JPH0198933A - トーションバー式トルク検出装置 - 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） 本発明はトーションバーの両端の捩れ角を検出すること
により、トーションバーに加わるトルクを検出し、特に
自動車の電動パワーステアリングのトルク検出用に適し
たトーションバー式トルク検出装置に関するものである
。

（従来の技術） 従来、自動車のパワーステアリングは主に油圧によりハ
ンドルの操舵力を支援するものが殆んどであった。しか
し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える、滑めらかな操舵力支援が
要求されて来て居り、油圧式では、これらの要求にきめ
細く対応できず、これを解決するために、ハンドル操舵
力をトルクセンサで検出し、これと速度センサの信号を
基にして、マイコン等の電気制御装置が電動モータを制
御して、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センサとして、
主にトーションバー式のものが、提案されていて、代表
的なものとして、ポテンショメータ式とホール素子方式
の２つがある。ポテンショメータ方式はその固定子側と
回転子側をトーションバーの両端に固定し、捩れ角を抵
抗変化で検出する。また約４回転するハンドル軸にポテ
ンショメータを取り付けるため、回転するポテンショメ
ータ回路を外部にとり出すためにスリップリングで電気
的に接続している。

また、ホール素子式はトーションバーの一端に永久磁石
を置き、トーションバーの他端にホール素子を取り付け
、捩れ角によりホール素子に加わる磁界強度が変わるよ
うにし、この変化をホール素子で検出する。この場合、
ホール素子の出力信号が小さいので、アンプをホール素
子近くに置く。

またホール素子、アンプはハンドル軸と共に４回転する
ので、この回転回路を外部へ取り出すためスリップリン
グで電気的に接続している。

（発明が解決しようとする問題点） 上記トルクセンサで、ポテンショメータ式は抵抗膜上を
回転子がすべるため、抵抗膜を劣化させる欠点を持ち、
また、この部分の接触不良が発生する欠点を持つ。また
スリップリングの部分でも接触不良を発生する欠点を持
つ。

また、ホール素子式は、永久磁石の劣化の問題、ホール
素子の出力が弱いため、電気ノイズの影響を受は易いと
いう問題、使用部品（半導体）の許容温度制限からセン
サを自動車のエンジンルームのような温度条件の苛酷な
環境に置けないという欠点、スリップリング部の接触不
良等の欠点を持つ。これらの欠点は人命にも影響しかね
ない重大な事故をひき起す可能性がある。

本発明の目的は、信頼性が高く、機械的に強固で、長寿
命のセンサを得るにある。このため、センサを回転する
ハンドル軸に取り付けるときスリップリング等の接触部
をなくする。また、広い温度範囲で使用できる部品を使
用し、また検出信号レベルを大きくし、電気ノイズの影
響を受けないセンサを得ることにある。

また、トルクが零のときの検出信号出力零点ドリフトが
温度的にも、経年的にも変化の少ないトルクセンサを得
ることにある。

また本発明の目的はトーションバーの捩れ角が小さく十
分大きな検出信号出力振巾が得られる高感度、低ドリフ
トのセンサを得ることにある。

また、構成が簡単で、使用部品数が少なく、組立時間が
短い、量産時の製造コストが低い、大量生産に適したト
ルクセンサを得ることにある。

〔発明の構成〕

（問題点を解決するための手段） 本発明は静止した環状コイルと、それをとり囲み、その
内径部が開放されて、磁気通路が完成しない中空、環状
固定子鉄心と、この固定子鉄心の内径開放部に互いに回
転自在なドーナツ円板状磁性体の第１、第２の回転磁極
を置いて、上記コイルの磁気通路を完成させ、また第１
、第２回転磁極の相対向面には各々歯が切ってあり、こ
れらの歯の山と谷をガタのある状態で噛合わす。同軸上
に同様な環状コイルと中空環状鉄心と第３、第４の回転
磁極から成るユニットを従続して置き、トルク検出用ト
ーションバーの入力軸に第１の回転磁極を固定し、第４
の回転磁極をトーションバーの出力軸に固定する。又、
第２の回転磁極と第３の回転磁極は回転自在な内側回転
筒に固定され、これらは同時に同期して回転する。この
内側回転筒はスプリングにより常に一定方向の回転力が
与えられていて、第２の回転磁極と第３の回転磁極の歯
が第１の回転磁極と第４の回転磁極の歯を一定方向に押
さえつける構造となっている。

