JP2000019031A - トルクセンサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 零トルク時におけるセンサ出力のドリフトを
抑え、センサ性能を向上させる。 【解決手段】 外周面に磁気異方性部２となる溝２ａ，
２ｂが設けられたシャフト１と、磁気異方性部２に対向
して、交流電圧９が印加される励磁コイル３と、励磁コ
イル３によって励磁され透磁率μの変化によりシャフト
１にかかるトルクを検出する対の検出コイル４，５とを
備えた磁歪式のトルクセンサ１０において、検出コイル
４，５に並列接続されて、零トルク時に抵抗値ＲA，ＲB
を可変することによって、検出コイル４，５に発生する
交流信号の振幅および位相を一致させる可変抵抗１１，
１２を備えた。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、トルクセンサに関
するものであり、特にトルクセンサのトルクが作用しな
い零トルク時におけるセンサ出力（零点ドリフト）の調
整に係わる。

【０００２】

【従来の技術】従来においては、シャフトに蝶旋溝を有
し、螺旋溝が設けられた磁気異方性部（磁歪部ともい
う）の透磁率の変化をシャフトに対向して設けられた検
出コイルにより検出する磁歪式のトルクセンサが知られ
ている。

【０００３】この磁歪式のトルクセンサでは、螺旋溝が
設けられる磁気異方性部の寸法精度やセンサ毎の性能ば
らつきにより、シャフトにトルクが作用していない時
（零トルク時）において、トルクセンサからのセンサ出
力がばらついてしまう。このことが原因により、トルク
が作用していないとき零点出力が大きいほど、零点出力
の温度特性も大きくなってしまうものとなる。このた
め、検出誤差の要因となり、センサ性能が良くないとい
う問題点がある。

【０００４】この問題点を改善するため、特開平４−３
５７４２８号公報においては温度変化による零点ドリフ
トを抑えるために、トルクセンサ内部に感温抵抗を用い
て温特補償対策をしており、特開平５−３４２２０号公
報においては、磁気異方性部に対応して設けられた対の
検出コイルから互いに逆特性の信号を演算器で減算し
て、トルクセンサの温度変化に伴う零点ドリフトを含ん
だトルク信号を得る。一方、逆特性の信号を演算器で加
算して零点ドリフトの大きさを演算し、得られた零点ド
リフトに値を演算器によりトルク信号から減算すること
で零点ドリフトが補償されたトルク信号を得るようにし
ている。

【０００５】

【本発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記
に示す公報においては、いずれも検出コイルに発生する
信号の電圧レベル（振幅）のみを一致させるよう補償を
行っており、対の検出コイルに発生した信号の位相を合
わせ込むようにはしていない。このため、対の検出コイ
ルから得られた信号を基に、信号処理の過程において差
動増幅を行うと２つの検出コイルからの信号の位相が一
致していないことから、センサ出力に信号が発生し、セ
ンサとしての所望の性能が得られないものとなってしま
う。

【０００６】よって、本発明は上記の問題点に鑑みてな
されたものであり、零トルク時におけるセンサ出力のド
リフトを抑え、センサ性能を向上させることを技術的課
題とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記の課題を解決するた
めに講じた技術的手段は、外周面に磁気異方性部が設け
られたシャフトと、磁気異方性部に対向して設けられ交
流電圧が印加される励磁コイルと、励磁コイルによって
励磁され透磁率の変化によりシャフトにかかるトルクを
検出する対の検出コイルとを備えた磁歪式のトルクセン
サにおいて、検出コイルに接続され、零トルク時に抵抗
値を可変して対の検出コイルに発生する交流信号の振幅
および位相を一致させる可変抵抗を備えたことである。

【０００８】上記の構成により、検出コイルに接続され
た可変抵抗により検出コイルに発生する交流信号の振幅
および位相を一致させることが可能となるので、これら
の信号の作動増幅を行った場合、センサ出力が零とな
り、零トルク時におけるドリフトを抑えることが可能と
なる。よって、センサ性能が向上するものとなる。

