JPH11132878A - トルクセンサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 励磁用コイルだけで面倒な検出方法を採らず
にトルクを検出可能とし、トルクセンサの回路構成を簡
単にする。 【解決手段】 磁歪材６はトルク検出対象であるシャフ
トに外嵌されている。励磁用コイル１０，１０は交流電
源１１により所定周波数の交流電流が流されることによ
り磁歪材６に磁束が通る磁気回路を形成する。シャフト
にトルクが発生すると磁歪材６の磁気特性が変化して電
源側から見たインピーダンスが変化し、電源１１と励磁
用コイル１０とで作られる回路の電力が増減する。各回
路における電流と電圧の各信号は乗算器１３，１４にそ
れぞれ入力される。乗算器１３，１４は電力と電圧の実
効値の積である有効電力を出力する。処理回路１５は乗
算器１３，１４からの出力値を減算処理し、トルクに応
じた信号を出力する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、回転可能に設けら
れた被検出軸のトルクを磁歪特性などの応力磁気特性を
利用して検出するトルクセンサに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、この種のトルクセンサでは、シャ
フトに応力磁気特性を有する部材を固定し、その部材に
磁束が通る磁気回路を形成するための励磁用コイルと、
シャフトのトルクに応じた応力がその部材に働いてその
透磁率が変化したときのインダクタンス変化を検出する
ための検出用コイルとを備えていた（例えば特開平５−
１１８９３８号公報、特開昭５９−７７３２６号公報
等）。トルクセンサには、歪み−磁気特性を利用する磁
歪式や、応力−磁気特性を利用するインダクタンス式が
ある。

【０００３】例えば磁歪式のトルクセンサは、図８に示
すように構成されていた。ハウジング５１内にベアリン
グ５２を介して回転可能に支持されたシャフト５３は、
その外周面に歪み−磁気特性を有する磁歪材５４が外嵌
された状態にある。ハウジング５１内には略円筒状のヨ
ーク５５が、その内周面が磁歪材５４の外周面と所定ギ
ャップで対向する状態に配置されている。ヨーク５５に
はその内周面側に励磁用コイル５６および検出用コイル
５７が組付けられている。励磁用コイル５６に交流電流
を流すことにより、磁束がヨーク５５→磁歪材５４→ヨ
ーク５５を通る磁気回路が形成される。

【０００４】磁歪材５４の外周面は軸線方向に対して４
５°と−４５°に延びる多数の切溝５４ａをそれぞれ有
する２つの領域に分かれており、シャフト５３にトルク
が発生すると、２つの領域には一方に引張力、他方に圧
縮力が働く。そして、磁歪材の各領域における透磁率が
このときの歪みに応じて変化し、その透磁率の変化によ
って磁歪材を通る磁束が変化する。各検出用コイル５７
には磁歪材の各領域における磁束の変化に応じた起電力
が誘導される。

【０００５】図９は、トルクセンサの電気的構成を示
す。励磁用コイル５６は交流電源５８に接続されてい
る。検出用コイル５７はコントローラ５９内の処理回路
６０およびＡ／Ｄ変換器６１を介してマイクロコンピュ
ータ６２内のＣＰＵ６３に接続されている。処理回路６
０では両検出用コイル５７から入力した各誘導起電力が
差動回路で減算され、その減算した信号を整流回路（い
ずれも図示せず）等で整流してＡ／Ｄ変換器６１を介し
てＣＰＵ６３に入力される。ＣＰＵ６３では入力した電
圧レベルに基づいてトルクが求められる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】ところで、シャフト５
３にトルクが働いたときには磁歪材５４の透磁率の変化
によって、検出用コイル５７の電圧変化だけでなく励磁
用コイル５６のインダクタンス、つまり電源側から見た
インピーダンスも変化する。このインピーダンス変化は
励磁用コイル５６を流れる交流電流と交流電圧との位相
差φの変化として現れる。このため、この位相差φの変
化を検出する方法を採用すれば、励磁用コイル５７だけ
でトルクを検出することは可能で、トルクセンサの部品
点数の低減を図ることができる。しかし、位相差φを検
出するためには複雑な回路が必要になり、トルクセンサ
の回路構成の複雑化による大型化や製造コストアップが
問題になる。このため、従来、励磁用コイル５６とは別
に検出用コイル５７を備えざるを得なかった。

【０００７】本発明は上記問題点を解消するためになさ
れたものであって、その第１の目的は、励磁用コイルを
備えるだけで面倒な検出方法を採らなくても比較的簡単
な回路構成でトルク検出ができるトルクセンサを提供す
ることにある。第２の目的は、直流を扱うだけで交流の
ような時間変化を考慮せず比較的簡単にトルク検出を可
能にすることにある。第３の目的は、トルク検出に必要
なデータをデジタル回路で検出することにより、アナロ
グ回路を使用する場合に必要な面倒な調整作業を不要に
することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記第１の目的を達成す
るために請求項１に記載の発明では、トルクセンサにお
いて、被検出軸に固定された磁気特性を有する磁性体
と、前記磁性体を通る磁束を発生させるためのコイル
と、前記コイルに電流を流すための電源と、前記電源と
前記コイルとで作られる回路の電力、または前記コイル
に流れる交流電流と該コイルに印加される交流電圧との
時間的な位相差を検出し、該検出値に基づいてトルクに
応じた信号を出力する検出手段とを備えている。

