JPH0763627A - 力学量センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 導線の向きによる検出感度の異方性を検出原
理として利用することにより、小型かつ高感度で温度ド
リフトの少ない力学量センサを実現する。 【構成】 トルクを受ける受動軸１上に、磁歪層２ａを
介して、長手方向が＋４５゜である細長い平面コイルが
複数個接続された構成の検出コイル５ａと、長手方向が
−４５゜である細長い平面コイルが複数個接続された構
成の検出コイル５ｂが形成され、受動軸方向に対し線対
称をなして近接している。さらに、検出コイル５ａ，５
ｂを覆うように磁歪層２ｂが形成されている。以上の構
成でトルクによる応力を、検出コイルのインピーダンス
の差として検出する。この構成によれば、小型かつ高感
度で温度ドリフトの少ない、非接触で測定可能な力学量
センサを得ることができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は電動機や発動機などの回
転駆動部を制御するための力学量センサに関するもので
ある。

【０００２】

【従来の技術】近年、電子機器の小型化が進められてお
り、力学量センサもより一層の小型化が求められてい
る。

【０００３】回転駆動部を制御するための力学量センサ
としては、トルクセンサが代表的なものであり、高い感
度が得られる応力磁気効果を利用したトルクセンサとし
ては、特公平３−２６３３９号公報のようなものが知ら
れている。図７を用いて構成を説明すると、あらかじめ
受動軸方向に対し＋４５゜をなす細長いスリットを形成
した部分（Ａ部分とする）と−４５゜をなすスリットを
形成した部分（Ｂ部分とする）からなる磁歪合金薄帯を
受動軸上に接着や爆着法により固定している。そして、
それぞれの部分の外側に磁歪を有する合金薄帯の磁気特
性を検出するコイル手段を配置してある。

【０００４】次に動作を説明する。トルク印加により、
受動軸表面長さ方向に対して＋４５゜および−４５゜方
向に、一方が引っ張り、もう一方が圧縮の表面応力が生
じる。また、Ａ部分は＋４５゜方向に磁化容易軸を持
ち、Ｂ部分は−４５゜方向に磁化容易軸を持つ。よっ
て、上記応力によりＡ部分の透磁率が増加する場合はＢ
部分の透磁率が減少し、Ａ部分の透磁率が減少する場合
はＢ部分の透磁率が増加する。この透磁率変化を２つの
検出コイルのインピーダンスの差として検出することに
より、トルクの大きさと方向を非接触で検出すると同時
にゼロ点ドリフトを補正できる。

【０００５】上記のように、従来のトルクセンサは磁性
体の磁気異方性を用いて、トルクの大きさと方向を検出
すると同時にゼロ点ドリフトを補正する構成を取ってい
る。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】従来のトルクセンサの
構成では＋４５゜と−４５゜に形成したスリットを受動
軸方向の別々の部分に形成する必要があり、磁歪合金薄
帯の受動軸方向の長さが長くなるため、電動機や発動機
等の熱源により受動軸方向に温度勾配が生じると両スリ
ット部の磁気特性の温度変化に差が生じ、それぞれのス
リット部分の外周に空隙を介してまかれたコイルのイン
ピーダンスの差動を取って検出する際、温度ドリフトが
大きくなるという課題があった。また、±４５゜のスリ
ット部を受動軸方向に形成するため、寸法的に大きく装
着性が悪いという課題があった。

【０００７】また、受動軸に加わる力を検出する力学量
センサとしては、軸方向の荷重を検出する荷重センサな
どがあるが、感度の低い金属歪ゲージを用いているた
め、非接触での検出は困難であった。

【０００８】本発明は上記課題を解決するもので、小型
かつ高感度で温度ドリフトが少ない力学量センサを提供
することを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明の力学量センサは、力を受ける受動軸上に形
成された細長い形状の平面コイルの長手方向が、該受動
軸方向に対して所定の角度をなし、該コイルに励磁され
る少なくともその一部が磁歪を有する磁性層を含む磁気
回路を備え、磁歪を有する磁性層に発生する力による応
力を、該コイルのインピーダンスの変化として検出する
構成としたものである。

【００１０】

【作用】この構成によれば、力学量センサを小面積に形
成して温度勾配の影響を除去することができ、小型かつ
高感度で温度ドリフトの少ない、非接触で測定可能な力
学量センサを得ることができる。

【００１１】

【実施例】以下本発明の実施例を図面を参照しながら説
明する。以下の説明において角度の表記は受動軸方向に
向かって右を０゜とし、左回りを正（＋）、右回りを負
（−）とする。

