JPS63171333A - 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ＯＮ　−０−Ｆ　Ｆ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ッ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、Ｏ
Ｎ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、ス
テアリングホイールから人力する操舵トルクと操舵抵抗
との差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） 本発明に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極あるいはＳ極を固定磁極として配設し
て第２シャフトに固定し、該固定磁極と同数の第１ピッ
クアップ路を各固定磁極の中間位置に対向するように配
設し、この第１ピックアップ路を流れる磁束を前記各磁
極に帰還させる第２ピックアップ路を配設するとともに
、第１、第２ピックアップ路を流れる磁束の量を検出す
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変位前
に各固定路極の中間位置にある第１ピックアップ路が変
位後にこの中間位置から外れて固定磁極側に近接するこ
とによって第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ている。

（作用） 本発明では、第１シャフトの先端部が捩れ変位の発生が
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極あるいはＳ極が固
定磁極として配設されて第２シャフトに固定されるとと
もに、該固定磁極と同数の第１ピックアップ路が各固定
磁極の中間位置に対向するように配設され、この第１ピ
ックアップ路を流れる磁束を前記各磁極に帰還させる第
２ピックアップ路が配設される。また、第１、第２ピッ
クアップ路を流れる磁束の量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
したとき変位前に各固定路極の中間位置にある第１ピッ
クアップ路が変位後にこの中間位置から外れて固定磁極
側に近接することによって第１、第２ピックアップ路を
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１〜５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図は縦断側面図、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、１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図の縦断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４
ａが嵌合・固着されており、モールド部材４は後述する
ピックアップ部材８およびホール素子１１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ッツ型の磁性体埋込み部４
ｂ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５が同心円状でかつ等間隔になるように１６個配設さ
れている。さらに、各磁性体５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５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５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４ｂと一体形成されている。なお、本実施例
では磁性体５の個数を１６個としているが勿論これには
限定されず、等間隔で臨むものであれば他の個数の態様
のものでもよく、また、切断面４ｃにＳ極を臨むもので
もよい。

一方、第１シャフトの小径部２側の外周面１ａには円筒
フランジ型磁路材（第２ピックアップ路）７が嵌合・固
着されており、円筒フランジ型磁路材７の一端部７ａは
コモンリング６の内周面６ａと微少空隙（ピボットエア
ーギャップ）を有するように第２シャフト３側に延長さ
れている。

また、円筒フランジ型磁路材７の他端部７ｂは後述する
円環状の磁路材（第１ピックアップ路）９の内周面９ｂ
と所定の微少空隙を有して対向するように軸方向に対し
て垂直に折り曲げられており、円筒フランジ型磁路材７
の外周面７Ｃには非磁性材からなるピックアップ部材８
が嵌合・固着されている。ピックアップ部材８には他端
部７ｂの先端側から軸方向側に微少空隙８ａが画成され
ており、ピックアップ部材８の外周側端面８ｂには円環
状の磁路材９が切断面４Ｃに面し、かつ切断面４Ｃと微
少空隙を存するように配設されている。

円環状の磁路材９には各磁性体５の中間位置に対向する
１６個の歯形突出部９ａが形成されている。

ところで、円筒フランジ型磁路材７、円環状の磁路材９
は前記の磁性体５と同様に非磁性体からなるピックアッ
プ部材８に一体形成されており、定常時（すなわち、ト
ルクがＯのとき）では第３図の正面図に示すように磁性
体５が円筒フランジ型磁路材７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５から円環状
の磁路材９の歯形突出部９ａに至るまでのギャップ空間
は何れも等しいものとなる。ここで、コモンリング６、
円筒フランジ型磁路材７および円環状の磁路材９は磁力
線を通し易い材質のものが望ましく、例えばパーマロイ
、フェライト等で作られている。

さらに、上述した円環状の磁路材９の歯形突出部９ａと
円筒フランジ型磁路材７の端部７ｂとの間には磁路材や
ピックアンプ部材８と非接触でかつ歯形突出部９ａから
端部７ｂに（あるいは端部７ｂから歯形突出部９ａ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）１１が１個あるいは複数個配設され、ホール
素子１１はプリント基板１２に接着材等で固着される。

プリント基板１２上にはホール素子１１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１２はプリント基板に固着する支持
部材１２ａ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１１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、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を磁性体５と歯形突出
部９ａとの間のギャップ空間の変化としてとらえ、この
ギャップ空間の変化により生じた磁束量の変化をホール
素子１１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）は定常時におけるトルク検出機構２
１の一部を模式的に示す斜視図であり、同図（ｂ）は回
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。

