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【発明の名称】 トルクセンサ
【発明者】 【氏名】日下部 健一

【氏名】西尾 栄一

【氏名】田口 正広
【要約】 【課題】トルクに加え回転角をも検出できるようにしたトルクセンサを提供することを目的とする。

【解決手段】摺動部材７０に設けたマグネット９０は周方向に磁極（Ｓ極、Ｎ極）を着磁形成されている。入力軸２０に一体回転可能に軸方向に摺動可能に嵌装した摺動部材７０は、案内溝部７３を備えており、この案内溝部７３は、傾斜状内壁部７３ａにて、出力軸４０のピン３６に当接している。両磁気センサ１００、１１０はハウジング１０の周壁にマグネット９０の軸方向両側に対向して設けられている。これにより、摺動部材７０の軸方向の摺動及び入力軸２０の回転に応じたマグネットの磁極の磁束の変化をトルク及び入力軸の回転角として検出する。
【特許請求の範囲】
【請求項１】 入力軸（２０）及び出力軸（４０）と、この出力軸と前記入力軸との間に同軸的に連結されてこの入力軸に作用するトルクに応じ捻れて当該入力軸と前記出力軸との間に相対回転を発生させるトーションバー（３０）と、前記入力軸に対しその軸方向には摺動可能に周方向には一体回転可能に同軸的に嵌装された筒状摺動部材（７０）と、前記入力軸と前記出力軸との間の相対回転を前記摺動部材の軸方向の摺動に変換する変換手段（３５、３６、７１ａ、７３、７３ａ、８０）と、前記摺動部材の外周壁に同軸的に設けられて周方向に各磁極を着磁形成してなる環状マグネット（９０）と、前記摺動部材の軸方向の摺動及び前記入力軸の回転に応じた前記マグネットの磁極の磁束の変化を前記トルク及び前記入力軸の回転角として磁気的に検出する磁気的検出手段（１００、１１０）とを備えるトルクセンサ。
【請求項２】 入力軸（２０）及び出力軸（４０）と、この出力軸と前記入力軸との間に同軸的に連結されてこの入力軸に作用するトルクに応じ捻れて当該入力軸と前記出力軸との間に相対回転を発生させるトーションバー（３０）と、前記入力軸に対しその軸方向には摺動可能に周方向には一体回転可能に同軸的に嵌装された筒状摺動部材（７０）と、前記入力軸と前記出力軸との間の相対回転を前記摺動部材の軸方向の摺動に変換する変換手段（３５、３６、７１ａ、７３、７３ａ、８０）と、前記摺動部材の外周壁に同軸的に設けられて周方向に各磁極を着磁形成してなる第１の環状マグネット（９０）と、前記摺動部材の外周壁に同軸的に設けられて軸方向に各磁極を着磁形成してなる第２の環状マグネット（１２０）と、前記摺動部材の前記入力軸の回転に応じた前記第１マグネットの磁極の磁束の変化を前記入力軸の回転角として磁気的に検出する第１磁気的検出手段（１００、１１０）と、前記摺動部材の軸方向の摺動に応じた前記第２マグネットの磁極の磁束の変化を前記トルクとして磁気的に検出する第２磁気的検出手段（１３０）とを備えるトルクセンサ。
【請求項３】 前記磁気的検出手段は、前記マグネットの軸方向両側に対向して位置するか或いは片側に位置する両磁気センサであって、これら両磁気センサの一方は、他方の磁気センサに対し前記マグネットの周方向に（ｎ＋（１／４））周期だけずれて位置することを特徴とする請求項１に記載のトルクセンサ。
【請求項４】 前記第１磁気的検出手段は、前記第１マグネットの軸方向両側に対向して位置するか或いは片側に位置する両磁気センサであって、これら両磁気センサの一方は、他方の磁気センサに対し前記第１マグネットの周方向に（ｎ＋（１／４））周期だけずれて位置することを特徴とする請求項２に記載のトルクセンサ。
