JP2005337987A - トルクセンサ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 磁歪環からの検出感度を上げることができ、かつ、廉価なこと。
【解決手段】 磁歪環２は、回転軸１の回転方向に加えられるトルクによって磁化変化を発生する。磁歪環２が配設される回転軸１には、回転軸１の磁歪環２が配設される位置に、磁歪環２の軸方向の長さＬ₁[ｍｍ]未満の範囲の全周に磁気抵抗を大きくする環状溝１Ａを形成し、磁歪環２から発生される磁界が、回転軸１側を通らないように磁気抵抗を高くする。このとき、回転軸１の径が細くなっているから、回転軸１の回転方向に加えられるトルクが磁歪環２にも伝わりやすくなり、磁歪環２からの磁界の発生を大きくすることができる。
【選択図】 図３

Description

本発明は、トルクセンサ装置に関し、特に、回転軸に加えられるトルクを非接触で計測するトルクセンサ装置に関するものである。このトルクセンサ装置は、回転軸として、車両のステアリングシャフト、エンジンクランクシャフト、ドライブシャフト、電動機及び発電機の入力または出力シャフト、工作機械、搬送機械等のシャフトのトルクを検出するものであり、回転負荷の状態を検出するものに適用できるトルクセンサ装置に関するものである。

従来のトルクセンサ装置として、測定されるトルクが「０」のとき、本質的に「０」を検出するようキャリブレーションを行い、測定されるトルクに応じてその方向と大きさとを変えるという特許文献１に記載のトルクセンサ装置がある。

この特許文献１に記載のトルクセンサ装置は、磁歪環と、磁歪環からの磁界に反応する磁気センサとを備え、磁歪環には、例えば、円周方向をほぼ軸線とするような事実上の１軸磁気異方性が付与され、実質的に円周方向に磁極化された材料のリングからなるものである。この磁歪環は、例えば、回転軸のようなトルク部材に取付けられ、その回転軸に加えられるトルクはその磁歪環に伝達され、その磁歪環のトルクは、磁歪環の円周方向の磁気方向性を偏向させ、円周方向及び軸方向の両成分を有する螺旋状の磁気方向性を発生する。その磁歪環と対向する所定の位置には、磁気センサが設けられており、磁歪環内の磁気の軸方向の成分から発生する磁界に対応するように方向付けられている。この磁気センサの出力は、回転軸に加えられて磁歪環に伝達されたトルクにより発生する磁歪環内の磁気方向性の変化に比例するようになっている。

この構成によって、特許文献１の発明は、トルクが「０」の状態の検出量の数値「０」が温度と、回転トルク部材の角度位置と、回転速度と、トルク部材及びそのトルク量検出手段の間の径方向または長さ方向のエアギャップによって影響されないように設定されている。また、磁気センサには、励磁電流もコイルも必要とせず、簡単で、低コストで製造可能であり、極めて信頼性の高いシステムに導入され、かつ、周辺の磁界に起因する検出磁界変化を避けるためのシールド構造の必要性を最小化または排除することができるように構成されている。
特表平９−５１１８３２

しかしながら、特許文献１の発明は、特許文献１に示されている磁気センサ２個がヨークの両端に配設された構成のものでも、磁気センサ４個が両側のヨークの両端に配設された構成のものでも、シールド部材の配設が必須の要件となっており、当該シールド部材によって外部ノイズの影響を解消している。

特許文献１に示されている磁気センサは、回転軸が磁性体で構成されたものでは、磁歪環のトルク歪による磁界が、回転軸を磁路とするために磁気センサを通る磁界が低下し、その検出感度を上げることができない。その対策として従来は、回転軸が磁性体の場合には、磁歪環と回転軸の間に非磁性体の環を装着しており、トルクセンサ装置の構成部品点数が多くなり、廉価に製造することができなかった。

そこで、本発明は、これらの問題点を解消すべく、磁歪環からの検出感度を上げることができ、かつ、廉価なトルクセンサ装置の提供を課題とするものである。

請求項１にかかるトルクセンサ装置は、トルクを伝達する回転軸と、互いに隣接し、かつ、互いに反対の回転方向に複数極着磁され、回転方向に加えられるトルクによって磁化変化を発生する前記回転軸に取付けられた磁歪環と、前記磁歪環の周囲に配設され、前記回転軸の軸方向に離れ、互いに異なる軸方向に着磁された２極に対応し、その出力の差動検出を行う複数個の磁気センサとを具備するトルクセンサ装置において、前記磁歪環が配設される前記回転軸には、前記回転軸の前記磁歪環が配設される位置の全周に、前記磁歪環の軸方向の長さよりも短い環状溝を形成するものである。

ここで、上記磁歪環は、磁性体または非磁性体の何れかからなる回転軸に取付けられたもので、取付ける前に拡径され、そして回転軸に対しては溶接等の固着による取付け方法が適用される。取付け方法としては、回転軸に両端を一体に固着され、回転軸の回転歪が同時に磁歪環に伝達され、その磁区の変化を磁界の変化として取り出せればよい。また、上記磁歪環は、互いに反対の回転方向に２極または２極以上に着磁され、互いに逆方向に着磁された２極を使用し、回転方向に加えられるトルクによって、磁区の変化が発生するものであればよい。

