トルク検出装置

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【発明の名称】	トルク検出装置
【発明者】	【氏名】西部祐司【氏名】塚田厚志【氏名】太田則一【氏名】山寺秀哉【氏名】野々村裕
【要約】	【課題】簡便・低コストでかつ信頼性に優れ、高い検出分解能を有するトルク検出装置の実現。【解決手段】シャフト１２のトルク検出部位は周面に段差を構成する円筒体１４により構成し、円筒の中空内に円柱体などからなるフープ応力発生部材１６をはめ込み、円筒体周面に部材１６により円周方向の引っ張り応力（フープ応力）を発生させる。シャフト１２がトルク伝達のみの機能を発揮し、フープ応力発生部材１６は円筒体周面へのフープ応力付与機能を発揮するだけで、過大トルク印加時にシャフト中空内面と部材１６とで滑りが発生しても、印加トルクは滑りに影響を受けずトルク検出部位に伝達される。円筒体周面のフープ応力もはめ込まれた部材１６の存在により付与され部材１６と中空界面との滑りの影響を受けないので、過大トルク印加時でも再現性良い検出特性が得られ、装置のダイナミックレンジが拡大する。磁界検出素子１１には磁気インピーダンス素子を用いる。

【特許請求の範囲】
【請求項１】印加トルクに応じてシャフトのトルク検出部位に発生する磁界を該トルク検出部位近傍に配置された磁界検出素子によって検出するトルク検出装置であって、前記シャフトは、少なくとも前記トルク検出部位において円筒体により構成され、該円筒体の中空内には、該円筒体の周面に円周方向のフープ応力を発生させるフープ応力発生部材がはめ込まれ、該フープ応力発生部材のはめ込まれた位置において該円筒体の周面が着磁されていることを特徴とするトルク検出装置。
【請求項２】請求項１に記載のトルク検出装置において、前記トルク検出部位における前記円筒体は、シャフトの他の部位との間で外径差によりシャフト周面に段差を形成していることを特徴とするトルク検出装置。
【請求項３】請求項１又は請求項２に記載のトルク検出装置において、前記トルク検出部位における前記円筒体の周面には、着磁方向の異なる複数の着磁領域が形成されており、各着磁領域に対応してそれぞれ前記磁界検出素子が設けられていることを特徴とするトルク検出装置。
【請求項４】請求項１又は請求項２に記載のトルク検出装置において、前記トルク検出部位における前記円筒体の周面には、着磁方向の異なる複数の着磁領域が形成され、かつ、各着磁領域の境界には前記円筒体の周面から突出する突起部が形成され、該突起部に対応する位置に前記磁界検出素子が設けられていることを特徴とするトルク検出装置。
【請求項５】請求項１～請求項４のいずれか一つに記載のトルク検出装置において、前記磁界検出素子は、基板上に、所定方向に磁気異方性の与えられた磁性体層と、表面の少なくとも一部が前記磁性体層に接するように形成されかつ高周波電源に接続される導電体層と、を備え、前記トルク検出部位における磁界変化を磁気インピーダンス変化として検出する磁気インピーダンス素子であることを特徴とするトルク検出装置。

【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、自動車分野や工業用ロボット、製鉄圧延機、生産機械、ＯＡ機器等のメカトロニクス分野において、トルク制御のために回転シャフトのトルク検出に関するものである。特に、磁歪の逆効果を有する回転シャフトからのトルクによる磁界変化を磁界検出素子で検出する小型トルクセンサに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】回転シャフト表面にトルク印加に伴って発生する歪みを磁歪の逆効果を利用してトルクを検出する方法は、１９６０年に O.Dahle(ASEA Journal,Vol.32,pp.23-32) により提案されて以来、各社様々な磁歪式トルクセンサが発表されている。これらのセンサは、磁気特性に優れた被測定材（例えば、高透磁率な磁歪部）を実現するために、被測定材であるシャフトに工夫を凝らしている。例えば、シャフトにアモルファス薄帯を貼り付ける方法、レーザによりシャフトの表面改質を行う方法、プラズマ溶射、スパッタリング、メッキにより磁性層をシャフトの表面に形成する方法などがある。検知素子部については、シャフトに巻線を施した同軸タイプのものとコの字形のコアに巻線を施した磁気ヘッド型タイプのものが大部分である。このような磁歪式トルクセンサの原理・原則、検知部は、公知の事実として良く知られており、現在、技術開発は、より特性の優れたセンサ実現のため、シャフトの構成、材料に工夫を加えることに着目されている。
