特許 7509703 磁歪式トルクセンサ及び磁歪式トルクセンサ用磁性リングの厚さの設計方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-06-24

(45)【発行日】2024-07-02

(54)【発明の名称】磁歪式トルクセンサ及び磁歪式トルクセンサ用磁性リングの厚さの設計方法

(51)【国際特許分類】

   G01L 3/10 20060101AFI20240625BHJP

【ＦＩ】

G01L3/10 301J

【請求項の数】 5

(21)【出願番号】P 2021013906

(22)【出願日】2021-01-29

(65)【公開番号】P2022117292

(43)【公開日】2022-08-10

【審査請求日】2023-09-18

(73)【特許権者】

【識別番号】000005083

【氏名又は名称】株式会社プロテリアル

(73)【特許権者】

【識別番号】000004204

【氏名又は名称】日本精工株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110002583

【氏名又は名称】弁理士法人平田国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】中村 晃之

(72)【発明者】

【氏名】杉山 雄太

(72)【発明者】

【氏名】金 一銘

(72)【発明者】

【氏名】福田 晃大

【審査官】吉田 久

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１８－１１２４５１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平１１－３２６０８０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平１－９４２３０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平２－６６４１７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開昭６３－２２３５３６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開昭５７－１００３３０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００２－３９８７６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開昭５１－３２５９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開昭６２－２０３０３２（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０１Ｌ １／００－３／２６

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

クロム鋼またはクロムモリブデン鋼からなる磁歪材の周囲に設けられた検出コイルと、
前記検出コイルの周囲を覆うように設けられた磁性リングと、
前記検出コイルを５０ｋＨｚ以上３３３ｋＨｚ以下の励磁周波数で交流励磁するための駆動部と、を備え、
前記検出コイルのインダクタンスの変化を基に前記磁歪材に付与されたトルクを検出するように構成されており、
前記磁性リングは、テープ状のアモルファス軟磁性材料からなるアモルファステープを、前記検出コイルの周囲に巻き付けて構成されており、
前記磁性リングの厚さが、前記磁歪材の表皮効果厚さの１．４５５倍以上、かつ１．０００ｍｍ未満である、
磁歪式トルクセンサ。

【請求項2】

クロム鋼またはクロムモリブデン鋼からなる磁歪材の周囲に設けられた検出コイルと、
前記検出コイルの周囲を覆うように設けられた磁性リングと、
前記検出コイルを５０ｋＨｚ以上２５０ｋＨｚ以下の励磁周波数で交流励磁するための駆動部と、を備え、
前記検出コイルのインダクタンスの変化を基に前記磁歪材に付与されたトルクを検出するように構成されており、
前記磁性リングは、テープ状のアモルファス軟磁性材料からなるアモルファステープを、前記検出コイルの周囲に巻き付けて構成されており、
前記磁性リングの厚さが、前記磁歪材の表皮効果厚さの１．２６１倍以上、かつ１．０００ｍｍ未満である、
磁歪式トルクセンサ。

【請求項3】

クロム鋼またはクロムモリブデン鋼からなる磁歪材の周囲に設けられた検出コイルと、
前記検出コイルの周囲を覆うように設けられた磁性リングと、
前記検出コイルを５０ｋＨｚ以上２００ｋＨｚ以下の励磁周波数で交流励磁するための駆動部と、を備え、
前記検出コイルのインダクタンスの変化を基に前記磁歪材に付与されたトルクを検出するように構成されており、
前記磁性リングは、テープ状のアモルファス軟磁性材料からなるアモルファステープを、前記検出コイルの周囲に巻き付けて構成されており、
前記磁性リングの厚さが、前記磁歪材の表皮効果厚さの１．１２８倍以上、かつ１．０００ｍｍ未満である、
磁歪式トルクセンサ。

