JPH11344393A - トルクセンサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】磁歪材の被検出軸への取付誤差を防止すること
により磁歪材の透磁率を正確に変化させ、トルクの検出
精度を高めることができるトルクセンサを提供すること
にある。 【解決手段】磁歪材５の内周面に軸方向に沿って凹部５
ｄを形成し、該凹部５ｄを、凸部２ａが形成されたシャ
フト２に嵌合させながら圧入することにより磁歪材５が
シャフト２に固定される。磁歪材５はシャフト２にトル
クが作用したときに磁束が増える領域と減少する領域と
の２つの磁歪領域Ｘ，Ｙを備える。２つの励磁用コイル
が磁歪材５の各領域Ｘ，Ｙを通る磁束を発生させ、２つ
の検出用コイルがシャフト２に作用するトルクに応じて
磁歪材５の各領域Ｘ，Ｙが歪むことによる磁束の変化を
正確に検出する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、被検出軸に作用す
るトルクを磁歪材の透磁率の変化を利用して検出するト
ルクセンサに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】この種の磁歪式のトルクセンサは、シャ
フトの外周面に固定された磁歪材がシャフトに働くトル
クによって捻じれて歪むことによりその透磁率がトルク
に応じて変化し、この透磁率変化に対応した磁束変化に
基づいて検出用コイルに誘導される誘導起電力からトル
クを検出するようになっている。磁歪式トルクセンサと
して被検出軸自身を磁歪材で形成すると、被検出軸の磁
気特性と機械的な強度とを両立させるのが難しく、加工
も難しいという問題があるため、一般に被検出軸の表面
に磁歪材が設けられる。

【０００３】被検出軸に磁歪材を固定するトルクセンサ
として、実開昭５９−１１７９３２号の明細書に開示さ
れているものがある。このトルクセンサにおいて、図４
に示すように、磁歪材３０は、その内周面において軸方
向に延びる多数の凹条３１が形成され、被検出軸３２の
外周に形成された凸条（スプライン）３３と嵌合するよ
うになっている。そして、２つのストッパリング３４が
磁歪材３０の両端部を締め付け固定している。つまり、
この凹条３１及び凸条３３により円周方向のズレを防止
するとともに、ストッパリング３４を用いて軸方向のズ
レを防止して、磁歪材３０を被検出軸３２に固定するよ
うになっている。

【０００４】しかしながら、このようなトルクセンサに
おいては、２つのストッパリング３４が必要となるため
コスト面等において不利な面も多く実用的でなく、本出
願人は、従来より磁歪材を溶接することによって被検出
軸に固定するようにしていた。

【０００５】具体的には、図５に示すように、シャフト
（被検出軸）４０に円筒状の磁歪材４１が嵌合され、そ
の両端部４１ａを溶接してシャフト４０に対し一体回転
可能に固定している。磁歪材４１の表面に多数の溝が軸
心方向に４５゜と−４５゜の角度をなすように形成され
た二つの磁歪領域Ｘ，Ｙが形成されている。そして、図
６に示すように、磁歪材４１の外側に励磁用コイル４
２，４３及び検出用コイル４４，４５が各磁歪領域Ｘ，
Ｙに対応して２組みずつ配設され、励磁用コイル４２，
４３は交流電源４６に接続され、検出用コイル４４，４
５は処理回路４７に接続されている。

