JPS62185136A - 磁歪式トルクセンサ - 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） この発明は、磁気ひずみ効果を利用してトルクのΔ１１
１定を行うのに利用される磁歪式トルクセンサに関する
ものである。

（従来の技術） この種の磁歪式トルクセンサの従来の構造例を挙げると
、例えば第７図および第８図に示すようなものがある（
類似の先行技術として、特開昭５９−７７３２６号公報
に開示のものがある。）。この磁歪式トルクセンサ１０
１は、磁気ひずみ効果を有しかつ軸１０２に加えられる
ねじりトルクの方向に対して該方向を対称中心とする異
なる方向に多数のスリット１０３を設けた第８図に示す
磁歪膜１０４を前記軸１０２の表面に設け、この磁歪ｎ
’Ａ　１０４の周囲に二つの励磁コイル１０５，１０６
を配設し、前記励磁コイル１０５．１０６の外周部に、
磁歪１１！Ｊ　１０４との間で間隙１０７をおいて、高
透磁率物質よりなるヨーク１０８を設けた構造をなすも
のである。この場合、磁歪膜１０４は、上述のように磁
気ひずみ効果を有するものであり、例えばＦｅ系のアモ
ルファス金属を使用している。

次に、このような構造をもつ磁歪式トルクセンサ１０１
を用いてトルクを検出する要領について説明する。まず
、トルクの検出←先立って、二つの励磁コイル１０５，
１０６に各々交流の一定電圧を加えておく。このように
すると、磁歪膜１０４、間隙１０７．ヨーク１０８を通
る磁気回路が励磁コイル１０５およびＩＯ２のまわりに
それぞれ形成される。この磁歪式トルクセンサ１０１に
接続される検出回路は第９図に例示するものが用いられ
る。この検出回路は、各励磁コイル１０５，１０６によ
り形成されるインダクタンスＬ、、Ｌ２と、抵抗（Ｒ）
１１１，１１２とによってブリッジを構成し、軸１０２
に対するねじりトルクの付加に伴なうインダクタンスＬ
Ｉ　。

Ｌ２の変化に起因する電流変化を利用して、抵抗１１１
．１１２間の電位差として、トルク出力を得るものであ
る。

次に、ねじりトルクの付加に伴なうインダクタンスＬ、
、Ｌ２の変化を説明する。第７図に示す磁歪式トルクセ
ンサ１０１においてその軸１０２に対して右方向にねじ
りトルクが加わると、磁歪１１Ｑ　１０４はスリット１
０３の方向に沿ってその左側の部分では引張変形を受け
るとともに右側の部分では圧縮変形を受ける。例えば、
磁歪定数入〉０を右する磁歪ｎ！、！１０４を用いた場
合には、引張変形では透磁率が増加し、圧縮変形では透
磁−オシが減少する。これによって、一方の励磁コイル
１０５のインダクタンスＬ、は増加し、他方の励磁コイ
ル１０６のインダクタンスＬ２は減少することになる。

なお、’ｈｈ　１０２に対して左方向のねじりトルクが
付加されたときには上記の場合と逆になる。

そこで、交流電源１１３を接続し、電圧Ｖ１周波数ｆで
ブリッジを駆動すると、第９図に示す回路ＡＢＣおよび
ＡＢ’　Ｃにおける電流は各々、＋　　　１　　＝　　
ｖ　　　　　　　　　　　＋４　　π　２　　ｆ　　２
　　Ｌｌ　　　２　　・・・　・・・　　（１）ｉ７＝
ｖ　　Ｒ＋４π２ｆ２Ｌ２２−（２）となる。

すなわち、上記の式（１）、（２）から回路ＡＢＣおよ
びＡＢ’　Ｃを流れる電流１１および１２は、インダク
タンスＬ、、Ｌ２が増加すれば減少し、反対にインダク
タンスＬ、、Ｌ２が減少すれば増加する。

