JPH03282337A - 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】 ［発明の目的コ （産業上の利用分野） 本発明は回転軸などに加えられたトルクを非接触で検出
するトルクセンサに関する。

（従来の技術） 電動機、自動車などの回転駆動部において制御又は監視
を行う場合、トルクは最も基本的なパラメータとして利
用される。例えば、開発の盛んな各種車載電装システム
（パワーステアリングシステム、トランスミッション制
御システム、エンジン制御システム、４輪駆動システム
、操舵システム）においても、トルク検出の重要性は高
い。

近年、非晶質磁性合金の薄帯に生じる磁気歪み効果を利
用し、トルクを非接触で検出することができるトルクセ
ンサが提案されている（電気学会マグネティックス研究
会資料ＭＡＧ−８１−７２）。

このトルクセンサの原理を第９図を参照して説明する。

第９図において、トルクを検出すべき回転軸、すなわち
トルク伝達軸１には非晶質磁性合金薄帯からなる磁性体
２が巻回されて固定されている。この磁性体２には、予
めトルク伝達軸１の周方向３に対して角度θ（≠０）の
方向を磁化容易軸とする一軸磁気異方性に、。が付与さ
れている。

また、この磁性体２に近接して励磁コイル及び検出コイ
ルが配置され、この検出コイルは図示しない検出回路に
接続されている。

このような構成のトルクセンサを用い、以下のようにし
てトルクを検出することができる。ここで、説明を簡単
にするために、θ−４５″、飽和磁歪定数λ５〉０とす
る。いま、軸１に破線矢印で示すトルクＴが加わると、
軸１に発生した表面歪み応力σが磁性体２に伝達され、
磁性体２にはトルク伝達軸１の周方向に対して＋４５°
の方向に張力σが、−４５°の方向に圧縮応力−σがそ
れぞれ発生する。これに伴って、磁性体２には磁気歪み
効果によって、＋４５°の方向に応力誘起磁気異方性に
、、（Ｋ、、−３λ５・σ）が誘導される。この結果、
Ｋ、ｏとＫ　ｗａとが合成されて一軸磁気異方性はに、
！に変化する。この場合、磁性体２の内部を通過する磁
束の向きが一定であれば、−軸磁気異方性が変化するこ
とにより、磁性体２における磁束貫通方向の透磁率が変
化する。したがって、この透磁率変化を、検出コイル及
びこれに接続された検出回路により測定することができ
、その値がら軸１に加えられたトルクＴを求めることが
できる。

ところで、前述した原理に基づくトルクセンサにおいて
は、磁性体２に予め一軸磁気異方性ＫｕＯを付与してお
く必要がある。特に、このトルクセンサにより、正転時
及び逆転時のトルクを直線性よく検出するためには、ト
ルク伝達軸の周方向に対してそれぞれ十〇及び−〇（０
°、９０°　１８０゜２７０°を除く）の方向に予め一
軸磁気異方性Ｋ。。

を付与した１対の磁性体と、これらの磁性体の磁気特性
変化を検出するための差動結合された１対の検出コイル
又は検出ヘッドを用いてトルクセンサを構成する必要が
ある。

磁性体に一軸磁気異方性に、ｏを付与するには、従来、
以下のような方法が知られているが、これらの方法には
いずれも問題がある。

■トルク伝達軸の径に合わせて非晶質磁性合金からなる
環状の磁性体を作製し、熱処理して内部応力を除去した
後、これをトルク伝達軸に挿着し、軸にねじりを与えた
状態で接着し、軸のねじりを戻す方法。しかし、この方
法では、予め軸の径に合わせて環状の磁性体を作製する
必要がある、軸にねじりを与える必要がある、など工程
の煩雑化を招くという問題がある。

