JP2001289719A

JP2001289719A - リング型磁歪式トルクセンサ

Info

Publication number: JP2001289719A
Application number: JP2000103374A
Authority: JP
Inventors: Yoshinori Ito; 善規伊藤; Masashi Horiuchi; 雅士堀内; Hiroyuki Wakiwaka; 弘之脇若
Original assignee: Harmonic Drive Systems Inc
Current assignee: Harmonic Drive Systems Inc
Priority date: 2000-04-05
Filing date: 2000-04-05
Publication date: 2001-10-19
Also published as: US20010045135A1; DE10116784A1

Abstract

(57)【要約】【課題】寸法増大、コスト高を招くことなく、精度の
高いトルク検出が可能な磁歪式トルクセンサを提案する
こと。【解決手段】リング型磁歪型トルクセンサ１は、励振
コア２に巻き付けられた励振コイル３と、検出コア４に
巻き付けられた検出コイル５とを有し、シャフト等の測
定対象物６の磁気特性の変化に基づき、当該測定対象物
６に加わっているトルクを検出するものであり、励振コ
ア２および検出コア４をリングコア７とし、当該リング
コア７の内周面７ａに沿ってその円周方向に励振コイル
３を巻き付け、当該リングコア７の内周面７ａに形成し
た半径方向の内側に延びる複数の磁極突起８に検出コイ
ル５を巻き付けた構成となっている。複数の検出コイル
５を寸法増加、コスト高を招くことなく配置でき、ま
た、励振コイル３が円周方向に巻いてあるので円周方向
に沿った励磁特性を均一化できる。よって、精度の高い
トルク検出が可能な磁歪式トルクセンサを実現できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、磁性体にトルクが
加わることに起因して当該磁性体に発生する磁気異方性
を利用して、シャフト等に作用するトルクを検出する磁
歪式トルクセンサに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】一般に、正の磁歪定数をもつ磁性体に引
っ張り力が加わると、逆磁歪効果により、所定方向の比
透磁率がほぼ線形的に増加して、磁束が流れやすくなり
磁化容易軸となり、これに直交する方向には圧縮力が作
用して比透磁率が小さくなり、磁化困難軸となる。この
ため、磁性体シャフトにトルクが作用すると、シャフト
長手方向に対して正負４５度の方向に磁化容易軸と磁化
困難軸が現れることになる。

【０００３】磁歪式トルクセンサはこの原理を利用して
トルク検出を行なうものであり、そのために、一般に
は、図１２に示すように、Ｕ字形をした強磁性体からな
る励振コア１０２と、同じくＵ字形をした強磁性体から
なる検出コア１０３と、これらのコア１０２、１０３の
先端部分にそれぞれ巻き付けられた１組の励振コイルＥ
１、Ｅ２および１組の検出コイルＤ１、Ｄ２とを有し、
各コア１０２、１０３の先端は一定のギャップを介して
検出対象物、例えは円形断面のシャフト１０８に対峙し
ている。また、各コア１０２、１０３の先端面は正方形
の各頂点に位置するように相互の位置関係が規定され、
シャフト１０８に対しては、励振コア１０２の先端面が
シャフト長手方向１０８ａに配列され、検出コア１０３
の先端面がそれに直交する方向に配列されるように位置
関係が規定されている。

【０００４】所定の励磁周波数の励磁電流を励振コイル
Ｅ１、Ｅ２に流すと、励振コア１０２内に磁束が発生
し、励振コイルＥ２の側からの磁束は、ギャップを介し
てシャフト１０８に流れ込む。磁束は引っ張り応力が作
用している磁化容易軸方向に良く流れるので、検出コイ
ルＤ１、Ｄ２の側に入り込む磁束の量に差が生じ、この
結果、検出コア１０３に磁束が流れる。時間的磁束の変
化により検出コイルＤ１、Ｄ２には検出電圧が誘起され
る。シャフト１０８における磁化容易軸および磁化困難
軸の比透磁率の変化はトルクとほぼ比例して変化するの
で、検出電圧に基づき、シャフト１０８に作用している
トルクの大きさと方向を検出できる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】磁歪式トルクセンサを
用いて精度の高いトルク検出を行なうためには、シャフ
トに対して励振コアおよび検出コアの先端面を一定のギ
ャップで対峙させることが必要である。また、センサを
精度良く取り付けることができたとしても、検出対象の
シャフトに偏心や振れがあると、ギャップが変動してし
まい、検出信号に誤差成分が発生するので、精度の良い
検出を行なうことができない。

