JPS63223536A - トルクセンサ - Google Patents

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】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、たとえば回転軸などの受動軸の軸トルクを
非接触で測定するトルクセンサに関し、特に、トルク検
出感度の増加と小型化を期するようにしたものである。

〔従来の技術〕

従来、受動軸の外周に二つの磁性層を、たとえば、特開
昭５９−１６４９３２号公報のように、予めねじりを付
与した軸にメッキし、その後ねじりを解放することで異
方性を与え、対称な二つの磁性層を形成するか、あるい
は、第８図（たとえば、特開昭６．０−１７３４３３号
公報）のようにそれぞれの磁性層を多数条の細長い磁性
材を固着することによって形成し、しかも、受動軸の中
心軸に対しである一定の角度をもたせて、かつ二つの磁
性層が互いに対称となるように構成し、各磁性層の透磁
率変化の差を検出する乙とによゆ、加えられたトルクの
大きさと方向を曲げ、応力や周囲温度の変化の影響を受
けずに非接触で検出しようとしたものがある。

次に、この第８図の構成について説明する。この第８図
において、１は受動軸（以下、回転軸という）であり、
２はこの回転軸１の中心軸である。

この回転軸１は軸受３，４により回転自在に支承されて
いる。この回転軸１はトルクに耐え得る十分な機械的強
度をもつものである。

回転軸１の外周面には、高磁性材からなる第１および第
２の磁性層５，６が固着して形成されている。第１の磁
性層５は中心軸２に対しては＋４５度方向に、また、第
２の磁性Ｈ６は中心軸２に対しては一４５度方向に磁気
異方性が与えられるように、それぞれ細長（複数条形成
されている。

この第１および第２の磁性層５，６の外周面に対応して
、回転軸１の外周面には、円筒状のコイルボビン７がか
ぶせられている。コイルボビン７は回転軸１と同軸状に
なっている。

コイルボビン７の外周面には、第１、第２の磁性層５，
６に対応して、第１、第２の検出コイル８．９がそれぞ
れ巻装されている。これらの第１、第２の検出コイル８
，９は検出回路１４に接続されている。検出回＄１４か
ら検出電圧Ｖを出力するようになっている。第１、第２
の検出コイルが第１、第２の磁性層の透磁率変化の検出
に対応して検出回路１４がインダクタンスの変化を検出
して回転軸に加わるトルク値を検出電圧Ｖとするもので
ある。

このような構造のトルクセンサにおけるｉｔｌ気回路を
断面図で示すと、第９図（ａ）のようになり、これを等
価回路でしめすと、第９図（ｂ）のようになる。

第９図（ａ）において、ξ、Ｆ、Ｉ１．Ｆ、はそれぞれ
代表的な磁束を表したもので、磁束Ｆは第１の検出コイ
ル８、または第２の検出コイル９で生成された磁束のう
ちコイルと軸のギャップ中を通るものであゆ、同様番と
磁束孔ｆ４は第１、第２の磁性層５゜６を通るものであ
り、磁束Ｆ、は軸中全通るものである。これを電気回路
で置き換えると、第９図（ｂ）のようになり、磁束−、
Ｆ、、、、　ｐ、はそれぞれ電流ζ’　　ｌｌ１ｆｌ＃
　　Ｉ、に変換できる。Ｅは検出フィルの起磁力に対応
し、Ｒｏ、は検出コイルの外周部における磁気抵抗に相
当し、Ｒ，、、Ｒ，、、、Ｒ，はそれぞれ、ギャップ、
磁性材、受働軸の磁気抵抗に相当し、検出コイルのイン
ダクタンス変化を検出することは、等価回路の総磁気抵
抗を、ひいては総電流Ｉを検出することに等しい。

第９図（ｂ）の回路において総電流Ｉは、となり、磁気
抵抗Ｒ１１，よりも磁気抵抗Ｒ１に大きく支配されるこ
とになる。

〔発明が解決しようとする間雁点〕

磁気抵抗Ｒｅ　１１は実際の磁気回路では検出コイル周
囲の不確定な磁気通路にあるため、外乱磁化あるいは周
囲の磁性材などの影響を受けやす＜、゛結果としてトル
クセンサの出力に大きな影響を与える。

さらに、磁気抵抗Ｒ１１，の変化が総電流Ｉに与える影
響は小さく、その結果トルクセンサの感度も低下するこ
とになる。

このように、従来のトルクセンサにおいては、検出コイ
ルの磁気回路に考広がなされていないため、磁束が広が
り、磁性層以外に作用し、十分な特性が発揮できなかっ
たり、外乱を避けるための磁気遮蔽が大型になるなどの
欠点があった。

この発明は、かかる問題点を解決するためになされたも
ので、磁束の不必要な広がりを防止し、検出感度が向上
するとともに、磁気遮蔽を小型化して全体の小型化が可
能となるトルクセンサを得ることを目的とする。

