JPH01189971A - 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】 ［発明の目的］ （産業上の利用分野） 本発明は回転軸などに印加されたトルクを検出するトル
クセンサに関し、特に外乱磁界などの影響を小さくして
耐環境性を改善したものである。

（従来の技術） 電動機、自動車などの回転駆動部において、トルクは制
御又は監視を行う場合の最も基本的なパラメータとして
利用できる。トルクを精密に検出し、かつ信頼性を得る
には、その検出機構が非接触方式であることが必要であ
る。

そこで、近年、このような要求を満たすトルクセンサと
して、アモルファス磁性合金の薄帯に生ずる磁気歪み効
果を利用したものが提案されている（電気学会マグネテ
ィックス研究会資料ＭＡＧ−８１−７２）。

このトルクセンサの原理を第６図を参照して説明する。

第６図において、トルクを検出すべき回転軸、すなわち
トルク伝達軸１にはアモルファス磁性合金薄帯からなる
環状磁心２が巻回されて固定されている。この環状磁心
２には予めその周方向３に対して角度θ（−〇）の方向
を磁化容易軸とする誘導磁気異方性Ｋ　ｕｏが付与され
ている。また、この環状磁心２に近接して図示しない検
出コイルが配設され、この検出コイルは図示しない検出
回路に接続されている。

このような構成のトルクセンサを用い、以下のようにし
てトルクを検出することができる。ここで、説明を簡単
にするために８０＠〉θ＞４５”、飽和磁歪定数入Ｓ＞
Ｏとする。いま、トルク伝達軸ｌに破線矢印で示すトル
クＴが加わると、トルク伝達軸ｌに発生した表面歪み応
力σが環状磁心２に伝達され、環状磁心２にはトルク伝
達軸１の周方向に対して＋４５＠の方向に張力σが、−
４５°の方向に圧縮応力−σがそれぞれ発生する。これ
に伴って環状磁心２には磁気ひずみ効果によって＋４５
＠の方向に応力誘起誘導磁気異方性Ｋｕｌ（Ｋｕｘ＝３
人Ｓ・σ）が誘導される。この結果、Ｋ　ｕｏとＫ　ｕ
ｌとが合成されて誘導磁気異方性はＫｕ２に変化する。

この場合、環状磁心２の内部を通過する磁束の向きが一
定であれば、誘導磁気異方性の方向が変化することによ
り環状磁心２における磁束貫通方向の透磁率が変化する
。したがって、この透磁率変化を例えば検出コイル及び
これに接続された検出回路により電圧の変化として測定
することができ、その値からトルク伝達軸ｌに加えられ
たトルクＴを求めることができる。

ところで、上述したトルクセンサにおいては環状磁心２
に予め誘導磁気異方性Ｋ　ｕＯを付与しておく必要があ
る。その具体的な手段として、従来、トルク伝達軸の径
に合わせてアモルファス磁性合金薄帯の環状磁心を作製
し、熱処理して内部応力を除去した後、これをトルク伝
達軸に挿着し、軸にねじりを与えた状態で接着し、軸の
ねじりをもどすという方法が知られている。

しかし、この方法では、予めトルク伝達軸の径に合わせ
て環状磁心を作製する必要があり、トルク伝達軸にねじ
りを与える必要がある、など工程の煩雑化を招くという
問題がある。

また、このようなトルクセンサにより正逆トルクを直線
性よく検出するためには、トルク伝達軸の周方向に対し
てそれぞれ十〇及び−〇（θ＝０９．９０°、１８０°
、２７０°を除く）の方向に予め誘導磁気異方性を付与
した１対の磁性金属薄帯と、これら各薄帯の磁気特性変
化を検出するための差動結合された１対の検出コイル又
は検出ヘッドとでトルクセンサを構成する。

しかし、このような磁性金属薄帯の誘導磁気異方性を利
用するトルクセンサにおいては、例えばトルク伝達軸の
軸方向に沿う直流磁界のような外乱磁界の影響を受けや
すく、耐環境性に問題が残されている。この問題に関し
ては、近年盛んに開発が行われている各種車載電装シス
テム（例えばパワーステアリングシステム、トランスミ
ッション−制御システム、エンジン制御システム、４輪
駆動システム、操舵システム）などに、トルクセンサを
応用することを考えた場合、その対策は非常に重要とな
る。

（発明が解決しようとする課題） 本発明は上記課題を解決するためになされたものであり
、簡便な工程により製造することができ、しかも外乱磁
界を受けても良好なトルク検出が実現できる、実用性に
優れたトルクセンサを提供することを目的とする。

