JPH04299226A - トルクセンサの温度補償装置 - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、トルクセンサの温度補
償装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】公知のトルクセンサとして、トルク伝達
軸の外周に一対の磁気異方性部を形成し、この軸にトル
クが印加されたときの各磁気異方性部の透磁率の変化を
、これら磁気異方性部の近傍に配置された一対の検出コ
イルで検出し、両検出信号の差から、軸に作用するトル
クの大きさを電気信号に変換するようにしたものが、た
とえば特許第１６９３２６号明細書において開示されて
いる。

【０００３】この種のトルクセンサでは、磁気異方性部
が形成された軸部分や検出コイルや励磁コイルなどによ
ってセンサ部が構成されるが、このセンサ部に温度変化
が生じると、その磁気特性や電気特性が変化する。この
結果、センサのトルク検出特性が変化して、その検出精
度に変動が生じる。特に、自動車のエンジンからの動力
取出軸などのように、トルク伝達軸の一端側と他端側と
の温度差が大きく、軸に温度勾配がある場合に問題とな
る。

【０００４】トルクセンサ軸に温度勾配がある場合にお
いてもセンサ出力を安定に保つようにしたものとして、
ヨーロッパ特許出願公開第０　３０９　９７９号公報に
開示されるものがある。このヨーロッパ公報においては
、図４（ｂ）　に示すように、トルク伝達軸１に取り付
けられたスリーブ２に、同方向に傾斜する一対の磁気異
方性部３、４と、これら磁気異方性部３、４どうしの間
に位置して反対方向に傾斜する磁気異方性部５とが形成
されている。磁気異方性部３、４は互いに等しい幅で形
成され、また磁気異方性部５は、磁気異方性部３、４の
２倍の幅で形成されている。６、７、８は検出コイルで
、各磁気異方性部３、４、５に対応してそれぞれ設けら
れている。各検出コイル６、７、８は直列に接続され、
検出コイル６、７は同特性に、また検出コイル８は逆特
性になるように結線されている。

【０００５】このような構成によれば、軸１にトルクが
印加していない状態において、センサ部に温度勾配が存
在しない場合には、検出コイル６、７の出力は同極性で
等しい値となり、また検出コイル８の出力は反対の極性
で２倍の値となる。このため、それらの総和は零になり
、センサ部全体に温度変化があったとしても、その影響
が除去された零点出力が得られる。一方、軸１にトルク
が印加していない状態において、センサ部に同図（ａ）
　に示すような温度勾配が存在すると、各検出コイル６
、７、８の出力は、同図（ｃ）　のように、この温度勾
配の影響を受けたものとなる。しかし、このような場合
であっても、各検出コイル６、７、８の出力の総和は同
図（ｄ）　に示すように零になり、温度勾配の影響を取
り除いた零点出力が得られる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかし、この図４に示
したヨーロッパ特許出願公開第０　３０９　９７９　号
公報のものでは、センサ各部の磁気特性がセンサ全体で
バランスしていることが必要である。さもなければ、セ
ンサ部に温度変化や温度勾配が生じたときに、理論通り
に零点補償が機能しないという問題点がある。言い換え
ると、センサ製造工程などで磁気的なアンバランスが生
じ、これが原因して各検出コイル６、７、８からの出力
電圧がバランスされなくなると、温度変化や温度勾配が
生じたときに、この温度変化や温度勾配に起因する零点
出力変化を補償しきれなくなり、零点出力に変化が生じ
てしまうという問題点がある。

【０００７】以下、このことを簡単な例にもとづいて説
明する。図５は、先に説明した特許第１６９３２６号明
細書などにおいて用いられているトルクセンサのセンサ
部の構造を示す。ここでは、トルク伝達軸１に一対の磁
気異方性部１１、１２が形成され、各磁気異方性部１１
、１２の周囲には、励磁コイル１３、１４と検出コイル
１５、１６とがそれぞれ設けられている。励磁コイル１
３、１４は、励磁電流を供給するための交流電源１７に
接続され、また検出コイル１５、１６は、これら検出コ
イル１５、１６の検出信号の差からトルク検出出力を求
めるため、低域通過フィルタ１９、２０を経由して演算
器１８に接続されている。検出コイル１５、１６からの
信号を低域通過フィルタ１９、２０に通して直流にした
検出電圧をＶＡ、ＶＢとすると、演算器１８の出力電圧
Ｖ０は、Ｖ０　＝　ＶＡ　−　ＶＢ となる。

