JPS63311136A - 磁歪式トルクセンサ - 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、磁気歪効果を利用して回転体に加わるトル
クを非接触で検出するための磁歪式トルクセンサに関す
る。

〔従来の技術〕

従来の、非接触で回転体のトルクを検出可能なトルク検
出装置としては、例えば、特開昭６１−１２７９５２号
、同６１−１２７９５３号の各公報記載のものが知られ
ている。

この従来例は、トルク検出素子を内蔵した１個又は複数
個のトルク検出器を車両のトランスミッションケースの
後端部に、嵌合構造、リブとこれに係合するねし構造、
又はフランジ構造により取り付け、トルク検出器の検出
面をトランスミッションケースから延設されている出力
軸の円周方向に所定距離をおいて対向させたものとなっ
ている。

そして、トルク検出器としては、略Ｕ字状の磁芯に励磁
コイル及び検出コイルを重ねて巻装した構成となってい
る。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかしながら、前述した従来例にあっては、トルク検出
器が出力軸の円周方向の一部分にのみ対向するようにな
っているため、出力軸のトルクによる捩に起因した透磁
率変化が検出コイルの起電力変化に反映される割合が低
くなるとともに、出力軸の偏心ノイズ等が混入し、これ
によって検出精度が著しく悪化するという問題点があっ
た。

一方、この検出精度を向上させようとすれば励磁用コイ
ル及び検出用コイルの巻き数を増やす等の処置を施さな
ければならないため、トルク検出器が軸方向に大形化す
ることから、軸方向の装着スペースに制約がある場合に
は容易に装備できないという状況があり、そこで、とく
に、軸方向にスペース効率良く装着可能な構造のセンサ
が各方面から強く要望されていた。

そこで、この発明は、このような従来技術の有する問題
点及び状況に着目してなされたもので、とくに、トルク
検出精度を著しく向上させることができるとともに、軸
方向の装着スペースの大形化を排除できる構造の磁歪式
トルクセンサを提供することを、その目的としている。

〔問題点を解決するための手段〕

上記目的を達成するため、この発明は、回転体に作用す
るトルクの値及びその方向に応じた信号を磁気歪効果を
用いて非接触で検出可能な磁歪式トルクセンサにおいて
、前記回転体は、該回転体の外周部に円筒部分を有し、
且つ、該回転体の内部に前記円筒部分と同軸な円筒空間
を有する構造とし、前記円筒部分における軸方向所定域
に、前記軸方向に対して正又は負の傾斜角に設定された
複数のグループから成る第１のグループ列を有し且つ磁
気歪効果を呈する第１のトルク検出面を設け、前記円筒
空間の前記第１のトルク検出面に対向した円周面に、前
記軸方向に対して負又は正の傾斜角に設定された複数の
グループから成る第２のグループ列を有し且つ磁気歪効
果を呈する第２のトルク検出面を設けるとともに、前記
第１及び第２のグループ列にそれぞれ近接対向した位置
に固定配設され且つ前記第１及び第２のトルク検出面と
の間でそれぞれ磁気回路を形成可能な第１及び第２のコ
イルを具備したことを特徴としている。

〔作用〕

この発明においては、第１．第２のコイルに所定周波数
の励磁電流を供給すると、各々、第１又は第２のコイル
、空隙、第１又は第２のトルク検出面、空隙、及び第１
又は第２のコイルを介する磁気回路が形成される。この
とき、第、１．第２のトルク検出面を通過する磁束は、
表皮効果のためにその表面のみを通過するとともに、各
々、複数のグループ（グループ列）により、回転体の軸
方向に対して反対となる所定角度だけ傾斜して通過し、
これによって、第１．第２のトルク検出面は軸方向に対
して相異なる形状磁気異方性を有する。

この状態において、回転体にトルクが加わっていなけれ
ば、第１．第２のトルク検出面は所定の透磁率を有して
おり、このため、第１．第２のコイルは、磁気回路の透
磁率に応じたインダクタンスの値を有する。

