WO2017057749A1 - 磁歪式トルクセンサ - Google Patents

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WO2017057749A1
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coil
potential
torque sensor
magnetostrictive
detection
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Inventor
松本　弘
さとみ 石川
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ヤマハ発動機株式会社
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    • B62M6/50—Control or actuating devices therefor characterised by detectors or sensors, or arrangement thereof

Definitions

  • the present invention relates to a magnetostrictive torque sensor.
  • a magnetostrictive torque sensor has been used to detect torque acting on the components of the device.
  • a configuration of the magnetostrictive torque sensor for example, a configuration having a columnar base material provided with a pair of magnetostrictive portions on an outer peripheral surface and a pair of coils that generate a magnetic flux passing through the pair of magnetostrictive portions is known. Yes.
  • the magnetostrictive torque sensor having such a configuration for example, when a rotational force is applied to the substrate, tensile stress is generated in one of the pair of magnetostrictive portions, and the other magnetostrictive portion is compressed. Stress is generated. Thereby, the magnetic permeability of the pair of magnetostrictive portions changes. By detecting a change in magnetic permeability of the pair of magnetostrictive portions, a force acting on the base material is detected.
  • an amorphous alloy can be used as the magnetostrictive portion.
  • Patent Document 1 discloses a torque detector having a columnar or cylindrical torque transmitting means having a magnetostrictive effect portion on the outer peripheral surface and a pair of coils.
  • an amorphous alloy foil is attached to the outer peripheral surface of the torque transmitting means as a magnetostrictive effect portion.
  • the change in the magnetic permeability of the amorphous alloy is greater when compressive strain is applied than when tensile strain is applied to the amorphous alloy. Therefore, in the torque detector described in Patent Document 1, the amorphous alloy foil is affixed to the outer peripheral surface of the torque transmission means using an adhesive in a state where the biaxial isotropic compressive strain is applied to the amorphous alloy foil. Yes. Thereby, it is thought that the torque detector excellent in the sensitivity can be obtained.
  • an object of the present invention is to obtain a magnetostrictive torque sensor that is excellent in sensitivity and easy to manufacture.
  • the present inventors have studied to form the magnetostrictive portion with a material other than the amorphous alloy foil. Specifically, the use of a plating film as the magnetostrictive portion was examined.
  • the plating film forming process is strict. Need to manage. Specifically, in a magnetostrictive torque sensor in which a magnetostrictive portion is formed by a plating film, it is necessary to strictly manage the alloy ratio of the plating film. In this case, it is difficult to easily manufacture a magnetostrictive torque sensor having a magnetostrictive portion formed by a plating film. On the other hand, when the plating film is formed in preference to easily manufacturing the torque sensor, it is difficult to avoid a decrease in sensitivity of the magnetostrictive torque sensor.
  • the present inventors tried to improve the sensitivity of the magnetostrictive torque sensor with a configuration other than the magnetostrictive portion.
  • the present inventors tried to improve the sensitivity of the magnetostrictive torque sensor by adjusting the current flowing through the coil. As a result of studying the relationship between the current flowing through the coil and the sensitivity of the magnetostrictive torque sensor, the present inventors have found that the magnetostrictive torque sensor has a different frequency depending on the frequency of the current even when the current value of the current flowing through the coil is equal. We found that the sensitivity was different.
  • the inventors of the present invention have higher sensitivity of the magnetostrictive torque sensor having the magnetostrictive portion of the plating film than the magnetostrictive torque sensor having the magnetostrictive portion of the amorphous alloy foil depending on the frequency band of the current flowing through the coil. Found that there is a case. Specifically, it has been found that in a magnetostrictive torque sensor having a magnetostrictive portion of a plating film, even when the current values of the currents flowing through the coils are equal, the sensitivity can be improved by reducing the frequency of the currents.
  • the present inventors have used a magnetostrictive torque sensor having a configuration similar to the configuration disclosed in Patent Document 1 by using a plating film as a magnetostrictive portion instead of an amorphous alloy foil.
  • the present inventors tried to improve the sensitivity of the magnetostrictive torque sensor by adjusting the frequency of the current flowing through the pair of coils.
  • the present inventors examined a configuration for facilitating the adjustment of the frequency of the current flowing through each coil in the magnetostrictive torque sensor having a pair of coils. As a result, the present inventors have found that by connecting a pair of coils in series, it is possible to prevent an excessive current from flowing through each coil and to easily adjust the frequency of the current.
  • the present inventors appropriately set the frequency of the current flowing through the pair of coils even when the plating film is formed in preference to easy manufacture. It was found that the sensitivity of the magnetostrictive torque sensor can be improved by adjusting. Furthermore, the present inventors have found that the frequency of the current flowing through each coil can be easily adjusted by connecting a pair of coils in series. As a result, the present inventors have found that a magnetostrictive torque sensor with excellent sensitivity and low cost can be obtained by configuring the pair of magnetostrictive portions with plating films and connecting the pair of coils in series. It was.
  • the present inventors have conceived the following configuration for the magnetostrictive torque sensor.
  • a magnetostrictive torque sensor includes a columnar or cylindrical base material, a first magnetostrictive portion and a second magnetostrictive member which are provided on an outer peripheral surface of the base material and are configured by a plating film.
  • a first coil that generates a magnetic flux that passes through the first magnetostrictive portion
  • a second coil that generates a magnetic flux that passes through the second magnetostrictive portion
  • a coil, and a detector that detects a potential between the first coil and the second coil.
  • the magnetostrictive torque sensor according to one embodiment of the present invention is excellent in sensitivity and can be easily manufactured.
  • FIG. 1 is a front view showing a schematic configuration of a torque sensor according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a partial cross-sectional view showing the torque sensor partially in cross-section.
  • FIG. 3 is a diagram illustrating a circuit configuration of the torque sensor.
  • FIG. 4 is a diagram illustrating an example of a change with time of the potential of the contact point between the detection coil and the switching element.
  • FIG. 5 is a diagram illustrating an example of a temporal change in potential between a pair of detection coils.
  • FIG. 6 is a diagram illustrating an example of a signal obtained by full-wave rectification in the detection circuit.
  • a magnetostrictive torque sensor (hereinafter abbreviated as a torque sensor) according to an embodiment of the present invention will be described.
  • FIG. 1 is a schematic front view showing a torque sensor 10 according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 2 is a partial cross-sectional view showing the torque sensor 10 partially in cross section.
  • the torque sensor 10 includes a base material 12, a plating film 14, a bobbin 16, a pair of detection coils 18a and 18b, a case 20, and a circuit board 22.
  • the torque sensor 10 when the torque acts on the base material 12, the magnetic permeability of the plating film 14 changes. The change in the magnetic permeability of the plating film 14 is detected by the detection coils 18a and 18b.
  • the torque acting on the substrate 12 can be detected by the torque sensor 10.
  • the torque sensor 10 can be used as a torque sensor for detecting a treading force in, for example, a driving device for a bicycle with an electric assist.
  • the detection coils 18a and 18b function as a first coil and a second coil, respectively.
  • the base material 12 consists of metal materials, such as chromium molybdenum steel, for example. With reference to FIG. 2, in this embodiment, the base material 12 has a cylindrical shape long in the axial direction.
  • the torque sensor 10 is used as a torque sensor for detecting the pedaling force of a bicycle with electric assist, for example, the outer peripheral surface of the one end portion 12a in the axial direction of the base member 12 and the other end portion 12b of the base member 12 in the axial direction. Spline grooves are respectively formed on the inner peripheral surface of the.
  • One end portion 12a of the base material 12 is connected to a chain sprocket (not shown) of a bicycle with electric assist via a one-way clutch.
  • crankshaft 24 of a bicycle with electric assist is inserted into the base material 12.
  • the crankshaft 24 is made of a base material so that a spline groove provided on the other end portion 12b of the base material 12 and a spline groove (not shown) provided on the outer peripheral surface of the crankshaft 24 mesh with each other. 12 is inserted. With such a configuration, torque is transmitted from the crankshaft 24 to the base material 12.
  • the plating film 14 is made of a magnetostrictive material (for example, Fe—Ni alloy) and functions as a magnetostrictive portion.
  • the plating film 14 is formed by, for example, an electroplating method.
  • the plating film 14 is formed on the outer peripheral surface of the central portion of the base 12 in the axial direction so as to have a cylindrical shape.
  • the plating film 14 includes a cylindrical magnetostrictive portion 26 (first magnetostrictive portion) and a magnetostrictive portion 28 (second magnetostrictive portion).
  • the magnetostrictive portion 26 and the magnetostrictive portion 28 are provided so as to be aligned in the axial direction of the substrate 12.
