JP2545763Y2 - 磁歪式トルクセンサ - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本考案は、例えば自動車用エンジ
ンの出力軸等に発生するトルクを検出するのに好適に用
いられる磁歪式トルクセンサに関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に、自動変速機構を備えたオートマ
チック車等では、例えば自動変速機構による変速タイミ
ングを適性化するために、プロペラシャフト等にトルク
センサを取付けるようにすることが提案されている。

【０００３】ここで、本出願人が先に出願した特願平3-
254640号による発振回路にマルチバイブレータを用いた
トルクセンサを、図３ないし図６に示し説明する。

【０００４】図３は磁歪式トルクセンサのトルク検出部
を示す。図３中において、１は例えばクロムモリブデン
鋼等の磁歪材料から形成された磁歪シャフトを示し、該
磁歪シャフト１は例えばプロペラシャフトの途中に設け
られるもので、両端が入力側取付部１Ａ，出力側取付部
１Ｂとなり、これらの中間はスリット形成部１Ｃとな
り、該スリット溝形成部１Ｃの外周には下向き４５°，
上向きに４５°に刻設したスリット溝２，３とがそれぞ
れ対向して設けられている。

【０００５】４は前記スリット溝形成部１Ｃの外周を囲
むように一対の軸受５，５を介して磁歪シャフト１と相
対的に回転自在に設けられたコイル固定部材を示し、該
コイル固定部材４は車体側に固着して取付けられる。６
は前記コイル固定部材４の内周側に固着されたリング状
のコア部材を示し、該コア部材６にはスリット溝２，３
とそれぞれ対向する位置に検出コイル７，８が設けら
れ、該検出コイル７，８の自己インダクタンスはＬ1 ，
Ｌ2 となっている。

【０００６】このように構成される２コイル型のトルク
検出部においては、検出コイル７，８に後述する基準電
圧ＶCCを印加すると、磁歪シャフト１の表面に磁路が形
成されるが、スリット溝形成部１Ｃの表面にスリット溝
２，３が設けられているため、表面磁界による磁路はス
リット溝２，３に沿って形成される。

【０００７】一方、磁歪シャフト１の入力側取付部１Ａ
に図３に示すような矢示方向のトルクＴを加えたとする
と、スリット溝２には引っ張り応力＋σが発生し、スリ
ット溝３には圧縮応力−σが発生する。そして、磁歪シ
ャフト１に正の磁歪材を用いている場合、引っ張り応力
＋σにより透磁率μが増加し、圧縮応力−σにより透磁
率μが減少することが知られている。

【０００８】然るに、検出コイル７，８の自己インダク
タンスＬ1 ，Ｌ2 は、

【０００９】

【数１】 となる。

【００１０】また、図４は検出回路を示し、該検出回路
は後述する発振回路９，波形整形回路１７，積分回路２
３および増幅回路２６とから大略構成されている。

【００１１】９は発振回路を示し、該発振回路９はコレ
クタ結合形非安定マルチバイブレータ回路により構成さ
れ、基準電圧ＶCCおよびアース間に検出コイル７と直列
に接続されたスイッチングトランジスタ１０と、該スイ
ッチングトランジスタ１０と対向し、基準電圧ＶCCおよ
びアース間に検出コイル８と直列に接続されたスイッチ
ングトランジスタ１１と、前記検出コイル７とスイッチ
ングトランジスタ１０との間の接続点とスイッチングト
ランジスタ１１のベースとの間に接続され、時定数を設
定する抵抗値Ｒ1 を有するベース抵抗１２と、該ベース
抵抗１２と対向するように、前記検出コイル８とスイッ
チングトランジスタ１１との間の接続点とスイッチング
トランジスタ１０のベースとの間に並列に接続され、時
定数を設定する抵抗値Ｒ2 （＝Ｒ1 ）を有するベース抵
抗１３とから大略構成されている。また、１４，１４は
前記検出コイル７，８の出力側とスイッチングトランジ
スタ１０，１１との間の接続点とアースとの間にそれぞ
れツェナーダイオード１５，１５と直列に接続された電
流調整抵抗、１６，１６は前記ベース抵抗１２，１３に
それぞれ並列に接続され、スイッチングトランジスタ１
０，１１での時定数を小さくするスピードアップコンデ
ンサを示す。なお、トランジスタ１０，１１は同一トラ
ンジスタを用いるものとする。

【００１２】また、発振回路９は検出コイル７，８の自
己インダクタンスＬ1 ，Ｌ2 およびベース抵抗１２，１
３の抵抗値Ｒ1 ，Ｒ2 から設定される時定数によりスイ
ッチングトランジスタ１０，１１が交互にＯＮ状態とな
り、スイッチングトランジスタ１１側のツェナーダイオ
ード１５と抵抗１４との接続点Ａからはパルス波の出力
電圧Ｖ1 が波形整形回路１７に出力される。

