JPH05149804A

JPH05149804A - 磁歪式トルクセンサの製造方法

Info

Publication number: JPH05149804A
Application number: JP13506892A
Authority: JP
Inventors: Shoichi Edo; 戸昇市江; Masaaki Uchida; 田正明内
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 1992-05-27
Filing date: 1992-05-27
Publication date: 1993-06-15
Anticipated expiration: 2009-08-22
Also published as: JPH0663876B2

Abstract

(57)【要約】【目的】トルク０の付近でオフセット電圧が発生せ
ず、トルクの変化に対する出力の直線性が良好である精
度の高い磁歪式トルクセンサを提供する。【構成】軸２の表面に磁気ひずみ効果を有しかつ磁気
異方性を有する磁歪膜４を設けると共に、磁歪膜４の近
傍に複数のコイル５，６を配設して、軸２に加えられる
ねじりトルクによる磁気ひずみを利用してトルクを検出
する磁歪式トルクセンサ１を製造するに際し、軸２に対
してあらかじめ所定の方向に所定のねじりトルクを加え
た状態にして、前記磁気異方性を有する磁歪膜４を軸２
の表面に設け、その後前記ねじりトルクを除去する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、磁気ひずみ効果を利
用してトルクの測定を行うのに利用される磁歪式トルク
センサを製造するのに好適な磁歪式トルクセンサの製造
方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】この種の磁歪式トルクセンサの従来の構
造例を挙げると、例えば図１および図２に示すようなも
のがある（類似の先行技術として、特開昭５９−７７３
２６号公報に開示のものがある。）。

【０００３】この磁歪式トルクセンサ１は、磁気ひずみ
効果を有しかつ軸２に加えられるねじりトルクの方向に
対して該方向を対称中心とする異なる方向に多数のスリ
ット３を設けた図２に示す磁歪膜４を前記軸２の表面に
設け、この磁歪膜４の周囲に二つの励磁コイル５，６を
配設し、前記励磁コイル５，６の外周部に、磁歪膜４と
の間で間隙７をおいて、高透磁率物質よりなるヨーク８
を設けた構造をなすものである。

【０００４】この場合、磁歪膜４は、上述のように磁気
ひずみ効果を有すると共に軸２に加えられるねじりトル
クの方向に対して傾斜する方向に磁気異方性を有するも
のであり、例えばＦｅ系のアモルファス金属を使用して
いる。

【０００５】次に、このような構造をもつ磁歪式トルク
センサ１を用いてトルクを検出する要領について説明す
る。

【０００６】まず、トルクの検出に先立って、二つの励
磁コイル５，６に各々交流の一定電圧を加えておく。こ
のようにすると、磁歪膜４およびその磁気異方性部分，
間隙７，ヨーク８を通る磁気回路が励磁コイル５および
６のまわりにそれぞれ形成される。

【０００７】この磁歪式トルクセンサ１に接続される検
出回路は図３に例示するものが用いられる。この検出回
路は、各励磁コイル５，６により形成されるインダクタ
ンスＬ_１，Ｌ_２と、抵抗（Ｒ）１１，１２とによってブ
リッジを構成し、軸２に対するねじりトルクの付加に伴
なうインダクタンスＬ_１，Ｌ_２の変化に起因する電流変
化を利用して、抵抗１１，１２間の電位差としてトルク
出力を得るものである。

【０００８】次に、ねじりトルクの付加に伴なうインダ
クタンスＬ_１，Ｌ_２の変化を説明する。図１に示す磁歪
式トルクセンサ１においてその軸２に対して右方向にね
じりトルクが加わると、磁歪膜４はスリット３の方向に
沿ってその左側の部分では引張変形を受けるとともに右
側の部分では圧縮変形を受ける。

【０００９】例えば、磁歪定数λ＞０を有する磁歪膜４
を用いた場合には、引張変形では透磁率が増加し、圧縮
変形では透磁率が減少する。これによって、一方の励磁
コイル５のインダクタンスＬ_１は増加し、他方の励磁コ
イル６のインダクタンスＬ_２は減少することになる。な
お、軸２に対して左方向のねじりトルクが付加されたと
きには上記の場合と逆になる。

【００１０】そこで、交流電源１３を接続し、電圧ｖ，
周波数ｆでブリッジを駆動しているとすると、図３に示
す回路ＡＢＣおよびＡＢ´Ｃにおける電流は各々、ｉ_１＝ｖ／（Ｒ^２＋４π^２ｆ^２Ｌ_１ ^２）^１／２・・・（１）ｉ_２＝ｖ／（Ｒ^２＋４π^２ｆ^２Ｌ_２ ^２）^１／２・・・（２）となる。

