JPH03269330A - トルクセンサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［発明の目的］ （産業上の利用分野） 本発明は、非晶質磁性材の磁歪効果を利用して軸トルク
を検出するトルクセンサに関する。

（従来の技術） 周知のように、軸トルクを検出するトルクセンサには種
々のタイプがある。これらの中に、非晶質磁性材の磁歪
効果を利用したトルクセンサがある。非晶質磁性材の磁
歪効果を利用したトルクセンサの代表的なものは、特開
昭５８−９０３４号公報や特開昭５９−７７３２６号公
報に開示されているように、軸の外周面に磁歪効果の大
きい非晶質磁性材を固着するとともに、この磁性材の近
傍に軸とは非接触に検出コイルを配設し、軸に加えられ
る回転力によって生じる非晶質磁性材の２０１− 透磁率変化に伴う検出コイルのインピーダンス変化や誘
起電圧変化から軸トルクを検出するようにしている。こ
の磁歪式トルクセンサは、軸とは非接触にトルク検出が
行なえ、既存の軸にも設置できるばかりか、非晶質磁性
材の磁化容易軸の選択等によってトルクの方向までも容
易に検出できると言う利点を備えている。

ところで、このような磁歪式トルクセンサでは、検出感
度を上げ、さらに雑音や温度ドリフトの影響を緩和させ
るために、通常、軸の外周面に磁化容易軸の方向をたと
えば９０°異ならせて一対の非晶質磁性材を固定すると
ともに各非晶質磁性材の透磁率変化に感応し得る位置に
一対の検出コイルを配置し、これら一対の検出コイルの
出力差を検出信号として取出す方式を採用している。

しかしながら、このように差動検出方式を採用したトル
クセンサにあっても、たとえば軸トルクが１ｋｇ−ｍ程
度の場合には、温度ドリフト量に比べてトルク信号量が
必ずしも十分ではなく、特に低トルク領域において検出
誤差が大きいと言う問題があった。このような温度ドリ
フト量は、２つの非晶質磁性材の体積や、２つの検出コ
イルの配置および巻方等の佐かな差が温度によって拡大
されることに起因する。

また、従来の磁歪式トルクセンサにあっては、たとえば
軸に長手方向に電流が流れる条件下で使用した場合、流
れる電流によって軸回りに発生した磁界が非晶質磁性材
に作用し、これが原因で検出信号が変動する問題もあっ
た。

（発明が解決しようとする課題） 上述の如く、非晶質磁性材の磁歪効果を利用した従来の
トルクセンサにあっては、温度ドリフトの影響を回避す
ることがでず、特に低トルク領域での検出誤差が大きく
なる問題があった。また、軸に電流が流れた場合には、
この電流の影響を受ける問題もあった。

そこで本発明は、温度ドリフトの影響を十分少なくでき
、特に低トルク領域での検出誤差を少なくでき、もって
磁歪式の特徴を最大限に発揮させ得るトルクセンサを提
供することを目的としている。

［発明の構成コ （課題を解決するための手段） 上記目的を達成するために、本発明のトルクセンサにお
いては、長平方向の途中に他の部分より実効断面積の小
さい薄肉円筒軸を直列に接続してなる軸を用いている。

そして、この軸における上記薄肉円筒軸の外周面に非晶
質磁性材を固定している。

なお、軸が電流通路の一部をなす条件で使用される場合
には、上記軸の薄肉円筒軸を境にして長手方向の両側に
位置する軸要素同志をフレキシブルな導電体で電気的に
接続することが効果的である。

（作　用） 薄肉円筒軸は、軸における長手方向の他の部分に比べて
実効断面積が小さい。したがって、軸に回転トルクが加
わったとき、薄肉円筒軸に生じる歪は、他のどの部分よ
り大きい。この歪の太きい薄肉円筒軸の外周面に非晶質
磁性材を固定している。したがって、回転トルクに対す
る非晶質磁性材の透磁率の変化量そのもの、つまりトル
ク信号成分そのものを大きくできる。この結果、信号成
分中の温度ドリフト成分の占める割合を小さくでき、結
局、低トルク領域であっても誤差の少ない検出が可能と
なる。

