(57)【要約】【課題】効率的な構成において、精度良くトルクを検出する。【解決手段】トーションバー１０の中央位置で固定された中央リング２１と、トーションバー１０の入力側で固定された入力側リング２２と、トーションバー１０の出力側で固定された出力側リング２３とを設ける。中央リング２１の入力側端部には入力側リング２２の端部に設けられた歯と対向する歯を設け、中央リング２１の出力側端部には出力側リング２３の端部に設けられた歯と対向する歯を設ける。中央リング２１の歯と入力側リング２２の歯の対向する範囲と、中央リング２１の歯と出力側リング２３の歯の対向する範囲は、トーションバー１０の捻れに応じて、増減方向に関して逆方向に変化し、これに伴い各リング間の磁気抵抗も変化する。そして、この磁気抵抗の差を差動トランスを用いて測定回路４０で測定する。【選択図】図１
2008026222.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
トーションバーと、
トーションバーの中央に固定された中央磁性体と、
トーションバーの入力側に固定された入力側磁性体と、
トーションバーの出力側に固定された出力側磁性体と、
測定手段とを有し、
前記トーションバーの捻れに伴う前記入力側磁性体の前記中央磁性体に対する相対的な回転と前記中央磁性体の前記出力側磁性体に対する相対的な回転とに応じて、前記入力側磁性体と中央磁性体との間の磁気抵抗と、前記中央磁性体と前記出力側磁性体との間の磁気抵抗とが、増減方向に関して逆方向に変化するように、前記中央磁性体と前記入力側磁性体と前記出力側磁性体の形態と配置は設定されており、
前記測定手段は、前記中央磁性体と前記入力側磁性体との間を通る磁束による誘起電圧を生成する第１の検出コイルと、前記中央磁性体と前記出力側磁性体との間を通る磁束による誘起電圧を生成する第２の検出コイルと、前記第１の検出コイルが生成した誘起電圧と前記第２の検出コイルが生成した誘起電圧の差分を計測する計測回路とを有することを特徴とするトルクセンサ。
【請求項２】
請求項１記載のトルクセンサであって、
前記測定手段は、前記中央磁性体廻りに配置した一次コイルと、前記一次コイルを交流駆動する駆動手段とを有することを特徴とするトルクセンサ。
【請求項３】
請求項１または２記載のトルクセンサであって、
前記中央磁性体は、トーションバーの中央に固定された中央リングであって、
前記入力側磁性体は、トーションバーの入力側に固定された入力側リングであって、
前記出力側磁性体は、トーションバーの出力側に固定された出力側リングであって、
前記入力側リングの出力側端には、複数の歯が設けられ、
前記出力側リングの入力側端には、複数の歯が設けられ、
前記中央リングの入力側端には、前記入力側リングの複数の歯と対向する複数の歯が設けられ、
前記中央リングの出力側端には、前記出力側リングの複数の歯と対向する複数の歯が設けられ、
前記トーションバーに捻れが生じていない状態において、前記入力側リングと中央リングとの間のギャップの総量と、前記出力側リングと中央リングとの間のギャップの総量とが等しく、トーションバーの捻れに伴う前記入力側リングの前記中央リングに対する相対的な回転と前記中央リングの前記出力側リングに対する相対的な回転とに応じて、前記入力側リングと中央リングとの間のギャップの総量と、前記中央リングと前記出力側リングとの間のギャップの総量とは、増減方向に関して逆方向に変化するように、前記入力側リングの複数の歯と前記出力側リングの複数の歯と前記中央リングの入力側端の複数の歯と前記中央リングの出力側端の複数の歯の形態と配置は設定されていることを特徴とするトルクセンサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、トーションバーの捻れ量を検出することによりトルクを計測するトルクセンサに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
トーションバーの捻れ量を検出することによりトルクを計測するトルクセンサとしては、トーションバーの入力軸に固定された、磁路形成部（歯）を端面に形成した磁性材料からなる第１の円筒と、トーションバーの出力軸に固定され、第１の円筒の磁路形成部に対向する磁路形成部（歯）を端面に形成した磁性材料からなる第２の円筒と、第１の円筒と第２の円筒とともに磁気回路を構成しているトルク検出コイルと、トーションバーの入力軸または出力軸の外周に設けられた、磁性材料からなる円筒部と、当該円筒部とともに磁気回路を構成している温度補償コイルとを有するトルクセンサが知られている（たとえば、特許文献１）。
