JPS6332332A - 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サの従来の構造例を挙げると
、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５１は、磁気ひずみ効果を有する材質よりなる被測
定軸５２の表面に、励磁コイル５３と検出コイル５４を
配設し、この励磁コイル５３と検出コイル５４の外周部
に、かつ被測定軸５２との間で間隙５５をおいて、高透
磁率物質よりなるヨーク５６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５１を作動させるに際しては、
励磁トルク５３に通電することによって、被測定軸５２
９間隙５５およびヨーク５６を通る磁気回路を形成させ
ておく。このとき、検出コイル５４には銹導起電力が発
生している。

このような状態において、被測定軸５２にねじリトルク
が加えられると、この被測定軸５２の磁気ひずみ効果に
よって当該被測定軸５２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５４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５２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）を被測定軸とする場
合を考えると、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。

そこで、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、このトルクセンサでは、アモルファス磁性薄帯
に対して熱処理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
の短ざく状磁気ひずみ磁性薄帯を回転軸に接着したトル
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なる構
成であったため、鳥類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る。また、第６図に示すよ
うに、初期において線工に示す特性を示したものが、接
着剤のクリープ現象のため、大きなトルク例えば１０ｋ
ｇｆ＊ｍ程度のトルクを加えたあとは、同図の線■に示
すように、出力のシフトが起り、精度を高く保ち得ない
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℃の場合）、線■（６０°Ｃ
の場合）、線厘（０℃の場合）で示すように、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、少なくとも表面が磁性体からなる被測定軸
と、前記被測定軸を磁路の一部とする磁気回路を形成す
る励磁手段と、前記被測定軸を通る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
被測定軸の表面部が、軸方向に対し所定の角度をなし且
つ適宜間隔をおいた複数の帯状をなす透磁率の異なる組
織からなっていることを特徴としている。そして、この
発明においては、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
づ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、磁性体からなる被測定軸
２として、その表面部が、軸方向に対し所定の角度をな
し且つ適宜間隔をおいて複数の帯状をなす透磁率の異な
るＭｉ織からなっているものが用いられている。すなわ
ち、この被測定軸２には、右上りで傾斜する一方の高透
磁率部２１と、該高透磁率部２１と対称形をなして左上
りで傾斜する他方の高透磁率部２２とが設けられいる。

なお、これら各高透磁率部２１．２２の形成方法につい
は後に詳述する。

そして、前記被測定軸２の各高透磁率部２１および２２
の外周近傍にはそれぞれコイル３および４を配設し、こ
れら各コイル３および４の外側にかつ被測定軸２との間
で間隙５をおいて、高透磁率物質よりなる円筒形状のヨ
ーク６を設けた構造をなすものである。

上記のコイル３および４は、前記被測定軸２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、前記被
測定軸２を通る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
１３．１４と組み合わされてブリッジ回路を構成する。

そして、第２図において、１５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であり。

１８．１９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３，４に対して一定の振
幅および周波数の交流を交流電源１６より印加する。こ
の交流印加によって、高透磁率部２１→間隙５→ヨーク
３→間隙５＋高透磁率部２１を磁路とする磁力線がコイ
ル３を取り囲むように発生すると同時に、同じく、高透
磁率部２２→間隙５→ヨーク３→間隙５→高透磁率部２
２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。

そして、被測定軸２にトルクが印加されないときに可変
抵抗器１５を調整し、差動増幅器１７を経て出力端子１
８．１９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。

次に、被測定軸２に対してトルクが第１図に示すＴ方向
に加えられると、一方の高透磁率部２１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、他方の高透磁率部２２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、高透磁率部２１．２２が正の磁歪効果を有し
ていれば、高透磁率部２１の透磁率はトルクゼロのとき
に比べて増大し、逆に高透磁率部２２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、コイル３のインダクタンスは増大し、コイ
ル４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、コイル３のインダクタンスは減少
し、コイル４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間には前記トルクＴに対
応した出力が生じる。

すなわち、第２図に示した回路において、コイル３，４
のインダクタンスをそれぞれＬエ　、Ｌ２とし、抵抗１
３．１４の抵抗値をともにＲとし、交流電源１６の電圧
を７２周波数をｆとしたときに、回路Ａ−Ｂ−Ｃを流れ
る電流をｉｌとし、回路Ａ−Ｂ’　−Ｃを流れる電流を
ｉ２とすると、■ となり、 Ｂ点の電位ｖ１はｖ、＝；、ｍｌ（ Ｂ′点）電位ｖ２はｖ２＝＝ｉ２４Ｆｌとなる。

したがって、Ｂ−Ｂ’点の電位差はＩｖ＋−Ｖ２１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で求める。

次に、前記高透磁率部２１．２２の形成方法について述
べる。

本実施例においては、被測定軸２の素材としてニッケル
拳りロムφモリブデンｍ　（Ｊ　Ｉ　ＳＳＮ０Ｍ４２０
）を用いており、これを直径１７ｍｍに加工して被測定
軸２としている。そして、前記被測定軸２に対して帯状
の銅めっきを施す。

