JP2002303555A - Magnetostrictive torque sensor - Google Patents

Magnetostrictive torque sensor

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JP2002303555A
JP2002303555A JP2001108287A JP2001108287A JP2002303555A JP 2002303555 A JP2002303555 A JP 2002303555A JP 2001108287 A JP2001108287 A JP 2001108287A JP 2001108287 A JP2001108287 A JP 2001108287A JP 2002303555 A JP2002303555 A JP 2002303555A
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JP
Japan
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torque
hysteresis
value
frequency
torque value
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Application number
JP2001108287A
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Japanese (ja)
Inventor
Hiromitsu Kaneda
裕光 金田
Yuichi Mizumura
雄一 水村
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Suzuki Motor Corp
Original Assignee
Suzuki Motor Corp
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Publication date
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To reduce hysteresis more than in a conventional sensor. SOLUTION: A magnetostrictive torque sensor 10 includes a sensor shaft 12 of which magnetic characteristics change depending on applied torque, an exciting means (an excitation circuit 14 and excitation coils 161, 162) for applying an AC magnetic field to the sensor shaft 12, and a detecting means (detecting coils 181, 182, and a signal processing part 20) for detecting the torque based on the change in the magnetic characteristics of the sensor shaft 12. An excitation frequency lies between a first frequency and a second frequency. the first frequency is a value where the hysteresis is zero at a first torque value not less than a rated torque value. The second frequency is a value where the hysteresis is zero at a second torque value not more than the first torque value and having a maximum hysteresis when the AC magnetic field of the first frequency is applied.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、逆磁歪効果を利用
した磁歪式歪センサ(応力センサ又は荷重センサ)のう
ち特に磁歪式トルクセンサに関し、詳しくは過大トルク
入力時の中点電圧変動(ヒステリシス)を低減できる磁
歪式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 magnetostrictive strain sensor (stress sensor or load sensor) utilizing an inverse magnetostrictive effect, and more particularly to a magnetostrictive torque sensor. ) Can be reduced.

【0002】[0002]

【従来の技術】従来の磁歪式トルクセンサとしては、例
えば特開平1−169983号公報、特公平8−316
36号公報等に開示されたものが知られている。この種
のセンサは、応力(歪)に応じてその磁気的性質が変化
する磁歪層を有するセンサ軸と、これに交流磁場を与え
るための励磁手段とを備えており、その励磁のため及び
磁気的変化を検出するために磁気ヘッド又はソレノイド
コイルを持つ。
2. Description of the Related Art A conventional magnetostrictive torque sensor is disclosed, for example, in Japanese Patent Laid-Open Publication No.
One disclosed in Japanese Patent Publication No. 36 is known. This type of sensor includes a sensor shaft having a magnetostrictive layer whose magnetic properties change according to stress (strain), and excitation means for applying an AC magnetic field thereto. It has a magnetic head or a solenoid coil to detect a target change.

【0003】磁性材料には、磁気を印加すると歪を生じ
る磁歪現象を発現するものがある。このような材料では
歪を加えると磁気的性質(透磁率)が変化する逆磁歪現
象を起こすので、これを利用すると歪の検出が可能とな
る。この磁歪式歪センサは、非常に感度が高いという特
徴を持ち、抵抗式歪ゲージなどの歪検出手段が10
オーダーの歪を検出するのに対し、10−6オーダーの
歪も検出可能である。
[0003] Some magnetic materials exhibit a magnetostrictive phenomenon in which distortion occurs when magnetism is applied. In such a material, when a strain is applied, an inverse magnetostriction phenomenon in which a magnetic property (magnetic permeability) changes is caused. The magnetostrictive strain sensor has a feature that very sensitive, resistive strain gauges distortion detecting means such as 10 - 3
While an order distortion is detected, a distortion of the order of 10 −6 can also be detected.

【0004】この、非常に微小な歪を検出できるという
性質を利用すると、非常に高感度で剛性の高いトルクセ
ンサを構成できる。これが磁歪式トルクセンサである。
磁歪式トルクセンサでは、センサ軸表面の引張方向又は
圧縮方向の応力(歪)を検出する。その検出方法には、
ねじり荷重に対してセンサ軸表面の引張応力・圧縮応力
が最大となる、中心軸に対して45°傾けた溝を形成
し、形状磁気異方性によってこの方向の変化を検出する
方法と、センサ軸表面の45°方向の変化を検出するよ
うに磁気ヘッドを配置する方法とがある。いずれの検出
方法にしても、トーションバーの入力側−出力側の角度
変位からトルクを求める方法や、歪ゲージによる方法に
比べて著しく感度が上がることにより、センサ軸を太く
できるので、剛性の高いトルクセンサを実現できる。
[0004] By utilizing the property of being able to detect very small strains, it is possible to construct a highly sensitive and highly rigid torque sensor. This is a magnetostrictive torque sensor.
The magnetostrictive torque sensor detects a stress (strain) in a tensile direction or a compressive direction on the sensor shaft surface. The detection method includes:
A method in which a groove inclined at 45 ° to the central axis is formed so that the tensile stress and the compressive stress on the sensor shaft surface become maximum against a torsional load, and a change in this direction is detected by shape magnetic anisotropy. There is a method of arranging the magnetic head so as to detect a change in the 45 ° direction of the shaft surface. In either detection method, the sensor axis can be made thicker because the sensitivity is significantly increased as compared with the method of obtaining torque from the angular displacement between the input side and the output side of the torsion bar, and the method using a strain gauge. A torque sensor can be realized.

【0005】この磁歪式トルクセンサの適用可能分野と
しては、例えば、自動車用電動パワーステアリング等が
挙げられる。これは、ハンドルに入力されたトルクに応
じて電動モータを制御し、アシスト力を発生させる構成
のパワーステアリングである。人間が直接操作する部分
でもあり、剛性感や自然なフィーリングといった感覚的
性能から考えて、高感度かつ高剛性という特徴を持つ磁
歪式トルクセンサは、この用途に適するものである。し
かしながら、一方で、定格トルクに対して著しく高い過
大トルクが入力されても、センサ特性が変化してはなら
ないという、厳しい性能も要求される。
As an applicable field of the magnetostrictive torque sensor, there is, for example, an electric power steering for an automobile. This is a power steering having a configuration in which an electric motor is controlled in accordance with a torque input to a steering wheel to generate an assist force. Magnetostrictive torque sensors, which are also directly operated by humans and have the characteristics of high sensitivity and high rigidity in view of sensory performance such as rigidity and natural feeling, are suitable for this application. However, on the other hand, strict performance is required such that the sensor characteristics must not change even if an excessively high torque is input with respect to the rated torque.

【0006】磁歪式トルクセンサでは、非常に高感度な
反面、定格荷重(定格トルク)に対してかけ離れて大き
な荷重(トルク)が負荷された場合には、ヒステリシス
が発生してしまうことが知られている。これは、センサ
の中点出力値が変化することを示す。したがって、セン
サ出力に応じてトルクアシストする構成のパワーステア
リングでは、この中点出力変動、すなわちヒステリシス
が非常に大きな問題となる。
It is known that the magnetostrictive torque sensor has extremely high sensitivity, but when a large load (torque) is applied far from the rated load (rated torque), hysteresis occurs. ing. This indicates that the midpoint output value of the sensor changes. Therefore, in a power steering having a configuration in which torque assist is performed in accordance with a sensor output, this midpoint output fluctuation, that is, hysteresis, is a very serious problem.

