JPS63317731A - トルク検出装置 - 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］ 本発明は１例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。出力精度に優れた。磁歪式トルク検出装
置に関する。

〔従来技術〕

従来、受動軸の軸トルクを測定する手段としては３回転
軸にストレンゲージを貼り付けて、その抵抗値変化によ
りトルクを検出する方法、駆動側と負荷側との間に既知
のヤング率を有する中間軸を配設して、その中間軸のね
じれを位相差とじて検出する方法等がある。しかし、ス
トレンゲージ法は、ゲージの貼り付けの良否如何が精度
を左右するし、テレメータ等を必要として装置が大きく
なる。また、中間軸のねじれによる位相差を検出する方
法は、特定の中間軸を必要とするため測定装置が複雑と
なり、また電気回路も複雑であり。

高価である。

そこで、軸の外周に２つの磁性層を固着し８　この各磁
性層をそれぞれ包囲するように上記軸に回転対象に２つ
の検出コイルを巻回し、この各検出コイルを用いて各（
■性層を磁心とする２つの発振回路を構成し、トルク印
加時の上記磁性層の磁気特性変化によって生ずる各発振
回路の出力周波数変化の差を検出することにより、印加
されたトルクの大きさと方向を検出しようとするものが
提案されている（特開昭６Ｏ−１７３４３４）。

このものは、第９図及び第１０図に示すごとく。

トルクを受ける受動軸１の外周上に、互いに異なる方向
でかつ軸方向に対し４５°の磁気異方性をもたせて固着
された第１及び第２の磁性層９０゜９１、これら各磁性
層９０．９１のそれぞれを包囲するように上記軸１に所
定のギャップ（空隙）を隔てて巻回された第１及び第２
の検出コイル９０１．９０２，９１１，９１２．上記第
１の磁性層９０を磁心として」二記第１の検出コイル９
０１゜９０２を用いて構成された第１の発振回路Ａ、上
記第２の磁性層９１を磁心として上記第２の検出コイル
９１１，９１２を用いて構成された第２の発振回路Ｄ４
：備え、トルクによる上記磁性層の磁気特性変化を上記
各発振回路Ａ、Ｄの発振周波数変化の差として検出する
ようにしたものである。

しかして、第９図に示すごとく第１及び第２発振回路Ａ
、Ｄの発振周波数は、軸にトルクが加わることによって
磁性層９０．９１の磁気特性が変化するため互いに逆向
きに変化する。そして、上記発振回路Ａ及びＤのコレク
タ出力電圧ＶＣＩ及びＶＣ２は、それぞれ波形整形回路
Ｂ及びＥに入力され、電源電圧■ＣＣでリミットされた
短形波信号Ｖ１及び■２に変換される。そして１周波数
−電圧変換器Ｃ及びＦに入力され１発振周波数に対応し
た直流レベル信号ｖ３及びｖ４に変換される。更に、こ
の出力信号ｖ３及び■４は、差動増幅回路Ｇに送られ、
ここで上記直流レベル信号Ｖ３、■４の差電圧が増幅さ
れ、トルクに比例した出力電圧ｖＯとして取り出される
。

この従来方法は、磁性層と検出コイルとの発振回路によ
って上記のごとくトルクの大きさと方向とを測定でき、
また装置も簡単である点で優れ°Ｃいる。

しかしながら、このトルク検出装置における発振回路Ａ
、Ｄは、受動軸ｌに固着した前記磁性層９０及び９１と
、これを包囲するように受動軸１の外側に配置した検出
コイル９０１，９０２及び９１１．９１２との間にギャ
ップＸを有している。

このギャップＸは、空気層であると共に受動軸が回転す
る際その若干の偏心、振動等によりその間隔が変化する
ことがある。そのため、磁性層における透磁率変化を検
出コイルによって検出し、出力する発振回路の発信周波
数に、上記ギャップＸの存在が影響し、その出力ＶＣＩ
、ＶＣ２の精度。