【０００６】従って、精度の高いトルク検出を行なうた
めには、シャフト外周面において円周方向に複数組の磁
歪式トルクセンサを配置し、これらの出力を合成するこ
とにより、ギャップ変動等に起因する出力誤差を補償す
る必要がある。

【０００７】しかしながら、複数組の磁歪式トルクセン
サを配置する方法は、必然的に、センサ寸法の大型化お
よびコスト高を招くことになる。これに加えて、それぞ
れのセンサのギャップが一定となるように取り付ける必
要があるので、その取付け作業が複雑化すると共にギャ
ップ管理も面倒になる。

【０００８】本発明の課題は、この点に鑑みて、寸法の
大型化やコスト高を招くことなく、また、取付けも簡単
に行なうことができる高精度の磁歪式トルクセンサを提
案することにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】図１を参照して説明する
と、本発明は、励振コア２に巻き付けられた励振コイル
３と、検出コア４に巻き付けられた検出コイル５とを有
し、シャフト等の測定対象物６の磁気特性の変化に基づ
き、当該測定対象物６に加わっているトルクを演算する
磁歪式トルクセンサ１において、前記励振コア２および
前記検出コア４をリングコア７とし、当該リングコア７
の内周面７ａに沿ってその円周方向に前記励振コイル３
を巻き付け、当該リングコア７の内周面７ａに形成した
半径方向の内側に延びる複数の磁極突起８に前記検出コ
イル５を巻き付けたことを特徴としている。

【００１０】ここで、図１に示すように、前記リングコ
ア７の内周面７ａにおいて、その中央部分に前記励振コ
イル３を配置し、当該励振コイル３の両側に前記磁極突
起８を配置することができる。

【００１１】この代りに、図２に示すように、前記リン
グコア７の内周面７ａにおいて、その中央部分に前記磁
極突起８を配置し、当該磁極突起８の両側に前記励振コ
イル３Ａ、３Ｂを配置することもできる。

【００１２】次に、前記リングコアを単一部材とする代
りに、前記励振コアとしてのリング状励振コアと、前記
検出コアとしてのリング状検出コアから構成することが
できる。この場合には、これらリング状励振コアおよび
リング状検出コアを直接あるいは磁性体でできたリング
状スペーサを介して相互に連結固定すればよい。

【００１３】ここで、前記リング状検出コアを第１およ
び第２のリング状検出コアから構成することができる。
この場合には、これら第１および第２のリング状検出コ
アの内周面に、それぞれ同一の角度間隔で同一組数の磁
極突起を半径方向の内側に向けて突出形成し、各磁極突
起に前記検出コイルを巻き付ける。また、前記励振コア
の内周面側には前記励振コイルを円周方向に巻き付け
る。さらに、当該励振コアを挟んだ状態で、前記第１お
よび第２のリング状検出コアを、それぞれの磁極突起の
組が円周方向に沿って等角度間隔で位置する状態で、こ
れら励振コア並びに第１および第２のリング状検出コア
を、相互に連結固定すればよい。