【0007】そもそもこの問題は、定格トルクと保証最
大トルク値とが大きく離れていることに起因する。例を
挙げて説明する。トルクセンサは、トルクを伝達する伝
達部品としての機能と、伝達するトルクを測定するとい
うセンサとしての機能とを兼ね備えている。伝達部品と
いう側面から見ると、保証最大トルク値で破壊しない軸
径以上を選択すれば、その機能を満たすことになる。一
方、センサという側面から見ると、この軸径で定格トル
クを、要求される性能で計測できればよい。しかし、現
実には、定格トルクと保証最大トルク値とが10倍程度
も離れているため、過大なトルクが負荷された場合には
大きなヒステリシスが発生してしまう。
[0007] In the first place, this problem is caused by a large difference between the rated torque and the guaranteed maximum torque value. This will be described with an example. The torque sensor has both a function as a transmission component for transmitting torque and a function as a sensor for measuring transmitted torque. From the aspect of the transmission component, if the shaft diameter that is not broken at the guaranteed maximum torque value is selected, the function is satisfied. On the other hand, from the viewpoint of the sensor, it is sufficient that the rated torque can be measured with the required performance with this shaft diameter. However, in reality, the rated torque and the guaranteed maximum torque value are separated by about 10 times, so that when an excessive torque is applied, a large hysteresis occurs.

【0008】例えば、保証最大トルクが定格トルクの1
0倍の場合を考える。この場合、磁歪式トルクセンサ
が、保証最大トルクにおける出力に対して1%のヒステ
リシスを持つとする。すると、そのヒステリシスの値は
定格トルクの10%にもなってしまう。
For example, the guaranteed maximum torque is 1 of the rated torque.
Consider the case of 0 times. In this case, it is assumed that the magnetostrictive torque sensor has 1% hysteresis with respect to the output at the guaranteed maximum torque. Then, the value of the hysteresis becomes 10% of the rated torque.

【0009】なお、本明細書中におけるトルクの符号
は、時計回り(CW)を正、反時計回り(CCW)を負
とする。ヒステリシスの大きさは、ヒステリシスによる
出力変化量を、定格トルクにおける出力変化量(片側)
で割った値で無次元化した数値を用いる(%FSと記述
する)。また、本明細書中でヒステリシスが正とは、時
計回りのトルクを入力・徐荷後、その時のセンサ出力が
元の出力値よりも増加している場合とする。また、本明
細書では、特に断りのない限り、トルク及びヒステリシ
スの大小関係は絶対値で論ずるものとする。
In the present specification, the sign of the torque is positive for clockwise (CW) and negative for counterclockwise (CCW). The magnitude of the hysteresis is the amount of output change due to hysteresis, and the amount of output change at rated torque (one side).
Use a numerical value that has been rendered dimensionless by the value obtained by dividing by (% FS). In this specification, the term "hysteresis" is positive when a clockwise torque is input and unloaded, and the sensor output at that time is larger than the original output value. Also, in this specification, the magnitude relationship between torque and hysteresis will be discussed in terms of absolute values unless otherwise specified.

【0010】[0010]

【発明が解決しようとする課題】このような問題を解決
する方法が、特開2000−9558号公報に開示され
ている。これは、トルクに対して正のヒステリシスと負
のヒステリシスとを持つ二層を磁歪部分に配置すること
で、過大トルクに対するヒステリシスを見かけ上ゼロに
しようとするものである。詳しくは、ショットピーニン
グ等の製造法を用いて、センサ軸表面の極薄い領域にヒ
ステリシスが正の領域と負の領域との二層を配置し、保
証最大トルク値においてヒステリシスがゼロとなる励磁
周波数を用いて、見かけ上ヒステリシスをゼロにする技
術である。
A method for solving such a problem is disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2000-9558. In this method, two layers having a positive hysteresis and a negative hysteresis with respect to the torque are arranged in the magnetostrictive portion so that the hysteresis with respect to the excessive torque is made to be apparently zero. Specifically, using a manufacturing method such as shot peening, two layers of a positive hysteresis area and a negative hysteresis area are arranged in an extremely thin area on the sensor shaft surface, and the excitation frequency at which the hysteresis is zero at the guaranteed maximum torque value This is a technique for apparently reducing the hysteresis to zero by using.

【0011】しかしながら、本発明者は、この方法では
最適な条件を設定した過大トルクに対しては有効でも、
それ以外のトルク(つまりそれ以下のトルク)では依然
としてヒステリシスが発生してしまうことを見出した。
つまり、定格トルク値以上かつ保証最大トルク値以下
の、中間のトルク域(以下「過大トルク域」という。)
では、依然としてヒステリシスが存在してしまうのであ
る。
However, the inventor of the present invention has found that this method is effective for excessive torque in which optimal conditions are set,
It has been found that hysteresis still occurs at other torques (that is, torques lower than that).
That is, an intermediate torque range that is equal to or higher than the rated torque value and equal to or lower than the guaranteed maximum torque value (hereinafter, referred to as “excess torque range”).
Then, hysteresis still exists.

【0012】[0012]

【発明の目的】そこで、本発明の目的は、従来よりもヒ
ステリシスを抑えられる磁歪式トルクセンサを提供する
ことにある。
SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to provide a magnetostrictive torque sensor which can suppress the hysteresis more than before.

【0013】[0013]

【課題を解決するための手段】本発明に係る磁歪式トル
クセンサは、加えられたトルクに応じてその磁気的性質
が変化するセンサ軸と、このセンサ軸に交流磁場を印加
する励磁手段と、センサ軸の磁気的性質の変化に基づき
トルクを検出する検出手段とを備えたものである。そし
て、交流磁場の励磁周波数は、第一の周波数と第二の周
波数との間にある。ここで、トルク値及びヒステリシス
を絶対値とすると、第一の周波数は、定格トルク値以上
の第一のトルク値においてヒステリシスがゼロとなる値
である。第二の周波数は、第一のトルク値以下であって
第一の周波数の交流磁場を印加したときに最大のヒステ
リシスを持つ第二のトルク値において、ヒステリシスが
ゼロとなる値である。
A magnetostrictive torque sensor according to the present invention comprises: a sensor shaft whose magnetic properties change according to an applied torque; an exciting unit for applying an AC magnetic field to the sensor shaft; Detecting means for detecting a torque based on a change in the magnetic property of the sensor shaft. The excitation frequency of the AC magnetic field is between the first frequency and the second frequency. Here, assuming that the torque value and the hysteresis are absolute values, the first frequency is a value at which the hysteresis becomes zero at the first torque value equal to or higher than the rated torque value. The second frequency is a value at which the hysteresis becomes zero at a second torque value that is equal to or less than the first torque value and has the maximum hysteresis when an AC magnetic field of the first frequency is applied.

【0014】第一の周波数では、第一のトルク値におけ
るヒステリシスがゼロとなるが、第二のトルク値におけ
るヒステリシスが最大となってしまう。一方、第二の周
波数では、第二のトルク値におけるヒステリシスがゼロ
となるが、第一のトルク値におけるヒステリシスがゼロ
でなくなる(かなり大きくなる)。そこで、本発明で
は、励磁周波数を第一の周波数と第二の周波数との間と
することにより、第一のトルク値のヒステリシスを第二
の周波数の場合よりも小さく、かつ第二のトルク値のヒ
ステリシスを第一の周波数の場合よりも小さくする。し
たがって、トルク値全体としてヒステリシスが小さくな
る。
At the first frequency, the hysteresis at the first torque value becomes zero, but the hysteresis at the second torque value becomes maximum. On the other hand, at the second frequency, the hysteresis at the second torque value is zero, but the hysteresis at the first torque value is not zero (it becomes considerably large). Therefore, in the present invention, by setting the excitation frequency between the first frequency and the second frequency, the hysteresis of the first torque value is smaller than that in the case of the second frequency, and the second torque value Is made smaller than in the case of the first frequency. Therefore, the hysteresis is reduced as a whole torque value.

