磁歪式トルクセンサ
【課題】検出コイルを可及的に多極化する。
【解決手段】軸表面に生じる磁歪の逆効果を利用して回転軸Ｓのトルクを検出する磁歪式トルクセンサ１１であって、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の周方向に沿って２列に並ぶように配置され、回転軸Ｓの周方向においては、第一検出コイルＬ１と第二検出コイルＬ２とが交互に並び、かつ、回転軸Ｓの軸方向においては、第一検出コイルＬ１と第二検出コイルＬ２とが並ぶように構成する。
【解決手段】軸表面に生じる磁歪の逆効果を利用して回転軸Ｓのトルクを検出する磁歪式トルクセンサ１１であって、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の周方向に沿って２列に並ぶように配置され、回転軸Ｓの周方向においては、第一検出コイルＬ１と第二検出コイルＬ２とが交互に並び、かつ、回転軸Ｓの軸方向においては、第一検出コイルＬ１と第二検出コイルＬ２とが並ぶように構成する。
【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、金属（磁歪膜）にひずみが発生した場合に、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ひずみ現象であり、磁歪式トルクセンサは、軸表面の透磁率変化をインダクタンスの変化として検出する検出コイルを備えて構成されている。
【０００３】
磁歪式トルクセンサは、軸表面に磁気異方性を付与しないタイプ（例えば、特許文献１参照）と、軸表面に磁気異方性を付与するタイプ（例えば、特許文献２、３参照）に分類することができる。例えば、後者は、回転軸の二つの外周領域に、それぞれ＋４５°と−４５°の磁気異方性を付与すると共に、各外周領域に対向して一対のソレノイド型検出コイルを配置し、これらの検出コイル間に生じる差動電圧を出力するように構成される。つまり、回転軸にトルクを加えると、磁歪の逆効果により各外周領域の透磁率が背反的に変化するため、検出コイル間に差動電圧が生じ、トルクに比例した出力が得られる。
【０００４】
しかしながら、従来の磁歪式トルクセンサにおいては、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、この差動電圧をアンプで多段階に増幅しているため、ノイズの影響を受けやすく、高精度な検出が困難であった。
【０００５】
また、特許文献２、３に示される方式の磁歪式トルクセンサは、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では適用が困難であった。しかも、この方式の磁歪式トルクセンサは、一対のソレノイド型検出コイルによる軸表面の透磁率検出領域が軸方向にずれているので、軸表面に軸方向の温度勾配が存在する場合、一対のソレノイド型検出コイル間の温度誤差が顕著となり、検出精度が著しく低下してしまうという問題がある。これは、トルク検出対象となる回転軸の一端側にエンジンなどの熱源が接続される用途（例えば、自動車や船舶におけるパワートレインのトルク検出）には適用できないことを意味している。
【０００６】
一方、特許文献１に示される方式の磁歪式トルクセンサでは、検出コイル（コア）が軸表面との間で閉磁路を構成し、軸表面における透磁率の検出方向及び検出領域を限定するので、軸表面に対する磁気異方部の加工が不要であるが、軸表面における周方向の一部の領域で透磁率変化を検出するため、回転軸のトルク検出に適用すると、軸表面の周方向に存在する誤差要因の影響を大きく受けてしまうという問題が発生する。なお、軸表面の周方向に存在する主な誤差要因としては、回転軸の母材や磁歪膜に存在する材質のばらつきや、回転に伴う軸表面とコアとのギャップ変動などが挙げられる。また、この方式の磁歪式トルクセンサでは、一対の検出コイルにおいてコア形状が相違するため、磁路長の差などに起因し、一対の検出コイル間に検出誤差が生じる可能性がある。
【０００７】
そこで、本出願人は、上記のような問題を解決することができる新方式の磁歪式トルクセンサを過去に提案した（特許文献４参照）。この磁歪式トルクセンサは、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第一検出コイルと、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第二検出コイルと、所定の基準周波数で自律的に発振すると共に、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、所定の基準周波数で自律的に発振すると共に、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、前記回転軸のトルクを検出するトルク検出手段とを備えることを特徴とする。
【０００８】
このような磁歪式トルクセンサによれば、トルク検出精度を飛躍的に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】
さらに、特許文献４の図９に示すように、複数の第一検出コイルと複数の第二検出コイルを、回転軸の同一円周上に並べて配置すれば、軸表面の円周方向に存在する材質のばらつきや、検出コイルと軸表面との間のギャップ変動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。また、第一検出コイルの検出領域と第二検出コイルの検出領域とが交互になるように配置すれば、第一検出コイルの検出領域と第二検出コイル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。また、このような配置構成では、コアを交差状に配置する必要がないので、第一検出コイル及び第二検出コイルにおいて同一形状のコアを用いることができる。
【特許文献１】特開２００１−１３３３３７号公報
