JP4337180B2 - 磁歪式トルクセンサ - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、温度補償機能を設けた磁歪式トルクセンサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、駆動装置、負荷装置等と接続して、装置本体の動力軸に発生するトルクを計測することが行われている。このトルクを測定するためのトルクセンサとして、パーマロイ（Ｆｅ−Ｎｉ）、センダスト（Ｆｅ−Ａｌ−Ｓｉ）等の磁歪材料に応力が印加されて、磁歪材料中に歪が生じると、その磁歪材料の透磁率が変化するという逆磁歪効果を用いた磁歪式トルクセンサが提案されている。
図８に磁歪式トルクセンサの概要構成図を示す。図８においては、交流信号源１０４によって励磁用コイル１０５ａ、１０５ｂが励磁されている。この状態で、トルク伝達軸１０１上にトルクが印加された場合、磁歪材で形成された磁気異方性部１０２ａ、１０２ｂがトルクによって歪を生じ、磁気異方性部１０２ａ、１０２ｂには歪に応じた透磁率の変化が生じることとなる。この透磁率の変化は、検出用コイルと励磁用コイル相互間の相互インダクタンスの変化をもたらし、結果として検出用コイル１０３ａ、１０３ｂで検出される信号（以下検出信号という）が変化することとなる。そして、この検出信号の差分を減算回路で求めることによってトルク伝達軸１０１に印加されたトルクのみを検出するのである。しかし、実際にトルク値の測定を行う際には、接続した駆動装置、負荷装置等から熱エネルギーが与えられトルク伝達軸１０１上に温度勾配が生じる場合が多い。このように、温度勾配が生じてしまうとトルク伝達軸１０１及び磁気異方性部１０２ａ、１０２ｂの透磁率及び電気抵抗等にも勾配が生じるため結果として検出信号に誤差を生じてしまう。また同時に、トルク測定時にトルク伝達軸１０１上に発生する温度勾配は励磁用コイル１０５ａ、１０５ｂのコイル抵抗を変化させる。このように、励磁用コイル１０５ａ、１０５ｂのコイル抵抗の変化が生じると励磁用コイル１０５ａ、１０５ｂに加わる励磁信号の電圧降下を招いてしまい、検出信号に誤差が生じるという問題もあった。
そこで、トルク伝達軸及びその上に設けられた磁気異方性部に生じる、温度勾配による誤差を補償するため、特許第２５６４０４９号等に記載の技術が提案されている。
【０００３】
図９に特許第２５６４０４９号記載の磁歪式トルクセンサの基本構成ブロック図を示す。具体的な構成は次の通りである。トルク伝達軸２０２上には長さ方向に、中心軸から４５゜の傾きを持って、等間隔で磁気異方性部２０３ａ、２０３ｂ、２０３ｃが順番に形成されている。ただし、磁気異方性部２０３ａのみが他の磁気異方性部２０３ａ、２０３ｂと逆方向に傾斜している。この磁気異方性部２０３ａ、２０３ｂ、２０３ｃの周囲には励磁用コイル２０１ａ、２０１ｂ、２０１ｃ及び検出用コイル２０４ａ、２０４ｂ、２０４ｃが設けられており、励磁用コイル２０１ａ、２０１ｂ、２０１ｃは励磁電流を供給するための交流電源２１１に接続されている。また検出用コイル２０４ａ、２０４ｂ、２０４ｃは、それぞれ整流フィルタ２０５ａ、２０５ｂ、２０５ｃの入力端子側に接続されている。また、整流フィルタ２０５ａ及び２０５ｂの出力端子側は、減算のための第一の減算回路２０６の入力端子側に接続されており、整流フィルタ２０５ｂ及び２０５ｃの出力端子側は、減算のための第二の減算回路２０７の入力端子側に接続されている。さらに、これら減算回路２０６と２０７の出力端子側は、減算のための第三の減算回路２０８の入力端子側に接続されている。一方、整流フィルタ２０５ａ及び２０５ｃの出力端子側は、加算のための加算回路２０９の入力端子側に接続されている。この加算回路２０９の出力側は、基準電圧Ｖとの比較のための差し引き点２１２に接続され、その比較結果がオートゲインコントローラ２１０に入力されるようになっている。このオートゲインコントローラ２１０の出力側は交流電源２１１に接続され、励磁用コイル２０１ａ、２０１ｂ、２０１ｃへ供給する電力を制御することが可能である。そして、トルク伝達軸２０２上に温度勾配が生じた場合に、検出用コイル２０４ａ、２０４ｂ、２０４ｃで生じた温度勾配によるトルク値の測定結果に対する誤差を演算回路での演算によって補償することが出来るようになっている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した特許第２５６４０４９号に記載の磁歪式トルクセンサでは、温度勾配によって生じる誤差を補償するため、励磁用コイル、検出用コイル及び磁気異方性部を少なくとも３箇所以上、設ける必要がある。このため、磁歪式トルクセンサがトルク伝達軸の軸長方向に長くなってしまうという問題がある。
また、図８に示した磁歪式トルクセンサを用いれば、磁歪式トルクセンサの小型化は行えるが、温度勾配による誤差を補償することは出来ない。
そこで、本発明は以上の事実に鑑み、磁歪式トルクセンサの小型化を図り、同時に温度勾配による誤差を補償す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。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明の請求項１に記載の磁歪式トルクセンサは、トルク伝達軸の外周面上に設けられた第１磁気異方性部及び第２磁気異方性部と、三種類以上の励磁周波数で励磁され、前記第１磁気異方性部における透磁率の変化を検出して検出信号を出力する第１検出用コイルと、前記三種類以上の励磁周波数で励磁され、前記第２磁気異方性部における透磁率の変化を検出して検出信号を出力する第２検出用コイルと、前記第１検出用コイルから出力される検出信号を前記励磁周波数毎に分離し、分離した前記三種類以上の励磁周波数の分離検出信号をそれぞれ出力する第１検出信号分離手段と、前記第２の検出用コイルから出力される検出信号を前記励磁周波数毎に分離し、分離した前記三種類以上の励磁周波数の分離検出信号をそれぞれ出力する第２検出信号分離手段と、前記第１及び第２検出信号分離手段によりそれぞれ出力された前記三種類以上の励磁周波数の分離検出信号から、前記トルク伝達軸に印加されたトルク値を演算するトルク値演算手段とを具備することを特徴とすることを特徴とする。
請求項２に記載の磁歪式トルクセンサは、請求項１に記載の特徴に加えて、前記三種類以上の励磁周波数に対応する励磁信号に基づいて、前記第１及び第２検出用コイルを前記三種類以上の励磁周波数で励磁する励磁用コイルを具備し、前記励磁用コイルの抵抗値が変化しても、前記励磁用コイルに供給する前記励磁信号の電流値を一定に保持するように制御することを特徴とする。
請求項３に記載の磁歪式トルクセンサは、請求項１または２に記載の特徴に加えて、前記トルク値演算手段は、前記第１検出信号分離手段により出力された前記三種類以上の励磁周波数の分離検出信号から前記第１磁気異方性部の温度を算出し、前記第２検出信号分離手段から出力された前記三種類以上の励磁周波数の分離検出信号から前記第２磁気異方性部の温度を算出して、算出した各温度から前記トルク伝達軸に印加されたトルク値を演算することを特徴とする。
請求項４に記載の磁歪式トルクセンサは、請求項１〜３のいずれかに記載の特徴に加えて、前記第１及び第２検出用コイルを取り囲むヨークを具備し、前記ヨークがフェライトを使用して形成されていることを特徴とする。
請求項５に記載の磁歪式トルクセンサは、請求項２に記載の特徴に加えて、前記第１及び第２検出用コイル、並びに前記励磁用コイルを取り囲むヨークを具備し、前記ヨークがフェライトを使用して形成されていることを特徴とする。
請求項６に記載の磁歪式トルクセンサは、トルク伝達軸の外周面上に設けられた磁気異方性部と、前記磁気異方性部における透磁率の変化を検出して検出信号を出力する検出用コイルと、前記検出用コイルを三種類以上の励磁周波数で励磁する励磁用コイルと、前記検出用コイル及び前記励磁用コイルを取り囲むヨークと、前記磁気異方性部を挟む位置に設けられ、前記トルク伝達軸を支持する軸受と、前記検出用コイルにより出力される検出信号を前記励磁周波数毎に分離し、分離した前記三種類以上の励磁周波数の分離検出信号をそれぞれ出力する検出信号分離手段と、前記検出信号分離手段により出力された前記三種類以上の励磁周波数の分離検出信号から、前記トルク伝達軸に印加されたトルク値を演算するトルク値演算手段とを具備し、前記磁気異方性部は、前記ヨーク及び前記軸受によって覆われていることを特徴とすることを特徴とする。
請求項７に記載の磁歪式トルクセンサは、請求項１〜６のいずれかに記載の特徴に加えて、前記トルク伝達軸の材料として非磁性の材料を用いたことを特徴とする。
請求項８に記載の磁歪式トルクセンサは、請求項１〜７のいずれかに記載の特徴に加えて、前記磁気異方性部の磁歪材料としてパーマロイを用いたことを特徴とする。
【０００６】
【発明の実施の形態】
[１] 第１実施形態
[１・１] 第１実施形態の構成
図１は本発明の第１実施形態に係る磁歪式トルクセンサの基本構成を示すブロック図である。図１において、この磁歪式トルクセンサは、センサ部１、励磁信号発生部２及び検出信号演算部３より構成されている。
【０００７】
図２はセンサ部１の基本構成を示す断面図である。図２において１６は円筒形状をしたセンサ部１のセンサケース本体である。また、センサ部１は、このセンサケース本体１６の長さ方向（紙面水平方向）の中心軸４ａと同一の中心軸を有し、センサケース本体１６を貫通するようなトルク伝達軸１４を有する。
このトルク伝達軸１４に用いる材料としては、非磁性であって且つ耐摩耗性を有し、引張強度、疲労強度の大きな材料が適している。このトルク伝達軸１４の材料としては、例えば、ＳＵＳ３０１、３０４等のオーステナイト系ステンレス鋼、チタニウム合金、ジュラルミン等が挙げられる。
【０００８】
センサケース本体１６に囲まれた、トルク伝達軸１４の外周面部分には、中心軸４ｂに対して左右対象に、磁歪材料からなる磁気異方性部１１ａ、１１ｂが設けられている。この場合において、磁気異方性部１１ａ、１１ｂの長手方向中心軸を含む平面４ｃ、４ｃ’（以下磁気異方性部平面４ｃ、４ｃ’という）とトルク伝達軸１４の中心軸４ａとは４５゜の角度を有するように設けられている。このとき、磁気異方性部平面４ｃ、４ｃ’は互いに直交するようにして「ハの字型」（シェブロン）を形成する。この磁気異方性部１１ａ、１１ｂに用いる磁歪材料には例えば、パーマロイ（Ｆｅ−Ｎｉ）、センダスト（Ｆｅ−Ａｌ−Ｓｉ）等があり、トルク伝達軸１４上に湿式メッキ法、スパッタリング法、プラズマ溶射法、イオンプレーティング法等の方法を用いて薄膜として形成されている。
