JP4222574B2 - 磁歪式トルクセンサ及びトルク検出方法 - Google Patents

磁歪式トルクセンサ及びトルク検出方法 Download PDF

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Description

本発明は、軸表面に生じる磁歪の逆効果を利用して回転軸や静止軸のトルクを検出する磁歪式トルクセンサ及びトルク検出方法に関する。
軸表面に生じる磁歪の逆効果を利用して回転軸や静止軸のトルクを検出する磁歪式トルクセンサが知られている。磁歪の逆効果とは、回転軸や静止軸にトルクが作用したとき、軸表面に引張り方向（例えば、＋４５°方向）及び圧縮方向（例えば、−４５°方向）の歪みが発生するのに伴い、引張り方向では透磁率が増加する一方、圧縮方向では透磁率が減少するという磁気的な歪み現象であり、磁歪式トルクセンサは、軸表面において第一方向（例えば、＋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と、軸表面において第二方向（例えば、−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とを備えて構成されている。
磁歪式トルクセンサには、検出コイルの違いなどから、複数の方式が存在する。例えば、検出コイルが巻かれた一対のＵ字コアを用いる方式（例えば、特許文献１参照）、８の字状に形成された一対の検出コイルを用いる方式（例えば、特許文献２参照）、波形状に形成された一対の検出コイルを用いる方式（例えば、特許文献３参照）、中空筒状に形成された一対の検出コイルを用いる方式などが提案されており、さらに、中空筒状の検出コイルを用いる方式には、軸表面にスリット、溝、薄膜などからなる磁気異方部を形成する方式（例えば、特許文献４、５参照）と、軸表面に磁気異方部を形成しない方式（例えば、特許文献６参照）とが含まれている。
特開２００１−１３３３３７号公報 特開平６−２２１９４０号公報 特開平６−２７３２４７号公報 特開平７−８３７６９号公報 特開平１１−３７８６３号公報 特開２００５−２０８００８号公報
しかしながら、従来の磁歪式トルクセンサでは、ブリッジ回路などを用いて、検出コイル間に生じる僅かな差動電圧を検出し、この差動電圧を増幅回路で増幅しているため、ノイズの影響を受けやすく、検出精度に限界があった。
なお、特許文献４、５に示される方式の磁歪式トルクセンサは、電動アシスト自転車のトルクアシストシステムなどにおいて実用化されているが、必要な検出精度を確保するために、軸表面に、溝、スリット、薄膜などで±４５°の縞模様（磁気異方部）を加工する必要があるので、これらの加工が許容されない回転軸や静止軸では適用が困難であった。
上記の如き実情に鑑み、これらの課題を解決することを目的として創作された本発明の磁歪式トルクセンサは、軸表面に生じる磁歪の逆効果を利用して回転軸及び／又は静止軸のトルクを検出する磁歪式トルクセンサであって、前記軸表面において第一方向の透磁率変化を検出すべく配置され、当該透磁率変化をインダクタンスの変化として検出する第一検出コイルと、前記軸表面において第二方向の透磁率変化を検出すべく配置され、当該透磁率変化をインダクタンスの変化として検出する第二検出コイルと、所定の基準周波数で自律的に発振すると共に、前記第一検出コイルのインダクタンス変化に応じて発振波に位相ズレを生じさせる第一発振回路と、所定の基準周波数で自律的に発振すると共に、前記第二検出コイルのインダクタンス変化に応じて発振波に位相ズレを生じさせる第二発振回路と、前記第一発振回路から出力される複数の発振波をカウントし、該カウント数が所定数Ｎに達したか否かを判断する発振波カウント処理を行い、該発振波カウント処理に要した時間にもとづいて、前記第一方向の透磁率変化を検出する第一方向透磁率検出手段と、前記第二発振回路から出力される複数の発振波をカウントし、該カウント数が所定数Ｎに達したか否かを判断する発振波カウント処理を行い、該発振波カウント処理に要した時間にもとづいて、前記第二方向の透磁率変化を検出する第二方向透磁率検出手段と、前記第一方向の透磁率と前記第二方向の透磁率との差分にもとづいて、前記回転軸及び／又は静止軸のトルクを検出するトルク検出手段とを備えることを特徴とする。このような磁歪式トルクセンサによれば、トルク検出精度を向上させることができる。つまり、上記のように構成された第一発振回路や第二発振回路から出力される発振波においては、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、発振波における位相ズレは、発振波の数だけ蓄積されるので、第一方向及び第二方向の透磁率変化を高精度に検出し、その差分から回転軸や静止軸のトルクを高精度に検出することが可能になる。また、発振回路から出力される発振波の数をカウントし、該カウント数が所定数Ｎに達したか否かを判断する発振波カウント処理を行い、該発振波カウント処理に要した時間にもとづいて蓄積された発振波の位相ズレ（透磁率変化）を測定するので、発振波の位相ズレ成分を安価なデジタル回路を用いて高精度に測定することができる。しかも、その分解能は、時間測定用のカウンタ速度により決まり、発振回路の基準周波数に依存しないので、検出対象に応じて発振回路の基準周波数を最適化しつつ、高分解能の応力検出を行うことができる。
また、前記第一検出コイル及び前記第二検出コイルは、軸表面における検出領域及び／又は検出方向を限定するために、軸表面との間で閉磁路を構成することを特徴とする。このような磁歪式トルクセンサによれば、軸表面における検出領域や検出方向を限定し、トルクの検出精度をさらに向上させることができる。つまり、本発明の磁歪式トルクセンサでは、トルクに応じた発振波の位相ズレを、発振波の数だけ蓄積して検出するので、発振波の位相ズレに含まれる誤差成分も蓄積されてしまうことになるが、軸表面における検出領域や検出方向を限定することにより、ＳＮ比を高めることができるので、蓄積される誤差成分を抑制し、検出精度を向上させることができる。また、検出コイル側で検出方向を限定することができるので、軸表面に、溝、スリット、薄膜などで縞模様を加工する必要がない。その結果、これらの加工が許容されない回転軸や静止軸であっても、本発明によるトルク検出の適用が可能となる。
