JP4776990B2 - トルクセンサ - Google Patents

Description

本発明は、トルク伝達軸の外周面にトルク作用状態で透磁率が異なる方向へ変化するように配置された第１及び第２の磁歪材を利用してトルク検出を行う磁歪式のトルクセンサに関する。

一般的な磁歪式トルクセンサは、トルク伝達軸の外周面にトルク作用状態で一方が圧縮され且つ他方が引張られる状態で第１及び第２の磁歪材を配置するとともに、これら磁歪材の透磁率変化に応じてインダクタンスが変化する第１及び第２の検出コイルと抵抗値が同一の第１及び第２の抵抗器とによりブリッジ回路を構成するという基本構造を備えている。従来では、トルク伝達軸に加わるトルクを計測するために、ブリッジ回路に交流電圧を印加し、この印加状態でブリッジ回路から差動増幅器を通じて出力される不平衡電圧を当該交流電圧に同期して検波することにより直流電圧に変換し、その変換出力をトルクに対応した検出電圧として得る構成としている（例えば、特許文献１参照）。
実用新案登録第２５４５７６２号公報（図１、図４）

しかしながら、従来のトルクセンサでは以下に述べるような欠点があった。
即ち、図６には従来のトルクセンサの基本回路構成例が示されている。この図６において、ブリッジ回路１００は、等価回路で示した第１の検出コイル１０１及び第２の検出コイル１０２を直列接続したハーフブリッジ回路と、同一の抵抗値に設定された第１の抵抗器１０３及び第２の抵抗器１０４を直列接続したハーフブリッジ回路とを並列に接続して構成される。交流電源回路１０５は、上記両ハーフブリッジ回路の各両端に所定周波数の交流電圧を印加する。差動増幅器１０６は、両ハーフブリッジ回路の各中点間に発生するブリッジ回路１００の出力を差動増幅した交流電圧信号Ｖsub を発生する。同期検波回路１０７は、交流電圧信号Ｖsub を交流電源回路１０５の出力電圧に同期して検波することによりトルクに応じたレベルの検出電圧Ｖｃを発生する。

この回路構成では、印加トルクが零の状態において、第１の検出コイル１０１のインダクタンスＬ1 及び内部抵抗値ｒ1 と第２の検出コイル１０２のインダクタンスＬ2 及び内部抵抗値ｒ2 が互いに等しくなるように設定されるとともに、第１の抵抗器１０３及び第２の抵抗器１０４の各抵抗値Ｒ3 及びＲ4 が互いに等しくなるように設定される。これにより、理論的には印加トルクが零の状態ではブリッジ回路１００が平衡状態に保たれるため、交流電圧信号Ｖsub が零レベルに保持される。また、トルクが印加されたときには、ブリッジ回路１００の平衡状態が崩れて不平衡電圧が出力されるため、差動増幅器１０６から不平衡電圧に応じた交流電圧信号Ｖsub が出力されることになる。この交流電圧信号Ｖsub の振幅は、印加トルクにほぼ比例して変化するから、同期検波回路１０７において、交流電圧信号Ｖsub を交流電源回路１０５の出力電圧に対して所定の同期位相角で検波することにより、印加トルクに応じた電圧レベルの直流信号であるトルク信号を得ることができる。

この場合、ブリッジ回路１００は、印加トルクが零の状態で平衡することがトルクセンサとして理想的であり、その平衡条件は、
Ｒ4 ・（ｒ1 ＋ｊωＬ1 ）＝Ｒ3 ・（ｒ2 ＋ｊωＬ2 ）……（１）
である。このため、上記平衡条件式の実数部及び虚数部について、次式（２）、（３）が同時に成り立つ必要がある。

