JPS6138434A

JPS6138434A - シャフトのねじり荷重検出装置

Info

Publication number: JPS6138434A
Application number: JP16104385A
Authority: JP
Inventors: ウイリアム・ジエイ・フレミング; ダミトル・ラセウ
Original assignee: TRW Inc
Current assignee: Northrop Grumman Space and Mission Systems Corp
Priority date: 1984-07-20
Filing date: 1985-07-20
Publication date: 1986-02-24
Also published as: KR860001339A; DE3575996D1; KR900000660B1; JPH0560050B2; US4566338A; EP0168692A3; EP0168692A2; EP0168692B1

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、シャフトに加わるトルクを検知するための装
置に係る。

（従来の技術）他の種類の構造体の応力を測定するのに用いたのとほぼ
同じ技術により、しばしばトルクが測定されている。応
力を測定する極く一般的な電気的方法では、圧電歪みゲ
ージ等の歪み感知エレメントを、歪みを検知しようとし
ている部材に直接接着していた。しかしながらとの技術
は、一応力の加わる部材が回転したりあるいは運動する
状況の下では好ましくない。（運動する）歪みゲージ金
（通常、静止状態に保たれている）測定装４１　′！−
はディスプレイ回路に電気的に接続することば面倒であ
るからである。そうし定状況では、応力センサは静止し
ていることが望ましく、可動部材に固定しなくても応力
を測定できるようにする必要がある。こうした要望を満
たすために非接触応力センサが開発されてき１こ。

ある形式の非接触応力センサは、一部の強磁性材料の磁
気透過率とこの材料に加わる応力の大きさの周知の機能
的な依存関係を利用している。一般にそうしたセンサは
、応力の状態を測定しようとする強磁性材料に隣接して
磁界全作り出し、そして部材に生じた磁束の振幅を測定
する働きをしている。材料全通過する磁束のレベルは材
料の磁気透過率に直接関係している。従って、測定され
る磁束のレベルは、部材に加わる応力のレベルに応じて
増減する。磁束全発生し且つこれを測定するセンサエレ
メントは、強磁性部材に近接して配置されているが、こ
の強磁性部材に接触していない。この１こめ、部材自体
が運動していても、センサエレメントは固定しておくこ
とができる。

磁気透過率と応力の間の機能的な依存関係金利用したト
ルクセンサは、自動車の用途に開発されてきた。そうし
た非接触磁気利用のトルクセンナの様々な形式の仕様が
、ＳＡＥ　（Ｓｏｃｉｅｔｙ　ｏｆＡｕｔｏｍｏｔｉｖ
ｅ　Ｅｎｇｉｎｅｅｉｓ　）の論文８２（１５）０４と
８２０２０６に説明されている。これら論文に記載され
た磁気利用のトルクセンサは、運動しているシャフトの
トルクを測定することができ、また高速の応答率と優れ
た安定性を示している。しかし、記載のトルクセンサで
は、測定される磁束がシャフトの磁気透過率によって大
きく影響金堂ける。このため、測定される磁束は、トル
ク測定装置の極と当該極が隣接して配置されるシャフト
との間の間隙の大きさによっても左右される。シャフト
の変位運動、例えばシャフトの一部の撮動および／また
は軸方向あるいは横方向の移動により、間隙の幅が広が
ったり狭まった！７することがある。従って、シャフト
内部の実際のトルク変化とは無関係に、センサの出力に
見せかけの変動が生じる。今までは、そうした問題点は
、シャフトを入念に機械加工して一定の曲面全持たせ、
しかも間隙の変動の原因となる振動とシャフトの移動と
を何にもまして極力抑えることにより取り扱われてきた
。

（問題点全解決するための手段）本発明は、センサを取り付けであるシャフトの半径方向
と軸方向の両方向の運動を比較的敏感に検知する、非接
触磁気利用のトルクセンサに係る。

本発明によれば、シャフトのねじり荷重を検知するため
の装置が提供される。シャフトの磁気透過率は、当該シ
ャフトに加わるねじり荷重に応じて変化する。装置は、
シャフト全通り抜ける磁界全発生するための手段と、磁
気透過率の変動によって生じる磁界の変化を検知するた
めのエーレメントとを備えている。磁界は、とりわけ、
少なくとも１つの極によって作り出される。この極はシ
ャフトに隣接して配置され、シャフトに出入りする磁束
を接続することができる。この位置にある極は、間隙に
よりシャフトから隔てらねている。シャフトは、極が隣
接して配置された半径方向に位置する表面を備えている
。従って、シャフトの半径方向の表面と極との間の軸方
向の空間にエリ、間隙が形成される。このため、間隙は
シャフトが半径方向に移動しても変化しない。

本発明の他の形態によれば、シャフトは半径方向に位置
する第１と第２の表面を備え、これら表面は軸方向に向
かい合っている。例えば、少なくとも２つの極が設けら
れている。各々の極は、半径方向に位置する第１と第２
のそれぞれの表面に隣接して配置ｉれている。極の磁束
は検知され、両方の極の磁束を合計した量を表わす出力
信号が作り出される。この出力信号は、シャフトが軸方
向と半径方向に移動しても影響を受けない。シャフトが
半径方向に移動しても、前記表面と極との間隙は変化し
ない。またシャフトの軸方向の移動では、極と半径方向
に位置する箇々の表面との間の間隙幅の変化は相殺され
る。

