JP2022125511A - トルク検出センサ - Google Patents

Abstract

【課題】被検出体の全周にわたって発生した圧縮応力及び引張応力を、軸心方向に対して±４５度の傾きを有する複数の磁路において偏心誤差が抽出されることなくトルク成分のみが抽出されて測定精度を高めた自己励磁タイプのトルク検出センサを提供する。【解決手段】被検出体Ｓの周囲に隣接して配置される第一トルク検出部７ａと第二トルク検出部７ｂは環状コア２どうしの周方向のティース配置が互いに同一となるように配置されており、第一トルク検出部７ａの出力電圧と第二トルク検出部７ｂの出力電圧の差動出力が検出される。【選択図】図２

Description

本発明は、自己励磁型のトルク検出センサに関する。

回転軸等の被検出体に作用するトルクを非接触で検出する方法として、磁歪式のトルク検出装置がある。例えば、歪みを検出する被検出体となる軸（シャフト）の表面に、磁歪特性を増加させる表面処理（たとえば、メッキまたは溝加工等）を施し、磁歪効果を測定することによってトルクを検出する。磁歪効果の測定は、シャフトと同軸に巻かれたコイルを配置し、インピーダンスの大きさに基づくビラリ効果により発生したシャフトの透磁率の変化を読み取ることによって行われる。

軸表面に生じる磁歪の逆効果を利用して回転軸のトルクを検出するトルク検出装置として、第一共振回路、第二共振回路及び検出回路を備えたトルクセンサが提案されている。第一共振回路は、軸表面において＋４５°方向の透磁率変化を検出すべく配置される第一検出コイルに、第一コンデンサを直列又は並列に接続され、検出回路から出力される駆動信号により駆動される。第二共振回路は、軸表面において－４５°方向の透磁率変化を検出すべく配置される第二検出コイルに、第二コンデンサを直列又は並列に接続して構成され、検出回路から出力される駆動信号により駆動される。上記第一共振回路や第二共振回路から減衰状に出力される自由振動波においては、軸表面の透磁率変化が位相ズレとなって明確に現れ、しかも、自由振動波における位相ズレは、振動波の数だけ蓄積されるので、＋４５°方向及び－４５°方向の透磁率変化を高精度に検出でき、その差分から回転軸のトルクを高精度に検出するものである（特許文献１：WO2008/081572参照）。
特許第６４８３７７８号参照）。

ＷＯ２００８／０８１５７２号公報

しかしながら、上述した特許文献の磁歪式トルクセンサにおいては、回転軸に生じたトルクの歪みによる磁気抵抗の変化をトルクに換算するものである。このため、回転軸の回転偏心により磁気抵抗が変化する。このためセンサの出力値にトルク成分（歪み成分）と偏心誤差成分が加わるため、トルク測定精度が低下する。

また、回転軸（シャフト）の全周にわたってトルク測定を行う場合、回転軸周りに複数のセンサを組み付ける必要がある。この場合、複数のトルクセンサにより検出されるトルク成分（歪み成分）に偏心誤差成分が加わるため、トルク測定精度が低下する。
特に、複数のトルクセンサを回転軸周りに設ける場合、回転軸の軸心に対して+４５度のトルクセンサのコアと－４５度のトルクセンサのコアの位相が互いにずれている場合、出力値の差分をとっても偏心成分が残るため誤差が生じたままとなる。

本発明はこれらの課題を解決すべくなされたものであり、その目的とするところは、被検出体の全周にわたって発生した圧縮応力及び引張応力を、軸心方向に対して±４５度の傾きを有する複数の磁路において偏心誤差が抽出されることなくトルク成分のみが抽出されて測定精度を高めた自己励磁タイプのトルク検出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、次の構成を備える。
被検出体の周囲に設けられた複数の環状コアと、該複数の環状コアから千鳥配置で複数突設されたティースに巻き付けられたコイルに通電して被検出体との間に形成される磁気回路において透磁率の変化をコイルインピーダンスの変化で測定するトルク検出センサであって、前記コイルに通電することにより励磁されたティースと対向する被検出体との間で軸心方向に対して＋４５度の傾きを有する複数の磁路が形成される第一トルク検出部と、前記コイルに通電することにより励磁されたティースと対向する被検出体との間で軸心方向に対して－４５度の傾きを有する複数の磁路が形成される第二トルク検出部と、を備え、前記被検出体の周囲に隣接して配置される前記第一トルク検出部と前記第二トルク検出部は、前記環状コアどうしの周方向のティース配置が互いに同一となるように隣接配置されており、前記第一トルク検出部の出力電圧と前記第二トルク検出部の出力電圧の差動出力が検出されることを特徴とする。

上記構成によれば、第一トルク検出部のコイルに通電することにより隣接するティースどうしが異磁極に励磁されて対向する被検出体との間で軸心方向に対して＋４５度の傾きを有する複数の磁路が形成され、第二トルク検出部のコイルに通電することにより隣接するティースどうしが異磁極に励磁されて対向する被検出体との間で軸心方向に対して－４５度の傾きを有する複数の磁路が形成される。よって、被検出体の全周にわたって発生した圧縮応力及び引張応力を検出することができる。
また、隣接配置される第一トルク検出部と第二トルク検出部が環状コアの周方向のティース配置が互いに同一であり、第一トルク検出部の出力電圧と及び前記第二トルク検出部の出力電圧の差動出力が検出されるので、被検出体の偏心誤差をキャンセルすることができ、トルク成分のみが抽出されるのでトルク測定精度を高めることができる。