上記複数個の磁気センサは、前記磁歪環の周囲に配設され、互いに異なる周方向に着磁された２極の磁界を検出するものであれば、ホール素子、ホールＩＣ、半導体ＭＲ等の使用が可能であり、通常、２個使用されるが、２個に限定されることなく３個以上使用してもよい。

前記環状溝は、断面略長方形に形成したものであるから、旋盤加工等で簡単に形成できる。

前記環状溝は、その中央を両端よりも深く、例えば、断面が両側からまたは両側から所定の距離入り込んで略Ｖ字状、略Ｕ字状、半円状に形成するものであり、中央を深くしただけ、前記磁歪環の２極から発生する磁界の磁気抵抗を増加させることができる。

請求項１にかかるトルクセンサ装置は、回転方向に加えられる前記トルクによって磁化変化を発生する磁歪環が、前記回転軸の回転方向に加えられるトルクによって磁化変化を発生する。前記磁歪環が配設される前記回転軸には、前記回転軸の前記磁歪環が配設される位置に、前記磁歪環の軸方向の長さ未満で、かつ、全周に環状溝を形成することで、前記磁歪環から発生する磁界の磁気抵抗を大きくでき、前記磁歪環から発生される磁界が、前記回転軸側を通らないように磁気抵抗を高くする。また、回転軸の径が細くなっているから、回転軸の回転方向に加えられるトルクが前記磁歪環にも伝わりやすくなり、前記磁歪環からの磁界の発生が容易になる。

したがって、前記磁歪環から発生される磁界の多くは、複数個の磁気センサ側の磁気抵抗の低い方向を主に通るから、環状溝によって磁気抵抗を高くすればするほど、磁気抵抗の低い側の磁界が大きくなり、それだけ複数個の磁気センサの出力を上げることができる。また、回転軸が磁性体の場合でも、磁歪環と回転軸の間に非磁性体の環を装着することなく、環状溝によって磁気抵抗を高くすることができるから、トルクセンサ装置の構成部品点数が少なくなり、廉価に製造することができる。

請求項２にかかるトルクセンサ装置の請求項１の前記環状溝は、断面略長方形に形成したものであるから、請求項１の効果に加えて、旋盤加工等で簡単に形成できる。

前記環状溝は、その中央を両端よりも深く形成したものであり、透磁率の高い箇所を深くするものであるから、磁気抵抗を大きく増加させることができる。

次に、本発明の実施の形態について、図を用いて説明する。
［実施の形態１]

図１は本発明の実施の形態１のトルクセンサ装置の全体構成を示す斜視図、図２は本発明の実施の形態１のトルクセンサ装置の全体構成を示す平面図、図３は本発明の実施の形態１のトルクセンサ装置の全体構成を示す平面図の切断線Ｘ−Ｘによる断面図、図４は本発明の実施の形態１のトルクセンサ装置の２個の磁気センサからの検出回路図である。なお、図３の断面図において、２個の磁気センサは切断していない。

図１乃至図３において、磁性体または非磁性体からなる回転軸１は、本実施の形態では、ステアリングシャフトであるが、本発明を実施する場合には、エンジンシャフト、ドライブシャフト、電動機及び発電機の入力または出力シャフト、工作機械、搬送機械等のトルクを伝達するシャフト等を対象とすることができる。

回転方向に加えられるトルクによって磁化変化を発生する磁歪環２は、回転軸１に固着されるもので、互いに隣接し、かつ、互いに反対の回転方向に均等に２または３または４等のように複数極に着磁されている。この着磁は、少なくとも互いに反対の回転方向に２極着磁されていればよい。また、３以上の奇数または偶数極に着磁した場合でも、その中から、互いに反対の回転方向に２極に着磁された磁化変化が使用される。即ち、磁歪環２は、互いに反対の回転方向に２極または２極以上互いに逆方向に着磁された極の着磁部２Ａ，２Ｂを有するもので、回転方向に加えられるトルクによって、着磁部２Ａ，２Ｂの磁区の変化が発生するものであればよい。

この磁歪環２は、図３に示すように、その軸方向の長さがＬ_１[ｍｍ]であり、回転軸１に対して両端を溶接等によって一体に固着され、回転軸１にはその軸方向の長さがＬ_２[ｍｍ] 、深さＤ[ｍｍ]の断面略長方形の環状溝１Ａが刻設されており、軸方向の長さはＬ_１＞Ｌ_２の関係にある。そして、磁歪環２は回転軸１の環状溝１Ａの両側に対して（Ｌ_１−Ｌ_２）／２だけ重ね合わせた状態で、その両端を溶接等によって一体に固着されている。磁歪環２には、回転軸１に加えられるトルクに応じて回転軸１の周方向の応力が伝達される。回転軸１の環状溝１Ａの軸方向の長さＬ_２[ｍｍ]、中心の深さＤ[ｍｍ]は、磁歪環２から発生される磁界を受ける２個の磁気センサ３Ａ，３Ｂ側の磁気抵抗に対して、できるだけ大きな磁気抵抗になるように設定される。

