JPH10142080A - トルク検出装置用トルク−磁気変換器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 トルク−磁気変換器の変換感度及び変換精度
を向上させる。 【解決手段】 軸線Ａに沿って互いに嵌合する実質的に
円柱状の軸１２及び実質的に円筒状の磁歪管１４を有す
るトルク−磁気変換器１０。軸の外面又は磁歪管の内面
に少なくとも周方向に延在する溝１６が設けられ、磁歪
管は軸に焼嵌めされることにより、磁歪管には周方向の
引張り応力Ｆc に加えて軸線方向の引張り応力Ｆa も残
留し、これにより磁気異方性の方向が軸線Ａに対し傾斜
した方向に設定されている。変換器にトルクが作用する
と磁気異方性の度合（透磁率）が変化するので、磁歪管
の軸線方向の磁界の強さの変化はトルクの大きさに対応
し、両者の対応関係は軸線方向の引張り応力が残留して
いない場合に比して高精度である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、トルク検出装置に
係り、更に詳細にはトルク検出装置用のトルク−磁気変
換器に係る。

【０００２】

【従来の技術】トルク検出装置のトルク−磁気変換器の
一つとして、例えば特開平５−１９６５１７号公報に記
載されている如く、軸線に沿って互いに嵌合する実質的
に円柱状の軸及び実質的に円筒状の磁歪管を有し、磁歪
管には軸線周りの周方向の１軸の磁気異方性及び周方向
の磁界が与えられたトルク−磁気変換器が従来より知ら
れている。

【０００３】かかるトルク−磁気変換器によれば、軸に
軸線周りのトルクが作用すると、磁歪管には軸線に対し
±４５°傾斜した方向に圧縮応力及び引張り応力が発生
し、これらの応力による磁歪管の歪（磁歪変位）により
後に詳細に説明する磁歪効果の逆現象として磁気特性が
変化され、これにより磁歪管に周方向に与えられている
磁界の一部が軸線に対し４５°傾斜した周方向に偏向さ
れる。かくして偏向された磁界の周方向の成分は閉磁路
を構成するので、この成分を外部より検出することはで
きないが、上記偏向された磁界の軸線方向の成分は外部
より検出可能であり、従ってこの軸線方向の成分の強度
及び方向を検出することによりトルクの大きさ及び方向
を検出することができる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかし上記公開公報に
記載されたトルク−磁気変換器に於いては、磁歪管が軸
に締り嵌めされることにより、磁歪管に軸線周りの周方
向に引張り応力が与えられ、これにより磁歪管に軸線周
りの周方向の１軸の磁気異方性が与えられ、従って磁歪
効果の逆現象による磁気特性は周方向については向上さ
れているが、磁気特性の変化の検出方向である軸線方向
については全く改善されていない。従って上述の従来の
変換器に於けるトルク−磁気変換の感度及び精度は低
く、この変換器によってはトルク検出装置のトルク検出
感度及び検出精度を十分に向上させることができない。

【０００５】本発明は、磁歪管に軸線周りの周方向の１
軸の磁気異方性及び周方向の磁界が与えられた従来のト
ルク−磁気変換器に於ける上述の如き問題に鑑みてなさ
れたものであり、本発明の主要な課題は、磁気特性の変
化の検出方向である軸線方向について磁歪効果の逆現象
による磁気特性を改善することにより、トルク−磁気変
換器の変換感度及び変換精度を向上させることである。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上述の如き主要な課題
は、本発明によれば、請求項１の構成、即ち軸線に沿っ
て互いに嵌合する実質的に円柱状の軸及び実質的に円筒
状の磁歪管を有し、前記軸の外面又は前記磁歪管の内面
に少なくとも周方向に延在する溝が設けられ、前記磁歪
管は正の磁歪定数を有する磁歪材にて形成され、前記軸
に焼嵌めされているトルク検出装置用トルク−磁気変換
器によって達成される。

【０００７】一般に機械的圧入や金属の変態を利用して
軸と磁歪管とが締り嵌めされる場合には、磁歪管に比較
的大きい周方向の引張り応力が残留するが軸線方向に残
留する引張り応力は非常に小さい。また磁歪管の温度が
軸の温度よりも相対的に高く設定された状態で軸と磁歪
管とが嵌合され、しかる後それらの温度が常温にもたら
される焼嵌めの場合にも、軸と磁歪管との間に軸線方向
の相対的な滑りが生じるので、軸線方向に残留する引張
り応力は小さい。

【０００８】これに対し本発明に従って軸の外面又は磁
歪管の内面に少なくとも周方向に延在する溝が設けられ
た軸及び磁歪管が焼嵌めされる場合には、エッジ部の食
い込みや変形により軸と磁歪管との間の軸線方向の相対
的な滑りが効果的に抑制されると共に、軸線方向の引張
り応力に起因して磁歪管に割れが発生したり軸が磁歪管
より抜け出したりすることが畝部の変形により効果的に
抑制される。従って図２１に示されている如く周方向の
引張り応力Ｆc に加えて軸線方向（磁歪管の軸線Ａに沿
う方向）の引張り応力Ｆa も残留し、一般に軸線方向の
引張り応力Ｆaは周方向の引張り応力Ｆc よりも小さ
い。

【０００９】磁歪効果は一般に磁歪材に磁界が与えられ
たときの磁歪材の長さの変化として表されるが、トルク
の検出に於いて利用される磁歪効果はその逆現象と呼ば
れるべきものであり、磁歪材に応力、従って長さの変化
を与えた場合に於ける磁歪材の磁気特性の変化である。
磁歪材の長さの変化を与えても磁界の向きが特定されな
いので磁界が発生する訳ではなく、応力方向に磁界が向
き易くなるものと考えられる。即ち磁歪効果の逆現象は
応力方向の透磁率が高くなる現象であり、磁歪材がコイ
ルにより励磁される場合には磁束が応力方向に通り易く
なり、磁歪材が着磁されその磁界の方向が応力方向とは
異なる場合にはその磁界の磁束の一部が応力方向に偏向
される現象と考えられる。

