(57)【要約】【課題】  磁歪式のトルクセンサに関して、小形で、回転軸の回転角度に出力特性が依存しないトルクセンサを提供する。【解決手段】  磁歪特性を有する回転軸１と、３つ以上の閉ループをそれぞれ形成する第１、及び、第２のコイル３，４とを備え、それぞれのコイルについて、前記閉ループが前記回転軸に対して同心円上（回転軸に垂直な平面にある同心円）に配置されるとともに、前記第１のコイルで検出する前記回転軸の磁歪特性の方向と前記第２のコイルで検出する前記回転軸の磁歪特性の方向とが異なるようにすることにより、回転軸のトルクに比例した出力を得ることができる。【選択図】  図１
2005208008.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁歪特性を有する回転軸のトルクを検出するためのトルクセンサであって、
複数のコイルをそれぞれ備えたコイルユニットが前記回転軸上に画定される仮想同心円に沿って配置されるとともに、前記コイルユニットは、前記回転軸の回転方向と略平行な方向に対して交差する方向に延在する線路を含み、蛇行する往路を形成し前記回転軸の回転方向と略平行な方向に対して交差する方向に延在する線路を含む第１の配線と蛇行する復路を形成する第２の配線との折り返し構造を形成し、前記第１の配線と前記第２の配線とが互いに交差する交差部において絶縁されるとともに前記第１の配線と前記第２の配線とにより囲まれた領域において閉コイルを形成するコイルユニットと、
該コイルユニットの特性変化を検出する検出手段と
を有することを特徴とするトルクセンサ。
【請求項２】
磁歪特性を有する回転軸のトルクを検出するためのトルクセンサであって、
複数のコイルをそれぞれ備えた第１及び第２のコイルユニットが前記回転軸上に画定される仮想同心円に沿って配置されるとともに、前記第１及び第２のコイルユニットのそれぞれは、前記回転軸の回転方向と略平行な方向に対して交差する方向に延在する線路をそれぞれに含み、蛇行する往路を形成する第１の配線と蛇行する復路を形成する第２の配線とを含む折り返し構造を形成し、前記第１の配線と前記第２の配線とが互いに交差する交差部において絶縁されるとともに、前記第１の配線と前記第２の配線とにより囲まれた領域に閉コイルを形成するコイルユニットと、
該コイルユニットの特性変化を検出する検出手段と
を有することを特徴とするトルクセンサ。
【請求項３】
前記コイルユニットは、隣接する前記交差する方向に延在する線路同士が略重なって配置されることにより連続する閉コイル鎖を構成することを特徴とする請求項２に記載のトルクセンサ。
【請求項４】
さらに、前記第１のコイルユニットと前記第２のコイルユニットとの間に設けられ、両者間を絶縁する絶縁シートが設けられていることを特徴とする請求項２に記載のトルクセンサ。
【請求項５】
前記第１のコイルユニットにより検出される前記回転軸の磁歪特性の方向と前記第２のコイルユニットにより検出される前記回転軸の磁歪特性の方向とが異なるように、前記第１のコイルユニットと前記第２のコイルユニットとが配置されることを特徴とする請求項２に記載のトルクセンサ。
【請求項６】
前記第１及び第２のコイルユニットは、それぞれが備える第１及び第２のコイルが形成するそれぞれのコイル面の法線方向が前記回転軸の径方向と略平行になるように配置されることを特徴とする請求項２に記載のトルクセンサ。
【請求項７】
前記コイル面が前記径方向に重ねられた状態で配置されることを特徴とする請求項５に記載のトルクセンサ。
【請求項８】
前記第１の配線と前記第２の配線とのそれぞれは、前記回転軸の回転方向に対して略平行な方向と交差する方向に延在する線路のみにより形成されていることを特徴とする請求項２に記載のトルクセンサ。
【請求項９】
前記第１の配線と前記第２の配線とのそれぞれは、前記回転軸の回転方向に対して略平行な方向に延在する第１線路と、該第１線路に対する垂線と交差する方向に延在する第２線路と、により形成され、かつ、前記第１のコイルユニットと前記第２のコイルユニットとの前記第１線路が略同じ位置において反対方向に電流が流れるように配置されていることを特徴とする請求項２に記載のトルクセンサ。
【請求項１０】
前記第１のコイルユニットは、前記回転軸の回転中心軸線への射影が該回転中心軸線と成す角度が略＋α°である２辺を有するコイルにより形成され、前記第２のコイルユニットは、前記回転軸の回転中心軸線への射影が該回転中心軸線と成す角度が略−α°の２辺を有するコイルにより形成されることを特徴とする請求項２に記載のトルクセンサ。
【請求項１１】
前記第１及び第２のコイルユニットは、非磁性体により形成された第１及び第２のコイルシートのそれぞれに支持されていることを特徴とする請求項２に記載のトルクセンサ。
【請求項１２】
前記第１及び第２のコイルユニットに含まれるコイル数は、２ｎ個及び２ｍ個（但し、ｎ、ｍは２以上の整数である。）であり、かつ、前記回転軸の全周にわたって帯状に配置されていることを特徴とする請求項２に記載のトルクセンサ。
【請求項１３】
前記第１のコイルユニット及び前記第２のコイルユニットを構成するコイルの形状は、略平行四辺形の形状を有していることを特徴とする請求項２に記載のトルクセンサ。
【請求項１４】
前記平行四辺形の狭い方の頂角の角度が３０°以上６０°以下であることを特徴とする請求項１３に記載のトルクセンサ。
【請求項１５】
前記第１及び第２のコイルユニットを構成するコイルは、狭角を形成する頂点の角度をθとし、前記回転軸の直径をＤ、前記第１及び第２のコイルユニットに含まれるコイル数をＮ、円周率をπとしたとき、前記第１及び第２のコイルユニットを構成するコイルの、前記回転軸の回転中心軸の延在する方向の幅Ｗが以下の式で表されることを特徴とする請求項１３に記載のトルクセンサ。
Ｗ≒ｋ（πＤ／２Ｎ）・tan θ  （ただし、ｋは整数）
【請求項１６】
前記第１のコイルユニットを形成する線路と前記第２のコイルユニットを形成する線路とが、前記回転軸周りの略全域にわたって互いに直交するように配置されていることを特徴とする請求項２に記載のトルクセンサ。