【０００３】ところで、６，７年程前にトルク印加による直流微少磁界の変化を磁界検出素子で検出する簡便な方式のトルクセンサが Garshelis ら（米国）により提案された(IEEE Trans.Magn.,vol.28,NO.5,pp2202-2204,1992)。このトルクセンサの外観を図１５（ａ）に、また断面図を図１５（ｂ）に示す。図示するトルクセンサは、鋼材ベースのシャフトに磁気特性に優れた磁歪リングを圧入した後、シャフトに大電流をパルス通電することで、リング円周方向に磁気異方性を誘導している。更に、ホール素子を磁歪リングの端部側方に設置している。そして、このホール素子によって磁歪リングの端部にトルクに比例して発生する磁極の強さを非接触で検出しており、この方式は、以前とは異なった検出方法として注目されている。そして、提案されたこの方式においては、シャフトに装着する磁歪リングの材料として優れた磁気特性を示すと考えられるＦｅとＣｏとの合金であるパーメンジュール、あるいはＮｉ合金であるマルエージング鋼などが用いられている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】従来の磁歪式トルクセンサでは、検知部としてシャフトに巻線を施した同軸タイプやコの字形のコアに巻線を施した磁気ヘッド形タイプが多用されており、被測定部は、シャフトにアモルファス薄帯を貼着したり、プラズマ溶射、スパッタリング、メッキにより磁性層をシャフトの表面に形成するタイプが多用されている。
【０００５】しかし、こうした磁歪式トルクセンサは、信頼性、低コストという面で問題がある。さらに、同軸タイプの場合には、装着の時にシャフトの接続を切断する必要があることより、装着の簡便性という点で問題となる。磁気ヘッド形タイプの場合には、外づけ可能であることより装着性の問題はないが、シャフト上での検出領域が限定されるのでシャフトの周面上で磁気特性のバラツキがあると軸回転に伴って出力が変動するという問題が生じる。
【０００６】一方、図１５に示すI.J.Garshelis らの提案するトルクセンサは、シャフトにはめ込んだ磁歪リングからの漏洩磁界を検出する方式を採用しており、簡便性に優れるという特徴がある。自動車用のトルクセンサへの適用を考えた場合、この簡便性や信頼性、あるいは量産が容易で低コストという面が重要となる。従って、図１５の方式は自動車用トルクセンサとして有望である。
【０００７】しかし、I.J.Garshelis らが提案するトルクセンサは、磁歪リングの圧入など特殊な加工技術を用い、磁歪リングをシャフトにはめ込んでいる。従って、シャフトへの高トルク印加時に、磁歪リングとシャフトとの界面において滑りが生ずるという問題がある。この滑りは、センサ特性にヒステリシスを発生させてしまう。また、検出感度が低くかつ温度特性が悪いホール素子を磁界検出素子として用いるため、トータルでのセンサ精度が低下するという問題等がある。特に磁歪リングとシャフトとの界面での滑りの発生は、検出できる印加トルク範囲を低下させ、許容トルク範囲が制限されるという問題がある。
【０００８】本発明は、簡便・低コストでかつ信頼性に優れ、高い検出分解能を有する、自動車応用を主とするトルクセンサを実現することを目的とする。
【０００９】具体的には、高分解能、優れた温度特性、許容トルク範囲の拡大（ダイナミックレンジの拡大）等、トータルでのトルク検出精度の向上を目的とし、また磁界検出素子のみならず、非測定部材であるシャフト側の性能面の向上を図り、トータルで精度向上を実現することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】本発明は、印加トルクに応じてシャフトのトルク検出部位に発生する磁界を、該トルク検出部位近傍に配置された磁界検出素子によって検出するトルク検出装置であり、シャフトが少なくとも前記トルク検出部位において円筒体により構成されており、円筒体の中空内に、円筒体周面において円周方向のフープ応力を発生させるフープ応力発生部材がはめ込まれ、該フープ応力発生部材のはめ込まれた位置において該円筒体周面が着磁されている。
【００１１】フープ応力を発生させる方法としては、従来技術で見られるように、シャフト（トルク伝達軸）に円筒状の磁歪リングを圧入し、磁歪リング周面に円周方向にフープ応力を発生させる手法がある。しかし、この手法では、シャフトが圧入リングにフープ応力を発生させる機能と、磁歪リングへトルクを伝達する機能との両方を受け持っているので、過大トルクが印加された場合に磁歪リングとシャフトの表面との界面で滑りが発生し、磁歪リングへのトルク伝達効率が低減し、特性の再現性が悪化する。
