JPH06300647A - 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、簡単な回路構
成でトルクの高精度検出を行なう。 【構成】 一対の励磁および検出コイル９，１０を直列
に接続してハーフブリッジ回路２１を構成し、両端側に
位相差が１８０°異なる三角波を三角波発生装置２２か
らそれぞれ入力する。また、この２つの三角波を平均値
回路２６で加算平均することにより三角波発生装置２２
のノイズ分を検出する。さらに、このノイズ分とハーフ
ブリッジ回路２１の端子Ｃからの出力は加算回路３１で
加算され、ノイズ分が相殺され、ノイズのない信号を位
相検波回路に出力する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、例えば自動車用エンジ
ンの出力軸トルク等を検出するのに用いて好適な磁歪式
トルクセンサに関する。

【０００２】

【従来の技術】自動変速機を備えたオートマチック車等
では、例えば自動変速機の変速タイミングを適正化する
目的でアウトプットシャフト等に磁歪式トルクセンサを
取付けることが提案されている。

【０００３】そこで、図３および図４に基づいてこの種
の従来技術による磁歪式トルクセンサを説明する。

【０００４】図中、１はトルクセンサ本体を構成するケ
ーシングを示し、該ケーシング１は非磁性材料により段
付筒状に形成され、自動変速機のケース（図示せず）等
に固定されるようになっている。

【０００５】２はケーシング１内に軸受３，３を介して
回転自在に配設された磁歪シャフトを示し、該磁歪シャ
フト２はステンレス鋼等によって棒状に形成され、その
両端側２Ａ，２Ｂはケーシング１外に突出して磁歪シャ
フトを構成している。また、該磁歪シャフト２の軸方向
中間部はケーシング１内に位置したスリット形成部２Ｃ
となり、該スリット形成部２Ｃの外周面には斜め下向き
に４５°、斜め上向きに４５°の角度をもってそれぞれ
スリット溝４，４，…、５，５，…が刻設されている。

【０００６】６，７は磁気異方性部を示し、該磁気異方
性部６，７は前記磁歪シャフト２のスリット形成部２Ｃ
の外周面にＦｅ（８３％），Ａｌ（１３％）の磁性材料
をコーティングして熱処理したものである。そして、各
スリット溝４間の部分に第１の磁気異方性部６が形成さ
れると共に、各スリット溝５間の部分に第２の磁気異方
性部７が形成され、これらの磁気異方性部６，７には表
面磁界による磁路が形成される。

【０００７】８はケーシング１の内周面に固着され、磁
歪シャフト２のスリット形成部２Ｃを径方向外側から取
囲んだコア部材を示し、該コア部材８は鉄等の磁性材料
により段付筒状に形成され、その内周側には後述の各励
磁および検出コイル９，１０が配設されている。

【０００８】９，１０は磁歪シャフト２の外周側に位置
して磁気異方性部６，７と対向した一対の検出コイルと
しての励磁および検出コイルをそれぞれ示し、該励磁お
よび検出コイル９，１０はコア部材８の内周側にそれぞ
れコイルボビン（図示せず）を介して設けられ、後述の
発振器１２により周波数ｆを有する交流電圧Ｖが印加さ
れて励磁作用と検出作用とを行う。また、該励磁および
検出コイル９，１０は図４に示す如く自己インダクタン
スＬ1 ，Ｌ2 を有し、その鉄損および直流抵抗分はｒ1
，ｒ2 となる。

【０００９】ここで、励磁および検出コイル９，１０に
は発振器１２から交流電圧Ｖが印加されているから、励
磁および検出コイル９，１０のインピーダンスＺ1 ，Ｚ
2 は数１のようになる。

【００１０】

【数１】

【００１１】ただし、数１中のＬ1 ，Ｌ2 は数２により
設定される自己インダクタンスである。

【００１２】

【数２】

【００１３】次に、図４は従来技術による磁歪式トルク
センサの検出回路を示しており、この検出回路はブリッ
ジ回路１１、交流電圧印加手段としての発振器１２、差
動増幅器１３、位相検波回路１４等によって構成されて
いる。ここで、ブリッジ回路１１は励磁および検出コイ
ル９，１０および調整抵抗Ｒ，Ｒにより構成され、それ
ぞれ対応する辺の抵抗値（インピーダンス）が等しくな
るフルブリッジを構成している。また、励磁および検出
コイル９，１０間の接続点ａおよび調整抵抗Ｒ，Ｒ間の
接続点ｂは、例えば３０ｋＨz 程度の周波数ｆを有する
交流電圧Ｖの発振器１２と接続されている。

