磁歪式トルクセンサ
【課題】磁歪式トルクセンサの検出精度を向上させる。
【解決手段】軸表面において第一方向の透磁率を検出する複数の第一検出コイルL1と、軸表面において第二方向の透磁率を検出する複数の第二検出コイルL2は、回転軸Sの周方向に並ぶように配置される。また、第一検出コイルL1及び第二検出コイルL2のコイルL1b、L2bは、第一検出コイルL1及び第二検出コイルL2のコアL1a、L2aが備える一対の脚部のうち、軸方向において同側の脚部に巻装されて、回転軸Sの同一円周上に一列に並ぶ。
【解決手段】軸表面において第一方向の透磁率を検出する複数の第一検出コイルL1と、軸表面において第二方向の透磁率を検出する複数の第二検出コイルL2は、回転軸Sの周方向に並ぶように配置される。また、第一検出コイルL1及び第二検出コイルL2のコイルL1b、L2bは、第一検出コイルL1及び第二検出コイルL2のコアL1a、L2aが備える一対の脚部のうち、軸方向において同側の脚部に巻装されて、回転軸Sの同一円周上に一列に並ぶ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、軸表面に生じる磁歪の逆効果を利用して回転軸や静止軸のトルクを検出する磁歪式トルクセンサに関する。
【背景技術】
【0002】
軸表面に生じる磁歪の逆効果を利用して回転軸や静止軸のトルクを検出する磁歪式トルクセンサが知られている。磁歪の逆効果とは、回転軸や静止軸にトルクが作用したとき、軸表面に引張り方向(例えば、+45°方向)及び圧縮方向(例えば、−45°方向)の歪みが発生するのに伴い、引張り方向では透磁率が増加する一方、圧縮方向では透磁率が減少するという磁気的な歪み現象であり、磁歪式トルクセンサは、軸表面において第一方向(例えば、+45°方向)の透磁率変化を検出すべく配置される第一検出コイルと、軸表面において第二方向(例えば、−45°方向)の透磁率変化を検出すべく配置される第二検出コイルとを備えて構成されている。
【0003】
磁歪式トルクセンサには、検出コイルの違いなどから、複数の方式が存在する。例えば、検出コイルが巻かれた一対のU字コアを用いる方式(例えば、特許文献1参照)、8の字状に形成された一対の検出コイルを用いる方式(例えば、特許文献2参照)、波形状に形成された一対の検出コイルを用いる方式(例えば、特許文献3参照)、中空筒状に形成された一対の検出コイルを用いる方式などが提案されており、さらに、中空筒状の検出コイルを用いる方式には、軸表面にスリット、溝、薄膜などからなる磁気異方部を形成する方式(例えば、特許文献4、5参照)と、軸表面に磁気異方部を形成しない方式(例えば、特許文献6参照)とが含まれている。
【特許文献1】特開2001−133337号公報
【特許文献2】特開平6−221940号公報
【特許文献3】特開平6−273247号公報
【特許文献4】特開平7−83769号公報
【特許文献5】特開平11−37863号公報
【特許文献6】特開2005−208008号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
しかしながら、従来の磁歪式トルクセンサでは、ブリッジ回路などを用いて、検出コイル間に生じる僅かな差動電圧を検出し、この差動電圧を増幅回路で増幅しているため、ノイズの影響を受けやすく、検出精度に限界があった。
【0005】
なお、特許文献4、5に示される方式の磁歪式トルクセンサは、電動アシスト自転車のトルクアシストシステムなどにおいて実用化されているが、必要な検出精度を確保するために、軸表面に、溝、スリット、薄膜などで±45°の縞模様(磁気異方部)を加工する必要があるので、これらの加工が許容されない回転軸や静止軸では適用が困難であった。
【課題を解決するための手段】
【0006】
上記の如き実情に鑑み、これらの課題を解決することを目的として創作された本発明の磁歪式トルクセンサは、軸表面に生じる磁歪の逆効果を利用して回転軸及び/又は静止軸のトルクを検出する磁歪式トルクセンサであって、前記軸表面において第一方向の透磁率変化を検出すべく配置され、当該透磁率変化をインダクタンスの変化として検出する複数の第一検出コイルと、前記軸表面において第二方向の透磁率変化を検出すべく配置され、当該透磁率変化をインダクタンスの変化として検出する複数の第二検出コイルと、前記第一検出コイルのインダクタンス変化に応じて発振波に位相ズレを生じさせる第一発振回路と、前記第二検出コイルのインダクタンス変化に応じて発振波に位相ズレを生じさせる第二発振回路と、前記第一発振回路から出力される複数の発振波をカウントし、該カウント数が所定数Nに達したか否かを判断する発振波カウント処理を行い、該発振波カウント処理に要した時間測定にもとづいて、前記第一方向の透磁率変化を検出する第一方向透磁率検出手段と、前記第二発振回路から出力される複数の発振波をカウントし、該カウント数が所定数Nに達したか否かを判断する発振波カウント処理を行い、該発振波カウント処理に要した時間測定にもとづいて、前記第二方向の透磁率変化を検出する第二方向透磁率検出手段と、前記第一方向の透磁率と前記第二方向の透磁率との差分にもとづいて、前記回転軸及び/又は静止軸のトルクを検出するトルク検出手段とを備え、複数の前記第一検出コイルは、それぞれ、軸表面における検出領域及び検出方向を限定するために、軸表面との間で閉磁路を構成する逆U字状のコアと、該コアに巻装されるコイルとを備えて構成されると共に、コイル同士が直列又は並列に接続され、複数の前記第二検出コイルは、それぞれ、軸表面における検出領域及び検出方向を限定するために、軸表面との間で閉磁路を構成する逆U字状のコアと、該コアに巻装されるコイルとを備えて構成されると共に、コイル同士が直列又は並列に接続され、複数の前記第一検出コイルと複数の前記第二検出コイルは、回転軸及び/又は静止軸の周方向に並ぶように配置され、さらに、前記第一検出コイル及び前記第二検出コイルのコイルは、前記第一検出コイル及び前記第二検出コイルのコアが備える一対の脚部のうち、軸方向において同側の脚部に巻装されて、回転軸及び/又は静止軸の同一円周上に一列に並ぶことを特徴とする。
【0007】
このような磁歪式トルクセンサによれば、トルク検出精度を向上させることができる。つまり、上記のように構成された第一発振回路や第二発振回路から出力される発振波においては、軸表面の透磁率変化が位相ズレとなって明確に現れ、しかも、発振波における位相ズレは、発振波の数だけ蓄積されるので、第一方向及び第二方向の透磁率変化を高精度に検出し、その差分から回転軸や静止軸のトルクを高精度に検出することが可能になる。
【0008】
また、発振回路から出力される発振波の数をカウントし、該カウント数が所定数Nに達したか否かを判断する発振波カウント処理を行い、該発振波カウント処理に要した時間にもとづいて蓄積された発振波の位相ズレ(透磁率変化)を測定するので、発振波の位相ズレ成分を安価なデジタル回路を用いて高精度に測定することができる。しかも、その分解能は、時間測定用のカウンタ速度により決まり、発振回路の基準周波数に依存しないので、検出対象に応じて発振回路の基準周波数を最適化しつつ、高分解能の応力検出を行うことができる。
【0009】
また、第一検出コイル及び第二検出コイルは、軸表面における検出領域及び/又は検出方向を限定するために、軸表面との間で閉磁路を構成するので、トルクの検出精度をさらに向上させることができる。つまり、本発明の磁歪式トルクセンサでは、トルクに応じた発振波の位相ズレを、発振波の数だけ蓄積して検出するので、発振波の位相ズレに含まれる誤差成分も蓄積されてしまうことになるが、軸表面における検出領域や検出方向を限定することにより、SN比を高めることができるので、蓄積される誤差成分を抑制し、検出精度を向上させることができる。また、検出コイル側で検出方向を限定することができるので、軸表面に、溝、スリット、薄膜などで縞模様を加工する必要がない。その結果、これらの加工が許容されない回転軸や静止軸であっても、本発明によるトルク検出の適用が可能となる。
