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JPH0678955B2 - Torque sensor - Google Patents
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JPH0678955B2 - Torque sensor - Google Patents

Torque sensor

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JPH0678955B2
JPH0678955B2 JP30209286A JP30209286A JPH0678955B2 JP H0678955 B2 JPH0678955 B2 JP H0678955B2 JP 30209286 A JP30209286 A JP 30209286A JP 30209286 A JP30209286 A JP 30209286A JP H0678955 B2 JPH0678955 B2 JP H0678955B2
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magnetic
shaft
pickup
poles
path
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伸一 猪尾
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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。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a torque sensor, and more particularly to a torque sensor that measures rotational torque in a non-contact manner.

(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。
(Prior Art) In general, the number of devices driven by rotational driving force is very large, and its application fields are diverse. Torque control often occupies an important position in controlling such devices. That is, the torque is one of the most basic and important parameters when controlling the rotary drive system,
When the information on the torque and the number of revolutions is obtained, the product of them is proportional to the horsepower, so that it becomes possible to grasp the generation state and transmission state of power.

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
検出装置に適用してものとして、特開昭54−17228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−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ON−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、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
け易く、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。
As a conventional torque sensor, for example, there is one disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 54-17228, which may be applied to a steering force detecting device for detecting a steering force applied to a steering wheel of a vehicle. In this device, a steering wheel and a steering shaft are connected via an elastic body, and a relative torsional displacement generated between the steering wheel and the steering shaft due to a torsional action generated in the elastic body according to the magnitude of the steering torque during steering. It is detected by turning on and off the contacts that are interposed between the steering wheel and the steering shaft. However, in such a device, contacts and microswitches that are turned on and off by twisting displacement are provided, so high work accuracy is required for the placement of these contacts, and the amount of relative twisting displacement that turns on is large. There is a problem that it is difficult to individually set the relative torsional displacement amount that turns OFF or OFF. Further, the device disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 55-44013 is provided with an electric displacement detector such as a strain gauge on an input shaft to which steering torque is transmitted from the steering wheel, and inputs from the steering wheel in proportion to road surface resistance. It detects the relative twisting displacement of the input shaft that occurs according to the steering torque.However, in order to detect the twisting displacement of the input shaft, an electrical displacement detector such as a strain gauge was fixed to the input shaft, so the temperature change However, there is a problem in that the operation is unstable and the reliability is low.

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58−218627号、特開昭58−
105877号、実開昭57−192872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。
Therefore, as a solution to such a problem,
JP-A-58-194664, JP-A-58-218627, JP-A-58-
No. 105877, No. 57-192872, No. 58-101153,
The ones disclosed in JP-A-58-5626 and JP-A-61-21861 are known.

例えば、特開昭58−194664号に記載の装置では、一端に
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。
For example, in the device described in JP-A-58-194664, a column shaft having one end connected to a steering wheel and the other end connected to a steering gear is divided, and the two divided shafts are connected via an elastic body. The steering device is connected to enable relative rotational displacement, and the relative rotational displacement of these two shafts is converted into an axial displacement, which is added to the steering wheel according to the magnitude of the axial displacement. The steering force applied is detected. Further, there is the one described in the above-mentioned JP-A-61-21861 as one in which the twist of the torsion bar mechanism is converted into a change in electrostatic capacity.

(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、回動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。
(Problems to be Solved by the Invention) However, in such a conventional device, the torsional displacement of the torsion bar mechanism is detected by using a member such as a switch, or the relative rotational displacement is determined as the axial displacement. In the case of so-called contact type torque sensors such as those that convert, the structure is complicated, the number of mechanical and electrical parts of the detector is large, and considerable accuracy is required for mounting, which not only increases the manufacturing cost. Detection accuracy may deteriorate due to environmental changes such as temperature and humidity. That is, when the torque is detected as the sensor, the non-contact type torque sensor is desirable from the viewpoint of reliability such as wear resistance and safety because the rotational axis is the target. On the other hand, even a non-contact type torque sensor, for example, one that photoelectrically detects the amount of torsional displacement (see Japanese Patent Laid-Open No. 58-5626) cannot be used particularly in a heavily soiled place. Sometimes. In addition to the above-mentioned problems, in the conventional device, whether the torque sensor is a contact type or a non-contact type, the conventional device detects the rotational displacement direction (that is, the direction in which the torque acts) and the stationary torque. Is quite difficult, and a torque sensor that solves these problems has not been realized yet.

