(57)【要約】【課題】  小型軽量、高感度、高精度でかつ安価に製造でき、取付けの制約が少なく、高いロバスト性能を有するトルク検出装置と、それを利用応用する装置を提供する。【解決手段】  軸体に印加されたトルクを検出する装置は、軸体１０１の表面に配置され、磁歪膜付き検出プレート１１１と磁歪膜に近接して配置された検出コイル２０１を備えるセンサチップ１１２とから構成されるセンサモジュール１１０と、センサモジュールとワイヤレスで送受信される固定側モジュール１２０とを備え、センサモジュールが板状の半導体基板３０１を備えると共に、固定側モジュールからワイヤレスで供給された電磁波を受信する受信アンテナ２１１と、検出されたトルクに関する信号を固定部に送信する送信アンテナ２１０とを備えており、送信アンテナおよび受信アンテナは、基板の一方の面に形成されると共に、検出コイルは、基板の他方の面に形成される。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
軸体の表面に配置され、磁歪材料と該磁歪材料に近接して配置された検出コイルとを備えるセンサ部と、該センサ部とワイヤレスで送受信される固定部とを備え、前記軸体に印加されたトルクを検出する装置であって、
前記センサ部は、板状の基板を備えると共に、前記固定部からワイヤレスで供給された電磁波を受信する受信アンテナと、検出されたトルクに関する信号を前記固定部に送信する送信アンテナとを備えており、
前記送信アンテナおよび受信アンテナは、前記基板の一方の面に形成されると共に、前記検出コイルは、前記基板の他方の面に形成されることを特徴とするトルク検出装置。
【請求項２】
前記センサ部は、前記検出コイルのインピーダンス変化を検出するインピーダンス検出回路と、検出されたインピーダンス変化を信号処理してトルク情報に変換する信号処理回路と、トルク情報に関する信号を変調・増幅して電波送信する送信回路と、前記固定部から送信される電磁波を受信する受信回路とを備えることを特徴とする請求項１に記載のトルク検出装置。
【請求項３】
前記基板は、その表面と裏面を接続する貫通穴を有しており、一方の面に形成された前記検出コイルと、他方の面に形成された前記インピーダンス検出回路とを前記貫通穴を通して電気的に接続することを特徴とする請求項２に記載のトルク検出装置。
【請求項４】
前記検出コイルは、前記基板の表面に平面的に形成されると共に、前記基板の外周辺と平行または直角な複数の平行パターンと該複数の平行パターンの端部を交互に連結する交差パターンとからなる往復型コイルに形成され、
前記検出コイルを２つ用いてコイル対を形成し、該コイル対は前記平行パターンが直交するように、その一端が接続されることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のトルク検出装置。
【請求項５】
前記コイル対を複数配置し、該複数のコイル対から出力されるトルクに関する信号を選択または平均する総合トルク算出回路を備えることを特徴とする請求項４に記載のトルク検出装置。
【請求項６】
前記複数のコイル対の故障を検出する故障検出手段を備え、該故障検出手段により検出された前記コイル対から出力されるトルクに関する信号を無効とする切離し回路および／または前記複数のコイル対から出力される信号を補正する補正回路を備えることを特徴とする請求項４または５に記載のトルク検出装置。
【請求項７】
前記送信アンテナは、前記複数のコイル対から検出されるインピーダンス変化またはトルクに関する情報をそれぞれ送信することを特徴とする請求項４〜６のいずれかに記載のトルク検出装置。
【請求項８】
前記複数のコイル対は、離れて配置された２つの往復型コイルにより構成されることを特徴とする請求項４〜７のいずれかに記載のトルク検出装置。
【請求項９】
前記請求項１〜８のいずれかに記載のトルク検出装置から出力されたトルクに関する情報を用いてトルクを制御することを特徴とするトルク制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、種々の軸やギアやプーリー、その他の回転体におけるトルクを検出するのに好適で、大量安価に生産される製品や、過酷な環境で使用され、さらに高い信頼性やフェールセーフが要求される車両等にも適用できるトルク検出装置と、このトルク検出装置から出力されるトルクに関する情報を用いるトルク制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
軸のトルクを電気信号として測定する方法としては、図６（Ｂ）のように軸体６０７の機械的な変位をひずみゲージ６０８で検出したり、図６（Ｃ）のように軸体の機械的変位を光学センサ６０９と光学スリット６１０で検出したり、図６（Ａ）のように、軸体６０２の表面に塗布した磁歪材料６０１の逆磁歪効果を利用したいわゆる磁歪式トルク検出装置などが一般的である。この磁歪式トルク検出装置のトルク検出原理で代表的なものを、図７、図８で説明する。