【0010】
また、第一検出コイル及び第二検出コイルを、それぞれ複数備えるだけでなく、複数の第一検出コイルと複数の第二検出コイルが、回転軸及び/又は静止軸の周方向に並ぶように配置されるので、軸表面の周方向に存在する温度や材質のばらつき、さらには、検出コイルと軸表面との間のギャップ変動などを平均化し、これらの誤差要因による検出精度の低下を回避できる。
【0011】
さらに、第一検出コイル及び第二検出コイルのコイルは、第一検出コイル及び第二検出コイルのコアが備える一対の脚部のうち、軸方向において同側の脚部に巻装されて、回転軸及び/又は静止軸の同一円周上に一列に並ぶので、第一検出コイルのコイル温度と、第二検出コイルのコイル温度との差に起因する検出誤差の発生を抑えることができる。つまり、第一検出コイル及び第二検出コイルのインダクタンスは、軸表面の透磁率変化に応じて変化するだけでなく、コイル自身の温度変化に応じて変化するため、第一検出コイル及び第二検出コイルのコイルの位置が軸方向にズレていると、回転軸や静止軸の軸方向に存在する温度勾配の影響を受け、検出精度が低下する可能性があるが、本発明においては、第一検出コイル及び第二検出コイルのコイルを、回転軸や静止軸の同一円周上に一列に並ぶように配置したので、回転軸や静止軸の軸方向に存在する温度勾配の影響を排除し、検出精度を向上させることができる。また、第一検出コイル及び第二検出コイルのコイルをコアの脚部に巻装すると、コイルが軸表面に近づき、軸の表面温度の影響を受けやすくなるが、トルク検出対象が回転軸である場合は、軸の回転に応じてコイルの温度が平均化されるので、温度誤差をさらに小さくすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0012】
次に、本発明の実施形態について、図面に基づいて説明する。ただし、図面に示す波形には、実際の検出波形とシミュレーション波形が含まれる。
【0013】
[本発明に係る磁歪式トルクセンサの基本的な構成]
図1は、本発明に係る磁歪式トルクセンサの基本的な構成を示すブロック図である。この図に示される磁歪式トルクセンサ1は、本発明の基本的な構成を示すものであり、軸表面に生じる磁歪の逆効果を利用して回転軸S(又は静止軸)のトルクを検出するために、第一検出コイルL1、第二検出コイルL2、第一発振回路2、第二発振回路3及び検出回路4を備えて構成されている。
【0014】
第一検出コイルL1は、軸表面において第一方向(例えば、+45°方向)の透磁率変化を検出すべく配置され、当該透磁率変化をインダクタンスの変化として検出する。また、第二検出コイルL2は、軸表面において第二方向(例えば、−45°方向)の透磁率変化を検出すべく配置され、当該透磁率変化をインダクタンスの変化として検出する。
【0015】
本実施形態の検出コイルL1、L2は、軸表面における検出領域及び検出方向を限定するために、高透磁率材料を用いて形成されコアL1a、L2aと、該コアL1a、L2aに巻装されるコイルL1b、L2bとを備えて構成されている。具体的には、フェライトからなる逆U字状のコアL1a、L2aに、コイルL1b、L2bを巻装して構成されており、コアL1a、L2aの両端を軸表面に近接させることにより、軸表面との間で閉磁路を構成するようになっている。これにより、軸表面の限られた領域に第一方向及び第二方向の磁路を形成し、該磁路における透磁率変化を検出することが可能になる。なお、逆U字状のコアL1a、L2aは、少なくとも一対の脚部と、脚部の上端部同士を連結する連結部とを備えていれば、具体的な形状は逆U字形に限定されない。例えば、冂字形や逆V字形のコアも本発明に適用することができる。
【0016】
第一発振回路2は、所定の基準周波数で自律的に発振すると共に、第一検出コイルL1のインダクタンス変化に応じて発振波に位相ズレを生じさせるように構成される。また、第二発振回路3は、所定の基準周波数で自律的に発振すると共に、第二検出コイルL2のインダクタンス変化に応じて発振波に位相ズレを生じさせるように構成される。例えば、シュミット発振回路の帰還回路に検出コイルL1、L2を配置すれば、検出コイルL1、L2のインダクタンス変化に応じて発振波に位相ズレが生じる発振回路2、3を構成することができる。
【0017】
シュミット発振回路は、シュミットインバータINVのヒステリシス特性を利用した発振回路であり、シュミットインバータINVと、シュミットインバータINVの入力側に接続されるコンデンサCと、シュミットインバータINVの出力をシュミットインバータINVの入力側に帰還させる帰還回路と、この帰還回路に介在する抵抗要素とを備えて構成されている。
【0018】
初期状態のシュミット発振回路では、コンデンサCに電荷が溜まっていないため、コンデンサCの両端の電圧は0Vとなっている。このとき、シュミットインバータINVは、入力側電圧VinがVL以下なので、出力がHレベル(5V)となる。シュミットインバータINVの出力側電圧Voutが5Vのときは、帰還回路2aを介してシュミットインバータINVの入力側に電流が流れるので、コンデンサCに電荷が徐々に溜まり、その両端の電圧が上昇する。そして、シュミットインバータINVの入力側電圧VinがVHに達すると、シュミットインバータINVの出力がLレベル(0V)に切換わる。シュミットインバータINVの出力側電圧Voutが0Vになると、コンデンサCが放電し、シュミットインバータINVの入力側電圧Vinが徐々に降下する。そして、シュミットインバータINVの入力側電圧VinがVLまで降下すると、シュミットインバータINVの出力がHレベルに切換わる。
【0019】
以上の動作の繰り返しにより、シュミットインバータINVの出力側から所定周波数の矩形波が得られる。そして、シュミット発振回路の発振周波数f(=1/T)は、蓄電期間THと放電期間TLにより決まり、蓄電期間THと放電期間TLは、コンデンサC及び抵抗要素の定数により決まる。したがって、抵抗要素として帰還回路に検出コイルL1、L2を配置すれば、検出コイルL1、L2のインダクタンス変化に応じてシュミット発振回路の発振波に位相ズレを生じさせることができる。
【0020】
なお、本発明の発振回路がシュミット発振回路に限定されないことは勿論であり、検出コイルL1、L2のインダクタンス変化に応じて発振波に位相ズレを生じさせる発振回路であれば、CR発振回路、LC発振回路、水晶発振回路などを用いてもよい。
【0021】
検出回路4は、例えば、CPU、ROM、RAM、I/O、比較器(コンパレータ)などが内蔵されたマイコン(1チップマイコン)を用いて構成され、ROMに書き込まれたプログラムに従って後述するトルク検出処理を行う。なお、検出回路4は、複数のマイコンで構成したり、一又は複数のICで構成することもできる。
【0022】
検出回路4は、第一発振回路2から出力される複数の発振波をカウントし、該カウント数が所定数Nに達したか否かを判断する発振波カウント処理を行い、該発振波カウント処理に要した時間にもとづいて、第一方向の透磁率変化を検出する第一方向透磁率検出手段と、第二発振回路3から出力される複数の発振波をカウントし、該カウント数が所定数Nに達したか否かを判断する発振波カウント処理を行い、該発振波カウント処理に要した時間にもとづいて、第二方向の透磁率変化を検出する第二方向透磁率検出手段と、第一方向の透磁率と第二方向の透磁率との差分にもとづいて、回転軸Sのトルクを検出するトルク検出手段とを備える。