定常！ トルクが加わっていないので第４図（ａ）に示すように
各磁性体５から円環状の磁路材９の歯形突出部９ａに至
るまでのギャップ空間はどの場所においても一様である
。したがって、同図に示すように歯形突出部９ａと歯形
突出部９ａを挟む１対の磁性体５とを例に採り説明する
ことができる。

いま、磁性体５のＮ極から発した磁束は矢印で示す如く
、ギャップ空間歯形突出部９ａ、内周面９ｂを経てホー
ル素子１１に至り、ホール素子１１を直交して円筒フラ
ンジ型磁路材７の端部７ｂ、７ａ、ピボットエアーギャ
ップおよびコモンリング６を経由して元の磁性体５のＳ
極に帰還する閉ループを形成している（このときの磁束
をφと呼ぶ）。

この場合、ホール素子１１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あるいはピボットエ
アーギャップの大きさの差異により決定されるが、定常
時ではこのギャップ空間は比較的大きいことから、ホー
ル素子１１に印加される磁界の強さは殆どゼロとなりト
ルクは検出されない。ところで、円筒フランジ型磁路材
７、円環状の磁路材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。

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
加わったときあるいは同図（Ｃ）に示すように回転力が
円周方向Ｂに加わったときは何れも磁性体５から歯形突
出部９ａまでのギャップ空間は小さくなり、これに伴っ
て磁路抵抗は減少してゆく。したがって、回転力に応じ
て磁束は大きくなってゆき、その程度はＡあるいはＢ方
向に加わる捩れ角の大きさに比例する。その結果、第５
図に示すように発生トルクの大きさや静止トルクを適切
に検出することができる。

このように、本実施例では磁性体５から発した磁気力を
ホール素子１１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と歯形突
出部９ａとの間のギャップ空間の変化としてとらえられ
、このギャップ空間の変化により生じた磁束量の変化が
トルクを示すものとしてピックアップ部材８と非接触で
設けられたホール素子１１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。特に、本実施例では磁
路の構造が非常にシンプルであることから、部品点数の
削減や取付コストの低減を図ることができる。また、構
造が簡単なことに加えてモールド部材４やピックアンプ
部材８の取り付は後にホール素子１１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
来の装置では測定が困難であった静止トルク、回転トル
クの双方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
ば磁性体や磁片およびシャフトの捩れ剛性を調節するこ
とにより使途に応じた回転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。

さらに、本実施例では磁気検出素子（ホール素子）を１
個用いた例を示したがこれには限定されず、磁気検出素
子を複数個設けてもよい。例えば第１シャフト１の軸線
を中心として１８０°の角度に相対する位置に２個の磁
気検出素子を設けるようにすれば、偏芯等の影響による
トルク・リプル分を相殺することができ、検出精度をよ
り一層高めることができる。

（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極あるいはＳ極を
固定磁極として配設して第２シャフトに固定し、該固定
磁極と同数の第１ピックアップ路を各固定磁極の中間位
置に対向するように配設し、この第１ピックアップ路を
流れる磁束を前記各磁極に帰還させる第２ピックアップ
路を配設するとともに、第１、第２ピックアップ路を流
れる磁束の量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
れ変位したとき変位前に各固定磁極の中間位置にある第
１ピックアップ路が変位後にこの中間位置から外れて固
定磁極側に近接することによって第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ができる。

【図面の簡単な説明】

第１〜５図は本発明に係るトルクセンサの一実施例を示
す図であり、第１図はその分解斜視図、第２図はその縦
断側面図、第３図はその正面図、第４図（ａ）はその定
常時の作用を説明するために模式的に示した斜視図、第
４図（ｂ）はその一方の方向にトルクが加わった場合の
作用を説明するために模式的に示した斜視図、第４図（
Ｃ）はその他方の方向にトルクが加わった場合の作用を
説明するために模式的に示した斜視図、第５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、 ５・・・・・・磁性体、 ７・・・・・・円筒フランジ型磁路材（第２ピックアッ
プ路）、 ９・・・・・・円環状の磁路材（第１ピックアップ路）
、９ａ・・・・・・歯形突出部、 １１・・・・・・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極あるいはＳ極を固定磁極として配
   設して第２シャフトに固定し、該固定磁極と同数の第１
   ピックアップ路を各固定磁極の中間位置に対向するよう
   に配設し、この第１ピックアップ路を流れる磁束を前記
   各磁極に帰還させる第２ピックアップ路を配設するとと
   もに、第１、第２ピックアップ路を流れる磁束の量を検
   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変
   位前に各固定路極の中間位置にある第１ピックアップ路
   が変位後にこの中間位置から外れて固定磁極側に近接す
   ることによって第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。