JPS63153439A - トルクセンサ - 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） 本発明はトルクセンサ、特に回転トルクを非接触で測定
するトルクセンサに関する。

（従来の技術） 一般に、回転駆動力によって駆動される機器の数は非常
に多く、その適用分野は多岐に亘っている。このような
機器の制御にはトルク制御が重要な位置を占める場合が
少なくない。すなわち、トルクは回転駆動系の制御を行
う際の最も基本的かつ重要なパラメータの１つであり、
トルクと回転数の情報を得るとそれらの積が馬力に比例
するので動力の発生状態および伝達状態を把握すること
が可能になる。

従来のトルクセンサとしては、例えばこれを車両のステ
アリングホイールへ加えられる操舵力を検出する操舵力
検出装置に適用したものとして、特開昭５４−１７２２
８号公報に記載のものがある。この装置では、ステアリ
ングホイールとステアリングシャフトとを弾性体を介し
て連結し、操舵時に操舵トルクの大きさに応じて弾性体
に生じる捩れ作用によりステアリングホイールとステア
リングシャフトとの間に生じる相対捩れ変位をステアリ
ングホイールとステアリングシャフトとの間に介装され
た接点の０Ｎ−ＯＦＦにより検出している。ところが、
このような装置では捩れ変位により０Ｎ−ＯＦＦされる
接点やマイクロスインチ等を配設するため、これらの接
点の配設に高度な工作精度が要求され、また、ＯＮとな
る相対捩れ変位量やＯＦＦとなる相対捩れ変位量を個々
に設定するのが困難であるという問題点がある。また、
特開昭５５−４４０１３号公報に記載の装置は、ステア
リングホイールから操舵トルクが伝達される入力軸にス
トレインゲージ等の電気的変位検出部を設け、路面抵抗
に比例したステアリングホイールから入力する操舵トル
クに応じて生ずる入力軸の相対捩れ変位を検出するもの
であるが、入力軸の捩れ変位を検出するのにストレイン
ゲージ等の電気的変位検出器を入力軸に固着させていた
ため、温度変化の影響を受は易く、その作動が不安定で
、信頼性に欠けるという問題点があった。

そこでこのような不具合を解消するものとしてさらに、
特開昭５８−１９４６６４号、特開昭５８−２１８６２
７号、特開昭５８−１０５８７７号、実開昭５７−１９
２８７２号、実開昭５８＝１０１１５３号、特開昭５８
−５６２６号、特開昭６１−２１８６１号の各公報に示
されたようなものが知られている。

例えば、特開昭５８−１９４６６４号に記載の装置では
、一端がステアリングホイールに連結され他端がステア
リングギアに連結されたコラムシャフトを分割し、この
分割された２つのシャフトが弾性体を介して相対的な回
動変位を可能にするように連結された操舵装置に設けら
れ、これら２つのシャフトの相対回動変位を軸方向変位
に変換して、軸方向変位の大きさによりステアリングホ
イールに加えられる操舵力を検出している。また、トー
ションバー機構の捩りを静電容量の変化に変換したもの
として上記特開昭６１−２１８６１号に記載されたもの
がある。

（発明が解決しようとする問題点） しかしながら、このような従来の装置にあっては、トー
ションバー機構の捩れ変位をスイッチ等の部材を用いて
検出するものや相対回動変位を軸方向変位に変換するも
の等のいわゆる接触型のトルクセンサでは、構造が複雑
で検出器の機構的、電気的部品点数が多く、かつ取付け
に際して相当の精度が要求されるため、製造コストの増
大を招くばかりか温度・湿度等の環境変化により検出精
度が悪化することがある。すなわち、センサとしてトル
クの検出を行う場合、回転軸が対象であるため、耐摩耗
性、保安性等の信頼性の面から非接触型のトルクセンサ
が望ましい。一方、非接触型のトルクセンサであっても
、例えば捩れ変位の量を光電的に検出するようにしたも
の（上記特開昭５８−５６２６号公報参照）では、特に
汚れの激しい場所で使用できないことがある。また、以
上のような問題点に加えて接触型、非接触型の何れのト
ルクセンサにあっても、従来の装置では回転変位の方向
（すなわち、トルクの働く方向）の検出や静止トルクの
検出は相当困難であって、これらの諸問題を解決したト
ルクセンサは未だ実現されていない。

