JPH09145496A - 磁歪式トルクセンサ - Google Patents

磁歪式トルクセンサ

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JPH09145496A
JPH09145496A JP7307786A JP30778695A JPH09145496A JP H09145496 A JPH09145496 A JP H09145496A JP 7307786 A JP7307786 A JP 7307786A JP 30778695 A JP30778695 A JP 30778695A JP H09145496 A JPH09145496 A JP H09145496A
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JP
Japan
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magnetostrictive
shaft
torque sensor
magnetostrictive material
torque
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JP7307786A
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Taiji Oodate
泰治 大立
Katsuaki Tanaka
勝章 田中
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Toyota Industries Corp
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Toyoda Automatic Loom Works Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【課題】加工が簡単で、製造コストを低減することがで
きる磁歪式トルクセンサを提供する。 【解決手段】シャフト11の検知部12はその側面13
が平面に形成されている。検知部12には、シャフト1
1の周方向に沿って所定幅の溝14,15が形成されて
いる。また、検知部12の各側面13には、磁歪材1
6,17がそれぞれ取着されている。磁歪材16,17
は、平板の短冊状に形成され、それぞれ両端部を固定部
16a,17aとし、その固定部16a,17aがネジ
18によって溝14,15をそれぞれ跨ぐように各側面
13に取着されている。また、磁歪材16,17は、シ
ャフト11の中心軸線に対してそれぞれ45度,−45
度傾斜して取着されている。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は磁歪式トルクセンサ
に関するものである。
【0002】
【従来の技術】従来、回転軸に作用するトルクを検出す
る非接触型のトルクセンサとしては、回転軸に強磁性磁
歪材料を溶射等によって付着させ、その付着させた磁歪
材料に対して回転軸の軸線に対して螺旋状に溝を形成し
て磁気異方性を持たせる。その回転軸に励磁コイル及び
検出コイルを外嵌する。そして、磁歪材料に対して励磁
コイルによって磁束を発生させ、その磁束が回転軸に作
用するトルクによって変化する透磁率に基づいて増加又
は減少するのを検出コイルに誘起される誘導起電力によ
って該トルクを検出するものである。
【0003】また、特開平5−118938号公報、実
開平4−47638号公報に開示されたトルクトランス
デューサは、強磁性磁歪材料からなる回転軸周面部に環
状帯を形成し、その環状帯に対して軸線に対してそれぞ
れ45度、−45度をなす多数の螺旋状の溝を形成して
磁気異方性を形成する。そして、環状帯の透磁率は回転
軸に作用するトルクによって変化し、その透磁率の変化
により環状帯の磁束が増大又は減少する。この磁束の増
大又は減少を感知コイルの誘起電圧として検出すること
によって回転軸に作用するトルクに比例する出力信号を
得るようになっている。
【0004】また、特開昭59−77326号公報に開
示された磁歪式トルクセンサがある。この磁歪式トルク
センサは、斜めに複数のスリットを形成した鉄系アモル