［発明の構成］ （課題を解決するための手段と作用） 本発明のトルクセンサは、磁歪を有する磁性金属をトル
ク伝達軸表面に固定し、トルク伝達軸に加えられたトル
クにより上記磁性金属の磁気特性が変化することを利用
してトルクの非接触検出を行うトルクセンサにおいて、
上記磁性金属にトルクが加えられたときに発生する主応
力方向（トルク伝達軸の周方向又は軸方向に対して±４
５°の方向）に予め一軸磁気異方性を導入してトルク伝
達軸表面に固定し、かつ主応力方向に対して４５゜の角
度をなす方向（磁性金属の長手方向又は幅方向）の形状
磁気異方性を利用してトルクを検出することを特徴とす
るものである。

上述したトルクセンサによれば、磁性金属にトルクが加
えられたときに発生する主応力方向に予め一軸磁気異方
性が付与されているので、例えば磁性金属の一辺とトル
ク伝達軸の周方向とをそろえて、接着剤などで固定する
ことにより容易にトルク検出用の軸が得られる。そして
、磁性金属に予め一軸磁気異方性を付与する方法は、例
えば磁界中熱処理、すなわち磁性金属薄帯の長手方向に
対して角度θ（±４５°）の方向に外部から直流磁場Ｈ
を印加したまま熱処理するという簡単な方法であるので
、工程を簡略化することができる。

また、本発明者らは、磁性金属にトルクが加えられたと
きに発生する主応力方向に対して４５°の角度をなす方
向（磁性金属の長手方向又は幅方向）の形状磁気異方性
を利用してトルクを検出することにより、外乱磁界など
に対する耐環境性を改善できることを見出した。以下、
その検討結果について説明する。

本発明者らは、磁性金属薄帯の形状効果に着目し、以下
のようなシミュレーションを行なった。

まず、このシミュレーションに用いたモデルについて第
４図（ａ）〜（ｃ）を参照して説明する。なお、このモ
デルでは直流バイアス磁界（外乱磁界に相当する）及び
駆動磁界をトルク伝達軸の軸方向に印加しているので、
第４図（ａ）〜（ｃ）の各パラメータの方向はトルク伝
達軸の軸方向に対する角度で示している。

第４図（ａ）に示すように、トルク伝達軸に固定された
１対の磁性金属薄帯＃１．＃２には、それぞれ磁界中熱
処理により主応力方向（トルク伝達軸の軸方向に対して
＋４５°又は−４５°の方向）に誘導磁気異方性が、主
応力方向に対して４５°の角度をなす方向（図面ではト
ルク伝達軸の周方向で代表して示す）に形状磁気異方性
が付与されている。ここで、Ｋ　ｄｏ又はＫ　Ｊｏは誘
導磁気異方性定数、ＫＪｏ、ＫＪｏは形状磁気異方性定
数である。

同図（ｂ）に示すように、トルク伝達軸にトルクＴが加
わると、磁性金属薄帯＃ｌ、＃２にはそれぞれ主応力方
向、すなわちトルク伝達軸の軸方向に対して±４５°の
方向に引張応力＋σＡと圧縮応力−σ＾とが発生する。

同図（ｃ）に示すように、トルクＴを加え、軸方向に±
１（Ｐの駆動磁界（交番磁界）で励磁してトルクを検出
するモデルを考える。この際、外乱磁界として軸方向に
直流バイアス磁界Ｈｂが印加されているものとする。そ
して、各磁性金属薄帯＃１、＃２の飽和磁化Ｉｓの方向
を軸方向に対してθ１、θ２とする。

この場合、各磁性金属薄帯＃１、＃２の磁気エネルギー
を以下のように定義する。ここで、Ｂ　１＋及びＥ２＋
は駆動磁界が＋ＨＰである場合の磁気エネルギー、Ｅｌ
−及びＥｌ−は駆動磁界が−Ｈｐである場合の磁気エネ
ルギーである。また、Ｎｗは磁性金属薄帯の幅方向の反
磁界係数、ＮＬ　は磁性金属薄帯の長手方向の反磁界係
数である。

＋−Ｎ、Ｉ：ｃｏｓ２θｉ　　＋ＴＮＬ　Ｉ、’　ｃｏ
ｓ２θｉ上記各式の右辺の第１項は磁性金属薄帯の静磁
エネルギー項、第２項は誘導磁気異方性にもとづくエネ
ルギー項、第３項及び第４項は形状磁気異方性にもとづ
くエネルギー項であり、Ｋ６１又はＫｕ２は、Ｋ　ｕ１
＝　Ｋ　ｄｏ　＋　３人１１７＾、Ｋｕ２＝に＆ｏ−３
λＳσＡを満たすものである。