【００１０】また図２２に示されている如く一般的には
磁歪定数λと磁界の強さＨとの関係にて示される磁歪効
果は磁歪材にプレロードが与えられると向上し、同一の
磁界の強さに対する磁歪定数が高くなると共にヒステリ
シスが小さくなることが知られている。この現象は、プ
レロードの方向に沿う磁化曲線が図２３に於いて破線に
て示された通常の磁化曲線より図２３に於いて実線にて
示されている如く変化し、プレロードの方向の透磁率及
び残留磁化が大きくなり保磁力が低下すると共に、初期
磁化曲線が原点に近い領域に於いても実質的にリニアに
なることに対応している。

【００１１】磁歪効果の逆現象として変化する透磁率μ
は磁歪効果を表す磁歪定数λが大きくなればこれに対応
して大きくなり、従って磁歪定数が正の磁歪材に引張り
応力がプレロードとして与えられれば、プレロードが与
えられない場合に比して透磁率μが大きくなることによ
って応力の検出感度及び検出精度が向上し、また透磁率
μのヒステリシスが小さくなって応力に対する透磁率の
関係のリニアリティが高くなるので、応力の検出誤差が
減少し、このことによっても検出精度が向上する。

【００１２】上記請求項１の構成によれば、軸の外面又
は磁歪管の内面に少なくとも周方向に延在する溝が設け
られ、磁歪管は軸に焼嵌めされ、これにより磁歪管には
周方向のみならず磁気的特性変化の検出方向である軸線
方向にも引張り応力が与えられており、この焼嵌めによ
る軸線方向の引張り応力はプレロードとして作用するの
で、磁歪管に周方向の引張り応力しか与えられていない
従来の変換器の場合に比して磁気特性の変化の検出方向
である軸線方向の透磁率μが高く且つ応力に対する透磁
率の関係のリニアリティが高く、従って従来に比してト
ルク−磁気変換の感度及び精度が高くなる。

【００１３】即ち図２４に示されている如く、軸にトル
クＴが作用すると磁歪管にはその軸線Ａに対し±４５°
の方向に引張り応力Ｆtt及び圧縮応力tcが発生するの
で、従来の変換器を用いてトルクを検出する場合には、
プレロードが０の状況にて引張り応力Ｆttが作用した場
合のその引張り応力の方向（軸線Ａに対し±４５°の方
向）の透磁率μの指標Ｄ1 （例えば磁界の強さ）の軸線
方向の成分Ｄ1 ・ cos４５°が検出される。

【００１４】これに対し、本発明の変換器を用いてトル
クが検出される場合には、上記軸線方向の成分Ｄ1 ・ c
os４５°ではなく、図２５に示されている如く、焼嵌め
による軸線方向の引張り応力Ｆa の軸線Ａに対し±４５
°の方向の成分（Ｆa ・ cos４５°）／２がプレロード
として作用している状況にてトルクによる引張り応力Ｆ
ttが作用した場合のその引張り応力の方向（軸線Ａに対
し±４５°の方向）の透磁率μの指標Ｄ2 の軸線方向の
成分Ｄ2 ・ cos４５°が検出される。

【００１５】従来の変換器及び本発明の変換器の磁歪管
に励磁により与えられ又は着磁により与えられている磁
界の強さ及び方向が同一とすると、軸線Ａに対し±４５
°方向に作用する引張り応力の大小関係よりＤ2 ＞Ｄ1
であると共に、トルクによる引張り応力Ｆttに対するＤ
2 のリニアリティはＤ1 のそれよりも高く、従って指標
Ｄ1 の軸線方向成分に加えて指標Ｄ2 の軸線方向の成分
を検出することによりトルクを高感度且つ高精度に検出
することが可能になる。

【００１６】また本発明によれば、上述の主要な課題を
効果的に達成すべく、上記請求項１の構成に於いて、前
記軸は非磁性体にて形成され（請求項２の構成）、また
上記請求項１の構成に於いて、前記軸は負の磁歪定数を
有する磁歪材にて形成される（請求項３の構成）。

【００１７】一般に、軸１００の外面又は磁歪管１０２
の内面に少なくとも周方向に延在する溝１０４が設けら
れた軸及び磁歪管が焼嵌めされると、図２６に示されて
いる如く磁歪管には軸線方向の引張り応力Ｆa が残留す
るが、軸にはこれに対応する軸線方向の圧縮応力Ｆacが
残留する。従って軸及び磁歪管の両方が正の磁歪定数を
有する磁歪材にて形成されると、磁歪管に於いて生じる
磁歪効果の逆現象（透磁率の増大）が軸に於いて生じる
磁歪効果（透磁率の減少）によって減殺され、十分な磁
歪効果の逆現象を発生させることができない。また軸が
実質的に磁歪効果を有しない磁性材にて形成されると、
磁歪管内に於いて磁歪効果の逆現象により生じた磁束が
軸を通過する閉磁路が形成され、磁界が外部に出ないた
め、磁界を検出することができなくなる。

【００１８】上記請求項２の構成によれば、軸は非磁性
体にて形成されるので、磁歪管に於いて生じる磁歪効果
の逆現象が軸に於いて軸に於いて生じる磁歪効果の逆現
象によって減殺されることが防止されると共に、磁歪効
果の逆現象により磁歪管内に於いて発生され又は偏向さ
れた磁束が軸を通過しこれを外部に取り出せなくなるこ
とが確実に防止される。

【００１９】また上記請求項３の構成によれば、軸は負
の磁歪定数を有する磁歪材にて形成されるので、軸に残
留する軸線方向の圧縮応力により軸にも磁歪効果の逆現
象が発生されると共に、その磁歪効果の逆現象は磁歪管
に発生する磁歪効果の逆現象と同一であり、従って上記
請求項２の構成の場合に比してトルク−磁気変換の感度
及び精度が更に一層高くなる。

【００２０】また本発明によれば、上述の主要な課題を
効果的に達成すべく、上記請求項２又は３の構成に於
て、前記磁歪管と前記軸との間に前記軸線の周りに所定
のプレトルクが与えられ（請求項４の構成）、前記溝は
前記軸線の周りに螺旋状に延在するよう構成され（請求
項５の構成）、前記磁歪管は前記軸線の周りに周方向に
着磁され（請求項６の構成）、前記磁歪管は前記軸線の
周りに螺旋状に着磁される（請求項７の構成）。