【００１２】これに対し本発明ではシャフトのトルク検出部位において、円筒体の中空内に円筒体や円柱体などから構成できるフープ応力発生部材をはめ込むことで、シャフトの中空内壁部を外側に押圧する。そして、この押圧力、つまり、該応力発生部材によって円筒シャフトに生ずる内圧によって、シャフト周面に円周方向の応力、即ち本発明でいうフープ応力（特に引っ張り応力）を発生させている。つまり、シャフトはトルク伝達のみの機能を持ち、シャフト中空内にはめ込んだフープ応力発生部材はシャフトの周面にフープ応力を発生させる機能のみを有すればよい。このため、シャフトに過大トルクが印加され、シャフトの中空部内面と圧入部材との界面で滑りが発生しても、印加トルクは滑りに影響を受けることなくトルク検出部位を構成するシャフトと一体の円筒体に伝達される。一方、トルク検出部位でのフープ応力は中空内に応力発生部材がはめ込まれていることにより発生するため、応力発生部材と中空との界面での滑りの影響を受けない。従って過大トルクが印加され、シャフトの中空部内面と応力発生部材との界面で滑りが発生しても、再現性の良い検出特性が得られ、トルク検出装置のダイナミックレンジを拡大することができる。
【００１３】また、シャフトの中空内に例えば圧入などの方法によってはめ込まれたフープ応力発生部材が中空内壁を外側に押し上げることで、シャフトの周面に円周方向のフープ応力が発生し、この応力により、シャフト円筒の周面には磁気異方性が付与され、円筒状のトルク検出部位の円周方向における磁化特性において角形比が著しく改善される。角形比が向上すると、円周方向への着磁後におけるシャフト周面での残留磁化量を増加させ、これに伴い円周方向の磁気モーメントの大きさが向上する。磁気モーメントの向上はトルク印加によってシャフトの検出部位から出る磁界の大きさの増加につながり、最終的にはトルク検出感度を向上させることになる。
【００１４】また、本発明において、シャフトは、トルク検出部位において円筒体によって構成されており、この円筒体は、シャフトの他の部位との間で外径差によりシャフト周面に段差を形成する。段差があれば、トルクがシャフトに印加された際、漏洩する磁界の強度が高まる。そこで、磁界検出素子を円筒体付近に設置して、漏洩磁界を検出すれば高感度でトルク検出することが可能となる。
【００１５】また、本発明において、前記磁界検出素子として、基板上に、所定方向に磁気異方性の与えられた磁性体層と、表面の少なくとも一部が前記磁性体層に接するように形成されかつ高周波電源に接続される導電体層と、を備え、シャフトのトルク検出部位における磁界変化を磁気インピーダンス変化として検出する磁気インピーダンス素子を用いることを特徴とする。
【００１６】磁界検出素子としては、ホール効果を利用したホール素子や磁気抵抗効果を利用したＭＲ素子などを用いることも可能であるが、磁気インピーダンス素子を用いれば高感度のトルク検出が可能となる。磁気インピーダンス素子では、基板平面に平行な被検出磁界（トルク検出部位からの漏洩磁界）が印加されると素子の磁性体層の磁化状態が変化し、素子の幅方向での透磁率が変化し、これに応じて磁気インピーダンスが変化する。透磁率の変化に応じたインピーダンス変化は被検出磁界に対応しているので、上記磁気インピーダンス素子を用いてインピーダンスの変化量を検出することで、被検出磁界、ひいてはシャフトに印加されたトルクを検出することができる。そして、素子での透磁率変化に対する磁気インピーダンスの変化は、数百％にもなるため、磁気インピーダンス素子を用いることにより精度・分解能に非常に優れた高感度のトルク検出装置を実現することが可能となる。
【００１７】また、I.J.Grashelis らの提案では、上述のようにシャフトにはめ込む磁歪リングの磁気特性を優れたものにするために磁歪を有し高飽和磁化材料であるパーメンジュール（Ｆｅ－Ｃｏ合金）、マルエージング鋼を用いている。本発明でも、シャフト（トルク検出部位を構成する円筒体）をこれらの材料によって形成することができる。しかし、これらの材料は加工性に乏しく高コストであるためシャフトの材料としては必ずしも最適ではない。またその他の高飽和磁化材料であるケイ素鋼板、電磁ステンレス鋼などについてもコスト面の問題があり、これらの材料は自動車応用としては問題となる。