JPH01287434A - 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１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＜、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（磁気鉄芯）９１，
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９２．
９３の対向面は歯形９２Ａ、９２Ｂ、９３Ａ、９３Ｂ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
、トルクが加わると涙れ軸Ｓが捩れ、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。

その結果磁力線９０．９０の数が変化し、検出コイル９
１Ａ、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１本願の出願人は、第１４図に示すごとく。

弾性体１０で連結した駆動軸！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、９９
Ｂは上記両輪１．２に対向配設し、また駆動軸ｌ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、９９
Ｂ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）真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。

〔課題の解決手段〕

本発明は９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、該検出コイルは磁気鉄芯を有しない空芯
コイルであり、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
する検出コイルとして空芯コイルを用い、該検出コイル
と前記ソレノイドコイルとコンデンサとにより共振回路
を構成し、また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。

上記検出コイルとしては、磁性材料のコアを有しない空
芯コイルを用いる。また、該検出コイルは磁性を有しな
い材料（紙、プラスチックス等）の筒とこれに導線を巻
回したコイルとからなる検出器を用い、この検出器を２
側御組として互いに対向させて１回転軸上に固定する。

この対向は。

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１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＆ｌｌ配設し、　　ＩＪＩＩ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（するように接続し、他の１組は相互インダク
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８
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、検出コイルの軸方向断面を扇形状とした
場合には５回転角度差に応じて対向面積が効率的に変化
するので、インダクタンス変化量を大きくすることがで
きる。

また、コイル径は９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０例えば、直径５０ｍの軸に直径２．５鵬のコイ
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２．５Ｍ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。

駆動軸と従動輪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６１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１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３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。

駆動軸と従動輪との間など１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５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１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、検出コイルとして磁性材料のコアを有
しない、いわゆ゛る空芯コイルを用いているので、透磁
性の温度依存性がなく、相互インダクタンスは対向する
検出コイルの位置によってのみ定まり、温度依存性はな
くなる。そのため、トルク検出時の温度依存性に影響さ
れない温度特性に優れたトルク検出装置を提供できる。

また１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２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２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ｌ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３図及び第５図に見
られるごとく、非磁性体であるプラスチックスの筒３１
１に導線３１２を巻回した空芯コイルである。また、該
検出器３１の軸方向断面は扇形を呈している（第３図）
、この検出器３１は固定具１２により回転軸ｌの端部１
１に固定する。検出器３２も同様の構造を有し９回転軸
２の端部２１に固定する。そして１両検出器３１と３２
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及び該ソレノイドコイル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、検出コイル
ＪとＬＣ直列回路にとは直列に接続して共振回路を形成
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４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、ｆｏ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２回転軸１及び２において２回転軸ｌを駆動軸
２回転軸２を従動輪とすると５回転軸１により回転軸２
を回転させ１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１回転軸１及び２の両端１１及び２１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■、Ｃ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【Ｏ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８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る。

第７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３回転軸１．２が直径５０■、検出器３１゜３２
の扇形断面が上面３１ｔｍ、下面２６ｍ＋、量側１０鐘
で２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（、±６度の変化
により発振周波数が約５ＫＨ２変化することが分かる。

本例によれば、検出コイルとして空芯コイルを用いてい
るので前記のごとく透磁率の温度依存性がなく、温度特
性に優れたトルク検出装置とするご七ができる。また３
回転軸１．２の回転トルクを検出器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、検出コイルとして扇形断面の
コイルを用いているので１回転角度差に応じて対向面積
が大きく変化し、検出精度が高い、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［１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、検出部の人力コイ
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、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
、６５２，７５２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（。

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２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９図）、
そして、第１θ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Ｋ
ｘ、検出部Ｌｘと共に発振回路を形成する。

また、検出コイルＪ７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ＪＦは次
のように異なる。即ち、第９図に示すごとく、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。一方。

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１０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。

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ｒｙ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−ｆｙ）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、
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。

以上のごとく０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９回転角度差に対する発振周波数の
差を得ることができ、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図は回転軸及び検出
コイルの回転角度差を示す説明図。 第３図は検出コイルの配役図、第４図は検出部の配設図
、第５図は検出コイルを回転軸に装着した状態を示す斜
視図、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。 ３１．３２，３３．３４・・・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、　１．検出コイル。 Ｋ、Ｋｘ、Ｋｙ、、、ＬＣ直列回路。 Ｌ、Ｌｘ、Ｌｙ、、、検出部。 Ｎ、Ｎｘ、Ｎｙ、、、波形整形回路。 出願人　株式会社豊田自動織機製作所 代理人　弁理士　高　橋　祥　泰 第１図 第２図 第３図 第５図 第６図 第７図 第８図 第９図 第１０図 第１１図 第１２図 メーノ狽已りβ仁イａ 手続補正書　　　　　番 昭和６３年　６月１８日

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、該検出コイルは磁気鉄芯を有しない空芯コイ
   ルであり、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。