JPH01287433A - 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９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１回転軸の軸トルクを測定する手段としては、第１
３図に示すごとく、トルクで捩れ変化する捩れ軸Ｓと、
同心配置された３本のリング型コア（ｉｆｆｆｆ芯鉄芯
１，９２．９３とよりなるトルクセンサが提案されてい
る（特開昭６３−３６１２４号公報）、そして、内側の
２つのリング９２゜９３は、捩れ軸Ｓの両端に各々ブラ
ケット９２１゜９３１により連絡され、また両リング９
２．９３の対向面は歯形９２Ａ、９２Ｂ、９３Ａ、９３
Ｂを構成し、外側のリング９１は静止支持された検出コ
イル９１Ａ、９１Ｂを有する・、このトルクセンサにお
いては、トルクが加わると捩れ軸Ｓが携れ、リング型コ
ア９２と９３における歯形９２Ａ。

９２Ｂと、９３Ａ、９３Ｂとの対向面積が変化し。

その結果磁力１１９０．９０の数が変化し、検出コイル
９１Ａ、９１Ｂのインダクタンスが変化する。

インダクタンスの変化量はトルク量に対応するので、こ
れによりトルク量を検出することができる。

また２本願の出願人は、第１４図に示すごとく。

弾性体ｌＯで連結した駆動軸１と従動軸２とからなると
共にこれらに検出コイル９９Ａ、９９Ｂ等からなる共振
回路と検出部を設けたトルク検出装置を出願した（特願
昭６２−２６３４９０）　、上記検出コイル９９Ａ、９
９Ｂは上記両軸１．　２に対向配設し、また駆動軸１の
周囲にはソレノイドコイル９５を巻回し、該ソレノイド
コイル９５と前記２つの検出コイル９９Ａ、９９Ｂとは
コンデンサ９８を介して直列に接続して共振回路を構成
する。また、ソレノイドコイル９５の外周には間隔を持
って入力コイル９６と出力コイル９７とからなる検出部
を配設する。上記検出コイル９９Ａ。

９９Ｂは磁性材料のコアに導線を巻回したものである。

このトルク検出装置は、トルクによって両輪１．　２間
に回転角度差が生ずると、一対の検出コイル９９Ａ、９
９Ｂ間の対向面積が変化し、磁力線の数が変化し、検出
コイルの相互インダクタンスが変化し、全体のインダク
タンスが変化する。

そのため、トルク量を検出することができる。

〔解決しようとする課題〕

しかしながら、前者の３本のリング型コアを用いるトル
クセンサは、磁性材料のコアを用いているために、イン
ダクタンスの温度依存性があり。

零点での温度依存性は差動的に検出するために小さくで
きるが、感度の温度依存性は大きい。

また、後者の一対の検出コイルを用いるトルク検出装置
は、温度補償を行うために、前記第１４図に示す回路を
２組用い、検出コイルに磁束が同方向と反対方向とに流
れるようになしく正相と逆相）再出力の差又は比を出力
としている（同出願第３実施例）、シかし、検出コイル
に磁性材料製コアを用いているため、相互インダクタン
スを決めるそれぞれの結合係数の温度依存性が異なる。

それ故、温度補償を充分に行うことができない。

即ち、相互インダクタンスは２つの検出コイルの結合係
数によって決まるが、磁性体（フェライト等）のコアを
用いた場合、その透磁率の温度依存性によって、結合係
数にも温度依存性が現れる。

また、結合の向き（正相と逆相）及び結合度（対向面積
）によって温度依存性の程度が異なり、２組の差（又は
比）を取ってもこれをキャンセル（温度補償）できない
量が残る。

上記のごとく、従来のトルク検出装置゛はいずれも温度
依存性の影響を受は温度特性に問題がある。

本発明は、かかる問題点に鑑み、温度特性に優れ、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〕

本発明においては２回転トルクを受ける回転軸上に空洞
部を有する環状の検出コイルを配設すると共に該検出コ
イルの近傍には強磁性を有しない金属コアを配設し２回
転軸がトルクを受けて捩じれたとき、上記金属コアが上
記検出コイルの空洞部内を進退して回転角度差に対応し
て検出コイルのインダクタンスが変化するようになす、
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上記検
出コイル、コンデンサ及びソレノイドコイルを直列に接
続して共振回路を構成する。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する。