  • the magnetostrictive portion 26 is formed with a plurality of slits 26a.
  • a plurality of slits 28a are formed in the magnetostrictive portion 28a.
  • the plurality of slits 26 a are formed at equal intervals in the circumferential direction of the substrate 12.
  • the plurality of slits 28a are formed in the base material 12 at equal intervals in the circumferential direction.
  • the slit 26a When viewed from the outside in the radial direction of the base material 12, the slit 26a is inclined 45 ° with respect to the axis of the base material 12 (see the two-dot chain line in FIG. 2). Further, when viewed from the outside in the radial direction of the substrate 12, the slit 28 a is inclined 45 ° in a direction different from the slit 26 a with respect to the axis of the substrate 12. That is, in the present embodiment, a plurality of slits 26a and 28a are formed in the plating film 14 so that the slits 26a and the slits 28a are orthogonal to each other. With such a configuration, when a torque acts on the base material 12, a compressive stress is generated in one of the magnetostrictive portions 26 and 28, and a tensile stress is generated in the other.
  • the bobbin 16 is made of, for example, a resin material.
  • the bobbin 16 has a cylindrical shape.
  • the bobbin 16 includes a cylindrical portion 16a and a plurality (four in the present embodiment) of flange portions 16b to 16e protruding outward in the radial direction of the cylindrical portion 16a from the outer peripheral surface of the cylindrical portion 16a.
  • the flange portions 16b to 16e are provided so as to be spaced from each other in the axial direction of the cylindrical portion 16a.
  • the torque sensor 10 is used as a torque sensor for detecting a pedaling force in a bicycle driving device with an electric assist
  • the bobbin 16 is fixed to the casing of the driving device using a fixing member (not shown).
  • the detection coil 18a is wound around the cylindrical portion 16a between the flange portion 16b and the flange portion 16c.
  • the detection coil 18b is wound around the cylindrical portion 16a between the flange portion 16d and the flange portion 16e.
  • the detection coils 18a and 18b have a fusion layer.
  • adjacent coil wires are fixed to each other by self-fusion. Note that the detection coils 18a and 18b may not have a fusion layer. In this case, adjacent coil wires may be fixed to each other by other means such as an impregnation treatment.
  • the flange portion 16b is provided with a plurality of terminals that are electrically connected to the detection coils 18a and 18b.
  • the connector part 30 is attached to the flange part 16b so as to protect these terminals.
  • the terminals of the circuit board 22 are electrically connected to the plurality of terminals. The circuit board 22 will be described later.
  • the base material 12 is rotatably supported on the inner peripheral surface of the bobbin 16.
  • the bobbin 16 covers the plating film 14 from the outside in the radial direction of the substrate 12 so as not to contact the plating film 14.
  • the detection coils 18 a and 18 b are provided coaxially with the base 12 and are provided at positions facing the plating film 14 in the radial direction of the base 12. More specifically, the detection coil 18 a is provided at a position facing the magnetostrictive portion 26 in the radial direction of the substrate 12. In the radial direction of the substrate 12, the detection coil 18 b is provided at a position facing the magnetostrictive portion 28.
  • the magnetic flux generated by the detection coil 18 a and passing through the magnetostrictive portion 26 and the magnetic flux generated by the detection coil 18 b and passing through the magnetostrictive portion 28 are directed in one direction (same direction) in the axial direction of the base material 12.
  • Detection coils 18a and 18b are provided so as to flow.
  • the distance between the detection coil 18a and the detection coil 18b is smaller than, for example, the length of the detection coil 18a and the length of the detection coil 18b.
  • the coupling coefficient between the detection coil 18a and the detection coil 18b is set to 0.2 to 0.6, for example.
  • case 20 is made of a metal material such as low carbon steel, for example.
  • the case 20 has a cylindrical shape.
  • the bobbin 16 is inserted into the case 20.
  • the case 20 covers the outer sides in the radial direction of the detection coils 18a and 18b.
  • a plurality of substantially U-shaped through holes 20 a are formed at one end of the case 20.
  • a substantially rectangular crimped portion 20b is formed.
  • the plurality of crimping portions 20 b are formed at equal intervals in the circumferential direction of the case 20.
  • the case 20 is fixed to the bobbin 16 by caulking using a plurality of caulking portions 20b.
  • annular protective plate 32 made of a resin material is provided so as to contact one end surface of the bobbin 16.
  • An annular protective plate 34 made of a resin material is provided so as to contact the other end surface of the bobbin 16.
  • the protection plates 32 and 34 are provided to prevent wear on one end surface and the other end surface of the bobbin 16.
  • a substantially C-shaped circlip 36 is provided so as to restrict the movement of the protective plate 34 in the axial direction of the substrate 12. Thereby, it is possible to prevent the bobbin 16 from moving with respect to the base material 12 in the axial direction of the base material 12.
  • the circlip 36 is made of a metal material, for example.
  • the torque sensor 10 can detect the torque acting on the base material 12 based on the change in impedance of the detection coils 18a and 18b.
  • FIG. 3 is a schematic diagram illustrating a circuit configuration of the torque sensor 10.
  • resistors 38 and 40, a switching circuit 42, a control circuit 44, a potential adjustment circuit 46, detection circuits 48 and 50, an addition circuit 52, and an arithmetic circuit 54 are provided on the circuit board 22.
  • the switching circuit 42 functions as a power supply unit.
  • the potential adjustment circuit 46 functions as a potential generation unit.
  • the detection circuits 48 and 50 function as a detection unit.
  • the resistor 38 (first resistor) is electrically connected in series to the detection coils 18a and 18b between the detection coil 18a and the detection coil 18b.
  • the resistor 40 (second resistor) is electrically connected in series with the resistor 38 and the detection coil 18b between the resistor 38 and the detection coil 18b.
  • the resistance value of the resistor 38 is smaller than the resistance value (impedance) of the detection coil 18a.
  • the resistance value of the resistor 40 is smaller than the resistance value (impedance) of the detection coil 18b.
  • the switching circuit 42 is connected to the power supply terminal V1.
  • a positive power supply voltage is supplied from the power supply terminal V ⁇ b> 1 to the switching circuit 42.
  • the potential of the power supply terminal V1 (power supply potential) is, for example, 5V.
  • the switching circuit 42 is electrically connected in series to the detection coil 18a, the resistor 38, the resistor 40, and the detection coil 18b.
  • the switching circuit 42 is an H-bridge circuit having two switching arms 42a and 42b connected in parallel.
  • the switching arm 42a includes switching elements S1 and S2 and diodes D1 and D2. Switching element S1 and switching element S2 are connected in series. The switching element S1 and the diode D1 are connected in parallel. The switching element S2 and the diode D2 are connected in parallel.
  • the switching arm 42b includes switching elements S3 and S4 and diodes D3 and D4. Switching element S3 and switching element S4 are connected in series. The switching element S3 and the diode D3 are connected in parallel. The switching element S4 and the diode D4 are connected in parallel.
  • P-channel MOSFETs are used as the switching elements S1 and S3.
  • N-channel MOSFETs are used as the switching elements S2 and S4.
  • the midpoint of the switching element S1 and the switching element S2 is electrically connected to one end of the detection coil 18a.
  • a midpoint between the switching element S3 and the switching element S4 is electrically connected to one end of the detection coil 18b.
  • a contact point of the detection coil 18a, the switching element S1, and the switching element S2 is indicated as a node n1
  • a contact point of the detection coil 18b, the switching element S3, and the switching element S4 is indicated as a node n2.
  • the control circuit 44 controls the switching operation (on-off operation) of the switching elements S1 to S4 by outputting a control signal to the switching circuit 42. Specifically, the control circuit 44 outputs a control signal so that the switching elements S1 and S4 and the switching elements S2 and S3 are alternately turned on.
  • FIG. 4 is a diagram illustrating an example of a change with time of the potentials of the node n1 and the node n2.
  • 4A shows the change with time of the potential of the node n1
  • FIG. 4B shows the change with time of the potential of the node n2.
  • control circuit 44 outputs a rectangular signal of 1 to 2 kHz, for example, as the control signal.
  • an alternating current of 1 to 2 kHz flows through the detection coil 18a, the resistor 38, the resistor 40, and the detection coil 18b.
  • potential adjusting circuit 46 is electrically connected to the midpoint of resistors 38 and 40 and to power supply terminal V2.
  • the contacts of the resistor 38, the resistor 40, and the potential adjusting circuit 46 are shown as a node n3.
  • a positive power supply voltage is supplied from the power supply terminal V ⁇ b> 2 to the potential adjustment circuit 46.