Ｒ4 ・ｒ1 ＝Ｒ3 ・ｒ2 ……（２）
Ｒ4 ・ｊωＬ1 ＝Ｒ3 ・ｊωＬ2 ……（３）
このような平衡条件に基づいて、従来では、Ｒ3 ＝Ｒ4 に設定するとともに、Ｌ1 及びＬ2 、ｒ1 及びｒ2 については、それらをトルクセンサ毎に厳密に一致するように製造することが困難であるので、極力同一値に近づくように設定している。しかし、実際には、これらの回路定数を全て一致させることは非常に難しく、印加トルクが零のときにブリッジ回路１００を完全な平衡状態に設定することはほとんど不可能である
従って、印加トルクが零の状態時でも所定レベルの検出電圧Ｖｃがオフセット電圧として出力されることになり、トルク検出制度が悪いという問題がある。このようなオフセット電圧の出現を解消するためには、トルクの非印加状態において同期位相角を種々変更して検出電圧Ｖｃが零レベルとなるような回路構成とする必要があり、同期検波回路１０７の回路構成が複雑になり且つ高価になるという欠点があった。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、トルク検出精度の向上が可能で、簡単且つ安価な回路構成にすることも可能なトルクセンサを提供するにある。

トルク伝達軸の外周面にトルク作用状態で透磁率が互いに異なる方向へ変化するように配置された第１及び第２の磁歪材と、これら第１及び第２の磁歪材の透磁率変化に応じてインダクタンスが変化するように配置された第１及び第２の検出コイルと、同一の抵抗値を有する第１及び第２の抵抗器の間にこれらと異なる抵抗値を有する補助抵抗器を直列接続した第１のハーフブリッジ回路並びに前記第１及び第２の検出コイルを直列接続した第２のハーフブリッジ回路を並列に接続して形成されたブリッジ回路と、前記第１及び第２のハーフブリッジ回路の各両端に交流電圧を印加する交流電源回路とを備え、前記ブリッジ回路において、第１のハーフブリッジ回路の補助抵抗器の両端子と第２のハーフブリッジ回路の中点との間に発生する不平衡電圧を第１及び第２のブリッジ出力電圧として取出すようにしたことを特徴とする。

このような構成によれば、ブリッジ回路を構成する第１及び第２のハーフブリッジ回路の各両端に交流電圧が印加された状態では、そのブリッジ回路の不平衡状態に応じたレベルの交流電圧信号が当該第１の補助抵抗器の両端子と第２ハーフブリッジ回路の中点との間から第１及び第２のブリッジ出力電圧として出力される。この場合、第１のハーフブリッジ回路を構成するために第１及び第２の抵抗器の間に直列接続された補助抵抗器の抵抗値が、第１及び第２のブリッジ出力電圧を出力するためのブリッジ回路の不平衡状態が拡大する方向に作用するので、そのブリッジ回路からは、トルク伝達軸にトルクが印加されていない状態でも所定レベル以上の交流電圧信号が第１及び第２のブリッジ出力電圧として出力される。ここで、補助抵抗器の抵抗値は、その補助抵抗器の両端子から出力される第１及び第２のブリッジ出力電圧にとって互いに反対方向に作用するので、第１及び第２のブリッジ出力電圧は差動信号状態となり、従って、オフセット電圧の影響をなくすような処理が可能になって、トルク検出精度の向上を図ることが可能になる。

そして、ブリッジ回路の第１及び第２のブリッジ出力電圧から印加トルクに応じた検出電圧として取り出すための手段として、簡単な構成ですむ例えばピークホールド回路及び差動増幅器を用いればよいから（請求項２）、従来構成のように複雑な回路構成が必要となる同期検波回路が不要になり、従って、簡単且つ安価な回路構成とすることも可能である。

本発明によれば、トルク検出精度の向上が可能で、簡単且つ安価な回路構成にすることも可能である、という効果を奏する。

以下、本発明の一実施例について図１ないし図５を参照しながら説明する。
図２にはトルクセンサの機械的構造が示されている。この図２において、トルク伝達軸１は、ステンレス鋼などの金属により円柱状に形成されたもので、その中央部部分の外周面には、短冊形状とされた複数本の第１の磁歪材２が平行配列状に形成されているとともに、同じく短冊形状とされた複数本の第２の磁歪材３が平行配列状に形成されており、各磁歪材２及び３は、トルク伝達軸１の軸方向に対して互いに異なる方向へ４５°だけ傾斜した状態となるように配置されている。このような配置とされた結果、トルク伝達軸１にトルクが作用した状態では、第１の磁歪材２及び第２の磁歪材３の一方に圧縮応力、他方に引張応力が働くようになり、その結果、逆磁歪効果により磁歪材２及び３の一方の透磁率が増加し、他方の透磁率が低下するようになる。