しかして、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
るものである。

本発明において注目すべきことは、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すると共に、該検出コ
イル内に先端部が進退する金属コアを用い、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。上記検出コイルと金属
コアにより１組のセンサ部を構成する。

しかして、上記検出コイルとしては、第３図に示すごと
く２紙、プラスチックス等の非磁性の筒状体に環状に巻
回したコイルを用いる。即ち、検出コイルは中央部に空
洞部を有する。環状体は。

円筒、角筒等任意である。また、前記金属コアは銅板等
の強磁性を有しない材料で作製し、その先端部が上記検
出コイルの空洞部内において進退可能となるよう構成す
る。そして、この検出コイルと金属コアとから成るセン
サ部を１＆Ｉｌとして互いに対向させて、それぞれ回転
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、これにより１回転角度差によって、検出コイルの
空洞部内において、金属コアが進入又は退出して、検出
コイルのインダクタンスが変化するようになる。

更には、上記センサ部は２組配設し、１方の検出コイル
はインダクタンスを小さくするように接続し、他方の検
出コイルは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９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、検出コイルと金属コアと
は駆動軸側と従動輪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０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０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金属コアの先
端部が検出コイルの空洞部内において進入方向又は退出
方向に、相対的に移動する。

そのため、検出コイルのインダクタンスが変化する。こ
れは、検出コイルの空洞部内において、金属コアの進入
量が変化すると、コア中に生ずる渦電流が変化し、検出
コイルのインダクタンス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９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。

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、検出コイルに強磁性体のコアを用いて
いないので、金属コア中の渦電流及び検出回路を流れる
電流は前記金属コアの幾何学的位置によってのみ定まり
、温度依存性がない、それ故、温度特性に優れたトルク
検出装置を提供することができる。

また１回転軸上にセンサ部及び共振回路を配設したので
、検出コイルの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極めて優れている。

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９周波数として伝送するので
、Ｓ／Ｎ比が高（、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９本発明によれば、温度特性に優れると共に
、精度良く、非接触で回転軸のトルクを検出できるトル
ク検出装置を提供することができる。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図ないし第７図を用
いて説明する。

本例におけるトルク検出装置は、第１図に示すごとく９
回転軸重及び２に対向して設けた検出コイル３１と金属
コア３２とを１組とするセンサ部Ｊと１回転軸ｌに固着
したＬＣ直列回路にと２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するも
のである。

即ち、まず回転軸ｌ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３１は、第３図に示すご
とく、非磁性体のプラスチックス筒３１１に導線３１２
を巻回してコイルを形成したものである。そして、その
中央部に空洞部３１３を有する。この検出コイル３１は
、固定具１２により回転軸ｌの端部１１に固定する。

一方、金属コア３２は銅板により作製したＬ字形状を有
し、その先端部３２１を前記検出コイル３１の空洞部３
１３に挿入させた状態で、固定具３２５により回転軸２
の端部２１に固定する。そして、検出コイル３１と金属
コア３２とは１回転軸にトルクが印加されていない（回
転角度差−〇）とき、金属コア３２の最先端３２２が検
出コイル３１の全長２の中心＜！！／２’Ｊに位置する
よう配設する（第３図）。

次に、上記検出コイル３１と共に共振回路を構成するＬ
Ｃ直列回路には１回転軸ｌの全周に巻回したソレノイド
コイル５及び１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１上
に固定する。しかして。

センサ部Ｊと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、第５図に示すごとく、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６２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、上記センサ部Ｊ、ＬＣ直列回路Ｋ及び検出部りは
、第６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、４１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５回転軸１及び２において１回転軸ｌを駆動軸
１回転軸２を従動輪とすると９回転軸１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１０にねじれが発生する。

そのため１回転軸ｌ及び２の両端１１及び２１に相対向
して配置した検出コイル３１．金属コア３２の間に位置
づれを生ずる。つまり、第４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、金属コア３２の先端部３
２１が検出コイル３１の空洞部３１３内により深く進入
、又は浅く退出し、金属コア３２中に生ずる渦電流が変
化し検出コイル３１のインダクタンスが変化する。これ
に伴い、センサ部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
周波数が変化し第６図に示す回路により、出力ｒＯ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【０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る。

