JPH0587543U - 磁歪式トルクセンサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 ブリッジ回路を構成する各検出コイルに流れ
る電流値を大きくすることにより、トルク検出を高精度
に行う。 【構成】 ブリッジ回路の一方の高周波入力点に入力さ
れる交流電圧ＶT は、発振器１７から出力される最大値
Ｖ0 ，周波数ｆの高周波電圧を非反転増幅器２２および
分圧抵抗２３，２４により、直流電圧ＶS の加算された
電圧に変換する。また、他方の高周波入力点に入力され
る反転交流電圧ＶR は、発振器１７から出力される最大
値Ｖ0 ，周波数ｆの高周波電圧を反転増幅器２８および
分圧抵抗２９，３０により、直流電圧ＶS の加算された
反転電圧に変換する。これにより、ブリッジ回路中の各
検出コイルに流れる電流値を大きくし、該各検出コイル
のインピーダンスの微小の変化を高感度に検出すること
ができ、高精度なトルク検出を行う。

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４ないし図７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５に基づいてブリッジ回路，発振回路および検出処理回路について説 明する。

【０００７】 図５中、９はブリッジ回路を示し、該ブリッジ回路９は鉄損ｒ1 ，ｒ2 を含む 検出コイル７，８と、該検出コイル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の一方の高周波入力点ａと調 整抵抗Ｒ，Ｒの他方の高周波入力点ｂとの間には、後述する発振回路１０が接続 され、検出コイル７と調整抵抗Ｒとの一方の出力点ｃと検出コイル８と調整抵抗 Ｒとの他方の出力点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、当該出力点ｃ，ｄは差動増幅器１１の入力端子に それぞれ接続される。なお、他方の高周波入力点ｂはアースに接続されている。

【０００８】 １０は発振回路を示し、該発振回路１０は数１および図７に示すように最大値 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の一方の高周波入力点ａに接続されると共に、位相調整回路１ ３に接続されている。

【０００９】

【数１】

【００１０】 １１は差動増幅器を示し、該差動増幅器１１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の出力点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は発振回路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】 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に発振回路１０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。

【００１４】 一方、磁歪シャフト１の入力側取付部１Ａに図４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。

【００１５】 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、

【００１６】

【数２】 のように算出する。

【００１７】 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、

【００１８】

【数３】 により算出され、出力点ｃ，ｄの出力電圧Ｖ1 ，Ｖ2 は、

【００１９】

【数４】 により算出される。

【００２０】 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、

【００２１】

【数５】 のようになる。

【００２２】 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側では引っ張り応力＋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ｉ1 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 ，Ｖ 2 は前記数２、数４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４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（＜ＶS ）としてコントロールユニット１６に出力する。

【００２３】 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５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（＞ＶS ）を出力する。

【００２４】 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はリニアな特性とな る。

【００２５】 なお、トルクＴが零の時の位相角α1 ，α2 とトルクＴを加えたときの位相角 α1 ，α2 の差は、数４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。

【００２６】 次に、前述した従来技術による発振回路１０の構成について、図６および図７ を参照しつつ説明する。

【００２７】 ここで、発振回路１０は、電圧零のラインを中心として最大値Ｖ0 ，周波数ｆ の振幅を有する高周波電圧を発生する発振器１７と、基準電圧ＶCC（例えば５〔 Ｖ〕）とアースとの間に直列接続され、その接続点ｅが該発振器１７の出力側に 接続された同抵抗値を有する分圧抵抗１８，１９と、該分圧抵抗１８，１９の接 続点ｅにベース側が接続され、コレクタ側が基準電圧ＶCCに、エミッタ側が前述 したブリッジ回路９の一方の高周波入力点ａに接続されたトランジスタ２０とか らなる。そして、該発振回路１０から出力される交流電圧Ｖは、図７および前記 数１に示すように、分圧抵抗１８，１９により設定された直流電圧ＶS （例えば ２．５〔Ｖ〕）を中心として最大値Ｖ0 ，周波数ｆの振幅を有する交流電圧Ｖを 出力する。

【００２８】

【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、ブリッジ回路９の各高周波入力点ａ，ｂに 入力される交流電圧Ｖの最大値Ｖ0 は基準電圧ＶCCにより制限されるため、ブリ ッジ回路９からの検出コイル７，８のインピーダンス変化による出力電圧Ｖ1 ， Ｖ2 の感度も制限され、高精度のトルク検出を行うことができないという問題が ある。

【００２９】 一方、ブリッジ回路９からの出力電圧Ｖ1 ，Ｖ2 を大きくするためには、差動 増幅器１１の増幅率Ａ0 を大きくすることが考えられるが、この方法ではブリッ ジ回路９の誤差分も増幅してしまって、高精度のトルク検出を望むことができな い。

