(57)【要約】【課題】磁気コア同士の磁気干渉を低減し、センサの感度を高め、トルクの付与方向の識別を可能にする磁歪型のトルクセンサを提供する。【解決手段】一対のヨーク端部とコイルを巻いたヨーク接続部とを有する磁気コアをＮ個備え（Ｎは４以上の偶数である。）、前記磁気コアでは各々前記ヨーク端部の端面の中央同士を結ぶ線がトルクセンサで検知しようとする回転軸の軸方向と所定の角度を為し、Ｎ個の前記磁気コアは絶縁部材を介して支持されて磁気コアユニットを構成しており、Ｎ個の前記磁気コアを励磁したときに、前記ヨーク端部の端面の中央同士を結ぶ線に沿った磁束成分が隣り合う磁気コアで逆向きとなるように、磁気コアを配置することを特徴とするトルクセンサ。【選択図】図１
2009036728.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
一対のヨーク端部とコイルを巻いたヨーク接続部とを有する磁気コアをＮ個備え（Ｎは４以上の偶数である。）、
前記磁気コアは、おのおの、前記ヨーク端部の端面の中央同士を結ぶ線がトルクセンサで検知しようとする回転軸の軸方向と所定の角度を為し、
Ｎ個の前記磁気コアは絶縁部材を介して支持されて磁気コアユニットを構成しており、
Ｎ個の前記磁気コアを励磁したときに、前記ヨーク端部の端面の中央同士を結ぶ線に沿った磁束成分が隣り合う磁気コアで逆向きとなるように、磁気コアを配置することを特徴とするトルクセンサ。
【請求項２】
請求項１に記載のトルクセンサにおいて、
隣り合う磁気コアはコイルを巻いた向きが逆であり、
Ｎ個の前記コイルを直列接続すると共に、直列接続状態にある隣り合う磁気コアのコイル同士は異なる側で接続されていることを特徴とするトルクセンサ。
【請求項３】
請求項１に記載のトルクセンサにおいて、
隣り合う磁気コアはコイルを巻いた向きが同じであり、
Ｎ個の前記コイルを直列接続すると共に、直列接続状態にある隣り合う磁気コアのコイル同士は同じ側で接続されていることを特徴とするトルクセンサ。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれかのトルクセンサにおいて、
前記所定の角度が、略４５°に設定されていること特徴とするトルクセンサ。
【請求項５】
請求項１乃至３のいずれかのトルクセンサにおいて、
前記所定の角度が＋略４５°に設定された第１の磁気コアユニットと、前記所定の角度が−略４５°に設定された第２の磁気コアユニットとを備え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、磁歪特性を利用して回転軸の軸トルクを非接触で検出するトルクセンサに関する。
【背景技術】
【０００２】
自動車のパワーステアリング機構やエンジン制御機構、動力伝達機構などでは軸トルクを正確に検出する手段が古くから望まれている。この検出精度を高めることにより、精密制御や効率向上が可能となるため、これまでに様々な手法が提案されてきた。なかでも回転軸の磁歪特性を利用して非接触で軸トルクを検出する手法は、過負荷耐量も大きいことから、トーションバーのねじれ量からトルク検出を行う従来手法に代わる方式として注目されている。
【０００３】
この方式のトルクセンサとして、各種のものが提案されているが、いずれも、トルクによって発生する透磁率の変動、より具体的には、回転軸の軸方向に対して＋４５°と−４５°の方向での透磁率の変動を検出コイルによって検出している。例えば特許文献１に開示の技術では、図２５（ａ）に示すように、トルクを検出すべき回転軸５０２に、その軸方向に対して傾斜角を有する磁性膜５０３を固着させて、回転軸外周のソレノイドコイル５０４で励磁・検出を行う。ところが、この方式は回転軸へ追加工を施す必要があるため、磁性膜５０３の剥離など信頼性を損なうおそれがある。さらに、軸の専用化や大径化が必須となるため、装着性が悪いという問題もある。
【０００４】
このため、回転軸に全く加工を施さずに同様の機能を有するトルクセンサが提案された。例えば、特許文献２に開示の技術では、突起部を有する多数の磁気片を磁気ピンで磁気リングに取り付け磁気コアを構成し、さらに各磁気ピンにコイルを巻いてトルクセンサを構成している。
【０００５】
また、特許文献３では、回転軸の周囲に非接触で巻回され回転軸を軸方向に沿って励磁する励磁コイルと、回転軸との間で独立した検出磁気回路を形成する複数の検出コアを、回転軸の励磁領域周囲に等間隔にリング状に配置して成る一体型成形の検出コア輪と、トルク伝達により変化する各コア内の磁界を検出する磁気検出部を含む構成をとっている。
【０００６】
【特許文献１】特開平１−９４２３０号公報
【特許文献２】特開昭６３−９０７３０号公報
【特許文献３】特開昭６２−２４９０２６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、改良が施された特許文献の技術であっても、依然として克服すべき課題があった。
【０００８】
例えば、特許文献２では、磁気リングが一体物であり、周方向で隣り合うコアは分離されておらず、磁気干渉により出力にノイズが発生した。この場合、トルクセンサの感度が低下するだけでなく、トルクの付与方向が識別できない。また、多数設けられた磁気ピン毎にコイルを巻くため、隣り合うコイル同士が干渉し、コイルの巻数を増やすことに限界があった。そのため、得られる出力が小さく感度が低かった。
【０００９】
また、特許文献３の第１実施例では、先に述べた特許文献２と同様に、磁気リングが一体物のため、隣接する検出コア先端部において磁気干渉が生じ、トルクセンサとしての感度は極めて低かった。さらに同センサの励磁コイルは回転軸に対してソレノイド状に巻回され、検出コアは回転軸の軸方向に対して垂直に配置していた。回転軸に対してトルクが付与されると軸の軸方向に対して＋４５°と−４５°に透磁率変化が生じるが、同センサでは、これらを切り分けて測定できない構造であった。すなわちトルクの付与方向を識別できないといった課題があった。
【００１０】
さらに特許文献３の第３実施例では上記磁気リングを用いないで、各々独立した検出用Ｕ字型コアとしていたが、隣り合うコア同士の間隔が狭く、コア同士で磁気干渉が生じ、感度が低下した。この場合も、上記した理由によって、トルクの絶対値は測定できるが、トルクの付与方向を識別できないので、同コア形状はトルクセンサとして不適であった。磁気干渉を考慮し、仮にＵ字型コアを１個乃至２個としても、軸表面の磁気特性が均一でない実用鋼材を用いた場合、出力電圧に変動が生じ、正確にトルクを測定することができなかった。すなわちゼロ点変動が大きくなり、トルクセンサとして不適であった。当然、この場合もトルクの付与方向を識別することはできなかった。
【００１１】
本発明は、このような状況に鑑みてなされたものであり、その目的は、磁気コア同士の磁気干渉を低減し、センサの感度を高め、トルクの付与方向の識別を可能にする技術の提供にある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明のトルクセンサは、一対のヨーク端部とコイルを巻いたヨーク接続部とを有する磁気コアをＮ個備え（Ｎは４以上の偶数である。）、
前記磁気コアは、おのおの、前記ヨーク端部の端面の中央同士を結ぶ線がトルクセンサで検知しようとする回転軸の軸方向と所定の角度を為し、
Ｎ個の前記磁気コアは絶縁部材を介して支持されて磁気コアユニットを構成しており、
Ｎ個の前記磁気コアを励磁したときに、前記ヨーク端部の端面の中央同士を結ぶ線に沿った磁束成分が隣り合う磁気コアで逆向きとなるように、磁気コアを配置することを特徴とする。
ここで、ヨーク端部は、磁極として機能する磁気コアの端面に相当する。
【００１３】
上記本発明のトルクセンサにおいて、
隣り合う磁気コアはコイルを巻いた向きが逆であり、
Ｎ個の前記コイルを直列接続すると共に、直列接続状態にある隣り合う磁気コアのコイル同士は異なる側で接続されていることを特徴とする。
【００１４】
上記本発明のトルクセンサにおいて、
隣り合う磁気コアはコイルを巻いた向きが同じであり、