【請求項4】

前記磁歪材には、ショットピーニングが施されている、
請求項１乃至３の何れか１項に記載の磁歪式トルクセンサ。

【請求項5】

クロム鋼またはクロムモリブデン鋼からなる磁歪材の周囲に設けられた検出コイルと、
前記検出コイルの周囲を覆うように設けられた磁性リングと、
前記検出コイルを５０ｋＨｚ以上３３３ｋＨｚ以下の励磁周波数で交流励磁する駆動部と、を備え、
前記検出コイルのインダクタンスの変化を基に前記磁歪材に付与されたトルクを検出するように構成された磁歪式トルクセンサ用磁性リングの厚さの設計方法であって、
前記磁性リングは、テープ状のアモルファス軟磁性材料からなるアモルファステープを、前記検出コイルの周囲に巻き付けて構成されており、
前記駆動部の励磁周波数及び前記磁歪材の透磁率を基に、前記磁歪材の表皮効果厚さを算出する工程と、
前記磁歪材の表皮効果厚さの１．４５５倍以上かつ１．０００ｍｍ未満となるように、前記磁性リングの厚さを決定する工程と、を有する、
磁歪式トルクセンサ用磁性リングの厚さの設計方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、磁歪式トルクセンサ及び磁歪式トルクセンサ用磁性リングの厚さの設計方法に関する。

【背景技術】

【0002】

従来、トルク（回転トルク）が付与された際に透磁率が変化する磁歪特性を有する磁歪材を用い、トルクが付与された際の磁歪材の透磁率の変化を検出コイルのインダクタンスの変化として検出することにより、磁歪材に付与されたトルクを検出する磁歪式トルクセンサが知られている。

【0003】

このような磁歪式トルクセンサでは、磁気回路の磁気抵抗を下げ、検出コイルで生じた磁束が外部に漏れて感度が低下することを抑制するために、検出コイルの周囲を覆うように磁性体からなる磁性リングが設けられるのが一般的である。磁性リングとしては、絶縁被覆された磁性粒子をプレス成形して形成される圧粉磁心が一般に用いられている。

【0004】

なお、この出願の発明に関連する先行技術文献情報としては、特許文献１がある。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【文献】特開平６－２２１９４０号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

しかしながら、圧粉磁心を磁性リングとして用いた場合、十分な効果を得るためには磁性リングの厚さを１ｍｍ～２ｍｍ以上と厚くする必要があり、磁歪式トルクセンサの小型化が困難となってしまうという課題があった。狭いスペースにも設置可能とするため、磁性リングをなるべく薄くして小型な磁歪式トルクセンサを実現することが望まれている。

【0007】

そこで、本発明は、小型化可能な磁歪式トルクセンサ及び磁歪式トルクセンサ用磁性リングの厚さの設計方法を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0008】

本発明は、上記課題を解決することを目的として、クロム鋼またはクロムモリブデン鋼からなる磁歪材の周囲に設けられた検出コイルと、前記検出コイルの周囲を覆うように設けられた磁性リングと、前記検出コイルを５０ｋＨｚ以上３３３ｋＨｚ以下の励磁周波数で交流励磁するための駆動部と、を備え、前記検出コイルのインダクタンスの変化を基に前記磁歪材に付与されたトルクを検出するように構成されており、前記磁性リングは、テープ状のアモルファス軟磁性材料からなるアモルファステープを、前記検出コイルの周囲に巻き付けて構成されており、前記磁性リングの厚さが、前記磁歪材の表皮効果厚さの１．４５５倍以上、かつ１．０００ｍｍ未満である、磁歪式トルクセンサを提供する。

【0009】

また、本発明は、上記課題を解決することを目的として、クロム鋼またはクロムモリブデン鋼からなる磁歪材の周囲に設けられた検出コイルと、前記検出コイルの周囲を覆うように設けられた磁性リングと、前記検出コイルを５０ｋＨｚ以上３３３ｋＨｚ以下の励磁周波数で交流励磁するための駆動部と、を備え、前記検出コイルのインダクタンスの変化を基に前記磁歪材に付与されたトルクを検出するように構成されており、前記磁性リングは、テープ状のアモルファス軟磁性材料からなるアモルファステープを、前記検出コイルの周囲に巻き付けて構成されており、前記磁性リングの厚さが、前記磁歪材の表皮効果厚さの１．２６１倍以上、かつ１．０００ｍｍ未満である、磁歪式トルクセンサを提供する。

【0010】

また、本発明は、上記課題を解決することを目的として、クロム鋼またはクロムモリブデン鋼からなる磁歪材の周囲に設けられた検出コイルと、前記検出コイルの周囲を覆うように設けられた磁性リングと、前記検出コイルを５０ｋＨｚ以上２００ｋＨｚ以下の励磁周波数で交流励磁するための駆動部と、を備え、前記検出コイルのインダクタンスの変化を基に前記磁歪材に付与されたトルクを検出するように構成されており、前記磁性リングは、テープ状のアモルファス軟磁性材料からなるアモルファステープを、前記検出コイルの周囲に巻き付けて構成されており、前記磁性リングの厚さが、前記磁歪材の表皮効果厚さの１．１２８倍以上、かつ１．０００ｍｍ未満である、磁歪式トルクセンサを提供する。