また、前記第一検出コイル及び前記第二検出コイルは、高透磁率材料を用いて形成され、軸表面との間で閉磁路を構成するコアと、該コアに巻装されるコイルとを備えることを特徴とする。このような磁歪式トルクセンサによれば、閉磁路に生じる磁束密度を高めて、軸表面の透磁率変化を高精度に検出することができる。
また、前記第一発振回路は、直列又は並列に接続された複数の前記第一検出コイルを備え、前記第二発振回路は、直列又は並列に接続された複数の前記第二検出コイルを備えることを特徴とする。このような磁歪式トルクセンサによれば、第一検出コイル及び第二検出コイルを、それぞれ複数設けることにより、軸表面に存在する温度や材質のばらつき、さらには、検出コイルと軸表面との間のギャップ変動などを平均化することができるので、これらの誤差要因による検出精度の低下を回避できる。
また、複数の前記第一検出コイルと複数の前記第二検出コイルは、回転軸及び／又は静止軸の同一円周上に並び、かつ、前記第一検出コイルの検出領域と前記第二検出コイルの検出領域とが交互になるように配置されることを特徴とする。このような磁歪式トルクセンサによれば、軸表面の円周方向に存在する温度や材質のばらつき、さらには、検出コイルと軸表面との間のギャップ変動などを平均化することができるので、これらの誤差要因による検出精度の低下を回避できる。また、第一検出コイルの検出領域と第二検出コイルの検出領域とが交互になるようにしたので、第一検出コイルの検出領域と第二検出コイルの検出領域とのズレに起因する誤差の発生を抑制できるだけでなく、この誤差を軸の回転にもとづいて排除することができる。
また、複数の前記第一検出コイルと複数の前記第二検出コイルは、回転軸及び／又は静止軸の同一円周上に並び、かつ、前記第一検出コイルの検出領域と前記第二検出コイルの検出領域とが重なるように配置されることを特徴とする。このような磁歪式トルクセンサによれば、軸表面の円周方向に存在する温度や材質のばらつき、さらには、検出コイルと軸表面との間のギャップ変動などを平均化することができるので、これらの誤差要因による検出精度の低下を回避できる。また、第一検出コイルの検出領域と第二検出コイルの検出領域とが重なるようにしたので、第一検出コイルの検出領域と第二検出コイルの検出領域とのズレに起因する誤差の発生を防止することができる。
また、前記第一発振回路と前記第二発振回路は、相互干渉を避けるために、交互に駆動されることを特徴とする。このような磁歪式トルクセンサによれば、相互干渉による検出精度の低下を回避することができる。しかも、第一検出コイルの検出領域と第二検出コイルの検出領域を、相互干渉を考慮することなく、任意に設定することができるので、使用条件に応じた検出領域の最適化が容易となる。
また、一回の前記発振波カウント処理における前記発振波のカウント数Ｎを変更するカウント数変更手段を備えることを特徴とする。このような磁歪式トルクセンサによれば、使用条件に応じてカウント数Ｎを変更し、測定精度や応答性能を調整することができる。例えば、測定精度が優先される状況では、一回の検出処理におけるカウント数Ｎを増やし、また、応答性能が優先される状況では、一回の検出処理におけるカウント数Ｎを減らすことができる。
また、前記軸表面は、メッキ法により成膜された磁歪膜であることを特徴とする。このような磁歪式トルクセンサによれば、トルクに応じた磁歪膜における磁歪の逆効果にもとづいて、トルクを高精度に検出できるだけでなく、トルク検出におけるヒステリシスを抑えることができる。しかも、本発明の磁歪式トルクセンサでは、メッキ法により成膜された磁歪膜（例えば、ニッケルメッキ）であっても、十分な検出精度が得られるので、接着法、スパッタ法、真空蒸着法などでアモルファスなどの磁歪膜を形成する場合に比べ、大幅なコストダウンが図れるだけでなく、ニッケルメッキなどが施された既存の部材（樹脂を含む）を対象として、高精度なトルク検出を行うことができる。
また、本発明のトルク検出方法は、軸表面に生じる磁歪の逆効果を利用して回転軸及び／又は静止軸のトルクを検出するトルク検出方法であって、前記軸表面において第一方向の透磁率変化を検出すべく配置され、当該透磁率変化をインダクタンスの変化として検出する第一検出コイルと、前記軸表面において第二方向の透磁率変化を検出すべく配置され、当該透磁率変化をインダクタンスの変化として検出する第二検出コイルと、所定の基準周波数で自律的に発振すると共に、前記第一検出コイルのインダクタンス変化に応じて発振波に位相ズレを生じさせる第一発振回路と、所定の基準周波数で自律的に発振すると共に、前記第二検出コイルのインダクタンス変化に応じて発振波に位相ズレを生じさせる第二発振回路とが用いられ、前記第一発振回路から出力される複数の発振波をカウントし、該カウント数が所定数Ｎに達したか否かを判断する発振波カウント処理を行い、該発振波カウント処理に要した時間にもとづいて、前記第一方向の透磁率変化を検出し、前記第二発振回路から出力される複数の発振波をカウントし、該カウント数が所定数Ｎに達したか否かを判断する発振波カウント処理を行い、該発振波カウント処理に要した時間にもとづいて、前記第二方向の透磁率変化を検出し、前記第一方向の透磁率と前記第二方向の透磁率との差分にもとづいて、前記回転軸及び／又は静止軸のトルクを検出することを特徴とする。このようなトルク検出方法によれば、トルク検出精度を向上させることができる。