Ｎ個の前記コイルを直列接続すると共に、直列接続状態にある隣り合う磁気コアのコイル同士は同じ側で接続されていることを特徴とする。
【００１５】
上記本発明のいずれかのトルクセンサにおいて、前記所定の角度が、略４５°に設定されていることが望ましい。さらに、前記所定の角度が＋略４５°に設定された第１の磁気コアユニットと、前記所定の角度が−略４５°に設定された第２の磁気コアユニットとでトルクセンサを構成することがより好ましい。略４５°としては４５°±１０°程度が許容される（−略４５°は、−４５°±１０°程度に相当する。）。
【００１６】
前記ヨーク接続部は前記ヨーク端部同士を磁気回路的につなげる部材であり、回転軸の軸方向において、ヨーク接続部の厚さ＜ヨーク接続部の幅という構成を除外するものではない。ヨーク接続部の断面のアウトラインは、円形、楕円形、矩形、四角形及び６角形等の多角形のいずれとしてもよい。ただし、成形・焼結で作製するフェライトコアでヨーク接続部を構成するには、成形性がよく、欠けを抑制し歩留りが良いという観点から、断面のアウトラインが円形であるヨーク端部が好ましい。
【００１７】
上記本発明のトルクセンサにおいて、前記ヨーク端部は、同一形状にすることができる。部品形状の共通化によって、製造プロセスの数を抑え、組み立ての際の部品取り間違いを防げる。
【００１８】
上記本発明のトルクセンサにおいて、
前記ヨーク端部および前記ヨーク接続部が、Ｍｎ−Ｚｎ系フェライトで構成されていることが望ましい。Ｍｎ−Ｚｎ系フェライトの焼結体コアのなかでも抵抗率ρが高いものを用いると、磁気的な励磁と検出の効率を高くすることができる。さらに、特に高周波特性に優れるものを用いると、磁気的なロスが低く、キュリー温度が高いので自動車用途に適用し易い。
【００１９】
Ｎは４以上の偶数であり、例えばＮは４〜３６の範囲内の偶数とする。工作機械装置の場合、回転軸の直径を大きくすることもあり、回転軸のトルクを検知する際のゼロ点変動を抑制するためにはＮを大きくすることが望ましい。自動車用途のように回転軸の直径がある程度の範囲に抑えられる場合、小型化及び軽量化の観点から、Ｎは４，６及び８のいずれかであることが好ましい。
【００２０】
前記コイルは、具体的には励磁用コイルと検出用コイルで構成される。いずれのコイルについても、励磁用コイルと検出用コイルは同じ向きに巻くことが好ましい。
【００２１】
Ｎ個の磁気コアを支持する絶縁部材は、環状の非磁性部材で支持することが好ましい。前記環状の非磁性部材は、例えば一体成形できる樹脂を用いるが、８０℃程度の環境温度に耐えられれば他の材料（非磁性の有機材料）に代替可能である。軟磁性体のヨーク端部同士を任意の間隔で、かつヨーク端部と回転軸表面間の空隙（磁気ギャップ）が一定に保てれば、円盤状でなくてもよい。ただし、前記環状の非磁性部材の中央には、回転軸を通すための軸孔が必要である。
【００２２】
前記ヨーク端部とヨーク接続部は嵌合してもよい。この場合、いずれか一方に凹部を設け、その凹部に嵌る凸部を他方が有するのがよい。前記ヨーク端部とヨーク接続部は接着剤によって接着してもよい。前記ヨーク端部は、環状の非磁性部材（例えば非磁性リング）と嵌合してもよい。前記ヨーク端部と環状の非磁性部材は接着剤によって接着してもよい。
【００２３】
また、前記ヨーク端部の軸孔側の端面は平面にすることもできる。ただし、好ましくは、前記ヨーク端部の前記軸孔側の端面は対向する回転軸表面の形状に沿った曲面にする。回転軸の軸芯を基準にしてみたときに、曲面状の端面（磁極面）と回転軸間の距離が均一になっていると、磁気的な励磁と検出の効率を良くすることができる。すなわち、ヨーク端部と回転軸の磁気ギャップは機械的な寸法誤差、あるいは回転時に生ずる回転ぶれなどが生じても機械的に干渉しない寸法を設定しているのであるが、ヨーク端部の回転軸への対向面を曲面状にすることによって、ヨーク端部と回転軸との間の磁気抵抗を低減する事が可能となる。したがって、コイルのターン数やコイルに流す電流を大きくしなくても、高い磁束密度で磁気コアから回転軸に磁束を印加できる。また、ヨーク端部の回転軸への対向面を曲面状にすることによって、各々のヨーク端部においてヨーク端部と回転軸の間の磁気ギャップ長を均一にする事が可能となり、その結果、回転軸に印加される磁界が平均化され、いわゆる励磁ムラが抑制され、かつ、ヨーク端部と回転軸の対向面積が大きい事から、回転軸表面で生じている透磁率変化を効率よく検出できる。すなわち、磁気コアの数を特に多くしなくても、ゼロ点変動を低減できる。
【００２４】
また、前記磁気コアを複数設け、磁気コア同士を磁気的に離隔して配置することは、ゼロ点変動を抑制する上で好ましい。
【００２５】
また、磁路を形成可能な材料で構成された外装ヨーク部を付加し、その内部に該外装ヨーク部と磁気的に分離された前記磁気コアユニットを備える構成としてもよい。また、前記外装ヨーク部は円筒状とし、該外装ヨーク部は円環状の磁石を有する場合、前記外装ヨーク部の中には前記Ｎ個の磁気コアを収める。
【００２６】
また、前記ヨーク端部及びヨーク接続部の材料としては、Ｎｉ−Ｚｎ系フェライト、鉄粉、Ｆｅ基アモルファス（薄帯を積層または粉砕・成形したものをヨークとする。）、Ｆｅ基ナノ結晶材料（薄帯を積層または粉砕・成形したものをヨークとする。）のいずれかを用いることもできる。
【００２７】
前記柱状ヨークに環状に巻回された励磁用コイルと検出用コイルを有する。これらコイルは、各々、コイルを巻いて樹脂で固めたもの或いはコイルをボビンに巻きつけたもので構成できる。樹脂で固める形状やボビンの形状は円形や矩形等としてもよい。さらに、前記板状ヨークには、前記励磁用コイルと検出用コイルに加え、環状に巻回されたシェイキング磁界重畳用コイルを備えてもよい。また、前記シェイキング磁界重畳用コイルは前記板状ヨークと回転軸表面の間に、回転軸の周囲を取り巻くように環状に巻回してもよい。ここでシェイキング磁界とは、ヒステリシスの原因の１つである回転軸表面近傍のピンニングの影響を低減する目的でシャフトに印加する磁界である。シェイキング磁界は前記励磁用コイルまたはシェイキング磁界重畳用コイルに、励磁周波数とは異なる周波数の交流電圧を印加することによって得られる。ヒステリシス低減を実現するために、回転軸表面に磁性膜を貼り付ける等の特別な加工を施す手法が提案されているが、回転軸の信頼性を損なう。一方、シェイキング磁界の重畳は、回転軸に特別な加工を施すことなく、回転軸に対して非接触でヒステリシスの低減が可能となる。
【発明の効果】
【００２８】
本発明によれば、磁気コア同士の磁気的干渉が抑えられる。その結果、トルクセンサによって高い出力が得られ、さらにトルク付与方向の識別が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２９】
つぎに、本発明を実施するための最良の形態（以下、単に「実施形態」という）を、図面を参照して具体的に説明する。
【００３０】
（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態に係るトルクセンサ１０の構造を示す図であり、具体的には、回転軸９０の軸に垂直な向きから見た断面図である。なお、以下に示す図面においては、図面が煩雑になるのを避け理解を容易にするために適宜符号を省略する。
【００３１】
このトルクセンサ１０は、磁歪特性を利用して回転軸９０に印加されるトルクを検出する。背景技術で上述した通り磁歪特性を利用するため、トルクセンサ１０は、回転軸９０の軸方向に対して＋４５°の透磁率の変動を検出する図下側の第１の磁気コアユニット２０と、−４５°の透磁率の変動を検出する図上側の第２の測定ユニット１２０とを有する。この２方向の透磁率変化を測定することにより、回転軸９０に印加されたトルクの向き及び大きさを検出する。回転軸９０は磁歪材料で形成され、例えばニッケル・クロム・モリブデン鋼で形成される。この材料は例えば自動車のエンジンにおけるクランクシャフト材として一般に使用される。
【００３２】