【０００９】
また、トルク伝達軸１４は磁気異方性部１１ａ、１１ｂを挟むように設けられた、軸受１５ａ、１５ｂによって、回転が可能なようにセンサケース本体１６に支持されている。
この軸受１５ａ、１５ｂとしては摩擦抵抗を少なくするために、例えば、ボールベアリング等が用いられる。トルク伝達軸１４は、この軸受１５ａ、１５ｂによってセンサケース本体１６に回転可能に支持されているため、トルクを測定しようとする駆動装置、負荷装置等（図示せず）の駆動力を受けたとき回転運動を行うことが出来る。
【００１０】
センサケース本体１６の内部には、磁気異方性部１１ａ、１１ｂが形成されたトルク伝達軸１４の外周面上に、それぞれに対応して二つの励磁用コイル１２ａ、１２ｂが巻装されている。
この二つの励磁用コイル１２ａ、１２ｂの外周面上には、更に、それぞれに対応して二つの検出用コイル１２ｃ、１２ｄが巻装されている。ここで、励磁用コイル１２ａと検出用コイル１２ｃは磁気異方性部１１ａに対応しており、励磁用コイル１２ｂと検出用コイル１２ｄは磁気異方性部１１ｂに対応している。
【００１１】
また、センサケース本体１６内部には、励磁用コイル１２ａ、１２ｂ及び検出用コイル１２ｃ、１２ｄを囲むようにして、強磁性体で形成されたヨーク１３が磁界を整えるために設けられている。このヨーク１３に用いる材料としては、例えば、フェライト（ＭIIＯ・Ｆｅ2Ｏ3；ここで、ＭII＝Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｍｇ、Ｃｄである）等が挙げられる。
【００１２】
図３は、この磁歪式トルクセンサの機能構成を示すブロック図である。
図３において励磁用コイル１２ａ、１２ｂは直列に接続されており、更に、励磁信号発生部２内に設けられた発振回路２１ａ、２１ｂ、２１ｃと接続されている。発振回路２１ａ、２１ｂ、２１ｃは、それぞれ周波数ｆ1、ｆ2、ｆ3（ただしｆ1＜ｆ2＜ｆ3とする。）［Ｈｚ］の交流信号を励磁用コイル１２ａ、１２ｂに供給する交流信号発生源である。
また、この発振回路２１ａ、２１ｂ、２１ｃはトルク値の測定時にトルク伝達軸１４上に発生した温度勾配によって、励磁用コイルの抵抗値が変化しても、励磁信号の電流値を変化させないように制御されている。このように、電流値を一定とすることで発生磁束も一定となる。ここで周波数ｆ1、ｆ2、ｆ3は、それぞれ磁気双極子の反転が磁界ベクトルの反転に対し十分に追従できる条件に適合する周波数である。
【００１３】
一方、検出用コイル１２ｃは、周波数ｆ1近傍の周波数の信号を通過させるバンドパスフィルタ２２ａ、周波数ｆ2近傍の周波数の信号を通過させるバンドパスフィルタ２２ｂ、周波数ｆ3近傍の周波数の信号を通過させるバンドパスフィルタ２２ｃ、の入力端子側と接続されている。
また、検出用コイル１２ｄは周波数ｆ1近傍の周波数の信号を通過させるバンドパスフィルタ２２ｄ、周波数ｆ2近傍の周波数の信号を通過させるバンドパスフィルタ２２ｅ、周波数ｆ3近傍の周波数の信号を通過させるバンドパスフィルタ２２ｆ、の入力端子側と接続されている。
これらバンドパスフィルタ２２ａ、２２ｂ、２２ｃ、２２ｄ、２２ｅ、２２ｆによって、検出用コイル１２ｃ、１２ｄより出力された検出信号を、それぞれの周波数ｆ1、ｆ2、ｆ3の成分に分離することが可能となる。
【００１４】
このバンドパスフィルタ２２ａ、２２ｂ、２２ｃ、２２ｄ、２２ｅ、２２ｆの出力端子側は、周波数ｆ1、ｆ2、ｆ3の成分に分離された検出信号を全波整流或いは、半波整流を行う機能を有する整流回路２３ａ、２３ｂ、２３ｃ、２３ｄ、２３ｅ、２３ｆの入力端子側とそれぞれ接続されている。
【００１５】
また、この整流回路２３ａ、２３ｂ、２３ｃ、２３ｄ、２３ｅ、２３ｆの出力端子側は、ローパスフィルタ２４ａ、２４ｂ、２４ｃ、２４ｄ、２４ｅ、２４ｆの入力端子とそれぞれ接続されている。これらのローパスフィルタ２４ａ、２４ｂ、２４ｃ、２４ｄ、２４ｅ、２４ｆは、整流回路２３ａ、２３ｂ、２３ｃ、２３ｄ、２３ｅ、２３ｆから出力される検出信号の直流成分を透過させ、更に検出信号のノイズをカットする装置である。
【００１６】
このローパスフィルタ２４ａ、２４ｂ、２４ｃ、２４ｄ、２４ｅ、２４ｆの出力端子側は、増幅率調整回路２５ａ、２５ｂ、２５ｃ、２５ｄ、２５ｅ、２５ｆの入力端子側とそれぞれ接続されている。この増幅率調整回路２５ａ、２５ｂ、２５ｃ、２５ｄ、２５ｅ、２５ｆは、トルク伝達軸１４の温度が基準温度Ｔ0で均一であるときに、トルク伝達軸１４上に歪が生じていないという状況下で、ローパスフィルタ２４ａ、２４ｂ、２４ｃ、２４ｄ、２４ｅ、２４ｆから出力される検出信号の電圧をそれぞれＶ0に増幅するように初期設定がなされていると仮定する。この基準温度は、室温近傍（例えば２５℃）に設定することが望ましい。
【００１７】
また、増幅率調整回路２５ａ、２５ｂ、２５ｃの出力端子側は、加算演算回路２６ａの入力端子側と接続されている。また、増幅率調整回路２５ｄ、２５ｅ、２５ｆの出力端子側は、加算演算回路２６ａの入力端子側と接続されている。一方、加算演算回路２６ａの他の入力端子にはオフセット電圧発生回路２７ａが接続され、加算演算回路２６ｂの他の入力端子にはオフセット電圧発生回路２７ｂが接続されている。
このオフセット電圧発生回路２７ａ、２７ｂは、増幅率調整回路２５ａ、２５ｂ、２５ｃ、２５ｄ、２５ｅ、２５ｆからの信号に対して、誤差を制御すべく、オフセット電圧を加えるための装置である。
【００１８】
この加算演算回路２６ａ、２６ｂの出力端子及びローパスフィルタ２４ｂ、２４ｅの出力端子は、ＣＰＵ２８の入力端子に接続されている。このＣＰＵ２８は各種演算が可能なものであり、加算演算回路２６ａ、２６ｂ及びローパスフィルタ２４ｂ、２４ｅでの出力結果に応じて演算を行う装置である。
【００１９】
[１・２] 第１実施形態の動作
まず、図２において、トルク伝達軸１４にはトルクを計測しようとする駆動装置、負荷装置等が接続される。この接続された駆動装置、負荷装置等からトルクが印加されていない場合、トルク伝達軸１４上に設けられた一対の磁気異方性部１１ａ、１１ｂには歪が生じない。これに対し、接続された駆動装置、負荷装置からトルク伝達軸１４に対してトルクが印加されると、一対の磁気異方性部１１ａ、１１ｂには４５゜方向に引張及び圧縮の応力が加わる。これは前述したように、磁気異方性部平面４ｃ、４ｃ’がトルク伝達軸１４の中心軸４ａと４５゜の角度を有するように「ハの字型」に配置され、且つ、互いに直交しているためである（図２参照）。
【００２０】
次に、図３において、発振回路２１ａ、２１ｂ、２１ｃは、周波数ｆ1、ｆ2、ｆ3の合成した励磁信号を二つの励磁用コイル１２ａ、１２ｂに供給する。そして、二つの励磁用コイル１２ａ、１２ｂの励磁を行ったとき、二つの検出用コイル１２ｃ、１２ｄではインダクタンスに比例した検出信号が交流の信号として誘起される。この検出信号は周波数ｆ1、ｆ2、ｆ3の合成信号である。
この状態で、トルク伝達軸１４に対しトルクが印加されることによって、磁気異方性部１１ａ、１１ｂを形成する磁歪材に透磁率の変化が生じると、検出用コイル１２ｃ、１２ｄでの検出信号に変化が生じる。
【００２１】
検出用コイル１２ｃで検出された検出信号は、バンドパスフィルタ２２ａ、２２ｂ、２２ｃにより、それぞれの周波数ｆ1、ｆ2、ｆ3成分に分離される。各周波数ｆ1、ｆ2、ｆ3毎に分離された検出信号は、整流回路２３ａ、２３ｂ、２３ｃによって全波整流、或いは、半波整流され、ローパスフィルタ２４ａ、２４ｂ、２４ｃによって直流の信号（以下直流検出信号という）へと変換される。
この各周波数ｆ1、ｆ2、ｆ3毎の直流検出信号は、それぞれ増幅率調整回路２５ａ、２５ｂ、２５ｃで増幅率を調整された後、加算回路２６ａに入力される。また、加算回路２６ａに接続されたオフセット電圧発生回路２７ａからは、誤差を制御するためにオフセット電圧が供給される。この増幅率の調整及びオフセット電圧については、後に詳細を説明する。
【００２２】
同様に、検出用コイル１２ｄで検出された、合成交流信号もバンドパスフィルタ２２ｄ、２２ｅ、２２ｆで検波され、整流回路２３ｄ、２３ｅ、２３ｆ、ローパスフィルタ２４ｄ、２４ｅ、２４ｆを介して直流信号へと変換される。その後、増幅率調整回路２５ｄ、２５ｅ、２５ｆによって増幅され、加算回路２６ｂに入力される。また、加算回路２６ｂに接続されたオフセット電圧発生回路２７ｂからは、誤差の発生を制御するためにオフセット電圧が供給される。
【００２３】
この加算回路２６ａ、２６ｂでは各周波数ｆ1、ｆ2、ｆ3毎の直流検出信号の電圧値及びオフセット電圧の加算が行われるが、これについては後に詳細を説明する。
【００２４】
加算回路２６ａ、２６ｂで加算された信号とローパスフィルタ２４ｂ、２４ｅからの周波数ｆ2の直流検出信号は、ＣＰＵ２８によって各種演算が行われ、トルク信号２９として出力される。このＣＰＵ２８での各種処理についても後に詳細を説明する。
【００２５】
[１．３] 加算回路２６ａ、２６ｂ及びＣＰＵ２８で行われる演算
励磁用コイル１２ａに周波数ｆ1、ｆ2、ｆ3の励磁信号が加えられた状態で、トルク伝達軸１４にトルクτが印加されたとき、検出用コイル１２ｃで検出される検出信号がバンドパスフィルタ２２ａ、２２ｂ、２２ｃにより周波数ｆ1、ｆ2、ｆ3の成分に分離されたときを考える。このとき周波数ｆ1についての直流検出信号の電圧をＶA1とすると、このＶA1は以下の式で表される。
ＶA1＝Ｖ0＋ａA1・(ＴA−Ｔ0)＋ｂA1・τ＋ｃA1・τ・(ＴA−Ｔ0)………（１）
ここで、ａA1・(ＴA−Ｔ0)はトルクが印加されていない状態で磁気異方性部１１ａの温度がＴ0からＴAとなったときの直流検出信号の電圧変化分、ｂA1・τは基準温度Ｔ0でトルクτが印加されたときの直流検出信号の電圧変化分、ｃA1・τ・(ＴA−Ｔ0)は磁気異方性部１１ａの温度がＴ0からＴAに変化したときにトルクτが印加された時の直流検出信号の電圧変化分である。言い換えれば、ｂA1はセンサ感度であり、ｃA1はセンサ感度の温度依存性である。同様にして周波数ｆ2、ｆ3の直流検出信号の電圧をＶA2、ＶA3とすると、ＶA2及びＶA3は次式で表される。
ＶA2＝Ｖ0＋ａA2・(ＴA−Ｔ0)＋ｂA2・τ＋ｃA2・τ・(ＴA−Ｔ0)………（２）