【特許文献２】特開平７−８３７６９号公報
【特許文献３】特開平１１−３７８６３号公報
【特許文献４】ＷＯ／２００８／０８１５７３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
ところで、特許文献４に示される方式の磁歪式トルクセンサでは、発振波のカウント数Ｎを増やすだけで、検出精度を容易に向上させることが可能であるが、単純に発振波のカウント数Ｎを増やすと、蓄積されるノイズ成分も増えるため、Ｓ／Ｎ比の向上が重要となる。特に、軸表面の周方向に存在する誤差要因の影響が大きいため、これを可及的に小さくすることが要求される。
【００１１】
上記の問題に対しては、検出コイルの多極化、すなわち検出コイルの数を増やすことが有効であるが、周方向に並べられる検出コイルの数には限りがあるため、それ以上の多極化は困難であった。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
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、回転軸の周方向に沿って２列に並ぶように配置され、回転軸の周方向においては、前記第一検出コイルと前記第二検出コイルとが交互に並び、かつ、回転軸の軸方向においては、前記第一検出コイルと前記第二検出コイルとが並ぶことを特徴とする。
このようにすれば、複数の第一検出コイルと複数の第二検出コイルは、回転軸の周方向に沿って２列に並ぶように配置されるので、１列に並べて配置する場合に比して、検出コイルの多極化が図れる。また、回転軸の周方向においては、第一検出コイルと第二検出コイルとが交互に並ぶようにしたので、第一検出コイルの検出領域と第二検出コイル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。またさらに、回転軸の軸方向においては、第一検出コイルと第二検出コイルとが並ぶようにしたので、複数の第一検出コイルと複数の第二検出コイルを、回転軸の周方向に沿って２列に並ぶように配置したものでありながら、軸表面の軸方向に存在する温度勾配の影響を抑制することができる。
つまり、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を、回転軸の周方向に沿って２列に並ぶように配置するにあたり、回転軸の周方向においては、前記第一検出コイルと前記第二検出コイルとが交互に並び、かつ、回転軸の軸方向においては、前記第一検出コイルと前記第二検出コイルとが並ぶように配置すると、２列の間を通る中心線を跨いで、複数の第一検出コイルと複数の第二検出コイルが、それぞれ、ジグザグ状に振り分けられると共に、２列の間を通る中心線を対称軸として、複数の第一検出コイルと複数の第二検出コイルが線対称に配置されることになるので、複数の第一検出コイルと複数の第二検出コイルが、軸表面の軸方向に存在する温度勾配の影響を互いに相殺し、温度勾配による検出精度の低下を可及的に排除することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
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。
【００１４】
［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。
【００１５】
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。
【００１６】
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、逆Ｖ字形、Ｅ字形のコアも本発明に適用することができる。
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
検出回路４は、例えば、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、Ｉ／Ｏ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で構成してもよい。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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）。
【００３３】
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）。
【００３４】
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）。
【００３５】
［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１１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。
【００３６】
図８〜図１１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、１２個）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、１２個）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。
【００３７】
尚、図９〜図１１に示す検出コイルＬ１、Ｌ２のコア２ａ、３ａは、図１に示すものに比して、幅寸法Ｗ（例えば、４ｍｍ）を広くし、かつ、脚間距離Ｌ（例えば、２ｍｍ）を狭くしてある。このようにすると、コア２ａ、３ａの脚間に交流磁界を集中的に発生させ、トルク変動に伴う僅かな透磁率変化を高精度に検出することが可能になる。また、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、環状のホルダＨで所定の位置に保持される。ホルダＨは、一体型でも良いし、分割型であっても良い。