【０００３】
このようなトルクセンサによれば、トーションバーの入力軸と出力軸との間に加えられたトルクによってトーションバーが捻れると、当該捻れによって第１の円筒と第２の円筒に回転角の差が生じ、第１の円筒の磁路形成部（歯）と第２の円筒の磁路形成部（歯）が対向する範囲が変化し、第１の円筒と第２の円筒との間の磁気抵抗が変化する。そして、この磁気抵抗の変化を、トルク検出コイルに生じる誘起電圧の変化として検出することにより、トーションバーの入力軸と出力軸との間に加えられたトルクを測定する。
【０００４】
また、このトルクセンサにおける温度変化によって生じるトルク検出コイルの誘起電圧の補償は、基本的には、トルク検出コイルの誘起電圧から、温度変化に対してトルク検出コイルと同じ誘起起電力を生じることになる温度補償コイルの誘起電圧を差し引くことにより行われている。
【特許文献１】特開2005-3462号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
前述した特許文献１記載のトルクセンサによれば、温度補償のために専用のコイルを温度補償コイルとして設ける必要があり、その構成が必ずしも効率的ではない。また、トルクセンサによるトルク検出精度はより向上することが好ましい。
そこで、本発明は、効率的な構成において、精度良くトルクを検出することのできるトルクセンサを提供することを課題とする
【課題を解決するための手段】
【０００６】
前記課題達成のために、本発明は、トーションバーと、トーションバーの中央に固定された中央磁性体と、トーションバーの入力側に固定された入力側磁性体と、トーションバーの出力側に固定された出力側磁性体と、測定手段とを含めてトルクセンサを構成したものである。ただし、前記トーションバーの捻れに伴う前記入力側磁性体の前記中央磁性体に対する相対的な回転と前記中央磁性体の前記出力側磁性体に対する相対的な回転とに応じて、前記入力側磁性体と中央磁性体との間の磁気抵抗と、前記中央磁性体と前記出力側磁性体との間の磁気抵抗とが、増減方向に関して逆方向に変化するように、前記中央磁性体と前記入力側磁性体と前記出力側磁性体の形態と配置は設定されており、前記測定手段は、前記中央磁性体と前記入力側磁性体との間を通る磁束による誘起電圧を生成する第１の検出コイルと、前記中央磁性体と前記出力側磁性体との間を通る磁束による誘起電圧を生成する第２の検出コイルと、前記第１の検出コイルが生成した誘起電圧と前記第２の検出コイルが生成した誘起電圧の差分を計測する計測回路とを有するものである。
【０００７】
ここで、より具体的には、前記測定手段には、前記中央磁性体廻りに配置した一次コイルと、前記一次コイルを交流駆動する駆動手段とを設けることが好ましい。
また、より具体的には、前記中央磁性体は、トーションバーの中央に固定された中央リングであってよく、前記入力側磁性体は、トーションバーの入力側に固定された入力側リングであってよく、前記出力側磁性体は、トーションバーの出力側に固定された出力側リングであってよい。ただし、この前記入力側リングの出力側端には、複数の歯が設けられており、前記出力側リングの入力側端には、複数の歯が設けられており、前記中央リングの入力側端には、前記入力側リングの複数の歯と対向する複数の歯が設けられており、前記中央リングの出力側端には、前記出力側リングの複数の歯と対向する複数の歯が設けられているものである。また、前記トーションバーに捻れが生じていない状態において、前記入力側リングと中央リングとの間のギャップの総量と、前記出力側リングと中央リングとの間のギャップの総量とが等しく、トーションバーの捻れに伴う前記入力側リングの前記中央リングに対する相対的な回転と前記中央リングの前記出力側リングに対する相対的な回転とに応じて、前記入力側リングと中央リングとの間のギャップの総量と、前記中央リングと前記出力側リングとの間のギャップの総量とは、増減方向に関して逆方向に変化するように、前記入力側リングの複数の歯と前記出力側リングの複数の歯と前記中央リングの入力側端の複数の歯と前記中央リングの出力側端の複数の歯の形態と配置は設定されているものである。
【０００８】
