JPS62203032A

JPS62203032A - 磁歪式トルクセンサ

Info

Publication number: JPS62203032A
Application number: JP61046842A
Authority: JP
Inventors: Shoichi Edo; 江戸　昇市
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 1986-03-03
Filing date: 1986-03-03
Publication date: 1987-09-07

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】［発明の目的］（産業上の利用分野）この発明は、磁気ひずみ効果を利用してトルクのΔ］１
定を行うのに適用される磁歪式トルクセンサに関するも
のである。

（従来の技術）この種の磁歪式トルクセンサの従来の構造例を挙げると
１例えば第５図および第６図に示すようなものがある（
類似の先行技術として、特ＩＮ昭５９−７７３２８号公
報に開示のものがある。）。

この磁歪式トルクセンサ１０１は、磁気ひずみ効果を有
しかつ軸１０２に加えられるねじりトルクの方向に対し
て該方向を対称中心とする異なる方向に多数のスリット
１０３を設けた第６図に示す磁歪膜１０４を前記軸１０
２の表面に設け、この磁歪膜１０４の周囲に二つの励磁
コイル１０５．１０６を配設し、前記励磁コイル１０５
．１０６の外周部に、磁歪膜１０４との間で間隙１０７
をおいて、高透磁率物質よりなるヨーク１０８を設けた
構造をなすものである。この場合、゛磁歪膜１０４は、
上述のように磁気ひずみ効果を有するものであり、例え
ばＦｅ系のアモルファス全屈を使用している。

次に、このような構造をもつ磁歪式トルクセンサ１０１
を用いてトルクを検出する要領について説明する。まず
、トルクの検出に先立って、二つの励磁コイル１０５　
、１０６に各々交流の一定電圧を加えておく。このよう
にすると、磁歪膜１０４、間隙１０７．ヨーク１０８を
通る磁気回路が励磁コイル１０５および１０６のまわり
にそれぞれ形成される。この磁歪式トルクセンサ１０１
に接続される検出回路は８７図に例示するものが用いら
れる。この検出回路は、各励磁コイル１０５，１０６に
よりそれぞれ形成されるインダクタンスＬ　Ｌ　　＊　
Ｌ２と、抵抗（Ｒ）１１１゜１１２とによってブリッジ
を構成し、軸１０２に対するねじりトルクの付加に伴な
うインダクタンスＬｌ　、Ｌ２の変化に起因する電流変
化を利用して、抵抗１１１．１１２間の電位差として、
トルク出力を得るものである。

次に、ねじりトルクの付加に伴なうインダクタンスＬ、
、Ｌ２の変化を説明する。第５図に示す磁歪式トルクセ
ンサ１０１においてその軸１０２に対して右方向にねじ
りトルクが加わると、磁歪１１！：ｌ！１０４はスリッ
ト１０３の方向に沿ってその左側の部分では引張変形を
受けるとともに右側の部分では圧縮変形を受ける。例え
ば、磁歪定数入〉０を有する磁歪膜１０４を用いた場合
には、引張変形では透磁率が増加し、圧縮変形では透磁
率が減少する。これによって、一方の励磁コイル１０５
のインダクタンスＬ１は増加し、他方の励磁コイル１０
６のインダクタンスＬ２は減少することになる。なお、
軸１０２に対して左方向のねじりトルクが付加されたと
きには上記の場合と逆になる。

そこで、交流電源１１３を接続し、電圧Ｖ９周波数ｆで
ブリッジを駆動しているとすると、第７図に示す回路Ａ
ＢＣおよびＡＢ’　Ｃにおける電流は各々、となる。

すなわち、上記の式（１）、（２）から回路ＡＢＣおよ
びＡＢ’　Ｃを流れる電流１１およびｉ２は、インダク
タンスＬ、、Ｌ２が増加すれば減少し、反対にインダク
タンスＩ’　ｌ　　＋　Ｌ　２が減少すれば増加する。

このとき、Ｂ、Ｂ’点の各電位ｖＩ＋ｖ２は、ｖ　１＝　ｉ　！ｅ　Ｒ−・”（３）ｖ２　＝　ｉ　２　＠Ｒ”・・（４）であり、電位差Ｖは、Ｖ　＝　ｌ　Ｖ　ｔ　−Ｖ２　Ｉ　　　　　　　　　・
旧”（５）となり、これがトルク出力となる。そして、
この磁歪式トルクセンサ１０１により得られるトルクと
出力との関係は第８図に例示するようなものとなる。

（発明が解決しようとする問題点）しかしながら、このような従来の磁歪式トルクセンサ１
０１にあっては、実用上において軸１０２と゛してくり
返しトルクに耐え得る高強度の材料を用いており、これ
までは強磁性体の鉄鋼材料（例えば、５４５Ｇ）が用い
られていたため下記問題点を有していた。

（１）励磁コイル１０５　、１０６によって発生する磁
束が磁歪膜１０４のみではなく軸１０２も通るため、軸
１０２の磁歪効果やくり返しトルクによる磁気的性質の
変化が前記インダクタンスＬｌ　　＋　Ｌ　２を変化さ
せ、トルク検出精度を低下させる。