【００１２】（実施例１）以下本発明の第１の実施例に
ついて説明する。本実施例はトルクセンサに関するもの
である。

【００１３】図１は第１の実施例におけるトルクセンサ
の構成を示す全体図、図２は受動軸上に形成された平面
コイルと受動軸の周囲に空隙を介して配置されたコイル
の磁気的結合を示した部分図、図３は図１のＡ−Ａ’線
における断面図である。

【００１４】図１、図２、図３を用いて本実施例のトル
クセンサの構成を説明すると、直径２０mmのチタン製受
動軸１上に、平面形状が５mm×５mmの正方形、厚さが２
μmの磁歪層２ａが形成されている。さらに、平面形状
が受動軸方向の長さが６mm、受動軸方向に対し直角な方
向の長さが５mmの長方形で、厚さが５μｍの軟磁性層３
が形成されている。磁歪層２ａはスパッタリング法で形
成されたＦｅ基アモルファス合金層で、組成はＦｅ，Ｃ
ｒ，Ｓｉ，Ｂからなり、１MHz における比透磁率は１０
００、飽和磁歪定数は＋２２ppm である。３はスパッタ
リング法で形成されたＣｏ基アモルファス合金層で、１
MHz における比透磁率は２５００、飽和磁歪定数は−
０．７ppm である。

【００１５】磁歪層２ａ、軟磁性層３上には、これらを
覆うようにスパッタリング法で形成した厚さ２μｍのＳ
ｉＯ₂ から成る絶縁層４ａが形成が形成されている。

【００１６】磁歪層２ａ上には絶縁層４ａを介して、＋
４５゜を成す長い直線状導線と０゜を成す短い直線状導
線からなる細長い平面コイルが複数個接続された構成の
検出コイル５ａと、−４５゜を成す長い直線状導線と０
゜を成す短い直線状導線からなる細長い平面コイルが複
数個接続された構成の検出コイル５ｂが形成され、受動
軸方向に対し線対称をなして近接している。検出コイル
５ａ，５ｂはスパッタリング法で形成された厚さ５μm
のＡｌ膜からなり、線幅は６０μｍ、線間隔は２４０μ
ｍ、±４５゜を向いた直線状導線の長さは２０００μｍ
である。

【００１７】さらに、検出コイル５ａ，５ｂを覆うよう
に厚さ２μｍのＳｉＯ₂ から成る絶縁層４ｂが絶縁層４
ａと同様の方法で形成され、その上に磁歪層２ａと同様
の平面形状、厚み、材質、製法の磁歪層２ｂが磁歪層２
ａと重なるように形成されている。

【００１８】軟磁性層３上には絶縁層４ａを介して受動
軸方向の長さが１２００μｍ、受動軸方向に対し直角な
方向の長さが２０００μｍの長方形の１ターンコイルで
ある電力伝達のための２次コイル６ａ，６ｂが形成さ
れ、それぞれ検出コイル５ａ，５ｂに接続されている。
検出コイルと２次コイルは全体として１ターンコイルを
なしているため、ジャンパー線が不用で、コイルのパタ
ーンニングが容易である特徴がある。

【００１９】受動軸１の２次コイル６ａ，６ｂが形成さ
れている部分の周囲には、空隙を介してソレノイド状に
巻かれた１次コイル７ａ，７ｂと磁気ヨーク８ａ，８
ｂ、これらを保持する非磁性の円筒状治具９からなる電
力伝達のためのコイル手段が配置されている。ソレノイ
ドコイル７ａと７ｂは差動検出回路１０につながってい
る。

【００２０】なお、説明の都合上、図１においては磁歪
層２ａ、軟磁性層３上に検出コイル５ａ，５ｂ、２次コ
イル６ａ，６ｂのみが見える図とした。

【００２１】次に本実施例のトルクセンサの動作につい
て説明する。１番目に、回路としての動作をまず説明す
る。１次コイル７ａは２次コイル６ａと、１次コイル７
ｂは２次コイル６ｂと、それぞれ相互インダクタンスに
より磁気的に結合しているので、差動検出回路１０で交
流を印加して１次コイル７ａと７ｂのインピーダンスの
差を検出することにより、応力による検出コイル５ａと
５ｂのインピーダンスの変化の差を電圧出力として得る
ことができる。

【００２２】２番目に１次コイル７ａ，７ｂと２次コイ
ル６ａ，６ｂの磁気的結合を図２を用いて説明する。２
つある磁気回路は同様の構成なので、図２には片方しか
示していない。１次コイル７ａが発生する磁束１１は透
磁率の高い磁気ヨーク８ａと軟磁性層３を通って周回し
ており、その際２次コイル６ａと鎖交することにより磁
気的結合を得ている。この磁気的結合により、本発明の
トルクセンサは非接触での検出が可能となっている。ま
た、軟磁性層３は磁歪定数が小さいので、透磁率が大き
く応力による透磁率の変化はほとんどない。