【００１３】そして、この出力電圧Ｖ1 のパルス波の波
高値は基準電圧ＶCCに近づき、出力の立ち上がり時間は
トランジスタ１０のＯＮ時間（ＴON1 ）となり、立ち下
がり時間はトランジスタ１１のＯＮ時間（ＴON2 ）とな
る。

【００１４】ここで、トランジスタ１０のＴON1 は次の
数式２のようになる。

【００１５】

【数２】

【００１６】また、トランジスタ１１のＴON2 は次の数
式３のようになる。

【００１７】

【数３】

【００１８】これらの数式２，３により発振周波数ｆ
は、

【００１９】

【数４】 となり、パルスデューティ比Ｄ1 は、

【００２０】

【数５】 となる。

【００２１】１７は波形整形回路を示し、該波形整形回
路１７はヒステリシスコンパレータ回路により構成さ
れ、オペアンプ１８と、基準電圧ＶCCとアースとの間に
直列に接続され、該オペアンプ１８の非反転端子に入力
される判定電圧Ｖi を設定する抵抗１９，２０と、前記
オペアンプ１８の出力端子に接続されると共に、前記抵
抗１９，２０の各入力側に接続される帰還抵抗２１，２
２とから構成され、前記オペアンプ１８の反転端子は発
振回路９の出力電圧Ｖ1 が出力されるスイッチトランジ
スタ１１の側のツェナーダイオード１５と抵抗１４との
接続点Ａに接続されている。そして、発振回路９からの
出力電圧Ｖ1 のパルス波を完全なパルス波に整形すべ
く、判定電圧Ｖi 以下の入力電圧に対して、帰還抵抗２
１，２２により設定される波高値の整形電圧Ｖ2 を出力
する。なお、この波形整形においては、波高値を設定し
直すと共に、立ち上がり時間ＴON1 と立ち下がり時間Ｔ
ON2 とを反転させて出力するから、積分回路２３に出力
される整形電圧Ｖ2 のパルスデューティ比Ｄは、

【００２２】

【数６】 となる。

【００２３】２３は積分回路を示し、該積分回路２３は
抵抗２４とコンデンサ２５をＬ形に接続することにより
Ｌ形積分回路を構成し、前記波形整形回路１７からの整
形電圧Ｖ2 を平滑して直流電圧Ｅ1 に変換する。

【００２４】２６は増幅回路を示し、該増幅回路２６は
オペアンプ２７により構成され、前記積分回路２３から
の直流電圧Ｅ1 を増幅して、表示器等に出力する。

【００２５】また、図５は波形整形回路１７からの整形
電圧Ｖ2 を示したもので、磁歪シャフト１にトルクを加
えない場合、磁歪シャフト１に図３の矢示方向にトルク
（以下、「正方向のトルク」という）を加えた場合、磁
歪シャフト１に図３の矢示方向の逆にトルク（以下、
「負方向のトルク」という）を加えた場合の特性線図を
表している。

【００２６】ここで、磁歪シャフト１にトルクを加えな
い場合には、ベース抵抗１２，１３を調整することによ
り、前記数式５のパルスデューティ比Ｄ1 （即ち、パル
スデューティ比Ｄ）が５０％になるように設定されてい
る。

【００２７】次に、磁歪シャフト１に正方向のトルクを
加えた場合には、該磁歪シャフト１に刻設されたスリッ
ト溝２側では引張り応力＋σにより透磁率μが増加し、
該スリット溝２に対向する検出コイル７の自己インダク
タンスＬ1 が増加し、一方スリット溝３側では圧縮応力
−σにより透磁率μが減少し、該スリット溝３に対向す
る検出コイル８の自己インダクタンスＬ2 が減少する。
これにより、発振回路９から出力される出力電圧Ｖ1 の
立ち上り時間ＴON1 および立ち下がり時間ＴON2 との関
係は、前記数式２，３からＴON1 ＜ＴON2 となる。さら
に、出力電圧Ｖ1 は波形整形回路１７により反転される
からＴON1 ＞ＴON2 となり、図５中の中段に示すような
波形となる。

【００２８】一方、、磁歪シャフト１に負方向のトルク
を加えた場合には、発振回路９から出力される出力電圧
Ｖ1 においては、ＴON1 ＞ＴON2 のパルス波形が出力さ
れ、波形整形回路１７により、ＴON1 ＜ＴON2 となっ
て、図５中の下段に示すような波形となる。

【００２９】次に、磁歪シャフト１にトルクを加えたと
きのパルスデューティ変化率αについて説明する。この
パルスデューティ変化率αは、トルクが零のときのパル
スデューティ比Ｄ0 を基準とした変化率αを示し、次の
数式７のように演算することができる。