この回転軸１の図３に示す環状溝１Ａの深さＤ[ｍｍ]は、磁歪環２を回転方向の２極としたとき、透磁率が極めて低い空気中または真空中の距離であるから、その中央を両端よりも深く、例えば、断面が両側からまたは両側から所定の距離入り込んで略Ｖ字状、略Ｕ字状、半円状に形成することにより、中央を深くしただけ磁気抵抗を増加させることができ、回転軸１の環状溝１Ａを通る磁気回路の磁路を顕著に大きな磁気抵抗とすることができる。

２個の磁気センサ３Ａ，３Ｂは、図１乃至図３に示すように、磁歪環２の周囲に配設され、回転軸１の軸方向に離れて配設される。詳しくは、互いに異なる軸方向の磁界を検出する着磁された極の各着磁部２Ａ，２Ｂの間に対応して配設されるものである。これらの２個の磁気センサ３Ａ，３Ｂの出力は後述する差動増幅回路ＯＰに入力される。ここで、２個の磁気センサ３Ａ，３Ｂは同一特性のホール素子、ホールＩＣ、半導体ＭＲ等の磁界によって出力が変化するセンサが使用できる。

そして、例えば、図１及び図２に示す２個の磁気センサ３Ａ，３Ｂ間で、磁歪環２の軸方向の略中央に配設された中央ヨーク４は、透磁率の高い材料からなり、磁気抵抗の低い磁路を形成するものであり環状に形成され、回転軸１との間に微小間隙を形成し、回転軸１と同一軸上になるように、回転軸１の周囲に配置される。即ち、回転軸１の軸方向に垂直な断面からみれば、回転軸１の軸心と中央ヨーク４の軸心は一致または略一致状態となるように、中央ヨーク４は、前記回転軸１付近の部材に取付けられる。

更に、外側ヨーク５，６は、２個の磁気センサ３Ａ，３Ｂの両外側間に配設され、一方の磁気センサ３Ａまたは磁気センサ３Ｂと中央ヨーク４との間に、透磁率の高い材料で磁気抵抗の低い磁路を形成するものであり、環状に形成され、中央ヨーク４と同様に回転軸１の全周に略均一な微小間隙を形成するように他部材に取付けられ、前記回転軸１の中央ヨーク４の両側に配置される。

中央ヨーク４と外側ヨーク５，６との間には、２個の磁気センサ３Ａまたは磁気センサ３Ｂが配設されており、磁気抵抗が低くなるから、中央ヨーク４、磁歪環２の着磁部２Ａと外側ヨーク５、磁気センサ３Ａを磁路とする低磁気抵抗の磁気回路が形成され、また、中央ヨーク４、磁歪環２の着磁部２Ｂと外側ヨーク６、磁気センサ３Ｂを低磁気抵抗の磁気回路とする回路が形成され、２個の磁気センサ３Ａまたは磁気センサ３Ｂは磁界の影響が大きくなり、その感度を上げることができる。

図４において、２個の磁気センサ３Ａと磁気センサ３Ｂとの出力は、差動増幅回路ＯＰに入力し、そこで２個の磁気センサ３Ａと磁気センサ３Ｂの同一方向の磁界成分、即ち、外部ノイズを消去し、入力抵抗とフィードバック抵抗ｆで決まる倍率の出力としている。なお、２個の磁気センサ３Ａと磁気センサ３Ｂとの出力を差動増幅回路ＯＰに入力し、その差分を検出する電気回路は、本実施例に限定されるものではなく、他の公知の回路が使用できる。

本実施の形態１においては、回転方向に加えられるトルクによって磁化変化を発生するトルクを伝達する回転軸１に取付けられた磁歪環２は、回転軸１の回転方向に加えられるトルクによって磁化変化を発生する。磁歪環２が配設される回転軸１には、回転軸１の磁歪環２が配設される位置に、磁歪環２の軸方向の長さＬ_１[ｍｍ]未満の短い長さＬ_２[ｍｍ]の範囲の全周囲に磁気抵抗を大きくする環状溝１Ａを形成し、それによって、磁歪環２から発生される磁界が、回転軸１側を通り難くする。したがって、磁歪環２から発生される磁界の多くは、２個の磁気センサ３Ａ，３Ｂ側の磁気抵抗の低い方を通るから、環状溝１Ａの磁気抵抗を高くすればするほど、磁気抵抗の低い方向の磁界が大きくなり、それだれ２個の磁気センサ３Ａ，３Ｂの出力を上げることができる。

