JP4305271B2 - 磁歪式トルクセンサ - Google Patents

Description

本発明は、非接触磁歪式トルクセンサ、特に、磁歪特性を有する回転軸に加わるトルクを、透磁率変化による検出コイルのインダクタンス変化から非接触的に検出する非接触磁歪式トルクセンサに関する。

自動車のパワーステアリング機構、エンジン制御機構、動力伝達機構などでは回転軸であるハンドル軸、その他の受動軸などに加わるトルクを検出する必要性が高い。

一般に、磁歪特性を有する材料は、力を加えると比透磁率が変化し、圧縮力方向では比透磁率が減少し、張力方向では比透磁率が増加する。この原理を利用した磁歪式トルク検出装置が、例えば特許文献１に記載されている。

図１１（ａ）に特許文献１に記載されている磁歪式トルク検出装置の略図を示す。図１１（ａ）の磁歪式トルク検出装置は、受動軸である回転軸１１の外周に、回転軸１１に対して±４５°に複数の磁歪膜１３、１３を固着し、その外周に±４５°磁歪膜１３、１３に対応してリング形検出コイル１２、１２を配設したものである。回転軸１１に外部からトルクが印加されると、磁歪膜１３、１３の一方には張力が、他方には圧縮力が発生して歪が生じ、磁歪膜１３、１３の透磁率が変化する。この磁歪膜１３、１３の透磁率変化によるリング形検出コイル１２、１２のインダクタンス変化を検出して出力する。

上述した磁歪式トルク検出装置の他に、図１１（ｂ）に示すものがある。図１１（ｂ）の磁歪式トルク検出装置は、磁歪回転軸１１に対向配置したＵ字形磁心１４上に巻回した検出コイル１２、１２を使用することにより、磁歪回転軸１１の透磁率変化を検出して出力するものである。
特開平１−９４２３０号公報

しかし、図１１（ａ）の磁歪式トルク検出装置によれば、回転軸１１に±４５°の磁歪膜１３、１３を固着するため、回転軸１１を加工する必要があるという問題がある。

また、図１１（ｂ）の磁歪式トルク検出装置によれば、回転軸１１を加工する必要がなく、回転軸１１に装着容易であるが、検出コイル１２が巻かれたＵ字形磁心１４は回転軸１１に対してリング形磁心のような回転対称でなく、回転軸１１がＵ字形磁心１４に対面していない部分があるため、出力信号の感度が低く、出力信号のゼロ点が回転軸１１の回転に伴って、大きく変動してしまうという問題がある。

従って、本発明の目的は、回転軸に±４５°の磁歪膜を固着するなどの加工を施すことなく、出力信号の感度を向上し、回転軸の回転に伴う出力信号のゼロ点変動を小さくすることによって、磁歪回転軸に加わるトルクを精度よく検出する非接触磁歪式トルクセンサを提供することにある。

また、本発明の更なる目的は、回転軸の圧縮方向及び張力方向の磁束変化を検出する非接触磁歪式トルクセンサを提供することにある。

更に、本発明の他の目的は、コイルの検出感度が高い非接触磁歪式トルクセンサを提供することにある。

また、本発明の他の目的は、回転軸に装着容易である非接触磁歪式トルクセンサを提供することにある。

更にまた、本発明の他の目的は、コイルの巻き方、検出回路の組み立て及び製造が容易な非接触磁歪式トルクセンサを提供することにある。

本発明によると、中心軸の周りに回転する磁歪特性を有する回転軸と、前記回転軸の外周と所定の間隔を有しながら前記回転軸と同軸に配置された、前記回転軸の歪を検出するコイルを巻回した磁性リングを備えた磁歪式トルクセンサにおいて、
前記磁性リングは、前記中心軸に対して４５°傾いてその円周方向に交互に配置された強磁性部と非磁性部とから形成され、
前記コイルは、前記強磁性部と前記非磁性部の傾斜方向と直交する方向に巻回することを特徴とする磁歪式トルクセンサを提供する。

