JP2002039881A - トルク検出器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 高温あるいは水や油が存在する環境下におい
ても確実にトルクを測定することができ、その上構造が
簡単で安価で信頼性の高いトルク検出器を得ること。 【解決手段】 加えられたトルクの強さに対応した磁界
が発生するように着磁された着磁部を有する軸１と、こ
の軸１の近傍に配設され、軸１に加えられたトルクによ
って発生した磁界の強さを検出する磁界検出手段とを備
え、軸１と磁界検出手段とを分離すると共に、磁界検出
手段を軸１が収容されたハウジング３０等に対して着脱
可能に構成した。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、軸に加わるトルク
を非接触で検出するトルク検出器に関すものである。

【０００２】

【従来の技術】従来のこの種トルク検出器には、例え
ば、特公平７−１１７４６４号公報や特許第２８１１９
８０号公報に記載されているように、磁歪合金軸に直接
±４５°の溝を設けたものや、エッチング処理により±
４５°のリスット加工を施したアモルファス合金箔を軸
に接着した検出部を備えたトルク検出軸を、軸受により
回転自在かつ軸方向に位置規制して支持すると共に、ト
ルク検出軸の外周に検出部と対向し、かつ所定の間隙を
隔てて検出コイルを配設して一体に構成したものがあ
る。そして、トルク検出軸にトルクが加わると、磁歪合
金軸又はアモルファス合金箔の応力変化に伴う透磁率の
変化を検出コイルのインピーダンスの変化として検出す
るようにしたものである（従来技術１）。

【０００３】また、特許第２７９７０２１号公報には、
トルクが加わるシャフトを予め捻れ易く細めに形成した
トーションバーにより、磁気結合体の位相変位を外周に
配設された検出コイルによりインピーダンスの変化量と
して検出するトルク測定装置が記載されている（従来技
術２）。さらに、トルクが加わるシャフトに直接ストレ
ーンゲージを接着固定し、トルクによる歪量をスリップ
リングで外部に取出すようにした歪検出方式のものもあ
る（従来技術３）。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】従来技術１において、
磁歪合金軸に直接±４５°の溝を加工するものは、トル
ク特性に影響を及ぼすパラメータが多く、また部品点数
が多いばかりでなく各部品の精度が要求されるため製造
が面倒で、高価になるという問題がある。また、アモル
ファス合金箔を用いたものは、トルク検出軸にアモルフ
ァス合金箔を接着するのが面倒であると共に、接着した
アモルファス合金箔とトルク検出軸の熱膨張係数の違い
により、温度特性が悪いという問題がある。

【０００５】さらに、従来技術２のトルク測定装置は、
捻れ易くするためにトーションバーの軸径を細めに形成
しているため機械的強度が不足しており、これを補うた
めのメカニカルストッパ等を測定装置に内蔵しているた
め外形寸法が大きくなり、その上部品点数も多いため高
価である。また、従来技術３の歪検出方式は、歪量を信
号として外部に取出す手段としてスリップリングを用い
ているため、定期的なスリップリングの交換が必要であ
るばかりでなく、スリップリングを内蔵しているため外
形寸法が大きくなり、高価な商品でメンテナンス費用も
かかるため、検査機器など特定の装置に使用範囲が限定
されている。

【０００６】さらに、従来技術１〜３のトルク検出器に
おいては、構造上、トルク検出軸と検出コイルや電気部
品とが容器内に一体に組込まれているため、水や油等の
多い環境内では使用することができず、防水、防油対策
を施すことである程度の使用は可能となるが、コスト高
になることは避けられない。また、高温環境化で使用す
る場合は、すべての部品が同じ温度になるため、電気部
品や樹脂部品の仕様が制約されて使用温度範囲が限定さ
れるという問題もある。

【０００７】さらに、トルク検出器を組込む装置内に、
容器を組込むための大きなスペースが必要であるため使
用場所が制約されており、また、電気的出力を装置から
外部に取出すためのリード線の取出し口の防水手段が必
要で、その上密集装置内での配線処理が面倒であった。

【０００８】本発明は、上記の課題を解決するためにな
されたもので、高温あるいは水や油が存在する環境下に
おいても確実にトルクを測定することができ、その上構
造が簡単で小形化することのできる安価で信頼性の高い
トルク検出器を提供することを目的としたものである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明に係るトルク検出
器は、加えられたトルクの強さに対応した磁界が発生す
るように着磁された着磁部を有する軸と、該軸の近傍に
配設され、該軸に加えられたトルクによって発生した磁
界の強さを検出する磁界検出手段とを備え、前記軸と磁
界検出手段とを分離すると共に、該磁界検出手段を前記
軸が収容されたハウジング等に対して着脱可能に構成し
たものである。