【0011】

また、本発明は、上記課題を解決することを目的として、クロム鋼またはクロムモリブデン鋼からなる磁歪材の周囲に設けられた検出コイルと、前記検出コイルの周囲を覆うように設けられた磁性リングと、前記検出コイルを５０ｋＨｚ以上３３３ｋＨｚ以下の励磁周波数で交流励磁する駆動部と、を備え、前記検出コイルのインダクタンスの変化を基に前記磁歪材に付与されたトルクを検出するように構成された磁歪式トルクセンサ用磁性リングの厚さの設計方法であって、前記磁性リングは、テープ状のアモルファス軟磁性材料からなるアモルファステープを、前記検出コイルの周囲に巻き付けて構成されており、前記駆動部の励磁周波数及び前記磁歪材の透磁率を基に、前記磁歪材の表皮効果厚さを算出する工程と、
前記磁歪材の表皮効果厚さの１．４５５倍以上かつ１．０００ｍｍ未満となるように、前記磁性リングの厚さを決定する工程と、を有する、磁歪式トルクセンサ用磁性リングの厚さの設計方法を提供する。

【発明の効果】

【0012】

本発明によれば、小型化可能な磁歪式トルクセンサ及び磁歪式トルクセンサ用磁性リングの厚さの設計方法を提供できる。

【図面の簡単な説明】

【0013】

【図1】本発明の一実施の形態に係る磁歪式トルクセンサの外観を示す斜視図である。

【図2】（ａ）は、図１において樹脂モールド部を省略した斜視図、（ｂ）はフレキシブル基板及び磁性リングの積層構造を示す断面図である。

【図3】フレキシブル基板の各配線層に形成される配線パターンの一例を示す図である。

【図4】（ａ）は図１のトルクセンサにおける駆動部の回路図、（ｂ），（ｃ）は、駆動部の変形例を示す回路図である。

【図5】（ａ）は磁性リングの厚さに対する誤差の関係を示すグラフ図、（ｂ）は磁性リングの厚さに対するセンサ感度の関係を示すグラフ図である。

【図6】（ａ）はセンサ感度及びヒステリシス誤差を説明する図、（ｂ）は角度依存誤差を説明する図である。

【図7】比較例及び実施例のセンサ感度と誤差の測定結果を示すグラフ図である。

【発明を実施するための形態】

【0014】

［実施の形態］
以下、本発明の実施の形態を添付図面にしたがって説明する。

【0015】

図１は、本実施の形態に係る磁歪式トルクセンサの外観を示す斜視図である。図２（ａ）は、図１において樹脂モールド部を省略した斜視図、図２（ｂ）はフレキシブル基板及び磁性リングの積層構造を示す断面図である。図３は、フレキシブル基板の各配線層に形成される配線パターンの一例を示す図である。図４（ａ）は図１のトルクセンサにおける駆動部の回路図、図４（ｂ），（ｃ）は、駆動部の変形例を示す回路図である。

【0016】

（磁歪材２）
図１～４に示すように、磁歪式トルクセンサ（以下、単にトルクセンサという）１は、磁歪材２に付与されるトルク（回転トルク）を検出するセンサであり、磁歪材２の周囲に取り付けられている。

【0017】

磁歪材２は、例えばクロム鋼、クロムモリブデン鋼、又はニッケルクロムモリブデン鋼等のクロムを含有するクロム鋼からなる基材に、浸炭焼入れ焼戻し処理を施した後に、ショットピーニングを施したものを用いる。本実施の形態では、磁歪材２として、クロム鋼であるＳＣＲ４２０Ｈ、またはクロムモリブデン鋼であるＳＣＭ４２０Ｈからなるものを用いる。

【0018】

浸炭焼入れ焼戻し処理を施すことで、磁歪材２の靱性を含む機械的強度を高めることができる。また、浸炭焼入れ焼戻し処理後にショットピーニングを施すことで、その表面にマルテンサイト変態（無拡散変態）を生じさせて非磁性のオーステナイトを減少させ、強磁性のマルテンサイトを増大させることができる。その結果、磁歪材２の表面における非磁性領域が減少して磁性領域が増大し、応力が付与された際の透磁率の変化が大きくなると共に、塑性変形が減少し、応力変動によるヒステリシスを低減できる。