【０００９】この場合、可変抵抗は対の検出コイルにそ
れぞれ並列接続されるようにすれば、簡単な構成でドリ
フトを抑えることが可能である。

【００１０】また、可変抵抗に並列に接続された分割抵
抗を更に備え、分割抵抗の抵抗値により対の検出コイル
に発生する交流信号の振幅を互いに一致させ、前記可変
抵抗により位相を一致させるようにすれば、安価かつ簡
単な方法でドリフトを抑えることが可能となる。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態を図面を
参照して説明する。

【００１２】まず最初に、磁歪式のトルクセンサ１０に
ついて簡単に説明する。図１において、シャフト１には
螺旋溝（溝）２ａ，２ｂが互いに２つの方向性（シャフ
ト軸に対して垂直な面を基準として、検出感度が最大と
なる−４５°，＋４５°の傾斜角度）をもって設けられ
ている。この場合、螺旋溝２ａ，２ｂは磁気異方性部２
となる。

【００１３】また、シャフト１に対し、対向して励磁コ
イル３が設けられ、この励磁コイル３には交流電圧９が
印加されるようになっている。励磁コイル３への励磁に
より交流電圧が発生する検出コイル４，５を螺旋溝２
ａ，２ｂが形成された径方向の位置に所定間隔をもって
配設し、検出コイル４，５によりシャフト１にトルクが
加わったときの透磁率μの変化を検出する構成をとる。

【００１４】更に、検出コイル４には一端が接地された
接地抵抗６が並列接続され、検出コイル５には一端が接
地された接地抵抗７が接続される。励磁により検出コイ
ル４，５に発生した２つの交流信号は、２つの入力信号
の差動増幅する検出処理回路８によりシャフト１にかか
ったトルクが検出されるようになっている。

【００１５】この構成において、励磁コイル３に１０Ｋ
Ｈｚ〜５０ＫＨｚの正弦波の交流電圧９が印加される。
励磁コイル３に交流が印加されると、磁歪部となる磁気
異方性部２には励磁コイル３に電流が流れることで交流
磁界が発生する。この場合、シャフト１にトルクが作用
しない状態では、検出コイル４，５にそれぞれ交流信号
が発生する。

【００１６】この状態で、シャフト１にトルクが作用し
た場合にはシャフト１の磁歪部において透磁率μの変化
が発生し、検出コイル４，５とその検出コイル４，５に
接続された接地抵抗６，７により交流信号差となって現
れてくる。その交流信号の差を検出信号処理回路８で処
理することにより、センサ出力を得る。

【００１７】しかしながら、検出コイル４，５と検出コ
イル４，５にそれぞれ接続された接地抵抗６，７には寸
法精度およびセンサ毎の性能ばらつきが発生するため、
２つの信号は若干の電圧差ΔＶと位相差Δθをもった交
流信号となる。その検出コイル４，５に発生した交流信
号の差を、信号処理の過程において検出信号処理回路８
で差動増幅を行った場合、零トルク状態においてセンサ
出力が出てしまうものとなる（図６の（ａ）参照）。

【００１８】そこで、このような零トルク時のドリフト
を抑えるようにした。図２に示される第１実施形態で
は、図１に示す接地抵抗６，７をトリマブル抵抗器等の
可変抵抗１１，１２とし、シャフト１にトルクが作用し
ていない状態（零トルク状態）において、検出コイル
４，５の出力に現れる交流電圧と位相差を可変抵抗１
１，１２と並列に設けた交流電圧計および位相差計でモ
ニターしながら、2つの検出コイルの電圧差ΔＶと位相
差Δθが小さくなるように、可変抵抗１１，１２の抵抗
値を調整し、検出コイル４，５の出力は検出信号処理回
路８に入力され、２つの信号の差に比例した信号がセン
サ出力として出力されるようにした。

【００１９】この場合、零トルク時に２つの検出コイル
４，５の電圧差（振幅の差）が小さくなると、出力され
るセンサ出力（Ｎｕｌｌ値）の所望の値とのかい離値が
小さくなる。トルクセンサ出力に含まれる誤差分のＮｕ
ｌｌ値は温度特性を持っている為に、トルクセンサ出力
の温度等による零点ドリフトも影響を受ける。すなわ
ち、トルクセンサの零点の温度特性等の性能も改善でき
る。

