JPH0762637B2

JPH0762637B2 - 磁歪式トルクセンサ

Info

Publication number: JPH0762637B2
Application number: JP62148286A
Authority: JP
Inventors: 正毅杉本; 邦彦森川; 宣輝人見; 憲二池浦; 寿北原; 弘之平野; 和宏高取
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 1987-06-15
Filing date: 1987-06-15
Publication date: 1995-07-05
Anticipated expiration: 2010-07-05
Also published as: JPS63311136A

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕この発明は、磁気歪効果を利用して回転体に加わるトル
クを非接触で検出するための磁歪式トルクセンサに関す
る。

〔従来の技術〕

従来の、非接触で回転体のトルクを検出可能なトルク検
出装置としては、例えば、特開昭61−127952号、同61−
127953号の各公報記載のものが知られている。

この従来例は、トルク検出素子を内蔵した１個又は複数
個のトルク検出器を車両のトランスミッションケースの
後端部に、嵌合構造，リブとこれに係合するねじ構造，
又はフランジ構造により取り付け、トルク検出器の検出
面をトランスミッションケースから延設されている出力
軸の円周方向に所定距離をおいて対向させたものとなっ
ている。そして、トルク検出器としては、略Ｕ字状の磁
芯に励磁コイル及び検出コイルを重ねて巻装した構成と
なっている。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかしながら、前述した従来例にあっては、トルク検出
器が出力軸の円周方向の一部分にのみ対向するようにな
っているため、出力軸のトルクによる捩に起因した透磁
率変化が検出コイルの起電力変化に反映される割合が低
くなるとともに、出力軸の偏心ノイズ等が混入し、これ
によって検出精度が著しく悪化するという問題点があっ
た。

一方、この検出精度を向上させようとすれば励磁用コイ
ル及び検出用コイルの巻き数を増やす等の処置を施さな
ければならないことから、トルク検出器が大形化し、ト
ランスミッションケース等の装着スペースに厳しい制約
がある用途に対しては容易に用いることができないとい
う状況にあり、このような場合でもスペース効率良く装
着可能な構造のセンサが各方面から強く要望されてい
た。

そこで、この発明は、このような従来技術の有する問題
点及び状況に着目してなされたもので、とくに、トルク
検出精度を著しく向上させることができるとともに省ス
ペース化を図ることができる磁歪式トルクセンサを提供
することを、その目的としている。

〔問題点を解決するための手段〕

上記目的を達成するため、この発明は、磁気歪効果を用
いて回転体に作用するトルクに応じた信号を非接触で検
出可能な磁歪式トルクセンサにおいて、前記回転体の内
部に、該回転体の軸方向に沿って円筒面を有する測定用
空間を設け、前記円筒面の軸方向所定域における円周面
全体に、前記軸方向に対して傾斜した複数のグルーブか
ら成るグルーブ列が形成され且つ磁気歪効果を呈するト
ルク検出面を設けるとともに、前記測定用空間の前記グ
ルーブ列に近接対向した位置に固定配設され且つ該グル
ーブ列を含む前記トルク検出面との間で磁気回路を形成
可能なコイルを具備したことを特徴としている。

〔作用〕

この発明においては、コイルに所定周波数の励磁電流を
供給すると、このコイル、空隙、トルク検出面、及び空
隙を介する磁気回路が形成される。このとき、トルク検
出面を通過する磁束は、表皮効果のためにトルク検出面
の表面を通過するとともに、トルク検出面に形成されて
いる複数のグルーブ（グルーブ列）により回転体の軸方
向に対して所定角度だけ傾斜して通過し、所謂、形状磁
気異方性を有する。

この状態において、回転体にトルクが加わっていなけれ
ば、トルク検出面は所定の透磁率を有しており、このた
め、コイルは、磁気回路の透磁率に応じたインダクタン
スの値を有する。

また、回転体に所定方向のトルクが加わると、トルク検
出面が引張又は圧縮変形作用を受け、トルク検出面の透
磁率が変化し、これに応じてコイルのインダクタンスの
値が変化する。このため、このインダクタンスの変化を
適宜電気信号に変換することにより、回転体に加わるト
ルクの方向及びその値を知ることができる。