つまり、上記のように構成された第一発振回路や第二発振回路から出力される発振波においては、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、発振波における位相ズレは、発振波の数だけ蓄積されるので、第一方向及び第二方向の透磁率変化を高精度に検出し、その差分から回転軸や静止軸のトルクを高精度に検出することが可能になる。また、発振回路から出力される発振波の数をカウントし、該カウント数が所定数Ｎに達したか否かを判断する発振波カウント処理を行い、該発振波カウント処理に要した時間にもとづいて蓄積された発振波の位相ズレ（透磁率変化）を測定するので、発振波の位相ズレ成分を安価なデジタル回路を用いて高精度に測定することができる。しかも、その分解能は、時間測定用のカウンタ速度により決まり、発振回路の基準周波数に依存しないので、検出対象に応じて発振回路の基準周波数を最適化しつつ、高分解能の応力検出を行うことができる。
また、前記第一検出コイル及び前記第二検出コイルは、軸表面における検出領域及び／又は検出方向を限定するために、軸表面との間で閉磁路を構成することを特徴とする。このようなトルク検出方法によれば、軸表面における検出領域や検出方向を限定し、トルクの検出精度をさらに向上させることができる。つまり、本発明のトルク検出方法では、トルクに応じた発振波の位相ズレを、発振波の数だけ蓄積して検出するので、発振波の位相ズレに含まれる誤差成分も蓄積されてしまうことになるが、軸表面における検出領域や検出方向を限定することにより、ＳＮ比を高めることができるので、蓄積される誤差成分を抑制し、検出精度を向上させることができる。また、検出コイル側で検出方向を限定することができるので、軸表面に、溝、スリット、薄膜などで縞模様を加工する必要がない。その結果、これらの加工が許容されない回転軸や静止軸であっても、本発明によるトルク検出の適用が可能となる。
また、前記第一検出コイル及び前記第二検出コイルは、高透磁率材料を用いて形成され、軸表面との間で閉磁路を構成するコアと、該コアに巻装されるコイルとを備えることを特徴とする。このようなトルク検出方法によれば、閉磁路に生じる磁束密度を高めて、軸表面の透磁率変化を高精度に検出することができる。
また、前記第一発振回路は、直列又は並列に接続された複数の前記第一検出コイルを備え、前記第二発振回路は、直列又は並列に接続された複数の前記第二検出コイルを備えることを特徴とする。このようなトルク検出方法によれば、第一検出コイル及び第二検出コイルを、それぞれ複数設けることにより、軸表面に存在する温度や材質のばらつき、さらには、検出コイルと軸表面との間のギャップ変動などを平均化することができるので、これらの誤差要因による検出精度の低下を回避できる。
また、複数の前記第一検出コイルと複数の前記第二検出コイルは、回転軸及び／又は静止軸の同一円周上に並び、かつ、前記第一検出コイルの検出領域と前記第二検出コイルの検出領域とが交互になるように配置されることを特徴とする。このようなトルク検出方法によれば、軸表面の円周方向に存在する温度や材質のばらつき、さらには、検出コイルと軸表面との間のギャップ変動などを平均化することができるので、これらの誤差要因による検出精度の低下を回避できる。また、第一検出コイルの検出領域と第二検出コイルの検出領域とが交互になるようにしたので、第一検出コイルの検出領域と第二検出コイルの検出領域とのズレに起因する誤差の発生を抑制できるだけでなく、この誤差を軸の回転にもとづいて排除することができる。
また、複数の前記第一検出コイルと複数の前記第二検出コイルは、回転軸及び／又は静止軸の同一円周上に並び、かつ、前記第一検出コイルの検出領域と前記第二検出コイルの検出領域とが重なるように配置されることを特徴とする。このようなトルク検出方法によれば、軸表面の円周方向に存在する温度や材質のばらつき、さらには、検出コイルと軸表面との間のギャップ変動などを平均化することができるので、これらの誤差要因による検出精度の低下を回避できる。また、第一検出コイルの検出領域と第二検出コイルの検出領域とが重なるようにしたので、第一検出コイルの検出領域と第二検出コイルの検出領域とのズレに起因する誤差の発生を防止することができる。
また、前記第一発振回路と前記第二発振回路は、相互干渉を避けるために、交互に駆動されることを特徴とする。このようなトルク検出方法によれば、相互干渉による検出精度の低下を回避することができる。しかも、第一検出コイルの検出領域と第二検出コイルの検出領域を、相互干渉を考慮することなく、任意に設定することができるので、使用条件に応じた検出領域の最適化が容易となる。
また、一回の前記発振波カウント処理における前記発振波のカウント数Ｎを変更することを特徴とする。このようなトルク検出方法によれば、使用条件に応じてカウント数Ｎを変更し、測定精度や応答性能を調整することができる。例えば、測定精度が優先される状況では、一回の検出処理におけるカウント数Ｎを増やし、また、応答性能が優先される状況では、一回の検出処理におけるカウント数Ｎを減らすことができる。
また、前記軸表面は、メッキ法により成膜された磁歪膜であることを特徴とする。このようなトルク検出方法によれば、トルクに応じた磁歪膜における磁歪の逆効果にもとづいて、トルクを高精度に検出できるだけでなく、トルク検出におけるヒステリシスを抑えることができる。しかも、本発明の磁歪式トルクセンサでは、メッキ法により成膜された磁歪膜（例えば、ニッケルメッキ）であっても、十分な検出精度が得られるので、接着法、スパッタ法、真空蒸着法などでアモルファスなどの磁歪膜を形成する場合に比べ、大幅なコストダウンが図れるだけでなく、ニッケルメッキなどが施された既存の部材（樹脂を含む）を対象として、高精度なトルク検出を行うことができる。