【0015】第一のトルク値は最大保証トルク値として
もよい(請求項2)。一般的に、最大保証トルク値を印
加したときが最もヒステリシスが大きくなるので、最も
効果が顕著になる。
[0015] The first torque value may be a maximum guaranteed torque value. In general, when the maximum guaranteed torque value is applied, the hysteresis is the largest, so that the effect is most remarkable.

【0016】励磁手段は、励磁周波数を変化させる機能
を有するとともに、検出手段で一定値以上の過大トルク
値が検出されると、その過大トルク値を新たな第一のト
ルク値とする(請求項2)、としてもよい。最大保証ト
ルク値が印加されることはそれほど多くはないので、そ
れよりは起こり得る過大トルクに対して本発明を適用し
たものである。すなわち、過大トルク値が検出される
と、その過大トルク値を第一のトルク値として第一及び
第二の周波数を決定し、これらの間に励磁周波数を設定
する。
The exciting means has a function of changing the exciting frequency, and when the detecting means detects an excessive torque value equal to or more than a predetermined value, the excessive torque value is set as a new first torque value. 2). Since the maximum guaranteed torque value is not applied so often, the present invention is applied to a possible excessive torque. That is, when an excessive torque value is detected, the first and second frequencies are determined using the excessive torque value as a first torque value, and an excitation frequency is set between them.

【0017】例えば、過大トルク値が検出されると、過
大トルク値においてヒステリシスがゼロとなる第一の周
波数を決定する。続いて、過大トルク値以下であって、
第一の周波数の交流磁場を印加したときに最大のヒステ
リシスを持つ第二のトルク値を決定する。続いて、第二
のトルク値において、ヒステリシスがゼロとなる第二の
周波数を決定する。続いて、例えば過大トルク値におけ
るヒステリシスと第二のトルク値におけるヒステリシス
とが、正負が逆で絶対値が等しくなるような、励磁周波
数を設定する。なお、第一及び第二の周波数、第二のト
ルク値、及び最終的な励磁周波数の決定は、例えばトル
クとヒステリシスとの関係を励磁周波数毎に予め測定し
て三次元マップ作成しておき、この三次元マップを検索
することにより実現される。
For example, when an excessive torque value is detected, a first frequency at which the hysteresis becomes zero at the excessive torque value is determined. Subsequently, when the torque is below the excessive torque value,
A second torque value having a maximum hysteresis when an AC magnetic field of a first frequency is applied is determined. Subsequently, at the second torque value, a second frequency at which the hysteresis becomes zero is determined. Subsequently, for example, the excitation frequency is set such that the hysteresis at the excessive torque value and the hysteresis at the second torque value are opposite in polarity and equal in absolute value. The first and second frequencies, the second torque value, and the final excitation frequency are determined, for example, by previously measuring the relationship between torque and hysteresis for each excitation frequency and creating a three-dimensional map. This is realized by searching this three-dimensional map.

【0018】励磁周波数は、常に固定してもよい(請求
項4)。この場合は、励磁手段を簡素化できる。
The excitation frequency may be fixed at all times. In this case, the exciting means can be simplified.

【0019】励磁周波数は、第一のトルク値におけるヒ
ステリシスと第二のトルク値におけるヒステリシスと
が、正負が逆で絶対値が等しくなる値である、としても
よい(請求項5)。この場合は、トルク値全体としてヒ
ステリシスが最も小さくなる。
The exciting frequency may be a value at which the hysteresis at the first torque value and the hysteresis at the second torque value are opposite in polarity and equal in absolute value (claim 5). In this case, the hysteresis is minimized as a whole torque value.

【0020】[0020]

【発明の実施の形態】図1は、本発明に係る磁歪式トル
クセンサの一実施形態を示す構成図である。以下、この
図面に基づき説明する。
FIG. 1 is a block diagram showing an embodiment of a magnetostrictive torque sensor according to the present invention. Hereinafter, description will be made based on this drawing.

【0021】本実施形態の磁歪式トルクセンサ10は、
加えられたトルクに応じてその磁気的性質が変化するセ
ンサ軸12と、センサ軸12に交流磁場を印加する励磁
手段(励磁回路14及び励磁コイル161,162)
と、センサ軸12の磁気的性質の変化に基づき前記トル
クを検出する検出手段(検出コイル181,182及び
信号処理部20)とを備えている。
The magnetostrictive torque sensor 10 of the present embodiment is
A sensor shaft 12 whose magnetic properties change in accordance with the applied torque, and exciting means (exciting circuit 14 and exciting coils 161, 162) for applying an alternating magnetic field to the sensor shaft 12
And detection means (detection coils 181 and 182 and a signal processing unit 20) for detecting the torque based on a change in the magnetic property of the sensor shaft 12.

【0022】センサ軸12は、鉄、ニッケル又はそれら
の合金等の強磁性体で作られている。センサ軸12にト
ルクが加わると、センサ軸12の中心線に対して±45
度の方向に引張応力と圧縮応力とが加わる。引張応力が
加わった方向と圧縮応力が加わった方向とでは、磁気歪
み現象により透磁率に差が生じる。つまり、この透磁率
の差を検出すれば、トルクが検出できる。換言すると、
センサ軸12の表面に、その中心軸と角度を持つ溝を造
ることで磁気異方性部分121,122が形成され、更
に磁気異方性部分121,122にショットピーニング
が施され、この磁気異方性部分121,122の透磁率
がトルクによって変化する。
The sensor shaft 12 is made of a ferromagnetic material such as iron, nickel, or an alloy thereof. When a torque is applied to the sensor shaft 12, ± 45 with respect to the center line of the sensor shaft 12.
Tensile stress and compressive stress are applied in the direction of degree. There is a difference in the magnetic permeability between the direction in which the tensile stress is applied and the direction in which the compressive stress is applied due to the magnetostriction phenomenon. That is, torque can be detected by detecting the difference in the magnetic permeability. In other words,
Magnetic anisotropic portions 121 and 122 are formed on the surface of the sensor shaft 12 by forming a groove having an angle with the central axis, and the magnetic anisotropic portions 121 and 122 are subjected to shot peening. The magnetic permeability of the isotropic portions 121 and 122 changes according to the torque.

【0023】そこで、励磁コイル161,162及び検
出コイル181,182をセンサ軸12表面に配置し、
励磁コイル161,162を励磁回路14の交流電圧で
励磁する。すると、引張方向の透磁率及び圧縮方向の透
磁率に対応した交流電圧値が、それぞれ検出コイル16
1,162から別々に得られる。したがって、これらの
交流電圧を整流及び平滑して直流化すれば、それらの差
がセンサ軸12に加わったトルク値に対応する。なお、
センサ軸12は、図示しないが、例えばステアリングホ
イールに取り付けられた入力軸と、ピニオン及びラック
等の操舵機構に取り付けられた出力軸との間に連結され
る。
Therefore, the excitation coils 161, 162 and the detection coils 181, 182 are arranged on the surface of the sensor shaft 12,
The exciting coils 161 and 162 are excited by the AC voltage of the exciting circuit 14. Then, AC voltage values corresponding to the magnetic permeability in the tension direction and the magnetic permeability in the compression direction are respectively detected by the detection coils 16.
1,162 separately. Therefore, if these AC voltages are rectified and smoothed to DC, the difference between them corresponds to the torque value applied to the sensor shaft 12. In addition,
Although not shown, the sensor shaft 12 is connected between, for example, an input shaft attached to a steering wheel and an output shaft attached to a steering mechanism such as a pinion and a rack.