【００１０】上記の磁界検出手段を、磁界検出センサを
有するプリント基板と、非磁性材料からなり前記プリン
ト基板が収容されるケース等とによって構成した。ま
た、上記のケース内に合成樹脂を充填した。さらに、上
記のケースに磁気シールドを施した。

【００１１】

【発明の実施の形態】図１０は本発明に係るトルク検出
器の原理的説明図である。図において、１は磁性材料か
らなり、回転可能に支持されて加えられたトルクを検出
するトルク検出軸（以下、単に軸という）で、この軸１
には軸線と直交し、かつ所定の間隔を隔てて互いに反対
方向に全周にわたって着磁された着磁部２ａ，２ｂが設
けられており、常時は両着磁部２ａ，２ｂはバランス状
態にあり、磁界は発生していない。軸１に矢印で示すよ
うなトルクが加えられると、着磁部２ａ，２ｂのバラン
スが崩れてトルクの強さに対応した磁界Ｍが発生する。

【００１２】３ａ，３ｂは例えば磁気抵抗素子やホール
素子等からなり、発生した磁界を検出する磁界検出セン
サ（以下、単に検出センサという）で、軸１の着磁部２
ａ，２ｂに対向して配設されており、軸１にトルクが加
えられて着磁部２ａ，２ｂから磁界が発生すると、磁界
の強さに対応した電気信号（電圧又は電流）あるいは位
相などの変化を出力する。４は上記の電気信号を増幅す
る増幅器で、検出センサ３ａ，３ｂの出力による電気信
号の変化を変換器５によりトルク値に変換することによ
り、図１１に示すように直線的なトルク値を得ることが
できる。なお、検出センサ３ａ，３ｂによる電気信号の
変化の処理手段は上記に限定するものではなく、適宜の
手段を採用することができる。

【００１３】［実施の形態１］図１は本発明の実施の形
態１に係るトルク検出器の縦断面図、図２はその要部の
外観斜視図、図３は図１の分解斜視図である。なお、図
１０で説明したトルク検出器と同じ部分にはこれと同じ
符号を付し、説明を省略する。図おいて、３０は例えば
自動車のトランスミッションのハウジングで、開口部３
１が設けられており、開口部３１の周囲にはねじ穴３２
が設けられている。１はハウジング３０内に回転可能か
つ軸方向の移動が規制されて設置されたトルク検出用の
軸で、図１０で説明したように、ハウジング３０の開口
部３１内に位置するように着磁部２ａ，２ｂが設けられ
ており、トランスミッションのギア（図示せず）により
駆動される。

【００１４】１０は上部に開口部１３を有し下部が閉塞
されたほぼ門型で中空のケースで、例えば、合成樹脂、
アルミニウムの如き非磁性材料によって形成されてい
る。このケース１０は一対の脚部１１ａ，１１ｂと、上
部外周に設けたフランジ部１２とからなり、開口部１３
の内壁の両側には、それぞれ対向して脚部１１ａ，１１
ｂの下端部に達する各一対のガイド溝１４ａ，１４ｂが
設けられている。１５はハウジング３０のねじ穴３２に
対応してフランジ部１２に設けたねじ挿通穴である。１
６は非磁性材料からなり、ケース１０の開口部１３を閉
塞する閉塞板で、コネクタ１７を備えており、四隅には
ケース１０のねじ挿通穴１５に対応してねじ挿通穴１８
が設けられている。１９はコネクタ１７に接続されたケ
ーブルである。

【００１５】２０ａ，２０ｂはプリント基板で、軸１の
着磁部２ａ，２ｂに対応した位置にはそれぞれ検出セン
サ３ａ，３ｂが搭載されており、また、図示してない
が、プリント配線が形成されて増幅器等を構成する多く
の電気部品が搭載されている。２１はプリント基板２０
ａ，２０ｂとコネクタ１７を接続するリード線である。
このプリント基板２０ａ，２０ｂは、検出センサ３ａ，
３ｂを内側に向けて、ケース１０の開口部１３側からそ
の両端部をガイド溝１４ａ，１４ｂに嵌合し、脚部１１
ａ，１１ｂの下端部に達するまで挿入され、実装され
る。