このような加工性やコストの問題を解決するには、本発明においてシャフトと一体のトルク検出部位の円筒体材料として、安価な鋼材ベースで作製することを可能とする必要が出てくる。しかし、一般的に鋼材では機能性よりも機械強度が重視されているので、当然高飽和磁化材料と比較すると磁気特性はかなり劣り、鋼材よりなるトルク検出部位からトルク印加により漏洩する磁界は小さくなる。この場合、磁界検出素子としてホール素子等を利用すると感度不十分である。また、高感度な磁界検出素子としては磁芯に巻線を施したフラックスゲート型センサがあるが、この場合にはコスト高を招くことになり自動車用としてはふさわしくなく、リード線の取り出し等装着性に関しても薄膜素子ではないので面倒である。このようにシャフトの材料がトルク検出のために優れた磁気特性を有する材料でない場合であっても、磁界検出素子として上述の高感度な磁気インピーダンス素子を用いれば、十分な検出感度を得ることが可能となる。
【００１８】また、本発明において、上記磁気インピーダンス素子は、基板上に磁性体層、導電層を積層しパターニングすることで作成でき、その素子形状、素子配置の自由度が高く、シャフトへの装着性にすぐれ、またコスト面でも非常に有利である。
【００１９】本発明において、トルク検出感度をより向上させるためには、トルク検出部位における前記円筒体の周面に、着磁方向の異なる複数の着磁領域を形成し、各着磁領域に対応してそれぞれ前記磁界検出素子を設けることが適切である。
【００２０】このように隣り合う着磁領域の着磁方向が互いに反対方向としておけば、各着磁領域の境界においては隣り合う着磁領域からの漏洩磁界が加算されて２倍の強度の漏洩磁界になるため、通常の場合と比較して検出感度を２倍向上させることができる。
【００２１】また、トルク検出部位における前記円筒体の周面に着磁方向の異なる複数の着磁領域を形成し、かつ、各着磁領域の境界にシャフト周面から突出する突起部を形成し、突起部と対向する位置に前記磁界検出素子を設けることで、より一層検出感度を向上することが可能となる。
【００２２】着時領域の境界に突起部を設けると、突起部が磁気レンズ機能を発現するため、磁界検出素子がより効率よく漏洩磁界を検出することができるからである。特に、強磁性材料からなる突起部を設けると漏洩磁界を望ましくない方向に漏らすことなく磁界検出素子に導くことが可能となる。突起部はシャフトが強磁性体でできているならば一体で形成してもよく、また、軟磁気特性を示す磁性層をシャフト周面（円筒体周面）に成膜することで形成してもよい。
【００２３】更に、複数形成した着磁領域に対応して複数の磁界検出素子を設ける場合において、素子をフルブリッジ又はハーフブリッジ接続すれは、検出感度の向上と、外乱磁界や温度変化による各素子の出力変動をキャンセルすることができ、高精度で高感度のトルク検出装置を得ることができる。
【００２４】
【発明の実施の形態】本発明の好適な実施の形態（実施形態という）について以下に図を用いて説明する。
【００２５】［実施形態１］本発明の実施形態１に係るトルク検出装置は、図１及び図２に示すように、磁界検出素子１１と、トルク伝達軸であるシャフト１２と、シャフト１２のトルク検出部位での中空部内にはめ込まれたフープ応力発生部材１６により構成されている。
【００２６】シャフト１２は中空シャフトか、または少なくともトルク検出部位において中空の円筒体１４により構成される。シャフト１２は、トルク検出部位である円筒体１４と他の部位とで外径差が与えられており、シャフトの回転軸方向での円筒体両側端に段差が形成されている。そして、この段差により、印加トルクに応じた磁界がシャフト周面に漏洩しやすくなり、漏洩磁界の強度が高まる。
【００２７】本実施形態では、トルク検出部位におけるシャフト中空内に、圧入や焼きばめ等の方法によりシャフト１２とは別部材の部材１６をはめ込むことで、トルク検出部位におけるシャフト周面、つまり円筒体１４の周面にフープ応力を発生させている。トルク印加により発生する応力はシャフト１２を介してこのシャフト１２と一体の円筒体１４に伝達され、また、フープ応力発生部材１６により円筒体１４の周面にはフープ応力が付与される。つまり、本実施形態１では、トルク伝達はシャフト１２が受け持ち、フープ応力の発生はフープ応力発生部材１６が受け持つ。従って、仮にシャフト１２の中空内面とフープ応力発生部材１６との界面で滑りが発生しても、印加トルクはトルク検出部位を構成する円筒体１４に確実に伝達され、かつフープ応力も円筒体１４に確実に加わる。このため、円筒体１４の中空内面とフープ応力発生部材１６との界面で滑りが発生しても、円筒体１４の周面に円周方向の磁気異方性が付与され、かつ円筒体１４にトルクが伝達され、トルク検出範囲が拡大する。