このとき、トルク検出は、回転体の全周で行うようにな
っているため、その精度向上を期することができる。一
方、測定用空間は、回転体の内部に設けられているの
で、回転体の外部に装着不可能な場合でも、回転体のト
ルク検出が可能になる等、省スペース化を図ることがで
きる。

〔実施例〕

以下、この発明の実施例を図面に基づいて説明する。

第１図乃至第６図は、この発明の第１実施例を示す図で
ある。

第１図において、１は透磁性部材（例えば、Cr−Mo鋼系
部材）を略円柱状に形成した回転体としてのシャフトを
示し、２はシャフト１に作用するトルクを検出するトル
ク検出装置を示す。

この内、シャフト１は、その両端がテーパー・ローラー
・ベアリング4A及びボールベアリング4Bにより、支持体
6A及び6Bに各々軸支されている。そして、シャフト１の
同図における左側（以下、これを「入力側」という）に
は入力側ギヤ8Aが、また回転体２の同図における右側
（以下、これを「出力側」という）には出力側ギヤ8B
が、各々、図示の如く一体に設けられている。

また、入力側では、入力側ギヤ8Aに噛合する駆動ギヤ10
Aが支持，配設されており、出力側では、出力側ギヤ8B
に噛合する被駆動ギヤ10Bが支持，配設されている。こ
のため、駆動ギヤ10Aが図示しない駆動手段により所定
方向に回転駆動すると、この回転力（捩トルク）は入力
側ギヤ8A,シャフト1,出力側ギヤ8Bを介して被駆動ギヤ1
0Bに伝達され、この被駆動ギヤ10Bが所定方向に回転す
るようになっている。

さらに、シャフト１の内部には、第１図に示すように、
出力側端面から軸方向（矢印Ａ参照）に沿って所定長さ
及び所定径を有する略円筒状の測定用空間としての測定
穴12が穿設されている。

一方、トルク検出装置２は、シャフト１の測定穴12に設
けられた磁歪式トルクセンサ2Aと、このトルクセンサ2A
による検出信号に基づいてトルク測定を行う測定部2Bと
により構成されている。

この内、磁歪式トルクセンサ2Aは、測定穴12の円筒面の
所定域に設けられ、且つ、シャフト１に加わる捩トルク
を磁気歪効果により検出するためのトルク検出面12A
と、このトルク検出面12Aに近接対向する位置に配設さ
れたセンサ本体13とにより構成されている。

そして、トルク検出面12Aは、第１図及び第２図に示す
ように、測定穴12の円筒面所定域に形成されたグルーブ
列としての第１及び第２のグルーブ列14A及び14Bを有し
ている。具体的には、第１及び第２のグルーブ列14A及
び14Bは、シャフト１の中央部に対応する測定穴12の所
定二箇所の円周面全体に渡って形成され、且つ、複数の
グルーブa,…,a及びb,…,bにより各別に構成されてい
る。

そして、グルーブa,…,a及びb,…,bの各々は、第１図乃
至第２図に示すように、シャフト軸方向に対して相異な
る傾斜角±θ（本実施例では、｜θ｜＝45度）を有し、
グルーブ長，グルーブ幅，グルーブ間隔は後述する形状
磁気異方性を確保可能な所定値に設定され、グルーブa,
…,a及びb,…,b全体としては相互に所定距離を隔てて略
八の字状（シャフト２の軸方向に直交する側面方向から
みた場合）に設けられている。さらに、測定穴12には、
グルーブa,…,a及びb,…,bを設けることにより、このグ
ルーブa,…,a相互間及びb,…,b相互間にシャフト１の内
周面の一部としてライン状の凸条ａ′，…,a′及び
ｂ′，…,b′が形成されている。この凸条ａ′，…,a′
及びｂ′，…,b′が、後述するトルク検出用の磁束φを
シャフト軸方向に対して各々所定（本実施例では、±45
度）の傾斜角をもって導くもので（第２図中の点線参
照）、これによってシャフト１のトルク検出面12Aは形
状磁気異方性を有するようになっている。

