JPH08114516A - 磁歪式トルクセンサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 本発明は磁歪式トルクセンサに係り、特にう
ず電流の影響をなくし、温度ドリフトすることのない磁
歪式トルクセンサを提供することを目的とする。 【構成】 一体形成された磁性部材１３の内周に形成さ
れた溝１３ａ、１３ｂにフレキシブルコイル１４を固定
し、磁性部材１３の孔１３ａ’、１３ｂ’を通してフレ
キシブルコイル１４のリード線１８を基板１５の対応す
る端子１７に半田付けする。この様に構成することで、
フレキシブルコイル１４が配設され、一体構成の磁性部
材１３を用いて回転軸に加えられるトルクの測定を行う
ことができ、２つ割りの磁性部材を接合して使用する場
合に比べて、接合部のない磁性部材１３を使用でき、温
度変化に基づくうず電流の変化により零点ドリフトが発
生することを防止し、トルクの正確な測定を行うもので
ある。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は回転体のトルクを測定す
る磁歪式トルクセンサに係り、特に磁歪式トルクセンサ
の温度に対するトルク測定精度の改善に関する。

【０００２】

【従来の技術】モータ等の回転体のトルクを測定する方
法として、従来から電気動力計等の測定機器が用いられ
ていた。しかし、今日、ダイアフラム等の半導体圧電素
子、磁歪センサ、等の各種センサが開発され、回転体の
トルク測定にこれらの小型のトルクセンサが用いられて
いる。特に、磁歪センサは回転軸に対して非接触でトル
クを測定することができる利点を有している。

【０００３】図６は、従来の磁歪センサを用いたトルク
センサの断面図である。同図において、回転軸１は測定
する回転体の軸が連結する部材であり、回転軸１には磁
歪膜２、３が形成されている。磁歪膜２、３の周面近傍
にはハウジング４に収納されたコイル５、６が配設され
ている。このコイル５、６はコイルボビンに巻装されヨ
ーク７に取り付けられており、このヨーク７は絶縁部材
８を介してハウジング４に取り付けられている。

【０００４】上述の構成の磁歪式トルクセンサにおい
て、ヨーク７は磁歪式トルクセンサに組み込む前は、図
７に示す様に所謂２つ割り構成であり（尚、図７（ａ）
は正面図であり、同図（ｂ）はその側面図である）、ヨ
ーク７ａ、７ｂの２個で構成されている。また、ヨーク
７ａには、上述のコイル５（コイルボビン）を収納する
為の溝７ａ’、７ａ”が設けられ、ヨーク７ｂには、上
述のコイル６（コイルボビン）を収納する為の溝７
ｂ’、７ｂ”が設けられている。

【０００５】このヨーク７ａ、７ｂを磁歪式トルクセン
サに組み込む際には、先ず、ヨーク７ａ、７ｂの溝７
ａ’、７ｂ’に上述のコイル５を収納し、溝７ａ”、７
ｂ”に上述のコイル６を収納する。そして、２つ割りの
状態のヨーク７ａ、７ｂ間に回転軸１を通し、ヨーク７
ａ、７ｂを接合し、例えば不図示のバンドを巻装して両
ヨーク７ａ、７ｂを保定する。その後、ヨーク７ａ、７
ｂは保持部材９によってハウジング４に固定され、その
際、絶縁部材８によりハウジング４とヨーク７ａ、及び
ハウジング４とヨーク７ｂは絶縁される。

【０００６】この様にして作成された磁歪式トルクセン
サの軸１に、一定方向のトルクがかかると、磁歪膜２及
び３の磁気抵抗が変化し、コイル５、６により形成され
る磁界も変化し、例えば磁歪膜２と３の磁気異方性が互
いに対称となるように配設された場合には、その変化は
倍増され、例えばコイル５、６の出力電圧の変化からト
ルクを検出する。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】上述の構成の磁歪式ト
ルクセンサでは、コイル５及び６により形成される磁界
の発生に伴って、回転軸１の周方向にうず電流が発生
し、このうず電流はヨーク７（７ａ、７ｂ）内を流れ
る。しかし、上述の磁歪式トルクセンサでは、前述の様
にヨーク７は２つ割りのヨーク７ａ、７ｂを接合して組
み立てられているのでヨーク７ａ、７ｂ間に接合部を有
する。この接合部は、ヨーク７ａ、７ｂがバンドで抑え
られている為、通常密接している。しかし、ヨーク７
ａ、７ｂはパーマロイ等で構成され、所定の熱膨張率を
有し、温度変化によりその密接度が変わる。この様に温
度変化により、接合部の密接度が変わると接触抵抗（電
気抵抗値）も変化し、このヨーク７ａ、７ｂ内を流れる
うず電流が影響を受ける。