【００２１】一般に、図２５（Ａ）と図２７（Ａ）との
比較より解る如く、軸１００にトルクＴが作用すること
により磁歪管１０２に発生する引張り応力Ｆttの方向は
トルクＴの方向によって異なるが、図２５（Ｂ）及び図
２７（Ｂ）に示されている如く、磁歪効果の逆現象とし
て引張り応力Ｆttにより変化される透磁率μの指標Ｄ2
の軸線方向の成分Ｄ2 ・ cos４５°はトルクＴの方向に
拘らずトルクの大きさが同一であれば同一であり、従っ
てトルクＴの方向を判別するためには別の手段が必要で
ある。

【００２２】請求項４の構成によれば、磁歪管と軸との
間に軸線の周りに所定のプレトルクが与えられるので、
図２８に示されている如く、プレトルクＴp により磁歪
管に与えられる軸線に対し４５°の方向の引張り応力を
Ｆptとし圧縮応力をＦpcとすると、軸に作用するトルク
Ｔの方向がプレトルクの方向と同一である場合には、磁
歪管の引張り応力はＦpt＋（Ｆa ・cos ４５°）／２＋
Ｆttとなって増大するのに対し、図２９に示されている
如く、軸に作用するトルクの方向がプレトルクの方向と
は逆である場合には、磁歪管の引張り応力はＦpt＋（Ｆ
a ・cos ４５°）／２−Ｆttとなって減少する。従って
磁歪管の引張り応力の増減、換言すればその引張り応力
により変化される透磁率μの指標Ｄ2 の軸線方向の成分
の増減によりトルクの方向を判定し、増減の大きさによ
りトルクの大きさを判定することが可能になる。

【００２３】また請求項５の構成によれば、溝は前記軸
線の周りに螺旋状に延在しているので、焼嵌めにより磁
歪管には周方向に加えて溝に垂直な軸線の周りの方向に
も引張り応力が残留し、この引張り応力はプレトルクに
より磁歪管に与えられるプレ引張り応力と同様オフセッ
トの引張り応力として作用する。従ってこの構成の場合
にも請求項４の構成の場合と同様トルクの方向及び大き
さを判定することが可能になる。

【００２４】また請求項６の構成によれば、磁歪管は軸
線の周りに周方向に着磁されており、周方向の磁界を有
しているので、軸にトルクが作用することにより軸線に
対し４５°の方向の引張り応力が磁歪管に与えられる
と、磁界の磁束の一部が引張り応力の方向に偏向される
が、その偏向方向はトルクの方向によって異なり、従っ
て例えば軸線に沿う磁界の強さ及び方向によりそれぞれ
トルクの大きさ及び方向を判定することが可能になる。

【００２５】更に請求項７の構成によれば、磁歪管は軸
線の周りに螺旋状に着磁されており、軸線に対し傾斜し
た周方向の磁界を有しているので、軸に作用するトルク
により磁歪管に与えられる引張り応力の軸線に対する傾
斜方向が磁界の傾斜方向と同一である場合には、軸にト
ルクが作用していない場合に比してその方向の透磁率が
高くなることにより磁束が増大し、軸に作用するトルク
により磁歪管に与えられる引張り応力の方向が磁界の方
向とは軸線に対し逆の方向に傾斜している場合には、軸
にトルクが作用していない場合に比してその方向の透磁
率が低くなることにより磁束が減少する。従って例えば
軸線に沿う磁界の強さの増減及びその増減量によりそれ
ぞれトルクの方向及び大きさを判定することが可能にな
る。

【００２６】

【課題解決手段の好ましい態様】本発明の一つの好まし
い態様によれば、上記請求項４の構成に於いて、溝は軸
線の周りに周方向に延在するよう構成される（好ましい
構成１）。

【００２７】本発明の一つの好ましい態様によれば、上
記請求項４の構成に於いて、溝はプレトルクにより磁歪
管に与えられる引張り応力とは反対の方向に軸線に対し
傾斜して軸線の周りに螺旋状に延在するよう構成される
（好ましい構成２）。

【００２８】本発明の他の一つの好ましい態様によれ
ば、上記請求項６の構成に於いて、溝は軸線の周りに周
方向に延在するよう構成される（好ましい構成３）。

【００２９】本発明の他の一つの好ましい態様によれ
ば、上記請求項６の構成に於いて、溝は軸線の周りに螺
旋状に延在するよう構成される（好ましい構成４）。

【００３０】本発明の他の一つの好ましい態様によれ
ば、上記好ましい構成４の構成に於いて、軸線に対する
溝の傾斜角は４５°よりも大きい値に設定される（好ま
しい構成５）。

【００３１】

【発明の実施の形態】以下に添付の図を参照しつつ、本
発明を軸が非磁性材にて形成された実施形態について詳
細に説明する。

【００３２】尚これより説明する実施形態は磁歪管が着
磁されない実施形態のグループ（Ａ）と磁歪管が着磁さ
れる実施形態のグループ（Ｂ）とに大別される。また磁
歪管が着磁されないグループはトルクの方向判別が可能
であるよう磁気異方性にオフセットを与えるための手段
により下記の表１に示されている如く二つのグループに
分類される。同様に磁歪管が着磁された実施形態のグル
ープはトルクの方向判別が可能であるよう着磁する方向
により下記の二つのグループに分類される。

【００３３】

【表１】 Ａ…磁歪管が着磁されない Ａ１…周方向溝とプレトルクとの組合せ …第一の実施形態 Ａ２…螺旋状溝 …第二の実施形態 Ｂ…磁歪管が着磁される Ｂ１…周方向着磁 Ｂ１−１…周方向着磁と周方向溝との組合せ…第三の実施形態 Ｂ１−２…周方向着磁と螺旋状溝との組合せ…第四の実施形態 Ｂ２…螺旋状着磁 …第五の実施形態

【００３４】第一の実施形態 図１は本発明によるトルク検出装置用トルク−磁気変換
器の第一の実施形態を示す縦断面図（Ａ）及び側面図
（Ｂ）である。

【００３５】この実施形態は上記Ａ１に分類される実施
形態であり、図１に於いて、変換器１０は軸線Ａに沿っ
て互いに密に嵌合する実質的に円柱状の軸１２と実質的
に円筒状の磁歪管１４とよりなっている。軸１２は低透
磁率の非磁性体にて形成され、磁歪管１４は磁歪定数が
正の磁歪材にて形成され、軸１２はその大径部１２Ａに
て磁歪管１４に焼嵌めされている。尚以上の構成は特に
言及がない限り後述の他の実施形態についても同様であ
る。