【００１４】さらに、ブリッジ回路１１において、一方
の励磁および検出コイル９のＬ1 ，ｒ1 は調整抵抗Ｒ
に、他方の励磁および検出コイル１０のＬ2 ，ｒ2 は調
整抵抗Ｒにそれぞれ直列接続されているから、励磁およ
び検出コイル９，１０を流れる電流ｉ1 ，ｉ2 は、

【００１５】

【数３】 により算出され、接続点ｃ，ｄの検出電圧Ｖ1 ，Ｖ2
は、

【００１６】

【数４】 ただし、α1 ，α2 ：位相角 により算出される。

【００１７】また、前記励磁および検出コイル９，１０
と調整抵抗Ｒ，Ｒとの接続点ｃ，ｄは差動増幅器１３の
両端側子にそれぞれ接続され、励磁および検出コイル
９，１０からのそれぞれの検出電圧Ｖ1 ，Ｖ2 を差動増
幅器１３に出力する。そして、該差動増幅器１３の出力
端子１３Ａは発振器１２と共に位相検波回路１４の入力
側に接続され、該位相検波回路１４は差動増幅器１３か
らの出力電圧Ｖ3 を発振器１２からの交流電圧Ｖに基づ
いて同期させて整流し、出力電圧Ｖ4 を出力するもので
ある。

【００１８】このように構成される従来技術の磁歪式ト
ルクセンサでは、発振器１２からの交流電圧Ｖを励磁お
よび検出コイル９，１０に印加すると、磁歪シャフト２
のスリット形成部２Ｃには各スリット溝４，５間の磁気
異方性部６，７に沿ってそれぞれ表面磁界による磁路が
形成される。この場合、図４に示す調整抵抗Ｒは磁歪シ
ャフト２に作用するトルクが零の状態で差動増幅器１３
からの出力電圧Ｖ3 が零となるように調整される。

【００１９】そして、この従来技術においては、磁歪シ
ャフト２に図３のように、矢示Ｔ方向にトルクを作用さ
せると、磁歪シャフト２のスリット形成部２Ｃでは各ス
リット溝４間の磁気異方性部６に沿って引張り応力＋σ
が作用し、各スリット溝５間の磁気異方性部７に沿って
圧縮応力−σが作用する。これにより、磁気異方性部６
では引張り応力＋σによって透磁率μが増加し、磁気異
方性部７では圧縮応力−σによって透磁率μが減少す
る。

【００２０】一方、磁歪シャフト２の磁気異方性部６と
対向配設された励磁および検出コイル９は、透磁率μの
増加に基づき自己インダクタンスＬ1 が増大し、励磁お
よび検出コイル９を流れる電流ｉ1 が減少する。また、
磁気異方性部７と対向配設された励磁および検出コイル
１０は透磁率μの減少に基づき自己インダクタンスＬ2
が減少し、励磁および検出コイル１０を流れる電流ｉ2
が増大する。

【００２１】この結果、励磁および検出コイル９からの
検出電圧Ｖ1 は減少し、励磁および検出コイル１０から
の検出電圧Ｖ2 は増大するので、差動増幅器１３では、

【００２２】

【数５】Ｖ3 ＝Ｋ×（Ｖ1 −Ｖ2 ） ただし、 Ｋ：増幅率 なる増幅が行われ、差動増幅器１３の出力端子１３Ａか
ら交流の出力電圧Ｖ3 が位相検波回路１４へと出力され
る。そして、該位相検波回路１４は発振器１２からの交
流電圧Ｖにより出力電圧Ｖ3 を同期検波処理して整流
し、出力電圧Ｖ4 を磁歪シャフト２に作用するトルクに
対応した出力信号として出力することができる。

【００２３】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上述した従
来技術における磁歪式トルクセンサの検出回路は、励磁
および検出コイル９，１０によりブリッジ回路１１を構
成し、このブリッジ回路１１の平衡が崩れることにより
トルクを検出するようになっているから、ブリッジ回路
１１の設定準備段階で各調整抵抗Ｒの微調整が必要とな
り、その調整作業に時間を費やすという問題がある。

【００２４】また、磁歪式トルクセンサを例えば車両の
アウトプットシャフト等に取付けた場合には、温度変化
が激しくなり、このため、磁歪シャフト２，励磁および
検出コイル９，１０およびコア部材８等に熱影響が生
じ、再現性のある正確なトルク検出を行なうことができ
なくなるという問題がある。

【００２５】この従来技術の問題を解決するために、本
出願人は先に特願平５−３２６７８号（以下、「先行技
術」という）に磁歪式トルクセンサの検出回路にハーフ
ブリッジ回路を用いたものについて出願している。