例えば、前記第一トルク検出部は、第一コア及び第二コアを有し、前記第一コアに周方向に複数形成された第一ティースと前記第二コアに周方向に複数形成された第二ティースが周方向に千鳥配置で突設され、各ティースの周囲に巻かれたコイルに通電することにより励磁された第一ティース及び第二ティースと対向する被検出体との間で軸心方向に対して＋４５度の傾きを有する複数の磁路が形成され、前記第二トルク検出部は、第三コア及び第四コアを有し、前記第三コアに周方向に複数形成された第三ティースと前記第四コアに周方向に複数形成された第四ティースが周方向に千鳥配置で突設され、各ティースの周囲に巻かれたコイルに通電することにより励磁された第三ティース及び第四ティースと対向する被検出体との間で軸心方向に対して－４５度の傾きを有する複数の磁路が形成され、前記第一トルク検出部と前記第二トルク検出部が第二コアと第四コアが対向するように隣接配置され、前記第一ティースと第三ティースの前記環状コアの周方向の位相が同一となるように配置され、前記第二ティースと第四ティースの前記環状コアの周方向の位相が同一となるように配置されていてもよい。

前記第一トルク検出部と前記第二トルク検出部は、隣接するティースどうしが同磁極に励磁されると、トルク検出部どうしを跨ぐ磁路が被検出体の軸心方向に形成されることはなく、検出感度を低下させることはない。

前記第一トルク検出部と前記第二トルク検出部は、隣接するティースどうしが異磁極に励磁されると、トルク検出部どうしを跨ぐ磁路が被検出体の軸心方向に形成されるが、トルク検出には寄与しない磁路成分であるため、検出感度に影響しない。

被検出体の全周にわたって発生した圧縮応力及び引張応力を、軸心方向に対して±４５度の傾きを有する複数の磁路において偏心誤差が抽出されることなくトルク成分のみ抽出されて測定精度を高めた自己励磁タイプのトルク検出センサを提供することができる。

トルク検出部の正面図、矢印Ｙ－Ｙ方向断面図及び斜視図である。 実施例１のトルク検出センサの正面図、右側面図、矢印Ｙ－Ｙ方向断面図及び斜視図である。 コアの周方向に突設されたティースの配置及び通電により形成される磁極の配置図である。 図３の複数のティースに巻かれたコイルの結線図である。 コイル通電により形成される磁極の配置図である。 図２のコアの周方向に突設されたティースの配置及び通電により形成される磁路の説明図である。 図６の他例に係るコアの周方向に突設されたティースの配置及び通電により形成される磁路の説明図である。 実施例２のコアの展開図と通電回路の説明図及びティース間に形成される磁路の説明図である。 図８のティース間に形成される磁路の説明図である。 実施例２に係るコアの展開図と通電回路の説明図及びティース間に形成される磁路の説明図である。 図１０のコア磁極間に形成される磁路の説明図である。 他例に係るコアの展開図と通電回路の説明図及びティース間に形成される磁路の説明図である。 図１２のティース間に形成される磁路の説明図である。 トルク検出センサの出力電圧の差動処理を示すグラフ図である。

以下、本発明に係る磁歪式トルク検出センサの概略構成について図１乃至図３を参照して説明する。
被検出体の一例としては、逆磁歪効果が大きい材料が好ましい。例えば、逆磁歪効果が高い材料として、パーメンジュール、Fe-Al（アルフェル）、Fe-Nix（パーマロイ）および球状黒鉛鋳鉄( JIS :FCD70 ) などがある。尚、逆磁歪効果とは、磁性体に外部から応力を加えると磁気特性が変化する現象である。また、被検出体Ｓには、必要に応じて磁性焼鈍を予め施しておくと、詳しくは後述するが被検出体Ｓに作用するトルクを好適に検出できる。また、非磁性材料であっても金属磁性材料を溶射等してコーティングしたり、磁性円筒を軸に圧入したりすることでトルク検出することが可能となる。尚、被検出体は、円柱状であるがこれに限定されない。被検出体は、外形が円柱状であれば、内部の構造は問わない。例えば、内径が軸方向において一定である円筒状、または内径が軸方向に位置により異なっている円筒状であってもよい。また、被検出体は、回転することが予定されているものであってもよいし、予定されていないものであってもよい。更には、被検出体は、中実な軸材料でもよいし、空芯状の筒体であってもよい。

先ず、トルク検出センサを構成するトルク検出部１の例について、図１Ａ～Ｃを参照して説明する。図１Ｂに示すように、筒状の中間コア２ｃの両端開口より環状の第一コア２ａ－１と第二コア２ａ―２が所定間隔を空けて嵌め込まれている。中間コア２ｃも磁性体であるため、４５度位相が異なる第一ティース３ａ１と第二ティース３ａ２は中間コア２ｃを介して磁気回路が形成される。尚、例えば中間コア２ｃの外径が第一コア２ａ及び第二コア２ｂと同等で、第一コア２ａ－１と第二コア２ａ―２との間に積層されていてもよい。

環状コア２及びティース３の構成について説明する。環状コア２及びティース３は、例えば電磁鋼板をプレス成形したものを積層したものでも、磁性材料をブロック状に一体形成されたものでもよい。また、焼結体、金属粉末射出成形、圧粉体で製造されたものでもよい。以下、積層タイプの構成について説明する。
第一コア２ａ－１には環状のコアバック部２ａ１に径方向内側に向かって突設された第一ティース３ａ１が、周方向に６０度の位相差を設けて合計６か所に設けられている。各第一ティース３ａ１には筒状の絶縁樹脂製の第一インシュレータ４ａ１が嵌め込まれ、周囲には第一コイル５ａが巻き付けられている。

第二コア２ａ―２は、第一コア２ａ－１と同様に環状のコアバック部２ａ２に径方向内側に向かって突設された第二ティース３ａ２が、周方向に６０度の位相差を設けて合計６か所に設けられている。各第二ティース３ａ２には筒状の絶縁樹脂製の第二インシュレータ４ａ２が嵌め込まれ、周囲には第二コイル５ｂが巻き付けられている。

第一コア２ａ－１と第二コア２ａ―２は、環状の中間コア２ｃの両端開口に嵌め込まれて一体に組み付けられている。第一ティース３ａ１の被検出体と対向する先端部と第二ティース３ａ２の被検出体と対向する先端部が周方向に４５度位相が異なるように組み付けられている。このため、後述する図３Ａ，Ｂの環状コア２の展開図に示すように、環状コア２の内周面には、周方向に第一ティース３ａ１及び第二ティース３ａ２が千鳥配置で突設されている。中間コア２ｃは、第一コア２ａと第二コア２ｂとの間の磁路を形成している。尚、中間コア２ｃには径方向内側に向かうティースは設けられていない。

