JPH0545536U - 磁歪式トルクセンサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 磁歪式トルクセンサにおいて、検出回路をマ
ルチバイブレータ回路からなる発振回路、波形整形回路
および積分回路により構成し、パルスの波高値を調整す
ることにより、パルス面積を調整してトルク零時の初期
調整を容易に行なう。 【構成】 波形整形回路３１を構成するオペアンプ３２
の出力端子に外部電圧ＶCOを出力する調整抵抗３７を備
えた定電圧回路３５を接続する。そして、調整抵抗３７
の抵抗調整により外部電圧ＶCOを調整し、出力電圧Ｖ3
の波高値を調整しすることにより、パルス面積を可変に
する。

Description

【考案の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】

本考案は、例えば自動車用エンジンの出力軸等に発生するトルクを検出するの に好適に用いられる磁歪式トルクセンサに関する。

【０００２】

【従来の技術】

一般に、自動変速機構を備えたオートマチック車等では、例えば自動変速機構 による変速タイミングを適性化するために、プロペラシャフト等にトルクセンサ を取付けるようにすることが提案されている。

【０００３】 ここで、本出願人が先に出願した特願平3-254640号による発振回路にマルチバ イブレータを用いたトルクセンサを、図３ないし図６に示し説明する。

【０００４】 図３は磁歪式トルクセンサのトルク検出部を示す。図３中において、１は例え ばクロムモリブデン鋼等の磁歪材料から形成された磁歪シャフトを示し、該磁歪 シャフト１は例えばプロペラシャフトの途中に設けられるもので、両端が入力側 取付部１Ａ，出力側取付部１Ｂとなり、これらの中間はスリット形成部１Ｃとな り、該スリット溝形成部１Ｃの外周には下向き４５°，上向きに４５°に刻設し たスリット溝２，３とがそれぞれ対向して設けられている。

【０００５】 ４は前記スリット溝形成部１Ｃの外周を囲むように一対の軸受５，５を介して 磁歪シャフト１と相対的に回転自在に設けられたコイル固定部材を示し、該コイ ル固定部材４は車体側に固着して取付けられる。６は前記コイル固定部材４の内 周側に固着されたリング状のコア部材を示し、該コア部材６にはスリット溝２， ３とそれぞれ対向する位置に検出コイル７，８が設けられ、該検出コイル７，８ の自己インダクタンスはＬ1 ，Ｌ2 となっている。

【０００６】 このように構成される２コイル型のトルク検出部においては、検出コイル７， ８に後述する基準電圧ＶCCを印加すると、磁歪シャフト１の表面に磁路が形成さ れるが、スリット溝形成部１Ｃの表面にスリット溝２，３が設けられているため 、表面磁界による磁路はスリット溝２，３に沿って形成される。

【０００７】 一方、磁歪シャフト１の入力側取付部１Ａに図３に示すような矢示方向のトル クＴを加えたとすると、スリット溝２には引っ張り応力＋σが発生し、スリット 溝３には圧縮応力−σが発生する。そして、磁歪シャフト１に正の磁歪材を用い ている場合、引っ張り応力＋σにより透磁率μが増加し、圧縮応力−σにより透 磁率μが減少することが知られている。

【０００８】 然るに、検出コイル７，８の自己インダクタンスＬ1 ，Ｌ2 は、

【０００９】

【数１】 ただし、μ：透磁率 Ｎ：コイル巻線数 Ｓ：磁路断面積 となる。

【００１０】 また、図４は検出回路を示し、該検出回路は後述する発振回路９，波形整形回 路１７，積分回路２３および増幅回路２６とから大略構成されている。

【００１１】 ９は発振回路を示し、該発振回路９はコレクタ結合形非安定マルチバイブレー タ回路により構成され、基準電圧ＶCCおよびアース間に検出コイル７と直列に接 続されたスイッチングトランジスタ１０と、該スイッチングトランジスタ１０と 対向し、基準電圧ＶCCおよびアース間に検出コイル８と直列に接続されたスイッ チングトランジスタ１１と、前記検出コイル７とスイッチングトランジスタ１０ との間の接続点とスイッチングトランジスタ１１のベースとの間に接続され、時 定数を設定する抵抗値Ｒ1 を有するベース抵抗１２と、該ベース抵抗１２と対向 するように、前記検出コイル８とスイッチングトランジスタ１１との間の接続点 とスイッチングトランジスタ１０のベースとの間に並列に接続され、時定数を設 定する抵抗値Ｒ2 （＝Ｒ1 ）を有するベース抵抗１３とから大略構成されている 。また、１４，１４は前記検出コイル７，８の出力側とスイッチングトランジス タ１０，１１との間の接続点とアースとの間にそれぞれツェナーダイオード１５ ，１５と直列に接続された電流調整抵抗、１６，１６は前記ベース抵抗１２，１ ３にそれぞれ並列に接続され、スイッチングトランジスタ１０，１１での時定数 を小さくするスピードアップコンデンサを示す。なお、トランジスタ１０，１１ は同一トランジスタを用いるものとする。