前記磁性リングは、前記回転軸の張力方向の磁束変化を検出するために、前記回転軸の張力方向に傾斜してその円周方向に交互に配置された張力検出用強磁性部と張力検出用非磁性部とから形成された第１の磁性リングと、前記回転軸の圧縮方向の磁束変化を検出するために、前記回転軸の圧縮方向に傾斜してその円周方向に交互に配置された圧縮検出用強磁性部と圧縮検出用非磁性部とから形成された第２の磁性リングとを含み、
前記コイルは、前記第１の磁性リングに圧縮方向に傾斜して巻回された第１のコイルと、前記第２の磁性リングに張力方向に傾斜して巻回された第２のコイルとを含むことを特徴とする。

前記磁性リングは、前記非磁性部の面積が前記強磁性部の面積よりも小さいことを特徴とする。

前記磁性リングは、前記非磁性部の位置で、前記非磁性部の傾斜方向に沿って、２分割された半円筒磁心を含むことを特徴とする。

前記２分割された半円筒磁心にそれぞれコイルを独立して巻回することを特徴とする。

本発明の非接触磁歪式トルクセンサによると、回転軸に対して４５°傾いたコイルにより発生する磁束が、強磁性部と非磁性部の傾き方向に集中するため、出力信号の感度を高くすることができる。また、該コイルは磁性リングの周囲に巻かれており回転軸に対して回転対称であるため、出力信号は回転軸の回転角度に依存することがない。即ち、回転軸の回転に伴う出力信号のゼロ点変動を小さくすることができる。

また、本発明によると、回転軸の張力方向に傾斜してその円周方向に交互に配置された張力検出用強磁性部と張力検出用非磁性部とから形成された第１の磁性リングに圧縮方向に傾斜して巻回された第１のコイルと、回転軸の圧縮方向に傾斜してその円周方向に交互に配置された圧縮検出用強磁性部と圧縮検出用非磁性部とから形成された第２の磁性リングに張力方向に傾斜して巻回された第２のコイルとを含むため、回転軸の張力方向及び圧縮方向の磁束変化を検出することができる。

また、本発明によると、磁性リングは、前記非磁性部の面積が前記強磁性部の面積よりも小さいため、コイルの検出感度を高くすることができる。

更に、本発明によると、トルクセンサは２つの半円筒磁心に分割されるため、容易に磁歪回転軸に装着することができる。

また、本発明によると、２分割された半円筒磁心にそれぞれコイルを独立して巻回するため、コイルの巻き方、検出回路の組み立て及び製造が容易である。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。

図１は、本発明の磁歪式トルクセンサの第１実施例を示す。この磁歪式トルクセンサは、磁歪特性を有する回転軸１０と、回転軸１０の軸Ｏに対して＋４５°傾いたコイル２１（以下、単に「＋４５°コイル」と呼ぶ）が周囲に巻かれた磁性リング３１とから構成され、＋４５°コイル２１が周囲に巻かれた磁性リング３１を回転軸１０に通して同心状に配置した構造を有する。＋４５°コイル２１が巻かれた磁性リング３１は、回転軸１０の軸Ｏに対して−４５°傾いた非磁性部３１ａ及び強磁性部３１ｂ（以下、それぞれ単に「−４５°非磁性部」及び「−４５°強磁性部」と呼ぶ）を併せ持つ複合磁性材料からなっており、図１に示すように、磁性リング３１は−４５°非磁性部３１ａ及び−４５°強磁性部３１ｂを円周方向に交互に配置した構造を有する。ここで、−４５°非磁性部３１ａは比透磁率が低いものが望ましく、−４５°強磁性部３１ｂは比透磁率が高いものが望ましい。また、−４５°非磁性部３１ａと−４５°強磁性部３１ｂの個数は４から２Ｎ（Ｎ＝２，３，４，…）である。また、＋４５°コイル２１の検出感度を高くするため、−４５°非磁性部３１ａの面積は−４５°強磁性部３１ｂの面積より小さいことが好ましい。

