JPH04329327A - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は自動車のトランスミッシ
ョンの軸、ドライブシャフト、コラムシャフト、ステア
リングシャフトあるいは工作機械のスピンドル、電気モ
ータの回転軸等として利用される軸において、その軸に
加わるトルクを測定するようにしたトルクセンサに関す
る。

【０００２】

【従来の技術】被測定軸において、被測定軸に加わるト
ルクの大きさに対応して透磁率が変化するようにした検
出部に、その透磁率の変化に対応した出力信号を生ずる
ようにした検出コイルを添設して、上記被測定軸にトル
クが加わった場合、そのトルクの大きさに対応した出力
信号を上記検出コイルから得られるようにしてある。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】この従来のトルクセン
サでは、上記被測定軸が低磁歪材である鋼材製であると
検出部の透磁率の変化の度合が小さい為、トルクが小さ
い場合極めて小さな出力信号しか得られず、温度変化や
電磁ノイズ等の外来の要因の影響を強く受けてトルク値
の検出精度が極めて低下する問題があった。またそのよ
うな問題点を除こうとして上記被測定軸を高磁歪材で形
成すると、トルクが少し大きくなっただけで飽和が生じ
てしまい、非常に狭い範囲のトルクしか検出できなくな
ってしまう問題点があった。

【０００４】本願発明は上記従来技術の問題点（技術的
課題）を解決する為になされたもので、被測定軸に透磁
率の変化の度合が相互に大小異なる複数の検出部を備え
させ、各々の検出部に添設した複数の検出コイルを切替
手段で選択するようにして、小さいトルクを高精度で測
定したり、或いは大きなトルクまでの広い範囲に渡って
トルク測定を行なったりという、目的に応じた使い分け
ができるようにしたトルクセンサを提供することを目的
としている。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成する為に
、本願発明におけるトルクセンサは、被測定軸において
、被測定軸に加わるトルクの大きさに対応して透磁率が
変化するようにした検出部にはその透磁率の変化に対応
した出力信号を生ずるようにした検出コイルを添設して
、上記被測定軸にトルクが加わった場合、そのトルクの
大きさに対応した出力信号を上記検出コイルから得られ
るようにしてあるトルクセンサにおいて、上記検出部は
被測定軸の複数箇所において定めると共に、それらの検
出部は被測定軸に加わるトルクの大きさに対する透磁率
の変化の度合を相互に大小異ならしめ、上記検出コイル
はそれらの各検出部の各々に添設すると共に、それらの
検出コイルには、被測定軸に加わるトルクが小さい場合
には透磁率の変化の度合が大きい検出部に添設した検出
コイルからの出力信号を通し、被測定軸に加わるトルク
が大きい場合には透磁率の変化の度合が小さい検出部に
添設した検出コイルからの出力信号を通すようにした切
替手段を接続したものである。

【０００６】

【作用】被測定軸にトルクが加わると各検出部の透磁率
が夫々変化し、各検出コイルはその変化に対応した出力
信号を生ずる。上記トルクが小さい場合、透磁率の変化
の度合が大きい検出部の検出コイルが選択され、その検
出コイルからの信号が出力される。一方上記トルクが大
きい場合、透磁率の変化の度合が小さい検出部の検出コ
イルが選択され、その検出コイルからの信号が出力され
る。

【０００７】

【実施例】以下本願の実施例を示す図面について説明す
る。図１において、１は被測定軸で、例えば自動車のト
ランスミッションにおいて用いられている鋼製の軸であ
り、両端には他の部材との連繋部２，３が備わっている
。連繋部２は例えばトランスミッションにおける一つの
はすば歯車であり、連繋部３は例えば次の軸との結合用
のスプラインである。上記被測定軸１としてはその他に
、種々の機械に備え付けられている軸、或いはそれらの
用途に供する為に金属材料メーカーから出荷されるもの
、或いはそれらの用途に供する為のものを製作するに当
たってその特性を検査する為のテストピースとしての軸
等がある。上記被測定軸１には後述の如きトルク測定の
為に小断面積部４と大断面積部５とを備えてある。それ
らの部分４，５の断面積の小、大は相対的なもので、本
例では小断面積部４の太さをトランスミッションの軸と
して必要な強度の得られる太さ例えば２５φにし、大断
面積部５の太さをそれよりも太く例えば３５φにしてあ
る。