本発明のその他の形態によれば、シャフトのねじり荷重
の変化に際し、螺旋状の応力経路に沿って磁気透過率が
変化する、シャフトのねじり荷重全検知するための装置
が提供される。装置は励磁極を備えている。この励磁極
はシャフトに隣接して配置され、極とシャフトを通り抜
ける磁界全作り出−ｒことができる。他に４つの極がシ
ャフトに近接して配置されているが、箇々の間隙により
シャフトから隔てられている。極は、シャフトから励磁
極へ戻る磁束のための経路となっている。２つの極が、
間隔のあいたシャフト上の地点に隣接して配置されてい
る。これら地点は、励磁極が隣接して配置されたシャフ
ト上の地点を通り抜ける２つの螺旋状の応力経路の一方
に１１ぼ沿っている。

２つの極は、励磁極の両側で当該励磁極から等距離に配
置されている。４つの極のうち残りの２つの極は、間隔
のあいたシャフト上の地点に隣接して配置されている。

これら地点は、励磁極が隣接して配置されたシャフト上
の地点を通り抜ける２つの螺旋状の応力経路の他方にほ
ぼ沿っている。

これらの極の、励磁極の両側で当該励磁極から等距離に
配置されている。各螺旋状の応力経路に沿った２つの憧
は、それだれの螺旋状の応力経路に沿ってお互いに充分
な間隔をあけも４れ、これら２つの極に付随した２つの
間隙がシャフト上の相対する反対側の円周方向の位置に
ある。その結果、シャフトが半径方向に移動しても前記
２つの間隙の幅の変化は相殺される。検知コイルは、極
を通り抜ける磁束の変化全検知し、また検知した変化、
に応じてシャフト上に加わっているねじり荷重を表わす
出力信号を作り出すために設けられている。

本発明の前述の形態および他の形態並びに利点は、添付
図面を引用した以下の詳細な説明から一層明らかになる
。

（実施例）第１Ａ図、第１Ｂ図および第１Ｃ図は、従来技術の非接
触磁気利用のトルクセンサを図示している。第１Ａ図、
第１Ｂ図および第１Ｃ図では、トルクセンサ１０は、測
定しようとするトルクの加わっているシャフト１２に近
接して配置されている。センサ１０は、基本的には、５
つの極１４゜１６．１８．２０および２２の構造からで
きている。５つの極の各々は、シャフト１２に近接して
配置された一方の端部と、ヨーク２５を通じて他の４つ
の極の端に連結された他方の端部とを備えている。ヨー
クと５つの極とは、高い透磁率の材料からなる複数の漬
層体で構成されている。４つの極１４，１６．１８およ
び２０は、平面図（第１Ａ図）に見られるように、四角
形状に配置されており、この四角形の対角線はシャフト
１２に沿った直交する螺旋状の応力経路の方向に向いて
いる。第５の極２２は四角形の中央に位置している。

５つの接すべての端部はシャフト１２に隣接して配置さ
れ、端部表面がシャフトの円筒状の外側表面と同軸的に
なるように機械加工されている゛。

励磁コイル３２が中央の極２２の廻りに巻かれている。

また信号ピックアップコイル２４〜，２６゜２８および
３０の各々は４つのコーナーの極１４゜１６．１８およ
び２０のそれぞれ１つに巻き付けられている。コイルは
従来と同じもので、エナメル被覆した銅線の並列巻線か
らできている。励磁コイル３２はＡＣ信号＃、（図示せ
ず）によって励振され、励磁コイルの巻かれた中央の極
２２に磁界が誘導されるようになっている。磁界は中央
の極２２を通り、シャフト１２を通り抜け、次いで４つ
のコーナーの極１４，１６．１８および２０とヨーク２
５を通って励磁極２２に戻る。

４つのコーナーの極１４，１６，１８および２０は互い
に同一であり、中央の極２２から等しく距離をおかれ、
またシャフト１２かも等しく半径方向の間隙を設けて配
置されている。このため、４つのコーナーの極の各々を
通じて励磁コイルに戻ってくる磁束の量は、シャフト１
２の磁気透過率′が中央の極からコーナーの極に至る４
つすべての磁束経路に沿って同一であるならば等しい。

シャフト１２の磁気透過率は、シャフトにトルクが加わ
っていなければ全体を通じて一定である。

しかしトルクＴがシャフト１２に加わるなら、シャフト
１２は一方の螺旋方向（例えば、コーナーの極１４と１
８を結ぶ対角−に従ったＳ−１に沿つ。

て）に引っ張り力が加わる。また第１の螺旋方向に直交
する第２の螺旋方向（例えば、コーナーの極１６と２０
を結ぶ対角線に従ったＳ２に沿って）に圧縮力が加わる
。シャフト１２を構成する強磁性体の磁気透過率は、材
料の受ける応力に応じて変化し、引っ張り力が加わると
増加し、圧縮力が加わると減少する。このため、シャフ
ト１２にトルクが加わった場合、このシャフト１２の磁
気透過率は第１の螺旋方向に増加し、これに直交する第
２の方向には減少する。

コーナーの極と中央の極を接続した直交する２つの螺旋
状の応力経路ｓ１．ｓ２に沿って、磁束の量の違いを測
定することにより、透磁率の変化が検知される。磁束の
量の違い全測定するために、ピックアップコイル２４と
２８の出力が互いに加えられ、またピックアップコイル
２６と３０の出力も互いに加えられろ。次いで、加えら
れたピックアップコイル２６と３０の出力は、加えられ
たピックアップコイル２４と２８の出力から引かれる。

シャフト１２にトルクが加わっていなければ、差信号は
零である。シャフトにトルクが加わっていない場合には
、シャフトの磁気透過率が経路Ｓ１と８２に沿って等し
いためである。これに対し、シャフト１２にトルクが加
わると、トルクの加わる方向に従って差信号はプラスか
マイナスになり、またトルクの大きさを直接表わす大き
さを差信号は持つ。

