(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
軸線周りのトルクを受ける軸部材であって、応力磁気効果による磁気変化の大きい領域と小さい領域とが軸線に沿って形成された軸部材と、前記軸部材に磁界を与える手段と、前記磁気変化の大きい領域又は前記磁気変化の小さい領域の磁気を検出する磁気検出手段とを含むトルク検出装置。
【請求項２】
軸線周りのトルクを受ける軸部材であって、応力磁気効果による磁気変化の大きい領域と小さい領域とが軸線に沿って形成された軸部材と、前記軸部材に磁界を与える手段と、前記磁気変化の大きい領域の磁気を検出する第一の磁気検出手段と、前記磁気変化の小さい領域の磁気を検出する第二の磁気検出手段とを含むトルク検出装置。
【請求項３】
軸線周りのトルクを受ける軸部材であって、応力磁気効果による磁気変化の大きい領域と小さい領域とが軸線に沿って互いに隔置して形成された軸部材と、前記軸部材に磁界を与える手段と、前記磁気変化の大きい領域と前記磁気変化の小さい領域との間の磁気を検出する磁気検出手段とを含むトルク検出装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、トルク検出装置装置に係り、更に詳細には磁歪効果の逆現象（本明細書に於いては「応力磁気効果」という）を利用したトルク検出装置に係る。
【０００２】
【従来の技術】
応力磁気効果、即ち周方向の磁界が与えられた軸がトルクを受けると逆ウィッデマン効果により磁界が周方向に対し傾斜した方向に偏向され、また軸線方向の磁界が与えられた軸がトルクを受けると磁界が軸線方向に対し傾斜した方向に偏向される現象を利用したトルク検出装置の一つとして、例えば特開平５−１９６５１７号公報に記載されている如く、軸線に沿って互いに締まり嵌めされた実質的に円柱状の軸及び実質的に円筒状の磁歪管を有し、磁歪管には軸線周りの周方向の１軸の磁気異方性及び周方向の磁界が与えられたトルク−磁気変換器を有するトルク検出装置が従来より知られている。
【０００３】
かかるトルク検出装置によれば、軸に軸線周りのトルクが作用すると、磁歪管には軸線に対し±４５°傾斜した方向に圧縮応力及び引張り応力が発生し、これらの応力及び磁歪管に与えられている周方向の引張り応力による応力磁気効果として周方向の磁界が周方向に対し傾斜した方向に偏向される。かくして偏向された磁界の周方向の成分は閉磁路を構成するので、この成分を外部より検出することはできないが、上記偏向された磁界の軸線方向の成分は外部より検出可能であり、従ってこの軸線方向の成分の強度及び方向を例えばホール効果素子によって検出することによりトルクの大きさ及び方向を検出することができる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし上述の如き従来のトルク検出装置に於いては、トルク−磁気変換器が互いに締まり嵌めされた軸及び磁歪管よりなっているため、締まり嵌めの嵌め合い公差にばらつきが生じ易く、従って磁歪管に与えられる周方向の引張り応力にばらつきが生じ易く、そのため検出感度にばらつきが生じ易いという問題がある。またこの問題を解消すべく、嵌め合い公差を厳密に管理しようとすると、トルク検出装置が高コストになる。
【０００５】
また軸及び磁歪管を構成する材料は互いに異なるので、それらの熱膨張係数も異なり、そのためトルク−磁気変換器の温度変化に起因して磁歪管に与えられた周方向の引張り応力が変動し、従ってトルク検出装置の精度が温度により影響を受けるという問題がある。更に切削加工等に比して高コストな締まり嵌め工程が必須であるため、トルク検出装置が高価になるという問題がある。
【０００６】
本発明は、互いに締まり嵌めされた軸及び磁歪管が使用される従来のトルク検出装置に於ける上述の如き問題に鑑みてなされたものであり、本発明の主要な課題は、磁歪管を使用せず、軸部材に応力磁気効果による磁気変化の大きい領域と小さい領域とを形成することにより、実質的に温度による影響を受けることなく非常に低廉にトルクを検出することである。
【０００７】
また本発明の他の一つの課題は、実質的に温度による影響を受けることなく非常に高精度に且つ低廉にトルクを検出することである。
【０００８】
また本発明の更に他の一つの課題は、実質的に温度による影響を受けることなく高精度に且つ非常に低廉にトルクを検出することである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上述の主要な課題は、本発明によれば、請求項１の構成、即ち軸線周りのトルクを受ける軸部材であって、応力磁気効果による磁気変化の大きい領域と小さい領域とが軸線に沿って形成された軸部材と、前記軸部材に磁界を与える手段と、前記磁気変化の大きい領域又は前記磁気変化の小さい領域の磁気を検出する磁気検出手段とを含むトルク検出装置によって達成される。
【００１０】
