JPH06273247A

JPH06273247A - 磁歪式応力センサ

Info

Publication number: JPH06273247A
Application number: JP8777293A
Authority: JP
Inventors: Nobutomo Matsunaga; 信智松永; Shuichi Misumi; 修一三角
Original assignee: Omron Corp; Omron Tateisi Electronics Co
Current assignee: Omron Corp
Priority date: 1993-03-24
Filing date: 1993-03-24
Publication date: 1994-09-30

Abstract

(57)【要約】【目的】磁歪式応力センサの小型化を図ること【構成】帯状のフィルム１の片面に波型の第１配線２
を形成するとともに、フィルムの反対面に逆向きの波型
を有する第２配線３を形成し、平面的に見たときに図
（Ａ）に示すように、長円状部４ａ，４ｂ，…が併設さ
れ、隣接する長円状部の直線部（２ａ，３ａ）の配置位
置が略一致する。また第１，第２配線の一端がフィルム
に形成されたスルーホール１ａを介して接続することに
より、他端側から見て連続した薄型かつ多極の検出コイ
ル４が構成される。よって、他端に電流Ｉを流すと、隣
接する長円状部で流れる電流の向きが逆向きとなり、交
互に逆向きの磁界が発生する磁極となる。この検出コイ
ルが対向配置された測定対象物６に対し応力が加わる
と、検出コイルのインダクタンスが変化するため、それ
を検出コイルに接続された検出回路７により検出し、応
力を測定する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、磁歪式応力センサおよ
びその応用製品に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】磁歪式の応力（トルク）センサは、磁気
歪現象のひとつである強磁性体に機械的な歪を与えた時
に透磁率が変化する現象を利用したもので、トルク検出
用の回転軸体を鉄などの強磁性体で形成し、その軸体の
側面に対向するようにブリッジを構成する２つのＵ字形
コイル（Ｕ字状のコアの開放側両端脚部にコイルを巻回
して構成される）を交差状に配置した構成としている。

【０００３】そして、その回転軸にトルクが加わると、
捻られて軸の中心線に対して±４５度の方向に引張応力
と圧縮応力とが生じ、これにより回転軸の透磁率が変化
する。この透磁率の変化を、上記２つのＵ字形コイルの
一方に交流電流を流して励磁するとともに、他方のコイ
ルから信号を取り出すようことにより透磁率の変化分を
検出し、その検出結果に基づいてトルクを求めるように
なっている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら上記した
従来のセンサは、Ｕ型状のコアを必須の構成としている
とともに、励磁コイルと検出コイルが必要となるため、
構成が複雑でかつ小型化を図ることができずに、使用用
途が限定されてしまう。

【０００５】そして、このような構成においては、磁束
の多くは、励磁用コアの開放端，被測定軸内，検出用コ
アの開放端，検出用コア内部，検出用コアの他開放端，
被測定軸内，励磁用コアの他開放端と行った磁路を持
つ。励磁用コアと検出用コアは、交差状に配置されてい
るため、上記磁路は２系統存在し、被測定軸に加わるト
ルクの方向に対して、それぞれの磁路の透磁率が差動的
に変化することで、トルクを検出する。しかし、励磁用
コア開放端と検出用コア開放端間の被測定軸内を通る磁
路は、異なる４箇所に存在する。よって、必然的に、互
いに隣接するが異なる場所の透磁率を測ることになり、
被測定軸における透磁率の不均一性のため、軸回転に伴
う大きなゼロ点変動が発生する。

【０００６】本発明は、上記した背景に鑑みてなされた
もので、その目的とするところは、構成が簡単で小型化
を図ることができ、さらに、透磁率の不均一に影響を受
けにくく確実にトルクを検出することができる磁歪式応
力センサおよび、係る応力センサを用いた各種製品を提
供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記した目的を達成する
ために、本発明に係る磁歪式応力センサでは、シート片
表面に互いに反転した波型の配線を重ね合わせるように
配置するとともに、前記両配線の一端を接続して検出コ
イルを形成し、前記検出コイルに通電した際に前記両配
線により形成される隣接する環状の磁極部に異なる極性
が生じるようにした。

【０００８】また、片面に波型の配線を形成してなるシ
ート片、または、両面に互いに逆向きの配線を重合状態
で形成してなるシート片の所定部位を折り畳むことによ
り、前記波型の配線を重ね合わせて検出コイルを形成
し、前記検出コイルに通電した際に前記配線により形成
される隣接する環状の磁極部に異なる極性が生じるよう
にしてもよい。

