JP2608498B2 - 磁歪式トルクセンサ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、例えば自動車用エンジ
ンの出力軸トルク等を検出するのに用いて好適な磁歪式
トルクセンサに関し、特に、トルクの検出性能を向上で
きるようにした磁歪式トルクセンサに関する。

【０００２】

【従来の技術】自動変速機を備えたオートマチック車等
では、例えば自動変速機の変速タイミングを適正化する
目的でアウトプットシャフト等に磁歪式トルクセンサを
取付けることが提案されている。

【０００３】そこで、図４ないし図７にこの種の従来技
術による磁歪式トルクセンサを示す。

【０００４】図において、１はトルクセンサ本体を構成
するケーシングを示し、該ケーシング１は非磁性材料に
より段付筒状に形成され、自動変速機のケース（図示せ
ず）等に固定されるようになっている。２はケーシング
１内に軸受３，３を介して回転自在に配設された磁歪シ
ャフトを示し、該磁歪シャフト２はクロムモリブデン鋼
等の磁歪材料によって棒状に形成され、その両端側２
Ａ，２Ｂはケーシング１外に突出してアウトプットシャ
フトを構成している。また、該磁歪シャフト２の軸方向
中間部はケーシング１内に位置してスリット形成部２Ｃ
となり、該スリット形成部２Ｃの外周面には斜め下向き
に４５°、斜め上向きに４５°の角度をもってそれぞれ
スリット溝４，４，…、５，５，…が刻設されている。

【０００５】ここで、該各スリット溝４，５は磁歪シャ
フト２の軸方向に所定間隔をもって離間し、スリット形
成部２Ｃの外周面に全周に亘り等間隔をもって形成され
ている。そして、磁歪シャフト２のスリット形成部２Ｃ
には各スリット溝４間に第１の磁気異方性部６が形成さ
れると共に、各スリット５間に第２の磁気異方性部７が
形成され、これらの磁気異方性部６，７には表面磁界に
よる磁路が形成される。

【０００６】８はケーシング１の内周面に固着され、磁
歪シャフト２のスリット形成部２Ｃを径方向外側から取
囲んだコア部材を示し、該コア部材８は鉄等の磁性材料
により段付筒状に形成され、その内周側には後述の各コ
イル９，１０が配設されている。９，１０は磁歪シャフ
ト２の磁気異方性部６，７に径方向で対向した第１，第
２のコイルとしての励磁及び検出コイルを示し、該励磁
及び検出コイル９，１０はコア部材８の内周側にそれぞ
れコイルボビン（図示せず）を介して設けられ、後述の
発振器１２により交流電圧Ｖが印加されて励磁作用と検
出作用とを行う。また、該励磁及び検出コイル９，１０
は図５に示す如く自己インダクタンスＬ1 ，Ｌ2 を有
し、その鉄損および直流抵抗分はｒ1 ，ｒ2 となってい
る。

【０００７】次に、図５は磁歪式トルクセンサの検出回
路を示しており、この検出回路はブリッジ回路１１、交
流電圧印加手段としての発振器１２、差動増幅器１３、
同期検波処理回路１４等によって構成されている。ここ
で、ブリッジ回路１１は励磁及び検出コイル９，１０お
よび調整抵抗Ｒ，Ｒにより構成され、励磁及び検出コイ
ル９，１０間の接続点ａおよび調整抵抗Ｒ，Ｒ間の接続
点ｂは、例えば３０ＫＨz 程度の周波数ｆを有する交流
電圧Ｖの発振器１２と接続されている。また、励磁及び
検出コイル９，１０と調整抵抗Ｒ，Ｒとの接続点ｃ，ｄ
は差動増幅器１３の入力端子にそれぞれ接続され、励磁
及び検出コイル９，１０からの検出電圧Ｖ1 ，Ｖ2 を差
動増幅器１３に出力する。そして、差動増幅器１３の出
力端子１３Ａは発振器１２と共に同期検波処理回路１４
の入力側に接続され、該同期検波処理回路１４は差動増
幅器１３からの出力電圧Ｅ0 を発振器１２からの交流電
圧Ｖに同期させて整流し、直流の出力電圧Ｅを出力す
る。