また上述の他の一つの課題は、本発明によれば、請求項２の構成、即ち軸線周りのトルクを受ける軸部材であって、応力磁気効果による磁気変化の大きい領域と小さい領域とが軸線に沿って形成された軸部材と、前記軸部材に磁界を与える手段と、前記磁気変化の大きい領域の磁気を検出する第一の磁気検出手段と、前記磁気変化の小さい領域の磁気を検出する第二の磁気検出手段とを含むトルク検出装置によって達成される。
【００１１】
また上述の更に他の一つの課題は、本発明によれば、請求項３の構成、即ち軸線周りのトルクを受ける軸部材であって、応力磁気効果による磁気変化の大きい領域と小さい領域とが軸線に沿って互いに隔置して形成された軸部材と、前記軸部材に磁界を与える手段と、前記磁気変化の大きい領域と前記磁気変化の小さい領域との間の磁気を検出する磁気検出手段とを含むトルク検出装置によって達成される。
【００１２】
一般に、軸部材に軸線周りのトルクが作用すると、軸部材の表面部に軸線に対し±４５°傾斜した方向に引張り応力及び圧縮応力が発生する。この引張り応力又は圧縮応力による応力磁気効果により軸部材の磁界が引張り応力又は圧縮応力の方向に近付く方向に偏向される。また磁界の偏向の方向はトルクの方向に対応し、磁界の偏向の程度はトルクの大きさに対応している。更に磁界の偏向の程度は応力磁気効果による磁気変化の小さい領域よりも応力磁気効果による磁気変化の大きい領域に於いて大きい。
【００１３】
また軸部材の磁界が偏向されると、応力磁気効果による磁気変化の大きい領域及び小さい領域の両端に現れる磁極の強さが変化し、これに応じて該磁極により発生される磁界の強さが変化する。そしてこの磁界の強さ及び方向は軸部材に作用するトルクの大きさ及び方向に対応している。
【００１４】
上記請求項１の構成によれば、軸線周りのトルクを受ける軸部材には応力磁気効果による磁気変化の大きい領域と小さい領域とが軸線に沿って形成され、軸部材には磁界が与えられ、磁気検出手段により磁気変化の大きい領域又は磁気変化の小さい領域の磁気が検出されるので、軸部材に作用するトルクの大きさ及び方向が一つの磁気検出手段により磁界の強さ及び方向として検出される。
【００１５】
また一般に、軸部材を構成する材料が半硬質磁性体である場合には、軸部材に作用するトルクの増減変化に伴い、応力磁気効果による磁気変化の大きい領域及び小さい領域の両端に現れる磁極により発生される磁界の強さは比較的大きいヒステリシス及び非線形性を伴って変化するが、後に詳細に説明する如く、両者の磁界の強さのヒステリシスの形状は互いに非常に近似しており、両者の磁界の強さの線形和はトルクの増減変化に対し実質的にヒステリシスを生じることなく線形的に変化する。
【００１６】
また上記請求項２の構成によれば、軸線周りのトルクを受ける軸部材には応力磁気効果による磁気変化の大きい領域と小さい領域とが軸線に沿って形成され、軸部材には磁界が与えられ、第一の磁気検出手段により磁気変化の大きい領域の磁気が検出され、第二の磁気検出手段により磁気変化の小さい領域の磁気が検出されるので、例えば二つの磁気検出手段の出力の線形和を求めることにより、軸部材に作用するトルクの大きさ及び方向が非常に高精度に検出される。
【００１７】
また上述の如く、応力磁気効果による磁気変化の大きい領域及び小さい領域の両端に現れる磁極により発生される磁界の強さの線形和はトルクの増減変化に対し実質的にヒステリシスを生じることなく線形的に変化する。従って磁気変化の大きい領域と小さい領域とが互いに隔置して形成される場合には、二つの領域の間の適宜な位置に磁気検出手段が配置されれば、二つの領域の端部に現れる磁極による二つの磁界の強さの線形和に相当する磁界の強さが検出される。
【００１８】
また上記請求項３の構成によれば、軸線周りのトルクを受ける軸部材には応力磁気効果による磁気変化の大きい領域と小さい領域とが軸線に沿って互いに隔置して形成され、軸部材には磁界が与えられ、磁気検出手段により磁気変化の大きい領域と磁気変化の小さい領域との間の磁気が検出されるので、軸部材に作用するトルクの大きさ及び方向が一つの磁気検出手段により磁界の強さ及び方向として高精度に検出される。
【００１９】
【課題解決手段の好ましい態様】
本発明の一つの好ましい態様によれば、上記請求項１乃至３の何れかの構成に於いて、応力磁気効果による磁気変化の小さい領域はトルクによる表面応力が小さい領域であるよう構成される（好ましい態様１）。
【００２０】
また本発明の他の一つの好ましい態様によれば、上記好ましい態様１の構成に於いて、トルクによる表面応力が小さい領域は軸線に沿って互いに隔置された位置に形成されたトルクによる表面応力の伝達を抑制する二つの部分の間の領域であるよう構成される（好ましい態様２）。
【００２１】
また本発明の他の一つの好ましい態様によれば、上記好ましい態様２の構成に於いて、トルクによる表面応力の伝達を抑制する部分は軸部材の表面に形成された窪んだ部分であるよう構成される（好ましい態様３）。
【００２２】
また本発明の他の一つの好ましい態様によれば、上記好ましい態様３の構成に於いて、窪んだ部分は軸部材の他の部分に比して小径の部分であるよう構成される（好ましい態様４）。
【００２３】