【００２６】この先行技術における磁歪式トルクセンサ
は、軸方向に離間して外周側に一対の磁気異方性部を有
する磁歪シャフトと、該磁歪シャフトの外周側に位置し
て各磁気異方性部に対向して設けられた一対の検出コイ
ルと、該各検出コイルを直列に接続することにより形成
されたハーフブリッジ回路と、該ハーフブリッジ回路の
両端側に１８０°位相の異なる三角波をそれぞれ入力す
る三角波発生装置と、該三角波発生装置からの基本波に
基づいて、前記ハーフブリッジ回路の各検出コイルの中
点からの信号を、正の部分と負の部分で分けた２つの半
波整流波形を出力する位相検波回路と、該位相検波回路
からの信号を出力信号として処理する処理回路とから構
成されている。

【００２７】そして、この先行技術では、従来技術のブ
リッジ回路１１の平衡状態の調整作業を省略できると共
に、外部からの熱によるトルクの誤検出を防止すること
ができるものである。

【００２８】しかし、この先行技術においては、上述し
たように従来技術における問題を解決することができる
ものの、三角波発生装置からは１８０°位相の異なる三
角波が発生しているが、その各波形にノイズまたは歪が
あった場合には、そのまま出力信号として処理されてし
まいトルクの検出精度を低下させるという未解決な問題
があった。

【００２９】本発明は上述した先行技術の未解決な問題
に鑑みなされたもので、本発明は簡単な回路構成で高精
度なトルク検出を行なうことの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。

【００３０】

【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、本発明が採用する磁歪式トルクセンサは、軸方
向に離間して外周側に一対の磁気異方性部を有する磁歪
シャフトと、該磁歪シャフトの外周側に位置して各磁気
異方性部に対向して設けられた一対の検出コイルと、該
各検出コイルを直列に接続することにより形成されたハ
ーフブリッジ回路と、該ハーフブリッジ回路の両端側に
１８０°位相の異なる入力波形をそれぞれ入力する発振
装置と、前記ハーフブリッジ回路の中点から出力される
検出信号中に含まれる発振装置からのノイズおよび歪を
除去する入力信号補正回路と、前記発振装置からの基準
波に基づいて、該入力信号補正回路から出力される信号
を整流波形として出力する位相検波回路と、該位相検波
回路からの整流波形を出力信号として処理する処理回路
とを備え、前記入力信号補正回路は、前記発振装置から
入力される２つの入力波形を加算して該発振回路のノイ
ズおよび歪を出力信号として抽出する第１の加算回路
と、該第１の加算回路からの出力信号と前記ハーフブリ
ッジ回路の中点からの検出信号とを加算することにより
ノイズおよび歪を相殺する第２の加算回路とから構成し
たことにある。

【００３１】

【作用】発振装置から出力される１８０°位相の異なる
入力波形を第１の加算回路で加算することにより、ノイ
ズおよび歪のみが検出され、このノイズおよび歪を第２
の加算回路でハーフブリッジ回路からの検出信号に加算
することによって検出信号に含まれる発振装置からのノ
イズおよび歪のみを相殺し、入力信号補正回路から位相
検波回路に出力される信号中にノイズおよび歪が加わる
のを除去する。

【００３２】

【実施例】以下、本発明の実施例を図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従来技術と同
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。さらに、図面に示す励磁および検出コイル
９，１０においては直流抵抗分ｒ1 ，ｒ2 は省略し、コ
イル記号のみで示している。

【００３３】図中、２１はハーフブリッジ回路を示し、
該ハーフブリッジ回路２１は励磁および検出コイル９，
１０を直列に接続し、その両側の端子Ａ，Ｂには後述す
る三角波発生装置２２が接続されている。また、中点の
接続点Ｃは入力信号補正回路２３を介して位相検波回路
２４に接続されている。

【００３４】２２は発振装置としての三角波発生装置を
示し、該三角波発生装置２２からはハーフブリッジ回路
２１に入力される入力波形として位相差が１８０°とな
る周波数３０ｋＨz の２つの三角波がそれぞれ出力さ
れ、該ハーフブリッジ回路２１の両側の端子Ａ，Ｂにそ
れぞれ入力される。また、該三角波発生装置２２の入力
側は基準電圧ＶS に接続され、各入力波形はこの基準電
圧ＶS が重畳した波形となっている。また、該三角波発
生装置２２からは入力波形に対応した検波電圧ＶK を位
相検波回路２４に出力する。

