JP3252004B2 - 磁歪式トルクセンサ - Google Patents
磁歪式トルクセンサInfo
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- JP3252004B2 JP3252004B2 JP04429593A JP4429593A JP3252004B2 JP 3252004 B2 JP3252004 B2 JP 3252004B2 JP 04429593 A JP04429593 A JP 04429593A JP 4429593 A JP4429593 A JP 4429593A JP 3252004 B2 JP3252004 B2 JP 3252004B2
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、磁歪式トルクセンサに
関する。
関する。
【０００２】
【従来の技術】磁歪式トルクセンサには、トルク伝達軸
にアモルファス磁歪薄帯を接着材で固定しその応力に伴
う透磁率変化を利用するいわゆるソレノイドコイル型の
ものと、鋼軸の磁歪効果を直接利用するいわゆる磁気ヘ
ッド型のものとがある。前者は感度が高く高精度トルク
センサに向くが、装着容易性、耐久性の点で問題があ
り、後者は軸の磁気特性に直接依存するため精度上の問
題と、磁気ヘッドがＵ字形もしくはコの字形鉄心を必要
とするため構造、サイズの点で問題があった。後者の磁
気ヘッド型トルクセンサの問題を解決しようとして、一
対の８の字形コイルを直交配置して重ねて構成したコイ
ルを用いるトルクセンサが発表されている。（笹田、古
賀、原田：「磁心を用いない磁気ヘッド形トルクセン
サ」、第１６回日本応用磁気学会学術講演会概要集、７
ｐＤ−９、ｐ７５、１９９２年）これは、８の字コイル
の直線部分が鋼軸の軸方向に対し約±４５°になるよう
軸近傍に対向配置された一対のコイルの自己インダクタ
ンスが、トルク印加により一方では増加、他方では減少
することを利用して、ブリッジ回路によって電圧出力を
得るものである。小型、薄形化の点で大きく進歩した
が、自己インダクタンスの変化を見るため励磁、検出が
同一のコイルでなされ、電圧、電流レベルが相対的に大
きい励磁側回路と、５Ｖ程度の電圧で動作する検出側回
路間の電気的絶縁を取って同期整流等信号処理を容易に
するためにはブリッジ出力を更にトランスで分離する必
要があった。また、互いに重ねられた一対のコイル双方
に同時に６０ｋＨｚ前後の高周波励磁電流を流すため、
表皮効果と近接効果のため銅損が大きくなる問題があっ
た。
にアモルファス磁歪薄帯を接着材で固定しその応力に伴
う透磁率変化を利用するいわゆるソレノイドコイル型の
ものと、鋼軸の磁歪効果を直接利用するいわゆる磁気ヘ
ッド型のものとがある。前者は感度が高く高精度トルク
センサに向くが、装着容易性、耐久性の点で問題があ
り、後者は軸の磁気特性に直接依存するため精度上の問
題と、磁気ヘッドがＵ字形もしくはコの字形鉄心を必要
とするため構造、サイズの点で問題があった。後者の磁
気ヘッド型トルクセンサの問題を解決しようとして、一
対の８の字形コイルを直交配置して重ねて構成したコイ
ルを用いるトルクセンサが発表されている。（笹田、古
賀、原田：「磁心を用いない磁気ヘッド形トルクセン
サ」、第１６回日本応用磁気学会学術講演会概要集、７
ｐＤ−９、ｐ７５、１９９２年）これは、８の字コイル
の直線部分が鋼軸の軸方向に対し約±４５°になるよう
軸近傍に対向配置された一対のコイルの自己インダクタ
ンスが、トルク印加により一方では増加、他方では減少
することを利用して、ブリッジ回路によって電圧出力を
得るものである。小型、薄形化の点で大きく進歩した
が、自己インダクタンスの変化を見るため励磁、検出が
同一のコイルでなされ、電圧、電流レベルが相対的に大
きい励磁側回路と、５Ｖ程度の電圧で動作する検出側回
路間の電気的絶縁を取って同期整流等信号処理を容易に
するためにはブリッジ出力を更にトランスで分離する必
要があった。また、互いに重ねられた一対のコイル双方
に同時に６０ｋＨｚ前後の高周波励磁電流を流すため、
表皮効果と近接効果のため銅損が大きくなる問題があっ
た。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、上記磁気ヘ
ッド形トルクセンサの課題を解決するためのもので、一
