JPH10281899A

JPH10281899A - トルクセンサ

Info

Publication number: JPH10281899A
Application number: JP8922497A
Authority: JP
Inventors: Katsuaki Tanaka; 勝章田中; Taiji Oodate; 泰治大立; Yoichiro Kashiwagi; 陽一郎柏木
Original assignee: Toyoda Automatic Loom Works Ltd
Current assignee: Toyota Industries Corp
Priority date: 1997-04-08
Filing date: 1997-04-08
Publication date: 1998-10-23

Abstract

(57)【要約】【課題】感度の向上と小型化を両立させたトルクセン
サを提供する。【解決手段】磁歪スリーブ７が中間スリーブ６に固定
され、その中間スリーブ６がトルク測定対象のシャフト
１に固定される。磁歪スリーブ７は、磁歪材料であり、
その表面部に溝を設けることにより複数の感応セグメン
ト１１が形成されている。各感応セグメント１１は、そ
の中央部で折曲がった形状であり、それぞれ互いに同じ
形状のＡ領域およびＢ領域からなる。磁歪スリーブ７全
体では、複数の感応セグメント１１が連続して並んだ構
成であり、複数の感応セグメント１１の各Ａ領域、各Ｂ
領域がそれぞれ平行に並んでいる。各感応セグメント１
１のＡ領域およびＢ領域の長手方向は、それぞれシャフ
ト１の軸方向に対して±４５度の方向を向いている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、磁歪式のトルクセ
ンサに係わる。

【０００２】

【従来の技術】産業上の様々な分野でトルクを測定する
用途がある。たとえば、自動車分野では、電動式パワー
ステアリングシステムにおいてドライバの操舵に起因し
て発生するトルクを検出する用途や、走行時のタイヤの
回転方向のトルクを検出する用途などにおいて実用化が
進んでいる。以下では、シャフト等に加えられるトルク
を検出する例を採り上げて説明する。

【０００３】トルクを検出する手法としては、磁歪材料
を用いた磁歪式トルクセンサが知られている。磁歪材料
は、形状が歪ませられるとそれに伴ってその磁気的特性
が変化する性質を持っており、トルクを測定しようとす
る対象物（ここでは、シャフト）に固定される。そし
て、シャフトにトルクが加わると、そのシャフトに固定
されている磁歪材料の形状が変化するので、そのことに
より磁歪材料の磁気特性が変化する。したがって、磁歪
材料の磁気特性を検出することにより、シャフトに加え
られたトルクを非接触で検出できる。

【０００４】測定対象に対して固定的に設けられる磁歪
材料は、様々な形状が提案あるいは実用化されている。
たとえば、特開平１−９７８２３号公報には、図６(a)
に示すように、測定スリーブ１０１の表面部に測定区域
１０２、１０３を形成した構成が開示されている。測定
区域１０２、１０３は、測定軸の軸方向に対して±４５
度の角度をなす平行スリットがそれぞれ設けられた領域
である。また、実開昭６１−１７８４３４号公報には、
図６(b) および(c) に示すように、測定対象の軸に巻き
付けたときにその軸に対して所定の角度をなすように平
行スリットを設けた磁歪膜を形成し、その磁歪膜を軸に
巻き付けて固着する構成が開示されている。このよう
に、複数の細長い形状の磁歪材料が平行に並べられた測
定区域を１組設け、それら１組の測定区域に属する細長
い形状の磁歪材料の方向が測定軸に対して互いに角度が
異なるように構成したトルクセンサが知られている。

【０００５】なお、上記２つの公知技術のように、各測
定区域に属する細長い形状の磁歪材料の方向が測定軸に
対して互いに異なるようにして１組の測定区域を設けた
理由は、測定精度および測定感度を高めるとともに、印
加されたトルクの方向を判別するためである。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】磁歪材料を用いたトル
クセンサは、上述のような細長い形状の磁歪材料を平行
に並べた構成が一般的であるが、この場合、原理的に
は、この細長い形状の磁歪材料を長くするほど感度がよ
くなる。一方、ユーザとしては、トルクセンサを出来る
だけ小型化してほしいという要望を持っている場合が少
なくない。このように、トルクセンサの感度の向上と小
型化を両立させることは難しかった。