【０００８】図６は、励磁電流が変化したときのＶＡ、
ＶＢの変化の特性を示す。図５の両センサ部が磁気的に
バランスしている場合にはＶＡ、ＶＢの変化の特性が一
致する筈であるが、現実には図示のように特性が相違す
るのが常である。励磁電流はセンサ部の温度にしたがっ
て変化するため、結局図６は、センサ部の温度変化にと
もなうＶＡ、ＶＢの変化の様子をも示すことになる。

【０００９】この図６において、零点の出力電圧　　Ｖ
０　＝　ＶＡ　−　ＶＢ　　は、動作点１と動作点２と
で変化する。すなわち、温度変化によりセンサの動作点
が動作点１から動作点２に変化すると、そのときの零点
の出力電圧はＶ０１　からＶ０２　に変化する。そして
、その差ΔＶ０　＝　Ｖ０１　−　Ｖ０２ が、温度変化にともなう零点変化となって現れる。

【００１０】これを実際のセンサでテストした結果を図
７および図８に示す。図７は励磁電流を変化させたとき
の零点の出力電圧の変化を示しており、また図８は同じ
く励磁電流を変化させたときの正規化された零点の出力
電圧の変化を示している。ここで正規化された零点の出
力電圧とは、零点の出力電圧の値をキャリア電圧（　Ｖ
Ａ　＋　ＶＢ　）の値で正規化した値、すなわち（　Ｖ
Ａ　−　ＶＢ　）／（　ＶＡ　＋　ＶＢ　）をいう。こ
のように正規化することで、何らかの原因にもとづく出
力変動を補正したデータを得ることができる。

【００１１】いずれにしても、これら図７および図８よ
り、製造過程でセンサに磁気的アンバランスを生じた場
合には、温度変化や温度勾配によってその励磁電流が変
化することなどにより動作点が変化すれば、その結果と
して零点が変化することがわかる。そして実際の製造工
程においては、センサに磁気的なアンバランスが全く生
じないようにすることはまず不可能で、このため零点の
変化が避けられないという問題点がある。

【００１２】また一般には、軸１の磁歪定数、透磁率、
電気抵抗率や、コイルを収容するシールドヨークの透磁
率、電気抵抗率や、センサを構成する部材の透磁率、電
気抵抗率などの温度特性がセンサ全体としてバランスし
ていないために、前述のセンサの零点のみならず、その
感度が温度変化するという問題点がある。たとえば、軸
１の材料として一般にトルクセンサ用軸として適当なニ
ッケルクロムモリブデン鋼を用い、またシールドヨーク
にＰＣパーマロイ（商品名）を用いたときのセンサ感度
の温度特性を図９に示す。ところが、前述のヨーロッパ
特許出願公開第０３０９　９７９　号公報では、この感
度変化についての温度補償は、何らなされていないとい
う問題点もある。

【００１３】一方、このヨーロッパ公報では磁気異方性
部を３箇所設けているが、これに代えて、特開平１−１
７０８２３号公報に開示されるように磁気異方性部を４
箇所とすると、温度勾配の影響を取り除くことができる
とともに、検出感度を倍加させることができる利点があ
る。しかし、この特開平１−１７０８２３号公報におい
てもセンサに当然存在する磁気的なアンバランスについ
ては考慮されておらず、その点においてセンサのトルク
検出精度があまり高くないという問題点がある。

【００１４】そこで本発明はこのような問題点を解決し
て、磁歪式トルクセンサにとって避けられない磁気的ア
ンバランスにもとづく零点出力や感度の変動をことごと
く補償できるようにし、しかも特開平１−１７０８２３
号公報と同様に検出感度を向上させた場合においても、
なおこれら零点出力や感度の変動を補償できるようにす
ることを目的とする。