対の８の字形コイルを直交配置し重ねて構成したコイル
を用いるトルクセンサの励磁側と検出側回路の電気的絶
縁を取ることを可能とすると共に、励磁電力を半減する
ことのできるトルクセンサを提供しようとするものであ
る。
ッド形トルクセンサの課題を解決するためのもので、一
対の８の字形コイルを直交配置し重ねて構成したコイル
を用いるトルクセンサの励磁側と検出側回路の電気的絶
縁を取ることを可能とすると共に、励磁電力を半減する
ことのできるトルクセンサを提供しようとするものであ
る。
【０００４】
【課題を解決するための手段】本発明の磁歪式トルクセ
ンサは、一対の８の字形コイルを直交配置し重ねて構成
したコイルを磁歪効果を有する軸表面近傍に対向配置
し、同コイルの一方を軸を交流磁化する励磁コイルとし
て、他方をトルクが引き起こす軸表面部位での±４５°
方向の透磁率差に対応した磁束を誘起電圧として検出す
るための検出コイルとして用いることを特徴とする。
ンサは、一対の８の字形コイルを直交配置し重ねて構成
したコイルを磁歪効果を有する軸表面近傍に対向配置
し、同コイルの一方を軸を交流磁化する励磁コイルとし
て、他方をトルクが引き起こす軸表面部位での±４５°
方向の透磁率差に対応した磁束を誘起電圧として検出す
るための検出コイルとして用いることを特徴とする。
【０００５】
【作用】本発明は、トルクによる軸表面部位の±４５°
方向の透磁率差を励磁コイルと検出コイル双方ヘ共通に
鎖交する交番磁束を介して検出するため、励磁コイル、
検出コイル間は電気的に結線する必要はなく、絶縁を取
ることができる。また、励磁電流は８の字コイルの一方
にしか流さないため、一対の８の字コイルの両方に励磁
電流を流してその自己インダクタンスの差を検出するよ
うにした従来の方式に対し、半分の電流で良い。このた
め励磁電力は半減する。
方向の透磁率差を励磁コイルと検出コイル双方ヘ共通に
鎖交する交番磁束を介して検出するため、励磁コイル、
検出コイル間は電気的に結線する必要はなく、絶縁を取
ることができる。また、励磁電流は８の字コイルの一方
にしか流さないため、一対の８の字コイルの両方に励磁
電流を流してその自己インダクタンスの差を検出するよ
うにした従来の方式に対し、半分の電流で良い。このた
め励磁電力は半減する。
【０００６】
【実施例】図１（Ａ）は、本発明のトルクセンサの主要
部分の構成を示す図、図１（Ｂ）は、８の字コイルが１
ターンと仮定した時励磁及び検出コイルを平行移動によ
り分離して示した図、図１（Ｃ）は、一対の各８の字コ
イルが複数ターンの時の重ね形を示す図、図２は、実施
例の動作原理を説明するための図、図３は励磁周波数を
パラメータとする感度の励磁電流依存性を実験した結果
の図、図４は、トルクセンサの入出力特性の実験結果を
示した図である。図中、１は励磁コイル２は検出コイ
ル、３は磁歪特性を持つトルク伝達軸（鋼軸）、４は励
磁電源である。
部分の構成を示す図、図１（Ｂ）は、８の字コイルが１
ターンと仮定した時励磁及び検出コイルを平行移動によ
り分離して示した図、図１（Ｃ）は、一対の各８の字コ
イルが複数ターンの時の重ね形を示す図、図２は、実施
例の動作原理を説明するための図、図３は励磁周波数を
パラメータとする感度の励磁電流依存性を実験した結果
の図、図４は、トルクセンサの入出力特性の実験結果を
示した図である。図中、１は励磁コイル２は検出コイ
ル、３は磁歪特性を持つトルク伝達軸（鋼軸）、４は励
磁電源である。
【０００７】まず、本発明のトルクセンサの構造につい
て説明する。図１（Ａ）には簡単のため巻数１の８の字
コイルを使用した場合を示している。重ね方は２つの８
の字コイルがほぼ同心になるようにし、一方は、他方に
対しほぼ９０°回転した配置とする。ここで、（ａ、
ｂ） 、（ｃ、ｄ）がそれぞれ８の字形励磁コイルの同
一コイル領域に属し、（ａ、ｃ）、（ｂ、ｄ）がそれぞ
れ８の字形検出コイルの同一コイル領域に属する。２つ
のコイルを横に平行にずらして示したのが図１（Ｂ）で
ある。図１（Ａ）のように、励磁コイルとして用いられ
る８の字コイルの直線部分が軸周方向にほぼ平行となる
ように対向配置する。あるいは、逆にその直線部分を軸
方向にほば平行となるよう対向位置してもよい。この場
合、当然検出コイルとして用いられる８の字コイルの直
線部分が軸周方向となる。
て説明する。図１（Ａ）には簡単のため巻数１の８の字