【請求項１７】
磁歪特性を有する回転軸のトルクを検出するためのトルクセンサであって、
前記回転軸の外周に配置された磁性リングと、
複数のコイルをそれぞれ備えた第１及び第２のコイルユニットが前記回転軸上に画定される仮想同心円に沿って配置されるとともに、前記第１及び第２のコイルユニットのそれぞれは、前記回転軸の回転方向と略平行な方向に対して交差する方向に延在する線路をそれぞれに含み、蛇行する往路を形成する第１の配線と蛇行する復路を形成する第２の配線とを含む折り返し構造を形成し、前記第１の配線と前記第２の配線とが互いに交差する交差部において絶縁されるとともに、前記第１の配線と前記第２の配線とにより囲まれた領域に閉コイルを形成するコイルユニットと
該コイルユニットの特性変化を検出する検出手段と
を備えることを特徴とするトルクセンサ。
【請求項１８】
前記磁性リングの内面に、前記第１及び第２のコイルユニットのうち少なくとも一方を収容する溝が形成されていることを特徴とする請求項１７に記載のトルクセンサ。
【請求項１９】
前記溝により形成される磁路の断面形状は、少なくとも二等辺三角形である個所を有することを特徴とする請求項１８に記載のトルクセンサ。
【請求項２０】
磁歪特性を有する回転軸のトルクを検出するためのトルクセンサであって、
前記回転軸上に画定される仮想同心円に沿って前記回転軸の回転方向と略平行な方向に対して交差する方向に蛇行する線路を有するコイルユニットと、
該コイルユニットの特性変化を検出する検出手段と
を有することを特徴とするトルクセンサ。
【請求項２１】
磁歪特性を有する回転軸のトルクを検出するためのトルクセンサであって、
前記回転軸の外周を取り囲むように配置された第１及び第２のコイルユニットを有し、
前記第１及び第２のコイルユニットはそれぞれ、
前記回転軸に対して同心円の関係になっており、かつ、前記回転軸の回転方向の一方向に電流を蛇行して流すための電流路を形成する第１の配線と、該第１の配線から折り返され、回転軸の回転方向の他方向に電流を蛇行して流すための電流路を形成する第２の配線とを有するコイルを備えており、
前記第１のコイルユニットにおける前記第１及び第２の配線は、回転軸に作用する２つの力のうち一方の力の作用方向に略平行に延びかつ互いに近接して同じ方向の電流を流す複数の電流路を含んでおり、
前記第２のコイルユニットにおける前記第１及び第２の配線は、回転軸に作用する２つの力のうち他方の力の作用方向に略平行に延び、かつ、互いに同じ方向の電流を流す複数の電流路を含んでいる
ことを特徴とするトルクセンサ。
【請求項２２】
請求項２１に記載のトルクセンサにおいて、
前記第１及び第２のコイルユニットは、当該複数の線路を流れる電流の方向が、回転軸の回転方向に対して交互に異なる
ことを特徴とするトルクセンサ。
【請求項２３】
請求項２１に記載のトルクセンサにおいて、
前記第１及び第２のコイルユニットは、当該複数の線路の延びる方向に対して直交する方向の磁気特性を生じさせる
ことを特徴とするトルクセンサ。
【請求項２４】
請求項２１に記載のトルクセンサにおいて、
前記第１及び第２のコイルユニットは回転軸上に並置されている
ことを特徴とするトルクセンサ。
【請求項２５】
請求項２１に記載のトルクセンサにおいて、
前記第１及び第２のコイルユニットは重ねられて回転軸上に配置されている
ことを特徴とするトルクセンサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、回転軸に加わるトルクを計測するトルクセンサに関し、特に、自動車、産業用機器などのように、トルクをフィードバック制御することにより高性能化できる装置に用いられるトルクセンサの小型化技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
自動車、産業用機器に用いられる回転軸のトルクを計測し、計測値に基づいてフィードバック制御するシステムが用いられている。特に、エンジン制御装置や電動パワーステアリング装置は、その代表的な適用例である。また、電動アシスト自転車も運転者の踏力に応じて、モータでトルクアシストするものであり、トルクを計測するセンサが必要不可欠である。さらに、ＮＣなどの工作機にも、加工物に加わる切削トルクを計測して制御する装置が実用化されている。このように、回転軸のトルクを計測するトルクセンサが高性能な制御を行うために重要性を増している。
【０００３】
一般に、磁歪特性を有する材料に対して圧縮する方向の力を加えると、磁歪特性を有する材料の磁化が変化し、その比透磁率が小さくなる。この原理を利用してトルクを計測する技術としては、従来から、磁歪特性を有する回転軸を用いた磁歪式トルクセンサが良く知られている。
【０００４】
特許文献１〜３までに記載されている方法がある。これらのうちの第１の方法は、回転軸の±45°方向にスリット又は溝などを設け、磁歪特性による磁気変化を検出する技術である。回転軸にトルクが加わると、回転軸の一方の45°方向には圧縮する力が発生し、他方の45°方向には伸張する力が発生する。このため、圧縮力が加わる方向にスリットを設けておくと、その方向の圧縮力が集中し、比透磁率が減少する。この変化状態を、外部に巻いたコイルによりインダクタンスの変化として検出することで、トルクの大きさを検出する（特許文献１参照）。この方法は回転軸の回転角度によらず、安定してトルクを検出できる特徴がある。
【０００５】
第２の方法は、八の字状のコイルにより、磁歪特性を有する回転軸±45°方向の磁化状態の変化を検出するものである（特許文献２参照）。さらに、第３の方法は波状の配線を折り返してラダー状にした２組のコイルを回転軸の±45°方向にそれぞれ配置することにより、トルクに応じたその方向の磁化状態の変化を検出するものである（特許文献３参照）。第２及び第３の方法の特徴は、磁歪特性を有する回転軸であれば、回転軸に加工をする必要がないことである。
【特許文献１】特開平7-83769号公報
【特許文献２】特開平6-221940号