【０００６】このようなトルクセンサにおいて、シャフ
ト４０にトルクが加わると、このトルクに応じて各磁歪
領域Ｘ，Ｙが歪み、この歪みに応じて各磁歪領域Ｘ，Ｙ
の透磁率が変化する。そして、各磁歪領域Ｘ，Ｙの透磁
率に基づいて各検出用コイル４４，４５に誘起された出
力電圧の差を処理回路４７が検出して、この電圧の差か
らトルクが求められるようになっている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】ところが、図５に示す
ように磁歪材４１の両端部４１ａを溶接して固定したも
のでは、溶接部において熱変形等や残留応力を伴うため
に磁歪材４１とシャフト４０との接合強度にばらつきが
生じ、シャフト４０に作用するトルクに応じた応力が磁
歪材４１の両磁歪領域Ｘ，Ｙに不均一に加わる。即ち、
両磁歪領域Ｘ，Ｙにおける透磁率の変化のバランスがく
ずれてしまう。より詳しくは、各磁歪領域Ｘ，Ｙにおい
て均一な磁歪特性を有する磁歪材４１を用いたとして
も、溶接する際に、左右及び円周方向に強く接合してい
る部分と弱く接合している部分が生じたり、残留応力が
あるために溶接後の時間経過により接合強度の変化が起
こってしまう。つまり、各磁歪領域Ｘ，Ｙへの応力の伝
わり方が異なることになり各磁歪領域Ｘ，Ｙでの透磁率
の変化量が異なってしまう。また、熱変形や残留応力に
より磁歪材の磁気特性そのものが劣化し、出力感度の低
下をまねく。この透磁率の変化量は両磁歪領域Ｘ，Ｙの
左右バランスだけでなく、円周方向にもばらつきを生じ
る。その結果、トルクの大きさに応じて各検出用コイル
４４，４５から出力される出力電圧がズレたり、シャフ
ト４０が回転することによって出力電圧が変動してしま
う。

【０００８】このように、磁歪材４１をシャフト４０に
固定（溶接）する時の取付誤差が原因で検出用コイル４
４，４５の出力特性に個体差（誤差）が生じてしまうた
め、トルクの検出精度が低下するという問題が生じてい
た。

【０００９】そこで、本発明の目的は、磁歪材の被検出
軸への取付誤差を防止することにより磁歪材の透磁率を
正確に変化させ、トルクの検出精度を高めることができ
るトルクセンサを提供することにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】請求項１に記載の発明
は、被検出軸の外周面に固定する筒状の磁歪材と、前記
磁歪材を通る磁束を発生させる励磁用コイルと、前記被
検出軸に作用するトルクに応じて前記磁歪材が歪むこと
による前記磁束の変化を検出するための検出用コイルと
を備えたトルクセンサにおいて、前記磁歪材の内周面に
軸方向に沿って凹部または凸部を形成し、該凹部または
凸部を、凸部または凹部が形成された前記被検出軸に嵌
合させながら圧入することにより前記磁歪材を被検出軸
に固定するようにしたものである。

【００１１】請求項２に記載の発明では、請求項１に記
載の発明において、前記磁歪材は、前記被検出軸にトル
クが作用したときに磁束が増加する磁歪領域と、磁束が
減少する領域とを備え、前記励磁用コイルは、それぞれ
対応する磁歪領域毎に設けられ、それぞれの磁歪領域毎
に対して磁束を発生させるものであり、前記検出用コイ
ルは、それぞれ対応する磁歪領域毎に設けられ、それぞ
れの磁歪領域毎における磁束の変化を検出するものであ
り、前記各検出用コイルに誘導される電圧の差からトル
クを求めるものである。

【００１２】請求項１に記載の発明によれば、磁歪材の
内周面には軸方向に沿って凹部または凸部が形成され、
該凹部または凸部を、凸部または凹部が形成された被検
出軸に嵌合させながら圧入することにより磁歪材が固定
される。このように、図４のような軸線方向のズレを防
止するための２つのストッパリング３３を用いずに、凹
部と凸部を嵌合させながら圧入することによって磁歪材
を被検出軸の外周面に固定すれば、軸方向のズレが防止
されるとともに、図５のような溶接による取付時の誤差
も抑制される。つまり、磁歪材を被検出軸に固定する際
の取付誤差に伴う接合強度のばらつきが防止され、被検
出軸に作用するトルクに応じた応力が確実に磁歪材に加
わることになり、磁歪材における透磁率を正確に変化さ
せることができる。