（作　　用） 上記構成に於いて、トルクが零のとき、第１、第２の回
転磁極歯同志が密着状態、第３、第４の回転磁極の歯同
志が密着状態にあり、このとき、両方のコイルの磁気抵
抗が最小となり、両コイルの自己インダクタンスは最大
となる。一方、正方向トルクが加わると、第１、第２の
回転磁極の歯間に空隙ができ、第３、第４の回転磁極の
歯同志は密着状態になるため、前者のコイルの自己イン
ダクタンスは減少する。

また、負方向トルクが加わると、第１、第２の回転磁極
の歯同志は密着状態、第３、第４の回転磁極の歯間に空
隙ができ、後者のコイルの自己インダクタンスは減少す
る。

かくして、本センサの２つのコイルの自己インダクタン
スの変化を検出することによって、トーションバーに加
わるトルクを検出することができる。

（実　施　例） 本発明の実施例を第１図に示し、また、その主要構成部
品の立体図を第２図に示す。また第１図のＡ−Ａの一定
半径の円周方向より回転磁極を見た展開図を第３図に示
す。

第１図の静止している環状コイル１４の回りを静止して
いる中空環状固定子鉄心１０．１１と、固定子鉄心１０
．１１の内側に置かれた回転可能なドーナツ円板状の第
１の回転磁極６と第２の回転磁極７とがとり囲み、コイ
ル１４の磁気通路を形成する。

第１、第２の回転磁極６，７の相対向する側面には第２
図に示すように１２個の歯が切ってあり、これらの歯は
、第３図の展開図のように噛み合っている。

以上の組立、構成と全く同様な組立構成として、環状コ
イル１７の回りを静止している固定子鉄心１２゜１３と
回転可能なドーナツ円板状の第３の回転磁極８と第４の
回転磁極９とがとり囲み、コイル１７の磁気通路を形成
する。第３、第４の回転磁極８゜９の相対向する面にも
１２個の歯が切ってあり、これらの歯は第３図の展開図
のように噛み合っている。

第１の回転磁極６は中空円筒状の非磁性体の第１の回転
筒１の上に固定され、この第１の回転筒１は固定子鉄心
１０の内径面を滑って自由に回転できる。同様に第４の
回転磁極９は第２の回転筒２の上に固定され、この回転
筒２は固定子鉄心１３の内径面を滑って自由に回転でき
るようになっている。また第２の回転磁極７と第３の回
転磁極８は共に内側回転筒３に固定され、この内側回転
筒３は固定子鉄心１１．１２の内径面を滑って自由に回
転できるようになっている。

第１の回転筒１と内側回転筒３の間にスプリング４が介
在し、回転筒１に対し回転筒３が左回転与える。

同様にして、第２の回転筒２と内側回転筒３の間にスプ
リング５が介在し、回転筒２に対し、内側回転筒３が左
回転（第１の回転筒１より第２の回転筒２への軸方向か
ら見て反時計方向に回転）するような回転力を与える。

第１図の回転筒１はトーションバー２１の入力軸２２の
上に固定され１回転筒２はトーションバー２１の出力軸
２３にフレキシブル、カップリング２４を介して固定さ
れる。

固定子鉄心１０．１１．１２．１３は各々接着材で密着
接合され、ケース２０で覆われる。

本センサの主要部品の中、回転筒１と２と３、回転磁極
６と７と８と９．固定子鉄心１ｏと１１と１２と１３は
各々同一形状の同一種類の部品を使う。これらの部品は
大量生産に適するように加圧成形品として生産される。

