(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
トルク伝達軸の外周面に対し、トルク作用状態で透磁率が相互に逆方向に変化する第１及び第２の磁歪膜を形成し、その第１及び第２の磁歪膜の透磁率変化を検出する第１のコイル及び第２のコイルを設け、この第１及び第２のコイルを備えて上記透磁率の変化からトルクを検出する検出回路を備えたものにおいて、
前記検出回路は、
前記第１のコイルと抵抗との直列回路と、前記第２のコイルと抵抗との直列回路とを並列に接続したブリッジ回路と、
このブリッジ回路に流れる電流を検出して電流を一定化する定電流供給手段と、
前記ブリッジ回路に流す電流を断続的にスイッチングして該ブリッジ回路に高周波電流を流すスイッチング手段と、
前記ブリッジ回路の各直列回路の中点の電圧を差動増幅してトルクに応じた信号を出力する差動増幅器とを備えて構成されていることを特徴とするトルクセンサ。
【請求項２】
トルク伝達軸の外周面に対し、トルク作用状態で透磁率が相互に逆方向に変化する第１及び第２の磁歪膜を形成し、その第１及び第２の磁歪膜の透磁率変化を検出する第１のコイル及び第２のコイルを設け、この第１及び第２のコイルを備えて上記透磁率の変化からトルクを検出する検出回路を備えたものにおいて、
前記検出回路は、
前記第１のコイルと抵抗との直列回路と、前記第２のコイルと抵抗との直列回路とを並列に接続したブリッジ回路と、
前記ブリッジ回路に流す電流を断続的にスイッチングして該ブリッジ回路に高周波電流を流すスイッチング手段と、
前記ブリッジ回路の各直列回路の中点の電圧を差動増幅してトルクに応じた信号を出力する差動増幅器と、
前記スイッチング手段から前記ブリッジ回路の各直列回路の中点との間に介在された負の温度・抵抗特性をもつ感熱素子と
を備えて構成されていることを特徴とするトルクセンサ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、トルク伝達軸の外周面に磁歪膜を形成すると共にこの磁歪膜の透磁率変化を検出するコイルを備えたトルクセンサに関する。
【０００２】
【発明が解決しようとする課題】
図９には、トルクセンサにおける機械的構成部分を簡略化して示している。トルク伝達軸１の外周面には、短冊形状をなす複数個の第１の磁歪膜２が軸心に対して４５°傾斜した状態（相互に平行）で形成されていると共に、同じく短冊形状をなす複数個の第２の磁歪膜３が前記第１の磁歪膜２とは９０°ずれた状態（相互に平行）で形成されている。このような配置とされた結果、トルク伝達軸１にトルクが作用した状態では、磁歪膜２及び３の一方に圧縮力、他方に引っ張り力が働くようになり、その結果、逆磁歪効果により磁歪膜２及び３の一方の透磁率が増加し、他方の透磁率が低下するようになる。なお、実際には、各磁歪膜２及び３は、図９に示した状態より高密度に形成される。
【０００３】
このような透磁率変化を検出するために、周知のセンサヘッド４が設けられている。なお、このセンサヘッド４は、第１の磁歪膜２の周囲にこれと所定のギャップを存した状態で同軸状に配置された第１のコイル５と、第２の磁歪膜３の周囲にこれと所定のギャップを存した状態で同軸状に配置された第２のコイル６とから構成されている。
【０００４】
図１０には、上記透磁率の変化からトルクを検出するための検出回路７の構成を示している。この検出回路７は、前記第１のコイル５と抵抗７との直列回路８と、前記第２のコイル６と抵抗９との直列回路１０とを並列に接続したブリッジ回路１１と、このブリッジ回路１１に流す電流を断続的にスイッチングして該ブリッジ回路１１に高周波電流を流すスイッチング手段１２とを有して構成されている。
【０００５】
このスイッチング手段１２は、スイッチング素子１２ａとこれを高周波数でオンオフ駆動する駆動回路１２ｂとから構成されている。
そして、前記ブリッジ回路１１の各直列回路８、１０の中点８ａ、１０ａの電圧を差動増幅器１３で差動増幅し、整流回路１４で整流化する。この整流回路１４を経て出力される信号Ts（電圧レベル）はトルクに応じた信号となる。