【００３０】

【数７】

【００３１】ここで、このパルスデューティ変化率αは
積分回路２３からの直流電圧Ｅ1 の変化に対応している
から、トルク印加が零のときの直流電圧Ｅ1 の電圧値を
基準として、線形の特性を得ることができ、増幅回路２
６からは図６に示す特性線２８の如く、トルクの大きさ
に比例した直流電圧Ｅを出力する。

【００３２】かくして、先行技術によれば、磁歪シャフ
ト１に加わるトルクを検出する検出コイル７，８を回路
構成の一部にしたマルチバイブレータ回路により発振回
路９を構成し、この発振回路９からの出力電圧Ｖ1 に波
形整形回路１７，積分回路２３等を接続することによ
り、磁歪シャフト１に加わるトルクにより、波形整形回
路１７からの整形電圧Ｖ2 のパルスデューティ比Ｄを変
化させ、このパルスデューティ比Ｄの変化により、トル
クを直流電圧Ｅとして検出し、高精度のトルク検出を行
なうことができる。

【００３３】

【考案が解決しようとする課題】ところで、上述した先
行技術では、初期調整（磁歪シャフト１にトルクを加え
ないとき）において、磁歪シャフト１に加えるトルクＴ
の方向によらず検出精度を向上させるために、ＴON1 ＝
ＴON2 （パルスデューティ比を５０％）となるように発
振器９のベース抵抗１２，１３を調整してパルス幅を変
化させ、図６に示すように特性線２８になるようにして
いる。そして、特性線２８に対して点線のようなずれが
あった場合では、各トランジスタ１０，１１の立ち上が
り時間を調整することで、特性線２８になるようにして
いるため、ベース抵抗１２，１３の微調整が非常に困難
になるという問題がある。

【００３４】本考案は上述した先行技術の問題に鑑みな
されたもので、本考案は初期調整を簡単にできる磁歪式
トルクセンサを提供することを目的としている。

【００３５】

【課題を解決するための手段】上述した課題を解決する
ために本考案が採用する構成の特徴は、波形整形回路の
出力側と積分回路の入力側との間にパルス波の波高値を
可変にする可変電圧印加手段を設け、該可変電圧印加手
段は磁歪シャフトにトルクが作用していない初期調整時
にパルス波の波高値をパルスデューティ比が５０％に相
当する波高値に調整する直流電圧を印加する構成とした
ことにある。

【００３６】

【作用】上記構成により、磁歪シャフトにトルクが作用
していない初期状態の時に、可変電圧印加手段から発生
する直流電圧を調整すると、発振回路から発生するパル
ス波の波高値を調整することができる。そこで、パルス
デューティ比が５０％でない場合でも、前記可変電圧印
加手段から出力される直流電圧を調整することによって
パルス波の波高値を調整し、パルス面積をパルスデュー
ティ比が５０％となるように設定することができる。

【００３７】

【実施例】以下、本考案の実施例を図１および図２に基
づき説明する。なお、実施例では前述した先行技術と同
一の構成要素に同一の符号を付し、その説明を省略する
ものとする。

【００３８】図中、３１は本実施例の波形整形回路を示
し、該波形整形回路３１は発振回路９と積分回路２３と
の間に接続されている。そして、該波形整形回路３１は
先行技術の波形整形回路１７とほぼ同様にヒステリシス
コンパレータ回路により構成され、オペアンプ３２と、
基準電圧ＶCCとアースとの間に直列に接続され、該オペ
アンプ３２の非反転端子に入力される判定電圧Ｖi を設
定する抵抗３３，３４とを有しているものの、前記オペ
アンプ３２はオープンコレクタ式のコンパレータが用い
られ、その出力端子には外部に設けられた直流の外部電
圧ＶCOを発生する定電圧回路３５が抵抗３６を介して接
続されている点で異なる。

【００３９】ここで、定電圧回路３５には調整抵抗３７
が備えられ、該調整抵抗３７を調整することにより、定
電圧回路３５から出力される外部電圧ＶＣ０を調整する
ようになる。従って、この定電圧回路３５は、出力する
外部電圧ＶＣ０を調整することにより、パルス波の波高
値を調整するもので、可変電圧印加手段を構成してい
る。

【００４０】また、発振回路９からの出力電圧Ｖ1 のパ
ルス波を完全なパルス波に整形すべく、判定電圧Ｖi 以
下の入力電圧に対して、外部電圧ＶCOを調整抵抗３７で
調整した波高値Ｖ3Oの整形電圧Ｖ3 （図２参照）を出力
する。

【００４１】このように構成される磁歪式トルクセンサ
においては、前述した先行技術と同様の検出動作によっ
て、磁歪シャフト１に加わるトルクＴを検出することが
できる。