この各式について、ｄＥ／ｄθ＝０を計算すれば、磁界
エネルギーが最小となる角度θが求められる。そして、
上記モデルのトルクセンサの出力は、 Ｖｏ、ｔ＝　Ｉ　３（ｃｏｓθτ−ＣｏｔθＴ）　−Ｉ
ｓ（ＣＱＳθ芝−ｃｏｓｅ２　）で表わされる。

上述した議論にもとづいて、直径２ｈａのトルク伝達軸
に所定の磁気異方性を導入した磁性金属薄帯を固定し、
駆動磁界Ｈｐ　＝　０．０９０ｅ、トルクＴ＝１ｋｇφ
ｍとし、外乱磁界に相当する直流バイアス磁界Ｈｂを変
化させた時の出力変化をシミュレーションした結果を第
５図に示す、この場合、磁性金属薄帯の形状効果を調べ
るために、磁性金属薄帯の幅方向の反磁界係数Ｎｗと、
磁性金属薄帯の長手方向の反磁界係数ＮＬとの比をパラ
メータとし、Ｎｗ　：　ＮＬ　＝１０：　１〜１　：　
２の範囲で変化させティる。ただし、４π（Ｎｗ　＋Ｎ
Ｌ　）　＝０．１で一定としている。

第５図から明らかなように、Ｎｗ　：Ｎ１．　　＝＝１
　：１、すなわち磁性金属薄帯の長手方向と幅方向の寸
法が等しい場合には、直流バイアス磁界がゼロのときの
出力の絶対値は大きいが、バイアス依存性が著しく大き
く、外乱磁界の影響が非常に大きいことを示している。

これに対して、Ｎｉｌ：ＮＬ。

＝２’：１〜１０：ｌ、すなわち磁性金属薄帯の長手方
向がトルク伝達軸の周方向に沿って固定されている場合
には、直流バイアス磁界がゼロのときの出力は低下する
ものの、直流バイアス磁界の印加により出力の絶対値が
増大してピークをもち、しかもその曲線は比較的平坦で
バイアス依存性が小さく、耐環境性に優れていることを
示している。

逆に、Ｎ　ｗ　：　ＮＬ　＝　２　：　３やｌ：２、す
なわち磁性金属薄帯の長手方向がトルク伝達軸の軸方向
に沿って固定されている場合には、直流バイアス磁界の
印加により出力の絶対値が単調に減少している。

以上のシミュレーションかられかるように、トルク伝達
軸の軸方向に外乱磁界が加わる場合、磁性金属薄帯の形
状を、その長手方向の寸法が幅方向の寸法の約２倍以上
となるような、４１ＩＩ長い形状とし、その長手方向を
トルク伝達軸の周方向に沿って固定すれば、外乱磁界の
影響が少ない、また、このことから類推されるように、
トルク伝達軸の軸方向に対して垂直方向に外乱磁界が加
わる場合、磁性金属薄帯の形状を上記と同様な細長い形
状とし、その長手方向をトルク伝達軸の軸方向に沿って
固定すれば、外乱磁界の影響が少ない、また、例えば磁
気ヘッドを用いて周方向に励磁する場合には、上述した
のと逆に軸方向に形状磁気異方性を導入することにより
同様の効果が得られる。更に、所定の直流バイアス磁界
を同時に印加してセンサを動作させれば、その効果は大
である。

以上のように本発明のトルクセンサは、簡便な工程によ
り製造することができ、しかも外乱磁界を受けても良好
なトルク検出が実現でき、実用性に優れているものであ
る。

（実施例） 以下、本発明の実施例を図面を参照して説明する。

第１図は本発明に係るトルクセンサの概略構成図、第２
図は同トルクセンサの回路構成を示すブロック図である
。第１図において、強磁性材（例えば５４５１Ｃ）から
なる直径２０層■のトルク伝達軸１１の表面の２個所に
は、輻４層ｍ、長さ３０ｍｍ、厚さ２０ル■の１対の非
晶質磁性金属薄帯１２ａ、１２ｂが、その長手方向がト
ルク伝達軸１１の周方向に沿うように固定されている。

これら非晶質磁性金属薄帯は、単ロール法により作製さ
れた （Ｆ　ｅｏ、２Ｃ００，８）７８Ｓｉｓ　Ｂ１４非晶質
磁性合金薄帯より切り出したものである。

これら非晶質磁性金属薄帯１２ａ　、　１２ｂには、予
め磁界中熱処理により、トルクが加えられたときに表面
に発生する主応力方向（トルク伝達軸１１の周方向に対
して＋４５°又は−４５°の傾き方向）にそれぞれ誘導
磁気異方性Ｋ　ｔ？ｏ、Ｋ　ｔ？Ｏが付与されている。