また、薄肉円筒軸を境にして長手方向の両側に位置する
軸要素同志をフレキシブルな導電体で電気的に接続する
と、軸の中心部領域に電流のはとんどを流すことができ
、薄肉円筒軸に流れる電流を十分小さくできるので、電
流によって生じた磁界が非晶質磁性材に作用するのを防
止することができる。したがって、軸に流れる電流の影
響も除くことが可能となる。

（実施例） 以下、図面を参照しながら実施例を説明する。

第１図には本発明の一実施例に係るトルクセンサの検出
部１が示されており、第４図には同トルクセンサの信号
処理部２が示されている。

第１図において、１１は回転力を伝達するための軸を示
している。この軸１１は強磁性材で形成された中実軸１
２と、強磁性材で形成されるとともに中実軸１２に対し
て同軸的に配置された中実軸１３と、強磁性材で形成さ
れるとともに中実軸１２と中実軸１３との間に直列に接
続された薄肉円筒軸１４とで構成されている。

中実軸１２の図中右端部には、他の部分より若干径の大
きい大径部１５が形成されている。この大径部１５の第
１図中右端面には、第３図に示すように突起１６ａ、１
６ｂが両者間に軸心線と直交する方向に延びる溝１７を
設けた状態で一体に突設されている。また、大径部１５
の右端面中央部には、溝１７の幅とほぼ同一径の有底孔
１８が軸心線に沿って形成されている。一方、中実軸１
３の第１図中左端部中途位置には、他の部分より若干径
の大きい大径部１９が形成されている。

この大径部１つの左側には、大径部１９の、たとえば１
／３程度の径の小袖２０が同軸的に突設されている。小
軸２０の先端部には、第３図に示すように、突部１６ａ
、１６ｂとの間に所定の隙間を設けた状態で溝１７に嵌
入する角柱部２１が形成されている。角柱部２１の第１
図中左端面中央部には、中実軸１２に設けられた孔１８
に対して、孔１８の内面に非接触状態で嵌入する円柱状
の突起２２が形成されている。そして、この突起２２の
先端部と孔１８のいわゆる底壁とはフレキシブルなリー
ド線２３によって電気的に接続されている。

薄肉円筒軸１４は、両端部を除いて０．５〜１．０１程
度の肉厚に形成されている。つまり、薄肉円筒軸１４は
、実効断面積が中実軸１２．１３のそれより十分に小さ
い。薄肉円筒軸１４の両端部には、内側に突出する環状
突部がそれぞれ形成されており、これら環状突部が中実
軸１２．１３の大径部１５．１９に形成された段部に嵌
合している。

そして、薄肉円筒軸１４と中空軸１２．１３との嵌合部
が溶接やろう付けによって接続されている。

このように、中実軸１２と、薄肉円筒軸１４と、中実軸
１３とを直列接続してなる軸１１は、強磁界中において
軸心線に沿う一方向に着磁され、この状態で組み込まれ
ている。

薄肉円筒軸１４の外周面で軸方向の中途位置には２箇所
に亙って非晶質磁性金属箔２５．２６が周方向に固着さ
れている。非晶質磁性箔２５゜２６は、同一組成の材料
で、同一厚み、同一寸法に形成されている。また、非晶
質磁性金属箔２５としては、第２図に示すように、軸１
１の軸心線に対して角度−αの方向を磁化容易軸Ｋｕと
する一軸磁気異方性を有したものが用いられている。

同様に、非晶質磁性金属箔２６としては、軸１１の軸心
線に対して角度αの方向を磁化容易軸とする一軸磁気異
方性を有したものが用いられている。

軸１１の回りで、薄肉円筒軸１４の位置している部分の
回りおよび上記部分を中心にして両側部分の回りには、
軸１１を囲む関係に非磁性材で円筒状に形成されたハウ
ジング２７が配置されている。ハウジング２７は、図示
しない静止部に固定されている。そして、ハウジング２
７の両端部内面と軸］１との間には、それぞれ軸受２８
，２．９および軸受け３０．３１が挿設されている。