これらのようなトルクセンサによれば、第１の検出コイルの誘起電圧と第２の検出コイルの誘起電圧との差分として、トーションバーの捻れ量を計測するので、第１の検出コイルと第２の検出コイルの出力に含まれるノイズ成分を相殺して計測のＳＮ比を向上することができる。また、このように差分を求めることにより、第１の検出コイルと第２の検出コイルの温度変化による起電力の変化を相殺し、トルクセンサの温度補償を実現することができる。
【０００９】
また、このようなトルクセンサによれば、中央磁性体や入力側磁性体や出力側磁性体の形態や配置は、測定対象とするトーションバー全体の捻れ量の最大値の１/２の捻れ量で、入力側磁性体と中央磁性体との間の磁気抵抗と、中央磁性体と出力側磁性体との間の磁気抵抗が、それぞれ最大変化を示すように構成すれば足りるので、測定対象とするトーションバー全体の捻れ量の最大値で磁気抵抗が最大変化を示すように構成する場合に比べ、より高い分解能で精度良くトルクを計測することができるようになる。
【００１０】
したがって、本発明によれば、温度補償用のコイルを専用に設ける必要のない効率的な構成において、精度良くトルクを検出することができるようになる。
【発明の効果】
【００１１】
以上のように、本発明によれば、効率的な構成において、精度良くトルクを検出することのできるトルクセンサを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明の実施形態について説明する。
図１ａに、本実施形態に係るトルクセンサの構成を示す。
ここで、図１ａ１はトルクセンサの正面を、図１ａ２はトルクセンサの右側面を、図１ａ３はトルクセンサの断面を、それぞれ模式的に表している。
図示するように、本トルクセンサは、トーションバー１０と、トーションバー１０に当該トーションバー１０の中央位置で固定された中央リング２１と、トーションバー１０に当該トーションバー１０の入力側（図における右方）で固定された入力側リング２２と、トーションバー１０に当該トーションバー１０の出力側（図における左方）で固定された出力側リング２３と、中央リング２１の外周側に間隙をあけて同軸に配置した一次コイル３１と、入力側リング２２の外周側に間隙をあけて同軸に配置した入力側二次コイル３２と、出力側リング２３の外周側に間隙をあけて同軸に配置した出力側二次コイル３３と、一次コイル３１と入力側二次コイル３２と出力側二次コイル３３とに接続した測定回路４０とを有している。
【００１３】
そして、中央リング２１は、磁性体で形成された概略中空円筒形状の部材であり、リム部２１１でトーションバー１０の中央位置に連結した形態で、トーションバー１０と同軸に配置される。また、中央リング２１の入力側端部と出力側端部には、それぞれ端部を、たとえば図１ｂに出力側端部について示すように、周に沿って一定間隔で軸方向に凹凸させることにより設けた複数の歯が設けられている。また、入力側リング２２は、磁性体で形成された概略中空円筒形状の部材であり、リム部２２１でトーションバー１０の入力側端部に連結した形態で、トーションバー１０と同軸に配置される。また、入力側リング２２の出力側端部には、当該端部を周に沿って一定間隔で軸方向に凹凸させることにより設けた複数の歯が設けられている。また、同様に、出力側リング２３は、磁性体で形成された概略中空円筒形状の部材であり、リム部２３１でトーションバー１０の出力側端部に連結した形態で、トーションバー１０と同軸に配置される。また、出力側リング２３の入力側端部には、当該端部を周に沿って一定間隔で軸方向に凹凸させることにより設けた複数の歯が設けられている。
【００１４】
また、中央リング２１と入力側リング２２と出力側リング２３の径は等しく、中央リング２１の入力側端部の端面と入力側リング２２の出力側端部の端面は間隙を空けて対向し、中央リング２１の出力側端部の端面と出力側リング２３の入力側端部の端面は間隙を空けて対向する。
ここで、中央リング２１の両端部の複数の歯の配置周期と、入力側リング２２の出力端側の複数の歯の配置周期と、出力側リング２３の入力側端部の複数の歯の配置周期は等しく、各歯の周方向長さも全て等しい。