【０００３】
軸体７０１にトルクＴを印加すると、軸体の機械的捻れによって図７における方向７０２，７０３で示すような、軸体７０１の軸方向に対して＋４５度及び−４５度方向に一方が圧縮、他方には引っ張り方向となる応力が生じる。この応力は軸のどの部分でも発生しているものである。
【０００４】
ところで、正の飽和磁歪定数を有する磁歪材料は、図８に示すように材料を引っ張ると透磁率が増大し、圧縮すると逆に透磁率が減少する性質を持っている。このような磁歪材料７０４を図７で示すように軸体７０１の表面に固定すると、軸体７０１の軸方向に対して＋４５度及び−４５度の方向に逆磁歪効果が発生する。図６（Ａ）は、このような逆磁歪効果を利用した磁歪式トルクセンサの具体的構成を示したもので、軸体６０２の表面に磁歪材料６０１を塗布し、この軸体６０２上の磁歪材料６０１に、軸体６０２の軸方向に対してそれぞれ＋４５度及び−４５度で細長いスリット６０３，６０６を設け、それぞれのスリット６０３，６０６の外側に磁歪材料部分の磁気特性を検出する検出コイル６０４、６０５を配置している。このような磁歪効果を利用した磁歪式トルク検出装置としては、例えば、軸体の表面に磁歪材料の膜を設け、軸の周囲に検出コイルを配置したものが知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００５】
また、他の磁歪式トルク検出装置としては、検出コイルのコア部を軸に対して傾斜かつ対向的に配置して検出コイルを磁気ヘッド形に小型簡略化したものや（例えば、特許文献２，３参照）、軸体表面の磁歪層上にフィルム状の平面コイルを設けて感度や温度特性を改善した力学量センサ（例えば、特許文献４参照）が知られている。
【０００６】
しかしながら、従来の一般的な機械変位検出型トルク検出装置には精度、構造的な制約や安価に製造する上での問題も多く、特に磁歪式トルク検出装置は以下に示す多様な課題があり、他の物理量検出センサに比べて普及が遅れている。
【０００７】
例えば、特許文献１に記載の磁歪式トルク検出装置は、その構造上、軸方向の寸法が大きくならざるを得ず、また、環状の検出コイルを軸に通す必要があるため、機器に組み込む際の制約も大きい。また、相反する逆磁歪現象の発生部位が物理的に離れているため、軸体に温度勾配があると磁気特性がバランスしなくなり、トルク検出特性に温度ドリフトが生じてしまう課題がある。これらの課題を改善するために、特許文献２または３に記載のトルク検出装置では、磁気コアに十字形の溝を形成し、この溝に八の字形のコイルを挿入した磁気ヘッド形のトルクセンサとしている。
【０００８】
これらは検出コイルを軸に通す必要が無く、軸周囲の一箇所に取付け可能である。検出部が小型なので温度ドリフト特性も改善するが、軸体と検出コイルコアのギャップ変化がトルク検出感度に影響するため、高精度な軸受け構造や厳密なギャップ管理が必要となり、センサ自体が小型にできても軸まわりの構造やセンサ取付けに多くの制約が発生する。また、磁気ヘッド形の検出コイルは高度な製造技術が必要であり、安価に製造することが難しかった。
【０００９】
前記を改善したものに、特許文献４に記載の力学量センサのように磁歪材料を表面に持つ軸体にフィルム状平面コイルを直接張りつけ、軸上の異なる場所でこのコイルを軸外部から励磁する別の環状コイルを具備させ、検出感度、ギャップによる感度変動、温度ドリフト等をさらに改善したものが提案されている。しかしながら、この特許文献４に記載の力学量センサにおいても、軸体に励磁用の環状コイルを通さなければならず、センサの組付けに構造的な制約が大きく、また、トルク検出部のインピーダンス変化を環状コイル経由で間接的に検出しているので、感度向上にも限界があった。
【００１０】
前記のような問題点を解決するために、本願出願人は軸体上にトルク検出モジュールを固定して電磁波でトルク値を読み出すトルク検出装置を提案した。このトルク検出装置は図９（Ａ）、（Ｂ）に記載のように軸体９０１の溝部９０１ａに磁歪材料９０２を直接固定し、この上にフィルム上の平面コイル及び、送受信アンテナ及び、信号処理チップで構成した軸側トルクセンサモジュール９０３を配置し、固定リング９０４で固定して、固定側モジュール９０５で電磁波による電源送受信とトルク検出値信号伝達を行うものである。この提案は軸で直接トルクを検出・処理して電磁波で検出値を送信するため、小型、高感度でセンサ取付けの自由度が高い。
【００１１】
さらにその発展形として図９（Ｃ）に示すように、半導体基板９１０上に、電源用受信アンテナ９１１と信号用送信アンテナ９１２とを形成すると共に、検出コイル９１３を形成し、合わせて電源受信回路９１４と信号処理回路等９１５とを形成し、軸側トルクセンサモジュールをワンチップ型としたものも提案している。しかしながら、これらはいずれも軸表面に直接、磁歪材料膜を蒸着やスパッタリング等で固定しなければならず、軸体製造工程の見なおしや、特殊な膜固定装置が必要であるという問題があった。