  • the potential adjusting circuit 46 generates the intermediate potential vm between the potential vp1 of the power supply terminal V1 and the ground potential, and sets the potential of the node n3 to the intermediate potential vm.
  • the potential adjustment circuit 46 generates the intermediate potential vm by reducing the potential vp2 of the power supply terminal V2. For example, when the potential vp1 of the power supply terminal V1 is 5V, the potential adjustment circuit 46 reduces the potential vp2 of the power supply terminal V2 to 2.5V, thereby setting the potential of the node n3 to 2.5V.
  • a power supply terminal of a common power supply can be used as the power supply terminal V1 and the power supply terminal V2 for example. In this case, an alternating current can be generated by the switching circuit 42 and an intermediate potential vm can be generated by the potential adjustment circuit 46 using a single power source.
  • the detection circuit 48 is connected to the midpoint between the detection coil 18a and the resistor 38.
  • the detection circuit 50 is connected to a midpoint between the resistor 40 and the detection coil 18b.
  • the contact of the detection coil 18a, the resistor 38, and the detection circuit 48 is shown as a node n4
  • the contact of the resistor 40, the detection coil 18b, and the detection circuit 50 is shown as a node n5.
  • FIG. 5 is a diagram showing an example of a change with time of the potential of the node n4 and the potential of the node n5.
  • the solid line indicates an example of a change with time of the potentials of the nodes n4 and n5 when no torque is applied to the substrate 12.
  • a broken line indicates an example of a change with time of the potentials of the nodes n ⁇ b> 4 and n ⁇ b> 5 when a torque acts on the base material 12.
  • the potentials of the nodes n1 and n2 alternately change to the potential vp1 and the ground potential (0 V).
  • the potential at the midpoint (node n3) between resistors 38 and 40 is set to an intermediate potential vm between potential vp1 and ground potential by potential adjusting circuit 46.
  • the potentials of the nodes n4 and n5 fluctuate up and down with the intermediate potential vm as a reference. Note that the potentials of the node n4 and the node n5 change in opposite phases.
  • detection circuits 48 and 50 detect the potentials of nodes n4 and n5, and output detection signals sg1 and sg2 to addition circuit 52.
  • the detection circuits 48 and 50 detect, for example, signals obtained by full-wave rectification and direct current (effective value) of signals indicating changes in potential of the nodes n4 and n5 as detection signals sg1 and sg2. To the adder circuit 52.
  • FIG. 6 is a diagram illustrating an example of a signal obtained by full-wave rectifying a signal indicating a change in potential of the nodes n4 and n5 with time in the detection circuits 48 and 50.
  • FIG. 6A shows a signal obtained by full-wave rectifying a signal indicating a change with time in the potential of the node n4.
  • FIG. 6B shows a signal obtained by full-wave rectifying a signal indicating a change with time of the potential of the node n5.
  • a signal indicated by a solid line in FIG. 6 corresponds to a potential indicated by a solid line in FIG.
  • a signal indicated by a broken line in FIG. 6 corresponds to a potential indicated by a broken line in FIG.
  • the detection circuits 48 and 50 perform the full-wave rectification using the intermediate potential vm as a reference potential. Specifically, referring to FIGS. 3, 5A, and 6A, for example, the detection circuit 48 determines a potential lower than the intermediate potential vm from the detected potential of the node n4 as the intermediate potential. Invert based on vm. 3, 5B, and 6B, for example, the detection circuit 50 uses a potential higher than the intermediate potential vm of the detected potential of the node n5 as a reference with respect to the intermediate potential vm. Invert as. Further, the detection circuits 48 and 50 generate detection signals sg1 and sg2 by converting the full-wave rectified signal obtained as described above into a direct current (effective value).
  • addition circuit 52 generates addition signal sg3 based on detection signals sg1 and sg2 output from detection circuits 48 and 50, and outputs addition signal sg3 to arithmetic circuit 54.
  • the adder circuit 52 obtains a difference between the potential indicated by the detection signal sg1 and the intermediate potential vm (hereinafter referred to as a first potential difference) and calculates the difference between the intermediate potential vm and the potential indicated by the detection signal sg2.
  • a difference hereinafter referred to as a second potential difference
  • the adder circuit 52 obtains a difference between the first potential difference and the second potential difference, and outputs a signal indicating the obtained difference to the arithmetic circuit 54 as an addition signal sg3.
  • the adder circuit 52 can detect the potential difference between the nodes n4 and n5 based on the detection signals sg1 and sg2 converted into direct current by the detection circuits 48 and 50.
  • the arithmetic circuit 54 calculates the torque acting on the base material 12 based on the addition signal sg3 output from the addition circuit 52. Specifically, in the present embodiment, for example, when no torque is applied to the substrate 12, the first potential difference between the potential indicated by the detection signal sg1 and the intermediate potential vm, and the intermediate potential vm and the detection signal sg2 The second potential difference from the potential indicated by is substantially equal. In this case, the addition circuit 52 outputs an addition signal sg3 indicating that the difference between the first potential difference and the second potential difference is substantially zero. On the other hand, when a torque acts on the substrate 12, the first potential difference increases and the second potential difference decreases according to the torque.
  • the arithmetic circuit 54 can calculate the torque acting on the substrate 12 based on the difference between the first potential difference and the second potential difference indicated by the addition signal sg3.
  • the detection circuit 48 detects the potential between the detection coil 18a and the resistor 38
  • the detection circuit 50 detects the potential between the resistor 40 and the detection coil 18b. Based on the potentials detected by the detection circuits 48 and 50, the torque acting on the substrate 12 can be detected as described above.
  • the magnetostrictive portions 26 and 28 are constituted by plating films.
  • the sensitivity can be improved by lowering the frequency of the current flowing through the coil.
  • the detection sensitivity of the torque sensor 10 can be increased by lowering the frequency of the current flowing through the detection coils 18a and 18b.
  • the frequency of the current flowing through the detection coils 18a and 18b is adjusted to about 1 to 2 kHz.
  • the detection coil 18a and the detection coil 18b are connected in series. For this reason, the torque sensor 10 can detect even if the frequency of the current flowing through the detection coils 18a and 18b is lower than the conventional configuration (configuration in which a pair of coils are connected in parallel) as shown in Patent Document 1. An increase in current flowing in the coils 18a and 18b can be suppressed. Thereby, it becomes easy to adjust the frequency of the current flowing through the detection coils 18a and 18b.
  • the frequency of the current flowing through the detection coils 18a and 18b can be easily adjusted. Therefore, even when the plating film 14 is formed in preference to easily manufacturing the torque sensor, the detection sensitivity can be easily improved. That is, the detection sensitivity of the torque sensor 10 can be improved without forming the plating film 14 with high accuracy. As a result, it is possible to obtain the torque sensor 10 that is excellent in sensitivity and easy to manufacture.
  • the switching circuit 42 supplies the detection coils 18a and 18b with an alternating current by supplying one of the positive voltage and the negative voltage (positive voltage in this embodiment) to the detection coils 18a and 18b.
  • Current can flow. For this reason, it is not necessary to provide a power supply for supplying the power supply voltage of the other voltage (in this embodiment, a negative voltage). Thereby, the manufacturing cost of the apparatus (for example, bicycle with an electric assist) carrying the torque sensor 10 can be reduced.
  • the midpoint potential of the detection coil 18a and the detection coil 18b is set to the intermediate potential vm.
  • the potential difference between the midpoint potential and the potential vp1 of the power supply terminal V1 and the potential difference between the midpoint potential and the ground potential can be made constant.
  • the voltage drop in the detection coil 18a can be prevented from affecting the voltage drop in the detection coil 18b, and the voltage drop in the detection coil 18b can be prevented from affecting the voltage drop in the detection coil 18a. Therefore, by detecting the difference between the potential detected by the detection circuits 48 and 50 and the intermediate potential vm, the change in the magnetic permeability of the magnetostrictive portions 26 and 28 can be detected more accurately. As a result, the torque acting on the substrate 12 can be detected with higher accuracy.
  • the resistance value of the resistor 38 is made smaller than the resistance value of the detection coil 18a, and the resistance value of the resistor 40 is made smaller than the resistance value of the detection coil 18b. , 40 can be reduced.
  • the current flowing through the detection coils 18a and 18b can be increased as much as possible within a current value range in which the current frequency can be easily adjusted.
  • the magnetic flux generated by the detection coils 18a and 18b can be increased.
  • the sensitivity of the torque sensor 10 can be further improved.
  • the magnetic flux generated by the detection coil 18 a and passing through the magnetostrictive portion 26 and the magnetic flux generated by the detection coil 18 b and passing through the magnetostrictive portion 28 are directed in one direction (the same direction) in the axial direction of the substrate 12.