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。
As described above, there is a demand for the appearance of a torque sensor that can accurately detect rotation and static torque, which are extremely important parameters when controlling a rotation drive unit such as an engine or an electric motor, in a non-contact manner at low cost.

(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。
(Object of the invention) Therefore, the present invention focuses on a physical quantity called a magnetic field that is not affected by environmental changes such as temperature and humidity and dirt, and converts a torsional displacement into a change in the magnetic flux by a predetermined structure. The purpose of the present invention is to provide a non-contact type torque sensor that has a simple structure, has a good responsiveness, and can detect torque at low cost regardless of whether it is stationary or rotating, by detecting the change in a non-contact manner and measuring the torsional displacement. There is.

(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を備
えている。
(Means for Solving Problems) The torque sensor according to the present invention has the first object to achieve the above object.
The tip portion of the shaft is connected to the second shaft as a structure capable of generating torsional displacement, and a predetermined number of N poles and S poles are alternately arranged as fixed magnetic poles so as to surround the periphery of the connection portion. The first pickup path and the second pickup path, which are fixed to the shaft and have the same number of N poles and S poles, are arranged so as to face the intermediate positions of the respective magnetic poles, and flow through the first and second pickup paths. A magnetic detection element that detects a change in magnetic flux is provided on the first shaft in a non-contact manner, and when the first shaft is twisted and displaced with respect to the second shaft, the N pole is located on either side of the first pickup path or the second pickup path. The amount of magnetic flux flowing through the first and second pickup paths is changed depending on whether the first shaft and the second shaft are close to each other, and the torsional displacement of the first shaft with respect to the second shaft is detected from the change in the magnetic flux. And a torque sensor, characterized in that.

(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極を固定
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される。また、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。
(Operation) In the present invention, the tip portion of the first shaft is connected to the second shaft as a structure capable of generating torsional displacement, and a predetermined number of N poles and S poles are fixed magnetic poles so as to surround the periphery of the connection portion. Are alternately arranged and fixed to the second shaft, and the same number of first pickup paths and second pickup paths as the N poles and the S poles are arranged so as to face the intermediate positions of the respective magnetic poles. It Further, a magnetic detection element that detects a change in magnetic flux flowing through the first and second pickup paths is provided on the first shaft in a non-contact manner. And
When the first shaft is twisted and displaced with respect to the second shaft, the amount of magnetic flux flowing through the first and second pickup paths changes depending on which side of the first pickup path or the second pickup path the N pole approaches. From the change of the magnetic flux, the torsional displacement of the first shaft with respect to the second shaft is detected in a non-contact manner. Therefore, the structure is simple, the response is good, and the torque can be accurately measured at low cost regardless of whether it is stationary or rotating.

(実施例) 以下、本発明を図面に基づいて説明する。(Example) Hereinafter, the present invention will be described with reference to the drawings.

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。
1 to 6 are views showing an embodiment of the present invention, FIG. 1 is an exploded perspective view of this embodiment, FIG. 2 is a vertical side view, and FIG. 3 is a front view.

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形成さ
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
クアップ部材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ッ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5b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、5b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4bと一体形成されている。なお、本実施例
では磁性体5a、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。
First, the configuration will be described. In FIG. 1, reference numeral 1 is a first shaft, and the first shaft 1 is connected to a second shaft 3 via a small diameter portion 2 for slightly lowering torsional rigidity, as shown by A and B in the figure. The rotational force of the first shaft in the circumferential direction is transmitted to the second shaft 3 via the small diameter portion 2. Further, as shown in the vertical side view of FIG. 2, the outer peripheral surface 3a of the second shaft 3 has a projecting end portion 4a of a cylindrical mold member (nonmagnetic material) 4 formed so as to enclose the small diameter portion 2. It is fitted and fixed, and the mold member 4 forms a pair with a pickup member 7 and a Hall element 13 which will be described later to form a torque detection mechanism 21. On the other hand, the mold member 4
A donut-shaped magnetic material embedded portion 4b is formed on the other end side of the magnetic material embedded portion 4b, and the magnetic material embedded portion 4b has a cut surface (end surface) 4c perpendicular to the axial direction. Is the end face
The magnetic body 5a arranged so as to face the N pole on 4c, and S on the end surface 4c
Eight magnetic bodies 5b arranged so as to face the poles are arranged alternately in concentric circles and at equal intervals. Furthermore, the other end of each magnetic body 5a, 5b is connected to an annular common ring 6, and the common ring 6 is used for each magnetic body.
It forms part of a closed-loop magnetic path for the magnetic fields emitted from 5a and 5b. Common ring 6 and each magnetic body 5a, 5b
Is embedded in the magnetic material embedded portion 4b and is integrally formed with the magnetic material embedded portion 4b made of a non-magnetic material. In the present embodiment, the number of the magnetic bodies 5a and 5b is eight, respectively, but of course the number is not limited to this, and another number may be used as long as the north pole and the south pole alternately face the end surface 4c at equal intervals. It may be one of the embodiments.