ここで、本実施例におけるトルク検出面12Aは、引張変
形を受けたとき透磁率が増加する、所謂、正の磁歪特性
を有するように設定されている。

一方、センサ本体13は、シャフト１の出力側の支持体6B
の側面にボルト18,18により着脱自在に設けられた取付
けプレート20と、この取付けプレート20の中心部からそ
の軸方向に立設され且つ測定穴12に挿入された支持アー
ム22と、この支持アーム22における第１及び第２のグル
ーブ列14A及び14Bに対応する位置に一体的に形成された
軸方向断面が略Ｈ状の第１及び第２のヨーク24A及び24B
と、このヨーク24A及び24Bに各々巻き回された励磁・検
出用の第１及び第２のコイル26A及び26Bとを有して構成
されている。この内、第１及び第２のヨーク24A及び24B
は、その端部が第１図及び第３図に示すように、トルク
検出面12Aから所定距離の空隙を介した位置に近接配設
され、磁気抵抗を極力小さくするようになっている。ま
た、支持アーム22の内部には、第１及び第２のコイル26
A及び26Bのリード線B,…,Bを導出するための導出穴22A
が穿設されている。

一方、前述した測定部2Bは第４図に示すように構成され
ており、同図において、30は第1,第２のコイル26A,26B
と抵抗素子（抵抗値R₁,R₂）27A,27Bとのブリッジ回路で
ある。そして、このブリッジ回路30の入力端a,bには、
交流電源32が接続される一方、出力端c,dは、検出信号
を処理する信号処理部34を介して指示計36に至る。ここ
で、交流電源32の周波数は、トルク検出面12Aの磁束が
その表面にのみ分布する、所謂、表皮効果を発生させる
に十分な値（例えば10kHz〜30kHz程度）に設定されてい
る。

また、信号処理部34は、ブリッジ回路30の出力端ｃ−b,
d−ｂからの検出信号を各々直流化する整流回路38A,38B
と、この整流回路38Aの出力をプラス，整流回路38Bの出
力をマイナスとしてこれらの差をとって増幅しその増幅
信号を指示計36に出力する差動増幅器40とを有して構成
されている。

ここで、本実施例では、ブリッジ回路30のインダクタン
スL₁,L₂は、L₁＝L₂に設定されており、シャフト１に捩
トルクが印加されていない状態では、ブリッジ回路30の
出力が零、即ち平衡状態になるよう抵抗値R₁,R₂が設定
されている。

次に、この第１実施例の動作を説明する。

まず、シャフト１にトルクが印加されていない状態で、
測定部2Bの交流電源32をオンにし、第１及び第２のコイ
ル26A及び26Bに交流電流を供給すると、第５図中の点線
図示のような磁気回路が形成される。即ち、これを第１
のコイル26Aにかかる磁気回路についてみれば、各磁束
φは第１のヨーク24A,空隙，トルク検出面12Aを経て再
び、空隙，第１のヨーク12Aを介する径路となり、これ
は、第２のコイル26Bにかかる磁気回路でも同様であ
る。

このとき、トルク検出面12Aにおける磁束φ，…，φ
は、表皮効果のために、トルク検出面12Aの表面部、つ
まり、第1,第２のグルーブa,…,a相互間及びb,…,b相互
間の凸条ａ′，…,a′及びｂ′，…,b′に沿う状態で且
つ軸方向に対し±45度の傾斜角をもって通過する（第２
図中の点線参照）。そして、この状態では、前述したよ
うにインダクタンスL₁＝L₂であるから、ブリッジ回路30
の出力端c,dの交流出力は同位相で且つ同電位となる。
このため、整流回路34A,34Bの直流出力は相等しく、差
動増幅器40の出力値は零となり、指示計36の振れは零と
なる。