【特許文献３】特開平6-273247号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上記の方法については、それぞれ以下に説明するような問題点があった。
【０００７】
第１の方法に関しては、回転軸に溝を設けたり、磁歪特性を有する薄膜を貼り付けたりする必要があるため、軸自体を加工しなければならない。従って、エンジントルクや変速機のトルクのように、回転軸に加工することが難しい場合には、適用が難しいという問題点がある。
【０００８】
また、第２、第３の方法は、軸に加工する必要がない特徴はあるものの、回転軸の角度が変化すると計測する回転軸の領域が変わってしまうため、磁気特性が回転角度により変動するという問題がある。そのため、たとえ加わるトルクが一定の場合であっても、回転角度に依存してトルク出力が変化することがある。
【０００９】
本発明の目的は、回転軸を加工せずに、かつ、回転軸の角度に依存することなく、加えられたトルクに比例した出力が得られるトルクセンサを提供することにある。また、センサが占める体積を小さくしつつも、感度と応答性とに優れたトルクセンサを実現することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の一観点によれば、磁歪特性を有する回転軸のトルクを検出するためのトルクセンサであって、複数のコイルをそれぞれ備えたコイルユニットが前記回転軸上に画定される仮想同心円に沿って配置されるとともに、前記コイルユニットは、前記回転軸の回転方向と略平行な方向に対して交差する方向に延在する線路を含み、蛇行する往路を形成し前記回転軸の回転方向と略平行な方向に対して交差する方向に延在する線路を含む第１の配線と蛇行する復路を形成する第２の配線との折り返し構造を形成し、前記第１の配線と前記第２の配線とが互いに交差する交差部において絶縁されるとともに前記第１の配線と前記第２の配線とにより囲まれた領域において閉コイルを形成するコイルユニットと、該コイルユニットの特性変化を検出する検出手段とを有することを特徴とするトルクセンサが提供される。
【００１１】
上記トルクセンサによれば、第１及び第２のコイルユニットのうちの少なくとも一方が、前記回転軸の外周に最短距離で配置されるため、トルクセンサを小型化できる。特に、前記第１及び第２のコイルユニットの両方が前記回転軸上の（仮想）同心円に沿って、かつ、前記第１及び第２のコイル面が前記径方向に重ねられた状態で配置されていると、回転軸の角度に依存することなくトルクを精度良く計測できるとともに、トルクセンサを小型化できる。
【００１２】
また、磁歪特性を有する回転軸のトルクを検出するためのトルクセンサであって、複数のコイルをそれぞれ備えた第１及び第２のコイルユニットが前記回転軸上に画定される仮想同心円に沿って配置されるとともに、前記第１及び第２のコイルユニットのそれぞれは、前記回転軸の回転方向と略平行な方向に対して交差する方向に延在する線路をそれぞれに含み、蛇行する往路を形成する第１の配線と蛇行する復路を形成する第２の配線とを含む折り返し構造を形成し、前記第１の配線と前記第２の配線とが互いに交差する交差部において絶縁されるとともに、前記第１の配線と前記第２の配線とにより囲まれた領域に閉コイルを形成するコイルユニットと、該コイルユニットの特性変化を検出する検出手段とを有することを特徴とするトルクセンサが提供される。
【００１３】
前記第１の配線と前記第２の配線とのそれぞれは、前記回転軸の回転方向に対して略平行な方向に延在する第１線路と、該第１線路に対する垂線と交差する方向に延在する第２線路と、により形成され、かつ、前記第１のコイルユニットと前記第２のコイルユニットとの前記第１線路が略同じ位置において反対方向に電流が流れるように配置されているのが好ましい。
【００１４】
上記トルクセンサによれば、回転軸の回転方向と略平行な方向の第１線路が、第１のコイルユニットと第２のコイルユニットとで同じ位置に配置されるため、コイルユニットの配置として細密となり、小型化・高効率化が可能となる。また、第１のコイルユニットと第２のコイルユニットとの第１線路がほぼ同じ位置において逆方向に電流が流れるように配置されるため、ノイズの影響が少なくなり、高性能化が可能となる。
【００１５】
本発明の他の観点によれば、磁歪特性を有する回転軸のトルクを検出するためのトルクセンサであって、前記回転軸の外周を取り囲むように配置された第１及び第２のコイルユニットを有し、前記第１及び第２のコイルユニットはそれぞれ、前記回転軸に対して同心円の関係になっており、かつ、前記回転軸の回転方向の一方向に電流を蛇行して流すための電流路を形成する第１の配線と、該第１の配線から折り返され、回転軸の回転方向の他方向に電流を蛇行して流すための電流路を形成する第２の配線とを有するコイルを備えており、前記第１のコイルユニットにおける前記第１及び第２の配線は、回転軸に作用する２つの力のうち一方の力の作用方向に略平行に延びかつ互いに近接して同じ方向の電流を流す複数の電流路を含んでおり、前記第２のコイルユニットにおける前記第１及び第２の配線は、回転軸に作用する２つの力のうち他方の力の作用方向に略平行に延び、かつ、互いに同じ方向の電流を流す複数の電流路を含んでいることを特徴とするトルクセンサが提供される。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、回転軸の角度に依存することなく、加えられたトルクに基づいて、線形性の良い出力特性が得られるトルクセンサを、コンパクトに実現できるという効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、本発明の一実施の形態によるトルクセンサについて図１を参照しつつ説明を行う。図１に示すように、本実施の形態によるトルクセンサの構成例を分解斜視図である。図１に示すように、本実施の形態によるトルクセンサは、磁歪特性を有する回転軸１であって、表面に溝などが設けられていない回転軸１におけるトルクを検出することができる。