第７図は、その回転角度差と共振周波数との関係の一例
を曲線Ａで示すものである。

本例によれば、前記のごとく空洞部を有する検出コイル
３１と該空洞部内を移動する前記金属コア３２とにより
センサ部Ｊを構成しており、磁性体のコアを用いていな
いので、検出回路を流れる電流は金属コア３２の幾何学
的位置によってのみ定まり、温度特性に優れたトルク検
出装置を提供できる。

また５回転軸１．２の回転トルクを検出コイル３１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８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９両コイ、ル６５，７５は、第１実施例のごとき
Ｕ字型コアでなく、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はけ
心、６５２，７５２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９図ないし第１２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９回転軸１．２の両端部１１．１２には、そ
れぞれ検出コイル３１又は３３．金属コア３２又は３４
からなるセンサ部Ｊｘ及びＪｙを固着する（第９図）、
そして、第１θ図に示すごとく、第２実施例と同様に、
センサ部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、センサ部Ｊｙ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、センサ部ＪｘとＪｙは次の
ように異なる。即ち、第９図に示すごとく、センサ部Ｊ
ｘにおける検出コイル３１．金属コア３２は、第１及び
第２実施例と同様に、トルクによって回転角度差が生じ
たとき、金属コア３２の先端部３２１が検出コイルの空
洞部３１３内に進入する量を増加する方向に配設する。

つまり。

検出コイル３１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。一方、センサ部Ｊｙに
おける検出コイル３３．金属コア３４は、第１．第２実
施例と異なり、前記進入量が減少する方向、即ち検出コ
イル３３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１Ｏ図）においては、前記
第１実施例の発振回路（第６図）と同様に検出部Ｌｘ、
Ｌｙからの発振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。

【ｙとしてそれぞれ取り出される。このとき、前記のご
とくセンサ部Ｊｘ、Ｊｙは逆相と正相の状態にあるため
、その角度変位と発振周波数の関係は、第１１図に示す
ごとく逆相の出力ｆｘ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（ｆｙ−ｆｘ）を出力とす
ると、上記関係は第１２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、はぼ直線的な変化を示す、即ち、セン
サ部を正相と逆相の２系統配設して、出力させることに
より、角度変位に対して直線的な出力（発振周波数の差
）を得ることができる。

以上のごとく２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、直線的な出力を得ることができ、
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７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図はセンサ部の斜視
図、第３図は検出コイルと金属コアの関係を示す一部断
面側面図、第４図は検出コイルの回転角度差を示す説明
図、第５図は検出部の配設図、第６図は発振回路図、第
７図は角度変位と発振周波数の関係を示す線図、第８図
は第２実施例におけるトルク検出装置の概念図、第９図
ないし第１２図は第３実施例を示し、第９図はトルク検
出装置の概念図、第１０図は発振回路図。 第１１図及び第１２図は角度変位と発振周波数の関係を
示す線図、第１３図及び第１４図は従来例のトルク検出
装置を示す概念図である。 １．２・・・回転軸。 １０・・・弾性体。 ３１．３３・・・検出コイル。 ３２．３４．、、金属コア。 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、、、センサ部。 Ｋ、Ｋｘ、Ｋｙ、、、ＬＣ直列回路。 Ｌ、　Ｌｘ、　　Ｌｙ、　、　、検出部。 Ｎ、Ｎｘ、Ｎｙ、、、波形整形回路。 出力フィル ＄３図 第８図 第６図 ｍｍａ扉− 第１０図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）回転トルクを受ける回転軸上に空洞部を有する環
   状の検出コイルを配設すると共に該検出コイルの近傍に
   は強磁性を有しない金属コアを配設し、回転軸がトルク
   を受けて捩じれたとき、上記金属コアが上記検出コイル
   の空洞部内を進退して回転角度差に対応して検出コイル
   のインダクタンスが変化するようになし、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上記検出コイル、コ
   ンデンサ及びソレノイドコイル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。