■磁性体を軸に接着固定する前に、予め磁性体に磁界中
熱処理・冷却を施すことにより、−軸磁気異方性を導入
する方法。しかし、この方法では、非常に手間がかかり
量産性に欠ける上、長尺磁性体には適用が困難であるな
ど磁性体の寸法及び形状が制限される。また、薄帯の全
体が熱処理されるので、脆くなるという問題がある。

■輔に非晶質合金を例えば熱間静水圧圧縮法（ＨＩ　Ｐ
）により接合して結晶化した後、この合金の一部にレー
ザパルスを照射して縞状に非晶質化する方法（特開昭６
３−２８０４７６号公報）。この方法では、磁性体は結
晶質及び非晶質が交互に縞状に配列された構造となるた
め、磁気異方性を付与することができる。また、この方
法では、磁性体の接合耐久性が良好となる。しかし、こ
の方法では、高価なレーザ照射装置が必要になる、レー
ザで磁性体の表面を改質すると程度の差はあれ磁性体か
脆くなる、などの問題かある。

■気相成長法を用いて軸の表面に磁性体を形成する方法
（特願昭５８−１５０９８８号公報）。この方法は軸の
表面への磁性体の固定という点ては優れている。しかし
、この公報には、軸の表面に形成された磁性体に磁気異
方性を付与する具体的な手段が開示されておらず、この
点に問題がある。

トルクセンサを車載電装システムなどに応用するにあた
っては、磁性体への磁気異方性の導入に対する対策が非
常に重要である。

（発明が解決しようとする課題） 本発明の目的は、磁性体への磁気異方性の導入に付随す
る問題がなく、しかも感度の高いトルクセンサを提供す
ることにある。

［発明の構成］ （課題を解決するための手段） 本発明のトルクセンサは、磁歪を有する磁性体をトルク
伝達軸表面に固定し、該軸に加えられたトルクにより、
前記磁性体の磁気特性が変化することを利用してトルク
の検出を行うトルクセンサにおいて、前記磁性体として
急冷ロール法により作製され長手方向又は幅方向に磁気
異方性が生じた非晶質磁性薄帯を用い、該薄帯の磁気異
方性が前記トルク伝達軸の周方向に対して所定の方向に
生じるように、前記薄帯を前記トルク伝達軸に固定した
ことを特徴とするものである。

本発明において、磁性体としては、急冷ロール法により
作製された、いわゆるａｓ−ｑｕｅｎｃｈの非晶質薄帯
が用いられる。急冷ロール法で作製された非晶質薄帯に
は、その急冷時にロール軸の回転方向（薄帯の長手方向
）を磁化容易軸とする磁気異方性が導入されるか、又は
表面にフィッシニスケールと呼ばれる鱗状の模様が観察
される非晶質薄帯ではロール軸の回転方向に対する直交
方向（薄帯の幅方向）を磁化容易軸とする磁気異方性が
導入される。

この非晶質薄帯は、その磁気異方性がトルク伝達軸の周
方向に対して所定の方向に生じるように、例えば適当に
切断された状態でトルク伝達軸に固定される。−軸磁気
異方性を生じさせる方向は、主応力方向、すなわちトル
ク伝達軸の周方向に対して±４５’の方向が望ましいが
、周方向に対して０°より大きく、９０°未満の任意の
角度をなす方向であればよい。薄帯の幅などの寸法は特
に限定されないが、形状磁気異方性が無視できる形状と
することが好ましい。

非晶質薄帯は、トルク伝達軸表面に有機接着剤などを用
いて固定される。また、熱間静水圧圧縮法（ＨＩ　Ｆ）
により固定する方法は、磁気異方性が減少するおそれが
あるため好ましくはないが、この方法でも充分な磁気異
方性が残留する。ただし、磁性体は磁歪を有しているの
で、残留応力が生じると、逆磁歪効果により応力誘起磁
気異方性を生じる。このため、非晶質薄帯をトルク伝達
軸に固定した際に、未制御の内部応力があまり大きくな
らないように注意する必要がある。