以上のような本発明によれば、トルク検出精度を向上させることができる。つまり、上記のように構成された第一発振回路や第二発振回路から出力される発振波においては、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、発振波における位相ズレは、発振波の数だけ蓄積されるので、第一方向及び第二方向の透磁率変化を高精度に検出し、その差分から回転軸や静止軸のトルクを高精度に検出することが可能になる。また、発振回路から出力される発振波の数をカウントし、該カウント数が所定数Ｎに達したか否かを判断する発振波カウント処理を行い、該発振波カウント処理に要した時間にもとづいて蓄積された発振波の位相ズレ（透磁率変化）を測定するので、発振波の位相ズレ成分を安価なデジタル回路を用いて高精度に測定することができる。しかも、その分解能は、時間測定用のカウンタ速度により決まり、発振回路の基準周波数に依存しないので、検出対象に応じて発振回路の基準周波数を最適化しつつ、高分解能の応力検出を行うことができる。
本発明の第一実施形態に係る磁歪式トルクセンサの構成を示すブロック図である。 発振波の位相ズレ蓄積作用（検出波形始端部を拡大）を示す説明図である。 発振波の位相ズレ蓄積作用（検出波形終端部を拡大）を示す説明図である。 検出回路におけるトルク検出処理の処理手順を示すフローチャートである。 検出回路における設定数変更処理の処理手順を示すフローチャートである。 検出回路における第一方向透磁率検出処理の処理手順を示すフローチャートである。 検出回路における第二方向透磁率検出処理の処理手順を示すフローチャートである。 本発明の第二実施形態に係る磁歪式トルクセンサの構成を示すブロック図である。 （Ａ）は検出コイルの第一の配置例を示す展開平面図、（Ｂ）は検出コイルの第一の配置例を示す側面図である。 （Ａ）は検出コイルの第二の配置例を示す展開平面図、（Ｂ）は検出コイルの第二の配置例を示す側面図である。
符号の説明
１、１１ 磁歪式トルクセンサ
２ 第一発振回路
３ 第二発振回路
４ 検出回路
Ｌ１ 第一検出コイル
Ｌ２ 第二検出コイル
Ｓ 回転軸
次に、本発明の実施形態について、図面に基づいて説明する。ただし、図面に示す波形には、実際の検出波形とシミュレーション波形が含まれる。
［第一実施形態］
図１は、本発明の第一実施形態に係る磁歪式トルクセンサの構成を示すブロック図である。この図に示される磁歪式トルクセンサ１は、軸表面に生じる磁歪の逆効果を利用して回転軸Ｓ（又は静止軸）のトルクを検出するものであり、第一検出コイルＬ１、第二検出コイルＬ２、第一発振回路２、第二発振回路３及び検出回路４を備えて構成されている。
第一検出コイルＬ１は、軸表面において第一方向（例えば、＋４５°方向）の透磁率変化を検出すべく配置され、当該透磁率変化をインダクタンスの変化として検出する。また、第二検出コイルＬ２は、軸表面において第二方向（例えば、−４５°方向）の透磁率変化を検出すべく配置され、当該透磁率変化をインダクタンスの変化として検出する。
本実施形態の検出コイルＬ１、Ｌ２は、軸表面における検出領域及び検出方向を限定するために、高透磁率材料を用いて形成されコアと、該コアに巻装されるコイルとを備えて構成されている。具体的には、フェライトからなるＵ字コア２ａ、３ａに、コイルを巻装して構成されており、Ｕ字コア２ａ、３ａの両端を軸表面に近接させることにより、軸表面との間で閉磁路を構成するようになっている。これにより、軸表面の限られた領域に第一方向及び第二方向の磁路を形成し、該磁路における透磁率変化を検出することが可能になる。
第一発振回路２は、所定の基準周波数で自律的に発振すると共に、第一検出コイルＬ１のインダクタンス変化に応じて発振波に位相ズレを生じさせるように構成される。また、第二発振回路３は、所定の基準周波数で自律的に発振すると共に、第二検出コイルＬ２のインダクタンス変化に応じて発振波に位相ズレを生じさせるように構成される。例えば、シュミット発振回路の帰還回路に検出コイルＬ１、Ｌ２を配置すれば、検出コイルＬ１、Ｌ２のインダクタンス変化に応じて発振波に位相ズレが生じる発振回路２、３を構成することができる。
シュミット発振回路は、シュミットインバータＩＮＶのヒステリシス特性を利用した発振回路であり、シュミットインバータＩＮＶと、シュミットインバータＩＮＶの入力側に接続されるコンデンサＣと、シュミットインバータＩＮＶの出力をシュミットインバータＩＮＶの入力側に帰還させる帰還回路と、この帰還回路に介在する抵抗要素とを備えて構成されている。
初期状態のシュミット発振回路では、コンデンサＣに電荷が溜まっていないため、コンデンサＣの両端の電圧は０Ｖとなっている。このとき、シュミットインバータＩＮＶは、入力側電圧ＶｉｎがＶＬ以下なので、出力がＨレベル（５Ｖ）となる。シュミットインバータＩＮＶの出力側電圧Ｖｏｕｔが５Ｖのときは、帰還回路２ａを介してシュミットインバータＩＮＶの入力側に電流が流れるので、コンデンサＣに電荷が徐々に溜まり、その両端の電圧が上昇する。そして、シュミットインバータＩＮＶの入力側電圧ＶｉｎがＶＨに達すると、シュミットインバータＩＮＶの出力がＬレベル（０Ｖ）に切換わる。シュミットインバータＩＮＶの出力側電圧Ｖｏｕｔが０Ｖになると、コンデンサＣが放電し、シュミットインバータＩＮＶの入力側電圧Ｖｉｎが徐々に降下する。そして、シュミットインバータＩＮＶの入力側電圧ＶｉｎがＶＬまで降下すると、シュミットインバータＩＮＶの出力がＨレベルに切換わる。
以上の動作の繰り返しにより、シュミットインバータＩＮＶの出力側から所定周波数の矩形波が得られる。そして、シュミット発振回路の発振周波数ｆ（＝１／Ｔ）は、蓄電期間ＴＨと放電期間ＴＬにより決まり、蓄電期間ＴＨと放電期間ＴＬは、コンデンサＣ及び抵抗要素の定数により決まる。したがって、抵抗要素として帰還回路に検出コイルＬ１、Ｌ２を配置すれば、検出コイルＬ１、Ｌ２のインダクタンス変化に応じてシュミット発振回路の発振波に位相ズレを生じさせることができる。