【０００９】第２の目的を達成するために請求項２に記
載の発明では、請求項１に記載の発明において、前記電
源は直流電源であって、該直流電源から供給される直流
電流を交流電流に変換して前記コイルに出力するインバ
ータを備え、前記検出手段は前記直流電源と前記インバ
ータとの間の直流段における電流と電圧の各信号を入力
して電力に応じた信号を出力する直流用の電力検出手段
を備えている。

【００１０】請求項３に記載の発明では、請求項１に記
載の発明において、前記電流は交流電源であって、前記
検出手段は前記コイルに流れる交流電流の検出信号と、
該コイルの端子間電圧の検出信号とを入力して電力に応
じた信号を出力する交流用の電力検出手段を備えてい
る。

【００１１】請求項４に記載の発明では、請求項２又は
請求項３に記載の発明において、前記電力検出手段は、
前記電流と前記電圧の各信号を入力して電力値を出力す
る乗算器であり、前記検出手段は該乗算器の出力値をト
ルクに応じた信号に変換する変換手段を備えている。

【００１２】第３の目的を達成するために請求項５に記
載の発明では、請求項１に記載の発明において、前記検
出手段は、前記コイルに流れる交流電流の信号と、該コ
イルに印加される交流電圧の信号とを入力して、両入力
信号の時間的な位相差をデジタル処理で計測する計時手
段を備え、該計時手段により計測された前記位相差に基
づきトルクに応じた信号を出力するようにした。

【００１３】請求項６に記載の発明では、請求項５に記
載の発明において、前記検出手段は、前記計時手段によ
り計測された前記位相差を用いて電力を求め、該電力に
基づいてトルクに応じた信号を出力するようにした。

【００１４】（作用）従って、請求項１に記載の発明に
よれば、電源によりコイルに電流が流れると、磁性体を
磁束が通る磁気回路が形成される。被検出軸にトルクが
発生すると、磁性体がそのトルクによって応力を受けた
り、あるいは歪みが生じたりして、その磁気特性が変化
する。この結果、電源側から見たインピーダンスが変化
するので、コイルを流れる電流とその端子間の電圧との
位相差が変化し、結果として電源とコイルとで作られる
回路の電力が被検出軸のトルクに応じて変化することに
なる。検出手段は、前記回路の電力を検出してその電力
に基づいてトルクに応じた信号を出力する。このため、
電流と電圧との位相差の検出をせずに、コイル１つでト
ルクを検出することが可能になる。

【００１５】請求項２に記載の発明によれば、直流電源
からの直流電流がインバータにより変換された交流電流
がコイルに出力され、コイルには交流電流が流れる。検
出手段は直流電源とコイルとで作られる回路のうち直流
電源とインバータとの間の直流段における直流と電圧と
を入力して電力を求め、電力に応じた信号を出力する。
従って、検出手段は交流のように時間軸を考慮すること
なく簡単な回路構成で電力を求めることが可能になる。

【００１６】請求項３に記載の発明によれば、交流電源
から出力された交流電流がコイルには流れる。検出手段
はコイルに流れる交流電流とコイルの端子間の交流電圧
とを入力して有効電力を求め、有効電力に応じた信号を
出力する。

【００１７】請求項４に記載の発明によれば、電流と電
圧は、検出手段に備えられた乗算器に入力され、乗算器
からは電力が出力される。乗算器の出力値は変換手段に
よりトルクに応じた信号に変換される。

【００１８】請求項５に記載の発明によれば、コイルに
流れる交流電流の信号と、コイルに印加される交流電圧
の信号とを入力した計時手段により、デジタル処理によ
って両入力信号の時間的な位相差が計測される。検出手
段からはその時間的な位相差に基づいてトルクに応じた
信号が出力される。時間的な位相差を検出する計時手段
がデジタル回路なので、面倒な調整作業を不要にするこ
とができる。

【００１９】請求項６に記載の発明によれば、検出手段
は、計時手段により計測された時間的な位相差を用いて
電力を求め、その電力に基づいてトルクに応じた信号を
出力する。

【００２０】

【発明の実施の形態】

（第１実施形態）以下、本発明を具体化した第１実施形
態を図１〜図３に従って説明する。

【００２１】図１はトルクセンサ１が組付けられた部分
におけるシャフト構造の断面図である。被検出軸として
のシャフト２は、略円筒状のハウジング３の内部に挿通
された状態でベアリング４を介して回転可能に支持され
ている。シャフト２にはスリーブ５を介して磁性体とし
ての磁歪特性を有する円筒状の磁歪材６が外嵌されてい
る。磁歪材６はスリーブ５を介してシャフト２に対して
一体回転可能に溶接されている。

【００２２】磁歪材６は磁気歪み効果を有するものであ
って、パーマロイ、鉄・ニッケル・クロム合金、恒弾性
材（商品名；Ｎｉ SpanＣ（日立金属製））等の高透磁
率軟磁性材料が使用され、芯材に磁歪膜を形成してな
る。磁歪材８の表面（磁歪膜領域）は、軸線方向に４５
と−４５°をなす多数の切溝６ａがそれぞれ周方向に等
間隔に形成され、２つの被検出領域Ａ，Ｂが形成されて
いる。なお、磁歪材６には、鉄−アルミニウム系の磁歪
材料、アモルファス磁歪材料を使用することもできる。