【００３８】
図１０及び図１１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の周方向に沿って２列に並ぶように配置される。このようにすると、１列に並べて配置する場合に比して、検出コイルＬ１、Ｌ２の多極化が図れる。
【００３９】
また、回転軸Ｓの周方向においては、第一検出コイルＬ１と第二検出コイルＬ２とが交互に並ぶように配置してある。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。
【００４０】
またさらに、回転軸Ｓの軸方向においては、第一検出コイルＬ１と第二検出コイルＬ２とが並ぶように配置してある。このようにすると、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の周方向に沿って２列に並ぶように配置したものでありながら、軸表面の軸方向に存在する温度勾配の影響を抑制することができる。
【００４１】
つまり、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の周方向に沿って２列に並ぶように配置するにあたり、回転軸Ｓの周方向においては、第一検出コイルＬ１と第二検出コイルＬ２とが交互に並び、かつ、回転軸Ｓの軸方向においては、第一検出コイルＬ１と第二検出コイルＬ２とが並ぶように配置すると、２列の間を通る中心線ＣＬを跨いで、複数の第一検出コイルＬ１と複数の第二検出コイルＬ２が、それぞれ、ジグザグ状に振り分けられると共に、２列の間を通る中心線ＣＬを対称軸として、複数の第一検出コイルＬ１と複数の第二検出コイルＬ２が線対称に配置されることになるので、複数の第一検出コイルＬ１と複数の第二検出コイルＬ２が、軸表面の軸方向に存在する温度勾配の影響を互いに相殺し、温度勾配による検出精度の低下を可及的に排除することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【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）は検出コイルの上面図、（Ｂ）は検出コイルの正面図、（Ｃ）は検出コイルの下面図、（Ｄ）は検出コイルの側面図である。
【図１０】検出コイルの配置例を示す展開平面図である。
【図１１】検出コイルの配置例を示す側面図である。
【符号の説明】
【００４３】
１ 磁歪式トルクセンサ
２ 第一発振回路
２ａ コア
３ 第二発振回路
３ａ コア
４ 検出回路
１１ 磁歪式トルクセンサ
Ｌ１ 第一検出コイル
Ｌ２ 第二検出コイル
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、金属（磁歪膜）にひずみが発生した場合に、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ひずみ現象であり、磁歪式トルクセンサは、軸表面の透磁率変化をインダクタンスの変化として検出する検出コイルを備えて構成されている。
【０００３】
磁歪式トルクセンサは、軸表面に磁気異方性を付与しないタイプ（例えば、特許文献１参照）と、軸表面に磁気異方性を付与するタイプ（例えば、特許文献２、３参照）に分類することができる。例えば、後者は、回転軸の二つの外周領域に、それぞれ＋４５°と−４５°の磁気異方性を付与すると共に、各外周領域に対向して一対のソレノイド型検出コイルを配置し、これらの検出コイル間に生じる差動電圧を出力するように構成される。つまり、回転軸にトルクを加えると、磁歪の逆効果により各外周領域の透磁率が背反的に変化するため、検出コイル間に差動電圧が生じ、トルクに比例した出力が得られる。
【０００４】
しかしながら、従来の磁歪式トルクセンサにおいては、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、この差動電圧をアンプで多段階に増幅しているため、ノイズの影響を受けやすく、高精度な検出が困難であった。
【０００５】
また、特許文献２、３に示される方式の磁歪式トルクセンサは、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では適用が困難であった。しかも、この方式の磁歪式トルクセンサは、一対のソレノイド型検出コイルによる軸表面の透磁率検出領域が軸方向にずれているので、軸表面に軸方向の温度勾配が存在する場合、一対のソレノイド型検出コイル間の温度誤差が顕著となり、検出精度が著しく低下してしまうという問題がある。これは、トルク検出対象となる回転軸の一端側にエンジンなどの熱源が接続される用途（例えば、自動車や船舶におけるパワートレインのトルク検出）には適用できないことを意味している。
【０００６】
一方、特許文献１に示される方式の磁歪式トルクセンサでは、検出コイル（コア）が軸表面との間で閉磁路を構成し、軸表面における透磁率の検出方向及び検出領域を限定するので、軸表面に対する磁気異方部の加工が不要であるが、軸表面における周方向の一部の領域で透磁率変化を検出するため、回転軸のトルク検出に適用すると、軸表面の周方向に存在する誤差要因の影響を大きく受けてしまうという問題が発生する。なお、軸表面の周方向に存在する主な誤差要因としては、回転軸の母材や磁歪膜に存在する材質のばらつきや、回転に伴う軸表面とコアとのギャップ変動などが挙げられる。また、この方式の磁歪式トルクセンサでは、一対の検出コイルにおいてコア形状が相違するため、磁路長の差などに起因し、一対の検出コイル間に検出誤差が生じる可能性がある。
【０００７】