一方、回転体に所定方向のトルクが加わると、第１．第
２のトルク検出面が各々引張及び圧縮変形作用を受け、
第１．第２のトルク検出面の透磁率が変化し、これに応
じて第１．第２のコイルのインダクタンスの値が変化す
る。このため、このインダクタンスの変化を適宜電気信
号に変換することにより、回転体に加わるトルクの方向
及びその値を知ることができる。

このとき、トルク検出は、回転体の全周で各々行うよう
になっており、また、第１．第２のトルク検出面には、
相互に反対極性の検出信号を出力するよう形状磁気異方
性をもたせていることから、トルクの変化に対する出力
信号の幅を太き（とることが可能になり、精度良く且つ
安定した検出を行い得る。さらに、何れか一方のセンサ
部分は回転体の内部に設けられているので、その分、軸
方向の装着スペースの有効利用を図り、また小型化を図
ることができる。

〔実施例〕

以下、この発明の実施例を図面に基づいて説明する。

′第１図乃至第７図は、この発明の一実施例を示す図で
ある。

第１図において、１は透磁性部材（例えば、Ｃｒ−Ｍｏ
鋼鋼部部材から成り円柱状に形成された回転体としての
シャフトを示し、２はシャフト１に作用するトルクを検
出するトルク検出装置を示す。

この内、シャフト１の一端は、ボールベアリング等のベ
アリング３によりブラケット４に軸支されるとともに、
他端も図示しないベアリングを介して軸支されている。

そして、シャフト１は、その他端側（以下、これを「入
力側」という）において図示しない駆動手段により回転
トルクが必要に応じて与えられるようになっている。。

また、シャフト１の同図におけるベアリング３側（以下
、これを「出力側」という）には、駆動ギヤ５Ａが図示
の如く一体に設けられている。

また、シャフト１の駆動ギヤ５Ａの下方には、駆動ギヤ
５Ａに噛合する被駆動ギヤ５Ｂが配設されており、この
被駆動ギヤ５Ｂは、ボールベアリング等のベアリング６
を介して前記ブラケット４にその一端が軸支された出力
シャフト８に固着されている。このため、シャフト１が
図示しない駆動手段により所定方向に回転駆動させられ
ると、この回転力（トルク）はシャフト１．駆動ギヤ５
Ａ１被駆動ギヤ５Ｂを順次介して出力シャフト８に伝達
され、この出力シャフト８が所定方向に回転するように
なっている。

さらに、シャフト１の内部には、第１図に示すように、
このシャフト１の外周面（円筒部分）と同軸な所定径を
有する円筒空間としての中空孔１０が形成されている。

一方、トルク検出装置２は、シャフト１に設けられた磁
歪式トルクセンサ２Ａと、このトルクセンサ２Ａによる
検出信号に基づいてトルク測定を行う測定部２Ｂとによ
り構成されている。

この内、磁歪式トルクセンサ２Ａは、シャフト１の軸方
向（第１図中の矢印Ａ参照）の所定域の外周部に設けら
れた第１のセンサ部１１Ａと、この第１のセンサ部１１
Ａに対向した中空孔１０の円周部（以下、これを必要に
応じて内周部という）に設けられた第２のセンサ部１１
Ｂとにより構成されている。そして、第１のセンサ部１
１Ａは、駆動ギヤ５Ａより入力側に位置するシャフトｌ
の所定域の外周面に沿って形成された複数のグループａ
、・・・、ａから成る第１のグループ列１２Ａ（第２図
参照）と、この第１のグループ列１２Ａから所定距離の
空隙を残して固定配設された励磁、検出用の第１のコイ
ル１３Ａと、この第１のコイル１３Ａが巻装された第１
のヨーク１４Ａとを有して構成されている。そして、第
１のヨーク１４Ａは、前記ブラケット４に連設されたシ
ャフトカバー１５に吊設・固定されている。

また、グループａ、・・・、ａの各々は、シャフト１の
軸方向に対して、ここでは＋４５度の傾斜角をもってシ
ャフト１の外周面に所定深さの穿設により等間隔で形成
され、これにより、第１のグループ列１２Ａを含む所定
域の外周面が第１のトルク検出面１６Ａとして設定され
ている（第４図（１）参照）。ここで、本実施例におけ
る上述の傾斜角の正負は、シャフト１の外周面に相対し
たときの軸方向を基準軸（第４図（１）　（２）中の二
点鎖線参照）とし、これから反時計回りにとるときを正
、時計回りにとるときを負としている。