【００１１】すなわち、上記の式（１），（２）から、
回路ＡＢＣおよびＡＢ´Ｃを流れる電流ｉ_１およびｉ_２
は、インダクタンスＬ_１，Ｌ_２が増加すれば減少し、反
対にインダクタンスＬ_１，Ｌ_２が減少すれば増加する。

【００１２】このとき、Ｂ，Ｂ´点の各電位Ｖ_１，Ｖ_２
は、Ｖ_１＝ｉ_１・Ｒ・・・（３）Ｖ_２＝ｉ_２・Ｒ・・・（４）であり、電位差Ｖは、Ｖ＝｜Ｖ_１−Ｖ_２｜・・・（５）となり、これがトルク出力となる。なお、実際には図３
に示すように差動増幅器１４を用いている。この場合、
前記のトルク出力Ｖは磁歪膜４に加わる歪量が１０^−４
程度までトルクに対して直線的である。

【００１３】次に、軸２に対するトルクの付加に伴なう
各電位Ｖ_１，Ｖ_２，Ｖの各変化を図４および図５に基づ
いて説明する。

【００１４】図４（ａ），（ｂ）は各々励磁コイル５，
６におけるインダクタンスＬ_１，Ｌ_２のトルク付加に伴
なう変化に起因して生ずる電気Ｖ_１，Ｖ_２の変化を示し
ている。また、トルク出力である電位差Ｖは図５に示す
ようになる。

【００１５】

【発明が解決しようとする課題】このような構造の磁歪
式トルクセンサ１を使用すれば、電位差Ｖを測定するこ
とによって、軸２に加えられたトルクの方向および大き
さを検出することが可能であるが、このような従来の磁
歪式トルクセンサ１においてはいくつかの問題点を有し
ており、それらを以下に説明する。

【００１６】（１）図５に示すようにトルク０の付近で
はオフセット電圧が生じ、負荷トルクに対する出力変化
が生じて直線性が悪くなること。

【００１７】（２）右回転と左回転とで出力感度が異な
ること。

【００１８】（３）経年および環境温度などによる検出
感度の変動により精度低下があること。

【００１９】などの問題点があってトルクの検出精度を
低下させていた。

【００２０】これらの問題点のうち上記（１）の原因と
しては、図３のＢ，Ｂ´点における各電位Ｖ_１，Ｖ_２が
交流信号であり、各電位Ｖ_１，Ｖ_２間の位相差およびノ
イズなどが考えられる。

【００２１】また、（２）の原因としては、磁歪膜４の
引張変形と圧縮変形でのトルクに対する感受性の相違お
よび磁歪膜４の場所による磁気的不均一が考えられ、こ
れらの問題点を解決することが課題となっていた。

【００２２】

【発明の目的】この発明は、上記した従来の課題にかん
がみてなされたもので、トルク０の付近でオフセット電
圧が発生せず、トルクの変化に対する出力の直線性が著
しく良好であり、トルクの方向に対する出力感度の違い
が著しく少なく、精度の高いトルク検出を長期にわたっ
て行うことが可能である磁歪式トルクセンサを製造する
のに好適な磁歪式トルクセンサの製造方法を提供するこ
とを目的としている。

【００２３】

【課題を解決するための手段】この発明は、軸の表面に
磁気ひずみ効果を有し且つ前記軸に加えられるねじりト
ルクの方向に対して傾斜する方向に磁気異方性を有する
磁歪膜、より好ましくは前記軸に加えられるねじりトル
クの方向に対して該方向を対称中心とする異なる方向に
スリットを設けて磁気異方性を付与するものとした磁歪
膜を設けると共に、前記磁歪膜の近傍に複数のコイルを
配設して、前記コイルにより発生した磁束が前記磁歪膜
を通る磁気回路を形成し、前記軸に加えられるねじりト
ルクによる前記磁歪膜の変形に起因する磁気ひずみを利
用して前記トルクを検出する磁歪式トルクセンサを製造
するに際し、前記軸に対してあらかじめ所定の方向に所
定のねじりトルクを加えた状態にして、前記磁気異方性
を有する磁歪膜を前記軸の表面に設け、その後前記ねじ
りトルクを除去する構成としたことを特徴としており、
一実施態様においては、前記所定のねじりトルクと、ト
ルク０におけるセンサ出力とから出力感度の補正を行う
ようにしたことを特徴としている。