【００１８】
図１に示すように、本実施の形態によるトルクセンサは、上記回転軸１の外周に配置可能な磁性リング２の内接面に設けられた第１のコイルユニット３と、第２のコイルユニット４とを配置した構造を有している。回転軸１のトルクを測定するためには、第１のコイルユニット３と第２のコイルユニット４とを配置した磁性リング２を、回転軸１の外周に配置する必要がある。
【００１９】
図２は、磁性リング２を回転軸の外周に配置した状態を示す図である。図２に示すように、磁性リング２は、円筒状の回転軸１の中心軸１ａと同軸の位置であって、回転軸１の径方向に延びる仮想線と磁性リング２の内面の法線とが略平行な状態になるように配置されている。
【００２０】
トルクセンサの原理、構成方法等に関しては後述するが、その前に、図３を参照しつつ、本実施の形態によるトルクセンサを利用した電動パワーステアリング装置の構成例について説明する。図３に示すトルクセンサの動作原理について以下に説明する。図３に示すように、本実施の形態によるトルクセンサを利用した電動パワーステアリング装置において、ハンドル５を運転者が回転させると、ステアリング軸（上記回転軸１に対応）７上に取り付けたトルクセンサ８（上記第１及び第２のコイルユニット３、４に対応）により操舵トルクτを計測することができる。検出された操舵トルクτは、コントローラ９に入力され、モータ１０をアシストすべき最適なアシストトルクを算出し、アシストトルクに基づいて、モータ１０を制御する。
【００２１】
モータ１０は、ステアリング軸７を駆動することができるように構成されており、運転者のステアリング操作が適度に軽くなるように、アシストトルクをステアリング軸７に付加する。これにより、タイヤ６ａ、６bの舵角を小さい操舵トルクτで容易に転向できる。電動パワーステアリング装置において、ステアリング軸上にコンパクトに、かつ、安価に設けることができるトルクセンサ８として図１，図２に示したトルクセンサが好ましい。
【００２２】
図４、図５は、図１に示す磁性リング２、第１、第２のコイルユニット３、４を分解してその構成を詳細に示した図である。第１、第２のコイルユニット３、４は、図５に示すように形成されている。図４においては、第１のコイルユニット３が形成する曲面Ｓ２により囲まれた円形平面Ｓ１（斜線部）の中心Ｐ１と、同じく第２のコイルユニット４が形成する曲面に囲まれた円形平面Ｓ１との中心点Ｐ１、Ｐ１は、中心線１ａを通る。Ｌ１は、中心点Ｐ１を通り曲面Ｓ２に対する法線を形成する。
【００２３】
図５（ａ）に示すように、第１のコイルユニット３は、例えば１本の配線を、頂点Ａから波形（ジグザグ）状に蛇行させ、頂点Ａ’まで、図面上では上から下に向けて形成する。次いで、頂点Ａ’から頂点Ｂ’まで斜め下方に配線され、ここで、頂点Ｂ’から頂点Ａまで、図面上では下から上に向けて波形（ジグザグ）状に配線が折り返すように形成されている。但し、往復で交差する配線は上下方向に離間しており、絶縁状態となっている。
【００２４】
これにより、上面からは、偶数個（図では、１６個）の右肩下がりの略平行四辺形状のコイル３ａが複数形成される。コイルユニット３の配置方法（巻き方）の特徴は、コイルユニット３に電流を流した場合に、平行四辺形状のコイル３ａを形成する配線の電流によって、その平行四辺形状のコイル３ａ内に発生する磁束が同一方向になる点である。但し、隣り合う平行四辺形状のコイル３ａの磁束方向は逆になっている。加えて、上記平行四辺形の内角のうち、２つの狭角の角度は４５°とするのが好ましいが、この点についてもその理由を後述する。尚、第１のコイルユニット３は、例えば、非磁性体により形成されたシート状のコイルシート１１に配線されている。図４に示すように、第１及び第２のコイルユニットを形成するそれぞれの１本の配線は、その両端から例えば電圧を印加することにより電流を流すことができるようになっている。これにより、それぞれのコイルユニット３、４のそれぞれに形成されているコイルに磁束を発生させることができる。
【００２５】
第２のコイルユニット４に関しても、第３のコイルユニット３の場合と同様に、頂点Ｃ、Ｄから頂点Ｃ’、Ｄ’まで波形状に配線されるとともに、Ｃまで波形状に配線を形成することにより、合計１６個の平行四辺形状のコイル４ａが形成されている。この第２のコイルユニット４も、例えば、非磁性体のコイルシート４０上に配線されるのが好ましい。
【００２６】
図５（ａ）においては、第１及び第２のコイルユニット３、４の結線状態を明確にするために、平行四辺形を少しずらした形状を有している。しかしながら、実際には、図５（ｂ）に示すように、配線を重ねることにより、第１及び第２のコイルユニット３、４は、それぞれ右肩４５°下がりの２つの長辺（２つの短辺でも良い）を有する平行四辺形と、右肩４５°上がりの２つの長辺（２つの短辺でも良い）を有する平行四辺形と、を形成するように、非磁性体のコイルシート１１、４０に第１及び第２のコイルユニット３、４をそれぞれ貼り付けている。
【００２７】
尚、図４に示す第１のコイルユニット３は、図５（ｂ）に示す非磁性体のコイルシート１１を円筒状にし、頂点Ａと頂点Ａ’、頂点Ｂと頂点Ｂ’をそれぞれ一致させることにより作成する。同様に、第２のコイル４についても、頂点Ｃと頂点Ｃ’、頂点Ｄと頂点Ｄ’をそれぞれ一致させることにより、図４に示すコイルユニット４を形成することができる。実際には、図５（ｂ）に示す２つのコイルユニット３、４を、図５（ｃ）に示すようにコイル３ａ、４ａが形成する面が対向するような配置で重ねた後に、円筒状に巻き込むことにより、図１に示す磁性リング２の内接面に第１及び第２のコイルユニット３、４を配置することができる。
【００２８】
尚、図５の配線の形状に関しては、以下に示す式により規定される。平行四辺形の円周方向の長さＨと、コイルの幅Ｗは、次式で与えられる。
Ｈ＝Ｗ＝π（Ｄ＋２ｇ）／Ｎ
≒πＤ／Ｎ    （但し、ｇ<<Ｄのとき）
ここで、Ｄは回転軸の直径（図１）、ｇは回転軸と磁性リングの間の空隙長さ（図２）、Ｎは第１及び第２のコイルユニット３、４に設けられているコイル総数（図５の場合には、Ｎ＝１６）である。