【００１４】一方、前記リング状励振コアを第１および
第２のリング状励振コアから構成することもできる。こ
の場合には、これら第１および第２のリング状励振コア
の内周面に、それぞれ円周方向に沿って前記検出コイル
を巻き付ける。また、前記リング状励振コアの内周面
に、その円周方向に沿って等角度間隔で複数組の磁極突
起を半径方向の内側に突出形成し、各磁極突起に前記検
出コイルを巻き付ける。さらには、前記リング状検出コ
アを挟み、当該リング状検出コア並びに前記第１および
第２のリング状励振コアを相互に連結固定すればよい。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下に、図面を参照して本発明を
適用したリング型磁歪式トルクセンサの実施例を説明す
る。

【００１６】（第１の実施例）図３は本発明を適用した
第１の実施例に係るリング型磁歪式トルクセンサの断面
構成図および側面構成図である。また、図４はその含軸
断面図、右側側面図および左側側面図であり、図５はそ
の構成部品を示す図である。

【００１７】これらの図に示すように、本例のリング型
磁歪式トルクセンサ１１は、円環状のセンサ取付け基板
１２を有し、このセンサ取付け基板１２の内周面に形成
されている環状凹部１３に、リング状励振コア１４（図
５（ｂ））を挟み第１のリング状検出コア１５および第
２のリング状検出コア１６（図５（ａ））が配置され、
これら３枚のコア１４、１５、１６が締結ねじ１１ａに
より相互に締結されている。

【００１８】リング状励振コア１４の内周面側には、そ
の円周方向に沿って励振コイル１７が巻き付けられてい
る。すなわち、このリング状励振コア１４の内側には、
このコア内周面に丁度、はまり込む大きさの励振コイル
用ボビン２１（図５（ｅ））が取付けられ、ここに励振
コイル１７が所定の巻き数分だけ巻き付けられている。

【００１９】第１および第２のリング状検出コア１５、
１６は同一構造であり、その内周面には円周方向に沿っ
て１２０度間隔で半径方向の内側に突出した磁極突起の
組ａ１およびａ２と、ａ３およびａ４と、ａ５およびａ
６、並びにｂ１およびｂ２と、ｂ３およびｂ４と、ｂ５
およびｂ６が形成されている。すなわち、３組の磁極突
起が形成されている。これらの磁極突起ａ１ないしａ６
およびｂ１ないしｂ６には、それぞれ、検出コイル用ボ
ビン２２（図５（ｃ），（ｄ））を介して、検出コイル
Ａ１ないしＡ６、Ｂ１ないしＢ６が巻き付けられてい
る。

【００２０】同一構造の第１および第２のリング状検出
コア１５、１６は、相互に円周方向に６０度オフセット
した状態で組み付けられており、従って、それぞれの磁
極突起ａ１ないしａ６とｂ１ないしｂ６とは６０度オフ
セットした位置関係にある。

【００２１】図３においては、リング型磁歪式トルクセ
ンサ１１が波動歯車減速機３０に取り付けられた状態が
示されている。波動歯車減速機３０は、環状の剛性内歯
歯車３１と、可撓性の外歯歯車３２と、この外歯歯車３
２を楕円形に撓めて部分的に剛性内歯歯車３１にかみ合
わせると共にかみ合わせ部分を円周方向に移動させるた
めの波動発生器３３とを備えている。一般に、波動発生
器３３が入力要素とされ、可撓性外歯歯車３２が出力要
素とされる。

【００２２】本例のリング型磁歪式トルクセンサ１１
は、剛性内歯歯車３１が取り付けられている円筒状の減
速機ハウジング３４の内周面に装着されており、可撓性
外歯歯車３２の胴部外周面に対して所定のギャップで磁
極突起ａ１ないしａ６、ｂ１ないしｂ６が対峙してお
り、当該外歯歯車３２に作用するトルクを検出するよう
になっている。当該リング型磁歪式トルクセンサ１１の
出力は、ハウジング３４を経由して外部に引き出される
信号線２３によって外部に配置されている信号処理回路
２４に供給される。信号処理回路２４では、センサ出力
に基づき、トルク演算を行なう。