【０００９】そして、上記のようにして形成した検出コ
イルを用いて、棒状の測定対象物に加わるトルクを測定
するためには、前記検出コイルを測定対象物の外周囲に
沿ってその軸方向に対して４５度傾斜状に配置すること
である。さらに、係る検出コイルを複数用い、互いに異
なる方向、すなわち±４５度傾斜状に配置することによ
り、両検出コイルのインダクタンスの変化分を差動的に
検出するようにしてもよい。

【００１０】一方、本発明に係る軸受装置では、前記測
定対象物となる所定の回転軸を軸受けするためのベアリ
ング本体と、前記ベアリング本体に取り付け部材を介し
て一体化された上記磁歪式応力センサとから構成するこ
とである。

【００１１】

【作用】検出コイルを測定対象物に近接或いは接触配置
する。そして、検出コイルに所定の電流を流すと、コイ
ルを構成する隣接する環状の磁極部には交互に異なる極
性が現れ、各磁極部で発生する磁束は隣接する磁極部に
流れ込むようになる。よって、検出コイルで発生する磁
束のうち、漏れ磁束となるのは両端に位置する磁極部で
発生する磁束の一部のみとなり、応力測定に際して磁束
の有効利用が測れる。

【００１２】ところで、上記発生した磁束の一部は近接
配置された測定対象物内を通過することになる。したが
って、上記の状態で測定対象物に所定の応力を与える
と、測定対象物の透磁率が変化し、上記の検出コイルの
インダクタンスも変化する。よって、そのインダクタン
スの変化量を検出することにより応力が測定される。

【００１３】また、棒状の測定対象物に加わったトルク
を測定する場合に、複数の検出コイルを所定の位置関係
で配置すると、トルクによる各検出コイルのインダクタ
ンスの変化を差動的に検出することができ、より正確に
測定される。

【００１４】また、本発明では、波型配線の波の数を増
すだけで、簡単に磁極の数が増え、検出コイル全体で発
生する磁束に対する漏れ磁束の量も可及的に少なくな
り、さらには、検出コイルが対向する測定対象物の面積
も大きくなるため、検出感度が向上し、また局所的な磁
気的不均一に対する影響を受けずに測定できる。

【００１５】さらにまた、上記磁歪式応力センサをベア
リングと一体化した場合には、検出コイルとベアリング
により支持される回転軸とのクリアランスが所定の距離
で一定に保たれ、検出感度・精度が向上する。

【００１６】

【実施例】以下、本発明に係る磁歪式応力センサの好適
な実施例を添付図面を参照にして詳述する。図１は本発
明に係る磁歪式応力センサの第１実施例を示している。
図示するように、まず帯状のフィルム１の片面に波型の
第１配線２を形成している。この第１配線２は、一定間
隔に平行に配置された直線部２ａを半円弧状部２ｂで連
結した形状としている。そして、フィルム１の反対面に
は、第１配線２とは逆向きの波型を有する第２配線３を
形成している。すなわち、この第２配線３は、第１配線
２と位相を半周期ずらすように重ね合わせた形状（直線
部３ａを結ぶ半円弧状部４ｂを反対側に形成した形状）
とし、波の進む方向の中心線を基準とした線対象となっ
ている。これにより、平面的に見たときに同図（Ａ）に
示すように、長円状部４ａ，４ｂ，…が併設され、隣接
する長円状部の直線部（２ａ，３ａ）の配置位置が略一
致するようになる。なお、図示の例では便宜上両直線部
２ａ，３ａを平行移動してずらして描いているが、本来
的には一致している（他だし、そのずらす量が少なけれ
ば図示のようにずらしてもよい）。

【００１７】そして、それら第１，第２配線２，３の一
端がフィルム１に形成されたスルーホール１ａを介して
接続される。これにより、上記第１，第２配線２，３
は、他端側から見て連続した検出コイル４を構成するこ
とになり、他端に所定方向の電流Ｉを流すと、同図
（Ａ）に示すように隣接する長円状部４ａ，４ｂ，…で
流れる電流の向きが逆向きとなるため、その長円状部４
ａ，４ｂ，…が交互に逆向きの磁界が発生する磁極とな
り、一つの長円状部（磁極）から発生した磁束は各直線
部２ａ，３ａを中心として回りこむようにして隣の長円
状部に入る。よって、漏れ磁束は両端の長円状部４ａ，
４ｅから発生した磁界が外側に位置する直線部を中心に
回り込むものだけとなり、全体的に見ると非常に小さく
なる。