【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、自動車等の車両のパワーステアリング装置等に採用するに適したトルクセンサに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】従来、この種のトルクセンサとしては、実開昭６０−１７９９４４号公報にて示すようなものがある。このトルクセンサにおいては、当該トルクセンサに作用するトルクに応じたトーションバーの捻れに伴い摺動部材（所謂、スラスタ）がトーションバーの軸方向に摺動したとき、当該摺動部材に固着されてこの摺動部材と共に変位する環状マグネットの磁束の変化がホール素子により上記トルクとして検出されるようになっている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】ところで、上記トルクセンサにおいて、上記マグネットはトーションバーの軸方向に沿いＮ極及びＳ極を着磁形成してなるものである。このため、ホール素子は、マグネットの軸方向変位に伴う磁束のアナログ波形的変化をトルクとして検出するものの、入力軸の回転角を検出することはできない。従って、回転角をも検出するには、トルクセンサに加え回転角センサを採用しなければならないという不具合が生ずる。
【０００４】そこで、本発明は、以上のようなことに対処するため、トルクに加え回転角をも検出できるようにしたトルクセンサを提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】上記課題の解決にあたり、請求項１に記載の発明に係るトルクセンサは、入力軸（２０）及び出力軸（４０）と、この出力軸と入力軸との間に同軸的に連結されてこの入力軸に作用するトルクに応じ捻れて当該入力軸と出力軸との間に相対回転を発生させるトーションバー（３０）と、入力軸に対しその軸方向には摺動可能に周方向には一体回転可能に同軸的に嵌装された筒状摺動部材（７０）と、入力軸と出力軸との間の相対回転を摺動部材の軸方向の摺動に変換する変換手段（３５、３６、７１ａ、７３、７３ａ、８０）と、摺動部材の外周壁に同軸的に設けられて周方向に各磁極を着磁形成してなる環状マグネット（９０）と、摺動部材の軸方向の摺動及び入力軸の回転に応じたマグネットの磁極の磁束の変化をトルク及び入力軸の回転角として磁気的に検出する磁気的検出手段（１００、１１０）とを備える。
【０００６】このように、マグネットの磁極を周方向に着磁形成するとともに入力軸と出力軸との間の相対回転を摺動部材の軸方向の摺動に変換することで、摺動部材の軸方向の摺動及び入力軸の回転に応じたマグネットの磁極の磁束の変化をトルク及び入力軸の回転角として磁気的に検出するようにした。その結果、回転角の検出のために別途回転角センサを採用する必要もなく、回転角をトルクと共に検出できるトルクセンサの提供が可能となる。
【０００７】また、請求項２に記載の発明に係るトルクセンサは、入力軸（２０）及び出力軸（４０）と、この出力軸と入力軸との間に同軸的に連結されてこの入力軸に作用するトルクに応じ捻れて当該入力軸と出力軸との間に相対回転を発生させるトーションバー（３０）と、入力軸に対しその軸方向には摺動可能に周方向には一体回転可能に同軸的に嵌装された筒状摺動部材（７０）と、入力軸と出力軸との間の相対回転を摺動部材の軸方向の摺動に変換する変換手段（３５、３６、７１ａ、７３、７３ａ、８０）と、摺動部材の外周壁に同軸的に設けられて周方向に各磁極を着磁形成してなる第１の環状マグネット（９０）と、摺動部材の外周壁に同軸的に設けられて軸方向に各磁極を着磁形成してなる第２の環状マグネット（１２０）と、摺動部材の入力軸の回転に応じた第１マグネットの磁極の磁束の変化を入力軸の回転角として磁気的に検出する第１磁気的検出手段（１００、１１０）と、摺動部材の軸方向の摺動に応じた第２マグネットの磁極の磁束の変化をトルクとして磁気的に検出する第２磁気的検出手段（１３０）とを備える。