次に、本発明の磁歪式トルクセンサの動作原理について説明する。図２に示すように、軸方向Ｘから見て、図面で左側を反時計廻り方向に、図面で右側を時計廻り方向に力が働くように、回転軸１０にトルクＴが印加される。以下、この方向のトルクＴを正方向とする。このとき、回転軸１０の前側（紙面の表）から見て、回転軸１０の＋４５°方向には圧縮力が、−４５°方向には張力が加わることになる。この主応力σはトルクＴに比例し、回転軸１０の直径をＤとすると、次式で与えられる。
σ＝１６T/(πD^３) （１）
このとき、回転軸１０が磁歪効果を持っていれば、主応力σにより、軸磁気異方性Kuが誘起される。
Ku＝２・(３/２)λｓσ＝４８λｓT/(πD^３) （２）
ここで、λｓは回転軸１０の飽和磁歪定数である。この軸磁気異方性Kuによって、＋σ方向は磁化容易方向、−σ方向は磁化困難方向となり、静磁エネルギーの関係から、磁化容易方向＋σ方向の比透磁率は増加し、逆に磁化困難方向−σ方向の比透磁率は減少する。従って、磁化困難方向−σ方向（圧縮力方向）に傾くコイルに電流を流すと、コイルにより形成する磁束は磁化容易方向＋σ方向（張力方向）に傾いて張力方向の比透磁率が高くなるので、張力方向の磁束を減少させる方向に感応電流が流れ、感応電流によって感応電圧が誘起されるため、このコイルのインダクタンスは大きくなる。逆に、磁化容易方向＋σ方向（張力方向）に傾くコイルに電流を流すと、コイルにより形成する磁束は、磁化困難方向−σ方向（圧縮力方向）に傾いて圧縮力方向の比透磁率が小さくなるので、圧縮力方向の磁束を増加させる方向に感応電流が流れ、感応電流によって感応電圧が誘起されるため、このコイルのインダクタンスは小さくなる。

図１及び２に示すように、磁性リング３１は、−４５°非磁性部３１ａ及び−４５°強磁性部３１ｂを併せ持つ複合磁性材料からなっており、−４５°非磁性部３１ａ及び−４５°強磁性部３１ｂを円周方向に交互に配置した構造を有する。＋４５°コイル２１は、磁性リング３１の周囲に、回転軸１０の軸Ｏに対して＋４５°傾いて、−４５°非磁性部３１ａ及び−４５°強磁性部３１ｂに直交して巻かれている。従って、＋４５°コイル２１に電流Iを流したとき＋４５°コイル２１により発生する磁束Φは磁性リング３１の−４５°非磁性部３１ａ（非磁性部３１ａは−４５°方向に弱く磁化される）及び−４５°強磁性部３１ｂを通るため、図２に示すように磁束Φは強制的に回転軸１０の軸Ｏに対して−４５°傾いて回転軸１０を通る。よって、回転軸１０を通る磁束Φは磁化容易方向＋σ方向（張力方向）に集中して張力方向の比透磁率が大きくなるため、＋４５°コイル２１のインダクタンスは大きくなる。

図３は、上述した＋４５°コイル２１の電気特性から磁歪回転軸１０に印加されるトルクを検出するための検出回路である。＋４５°コイル２１と、３つの抵抗器Ｒ_１、Ｒ_２、Ｒ_３（Ｒ_１＝Ｒ_２＝Ｒ_３＝１０Ω）を用いて、図３に示すようなブリッジ回路を構成する。そして、直列接続された＋４５°検出コイル２１と抵抗器Ｒ_３、直列接続抵抗器Ｒ_１とＲ_２との両端に回路を駆動する発振器７０を接続し、＋４５°検出コイル２１と抵抗器Ｒ_３の間、及び直列接続抵抗器Ｒ_１とＲ_２の間に、トルク印加時にブリッジ回路から発生する差動信号を検出・増幅して出力するロックイン増幅器８０を接続する。

次に、図３の検出回路の動作について説明する。発振器７０から発生する高周波数電流Ｉが抵抗器Ｒ_１と＋４５°検出コイル２１に流入し、抵抗器Ｒ_２と抵抗器Ｒ_３から流出する。トルクが印加されていないとき、検出回路が平衡状態になるようにゼロ点調整を行う。図２に示すように、正トルクＴが印加されるとき、＋４５°検出コイル２１のインダクタンスＬがΔＬ増加し、ロックイン増幅器８０からの出力Ｖは正方向に増加する。それに対して、負トルクが印加されるとき、＋４５°検出コイル２１のインダクタンスＬがΔＬ減少し、ロックイン増幅器８０からの出力Ｖは負方向に減少する。これより、トルクＴの方向及び大きさが検出される。