【００２０】しかし、抵抗ＲとコイルのωＬで示される
複素インピーダンスにおける位相θの関係は図３のよう
になる。つまり、抵抗Ｒを可変するとベクトルで表わせ
る位相θが変化するため、検出コイル１１，１２の片側
のコイルの抵抗値を可変すれば、２つのコイルの位相差
も可変するようになる。

【００２１】そこで、この特性を利用した第２実施形態
について説明する。つまり、２つの検出コイル４，５に
発生する交流信号の電圧差（振幅の差）と位相差は、通
常、一方を変化させれば一緒に変動してしまい、電圧差
を合わせようとすると位相差の値も変わってしまう。ま
た、位相差を合わせようとすると電圧差の値も変わって
しまうものとなる。

【００２２】故に、図４の第２実施形態においては、図
２に示される可変抵抗１１，１２を抵抗１３，１４，１
５，１６（抵抗値：Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４）の複数個
に分割する方法をとっている。ここでは、２つの検出コ
イル４，５の交流信号電圧の差と位相差を別々に調整す
ることにより、零トルク時の検出信号処理回路８より出
力されるＮｕｌｌ値を低減している。

【００２３】概略を説明すると、抵抗１３，１４の合成
抵抗の値をＲA（＝Ｒ１＋Ｒ２）、接地抵抗１５，１６
の合成抵抗の値をＲB（＝Ｒ３＋Ｒ４）として、どちら
か一方について合成抵抗の値を増減する事により位相差
の低減を行う。その後、抵抗１３，１４の中間端子と、
抵抗１５，１６の中間端子より出力された交流信号の電
圧差を交流電圧計でモニターし、交流電圧の電圧値の小
さい方の値を基準として、交流電圧の値に大きい側の合
成抵抗値ＲAまたはＲBの値を変えないようにする。即
ち、ＲA の場合においては接地抵抗値Ｒ１，Ｒ２の抵抗
分圧比、ＲBの場合においては接地抵抗値Ｒ３，Ｒ４の
抵抗分圧比を可変することで、検出信号処理回路８に入
力される交流信号の電圧差を小さくする事ができる。こ
の場合、分割抵抗をそれぞれ２つとして調整を行ってい
るが、抵抗分割数はこれに限定されないものとする。

【００２４】図５のフローチャートを参照して零トルク
時のドリフト低減の調整方法を説明する。ここでは、ま
ず最初に、ステップＳ１０１において図４に示されるａ
ｃ間に可変抵抗ＲA、ｄｆ間に可変抵抗ＲBをそれぞれの
検出コイル４，５に対して並列に接続する。可変抵抗Ｒ
A ，ＲBを接続したら、励磁コイル３に交流電圧９を印
加する。その後、ステップＳ１０３においてａｃ間の電
圧Ｖａｃとｄｆ間の電圧Ｖｄｆ間の位相差を測定する。

【００２５】ステップＳ１０４ではＶａｃとＶｄｆとを
比較し、位相の遅れている方の電圧を基準として進んで
いる方の可変抵抗（ＲAまたはＲBのいずれか）を調節
し、両者の位相差を零に合わせる。その後、ステップＳ
１０５において位相差が零になったかが判定される。位
相差が零になっていない場合にはステップＳ１０３に戻
り、ステップＳ１０３からステップＳ１０５までの同じ
処理を繰り返すが、ここで、位相差が零（２つの位相が
一致）した場合には、ステップＳ１０６以降の電圧レベ
ルを一致させる処理を実行する。