コツトき、Ｂ、Ｂ’点の各電位Ｖ、、Ｖ２は。

Ｖ、＝　ｉ　、ｅ　Ｒ・−・−（３） Ｖ２　＝　＋２　ｅ　Ｒ・・・・・・（４）であり、電
位差Ｖは、 ｖ＝１ｖ　　五　　−Ｖ２　　　Ｉ　　・・・・・・　
　（５）となり、これがトルク出力となる。なお、実際
には第９図に示すように差動増１０器１１４を用いてい
る。この場合、前記のトルク出力Ｖは磁歪１漠１０４に
加わる歪量が１Ｏ−４程度までトルクに対して直線的で
ある。

次に、軸１０２に対するトルクの付加に伴なう各電位Ｖ
、、Ｖ２　、Ｖの各変化を第１０図および第１１図に基
づいて説明する。第１Ｏ図（ａ）。

（ｂ）は各々励磁コイル１０５　、１０６におけるイン
ダクタンスＬ’　Ｉ　　＋　Ｌ　２のトルク付加に伴な
う変化に起因して生ずる電位ｖｌ　、ｖ２の変化を示し
ている。また、トルク出力である電位差Ｖは第１１図に
示すようになる。

（発明が解決しようとする問題点） このような構造の磁歪式トルクセンサ１０１を使用すれ
ば、電位差Ｖを測定することによって。

軸１０２に付加されたトルクの方向および大きさを検出
することが可能であるが、このような従来の磁歪式トル
クセンサ１０１は以下の問題点を有している。

すなわち、通常、軸１０２の表面に磁歪膜１０４を設け
るには、接着によって行われるのが一般的であり、この
場合には接着工程が不可欠になる。しかし、前記軸１０
２に加えられる繰返しトルク、周囲の環境変化によって
軸１０２に加えられる温度の変化、あるいは経時変化な
どにより、軸１０２の表面と磁歪膜１０４とを接着する
接着層が劣化しやすくなる。この結果、軸１０２に加え
られるトルクに対応して変形する磁歪膜１０４の変形量
に変化が生じ、トルク検出４ｔｉが変化したり、精度が
悪くなったりするという問題点があった。

この発明は、上述した従来の問題点に着目してなされた
もので、接着層の劣化による磁歪膜の変形量の変化を生
ずることがないと共に、精度の高いトルク検出を長期に
わたって安定して行うことができる磁歪式トルクセンサ
を提供することを目的としている。

［発明の構成］ （問題点を解決するための手段） 上記の目的を達成するためのこの発明による磁歪式トル
クセンサの構成は、磁気ひずみ効果を有する軸の近傍に
複数のコイルを配設して、前記コイルの発生した磁束が
前記軸を通る磁気回路を形成し、前記軸に加えられるね
じりトルクによる前記軸の変形に起因する磁気ひずみを
利用して前記トルクを検出する磁歪式トルクセンサにお
いて、前記軸の表面に、当該軸の中心１油方向と所定の
角度をなす溝および／または非磁性体を設けたことを特
徴としており、物質に電磁波が入射する際の表皮効果を
応用したものである。

この発明による磁歪式トルクセンサにおいて応用される
表皮効果とは、（６）式で表わされるものである。

ただし、島は物質の透磁率、σは物質の電気伝導率であ
り、δは侵入深さと呼ばれ、電磁波の振幅が１　／　ｅ
に減衰する深さを与える。

（実施例１） 第１図および第２図は、この発明の一実施例を示す図で
あり、第１図は磁歪式トルクセンサの構造を示す図であ
る。

すなわち、この磁歪式トルクセンサ１は、軸２として、
第２図（＆）にも示すように、磁気ひずみ効果を有する
Ｆｅ−１３重量％Ａｉ合金を用いて、表面に中心軸方向
と４５度の角度をなす複数の溝３を左右において対称と
なるように設け、このＭ２の近傍には５第７図で示した
と同様に、二つの励磁コイル４，５を配設し、前記励磁
コイル４．５の外周部に、軸２との間で間隙６をおいて
、高透磁率物質よりなるヨーク７を設けた構造からなる
。

次に、この磁歪式トルクセンサ１の動作は、従来と同様
なのでその説明は省略するが、軸２に付加されるトルク
を検出する際の作用について説明する。

すなわち、前記（６）式で表わされる侵入深さδの条件
下では、高強度の電磁波は第２図（ｃ）に示すδ以内に
侵入する。この実施例では、溝３の深さが上記の侵入深
さδよりも深くなるようにしたので、従来と同様に溝３
の方向に沿って磁束を生じさせることが可能となった。