図３の検出回路によれば、＋４５°コイル２１と３つの抵抗器Ｒ_１、Ｒ_２、Ｒ_３のブリッジ回路のバランスをとることにより、更に、ロックイン増幅器８０により雑音が除去されるため、安定した精確なゼロ点調整を容易に行うことができるとともに、出力電圧の感度を高くすることができる。

さらに、上述した磁歪式トルクセンサの構造によれば、＋４５°コイル２１により発生する磁束Φが−４５°方向に集中するため、出力信号の感度を高くすることができる。また、＋４５°コイル２１は磁性リング３１の周囲に巻かれており磁歪回転軸１０に対して回転対称であるため、出力信号は磁歪回転軸１０の回転角度に依存することがない。即ち、磁歪回転軸１０の回転に伴う出力信号のゼロ点変動を小さくすることができる。

なお、上述の第１実施例では、検出コイルが回転軸１０の軸Ｏに対して＋４５°傾き、磁性リングの非磁性部及び強磁性部が回転軸１０の軸Ｏに対して−４５°傾くとしたが、逆に、検出コイルが回転軸１０の軸Ｏに対して−４５°傾き、磁性リングの非磁性部及び強磁性部が回転軸１０の軸Ｏに対して＋４５°傾くとしても良い。

図４は、本発明の磁歪式トルクセンサの第２実施例を示す。第２実施例の磁歪式トルクセンサは磁歪特性を有する回転軸１０を有するが、第１実施例と相違して、回転軸１０の軸Ｏに対して＋４５°傾いたコイル２１（以下、単に「＋４５°コイル」と呼ぶ）が周囲に巻かれた磁性リング３１と、回転軸１０の軸Ｏに対して−４５°傾いたコイル２２（以下、単に「−４５°コイル」と呼ぶ）が周囲に巻かれた磁性リング３２とをそれぞれ回転軸１０の両端部に通して回転軸１０に同心状に配置する。更に、１つの磁性リング３１は、回転軸１０の軸Ｏに対して−４５°傾いた非磁性部３１ａ及び強磁性部３１ｂ（以下、それぞれ単に「−４５°非磁性部」及び「−４５°強磁性部」と呼ぶ）を併せ持つ複合磁性材料からなっており、図４に示すように、磁性リング３１は−４５°非磁性部３１ａ及び−４５°強磁性部３１ｂを円周方向に交互に配置した構造を有する。また、もう１つの磁性リング３２は、回転軸１０の軸Ｏに対して＋４５°傾いた非磁性部３２ａ及び強磁性部３２ｂ（以下、それぞれ単に「＋４５°非磁性部」及び「＋４５°強磁性部」と呼ぶ）を併せ持つ複合磁性材料からなっており、図４に示すように、磁性リング３２は＋４５°非磁性部３２ａ及び＋４５°強磁性部３２ｂを円周方向に交互に配置した構造を有する。ここで、−４５°非磁性部３１ａ及び＋４５°非磁性部３２ａは比透磁率が低いものが望ましく、−４５°強磁性部３１ｂ及び＋４５°強磁性部３２ｂは比透磁率が高いものが望ましい。また、−４５°非磁性部３１ａと−４５°強磁性部３１ｂ、及び＋４５°非磁性部３２ａと＋４５°強磁性部３２ｂの個数は４から２Ｎ（Ｎ＝２，３，４，…）である。また、＋４５°コイル２１と−４５°コイル２２の検出感度を高くするため、−４５°非磁性部３１ａ及び＋４５°非磁性部３２ａの面積はそれぞれ−４５°強磁性部３１ｂ及び＋４５°強磁性部３２ｂの面積より小さいことが好ましい。