また、磁気抵抗が低い２個の磁気センサ３Ａ，３Ｂが透磁率の高い材料からなる中央ヨーク４と外側ヨーク５，６の間に挟まれているから、磁気回路の抵抗が低い磁気センサ３Ａと磁気センサ３Ｂに同一の外部ノイズを通過させることになり、かつ、互いに異なる軸方向に着磁された磁歪環２の着磁部２Ａと磁歪環２の着磁部２Ｂの２極に対応して、２個の磁気センサ３Ａと磁気センサ３Ｂとの出力を差動検出するものであるから、回転軸１の軸方向の外部ノイズが到来しても、２個の磁気センサ３Ａと磁気センサ３Ｂの出力がそれを互いに打ち消し、回転軸１方向に入った地磁気等の外部ノイズの影響を両磁気センサ３Ａと磁気センサ３Ｂの出力で相殺することができる。また、中央ヨーク４と外側ヨーク５，６によって磁歪環２の磁化変化を、磁気センサ３Ａ，３Ｂにまで誘導できるので、磁歪環２の磁化変化を的確に検出し、その変化量を大きくすることができる。

また、両磁気センサ３Ａ及び磁気センサ３Ｂの感度を上げるには、中央ヨーク４及び外側ヨーク５，６と磁歪環２との間隙を少なくすること、また、両磁気センサ３Ａ及び磁気センサ３Ｂと磁歪環２との間隙を少なくすることによっても対応できる。このことから、本発明を実施する場合には、中央ヨーク４及び外側ヨーク５，６を使用しなくても、磁歪環２と磁気センサ３Ａ及び磁気センサ３Ｂとの間隙を少なくすることによって対応できることは明らかである。
［実施の形態２]

図５は本発明の実施の形態２のトルクセンサ装置における２個の磁気センサとヨークとの正面断面配置構造を示す説明図である。なお、本実施の形態において、上記実施の形態と同一記号または同一符号は、上記実施の形態と同一または相当する構成部分を示すものであるから、ここでは重複する説明を省略する。

磁気センサ３Ａ，３Ｂと磁歪環２の間隔ｄ[ｍｍ]は、環状溝１Ａの深さＤ[ｍｍ]よりも小さく設定されるのが一般的である。即ち、Ｄ＞２ｄであり、通常、Ｄ＞３ｄであるから、中央ヨーク４と外側ヨーク５，６等の磁歪環２からの磁界を導くヨークを省略することができる。

具体的には、図５に示すように、２個の磁気センサ３Ａと磁気センサ３Ｂ間に配設された連結ヨーク７は、透磁率の高い材料で一体に形成され、その両端が２個の磁気センサ３Ａと磁気センサ３Ｂの回転軸１の軸方向の両内側に対向配置され、必要に応じて接合されている。この実施の形態では、２個の磁気センサ３Ａ，３Ｂを通過する外部ノイズは、連結ヨーク７を通過する確率が高くなり、略同一にならざるを得ないので、相殺効果が顕著となり、２個の磁気センサ３Ａ，３Ｂの出力のＳ／Ｎ比を高くできる。即ち、２個の磁気センサ３Ａ，３Ｂは外部ノイズを通過し易い磁気抵抗の低い磁気回路とする構造を有するものである。このためにも、連結ヨーク７の端部には、２個の磁気センサ３Ａと磁気センサ３Ｂを張り合わせて配設するのが望ましい。また、２個の磁気センサ３Ａ，３Ｂが検出する磁歪環２の磁界は、磁歪環２と磁気センサ３Ａ，３Ｂとの間隔ｄ[ｍｍ]が、環状溝１Ａの深さＤ[ｍｍ]に比較してＤ＞２ｄ、好ましくは、Ｄ＞３ｄに設定されているから、比較的感度よく検出することができる。
［実施の形態３，４]

図６（ａ）は本発明の実施の形態３のトルクセンサ装置における２個の磁気センサと中央ヨークと外側ヨークとの平面配置構造を示す説明図及び図６（ｂ）は側面配置構造を示す説明図である。また、図７（ａ）は本発明の実施の形態４のトルクセンサ装置における２個の磁気センサと中央ヨークと外側ヨークとの平面配置構造を示す説明図及び図７（ｂ）は側面配置構造を示す説明図である。なお、本実施の形態において、上記実施の形態と同一記号または同一符号は、上記実施の形態と同一または相当する構成部分を示すものであるから、ここでは重複する説明を省略する。

図１乃至図３の実施の形態１においては、中央ヨーク４と外側ヨーク５，６は、回転軸１に微小間隙を形成して取付けられ、前記回転軸１の周囲に配置されるものであるから、組み付け作業性がよくない。その点を改良したのが、この実施の形態３及び実施の形態４である。

図６において、図１乃至図３の実施の形態１の中央ヨーク４と外側ヨーク５，６は、本実施の形態においては、半円環状となっており、半円環状中央ヨーク４Ａ，４Ｂと半円環状外側ヨーク５Ａ，５Ｂと半円環状外側ヨーク６Ａ，６Ｂから構成されている。即ち、本実施の形態においては、実施の形態１のように、回転軸１の全周に略均一な微小間隙を形成するように他部材に取付けられるものではなく、回転軸１が組み付けられた状態で、半円環状中央ヨーク４Ａ，４Ｂ、半円環状外側ヨーク５Ａ，５Ｂ、半円環状外側ヨーク６Ａ，６Ｂを環状に後付することができる。したがって、本実施の形態は、組み付け作業性をよくすることができる。

