JPH08240490A

JPH08240490A - トルクセンサ

Info

Publication number: JPH08240490A
Application number: JP7040295A
Authority: JP
Inventors: Koichi Sato; 浩一佐藤; Kazuo Chikaraishi; 一穂力石
Original assignee: NSK Ltd
Current assignee: NSK Ltd
Priority date: 1995-03-06
Filing date: 1995-03-06
Publication date: 1996-09-17

Abstract

(57)【要約】【目的】簡易な構成で高精度のトルク測定が行えるよう
にする。【構成】磁性材料からなる入力軸１に形成された大径部
１Ａに、周方向に間隔を開けて複数の板部材５ａ，５ｂ
を埋め込んで固定するとともに、その大径部１Ａを包囲
するように、導電性で且つ非磁性の材料からなる肉薄の
円筒部材４を、出力軸２と回転方向に一体とする。そし
て、円筒部材４には、円筒部材４及び大径部１Ａ間の相
対回転位置に応じて板部材５ａ，５ｂとの重なり具合が
変化するように、複数の窓４ａ，４ｂを形成し、円筒部
材４の窓４ａが形成された部分をコイル１０で包囲し、
窓４ｂが形成された部分はコイル１１で包囲し、それら
コイル１０，１１の自己誘導起電力を測定し、その結果
に基づいてトルクを求めるようにする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、回転軸に発生するト
ルクを検出するトルクセンサに関し、特に、簡易な構造
で検出感度が高まるようにしたものである。

【０００２】

【従来の技術】従来のトルクセンサとして、例えば特開
昭５７−１９０２４０号公報の第１１図に開示されたも
のがあり、この従来のトルクセンサは、相対回転可能に
同軸に配設された入力軸及び出力軸の重なり合った部分
を、アルミニウム製の比較的短い円筒部材で包囲すると
ともに、入力軸及び出力軸間の相対変位に応じてその円
筒部材を軸方向に進退させるようになっている。そし
て、円筒部材の周囲にはコイルが配設されていて、その
コイルに誘導される自己誘導起電力を測定し、その結果
に基づいて入力軸及び出力軸間の相対回転変位（トル
ク）を検出するようにしていた。つまり、円筒部材が軸
方向に進退すると、コイルの自己インダクタンスが変化
するから、コイルの自己誘導起電力に基づけば入力軸及
び出力軸に生じているトルクが検出できる、というもの
であった。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
た従来のトルクセンサにあっては、第１及び第２の回転
軸間の相対回転変位を、円筒部材の軸方向変位に変換す
る機構が必要であったため、構造が複雑になりその分信
頼性も落ちるという問題点があった。また、アルミニウ
ム製の円筒部材を変位させるだけでは、コイルの自己イ
ンダクタンスを急峻に変化させることはできなかった。
このため、センサ感度を高くするには例えばコイルの巻
き数を多くすること等が必要となるが、これでは装置の
大型化等を招いてしまうという欠点がある。

【０００４】本発明は、このような従来の技術が有する
未解決の課題に着目してなされたものであって、簡易な
構造でしかも検出感度を高めることができるトルクセン
サを提供することを目的としている。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明に係るトルクセンサは、同軸に配設された第
１及び第２の回転軸をトーションバーを介して連結する
とともに、導電性で且つ非磁性の材料からなる円筒部材
を、前記第１の回転軸の外周面を包囲するように、前記
第２の回転軸と回転方向に一体とし、前記第１の回転軸
を磁性材料から構成し、前記第１の回転軸の前記円筒部
材に包囲された被包囲部の周方向の一部に導電性で且つ
非磁性の材料からなる部分を形成し、前記円筒部材に
は、前記第１の回転軸との間の相対回転位置に応じて前
記導電性で且つ非磁性の材料からなる部分との重なり具
合が変化するように窓を形成し、そして、前記円筒部材
の前記窓が形成された部分を包囲するようにコイルを配
設し、そのコイルに起電力を誘導させてこれを測定する
起電力測定手段を設け、その起電力測定手段の測定結果
に基づいて、前記第１及び第２の回転軸に発生するトル
クを検出するようにした。