このように、エンジンや電動機等の回転駆動部をコント
ロールする際に極めて重要なパラメータとなる回転およ
び静止トルクを非接触で正確に低コストで検出できるト
ルクセンサの出現が望まれている。

（発明の目的） そこで本発明は、温度・湿度等の環境変化や汚れによる
影響を受けない磁界という物理量に着目し、捩れ変位を
所定の構造により磁束量の変化に変換し、この磁束量の
変化を非接触で検出して捩れ変位を測定することにより
、構造が簡単で応答性が良く静止、回転に拘らず低コス
トでトルクを検出できる非接触型のトルクセンサを提供
することを目的としている。

（問題点を解決するための手段） 本発明ニよるトルクセンサは上記目的達成のため、第１
シャフトの先端部を捩れ変位の発生が可能な構造として
第２シャフトに連結し、この連結部の周囲を取り囲むよ
うに所定数のＮ極およびＳ極を固定磁極として交互に配
設して第２シャフトに固定し、これらのＮ極およびＳ極
と同数の第１ピツクアツプ路および第２ピツクアツプ路
をそれぞれ各磁極の中間位置に対向するように配設する
とともに、第１、第２ピックアップ路を流れる磁束の変
化を検出する磁気検出素子を第１シャフトに非接触で設
け、第２シャフトに対して第１シャフトが捩れ変位した
とき前記Ｎ極が第１ピツクアツプ路あるいは第２ピック
アップ路の何れの側に近接するかによって第１、第２ピ
ツクアツプ路を流れる磁束量を変化させ、この磁束の変
化から第２シャフトに対する第１シャフトの捩れ変位を
検出するようにしたことを特徴とするトルクセンサを備
えている。

（作用） 本発明では、第１シャフトの先端部を捩れ変位の発生が
可能な構造として第２シャフトに連結され、この連結部
の周囲を取り囲むように所定数のＮ極およびＳ極が固定
磁極として交互に配設されて第２シャフトに固定される
とともに、これらのＮ極およびＳ極と同数の第１ピツク
アツプ路および第２ピツクアツプ路がそれぞれ各磁極の
中間位置に対向するように配設される。また、第１、第
２ピツクアツプ路を流れる磁束の変化を検出する磁気検
出素子が第１シャフトに非接触で設けられる。そして、
第２シャフトに対して第１シャフトが捩れ変位したとき
前記Ｎ極が第１ピックアップ路あるいは第２ピツクアツ
プ路の何れの側に近接するかによって第１、第２ピツク
アツプ路を流れる磁束量が変化し、この磁束の変化から
第２シャフトに対する第１シャフトの捩れ変位が非接触
で検出される。したがって、構造が簡単で応答性が良く
静止・回転に拘らず低コストでトルクが精度良く測定で
きる。