【００２３】ここで、測定対象の可撓性外歯歯車３２に
トルクが加わると、当該外歯歯車３２の軸線方向（長手
方向）に対して正負４５度の方向が磁化容易軸となり、
これに直交する方向が磁化困難軸となる。この結果、測
定表面に流れる磁束に変化が現れる。本例のリング型磁
歪式トルクセンサ１１では、例えば、図６に示すよう
に、検出コイルＡ１、Ａ２、Ｂ１、Ｂ６を直列接続した
配線を採用すると、トルクが加わると、図において矢印
で示す検出コイルＡ１、Ａ２に流れ込む磁束が変化す
る。これらの検出コイルＡ１、Ａ２に誘起される電圧の
差分をとることにより、与えられたトルクを出力電圧と
して検出できる。

【００２４】検出コイルの配線方法としては、図７に示
すように、第１のリング状検出コア側の検出コイル対Ａ
１、Ａ２と、Ａ３、Ａ４と、Ａ５、Ａ６とを並列接続し
た方法を採用することもできる。

【００２５】なお、信号処理回路２３の構成としては例
えば図８に示すものを採用することができる。この信号
処理回路２３では、発振器２３１から周波数の異なる２
種類の電流を加算回路２３２により合成し、その入力電
流を励振コイル１７に印加する。検出コイルからは２種
類の周波数が合成された電圧が検出されるので、周波数
スペクトルよりいずれか一方の周波数成分の電圧を取出
す。次に、位相検波器（ＰＳＤ）２３３により、直流電
圧に変換し、ローパスフィルタ（ＬＰＦ）２３４を通す
ことにで、検出出力を得ている。

【００２６】２つの周波数成分をもつ電流を励振コイル
に印加し、１つの周波数成分の検出電圧を取出す方法は
ディザ法と呼ばれており、脱磁法、磁気シェイキング法
と並んで強磁性体のヒステリシスを低減する効果がある
ことが確認されている。従って、このような信号処理回
路を採用すれば、動トルク測定における出力変動を低減
できるので好ましい。

【００２７】このように構成した本例のリング型磁歪式
トルクセンサ１１では、リング状励振コアおよびリング
状検出コアを積層した構造となっているので、例えば強
磁性体である珪素鋼板をプレス加工して積層するという
簡単な工程により製造できる。また、薄型でコンパクト
な構成とすることができる。

【００２８】さらに、励振コイルはリング状励振コアの
内周面に沿ってその円周方向に巻き付けられているの
で、円周方向に沿って実質的に同一の磁化条件で励磁で
きると共に、円周方向のむら（磁化条件のむら、および
残留磁化等のむら）を平均化できる。

【００２９】これに加えて、寸法増加およびコスト高を
招くことなく、多数の検出コイルを円周方向に配置し
て、これら検出コイルからの出力を合成することにより
トルク検出を行なうことができると共に、励振コイル数
を検出コイル数に対応させて増加させる必要がない。よ
って、従来のように複数組の同一構成の磁歪式センサを
配置することなく、すなわち、検出コアおよびコイル並
びに励振コアおよびコイルを多数配置することなく、検
出対象の心振れ等に起因して発生するギャップ変動に伴
う検出誤差を補償できる。従って、小型・コンパクト
で、精度良くトルク検出可能な磁歪式トルクセンサを実
現できる。

【００３０】（第２の実施例）図９は本発明の第２の実
施例に係るリング型磁歪式トルクセンサの断面構成図、
側面構成図および部分平面展開図である。また、図１０
はその含軸断面図、右側側面図および左側側面図であ
り、図１１はその構成部品を示す図である。

【００３１】これらの図に示すように、本例のリング型
磁歪式トルクセンサ４１は、円環状のセンサ取付け基板
４２を有し、このセンサ取付け基板４２の内周面に形成
されている環状凹部４３に、リング状検出コア４４（図
１１（ｂ））が配置され、この両側に磁性体でできたリ
ングスペーサ４５（図１１（ｃ））が配置され、その両
側に第１および第２のリング状励振コア４６、４７（図
１１（ａ））が配置され、これらが、締結ボルト４１ａ
によって強固に積層固定されている。