【０００７】本発明の課題は、感度の向上と小型化を両
立させたトルクセンサを提供することである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明のトルクセンサ
は、測定対象の軸にトルクが加わったときに第１の出力
を生成する第１の領域および第２の出力を生成する第２
の領域を有する感応部を含み、上記第１および第２の出
力に基づいて上記測定対象の軸に加わったトルクを検出
する構成を前提とする。上記感応部を磁歪材料で構成す
る。そして、その磁歪材料の表面部に上記第１の領域に
属する複数の互いに平行な領域および上記第２の領域に
属する複数の互いに平行な領域を形成する際、それら第
１および第２の領域に属する互いに対応する各領域を連
続させる。

【０００９】上記構成によれば、上記第１の領域と第２
の領域とが連続しており、その間に無駄な領域がないの
で、トルクセンサとしての感度を得るために上記第１の
領域と第２の領域の軸方向における長さを確保しなが
ら、感応部全体としては小型化が計れる。

【００１０】

【発明の実施の形態】図１は、本実施形態の磁歪式トル
クセンサの構成を示す図である。磁歪式トルクセンサ
は、測定対象（シャフト１）に取り付けられる検出部
と、検出部に励磁用の電流を供給すると共に検出部によ
って検出された検出値に基づいて測定対象に加えられた
トルクを求める励磁・演算部とからなる。検出部は、セ
ンサヘッド２、集磁ヨーク３、支持材４、ベアリング５
などから構成されている。さらに、センサヘッド２は、
中間スリーブ６と磁歪スリーブ７とから構成されてい
る。

【００１１】シャフト１は、ここでは、たとえば、自動
車のステアリング操舵をタイヤの方向制御用ギアボック
スに伝達するためのシャフトである。このシャフト１の
材質は、たとえば、構造用鋼である。

【００１２】中間スリーブ６は、その内径がシャフト１
の外径よりも僅かに大きい（同一または略同一）円筒形
状をしており、シャフト１に直接固定される。また、中
間スリーブ６は、シャフト１と同じ材質または略同一材
質で形成する。なお、中間スリーブ６はビーム溶接等に
よってシャフト１に溶接するので、その溶接を良好にす
るために、シャフト１および中間スリーブ６の材質は、
共に炭素含有量が０．５パーセント以下の構造用鋼を用
いる。

【００１３】磁歪スリーブ７は、その形状が歪ませられ
ると、その形状変化に伴って磁気特性（特に、透磁率）
が変化する磁歪材料で形成されている。磁歪材料として
は、３ｄ遷移金属系、アモルファス合金系、フェライト
系、４ｆ化合物系などが知られているが、ここでは、一
例として、機械的な強度が強い３ｄ遷移金属系を用いる
ことにする。また、磁歪スリーブ７として使用する磁歪
材料の熱膨張率がシャフト１および中間スリーブ６の熱
膨張率と同じになるように磁歪材料の組成を決める。

【００１４】磁歪スリーブ７は、その内径が中間スリー
ブ６の外径よりも僅かに大きい（同一または略同一）ま
たは圧入することを前提にわずかに小さい形状であり、
その表面部には、後述詳しく説明するが、複数の感応セ
グメントが形成されている。磁歪スリーブ７は、ビーム
溶接等により中間スリーブ６に固定される。中間スリー
ブ６に磁歪スリーブ７を固定したものがセンサヘッド２
である。なお、センサヘッド２は、検出部の一部であ
り、この検出部をシャフト１に取りつける際には、中間
スリーブ６の両端をシャフト１にビーム溶接等で固定す
る。

【００１５】集磁ヨーク３は、励磁・演算部から供給さ
れる励磁電流を流す一次コイル、および磁束の変化に起
因して発生する起電力により生成される電流を流す二次
コイルを収容する。そして、集磁ヨーク３の内側にセン
サヘッド２を収容したときに上記一次コイルおよび二次
コイルが磁歪スリーブ７の表面部の感応セグメントに重
なる位置に来るような構成となっている。支持材４は、
集磁ヨーク３を支持する部材である。集磁ヨーク３およ
び支持材４は、ベアリング５を介してセンサヘッド２に
結合される。すなわち、センサヘッド２は、集磁ヨーク
３および支持材４に対して回転可能な構造となってい
る。