ＶA3＝Ｖ0＋ａA3・(ＴA−Ｔ0)＋ｂA3・τ＋ｃA3・τ・(ＴA−Ｔ0)………（３）
このとき、ａAi、ｂAi、ｃAi（ｉ＝１〜３）の値は事前測定で求めておくことが出来き、更に、これらの値は、構成材料の電気特性、透磁率、逆磁歪特性等が周波数依存性を有するための各周波数に固有の値となると考えられる。ここで、式（１）〜（３）を以下の計算手順の通りに計算すると、式（４）〜（８）が得られる。
▲１▼（式（１）・ｃA2）−（式（２）・ｃA1）によってτ・(ＴA−Ｔ0)の項を削除して式（ａ１）とする。
▲２▼（式（２）・ｃA3）−（式（３）・ｃA2）によってτ・(ＴA−Ｔ0)の項を削除して式（ａ２）とする。
▲３▼（式（ａ１）・（ｂA2・ｃA3−ｃA2・ｂA3））−（式（ａ２）・（ｂA1・ｃA2−ｃA1 ・ｂA2）でτAの項を削除して
ＴA＝ＷA・ＶA1＋ＸA・ＶA2＋ＹA・ＶA3＋ＺA ………（４）
ただし、ＷA、ＸA、ＹA、ＺAは以下の式で表される。
ＷA＝ｃA2・（ｂA2・ｃA3−ｃA2・ｂA3）
／｛（ｂA2・ｃA3−ｃA2・ｂA3）（ａA1・ｃA2−ｃA1・ａA2）
−（ｂA1・ｃA2−ｃA1・ｂA2）（ａA2・ｃA3−ｃA2・ａA3）｝………（５）
ＸA＝−｛ｃA1・（ｂA2・ｃA3−ｃA2・ｂA3）
＋ｃA3・（ｂA1・ｃA2−ｃA1・ｂA2）｝
／｛（ｂA2・ｃA3−ｃA2・ｂA3）（ａA1・ｃA2−ｃA1・ａA2）
−（ｂA1・ｃA2−ｃA1・ｂA2）（ａA2・ｃA3−ｃA2・ａA3）｝………（６）
ＹA＝ｃA2・（ｂA1・ｃA2−ｃA1・ｂA2）
／｛（ｂA2・ｃA3−ｃA2・ｂA3）（ａA1・ｃA2−ｃA1・ａA2）
−（ｂA1・ｃA2−ｃA1・ｂA2）（ａA2・ｃA3−ｃA2・ａA3）｝………（７）
ＺA＝｛（ｃA1−ｃA2）（ｂA2・ｃA3−ｃA2・ｂA3）
−（ｃA2−ｃA3）（ｂA1・ｃA2−ｃA1・ｂA2）｝・Ｖ0
／｛（ｂA2・ｃA3−ｃA2・ｂA3）（ａA1・ｃA2−ｃA1・ａA2）
−（ｂA1・ｃA2−ｃA1・ｂA2）（ａA2・ｃA3−ｃA2・ａA3）｝………（８）
【００２６】
一方、もう一方の検出コイル１２ｂの直流検出信号は、磁気異方性部１１ａと１１ｂが互いに直交しているため、応力の値が正負逆転することとなる。このため周波数ｆiについての直流検出信号の電圧をＶBiは、磁気異方性部１１ｂでの温度をＴBとすると、次式で表される。
ＶBi＝Ｖ0＋ａBi・(ＴB−Ｔ0)−ｂBi・τ−ｃBi・τ・(ＴB−Ｔ0) ………（９）
ただし、ａBi、ｂBi、ｃBi（ｉ＝１〜３）の値は事前測定で求めておくことが出来る。従って、式（９）から温度ＴAと同様に温度ＴBを求めることが出来る。ＴB＝ＷB・ＶB1＋ＸB・ＶB2＋ＹB・ＶB3＋ＺB ………（１０）
また、ＷB、ＸB、ＹB、ＺBは以下の式で表される。
ＷB＝ｃB2・（ｂB2・ｃB3−ｃB2・ｂB3）
／｛（ｂB2・ｃB3−ｃB2・ｂB3）（ａB1・ｃB2−ｃB1・ａB2）
−（ｂB1・ｃB2−ｃB1・ｂB2）（ａB2・ｃB3−ｃB2・ａB3）｝………（１１）
ＸB＝−｛ｃB1・（ｂB2・ｃB3−ｃB2・ｂB3）
＋ｃB3・（ｂB1・ｃB2−ｃB1・ｂB2）｝
／｛（ｂB2・ｃB3−ｃB2・ｂB3）（ａB1・ｃB2−ｃB1・ａB2）
−（ｂB1・ｃB2−ｃB1・ｂB2）（ａB2・ｃB3−ｃB2・ａB3）｝………（１２）
ＹB＝ｃB2・（ｂB1・ｃB2−ｃB1・ｂB2）
／｛（ｂB2・ｃB3−ｃB2・ｂB3）（ａB1・ｃB2−ｃB1・ａB2）
−（ｂB1・ｃB2−ｃB1・ｂB2）（ａB2・ｃB3−ｃB2・ａB3）｝………（１３）
ＺB＝｛（ｃB1−ｃB2）（ｂB2・ｃB3−ｃB2・ｂB3）
−（ｃB2−ｃB3）（ｂB1・ｃB2−ｃB1・ｂB2）｝・Ｖ0
／｛（ｂB2・ｃB3−ｃB2・ｂB3）（ａB1・ｃB2−ｃB1・ａB2）
−（ｂB1・ｃB2−ｃB1・ｂB2）（ａB2・ｃB3−ｃB2・ａB3）｝………（１４）
【００２７】
つまり、加算回路２６a、２６ｂにおいては、式（４）、（１０）に従って、温度ＴA、ＴBが求められることとなる。ただし、先に増幅率調整回路２５ａ、２５ｂ、２５ｃ、２５ｄ、２５ｅ、２５ｆを基準温度でトルクの印加されていない状態でＶ0となるように調整すると仮定したが、実際には基準温度でトルクの印加されていない状態でＶ0・ＷA、Ｖ0・ＸA、Ｖ0・ＹA、Ｖ0・ＷB、Ｖ0・ＸB、Ｖ0・ＹBの出力となるように調整する必要がある。
このため、増幅率調整回路２５ａ、２５ｂ、２５ｃ、２５ｄ、２５ｅ、２５ｆでの出力は式（４）、（１０）のＷA・ＶA1、ＸA・ＶA2、ＹA・ＶA3、ＷB・ＶB1、ＸB・ＶB2、ＹB・ＶB3の項として加算回路２６ａ、２６ｂへ入力されることとなる。また、式（４）（１０）のＺA、ＺBの電圧値をオフセット電圧発生回路２７ａ、２７ｂで発生させなければならない。
【００２８】
これまでに求めた温度ＴA及びＴBと、任意の周波数の差からトルクτを求めることが出来る。例えば、周波数ｆ2を用いた場合、式（２）と式（９）の差をとってトルクτについて解くと次式が得られる。
τ＝｛ＶA2＋ＶB2＋ａA2・ＴA＋ａB2・ＴB2＋Ｔ0（ａA2−ａB2）｝
／｛ｃA2・（ＴA−Ｔ0）＋ｃB2・（ＴB−Ｔ0）＋（ｂA2＋ｂB2）｝………（１５）
つまり、ＣＰＵ２８では式（１５）に従って、トルクτが求められることとなる。ここでＶA2及びＶB2はＣＰＵ２８の入力端子側に接続された、ローパスフィルタ２４ｂ、２４ｅの出力端子側の出力結果に基づいている。
ＣＰＵ２８で演算される式（１５）は、トルク伝達軸１４上に発生した温度勾配についての誤差が補償されている。このため、ＣＰＵ２８からのトルク信号２９は、温度補償を成された値として得られることとなる。
【００２９】
なお、本実施形態においては、図３に示したようにＣＰＵ２８を用いたが、式（１５）を算出できるようなアナログ回路の組合せによっても構わない。
また、本実施形態においては励磁周波数として３つの周波数を用いているが、センサ感度の温度依存性を無視しても良い場合は、励磁周波数を２つの周波数とし、ｃA1、ｃA2、ｃB1、ｃB2を０として温度ＴA及びＴBを求め、更にトルクτについて解くことも可能となる。
また、トルク値の測定結果の精度向上のため正確に材料の非線形性等を考慮した場合、より高次の項が生じる可能性も有る。より高次の項が必要となった場合には、その分励磁周波数を増やし、式（４）→式（８）の算出方法と同じように計算することによって、より精度の高い測定値を得ることも可能となる。
【００３０】
このように、本実施形態に係る磁歪式トルクセンサによれば磁歪式トルクセンサの小型化を図り、同時に温度勾配による誤差を補償する磁歪式トルクセンサを提供することが可能となる。
【００３１】
[２] 第２実施形態
[２・１] 第２実施形態の構成
第２実施形態に係る磁歪式トルクセンサの基本構成を示すブロック図は、図１と同様である。つまり、本実施形態に示す磁歪式トルクセンサは、第１実施形態に示した磁歪式トルクセンサと同様のセンサ部１及び励磁電流供給装置２を有する。
【００３２】
図４は第２実施形態に係る磁歪式トルクセンサの機能構成を示すブロック図である。図４において、バンドパスフィルタ２２ａ、２２ｂ、２２ｃ、２２ｄ、２２ｅ、２２ｆ、整流回路２３ａ、２３ｂ、２３ｃ、２３ｄ、２３ｅ、２３ｆ、ローパスフィルタ２４ａ、２４ｂ、２４ｃ、２４ｄ、２４ｅ、２４ｆ、増幅率調整回路２５ａ、２５ｂ、２５ｃ、２５ｄ、２５ｅ、２５ｆ、加算演算回路２６ａ、２６ｂ，オフセット電圧発生回路２７ａ、２７ｂ，トルク信号２９は第１実施形態の図３に示したものと同様のものである。
【００３３】
第２実施形態の構成で「第１実施形態」と異なるのはＣＰＵ３０の入力端子側にローパスフィルタ２４ｂ、２４ｅの出力端子側が接続されていない点及び加算回路２６ａ、２６ｂで行われる加算結果及びＣＰＵ３０で行われる演算結果のみである。加算回路２６ａ、２６ｂで行われる加算及びＣＰＵ３０で行われる演算については後述する。
【００３４】
[２・２]第２実施形態の動作
第２実施形態の動作で「第１実施形態の動作」と異なるのは加算回路２６ａ、２６ｂで行われる加算及びＣＰＵ３０で行われる演算のみであるのでこれについて説明する。
【００３５】
励磁用コイル１２ａに周波数ｆ1、ｆ2、ｆ3、の励磁信号が加えられた状態で、トルク伝達軸１４にトルクτが印加されたとき、検出コイル１２ｃで検出される検出信号がバンドパスフィルタ２２ａ、２２ｂ、２２ｃで周波数ｆ1、ｆ2、ｆ3、の成分に分離されたときを考える。このとき増幅率調整回路２５ａ、２５ｂ、２５ｃからの直流検出信号の電圧をＶA1、ＶA2、ＶA3とする。このときＶA1、ＶA2、ＶA3は式（１）〜（３）以下の式で表される。ただし、第１実施形態と同様に、ある基準温度Ｔ0（例えば２５℃）でトルクを印加しないときの出力をＶ0と仮定する。また、ａAi、ｂAi、ｃAi（ｉ＝１〜３）の値は事前測定で求めておくことが出来る。
【００３６】
ここで、式（１）〜（３）を以下の手順で解くと次式となる。
▲１▼（式（１）・ｃA2）−（式（２）・ｃA1）によってτA・(ＴA−Ｔ0)の項を削除して式（ａ３）とする。
▲２▼（式（２）・ｃA3）−（式（３）・ｃA2）によってτA・(ＴA−Ｔ0)の項を削除して式（ａ４）とする。
▲３▼（式（ａ３）・（ａA2・ｃA3−ｃA2・ａA3））−（式（ａ４）・（ａA1・ｃA2−ａA2・ｃA1）でＴA−Ｔ0の項を削除する。
τ＝ＡA・ＶA1＋ＢA・ＶA2＋ＣA・ＶA3＋ＤA ………（１６）
ただし、ＡA、ＢA、ＣAは以下の式で表される。
ＡA＝ｃA2・（ａA2・ｃA3−ｃA2・ａA3）
／｛（ａA2・ｃA3−ｃA2・ａA3）（ｂA1・ｃA2−ｃA1・ｂA2）
−（ａA1・ｃA2−ｃA1・ａA2）（ｂA2・ｃA3−ｃA2・ｂA3）｝………（１７）
ＢA＝−｛ｃA1・（ａA2・ｃA3−ｃA2・ａA3）
＋ｃA3・（ａA1・ｃA2−ｃA1・ａA2）｝
／｛（ａA2・ｃA3−ｃA2・ａA3）（ｂA1・ｃA2−ｃA1・ｂA2）
−（ａA1・ｃA2−ｃA1・ａA2）（ｂA2・ｃA3−ｃA2・ｂA3）｝………（１８）
ＣA＝ｃA2・（ａA1・ｃA2−ｃA1・ａA2）
／｛（ａA2・ｃA3−ｃA2・ａA3）（ｂA1・ｃA2−ｃA1・ｂA2）
−（ａA1・ｃA2−ｃA1・ａA2）（ｂA2・ｃA3−ｃA2・ｂA3）｝
………（１９）ＤA＝｛（ｃA1−ｃA2）（ａA2・ｃA3−ｃA2・ａA3）