【0023】
このようにすると、磁歪式トルクセンサ1のトルク検出精度を向上させることができる。つまり、上記のように構成された第一発振回路2や第二発振回路3から出力される発振波においては、軸表面の透磁率変化が位相ズレとなって明確に現れ、しかも、発振波における位相ズレは、発振波の数だけ蓄積されるので、第一方向及び第二方向の透磁率変化を高精度に検出し、その差分から回転軸Sのトルクを高精度に検出することが可能になる。また、発振回路2、3から出力される発振波の数をカウントし、該カウント数が所定数Nに達したか否かを判断する発振波カウント処理を行い、該発振波カウント処理に要した時間にもとづいて蓄積された発振波の位相ズレ(透磁率変化)を測定するので、発振波の位相ズレ成分を安価なデジタル回路を用いて高精度に測定することができる。しかも、その分解能は、時間測定用のカウンタ速度により決まり、発振回路2、3の基準周波数に依存しないので、検出対象に応じて発振回路2、3の基準周波数を最適化しつつ、高分解能の応力検出を行うことができる。
【0024】
第一検出コイルL1及び第二検出コイルL2は、軸表面における検出領域及び検出方向を限定するために、軸表面との間で閉磁路を構成する。つまり、本発明の磁歪式トルクセンサ1では、トルクに応じた発振波の位相ズレを、発振波の数だけ蓄積して検出するので、発振波の位相ズレに含まれる誤差成分も蓄積されてしまうことになるが、軸表面における検出領域や検出方向を限定することにより、SN比を高めることができるので、蓄積される誤差成分を抑制し、検出精度を向上させることができる。また、検出コイルL1、L2側で検出方向を限定することができるので、軸表面に、溝、スリット、薄膜などで縞模様を加工する必要がない。その結果、これらの加工が許容されない回転軸Sであっても、本発明によるトルク検出の適用が可能となる。
【0025】
また、第一発振回路2と第二発振回路3は、相互干渉を避けるために、交互に駆動されることが好ましい。例えば、第二発振回路3の発振駆動を停止した状態で、第一発振回路2に係る発振波カウント処理を実行した後、第一発振回路2の発振駆動を停止した状態で、第二発振回路3に係る発振波カウント処理を実行しその後、各発振波カウント処理に要した測定時間の差分を求めるようにする。このようにすると、相互干渉による検出精度の低下を回避することができる。しかも、第一検出コイルL1の検出領域と第二検出コイルL2の検出領域を、相互干渉を考慮することなく、任意に設定することができるので、使用条件に応じた検出領域の最適化が容易となる。
【0026】
磁歪式トルクセンサ1でトルクを検出する回転軸Sの軸表面は、メッキ法により成膜された磁歪膜5であることが好ましい。例えば、回転軸Sの一部又は全体の領域に、ニッケル合金からなる磁歪膜5を全周に亘ってメッキする。このようにすると、トルクに応じた磁歪膜5における磁歪の逆効果にもとづいて、トルクを高精度に検出できるだけでなく、トルク検出におけるヒステリシスを抑えることができる。しかも、本発明の磁歪式トルクセンサ1では、メッキ法により成膜された磁歪膜5であっても、十分な検出精度が得られるので、接着法、スパッタ法、真空蒸着法などでアモルファスなどの磁歪膜を形成する場合に比べ、大幅なコストダウンが図れるだけでなく、ニッケルメッキなどが施された既存の部材(樹脂を含む)を対象として、高精度なトルク検出を行うことができる。
【0027】
次に、本発明における発振波の位相ズレ蓄積作用について、図2及び図3を参照して説明する。
【0028】
図2は、発振波の位相ズレ蓄積作用(検出波形始端部を拡大)を示す説明図、図3は、発振波の位相ズレ蓄積作用(検出波形終端部を拡大)を示す説明図である。これらの図に示す波形は、一回の検出処理における発振回路2、3の出力波形であって、発振回路2、3から出力される発振波の数をカウントし、カウント数が所定数Nに達したか否かを判断する発振波カウント処理を行い、該発振波カウント処理に要した時間にもとづいて、蓄積された発振波の位相ズレを測定するにあたり、発振波カウント処理における発振波のカウント数Nを100とした場合の波形であり、上側の波形は、回転軸Sにトルクを加えない場合を示し、下側の波形は、回転軸Sにトルクを加えた場合を示している。これらの図から明らかなように、検出波形の始端部、つまり発振波カウント処理における発振波のカウント数Nが少ない段階では、位相ズレがあまり蓄積されていないため、その差が明確ではないが(図2参照)、カウント数Nが多くなると、発振波の位相ズレが蓄積され、その差が明確になるので、位相ズレの測定が容易になることがわかる(図3参照)。そして、発振波の位相ズレは、回転軸Sに作用するトルクに比例して大きくなるので、発振波の位相ズレにもとづいて、回転軸Sに作用するトルクを高精度に測定することが可能になる。また、各発振回路2、3から出力される発振波の位相ズレは、磁歪の逆効果にもとづいて背反方向に現れるので、その差分にもとづいて回転軸Sのトルク量及びトルク極性を検出できるだけでなく、温度誤差や変位誤差が相殺された検出値を得ることができる。
【0029】
次に、検出回路4の具体的な検出処理手順について、図4〜図7を参照して説明する。
【0030】
図4に示すトルク検出処理(トルク検出手段)では、まず、初期設定(S11:発振波カウント数Nの初期値設定を含む)を行った後、カウント数変更処理(S12)、第一方向透磁率検出処理(S13:第一方向透磁率検出手段)及び第二方向透磁率検出処理(S14:第二方向透磁率検出手段)を順番に実行する。そして、透磁率検出処理(S13、S14)で得られた第一方向透磁率検出値と第二方向透磁率検出値の差分を演算すると共に(S15)、演算した差分(トルク検出値)を所定の検出信号形式に変換して出力することにより(S16)、一回のトルク検出処理が終了する。
【0031】
図5に示すカウント数変更処理では、まず、カウント数変更信号の入力を判断し(S21)、該判断結果がYESの場合は、カウント数変更信号に含まれる発振波カウント数Nを読み取り(S22)、これに従って発振波カウント数Nを変更する(S23)。
【0032】
図6に示す第一方向透磁率検出処理では、第一発振回路2の駆動を開始した後(S31)、カウンタクリア処理(S32)と、発振波カウント処理(S33、S34)と、時間測定処理(S35)を実行し、その後に第一発振回路2の駆動を停止させる(S36)。カウンタクリア処理は、発振波カウンタ及び時間計測カウンタをクリアする処理である(S32)。また、発振波カウント処理は、第一発振回路2から出力される発振波の数をカウントし(S33)、該カウント数が所定数Nに達したか否かを判断する処理である(S34)。また、時間測定処理は、発振波のカウント数がNになったら、時間計測カウンタ値(第一方向透磁率検出値)を読み込む処理である(S35)。
【0033】
図7に示す第二方向透磁率検出処理では、第二発振回路3の駆動を開始した後(S41)、カウンタクリア処理(S42)と、発振波カウント処理(S43、S44)と、時間測定処理(S45)を実行し、その後に第二発振回路3の駆動を停止させる(S46)。カウンタクリア処理は、発振波カウンタ及び時間計測カウンタをクリアする処理である(S42)。また、発振波カウント処理は、第二発振回路3から出力される発振波の数をカウントし(S43)、該カウント数が所定数Nに達したか否かを判断する処理である(S44)。また、時間測定処理は、発振波のカウント数がNになったら、時間計測カウンタ値(第二方向透磁率検出値)を読み込む処理である(S45)。
【0034】
[本発明に係る磁歪式トルクセンサの特徴的な構成]