【００３０】 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、本考案はブリッジ回 路の各検出コイルに流れる電流を大きくすることで、高精度なトルク検出ができ 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。

【００３１】

【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、発振回路を、 高周波を発生する発振器と、該発振器の出力側に設けられ、ブリッジ回路の一方 の高周波入力点に高周波を入力する高周波入力手段と、該発振器の出力側に設け られ、高周波を反転させて前記ブリッジ回路の他方の高周波入力点に反転高周波 を入力する反転高周波入力手段とから構成したことにある。

【００３２】

【作用】

上記構成により、ブリッジ回路の一方の高周波入力点に入力される高周波の電 圧と、他方の高周波入力点に入力される反転高周波の電圧により、該ブリッジ回 路のそれぞれの高周波入力点には正位相の高周波と逆位相の高周波とが入力され ることになる。そして、ブリッジ回路には発振回路からの最大値の倍となる最大 値を有する高周波が入力されるから、各検出コイルに流れる電流を大きくするこ とができ、該各検出コイルのインピーダンス変化を高精度に検出することができ る。

【００３３】

【実施例】

以下、本考案の実施例を図１ないし図３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。

【００３４】 図中、２１は本実施例による発振回路を示し、該発振回路２１は数６に示すよ うに最大値Ｖ0 ，周波数ｆ（例えば３０ KHZ）の高周波としての交流電圧ＶT お よび反転高周波としての反転交流電圧ＶR を発生するもので、交流電圧ＶT の出 力側はブリッジ回路９の一方の高周波入力点ａに接続されると共に、位相調整回 路１３に接続され、反転交流電圧ＶR の出力側はブリッジ回路９の他方の高周波 入力点ｂに接続されている。

【００３５】

【数６】

【００３６】 ここで、図２に基づき発振回路２１の回路構成について述べる。

【００３７】 ２２は従来技術で述べた電圧零のラインを中心として最大値Ｖ0 ，周波数ｆの 振幅を有する高周波電圧を発生する発振器１７の出力側に接続され、増幅率が１ となる高周波入力手段としての非反転増幅器を示し、該非反転増幅器２２の出力 側は基準電圧ＶCC（例えば５〔Ｖ〕）とアースとの間に直列接続された分圧抵抗 ２３，２４の接続点ｍと接続することにより、高周波電圧に各分圧抵抗２３，２ ４で設定された直流電圧ＶS （例えば２．５〔Ｖ〕）が加算される。さらに、接 続点ｍはトランジスタ２５のベース側に接続され、該トランジスタ２５はコレク タ側が基準電圧ＶCCに、エミッタ側が逆電流防止用抵抗２６を介してアースに接 続されたエミッタ接地回路を構成している。さらに、トランジスタ２５のエミッ タと逆電流防止用抵抗２６との間から出力端子２７が導出され、該出力端子２７ からは図３および数６に示すように、直流電圧ＶS のラインを中心として最大値 Ｖ0 ，周波数ｆの振幅を有する交流電圧ＶT をブリッジ回路９の一方の高周波入 力点ａに出力する。

【００３８】 ２８は前記発振器１７の出力側に接続され、増幅率が１となる反転高周波入力 手段としての反転増幅器を示し、該反転増幅器２８の出力側は基準電圧ＶCC（例 えば５〔Ｖ〕）とアースとの間に直列接続された分圧抵抗２９，３０の接続点ｎ と接続することにより、高周波電圧を反転させた（位相角をπだけずらした）後 に各分圧抵抗２９，３０で設定された直流電圧ＶS （例えば２．５〔Ｖ〕）が加 算される。さらに、接続点ｍはトランジスタ３１のベース側に接続され、該トラ ンジスタ３１はコレクタ側が基準電圧ＶCCに、エミッタ側が逆電流防止用抵抗３ ２を介してアースに接続されたエミッタ接地回路を構成している。さらに、トラ ンジスタ３１のエミッタと逆電流防止用抵抗３２との間から出力端子３３が導出 され、該出力端子３３からは図３および数６に示すように、直流電圧ＶS のライ ンを中心として最大値Ｖ0 ，周波数ｆの振幅を有し、かつ位相角πだけずらした 反転交流電圧ＶR をブリッジ回路９の他方の高周波入力点ｂに出力する。

【００３９】 本実施例の磁歪式トルクセンサに上述した如くに構成されるが、検出コイル７ ，８におけるトルクの検出動作においては従来技術と変わるところはない。

【００４０】 然るに、本実施例による磁歪式トルクセンサでは、ブリッジ回路９の各高周波 入力点ａ，ｂには発振回路２１から交流電圧ＶT ，反転交流電圧ＶR が入力され るから、該ブリッジ回路９においては、図３の下段に示すような入力電圧ＶIN（ 最大値２×Ｖ0 ，周波数ｆ）が印加されることになる。