−（ｃA2−ｃA3）（ａA1・ｃA2−ｃA1・ａA2）｝・Ｖ0
／｛（ａA2・ｃA3−ｃA2・ａA3）（ｂA1・ｃA2−ｃA1・ｂA2）
−（ａA1・ｃA2−ｃA1・ａA2）（ｂA2・ｃA3−ｃA2・ｂA3）｝………（２０）
【００３７】
一方、もう一方の磁気異方性部１１ｂの直流出力は、式（９）で表されるので、同様にトルクτを求めることが出来る。
τ＝ＡB・ＶB1＋ＢB・ＶB2＋ＣB・ＶB3＋ＤB ………（２１）
【００３８】
式（１６）（２１）においては、その式中に温度のパラメータは存在しなく、温度変化によって生じる誤差は吸収できることとなる。ただし、先に増幅率調整回路２５ａ、２５ｂ、２５ｃ、２５ｄ、２５ｅ、２５ｆを基準温度でトルクの印加されていない状態でＶ0となるように調整すると仮定したが、実際には基準温度でトルクの印加されていない状態でＶ0・ＡA、Ｖ0・ＢA、Ｖ0・ＣA、Ｖ0・ＡB、Ｖ0・ＢB、Ｖ0・ＣBの出力となるように調整する必要がある。このため、増幅率調整回路２５ａ、２５ｂ、２５ｃ、２５ｄ、２５ｅ、２５ｆでの出力は、式（１６）、（２１）のＡA・ＶA1、ＢA・ＶA2、ＣA・ＶA3、ＡB・ＶB1、ＢB・ＶB2、ＣB・ＶB3の項として加算回路２６ａ、２６ｂへ入力されることとなる。また、式（１６）（２１）のＤA、ＤBの電圧値をオフセット電圧発生回路２７ａ、２７ｂで発生させなければならない。
【００３９】
このようにして、ＣＰＵ３０で加算回路２６ａ、２６ｂで演算処理が行われたトルクτの検出結果の平均値を取ることで誤差を少なくすることが可能となる。
【００４０】
なお、本実施形態においては、図４に示したようにＣＰＵ３０を用いたが、加算回路２６ａ、２６ｂで演算処理が行われたトルクτの検出結果の平均値を算出できるようなアナログ回路の組合せによっても構わない。
また、本実施形態においては励磁周波数として３つの周波数を用いているが、センサ感度の温度依存性を無視しても良い場合は、励磁周波数を２周波数とし、ｃA1、ｃA2、ｃB1、ｃB2を０としてトルクτを求めることも可能となる。
更に、トルク値の測定結果の精度向上のため正確に材料の非線形性等を考慮した場合、より高次の項が生じる可能性も有る。より高次の項が必要となった場合には、その分励磁周波数を増やし、式（１６）→式（２０）の算出方法と同じように計算することによって、より精度の高い測定値を得ることも可能となる。
【００４１】
[３] 第３実施形態
[３・１] 第３実施形態の構成
図５は第３実施形態に係る磁歪式トルクセンサの基本構成を示すブロック図である。本実施形態に示す磁歪式トルクセンサは、第２実施形態に示した磁歪式トルクセンサと同様、センサ部１０、励磁電流発生部２及び検出信号演算部５より構成されている。図５において、励磁電流発生部２は第１実施形態の図１に示したものと同様のものである。
【００４２】
図６はセンサ部１０の基本構成を示す断面図である。図６において、センサケース本体１６、トルク伝達軸１４、トルク伝達軸用軸受１５ａ、１５ｂ、磁気異方性部１１ａ、励磁用コイル１２ａ、検出用コイル１２ｃ、ヨーク１３は第１実施形態のセンサ部１を示した図２と同様のものである。
【００４３】
次に、図７は第３実施形態に係る磁歪式トルクセンサの機能構成を示すブロック図である。図７において、発振回路２１ａ、２１ｂ、２１ｃ、バンドパスフィルタ２２ａ、２２ｂ、２２ｃ、整流回路２３ａ、２３ｂ、２３ｃ、ローパスフィルタ２４ａ、２４ｂ、２４ｃ、増幅率調整回路２５ａ、２５ｂ、２５ｃ、加算演算回路２６ａ、オフセット電圧発生回路２７ａ、トルク信号２９は第１実施形態の図３に示したものと同様のものである。
【００４４】
図６に示すように、第３実施形態に係る磁歪式トルクセンサは、第２実施形態に示したトルクセンサを磁気異方性部を１１ａの一箇所だけとして、それに伴い検出用コイルを１２ｃ、励磁用コイルを１２ａのそれぞれ一箇所づつとした構成を有している。また、検出用コイルを１２ｃの一箇所にしたことに伴い、検出信号演算部の回路を片側だけとし、加算演算回路２６ａの出力をそのままトルク信号２９として用いた構成を有している。
【００４５】
[３・２] 第３実施形態の動作
本実施形態の動作で「第２実施形態の動作」と異なるのはＣＰＵ３０で行われる演算のみであるのでこれについて説明する。
【００４６】
ここで、加算回路２６ａで行われる演算は式（１６）と同様にして行われる。また、式（１６）においては、その式中に温度のパラメータは存在しなく、温度変化によって生じる誤差は吸収できるため、第２実施形態に示したトルクセンサの磁気異方性部を１１ａの一箇所だけとして、加算演算回路２６ａの出力をそのままトルク信号２９として用いた場合でも、センサ部４の温度変動に対する補償行うことが可能となる。ただし、先に増幅率調整回路２５ａ、２５ｂ、２５ｃを基準温度でトルクの印加されていない状態でＶ0となるように調整すると仮定したが、実際には基準温度でトルクの印加されていない状態でＶ0・ＡA、Ｖ0・ＢA、Ｖ0・ＣAの出力となるように調整する必要がある。このため、増幅率調整回路２５ａ、２５ｂ、２５ｃでの出力は、式（１６）のＡA・ＶA1、ＢA・ＶA2、ＣA・ＶA3の項として加算回路２６ａへ入力されることとなる。また、式（１６）のＤAの電圧値をオフセット電圧発生回路２７ａで発生させなければならない。
【００４７】
本実施形態においては励磁周波数として３つの周波数を用いているが、センサ感度の温度依存性を無視しても良い場合は、励磁周波数を２周波数とし、ｃA1、ｃA2を０としてトルクτを求めることも可能となる。
更に、トルク値の測定結果の精度向上のため正確に材料の非線形性等を考慮した場合、より高次の項が生じる可能性も有る。より高次の項が必要となった場合には、その分励磁周波数を増やし、式（１６）→式（２０）の算出方法と同じように計算することによって、より精度の高い測定値を得ることも可能となる。
【００４８】
このようにして、加算回路２６ａで演算処理が行われたトルクτを用いれば第２実施形態と同様に温度補償をすることが可能となり第２実施形態に示す磁歪式トルクセンサよりも更に小さな磁歪式トルクセンサで温度補償をすることが可能となる。
【００４９】
[４] 他の実施形態
本発明においては、以上述べてきたように式（１５）、（１６）、（２１）に基づいてトルク値の測定を行っている。しかし、本発明はこれに限られず、少なくとも２つ以上の周波数で励磁することによってトルク測定が行えるものならば、どのようなものでも構わない。
【００５０】
【発明の効果】
以上述べてきたように、本発明の磁歪式トルクセンサによれば少なくとも２つの励磁周波数を用いることによって、センサ部に生じた温度変動を補償することが可能となる。また、本発明の磁歪式トルクセンサによればセンサ部自体の規模を小さくすることが可能となるため、小型の磁歪式トルクセンサを提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 第１実施形態に係る磁歪式トルクセンサの基本構成を示すブロック図である。
【図２】 第１実施形態に係るセンサ部の基本構成を示す断面図である。
【図３】 第１実施形態に係る磁歪式トルクセンサの機能構成を示すブロック図である。
【図４】 第２実施形態に係る磁歪式トルクセンサの機能構成を示すブロック図である。
【図５】 第３実施形態に係る磁歪式トルクセンサの基本構成を示すブロック図である。
【図６】 第３実施形態に係るセンサ部の基本構成を示す断面図である。
【図７】 第３実施形態に係る磁歪式トルクセンサの機能構成を示すブロック図である。
【図８】 従来の磁歪式トルクセンサの基本構成を示すブロック図である。
【図９】 特許２５６４０４９号公報に記載の磁歪式トルクセンサの基本構成を示すブロック図である。
【符号の説明】
１…センサ部、１１ａ、ｂ…磁気異方性部、１２ａ、ｂ…励磁用コイル、
１２ｃ、ｄ…検出用コイル、１３…ヨーク、１４…トルク伝達軸、
１５ａ、ｂ…軸受、２１ａ、ｂ、ｃ…発振回路、
２２ａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅ、ｆ…バンドパスフィルタ
２３ａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅ、ｆ…整流回路
２４ａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅ、ｆ…ローパスフィルタ
２５ａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅ、ｆ…増幅率調整回路
２６ａ、ｂ…加算演算回路、２７ａ、ｂ…オフセット電圧発生回路
２８…ＣＰＵ
【発明の属する技術分野】
この発明は、温度補償機能を設けた磁歪式トルクセンサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、駆動装置、負荷装置等と接続して、装置本体の動力軸に発生するトルクを計測することが行われている。このトルクを測定するためのトルクセンサとして、パーマロイ（Ｆｅ−Ｎｉ）、センダスト（Ｆｅ−Ａｌ−Ｓｉ）等の磁歪材料に応力が印加されて、磁歪材料中に歪が生じると、その磁歪材料の透磁率が変化するという逆磁歪効果を用いた磁歪式トルクセンサが提案されている。
図８に磁歪式トルクセンサの概要構成図を示す。図８においては、交流信号源１０４によって励磁用コイル１０５ａ、１０５ｂが励磁されている。この状態で、トルク伝達軸１０１上にトルクが印加された場合、磁歪材で形成された磁気異方性部１０２ａ、１０２ｂがトルクによって歪を生じ、磁気異方性部１０２ａ、１０２ｂには歪に応じた透磁率の変化が生じることとなる。この透磁率の変化は、検出用コイルと励磁用コイル相互間の相互インダクタンスの変化をもたらし、結果として検出用コイル１０３ａ、１０３ｂで検出される信号（以下検出信号という）が変化することとなる。そして、この検出信号の差分を減算回路で求めることによってトルク伝達軸１０１に印加されたトルクのみを検出するのである。しかし、実際にトルク値の測定を行う際には、接続した駆動装置、負荷装置等から熱エネルギーが与えられトルク伝達軸１０１上に温度勾配が生じる場合が多い。このように、温度勾配が生じてしまうとトルク伝達軸１０１及び磁気異方性部１０２ａ、１０２ｂの透磁率及び電気抵抗等にも勾配が生じるため結果として検出信号に誤差を生じてしまう。また同時に、トルク測定時にトルク伝達軸１０１上に発生する温度勾配は励磁用コイル１０５ａ、１０５ｂのコイル抵抗を変化させる。このように、励磁用コイル１０５ａ、１０５ｂのコイル抵抗の変化が生じると励磁用コイル１０５ａ、１０５ｂに加わる励磁信号の電圧降下を招いてしまい、検出信号に誤差が生じるという問題もあった。