【００１５】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
本発明は、トルク伝達軸の外周面に形成された磁気異方
性部と、この磁気異方性部に対応して設けられた検出コ
イルとを備えて、前記トルク伝達軸に印加されるトルク
の大小に応じた検出信号を前記検出コイルから出力する
ようにした磁歪式のトルクセンサにおいて、前記磁気異
方性部をトルク伝達軸の長さ方向の少なくとも３箇所の
位置に形成し、各磁気異方性部にそれぞれ対応して検出
コイルを設け、各検出コイルの検出信号から、軸に生じ
る温度変化および温度勾配にもとづく出力の零点の誤差
成分を相殺して除去する手段を設け、かつ、任意の一対
の検出コイルからの検出信号の電圧の和が一定になるよ
うに、前記検出コイルを励磁するための励磁電流を制御
する手段を設けたものである。

【００１６】

【作用】このような構成によれば、任意の一対の検出コ
イルからの検出信号電圧の和が一定になるように制御し
ているため、換言すると、センサの全磁束を一定にして
、温度が変化してもセンサの磁気異方性領域全体の動作
点が一定になるようにしているため、温度変化や温度勾
配が生じても、それにともなう零点の変動が最小になる
。

【００１７】すなわち、一般に商業的大量生産工程にお
いては、どんなに工程を管理しても、センサ出力の零点
は１０％ＦＳ　程度のばらつきが生じるのが通例てある
。それ以上のレベルでバランスをとることは、極端なコ
ストアップを招き、商業生産を阻害する要因となる。こ
れに対し本発明は、トルクセンサには通常磁気的なアン
バランスが必ず存在するという前提にもとづいて、温度
変化や温度勾配への対策をたてたものであり、前述のよ
うに温度が変化しても検出信号電圧の和を常に一定に保
つようにして、センサの動作点を一定にすることで、零
点の変動を最小にしたものである。

【００１８】

【実施例】図１は、本発明の第１実施例を示す。同図（
ｂ）　において、トルク伝達軸１には、その長さ方向に
距離をおいた３箇所に磁気異方性部２１、２２、２３が
順に形成され、磁気異方性部２１と磁気異方性部２２と
は同方向に傾斜し、また磁気異方性部２３はこれらとは
逆方向に傾斜している。各磁気異方性部２１、２２、２
３の周囲には、励磁コイル２４Ａ　、２４Ｂ　、２４Ｃ
　と検出コイル２７Ａ　、２７Ｂ　、２７Ｃ　とがそれ
ぞれ設けられている。励磁コイル２４Ａ　、２４Ｂ　、
２４Ｃ　は、励磁電流を供給するための交流電源３０に
接続され、また検出コイル２７Ａ　、２７Ｂ　、２７Ｃ
　は、それぞれ整流フィルタ３１Ａ　、３１Ｂ　、３１
Ｃ　に接続されている。

【００１９】一端側の検出コイル２７Ａ　に対応した出
力ラインと、中央の検出コイル２７Ｂ　に対応した出力
ラインとは、減算のための第１の演算器３４の入力側に
接続されている。また中央の検出コイル２７Ｂ　に対応
した出力ラインと、他端側の検出コイル２７Ｃに対応し
た出力ラインとは、減算のための第２の演算器３５の入
力側に接続されている。さらに、これら第１の演算器３
４の出力側と第２の演算器３５の出力側とは、減算のた
めの第３の演算器３６の入力側に接続されている。３７
は第３の演算器３６の出力端子である。

【００２０】一方、一端側の検出コイル２７Ａ　に対応
した出力ラインと、他端側の検出コイル２７Ｃ　に対応
した出力ラインとは、加算のための第４の演算器３８の
入力側に接続されている。この第４の演算器３８の出力
側は、基準電圧Ｖｒｅｆとの比較のための差し引き点３
９に接続され、その比較結果がオートゲインコントロー
ラ４０に入力されるようになっている。オートゲインコ
ントローラ４０の出力側は交流電源３０に接続され、励
磁回路へ供給する電力を制御可能である。