【００１３】請求項２に記載の発明によれば、請求項１
に記載の発明の作用に加え、被検出軸にトルクが作用し
たときに磁束が増加する磁歪領域と、磁束が減少する領
域にそれぞれ検出用コイルが設けられ、各磁歪領域おけ
る磁束の変化により該各検出用コイルに誘導される電圧
の差からトルクが求められる。このように、２つの磁歪
領域を有する筒状の磁歪材を、その内周面に凹部または
凸部を形成し、凸部または凹部が形成された被検出軸に
嵌合させながら圧入することにより固定すれば、固定時
の取付誤差を防止することができ、各領域間における透
磁率の変化のバランスがくずれることを確実に防止でき
る。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下、本発明をパワーステアリン
グ装置に利用されるトルクセンサに具体化した実施の形
態を図１及び図２に従って説明する。

【００１５】図１はトルクセンサ１が組付けられた部分
における断面図である。トルクセンサ１はステアリング
シャフト（以下、単にシャフトという）２に外嵌された
磁歪特性を有する被検出部３と、被検出部３の歪みによ
る磁気的変化を検出するための検出部４とから構成され
ている。

【００１６】被検出部３は、シャフト２に取着された円
筒状の磁歪材５であって、該磁歪材５は本実施の形態で
はシャフト２に対して一体回転可能に取り付けられてい
る。詳しくは、磁歪材５は磁気歪み効果を有するもので
あって、パーマロイ、鉄・ニッケル・クロム合金、Ｎｉ
SpanＣ等の高透磁率軟磁性材料が使用されている。図
１及び図２に示すように、磁歪材５には２つの凸部が設
けられ、その表面は、軸線方向に４５と−４５°をなす
多数の切欠溝５ａがそれぞれ周方向に等間隔に形成され
た２つの被検出領域Ｘ，Ｙが形成されている。各被検出
領域Ｘ，Ｙの外側にはベアリング６の内輪が圧入固定す
る連結部５ｂが設けられ、その連結部５ｂの外側、即
ち、円筒状の磁歪材５の両端部外周面には雄ネジ５ｃが
形成されている。

【００１７】磁歪材５の内周面には図２に示すように、
軸方向に沿って平行に、かつ、円周方向に等間隔となる
ように４つの凹部５ｄが形成されている。より具体的に
は、磁歪スリーブ加工を行うことによって図２に示すよ
うな磁歪材５を形成し、加工時の歪みによる影響を除去
するために磁性焼鈍を行った後に、磁歪材５をシャフト
２の外周面に軸方向にそれぞれ平行に形成された４つの
凸部２ａに嵌合させながら圧入して固定する。つまり、
シャフト２が回転してトルクに応じた応力が磁歪材５に
加わったときにおいて、磁歪材５が軸方向及び円周方向
にズレないようになっている。ここで、凹部５ｄを形成
し、凸部２ａに嵌合させながら圧入して磁歪材５をシャ
フト２に固定しているので、圧入のみで固定するものと
比べ、圧入時の圧力を軽くすることができる。

【００１８】なお、磁歪材５には、鉄−アルミニウム系
の磁歪材料、アモルファス磁歪材料を使用することもで
きる。図１に示すように、検出部４は、磁歪材５に対し
て２つのベアリング（ラジアルベアリング）６を介して
相対回転可能に支持された固定子７と、内側に励磁用コ
イル８，９が巻回され外側に検出用コイル１０，１１が
巻回されたボビンＢ１，Ｂ２とを備えている。固定子７
は、例えば、パーマロイ等が用いられており、２つのヨ
ーク１２，１３とその間に圧入して接合されるヨークリ
ング１４から構成されている。そして、ヨーク１２，１
３とヨークリング１４にて形成される固定子７の内周面
の円周方向には磁歪材５の各被検出領域Ｘ，Ｙと対向す
る位置に２つの溝部７ａ，７ｂが形成され、各溝部７
ａ，７ｂには各コイル８，１０，９，１１がそれぞれ巻
回されたボビンＢ１，Ｂ２が収納される。このボビンＢ
１，Ｂ２の材料としては樹脂、例えば、ＰＢＴ（ポリブ
チレンテレフタレート）が用いられる。