そこで、トルク伝達軸及びその上に設けられた磁気異方性部に生じる、温度勾配による誤差を補償するため、特許第２５６４０４９号等に記載の技術が提案されている。
【０００３】
図９に特許第２５６４０４９号記載の磁歪式トルクセンサの基本構成ブロック図を示す。具体的な構成は次の通りである。トルク伝達軸２０２上には長さ方向に、中心軸から４５゜の傾きを持って、等間隔で磁気異方性部２０３ａ、２０３ｂ、２０３ｃが順番に形成されている。ただし、磁気異方性部２０３ａのみが他の磁気異方性部２０３ａ、２０３ｂと逆方向に傾斜している。この磁気異方性部２０３ａ、２０３ｂ、２０３ｃの周囲には励磁用コイル２０１ａ、２０１ｂ、２０１ｃ及び検出用コイル２０４ａ、２０４ｂ、２０４ｃが設けられており、励磁用コイル２０１ａ、２０１ｂ、２０１ｃは励磁電流を供給するための交流電源２１１に接続されている。また検出用コイル２０４ａ、２０４ｂ、２０４ｃは、それぞれ整流フィルタ２０５ａ、２０５ｂ、２０５ｃの入力端子側に接続されている。また、整流フィルタ２０５ａ及び２０５ｂの出力端子側は、減算のための第一の減算回路２０６の入力端子側に接続されており、整流フィルタ２０５ｂ及び２０５ｃの出力端子側は、減算のための第二の減算回路２０７の入力端子側に接続されている。さらに、これら減算回路２０６と２０７の出力端子側は、減算のための第三の減算回路２０８の入力端子側に接続されている。一方、整流フィルタ２０５ａ及び２０５ｃの出力端子側は、加算のための加算回路２０９の入力端子側に接続されている。この加算回路２０９の出力側は、基準電圧Ｖとの比較のための差し引き点２１２に接続され、その比較結果がオートゲインコントローラ２１０に入力されるようになっている。このオートゲインコントローラ２１０の出力側は交流電源２１１に接続され、励磁用コイル２０１ａ、２０１ｂ、２０１ｃへ供給する電力を制御することが可能である。そして、トルク伝達軸２０２上に温度勾配が生じた場合に、検出用コイル２０４ａ、２０４ｂ、２０４ｃで生じた温度勾配によるトルク値の測定結果に対する誤差を演算回路での演算によって補償することが出来るようになっている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した特許第２５６４０４９号に記載の磁歪式トルクセンサでは、温度勾配によって生じる誤差を補償するため、励磁用コイル、検出用コイル及び磁気異方性部を少なくとも３箇所以上、設ける必要がある。このため、磁歪式トルクセンサがトルク伝達軸の軸長方向に長くなってしまうという問題がある。
また、図８に示した磁歪式トルクセンサを用いれば、磁歪式トルクセンサの小型化は行えるが、温度勾配による誤差を補償することは出来ない。
そこで、本発明は以上の事実に鑑み、磁歪式トルクセンサの小型化を図り、同時に温度勾配による誤差を補償す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。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明の請求項１に記載の磁歪式トルクセンサは、トルク伝達軸の外周面上に設けられた第１磁気異方性部及び第２磁気異方性部と、三種類以上の励磁周波数で励磁され、前記第１磁気異方性部における透磁率の変化を検出して検出信号を出力する第１検出用コイルと、前記三種類以上の励磁周波数で励磁され、前記第２磁気異方性部における透磁率の変化を検出して検出信号を出力する第２検出用コイルと、前記第１検出用コイルから出力される検出信号を前記励磁周波数毎に分離し、分離した前記三種類以上の励磁周波数の分離検出信号をそれぞれ出力する第１検出信号分離手段と、前記第２の検出用コイルから出力される検出信号を前記励磁周波数毎に分離し、分離した前記三種類以上の励磁周波数の分離検出信号をそれぞれ出力する第２検出信号分離手段と、前記第１及び第２検出信号分離手段によりそれぞれ出力された前記三種類以上の励磁周波数の分離検出信号から、前記トルク伝達軸に印加されたトルク値を演算するトルク値演算手段とを具備することを特徴とすることを特徴とする。
請求項２に記載の磁歪式トルクセンサは、請求項１に記載の特徴に加えて、前記三種類以上の励磁周波数に対応する励磁信号に基づいて、前記第１及び第２検出用コイルを前記三種類以上の励磁周波数で励磁する励磁用コイルを具備し、前記励磁用コイルの抵抗値が変化しても、前記励磁用コイルに供給する前記励磁信号の電流値を一定に保持するように制御することを特徴とする。
請求項３に記載の磁歪式トルクセンサは、請求項１または２に記載の特徴に加えて、前記トルク値演算手段は、前記第１検出信号分離手段により出力された前記三種類以上の励磁周波数の分離検出信号から前記第１磁気異方性部の温度を算出し、前記第２検出信号分離手段から出力された前記三種類以上の励磁周波数の分離検出信号から前記第２磁気異方性部の温度を算出して、算出した各温度から前記トルク伝達軸に印加されたトルク値を演算することを特徴とする。
請求項４に記載の磁歪式トルクセンサは、請求項１〜３のいずれかに記載の特徴に加えて、前記第１及び第２検出用コイルを取り囲むヨークを具備し、前記ヨークがフェライトを使用して形成されていることを特徴とする。
請求項５に記載の磁歪式トルクセンサは、請求項２に記載の特徴に加えて、前記第１及び第２検出用コイル、並びに前記励磁用コイルを取り囲むヨークを具備し、前記ヨークがフェライトを使用して形成されていることを特徴とする。
請求項６に記載の磁歪式トルクセンサは、トルク伝達軸の外周面上に設けられた磁気異方性部と、前記磁気異方性部における透磁率の変化を検出して検出信号を出力する検出用コイルと、前記検出用コイルを三種類以上の励磁周波数で励磁する励磁用コイルと、前記検出用コイル及び前記励磁用コイルを取り囲むヨークと、前記磁気異方性部を挟む位置に設けられ、前記トルク伝達軸を支持する軸受と、前記検出用コイルにより出力される検出信号を前記励磁周波数毎に分離し、分離した前記三種類以上の励磁周波数の分離検出信号をそれぞれ出力する検出信号分離手段と、前記検出信号分離手段により出力された前記三種類以上の励磁周波数の分離検出信号から、前記トルク伝達軸に印加されたトルク値を演算するトルク値演算手段とを具備し、前記磁気異方性部は、前記ヨーク及び前記軸受によって覆われていることを特徴とすることを特徴とする。
請求項７に記載の磁歪式トルクセンサは、請求項１〜６のいずれかに記載の特徴に加えて、前記トルク伝達軸の材料として非磁性の材料を用いたことを特徴とする。
請求項８に記載の磁歪式トルクセンサは、請求項１〜７のいずれかに記載の特徴に加えて、前記磁気異方性部の磁歪材料としてパーマロイを用いたことを特徴とする。
【０００６】
【発明の実施の形態】
[１] 第１実施形態
[１・１] 第１実施形態の構成
図１は本発明の第１実施形態に係る磁歪式トルクセンサの基本構成を示すブロック図である。図１において、この磁歪式トルクセンサは、センサ部１、励磁信号発生部２及び検出信号演算部３より構成されている。
【０００７】
図２はセンサ部１の基本構成を示す断面図である。図２において１６は円筒形状をしたセンサ部１のセンサケース本体である。また、センサ部１は、このセンサケース本体１６の長さ方向（紙面水平方向）の中心軸４ａと同一の中心軸を有し、センサケース本体１６を貫通するようなトルク伝達軸１４を有する。
このトルク伝達軸１４に用いる材料としては、非磁性であって且つ耐摩耗性を有し、引張強度、疲労強度の大きな材料が適している。このトルク伝達軸１４の材料としては、例えば、ＳＵＳ３０１、３０４等のオーステナイト系ステンレス鋼、チタニウム合金、ジュラルミン等が挙げられる。
【０００８】
センサケース本体１６に囲まれた、トルク伝達軸１４の外周面部分には、中心軸４ｂに対して左右対象に、磁歪材料からなる磁気異方性部１１ａ、１１ｂが設けられている。この場合において、磁気異方性部１１ａ、１１ｂの長手方向中心軸を含む平面４ｃ、４ｃ’（以下磁気異方性部平面４ｃ、４ｃ’という）とトルク伝達軸１４の中心軸４ａとは４５゜の角度を有するように設けられている。このとき、磁気異方性部平面４ｃ、４ｃ’は互いに直交するようにして「ハの字型」（シェブロン）を形成する。この磁気異方性部１１ａ、１１ｂに用いる磁歪材料には例えば、パーマロイ（Ｆｅ−Ｎｉ）、センダスト（Ｆｅ−Ａｌ−Ｓｉ）等があり、トルク伝達軸１４上に湿式メッキ法、スパッタリング法、プラズマ溶射法、イオンプレーティング法等の方法を用いて薄膜として形成されている。
【０００９】
また、トルク伝達軸１４は磁気異方性部１１ａ、１１ｂを挟むように設けられた、軸受１５ａ、１５ｂによって、回転が可能なようにセンサケース本体１６に支持されている。
この軸受１５ａ、１５ｂとしては摩擦抵抗を少なくするために、例えば、ボールベアリング等が用いられる。トルク伝達軸１４は、この軸受１５ａ、１５ｂによってセンサケース本体１６に回転可能に支持されているため、トルクを測定しようとする駆動装置、負荷装置等（図示せず）の駆動力を受けたとき回転運動を行うことが出来る。
【００１０】
センサケース本体１６の内部には、磁気異方性部１１ａ、１１ｂが形成されたトルク伝達軸１４の外周面上に、それぞれに対応して二つの励磁用コイル１２ａ、１２ｂが巻装されている。
この二つの励磁用コイル１２ａ、１２ｂの外周面上には、更に、それぞれに対応して二つの検出用コイル１２ｃ、１２ｄが巻装されている。ここで、励磁用コイル１２ａと検出用コイル１２ｃは磁気異方性部１１ａに対応しており、励磁用コイル１２ｂと検出用コイル１２ｄは磁気異方性部１１ｂに対応している。
【００１１】
また、センサケース本体１６内部には、励磁用コイル１２ａ、１２ｂ及び検出用コイル１２ｃ、１２ｄを囲むようにして、強磁性体で形成されたヨーク１３が磁界を整えるために設けられている。このヨーク１３に用いる材料としては、例えば、フェライト（ＭIIＯ・Ｆｅ2Ｏ3；ここで、ＭII＝Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｍｇ、Ｃｄである）等が挙げられる。
【００１２】
図３は、この磁歪式トルクセンサの機能構成を示すブロック図である。