（実施例） 以下、本発明を図面に基づいて説明する。

第１〜６図は本発明の一実施例を示す図であり、第１図
は本実施例の分解斜視図、第２図は縦側面図、第３図は
正面図である。

まず、構成を説明する。第１図において、■は第１シャ
フトであり、第１シャフト１は捩れ剛性を若干低くする
ための小径部２を介して第２シャフト３に連結されてお
り、図中Ａ、Ｂで示すような第１シャフトの円周方向の
回転力を小径部２を経由して第２シャフト３に伝達する
。また、第２図の縦側面図に示すように第２シャフト３
の外周面３ａには小径部２を包み込むようにして成形さ
れた円筒形のモールド部材（非磁性材）４の突端部４ａ
が嵌合・固着されており、モールド部材４は後述するピ
ックアンプ部材７およびホール素子１３等と一対となっ
てトルク検出機構２１を構成している。一方、モールド
部材４の他端側にはドーナソツ型の磁性体埋込み部４ｂ
が形成され、磁性体埋込み部４ｂは軸方向に対して垂直
となるような切断面（端面）４Ｃを有し、磁性体埋込み
部４ｂには端面４ｃにＮ極を臨むように配置した磁性体
５ａと、端面４ＣにＳ極を臨むように配置した磁性体５
ｂとがそれぞれ８個づつ交互に同心円状でかつ等間隔に
なるように配設されている。さらに、各磁性体５ａ、５
ｂの他端部は円環状のコモンリング６に連結されており
、コモンリング６は各磁性体５ａ、５ｂから発する磁界
について閉ループ状の磁気通路の一部を形成する。コモ
ンリング６および各磁性体５ａ、５ｂは磁性体埋込み部
４ｂ内に埋設され、非磁性体からなる磁性体埋込み部４
ｂと一体形成されている。なお、本実施例では磁性体５
ａ、５ｂの個数をそれぞれ８個としているが勿論これに
は限定されず、端面４ｃにＮ極、Ｓ極が交互に等間隔で
臨むものであれば他の個数の態様のものでもよい。

一方、第１シャフトの小径部２側の外周面１ａには端面
４Ｃに面し、かつ端面４ｃと微少空隙を有する円板形の
ピンクアップ部材（非磁性体）７が嵌合・固着されてお
り、ピンクアップ部材７の入力側の端面７ａには端面７
ａに外接してアウターリング８とその内方にインナーリ
ング９とが設けられている。また、端面４Ｃに面したピ
ソクアツブ部材７の端面７ｂには磁性体５ａあるいは５
ｂからの磁気力を受けて磁路となる磁路片１０ａと磁路
片１０ｂとが磁性体５ａおよび５ｂとそれぞれ１対１で
対応するように８個づつ交互に同心円状でかつ等間隔に
なるように配設され、磁路片１０ａはアウターリング８
に磁路片１０ｂはインナーリング９に連結される。磁路
片１０ａとアウターリング８とは第１ピックアップ路１
１を構成し、磁路片１０ｂとインナーリング９とは第２
ピツクアツプ路１２を構成する。ここで、コモンリング
６、磁路片１０ａ、１０ｂ、アウターリング８およびイ
ンナーリング９は磁力線を通し易い材質のものが望まし
く、例えはパーマロイ、フェライト等で作られており、
前記磁性体５ａ、５ｂから発した磁気力を磁路片ｔＯａ
、１０ｂを介してアウターリング８およびインナーリン
グ９に誘導する。ところで、磁路片１０ａ１１０ｂは前
記の磁性体５ａ、５ｂと同様に非磁性体からなるピック
アップ部材７内に一体形成されており、定常時（すなわ
ち、トルクが０のとき）では第３図の正面図に示すよう
に磁性体５ａあるいは５ｂが磁路片１０ａおよび１０ｂ
の丁度中間に位置するように構成されている。したがっ
て、磁性体５ａから磁路片１０ａに至るまでのギャップ
空間！、と磁性体５ａから磁路片１０ｂに至るまでのギ
ャップ空間Ｉ！、ｌＩとは互いに等しく、同様に磁性体
５ｂから磁路片１０ｂまでのギャップ空間７！、と磁性
体５ｂから磁路片１０ａまでのギャップ空間Ｉ！、、と
は相等しい。したがって、第１図に示すように第１シャ
フト１に円周方向Ａ（あるいはＢ）の回転力が加わると
前記ギャップ空間ＡＡ、　ｊ２．はその回転力に応じて
それぞれ所定量づつ変化する。さらに、上述したアウタ
ーリング８とインナーリング９との間にはこれらリング
やピックアップ部材７と非接触でかつアウターリング８
からインナーリング９に（あるいはインナーリング９か
らアウターリング８に）かかる磁界と直角となるような
位置にホール素子（磁気検出素子）１３が配置され、ホ
ール素子１３はプリント基板１４に接着材等で固着され
る。プリント基板１４上にはホール素子１３からの信号
を検出・処理するための部材（図示せず）が配設される
とともに、プリント基板１４はプリント基板に固着する
支持部材１４ａを介して第１シャフト１に回動変位自在
に嵌合される。なお、ホール素子１３は固体のホール効
果を利用したセンサであり、磁界の強さに比例した出力
電圧を発生する素子であるが従来公知のものと同様のも
のが使用可能であるので詳しい説明は省略する。

