JP2006162419A - 測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】被測定物の変量に応じた磁場を発生する手段と、磁場の強さを検出する磁気センサと、を備える測定装置において、強磁場の中においても、被測定物の変量に伴う磁場の微小な変化を感度よく検出できるようにする。
【解決手段】被測定物の変量に応じた磁場の中でこれと逆向きのバイアス磁界を発生する手段２１と、これら磁界中の磁束密度を検出する磁気センサ２２と、を備える。
【選択図】図１

Description

この発明は、被測定物の変量をこれに対応する磁場の変化から検出する測定装置に関する。

この種の測定装置として、例えば、車両のステアリング系において、ハンドルの回転（操舵角）を車輪の回転（操向角）に変換する伝達機構（ステアリングリンケージ）の一部を構成するシャフト（回転軸）の捩りトルクを検出するものがある（特許文献１）。

特許文献１の場合、図３において、シャフト１の捩りに伴って相対回転位置が変化する１対の磁性リング２ａ，２ｂと、１対の磁性リング２ａ，２ｂと共に磁気回路１０を構成する手段と、磁気回路１０の磁束密度を検出する磁気センサ４（例えば、ホール素子）と、１対の磁性リング２ａ，２ｂの相対回転位置が変化するのに伴って磁気回路１０の磁場を変化させる手段と、から構成される。

磁気回路１０を構成する手段としては、１対の磁性リング２ａ，２ｂの各端面３ａ，３ｂに軸方向から対峙するＬ字形の磁石５ａ，５ｂが備えられる。磁気回路１０の磁場を変化させる手段としては、１対の磁性リング２ａ，２ｂの互いに対向する端面８ａ，８ｂのぞれぞれに凹凸部６ａ，７ａ、６ｂ，７ｂがリングの周方向へ等間隔かつ交互に設けられる。

シャフト１が捩れると、１対の磁性リング２ａ，２ｂの間に相対回転が生じるため、互いの凸部６ａ，６ｂ（および凹部７ａ，７ｂ）間の対向する面積の変化に伴って磁気回路１０の磁場が変化する。シャフト１の捩りが０の中立状態のときは、１対の磁性リング２ａ，２ｂ間において、互いの凸部６ａ，６ｂ（および凹部７ａ，７ｂ）の周方向の中心が一致するため、磁気回路１０の磁場が最大となり、１対の磁性リング２ａ，２ｂの相対回転に伴って磁気回路１０の磁場が弱まるようになっている。この変化は、磁気センサ４により、Ｌ字形の磁石５ａ，５ｂの互いに対峙する磁極９ａ，９ｂ間の磁束密度から検出され、シャフト１の捩りトルクが求められるのである。
特開２００２−３１０８１９

このような従来の測定装置においては、図３のように磁気センサ４が強磁場の中に配置され、シャフト１の捩り（被測定物の変量）に伴う磁場の微小な変化を検出するようになるため、磁気センサ４の０点を通る特性において、検出レンジが高くなり、磁気センサ４の出力感度（出力／入力）が低く抑えられる。つまり、入力の一定の変化に対して出力の変化量が小さくなる。磁気センサ４を出力感度の高いものに代えると、磁気センサ４の検出レンジが下がり、磁場のレベルの方が磁気センサ４の検出レンジを超えてしまうのである。また、磁気センサ４の出力変化が小さい（入力の一定の変化に対して出力の変化量が小さい）場合、外部や内部のノイズに影響されやすく、極端な場合、磁気センサ４の出力変化がノイズに埋没しかねない。したがって、ダイナミックレンジの中においては、被測定物の微小な変量を感度よく検出しがたいという課題が考えられる。

この発明は、このような課題を改善するための有効な手段の提供を目的とする。

この発明は、測定装置において、被測定物の変量に応じた磁場を発生する手段と、この磁場の中でこれと逆向きのバイアス磁界を発生する手段と、これら磁界中の磁束密度を検出する磁気センサと、を備えることを特徴とする。

この発明においては、バイアス磁界により、磁場の強さが打ち消される。つまり、磁場は、見掛け上、弱くなるが、磁場の変化量（バイアス磁界の磁束密度の変化量）は、変わらないため、強磁場の中においても、磁気センサにより、磁場の変化量（被測定物の変量）を感度よく検出することが可能となる。磁気センサの０点を通る特性において、検出レンジが下げられるので、磁気センサの出力感度を高めることにより、磁気センサの出力変化（入力の一定の変化に対して出力の変化量）が大きくなるため、外部や内部のノイズに拘わらず、被測定物の変量を感度よく高精度に検出しえるようになる。

また、バイアス磁界を発生させる手段の温度変化に対する特性と、被測定物の変量に応じた磁場を発生させる手段の温度変化に対する特性と、を一致させることにより、温度の影響が除去され、被測定物の変量を正確に検出することができる。

図１に基づいて、この発明の実施形態を説明する。図１において、２０ａ，２０ｂは磁気回路の一部を形成する部材であり、互いの端面が所定の間隙を介して対峙され、これらの間に被測定物の変量に応じた強さの磁界を発生させる手段が備えられる。

２１はバイアス磁界を発生させる手段であり、部材２０ａ，２０ｂ間において、互いに対峙する１対の部材２１ａ，２１ｂと、これらを部材２０ａ，２０ｂ間の磁極と逆向きの磁極に磁化する磁石２１ｃ（永久磁石または電磁石）と、から構成され、部材２０ａ，２０ｂ間の磁束密度を所定の基準値に相殺するバイアス磁界を定常的に発生する。２２は磁気センサ（例えば、ホール素子）であり、１対の部材２１ａ，２１ｂ間に介装される。