【００１８】さらに、本例では、同図（Ｂ）に示すよう
にフィルム１の片面側近傍位置に、アモルファス等の高
透磁率材料からなる平板状のヨーク５を配置し（便宜
上、同図（Ａ）には示さず）、磁路の磁気抵抗を小さく
して発生する磁界の強さを向上（磁力線を効率よく回
す）させている。そして、フィルム１（検出コイル４）
のヨーク５の設置位置と反対面側に、炭素鋼等の強磁性
体からなる応力の測定対象体６を所定の間隙をもって対
向配置している。なお、本例では所定の間隙を設けた
が、測定対象物６に磁気的絶縁を保った状態で接触させ
ても良い。そして、本例では測定対象物６の圧縮・引張
り応力を測定するようになる。

【００１９】さらに、上記第１，第２の配線２，３（検
出コイル４）の他端は外部に引き出されて検出回路７に
接続されている。この検出回路７は、検出コイル４のイ
ンダクタンスの変化を検出するもので、ホイーストンブ
リッジ（ブリッジを構成する４つのインダクタンスのう
ちの１つに上記検出コイル４を使用する）とロックイン
増幅器等により構成される公知のものである。

【００２０】次に、上記した実施例の作用（動作原理）
について説明する。まず、この検出コイル２に所定の電
流Ｉを流すと、図示するように隣接する第１，第２の配
線２，３の直線部２ａ，３ａを中心として両配線２，３
で形成される長円状の空間部位を通る磁束φが生じる。
そして、検出コイル４の面を基準として片面側に位置す
る磁束（同図（Ｂ）中、下側）の通る箇所に上記の測定
対象物６が配置されているため、その測定対象物６に図
中左右方向に引張ることにより所定方向の応力σが加わ
り、それにより透磁率が変化するので検出コイル４に発
生するインダクタンス分が変わる。

【００２１】よって、そのインダクタンスの変化を、上
記検出回路７によって検出することにより、引張り応力
の大きさを検出することが可能となる。また、係るイン
ダクタンスの変化の検出する手法としては、上記ブリッ
ジ回路に限ることなく、例えば検出コイル４の両端に一
定の電圧を印加しておき、流れる電流の変化を検出する
ようにしたり、或いは逆に電流を一定にして電圧の変化
を検出するなど種々の方式をとることができる。

【００２２】尚、検出コイル４を構成する長円状部４ａ
〜４ｅの設置数は、上記実施例のもの（５個）に限られ
ないのはもちろんであり、その数を多くするほど（波型
のパターンを繰り返すほど）、センサの多極化・対向面
積の増加にともない局所的な磁気的不均一の影響が受け
にくくなるとともに感度が上昇する。

【００２３】さらに、上記検出コイル４は、例えばＦＰ
Ｃの製造技術を用いることにより簡単に形成できる。す
なわち、両面に銅等の導電性の良好な材質を設けられた
可撓性を有するフィルムに対し、その表面の所定部位を
エッチング等して除去することにより、上記した実施例
のように、両面で正確に位置合わせの行われた第１，第
２の配線２，３が形成される。そして、長円状部を多数
設置することも簡単に行われる。さらにまた、両配線
２，３で形成された長円状部（開放された空間部位）が
磁極を構成することになり、比較的大きな電流を必要と
する場合でも放熱が良いため問題ない。

【００２４】また、この例では、フィルムの両面に両配
線を所定の位置関係で配置したが、２枚にフィルム別々
に第１，第２配線を設け、両フィルムを重ね合わせると
ともに、両配線の一端同士を接続するようにしてももち
ろんよい。

【００２５】図２は本発明に係る磁歪式応力センサの第
２実施例を示している。本例では、上記した第１実施例
と相異して、応力の測定対象物６′が円柱状の軸体で、
しかも、係る測定対象物６′が所定のトルクで捩じられ
た時に発生する応力を測定することにより上記トルクを
求めるものである。

【００２６】すなわち、測定対象物６′に発生する応力
σの向きは、図示するように軸方向に対して±４５度の
傾斜方向となる。したがって、上記した第１実施例に示
す長円状部が多数併設された検出コイル（フィルム付）
を２個設け、それら第１，第２の検出コイル１０，１１
を測定対象物６′の側面に巻き付けるようにして配置
（本例ではコイル１０，１１と測定対象物６′との間に
所定の間隙を設けている）する。この時、両検出コイル
１０，１１は重なり合うことのないように軸方向に分離
して配置し、互いに自己の発生する磁束が他方の検出コ
イルに影響を与えないようにしている。

【００２７】しかも、検出効率を向上するために、第１
の検出コイル１０を軸方向に対して４５度傾斜させる方
向に配置し、一方、第２の検出コイル１１を軸方向に対
して４５度傾斜させる方向（第１の検出コイル１０と逆
方向）に配置している。すなわち、応力の発生方向に沿
うように配置する。これにより、測定対象物６′に捩じ
りトルクが加わると、一方の検出コイル（＋σの方向に
一致する検出コイル）で引っ張り応力が検出され（イン
ダクタンスが増加）、他方の検出コイル（−σの方向に
一致する検出コイル）で圧縮応力が検出（インダクタン
スが減少）されるため、両者の差を求めることにより捩
じりトルクの大きさが算出できる。