次に、作用を説明する。

本発明に係るトルクセンサは、磁性体５ａ１５ｂから発
した磁気力をホール素子１３で検知する際に、第１シャ
フト１と第２シャフト３との間に生じた機械的な捩れ変
位を磁性体５ａ、５ｂと磁路片１０ａ、１０ｂとの間の
ギャップ空間ｌＡ、ｌＢの変化（換言すれば、空間磁路
長の変化）として捉え、このギヤツブ空間βヶ、ｌ、の
変化により生じた磁束の流れ（磁路）と磁束量の変化を
ホール素子１３により非接触で検知してトルクを検出し
ている。続いて、第４．５図を用いて本発明の基本的な
考え方を述べる。第４図（ａ）は定常的におけるトルク
検出機構２１の一部を模式的に示す図であり、同図（ｂ
）は前述の第１図に示したように回転力が円周方向Ａの
向きに加わった場合を示し、同図（ｃ）は回転力が円周
方向Ｂの向きに加わった場合を模式的に示している。ま
た、第５図は定常時におけるトルク検出機構２１の一部
を模式的に示した斜視図である。

定常時 トルクが加わっていないので第４図（ａ）に示すように
磁性体５ａから磁路片１０ａまでのギャップ空間ｌＡと
磁性体５ａから磁路片１０ｂまでのギャップ空間ｌ、と
はそれぞれ等しく、各々の磁性体と磁路片との位置関係
はどの場所においても一様である。したがって、第５図
に示すように１対の磁性体５ａ、５ｂおよび磁路片１０
ａ、１０ｂを代表として例に採り説明することができる
。いま、磁性体５ａのＮ極から発した磁束は実線の矢印
で示す如く、ギャップ空間ｌＡを経て磁路片１０ａに入
り、磁路片１０ａの先端部を通過してギャップ空間Ｎ、
を経て磁性体５ｂのＳ極に到達する。同様に、磁性体５
ａのＮ極から発した磁束は一方ではギャップ空間ＡＩＢ
を経て磁路片１０ｂに入り、磁路片１０ｂの先端部を通
過してギャップ空間Ｉ！、Ａを経て磁性体５ｂのＳ極に
到達する。５ｄのＮ極から発した磁束は何れもコモンリ
ング６を通して磁性体５ａのＳ極に到達する。このよう
に、磁性体５ａ、５ｂ、磁路片１０ａ（あるいは１０ｂ
）およびコモンリング６はギャップ空間ＡＡ、Ｊ、を挟
んで１つの閉ループ状の磁気通路を形成しており、この
磁路を主磁路と呼び、このときの磁束をφ１と呼ぶ。

一方、磁性体５ａのＮ極から発した磁束は、単に磁路片
１０ａ　（あるいは磁路片１０ｂ）を通過して磁性体５
ｂのＳ極に達する上述のような主磁路を形成するだけで
はなく磁路片ｔＯａ、１０ｂの軸心方向（アウターリン
グ８およびインナーリング９方向）に向かうものも存在
する。すなわち、同図一点鎖線の矢印で示すように磁性
体５ａのＮ極から発した磁束の一部は、ギャップ空間７
！５、磁路片１０ａ１アウターリング８を経てホール素
子１３に至り、ホール素子１３を直交してインナーリン
グ９、磁路片１０ｂおよびギャップ空間ｌＡを経由し、
磁性体５ｂのＳ極に帰還するバイパス磁路を形成してい
る（この方向でバイパス磁路を通る磁束をφ２と呼ぶ）
。ところで、磁性体５ａのＮ極で発生した磁気力は、一
方では磁路片１０ｂ側にも等しく印加しており（但し、
極性は異なる）、同図破線の矢印で示すように上述した
場合とは逆向きのルートでバイパス磁路を形成している
（この逆向きの流れでバイパス磁路を通る磁束を−φ２
と呼ぶ）。この場合、ホール素子１３に印加する磁界の
強さは、実際上、透磁率の大きい磁路材やコモンリング
６に比して透磁率が極めて小さいギャップ空間７！４あ
るいはＩ！、おの大きさの差異により決定される。また
、磁路片１０ａ、１０ｂ、アウターリング８、インナー
リング９およびコモンリング６の各部材は定常時、非定
常時とも共通の磁気通路を形成していることから、これ
ら各部材に経年変化等による劣化があってもトルクの検
出精度の低下を来たさない。