このような構成により、部材２０ａ，２０ｂ間の磁束密度（磁気回路の磁場の強さ）はバイアス磁界の磁束密度により打ち消される。磁気回路の磁場は、見掛け上、弱くなるが、被測定物の変量に対応する磁束密度の変化量は、バイアス磁界の影響を受けず、変わらないため、強磁場の中においても、磁気センサ２２により、磁場の変化（被測定物の変量）を感度よく検出することができる。磁気センサ２２の０点を通る特性において、検出レンジが下げられるので、高い出力感度の磁気センサ２２を用いることにより、磁気センサ２２の出力変化（入力の一定の変化に対して出力の変化量）が大きくなるため、外部や内部のノイズに拘わらず、被測定物の変量を感度よく高精度に検出しえるようになる。

バイアス磁界を発生させる手段２１の磁石２１ｃの温度変化に対する特性と、被測定物の変量に応じた磁場を発生させる手段の温度変化に対する特性と、を一致させることにより、温度の影響が除去され、被測定物の変量を正確に検出することができる。

図２のトルクセンサへの適用について説明すると、部材２０ａ，２０ｂは、Ｌ字形の磁石５ａ，５ｂとなり、これらの互いに対峙する磁極９ａ，９ｂ間にこれと逆向きのバイアス磁界を発生する手段２１が、磁束密度を検出する磁気センサ２２と共に介装される。

バイアス磁界を発生させる手段２１は、磁極９ａ，９ｂ間において、互いに対峙する１対の部材２１ａ，２１ｂと、磁極９ａ，９ｂ間の極性と逆向きの極性に磁化する磁石２１ｃと、からなり、磁極９ａ，９ｂ間の磁束密度を所定の基準値に相殺するバイアス磁界を定常的に発生するのである。

磁極９ａ，９ｂ間において、被測定物の変量に応じた強さの磁界を発生させる手段は、１対の磁性リング２ａ，２ｂと共に磁気回路１０を構成するＬ字形の磁石５ａ，５ｂと、１対の磁性リング２ａ，２ｂの互いに対向する端面８ａ，８ｂのぞれぞれに形成される凹凸部６ａ，７ａ、６ｂ，７ｂと、から構成されることになる。

シャフト１が捩れると、１対の磁性リング２ａ，２ｂの間に相対回転が生じるため、互いの凸部６ａ，６ｂ（および凹部７ａ，７ｂ）間の対向する面積の変化に伴って磁気回路１０の磁場が変化する。シャフト１の捩りが０の中立状態のときは、１対の磁性リング２ａ，２ｂ間において、互いの凸部６ａ，６ｂ（および凹部７ａ，７ｂ）の中心が一致するため、磁気回路の磁場が最大となり、１対の磁性リング２ａ，２ｂの相対回転に伴って磁気回路１０の磁場が弱まるようになっている。

このトルクセンサにおいても、磁極９ａ，９ｂ間の磁束密度（磁気回路１０の磁場の強さ）は、バイアス磁界の磁束密度により打ち消される。シャフト１の捩りが０の中立状態のときに最大となる磁場の強さ（磁束密度）は所定の基準値に弱められるのである。つまり、磁気回路１０の磁場は、見掛け上、弱くなるが、シャフト１の捩りに伴う磁束密度の変化量は、バイアス磁界の影響を受けず、変わらないため、高い出力感度の磁気センサ２２を用いることにより、シャフト１の捩りトルクを感度よく高精度に検出することができる。

バイアス磁界を発生させる手段２１の磁石２１ｃの温度変化に対する特性と、シャフト１の捩りに応じた強さの磁界を発生させる手段の磁石５ａ，５ｂの温度変化に対する特性と、を一致させることにより、温度の影響が除去され、被測定物の変量を正確に検出できるのである。

この発明は、図２のトルクセンサに限らず、被測定物の変量に応じた強さの磁場を発生する手段、磁場の強さを検出する磁気センサ、を備える各種の測定装置について、広く適用可能である。

この発明の実施形態を説明する要部の構成図である。 従来技術を説明するトルクセンサの構成図である。 同じく一部の拡大図である。

符号の説明

２０ａ，２０ｂ 磁気回路の構成部材
２１ バイアス磁界の発生手段
２１ｃ 磁石
２２ 磁気センサ

Claims (5)

1. 被測定物の変量に応じた磁場を発生する手段と、この磁場の中でこれと逆向きのバイアス磁界を発生する手段と、これら磁界中の磁束密度を検出する磁気センサと、を備えることを特徴とする測定装置。
2. 被測定物の変量に応じた磁場を発生する手段は、被測定物の変量が０の中立状態のときに磁場が最大となり、被測定物の変量が発生するとこれに応じて磁場を弱める特性に設定したことを特徴とする請求項１に記載の測定装置。
3. 被測定物の変量に応じた磁場の中でこれと逆向きのバイアス磁界を発生する手段は、被測定物の変量が０の中立状態のときに最大となる磁場の強さを所定の基準値に相殺する強さのバイアス磁界を定常的に発生するように設定したことを特徴とする請求項２に記載の測定装置。
4. 被測定物の変量に応じた磁場の中でこれと逆向きのバイアス磁界を発生する手段と、被測定物の変量に応じた磁場を発生する手段と、について、バイアス磁界の温度変化の特性と、被測定物の変量に応じた磁場の温度変化の特性と、を一致させるように設定したことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の測定装置。
5. 磁気センサは、バイアス磁界の強さに応じて出力感度の高いものを用いたことを特徴とする請求項２に記載の測定装置。

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