【００３６】軸１２の大径部１２Ａの外面には軸線Ａの
周りに周方向に延在し軸線に沿って実質的に均等に互い
に隔置された複数個の溝１６が設けられており、各溝の
間の畝部１８にて磁歪管１４の内面に密に当接してい
る。特にこの実施形態に於いては、例えば軸１２に軸線
Ａの周りのトルクが与えられた状態にて焼嵌めされるこ
とにより、軸１２及び磁歪管１４には軸線Ａの周りのプ
レトルクＴp が与えられている。

【００３７】図２（Ａ）に示されている如く、焼嵌めに
よる周方向の引張り応力及び軸線方向の引張り応力をそ
れぞれＦc 及びＦa とすると、これらの引張り応力は四
つの合力Ｆt （＝（Ｆc ＋Ｆa ）／２）と等価である。
従って磁歪管１４には、図２（Ａ）に示された焼嵌めに
よる周方向の引張り応力Ｆc 及び軸線方向の引張り応力
Ｆa の合力Ｆt と、図２（Ｂ）に示されたプレトルクＴ
p による軸線Ａに対し４５°傾斜した方向の引張り応力
Ｆpt及び圧縮応力Ｆpcとの合力、即ち図２（Ｃ）に示さ
れている如く軸線Ａに対し傾斜した方向の引張り応力Ｆ
pb及びこれよりも周方向に近い方向の引張り応力Ｆpdが
作用し、引張り応力Ｆpbの方向に高い磁気異方性が与え
られている。

【００３８】この実施形態の変換器１０に図３に示され
ている如くプレトルクＴp と同一方向のトルクＴd が作
用することにより、軸線Ａに対し４５°傾斜した方向の
引張り応力Ｆdt及び圧縮応力Ｆdcが作用すると、引張り
応力Ｆpb及び引張り応力Ｆdtの合力Ｆe は元の引張り応
力Ｆpbよりも大きい最大の引張り応力であり、またこの
合力Ｆe の軸線Ａに対する傾斜角は引張り応力Ｆpbの傾
斜角よりも小さい。従って引張り応力Ｆpbと同一方向に
傾斜した方向の磁気異方性（透磁率）が増大され、その
増大量はトルクＴd の大きさに実質的に比例する。

【００３９】これに対しこの実施形態の変換器に図４に
示されている如くプレトルクＴp とは逆方向のトルクＴ
d が作用することにより、軸線Ａに対し４５°傾斜した
方向の引張り応力Ｆdt及び圧縮応力Ｆdcが図３の場合と
は逆の方向に作用すると、引張り応力Ｆpb及び圧縮応力
Ｆdcの合力Ｆf は最大の引張り応力であるが元の引張り
応力Ｆpbよりも小さく、またこの合力Ｆf の軸線Ａに対
する傾斜角は引張り応力Ｆpbよりも大きい。従って引張
り応力Ｆpbと同一方向に傾斜した方向の透磁率が低減さ
れ、その低減量はトルクＴd の大きさに実質的に比例す
る。

【００４０】かくして図示の第一の実施形態によれば、
磁歪管１４の軸線Ａに対し傾斜した方向の透磁率が変換
器に作用するトルクＴd の方向及び大きさに応じて変化
するので、例えば図５（Ａ）又は（Ｂ）に示されている
如く変換器１０に励磁及び検出装置２０を適用し、磁歪
管１４を軸線Ａの周りの周方向又は軸線Ａに沿う方向に
励磁し、軸線Ａに沿う方向の磁界の強さの変化を検出す
ることによりトルクＴd の方向及び大きさを検出するこ
とができる。

【００４１】特に図５（Ａ）に示された励磁及び検出装
置２０は、所謂フラックスゲートであり、変換器１０の
磁歪管１４に軸線Ａに沿って延在する実質的に棒状の軟
磁性材製のコア２２と、コア２２に巻回された励磁コイ
ル２４及び検出コイル２６と、励磁コイル２４に通電し
コア２２を励磁する駆動回路２８と、コア２２の磁束密
度を検出し処理する信号処理回路３０とを有している。
コア２２の両端は磁歪管１４の両端に近接してこれに対
向している。駆動回路２８は例えばコア２２が十分に飽
和する程度に励磁コイル２４に大振幅の三角波電圧を印
加し、信号処理回路３０は電磁誘導により検出コイル２
６に発生される起電力の電圧を検出し処理するようにな
っている。

【００４２】この図５（Ａ）の装置は、軸１２の透磁率
の変化の影響を受けず、また局部的に強い磁場を形成す
ることにより低いインダクタンスにて検出感度を高くす
ることができ、更にはインダクタンスが低いことにより
励磁コイルを高周波にて駆動することができ、これによ
り磁歪効果によるインダクタンスの変動を高感度に検出
することができるという特徴を有する。また二つのコイ
ルを有するコア２２を磁歪管の周りに好ましくは等間隔
に複数個配設することにより、各コアに対する変換器１
０の傾動等に起因するコアの両端と磁歪管との間の距離
の変動を相互に相殺し、これにより傾動等の影響を排除
することも可能である。

【００４３】また図５（Ｂ）に示された励磁及び検出装
置２０に於いては、励磁コイル２４及び検出コイル２６
は磁歪管１４の対応する端部近傍に巻回され、磁歪管に
より支持されている。磁歪管、励磁コイル２４、検出コ
イル２６の周りには、実質的に円筒状をなす軟磁性材製
のハウジング３２が配置されている。ハウジング３２の
円筒部はコイル２４及び２６より径方向外方へ隔置さ
れ、ハウジングの両端は円筒部より内方へ突出するリン
グ状をなし、磁歪管に近接してこれに対向している。従
って励磁コイル２４により発生された磁束線３４はハウ
ジング３２を通過する。

【００４４】この図５（Ｂ）の装置は、検出コイルが囲
む領域全体、即ち磁歪管全体の磁束変化を検出すること
ができ、従ってトルクを感度よく検出することができ、
またハウジング３２に対する変換器１０の傾動等が生じ
ても、ある部位に於ける磁歪管１４とハウジングとの間
の距離の変化が他の部位に於けるこれらの間の距離の変
化によって相殺されるので、磁歪管に対するハウジング
の相対変位に起因する検出誤差は生じないという特徴を
有する。