【００１６】励磁・演算部は、励磁電流を生成して一次
コイルに流すとともに、二次コイルを介して流れる電流
に基づいてシャフト１に加えられたトルクを算出する。
次に、図２を参照しながら磁歪スリーブ７について説明
する。磁歪スリーブ７は、図２(a) に示すように、その
表面部に溝を設けることにより複数の表面領域を有する
構成となっている。各表面領域は、それぞれ形状が歪め
られたときに磁気特性が変化するので、「感応セグメン
ト」と呼ぶことにする。

【００１７】各感応セグメント１１は、図２(a) または
(b) に示すように、その中央部で折曲がった形状であ
り、以下では、その一方を「Ａ領域」、他方を「Ｂ領
域」と呼ぶことにする。各感応セグメント１１のＡ領域
およびＢ領域は、互いに同じ形状であり（左右対称であ
り）、それぞれ細長い板状である。また、各感応セグメ
ント１１は、磁歪スリーブ７の表面部に溝を設けること
により形成されたものであり、磁歪スリーブ７全体とし
ては、複数の感応セグメント１１が連続して並んだ構成
となっている。すなわち、磁歪スリーブ７全体として見
ると、複数の感応セグメント１１の各Ａ領域、各Ｂ領域
がそれぞれ平行に並んだ状態となっている。そして、各
感応セグメント１１のＡ領域およびＢ領域の長手方向
は、それぞれシャフト１の軸方向に対して±４５度（あ
るいは、およそ±４５度）の方向を向いている。

【００１８】図２(a) 〜(d) を参照しながら磁歪スリー
ブ７の表面部に感応セグメント１１を形成する上での好
適例を下記に示す。１．２×ｔs ≦ｔ≦１０×ｔs ・・・（１）式０．１×ｗ≦ｔs ≦０．５×ｗ・・・（２）式５×ｗ≦Ｌ≦２０×ｗ・・・（３）式ここで、「Ｌ」は、シャフト１の軸方向における磁歪ス
リーブ７の長さであり各感応セグメント１１の長手方向
の長さの代用値である。そして、「ｔ」は、磁歪スリー
ブ７の厚さ、「ｔs 」は、磁歪スリーブ７に設ける溝の
深さ（感応セグメント１１の厚さ）、「ｗ」は、感応セ
グメント１１の幅である。なお、各感応セグメント１１
の厚さｔs は、たとえば、０．３〜２．０mm程度とす
る。また、各感応セグメント１１の幅ｗは、たとえば、
１〜４mm程度とする。

【００１９】上記(1) 式は、磁歪スリーブ７自体の厚さ
とその表面部に形成する各感応セグメント１１の厚さと
の比率を規定している。左側の不等式は、磁歪スリーブ
７の厚さに対する溝の深さを制限するものである。ま
た、右側の不等式は、磁歪スリーブ７自体の厚さが厚く
なりすぎないように制限するものである。

【００２０】上記(2) 式は、各感応セグメント１１の厚
さとその幅との関係を規定するものであり、この条件お
よび上記(3) 式の条件により、各感応セグメント１１の
感度を確保しながら、各感応セグメント１１の厚さをそ
の長手方向の長さに対して十分に小さくすることにより
形状異方性を強くしている。

【００２１】上記(3) 式は、各感応セグメント１１の幅
とその長手方向の長さとの関係を規定するものである。
左側の不等式は、各感応セグメント１１の幅をその長手
方向の長さに対して十分に小さくして形状異方性を強く
するための制限である。右側の不等式は、トルクセンサ
自体が大きくならないように磁歪スリーブ７の長さを制
限している。

【００２２】上記のように、各感応セグメント１１の厚
さｔs 、および幅ｗに対してその長手方向の長さを十分
に大きくすることにより形状異方性を強くすると、見か
け上の透磁率が大きくなり、このことによってもセンサ
感度がよくなる。