感度が低下する。

〔解決すべき問題点］ 本発明は、上記従来装置における発振回路が回転側（回
転軸）と固定側（検出コイル）の両者において構成され
１両者間に空隙があるため、検出精度、感度が低いこと
を解明し、かかる問題を解決しようとするものである。

即ち２本発明は１発振回路を特定の構成とするごとによ
り、検出精度、感度に優れた磁歪式のトルク検出装置を
提供しようとするものである。

〔問題点の解決手段］ 本発明は、トルクを受ける受動軸に、互いに異なる方向
でかつ受動軸の軸方向に対しほぼ４５度の磁気異方性を
持たせて受動軸に固着した第１及び第２の磁歪膜と、各
（ｉｔ磁歪膜対してそのｉ３磁率に対応するインダクタ
ンスを存する磁歪コイルと上記受動軸を中心に持つソレ
ノイドコイルとコンデンサとを直列に接続してなる２組
の共振回路とを固着し、一方磁心とこれに巻回したコイ
ルとからなる人力コイル及び出力コイルを１組とする検
山部を設け、該検出部の人力コイルと出力コイルとは前
記受動軸の両側に前記各ソレノイドコイルに対向して空
隙をもってそれぞれ配置し、上記共振回路と検出部とに
より上記共振回路の共振周波数により発振する２組の発
振回路を構成し、トルクによる磁歪膜の透磁率変化を上
記２組の発振回路からの発振周波数の差として検出する
ことを特徴とするトルク検出装置にある。

本発明において、上記磁歪膜は前記従来装置における磁
性層に対応するものである。しかして。

本発明において最も重要なことは、磁歪コイルとソレノ
イドコイルとコンデンサとを直列に接続して磁歪膜と共
に共振回路を構成し、該共振回路を受動軸に固定したこ
とである。特に、前記従来装置における発振回路を、磁
歪膜と磁歪コイルによって構成し１両者間にギャップを
設けず軸上に固着したことにある。

本発明において、磁気異方性の方向は第３図に示すごと
く、受動軸の軸方向と４５度の角度にする。それ故、磁
歪膜を受動軸に固着する際にはこの点に注意する必要が
ある。また、磁歪コイルは磁歪膜の長手方向を軸として
これに巻回する。

磁歪膜としては、ニッケル箔、パーマロイ箔。

非晶質の磁性合金箔などを用いる。

また、共振回路における磁歪膜、磁歪コイル。

ソレノイドコイル及びコンデンサは軸上に固着等により
配設する。また、これらは第２．第３実施例に示すごと
く、その１種以上を伸縮性のあるフレキシブルシート基
板に予めその回路を形成しておき、これを受動軸上に貼
付するという手段もとり得る。上記フレキシブルシート
基板としてはポリイミドシートに銅箔を貼ったものを用
いる。また、上記基板上への磁歪膜等の回路の形成は、
エツチングにより行う。

また１本発明のトルク検出装置は、車両駆動系。

ステアリング系、その他の回転系のトルクを非接触で測
定する場合、更にはこれら回転系に実装してトルクを検
出し９回転系の制御を行わせる場合に特に優れた効果を
発揮する。

〔作　用〕

本発明においては、軸にトルクが加わると磁歪膜に応力
が加わり、その透磁率が変化し２Ｍ１歪コイルのインダ
クタンスが変化する。そのため、受動軸上に構成した共
振回路の共振周波数が変化し。

発振周波数が変化する。透磁率の変化量は、トルク量に
対応するため１発振周波数の変化量から印加トルクが検
出できる。

〔効　果〕

本発明によれば、共振回路を受動軸上に配設したので、
磁歪膜の透磁率変化は磁歪コイルによって直接キャッチ
することができ１両者間にギャップを有する前記従来技
術に比して、その検出精度及び感度は極めて優れている
。

また、受動軸外に設けた検出部への信号伝達は。

磁歪膜とは別に設けたソレノイドコイルによっているた
め、磁歪膜を受動軸の一部に設けるのみでも、連続した
出力を伝達することができる。それ故トルク検出装置が
安価となる。なお、従来技術は、磁歪膜の透磁率変化を
軸外の検出コイルで検出しているので、磁歪膜を受動軸
の全周に設ける必要があった。