図３Ａの上段は、引っ張り方向（ＣＷ方向）と圧縮方向（ＣＣＷ方向）の応力を測定するティース３（第一ティース３ａ１及び第二ティース３ａ２）の配置を単純化して示すものである。第一ティース３ａ１に巻かれた第一コイル５ａ及び第二ティース３ａ２に巻かれた第二コイル５ｂは同一の通電回路６に直列に接続されている。図３Ａ下段に示すように交流電源により通電することにより周方向に隣接する第一ティース３ａ１又は第二ティース３ａ２は互いに異磁極（Ｎ極又はＳ極）に励磁されるようになっている。ここでは第一コイル５ａ、第二コイル５ｂをＡコイルとして説明する。図中ＮＡはＮ極に励磁されたＡコイル、ＳＡはＳ極に励磁されたＡコイル表示するものとし、Ｎ極に励磁されるかＳ極に励磁されるかはＡコイルをティース３に巻く向きを反対にすれば実現することができる。また、ＮＡ及びＳＡを囲む長枠Ｅは第一ティース３ａ１及び第二ティース３ａ２との間に形成される磁路において軸心方向（図の上下方向）に対する磁路の傾き（例えば＋４５度の磁路の傾き）を示す。

図３Ｂの上段は、圧縮方向（ＣＣＷ方向）と引っ張り方向（ＣＷ方向）の応力を測定するティース３（第一ティース３ａ１及び第二ティース３ａ２）の配置を単純化して示すものである。第一ティース３ａ１に巻かれた第一コイル５ａ及び第二ティース３ａ２に巻かれた第二コイル５ｂは同一の通電回路６に直列に接続されており、図３Ｂ下段に示すように交流電源により通電することにより周方向に隣接する第一ティース３ａ１又は第二ティース３ａ２は互いに異磁極（Ｎ極又はＳ極）に励磁されるようになっている。ここでは、第一コイル５ａ、第二コイル５ｂをＢコイルとして説明する。図中ＮＢはＮ極に励磁されたＢコイル、ＳＢはＳ極に励磁されたＢコイル表示するものとし、Ｎ極に励磁されるかＳ極に励磁されるかはＢコイルをティース３に巻く向きを反対にすれば実現することができる。また、ＮＢ及びＳＢを囲む長枠Ｅは第一ティース３ａ１及び第二ティース３ａ２との間に形成される磁路において軸心方向（図の上下方向）に対する磁路の傾き（例えば－４５度の磁路の傾き）を示す。

図４Ａ，Ｂ，Ｃは、環状コア２の展開図において各ティース３（第一ティース３ａ１及び第二ティース３ａ２）に巻かれた第一コイル５ａ、第二コイル５ｂに対する通電パターンの一例を示している。図中の黒いラインは第一コイル５ａ及び第二コイル５ｂであり、図中では省略されている。また、図３の説明と同様に第一コイル５ａ、第二コイル５ｂをティース３に巻く向きを反対にすることで励磁する極を変更している。環状コア２に周方向に千鳥配置で突設された複数の第一ティース３ａ１及び第二ティース３ａ２のうち同一の通電回路に直列に接続される第一コイル５ａ、第二コイル５ｂが巻かれたティースは、周方向に隣接するＮ極とＳ極が交互に励磁されることが好ましい。これにより、同一の通電回路に直列に接続される第一コイル５ａ、第二コイル５ｂが巻かれた周方向に隣接する第一ティース３ａ１及び第二ティース３ａ２がＮ極とＳ極に交互励磁さえすれば、複数コイルに対して例えば以下に説明するように一筆書き状に連続して配線することもでき、配線バリエーションが増えて配線も容易に行える。

図４Ａは、第一ティース３ａ１と第二ティース３ａ２とでジグザグ状に通電する通電回路６ａ及び第一ティース３ａ１と第二ティース３ａ２に形成される磁極（－ＳＡ－ＳＡ－ＮＡ－ＮＡ－…）を例示する。図４Ｂは、第一ティース３ａ１と第二ティース３ａ２とで矩形波状に通電する通電回路６ｂ及び第一ティース３ａ１と第二ティース３ａ２に形成される磁極（－ＳＡ－ＮＡ－ＳＡ－ＮＡ－…）を例示する。図４Ｃは、第一ティース３ａ１に周方向に通電してからＵターンして第二ティース３ａ２に周方向に通電する通電回路６ｃ及び第一ティース３ａ１と第二ティース３ａ２に形成される磁極（－ＳＡ－ＮＡ－ＳＡ－ＮＡ－…）を例示する。図４Ａ～Ｃに示すいずれの通電パターンにおいても、トルク検出に最も寄与する磁路は、周方向に位相差±４５度で配置された第一ティース３ａ１と第二ティース３ａ２との間に形成される磁路（図５参照）である。

図５は、ＣＷ方向及びＣＣＷ方向のトルク検出部１の環状コア２の展開図であって、図中矢印は第一ティース３ａ１と第二ティース３ａ２に形成される磁路を示す。
図５上段に示すＣＷ方向のトルク検出部１において第一ティース３ａ１の周方向に異磁極間（ＮＡ－ＳＡ間）に発生する磁路及び第二ティース３ａ２の周方向に異磁極間（ＮＡ－ＳＡ間）に発生する磁路はトルク検出にはほとんど寄与しない磁路成分である。そのため、検出感度にほとんど影響しない。
同様に図５下段に示すＣＣＷ方向のトルク検出部１において第一ティース３ａ１の周方向に隣合う異磁極間（ＮＢ－ＳＢ間）に発生する磁路及び第二ティース３ａ２の周方向に隣合う異磁極間（ＮＢ－ＳＢ間）に発生する磁路はトルク検出には寄与しない磁路成分である。そのため、検出感度にはほとんど影響しない。