【００２３】次に、図３を参照しながら上記構成のトル
クセンサの構成および動作を説明する。図３(a) は、シ
ャフト１に上記構成のトルクセンサを取り付けたときの
磁歪スリーブ７とコイルとの位置関係を模式的に示した
図である。コイル２１ａおよびコイル２１ｂは、それぞ
れ一次コイルおよび二次コイルを含み、それぞれＡ領域
およびＢ領域に対してそれらを取り囲むように設けられ
ている。なお、磁歪材料は、図３(b) に示すように、そ
の長手方向の端部領域は、反磁界の影響によりその出力
をトルクセンサとしては使用できない。従って、コイル
２１ａおよびコイル２１ｂは、磁歪スリーブ７の両端部
の周囲にまでは伸ばさない。ただし、本実施形態の構成
では、Ａ領域とＢ領域との境界付近では、反磁界の影響
が発生しないので、コイル２１ａおよびコイル２１ｂを
それぞれＡ領域とＢ領域との境界付近にまで伸ばすこと
ができる。

【００２４】上記構成において、コイル２１ａおよびコ
イル２１ｂには一定の励磁電流が流れており、磁場を発
生させている。ここで、シャフト１にトルクが加わって
いないときのＡ領域およびＢ領域の透磁率をそれぞれμ
A およびμB とする。

【００２５】シャフト１にトルクが加えられると、シャ
フト１がねじれることにより中間スリーブ６が歪み、さ
らにその中間スリーブ６の歪みによって磁歪スリーブ７
の形状に変化が生じてその磁気特性が変化する。すなわ
ち、シャフト１に加わるトルクの大きさに従って磁歪ス
リーブ７の磁気特性が変化する。ここで、Ａ領域および
Ｂ領域に属する各感応セグメント１１の長手方向は、シ
ャフト１の軸方向に対して±４５度の方向を向いている
ので、それらの透磁率は互いに逆符号に変化する。すな
わち、Ａ領域およびＢ領域の透磁率は、それぞれμA ＋
ΔμおよびμB−Δμとなる。したがって、磁歪スリー
ブ７の出力としては、Ａ領域における変化量とＢ領域に
おける変化量の差分である２Δμが得られる。

【００２６】このように、磁歪スリーブ７の磁気特性が
変化すると、一次コイルに流れる励磁電流により生じて
いる磁束が変化するので、二次コイルからは、２Δμに
対応するインダクタンスの変化が検出される。したがっ
て、励磁・演算部は、この二次コイルに流れる電流を検
出することによってシャフト１に加えられたトルクを算
出できる。

【００２７】次に、図４を参照しながら本実施形態の構
成と従来技術として採り上げた構成とを比較する。上述
したように、磁歪材料は、反磁界の影響によりその端部
領域の出力をトルクセンサとしては使用できない。従っ
て、図４(a) に示すように、本実施形態の構成であって
も、磁歪スリーブ７の両端部はトルクセンサとしては利
用できない領域であるが、Ａ領域とＢ領域との境界付近
では、磁歪材料としては端部ではなく反磁界の影響が発
生しないので、その出力をトルクセンサとして使用可能
な領域がＡ領域とＢ領域との境界付近にまで広がる。

【００２８】一方、特開平１−９７８２３号公報に開示
された構成では、図４(b) に示すように、Ａ領域および
Ｂ領域（測定区域１０２、１０３）が互いに独立してい
るので、それら各領域の両端部はそれぞれ反磁界の影響
によりその出力をトルクセンサとしては使用できない。
従って、トルクセンサとしての感度を得るために、本実
施形態の構成と同じだけ「その出力をトルクセンサとし
て使用可能な領域」を確保しようとすると、必然的に軸
方向の長さが長くなってしまう。

【００２９】また、実開昭６１−１７８４３４号公報に
開示されている構成では、図４(c)に示すように、上記
２つの領域を分離する領域を設けているので、この場合
も本実施形態と同じ感度を得ようとすると、軸方向の長
さが長くなってしまう。

【００３０】このように、本実施形態の構成によれば、
従来の構成と比べて磁歪材料を設ける領域の軸方向の長
さを短くしてもトルクセンサとして同じ感度が得られ
る。換言すれば、従来の構成と同じ大きさのトルクセン
サを構成するのであれば、その出力をトルクセンサとし
て使用可能な磁歪材料の領域が長くなるので、トルクセ
ンサとしての感度は向上する。また、トルクセンサとし
て使用可能な磁歪材料の領域が長くなると、スラスト方
向（軸方向）の位置ずれに対して強くなる。