ファス金属よりなる磁歪膜を軸の外周面に接着する。又
は、軸の表面にマスキングを施した後、電気メッキ法等
によって複数のスリットを有する磁歪膜を軸の表面に設
ける。それら磁歪膜を形成した回転軸の外側に励磁用コ
イルと検出用コイルとを外嵌する。そして、励磁用コイ
ルによる磁歪膜の磁束が、軸に加えられるねじりトルク
により増加又は減少するのを、検出コイルの誘導起電力
の増加又は減少として、軸に加えられたねじりトルクの
大きさと方向を検出することができるようになってい
る。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、一般的
な磁歪式トルクセンサでは、磁歪材料が回転軸の周面上
に付着し難く、その付着しなかった磁歪材料はむだとな
るので、歩留りが悪く製造コストがかかるという問題が
あった。また、回転軸に付着させた磁歪材料に対して螺
旋状に複数の溝を形成するには加工が難しく手間がかか
る、そのため、回転軸のコストアップを招くという問題
があった。
【0006】また、特開平5−118938号公報、実
開平4−47638号公報のトルクトランスデューサで
は、回転軸に対して螺旋状に複数の溝を形成するには加
工が難しく手間がかかる、そのため、回転軸のコストア
ップを招くという問題があった。
【0007】また、特開昭59−77326号公報の磁
歪式トルクセンサでは、磁歪膜を軸の外周面に対応した
大きさに正確に形成する必要があるので、その磁歪膜の
形成が面倒であるという問題があった。また、電気メッ
キ法等によって磁歪膜を設けたものでは、軸の表面にマ
スキングを施す必要があるので、製造工程が多くなり製
造し難いという問題があった。
【0008】本発明の目的は加工が簡単で、製造コスト
を低減することができる磁歪式トルクセンサを提供する
ことにある。
【0009】
【課題を解決するための手段】上記問題点を解決するた
めに請求項1に記載の発明は、回転軸に両端部が固定さ
れた磁歪材と、前記回転軸に外嵌され、前記磁歪材に磁
束を供給する一次コイルと、前記回転軸に外嵌され、磁
歪材の磁束により誘起された誘導起電力を出力する二次
コイルとを備えたことを要旨とする。
【0010】請求項2に記載の発明は、請求項1に記載
の磁歪式トルクセンサにおいて、前記磁歪材は長尺状平
板に形成され、前記回転軸に軸線に沿って形成された平
面に取着されたことを要旨とする。
【0011】請求項3に記載の発明は、請求項1又は2
に記載の磁歪式トルクセンサにおいて、前記磁歪材は、
回転軸の中心軸線に対して傾斜して取着されたことを要
旨とする。
【0012】請求項4に記載の発明は、請求項1〜3の
うちのいづれか1項に記載の磁歪式トルクセンサにおい
て、前記磁歪材は、回転軸の中心軸線に対して互いに逆
方向に傾斜して配置された第1及び第2の磁歪材から構
成され、前記一次及び二次コイルは、前記第1,第2の
磁歪材に対応してそれぞれ外嵌されたことを要旨とす
る。
【0013】請求項5に記載の発明は、請求項1〜3の
うちのいづれか1項に記載の磁歪式トルクセンサにおい
て、前記磁歪材は、回転軸の中心軸線に対して互いに逆
方向に傾斜して配置される第1及び第2の磁歪部分を有
し、前記一次及び二次コイルは、前記第1,第2の磁歪
部分に対応してそれぞれ外嵌されたことを要旨とする。
【0014】請求項6に記載の発明は、請求項1〜5の
うちのいづれか1項に記載の磁歪式トルクセンサにおい
て、前記磁歪材は、平面に回転軸の周方向に沿って形成
された溝を跨ぐように固定されたことを要旨とする。
【0015】請求項7に記載の発明は、請求項1〜6の
いづれか1項に記載の磁歪式トルクセンサにおいて、前
記磁歪材は、固定部が平面に対して溶接されたことを要
旨とする。
【0016】従って、請求項1に記載の発明によれば、
磁歪材はその両端部が回転軸に固定され、その磁歪材に
は回転軸に外嵌された一次コイルにより磁束が供給され
る。そして、磁歪材の磁束により回転軸に外嵌された二
次コイルに誘起された誘導起電力が出力され、その誘導
起電力により回転軸に作用するトルクが検出される。
【0017】請求項2に記載の発明によれば、磁歪材は
長尺状平板に形成され、回転軸に軸線に沿って形成され
た平面に取着されるので、容易に取着することができ