このため、軸２に右方向のねじりトルクを付加すると、
Ｆｅ　−１３重量％Ａ交合金では磁歪定数入〉Ｏであり
、右側の部分では引張変形によって溝３方向の透磁率が
増加すると共に、左側の部分では圧縮変形によって溝３
方向の透磁率が減少して、従来と同様のトルク測定がで
きることがわかった。

なお、この実施例１で軸２の材料として用いたＦ　ｅ　
　ｌ　３．１量％Ａｎ合金の侵入深さδは、入力周波数
ｆ＝ｌＯ’　　（Ｈｚ）、透磁率ｇ＝４ｗＸ１０５（Ｈ
／ｍ）、電気伝導率ｃｒ＝　ｌ　Ｏ”（Ω−’ｍ’）と
して、上記の（６）式より、δａｙＯ，６（ｍｍ）であ
るが、トルクの検出に寄与しない中心軸方向の磁束の流
れを防ぐために。

溝３の深さを大きくした方がトルクの検出感度は高くな
る。また、入力周波数ｆを侵入深さδが溝３の深さより
も大きくなるまで下げると、中心軸方向の磁束の流れが
増加して、トルクの検出感度が著しく低下する。

すなわち、第３図は、この実施例１によって得られたト
ルクと出力との関係を示す線図であり、ｆ！ｌＩ２に前
述した溝３を設けた場合でも、主に表皮効果によってト
ルクの測定ができることが確認できた。

また、第４図は、実測された入力周波数ｆとトルクの検
出感度との関係を示すものであり、入力周波数ｆを上げ
ると表皮効果が顕著になって、トルクの検出感度が上昇
することを確認できた。

さらに、この実施例にあっては、軸に異種材料にある磁
歪膜や接着層を設けているわけではないので、異種材料
間の熱膨張率の差に基き、トルク検出精度が低下すると
いうような従来の問題点も解決されている。

（実施例２） ｍ５図は、この発明の他の実施例を示す図である。

この実施例２では、輛２として前記実施例１と同様のＦ
ｅ−１３重量％Ａｎ合金を用いて、その表面に、前記実
施例１において軸２に設けた溝３の配置と同様に、すな
わち第５図（ａ）、（ｂ）に示すように、１ｔｉ述した
侵入深さδよりも大きな厚みおよび巾をもった非磁性の
電気良導体、例えば銅の薄＋１！Ｊ　１　Ｇをめっきに
よって設けており、この軸２以外は前記実施例１と同様
の構造としている。

この磁歪式トルクセンサ１は、第５図（Ｃ）に示す侵入
深さδ以内を磁束の大部分が流れ、相対的に中心軸方向
の磁束は減少して、薄膜１０の長手方向（実施例１の溝
３方向に対応）に磁束の流れが生じるので、第７図およ
び第８図に示したのと同様の特性を示し、この実施例２
においても、トルクΔ１１Ｉ定が可能である。

（実施例３） 第６図は、この発明のさらに池の実施例を示す図である
。

この実施例３では、第６図（ａ）、（ｂ）に示すように
、軸２として前記実施例１で用いた袖２の谷溝３に、そ
れぞれ非磁性の電気良導体である銅２０を埋め込んでお
り、この軸２以外は前記各実施例１，２と同様の構造と
している。

この磁歪式トルクセンサ１は、前記（６）式に示した表
皮効果によって、前記各実施例１．２に比べて中心軸方
向の磁束の流れがさらに減少し、溝３方向の磁束の流れ
が増加してトルクの検出感度が向上するという結果が得
られる。

なお、ト記各実施例１，２．３で示した軸２は、磁歪効
果を有する物質であれば良く、また、Ｑ膜１０は、非磁
性体、より好ましくは電気良導性の非磁性体であれば同
様の作用が得られる。