【００２３】ヨーク７はその両端部に嵌合された２つの
略円筒状の支持材８に嵌入された２つのベアリング９を
介してシャフト２に対して相対回転可能に設けられてい
る。ヨーク７の内周面には磁歪材６の各被検出領域Ａ，
Ｂと対向する位置に２つの凹部が形成され、各凹部にコ
イルとしての励磁用コイル１０が周方向に巻回された状
態で組付けられている。ヨーク７はシャフト２に支持さ
れているため、シャフト２がハウジング３に対して偏心
していても、ヨーク７と磁歪材６との軸心が一致し易
い。

【００２４】図２はトルクセンサ１の電気的構成を示
す。励磁用コイル１０は電源としての交流電源１１に接
続されている。交流電源１１から励磁用コイル１０に所
定周波数（Ｈｚ）の交流電流を流す制御はコントローラ
１２が行う。交流電源１１と励磁用コイル１０とで作ら
れる回路には、コントローラ１２内に設けられた２つの
交流用の乗算器１３，１４が接続されている。乗算器１
３，１４の２つの入力端子には、励磁用コイル１０,１
０を流れる交流電流ｉおよび各励磁用コイル１０,１０
の端子間に印加された交流電圧ｖに応じた値の各信号が
それぞれ入力される。なお、乗算器１３，１４により交
流用の電力検出手段が構成される。

【００２５】乗算器１３，１４は２つの入力端子から入
力された各入力値Ｘ，Ｙの実効値の積算値Ｚに相当する
有効電力をその出力端子から出力する。つまり、乗算器
１３，１４の出力端子からは交流電源１１と励磁用コイ
ル１０とで作られる回路の有効電力が出力される。各乗
算器１３，１４の出力端子からの出力値は、検出手段を
構成するとともに変換手段としての処理回路１５に入力
される。なお、乗算器１３，１４および処理回路１５に
より検出手段が構成される。

【００２６】ここで、有効電力Ｐは交流電流Ｉと交流電
圧Ｖとを用いて、Ｐ＝Ｉ・Ｖ・ｃｏｓφ の関係が成立
する（但し、Ｉ，Ｖは実効値）。シャフト２にトルクが
働いて磁歪材６の２つの被検出領域Ａ，Ｂにおける歪み
に応じて磁束が変化すると、電源側から見たインピーダ
ンスＺが変化することになる。このインピーダンスＺの
変化は、交流電流Ｉと交流電圧Ｖとの位相差φの変化と
して現れる。つまり、インピーダンスＺの変化が電力Ｐ
の増減として現れることになる。処理回路１５は、乗算
器１３，１４から入力した各電力値に基づいてトルクに
応じた信号に変換する。

【００２７】処理回路１５では乗算器１３，１４から入
力した各電力値が差動回路（図示せず）で減算される。
処理回路１５からの出力値はＡ／Ｄ変換器１６を介して
マイクロコンピュータ１７内のＣＰＵ１８に入力され
る。ＣＰＵ１８では入力した信号レベルに基づいてトル
クの向きおよび大きさが計算される。

【００２８】次に、トルクセンサ１の動作を説明する。
励磁用コイル１０に所定周波数の交流電流が流れると
き、磁歪材６の２つの被検出領域Ａ，Ｂには、多数の切
溝６ａに挟まれた各領域を軸線方向に対して４５°また
は−４５°の方向に磁束が通る２種類の磁気回路がヨー
ク７→磁歪材６→ヨーク７の経路で形成される。

【００２９】シャフト２にトルクが働いたとき、その際
の回転方向に応じて２つの被検出領域Ａ，Ｂには一方に
圧縮力が他方に引張力が作用する。磁歪材６は、引張力
が作用すると透磁率が大きくなり、圧縮力が作用すると
透磁率が小さくなる。このため、電源側から見たインピ
ーダンスＺは、引張力が働いた被検出領域を検出する側
で大きく、圧縮力が働いた被検出領域を検出する側で小
さくなる。このため、例えば歪みεがないとき（ε＝
０）の電流Ｉと電圧Ｖの位相差φ＝φoに対し、正の歪
みε＞０（引張時）のときは位相差φが遅れて例えばφ
＝φo＋θになり、負の歪みε＜０（圧縮時）のときは
位相差φが進んで例えばφ＝φo−θ（但し、θ＞０）
になる。

【００３０】よって、各乗算器１３，１４からの出力値
は、Ｐ１＝Ｉ・Ｖ・ｃｏｓ（φo＋θ）と、Ｐ２＝Ｉ・
Ｖ・ｃｏｓ（φo−θ）になる。処理回路１５では、Ｐ
１−Ｐ２の減算処理がなされ、この減算処理後の信号が
Ａ／Ｄ変換器１６を介してＣＰＵ１８に入力される。Ｃ
ＰＵ１８にはそのＲＯＭ（図示せず）に磁歪材６に歪み
がないときに相当するトルク「０」時の零レベルが予め
設定されており、ＣＰＵ１８は入力レベルが零レベルに
対して正負どちら側にどれだけの値をとるかをみること
で、トルクの向きと大きさを計算する。

【００３１】以上詳述したようにこの実施形態によれ
ば、励磁用コイル１０と交流電源１１とで作られる回路
の電力の変化をみることでトルクを検出するので、励磁
用コイル１０だけで足り、従来必要であった検出用コイ
ルを無くすことができる。また、電力の変化をみるだけ
なので、面倒な位相差φの検出を不要にでき、簡単な検
出方法を採用することができ、そのための回路構成が簡
単で済む。