【００４１】 そして、ブリッジ回路９の各検出コイル７，８に流れる電流は、各高周波入力 点ａ，ｂに印加される入力電圧ＶINの最大値が従来の交流電圧Ｖの最大値Ｖ0 の ２倍になっているから、

【００４２】

【数７】 となり、各出力点ｃ，ｄから出力される出力電圧Ｖ1 ´，Ｖ2 ´は、数７を数４ に代入することにより、下記数８のようになる。

【００４３】

【数８】

【００４４】 即ち、本実施例の出力電圧Ｖ1 ´，Ｖ2 ´は数４による従来技術のものと比較 して、２倍の電圧値となる。

【００４５】 従って、ブリッジ回路９の各高周波入力点ａ，ｂに交流電圧ＶT ，反転交流電 圧ＶR を入力することにより、各検出コイル７，８を流れる電流ｉ1 ´，ｉ2 ´ を従来に比べて２倍の大きさにすることができ、該各検出コイル７，８のインピ ーダンスの微小の変化を高感度に検出することができる。そして、差動増幅器１ １から出力される出力電圧Ｅ0 ´および積分回路１５から出力される直流の電圧 Ｅ´もそれぞれ従来技術の２倍の値となり、高精度のトルク検出を行うことがで きる。

【００４６】 かくして、本実施例により磁歪式トルクセンサにおいては、基準電圧ＶCCが比 較的小さい電圧値（例えば５〔Ｖ〕）に設定されている場合でも、ブリッジ回路 ９の各高周波入力点ａ，ｂのうち一方の入力点ａに交流電圧ＶT を、他方の入力 点ｂに反転交流電圧ＶR を入力するようにしているから、ブリッジ回路９に入力 される入力電圧ＶINの波高値を基準電圧ＶCCよりも大きい電圧値として入力する ことができ、基準電圧ＶCCの設定を変更することなく、高精度のトルク検出を可 能にする。

【００４７】 なお、前記実施例では、非反転増幅器２２および反転増幅器２８の増幅率を１ としたが、本考案はこれに限らず、発振器１７の最大値Ｖ0 および基準電圧ＶCC に応じて適宜に変更することができる。また、高周波入力手段および反転高周波 入力手段は非反転増幅器２２および反転増幅器２８を用いたが、本考案はこれに 限らず、一方の高周波入力点ａには、発振器１７から直接高周波を入力し、他方 の高周波入力点ｂには、位相角をπだけずらす位相角変更回路等を介して反転高 周波を入力するようにしてもよい。

【００４８】 さらに、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。

【００４９】

【考案の効果】

以上詳述した如く、本考案によれば、少なくとも一対の検出コイル等により構 成されたブリッジ回路の一方の入力点には、発振器からの高周波を入力する高周 波入力手段を介して高周波を入力し、他方の入力点には、発振器からの高周波を 反転する反転高周波手段を介して反転高周波を入力する構成としたから、ブリッ ジ回路に各高周波入力点から入力される入力電圧の波高値を大きくすることがで き、各検出コイルに流れる電流値を大きくする。これにより、該各検出コイルの インピーダンス変化を高感度に検出でき、高精度のトルク検出を行うことができ 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ブ
リッジ回路，発振回路および検出処理回路を示す回路構
成図である。

【図２】本実施例による発振回路を示す回路図である。

【図３】本実施例による発振回路から出力される交流電
圧，反転交流電圧およびブリッジ回路に入力される入力
電圧を示す特性線図である。

【図４】従来技術による磁歪式トルクセンサの構成図で
ある。

【図５】従来技術による磁歪式トルクセンサのブリッジ
回路，発振回路および検出処理回路を示す回路構成図で
ある。

【図６】従来技術による発振回路を示す回路図である。

【図７】従来技術による発振回路から出力される交流電
圧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 １７ 発振器 ２１ 発振回路 ２２ 非反転増幅器（高周波入力手段） ２８ 反転増幅器（反転高周波入力手段） ＶT 交流電圧（高周波） ＶR 反転交流電圧（反転高周波）

Claims (1)

【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べく、一対の高周波入力
   点と一対の出力点を備えたブリッジ回路と、該ブリッジ
   回路に高周波を入力する発振回路とからなる磁歪式トル
   クセンサにおいて、前記発振回路を、高周波を発生する
   発振器と、該発振器の出力側に設けられ、前記ブリッジ
   回路の一方の高周波入力点に高周波を入力する高周波入
   力手段と、該発振器の出力側に設けられ、高周波を反転
   させて前記ブリッジ回路の他方の高周波入力点に反転高
   周波を入力する反転高周波入力手段とから構成したこと
   を特徴とする磁歪式トルクセンサ。