【００２３】本実施例においては磁気的結合を得るため
の２次コイルに平面コイルを用いている。その理由は平
面コイルとすることで、フォトリソプロセスなどにより
検出コイルと同時に形成することが容易だからである。
受動軸上にソレノイドコイルを形成して２次コイルとす
ることも可能であるが、パターンが受動軸全周におよぶ
ため、フォトリソプロセスによる形成は困難となる。

【００２４】３番目に、応力による検出コイル５ａと５
ｂのインピーダンス変化について説明する。

【００２５】磁歪を有する磁性体に応力が加わると、磁
気弾性エネルギーの変化により、応力方向の磁化しやす
さ、即ちその方向の透磁率が変化する。この透磁率の変
化をインダクタンスの変化として検出するので、得られ
るインピーダンスの変化は応力の励磁方向成分によるも
のである。

【００２６】磁歪層２ａ，２ｂを励磁する磁束１２は図
３のように、磁歪層の面内方向に流れながら上下に漏れ
て検出コイル５ａの導線の回りを周回している。面内方
向を流れる磁束が1/e に減衰する長さ、いわゆる特性長
をλとするとλ＝√（μr・ｇ・ｔm／２）と表すことが
できることが知られている（例えば IEEE Tr. Magn.MAG
14, pp509-511 ）。ここで、μr は比透磁率、ｇは磁歪
層２ａと２ｂの間のギャップ、ｔm は磁歪層の厚みであ
る。この式に前記の値を代入すると６３μmとなる。本
実施例においては線間隔を特性長の４倍程度に設定して
いる。

【００２７】一方、磁歪層に加わる応力は受動軸１の表
面に加わる応力と同等なので、磁歪膜２ａ，２ｂの面内
方向に応力が加わると見なせる。よって、上下に漏れて
いる磁束はインダクタンスの変化に寄与せず、磁歪層の
面内方向に流れている磁束がインダクタンスの変化に寄
与する事になる。面内方向に流れる磁束は導線に対し直
角方向をなすので、応力の導線に対する直角方向成分に
よりインダクタンスが変化する。従って、応力の方向と
導線が直角をなすように導線を構成すれば最大のインダ
クタンス変化が得られ、応力と導線の方向が一致すれば
インダクタンス変化はほぼゼロとなる（例えば 平成５
年電気学会全国大会講演論文集１８２７）。

【００２８】トルクを受動軸１に印加した場合、受動軸
１の表面には受動軸方向に対して＋４５゜および−４５
゜方向に、一方が引っ張り、もう一方が圧縮の同じ大き
さの表面応力が生じる。従って、正の角度を成す導線は
−４５゜方向の応力を検出し、＋４５゜で最大のインダ
クタンス変化が得られる。また、負の角度を成す導線は
＋４５゜方向の応力を検出し、−４５゜で最大のインダ
クタンス変化が得られる。

【００２９】よって、本実施例においては検出コイル５
ａが−４５゜方向に生じる応力に対し最大のインダクタ
ンス変化を得るため、長手方向が＋４５゜である直線状
の導体を折り曲げた形状の細長い平面コイルで構成され
ている。一方、検出コイル５ａが＋４５゜方向に生じる
応力に対し最大のインダクタンス変化を得るため、長手
方向が−４５゜である直線状の導体を折り曲げた形状の
細長い平面コイルをで構成されている。また、これらは
受動軸方向に対し線対称に配置されているので、曲げや
荷重により生じる受動軸方向の表面応力によるインダク
タンス変化を、差動をとることにより相殺できる。

【００３０】本実施例においては正の飽和磁歪定数を有
する磁歪層を用いているので引っ張り応力が印加される
と透磁率が増加し、圧縮応力が印加されると透磁率は減
少する。右回りのトルクを受動軸１に印加した場合、受
動軸１の表面には＋４５゜方向に引っ張り応力、−４５
゜方向に同じ大きさの圧縮応力が生じる。よって、検出
コイル５ａのインダクタンスは減少し、検出コイル５ｂ
のインダクタンスは増加する。左回りのトルクの場合は
この逆になる。従って、これらのインピーダンスを検出
して差動をとることにより、トルクの大きさと方向を検
出すると同時にゼロ点ドリフトを補正できる。