【００１２】
前記の問題点を解決するべく、本願出願人は軸体の物理変位を一度検出プレートに伝達してトルクを検出することにより、軸体材料・構造やセンサ製造上の制約を改善したものを提案した。このトルク検出装置は、図１０に示すように、軸９２０に固定されたセンサモジュール９２１と、このセンサモジュールと非接触に近接して配置した固定側モジュール９２２とから構成し、軸９２０と、センサチップ９２３と磁歪膜付きの検出プレート９２４とからなる固定側モジュール９２１を別々に製造してこれらを接合する方法である。この方法によれば、従来から軸に行われている機械加工技術がそのまま使用でき、トルク検出装置の製造、物流、管理コストを低減できる。また、この方法はトルク検出に軸体自体の磁気特性を利用しないため、軸の材質の自由度が高く、非磁性金属、樹脂、繊維強化プラスチックその他にも適用が可能となる。図１０の発明でも、アンテナ、回路、検出コイルを半導体チップ上の整形したワンチップ型センサ９２３が利用されている。
【特許文献１】特公平３−２６３３９号公報
【特許文献２】特開平６−２２１９４０号公報
【特許文献３】特開平１０−３８７１４号公報
【特許文献４】特開平７−６３６２７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
しかしながら、ワンチップ型センサ９２３を図９（Ｃ）の形態で構成すると、半導体基板上の同一平面に送受信アンテナと検出コイルが整形されるため、チップ上で検出コイルとして利用できる面積が極めて小さくなり、さらに半導体基板の辺に対し４５度の角度をもって配置しているため、チップ表面の利用効率が悪く、インピーダンスの検出感度が低下し、トルク検出感度が小さくなってしまう。これは同時にチップ面積が大きくなり、製造歩留まりや、センサのコストが増大することを意味する。
【００１４】
また、図１１のように、検出コイル９１３を磁歪材料膜、すなわち磁歪膜付き検出プレートに向かい合わせてチップを配置すると、送受信アンテナ９１１、９１２が検出プレート側となってしまい、半導体基板によって電磁波の減衰が避けられないことと、アンテナが金属である磁歪膜付き検出プレート９３０に接近してしまうため、電磁波９３１が減衰し、電源及び信号の送受信性能が低下してしまうという問題が発生する。
【００１５】
しかも、検出感度を向上しようとすると、検出コイルに、より多くの電流を流さなければならず、ひいては電源としてトルクセンサに外部から供給している電磁波９３１の電力を大きくせざるをえない。これらは総じて他の電子機器に悪影響を与え、トルク検出装置の価格増を招き、実用化の障害となる。さらに、検出コイルが一組しか具備されていないため、どちらかのコイルや、インピーダンス検出回路が故障すると、センサ全体の機能を喪失する問題もある。
【００１６】
本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、小型軽量、高感度、高精度でかつ安価に製造でき、取付けの制約が少なく、少電力での駆動が可能で、従来の製造プロセスをそのまま踏襲でき、ロバスト性が良好なトルク検出装置を提供することにある。また、このトルク検出装置から出力されるトルクに関する情報を用いる制御装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
本発明者らは、トルク検出装置につき鋭意研究を重ねた結果、以下の特徴を有する本発明を完成させるに至った。すなわち、本発明に係るトルク検出装置は、ワンチップ型の半導体基板の両面を利用し、片面を検出コイル側、もう一面をアンテナ及び回路側とし、検出コイルと信号処理回路をチップの両面を貫通する貫通ビアで電気的に接続することによって、チップ片面全面に検出コイルを配置できるものである。
【００１８】
また、センサチップ自体をあらかじめ、軸体の軸方向とチップの辺を４５度の角度で配置することにより、検出コイルをチップの辺に対して並行及び垂直に配置することを特徴とする。さらに、二つのコイルが対となり９０度の角度を持って配置された検出コイルを複数個設け、これらの故障を検出してコイル対毎に切離してトルク検出値を補正したり、それぞれの対毎にトルクを検出・送信し、故障した部位の情報を送信することによって、受信側でも補正を可能とすることを特徴とする。
【００１９】