具体的には、２個の磁気センサ３Ａ及び磁気センサ３Ｂ、半円環状中央ヨーク４Ａと半円環状外側ヨーク５Ａと半円環状外側ヨーク６Ａが樹脂等で一体にモールドされ、また、半円環状中央ヨーク４Ｂと半円環状外側ヨーク５Ｂと半円環状外側ヨーク６Ｂが樹脂等で一体にモールドされ、それらを各々回転軸１の周りに固着することによって、回転軸１に組み付けられる。なお、これらのモールドは、更に信頼性を高めるために、シールド部材で覆うこともある。

また、図７の実施の形態４においては、実施の形態３の半円環状中央ヨーク４Ａ，４Ｂと半円環状外側ヨーク５Ａ，５Ｂと半円環状外側ヨーク６Ａ，６Ｂから、一方の半円環状中央ヨークと半円環状外側ヨークをなくしたものである。即ち、本実施の形態においても、実施の形態１のように、回転軸１の全周に略均一な微小間隙を形成するように他部材に取付けられるものではなく、回転軸１が組み付けられた状態で、半円環状中央ヨーク４０、半円環状外側ヨーク５０、半円環状外側ヨーク６０を後付することができる。具体的には、２個の磁気センサ３Ａ及び磁気センサ３Ｂ、半円環状中央ヨーク４０と半円環状外側ヨーク５０と半円環状外側ヨーク６０が樹脂等で一体にモールドされ、それらを回転軸１の周りに固着することによって、回転軸１の周囲に配置される。勿論、これらのモールドは、更に信頼性を高めるために、シールド部材で覆うこともある。したがって、本実施の形態は、組み付け作業性をよくすることができる。

ここで、環状にした実施の形態１の中央ヨーク４、外側ヨーク５、外側ヨーク６と、図７の実施の形態４の半円環状中央ヨーク４０と半円環状外側ヨーク５０と半円環状外側ヨーク６０を比較すると、半円環状中央ヨーク４０、半円環状外側ヨーク５０、半円環状外側ヨーク６０は、磁歪環２の全周の１／２の磁化変化を得ることになり、磁気センサ３Ａ，３Ｂの磁界の変化を１／２にすることとなる。したがって、磁気センサ３Ａ，３Ｂの磁界に対する出力変化も少なくなるが、外部ノイズに対する効果は変化することがない。また、磁歪環２の１／２周の磁界の変化を平均化して検出するので、磁歪環２の回転位置による変化が少なくなる。
［実施の形態５]

図８（ａ）は本発明の実施の形態５のトルクセンサ装置における磁歪環の取付け方法及び構造を示す説明図及び図８（ｂ）は他の磁歪環の実施例の製造途中の断面構造を示し、図８（ｃ）は他の磁歪環の取付け方法及び構造の実施例を示す説明図である。なお、本実施の形態において、上記実施の形態と同一記号または同一符号は、上記実施の形態と同一または相当する構成部分を示すものであるから、ここでは重複する説明を省略する。

図８において、磁歪環２は軸方向の長さＬ_１[ｍｍ]であり、その両端部２ｂ，２ｃを除いた距離Ｌ_３だけ中央部分２ａを拡径して、残留歪が残っている。そして、中央部分２ａのみが、互いに隣接し、かつ、互いに反対の回転方向に均等に２極に着磁されている。即ち、磁歪環２の中央部分２ａのみに、互いに反対の回転方向に２極に着磁された極の着磁部２Ａ，２Ｂを有するもので、回転方向に加えられるトルクによって、着磁部２ａの磁区の変化が発生する。しかし、磁歪環２の両端部２ｂ，２ｃには、拡径処理がなされていないので、回転方向に加えられるトルクによって、着磁部２ａの磁区の変化が発生しない。したがって、回転軸１側を磁路とする磁気回路の抵抗を高くし、磁気センサ３Ａ，３Ｂから効率のよい検出が可能となる。

同様に、図８（ｂ）及び（ｃ）の磁歪環２の取付け方法及び構造の実施例のように対応することもできる。

図８（ｂ）の磁歪環２は、軸方向の長さＬ_１[ｍｍ]であり、その両端部２ｂ，２ｃを除いた距離Ｌ_３だけ、断面状態で内側方向に凸状とした小径に形成されたものである。製造過程で小径に形成された中央部分２ａは、回転軸１に挿入する前に、中央部分２ａのみを拡径し、そして、中央部分２ａのみに、互いに隣接し、かつ、互いに反対の回転方向に均等に２極に着磁させている。即ち、磁歪環２の中央部分２ａのみに、互いに反対の回転方向に２極に着磁された極の着磁部２Ａ，２Ｂを有するもので、回転方向に加えられるトルクによって、着磁部２ａの磁区の変化が発生する。しかし、磁歪環２の両端部２ｂ，２ｃには、拡径処理がなされていないので、回転方向に加えられるトルクによって、着磁部２ａの磁区の変化が発生しない。したがって、回転軸１側を磁路とする磁気回路の抵抗を高くし、磁気センサ３Ａ，３Ｂから効率のよい検出が可能となる。
［実施の形態６]
図９（ａ）は本発明の実施の形態６のトルクセンサ装置における磁歪環及びヨークの構成を示す正面説明図並びに図９（ｂ）はその右側面図を示す説明図である。なお、本実施の形態において、上記実施の形態と同一記号または同一符号は、上記実施の形態と同一または相当する構成部分を示すものであるから、ここでは重複する説明を省略する。