【００２８】そして、係る検出はそれら第１，第２の検
出コイル１０，１１を、上記第１実施例と同様にホイー
ストンブリッジ等を備えた検出回路７′に接続、より具
体的には、ブリッジを構成する４つのインダクタンスの
うちの２つを、上記両検出コイル１０，１１で構成する
（無負荷時にブリッジ回路が平衡状態となるように調整
されている）ことになる。

【００２９】また、上記したように各検出コイル１０，
１１を測定対象物６′の周囲に沿って配置する際にその
検出コイル１０，１１を湾曲させなければならないが、
本例では可撓性を有するフィルムに両面印刷により各検
出コイル１０，１１を設け、肉薄な平面状に形成されて
いるため、測定対象物６′の外径に応じた所定の曲率半
径で湾曲させ、その測定対象物６′の側面と一定の距離
をおいて平行に配置することが簡単に行え、しかも、た
とえその様に湾曲させたとしても各検出コイルを構成す
る長円状部の形状が極端に潰れるなどの変形を起こすこ
とがなく、検出感度の低下をきたさない。

【００３０】尚、その他の構成並びに作用効果は上記し
た第１実施例と同様であるため、その説明は省略する。
また、各検出コイル１０，１１の測定対象物６′への巻
き付け量（長さ）は、測定対象物６′の全周（１周）、
或いはそれ以上巻いても良く、また、逆に１周以下でも
よく任意である。すなわち、上述したように、その長さ
を長くするほど（長円状部の数が多いほど）、感度向上
を図るとともに磁気的不均一や測定対象物６′の軸心と
検出コイルの巻き付けの中心とのずれにより感度変化に
よる影響が受けにくくなり好ましいが、一方、検出コイ
ル１０，１１の長さを長くするとそれだけ軸方向への広
がりが大きくなるため、両者の調和を図る適宜長さ（巻
数）に設定することである。但し、いずれの場合にも両
検出コイル１０，１１が交差しないようにする必要があ
る。また、本例では２つの検出コイル１０，１１を設け
て、両者で検出するインダクタンスの差分をとることに
よりトルクを測定するようにしたが、必ずしも２つ設け
る必要はなく、１方の検出コイルだけでもよい。

【００３１】図３は本発明に係る磁歪式応力センサの第
３実施例を示している。この実施例では、上記した第２
実施例を基本とするが、第２実施例では２つの検出コイ
ルが重ならないように配置したが、本実施例では対とな
る検出コイルの一部が所定の相対位置関係で重なる（交
差する）ようにしている。

【００３２】すなわち、図示するように、上記第２実施
例と同様に位置関係で配置された第１，第２の検出コイ
ル１０，１１の上に、それと略直交するように第３，第
４の検出コイル１２，１３を配置する。これにより、第
３の検出コイル１２は、第２の検出コイル１１と平行、
すなわち、図示の方向に捩じりトルクが加えられた時に
圧縮応力−σの発生する方向に配置され、一方、第４の
検出コイル１３は、第１の検出コイル１０と平行、すな
わち、図示の方向に捩じりトルクが加えられた時に圧縮
応力＋σの発生する方向に配置される。

【００３３】しかも、その交差部位に着目すると、同図
（Ｂ）に拡大して示すように、第１の検出コイル１０の
隣接する２つの長円状部１４ａ，１４ｂの上に重なるよ
うにして第３の検出コイル１２の隣接する２つの長円状
部１５ａ，１５ｂが配置され、各直線部１６，１７が互
いに中点で直交状態で交差するように配置される（第
２，第４の検出コイル１１，１４側も同様である）。

【００３４】これにより、各長円状部１４ａ，１４ｂ，
１５ａ，１５ｂと各直線部１６，１７で、中心角９０度
の４つの略扇状部位ａ〜ｄが形成されることになる。そ
して第１の検出コイル１０は、２つの扇系部位ａ，ｂで
一つの磁極（長円状部１４ａ）を形成し、他の２つの扇
系部位ｃ，ｄで他の磁極（長円状部１４ｂ）を形成して
いる。一方、第３の検出コイル１２は、２つの扇系部位
ｂ，ｃで一つの磁極（長円状部１５ａ）を形成し、同様
に他の２つの扇系部位ａ，ｄで他の磁極（長円状部１５
ｂ）を形成している。