【０００８】例えば、温度変化によりヨーク７ａ、７ｂ
接合部の密接度が低下すると、接合部の接触抵抗は増加
し、ヨーク７ａ、７ｂに流れるうず電流は減る。一方、
温度変化により、ヨーク７ａ、７ｂ接合部の密接度が増
すと、接合部の接触抵抗は低下し、ヨーク７ａ、７ｂに
流れるうず電流は増加する。したがって、温度変化によ
り、ヨーク７ａ、７ｂ内を流れるうず電流は変化し、こ
のうず電流の変化によりコイル５及び６に発生する磁界
は影響を受け、正確なトルクの測定ができない。例え
ば、常温において零点設定しても、後の温度変化により
ドリフトし、基準値がずれてしまう。

【０００９】本発明は上記問題に鑑み、うず電流の影響
をなくし、温度ドリフトすることのない磁歪式トルクセ
ンサを提供することを目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明の１つの構成は、
円筒状に一体形成され内周部に溝が形成された磁性部材
と、該磁性部材に形成された溝に配設された可とう性コ
イルと、前記磁性部材の内周部と所定の隙間を有して回
転自在に配設された回転軸と、該回転軸の周面に形成さ
れ、該回転軸に負荷されるトルクを磁気抵抗の変化とし
て検出し、前記可とう性コイルの作成する磁束を変化さ
せる磁歪センサとで構成されている。

【００１１】また、前記構成の中で、前記回転軸には、
例えば磁気異方性の異なる２つの磁歪センサが配設さ
れ、上記磁気異方性は例えば互いに対称である。また、
前記構成の中で、前記可とう性コイルは可とう性のベー
ス部材、例えば絶縁性のフィルムにコイルが印刷、貼
着、等の方法で形成されている。

【００１２】本発明のもう１つの構成は、トルクが負荷
される回転軸と、該回転軸に形成され該回転軸に負荷さ
れるトルクの変化を検出する磁歪センサと、該磁歪セン
サの近傍に形成され該磁歪センサに磁束を供給する可と
う性コイルと、一体成形され前記可とう性コイルと共に
前記コイルが作成する磁束に基づく磁気回路を形成する
磁性部材とで構成される。

【００１３】また、前記構成の中で、前記回転軸には前
述と同様、例えば磁気異方性の異なる２つの磁歪センサ
が配設され、前記構成の中で、前記可とう性コイルは可
とう性のベース部材、例えば絶縁性のフィルムにコイル
を印刷、貼着、等の方法で形成している。

【００１４】

【作用】磁歪式トルクセンサとして、２つ割りの磁性部
材を接合して使用する場合、温度に基づく接触抵抗の変
化からうず電流の影響を受けトルクの測定が正確に行え
なかったが、本発明は一体形成の磁性部材を使用し、回
転軸に取り付けられた磁歪膜の透磁率の変化をうず電流
に影響されることなく、コイル（２次コイル）で正確に
測定することができ、しかもコイルとしては、例えばフ
レキシブルなフィルムに印刷、又は貼着したコイル等を
使用するので円筒状に一体構成の磁性部材であってもコ
イルを容易に内装することができる。

【００１５】また、トルクが加わる回転軸には、例えば
磁気異方性の異なる２つの磁歪膜を配設することによ
り、互いに対称の応力、例えば圧縮と伸張という応力を
検出でき、より正確なトルク測定を行うことが可能とな
る。

【００１６】

【実施例】以下、本発明の一実施例について、図面を参
照しながら説明する。図１は一実施例の磁歪式トルクセ
ンサの断面図である。同図において、本実施例の磁歪式
トルクセンサ１０は、トルクが加えられる軸１１と、ハ
ウジング１２に収納された磁性部材（ヨーク）１３、フ
レキシブルコイル１４、基板１５、絶縁部材１６、等で
構成されている。回転軸１１には、その一端に、モータ
等の回転軸１１の軸が機構的に結合され、又はトルク伝
達の為の回転体の回転軸そのものが回転軸１１として使
用される。また、回転軸１１には磁歪膜１１ａ、１１ｂ
が配設されている。この磁歪膜１１ａ、１１ｂは負荷さ
れるトルク（応力）により透磁率が変化する素子であ
り、磁歪膜１１ａと１１ｂには膜そのものに溝１１
ａ’、１１ｂ’が形成されている。この溝１１ａ’、１
１ｂ’は互いに直交する方向に形成され、回転軸１１に
加わるいずれの方向からのトルクに対しても測定でき、
且つ後述する測定回路により磁歪膜１１ａ、１１ｂの検
出出力を差動増幅しトルクの確実な測定を行う構成であ
る。