また本発明の他の一つの好ましい態様によれば、上記好ましい態様３の構成に於いて、窪んだ部分は軸線の周りに延在する溝であるよう構成される（好ましい態様５）。
【００２４】
また本発明の他の一つの好ましい態様によれば、上記好ましい態様３の構成に於いて、窪んだ部分は軸線の周りに互いに隔置された窪みであるよう構成される（好ましい態様６）。
【００２５】
また本発明の他の一つの好ましい態様によれば、上記好ましい態様１の構成に於いて、トルクによる表面応力が小さい領域は軸部材の他の部分に比して大径の部分であるよう構成される（好ましい態様７）。
【００２６】
本発明の他の一つの好ましい態様によれば、上記請求項１乃至３の何れかの構成に於いて、応力磁気効果による磁気変化の小さい領域は磁気変化の大きい領域の応力磁気効果よりも低い応力磁気効果を有する材料にて形成されるよう構成される（好ましい態様８）。
【００２７】
本発明の他の一つの好ましい態様によれば、上記請求項１乃至３の何れかの構成に於いて、応力磁気効果による磁気変化の小さい領域は実質的に応力磁気効果を有しない材料にて形成されるよう構成される（好ましい態様９）。
【００２８】
また本発明の他の一つの好ましい態様によれば、上記請求項１乃至３の何れかの構成に於いて、軸部材に磁界を与える手段は軸部材に着磁により与えられた残留磁界であるよう構成される（好ましい態様１０）。
【００２９】
また本発明の他の一つの好ましい態様によれば、上記請求項１乃至３の構成に於いて、軸部材に磁界を与える手段は実質的に軸線に沿って軸部材に磁界を与える外部磁界付与手段であるよう構成される（好ましい態様１１）。
【００３０】
また本発明の他の一つの好ましい態様によれば、上記請求項１の構成に於いて、磁気変化の大きい領域を構成する材料は軟質磁性体であるよう構成される（好ましい態様１２）。
【００３１】
また本発明の他の一つの好ましい態様によれば、上記請求項１の構成に於いて、磁気検出手段は磁気変化の大きい領域又は磁気変化の小さい領域の端部に近接して配置されるよう構成される（好ましい態様１３）。
【００３２】
また本発明の他の一つの好ましい態様によれば、上記請求項２の構成に於いて、第一の磁気検出手段は磁気変化の大きい領域の端部に近接して配置され、第二の磁気検出手段は磁気変化の小さい領域の端部に近接して配置されるよう構成される（好ましい態様１４）。
【００３３】
また本発明の他の一つの好ましい態様によれば、上記請求項２又は３の構成に於いて、磁気変化の大きい領域及び磁気変化の小さい領域を構成する材料は半硬質磁性体であるよう構成される（好ましい態様１５）。
【００３４】
また本発明の他の一つの好ましい態様によれば、上記請求項１乃至３の何れかの構成に於いて、磁気検出手段は磁気インピーダンス効果素子であるよう構成される（好ましい態様１６）。
【００３５】
また本発明の他の一つの好ましい態様によれば、上記好ましい態様１６の構成に於いて、磁気インピーダンス効果素子はアモルファスワイヤのヘッドを有する磁気インピーダンス効果素子であるよう構成される（好ましい態様１７）。
【００３６】
【発明の実施の形態】
以下に添付の図を参照しつつ、本発明を幾つかの好ましい実施形態について詳細に説明する。
【００３７】
第一の実施形態
図１は請求項２の構成に対応する本発明によるトルク検出装置の第一の実施形態を示す概略構成図、図２はシャフトにトルクが作用した場合の磁界の変化を示す説明図、図３はシャフトにトルクＴが作用した場合に溝の両縁の近傍に発生する磁界を示す拡大部分断面図である。
【００３８】
図１に於いて、１０は軸線１２に沿って延在し軸線１２の周りのトルクＴを受ける断面円形の軸部材としてのシャフトを示している。シャフト１０は炭素鋼や合金鋼（例えばニッケル−クロム鋼）の如き応力磁気効果を有する半硬質磁性体にて形成されている。尚シャフト１０は例えば自動車のステアリング系に組み込まれたステアリングシャフトの如き構造部材又はその一部であってよい。
【００３９】
シャフト１０には着磁により軸線１２の周りの周方向の磁界Ｈａ  が与えられている。尚周方向の磁界Ｈａ  は前述の特開平５−１９６５１７号公報に記載されている如く磁石を使用して与えられてもよいが、例えば１万アンペアの単発パルス状の直流大電流又は半周期分の正弦波大電流を軸線１２に沿ってシャフト１０に流すことにより付与されることが好ましい。
【００４０】
シャフト１０は同一の直径を有する第一乃至第三のシャフト部１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃを有し、第一のシャフト部１０Ａと第二のシャフト部１０Ｂとの間には軸線１２の周りに全周に亘り延在する深さ一定の溝１４が形成され、第二のシャフト部１０Ｂと第三のシャフト部１０Ｃとの間には軸線１２の周りに全周に亘り延在する深さ一定の溝１６が形成されている。前述の如く、シャフト１０がその軸線１２の周りにトルクＴを受けると、軸線１２に垂直な方向に見てシャフト１０の表面部には軸線１２に対し４５°傾斜した方向に引張り応力が発生し、軸線１２に対し−４５°傾斜した方向に圧縮応力が発生する。