【０００６】

【作用】例えば第１の回転軸を入力軸とし、第２の回転
軸を出力軸とすれば、第１の回転軸からトーションバー
を介して第２の回転軸にトルクが伝達するため、それら
第１の回転軸及び第２の回転軸間には、トーションバー
の捩じれを伴って相対回転が生じる。すると、第１の回
転軸と円筒部材との間にも相対回転が生じるから、第１
の回転軸に形成された導電性で且つ非磁性の材料からな
る部分と、円筒部材に形成された窓との重なり具合が変
化する。

【０００７】そして、それら部分及び窓の重なり面積が
大きければ、円筒部材の窓の多くの部分が導電性で且つ
非磁性の材料で覆われたことになり、これは、磁性材料
からなる第１の回転軸の被包囲部の比較的多くの部分
が、導電性で且つ非磁性の材料で覆われたことと等価に
なる。逆に、その重なり面積が小さければ、磁性材料か
らなる第１の回転軸の被包囲部の比較的少ない部分が、
導電性で且つ非磁性の材料で覆われたことと等価にな
る。

【０００８】ここで、本発明における非磁性の材料と
は、常磁性体及び一部の反磁性体のことであり、磁性材
料とは、強磁性体のことである。そして、非磁性材料の
透磁率は、空気と同程度であり、磁性体の透磁率に比べ
て小さい。また、導電体に磁束が鎖交するとその磁束の
変化を妨げるように“うず電流”が生じ、これによって
磁界が発生するため、物質内を均等に磁束が通らないで
表皮部分に磁束が集中する表皮効果が表れる。従って、
導電性で且つ非磁性材料からなる領域は、空気よりも磁
束を通し難い性質を有する。

【０００９】このため、上述したように導電性で且つ非
磁性の材料からなる部分と窓との重なり具合の変化によ
って、第１の回転軸の被包囲部に占める導電性で且つ非
磁性の材料で覆われた領域が変化すると、コイルの自己
インダクタンス，相互インダクタンスは、磁性材料と、
導電性で且つ非磁性の材料との間に磁束の通しやすさに
大きな差があるから、第１の回転軸と円筒部材との間の
相対回転に応じて急峻に変化する。

【００１０】そして、コイルの誘導起電力が起電力測定
手段によって測定されるが、コイルの自己インダクタン
ス，相互インダクタンスが、第１の回転軸と円筒部材と
の間の相対回転に応じて変化することから、その測定結
果に基づけば、第１及び第２の回転軸に発生するトルク
が検出される。

【００１１】

【実施例】以下、この発明の実施例を図面に基づいて説
明する。図１乃至図６は本発明の第１実施例を示す図で
あって、これは本発明に係るトルクセンサを、車両用の
電動パワーステアリング装置に適用したものである。先
ず、構成を説明すると、車両の操舵系の一部分の断面図
である図１に示すように、同軸に且つ回転自在に配置さ
れた入力軸１及び出力軸２間が、トーションバー３を介
して連結されている。なお、これら入力軸１及び出力軸
２は、鉄等の磁性材料から形成されている。

【００１２】入力軸１の図示しない図１右端側には、ス
テアリングホイールが回転方向に一体に取り付けられて
おり、また、出力軸２の図示しない図１左端側には、例
えば公知のラックアンドピニオン式ステアリング装置を
構成するピニオン軸が連結されている。従って、操縦者
がステアリングホイールを操舵することによって発生し
た操舵力は、入力軸１，トーションバー３，出力軸２及
びラックアンドピニオン式ステアリング装置を介して、
図示しない転舵輪に伝達する。

【００１３】また、出力軸２の入力軸１側端面には、ト
ーションバー３の挿入部からさらに径方向に延びた溝２
ａが形成されていて、この溝２ａには、入力軸１の出力
軸２側端面に形成された凸部１ａが挿入されている。た
だし、溝２ａの幅（周方向寸法）は、凸部１ａの幅より
も若干広くなっていて、これにより、入力軸１及び出力
軸２間の所定範囲（例えば、±５度程度）以上の相対回
転を防止している。