【００１９】磁歪材５の両端部外周面に設けられた雄ネ
ジ５ｃにはスラスト方向位置決め部材１５，１６が螺合
され、この部材１５，１６を用いてベアリング６を介し
て固定子７が磁歪材５に対しその軸線方向にズレないよ
うになっている。

【００２０】励磁用コイル８，９は交流電源１７に接続
され、検出用コイル１０，１１は処理回路１８に接続さ
れている。励磁用コイル８，９に交流電流が流れること
により、磁歪材５の表面には２つの被検出領域Ｘ，Ｙに
固定子７→磁歪材５→固定子７を磁束が通る２種類の磁
気回路が形成される。磁束は磁歪材５の２つの領域Ｘ，
Ｙに沿って軸線方向に対して４５°または−４５°の方
向に通る。この磁束の変化により検出用コイル１０，１
１に誘導される起電力が処理回路１８に出力される。

【００２１】シャフト２にトルクが作用したとき、その
際の回転方向に応じて２つの被検出領域Ｘ，Ｙには一方
に圧縮力が他方に引張力が作用する。磁歪材５は、引張
力が作用すると透磁率が大きくなり、圧縮力が作用する
と透磁率が小さくなる。このため、各検出用コイル１
０，１１から出力される誘導起電力は、引張力が働いた
被検出領域を検出する側で大きく、圧縮力が働いた被検
出領域を検出する側で小さくなる。

【００２２】処理回路１８は、両検出用コイル１０，１
１から入力した誘導起電力を図示しない差動回路で減算
し、その減算した信号を内部に設けられた整流回路等で
整流して公知の回路でトルクの値を求めるようになって
いる。差動回路で減算するのは、温度変化等による外乱
ノイズを相殺して補償することで、精度の高いトルク検
出を行うためである。シャフト２にトルクが作用してい
ないときに処理回路１８が零トルクを検出するようにレ
ベル設定されている。そして、処理回路１８は検出信号
の信号レベルが零レベルに対して正側にどれだけの値を
とるか、負側にどれだけの値をとるかによって、トルク
の大きさ及び方向を検出するようになっている。

【００２３】次に、このトルクセンサ１の作用を説明す
る。トルクセンサ１の作動中は、交流電源１７から励磁
用コイル８，９に一定の振幅及び周波数の交流電流が流
され、磁束が固定子７→磁歪材５→固定子７を通る２つ
の磁気回路が形成される。

【００２４】そして、シャフト２に回転力が加えられて
トルクが発生すると、シャフト２に作用するトルクに応
じた応力がシャフト２と磁歪材５の接合部、特に、凸部
２ａ及び凹部５ｄを介して磁歪材５の領域Ｘと領域Ｙに
それぞれ一方が圧縮力を他方が引張力を受ける。このた
め、領域Ｘと領域Ｙの磁束の変化を検出する各検出用コ
イル１０，１１には、引張力を受けた被検出領域を検出
する側で大きくなり、圧縮力を受けた被検出領域を検出
する側で小さくなるようなシャフト２のトルクに応じた
誘導起電力が正確に発生する。このとき、凸部２ａ及び
凹部５ｄは円周方向に等間隔に設けられているので、回
転による検出用コイル１０，１１の出力変動が抑えられ
る。

【００２５】そして、２つの検出用コイル１０，１１に
誘導された誘導起電力は処理回路１８に入力され、両検
出用コイル１０，１１からの電圧が差動回路で減算され
るとともに、その減算された電圧によりシャフト２に作
用するトルクの値が正確に求められる。

【００２６】このように、磁歪材５の内周面に凹部５ｄ
を形成し、凸部２ａが形成されたシャフト２へ嵌合させ
ながら圧入して磁歪材５の固定を行えば、シャフト２に
作用するトルクに応じた応力が磁歪材５の被検出領域
Ｘ，Ｙに確実に加わり、各領域Ｘ，Ｙにおける透磁率が
正確に変化する。従って、各検出用コイル１０，１１に
出力される電圧のバランスがズレることが確実に防止さ
れ、回転位置による各検出用コイル１０，１１に出力さ
れる電圧の変動も防止される。