【０００８】このように、別途、第２磁気的検出手段により第２マグネットの磁極の磁束の変化をトルクとして磁気的に検出するようにしたので、トルクは第２マグネットの磁極の磁束のアナログ的変化をもとに検出される。従って、特別な処理回路を用いることなくトルク検出を可能としつつ、請求項１に記載の発明と同様に回転角をも検出し得るトルクセンサの提供が可能となる。
【０００９】ここで、請求項３に記載の発明によれば、請求項１に記載のトルクセンサにおいて、磁気的検出手段は、マグネットの軸方向両側に対向して位置するか或いは片側に位置する両磁気センサであって、これら両磁気センサの一方は、他方の磁気センサに対しマグネットの周方向に（ｎ＋（１／４））周期だけずれて位置する。
【００１０】これにより、両磁気センサの各検出出力の大きさ及び位相差に基づき入力軸の回転方向の検出やトルクの検出に対するフェールセーフを可能としつつ、請求項１に記載の発明の作用効果を達成できる。
【００１１】また、請求項４に記載の発明によれば、請求項２に記載のトルクセンサにおいて、第１磁気的検出手段は、第１マグネットの軸方向両側に対向して位置するか或いは片側に位置する両磁気センサであって、これら両磁気センサの一方は、他方の磁気センサに対し第１マグネットの周方向に（ｎ＋（１／４））周期だけずれて位置する。
【００１２】これにより、両磁気センサの各検出出力の大きさ及び位相差に基づき入力軸の回転方向の検出やトルクの検出に対するフェールセーフを可能としつつ、請求項２に記載の発明の作用効果を達成できる。
【００１３】なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。
【００１４】
【発明の実施の形態】以下、本発明の一実施形態を図面により説明する。図１は、本発明に係るトルクセンサの一実施形態を示している。このトルクセンサは、自動車のステアリング軸に同軸的に設けられて、当該ステアリング軸の上端部に支持したステアリングホイールの操舵トルク及び操舵回転角を検出するために用いられる。
【００１５】当該トルクセンサは、図１にて示すごとく、非磁性材料からなる円筒状ハウジング１０を備えており、このハウジング１０は、その外壁にて、近傍に位置する当該自動車の車体の一部である静止部材（図示しない）に移動不能に支持されている。
【００１６】また、当該トルクセンサは、図１にて示すごとく、入力軸２０と、トーションバー３０と、入力軸２０にトーションバー３０を介し同軸的に連結した段付き出力軸４０とを備えており、入力軸２０及び出力軸４０は、以下に説明するように、トーションバー３０と共に、ハウジング１０により、回転可能にかつ軸方向には移動不能に同軸的に支持されている。
【００１７】入力軸２０は、その中間部位にて、ハウジング１０の図１にて図示右側壁の中央部に形成した環状部１１内にベアリング５０を介し回転可能に同軸的に支持されており、この入力軸２０は、その外端部にて、上記ステアリング軸の下端部に同軸的に連結されている。
【００１８】出力軸４０は、ハウジング１０の図１にて図示左側壁の中央部に形成した環状部１２内にベアリング６０を介し回転可能に同軸的に支持されており、この出力軸４０は、その外端部にて、当該自動車の前輪シャフトに介装したステアリングギアボックスの入力ギア軸に連結されている。
【００１９】トーションバー３０は、入力軸２０にその図１にて図示左端側から同軸的に形成した長手状軸穴部２１内に同軸的に挿入されており、このトーションバー３０は、その右端部３１にて、ピン３２により軸穴部２１の右端周壁部に連結されている。ここで、ピン３２は、軸穴部２１の右端周壁部に半径方向に形成した横孔部２１ａを介し、トーションバー３０の右端部３１に半径方向に形成した横孔部３１ａに圧入されている。なお、図１にて符号５１はストップリングを示す。