【００２８】シャフト１２の材質は基本的には強磁性体であり、加工性を重視してＦｅベースの鋼材が用いられる。もちろん、コスト、加工性の面ではＦｅベースの鋼材よりは劣るが、磁気特性に優れるパーメンジュール、あるいはマルエージング鋼を用いてもよい。なお、Ｆｅベースの実用鋼材の中では、磁気特性が良好な、焼き入れ、焼き戻し処理を施したクロムモリブデン鋼、あるいはニッケルクロムモリブデン鋼を用いてもよい。さらには、ショットピーニング処理を施した鋼材を用いてもよい。
【００２９】フープ応力発生部材１６は、円筒部材や円柱部材から構成でき、その材料としては、シャフト１２と同じＦｅ系の強磁性体である鋼材を用いることができる。また、ステンレス等の非磁性鋼材を用いても良い。トルク検出感度の向上を重視するならば、この応力発生部材１６の材料としては非磁性鋼材を用いることが望ましい。
【００３０】シャフト１２のフープ応力発生部材１６がはめ込まれた部位は、上述のように両側端に段差を有する円筒体１４より構成されており、この円筒体周面は、円周方向に着磁されシャフト１２のトルク検出部位となっている。円周方向への着磁は、シャフト１２にパルス電流を通電する方法や、ヘッド型磁石を用いた着磁処理によって行うことができる。なお、本実施形態１では円筒体１４の周面は単一着磁領域により構成されているが、後述する実施形態のように、多数（例えば、３つ、あるいは４つ）の着磁領域に分割され、隣り合う着磁領域は各々反対に円周方向に着磁されていてもよい。
【００３１】磁界検出素子１１は、着磁領域に対向するようシャフト周面に対して所定間隙を設けて配置されおり、トルク印加により着磁領域から発生する微弱な漏洩磁界を検出する。
【００３２】磁界検出素子１１は印加トルクに応じた漏洩磁界を検出する素子であり、シャフト１２のトルク検出部位である円筒体１４の近傍に配置されている。本実施形態１においては、この素子１１として、高感度の磁気インピーダンス素子（ＭＩ素子）を用いる。磁気インピーダンス素子は、基板上に磁性体層及び導電体層が積層されて構成されたものであり、例えば図３に示すような構造を有している。図３（ａ）は素子の平面構成を概念的に示しており、図３（ｂ）は、図３（ａ）の３－３線に沿った断面構成を示している。
【００３３】図３の例では、磁気インピーダンス素子１１１は、基板２１３上に外層２１１と中間層２１２とが積層され、中間層２１２は外層２１１によりその上下面及び側面が覆われている。また、外層２１１と中間層２１２の積層体からなる細線は、基板上において複数回折れ曲がったつづら折り状パターンに形成されている。
【００３４】外層２１１の材料は、磁性体材料、例えばＦｅＣｏＳｉＢ、ＣｏＳｉＢ等のアモルファス軟磁性体、或いはその他ＮｉＦｅ、ＣｏＮｂＺｒ等、保磁力が１Ｏｅ（１Ｏｅ≒７９Ａ／ｍ）以下の軟磁性材料を用いることができる。中間層２１２には、Ｃｕ、Ａｌ等、外層２１１に比べて導電率が１桁以上高い導電体材料や、Ｆｅ、Ｃｏ等の導電体材料を用いることができる。外層及び中間層は、真空蒸着法、スパッタリング法等の薄膜作成技術により作成することができる。また外層２１１は、素子の幅方向に直流磁場を印加した状態で作製され、素子の幅方向（素子の細線幅方向）が外層２１１の容易磁化方向となっている。
【００３５】磁気インピーダンス素子１１１の端部には、図３に示すように中間層２１２の両端から引き出された端子が形成されており、この端子間には高周波電源１０１、インピーダンス検出回路１０２が接続されている。
【００３６】以上のような構成の磁気インピーダンス素子１１１は、基板２１３の平面方向に平行な外部磁界Ｈextが印加されると、素子１１１の外層（磁性体層）２１１の磁化状態が変化し、素子の幅方向での透磁率μが変化する。ここで、高周波電源１０１から中間層（導電体層）２１２に交流電流が供給され、素子細線の長手方向にこの交流電流が印加されると、透磁率μの変化に応じて素子の両端（端子）において数百％以上にもなるインピーダンスＺの変化が発生する。そこで、素子１１１は、シャフト１２のトルク検出部位からの漏洩磁界の方向に対して、その素子基板平面方向が平行になるように円筒体周面近傍に配置し、インピーダンス検出回路１０２によりインピーダンス変化を検出することで、外部磁界（印加トルクに応じた漏洩磁界）Ｈextの変化を高感度に検出することができる。