具体的には、本発明に係るトルク検出装置は、軸体の表面に配置され、磁歪材料と該磁歪材料に近接して配置された検出コイルとを備えるセンサ部と、該センサ部とワイヤレスで送受信される固定部とを備え、前記軸体に印加されたトルクを検出する装置であって、前記センサ部は、板状の基板を備えると共に、前記固定部からワイヤレスで供給された電磁波を受信する受信アンテナと、検出されたトルクに関する信号を前記固定部に送信する送信アンテナとを備えており、前記送信アンテナおよび受信アンテナは、前記基板の一方の面に形成されると共に、前記コイルは、前記基板の他方の面に形成されることを特徴としている。特に、検出コイルは軸体と対向する面に配置され、受信アンテナおよび送信アンテナは固定部と対向する反対面に配置されることが好ましい。
【００２０】
前記のごとく構成された本発明のトルク検出装置は、送信アンテナと受信アンテナとを基板の一方の面に形成し、他方の面に検出コイルを形成するため送受信性能を向上できる。また、基板の他方の面に形成され、トルクが印加されて変形した磁歪材料のインピーダンス変化を検出する検出コイルは大きく形成することができるため、トルク検出感度を向上させることができる。
【００２１】
本発明に係るトルク検出装置の好ましい具体的な態様としては、前記センサ部は、前記検出コイルのインピーダンス変化を検出するインピーダンス検出回路と、検出されたインピーダンス変化を信号処理してトルク情報に変換する信号処理回路と、トルク情報に関する信号を変調・増幅して電波送信する送信回路と、前記固定部から送信される電磁波を受信する受信回路とを備えることを特徴としている。このように構成されたトルク検出装置は、板状の基板上の一方の面に磁歪材料のインピーダンス変化を検出する検出コイルと、他方の面にインピーダンス検出回路、信号処理回路、送信回路および受信回路を形成すると共に、送信アンテナおよび受信アンテナを形成することができ、ワンチップの基板に各種の回路、コイル、アンテナ等を効率よく配置することができる。
【００２２】
また、本発明に係るトルク検出装置の好ましい具体的な態様としては、前記基板は、その表面と裏面を接続する貫通穴を有しており、一方の面に形成された前記検出コイルと、他方の面に形成された前記インピーダンス検出回路とを前記貫通穴を通して電気的に接続することを特徴としている。この構成によれば、トルク検出装置のセンサ部を構成するモジュールの基板の例えば表面に形成された送信アンテナ、受信アンテナ、各種電気回路等と、裏面側に形成された検出コイル等の電気素子との接続が容易に行える。
【００２３】
さらに、本発明に係るトルク検出装置の好ましい具体的な他の態様としては、前記検出コイルは、前記基板の表面に平面的に形成されると共に、前記基板の外周辺と平行または直角な複数の平行パターンと該複数の平行パターンの端部を交互に連結する交差パターンとからなる往復型コイルに形成され、前記検出コイルを２つ用いてコイル対を形成し、該コイル対は前記平行パターンが直交するように、その一端が接続されることを特徴としている。この構成によれば、トルクをインピーダンス変化として検出するコイルが平行パターンと、この平行パターンの端部を接続する交差パターンとから形成されているため容易に形成できると共に、直交する２つのコイル対によりインピーダンスを検出できるため検出感度を高めることができる。
【００２４】
本発明に係るトルク検出装置の好ましい具体的な他の態様としては、前記コイル対を複数配置し、該複数のコイル対から出力されるトルクに関する信号を選択または平均する総合トルク算出回路を備えることを特徴としている。この構成によれば、コイル対を複数配置し、複数のコイル対から出力されるトルクに関する信号を用いて、選択または平均して総合トルクを算出しているため、精度の良いトルク検出が可能となる。
【００２５】
本発明に係るトルク検出装置の好ましい具体的な他の態様としては、前記複数のコイル対の故障を検出する故障検出手段を備え、該故障検出手段により検出された前記コイル対から出力されるトルクに関する信号を無効とする切離し回路および／または前記複数のコイル対から出力される信号を補正する補正回路を備えることを特徴としている。この構成によれば、インピーダンス変化を検出する複数のコイル対の故障を検出して、このコイル対からの信号を切り離し回路で無効とするか、あるいは複数のコイル対から出力される信号を補正するため、精度の良いトルク検出が可能となる。
【００２６】
本発明に係るトルク検出装置の好ましい具体的な他の態様としては、前記送信アンテナは、複数のコイル対から検出されるインピーダンス変化またはトルクに関する情報をそれぞれ送信することを特徴としている。この構成によれば、複数のコイル対から出力されるトルク情報の補正、故障検出、及び故障時のトルク検出装置の機能喪失を防止することができる。
【００２７】
本発明に係るトルク検出装置においては、前記複数のコイル対は、離れて配置された２つの往復型コイルにより構成されることが好ましい。すなわち、隣接していない２つのコイルを接続してコイル対としている。この構成によれば、コイル対を構成する２つの往復型コイルが隣接せずに離れているため、平面的にコイルを形成するときのばらつきを除去することができ、インピーダンス変化を精度良く検出することができる。