【００４１】
しかし溝１４及び１６はシャフトの表面に於ける捩じりによる引張り応力及び圧縮応力の伝達を抑制する部分として機能し、溝１４及び１６の両端は応力磁気効果の不連続部１４Ａ、１４Ｂ及び１６Ａ、１６Ｂとして機能する。またトルクにより溝１４と１６との間の第二のシャフト部１０Ｂの表面部に発生される捩じりによる引張り応力及び圧縮応力は第一及び第三のシャフト部１０Ａ、１０Ｃの表面部に発生される引張り応力及び圧縮応力よりも小さい。従って第一及び第三のシャフト部１０Ａ、１０Ｃは表面応力の大きい領域を郭定し、第二のシャフト部１０Ｂは表面応力の小さい領域を郭定している。
【００４２】
応力磁気効果の不連続部１４Ａ及び１４Ｂに近接した位置にはそれぞれシャフト部１０Ａ及び１０Ｂの表面に近接して磁気検出装置１８及び２０が配置されている。磁気検出装置１８及び２０はそれぞれ対応する位置の磁界の強さ及び方向に対応する電圧及び符号の電圧信号を出力し、これらの出力信号は信号処理装置２２へ入力される。
【００４３】
図１に解図的に示されている如く、信号処理装置２２は磁気検出装置２０の出力電圧をＫ倍する乗算回路２４と、二つの入力信号を加算増幅する加算増幅回路２６とを有し、乗算回路２４の乗算係数Ｋは調節可能である。磁気検出装置１８の出力電圧は加算増幅回路２６の一方の正の入力端子に入力され、乗算回路２４の出力電圧は加算増幅回路２６の他方の正の入力端子に入力される。加算増幅回路２６の出力信号は表示装置２８へ入力され、表示装置２８によりシャフト１０に作用するトルクＴの大きさ及び方向が表示される。
【００４４】
図示の第一の実施形態（及び後述の他の実施形態）に於いては、磁気検出装置１８及び２０はアモルファスワイヤのヘッドを有する磁気インピーダンス効果素子である。尚磁気インピーダンス効果素子は本願の一方の発明者である毛利佳年雄により発明されたマイクロ寸法の磁気センサであり（必要ならば特開平７−１８１２３９号公報参照）、検出されるべき磁界を１マイクロガウスの分解能にて検出することが可能な感度、安定性（Ｓ／Ｎ比）、応答性、低電力消費性に優れたものである。
【００４５】
この第一の実施形態に於いて、シャフト１０がその軸線１２の周りにトルクＴを受けると、シャフト１０の表面部に軸線１２に対し±４５°傾斜した方向に引張り応力及び圧縮応力が発生し、この引張り応力又は圧縮応力による応力磁気効果により、図２に示されている如く、表面応力の大きい領域及び小さい領域の周方向の磁界Ｈａ  がそれぞれ周方向に対し傾斜した方向の磁界Ｈｂ  、Ｈｃ  に偏向される。
【００４６】
この場合磁界の偏向の度合（傾斜の度合）はシャフト１０に作用するトルクＴの大きさに比例し、磁界の偏向の方向（傾斜の方向）はシャフト１０に作用するトルクＴの方向に対応している。またこの場合、表面応力の相違から磁界Ｈｂ  の偏向の度合はＨｃ  の偏向の度合よりも大きいので、第一及び第三のシャフト部１０Ａ、１０Ｃは応力磁気効果による磁気変化の大きい領域であり、第二のシャフト部Ｂは応力磁気効果による磁気変化の小さい領域である。
【００４７】
周方向の磁界Ｈａ  が上述の如く偏向されると、応力磁気効果の不連続部１４Ａ、１４Ｂ及び１６Ａ、１６Ｂとして機能する溝１４及び１６の両縁には磁極Ｎ、Ｓが発生し、これらの磁極により図３に示されている如く溝１４及び１６の両縁の近傍にそれぞれ磁界Ｈｘ  、Ｈｙ  が発生される。磁界Ｈｂ  の偏向の度合はＨｃ  の偏向の度合よりも大きいので、不連続部１４Ａ及び１６Ｂの近傍に発生する磁界Ｈｘ  の強さは不連続部１４Ｂ及び１６Ａの近傍に発生する磁界Ｈｙ  の強さよりも大きい。従って磁気検出装置１８により検出される磁界の強さは磁気検出装置２０により検出される磁界の強さよりも大きい。
【００４８】
図４はシャフト１０に作用するトルクＴと磁気検出装置１８の出力電圧（実線）及び磁気検出装置２０の出力電圧（破線）との間の関係の一例を示している。図４より解る如く、トルクＴの変化に対する磁気検出装置１８及び２０の出力電圧の変化には比較的大きいヒステリシス及び非線形性が存在し、両者の傾斜も大きく異なるが、ヒステリシスの形状は相互に非常によく似ている。
【００４９】
図５は磁気検出装置１８の出力電圧と磁気検出装置２０の出力電圧の３倍の電圧との差をトルクＴの変化について示すグラフである。図５に示されている如く、出力電圧の線形和はヒステリシスが非常に小さく、しかもトルクＴの変化に対し線形的に変化する。従って第一の実施形態によれば、二つの磁気検出装置の出力電圧の線形和により、例えば二つの磁気検出装置の出力電圧が図４の関係にあるときには信号処理装置２２の乗算回路２４の乗算係数Ｋを３に設定することにより、シャフト１０に作用するトルクＴの大きさ及び方向を非常に高精度に検出し得ることが解る。
【００５０】