【００３７】磁気インピーダンス素子１１１は、上記図３のような構造の他、例えば図４のような構造でもよい。図４に示す磁気インピーダンス素子１１１は、基板２１３の上に、外層２１１（下層）、中間層２１２、外層２１１（上層）がこの順で積層され、かつ３層が同一パターンに形成されている。そして、上記図３に示した素子とは異なり、中間層２１２の周囲を外層２１１が完全に覆う断面構造ではなく、中間層２１２の上下を外層２１１が挟むサンドイッチ構造である。この図４の素子は、真空蒸着、あるいはスパッタリングにより、下層、中間層、上層を順に成膜し、三層目の上層を成膜した後、レーザートリミング装置を用いて、レーザー描画によるパターニングを行うことで三層を一度にパターニングすることができる。このような作製方法はフォトリソグラフィ技術によるパターン作製と比較すると簡便な手法であり、素子量産化を考えた場合有効である。
【００３８】なお、以上に説明した磁気インピーダンス素子１１１では、素子基板２１３としてガラスが用いられるが、ガラスの他にはプラスチックなどの可撓性材料からなる基板を用いることもできる。可撓性基板を用いた場合には、シャフト１２のトルク検出部位である円筒体１４の周面の全周に沿って磁気インピーダンス素子１１１を配置することも可能である。
【００３９】［実施形態２］上記実施形態１のトルク検出装置では、シャフト１２のトルク検出部位を構成する円筒体１４の周面が単一の着磁領域により構成されているが、本実施形態２では該シャフト１２の円筒体周面の着磁領域を複数領域に分割している。更に、分割され隣り合う着磁領域は、磁化モーメントの向きが互いに反対になるようそれぞれ円周方向に着磁している。
【００４０】図５は、本実施形態２に係るトルク検出装置の構成を示している。図５に示す例では、シャフト１２の円筒体１４の周面の着磁領域は４分割されており（１４ａ、１４ｂ、１４ｃ、１４ｄ）、隣り合う着磁領域が各々反対に円周方向に着磁されている。また、各着磁領域１４ａ～１４ｄに対応させて４つの磁界検出素子（素子Ａ、素子Ｂ、素子Ｃ、素子Ｄ）１１を配置している。
【００４１】各磁界検出素子１１としては、上記実施形態１において説明した図３または図４のような構造の磁気インピーダンス素子１１１を用いている。また、４つの磁気インピーダンス素子１１１（素子Ａ～素子Ｄ）は、図６に示すように各着磁領域から発生する漏洩磁界が各素子基板の平面方向と平行になるよう着磁領域上方に配置されており、シャフト１２への印加トルクにより発生した磁界の水平成分を検出する。
【００４２】また、本実施形態２では、４つの磁気インピーダンス素子（素子Ａ～素子Ｄ）は、図７に示すようにフルブリッジ接続され、ブリッジ回路（ホイートストンブリッジ）を構成している。素子Ａと素子Ｃに例えば正磁界（左から右に向かう磁界）が印加されたときには、素子Ｂと素子Ｄに負磁界（右から左に向かう磁界）が加わるように接続配置され、シャフト１２へトルクが印加されて漏洩磁界が変化すると、素子Ａと素子Ｃとで、また素子Ｂと素子Ｄとが同じ挙動を示す。このため、素子Ａと素子Ｃの出力変化の方向と、素子Ｂと素子Ｄの出力変化の方向が反対となり、ブリッジバランスが崩れ、単一の磁気インピーダンス素子１１１でインピーダンス変化を検出する場合と比較すると、４倍の感度で検出することができる。さらにブリッジ回路構成とすることで、外乱磁界が発生しても、各素子１１１に対し一様に外乱磁界が加わり各素子が同じ出力変化を示すため、ブリッジバランスは崩れない。このため、ブリッジ回路から外乱磁界に対応した出力が生じることはなく、各素子のオフセット出力はキャンセルされる。さらに各素子のオフセット出力が温度変化とともにドリフトする傾向を有している場合でも、各素子の温度変化によるオフセット出力は一様に同じ挙動を示すのでブリッジバランスが崩れることはない。したがって、フルブリッジ型とすることにより、温度変化によるオフセット出力変化の影響を除去することも可能である。
【００４３】なお、着磁領域の分割数は４には限らず、２分割、３分割、又は５以上に分割することも可能であり、各着磁領域にそれぞれ対応して磁気インピーダンス素子を設けることが適切である。
【００４４】（実施例１）上記実施形態２のトルク検出装置の実施例について以下に説明する。
【００４５】シャフト１２にはトルク検出部位となる円筒体１４を一体加工により形成している。シャフト１１２の材質はマルエージング鋼である。シャフト１２は中空シャフトである。シャフト中空部にはフープ応力発生部材１６が圧入され、両端に段差を持つ円筒体１４の部分まで押し込んでいる。フープ応力発生部材１６としては非磁性体であるステンレス鋼ＳＵＳ３０４を用いた。圧入により円筒体には円周方向に磁気異方性が付与される。検出部となる円筒状部位には４分割された着磁領域が形成されている。着磁方向は円周方向であり隣り合う領域は各々逆方向に着磁されている。図６に示すように、トルクに応じて各着磁領域から漏洩磁界が発生する。