次に、図５を参照して、図４の磁歪式トルクセンサの動作について説明する。＋４５°コイル２１に電流Iを流すと＋４５°コイル２１により発生する磁束Φは磁性リング３１の−４５°非磁性部３１ａ（非磁性部３１ａは−４５°方向に弱く磁化される）及び−４５°強磁性部３１ｂを通るため、図５に示すように磁束Φは強制的に回転軸１０の軸Ｏに対して−４５°傾いて回転軸１０を通る。よって、回転軸１０を通る磁束Φは磁化容易方向＋σ方向（張力方向）に集中して張力方向の比透磁率が大きくなるため、＋４５°コイル２１のインダクタンスは大きくなる。同様に、−４５°コイル２２に電流Iを流すと−４５°コイル２２により発生する磁束Φは磁性リング３２の＋４５°非磁性部３２ａ（非磁性部３２ａは＋４５°方向に弱く磁化される）及び＋４５°強磁性部３２ｂを通るため、図５に示すように磁束Φは強制的に回転軸１０の軸Ｏに対して＋４５°傾いて回転軸１０を通る。よって、回転軸１０を通る磁束Φは磁化困難方向−σ方向（圧縮方向）に集中して圧縮方向の比透磁率が小さくなるため、−４５°コイル２２のインダクタンスは小さくなる。

図６は、上述した第２実施例の＋４５°コイル２１と−４５°コイル２２の電気特性から磁歪回転軸１０に印加されるトルクを検出するための検出回路である。＋４５°コイル２１と−４５°コイル２２と、２つの抵抗器Ｒ_１、Ｒ_２（Ｒ_１＝Ｒ_２＝１０Ω）を用いて、図６に示すようなブリッジ回路を構成する。そして、直列接続された＋４５°検出コイル２１と抵抗器Ｒ_１、直列接続された−４５°検出コイル２２と抵抗器Ｒ_２との両端に回路を駆動する発振器７０を接続し、＋４５°検出コイル２１と抵抗器Ｒ_１の間、及び直列接続された−４５°検出コイル２２と抵抗器Ｒ_２の間に、トルク印加時にブリッジ回路から発生する差動信号を検出・増幅して出力するロックイン増幅器８０を接続する。

次に、図６の検出回路の動作について説明する。発振器７０から発生する高周波数電流Ｉが＋４５°検出コイル２１と−４５°検出コイル２２に流入し、抵抗器Ｒ_１と抵抗器Ｒ_２から流出する。トルクが印加されていないとき、検出回路が平衡状態になるようにゼロ点調整を行う。図６に示すように、正トルクＴが印加されるとき、＋４５°検出コイル２１のインダクタンスＬがΔＬ増加し、−４５°検出コイル２２のインダクタンスＬがΔＬ減少し、ロックイン増幅器８０からの出力Ｖは正方向に増加する。それに対して、負トルクが印加されるとき、＋４５°検出コイル２１のインダクタンスＬがΔＬ減少し、−４５°検出コイル２２のインダクタンスＬがΔＬ増加し、ロックイン増幅器８０からの出力Ｖは負方向に減少する。これより、トルクＴの方向及び大きさが検出される。

図６の検出回路によれば、＋４５°コイル２１と−４５°コイル２２と、２つの抵抗器Ｒ_１、Ｒ_２のブリッジ回路のバランスをとることにより、更に、ロックイン増幅器８０により雑音が除去されるため、安定した精確なゼロ点調整を容易に行うことができるとともに、出力電圧の感度を高くすることができる。

さらに、第２実施例の磁歪式トルクセンサの構造によれば、＋４５°コイル２１と−４５°コイル２２により発生する磁束Φがそれぞれ−４５°方向と＋４５°方向に集中するため、出力信号の感度を高くすることができる。また、＋４５°コイル２１と−４５°コイル２２はそれぞれ磁性リング３１と３２の周囲に巻かれており磁歪回転軸１０に対して回転対称であるため、出力信号は磁歪回転軸１０の回転角度に依存することがない。即ち、磁歪回転軸１０の回転に伴う出力信号のゼロ点変動を小さくすることができる。

