JP2007086017A - 磁歪式トルクセンサ - Google Patents

Abstract

【課題】 温度ドリフトを低減することができる磁歪式トルクセンサを提供する。
【解決手段】 回転軸２に加わるトルクを検出するための検出コイルは、ブリッジ回路３００を形成するためのコイル集合体であって、中心軸線Ｏに対して＋４５°傾斜する１対のコイル３ａ，４ａと、中心軸線に対して−４５°傾斜する１対のコイル３ｂ，４ｂとを有し、半円筒フェライト磁心１００の磁心側にはコイル３ａが、また回転軸側にはコイル４ｂがそれぞれ配置され、半円筒フェライト磁心２００の他方側半周領域の磁心側にはコイル３ｂが、また回転軸側にはコイル４ａがそれぞれ配置されている。
【選択図】 図２

Description

本発明は、磁歪特性を有する回転軸に加わるトルクを検出コイルのインダクタンス変化に基づいて検出する磁歪式トルクセンサに関する。

自動車のパワーステアリング機構，エンジン制御機構及び動力伝達機構などでは、受動軸であるハンドル軸などに加わるトルクを検出する必要性が高い。

一般に、磁歪特性を有するニッケル（Ｎｉ），鉄（Ｆｅ）−アルミニウム（Ａｌ）合金，Ｆｅ−コバルト（Ｃｏ）合金等の材料は、外力の印加によってその比透磁率が変化する（圧縮力方向では比透磁率が減少し、張力方向では比透磁率が増加する）。

このような原理を利用した磁歪式トルクセンサが従来から提案されている（例えば特許文献１参照）。この磁歪式トルクセンサにつき、図４を用いて説明すると、図４において、磁歪式トルクセンサ１１０は、磁歪特性を有する回転軸１１１と、この回転軸１１１の中心軸線Ｏに対して＋４５°傾いたコイル１１２ａ，１１３ａと同じく中心軸線Ｏに対して−４５°傾いたコイル１１２ｂ，１１３ｂが内周面に巻回された１対の半円筒磁心１１４，１１５と、これら半円筒磁心１１４，１１５内のコイルに交流電圧を印加する交流信号発生回路（図示せず）とから構成されている。

このように構成された磁歪式トルクセンサにおいては、図５に示すように、軸方向Ｘから見て、図面で左側を反時計方向に、右側を時計方向に働くようにトルクＴ（以下、このトルクＴの方向を正方向とする。）が印加されるとする。このとき、軸の左側から見て、回転軸１１１の＋４５°方向には圧縮力が、−４５°方向には張力が加わり、また軸の右側から見て、同様に回転軸１１１の＋４５°方向には圧縮力が、−４５°方向には張力が加わることになる。この主応力σはトルクＴに比例し、回転軸１１１の直径をＤとすると、（１）式で与えられる。
σ＝１６Ｔ／πＤ³ （１）

このとき、回転軸１１１が磁歪効果を有していれば、主応力σにより、（２）式で与えられる軸磁気異方性Ｋｕが誘起される。
Ｋｕ＝２×（３／２）×λｓσ＝４８λｓＴ／πＤ³ （２）
λｓ：軸の飽和磁歪定数

この軸磁気異方性Ｋｕによって、＋σ方向は磁化容易方向、−σ方向は磁化困難方向となり、青磁エネルギーの関係から磁化容易方向（＋σ方向）の比透磁率は増加し、逆に磁化困難方向（−σ方向）の比透磁率は減少する。従って、磁化容易方向（張力方向）に傾くコイル１１２ｂ，１１３ｂに電流を流すと、張力方向の比透磁率が高くなるため、張力方向では磁束を減少させる方向に感応電流が流れる。そして、この感応電流によって感応電圧が誘起されるため、コイル１１２ｂ，１１３ｂのインダクタンスは大きくなる。一方、磁化困難方向（圧縮方向）に傾くコイル１１２ａ，１１３ａに電流を流すと、圧縮方向の比透磁率が小さくなるため、コイル１１２ａ，１１３ａのインダクタンスは小さくなる。