【００２４】

【実施例】この発明の一実施例における磁歪式トルクセ
ンサの構造は、形状的には図１に示したものと同じもの
とすることができる。そして、この実施例における磁歪
式トルクセンサ１では、図２に示したスリット３により
磁気異方性を付与するものとした磁歪膜４を軸２の表面
に設けるに際して、例えば軸２に左回転方向にあらかじ
め所定のねじりトルクＴ_０を加えておき、この状態を保
持して、例えば磁歪定数λ＞０の鉄系アモルファスから
なる磁歪膜４を接着剤を用いて軸２の表面に固着させ、
この後、ねじりトルクＴ_０を除去してなるものである。

【００２５】このねじりトルクＴ_０を除去した時には、
磁歪膜４に対して実質的に右回転方向にトルクＴ_０を付
加したときと同様の変形が加わり、このときの出力は、
図５で示した電位差Ｖ_０となる。すなわち、以後の左右
のトルク変化に伴なう出力変化は図５のＤ点を中心（原
点）として生ずるようになり、測定対象とするトルク範
囲Ｔ_１＜Ｔ＜Ｔ_２を考慮して前記トルクＴ_０を設定すれ
ば、図５に示すようにオフセット電圧の悪影響を避ける
ことができ、かつ、左右トルクでの感度の違いもなくな
るので、上記した問題点のうち（１），（２）の問題点
を解決できる。

【００２６】一方、上記（３）の問題点については、下
記の解決策がある。すなわち、この実施例においては、
磁歪膜４に対してトルクの加わっていない無負荷状態に
あるときには、トルクＴ_０が加わったときに相当する出
力Ｖ_０を発生させている。

【００２７】このことは、この実施例による磁歪式トル
クセンサ１がトルクに対する出力感度として、Ｓ＝Ｖ_０／Ｔ_０・・・（６）を有することを示している。この感度は、前述したよう
に磁歪膜４の磁性の経年変化などによって変化するた
め、長時間にわたってトルク測定するためには何らかの
手段によって感度補正（キャリブレーション）を行うこ
とが必要である。そこで、以下においてこの実施例によ
る磁歪式トルクセンサ１の感度補正およびトルク検出方
法を説明する。

【００２８】例えば、この実施例における磁歪式トルク
センサ１を自動車のパワーステアリングの操舵トルク検
出に用いる場合について説明する。

【００２９】この場合、ステアリングにはトルクのかか
っていないいわゆる中立状態（ハンドルに遊びのある状
態）があり、この無負荷状態を検出する無負荷検出器が
使用されているものとする。この無負荷検出器は通常の
スイッチなどで簡単に得ることができる。

【００３０】図６はトルク検出回路の一例を示す図であ
る。この検出回路は、各励磁コイル５，６により形成さ
れるインダクタンスＬ_１，Ｌ_２と、抵抗（Ｒ）１１，１
２とによってブリッジを構成し、接続点ＡＣ間に交流電
源１３を接続し、磁歪式トルクセンサ１の軸２に対する
ねじりトルクの付加に伴なうインダクタンスＬ_１，Ｌ_２
の変化に起因する電流変化を利用して、抵抗１１，１２
間の電位差すなわち接続点Ｂ，Ｂ´間の電位差を検出す
ることによりトルク出力を得るようにしたものである。

【００３１】そして、この電位差をさらに差動増幅器１
５に入力して差動増幅したのちにＡＣ／ＤＣコンバータ
（交流／直流変換器）１６によって直流電圧に変換し、
さらにＡ／Ｄコンバータ（アナログ／デジタル変換器）
１７を通してマイクロコンピュータ１８に読み込ませる
ようにし、マイクロコンピュータ１８には上記の無負荷
検出器１９を接続することによって、前記した無負荷検
出時に、マイクロコンピュータ１８が電位差Ｖ_０を読み
込み、前記（６）式で示した演算を行って感度Ｓの補正
を行うものである。

【００３２】この後、トルクＴが加わって出力がＶ_Ｔに
なったとすると、マイクロコンピュータ１８は直前に演
算した感度Ｓを用いて、Ｔ＝（Ｖ_Ｔ−Ｖ_０）／Ｓ・・・（７）なる演算を行ってトルク測定値Ｔを与える。すなわち、
操舵トルクがゼロになる毎に感度補正を行うことが可能
になり、長時間のトルク測定を高精度に行うことが可能
になる。

【００３３】なお、上記の実施例における説明では、磁
歪膜として磁歪定数λ＞０を有するＦｅ系のアモルファ
ス金属を使用した場合について述べてきたが、Ｎｉなど
の磁歪定数λ＜０の磁歪膜を用いても同様に実現するこ
とができる。ただし、この場合には引張変形で透磁率が
減少し、圧縮変形では透磁率が増加する反対の特性とな
る。