つぎに、本発明に係る磁歪式トルクセンサの特徴的な構成について、図8〜図10を参照して説明する。ただし、図1〜図7に示した磁歪式トルクセンサ1と共通の部分については、同一符号を付けることにより、前記説明を援用する。
【0035】
図8〜図10に示す磁歪式トルクセンサ11は、本発明の特徴的な構成を示すものであり、各発振回路2、3がそれぞれ複数の検出コイルL1、L2を備えている。具体的に説明すると、第一発振回路2は、直列(又は並列)に接続された複数(例えば、4つ)の第一検出コイルL1を備え、第二発振回路3は、直列(又は並列)に接続された複数(例えば、4つ)の第二検出コイルL2を備えている。このようにすると、第一検出コイルL1及び第二検出コイルL2を、軸表面にそれぞれ複数配置することにより、軸表面に存在する温度や材質のばらつき、さらには、検出コイルL1、L2と軸表面との間のギャップ変動などを平均化することができるので、これらの誤差要因による検出精度の低下を回避できる。
【0036】
図9及び図10に示すように、複数の第一検出コイルL1と複数の第二検出コイルL2は、回転軸Sの同一円周上に並ぶように配置される。このようにすると、軸表面の円周方向に存在する温度や材質のばらつき、さらには、検出コイルL1、L2と軸表面との間のギャップ変動などを平均化することができるのだけでなく、軸方向に存在する温度勾配の影響を最小化し、これらの誤差要因による検出精度の低下を回避できる。なお、複数の第一検出コイルL1及び複数の第二検出コイルL2は、環状のボビンBで所定の位置に保持される。ボビンBは、一体型でも良いし、分割型であっても良い。
【0037】
複数の第一検出コイルL1と複数の第二検出コイルL2を、回転軸Sの同一円周上に並ぶように配置する場合、図9に示すように、第一検出コイルL1の検出領域と第二検出コイルL2の検出領域とが交互になるような配置構成とすることができる。このようにすると、第一検出コイルL1の検出領域と第二検出コイルL2の検出領域とのズレに起因する誤差の発生を抑制できるだけでなく、この誤差を回転軸Sの回転にもとづいて排除することができる。
【0038】
また、複数の第一検出コイルL1と複数の第二検出コイルL2を、回転軸Sの同一円周上に並ぶように配置する場合、図10に示すように、第一検出コイルL1の検出領域と第二検出コイルL2の検出領域とが重なるような配置構成としてもよい。例えば、第一検出コイルL1と第二検出コイルL2の高さ寸法を相違させ、平面視で交差するように配置する。このようにすると、第一検出コイルL1の検出領域と第二検出コイルL2の検出領域とのズレに起因する誤差の発生を防止することができる。
【0039】
さらに、本発明の磁歪式トルクセンサ11では、複数の第一検出コイルL1と複数の第二検出コイルL2を、回転軸Sの周方向に並ぶように配置するにあたり、第一検出コイルL1及び第二検出コイルL2のコイルL1b、L2bを、第一検出コイルL1及び第二検出コイルL2のコアL1a、L2aが備える一対の脚部のうち、軸方向において同側の脚部に巻装し、回転軸Sの同一円周上に一列に並べている。このようにすると、第一検出コイルL1のコイル温度と、第二検出コイルL2のコイル温度との差に起因する検出誤差の発生を抑えることができる。
【0040】
つまり、第一検出コイルL1及び第二検出コイルL2のインダクタンスは、軸表面の透磁率変化に応じて変化するだけでなく、コイル自身の温度変化に応じて変化するため、第一検出コイルL1及び第二検出コイルL2のコイルL1b、L2bの位置が軸方向にズレていると、回転軸Sの軸方向に存在する温度勾配の影響を受け、検出精度が低下する可能性があるが、本発明においては、第一検出コイルL1及び第二検出コイルL2のコイルL1b、L2bを、回転軸Sの同一円周上に一列に並ぶように配置したので、回転軸Sの軸方向に存在する温度勾配の影響を排除し、検出精度を向上させることができる。また、第一検出コイルL1及び第二検出コイルL2のコイルL1b、L2bをコアL1a、L1aの脚部に巻装すると、コイルL1b、L2bが軸表面に近づき、軸の表面温度の影響を受けやすくなるが、トルク検出対象が回転軸Sである場合は、軸の回転に応じてコイルL1b、L2bの温度が平均化されるので、温度誤差をさらに小さくすることができる。
【図面の簡単な説明】
【0041】
【図1】本発明に係る磁歪式トルクセンサの基本的な構成を示すブロック図である。
【図2】発振波の位相ズレ蓄積作用(検出波形始端部を拡大)を示す説明図である。
【図3】発振波の位相ズレ蓄積作用(検出波形終端部を拡大)を示す説明図である。
【図4】検出回路におけるトルク検出処理の処理手順を示すフローチャートである。
【図5】検出回路における設定数変更処理の処理手順を示すフローチャートである。
【図6】検出回路における第一方向透磁率検出処理の処理手順を示すフローチャートである。
【図7】検出回路における第二方向透磁率検出処理の処理手順を示すフローチャートである。
【図8】本発明に係る磁歪式トルクセンサの特徴的な構成を示すブロック図である。
【図9】(A)は検出コイルの第一の配置例を示す展開平面図、(B)は検出コイルの第一の配置例を示す側面図である。
【図10】(A)は検出コイルの第二の配置例を示す展開平面図、(B)は検出コイルの第二の配置例を示す側面図である。
【符号の説明】
【0042】
1、11 磁歪式トルクセンサ
2 第一発振回路
3 第二発振回路
4 検出回路
L1 第一検出コイル
L1a コア
L1b コイル
L2 第二検出コイル
L2a コア
L2b コイル
S 回転軸
【技術分野】
【0001】
本発明は、軸表面に生じる磁歪の逆効果を利用して回転軸や静止軸のトルクを検出する磁歪式トルクセンサに関する。
【背景技術】
【0002】
軸表面に生じる磁歪の逆効果を利用して回転軸や静止軸のトルクを検出する磁歪式トルクセンサが知られている。磁歪の逆効果とは、回転軸や静止軸にトルクが作用したとき、軸表面に引張り方向(例えば、+45°方向)及び圧縮方向(例えば、−45°方向)の歪みが発生するのに伴い、引張り方向では透磁率が増加する一方、圧縮方向では透磁率が減少するという磁気的な歪み現象であり、磁歪式トルクセンサは、軸表面において第一方向(例えば、+45°方向)の透磁率変化を検出すべく配置される第一検出コイルと、軸表面において第二方向(例えば、−45°方向)の透磁率変化を検出すべく配置される第二検出コイルとを備えて構成されている。
【0003】
磁歪式トルクセンサには、検出コイルの違いなどから、複数の方式が存在する。例えば、検出コイルが巻かれた一対のU字コアを用いる方式(例えば、特許文献1参照)、8の字状に形成された一対の検出コイルを用いる方式(例えば、特許文献2参照)、波形状に形成された一対の検出コイルを用いる方式(例えば、特許文献3参照)、中空筒状に形成された一対の検出コイルを用いる方式などが提案されており、さらに、中空筒状の検出コイルを用いる方式には、軸表面にスリット、溝、薄膜などからなる磁気異方部を形成する方式(例えば、特許文献4、5参照)と、軸表面に磁気異方部を形成しない方式(例えば、特許文献6参照)とが含まれている。
【特許文献1】特開2001−133337号公報
【特許文献2】特開平6−221940号公報
【特許文献3】特開平6−273247号公報
【特許文献4】特開平7−83769号公報
【特許文献5】特開平11−37863号公報
【特許文献6】特開2005−208008号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
しかしながら、従来の磁歪式トルクセンサでは、ブリッジ回路などを用いて、検出コイル間に生じる僅かな差動電圧を検出し、この差動電圧を増幅回路で増幅しているため、ノイズの影響を受けやすく、検出精度に限界があった。