また、第１の測定ユニット２０全体は、一般的なハウジング（図示せず）に収容されており、例えばモールド材（図示せず）を用いて固定される。また、ハウジングには、導出部が設けられ、この中に外部回路が設けられる。外部回路には、後述する各コイルに電力を供給したり、検出された出力信号を取得する。また、ハウジングの周囲に設けられた固定用ボルト孔に固定用ボルトを貫通させ、外部の固定箇所にネジ止めすることによってハウジングが固定される。なお、第２の磁気コアユニット１２０も、同様のハウジングに収容されている。以下、第１の磁気コアユニット２０について説明し、第２の磁気コアユニット１２０に関する説明は省略する。
【００３３】
図２は、第１の磁気コアユニット２０を示した図であり、図２（ａ）は平面図を示し、図２（ｂ）はＡ−Ａ’の断面図を示し、さらに図２（ｃ）は下面図を示している。図３は、第１の磁気コアユニット２０の外観を示す斜視図である。また図４は１個の磁気コアユニットの外観を示す斜視図である。ここで１個の磁気コアユニットとは第１板状ヨーク２２０ａ及び第２板状ヨーク２２０ｂ（ヨーク端部の具体例）と、円筒状ヨーク２４０（ヨーク接続部の具体例）で構成されたユニットを指す。それぞれの円筒状ヨーク２４０には励磁用コイル２１４ａ〜２１４ｄと検出用コイル２１５ａ〜２１５ｄが巻回されたボビン２５０が取り付けられる。さらに円筒状ヨーク２４０には、その下側の端面に第１板状ヨーク２２０ａが取り付けられ、上側の端面に第２板状ヨーク２２０ｂが取り付けられる。第１板状ヨーク２２０ａと第２板状ヨーク２２０ｂは、同一形状の部品である。第１非磁性リング２３０ａ、第２非磁性リング２３０ｂの中心には、回転軸９０が挿入可能な軸孔２２８が形成されている。なお、第１の磁気コアユニット２０は、前記磁気コアが４個含まれる構成となる。
【００３４】
図５（ａ）（ｂ）はそれぞれ第１板状ヨーク２２０ａの上面および底面から見た斜視図である。また図６は４個の第１板状ヨーク２２０ａを第１非磁性リング２３０ａに取り付けたときの斜視図である。同図（ａ）は板状ヨークの上面からみた斜視図であり、同図（ｂ）は第１非磁性リングの底面からみた斜視図である。第１板状ヨーク２２０ａは、第１非磁性リング２３０ａの軸孔の中心からみて等角度な間隔で周方向に並べて（０°，９０°，１８０°，２７０°の位置）、第１非磁性リング２３０ａに取り付けられる。非磁性リングおよび板状ヨークには所定の位置に孔２７０が設けられている。これらは、孔を有する円筒状ヨーク２４０、励磁用コイル及び検出用コイルを巻回したボビン２５０、第２板状ヨーク２２０ｂ、そして第２非磁性リング２３０ｂとともに孔の位置を揃えてボルト及びナットで締結するために用いられる。なお、図示は省略したが、第２板状ヨーク２２０ｂも同様に第２非磁性リング２３０ｂに取り付けられる。
【００３５】
非磁性リング２３０ａ及び２３０ｂには、所定の位置に凸部２３１ａを設けることで、等間隔に板状ヨークを取り付けることができる。磁気コアユニット２０に軸を挿入した場合、それぞれ等間隔に取り付けられた第１及び第２板状ヨークは、その軸孔側の端面と回転軸表面間の空隙（磁気ギャップ）が同じ寸法になる。ここで回転軸表面と対向する板状ヨークの軸孔側の端面は回転軸表面の形状に沿った曲面を有する。第１板状ヨーク２２０ａが有する、回転軸表面と対向するこの曲面（磁極面）を２６０ａ、第２板状ヨークが有するこの曲面（磁極面）を２６０ｂとする。
【００３６】
図７は図６を平面図及び断面図で示した。図７（ａ）は平面図を示し、図７（ｂ）はＡ−Ａ’の断面図、図７（ｃ）は下面図を示している。なお、同図では非磁性リングの一部の図示を省略している。第１板状ヨーク２２０ａにおいて低く（厚さを薄く）形成されている面をヨーク接続部２２１といい、外周が直径Ｒ１１で高さｈ１のリング形状の一部である。なお、この高さｈ１は、ヨーク接続部２２１の底面２２４を基準としており、以下の高さｈ２も同様である。
【００３７】
第１板状ヨーク２２０ａにおいてヨーク接続部２２１より高く形成されている凸部２２３は空隙（磁気ギャップ）を介して回転軸の軸表面と対向し、回転軸の励磁とトルク付与によって生じる透磁率変化の検出に大きく寄与する。２２３は外周が直径Ｒ１２、内周が直径Ｒ１３のリングの１部分と同形状であって、高さｈ２となるように形成されている。したがって、ヨーク接続部２２１と凸部２２３の間には高さｈ２−ｈ１の段差が形成されている。また、第２板状ヨーク２２０ｂは、上述の通り第１板状ヨーク２２０ａと同様の形状である。
【００３８】
第１及び第２板状ヨーク２２０ａ，２２０ｂの材料には、フェライトではＭｎ−Ｚｎ系フェライト、Ｎｉ−Ｚｎ系フェライトが好ましい。この他、粉末では純鉄粉、Ｆｅ−Ａｌ−Ｓｉ系センダスト粉、Ｆｅ基アモルファス材やＦｅ基ナノ結晶材である非晶質金属粉などが好ましく、さらに、それら材料の粒径は２００μｍ以下が好ましい。また非磁性リングに用いられる非磁性材としては８０℃程度で熱変形が生じ難い樹脂や真鍮などのＣｕ−Ｚｎ系合金やＡｌ−Ｓｉ系合金などが好ましい。真鍮などのＣｕ−Ｚｎ系合金やＡｌ−Ｓｉ系合金などをプレス加工で成形する場合、それら材料の粒径は２００μｍ以下が好ましい。また、軟磁性体（板状ヨークや円筒状ヨーク）と非磁性リングを上記した粉末材料で作製する場合は、それぞれ別々に仮成形体として形成され、第１及び第２板状ヨーク２２０ａ，２２０ｂと非磁性部とを組み合わせ、高圧により本成形することでリング形状とする（以下、この成形方法を２色成形と呼ぶ）。なお、バインダとして、各材料粉への分散性等を考慮して、平均粒径が１００μｍ以下の熱可塑性樹脂を使用できる。なお、円筒状ヨーク２４０は第１及び第２板状ヨーク２２０ａ，２２０ｂに関する材料及び形成手順と同じでよい。
【００３９】
つづいて、磁気コアユニット２０の組立手順を簡単に説明する。図８は、磁気コアユニット２０を構成する、第１及び第２非磁性リング、第１及び第２板状ヨーク、円筒状ヨーク、ボビンの斜視図を示している。図示のように、円筒状ヨーク２４０は、第１非磁性リングで支持した第１板状ヨーク２２０ａに上から載せるように結合している。次に励磁用コイルと検出用コイルを巻回したボビン２５０に円筒状ヨーク２４０を挿入する。さらに円筒状ヨークおよびボビンの上から被せるように第２板状ヨーク２２０ｂを結合させる。この際、各々の部材に形成しておいた貫通孔２７０の位置を合わせ、連なった貫通孔にボルトを通し、ナットで締結する。
【００４０】
これによって、第１板状ヨーク２２０ａ、円筒状ヨーク２４０そして第２板状ヨーク２２０ｂが接合され、図３に示したように、励磁用コイル及び検出用コイルを巻回したボビン２５０を有する４個の磁気コアを含む磁気コアユニット２０が完成する。なお、磁気コアユニット１２０に含まれる、非磁性リング及び軟磁性体は磁気コアユニット２０のそれらとは鏡像対称の形状であり、組立手順も同様である。
【００４１】
非磁性リング及び板状ヨークが環状部を構成しているので、磁気コアユニットの組立が容易になっている。非磁性リングには、４つの凸部が形成されており、隣り合う凸部の間の凹みは板状ヨークを嵌めこめる形状となっている。さらに、凸部と非磁性リングの周縁の間には前記凹みと同じ深さの溝が形成されており、板状ヨークを嵌めこみ易い。非磁性リングによって隣り合う磁気コアは磁気的に離隔されている。広い磁極面を有する磁気コアが回転軸を密に取り囲んでおり、回転軸表面の磁束密度分布をほぼ均一にすることができる。
【００４２】
従来技術のようにリングコア内周の突出した磁極にコイルを巻くことは難しく工数がかかる。これに対して図８の構成では、柱状ヨーク毎にコイル又はコイル付きボビンを挿入し易く、工数を短縮できる。
【００４３】
なお、図８の構成において、一方の板状ヨークと円筒状ヨークを予め一体に成形しておけば、ボビンを前記円筒状ヨークに挿入し、他方の板状ヨークと組合わせて１組の磁気コアを構成することもできる。さらに、一方の板状ヨークと円筒状ヨークを予め一体に成形する際に、円筒状ヨークの高さを調整することにより、円筒状ヨーク付き板状ヨークを２個組合わせて磁気コアを構成することも可能である。
【００４４】