【００３１】検出コイル５ａ、５ｂは細長い平面コイル
の連なりで構成されているので、隣合う導線の電流の向
きが逆となり、図３から分かるように磁束の流れは細分
化され、それぞれの導線の周囲を特性長程度の範囲で周
回する。また、磁歪膜２ａと２ｂの膜厚は２μm と薄
い。これらの理由から、磁歪層５ａ，５ｂの平面形状は
磁気異方性にはほとんど影響せず、実施例に示した以外
にも任意の形状が可能である。すなわち、磁気異方性で
はなく、導線の向きによる検出感度の異方性を検出原理
として利用していることが本発明の特徴である。

【００３２】上記のように、受動軸上に形成した導線の
方向により検出感度の異方性が得られ、磁束はそれぞれ
の導線の周囲を周回するように細分化されているので、
差動を取るための２つの検出コイルを小面積にまとめる
ことができ、センサの小型化ができると同時に両者の磁
気特性のバラツキを極めて小さくできる。また、これら
２つの検出コイルは受動軸方向に対して線対称に形成さ
れているので、発動機や電動機等の熱源に受動軸が接続
されることにより生じる受動軸方向の温度勾配の影響を
ほとんど受けない。

【００３３】なお、本実施例においては、最大の検出感
度が得られるという理由で、細長い平面コイルの長手方
向を＋４５゜および−４５゜としているが、これ以外の
角度であっても本発明のトルクセンサが作製可能である
には当然である。また、正確に線対称でなくても、小面
積に形成できれば温度勾配の影響が極めて小さいのはい
うまでのない。

【００３４】最後に従来のトルクセンサとの性能比較を
述べる。出力特性は３０℃に保持された恒温層中で、５
０kgf・cmまでトルクを印加して行った。また、受動軸の
端部を室温から１２０゜まで過熱して０点ドリフトを調
べた。用いた受動軸はともにチタン製で直径は２０mm、
長さは２００mmである。従来のトルクセンサは図７に示
したようなもので、受動軸方向の長さは４５mmである。
それに対し、本実施例のトルクセンサは図１のように１
３mmと３分の１以下の大きさに作製できた。なお、従来
のトルクセンサの磁歪層は、厚さ２５μm のＦｅ基アモ
ルファス合金薄帯を接着して形成したものである。

【００３５】トルクセンサの出力特性を図４に、端部を
過熱したことによる０点ドリフトを図５に示す。図４の
様にどちらもほぼ線形な出力が得られているが、０点ド
リフトは本発明によるトルクセンサの方ががはるかに小
さい。

【００３６】（実施例２）以下本発明の第２の実施例に
ついて説明する。本実施例は受動軸方向に印加される荷
重を検出するための荷重センサに関するものである。荷
重は引っ張りを正、圧縮を負とする。

【００３７】本実施例の荷重センサは検出コイルの平面
形状以外は実施例１と同様の構成であり、非接触での検
出方法も同じである。図６は受動軸１３上に検出コイル
１４ａ，１４ｂ、２次コイル１５ａ，１５ｂのみが見え
る図とし、他の部分は省略してある。

【００３８】検出コイル１３ａは受動軸方向に対し直角
をなす長い直線状導線と受動軸方向を成す短い直線状導
線からなる細長い平面コイルで構成され、検出コイル１
３ｂは受動軸方向を成す長い導線と受動軸方向に対し直
角を成す短い直線状導線からなる細長い平面コイルで構
成されている。細長い平面コイルの長手方向の長さ、線
幅、線間隔は実施例１と同じである。

【００３９】受動軸方向に荷重を印加した場合、表面応
力は受動軸方向に生じる。よって、長手方向が受動軸に
対し直角である細長い平面コイルで構成された検出コイ
ル１４ａは発生する表面応力を感度良く検出できる。一
方、検出コイル１４ｂは長手方向が受動軸方向である細
長い平面コイルで構成されているので、受動軸方向の表
面応力に対する感度がほとんどない。従って、これらの
インピーダンスを検出して差動をとることにより、荷重
の大きさと正負を検出すると同時にゼロ点ドリフトを補
正できる。本実施例の場合、正の飽和磁歪定数を有する
磁歪層を用いているので、検出コイル１４ａのインダク
タンスは引っ張り荷重のとき増加し、圧縮荷重のとき減
少する。

【００４０】トルクによる表面応力は実施例１で説明し
たようなものなので、受動軸方向および受動軸に対し直
角な方向にはトルクによる表面応力は存在しない。よっ
て、本実施例の荷重センサはトルクによる表面応力の影
響を受けずに荷重を検出できる。また、小面積に形成し
ているので温度勾配の影響は非常に小さい。