【００３５】この状態で第１の検出コイル１０に電流を
流すと、上記した両磁極（ａ，ｂ），（ｃ，ｄ）間を通
る磁束が発生し、一見、その磁束は第３の検出コイル１
２の各磁極を横切るように見える。しかし、その磁束の
方向は、例えば第３の検出コイル１１の１の長円状部１
５ａで形成される磁極（ｂ，ｃ）では、２つの扇形部位
ｂ，ｃで互いに反対方向を向いており、打ち消し合い、
本質的に第２の検出コイルとは鎖交しない。同様のこと
が第３の検出コイル１２の次の長円状部１５ｂで形成さ
れる磁極（２つの扇形部位ａ，ｄ）側にもいえる。

【００３６】従って、第１の検出コイル１０と第３の検
出コイル１２間の相互インダクタンスは、上記のごとく
１つの磁極内で反対方向の磁束が生じて相殺されるため
に、理想状態で零となる。また同様に第３の検出コイル
１２に電流を流して磁束を発生させたとしても、第１の
検出コイル１０側にはその影響を与えない。つまり、重
ね合わされた第１，第３の検出コイル１０，１２に同時
に電流を流して、捩じりトルクが与えられた時に発生す
る圧縮・引張り応力を対応するそれぞの検出コイルにて
同時に測定検出できるようにしている。

【００３７】そして、かかる第１〜第４の検出コイル１
０〜１３からなるセンサを用い、実際に測定対象物６′
に加わるトルクを測定するためには、同図（Ｃ）に示す
ように各検出コイル１０〜１３でブリッジ回路を形成
し、トルクが加わっていない時には、ブリッジ回路が平
衡状態になるように調整する。そして、直列接続された
検出コイル１０と１１，１２と１３との両端に駆動回路
１８を接続し、捩じりトルクを加えた時にブリッジ回路
から差動的に得られた信号をロックイン増幅器１９で検
出・増幅し、トルク信号として出力するようになってい
る。

【００３８】尚、本例では上記した第２実施例を基準と
して構成したため、４つの検出コイルを用いたが、本例
のように、対となる検出コイルを重ねる場合には、少な
くとも２つの検出コイルを用い、両者を上記した所定の
相対位置関係に配置（第２実施例の一方のコイルを平行
移動し他方のコイルの上に重ねた状態）するようにして
もよい。係る場合には、軸方向での設置スペースの省力
化が図れる。

【００３９】図４は本発明に係る磁歪式応力センサの第
４実施例を示している。この例では、上記した各実施例
と相違して、検出コイルを多層に形成し、検出感度の向
上を図っている。すなわち、まず同図（Ａ）に示すよう
に細長帯状のフィルムシート（フレキシブル基板）２０
の片面に、波型の配線２１（表面は所定の絶縁処理がさ
れている）を形成する。この配線２１は、上記した各実
施例に示した配線と同様に平行に配置された多数の直線
部２２ａを、交互に反対側端にて半円弧状部２２ｂによ
り接続したものである。そして、上記した各実施例のよ
うにフィルムシート２０の反対面には、本例では配線を
形成しない。さらに、上記配線２１の両端には、取り出
し用のパッド２３を形成し、そのパッド２３にリード線
２４を接続する。そして、係る構成のフィルムシート２
０を、所定の直線部２２ａの位置にそって折り曲げるこ
とにより（山折と谷折を交互に繰り返す）、本例におけ
る応力センサを形成する（同図（Ｂ），（Ｃ）参照）。

【００４０】すなわち、上記のようにしてフィルムシー
ト２０が折り曲げられたなら、重ねられた配線２１は、
対向する直線部２２ａ同士が一致するとともに、半円弧
状部２２ｂは、反対側に位置するため、結局上記した第
１実施例等に示すように、長円状部が連続するコイルが
形成される。そして、本例では、４枚に折り畳まれた結
果、平面的に見た時に、同一箇所に２つの長円状部が存
在することになり、面積当たりのターン数が増加し、感
度が向上する。そして、折り曲げる量を増やすほど感度
が向上し、しかも、もともとが薄いフィルム状であるた
め、多数折り曲げたとしてもさほど厚くならない。

【００４１】また、本例では、片面印刷を行ったＦＰＣ
を適宜折り曲げることにより形成したが、例えば、上記
した各実施例で示したように、両面印刷を施して形成さ
れたものを、所定の直線部で折り返すことにより構成し
てもよい。係る場合には、本実施例よりさらに２倍の能
率で所望の感度を得るために必要な多層のセンサが容易
に作成できる。