図７（ａ）は、磁歪特性を有する回転軸１０の軸Ｏ（図示せず）に対して＋４５°傾いたコイル２１（以下、単に「＋４５°コイル」と呼ぶ）がそれぞれに巻かれた半円筒磁心ペア４１、４１を磁歪回転軸１０に装着した本発明の磁歪式トルクセンサの第３実施例を示す。ここで、各半円筒磁心４１、４１は、磁歪特性を有する回転軸１０の軸Ｏ（図示せず）に対して−４５°傾いた非磁性部４１ａ及び強磁性部４１ｂ（以下、それぞれ単に「−４５°非磁性部」及び「−４５°強磁性部」と呼ぶ）を併せ持つ複合磁性材料からなる。図７（ｂ）は、（ａ）の−４５°非磁性部４１ａにおける−４５°切断部４１Ａを含む半円筒磁心ペア４１、４１の軸に垂直な方向から見た部分拡大平面図である。第３実施例では、第１実施例と相違して、磁性リングを、切断部４１Ａで示すように、切断方向が−４５°非磁性部４１ａと−４５°強磁性部４１ｂの傾く方向と同じであるように、その直径上の−４５°非磁性部４１ａで２つの半円筒磁心４１，４１に分割する。＋４５°コイル２１は、２つの半円筒磁心４１，４１のそれぞれに、その一方の切断端面の４５°の角の所から、−４５°非磁性部４１ａ及び−４５°強磁性部４１ｂに直交して、他方の切断端面の４５°の角の所まで巻く。そして、２つの半円筒磁心４１，４１を磁歪回転軸１０の周囲に同心状に緊密に対向配置して、磁歪式トルクセンサを構成する。

なお、図７の磁歪式トルクセンサの動作原理については、図２で説明した動作原理と同様であるので説明は省略する。

図８は、上述した第３実施例の２つの＋４５°コイル２１，２１の電気特性から磁歪回転軸１０に印加されるトルクを検出するための検出回路である。２つの＋４５°コイル２１，２１と、２つの抵抗器Ｒ_１、Ｒ_２（Ｒ_１＝Ｒ_２＝１０Ω）を用いて、図８に示すようなブリッジ回路を構成する。そして、２つの直列接続された＋４５°コイル２１，２１、直列接続抵抗器Ｒ_１とＲ_２との両端に回路を駆動する発振器７０を接続し、直列接続された２つの＋４５°コイル２１の間、及び直列接続抵抗器Ｒ_１とＲ_２の間に、トルク印加時にブリッジ回路から発生する差動信号を検出・増幅して出力するロックイン増幅器８０を接続する。

次に、図８の検出回路の動作について説明する。発振器７０から発生する高周波数電流Ｉが上側の＋４５°検出コイル２１と抵抗器Ｒ_１に流入し、下側の＋４５°検出コイル２１と抵抗器Ｒ_２から流出する。トルクが印加されていないとき、検出回路が平衡状態になるようにゼロ点調整を行う。図８に示すように、正トルクＴが印加されるとき、上側の＋４５°検出コイル２１のインダクタンスＬがΔＬ増加し、下側の＋４５°検出コイル２１のインダクタンスＬがΔＬ減少し、ロックイン増幅器８０からの出力Ｖは正方向に増加する。それに対して、負トルクが印加されるとき、上側の＋４５°検出コイル２１のインダクタンスＬがΔＬ減少し、下側の＋４５°検出コイル２１のインダクタンスＬがΔＬ増加し、ロックイン増幅器８０からの出力Ｖは負方向に減少する。これより、トルクＴの方向及び大きさが検出される。

図８の検出回路によれば、２つの＋４５°コイル２１，２１と、２つの抵抗器Ｒ_１、Ｒ_２のブリッジ回路のバランスをとることにより、更に、ロックイン増幅器８０により雑音が除去されるため、安定した精確なゼロ点調整を容易に行うことができるとともに、出力電圧の感度を高くすることができる。

さらに、第３実施例の磁歪式トルクセンサの構造によれば、２つの直列接続された＋４５°コイル２１，２１により発生する磁束Φが−４５°方向に集中するため、出力信号の感度を高くすることができる。また、２つの直列接続された＋４５°コイル２１，２１は、第１実施例と同様に磁歪回転軸１０に対してリング形軸回転対称検出コイルと同じ働きをするため、第１実施例と同様に磁歪回転軸１０に対して回転対称であるため、出力信号は磁歪回転軸１０の回転角度に依存することがない。即ち、磁歪回転軸１０の回転に伴う出力信号のゼロ点変動を小さくすることができる。しかも、第３実施例の磁歪式トルクセンサは２つの半円筒磁心４１，４１に分割されるため、第１実施例に比較して容易に磁歪回転軸１０に装着することができる。