【0019】

磁歪材２は、周方向にトルクが付与される円柱状の部材である。トルクセンサ１における磁歪材２は、例えば、車両のパワートレイン系のトルク伝達に用いられるシャフト、あるいは車両のエンジンのトルク伝達に用いられるシャフトである。

【0020】

（センサ部１０）
トルクセンサ１は、磁歪材２の周囲を覆うように設けられたセンサ部１０を備えている。センサ部１０は、磁歪材２の周囲に設けられた検出コイル３と、検出コイル３の周囲を覆うように設けられた磁性リング（磁性体リング、バックヨーク）４と、を有している。本実施の形態では、第１乃至第４の４つの検出コイル３１～３４を有している。

【0021】

図１及び図２（ａ）に示すように、センサ部１０は、磁歪材２と離間して同軸に配置された円筒状のボビン５と、ボビン５の外面に巻き付けられたフレキシブル基板６と、樹脂モールド部７と、を有している。本実施の形態では、検出コイル３は、フレキシブル基板６に形成された配線パターン（後述する配線層６０）から構成されている。ボビン５は、樹脂等の非磁性体からなり、その軸方向の一端部に径方向外方に突出した鍔部５１が一体に形成されている。磁性リング４は、フレキシブル基板６の周囲を覆うように設けられている。

【0022】

（樹脂モールド部７）
図１に示されるように、樹脂モールド部７は、フレキシブル基板６や磁性リング４を保護するためのものであり、ボビン５及びフレキシブル基板６及び磁性リング４の周囲を覆うように樹脂をモールドして形成される。樹脂モールド部７は、ボビン５及びフレキシブル基板６及び磁性リング４の周囲を覆う本体部７１と、本体部７１から外方に突出するように形成されたフランジ部７２と、を一体に有している。本体部７１には、磁歪材２を通すための貫通孔７１ａが形成されている。フランジ部７２には、フランジ部７２を貫通し、金属からなる短円筒状のカラー７３を保持する保持孔７４が形成されている。フランジ部７２は、ボルト等を用いて、周囲の部材（磁歪材２の回転に伴い回転しない部材）に固定される。

【0023】

（フレキシブル基板６、検出回路３）
図２（ｂ）に示されるように、フレキシブル基板６は、第１配線層６１、第２配線層６２、第３配線層６３、第４配線層６４の４層の配線層６０を有している。ただし、配線層６０の層数はこれに限定されず、２層以上であればよい。

【0024】

第１配線層６１は、ポリイミドからなる第１ベース樹脂層６５ａの表面に形成されており、第１ベース樹脂層６５ａの裏面は接着層６６ｂを介して第２配線層６２に接着固定されている。第１配線層６１の表面には、接着層６６ａを介してポリイミドからなる第１カバーレイ層６７ａが設けられ、絶縁処理が施されている。第１カバーレイ層６７ａの表面には両面テープ６８ａが貼付され、この両面テープ６８ａを介して、フレキシブル基板６がボビン５に接着固定される。

【0025】

第２配線層６２は、ポリイミドからなる第２ベース樹脂層６５ｂの表面に形成されており、第２ベース樹脂層６５ｂの裏面には、第３配線層６３が形成されている。

【0026】

第４配線層６４は、ポリイミドからなる第３ベース樹脂層６５ｃの裏面に形成されており、第３ベース樹脂層６５ｃの表面は接着層６６ｃを介して第３配線層６３に接着固定されている。第４配線層６４の表面には、接着層６６ｄを介してポリイミドからなる第２カバーレイ層６７ｂが設けられ、絶縁処理が施されている。第２カバーレイ層６７ｂには、両面テープ６８ｂが貼付され、この両面テープ６８ｂを介して、フレキシブル基板６と磁性リング４とが接着固定されている。

【0027】

フレキシブル基板６の内層となる第２配線層６２と第３配線層６３とは、圧延銅箔からなる。フレキシブル基板６の外層となる第１配線層６１と第４配線層６４とは、電解銅箔に銅めっきを施したものからなる。詳細は後述するが、トルクセンサ１では、フレキシブル基板６にビア（スルーホール）を形成する必要があるため、外層である第１，４配線層６１，６４では、めっきを施した構成となっている。