【００３２】（第２実施形態）次に本発明を具体化した
第２実施形態を図３に従って説明する。この実施形態
は、直流電源を使用し、直流を交流に変換するインバー
タを用いた例である。なお、この実施形態では、前記第
１実施形態と電気的構成が異なるだけなので、同じ部分
については同じ符号を付してその説明を省略し、特に異
なる部分について詳しく説明する。

【００３３】図３に示すように、励磁用コイル１０，１
０は、電源としての直流電源２０からの直流電流を所定
周波数の交流に変換するインバータ２１，２２にそれぞ
れ接続されている。直流電源２０と励磁用コイル１０，
１０とで作られる各回路には、直流電源２０からインバ
ータ２１，２２までの直流段において、コントローラ１
２内に設けられた２つの直流用の乗算器２３，２４がそ
れぞれ接続されている。乗算器２３，２４は２つの入力
端子からの各入力値Ｘ，Ｙを積算し、その出力端子から
積算値Ｚ（＝Ｘ・Ｙ）を出力する。なお、乗算器２３，
２４により直流用の電力検出手段が構成される。

【００３４】本実施形態では、２つの乗算器２３，２４
の各入力端子には、前記直流段における直流電流Ｉおよ
び直流電圧（定電圧）Ｖに応じた値の各信号がそれぞれ
入力される。よって、各乗算器２３，２４の出力端子か
らは前記直流段における電力に応じた値が出力される。
乗算器２３，２４の出力値は、検出手段を構成するとと
もに変換手段としての処理回路２５に入力される。な
お、乗算器２３，２４および処理回路２５により検出手
段が構成される。

【００３５】ここで、電力Ｐは直流電流Ｉと直流電圧Ｖ
とを用いて、Ｐ＝Ｉ・Ｖ の関係が成立する。シャフト
２にトルクが働いて磁歪材６の２つの被検出領域Ａ，Ｂ
における歪みに応じて磁束が変化すると、電源側から見
たインピーダンスＺが変化することになる。このインピ
ーダンスＺの変化は、インバータ２１，２２と励磁用コ
イル１０，１０との間の交流段における交流電流ｉと交
流電圧ｖとの位相差φの変化として現れる。つまり、交
流段における電力の変化として現れる。この交流段にお
ける電力変化が直流段における電力Ｐの変化を引き起こ
すので、直流段における電力ＰがインピーダンスＺの変
化に応じて増減することになる。処理回路１５は、直流
段における電力Ｐの増減からトルクに応じた信号に変換
する処理を行う。

【００３６】処理回路２５では各乗算器２３，２４から
入力した電力値が差動回路（図示せず）で減算され、そ
の減算した信号をＡ／Ｄ変換器１６を介してマイクロコ
ンピュータ１７内のＣＰＵ１８に入力される。ＣＰＵ１
８では入力した信号レベルに基づいてトルクの向きおよ
び大きさが計算される。

【００３７】次に、トルクセンサ１の動作を説明する。
励磁用コイル１０に所定周波数の交流電流が流れると
き、磁歪材６の２つの被検出領域Ａ，Ｂには、多数の切
溝６ａに挟まれた各領域に沿って磁束が軸線方向に対し
て４５°または−４５°の方向に通る２種類の磁気回路
がヨーク７→磁歪材６→ヨーク７の経路で形成される。

【００３８】シャフト２にトルクが働いたとき、その際
の回転方向に応じて２つの被検出領域Ａ，Ｂには一方に
圧縮力が他方に引張力が作用する。磁歪材６は、引張力
が作用すると透磁率が大きくなり、圧縮力が作用すると
透磁率が小さくなる。このため、電源側から見たインピ
ーダンスＺは、引張力が働いた被検出領域を検出する側
で大きく、圧縮力が働いた被検出領域を検出する側で小
さくなる。

【００３９】このため、例えば歪みεがないとき（ε＝
０）の電流ｉと電圧ｖの位相差φ＝φoに対し、正の歪
みε＞０（引張時）のときは位相差φが遅れて例えばφ
＝φo＋θになり、負の歪みε＜０（圧縮時）のときは
位相差φが進んで例えばφ＝φo−θ（但し、θ＞０）
になる。よって、交流段における電力が変化することに
なり、これに伴い直流段における電力が変化する。この
実施形態では、電圧Ｖが定電圧であるため、電源側のイ
ンピーダンスＺの変化が直流電流Ｉの変化となって現れ
る。インピーダンスＺが大きくなると直流電流Ｉが小さ
くなって例えばＩ＝Ｉ−αとなり、インピーダンスＺが
小さくなると直流電流Ｉが大きくなって例えばＩ＝Ｉ＋
α（但し、α＞０）となる。

【００４０】よって、乗算器２３，２４からの各出力値
は、Ｐ３＝（Ｉ−α）・Ｖと、Ｐ４＝（Ｉ＋α）・Ｖに
なる。処理回路２５では、Ｐ３−Ｐ４の減算処理がなさ
れ、この減算処理後の信号がＡ／Ｄ変換器１６を介して
ＣＰＵ１８に入力される。ＣＰＵ１８にはそのＲＯＭ
（図示せず）に磁歪材６に歪みがないときに相当するト
ルク「０」時の零レベルが予め設定されており、ＣＰＵ
１８は入力レベルが零レベルに対して正負どちら側にど
れだけの値をとるかをみることで、トルクの向きと大き
さを計算する。