【００２８】
本発明に係るトルク制御装置は、前記のいずれかに記載のトルク検出装置から出力されたトルクに関する情報を用いてトルクを制御することを特徴としている。この構成によれば、種々の回転軸等のトルクを精度良く検出することができると共に、構成が簡単なため、制御装置の小型化を達成できる。また、検出されるトルクの精度が良いため、制御装置の機能を安定させることができる。
【発明の効果】
【００２９】
本発明に係るトルク検出装置は、トルク検出機能及び、電源・信号の送受信機能を半導体基板上に構成するワンチップ型センサであっても、基板片面全体を検出コイルに利用できるため、基板面積を増大させずともトルク検出感度を向上させることができ、省電力を図ることができる。
【００３０】
また、電源及び信号送受信アンテナと、検出コイルが基板上の異なる面に配置され、アンテナを外側、コイルを軸側に配置できるため、検出コイルと送受信電磁波の干渉を低減できる。また、金属である場合の多い軸や検出プレートをアンテナから遠ざけることができるため、アンテナの利得を向上できる。
【００３１】
トルク検出を行う検出コイルの対を複数設け、これを基板上で分散させることによって磁歪材料膜の材料ばらつきや、成膜ばらつきの影響を低減でき、トルク検出精度や製品歩留まりを向上することができる。さらに、分散させた複数の検出コイルや回路の故障を検出して故障部分を切離して信号を補正することで、センサの一部に故障が発生しても完全な機能喪失を防止することができる。これによりセンサのロバスト性が向上し、高い信頼性が求められる用途にも適用できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３２】
［第１の実施形態］
以下、本発明に係るトルク検出装置の第１の実施形態を図面に基づき詳細に説明する。図１は、本実施形態に係るトルク検出装置の基本的構成を示す要部斜視図であり、（Ａ）はセンサモジュールを固定した軸体と固定側モジュールとを離した状態の要部斜視図と、センサモジュールの要部拡大図、（Ｂ）はトルクを検出する軸体の一部を破断した要部斜視図、（Ｃ）は軸体に一方向のトルクを印加した状態の斜視図と要部拡大図、（Ｄ）は軸体に他方向のトルクを印加した状態の斜視図と要部拡大図、図２は、図１のセンサチップと固定側モジュールの電気的構成を示すブロック図、図３は、センサチップの要部構成を示し、（Ａ）は概略斜視図、（Ｂ）は一部を省略した表面図、（Ｃ）は要部の断面図、（Ｄ）は裏面図である。
【００３３】
図１において、本実施形態のトルク検出装置１００は、トルク被検出体である軸体１０１に固定され、この軸体と一体に回転するセンサモジュール１１０と、軸体とは別に固定される固定側モジュール１２０とを備えて構成され、センサモジュールと固定側モジュールとが一対となって機能するように構成されている。この基本構成は、従来の技術で説明した図１０に示す構成と同等の構成となっている。図１は本発明を使用したワンチップ型トルクセンサチップの軸体１０１への実装形態を示している。
【００３４】
センサモジュール１１０は、軸体１０１に円周方向に形成された溝１０２を跨るように平坦に加工された取付け座面１０３，１０４上に固定される。この構成により、溝で分割された取付け座面には、軸体にトルクが印加されたときに微小変位が生じるようにしている。センサモジュール１１０は、トルク被検出体である軸体１０１に固定され、軸体１０１と一体に回転する。
【００３５】
センサモジュール１１０は、中央部がＸ形の形状をなした金属板材よりなる検出プレート１１１と、後述されるセンサチップ１１２で構成され、検出プレート１１１の表面にセンサチップ１１２を固定している。検出プレート１１１は中心部にＸ形部分が形成され、このＸ形部分は軸に対してそれぞれ＋／−４５度になるように形成される。検出プレート１１１は両側辺を軸の取付け座面に溶接等で固定され、軸体にトルクが印加されることによる微小変位に応じて、検出プレート１１１に微小変位による応力が発生する。軸体へのトルク印加と、検出プレート１１１に発生する応力の関係を説明する。
【００３６】
図１（Ｃ）のように、軸体１０１にトルク＋Ｔが印加されると、軸体の弾性力によりトルクに応じた微小変位が発生する。検出プレート１１１の両端は溶接等により強固に座面に固定されているため、座面の変位は検出プレート１１１のＸ状部分でそれぞれ圧縮応力１０５、引っ張り応力１０６が発生する。次に図１（Ｄ）のように、軸体１０１に反対側のトルク−Ｔが印加されると、検出プレート１１１のＸ状部分で今度は反対方向の引っ張り、圧縮の応力が発生する。これらは軸方向に対して＋／−４５度の相反する圧縮、引っ張り応力であり、先に図７，８で説明した軸表面に発生する応力の関係と同一である。
【００３７】