【００２９】
上記の式に基づいてコイルユニットを設計すると、図５（ｃ）に示すように、第１及び第２のコイルユニット３、４を重ねた場合に、その中央部に規則正しく、配線による正方形状の形状ａが形成され、この正方形ａがコイルユニットの延在方向に並ぶ。従って、２つのコイル間の影響を少なくすることができるという利点がある。
【００３０】
次に、上述のコイルユニットの動作原理について図６を参照しつつ説明を行う。図６（ａ）は、図５（ａ）に示す第１のコイルユニット３を拡大して、回転軸１の周囲に取り付けた場合の、コイル電流と磁束との関係を示す図である。図６（ａ）に示すように、第１のコイルユニット３を回転軸１の外周に配置した場合には、頂点Ａと頂点Ａ’及び頂点Ｂと頂点Ｂ’とがそれぞれほぼ一致するように配置する点に関しては上述の通りである。
【００３１】
第１のコイルユニット３に頂点Ｂから頂点Ａ方向に電流を流すと、頂点Ｂ’、Ａ’に関しても頂点Ｂ’から頂点Ａ’方向に第１の電流が流れる。従って、図６（ａ）に示すように、頂点Ｅ、Ｆ、Ｂ’、Ａ’により画定される平行四辺形ＥＦＢ’Ａ’について考えると、平行四辺形ＥＦＢ’Ａ’の中心から見て、時計周りの方向に電流が流れる。この第１の電流による磁束は、右ネジの法則に従って、紙面表側から裏側に発生することになる。また、平行四辺形ＥＦＢ‘Ａ’に隣接する頂点Ｅ、Ｆ、Ｇ、Ｈにより画定される平行四辺形ＥＦＧＨにおいて、第２の電流が反時計方向に流れるため、それに基づく磁束は紙面裏側から表側に発生する。すなわち、第２の電流をコイルユニット４に流すと、隣り合う平行四辺形状のコイルには、逆向きの磁束が発生する。
【００３２】
そのときの磁束の状態を軸方向ｘから見ると、図７に示すように、第１のコイルユニット３の配線を中心に回転軸１と磁性リング２との間を通る磁路が形成されることがわかる。磁束は、一般に、できるだけ磁気抵抗が少なく、かつ、磁路が短くなるような通路を通る。従って、図６（ａ）に示すように、右肩４５°下がりの配線に対しては、矢印で示すように＋４５°（右肩上がりの）方向に磁路を形成する。従って、第１のコイルユニット３のように、右肩下がりの２辺を有する平行四辺形状の配線を形成すると、この２辺の方向と直交する方向である＋４５°方向の磁気特性の影響により電気特性が決定される。
【００３３】
ここで、図６（ａ）に示すように、軸方向ｘから見て、手前側（図面では右側）において反時計周り方向に、後方側（図面では左側）において時計周り方向に回転軸１を回転するようなトルクが発生した場合を考える（以下、この方向のトルクを正方向トルクと称する。）。
【００３４】
この場合、回転軸の＋４５°方向には圧縮する力が、−４５°（右肩下がりの）方向には伸張する力がそれぞれ加わる。そのため、磁歪特性を有する回転軸１において、＋４５°方向の比透磁率が減少し、−４５°方向の比透磁率は増加する。第１のコイルユニット３により形成される磁路に関しては、先に述べたように、＋４５°方向の磁気特性の影響により電気特性が決定されるため、比透磁率は減少することになり、第１のコイルユニット３のインダクタンスは小さくなる。一方、負方向にトルクが発生した場合には、比透磁率は下がらず、インダクタンスは増加する。
【００３５】
一方、図６（ｂ）に示す第２のコイルユニット４は、右肩４５°上がりの２辺を有する平行四辺形状にコイルが形成されるため、このコイルに図示のような電流を流すことより発生する磁路は−４５°方向になる。そのため、第１のコイルユニット３とは逆に、第２のコイルユニット４においては、負方向にトルクが働いた場合に比透磁率が減少し、インダクタンスが下がる。
【００３６】
従って、磁歪特性による磁気変化を、第１及び第２のコイルユニット３、４により検出することができる。尚、第１のコイルユニット３と第２のコイルユニット４は、配線が互いに直交する関係になっているため、第１のコイルユニット３に電流を流すことにより発生する磁束が、第２のコイルユニットにおける１つの平行四辺形状のコイル４ａに与える影響はキャンセルされ総計として０となる。第２のコイルユニット４に電流を流すことにより発生する磁束に関しても、同様に第１のコイルユニットに含まれる１つの平行四辺形状のコイルに影響を与えない。このように、本実施の形態によるトルクセンサは、お互いに影響を与えないように２つのコイルユニットを配置する点を１つの特徴としている。
【００３７】
図８は第１のコイルユニット３、第２のコイルユニット４のそれぞれの電気特性からトルクを検出するためのトルク検出回路の構成例を示す図である。図８に示すように、本実施の形態によるトルク検出回路は、発振器３５から発生する高周波電圧を第１のコイルユニット３と第２のコイルユニット４とを直列接続した回路に印加する。第１、第２のコイルユニット３、４のインダクタンスをそれぞれＬ１，Ｌ２とする。また、抵抗Ｒ１と抵抗Ｒ２を直列接続した回路にも高周波電圧を印加する。第１のコイルユニット３と第２のコイルユニット４との接続点Ｐ１と、抵抗Ｒ１とＲ２との接続点Ｐ２との電圧を出力回路３６に入力させ、その電圧差を増幅して出力する（Ｖｏｕｔ）。
【００３８】
図６（ａ）に示すように正方向にトルクが発生すると、図８におけるインダクタンスＬ１が減少し、インダクタンスＬ２は増加するため、出力回路３６の出力Ｖｏｕｔは正の値で増加する。また、負方向にトルクが発生すると、インダクタンスＬ１は増加し、インダクタンスＬ２は減少するため、出力回路３６の出力Ｖｏｕｔは減少する。このような原理により、回転軸１に加わるトルクτに応じて、トルク検出回路の出力Ｖｏｕｔが変化し、Ｖｏｕｔに基づいてトルクを検出することができる。本実施の形態によるトルクセンサは、例えば４以上の偶数のコイル（３ａ又は４ａ）を有するコイルユニット３又は４を用いることにより、コイルユニット３又は４を回転軸１の全周に配置することができるため、磁気的な終端部を受けにくい。
【００３９】