この場合、上記部品のための成形用金型は３種類で良い
。回転筒１，２．３は固定子鉄心の内径面との滑すマサ
ッを小さくするためテフロン等の摩擦係数の小さいプラ
スチック成形品または、非磁性金属成形品を用いる。回
−転磁極６，７，８．９と固定子鉄心１０．１１．１２
．１３は磁性粉材料を加圧成形し、それを焼結して製造
する方式のフェライトコア、ダストコア、焼結磁性合金
等の成形品で製造することが可能である。

これらの部品は第２図に示した方法で簡単に数分間で組
立てら九最後に接着材で接着すれば完成する。

第１図の環状コイル１４が作る磁束は磁束通路として、
固定子鉄心１１→固定子鉄心１０→第１の回転磁極６→
第２の回転磁極７→固定子鉄心１１を周回する磁気回路
を通る。この磁気回路中に固定子鉄心１０と第１の回転
磁極６の間、固定子鉄心１１と第２の回転磁極７の間に
は空隙があるが、磁極６゜７が固定子鉄心内を回転した
ときこの空隙部の磁気抵抗の変動が、磁気回路中のこれ
以外の全磁気抵抗値に比し無視できる程小さく設計する
。

同様にして、環状コイル１７が作る磁束は磁束通路とし
て、固定子鉄心１３→固定子鉄心１２→第３の回転磁極
８→第４の回転磁極９→固定子鉄心１３を周回する磁気
回路を通る。

さて、第１図の半径一定の円周Ａ−Ａ断面から見た回転
磁極６，７，８．９の展開図である第３図は、トーショ
ンバー２１に加わっているトルクが零のときの回転磁極
６，７，８．９の歯の噛合い状態を示す図で第１の回転
磁極６の歯面の下側に第２の回転磁極７の歯間の上側が
密着しており、第４の回転磁極９の歯面の下側に第３の
回転磁極８の歯間の上側が密着した状態になっている。

これらの歯が密着するようにスプリング４は第１の回転
磁極６の歯を下方向へ、第２の回転磁極７の歯を上方向
へ動かす力を加わえる。同時にスプリング５は第４の回
転磁極９の歯を下方向へ、第３の回転磁極８の歯を上方
向へ動かす力を加ねえる。

第３図のトルク二〇の状態から、トーションバー２１に
正方向のトルクが加わると、入力軸２２と出力軸２３間
に相対的な捩れ角変位が発生し、これが第１の回転筒１
と第２の回転筒２に回転角度変位をもたらす。これによ
り、第３図で、回転筒１が上方へ、回転筒２が下方へ相
対的に変化する。第２の回転筒２が下方へ変位するとこ
の上に固定した第４の回転磁極９の歯を下方に変位させ
、第３の回転磁極８の歯を密着状態で下方へ変位させる
。

これは第３の回転磁極８と内側回転筒３により強固に結
合した第２の回転磁極７の歯も下方へ同じたけ変位させ
る、また第１の回転筒１が上方へ移動すると、この上に
固定した第１の回転磁極６の歯をスプリング４の力に逆
って上方へ変位させる、かくして第１の回転磁極６の歯
間下側と第２の回転磁極７の歯面上側面に空隙が発生し
、その空隙長δはトーションバー２１の捩れ角に比例す
るので、δはトーションバーに加わる正方向のトルクに
比例することになる。

かくして正方向トルクが加わると、コイル１４の磁気回
路中の第１の回転磁極６と第２の回転磁極７の歯間に空
隙ができ、磁気抵抗が増加し、該コイル１４の自己イン
ダクタンスＬを減少させる。今、この歯間の対向空隙面
積をＳとし、歯数をｎとすの式で表現できることは周知
である。