（２）実用上軸１０２の磁気的性質を考慮しなければな
らないという困難さを有する。

（３）強磁性体の鉄鋼材料を用いた場合には比較的小さ
な入力電流域でトルク検出感度が飽和してしまい、特性
向上が望めない。

この発明は、このような従来の問題点に着目してなされ
たもので、トルクの検出感度が高くかつ検出精度も優れ
ている磁歪式トルクセンサを提供することを目的として
いる。

［発明の構成］（問題点を解決するための手段）この発明は、軸に磁気ひずみ効果を有する磁歪層を設け
ると共に、前記磁歪層の近傍に複数のコイルを配設して
、前記コイルの発生した磁束により前記磁歪層を通る磁
気回路を形成し、前記軸に加えられるねじりトルクによ
る前記磁歪層の変形に起因する磁気ひずみを利用して前
記トルクを検出する磁歪式トルクセンサにおいて、前記
磁歪層より内部の軸のうち少なくとも磁歪層と接する部
分を非磁性物質で形成したことを特徴としている。

この発明において、非磁性物質とは、望ましくは透磁率
（ＪＬ）が１０×４πｘｉｏ−’以下の物質であり、磁
歪層より内部の軸全体を前記物質から形成する場合には
、例えば、非磁性のマンガン鋼やオーステナイト系ステ
ンレス鋼などが用いられ、これによってトルクの検出感
度および検出精度を従来以上に向上させることができる
。そして、軸の強度をより一層高めたいときには、炭素
鋼や低合金鋼などの強磁性鋼を用い、当該軸の表面に前
記物質を設けたものを使用することもできる。この場合
、前記物質として例えば、鋼（Ｃｕ）やアルミニウム（
Ａ　ｌを用い、めっき、蒸着、スパッタリング、あるい
は薄帯の接着などによって被覆することにより非磁性層
を形成した軸を用いると、より高精度でかつ高軸強度の
トルクセンサを得ることができる。

ところで電磁気宇によると、電気伝導率σ、透磁率島の
物質に角周波数ωの電磁波が入射するとき、表皮効果に
よって電磁波の振巾は近似的に（６）式で示す深さδで
１／ｅ（＝３７％）に減衰する。このとき、δは電磁波
の浸入深さと呼ばれる。

δ＝　Ｃ２／ｕ、σω）１／２　　　・・・　（６）そ
してこの発明にあっては、非磁性物質の厚さを上記（６
）式で計算されるδより大きくすることが特に望ましい
。こうすることによって磁歪層以外の軸部のトルク検出
装置への磁気的影響をほとんど排除できる。

また、この発明にあっては、（６）式で計算されるδを
小さくできることから、非磁性物質として電気伝導率σ
の大きな電気良導体を用いることが特に望ましい。

（実施例）第１図および第２図はこの発明の一実施例による磁歪式
トルクセンサ１を示すものである。

この磁歪式トルクセンサ１は、軸２に加えられるねじり
トルクの方向に対して該方向を対称中心とする異なる方
向に多数のスリット３を設けた第２図に示す形状をなし
かつ磁気ひずみ効果を有する磁歪膜４を前記軸２の表面
に接着することにより軸２の表面に磁歪層を形成してお
り、前記磁歪膜ヰの周囲に二つの励磁コイル５，６を配
設し、前記励磁コイル５．６の外周部に、磁歪膜４との
間で間隙７をおいて、高透磁率物質よりなるヨーク８を
設けた構造をなすものである。この場合。

磁歪膜４は、上述のように磁気ひずみ効果を有するもの
であり、例えばＦｅ系のアモルファス金属膜（厚さ２５
ルｍ）を使用している。また、軸２の本体としては強磁
性でかつ高強度の鉄鋼材料（例えば　５４５Ｃ）よりな
るものが使用され、こりｔ！ｌ１Ｉ２の本体部分の表面
にあらかじめ厚さ１ｍｍの非磁性物質で電気良導体であ
る銅（Ｃｕ）を電解めっき法によって被覆した非磁性層
２を形成した軸２を用い、この軸２の外表面に前記磁歪
１１！Ｊ　４を固着したものとしている。なお、トルク
検出方法などは前述した従来例と同一であり、励磁周波
数は例えば１ＯＫＨｚ（角周波数２πＸ１０４）程度と
することができる。

この実施例にあっては、第１図に示す銅めっきからなる
非磁性層２での侵入深さδは、（６）式であるから、非
磁性層りの厚みはこれ以上にすることにより、軸２の本
体部分の磁性の影響をほとんど除去することができる。

そして、上記（６）式によれば、角周波数ωを上げるこ
とによって電磁波の侵入深さδを小さくすることができ
、したがって例えば非磁性層夕の厚さも小さくすること
ができる。