そこで、本出願人は、上記のような問題を解決することができる新方式の磁歪式トルクセンサを過去に提案した（特許文献４参照）。この磁歪式トルクセンサは、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第一検出コイルと、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第二検出コイルと、所定の基準周波数で自律的に発振すると共に、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、所定の基準周波数で自律的に発振すると共に、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、前記回転軸のトルクを検出するトルク検出手段とを備えることを特徴とする。
【０００８】
このような磁歪式トルクセンサによれば、トルク検出精度を飛躍的に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】
さらに、特許文献４の図９に示すように、複数の第一検出コイルと複数の第二検出コイルを、回転軸の同一円周上に並べて配置すれば、軸表面の円周方向に存在する材質のばらつきや、検出コイルと軸表面との間のギャップ変動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。また、第一検出コイルの検出領域と第二検出コイルの検出領域とが交互になるように配置すれば、第一検出コイルの検出領域と第二検出コイル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。また、このような配置構成では、コアを交差状に配置する必要がないので、第一検出コイル及び第二検出コイルにおいて同一形状のコアを用いることができる。
【特許文献１】特開２００１−１３３３３７号公報
【特許文献２】特開平７−８３７６９号公報
【特許文献３】特開平１１−３７８６３号公報
【特許文献４】ＷＯ／２００８／０８１５７３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
ところで、特許文献４に示される方式の磁歪式トルクセンサでは、発振波のカウント数Ｎを増やすだけで、検出精度を容易に向上させることが可能であるが、単純に発振波のカウント数Ｎを増やすと、蓄積されるノイズ成分も増えるため、Ｓ／Ｎ比の向上が重要となる。特に、軸表面の周方向に存在する誤差要因の影響が大きいため、これを可及的に小さくすることが要求される。
【００１１】
上記の問題に対しては、検出コイルの多極化、すなわち検出コイルの数を増やすことが有効であるが、周方向に並べられる検出コイルの数には限りがあるため、それ以上の多極化は困難であった。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
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、回転軸の周方向に沿って２列に並ぶように配置され、回転軸の周方向においては、前記第一検出コイルと前記第二検出コイルとが交互に並び、かつ、回転軸の軸方向においては、前記第一検出コイルと前記第二検出コイルとが並ぶことを特徴とする。
このようにすれば、複数の第一検出コイルと複数の第二検出コイルは、回転軸の周方向に沿って２列に並ぶように配置されるので、１列に並べて配置する場合に比して、検出コイルの多極化が図れる。また、回転軸の周方向においては、第一検出コイルと第二検出コイルとが交互に並ぶようにしたので、第一検出コイルの検出領域と第二検出コイル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。またさらに、回転軸の軸方向においては、第一検出コイルと第二検出コイルとが並ぶようにしたので、複数の第一検出コイルと複数の第二検出コイルを、回転軸の周方向に沿って２列に並ぶように配置したものでありながら、軸表面の軸方向に存在する温度勾配の影響を抑制することができる。
つまり、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を、回転軸の周方向に沿って２列に並ぶように配置するにあたり、回転軸の周方向においては、前記第一検出コイルと前記第二検出コイルとが交互に並び、かつ、回転軸の軸方向においては、前記第一検出コイルと前記第二検出コイルとが並ぶように配置すると、２列の間を通る中心線を跨いで、複数の第一検出コイルと複数の第二検出コイルが、それぞれ、ジグザグ状に振り分けられると共に、２列の間を通る中心線を対称軸として、複数の第一検出コイルと複数の第二検出コイルが線対称に配置されることになるので、複数の第一検出コイルと複数の第二検出コイルが、軸表面の軸方向に存在する温度勾配の影響を互いに相殺し、温度勾配による検出精度の低下を可及的に排除することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
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。
【００１４】
［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。
【００１５】
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。
【００１６】
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、逆Ｖ字形、Ｅ字形のコアも本発明に適用することができる。
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
検出回路４は、例えば、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、Ｉ／Ｏ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で構成してもよい。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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）。