尚、上記各磁歪材２及び３は、種々の方法で形成可能であるが、例えば、トルク伝達軸１の表面に各磁歪材２及び３に沿った複数本のスリットを形成し、それらのスリット間に形成された凸状部の頂部に磁歪合金材料をメッキなどにより設けるという方法が可能である。
第１の磁歪材２及び第２の磁歪材３の周囲には、夫々所定のギャップを存して第１の検出コイル４及び第２の検出コイル５が配設されている。つまり、各検出コイル４及び５は、対応する磁歪材２及び３の透磁率変化に応じてインダクタンスが変化するように配置されている。

図１にはトルクセンサの電気的構成が示されている。この図１において、ブリッジ回路６は、第１の抵抗器７及び第２の抵抗器８の間に補助抵抗器９を直列接続した第１のハーフブリッジ回路１０と、前記第１検出コイル４及び第２検出コイル５を直列接続した第２のハーフブリッジ回路１１とを並列に接続して形成されている。交流電源回路１２は、ブリッジ回路６の入力端子（ハーフブリッジ回路１０及び１１の各両端）間に高周波（例えば３０ＫＨｚ）の交流電圧を印加するために設けられている。
第１及び第２の差動増幅器１３及び１４は、オペアンプを利用した周知構成のもので、夫々の一方の入力端子は、第１のハーフブリッジ回路１０の補助抵抗器９の両端子即ち一方の端子９ａ及び他方の端子９ｂに接続され、夫々の他方の入力端子は、第２のハーフブリッジ回路１１の中点１１ａに接続されている。

第１及び第２のピークホールド回路１５及び１６は、ピークホールドのためのダイオード及びコンデンサとオペアンプ等を組み合わせた周知構成のもので、夫々の入力端子は、差動増幅器１３及び１４の出力端子に接続されている。第３の差動増幅器１７は、オペアンプを利用した周知構成のもので、その正（＋）入力端子はピークホールド回路１５の出力端子に接続され、負（−）入力端子はピークホールド回路１６の出力端子に接続されている。ここで、上記ピークホールド回路１５、１６及び差動増幅器１７は交流電圧を直流電圧に変換するＤＣ変換回路を構成する。
而して、ブリッジ回路６において、第１の検出コイル４のインダクタンスＬ1 及び内部抵抗値ｒ1 と第２の検出コイル５のインダクタンスＬ2 及び内部抵抗値ｒ2 とが夫々互いに等しくなるように設定される。但し、Ｌ1 及びＬ2 、ｒ1 及びｒ2 は、それらをトルクセンサ毎に厳密に一致させて製造することが困難であるので、「略等しい」という設定状態になる。

本実施例の特徴は、以下のような構成にある。即ち、第１の抵抗器７及び第２の抵抗器８の抵抗値を夫々Ｒ3 及びＲ4 とし、補助抵抗器９の抵抗値をＲ0 とした場合、抵抗値Ｒ3 及びＲ4 は等しく且つ抵抗値Ｒ0 はこれらとは異なる値（Ｒ3 ＝Ｒ4 ≠Ｒ0 ）に設定されて、ブリッジ回路６の不平衡状態が拡大する方向となるように構成されている。つまり、トルク伝達軸１にトルクが印加されていない状態においても、第１のハーフブリッジ回路１０の補助抵抗器９の端子９ａ及び９ｂと第２のハーフブリッジ回路１１の中点１１ａとの間から比較的高いレベルの不平衡電圧がブリッジ出力電圧Ｖ1 及びＶ2 として出力される構成となっている。ここで、補助抵抗器９の抵抗値は、その補助抵抗器９の両端子９ａ及び９ｂから出力される第１及び第２のブリッジ出力電圧Ｖ1 及びＶ2 にとって互いに反対方向に作用するので、第１及び第２のブリッジ出力電圧Ｖ1 及びＶ2 は差動信号状態となり、従って、オフセット電圧の影響をなくすような処理が可能になる。