次に、図１に示すトルク検出部１と同様の構成を用いたトルク検出センサ７の一例について図２を参照して説明する。トルク検出センサ７は、被検出体Ｓの周囲に複数箇所で対峙する第一ティース３ａ１と第二ティース３ａ２に巻き付けられた第一コイル５ａ、第二コイル５ｂに通電して被検出体Ｓとの間に形成される磁気回路において透磁率の変化をコイルインピーダンスの変化で測定する自己励磁型のトルク検出センサである。

図２Ｃにおいて、第一トルク検出部７ａは、環状の第一コア２ａ－１，環状の第二コア２ａ－２に周方向に複数の第一ティース３ａ１，第二ティース３ａ２が径方向内側に向けて突設されている。第一コア２ａ－１と第二コア２ａ－２は筒状の中間コア２ｃ１の両側開口より嵌め込まれて第一ティース３ａ１と第二ティース３ａ２が千鳥配置となるよう組み付けられている。各第一ティース３ａ１，第二ティース３ａ２の周囲には第一インシュレータ４ａ１，第二インシュレータ４ａ２が各々嵌め込まれ、同一の通電回路に接続された第一コイル５ａが各々巻かれており、各第一コイル５ａに通電することにより隣接する第一ティース３ａ１，第二ティース３ａ２が異磁極に励磁されて対向する被検出体Ｓとの間で軸心方向に対して＋４５度の傾きを有する複数の磁路が形成されるようになっている。

第二トルク検出部７ｂは、環状の第三コア２ｂ－１，環状の第四コア２ｂ－２に周方向に複数の第三ティース３ｂ１，第四ティース３ｂ２が径方向内側に向けて突設されている。第三コア２ｂ－１と第四コア２ｂ－２は筒状の中間コア２ｃ２の両側開口より嵌め込まれて、第三ティース３ｂ１と第四ティース３ｂ２が千鳥配置となるように組み付けられている。各第三ティース３ｂ１，第四ティース３ｂ２の周囲には第三インシュレータ４ｂ１，第四インシュレータ４ｂ２が各々嵌め込まれ、同一の通電回路に接続された第二コイル５ｂが各々巻かれており、各第二コイル５ｂに通電することにより周方向隣接する第三ティース３ｂ１，第四ティース３ｂ２が異磁極に励磁されて対向する被検出体Ｓとの間で軸心方向に対して－４５度の傾きを有する複数の磁路が形成されるようになっている。

上記第一トルク検出部７ａと第二トルク検出部７ｂが第二コア２ａ－２と第四コア２ｂ－２が中間コア２ｃ３を介して対向するように隣接配置されている。第一ティース３ａ１の第一コア２ａ－１の周方向の位相と第三ティース３ｂ１の第三コア２ｂ－１の周方向の位相が同一となるように組み付けられている。また、第二ティース３ａ２の第二コア２ａ－２の周方向の位相と第四ティース３ｂ２の第四コア２ｂ－２の周方向の位相が同一となるように組み付けられている。

即ち、第一コア２ａ－１，第二コア２ａ－２及び第三コア２ｂ－１，第四コア２ｂ－２（環状コア２）は図６の展開図に示すように、被検出体Ｓの軸心方向（図の上下方向）と直交する対称面Ｍ（図２Ｂ，Ｃ参照）を中心に第一トルク検出部７ａと第二トルク検出部７ｂが鏡面配置となるように積層されている。
また、後述するように、第一トルク検出部７ａの出力電圧と及び第二トルク検出部７ｂの出力電圧の差動出力が検出されるようになっている。

図２Ｃ，Ｄにおいて、第一コア２ａ－１には環状のコアバック部２ａ１に径方向内側に向かって突設された第一ティース３ａ１が、周方向に６０度の位相差を設けて合計６か所に設けられている。各第一ティース３ａ１には筒状の絶縁樹脂製の第一インシュレータ４ａ１が嵌め込まれ、周囲には第一コイル５ａが巻き付けられている。第二コア２ａ－２には環状のコアバック部２ａ２に径方向内側に向かって突設された第二ティース３ａ２が、周方向に６０度の位相差を設けて合計６か所に設けられている。各第二ティース３ａ２には筒状の絶縁樹脂製の第二インシュレータ４ａ２が嵌め込まれ、周囲には第一コイル５ａが巻き付けられている。第一コア２ａ－１と第二コア２ａ―２は、第一ティース３ａ１と第二ティース３ａ２が周方向に＋４５度位相がずれて積層されるようになっている（図６コア展開図上段参照）。

図２Ｃにおいて、第三コア２ｂ－１は、第一コア２ａ－１と同様に環状のコアバック部２ｂ１に径方向内側に向かって突設された第三ティース３ｂ１が、周方向に６０度の位相差を設けて合計６か所に設けられている。各第三ティース３ｂ１には筒状の絶縁樹脂製の第三インシュレータ４ｂ１が嵌め込まれ、周囲には第二コイル５ｂが巻き付けられている。第三コア２ｂ－１と第四コア２ｂ―２は、第三ティース３ｂ１と第四ティース３ｂ２が周方向に－４５度位相がずれて積層されるようになっている（図６コア展開図下段参照）。
また、第四コア２ｂ－２には環状のコアバック部２ｂ２に径方向内側に向かって突設された第四ティース３ｂ２が、周方向に６０度の位相差を設けて合計６か所に設けられている。各第四ティース３ｂ２には筒状の絶縁樹脂製の第四インシュレータ４ｂ２が嵌め込まれ、周囲には第二コイル５ｂが巻き付けられている。

図２Ｂ，Ｃに示すように、筒状の中間コア２ｃ１の両端開口に第一コア２ａ－１及び第二コア２ａ－２が嵌め込まれて組み付けられている。筒状の中間コア２ｃ２の両端開口には第三コア２ｂ－１及び第四コア２ｂ－２が嵌め込まれて組み付けられている。