このとき、あらかじめ被測定軸２に印刷で帯状の樹脂膜
をつけておく。そして、銅めっき後に樹脂膜のついた部
分を溶剤で除去することによって帯状の銅めっき部を形
成する。

その後、浸炭炉に入れて、９００°ＯＸ２時間の条件で
浸炭を行ない、次いで油中に焼入れる。このような操作
を施すことにより、銅めっきされた部分は浸炭されずに
、もとの低炭素のｍｓのまま残るが、銅めっきのない部
分は浸炭されて高炭素の組織となる。したがって、被測
定軸２の表面部には、浸炭部と非浸炭部とが交互に帯状
に並んだ組織が形成される。この場合に、浸炭部は高炭
素のため透磁率が低下し、逆に非浸炭部は低炭素のため
透磁率の高い組織である。

第３図には浸炭材と非浸炭材（焼入れのみ）のそれぞれ
におけるトルクセンサの感度の違いを示す。第３図より
明らかなように、非浸炭材は浸炭材に比べて３〜５倍の
感度を示す。したがって、前述の操作により被測定軸２
の表面部に帯状の高透磁率部２１．２２を形成すること
ができる。

この場合、帯状の高透磁率部２１．２２は被測定軸２の
材料そのものを用いており、炭素濃度もなだらかに変化
しているので、異種材の接合例えばアモルファス磁性薄
帯の接合と異なって強度面で何ら問題はない、そして、
より好ましくは特性−を更に安定させるために、浸炭焼
入れ後のひずみをとる焼戻しを行なうのが良い。

この実施例においては、被測定軸２を通る磁歪成分を検
出するにあたって、フィル３．４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３，４に対応する被測定軸２の二個列に
帯状をなす高透磁率部２１．２２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部２１．２２の被
測定軸２の軸方向に対する角度は、各高透磁率部２１゜
２２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部２１．２２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２ｍ
ｍ間隔で形成した。なお、浸炭深さはビッカース硬度Ｈ
ｖが５５０を示す深さとして約０．９ｍｍとした。

さらに、コイル巻数はコイル３，４とも線径０．６ｍｍ
の銅線を４４タ一ン巻いており、励磁周波数は１０ＫＨ
ｚ、電流は３００ｍＡで行なった。

第４図に前記条件で形成した合金鋼からなる被測定軸２
を用いたトルクセンサ１の出力特性を示す、このトルク
センサ１の出力特性は、第４図に示すように右回転トル
クと左回転トルクとで同一の出力を示しており、トルク
３０ｋｇｆ・ｍを印加したあとにおいても出力特性は全
く変化せず、しかも０℃から６０℃まで安定した特性を
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特性のものであった。

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６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、励磁電流との兼ねおいで必ず
しも用いなくてもよい。

また、被測定軸２としては、ニッケル・クロム・モリブ
デン鋼に限らず、浸炭の可能な材料ならば適用可能であ
り、同様の主旨から窒化鋼においても適用可能である。

さらに、検出手段は、一対のコイル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たもの
を示しているが、そのほか、例えば励磁手段として励磁
コイルを用いるとともに検出手段として検出コイルを用
いるようにした構成のトルクセンサにも当然適用できる
。

［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、少
なくとも表面が磁性体からなる被測定軸と、前記被測定
軸を磁路の一部とする磁気回路を形成する励磁手段と、
前記被測定軸を通る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、前記被測定軸の表面
部が、軸方向に対し所定の角度をなし且つ適宜間隔をお
いた複数の帯状をなす透磁率の異なる組織からなってい
るものとしたため、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、従来の薄帯を添着する場合のような特性
のばらつきを生ずることも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
被測定軸の材料組織による感度の違いを示す説明図、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過
大トルクによる出力特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、３．４・・
・コイル（励磁手段および検出手段）、１６・・・交流
電源（励磁手段）、１７・・・差動増幅器（検出手段）
、２１．２２・・・高透磁率部。 特許出願人　　日産自動車株式会社 特許出願人　　大同特殊鋼株式会社 代理人弁理士　小　　塩　　　豊 第２図 第５図 第６図

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）少なくとも表面が磁性体からなる被測定軸と、前
   記被測定軸を磁路の一部とする磁気回路を形成する励磁
   手段と、前記被測定軸を通る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、前記被測定
   軸の表面部が、軸方向に対し所定の角度をなし且つ適宜
   間隔をおいた複数の帯状をなす透磁率の異なる組織から
   なっていることを特徴とするトルクセンサ。
2. （２）被測定軸は、炭素鋼もしくは合金鋼よりなり、帯
   状をなす透磁率の異なる組織は、炭素濃度が異なること
   により形成されていることを特徴とする特許請求の範囲
   第（１）項記載のトルクセンサ。