そして、トーションバー１０にトルクが加えられていない状態、すなわち、トーションバー１０に捻れが生じていない状態において、入力側から出力側を見て時計廻りに進む方向を前方向とし、半時計廻りに進む方向を後方向として、図１ｃ１に示すように、入力側リング２２の出力側端部の各歯の後側半分が、中央リング２１の入力側端部の各歯の前側半分と対向し、出力側リング２３の入力側端部の各歯の後側半分が、中央リング２１の出力側端部の各歯の前側半分と対向するように、入力側リング２２の出力側端部の複数の歯の配置の位相と、中央リング２１の入力側端部の複数の歯の配置の位相と、中央リング２１の出力側端部の複数の歯の配置の位相と、出力側リング２３の入力側端部の複数の歯の配置の位相とが各々設定されている。したがって、この状態において、入力側リング２２の出力側端部の各歯の、中央リング２１の入力側端部の歯と対向する長さＤ１と、出力側リング２３の入力側端部の各歯の、中央リング２１の出力側端部の歯と対向する長さＤ２は等しい。
【００１５】
次に、トーションバー１０にトルクが加えられてトーションバー１０に捻れが生じた状態では、入力側リング２２は連結箇所であるトーションバー１０の入力側端部と同回転角度回転し、中央リング２１は連結箇所であるトーションバー１０の中央位置と同回転角度回転し、出力側リング２３は連結箇所であるトーションバー１０の出力側端部と同回転角度回転するので、入力側リング２２と出力側リング２３とは、中央リング２１に対して相対的に逆方向に回転する。
【００１６】
そして、入力側から出力側を見て時計廻りの回転方向を正の回転方向、半時計回りの回転方向を負の回転方向とすると、図１ｃ２に示すように、入力側リング２２が中央リング２１に対して相対的に負の回転方向に回転し、出力側リング２３が中央リング２１に対して相対的に正の回転方向に回転した場合、入力側リング２２の出力側端部の各歯の、中央リング２１の入力側端部の歯と対向する長さＤ１は増加し、出力側リング２３の入力側端部の各歯の、中央リング２１の出力側端部の歯と対向する長さＤ２は減少する。したがって、この場合には、中央リング２１と入力側リング２２との間の磁気抵抗は減少し、中央リング２１と出力側リング２３との間の磁気抵抗は増加する。
【００１７】
一方、入力側リング２２が中央リング２１に対して相対的に正の回転方向に回転し、出力側リング２３が中央リング２１に対して相対的に負の回転方向に回転した場合、入力側リング２２の出力側端部の各歯の、中央リング２１の入力側端部の歯と対向する長さＤ１は減少し、出力側リング２３の入力側端部の各歯の、中央リング２１の出力側端部の歯と対向する長さＤ２は増加する。したがって、この場合には、中央リング２１と入力側リング２２との間の磁気抵抗は増加し、中央リング２１と出力側リング２３との間の磁気抵抗は減少することになる。
【００１８】
したがって、中央リング２１と入力側リング２２との間の磁気抵抗と、中央リング２１と出力側リング２３との間の磁気抵抗との差を測定すれば、トーションバー１０の捻れ量を測定することができ、この捻れ量より、トーションバー１０に加えられたトルクを算定することができる。
【００１９】
ここで、このような測定を行うのが、一次コイル３１と入力側二次コイル３２と出力側二次コイル３３とより構成される差動トランスと、測定回路４０である。
すなわち、図２ａに示すように、測定回路４０は、発振回路４１と、検波回路４２とを有している。そして、発振回路４１は、一次コイル３１を交流で励磁して磁束を発生し、入力側二次コイル３２は、中央リング２１と入力側リング２２を通った交流磁束による誘起電圧Ｅ１を生成し、出力側二次コイル３３は、中央リング２１と出力側リング２３を通った交流磁束による誘起電圧Ｅ２を生成する。検波回路４２は、入力側二次コイル３２の誘起電圧Ｅ１と出力側二次コイル３３の誘起電圧Ｅ２の差Ｅ１-Ｅ２の大きさを検波し出力する。ここで、入力側二次コイル３２の誘起電圧Ｅ１は中央リング２１と入力側リング２２と間の磁気抵抗に反比例し、出力側二次コイル３３の誘起電圧Ｅ２は中央リング２１と出力側リング２３と間の磁気抵抗に反比例する。よって、検波回路４２で検波されるＥ１-Ｅ２の大きさによって、トーションバー１０の捻れ量が表されることになる。
【００２０】
また、入力側二次コイル３２の誘起電圧Ｅ１と出力側二次コイル３３の誘起電圧Ｅ２の差をとることによって、これら二次コイルにおいて発生した温度変化の影響は相殺され、トルクセンサの温度補償が実現されることになる。
以上、本発明の実施形態について説明した。
ところで、以上の実施形態では、一次コイル３１と入力側二次コイル３２と出力側二次コイル３３との３つのコイルを用いたが、これに代えて、図３ａの断面図に示すように配置した２つのコイルを用いてトルクセンサを構成するようにしてもよい。