【0024】信号処理部20は、図示しないが、検出コ
イル181,182から出力された交流電圧を整流する
整流回路、整流回路の出力電圧の差をとる比較回路、比
較回路の出力電圧を直流化する平滑回路、温度補正用の
温度センサ及びマイクロコンピュータ等によって構成さ
れている。
Although not shown, the signal processing unit 20 includes a rectifier circuit for rectifying the AC voltage output from the detection coils 181 and 182, a comparison circuit for obtaining a difference between the output voltages of the rectifier circuits, and a DC output for the comparison circuit. , A temperature sensor for temperature correction, a microcomputer, and the like.

【0025】また、励磁回路14は、信号処理部20か
ら定格トルクを越える過大トルク値が出力されると、そ
の過大トルク値に応じて励磁周波数を変化させる機能を
有するものとしてもよい。このような機能は、例えばマ
イクロコンピュータ、メモリ及びVCO等によって実現
できる。
Further, the excitation circuit 14 may have a function of changing the excitation frequency according to the excessive torque value when an excessive torque value exceeding the rated torque is output from the signal processing unit 20. Such a function can be realized by, for example, a microcomputer, a memory, a VCO, and the like.

【0026】以下、本実施形態の磁歪式トルクセンサ1
0の作用について説明する。
Hereinafter, the magnetostrictive torque sensor 1 according to the present embodiment will be described.
The operation of 0 will be described.

【0027】本発明者が詳細な実験により「発明が解決
しようとする課題」で述べた現象を調査した結果、ある
トルク値においてヒステリシスがゼロになる励磁周波数
(以下「最適励磁周波数」という。)は1点又は2点存
在し、この最適励磁周波数はトルク値によって変化する
ことが判明した。
As a result of investigating the phenomenon described in "Problems to be Solved by the Invention" through detailed experiments, the inventor has found that an excitation frequency at which the hysteresis becomes zero at a certain torque value (hereinafter referred to as "optimal excitation frequency"). Is present at one or two points, and it has been found that the optimum excitation frequency changes depending on the torque value.

【0028】保証最大トルクTmでヒステリシスがゼロ
となる励磁周波数fTmを持つ磁歪式トルクセンサにお
いて、過大トルク域のトルクとヒステリシスとの関係を
プロットすると図2のようになる。保証最大トルクTm
以下の過大トルクでヒステリシスが大きくなり、トルク
THmaxにおいてヒステリシスが最大となっている。
In the magnetostrictive torque sensor having the excitation frequency fTm at which the hysteresis becomes zero at the guaranteed maximum torque Tm, the relationship between the torque in the excessive torque region and the hysteresis is plotted as shown in FIG. Guaranteed maximum torque Tm
The hysteresis is increased by the following excessive torque, and the hysteresis is maximized at the torque THmax.

【0029】これを詳細に調べるため、励磁周波数とヒ
ステリシス量との関係をプロットしたのが図3である。
これを見ると、トルクTHmaxにおける最適励磁周波
数fTHmaxは、保証最大トルクTmの場合よりも高
周波数側に移動していることがわかる。つまり、トルク
THmaxにおいては、励磁周波数fTmにおいて、図
3のHTHmaxに示す量のヒステリシスが発生するわ
けである。
In order to examine this in detail, FIG. 3 plots the relationship between the excitation frequency and the amount of hysteresis.
From this, it can be seen that the optimum excitation frequency fTHmax at the torque THmax has shifted to a higher frequency side than the case of the guaranteed maximum torque Tm. That is, at the torque THmax, the amount of hysteresis indicated by HTHmax in FIG. 3 occurs at the excitation frequency fTm.

【0030】この現象をより詳細に見てみる。センサ軸
表面には、ヒステリシスが正の領域と、そのすぐ内側の
ヒステリシスが負の領域とが形成されている。ここで、
保証最大トルクTmにおいて見かけのヒステリシスがゼ
ロになる励磁周波数fTmのもとでは、それぞれのヒス
テリシスは量が同じで符号が逆のために互いに打ち消し
合う。しかしながら、これよりも小さいトルクTHma
xにおいては、この関係が崩れるため、正のヒステリシ
スが残ってしまう。
Let us look at this phenomenon in more detail. A positive hysteresis region and a negative hysteresis region immediately inside the sensor shaft surface are formed on the sensor shaft surface. here,
Under the excitation frequency fTm at which the apparent hysteresis becomes zero at the guaranteed maximum torque Tm, the respective hysteresis cancels each other due to the same amount and opposite sign. However, a smaller torque THma
In x, since this relationship is broken, a positive hysteresis remains.

【0031】これは、応力とヒステリシスとの相関関
係、及び丸棒中の応力分布のずれによるものである。丸
棒中の応力τでは、直径dに対して以下のような関係を
持つ。 τ=16T/(πd) T:ねじりトルク すなわち、丸棒表面の応力は、トルク値に比例するとと
もに、直径の三乗に反比例する。したがって、入力され
るトルク値が小さい場合には、それに比例して応力も小
さくなる。このとき、応力‐ヒステリシスの関係が直線
関係に無いと、正及び負の領域のそれぞれのヒステリシ
スは、トルク値が変化した場合に大きさにずれが出てし
まい、打ち消し合えない状態になる。
This is due to the correlation between the stress and the hysteresis and the deviation of the stress distribution in the round bar. The stress τ in the round bar has the following relationship with the diameter d. τ = 16T / (πd 3) T: torsional torque i.e., stress round bar surface, as well as proportional to the torque value is inversely proportional to the cube of diameter. Therefore, when the input torque value is small, the stress is also reduced in proportion thereto. At this time, if the stress-hysteresis relationship does not have a linear relationship, the hysteresis of each of the positive and negative regions has a deviation in magnitude when the torque value changes, and cannot be canceled.

【0032】更に、応力分布は直径の三乗に比例するた
め、直径変化に対する応力値の変化が大きい。そのた
め、内側の領域で発生するヒステリシスは、外側の領域
よりも小さな応力で大きな量を発生させる必要がある。
一般的に、応力‐ヒステリシスの関係は、非直線領域と
直線近似領域とによって構成される。しかし、直径によ
る応力値の変化が大きいことにより、最表面とその直下
とで応力値の差が大きいために、一方はヒステリシスの
直線領域にあっても、他方はヒステリシスの非直線領域
に入ってしまうことが起こる。その結果、各ヒステリシ
スは、大きさが変化して打ち消し合えなくなるので、ヒ
ステリシスが残留してしまうことになる。
Further, since the stress distribution is proportional to the cube of the diameter, the change in the stress value with respect to the change in the diameter is large. Therefore, it is necessary to generate a large amount of hysteresis in the inner region with smaller stress than in the outer region.
Generally, the stress-hysteresis relationship is constituted by a non-linear region and a linear approximation region. However, due to the large change in stress value due to the diameter, the difference in stress value between the outermost surface and immediately below it is large. It happens. As a result, each hysteresis changes in magnitude and cannot be canceled each other, so that the hysteresis remains.

【0033】以上の理由により、過大トルク域では依然
としてヒステリシスが発生するのである。ただし、十分
に小さい定格トルク近傍のレベルでは、表面応力も小さ
く、ヒステリシス自体が小さいため、ヒステリシスの大
きさが問題にならないのである。
For the above reasons, hysteresis still occurs in the excessive torque range. However, at a sufficiently small level near the rated torque, the surface stress is small and the hysteresis itself is small, so that the magnitude of the hysteresis does not matter.

【0034】上記問題の解決のためには、過大トルク域
で入力された過大トルク値に応じて励磁周波数を可変さ
せればよい。具体的には、過大トルク域全域において図
3のような調査を行い、ヒステリシスがゼロとなるよう
な励磁周波数を測定しておき、過大トルク値と励磁周波
数とのマップを作り、励磁周波数を変化させればよい。
ここで注目すべきは、励磁周波数を変える必要があるの
は、過大トルクが入力された場合に限られることであ
る。
To solve the above problem, the excitation frequency may be varied according to the excessive torque value input in the excessive torque region. Specifically, a survey as shown in Fig. 3 was conducted over the entire excessive torque range, the excitation frequency at which the hysteresis became zero was measured, and a map of the excessive torque value and the excitation frequency was created, and the excitation frequency was changed. It should be done.
It should be noted here that the excitation frequency needs to be changed only when excessive torque is input.

