JPS6326541A - 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、被測定軸に加えられるトルクを検出するの
に利用される磁歪式の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ナの従来の構造例を示すと、
第５図に示すようなものがある。この磁歪式トルクセン
サ２１は、磁気ひずみ効果を有する材質よりなる被測定
軸２２の周囲に、励磁コイル（すなわち、励磁手段）２
３と検出コイル（すなわち、検出手段）２４を配設し、
この励磁コイル２３と検出コイル２４の外周部に、かつ
被測定軸２２との間で間隙２５をおいて、高透磁率物質
よりなるヨーク２６を設けた構造をなすものである。

この磁歪式トルクセンサ２１を作動させるに際しては、
励磁コイル２３に通電することによって、被測定軸２２
→間隙２５→ヨーク２６→間隙２５→被測定軸２２を通
る磁気回路を形成させておく、このとき、検出コイル２
４には誘導起電力が発生している。

このような状態において、被測定軸２２にねじりトルク
が加えられると、この被測定軸２２の磁気ひずみ効果に
よって被測定軸２２自体の透磁率が変化するため、前記
磁気回路を通る磁束密度が変化することとなり、これに
対応して検出コイル２４に発生する誘導起電力も変化し
、この誘導起電力の変化を読み取ることによって、前記
被測定軸２２に加えられたねじりトルクの値を知ること
ができる。

ところが、一般に使われる動力伝達軸（例えば、ドライ
ブシャフトやコラムシャフトなど）に加えられるトルク
を検出することを想定して、当該動力伝達軸を被測定軸
（２２）とする場合を考えてみると、この種の動力伝達
軸では磁気ひずみ効果が小さいため、十分なトルク検出
能力を発揮し得ないものとなる。

そこで、従来においては、例えば、アモルファス磁性薄
帯の磁気ひずみ効果が大きいことを利用して、当該アモ
ルファス磁性薄帯を回転軸に巻いて固定してこれを被測
定軸としたトルクセンサが提案されている（特開昭５８
−９０３４号公報）。

しかしながら、このようなアモルファス磁性薄帯を回転
軸に巻いたものを被”測定軸としたトルクセンサでは、
アモルファス磁性薄帯に対し熱処理を施すことによって
所定の角度をもった磁化容易軸を付与する必要があるな
ど、かなり繁雑な手段をもってしか作り得ないという製
造上の問題点がある。

そこで、磁気異方性を容易に得るために、アモルファス
の短ざ〈状磁気ひずみ磁性薄帯を回転軸に接着してこれ
を被測定軸として用いたトルクセンサが提案されている
（特開昭５９−１６６８２７号公報）。

（発明が解決しようとする問題点） しかしながら、前述のような従来のトルクセンサにあっ
ては、アモルファス磁性薄帯を回転軸に接着してこれを
被測定軸として用いるという構成であったため、当該回
転軸にアモルファス磁性薄帯を均一に接着することが難
しく、特性のばらつきが大きくなりやすいという問題点
があった。また、第６図に示すように、初期において線
工に示す出力特性を示していたものが、接着剤のクリー
プ現象のため、大きなトルク、例えば１０ｋｇｆ・ｍ程
度のトルクを加えたあとは、同第６図の線■に示す出力
特性のように、出力のシフトが起こり、精度を良好に保
ち得ないという問題点があった。

さらに、温度変化に対しては、温度が上昇すると接着剤
が軟化して上記と同様に出力のシフトが起こり、また、
アモルファス磁性薄帯と回転軸との熱膨張差が大きいこ
とから、第７図に線工（２０°Ｃの場合）、線ＩＩ（６
０℃の場合）、線■（０℃の場合）に示すように、温度
変化に対して安定した出力が得られないという問題点を
有していた。

（発明の目的） この発明は、上述した従来の問題点を解消するためにな
されたもので、特性のばらつきがほとんどなく、大トル
クおよび温度変化に対しても安定した出力特性を示す高
精度のトルクセンサを提供することを目的とするもので
ある。

［発明の構成］ （問題点を解決するための手段） この発明は、軸表面部に高透磁率膜を有する被測定軸と
、前記高透磁率膜を磁路の一部とする磁気回路を形成す
る励磁手段と、前記高透磁率膜を通る磁束の磁歪成分を
検出する検出手段とを具備してなるトルクセンサにおい
て、前記高透磁率膜は、前記被測定軸の軸方向と一定の
角度をなすように適宜間隔毎に設けられた複数の帯状を
なす蒸着膜より形成されていることを特徴としている。