図９は、任意の１個の磁気コアおける第１板状ヨーク２２０ａ及び第２板状ヨーク２２０ｂの、回転軸９０に対向する端面２６０ａ，２６０ｂと、回転軸９０との位置関係を模式的に示した図である。本図に示すように、２つの端面２６０ａ，２６０ｂの中心を結ぶ線Ｌ１と、回転軸９０の軸方向とは、＋４５°をなす。なお図示しないが、磁気コアユニット２０内の他の磁気コアにおいても同様に、板状ヨークの回転軸９０と対向する端面は、それら中心を結ぶ線と回転軸９０の軸方向とは＋４５°をなす。また、第２の磁気コアユニット１２０においては、回転軸９０に対向する端面２６０ａ，２６０ｂの中心を結ぶ線と回転軸９０の軸方向とは−４５°をなす。
【００４５】
図１０は、トルクセンサ１０における、回路結線を示した図であり、図１１はトルクと出力電圧の関係を示したグラフである。第１磁気コアユニット２０で検出される第１出力ＶＬ１と第２磁気コアユニット１２０で検出される第２出力ＶＲ１は、同期検波回路９９ａを通り、オペアンプ９９ｂに入力される。その結果、最終出力ＶＯ１が得られる。なお、第２出力ＶＲ１は、オペアンプ９９ｂに反転入力される。トルクセンサ１０では、磁気コア及び回転軸は電気回路的にはトランスの磁芯のように機能する。そこで、図１０では、磁気コア及び回転軸を２本の太線で表わす。
【００４６】
なお、図１０では隣り合う励磁用コイル同士は逆方向に巻回した。また隣り合う検出用コイル同士に関しても同様である。したがって同じボビンに巻回される励磁用コイルと検出用コイルの巻回方向は同じである。コイル２１４ａ及びコイル２１４ｃは、図２（ａ）の平面図でみると、時計回りとなるように導線が巻かれているものである。図２（ｂ）で紙面の手前側に位置するコイル２１４ｂは、図２（ａ）でみると、反時計回りに導線が巻かれているものである。図２（ｂ）で紙面の後背側に位置するコイル２１４ｄは、図２（ａ）でみると、反時計回りに導線が巻かれているものである。
【００４７】
一方、隣り合う励磁用コイル同士を同じ方向に巻回し、かつ、隣り合う検出用コイル同士も同じ方向に巻回した場合、磁気コアユニット内に含まれる磁気コア数によって、最終出力はＶ０１と異なる傾向を示す場合がある。例えば、図２に示すように、１つの磁気コアユニット内に４個の磁気コアユニット（０°,９０°,１８０°,２７０°の位置）を含む場合、隣り合う磁気コア同士の間隔が狭いために磁気干渉が生じ、トルクの付与方向を識別できない。例えば＋４５°方向に生じている透磁率変化を検出しようとしても、隣接する磁気コアから磁束が流れ込む。この流れ込む磁束は−４５°方向の成分であり、最終出力Ｖ０２はＶＬ１とＶＲ１を足し合わせたものになる。図１１に示すように、Ｖ０２からは、トルクの絶対値は測定できるものの、トルクの付与方向が識別できない。
【００４８】
この他、１つの磁気コアユニットに含まれる磁気コア数を２個（０°と１８０°の位置または９０°と２７０°の位置）とした場合、第１及び第２板状ヨーク間の距離、すなわち２６０ａと２６０ｂ間の距離に比べ、隣り合う磁気コア同士の間隔の方が十分に広いため、上記したような隣り合う磁気コア同士の磁気干渉は生じ難い。したがって、励磁コイルと検出コイルを全て同方向に巻回しても、トルクの絶対値とトルクの付与方向は識別が可能である。１つの磁気コアユニット内の磁気コア数を１個とした場合は、磁気干渉を生じる相手となる磁気コアが軸の周方向に存在しないので、当然、トルクの絶対値とトルクの付与方向は識別できる。ただし、磁気コア数を１個または２個とした場合では、磁気コア数４個とした場合よりも感度が低く、ヒステリシスとゼロ点変動は大きい。これはコア数の減少に伴い、軸表面に対向するコア面積が減少し励磁および検出への寄与が小さくなることに起因する。特に磁気コア数が１個の場合、軸表面の磁気特性が不均一であれば、ゼロ点変動が極めて大きくなり、トルクセンサとしては不適である。したがって、隣り合う励磁用コイル同士及び検出用コイル同士を逆方向に巻回した磁気コアを多数用いた方が出力電圧が大きく、感度が高く、ヒステリシスとゼロ点変動が小さいので、トルクセンサとして好適である。
【００４９】
励磁用コイルに印加される交流電圧波形は、所定の周波数と振幅を有する正弦波とする。このとき、当該所定の周波数と振幅が異なる交流電圧を、励磁用コイルに重畳しても良い。また、上記交流電圧を重畳するために、各ボビンに重畳用コイルを巻回しても良い。この場合、１個のボビンには励磁用、検出用、重畳用の３つのコイルが巻回されることになる。また、重畳用コイルは第１板状ヨーク２２０ａ及び第２板状ヨーク２２０ｂの凸部２２３の外周側に、回転軸９０の周りを周回するように、巻回しても良い。
【００５０】
（実施例１）
図１〜１０で示す構成のトルクセンサにおいて、本実施例では、励磁周波数２０ｋＨｚ、励磁電流５０ｍＡ、励磁用コイル１００ターン、検出用コイル２００ターン、第１及び第２板状ヨーク２２０ａ，２２０ｂの凸部２２３と回転軸表面の空隙ｇ（磁気ギャップ）を１ｍｍとした。磁気コアにはＭｎ−Ｚｎフェライトの焼結体を用いた。非磁性リングには繊維状の素材を固めたベーク板を用いた。回転軸には高周波焼き入れを施した、φ１８ｍｍのニッケル・クロム・モリブデン鋼鋼材を用い、±１４０Ｎｍのトルクを付与した。本実施例では感度Ｓが１．０ｍＶ／Ｎｍ、ヒステリシスεは０．２７％、ゼロ点変動ηは０．９％が得られた。図１２に本実施例と比較例の感度Ｓ、ヒステリシスε、ゼロ点変動ηを示す。なお感度とヒステリシス、ゼロ点変動は図１３、図１４下記の数式（数１〜３）で定義した。
【００５１】
【数１】
2009036728.tif 000003
【００５２】
【数２】
2009036728.tif 000004
【００５３】
【数３】
2009036728.tif 000005
【００５４】
ここで、Ｔｍは付与したトルクの絶対値、Ｖｓは最大トルクが付与されたときの出力電圧と最小トルクが付与されたときの出力電圧の電圧差、Ｖｈはトルクが付与されていないときの出力電圧の差、Ｖｋはトルクを付与していない状態で回転軸を１周回転させ、得られた出力電圧の最大値と最小値の差である。
【００５５】
図１２（ａ）に本発明における実施例１と特許文献２、３のトルクセンサの特徴を表で示す。特許文献２では磁気リングが一体物であるため、検出コアを軸方向に対して±４５°に装着しても、隣接する検出コア先端部同士において磁気干渉が生じ、感度が極めて低く、かつトルクの付与方向を識別することができない。また、特許文献３の第３実施例では各々独立した検出用Ｕ字型コアを用いているが、コアの装着角度が軸方向に対して＋４５°または−４５°ではないので、トルクの付与によって生じる透磁率変化を＋４５°または−４５°に分離して測定することができない。すなわちトルクの付与方向が識別できない。一方、本発明の実施例１では、磁気コアが一体物の磁気リングを介することなく、軸方向に対して±４５°に装着している。さらに、隣り合う磁気コアにおける励磁コイル及び検出コイルは逆方向に巻回されている。よって、実施例１ではトルク絶対値とトルクの付与方向が同時に測定できる。
【００５６】
図１２（ｂ）に磁気コア数とトルクセンサ性能を表で示す。実施例１と各参考例の感度を比較すると、実施例１が最も大きい。参考例１では隣り合う磁気コアの励磁及び検出コイルが同じ方向に巻回されており、隣り合う磁気コア間で磁気的干渉が生じ、＋４５°磁束対応の信号と−４５°磁束対応の信号の成分が分離できない。この場合、トルク−出力電圧特性は図１１のＶ０２の傾向を示し、［数１］から感度を算出すると実施例１の感度の１／２程度となる。一方、実施例１では隣り合う磁気コアの励磁及び検出コイルが逆方向に巻回されているので、磁気的干渉が生じ難く、高い感度が得られている。ここで得られた１．０ｍＶ／Ｎｍの感度は十分に高く、自動車のパワートレイン系に用いるトルクセンサとして好適な結果が得られた。一方、参考例２〜５は磁気コア数が実施例１よりも少ない。実施例１と同様の励磁条件では、参考例２〜５は実施例１に比べ出力が低くなり、感度も低下する。
【００５７】
次に実施例１と各参考例のヒステリシスを比較すると実施例１が０．３％と最も低い。参考例２〜４では励磁コア数が少ないため、回転軸表面を十分に励磁することができない。したがってヒステリシスの原因となるピンニングの影響を低減できないため、ヒステリシスは１．２〜４．０％と大きな値となる。