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ック
アップ部材(非磁性体)7が嵌合・固着されており、ピ
ックアップ部材7の入力側の端面7aには端面7a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に面したピックアップ部
材7の端面7bには磁性体5aあるいは5b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で応答するように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10
a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11を構成し、磁路片10bとインナーリング
9とは第2ピックアップ路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、例えばパーマロイ、フェライト等で作られてお
り、前記の磁性体5a、5bから発した磁気力を磁路片10
a、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10a、10b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lAと磁性体5aから磁路片1
0bに至るまでのギャップ空間lB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lAと磁性
体5bから磁路片10aまでのギャップ空間lB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lA、lB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。
On the other hand, the outer peripheral surface 1a on the small diameter portion 2 side of the first shaft has an end surface 4c.
A disk-shaped pickup member (non-magnetic body) 7 facing the end face 4c and having a minute gap is fitted and fixed, and the end face 7a on the input side of the pickup member 7 is circumscribed to the end face 7a. An outer ring 8 and an inner ring 9 are provided inside the outer ring 8. Further, on the end surface 7b of the pickup member 7 facing the end surface 4c, a magnetic path piece 10a and a magnetic path piece 10b which become magnetic paths by receiving a magnetic force from the magnetic material 5a or 5b and the magnetic materials 5a and 5b are respectively formed. In order to respond by pair 1, eight magnetic pole pieces are alternately arranged in concentric circles and at equal intervals.
The a is connected to the outer ring 8 and the magnetic path piece 10b is connected to the inner ring 9. The magnetic path piece 10a and the outer ring 8 form a first pickup path 11, and the magnetic path piece 10b and the inner ring 9 form a second pickup path 12. Here, it is desirable that the common ring 6, the magnetic path pieces 10a and 10b, the outer ring 8 and the inner ring 9 are made of a material through which magnetic lines of force easily pass, and are made of, for example, permalloy or ferrite, and the magnetic bodies 5a and 5b described above are used. The magnetic force generated from the magnetic path piece 10
Guide to the outer ring 8 and the inner ring 9 via a and 10b. By the way, the magnetic path pieces 10a and 10b are made of a non-magnetic material like the magnetic materials 5a and 5b.
It is integrally formed inside, so that in a steady state (that is, when the torque is 0), the magnetic body 5a or 5b is located exactly in the middle of the magnetic path pieces 10a and 10b as shown in the front view of FIG. It is configured. Therefore, from the magnetic body 5a to the magnetic path piece
Gap space l A up to 10a and magnetic body 5a to magnetic path piece 1
The gap space l B up to 0b is equal to each other, and similarly, the gap space l A from the magnetic body 5b to the magnetic path piece 10b is equal to the gap space l B from the magnetic body 5b to the magnetic path piece 10a. Therefore, as shown in FIG. 1, when a rotational force in the circumferential direction A (or B) is applied to the first shaft 1, the gap spaces l A and l B respectively change by a predetermined amount according to the rotational force. Furthermore, the outer ring 8 and the inner ring 9 described above are not in contact with these rings or the pickup member 7 and are perpendicular to the magnetic field applied from the outer ring 8 to the inner ring 9 (or from the inner ring 9 to the outer ring 8). The Hall element (magnetic detecting element) 13 is arranged at such a position that the Hall element 13 is fixed to the printed board 14 with an adhesive or the like. A member (not shown) for detecting and processing a signal from the Hall element 13 is provided on the printed circuit board 14, and the printed circuit board 14 is mounted on the printed circuit board 14 via a support member 14a fixed to the printed circuit board. 1 is rotatably displaced and fitted. In addition, Hall element
Reference numeral 13 denotes a sensor utilizing the solid Hall effect, which is an element for generating an output voltage proportional to the strength of a magnetic field, but the same element as that conventionally known can be used, and its detailed description will be omitted.

