JP2529980Y2 - 磁歪式トルクセンサ - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本考案は、例えば自動車用エンジ
ンの出力軸等に発生するトルクを検出するのに好適に用
いられる磁歪式トルクセンサに関する。

【０００２】

【従来の技術】自動変速器を備えたオートマチック車等
では、例えば自動変速機構による変速タイミングを適正
化するために、プロペラシャフト等にトルクセンサを取
付けるようにすることが提案されている。

【０００３】そこで、図７ないし図９にこの種の従来技
術によるトルクセンサとして、２コイル型の磁歪式トル
クセンサを例に挙げて示す。

【０００４】図中、１は例えばクロムモリブデン鋼等の
磁歪材料から形成された磁歪シャフトを示し、該磁歪シ
ャフト１は例えばプロペラシャフトの途中に設けられる
もので、両端が入力側取付部１Ａ，出力側取付部１Ｂと
なり、これらの中間はスリット溝形成部１Ｃとなり、該
スリット溝形成部１Ｃの外周には下向き４５°，上向き
に４５°に刻設したスリット溝２，３とがそれぞれ対向
するように設けられている。

【０００５】４は前記スリット溝形成部１Ｃの外周を囲
むように一対の軸受５，５を介して磁歪シャフト１と相
対的に回転自在に設けられたコイル固定部材を示し、該
コイル固定部材４は図示しない車体側に固着して取付け
られている。６は前記コイル固定部材４の内周側に固着
されたリング状のコア部材を示し、該コア部材６には、
スリット溝２，３とそれぞれ対向する位置に検出コイル
７，８が設けられ、該検出コイル７，８の自己インダク
タンスはＬ1 ，Ｌ2 となっている。

【０００６】次に、図８に検出回路と検出処理回路を示
し説明する。

【０００７】図８中、９は検出回路としてのブリッジ回
路を示し、該ブリッジ回路９は検出コイル７，８と、該
検出コイル７，８の鉄損ｒ1 ，ｒ2 と、前記検出コイル
７，８とそれぞれ対向するように接続された調整抵抗
Ｒ，Ｒにより構成され、検出コイル７，８の接続点ａと
調整抵抗Ｒ，Ｒの接続点ｂとの間には、後述する発振器
１０が接続され、検出コイル７と調整抵抗Ｒとの接続点
ｃと検出コイル８と調整抵抗Ｒとの接続点ｄは、それぞ
れ検出コイル７，８からの出力電圧Ｖ1 ，Ｖ2 を導出す
る出力端子となって、当該接続点ｃ，ｄは差動増幅器１
１の入力端子にそれぞれ接続される。

【０００８】次に、検出処理回路について説明する。該
検出処理回路は後述する発振器１０，差動増幅器１１，
位相調整回路１３，検波処理回路１４および積分回路１
５等から大略構成されている。

【０００９】１０は発振器を示し、該発振器１０は波高
値Ｖ0 ，周波数ｆ（例えば３０ KHZ）の交流電圧Ｖを発
生するもので、その出力側はブリッジ回路９の接続点ａ
に接続されると共に、位相調整回路１３に接続されてい
る。

【００１０】１１は差動増幅器を示し、該差動増幅器１
１はオペアンプ等により構成され、入力端子には前記ブ
リッジ回路９の接続点ｃ，ｄがそれぞれ接続され、出力
電圧Ｖ1 ，Ｖ2 が入力され、出力端子１２は検波処理回
路１４に接続され、出力電圧Ｅ0 を出力する。

【００１１】１３は発振器１０の出力側に接続された位
相調整回路を示し、該位相調整回路１３はブリッジ回路
９による位相差を調整して、検波処理回路１４に位相調
整電圧ＶP を出力する。

【００１２】１４は検波処理回路を示し、該検波処理回
路１４の入力側にはブリッジ回路９の出力端子１２およ
び位相調整回路１３の出力側が接続され、出力電圧Ｅ0
および位相調整電圧ＶP が入力される。そして、該検波
処理回路１４では、出力電圧Ｅ0 の位相調整電圧ＶP に
基づいて同期した部分だけを積分回路１５に出力する。
そして、該積分回路１５では、この電圧を積分して直流
の電圧Ｅとしてコントロールユニット１６に出力する。
また、該コントロールユニット１６では、入力された電
圧Ｅに基づいて自動変速機構の変速タイミング制御を行
なう。