尚二つの磁気検出装置の出力電圧のヒステリシスの形状が相互に非常によく似ていることはシャフトを構成する半硬質磁性体の種類、シャフトに与えられる磁界の強さ、溝の深さや形状等に拘らず普遍的に成立する関係であり、従って二つの磁気検出装置の出力電圧の線形和によれば、シャフトを構成する材料の種類等に拘らずシャフトに作用するトルクの大きさ及び方向を非常に高精度に検出することが可能である。
【００５１】
また磁気検出装置が配置される位置を図２のＰ１  〜Ｐ４  とすると、磁気検出装置１８及び２０は図示の実施形態の如く下記の表１の組合せ１の他に組合せ２〜４の位置に配置されてもよい。但し組合せ３及び４の場合には対応する磁極が同一の磁極になるので、乗算回路２４の出力電圧は加算増幅回路の負の入力端子に入力される。更に組合せ１及び３に於ける磁気検出装置１８の位置は第一のシャフト部１０Ａの不連続部１４Ａとは反対側の端部であってもよく、同様に組合せ２及び４に於ける磁気検出装置１８の位置は第二のシャフト部１０Ｂの不連続部１６Ｂとは反対側の端部であってもよい。
【００５２】
【表１】
0003616237.tif 000002
【００５３】
第二乃至第四の実施形態
図６乃至図８はそれぞれ第一の実施形態の修正例として構成された本発明によるトルク検出装置の第二乃至第四の実施形態を示す概略構成図である。尚図６乃至図８に於いて、図１に示された部材と同一の部材には図１に於いて付された符号と同一の符号が付されている。
【００５４】
図６に示された第二の実施形態に於いては、シャフト１０は同一の直径を有する第一及び第二のシャフト部１０Ａ及び１０Ｂと、第一及び第二のシャフト部よりも直径の小さい第三のシャフト部１０Ｃとを有する。また第二のシャフト部１０Ｂは第一のシャフト部１０Ａと第三のシャフト部１０Ｃとの間に位置し、第一のシャフト部１０Ａと第二のシャフト部１０Ｂとの間には溝１４が形成されている。
【００５５】
この実施形態に於いては、第一のシャフト部１０Ａが表面応力の大きい領域、即ち応力磁気効果による磁気変化の大きい領域として機能し、第二のシャフト部１０Ｂは表面応力の小さい領域、即ち応力磁気効果による磁気変化の小さい領域として機能する。従って磁気検出装置１８は溝１４の側の第一のシャフト部１０Ａの端部の表面に近接して配置され、磁気検出装置２０は溝１４の側の第二のシャフト部１０Ｂの端部の表面に近接して配置されている。尚磁気検出装置２０は溝１４とは反対の側の第二のシャフト部１０Ｂの端部の表面に近接して配置されてもよい。
【００５６】
図７に示された第三の実施形態に於いては、シャフト１０は小径の第一のシャフト１０Ａと大径の第二のシャフト部１０Ｂとを有し、二つのシャフト部の間に溝１４が形成されている。従ってこの実施形態に於いても、シャフト部の直径の関係から、第一のシャフト部１０Ａは表面応力の大きい領域、即ち応力磁気効果による磁器変化の大きい領域として機能し、第のシャフト部１０Ｂは表面応力の小さい領域、即ち応力磁気効果による磁気変化の小さい領域として機能し、磁気検出装置１８及び２０は第二の実施形態と同様の位置に配置されている。
【００５７】
図８に示された第四の実施形態に於いては、第一の実施形態に於ける溝１４又は１６に相当する溝は形成されておらず、シャフト１０は互いに直径の異なる第一乃至第三のシャフト部１０Ａ〜１０Ｃを有している。第一のシャフト部１０Ａは第二のシャフト１０Ｂと第三のシャフト１０Ｃとの間に位置し、第二のシャフト部１０Ｂは最も大きい直径を有し、第三のシャフト部１０Ｃは最も小さい直径を有しており、磁気検出装置１８及び２０はそれぞれ第三のシャフト部１０Ｃに近い側の第一のシャフト部１０Ａ、第二のシャフト部１０Ｂの端部の表面に近接して配置されている。
【００５８】
従ってこの実施形態に於いては、第一のシャフト部１０Ａが応力磁気効果による磁気変化の大きい領域を郭定し、第二のシャフト部１０Ｂが応力磁気効果による磁気変化の小さい領域を郭定している。
【００５９】
第五の実施形態
図９乃至図１１はそれぞれ請求項３の構成に対応する本発明によるトルク検出装置の第五乃至第七の実施形態を示す概略構成図である。尚図９乃至図１１に於いて、図１に示された部材と同一の部材には図１に於いて付された符号と同一の符号が付されている。
【００６０】
図９に示された第五の実施形態に於いては、シャフト１０自体は溝１４の幅が小さく設定されている点を除き第一の実施形態と同様に形成されており、一つの磁気検出装置１８のみが溝１４の位置に配置されている。特に磁気検出装置１８は、第一の実施形態に於ける二つの磁気検出装置の出力電圧の線形和によるヒステリシスの相殺と同様の作用が不連続部１４Ａの磁極により発生される磁界及び不連続部１４Ｂの磁極により発生される磁界との相互作用によって達成されるよう、不連続部１４Ａと不連続部１４Ｂのと中間よりも不連続部１４Ｂに近い位置に配置されている。
【００６１】
例えばシャフト１０に作用するトルクＴの変化に伴い、磁気検出装置１８のヘッドに於ける第一のシャフト部１０Ａの不連続部１４Ａの磁極による磁界Ｈｘ  の強さ及び第三のシャフト部１０Ｃの不連続部１４Ｂの磁極による磁界Ｈｙ  の強さが図１２に於いてそれぞれ実線及び破線にて示されている如く変化するものとすると、磁気検出装置１８はこれらの磁界の強さの和を検出することになり、磁気検出装置１８のヘッドに於ける全体としての磁界の強さは図１３に示されている如く変化する。