そして、この発明によるトルクセンサにおいては、前記
被測定軸は、トルクセンサ自体のために用いられる回転
軸である場合だけでなく、ドライブシャフトやステアリ
ングシャフトなどの動力伝達軸およびその他の製品や部
品を構成する回転軸である場合なども当然含まれるもの
である。

（実施例） 以下、この発明によるトルクセンサの実施例を図面に基
いて詳細に説明する。

第１図はこの発明の一実施例を示す図であって、図に示
す磁歪式のトルクセンサ１は、ねじりトルクが加えられ
る被測定軸（例えば、動力伝達軸である場合なども含む
。）２を備え、この被測定軸２の表面には、当該被測定
軸２の軸方向と一定の角度をなすように適宜間隔毎に設
けられた複数の帯状の高透磁率膜３が蒸着により形成さ
れたものが用いられて′いる。すなわち、この被測定軸
２には、当該軸方向に対して右上りの方向で傾斜するよ
うにして適宜間隔毎に設けられた一方の高透磁率膜３ａ
と、該高透磁率膜３ａと対称形をなす左上りで傾斜し且
つ適宜間隔毎に設けられた他方の高透磁率膜３ｂとが物
理的蒸着（ＰＶＤ）により形成されたものが用いられて
いる。なお、これら各高透磁率膜３（３ａ、３ｂ）の形
成方法については後に詳述する。

そして、被測定軸２に形成された前記各高透磁率膜３（
３ａ、３ｂ、）の外周近傍にはそれぞれコイル４および
５を配設し、これら各コイル４および５の外側にかつ被
測定軸２との間で間隙６をおいて、高透磁率物質よりな
る円筒形状のヨーク７を設けた構造をなすものである。

上記のコイル４および５は、前記被測定軸２の表面に形
成した高透磁率膜３（３ａ、３ｂ）を磁路の一部とする
磁気回路を形成する励磁手段の一部と、前記高透磁率膜
３（３ａ、３ｂ）を通る磁束の磁歪成分を検出する検出
手段の一部とを兼用しているものであり、第２図に示す
ように、抵抗器１４、−１５と組み合わされてブリッジ
回路を構成する。この場合、第２図において、１３はバ
ランス用の可変抵抗器、１６は励磁手段の一部を構成す
る交流電源、１７は検出手段の一部を構成する差動増幅
器、１８．１夕は出力端子である。

次に、上記した構成をなす磁歪式のトルクセンサ１の動
作について説明する。

まず、作動に際しては、コイル４．５に対して一定の振
幅および周波数の交流を交流電源１，６より印加する。

この交流印加によって、一方の高透磁率膜３（３Ｌ）→
間隙６→ヨーク７→間隙６−＋高透磁率膜３（３ａ）を
磁路とする磁力線がコイル４を取り囲むように発生する
と同時に、同じく、高透磁率１１ｉ３（３ｂ）→間隙６
→ヨーク７峠間隙６→高透磁率膜３（３ｂ）を磁路とす
る磁力線がコイル５を取り囲むように発生する。

そして、被測定軸２にねじりトルクが印加されないとき
に可変抵抗器１３を調整し、差動増幅器１７を経て出力
端子１８．１９間に表われる出力がゼロとなるようにブ
リッジ回路のバランスをとる。

この状態で、被測定軸２に対してねじりトルクＴが第１
１Ｎに示す矢印方向に加えられると、一方の高透磁率膜
３（３ａ）は右上り４５度方向に帯状に形成されている
ため、最大引張応力＋σが作用する。反対に、他方の高
透磁率膜３（３ｂ）は左上り４５度方向に帯状に形成さ
れているため、最大圧縮応力−σが作用する。

ここで、高透磁率膜３（３ａ、３ｂ）が正の磁歪効果を
有していれば、高透磁率膜３ａの透磁率はトルクゼロの
ときに比べて増大し、逆に高透磁率膜３ｂの透磁率はト
ルクゼロのときに比べて減少する。

したがって、一方のコイル４のインダクタンスは増大し
、他方のコイル５のインダクタンスは減少するので、第
２図に示したブリッジ回路のバランスがくずれ、差動増
幅器１７を経て出力端子１８、’１９間には前記トルク
Ｔに対応した出力が生じる。

また、トルクが逆方向に加えられた場合には、前述した
のと逆の作用により、一方のコイル４のインダクタンス
は減少し、他方のコイル５のインダクタンスは増大する
ので、第２図に示したブリッジ回路のバランスがくずれ
、差動増幅器１７を経て出力端子１８．１９間には前記
逆方向のトルクに対応した出力が生じる。