【0035】つまり、定格トルク域のみ(ある設定した
トルク値以下)で使用する限りは、励磁周波数は固定で
よい。そして、過大トルクが入力された場合にのみ励磁
周波数を変更し、それ以後は元の励磁周波数に戻さず
に、次に再び過大トルクが入力されるまで、この励磁周
波数を使用する。この点は、後述する励磁周波数や励磁
電流を可変にして温度補正等を行なう場合と、決定的に
異なる。
That is, the excitation frequency may be fixed as long as it is used only in the rated torque range (not more than a set torque value). Then, the excitation frequency is changed only when an excessive torque is input, and thereafter, the excitation frequency is not returned to the original excitation frequency but is used until the next excessive torque is input again. This point is crucially different from the case where temperature correction or the like is performed by changing the excitation frequency or the excitation current, which will be described later.

【0036】この点に着目すると、もう少し簡易的な方
法も考えられる。つまり、図2におけるトルクTHma
xと保証最大トルクTmとの間にある過大トルクが負荷
された場合のみ、励磁周波数を可変させる方法である。
この場合には、低トルク側でのヒステリシス低減のた
め、トルクTHmaxにおける最適励磁周波数fTHm
axで固定しておき、トルクTHmax以上のトルクが
入力されたときのみ、その入力された応力に応じて励磁
周波数を変化させればよい。一般的に過大トルクが入力
される頻度はあまり無いため、これでも実用上十分な性
能を発揮する。
Focusing on this point, a slightly simpler method can be considered. That is, the torque THma in FIG.
This is a method in which the excitation frequency is varied only when an excessive torque between x and the guaranteed maximum torque Tm is applied.
In this case, in order to reduce the hysteresis on the low torque side, the optimum excitation frequency fTHm at the torque THmax is set.
ax, and only when a torque equal to or greater than the torque THmax is input, the excitation frequency may be changed according to the input stress. In general, the frequency of inputting excessive torque is not so high, and thus, sufficient performance is exhibited in practical use.

【0037】この、トルクTHmaxから保証最大トル
クTmまでの領域の励磁周波数は、実験的に求めた最適
励磁周波数でマップを作成し、これに基づいて可変させ
る方法が理想である。それを簡易化するには、過大トル
クTHmaxと保証最大トルクTmとの間の励磁周波数
マップを、トルク値に対して直線化する方法でも対応可
能である。この方法であれば、マップ自身を省略できる
ので、コスト的にも有利になる。
It is ideal that the excitation frequency in the region from the torque THmax to the guaranteed maximum torque Tm is varied based on a map created based on the optimal excitation frequency obtained experimentally. In order to simplify this, it is also possible to cope with a method in which the excitation frequency map between the excessive torque THmax and the guaranteed maximum torque Tm is linearized with respect to the torque value. With this method, the map itself can be omitted, which is advantageous in terms of cost.

【0038】加えて、過大トルク値による最適励磁周波
数の変化幅が小さく、過大トルク域でのヒステリシスが
比較的小さい場合には、図3に示すように、fTmとf
Hmaxとの中間の励磁周波数で固定利用する方法も考
えられる。この場合、過大トルク−ヒステリシスの関係
の総幅を小さくしたければ、図3に示すようにヒステリ
シスの大きさが等しくなるような中間の励磁周波数fa
を選択すればよい。この場合には、最初図2に示すよう
であった過大トルク−ヒステリシスの関係は図4に示す
ようになる。そして、過大トルク域のトルク出力はゼロ
をはさんで変化するようになるので、左右ねじりの過大
トルク域で考えた場合には、合計の幅が小さくなる。更
に、励磁周波数を固定とした場合は、励磁周波数を変化
させる部分、過大トルクを検出・測定する部分、変化し
た励磁周波数に応じて感度を補正する部分等多くの部分
が省略できるので、コスト、信頼性等の面でメリットが
多くなる。
In addition, when the variation range of the optimum excitation frequency due to the excessive torque value is small and the hysteresis in the excessive torque region is relatively small, as shown in FIG.
A method in which the excitation frequency is fixedly used at an intermediate excitation frequency from Hmax is also conceivable. In this case, if it is desired to reduce the total width of the excessive torque-hysteresis relationship, as shown in FIG. 3, an intermediate excitation frequency fa such that the magnitude of the hysteresis becomes equal is obtained.
You just have to select In this case, the relationship between the excessive torque and the hysteresis initially shown in FIG. 2 becomes as shown in FIG. Then, since the torque output in the excessive torque range changes across zero, the total width becomes small when considered in the excessive torque range of right and left torsion. Further, when the excitation frequency is fixed, many parts such as a part for changing the excitation frequency, a part for detecting and measuring excessive torque, and a part for correcting the sensitivity according to the changed excitation frequency can be omitted, so that cost and cost can be reduced. There are many advantages in terms of reliability and the like.

【0039】図5は、図2乃至図4の関係を示す三次元
グラフである。以下、図1及び図5に基づき、磁歪式ト
ルクセンサ10の動作の一例を説明する。
FIG. 5 is a three-dimensional graph showing the relationship between FIGS. Hereinafter, an example of the operation of the magnetostrictive torque sensor 10 will be described with reference to FIGS.

【0040】トルクとヒステリシスとの関係を励磁周波
数毎に予め測定しておき、これを図5に示す三次元マッ
プとして例えば励磁回路14のメモリに記憶させてお
く。励磁周波数の初期値はfTHmaxとなっている。
したがって、励磁回路14は、励磁周波数fTHmax
で励磁コイル161,162を励磁している。
The relationship between the torque and the hysteresis is measured in advance for each excitation frequency, and this is stored in a memory of the excitation circuit 14, for example, as a three-dimensional map shown in FIG. The initial value of the excitation frequency is fTHmax.
Therefore, the excitation circuit 14 determines the excitation frequency fTHmax
Excites the exciting coils 161 and 162.

【0041】ここで、検出コイル181,182で保証
最大トルクTmが検出されると、その値が信号処理部2
0から励磁回路14へ出力される。すると、励磁回路1
4のマイクロコンピュータが次のように動作する。ま
ず、図5の三次元マップから、保証最大トルクTmにお
いてヒステリシスがゼロとなる励磁周波数fTmを検索
する。続いて、保証最大トルクTm以下であって、励磁
周波数fTmの交流磁場を印加したときに最大のヒステ
リシスHTHmaxを持つトルク値THmaxを検索す
る。続いて、トルク値THmaxにおいて、ヒステリシ
スがゼロとなる励磁周波数fTHmaxを検索する。続
いて、保証最大トルクTmにおけるヒステリシスH2と
トルク値THmaxにおけるヒステリシスH1とが、正
負が逆で絶対値が等しくなるような、励磁周波数faを
検索する。最後に、励磁回路14は、励磁周波数をfT
Hmaxからfaに変えて、励磁周波数faで励磁コイ
ル161,162を励磁する。これにより、トルク値全
体としてヒステリシスが最も小さくなる。
Here, when the guaranteed maximum torque Tm is detected by the detection coils 181 and 182, the detected value is applied to the signal processing unit 2
0 is output to the excitation circuit 14. Then, the excitation circuit 1
The microcomputer 4 operates as follows. First, the excitation frequency fTm at which the hysteresis becomes zero at the guaranteed maximum torque Tm is searched from the three-dimensional map of FIG. Subsequently, a torque value THmax that is equal to or lower than the guaranteed maximum torque Tm and has the maximum hysteresis HTHmax when an AC magnetic field having the excitation frequency fTm is applied is searched. Subsequently, an excitation frequency fTHmax at which the hysteresis becomes zero is searched for in the torque value THmax. Next, the excitation frequency fa is searched such that the hysteresis H2 at the guaranteed maximum torque Tm and the hysteresis H1 at the torque value THmax are opposite in polarity and equal in absolute value. Finally, the excitation circuit 14 sets the excitation frequency to fT
The excitation coils 161 and 162 are excited at the excitation frequency fa by changing from Hmax to fa. As a result, the hysteresis is minimized as a whole torque value.