【００５８】
次に実施例１と参考例２〜４のゼロ点変動を比較すると参考例２〜４のゼロ点変動は大きい。参考例２〜４では、磁気コアの個数が実施例１に比べ少なく、回転軸と対向する磁気コア底面の合計の面積が小さいため、回転軸表面を均一に励磁することが困難であり、かつ、信号を検出できる領域が小さい。したがって、軸表面の磁気特性が均一でない場合、回転軸が回転すれば周期的に出力電圧が変動し、ゼロ点変動が大きくなる傾向がある。一方、実施例１のゼロ点変動は０．９％であり、トルクセンサの実用に問題がないレベルである。実施例１では、磁気コアユニット２０内に４組、磁気コアユニット１２０内に４組ずづ磁気コアを備えている。したがって軸表面からの信号をまんべんなく検出でき、回転軸が回転しても出力電圧の変動は小さい。以上のことから、感度、ヒステリシス、ゼロ点変動を比較すると、実施例１がトルクセンサとして好適である。
【００５９】
（実施例に係る励磁用コイルを巻く向きと磁束成分の向き）
図１５は第１の実施形態に係る励磁用コイルを巻き回す向きと磁束成分の向きを説明する概略図であり、（ａ）回転軸模式図、（ｂ）回転軸表面の展開図、（ｃ）及び（ｄ）は各々励磁用コイルの回路結線の例を示した回路図である。図１５（ｂ）は（ａ）の回転軸の表面（周面）を平面に展開した図であり、回転軸表面９０ｆ上に示した点線の四角形の領域は図３及び図４の磁気コアの端面と対向する領域に相当する。
【００６０】
より詳細にいうと、図３及び図４における１個目の磁気コアの板状ヨークの端面２６０ａ，２６０ｂは、おのおの図１５（ｂ）の領域Ｓ１，領域Ｎ１と対向し、Ｓ１とＮ１間に実線矢印（太線）で示した向きの磁束が回転軸表面９０ｆ上に流される。２個目の磁気コアの板状ヨークの端面２６０ａ，２６０ｂは、おのおの図１５（ｂ）の領域Ｓ２，領域Ｎ２と対向し、Ｓ２とＮ２間に実線矢印（太線）で示した向きの磁束が回転軸表面９０ｆ上に流される。３個目の磁気コアの板状ヨークの端面２６０ａ，２６０ｂは、おのおの図１５（ｂ）の領域Ｓ３，領域Ｎ３と対向し、Ｓ３とＮ３間に実線矢印（太線）で示した向きの磁束が回転軸表面９０ｆ上に流される。４個目の磁気コアの板状ヨークの端面２６０ａ，２６０ｂは、おのおの図１５（ｂ）の領域Ｓ４，領域Ｎ４と対向し、Ｓ４及びＮ４間に実線矢印（太線）で示した向きの磁束が回転軸表面９０ｆ上に流される。
【００６１】
すなわち、図１５（ｂ）では、磁気コアの一対の端面によって回転軸表面に流される磁束の向きは隣り合う磁気コアで逆向きとなっている。このような磁束の向きを実現するには、（ｂ）の回転軸表面上に磁気コアを配置したときに、図１５（ｃ）又は（ｄ）の回路結線となるように各々の磁気コアの励磁用コイルを配置・接続する。なお、図１５（ｃ）の回路結線は、図１０の回路の励磁用コイル２１４ａ〜２１４ｄの部分（一方の磁気コアユニット側）と同じである。従って、トルクセンサの回路全体の構成は、図１０の構成になっている。図１０の回路の励磁用コイル２１４ｅ〜２１４ｈの部分も図１５（ｃ）の回路結線と同じにする。ただし、図１５（ｂ）の磁束の向きを＋略４５°とすると、図１０の回路の励磁用コイル２１４ｅ〜２１４ｈの部分（他方の磁気コアユニット側）における磁束の向きは−略４５°とする。また、回転軸軸方向において、一方の磁気コアユニットと他方の磁気コアユニットを近づけて配置する場合、同じ極性の磁気コア端面同士が近接するように配置すると（Ｎ極同士を近接させ、Ｓ極同士を近接させる。）、磁気コアユニット間における漏洩磁束を防止できるので好ましい。
【００６２】
まず、図１５（ｃ）において、４個の励磁用コイル２１４ａ，２１４ｂ，２１４ｃ及び２１４ｄは直列に接続され、各々の励磁用コイルの軸線が回転軸軸方向を向いている。
１個目の磁気コアでは、励磁用コイル２１４ａは左ネジ巻き（コイルの回路図形の左側に示した点線矢印はコイルが左ネジ巻きであることを示す。）であり且つ電流ｉが回転軸軸方向（図１４の下側から上側に向かう向き）に平行な向きに沿って流されている。すると、励磁用コイル２１４ａが巻かれた磁気コアのヨーク接続部には回転軸軸方向と反対向きの磁束（コイルの回路図形の右側に示した実線矢印は磁束の向きを示す。）が励磁される。
２個目の磁気コアでは、励磁用コイル２１４ｂは右ネジ巻き（コイルの回路図形の左側に示した鎖線矢印はコイルが右ネジ巻きであることを示す。）であり且つ電流ｉが回転軸軸方向に平行な向きに沿って流されている。すると、励磁用コイル２１４ｂが巻かれた磁気コアのヨーク接続部には回転軸軸方向と同じ向きの磁束が励磁される。
３個目の磁気コアでは、励磁用コイル２１４ｃは左ネジ巻きであり且つ電流ｉが回転軸軸方向に平行な向きに沿って流されている。すると、励磁用コイル２１４ｃが巻かれた磁気コアのヨーク接続部には回転軸軸方向と反対向き（反平行の向き）の磁束が励磁される。
４個目の磁気コアでは、励磁用コイル２１４ｄは右ネジ巻きであり且つ電流ｉが回転軸軸方向に平行な向きに沿って流されている。すると、励磁用コイル２１４ｄが巻かれた磁気コアのヨーク接続部には回転軸軸方向と同じ向きの磁束が励磁される。
【００６３】
従って、図１５（ｃ）に示す向きで電流ｉが励磁用コイルに流されているとき（回路の端子電圧はＶ１＞Ｖ２の関係にある。）、図１５（ｂ）に示すように領域Ｎ１，Ｎ２，Ｎ３及びＮ４と対向する磁気コアの端面はＮ極となり、領域Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３及びＳ４と対向する磁気コアの端面はＳ極となる。すなわち、磁気コアの端面の中央同士を結ぶ線に沿った磁束成分が隣り合う磁気コアで逆向きとなる。ただし、（ｃ）に図示する電流ｉの向きを逆にすると（Ｖ１＜Ｖ２）、領域Ｎ１，Ｎ２，Ｎ３及びＮ４と対向する磁気コアの端面はＳ極になり、領域Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３及びＳ４と対向する磁気コアの端面はＮ極になる。
【００６４】
なお、コイルを巻き回す向きについて、“右ネジ巻き”は図１９（ｂ）のコイルの巻き方を表わし、“左ネジ巻き”は図１９（ｃ）のコイルの巻き方を表わす。また、図１５（ｂ）では、（ｃ）又は（ｄ）の励磁用コイルとの配置関係を判り易くするために領域（点線の四角形）の幅は図３及び図４に示された板状ヨークの端面の幅よりも小さく図示した。
【００６５】
次に、図１５（ｃ）の代わりに用いることができる（ｄ）の回路結線を説明する。図１５（ｄ）で４個の励磁用コイル３１４ａ，３１４ｂ，３１４ｃ及び３１４ｄは直列に接続され、各々の励磁用コイルの軸線が回転軸軸方向を向いている。
１個目の磁気コアでは、励磁用コイル３１４ａは右ネジ巻きであり且つ電流ｉが回転軸軸方向と反対向き（反平行な向き）に沿って流されている。すると、励磁用コイル３１４ａが巻かれた磁気コアのヨーク接続部には回転軸軸方向と反対向き（反平行な向き）の磁束が励磁される。
２個目の磁気コアでは、励磁用コイル３１４ｂは右ネジ巻きであり且つ電流ｉが回転軸軸方向に平行な向きに沿って流されている。すると、励磁用コイル３１４ｂが巻かれた磁気コアのヨーク接続部には回転軸軸方向と同じ向きの磁束が励磁される。
３個目の磁気コアでは、励磁用コイル３１４ｃは右ネジ巻きであり且つ電流ｉが回転軸軸方向と反対向き（反平行な向き）に沿って流されている。すると、励磁用コイル３１４ｃが巻かれた磁気コアのヨーク接続部には回転軸軸方向と反対向き（反平行な向き）の磁束が励磁される。
４個目の磁気コアでは、励磁用コイル３１４ｄは右ネジ巻きであり且つ電流ｉが回転軸軸方向に平行な向きに沿って流されている。すると、励磁用コイル３１４ｄが巻かれた磁気コアのヨーク接続部には回転軸軸方向と同じ向きの磁束が励磁される。
【００６６】
従って、図１５（ｄ）に示す向きで電流ｉが励磁用コイルに流されているとき（回路の端子電圧はＶ１＞Ｖ２の関係にある。）、図１５（ｂ）に示すように領域Ｎ１，Ｎ２，Ｎ３及びＮ４と対向する磁気コアの端面はＮ極となり、領域Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３及びＳ４と対向する磁気コアの端面はＳ極となる。すなわち、磁気コアの端面の中央同士を結ぶ線に沿った磁束成分が隣り合う磁気コアで逆向きとなる。