【００１２】 また、発振回路９は検出コイル７，８の自己インダクタンスＬ1 ，Ｌ2 および ベース抵抗１２，１３の抵抗値Ｒ1 ，Ｒ2 から設定される時定数によりスイッチ ングトランジスタ１０，１１が交互にＯＮ状態となり、スイッチングトランジス タ１１側のツェナーダイオード１５と抵抗１４との接続点Ａからはパルス波の出 力電圧Ｖ1 が波形整形回路１７に出力される。

【００１３】 そして、この出力電圧Ｖ1 のパルス波の波高値は基準電圧ＶCCに近づき、出力 の立ち上がり時間はトランジスタ１０のＯＮ時間（ＴON1 ）となり、立ち下がり 時間はトランジスタ１１のＯＮ時間（ＴON2 ）となる。

【００１４】 ここで、トランジスタ１０のＴON1 は次の数式２のようになる。

【００１５】

【数２】 ただし、Ｖ02 ：検出コイル８の電圧損失 ｈie1 ：トランジスタ２２の入力抵抗 ｈfe ：トランジスタ２２の直流増幅率 ｒ2 ：検出コイル８の鉄損

【００１６】 また、トランジスタ１１のＴON2 は次の数式３のようになる。

【００１７】

【数３】 ただし、Ｖ01 ：検出コイル７の電圧損失 ｈie1 ：トランジスタ２３の入力抵抗 ｈfe ：トランジスタ２３の直流増幅率 ｒ1 ：検出コイル７の鉄損

【００１８】 これらの数式２，３により発振周波数ｆは、

【００１９】

【数４】 となり、パルスデューティ比Ｄ1 は、

【００２０】

【数５】 となる。

【００２１】 １７は波形整形回路を示し、該波形整形回路１７はヒステリシスコンパレータ 回路により構成され、オペアンプ１８と、基準電圧ＶCCとアースとの間に直列に 接続され、該オペアンプ１８の非反転端子に入力される判定電圧Ｖi を設定する 抵抗１９，２０と、前記オペアンプ１８の出力端子に接続されると共に、前記抵 抗１９，２０の各入力側に接続される帰還抵抗２１，２２とから構成され、前記 オペアンプ１８の反転端子は発振回路９の出力電圧Ｖ1 が出力されるスイッチト ランジスタ１１の側のツェナーダイオード１５と抵抗１４との接続点Ａに接続さ れている。そして、発振回路９からの出力電圧Ｖ1 のパルス波を完全なパルス波 に整形すべく、判定電圧Ｖi 以下の入力電圧に対して、帰還抵抗２１，２２によ り設定される波高値の整形電圧Ｖ2 を出力する。なお、この波形整形においては 、波高値を設定し直すと共に、立ち上がり時間ＴON1 と立ち下がり時間ＴON2 と を反転させて出力するから、積分回路２３に出力される整形電圧Ｖ2 のパルスデ ューティ比Ｄは、

【００２２】

【数６】 となる。

【００２３】 ２３は積分回路を示し、該積分回路２３は抵抗２４とコンデンサ２５をＬ形に 接続することによりＬ形積分回路を構成し、前記波形整形回路１７からの整形電 圧Ｖ2 を平滑して直流電圧Ｅ1 に変換する。

【００２４】 ２６は増幅回路を示し、該増幅回路２６はオペアンプ２７により構成され、前 記積分回路２３からの直流電圧Ｅ1 を増幅して、表示器等に出力する。

【００２５】 また、図５は波形整形回路１７からの整形電圧Ｖ2 を示したもので、磁歪シャ フト１にトルクを加えない場合、磁歪シャフト１に図３の矢示方向にトルク（以 下、「正方向のトルク」という）を加えた場合、磁歪シャフト１に図３の矢示方 向の逆にトルク（以下、「負方向のトルク」という）を加えた場合の特性線図を 表している。

【００２６】 ここで、磁歪シャフト１にトルクを加えない場合には、ベース抵抗１２，１３ を調整することにより、前記数式５のパルスデューティ比Ｄ1 （即ち、パルスデ ューティ比Ｄ）が５０％になるように設定されている。

