JPH03282339A - 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７図を参照して説明する。

第７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は対して角度θ（≠０）の
方向を磁化容易軸とする一軸磁気異方性に、ｏ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、この検出フィ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−４５ａ１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、
ＫｗＯとＫ　ｕｓとが合成されて一軸磁気異方性はに９
□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
、その値から軸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Ｋｗ。

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＋θ
及び−θ（０’　、９０’　　１８０゜２７０°を除く
）の方向に予め一軸磁気異方性に、Ｉｎ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Ｋｔ＋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。

■軸に非晶質合金を例えば熱間静水圧圧縮法（ＨＩＦ）
により接合して結晶化した後、この合金の一部にレーザ
ビームを照射して縞状に非晶質化する方法（特開昭６３
−２８０４７８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、レーザビームを照射した面の磁気特性を利用
するため、その面の機械的信頼性、耐食性などに問題が
あった。

（発明が解決しようとする課題） 本発明の目的は、磁性体の機械的信頼性及び耐食性に優
れた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
、高エネルギー密度ビームを照射して局所加熱処理を施
し、磁気特性の異なる２種以上の領域を所定方向に磁気
異方性が生じるようにパターン化した帯状磁性体を用い
、該帯状磁性体を高エネルギー密度ビームを照射した面
を内側にしてトルク伝達軸に固定したことを特徴とする
ものである。

本発明において用いられる磁性体は、磁気特性の異なる
２種以上の領域を所定方向に磁気異方性が生じるように
パターン化した帯状磁性体である。

このような構造は、帯状磁性体の一部に高エネルギー密
度ビームを照射して局所加熱処理を施すことにより、形
成することができる。局所加熱処理のできる高エネルギ
ー密度ビームとしては、■ＹＡＧレーザ、ＣＯ２ガスレ
ーザ、Ａｒガスレーザなどのレーザビーム、■赤外線集
光ビーム、■電子線ビーム、■イオンビーム、などが挙
げられる。局所加熱処理された領域と未熟処理領域とは
、透磁率、保持力などの磁気特性が異なる。これらの領
域は結晶質でも非晶質でもよい。この磁性体は、磁気異
方性を付与する観点から、ビーム照射領域及びビーム未
照射領域が縞状に交互に配列された構造を有しているこ
とが好ましい。

より具体的には、ビームの径を１−〜ＩＩｕ程度に集束
して帯状磁性体に照射し、その長手方向に対して所定角
度をなして走査させる操作を５０．〜１０關の所定のピ
ッチで繰り返す。このような方法により、帯状磁性体の
長手方向に対して任意の角度を有する一軸磁気異方性を
導入することができる。−軸磁気異方性の方向に関して
は、ビームの照射幅、ピッチなどによって、ビームの走
査方向の場合もあれば、それに対する垂直方向の場合も
あるなど、種々変更できる。なお、この処理では、ビー
ム照射した領域の構造を変化させ、その領域の磁気特性
を変化させているため、良好な感度を得るためには、例
えば走査速度などのビーム照射条件を適当に設定するこ
とが好ましい。また、磁性体表層部の磁気特性が重要で
あることが多いため、ビーム照射による変性領域が帯状
磁性体のビーム照射面から裏側に近い領域にまで及ぶよ
うに、磁性体の厚さ及びビーム照射条件を選択すること
が好ましい。ただし、機械的強度の面から、ビーム照射
による変性領域が、磁性体の裏側にまで完全に貫通する
ことはあまり好ましくない。

以上のようにして作製された帯状磁性体は、その−軸磁
気異方性を生じさせた方向が、トルク伝達軸の主応力方
向、すなわちトルク伝達軸の周方向に対して±４５＠の
方向となるようにトルク伝達軸に固定することが好まし
いが、その方向は周方向に対して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。

そして、帯状磁性体は、ビーム照射面が内側になるよう
にトルク伝達軸に固定される。ビーム照射面を内側にす
るか外側にするかで、表面の応力状態が異なってくるの
で、磁気特性及びトルク検出感度に微妙な影響を及ぼす
ことが考えられ、内側の方が高感度になる場合も考えら
れる。

（作　用） 本発明のトルクセンサでは、高エネルギー密度ビームを
照射して局所加熱処理を施し、磁気特性の異なる２種以
上の領域を所定方向に磁気異方性が生じるようにパター
ン化した帯状磁性体を用い、この帯状磁性体を高エネル
ギー密度ビームを照射した面を内側にしてトルク伝達軸
に固定している。帯状磁性体は、ビーム照射の際に熱応
力を受け、更にトルク伝達軸に固定する際に機械的応力
を受けるが、ビーム照射面を内側にしているので、機械
的信頼性を損なうことがない。また、ビーム照射面を内
側にしているので、耐食性も良好である。