また２本発明では、互いに逆方向の応力を受けるように
２組の共振回路を設け、その共振周波数の差を出力とし
ているので、測定時の温度変化に基づく磁歪膜の透磁率
、コンデンサの容量の変化を互いにキャンセルさせると
いう、温度補償も行うことができる。

〔実施例〕

第１実施例 本例にかかるトルク検出装置を第１ないし第５図を用い
て説明する。

第１図は、本例トルク検出装置の共振回路と検出部を示
す概念図、第２ないし第４図は各要素を示す図、第５図
は共振回路に、検出部り及び波形整形回路Ｎからなる２
組の発振回路図である。

本例における検出回路は、第１図に示すごとく。

受動軸ｌに固着した共振回路にと、受動軸ｌの外に設け
た検出部りとを１組とする回路（同図の右半分）で、こ
の２組をもってトルクを検出しようとするものである。

まず、同図の右半分に示す検出回路につき説明すれば、
共振回路には、磁歪膜２１と、その周囲に巻回した磁歪
コイル３１．受動軸１の周囲に巻回したソレノイドコイ
ル４１及び受動軸１に接着したコンデンサ４５とを直列
に接続した回路とによって構成する。上記、磁歪コイル
３１は、上記磁歪膜２１に対してその透磁率に対するイ
ンダクタンスを有するものである。また、上記共振回路
Ｋから出力される共振周波数を検出する検出部りは、駆
動電源に接続した入力コイル５１と検出した信号を発信
する出力コイル６１とからなる。入力コイル５１は磁心
５１１とこれに巻回したコイル５１２とからなり、出力
コイル６１は磁心６１１とこれに巻回したコイル６１２
とからなる。上記磁歪膜２１と磁歪コイル３１とは、第
４図に示すごとく９平板状の磁歪膜２１に対してその長
手方向を軸として磁歪コイル３１が巻回してあり。

その下面は受動軸１の表面に接着材で強固に接着しであ
る。そして、磁歪膜２１の接着は、第３図に示すごとく
、受動軸の軸方向に対して角度４５度の磁気異方性を持
つよう配置しである。上記入力コイル５１及び出力コイ
ル６１は、第２図に見られるごとく、上記ソレノイドコ
イル４１に対向してそれぞれ配置し１両コイルとソレノ
イドコイル４１との間には空隙Ｍを有する。

一方、第１図の左半分に示す回路は、上記右半分と同様
の構成及び回路で、磁歪１１１２２．磁歪コイル３２．
ソレノイドコイル４２．及びコンデンサ４６からなる共
振回路と、磁心５２１とコイル５２２からなる入力コイ
ル５２と、磁心６２１とコイル６２２からなる出力コイ
ル６２とよりなる。

但し、Ｉ歪膜２２は、前記磁歪膜２１と９０度角度を変
え、受動軸ｌの軸方向に対して４５度の磁気異方性を持
つよう接着しである。

次に第５図は、上記共振回路にと検出部りとを１＆Ｉｌ
とする検出回路を波形整形回路Ｎに接続し。

第１図に示した右半分からの出力ｖ１と、同じく左半分
からの出力ｖ２とを発生ずる１発振回路を示すものであ
る。

しかして、第１ないし第５図より知られるごとく、受動
軸ｌにトルクが加わると透磁率が逆向きに変化する応力
が磁歪膜に加わることになり９例えば一方の磁歪膜２１
は引張応力によって透磁率が増加、他方の磁歪膜２２は
圧縮応力によって透　。

磁率は減少する。そのため、一方の磁歪膜２１に巻回し
た磁歪コイル３１におけるインダクタンスが増加し、他
方の磁歪膜２２に巻回した磁歪コイル３２におけるそれ
は減少する。そして、磁歪コイル３１に基づく共振周波
数が減少し、一方磁歪コイル３２に基づくそれは上昇し
、その共振成分はソレノイドコイル４１又は４２によっ
て、検出部に発信される。