図３において励磁用コイル１２ａ、１２ｂは直列に接続されており、更に、励磁信号発生部２内に設けられた発振回路２１ａ、２１ｂ、２１ｃと接続されている。発振回路２１ａ、２１ｂ、２１ｃは、それぞれ周波数ｆ1、ｆ2、ｆ3（ただしｆ1＜ｆ2＜ｆ3とする。）［Ｈｚ］の交流信号を励磁用コイル１２ａ、１２ｂに供給する交流信号発生源である。
また、この発振回路２１ａ、２１ｂ、２１ｃはトルク値の測定時にトルク伝達軸１４上に発生した温度勾配によって、励磁用コイルの抵抗値が変化しても、励磁信号の電流値を変化させないように制御されている。このように、電流値を一定とすることで発生磁束も一定となる。ここで周波数ｆ1、ｆ2、ｆ3は、それぞれ磁気双極子の反転が磁界ベクトルの反転に対し十分に追従できる条件に適合する周波数である。
【００１３】
一方、検出用コイル１２ｃは、周波数ｆ1近傍の周波数の信号を通過させるバンドパスフィルタ２２ａ、周波数ｆ2近傍の周波数の信号を通過させるバンドパスフィルタ２２ｂ、周波数ｆ3近傍の周波数の信号を通過させるバンドパスフィルタ２２ｃ、の入力端子側と接続されている。
また、検出用コイル１２ｄは周波数ｆ1近傍の周波数の信号を通過させるバンドパスフィルタ２２ｄ、周波数ｆ2近傍の周波数の信号を通過させるバンドパスフィルタ２２ｅ、周波数ｆ3近傍の周波数の信号を通過させるバンドパスフィルタ２２ｆ、の入力端子側と接続されている。
これらバンドパスフィルタ２２ａ、２２ｂ、２２ｃ、２２ｄ、２２ｅ、２２ｆによって、検出用コイル１２ｃ、１２ｄより出力された検出信号を、それぞれの周波数ｆ1、ｆ2、ｆ3の成分に分離することが可能となる。
【００１４】
このバンドパスフィルタ２２ａ、２２ｂ、２２ｃ、２２ｄ、２２ｅ、２２ｆの出力端子側は、周波数ｆ1、ｆ2、ｆ3の成分に分離された検出信号を全波整流或いは、半波整流を行う機能を有する整流回路２３ａ、２３ｂ、２３ｃ、２３ｄ、２３ｅ、２３ｆの入力端子側とそれぞれ接続されている。
【００１５】
また、この整流回路２３ａ、２３ｂ、２３ｃ、２３ｄ、２３ｅ、２３ｆの出力端子側は、ローパスフィルタ２４ａ、２４ｂ、２４ｃ、２４ｄ、２４ｅ、２４ｆの入力端子とそれぞれ接続されている。これらのローパスフィルタ２４ａ、２４ｂ、２４ｃ、２４ｄ、２４ｅ、２４ｆは、整流回路２３ａ、２３ｂ、２３ｃ、２３ｄ、２３ｅ、２３ｆから出力される検出信号の直流成分を透過させ、更に検出信号のノイズをカットする装置である。
【００１６】
このローパスフィルタ２４ａ、２４ｂ、２４ｃ、２４ｄ、２４ｅ、２４ｆの出力端子側は、増幅率調整回路２５ａ、２５ｂ、２５ｃ、２５ｄ、２５ｅ、２５ｆの入力端子側とそれぞれ接続されている。この増幅率調整回路２５ａ、２５ｂ、２５ｃ、２５ｄ、２５ｅ、２５ｆは、トルク伝達軸１４の温度が基準温度Ｔ0で均一であるときに、トルク伝達軸１４上に歪が生じていないという状況下で、ローパスフィルタ２４ａ、２４ｂ、２４ｃ、２４ｄ、２４ｅ、２４ｆから出力される検出信号の電圧をそれぞれＶ0に増幅するように初期設定がなされていると仮定する。この基準温度は、室温近傍（例えば２５℃）に設定することが望ましい。
【００１７】
また、増幅率調整回路２５ａ、２５ｂ、２５ｃの出力端子側は、加算演算回路２６ａの入力端子側と接続されている。また、増幅率調整回路２５ｄ、２５ｅ、２５ｆの出力端子側は、加算演算回路２６ａの入力端子側と接続されている。一方、加算演算回路２６ａの他の入力端子にはオフセット電圧発生回路２７ａが接続され、加算演算回路２６ｂの他の入力端子にはオフセット電圧発生回路２７ｂが接続されている。
このオフセット電圧発生回路２７ａ、２７ｂは、増幅率調整回路２５ａ、２５ｂ、２５ｃ、２５ｄ、２５ｅ、２５ｆからの信号に対して、誤差を制御すべく、オフセット電圧を加えるための装置である。
【００１８】
この加算演算回路２６ａ、２６ｂの出力端子及びローパスフィルタ２４ｂ、２４ｅの出力端子は、ＣＰＵ２８の入力端子に接続されている。このＣＰＵ２８は各種演算が可能なものであり、加算演算回路２６ａ、２６ｂ及びローパスフィルタ２４ｂ、２４ｅでの出力結果に応じて演算を行う装置である。
【００１９】
[１・２] 第１実施形態の動作
まず、図２において、トルク伝達軸１４にはトルクを計測しようとする駆動装置、負荷装置等が接続される。この接続された駆動装置、負荷装置等からトルクが印加されていない場合、トルク伝達軸１４上に設けられた一対の磁気異方性部１１ａ、１１ｂには歪が生じない。これに対し、接続された駆動装置、負荷装置からトルク伝達軸１４に対してトルクが印加されると、一対の磁気異方性部１１ａ、１１ｂには４５゜方向に引張及び圧縮の応力が加わる。これは前述したように、磁気異方性部平面４ｃ、４ｃ’がトルク伝達軸１４の中心軸４ａと４５゜の角度を有するように「ハの字型」に配置され、且つ、互いに直交しているためである（図２参照）。
【００２０】
次に、図３において、発振回路２１ａ、２１ｂ、２１ｃは、周波数ｆ1、ｆ2、ｆ3の合成した励磁信号を二つの励磁用コイル１２ａ、１２ｂに供給する。そして、二つの励磁用コイル１２ａ、１２ｂの励磁を行ったとき、二つの検出用コイル１２ｃ、１２ｄではインダクタンスに比例した検出信号が交流の信号として誘起される。この検出信号は周波数ｆ1、ｆ2、ｆ3の合成信号である。
この状態で、トルク伝達軸１４に対しトルクが印加されることによって、磁気異方性部１１ａ、１１ｂを形成する磁歪材に透磁率の変化が生じると、検出用コイル１２ｃ、１２ｄでの検出信号に変化が生じる。
【００２１】
検出用コイル１２ｃで検出された検出信号は、バンドパスフィルタ２２ａ、２２ｂ、２２ｃにより、それぞれの周波数ｆ1、ｆ2、ｆ3成分に分離される。各周波数ｆ1、ｆ2、ｆ3毎に分離された検出信号は、整流回路２３ａ、２３ｂ、２３ｃによって全波整流、或いは、半波整流され、ローパスフィルタ２４ａ、２４ｂ、２４ｃによって直流の信号（以下直流検出信号という）へと変換される。
この各周波数ｆ1、ｆ2、ｆ3毎の直流検出信号は、それぞれ増幅率調整回路２５ａ、２５ｂ、２５ｃで増幅率を調整された後、加算回路２６ａに入力される。また、加算回路２６ａに接続されたオフセット電圧発生回路２７ａからは、誤差を制御するためにオフセット電圧が供給される。この増幅率の調整及びオフセット電圧については、後に詳細を説明する。
【００２２】
同様に、検出用コイル１２ｄで検出された、合成交流信号もバンドパスフィルタ２２ｄ、２２ｅ、２２ｆで検波され、整流回路２３ｄ、２３ｅ、２３ｆ、ローパスフィルタ２４ｄ、２４ｅ、２４ｆを介して直流信号へと変換される。その後、増幅率調整回路２５ｄ、２５ｅ、２５ｆによって増幅され、加算回路２６ｂに入力される。また、加算回路２６ｂに接続されたオフセット電圧発生回路２７ｂからは、誤差の発生を制御するためにオフセット電圧が供給される。
【００２３】
この加算回路２６ａ、２６ｂでは各周波数ｆ1、ｆ2、ｆ3毎の直流検出信号の電圧値及びオフセット電圧の加算が行われるが、これについては後に詳細を説明する。
【００２４】
加算回路２６ａ、２６ｂで加算された信号とローパスフィルタ２４ｂ、２４ｅからの周波数ｆ2の直流検出信号は、ＣＰＵ２８によって各種演算が行われ、トルク信号２９として出力される。このＣＰＵ２８での各種処理についても後に詳細を説明する。
【００２５】
[１．３] 加算回路２６ａ、２６ｂ及びＣＰＵ２８で行われる演算
励磁用コイル１２ａに周波数ｆ1、ｆ2、ｆ3の励磁信号が加えられた状態で、トルク伝達軸１４にトルクτが印加されたとき、検出用コイル１２ｃで検出される検出信号がバンドパスフィルタ２２ａ、２２ｂ、２２ｃにより周波数ｆ1、ｆ2、ｆ3の成分に分離されたときを考える。このとき周波数ｆ1についての直流検出信号の電圧をＶA1とすると、このＶA1は以下の式で表される。
ＶA1＝Ｖ0＋ａA1・(ＴA−Ｔ0)＋ｂA1・τ＋ｃA1・τ・(ＴA−Ｔ0)………（１）
ここで、ａA1・(ＴA−Ｔ0)はトルクが印加されていない状態で磁気異方性部１１ａの温度がＴ0からＴAとなったときの直流検出信号の電圧変化分、ｂA1・τは基準温度Ｔ0でトルクτが印加されたときの直流検出信号の電圧変化分、ｃA1・τ・(ＴA−Ｔ0)は磁気異方性部１１ａの温度がＴ0からＴAに変化したときにトルクτが印加された時の直流検出信号の電圧変化分である。言い換えれば、ｂA1はセンサ感度であり、ｃA1はセンサ感度の温度依存性である。同様にして周波数ｆ2、ｆ3の直流検出信号の電圧をＶA2、ＶA3とすると、ＶA2及びＶA3は次式で表される。
ＶA2＝Ｖ0＋ａA2・(ＴA−Ｔ0)＋ｂA2・τ＋ｃA2・τ・(ＴA−Ｔ0)………（２）
ＶA3＝Ｖ0＋ａA3・(ＴA−Ｔ0)＋ｂA3・τ＋ｃA3・τ・(ＴA−Ｔ0)………（３）
このとき、ａAi、ｂAi、ｃAi（ｉ＝１〜３）の値は事前測定で求めておくことが出来き、更に、これらの値は、構成材料の電気特性、透磁率、逆磁歪特性等が周波数依存性を有するための各周波数に固有の値となると考えられる。ここで、式（１）〜（３）を以下の計算手順の通りに計算すると、式（４）〜（８）が得られる。
▲１▼（式（１）・ｃA2）−（式（２）・ｃA1）によってτ・(ＴA−Ｔ0)の項を削除して式（ａ１）とする。
▲２▼（式（２）・ｃA3）−（式（３）・ｃA2）によってτ・(ＴA−Ｔ0)の項を削除して式（ａ２）とする。
▲３▼（式（ａ１）・（ｂA2・ｃA3−ｃA2・ｂA3））−（式（ａ２）・（ｂA1・ｃA2−ｃA1 ・ｂA2）でτAの項を削除して
ＴA＝ＷA・ＶA1＋ＸA・ＶA2＋ＹA・ＶA3＋ＺA ………（４）
ただし、ＷA、ＸA、ＹA、ＺAは以下の式で表される。
ＷA＝ｃA2・（ｂA2・ｃA3−ｃA2・ｂA3）
／｛（ｂA2・ｃA3−ｃA2・ｂA3）（ａA1・ｃA2−ｃA1・ａA2）
−（ｂA1・ｃA2−ｃA1・ｂA2）（ａA2・ｃA3−ｃA2・ａA3）｝………（５）
ＸA＝−｛ｃA1・（ｂA2・ｃA3−ｃA2・ｂA3）
＋ｃA3・（ｂA1・ｃA2−ｃA1・ｂA2）｝
／｛（ｂA2・ｃA3−ｃA2・ｂA3）（ａA1・ｃA2−ｃA1・ａA2）
−（ｂA1・ｃA2−ｃA1・ｂA2）（ａA2・ｃA3−ｃA2・ａA3）｝………（６）
ＹA＝ｃA2・（ｂA1・ｃA2−ｃA1・ｂA2）
／｛（ｂA2・ｃA3−ｃA2・ｂA3）（ａA1・ｃA2−ｃA1・ａA2）
−（ｂA1・ｃA2−ｃA1・ｂA2）（ａA2・ｃA3−ｃA2・ａA3）｝………（７）
ＺA＝｛（ｃA1−ｃA2）（ｂA2・ｃA3−ｃA2・ｂA3）
−（ｃA2−ｃA3）（ｂA1・ｃA2−ｃA1・ｂA2）｝・Ｖ0