【００１３】なお、各調整抵抗Ｒの調整によって、磁歪
シャフト１に作用するトルクが零のときに接続点ｃ，ｄ
からの出力電圧Ｖ1 ，Ｖ2 が同一波形となるようにブリ
ッジ回路９の平衡状態が保たれ、このときの差動増幅器
１１の出力端子１２からの出力電圧Ｅ0 が直流電圧ＶCO
［Ｖ］にオフセットされるように、該差動増幅器１１に
はオフセット調整回路１７が接続されている。従って、
磁歪シャフト１に作用するトルクが零のときには、積分
回路１５を介してコントロールユニット１６に出力され
る電圧ＥはＶCO［Ｖ］となる（図９参照）。

【００１４】このように構成される２コイル型の磁歪式
トルクセンサにおいては、検出コイル７，８に発振器１
０の交流電圧Ｖを印加すると、磁歪シャフト１の表面に
磁路が形成されるが、スリット溝形成部１Ｃの表面にス
リット溝２，３が設けられているため、表面磁界による
磁路はスリット溝２，３に沿って形成されるようにな
る。

【００１５】一方、磁歪シャフト１の入力側取付部１Ａ
に図７に示すような矢示方向のトルクＴを加えたとする
と、スリット溝２には引っ張り応力＋σが発生し、スリ
ット溝３には圧縮応力−σが発生する。そして、磁歪シ
ャフト１に正の磁歪材を用いている場合、引っ張り応力
＋σにより透磁率μが増加し、圧縮応力−σにより透磁
率μが減少することが知られている。

【００１６】然るに、検出コイル７，８においては、そ
れぞれの自己インダクタンスＬ1 ，Ｌ2 を、

【００１７】

【数１】 のように算出する。

【００１８】また、ブリッジ回路９において、検出コイ
ル７のＬ1 ，ｒ1 は調整抵抗Ｒに、検出コイル８のＬ2
，ｒ2 は調整抵抗Ｒにそれぞれ直列接続されているか
ら、検出コイル７，８を流れる電流ｉ1 ，ｉ2 は、

【００１９】

【数２】 により算出され、接続点ｃ，ｄの出力電圧Ｖ1 ，Ｖ2
は、

【００２０】

【数３】 ただし、α1 ，α2 ：位相角 により算出される。

【００２１】さらに、差動増幅器１１の出力端子１２か
ら出力される出力電圧Ｅ0 は、

【００２２】

【数４】 Ｅ0 ＝Ａ0 ×（Ｖ1 −Ｖ2 ） ただし、Ａ0 ：増幅率 のようになる。

【００２３】かくして、磁歪シャフト１に矢示方向（反
時計方向）の負のトルクＴを加えた場合、スリット溝２
側では引張り応力＋σにより透磁率μが増加するから、
該スリット溝２に対向する検出コイル７の自己インダク
タンスＬ1 が増加して、該検出コイル７に流れる電流ｉ
1 が減少し、出力電圧Ｖ1 が減少する。一方、スリット
溝３側では圧縮応力−σにより透磁率μが減少するか
ら、該スリット溝３に対向する検出コイル８の自己イン
ダクタンスＬ2 が減少して、該検出コイル８を流れる電
流ｉ2 は増加し、出力電圧Ｖ2 が増加する。そして、出
力電圧Ｖ1 ，Ｖ2は前記数式１、数式３による透磁率μ
の変化に基づいて位相角α1 ，α2 を生じさせると共
に、数式３に示すように振幅（電圧値）を変化させ、矢
示方向のトルクＴに比例した検出信号を出力電圧Ｅ0 と
して検波処理回路１４に出力し、該検波処理回路１４で
は、位相調整回路１３からの位相調整電圧ＶP により出
力電圧Ｅ0 を同期し、その部分を積分回路１５で積分す
る。そして、トルクＴに対応した電圧Ｅ（＜ＶCO）とし
てコントロールユニット１６に出力する。