なお、図１５（ｃ）の回路を図１５（ｄ）の回路に置き換えてトルクセンサを構成する際には、図１０の回路に示したように、励磁側と検出側でコイルの極性が同じにするとよい。励磁側と検出側を同じ極性と配置で構成すると、製造の際の部品の取り間違いを起こし難くなり、組立の効率が良いので好ましい。
【００６７】
図１６は、励磁用コイルの回路結線の他の例を示した回路図である。図１６（ａ）及び（ｂ）は図１５（ｃ）と等価なコイル配置であって配線の接続を変えた例であり、直列接続状態にある隣り合う磁気コアの励磁用コイル同士は同じ側で接続されている（即ち、回転軸軸方向の矢印の根元側のコイル端同士で接続されている。）。図１６（ｃ）及び（ｄ）は図１５（ｄ）と等価なコイル配置であって配線の接続を変えた例であり、直列接続状態にある隣り合う磁気コアの励磁用コイル同士は異なる側で接続されている（即ち、回転軸軸方向の矢印の先端側のコイル端と同矢印の根元側のコイル端で接続されている）。なお、他の回路図についても表示ルールは図１５（ｃ），（ｄ）と同様である。
【００６８】
図１７は、他の実施形態に係る（ａ）回転軸表面の展開図、（ｂ）及び（ｃ）励磁用コイルの回路結線を示した回路図であり、図１５の形態で回転軸の直径を約１．５倍とし、磁気コアの数を６個にした構成に相当する。磁気コアの数が２個増えているが、磁気コアの端面の中央同士を結ぶ線に沿った磁束成分が隣り合う磁気コアで逆向きとなる点では、図１５と同様である。
【００６９】
図１８は励磁用コイルの回路結線の他の例を示した回路図である。図１８（ａ），（ｂ）は、おのおの、図１７（ｂ），（ｄ）と等価なコイル配置であって配線の接続を変えた例であり、直列接続状態にある磁気コアの励磁用コイル同士は異なる側で接続されている（即ち、回転軸軸方向の矢印の先端側のコイル端と同矢印の根元側のコイル端で接続されている）。磁気コアの数が６個以上になると、図１８のように、“直列接続状態にある磁気コアのコイルは、隣り同士ではなく、隣りの隣りという具合に離れたコイル同士での接続だけで回路結線を組むことができるようになる。しかし、図３及び図４に示す磁気コア及び磁気コアユニットを効率良く組立てるには、図１５（ｄ）や図１７（ｃ）のように、直列接続状態にある隣り合う磁気コアのコイル同士を同じ側で接続する方が、手動組立／自動組立のいずれにしても、組立動作に無駄がなく、適している。
上述の図１５〜図１８に係る磁気コア配置及び回路配置によれば、いずれも、磁気コアの端面の中央同士を結ぶ線に沿った磁束成分が隣り合う磁気コアで逆向きとなる。
【００７０】
図１９は、（ａ）磁気コアにおける磁束の向きを示した概略斜視図、（ｂ）及び（ｃ）励磁用コイルを巻き回す向きと磁束の関係を示す概略斜視図である。図１９（ａ）では、回転軸９０の周面に１対の端面が対向するように磁気コア３０を配置している。磁気コア３０のヨーク接続部に相当する中央部分には励磁用コイル４０が巻かれている。電流ｉを励磁用コイルの一方の端ａから流入させ、他方の端ｂから流出させると、磁気コア３０には実線矢印（太線）で示す向きに磁束が励磁され、磁気コアの１対の端面の間における回転軸表面近傍には、回転軸軸方向と約４５°傾いた磁束が生成される。電流ｉの向きを逆にすると、磁気コア３０には１点鎖線（太線）で示す向きに磁束が励磁され、磁気コアの１対の端面の間における回転軸表面近傍には、回転軸軸方向と約４５°傾いた磁束が生成される。図１９（ｂ）では、柱状コア６０に励磁用コイル４０が右ネジ巻きで巻かれており、図示の通り電流ｉを励磁用コイル４０に流すと、所謂、右ネジの法則によって柱状コア６０に磁束φが励磁される。図１９（ｃ）では、柱状コア６０に励磁用コイル５０が左ネジ巻きで巻かれており、図示の通り電流ｉを励磁用コイル５０に流すと、図示された磁束φが励磁される。図１９（ｂ）の右ネジ巻きと（ｃ）の左ネジ巻きは鏡像対称な関係にある。
【００７１】
（他の比較形態に係る励磁用コイルを巻く向きと磁束成分の向き）
図２０は、他の比較形態に係る励磁用コイルを巻き回す向きと磁束成分の向きを説明する概略図であり、（ａ）回転軸模式図、（ｂ）回転軸表面の展開図、（ｃ）及び（ｄ）は各々励磁用コイルの回路結線の例を示した回路図である。図１５（ｂ）は（ａ）の回転軸の表面（周面）を平面的に展開した図であり、回転軸表面９０ｆ上に示した点線の四角形の領域は図３及び図４の磁気コアの端面と対向する領域に相当する。
【００７２】
より詳細にいうと、図３及び図４における１個目の磁気コアの板状ヨークの端面２６０ａ，２６０ｂは、おのおの図２０（ｂ）の領域Ｓ２１，領域Ｎ２１と対向し、Ｓ２１とＮ２１間に実線矢印（太線）で示した向きの磁束が回転軸表面９０ｆ上に流される。２個目の磁気コアの板状ヨークの端面２６０ａ，２６０ｂは、おのおの図２０（ｂ）の領域Ｓ２２，領域Ｎ２２と対向し、Ｓ２２とＮ２２間に実線矢印（太線）で示した向きの磁束が回転軸表面９０ｆ上に流される。３個目の磁気コアの板状ヨークの端面２６０ａ，２６０ｂは、おのおの図２０（ｂ）の領域Ｓ２３，領域Ｎ２３と対向し、Ｓ２３とＮ２３間に実線矢印（太線）で示した向きの磁束が回転軸表面９０ｆ上に流される。４個目の磁気コアの板状ヨークの端面２６０ａ，２６０ｂは、おのおの図２０（ｂ）の領域Ｓ２４，領域Ｎ２４と対向し、Ｓ２４及びＮ２４間に実線矢印（太線）で示した向きの磁束が回転軸表面９０ｆ上に流される。
【００７３】
しかし、図２０（ｂ）の実線矢印の磁束の流れを生じると、隣り合う磁気コアの板状ヨーク端面同士の間に漏洩磁束を生じる。具体的には、Ｎ２１とＳ２２間、Ｎ２２とＳ２３間、Ｎ２３とＳ２４間、及びＮ２４とＳ２１間の各々に、１点鎖線矢印（太線）で示した向きの漏洩磁束が流れ、磁気コア同士で磁気干渉を生じ、その結果、図１５等の実施形態よりもトルクセンサの感度が低くなってしまう。従って、図２０（ｂ）のように、ヨーク端部の端面の中央同士を結ぶ線に沿った磁束成分が隣り合う磁気コアで同じ向きであると、磁気コア同士で磁気干渉を生じる。特に、板状ヨーク端面の幅（回転軸周方向における幅）を大きくすると、漏洩磁束を生じる端面同士がより近接するので、漏洩磁束の値が更に大きくなってしまう。
【００７４】
図２１は、さらに他の比較形態に係る励磁用コイルを巻き回す向きと磁束成分の向きを説明する概略図であり、（ａ）回転軸表面の展開図、（ｂ）及び（ｃ）は各々励磁用コイルの回路結線の例を示した回路図である。図１５（ｂ）は（ａ）の回転軸の表面（周面）を平面的に展開した図であり、回転軸表面９０ｆ上に示した点線の四角形の領域は図３及び図４の磁気コアの端面と対向する領域に相当する。
【００７５】
より詳細にいうと、図３及び図４における１個目の磁気コアの板状ヨークの端面２６０ａ，２６０ｂは、おのおの図２１（ａ）の領域Ｓ３１，領域Ｎ３１と対向し、Ｓ３１とＮ３１間に実線矢印（太線）で示した向きの磁束が回転軸表面９０ｆ上に流される。２個目の磁気コアの板状ヨークの端面２６０ａ，２６０ｂは、おのおの図２１（ｂ）の領域Ｓ３２，領域Ｎ３２と対向し、Ｓ３２とＮ３２間に実線矢印（太線）で示した向きの磁束が回転軸表面９０ｆ上に流される。３個目の磁気コアの板状ヨークの端面２６０ａ，２６０ｂは、おのおの図２１（ｂ）の領域Ｓ３３，領域Ｎ３３と対向し、Ｓ３３とＮ３３間に実線矢印（太線）で示した向きの磁束が回転軸表面９０ｆ上に流される。４個目の磁気コアの板状ヨークの端面２６０ａ，２６０ｂは、おのおの図２１（ｂ）の領域Ｓ３４，領域Ｎ３４と対向し、Ｓ３４及びＮ３４間に実線矢印（太線）で示した向きの磁束が回転軸表面９０ｆ上に流される。図２０の比較例と異なる点は、ヨーク端部の端面の中央同士を結ぶ線に沿った磁束成分が隣り合う磁気コアで同じ向きとなる部分と異なる向きとなる部分が混在していることである。
【００７６】