【0042】続いて、図5には示さないが、過大トルク
T(THmax<T<Tm)が検出されたとする。する
と、励磁回路14のマイクロコンピュータが次のように
動作する。まず、図5の三次元マップから、過大トルク
Tにおいてヒステリシスがゼロとなる励磁周波数fT
(図示せず)を検索する。続いて、過大トルクT以下で
あって、励磁周波数fTの交流磁場を印加したときに最
大のヒステリシスを持つトルク値THを(図示せず)検
索する。続いて、トルク値THにおいて、ヒステリシス
がゼロとなる励磁周波数fTH(図示せず)を検索す
る。続いて、過大トルクTにおけるヒステリシスとトル
ク値THにおけるヒステリシスとが、正負が逆で絶対値
が等しくなるような、励磁周波数fb(図示せず)を検
索する。最後に、励磁回路14は、励磁周波数をfaか
らfbに変えて、励磁周波数fbで励磁コイル161,
162を励磁する。これにより、トルク値全体としてヒ
ステリシスが最も小さくなる。
Subsequently, although not shown in FIG. 5, it is assumed that an excessive torque T (THmax <T <Tm) is detected. Then, the microcomputer of the excitation circuit 14 operates as follows. First, from the three-dimensional map of FIG. 5, the excitation frequency fT at which the hysteresis becomes zero at the excessive torque T is shown.
(Not shown). Subsequently, a torque value TH (not shown) that is equal to or less than the excessive torque T and has the maximum hysteresis when an AC magnetic field having the excitation frequency fT is applied is searched. Subsequently, an excitation frequency fTH (not shown) at which the hysteresis becomes zero is searched for in the torque value TH. Subsequently, an excitation frequency fb (not shown) is searched such that the hysteresis at the excessive torque T and the hysteresis at the torque value TH are opposite in polarity and equal in absolute value. Lastly, the excitation circuit 14 changes the excitation frequency from fa to fb, and sets the excitation coils 161 and 161 at the excitation frequency fb.
162 is excited. As a result, the hysteresis is minimized as a whole torque value.

【0043】なお、特開平10−153502号公報に
は、励磁周波数を変化させる手法に関連して、二つの励
磁周波数を切り替えて用いる技術(以下「従来例1」と
いう。)が開示されている。従来例1は、トルクを測定
する励磁周波数と、温度を検出するためにトルクに対し
て感度の無い励磁周波数とで計測を交互に行ない、トル
ク検出用励磁周波数において計測したトルク値を、温度
検出用励磁周波数において得られた出力に基づき補正す
るものである。従来例1と本発明との相違点は、次のと
おりである。本発明では、過大トルクが検出されたとき
のみ励磁周波数を変化させ、その後は再び過大トルクが
入力されるまで励磁周波数を固定する。これに対し、従
来例1では、主目的が温度補正にあるため、一定時間間
隔で励磁周波数を交互に変化させる。
Japanese Patent Application Laid-Open No. 10-153502 discloses a technique (hereinafter, referred to as "conventional example 1") in which two excitation frequencies are switched and used in connection with a technique for changing the excitation frequency. . In Conventional Example 1, measurement is performed alternately at an excitation frequency for measuring torque and an excitation frequency that is insensitive to torque in order to detect temperature, and the torque value measured at the excitation frequency for torque detection is used for temperature detection. The correction is performed based on the output obtained at the excitation frequency. The differences between Conventional Example 1 and the present invention are as follows. In the present invention, the excitation frequency is changed only when excessive torque is detected, and thereafter, the excitation frequency is fixed until excessive torque is input again. On the other hand, in the conventional example 1, since the main purpose is to correct the temperature, the excitation frequency is alternately changed at regular time intervals.

【0044】また、特開平9−159553号公報にお
いては、励磁周波数を調整することで温度ドリフト特性
を改善する技術(以下「従来例2」という。)が開示さ
れている。従来例2は、励磁周波数を可変とするモジュ
ールと温度に対して励磁周波数を決定したマップとを持
たせた上で、温度に応じて励磁周波数を調整して温度ド
リフトを補正するものである。従来例2と本発明との相
違点は次のとおりである。従来例2では、温度補正に主
目的を置き、そのため、温度変化に常に追従して励磁周
波数が変化する(温度が元に戻れば励磁周波数も元に戻
る)。これに対し、本発明では、過大トルク入力時のヒ
ステリシス改善を日的とする点、及び、定格トルク域の
場合には励磁周波数を特定の値で固定利用し、過大トル
クが入力されたときのみ励磁周波数を可変させ、その後
は次に過大トルク値が入力されるまでは固定的にこの励
磁周波数を使用する点で大きく異なる。
Japanese Patent Application Laid-Open No. 9-159553 discloses a technique for improving the temperature drift characteristic by adjusting the excitation frequency (hereinafter referred to as "conventional example 2"). In the second conventional example, a module in which the excitation frequency is variable and a map in which the excitation frequency is determined with respect to the temperature are provided, and the temperature drift is corrected by adjusting the excitation frequency according to the temperature. The differences between Conventional Example 2 and the present invention are as follows. In the second conventional example, the main purpose is placed on the temperature correction, and therefore, the excitation frequency always changes following the temperature change (when the temperature returns to the original value, the excitation frequency returns to the original value). On the other hand, in the present invention, the hysteresis improvement at the time of excessive torque input is made daily, and in the case of the rated torque range, the excitation frequency is fixedly used at a specific value, and only when excessive torque is input. The excitation frequency is varied, and thereafter, the excitation frequency is fixedly used until the next excessive torque value is input.

【0045】次に、実施例を用いて、更に具体的に説明
する。
Next, the present invention will be described more specifically with reference to examples.

【0046】[0046]

【実施例1】JlS SNCM815合金鋼丸棒(N
材)から所定の棒材を削り出し、これに転造を施して、
表面に中心軸に対して45°傾いた溝(磁気異方性部
分)を設けた。この部分に高周波焼入れ処理を施した
後、ショットピーニングを施した。ショットピーニング
は条件を変えて2回施した。1回目のショットピーニン
グはアークハイト0.20mm(A片)、2回目のショ
ットピーニングはアークハイト0.16mm(A片)と
した。用いたショットメデイアは鋼性で粒径は0.25
mmである。このセンサ軸にソレノイドコイル、電気回
路を組付け、トルク−出力特性を評価した。トルクセン
サの概略構成を図1に示す。
Example 1 JLS SNCM815 alloy steel round bar (N
Material) from the specified bar material, rolled it,
Grooves (magnetically anisotropic portions) inclined by 45 ° with respect to the central axis were provided on the surface. This part was subjected to induction hardening and then shot peening. Shot peening was performed twice under different conditions. The first shot peening had an arc height of 0.20 mm (A piece), and the second shot peening had an arc height of 0.16 mm (A piece). The shot media used was steel and had a grain size of 0.25.
mm. A solenoid coil and an electric circuit were attached to this sensor shaft, and the torque-output characteristics were evaluated. FIG. 1 shows a schematic configuration of the torque sensor.