（実施例） 以下、本発明の実施例を図面を参照して説明する。

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　ａｍのトルク伝
達軸１１の表面の２個所には、幅１０龍、厚さ１５４の
１対の磁性体１２１　１２２がトルク伝達軸１１の全周
にわたって固定されている。これら磁性体１２＋　　１
２２には、急冷ロール法により作製された、 （Ｆ　　ｅ　　ｏ、Ｂ　　ＣＯｏ、２　　）　　７８Ｓ
　　ｉｓ　　Ｂ１４なる組成を有する磁歪定数１０４程
度の非晶質合金薄帯が用いられている。これら磁性体１
２＋　　１２２は、この非晶質合金薄帯の表面に、ビー
ム径５０７ｕのＹＡＧレーザビームを、薄帯の長手方向
に対して、磁性体１２□では＋４５°の方向、磁性体１
２２では一４５″の方向に走査しながら、１龍ピツチで
照射することにより作製されている。

これらの磁性体１２＋　、１２□は、第３図に示す装置
を用いて処理された。第３図において、架台１０１上に
はガイドベース１０２が載せられ、このガイドベース１
０２上を帯状磁性体１２が移動する。架台１０１上には
支柱１０３が取り付けられ、この支柱１０３にはボール
ネジ１０４が回転自在に取り付けられ、ガイドレール１
０５が固定されている。ボールネジ１０４には光学系１
０６が連結され、この光学系１０Ｂはガイドレール１０
５に沿って移動する。光学系１０６の内部にはミラー１
０７及びレンズ１０８が設けられている。帯状磁性体１
２の移動はセンサ１０９を介して移動検出器１１０によ
って検出される。光学系１０６の移動は、ボールネジ１
０４を回転させるサーボモータ１１１をサーボモータコ
ントローラ１１２で制御することにより制御される。そ
して、レーザ発振器１１３からミラー１０７及びレンズ
１０８を介してレーザビームが帯状磁性体１２に照射さ
れる。この際、光学系１０６内にはガス供給系１１４か
らＡｒガスが導入される。以上の各部材は操作盤１１６
での設定に従い、コントローラ１１５により制御される
。

このようにして処理された磁性体１２＋　　１２２は、
作製されたままの未照射領域（非晶質相）　１５とレー
ザビーム照射の結果光の相と異なる磁気特性を有する溶
融凝固領域（非晶質相）１６とが縞状に交互に配列され
た構造となっている。第２図に示すように、これらの磁
性体１２＋　　１２２は、レーザビーム照射面が内側に
なるようにトルク伝達軸１工に固定されている。こうし
た構造により、トルク伝達軸１１の周方向に対して、そ
れぞれ磁性体１２１では一４５°、磁性体１２２では＋
４５°の方向に一軸磁気異方性Ｋ　ｕ’ｏｓ　Ｋ　ｕ’
ｏが導入されている。

トルク伝達軸１１の外周には、磁性体１２＋　、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＋　、１３２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ＩＬ　、１３２及び励磁巻線１４は、図示しない
非磁性体からなる巻枠に０．１１＋ｕ径の導線を、検出
巻線１３．．１３２の場合１００回、励磁巻線１４の場
合３００回巻回したものである。

第４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４図において、発振器２１によりＩＤ
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１２＋　、１２□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１３１　
１３２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２Ｂ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５図に示す。第５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。

なお、前記実施例では励磁巻線１４を用い、第６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７図に示す回路構成でトルク検出を行ってもよい
。第７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＋３．と抵抗Ｒ，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、その出力か位相検波器２８
で検波されてトルク出力を得ることかできる。

［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、磁性体の
ビーム照射面を内側にしているので、機械的信頼性を損
なうことがなく、耐食性も良好であり、その工業的価値
は大きい。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例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磁性体をト
ルク伝達軸に固定した状態を示す断面図、第３図は本発
明の実施例において用いられた帯状磁性体のレーザビー
ム照射装置の構成図、第４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５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６
図は本発明の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
サの原理を示す説明図である。 １１・・・トルク伝達軸、１２１　１２□・・・磁性体
、１３．１３□・・・検出巻線、１４・・・励磁巻線、
１５・・・未照射領域、１６・・・溶融凝固領域、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、１０１・・・架
台、１０２・・・ガイドベース、１０３・・・支柱、１
０４・・・ボールネジ、１０５・・・ガイドレール、１
０６・・・光学系、１０７・・・ミラー、１０８・・・
レンズ、１０９・・・センサ、１１０・・・移動検出器
、ｉｌｌ・・・サーボモータ、１１２・・・サーボモー
タコントローラ、１１３・・・レーザ発振器、１１４・
・・ガス供給系、１１５・・・コントローラ、１１６・
・・操作盤。

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、高エネルギー密度ビー
   ムを照射して局所加熱処理を施し、磁気特性の異なる２
   種以上の領域を所定方向に磁気異方性が生じるようにパ
   ターン化した帯状磁性体を用い、該帯状磁性体を高エネ
   ルギー密度ビームを照射した面を内側にしてトルク伝達
   軸に固定したことを特徴とするトルクセンサ。