【００２７】さらに、図５の従来技術のように磁歪材４
１の両端部４１ａをシャフト４０に溶接した場合では、
熱変形や残留応力の影響を少なくするために、シャフト
４０へ溶接後において、磁性焼鈍する必要があるが、本
実施形態のように磁歪材５をシャフト２に固定すれば、
磁歪材５のシャフト２への固定後における磁性焼鈍の行
程が不要となる。

【００２８】このように本実施の形態は、下記のような
特徴を示す。 （１）磁歪材５の内周面には軸方向に沿って凹部５ｄが
形成され、該凹部５ｄを、凸部２ａが形成されたシャフ
ト２に嵌合させながら圧入することにより磁歪材５が固
定される。このように、図４のような軸線方向のズレを
防止するための２つのストッパリング３４を用いずに、
凹部５ｄと凸部２ａを嵌合させながら圧入することによ
って磁歪材５をシャフト２の外周面に固定すれば、軸方
向のズレが防止されるとともに、図５のような溶接によ
る取付時の誤差も抑制される。つまり、磁歪材５をシャ
フト２に固定する際の取付誤差に伴う接合強度のばらつ
きが防止され、シャフト２に作用するトルクに応じた応
力が確実に磁歪材５に加わることになり、磁歪材５にお
ける透磁率を正確に変化させることができる。従って、
トルクの検出精度を高めることができる。

【００２９】さらに、磁歪材５のシャフト２への固定
を、圧入することにより行っているので、従来の溶接に
よるものに比べ取付時の作業が非常に簡単となる。 （２）磁歪材５の表面には、シャフト２にトルクが作用
したときに磁束が増加する磁歪領域と、磁束が減少する
領域とを備え、各検出用コイル１０，１１がそれぞれの
磁歪領域Ｘ，Ｙ毎における磁束の変化を検出するように
している。このようにすれば、各検出用コイル１０，１
１に誘導される電圧の差から確実にトルクを求めること
でができ、トルク検出感度を高くできる。 （３）固定子７はシャフト２の外周面に取着された磁歪
材５に対してベアリング６を介して相対回転可能に設け
られているので、シャフト２がその組付精度の限界から
図示しないハウジング等の支持部材に偏心して設けられ
ても、固定子７の内周面の軸心に対するシャフト２の軸
心の偏心量を小さく抑えることができ、トルクセンサ１
の検出精度を一層向上させることができる。

【００３０】なお、発明の実施の形態は、上記実施の形
態に限定されるものではなく、下記のように実施しても
よい。 ○上記実施の形態では、凸部２ａ及び凹部５ｄは各４つ
設けられていたが、凸部２ａ及び凹部５ｄの数に限定す
ることなく、例えば、図３のように、凸部２ａ及び凹部
５ｄを複数形成して実施してもよい。詳しくは、シャフ
ト２０の外周面に凸条のスプライン２１が軸方向にそれ
ぞれ平行に設けられ、このシャフト２０のスプライン２
１に嵌合するように磁歪材２２の内周面には、凹部２３
が軸方向に沿って平行に複数設けられている。そして、
磁歪材２２がシャフト２０に軽圧入され固定されるよう
になっている。なお、本例において、スプライン２１及
び凹部２３はモジュール０．５ｍｍとなるように形成さ
れている。

【００３１】このように、スプライン２１及び凹部２３
を円周上に隙間なく複数設けることにより、上記実施形
態のような４つの凹部５ｄが形成された磁歪材５を固定
する場合に比べ、圧入時の圧力をより低減させることが
でき、検出用コイルの出力電圧の回転依存性をより低減
させることができる。さらに、磁歪材２２の厚さを薄く
コンパクトにすることができ、コスト面でも有利なもの
となる。

【００３２】○上記実施の形態においては、磁歪材５に
凹部５ｄを設け、シャフト２の凸部２ａに嵌合させるも
のであったが、磁歪材５に凸部を設け、シャフト２に凹
部を設けて実施してもよい。