また、第一トルク検出部７ａと第二トルク検出部７ｂとは中間コア２ｃ３を介して隣接配置されている。即ち、中間コア２ｃ１及び第二コア２ａ－２と中間コア２ｃ２及び第四コア２ｂ－２は、環状の中間コア２ｃ３の両側に重ね合わせて接着等より一体に組み付けられる。

中間コア２ｃ１は第一コア２ａ－１と第二コア２ａ－２間の磁路を形成し、中間コア２ｃ２は第三コア２ｂ－１と第四コア２ｂ－２間に磁路を形成している。中間コア２ｃ３は、第二ティース３ａ２の周囲に第一コイル５ａ、第四ティース３ｂ２の周囲に第二コイル５ｂを巻くスペースを確保するスペーサとなっている。
尚、中間コア２ｃ１，２ｃ２，２ｃ３には径方向内側に向かうティースは設けられていない。

第一トルク検出部７ａにおいて互いに隣り合う第一ティース３ａ１，第二ティース３ａ２は周方向に＋４５度位相が異なるように千鳥配置で積層されている。また、第二トルク検出部７ｂにおいて隣り合う第三ティース３ｂ１，第四ティース３ｂ２は周方向に－４５度位相が異なるように千鳥配置で積層されている。

このため、図６のコアの展開図に示すように、第一トルク検出部７ａの第一コア２ａ－１，第二コア２ａ－２に周方向に千鳥配置で形成された第一ティース３ａ１，第二ティース３ａ２と、第二トルク検出部７ｂの第三コア２ｂ－１，第四コア２ｂ－２に周方向に千鳥配置で形成された第三ティース３ｂ１，第四ティース３ｂ２が対称面Ｍを中心として鏡面配置で積層されている。尚、ＮＡ及びＳＡを囲む長枠Ｅは第一ティース３ａ１及び第二ティース３ａ２間に形成される磁路において軸心方向（図の上下方向）に対する磁路の傾きを示す。同様にＮＢ及びＳＢを囲む長枠Ｅは第三ティース３ｂ１及び第四ティース３ｂ２との間に形成される磁路において軸心方向（図の上下方向）に対する磁路の傾きを示す。

上記構成によれば、第一トルク検出部７ａの第一コイル５ａに通電することにより隣接する第一ティース３ａ１，第二ティース３ａ２が異磁極（Ｎ極又はＳ極）に励磁されて対向する被検出体Ｓとの間で軸心方向に対して＋４５度の傾きを有する複数の磁路が形成される。また、第二トルク検出部７ｂの第二コイル５ｂに通電することにより隣接する第三ティース３ｂ１，第四ティース３ｂ２が異磁極（Ｎ極又はＳ極）に励磁されて対向する被検出体Ｓとの間で軸心方向に対して－４５度の傾きを有する複数の磁路が形成される。よって、被検出体Ｓの全周にわたって圧縮応力及び引張応力の発生を検出することができる。

また、隣接配置される第一トルク検出部７ａと第二トルク検出部７ｂが環状コア２の周方向のティース配置が互いに同一となっている。即ち、図６のコアの展開図において、第一トルク検出部７ａの第一コア２ａ－１に形成された第一ティース３ａ１と第二トルク検出部７ｂの第三コア２ｂ－１形成された第三ティース３ｂ１の周方向の位相が互いに同一となっており、第二コア２ａ－２に形成された第二ティース３ａ２と第四コア３ｂ－２に形成された第四ティース３ｂ２の周方向の位相が互いに同一となっている。

また、トルク検出センサ７は、被検出体Ｓ（シャフト）に印加された歪みによる磁気抵抗の変化をトルクに換算しているが、シャフトの回転偏心によっても磁気抵抗が変化する。このため出力値Ｖ＝Ｖ１（トルク成分）+Ｖ２（偏心成分）となり、トルク測定精度が低下する。

具体的には、図１４の出力波形図において、上段がトルク波形を示し、下段が偏心波形を示す。左端が－４５°のセンサ波形、真ん中が＋４５°のセンサ波形を示しており、右端が－４５°のセンサ波形と＋４５°のセンサ波形を回路処理（差動処理）後の出力波形を示す。
－４５°のセンサ波形において、上段のトルク波形は、破線は無負荷（０Ｎｍ）の波形を示しており、実線（細線）はトルク荷重（＋δ）が作用した波形を示す。無負荷に比べてトルク荷重が作用した場合には、絶対値が大きく測定される（矢印参照）。
下段の偏心波形は、破線は無負荷（０Ｎｍ）の波形を示しており、実線はトルク荷重（＋δ）が作用した波形を示す。無負荷に比べてトルク荷重が作用した場合には、絶対値が大きく測定される（矢印参照）。

＋４５°のセンサ波形において、上段のトルク波形は、破線は無負荷（０Ｎｍ）の波形を示しており、実線（太線）はトルク荷重（－δ）が作用した波形を示す。無負荷に比べてトルク荷重が作用した場合には、絶対値が小さく測定される（矢印参照）。
下段の偏心波形は、破線は無負荷（０Ｎｍ）の波形を示しており、実線はトルク荷重（－δ）が作用した波形を示す。無負荷に比べてトルク荷重が作用した場合には、絶対値が大きく測定される（矢印参照）。

回路処理（差動増幅回路による差動処理）後の出力波形において、上段のトルク波形は－４５°のセンサ波形のトルク荷重（＋δ）と＋４５°のセンサ波形のトルク荷重（－δ）との差がトルク荷重として出力される。
下段の偏心波形は、－４５°のセンサ波形のトルク荷重（＋δ）と＋４５°のセンサ波形のトルク荷重（－δ）が略同じであり、無負荷に対して同じ方向に偏心荷重が発生するため、差動処理により相殺される。
以上より、第一トルク検出部７ａの出力電圧と及び第二トルク検出部７ｂの出力電圧が差動処理されて出力されるので、被検出体Ｓの偏心誤差をキャンセルすることができ、トルク成分のみが抽出されるのでトルク測定精度を高めることができる。