【００２１】このような構成において、各検出コイル２
７Ａ　、２７Ｂ　、２７Ｃ　からの出力をそれぞれＶＡ
、ＶＢ、ＶＣとすると、これら出力ＶＡ、ＶＢ、ＶＣは
、それぞれ次のようになる。 ＶＡ　＝　Ｖ０　＋　ｖ　＋　Δｖ ＶＢ　＝　Ｖ０　＋　Δｖ ＶＣ　＝　Ｖ０　−　ｖ　−　Δｖ ここで、　Ｖ０　は室温下でトルク零のときのコイル出
力、ｖ　は軸１に温度勾配が生じたときのアンバランス
にもとづくコイル出力、そしてΔｖ　は軸１に印加され
るトルクにもとづくコイル出力である。トルクゼロのと
き、これら各コイルからの出力ＶＡ、ＶＢ、ＶＣは、図
１（ｃ）　に示す通りとなる。

【００２２】これら出力ＶＡ、ＶＢ、ＶＣにもとづき、
演算器３４には出力ｖ　が現れ、また演算器３５には出
力　ｖ　＋　２Δｖ　が現れる。そして演算器３６の出
力端子３７には、Ｖ０およびｖ　の影響を取り除いた出
力　２Δｖ　のみが現れる。すなわち、軸１に図１（ａ
）　に示すような温度勾配があった場合でも、この温度
勾配に起因する出力ｖ　が取り除かれた出力　２Δｖ　
のみが出力端子３７に現れるため、この温度勾配にもと
づく誤差が除去されることになる。

【００２３】演算器３８には、両端の磁気異方性部２１
、２３に対応した検出コイル２７Ａ　、２７Ｃ　からの
出力ＶＡ、ＶＣが入力される。そして、これら出力の和
　ＶＡ　＋　ＶＣが基準電圧Ｖｒｅｆと等しい一定値と
なるように、交流電源３０を含む励磁回路がオートゲイ
ンコントローラ４０によって制御される。

【００２４】すなわち、図１（ｂ）　に示されるセンサ
部に磁気的なアンバランスがあった場合には、このセン
サ部に温度変化や温度勾配が生じると、図６で説明した
ように各出力ＶＡ、ＶＢ、ＶＣはまちまちに変化しよう
とするため、検出誤差の原因となる。しかし、上述のよ
うに　ＶＡ　＋　ＶＣが一定になるように制御している
ため、センサ全体の動作点が一定に保たれ、このような
検出誤差の発生が極力防止されて、零点を有効に安定さ
せることができる。なお、図示のように両端側の出力Ｖ
Ａ、ＶＣを用いて制御することで、センサ部全体の温度
変化の平均値を正確に検知することが可能となる。しか
し、中央部の出力ＶＢを利用し、　ＶＢ　＋　ＶＣを一
定にする制御も、もちろん可能である。

【００２５】また図４（ｂ）　に示した従来のものでは
、磁気異方性部３、４、５および検出コイル６、７、８
の幅を正確に１：１：２に形成しなければならず、これ
には多少の商業的問題点があるが、図１（ｂ）　に示す
ようにこれを１：１：１にすることで、商業上の製造可
能性を飛躍的に向上させることができる。ヨーロッパ特
許出願公開第０　３０９　９７９　号公報では、図４（
ｂ）　の検出コイル８を二分してこの点の解決を図ろう
としたものも開示されているが、まだ十分でなく、図１
（ｂ）　の構成の方が格段にすぐれている。

【００２６】図２は、本発明の第２実施例を示す。ここ
では、軸１の長さ方向の４箇所に磁気異方性部４１、４
２、４３、４４が形成され、両端の磁気異方性部４１、
４４は同方向に傾斜されている。中央の磁気異方性部４
２、４３は、ともに両端の磁気異方性部４１、４４とは
反対の方向に傾斜されている。　２４Ａ〜２４Ｄ　は励
磁コイル、２７Ａ〜２７Ｄ　は検出コイルである。　３
１Ａ〜３１Ｄ　は整流フィルタである。

【００２７】第１の演算器３４の入力側には、互いに傾
斜方向が逆であるが、しかし隣合わない磁気異方性部４
１、４３に対応した検出コイル　２７Ａ、２７Ｃ　から
の出力ラインが接続されている。同様に、第２の演算器
３５の入力側には、磁気異方性部４２、４４に対応した
検出コイル　２７Ｂ、２７Ｄ　からの出力ラインが接続
されている。また、第４の演算器３８の入力側には、第
２の演算器３５と同様に、磁気異方性部４２、４４に対
応した検出コイル　２７Ｂ、２７Ｄ　からの出力ライン
が接続されている。