なお、本発明の発振回路がシュミット発振回路に限定されないことは勿論であり、検出コイルＬ１、Ｌ２のインダクタンス変化に応じて発振波に位相ズレを生じさせる発振回路であれば、ＣＲ発振回路、ＬＣ発振回路、水晶発振回路などを用いてもよい。
検出回路４は、例えば、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、Ｉ／Ｏ、比較器（コンパレータ）などが内蔵されたマイコン（１チップマイコン）を用いて構成され、ＲＯＭに書き込まれたプログラムに従って後述するトルク検出処理を行う。なお、検出回路４は、複数のマイコンで構成したり、一又は複数のＩＣで構成することもできる。
検出回路４は、第一発振回路２から出力される複数の発振波をカウントし、該カウント数が所定数Ｎに達したか否かを判断する発振波カウント処理を行い、該発振波カウント処理に要した時間にもとづいて、第一方向の透磁率変化を検出する第一方向透磁率検出手段と、第二発振回路３から出力される複数の発振波をカウントし、該カウント数が所定数Ｎに達したか否かを判断する発振波カウント処理を行い、該発振波カウント処理に要した時間にもとづいて、第二方向の透磁率変化を検出する第二方向透磁率検出手段と、第一方向の透磁率と第二方向の透磁率との差分にもとづいて、回転軸Ｓのトルクを検出するトルク検出手段とを備える。
このようにすると、磁歪式トルクセンサ１のトルク検出精度を向上させることができる。つまり、上記のように構成された第一発振回路２や第二発振回路３から出力される発振波においては、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、発振波における位相ズレは、発振波の数だけ蓄積されるので、第一方向及び第二方向の透磁率変化を高精度に検出し、その差分から回転軸Ｓのトルクを高精度に検出することが可能になる。また、発振回路２、３から出力される発振波の数をカウントし、該カウント数が所定数Ｎに達したか否かを判断する発振波カウント処理を行い、該発振波カウント処理に要した時間にもとづいて蓄積された発振波の位相ズレ（透磁率変化）を測定するので、発振波の位相ズレ成分を安価なデジタル回路を用いて高精度に測定することができる。しかも、その分解能は、時間測定用のカウンタ速度により決まり、発振回路２、３の基準周波数に依存しないので、検出対象に応じて発振回路２、３の基準周波数を最適化しつつ、高分解能の応力検出を行うことができる。
第一検出コイルＬ１及び第二検出コイルＬ２は、軸表面における検出領域及び検出方向を限定するために、軸表面との間で閉磁路を構成することが好ましい。つまり、本発明の磁歪式トルクセンサ１では、トルクに応じた発振波の位相ズレを、発振波の数だけ蓄積して検出するので、発振波の位相ズレに含まれる誤差成分も蓄積されてしまうことになるが、軸表面における検出領域や検出方向を限定することにより、ＳＮ比を高めることができるので、蓄積される誤差成分を抑制し、検出精度を向上させることができる。また、検出コイルＬ１、Ｌ２側で検出方向を限定することができるので、軸表面に、溝、スリット、薄膜などで縞模様を加工する必要がない。その結果、これらの加工が許容されない回転軸Ｓであっても、本発明によるトルク検出の適用が可能となる。
また、第一発振回路２と第二発振回路３は、相互干渉を避けるために、交互に駆動されることが好ましい。例えば、第二発振回路３の発振駆動を停止した状態で、第一発振回路２に係る発振波カウント処理を実行した後、第一発振回路２の発振駆動を停止した状態で、第二発振回路３に係る発振波カウント処理を実行しその後、各発振波カウント処理に要した測定時間の差分を求めるようにする。このようにすると、相互干渉による検出精度の低下を回避することができる。しかも、第一検出コイルＬ１の検出領域と第二検出コイルＬ２の検出領域を、相互干渉を考慮することなく、任意に設定することができるので、使用条件に応じた検出領域の最適化が容易となる。
磁歪式トルクセンサ１でトルクを検出する回転軸Ｓの軸表面は、メッキ法により成膜された磁歪膜５であることが好ましい。例えば、回転軸Ｓの一部又は全体の領域に、ニッケル合金からなる磁歪膜５を全周に亘ってメッキする。このようにすると、トルクに応じた磁歪膜５における磁歪の逆効果にもとづいて、トルクを高精度に検出できるだけでなく、トルク検出におけるヒステリシスを抑えることができる。しかも、本発明の磁歪式トルクセンサ１では、メッキ法により成膜された磁歪膜５であっても、十分な検出精度が得られるので、接着法、スパッタ法、真空蒸着法などでアモルファスなどの磁歪膜を形成する場合に比べ、大幅なコストダウンが図れるだけでなく、ニッケルメッキなどが施された既存の部材（樹脂を含む）を対象として、高精度なトルク検出を行うことができる。
次に、本発明における発振波の位相ズレ蓄積作用について、図２及び図３を参照して説明する。
図２は、発振波の位相ズレ蓄積作用（検出波形始端部を拡大）を示す説明図、図３は、発振波の位相ズレ蓄積作用（検出波形終端部を拡大）を示す説明図である。これらの図に示す波形は、一回の検出処理における発振回路２、３の出力波形であって、発振回路２、３から出力される発振波の数をカウントし、カウント数が所定数Ｎに達したか否かを判断する発振波カウント処理を行い、該発振波カウント処理に要した時間にもとづいて、蓄積された発振波の位相ズレを測定するにあたり、発振波カウント処理における発振波のカウント数Ｎを１００とした場合の波形であり、上側の波形は、回転軸Ｓにトルクを加えない場合を示し、下側の波形は、回転軸Ｓにトルクを加えた場合を示している。これらの図から明らかなように、検出波形の始端部、つまり発振波カウント処理における発振波のカウント数Ｎが少ない段階では、位相ズレがあまり蓄積されていないため、その差が明確ではないが（図２参照）、カウント数Ｎが多くなると、発振波の位相ズレが蓄積され、その差が明確になるので、位相ズレの測定が容易になることがわかる（図３参照）。そして、発振波の位相ズレは、回転軸Ｓに作用するトルクに比例して大きくなるので、発振波の位相ズレにもとづいて、回転軸Ｓに作用するトルクを高精度に測定することが可能になる。また、各発振回路２、３から出力される発振波の位相ズレは、磁歪の逆効果にもとづいて背反方向に現れるので、その差分にもとづいて回転軸Ｓのトルク量及びトルク極性を検出できるだけでなく、温度誤差や変位誤差が相殺された検出値を得ることができる。