【００１６】このように構成した本実施の形態において
は、プリント基板２０ａ，２０ｂが実装されたケース１
０を、その脚部１１ａ，１１ｂが軸１を跨ぐようにして
開口部３１からハウジング３０内に挿入し、フランジ部
１２を直接又はパッキンを介してハウジング３０上に載
置する。ついで、コネクタ１７にリード線２１が接続さ
れた閉塞板１６をケース１０上に載置し、各ねじ挿通穴
１８，１５にねじ４０を挿通してハウジング３０のねじ
穴３２に螺入し、一体に固定すればケース１０の取付け
を終了する。このとき、プリント基板２０ａ，２０ｂに
設けた検出センサ３ａ，３ｂは軸１の着磁部２ａ，２ｂ
とそれぞれ対向する。なお、例えば一方のプリント基板
（例えば、２０ａ）に、軸１の着磁部２ａ，２ｂにそれ
ぞれ対向する検出センサ３ａ，３ｂを設け、他方のプリ
ント基板２０ｂを省略してもよい。

【００１７】図４は本実施の形態に係るトルク検出器に
より、ハウジング３０内に設置した各種外径（外径６ｍ
ｍから２５ｍｍまでの６種類）の軸１に加えられたトル
クを測定した結果を示す線図で、軸１の径が小さいほど
トルクの変化に対する出力電圧が大きく、軸１の外径が
大きくなるとトルクの変化に対する出力電圧が小さいこ
とがわかる。

【００１８】本実施の形態においては、トルクが加わる
軸１と、そのトルクを検出するセンサ３ａ，３ｂとを完
全に分離し、かつケース１０の下部を二又に形成して軸
１の全周を覆わないように構成し、ケース１０をハウジ
ング３０の外部から着脱しうるようにしたので、ケース
１０の着脱及びメンテナンスがきわめて容易である。ま
た、内部に油が収容された高温になる自動車のトランス
ミッション、エンジン部、工作機械等、あるいは水が存
在したり多湿の場所等の悪条件下においても、ケース１
０を外部から装着して検出センサ３ａ，３ｂを軸１の着
磁部２ａ，２ｂの近傍に位置させるようにしたので、こ
れらの悪条件の影響を受けることなく、軸１に加えられ
るトルクを精度よく測定することができる。

【００１９】また、ケース１０は構造が簡単で小形化さ
れるので、取付けにあたって広いスペースを必要とせ
ず、密集構造のハウジング３０内での使用も容易であ
る。さらに、プリント基板２０ａ，２０ｂからのリード
線２１をコネクタ１７を介して外部に取出すようにした
ので、配線作業がきわめて容易であり、また、部品点数
が大幅に減ったため組立が簡単でコストを大幅に低減す
ることができ、これらにより、安価で信頼性の高いトル
ク検出器を得ることができる。

【００２０】［実施の形態２］図５は本発明の実施の形
態２に係るトルク検出器の斜視図である。なお、実施の
形態１と同じ部分にはこれと同じ符号を付し、説明を省
略する。本実施の形態は、ハウジング３０（図示せず）
内の壁面から離れた位置（奥の方）にトルクを検出する
軸１が設置されている場合の、トルク検出器に関するも
のである。

【００２１】ケース１０の上部開口部を閉塞する閉塞板
１６上には、軸１の設置位置に対応した長さで円筒状の
連結部１６ａが立設されており、この連結部１６ａの上
端部には上面が開口されたフランジ部１２ａが設けられ
ている。そして、フランジ部１２ａの開口部は、コネク
タ１７を有する閉塞板１６ｂによって閉塞されている。
なお、ケース１０内に設けた検出センサ３ａ，３ｂのリ
ード線２１は、連結部１６ａ内を通ってコネクタ１７に
接続される。

【００２２】上記のように構成したトルク検出器は、ケ
ースをハウジング２０の開口部３１から、その脚部１１
ａ，１１ｂが軸１を跨ぐようにしてハウジング３０内に
挿入され、フランジ部１２ａをハウジング３０の壁面に
固定することにより設置される。このとき、ケース１０
の脚部１１ａ，１１ｂ内に設けられた検出センサ３ａ，
３ｂは、軸１の両側から着磁部２ａ，２ｂと対向配置さ
れる。