【００４５】第二の実施形態 図６は本発明によるトルク検出装置用トルク−磁気変換
器の第二の実施形態を示す縦断面図である。尚図６に於
いて図１に示された部分と同一の部分には図１に於いて
付された符号と同一の符号が付されており、このことは
後述の他の実施形態についても同様である。

【００４６】この実施形態は上記Ａ２に分類される実施
形態であり、この実施形態に於いては、軸１２に形成さ
れた複数個の溝１４は軸線Ａに対し実質的に４５°傾斜
して軸線の周りに螺旋状に延在し、軸線に沿って実質的
に均等に互いに隔置されている。この実施形態の軸１２
及び磁歪管１４は軸線Ａの周りのプレトルクが与えられ
ることなく互いに焼嵌めされているが、溝１６及び畝部
１８が軸線Ａに対し傾斜していることにより、磁歪管１
４には溝及び畝部に垂直な方向にも引張り応力が残留し
ている。

【００４７】従って図７（Ａ）に示されている如く、こ
の実施形態の磁歪管１４には焼嵌めにより周方向の引張
り応力Ｆc に加えて溝及び畝部に垂直な方向の引張り応
力Ｆgtも与えられており、よって図７（Ｂ）に示されて
いる如く、磁歪管１４には焼嵌めによる周方向の引張り
応力Ｆc と溝及び畝部に垂直な方向の引張り応力Ｆgtと
の合力として軸線Ａに対し溝１６及び畝部１８とは逆方
向に傾斜した方向に高い引張り応力Ｆgbが残留してい
る。

【００４８】この実施形態の変換器１０に図８に示され
ている如くトルクＴd が作用することにより、軸線Ａに
対し引張り応力Ｆgtと同一の方向に傾斜した引張り応力
Ｆdt及びこれに垂直な方向の圧縮応力Ｆdcが作用する
と、引張り応力Ｆgb及び引張り応力Ｆdtの合力Ｆg は元
の引張り応力Ｆgbよりも大きい最大の引張り応力であ
り、またこの合力Ｆg の軸線Ａに対する傾斜角は引張り
応力Ｆgbの傾斜角よりも小さい。従って引張り応力Ｆgb
と同一方向に傾斜した方向の透磁率が増大され、その増
大量はトルクＴd の大きさに実質的に比例する。

【００４９】これに対しこの実施形態の変換器に図９に
示されている如く図８のトルクＴdとは逆方向のトルク
Ｔd が作用することにより、軸線Ａに対し４５°傾斜し
た方向の引張り応力Ｆdt及び圧縮応力Ｆdcが図８の場合
とは逆の方向に作用すると、引張り応力Ｆgb及び圧縮応
力Ｆdcの合力Ｆh は最大の引張り応力であるが元の引張
り応力Ｆgbよりも小さく、またこの合力Ｆh の軸線Ａに
対する傾斜角は引張り応力Ｆgbよりも大きい。従って引
張り応力Ｆgbと同一方向に傾斜した方向の透磁率が低減
され、その低減量はトルクＴd の大きさに実質的に比例
する。

【００５０】従ってこの第二の実施形態に於いても、磁
歪管１４が励磁された状態にて変換器１０に軸線Ａの周
りにトルクＴd が作用すると、軸線Ａに対し溝１６及び
畝部１８とは逆方向に傾斜した方向の引張り応力が増減
し、これに対応して軸線Ａに沿う方向の磁界の強さが増
減するので、この磁界の強さの変化を図５（Ａ）又は
（Ｂ）に示された励磁及び検出装置２０と同様の装置に
よって検出することによりトルクＴd の方向及び大きさ
を検出することができる。

【００５１】尚第一及び第二の実施形態に適用される励
磁及び検出装置は本発明の一部をなすものではなく、ま
た図５（Ａ）又は（Ｂ）に示された装置に限定されるも
のでもなく、励磁コイルと、検出コイル又は他の磁気検
出手段と、磁歪管と共働して励磁コイルにより発生され
た磁束線のための磁束通路を形成するコア又はハウジン
グと、駆動回路及び検出回路とを有する限り、任意の構
成のものであってよい。

【００５２】第三の実施形態 図１０は本発明によるトルク検出装置用トルク−磁気変
換器の第三の実施形態を示す縦断面図（Ａ）、正面図
（Ｂ）、側面図（Ｃ）である。尚このことはそれぞれ第
四及び第五の実施形態を示す図１４及び図１８について
も同様である。

【００５３】図１０に示された第三の実施形態は上記Ｂ
１−１に分類される実施形態であり、この実施形態に於
いては、軸１２に形成された複数個の溝１６は第一の実
施形態の場合と同様軸線Ａの周りに周方向に延在し軸線
に沿って実質的に均等に互いに隔置されているが、この
実施形態の軸１２及び磁歪管１４は軸線Ａの周りのプレ
トルクが与えられることなく互いに焼嵌めされており、
また図１０（Ｂ）及び（Ｃ）に於いて磁束線Ｂにより示
されている如く磁歪管１４は軸線Ａの周りに周方向に着
磁されている。

【００５４】図１１（Ａ）に示されている如く、この実
施形態の磁歪管１４には焼嵌めによる周方向の引張り応
力Ｆc 及び軸線方向の引張り応力Ｆa が残留しているの
で、四つの合力Ｆt （＝（Ｆc ＋Ｆa ）／２）が作用し
ている状況と等価である。従って変換器１０に図１１
（Ｂ）に示されている如くトルクＴd が作用することに
より、軸線Ａに対し４５°傾斜した方向の引張り応力Ｆ
dt及び圧縮応力Ｆdcが作用すると、図１１（Ｃ）に示さ
れている如く引張り応力Ｆt 及び引張り応力Ｆdtの合力
Ｆi は元の引張り応力Ｆt よりも大きい最大の引張り応
力であり、またこの合力Ｆi の軸線にＡに対する傾斜角
は引張り応力Ｆt よりも小さい。従って引張り応力Ｆdt
と同一方向に傾斜した方向の透磁率が増大され、これに
より磁束線Ｂの一部がその方向に偏向され、かくして偏
向される磁束線の量はトルクＴd の大きさに実質的に比
例する。