図９において、磁性体または非磁性体からなる回転軸１は、トルクを伝達するシャフトからなる。回転方向に加えられるトルクによって磁化変化を発生する磁歪環２は、回転軸１に固着されるもので、互いに隣接し、かつ、互いに反対の回転方向に均等に２極に着磁されている。即ち、磁歪環２は、互いに反対の回転方向に２極着磁された極の着磁部２Ａ，２Ｂを有するもので、回転方向に加えられるトルクによって、着磁部２Ａ，２Ｂの磁区の変化が発生する。

この磁歪環２は、回転軸１に対して両端を溶接等によって一体に固着され、回転軸１には、図示しないが、上記実施の形態と同様、その軸方向の長さがＬ_２[ｍｍ] 、深さＤ[ｍｍ]の断面略長方形の環状溝１Ａが刻設されている。回転軸１の環状溝１Ａは、特に、回転軸１の深さＤ[ｍｍ]が２個の磁気センサ３Ａ，３Ｂ側の磁気抵抗に対して、できるだけ大きな磁気抵抗になるように設定されている。

図９は、図７の実施の形態４と同様、実施の形態１のように、回転軸１の全周に略均一な微小間隙を形成するように他部材に取付けられるものではなく、回転軸１が組み付けられた状態で、合成樹脂等でモールドされた２個の磁気センサ３Ａ，３Ｂ、半円環状中央ヨーク４０、半円環状外側ヨーク５０、半円環状外側ヨーク６０を一体とし、後付することができ、組み付け作業性をよくするものである。

本実施の形態６の半円環状外側ヨーク５０と半円環状外側ヨーク６０の外側には、磁気センサ３Ａと磁気センサ３Ｂの一方の面が接合により配設されている。また、磁気センサ３Ａと磁気センサ３Ｂの他方の両側の面には、連結ヨーク７が接続され、その連結ヨーク７の中央は半円環状中央ヨーク４０と接続されている。

したがって、半円環状中央ヨーク４０、半円環状外側ヨーク５０、半円環状外側ヨーク６０は、磁歪環２の１／２の磁化変化を得ることになり、磁気センサ３Ａ，３Ｂの磁界の変化を１／２にすることとなる。故に、この種の実施の形態によれば、回転軸１の全周において略均一な磁界が得られ、出力を大きくすると共に、高いＳ／Ｎ比が得られる。また、磁気センサ３Ａ，３Ｂの磁界に対する出力変化も少なくなるが、外部ノイズに対する効果は変化することがない。

また、磁気センサ３Ａ，３Ｂの磁界に対する出力変化も少なくなるが、外部ノイズに対する効果は変化することがない。殊に、回転軸１の軸方向の外部ノイズは、半円環状外側ヨーク５０、半円環状外側ヨーク６０に入らず、直接、連結ヨーク７に入ったものは、磁気センサ３Ａ，３Ｂに影響を与えることなく、通過することができる。

以上のように、上記実施例のトルクセンサ装置は、トルクを伝達する回転軸１と、互いに隣接し、かつ、互いに反対の回転方向に複数極、例えば、２極に着磁され、回転方向に加えられるトルクによって磁化変化を発生する回転軸１に取付けられた磁歪環２と、磁歪環２の周囲に配設され、回転軸１の軸方向に離れ、互いに異なる軸方向に着磁された２極に対応し、その出力を差動増幅回路ＯＰ等によって差動検出を行う２個の磁気センサ３Ａ，３Ｂとを具備するトルクセンサ装置において、磁歪環２が配設される回転軸１には、回転軸１の磁歪環２が配設される位置に、磁歪環２の軸方向の長さＬ_１[ｍｍ]未満の範囲の全周に磁気抵抗を大きくする環状溝１Ａを形成してなるものである。

回転方向に加えられるトルクによって磁化変化を発生するトルクを伝達する回転軸１に取付けられた磁歪環２は、回転軸１の回転方向に加えられるトルクによって磁化変化を発生する。磁歪環２が配設される回転軸１には、回転軸１の磁歪環２が配設される位置に、磁歪環２の軸方向の長さＬ_１[ｍｍ]未満の範囲の全周に磁気抵抗を大きくする環状溝１Ａを形成し、磁歪環２から発生される磁界が、回転軸１側を通り難いように磁気抵抗を高くする。また、回転軸１の径が細くなっているから、回転軸１の回転方向に加えられるトルクが磁歪環２に伝わりやすくなり、磁歪環２からの磁界の発生が容易になる。