すなわち、第２図に示したブリッジ回路において、コイ
ル４，５のインダクタンスをそれぞれり、、Ｌ２とし、
抵抗１４．１５の抵抗値をともにＲとし、交流電源１６
の電圧を７１周波数をｆとしたときに１回路Ａ−Ｂ−Ｃ
を流れる電流を１１とし、回路Ａ−Ｂ’　−Ｃを流れる
電流を１２とすると、 ■ となり、 Ｂ点の電位Ｖ、は、ｖ、＝ｉ、＊Ｒ Ｂ′点の電位Ｖ２は、Ｖ２＝ｉ２　・Ｒとなる。

したがって、Ｂ−Ｂ’点の電位差はＩｖｔ−Ｖ２　１で
あるから、当該電位差は、 で表わせるので、これを差動増幅器１７で求め、出力端
子１８．１９での出力を読み取ることによりトルクを検
出する。

次に、高透磁率膜３　（３ａ　、３ｂ）の形成方法につ
いて述べる。

この実施例においては、各種物理蒸着（ＰＶＤ）の中で
スパッタリングを用いて形成した。この場合、スパッタ
リングにはマグネトロンスパッタリング装置を使用し、
ターゲットとしては１４．３重量％のＡｎおよび残部Ｆ
ｅからなる鉄−アルミニウム合金を素材とした直径９５
ｍｍ、厚さ５ｍｍの円板を用い（蒸着膜の目標成分は１
３．０重量％へ立−Ｆｅ）、被測定軸２としてはステン
レスａｌｌ　（ＳＵＳ　３１０）を素材として直径１７
ｍｍに加工した丸棒材を用いて当該丸棒材を回転させな
がら長さ４０ｍｍの部分に第１表に示す条件でスパッタ
リングした。

第　　１　　表 なお、この場合、スパッタリングの時間を適当に選ぶこ
とにより、高透磁率膜３　（３ａ　、３ｂ）の厚さは、
いかようにもできるが、あまり薄いと下地の被測定軸２
の表面粗さの影響を直接受け、−様な高透磁率膜３がで
きないし、また十分な磁束も通せないものとなる。一方
、あまり厚いと、下地の被測定軸２との密着性が悪くな
り、剥離しやすくなる。そして、種々の実験の結果、Ｉ
ＪＬｍから１．ｏｐｍ程度の膜厚とすることが、トルク
センサ１の感度および耐久性の点でとくに好ましいこと
がわかった。

以上のようにして、スパッタリングを行うことにより軸
表面に均一厚さの高透磁率膜を形成した後、エツチング
を施すことによって第１図に示したような帯状をなしか
つ適宜間隔をおいた高透磁率膜３（３ａ　、３ｂ）とし
て加工した。

このようにして鉄−アルミニウム合金からなる高透磁率
膜３を形成した被測定軸２を用いたトルクセンサ１の場
合は、第３図において線工で示すように励磁電流の増加
とともに感度が増大することが明らかであり、優れた特
性を有するものであることが認められた。

また、高透磁率材料の８０重量％Ｎｉ−残部Ｆｅからな
る鉄−ニッケル合金をターゲットとして上記と同様にマ
グネトロンスパッタリング装置を用いて第２表に示す条
件でスパッタリングを行い、次いでエツチングを施して
同様に帯状をなしかつ適宜間隔をおいた高透磁率膜３（
３ａ。

３ｂ）を形成した。

第　　２　　表 次に、上記Ｎｉ−Ｆｅ系の高透磁率膜３を形成した被測
定軸２を用いたトルクセンサに対して同様の試験を行っ
て膜厚１７ｚｍで比較したところ、第３図において線■
で示すように、鉄−ニッケル合金の場合は感度が低く、
励磁電流を増加させてもほとんど改善されないことがわ
かった。

この実施例においては、被測定軸２の高透磁率膜３を通
る磁束の磁歪成分を検出するにあたって、コイル４．５
のインダクタンスの変化として交流ブリッジにより検出
するようにしていることから、コイル４．５に対応する
被測定軸２の二個所に帯状をなす高透磁率膜３（３ａ、
３ｂ）を形成するようにしているが、これら帯状をなす
各高透磁率膜３（３ａ、３ｂ）の被測定軸２の軸方向に
対する角度は、各高透磁率膜３ａ、３ｂが互いに逆方向
でかつ等しくなるようにしている。そして、最も望まし
いのは、主応力方向すなわち右上り４５度方向および左
上り４５度方向をなすようにすることである。このよう
にすることによって、応力の影響を最も効果的に磁気ひ
ずみ信号としてとり出すことができる。