【００４６】４つの磁界検出素子１１（素子Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ）としては、磁気インピーダンス素子１１１をそれぞれ用い、各素子１１１は、シャフト１２の円筒体１４の周面に対し一定のクリアランスで、シャフト１２の軸方向と素子細線長手方向とが平行となるように装着した（図６参照）。磁気インピーダンス素子１１１には、上述の図３に示す構成を用いており、ガラス基板２１３上に外層２１１及び中間層２１２をフォトリソグラフィー技術を利用して形成した。中間層２１２にはＣｕを用い、その膜厚は３μｍとした。また、外層２１１には、ＦｅＣｏＳｉＢを用い、その膜厚は２μｍとし、磁化容易軸は図３に示すように線幅方向に付与した。
【００４７】図８（ａ）は、比較例であり、磁歪リングが圧入された非中空のシャフトと単一磁界検出素子からなる従来のトルクセンサにおいて、過大トルク（３０ｋｇｍ）印加時の出力特性を示す。図８（ｂ）は、同じ過大トルク印加時における実施例１のトルクセンサの出力特性を示す。従来のトルクセンサでは図８（ａ）に示されるように、出力特性にヒステリシスが発生しているが、実施例１のトルクセンサでは、ヒステリシスは発生せず、従来のセンサと比較して過大トルクに対する検出出力特性が向上していることが分かる。
【００４８】図９（ａ）は、図８（ａ）と同じ磁歪リングを圧入した非中空シャフトと単一磁界検出素子からなる従来のトルクセンサにおけるオフセット出力の温度特性を示している。図９（ｂ）は、実施例１のトルクセンサのオフセット出力の温度依存性を示す。図９（ａ）と図９（ｂ）の比較から明らかなように、本実施例１のセンサの温度依存性は、従来のセンサと比較して低くなっており、オフセット出力の温度特性が向上していることが分かる。
【００４９】［実施形態３］本実施形態３では、実施形態２と同様にシャフト１２のトルク検出部位における円筒体１４の着磁周面を複数領域に分割する。実施形態２と相違する点は、着磁方向が互いに逆の隣り合う着磁領域の境界にシャフト周面から径の外側に向かって突出する突起部を形成していることである。
【００５０】図１０は、本実施形態３に係るトルク検出装置の構成を示している。図１０に示すように、シャフト１２のトルク検出部位、即ち中空部にフープ応力発生部材１６が圧入されている円筒体１４において、その周面は円周方向に着磁され、互いに着磁方向（磁化モーメントの方向）の異なる領域が隣接するように形成されている。そして、着磁方向の異なる着磁領域の境界に円筒体周面から突出する突起部２０が形成されている。突起部２０は各着磁領域から発生する漏洩磁界を集中させる磁気レンズの役割を果たすため、突起部を設けない場合よりも磁気検出感度を向上させることが可能となる。
【００５１】また、磁界検出素子１１は、突起部２０からシャフト半径方向に漏洩する磁界を検出するために、突起部２０の上方に配置している。磁界検出素子１１としては、上述の図３又は図４のような磁気インピーダンス素子１１１を用いることが好適であるが、この素子１１１は、上述のように基板平面方向の磁界の変化をインピーダンス変化として検出するため、素子基板平面方向がシャフト１２の径方向に平行となるよう突起部２０の上方に配置する（図１０参照）。
【００５２】円筒体１４の周面を３分割された着磁領域より構成する場合、円筒体１４の周面に形成する突起部２０は図１１及び図１２に示すように２つとなる。そして２つの突起部２０に対向するようにそれぞれ磁界検出素子（素子Ａ、素子Ｂ）１１を突起部２０の上方に配置する。磁界検出素子１１として磁気インピーダンス素子１１１を用いる場合に、図１０と同様、シャフト径方向の漏洩磁界に素子基板平面方向が平行となるよう各突出部２０の上方に磁気インピーダンス素子１１１を配置する。
【００５３】各突起部２０の上方に配置される２つの磁界検出素子１１（素子Ａ、素子Ｂ）は、図１３に示すように、ブリッジ回路の内のハーフブリッジを構成するように接続する。図１３のようなハーフブリッジを構成すれば、突起部２０からの漏洩磁界を差動検出することができ、単一素子のみで検出する場合と比較して２倍の感度を得ることができる。さらに、実施形態２において説明したようにフルブリッジ型にする場合と同様に、外乱磁界の影響、各素子の温度変化によるオフセット出力変化の影響を除去することができる。なお、円筒体１４の着磁領域を５領域とし、４カ所に突起部を設け、対応して設ける４つの磁界検出素子１１を図７に示すようなフルブリッジ接続すれば、検出感度は単一素子で検出した場合の４倍とすることができる。