しかしながら、第１図に示す装置のコーナーの極を通り
抜ける磁束のレベルは、体旋状の応力経路に沿ったシャ
フト１２の磁気透過率に依存しているだけでなく、極と
シャフト１２０間隙の幅にも関係している。従って、間
隙が変化すると非接触トルクセンナから得られる出力信
号に影響が及ぶことがある。間隙幅の変化が、シャフト
１２の半径方向の移動によって生じることがある。シャ
フトの半径方向の振動は、例えばセンサによって作り出
された出力信号にスプリアスＡＣ変動が生じてしまう。

センサ出力のスプリアスＡＣ変動は、得られた信号にフ
ィルタ処理を加えることにより軽減することができる。

しかしながら、こうして加えられたフィルタ処理はシス
テムの応答率を低下させてしまうため、好ましくない。

シャフト１２の位置は、非常に長期間のうちに半径方向
に移動してしまい、しかもフィルタ処理では取り除くこ
とのできないスズリアスセンサ出力を生じてしまうこと
がある。間隙の様々な変化によって生じるスプリアス信
号出力金板らすか完全になくすことが望まれている。

第２Ａ図、第２Ｂ図および第２Ｃ図は、本発明の技術に
則った非接触トルクセンサの一実施例を示す３種類の図
である。第２図の非接触センサ５゜は５つの極５２，５
４，５６．５８および６ｏを備えている。５つの極は、
第２Ａ図に示すような矩形プレートからなるヨーク６２
により連結されている。極とヨークとは、珪素鋼板等の
高い透磁率の材料からなる複数の薄層で構成されている
。

第１図と同じように、４つの極５４，５６−．５８およ
び６０は、矩形のヨーク２５のコーナーに一装置され、
また残シの極５２はヨーク２５の中央に配置されている
。横方向溝６４が中央の極５２を２つの他部品５２Ａと
５２Ｂに分割している。励磁コイル６６が中央の極５２
の全体に巻かれ、また信号ピックアップコイル６８．７
０．７２および７４の各々が４つのコーナーの極のそれ
ぞれ１つに巻き付けられている。

第２図の実施例では、７ヤフト７６は３つの環状をした
強磁性フランジ７８．８０および８２を保持している。

極は７う／ジに近接して配置され、磁束経路の間隙がフ
ランジの半径方向に位置した表面と極との間に介在して
いる。とりわけ、非接触トルクセンサ５０は、中央のフ
ランジ８０が中央の極５２の横方向溝６４に受け入れら
れるように、シャフト上に配置されている。従って、一
方゛の他部品５２Ａは中央のフランジの一方の軸方向側
面に向かって位置し、また他方の他部品５２Ｂはフラン
ジ８０の反対軸方向の側面に向かって位置している。

２つの外側のフランジ７８と８２は、シャフト７６の螺
旋状の応力経路ピッチのスに相当する距離Ａ１で、中央
のフランジ−８０から軸方−向に間隔をあけられている
。（換言するならば、シャフトに加わる主要な応力の螺
旋状の経路ピッチがシャフトの円周距離に等しいことが
わかっているため、シャフトの円周距離の％にわたって
′中央のフランジ８０から間隔をあげられている。従っ
て、中央の極５２に隣接したシャフト表面上の地点を通
り抜ける螺旋状の応力経路は、外側のフラン、シフ８ま
たは８０の何れか一方に到達するまでにシャフトの廻り
を９０度移動している。従って最高の感度を得るために
は、外側の極５４，５６．５８および６０は、中央の極
５２に隣接した地点よりシャフトの廻りを９０度移動し
た地点で、外側のフランジ７８と８２から磁束金堂は取
るように配置しておく必要がある。このため極５４と５
６は、極５８と６０がシャフト７６に近接して配置され
た箇所とは相対する反対側の地点で、シャフト７６に近
接して設けられている。

コーナーの極５４．５６　、　′：）８お工び６０は、
距離Ｂ１にわたって中央の極５２の中心から横方向に隔
てられている。この距離Ｂ１は、シャフト７６の半径よ
り太きい。また、４つすべてのコーナーの極５４．５６
．５８および６０は、シャフトの両側で当該シャフトの
半径方向の中心位置を越えて突き出せる充分な長さがあ
る。この状態は、第２Ｃ図より詳しく理解することがで
きる。中央の極５２に対するコーナーの極５４，５６，
５１３および６０の軸方向の間隔は、箇々のコーナーの
極がシャフトの円筒状表面に近接するのではなく、連係
するフランジの半径方向に位置した表面に実質的に近接
するように選択されている（例えば、１０ミリメートル
に対し１ミリメートル）。従って大部分の磁束は、コー
ナーの極とシャフトの間の半径方向の間隙を横切るより
はむしろ、コーナーの極とフランジとの間の軸方向の間
隙を通り抜ける。第２図に示した装置は、対角線上で向
かい合った信号ピックアップコイルの出力を互いに加え
るため、シャフト７６の横方向と軸方向の運動に対し感
度が敏感である。例えば、シャフト７６が第２Ａ図と第
２Ｂ図で見て左に向けて軸方向に移動するなら、フラン
ジ７８はコーナーの極５６と５８に接近する。その結果
、これらの極とクラ／シフ８との間の間隙が狭まる。し
かしながらこれと同時に、反対側にある外側のフランジ
８２は他方のコーナーの極５４と６０から離れる。その
結果、距離を相殺するためにこれらの極とフランジ８２
の間の間隙は広まる。このため、極５４と５８を通り抜
ける磁束の総量、および極５６と６０を通り抜ける磁束
の総量は変化しない。また中央のフランジ８０と中央の
極５２との間の有効間隙もほぼ一定に保たれる。フラン
ジ８０が極部品５２Ｂに接近していくが、極部品５２Ａ
から新たに離れていくためである。