【００４２】図５は、本発明に係るトルクセンサ付き軸
受装置の一実施例を示している。図示するように、所定
の間隔をおいて配置された２個のベアリング本体３０，
３０を、両端開口された円筒状の筐体３１の両端３１
ａ，３１ａに取り付け一体化する。このベアリング本体
３０としては、通常のボールベアリングを用いている。
そして、筐体３１の内周面（ベアリング本体３０等の軸
心と一致させている）のうち、上記両ベアリング本体３
０，３０間の部位３１ｂに、上記した構成の検出コイル
を張り付ける。すなわち、本例では２個の検出コイル３
２，３３を用い、軸方向に対して±４５度傾斜する方向
に配置する。しかも、両検出コイル３２，３３の交差部
位では、上記センサの第３実施例のように、所定の相対
位置関係で配置し、互いに相手の磁束の影響を受けない
ようにしている。

【００４３】係る構成のベアリング３５に回転軸３６を
挿入配置することにより、その回転軸３６が回転自在に
支持される。そして、これと同時に、両検出コイル３
２，３３が、回転軸３６の軸方向に対して±４５度の角
度で対向される。この状態で回転軸３６に所定のトルク
が加わると、それにともない発生する透磁率の変化を両
検出コイル３２，３３で検出することにより、回転軸３
６に加わったトルクを検出できるようになる。

【００４４】すなわち、回転軸３６をベアリング３５に
挿通するだけで、自動的にその回転軸３６の回転トルク
を測定するための検出コイル３２，３３のセットが行わ
れる。そして本例では、回転軸３６の外表面と、上記筐
体３１の内周面の所定部位３１ｂとの距離は、その全周
において同一に設定される（回転軸３６がベアリング本
体３１に支持されることによりその軸心が一致する）の
で、各検出コイル３２，３３と、回転軸３６の表面との
クリアランスが均一に保て、しかも、その距離を容易に
所定の値にすることができる。これにより、検出感度が
向上する。しかも、検出コイルと回転軸３６とは非接触
であるため、寿命も延びる。さらに、回転軸３６に加わ
る捩じりトルクにより回転軸３６に発生する透磁率の変
化を検出コイル３２，３３にて検出するだけであるの
で、回転軸３６に加工が不要で、回転ムラが生じにく
く、トルクセンサの取り付けも容易であるという種々の
効果を発揮する。

【００４５】さらに、トルクを検出するためのセンサ部
（検出コイル）が非常に薄型で、しかも、その平面形状
も可及的に小さくすることが可能であるため、係るトル
クセンサ付き軸受装置の大きさは、ベアリング本体の径
に依存するので、非常に小型化が可能となる。そして、
ベアリング本体を構成するボールの径等を非常に小さく
することにより、たとえば、回転軸の径が１ｍｍ以下の
非常に小型な測定対象物に対しても、トルク検出が可能
となる。

【００４６】尚、上記した実施例では、２つの検出コイ
ル３２，３３を用い、それを所定の相対位値関係で重ね
合わせたものを、回転軸の１／２周に亘って対向配置し
た構成としたが、本発明はこれに限ることなく、その巻
き付け長さは任意のものに設定でき、また、検出コイル
も１個または複数個の任意のものを用い、上記した各セ
ンサの実施例及びその変形例など種々のものを適用でき
る。

【００４７】また、上記筐体３１の内周面所定位置に取
り付けた検出コイルの保護等のために、その表面を樹脂
で覆うようにしてもよいなど、種々の変更実施が可能で
ある。

【００４８】さらにまた、ベアリング本体としても、上
記した実施例では２個のボールベアリングを用いたが、
ベアリング本体の個数は１または任意の複数であり、ま
たベアリング本体の種類としても、ローラベアリングそ
の他種々のものを適用できる。要は、上述した本発明に
係る検出コイルと一体化されてあればよいのである。

【００４９】図６は本発明に係るトルクセンサ付き軸受
装置の応用製品の一つであるパワーステアリング装置の
一実施例を示している。同図に示すように、ハンドル４
０に取り付けられ、ハンドル４０の操舵に応じて回転す
るステアリングシャフト４１の外周囲の所定位置に上記
した所定構造からなるトルクセンサ付き軸受装置４２を
取り付ける。これにより、上記した図５等に示したよう
に、シャフト４１の外周囲に対して一定の間隔をおき、
しかも軸方向に対して４５度の角度で傾斜するようにし
て巻回される検出コイル（図示省略）が配置される。