しかし、図２１（ｂ）の実線矢印の磁束の流れを生じると、一部の隣り合う磁気コアの板状ヨーク端面同士の間に漏洩磁束を生じる。具体的には、Ｎ３１とＳ３２間及びＳ３３とＮ３４間の各々に、１点鎖線矢印（太線）で示した向きの漏洩磁束が流れ、磁気コア同士の磁気干渉を生じ、その結果、図１５等の実施形態よりもトルクセンサの感度が低くなってしまう。従って、図２１（ｂ）のように、ヨーク端部の端面の中央同士を結ぶ線に沿った磁束成分が隣り合う磁気コアで同じ向きの部分を含む構成であると、磁気コア同士で磁気干渉を生じる。
【００７７】
図２２は、第１板状ヨーク２２０ａ、第２板状ヨーク２２０ｂ及び円筒状ヨーク２４０に用いられる軟磁性材料と、非磁性リング２３０ａ，２３０ｂに用いられる非磁性材料との組合せと、出力の感度の関係を示す表である。ここでは、組合せ１〜３の３種類を例示している。
【００７８】
組合せ１では、第１板状ヨーク２２０ａ、第２板状ヨーク２２０ｂは、鉄粉及びバインダの混合粉を低圧でプレス成形した仮成形体である。非磁性リング２３０ａ及び２３０ｂは、真鍮粉とバインダの混合粉を低圧でプレス成形した仮成形体である。それら２種類の仮形成体を合わせ、高圧でプレス成形することで図６に示す部品が接着剤やネジ等を用いることなく作製できる。
【００７９】
組合せ２では、第１板状ヨーク２２０ａ、第２板状ヨーク２２０ｂ及び円筒状ヨーク２４０はフェライト粉を成形・焼結した焼結体（フェライトコア）である。非磁性リング２３０ａ及び２３０ｂは、樹脂等で成形されたもの、若しくは真鍮粉とバインダの混合粉をプレス成形した圧粉体である。そして軟磁性の焼結体と非磁性体とを接着剤で組み立て、図６に示す部品が得られる。
【００８０】
組合せ３では、第１板状ヨーク２２０ａ、第２板状ヨーク２２０ｂ及び円筒状ヨーク２４０は、鉄粉及びバインダの混合粉をプレス成形した圧粉体である。非磁性リング２３０ａ，２３０ｂは、真鍮粉とバインダの混合粉をプレス成形した圧粉体である。そして軟磁性の焼結体と非磁性の圧粉体とを接着剤で組み立て、第１及び第２板状ヨーク２２０ａ，２２０ｂ、円筒状ヨーク２４０が形成されている。この場合、非磁性部は８０℃の環境温度に耐え得る樹脂等で作製された部品を用いてもよい。
【００８１】
組合せ１〜３のいずれの場合も、トルク検出時に良好な感度が得られたが、特に組合せ２の材料を用いた場合、最も良好な感度が得られる。なお、いずれの組合せにおいても、成形の際のプレスの方向は、各部品を組み立てたときの回転軸の軸方向と同じである。
【００８２】
以上、第１の実施形態によれば、磁気コアユニットを３要素で構成し、さらにその組立が容易とすることができる。また、第１及び第２板状ヨーク、円筒状ヨークおよびボビンを含む磁気コアユニットはリング形状を有し、回転軸を挿入するだけで、容易に装着することができる。つまり、ハンドリングが容易になるとともに、回転軸表面と磁極間の空隙（磁気ギャップ）の寸法精度を適正にする作業が容易となる。また、回転軸円周方向に配列した複数の磁気コアによって、安定した出力電圧が得られる。より具体的には、ゼロ点変動とヒステリシスが改善されたり、軸ぶれ対策が容易となる。
【００８３】
（第２の実施形態）
図２３に磁気コアユニット２０で用いることができる第１板状ヨークの代表的な形状の一部を平面図で示す。図２３（ａ）は第１の実施形態で用いた第１板状ヨーク２２０ａである。本発明の第１板状ヨークと第２板状ヨークは、所定の寸法を有するボビン２５０と円筒状ヨーク２４０の取り付けが可能であり、かつ、第１板状ヨーク２２０ａ及び第２板状ヨーク２２０ｂの、回転軸９０に対向する端面２６０ａ，２６０ｂと回転軸９０との位置関係が図９と同様であれば、第１板状ヨークは図２３（ｂ）〜（ｇ）に示す形状であってもよい。なお、磁気コアユニット２０で用いられる第２板状ヨークは図２３に示した形状と同様である。また磁気コアユニット１２０で用いられる第１及び第２板状ヨークは図２３に示す形状の鏡像対称である。具体的には、図２３（ａ）の板状ヨーク２２０ａを、エッジ部分５２０ｃ及び５２０ｄを結ぶ辺を軸として反転させた形状となる。
【００８４】
例えば、図２３（ｂ）〜（ｇ）の板状ヨーク３２０〜３２５に示すように、図２３（ａ）の板状ヨークのエッジ部分５２０ａ〜５２０ｄ、に比べ、４２０ａ、４２０ｄ、４２１ａ〜４２１ｄ、４２２ａ、４２２ｄ、４２３ａ〜４２３ｄ、４２４ａ、４２５ａ、４２５ｂ、４２５ｃは丸みを帯びている。エッジ部分に丸みを持たせることによって、軟磁性体を金型でプレス加工する際、原料粉の噛み込みが少なくなり、量産性が向上する。
【００８５】
また図２３（ａ）を図２３（ｂ）〜（ｇ）のように変形してもよい。図１のようにトルクセンサ１０に回転軸を挿入し、所定の励磁電流を励磁用コイルに流したとき、各軟磁性体が磁気飽和を起こさなければ、第１及び第２板状ヨークと円筒状ヨークとの接合部近傍は図２３（ｂ）〜（ｇ）のように小型化してもよい。特に図２３（ｆ）、（ｇ）は図２３（ａ）に比べ、軟磁性体の原料が少なくて済むことから、コスト的に優れ、小型化、軽量化が実現できる。図２３に示す第１及び第２板状ヨークを、図８の第１の実施形態と同様に組立て、磁気コア及び磁気コアユニットを構成してもよい。
【００８６】
図２３に示す第１及び第２板状ヨークは第１の実施形態と同様に、その材料として、フェライトではＭｎ−Ｚｎ系フェライト、Ｎｉ−Ｚｎ系フェライトが好ましい。この他、粉末では純鉄粉、Ｆｅ−Ａｌ−Ｓｉ系センダスト粉、Ｆｅ基アモルファス材やＦｅ基ナノ結晶材である非晶質金属粉などが好ましく、それら材料の粒径は２００μｍ以下が好ましい。
【００８７】
原料としてフェライトを用いる場合、金型を用いたプレス加工で作製しても良い。また、上記の粉末原料を用いる場合は、上述したように２色成形で第１及び第２板状ヨークと非磁性リングを作製しても良い。
【００８８】
磁気コアユニットを構成する際には、隣り合う励磁用コイル同士は逆方向に巻回する。このとき隣り合う検出用コイル同士も逆方向に巻回する。すなわち同じボビンには励磁用コイルと検出用コイルが同方向に巻回される。また図２３に示す第１及び第２板状ヨークを用いた場合でも、図１０と同様の磁気回路が構成される。
【００８９】
励磁用コイルに印加される交流電圧波形は、所定の周波数と振幅を有する正弦波とする。このとき、当該所定の周波数と振幅が異なる交流電圧を、励磁用コイルに重畳しても良い。また、上記交流電圧を重畳するために、各ボビン２５０に重畳用コイルを巻回しても良い。また、重畳用コイルを第１及び第２板状ヨークにおける凸部２２３の外周側に対応する部分に巻回しても良い。
【００９０】
以上、第２の実施形態によれば、第１の実施形態における実施例１で示した効果が得られる。さらに、第１及び第２板状ヨークのエッジ部分に丸みを持たせ、かつ、円筒状ヨークとの接合部近傍を小型化することで、実施例１に比べ量産性が良く、小型、軽量な磁気コア及び磁気コアユニットの作製が可能となる。
【００９１】
（第３の実施形態）
本実施形態は、第１の実施形態で示したトルクセンサ１０の出力及び精度を向上させるために直流バイアス磁界を印加している。なお、第２の実施形態で示した構成にも適用可能である。
【００９２】
図２４は、第１の実施形態で示した磁気コアユニット２０をベースに、円筒状のバイアスヨーク７１０を付加したバイアス付加ユニット７００の構成を示した図である。ここでは、第１の実施形態で示した磁気コアユニット２０を便宜的に内部磁気コアユニット２０ａと称する。円筒状のバイアスヨーク７１０の内部に、第１及び第２スペーサ７４６ａ，７４６ｂを介して、内部磁気コアユニット２０ａが配されており、以下、この構成をバイアス付加ユニット７００と称する。本図は、バイアス付加ユニット７００の縦断面図を示しており、右半分は、磁路になる部分をハッチングで表している。
【００９３】
バイアスヨーク７１０は、円筒形状のバイアス用ヨーク接続部７５８ｂと、バイアス用ヨーク接続部７５８ｂ開口に嵌合する環状の上側ヨーク端部７５８ａと、バイアス用ヨーク接続部７５８ｂの図２４下側の開口に嵌合する環状の下側ヨーク端部７５８ｃ、下側ヨーク端部７５８ｃの下に設けられる固定板７５６ｃとを有する。バイアスヨーク７１０に配された内部磁気コアユニット２０ａの上面には、中心に回転軸が挿入される軸孔７２９ａを有する環状の第１スペーサ７４６ａが配されている。また、内部磁気コアユニット２０ａの下面には、中心に回転軸が挿入される軸孔７２９ｂを有する環状の第２スペーサ７４６ｂが配されている。軸孔７２９ｂは、内部磁気コアユニット２０ａの中央に形成されている軸孔の径と同じ大きさである。第１及び第２スペーサ７４６ａ，７４６ｂは、バイアス付加ユニット７００と内部磁気コアユニット２０ａとを磁気的に分離可能な材料で形成されており、磁気的な干渉を防止する。