  • Detection coils 18a and 18b are provided so as to flow. Furthermore, in the axial direction of the substrate 12, the distance between the detection coil 18a and the detection coil 18b is smaller than the length of the detection coil 18a and the length of the detection coil 18b. In this case, the magnetic flux generated by the detection coil 18a interferes with the magnetic flux generated by the detection coil 18b, so that the magnetic flux passing through the magnetostrictive portion 26 and the magnetic flux passing through the magnetostrictive portion 28 can be sufficiently increased. Thereby, the sensitivity of the torque sensor 10 is further improved.
  • the present inventors examined the relationship between the value of the current flowing through the pair of coils, the frequency of the current, and the sensitivity of the torque sensor. As a result, the present inventors have found that in a configuration in which a pair of coils are connected in series and the frequency of current flowing through the pair of coils is low, current flows excessively through the pair of coils. Furthermore, the present inventors have also found that adjusting the frequency of the current is more effective than adjusting the magnitude of the current flowing through the coil in terms of improving the sensitivity of the torque sensor. Based on these findings, the present inventors have been able to conceive the technical idea of series connection of coils in which the current value decreases. That is, the present invention is a technical idea that has been conceived for the first time by finding the relationship between the plating film and the frequency.
  • the torque sensor 10 has the individual circuit board 22
  • the torque sensor 10 may not have the circuit board 22.
  • the control board of the bicycle may have the configuration of the circuit board 22 described above.
  • the switching circuit 42 having a pair of P-channel MOSFETs and a pair of N-channel MOSFETs has been described.
  • the configuration of the switching circuit 42 is not limited to the above example, and various known switching circuits can be used.
  • the torque sensor 10 detects two potentials between the detection coil 18a and the detection coil 18b, and obtains the torque acting on the substrate 12 based on the detection result.
  • the torque sensor 10 may obtain torque acting on the base material 12 based on three or more potentials between the detection coil 18a and the detection coil 18b.
  • the torque sensor 10 may determine the torque that acts on the substrate 12 based on the potential at one location between the detection coil 18a and the detection coil 18b.
  • the torque sensor 10 includes the resistor 38 electrically connected in series with the detection coils 18a and 18b between the detection coil 18a and the detection coil 18b, the resistor 38, and the detection coil 18b. And a resistor 40 electrically connected in series to the detection coil 18b.
  • the torque sensor 10 may not have the resistors 38 and 40.
  • the distance between the detection coil 18a and the detection coil 18b is smaller than the length of the detection coil 18a and the length of the detection coil 18b.
  • the interval between the detection coil 18a and the detection coil 18b may be larger than the length of the detection coil 18a and the length of the detection coil 18b.
  • the configurations of the base material 12, the plating film 14, the bobbin 16, and the case 20 in the torque sensor 10 described in the above embodiment are merely examples. Therefore, the configuration of the base material 12, the plating film 14, the bobbin 16 and the case 20 is any configuration as long as the magnetic flux passing through the magnetostrictive portions 26 and 28 can be generated by the detection coils 18a and 18b. Also good.
  • the present invention can be used for various magnetostrictive torque sensors that detect changes in the magnetic permeability of a plating film.

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Abstract