（作　用） これまで、急冷ロール法による作製時に磁気異方性が導
入された非晶質薄帯を、そのまま利用してトルクセンサ
を作製することは考えられていなかった。これは、実用
的なトルク検出感度か得られる程度には、非晶質薄帯に
導入された磁気異方性が大きくないと考えられていたか
らである。

しかし、本発明者らが検討した結果では、急冷ロール法
による作製時に非晶質薄帯に導入された磁気異方性は、
充分大きく、実用的なトルク検出感度が得られることが
判明した。

本発明のトルクセンサでは、急冷ロール法により作製さ
れた非晶質薄帯を適当な形状に加工するだけで、そのま
ま利用している。このため、従来、磁性体に磁気異方性
を導入するために必要とされていた処理、例えば環状磁
性体の作製と軸にねじりを与える作業、磁界中熱処理・
冷却、レーザビーム照射などが不必要となり、量産性に
優れている。また、磁界中熱処理、レーザビーム照射な
どによる磁性体の脆化の問題も生じない。

（実施例） 以下、本発明の実施例を図面を参照して説明する。

実施例１ 第１図は本発明の一実施例に係るトルクセンサの概略的
な構成図である。第１図において、図示しないモータな
どの駆動源によって回転する直径２０　ｍｍのトルク伝
達軸１１の表面の２個所には、厚さ２０趣の磁性体１２
．　１２□かそれぞれ複数個でトルク伝達軸１１の周囲
をカバーするように固定されている。磁性体＋２１　１
２□には、トルク伝達軸１１の周方向に対してそれぞれ
−４５”　　＋４５°の方向に一軸磁気異方性ＫｕＯ％
に、ｏが導入されている。

これら磁性体１２＋　　１２゜は、急冷ロール法により
作製された、 （Ｆ　ｅｏ、２　ＣＯｏ、ｓ　）　７８Ｓ　ｉ　ｓ　Ｂ
１４なる組成を有する磁歪定数１０−５程度の非晶質合
金薄帯からなっている。第２図に示すように、この非晶
質合金薄帯１２には急冷ロール法による作製時にロール
軸の回転方向（薄帯の長手方向）に磁気異方性が導入さ
れている。異方性エネルギの大きさは１０’　ｅｒｇ／
ｃｃ程度である。この非晶質合金薄帯１２の一部を、例
えば第２図に示すように切断し、これをトルク伝達軸１
１に固定して第１図に示す構造を形成する。

トルク伝達軸１１の外周には、磁性体１２１．１２□に
非接触の状態で、円筒状の検出巻線１３１．１３□が施
されている。また、検出巻線１３□、１３□の外周には
、円筒状の励磁巻線１４が施されている。これら検出巻
線１３．．１３゜及び励磁巻線１４は、図示しない非磁
性体からなる巻枠に０．３ｍｍ径の導線を、検出巻線１
３１．１３□の場合１００回、励磁巻線１４の場合３０
０回巻回したものである。

第５図は本実施例のトルクセンサの回路構成を示すブロ
ック図である。第５図において、発振器２１により１０
０ｋＨｚの正弦波励磁電流を発生させ、増幅器２２によ
り増幅し、励磁巻線１４に印加する。

この結果、磁性体１２１　１２２には交番磁界が加わる
。そして、前述した原理に従って、検出巻線１３ｔ　、
１３□により得られる検出信号が、差動増幅器２３．２
４．２５を介して同期検波器２６により整流されて、ト
ルク変化に応じて変化する直流のトルク信号が得られる
。

以上のような構成のトルクセンサを用い、トルクの検出
特性を測定した結果を第７図に示す。第７図から明らか
なように、本実施例のトルクセンサは、広いトルク範囲
にわたって良好な直線性を示す。