コイル１４の磁気回路中のこの空隙部以外の全磁気抵抗
をＲ６とすれば、コイル１４の巻数をＮとしたとき、コ
イル１４の自己インダクタンスＬは■式で与えられる。

一方、正方向のトルクが加わったとき、第３の回転磁極
８と第４の回転磁極９の歯同志は密着状態のままで、空
隙長δ＝Ｏで変位するので、コイル１７の自己インダク
タンスＬは（０式のδ＝Ｏと置反対に負方向のトルクが
加わると、第３図で、第１の回転筒１が下側へ、第２の
回転筒２が上方へ相対的に変位する。この相対変位は第
１の回転磁極６と第２の回転磁極７の歯間を密着状態に
し、第３の回転磁極８と第４の回転磁極９の歯間にスプ
リング５の力に逆って、空隙長δを発生せしめる。この
δはトーションバー２１に加わる負方向のトルクに比例
することになる。

かくして、負方向のトルクが加わると、コイルリ、コイ
ル１７の自己インダクタンスＬはω式で与えられ、空隙
長δ　（負トルクに比例）の増加と共に、Ｌの値は減少
する。

さて、４回転するハンドル軸と同軸にあるトーションバ
ー２１が回転中、トーションバーにトルクが加わり、一
定の捩れ角変位があると、このトルクに比例した空隙長
δの空隙が歯間に発生し、０）式のコイルの自己インダ
クタンスがトーションバーの回転角に無関係にコイルよ
り得られる。

また、このコイルは静止して居り、スリップリング等の
接触部なしに外部へ電気接続できる。

第３図に於いて、今、トーションバーの捩れ角が大きく
なり過ぎ、例えば正トルクの場合、第１の回転磁極６の
歯間下側と第２の回転磁極７の歯面上側の空隙長と、第
１の回転磁極６の歯面上側と第２の回転磁極７の歯間下
側の空隙長と等しくなる制限トルク値以上になると、コ
イル１４の自己インダクタンスＬは再び増加し始める不
都合が生じる。したがって、この制限トルク値以上にな
るとき、トーションバー２１の捩れ角がこれ以上になら
ない捩れ角制限機構を設けることが必要であるが、自動
車のパワーステアリングの場合、捩れ角過大危険防止の
ため、この制限機構はトーションバーに設けられている
のが普通である。

トルクによって変化するコイル１４．１７の自己インダ
クタンスＬの値を電子回路で検出し、その出力からトル
クに略比例した直流電圧信号を得ることができる。この
電子回路の一実施例を第４図に示す。

第４図で、発振器２５からの交流電圧出力Ｖｓを前記コ
イル１４の端子１５と抵抗２６の一端と同期整流回路２
８の基準入力端子Ｒに接続する。コイル１４の端子１６
とコイル１７の端子１８とを接続し、同期整流回路２８
のＳ十入力端子に接続する。抵抗２６の他端と抵抗２７
の一端を接続し、同期整流回路２８のＳ−入力端子に接
続する。コイル１７の端子１９と抵抗２７の他端をアー
スに接続する。抵抗２６と２７の抵抗値を等しくすると
、Ｓ−入力端子の電圧は常にＶｓ／２になる。

同期整流回路２８はＳ十入力端子とＳ−入力端子間の電
位差が基準入力端子Ｒに加えられる交流電圧と同相のと
き正の、逆相のとき負の電位差振巾に比例して直流電圧
をその出力端子２９に出力する周知の同期整流回路であ
る。

今、トルクが零のとき、コイル１４とコイル１７の８十
入力端子に加わる電圧はＶｓ／２となり、Ｓ十。

Ｓ−入力端子間の電位差はＯｖとなり、出力端子２９に
はＯｖの直流出力電圧が現られれる。

また、正のトルクが加わると、コイル１４の自己インダ
クタンスＬが、■式のように変化し、空隙しかし、コイ
ル１７の自己インダクタンスＬは−Ｖｓ／２から増大し
始め、出力端子２９に正の直流電圧が発生する。