また、帯状をなす高透磁率膜３　（３ａ　、３ｂ）の帯
幅は、形状効果が十分に出るようにすればよく、本実施
例では２ｍｍ間隔で形成した。

第４図に前記条件で製作した鉄−アルミニウム合金膜よ
りなる高透磁率膜３を形成した被測定軸２を用いたトル
クセンサ１の出力特性を測定した結果を示す、この場合
、各コイル４，５はいずれも線径０．６ｍｍの銅線を４
４タ一ン巻いたものとしており、励磁周波数（ｆ）は１
０ｋＨｚ、？ｌｔ流は３００ｍＡで行なった。この結果
、出力特性はトルク１０ｋｇｆＩＩｍの印加によっても
変化せず、０℃から６０℃まで安定した出力特性を示し
、従来のように過大トルクおよび温度変化に対して出力
のシフトが生じない安定したものであった。

なお、この実施例においては、鉄−ニッケル合金よりな
るヨーク７を用いて磁束もれを減することにより出力感
度の向上を図っているが、励磁電流との兼ねあいで必ず
しも用いなくてもよい。

また、高透磁率膜３（３ａ、３ｂ）としての鉄−アルミ
ニウム合金膜は、アルミニウムが２０重量％を超えると
感度が低くなる傾向にあり、実用的でなく、他方、アル
ミニウムが７重量％よりも少ないと感度は高いもののト
ルク−出力特性にヒステリシスが現われ、検出精度が悪
くなる傾向にあることがわかった。

さらに、この実施例においては、コイル４，５が共に励
磁手段の一部と検出手段の一部とを構成する場合を例に
とって示したが、第５図に示したトルクセンサと同様に
、励磁手段としての励磁コイルと、検出手段としての検
出コイルを被測定軸２の外周に各々設ける構成としても
よいことはいうまでもない。

［発明の効果］ 以上詳細に説明してきたように、この発明によれば、軸
表面部に高透磁率膜を有する被測定軸と、前記高透磁率
膜を磁路の一部とする磁気回路を形成する励磁手段と、
前記高透磁率膜を通る磁束の磁歪成分を検出する検出手
段とを具備してなるトルクセンサにおいて、前記高透磁
率膜は、前記被測定軸の軸方向と一定の角度をなすよう
に適宜間隔毎に設けられた複数の帯状をなす蒸着膜より
形成されている構成としたため、過大トルクおよび温度
変化に対して極めて安定した出力特性を示すトルクセン
サを提供することが可能であり、従来のごとくあらかじ
め作製した磁性薄帯を接着剤により貼り付ける場合のよ
うな特性のばらつきを生じることがなくなるなどの著大
なる効果がもたらされる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例によるトルクセンサの構成
を示す断面説明図、第２図はこの発明の一実施例による
トルクセンサの電気回路の構成を示す説明図、第３図は
被測定軸に形成した高透磁率膜の材質の違いによる感度
への影響を示す説明図、第４図はこの発明の一実施例に
よるトルクセンサの出力特性を例示する説明図、第５図
は従来のトルクセンサの構成を示す断面説明図、第６図
は従来のトルクセンサの烏大トルクによる出力時　　、
性の変化を示す説明図、第７図は従来のトルクセンサの
温度による出力特性の変化を示す説明図である。 １・・・トルクセンサ、２・・・被測定軸、３（３ａ。 ３ｂ）・・・高透磁率膜、４，５・・・コイル（励磁手
段および検出手段）、６・・・間隙、７・・・ヨーク、
１６・・・交流電源（励磁手段）、１７・・・差動増幅
器（検出手段）。 特許出願人　　日産自動車株式会社 代理人弁理士　小　　塩　　　豊 第５図 第６図 左回転トルク　　　　　　　　　　　　　　も回転トル
クｆト

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）軸表面部に高透磁率膜を有する被測定軸と、前記
   高透磁率膜を磁路の一部とする磁気回路を形成する励磁
   手段と、前記高透磁率膜を通る磁束の磁歪成分を検出す
   る検出手段とを具備してなるトルクセンサにおいて、前
   記高透磁率膜は、前記被測定軸の軸方向と一定の角度を
   なすように適宜間隔毎に設けられた複数の帯状をなす蒸
   着膜より形成されていることを特徴とするトルクセンサ
   。