【0028】

図３は、フレキシブル基板６の各配線層６０に形成される配線パターンの一例を示す図である。図３では、フレキシブル基板６を展開して平面とした際の各配線層６０の配線パターンを模式的に示している。

【0029】

図３に示すように、第１乃至第４の検出コイル３１～３４は、フレキシブル基板６の配線層６０に形成されている。第１及び第４の検出コイル３１，３４は、磁歪材２の軸方向に対して所定角度傾斜した第１直線部３１ａ，３４ａを有し、第２及び第３の検出コイル３２，３３は、磁歪材２の軸方向に対して第１直線部３１ａ，３４ａと反対方向に所定角度傾斜した第２直線部３２ａ，３３ａを有する。

【0030】

トルクセンサ１では、磁歪材２にトルクが付与された際の透磁率の変化は軸方向に対して±４５度の方向で最も大きくなる。よって、第１直線部３１ａ，３４ａを軸方向に対して＋４５度傾斜するように形成し、第２直線部３２ａ，３３ａを軸方向に対して－４５度傾斜するように形成することで、検出感度を向上できる。

【0031】

このトルクセンサ１では、第１の検出コイル３１を形成する配線層６０と、第３の検出コイル３３を形成する配線層６０の配線パターンを一部入れ替え、２層の配線層６０（第１及び第２配線層６１，６２）にわたって第１及び第３の検出コイル３１，３３が形成されるように構成している。同様に、第２の検出コイル３２を形成する配線層６０と、第４の検出コイル３４を形成する配線層６０の配線パターンを一部入れ替え、２層の配線層６０（第３及び第４配線層６３，６４）にわたって第２及び第４の検出コイル３２，３４が形成されるように構成している。配線層６０間はビアを介して電気的に接続される。

【0032】

各検出コイル３を２層の配線層６０にわたって形成することで、２層の配線層６０の特性差による影響を抑制することが可能になる。その結果、配線層６０間の特性差に起因した測定誤差を抑制し、測定精度を向上させることが可能になる。

【0033】

本実施の形態では、第１配線層６１と第３配線層６３、および、第２配線層６２と第４配線層６４に形成される配線パターンは、略同じパターンとされる。また、第１配線層６１と第３配線層６３、および、第２配線層６２と第４配線層６４に形成される配線パターンに流れる電流は、同じ向きとなるようにされる。図３では、白抜き矢印で電流の向きを示している。また、図３では、第１乃至第４の検出コイル３１～３４の入力側電極を符号３１ｂ，３２ｂ，３３ｂ，３４ｂ、出力側電極を符号３１ｃ，３２ｃ，３３ｃ，３４ｃで示している。また、図３における符号ａ～ｙ，Ａ～Ｙは、ビアによる接続関係を便宜的に表すものであり、同じ符号同士がビアを介して電気的に接続されていることを表している。なお、図３に示す各配線層６０の配線パターンはあくまで一例であり、配線パターンの具体的な構造はこれに限定されるものではない。

【0034】

（ブリッジ回路３５，駆動部８、検出部９）
図４（ａ）に示すように、本実施の形態では、４つの検出コイル３をブリッジ接続してブリッジ回路３５を構成している。ブリッジ回路３５は、第１の検出コイル３１と第２の検出コイル３２とを直列接続し、第３の検出コイル３３と第４の検出コイル３４とを直列接続し、かつ、第１及び第２の検出コイル３１，３２と第３及び第４の検出コイル３３，３４とを並列接続して構成されている。第１乃至第４の検出コイル３１～３４は、同じ巻数とされ、略同じインピーダンスとなるように構成されている。

【0035】

トルクセンサ１は、検出コイル３を交流励磁するための駆動部８を備えている。駆動部８は、ブリッジ回路３５における第１の検出コイル３１と第３の検出コイル３３との間の接点ａと、第２の検出コイル３２と第４の検出コイル３４との間の接点ｂとの間に、交流電圧を印加する。

【0036】

また、トルクセンサ１は、ブリッジ回路３５における第１の検出コイル３１と第２の検出コイル３２との間の接点ｃと、第３の検出コイル３３と第４の検出コイル３４との間の接点ｄとの間の電圧を測定する検出部９を備えている。検出部９は、マイクロコンピュータやパーソナルコンピュータに組み込まれており、ＣＰＵ、ソフトウェア、メモリ、インターフェイス等を適宜組み合わせて実現されている。