る。請求項3に記載の発明によれば、磁歪材は、回転軸
の中心軸線に対して傾斜して取着され、回転軸に作用す
るトルクが検出される。
【0018】請求項4に記載の発明によれば、磁歪材
は、回転軸の中心軸線に対して互いに逆方向に傾斜して
配置された第1及び第2の磁歪材から構成され、一次及
び二次コイルは、第1,第2の磁歪材に対応してそれぞ
れ外嵌され、両二次コイルから出力される誘導起電力に
より補償されたトルクが求められる。
【0019】請求項5に記載の発明によれば、磁歪材
は、回転軸の中心軸線に対して互いに逆方向に傾斜して
配置される第1及び第2の磁歪部分を有し、一次及び二
次コイルは、第1,第2の磁歪部分に対応してそれぞれ
外嵌されるので、磁歪材の取着が容易となる。
【0020】請求項6に記載の発明によれば、磁歪材
は、回転軸の周方向に沿って形成された溝を跨ぐように
平面に固定され、回転軸に作用するトルクに応じて磁歪
材が歪む。
【0021】請求項7に記載の発明によれば、磁歪材
は、固定部が平面に対して溶接されるので、製造が容易
となる。
【0022】
【発明の実施の形態】以下、本発明をパワーステアリン
グ装置に利用されるトルクセンサに具体化した一実施の
形態を図1及び図2に従って説明する。図1はトルクセ
ンサの縦断面図、図2は図1のA−A線断面図である。
【0023】回転軸としてのステアリングシャフト(以
下、単にシャフトという)11は、その軸線方向に沿っ
て所定領域に検知部12が形成されている。図2に示す
ように、検知部12はその側面13が平面に形成され、
検知部12の断面はシャフト11の直径と略同一の辺を
有する正方形状に形成されている。従って、検知部12
は、4つの側面13を有し、各側面13は水平面とな
る。
【0024】検知部12には、シャフト11の周方向に
沿って所定幅の溝14,15が形成されている。また、
検知部12の各側面13には、磁歪材16,17がそれ
ぞれ取着されている。
【0025】磁歪材16,17は、平板の長尺状に形成
され、溝14,15をそれぞれ跨ぐように各側面13に
取着されている。従って、磁歪材16,17の中央部
は、シャフト11から離間し、シャフト11に作用する
トルクに応じて磁歪材16,17が歪み易くなってい
る。磁歪材16,17は、それぞれ両端部を固定部16
a,17aとし、その固定部16a,17aがネジ18
によって側面13に固定されている。また、磁歪材1
6,17は、図1に示すように、シャフト11の中心軸
線に対して所定の角度を成し、互いに逆方向に傾斜して
配置され取着固定されている。尚、本実施の形態では、
磁歪材16,17は、軸線に対してそれぞれ45度,−
45度傾斜して取着されている。
【0026】磁歪材16,17は、磁気歪み効果を有す
るものであって、パーマロイ、鉄・ニッケル・クロム合
金、又は、Ni SpanC等が使用され、プレスにより形成
されている。又、磁歪材16,17には、鉄−アルミニ
ウム系の磁歪材、アモルファス磁歪材や芯材に磁歪膜を
形成してなる磁歪材で実施してもよい。
【0027】そして、磁歪材16,17に応力が加えら
れることによって、その磁歪材16,17の磁気特性、
即ち透磁率が変化する。従って、図1において、シャフ
ト11の右側にB矢印方向に周方向のトルクが発生する
と、磁歪材16は圧縮される方向の力が加えられて歪
み、磁歪材17は引っ張られる方向の力が加えられて歪
む。反対に、シャフト11の右側に反B矢印方向に周方
向のトルクが発生すると、磁歪材16は引っ張られる方
向の力が加えられて歪み、磁歪材17は圧縮される方向
の力が加えられて歪む。この引っ張られる力の大きさ及
び圧縮される力の大きさに相対して磁気特性、即ち透磁
率が変化する。本実施の形態では、引っ張られる力が大
きければ大きいほど透磁率は大きくなり、圧縮される方
向の力が大きければ大きいほど透磁率は小さくなる。
【0028】検知部12には固定子21が外嵌され、そ
の固定子21には、軸受22,23及びハウジング部材
24,25を介してシャフト11が正逆回転可能に支持
されている。
【0029】固定子21は、周状ヨーク26、一次コイ
ルとしての励磁用コイル27,28、及び、二次コイル
としての検出用コイル29,30とから構成されてい
る。周状ヨーク26は、断面E字状に形成されている。