【００２３】図６は本実施の形態の他の例を示す斜視図
である。本例は、ケース１０を横向きに形成すると共
に、ケース１０の一方の脚部（例えば、１１ａ）側を脚
部１１ａ，１１ｂと直交して上方に延設し、中空で断面
四角形の連結部１６ａを形成したもので、連結部１６ａ
の長さは軸１の設置位置に対応しており、その上端部に
は図５の例の場合と同様にフランジ部１２ａが設けられ
ている。本例においては、ハウジング３０の開口部３１
から挿入されたケース１０は、その脚部１１ａ，１１ｂ
を軸１の横方向からその上下に跨いで挿入するようにし
たもので、ケース１０に設けた検出センサ３ａ，３ｂの
リード線２１は、連結部１６ａ内を通ってコネクタ１７
に接続され、また、検出センサ３ａ，３ｂは、軸１の着
磁部２ａ，２ｂの上下において対向する。

【００２４】本実施の形態に係るトルク検出器におい
て、軸１に加わるトルクの検出手段は実施の形態１の場
合と同様であるが、本実施の形態は連結部１６ａを設け
たことにより、軸１がハウジング３０の壁面から離れた
位置に設置されている場合でも、これに加えられたトル
クを容易かつ確実に測定することができる。なお、連結
部１６ａを、図５では断面円形に、図６では断面四角形
に形成した場合を示したが、連結部の断面形状は適宜選
択することができる。また、軸１の設置位置に対応して
ケース１０とフランジ部１２ａ間の長さを調節しうるよ
うに、連結部１６ａを継手方式とし、あるいはスペーサ
を設けるなどしてもよい。

【００２５】［実施の形態３］図７は本実施の形態３に
係るトルク検出器の縦断面図、図８はその分解斜視図で
ある。なお、実施の形態１と同じ部分にはこれと同じ符
号を付し、説明を省略する。本実施の形態は、ケース１
０を非磁性材料により、有底で上部に開口部１３が設け
られた直方体状に形成したもので、上端部外周にはねじ
挿通穴１５を有するフランジ部１２が設けられている。
また、プリント基板２０の下面には、軸１の着磁部２
ａ，２ｂに対応して検出センサ３ａ，３ｂが並設して搭
載されている。

【００２６】本実施の形態においては、プリント基板２
０を検出センサ３ａ，３ｂを下方に向けてケース１０内
に挿入し、所定の位置に保持する（保持手段は図示して
ない）。そして、このケース１０をハウジング３０の開
口部３１内に挿入して、フランジ部１２をハウジング３
０上に載置し、コネクタ１７にリード線２１が接続され
た閉塞板１６と共に、ねじ４０によりハウジング３０に
一体に固定されたものである。このとき、プリント基板
２０に設けた検出センサ３ａ，３ｂは、軸１の着磁部２
ａ，２ｂと対向する。

【００２７】図９は本実施の形態の他の例を示すもので
ある。図９（ａ）の例は、ハウジング３０に開口部３１
を設けず、軸１をハウジング３０の内壁面に近接して設
置すると共に、プリント基板２０を検出センサ３ａ，３
ｂを下方に向けてケース１０の開口部１３側に配設し、
ケース１０の開口部１３を下向きにしてフランジ１２を
ハウジング３０にねじ４０で固定したもので、検出セン
サ３ａ，３ｂはハウジング３０の壁面を介して着磁部２
ａ，２ｂと対向する。また、図９（ｂ）の例は、図４の
場合とほぼ同様であるが、ハウジング３０に開口部３１
を設けず、ケース１０をハウジング３０内に下向きに挿
入して、フランジ部１２をハウジング３０の内壁面にね
じ３０により固定したものである。

【００２８】本実施の形態の作用効果は、実施の形態１
の場合とほぼ同様であるが、ケース１０をより簡単な構
造にすることができ、また、プリント基板２０は１枚で
もよいので部品点数をさらに減らすことができるため、
コストをより低減することができる。

【００２９】［実施の形態４］以上、本発明の実施の形
態について説明したが、さらに、次のような実施の形態
がある。 （１）実施の形態１〜３では、軸１に設けた着磁部２
ａ，２ｂに対してそれぞれ１個の検出センサ３ａ，３ｂ
を設けた場合を示したが、各着磁部２ａ，２ｂに対応し
て配設される検出センサ３ａ，３ｂは上述のように１個
でもよく、さらにそれ以上の数の検出センサを設けても
よい。着磁部２ａ，２ｂにそれぞれ対応する検出センサ
の数を増加することにより、トルクの検出精度を向上す
ることができる。