【００５５】これに対しこの実施形態の変換器に図１２
（Ａ）に示されている如く図１１（Ｂ）のトルクＴd と
は逆方向のトルクＴd が作用することにより、軸線Ａに
対し４５°傾斜した方向の引張り応力Ｆdt及び圧縮応力
Ｆdcが図８の場合とは逆の方向に作用すると、この場合
の引張り応力Ｆt 及び引張り応力Ｆdtの合力Ｆj も元の
引張り応力Ｆt よりも大きい最大の引張り応力であり、
またこの合力Ｆj の軸線Ａに対する傾斜角は引張り応力
Ｆt よりも小さい。従ってこの場合にも引張り応力Ｆdt
と同一方向に傾斜した方向の透磁率が増大され、磁束線
Ｂの一部がその方向に偏向され、かくして偏向される磁
束線の量はトルクＴd の大きさに実質的に比例する。

【００５６】図１１（Ｃ）と図１２（Ｂ）との比較より
解る如く、軸線Ａに対する合力Ｆi及びＦj の傾斜方向
は互いに逆方向であるので、磁束線が偏向される方向も
互いに逆方向である。従ってこの第三の実施形態によれ
ば、偏向される磁束線による軸線方向の磁界の方向及び
強さを例えば図１３に示された検出装置３６によって検
出することによりトルクＴd の方向及び大きさを検出す
ることができる。

【００５７】尚図１３に示された検出装置３６はホール
効果素子を利用したものであり、一対のリング部材３８
と、軸線Ａに平行に延在し二つのリング部材を一体的に
接続する接続部材４０とよりなり、接続部材４０の途中
にホール効果素子４２が設けられている。リング部材３
８及び接続部材４０は軟磁性材にて形成されている。各
リング部材は変換器１０の磁歪管１４の外径よりも僅か
に大きい内径を有し、磁歪管の端部の位置にてこれより
僅かに径方向外方に均等に隔置されている。

【００５８】第四の実施形態 図１４に示された第四の実施形態は上記Ｂ１−２に分類
される実施形態であり、この実施形態に於いては、軸１
２に形成された複数個の溝１６は軸線Ａに対し例えば８
０°傾斜して軸線の周りに螺旋状に延在し、軸線に沿っ
て実質的に均等に互いに隔置されており、軸１２及び磁
歪管１４は軸線Ａの周りのプレトルクが与えられること
なく互いに焼嵌めされ、図１４（Ｂ）に白抜きの矢印に
て示されている如く、磁歪管１４は焼嵌め後に軸線の周
りの周方向に磁化されることにより着磁されている。

【００５９】溝１６及び畝部１８は第二の実施形態の場
合と同様軸線Ａに対し傾斜しているので、図１５（Ａ）
に示されている如く、磁歪管１４には焼嵌めによる周方
向の引張り応力Ｆc に加えて溝及び畝部に垂直な方向の
引張り応力Ｆgtも与えられているが、溝及び畝部の傾斜
角は第二の実施形態の場合よりも大きいので、図１５
（Ｂ）に示されている如く、磁歪管１４には焼嵌めによ
る周方向の引張り応力Ｆc と溝及び畝部に垂直な方向の
引張り応力Ｆgtとの合力として軸線Ａに対し溝及び畝部
とは逆方向に傾斜した方向に高い引張り応力Ｆgbが残留
している。

【００６０】従って磁歪管１４は溝及び畝部とは逆方向
に傾斜した方向に高い引張り応力Ｆgbが残留している状
態にて周方向に磁化されるので、これにより形成される
磁界は図１４（Ｂ）及び（Ｃ）に於いて磁束線Ｂにより
示されている如く高い引張り残留応力Ｆgbの方向（溝及
び畝部とは逆方向に傾斜した透磁率が最も高い方向）と
実質的に同一の方向に傾斜した螺旋状をなしている。

【００６１】この実施形態に於いて、図１６（Ａ）に示
されている如くトルクＴd が作用することにより、軸線
Ａに対し４５°傾斜した方向の引張り応力Ｆdt及び圧縮
応力Ｆdcが作用すると、図１６（Ｂ）に示されている如
く引張り応力Ｆgb及び引張り応力Ｆdtの合力Ｆg は元の
引張り応力Ｆgbよりも大きい最大の引張り応力であり、
またこの合力Ｆg の軸線Ａに対する傾斜角は引張り応力
Ｆgbの傾斜角よりも小さい。従って引張り応力Ｆgbと同
一方向に傾斜した方向の透磁率が増大され、これにより
磁束線Ｂの一部がその方向に偏向され、かくして偏向さ
れる磁束線の量はトルクＴd の大きさに実質的に比例す
る。

【００６２】これに対し図１７（Ａ）に示されている如
く図１６（Ａ）の場合とは逆方向のトルクＴd が作用す
ることにより、軸線Ａに対し４５°傾斜した方向の引張
り応力Ｆdt及び圧縮応力Ｆdcが図１６（Ａ）の場合とは
逆の方向に作用すると、引張り応力Ｆgb及び圧縮応力Ｆ
dcの合力Ｆh は最大の引張り応力であるが元の引張り応
力Ｆgbよりも小さく、またこの合力Ｆh の軸線Ａに対す
る傾斜角は引張り応力Ｆgbよりも大きい。従って引張り
応力Ｆgbと同一方向に傾斜した方向の透磁率が低減さ
れ、磁束線Ｂの一部が合力Ｆh の方向に偏向され、かく
して偏向される磁束線の量はトルクＴd の大きさに実質
的に比例する。換言すれば、合力Ｆh の方向の磁束線の
減少量はトルクＴd の大きさに実質的に比例する。

【００６３】従ってこの実施形態によれば、図１３に示
された検出装置３６と同様の検出装置によって軸線Ａに
沿う方向の磁界の強さを検出し、変換器にトルクが作用
していない場合に於ける磁界の強さを基準値として、磁
界の強さの基準値よりの増加又は減少によりトルクＴd
の方向を検出し、磁界の強さの増減量によりトルクＴd
の大きさを検出することができる。

【００６４】第五の実施形態 図１８に示された第五の実施形態は上記Ｂ２に分類され
る実施形態であり、この実施形態に於いては、軸１２に
形成された複数個の溝１４は第三の実施形態の場合と同
様軸線Ａの周りに周方向に延在し軸線に沿って実質的に
均等に互いに隔置され、軸１２及び磁歪管１４は軸線Ａ
の周りのプレトルクが与えられることなく互いに焼嵌め
されているが、磁束線Ｂにより示されている如く、磁歪
管１４が着磁されることにより形成された磁界は周方向
ではなく軸線Ａの周りの螺旋状をなしており、軸線Ａに
対する磁束線Ｂの傾斜角は図示の実施形態に於いては４
５°よりも大きい角度に設定されている。