また、図2に示すように、周状ヨーク26は、その内周
面が検知部12の各側面13に取着された磁歪材16,
17の固定部16a,17aの近傍で空隙をなすように
形成されている。
【0030】その周状ヨーク26には、励磁用コイル2
7,28及び検出用コイル29,30が取着されてい
る。励磁用コイル27,28は、それぞれ検出用コイル
29,30の外方に巻回されている。そして、励磁用コ
イル27及び検出用コイル29は、磁歪材16を外嵌す
るように取着され、励磁用コイル28及び検出用コイル
30は、磁歪材17を外嵌するように取着されている。
【0031】励磁用コイル27,28の入力端子には、
それぞれ一定の振幅及び周波数の交流電流が印加され
る。励磁用コイル27に交流電流が印加されると、その
電流によって、ヨーク26→磁歪材16→ヨーク26と
いった磁気回路が形成される。そして、検出用コイル2
8の出力端子には、磁歪材16に発生する磁束に応じた
誘導起電力が出力される。
【0032】また、励磁用コイル28に交流電流が印加
されると、その電流によって、ヨーク26→磁歪材17
→ヨーク26といった磁気回路が形成される。そして、
検出用コイル30の出力端子には、磁歪材17に発生す
る磁束に応じた誘導起電力が出力される。
【0033】そして、両検出用コイル29,30からそ
れぞれ出力される誘導起電力は、それぞれ磁歪材16,
17の歪み、即ち、シャフト11の周方向に発生するト
ルクの大きさに比例する。
【0034】つまり、図1において、シャフト11の右
側にB矢印方向に周方向のトルクが発生すると、磁歪材
16は圧縮される方向の力が加えられて歪む。この歪み
はのトルクの大きさに反比例して小さくなる。従って、
検出用コイル29から出力される誘導起電力も反比例し
て小さくなる。また、磁歪材17は、B矢印方向に発生
する周方向のトルクによって、引っ張られる方向の力が
加えられて歪む。この歪みはトルクの大きさに比例す
る。従って、検出用コイル30から出力される誘導起電
力も比例して大きくなる。
【0035】反対に、シャフト11の右側に反B矢印方
向に周方向のトルクが発生すると、磁歪材16は引っ張
られる方向の力が加えられて歪む。この歪みはトルクの
大きさに比例する。従って、検出用コイル29から出力
される誘導起電力も比例して大きくなる。また、磁歪材
17は、反B矢印方向に発生する周方向のトルクによっ
て、圧縮される方向の力が加えられて歪む。この歪みは
トルクの大きさに反比例する。従って、検出用コイル3
0から出力される誘導起電力も反比例して小さくなる。
【0036】そして、両検出用コイル29,30からの
誘導起電力は、公知の処理装置31に出力される。処理
装置31は、両検出用コイル29,30からそれぞれ入
力される誘導起電力を差動回路で減算し、その減算した
信号を内部に設けられた整流回路等で整流されて公知の
回路でトルクの値が求められることになる。差動回路で
減算することにより、温度変化等による外乱ノイズが相
殺されて補償されるため、精度の高いトルク検出をする
ことができる。
【0037】上記したように本実施の形態においては、
以下の効果を奏する。 (1)シャフト11に備えた検知部12の各側面13に
対して平板状の磁歪材16,17をそれぞれ取着固定す
る。その磁歪材16,17に対して、励磁用コイル2
7,28により磁束を発生させ、その磁束がシャフト1
1に作用するトルクにより変化する磁歪材16,17の
透磁率によって変化するのを検出用コイル29,30に
誘起される誘導起電力により検出するようにした。磁歪
材16,17は、平板状であってプレスにより形成され
るので、簡単にしかも一度に大量に形成することができ
る。その結果、シャフト11のコストを低減することが
できる。
【0038】(2)平板状の磁歪材16,17を検知部
12の側面13にネジ18によって固着するだけでよい
ので、従来のように、シャフト11の表面に溶射等によ
って磁歪膜を形成したり、螺旋状の溝を形成する必要が
ないので、その分シャフト11のコストを低減すること
ができる。また、固定部16a,17aの固定時のセッ
ティングも容易で取付けミスを少なくすることができ、
組み立て作業が非常に簡単になり、製造コストを低減す
ることができる。