この状態から、図示しない駆動手段により駆動ギヤ10A
が回転され、例えば第１図，第３図中のＲで示す方向
（以下、これを「右回転方向」という」にトルクが加わ
ったとする。これにより、トルク検出面12Aの第１のグ
レーブ列14A側は第２図中の−で示す方向に圧縮変
形を受け、一方、第２のグルーブ列14B側は同図中の
−で示す方向に引張変形を受ける。この変形作用によ
って、第１のグルーブ列14A側では、透磁率が減少し、
ここを通過する磁束φ，…，φが減少し、結局、インダ
クタンスL₁が低下する。これに対して、第２のグルーブ
列14B側では、透磁率が増加し、ここを通過する磁束
φ，…，φが増加し、結局、インダクタンスL₂が増加す
る。

このため、測定部2Bのブリッジ回路30では、その平衡が
くずれ、出力端ｃ−ｂ側の電圧が出力端ｄ−ｂ側の電圧
に比べて高くなる。従って、信号処理部34においては、
整流回路38Aの出力の方が整流回路38Bの出力より大きく
なり、差動増幅器40の出力は正の値となり、これによ
り、指示計36は正の直流電圧値を指示する。

上述の場合とは反対に、前述したトルクが加わっていな
い平衡状態から、第１図，第３図中のＬで示す方向（以
下、これを「左回転方向」という）にトルクが加わった
とする。これにより、トルク検出面12Aの第１のグルー
ブ列14A側は第２図中の−で示す方向に引張変形を
受け、且つ、第２のグルーブ列14B側は同図中の−
で示す方向に圧縮変形を受ける。これによって、第１の
グルーブ列14A側では透磁率が増加することからインダ
クタンスL₁が増加し、これに対して、第２のグルーブ列
14B側では透磁率が減少することからインダクタンスL₂
が減少する。

このため、測定部2Bのブリッジ回路30では、出力端ｄ−
ｂ側の出力が出力端ｃ−ｂ側の出力に比べ、その電圧が
高くなる。従って、信号処理部34においては、整流回路
38Bの出力が整流回路38Aの出力より大きくなり、差動増
幅器40の出力は負の値となり、これにより、指示計36は
負の所定電圧値を指示する。

そこで、上述した測定を、トルクの方向毎にその値を変
えて実行すると、シャフト１に加えられるトルクの値と
トルク検出面12Aの透磁率の値とは比例関係にあること
から、第６図に示す結果が得られる。即ち、トルクが零
のときには、信号処理部34の出力電圧が零となり、この
状態から右回転方向又は左回転方向にトルクが印加され
ると、そのトルク値に比例した正又は負の出力電圧が得
られる。つまり、出力電圧の値によりシャフト１に印加
されたトルクの大きさを知ることができ、出力電圧の正
負によりトルクの印加方向を知ることができる。

本第１実施例はこのように構成され作用することから、
種々の利点を有している。

まず、測定穴12の所定域における円筒面全体に渡ってト
ルク検出面12Aが形成され、その検出出力が周方向に平
均化されることから、従来例のようにシャフト１の一部
分の磁気歪効果を利用する場合に比べ、シャフト１内部
の構造欠陥等の局所的な磁気特性の乱れに直接影響され
ることもなく、一方、シャフト１が回転中に偏心を生じ
ても、全体としてこの偏心の影響を平均化できることか
ら、これにより出力電圧に偏心誤差が生じるという状況
が著しく減少され、従って検出精度を著しく向上させる
ことができる。

さらに、本実施例では、シャフト１及びトルク検出面12
Aが単一部材で構成されているため、その構成を簡略化
でき、また例えば磁歪膜を測定穴12の内部に接着剤で貼
着する場合に比べて、この貼着の際の磁歪膜の歪を考慮
しなくてもよく、また接着剤の温度特性の影響を受けて
温度が変化しない状態で出力が変動する等の自体を回避
でき、この点からも高精度な検出を行うことができる。

さらにまた、トルク検出面12Aには、シャフト軸方向に
対して相異なる傾斜角±θを有したグルーブa,…,a及び
b,…,bを形成しているため、右回転方向及び左回転方向
の両方を高精度に検出できる。