コイルを使用した場合を示している。重ね方は２つの８
の字コイルがほぼ同心になるようにし、一方は、他方に
対しほぼ９０°回転した配置とする。ここで、（ａ、
ｂ） 、（ｃ、ｄ）がそれぞれ８の字形励磁コイルの同
一コイル領域に属し、（ａ、ｃ）、（ｂ、ｄ）がそれぞ
れ８の字形検出コイルの同一コイル領域に属する。２つ
のコイルを横に平行にずらして示したのが図１（Ｂ）で
ある。図１（Ａ）のように、励磁コイルとして用いられ
る８の字コイルの直線部分が軸周方向にほぼ平行となる
ように対向配置する。あるいは、逆にその直線部分を軸
方向にほば平行となるよう対向位置してもよい。この場
合、当然検出コイルとして用いられる８の字コイルの直
線部分が軸周方向となる。
【０００８】次に、動作原理について説明する。トルク
伝達軸に図２（Ａ）のような向きにトルクＴが印加され
ると、同図のように軸に対し±４５°方向に応力が発生
する。軸の磁歪定数を正と仮定すれば、交番磁束は張力
方向に傾いて分布する。これをｅ、ｆの矢印で示す。逆
にトルクの方向が反転すると、図２（Ｂ）ｇ、ｈのよう
にその傾きも反転する。いま、磁束の軸方向成分を無視
し、軸周方向成分のみを考えるとｅでは下向き、ｇでは
上向きとなっていることがわかる。ここで、ｅ、ｇは図
２（Ｃ）の励磁電圧の同じ位相に対する磁束の向きを示
したものにほかならない。したがって、図２（Ａ）もし
くは（Ｂ）に図１（Ｂ）２の８の字コイルを同心状に重
ね検出コイルとして用いれば、磁束の軸方向成分は鎖交
せず軸周方向成分のみが鎖交するから、図２（Ｃ）に示
すように出力電圧はトルクの方向によって、励磁電圧と
同相もしくは逆相となる。またこの時、出力電圧の振幅
は印加トルクＴに比例する。したがって、励磁電圧の位
相を基準として、出力電圧を同期整流すれば、トルクの
大きさと方向を検出することができる。図１（Ｂ）２の
８の字コイルを励磁用コイルとして、１の８の字コイル
を検出用コイルとして用いても全く同様の結果を得るこ
とができる。
伝達軸に図２（Ａ）のような向きにトルクＴが印加され
ると、同図のように軸に対し±４５°方向に応力が発生
する。軸の磁歪定数を正と仮定すれば、交番磁束は張力
方向に傾いて分布する。これをｅ、ｆの矢印で示す。逆
にトルクの方向が反転すると、図２（Ｂ）ｇ、ｈのよう
にその傾きも反転する。いま、磁束の軸方向成分を無視
し、軸周方向成分のみを考えるとｅでは下向き、ｇでは
上向きとなっていることがわかる。ここで、ｅ、ｇは図
２（Ｃ）の励磁電圧の同じ位相に対する磁束の向きを示
したものにほかならない。したがって、図２（Ａ）もし
くは（Ｂ）に図１（Ｂ）２の８の字コイルを同心状に重
ね検出コイルとして用いれば、磁束の軸方向成分は鎖交
せず軸周方向成分のみが鎖交するから、図２（Ｃ）に示
すように出力電圧はトルクの方向によって、励磁電圧と
同相もしくは逆相となる。またこの時、出力電圧の振幅
は印加トルクＴに比例する。したがって、励磁電圧の位
相を基準として、出力電圧を同期整流すれば、トルクの
大きさと方向を検出することができる。図１（Ｂ）２の
８の字コイルを励磁用コイルとして、１の８の字コイル
を検出用コイルとして用いても全く同様の結果を得るこ
とができる。
【０００９】一般に鋼軸はやき入れされている場合が多
く、軸の保磁力が高くなって磁化力が足りないときは８
の字コイルの巻数を増やして対応することができる。こ
の場合の励磁コイル、検出コイルの重ね方の一例を示し
たのが図１（Ｃ）である。更に必要があれば軸に印加さ
れる励磁起磁力を増すため、図１（Ａ）のコイル１、２
の上から軟磁性板で作製した磁気ヨークを被せることが
できる。
く、軸の保磁力が高くなって磁化力が足りないときは８
の字コイルの巻数を増やして対応することができる。こ
の場合の励磁コイル、検出コイルの重ね方の一例を示し
たのが図１（Ｃ）である。更に必要があれば軸に印加さ
れる励磁起磁力を増すため、図１（Ａ）のコイル１、２
の上から軟磁性板で作製した磁気ヨークを被せることが
できる。
【００１０】次に、本方法によってトルクセンサを構成
し特性を実験によって調べた結果を図３、４に示す。ト
ルク伝達軸として用いた軸は、直径２５ｍｍの調質を行
ったＳＣＭ４１５（ビッカース硬度３１０）材である。
一対の８の字コイルは図１（Ｃ）に示す方法で作製し
た。外径は２０ｍｍ巻線数は各２５ターンとした。ま
た、これらの実験ではアライドシグナル社製のＭｅｔｇ