感度に優れかつ低コストの磁歪式トルクセンサを得る。トルクセンサ１０は、基材１２、磁歪部２６、磁歪部２８、検出コイル１８ａ、検出コイル１８ｂ、検出回路４８および検出回路５０を備える。基材１２は、円筒形状を有する。磁歪部２６，２８は、めっき膜からなりかつ基材１２の外周面に設けられる。検出コイル１８ａは、磁歪部２６を通る磁束を発生させ、検出コイル１８ｂは、磁歪部２８を通る磁束を発生させる。検出回路４８，５０は、検出コイル１８ａと検出コイル１８ｂとの間の電位を検出する。

Description

磁歪式トルクセンサ
　本発明は、磁歪式トルクセンサに関する。
　従来、機器の構成要素に作用するトルクを検出するために、磁歪式トルクセンサが用いられている。磁歪式トルクセンサの構成として、例えば、外周面に一対の磁歪部が設けられた円柱状の基材と、該一対の磁歪部を通る磁束を発生させる一対のコイルとを有する構成が知られている。このような構成を有する磁歪式トルクセンサでは、例えば、基材に回転方向の力が加わることによって、前記一対の磁歪部のうち、一方の磁歪部に引張応力が生じ、他方の磁歪部に圧縮応力が生じる。これによって、前記一対の磁歪部の透磁率が変化する。この一対の磁歪部の透磁率の変化を検出することによって、前記基材に作用する力が検出される。
　前記磁歪部としては、例えば、アモルファス合金を用いることができる。例えば、特許文献１には、外周面に磁歪効果部を有する円柱状または円筒状のトルク伝達手段と、一対のコイルとを有する、トルク検出器が開示されている。特許文献１に開示されているトルク検出器においては、アモルファス合金箔が、磁歪効果部としてトルク伝達手段の外周面に貼り付けられている。
特開２００２－１３９３９０号公報
　ところで、特許文献１に開示されているように、アモルファス合金の透磁率の変化は、該アモルファス合金に引張歪が与えられた場合よりも、圧縮歪が与えられた場合の方が大きい。そのため、特許文献１に記載のトルク検出器では、アモルファス合金箔に２軸等方圧縮歪を与えた状態で、接着剤を用いて該アモルファス合金箔がトルク伝達手段の外周面に貼り付けられている。これにより、感度に優れたトルク検出器を得ることができると考えられる。
　しかしながら、２軸等方圧縮歪を与えた状態のアモルファス合金箔を、トルク伝達手段に高精度で貼り付けるためには、高度な製造技術が必要になる。
　したがって、本発明は、感度に優れかつ製造が容易な磁歪式トルクセンサを得ることを目的とする。
　本発明者らは、磁歪式トルクセンサの製造を容易にするために、アモルファス合金箔以外の材料によって磁歪部を形成することを検討した。具体的には、磁歪部として、めっき膜を用いることを検討した。
　しかしながら、めっき膜によって磁歪部が形成された磁歪式トルクセンサにおいて、アモルファス合金箔によって磁歪部が形成された磁歪式トルクセンサと同程度の感度を得るためには、めっき膜の成膜工程を厳しく管理する必要がある。具体的には、めっき膜によって磁歪部が形成された磁歪式トルクセンサでは、めっき膜の合金比率を厳しく管理する必要がある。この場合、めっき膜によって磁歪部が形成された磁歪式トルクセンサの製造を容易にすることは難しい。一方、トルクセンサを容易に製造することを優先してめっき膜を形成した場合、磁歪式トルクセンサの感度の低下を避けることは難しい。
　そこで、本発明者らは、磁歪部以外の構成によって、磁歪式トルクセンサの感度を向上させることを試みた。磁歪式トルクセンサの感度を向上させるためには、例えば、コイルによって生じる磁束を増加させることが考えられる。コイルによって生じる磁束を増加させるためには、電流値を維持しつつコイルのターン数を多くすることが考えられる。
　しかしながら、コイルのターン数を多くすると、製造コストが増加する。そこで、本発明者らは、コイルに流れる電流を調整することによって、磁歪式トルクセンサの感度を向上させることを試みた。コイルに流れる電流と磁歪式トルクセンサの感度との関係について検討を進めた結果、本発明者らは、コイルに流れる電流の電流値が等しい場合でも、該電流の周波数によって、磁歪式トルクセンサの感度が異なることを見出した。
　本発明者らは、さらに、コイルに流れる電流の周波数帯域によっては、めっき膜の磁歪部を有する磁歪式トルクセンサの感度が、アモルファス合金箔の磁歪部を有する磁歪式トルクセンサの感度よりも高い場合があることを見出した。具体的には、めっき膜の磁歪部を有する磁歪式トルクセンサでは、コイルに流れる電流の電流値が等しい場合でも、該電流の周波数を下げることによって感度を向上できる場合があることが分かった。
　上記の知見に基づき、本発明者らは、特許文献１に開示された構成と同様の構成を有する磁歪式トルクセンサにおいて、アモルファス合金箔に代えてめっき膜を磁歪部として用いて、該磁歪式トルクセンサの感度を向上させることを試みた。具体的には、本発明者らは、一対のコイルに流れる電流の周波数を調整することによって、磁歪式トルクセンサの感度を向上させることを試みた。
　しかしながら、コイルに流れる電流の周波数を低くした場合、コイルのインピーダンスが低下して、電流が流れ過ぎる場合があることが分かった。特に、特許文献１に開示された構成では、一対のコイルが並列に接続されている。このような構成では、コイルに流れる電流の周波数が低下することにより、各コイルに流れる電流の電流値が大きくなりやすい。これにより、各コイルに流れる電流の周波数の調整が難しい。
　そこで、本発明者らは、一対のコイルを有する磁歪式トルクセンサにおいて、各コイルに流れる電流の周波数の調整を容易にするための構成について検討した。その結果、本発明者らは、一対のコイルを直列に接続することによって、各コイルに電流が流れ過ぎることを防止でき、電流の周波数の調整が容易になることが分かった。
　以上のように、本発明者らの種々の検討の結果、本発明者らは、容易に製造することを優先してめっき膜を形成した場合でも、一対のコイルに流れる電流の周波数を適切に調整することによって、磁歪式トルクセンサの感度を向上できることが分かった。さらに、本発明者らは、一対のコイルを直列に接続することによって、各コイルに流れる電流の周波数を容易に調整できることが分かった。これらの結果、本発明者らは、一対の磁歪部をめっき膜で構成するとともに、一対のコイルを直列に接続することによって、感度に優れかつ低コストの磁歪式トルクセンサが得られることが分かった。
　上記の知見に基づいて、本発明者らは、磁歪式トルクセンサについて以下のような構成に想到した。
　本発明の一実施形態に係る磁歪式トルクセンサは、円柱状または円筒状の基材と、前記基材の外周面に設けられ、かつ、めっき膜によって構成された第１磁歪部および第２磁歪部と、前記第１磁歪部を通る磁束を発生させる第１コイルと、前記第２磁歪部を通る磁束を発生させ、かつ、前記第１コイルに対して電気的に直列に接続される第２コイルと、前記第１コイルと前記第２コイルとの間の電位を検出する検出部とを備える。
　本発明の一実施形態に係る磁歪式トルクセンサは、感度に優れかつ容易に製造できる。
図１は、本発明の一実施形態に係るトルクセンサの概略構成を示す正面図である。 図２は、トルクセンサを部分的に断面で示した部分断面図である。 図３は、トルクセンサの回路構成を示す図である。 図４は、検出コイルとスイッチング素子との接点の電位の経時変化の一例を示す図である。 図５は、一対の検出コイルの間における電位の経時変化の一例を示す図である。 図６は、検出回路において全波整流によって得られた信号の一例を示す図である。
　以下、本発明の一実施形態に係る磁歪式トルクセンサ（以下、トルクセンサと略記する。）について説明する。
（トルクセンサの概略構成）
　図１は、本発明の一実施形態に係るトルクセンサ１０を示す概略正面図であり、図２は、トルクセンサ１０を部分的に断面で示す部分断面図である。
　図１および図２を参照して、トルクセンサ１０は、基材１２、めっき膜１４、ボビン１６、一対の検出コイル１８ａ，１８ｂ、ケース２０および回路基板２２を備えている。詳細は後述するが、トルクセンサ１０において、基材１２にトルクが作用することによって、めっき膜１４の透磁率が変化する。めっき膜１４の透磁率の変化は、検出コイル１８ａ，１８ｂによって検出される。トルクセンサ１０によって、基材１２に作用するトルクを検出することができる。詳細な説明は省略するが、トルクセンサ１０は、例えば、電動アシスト付き自転車の駆動装置において、踏力検出用のトルクセンサとして用いることができる。なお、本実施形態では、検出コイル１８ａ，１８ｂがそれぞれ第１コイルおよび第２コイルとして機能する。
（トルクセンサの機械的構成）
　基材１２は、例えば、クロムモリブデン鋼等の金属材料からなる。図２を参照して、本実施形態では、基材１２は、軸線方向に長い円筒形状を有している。トルクセンサ１０を電動アシスト付き自転車の踏力検出用のトルクセンサとして用いる場合には、例えば、基材１２における前記軸線方向の一端部１２ａの外周面および基材１２における前記軸線方向の他端部１２ｂの内周面にそれぞれスプライン溝が形成されている。基材１２の一端部１２ａは、ワンウェイクラッチを介して電動アシスト付き自転車のチェーンスプロケット（図示せず）に接続されている。具体的には、基材１２の一端部１２ａに設けられたスプライン溝と、前記ワンウェイクラッチの内周面に設けられたスプライン溝（図示せず）とが噛み合うように、基材１２の一端部１２ａにワンウェイクラッチが取り付けられている。また、基材１２に電動アシスト付き自転車のクランク軸２４が挿入されている。具体的には、基材１２の他端部１２ｂに設けられたスプライン溝と、クランク軸２４の外周面に設けられたスプライン溝（図示せず）とが噛み合うように、クランク軸２４が基材１２に挿入されている。このような構成により、クランク軸２４から基材１２にトルクが伝達される。