さらにまた、本実施例では、シャフト１の内部に磁歪式
トルクセンサ2Aを配設するとしているため、例えば、シ
ャフト１の外表面近傍に他の部材が設設されたり（第１
図中の二点鎖線Ｃ参照）、シャフト１の外表面にギヤ
等、他の機能を持たせる加工が成されている場合でも、
シャフト１に印加されるトルクを検出することができ、
これにより、省スペース化及び装着スペースの有効利用
を推進し、本装置を組み込む機器全体の小型化等に寄与
することが可能となる。

さらにまた、本実施例では、センサ本体13をシャフト１
の出力側端面から測定穴12に着脱自在に挿入可能であ
り、且つ、一本の支持アーム22に２個のコイル26A,26B
を装着する構成としているため、トルクセンサ2Aの保
守，管理が容易である。この場合、シャフト１の出力側
には取付けプレート20のみを装着すればよいので、トル
クセンサ2Aを装着することによって、従来例のように軸
方向の長さ増となることもなく、小型化を維持できる。

従って、このような磁歪式トルクセンサ2Aは車両，工作
機械等に広く適用可能である。一例として、車両の手動
変速機に適用する場合を挙げると、メインシャフトのア
ウトプットギヤ側の端部（一般に、この部位はどの変速
比の状態でもトルク検出が可能）に、メインシャフト内
部の油路を兼用して前述した構成を適用することがで
き、これより前述した各利点を享受することができる。
即ち、手動変速機では、通常、メインシャフトの外部は
他の歯車列等によりトルクセンサを装着できないが、こ
の発明によれば、トルクセンサの装着が容易に可能にな
り、変速機のトルクを精度よく検出して、このトルク検
出値によりエンジン制御等を行うことが可能になる。

次に、この発明の第２実施例を第７図に基づき説明す
る。ここで、前述した第１実施例と同一の構成要素につ
いては、同一符号を用い、その説明を省略又は簡略化す
る。

第７図において、シャフト１には、第１実施例と同様に
して測定穴12が設けられている。そして、この測定穴12
には、その入力側に出力側より内径が小さく且つ所定の
軸方向長さの段部44が図示の如く形成されている。この
段部44の内周面に前述したと同様の第１のグルーブ列14
A（但し、グルーブa,…,aの数は第１実施例より少な
い）が形成されており、また、測定穴12の出力側の所定
内周面位置に前述したと同一の第２のグルーブ列14Bが
形成され、本実施例では、トルク検出面12Bが２段に形
成されている。

このため、これに合わせて、第１のヨーク24Aのラジア
ル方向の大きさが調整され、また、インダクタンスL₁の
値が、L₁≠L₂であることに伴って、トルクの無印加状態
では、測定部2Bのブリッジ回路30が平衡するように抵抗
値R₁,R₂の値が適宜設定されている。

その他の構成は、前述した第１実施例と同一になってい
る。

従って、この第２実施例によれば、その作用効果は第１
実施例と略同等のものが得られる他、測定穴12のトルク
検出面12Bが段差をもって形成されているため、第１の
グルーブ列14Aを穿設し易く、加工性がよくなるという
利点が得られる。

なお、前述した各実施例においては、磁歪式トルクセン
サ2Aは二組の検出部（グルーブ列，ヨーク，コイル等）
を搭載するとしたが、この発明は必ずしもこれに限定さ
れることなく、例えばトルクの大きさ等に鑑み必要に応
じて一組の検出部により構成し、構成の簡略化を図ると
してもよいし、一方、二組づつ計四組の検出部を装備
し、さらに検出精度の向上を図るとしてもよい。この
内、一組の検出部をもって構成する場合、インダクタン
スL₁とブリッジ回路を組む他のインピーダンスZ₁〜Z₂の
値の設定の仕方によって、右回転方向及び左回転方向の
内、その一方向又は両方向を適宜測定できることとな
る。

また、前述した各実施例では、測定用空間として有底状
の測定穴12を形成するとしたが、本発明は必ずしもこれ
に限定されることなく、例えば、シャフト１を貫通する
貫通穴であってもよいし、また端面を略封鎖された空間
であってもよい。

さらに、前述した各実施例は、シャフト１とトルク検出
面12A,12Bとは単一部材で構成される場合を示したが、
これは必要に応じて、スリットを設けた透磁性の磁歪膜
をシャフトの測定用空間の円筒面に貼着する等の構成も
採り得る。