図９は、本発明の磁歪式トルクセンサの第４実施例を示す。第４実施例では、第２実施例の磁性リング３１及び３２をそれぞれ、第３実施例のように、−４５°切断部４１Ａ及び＋４５°切断部４２Ａで示すように、その直径上の−４５°非磁性部４１ａ及び＋４５°非磁性部４２ａの位置で、−４５°非磁性部４１ａ及び＋４５°非磁性部４２ａの傾き方向に沿って２つの半円筒磁心ペア４１，４１及び４２，４２に分割して、半円筒磁心４１，４１及び４２，４２のそれぞれに＋４５°コイル２１，２１及び−４５°コイル２２，２２を巻回する。

なお、図９の磁歪式トルクセンサの動作原理については、図５で説明した動作原理と同様であるので説明は省略する。

図１０は、上述した第４実施例の２つの＋４５°コイル２１，２１及び２つの−４５°コイル２２，２２の電気特性から磁歪回転軸１０に印加されるトルクを検出するための検出回路である。２つの＋４５°コイル２１，２１及び２つの−４５°コイル２２，２２を用いて、図１０に示すようなブリッジ回路を構成する。そして、２つの直列接続された＋４５°コイル２１と２１、２つの直列接続された−４５°コイル２２と２２の両端に回路を駆動する発振器７０を接続し、２つの直列接続された＋４５°検出コイル２１と２１の間、及び２つの直列接続された−４５°コイル２２と２２の間に、トルク印加時にブリッジ回路から発生する差動信号を検出・増幅して出力するロックイン増幅器８０を接続する。

次に、図１０の検出回路の動作について説明する。発振器７０から発生する高周波数電流Ｉが上側の＋４５°検出コイル２１と−４５°検出コイル２２に流入し、下側の＋４５°検出コイル２１と−４５°検出コイル２２から流出する。トルクが印加されていないとき、検出回路が平衡状態になるようにゼロ点調整を行う。図１０に示すように、正トルクＴが印加されるとき、左上側の＋４５°検出コイル２１と右下側のと−４５°検出コイル２２のインダクタンスＬがΔＬ増加し、左下側の＋４５°検出コイル２１と右上側の−４５°検出コイル２２のインダクタンスＬがΔＬ減少し、ロックイン増幅器８０からの出力Ｖは正方向に増加する。それに対して、負トルクが印加されるとき、左上側の＋４５°検出コイル２１と右下側の−４５°検出コイル２２のインダクタンスＬがΔＬ減少し、左下側の＋４５°検出コイル２１と右上側のと−４５°検出コイル２２のインダクタンスＬがΔＬ増加し、ロックイン増幅器８０からの出力Ｖは負方向に減少する。これより、トルクＴの方向及び大きさが検出される。

図１０の検出回路によれば、２つの＋４５°コイル２１，２１及び２つの−４５°コイル２２，２２のブリッジ回路のバランスをとることにより、更に、ロックイン増幅器８０により雑音が除去されるため、安定した精確なゼロ点調整を容易に行うことができるとともに、出力電圧の感度を高くすることができる。

さらに、第４実施例の磁歪式トルクセンサの構造によれば、２つの直列接続された＋４５°コイル２１，２１及び２つの直列接続された−４５°コイル２２，２２により発生する磁束Φがそれぞれ−４５°方向と＋４５°方向に集中するため、出力信号の感度を高くすることができる。また、２つの直列接続された＋４５°コイル２１，２１及び２つの直列接続された−４５°コイル２２，２２は、第２実施例と同様に磁歪回転軸１０に対してリング形軸回転対称検出コイルと同じ働きをするため、第２実施例と同様に磁歪回転軸１０に対して回転対称であるため、出力信号は磁歪回転軸１０の回転角度に依存することがない。即ち、磁歪回転軸１０の回転に伴う出力信号のゼロ点変動を小さくすることができる。しかも、第４実施例の磁歪式トルクセンサは２つの半円筒磁心４１，４１及び４２，４２に分割されるため、第２実施例に比較して容易に磁歪回転軸１０に装着することができる。更に、検出コイルの数は４つあるため、検出コイルのブリッジ回路の接続が容易であり、外部回路を要しないでブリッジ回路が組める。