【００２４】一方、磁歪シャフト１に矢示方向と逆方向
（時計方向）の正のトルクＴを加えた場合には、検出コ
イル７に流れる電流ｉ1 が増加し、検出コイル８に流れ
る電流ｉ2 が減少するから、前記数式４により出力電圧
Ｅ0 として検波処理回路１４に出力し、積分回路１５を
介して、コントロールユニット１６にトルクＴに対応し
た電圧Ｅ（＞ＶCO）を出力する。

【００２５】そして、磁歪シャフト１に加わるトルクＴ
に対する電圧Ｅは図９に示すようなリニアな特性とな
る。

【００２６】なお、トルクＴが零の時の位相角α1 ，α
2 とトルクＴを加えたときの位相角α1 ，α2 の差は、
数式３に示すように自己インダクタンスＬ1 ，Ｌ2 の変
化によるから、分母の抵抗値に較べ自己インダクタンス
Ｌ1 ，Ｌ2 は極めて小さいから、位相角α1 ，α2 の差
は殆ど零と見なすことができる。

【００２７】

【考案が解決しようとする課題】ところで、上述した従
来技術では、磁歪シャフト１に加わるトルクＴにより、
発生する応力を検出コイル７，８の自己インダクタンス
Ｌ1 ，Ｌ2 の変化としてブリッジ回路９で検出し、発振
器１０，差動増幅器１１，位相調整回路１３，検波処理
回路１４および積分回路１５からなる検出処理回路で電
圧ＥとしてトルクＴを検出するものであるから、該検出
処理回路ではトルクＴの変化量に対する電圧Ｅの変化が
リニアな特性となる。しかし実際には、磁歪シャフト１
の磁気特性のバラツキにより、正の方向（時計方向）に
トルクＴを加えた場合と、負の方向（反時計方向）にト
ルクＴを加えた場合とでは、検出コイル７，８の自己イ
ンダクタンスの変化量にバラツキが生じ、図９の点線で
示す特性線１８のように、トルク零の点で折り曲がるよ
うな特性となり、トルクの負と正の違いによって、トル
クＴに対する電圧Ｅの出力に誤差が生じ、正確なトルク
検出を行なうことができないという問題がある。

【００２８】本考案は上述した従来技術の問題に鑑みな
されたもので、本考案は正のトルク，負のトルクに拘ら
ず、高精度のトルク検出ができるようにした磁歪式トル
クセンサを提供することを目的としている。

【００２９】

【課題を解決するための手段】上述した課題を解決する
ために本考案が採用する構成の特徴は、検出処理回路の
出力側には、トルク零の点を境界として正トルク分の電
気信号と負トルク分の電気信号とを前記トルク零の点を
通るリニア特性となるように別々に補正する正トルク補
正回路、負トルク補正回路をそれぞれ設けたことにあ
る。

【００３０】

【作用】上記構成により、磁歪シャフトに加わるトルク
による出力信号を正のトルクの場合，負のトルクの場合
とに分けて、別々に補正することができる。

【００３１】

【実施例】以下、本考案の実施例を図１ないし図６に基
づき説明する。なお、実施例では前述した従来技術と同
一の構成要素に同一の符号を付し、その説明を省略する
ものとする。

【００３２】ここで、図１は検出回路としてのブリッジ
回路９と、検出処理回路としての発振器１０，差動増幅
器１１，位相調整回路１３，検波処理回路１４，積分回
路１５および後述する正トルク補正回路２１，負トルク
補正回路２２，加算回路２３を示している。そして、正
トルク補正回路２１と負トルク補正回路２２とは積分回
路１５の出力側に並列接続され、加算回路２３は前記補
正回路２１，２２からの出力を加算してコントロールユ
ニット１６に補正電圧Ｅ´を出力するようになってい
る。