【００６２】
従って磁気検出装置１８の出力電圧はヒステリシスが非常に小さく、しかもトルクＴの変化に対し線形的に変化するので、磁気検出装置１８の出力電圧を適宜に増幅することにより、第一の実施形態の場合と同様、例えば図５に示されている如き関係が得られ、これにより一つの磁気検出装置のみによりシャフトに作用するトルクを非常に正確に検出することができる。
【００６３】
それぞれ図１０及び図１１に示された第六及び第七の実施形態に於いても、シャフト１０自体は溝１４の幅が小さく設定されている点を除きそれぞれ第二及び第三の実施形態と同様に形成されており、これらの実施形態の他の点は第五の実施形態と同様に構成されている。
【００６４】
第八の実施形態
図１４は請求項１の構成に対応する本発明によるトルク検出装置の第八の実施形態を示す概略構成図である。尚図１４に於いて図１に示された部材と同一の部材には図１に於いて付された符号と同一の符号が付されている。
【００６５】
この実施形態に於いては、シャフト１０は同一の直径を有する第一及び第二のシャフト部１０Ａ及び１０Ｂを有し、これらのシャフト部の間には溝１４が形成されている。また磁気検出装置１８は溝１４の側の第一のシャフト部１０Ａの端部の表面に近接して配置されている。尚シャフト１０は応力磁気効果を有する軟質磁性体、例えばパーマロイ、マルエージング鋼等のＦｅ  −Ｎｉ  合金や３％Ｓｉ  −Ｆｅ  合金にて形成されていることが好ましい。
【００６６】
またこの実施形態に於いて、シャフト１０がその軸線１２の周りにトルクＴを受けた場合にシャフト１０の表面部に発生する引張り応力又は圧縮応力は、直径の相違から第一及び第二のシャフト部１０Ａ及び１０Ｂの表面部に於けるよりも溝１４の表面部に於いて高く、従って第一及び第二のシャフト部１０Ａ及び１０Ｂの表面部に於いて低く、溝１４の部分は応力磁気効果による磁気変化の大きい領域を郭定し、第一及び第二のシャフト部１０Ａ及び１０Ｂは応力磁気効果による磁気変化の小さい領域を郭定している。
【００６７】
磁気検出装置１８は不連続部１４Ａの磁極により発生される磁界を検出し、この磁界の強さはシャフト１０に作用するトルクＴの大きさに比例し、磁界の方向はシャフト１０に作用するトルクＴの方向に対応しているので、この実施形態に於ける磁気検出装置１８の出力信号の電圧及び符号もそれぞれシャフト１０に作用するトルクＴの大きさ及び方向を示す。
【００６８】
図１５は第八の実施形態に於けるトルクＴと磁気検出装置１８の出力電圧との関係の一例を示している。図１５より解る如く、トルクＴの変化に対する磁気検出装置１８の出力電圧の変化には或る程度のヒステリシス及び非線形性が存在するが、第八の実施形態によれば上述の第一乃至第七の実施形態に比して遥かに簡単な構成によりシャフト１０に作用するトルクＴの大きさ及び方向を検出し得ることが解る。
【００６９】
尚磁気検出装置は、以上の説明より解る如く、溝１４に対し第八の実施形態の磁気検出装置１８の位置とは反対の側、即ち図１４の磁気検出装置１８′の位置に配置されてもよい（このことは後述の第九及び第十一の実施形態についても同様である）。
【００７０】
第九乃至第十一の実施形態
図１６乃至図１８はそれぞれ第八の実施形態の修正例として構成された本発明によるトルク検出装置の第九乃至第十一の実施形態を示す概略構成図である。尚図１６乃至図１８に於いて、図１に示された部材と同一の部材には図１に於いて付された符号と同一の符号が付されている。
【００７１】
図１６に示された第九の実施形態に於いては、シャフト１０は小径の第一及び第二のシャフト部１０Ａ及び１０Ｂと、これらの間に位置する大径の第三のシャフト部１０Ｃとを有している。大径の第三のシャフト部１０Ｃは応力磁気効果による磁気変化の小さい領域を郭定し、第一及び第二のシャフト部１０Ａ及び１０Ｂは応力磁気効果による磁気変化の大きい領域を郭定している。また磁気検出装置１８は第三のシャフト部１０Ｃの一端の表面に近接して配置されている。
【００７２】
この実施形態に於いて、シャフト１０に作用するトルクＴにより周方向の磁界が偏向されると、応力磁気効果の不連続部３０Ａ、３０Ｂとして機能する大径の第三のシャフト部１０Ｃの両端には磁極が発生し、その磁極により第三のシャフト部の両端の近傍に磁界が発生され、その磁界の強さ及び方向がそれぞれシャフト１０に作用するトルクＴの大きさ及び方向を示す情報として磁気検出装置１８により検出される。
【００７３】
図１７に示された第十の実施形態に於いては、シャフト１０は小径の第一のシャフト部１０Ａと、該第一のシャフト部よりも大きい直径を有する第二のシャフト部１０Ｂとを有し、これらのシャフト部の間には不連続部３０Ａとして機能する肩部が郭定されている。また磁気検出装置１８は大径の第二のシャフト部１０Ｂの不連続部３０Ａの側の端部の表面に近接して配置されている。
【００７４】