【０００８】次に６は上記小断面積部４において定めた
第１の検出部、７は大断面積部５において定めた第２の
検出部で、これらの部分においては、トルクの検出感度
を高くすべく図２に示されるように高磁歪材８が軸１と
一体の状態で周設してある。上記高磁歪材８は、被測定
軸１の周面に溝９を周設し、そこに高磁歪材８を肉盛溶
接することによって備えられる。あるいは高磁歪材の薄
板をその全面にわたって被測定軸１の外周面に固着させ
る方法（例えばろう付）によって備えさせてもよい。こ
のようにして備えられる高磁歪材８としては、例えばＮ
ｉ（９９．５％以上）、Ｎｉ−Ｃｏ合金（Ｃｏが４．５
％或いは１８．５％）、Ｎｉ−Ｆｅ合金（６０％Ｆｅ）
、Ｆｅ−Ａｌ合金（１３％Ａｌ）、Ｎｉ−Ｃｕ−Ｃｏフ
ェライト等が用いられる。高磁歪材８の厚みは、後述の
検出コイルから及ぼされる周知のトルク測定の為の磁束
が、表面から１００　μｍ　程度までしか浸透しないの
で、例えば１ｍｍ程度にされる。上記各検出部６，７は
、一般に知られているように夫々二つの磁気異方性部６
ａ，　６ｂ，　７ａ，　７ｂを備えている。磁気異方性
部６ａ，　７ａは被測定軸１の軸芯に対し左ねじ方向の
傾斜の磁気異方性を有しており、一方磁気異方性部６ｂ
，　７ｂは被測定軸１の軸芯に対し右ねじ方向の傾斜の
磁気異方性を有しておって、被測定軸の右ねじりあるい
は左ねじりのトルクに対して、一方の磁気異方性部の透
磁率が増大すれば他方が減少するようになっている。上
記各傾斜は４５°が最も好ましいがそれより大きくても
小さくてもよい。

【０００９】次に１１は第１の検出部６に添設した第１
の検出コイル、１２は第２の検出部７に添設した第２の
検出コイルで、いずれも各検出部の二つの磁気異方性部
に対応して夫々二つづつの検出コイル要素１１ａ，　１
１ｂ及び検出コイル要素１２ａ，　１２ｂを有しておっ
て、トルクの右ねじり及び左ねじりに対応できるように
なっている。各検出コイル要素は各磁気異方性部の周囲
に僅かな間隙を隔てて周設してある。磁気異方性部の周
囲の一部に磁気異方性部に対して対向状に配置するよう
にした検出コイル要素が用いられる場合もある。１３は
切替手段で、第１の入力端１３ａと第２の入力端１３ｂ
と出力端１３ｃと制御入力端１３ｄと表示出力端１３ｅ
とを有しておって、制御入力端１３ｄに与えられる切替
指示用のトルク値信号の大きさに応じて、第１の入力端
１３ａ又は第２の入力端１３ｂの信号を選択的に出力端
１３ｃに通すと共に、その選択状態を表示する信号を表
示出力端１３ｅから出力するようになっている。この切
替手段としては、例えば切替スイッチとそれの制御回路
とから成る入力切替器が用いられる。全く電子的に切替
を行なうようにしたものを用いてもよい。１４は周知の
トルクメータで、検出コイルの出力信号を受けてそれに
対応するトルク値信号を出力するものである。 このトルクメータ１４の出力信号及び上記切替手段１３
からの選択状態の表示信号が、そのままトルクの計測信
号として、或は他の機器の制御の為の信号として利用さ
れる。

【００１０】次に上記のようなトルクセンサの動作につ
いて説明する。被測定軸１にトルクが加わっていない初
期の状態では、切替手段１３は入力端１３ａが出力端１
３ｃに繋がる状態にある。またこの場合、検出コイル１
１，　１２はトルクに対応する出力信号は生じない。従
ってトルクメータ１４から出力されるトルク値信号は例
えば零である。