上記したインダクタンスの変化を検出する回路（ブリッジ回路）を図６に示す。ブリッジ回路は、図６に示すようにコイル１１２ａ，１１２ｂ，１１３ａ，１１３ｂによって形成されている。コイル１１２ａのｄ端とコイル１１２ｂのｅ端とが接続され、コイル１１３ｂのｂ端とコイル１１３ａのｇ端とが接続されている。発振器（交流信号発生回路）Ａから発生する高周波電流Ｉがコイル１１２ａのｃ端とコイル１１３ｂのａ端に流入し、コイル１１２ｂのｆ端とコイル１１２ａのｈ端に流出する。

ここで、回転軸１１１に正トルクが印加されると、コイル１１２ａとコイル１１３ａのインダクタンスＬがΔＬ減少し、コイル１１２ｂとコイル１１３ｂのインダクタンスＬがΔＬ増加するため、ブリッジ回路の出力は正値で増加する。
ΔＶ＝２×ωΔＬ×Ｉ （３）

また、回転軸１１１に負トルクが印加されると、コイル１１２ａとコイル１１３ａのインダクタンスＬがΔＬ増加し、コイル１１２ｂとコイル１１３ｂのインダクタンスＬがΔＬ減少するため、ブリッジ回路の出力は負値で減少する。
このようにして、回転軸１１１に加わるトルクの変化を電圧の変化として得ることができる。
特開２００５−１６４５３１号公報

しかし、特許文献１によると、一の半円筒磁心１１４ではコイル１１２ａが磁性リング面（内周面）に、また他の半円筒磁心１１５ではコイル１１３ａが磁性リング面（内周面）にそれぞれ装着されているため、コイル１１２ａ，１１３ａのインダクタンスがコイル１１２ｂ，１１３ｂのインダクタンスより大きくなり、ブリッジ回路の電圧（オフセット電圧Ｖ）がトルクの非印加にかかわらず出力される。オフセット電圧Ｖは、各コイルのインダクタンスの関数であり、さらにインダクタンスは車軸や磁心の透磁率μの関数であることから、透磁率μの関数となる。一般に、透磁率は温度特性があり、温度によってその値が変化するため、オフセット電圧Ｖも温度で変化する。このような理由から、オフセット電圧が出力されると、図７に示すように温度ドリフトが発生する。

従って、本発明の目的は、オフセット電圧の発生を抑制することができ、もって温度ドリフトを低減することができる磁歪式トルクセンサを提供することにある。

本発明は、上記目的を達成するために、磁歪特性を有し、中心軸線の回りに回転する回転軸と、前記回転軸の外周部に所定の間隔をもって配置され、前記回転軸に加わるトルクを検出するための検出コイルを内周面に有する円筒状の磁心とを備えた磁歪式トルクセンサにおいて、前記検出コイルは、ブリッジ回路を形成するためのコイル集合体であって、前記中心軸線に対して＋４５°傾斜する１対の第１コイルと、前記中心軸線に対して−４５°傾斜する１対の第２コイルとを有し、前記磁心の一方側半周領域の磁心側には前記１対の第１コイルのうち一方側の第１コイルが、また回転軸側には前記１対の第２コイルのうち一方側の第２コイルがそれぞれ配置され、前記磁心の他方側半周領域の磁心側には前記１対の第２コイルのうち他方側の第２コイルが、また回転軸側には前記１対の第１コイルのうち他方側の第１コイルがそれぞれ配置されていることを特徴とする磁歪式トルクセンサを提供する。

本発明によると、オフセット電圧の発生を抑制することができ、温度ドリフトを低減することができる。

[実施の形態]
図１は、本発明の実施の形態に係る磁歪式トルクセンサを説明するために模式化して示す図である。図１（ａ）は正面図を、図１（ｂ）は分解斜視図をそれぞれ示す。図２は、本発明の実施の形態に係る磁歪式トルクセンサを説明するために示す回路図である。

〔磁歪式トルクセンサの全体構成〕
図１及び図２において、符号１で示す磁歪式トルクセンサは、磁歪特性を有する回転軸２と、この回転軸２の中心軸線Ｏに対して＋４５°傾斜するトルク検出用のコイル３ａ，４ａ及び同じく中心軸線Ｏに対して−４５°傾斜するトルク検出用のコイル３ｂ，４ｂのうち２つのコイルが各内周面に装着された２つの半円筒フェライト磁心１００，２００と、これら半円筒フェライト磁心１００，２００内のコイル３ａ，３ｂ，４ａ，４ｂを接続してなるブリッジ回路３００に電圧を供給する電流源４００と、ブリッジ回路３００からの差動信号を検出するロックインアンプ６００とから大略構成されている。

