比較して以下のような
長所がある。ねじれ棒３１にトルクが加わった場合に、
入力側３１ａと出力側３１ｂとの間の相対的ねじれ角変
位以外に、温度変化等による環状コイル９．９′の電気
抵抗の変化や、第１の磁極５等の強磁性体部品の温度特
性等による環状コイル９のインピーダンスの変化が生じ
る。これらはいずれも、環状コイル９．９′の双方の自
己インダクタンスの変化に対して同じ方向に等しく影響
を与える雑音成分として作用する。これに対して、第７
図に示される検出回路により、環状コイル９と環状コイ
ル９′との間の相対的な自己インダクタンスの変化量が
検出されてこの雑音成分が除去されるので検出精度が向
上する。

また、第１の回転筒３３と第２の回転筒３４とに軸方向
の力が加わり、第１の磁極５と第２の磁極６との間の空
隙及び第３の磁極５′と第４の磁極６′との間の空隙の
長さに変化が生じた場合にも雑音成分として作用するが
、同様に除去され高い検出精度がもたらされる。

〔発明の効果〕

以上説明したように本発明のトルクセンサは、ねじれ棒
にトルクが加わり第１の磁極と第２の磁極との相対する
歯状突起部の相対する面積が変化して環状コイルのイン
ダクタンスが変化した量を検出し、この検出した量に基
づいて前記ねじれ棒に加わったトルクを求めるため、信
頼性が高く、機械的に強固で温度条件の苛酷な環境でも
使用することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例のトルク検出装置におけるト
ルクセンサを示す断面図、第２図は第１図に示されたト
ルクセンサの主要構成要素を示すす分解斜視図、第３図
は本発明の一実施例のトルク検出装置における検出回路
の回路構成を示す図、第４図は本発明の他の実施例のト
ルク検出装置におけるトルクセンサを示す断面図、第５
図は第４図に示されたトルクセンサの主要構成要素を示
す分解斜視図、第６図は第４図に示されたトルクセンサ
における、第１の磁極、第２の磁極、第３の磁極、第４
の磁極の間に生ずる変位の相対的関係を示す図、第７図
は本発明の他の実施例のトルク検出装置における検出回
路の回路構成を示す図である。 １・・・ねじれ棒、１ａ・・・入力側、１ｂ・・・出力
側、２・・・フレキシブルカッブリ、ング、３・・・第
１の回転筒、３ａ・・・突起部、４・・・第２の回転筒
、４ａ・・・突起部、５．５′・・・第１の磁極、５ａ
、５ａ’・・・歯状突起部、６．６′・・・第２の磁極
、６ａ、６ａ’・・・歯状突起部、７．７’　、８．８
’・・・固定子鉄心、９．９′・・・環状コイル、１０
．１１・・・スペーサ、１２．１２’　・・・コイル端
子、１３・・・ケース、１４゜１４′・・・押え板ばね
、２１・・・発振器、２２・・・アンプ、２３・・・同
期整流回路、２４・・・コイル、２５゜２６・・・ブリ
ッジ用抵抗、２７・・・出力端子、３１・・・ねじれ棒
、３１ａ・・・入力側、３１ｂ・・・出力側、３３・・
・第１の回転筒、３３ａ・・・突起部、３３ｂ・・・短
冊部、３４・・・第２の回転筒、３４ａ・・・突起部、
３４ｂ・・・短冊部、４３・・・ケース。 第１図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 被検出物である軸の円周上に固定され側面に歯状突起部
   を有する円環状の第１の磁極と、前記第１の磁極と空間
   を隔てて対向するように前記軸の円周上に固定され前記
   第１の磁極と対向する側面に歯状突起部を有する円環状
   の第２の磁極と、前記第１の磁極と前記第２の磁極との
   外周に設けられた円環状の環状コイルと、前記環状コイ
   ルによりつくられた磁束が前記第１の磁極と前記第２の
   磁極とを通って閉じられた磁路を形成するように設けら
   れた固定子鉄心とを有するトルクセンサと、前記軸にト
   ルクが加わった場合に、前記第１の磁極と前記第２の磁
   極の歯状突起部の相対する面積の変化により前記環状コ
   イルの自己インダクタンスの変化量を検出する検出回路
   とを備え、前記検出回路により検出された自己インダク
   タンスの変化量に基づいて前記第１の磁極が固定された
   位置と前記第２の磁極が固定された位置との間の前記軸
   のねじれ角を求めて前記軸に加わったトルクを検出する
   ことを特徴とするトルク検出装置。