【００３５】２３は入力信号補正回路を示し、該入力信
号補正回路２３は後述する平均値回路２６および加算回
路３１から構成され、該入力信号補正回路２３はハーフ
ブリッジ回路２１の検出コイル９，１０の中点となる接
続点Ｃからの検出信号を増幅して位相検波回路２４に出
力するものである。

【００３６】２４は位相検波回路を示し、該位相検波回
路２４の入力側には入力信号補正回路２３と三角波発生
装置２２が接続され、出力側には後述の処理回路２５が
接続されている。そして、該位相検波回路２４は前記入
力信号補正回路２３からの信号を三角波発生装置２２か
らの検波電圧ＶK に基づいて検波処理し、正の部分と負
の部分に分けた整流波形として出力する。

【００３７】２５は処理回路を示し、該処理回路２５は
前記位相検波回路２４からの整流波形をＤ−Ａ変換して
出力電圧を得るもので、例えばＬＰＦ（ローパスフィル
タ回路），差動増幅回路等から構成されている。

【００３８】次に、図２に基づいて前記入力信号補正回
路２３の構成を具体的に示す。

【００３９】図２中、２６は第１の加算回路としての平
均値回路を示し、該平均値回路２６はオペアンプ２７
と、該オペアンプ２７の反転入力端子に接続され、抵抗
値Ｒ1，Ｒ2 （Ｒ1 ＝Ｒ2 ）を有する入力抵抗２８，２
９と、前記オペアンプ２７の反転入力端子と出力端子間
に接続された抵抗値Ｒ3 （２Ｒ3 ＝Ｒ1 ＝Ｒ2 ）を有す
る不帰還抵抗３０とから構成されている。また、前記入
力抵抗２８はハーフブリッジ回路２１の端子Ａを介して
三角波発生装置２２の一方の出力側に接続され、入力抵
抗２９がハーフブリッジ回路２１の接続点Ｂを介して三
角波発生装置２２の他方の出力側に接続され、オペアン
プ２７の非反転入力端子は基準電圧ＶS に接続されてい
る。なお、該平均値回路２６は増幅率１／２の反転加算
回路を構成している。

【００４０】３１は第２の加算回路としての加算回路を
示し、該加算回路３１はオペアンプ３２と、該オペアン
プ３２の反転入力端子に接続され、抵抗値Ｒ4 ，Ｒ5
（Ｒ4＝Ｒ5 ）を有する入力抵抗３３，３４と、前記オ
ペアンプ３２の反転入力端子と出力端子間に接続された
抵抗値Ｒ6 （Ｒ6 ＞Ｒ4 ＝Ｒ5 ）を有する不帰還抵抗３
５とから構成されている。また、前記入力抵抗３３は前
記平均値回路２６のオペアンプ２７の出力端子に接続さ
れ、入力抵抗３４はハーフブリッジ回路２１の端子Ｃに
接続され、オペアンプ３２の非反転入力端子は基準電圧
ＶS に接続されている。なお、該加算回路３１は増幅率
Ｋ0 （Ｋ0 ＝Ｒ6 ／Ｒ4 ）の反転加算増幅回路を構成し
ている。そして、入力信号補正回路２３の出力端子３６
は、前記位相検波回路２４に接続されている。

【００４１】然るに、本実施例では、磁歪式トルクセン
サの検出回路では、励磁および検出コイル９，１０を直
列に接続したハーフブリッジ回路２１に三角波発生装置
２２から三角波を入力し、励磁および検出コイル９，１
０の変化を位相検波回路２４および処理回路２５で処理
する構成とすることによって、従来技術のフルブリッジ
回路１１とは異なり、簡単な回路で構成することがで
き、部品点数を削減できると共に、ブリッジ回路の平衡
状態を設定する調整作業を省略できる。

【００４２】また、フルブリッジ回路を簡略化したハー
フブリッジ回路２１であっても、位相が１８０°異なる
三角波を該ハーフブリッジ回路２１の両端側の端子Ａ，
Ｂに入力することにより、フルブリッジ回路と同等以上
のトルク検出処理を行なうことができる。

【００４３】次に、入力信号補正回路２３について説明
するに、まず三角波発生装置２２か

【００４４】

【数６】 となる。

【００４５】また、平均値回路２６についてみると、入
力抵抗２８，２９の抵抗値はＲ1 ＝ なって、次の数７のようになる。

【００４６】

【数７】

【００４７】一方、トルクが零のときハーフブリッジ回
路２１の接続点Ｃから出力される検

【００４８】

【数８】 となる。

【００４９】さらに、加算回路３１についてみると、入
力抵抗３３，３４の抵抗値Ｒ4＝Ｒ5

【００５０】

【数９】 となる。

【００５１】かくして、オペアンプ３２の反転入力端子
側でみると、三角波発生装置２２からのノイズ（歪分）
ΔＶ1 ，ΔＶ2 を除去することができる。

【００５２】然るに、三角波発生装置２２から出力され
る波形に含まれるノイズ（歪分）ΔＶ1 ，ΔＶ2 を平均
値回路２６で数７として抽出し、該平均値回路２６から
の出力を数８として表されるハーフブリッジ回路２１か
らの検出信号に加算回路３１で加算することにより、数
９に示すように、ノイズ（歪分）ΔＶ1 ，ΔＶ2 を相殺
することができる。