【0047】ヒステリシスの測定は、トルクを加える前
後のセンサ出力を計測して行なった。センサ出力の測定
時には、間違い無くゼロトルクとするために、センサを
ねじり試験機から外して、完全に機械的にフリーにした
状態で行なった。
The measurement of the hysteresis was performed by measuring the sensor output before and after the application of the torque. When the sensor output was measured, the sensor was removed from the torsion tester and completely mechanically free in order to ensure zero torque.

【0048】まず、本トルクセンサの最大保証トルク値
は±150N・mであるので、このトルクにおいて励磁
周波数を変えてヒステリシスを計測した。その結果、図
7に示すような励磁周波数−ヒステリシスの関係が得ら
れ、励磁周波数37kHzでヒステリシスがゼロになる
ことがわかった。
First, since the maximum guaranteed torque value of this torque sensor is ± 150 N · m, the hysteresis was measured by changing the excitation frequency at this torque. As a result, a relationship between the excitation frequency and the hysteresis as shown in FIG. 7 was obtained, and it was found that the hysteresis became zero at the excitation frequency of 37 kHz.

【0049】次に、この励磁周波数で定格トルクを越え
るトルク域において、入力トルク値とヒステリシスとの
関係を調査した。すると図6のように、確かにトルク1
50N・mではヒステリシスはゼロになるものの、それ
以外のトルク値では、ヒステリシスが存在し、トルク9
0N・mでヒステリシスが最大になることが分かった。
またこの場合、右ねじり(CW:トルク値プラス)と左
ねじり(CCW:トルク値マイナス)とでは、その符号
が反転するため、総合の幅としては、CWでのヒステリ
シス値の倍の幅を持つことがわかる。
Next, the relationship between the input torque value and the hysteresis was investigated in a torque range exceeding the rated torque at this excitation frequency. Then, as shown in FIG.
At 50 N · m, the hysteresis becomes zero, but at other torque values, the hysteresis exists and the torque 9
It was found that the hysteresis was maximized at 0 N · m.
Also, in this case, the sign of the right-hand twist (CW: torque value plus) and the left-hand twist (CCW: minus torque value) are reversed, so that the overall width has twice the width of the hysteresis value in CW. You can see that.

【0050】次にヒステリシスが最大になるトルク90
N・mにおいて、先ほどと同様に励磁周波数−ヒステリ
シスの関係を調査した。すると、励磁周波数39.3k
Hzでヒステリシスがゼロになることがわかった。
Next, the torque 90 at which the hysteresis is maximized
At N · m, the relationship between the excitation frequency and the hysteresis was investigated in the same manner as described above. Then, the excitation frequency is 39.3k
It was found that the hysteresis became zero at Hz.

【0051】これらの結果に基づき、励磁周波数として
38.2kHzを選択し、再び過大トルク−ヒステリシ
スの関係を調査した結果が図8である。この場合には、
150N・mと90N・mとにおけるヒステリシスが、
大きさが同じで符号が反転していることがわかる。これ
により、変化のピーク値を抑え、過大トルク域全域での
ヒステリシスを平均化している。
FIG. 8 shows the result of selecting 38.2 kHz as the excitation frequency based on these results and again examining the relationship between excessive torque and hysteresis. In this case,
Hysteresis at 150 N · m and 90 N · m is
It can be seen that the magnitudes are the same and the signs are inverted. As a result, the peak value of the change is suppressed, and the hysteresis over the entire excessive torque region is averaged.

【0052】ちなみに、このセンサの定格トルク(10
N・m)でのヒステリシスは、過大トルク負荷前が0.
5%FS、負荷後が0.8%FSであり、実用上全く問
題無いレベルであった。
By the way, the rated torque of this sensor (10
The hysteresis in (N · m) is 0.1 before the excessive torque load.
It was 5% FS and 0.8% FS after loading, which was at a level that was practically no problem.

【0053】本実施例では、励磁周波数として、90N
・mと150N・mとのヒステリシス量が等しくなる周
波数を用いたが、現実的には、37kHzと39.3k
Hzとの間のどの周波数も選択することは可能である。
これにより、過大トルク域でのヒステリシス特性(曲線
形状)をコントロールし、例えば、150N・m負荷後
のヒステリシスに余裕があれぱ、90N・mまでの特性
に特化するように、励磁周波数を39kHzに設定する
等、日的に応じて最適化が可能である。
In this embodiment, the excitation frequency is 90 N
The frequency at which the amount of hysteresis between m and 150 N · m is equal is used, but in reality, 37 kHz and 39.3 k
It is possible to select any frequency between Hz.
As a result, the hysteresis characteristic (curve shape) in the excessive torque range is controlled. For example, if the hysteresis after a load of 150 N · m has a margin, the excitation frequency is set to 39 kHz so as to specialize in the characteristic up to 90 N · m. For example, optimization can be performed according to the day.

【0054】[0054]

【実施例2】実施例1と同様にセンサ軸を作製し、同様
のコイルを組み付けた。これに、過大トルク域までトル
ク値が検出可能であり、励磁周波数が可変となっている
電子回路を取り付けた。この回路は、トルク90N・m
までは励磁周波数39.3kHzに固定され、90〜1
50N・mが負荷されると、トルク値に応じて励磁周波
数が39.3〜37kHzの範囲で直線的に変化するよ
う電子回路を構成してある。このトルクセンサの定格ト
ルク域におけるヒステリシスは、0.5%FSである。
Embodiment 2 A sensor shaft was manufactured in the same manner as in Embodiment 1, and a similar coil was assembled. To this, an electronic circuit capable of detecting a torque value up to an excessive torque range and having a variable excitation frequency was attached. This circuit has a torque of 90 Nm
The excitation frequency is fixed at 39.3 kHz until 90 to 1
The electronic circuit is configured such that when a load of 50 N · m is applied, the excitation frequency changes linearly in the range of 39.3 to 37 kHz according to the torque value. The hysteresis of the torque sensor in the rated torque range is 0.5% FS.

【0055】このセンサに過大トルクをかけた場合の、
過大トルクーヒステリシスの関係を図9に示す。過大ト
ルク域全域でヒステリシスが改善され、CW、CCW合
わせたヒステリシス量も、図6の場合に比べて、著しく
改善されていることがわかる。ちなみに、実験後の定格
トルク域でのヒステリシスは、0.7%FSであり、実
用性能上全く問題無いレベルであった。
When an excessive torque is applied to this sensor,
FIG. 9 shows the relationship between excessive torque and hysteresis. It can be seen that the hysteresis is improved over the entire excessive torque range, and the amount of hysteresis combined with CW and CCW is significantly improved as compared with the case of FIG. Incidentally, the hysteresis in the rated torque range after the experiment was 0.7% FS, which was a level having no problem in practical performance.

【0056】[0056]

【発明の効果】本発明に係る磁歪式トルクセンサによれ
ば、定格トルク値以上の第一のトルク値においてヒステ
リシスがゼロとなる第一の周波数と、第一のトルク値以
下であって第一の周波数の交流磁場を印加したときに最
大のヒステリシスを持つ第二のトルク値においてヒステ
リシスがゼロとなる第二の周波数との間に、励磁周波数
を設定したことにより、第一のトルク値のヒステリシス
を第二の周波数の場合よりも小さく、かつ第二のトルク
値のヒステリシスを第一の周波数の場合よりも小さくで
きるので、トルク値全体としてヒステリシスを抑えるこ
とができる。
According to the magnetostrictive torque sensor of the present invention, the first frequency at which the hysteresis becomes zero at the first torque value equal to or higher than the rated torque value, and the first frequency at which the hysteresis is equal to or lower than the first torque value, The hysteresis of the first torque value is set by setting the excitation frequency between the second frequency at which the hysteresis becomes zero at the second torque value having the maximum hysteresis when an AC magnetic field of the frequency is applied. Can be made smaller than in the case of the second frequency, and the hysteresis of the second torque value can be made smaller than that in the case of the first frequency, so that the hysteresis can be suppressed as a whole torque value.