次に、作用を説明する。Next, the operation will be described.

本発明に係るトルクセンサは、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、このギャップ空間lA、lB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。
The torque sensor according to the present invention uses the first shaft 1 when the Hall element 13 detects the magnetic force generated from the magnetic bodies 5a and 5b.
The mechanical torsional displacement generated between the second shaft 3 and the second shaft 3, the gap space l A between the magnetic body 5a, 5b and the magnetic path piece 10a, 10b,
It is regarded as a change in l B (in other words, a change in space magnetic path length), and the change in the magnetic flux flow (magnetic path) and the amount of magnetic flux caused by the change in the gap spaces l A and l B is not detected by the hall element 13. The torque is detected by contact. Then, the 4th and 5th
The basic idea of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 4 (a) is a diagram schematically showing a part of the torque detection mechanism 21 in a steady state, and FIG. 4 (b) is a diagram showing the rotational force in the circumferential direction A as shown in FIG. A case where the rotational force is applied in the circumferential direction B is schematically shown in FIG. Further, FIG. 5 is a perspective view schematically showing a part of the torque detection mechanism 21 in the steady state.

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5
aから磁路片10bまでのギャップ空間lB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10a、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lBを経て磁性体5bのS極に到達する。同様
に、磁性体5aのN極から発した磁束は一方ではギャップ
空間lB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lAを経て磁性体5bのS極に到達す
る。5b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lA、lB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φと呼ぶ。
Since no constant torque is applied, the gap space l A from the magnetic body 5a to the magnetic path piece 10a and the magnetic body 5 as shown in FIG.
The gap space l B from a to the magnetic path piece 10b is equal, and the positional relationship between each magnetic body and the magnetic path piece is uniform at any place. Therefore, as shown in FIG.
The pair of magnetic bodies 5a and 5b and the magnetic path pieces 10a and 10b can be described as representative examples. Now, the magnetic flux generated from the N pole of the magnetic body 5a is the gap space l A as shown by the solid arrow.
The enters the magnetic path pieces 10a through, through the distal end portion of the magnetic path pieces 10a to reach the S pole of the magnetic body 5b through the gap space l B. Similarly, the magnetic flux emitted from the N pole of the magnetic body 5a is one in enters the magnetic path piece 10b via the gap space l B passes through the gap space l A through the distal end portion of the magnetic path piece 10b of the magnetic 5b Reach the south pole. Any magnetic flux generated from the N pole of 5b reaches the S pole of the magnetic body 5a through the common ring 6. Thus, the magnetic body
5a, 5b, the magnetic path piece 10a (or 10b) and the common ring 6 form one closed loop magnetic path with the gap spaces l A , l B sandwiched therebetween, and this magnetic path is called the main magnetic path, The magnetic flux at this time is called φ 1 .

一方、磁性体5aのN極から発した磁束は、単に磁路片10
a(あるいは磁路片10b)を通過して磁性体5b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
10a、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lA、磁路片10a、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φ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−φ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
lAあるいはlB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。
On the other hand, the magnetic flux generated from the N pole of the magnetic body 5a is simply the magnetic path piece 10
In addition to forming the main magnetic path as described above that passes through a (or the magnetic path piece 10b) and reaches the S pole of the magnetic body 5b, the magnetic path piece
Some of them are directed in the axial direction of 10a, 10b (toward the outer ring 8 and the inner ring 9). That is, a part of the magnetic flux generated from the N pole of the magnetic body 5a reaches the Hall element 13 via the gap space l A , the magnetic path piece 10a, and the outer ring 8 as shown by the dashed-dotted arrow in FIG. A bypass magnetic path that is orthogonal to 13 and passes through the inner ring 9, the magnetic path piece 10b, and the gap space l A to return to the S pole of the magnetic body 5b is formed (the magnetic flux passing through the bypass magnetic path in this direction is φ 2 ). By the way, the magnetic force generated at the N pole of the magnetic body 5a is equally applied to the magnetic path piece 10b side (however, the polarity is different) on the one hand, and it is the same as the case described above as shown by the arrow of the broken line in the figure. Forms a bypass magnetic path in the reverse route (the magnetic flux passing through the bypass magnetic path by this reverse flow is referred to as -φ 2 ). In this case, the strength of the magnetic field applied to the Hall element 13 is actually the gap space having extremely small magnetic permeability as compared with the magnetic path material having large magnetic permeability or the common ring 6.
It is determined by the difference in the size of l A or l B. Also,
Magnetic path pieces 10a, 10b, outer ring 8, inner ring 9
Further, since each member of the common ring 6 forms a common magnetic path both in the steady state and in the non-steady state, the torque detection accuracy is deteriorated even if these members are deteriorated due to aging or the like. Absent.