【００１４】なお、出力軸２には、図示しない電動モー
タの回転力が例えばウォームギア等を介して伝達される
ようになっている。つまり、電動モータへの駆動電流の
方向及び大きさを適宜制御することにより、出力軸２に
任意の方向及び大きさの操舵補助トルクが付与されるよ
うになっている。一方、入力軸１の出力軸２に近接した
部分の外周面には、入力軸１と同軸の大径部１Ａが形成
されていて、この大径部１Ａの外周面に近接してこれを
包囲するように、肉薄の円筒部材４が配設されている。

【００１５】即ち、円筒部材４は、導電性で且つ非磁性
の材料（例えば、アルミニウム）から形成され、その図
１左方側端部内面には小径部４Ａが形成されていて、そ
の小径部４Ａが出力軸２に同軸に外嵌している。これに
より、円筒部材４は出力軸２と回転方向に一体となって
いる。さらに、円筒部材４の大径部１Ａを包囲する肉薄
の部分のうち、小径部４Ａから遠い側には、周方向に等
間隔離隔した長方形の複数（この実施例では、六つ）の
窓４ａ，…，４ａが形成され、小径部４Ａに近い側に
は、窓４ａ，…，４ａと位相が１８０度ずれるように周
方向に等間隔離隔した長方形（窓４ａと同形状）の複数
（この実施例では、六つ）の窓４ｂ，…，４ｂが形成さ
れている。

【００１６】より具体的には、窓４ａ，…，４ａは、円
筒部材４の周面を周方向に１２等分し、その１２当分さ
れた領域を一つ置きに長方形に開口することにより形成
されており、窓４ｂ，…，４ｂは、窓４ａ，…，４ａ同
士の間の開口していない部分に対応する部分を開口する
ことにより形成されている。これに対し、入力軸１の円
筒部材４で包囲される大径部１Ａのうち、窓４ａ，…，
４ａが形成された部分の内側には、周方向に等間隔離隔
した長方形（窓４ａと同形状）の複数（この実施例で
は、六つ）の板部材５ａ，…，５ａが埋設して固定さ
れ、窓４ｂ，…，４ｂが形成された部分の内側には、板
部材５ａ，…，５ａと同相に周方向に等間隔離隔した長
方形（板部材５ａと同形状）の複数（この実施例では、
六つ）の板部材５ｂ，…，５ｂが埋設して固定されてい
る。なお、各板部材５ａ，５ｂは、円筒部材４と同様
に、導電性で且つ非磁性の材料（例えば、アルミニウ
ム）から構成されている。

【００１７】ただし、入力軸１及び出力軸２間に相対回
転が生じていないとき（操舵トルクが零のとき）に、図
１のＡ−Ａ線における入力軸１及び円筒部材４の断面図
である図２に示すように窓４ａ及び板部材５ａが半分だ
け重なるように、円筒部材４及び板部材５ａは位置合わ
せをされている。従って、図１のＢ−Ｂ線における入力
軸１及び円筒部材４の断面図である図３に示すように、
操舵トルクが零のときには、窓４ｂ及び板部材５ｂも半
分だけ重なるようになるが、窓４ａと４ｂとの間の位相
が１８０度ずれているため、窓４ａ及び板部材５ａの重
なり状態と、窓４ｂ及び板部材５ｂの重なり状態とは、
図２，図３及び円筒部材４を固定した状態の入力軸１，
出力軸２の正面図である図４からも明らかなように、周
方向で逆になっている。

【００１８】そして、円筒部材４は、同一規格のコイル
１０及び１１が巻き付けられたボビン１２を内周側に支
持する磁性材料からなるヨーク９で包囲されている。即
ち、コイル１０及び１１は、円筒部材４と同軸に配置さ
れていて、コイル１０は窓４ａ，…，４ａが形成された
部分を包囲するようにボビン１２に巻き付けられ、コイ
ル１１は窓４ｂ，…，４ｂが形成された部分を包囲する
ようにボビン１２に巻き付けられている。