シャフト７６が半径方向に移動しても同じような効果が
得られる。例えば、シャフト７６が第２Ｃ図で見て左へ
僅かに移動すると、フランジ７８と８２は幾分広い範囲
にわたってコーナーの極５４と５６に重なる。従って、
これら極ヲ通じた磁束の接続量が増える。しかしながら
これと同時に、外側のフランジ７８と８２は他方のコー
ナーの極５８と６０から離れる。従って、これら極によ
る磁束の接続量は減少する。このため、対角線上で向か
い合った対のコーナーの極それぞれを通り抜ける磁束の
総量はほぼ一定に保たれる。シャフト７６が（再び第２
Ｃ図で見て）隙かに上向きに形動しても、外側のフラン
ジとコーナーの極トの間の間隙幅および断面積はほぼ一
定に保たれる。

中央の極５２と中央のフランジ８０の間の間隙断面積は
広がり、中央の極とシャフト７６の間の磁束の接続量は
幾分増える。しかし、４つすべてのコーナーの極を通り
抜ける磁束の量が同じように増加するため、出力信号に
大きな影響を及ぼすことはない。何れにせよ、（以下に
説明する）第３図に示した信号処理回路は、シャフト７
６と中央゛の極５２との間の接続にそうした変動が生じ
ても、トルクセンサの出力信号を自動的に補正する信号
正規化作用を備えている。

第２Ａ図、第２Ｂ図および第２Ｃ図の装置によって得ら
れる改良点は、主に装置の２つの特徴による。先ず、シ
ャフトと極部品との間の間隙がすべて軸方向の間隙であ
り、シャフト７６−が半径方向に移動してもこれら間隙
は増減しないことである。Ｐ２に、４つのコーナーの極
がシャフト７６に対し対称的な位置関係で配置されてい
ることがある。２つの極５４と５６は、極５８と６０に
対しシャフトの相対する反対側にある。従って、一方ま
たは他方の間隙の断面積を増減することのあるシャフト
の半径方向変位は、距離を相殺することで、シャフトの
反対側の間隙断面積に自動的に影響を及ぼす。同じく、
コーナーの極はフランジ７８と８２の向かい合った軸方
向側部に隣接している。このため、シャフト７６の軸方
向の移動で一方のフランジに付属した間隙幅が広がると
、他方のフランジに付属した間隙の幅が狭まって相殺さ
れる。従ってこのトルクセンサは、シャフト７６とセン
サ組立体５０の相対位置に影響を及ぼす振動および他の
機械的な変動に対し大きく影響されない。

第２図の装置は、第１図の従来技術より優れたその他の
幾つかの利点を備えている。第２図では、２つの平行な
平らな表面がそれぞれ間隙を形成する。そうした平らな
表面は、第１図の従来技術における極部品の端部に湾曲
した表面を機械加工するより、実質的に加工が易しい。

さらに、中央の極とコーナーの極との間の磁束経路は、
第１図の従来技術の試みより第２図の装置の方が長い。

そうした磁束経路を通じての磁気透過率の変化によると
、比較的短かい経路の第１図の装置に比べて総磁束量に
非常に大きな変化が生じる。結果的に、第２図の装置は
加わったトルクに対し非常に敏感な感度を備えている。

従って、小さい直径のシャフトのトルクを測定するのに
も手軽に用いることができる。第３図は、第２図の装置
に組み合わせて使用される。信号処理回路のブロック線
図である。第３図に示すように、励磁コイル６６は、発
信器９０から送られてくるＡＣ信号によって励振される
。電流励振器９２は、発信器９０から送られてくるＡＣ
電圧信号を励磁コイル６６に送るＡＣ電流信号に変換す
る。ＡＣｉ電流信号は、予め定められた安定したピーク
値を備えている。励磁コイルから発生した磁界は、第２
図に関連して説明したように間隙、フランジ、シャフト
、および極部品を通じてピックアップコイル６８，７０
，７２および７４に伝えられる。

対角線上で向かい合った信号ピックアップコイルは、出
力信号が互いに効果的に加わるように直列に連結されて
いる。でき上がった出力信号は信号処理回路９３で処理
される。とりわけ、直列に　。

連結された対のピックアップコイル６８と７２の一方の
端は信号アースに連結され、これに対し反対の端は、従
来構造の増幅器検知回路９４０入力部に連結されている
。直列に連結された他方の対の信号ピックアップコイル
７０と７４も同じように、アースと増幅器検知回路９５
との間に連結されている。各々の増幅器検知回路９４と
９５は、付属の対の信号ピックアップ回路から送られて
きたＡＣ信号を増幅し、次いで増幅したＡＣ信号のピー
ク振幅を検知する。回路９４と９５の出−力側に生じる
ピーク信号は、これら回路の入力側に表われるＡＣ信号
のピーク振幅の変化に応じて変動する。

ピーク１言号は、信号減算器回路９６内で互いに引かれ
、差信号が作り出される。

割り算器９７は、４つ１−べてのコーナーの極を通り抜
ける総磁束量を表わす第２の信号でこの差信号全開り、
差信号全正規化する。第２の信号は加算器回路９９によ
って作り出される。この加算器回路９９は、増幅器検知
回路９４と９５により作り出された２つの出力信号を加
え合わせている。