したがって、磁歪環２から発生される磁界の多くは、２個の磁気センサ３Ａ，３Ｂ側の磁気抵抗の低い方向を通るから、磁気抵抗を高くすればするほど、磁気抵抗の低い方向の磁界が大きくなり、それだけ２個の磁気センサ３Ａ，３Ｂの出力を上げることができる。

また、より好ましい実施の形態では、互いに隣接し、かつ、互いに反対の回転方向に複数極、事例では２極に着磁され、回転方向に加えられるトルクによって磁化変化を発生する回転軸１に取付けられた磁歪環２と、磁歪環２の周囲に配設され、回転軸２の軸方向に離れ、互いに異なる軸方向の磁界を検出する着磁された２極に対応し、その出力を差動増幅回路ＯＰ等によって差動検出を行う２個の磁気センサ３Ａ，３Ｂと、２個の磁気センサ３Ａ，３Ｂ間で、かつ、磁歪環２の軸方向の略中央に配設された透磁率の高い材料からなるヨーク、即ち、中央ヨーク４と、２個の磁気センサ３Ａ，３Ｂの両外側間に配設され、一方の前記磁気センサ３Ａ，３Ｂ及び前記中央ヨーク４との間に磁路を形成する一対の透磁率の高い材料からなるヨーク、即ち、外側ヨーク５，６を具備するものであり、かつ、磁歪環２が配設される回転軸１には、回転軸１の磁歪環２が配設される位置に、磁歪環２の軸方向の長さＬ_１[ｍｍ]未満の範囲の全周に磁気抵抗を大きくする環状溝１Ａを形成してなるものである。

したがって、２個の磁気センサ３Ａ，３Ｂ間の透磁率の高い材料からなるヨーク、即ち、中央ヨーク４は、２個の磁気センサ３Ａ，３Ｂに同一の外部ノイズを通過させ、かつ、互いに異なる軸方向に着磁された２極に対応して、２個の磁気センサ３Ａ，３Ｂの出力で差動検出を行うものであるから、回転軸１の軸方向の外部ノイズが到来しても、２個の磁気センサ３Ａ，３Ｂがそれを相殺できるから、回転軸１とシールド部材との隙間から入った地磁気等の外部ノイズの影響をなくすことができ、Ｓ／Ｎ比を高くすることができる。また、中央ヨーク４と外側ヨーク５，６によって磁歪環２の磁化変化を磁気センサ３Ａ，３Ｂにまで誘導できるので、磁歪環２の磁化変化を的確に検出し、その変化量を大きくすることができる。

勿論、磁歪環２が配設される回転軸１には、回転軸１の磁歪環２が配設される位置に、磁歪環２の軸方向の長さＬ_１[ｍｍ]未満の範囲の全周に磁気抵抗を大きくする環状溝１Ａを形成し、磁歪環２から発生される磁界が、回転軸１側を通り難いように磁気抵抗を高くする。また、回転軸１の径が細くなっているから、回転軸１の回転方向に加えられるトルクが磁歪環２に伝わりやすくなり、磁歪環２からの磁界の発生が容易になる。また、磁歪環２から発生される磁界の多くは、２個の磁気センサ３Ａ，３Ｂ側の磁気抵抗の低い方向を通るから、磁気抵抗を高くすればするほど、磁気抵抗の低い方向の磁界が大きくなり、それだけ２個の磁気センサ３Ａ，３Ｂの出力を上げることができる。

上記実施例のトルクセンサ装置の環状溝１Ａは、断面略長方形に形成したものであるから、旋盤加工等で簡単に形成できる。

また、上記実施例のトルクセンサ装置の環状溝１Ａは、その中央を両端よりも深く、例えば、断面が両側からまたは両側から所定の距離入り込んで略Ｖ字状、略Ｕ字状、半円状に形成することにより、中央を深くすることは、透磁率の高い箇所を深くするものであるから、磁歪環２から発生する磁界の磁気抵抗を増加させることができる。

上記実施例のトルクセンサ装置のヨーク、即ち、中央ヨーク４及び外側ヨーク５，６は、回転軸１の全周に略均一な微小間隙を形成するように、前記回転軸１の周囲に配置される円環状に形成したものであるから、磁歪環２の磁化変化を平均化し、かつ、正確に検出することができ、磁気センサ３Ａ，３Ｂの出力変化を大きくすることができる。組付け性を上げるには、半割り形状（半円環状）のものを一対にして使用することもできる。この場合には、前記ヨーク、即ち、中央ヨーク４Ａ，４Ｂ，４０及び外側ヨーク５Ａ，５Ｂ，６Ａ，６Ｂ，５０，６０の厚みは、厚いほど磁気抵抗を低くすることができる。しかし、磁歪環２の着磁幅により、自ずとその厚みが制限される。