【００３１】なお、従来の構成においてＡ領域とＢ領域
とを分離していた理由は、それら２つの領域の間での磁
気的な干渉を防ぐことであったと推定されるが、本実施
形態の構成のトルクセンサを試作して評価した結果、Ａ
領域とＢ領域とが連続していても、磁気的な干渉による
影響は殆ど問題とならない程度であった。

【００３２】さらに、本実施形態の構成によれば、各感
応セグメント１１がＡ領域からＢ領域に渡って連続して
いるので、特にその表面部において熱伝導が良好であ
り、各感応セグメント１１ごとにＡ領域とＢ領域との間
での温度差が生じにくい。このため、各感応セグメント
１１ごとにＡ領域とＢ領域との間で温度差による透磁率
の差が生じず、均一な状態でトルクを測定できるので、
その測定精度の向上に寄与する。

【００３３】また、磁歪スリーブ７の表面部に溝を形成
する工程において、Ａ領域とＢ領域とを別々に加工する
と、塑性加工による肉の盛上がりやバリが発生するた
め、その後に仕上げ加工が必要になる。ところが、本実
施形態のようにＡ領域からＢ領域に渡って溝が連続して
いると、Ａ領域とＢ領域との境界部分から溝掘りを開始
し、両外側に削りかすを押し出すように加工を進めれ
ば、塑性加工による肉の盛上がりやバリ等が残らず、仕
上げ加工が不要となる。

【００３４】なお、上記実施形態としては、磁歪スリー
ブ７の表面領域を複数の表面領域に分割した構成を示し
たが、本発明は、この構成に限定されるものではない。
すなわち、たとえば、図５に示すように、トルクセンサ
として使用しない領域については磁歪スリーブ７の表面
領域を必ずしも溝によって分割する必要はない。

【００３５】

【発明の効果】本発明によれば、測定対象の軸にあるト
ルクが加わったときに第１の出力を生成する第１の領域
と第２の出力を生成する第２の領域とを有する磁歪スリ
ーブを含むトルクセンサにおいて、それら２つの領域を
連続させたので、軸方向の長さを短くすることができ、
トルクセンサ自体の小型化が計れる。換言すれば、従来
と同じ大きさとすれば高い感度が得られるトルクセンサ
を提供できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本実施形態の磁歪式トルクセンサの構成を示す
図である。

【図２】磁歪スリーブの構成を説明する図である。

【図３】トルクセンサの構成および動作を説明する図で
ある。

【図４】本実施形態の構成と従来の構成とを比較する図
である。

【図５】本発明の他の構成の磁歪スリーブを示す図であ
る。

【図６】従来のトルクセンサの構成を示す図である。

【符号の説明】

１シャフト２センサヘッド３集磁ヨーク６中間スリーブ７磁歪スリーブ１１感応セグメント

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】測定対象の軸にトルクが加わったときに
第１の出力を生成する第１の領域および第２の出力を生
成する第２の領域を有する感応部を含み、上記第１およ
び第２の出力に基づいて上記測定対象の軸に加わったト
ルクを検出するトルクセンサであって、上記感応部は、磁歪材料で構成されており、その磁歪材
料の表面部に上記第１の領域に属する複数の互いに平行
な領域および上記第２の領域に属する複数の互いに平行
な領域を形成し、それら第１および第２の領域に属する
互いに対応する各領域を連続形成したトルクセンサ。
【請求項２】測定対象の軸にトルクが加わったときに
第１の出力を生成する第１の領域および第２の出力を生
成する第２の領域を有する感応部を含み、上記第１およ
び第２の出力に基づいて上記測定対象の軸に加わったト
ルクを検出するトルクセンサであって、上記感応部は、磁歪材料で構成されており、その磁歪材
料の表面部に溝を設けることによりその磁歪材料の表面
部に複数のセグメントを形成し、上記各セグメントの一
部領域を上記第１の領域に属させるとともに他の領域の
少なくとも一部を上記第２の領域に属させるように構成
したトルクセンサ。