【００１９】コイル１０及び１１は、図示しないセンサ
ケースに収容されたモータ制御回路に接続されている。
モータ制御回路は、例えば図５に示すように、所定周波
数の交流電流をコイル１０，１１に供給する発振部２１
と、コイル１０の自己誘導起電力を整流及び平滑して出
力する整流・平滑回路２２と、コイル１１の自己誘導起
電力を整流及び平滑して出力する整流・平滑回路２３
と、整流・平滑回路２２の出力及び整流平滑回路２３の
出力の差を増幅して出力する差動アンプ２４Ａ，２４Ｂ
と、差動アンプ２４Ａの出力から高周波ノイズ成分を除
去するノイズ除去フィルタ２５Ａと、差動アンプ２４Ｂ
の出力から高周波ノイズ成分を除去するノイズ除去フィ
ルタ２５Ｂと、それらノイズ除去フィルタ２５Ａ，２５
Ｂの出力の例えば平均値に基づいて入力軸１及び円筒部
材４の相対回転変位の方向及び大きさを演算しその結果
に例えば所定の比例定数を乗じて操舵系に発生している
操舵トルクを求めるトルク演算部２６と、トルク演算部
２６の演算結果に基づいて操舵トルクを軽減する操舵補
助トルクが発生するような駆動電流Ｉを電動モータに供
給するモータ駆動部２７と、から構成されている。

【００２０】次に、本実施例の動作を説明する。今、操
舵系が直進状態にあり、操舵トルクが零であるものとす
ると、入力軸１及び出力軸２間には相対回転は生じな
い。従って、入力軸１と円筒部材４との間にも、相対回
転は生じない。一方、ステアリングホイールを操舵して
入力軸１に回転力が生じると、その回転力は、トーショ
ンバー３を介して出力軸２に伝達される。このとき、出
力軸２には、転舵輪及び路面間の摩擦力や出力軸２の図
示しない左端側に構成されたラックアンドピニオン式ス
テアリング装置のギアの噛み合い等の摩擦力に応じた抵
抗力が生じるため、入力軸１及び出力軸２間には、トー
ションバー３が捩じれることによって出力軸２が遅れる
相対回転が発生し、入力軸１及び円筒部材４間にも相対
回転が生じる。

【００２１】ここで、例えば右操舵トルク（右回転方向
操舵時に発生する操舵トルク）発生時には、操舵トルク
零の場合に比べて、窓４ａ及び板部材５ａの重なり合っ
た面積は小さくなり、窓４ｂ及び板部材５ｂの重なり合
った面積は大きくなる。逆に、左操舵トルク（左回転方
向操舵時に発生する操舵トルク）発生時には、操舵トル
ク零の場合に比べて、窓４ａ及び板部材５ａの重なり合
った面積は大きくなるのに対し、窓４ｂ及び板部材５ｂ
の重なり合った面積は小さくなる。

【００２２】そして、窓４ａ及び板部材５ａ，窓４ｂ及
び板部材５ｂが重なり合った部分は、その内側に配設さ
れる磁性材料からなる大径部１Ａの表面を隠すことにな
る。換言すれば、大径部１Ａの外周面のうち、導電性で
且つ非磁性の材料からなる円筒部材４及び板部材５ａ，
５ｂで覆われた部分が操舵トルクに応じて変化するので
あり、具体的には、右操舵トルク発生時には、その方向
の操舵トルクが大きくなるに従って、コイル１０の内側
では大径部１Ａの外周面の露出領域が増大し、コイル１
１の内側ではその外周面の露出領域は減少する。逆に、
左操舵トルク発生時には、その方向の操舵トルクが大き
くなるに従って、コイル１０の内側では大径部１Ａの外
周面の露出領域が減少し、コイル１１の内側ではその外
周面の露出領域は増大する。

【００２３】すると、大径部１Ａは、円筒部材４，板部
材５ａ，５ｂよりも磁束を通しやすい性質を有している
ため、右操舵トルク発生時には、コイル１０の自己イン
ダクタンスは増大しコイル１１の自己インダクタンスは
減少するから、コイル１０の自己誘導起電力は大きくな
り、コイル１１の自己誘導起電力は小さくなる。逆に、
左操舵トルク発生時には、コイル１０の自己インダクタ
ンスは減少しコイル１１の自己インダクタンスは増大す
るから、コイル１０の自己誘導起電力は小さくなり、コ
イル１１の自己誘導起電力は大きくなる。

【００２４】従って、コイル１０及び１１の自己誘導起
電力の差を求める差動アンプ２４Ａ及び２４Ｂの出力
は、図６に示すように、操舵トルクの方向及び大きさに
従ってリニアに変化するようになる。また、差動アンプ
２４Ａ及び２４Ｂにおいて整流・平滑回路２２，２３の
差を求めているため、温度等による自己インダクタンス
の変化はキャンセルされる。