【００２８】このような構成において、各検出コイル　
２７Ａ〜２７Ｄ　からの出力ＶＡ〜ＶＤは、それぞれ次
のようになる。 ＶＡ　＝　Ｖ０　＋　２ｖ　＋　　ΔｖＶＢ　＝　Ｖ０
　＋　ｖ　−　Δｖ ＶＣ　＝　Ｖ０　−　Δｖ ＶＤ　＝　Ｖ０　−　ｖ　＋　Δｖ これら各コイルからの出力ＶＡ〜ＶＤは、図２（ｃ）　
に示す通りとなる。

【００２９】これら出力ＶＡ〜ＶＤにもとづき、演算器
３４、３５には、ともに出力２ｖ　＋　２Δｖ　が現れ
、また演算器３６の出力端子３７には、Ｖ０およびｖ　
の影響を取り除いた出力　４Δｖのみが現れる。すなわ
ち、この図２の例の場合には、図１の場合と同様に、図
２（ａ）　に示すような温度勾配があった場合でも、こ
の温度勾配にもとづく誤差が除去される。のみならず、
出力端子３７には出力　４Δｖ　が現れるため、図１の
ように出力　２Δｖ　しか現れないものに比べ、２倍の
感度を得ることができる。

【００３０】この図２の場合も、出力の和　ＶＢ　＋　
ＶＤ　　が一定となるように制御しているため、センサ
部にアンバランスがあった場合にも、センサ全体の動作
点が一定に保たれて、零点の安定化を図ることが可能と
なる。

【００３１】図３は、本発明の第３実施例を示す。ここ
では、零点の補償のみならず、感度の補償も行われてい
る。すなわち、ここでは、図２の構成に加え、励磁コイ
ル２４のための励磁回路に、励磁電流検出用抵抗４６が
設けられている。４７は励磁電流検出回路で、抵抗４６
の両端にそれぞれ接続された一対の整流フィルタ４８、
４９と、両整流フィルタ４８、４９の出力の差をとる演
算器５０とで構成されている。一方、第３の演算器３６
と出力端子３７との間にはオートゲインコントローラ５
１が設けられ、演算器５０の出力側がこのオートゲイン
コントローラ５１に接続されている。

【００３２】このような構成によると、図２の場合と同
様にセンサの動作点を一定に保つことができて零点の安
定を図ることができるのみならず、検出感度の温度補償
もが可能となる。詳細には、抵抗４６を利用して励磁電
流を検出することにより、前述のようにこの励磁電流は
センサ部の温度と相関関係を有することから、このセン
サ部全体の平均的な温度が検出される。この検出結果に
もとづき、演算器５０から温度補償信号が出力され、オ
ートゲインコントローラ５１の増幅率が調整されること
で、このオートゲインコントローラ５１からは、温度変
化や温度勾配の存在にもとづく感度変化が補償されたト
ルク検出信号が出力される。

【００３３】なお、励磁電流検出用抵抗４６に代えて、
センサ部に適当な温度センサを設けても、同様に感度の
補償を行うことができる。また、図１の回路に同様の感
度補償回路を設置することもできる。

【００３４】

【発明の効果】以上述べたように本発明によると、トル
ク伝達軸の長さ方向の少なくとも３箇所の位置に磁気異
方性部を形成し、各磁気異方性部に対応して設けられた
検出コイルの検出信号から、軸に生じる温度変化および
温度勾配にもとづく出力の零点の誤差成分を相殺して除
去する手段を設け、かつ、任意の一対の検出コイルから
の検出信号の電圧の和が一定になるように、前記検出コ
イルを励磁するための励磁電流を制御する手段を設けた
ことから、トルセンサに磁気的なアンバランスがあって
も、センサ部の温度変化や温度勾配にかかわらずその動
作点が一定になるように制御することができ、零点の変
動を最小限度に抑えることができる。

【００３５】また本発明によると、測定感度を温度補償
することもできる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例のトルクセンサの温度補償
装置の概略構成およびその動作特性を示す図である。