【００４１】以上詳述したようにこの実施形態によれ
ば、次の効果が得られる。 （１）励磁用コイル１０と直流電源２０とで作られる回
路の電力の変化をみることでトルクを検出するので、励
磁用コイル１０だけで足り、従来必要であった検出用コ
イルを無くすことができる。また、電力の変化をみるだ
けなので、面倒な位相差φの検出を不要にでき、簡単な
検出方法を採用することができ、そのための回路構成が
簡単で済む。

【００４２】（２）直流段における電力の変化をみてト
ルクを求めるので、電力を求める際に使用する回路を、
交流用のように時間変化を考慮する必要がなく、第１実
施形態に比べ一層簡素化できる。

【００４３】（第３実施形態）次に本発明を具体化した
第３実施形態を図３に従って説明する。この実施形態
は、交流電源と励磁用コイルによって作られる各回路の
電圧と電流の検出信号を用いて、電圧と電流の位相差φ
を計測し、位相差φから求めた電力の変化を調べてトル
クを検出するものである。なお、この実施形態では、前
記第１実施形態と電気的構成が異なるだけなので、同じ
部分については同じ符号を付してその説明を省略し、特
に異なる部分について詳しく説明する。

【００４４】図２はトルクセンサ１の電気的構成を示
す。トルクセンサ１は、励磁用コイル１０と交流電源１
１とで作られる２つの回路３１，３２と、各回路３１，
３２における電圧ｖと電流ｉの検出信号からトルクに応
じた信号を生成するための検出手段としての処理回路３
３とを備える。処理回路３３には、各回路３１，３２毎
に用意された計時手段としての２つの計時回路３４，３
５と、中央処理装置（以下、ＣＰＵという）３６と、Ｒ
ＯＭ（読取専用メモリ）３７と、ＲＡＭ（読取書込み可
能メモリ）３８と、出力ポート３９が備えられている。

【００４５】２つの計時回路３４，３５は同じ回路構成
で、各回路３１，３２の電圧ｖ１，ｖ２を検出した信号
を非反転入力端子に入力する比較器４０，４１と、各回
路３１，３２の電流ｉ１，ｉ２を検出した信号を非反転
入力端子に入力する比較器４２，４３と、Ｎ進数のカウ
ンタ４４，４５およびＭビットのラッチ４６，４７をそ
れぞれ備える。

【００４６】４つの比較器４０〜４３の基準電圧は「０
ボルト」である。よって、各比較器４０，４１からは図
５に示すように入力元の回路の電圧ｖと同じ位相をもつ
矩形波信号（電圧信号）Ｓvがそれぞれ出力端子から出
力される。また、各比較器４２，４３からは図５に示す
ように入力元の回路の電流ｉと同じ位相をもつ矩形波信
号（電流信号）Ｓiがそれぞれ出力端子から出力され
る。デジタル信号である電圧信号Ｓvと電流信号Ｓiとの
立ち上がりの時間差は、電圧ｖと電流ｉの時間的な位相
差（位相ずれ）Δｔに等しい。

【００４７】カウンタ４４，４５は、ＣＰＵ３６に内蔵
されたクロック発生回路（図示せず）から周波数ｆo
（例えばｆo＝１〜１０ＭＨｚ）の標準クロック信号Ｃ
ＬＫをＣＫ端子に入力し、ＳＴ端子において比較器４
０，４１の出力端子と接続されている。カウンタ４４，
４５は、ＳＴ端子から入力される信号がＨレベルに立ち
上がると、標準クロック信号ＣＬＫのパルス数の計数を
開始し、その入力信号がＬレベルに立ち下がるとリセッ
トされる。

【００４８】ラッチ４６，４７は、ＳＴ端子から入力す
る信号がＨレベルに立ち上がると、カウンタ４４，４５
からその時の計数データ（カウント値）を入力して保持
（ラッチ）する。よって、ラッチ４６，４７には、図５
に示すように電圧ｖと電流ｉの時間的な位相差Δｔに相
当するカウント値ｎの計数データが保持される。各ラッ
チ４６，４７はＣＰＵ３６に接続されている。

【００４９】ＲＯＭ３７にはトルク演算処理のためのプ
ログラムデータが記憶されている。ＣＰＵ３６はこのプ
ログラムデータを使って所定時間間隔毎にトルク演算処
理を実行する。また、ＲＯＭ３７には計数データｎから
算出した位相差φをｃｏｓφに変換するためのデータ変
換テーブルが記憶されている。

【００５０】プログラムデータの内容を図６に示す。ま
ずステップ１０では、各ラッチ４６，４７に保持された
計数データｎ１，ｎ２を取得する。ステップ２０では、
式φ＝（２πｆ／ｆo）・ｎ の関係式を用いて各回路
における電圧ｖと電流ｉの位相差φ１，φ２を計算す
る。ここで、ｆは交流電源１１の周波数（例えば１０〜
５０ｋＨｚ）、ｆoは標準クロック信号ＣＬＫの周波数
である。ステップ３０では、データ変換テーブルを使っ
て位相差φからcosφを求める。