実施例２ 第３図は本発明の他の実施例に係るトルクセンサの概略
的な構成図である。第３図においては、実施例１と異な
り、磁性体１２＋　　１２□として、急冷ロール法によ
り作製された、 Ｆ　　ｅ６ｔｃＯｔ６ｓ　　ｉ　　Ｉ　Ｂ１４なる組成
を有する磁歪定数３　、５Ｘ　１０−５程度の非晶質合
金薄帯が用いられている。第４図に示すように、この非
晶質合金薄帯１２には急冷ロール法による作製時にロー
ル軸の回転方向と直交する方向（薄帯の幅方向）に磁気
異方性が導入されて０る。

この非晶質合金薄帯１２の一部を、例えば第４図に示す
よう＋＋切断し、これをトルク伝達軸１１に固定して第
３図に示す構造を形成する。

その他の検出巻線１３＋　、１３２　、励磁巻線１４及
び回路構成は実施例１の場合と同様である。このトルク
センサても、第７図と同様な直線性の良好なトルク検出
特性が得られた。

なお、本発明において、トルク伝達軸１１に固定される
磁性体１２＋　　１２□の形状は、例えば第８図に示す
ように正方形としてもよい。このような形状にした場合
、形状磁気異方性の影響が少なくなることが期待できる
。

また、前記実施例では励磁巻線１４を用い、第５図に示
す回路構成でトルク検出を行ったが、励磁巻線を用いず
に、第６図に示す回路構成でトルク検出を行ってもよい
。第６図において、発振器２１で発生された正弦波電流
は増幅器２２で増幅される。

増幅器２２の出力端には検出巻線１３１と抵抗Ｒ１との
直列回路及び検出巻線１３２と抵抗Ｒ２（Ｒ２−Ｒ１）
との直列回路からなるブリッジ回路が接続されている。

また、発振器２１で発生された正弦波電流は参照信号発
生器２７に入力され、ここで発生した信号が位相検波器
２８に出力される。そして、ブリッジ回路の検出端には
差動増幅器２３が接続され、その出力が位相検波器２８
で検波されてトルク出力を得ることができる。

［発明の効果］ 以上詳述したように本発明のトルクセンサは、磁性体に
磁気異方性を導入するために特別な処理を行う必要がな
いため量産性が高く、また磁性体への磁気異方性の導入
に伴う脆化などの問題を生じることがなく、トルク検出
特性も優れている。

【図面の簡単な説明】 第１図は本発明の実施例１におけるトルクセンサの概略
構成図、第２図は同トルクセンサに用いられる非晶質合
金薄帯の説明図、第３図は本発明の実施例２におけるト
ルクセンサの概略構成図、第４図は同トルクセンサに用
いられる非晶質合金薄帯の説明図、第５図は本発明に係
るトルクセンサの回路構成を示すブロック図、第６図は
本発明に他の実施例におけるトルクセンサの回路構成を
示すブロック図、第７図は本発明に係るトルクセンサに
よるトルク検出特性を示す特性図、第８図は本発明の他
の実施例におけるトルクセンサの概略構成図、第９図は
本発明に係るトルクセンサの原理を示す説明図である。 １１・・・トルク伝達軸、１２．　１２□・・・磁性体
、１３１　１３２・・・検出巻線、１４・・・励磁巻線
、２１・・・発振器、２２・・・増幅器、２３．２４．
２５・・・差動増幅器、２６・・・同期検波器、２７・
・・参照信号発生器、２８・・・位相検波器。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 　磁歪を有する磁性体をトルク伝達軸表面に固定し、該
   軸に加えられたトルクにより、前記磁性体の磁気特性が
   変化することを利用してトルクの検出を行うトルクセン
   サにおいて、前記磁性体として急冷ロール法により作製
   され長手方向又は幅方向に磁気異方性が生じた非晶質磁
   性薄帯を用い、該薄帯の磁気異方性が前記トルク伝達軸
   の周方向に対して所定の方向に生じるように、前記薄帯
   を前記トルク伝達軸に固定したことを特徴とするトルク
   センサ。