（回転軸２の構成）
回転軸２は、ニッケル（Ｎｉ），鉄（Ｆｅ）−アルミニウム（Ａｌ）合金あるいはＦｅ−コバルト（Ｃｏ）合金などの材料からなる円柱体によって形成されている。

（半円筒フェライト磁心１００，２００の構成）
半円筒フェライト磁心１００，２００は、図１に示すように、円筒状の磁心Ｍを形成するために回転軸２の外周部に所定の間隔をもって互いに密接した状態で配置されている。磁心Ｍは、中心軸線Ｏ上に保持され、全体が高透磁率（好ましくは透磁率μ＞１００）・低電気導電率（好ましくは電気導電率σ＝１０⁴〜１０⁵Ｓ／ｍ）性部材によって形成されている。半円筒フェライト磁心１００の内周面の磁心側にはコイル３ａが、その回転軸側にはコイル４ｂがそれぞれ装着されている。半円筒フェライト磁心２００の内周面の磁心側にはコイル３ｂが、またその回転軸側にはコイル４ａがそれぞれ装着されている。コイル３ａ，４ａは半円筒フェライト磁心１００の内周面に、またコイル３ｂ，４ａは半円筒フェライト磁心２００の内周面にそれぞれ５層（３つの絶縁層と２つのコイル層）のフレキシブル基板コイルＣとして装着されている。なお、フレキシブル基板コイルＣの製造は、第１フレキシブル基板に互いに絶縁されたコイル３ａ，４ｂを、また第２フレキシブル基板に互いに絶縁されたコイル３ｂ，４ａをそれぞれ形成することにより行われる。

（電流源４００の構成）
電流源４００は、図２に示すように、交流電源（高周波発振器）からなり、ブリッジ回路３００の入力端子に電圧を供給するように構成されている。電流源４００の一方側端子にはコイル３ａのｃ端及びコイル４ｂのａ端が、また他方側端子にはコイル３ｂのｆ端及びコイル４ａのｈ端がそれぞれ接続されている。ブリッジ回路３００は、コイル３ａ，３ｂ，４ａ，４ｂによって形成されている。そして、コイル３ａ，４ｂ及びコイル３ｂ，４ａの入力側端をそれぞれ第１入力端子と第２入力端子とする構成とされている。また、コイル３ａのｄ端とコイル３ｂのｅ端とが接続されるとともに、コイル４ｂのｂ端とコイル４ａのｇ端とが接続され、コイル３ａ，３ｂ及びコイル４ａ，４ｂの出力側端をそれぞれ第１出力端子と第２出力端子とする構成とされている。

（ロックインアンプ６００の構成）
ロックインアンプ６００は、図２に示すように、ブリッジ回路３００の両出力端子に接続され、前述したようにブリッジ回路３００からの差動信号を検出するように構成されている。

〔磁歪式トルクセンサの検出原理〕
次に、本実施の形態に示す磁歪式トルクセンサの検出原理につき、図２を用いて説明する。

図２に示すように、電流源４００から発生する高周波電流がコイル３ａのｃ端とコイル４ｂのａ端に流入し、コイル３ｂのｆ端とコイル４ａのｈ端に流出する。

ここで、回転軸２に正トルクが作用すると、コイル４ａ，４ｂのインダクタンスが増加するとともに、コイル３ａ，３ｂのインダクタンスが減少し、ロックインアンプ６００からの出力は正方向に増加する。これに対して回転軸２に負トルクが作用すると、コイル４ａ，４ｂのインダクタンスが減少するとともに、コイル３ａ，３ｂのインダクタンスが増加し、ロックインアンプ６００からの出力は負方向に減少する。これにより、回転軸２に作用するトルクの方向及び大きさが検出される。

一方、回転軸２にトルクが作用しない場合には各コイル３ａ，３ｂ，４ａ，４ｂのインダクタンスが温度の変化によって変動するが、ブリッジ回路３００におけるコイル３ａ，３ｂ，４ａ，４ｂのインダクタンスの比が変わらないため、これらコイル３ａ，３ｂ，４ａ，４ｂの比から得られる電圧Ｖａ，Ｖｂが略同一の値となる。これにより、オフセット電圧の発生が抑制され、温度ドリフトが低減される。このことは、図３に示す通りである。