［発明の効果］ 以上説明してきたようにこの発明によれば、磁気ひずみ
効果を有する軸の近傍に複数のコイルを配設して、前記
コイルの発生した磁束が前記軸を通る磁気回路を形成し
、前記軸に加えられるねじりトルクによる前記軸の変形
に起因する磁気ひずみを利用して前記トルクを検出する
磁歪式トルクセンサにおいて、前記軸の表面に、当該軸
の中心軸方向と所定の角度をなす溝および／または非磁
性体を設けた構成としたことにより、中心軸方向と所定
の角度をなす方向に流れる磁束を発生させることができ
るため、従来問題となっていた軸と磁歪膜との接着によ
るトルクの検出精度に午える悪影響因Ｆを排除すること
ができ、トルクの測定にあたって極めて高精度のトルク
検出を長期間にわたって行うことが可能であるという非
常に優れた効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の−・実施例による磁歪式トルクセン
サの構造例を示す断面説明図、第２図（ａ）、（ｂ）、
（ｃ）は第１図の磁歪式トルクセンサに用いた軸の各々
正面図、側部断面図および溝部分の拡大断面図、第３図
は第１図の構造の磁歪式トルクセンサによって得たトル
クと出力との関係を示す説ＩＪｊ図、第４図は同じく第
１図の構造の磁歪式トルクセンサから実測された入力周
波数とトルク検出感度との関係を示す説明図、第５図（
ａ）、（ｂ）、（ｃ）はこの発明の他の実施例による軸
の構造を示す各々正面図、側部断面図および薄膜部分の
拡大断面図、第６図（ａ）。 （ｂ）、（ｃ）はこの発明のさらに他の実施例による軸
の構造を示す各々正面図、側部断面図および溝部分の拡
大断面図、第７図は従来の磁歪式トルクセンサの構造例
を示す断面説明図、第８図は第７図の磁歪式トルクセン
サに用いた磁歪１模の展開説明図、第９図は第１図およ
び第７図の磁歪式トルクセンサの検出回路の−・例を示
す説明図、第１０図（ａ）、（ｂ）は第１図および第７
図の磁歪式トルクセンサの各々励磁コイルにおいてイン
タフタンスＬ、、Ｌ２のトルク付加に伴なう変化に起因
して生ずる電位Ｖ１　・ｖ２の変化を示す説明図、第１
１図は同じくトルク付加に伴う電位差Ｖ　（＝　ｌＶ＋
　　Ｖ２　１）の変化を示す説明図である。 １・・・磁歪式トルクセンサ、 ２・・・軸、 ３・・・溝、 ４．５・・・励磁コイル、 ６・・・間隙、 ７・・・ヨーク、 １０・・・薄膜（非磁性の電気良導体）。 ２０・・・銅（非磁性の電気良導体）。 特許出願人　　口産自動車株式会社 代理人弁理上　小　　塩　　　豐 第１図 第２図（。）　　第２図　（ｂ） 第２図（ｃ） 第５図（ａ）　　　第５図（ｂ） 第５図（Ｃ） 第６図（０）　　　　第６図（ｂ） 第６図　（Ｃ） 第９図 第１０図（０）　　　　　第１０図（ｂ）第１１図 左回転　　　　　　　　　　　ち回転 手続補正書 昭和６１年１０月１７日 特許庁長官　　黒　１）明　雄　殿 １、事件の表示 昭和６１年特許願第２８３６４号 ２、発明の名称 磁歪式トルクセンナ ３、補正をする者 事件との関係　　特許出願人 氏名（名称）　（３９９）　日産自動車株式会社４、代
理人 住所（居所）〒１０４東京都中央区銀座二丁目８番９号
木挽館銀座ビル　電話０３（５Ｂ？）２７８１番（代表
）６、補正により増加する発明の数 ７、補正の対象 図面の第１図 ８、補正の内容

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）磁気ひずみ効果を有する軸の近傍に複数のコイル
   を配設して、前記コイルの発生した磁束が前記軸を通る
   磁気回路を形成し、前記軸に加えられるねじりトルクに
   よる前記軸の変形に起因する磁気ひずみを利用して前記
   トルクを検出する磁歪式トルクセンサにおいて、前記軸
   の表面に、当該軸の中心軸方向と所定の角度をなす溝お
   よび／または非磁性体を設けたことを特徴とする磁歪式
   トルクセンサ。