【０００８】このように構成される従来技術の磁歪式ト
ルクセンサでは、発振器１２からの交流電圧Ｖ（図７参
照）を励磁及び検出コイル９，１０に印加すると、磁歪
シャフト２のスリット形成部２Ｃには各スリット溝４，
５間の磁気異方性部６，７に沿ってそれぞれ表面磁界に
よる磁路が形成される。この場合、図５に示す調整抵抗
Ｒは磁歪シャフト２に作用するトルクが零の状態で差動
増幅器１３からの出力電圧Ｅ0 が零となるように調整さ
れる。

【０００９】そして、この状態で磁歪シャフト２に図４
中の矢示Ｔ方向にトルクが作用すると、磁歪シャフト２
のスリット形成部２Ｃでは各スリット溝４間の磁気異方
性部６に沿って引張り応力＋σが作用し、各スリット溝
５間の磁気異方性部７に沿って圧縮応力−σが作用する
から、磁歪シャフト２に正の磁歪材を用いている場合、
磁気異方性部６では引張り応力＋σによって透磁率μが
増加し、磁気異方性部７では圧縮応力−σによって透磁
率μが減少する。

【００１０】これにより、磁歪シャフト２の磁気異方性
部６と対向配設された励磁及び検出コイル９は透磁率μ
の増加に基づき自己インダクタンスＬ1 が増大し、励磁
及び検出コイル９を流れる電流ｉ1 が減少する。一方、
磁気異方性部７と対向配設された励磁及び検出コイル１
０は透磁率μの減少に基づき自己インダクタンスＬ2が
減少し、励磁及び検出コイル１０を流れる電流ｉ2 が増
大する。この結果、励磁及び検出コイル９からの検出電
圧Ｖ1 は減少し、励磁及び検出コイル１０からの検出電
圧Ｖ2 は増大するので、差動増幅器１３では、

【００１１】

【数１】Ｅ0 ＝Ａ×（Ｖ1 −Ｖ2 ） 但し、 Ａ：増幅率 なる増幅が行われ、差動増幅器１３の出力端子１３Ａか
ら交流の出力電圧Ｅ0が同期検波処理回路１４へと出力
される。そして、該同期検波処理回路１４は発振器１２
からの交流電圧Ｖにより出力電圧Ｅ0 を同期検波処理し
て整流し、直流の出力電圧Ｅを磁歪シャフト２に作用す
るトルクに対応した検出信号として出力する。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上述した従
来技術では、発振器１２から励磁及び検出コイル９，１
０に印加する交流電圧Ｖが図７に示す如く、例えば３０
ＫＨz 程度の周波数ｆをもって正、負の電圧に反転して
いるから、励磁及び検出コイル９，１０の励磁方向も同
様に反転されるようになり、磁歪シャフト２の磁気異方
性部６，７に形成される磁路もその磁界の方向が図６に
示す如く矢示Ｂ1 ，Ｂ2 方向に交流電圧Ｖの周波数ｆと
同様に反転してしまう。

【００１３】このため従来技術では、磁歪シャフト２の
磁気異方性部６，７で相反する自発磁化が揃って磁気飽
和状態に達し易くなり、磁歪シャフト２に比較的小さな
トルクを作用させた場合でも、磁気異方性部６，７の磁
路（磁界）が早期に飽和状態となって、同期検波処理回
路１４からの出力電圧Ｅを前記トルクに対応した検出信
号として出力するのが困難になるという問題がある。