また、これら非晶質磁性金属薄帯１２ａ　、　１２ｂに
は、輻４■、長さ３０ｍｍという形状効果により、トル
クが加えられたときに表面に発生する主応力方向に対し
て４５°の角度をなす方向（この場合、トルク伝達軸１
１の周方向、すなわち磁性金属薄帯１２ａ　、　１２ｂ
の長手方向）にそれぞれ形状磁気異方性Ｋ　Ｊｏ、Ｋ　
＆ｏが付与されている。上記誘導磁気異方性Ｋ　ｄｏ、
Ｋ　Ｊｏの大きさはＩ　Ｘ１０’ｅｒｇ　／ｃｍ”、上
記形状磁気異方性Ｋ　Ｊｏ、Ｋ　ｕｏの大きさは１×１
０’　ｅｒｇ　／ｃｍ”　テあった。

更に、非晶質磁性金属薄帯１２ａ　、　１２ｂに非接触
の状態でこれらの外周にそれぞれ円筒状の検出巻線１３
ａ　、　１３ｂが施されている。また、検出巻線１３ａ
　、　１３ｂの外周には円筒状の励磁巻線１４が施され
ている。これら検出巻線１３ａ　、　１３ｂ及び励磁巻
線１４は、図示しない非磁性体からなる巻枠に０．３ｍ
ｍ径の銅線を、それぞれ検出巻線１３ａ　、　１３ｂの
場合１００＠、励磁巻線１４の場合３００回巻回したち
のである。

第２図は第１図図示のトルクセンサの回路構成を示すブ
ロック図である。第２図において、発振回路にて１０　
ｋＨｚの正弦波励磁電流を発生させ、増幅器２２にて増
幅し、励磁巻線１４に印加する。この結果、非晶質磁性
金属薄帯１２ａ　、　１２ｂには交番磁界（駆動磁界Ｈ
ｐ）が加わる。そして、検出巻線１３ａ　、　１３ｂに
て得られる検出信号が差動増幅器２３．２４．２５を介
して同期検波器２６にて整流されて、トルク変化に応じ
て変化する直流のトルク信号が得られる。

上記トルクセンサを用い、励磁巻線１４に印加する励磁
電流をパラメータとして、トルク検出感度のトルク伝達
軸１１の軸方向に沿う直流バイアス磁界（外乱磁界に相
当する）に対する依存性を調べた結果を第３図に示す。

第３図から明らかなように、トルク伝達軸１１の軸方向
に沿う直流バイアス磁界の絶対値が約２００ｅ以上にな
ると、トルク検出感度が高く、かつその変動が少なくな
っている。このことから、本発明に係るトルクセンサは
耐環境性が良好であることがわかる。

［発明の効果］ 以上詳述したように本発明のトルクセンサによれば、簡
便な工程により製造することができ、しかも外乱磁界を
受けても良好なトルク検出が実現でき、極めて実用性に
優れたものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例におけるトルクセンサの概略構
成図、第２図は同トルクセンナの回路構成を示すブロッ
ク図、第３図は同トルクセンサのトルク検出感度の直流
バイアス磁界に対する依存性を示す特性図、第４図（ａ
）〜（ｃ）は本発明に係るトルクセンサの出力特性をシ
ミュレーションする際に用いたモデルを示す説明図、第
５図は本発明に係るトルクセンサのシミュレーションに
よる出力特性を示す特性図、第６図はトルクセンサの原
理を示す説明図である。 １１・・・トルク伝達軸、１２ａ　、　１２ｂ・・・非
晶質磁性金属薄帯、１３ａ　、　１３ｂ・・・検出巻線
、１４・・・励磁巻線、２１・・・発振器、２２・・・
増幅器、２３，２４．２５・・・差動増幅器、２６・・
・同期検波器。 出願人代理人　弁理士　鈴江武彦 直、Ｌバ９アズ、１７（ｏｅ） 第３図 第４図 ′３５図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 磁歪を有する磁性金属をトルク伝達軸表面に固定し、ト
   ルク伝達軸に加えられたトルクにより上記磁性金属の磁
   気特性が変化することを利用してトルクの非接触検出を
   行うトルクセンサにおいて、上記磁性金属にトルクが加
   えられたときに発生する主応力方向に予め一軸磁気異方
   性を導入してトルク伝達軸表面に固定し、かつ主応力方
   向に対して４５゜の角度をなす方向の形状磁気異方性を
   利用してトルクを検出することを特徴とするトルクセン
   サ。