事実上、総磁束量は一定に保たれている。従って、加算
器回路９６の出力も一定に保たれる。しかし総磁束量が
変化すると、信号減算器回路の出力側の位置で差信号の
利得に生じるこれに付随した変化は、加算器回路９９の
出力側に生じる相対する変化により、割り算器９７で自
動的に補償される二正規化された差信号は、フィルタ回
路９８によりフィルタ処理される。

フィルタ回路９８の出力信号ＴＳは、シャフト７６に加
わったトルク全表し、捷たこのトルクに応じて変化する
。シャフト７６にトルクが加わっていなければ、磁束は
同じ大きさで鱈号ピックアップコイル６８．７０．７−
２および７４−に加わっている。このため増幅器検知回
路９４と９６の出力は等しく、出力信号ＴＳは０である
。しかし、シャフト７６にトルクが加われば、中央の＋
、’１ｉ５２と４つのコーナーの極５４，５６．５８お
よび６０を結ぶ螺旋状の磁束経路に沿って、シャフト７
６に生じろ磁気透過率の変化により、増幅器検知回路９
４と９６の出力はある大きさで互いに異なる。この大き
さは、加えられたトルクの大きさと、磁気回路の総磁束
量に正比例している。総磁束量との依存関係は、割り算
器９７で行なわれる正規化にエリ解消される。従って、
第３図の回路の出力信号Ｔｓは、シャフト７６に加わる
トルクの大きさと方向を直接的に表わす大きさと極性？
備えている。前述したように、第３図の回路の出力Ｔ８
は、センサ組立体５０に対するシャフト７６の撮動およ
びその他の小さい軸方向並びに横断方向の変位に大きく
影響全量けない。

第４Ａ図、第４Ｂ図および第４Ｃ図は、本発明の技術に
則った非接触トルクセンサの第２の実施例を示す３種類
の図である。第４図の実施例では、センサ組立体１００
は第２図のセンサ組立体５０にある程度似ている。しか
し、シャフト１０２は第２図の３つのフランジを備えて
はいない。センサ組立体１００も同じように５つの極１
０４゜１０６．１０８．１１０および１１２を備えてい
る。中央の極１０４は励磁コイル１０４が巻かれ、また
信号ピックアップコイル１１６，１１８．１１２０およ
び１２２が４つのコーナーの極の廻りに巻かれている。

５つの極は、第２図のヨーク６２と同じように、ヨーク
１２４により連結されている。

第４図の実施例では、他部品の間隙が、シャフト１０２
の円筒状表面と相対する他部品の内側表面との間に介在
している。各間隙は、螺旋状の応力経路に沿って位置し
ている。この応力経路は、中央の極１０４の中心が配置
された地点に隣接したシャフト１０２上の地点を通って
いる。コーナーの極は、螺旋状の応力経路に沿って充分
に間隔ヲアけて配置されている。ただし、他部品１０６
と１０８に付随した間隙は、他部品１１０と１１２に付
随した間隙の円周方向の位置に相対する反対側の円周方
向位置にある。適当な空間を設けるために、他部品１０
６，１０８，１１０お工び１１２の丁べては、シャツ）
１０２の螺旋状の応力経路のほぼ１／４のピッチに等し
い距離Ａ２で、中央の極１０４から軸方向に間隔をあけ
られている。

コーナーの他部品は、中央の極１０４の中心と各コーナ
ーの極の内側表面との間の距離Ｂ２が、シャフト１０２
の半径とコーナーの極の所望の間隙とを加えたものに等
しくなるように、このＢ２の距離で中央の他部品１０４
の中心から横方向に隔てられている。箇々のコーナーの
極は、Ｃ２の大きさだけ中央の極より長い。このＣ２は
、シャフト１０２０半径より幾分大きく、結果的にシャ
フトをコーナーの極が跨がっている。

こうした配置により、各コーナーの極とシャフト１０２
の間の間隙は、シャフト１０２とコーナーの極の内側に
向いた表面との間の間隙に一致する。間隙はシャフト１
０２の廻りで相対する反対側の位置に設置されている。

従って、シャフトが半径方向に移動しても、シャフトの
両側にあるコーナーの極の間隙は大きさの変化が相殺さ
れる。

従って、シャフトの半径方向の移動によって、信号ピッ
クアップコイルの加算した出力に実質的な見せかけの信
号成分が入り込むことがない。もちろん第４図のトルク
センサは、第３図の信号処理回路と一緒に使用すること
もできる。

一部の例では、第２図と第４図に示す実施例から４つの
コーナーの極のうちの２つを省略することが望ましいこ
ともある。第２図と第４図に示した４つのコーナーの極
構造は、付属シャフトが高速度で回転されるかまたは回
転されることのある場合に有益である。シャフトの回転
により当該シ′ヤフトにうず電流が発生し、このうず電
流に工りシャフトの磁束は中央の極の軸方向側部に向け
て集められる。しかし、対角線状の６対のコーナーの極
を通シ抜ける総磁束量がほぼ一定に保たれているため、
４つのコーナーの極のセンサから発生する出力信号が、
磁束の収束によって影響を受けることはない。一部の適
用例では、−シャーフトは磁束のほぼ軸方向の収束を起
こす程、高速で回転されない。こうした実施例では、２
つのコーナーの極（例えば、第２図の極５６と５８、ま
たは第４図の極１０８と１１０）を省略することができ
る。

しかし肴から、第２図の実施例から２つのコーナーの極
を省略する場合、残された２つのコーナーの極の軸方向
の間隙の移動は、中央の極を境に対角線状に向かい合っ
た他方の間隙の移動と相殺することによる補償が行なわ
れない。しかし、残された２つの間隙の両者は、シャフ
トの軸方向位置に関係なく概ね同じ幅がある。このため
、シャフトの他方向の移動はトルク信号の利得に影響を
及ぼすに過ぎない。利得の変化は、第３図に示した信号
の正規化により除去することができる。