【００３２】両端に位置している第１および第２のリン
グ状励振コア４６、４７は同一構造であり、それらの内
周面側、正確には各コア４６、４７に隣接している磁性
体でできたリングスペーサ４５の内周面には、その円周
方向に沿って第１および第２の励振コイル４９、５０が
巻き付けられている。また、各リング状励振コア４６、
４７には、その内周面に、円周方向に沿って一定の角度
間隔、本例では７２度の間隔で５本のコア突起４６ａ、
４７ａが形成されている。

【００３３】リング状検出コア４４の内周面には円周方
向に沿って一定の角度間隔、本例では７２度の角度間隔
で一対の磁極突起ａ１およびａ２と、ａ３およびａ４
と、ａ５およびａ６と、ａ７およびａ８と、ａ９および
ａ１０が形成されている。これらには、それぞれ検出コ
イルＡ１ないしＡ１０が巻き付けられている。すなわ
ち、本例では５組の磁極が形成されている。

【００３４】ここで、同一構造の第１および第２のリン
グ状励振コア４６、４７に対して、中央に挟まれている
リング状検出コア４４は、相対的に円周方向に３６度オ
フセットした状態で組み付けられている。

【００３５】図９においても、図３に示す場合と同様
に、リング型磁歪式トルクセンサ４１が波動歯車減速機
３０に取り付けられた状態が示されている。トルクが加
わっていない時に、両端の励振コア４６、４７から可撓
性外歯歯車３２に流れ込む磁束は、検出コア４４には実
質的に流れ込まない。しかるに、トルクが加わると、逆
磁歪効果の影響により、可撓性外歯歯車３２の軸線方向
に対して正負４５度の方向に流れる磁束の量に差が生ず
るので、検出コア４４にはトルクに比例した磁束が流れ
る。なお、正トルクと負トルクは、検出コイル４４の誘
起電圧が、励磁電流より位相が９０度遅れているか進ん
でいるかにより判別できる。

【００３６】このように構成した本例のリング型磁歪式
トルクセンサ４１によっても前述したトルクセンサ１１
と同様な作用効果を得ることができる。これに加えて、
本例のトクルセンサ４１では、検出コア４４が励振コア
４６、４７に挟まれた構造となっているので、検出コア
４４の発生磁界がこれら励振コア４６、４７によってシ
ールドされて外部に悪影響を及ぼすことがないという利
点もある。

【００３７】

【発明の効果】以上説明したように、本発明のリング型
磁歪型トルクセンサは、励振コアおよび検出コアをリン
グコアとし、このリングコアの内周面に沿ってその円周
方向に励振コイルを巻くと共に、リングコアの内周面に
形成した複数の磁極突起に検出コイルを巻く構成を採用
している。従って、本発明によれば、寸法の増大および
コスト高を招くことなく複数の検出コイルからの出力に
基づきトルク検出を行なうことができるので、精度の高
いトルク検出を小型・コンパクトで廉価な構成により実
現できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明によるリング型磁歪式トルクセンサを示
す概略構成図である。

【図２】本発明によるリング型磁歪式トルクセンサの別
の例を示す概略構成図である。

【図３】本発明を適用した第１の実施例に係るリング型
磁歪式トルクセンサの概略構成図である。

【図４】図３のトルクセンサの含軸断面図、右側側面図
および左側側面図である。

【図５】図３のトルクセンサの構成部品を示す図であ
る。

【図６】図３のトルクセンサにおける検出コイルの配線
接続例を示す説明図である。

【図７】図３のトルクセンサにおける検出コイルの配線
接続例を示す説明図である。

【図８】図３のトルクセンサの信号処理回路の概略ブロ
ック図である。

【図９】本発明を適用した第２の実施例に係るリング型
磁歪式トルクセンサの概略構成図である。

【図１０】図９のトルクセンサの含軸断面図、右側側面
図および左側側面図である。

【図１１】図９のトルクセンサの構成部品を示す図であ
る。

【図１２】一般的に使用されている磁歪式トルクセンサ
の概略構成図である。

【符号の説明】

１、１１、４１リング型磁歪式トルクセンサ３、Ａ１ないしＡ１０、Ｂ１ないしＢ６励振コイル５、１７、４９、５０検出コイル６シャフト７リングコア７ａリングコア内周面８、ａ１ないしａ１０、ｂ１ないしｂ１０磁極突起２４信号処理回路