図１８に示された第十一の実施形態に於いては、シャフト１０は同一の直径を有する第一及び第二のシャフト部１０Ａ及び１０Ｂと、第一及び第二のシャフト部の間に溶接等の手段によりこれらと一体的に接続され第一及び第二のシャフト部の同一の直径を有する第三のシャフト部１０Ｃとを有している。第一及び第二のシャフト部１０Ａ及び１０Ｂは応力磁気効果を有する軟質磁性体にて形成され、第三のシャフト部１０Ｃは実質的に応力磁気効果を有しない材料にて形成されている。また磁気検出装置１８は第三のシャフト部１０Ｃの側の第一のシャフト部１０Ａの端部の表面に近接して配置されている。
【００７５】
シャフト１０がトルクＴを受けることによりシャフト部１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃの何れの表面部にも引張り応力及び圧縮応力が発生するが、第三のシャフト部１０Ｃの材料は実質的に応力磁気効果を有しないので、第一及び第二のシャフト部１０Ａ及び１０Ｂは応力磁気効果による磁気変化の大きい領域として機能し、第三のシャフト部は応力磁気効果による磁気変化の小さい領域として機能し、シャフト部１０Ｃの両端は応力磁気効果の不連続部３０Ａ及び３０Ｂとして機能する。
【００７６】
シャフト１０に作用するトルクＴにより周方向の磁界が偏向されると、第三のシャフト部１０Ｃの側の第一及び第二のシャフト部１０Ａ及び１０Ｂの端部には磁極が発生し、その磁極によりこれらの端部の近傍に磁界が発生され、第一のシャフト部１０Ａの端部近傍の磁界の強さ及び方向がそれぞれシャフト１０に作用するトルクＴの大きさ及び方向を示す情報として磁気検出装置１８により検出される。
【００７７】
尚第十一の図示の実施形態に於いては、第一乃至第三のシャフト部は実質的に同一の直径を有しているが、これらは互いに異なる直径を有していてもよい。また第一及び第二のシャフト部１０Ａ及び１０Ｂを構成する材料は同一の軟質磁性体であってもよく、また互いに異なる軟質磁性体であってもよい。またシャフト部１０Ｃを形成する非磁性体は第一及び第二のシャフト部１０Ａ及び１０Ｂを形成する軟質磁性体と実質的に同一の機械的性質を有しているが、両者の機械的性質も互いに異なっていてもよい。更に第三のシャフト部１０Ｃは第一及び第二のシャフト部１０Ａ、１０Ｂを形成する軟質磁性体とは応力磁気効果が異なる軟質磁性体にて形成されていてもよい。
【００７８】
以上に於ては本発明を特定の実施形態について詳細に説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲内にて他の種々の実施形態が可能であることは当業者にとって明らかであろう。
【００７９】
例えば上述の各実施形態に於いては、シャフト１０は着磁により周方向の磁界が与えられているが、磁界の方向は軸線方向又は軸線方向に対し傾斜した方向であってもよい。また磁界は例えばシャフト１０の周りに巻回されたコイルやシャフトの端部に配置された永久磁石の如き外部磁界付与手段により軸線方向に与えられてもよい。
【００８０】
また上述の各実施形態に於いては、磁気検出装置は磁気インピーダンス効果素子であるが、磁気検出装置は対応する領域の磁気を検出し得る限り任意の検出装置であってよく、例えばホール効果素子、ＭＲ素子、ＧＭＲ素子、コイル等であってもよい。更にシャフト１０の周りに巻回され交流電流が通電されるコイルにより軸線方向に交播磁界が与えられ、その交播磁界のトルクによる変化が磁気検出装置としてのコイルにより磁気変調として検出されてもよい。
【００８１】
また磁気応力効果による磁気変化の大きい領域又は磁気変化の小さい領域の端部に近接した位置は他の位置に比して磁界の強さが大きいので、上述の各実施形態に於いては、磁気検出装置は磁気変化の大きい領域又は磁気変化の小さい領域の端部に近接して配置されているが、磁気検出装置は対応する領域の磁気を検出し得る限り、磁気変化の大きい領域又は磁気変化の小さい領域の両端の間の如き他の位置に配置されてもよい。
【００８２】
また上述の各実施形態に於いては、磁気検出装置は磁気変化の大きい領域又は磁気変化の小さい領域の端部に近接して一つずつ配置されているが、複数個の磁気検出装置がシャフトの周りに好ましくは軸線の周りに等間隔に配置され、これにより例えばシャフトが回転する場合に於ける軸ぶれに起因するトルク検出精度の悪化が防止されてもよい。
【００８３】
更に上述の各実施形態に於いては、捩じりトルクによる表面応力の伝達を抑制する窪んだ部分は円周溝又は小径の部分であるが、窪んだ部分は例えば周方向に部分的に延在する溝、周方向に互いに隔置して形成された複数個の窪み等であってもよい。また磁気変化の大きい領域又は磁気変化の小さい領域は例えばレーザや電子ビームを熱源とする局部的表面処理によりシャフトの表面部に形成されてもよい。
【００８４】
【発明の効果】
以上の説明より明らかである如く、本発明の請求項１の構成によれば、軸線周りのトルクを受ける軸部材には応力磁気効果による磁気変化の大きい領域と小さい領域とが軸線に沿って形成され、軸部材には磁界が与えられ、磁気検出手段により磁気変化の大きい領域又は磁気変化の小さい領域の磁気が検出されるので、軸部材に作用するトルクの大きさ及び方向を一つの磁気検出手段により磁界の強さ及び方向として検出することができる。