【００１７】尚、回転軸１１はハウジング１２に固定さ
れた軸受け２０により回転自在に構成されている。ま
た、回転軸１１の直径は、例えばＬ’で構成されてい
る。ハウジング１２内に配設された磁性部材１３は一体
成形された筒状部材であり、例えばパーマロイで構成さ
れている。また、磁性部材１３はフレキシブルコイル１
４から発生する磁束の磁路を形成すると共に、この磁束
がハウジング１２へ漏出することを防止する。

【００１８】図２は磁性部材１３の外形図であり、同図
（ａ）は磁性部材１３の正面図であり、同図（ｂ）はそ
の側面図である。磁性部材１３の内径Ｌは、上述の回転
軸１１の外径Ｌ’（図１）より数ｍｍ（例えば、２〜４
ｍｍ）広く形成され、この磁性部材１３を磁歪式トルク
センサ１０に取り付けた状態で、回転軸１１と磁性部材
１３の間隔が、例えば１〜２ｍｍとなる様に構成されて
いる。尚、磁性部材１３に形成された孔１３ａ’、１３
ｂ’は、後述するフレキシブルコイル１４の出力端子を
通す孔であり、この孔１３ａ’、１３ｂ’の内側にはこ
の孔１３ａ’、１３ｂ’より幅の広い溝１３ａ、１３ｂ
が形成されている。また、この溝１３ａ、１３ｂは磁性
部材１３の内周面に沿って、所定の幅（例えば幅Ｍ）で
形成され、それぞれ周方向に１周形成されている。

【００１９】フレキシブルコイル１４は、図１に示す様
に磁性部材１３に形成された上述の溝１３ａ、１３ｂに
収納され、フレキシブルコイル１４の先端は孔１３
ａ’、１３ｂ’を通して磁性部材１３の外側に延出さ
れ、ハウジング１２内に設けられた基板１５に接続され
ている。

【００２０】図３はフレキシブルコイル１４単体の構成
を示す図であり、同図（ａ）はフレキシブルコイル１４
の表面のパターン構成を示し、同図（ｂ）はその裏面の
パターン構成を示す。フレキシブルコイル１４は、絶縁
性の可とう性フィルム１４ａにコイル１４ｂを印刷して
作成され、ある程度の“折り曲げ”や“ひねり”に対し
て柔軟に対応できる構成である。また、コイル１４ｂは
１次コイル１４ｂ’と２次コイル１４ｂ”で構成され、
１次コイル１４ｂ’及び２次コイル１４ｂ”共に、フレ
キシブルコイル１４の表面、及び裏面にパターン印刷さ
れ、１次コイル１４ｂ’及び２次コイル１４ｂ”のパタ
ーン印刷は、それぞれのコイル毎に表裏面で接続されて
いる。尚、１次コイル１４ｂ’は励磁用のコイルであ
り、２次コイル１４ｂ”は１次コイル１４ｂ’で形成し
た磁束が磁歪膜１１ａ、１１ｂにより影響を受け、変化
した磁束の検出用コイルである。

【００２１】尚、フレキシブルコイル１４の表面には１
次コイル１４ｂ’及び２次コイル１４ｂ”の端子Ｉ、Ｉ
Ｉが設けられ、裏面にも同じく１次コイル１４ｂ’及び
２次コイル１４ｂ”の端子Ｉ’、ＩＩ’が設けられてい
る。これらの端子Ｉ、ＩＩ、Ｉ’、ＩＩ’には後述する
リード線が半田付けされる。