一方、第２のセンサ部１１Ｂは、シャフト１の内周部に
おける前記第１のグループ列１２Ａに対向する所定域に
設けられた複数のグループｂ、・・・。

ｂから成る第２のグループ列１２Ｂ（第２図参照）と、
この第２のグループ列１２Ｂから所定距離の空隙を残し
て固定配設された励磁、検出用の第２のコイル１３Ｂと
、この第２のコイル１３Ｂが巻装された第２のヨーク１
４Ｂとを有して構成されている。そして、第２のヨーク
１４Ｂは、前記ブラケット４の出力側端面にボルト１８
．１８により着脱自在に固着された略Ｔ字状のヨーク支
持部材２０の先端部に固設されている。また、このヨー
ク支持部材２０のアーム部分には、図示の如く、第２の
コイル１３Ｂのリード線を導出するための導出穴２ＯＡ
が穿設されている。

また、グループｂ、・・・、ｂの各々は、シャフト１の
軸方向に対して、ここでは−４５度の傾斜角をもってシ
ャフト１の内周部に前述したグループａ、・・・、ａと
同様にして形成され、これにより、第２のグループ列１
２Ｂを含む所定域の円周面が第２のトルク検出面１６Ｂ
として設定されている（第４図（２）参照）。

ところで、グループａ、・・・、ａ及びす、・・・、ｂ
を設けることにより、第１．第２のトルク検出面１６Ａ
、１６Ｂのグループａ、・・・、ａ相互間及びす、・・
・、ｂ相互間にシャフト１の周面の一部としてライン状
の凸条ａ′、・・・、ａ′及びｂ′、・・・。

、　ｂ′が各々形成される（第４図（１）　（２１参照
）。この凸条ａ′、・・・、ａ′及びｂ′、・・・、ｂ
′は、後述するトルク検出用の磁束φをシャフト軸方向
に対して各々所定（本実施例では、４５度）の傾斜角を
もって導くもので（第４図（１１（２＋中の点線参照）
、これによってシャフト１の第１．第２のトルク検出面
１６Ａ、１６Ｂは相互に異なる形状磁気異方性を有する
ようになっている。

このため、グループａ、・・・、ａ及びす、・・・、ｂ
の長さ９幅、相互間隔は、第１図乃至第４図に示すよう
に、上述した形状磁気異方性を確保できる所定値に設定
されている。

ここで、本実施例における第１．第２のトルク検出面１
６Ａ、１６Ｂは、引張変形を受けたときに透磁率が増加
する、所謂、正の磁歪特性を有するように設定されてい
る。

一方、前述した測定部２Ｂは第５図に示すように構成さ
れており、同図において、３０は第１゜第２のコイル１
３Ａ、１３Ｂと抵抗素子（抵抗値Ｒ＋　、Ｒ２）２７Ａ
、２７Ｂとのブリッジ回路である。そして、このブリッ
ジ回路３０の入力端ａ。

ｂには、交流電源３２が接続される一方、出力端ｃ、ｄ
は、検出信号を処理する信号処理部３４を介して指示計
３６に至る。ここで、交流型ｉ３２の周波数は、トルク
検出面１６Ａ、１６Ｂを通過する磁束がその表面にのみ
分布する、所謂、表皮効果を発生させるに十分な値（例
えば１０ｋＨｚ〜３０ｋＨｚ程度）に設定されている。

また、信号処理部３４は、ブリッジ回路３０の出力端ｃ
　−ｂ、　　ｄ　−ｂからの検出信号を各々直流化する
整流回路３８．３８Ｂと、この整流回路３８Ａの出力を
プラス、整流回路３８Ｂの出力をマイナスとしてこれら
の差をとって増幅しその増幅信号を指示計３６に出力す
る差動増幅器４０とを有して構成されている。

ここで、本実施例では、ブリッジ回路３０のインダクタ
ンスＬ＋　、Ｌ２は、コイル巻数その他の数値設定によ
りり、＝Ｌ２になるよう設定されており、シャフト１に
トルクが印加されていない状態では、ブリッジ回路３０
の出力が零、即ち平衡状態になるよう抵抗値Ｒ＋、Ｒｚ
が設定されている。