　めっき膜１４は、磁歪材料（例えば、Ｆｅ－Ｎｉ合金）からなり、磁歪部として機能する。めっき膜１４は、例えば、電気めっき法によって形成される。めっき膜１４は、円筒形状を有するように、基材１２における前記軸線方向の中央部の外周面上に形成されている。本実施形態では、めっき膜１４は、円筒状の磁歪部２６（第１磁歪部）および磁歪部２８（第２磁歪部）を有している。磁歪部２６および磁歪部２８は、基材１２の軸方向に並ぶように設けられている。本実施形態では、磁歪部２６には、複数のスリット２６ａが形成されている。磁歪部２８には、複数のスリット２８ａが形成されている。複数のスリット２６ａは、基材１２の周方向において等間隔に形成されている。同様に、複数のスリット２８ａは、基材１２に周方向において等間隔に形成されている。
　基材１２の径方向外方から見て、スリット２６ａは、基材１２の軸心（図２中の二点鎖線参照）に対して４５°傾斜している。また、基材１２の径方向外方から見て、スリット２８ａは、基材１２の軸心に対して、スリット２６ａとは異なる方向へ４５°傾斜している。すなわち、本実施形態では、スリット２６ａとスリット２８ａとが直交するように、めっき膜１４に複数のスリット２６ａ,２８ａが形成されている。このような構成により、基材１２にトルクが作用した場合、磁歪部２６,２８のうちの一方に圧縮応力が生じ、他方に引張応力が生じる。
　ボビン１６は、例えば、樹脂材料からなる。ボビン１６は、円筒形状を有している。具体的には、ボビン１６は、円筒部１６ａ、および円筒部１６ａの外周面から円筒部１６ａの径方向外方に突出する複数（本実施形態では４つ）のフランジ部１６ｂ～１６ｅを含む。フランジ部１６ｂ～１６ｅは、円筒部１６ａの軸方向に互いに間隔を有するように設けられている。例えば、トルクセンサ１０を、電動アシスト付き自転車の駆動装置において、踏力検出用のトルクセンサとして用いる場合には、ボビン１６は、図示しない固定部材を用いて、駆動装置の筐体に固定される。
　検出コイル１８ａは、フランジ部１６ｂとフランジ部１６ｃとの間において円筒部１６ａに巻かれている。検出コイル１８ｂは、フランジ部１６ｄとフランジ部１６ｅとの間において円筒部１６ａに巻かれている。本実施形態では、例えば、検出コイル１８ａ,１８ｂは融着層を有している。検出コイル１８ａ，１８ｂにおいては、隣り合うコイル線同士が、自己融着によって互いに固定されている。なお、検出コイル１８ａ,１８ｂが融着層を有していなくてもよい。この場合、含浸処理等の他の手段によって、隣り合うコイル線同士を互いに固定してもよい。
　詳細な説明は省略するが、フランジ部１６ｂには、検出コイル１８ａ,１８ｂに電気的に接続される複数の端子が設けられている。これらの端子を保護するように、フランジ部１６ｂにコネクタ部３０が取り付けられている。上記の複数の端子には、回路基板２２の端子が電気的に接続されている。回路基板２２については後述する。
　本実施形態では、基材１２は、ボビン１６の内周面に回転可能に支持されている。ボビン１６は、めっき膜１４に接触しないように、該めっき膜１４を基材１２の径方向外方から覆っている。検出コイル１８ａ，１８ｂは、基材１２と同軸に設けられ、かつ、基材１２の径方向においてめっき膜１４に対向する位置に設けられている。より具体的には、基材１２の径方向において、検出コイル１８ａは磁歪部２６に対向する位置に設けられている。基材１２の径方向において、検出コイル１８ｂは磁歪部２８に対向する位置に設けられている。
　本実施形態では、検出コイル１８ａによって発生しかつ磁歪部２６を通る磁束と、検出コイル１８ｂによって発生しかつ磁歪部２８を通る磁束とが、基材１２の軸方向における一方（同じ方向）に向かって流れるように、検出コイル１８ａ，１８ｂが設けられている。具体的には、本実施形態では、基材１２の軸方向において、検出コイル１８ａと検出コイル１８ｂとの間隔は、例えば、検出コイル１８ａの長さおよび検出コイル１８ｂの長さよりも小さい。また、本実施形態では、検出コイル１８ａと検出コイル１８ｂとの結合係数が、例えば、０．２～０．６に設定されている。
　図１および図２を参照して、ケース２０は、例えば、低炭素鋼等の金属材料からなる。ケース２０は、円筒形状を有している。図２を参照して、ケース２０内にボビン１６が挿入されている。ケース２０は、検出コイル１８ａ，１８ｂの径方向外方を覆っている。
　図１を参照して、ケース２０の一端部には、複数の略Ｕ字状の貫通孔２０ａが形成されている。貫通孔２０ａを形成することによって、略長方形状のカシメ部２０ｂが形成されている。本実施形態では、複数のカシメ部２０ｂが、ケース２０の周方向において等間隔に形成されている。ケース２０は、複数のカシメ部２０ｂを用いたカシメ加工によって、ボビン１６に固定されている。
　図１および図２を参照して、本実施形態では、ボビン１６の一端面に接触するように、樹脂材料からなる円環状の保護プレート３２が設けられている。ボビン１６の他端面に接触するように、樹脂材料からなる円環状の保護プレート３４が設けられている。本実施形態では、保護プレート３２,３４は、ボビン１６の一端面および他端面の摩耗を防止するために設けられている。
　基材１２の軸方向における保護プレート３４の移動を規制するように、略Ｃ字形状のサークリップ３６が設けられている。これにより、基材１２の軸方向において、ボビン１６が基材１２に対して移動することを防止できる。サークリップ３６は、例えば、金属材料からなる。
　上記のような構成において、クランク軸２４から基材１２にトルクが伝達されることにより、例えば、磁歪部２６に圧縮応力が生じるとともに、磁歪部２８に引張応力が生じる。これにより、磁歪部２６の透磁率が小さくなるとともに、磁歪部２８の透磁率が大きくなる。その結果、検出コイル１８ａのインピーダンスが小さくなるとともに、検出コイル１８ｂのインピーダンスが大きくなる。検出コイル１８ａ,１８ｂのインピーダンスの変化に基づいて、後述するように、トルクセンサ１０は、基材１２に作用するトルクを検出することができる。
（トルクセンサの回路構成）
　図３は、トルクセンサ１０の回路構成を示す概略図である。図３を参照して、回路基板２２には、抵抗３８,４０、スイッチング回路４２、制御回路４４、電位調整回路４６、検出回路４８,５０、加算回路５２および演算回路５４が設けられている。なお、本実施形態では、スイッチング回路４２が電源供給部として機能する。電位調整回路４６が電位生成部として機能する。検出回路４８,５０が検出部として機能する。
　抵抗３８（第１抵抗）は、検出コイル１８ａと検出コイル１８ｂとの間で、検出コイル１８ａ,１８ｂに対して電気的に直列に接続されている。抵抗４０（第２抵抗）は、抵抗３８と検出コイル１８ｂとの間で、抵抗３８および検出コイル１８ｂに対して電気的に直列に接続されている。本実施形態では、抵抗３８の抵抗値は、検出コイル１８ａの抵抗値（インピーダンス）よりも小さい。抵抗４０の抵抗値は、検出コイル１８ｂの抵抗値（インピーダンス）よりも小さい。
　スイッチング回路４２は、電源端子Ｖ１に接続されている。本実施形態では、電源端子Ｖ１からスイッチング回路４２へ、正電圧の電源電圧が供給される。電源端子Ｖ１の電位（電源電位）は、例えば５Ｖである。スイッチング回路４２は、検出コイル１８ａ、抵抗３８、抵抗４０および検出コイル１８ｂに対して電気的に直列に接続されている。
　本実施形態では、スイッチング回路４２は、並列に接続された２つのスイッチングアーム４２ａ,４２ｂを有するＨブリッジ回路である。スイッチングアーム４２ａは、スイッチング素子Ｓ１,Ｓ２およびダイオードＤ１,Ｄ２を備えている。スイッチング素子Ｓ１およびスイッチング素子Ｓ２は、直列に接続されている。スイッチング素子Ｓ１とダイオードＤ１とは、並列に接続されている。スイッチング素子Ｓ２とダイオードＤ２とは、並列に接続されている。スイッチングアーム４２ｂは、スイッチング素子Ｓ３,Ｓ４およびダイオードＤ３,Ｄ４を備えている。スイッチング素子Ｓ３およびスイッチング素子Ｓ４は、直列に接続されている。スイッチング素子Ｓ３とダイオードＤ３とは、並列に接続されている。スイッチング素子Ｓ４とダイオードＤ４とは、並列に接続されている。本実施形態では、スイッチング素子Ｓ１,Ｓ３として、ＰチャネルＭＯＳＦＥＴが用いられている。スイッチング素子Ｓ２,Ｓ４として、ＮチャネルＭＯＳＦＥＴが用いられている。
　スイッチング素子Ｓ１とスイッチング素子Ｓ２との中点は、検出コイル１８ａの一端に電気的に接続されている。スイッチング素子Ｓ３とスイッチング素子Ｓ４との中点は、検出コイル１８ｂの一端に電気的に接続されている。図３においては、検出コイル１８ａ、スイッチング素子Ｓ１およびスイッチング素子Ｓ２の接点をノードｎ１とし、検出コイル１８ｂ、スイッチング素子Ｓ３およびスイッチング素子Ｓ４の接点をノードｎ２として示している。
　制御回路４４は、スイッチング回路４２へ制御信号を出力することにより、スイッチング素子Ｓ１～Ｓ４のスイッチング動作（オン－オフ動作）を制御する。具体的には、制御回路４４は、スイッチング素子Ｓ１,Ｓ４とスイッチング素子Ｓ２,Ｓ３とを交互にオンにするように、制御信号を出力する。