第５図は、自動車のパワーステアリング装置を図示して
いる。この装置には、第２図と第４図に示す非接触トル
クセンサを有益に使用することができる。第５図のパワ
ーステアリング装置２００では、自動車の運転者からス
テアリングホイール２０２に加わる手動トルクは、ステ
アリングシャフト２０４’ｉ通じて車両の操縦ホイール
２０８を動かすラックまたはねじ構造体２０６に伝えら
れる。（第３図に関連して先に説明したエレメントを備
えている）非接触トルクセンサ２０６は、ステアリング
シャフト２０４に組み込まれ、当該ステアリングシャフ
トに加わっているトルクの方向と大きさを表わす出力信
号Ｔ８全発生する。トルク信号Ｔ８は、例えば車両の速
度を表わす他の入力信号と共に、電気制御ユニット２１
０に送られる。電気制御ユニット（ＥＣＵ）２１０は、
ランクまたはねじ構造体２０６に連結された電気モータ
２１２を制御する。電気制御ユニット２１０は、ステア
リングシャフト２０４に加わるトルクを減少する方向に
電気モータを作動する。この種のシステムは、本件出願
の譲り受け人に譲渡された米国特許第４，４１５，０５
４号に記載されている。

本発明は好ましい実施例との関係において説明してきた
が、添付の特許請求の範囲に特定されているような本発
明の精神と範囲から逸脱しなげれば、各部分に様々な修
正並びに変更を加えられることは明ら刀１である。例え
ば、第２図と第４図の実施例に用いた極は、図示したも
のとは実質的に異なる形状を持つこともでき、また信号
ピックアップコイルの出力を合成し且つ処理するのに１
吏う電気回路は、第３図に示したものとは異なってもよ
い。一部の例では、コイル６８と７２’にコイル７０と
７４に非直列状態に接続して、別体の信号減算回路を通
さないでコイルを当該回路に直接接続することで、信号
減算処理を行なうことが望ましいこともある。

【図面の簡単な説明】

第１Ａ図、第１Ｂ図および第１Ｃ図は、従来技術の非接
触トルクセンサのそれぞれ平面図、側面図および端面図
である。第２Ａ図、第２Ｂ図および第２Ｃ図は、本発明の技術に
則った非接触トルクセンサのそれぞれ平面図、側面図お
よび端面図である。　　　−第３図は、第２図のトルク
センサが使用される回路のブロック図である。第４Ａ図、第４Ｂ図および第４Ｃ図は、本発明の技術に
則った非接触トルクセンサの第２の実施例を示す、それ
ぞれ平面図、側面図および端面図である。第５図は、本発明のトルクセンサ全組み込んだパワース
テアリング装置のブロック図である。５０・・・非接触トルクセンサ　５２・・・中央の極５
２Ａ　、５２Ｂ・・・中央の極の他部品５４．５６．５
８．６０・・・コーナーの極６４・・・横方向溝　６６
・・・励磁コイル６８．７０，７２．７４・・・信号ビ
ックアンプコイル７６・・・シャツ）　　７８，８０．
８２・・・強磁性フランジ９０・・・発信器　９２・・
・励磁器　９３・・・信号処理回路９４．９５・・・増
幅器検知回路９６・・・信号減算器回路　９７・・・割り算器９８・
・・フィルタ回路　９９・・・加算器囲路（外５名）