【００９４】
下側ヨーク端部７５８ｃの中心部分には、開口７２６ａが形成されており、その開口７２６に永久磁石のリング磁石７２８が嵌め込まれている。また、リング磁石７２８の中心部分には、所定の大きさの軸孔７２９ｂが形成されている。そして、リング磁石７２８は、第２スペーサ７４６ｂと第２スペーサ７４６ｂの下側に設けられた固定板７５６ｃとの２つの部材によって挟まれ支持される。さらに、上側ヨーク接続部７５８ａの上面には、ボビンに巻かれたバイアス用のコイル７６９を内部に有する円筒部材７９０が取り付けられている。具体的には、上下に開口を有する円筒形状の第３スペーサ７６８ｂと、第３スペーサ７６８ｂの上側の開口を塞ぐ環状の固定板７６８ａと、第３スペーサ７６８ｂの下側の開口を塞ぐ環状の第４スペーサ７６８ｃとを備える。この第４スペーサ７６８ｃは、コイル７６９と上側ヨーク端部７５８ａとを、磁気的に離間させる。
【００９５】
また、前記の固定板７６８ａと第４スペーサ７６８ｃの中心には、回転軸９０が挿入されるための軸孔が形成されている。それら軸孔は、内部磁気コアユニット２０ａの中央の軸孔の径と同じである。また、円筒部材７９０には、貫通孔７４５ａが形成されており、内部磁気コアユニット２０ａと、バイアスヨーク７１０と、円筒部材７９０とのそれぞれの貫通孔７４５ａ，２７０及び７４５ｂが繋がって一組の貫通孔を形成する。これによって、内部磁気コアユニット２０ａと、バイアスヨーク７１０と、円筒部材７９０とをボルトなどで合わせて固定することができる。
【００９６】
以上の様な構成とすると、内部磁気コアユニット２０ａにリング磁石７２８を有するリング状のバイアスヨーク７１０を付加した構成とすることで、バイアス磁束が周方向に均一に分布し、その結果、磁気的ノイズの影響を排除することができ、トルクの検出精度が向上する。また、バイアス用コイル７６９に流す電流量を変更することで、バイアス磁束量を容易に調整できる。そして、リング磁石７２８とバイアス用コイル７６９を併用することで、バイアス用コイル７６９のみによってバイアス磁束を発生させる場合と比べて、消費電力を抑制できる。なお、上側ヨーク端部７５８ａと下側ヨーク端部７５８ｃの両方に、リング磁石７２８及びバイアス用コイル７６９を設ける構成としてもよい。また、リング磁石７２８またはバイアス用コイル７６９のいずれか一方のみであってもよい。
【００９７】
以上、本発明を実施の形態をもとに説明した。この実施の形態は例示であり、それらの各構成要素の組み合わせにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。
【産業上の利用可能性】
【００９８】
本発明は、磁歪特性を利用するトルクセンサに広く利用できる。
【図面の簡単な説明】
【００９９】
【図１】第１の実施形態に係るトルクセンサの構造を示す図である。
【図２】第１の磁気コアユニットを示した図である。
【図３】第１の磁気コアユニットの外観を示す斜視図である。
【図４】磁気コアの外観を示す斜視図である。
【図５】第１板状ヨークを示す斜視図である。
【図６】４個の第１板状ヨークを非磁性リングに取り付けた状態を示す斜視図である。
【図７】４個の第１板状ヨークを非磁性リングに取り付けた状態を示す平面図及び断面図である。
【図８】第１測定ユニットの組立図である。
【図９】第１の磁気コアにおける第１及び第２板状ヨークの、回転軸に対向する面と、回転軸との位置関係を模式的に示した図である。
【図１０】トルクセンサの回路結線を示した回路図である。
【図１１】印加されるトルクと検出出力の関係を示したグラフである。
【図１２】（ａ）第１の実施形態の実施例１と比較例に用いられたトルクセンサの構造上の特徴を示した表、（ｂ）第１の実施形態の実施例１と参考例に用いられたトルクセンサの感度、ゼロ点変動及びヒステリシスを示した表である。
【図１３】トルクセンサの出力電圧特性を示したグラフである。
【図１４】トルクセンサの出力電圧特性を示したグラフである。
【図１５】第１の実施形態に係る（ａ）回転軸の模式図、（ｂ）回転軸表面の展開図、（ｃ）及び（ｄ）コイルの回路結線を示した回路図である。
【図１６】（ａ）〜（ｄ）コイルの回路結線を示した回路図である。
【図１７】他の実施形態に係る（ａ）回転軸表面の展開図、（ｂ）及び（ｃ）コイルの回路結線を示した回路図である。
【図１８】（ａ）及び（ｂ）コイルの回路結線を示した回路図である。
【図１９】（ａ）磁気コアにおける磁束の向きを示した概略斜視図、（ｂ）及び（ｃ）コイルを巻き回す向きと磁束の関係を示す概略斜視図である。
【図２０】他の比較形態に係る（ａ）回転軸の模式図、（ｂ）回転軸表面の展開図、（ｃ）及び（ｄ）コイルの回路結線を示した回路図である。
【図２１】他の比較形態に係る（ａ）回転軸表面の展開図、（ｂ）及び（ｃ）コイルの回路結線を示した回路図である。
【図２２】軟磁性部と非磁性部に用いられる材料の組合せと、出力の感度の関係を示した表である。
【図２３】第２の実施形態に係る第１及び第２板状ヨークの形状を示した平面図である。
【図２４】第３の実施形態に係るバイアス付加ユニットの構成を示した図である。
【図２５】従来技術に係る、磁歪式トルクセンサの構成を示す概略図である。
【符号の説明】
【０１００】
１０：トルクセンサ
２０，１２０，４００：磁気コアユニット
２０ａ：内部磁気コアユニット
３０：磁気コア
４０：右ネジ巻きの励磁用コイル
５０：左ネジ巻きの励磁用コイル
６０：柱状コア
９０，５０２：回転軸
９０ｆ，１９０ｆ：回転軸表面
９９ａ：同期検波回路
９９ｂ：オペアンプ
２１４ａ〜ｈ：励磁用コイル
２１５ａ〜ｈ：検出用コイル
２２０ａ：第１板状ヨーク
２２０ｂ：第２板状ヨーク
２２１：板状ヨークのヨーク接続部
２２３：板状ヨークの凸部
２２４：板状ヨークの底面
２２８，７２９ａ，７２９ｂ：軸孔
２３０ａ：第１非磁性リング
２３０ｂ：第２非磁性リング
２３１ａ：第１非磁性リングの凸部
２４０：円筒状ヨーク
２５０：ボビン
２６０ａ：回転軸表面と対向する第１板状ヨークの端面
２６０ｂ：回転軸表面と対向する第２板状ヨークの端面
２７０，７４５ａ，７４５ｂ：貫通孔
３１４ａ〜３１４ｄ：励磁用コイル
３２０〜３２５：板状ヨーク
４１４ａ〜４１４ｆ：励磁用コイル
４２０ａ〜４２０ｄ，４２１ａ〜４２１ｄ，４２２ａ〜４２２ｄ，４２３ａ〜４２３ｄ，４２４ａ〜４２４ｄ，４２５ａ〜４２５ｄ，５２０ａ〜５２０ｄ：板状ヨークのエッジ部分
５０３：磁性膜
５０４：励磁・検出用ソレノイドコイル
５０５，５０６：検出用磁気コア
５０７，５０８：励磁用磁気コア
５１４ａ〜５１４ｆ：励磁用コイル
６１４ａ〜６１４ｆ：励磁用コイル
７００：バイアス付加ユニット
７１０：バイアスヨーク
７１４ａ〜７１４ｆ：励磁用コイル
７２６：開口
７２８：リング磁石
７４６ａ：第１スペーサ
７４６ｂ：第２スペーサ
７５６ｃ：固定板
７５８ａ：上側ヨーク端部
７５８ｂ：バイアス用ヨーク接続部
７５８ｃ：下側ヨーク端部
７６８ａ：固定板
７６８ｂ：第３スペーサ
７６８ｃ：第４スペーサ
７６９：バイアス用コイル
７９０：円筒部材
８１４ａ〜８１４ｄ：励磁用コイル
９１４ａ〜９１４ｄ：励磁用コイル
１０１４ａ〜１０１４ｄ：励磁用コイル
１１１４ａ〜１１１４ｄ：励磁用コイル
【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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【図２４】
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【図２５】
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