【0039】(3)磁歪材16,17をネジ18で固定
したので、簡単に外れることはない。さらに、本実施の
形態の磁歪材16,17は、シャフト11の中心軸線に
対してそれぞれ45度,−45度傾けて固定配置したの
で、正逆の周方向に発生するトルクを確実に検出するこ
とができる。
【0040】なお、本発明は上記実施の形態の他、以下
のように実施してもよい。 (1)上記実施の形態では、磁歪材16,17をネジ1
8により検知部12の各側面13に固定したが、その固
着方法は何でもよく、例えばレーザ、電子ビーム等のビ
ーム溶接、スポット溶接、抵抗溶接、TIG、MIG等
の他、ロウ付け、圧接等にて固着してもよい。
【0041】(2)上記実施の形態では、検知部12の
各側面13に磁歪材16,17をそれぞれ取着固定する
ようにしたが、図3に示すように、V字状の磁歪材41
を形成し、その磁歪材41を各側面13に取着するよう
にしてもよい。この場合、基端部と、その基端部から斜
め反対方向に分岐した二つの先端部をそれぞれ固定部4
1a,41b,41cとして、溶接により側面13に固
定している。分岐した各部分41d,41eはそれぞれ
シャフト11の中心軸線に対して互いに反対方向に傾斜
されており、その角度は約45度となっている。そし
て、その各部分41d,41eにそれぞれ対応した位置
に励磁用コイル27,28及び検出用コイル29,30
が外嵌されている。この場合にも、上記実施の形態と同
様な作用効果を有する。また、この構成により、1つの
側面13に対して1つの磁歪材41を固定すればよいの
で、上記実施の形態に比べて組み立ての工数を減らすこ
とができる。
【0042】(3)上記実施の形態では、検知部12を
構成する4つの側面13それぞれに磁歪材16,17,
41を固定してシャフト11に作用するトルクを検出す
るようにしたが、1つ以上任意の複数の側面13に対し
て磁歪材16,17,41を固定してトルクを検出する
ようにしてもよい。その際、磁歪材16,17,41を
固定しない側面13を、シャフト11の他の特性を測定
するために使用してもよい。
【0043】(4)上記実施の形態では、検知部12を
シャフト11の直径と略同一の一辺を有する断面正方形
状に形成したが、シャフト11の回転に対して影響を与
え難い形状ならばどのような形状であってもよく、例え
ば断面長方形状、六角形等の多角形形状としてもよい。
また、図3,4に示すように、断面正方形の頂点を円周
に沿って円弧状、又は直線状に切り欠いた形状としても
よい。
【0044】更に、図5,6に示すように、検知部12
及び磁歪材16,17がシャフト11の周面から突出し
ない大きさに形成してもよい。この構成にすると、シャ
フト11に対して軸受22,23等の様々な部材を検知
部12及び磁歪材16,17にじゃまされずに取着する
ことが可能となる。
【0045】(5)上記実施の形態では、検知部12に
シャフト11の周方向の溝14,15を形成して磁歪材
16,17の中央部をシャフト11から離間させるよう
にしたが、磁歪材16,17,41をシャフト11から
離間する方向に湾曲させて実施してもよい。この場合、
溝14,15が不要となるので加工する工程を省略する
ことができる。
【0046】(6)上記実施の形態では、励磁用コイル
27,28をそれぞれ検出用コイル29,30の外側に
巻回したが、励磁用コイル27,28と検出用コイル2
9,30とをそれぞれシャフト11の軸方向に沿って並
列に配置するようにしてもよい。
【0047】(7)上記実施の形態において、ハウジン
グ部材24,25を一体にした略円筒状に形成してもよ
い。また、軸線方向に沿って分割した形状に形成しても
よい。
【0048】(8)上記実施の形態のトルクセンサをス
テアリングシャフト11のトルク検出として利用した
が、例えばトルクレンチ等の回転軸に取着して該軸のト
ルクを検出するようにしてもよく、その他各種機器に設
けられる回転軸のトルク検出に使用してもよい。
【0049】(9)上記実施の形態では、各磁歪材1
6,17,41をシャフト11の中心軸線に対して45
度傾けて配置したが、その角度を適宜変更して実施して
もよい。勿論、シャフト11の中心軸線に対して平行に
配置してもよい。この場合、どちらの向きにトルクが発