【００５４】（実施例２）実施形態３に係るトルクセンサの実施例２について以下説明する。実施例２は図１１及び図１２に示す構成のトルクセンサであり、シャフト１２は中空シャフトを用い、中空内に円柱状のフープ応力発生部材１６が圧入され、段差を有する円筒体１４の部位まで押し込まれている。シャフト１２、及び圧入された応力発生部材１６としては、この実施例２ではＦｅ系の鋼材、具体的にはニッケルクロムモリブデン鋼を用いた。
【００５５】検出部位における着磁領域は図１１に示すように３つに分割し、各着磁領域の境界部には円筒体１４の全周にわたって円筒体と一体で突起部２０を形成した。また、シャフト１２にパルス電流を通電し、シャフト１２の検出部位の円筒体１４を円周方向に着磁した。各突起部２０に対向して配置する磁界検出素子（素子Ａ、素子Ｂ）１１としては、上述の実施形態１において説明した図４の磁気インピーダンス素子１１１を用いた。素子１１１は、ガラス基板２１３上に、外層（下層）２１１、中間層２１２、外層（上層）２１１が三層積層され、上下層の外層２１１は、熱安定性に優れた軟磁性体であるＣｏＮｂＺｒを用い、中間層２１２としては、低抵抗のＣｕを用いた。
【００５６】図１４（ａ）は、比較例であり、図１１の構成で円筒体周面に突起部２０のないトルクセンサのトルク検出出力特性、図１４（ｂ）は、突起部２０を設けた実施例２に係るトルクセンサのトルク検出出力特性を示す。
【００５７】印加トルクに応じた突起部２０からの漏洩磁界は、各着磁領域からの漏洩磁界の２倍の強度を有する。従って、突起部を設けることにより、図１４（ａ）と（ｂ）の比較から明らかなように、突起部を設けない場合に比べてトルク検出感度を２倍程度向上させることが可能となっている。
【００５８】また、素子Ａと素子Ｂとをハーフブリッジ接続しているため、単一素子により磁界検出した場合と比較して磁界感度は２倍になり、かつ外乱磁界の影響、オフセット出力の温度ドリフトの影響等が除去できる。
【００５９】
【発明の効果】以上説明したように本発明のトルク検出装置では、トルク検出部位にて少なくとも中空のシャフトの中空部にフープ応力発生部材をはめ込み、トルク検出部位でのシャフト円筒体の周面に円周方向の引っ張り応力（フープ応力）を発生させる。この引っ張り応力は、シャフト円筒体の円周方向への磁気異方性を発生させ、円周方向磁化特性の角形比が向上し、円筒体周面着磁後の残留磁化量を増加させる。このため、トルク検出部位において、着磁による円周方向の磁化モーメントが大きくなり、トルク印加に応じて円筒体から発生する漏洩磁界が大きくなり、トルク検出装置としての検出感度の向上を図ることができる。
【００６０】また、従来のようにシャフトに磁歪リングをはめ込んで応力を発生させた場合には、シャフトに過大トルクが印加されると磁歪リングとシャフトとの界面で滑りが発生し、磁歪リングへのトルク伝達が困難となる。しかし、本発明ではトルク伝達はシャフトが受け持ち、フープ応力の発生は応力発生部材が受け持つというように機能分離されるため、フープ応力発生部材とトルク検出部位でのシャフト円筒体の内壁とで滑りが発生しても、トルク検出部位へのトルク伝達性が損なわれることがない。従って、シャフトへの過大トルク印加時においても、安定し、再現性の高いセンサ出力を得ることができ、検出トルク範囲が広がる。
【００６１】更に、複数に分割された円周方向着磁領域をシャフトの表面に形成し、隣り合う着磁領域の着磁方向を各々反対とすれば、漏洩磁界の強度を高めることが可能となる。また、複数の着磁領域の境界に突起部を設ければ、突起部により隣り合う２つの着磁領域からの漏洩磁界を集中させることができ（厳密には足し合わされ２倍になる）、シャフトへの印加トルクに対する漏洩磁界の変化が増加し、トルク検出装置における更なる感度向上が可能となる。

【出願人】	【識別番号】０００００３６０９【氏名又は名称】株式会社豊田中央研究所
【出願日】	平成１１年９月１６日（１９９９．９．１６）
【代理人】	【識別番号】１０００７５２５８【弁理士】【氏名又は名称】吉田研二（外２名）
【公開番号】	特開２００１－８３０２５（Ｐ２００１－８３０２５Ａ）
【公開日】	平成１３年３月３０日（２００１．３．３０）
【出願番号】	特願平１１－２６２７９９