次に、検出回路４の具体的な検出処理手順について、図４〜図７を参照して説明する。
図４に示すトルク検出処理（トルク検出手段）では、まず、初期設定（Ｓ１１：発振波カウント数Ｎの初期値設定を含む）を行った後、カウント数変更処理（Ｓ１２）、第一方向透磁率検出処理（Ｓ１３：第一方向透磁率検出手段）及び第二方向透磁率検出処理（Ｓ１４：第二方向透磁率検出手段）を順番に実行する。そして、透磁率検出処理（Ｓ１３、Ｓ１４）で得られた第一方向透磁率検出値と第二方向透磁率検出値の差分を演算すると共に（Ｓ１５）、演算した差分（トルク検出値）を所定の検出信号形式に変換して出力することにより（Ｓ１６）、一回のトルク検出処理が終了する。
図５に示すカウント数変更処理では、まず、カウント数変更信号の入力を判断し（Ｓ２１）、該判断結果がＹＥＳの場合は、カウント数変更信号に含まれる発振波カウント数Ｎを読み取り（Ｓ２２）、これに従って発振波カウント数Ｎを変更する（Ｓ２３）。
図６に示す第一方向透磁率検出処理では、第一発振回路２の駆動を開始した後（Ｓ３１）、カウンタクリア処理（Ｓ３２）と、発振波カウント処理（Ｓ３３、Ｓ３４）と、時間測定処理（Ｓ３５）を実行し、その後に第一発振回路２の駆動を停止させる（Ｓ３６）。カウンタクリア処理は、発振波カウンタ及び時間計測カウンタをクリアする処理である（Ｓ３２）。また、発振波カウント処理は、第一発振回路２から出力される発振波の数をカウントし（Ｓ３３）、該カウント数が所定数Ｎに達したか否かを判断する処理である（Ｓ３４）。また、時間測定処理は、発振波のカウント数がＮになったら、時間計測カウンタ値（第一方向透磁率検出値）を読み込む処理である（Ｓ３５）。
図７に示す第二方向透磁率検出処理では、第二発振回路３の駆動を開始した後（Ｓ４１）、カウンタクリア処理（Ｓ４２）と、発振波カウント処理（Ｓ４３、Ｓ４４）と、時間測定処理（Ｓ４５）を実行し、その後に第二発振回路３の駆動を停止させる（Ｓ４６）。カウンタクリア処理は、発振波カウンタ及び時間計測カウンタをクリアする処理である（Ｓ４２）。また、発振波カウント処理は、第二発振回路３から出力される発振波の数をカウントし（Ｓ４３）、該カウント数が所定数Ｎに達したか否かを判断する処理である（Ｓ４４）。また、時間測定処理は、発振波のカウント数がＮになったら、時間計測カウンタ値（第二方向透磁率検出値）を読み込む処理である（Ｓ４５）。
叙述の如く構成された本実施形態によれば、軸表面に生じる磁歪の逆効果を利用して回転軸Ｓのトルクを検出する磁歪式トルクセンサ１であって、軸表面において第一方向の透磁率変化を検出すべく配置され、当該透磁率変化をインダクタンスの変化として検出する第一検出コイルＬ１と、軸表面において第二方向の透磁率変化を検出すべく配置され、当該透磁率変化をインダクタンスの変化として検出する第二検出コイルＬ２と、所定の基準周波数で自律的に発振すると共に、第一検出コイルＬ１のインダクタンス変化に応じて発振波に位相ズレを生じさせる第一発振回路２と、所定の基準周波数で自律的に発振すると共に、第二検出コイルＬ２のインダクタンス変化に応じて発振波に位相ズレを生じさせる第二発振回路３と、第一発振回路２から出力される複数の発振波をカウントし、該カウント数が所定数Ｎに達したか否かを判断する発振波カウント処理を行い、該発振波カウント処理に要した時間にもとづいて、第一方向の透磁率変化を検出する第一方向透磁率検出手段と、第二発振回路３から出力される複数の発振波をカウントし、該カウント数が所定数Ｎに達したか否かを判断する発振波カウント処理を行い、該発振波カウント処理に要した時間にもとづいて、第二方向の透磁率変化を検出する第二方向透磁率検出手段と、第一方向の透磁率と第二方向の透磁率との差分にもとづいて、回転軸Ｓのトルクを検出するトルク検出手段とを備えるので、トルク検出精度を向上させることができる。
つまり、上記のように構成された第一発振回路２や第二発振回路３から出力される発振波においては、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、発振波における位相ズレは、発振波の数だけ蓄積されるので、第一方向及び第二方向の透磁率変化を高精度に検出し、その差分から回転軸Ｓのトルクを高精度に検出することが可能になる。また、発振回路２、３から出力される発振波の数をカウントし、該カウント数が所定数Ｎに達したか否かを判断する発振波カウント処理を行い、該発振波カウント処理に要した時間にもとづいて蓄積された発振波の位相ズレ（透磁率変化）を測定するので、発振波の位相ズレ成分を安価なデジタル回路を用いて高精度に測定することができる。しかも、その分解能は、時間測定用のカウンタ速度により決まり、発振回路２、３の基準周波数に依存しないので、検出対象に応じて発振回路２、３の基準周波数を最適化しつつ、高分解能の応力検出を行うことができる。
また、第一検出コイルＬ１及び第二検出コイルはＬ２、軸表面における検出領域及び検出方向を限定するために、軸表面との間で閉磁路を構成するので、トルクの検出精度をさらに向上させることができる。つまり、本発明の磁歪式トルクセンサ１では、トルクに応じた発振波の位相ズレを、発振波の数だけ蓄積して検出するので、発振波の位相ズレに含まれる誤差成分も蓄積されてしまうことになるが、軸表面における検出領域や検出方向を限定することにより、ＳＮ比を高めることができるので、蓄積される誤差成分を抑制し、検出精度を向上させることができる。また、検出コイルＬ１、Ｌ２側で検出方向を限定することができるので、軸表面に、溝、スリット、薄膜などで縞模様を加工する必要がない。その結果、これらの加工が許容されない回転軸や静止軸であっても、本発明によるトルク検出の適用が可能となる。