【００１４】また、他の従来技術として、例えば特開平
１−１８７４２４号公報では、磁歪効果を有する非晶質
磁性金属材によってシャフトを形成し、該シャフトの周
囲に複数のコイルを配設して交流電圧を印加すると共
に、永久磁石等の直流バイアス磁界を与える手段を設け
るようにしたトルクセンサが提案されている。そして、
この他の従来技術では、シャフトを構成する非晶質磁性
金属材に永久磁石等で直流バイアス磁界を与えることに
よって、外部磁界に応じてトルク検出性能が変化するの
を防止するようにしている。また、この場合、非晶質磁
性金属材の磁路が早期に飽和状態に達するのを永久磁石
等によって防止できる。

【００１５】しかし、この他の従来技術では、シャフト
の周囲に複数のコイルに加えて永久磁石等の直流バイア
ス磁界を与える手段を設けているから、トルクセンサの
ケーシングが大型化してしまい、全体をコンパクトに形
成して小型化を図ることができないという問題がある。

【００１６】本発明は上述した従来技術の問題に鑑みな
されたもので、本発明は磁歪シャフトに形成した磁気異
方性部で磁界が早期に飽和状態となるのを防止でき、磁
歪シャフトに比較的大きなトルクを作用させた場合でも
このトルクに対応した検出信号を出力できると共に、ト
ルク検出性能を向上でき、全体をコンパクトに形成でき
るようにした磁歪式トルクセンサを提供することを目的
としている。

【００１７】

【課題を解決するための手段】上述した課題を解決する
ために本発明が採用する構成の特徴は、第１、第２のコ
イルに正または負にシフトした交流電圧を印加すべく、
交流電圧印加手段に直流バイアス電源を直列接続したこ
とにある。

【００１８】

【作用】上記構成により、第１、第２のコイルに正また
は負にシフトした交流電圧を印加できるから、磁歪シャ
フトの磁気異方性部に常に同一方向の磁路を形成でき、
この磁気異方性部で相反する自発磁化が揃って磁気飽和
状態となるのを防止できる。また、直流バイアス電源は
交流電圧印加手段と共にケーシングの外部に配設でき、
ケーシングの径方向寸法を可及的に小さくすることがで
きる。

【００１９】

【実施例】以下、本発明の実施例を図１ないし図３に基
づき説明する。なお、実施例では前述した図４ないし図
６に示す従来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。

【００２０】図中、２１は励磁及び検出コイル９，１０
に交流電圧Ｖa を印加する交流電圧印加手段としての発
振器を示し、該発振器２１は従来技術で述べた発振器１
２とほぼ同様に、例えば３０ＫＨz 程度の周波数ｆをも
って交流電圧Ｖa を発振させているものの、該発振器２
１からの交流電圧Ｖa は後述する直流バイアス電源２２
からの直流電圧Ｖd により図２に示す如く正の交流電圧
Ｖa に設定されている。

【００２１】２２は発振器２１に直列接続された直流バ
イアス電源を示し、該直流バイアス電源２２は直流電圧
Ｖd を出力し、従来技術で述べた発振器１２と同様に発
振器２１から交流電圧Ｖが出力される場合に、励磁及び
検出コイル９，１０に印加される交流電圧Ｖａを、

【００２２】

【数２】Ｖa ＝Ｖ0sinωｔ＋Ｖd Ｖ ＝Ｖ0sinωｔ ｆ ＝ω／２π Ｖd ＞Ｖ0 なる関係に設定している。

【００２３】本実施例による磁歪式トルクセンサは上述
の如き構成を有するもので、その基本的動作については
従来技術によるものと格別差異はない。

【００２４】然るに本実施例では、発振器２１に直流バ
イアス電源２２を直列接続し、励磁及び検出コイル９，
１０に図２に示す如く正の交流電圧Ｖa を印加する構成
としたから、励磁及び検出コイル９，１０を常に同一方
向で励磁し続けることができ、磁歪シャフト２の磁気異
方性部６，７に形成される磁路（磁界）の方向を図３に
示す如く、例えば矢示Ｂ１方向で常に同一方向に設定で
きる。