また、図６に示すように、第一トルク検出部７ａと第二トルク検出部７ｂは、対称面Ｍを介して軸心方向に隣接する第二ティース３ａ２と第四ティース３ｂ２が同磁極に励磁されると、対称面Ｍを介して軸心方向に対称位置にある第二ティース３ａ２と第四ティース３ｂ２は同磁極となるため、対称面Ｍを跨いで第二コア２ａ－２と第四コア２ｂ－２の間に磁路が形成されることはない。

また、図７に示すように、第一トルク検出部７ａと第二トルク検出部７ｂは、対称面Ｍを介して軸心方向に隣接する第二ティース３ａ２と第四ティース３ｂ２が異磁極（Ｎ極又はＳ極）に励磁されると、対称面Ｍを介して軸心方向に対称位置にある第二ティース３ａ２と第四ティース３ｂ２は異なる磁極となるため対称面Ｍを跨いで第二コア２ａ－２と第四コア２ｂ－２の間に磁路が形成されるが、トルク検出にはほとんど寄与しない磁路成分である。そのため、検出感度にはほとんど影響しない。
尚、図６、図７において、環状コア２（第一コア２ａ－１，第二コア２ａ－２及び第三コア２ｂ－１，第四コア２ｂ－２）の周方向に形成される異磁極（ＮＡ，ＳＡ）（ＮＢ，ＳＢ）間に周方向に形成される磁路は、トルク検出にはほとんど寄与しない磁路成分である。そのため、検出感度にはほとんど影響しない。

次に他例に係るトルク検出センサの一実施形態について、図８乃至図１３を参照して説明する。被検出体Ｓは、逆磁歪効果が大きい材料が好ましく、中実な軸材料でもよいし、中空状の中空軸等であってもよいのは同様である。

図８に示すように、環状コア２に第一ティース３ａ及び第二ティース３ｂが周方向に千鳥配置で複数突設されている。環状コア２は、図１Ｂに示すように、筒状の中間コア２ｃの両端開口に環状の第一コア２ａと第二コア２ｂが嵌め込まれて組み付けられている。第一ティース３ａと第二ティース３ｂが周方向に４５度位相が異なるように組み付けられている。このため、図８のコア２の展開図に示すように、コア２の内周面には、周方向に第一ティース３ａ及び第二ティース３ｂが千鳥配置で突設されている。第一ティース３ａどうしの環状コア２の周方向の位相が同一となるように配置され、第二ティース３ｂどうしの環状コア２の周方向の位相が同一となるように配置されている。また、各第一ティース３ａには筒状の絶縁樹脂製の第一インシュレータ４ａが嵌め込まれ、周囲には第一コイル５ａが巻き付けられている。各第二ティース３ｂには筒状の絶縁樹脂製の第二インシュレータ４ｂが嵌め込まれ、周囲には第二コイル５ｂが巻き付けられている。尚、中間コア２ｃには径方向内側に向かうティースは設けられていない。以下、展開図においては、複数の中間コア２ａ，２ｂ，２ｃが組み合わされたものを単に環状コア２と表記して説明するものとする。

図８は、環状コア２の展開図と通電回路の説明図及びティース間に形成される磁路の説明図である。図８において、第一ティース３ａ１の周囲に巻かれた第一コイル５ａと第二ティース３ａ２の周囲に巻かれた第二コイル５ｂは巻方向が反対に巻かれている。また、第一コイル５ａ及び第二コイル５ｂが直列に接続された複数の通電回路を備えている。具体的には、第一通電回路６ａ（図８上段破線）は、第一ティース３ａ１に巻かれた第一コイル５ａから周方向に＋４５度の位相差を有する第二ティース３ａ２に巻かれた第二コイル５ｂへ通電し周方向に配線された他の第二ティース３ａ２に巻かれた第二コイル５ｂから＋４５度の位相差を有する他の第一ティース３ａ１に巻かれた第一コイル５ａへ通電する。なお、より正確には第一ティース３ａ１の被検出体と対向する先端部と第二ティース３ａ２の被検出体と対向する先端部が中間コア２ｃを介して周方向に＋４５度の位相差を有するように積層されている。この第一通電回路６ａ（図８上段破線）への通電により第一ティース３ａ１と第二ティース３ａ２との間に被検出体を経て形成される軸心方向に対して＋４５度の傾きを有する複数の磁路が（図８下段）される。

また、第二通電回路６ｂ（図８上段実線）は、第一ティース３ａ１に巻かれた第一コイル５ａから－４５度の位相差を有する第二ティース３ａ２に巻かれた第二コイル５ｂへ通電し周方向に配線された他の第二ティース３ａ２に巻かれた第二コイル５ｂから－４５度の位相差を有する他の第一ティース３ａ１に巻かれた第一コイル５ａへ通電する。この第二通電回路６ｂ（図８上段実線）への通電により第一ティース３ａ１と第二ティース３ａ２との間に被検出体を経て形成される軸心方向に対して－４５度の傾きを有する複数の磁路（図１下段）が各々形成される。また、第一通電回路６ａを形成するコイルをコイルＡとし、第二通電回路６ｂを形成するコイルをコイルＢとすると、図中ＮＡはコイルＡによりＮ極に励磁されたティース、ＳＡはコイルＡによりＳ極に励磁されたティースを表示するものとし、同様に図中ＮＢはＢコイルによりＮ極に励磁されたティース、ＳＢはＢコイルによりＳ極に励磁されたティースを表示するものとする。より正確には被検出体Ｓと対向するティースの先端部がＮ極またはＳ極に励磁される。Ｎ極に励磁されるかＳ極に励磁されるかはＡコイル及びＢコイル（第一コイル５ａ及び第二コイル５ｂ）の巻く向きを反対にすれば実現することができる。