【００６５】この実施形態に於ける磁歪管１４の引張り
残留応力は上述の第三の実施形態の場合と同様であり、
従ってこの実施形態の変換器１０にトルクＴd が作用す
ると引張り応力は第三の実施形態の場合と同様トルクＴ
d の方向に応じて図１１及び図１２の如く変化する。即
ち、図１１の状況に於いては、引張り応力Ｆi の方向の
透磁率が増大され、これにより磁束線Ｂの一部がその方
向に偏向され、かくして偏向される磁束線の量はトルク
Ｔd の大きさに実質的に比例するのに対し、図１２の状
況に於いては、引張り応力Ｆj と同一方向に傾斜した方
向の透磁率が増大され、磁束線Ｂの一部がその方向に偏
向され、かくして偏向される磁束線の量、換言すれば元
の磁束線の減少量はトルクＴd の大きさに実質的に比例
する。

【００６６】従ってこの実施形態に於いても、図１３に
示された検出装置３６と同様の検出装置によって軸線Ａ
に沿う方向の磁界の強さを検出し、磁界の強さの基準値
よりの増加又は減少によりトルクＴd の方向を検出し、
磁界の強さの増減量によりトルクＴd の大きさを検出す
ることができる。

【００６７】尚第三乃至第五の実施形態に適用される検
出装置も本発明の一部をなすものではなく、また図１３
に示された検出装置に限定されるものでもなく、軸線Ａ
に沿う方向の磁界の強さを検出し得るものである限り、
例えば核磁気共鳴法を利用した検出装置等であってもよ
い。

【００６８】また軸線Ａの周りの螺旋状に磁界を形成す
る方法としては、図１９に示されている如く二回着磁す
る方法や図２０に示されている如く傾斜して着磁する方
法などがある。但し何れの方法の場合にも、本発明に従
って磁歪管に周方向及び軸線方向の両方向に残留引張り
応力が与えられていなければ、螺旋状の磁界を形成する
ことはできない。

【００６９】図１９に示された方法に於いては、まず図
１９（Ａ）に於いて磁束線Ｂにより示されている如く磁
歪管１４が軸線Ａの周りに周方向に着磁され、次いで図
１９（Ｂ）に於いて白抜きの矢印にて示されている如く
磁歪管に軸線Ａに沿う方向の磁界が与えられ、これによ
り図１９（Ｃ）に示されている如く、磁束線Ｂが軸線Ａ
に対し傾斜した方向に偏向される。

【００７０】また図２０に示された方法に於いては、一
つ又は複数の励磁コイル４４を有するヨーク４６であっ
て、実質的にコの字形をなし互いに他に対し左右方向に
オフセットされた先端を有するヨークが使用され、ヨー
クの先端が磁歪管１４の対応する端面に対向する状態に
て励磁コイル４４に通電され、その状態にて磁歪管が軸
線Ａの周りにゆっくりと回転され、これにより図２０に
於いて磁束線Ｂにて示されている如く磁歪管が螺旋状に
着磁される。

【００７１】以上に於ては本発明を特定の実施形態につ
いて詳細に説明したが、本発明は上述の実施形態に限定
されるものではなく、本発明の範囲内にて他の種々の実
施形態が可能であることは当業者にとって明らかであろ
う。

【００７２】例えば上述の各実施形態に於いては、軸１
２は非磁性材にて形成されているが、磁歪管１４に於け
る磁歪効果の逆現象と同一の逆現象が軸に於いても発生
するよう、軸は負の磁歪定数を有する磁歪材（例えばニ
ッケル）にて形成されてもよく、その場合には図示の各
実施形態の場合よりも変換感度及び変換精度を更に一層
向上させることができる。

【００７３】また上述の各実施形態に於いては、軸１４
の外面に溝１６が形成されており、従って磁歪管の内面
に溝が形成される場合に比して溝を容易に形成すること
ができるが、溝は磁歪管の内面に形成されてもよい。

【００７４】また上述の第一の実施形態と第二の実施形
態とが組み合わされ、これにより第一又は第二の実施形
態の場合よりも変換感度及び変換精度が更に一層向上す
るよう構成されてもよい。

【００７５】更に上述の各実施形態に於ける溝や磁束線
の軸線Ａに対する傾斜角は図示の角度に限定されるもの
ではなく、他の角度に設定されてもよい。例えば第四の
実施形態に於いては、溝１６の傾斜角は約８０°である
が、この角度は任意の角度であってよく、特に図１５
（Ｂ）の合力Ｆgbの傾斜角が実質的に４５°になるよう
４５°よりも大きい角度に設定されることが好ましい。

【００７６】

【発明の効果】以上の説明より明らかである如く、本発
明の請求項１の構成によれば、磁歪管には周方向のみな
らず磁気的特性変化の検出方向である軸線方向にもプレ
ロードとして引張り応力が与えられるので、磁歪管に周
方向の引張り応力しか与えられていない従来の変換器の
場合に比して、変換器に作用するトルクに起因する軸線
方向の磁気特性の変化を大きくすると共にトルクに対す
る磁気特性の変化の関係のリニアリティを高くし、これ
により従来に比してトルク−磁気変換の感度及び精度を
高くすることができる。

【００７７】また請求項２の構成によれば、磁歪管に於
いて生じる磁歪効果の逆現象が軸に於いて軸に於いて生
じる磁歪効果の逆現象によって減殺されることを防止す
ると共に、磁歪効果の逆現象により磁歪管内に於いて発
生され又は偏向された磁束が軸を通過しこれを外部に取
り出せなくなることを確実に防止し、これによりトルク
を磁気特性の変化に確実に且つ効率的に変換させること
ができる。

【００７８】また請求項３の構成によれば、軸に残留す
る軸線方向の圧縮応力により軸にも磁歪管に発生する磁
歪効果の逆現象と同一の逆現象を発生させることがで
き、従って上記請求項２の構成の場合に比してトルク−
磁気変換の感度及び精度を更に一層高くすることができ
る。