次に、上記実施例の動作を説明する。

まず、シャフト１にトルクが印加されていない状態で、
測定部２Ｂの交流電源３２をオンにし、第１及び第２の
コイル１３Ａ及び１３Ｂに交流電流を供給すると、第６
図中の点線図示のような磁気閉回路が形成される。即ち
、これを第１のコイル１３Ａにかかる磁気回路について
みれば、各磁束φは第１のヨーク１４Ａ、空隙、第１の
トルク検出面１６Ａを経て再び、空隙、第１のヨーク１
４Ａを介する経路となり、これは、第２のコイル１３Ｂ
にかかる磁気回路でも同様である。

このとき、第１．第２のトルク検出面１６Ａ。

１６Ａにおける磁束φ、・・・、φは、表皮効果のため
に、第１．第２のトルク検出面１６Ａ、１６Ｂの表面部
分、つまり、第１．第２のグループａ。

・・・、ａ相互間及びす、・・・、ｂ相互間の凸条ａ′
。

・・・、ａ′及びｂ′、・・・、ｂ′に沿う状態で且つ
軸方向に対し各々正又は負の４５度の傾斜角をもって通
過する（第４図（１１（２１中の点線参照）。そして、
この状態では、前述したようにインダクタンスＬ１＝Ｌ
２であるから、ブリッジ回路３０の出力端ｃ、　　ｄの
交流出力は同位相で且つ同電位となる。

このため、整流回路３４Ａ、３４Ｂの直流出力は相等し
く、差動増幅器３６の出力値は零となり、指示計３６の
振れは零となる。

この状態から、図示しない駆動手段によりシャフト１が
回転され、例えば第１図、第３図中のＲで示す方向（以
下、これを「右回転方向」という）にトルクが加わった
とする。これにより、第１のトルク検出面１６Ａは第４
図（１１中の■−■で示す方向に圧縮変形を受け、一方
、第２のトルク検出面１６Ｂは同図（２）中の■−■で
示す方向に引張変形を受ける。この変形作用によって、
第１のトルク検出面１６Ａでは、透磁率が減少し、ここ
を通過する磁束φ、・・・、φが減少し、結局、インダ
クタンスＬ１が低下する。これに対して、第２のトルク
検出面１６Ｂでは、透磁率が増加し、ここを通過する磁
束φ、・・・、φが増加し、結局、インダクタンスＬ２
が増加する。

このため、測定部２Ｂのブリッジ回路３０では、その平
衡がくずれ、出力端ｃ−ｂ側の電圧が出力端ｄ−ｂ側の
電圧に比べて高くなる。従って、信号処理部３４におい
ては、整流回路３８Ａの出力の方が整流回路３８Ｂの出
力より大きくなり、差動増幅器４０の出力は正の値とな
り、これにより、指示計３６は正の直流電圧値を指示す
る。

上述の場合とは反対に、前述したトルクが加わっていな
い平衡状態から、第１図、第３図中のしで示す方向（以
下、これを「左回転方向」という）にトルクが加わった
とする。これにより、第１のトルク検出面１６Ａは第４
図（１）中の■−■で示す方向に引張変形を受け、且つ
、第２のトルク検出面１６Ｂは同図（２）中の■−■で
示す方向に圧縮変形を受ける。これによって、第１のト
ルク検出面１６Ａでは透磁率が増加することからインダ
クタンスＬ１が増加し、これに対して、第２のトルク検
出面１６Ｂでは透磁率が減少することからインダクタン
スＬ２が減少する。

このため、測定部２Ｂのブリッジ回路３０では、出力端
ｄ−ｂ側の電圧が出力端ｃ−ｂ側の電圧に比べて高（な
る。従って、信号処理部３４においては、整流回路３８
Ｂの出力が整流回路３８Ａの出力より大きくなり、差動
増幅器４０の出力は負ｌ　ご の値となり、これにより、指示計３６は負の所定電圧値
を指示する。

そこで、上述した測定を方向毎にトルクの値を変えて実
行すると、シャフト１に加えられるトルクの値と第１．
第２のトルク検出面１６Ａ、１６Ｂの透磁率の値とは比
例関係にあることから、第７図に示す結果が得られる。