　図４は、ノードｎ１およびノードｎ２の電位の経時変化の一例を示す図である。なお、図４（ａ）は、ノードｎ１の電位の経時変化を示し、図４（ｂ）は、ノードｎ２の電位の経時変化を示す。図４を参照して、上記のようにスイッチング素子Ｓ１～Ｓ４のスイッチング動作を制御することによって、ノードｎ１およびノードｎ２の電位は、交互に電源端子Ｖ１の電位ｖｐ１および接地電位（０Ｖ）になる。その結果、検出コイル１８ａ、抵抗３８、抵抗４０および検出コイル１８ｂに、交流電流が流れる。本実施形態では、制御回路４４は、前記制御信号として、例えば、１～２ｋＨｚの矩形信号を出力する。これにより、検出コイル１８ａ、抵抗３８、抵抗４０および検出コイル１８ｂに、１～２ｋＨｚの交流電流が流れる。
　図３を参照して、電位調整回路４６は、抵抗３８と抵抗４０との中点および電源端子Ｖ２に電気的に接続される。図３においては、抵抗３８、抵抗４０および電位調整回路４６の接点をノードｎ３として示している。本実施形態では、電源端子Ｖ２から電位調整回路４６へ、正電圧の電源電圧が供給される。
　電位調整回路４６は、上述の電源端子Ｖ１の電位ｖｐ１と接地電位との中間電位ｖｍを生成するともに、ノードｎ３の電位を該中間電位ｖｍにする。本実施形態では、電位調整回路４６は、電源端子Ｖ２の電位ｖｐ２を低下させることによって、前記中間電位ｖｍを生成する。例えば、電源端子Ｖ１の電位ｖｐ１が５Ｖの場合には、電位調整回路４６は、電源端子Ｖ２の電位ｖｐ２を２．５Ｖまで低下させることにより、ノードｎ３の電位を２．５Ｖにする。なお、電源端子Ｖ１および電源端子Ｖ２としては、例えば、共通の電源の電源端子を用いることができる。この場合、一つの電源を用いて、スイッチング回路４２によって交流電流を生成するとともに、電位調整回路４６によって中間電位ｖｍを生成することができる。
　検出回路４８は、検出コイル１８ａと抵抗３８との中点に接続されている。検出回路５０は、抵抗４０と検出コイル１８ｂとの中点に接続されている。図３においては、検出コイル１８ａ、抵抗３８および検出回路４８の接点をノードｎ４として示し、抵抗４０、検出コイル１８ｂおよび検出回路５０の接点をノードｎ５として示している。
　図５は、ノードｎ４の電位およびノードｎ５の電位の経時変化の一例を示す図である。なお、図５において、実線は、基材１２にトルクが作用していないときのノードｎ４,ｎ５の電位の経時変化の一例を示している。図５において、破線は、基材１２にトルクが作用したときのノードｎ４,ｎ５の電位の経時変化の一例を示している。
　図４で説明したように、本実施形態では、ノードｎ１,ｎ２の電位が、電位ｖｐ１および接地電位（０Ｖ）に交互に変化する。また、図３を参照して、抵抗３８と抵抗４０との中点（ノードｎ３）の電位は、電位調整回路４６によって、電位ｖｐ１と接地電位との中間電位ｖｍに設定されている。これにより、図５に示すように、ノードｎ４およびノードｎ５の電位は、中間電位ｖｍを基準として上下に変動する。なお、ノードｎ４およびノードｎ５の電位は、逆位相で変化する。
　上述したように、本実施形態では、基材１２にトルクが作用することにより、例えば、磁歪部２６に圧縮応力が生じるとともに、磁歪部２８に引張応力が生じる。これにより、磁歪部２６の透磁率が小さくなるとともに、検出コイル１８ａのインピーダンスが小さくなる。また、磁歪部２８の透磁率が大きくなるとともに、検出コイル１８ｂのインピーダンスが大きくなる。この場合、図５に示すように、ノードｎ４の電位の変化量が大きくなるとともに、ノードｎ５の電位の変化量が小さくなる。
　図３を参照して、検出回路４８,５０は、ノードｎ４,ｎ５の電位を検出するとともに、それらの検出信号ｓｇ１,ｓｇ２を加算回路５２へ出力する。本実施形態では、検出回路４８，５０は、例えば、ノードｎ４,ｎ５の電位の経時変化を示す信号を全波整流および直流化（実効値化）して得られる信号を、検出信号ｓｇ１,ｓｇ２として加算回路５２へ出力する。
　図６は、ノードｎ４,ｎ５の電位の経時変化を示す信号を、検出回路４８,５０において全波整流することによって得られた信号の一例を示す図である。なお、図６（ａ）は、ノードｎ４の電位の経時変化を示す信号を全波整流することによって得られた信号を示している。図６（ｂ）は、ノードｎ５の電位の経時変化を示す信号を全波整流することによって得られた信号を示している。また、図６において実線で示す信号は、図５において実線で示した電位に対応している。図６において破線で示す信号は、図５において破線で示した電位に対応している。
　本実施形態では、検出回路４８，５０は、中間電位ｖｍを基準電位として、上記の全波整流を行う。具体的には、図３、図５（ａ）および図６（ａ）を参照して、検出回路４８は、例えば、検出したノードｎ４の電位のうち中間電位ｖｍよりも低い電位を、中間電位ｖｍを基準として反転させる。また、図３、図５（ｂ）および図６（ｂ）を参照して、検出回路５０は、例えば、検出したノードｎ５の電位のうち中間電位ｖｍよりも高い電位を、中間電位ｖｍを基準として反転させる。さらに、検出回路４８，５０は、上記のようにして得た全波整流後の信号を直流化（実効値化）することによって、検出信号ｓｇ１,ｓｇ２を生成する。
　図３を参照して、加算回路５２は、検出回路４８,５０から出力された検出信号ｓｇ１,ｓｇ２に基づいて加算信号ｓｇ３を生成するとともに、該加算信号ｓｇ３を演算回路５４へ出力する。本実施形態では、加算回路５２は、例えば、検出信号ｓｇ１が示す電位と中間電位ｖｍとの差（以下、第１電位差という。）を求めるとともに、中間電位ｖｍと検出信号ｓｇ２が示す電位との差（以下、第２電位差という。）を求める。また、加算回路５２は、第１電位差と第２電位差との差を求め、得られた差を示す信号を加算信号ｓｇ３として演算回路５４へ出力する。このように、本実施形態では、加算回路５２は、検出回路４８，５０によって直流化された検出信号ｓｇ１,ｓｇ２に基づいて、ノードｎ４,ｎ５の電位差を検出することができる。
　演算回路５４は、加算回路５２から出力された加算信号ｓｇ３に基づいて、基材１２に作用しているトルクを算出する。具体的には、本実施形態では、例えば、基材１２にトルクが作用していない場合には、検出信号ｓｇ１が示す電位と中間電位ｖｍとの第１電位差、および中間電位ｖｍと検出信号ｓｇ２が示す電位との第２電位差は略等しい。この場合、加算回路５２は、第１電位差と第２電位差との差が略０であることを示す加算信号ｓｇ３を出力する。一方、基材１２にトルクが作用すると、該トルクに応じて、前記第１電位差が大きくなり、前記第２電位差が小さくなる。すなわち、基材１２に作用するトルクが大きくなると、その分、第１電位差と第２電位差との差が大きくなる。以上の関係から、本実施形態では、演算回路５４は、加算信号ｓｇ３が示す第１電位差と第２電位差との差に基づいて、基材１２に作用するトルクを算出することができる。
（本実施形態の作用効果）
　トルクセンサ１０では、基材１２にトルクが作用することによって、磁歪部２６および磁歪部２８に引張応力または圧縮応力が生じる。これによって、磁歪部２６および磁歪部２８の透磁率が変化する。その結果、検出コイル１８ａおよび検出コイル１８ｂに流れる電流の値が変化する。検出コイル１８ａ,１８ｂに流れる電流の値が変化することによって、検出コイル１８ａと検出コイル１８ｂとの間の電位が変化する。本実施形態では、検出回路４８,５０によって、検出コイル１８ａと検出コイル１８ｂとの間の電位を検出している。より具体的には、検出回路４８によって、検出コイル１８ａと抵抗３８との間の電位を検出するとともに、検出回路５０によって、抵抗４０と検出コイル１８ｂとの間の電位を検出している。そして、検出回路４８,５０が検出した電位に基づいて、上述のように、基材１２に作用しているトルクを検出することができる。
　また、トルクセンサ１０では、磁歪部２６,２８がめっき膜によって構成されている。上述のように、めっき膜の磁歪部を有する磁歪式トルクセンサでは、コイルに流れる電流の周波数を低くすることによって感度を向上させることができる。このため、検出コイル１８ａ，１８ｂに流れる電流の周波数を低くすることによって、トルクセンサ１０の検出感度を上げることができる。本実施形態では、例えば、検出コイル１８ａ，１８ｂに流れる電流の周波数が１～２ｋＨｚ程度に調整される。
　なお、検出コイル１８ａ，１８ｂに流れる電流の周波数を低くすると、検出コイル１８ａ，１８ｂのインピーダンスが低下する。これにより、検出コイル１８ａ，１８ｂに電流が流れやすくなる。しかし、トルクセンサ１０では、検出コイル１８ａと検出コイル１８ｂとが直列に接続されている。このため、トルクセンサ１０では、特許文献１に示されるような従来の構成（一対のコイルを並列接続した構成）に比べて、検出コイル１８ａ，１８ｂに流れる電流の周波数を低くしても、検出コイル１８ａ，１８ｂに流れる電流の増加を抑制することができる。これにより、検出コイル１８ａ，１８ｂに流れる電流の周波数を調整しやすくなる。
　以上により、トルクセンサ１０によれば、検出コイル１８ａ，１８ｂに流れる電流の周波数を容易に調整できる。よって、トルクセンサを容易に製造することを優先してめっき膜１４を形成した場合でも、検出感度を容易に向上させることができる。すなわち、めっき膜１４を高精度で形成しなくても、トルクセンサ１０の検出感度を向上させることができる。その結果、感度に優れかつ製造が容易なトルクセンサ１０を得ることができる。