【0037】

駆動部８が接点ａ，ｂ間に交流電圧を印加すると、当該交流電圧により第１乃至第４の検出コイル３１～３４が交流励磁されて磁束が発生する。第１乃至第４の検出コイル３１～３４は応力の測定対象となる磁歪材２の周囲に配置されており、第１乃至第４の検出コイル３１～３４で発生する磁束は、磁歪材２を通過する。磁歪材２はトルク（回転トルク）が付与された際に透磁率が変化するため、付与されるトルクに応じて、各検出コイル３のインピーダンス（インダクタンス）が変化し、検出部９で検出される電圧が変化する。検出部９では、検出される電圧を基に、磁歪材２に付与されたトルクを検出する。このように、トルクセンサ１では、検出コイル３のインダクタンスの変化を基に磁歪材２に付与されたトルクを検出するように構成されている。

【0038】

ここでは、４つの検出コイル３を用いる場合について説明したが、図４（ｂ）に示すように、第１及び第２の検出コイル３１，３２を抵抗Ｒ１，Ｒ２に置き換え、第３及び第４の検出コイル３３，３４の２つの検出コイル３のみを用いるようにしてもよい。同様に、第３及び第４の検出コイル３３，３４を抵抗に置き換え、第１及び第２の検出コイル３１，３２のみを使用してもよい。さらに、図４（ｃ）に示すように、第１及び第３の検出コイル３１，３３を抵抗Ｒ１，Ｒ３に置き換え、第２及び第４の検出コイル３２，３４の２つの検出コイル３のみを用いるようにしてもよい。同様に、第２及び第４の検出コイル３２，３４を抵抗に置き換え、第１及び第３の検出コイル３１，３３のみを用いるようにしてもよい。

【0039】

また、４つの検出コイル３を用いる場合であっても、その一部の検出コイル３のみを磁歪材２の周囲に設けてもよい。例えば、第１及び第２の検出コイル３１，３２のみを磁歪材２の周囲に設けてもよいし、第３及び第４の検出コイル３３，３４のみを磁歪材２の周囲に設けてもよい。また、第１及び第３の検出コイル３１，３３のみを磁歪材２の周囲に設けてもよいし、第２及び第４の検出コイル３２，３４のみを磁歪材の周囲に設けてもよい。つまり、第１乃至第４の検出コイル３１～３４の少なくとも２つが、磁歪材２の周囲に設けられていればよい。なお、磁歪材２の周囲に設けない検出コイル３は、例えば、磁歪材２と別体に設けられ、外力（応力）が付与されない基準用の磁歪材２の周囲に設けられてもよい。

【0040】

また、本実施の形態では、フレキシブル基板６の配線層６０に検出コイル３を形成する場合について説明したが、これに限らず、例えば、ボビン５に絶縁電線を巻き回して検出コイル３を形成してもよいし、磁歪材２の周囲に直接絶縁電線を巻き回して検出コイル３を形成してもよい。

【0041】

（磁性リング４）
磁性リング４としては、従来圧粉磁心が広く用いられてきたが、圧粉磁心を磁性リング４として用いる場合、磁性リング４の厚さが１ｍｍ以上と厚くなり、センサ部１０が大型化してしまう。そこで、本実施の形態では、磁性リング４として、テープ状のアモルファス軟磁性材料からなるアモルファステープ（アモルファス合金帯）４１を用いる。磁性リング４は、アモルファステープ４１をフレキシブル基板６（検出コイル３）の周囲に巻き付けて構成されている。

【0042】

本実施の形態では、磁性リング４に用いるアモルファステープ４１としては、Ｆｅ系、あるいはＣｏ系のアモルファスからなるものを用いた。Ｆｅ系のアモルファスとしては、日立金属社製のＭｅｔｇｌａｓ（登録商標、以下略）の２６０５ＳＡ１（組成Ｆｅ－Ｓｉ－Ｂ、厚さ２５μｍ）を用いた。Ｃｏ系のアモルファスとしては、日立金属社製のＭｅｔｇｌａｓの２７０５Ｍ（組成Ｃｏ－Ｆｅ－Ｎｉ－Ｓｉ－Ｂ－Ｍｏ、厚さ２２μｍ）を用いた。