ハウジング２７内で軸受２９と軸受３０との間に位置す
る部分には、バイアス磁界印加源３２が装着されている
。バイアス磁界印加源３２は、薄肉円筒軸１４の外周面
で非晶質磁性金属箔２５が設けられている位置より第１
図中左側に位置する部分に対向する磁極面３３を有した
リング状のヨーク３４と、薄肉円筒軸１４の外周面で非
晶質磁性金属箔２６が設けられている位置より図中右左
に位置する部分に対向する磁極面３５を有したリング状
のヨーク３６と、ヨーク３４の周縁部側面とヨーク３６
の周縁部側面との間に直列に挿設されたリング状の永久
磁石３７、筒状のヨーク３８およびリング状の永久磁石
３９とで構成されている。なお、ヨーク３４，３６．３
８は、それぞれ強磁性材で形成されている。また、永久
磁石３７゜３９は軸１１の軸心線と平行する同一方向に
着磁されている。

ヨーク３４の内縁部側面とヨーク３６の内縁部側面との
間には、これらによって軸方向に挟持される関係に非磁
性相で形成された円筒状のコイル０ ボビン４０が装着されている。コイルボビン４０の外周
面で非晶質磁性金属箔２５．２６に対向する部分には、
溝が周方向にそれぞれ形成されており、これら溝内には
巻数の等しい検出コイル４１゜４２がそれぞれ装着され
ている。そして、これら検出コイル４１．４２の線端４
Ｂ、４４は、それぞれヨーク３８およびハウジング２７
に設けられた孔を通して外部に導かれている。なお、第
１図中、４５は突起２２と孔１８の内側面との間に設け
られた軸受を示し、４６は位置決め用のリングスペーサ
を示し、４７はストップリングを示している。

一方、信号処理部２は、第４図に示すように、上述した
検出コイル４１．４２と抵抗器５１゜５２とでブリッジ
回路５３を構成し、このブリッジ回路５３の電源入力端
をバランス調整用の可変抵抗器５４．５５を介して交流
発振器５６の出力端に接続している。ブリッジ回路５３
の中点間電位は差動増幅器５７に人力され、この差動増
幅器５７の出力は同期検波回路５８に導入される。同１ 期検波回路５８は、参照波位相設定器５９の出力位相に
基いて差動増幅器５７の出力を検波整流する。そして、
同期検波回路５８の出力がフィルタ６０で平滑され、直
流出力Ｖ。とじて出力されるようになっている。

次に、上記にように構成されたトルクセンサの動作を説
明する。

まず、差動増幅器５７の出力振幅が最小となるように抵
抗器５４．５５を予め調整しておく。

軸１１に回転トルクＴが加わると軸１１に歪が生じる。

この場合、中実軸１２．１３に対して薄肉円筒軸１４は
実効断面積が十分に小さいため、薄肉円筒軸１４に生じ
る歪は中軸軸１２．１３に生じる歪よりはるかに大きい
。したがって、回転トルクＴが小さい゛−場合であって
も、薄肉円筒軸１４の外周面に固着されている非晶質磁
性金属箔２５．２６に大きな歪みが生じる。この結果、
磁歪効果によって非晶質磁性金属箔２５．２６の透磁率
が大きく変化する。前述の如く、非晶質磁性金属箔２５
．２６は、軸１１の軸心線に対して角２ 度−α、αの方向を磁化容易軸Ｋｕとする一軸磁気異方
性を有している。αを概ね４５度とすると、各磁化容易
軸は回転トルクＴによって薄肉円筒軸１４に発生する応
力の方向に対して同一方向となる。このため、第２図に
示すように、回転トルクＴが加わった状態では、非晶質
磁性金属箔２５に引張り応力が、また非晶質磁性金属箔
２６に圧縮応力が加わることになり、非晶質磁性金属箔
２５の透磁率が増加し、非晶質磁性金属箔２６の透磁率
が減少する。この透磁率の変化に伴って検出コイル４１
．４２のインピーダンスが変化する。したがって、信号
処理部２の出力Ｖ。は、回転力トルクＴの大きさおよび
方向に対応して変化し、ここにトルクセンサとしての機
能が発揮されることになる。