【００３４】また、上記の実施例では、軸２に磁歪膜４
を設けるに際し、当該軸２に対して左方向にねじりトル
クＴ_０を加えた状態で磁歪膜４を接着剤により固着して
その後前記トルクＴ_０を除去するようにしたが、反対
に、軸２に対して右方向にねじりトルクＴ_０を加えた状
態で磁歪膜４を固着するようにしても同様の効果が得ら
れる。

【００３５】さらに、磁歪膜４を設けるに際し、所定の
ねじりトルクＴ_０を加えた軸２の表面にＦｅやＮｉなど
をめっきあるいは蒸着などによって付着させることによ
り磁歪膜４を形成するようにしても同様の効果が得られ
る。

【００３６】図７および図８は、それぞれこの発明およ
び従来の磁歪式トルクセンサ１による測定データ（図３
の検出回路を使用）の具体的な一例を示す図であって、
ともにトルク範囲−１ｋｇｆ・ｍ〜＋１ｋｇｆ・ｍにつ
いて各磁歪式トルクセンサ１の出力の変化を示したもの
である。

【００３７】図７および図８の特性からわかるように、
この発明により製造された磁歪式トルクセンサ１では特
にトルク０の近傍において検出精度の改善がなされたこ
とが明らかである。

【００３８】

【発明の効果】以上説明してきたように、この発明によ
れば、軸の表面に磁気ひずみ効果を有し且つ前記軸に加
えられるねじりトルクの方向に対して傾斜する方向に磁
気異方性を有する磁歪膜、より好ましくは前記軸に加え
られるねじりトルクの方向に対して該方向を対称中心と
する異なる方向にスリットを設けて磁気異方性を付与す
るものとした磁歪膜を設けると共に、前記磁歪膜の近傍
に複数のコイルを配設して、前記コイルにより発生した
磁束が前記磁歪膜を通る磁気回路を形成し、前記軸に加
えられるねじりトルクによる前記磁歪膜の変形に起因す
る磁気ひずみを利用して前記トルクを検出する磁歪式ト
ルクセンサを製造するに際し、前記軸に対してあらかじ
め所定の方向に所定のねじりトルクを加えた状態にし
て、前記磁気異方性を有する磁歪膜を前記軸の表面に設
け、その後前記ねじりトルクを除去する構成としたもの
であるから、従来問題になっていたトルク０近傍でのオ
フセット電圧や、左右トルクに対する感度の違いなどの
トルク検出精度に与える悪影響因子を除去することがで
き、自動的な感度補正を行うことが可能であり、トルク
の測定にあたって極めて高精度のトルク検出を長期間に
わたって行うことが可能であるという非常に優れた効果
が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】磁歪式トルクセンサの構造例を示す断面説明図
である。

【図２】図１の磁歪式トルクセンサに用いた磁歪膜の展
開説明図である。

【図３】図１の磁歪式トルクセンサの検出回路の一例を
示す説明図である。

【図４】（ａ）（ｂ）は図１の磁歪式トルクセンサの各
々励磁コイル５，６においてインダクタンスＬ_１，Ｌ_２
のトルク付加に伴なう変化に起因して生ずる電位Ｖ_１，
Ｖ_２の変化を示す説明図である。

【図５】同じくトルク付加に伴なう電位差Ｖ（＝｜Ｖ_１
−Ｖ_２｜）の変化を示す説明図である。

【図６】磁歪式トルクセンサの感度補正を行う場合の検
出回路の一例を示す説明図である。

【図７】この発明の磁歪式トルクセンサによる測定デー
タの一例を示す説明図である。

【図８】従来の磁歪式トルクセンサによる測定データの
一例を示す説明図である。

【符号の説明】

１磁歪式トルクセンサ２軸３スリット４磁歪膜５，６励磁コイル７間隙８ヨーク

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】軸の表面に磁気ひずみ効果を有し且つ前
記軸に加えられるねじりトルクの方向に対して傾斜する
方向に磁気異方性を有する磁歪膜を設けると共に、前記
磁歪膜の近傍に複数のコイルを配設して、前記コイルに
より発生した磁束が前記磁歪膜を通る磁気回路を形成
し、前記軸に加えられるねじりトルクによる前記磁歪膜
の変形に起因する磁気ひずみを利用して前記トルクを検
出する磁歪式トルクセンサを製造するに際し、前記軸に
対してあらかじめ所定の方向に所定のねじりトルクを加
えた状態にして、前記磁気異方性を有する磁歪膜を前記
軸の表面に設け、その後前記ねじりトルクを除去するこ
とを特徴とする磁歪式トルクセンサの製造方法。