【0005】
なお、特許文献4、5に示される方式の磁歪式トルクセンサは、電動アシスト自転車のトルクアシストシステムなどにおいて実用化されているが、必要な検出精度を確保するために、軸表面に、溝、スリット、薄膜などで±45°の縞模様(磁気異方部)を加工する必要があるので、これらの加工が許容されない回転軸や静止軸では適用が困難であった。
【課題を解決するための手段】
【0006】
上記の如き実情に鑑み、これらの課題を解決することを目的として創作された本発明の磁歪式トルクセンサは、軸表面に生じる磁歪の逆効果を利用して回転軸及び/又は静止軸のトルクを検出する磁歪式トルクセンサであって、前記軸表面において第一方向の透磁率変化を検出すべく配置され、当該透磁率変化をインダクタンスの変化として検出する複数の第一検出コイルと、前記軸表面において第二方向の透磁率変化を検出すべく配置され、当該透磁率変化をインダクタンスの変化として検出する複数の第二検出コイルと、前記第一検出コイルのインダクタンス変化に応じて発振波に位相ズレを生じさせる第一発振回路と、前記第二検出コイルのインダクタンス変化に応じて発振波に位相ズレを生じさせる第二発振回路と、前記第一発振回路から出力される複数の発振波をカウントし、該カウント数が所定数Nに達したか否かを判断する発振波カウント処理を行い、該発振波カウント処理に要した時間測定にもとづいて、前記第一方向の透磁率変化を検出する第一方向透磁率検出手段と、前記第二発振回路から出力される複数の発振波をカウントし、該カウント数が所定数Nに達したか否かを判断する発振波カウント処理を行い、該発振波カウント処理に要した時間測定にもとづいて、前記第二方向の透磁率変化を検出する第二方向透磁率検出手段と、前記第一方向の透磁率と前記第二方向の透磁率との差分にもとづいて、前記回転軸及び/又は静止軸のトルクを検出するトルク検出手段とを備え、複数の前記第一検出コイルは、それぞれ、軸表面における検出領域及び検出方向を限定するために、軸表面との間で閉磁路を構成する逆U字状のコアと、該コアに巻装されるコイルとを備えて構成されると共に、コイル同士が直列又は並列に接続され、複数の前記第二検出コイルは、それぞれ、軸表面における検出領域及び検出方向を限定するために、軸表面との間で閉磁路を構成する逆U字状のコアと、該コアに巻装されるコイルとを備えて構成されると共に、コイル同士が直列又は並列に接続され、複数の前記第一検出コイルと複数の前記第二検出コイルは、回転軸及び/又は静止軸の周方向に並ぶように配置され、さらに、前記第一検出コイル及び前記第二検出コイルのコイルは、前記第一検出コイル及び前記第二検出コイルのコアが備える一対の脚部のうち、軸方向において同側の脚部に巻装されて、回転軸及び/又は静止軸の同一円周上に一列に並ぶことを特徴とする。
【0007】
このような磁歪式トルクセンサによれば、トルク検出精度を向上させることができる。つまり、上記のように構成された第一発振回路や第二発振回路から出力される発振波においては、軸表面の透磁率変化が位相ズレとなって明確に現れ、しかも、発振波における位相ズレは、発振波の数だけ蓄積されるので、第一方向及び第二方向の透磁率変化を高精度に検出し、その差分から回転軸や静止軸のトルクを高精度に検出することが可能になる。
【0008】
また、発振回路から出力される発振波の数をカウントし、該カウント数が所定数Nに達したか否かを判断する発振波カウント処理を行い、該発振波カウント処理に要した時間にもとづいて蓄積された発振波の位相ズレ(透磁率変化)を測定するので、発振波の位相ズレ成分を安価なデジタル回路を用いて高精度に測定することができる。しかも、その分解能は、時間測定用のカウンタ速度により決まり、発振回路の基準周波数に依存しないので、検出対象に応じて発振回路の基準周波数を最適化しつつ、高分解能の応力検出を行うことができる。
【0009】
また、第一検出コイル及び第二検出コイルは、軸表面における検出領域及び/又は検出方向を限定するために、軸表面との間で閉磁路を構成するので、トルクの検出精度をさらに向上させることができる。つまり、本発明の磁歪式トルクセンサでは、トルクに応じた発振波の位相ズレを、発振波の数だけ蓄積して検出するので、発振波の位相ズレに含まれる誤差成分も蓄積されてしまうことになるが、軸表面における検出領域や検出方向を限定することにより、SN比を高めることができるので、蓄積される誤差成分を抑制し、検出精度を向上させることができる。また、検出コイル側で検出方向を限定することができるので、軸表面に、溝、スリット、薄膜などで縞模様を加工する必要がない。その結果、これらの加工が許容されない回転軸や静止軸であっても、本発明によるトルク検出の適用が可能となる。
【0010】
また、第一検出コイル及び第二検出コイルを、それぞれ複数備えるだけでなく、複数の第一検出コイルと複数の第二検出コイルが、回転軸及び/又は静止軸の周方向に並ぶように配置されるので、軸表面の周方向に存在する温度や材質のばらつき、さらには、検出コイルと軸表面との間のギャップ変動などを平均化し、これらの誤差要因による検出精度の低下を回避できる。
【0011】
さらに、第一検出コイル及び第二検出コイルのコイルは、第一検出コイル及び第二検出コイルのコアが備える一対の脚部のうち、軸方向において同側の脚部に巻装されて、回転軸及び/又は静止軸の同一円周上に一列に並ぶので、第一検出コイルのコイル温度と、第二検出コイルのコイル温度との差に起因する検出誤差の発生を抑えることができる。つまり、第一検出コイル及び第二検出コイルのインダクタンスは、軸表面の透磁率変化に応じて変化するだけでなく、コイル自身の温度変化に応じて変化するため、第一検出コイル及び第二検出コイルのコイルの位置が軸方向にズレていると、回転軸や静止軸の軸方向に存在する温度勾配の影響を受け、検出精度が低下する可能性があるが、本発明においては、第一検出コイル及び第二検出コイルのコイルを、回転軸や静止軸の同一円周上に一列に並ぶように配置したので、回転軸や静止軸の軸方向に存在する温度勾配の影響を排除し、検出精度を向上させることができる。また、第一検出コイル及び第二検出コイルのコイルをコアの脚部に巻装すると、コイルが軸表面に近づき、軸の表面温度の影響を受けやすくなるが、トルク検出対象が回転軸である場合は、軸の回転に応じてコイルの温度が平均化されるので、温度誤差をさらに小さくすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0012】
次に、本発明の実施形態について、図面に基づいて説明する。ただし、図面に示す波形には、実際の検出波形とシミュレーション波形が含まれる。
【0013】
[本発明に係る磁歪式トルクセンサの基本的な構成]
図1は、本発明に係る磁歪式トルクセンサの基本的な構成を示すブロック図である。この図に示される磁歪式トルクセンサ1は、本発明の基本的な構成を示すものであり、軸表面に生じる磁歪の逆効果を利用して回転軸S(又は静止軸)のトルクを検出するために、第一検出コイルL1、第二検出コイルL2、第一発振回路2、第二発振回路3及び検出回路4を備えて構成されている。
【0014】
第一検出コイルL1は、軸表面において第一方向(例えば、+45°方向)の透磁率変化を検出すべく配置され、当該透磁率変化をインダクタンスの変化として検出する。また、第二検出コイルL2は、軸表面において第二方向(例えば、−45°方向)の透磁率変化を検出すべく配置され、当該透磁率変化をインダクタンスの変化として検出する。
【0015】