【０００６】
ところで、一般的に銅線により形成される第１及び第２のコイル２及び３は、その等価回路を示す図１１から分かるように内部抵抗R0を有するものであり、一定の直流電源Vdから高周波電流を供給する第１０図の回路においては、温度が高くなると抵抗R0の抵抗値が高くなり、供給電流が減少し、検出回路１４の出力信号Tsのレベルが小さくなってしまう。
このように従来のトルクセンサでは、温度変化があるような環境では、トルク検出精度が悪くなるといった問題があった。
【０００７】
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、周囲温度が変化してもトルク検出精度が低下することのないトルクセンサを提供するにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明は、トルク伝達軸の外周面に対し、トルク作用状態で透磁率が相互に逆方向に変化する第１及び第２の磁歪膜を形成し、その第１及び第２の磁歪膜の透磁率変化を検出する第１のコイル及び第２のコイルを設け、この第１及び第２のコイルを備えて上記透磁率の変化からトルクを検出する検出回路を備えたものにおいて、
前記検出回路は、
前記第１のコイルと抵抗との直列回路と、前記第２のコイルと抵抗との直列回路とを並列に接続したブリッジ回路と、
このブリッジ回路に流れる電流を検出して電流を一定化する定電流供給手段と、
前記ブリッジ回路に流す電流を断続的にスイッチングして該ブリッジ回路に高周波電流を流すスイッチング手段と、
前記ブリッジ回路の各直列回路の中点の電圧を差動増幅してトルクに応じた信号を出力する差動増幅器とを備えて構成されているところに特徴を有する。
【０００９】
この請求項１の発明においては、ブリッジ回路に流れる電流を検出してこのブリッジ回路に流す電流を一定化するので、周囲温度の変化により第１及び第２のコイルの内部抵抗値が変化しても、ブリッジ回路に常に一定の電流が流れるようになり、もって、周囲温度が変化してもトルク検出精度が低下するようなことがない。
【００１０】
請求項２の発明は、トルク伝達軸の外周面に対し、トルク作用状態で透磁率が相互に逆方向に変化する第１及び第２の磁歪膜を形成し、その第１及び第２の磁歪膜の透磁率変化を検出する第１のコイル及び第２のコイルを設け、この第１及び第２のコイルを備えて上記透磁率の変化からトルクを検出する検出回路を備えたものにおいて、
前記検出回路は、
前記第１のコイルと抵抗との直列回路と、前記第２のコイルと抵抗との直列回路とを並列に接続したブリッジ回路と、
前記ブリッジ回路に流す電流を断続的にスイッチングして該ブリッジ回路に高周波電流を流すスイッチング手段と、
前記ブリッジ回路の各直列回路の中点の電圧を差動増幅してトルクに応じた信号を出力する差動増幅器と、
前記スイッチング手段から前記ブリッジ回路の各直列回路の中点との間に介在された負の温度・抵抗特性をもつ感熱素子と
を備えて構成されているところに特徴を有する。
【００１１】
この請求項２の発明においては、スイッチング手段から前記ブリッジ回路の各直列回路の中点との間に、負の温度・抵抗特性をもつ感熱素子を介在させているから、周囲温度が上昇して第１及び第２のコイルの内部抵抗値が大きくなっても感熱素子の抵抗値が減少するから、ブリッジ回路に常に一定の電流が流れるようになって、トルク検出精度が低下するようなことがない。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の第１の実施例につき図１ないし図３を参照して説明する。まず、図３においては、トルクセンサにおける機械的構成部分を簡略化して示している。トルク伝達軸２１の外周面には、短冊形状をなす複数個の第１の磁歪膜２２が軸心に対して４５°傾斜した状態（相互に平行）で形成されていると共に、同じく短冊形状をなす複数個の第２の磁歪膜２３が前記第１の磁歪膜２２とは９０°ずれた状態（相互に平行）で形成されている。このような配置とされた結果、トルク伝達軸２１にトルクが作用した状態では、磁歪膜２２及び２３の一方に圧縮力、他方に引っ張り力が働くようになり、その結果、逆磁歪効果により磁歪膜２２及び２３の一方の透磁率が増加し、他方の透磁率が低下するようになる。なお、実際には、各磁歪膜２２及び２３は、図３に示した状態より高密度に形成される。