／｛（ｂA2・ｃA3−ｃA2・ｂA3）（ａA1・ｃA2−ｃA1・ａA2）
−（ｂA1・ｃA2−ｃA1・ｂA2）（ａA2・ｃA3−ｃA2・ａA3）｝………（８）
【００２６】
一方、もう一方の検出コイル１２ｂの直流検出信号は、磁気異方性部１１ａと１１ｂが互いに直交しているため、応力の値が正負逆転することとなる。このため周波数ｆiについての直流検出信号の電圧をＶBiは、磁気異方性部１１ｂでの温度をＴBとすると、次式で表される。
ＶBi＝Ｖ0＋ａBi・(ＴB−Ｔ0)−ｂBi・τ−ｃBi・τ・(ＴB−Ｔ0) ………（９）
ただし、ａBi、ｂBi、ｃBi（ｉ＝１〜３）の値は事前測定で求めておくことが出来る。従って、式（９）から温度ＴAと同様に温度ＴBを求めることが出来る。ＴB＝ＷB・ＶB1＋ＸB・ＶB2＋ＹB・ＶB3＋ＺB ………（１０）
また、ＷB、ＸB、ＹB、ＺBは以下の式で表される。
ＷB＝ｃB2・（ｂB2・ｃB3−ｃB2・ｂB3）
／｛（ｂB2・ｃB3−ｃB2・ｂB3）（ａB1・ｃB2−ｃB1・ａB2）
−（ｂB1・ｃB2−ｃB1・ｂB2）（ａB2・ｃB3−ｃB2・ａB3）｝………（１１）
ＸB＝−｛ｃB1・（ｂB2・ｃB3−ｃB2・ｂB3）
＋ｃB3・（ｂB1・ｃB2−ｃB1・ｂB2）｝
／｛（ｂB2・ｃB3−ｃB2・ｂB3）（ａB1・ｃB2−ｃB1・ａB2）
−（ｂB1・ｃB2−ｃB1・ｂB2）（ａB2・ｃB3−ｃB2・ａB3）｝………（１２）
ＹB＝ｃB2・（ｂB1・ｃB2−ｃB1・ｂB2）
／｛（ｂB2・ｃB3−ｃB2・ｂB3）（ａB1・ｃB2−ｃB1・ａB2）
−（ｂB1・ｃB2−ｃB1・ｂB2）（ａB2・ｃB3−ｃB2・ａB3）｝………（１３）
ＺB＝｛（ｃB1−ｃB2）（ｂB2・ｃB3−ｃB2・ｂB3）
−（ｃB2−ｃB3）（ｂB1・ｃB2−ｃB1・ｂB2）｝・Ｖ0
／｛（ｂB2・ｃB3−ｃB2・ｂB3）（ａB1・ｃB2−ｃB1・ａB2）
−（ｂB1・ｃB2−ｃB1・ｂB2）（ａB2・ｃB3−ｃB2・ａB3）｝………（１４）
【００２７】
つまり、加算回路２６a、２６ｂにおいては、式（４）、（１０）に従って、温度ＴA、ＴBが求められることとなる。ただし、先に増幅率調整回路２５ａ、２５ｂ、２５ｃ、２５ｄ、２５ｅ、２５ｆを基準温度でトルクの印加されていない状態でＶ0となるように調整すると仮定したが、実際には基準温度でトルクの印加されていない状態でＶ0・ＷA、Ｖ0・ＸA、Ｖ0・ＹA、Ｖ0・ＷB、Ｖ0・ＸB、Ｖ0・ＹBの出力となるように調整する必要がある。
このため、増幅率調整回路２５ａ、２５ｂ、２５ｃ、２５ｄ、２５ｅ、２５ｆでの出力は式（４）、（１０）のＷA・ＶA1、ＸA・ＶA2、ＹA・ＶA3、ＷB・ＶB1、ＸB・ＶB2、ＹB・ＶB3の項として加算回路２６ａ、２６ｂへ入力されることとなる。また、式（４）（１０）のＺA、ＺBの電圧値をオフセット電圧発生回路２７ａ、２７ｂで発生させなければならない。
【００２８】
これまでに求めた温度ＴA及びＴBと、任意の周波数の差からトルクτを求めることが出来る。例えば、周波数ｆ2を用いた場合、式（２）と式（９）の差をとってトルクτについて解くと次式が得られる。
τ＝｛ＶA2＋ＶB2＋ａA2・ＴA＋ａB2・ＴB2＋Ｔ0（ａA2−ａB2）｝
／｛ｃA2・（ＴA−Ｔ0）＋ｃB2・（ＴB−Ｔ0）＋（ｂA2＋ｂB2）｝………（１５）
つまり、ＣＰＵ２８では式（１５）に従って、トルクτが求められることとなる。ここでＶA2及びＶB2はＣＰＵ２８の入力端子側に接続された、ローパスフィルタ２４ｂ、２４ｅの出力端子側の出力結果に基づいている。
ＣＰＵ２８で演算される式（１５）は、トルク伝達軸１４上に発生した温度勾配についての誤差が補償されている。このため、ＣＰＵ２８からのトルク信号２９は、温度補償を成された値として得られることとなる。
【００２９】
なお、本実施形態においては、図３に示したようにＣＰＵ２８を用いたが、式（１５）を算出できるようなアナログ回路の組合せによっても構わない。
また、本実施形態においては励磁周波数として３つの周波数を用いているが、センサ感度の温度依存性を無視しても良い場合は、励磁周波数を２つの周波数とし、ｃA1、ｃA2、ｃB1、ｃB2を０として温度ＴA及びＴBを求め、更にトルクτについて解くことも可能となる。
また、トルク値の測定結果の精度向上のため正確に材料の非線形性等を考慮した場合、より高次の項が生じる可能性も有る。より高次の項が必要となった場合には、その分励磁周波数を増やし、式（４）→式（８）の算出方法と同じように計算することによって、より精度の高い測定値を得ることも可能となる。
【００３０】
このように、本実施形態に係る磁歪式トルクセンサによれば磁歪式トルクセンサの小型化を図り、同時に温度勾配による誤差を補償する磁歪式トルクセンサを提供することが可能となる。
【００３１】
[２] 第２実施形態
[２・１] 第２実施形態の構成
第２実施形態に係る磁歪式トルクセンサの基本構成を示すブロック図は、図１と同様である。つまり、本実施形態に示す磁歪式トルクセンサは、第１実施形態に示した磁歪式トルクセンサと同様のセンサ部１及び励磁電流供給装置２を有する。
【００３２】
図４は第２実施形態に係る磁歪式トルクセンサの機能構成を示すブロック図である。図４において、バンドパスフィルタ２２ａ、２２ｂ、２２ｃ、２２ｄ、２２ｅ、２２ｆ、整流回路２３ａ、２３ｂ、２３ｃ、２３ｄ、２３ｅ、２３ｆ、ローパスフィルタ２４ａ、２４ｂ、２４ｃ、２４ｄ、２４ｅ、２４ｆ、増幅率調整回路２５ａ、２５ｂ、２５ｃ、２５ｄ、２５ｅ、２５ｆ、加算演算回路２６ａ、２６ｂ，オフセット電圧発生回路２７ａ、２７ｂ，トルク信号２９は第１実施形態の図３に示したものと同様のものである。
【００３３】
第２実施形態の構成で「第１実施形態」と異なるのはＣＰＵ３０の入力端子側にローパスフィルタ２４ｂ、２４ｅの出力端子側が接続されていない点及び加算回路２６ａ、２６ｂで行われる加算結果及びＣＰＵ３０で行われる演算結果のみである。加算回路２６ａ、２６ｂで行われる加算及びＣＰＵ３０で行われる演算については後述する。
【００３４】
[２・２]第２実施形態の動作
第２実施形態の動作で「第１実施形態の動作」と異なるのは加算回路２６ａ、２６ｂで行われる加算及びＣＰＵ３０で行われる演算のみであるのでこれについて説明する。
【００３５】
励磁用コイル１２ａに周波数ｆ1、ｆ2、ｆ3、の励磁信号が加えられた状態で、トルク伝達軸１４にトルクτが印加されたとき、検出コイル１２ｃで検出される検出信号がバンドパスフィルタ２２ａ、２２ｂ、２２ｃで周波数ｆ1、ｆ2、ｆ3、の成分に分離されたときを考える。このとき増幅率調整回路２５ａ、２５ｂ、２５ｃからの直流検出信号の電圧をＶA1、ＶA2、ＶA3とする。このときＶA1、ＶA2、ＶA3は式（１）〜（３）以下の式で表される。ただし、第１実施形態と同様に、ある基準温度Ｔ0（例えば２５℃）でトルクを印加しないときの出力をＶ0と仮定する。また、ａAi、ｂAi、ｃAi（ｉ＝１〜３）の値は事前測定で求めておくことが出来る。
【００３６】
ここで、式（１）〜（３）を以下の手順で解くと次式となる。
▲１▼（式（１）・ｃA2）−（式（２）・ｃA1）によってτA・(ＴA−Ｔ0)の項を削除して式（ａ３）とする。
▲２▼（式（２）・ｃA3）−（式（３）・ｃA2）によってτA・(ＴA−Ｔ0)の項を削除して式（ａ４）とする。
▲３▼（式（ａ３）・（ａA2・ｃA3−ｃA2・ａA3））−（式（ａ４）・（ａA1・ｃA2−ａA2・ｃA1）でＴA−Ｔ0の項を削除する。
τ＝ＡA・ＶA1＋ＢA・ＶA2＋ＣA・ＶA3＋ＤA ………（１６）
ただし、ＡA、ＢA、ＣAは以下の式で表される。
ＡA＝ｃA2・（ａA2・ｃA3−ｃA2・ａA3）
／｛（ａA2・ｃA3−ｃA2・ａA3）（ｂA1・ｃA2−ｃA1・ｂA2）
−（ａA1・ｃA2−ｃA1・ａA2）（ｂA2・ｃA3−ｃA2・ｂA3）｝………（１７）
ＢA＝−｛ｃA1・（ａA2・ｃA3−ｃA2・ａA3）
＋ｃA3・（ａA1・ｃA2−ｃA1・ａA2）｝
／｛（ａA2・ｃA3−ｃA2・ａA3）（ｂA1・ｃA2−ｃA1・ｂA2）
−（ａA1・ｃA2−ｃA1・ａA2）（ｂA2・ｃA3−ｃA2・ｂA3）｝………（１８）
ＣA＝ｃA2・（ａA1・ｃA2−ｃA1・ａA2）
／｛（ａA2・ｃA3−ｃA2・ａA3）（ｂA1・ｃA2−ｃA1・ｂA2）
−（ａA1・ｃA2−ｃA1・ａA2）（ｂA2・ｃA3−ｃA2・ｂA3）｝
………（１９）ＤA＝｛（ｃA1−ｃA2）（ａA2・ｃA3−ｃA2・ａA3）
−（ｃA2−ｃA3）（ａA1・ｃA2−ｃA1・ａA2）｝・Ｖ0
／｛（ａA2・ｃA3−ｃA2・ａA3）（ｂA1・ｃA2−ｃA1・ｂA2）
−（ａA1・ｃA2−ｃA1・ａA2）（ｂA2・ｃA3−ｃA2・ｂA3）｝………（２０）
【００３７】
一方、もう一方の磁気異方性部１１ｂの直流出力は、式（９）で表されるので、同様にトルクτを求めることが出来る。
τ＝ＡB・ＶB1＋ＢB・ＶB2＋ＣB・ＶB3＋ＤB ………（２１）
【００３８】
式（１６）（２１）においては、その式中に温度のパラメータは存在しなく、温度変化によって生じる誤差は吸収できることとなる。ただし、先に増幅率調整回路２５ａ、２５ｂ、２５ｃ、２５ｄ、２５ｅ、２５ｆを基準温度でトルクの印加されていない状態でＶ0となるように調整すると仮定したが、実際には基準温度でトルクの印加されていない状態でＶ0・ＡA、Ｖ0・ＢA、Ｖ0・ＣA、Ｖ0・ＡB、Ｖ0・ＢB、Ｖ0・ＣBの出力となるように調整する必要がある。このため、増幅率調整回路２５ａ、２５ｂ、２５ｃ、２５ｄ、２５ｅ、２５ｆでの出力は、式（１６）、（２１）のＡA・ＶA1、ＢA・ＶA2、ＣA・ＶA3、ＡB・ＶB1、ＢB・ＶB2、ＣB・ＶB3の項として加算回路２６ａ、２６ｂへ入力されることとなる。また、式（１６）（２１）のＤA、ＤBの電圧値をオフセット電圧発生回路２７ａ、２７ｂで発生させなければならない。
【００３９】
このようにして、ＣＰＵ３０で加算回路２６ａ、２６ｂで演算処理が行われたトルクτの検出結果の平均値を取ることで誤差を少なくすることが可能となる。
【００４０】
なお、本実施形態においては、図４に示したようにＣＰＵ３０を用いたが、加算回路２６ａ、２６ｂで演算処理が行われたトルクτの検出結果の平均値を算出できるようなアナログ回路の組合せによっても構わない。
また、本実施形態においては励磁周波数として３つの周波数を用いているが、センサ感度の温度依存性を無視しても良い場合は、励磁周波数を２周波数とし、ｃA1、ｃA2、ｃB1、ｃB2を０としてトルクτを求めることも可能となる。