反対に、負のトルクが加わると、コイル１４の自の自己
インダクタンスＬが■式のように変化し、出力端子２９
に負の直流電圧が発生する。

この出力端子２９のトルク検出出力信号は電動パワース
テアリングの制御装置に取り込まれる。

一般に加圧成形品で製造される回転磁極コア、固定子鉄
心コア部品の個別寸法のバラツキを小さく管理すること
は、高温焼結の製造工程上困難である。

一方、本実施例で部品の寸法精度が問題になる箇所とし
て、固定子鉄心と回転磁極との回転部空隙を極力小さく
なるように組立てる必要があるが、これは、第１の回転
磁極と第２の回転磁極間及び第３の回転磁極と第４の回
転磁極間のスラスト方向距離を任意に変えて組立てれる
ので、この回転部空隙を部品のバラツキに無関係に一定
値に管理して組立てることができる利点を持っている。

（他の実施例） 本発明の他の実施例を第５図に示し、また、第５図のＡ
−Ａ断面図の一部を第６図に示す。

第５図の実施例では、第１図の実施例の構成要素である
第２の回転磁極７と第３の回転磁極８とを一諸にして、
中間回転磁極３０で置き換え、第１図の固定子鉄心１１
と１２とを一諸にして、Ｔ形固定子鉄心３３で置き換え
、第１図の固定子鉄心１０．１３を各々Ｌ形固定子鉄心
３１．３２で置き換えている。

第５図の実施例の上記以外の構成要素は第１図のそれと
全く同じであるので第１図と同一の符号を各構成要素に
つけて示した。

また、中間回転磁極３０は内側回転筒３の上に固定され
る。

また、第１図の実施例では固定子鉄心１０．１１゜１２
、１３と回転磁極６，７，８．９間の各磁気通路は軸端
平面の微小長空隙部で得ていたが、第５図の実施例では
、固定子鉄心３１．３３．３２と回転磁極６．３０．９
間の各磁気通路は円周面の空隙部で得ている。

第５図の実施例の作用は第１の実施例と全く同じで、ト
ーションバー２１の捩れ角に応じて、コイル１４．１７
の自己インダクタンスＬが変化する。

この第５図の実施例は、構成部品の磁気コア成形部品の
種類が増えることと、固定子鉄心と回転磁極間の円周部
空隙長を小さくするために、これらコア成形部品の個別
寸法のバラツキを小さく管理する必要があるが、センサ
ーを小形化することができ、第６図に示すように中間回
転磁極３０の両側に歯を切っており、この部分を一体化
したため剛性が強くなり、高精度化を計ることができ、
組立時間を短縮することができる等の利点がある。

〔発明の効果〕

本発明によりば、トルク＝Ｏのとき、δ＝Ｏとなり、コ
イルのＬは■式から回転磁極の歯間の対向空隙面積Ｓに
無関係である。したがって本センサの機械ガタにより、
面積Ｓが変わってもコイル１４、１７の自己インダクタ
ンスＬは一定値Ｎ２／Ｒｏで変化しない利点を持つ。

こ−でＲ６は略鉄心コア材の磁気抵抗であるから、Ｒ，
は両コイルで略同じ温度特性を示す。したがって、第４
図の同期整流器２８のＳ十入力端子には常にＶｓ／２の
電圧が加わり、その出力端子２９はＯｖと変わらず、ト
ル９２０時の零点ドリフトは発生しない。

また、第１の回転筒１、第２の回転筒２の位置が第３図
のトルク＝Ｏの状態にあるとき、例えば、スプリング４
，５の力が弱くなり、第２、第３の１９一 回転磁極７，８が同一の小距離だけ下方向へ移動しても
１回転磁極６と７の歯面間および回転磁極８と９の歯面
間に同一の長さの空隙ができるのでコイル１４と１７の
自己インダクタンスは常に同じ値となり、出力端子２９
はＯｖから変化せず、零点ドリフトは発生しない利点を
持つ。