また、回転軸１の全周にコイルユニット３、４を配置することにより、回転軸１において局所的な磁気特性変化があっ他場合においても、回転軸１の回転角度に依存せずに検出対象面を同じにすることができるため、トルクセンサの出力特性Ｖｏｕｔに対する影響は少なくなり、回転軸１におけるトルクを安定して検出することができるという利点がある。
【００４０】
さらに、コイルユニット３、４を、回転軸１の垂直断面の外周円上に同心に並べて配置することができるため、トルクセンサの幅を短くできるという利点がある。±45°方向のインダクタンスを検出する目的で平行四辺形状のコイルの２辺が直交するように２つのコイルユニット３，４を重ねて配置することにより、コイルユニット３、４同士が相互にそれぞれの電気特性に影響を与えないようにすることができるため、センサの幅を一層小さくすることができるという利点もある。また、非磁性体のコイルシートにコイルユニットを貼り付ける構造を採用することにより、取り扱いが格段に容易になる。
【００４１】
次に、本発明の第２の実施の形態によるトルクセンサについて図面を参照しつつ説明を行う。図９は、第１の実施の形態によるトルクセンサとは、コイルユニットの形状が異なるコイルユニットの構成例を示す図である。図９に示すように、本実施の形態によるトルクセンサは、第１及び第２のコイルユニット１２、１３は磁性リング２の内面に配置されている。さらに、コイルユニット１２，１３が設けられた磁性リング２は、回転軸１の外周面上に配置されている。本実施の形態によるトルクセンサのコイルユニット１２、１３を展開すると、図１０（ａ）に示すような形状になっている。コイルユニットは図５の場合と同じく、波形状に巻かれている。本実施の形態によるトルクセンサの場合は、第１、第２のコイルユニット１２、１３に含まれるコイル１２ａ、１３ａが、それぞれ４つずつ設けられている例を示している。図１０（ｂ）に示すように、第１及び第２のコイルユニット１２、１３を円筒状に重ねて配置することにより、図９に示すように、磁性リング２に内面に接する形状を形成する。尚、図１０に示す配線形状は、次式により規定される。平行四辺形の円周方向の長さをＨとし、コイルの幅をＷとすると、
Ｈ＝π（Ｄ＋２ｇ）／Ｎ≒πＤ／Ｎ    （ただし、ｇ<<Ｄのとき）
Ｗ＝Ｈ／２≒πＤ／２Ｎ              （ただし、ｇ<<Ｄのとき）
で与えられる。
【００４２】
ここで、図１０に示す構成においては、Ｎ＝４である。すなわち、第１のコイルユニット１２のそれぞれのコイルを形成する略平行四辺形状の形状における２辺が第２のコイルユニット１３のそれぞれのコイルを形成する略平行四辺形の形状における対角線上に配置され、第１のコイルユニット１２のそれぞれのコイルを形成する略平行四辺形状の形状における対角線上に第２のコイルユニット１３のそれぞれのコイルを形成する略平行四辺形の形状における２辺が配置される。
【００４３】
本実施の形態によるトルクセンサの場合には、コイルの巻線形状が図５の場合と比較してシンプルになるため、より簡単かつ安価にトルクセンサを構成することができるという利点がある。また、図１０（ａ）に示すように、第１のコイルユニット１２に対して、第２のコイルユニット１３をＨ/２だけ下方に移動させることにより、第２のコイルユニット１３の電流により発生する１つの閉ループの磁束は、第１のコイルユニット１２の１つの平行四辺形の内部だけで、ほぼ閉じてしまうため、図１に示すトルクセンサの場合よりも、２つのコイル間の相互干渉を一層低減することができる。そのため、コイルの形状変化が発生しても特性に与える影響は小さくなり、トルク出力特性に関する安定性を向上させることができる。さらに、コイル幅Ｗは平行四辺形の円周方向の長さＨの１／２の長さにすることができるという利点もある。
【００４４】
次に、本発明の第３の実施の形態によるトルクセンサについて図面を参照しつつ説明を行う。図１１は、本実施の形態によるトルクセンサの構成を示す斜視図であり、回転軸１と磁性リング２との間の空隙の長さを短くすることができる構成例である。２つの磁性リング２及び１４を配置し、それぞれの磁性リング２、１４について、第１のコイルユニット３、第２のコイルユニット４を内接面に配置し、磁歪特性を有する回転軸１を挿入する。この状態が図１２に示されている。図１２に示すように、第１のコイルユニット３と第２のコイルユニット４とは、回転軸１の径方向に重ねずに、回転軸１の延在する方向に独立に配置されている。このように配置することにより、回転軸１と磁性リング２、１４との間の空隙を、第１及び第２の実施の形態によるトルクセンサの場合に比べてより小さくすることができる。
【００４５】
従って、空隙の磁気抵抗を減少させることができるため、コイル全体のインダクタンスに比べて、磁歪に起因する磁気抵抗の変化が、相対的に大きくなる。従って、トルクセンサとしての感度が向上し、高感度トルクセンサを実現することができるという利点がある。
【００４６】
次に、本発明の第４の実施の形態によるトルクセンサについて図面を参照しつつ説明を行う。図１３は、本実施の形態によるトルクセンサの構成例を示す図であり、図１１と同じく空隙を短くすることができる構成例である。図１１と異なる点は、磁性リング２を１つだけを用いている点と、磁性リング２の内接面に第１のコイルユニット１６と第２のコイルユニット１７とを配置している点である。これらのコイルユニットを展開したコイルシート１５の構成例を図１４（ａ）に示す。コイルシート１５上に、２辺の方向が、それぞれのコイルユニット１６、１７とで＋４５°と−４５°になっている。第１のコイルユニット１６と第２のコイルユニット１７とがコイルシート１５の延在方向（上下）に直列に配置されるように貼り付けられている。
【００４７】
尚、これらのコイルの巻き方としては、他の実施の形態によるコイルの巻き方と同じく波形状に巻いている例を示すが、平行四辺形の数は偶数に限定する必要はない。ここでは、７つの平行四辺形をそれぞれのコイルユニットが有している例を示している。このコイルシート１５を円筒状に巻き、頂点Ａと頂点Ａ’とを一致させることにより、図１４（ｂ）に示すようなリング状の形状を形成することができる。これを図１３に示す磁性リング２の内接面に配置し、磁歪特性によるインダクタンスの変化を検出する。本実施の形態によるトルクセンサを用いると、空隙の長さを短くできるとともに、トルクセンサに必要な軸長も短くできる特徴がある。従って、この方法により、感度が良く、小形のトルクセンサを実現できるという利点がある。