ヨーク、即ち、中央ヨーク４及び外側ヨーク５，６は、回転軸１の周囲に取付け作業性を良くするために、半円環状中央ヨーク４Ａ，４Ｂ，４０、半円環状外側ヨーク５Ａ，５Ｂ，６Ａ，６Ｂ，５０、半円環状外側ヨーク６Ａ，６Ｂ，６０に形成することもできる。しかし、半円環状とは、正確に１８０度を意味するものではなく、１８０℃以下の弧状であればよい。この場合には、回転軸１に挿入する必要性がなくなり、隣接配置すればよいことから、組付け性がよくなる。

上記実施例のトルクセンサ装置の２個の磁気センサ３Ａ，３Ｂ間に配設されたヨーク、即ち、中央ヨーク４，４Ａ，４Ｂ，４０は、２個の磁気センサ３Ａ，３Ｂの外側のそれぞれのヨーク、即ち、外側ヨーク５，５Ａ，５Ｂ，５０，６，６Ａ，６Ｂ，６０と共に、磁気センサ３Ａ，３Ｂの軸方向の両側に対向して配設され、磁路を低抵抗となるように透磁率の高い材料で形成し、外部ノイズが２個の磁気センサ３Ａ，３Ｂを通過し易い磁気抵抗とする構造を有するものであるから、外部ノイズが２個の磁気センサ３Ａ，３Ｂを通過し易い磁気抵抗のヨークとする構造であればよい。

上記図１乃至３図の実施の形態１並びに図６の実施の形態３及び図７の実施の形態４のトルクセンサ装置は、ヨーク、即ち、中央ヨーク４，４Ａ，４Ｂ，４０及び外側ヨーク５，５Ａ，５Ｂ，５０，６，６Ａ，６Ｂ，６０は、磁気センサ３Ａ，３Ｂに対向する側を突出する構造として、中央ヨーク４，４Ａ，４Ｂ，４０または外側ヨーク５，６，５Ａ，５Ｂ，６Ａ，６Ｂ，５０，６０と磁気センサ３Ａ，３Ｂとの間の磁気抵抗を低く形成し、磁気センサ３Ａ，３Ｂに磁束の変化を漏れなく与えようとするもので、磁気センサ３Ａ，３Ｂの磁界の検出部分に磁束が集中するようなヨークの構造であれば、その突出形状を問うことなく、良好な特性が得られる。

図１は本発明の実施の形態１のトルクセンサ装置の全体構成を示す斜視図である。 図２は本発明の実施の形態１のトルクセンサ装置の全体構成を示す平面図である。 図３は本発明の実施の形態１のトルクセンサ装置の全体構成を示す平面図の切断線Ｘ−Ｘによる断面図である。 図４は本発明の実施の形態１のトルクセンサ装置の２個の磁気センサからの検出回路図である。 図５は本発明の実施の形態２のトルクセンサ装置における２個の磁気センサとヨークとの正面断面配置構造を示す説明図である。 図６（ａ）は本発明の実施の形態３のトルクセンサ装置における２個の磁気センサと中央ヨークと外側ヨークとの平面配置構造を示す説明図及び図６（ｂ）は側面配置構造を示す説明図である。 図７（ａ）は本発明の実施の形態４のトルクセンサ装置における２個の磁気センサと中央ヨークと外側ヨークとの平面配置構造を示す説明図及び図７（ｂ）は側面配置構造を示す説明図である。 図８（ａ）は本発明の実施の形態５のトルクセンサ装置における磁歪環の取付け方法及び構造を示す説明図及び図８（ｂ）は他の磁歪環の実施例の製造途中の断面構造を示し、図８（ｃ）は他の磁歪環の取付け方法及び構造の実施例を示す説明図である。 図９（ａ）は本発明の実施の形態６のトルクセンサ装置における磁歪環及びヨークの構成を示す正面説明図並びに図９（ｂ）はその右側面図を示す説明図である。

符号の説明

１ 回転軸
１Ａ 環状溝
２ 磁歪環
２Ａ，２Ｂ 着磁部
３（３Ａ，３Ｂ） 磁気センサ
４，４Ａ，４Ｂ 中央ヨーク
５，６，５Ａ，５Ｂ，６Ａ，６Ｂ 外側ヨーク
ＯＰ 差動増幅回路
４０ 半円環状中央ヨーク
５０，６０ 半円環状外側ヨーク
７ 連結ヨーク

Claims (3)

1. トルクを伝達する回転軸と、互いに隣接し、かつ、互いに反対の回転方向に複数極着磁され、回転方向に加えられるトルクによって磁化変化を発生する前記回転軸に取付けられた磁歪環と、前記磁歪環の周囲に配設され、前記回転軸の軸方向に離れ、互いに異なる軸方向に着磁された２極に対応し、その出力の差動検出を行う複数個の磁気センサとを具備するトルクセンサ装置において、
   前記回転軸には、前記磁歪環が配設される位置の全周に、前記磁歪環の軸方向の長さより短い環状溝を形成してなることを特徴とするトルクセンサ装置。
2. 前記環状溝は、断面略長方形に形成したことを特徴とする請求項１に記載のトルクセンサ装置。
3. 前記環状溝は、その中央を両端側よりも深く形成してなることを特徴とする請求項１に記載のトルクセンサ装置。

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