【００１１】被測定軸１にトルクが加わると、検出部６
，７の透磁率が夫々変化する。トルクによる被測定軸１
の歪は小断面積部４が大断面積部５に比べて大きいから
、上記透磁率の変化の度合は、第１の検出部６が大きく
第２の検出部７が小さい。従って第１の検出コイル１１
は第２の検出コイル１２に比べ大きい出力信号を生ずる
。 その出力信号は切替手段１３を経てトルクメータ１４に
与えられ、トルクメータ１４は検出コイル１１の出力信
号の大きさに対応したトルク値信号を出力する。この場
合のトルクとトルク値信号との関係は図３のＡの範囲（
トルクの大きさが例えば６０Ｋｇｍ　までの範囲）に示
される。図３から明らかなように、この範囲Ａでは出力
特性の傾きが急峻即ち僅かなトルクの変化でトルク値信
号は大きく変化する。またトルクが比較的小さくても大
きなトルク値信号が得られる。従って、検出コイルに温
度変化によるドリフトや電磁ノイズ等の多少の悪影響が
あっても、トルクを高精度に測定できる。このような高
精度のトルクの測定結果は、例えば自動車のトランスミ
ッションのギヤチエンジを指示する為に利用される。

【００１２】上記被測定軸１に加わるトルクが大きくな
ってトルクメータ１４から切替手段１３の制御入力端１
３ｄに与えられる信号が大きくなり、それが切替手段１
３に予め設定されている値例えば図３のＶ１或いはＶ１
’　となると、切替手段１３は入力端１３ｂが出力端１
３ｃに繋がる状態となる。従って第２の検出コイル１２
の出力信号が切替手段１３を経てトルクメータ１４に与
えられ、トルクメータ１４は検出コイル１２の出力信号
の大きさに対応したトルク値信号を出力する。この場合
、第２の検出部７は大断面積部５に設けてある為、被測
定軸１に加わるトルクに対する検出部７の歪の度合は小
さく、従って被測定軸１に加わるトルクがかなり大きく
なっても検出部７は飽和しない。 即ち、大きなトルクまでそのトルクの大きさに対する検
出部７の透磁率の変化の直線性が良好に保たれている。 その結果、非常に大きなトルクまでトルクメータ１４は
直線性の良いトルク値信号を出力する。この場合のトル
クとトルク値信号との関係は図３のＢの範囲に示される
通りである。このように大きなトルク（例えば１５０Ｋ
ｇｍ）　までの広い範囲にわたるトルクの測定結果は、
例えば被測定軸１あるいはそれに連なる軸を折損から保
護する為に、自動車のエンジンの出力を抑える制御の為
に利用される。尚上記切替手段１３における切替は、第
１の検出部６が飽和する直前で行われるように、上記切
替手段１３の設定値を定めると良い。

【００１３】上記被測定軸１に加わるトルクが減少する
とトルクメータ１４の出力も減少する。その出力が図３
のＶ２或はＶ２’　となると、切替手段１３は入力端１
３ａが出力端１３ｃに繋がる状態となる。この状態では
再び前述の如く高精度のトルク測定が行なわれる。

【００１４】次に異なる実施例を説明する。前記被測定
軸１はその全体を高磁歪材で形成してもよい。また、前
記被測定軸１は３箇所以上において相互に断面積の異な
る部分を具備させると共にその各々において検出部を定
め、それら３箇所以上の各検出部に夫々添設した検出コ
イルを、三者以上の中から一者の選択が可能な切替手段
によって選択するようにしてもよい。

【００１５】次に図４は検出部を高磁歪材で構成する手
段の他の例を示すものである。被測定軸１ｆにおいて検
出部６ｆ，　７ｆの部分２１，　２２は外周面から軸芯
までを高磁歪材で形成すると共にその他の部分を鋼材で
形成し、それらを摩擦圧接その為の接合手段で接合、一
体化して被測定軸１ｆを構成してある。このような構成
の場合、高磁歪材としては例えばＮｉ−Ｆｅ合金（６０
％Ｆｅ）やＦｅ−Ａｌ合金（１３％Ａｌ）を用いること
ができる。なお、機能上前図のものと同一又は均等構成
と考えられる部分には、前図と同一の符号にアルファベ
ットのｆを付して重複する説明を省略した。（また次図
以降のものにおいても順次同様の考えでアルファベット
のｇ，ｈを順に付して重複する説明を省略する。）

【００１６】次に図５は、被測定軸において各部分毎に
断面積を異ならしめる手段の他の例を示すもので、被測
定軸１ｇに中空部２３を形成することにより、外径寸法
を違えることなく小断面積部４ｇと大断面積部５ｇとを
夫々構成してある。