【００４８】
次に、本発明の第５の実施の形態によるトルクセンサについて図面を参照しつつ説明を行う。図１５は、本実施の形態によるトルクセンサの構成例を示す図であり、トルクセンサの幅を短くするための実施例である。図１５における検出部である磁性リング２、第１のコイルユニット１８、第２のコイルユニット１９は、図１６に示すように分解することができる。さらに、これらのコイルを展開すると、図１７（ａ）に示す形状となる。第１のコイルユニット１８、第２のコイルユニット１９は、それぞれコイルシート２０、２１に貼り付けている。図１７（ｂ）のように、このコイルシート２０、２１を重ねて、図１５に示す磁性リング２の内面に配置する。本実施の形態によるトルクセンサの特徴は、これらのコイルユニット２０、２１により形成される略平行四辺形状のコイルに関して、平行四辺形の狭角の角度が４５°でなく、３０°とした点である。これにより、図１５の第１、第２のコイルユニット１８、１９について、平行四辺形の円周方向の長さＨ、コイルの幅Ｗは次式で与えられることになる。
Ｈ＝π（Ｄ＋２ｇ）／Ｎ ≒πＤ／Ｎ      （但し、ｇ<<Ｄのとき）
Ｗ＝Ｈ・tan（30°）    ≒0.577πＤ／Ｎ    （ただし、ｇ<<Ｄのとき）
【００４９】
第１のコイルユニット１８は、本来、回転軸１の＋４５°方向の磁気特性の変化を検出するために設けられ、平行四辺形の狭角の角度も４５°であることが理想的である。本実施の形態によるトルクセンサのように、頂点の角度を３０°まで狭くすると、磁気特性について＋４５°方向の影響と−４５°方向の影響とを受けることになるが、＋４５°方向の影響が−４５°方向の影響よりも大きい。
【００５０】
この割合は、理論的にはｃｏｓ１５°：ｓｉｎ１５°＝１．０：０．２６８である。同様に、第２のコイルユニット１９に関する磁気特性については、＋４５°方向の影響が、−４５°方向の影響よりも小さく、０．２６８：１．０の割合である。従って、第１、第２のコイルユニット１８、１９を直列接続して、図８に示す回路により磁歪特性によるインダクタンスの差を検出すれば、トルクの方向、大きさに応じた出力を得ることができる。本実施の形態によるトルクセンサを用いると、検出感度は低下するが、軸方向の幅を小さくすることができるという利点がある。このコイル形状については、コイルの平行四辺形の狭い頂点について、その角度が１５°から７５°の範囲であれば、トルクを検出することが可能である。実際には、上述した計算結果により検出精度が確保できる範囲として、３０°から６０°の範囲が適している。
【００５１】
次に、本発明の第６の実施の形態によるトルクセンサについて図面を参照しつつ説明を行う。図１８は、本実施の形態によるトルクセンサの構成例を示す図である。図１８に示すように、本実施の形態によるトルクセンサに関しては、磁性リング２２の内接面に第１、第２のコイルユニット２３、２４の配線を収容するための溝Ｇｖが設けられている。図１９（Ａ）、（Ｂ）は、磁性リング２２（図１９（Ａ））と、第１、第２のコイルユニット２３、２４（図１９（Ｂ））とを分解した場合のそれぞれの構成を示す図である。
【００５２】
図１８及び図１９に示すように、磁性リング２２の内面に溝Ｇｖを設けることにより、回転軸１の外面と磁性リング２２の内面との間の空隙（ｇａｐ）を大幅に小さくすることができる。従って、トルクに対する出力の感度をより一層向上させることができる。尚、本実施の形態によるトルクセンサにおいては、溝Ｇｖの加工数を少なくするために、第１、第２のコイルユニット２３、２４の配線は、図１０に示す巻き方と同じ巻き方が好ましい。それぞれのコイルユニット２３，２４に関して、４つの平行四辺形を有する形状となっている。本実施の形態によるトルクセンサによれば、トルク検出感度をさらに向上できるという利点がある。
【００５３】
次に、本発明の第７の実施の形態によるトルクセンサについて図面を参照しつつ説明を行う。図２０は、本実施の形態によるトルクセンサの構成例を示す図である。図２０に示すように、本実施の形態によるトルクセンサは、２つの磁性リング２５、２６と４つのコイルユニット２７・２８、２９・３０により構成されるトルクセンサの構成例を示す図である。磁性リング２５には、第１のコイルユニット２６と、第２のコイルユニット２７をその内接面に配置する構造になっている。同様に、第３のコイルユニット２９と第４のコイルユニット３０を有する磁性リング２６は、回転軸１に磁性リング２５と並べて配置されている。
【００５４】
図２１（Ａ）、（Ｂ）は、図２０に示す２つの磁性リング２５、２６にそれぞれ設けられたコイルユニットの形状を示す図である。図２１（Ａ），（Ｂ）に示すように、第１〜第４までのコイルユニット２６〜２９については、いずれも、閉ループの形状が略平行四辺形の形状ではなく、それを変形した丸みを帯びた形状になっている。より具体的には、軸方向の２辺の直線を１／４の円弧状の曲線に変更している。コイルの形状が平行四辺形状である場合は、狭角の頂点付近について磁束を通す面積が小さくなるため、磁束が通りにくくなる。そこで、その頂点近傍の領域の面積を増加させるために、外側に膨らむような円弧状のコイル形状を用いた。これにより、磁歪特性を検出するための磁束を有効に利用することができるため、トルクの検出感度をさらに向上することができる。
【００５５】