さらにまた、グルーブの軸方向に対する傾斜角は、前述
した45度に限定されることなく、他の角度でもよい。

さらにまた、前記各実施例においては、グルーブの代わ
りにライン状の非透磁性部材を斜めに埋設し、磁束の漏
れを確実に防止させるとしてもよい。

さらにまた、この発明は、とくに、回転しない部材であ
ってもトルクが伝達される部材であれば、その部材に対
して前述と同様に適用し得ることは勿論である。

〔発明の効果〕

以上説明してきたように、この発明によれば、磁歪式ト
ルクセンサを回転体内部に設けた測定用空間に配設し、
且つ、この測定用空間の所定域の円筒面に形状磁気異方
性を有するトルク検出面を設けるという構成にしたた
め、磁気歪効果を用いて回転体に加わるトルクに応じた
信号を非接触で精度良く検出可能になり、また、回転体
の外部にセンサを装着できないような場合でも、回転体
のトルク検出が可能になって省スペース化を図ることが
でき、さらに、回転体に作用するトルクを測定するため
に、回転体と連動する回転体以外の部材に作用するトル
クを代替的に測定しなければならない等の自体を回避し
て、直接、測定したい部材である回転体のトルク測定が
可能になり、その精度をも向上させることが可能なると
いう優れた磁歪式トルクセンサを提供することができ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の第１実施例を示す一部破断した側面
図、第２図は第１図における第１及び第２のグルーブ列
の形成状況を示すため、測定穴の円筒面を平板状に展開
したときの説明図、第３図は第１図中のIII−III線に沿
った断面図、第４図は第１実施例の測定部を示すブロッ
ク図、第５図は第１実施例における軸方向の磁束の径路
を示す説明図、第６図は第１実施例におけるトルク対出
力電圧の関係を示すグラフ、第７図はこの発明の第２実
施例を示す一部破断した側面図である。図中、１は回転体としてのシャフト、２はトルク検出装
置、2Aは磁歪式トルクセンサ、12は測定用空間としての
測定穴、12A,12Bはトルク検出面、14Aは第１のグルーブ
列、14Bは第２のグルーブ列、26Aは第１のコイル、26B
は第２のコイル、a,…,a、b,…,bはグルーブである。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者池浦憲二神奈川県横浜市神奈川区宝町２番地日産自動車株式会社内 (72)発明者北原寿神奈川県横浜市神奈川区宝町２番地日産自動車株式会社内 (72)発明者平野弘之神奈川県横浜市神奈川区宝町２番地日産自動車株式会社内 (72)発明者高取和宏神奈川県横浜市神奈川区宝町２番地日産自動車株式会社内 (56)参考文献特開昭59−228140（ＪＰ，Ａ) 特開昭60−173433（ＪＰ，Ａ) 特開昭60−209130（ＪＰ，Ａ)

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】磁気歪効果を用いて回転体に作用するトル
クに応じた信号を非接触で検出可能な磁歪式トルクセン
サにおいて、前記回転体の内部に、該回転体の軸方向に沿って円筒面
を有する測定用空間を設け、前記円筒面の軸方向所定域
における円周面全体に、前記軸方向に対して傾斜した複
数のグルーブから成るグルーブ列が形成され且つ磁気歪
効果を呈するトルク検出面を設けるとともに、前記測定
用空間の前記グルーブ列に近接対向した位置に固定配設
され且つ該グルーブ列を含む前記トルク検出面との間で
磁気回路を形成可能なコイルを具備したことを特徴とす
る磁歪式トルクセンサ。
【請求項２】前記グルーブ列は、前記測定用空間の円筒
面における軸方向の異なる円周面域に各々設けられ且つ
当該軸方向に対し相互に反対斜方に形成された第１及び
第２のグルーブ列により構成され、且つ、前記コイルは
前記第１及び第２のグルーブ列に近接対向した位置に各
々固定配設された第１及び第２のコイルにより構成され
ていることを特徴とした特許請求の範囲第１項記載の磁
歪式トルクセンサ。