また、第一検出コイルＬ１及び第二検出コイルＬ２は、高透磁率材料を用いて形成され、軸表面との間で閉磁路を構成するコアと、該コアに巻装されるコイルとを備えるので、閉磁路に生じる磁束密度を高めて、軸表面の透磁率変化を高精度に検出することができる。
また、第一発振回路２と第二発振回路３は、相互干渉を避けるために、交互に駆動されるので、相互干渉による検出精度の低下を回避することができる。しかも、第一検出コイルＬ１の検出領域と第二検出コイルＬ２の検出領域を、相互干渉を考慮することなく、任意に設定することができるので、使用条件に応じた検出領域の最適化が容易となる。
また、一回の発振波カウント処理における発振波のカウント数Ｎを変更するカウント数変更手段を備えるので、使用条件に応じてカウント数Ｎを変更し、測定精度や応答性能を調整することができる。例えば、測定精度が優先される状況では、一回の検出処理におけるカウント数Ｎを増やし、また、応答性能が優先される状況では、一回の検出処理におけるカウント数Ｎを減らすことができる。
また、軸表面は、メッキ法により成膜された磁歪膜５であるため、トルクに応じた磁歪膜５における磁歪の逆効果にもとづいて、トルクを高精度に検出できるだけでなく、トルク検出におけるヒステリシスを抑えることができる。しかも、本発明の磁歪式トルクセンサ１では、メッキ法により成膜された磁歪膜（例えば、ニッケルメッキ）であっても、十分な検出精度が得られるので、接着法、スパッタ法、真空蒸着法などでアモルファスなどの磁歪膜を形成する場合に比べ、大幅なコストダウンが図れるだけでなく、ニッケルメッキなどが施された既存の部材（樹脂を含む）を対象として、高精度なトルク検出を行うことができる。
［第二実施形態］
つぎに、本発明の第二実施形態に係る磁歪式トルクセンサ１１について、図８〜図１０を参照して説明する。ただし、第一実施形態と共通の部分については、第一実施形態と同一符号を付し、第一実施形態の説明を援用する。
図８に示すように、第二実施形態に係る磁歪式トルクセンサ１１は、各発振回路２、３がそれぞれ複数の検出コイルＬ１、Ｌ２を備える点が第一実施形態と相違している。具体的に説明すると、第一発振回路２は、直列（又は並列）に接続された複数（例えば、４つ）の第一検出コイルＬ１を備え、第二発振回路３は、直列（又は並列）に接続された複数（例えば、４つ）の第二検出コイルＬ２を備える。このようにすると、第一検出コイルＬ１及び第二検出コイルＬ２を、軸表面にそれぞれ複数配置することにより、軸表面に存在する温度や材質のばらつき、さらには、検出コイルＬ１、Ｌ２と軸表面との間のギャップ変動などを平均化することができるので、これらの誤差要因による検出精度の低下を回避できる。
図９及び図１０に示すように、複数の第一検出コイルＬ１と複数の第二検出コイルＬ２は、回転軸Ｓの同一円周上に並ぶように配置することが好ましい。このようにすると、軸表面の円周方向に存在する温度や材質のばらつき、さらには、検出コイルＬ１、Ｌ２と軸表面との間のギャップ変動などを平均化することができるのだけでなく、軸方向に存在する温度勾配の影響を最小化し、これらの誤差要因による検出精度の低下を回避できる。なお、複数の第一検出コイルＬ１及び複数の第二検出コイルＬ２は、環状のボビンＢで所定の位置に保持される。ボビンＢは、一体型でも良いし、分割型であっても良い。
複数の第一検出コイルＬ１と複数の第二検出コイルＬ２を、回転軸Ｓの同一円周上に並ぶように配置する場合、図９に示すように、第一検出コイルＬ１の検出領域と第二検出コイルＬ２の検出領域とが交互になるような配置構成とすることができる。このようにすると、第一検出コイルＬ１の検出領域と第二検出コイルＬ２の検出領域とのズレに起因する誤差の発生を抑制できるだけでなく、この誤差を回転軸Ｓの回転にもとづいて排除することができる。
また、複数の第一検出コイルＬ１と複数の第二検出コイルＬ２を、回転軸Ｓの同一円周上に並ぶように配置する場合、図１０に示すように、第一検出コイルＬ１の検出領域と第二検出コイルＬ２の検出領域とが重なるような配置構成としてもよい。例えば、第一検出コイルＬ１と第二検出コイルＬ２の高さ寸法を相違させ、平面視で交差するように配置する。このようにすると、第一検出コイルＬ１の検出領域と第二検出コイルＬ２の検出領域とのズレに起因する誤差の発生を防止することができる。

Claims (18)

  1. 軸表面に生じる磁歪の逆効果を利用して回転軸及び／又は静止軸のトルクを検出する磁歪式トルクセンサであって、
    前記軸表面において第一方向の透磁率変化を検出すべく配置され、当該透磁率変化をインダクタンスの変化として検出する第一検出コイルと、
    前記軸表面において第二方向の透磁率変化を検出すべく配置され、当該透磁率変化をインダクタンスの変化として検出する第二検出コイルと、
    所定の基準周波数で自律的に発振すると共に、前記第一検出コイルのインダクタンス変化に応じて発振波に位相ズレを生じさせる第一発振回路と、
    所定の基準周波数で自律的に発振すると共に、前記第二検出コイルのインダクタンス変化に応じて発振波に位相ズレを生じさせる第二発振回路と、
    前記第一発振回路から出力される複数の発振波をカウントし、該カウント数が所定数Ｎに達したか否かを判断する発振波カウント処理を行い、該発振波カウント処理に要した時間にもとづいて、前記第一方向の透磁率変化を検出する第一方向透磁率検出手段と、