また、図８下段に示すＮＡ及びＳＡを囲む長枠Ｅ１、ＮＢ及びＳＢを囲む長枠Ｅ２は、第一ティース３ａ１及び第二ティース３ａ２との間に形成される磁路において軸心方向（図の上下方向）に対する磁路の傾きを示す。尚、千鳥配置された第一ティース３ａ１と第二ティース３ａ２は、コイルが巻かれていないものが存在しても良い。
以上説明したトルク検出センサ７は、被検出体Ｓの周囲に複数箇所で対峙する第一ティース３ａ１と第二ティース３ａ２に巻き付けられた第一コイル５ａ、第二コイル５ｂに通電して被検出体Ｓとの間に形成される磁気回路において透磁率の変化をコイルインピーダンスの変化で測定する自己励磁型のトルク検出センサが用いられる。

図９は第一ティース３ａ１と第二ティース３ａ２間に形成される磁路の説明図である。第一ティース３ａがＮ極に励磁され、第二ティース３ｂがＳ極に励磁される複数の磁路を示す。ＮＡ及びＳＡを囲む長枠Ｅ１は、第一通電回路６ａに通電した際の軸心方向（図２の上下方向）に対する磁路の傾き（＋４５度）を示す。また、ＮＢ及びＳＢを囲む長枠Ｅ２は、第二通電回路６ｂに通電した際の軸心方向（図２の上下方向）に対する磁路の傾き（－４５度）を示す。＋４５度に傾く磁路と－４５度に傾く磁路はコアの周方向に交互に形成されている（長枠Ｅ１，Ｅ２参照）。
この場合、周方向に隣合う第一ティース３ａ１の極性は同磁極（Ｎ極）であり、周方向に隣合う第二ティース３ａ２の極性も同磁極（Ｓ極）となるため、トルク検出に必要な磁路成分（±４５度）のみが形成されるため、トルク検出が効率よく実現することができる。

図１０は図８の他例に係るコアの展開図と通電回路の説明図及びティース間に形成される磁路の説明図である。第一ティース３ａ１どうしが環状コア２の周方向の位相が同一となるように配置され、第二ティース３ａ２どうしが環状コア２の周方向の位相が同一となるように配置されている点は図８と同様である。図１０上段において、第一通電回路６ａ（図１０上段破線）への通電により第一ティース３ａ１と第二ティース３ａ２との間に被検出体を経て形成される軸心方向に対して＋４５度の傾きを有する複数の磁路が（図１０下段）される。また、第二通電回路６ｂ（図１０上段実線）への通電により第一ティース３ａ１と第二ティース３ａ２との間に被検出体を経て形成される軸心方向に対して－４５度の傾きを有する複数の磁路（図１０下段）が各々形成される。図８と異なるのは、第一ティース３ａ１に巻かれる第一コイル５ａと第二ティース３ａ２に巻かれる第二コイル５ｂの巻方向が反対になっている。よって、第一ティース３ａ１がＳ極に励磁され、第二ティース３ａ２がＮ極に励磁されている。図１０下段に示すＳＡ及びＮＡを囲む長枠Ｅ１及びＳＢ及びＮＢを囲む長枠Ｅ２は、第一ティース３ａ１及び第二ティース３ａ２との間に形成される磁路において軸心方向（図の上下方向）に対する磁路の傾きを示す。なお、図１０では長枠Ｅ２は２つ例示しているが両方とも第一ティース３ａ１がＳＢ、第二ティース３ａ２がＮＢの組み合わせである。別の例としては、１つの長枠Ｅ２を第一ティース３ａ１がＳＢ、第二ティース３ａ２がＮＢの組み合わせ、別の長枠Ｅ２を第一ティース３ａ１がＮＢ、第二ティース３ａ２がＳＢの組み合わせのもので構成しても良い。それ以外にも１つの長枠Ｅ１を第一ティース３ａ１がＳＡ、第二ティース３ａ２がＮＡの組み合わせ、別の長枠Ｅ２を第一ティース３ａ１がＮＡ、第二ティース３ａ２がＳＡの組み合わせのもので構成しても良い。このように長枠Ｅ１と長枠Ｅ２内で第一ティース３ａ１と第二ティース３ａ２をＮ極に励磁するかＳ極に励磁するかは自由である。

図１１は第一ティース３ａ１と第二ティース３ａ２間に形成される磁路の説明図である。第一ティース３ａ１がＳ極又はＮ極に励磁され、第二ティース３ａ２がＮ極又はＳ極に励磁される複数の磁路を示す。ＳＡ及びＮＡを囲む長枠Ｅ１は、第一通電回路６ａに通電した際の軸心方向（図４の上下方向）に対する磁路の傾き（＋４５度）を示す。また、ＳＢ及びＮＢを囲む長枠Ｅ２は、第二通電回路６ｂに通電した際の軸心方向（図１１の上下方向）に対する磁路の傾き（－４５度）を示す。＋４５度に傾く磁路と－４５度に傾く磁路は環状コア２の周方向に交互に形成されている。

この場合、周方向に隣合う第一ティース３ａ１の極性は異なる磁極であり、周方向に隣合う第二ティース３ａ２の極性も異なる磁極となるため、図８と異なり、図１１の周方向に隣接する第一ティース３ａ１間にＮ極からＳ極に向かう矢印方向の磁路（ＮＢ－ＳＡ）が各々形成される。しかしながら、これらの磁路はトルク検出にほとんど寄与しない磁路成分である。そのため、検出感度にはほとんど影響しない。

図１２は他例に係るコアの展開図と通電回路の説明図及びティース間に形成される磁路の説明図である。第一ティース３ａ１どうしが環状コア２の周方向の位相が同一となるように配置され、第二ティース３ａ２どうしが環状コア２の周方向の位相が同一となるように配置されている点は同様である。図１２において、第一通電回路６ａ（図１２上段破線）への通電により第一ティース３ａ１と第二ティース３ａ２との間に被検出体を経て形成される軸心方向に対して＋４５度の傾きを有する複数の磁路が（図１２下段）される。また、第二通電回路６ｂ（図１２上段実線）への通電により第一ティース３ａ１と第二ティース３ａ２との間に被検出体を経て形成される軸心方向に対して－４５度の傾きを有する複数の磁路（図１２下段）が各々形成される。ＳＡ及びＮＡを囲む長枠Ｅ１は、第一通電回路６ａに通電した際の軸心方向（図１２の上下方向）に対する磁路の傾き（＋４５度）を示す。また、ＳＢ及びＮＢを囲む長枠Ｅ２は、第二通電回路６ｂに通電した際の軸心方向（図１２の上下方向）に対する磁路の傾き（－４５度）を示す。図８、図１０と異なるのは、＋４５度に傾く磁路と－４５度に傾く磁路はコアの周方向に交互に形成されていない（長枠Ｅ１，Ｅ２参照）。