【００２２】図４（ａ）〜（ｃ）は前述の様に一体成形
された円筒状の磁性部材１３に、フレキシブルコイル１
４を取り付ける際の概念図を示す。本実施例の磁歪式ト
ルクセンサ１０の製作には２枚のフレキシブルコイル１
４が必要であり、同図（ａ）に示す様に、磁性部材１３
の一方の開口から１枚のフレキシブルコイル１４を入
れ、他方の開口からもう１枚のフレキシブルコイル１４
を入れる。この時、フレキシブルコイル１４は、前述の
様にある程度の“折り曲げ”や“ひねり”に対して柔軟
に対応でき、コイル１４ｂを損傷することなく、磁性部
材１３の内周部に形成された溝１３ａ、１３ｂにそれぞ
れ装着することができる。また、フレキシブルコイル１
４に接続されたリード線１８は磁性部材１３に設けられ
た上述の孔１３ａ’、１３ｂ’を通してそれぞれ外部へ
延出される。そして、磁性部材１３の外部に延出された
リード線１８は、図４（ｂ）に示す様に基板１５の対応
する端子１７に半田付けされる。

【００２３】また、図４（ｃ）は同図（ｂ）のＢ−Ｂ断
面を示す図である。同図（ｃ）に示す様に、フレキシブ
ルコイル１４は溝１３ａ、１３ｂに取り付けられ、その
固定は、不図示の接着剤で貼着することにより行われて
いる。

【００２４】一方、リード線１８が接続された基板１５
には、２次コイル１４ｂ”で検出した信号から回転軸１
１にかかるトルクを測定する処理回路が配設されてい
る。図５はこの処理回路、１次コイル１４ｂ’及び２次
コイル１４ｂ”の接続構成を示す図である。尚、同図に
おいて基板１５内の回路は点線で囲った範囲の回路であ
る。２枚のフレキシブルコイル１４に配設された１次コ
イル１４ｂ’は直列に接続され、交流電源２２から交流
電流が供給され、励磁用磁束を作成する。一方、２次コ
イル１４ｂ”はフレキシブルコイル１４それぞれに独立
して処理回路２１に接続され、磁歪膜１１ａ、１１ｂに
影響された磁界の変化を処理回路２１へ出力する。

【００２５】以上の構成の磁歪式トルクセンサ１０にお
いて、回転軸１１にかかるトルクを測定する時は、以下
の処理を行う。先ず、トルクの測定を希望する回転体の
軸を磁歪式トルクセンサ１０の回転軸１１に連結する。
尚、トルクを測定しようとする回転体の軸そのものが、
回転軸１１であっても良い。この状態で前述の交流電源
２２から１次コイル１４ｂ’に交流電流を供給し、１次
コイル１４ｂ’を励磁して上述の磁歪膜１１ａ、１１ｂ
を通過する磁界（検査用磁界）を形成する。この状態で
回転軸１１にトルク（応力）がかかっていなければ（所
謂無負荷であれば）、磁歪膜１１ａ、１１ｂでの透磁率
に変化はなく、又は応力が生じたとしても対称的で且つ
等しいので変化した透磁率は互いに打ち消し合う。した
がって、２次コイル１４ｂ”で検出する磁界に基づく２
次コイル１４ｂ”の出力電圧は実質的に変化せず、処理
回路２１では回転軸１１にトルクがかかっていないと判
断する。

【００２６】また、回転軸１１に一定方向のトルクが加
わると、磁気異方性により一方の磁歪膜（例えば磁歪膜
１１ａ）の透磁率は増大し、他方の磁歪膜（例えば磁歪
膜１１ｂ）の透磁率は低下する。この為、上述の例では
磁歪膜１１ａでの磁気抵抗は低下し、磁歪膜１１ｂでの
磁気抵抗は増し、磁歪膜１１ａ側の２次コイル１４ｂ”
に誘起される電圧は大きく、磁歪膜１１ｂ側の２次コイ
ル１４ｂ”に誘起される電圧は小さい。したがって、両
電圧を比較し差動出力する処理回路２１の出力は大きく
なり、確実なトルクの測定を行うことができる。

【００２７】一方、上述のトルク測定の際、１次コイル
１４ｂ’により形成される磁束によって、磁性部材１３
にはうず電流が発生する。この時発生するうず電流は、
上述の磁界を切る方向に形成される為、磁性部材１３の
周方向に形成される。しかしながら、本実施例の磁歪式
トルクセンサ１０は前述の様に磁性部材１３をパーマロ
イを材料として一体形成されている。したがって、従来
の様にうず電流の流れる経路中に接合部は存在せず、従
来の様な温度変化により接合部の密接度が変化し、接触
抵抗が変化してうず電流量が変わることはない。すなわ
ち、本実施例の場合、いくら温度が変化してもうず電流
に影響はなく、１次コイル１４ｂ’が作成する磁界の強
さに対応したうず電流が流れる。