すなわち、入力側リング２２の出力側と中央リング２１の入力側の間の間隙を覆うように入力側コイル５１を配置し、出力側リング２３の入力側と中央リング２１の出力側の間の間隙を覆うように、出力側コイル５２を配置する。
そして、図２ｂに示すように、入力側コイル５１と出力側コイル５２を直列に接続して二つのコイルの直列接続回路を構成すると共に、測定回路４０を、二つのコイルの直列接続回路を、交流で励磁する発振回路４０１と、入力側コイル５１の両端間の電圧をＥ１、出力側コイル５２の両端の電圧Ｅ２として、二つのコイルの直列接続回路の両端間の電圧Ｅ１+Ｅ２を１/２に分圧するボリューム抵抗４０２と、ボリューム抵抗４０２で分圧した（Ｅ１+Ｅ２）/２と、出力側コイル５２の両端の電圧Ｅ２との差（Ｅ１-Ｅ２）/２の大きさを検波し出力する検波回路４０３とより構成するようにする。
【００２１】
ここで、このようにしても、入力側コイル５１の誘起電圧Ｅ１は中央リング２１と入力側リング２２と間の磁気抵抗に反比例し、出力側コイル５２の誘起電圧Ｅ２は中央リング２１と出力側リング２３と間の磁気抵抗に反比例するので、検波回路４２で検波される（Ｅ１-Ｅ２）/２の大きさによって、トーションバー１０の捻れ量が表されることになる。
【００２２】
また、この場合にも、各コイルにおいて発生した温度変化の影響は相殺され、トルクセンサの温度補償が実現されることになる。
なお、以上の実施形態で示した、中央リング２１と、入力側リング２２と、出力側リング２３は、トーションバー１０の捻れに応じて、中央リング２１と入力側リング２２との間の磁気抵抗と、中央リング２１と出力側リング２３との間の磁気抵抗とが、増減方向について相互に逆方向に変化するものであれば任意の構造のものを用いるようにして良い。
【００２３】
すなわち、たとえば、中央リング２１の入力側端部の歯と入力側リング２２の歯とが径方向に対向し、中央リング２１の出力側端部の歯と出力側リング２３の歯とが径方向に対向するように配置するようにしてもよい。すなわち、この場合には、たとえば、図３ｂ１の断面図に示すように、中央リング２１の外径を、入力側リング２２や出力側リング２３の内径よりも小さくする。そして、入力側リング２２と中央リング２１との関係についてｂ２に示すように、中央リング２１の入力側端部が入力側リング２２に、両リングの歯が径方向に重なる領域に配置されるように内挿され、中央リング２１の出力側端部が出力側リング２３に、両リングの歯が径方向に重なる領域に配置されるように内挿された形態となるように、各リングを配置するようにする。
【００２４】
以上、本実施形態によれば、入力側二次コイル３２や入力側コイル５１の誘起電圧と出力側二次コイル３３や出力側コイル５２の誘起電圧との差分として、トーションバー１０の捻れ量を計測するので、これら誘起電圧を生成する各コイルの出力に含まれるノイズ成分を相殺し計測のＳＮ比を向上することができる。また、このように差分を求めることにより、これら誘起電圧を生成する各コイルの温度変化による起電力の変化は相殺し、トルクセンサの温度補償を行うことができる。
【００２５】
また、このようなトルクセンサによれば、中央リング２１や入力側リング２２や出力側リング２３の形態や配置は、測定対象とするトーションバー１０全体の捻れ量の最大値の１/２の捻れ量で、入力側リング２２と中央リング２１との間の磁気抵抗と、中央リング２１と出力側リング２３との間の磁気抵抗が、それぞれ最大変化を示すように構成すれば足りるので、測定対象とするトーションバー１０全体の捻れ量の最大値で磁気抵抗が最大変化を示すように構成する場合に比べ、より高い分解能で精度良くトルクを計測することができるようになる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明の実施形態に係るトルクセンサの構成を示す図である。
【図２】本発明の実施形態に係るトルクセンサの測定回路の構成を示す図である。
【図３】本発明の実施形態に係るトルクセンサの他の構成例を示す図である。
【符号の説明】
【００２７】
１０…トーションバー、２１…中央リング、２２…入力側リング、２３…出力側リング、３１…一次コイル、３２…入力側二次コイル、３３…出力側二次コイル、４０…測定回路、４１…発振回路、４２…検波回路、５１…入力側コイル、５２…出力側コイル。
【図１】
2008026222.tif 000003
【図２】
2008026222.tif 000004
【図３】
2008026222.tif 000005