【００２０】また、トーションバー３０は、入力軸２０の軸穴部２１から図１にて図示左方に延出されており、このトーションバー３０は、その延出部にて、出力軸４０にその図１にて図示右端側から同軸的に形成した長手状軸穴部４１内に同軸的に挿入されている。当該トーションバー３０は、その左端部３３にて、ピン３４により軸穴部４１の左端周壁部に連結されている。ここで、ピン３４は、軸穴部４１の左端周壁部に半径方向に形成した横孔部４１ａを介し、トーションバー３０の左端部３３に半径方向に形成した横孔部に圧入されている。なお、図１にて符号６１、７６はストップリングを示す。また、ピン３４の軸方向は、ピン３２の軸方向に対し直角になっている。
【００２１】摺動部材７０は、非磁性材料により略円筒状に形成されており、この摺動部材７０は、ハウジング１０内にて、以下に説明するように、入力軸２０及び出力軸４０に対し軸方向に摺動可能にかつ入力軸２０と一体回転可能に外方から同軸的に嵌装されている。
【００２２】摺動部材７０は、図１にて示すごとく、小径内孔部７１及び大径内孔部７２を同軸的に備えている。この摺動部材７０は、小径内孔部７１にて、入力軸２０の左方部に外方から軸方向に摺動可能に同軸的に嵌装され、大径内孔部７２にて、出力軸４０の右端部に形成した大径部４２に外方から軸方向に摺動可能に同軸的に嵌装されている。
【００２３】また、摺動部材７０の小径内孔部７１は、一対の溝部７１ａを有しており、これら各溝部７１ａは、小径内孔部７１の内周面左側部に、互いに対向するように形成されている。ここで、各溝部７１ａは、摺動部材７０の周方向には断面コ字状となっている。
【００２４】各溝部７１ａ内には、入力軸２０の周壁のうち各溝部７１ａにそれぞれ対向する部分から突出する各ピン３５がそれぞれ係合している。ここで、ピン３５の外径は、溝部７１ａの幅（摺動部材７０の周方向に沿う幅）よりも幾分小さい。これにより、摺動部材７０は、入力軸２０と一体回転可能にかつ入力軸２０に対し軸方向に摺動可能となっている。
【００２５】摺動部材７０は、一対の案内溝部７３（図１では、一方の案内溝部７３を示す）を備えており、これら各案内溝部７３は、摺動部材７０の周壁のうち大径内孔部７２に対応する周壁部にて、互いに対向するようにＶ字状に形成されている。各案内溝部７３は、傾斜状内壁部７３ａを備えており、この内壁部７３ａは、図１にて示すごとく、左上から右下にかけて直線的に傾斜している。なお、この傾斜状内壁部７３ａのトルクセンサの軸に対する傾斜角度は、必要なトルクの検出範囲（摺動部材７０の摺動量）に対応して設定されている。
【００２６】各案内溝部７３内には、出力軸４０の大径部４２の周壁のうち各案内溝部７３にそれぞれ対向する部分から突出する各ピン３６（図１では、一方のピン３６のみを示す）が係合している。ここで、各ピン３６は、その周壁の一部にて、対応の各案内溝部７３の傾斜状内壁部７３ａに相対移動可能に当接している。
【００２７】コイルスプリング８０は、摺動部材７０の図１にて図示右側壁に当接する環状部材８１とハウジング１０の右側環状部１１内の環状部材８２との間にて、入力軸２０に外方から同軸的に嵌装されており、このコイルスプリング８０は、摺動部材７０を図１にて図示左方へ付勢している。これにより、トーションバー３０の捻れがないとき、各ピン３６は、対応の各内壁部７３ａの図１にて図示左右方向中央（中立位置）に位置している。なお、環状部材８１は入力軸２０に同軸的に移動可能に嵌装されている。また、環状部材８２は入力軸２０に同軸的に嵌装されてベアリング５０の内輪に当接している。
【００２８】環状マグネット９０は、図１にて示すごとく、摺動部材７０の周壁のうち右側端部に環状に形成した断面Ｌ字状凹所７４に嵌着されており、このマグネット９０の外周壁には、図２にて例示するごとく、その外周方向に沿い、交互にＳ極及びＮ極が着磁形成されている。