本実施形態の検出コイルL1、L2は、軸表面における検出領域及び検出方向を限定するために、高透磁率材料を用いて形成されコアL1a、L2aと、該コアL1a、L2aに巻装されるコイルL1b、L2bとを備えて構成されている。具体的には、フェライトからなる逆U字状のコアL1a、L2aに、コイルL1b、L2bを巻装して構成されており、コアL1a、L2aの両端を軸表面に近接させることにより、軸表面との間で閉磁路を構成するようになっている。これにより、軸表面の限られた領域に第一方向及び第二方向の磁路を形成し、該磁路における透磁率変化を検出することが可能になる。なお、逆U字状のコアL1a、L2aは、少なくとも一対の脚部と、脚部の上端部同士を連結する連結部とを備えていれば、具体的な形状は逆U字形に限定されない。例えば、冂字形や逆V字形のコアも本発明に適用することができる。
【0016】
第一発振回路2は、所定の基準周波数で自律的に発振すると共に、第一検出コイルL1のインダクタンス変化に応じて発振波に位相ズレを生じさせるように構成される。また、第二発振回路3は、所定の基準周波数で自律的に発振すると共に、第二検出コイルL2のインダクタンス変化に応じて発振波に位相ズレを生じさせるように構成される。例えば、シュミット発振回路の帰還回路に検出コイルL1、L2を配置すれば、検出コイルL1、L2のインダクタンス変化に応じて発振波に位相ズレが生じる発振回路2、3を構成することができる。
【0017】
シュミット発振回路は、シュミットインバータINVのヒステリシス特性を利用した発振回路であり、シュミットインバータINVと、シュミットインバータINVの入力側に接続されるコンデンサCと、シュミットインバータINVの出力をシュミットインバータINVの入力側に帰還させる帰還回路と、この帰還回路に介在する抵抗要素とを備えて構成されている。
【0018】
初期状態のシュミット発振回路では、コンデンサCに電荷が溜まっていないため、コンデンサCの両端の電圧は0Vとなっている。このとき、シュミットインバータINVは、入力側電圧VinがVL以下なので、出力がHレベル(5V)となる。シュミットインバータINVの出力側電圧Voutが5Vのときは、帰還回路2aを介してシュミットインバータINVの入力側に電流が流れるので、コンデンサCに電荷が徐々に溜まり、その両端の電圧が上昇する。そして、シュミットインバータINVの入力側電圧VinがVHに達すると、シュミットインバータINVの出力がLレベル(0V)に切換わる。シュミットインバータINVの出力側電圧Voutが0Vになると、コンデンサCが放電し、シュミットインバータINVの入力側電圧Vinが徐々に降下する。そして、シュミットインバータINVの入力側電圧VinがVLまで降下すると、シュミットインバータINVの出力がHレベルに切換わる。
【0019】
以上の動作の繰り返しにより、シュミットインバータINVの出力側から所定周波数の矩形波が得られる。そして、シュミット発振回路の発振周波数f(=1/T)は、蓄電期間THと放電期間TLにより決まり、蓄電期間THと放電期間TLは、コンデンサC及び抵抗要素の定数により決まる。したがって、抵抗要素として帰還回路に検出コイルL1、L2を配置すれば、検出コイルL1、L2のインダクタンス変化に応じてシュミット発振回路の発振波に位相ズレを生じさせることができる。
【0020】
なお、本発明の発振回路がシュミット発振回路に限定されないことは勿論であり、検出コイルL1、L2のインダクタンス変化に応じて発振波に位相ズレを生じさせる発振回路であれば、CR発振回路、LC発振回路、水晶発振回路などを用いてもよい。
【0021】
検出回路4は、例えば、CPU、ROM、RAM、I/O、比較器(コンパレータ)などが内蔵されたマイコン(1チップマイコン)を用いて構成され、ROMに書き込まれたプログラムに従って後述するトルク検出処理を行う。なお、検出回路4は、複数のマイコンで構成したり、一又は複数のICで構成することもできる。
【0022】
検出回路4は、第一発振回路2から出力される複数の発振波をカウントし、該カウント数が所定数Nに達したか否かを判断する発振波カウント処理を行い、該発振波カウント処理に要した時間にもとづいて、第一方向の透磁率変化を検出する第一方向透磁率検出手段と、第二発振回路3から出力される複数の発振波をカウントし、該カウント数が所定数Nに達したか否かを判断する発振波カウント処理を行い、該発振波カウント処理に要した時間にもとづいて、第二方向の透磁率変化を検出する第二方向透磁率検出手段と、第一方向の透磁率と第二方向の透磁率との差分にもとづいて、回転軸Sのトルクを検出するトルク検出手段とを備える。
【0023】
このようにすると、磁歪式トルクセンサ1のトルク検出精度を向上させることができる。つまり、上記のように構成された第一発振回路2や第二発振回路3から出力される発振波においては、軸表面の透磁率変化が位相ズレとなって明確に現れ、しかも、発振波における位相ズレは、発振波の数だけ蓄積されるので、第一方向及び第二方向の透磁率変化を高精度に検出し、その差分から回転軸Sのトルクを高精度に検出することが可能になる。また、発振回路2、3から出力される発振波の数をカウントし、該カウント数が所定数Nに達したか否かを判断する発振波カウント処理を行い、該発振波カウント処理に要した時間にもとづいて蓄積された発振波の位相ズレ(透磁率変化)を測定するので、発振波の位相ズレ成分を安価なデジタル回路を用いて高精度に測定することができる。しかも、その分解能は、時間測定用のカウンタ速度により決まり、発振回路2、3の基準周波数に依存しないので、検出対象に応じて発振回路2、3の基準周波数を最適化しつつ、高分解能の応力検出を行うことができる。
【0024】
第一検出コイルL1及び第二検出コイルL2は、軸表面における検出領域及び検出方向を限定するために、軸表面との間で閉磁路を構成する。つまり、本発明の磁歪式トルクセンサ1では、トルクに応じた発振波の位相ズレを、発振波の数だけ蓄積して検出するので、発振波の位相ズレに含まれる誤差成分も蓄積されてしまうことになるが、軸表面における検出領域や検出方向を限定することにより、SN比を高めることができるので、蓄積される誤差成分を抑制し、検出精度を向上させることができる。また、検出コイルL1、L2側で検出方向を限定することができるので、軸表面に、溝、スリット、薄膜などで縞模様を加工する必要がない。その結果、これらの加工が許容されない回転軸Sであっても、本発明によるトルク検出の適用が可能となる。
【0025】
また、第一発振回路2と第二発振回路3は、相互干渉を避けるために、交互に駆動されることが好ましい。例えば、第二発振回路3の発振駆動を停止した状態で、第一発振回路2に係る発振波カウント処理を実行した後、第一発振回路2の発振駆動を停止した状態で、第二発振回路3に係る発振波カウント処理を実行しその後、各発振波カウント処理に要した測定時間の差分を求めるようにする。このようにすると、相互干渉による検出精度の低下を回避することができる。しかも、第一検出コイルL1の検出領域と第二検出コイルL2の検出領域を、相互干渉を考慮することなく、任意に設定することができるので、使用条件に応じた検出領域の最適化が容易となる。
【0026】
磁歪式トルクセンサ1でトルクを検出する回転軸Sの軸表面は、メッキ法により成膜された磁歪膜5であることが好ましい。例えば、回転軸Sの一部又は全体の領域に、ニッケル合金からなる磁歪膜5を全周に亘ってメッキする。このようにすると、トルクに応じた磁歪膜5における磁歪の逆効果にもとづいて、トルクを高精度に検出できるだけでなく、トルク検出におけるヒステリシスを抑えることができる。しかも、本発明の磁歪式トルクセンサ1では、メッキ法により成膜された磁歪膜5であっても、十分な検出精度が得られるので、接着法、スパッタ法、真空蒸着法などでアモルファスなどの磁歪膜を形成する場合に比べ、大幅なコストダウンが図れるだけでなく、ニッケルメッキなどが施された既存の部材(樹脂を含む)を対象として、高精度なトルク検出を行うことができる。