生しているかの判別はできないことになる。しかし、常
に一定の方向にトルクが発生する回転軸のトルクを検出
する場合には、取付が簡単で有利となる。
【0050】(10)上記実施の形態において、磁歪材
16,17に対して一体の周状ヨーク26を、磁歪材1
6,17のそれぞれに対応して分離した形状に形成して
実施してもよい。
【0051】以上、本発明の各実施の形態について説明
したが、上記各形態から把握できる請求項以外の技術思
想について、以下にそれらの効果とともに記載する。 (イ)請求項1〜6に記載の磁歪式トルクセンサにおい
て、前記磁歪材は、固定部が平面に対してネジにより固
定された磁歪式トルクセンサ。この構成により、磁歪材
を容易に固定可能となる。
【0052】(ロ)請求項1又は2に記載の磁歪式トル
クセンサにおいて、回転軸に固定される磁歪材は、その
配置が回転軸の中心軸線に平行となるように固定した磁
歪式トルクセンサ。この構成により、常に一定の方向に
トルクが発生する回転軸のトルクを検出する場合には、
取付が簡単で有利である。
【0053】(ハ)請求項1〜7に記載の磁歪式トルク
センサおいて、回転軸は、自動車用ステアリングシャフ
トである磁歪式トルクセンサ。この構成により、ドライ
バのステアリング操作力をステアリングシャフトに発生
するトルクによって検出することができる。
【0054】
【発明の効果】以上詳述したように本発明によれば、加
工が簡単で、製造コストを低減することが可能な磁歪式
トルクセンサを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 一実施の形態の磁歪式トルクセンサを示す断
面図。
【図2】 図1のA−A線断面図。
【図3】 別の実施の形態の磁歪式トルクセンサを示す
断面図。
【図4】 図3のC−C線断面図。
【図5】 別の実施の形態の磁歪式トルクセンサを示す
断面図。
【図6】 図5のD−D線断面図。
【符号の説明】
11…回転軸としてのステアリングシャフト、13…平
面としての側面、14,15…溝、16,17,41…
磁歪材、16a,17a,41a〜41c…固定部、4
1d,41e…磁歪部分、18…ネジ、26…周状ヨー
ク、27,28…一次コイルとしての励磁用コイル、2
9,30…二次コイルとしての検出用コイル。

Claims (7)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 回転軸に両端部が固定された磁歪材と、 前記回転軸に外嵌され、前記磁歪材に磁束を供給する一
    次コイルと、 前記回転軸に外嵌され、磁歪材の磁束により誘起された
    誘導起電力を出力する二次コイルとを備えた磁歪式トル
    クセンサ。
  2. 【請求項2】 前記磁歪材は長尺状平板に形成され、前
    記回転軸に軸線に沿って形成された平面に取着された請
    求項1に記載の磁歪式トルクセンサ。
  3. 【請求項3】 前記磁歪材は、回転軸の中心軸線に対し
    て傾斜して取着された請求項1又は2に記載の磁歪式ト
    ルクセンサ。
  4. 【請求項4】 前記磁歪材は、回転軸の中心軸線に対し
    て互いに逆方向に傾斜して配置された第1及び第2の磁
    歪材から構成され、前記一次及び二次コイルは、前記第
    1,第2の磁歪材に対応してそれぞれ外嵌された請求項
    1〜3のうちのいづれか1項に記載の磁歪式トルクセン
    サ。
  5. 【請求項5】 前記磁歪材は、回転軸の中心軸線に対し
    て互いに逆方向に傾斜して配置される第1及び第2の磁
    歪部分を有し、前記一次及び二次コイルは、前記第1,
    第2の磁歪部分に対応してそれぞれ外嵌された請求項1
    〜3のうちのいづれか1項に記載の磁歪式トルクセン
    サ。
  6. 【請求項6】 前記磁歪材は、平面に回転軸の周方向に
    沿って形成された溝を跨ぐように固定された請求項1〜
    5のうちのいづれか1項に記載の磁歪式トルクセンサ。
  7. 【請求項7】 前記磁歪材は、固定部が平面に対して溶
    接された請求項1〜6のいづれか1項に記載の磁歪式ト
    ルクセンサ。
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