即ち、トルクが零のときには、信号処理部３４の出力電
圧が零でなり、この状態から右回転方向又は左回転方向
にトルクが印加されると、そのトルク値に比例した正又
は負の出力電圧が得られる。つまり、出力電圧の値によ
りシャフト１に印加されたトルクの大きさを知ることが
でき、出力電圧の正負によりトルクの印加力向を知るこ
とができる。

本実施例は以上のように構成され作用することから、種
々の利点を有している。

まず、シャツ）１の所定域における内外円周面全周に渡
って第１．第２のトルク検出面１６Ａ。

１６Ｂが各々形成され、その検出出力が周方向に平均化
されることから、従来例のようにシャフト１の部分周面
の磁気歪効果を利用する場合に比べ、シャフト１内部の
構造欠陥等の局所的な磁気特性の乱れに直接影響される
こともなく、一方、シャフト１が回転中に偏心を生じて
も、全体としてこの偏心の影響を平均化できることから
、これにより出力電圧に偏心誤差が生じるという状況が
著しく減少され、従って検出精度を著しく向上させるこ
とができる。

さらに、本実施例では、透磁性部材からなるシャフト１
の内外円周面にグループａ、・・・、ａ及びす、・・・
、ｂを形成することにより、シャフト１及び第１．第２
のトルク検出面１６Ａ、１６Ｂが単一部材で構成され、
このため、その構成を簡単化でき、且つ、堅牢になり、
また例えば磁歪膜をシャフトの内外円周面に接着剤で貼
着する場合に比べて、この貼着の際の磁歪膜の歪及び接
着剤の温度特性等を考慮しな（でもよく、この点からも
高精度な検出を行うことができる。

さらにまた、第１．第２のトルク検出面１６Ａ。

１６Ｂは、回転トルクに対して相互に反対方向の変形力
を受ける構成になっているため、反対極性の出力信号が
得られ、これによってトルクの変化に対する検出信号の
レンジ幅を大きく設定でき、右回転及び左回転の両方向
を上述した高精度を維持しつつ検出できる。

さらにまた、本実施例では、一方のセンサ部１１Ｂをシ
ャフト１の内部に設け、他方のセンサ部１１Ａのみをシ
ャフト１の外部に設けているため、シャフト１の外部の
装着スペースを一方のセンサ部１１Ｂの分だけ縮小でき
、これにより、本センサ２Ａを組み込む機器全体の小型
化を図ることができ、又は、シャフト１の外部の僅かの
スペースでも装着可能になり、省スペース化を推進でき
る。

また、本実施例では、第１．第２のコイル１３Ａ。

１３Ｂを励磁及び検出の両方に兼用する構成としている
から、その両方のコイルを各別に巻装する場合に比べて
、より小型化することができる。

さらにまた、本実施例では、第２のセンサ部ＩＩＢをシ
ャフト１の出力側端面から中空孔１０に着脱自在に挿入
可能である構成としているため、センサ部１１Ｂの保守
、管理が容易である。

従って、このような磁歪式トルクセンサ２Ａは車両、工
作機械等に広く適用可能であり、これらの機器はその制
御及び構造面において前述した各利点を享受可能になる
。

なお、前述した実施例においては、第１のトルク検出面
１６Ａのグループａ、・・・、ａの傾斜角を軸方向に対
して＋４５度、第２のトルク検出１６Ｂのグループｂ、
・・・、ｂのそれを一４５度に設定したが、本発明は必
ずしもこれに限定されることな（、傾斜方向を各々反対
に又は傾斜角を同一にしても可能であり、また、傾斜角
の絶対値は他の値であってもよい。一方、装着スペース
に余裕がある場合には、シャフトの内外に二組づつ同一
のセンサ部を装備し、さらに検出精度の向上を図るとし
てもよい。

また、前述した実施例では、シャフト１内部の円筒空間
を有する空間部として同軸状の中空孔１０を形成すると
したが、本発明は必ずしもこれに限定されることなく、
“例えば、シャフト１に穿設置９ された同軸状の有底穴であってもよいし、また端面を略
封鎖された同軸状の空間であってもよい。