また、これらの４つのコイルＬ１からＬ４を図２２に示すように、Ｈブリッジ回路にしている。第１のコイル（Ｌ１）２７と第３のコイル（Ｌ３）３０については、正方向にトルクを発生した場合に、磁歪効果により比透磁率が低下する。これにより、これらのインダクタンスＬ１、Ｌ４が小さくなるため、出力回路３６からの出力、つまり、トルク検出値は正の値となる。これに対して、負方向のトルクが発生した場合には、第２のコイル２７と第４のコイル３０における比透磁率が減少して、インダクタンスＬ２、Ｌ３が小さくなる。この場合、出力回路３６の出力は負の値になる。このようなＨブリッジ回路を用いることにより、温度変化を生じた場合や電源電圧変動があった場合でも、トルクの出力特性に与える影響を低減できる。従って、経年変化や環境条件に対して、安定性の良いトルクセンサを提供できる利点がある。
【００５６】
図２３は、本発明の第８の実施の形態によるトルクセンサであって、図５に示す第１、第２のコイルユニット３、４の代わりに用いることができるコイルユニット３７、３８の構成例を示す図である。図２３に示すコイル形状は、上面から見た場合に閉じた形状を有している場合と異なり、±４５°の平行な配線部分と、隣接する平行な配線部分を一方向のみでコイルの延在方向に交互に繋ぐ配線のみを有している。図２３に示す構成であっても、トルクにより変化する磁歪特性は±４５°の配線部分により検出するため、上記各実施の形態によるトルクセンサと同様に機能させることができる。
【００５７】
以上が、本発明各実施の形態について、コイルの巻線方法に関して、１回だけ巻いた場合を例にして説明したが、複数回、同じ箇所を巻きながら波形形状を構成するようにしても良い。或いは、波形形状の巻線を複数回重ねても良い。また、一部の実施の形態において説明したように、それぞれのコイルの基本形状を略平行四辺形の形状を例にして説明したが、回転軸に対して同一面上の±４５°方向の磁歪特性を得ることができるような形状であれば、平行四辺形を変形しても良い。
【００５８】
また、リングに溝を設ける場合に関しても、同様に、平行四辺形に限定されるものではない。また、回転軸の加工を必要としないトルクセンサを基本として説明したが、回転軸に、例えば４５°の溝やその他の加工を施し、回転軸側での感度を高める方法を組み合わせることにより、より一層感度を向上させることができる。従って回転軸に加工を施したトルクセンサに適用しても効果があり、これらも本発明の範疇に入るものとする。
【図面の簡単な説明】
【００５９】
【図１】本発明の第１の実施の形態によるトルクセンサの構成例を示す図であり、磁歪特性を有する回転軸と、磁性リングと、コイルユニットとを示す分解斜視図である。
【図２】図１に示す各部を組み合わせて構成したトルクセンサの構成例を示す図である。
【図３】図１のトルクセンサを利用した電動パワーステアリング装置の構成例を示す図である。
【図４】図１に示した磁性リングと、第１、第２のコイルユニットを示す分解斜視図である。
【図５】図５（ａ）、図５（ｂ）は、第１、第２のコイルユニットを展開した展開図であり、図５（ｃ）は、両コイルユニットを重ね合わせた構成例を示す展開図である。
【図６】図６（ａ）及び図６（ｂ）は、それぞれ第１、第２のコイルに電流を流した場合の電流の方向とそれにより発生する磁束の方向との関係を示した電流・磁束の分布図である。
【図７】図６に示す電流と磁束との関係を軸方向から見た場合の電流・磁束の分布図である。
【図８】本発明の実施の形態による第１、第２のコイルユニットのインダクタンス変化に基づいてトルクを検出するためのトルク検出回路の構成例を示す図である。
【図９】本発明の第２の実施の形態によるトルクセンサであって、第１と第２のコイルユニットを用いたトルクセンサの組立図である。
【図１０】図１０（ａ）、（ｂ）は、図９の巻線方法を示す第１及び第２のコイルユニットの展開図と、両者を重ね合わせた場合の構成を示す図である。
【図１１】本発明の第３の実施の形態によるトルクセンサであって、２つの磁性リングを用いたトルクセンサの分解斜視図である。
【図１２】図１１に示すトルクセンサを組み立てたとき場合の斜視図である。
【図１３】本発明の第４の実施の形態による第１、第２のコイルユニットを円周上に並べたトルクセンサの組立図である。
【図１４】図１４（ａ）、（ｂ）は、それぞれ図１３の第１、第２のコイルユニットを展開した場合の展開図である。
【図１５】本発明の第５の実施の形態によるトルクセンサであって、磁性リングの幅を狭くしたトルクセンサの斜視図である。
【図１６】図１５の磁性リング２、第１、第２のコイルユニットをそれぞれ分解した分解斜視図である。
【図１７】図１７（ａ）は図１６の第１、第２のコイルユニットを展開した展開図であり、図１７（ｂ）は、両者を重ね合わせた様子を示す図である。
【図１８】本発明の第６の実施の形態によるトルクセンサの構成例を示す図であり、磁性リングにコイルユニットを挿入する溝を設けたトルクセンサの斜視図である。
【図１９】図１８の磁性リングと第１、第２のコイルユニットとを分解した分解斜視図である。
【図２０】本発明の第７の実施の形態によるトルクセンサの斜視図である。
【図２１】図２１（ａ），（ｂ）は、図２０に用いた４つのコイルを展開した展開図である。
【図２２】図２０のトルクセンサに用いられる出力回路の構成例を示す図である。
【図２３】本発明の第８の実施の形態によるトルクセンサに用いられるコイルユニットの展開図である。
【符号の説明】
【００６０】
1-回転軸、2,14,22,25,26-磁性リング、3,12,16,18,23,27-第１のコイルユニット、4,13,17,19,24,28-第２のコイルユニット、29-第３のコイルユニット、30-第４のコイルユニット、5-ハンドル、6a,6b-タイヤ、7-ステアリング軸、8-トルクセンサ、9-コントローラ、10-モータ、11,15,20,21,31,32,33,34,40-コイルシート、35-発振器、36-出力回路。
【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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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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