よって、検出プレート１１１のＸ部中央表面へ磁歪材料を膜状に固定したり、検出プレート自体を磁歪材料で作製し、検出プレート１１１のＸ部中央表面の逆磁歪効果によるインピーダンス変化を計測すれば、軸体１０１のトルクを検出することができる。図示の例では説明のためにセンサチップ１１２が露出しているが、より現実的な実施例としてこの一部を樹脂等でモールドすることが望ましい。
【００３８】
固定側モジュール１２０は、軸体１０１の直径より大きな開口部を有し、軸体の外周に沿うような馬蹄形の形状の筐体を有している。開口部は半円弧状の円弧面を有しており、軸体と所定の間隙を有して対向できる構成となっている。間隙は１ｍｍ程度が好ましいが、特に規定されるものではない。すなわち、間隙が小さいほど送受信する電力が少なくてすむというメリットがある。軸体のトルク検出時には、軸体の外周面に沿わせて開口部を接近させるだけの動作ですみ、取付け上の制約がほとんど無く、固定側モジュールからの電力の送信や、センサモジュールからの信号の送信が安定して行える。
【００３９】
図２は、センサチップ１１２および固定側モジュール１２０を電気的な観点で示したものであり、センサチップ側には、軸上に発生する逆磁歪効果すなわち図７の方向７０２，７０３で示される表面応力による透磁率変化をインピーダンス変化として検出する検出コイル２０１、ブリッジ回路を構成するための抵抗器２０２、２つの検出コイルを励磁してかつ、検出コイル間で相反するインピーダンスを差動増幅してトルク情報を取り出す励磁・インピーダンス検出回路２０３、トルク情報を電波で送信するための信号変調回路２０４、変調されたトルク信号を増幅してアンテナに送り出す高周波増幅回路２０５で構成される信号処理回路２０６、電波を軸側から外部に送信する信号用送信アンテナ２１０、電源用の電波を受信する電源用受信アンテナ２１１、電波として受信した電力を回路の電源に変換する電源受信回路２１２、一連の信号処理・変調等に必要な基準信号を受信して各部に供給する基準信号分別回路２１３を形成したセンサチップ１１２が、磁歪膜を塗布した検出プレート１１１に固定され、軸１０１と一体に回転する。
【００４０】
センサチップ１１２は例えば単一のシリコン基板から形成される。検出コイル２０１は電流が印加されて磁界が形成され、この励磁状態が応力により変化するインダクタンス変化を、ブリッジ回路のインピーダンス変化として検出するものである。ブリッジ回路はフルブリッジ回路や、ハーフブリッジ回路等、適宜の形態を用いることができるが、感度の上ではフルブリッジ回路が好ましい。また、インダクタンス変化に代えて、他の特性変化を検出してもよい。
【００４１】
一方、固定側モジュール１２０は、センサチップ１１２に送信する基準信号を生成する基準信号生成回路２２０、電源と該基準信号を電磁波として軸側に送信する電源送信回路２２１、これらを電波として放出する電源用送信アンテナ２２２、軸側から送られてきた電波を受信する信号用受信アンテナ２２３、アンテナで受信した微弱電波を増幅する高周波増幅回路２２４、トルク信号を電波から取り出す信号復調回路２２５、トルク信号を外部に出力する信号出力回路２２６を備えて構成されている。
【００４２】
図３は本発明に係るトルク検出装置のセンサチップの第１の実施形態を示す図であり、例えば図１のトルク検出装置１００のセンサチップ１１２を説明するものである。通常、半導体チップで利用できる加工面は半導体基板３０１上に２面存在し、例えば片側を表面と定義すると、反対側は裏面となる。表面には信号処理回路２０６、信号用送信アンテナ２１０、電源用受信回路２１２、電源受信用アンテナ２１１が形成されている。一方、裏面には長手方向が互いに９０度の角度を持つ２つの検出コイル２０１が一組として加工され、検出プレート上に固定された磁歪材料膜に発生する圧縮、引張応力をインピーダンス変化として検出する。
【００４３】
この検出コイル２０１は基板の表面に平面的に形成されるものであり、基板３０１の外周辺と平行または直角な複数の平行パターンと、この複数の平行パターンの端部を交互に連結する交差パターンとからなる往復型コイルに形成されている。そして、図３（Ｄ）において、水平な平行パターンの検出コイルと、垂直なパターンの検出コイルを用いて、それらの一端を接続することによりコイル対を形成している。検出コイル２０１は、最大で基板裏面全体に配置が可能であるが、別の目的で他の回路または配線を加工してもよい。裏面に加工された検出コイル２０１と、表面に加工された信号処理回路２０６は、半導体基板の表面と裏面を貫通する貫通穴として貫通ビア３０２を設けることにより電気的な接続を行っている。なお、表裏面の電気的接続は他の方法を用いて接続してもよい。
【００４４】