次に、本実施例の作用につき、図３乃至図５をも参照して説明する。
交流電源回路１２からブリッジ回路６の第１及び第２のハーフブリッジ回路１０及び１１の各両端に交流電圧Ｖｓ（図３（ａ）参照）が印加されると、ブリッジ回路６からは第１及び第２のブリッジ出力電圧Ｖ1 及びＶ2 が出力されてこれらが夫々差動増幅器１５及び１６に与えられる。差動増幅器１５及び１６は、第１及び第２のブリッジ出力電圧Ｖ1 及びＶ2 を差動増幅して出力電圧Ｖ3 及びＶ4 を出力するが、前述したように、伝達軸１にトルクが印加されていない時（トルク零）にも比較的高いレベルの不平衡電圧がブリッジ出力電圧Ｖ1 及びＶ2 として出力されるので、差動増幅器１５及び１６は、図３（ｂ）及び（ｃ）に示すように、出力電圧Ｖ3 （ａ）及びＶ4 （ａ）を出力する。この場合、出力電圧Ｖ3 （ａ）及びＶ4 （ａ）の振幅の大きさは等しくなっている。そして、これらの出力電圧Ｖ3 （ａ）及びＶ4 （ａ）はピークホールド回路１５及び１６に与えられ、ピークホールド回路１５及び１６は、出力電圧Ｖ3 （ａ）及びＶ4 （ａ）の例えば正側のピーク値をホールドして、ピーク値電圧Ｐ1 （ａ）及びＰ2 （ａ）を出力する。

トルク零の時のピーク値電圧Ｐ1 （ａ）及びＰ2 （ａ）は、差動増幅器１７により差動増幅されてセンサ出力電圧Ｖｄ（ａ）として出力されるが、ピーク値電圧Ｐ1 （ａ）及びＰ2 （ａ）は等しいので、センサ出力電圧Ｖｄ（ａ）は、図３（ｄ）に示すように零（０）になる。

トルク伝達軸１に一定方向（正方向）にトルクが印加された場合には、第１及び第２の磁歪材２及び３の透磁率が互いに異なる方向に変化し、これに応じて第１及び第２の検出コイル４及び５のインダクタンスも変化する。従って、ブリッジ回路６の第１及び第２のブリッジ出力電圧Ｖ1 及びＶ2 も変化し、これに応じて、差動増幅器１３の出力電圧は例えば図３（ｂ）にＶ3 （ｂ）で示すように振幅が大きくなるように変化し、逆に、差動増幅器１４の出力電圧は図３（ｃ）にＶ4 （ｂ）で示すように振幅が小さくなるように変化する。これにより、ピークホールド回路１５及び１６のピーク値電圧は、図３（ｂ）及び３（ｃ）のＰ1 （ｂ）及びＰ2 （ｂ）のようになり、これらを差動増幅する差動増幅器１７は、図３（ｄ）に示すような正（＋）方向のセンサ出力電圧Ｖｄ（ｂ）を出力する。

尚、トルク伝達軸１に前述とは逆方向のトルクが印加された場合には、第１及び第２の検出コイル４及び５のインダクタンスの変化は逆になり、差動増幅器１４の出力電圧Ｖ4 の振幅が差動増幅器１３の出力電圧Ｖ3 の振幅よりも大になる。従って、差動増幅器１７のセンサ出力電圧Ｖｄは負（−）方向に変化する。

図４は、本願発明者の実験により得られたトルク−センサ出力電圧特性を示す。この図４から明らかなように、センサ出力電圧Ｖｄのレベルは、正方向のトルクが印加されるのに応じて正方向に増加し、逆方向のトルクが印加されるのに応じて負方向に減少し、全体として略直線的な変化特性を示すようになる。

ところで、従来においては、ブリッジ回路１００の不平衡電圧を増幅すべく差動増幅器１０６が設けられているが、この差動増幅器１０６のゲインによりオフセットが影響をうけて、センサ出力電圧が温度変化によりドリフトする不具合がある。これに対して、本実施例では、第１及び第２のブリッジ出力電圧Ｖ1 及びＶ2 は差動信号であるので、差動増幅器１３及び１４のゲインを従来よりも小さく設定でき、センサ出力電圧Ｖｄの損度変化に対するドリフトを小さくできる。図５は、本願発明者の実験により得られたトルク零の時の温度−センサ出力電圧特性を示す。この図から明らかなように、本実施例の特性直線Ｌａは従来の特性直線Ｌｂに比し傾斜角が小さく、センサ出力電圧Ｖｄの温度変化に対するドリフトが少ない。