【００１５】
このような透磁率変化を検出するために、周知のセンサヘッド２４が設けられている。なお、このセンサヘッド２４は、第１の磁歪膜２２の周囲にこれと所定のギャップを存した状態で同軸状に配置された第１のコイル２５と、第２の磁歪膜２３の周囲にこれと所定のギャップを存した状態で同軸状に配置された第２のコイル２６とから構成されている。
【００１６】
図１には、上記透磁率の変化からトルクを検出するための検出回路２７の構成を示している。この検出回路２７において、ブリッジ回路２８は、前記第１のコイル２５と抵抗２９との直列回路３０と、前記第２のコイル２６と抵抗３１との直列回路３２とを並列に接続して構成されている。このブリッジ回路２８の各直列回路３０、３２の各中点３０ａ、３２ａは差動増幅器３３の各入力端子に接続されており、この差動増幅器３３は、各直列回路３０、３２の中点３０ａ、３２ａの電圧を差動増幅して出力する。この出力は整流回路３４にて整流される。この整流回路３４を経て出力される信号Ts（電圧レベル）はトルクに応じた信号となる。
【００１７】
前記ブリッジ回路２８には定電流供給手段たる定電流供給回路３５から一定の電流が供給されるようになっている。この定電流供給回路３５において、ブリッジ回路２８とアースとの間には、該ブリッジ回路２８に流れる電流を検出するための検出抵抗３６が接続されており、この検出抵抗３６により検出された電圧（地点ａ）は図２（ａ）に示す波形となる。この検出電圧は抵抗３７及びコンデンサ３８により平滑平均化され（その波形（地点ｂ）を図２（ｂ）に示す）、この平滑電圧は演算増幅器３９の反転入力端子（−）に与えられる。この演算増幅器３９は、この平滑電圧はその非反転入力端子（＋）に入力される基準電圧設定回路４０からの設定電圧と比較し、両者の差を、常にほぼゼロに近づけるように動作し、ＮＰＮ形のトランジスタ４１のコレクタ電流を制御してＰＮＰ形のトランジスタ４２のベース電流を制御する。これによりトランジスタ４２のコレクタ電流である供給電流Idが一定値に制御され、定電流電源として、動作する。
【００１８】
上記供給電流Idはスイッチング手段たるスイッチング回路４３により高周波電流とされて前記ブリッジ回路２８に供給される。このスイッチング回路４３は、スイッチング素子としてＰＮＰ形のトランジスタ４４と、駆動回路４５とを備えて構成されている。この駆動回路４５は、前記トランジスタ４４をオンオフ制御するＮＰＮ形のトランジスタ４６を備え、このトランジスタ４６は、ベースに矩形波状の周波数信号（クロック）を入力することにより動作して前記トランジスタ４６をオンオフ制御する。
【００１９】
このような本実施例によれば、定電流供給回路３５を設けて、ブリッジ回路２８に流れる電流を検出し、このブリッジ回路２８に流す電流を一定化するので、周囲温度の変化により第１及び第２のコイル２５、２６の内部抵抗値が変化しても、ブリッジ回路２８に常に一定の電流が流れるようになって、トルク検出精度が低下するようなことがない。
【００２０】
図４は本発明の第２の実施例を示している。この実施例においては、検出回路５０の構成が第１の実施例と異なる。すなわち、直流電源Vdとアースとの間に、スイッチング回路４３、感熱素子５１、ブリッジ２８が順に接続されている。なお、差動増幅器３３、スイッチング回路４３は概略的に示している。前記感熱素子５１は負の温度・抵抗特性をもつサーミスタから構成されており、温度が高くなるほど抵抗値が小さくなるものである。
【００２１】