【図２】本発明の第２実施例のトルクセンサの温度補償
装置の概略構成およびその動作特性を示す図である。

【図３】本発明の第３実施例のトルクセンサの温度補償
装置の概略構成を示す図である。

【図４】従来のトルクセンサの温度補償装置の概略構成
およびその動作特性を示す図である。

【図５】従来の他のトルクセンサの温度補償装置の概略
構成を示す図である。

【図６】図５に示された装置の理論的な動作特性を示す
図である。

【図７】図５に示された装置の実際の動作特性の測定結
果を示す図である。

【図８】図５に示された装置についての正規化された実
際の動作特性の測定結果を示す図である。

【図９】図４に示された装置の感度の温度特性を示す図
である。

【符号の説明】

１　　　　　　トルク伝達軸 ２１　　　　　　磁気異方性部 ２２　　　　　　磁気異方性部 ２３　　　　　　磁気異方性部 ２４Ａ　　　　　励磁コイル ２４Ｂ　　　　　励磁コイル ２４Ｃ　　　　　励磁コイル ２７Ａ　　　　　検出コイル ２７Ｂ　　　　　検出コイル ２７Ｃ　　　　　検出コイル ３０　　　　　　交流電源 ３４　　　　　　演算器 ３５　　　　　　演算器 ３６　　　　　　演算器 ３８　　　　　　演算器

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　トルク伝達軸の外周面に形成された磁
   気異方性部と、この磁気異方性部に対応して設けられた
   検出コイルとを備えて、前記トルク伝達軸に印加される
   トルクの大小に応じた検出信号を前記検出コイルから出
   力するようにした磁歪式のトルクセンサにおいて、前記
   磁気異方性部をトルク伝達軸の長さ方向の少なくとも３
   箇所の位置に形成し、各磁気異方性部にそれぞれ対応し
   て検出コイルを設け、各検出コイルの検出信号から、軸
   に生じる温度変化および温度勾配にもとづく出力の零点
   の誤差成分を相殺して除去する手段を設け、かつ、任意
   の一対の検出コイルからの検出信号の電圧の和が一定に
   なるように、前記検出コイルを励磁するための励磁電流
   を制御する手段を設けたことを特徴とするトルクセンサ
   の温度補償装置。
2. 【請求項２】　　磁気異方性部がトルク伝達軸の長さ方
   向の３箇所に形成されるとともに、各磁気異方性部に対
   応した第１〜第３の検出コイルが設けられ、誤差成分を
   相殺して除去する手段は、第１の検出コイルと第２の検
   出コイルとの検出信号の差を演算する第１の演算手段と
   、第２の検出コイルと第３の検出コイルとの検出信号の
   差を演算する第２の演算手段と、これら第１および第２
   の演算手段の出力信号の差を演算する第３の演算手段と
   を有することを特徴とする請求項１記載のトルクセンサ
   の温度補償装置。
3. 【請求項３】　　励磁電流を制御する手段は、トルク伝
   達軸の長さ方向の両端側に位置する一対の磁気異方性部
   にそれぞれ対応した検出コイルからの検出信号の和が一
   定になるように励磁電流を制御可能とされていることを
   特徴とする請求項２記載のトルクセンサの温度補償装置
   。
4. 【請求項４】　　磁気異方性部がトルク伝達軸の長さ方
   向の４箇所に形成されるとともに、各磁気異方性部に対
   応した４つの検出コイルが設けられ、誤差成分を相殺し
   て除去する手段は、任意の一対の検出コイルの検出信号
   の差を演算する第１の演算手段と、残りの他の一対の検
   出コイルの検出信号の差を演算する第２の演算手段と、
   これら第１および第２の演算手段の出力信号の差を演算
   する第３の演算手段とを有することを特徴とする請求項
   １記載のトルクセンサの温度補償装置。
5. 【請求項５】　　磁気異方性部およびその周囲の平均的
   な温度を検出する手段と、この温度を検出する手段から
   の温度検出信号にもとづき検出コイルからの検出信号を
   修正することでトルク検出感度を温度補償する手段とを
   有することを特徴とする請求項１から４までのいずれか
   １項記載のトルクセンサの温度補償装置。