検出部りにおいては、入力コイル５１又は５２によって
、上記ソレノイドコイル４１又は４２からの出力信号を
キャッチし、前記のごとく波形整形回路Ｎを通した後出
力コイル６１又は６２に出力され９発振を維持する。

なお、同図において１１１は電流制限抵抗、１１２は発
振励起コンデンサ、１１０はコンパレータ、■は駆動電
源である。

波形整形回路からの出力Ｖｌ、Ｖ２は、前記従来技術の
第９図で説明したごとく９周波数−電圧変換器Ｃ，Ｆを
経て、差動増幅回路で比較増幅され、印加トルクに対応
した電圧信号ｖＯとして出力される。

以上のごとく２本例によれば、共振回路を受動軸上に配
設したので、磁歪膜２１，２２の透磁率変化は、これに
直接巻回した磁歪コイル３１．３２によってインダクタ
ンスの変化としてキャッチすることができ９両者間にギ
ャップを有する前記従来技術に比して、その検出精度及
び感度は極めて優れている。

また、受動軸外の検出部りへの信号伝達は磁歪膜２１，
２２とは別個のソレノイドコイル４１゜４２によってい
るため、磁歪膜を受動軸１の一部に固着するのみでも、
連続した出力を伝達することができる。それ故、磁歪膜
の固着が容易であり。

トルク検出装置が安価となる。なお、前記従来技術では
、磁歪膜の透磁率変化を直接に受動軸外の検出コイルに
よって検出しているので９Ｍ１歪膜は受動軸の全周に設
ける必要があった。

また、実用の隙には、測定場所の温度変化によりコンデ
ンサ４５．４６の容量変化、磁歪膜２１゜２２の透磁率
変化を生じ、共振周波数の変化を生ずるが９本例では互
いに逆方向の応力を受ける共振回路を２組用い、その共
振周波数の差を出力しているので、上記温度特性を補償
することができる。

第２実施例 本例は、第６図に示すごとく、磁歪膜２１と磁歪コイル
３１とをフレキシブルシート基板Ｓの裏側と表側とに設
けたものである。フレキシブルシート基板Ｓとしては、
ポリイミド材を用い、この軸側（裏側）に磁歪膜２１を
接着剤により密着し。

更にこの磁歪膜２１に対向して、フレキシブルシートｘ
板Ｓの反対面（表側）に、磁歪コイルを同図に示すごと
く螺旋状にエツチングにより形成したものである。

しかして、測定に当たっては、上記磁歪膜と磁歪コイル
を設けたフレキシブルシート基板Ｓを受動軸ｌ上に固着
する。この際磁歪膜２１は、第１実施例と同様に磁気異
方性が受動軸の軸に対して４５度となるよう配置する。

本例によれば、第１実施例と同様の効果が得られる外、
＆１歪膜と磁歪コイルとを一度に受動軸上に配置するこ
とができ、その固着が容易である。

第３実施例 本例は、第７図に示すごとく、ソレノイドコイル４１と
受動軸ｌとの間にパーマロイ箔等の高い透磁率を有する
高透磁性膜を介設したものである。

本例によれば、前記第１実施例と同様の効果が得られる
外、ソレノイドコイル４１のインダクタンスを増加させ
ることができ、ソレノイドコイルの巻数を減らすことが
できる。

第４実施例 本例は、第８図に示すごとく、第２．第３実施例の手法
を更に拡大し、磁歪膜、磁歪コイル、ソレノイドコイル
及びコンデンサからなる共振回路の要素を全て１枚のフ
レキシブルシート基板Ｓに配設し、これを軸上に接着す
るものである。

即ち、縦長状で、上方を残して切り抜き空間部９を有す
るフレキシブルシート基ｖｉ、Ｓにおいて。

その上方には磁歪コイル３１，３２．コンデンサ４５．
４６をそれぞれ設けると共に、ソレノイドコイル用の多
数の０本の電線４１１．４２１を配置する。また、基板
Ｓの上方両側部の裏側には。