〔問題点を解決するための手段〕

この発明に係るトルクセンサは、第１、第２の検出コイ
ルの外周にそれぞれ軟磁性の第１、第２の磁気収束層を
設けたものである。

〔作　用〕

この発明においては、第１、第２の検出コイルの外周部
の磁気抵抗に比して第１、第２の磁気収束層の磁気抵抗
は小さく、この第１、第２の磁気収束層の磁気抵抗が第
１、第２の検出コイルの磁気抵抗と並列に挿入されたこ
とになり、第１、第２の検出コイルで生成された磁束は
第１、第２の磁気収束層を通り、磁束の広がりを抑制す
る。

〔実施例〕

以下、この発明のトルクセンサの実施例について図面に
基づき説明する。第１図はその一実施例の構成を示す断
面図である。この第１図において、符号１〜９，１４で
、示す部分は第８図と同一であり、その重複説明を避け
る。

１０は第１の検出コイル８の周囲に軟磁性体を巻回もし
くはかん合して形成された第１の磁気収束層、１１は第
２の検出コイル９の周囲に軟磁性体を巻回もしくはかん
合して形成された第２の磁気収束層である。

第１または第２の磁気収束層の効果を第２図（ａｌの磁
気回路図と第２図（ｂｌの等価回路を用いて説明する。

第２図（ａ）において、符号１〜１１は前記第１図と同
様であり、Ｆは第１の検出コイル８または第２の検出コ
イル９により生成された磁束のうち、第１の検出コイル
８または第２の検出コイル９と一第′１の磁性層５また
は第２の磁性層６とのギャップを通る磁束を表わし、Ｆ
、ｆ　ｆは第１の磁性層５または第２の磁性層６を通る
磁束を表わし、Ｆ、は回転軸１を通る磁束を表わす。

第１または第２の磁気収束層１０または１１は軟磁性で
あり、その透磁率は空間のそれに比べ非常に高いため、
第１の検出コイル８または第２の検出コイル９で生成さ
れた磁束Ｆ、、　Ｆ、、、、　Ｆ、は第１の磁気収束層
１０または第２の磁気収束層が飽和しないかぎり、第１
の磁気収束層１０または第２の磁気収束層１１中を通過
するようになる。

これを第２図（ｂ）のように等価回路図で示すと、第９
図（ｂ）における磁気抵抗Ｒ１１ｍと並列に磁気収束層
１０または１１の磁気抵抗Ｒ２が挿入されたこととなり
、〔１〕式と同じく総電流！は となる。

ここで、磁気抵抗Ｒ２は磁気抵抗Ｒｅ　Ｗに比べて十分
に小さいため、〔２〕式の分母第１項は第２項に比べ無
視できるようになり、 と、同じ起磁力でも、大きな磁束が得られ、第１の磁性
層５または第２の磁性Ｈ６の磁束密度を上げることがで
き、磁気抵抗Ｒ１１，の変化率を大きくすることができ
るとともに、〔３〕式で示すように磁気抵抗Ｒ０１，の
変化に対する総磁束の変化も〔１〕式に比べ大きくする
ことができ、結果としてトルクに対する感度を向上する
ことができる。

さらに、センサユニットの小型化という第２の効果もあ
る。通常は外乱磁気Ｆ６の影響を防止するため第３図（
ａ）のように第１または第２の検出コイル８または９を
包囲するように磁気遮蔽１２を設けるが、従来装置では
周囲への検出磁束の広がりがあるため、磁気遮蔽へのも
れ磁束Ｆ２・を防ぐように磁気遮蔽１２と第１または第
２の検出コイル８または９との間隔ｄを太き（とる必要
があった。

しかし、この発明によると、第１または第２の磁気収束
層１０または１１の磁気抵抗を磁気遮蔽のそれに比べ十
分小さくすれば、検出磁束は第１または第２の磁気収束
層１０または１１の内部を通過するため、検出磁束の広
がりを小さくでき、結果として、磁気遮蔽１２と第１ま
たは第２の検出コイル８または９との間隔ｄを小さくで
き、センサユニットの小径化が可能となる。

第１、第２の各磁性層の材質は非晶質合金が特に優れて
いる。その理由として非晶質合金は軟磁性に特に優れて
おり、損失が少なく、透磁率が高く、また、高周波数ま
で特性が劣化しないため、高い周波数での駆動が容易で
、高効率化できるとともに、均質な物性の薄板を得るこ
とが容易であるなどである。

さらに、歪に対する磁気特性の変化、すなわち磁歪や誘
導磁気異方性も他の磁性材料に比較して太き（、第１、
第２の磁性層用材料としても適している。

一般に、非晶質合金は薄い帯状材として供給されるので
、第１、第２の磁気収束層１０．１１の形成は第４図の
ように第１または第２の検出コイル８または９の外周に
箔状非晶質合金１３を巻回して形成するのが最も簡便で
ある。