更に、トルク値の測定結果の精度向上のため正確に材料の非線形性等を考慮した場合、より高次の項が生じる可能性も有る。より高次の項が必要となった場合には、その分励磁周波数を増やし、式（１６）→式（２０）の算出方法と同じように計算することによって、より精度の高い測定値を得ることも可能となる。
【００４１】
[３] 第３実施形態
[３・１] 第３実施形態の構成
図５は第３実施形態に係る磁歪式トルクセンサの基本構成を示すブロック図である。本実施形態に示す磁歪式トルクセンサは、第２実施形態に示した磁歪式トルクセンサと同様、センサ部１０、励磁電流発生部２及び検出信号演算部５より構成されている。図５において、励磁電流発生部２は第１実施形態の図１に示したものと同様のものである。
【００４２】
図６はセンサ部１０の基本構成を示す断面図である。図６において、センサケース本体１６、トルク伝達軸１４、トルク伝達軸用軸受１５ａ、１５ｂ、磁気異方性部１１ａ、励磁用コイル１２ａ、検出用コイル１２ｃ、ヨーク１３は第１実施形態のセンサ部１を示した図２と同様のものである。
【００４３】
次に、図７は第３実施形態に係る磁歪式トルクセンサの機能構成を示すブロック図である。図７において、発振回路２１ａ、２１ｂ、２１ｃ、バンドパスフィルタ２２ａ、２２ｂ、２２ｃ、整流回路２３ａ、２３ｂ、２３ｃ、ローパスフィルタ２４ａ、２４ｂ、２４ｃ、増幅率調整回路２５ａ、２５ｂ、２５ｃ、加算演算回路２６ａ、オフセット電圧発生回路２７ａ、トルク信号２９は第１実施形態の図３に示したものと同様のものである。
【００４４】
図６に示すように、第３実施形態に係る磁歪式トルクセンサは、第２実施形態に示したトルクセンサを磁気異方性部を１１ａの一箇所だけとして、それに伴い検出用コイルを１２ｃ、励磁用コイルを１２ａのそれぞれ一箇所づつとした構成を有している。また、検出用コイルを１２ｃの一箇所にしたことに伴い、検出信号演算部の回路を片側だけとし、加算演算回路２６ａの出力をそのままトルク信号２９として用いた構成を有している。
【００４５】
[３・２] 第３実施形態の動作
本実施形態の動作で「第２実施形態の動作」と異なるのはＣＰＵ３０で行われる演算のみであるのでこれについて説明する。
【００４６】
ここで、加算回路２６ａで行われる演算は式（１６）と同様にして行われる。また、式（１６）においては、その式中に温度のパラメータは存在しなく、温度変化によって生じる誤差は吸収できるため、第２実施形態に示したトルクセンサの磁気異方性部を１１ａの一箇所だけとして、加算演算回路２６ａの出力をそのままトルク信号２９として用いた場合でも、センサ部４の温度変動に対する補償行うことが可能となる。ただし、先に増幅率調整回路２５ａ、２５ｂ、２５ｃを基準温度でトルクの印加されていない状態でＶ0となるように調整すると仮定したが、実際には基準温度でトルクの印加されていない状態でＶ0・ＡA、Ｖ0・ＢA、Ｖ0・ＣAの出力となるように調整する必要がある。このため、増幅率調整回路２５ａ、２５ｂ、２５ｃでの出力は、式（１６）のＡA・ＶA1、ＢA・ＶA2、ＣA・ＶA3の項として加算回路２６ａへ入力されることとなる。また、式（１６）のＤAの電圧値をオフセット電圧発生回路２７ａで発生させなければならない。
【００４７】
本実施形態においては励磁周波数として３つの周波数を用いているが、センサ感度の温度依存性を無視しても良い場合は、励磁周波数を２周波数とし、ｃA1、ｃA2を０としてトルクτを求めることも可能となる。
更に、トルク値の測定結果の精度向上のため正確に材料の非線形性等を考慮した場合、より高次の項が生じる可能性も有る。より高次の項が必要となった場合には、その分励磁周波数を増やし、式（１６）→式（２０）の算出方法と同じように計算することによって、より精度の高い測定値を得ることも可能となる。
【００４８】
このようにして、加算回路２６ａで演算処理が行われたトルクτを用いれば第２実施形態と同様に温度補償をすることが可能となり第２実施形態に示す磁歪式トルクセンサよりも更に小さな磁歪式トルクセンサで温度補償をすることが可能となる。
【００４９】
[４] 他の実施形態
本発明においては、以上述べてきたように式（１５）、（１６）、（２１）に基づいてトルク値の測定を行っている。しかし、本発明はこれに限られず、少なくとも２つ以上の周波数で励磁することによってトルク測定が行えるものならば、どのようなものでも構わない。
【００５０】
【発明の効果】
以上述べてきたように、本発明の磁歪式トルクセンサによれば少なくとも２つの励磁周波数を用いることによって、センサ部に生じた温度変動を補償することが可能となる。また、本発明の磁歪式トルクセンサによればセンサ部自体の規模を小さくすることが可能となるため、小型の磁歪式トルクセンサを提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 第１実施形態に係る磁歪式トルクセンサの基本構成を示すブロック図である。
【図２】 第１実施形態に係るセンサ部の基本構成を示す断面図である。
【図３】 第１実施形態に係る磁歪式トルクセンサの機能構成を示すブロック図である。
【図４】 第２実施形態に係る磁歪式トルクセンサの機能構成を示すブロック図である。
【図５】 第３実施形態に係る磁歪式トルクセンサの基本構成を示すブロック図である。
【図６】 第３実施形態に係るセンサ部の基本構成を示す断面図である。
【図７】 第３実施形態に係る磁歪式トルクセンサの機能構成を示すブロック図である。
【図８】 従来の磁歪式トルクセンサの基本構成を示すブロック図である。
【図９】 特許２５６４０４９号公報に記載の磁歪式トルクセンサの基本構成を示すブロック図である。
【符号の説明】
１…センサ部、１１ａ、ｂ…磁気異方性部、１２ａ、ｂ…励磁用コイル、
１２ｃ、ｄ…検出用コイル、１３…ヨーク、１４…トルク伝達軸、
１５ａ、ｂ…軸受、２１ａ、ｂ、ｃ…発振回路、
２２ａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅ、ｆ…バンドパスフィルタ
２３ａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅ、ｆ…整流回路
２４ａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅ、ｆ…ローパスフィルタ
２５ａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅ、ｆ…増幅率調整回路
２６ａ、ｂ…加算演算回路、２７ａ、ｂ…オフセット電圧発生回路
２８…ＣＰＵ
Claims (8)
- トルク伝達軸の外周面上に設けられた第１磁気異方性部及び第２磁気異方性部と、
三種類以上の励磁周波数で励磁され、前記第１磁気異方性部における透磁率の変化を検出して検出信号を出力する第１検出用コイルと、
前記三種類以上の励磁周波数で励磁され、前記第２磁気異方性部における透磁率の変化を検出して検出信号を出力する第２検出用コイルと、
前記第１検出用コイルから出力される検出信号を前記励磁周波数毎に分離し、分離した前記三種類以上の励磁周波数の分離検出信号をそれぞれ出力する第１検出信号分離手段と、
前記第２の検出用コイルから出力される検出信号を前記励磁周波数毎に分離し、分離した前記三種類以上の励磁周波数の分離検出信号をそれぞれ出力する第２検出信号分離手段と、
前記第１及び第２検出信号分離手段によりそれぞれ出力された前記三種類以上の励磁周波数の分離検出信号から、前記トルク伝達軸に印加されたトルク値を演算するトルク値演算手段と
を具備することを特徴とする磁歪式トルクセンサ。 - 請求項１に記載の磁歪式トルクセンサであって、
前記三種類以上の励磁周波数に対応する励磁信号に基づいて、前記第１及び第２検出用コイルを前記三種類以上の励磁周波数で励磁する励磁用コイルを具備し、
前記励磁用コイルの抵抗値が変化しても、前記励磁用コイルに供給する前記励磁信号の電流値を一定に保持するように制御する
ことを特徴とする磁歪式トルクセンサ。 - 請求項１または２に記載の磁歪式トルクセンサであって、
前記トルク値演算手段は、前記第１検出信号分離手段により出力された前記三種類以上の励磁周波数の分離検出信号から前記第１磁気異方性部の温度を算出し、前記第２検出信号分離手段から出力された前記三種類以上の励磁周波数の分離検出信号から前記第２磁気異方性部の温度を算出して、算出した各温度から前記トルク伝達軸に印加されたトルク値を演算する
ことを特徴とする磁歪式トルクセンサ。 - 請求項１〜３のいずれかに記載の磁歪式トルクセンサであって、
前記第１及び第２検出用コイルを取り囲むヨークを具備し、前記ヨークがフェライトを使用して形成されていることを特徴とする磁歪式トルクセンサ。 - 請求項２に記載の磁歪式トルクセンサであって、
前記第１及び第２検出用コイル、並びに前記励磁用コイルを取り囲むヨークを具備し、前記ヨークがフェライトを使用して形成されていることを特徴とする磁歪式トルクセンサ。 - トルク伝達軸の外周面上に設けられた磁気異方性部と、
前記磁気異方性部における透磁率の変化を検出して検出信号を出力する検出用コイルと、
前記検出用コイルを三種類以上の励磁周波数で励磁する励磁用コイルと、
前記検出用コイル及び前記励磁用コイルを取り囲むヨークと、
前記磁気異方性部を挟む位置に設けられ、前記トルク伝達軸を支持する軸受と、
前記検出用コイルにより出力される検出信号を前記励磁周波数毎に分離し、分離した前記三種類以上の励磁周波数の分離検出信号をそれぞれ出力する検出信号分離手段と、
前記検出信号分離手段により出力された前記三種類以上の励磁周波数の分離検出信号から、前記トルク伝達軸に印加されたトルク値を演算するトルク値演算手段と
を具備し、
前記磁気異方性部は、前記ヨーク及び前記軸受によって覆われていることを特徴とする磁歪式トルクセンサ。 - 請求項１〜６のいずれかに記載の磁歪式トルクセンサであって、
前記トルク伝達軸の材料として非磁性の材料を用いたことを特徴とする磁歪式トルクセンサ。 - 請求項１〜７のいずれかに記載の磁歪式トルクセンサであって、前記磁気異方性部の磁歪材料としてパーマロイを用いたことを特徴とする磁歪式トルクセンサ。
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