    前記第二発振回路から出力される複数の発振波をカウントし、該カウント数が所定数Ｎに達したか否かを判断する発振波カウント処理を行い、該発振波カウント処理に要した時間にもとづいて、前記第二方向の透磁率変化を検出する第二方向透磁率検出手段と、
    前記第一方向の透磁率と前記第二方向の透磁率との差分にもとづいて、前記回転軸及び／又は静止軸のトルクを検出するトルク検出手段と
    を備えることを特徴とする磁歪式トルクセンサ。
  2. 前記第一検出コイル及び前記第二検出コイルは、軸表面における検出領域及び／又は検出方向を限定するために、軸表面との間で閉磁路を構成することを特徴とする請求項１記載の磁歪式トルクセンサ。
  3. 前記第一検出コイル及び前記第二検出コイルは、高透磁率材料を用いて形成され、軸表面との間で閉磁路を構成するコアと、該コアに巻装されるコイルとを備えることを特徴とする請求項２記載の磁歪式トルクセンサ。
  4. 前記第一発振回路は、直列又は並列に接続された複数の前記第一検出コイルを備え、前記第二発振回路は、直列又は並列に接続された複数の前記第二検出コイルを備えることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の磁歪式トルクセンサ。
  5. 複数の前記第一検出コイルと複数の前記第二検出コイルは、回転軸及び／又は静止軸の同一円周上に並び、かつ、前記第一検出コイルの検出領域と前記第二検出コイルの検出領域とが交互になるように配置されることを特徴とする請求項４記載の磁歪式トルクセンサ。
  6. 複数の前記第一検出コイルと複数の前記第二検出コイルは、回転軸及び／又は静止軸の同一円周上に並び、かつ、前記第一検出コイルの検出領域と前記第二検出コイルの検出領域とが重なるように配置されることを特徴とする請求項４記載の磁歪式トルクセンサ。
  7. 前記第一発振回路と前記第二発振回路は、相互干渉を避けるために、交互に駆動されることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の磁歪式トルクセンサ。
  8. 一回の前記発振波カウント処理における前記発振波のカウント数Ｎを変更するカウント数変更手段を備えることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の磁歪式トルクセンサ。
  9. 前記軸表面は、メッキ法により成膜された磁歪膜であることを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載の磁歪式トルクセンサ。
  10. 軸表面に生じる磁歪の逆効果を利用して回転軸及び／又は静止軸のトルクを検出するトルク検出方法であって、
    前記軸表面において第一方向の透磁率変化を検出すべく配置され、当該透磁率変化をインダクタンスの変化として検出する第一検出コイルと、
    前記軸表面において第二方向の透磁率変化を検出すべく配置され、当該透磁率変化をインダクタンスの変化として検出する第二検出コイルと、
    所定の基準周波数で自律的に発振すると共に、前記第一検出コイルのインダクタンス変化に応じて発振波に位相ズレを生じさせる第一発振回路と、
    所定の基準周波数で自律的に発振すると共に、前記第二検出コイルのインダクタンス変化に応じて発振波に位相ズレを生じさせる第二発振回路とが用いられ、
    前記第一発振回路から出力される複数の発振波をカウントし、該カウント数が所定数Ｎに達したか否かを判断する発振波カウント処理を行い、該発振波カウント処理に要した時間にもとづいて、前記第一方向の透磁率変化を検出し、
    前記第二発振回路から出力される複数の発振波をカウントし、該カウント数が所定数Ｎに達したか否かを判断する発振波カウント処理を行い、該発振波カウント処理に要した時間にもとづいて、前記第二方向の透磁率変化を検出し、
    前記第一方向の透磁率と前記第二方向の透磁率との差分にもとづいて、前記回転軸及び／又は静止軸のトルクを検出する
    ことを特徴とするトルク検出方法。
  11. 前記第一検出コイル及び前記第二検出コイルは、軸表面における検出領域及び／又は検出方向を限定するために、軸表面との間で閉磁路を構成することを特徴とする請求項１０記載のトルク検出方法。
  12. 前記第一検出コイル及び前記第二検出コイルは、高透磁率材料を用いて形成され、軸表面との間で閉磁路を構成するコアと、該コアに巻装されるコイルとを備えることを特徴とする請求項１１記載のトルク検出方法。
  13. 前記第一発振回路は、直列又は並列に接続された複数の前記第一検出コイルを備え、前記第二発振回路は、直列又は並列に接続された複数の前記第二検出コイルを備えることを特徴とする請求項１０〜１２のいずれかに記載のトルク検出方法。
  14. 複数の前記第一検出コイルと複数の前記第二検出コイルは、回転軸及び／又は静止軸の同一円周上に並び、かつ、前記第一検出コイルの検出領域と前記第二検出コイルの検出領域とが交互になるように配置されることを特徴とする請求項１３記載のトルク検出方法。
  15. 複数の前記第一検出コイルと複数の前記第二検出コイルは、回転軸及び／又は静止軸の同一円周上に並び、かつ、前記第一検出コイルの検出領域と前記第二検出コイルの検出領域とが重なるように配置されることを特徴とする請求項１３記載のトルク検出方法。
  16. 前記第一発振回路と前記第二発振回路は、相互干渉を避けるために、交互に駆動されることを特徴とする請求項１０〜１５のいずれかに記載のトルク検出方法。
  17. 一回の前記発振波カウント処理における前記発振波のカウント数Ｎを変更することを特徴とする請求項１０〜１６のいずれかに記載のトルク検出方法。
  18. 前記軸表面は、メッキ法により成膜された磁歪膜であることを特徴とする請求項１０〜１７のいずれかに記載のトルク検出方法。
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