【手続補正書】

【提出日】平成１２年５月１９日（２０００．５．１
９）

【手続補正１】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】全図

【補正方法】変更

【補正内容】

【図１】

【図２】

【図３】

【図５】

【図４】

【図６】

【図７】

【図８】

【図１２】

【図９】

【図１０】

【図１１】

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者堀内雅士長野県南安曇郡穂高町大字牧1856−１株式会社ハーモニック・ドライブ・システムズ穂高工場内 (72)発明者脇若弘之長野県長野市若里1709−５

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】励振コアに巻き付けられた励振コイル
と、検出コアに巻き付けられた検出コイルとを有し、測
定対象物の磁気特性の変化に基づき、当該測定対象物に
加わっているトルクを検出する磁歪式トルクセンサにお
いて、前記励振コアおよび前記検出コアはリングコアであり、当該リングコアの内周面に沿ってその円周方向に前記励
振コイルが巻き付けられ、当該リングコアの内周面に形
成した半径方向の内側に延びる複数の磁極突起に前記検
出コイルが巻き付けられていることを特徴とするリング
型磁歪式トルクセンサ。
【請求項２】請求項１において、前記リングコアの内周面において、その中央部分に前記
励振コイルが配置され、当該励振コイルの両側に前記検
出コイルが巻き付けられた前記磁極突起が配置されてい
ることを特徴とするリング型磁歪式トルクセンサ。
【請求項３】請求項１において、前記リングコアの内周面において、その中央部分に前記
検出コイルが巻き付けられた前記磁極突起が配置され、
当該磁極突起の両側に前記励振コイルが配置されている
ことを特徴とするリング型磁歪式トルクセンサ。
【請求項４】請求項１において、前記リングコアは、前記励振コアとしてのリング状励振
コアと、前記検出コアとしてのリング状検出コアから構
成されており、これらリング状励振コアおよびリング状
検出コアが直接あるいは、磁性体でできたリングスペー
サを介して相互に連結固定されていることを特徴とする
リング型磁歪式トルクセンサ。
【請求項５】請求項４において、前記リング状検出コアは第１および第２のリング状検出
コアからなり、これら第１および第２のリング状検出コアの内周面に
は、それぞれ同一の角度間隔で同一組数の磁極突起が半
径方向の内側に向けて突出し、各磁極突起には前記検出
コイルが巻き付けられており、前記励振コアの内周面側には前記励振コイルが円周方向
に巻き付けられており、当該励振コアを挟んだ状態で、前記第１および第２のリ
ング状検出コアが、それぞれの磁極突起の組が円周方向
に沿って等角度間隔で位置するように配置されており、これら励振コア並びに第１および第２のリング状検出コ
アは、相互に連結固定されていることを特徴とするリン
グ型磁歪式トルクセンサ。
【請求項６】請求項４において、前記リング状検出コアは第１および第２のリング状励振
コアからなり、これら第１および第２のリング状励振コアの内周面に
は、それぞれ円周方向に沿って前記励振コイルが巻き付
けられており、前記リング状検出コアの内周面には、その円周方向に沿
って等角度間隔で複数組の磁極突起が半径方向の内側に
突出し、各磁極突起には前記検出コイルが巻き付けられ
ており、前記リング状検出コアを挟み、当該リング状検出コア並
びに前記第１および第２のリング状励振コアが相互に連
結固定されていることを特徴とするリング型磁歪式トル
クセンサ。