Claims

【特許請求の範囲】

（１）シャフトの磁気透過率が当該シャフトのねじり荷
重の変動に応じて変化する、シャフトのねじり荷重を検
知するための装置において、当該装置は、前記シャフト
を通り抜ける磁界を発生するための手段と、前記磁気透
過率の変動によって生じる磁界の変化を検知するための
手段とを有し、磁界を発生するための前記手段が、前記
シャフトに隣接して配置され当該シャフトを出入りする
磁束を接続するための少なくとも１つの極手段を備え、
当該極手段が前記シャフトから間隙を設けて隔てられて
おり、しかも当該シャフトは前記極手段が隣接して配置
される半径方向に位置している表面を備えており、その
結果、前記半径方向に位置している表面と前記極手段と
の間にある軸方向の空間により前記間隙が設けられ、こ
の間隙が前記シャフトの半径方向の移動によって変化す
ることのない、シャフトのねじり荷重を検知するための
装置。
（２）特許請求の範囲第１項に記載のシャフトのねじり
荷重を検知するための装置において、前記シャフトが、
相対する軸方向に向かい合った半径方向に位置する第１
と第２の表面を備え、磁界を発生するための前記手段は
、各々が半径方向に位置する前記第１と第２の表面のそ
れぞれ１つに隣接して配置された少なくとも２つの極手
段を備えており、前記検知のための手段が、前記極手段
の磁束を検知し且つ当該極手段の両方の総磁束量を表わ
す出力信号を発生することのできる手段を備え、前記出
力信号が前記シャフトの軸方向と半径方向の移動によっ
て影響を受けない、シャフトのねじり荷重を検知するた
めの装置。
（３）特許請求の範囲第２項に記載のシャフトのねじり
荷重を検知するための装置において、前記磁束を検知す
るための手段が前記極手段の一方の廻りに巻かれた第１
のコイルと、他方の極手段の廻りに巻かれた第２のコイ
ルと、前記第１および第２のコイルにより作り出された
信号から前記出力信号を発生することのできる手段とを
有する、シャフトのねじり荷重を検知するための装置。
（４）特許請求の範囲第３項に記載のシャフトのねじり
荷重を検知するための装置において、前記出力信号を発
生することのできる手段が、前記第１と第２のコイルを
直列に連結するための手段を有し、その結果、この直列
に連結したコイルを横切って前記極部品の両方の総磁束
量を表わす合計信号が作り出される、シャフトのねじり
荷重を検知するための装置。
（５）特許請求の範囲第１項に記載のシャフトのねじり
荷重を検知するための装置において、前記磁束を発生す
るための手段が、励磁コイルの巻かれた第１の極と、第
２および第３の極と、ヨーク手段とを有し、前記第１の
極は、前記シャフトに隣接して配置され、励磁コイルに
よって発生した磁束を当該シャフトに接続する部分を備
え、前記第２および第３の極の各々が、前記シャフトに
隣接して配置され、このシャフトから磁束を受け取るこ
とのできる部分を備えており、また前記ヨーク手段は、
前記第２および第３の極が前記シャフトから受け取った
磁束を、当該ヨーク手段を通じて前記第１の極に戻すよ
うに、当該第１、第２および第３の極を磁気的に接続す
ることができ、しかも前記検知のための手段が、前記第
２の極の廻りに巻かれた第１の信号ピックアップコイル
と、前記第３の極の廻りに巻かれた第３の信号ピックア
ップコイルとを有し、箇々の前記信号ピックアップコイ
ルが出力信号を発生するような、シャフトのねじり荷重
を検知するための装置。
（６）特許請求の範囲第５項に記載のシャフトのねじり
荷重を検知するための装置において、前記半径方向に位
置する表面が、前記シャフトの廻りの螺旋状の応力経路
の１／４のピッチにほぼ等しい前記第１の極から軸方向
に離れた地点で、当該シャフトの周面の廻りに突き出し
ており、前記第２と第３の極は前記半径方向の表面に隣
接して配置され、当該第２と第３の極が主にこれら第２
と第３の極を前記半径方向に位置している表面から仕切
る間隙を横切って前記シャフトから磁束を受け取るよう
な、シャフトのねじり荷重を検知するための装置。
（７）特許請求の範囲第６項に記載のシャフトのねじり
荷重を検知するための装置において、前記第２と第３の
極に付随する前記軸方向の間隙の各々が、前記第１の極
からほぼ９０度で当該第１の極の相対する円周方向の側
部にて円周方向に間隔をあけられ、その結果、当該間隙
がシャフトの相対する両側に位置しているシャフトのね
じり荷重を検知するための装置。
（８）特許請求の範囲第７項に記載のシャフトのねじり
荷重を検知するための装置において、さらに、前記第２
の信号ピックアップコイルによって作り出された出力信
号から前記第１の信号ピックアップコイルによって作り
出された出力信号を減算するための手段を有し、これに
より前記シャフトに加わるトルクの大きさと方向と表わ
す差信号が作り出される、シャフトのねじり荷重を検知
するための装置。
（９）特許請求の範囲第１項に記載のシャフトのねじり
荷重を検知するための装置において、前記シャフトは、
フランジの軸方向両側で半径方向に位置する表面を形成
している環状のフランジを備え、そして前記少なくとも
１つの極手段が、前記フランジを受け入れるようになっ
た横方向溝を持つ第１の極を有し、その結果、前記第１
の極は前記フランジを跨ぐように配置することができ、
当該第１の極がフランジを跨いで配置された場合、この
第１の極は軸方向の間隙により前記フランジの各軸方側
部から隔てられており、当該間隙が、主にこの軸方向の
間隙を通じて前記磁束がシャフトに出入りするように接
続することのできる小さい間隙である、シャフトのねじ
り荷重を検知するための装置。
（１０）特許請求の範囲第９項に記載のシャフトのねじ
り荷重を検知するための装置において、前記磁界を発生
するための手段が、前記第１の極と、さらに当該第１の
極の廻りに巻かれてこの極に磁界を発生させるための励
磁コイルとを有し、前記磁界が、前記軸方向の間隙とフ
ランジを通じて前記シャフトに接続されている、シャフ
トのねじり荷重を検知するための装置。
（１１）特許請求の範囲第１０項に記載のシャフトのね
じり荷重を検知するための装置において、前記磁界を発
生するための手段が、さらに、第１および第２の対のコ
ーナーの極を有し、これらすべてのコーナーの極は前記
シャフトに隣接して配置されているが、当該シャフトか
ら箇々に間隙を設けて離され、これらコーナーの極のす
べてが、前記シャフトから第１の極へ前記磁束を戻すた