【００３３】
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）。
【００３４】
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）。
【００３５】
［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１１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。
【００３６】
図８〜図１１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、１２個）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、１２個）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。
【００３７】
尚、図９〜図１１に示す検出コイルＬ１、Ｌ２のコア２ａ、３ａは、図１に示すものに比して、幅寸法Ｗ（例えば、４ｍｍ）を広くし、かつ、脚間距離Ｌ（例えば、２ｍｍ）を狭くしてある。このようにすると、コア２ａ、３ａの脚間に交流磁界を集中的に発生させ、トルク変動に伴う僅かな透磁率変化を高精度に検出することが可能になる。また、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、環状のホルダＨで所定の位置に保持される。ホルダＨは、一体型でも良いし、分割型であっても良い。
【００３８】
図１０及び図１１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の周方向に沿って２列に並ぶように配置される。このようにすると、１列に並べて配置する場合に比して、検出コイルＬ１、Ｌ２の多極化が図れる。
【００３９】
また、回転軸Ｓの周方向においては、第一検出コイルＬ１と第二検出コイルＬ２とが交互に並ぶように配置してある。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。
【００４０】
またさらに、回転軸Ｓの軸方向においては、第一検出コイルＬ１と第二検出コイルＬ２とが並ぶように配置してある。このようにすると、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の周方向に沿って２列に並ぶように配置したものでありながら、軸表面の軸方向に存在する温度勾配の影響を抑制することができる。
【００４１】
つまり、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の周方向に沿って２列に並ぶように配置するにあたり、回転軸Ｓの周方向においては、第一検出コイルＬ１と第二検出コイルＬ２とが交互に並び、かつ、回転軸Ｓの軸方向においては、第一検出コイルＬ１と第二検出コイルＬ２とが並ぶように配置すると、２列の間を通る中心線ＣＬを跨いで、複数の第一検出コイルＬ１と複数の第二検出コイルＬ２が、それぞれ、ジグザグ状に振り分けられると共に、２列の間を通る中心線ＣＬを対称軸として、複数の第一検出コイルＬ１と複数の第二検出コイルＬ２が線対称に配置されることになるので、複数の第一検出コイルＬ１と複数の第二検出コイルＬ２が、軸表面の軸方向に存在する温度勾配の影響を互いに相殺し、温度勾配による検出精度の低下を可及的に排除することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【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）は検出コイルの上面図、（Ｂ）は検出コイルの正面図、（Ｃ）は検出コイルの下面図、（Ｄ）は検出コイルの側面図である。
【図１０】検出コイルの配置例を示す展開平面図である。
【図１１】検出コイルの配置例を示す側面図である。
【符号の説明】
【００４３】
１ 磁歪式トルクセンサ
２ 第一発振回路
２ａ コア
３ 第二発振回路
３ａ コア
４ 検出回路
１１ 磁歪式トルクセンサ
Ｌ１ 第一検出コイル
Ｌ２ 第二検出コイル
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、回転軸の周方向に沿って２列に並ぶように配置され、
回転軸の周方向においては、前記第一検出コイルと前記第二検出コイルとが交互に並び、かつ、回転軸の軸方向においては、前記第一検出コイルと前記第二検出コイルとが並ぶ
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、回転軸の周方向に沿って２列に並ぶように配置され、
回転軸の周方向においては、前記第一検出コイルと前記第二検出コイルとが交互に並び、かつ、回転軸の軸方向においては、前記第一検出コイルと前記第二検出コイルとが並ぶ
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１１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【公開番号】特開２０１０−１４５０９９（Ｐ２０１０−１４５０９９Ａ）
【公開日】平成２２年７月１日（２０１０．７．１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−３１９３１１（Ｐ２００８−３１９３１１）
【出願日】平成２０年１２月１６日（２００８．１２．１６）
【出願人】（５９１１２３２７４）株式会社アヅマシステムズ (31)
【公開日】平成２２年７月１日（２０１０．７．１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年１２月１６日（２００８．１２．１６）
【出願人】（５９１１２３２７４）株式会社アヅマシステムズ (31)
[ Back to top ]