ｌａｓ２７０５Ｍアモルファス薄帯を複数枚重ねたヨー
クを使用した。図３には、励磁周波数をパラメータとし
た感度の励磁電流依存性を示している。これから励磁周
波数が高いほうが感度も高いことがわかる。励磁周波数
を高くすると励磁磁束が軸の極浅い表面部分のみを通過
するようになり、トルクにより生じる応力が最も大きく
なる部位と合致するため、感度も上昇する。しかし実際
には、導体の表皮効果や近接効果、軸における渦電流損
等のために高周波化には限度があり、無闇に高くする訳
には行かない。図４は、励磁電流０、４Ａ、及び０、８
Ａの時の入出力特性である。僅かに印加トルクの上昇時
と下降時にヒステリシスが見られるが線形性は良好であ
る。励磁電力は、励磁電流が０、８Ａの時約１Ｗ程度で
あった。
し特性を実験によって調べた結果を図３、４に示す。ト
ルク伝達軸として用いた軸は、直径２５ｍｍの調質を行
ったＳＣＭ４１５（ビッカース硬度３１０）材である。
一対の８の字コイルは図１（Ｃ）に示す方法で作製し
た。外径は２０ｍｍ巻線数は各２５ターンとした。ま
た、これらの実験ではアライドシグナル社製のＭｅｔｇ
ｌａｓ２７０５Ｍアモルファス薄帯を複数枚重ねたヨー
クを使用した。図３には、励磁周波数をパラメータとし
た感度の励磁電流依存性を示している。これから励磁周
波数が高いほうが感度も高いことがわかる。励磁周波数
を高くすると励磁磁束が軸の極浅い表面部分のみを通過
するようになり、トルクにより生じる応力が最も大きく
なる部位と合致するため、感度も上昇する。しかし実際
には、導体の表皮効果や近接効果、軸における渦電流損
等のために高周波化には限度があり、無闇に高くする訳
には行かない。図４は、励磁電流０、４Ａ、及び０、８
Ａの時の入出力特性である。僅かに印加トルクの上昇時
と下降時にヒステリシスが見られるが線形性は良好であ
る。励磁電力は、励磁電流が０、８Ａの時約１Ｗ程度で
あった。
【００１１】
【発明の効果】以上のように、本発明によれば小型薄形
な励磁検出コイルで磁気ヘッド形トルクセンサを実現す
ることができ、更に励磁回路側と信号処理回路側を電気
的に絶縁できるため回路構造が簡単となり、かつ励磁電
力を従来に比べ半減できる。
な励磁検出コイルで磁気ヘッド形トルクセンサを実現す
ることができ、更に励磁回路側と信号処理回路側を電気
的に絶縁できるため回路構造が簡単となり、かつ励磁電
力を従来に比べ半減できる。
【図１】 実施例のトルクセンサの主要部分の構成と多
巻線８の字形励磁、検出コイルの構成法を説明する図。
巻線８の字形励磁、検出コイルの構成法を説明する図。
【図２】 実施例の動作原理を説明するための図。
【図３】 励磁周波数をパラメータとする実施例のトル
クセンサ感度の励磁電流依存性について実験した結果を
示す図。
クセンサ感度の励磁電流依存性について実験した結果を
示す図。
【図４】 実施例のトルクセンサの入出力特性を実験し
た結果を示す図。
た結果を示す図。
１・・・８の字形励磁コイル、 ２・・・８の字形検出
コイル、 ３・・・トルク伝達軸（鋼軸）、４・・・交
流励磁電源。
コイル、 ３・・・トルク伝達軸（鋼軸）、４・・・交
流励磁電源。
Claims (1)
- 【請求項１】一対の８の字形コイルを互いに略直交に配
置し重ねて構成したコイルを用いる磁歪式トルクセンサ
において、前記一対の８の字形コイルの一方を励磁コイ
ル、他方を検出コイルとして用いて構成されることを特
徴とする磁歪式トルクセンサ。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP04429593A JP3252004B2 (ja) | 1993-01-24 | 1993-01-24 | 磁歪式トルクセンサ |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP04429593A JP3252004B2 (ja) | 1993-01-24 | 1993-01-24 | 磁歪式トルクセンサ |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH06221940A JPH06221940A (ja) | 1994-08-12 |
| JP3252004B2 true JP3252004B2 (ja) | 2002-01-28 |
Family
ID=12687523