【００２７】 次に、磁歪シャフト１に正方向のトルクを加えた場合には、該磁歪シャフト１ に刻設されたスリット溝２側では引張り応力＋σにより透磁率μが増加し、該ス リット溝２に対向する検出コイル７の自己インダクタンスＬ1 が増加し、一方ス リット溝３側では圧縮応力−σにより透磁率μが減少し、該スリット溝３に対向 する検出コイル８の自己インダクタンスＬ2 が減少する。これにより、発振回路 ９から出力される出力電圧Ｖ1 の立ち上り時間ＴON1 および立ち下がり時間ＴON 2 との関係は、前記数式２，３からＴON1 ＜ＴON2 となる。さらに、出力電圧Ｖ 1 は波形整形回路１７により反転されるからＴON1 ＞ＴON2 となり、図５中の中 段に示すような波形となる。

【００２８】 一方、、磁歪シャフト１に負方向のトルクを加えた場合には、発振回路９から 出力される出力電圧Ｖ1 においては、ＴON1 ＞ＴON2 のパルス波形が出力され、 波形整形回路１７により、ＴON1 ＜ＴON2 となって、図５中の下段に示すような 波形となる。

【００２９】 次に、磁歪シャフト１にトルクを加えたときのパルスデューティ変化率αにつ いて説明する。このパルスデューティ変化率αは、トルクが零のときのパルスデ ューティ比Ｄ0 を基準とした変化率αを示し、次の数式７のように演算すること ができる。

【００３０】

【数７】

【００３１】 ここで、このパルスデューティ変化率αは積分回路２３からの直流電圧Ｅ1 の 変化に対応しているから、トルク印加が零のときの直流電圧Ｅ1 の電圧値を基準 として、線形の特性を得ることができ、増幅回路２６からは図６に示す特性線２ ８の如く、トルクの大きさに比例した直流電圧Ｅを出力する。

【００３２】 かくして、先行技術によれば、磁歪シャフト１に加わるトルクを検出する検出 コイル７，８を回路構成の一部にしたマルチバイブレータ回路により発振回路９ を構成し、この発振回路９からの出力電圧Ｖ1 に波形整形回路１７，積分回路２ ３等を接続することにより、磁歪シャフト１に加わるトルクにより、波形整形回 路１７からの整形電圧Ｖ2 のパルスデューティ比Ｄを変化させ、このパルスデュ ーティ比Ｄの変化により、トルクを直流電圧Ｅとして検出し、高精度のトルク検 出を行なうことができる。

【００３３】

【考案が解決しようとする課題】

ところで、上述した先行技術では、初期調整（磁歪シャフト１にトルクを加え ないとき）において、磁歪シャフト１に加えるトルクＴの方向によらず検出精度 を向上させるために、ＴON1 ＝ＴON2 （パルスデューティ比を５０％）となるよ うに発振器９のベース抵抗１２，１３を調整してパルス幅を変化させ、図６に示 すように特性線２８になるようにしている。そして、特性線２８に対して点線の ようなずれがあった場合では、各トランジスタ１０，１１の立ち上がり時間を調 整することで、特性線２８になるようにしているため、ベース抵抗１２，１３の 微調整が非常に困難になるという問題がある。

【００３４】 本考案は上述した先行技術の問題に鑑みなされたもので、本考案は初期調整を 簡単にできる磁歪式トルクセンサを提供することを目的としている。

【００３５】

【課題を解決するための手段】

上述した課題を解決するために本考案が採用する構成の特徴は、検出回路の初 期調整時のパルス波高値を可変するため、波形整形回路の出力側に可変電圧印加 手段を設けたことにある。

【００３６】

【作用】

上記構成により、磁歪シャフトにトルクを加えていない初期状態の時に、発振 回路から発生するパルスのパルスデューティが５０％でない場合でも、波高値を 調整することにより、パルス面積を一定に設定することができる。

【００３７】

【実施例】

以下、本考案の実施例を図１および図２に基づき説明する。なお、実施例では 前述した先行技術と同一の構成要素に同一の符号を付し、その説明を省略するも のとする。

【００３８】 図中、３１は本実施例の波形整形回路を示し、該波形整形回路３１は発振回路 ９と積分回路２３との間に接続されている。そして、該波形整形回路３１は先行 技術の波形整形回路１７とほぼ同様にヒステリシスコンパレータ回路により構成 され、オペアンプ３２と、基準電圧ＶCCとアースとの間に直列に接続され、該オ ペアンプ３２の非反転端子に入力される判定電圧Ｖi を設定する抵抗３３，３４ とを有しているものの、前記オペアンプ３２はオープンコレクタ式のコンパレー タが用いられ、その出力端子には外部に設けられた直流の外部電圧ＶCOを発生す る定電圧回路３５が抵抗３６を介して接続されている点で異なる。