第１表は代表的な材料における透磁率（用）。

電気伝導率（σ）、電磁波の侵入深さくδ）を示すもの
である。第１表に示すように、非磁性層２としては銅や
アルミニウムなどを用いることができる。

したがって、軸２の本体部分の素材として強磁性を有す
る高強度鉄鋼材料を用いたときでも、前記非磁性層２の
介在によって比較的感度の高いトルクセンサを得ること
ができる。

また、上記実施例のほか、軸２の全体を非磁性の材料（
例えば、マンガン非磁性鋼やオーステナイト系ステンレ
ス鋼）から作製したものを用いたときでも、感度の高い
トルクセンサを得ることができる。

第３図は軸２　、１０２の構造によるトルク検出感度へ
の影響を調べた結果の一例を示すもので、■は軸１０２
の全体が強磁性の鉄鋼材料　　１（５４５Ｃ）からなる
場合、■は強磁性の鉄鋼材料（３４５Ｃ）からなる軸２
の本体部分の表面に鋸めっき（前述の厚さ）を施して非
磁性層２を形成した軸２を用いた場合、■は軸２の全体
が非磁性の鉄鋼材料（ＳＵＳ３０４）からなる場合であ
る。

第３図に示すように、軸２の少なくとも表面部を非磁性
とした■、■の場合には従来の■の場合よりもトルク検
出感度がかなり高くなっている。

そして、軸２の全体を非磁性とした場合に例え＋ｆステ
ンレス鋼などでは材料コストが上昇するつく、軸２の本
体部分により安価な炭素鋼（例えば３４５　Ｃ）を使用
してその表面に非磁性層２を設置することにより、コス
トの上昇を押えることができるようになる。

第４図は軸２．１０２材質によるトルク検出感延べの影
響を調べた結果を例示するもので、図中こおいて、陥、
１は励磁コイル５，６としてそれぞれコイル巻数（Ｎ）
４４．巾１０ｍｍのものを■いて実験した場合であり、
また、崩、２は励磁コイル５，６としてそれぞれコイル
巻数（Ｎ）４２、巾５ｍｍのものを用いて実験した場合
であり、Ｏは従来の炭素鋼（５４５Ｇ）よりなるもので
あり、拳は本発明例の非磁性オーステナイト系ステンレ
ス鋼（ＳＵＳ３０４）よりなるものであ６゜第４図に示すように、炭素鋼よりなる軸１０２に用いた
ときには小入力で飽和してしまうのに対して、非磁性ス
テンレス鋼よりなる軸２を用いた場合には入力の増大に
よって感度がさらに向上していることが明らかである。

なお、上記図示例の場合は二つの励磁コイル５．６を有
する磁歪式トルクセンサ１について説明したが、励磁コ
イルと検出コイルを有する磁歪式トルクセンサの軸に対
しても適用可能であることはいうまでもない。

［発明の効果］以上説明してきたように、この発明によれば、軸に磁気
ひずみ効果を有する磁歪層を設けると共に、前記磁歪層
の近傍に複数のコイルを配設して、前記コイルの発生し
た磁束により前記磁歪層を通る磁気回路を形成し、前記
軸に加えられるねじりトルクによる前記磁歪層の変形に
起因する磁気ひずみを利用して前記トルクを検出する磁
歪式トルクセンサにおいて、前記磁歪層より内部の軸の
うち少なくとも磁歪層と接する部分を非磁性物質で形成
するようにしたから、トルクの検出感度が高く、同時に
トルクの検出精度も著しく優れた磁歪式トルクセンサを
提供することが可能であるという非常に優れた効果がも
たらされる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例による磁歪式トルクセンサ
の断面説明図、第２図は第１図の磁歪式トルクセンサの
磁歪膜の形状例を示す展開説明図、第３図は軸の構造に
よるトルク検出感度への影響を調べた結果の一例を示す
グラフ、第４図は軸の材質によるトルク検出感度への影
響を調べた結果の一例を示すグラフ、第５図は従来の磁
歪式トルクセンサの断面説明図、第６図は第５図の磁歪
トルクセンサの磁歪膜の形状を示す展開説明図、第７図
はトルク検出回路の一例を示す説明図、第８図は磁歪式
トルクセンサのトルクと出力との関係を示すグラフであ
る。１・・・磁歪式トルクセンサ、２・・・軸、４・・・磁歪膜（磁歪層）、５．６・・・コイル。り・・・非磁性層。第２図０ｍＡ尺力電流第４図Ｎｌ（巻数ｘｍＡ）第５図第６図

Claims

【特許請求の範囲】

（１）軸に磁気ひずみ効果を有する磁歪層を設けると共
に、前記磁歪層の近傍に複数のコイルを配設して、前記
コイルの発生した磁束により前記磁歪層を通る磁気回路
を形成し、前記軸に加えられるねじりトルクによる前記
磁歪層の変形に起因する磁気ひずみを利用して前記トル
クを検出する磁歪式トルクセンサにおいて、前記磁歪層
より内部の軸のうち少なくとも磁歪層と接する部分を非
磁性物質で形成したことを特徴とする磁歪式トルクセン
サ。