めの経路を形成しており、前記第１の対の２つのコーナ
ーの極は、前記第１の極に隣接したシャフト上の地点を
通る２つの螺旋状の応力経路の一方にほぼ沿って、間隔
を置いた地点に配置されており、この間隔を置いた地点
が前記第１の極から等距離で相対する軸方向側部に位置
しており、また前記第２の対の２つのコーナーの極は、
２つの螺旋状の応力経路の他方にほぼ沿って、間隔を置
いた地点に配置され、当該第１の極から等距離で相対す
る軸方向側部に位置しており、各対のコーナーの極は、
当該対のコーナーの極の各々に付随した２つの間隙が、
前記シャフトの廻りの相対する反対側の円周方向地点に
くるように、互いに充分に間隔をあけられており、その
結果、前記シャフトが半径方向に移動しても前記２つの
間隙の大きさの変化は相殺されるような、シャフトのね
じり荷重を検知するための装置。
（１２）特許請求の範囲第１１項に記載のシャフトのね
じり荷重を検知するための装置において、第２と第３の
環状のフランジが、前記螺旋状の応力経路のほぼ１／４
のピッチで、第１の環状のフランジの何れかの側に軸方
向に間隔を置いて前記シャフトに取り付けられており、
前記コーナーの極の各々は、これら第２と第３の環状の
フランジの一方にある半径方向に位置した表面に隣接し
て配置され、その結果、磁束が、主に前記コーナーの極
を環状のフランジから隔てる間隙を横切って、当該コー
ナーの極と前記シャフトとの間で接続されている。シャ
フトのねじり荷重を検知するための装置。
（１３）特許請求の範囲第１項に記載のシャフトのねじ
り荷重を検知するための装置において、磁界を発生する
前記手段が、四角形のコーナーに配置された４つの極と
、当該四角形の中央に配置された極と、前記コーナーの
極とこの中央の極とを磁気的に接続するためのヨークと
、前記中央の極の廻りに巻かれ当該中央の極に磁界を発
生することのできる励磁コイルとを有し、前記極は、前
記磁界が中央の極を通り抜け、前記シャフトへと軸方向
の間隙を横切り、２つの対角線状の応力経路に沿ってこ
のシャフトを通り抜け、軸方向の間隙を前記コーナーの
極へと横切り、これらコーナーの極と前記ヨークとを通
り抜けて中央の極まで戻る、シャフトのねじり荷重を検
知するための装置。
（１４）シャフトのねじり荷重の変動に際し、磁気透過
率が螺旋状の応力経路に沿って変化する、シャフトのね
じり荷重を検知するための装置において、当該装置が、前記シャフトに隣接して配置された励磁手段と、前記シ
ャフトに隣接して配置されているが、箇々の間隙により
当該シャフトから離されている複数の極と、前記極を通り抜ける磁束の変化を検知し、且つこの磁束
の変化に応じて出力信号を作り出すための手段とを有し
、前記励磁手段は、磁速を発生して、当該励磁手段と前記
シャフトを通り抜ける磁束を形成することができ、前記極は、前記シャフトから励磁手段に磁束が戻るため
の経路となっており、当該極の１つが、前記励磁手段に
隣接した前記シャフト上の地点を通る２つの螺旋状の応
力経路の一方にほぼ沿った地点に配置されており、また
別の極が、これら２つの螺旋状応力経路の他方にほぼ沿
った地点に配置されており、前記一方の極と別の極とは、前記励磁手段と同一の軸方
向側部にあって、当該極に付随した２つの間隔が前記シ
ャフトの廻りの相対する反対側の円周方向地点にくるよ
うに、前記螺旋状の応力経路に沿って各々の極が当該励
磁手段から９０度にわたり角度方向に離されており、そ
の結果、前記シャフトが半径方向に移動しても前記２つ
の間隙の変化は相殺されるような、シャフトのねじり荷
重を検知するための装置。
（１５）特許請求の範囲第１４項に記載のシャフトのね
じり荷重を検知するための装置において、前記極とシャ
フトの間にある少なくとも１つの前記間隙が軸方向の間
隙である、シャフトのねじり荷重を検知するための装置
。
（１６）特許請求の範囲第１４項に記載のシャフトのね
じり荷重を検知するための装置において、前記極とシャ
フトの間にあるすべての前記間隙が軸方向の間隙である
、シャフトのねじり荷重を検知するための装置。
（１７）特許請求の範囲第１４項に記載のシャフトのね
じり荷重を検知するための装置において、複数の環状の
フランジが前記シャフトに取り付けられ、また前記極の
各々が前記フランジの一方の半径方向に位置した表面に
隣接して配置され、磁束が、主に前記フランジを前記極
から隔てる軸方向の間隙を横切って、当該極と前記シャ
フトとの間で接続されている、シャフトのねじり荷重を
検知するための装置。
（１８）特許請求の範囲第１４項に記載のシャフトのね
じり荷重を検知するための装置において、前記磁束の変
化を検知するための手段は、各々が箇々の前記極の廻り
に巻かれる複数の検知コイルを有している、シャフトの
ねじり荷重を検知するための装置。
（１９）特許請求の範囲第１８項に記載のシャフトのね
じり荷重を検知するための装置において、さらに、前記
検知コイルによって作り出された信号に応答し、前記シ
ャフトに加わったねじり荷重の方向と大きさを表わす出
力信号を作り出すことのできる信号処理手段を有してい
る、シャフトのねじり荷重を検知するための装置。
（２０）特許請求の範囲第１４項に記載のシャフトのね
じり荷重を検知するための装置において、前記複数の極
が、さらに、前記２つの螺旋状の応力経路に沿って配置
されているが、前記一方の極と別の極に対し前記励磁手
段の相対する軸方向側部にある他に２つの極を備えてお
り、前記検知手段が、前記極４つすべての磁束の変化を
検知するための手段を有している、シャフトのねじり荷
重を検知するための装置。
（２１）特許請求の範囲第２０項に記載のシャフトのね
じり荷重を検知するための装置において、前記検知手段
が、（Ａ）前記２つの螺旋状の応力経路の１つに沿った２つ
の極の合計磁束と、（Ｂ）前記２つの螺旋状の応力経路の他方に沿った２つ
の極の合計磁束と、の間の差を検知しそして表示するた
めの手段を有している、シャフトのねじり荷重を検知する
ための装置。
（２２）特許請求の範囲第２０項に記載のシャフトのね
じり荷重を検知するための装置において、複数の環状の
フランジが前記シャフトに取り付けられ、また前記極の
各々が前記フランジの一方の半径方向に位置した表面に
隣接して配置され、磁束が、主に前記フランジを前記極
から隔てる軸方向の間隙を横切って、当該極と前記シャ
フトとの間で接続されている、シャフトのねじり荷重を
検知するための装置。