【００３９】 ここで、定電圧回路３５には調整抵抗３７が備えられ、該調整抵抗３７を調整 することにより定電圧回路３５から出力される外部電圧ＶCOを調整するようにな り、この定電圧回路３５で可変電圧印加手段を構成している。

【００４０】 また、発振回路９からの出力電圧Ｖ1 のパルス波を完全なパルス波に整形すべ く、判定電圧Ｖi 以下の入力電圧に対して、外部電圧ＶCOを調整抵抗３７で調整 した波高値Ｖ3Oの整形電圧Ｖ3 （図２参照）を出力する。

【００４１】 このように構成される磁歪式トルクセンサにおいては、前述した先行技術と同 様の検出動作によって、磁歪シャフト１に加わるトルクＴを検出することができ る。

【００４２】 次に、磁歪シャフト１に加わるトルクＴが零のときの初期調整について、図２ および図６を参照しつつ説明する。

【００４３】 ここで、初期状態（トルク零）の時に、直流電圧Ｅがトルク零時の電圧Ｅ0 よ りも高いとき（即ち、図６の点線２８´のとき）には、定電圧回路３５から出力 される外部電圧ＶCOを調整抵抗３７を調整することにより小さくし、図２に示す 整形電圧Ｖ3 の波高値Ｖ3Oを点線で示す波高値Ｖ3O´に減少させる。そして、積 分回路２３ではこの波高値Ｖ3O´となったパルスの面積を算出するから、図６に 示す特性線２８に容易に調整することができる。

【００４４】 一方、初期状態（トルク零）の時に、直流電圧Ｅがトルク零時の電圧Ｅ0 より も低いとき（即ち、図６の点線２８´´のとき）には、定電圧回路３５から出力 される外部電圧ＶCOを調整抵抗３７を調整することにより大きくして、パルス面 積を大きくして特性線２８に調整する。

【００４５】 かくして、本実施例においては、発振回路９からのパルス波形の波高値を波形 整形回路３１の外部電圧ＶCOを調整抵抗３７で調整することにより、容易に変化 させることができ、磁歪シャフト１にトルクを加えないときの初期調整を先行技 術に較べて容易に行なうことができる。

【００４６】 なお、前記実施例では、波形整形回路３１の出力側に設けた可変電圧印加手段 を調整抵抗３７を備えた定電圧回路３５を用いるようにしたが、本考案の可変電 圧印加手段はこれに限らず、電圧調整用レギュレータを用いてもよい。

【００４７】 また、前記実施例では２コイル型のトルクセンサについて述べたが、本考案は これに限らず、４コイル型のトルクセンサに用いることもできる。

【００４８】

【考案の効果】

以上詳述した如く、本考案によれば、検出回路のパルスの波高値を可変にする 可変電圧印加手段を波形整形回路の出力側に設けたから、磁歪シャフトにトルク が加わらないときの初期調整時には、可変電圧印加手段を用いてパルス波の波高 値を調整することによりパルス面積を調整すればよく、容易に初期調整を行なう ことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本考案の実施例による磁歪式トルクセンサの検
出回路を示す回路構成図である。

【図２】実施例による初期調整時に波形整形回路からの
出力されるパルス波の波高値を調整する状態を示す説明
図である。

【図３】先行技術による磁歪式トルクセンサの構成図で
ある。

【図４】先行技術による磁歪式トルクセンサの検出回路
を示す回路構成図である。

【図５】トルクを加えた場合のトルクと波形整形回路か
らの出力されるパルスとの関係を示す特性線図である。

【図６】トルクと増幅回路から出力される直流電圧との
関係を示す特性線図である。

【符号の説明】

１ 磁歪シャフト ７，８ 検出コイル ９ 発振回路 ２３ 積分回路 ３１ 波形整形回路 ３５ 定電圧回路 ３７ 調整抵抗 Ｌ1 ，Ｌ2 自己インダクタンス ＶCO 外部電圧

Claims (1)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 【請求項１】 磁歪シャフトと、該磁歪シャフトの外周
   側に設けられた少なくとも一対の検出コイルと、該各検
   出コイルのインダクタンスの変化を電圧として出力する
   検出回路を備え、該検出回路は、各検出コイルからのイ
   ンダクタンスにより発振させてパルスに変換するマルチ
   バイブレータ式の発振回路と、該発振回路からの発振パ
   ルスを整形する波形整形回路と、該波形整形回路からの
   整形パルスを積分する積分回路とから構成してなる磁歪
   式トルクセンサにおいて、前記検出回路の初期調整時の
   パルス波高値を可変するため、前記波形整形回路の出力
   側に可変電圧印加手段を設けたことを特徴とする磁歪式
   トルクセンサ。