【００２９】また、両磁気センサ１００、１１０は、図１及び図３（ａ）にて示すごとく、ハウジング１０の周壁１３のうちマグネット９０の幅方向両側に対向する各部分に嵌着されており、これら各磁気センサ１００、１１０は、マグネット９０の移動に伴うその磁束の変化を検出し交流波形状の検出信号を発生する。本第１実施形態では、磁気センサ１１０は、磁気センサ１００に対し、ハウジング１０の周壁の周方向において、所定角度θだけずれて位置している（図３（ｂ）参照）。当該所定角度θは、磁気センサ１００の検出信号の位相が磁気センサ１１０の検出信号の位相に対し９０度だけずれるように設定されている。ここで、当該９０度は、マグネット９０の磁極ピッチに対応する周期の４分の１の位相差に相当する。一般的には、上記所定角度θは、ｎを整数とすれば、（ｎ＋（１／４））周期であればよい。なお、本実施形態では、磁気センサ１００、１１０としては、ホール素子やホールＩＣ素子等の磁気的検出素子が採用されている。
【００３０】このように構成した本第１実施形態において、ステアリングホイールを左旋回方向（図１及び図３（ｂ）にて図示矢印Ｒａ方向）に操作すると、入力軸２０が同一方向に回転する。このとき、出力軸４０には、上記ステアリングギアボックスの入力ギア軸が負荷として作用する。このため、入力軸２０は、トーションバー３０をその弾性力に抗して捻るように、出力軸４０に対し相対回転する。これに伴い、トーションバー３０の捻れが入力軸２０と出力軸４０との間にトルクとして作用する。なお、トルクはトーションバー３０の捻れ量に比例する。
【００３１】ここで、上述のように入力軸２０が出力軸４０に対し相対回転すると、摺動部材７０が、各溝部７１ａの各ピン３５との係合のもと、入力軸２０と共に一体にて回転する。このとき、摺動部材７０は、コイルスプリング７０により図１にて図示左方へ付勢されているため、摺動部材７０の各案内溝部７３の傾斜状内壁部７３ａは、各ピン３６と当接した状態にて、これら各ピン３６に沿い右方へ移動する。
【００３２】換言すれば、摺動部材７０は、トーションバー３０の捻れ量に応じて、入力軸２０に沿い右方へ軸方向に摺動するとともに図示矢印Ｒａ方向に相対回転する。これに伴い、マグネット９０も、摺動部材７０と一体にて入力軸２０に沿い軸方向に移動するとともに図示矢印Ｒａ方向に相対回転する。
【００３３】即ち、上述のごとく、摺動部材７０は、その各溝部７１ａの各ピン３５との係合のもと、入力軸２０及びマグネット９０と一体回転し、案内壁部７３ａのピン３６との当接のもと、マグネット９０と共に軸方向に摺動可能となっている。また、マグネット９０の周壁にはその周方向に沿いＮ極及びＳ極が交互に着磁形成されている。
【００３４】このときの両磁気センサ１００、１１０の出力を示すのが図４である。検出出力は交流的変化を示し、振幅Ｔｍよりトルクを算出し、交流波形より整形したパルスＲ１００、Ｒ１１０より回転角を算出する。
【００３５】両磁気センサ１００、１１０は、マグネット９０のＮ極Ｓ極の着磁ピッチに対し、（ｎ＋（１／４））周期だけずらせて配置されている。これにより、図５にて示すごとく、両磁気センサ１００、１１０の出力より整形した両パルスの排他論理和（エクスクルーシブＯＲ処理）をとることで、分解能をあげて角度検出を行える。また、同時に、上記両パルスの位相差より回転方向の検出を行うことができ、かつ、パルスの幅或いは数のカウント若しくはその双方をとることで操舵速度の検出を行うことができる。
【００３６】また、上述のように磁気センサを２個配置することで、片方の磁気センサの異常信号の出力の監視する等のフェールセーフ機能をもたせている。