　トルクセンサ１０では、スイッチング回路４２は、正電圧および負電圧のうちの一方（本実施形態では正電圧）の電源電圧ｖｐ１を検出コイル１８ａ,１８ｂに供給することにより、検出コイル１８ａ,１８ｂに交流電流を流すことができる。このため、他方の電圧（本実施形態では、負電圧）の電源電圧を供給するための電源を設ける必要がない。これにより、トルクセンサ１０を搭載する機器（例えば、電動アシスト付き自転車）の製造コストを低減できる。
　トルクセンサ１０では、検出コイル１８ａと検出コイル１８ｂとの中点の電位が中間電位ｖｍに設定される。これにより、前記中点の電位と電源端子Ｖ１の電位ｖｐ１との電位差および前記中点の電位と接地電位との電位差を一定にすることができる。この場合、検出コイル１８ａにおける電圧降下量の変動の影響を受けて、検出コイル１８ｂにおける電圧降下量が変動することを防止できる。また、検出コイル１８ｂの電圧降下量の変動の影響を受けて、検出コイル１８ａにおける電圧降下量が変動することを防止することができる。すなわち、検出コイル１８ａにおける電圧降下が検出コイル１８ｂにおける電圧降下に影響することを防止でき、かつ検出コイル１８ｂにおける電圧降下が検出コイル１８ａにおける電圧降下に影響することを防止することができる。したがって、検出回路４８,５０が検出する電位と中間電位ｖｍとの差を検出することによって、磁歪部２６,２８の透磁率の変化をより正確に検出することができる。その結果、基材１２に作用するトルクをより高精度に検出することができる。
　トルクセンサ１０では、抵抗３８の抵抗値を検出コイル１８ａの抵抗値よりも小さくするとともに、抵抗４０の抵抗値を検出コイル１８ｂの抵抗値よりも小さくすることによって、検出コイル１８ａ，１８ｂおよび抵抗３８,４０の合成抵抗を小さくすることができる。この場合、電流の周波数の調整が容易な電流値の範囲で、検出コイル１８ａ，１８ｂに流れる電流をできるだけ多くすることができる。これにより、検出コイル１８ａ，１８ｂによって生じる磁束を増加させることができる。その結果、トルクセンサ１０の感度をさらに向上させることができる。
　トルクセンサ１０では、検出コイル１８ａによって発生しかつ磁歪部２６を通る磁束と、検出コイル１８ｂによって発生しかつ磁歪部２８を通る磁束とが、基材１２の軸方向における一方（同じ方向）に向かって流れるように、検出コイル１８ａ，１８ｂが設けられている。さらに、基材１２の軸方向において、検出コイル１８ａと検出コイル１８ｂとの間隔は、検出コイル１８ａの長さおよび検出コイル１８ｂの長さよりも小さい。この場合、検出コイル１８ａによって発生する磁束と検出コイル１８ｂによって発生する磁束とが干渉することによって、磁歪部２６を通る磁束および磁歪部２８を通る磁束を十分に増加させることができる。これにより、トルクセンサ１０の感度がさらに向上する。
　なお、一般に、トルクセンサの検出感度を向上させるためには、コイルによって発生する磁束を強くする必要がある。そのためには、コイルの巻き数を多くするか、コイルに流れる電流を大きくすることが考えられる。しかし、上述のトルクセンサ１０のように、一対のコイルを直列に接続すると、各コイルに流れる電流が小さくなる。このため、通常、磁束を強くしてトルクセンサの感度を向上させようとする当業者が、一対のコイルを直列に接続することは考えない。一方、上述のように、本発明者らの検討の結果、磁歪部をめっき膜によって構成した場合、周波数を調整することによって、トルクセンサの感度を向上できることが分かった。そこで、本発明者らは、一対のコイルに流れる電流値、電流の周波数およびトルクセンサの感度の関係について検討した。その結果、本発明者らは、一対のコイルを直列に接続しかつ該一対のコイルに流れる電流の周波数を低くした構成では、一対のコイルに電流が流れ過ぎることが分かった。さらに、本発明者らは、トルクセンサの感度を向上させる点において、コイルに流れる電流の大きさを調整することよりも、電流の周波数を調整することが効果的であることも分かった。これらの知見に基づいて、本発明者らは、敢えて電流値が低下するコイルの直列接続という技術的思想に想到することができた。すなわち、本発明は、めっき膜と周波数との関係を見出したことによって初めて想到できた技術的思想である。
（他の実施形態）
　上述の実施形態では、直流電源を用いて検出コイル１８ａ，１８ｂおよび抵抗３８,４０に交流電流を流す場合について説明したが、交流電源を用いて検出コイル１８ａ，１８ｂおよび抵抗３８,４０に交流電流を流してもよい。
　上述の実施形態では、円筒状の基材１２を用いた場合について説明したが、円柱状の基材を用いてもよい。
　上述の実施形態では、トルクセンサ１０が個別の回路基板２２を有する場合について説明したが、トルクセンサ１０が回路基板２２を有していなくてもよい。例えば、トルクセンサ１０が電動アシスト付き自転車に搭載される場合には、該自転車の制御基板が上述の回路基板２２の構成を備えていてもよい。
　上述の実施形態では、一対のＰチャネルＭＯＳＦＥＴおよび一対のＮチャネルＭＯＳＦＥＴを有するスイッチング回路４２によって交流電流を発生させる場合について説明した。しかしながら、スイッチング回路４２の構成は上述の例に限定されず、公知の種々のスイッチング回路を用いることができる。
　上述の実施形態では、トルクセンサ１０は、検出コイル１８ａと検出コイル１８ｂとの間の２箇所の電位を検出し、その検出結果に基づいて基材１２に作用するトルクを求めている。しかしながら、トルクセンサ１０は、検出コイル１８ａと検出コイル１８ｂとの間の３箇所以上の電位に基づいて基材１２に作用するトルクを求めてもよい。トルクセンサ１０は、検出コイル１８ａと検出コイル１８ｂとの間の１箇所の電位に基づいて基材１２に作用するトルクを求めてもよい。
　上述の実施形態では、トルクセンサ１０は、検出コイル１８ａと検出コイル１８ｂとの間で、検出コイル１８ａ,１８ｂに対して電気的に直列に接続された抵抗３８と、抵抗３８と検出コイル１８ｂとの間で、抵抗３８および検出コイル１８ｂに対して電気的に直列に接続された抵抗４０とを有する。しかしながら、トルクセンサ１０は、抵抗３８，４０を有していなくてもよい。
　上述の実施形態では、検出コイル１８ａと検出コイル１８ｂとの間隔が、検出コイル１８ａの長さ及び検出コイル１８ｂの長さよりも小さい。しかしながら、検出コイル１８ａと検出コイル１８ｂとの間隔は、検出コイル１８ａの長さ及び検出コイル１８ｂの長さよりも大きくてもよい。
　上述の実施形態で説明したトルクセンサ１０における基材１２、めっき膜１４、ボビン１６及びケース２０の構成は、一例である。そのため、基材１２、めっき膜１４、ボビン１６及びケース２０の構成は、磁歪部２６，２８を通る磁束を、検出コイル１８ａ，１８ｂによって発生可能な構成であれば、どのような構成であってもよい。
　本発明は、めっき膜の透磁率の変化を検出する種々の磁歪式トルクセンサに利用できる。
 

Claims (5)

  1. 　円柱状または円筒状の基材と、
    　前記基材の外周面に設けられ、かつ、めっき膜によって構成された第１磁歪部および第２磁歪部と、
    　前記第１磁歪部を通る磁束を発生させる第１コイルと、
    　前記第２磁歪部を通る磁束を発生させ、かつ、前記第１コイルに対して電気的に直列に接続される第２コイルと、
    　前記第１コイルと前記第２コイルとの間の電位を検出する検出部とを備える、磁歪式トルクセンサ。
  2. 　前記第１コイルおよび前記第２コイルに正電圧または負電圧のいずれか一方の電源電圧を供給する電源供給部と、
    　前記電源電圧の電位と接地電位との中間電位を生成する電位生成部とをさらに備え、
    　前記電源供給部は、前記第１コイルおよび前記第２コイルに交流電流が流れるように、前記第１コイルおよび前記第２コイルに前記電源電圧を供給し、
    　前記電位生成部は、前記第１コイルと前記第２コイルとの中点の電位を前記中間電位に設定し、
    　前記検出部は、前記第１コイルと前記中点との間の電位および前記第２コイルと前記中点との間の電位を検出する、請求項１に記載の磁歪式トルクセンサ。
  3. 　前記第１コイルと前記第２コイルとの間で前記第１コイルおよび前記第２コイルに対して電気的に直列に接続される第１抵抗と、
    　前記第１抵抗と前記第２コイルとの間で前記第１抵抗および前記第２コイルに対して電気的に直列に接続される第２抵抗とをさらに有し、
    　前記検出部は、前記第１コイルと前記第１抵抗との間の電位および前記第２コイルと前記第２抵抗との間の電位を検出する、請求項１または２に記載の磁歪式トルクセンサ。
  4. 　前記第１抵抗の抵抗値は、前記第１コイルの抵抗値よりも小さく、前記第２抵抗の抵抗値は、前記第２コイルの抵抗値よりも小さい、請求項３に記載の磁歪式トルクセンサ。
  5. 　前記第１コイルおよび前記第２コイルはそれぞれ、前記基材と同軸に設けられ、
    　前記第１コイルによって発生しかつ前記第１磁歪部を通る磁束と、前記第２コイルによって発生しかつ前記第２磁歪部を通る磁束とが、前記基材の軸方向における一方に向かって流れ、
    　前記軸方向において、前記第１コイルと前記第２コイルとの間隔は、前記第１コイルの長さおよび前記第２コイルの長さよりも小さい、請求項１から４のいずれか一つに記載の磁歪式トルクセンサ。
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