【0057】請求項2記載の磁歪式トルクセンサによれ
ば、第一のトルク値を最大保証トルク値としたことによ
り、最大保証トルク値を印加したときに最もヒステリシ
スが大きくなることを、防止できる。
According to the magnetostrictive torque sensor according to the second aspect, since the first torque value is the maximum guaranteed torque value, it is possible to prevent the hysteresis from being maximized when the maximum guaranteed torque value is applied. .

【0058】請求項3記載の磁歪式トルクセンサによれ
ば、過大トルク値が検出されると、その過大トルク値を
第一のトルク値として第一及び第二の周波数を決定し、
これらの間に励磁周波数を設定することにより、過大ト
ルクが頻繁に印加されたとしても、木目細かにヒステリ
シスを抑えることができる。
According to the magnetostrictive torque sensor of the third aspect, when an excessive torque value is detected, the first and second frequencies are determined using the excessive torque value as a first torque value.
By setting the excitation frequency between these, even if excessive torque is frequently applied, it is possible to finely suppress the hysteresis.

【0059】請求項4記載の磁歪式トルクセンサによれ
ば、励磁周波数を常に固定としたことにより、励磁手段
を簡素化できる。
According to the magnetostrictive torque sensor of the fourth aspect, since the excitation frequency is always fixed, the excitation means can be simplified.

【0060】請求項5記載の磁歪式トルクセンサによれ
ば、第一のトルク値におけるヒステリシスと第二のトル
ク値におけるヒステリシスとが、正負が逆で絶対値が等
しくなるように、励磁周波数を設定したことにより、ト
ルク値全体としてヒステリシスを最も抑えることができ
る。
According to the magnetostrictive torque sensor of the fifth aspect, the excitation frequency is set so that the hysteresis at the first torque value and the hysteresis at the second torque value are opposite in polarity and equal in absolute value. By doing so, it is possible to minimize the hysteresis as a whole of the torque value.

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

【図1】本発明に係る磁歪式トルクセンサの一実施形態
を示す構成図である。
FIG. 1 is a configuration diagram showing an embodiment of a magnetostrictive torque sensor according to the present invention.

【図2】最大保証トルク値を印加したときのヒステリシ
スがゼロとなる励磁周波数における、トルクとヒステリ
シスとの関係を示すグラフである。
FIG. 2 is a graph showing a relationship between torque and hysteresis at an excitation frequency at which hysteresis becomes zero when a maximum guaranteed torque value is applied.

【図3】各トルク値毎の励磁周波数とヒステリシスとの
関係を示すグラフである。
FIG. 3 is a graph showing a relationship between an excitation frequency and a hysteresis for each torque value.

【図4】トルク値全体としてヒステリシスが最小となる
励磁周波数における、トルクとヒステリシスとの関係を
示すグラフである。
FIG. 4 is a graph showing a relationship between torque and hysteresis at an excitation frequency at which hysteresis is minimized as a whole torque value.

【図5】図2乃至図4の関係を示す三次元グラフであ
る。
FIG. 5 is a three-dimensional graph showing the relationship between FIGS. 2 to 4;

【図6】実施例1における、トルクとヒステリシスとの
関係を示すグラフである。
FIG. 6 is a graph showing a relationship between torque and hysteresis in the first embodiment.

【図7】実施例1における、各トルク値毎の励磁周波数
とヒステリシスとの関係を示すグラフである。
FIG. 7 is a graph showing a relationship between an excitation frequency and a hysteresis for each torque value in the first embodiment.

【図8】実施例1における、トルクとヒステリシスとの
関係を示すグラフである。
FIG. 8 is a graph showing a relationship between torque and hysteresis in the first embodiment.

【図9】実施例2における、トルクとヒステリシスとの
関係を示すグラフである。
FIG. 9 is a graph showing a relationship between torque and hysteresis in the second embodiment.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

10 磁歪式トルクセンサ 12 センサ軸 14 励磁回路(励磁手段) 161,162 励磁コイル(励磁手段) 181,182 検出コイル(検出手段) 20 信号処理部(検出手段) DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Magnetostrictive torque sensor 12 Sensor axis 14 Excitation circuit (excitation means) 161 and 162 Excitation coil (excitation means) 181 and 182 Detection coil (detection means) 20 Signal processing unit (detection means)

Claims (5)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 加えられたトルクに応じてその磁気的性
質が変化するセンサ軸と、このセンサ軸に交流磁場を印
加する励磁手段と、前記センサ軸の磁気的性質の変化に
基づき前記トルクを検出する検出手段とを備えた磁歪式
トルクセンサにおいて、 前記交流磁場の励磁周波数は第一の周波数と第二の周波
数との間にあり、 トルク値及びヒステリシスを絶対値とすると、 前記第一の周波数は、定格トルク値以上の第一のトルク
値においてヒステリシスがゼロとなる値であり、 前記第二の周波数は、前記第一のトルク値以下であって
前記第一の周波数の交流磁場を印加したときに最大のヒ
ステリシスを持つ第二のトルク値において、ヒステリシ
スがゼロとなる値である、 ことを特徴とする磁歪式トルクセンサ。
1. A sensor shaft whose magnetic property changes according to an applied torque, an exciting unit for applying an AC magnetic field to the sensor shaft, and the torque based on a change in magnetic property of the sensor shaft. Wherein the exciting frequency of the AC magnetic field is between a first frequency and a second frequency, and a torque value and a hysteresis are absolute values. The frequency is a value at which the hysteresis becomes zero at a first torque value equal to or higher than a rated torque value, and the second frequency is equal to or lower than the first torque value and an AC magnetic field of the first frequency is applied. A second torque value having a maximum hysteresis when the hysteresis is zero.
【請求項2】 前記第一のトルク値が最大保証トルク値
である、 請求項1記載の磁歪式トルクセンサ。
2. The magnetostrictive torque sensor according to claim 1, wherein the first torque value is a maximum guaranteed torque value.
【請求項3】 前記励磁手段は、前記励磁周波数を変化
させる機能を有するとともに、前記検出手段で一定値以
上の過大トルク値が検出されると、当該過大トルク値を
新たな前記第一のトルク値とする、 請求項1又は2記載の磁歪式トルクセンサ。
3. The exciting means has a function of changing the exciting frequency. When the detecting means detects an excessive torque value equal to or more than a predetermined value, the exciting means converts the excessive torque value into a new first torque. The magnetostrictive torque sensor according to claim 1, wherein the value is a value.
【請求項4】 前記励磁周波数は常に固定されている、 請求項2記載の磁歪式トルクセンサ。4. The magnetostrictive torque sensor according to claim 2, wherein said excitation frequency is always fixed. 【請求項5】 前記励磁周波数は、前記第一のトルク値
におけるヒステリシスと前記第二のトルク値におけるヒ
ステリシスとが、正負が逆で絶対値が等しくなる値であ
る、 請求項1、2、3又は4記載の磁歪式トルクセンサ。
5. The excitation frequency is a value in which the hysteresis at the first torque value and the hysteresis at the second torque value are opposite in sign and have the same absolute value. Or the magnetostrictive torque sensor according to 4.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7925392B2 (en) 2002-04-23 2011-04-12 Lord Corporation Aircraft vehicular propulsion system monitoring device and method
US11543269B2 (en) 2020-01-27 2023-01-03 Temposonics GmbH & Co. KG Target detection in magnetostrictive sensors using a target frequency range

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