【００３３】○上記実施の形態のトルクセンサ１をステ
アリングシャフト２のトルク検出として利用したが、例
えばトルクレンチ等の回転軸に取り付け、該軸のトルク
を検出するようにしてもよく、その他各種機器に設けら
れる回転軸のトルク検出に使用してもよい。

【００３４】○磁歪材５をその表面に切欠溝のない平滑
スリーブとし、平滑スリーブをクロスヘッド型ピックア
ップで検出する構成を採用してもよい。前記実施形態か
ら把握される請求項に係る発明以外の技術的思想をその
効果とともに以下に記載する。

【００３５】（イ）請求項１において、被検出軸は、自
動車用ステアリングシャフトであるトルクセンサ。この
構成により、ドライバのステアリング操作力をステアリ
ングシャフトに発生するトルクによって検出することが
できる。

【００３６】（ロ）請求項１において、前記凸部あるい
は凹部は周方向に等間隔に形成されるものである。この
構成によれば、センサ出力の回転依存性が防止され、実
用上好ましいものとなる。

【００３７】（ハ）請求項１において、前記励磁用コイ
ル及び検出用コイルを支持するとともに、前記磁歪材に
外嵌する状態で、かつ、被検出軸に対し軸受けを介して
回転可能に設けられる固定子とを備えたトルクセンサ。
この構成によれば、被検出軸がその組付精度の限界から
ハウジング等の支持部材に偏心して設けられても、固定
子の内周面の軸心に対する被検出軸の軸心の偏心量を小
さく抑えることができる。よって、トルクセンサの検出
精度を一層向上させることができる。

【００３８】

【発明の効果】請求項１に記載の発明によれば、磁歪材
の被検出軸への取付誤差を防止することにより磁歪材の
透磁率を正確に変化させ、トルクの検出精度を高めるこ
とができる。

【００３９】請求項２に記載の発明によれば、請求項１
に記載の発明の効果に加え、各検出用コイルに誘導され
る電圧の差から確実にトルクを求めることができ、トル
クの検出感度を高くできる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 実施形態におけるトルクセンサの断面図。

【図２】 シャフト及び磁歪材の斜視図。

【図３】 他の実施形態におけるシャフト及び磁歪材の
斜視図。

【図４】 従来技術におけるシャフト及び磁歪材の斜視
図。

【図５】 従来技術におけるシャフト及び磁歪材の正面
図。

【図６】 従来技術におけるトルクセンサの電気的構成
図。

【符号の説明】

２…被検出軸としてのステアリングシャフト、２ａ…凸
部、５…磁歪材、５ｄ…凹部、８，９…励磁用コイル、
１０，１１…検出用コイル、Ｘ，Ｙ…磁歪領域。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 吉岡 幸雄 愛知県刈谷市豊田町２丁目１番地 株式会 社豊田自動織機製作所内

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 被検出軸の外周面に固定する筒状の磁歪
   材と、 前記磁歪材を通る磁束を発生させる励磁用コイルと、 前記被検出軸に作用するトルクに応じて前記磁歪材が歪
   むことによる前記磁束の変化を検出するための検出用コ
   イルとを備えたトルクセンサにおいて、 前記磁歪材の内周面に軸方向に沿って凹部または凸部を
   形成し、該凹部または凸部を、凸部または凹部が形成さ
   れた前記被検出軸に嵌合させながら圧入することにより
   前記磁歪材を被検出軸に固定するようにしたトルクセン
   サ。
2. 【請求項２】 請求項１に記載のトルクセンサにおい
   て、前記磁歪材は、前記被検出軸にトルクが作用したと
   きに磁束が増加する磁歪領域と、磁束が減少する領域と
   を備え、 前記励磁用コイルは、それぞれ対応する磁歪領域毎に設
   けられ、それぞれの磁歪領域毎に対して磁束を発生させ
   るものであり、 前記検出用コイルは、それぞれ対応する磁歪領域毎に設
   けられ、それぞれの磁歪領域毎における磁束の変化を検
   出するものであり、 前記各検出用コイルに誘導される電圧の差からトルクを
   求めるトルクセンサ。