【００１７】次に図６は、複数の検出部において、被測
定軸に加わるトルクの大きさに対する透磁率の変化の度
合を相互に異ならしめる手段の他の例を示すものである
。この例では被測定軸１ｈは一様な太さに形成し、検出
部６ｈ及び検出部７ｈの箇所の断面積を一定にしてある
。この被測定軸１ｈの本体２４は低磁歪材例えば鋼材で
形成し、その本体２４の外周に対して一方の検出部６ｈ
の箇所のみにおいて高磁歪材８ｈを周設することによっ
て両検出部６ｈ，７ｈの透磁率の変化の度合いを異なら
しめてある。両方の検出部の箇所に相互に磁歪の程度の
異なる磁歪材を夫々周設しても良い。

【００１８】

【発明の効果】以上のように本願発明にあっては、被測
定軸１にトルクが加わった場合、検出部６，７の透磁率
が変化し、それに応じて検出コイル１１，　１２から出
力信号が得られるから、該出力信号をもって上記トルク
の変化の状態を知ることができるは勿論のこと、

【００
１９】上記検出部としてはトルクの大きさに対する透磁
率の変化の度合が大小相互に異なる複数の検出部６，７
を備えさせると共に、各々に検出コイル１１，１２を添
設して、それらの検出コイル１１，１２を切替手段１３
で選択するようにしてあるから、上記のようにトルクの
状態を知ろうとする場合、小さいトルクを高精度に測定
したり、或いは、精度は比較的ラフでよいから大きなト
ルクまで広い範囲に渡って測定するといった使い分けが
できる特長がある。即ち、トルクが比較的小さい場合に
は、透磁率の変化の度合が大きい検出部６に添設した検
出コイル１１が選択されるから、トルクの大きさの割に
大きい出力信号が得られ、温度変化や電磁ノイズ等の外
来要因があっても、それらに対する上記出力信号のＳＮ
比は高く、従って正しいトルク値を高精度で知ることの
できる効果がある。一方、トルクが比較的大きい場合に
は、透磁率の変化の度合が小さい検出部７に添設した検
出コイル１２が選択されるから、トルクの大きさの変化
に対し出力信号の変化が比較的小さく、従って非常に大
きなトルク値まで測定できる効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】トルクセンサの略示図。

【図２】被測定軸の縦断面図。

【図３】トルクとトルク値信号との関係を示す図。

【図４】被測定軸の異なる実施例を示す縦断面図。

【図５】被測定軸の更に異なる実施例及びその被測定軸
と検出コイルとの関係を示す半断面図。

【図６】被測定軸の更に異なる実施例及びその被測定軸
と検出コイルとの関係を示す一部破断図。

【符号の説明】

１　　被測定軸 ６，７　　検出部 １１，　１２　　検出コイル １３　　切替手段

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　被測定軸において、被測定軸に加わる
   トルクの大きさに対応して透磁率が変化するようにした
   検出部にはその透磁率の変化に対応した出力信号を生ず
   るようにした検出コイルを添設して、上記被測定軸にト
   ルクが加わった場合、そのトルクの大きさに対応した出
   力信号を上記検出コイルから得られるようにしてあるト
   ルクセンサにおいて、上記検出部は被測定軸の複数箇所
   において定めると共に、それらの検出部は被測定軸に加
   わるトルクの大きさに対する透磁率の変化の度合を相互
   に大小異ならしめ、上記検出コイルはそれらの各検出部
   の各々に添設すると共に、それらの検出コイルには、被
   測定軸に加わるトルクが小さい場合には透磁率の変化の
   度合が大きい検出部に添設した検出コイルからの出力信
   号を通し、被測定軸に加わるトルクが大きい場合には透
   磁率の変化の度合が小さい検出部に添設した検出コイル
   からの出力信号を通すようにした切替手段を接続したこ
   とを特徴とするトルクセンサ。
2. 【請求項２】　　被測定軸は複数箇所においてその断面
   積を異ならしめると共に、検出部は、被測定軸に加わる
   トルクの大きさに対する透磁率の変化の度合が相互に大
   小異なるよう、上記被測定軸における夫々断面積の異な
   る複数箇所において定めたことを特徴とする請求項１記
   載のトルクセンサ。
3. 【請求項３】　　被測定軸において夫々検出部が定めら
   れた複数の箇所は各々の断面積を一定にしてあることを
   特徴とする請求項１記載のトルクセンサ。