【００２５】かくして、本実施例によれば、磁歪シャフ
ト２の磁気異方性部６，７で相反する自発磁化が揃って
磁気飽和状態に達するのを効果的に防止でき、同トルク
における感度を向上できると共に、磁歪シャフト２に比
較的広範囲のトルクを作用させた場合でも、このトルク
に対応した検出信号としての出力電圧Ｅを同期検波処理
回路１４から出力させることができる。

【００２６】また、当該磁歪式トルクセンサのケーシン
グ１外に設ける発振器２１に直流バイアス電源２２を直
列接続する構成であるから、前述した他の従来技術の如
くケーシング１内に永久磁石等を設ける必要がなく、ケ
ーシング１を小型化でき、該ケーシング１内にコア部材
８および励磁及び検出コイル９，１０等をコンパクトに
収容できる。

【００２７】従って本実施例では、直流バイアス電源２
２を追加するという簡単な構成でトルク検出性能を効果
的に向上でき、全体をコンパクトに形成できる等、種々
の効果を奏する。

【００２８】なお、前記実施例では、発振器２１とアー
スとの間で直流バイアス電源２２を直列接続するものと
して述べたが、これに替えて、発振器２１と励磁及び検
出コイル９，１０間の接続点ａとの間で直流バイアス電
源２２を直列接続するようにしてもよい。

【００２９】また、前記実施例では、励磁及び検出コイ
ル９，１０に正の交流電圧Ｖa を印加するものとして述
べたが、これに替えて、励磁及び検出コイル９，１０に
負の交流電圧を印加するようにしてもよく、この場合で
も前記実施例とほぼ同様の作用効果を得ることができ
る。

【００３０】

【発明の効果】以上詳述した通り本発明によれば、交流
電圧印加手段に直流バイアス電源を直列接続し、正また
は負にシフトした交流電圧を第１、第２のコイルに印加
する構成としたから、磁歪シャフトの各磁気異方性部に
形成される磁路（磁界）の方向を常に同一方向に設定で
き、磁歪シャフトに比較的広範囲のトルクを作用させた
場合でも、このトルクに対応した検出信号を出力でき、
同トルクにおいても感度向上が図れる。従って、直流バ
イアス電源を追加するという簡単な構成でトルク検出性
能を効果的に向上できる上に、全体をコンパクトに形成
でき、小型、軽量化を図りうる等、種々の効果を奏す
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例による磁歪式トルクセンサの検
出回路を示す電気回路図である。

【図２】励磁及び検出コイルに印加する交流電圧の特性
線図である。

【図３】磁歪シャフトの要部拡大図である。

【図４】従来技術による磁歪式トルクセンサの縦断面図
である。

【図５】図４に示す磁歪式トルクセンサの検出回路を示
す電気回路図である。

【図６】図４に示す磁歪シャフトの要部拡大図である。

【図７】励磁及び検出コイルに印加する交流電圧の特性
線図である。

【符号の説明】

１ ケーシング ２ 磁歪シャフト ４，５ スリット溝 ６，７ 磁気異方性部 ８ コア部材 ９，１０ 励磁及び検出コイル（コイル） ２１ 発振器（交流電圧印加手段） ２２ 直流バイアス電源

フロントページの続き (56)参考文献 特開 平１−187424（ＪＰ，Ａ) 特開 昭60−260821（ＪＰ，Ａ)

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 筒状のケーシングと、該ケーシング内に
   回転自在に配設され、軸方向に離間して外周側に第１、
   第２の磁気異方性部が形成された磁歪シャフトと、該磁
   歪シャフトの径方向外側に位置して前記ケーシング側に
   設けられ、前記第１、第２の磁気異方性部に径方向で対
   向した第１、第２のコイルと、前記ケーシングの外部に
   設けられ、該第１、第２のコイルに交流電圧を印加する
   交流電圧印加手段とからなる磁歪式トルクセンサにおい
   て、前記第１、第２のコイルに正または負にシフトした
   交流電圧を印加すべく、前記交流電圧印加手段に直流バ
   イアス電源を直列接続したことを特徴とする磁歪式トル
   クセンサ。