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φがバイパス磁路を流れる磁束|φ
|よりも極めて大きい(φ≫|φ|)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|φ|があって
も前記磁束φ、−φは等しい大きさ(φ=−
φ)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。
Thus, in the steady state where no torque is applied, the magnetic flux φ 1 flowing in the main magnetic path is the magnetic flux | φ flowing in the bypass magnetic path.
Since it is much larger than 2 | (φ 1 >> | φ 2 |),
In reality, almost no magnetic flux flows into the bypass magnetic path in which the Hall element 13 is arranged. Also, the gap spaces l A and l B
Are equal to each other, the magnetic fluxes φ 2 and −φ 2 have the same magnitude (φ 2 = −) even if there is some leakage flux | φ 2 |.
φ 2 ), which cancel each other out and the Hall element 11 is insensitive and torque is not detected.

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
出願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。
Here, in the present invention, the change in magnetic flux in the bypass magnetic path is used as a parameter for torque detection. That is, the Hall element 13 is provided in the middle of the bypass magnetic path. On the other hand, in the main magnetic path, although the magnetic flux changes due to the torque change, it is not detected. However, the torque can be detected by the magnetic flux of the main magnetic path, and the applicant intends to propose this as another application. Therefore, hereinafter, the specific operation will be described focusing on the magnetic flux change in the bypass magnetic path.

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lA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lBと磁性体5bから磁路片10aまでのギャ
ップ空間lB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−φの磁路抵抗は減少し、主磁路φ
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からバイパス磁路の方に
移行していくとともに、磁束−φが磁束φ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φが磁束−
φ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。
At non-steady state (when torque is applied) As shown in FIG. 4 (b), when the rotational force is applied in the circumferential direction A, the gap space l A from the magnetic body 5a to the magnetic path piece 10a and the magnetism Gap space l A from body 5b to magnetic path piece 10b
Are all increased, both smaller than the gap space l B from the gap space l B and the magnetic body 5b of the opposite magnetic bodies 5a to magnetic path piece 10b to the magnetic path piece 10a. Along with this, the magnetic path resistance of the magnetic flux −φ 2 of the bypass magnetic path decreases, and the magnetic path resistance of the main magnetic path φ 1 increases. Therefore, the flow of the magnetic flux shifts from φ 1 of the main magnetic path, which was dominant in the steady state, toward the bypass magnetic path, and the magnetic flux −φ 2 becomes larger than the magnetic flux φ 2 , and the degree thereof is A It is proportional to the magnitude of the twist angle applied in the direction (see Fig. 6). For example, the direction of the magnetic field applied to the Hall element 13 by the rotational force in the A direction is set to the positive direction, and the output voltage of the Hall element 13 becomes a positive value.
By setting the output of 13, it is possible to properly detect the magnitude and direction of the generated torque and the static torque as shown in FIG. Further, as shown in FIG. 4 (c), when the rotational force is applied in the circumferential direction B, the magnetic flux φ 2 is −
It becomes larger than φ 2 and the torque in the opposite direction to the above case can be detected.