本発明の磁歪式トルクセンサの第１実施例を示す。 図１の磁歪式トルクセンサの動作原理を示す模式図である。 図１の磁歪式トルクセンサにより、磁歪回転軸に印加されるトルクを検出するための検出回路である。 本発明の磁歪式トルクセンサの第２実施例を示す。 図４の磁歪式トルクセンサの動作原理を示す模式図である。 図４の磁歪式トルクセンサにより、磁歪回転軸に印加されるトルクを検出するための検出回路である。 （ａ）は、それぞれに＋４５°コイルが巻かれた半円筒磁心ペアを磁歪回転軸に装着した本発明の磁歪式トルクセンサの第３実施例を示す。（ｂ）は、（ａ）の−４５°非磁性部における−４５°切断部を含む半円筒磁心ペアの軸に垂直な方向から見た部分拡大平面図である。 図７の磁歪式トルクセンサにより、磁歪回転軸に印加されるトルクを検出するための検出回路である。 本発明の第４実施例による、２つの半円筒磁心ペアを磁歪回転軸に装着した磁歪式トルクセンサの模式図である。 図９の磁歪式トルクセンサにより、磁歪回転軸に印加されるトルクを検出するための検出回路である。 （ａ）及び（ｂ）はそれぞれ従来の磁歪式トルクセンサの概略図である。

符号の説明

１０ 磁歪回転軸
２１ ＋４５°コイル
２２ −４５°コイル
３１、３２ 磁性リング
４１、４２ 半円筒磁心
３１ａ、４１ａ −４５°非磁性部
３１ｂ、４１ｂ −４５°強磁性部
３２ａ、４２ａ ＋４５°非磁性部
３２ｂ、４２ｂ ＋４５°強磁性部
４１Ａ、４２Ａ 切断部
７０ 発振器
８０ ロックイン増幅器

Claims (5)

1. 中心軸の周りに回転する磁歪特性を有する回転軸と、前記回転軸の外周と所定の間隔を有しながら前記回転軸と同軸に配置された、前記回転軸の歪を検出するコイルを巻回した磁性リングを備えた磁歪式トルクセンサにおいて、
   前記磁性リングは、前記中心軸に対して４５°傾いてその円周方向に交互に配置された強磁性部と非磁性部とから形成され、
   前記コイルは、前記強磁性部と前記非磁性部の傾斜方向と直交する方向に巻回することを特徴とする磁歪式トルクセンサ。
2. 前記磁性リングは、前記回転軸の張力方向の磁束変化を検出するために、前記回転軸の張力方向に傾斜してその円周方向に交互に配置された張力検出用強磁性部と張力検出用非磁性部とから形成された第１の磁性リングと、前記回転軸の圧縮方向の磁束変化を検出するために、前記回転軸の圧縮方向に傾斜してその円周方向に交互に配置された圧縮検出用強磁性部と圧縮検出用非磁性部とから形成された第２の磁性リングとを含み、
   前記コイルは、前記第１の磁性リングに圧縮方向に傾斜して巻回された第１のコイルと、前記第２の磁性リングに張力方向に傾斜して巻回された第２のコイルとを含むことを特徴とする請求項１記載の磁歪式トルクセンサ。
3. 前記磁性リングは、前記非磁性部の面積が前記強磁性部の面積よりも小さいことを特徴とする請求項１又は２記載の磁歪式トルクセンサ。
4. 前記磁性リングは、前記非磁性部の位置で、前記非磁性部の傾斜方向に沿って、２分割された半円筒磁心を含むことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の磁歪式トルクセンサ。
5. 前記２分割された半円筒磁心にそれぞれコイルを独立して巻回することを特徴とする請求項４記載の磁歪式トルクセンサ。

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