【００３３】ここで、図２に基づいて正トルク補正回路
２１，負トルク補正回路２２，加算回路２３の回路構成
の具体例を示す。

【００３４】図２中、２１は正トルク補正回路を示し、
該正トルク補正回路２１は、オペアンプ２４と、該オペ
アンプ２４の反転端子に接続され、抵抗値Ｒ1 を有する
入力抵抗２５と、該入力抵抗２５の出力側とオペアンプ
２４の出力端子との間に接続された抵抗値Ｒ2 を有する
帰還抵抗２６と、該帰還抵抗２６と平行にカソード側が
オペアンプ２４の反転端子側に接続された第１のダイオ
ード２７と、該第１のダイオード２７のアノードと前記
帰還抵抗２６との間にカソード側が第１のダイオード２
７のアノード側に向く第２のダイオード２８とからなる
反転型理想ダイオード回路により構成され、前記オペア
ンプ２４の非反転端子にはトルク零のときの電圧ＶCOが
入力され、第２のダイオード２８のアノードと帰還抵抗
２６との接続点２９が出力端子となる。

【００３５】そして、このように構成される正トルク補
正回路２１においては、入力側バッファ回路３０を介し
て入力される電圧Ｅの大きさによって、次のような電圧
ＥAを接続点２９から出力する。

【００３６】即ち、Ｅ≧ＶCOのときには、

【００３７】

【数５】

【００３８】また、Ｅ＜ＶCOのときには、

【００３９】

【数６】ＥA ＝ＶCOとなり、図３に示すような電圧ＥA
を接続点２９から出力する。

【００４０】２２は負トルク補正回路を示し、該負トル
ク補正回路２２は、オペアンプ３１と、該オペアンプ３
１の反転端子に接続され、抵抗値Ｒ3 を有する入力抵抗
３２と、該入力抵抗３２の出力側とオペアンプ３１の出
力端子との間に接続された抵抗値Ｒ4 を有する帰還抵抗
３３と、該帰還抵抗３３と平行にアノード側がオペアン
プ３１の反転端子側に接続された第１のダイオード３４
と、該第１のダイオード３４のカソードと前記帰還抵抗
３３との間にアノード側が第１のダイオード３４のカソ
ード側に向く第２のダイオード３５とからなる反転型理
想ダイオード回路により構成され、前記オペアンプ３１
の非反転端子にはトルク零のときの電圧ＶCOが入力さ
れ、第２のダイオード３５のカソードと帰還抵抗３３と
の接続点３６が出力端子となる。

【００４１】そして、このように構成される負トルク補
正回路２２においては、入力側バッファ回路３０を介し
て入力される電圧Ｅの大きさによって、次のような電圧
ＥBを接続点３６から出力する。

【００４２】即ち、Ｅ≧ＶCOのときには、

【００４３】

【数７】ＥB ＝ＶCO

【００４４】また、Ｅ＜ＶCOのときには、

【００４５】

【数８】 となり、図４に示すような電圧ＥB を接続点３６から出
力する。

【００４６】２３は補正回路２１，２２の各接続点２
９，３６に各出力側バッファ回路３０´を介して接続さ
れた加算回路を示し、該加算回路はオペアンプ３７と、
該オペアンプ３７の反転端子に前記各バッファ回路３０
´にそれぞれ接続され、抵抗値Ｒ5 を有する入力抵抗３
８，３８と、前記オペアンプ３７の出力端子と反転端子
との間に接続され、抵抗値Ｒ6 を有する帰還抵抗３９と
から構成され、オペアンプ３７の非反転端子にはトルク
零のときの電圧ＶCOが入力されている。

【００４７】ここで、各入力抵抗３８を介して各トルク
補正回路２１，２２からオペアンプ３７の反転端子に入
力される入力電圧Ｅ1 は、

【００４８】

【数９】 となり、図５に示すような特性となる。

【００４９】そして、オペアンプ３７の出力端子から出
力される補正電圧Ｅ´は、入力電圧Ｅ1 を反転増幅する
から、

【００５０】

【数１０】 ただし、Ａ1 ：抵抗値Ｒ5 ，Ｒ7 から設定される増幅率 となり、図６に示すような図５を反転させた特性とな
る。

【００５１】然るに、本実施例による検出処理回路を備
えたトルクセンサにおいては、トルクＴが正の場合（図
７のトルクＴの方向と逆の時計方向の場合）には、正ト
ルク補正回路２１の帰還抵抗２６の抵抗値Ｒ2 を調整す
ることにより、図５および図６に示すように矢示Ａ方向
の微調整を行ない、正の方向の傾きを補正することがで
きる。