【００４１】±５０kgの範囲で荷重を印加して出力を測
定したところ、ほぼ線形な出力が得られ、０点ドリフト
も極めて少なかった。

【００４２】以上の実施例においては、直線状の導線で
細長い平面コイルを構成しているが、細長い平面コイル
であれば直線状の導体で構成されたものに限らないのは
言うまでもない。また、１ターンコイルを用いている
が、ターン数を増やすことによりインダクタンスを増加
させることができるのは当然である。ただし、その際は
ジャンパー線が必要になり、作製プロセスが複雑にな
る。成膜に関しては、スパッタリング法を用いている
が、所定の膜厚が得られる方法であれば、他の成膜方法
を用いることができるのは当然である。また、磁歪層は
正の飽和磁歪定数を有するものに限らないのは言うまで
もない。

【００４３】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
は導線の向きによる検出感度の異方性を検出原理として
利用することにより、非接触で測定可能な小型かつ高感
度で温度ドリフトの少ない力学量センサを可能としたも
のである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例におけるトルクセンサの
構成を示す全体図

【図２】同実施例における図１のＡ−Ａ’線における断
面図

【図３】同実施例における図１の磁気的結合部分を示す
部分図

【図４】同実施例におけるトルクセンサの出力特性を示
した図

【図５】同実施例におけるトルクセンサの０点ドリフト
を示した図

【図６】本発明の第２の実施例における荷重センサの検
出コイルの構成を示した図

【図７】従来のトルクセンサの構成を示した図

【符号の説明】

１ 受動軸 ２ａ，２ｂ 磁歪層 ３ 軟磁性層 ４ａ，４ｂ 絶縁層 ５ａ，５ｂ 検出コイル ６ａ，６ｂ ２次コイル ７ａ，７ｂ １次コイル ８ａ，８ｂ 磁気ヨーク ９ 円筒状冶具 １０ 差動検出回路 １１，１２ 磁束 １３ 受動軸 １４ａ，１４ｂ 検出コイル １５ａ，１５ｂ ２次コイル

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】力を受ける受動軸上に形成された細長い形
   状の平面コイルの長手方向が、該受動軸方向に対して所
   定の角度をなし、該コイルに励磁される少なくともその
   一部が磁歪を有する磁性層を含む磁気回路を備え、磁歪
   を有する磁性層に発生する力による応力を、該コイルの
   インピーダンスの変化として検出することを特徴とする
   力学量センサ。
2. 【請求項２】トルクを受ける受動軸上に形成された、長
   手方向が受動軸方向に対して正の角度をなしている細長
   い形状の平面コイルからなる検出コイルと、長手方向が
   受動軸方向に対し負の角度をなしている細長い形状の平
   面コイルからなる検出コイルと、これらのコイルに励磁
   される少なくともその一部が磁歪を有する磁性層を含む
   磁気回路を備え、磁歪を有する磁性層に発生するトルク
   による応力を、これらのコイルのインピーダンスの変化
   として検出することを特徴とするトルクセンサ。
3. 【請求項３】長手方向が受動軸方向に対して正の角度を
   なしている細長い形状の平面コイルと、長手方向が受動
   軸方向に対し負の角度をなしている細長い形状の平面コ
   イルが、受動軸方向に対し線対称を成して近接している
   ことを特徴とする請求項２記載のトルクセンサ。
4. 【請求項４】荷重を受ける受動軸上に形成された、長手
   方向が受動軸方向に対してほぼ直角をなしている細長い
   形状の平面コイルからなる検出コイルと、長手方向がほ
   ぼ受動軸方向をなしている細長い形状の平面コイルから
   なる検出コイルと、これらのコイルに励磁される少なく
   ともその一部が磁歪を有する磁性層を含む磁気回路を備
   え、磁歪を有する磁性層に発生する受動軸方向の荷重に
   よる応力を、これらのコイルのインピーダンスの変化と
   して検出することを特徴とする力学量センサ。
5. 【請求項５】力を受ける受動軸の周囲に空隙を介して配
   置されたコイルと、そのコイルと相互インダクタンスに
   より磁気的に結合した該受動軸上に形成された平面コイ
   ルを備え、その平面コイルが応力を検出するためのコイ
   ルに接続されていることを特徴とする請求項１記載の力
   学量センサ。
6. 【請求項６】力を受ける受動軸の周囲に空隙を介して配
   置されたコイルと相互インダクタンスにより磁気的に結
   合したコイルが該受動軸上に磁歪が小さく透磁率が高い
   軟磁性層を介して形成され、該コイルが応力を検出する
   ためのコイルに接続されていることを特徴とする請求項
   １記載の力学量センサ。