この第２の実施例によれば、スイッチング回路４３からブリッジ回路２６の各直列回路３０、３２の中点３０ａ、３２ａとの間に、負の温度・抵抗特性をもつ感熱素子５１を介在させているから、周囲温度が上昇して第１及び第２のコイル２５、２６の内部抵抗値が大きくなっても感熱素子５１の抵抗値が減少するから、ブリッジ回路２８に常にほぼ一定の電流が流れるようになって、トルク検出精度が低下するようなことがない。
【００２２】
なお、本発明の第３の実施例として示す図５のように、負の温度・抵抗特性をもつ感熱素子５２を、コイル２５と中点３０ａとの間に介在させ、同じく負の温度・抵抗特性をもつ感熱素子５３を、コイル２６と中点３２ａとの間に介在させる構成としても良い。この実施例においても、第２の実施例と同様の効果を得ることができる。つまり、感熱素子は、スイッチング回路４３からブリッジ回路２６の各直列回路３０、３２の中点３０ａ、３２ａとの間に介在させる構成とすれば良い。
【００２３】
図６及び図７は第１の参考例を示している。この第１の参考例においては、トルク伝達軸２１の外周面に対し、磁歪膜５４を形成し、この磁歪膜５４の透磁率変化を検出するコイル５５を一つ設けている。検出回路５６は発振回路から構成されている。すなわち、反転形の増幅器５７の入出力間には、前記コイル５５とコンデンサ５８とゲイン調整の抵抗５９とが直列に接続され、さらに、この増幅器５７の入出力間には、別のゲイン調整用の６０が接続されている。また、コイル５５とコンデンサ５８との直列回路の両端とアースとの間にコンデンサ６１、６２がそれぞれ接続されている。さらに前記増幅器５７の出力側には反転形の増幅器６３が接続されている。この検出回路５６は、増幅器５７の出力から入力に帰還する直列共振によりトルクに応じた発振周波数の信号Sfを出力する発振回路として構成されている。
【００２４】
この場合、その発振周波数fcは、コイル５５のインダクタンスをＬ、コンデンサ５８の静電容量をＣとすれば、
【数１】
0003682446.tif 000002
従って、トルクの変化に対するインダクタンスＬの変化により発振周波数fcが変化し、トルクの検出を行うことができる。また、温度変化によるコイル５５の内部抵抗値の変化は帰還率に多少は影響するが、実質的に問題はない。しかも、検出回路５６の消費電力を少なくでき、また、構成も簡単となる。
この場合、第２の参考例として示す図８のように、増幅器５７の入出力間にはコイル５５及びコンデンサ５８に加え負の温度・抵抗特性をもつ感熱素子６４を直列に接続する構成としても良い。この第２の参考例によると、感熱素子６３により温度変化に対する帰還率をほぼ一定化できて、温度変化によるトルク検出精度の低下をなくすことができる。
【００２５】
【発明の効果】
本発明は以上の説明から明らかなように、周囲温度が変化してもトルク検出精度の低下をなくすことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の第１の実施例における検出回路を示す図
【図２】  （ａ）は検出回路の地点ａの電圧波形図、（ｂ）は検出回路の地点ｂの電圧波形図
【図３】  機械的構成部分の概略正面図
【図４】  本発明の第２の実施例を示す検出回路の概略図
【図５】  本発明の第３の実施例を示す図４相当図
【図６】  第１の参考例を示す図３相当図
【図７】  検出回路を示す図
【図８】  第２の参考例を示す検出回路の図
【図９】  従来例を示す図３相当図
【図１０】  図４相当図
【図１１】  コイルの等価回路図
【符号の説明】
２１はトルク伝達軸、２２は第１の磁歪膜、２３は第２の磁歪膜、２５は第１のコイル、２６は第２のコイル、２７は検出回路、２８はブリッジ回路、３３は差動増幅器、３５は定電流供給回路（定電流供給手段）、４３はスイッチング回路（スイッチング手段）、５１、５２、５３は感熱素子、５４は磁歪膜、５５はコイル、５６は検出回路、５７は増幅器、５８はコンデンサ、６４は感熱素子を示す。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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