【0027】
次に、本発明における発振波の位相ズレ蓄積作用について、図2及び図3を参照して説明する。
【0028】
図2は、発振波の位相ズレ蓄積作用(検出波形始端部を拡大)を示す説明図、図3は、発振波の位相ズレ蓄積作用(検出波形終端部を拡大)を示す説明図である。これらの図に示す波形は、一回の検出処理における発振回路2、3の出力波形であって、発振回路2、3から出力される発振波の数をカウントし、カウント数が所定数Nに達したか否かを判断する発振波カウント処理を行い、該発振波カウント処理に要した時間にもとづいて、蓄積された発振波の位相ズレを測定するにあたり、発振波カウント処理における発振波のカウント数Nを100とした場合の波形であり、上側の波形は、回転軸Sにトルクを加えない場合を示し、下側の波形は、回転軸Sにトルクを加えた場合を示している。これらの図から明らかなように、検出波形の始端部、つまり発振波カウント処理における発振波のカウント数Nが少ない段階では、位相ズレがあまり蓄積されていないため、その差が明確ではないが(図2参照)、カウント数Nが多くなると、発振波の位相ズレが蓄積され、その差が明確になるので、位相ズレの測定が容易になることがわかる(図3参照)。そして、発振波の位相ズレは、回転軸Sに作用するトルクに比例して大きくなるので、発振波の位相ズレにもとづいて、回転軸Sに作用するトルクを高精度に測定することが可能になる。また、各発振回路2、3から出力される発振波の位相ズレは、磁歪の逆効果にもとづいて背反方向に現れるので、その差分にもとづいて回転軸Sのトルク量及びトルク極性を検出できるだけでなく、温度誤差や変位誤差が相殺された検出値を得ることができる。
【0029】
次に、検出回路4の具体的な検出処理手順について、図4〜図7を参照して説明する。
【0030】
図4に示すトルク検出処理(トルク検出手段)では、まず、初期設定(S11:発振波カウント数Nの初期値設定を含む)を行った後、カウント数変更処理(S12)、第一方向透磁率検出処理(S13:第一方向透磁率検出手段)及び第二方向透磁率検出処理(S14:第二方向透磁率検出手段)を順番に実行する。そして、透磁率検出処理(S13、S14)で得られた第一方向透磁率検出値と第二方向透磁率検出値の差分を演算すると共に(S15)、演算した差分(トルク検出値)を所定の検出信号形式に変換して出力することにより(S16)、一回のトルク検出処理が終了する。
【0031】
図5に示すカウント数変更処理では、まず、カウント数変更信号の入力を判断し(S21)、該判断結果がYESの場合は、カウント数変更信号に含まれる発振波カウント数Nを読み取り(S22)、これに従って発振波カウント数Nを変更する(S23)。
【0032】
図6に示す第一方向透磁率検出処理では、第一発振回路2の駆動を開始した後(S31)、カウンタクリア処理(S32)と、発振波カウント処理(S33、S34)と、時間測定処理(S35)を実行し、その後に第一発振回路2の駆動を停止させる(S36)。カウンタクリア処理は、発振波カウンタ及び時間計測カウンタをクリアする処理である(S32)。また、発振波カウント処理は、第一発振回路2から出力される発振波の数をカウントし(S33)、該カウント数が所定数Nに達したか否かを判断する処理である(S34)。また、時間測定処理は、発振波のカウント数がNになったら、時間計測カウンタ値(第一方向透磁率検出値)を読み込む処理である(S35)。
【0033】
図7に示す第二方向透磁率検出処理では、第二発振回路3の駆動を開始した後(S41)、カウンタクリア処理(S42)と、発振波カウント処理(S43、S44)と、時間測定処理(S45)を実行し、その後に第二発振回路3の駆動を停止させる(S46)。カウンタクリア処理は、発振波カウンタ及び時間計測カウンタをクリアする処理である(S42)。また、発振波カウント処理は、第二発振回路3から出力される発振波の数をカウントし(S43)、該カウント数が所定数Nに達したか否かを判断する処理である(S44)。また、時間測定処理は、発振波のカウント数がNになったら、時間計測カウンタ値(第二方向透磁率検出値)を読み込む処理である(S45)。
【0034】
[本発明に係る磁歪式トルクセンサの特徴的な構成]
つぎに、本発明に係る磁歪式トルクセンサの特徴的な構成について、図8〜図10を参照して説明する。ただし、図1〜図7に示した磁歪式トルクセンサ1と共通の部分については、同一符号を付けることにより、前記説明を援用する。
【0035】
図8〜図10に示す磁歪式トルクセンサ11は、本発明の特徴的な構成を示すものであり、各発振回路2、3がそれぞれ複数の検出コイルL1、L2を備えている。具体的に説明すると、第一発振回路2は、直列(又は並列)に接続された複数(例えば、4つ)の第一検出コイルL1を備え、第二発振回路3は、直列(又は並列)に接続された複数(例えば、4つ)の第二検出コイルL2を備えている。このようにすると、第一検出コイルL1及び第二検出コイルL2を、軸表面にそれぞれ複数配置することにより、軸表面に存在する温度や材質のばらつき、さらには、検出コイルL1、L2と軸表面との間のギャップ変動などを平均化することができるので、これらの誤差要因による検出精度の低下を回避できる。
【0036】
図9及び図10に示すように、複数の第一検出コイルL1と複数の第二検出コイルL2は、回転軸Sの同一円周上に並ぶように配置される。このようにすると、軸表面の円周方向に存在する温度や材質のばらつき、さらには、検出コイルL1、L2と軸表面との間のギャップ変動などを平均化することができるのだけでなく、軸方向に存在する温度勾配の影響を最小化し、これらの誤差要因による検出精度の低下を回避できる。なお、複数の第一検出コイルL1及び複数の第二検出コイルL2は、環状のボビンBで所定の位置に保持される。ボビンBは、一体型でも良いし、分割型であっても良い。
【0037】
複数の第一検出コイルL1と複数の第二検出コイルL2を、回転軸Sの同一円周上に並ぶように配置する場合、図9に示すように、第一検出コイルL1の検出領域と第二検出コイルL2の検出領域とが交互になるような配置構成とすることができる。このようにすると、第一検出コイルL1の検出領域と第二検出コイルL2の検出領域とのズレに起因する誤差の発生を抑制できるだけでなく、この誤差を回転軸Sの回転にもとづいて排除することができる。
【0038】
また、複数の第一検出コイルL1と複数の第二検出コイルL2を、回転軸Sの同一円周上に並ぶように配置する場合、図10に示すように、第一検出コイルL1の検出領域と第二検出コイルL2の検出領域とが重なるような配置構成としてもよい。例えば、第一検出コイルL1と第二検出コイルL2の高さ寸法を相違させ、平面視で交差するように配置する。このようにすると、第一検出コイルL1の検出領域と第二検出コイルL2の検出領域とのズレに起因する誤差の発生を防止することができる。
【0039】
さらに、本発明の磁歪式トルクセンサ11では、複数の第一検出コイルL1と複数の第二検出コイルL2を、回転軸Sの周方向に並ぶように配置するにあたり、第一検出コイルL1及び第二検出コイルL2のコイルL1b、L2bを、第一検出コイルL1及び第二検出コイルL2のコアL1a、L2aが備える一対の脚部のうち、軸方向において同側の脚部に巻装し、回転軸Sの同一円周上に一列に並べている。このようにすると、第一検出コイルL1のコイル温度と、第二検出コイルL2のコイル温度との差に起因する検出誤差の発生を抑えることができる。
【0040】