このように構成された第１の実施形態においては、固定側モジュール１２０の電源送信回路２２１から送信アンテナ２２２により送信された電源用の電磁波２３０は、センサチップ１１２の受信アンテナ２１１で受信され、検出コイル２０１を励磁してセンサチップを動作状態とする。軸体１０１にトルクが印加され、センサチップの検出プレート１１１に応力が作用すると、逆磁歪効果により検出コイルのインピーダンスが変化する。このインピーダンス検出値は信号変調回路２０４で処理され、高周波増幅回路２０５で増幅され、送信アンテナ２１０から固定側モジュール１２０に電磁波２３１により送信され、信号用受信アンテナ２２３で受信される。
【００４５】
検出コイル２０１は基板３０１の裏面側に形成され、受信アンテナ２１１および送信アンテナ２１０は基板３０１の表面側に形成されているため、相互干渉を受けることが少なく、送受信機能が安定しており、正確なトルクを検出することができる。また、センサチップ１１２は小型軽量に作製することができ、固定側モジュール１２０はセンサチップと対向しやすいように一端部が開口しており、両者はワイヤレスで送受信されるため、どのような軸体でも容易に取り付けることができ、正確なトルクを検出することができる。さらに、送受信の電磁波が減衰しにくいため、省電力を達成できる。
【００４６】
［第２の実施形態］
本発明の第２の実施形態を図４（Ａ）に基づいて説明する。図９（Ｃ）や図１１、図３では検出コイルが１組であるが、図４（Ａ）のように、これを複数のブロックに分割して格子状に交互配置しても０トルク検出原理に影響を及ぼさない。図示の例では、平行パターンと、この平行パターンの端部を接続する交差パターンを有する往復型コイルが１６個形成されており、水平パターンのコイルと垂直パターンのコイルを接続して、８個のコイル対を形成することができる。この構成により多様な検出コイル２０１の配置が可能である。例えば、長手方向が水平な検出コイル２０１同士を全て直列接続して単一な検出コイルとして利用すれば、検出プレート１１１上に固定された磁歪材料膜の材料ばらつきや、成膜ばらつきによる検出トルクのオフセット誤差を低減することが可能である。
【００４７】
このことは、軸体１０１にトルクを与えていない状態で、２つある検出コイルのインピーダンスが釣合っていないと、どちらかの方向にトルクが与えられている状態と同一となってしまうからであり、これは磁歪材料側のばらつきや、回路のアンバランス成分によって発生する。よって、例えば検出プレート１１１への磁歪材料膜の成膜状態が均一でない場合に、単一で大面積の検出コイル２０１を２つ配置すると、より成膜ばらつきの影響を受けやすくなる。このため、複数の小型検出コイルを分散して格子状にかつ交互に配置すれば、磁歪材料膜のばらつきに起因するアンバランス成分が分散されて、同一成膜条件でのオフセット誤差を低減することができる。また、この実施形態では、検出コイルの対を隣接しないで離れた配置された検出コイルの対４０１としてもよい。これにより、ばらつきをさらに低減することができる。
【００４８】
［第３の実施形態］
本発明の第３の実施形態を図４（Ｂ）及び図４（Ｃ）に基づいて説明する。前記の実施形態で複数のブロックに分割した検出コイル２０１に、機能しない検出コイル４０２と対をなす検出コイル４０３がある場合には、このコイル対を切り離して無効とする。すなわち、複数のコイル対に個別のインピーダンス検出回路４０４を設け、それぞれの回路またはコイルの異常を監視するコイル故障検出回路４０５で検出コイル２０１またはインピーダンス検出回路４０４のいずれかが故障と判断された場合は、故障した系統を切離し回路４０６で切離し、総合トルク算出回路４０７で有効なトルクに関する信号を選択、あるいは平均して総合トルクを算出する。また、同時に故障検出回路４０５の出力に基づいて補正回路４０８を調整すれば、トルクセンサとしての機能を継続することができる。この補正は総合トルクを算出した後に行ってもよいし、その他の信号経路上で行ってもよい。さらに、この切離しは他の故障部位に基づくものであってもよいし、補正内容も本実施例が制約を与えるものではない。
【００４９】
また、所望のトルク検出感度に対し、あらかじめ余裕を持ったトルク検出性能を持たせたり、予備コイルを配置しておけば、センサチップや、磁歪材料膜に製造上の欠損があっても当該部分を切離し、置換することによって、所望の機能・性能を満たすことができるため、製造歩留まりを向上させることもできると共に、ロバスト性を向上させることができる。すなわち、あるコイル対が故障しても、他のコイル対を用いてバックアップすることができ、機能を回復することができる。
【００５０】
［第４の実施形態］
本発明の第４の実施形態を図５に基づいて説明する。この実施形態は、軸体１０１上に固定されたセンサチップ１１２が電磁波２３１として電源用の電磁波を受信し、電磁波２３０として送信したトルク情報を、固定側モジュール１２０で受信し、固定側モジュールから、シリアル通信でトルク情報を利用する制御装置５０１又は測定装置へ送信される形態を示している。このシリアル通信の通信フレームを第３の実施形態で述べた、検出コイル又は回路その他の診断情報５０５とトルク情報５０６で、図５（Ｂ）のように構成すれば、制御装置５０１側でもトルク情報の補正、故障検出、及び故障時の機能喪失防止が可能となる。診断情報とは、例えば故障したコイル対を特定する情報であり、この情報を基に補正回路４０８の補正を行う。