図１３は第一ティース３ａ１と第二ティース３ａ２間に形成される磁路の説明図である。第一ティース３ａ１がコアの周方向にＮ極とＳ極に交互励磁され、第二ティース３ａ２がコアの周方向にＳ極とＮ極に交互励磁される。
この場合、周方向に隣合う第一ティース３ａ１の極性は異なる磁極であり、周方向に隣合う第二ティース３ａ２の極性も異なる磁極となるため、第一ティース３ａ１と第二ティース３ａ２間に形成される±４５度に傾斜する磁路の他に、図１３の周方向に隣接する第一ティース３ａ１間にＮ極からＳ極に向かう矢印方向の磁路（ＮＡ－ＳＡ），（ＮＢ－ＳＢ）が各々形成される。また、周方向に隣接する第二ティース３ｂ間にＮ極からＳ極に向かう矢印方向の磁路（ＮＡ－ＳＡ），（ＮＢ－ＳＢ）が各々形成される。しかしながら、これらの磁路はトルク検出にほとんど寄与しない成分であるため検出感度にはほとんど影響しない。

第一通電回路６ａ及び第二通電回路６ｂに通電して各々形成される±４５度の傾きを有する複数の磁路において透磁率の変化をコイルインピーダンスの変化として測定し差動出力が検出される（図１４参照）。これにより、被検出体の偏心誤差をキャンセルすることができ、トルク成分のみが抽出されるのでトルク測定精度を高めることができる。

以上説明したように、被検出体Ｓの全周にわたって発生した圧縮応力及び引張応力を、軸心方向に対して±４５度の傾きを有する複数の磁路において偏心誤差が抽出されることなくトルク成分のみ抽出されて測定精度を高めた自己励磁タイプのトルク検出センサ７を提供することができる。

本実施例に係るトルク検出センサ７は、被検出体Ｓが、中実状の軸であると中空軸のいずれのトルクを検出することができる。また、環状コア２及びティース３は積層タイプについて説明したが、これに限定されるものではなく、ブロック状の磁性材料を切削、ワイヤーカットなどにより形成してもよい。

１ トルク検出部 ２ 環状コア ２ａ，２ａ－１ 第一コア ２ａ－２，２ｂ 第二コア ２ａ１，２ａ２，２ｂ１，２ｂ２ コアバック部 ２ｂ－１ 第三コア ２ｂ－２ 第四コア ２ｃ，２ｃ１，２ｃ２，２ｃ３ 中間コア ３ａ１ 第一ティース ３ａ２ 第二ティース ３ｂ１ 第三ティース ３ｂ２ 第四ティース ４ａ 第一インシュレータ ４ｂ 第二インシュレータ ５ａ 第一コイル ５ｂ 第二コイル ６ａ 第一通電回路 ６ｂ 第二通電回路 ７ トルク検出センサ ７ａ 第一トルク検出部 ７ｂ 第二トルク検出部 Ｓ 被検出体

Claims (4)

1. 被検出体の周囲に設けられた複数の環状コアと、該複数の環状コアから千鳥配置で複数突設されたティースに巻き付けられたコイルに通電して被検出体との間に形成される磁気回路において透磁率の変化をコイルインピーダンスの変化で測定するトルク検出センサであって、
   前記コイルに通電することにより励磁されたティースと対向する被検出体との間で軸心方向に対して＋４５度の傾きを有する複数の磁路が形成される第一トルク検出部と、
   前記コイルに通電することにより励磁されたティースと対向する被検出体との間で軸心方向に対して－４５度の傾きを有する複数の磁気回路が形成される第二トルク検出部と、を備え、
   前記被検出体の周囲に隣接して配置される前記第一トルク検出部と前記第二トルク検出部は、前記環状コアどうしの周方向のティース配置が互いに同一となるように配置されており、前記第一トルク検出部の出力電圧と前記第二トルク検出部の出力電圧の差動出力が検出されるトルク検出センサ。
2. 前記第一トルク検出部は、第一コア及び第二コアを有し、前記第一コアに周方向に複数形成された第一ティースと前記第二コアに周方向に複数形成された第二ティースが積層されて前記第一ティース及び前記第二ティースが周方向に千鳥配置で突設され、各ティースの周囲にコイルが各々巻かれており、各コイルに通電することにより励磁されて対向する被検出体との間で軸心方向に対して＋４５度の傾きを有する複数の磁気回路が形成され、
   前記第二トルク検出部は、第三コア及び第四コアを有し、前記第三コアに周方向に複数形成された第三ティースと前記第四コアに周方向に複数形成された第四ティースが積層されて前記第三ティース及び前記第四ティースが周方向に千鳥配置で突設され、各ティースの周囲に巻かれたコイルに通電することにより励磁されて対向する被検出体との間で軸心方向に対して－４５度の傾きを有する複数の磁気回路が形成され、
   前記第一トルク検出部と前記第二トルク検出部が第二コアと第四コアが対向するように隣接配置され、前記第一ティースと第三ティースの前記環状コアの周方向の位相が同一となるように配置され、前記第二ティースと第四ティースの前記環状コアの周方向の位相が同一となるように配置されている請求項1記載のトルク検出センサ。
3. 前記第一トルク検出部と前記第二トルク検出部は、対称面を介して軸心方向に隣接するティースどうしが同磁極に励磁される請求項１又は請求項２記載のトルク検出センサ。
4. 前記第一トルク検出部と前記第二トルク検出部は、対称面を介して軸心方向に隣接するティースどうしが異磁極に励磁される請求項１又は請求項２記載のトルク検出センサ。

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