つまり、第一検出コイルL1及び第二検出コイルL2のインダクタンスは、軸表面の透磁率変化に応じて変化するだけでなく、コイル自身の温度変化に応じて変化するため、第一検出コイルL1及び第二検出コイルL2のコイルL1b、L2bの位置が軸方向にズレていると、回転軸Sの軸方向に存在する温度勾配の影響を受け、検出精度が低下する可能性があるが、本発明においては、第一検出コイルL1及び第二検出コイルL2のコイルL1b、L2bを、回転軸Sの同一円周上に一列に並ぶように配置したので、回転軸Sの軸方向に存在する温度勾配の影響を排除し、検出精度を向上させることができる。また、第一検出コイルL1及び第二検出コイルL2のコイルL1b、L2bをコアL1a、L1aの脚部に巻装すると、コイルL1b、L2bが軸表面に近づき、軸の表面温度の影響を受けやすくなるが、トルク検出対象が回転軸Sである場合は、軸の回転に応じてコイルL1b、L2bの温度が平均化されるので、温度誤差をさらに小さくすることができる。
【図面の簡単な説明】
【0041】
【図1】本発明に係る磁歪式トルクセンサの基本的な構成を示すブロック図である。
【図2】発振波の位相ズレ蓄積作用(検出波形始端部を拡大)を示す説明図である。
【図3】発振波の位相ズレ蓄積作用(検出波形終端部を拡大)を示す説明図である。
【図4】検出回路におけるトルク検出処理の処理手順を示すフローチャートである。
【図5】検出回路における設定数変更処理の処理手順を示すフローチャートである。
【図6】検出回路における第一方向透磁率検出処理の処理手順を示すフローチャートである。
【図7】検出回路における第二方向透磁率検出処理の処理手順を示すフローチャートである。
【図8】本発明に係る磁歪式トルクセンサの特徴的な構成を示すブロック図である。
【図9】(A)は検出コイルの第一の配置例を示す展開平面図、(B)は検出コイルの第一の配置例を示す側面図である。
【図10】(A)は検出コイルの第二の配置例を示す展開平面図、(B)は検出コイルの第二の配置例を示す側面図である。
【符号の説明】
【0042】
1、11 磁歪式トルクセンサ
2 第一発振回路
3 第二発振回路
4 検出回路
L1 第一検出コイル
L1a コア
L1b コイル
L2 第二検出コイル
L2a コア
L2b コイル
S 回転軸
【特許請求の範囲】
【請求項1】
軸表面に生じる磁歪の逆効果を利用して回転軸及び/又は静止軸のトルクを検出する磁歪式トルクセンサであって、
前記軸表面において第一方向の透磁率変化を検出すべく配置され、当該透磁率変化をインダクタンスの変化として検出する複数の第一検出コイルと、
前記軸表面において第二方向の透磁率変化を検出すべく配置され、当該透磁率変化をインダクタンスの変化として検出する複数の第二検出コイルと、
前記第一検出コイルのインダクタンス変化に応じて発振波に位相ズレを生じさせる第一発振回路と、
前記第二検出コイルのインダクタンス変化に応じて発振波に位相ズレを生じさせる第二発振回路と、
前記第一発振回路から出力される複数の発振波をカウントし、該カウント数が所定数Nに達したか否かを判断する発振波カウント処理を行い、該発振波カウント処理に要した時間測定にもとづいて、前記第一方向の透磁率変化を検出する第一方向透磁率検出手段と、
前記第二発振回路から出力される複数の発振波をカウントし、該カウント数が所定数Nに達したか否かを判断する発振波カウント処理を行い、該発振波カウント処理に要した時間測定にもとづいて、前記第二方向の透磁率変化を検出する第二方向透磁率検出手段と、
前記第一方向の透磁率と前記第二方向の透磁率との差分にもとづいて、前記回転軸及び/又は静止軸のトルクを検出するトルク検出手段とを備え、
複数の前記第一検出コイルは、それぞれ、軸表面における検出領域及び検出方向を限定するために、軸表面との間で閉磁路を構成する逆U字状のコアと、該コアに巻装されるコイルとを備えて構成されると共に、コイル同士が直列又は並列に接続され、
複数の前記第二検出コイルは、それぞれ、軸表面における検出領域及び検出方向を限定するために、軸表面との間で閉磁路を構成する逆U字状のコアと、該コアに巻装されるコイルとを備えて構成されると共に、コイル同士が直列又は並列に接続され、
複数の前記第一検出コイルと複数の前記第二検出コイルは、回転軸及び/又は静止軸の周方向に並ぶように配置され、
さらに、前記第一検出コイル及び前記第二検出コイルのコイルは、前記第一検出コイル及び前記第二検出コイルのコアが備える一対の脚部のうち、軸方向において同側の脚部に巻装されて、回転軸及び/又は静止軸の同一円周上に一列に並ぶ
ことを特徴とする磁歪式トルクセンサ。
【請求項1】
軸表面に生じる磁歪の逆効果を利用して回転軸及び/又は静止軸のトルクを検出する磁歪式トルクセンサであって、
前記軸表面において第一方向の透磁率変化を検出すべく配置され、当該透磁率変化をインダクタンスの変化として検出する複数の第一検出コイルと、
前記軸表面において第二方向の透磁率変化を検出すべく配置され、当該透磁率変化をインダクタンスの変化として検出する複数の第二検出コイルと、
前記第一検出コイルのインダクタンス変化に応じて発振波に位相ズレを生じさせる第一発振回路と、
前記第二検出コイルのインダクタンス変化に応じて発振波に位相ズレを生じさせる第二発振回路と、
前記第一発振回路から出力される複数の発振波をカウントし、該カウント数が所定数Nに達したか否かを判断する発振波カウント処理を行い、該発振波カウント処理に要した時間測定にもとづいて、前記第一方向の透磁率変化を検出する第一方向透磁率検出手段と、
前記第二発振回路から出力される複数の発振波をカウントし、該カウント数が所定数Nに達したか否かを判断する発振波カウント処理を行い、該発振波カウント処理に要した時間測定にもとづいて、前記第二方向の透磁率変化を検出する第二方向透磁率検出手段と、
前記第一方向の透磁率と前記第二方向の透磁率との差分にもとづいて、前記回転軸及び/又は静止軸のトルクを検出するトルク検出手段とを備え、
複数の前記第一検出コイルは、それぞれ、軸表面における検出領域及び検出方向を限定するために、軸表面との間で閉磁路を構成する逆U字状のコアと、該コアに巻装されるコイルとを備えて構成されると共に、コイル同士が直列又は並列に接続され、
複数の前記第二検出コイルは、それぞれ、軸表面における検出領域及び検出方向を限定するために、軸表面との間で閉磁路を構成する逆U字状のコアと、該コアに巻装されるコイルとを備えて構成されると共に、コイル同士が直列又は並列に接続され、
複数の前記第一検出コイルと複数の前記第二検出コイルは、回転軸及び/又は静止軸の周方向に並ぶように配置され、
さらに、前記第一検出コイル及び前記第二検出コイルのコイルは、前記第一検出コイル及び前記第二検出コイルのコアが備える一対の脚部のうち、軸方向において同側の脚部に巻装されて、回転軸及び/又は静止軸の同一円周上に一列に並ぶ
ことを特徴とする磁歪式トルクセンサ。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【公開番号】特開2009−31250(P2009−31250A)
【公開日】平成21年2月12日(2009.2.12)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2008−219(P2008−219)
【出願日】平成20年1月6日(2008.1.6)
【出願人】(591123274)株式会社アヅマシステムズ (31)
【公開日】平成21年2月12日(2009.2.12)
【国際特許分類】
【出願日】平成20年1月6日(2008.1.6)
【出願人】(591123274)株式会社アヅマシステムズ (31)
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