[実施の形態の効果]
以上説明した実施の形態によれば、次に示す効果が得られる。

（１）ブリッジ回路３００におけるコイル３ａ，３ｂ，４ａ，４ｂのインダクタンスの比が変わらないため、回転軸２にトルクが作用しない場合にはオフセット電圧の発生が抑制され、温度ドリフトを低減することができる。

（２）トルク検出用のコイルが第１フレキシブル基板コイル及び第２フレキシブル基板によって形成されているため、半円筒フェライト磁心１００，２００に対する取り付けを簡単に行うことができる。

以上、本発明の磁歪式トルクセンサを上記の実施の形態に基づいて説明したが、本発明は上記の実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々の態様において実施することが可能であり、例えば次に示すような変形も可能である。

（１）本実施の形態では、半円筒フェライト磁心１００，２００の内周面にフレキシブル基板コイルが装着されている場合について説明したが、本発明はこれに限定されず、磁心に対してトルク検出用のコイルを直接装着してもよい。

（２）検出コイルが２層に形成されている場合について説明したが、本発明はこれに限定されず、３層以上のコイル層に形成しても勿論よい。

（ａ）及び（ｂ）は、本発明の実施の形態に係る磁歪式トルクセンサを説明するために模式化して示す正面図と分解斜視図。 本発明の実施の形態に係る磁歪式トルクセンサを説明するために示す回路図。 本発明の実施の形態に係る磁歪式トルクセンサの出力電圧と温度ドリフトの関係を示すグラフ。 従来の磁歪式トルクセンサを説明するために模式化して示す正面図。 従来の磁歪式トルクセンサの動作原理を説明するために模式化して示す側面図。 従来の磁歪式トルクセンサを説明するために示す回路図。 従来の磁歪式トルクセンサの出力電圧と温度ドリフトの関係を示すグラフ。

符号の説明

１…磁歪式トルクセンサ、２…回転軸、３ａ，３ｂ，４ａ，４ｂ…コイル、１００，２００…半円筒フェライト磁心、３００…ブリッジ回路、４００…電流源、６００…ロックインアンプ、Ｍ…磁心

Claims (5)

1. 磁歪特性を有し、中心軸線の回りに回転する回転軸と、
   前記回転軸の外周部に所定の間隔をもって配置され、前記回転軸に加わるトルクを検出するための検出コイルを内周面に有する円筒状の磁心とを備えた磁歪式トルクセンサにおいて、
   前記検出コイルは、ブリッジ回路を形成するためのコイル集合体であって、前記中心軸線に対して＋４５°傾斜する１対の第１コイルと、前記中心軸線に対して−４５°傾斜する１対の第２コイルとを有し、
   前記磁心の一方側半周領域の磁心側には前記１対の第１コイルのうち一方側の第１コイルが、また回転軸側には前記１対の第２コイルのうち一方側の第２コイルがそれぞれ配置され、
   前記磁心の他方側半周領域の磁心側には前記１対の第２コイルのうち他方側の第２コイルが、また回転軸側には前記１対の第１コイルのうち他方側の第１コイルがそれぞれ配置されていることを特徴とする磁歪式トルクセンサ。
2. 前記磁心は、前記一方側の第１コイル及び前記一方側の第２コイルが内周面に配置された第１半円筒磁心と、前記他方側の第１コイル及び前記他方側の第２コイルが内周面に配置された第２半円筒磁心とからなる請求項１に記載の磁歪式トルクセンサ。
3. 前記ブリッジ回路の出力端子は、前記一方側の第１コイル及び前記他方側の第２コイルの各出力端を第１出力端子とするとともに、前記他方側の第１コイル及び前記一方側の第２コイルの各出力端を第２出力端子とする請求項１又は２に記載の磁歪式トルクセンサ。
4. 前記検出コイルは２層以上のコイル層に形成されている請求項１〜３のいずれかに記載の磁歪式トルクセンサ。
5. 前記１対の第１コイル及び前記１対の第２コイルは、前記磁心の内周面にフレキシブル基板コイルとして装着されている請求項１〜４のいずれかに記載の磁歪式トルクセンサ。

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