【００４２】次に、磁歪シャフト１に加わるトルクＴが
零のときの初期調整について、図２および図６を参照し
つつ説明する。

【００４３】ここで、初期状態（トルク零）の時に、直
流電圧Ｅがトルク零時の電圧Ｅ０よりも高いとき（即
ち、図６中の点線２８′のとき）には、パルスデューテ
ィ比が５０％を越えているから、パルス面積を小さくす
べく、定電圧回路３５から出力される外部電圧ＶＣ０を
調整抵抗３７により小さく調整する。これにより、図２
に示す整形電圧Ｖ３の波高値Ｖ３０を点線で示す波高値
Ｖ３０′に減少させ、ＴＯＮ１とＴＯＮ２のパルス面積
が等しくなるように設定する。そして、図６に示す特性
線２８′をパルスデューティ比が５０％となる特性線２
８に容易に調整することができる。

【００４４】一方、初期状態（トルク零）の時に、直流
電圧Ｅがトルク零時の電圧Ｅ０よりも低いとき（即ち、
図６中の点線２８″のとき）には、パルスデューティ比
が５０％に達していないから、パルス面積を大きくすべ
く、定電圧回路３５から出力される外部電圧ＶＣ０を調
整抵抗３７により大きく調整する。これにより、ＴＯＮ
１とＴＯＮ２のパルス面積が等しくなるように設定す
る。そして、図６に示す特性線２８″をパルスデューテ
ィ比が５０％となる特性線２８に容易に調整することが
できる。

【００４５】かくして、本実施例においては、発振回路
９からのパルス波形の波高値を波形整形回路３１の外部
電圧ＶCOを調整抵抗３７で調整することにより、容易に
変化させることができ、磁歪シャフト１にトルクを加え
ないときの初期調整を先行技術に較べて容易に行なうこ
とができる。

【００４６】なお、前記実施例では、波形整形回路３１
の出力側に設けた可変電圧印加手段を調整抵抗３７を備
えた定電圧回路３５を用いるようにしたが、本考案の可
変電圧印加手段はこれに限らず、電圧調整用レギュレー
タを用いてもよい。

【００４７】また、前記実施例では２コイル型のトルク
センサについて述べたが、本考案はこれに限らず、４コ
イル型のトルクセンサに用いることもできる。

【００４８】

【考案の効果】以上詳述した如く、本考案によれば、検
出回路のパルス波の波高値を可変にする可変電圧印加手
段を波形整形回路の出力側と積分回路の入力側との間に
設け、該可変電圧印加手段から出力される直流電圧によ
って、磁歪シャフトにトルクが作用しないときの初期調
整時のパルス波の波高値をパルスデューティ比が５０％
となるように調整する。これにより、パルスデューティ
比を５０％にする初期調整を容易にことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本考案の実施例による磁歪式トルクセンサの検
出回路を示す回路構成図である。

【図２】実施例による初期調整時に波形整形回路からの
出力されるパルス波の波高値を調整する状態を示す説明
図である。

【図３】先行技術による磁歪式トルクセンサの構成図で
ある。

【図４】先行技術による磁歪式トルクセンサの検出回路
を示す回路構成図である。

【図５】トルクを加えた場合のトルクと波形整形回路か
らの出力されるパルスとの関係を示す特性線図である。

【図６】トルクと増幅回路から出力される直流電圧との
関係を示す特性線図である。

【符号の説明】

１ 磁歪シャフト ７，８ 検出コイル ９ 発振回路 ２３ 積分回路 ３１ 波形整形回路 ３５ 定電圧回路 ３７ 調整抵抗 Ｌ1 ，Ｌ2 自己インダクタンス ＶCO 外部電圧

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭60−44841（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−6129（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−154128（ＪＰ，Ａ)

Claims (1)

(57)【実用新案登録請求の範囲】
1. 【請求項１】 磁歪シャフトと、該磁歪シャフトの外周
   側に設けられた少なくとも一対の検出コイルと、該各検
   出コイルのインダクタンスの変化を電圧として出力する
   検出回路を備え、該検出回路は、各検出コイルからのイ
   ンダクタンスにより発振させてパルスに変換するマルチ
   バイブレータ式の発振回路と、該発振回路から出力され
   る発振パルスを一定波高値のパルス波に波形整形する波
   形整形回路と、該波形整形回路から出力されるパルス波
   を積分する積分回路とから構成してなる磁歪式トルクセ
   ンサにおいて、 前記波形整形回路の出力側と積分回路の入力側との間に
   前記パルス波の波高値を可変にする可変電圧印加手段を
   設け、 該可変電圧印加手段は前記磁歪シャフトにトルクが作用
   していない初期調整時にパルス波の波高値をパルスデュ
   ーティ比が５０％に相当する波高値に調整する直流電圧
   を印加する構成とした ことを特徴とする磁歪式トルクセ
   ンサ。