【００２６】電圧レベルを一致させる処理において、ス
テップＳ１０６ではａｃおよびｄｆに接続されている可
変抵抗ＲA，ＲBを取り外し、分割抵抗となる抵抗１３，
１４（抵抗値：Ｒ１，Ｒ２）をＲAが取付けられていた
ａｃ間の位置に直列で接続し、また、分割抵抗となる抵
抗１５，１６（抵抗値：Ｒ３，Ｒ４）をＲBが取付けら
れていたｄｆ間の位置にそれぞれ直列で接続する。その
後、ステップＳ１０７においてこのｂｃ間電圧Ｖｂｃと
ｅｆ間電圧Ｖｅｆを測定し、ステップＳ１０８におい
て、ＲA ＝Ｒ１＋Ｒ２、ＲB＝Ｒ３＋Ｒ４の条件下で、
ＶｂｃとＶｅｆが等しくなるようにＲ１，Ｒ２、また
は、Ｒ３，Ｒ４の組み合せを調整して抵抗の分圧比を調
整する。その後、ステップＳ１０９においてＶｂｃとＶ
ｅｆの差が零（交流電圧信号の振幅が一致）したかが判
定される。ここで、ＶｂｃとＶｅｆの差が零でない場合
（振幅が一致していない場合）にはステップＳ１０７に
戻り、ステップＳ１０７からステップＳ１０９までの電
圧調整を行うが、ＶｂｃとＶｅｆの差が零になった場合
にはこの調整を終了する。

【００２７】これを波形で説明すると図６に示すように
なる。これは検出コイル４，５の出力波形に対して検出
信号処理回路８で差動増幅を行った場合の波形を示して
おり、（ａ）は可変抵抗１１，１２による調整を行う前
の波形であり、２つの交流信号の振幅と位相はずれてい
る。この信号を基に信号処理過程において差動増幅を行
えば、右図に示されるようにセンサ出力が零トルク時で
も現れる。また、（ｂ）では位相調整後の波形を示して
おり、ここでは、位相は一致するが電圧レベルが一致し
ていないことから、差動増幅を行えば零トルク時でもセ
ンサ出力が現れるものとなる。更に、（ｃ）では位相調
整後に電圧レベルの調整を行った場合の波形を示してお
り、検出コイル４，５からの信号が位相と電圧が一致ま
たは略一致した場合には、２つの波形は略一致し、信号
処理の過程において差動増幅を行えば、従来に比べて、
零トルク時のドリフト成分を極力抑えることができるこ
とを示している。

【００２８】次に、図７を参照して第３実施形態を説明
する。これは、可変抵抗１１，抵抗１３，１４と可変抵
抗１２，抵抗１５，１６の複数個の可変抵抗に分割する
構成をとり、可変抵抗１１に並列で抵抗１３，１４が接
続されていると共に、可変抵抗１２に並列で抵抗１５，
１６が接続される。この構成において、２つの検出コイ
ル４，５の交流信号の電圧差と位相差を別々に調整し、
零トルク時の検出信号処理回路８より出力されるＮｕｌ
ｌ値を低減するようにしている。ここでは、可変抵抗１
１と抵抗１３，１４（抵抗値：ＲA，Ｒ１，Ｒ２）の合
成抵抗値をＲC、可変抵抗１２と抵抗１５，１６（抵抗
値：ＲB，Ｒ３，Ｒ４）の合成抵抗値をＲDとし、可変抵
抗１１，１２の抵抗値を可変する事により、検出コイル
４側の合成抵抗値ＲCと検出コイル５側の合成抵抗値ＲD
を調整して、位相差の低減を実現している。次に、抵抗
１３，１４の中間端子と抵抗１５，１６の中間端子より
出力された交流信号のＶｂｃ、Ｖｅｆの電圧差を交流電
圧計でモニターし、交流電圧値の小さい方の値を基準と
して交流電圧値に大きい側の抵抗分圧比を可変するとい
うことで検出信号処理回路８に入力される交流信号電圧
差を小さくする。このとき合成抵抗ＲCまたはＲDの値の
変化を極力抑え、一度合わせた位相差の変化をする極力
小さくするため、可変抵抗１１の抵抗値ＲA は抵抗１
３，１４の合成抵抗値（＝Ｒ１＋Ｒ２）に比べ充分大き
い値に設定し、また、可変抵抗１２の抵抗値ＲBは抵抗
１５，１６の合成抵抗値（＝Ｒ３＋Ｒ４）と比較して充
分に大きい値に設定する。