【００８５】
また請求項２の構成によれば、軸線周りのトルクを受ける軸部材には応力磁気効果による磁気変化の大きい領域と小さい領域とが軸線に沿って形成され、軸部材には磁界が与えられ、第一の磁気検出手段により磁気変化の大きい領域の磁気が検出され、第二の磁気検出手段により磁気変化の小さい領域の磁気が検出されるので、例えば二つの磁気検出手段の出力の線形和を求めて各磁気検出手段により検出される磁界の強さのヒステリシス及び非線形性を相殺し消去することができ、これにより軸部材に作用するトルクの大きさ及び方向を非常に高精度に検出することができる。
【００８６】
更に請求項３の構成によれば、軸線周りのトルクを受ける軸部材には応力磁気効果による磁気変化の大きい領域と小さい領域とが軸線に沿って互いに隔置して形成され、軸部材には磁界が与えられ、磁気検出手段により磁気変化の大きい領域と磁気変化の小さい領域との間にて軸部材に近接した位置の磁気が検出されるので、軸部材に作用するトルクの大きさ及び方向を一つの磁気検出手段により磁界の強さ及び方向として高精度に検出することができる。
【００８７】
また本発明によれば、磁歪管やその締まり嵌めの加工は不要であり、軸部材の構成材料はトルクを受ける部材に一般的に使用されている半硬質磁性体又は軟質磁性体であってよく、更には温度変化による締まり嵌めの引張り応力の変動等が発生しないので、温度変化に拘らずトルクを正確に検出することができ、またトルク検出装置のコストを低減することができる。特に請求項１又は３の構成によれば、磁気検出手段は一つでよいので、請求項２の構成の場合に比してトルク検出装置を低廉に構成することができ、逆に請求項２の構成によれば、請求項１又は３の構成の場合に比して高精度にトルクを検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】請求項２の構成に対応する本発明によるトルク検出装置の第一の実施形態を示す概略構成図である。
【図２】第一の実施形態に於いてシャフトにトルクＴが作用した場合の磁界の変化を示す説明図である。
【図３】第一の実施形態に於いてシャフトにトルクＴが作用した場合に溝の両縁の近傍に発生する磁界を示す拡大部分断面図である。
【図４】第一の実施形態に於いてシャフトにトルクＴが作用した場合のトルクＴと二つの磁気検出装置の出力電圧との間の関係を示すグラフである。
【図５】図４に示された二つの磁気検出装置の出力電圧の線形和とトルクＴとの間の関係を示すグラフである。
【図６】第一の実施形態の修正例として構成された本発明によるトルク検出装置の第二の実施形態を示す概略構成図である。
【図７】第一の実施形態の修正例として構成された本発明によるトルク検出装置の第三の実施形態を示す概略構成図である。
【図８】第一の実施形態の修正例として構成された本発明によるトルク検出装置の四の実施形態である。
【図９】請求項３の構成に対応する本発明によるトルク検出装置の第五の実施形態を示す概略構成図である。
【図１０】第五の実施形態の修正例として構成された本発明によるトルク検出装置の第六の実施形態を示す概略構成図である。
【図１１】第五の実施形態の修正例として構成された本発明によるトルク検出装置の第七の実施形態を示す概略構成図である。
【図１２】第五の実施形態についてシャフトに作用するトルクＴと溝の両縁に現れる磁極による磁界Ｈｘ  及びＨｙ  の強さとの間の関係を示すグラフである。
【図１３】第五の実施形態についてシャフトに作用するトルクＴと磁気検出装置のヘッドに於ける磁界の強さとの間の関係を示すグラフである。
【図１４】請求項１の構成に対応する本発明によるトルク検出装置の第八の実施形態を示す概略構成図である。
【図１５】第八の実施形態に於けるトルクＴと磁気検出装置の出力電圧との関係の一例を示すグラフである。
【図１６】第八の実施形態の修正例として構成された本発明によるトルク検出装置の第九の実施形態を示す概略構成図である。
【図１７】第八の実施形態の修正例として構成された本発明によるトルク検出装置の第十の実施形態を示す概略構成図である。
【図１８】第八の実施形態の修正例として構成された本発明によるトルク検出装置の第十一の実施形態を示す概略構成図である。
【符号の説明】
１０…シャフト
１４、１６…溝
１４Ａ、１４Ｂ、１６Ａ、１６Ｂ…応力磁気効果の不連続部
１８、２０…磁気検出装置
２２…信号処理装置
２８…表示装置
【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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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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