【００２８】したがって、回転体１１にかかるトルクを
測定する際、うず電流に影響されることなく回転体１１
にかかるトルクを正確に測定することができる。尚、本
実施例では磁性部材１３を一体化したことにより、従来
の２つ割りの磁性部材を接合して使用した場合に比べ
て、その低減効果は大きく、例えば従来２００％／ＦＳ
（フルスケール）であったものが、５％／ＦＳ（フルス
ケール）まで低下した。

【００２９】尚、上述の実施例では磁歪膜は１１ａ、１
１ｂとして２枚で構成したが、必ずしも２枚で構成する
必要はない。検出感度は落ちるが、１枚でも構成するこ
とはできる。

【００３０】また、一体形成の磁性部材１３は、パーマ
ロイに限らず、磁性材料であり且つうず電流が流れる導
電性材料で構成される材料であれば同様に実施できる。
さらに、本実施例ではフィルム１４ａにコイル１４ｂを
印刷してフレキシブルコイル１４を形成したが、印刷に
限らず、貼着、等により形成しても良いことは勿論であ
る。

【００３１】

【発明の効果】以上詳細に説明したように、本発明によ
れば一体形成の磁性部材（ヨーク）を使用するので、う
ず電流の影響がなく、温度ドリフトをなくし、回転軸に
加えられたトルクの正確な測定を行うことができる。

【００３２】また、本発明ではフィルムに形成されたコ
イルを使用するので、従来の様なコイルを巻装するコイ
ルボビンが不要となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】一実施例の磁歪式トルクセンサの構成図であ
る。

【図２】（ａ）は、一実施例の磁歪式トルクセンサに使
用される磁性部材の正面図、（ｂ）は、一実施例の磁歪
式トルクセンサに使用される磁性部材の側面図である。

【図３】（ａ）は、一実施例の磁歪式トルクセンサに使
用されるフレキシブルコイルの表面図、（ｂ）は、一実
施例の磁歪式トルクセンサに使用されるフレキシブルコ
イルの裏面図である。

【図４】（ａ）は、一実施例の磁歪式トルクセンサに使
用される磁性部材の組み立てを説明する概念図、（ｂ）
は、一実施例の磁歪式トルクセンサに使用される磁性部
材の組み立て後の状態を説明する外観図、（ｃ）は、同
図（ｂ）のＢ−Ｂ断面図である。

【図５】処理回路と１次コイル、及び２次コイルの接続
構成を説明する図である。

【図６】従来例の磁歪式トルクセンサの構成図である。

【図７】２つ割りの磁性部材の構成を示す図である。

【符号の説明】

１０ 磁歪式トルクセンサ １１ 回転軸 １１ａ、１１ｂ 磁歪膜 １２ ハウジング １３ 磁性部材 １３ａ、１３ｂ 溝 １３ａ’、１３ｂ’ 孔 １４ フレキシブルコイル １４ａ フィルム １４ｂ コイル １４ｂ’ １次コイル １４ｂ” ２次コイル １５ 基板 １７ 端子 １８ リード線 ２０ 軸受け ２１ 処理回路 ２２ 交流電源

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 円筒状に一体形成され、内周部に溝が形
   成された磁性部材と、 該磁性部材に形成された溝に配設された可とう性コイル
   と、 前記磁性部材の内周部と所定の隙間を有して回転自在に
   配設された回転軸と、 該回転軸の周面に形成され、該回転軸に負荷されるトル
   クを磁気抵抗の変化として検出し、前記可とう性コイル
   の作成する磁束を変化させる磁歪センサと、 を有することを特徴とする磁歪式トルクセンサ。
2. 【請求項２】 トルクが負荷される回転軸と、 該回転軸に形成され、該回転軸に負荷されるトルクの変
   化を検出する磁歪センサと、 該磁歪センサの近傍に形成され、該磁歪センサに磁束を
   供給する可とう性コイルと、 一体形成され、前記可とう性コイルと共に前記コイルが
   作成する磁束に基づく磁気回路を形成する磁性部材と、 を有することを特徴とする磁歪式トルクセンサ。
3. 【請求項３】 前記回転軸には、磁気異方性の異なる２
   つの磁歪センサが配設されていることを特徴とする請求
   項１、又は２記載の磁歪式トルクセンサ。
4. 【請求項４】 前記可とう性コイルは可とう性のベース
   部材に形成されていることを特徴とする請求項１、又は
   ２記載の磁歪式トルクセンサ。