磁歪膜２１，２２を配設すると共に上記０本の電線４１
１，４２１の下方部に位置するように、受動軸の外周長
さとほぼ同じ長さを有する高透磁性膜４３．４４を貼付
する。

上記のごとく構成した共振回路板は、その上部を軸に接
着すると共に１両側の電線４１１，４２１のシート部分
を軸の周囲に重ねて巻回する。この巻回は、この両側部
の電線４１１，４２１が前部巻き終わるまで行う、換言
すれば、このｎ本電線４１１．４２１はｍ巻分（例えば
、５巻）の長さ設けられている。しかして、この壱回後
、一方の０本の電線４１１は、同図の基板Ｓ上に付した
１、２．、、、ｎ−１，ｎの各端部同志について互いに
接続する。これにより、受動軸上にはｍ×ｎ回巻のソレ
ノイドコイルが形成される。電線４２１についても同様
である。

本例によれば、第１実施例と同様の効果が得られる外、
予めフレキシブルシート基板上に設けた共振回路を軸上
に巻回、貼付するのみで良く、測定準備が簡単であると
共に、安価なトルク検出装置を提供することができる。

なお、上側において、コンデンサはチップ部品を用いる
外、フレキシブルシート基板上に導体膜と絶縁膜を配し
巻回することにより形成することもできる。また、磁歪
膜は軸との強固な固着が必要であるため、予め軸に固着
しておき、その後それ以外の要素を配したフレキシブル
シート基板を接着することもできる。

【図面の簡単な説明】

第１ないし５図は第１実施例を示し、第１図は受動軸と
共振回路、検出部の位置関係を示す概念図、第２図は第
１図の受動軸直径方向断面図、第３図は磁歪膜の配置状
態を示す図、第４図は磁歪膜及びその固着状態を示す図
、第５図は発振回路図、第６図は第２実施例、第７図は
第３実施例。 第８図は共振回路を設けたフレキシブルシート基板を示
す図、第９回及び１０図は従来装置を示し第９図はその
電気回路、第１０図は発振回路の配置を示す図である。 １９０．軸、　　　　　　２１，２２．、、磁歪膜。 ３１．３２．、、磁歪コイル。 ４１．４２．、、　　ソレノイドコイル。 ４５、　４６．、、　、　コンデンサ。 ５１．５２．、、入力コイル。 ６１．６２．、、　出力コイル。 Ｋ０３．共振回路、　　　　Ｌ１９．検出部。 Ｓ０９．フレキシブルシート基板。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）トルクを受ける受動軸に、互いに異なる方向でか
   つ受動軸の軸方向に対しほぼ４５度の磁気異方性を持た
   せて受動軸に固着した第１及び第２の磁歪膜と、各磁歪
   膜に対してその透磁率に対応するインダクタンスを有す
   る磁歪コイルと上記受動軸を中心に持つソレノイドコイ
   ルとコンデンサとを直列に接続してなる２組の共振回路
   とを固着し、 磁心とこれに巻回したコイルとからなる入力コイル及び
   出力コイルを１組とする検出部を設け、該検出部の入力
   コイルと出力コイルとは前記受動軸の両側に前記各ソレ
   ノイドコイルに対向して空隙をもってそれぞれ配置し、
   上記共振回路と検出部とにより上記共振回路の共振周波
   数により発振する２組の発振回路を構成し、 トルクによる磁歪膜の透磁率変化を上記２組の発振回路
   からの発振周波数の差として検出することを特徴とする
   トルク検出装置。
2. （２）共振回路における磁歪膜、コイル、ソレノイドコ
   イル及びコンデンサの１つまたはそれ以上がフレキシブ
   ルシート基板に配設され、該フレキシブルシート基板は
   前記受動軸に固着していることを特徴とする特許請求の
   範囲第１項に記載のトルク検出装置。