【００２９】つまり、位相差に影響のある合成抵抗値の
関係式はＲC の場合、次式のようになる。

【００３０】 ＲC ＝(ＲA ・(Ｒ１＋Ｒ２)) ／ (ＲA＋Ｒ１＋Ｒ３) で表わされ、ＲA ≫ Ｒ１＋Ｒ２の場合には、ＲCとＲA
が略等しくなり、抵抗１３，１４を可変しても位相差の
変化は極力小さくする事ができる。また、ＲBの場合に
おいても同様である。尚、この場合においても、分割抵
抗の数はいくつであっても良い。また、位相調整と電圧
調整を行う順序はこれに限定されず、電圧調整を行って
から位相調整を行うこともできる。

【００３１】

【効果】本発明によれば、外周面に磁気異方性部が設け
られたシャフトと、磁気異方性部に対向して設けられ交
流電圧が印加される励磁コイルと、励磁コイルによって
励磁され透磁率の変化によりシャフトにかかるトルクを
検出する対の検出コイルとを備えた磁歪式のトルクセン
サにおいて、検出コイルに接続され、零トルク時に抵抗
値を可変して対の検出コイルに発生する交流信号の振幅
および位相を一致させる可変抵抗を備えたことにより、
検出コイルに接続された可変抵抗により検出コイルに発
生する交流信号の振幅および位相を一致させることが可
能となるので、これらの信号の作動増幅を行った場合、
センサ出力が零となり、零トルク時におけるドリフトを
抑えることができる。よって、センサ性能が向上する。

【００３２】この場合、可変抵抗は対の検出コイルにそ
れぞれ並列接続されるようにすれば、簡単な構成でドリ
フトを抑えることができる。

【００３３】また、可変抵抗に並列に接続された分割抵
抗を更に備え、分割抵抗の抵抗値により対の検出コイル
に発生する交流信号の振幅を互いに一致させ、前記可変
抵抗により位相を一致させるようにすれば、安価かつ簡
単な方法でドリフトを抑えることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 磁歪式のトルクセンサの検出原理を説明する
説明図である。

【図２】 本発明の第１実施形態におけるトルクセンサ
の構成図である。

【図３】 トルクセンサの説明における複素インピーダ
ンスの関係を示す図である。

【図４】 本発明の第２実施形態におけるトルクセンサ
の構成図である。

【図５】 本発明の第２実施形態におけるトルクセンサ
の零トルク時のセンサ出力の調整方法である。

【図６】 本発明の実施形態におけるトルクセンサのセ
ンサ出力調整における検出コイルの波形および処理回路
で作動増幅を行った後の波形である。

【図７】 本発明の第３実施形態におけるトルクセンサ
の構成図である。

【符号の説明】

１ シャフト ２ 磁気異方性部 ３ 励磁コイル ４，５ 検出コイル ６，７ 可変抵抗 ８ 検出処理回路 ９ 交流電圧 １０ トルクセンサ １３，１４，１５，１６ 抵抗（分割抵抗）

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 外周面に磁気異方性部が設けられたシャ
   フトと、前記磁気異方性部に対向して設けられ交流電圧
   が印加される励磁コイルと、該励磁コイルによって励磁
   され透磁率の変化により前記シャフトにかかるトルクを
   検出する対の検出コイルとを備えた磁歪式のトルクセン
   サにおいて、 前記検出コイルに接続され、零トルク時に抵抗値を可変
   して対の検出コイルに発生する交流信号の振幅および位
   相を一致させる可変抵抗を備えたことを特徴とするトル
   クセンサ。
2. 【請求項２】 前記可変抵抗は、対の検出コイルにそれ
   ぞれ並列接続される請求項１に記載のトルクセンサ。
3. 【請求項３】 前記可変抵抗に並列に接続された分割抵
   抗を更に備え、該分割抵抗の抵抗値により対の検出コイ
   ルに発生する交流信号の振幅を互いに一致させ、前記可
   変抵抗により位相を一致させる請求項２に記載のトルク
   センサ。