【００５１】
また、別の方法として、図５（Ｃ）のように、各検出コイル２０１に応じて、診断情報５０５に続くトルク情報を５０７〜５０９のように個別に送信するフレーム構成にし、診断情報５０５を基に、複数のコイル対から検出されるトルク情報フレーム５０７〜５０９の利用判断や補正を行っても同様の効果がある。このように検出コイルに断線等の故障が発生しても、故障部分を切り離して機能させることができるため、センサチップの歩留まりや、制御装置のロバスト性を向上させることができる。
【００５２】
以上、本発明の実施形態について詳述したが、本発明は、前記の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の精神を逸脱しない範囲で、種々の設計変更を行うことができるものである。例えば、センサ部を構成する検出プレートは金属板材から作製することが好ましいが、金属製に限らず、プラスチック製や、セラミックから形成してもよい。
【００５３】
また、トルクを検出する軸体は金属に限らず、プラスチック軸にも適用することができる。軸体をプラスチックとする場合は、センサモジュールの検出プレートは軸体形成時にインサート成型で固定することができる。
【産業上の利用可能性】
【００５４】
本発明の活用例として、このトルク検出装置を複数の回転軸に取り付けることによって、例えば自動車のエンジンのクランクシャフトや変速機の駆動シャフト、車輪を駆動するドライブシャフト等の回転軸のトルク管理を行い、制御する用途にも適用できる。また、自動車のパワーステアリング軸のトルク検出等も容易に行え、ロボット装置のアームのトルク検出や各種の用途に用いることができ、検出されたトルクを用いてトルク制御装置を構成することもできる。
【図面の簡単な説明】
【００５５】
【図１】本発明に係るトルク検出装置の第１の実施形態の基本的構成を示し、（Ａ）はセンサモジュールを固定した軸体と固定側モジュールとを離した状態の要部斜視図、（Ｂ）はトルクを検出する軸体の一部を破断した要部斜視図、（Ｃ）は軸体に一方向のトルクを印加した状態と斜視図と要部拡大図、（Ｄ）は軸体に他方向のトルクを印加した状態の斜視図と要部拡大図。
【図２】図１のセンサチップ内の電気的構成と固定側モジュールの電気的構成を示すブロック図。
【図３】図１に示すトルク検出装置のセンサ部の要部構成を示し、（Ａ）は概略斜視図、（Ｂ）は一部を省略した表面図、（Ｃ）は要部の断面図、（Ｄ）は裏面図。
【図４】（Ａ）は第２の実施形態の検出コイルを示す平面図、（Ｂ）は第３の実施形態の検出コイルを示す平面図、（Ｃ）は（Ａ）、（Ｂ）の検出コイルを接続したブロック図。
【図５】（Ａ）は第４の実施形態として、本発明のトルク検出装置を用いた制御装置の構成を示す図、（Ｂ）はトルク検出装置から制御装置への信号を送信する説明図、（Ｃ）は信号を送信する他の説明図。
【図６】従来のトルク検出装置を示す図。
【図７】磁歪材料の逆磁歪効果で軸トルクを検出する原理説明図。
【図８】正の飽和磁歪定数をもつ磁歪材料の応力と透磁率の関係図。
【図９】従来技術の他の例を示し、（Ａ）は分解状態の斜視図、（Ｂ）は取付け状態の斜視図と取付け後の斜視図、（Ｃ）はセンサチップの斜視図。
【図１０】他の従来のトルク検出装置を示す斜視図。
【図１１】図１０のトルク検出装置の対策すべき技術課題の説明を示す図。
【符号の説明】
【００５６】
１００…トルク検出装置、１０１…軸体、１０５、１０６…軸体表面に発生する応力、１１０…センサモジュール（センサ部）、１１１…磁歪膜付き検出プレート、１１２…センサチップ、１２０…固定側モジュール（固定部）、２０１…検出コイル、２０３…励磁、インピーダンス検出回路、２０５…高周波増幅回路（送信回路）、２０６…信号処理回路、２１２…電源受信回路、２１０…信号用送信アンテナ、２１１…電源用受信アンテナ、２１２…電源受信回路、２３０、２３１…電磁波、３０１…半導体基板、３０２…貫通ビア（貫通穴）、４０１…検出コイルの対、４０２…機能しない検出コイル、４０３…切離された対となる検出コイル、４０４…インピーダンス検出回路、４０５…故障検出回路、４０６…切離し回路、４０７…総合トルク算出回路、４０８…補正回路、５０１…制御装置、５０５…診断情報フレーム、５０６、５０７、５０８、５０９…トルク情報フレーム
【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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