【0043】

本実施の形態に係るトルクセンサ１では、磁性リング４の厚さを、０．０７５ｍｍ以上１．０００ｍｍ未満としている。この理由について以下に説明する。

【0044】

磁性リング４の厚さを変化させたトルクセンサ１を試作し、駆動部８の励磁周波数（印加する交流電圧の周波数）を５０ｋＨｚ以上３３３ｋＨｚ以下の範囲で変化させて、誤差（ヒステリシス誤差と角度依存誤差の合計値）及びセンサ感度の測定を行った。アモルファステープ４１としては、Ｆｅ系のアモルファスであるＭｅｔｇｌａｓの２６０５ＳＡ１（組成Ｆｅ－Ｓｉ－Ｂ、厚さ２５μｍ）を用いた。また、磁歪材２としては、クロム鋼であるＳＣＲ４２０Ｈからなる基材に、浸炭焼入れ焼戻し処理を施した後に、ショットピーニングを施したものを用いた。測定結果を図５（ａ），（ｂ）に示す。

【0045】

ここで、センサ感度とは、図６（ａ）に示すように、センサ出力Ｖ（ｍＶ）を、磁歪材２に付与されるトルクＴ（Ｎｍ）で除したものであり、Ｖ／Ｔ（ｍＶ／Ｎｍ）で表される。磁歪材２に付与するトルクＴを－Ｔ１以上＋Ｔ１以下とし、トルク－Ｔ１に対応するセンサ出力をＶ１、トルク＋Ｔ１に対応するセンサ出力をＶ２とすると、センサ感度は（Ｖ２－Ｖ１）／（２×Ｔ１）＝Ｖｓ／Ｔｓで表される。また、ヒステリシス誤差とは、直線性誤差とも呼称されるものであり、センサ出力Ｖｓ（＝Ｖ２－Ｖ１）に対するトルク増加時及び減少時の同トルクでのセンサ出力差の最大値Ｖｈの比率であり、Ｖｈ／Ｖｓ（％ＦＳ、ＦＳはフルスケールを意味する）で表すことができる。

【0046】

また、角度依存誤差とは、磁歪材２の回転時に発生する誤差（磁歪材２の周方向でのセンサ出力のばらつき）であり、図６（ｂ）に示すように、センサ出力の最大値をＶｍａｘ、最小値をＶｍｉｎとしたとき、（Ｖｍａｘ－Ｖｍｉｎ）／Ｖｓ（％ＦＳ）で表される。本実施の形態では、ヒステリシス誤差と角度依存誤差の合計値である誤差を３．０％ＦＳ以下とすることを目標とする。

【0047】

図５（ａ）に示すように、いずれの励磁周波数においても、磁性リング４の厚さを０．０７５ｍｍ以上とすることで、誤差を３．０％ＦＳ以下として目標を達成することが可能である。図５（ａ）のグラフの傾向から、磁性リング４の厚さを厚くするほど誤差は低下しているが、磁性リング４を厚くし過ぎると、コストが高くなり、センサ部１０が大型化してしまうので、磁性リング４の厚さは、少なくとも従来用いていた圧粉磁心の厚さ未満であること、すなわち１．０００ｍｍ未満であることが望ましく、０．５００ｍｍ以下であることがより望ましい。つまり、少なくとも励磁周波数が５０ｋＨｚ以上３３３ｋＨｚ以下の範囲においては、磁性リング４の厚さを０．０７５ｍｍ以上１．０００ｍｍ未満とすることで、誤差を３％ＦＳ以下と低く抑え、かつ、センサ部１０を従来よりも小型にすることが可能になる。

【0048】

また、図５（ａ）の結果より、励磁周波数を２００ｋＨｚ以上とし、かつ、磁性リング４の厚さを０．２５０ｍｍ以上とすることで、誤差を２．２％ＦＳ以下と非常に低く抑えることが可能であることが分かる。磁性リング４に用いているアモルファステープ４１は非常に薄いため、アモルファステープ４１を巻き付ける回数により、磁性リング４の厚さを調整することができる。例えば、本実施の形態では厚さ２５μｍのアモルファステープ４１を用いたが、このアモルファステープ４１を３周巻き付けることで、磁性リング４の厚さを０．０７５ｍｍとすることができる。

【0049】

アモルファステープ４１は、両面テープ６８ｂ（図２（ｂ）参照）によりフレキシブル基板６の外面に接着されている。アモルファステープ４１を巻き付ける際には、アモルファステープ４１に適宜張力を付与しつつ巻き付け、フレキシブル基板６とアモルファステープ４１との間、及び、アモルファステープ４１同士の間に隙間が形成されないようにすることが望ましい。本実施の形態では、アモルファステープ４１の巻き終わりの端部を、抵抗溶接により下層のアモルファステープ４１の外面に固定した。ただし、これに限らず、アモルファステープ４１の巻き終わりの端部を粘着テープ等で仮固定しておき、樹脂モールド部７を形成することによりアモルファステープ４１の固定を行うようにしてもよい。