さらに、前述した実施例は、シャフト１とトルク検出面
１６Ａ、１６Ｂとは単一部材で構成される場合を示した
が、これは必要に応じて、スリットを設けた透磁性の磁
歪膜をシャフトの内外円周面に貼着する等の構成も採り
得る。

さらにまた、前記実施例においては、グループの代わり
にライン状の非透磁性部材を斜めに埋設し、磁束の漏れ
を確実に防止させるとしてもよい。

さらにまた、この発明は、回転しない部材であってもト
ルクが伝達される部材であれば、その部材に対して前述
と同様に適用し得ることは勿論である。

〔発明の効果〕

以上説明してきたように、この発明によれば、磁歪式ト
ルクセンサを回転体の外周部及び内周部に分割して設け
、且つ、シャフトの内外で対向する所定域の円周面にそ
れぞれに異なる形状磁気異方性を有する第１．第２のト
ルク検出面を設けるという構成にしたため、局所的な磁
気特性の乱れが生じてもそれが周方向に平均化され、ま
たシャフトに偏心が生じてもその偏心誤差がシャフトの
ラジアル方向の反対側同士で吸収される等のことから、
回転体に加わるトルクに応じた信号を非接触で精度良く
検出可能になるとともに、シャフトの内外のトルク検出
面で各別に異なる形状磁気異方性をもたせていることか
ら、何れか一方のトルク検出面にかかる検出の場合に比
較して、トルクの変化に対する検出値のレンジ幅が広く
設定可能になって安定した高精度の測定を行うことが可
能になる一方、回転体の外部の装着スペースが小さい場
合でも取付けが可能になり、また軸方向の装着スペース
が極力少なくてすむ等、装着スペースの有効利用及び省
スペース化を推進して、本センサを適用する機器の小型
化にも寄与するという優れた磁歪式トルクセンサを提供
することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例を示す一部破断した側面図
、第２図は第１図のシャフトのグループ列を示す一部破
断した側面図、第３図は第２図中のｍ−ｍ線に沿った断
面図、第４図（１１（２１は各々第１、第２のトルク検
出面のグループの変形作用を示すため、シャフトの内外
の第１．第２のトルク検出面をそれぞれ平板状に展開し
たときの説明図、第５図は第１図の測定部を示すブロッ
ク図、第６図は本実施例における軸方向の磁束の経路を
示す説明図、第７図は本実施例におけるトルク対出力電
圧の関係を示すグラフである。 図中、１は外周面に円筒部分を含む中空状のシャフト（
回転体）、２はトルク検出装置、２Ａは磁歪式トルクセ
ンサ、１０は円筒空間を含む中空孔、１２Ａ、１２Ｂは
第１．第２のグループ列、１３Ａ、１３Ｂは第１．第２
のコイル、１６Ａ。 １６Ｂは第１．第２のトルク検出面、ａ、・・・、ａ、
ｂ、・・・、ｂはグループである。 弔 検出面 ４図 種上面 第　６　区 第７図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）回転体に作用するトルクの値及びその方向に応じ
   た信号を磁気歪効果を用いて非接触で検出可能な磁歪式
   トルクセンサにおいて、 前記回転体は、該回転体の外周部に円筒部分を有し、且
   つ、該回転体の内部に前記円筒部分と同軸な円筒空間を
   有する構造とし、 前記円筒部分における軸方向所定域に、前記軸方向に対
   して正又は負の傾斜角に設定された複数のグループから
   成る第１のグループ列を有し且つ磁気歪効果を呈する第
   １のトルク検出面を設け、前記円筒空間の前記第１のト
   ルク検出面に対向した円周面に、前記軸方向に対して負
   又は正の傾斜角に設定された複数のグループから成る第
   ２のグループ列を有し且つ磁気歪効果を呈する第２のト
   ルク検出面を設けるとともに、 前記第１及び第２のグループ列にそれぞれ近接対向した
   位置に固定配設され且つ前記第１及び第２のトルク検出
   面との間でそれぞれ磁気回路を形成可能な第１及び第２
   のコイルを具備したことを特徴とする磁歪式トルクセン
   サ。