この場合、単に巻回しただけでも効力を発揮するが、厚
さ方向に導電性を有すると、高周波の場合、周知の表皮
効果のために有効断面積が低下する。

これを避けるために、第５図のように、非磁性絶縁体１
５を介在しつつ巻回するか、あるいは第６図のように非
磁性絶縁体１５を化学的あるいは物理的に磁性体表面に
形成し巻回することにより各層表面間が絶縁され、有効
断面積が増加し、高効率化できる。

また、絶縁の目的では、たとえばエポキシ系接着材など
により接着多層化しても同様の効果が期待できる。

ざらに、非晶質合金を使用時の磁束通過方向と一致する
ように磁場中焼純を行うと、第７図のように磁束通過方
向における磁化曲線が変化する。

第７図中特性ａは無焼鈍時で、特性すは磁場中焼鈍後、
Ｈは磁化の強さ、Ｂは磁束密度である。

たとえば、第７図のＣの範囲で動作している場合、その
間の平均透磁率は磁場中焼鈍後の方が高くなる（第７図
中μｂ〉μａ）。

したがって、磁場中焼鈍を行うことで前記磁気回路の磁
気抵抗をさらに低減することが可能となり、効率向上を
めざすことができる。

〔発明の効果〕

この発明は以上説明したとおり、検出フィルの外周に軟
磁性体の磁気収束層を設けるようにしたので、トルク検
出の感度を向上するとともに、外乱磁気の影響を受けに
＜＜シ、磁気遮蔽の小型化ひいてはトルクセンサ全体の
小型化を可能にでき、かつトルクセンサとしての性能向
上、適用拡大に有効である。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明のトルクセンサの一実施例の構成を示
す断面図、第２図（ａ）は同上トルクセンサの磁気回路
を示す図、第２図（ｂｌは同上トルクセンサの等価回路
図、第３図（ａ）、第３図（ｂｌはそれぞれ従来および
この発明のトルクセンサの形状小型化の説明図、第４図
ないし第６図はそれぞれこの発明のトルクセンサにおけ
る磁気収束層の形成方法を示す斜視図、第７図は同上ト
ルクセンサにおける磁気回路の磁束通過方向における磁
化曲線の変化を示す図、第８図は従来のトルクセンサの
構成を示す断面図、第９図（Ｊｌ）は従来のトルクセン
サの磁気回路図、第９図（ｂｌは従来のトルクセンサの
等価回路図である。 １・・・受動軸、５・・・第１の磁性層、６・・・第２
の磁性層、８−・・第１の検出コイル、９・・・第２の
検出コイル、１０・・・第１の磁気収束層、１１・・・
第２の磁気収束層、１２・・・磁気遮蔽、１３・・・箔
状非晶質合金、１４・・・検出回路、１５・・・非磁性
絶縁層。 なお、図中同一符号は同一または相当部分を示す。

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. （１）トルクを受ける回転軸の外周に、軸方向に対して
   所定の角度を持って個着された複数条の細長い第１の磁
   性層、この第１の磁性層を包囲するように上記回転軸と
   所定のギャップを隔てて配置され回転軸に加わるトルク
   による第１の磁性層の透磁率変化を検出する第１の検出
   コイル、上記第１の磁性層と対称となるように上記回転
   軸の外周に、軸方向に対して所定の角度を持って個着さ
   れた複数条の細長い第２の磁性層、この第２の磁性層を
   包囲するように上記回転軸と所定のギャップを隔てて配
   置され回転軸に加わるトルクによる第２の磁性層の透磁
   率変化を検出する第２の検出コイル、上記第１、第２の
   検出コイルの、上記第１、第２の磁性層の透磁率変化に
   よるインダクタンス変化を検出し、回転軸に加わるトル
   ク値を出力する検出回路、上記第１、および第２の検出
   コイルの外周にそれぞれ配置された軟磁性体の磁気収束
   層を備えてなることを特徴とするトルクセンサ。
2. （２）各磁性層が軟磁性の非晶質金属であることを特徴
   とする特許請求の範囲第１項記載のトルクセンサ。
3. （３）磁気収束層は軟磁性の箔状非晶質金属を巻回して
   形成したことを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の
   トルクセンサ。
4. （４）磁気収束層は非磁性絶縁体を介在しつつ複数層の
   軟磁性の箔状非晶質金属を巻回して形成したことを特徴
   とする特許請求の範囲第１項または第２項記載のトルク
   センサ。
5. （５）磁気収束層に用いる磁性材を磁束通過方向に磁場
   中焼鈍したことを特徴とする特許請求の範囲第３項また
   は第４項記載のトルクセンサ。