また、トーションバー２１の捩れ角が小さいときでも、
十分大きな検出信号が得られる。最大トルク時の歯と歯
の間の空隙長δをδ。とすれば、空隙長δがＯからδ、
まで変化するとき、■式のＬを略直線的にδに比例して
変化するようにするには、 の関係にすれば良い。０式の条件で設計すればδまで略
直線的に変化する。０式はδ。が非常に小さくても満足
するように鉄心コアの磁気抵抗Ｒ８と歯対向空隙全面積
ｎＳを実用的な範囲で設計することが可能である。　δ
１の最小値を制限する要因は回転磁極の歯の加工精度だ
けで決まり、トルク＝０の状態で歯同志が密着するとき
の空隙長をいかにＯに近づけれるかで決まる。

このように非常に小さいδ、でも■式の条件を満足させ
れば、大きな検出信号が得られる。この根拠はトルク二
〇のとき、歯間の空隙長δをＯにするようにスプリング
によって歯同志を密着させるようにしている本発明の原
理に依るものである。

また、回転するトーションバーに対し、静止しているコ
イルから電気配線が可能なため、スリップリング等の電
気的接触部なしに外部へ電気接続できる利点がある。

また構成が簡単で、センサを構成する部品は受動部品だ
けであり、半導体のような能動部品はないので広い温度
範囲で使用でき、扱う信号レベルも大きいので電気ノイ
ズの影響を受けず信頼性の高い、機械的に強固な寿命の
長いセンサが得られが得られる。

また、本発明のトルクセンサの第１の回転筒、第２の回
転筒を自由な状態に解放すると、スプリングの圧力によ
り、これらの回転筒が歯同志が密着状態を揃い、自動的
にトルク二〇の位置へ第１、第２の回転筒の回転角を揃
えるので、この状態でトルク二〇トーションバーへ固定
すれば良く、取付組立も容易である利点がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例図、第２図はその主要構成部
品の立体図、第３図はその円周方向展開図、第４図は本
発明のトルクセンサ用電子回路の一実施例図、第５図は
本発明の他の実施例図、第６図はその断面図である。 １・・・第１の回転筒　　　２・・・第２の回転筒３・
・・内側回転筒　　　　４，５・・・スプリング６〜９
・・・回転磁極　　　１０〜１３・・・固定子鉄心１４
、１７・・・コイル　　　　２１・・・トーションバー
代理人　弁理士　則　近　憲　佑 同　　第子丸　健 第２図 第３図 第４図 第５図 第６図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. ドーナツ円板状の側面に多数の歯を持ちトルク検出用ト
   ーシヨンバーの入力軸と共に回転する第１の回転磁極、
   前記第１の回転磁極と同一形状で歯同志が噛合された第
   ２の回転磁極、前記第１の回転磁極と同一形状で前記第
   ２の回転磁極と一体となって同軸上を回転する第３の回
   転磁極、前記第１の回転磁極と同一形状で前記第３の回
   転磁極と歯同志が噛合され前記トーシヨンバーの出力軸
   と共に回転する第４の回転磁極、前記第１の回転磁極お
   よび前記第４の回転磁極に対し前記第２の回転磁極およ
   び前記第３の回転磁極から一定方向の回転力を与える装
   置、前記第１の回転磁極および前記第２の回転磁極を磁
   気回路の一部とする第１の環状コイル、前記第１の環状
   コイルを囲み前記第１の回転磁極および第２の回転磁極
   と微小空隙で磁気回路を形成する第１の静止環状鉄心、
   前記第３の回転磁極および前記第４の回転磁極を磁気回
   路の一部とする第２の環状コイル、前記第２の環状コイ
   ルを囲む前記第３の回転磁極および前記第４の回転磁極
   と微小空隙で磁気回路を形成する第２の静止環状鉄心か
   ら成り、前記トーションバーの捩れ角に応じて前記第１
   、第２の回転磁極または前記第３、第４の回転磁極の歯
   間の空隙長が変化することにより前記第１、第２の環状
   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
   徴とするトーシヨンバー式トルク検出装置。