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5a、5bと
磁路片10a、10bとの間のギャップ空間lA,lBの変化とし
てとらえられ、このギャップ空間lA,lBの変化が磁界の
強さの変化としてピックアップ部材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の取り付け後
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。
As described above, in the present embodiment, when the magnetic force generated from the magnetic bodies 5a and 5b is detected by the hall element 13, the torsional displacement generated between the first shaft 1 and the second shaft 3 causes the magnetic body 5a, It is perceived as a change in the gap space l A , l B between the 5b and the magnetic path piece 10a, 10b, and this change in the gap space l A , l B is a change in the magnetic field strength without contact with the pickup member 7. It is accurately detected by the Hall element 13 provided. Therefore, as described in the conventional problem, compared with the conventional device such as a device that converts the relative rotational displacement into the axial displacement, there is no rotational portion, and the structure can be extremely simplified, and the responsiveness and It is possible to realize a torque sensor with excellent reliability and high measurement accuracy at low cost. Further, in addition to the simple structure, since the Hall element 13 and the like can be adjusted after the mold member 4 and the pickup member 7 are attached, it is necessary to perform a difficult work requiring high precision in attaching each of these members. Not. Moreover, since the information of the rotating torque is detected in a non-contact manner in the present invention, not only the improvement of the measurement accuracy, but also the abrasion resistance, the reliability such as the safety can be dramatically improved, The static torque can be detected with high accuracy as in the conventional device.

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
を制御に極めて好適である。
If the present invention having the above features is applied to a steering device for detecting a steering force of an automobile, for example, it is extremely suitable for controlling the steering force.

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。
In this embodiment, the rotation angle is detected as an example in which the rotation angle is only ± 6 °. However, the present invention is not limited to this. For example, by adjusting the torsional rigidity of the magnetic body, the magnetic path piece, and the shaft, a wide range is obtained. Of course, even static torque can be detected.

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。
Further, in the present invention, although the tip end portion of the first shaft is connected to the second shaft as a structure capable of generating a torsional displacement, the first shaft and the second shaft may be separate members, Alternatively, as in this embodiment, the first and second
It goes without saying that the embodiment may be formed of one member.

(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ピックアップ路第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
ことができる。
(Effect) According to the present invention, the tip end portion of the first shaft is connected to the second shaft as a structure capable of generating torsional displacement, and a predetermined number of N poles and S poles are provided so as to surround the periphery of the connection portion. The fixed magnetic poles are alternately arranged and fixed to the second shaft, and the same number of the first pickup paths as the N poles and the S poles are provided.
The pickup path and the second pickup path are arranged so as to face the intermediate positions of the respective magnetic poles, and a magnetic detection element for detecting a change in the magnetic flux flowing through the first and second pickup paths is provided in a non-contact manner with the first shaft. When the first shaft is twisted and displaced with respect to the second shaft, the amount of magnetic flux flowing through the first and second pickup paths is determined depending on which side of the first pickup path and the second pickup path the N pole approaches. Since the torsional displacement of the first shaft with respect to the second shaft is detected from this change in the magnetic flux, the structure is simple and the response is good. Can be detected.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

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ピックアップ路、 12……第2ピックアップ路、 13……ホール素子(磁気検出素子)。
1 to 6 are views showing an embodiment of the present invention. FIG. 1 is an exploded perspective view thereof, FIG. 2 is a longitudinal side view thereof, FIG. 3 is a front view thereof, and FIG. Schematic diagram for explaining
FIG. 5 is a perspective view schematically shown for explaining the action, and FIG. 6 is a characteristic diagram of rotational torque for explaining the effect. 1 ... 1st shaft, 2 ... small diameter part, 3 ... 2nd shaft 5a, 5b ... magnetic material, 10a, 10b ... magnetic path piece, 11 ... first pickup path, 12 ... second pickup Road, 13 ... Hall element (magnetic detection element).

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項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。
1. A tip portion of a first shaft is connected to a second shaft as a structure capable of generating a torsional displacement, and a predetermined number of N poles and S poles are alternately arranged as fixed magnetic poles so as to surround the periphery of the connection portion. The first pickup path and the second pickup path as many as the N poles and the S poles are arranged so as to face the intermediate positions of the respective magnetic poles. , A magnetic detection element for detecting a change in magnetic flux flowing through the second pickup path is provided on the first shaft in a non-contact manner, and when the first shaft is twisted and displaced with respect to the second shaft, the N pole is the first pickup path or the first pickup path. The amount of magnetic flux flowing through the first and second pickup paths is changed depending on which side of the two pickup paths is approached, and the twist displacement of the first shaft with respect to the second shaft is changed from the change in the magnetic flux. Torque sensor is characterized in that so as to output.
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