【００５１】ステップ４０では、式 Ｐ＝ＶＩcosφ
の関係式を用いて各回路３１，３２の電力Ｐ１，Ｐ２を
計算する。ステップ５０では、電力差ΔＰ＝Ｐ１−Ｐ２
を計算する。ステップ６０では、電力差ΔＰからこれに
比例するトルク検出値Ｔを計算する。式 Ｔ＝ｋ・ΔＰ
（但し、ｋは比例定数）を用いる。ＣＰＵ３６はトル
ク検出値Ｔに相当する検出信号Ｓtを出力ポート３９に
出力する。検出信号Ｓtはトルクの向きと大きさを知る
ことができる値の信号である。なお、各回路３１，３２
の電力差ΔＰをとるのは、トルクに応じて変化する各電
力の変化分の絶対値の和を使うことでトルク検出感度を
高めるためである。

【００５２】次に、このトルクセンサ１の動作を説明す
る。２つの励磁用コイル１０に周波数ｆの交流電流が流
れることによって、磁歪材６の２つの被検出領域Ａ，Ｂ
には２種類の磁気回路が軸線方向に対してそれぞれ４５
°と−４５°の方向に磁束が通るように形成される。

【００５３】シャフト２にトルクが働いたとき、その際
の回転方向に応じて２つの被検出領域Ａ，Ｂには一方に
圧縮力が他方に引張力が作用する。磁歪材６は、引張力
が作用すると透磁率が大きくなり、圧縮力が作用すると
透磁率が小さくなる。このため、電源側から見たインピ
ーダンスＺは、引張力が働いた被検出領域を検出する側
で大きく、圧縮力が働いた被検出領域を検出する側で小
さくなる。

【００５４】このため、シャフト２にトルクによる歪み
εがないとき（ε＝０）の電流ｉと電圧ｖの位相差φ＝
φoに対し、正の歪みε＞０（引張時）のときは位相差
φが遅れて例えばφ＝φo＋θになり、負の歪みε＜０
（圧縮時）のときは位相差φが進んで例えばφ＝φo−
θ（但し、θ＞０）になる。つまり、電源側のインピー
ダンスＺの変化が位相差φの変化となって現れる。

【００５５】この実施形態では、各回路３１，３２毎の
電圧ｖと電流ｉの時間的な位相差Δｔが計時回路３４，
３５により計測される。すなわち、比較器４０，４１か
ら各電圧ｖ１，ｖ２と同位相でそれぞれ出力される各電
圧信号Ｓvが立ち上がった時点を始点とし、カウンタ４
４，４５では計数が開始される。そして、比較器４２，
４３から各電流ｉ１，ｉ２と同位相でそれぞれ出力され
る各電流信号Ｓiが立ち上がった時点におけるカウンタ
４４，４５のカウント値ｎ１，ｎ２が各ラッチ４６，４
７に保持（ラッチ）される。つまり、ラッチ４６には回
路３１における電圧ｖ１と電流ｉ１の位相差Δｔが計数
データｎ１として保持され、ラッチ４７には回路３２に
おける電圧ｖ２と電流ｉ２の位相差Δｔが計数データｎ
２として保持される。

【００５６】所定時間間隔毎に図６のプログラムデータ
を実行するＣＰＵ３６は、各ラッチ４６，４７から各計
数データｎ１，ｎ２を取得する（Ｓ１０）と、ステップ
２０〜ステップ６０の処理を実行し、各データｎ１，ｎ
２を使ってトルク検出値Ｔを算出する。すなわち、各計
数データｎ１，ｎ２を使って位相差φ１，φ２を計算し
（Ｓ２０）、各位相差φ１，φ２を使って各回路３１，
３２の電力Ｐ１，Ｐ２を求める（Ｓ３０，Ｓ４０）。そ
して、電力Ｐ１，Ｐ２の差ΔＰを求め（Ｓ５０）、この
電力差ΔＰからトルク検出値Ｔを求める（Ｓ６０）。Ｃ
ＰＵ３６はトルク演算処理で得られたトルク検出値Ｔを
データとしてもつトルク検出信号Ｓｔを出力ポート３９
に出力する。従って、出力ポート３９に接続された信号
線を通じて、シャフト２のトルクを検出したトルク検出
信号が、外部の制御回路などに出力される。

【００５７】以上詳述したようにこの実施形態によれ
ば、次の効果が得られる。 （１）励磁用コイル１０と交流電源１１とで作られる回
路３１，３２の電力の変化をみることでトルクを検出す
るので、励磁用コイル１０だけで足り、従来必要であっ
た検出用コイルを無くすことができる。また、位相差φ
から電力を求める方法を採ったが、位相差Δｔを計測す
る計時回路３４，３５が簡単な構成であるため、位相差
φを使ってもトルクセンサ１の回路構成が簡単で済む。

【００５８】（２）ＣＰＵ３６で使用するデータを得る
ための処理をする前段の回路（計時回路３４，３５）が
デジタル回路なので、アナログ回路を使用したときに必
要となる面倒な調整作業を不要にできる。

【００５９】なお、実施形態は、上記に限定されず以下
のように実施してもよい。 ○ 第３の実施形態において、電力を実際に演算しなく
てもよい。例えば図７に示すように、ＣＰＵ３６に替
え、減算器４８を採用する。各カウンタ４４，４５へ標
準クロック信号ＣＬＫを出力するクロック発生回路４９
は別途設ける。減算器４８では計数データｎ１，ｎ２が
減算され、Δｎ（＝ｎ１−ｎ２）のデータが出力ポート
３９に出力される。このΔｎは、各回路３１，３２のう
ち位相に遅れの出た側における位相遅れ時間Δｔ１と、
位相に進みの出た側における位相進み時間Δｔ２の和に
相当するカウント値であり、シャフト２に加えられたト
ルクの値と一義的な関係にある。このため、Δｎをトル
ク検出信号とすることもできる。また、図７に示すよう
にトルクセンサ１の出力ポート３９に信号線を通じて接
続された外部のマイクロコンピュータ５０において、そ
の入力値Δｎのデータを使ってトルク検出値Ｔを求める
ようにしてもよい。例えば図６に示すプログラムデータ
をマイクロコンピュータ５０に実行させることで、外部
のマイクロコンピュータ５０に電力計算をさせる方式を
採用することもできる。この場合、例えばΔｎ／２をｎ
１，ｎ２として使用する。