【００５３】一方、トルクを加えた場合でも、ハーフブ
リッジ回路２１の接続点Ｃからの出 る。

【００５４】そして、ハーフブリッジ回路２１からの検
出信号に含まれる三角波発生装置２２からのノイズ（歪
分）ΔＶ1 ，ΔＶ2 を除去し、後段の位相検波回路２
４，処理回路２５により出力信号として処理し、正確な
トルク検出を行なうことができる。

【００５５】なお、前記実施例では磁歪シャフト２にお
いては、一対の磁気異方性部６，７の部位のみを磁性材
料で形成するものとして述べたが、本発明はこれに限ら
ず、磁歪シャフト２の全体を磁性材料により形成するも
のでもよい。

【００５６】また、前記実施例では入力波形を１８０°
位相の異なる２つの三角波を発生する三角波発生装置２
２を用いたが、本発明はこれに限らず、１８０°位相の
異なる２つの正弦波を発生する正弦波発生装置を用いて
もよい。

【００５７】

【発明の効果】以上詳述した如く、本発明によれば、磁
歪シャフトに加わるトルクを検出する一対の検出コイル
を直列に接続してハーフブリッジ回路とし、該ハーフブ
リッジ回路の両端側に１８０°位相の異なる波形をそれ
ぞれ発振装置から入力し、該ハーフブリッジ回路の後段
には入力信号補正回路，位相検波回路および処理回路を
接続し、前記入力信号補正回路を、発振装置からの２つ
の入力波形を加算する第１の加算回路と、該第１の加算
回路からの出力と前記ハーフブリッジ回路の中点からの
検出信号とを加算する第２の加算回路とから構成するこ
とによって、発振装置からの入力波形に含まれるノイズ
および歪を第１の加算回路で抽出し、第２の加算回路で
第１の加算回路からの出力とハーフブリッジ回路からの
出力とを加算してノイズおよび歪のみを相殺できる。そ
して、位相検波回路に入力される検出信号に発振装置か
らのノイズおよび歪が加わるのを防止することによっ
て、トルクの検出精度を向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例によるトルク検出回路を示すブ
ロック図である。

【図２】図１中の入力信号補正回路を具体的に示す回路
図である。

【図３】従来技術による磁歪式トルクセンサの構成図で
ある。

【図４】従来技術によるトルク検出回路を示す回路図で
ある。

【符号の説明】

２ 磁歪シャフト ６，７ 磁気異方性部 ９，１０ 励磁および検出コイル（検出コイル） ２１ ハーフブリッジ回路 ２２ 三角波発生装置（発振装置） ２３ 入力信号補正回路 ２４ 位相検波回路 ２５ 処理回路 ２６ 平均値回路（第１の加算回路） ３１ 加算回路（第２の加算回路）

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 軸方向に離間して外周側に一対の磁気異
   方性部を有する磁歪シャフトと、該磁歪シャフトの外周
   側に位置して各磁気異方性部に対向して設けられた一対
   の検出コイルと、該各検出コイルを直列に接続すること
   により形成されたハーフブリッジ回路と、該ハーフブリ
   ッジ回路の両端側に１８０°位相の異なる入力波形をそ
   れぞれ入力する発振装置と、前記ハーフブリッジ回路の
   中点から出力される検出信号中に含まれる発振装置から
   のノイズおよび歪を除去する入力信号補正回路と、前記
   発振装置からの基準波に基づいて、該入力信号補正回路
   から出力される信号を整流波形として出力する位相検波
   回路と、該位相検波回路からの整流波形を出力信号とし
   て処理する処理回路とを備え、前記入力信号補正回路
   は、前記発振装置から入力される２つの入力波形を加算
   して該発振回路のノイズおよび歪を出力信号として抽出
   する第１の加算回路と、該第１の加算回路からの出力信
   号と前記ハーフブリッジ回路の中点からの検出信号とを
   加算することによりノイズおよび歪を相殺する第２の加
   算回路とから構成してなる磁歪式トルクセンサ。