そして、この場合には、回転トルクが加わったときに歪
みの生じ易い薄肉円筒軸１４を軸１１の途中に介在させ
、この薄肉円筒軸１４の外周面に非晶質磁性金属箔２５
．２６を固着しているので、回転トルクＴが小さい場合
であっても非晶質磁性３ 金属箔２５．２６に生じる歪み量を大きくできる。

この結果、検出感度を上げることができ、出力ｖｏ中に
占めるトルク信号成分の割合を増加させることができ、
結局、温度ドリフトによる検出誤差を少なくすることが
可能となる。

なお、この実施例の場合、バイアス磁界印加源３２を設
けている。このバイアス磁界印加源３２の永久磁石３７
．３９から出た磁束は、永久磁石３７〜ヨ一り３８〜永
久磁石３９〜ヨーク３６〜薄肉円筒軸１４〜ヨーク３４
〜永久磁石３７の経路を通る。このため、非晶質磁性金
属箔２５゜２６には直流バイアス磁界が印加されること
になる。加えて、薄肉円筒軸１４は組込み時に軸方向に
着磁されているので、この着磁に基く直流バイアス磁界
も非晶質磁性金属箔２５．２６に印加されることになる
。このような直流バイアス磁界の印加は検出感度を一定
に保つのに寄与する。

また、使用条件によっては、軸１１に長手方向に電流が
流れる場合がある。この実施例ではリード線２３を使っ
て中実軸１２．１３の対向する端４ 面中央部間を電気的に接続している。したがって、薄肉
円筒軸１４で囲まれた領域では、電流のほとんどが中実
軸１２．１３の中央部を流れ、薄肉円筒部１４に流れる
電流は極めて僅かである。このため、流れた電流によっ
て発生した磁界は非晶質磁性金属箔２５．２６にほとん
ど影響を与えない。

したがって、軸１１に流れる電流によって出力Ｖｏが変
動するようなこともない。

さらに、この実施例では、中実軸１２．１３の実効断面
積に比べて薄肉円筒軸１４のそれは十分に小さい。この
ため、軸１１の片側から大きな回転トルクＴが加わると
、薄肉円筒軸１４が弾性限界を越えて破損する虞がある
。しかし、この実施例では中実軸１２の端面に、相互間
に軸心線と直交する方向の溝１７が形成されるように突
起１６ａ、１６ｂを設けるとともに、中実軸１３の端面
部に溝１７の幅より所定だけ狭い幅を持った角柱部２１
を形成し、この角柱部２１を溝１７に嵌合させている。

したがって、中実軸１２と中実軸１３との間の回転方向
の位相差がある値以上に５ なると、突起１６ａ、１６ｂの内面に角柱部２１の外面
が接触し、この時点から薄肉円筒軸１４には力が加わら
なくなる。したがって、大きな回転トルクＴが加わった
ときに起こり易い薄肉円筒軸１４の破損を防止できる。

すなわち、突起１６ａ。

１６ｂと角柱部２１とは薄肉円筒軸１４のねじれ量を一
定以下に制限するストッパ機構としての機能を発揮する
。

なお、発明者は、本発明にしたがって外径が２３１１１
１ｎ１肉厚が０．５ｎｕｎの薄肉円筒軸を直列に介在さ
せた軸を持つトルクセンサを製作した。また、参考例と
して、外径が２０ｍｎ＋の中実軸の外面に非晶質磁性金
属箔を固着してなる従来構成のトルクセンサも製作した
。そして、両者の特性を比較してみた。その結果、本発
明にしたがうトルクセンサは、従来構成のものに比べて
トルク検出感度が３〜４倍と高いことが確認された。ま
た、軸に長手方向にＩＯＡの電流を流したところ、本発
明にしたがうトルクセンサではトルク信号の変動量が従
来構成のものに比べて１１５〜１／１０と少な６ いことも確認された。さらに、センサの周囲温度を一４
０℃〜＋８０℃まで変化させたときの、出力Ｖ。のトル
ク検出感度に対する変動量を測定したところ、本発明に
したがうトルクセンサは従来構成のものに比べて、１７
３〜１／４と低いことも確認された。