【００５０】そして、そのトルクセンサ付き軸受装置４
２に設けた図示省略の検出コイルに接続されたリード線
４３が外部に導き出されてトルク制御ユニット４４に至
り、そこにおいて、検出されたトルクにしたがった適切
な目標電流値を算出するとともに、それを次段のアンプ
４５に送り、そこにおいて増幅した後、駆動モータ４６
に供給する。さらに、駆動モータ４６の出力は、ピニオ
ン４７ａとラック４７ｂを有するギヤ装置４７を介して
車輪４８に連結され、車輪４８の操舵角を制御するよう
になっている。すなわち、本例では、上記トルク制御ユ
ニット４４並びにアンプ４５にて操舵角を算出する手段
を構成し、駆動モータ４６，ギヤ装置４７等にて操舵角
を変更する手段を構成している。

【００５１】すなわち、かかる構成にすることにより、
ハンドル４０を所定方向に回転すると、その時にシャフ
ト４１に加わるトルクを検出し、それに応じて駆動モー
タ４６を所定方向に所定量回転させる。すると、ギヤ装
置４７を構成するラック４７ｂが、所定方向（矢印Ａ，
Ｂ方向）に所定量移動し、それにともない車輪４８が所
定方向（矢印Ａ′，Ｂ′方向）に回転する。つまり、ハ
ンドル４０を回転させる角度が大きいほど、シャフトに
加わるトルク（応力）が大きくなり、それにともなって
車輪４８の操舵角も大きくなる。

【００５２】係る構成にすることにより、上記したトル
ク（応力）センサ自体の作用効果並びにトルクセンサ付
き軸受装置自体の有する作用効果はもちろんのこと、ハ
ンドル４０の回転に対する目標とする操舵角を検出する
装置が小型かつ軽量で、消費電力等も少なくすることが
でき、例えば電気自動車等に適する。

【００５３】図７は本発明に係るトルクセンサ付き軸受
装置の応用製品の一つである変速装置用トルク制御装置
の一実施例を示している。同図に示すように、本例にお
ける変速装置５０は、中空の筐体５１の内部に所定のギ
アの組み合わせからなる回転速度変速機構たるギヤボッ
クス５２を備えてなり、その入力側は、モータ等の駆動
装置５３の出力が連携されている。そして、本例では、
例えば変速装置５０の出力軸５４に、上記のトルクセン
サ付き軸受装置５６を設けている（出力軸５４を係る軸
受装置５６内のベアリング本体で回転自在で支持す
る）。

【００５４】そして、そのトルクセンサ付き軸受装置５
６に設けた図示省略の検出コイルに接続されたリード線
５７が外部に導き出されてフィードバック制御する手段
たるトルクコントローラ５８に接続され、現在の出力軸
５４に加わっているトルクを算出するとともに、その算
出結果を設定トルクと比較し、設定トルクにするための
所定の制御信号を上記駆動装置５３に送るようになって
いる。

【００５５】これにより、変速しつつ、所定のトルクが
得られるように駆動装置５３に対してフィードバック制
御が行える。しかも、係るフィードバック制御を行うた
めのセンサが変速装置５０の内部に一体に設けられてい
るため、装置の小型化を図るとともに（従来であれは、
変速装置の外部にさらに所定のトルクセンサを取り付け
る必要があり、システム全体が大きくなる）、検出セン
サ部が外圧等を受けて損傷することがない。さらに、上
記したように非接触式でトルクの検出が行えるため、軸
や検出部の加工が不要で、センサを装着したことによる
回転特性等の変化もない。

【００５６】尚、上記した実施例では、トルクセンサ付
き軸受装置５６を出力軸５４に装着したが、これとは逆
に例えば入力側に設けるようにしてもよく、その設置位
置並びに設置数は任意である。

【００５７】

【発明の効果】以上のように、本発明に係る磁歪式応力
センサでは、従来のようにＵ字状のコアが不要となり、
薄型・小型に構成することができる。そして、波型の配
線の波の数を増やすだけで、多極のセンサを極数に関係
なく（任意の極数で）容易に構成でき、しかも、多極の
センサを構成するの磁極を隙間なく並べることができ、
感度が向上する。さらに、測定対象物に対する対向面積
が大きく、材料の局所的な磁気的不均一に影響を受けに
くくなる。

【００５８】また、所定の配線を施したシート片を折り
畳むようにした場合には、検出コイルの多層化が簡単に
行え、検出感度のさらなる向上が図れる。

【００５９】さらにまた、対となる検出コイルを所定の
相対位置で配置した場合には、各検出コイルは、他の検
出コイルで発生する磁束の影響をほとんど受けないた
め、同時に測定用の電流を流すことが可能となり、同一
場所で直交方向に発生する２つの応力を同時に測定可能
となり、不均一性に起因する零点変動が抑えられる。さ
らにまた、検出コイルに透磁率の高いヨークを装着した
場合には、センサの有するインダクタンスが増加し、検
出感度が向上する。