【００２５】そして、トルク演算部２６は、ノイズ除去
フィルタ２５Ａ，２５Ｂを介して供給される差動アンプ
２４Ａ，２４Ｂの出力の平均値を演算し、その値に例え
ば所定の比例定数を乗じて操舵トルクを求め、その結果
をモータ駆動部２７に供給する。モータ駆動部２７は、
操舵トルクの方向及び大きさに応じた駆動電流Ｉを電動
モータに供給する。

【００２６】すると、電動モータには、操舵系に発生し
ている操舵トルクの方向及び大きさに応じた回転力が発
生し、その回転力がウォームギア等を介して出力軸２に
伝達されるから、出力軸２に操舵補助トルクが付与され
たことになり、操舵トルクが減少し、操縦者の負担が軽
減される。そして、導電性で且つ非磁性の材料からなる
円筒部材４及び板部材５ａ，５ｂは、交番磁界と鎖交す
る場合には、うず電流が発生して磁束を通し難くなるた
め、空気よりも更に磁束を通し難い性質を有する。これ
に対し、入力軸１の大径部１Ａは、磁束を通し易い（空
気よりも通し易い）。従って、大径部１Ａ外周面の露出
面積の変化は、コイル１０，１１の自己インダクタンス
を急峻に変化させることになるから、差動アンプ２４
Ａ，２４Ｂの出力を急峻にしてセンサ感度を上げること
ができる。逆に、センサ感度が従来のままでよければ、
コイル１０，１１の巻き数等を少なくしてコイル１０，
１１を小型化できる。

【００２７】また、円筒部材４及び板部材５ａ，５ｂ内
を通過する磁束は、うず電流による表皮効果によって、
コイル１０，１１に近い表皮部分に集中することにな
る。ちなみに、コイル１０，１１に供給する交流電流の
周波数をｆ、円筒部材４，板部材５ａ，５ｂをなす材料
の透磁率をμ、その電気伝導率をσとすれば、磁束が集
中する表皮の厚さδは、下記の（１）式のようになる。

【００２８】 δ＝２／（２πｆ・σ・μ）^1/2 ……（１）つまり、円筒部材４，板部材５ａ，５ｂの厚みは、上記
（１）式で求められる厚さδ以上あればよいから、円筒
部材４，板部材５ａ，５ｂを含んだセンサ部分の外径寸
法を小さくできるし、特に本実施例では、板部材５ａ，
５ｂを大径部１Ａに埋め込んで固定しているため、セン
サ部分の外形寸法を最小限に抑えることができる。

【００２９】さらに、本実施例のように板部材５ａ，５
ｂを大径部１Ａに埋設すれば、その分、コイル１０，１
１と大径部１Ａとの間の距離を短くできるため、センサ
感度をより向上させることができるという利点がある。
以上から、本実施例の構成であれば、トルクセンサが配
設される部分を従来に比べて小型化（細く）できるとい
う利点があり、本実施例のようにスペース的な余裕が小
さい車両に適用される装置にとっては特に有益である。

【００３０】さらには、入力軸１及び出力軸２間の相対
回転変位を他の部材の直進運動に変換する機構が必要が
ないから、構造が簡易であるし、変換機構が不要な分、
精度が向上するという利点がある。ここで、本実施例に
あっては、入力軸１が第１の回転軸に対応し、出力軸２
が第２の回転軸に対応し、大径部１Ａが被包囲部に対応
し、発振部２１，整流・平滑回路２２，２３及び差動ア
ンプ２４Ａ，２４Ｂによって起電力測定手段が構成され
る。

【００３１】図７は本発明の第２実施例を示す図であっ
て、上記第１実施例の図４と同様に円筒部材４等を固定
した状態の入力軸１，出力軸２の正面図である。なお、
上記第１実施例と同様の部材，部位には、同じ符号を付
し、その重複する説明は省略する。即ち、上記第１実施
例では、軸方向に離隔した二列の板部材５ａ，…，５
ａ、板部材５ｂ，…，５ｂを設けているが、本実施例で
は、軸方向に長い板部材５ｃ，…，５ｃを設けることに
より、それら二列の板部材５ａ，…，５ａ、板部材５
ｂ，…，５ｂを共通化したものである。これにより、製
造コストを低減できるという利点がある。その他の作用
効果は上記第１実施例と同様である。