【００３７】このように、トルクセンサによって、操舵トルクに加え、操舵回転角をも検出できるので、操舵回転角の検出のために別途回転角センサを採用する必要がなく、センサの取り付けスペースが減少するとともにコストの大幅な低減に役立つ。
【００３８】また、ステアリングホイールを右方向に旋回操作した場合には、入力軸２０が図１及び図３（ｂ）にて図示矢印Ｒｂ方向に回転することから、摺動部材７０は上述とは逆方向に摺動及び回転する。このため、操舵トルク及び入力軸２０と述力軸４０との相対回転角は上述とは逆方向となるが、この場合の作用効果も上述と実質的に同様である。
【００３９】なお、両磁気センサ１００、１１０は、図６（ａ）（ｂ）にて示すごとく、マグネット９０の片側（例えば、マグネット９０の図示右側）にてその周方向に上述と同様に位置ずれして配置されても、上述と同様の作用効果を得ることができる。このようなことは、両磁気センサ１００、１１０の配置がマグネット９０の左側であっても同様である。
（第２実施形態）図７は、本発明の第２実施形態を示している。この第２実施形態では、環状マグネット１２０及び磁気センサ１３０が、上記第１実施形態にて述べたトルクセンサにおいて、付加的に採用されている。
【００４０】マグネット１２０は、上記第１実施形態にて述べた摺動部材７０の外周壁のうち軸方向中間部位に形成した環状凹所７５内にマグネット９０と同軸的に位置するように嵌装されており、このマグネット１２０の周壁には、摺動部材７０の軸方向に沿いＮ極及びＳ極が着磁形成されている。
【００４１】磁気センサ１３０は、ハウジング１０の周壁１３のうちマグネット１２０に対向する部分に嵌着されており、この磁気センサ１３０は、マグネット１２０の摺動部材７０の軸方向摺動に伴う変位に応じた磁極の磁束の変化をトルクとして検出する。従って、本第２実施形態では、上記第１実施形態にて述べた両磁気センサ１００、１１０は、入力軸２０の回転角のみを検出するために用いられる。なお、磁気センサ１３０は、両磁気センサ１００、１１０と同様の磁気抵抗素子からなる。その他の構成は上記第１実施形態と同様である。
【００４２】このように構成した本第２実施形態では、磁気センサ１３０がマグネット１２０の軸方向変位に伴う磁極の磁束の変化をアナログ波形的に検出することでトルクとして検出するので、特別な処理回路を用いることなく、トルクの検出が可能となる。
【００４３】ここで、両磁気センサ１００、１１０により入力軸２０の回転角を上記第１実施形態と同様に検出するので、トルクセンサでもって、トルクに加え回転角をも検出できる。従って、上記第１実施形態と同様に別途回転角センサを採用する必要がない。その他の作用効果は上記第１実施形態と同様である。
【００４４】なお、上記各実施形態によるトルクセンサを自動車等の車両用パワーステアリング装置や４ＷＳ装置等において採用すれば、これら装置による制御を、トルクセンサのトルク及び回転角により、回転角センサに依存することなく、行うことができる。
【００４５】また、本発明の実施にあたり、摺動部材７０の案内溝部７３の内壁部７３ａは、上記各実施形態とは異なり、左下から右上にかけて直線的に傾斜していてもよい。
【００４６】また、本発明の実施にあたり、両磁気センサ１００、１１０の一方を廃止してもよい。これは、入力軸２０が一方向にのみ回転する場合のように回転方向の検出が不要な場合に有効である。
【００４７】また、本発明の実施にあたり、トルクセンサを、例えば、単なる計測器として用いてもよい。
【出願人】 【識別番号】０００００４２６０
【氏名又は名称】株式会社デンソー
【出願日】 平成１１年９月２４日（１９９９．９．２４）
【代理人】 【識別番号】１００１０００２２
【弁理士】
【氏名又は名称】伊藤 洋二 （外２名）
【公開番号】 特開２００１−９１３７７（Ｐ２００１−９１３７７Ａ）
【公開日】 平成１３年４月６日（２００１．４．６）
【出願番号】 特願平１１−２７０４４５