【００６０】一方、本発明に係る軸受装置では、上記所
定の磁歪式応力センサとベアリングとが一体化されたた
め、回転軸をベアリング本体内に挿入するだけで、検出
コイルとベアリングにより支持される回転軸とのクリア
ランスが所定の距離で一定に保たれるとともに、軸方向
に対し４５度傾斜状配置することができ、検出感度・精
度が向上する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る磁歪式応力センサの第１実施例を
示す図である。

【図２】本発明に係る磁歪式応力センサの第２実施例を
示す図である。

【図３】本発明に係る磁歪式応力センサの第３実施例を
示す図である。

【図４】本発明に係る磁歪式応力センサの第４実施例を
示す図である。

【図５】本発明に係る軸受装置の好適な一実施例を示す
図である。

【図６】その応用例を示す図である。

【図７】その応用例を示す図である。

【符号の説明】

１フィルム２第１配線３第２配線４検出コイル５ヨーク６，６′ 測定対象物７

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】シート片表面に互いに反転した波型の配
線を重ね合わせるように配置するとともに、前記両配線
の一端を接続して検出コイルを形成し、前記検出コイル
に通電した際に前記両配線により形成される隣接する環
状の磁極部に異なる極性が生じるようにしてなることを
特徴とする磁歪式応力センサ。
【請求項２】片面に波型の配線を形成してなるシート
片、または、両面に互いに逆向きの配線を重合状態で形
成してなるシート片の所定部位を折り畳むことにより、
前記波型の配線を重ね合わせて検出コイルを形成し、前
記検出コイルに通電した際に前記配線により形成される
隣接する環状の磁極部に異なる極性が生じるようにして
なることを特徴とする磁歪式応力センサ。
【請求項３】請求項１または２に記載した前記検出コ
イルを、棒状の被測定対象物の外周囲に沿って、その測
定対象物の軸方向に対し４５度傾斜状に配置したことを
特徴とする磁歪式応力センサ。
【請求項４】請求項１または２に記載した検出コイル
を少なくとも２個用い、一方の検出コイルを前記測定対
象物の外周囲に沿って、その測定対象物の軸方向に対し
４５度傾斜状に配置し、他方の検出コイルを前記一方の
検出コイルと離反させるとともに前記一方の検出コイル
の配置方向と異なる前記軸方向と４５度傾斜状に配置
し、前記測定対象物にトルクが加わった際に生じる前記
両検出コイルのインダクタンスの変化を差動的に検出す
ることにより前記トルクを測定するようにした磁歪式応
力センサ。
【請求項５】請求項１または２に記載した検出コイル
を少なくとも２個用い、一方の検出コイルを前記測定対
象物の外周囲に沿って、その測定対象物の軸方向に対し
４５度傾斜状に配置し、他方の検出コイルを前記一方の
検出コイルの配置方向と異なる前記軸方向と４５度傾斜
状に配置し、かつ、前記一方の検出コイルが有する所定の隣接する２
つの前記環状の磁極部の中心と、前記他方の検出コイル
が有する所定の隣接する２つの前記環状の磁極部の中心
とを略一致させるようにしたことを特徴とする磁歪式応
力センサ。
【請求項６】前記検出コイルの片側面に透磁率の高い
材質からなるヨークを装着し、前記検出コイルの反対側
面を測定対象物に対向配置するようにした請求項１〜５
のいずれか１項に記載の磁歪式応力センサ。
【請求項７】前記測定対象物となる所定の回転軸を軸
受けするためのベアリング本体と、前記ベアリング本体
に取付部材を介して一体化された請求項３〜６のいずれ
か１項に記載の磁歪式応力センサとを備えた軸受装置。
【請求項８】車両の操舵角を決定するハンドルを支持
するステアリングシャフトに装着した請求項７に記載の
軸受装置と、前記軸受装置出検出された前記ステアリングシャフトに
加えられたトルク量並びに捩じり方向から、前記操舵角
を算出する手段と、前記算出する手段により求められた操舵角に基づいて車
輪の操舵角を変更する手段とを備えたパワーステアリン
グ装置。
【請求項９】筐体内に複数のギヤ等の回転速度変換機
構を配設してなる変速装置において、前記筐体内であって、前記回転速度変速機構の入力軸ま
たは出力軸の少なくとも一方に装着された請求項７に記
載の軸受装置と、前記軸受装置から出力される前記入力軸または出力軸に
加わるトルク値と予め設定された目標トルク値とを比較
し、前記検出されたトルク値を前記目標トルク値になる
ように前記変速装置に直接または間接的に連繋される駆
動装置にフィードバック制御する手段とを備えたトルク
制御装置。