このように、トルクが加わらない定常時にあっては、主
磁路を流れる磁束φ１がバイパス磁路を流れる磁束１φ
２１よりも極めて大きい（φ１）１φ２１）ことから、
実際上はホール素子１３が配設されているバイパス磁路
には殆ど磁束は流れ込まない。また、ギャップ空間ｌＡ
、ｌＢは互いに等しいので、多少の洩れ磁束１φ２１が
あっても前記磁束φ２、−φ２は等しい大きさくφ２＝
−φ２）となり互いに相殺し合ってホール素子１１は感
応せずトルクは検出されない。

ここで、本発明では上記バイパス磁路における磁束変化
をトルク検出のパラメータとしている。

すなわち、バイパス磁路の途中にホール素子１３を設け
ている。一方、主磁路についてはトルクの変化により磁
束の変化が生じるものの、検出対象としていない。但し
、主磁路の磁束によってもトルク検出が可能であり、本
出願人はこれを他出側として提案する意向である。その
ため、以後はバイパス磁路における磁束変化に着目して
具体的作用を説明していく。

非定常時（トルクが加わった場合） 第４図（ｂ）に示すように回転力が円周方向Ａの向きに
加わったときは磁性体５ａから磁路片１０ａまでのギャ
ップ空間β４と磁性体５ｂから磁路片１０ｂまでのギャ
ップ空間ｌＡは何れも大きくなり、逆に磁性体５ａから
磁路片１０ｂまでのギャップ空間β８と磁性体５ｂから
磁路片１０ａまでのギャップ空間ｌ、とは何れも小さく
なる。これに伴ってバイパス磁路の磁束−φ２の磁路抵
抗は減少し、主磁路φ１の磁路抵抗は大きくなる。した
がって、磁束の流れは定常時に優勢であった主磁路のφ
１からバイパス磁路の方に移行していくとともに、磁束
−φ２が磁束φ２よりも大きくなってゆき、その程度は
Ａ方向に加わる捩れ角の大きさに比例する（第６図参照
）。例えば、Ａ方向の回転力によりホール素子１３に印
加する磁界の向きを正方向とし、その出力電圧がプラス
の値となるようにホール素子１３の出力を設定すれば、
第６図に示すように発生トルクの大きさおよび方向そし
て静止トルクを適切に検出することができる。また、第
４図（Ｃ）に示すように回転力が円周方向Ｂの向きに加
わったときは磁束φ２が磁束−φ２よりも大きくなり、
上記の場合とは逆向きのトルクを検出することができる
。

このように、本実施例では磁性体５ａ、５ｂから発した
磁気力をホール素子１３で検知する際に、第１シャフト
１と第２シャフト３との間に生じた捩れ変位が磁性体５
ａ、５ｂと磁路片ｔＯａ、１０ｂとの間のギャップ空間
ＩＡ、ＩｔＢの変化としてとらえられ、このギャップ空
間ｉＡ、ｐＢの変化が磁界の強さの変化としてピンクア
ンプ部材７と非接触で設けられたホール素子１３により
正確に検知される。したがって、従来の問題点で述べた
ように、相対回動変位を軸方向変位に変換するもの等の
従来装置に比して回動部分がなく構造を極めて簡素にす
ることができ、応答性や信頼性に優れ、かつ測定精度の
良いトルクセンサを低コストで実現することができる。