【００３２】なお、上記実施例では、信頼性を向上させ
るために、差動アンプ２４Ａ，２４Ｂ及びノイズ除去フ
ィルタ２５Ａ，２５Ｂを二系統設けているが、これは必
ずしも必要ではなく、個々の回路の信頼性が十分であれ
ば一系統であっもよいし、逆に三系統以上設けてもよ
い。また、上記実施例では、本発明に係るトルクセンサ
を、車両用の電動パワーステアリング装置に適用した場
合について説明したが、本発明の適用対象はこれに限定
されるものではない。

【００３３】そして、上記実施例では、コイル１０，１
１の自己誘導起電力を測定する構成としているが、発振
コイルを設けることにより相互誘導起電力を測定する構
成としてもよい。或いは、差動を採ることなく、一つの
コイルの自己誘導起電力，相互誘導起電力に基づいてト
ルクを求めるようにしてもよい。さらに、上記実施例で
は、大径部１Ａの導電性で且つ非磁性の材料からなる部
分を、板部材５ａ，５ｂ，５ｃで形成した場合について
説明したが、これに限定されるものではなく、上述した
ように板部材５ａ，５ｂ，５ｃの厚さはδ以上あればよ
いのであるから、大径部１Ａの導電性で且つ非磁性の材
料からなる部分はメッキ処理で形成するようにしてもよ
い。

【００３４】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
第２の回転軸と一体に回転する導電性で且つ非磁性の材
料からなる円筒部材に窓を形成するとともに、第１の回
転軸を磁性材料から構成し、その第１の回転軸の円筒部
材に包囲された被包囲部の周方向の一部に導電性で且つ
非磁性の材料からなる部分を形成し、そして、それら窓
と導電性で且つ非磁性の材料からなる部分との重なり具
合の変化をコイルの起電力に基づいて測定し、その測定
結果に基づいて第１及び第２の回転軸に発生するトルク
を検出するようにしたため、簡易な構造で高精度のトル
ク検出が行え、しかも装置の小型化も図れるという効果
がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例の構成を示す正断面図であ
る。

【図２】図１のＡ−Ａ線における円筒部材の断面図であ
る。

【図３】図１のＢ−Ｂ線における円筒部材の断面図であ
る。

【図４】円筒部材を固定した状態の正面図である。

【図５】モータの制御回路の一例を示す回路図である。

【図６】操舵トルクと差動アンプの出力との関係を示す
グラフである。

【図７】本発明の第２実施例における円筒部材を固定し
た状態の正面図である。

【符号の説明】

１入力軸（第１の回転軸）１Ａ大径部（被包囲部）２出力軸（第２の回転軸）３トーションバー４円筒部材４ａ，４ｂ窓５ａ，５ｂ，５ｃ板部材（導電性で且つ非磁性の材料
からなる部分）１０，１１コイル２１発振部２２，２３整流・平滑回路２４Ａ，２４Ｂ差動アンプ２５Ａ，２５Ｂノイズ除去フィルタ２６トルク演算部２７モータ駆動回路

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】同軸に配設された第１及び第２の回転軸
をトーションバーを介して連結するとともに、導電性で
且つ非磁性の材料からなる円筒部材を、前記第１の回転
軸の外周面を包囲するように、前記第２の回転軸と回転
方向に一体とし、前記第１の回転軸を磁性材料から構成
し、前記第１の回転軸の前記円筒部材に包囲された被包
囲部の周方向の一部に導電性で且つ非磁性の材料からな
る部分を形成し、前記円筒部材には、前記第１の回転軸
との間の相対回転位置に応じて前記導電性で且つ非磁性
の材料からなる部分との重なり具合が変化するように窓
を形成し、そして、前記円筒部材の前記窓が形成された
部分を包囲するようにコイルを配設し、そのコイルに起
電力を誘導させてこれを測定する起電力測定手段を設
け、その起電力測定手段の測定結果に基づいて、前記第
１及び第２の回転軸に発生するトルクを検出することを
特徴とするトルクセンサ。