【００６０】また、第３の実施形態において、トルクと
Δｎとの関係を予め実験で求めた関係式やテーブルをＲ
ＯＭ３７に記憶させておき、ｎ１，ｎ２を減算して得た
Δｎのデータからこれらの関係式やテーブルを用いて、
電力を実際に計算することなくトルク検出値を求めるよ
うにしてもよい。さらに図７の処理回路において減算器
４８を無くし、２つのラッチ４６，４７のデータｎ１，
ｎ２をそのまま出力ポート３９に出力するトルクセンサ
とし、マイクロコンピュータ５０に例えば図６に示すプ
ログラムデータを実行させる方式にすることもできる。
要するに位相差からトルク値は一義的に決まるので、ト
ルク値と一義的な関係にある値であれば位相差のデータ
をどのように加工しても構わない。但し、なるべくなら
トルクセンサから複数の検出信号を出力させるのではな
く、トルク値を一義的に決め得る１種類の検出信号を出
力するトルクセンサとすることが望ましい。

【００６１】○ 第２の実施形態において、電圧が一定
であれば、電力の変化でなく直流電流Ｉの変化をみるこ
とでトルクを検出するようにしてもよい。すなわち、直
流段における直流電流Ｉに応じた電圧値を有する電流信
号を処理回路に入力し、処理回路では、電流信号値を減
算する。処理回路の出力はＡ／Ｄ変換回路を介してＣＰ
Ｕに入力される。ＣＰＵは零レベルに対する入力値のレ
ベルをみることでトルクの向きおよびトルク値を計算す
る。この構成によれば乗算器が不要になる。但し、直流
電源（例えばバッテリ）の容量変動等によって電圧変動
が起こり得る場合は、前記第２の実施形態の構成に比べ
検出精度が落ちる場合がある。

【００６２】○ 第２の実施形態において交流段におけ
る交流電流ｉと交流電圧ｖとを交流用の乗算器に入力し
て、第１実施形態と同様に有効電力をみることで、トル
クを求めるようにしてもよい。

【００６３】○ 前記第１及び第２の実施形態におい
て、２つの乗算器からの各出力値をＡ／Ｄ変換器を介し
てＣＰＵに入力し、ＣＰＵにおいて減算処理をする構成
としてもよい。

【００６４】○ 前記第３の実施形態において、比較器
４０〜４３の出力信号は、電圧ｖや電流ｉと必ずしも同
位相である必要はない。時間的な位相差Δｔと一義的な
関係にある計数データが得られればよい。例えば比較器
の基準電圧を０ボルト以外の値としてもよい。

【００６５】○ 前記第３の実施形態において、位相差
φを計測するのにＰＬＬ（フェイズド・ロックド・ルー
プ）を使用してもよい。 ○ 前記各実施形態では、１つの磁歪材６に対して励磁
用コイルを２つ設けた構成としたが、１つの磁歪材と１
つの励磁用コイルとからなる構成を採用してもよい。精
度が要求されない場合は、一つのコイルでもトルクは検
出できる。

【００６６】○ 磁歪式のトルクセンサに限定されな
い。インダクタンス式のトルクセンサにおいて、実施す
ることもできる。 ○ 励磁用コイルを流れる交流は矩形波でも正弦波でも
ＰＷＭ波でも周波数を有する交流であればよい。第１及
び第３の実施形態において交流電源を、直流電源とイン
バータとの組合せで構成することもできる。

【００６７】○ 磁歪材６をその表面に切溝６ａのない
平滑スリーブとし、平滑スリーブをクロスヘッド型ピッ
クアップで検出する構成のトルクセンサにおいて実施し
てもよい。

【００６８】前記各実施形態から把握される請求項に係
る発明以外の技術的思想をその効果とともに以下に記載
する。 （１）請求項２に係る発明において、前記直流電源は定
電圧であって、前記検出手段は直流段の直流電流の変化
をみてトルクを検出する。この構成によれば、乗算器を
無くすことができる。

【００６９】（２）請求項１〜６のいずれかにおいて、
前記磁性体は前記被検出軸にトルクが働いたときに磁束
が増加する領域と、磁束が減少する領域とを備え、該各
領域を磁束が通るにように前記コイルは２つ設けられて
おり、前記検出手段は前記各コイルが作る２つの回路の
電力の差、または該２つの回路における交流電圧と交流
電流との前記位相差の差に基づいてトルクを求めてい
る。この構成によれば、トルクの検出感度を高くでき
る。

【００７０】（３）請求項５又は請求項６において、前
記計時手段は、前記交流電圧と前記交流電流の各信号を
それぞれ入力し、両入力信号の時間的な位相差に応じた
タイミングで立ち上がりまたは立ち下がる矩形波信号を
それぞれ出力する２種類の比較器と、前記２種類の比較
器から出力される各々の矩形波信号の立ち上がりまたは
立ち下がりの間の前記位相差に応じた時間を計数する計
数手段とを備えている。なお、カウンタ４４，４５およ
びラッチ４６，４７により計数手段が構成される。この
構成によれば、請求項５又は６に記載の発明と同様の効
果が得られる。