【００５２】一方、トルクＴが負の場合（図７のトルク
Ｔの方向と同じ反時計方向の場合）には、負トルク補正
回路２２の帰還抵抗３３の抵抗値Ｒ4 を調整することに
より、図５および図６に示すように矢示Ｂ方向の微調整
を行ない、負の方向の傾きを補正することができる。

【００５３】これにより、磁歪シャフト１の磁気特性に
バラツキがある場合でも、正の方向（時計方向）にトル
クＴを加えた場合と、負の方向（反時計方向）にトルク
Ｔを加えた場合とのトルクＴの変化量に対して別々に補
正し、補正電圧Ｅ´の変化をリニアな特性とすることが
でき、磁歪シャフト１の磁気特性のバラツキによる誤差
を確実に補正し、正確なトルク検出を行なうことができ
る。

【００５４】なお、前記実施例では、２コイル式のトル
クセンサを例に挙げて説明したが、本考案はこれに限ら
ず、４コイル式のトルクセンサに用いてもよい。

【００５５】また、前記実施例では、正トルク補正回路
２１および負トルク補正回路２２に具体例として反転型
理想ダイオード回路を例に挙げて示したが、本考案はこ
れに限らず、トルクＴが零のときを境界として正トルク
部分と負トルク部分とで区別して出力電圧を補正するよ
うに、電圧判別回路および増幅回路等で構成するように
してもよい。

【００５６】

【考案の効果】以上詳述した如く、本考案によれば、検
出処理回路のトルク零の点を境界として正のトルクと負
のトルクとを別々に補正する正トルク補正回路、負トル
ク補正回路とを設けたから、磁歪シャフトに磁気特性の
バラツキがあった場合でも、正の方向のトルク、負の方
向のトルクに拘らず常に高精度のトルク検出を行なうこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本考案の実施例による磁歪式トルクセンサの検
出回路および検出処理回路を示す回路構成図である。

【図２】実施例による正トルク補正回路，負トルク補正
回路および加算回路の具体例を示す回路図である。

【図３】正，負のトルクと正トルク補正回路から出力さ
れる電圧との関係を示す特性線図である。

【図４】正，負のトルクと負トルク補正回路から出力さ
れる電圧との関係を示す特性線図である。

【図５】正，負のトルクと加算回路に入力される入力電
圧との関係を示す特性線図である。

【図６】正，負のトルクと加算回路から出力される電圧
との関係を示す特性線図である。

【図７】従来技術による磁歪式トルクセンサの構成図で
ある。

【図８】従来技術による検出回路および検出処理回路を
示す回路構成図である。

【図９】従来技術による正，負のトルクと積分回路から
出力される電圧との関係を示す特性線図である。

【符号の説明】

１ 磁歪シャフト ７，８ 検出コイル ９ ブリッジ回路 １０ 発振器 １１ 差動増幅器 １３ 位相調整回路 １４ 検波処理回路 １５ 積分回路 ２１ 正トルク補正回路 ２２ 負トルク補正回路 ２３ 加算回路

Claims (1)

(57)【実用新案登録請求の範囲】
1. 【請求項１】 磁歪シャフトと、該磁歪シャフトの外周
   側に設けられた少なくとも一対の検出コイルと、該各検
   出コイルからのインダクタンスの変化により前記磁歪シ
   ャフトにかかるトルクを検出する検出回路と、該検出回
   路からの信号に基づきトルクを電気信号に変換する検出
   処理回路とからなる磁歪式トルクセンサにおいて、前記
   検出処理回路の出力側には、トルク零の点を境界として
   正トルク分の電気信号と負トルク分の電気信号とを前記
   トルク零の点を通るリニア特性となるように別々に補正
   する正トルク補正回路、負トルク補正回路をそれぞれ設
   けたことを特徴とする磁歪式トルクセンサ。