また、構造が簡単なことに加えてモールド部材４やピッ
クアップ部材７の取り付は後にホール素子１３等の調整
を行うことができるため、これら各部材の取り付けにお
いて高い精度の要求される困難な工作を必要としない。

しかも、本発明では回転トルクの情報を非接触で検出し
ているので、測定精度面の向上は元より、耐摩耗性、保
安性等の信頼性を飛躍的に向上させることができるばか
りか、従来の装置同様静止トルクをも精度よく検出する
ことができる。

以上のような特徴を有する本発明を例えば、自動車の操
舵力検出用としてステアリング装置に適用すれば操舵力
の制御に極めて好適である。

なお、本実施例では回転トルク検出の例として回転角が
±６°のみの態様を示しているが、これに限らず、例え
ば磁性体や磁路片およびシャフトの捩れ剛性を調節する
ことにより広範囲な静動トルクをも検出できることは勿
論である。

また、本発明では第１シャフトの先端部を捩れ変位の発
生が可能な構造として第２シャフトに連結する構成とし
ているが、この第１シャフトと第２シャフトとは別々の
部材であっても、あるいは本実施例のように第１、第２
実施例とも１本の部材で形成されるものであってもよい
ことは言うまでもない。

（効果） 本発明によれば、第１シャフトの先端部を捩れ変位の発
生が可能な構造として第２シャフトに連結し、この連結
部の周囲を取り囲むように所定数のＮ極およびＳ極を固
定磁極として交互に配設して第２シャフトに固定し、こ
れらのＮ極およびＳ極と同数の第１ピツクアツプ路およ
び第２ピックアップ路をそれぞれ各磁極の中間位置に対
向するように配設するとともに、第１、第２ピックアッ
プ路を流れる磁束の変化を検出する磁気検出素子を第１
シャフトに非接触で設け、第２シャフトに対して第１シ
ャフトが捩れ変位したとき前記Ｎ極が第１ピツクアツプ
路あるいは第２ピツクアツプ路の何れの側に近接するか
によって第１、第２ピンクアンプ路を流れる磁束量を変
化させ、この磁束の変化から第２シャフトに対する第１
シャフトの捩れ変位を検出するようにしているので、構
造が簡単で応答性が良く静止、回転に拘らず低コストで
精度良く非接触でトルクを検出することかできる。

【図面の簡単な説明】

第１〜６図は本発明の一実施例を示す図であり、第１図
はその分解斜視図、第２図はその縦側面図、第３図はそ
の正面図、第４図はその作用を説明するための模式図、
第５図はその作用を説明するために模式的に示した斜視
図、第６図はその効果を説明するための回転トルクの特
性図である。 １・・・・・・第１シャフト− ２・・・・・・小径部、 ３・・・・・・第２シャフト、 ５ａ、５ｂ・・・・・・磁性体、 １０ａ、１０ｂ・・・・・・磁路片、 １１・・・・・・第１ピツクアツプ路、１２・・・・・
・第２ピツクアツプ路、１３・・・・・・ホール素子（
磁気検出素子）。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 第１シャフトの先端部を捩れ変位の発生が可能な構造と
   して第２シャフトに連結し、この連結部の周囲を取り囲
   むように所定数のＮ極およびＳ極を固定磁極として交互
   に配設して第２シャフトに固定し、これらのＮ極および
   Ｓ極と同数の第１ピックアップ路および第２ピックアッ
   プ路をそれぞれ各磁極の中間位置に対向するように配設
   するとともに、第１、第２ピックアップ路を流れる磁束
   の変化を検出する磁気検出素子を第１シャフトに非接触
   で設け、第２シャフトに対して第１シャフトが捩れ変位
   したとき前記Ｎ極が第１ピックアップ路あるいは第２ピ
   ックアップ路の何れの側に近接するかによって第１、第
   ２ピックアップ路を流れる磁束量を変化させ、この磁束
   の変化から第２シャフトに対する第１シャフトの捩れ変
   位を検出するようにしたことを特徴とするトルクセンサ
   。