【００７１】（４）前記（３）において、前記計数手段
は、前記２種類の比較器のうち一方の出力信号を入力す
るカウンタと、前記２種類の比較器のうち他方の出力信
号を入力するラッチとを備える。この構成によれば、請
求項５又は６に記載の発明と同様の効果が得られ、特に
検出手段の小型化が図られ、トルクセンサの小型化に寄
与する。

【００７２】

【発明の効果】以上詳述したように請求項１及び請求項
３に記載の発明によれば、被検出軸にトルクが発生した
ときに磁性体の磁気特性が変化して起こる電源側から見
たインピーダンスの変化をコイルと電源とで作られる回
路の電力変化、またはコイルにおける交流電圧と交流電
流との時間的な位相差の変化で判断するので、比較的簡
単な回路構成で励磁用コイルだけでトルクを検出するこ
とができる。

【００７３】請求項２に記載の発明によれば、直流電源
とインバータとの間の直流段における直流電流と直流電
圧とから電力を求めるので、検出手段は交流のような時
間変化を考慮することなく簡単な回路構成でトルク検出
することができる。

【００７４】請求項４に記載の発明によれば、電流と電
圧の信号値から電力を求めるのに乗算器を使用するの
で、検出手段の回路構成を比較的簡素化でき、また実際
に電力を求めるので、例えば定電圧のときに電力の代わ
りに電流だけをみてトルクを検出する場合に比べ、相対
的に精度良くトルクを検出できる。

【００７５】請求項５及び請求項６に記載の発明によれ
ば、交流電流の信号と交流電圧の信号との時間的な位相
差を計測する計時手段がデジタル回路であるので、アナ
ログ回路を使用する場合に必要となる面倒な調整作業を
不要にすることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１の実施形態におけるトルクセンサの組付状
態を示す断面図。

【図２】トルクセンサの電気的構成図。

【図３】第２の実施形態におけるトルクセンサの電気的
構成図。

【図４】第３の実施形態におけるトルクセンサの電気的
構成図。

【図５】同じく信号波形図。

【図６】トルク検出処理のフローチャート。

【図７】別例のトルクセンサの電気的構成図。

【図８】従来技術におけるトルクセンサの断面図。

【図９】同じくトルクセンサの電気的構成図。

【符号の説明】

１…トルクセンサ、２…被検出軸としてのシャフト、６
…磁性体としての磁歪材、７…ヨーク、１０…コイルと
しての励磁用コイル、１１…電源としての交流電源、１
３，１４…検出手段を構成するとともに交流用の電力検
出手段としての乗算器、１５，２５…検出手段を構成す
るとともに変換手段としての処理回路、２０…電源とし
ての直流電源、２１…インバータ、２３，２４…検出手
段を構成するとともに直流用の電力検出手段としての乗
算器、３３…検出手段としての処理回路、３４，３５…
計時手段としての計時回路、３６…検出手段を構成する
ＣＰＵ、４０〜４３…計時手段を構成する比較器、４
４，４５…計時手段を構成するカウンタ、４６，４７…
計時手段を構成するラッチ、４８…検出手段を構成する
減算器、Δｔ…時間的な位相差。

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 被検出軸に固定された磁気特性を有する
   磁性体と、 前記磁性体を通る磁束を発生させるためのコイルと、 前記コイルに電流を流すための電源と、 前記電源と前記コイルとで作られる回路の電力、または
   前記コイルに流れる交流電流と該コイルに印加される交
   流電圧との時間的な位相差を検出し、該検出値に基づい
   てトルクに応じた信号を出力する検出手段とを備えたト
   ルクセンサ。
2. 【請求項２】 前記電源は直流電源であって、該直流電
   源から供給される直流電流を交流電流に変換して前記コ
   イルに出力するインバータを備え、前記検出手段は前記
   直流電源と前記インバータとの間の直流段における電流
   と電圧の各信号を入力して電力に応じた信号を出力する
   直流用の電力検出手段を備えている請求項１に記載のト
   ルクセンサ。
3. 【請求項３】 前記電流は交流電源であって、前記検出
   手段は前記コイルに流れる交流電流の検出信号と、該コ
   イルの端子間電圧の検出信号とを入力して電力に応じた
   信号を出力する交流用の電力検出手段を備えている請求
   項１に記載のトルクセンサ。
4. 【請求項４】 前記電力検出手段は、前記電流と前記電
   圧の各信号を入力して電力値を出力する乗算器であり、
   前記検出手段は該乗算器の出力値をトルクに応じた信号
   に変換する変換手段を備えている請求項２又は請求項３
   に記載のトルクセンサ。
5. 【請求項５】 前記検出手段は、前記コイルに流れる交
   流電流の信号と、該コイルに印加される交流電圧の信号
   とを入力して、両入力信号の時間的な位相差をデジタル
   処理で計測する計時手段を備え、該計時手段により計測
   された前記位相差に基づきトルクに応じた信号を出力す
   る請求項１に記載のトルクセンサ。
6. 【請求項６】 前記検出手段は、前記計時手段により計
   測された前記位相差を用いて電力を求め、該電力に基づ
   いてトルクに応じた信号を出力する請求項５に記載のト
   ルクセンサ。