【００３０】（２）また、各実施の形態において、中空
のケース１０内に検出センサ３ａ，３ｂを備えたプリン
ト基板２０を配設し、そのリード線２１をコネクタ１７
を介して外部に取出した場合を示したが、プリント基板
２０を配設したのちケース１０の中空部内に合成樹脂を
充填してもよく、この場合、実施の形態２においては、
連結部１６ａの上部まで合成樹脂を充填してもよい。さ
らに、プリント基板２０をインサートしてケース１０を
合成樹脂により一体成形してもよい。これにより、プリ
ント基板２０をケース１０内の所定の位置に確実に保持
すると共に、ケース１０内に水などが侵入するのを防止
することができる。

【００３１】（３）また、外部磁界の影響を避けるた
め、ケース１０の検出センサ３ａ，３ｂを除く部分に、
例えばパーマロイテープを接着し、あるいは磁気シール
ド塗料を塗布するなどしてケース１０に磁気シールドを
施してもよく、さらに、ケース１０の検出センサ３ａ，
３ｂを除く部分を磁気シールドケース内に収容してもよ
い。

【００３２】

【発明の効果】本発明に係るトルク検出器は、加えられ
たトルクの強さに対応した磁界が発生するように着磁さ
れた着磁部を有する軸と、この軸の近傍に配設され軸に
加えられたトルクによって発生した磁界の強さを検出す
る磁界検出手段とを備え、軸と磁界検出手段とを分離す
ると共に、磁界検出手段を軸が収容されたハウジング等
に対して着脱可能に構成したので、高温あるいは水や油
が存在する環境下においても確実にトルクを検出するこ
とができ、その上構造が簡単で小形化することのできる
安価で信頼性の高いトルク検出器を得ることができる。

【００３３】また、上記の磁界検出手段を、磁界検出セ
ンサを有するプリント基板と、非磁性材料からなりプリ
ント基板が収容されるケース等とによって構成したの
で、小形化しうると共にハウジング等への着脱がきわめ
て容易である。

【００３４】また、上記のケース内に合成樹脂を充填し
たので、磁界検出センサを所定の位置に確実に保持でき
ると共に、ケース内への水等の侵入を防止することがで
きる。さらに、ケースに磁気シールドを施したので、外
部磁界の影響を受けることなく、磁界、したがってトル
クを高精度で測定することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態１に係るトルク検出器の縦
断面図である。

【図２】図１の要部の外観斜視図である。

【図３】図１の分解斜視図である。

【図４】実施の形態１に係るトルク検出器により外径の
異なる軸に加えられたトルクと、検出センサによる出力
電圧との関係を示す線図である。

【図５】本発明の実施の形態２に係るトルク検出器の斜
視図である。

【図６】実施の形態２の他の例の斜視図である。

【図７】本発明の実施の形態３に係るトルク検出器の縦
断面図である。

【図８】図７の分解斜視図である。

【図９】実施の形態３の他の例の縦断面図である。

【図１０】本発明に係るトルク検出器の原理的説明図で
ある。

【図１１】図１０のトルク検出器による出力電圧とトル
クとの関係を示す線図である。

【符号の説明】

１ 軸 １ａ 主軸 ２ａ，２ｂ 着磁部 ３ａ，３ｂ 磁界検出センサ １０ ケース １６ 閉塞板 １６ａ 連結部 ２０，２０ａ，２０ｂ プリント基板 ３０ ハウジング ３５ ケーシング ３１，３６ 開口部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 馬場 正春 東京都小平市天神町１丁目171番地 光洋 電子工業株式会社内 (72)発明者 矢谷 俊晃 東京都小平市天神町１丁目171番地 光洋 電子工業株式会社内

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 加えられたトルクの強さに対応した磁界
   が発生するように着磁された着磁部を有する軸と、該軸
   の近傍に配設され、該軸に加えられたトルクによって発
   生した磁界の強さを検出する磁界検出手段とを備え、 前記軸と磁界検出手段とを分離すると共に、該磁界検出
   手段を前記軸が収容されたハウジング等に対して着脱可
   能に構成したことを特徴とするトルク検出器。
2. 【請求項２】 磁界検出手段を、磁界検出センサを有す
   るプリント基板と、非磁性材料からなり前記プリント基
   板が収容されるケース等によって構成したことを特徴と
   する請求項１記載のトルク検出器。
3. 【請求項３】 ケース内に合成樹脂を充填したことを特
   徴とする請求項２記載のトルク検出器。
4. 【請求項４】 ケースに磁気シールドを施したことを特
   徴とする請求項２又は３記載のトルク検出器。