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP04429593A Expired - Fee Related JP3252004B2 (ja) | 1993-01-24 | 1993-01-24 | 磁歪式トルクセンサ |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3252004B2 (ja) |
Families Citing this family (11)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP0651239A3 (en) * | 1993-10-29 | 1996-06-12 | Omron Tateisi Electronics Co | Magnetostrictive torque sensor, magnetostrictive torque measuring device and device for monitoring the state of a cutting tool using this sensor. |
| US6390230B1 (en) | 1999-10-06 | 2002-05-21 | Honda Giken Kogyo Kabushiki Kaisha | Electric power steering apparatus |
| DE10049548B4 (de) * | 1999-10-06 | 2007-03-22 | Honda Giken Kogyo K.K. | Elektrische Servolenkvorrichtung |
| US6543569B1 (en) | 1999-10-08 | 2003-04-08 | Honda Giken Kogyo Kabushiki Kaisha | Electric power steering apparatus |
| JP2001133337A (ja) | 1999-11-01 | 2001-05-18 | Honda Motor Co Ltd | 磁歪式トルクセンサ及び磁歪式トルクセンサを搭載した電動パワーステアリング装置 |
| JP2005208008A (ja) | 2004-01-26 | 2005-08-04 | Hitachi Ltd | トルクセンサ |
| JP4638713B2 (ja) * | 2004-10-29 | 2011-02-23 | 一郎 笹田 | センサ用コイル及びそれを用いた磁気センサ |
| JPWO2008081571A1 (ja) | 2007-01-02 | 2010-04-30 | 株式会社アヅマシステムズ | 金属状態検出装置及び金属状態検出方法 |
| KR100938597B1 (ko) * | 2008-03-25 | 2010-01-26 | 주식회사 트루윈 | 인덕턴스방식 광각 앵글센서의 신호처리기 및 신호처리방법 |
| KR100988573B1 (ko) * | 2008-09-22 | 2010-10-18 | 주식회사 트루윈 | 인덕티브형 조향축 광대역 앵글센싱시스템 |
| JP2022117292A (ja) | 2021-01-29 | 2022-08-10 | 日立金属株式会社 | 磁歪式トルクセンサ及び磁歪式トルクセンサ用磁性リングの厚さの設計方法 |
-
1993
- 1993-01-24 JP JP04429593A patent/JP3252004B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH06221940A (ja) | 1994-08-12 |
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Legal Events
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|---|---|---|---|
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Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
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