このように本実施例によれば、ブリッジ回路６の第１のハーフブリッジ回路１０を、同一の抵抗値を有する第及び第２の抵抗器７及び８の間にこれらとは異なる抵抗値を有する補助抵抗器９を直列接続して構成して当該ブリッジ回路６の不平衡状態が拡大する方向にし、補助抵抗器９の両端子９ａ及び９ｂと第２のハーフブリッジ回路１１の中点１１ａとの間から第１及び第２のブリッジ出力電圧Ｖ1 及びＶ2 を得るようにしたので、トルク伝達軸１１に対する印加トルクに略比例した状態のセンサ出力電圧Ｖｄが得られるようになり、トルク検出精度の向上を図ることができる。

また、本実施例では、第１及び第２のブリッジ出力電圧Ｖ1 及びＶ2 を差動増幅器１３及び１４で増幅した後、ＤＣ変換回路たるピークホールド回路１５及び１６並びに差動増幅器１７を介してセンサ出力電圧Ｖｄを得るようにしたので、従来構成のような複雑な回路構成が必要となる同期検波回路１０７は不要であるから、簡単且つ安価な回路構成とすることができる。

尚、本発明は上記し且つ図面に示す実施例にのみ限定されるものではなく、次のような変形、拡張が可能である。
上記実施例では、第１及び第２のブリッジ出力電圧Ｖ1 及びＶ2 を増幅する差動増幅器１３及び１４を設けるようにしたが、第１及び第２のブリッジ出力電圧Ｖ1 及びＶ2 として充分に大きな値が得られるなら、差動増幅器１３及び１４を省略して、第１及び第２のブリッジ出力電圧Ｖ1 及びＶ2 をピークホールド回路１５及び１６に直接入力させるようにしてもよい。
上記実施例では、トルク零の時にセンサ出力電圧Ｖｄも零とするようにしたが、センサ出力電圧Ｖｄは直線性を有するので、若干のオフセット値をもつようにしてもトルク検出精度については問題がない。

本発明の一実施例を示すトルクセンサの電気的構成図 トルクセンサの機械的構成図 作用説明用の各部の波形図 トルク−センサ出力電圧特性図 温度−センサ出力電圧特性図 従来例を示す図１相当図

符号の説明

図面中、１はトルク伝達軸、２及び３は第１及び第２の磁歪材、４及び５は第１及び第２の検出コイル、６はブリッジ回路、７及び８は第１及び第２の抵抗器、９は補助抵抗器、１０及び１１は第１及び第２のハーフブリッジ回路、１２は交流電源回路、１３及び１４は差動増幅器、１５及び１６は第１及び第２のピークホールド回路、１７は第３の差動増幅器を示す。

Claims (3)

1. トルク伝達軸の外周面にトルク作用状態で透磁率が互いに異なる方向へ変化するように配置された第１及び第２の磁歪材と、
   これら第１及び第２の磁歪材の透磁率変化に応じてインダクタンスが変化するように配置された第１及び第２の検出コイルと、
   同一の抵抗値を有する第１及び第２の抵抗器の間にこれらと異なる抵抗値を有する補助抵抗器を直列接続した第１のハーフブリッジ回路並びに前記第１及び第２の検出コイルを直列接続した第２のハーフブリッジ回路を並列に接続して形成されたブリッジ回路と、
   前記第１及び第２のハーフブリッジ回路の各両端に交流電圧を印加する交流電源回路とを備え、
   前記ブリッジ回路において、第１のハーフブリッジ回路の補助抵抗器の両端子と第２のハーフブリッジ回路の中点との間に発生する不平衡電圧を第１及び第２のブリッジ出力電圧として取出すようにしたことを特徴とするトルクセンサ。
2. 請求項１記載のトルクセンサにおいて、
   第１及び第２のブリッジ出力電圧のピーク値を夫々ホールドする第１及び第２のピークホールド回路と、
   これらの第１及び第２のピークホールド回路の出力電圧を差動増幅する差動増幅器とを備えたことを特徴とするトルクセンサ。
3. 請求項１記載のトルクセンサにおいて、
   第１及び第２のブリッジ出力電圧を夫々差動増幅する第１及び第２の差動増幅器と、
   これらの第１及び第２の差動増幅器の出力電圧のピーク値を夫々ホールドする第１及び第２のピークホールド回路と、
   これらの第１及び第２のピークホールド回路の出力電圧を差動増幅する第３の差動増幅器とを備えたことを特徴とするトルクセンサ。
   
   

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