【００７９】また請求項４乃至７の構成によれば、トル
クの大きさを判定することができるだけでなく、磁歪管
及び軸の相対回転の方向を検出することなくトルクの方
向を確実に判定することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明によるトルク−磁気変換器の第一の実施
形態を示す縦断面図（Ａ）及び側面図（Ｂ）である。

【図２】第一の実施形態の磁歪管に作用する応力を示す
ベクトル図である。

【図３】第一の実施形態に於いてプレトルクＴp とは逆
方向のトルクＴd が作用した場合に於ける応力を示すベ
クトル図である。

【図４】第一の実施形態に於いてプレトルクＴp と同一
方向のトルクＴd が作用した場合に於ける応力を示すベ
クトル図である。

【図５】第一の実施形態の変換器に適用された一つの励
磁及び検出装置を示す側面図（Ａ）及び他の一つの励磁
及び検出装置を示す縦断面図（Ｂ）である。

【図６】本発明によるトルク−磁気変換器の第二の実施
形態を示す縦断面図である。

【図７】第二の実施形態に於ける磁歪管の残留引張り応
力を示すベクトル図である。

【図８】第二の実施形態に於いて残留引張り応力Ｆgtと
同一の傾斜方向の引張り応力Ｆdtが生じるトルクＴd が
作用した場合に於ける応力を示すベクトル図である。

【図９】第二の実施形態に於いて残留引張り応力Ｆgtと
同一の傾斜方向の圧縮応力Ｆdcが生じるトルクＴd が作
用した場合に於ける応力を示すベクトル図である。

【図１０】本発明によるトルク−磁気変換器の第三の実
施形態を示す縦断面図（Ａ）、正面図（Ｂ）、側面図
（Ｃ）である。

【図１１】第三の実施形態に於いてトルクＴd が作用し
た場合に於ける応力を示すベクトル図である。

【図１２】第三の実施形態に於いて図１１の場合とは逆
方向のトルクＴd が作用した場合に於ける応力を示すベ
クトル図である。

【図１３】第三の実施形態のトルク−磁気変換器に適用
された検出装置を示す縦断面図（Ａ）及び平面図（Ｂ）
である。

【図１４】本発明によるトルク−磁気変換器の第四の実
施形態を示す縦断面図（Ａ）、正面図（Ｂ）、側面図
（Ｃ）である。

【図１５】第四の実施形態に於ける磁歪管の残留引張り
応力を示すベクトル図である。

【図１６】第四の実施形態に於いて残留引張り応力Ｆgb
と同一の傾斜方向の引張り応力Ｆdtが生じるトルクＴd
が作用した場合に於ける応力を示すベクトル図である。

【図１７】第四の実施形態に於いて残留引張り応力Ｆgb
と同一の傾斜方向の圧縮応力Ｆdcが生じるトルクＴd が
作用した場合に於ける応力を示すベクトル図である。

【図１８】本発明によるトルク−磁気変換器の第五の実
施形態を示す縦断面図（Ａ）、正面図（Ｂ）、側面図
（Ｃ）である。

【図１９】磁歪管を二回着磁することにより螺旋状に磁
界を形成する方法を示す説明図である。

【図２０】先端が互いにオフセットされたヨークを用い
て螺旋状に磁界を形成する方法を示す説明図であり、特
に（Ａ）は平断面図であり（Ｂ）は縦断面図である。

【図２１】本発明のトルク−磁気変換器の磁歪管に残留
する引張り応力を示すベクトル図である。

【図２２】プレロードがある場合（実線）及びプレロー
ドがない場合（破線）について磁歪効果を示すグラフで
ある。

【図２３】プレロードがある場合（実線）及びプレロー
ドがない場合（破線）について磁化曲線を示すグラフで
ある。

【図２４】従来の変換器に於けるトルク検出原理を示す
説明図である。

【図２５】本発明の変換器に於けるトルク検出原理を示
す説明図である。

【図２６】本発明の変換器の軸に圧縮応力が残留するこ
とを示す説明図である。

【図２７】図２５の場合とは逆方向にトルクが作用した
場合に於ける本発明の変換器のトルク検出原理を示す説
明図である。

【図２８】プレトルクＴp と同一の方向のトルクＴが作
用した場合に於ける応力を示すベクトル図である。

【図２９】プレトルクＴp とは逆方向にトルクＴが作用
した場合に於ける応力を示すベクトル図である。

【符号の説明】

１０…変換器 １２…軸 １４…磁歪管 １６…溝 １８…畝部 ２０…励磁及び検出装置 ３６…検出装置

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】軸線に沿って互いに嵌合する実質的に円柱
   状の軸及び実質的に円筒状の磁歪管を有し、前記軸の外
   面又は前記磁歪管の内面に少なくとも周方向に延在する
   溝が設けられ、前記磁歪管は正の磁歪定数を有する磁歪
   材にて形成され、前記軸に焼嵌めされているトルク検出
   装置用トルク−磁気変換器。
2. 【請求項２】請求項１のトルク検出装置用トルク−磁気
   変換器に於いて、前記軸は非磁性体にて形成されている
   ことを特徴とするトルク検出装置用トルク−磁気変換
   器。
3. 【請求項３】請求項１のトルク検出装置用トルク−磁気
   変換器に於いて、前記軸は負の磁歪定数を有する磁歪材
   にて形成されていることを特徴とするトルク検出装置用
   トルク−磁気変換器。
4. 【請求項４】請求項２又は３のトルク検出装置用トルク
   −磁気変換器に於いて、前記磁歪管と前記軸との間に前
   記軸線の周りに所定のプレトルクが与えられていること
   を特徴とするトルク検出装置用トルク−磁気変換器。
5. 【請求項５】請求項２又は３のトルク検出装置用トルク
   −磁気変換器に於いて、前記溝は前記軸線の周りに螺旋
   状に延在していることを特徴とするトルク検出装置用ト
   ルク−磁気変換器。
6. 【請求項６】請求項２又は３のトルク検出装置用トルク
   −磁気変換器に於いて、前記磁歪管は前記軸線の周りに
   周方向に着磁されていることを特徴とするトルク検出装
   置用トルク−磁気変換器。
7. 【請求項７】請求項２又は３のトルク検出装置用トルク
   −磁気変換器に於いて、前記磁歪管は前記軸線の周りに
   螺旋状に着磁されていることを特徴とするトルク検出装
   置用トルク−磁気変換器。