本発明は上述した実施例に限定されるものではない。上
述した実施例では中実軸１２．１３と薄肉円筒軸１４と
の組合わせで軸１１を構成しているが、中実軸の部分は
中空軸でもよい。要は、長手方向の途中に他の部分より
実効断面積の小さい薄肉円筒軸を直列に接続してなる軸
であればよい。

そして、中実軸１２．１３に対応する部分は非磁性材で
形成されていてもよい。また、上記実施例では中実軸１
２と中実軸１３とを電気的に接続するために、フレキシ
ブルなリード線を使用しているが、第５図に示すように
、中実軸１２．１３に同軸的に孔７１．７２を設け、こ
れら孔７１゜７２に両端側がそれぞれ挿入される形に可
撓性に富んだ導電棒７３を配置し、この導電棒７３の両
７ 端部をそれぞれピン７４．７５で中実軸１２゜１３に固
定するようにしてもよい。また、前述した実施例では、
一対の検出コイルのインピーダンス変化を利用している
が、別のコイルを使って一対の検出コイルに電圧を誘起
させ、この誘起電圧を利用するようにしてもよい。また
、非晶質磁性材は軸を一周する長さである必要はない。

［発明の効果］ 本発明によれば、トルク検出感度を高くでき、Ｓ／Ｎを
改善できるので、低トルク領域であっても誤差の少ない
検出が可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例に係るトルクセンサにおける
検出部の縦断面図、第２図は同検出部に組込まれた軸の
正面図、第３図は同検出部における一対の中実軸間の境
目を切断して軸心線に沿って見た図、第４図は同トルク
センサの信号処理部の回路構成図、第５図は変形例を説
明するための断面図である。 １・・・検出部、２・・・信号処理部、１１・・・軸、
８ １２．１３・・・中実軸、１４・・・薄肉円筒軸、２３
・・・リード線、２５．２６・・・非晶質磁性金属箔、
２７・・・ハウジング、２８，２９，３０．３１・・・
軸受、３２・・・バイアス磁界印加源、４１．４２・・
・検出コイル、５７・・・差動増幅器、５８・・・同期
検波回路、５９・・・参照波位相設定器、６ｏ・・・フ
ィルタ。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）軸に磁歪効果を有する非晶質磁性材を固定すると
   もに上記非晶質磁性材の近傍に上記軸とは非接触に複数
   のコイルを配設し、上記軸に加えられた回転力によって
   生じる上記非晶質磁性材の透磁率の変化に伴う上記複数
   のコイルのインピーダンス変化もしくは誘起電圧変化か
   ら上記軸のトルクを検出するようにしたトルクセンサに
   おいて、前記軸は長手方向の途中に他の部分より実効断
   面積の小さい薄肉円筒軸を直列に接続して構成され、前
   記非晶質磁性材は上記薄肉円筒軸の外周面に固定されて
   なることを特徴とするトルクセンサ。
2. （２）前記軸は、前記薄肉円筒軸を境にして長手方向の
   両側に位置する軸要素同志がフレキシブルな導電体で電
   気的に接続されてなることを特徴とする請求項１に記載
   のトルクセンサ。
3. （３）前記軸は、前記薄肉円筒軸を境にして長手方向の
   両側に位置する軸要素間に上記薄肉円筒軸のねじれ量を
   一定値以下に規制するストッパ機構を備えてなることを
   特徴とする請求項１に記載のトルクセンサ。