【0050】

さらに、図５（ｂ）に示すように、センサ感度は、１００ｋＨｚ以下の励磁周波数では、３ｍＶ／Ｎｍ以下と低くなっている。センサ感度を向上するという観点からは、励磁周波数を２００ｋＨｚ以上とすることが望ましい。ただし、励磁周波数が高くなりすぎると、回路等での損失が大きくなるため、さらに好ましくは、励磁周波数を２００ｋＨｚ以上２５０ｋＨｚ以下とするとよい。

【0051】

ここで、比較のため、磁性リングがない比較例１、及び磁性リングとして厚さ２ｍｍの圧粉磁心を用いた比較例２についても、センサ感度と誤差の測定を行った。これら比較例１，２の測定結果を、磁性リング４の厚さを０．１２５ｍｍとした実施例１、磁性リング４の厚さを０．２５０ｍｍとした実施例２の測定結果と共に図７に示す。なお、図７では、駆動周波数を２００ｋＨｚとした。

【0052】

図７に示すように、実施例１，２では、磁性リングがない比較例１と比較してセンサ感度が向上しており、誤差も低減されている。また、実施例１，２では、圧粉磁心を用いた比較例２と同等のセンサ感度及び誤差が得られており、磁性リング４を薄くしセンサ部１０の小型化を図りつつも、圧粉磁心を用いた場合と同等の効果が得られることが確認できた。

【0053】

（実施の形態の作用及び効果）
以上説明したように、本実施の形態に係るトルクセンサでは、磁性リング４が、テープ状のアモルファス軟磁性材料からなるアモルファステープ４１を、検出コイル３の周囲に巻き付けて構成されており、磁性リング４の厚さが、０．０７５ｍｍ以上１．０００ｍｍ未満である。

【0054】

このように構成することで、磁性リング４を非常に薄くしつつも十分なセンサ感度向上、及び誤差低減の効果を得ることが可能になり、センサ部１０の小型化が可能になる。

【0055】

（他の実施の形態）
上記実施の形態では、磁性リング４の厚さを具体的に規定したが、磁性リング４の厚さは、磁歪材２の表皮効果厚さから決定することも可能である。

【0056】

磁歪材２が、クロム鋼またはクロムモリブデン鋼からなる場合、透磁率μは、０．７５６×１０^－４～１．００４×１０^－４Ｈ／ｍとなる。励磁周波数をｆ（Ｈｚ）、磁歪材２の電気抵抗率をρとすると、磁歪材２の表皮効果厚さｄは、［数１］に示す式（１）で表すことができる。なお、電気抵抗率ρは、クロム鋼またはクロムモリブデン鋼からなる場合、２．１×１０^－７Ω・ｍとなる。

【0057】

【数1】

【0058】

式（１）より、磁歪材２としてクロム鋼またはクロムモリブデン鋼を用いた場合、例えば、励磁周波数を２００ｋＨｚとすると、磁歪材２の表皮効果厚さｄは、０．０５７７～０．０６６５ｍｍとなる。また、励磁周波数を５０ｋＨｚとすると、磁歪材２の表皮効果厚さｄは、０．１１５４～０．１３３０ｍｍとなる。よって、励磁周波数が５０ｋＨｚ以上２００ｋＨｚ以下である場合には、磁性リング４の厚さを、磁歪材２の表皮効果厚さｄの１．１２８倍以上、より好ましくは１．３００倍以上とすることで、磁性リング４の厚さをほぼ０．０７５ｍｍ以上として、誤差を３％ＦＳ以下に抑制することが可能になる。

【0059】

同様に、励磁周波数を２５０ｋＨｚとすると、磁歪材２の表皮効果厚さｄは、０．０５１６～０．０５９５ｍｍとなる。よって、励磁周波数を５０ｋＨｚ以上２５０ｋＨｚ以下とする場合（特に２００ｋＨｚより大きく２５０ｋＨｚ以下とする場合）には、磁性リング４の厚さを、磁歪材２の表皮効果厚さｄの１．２６１倍以上、より好ましくは１．４５３倍以上とするとよい。

【0060】

さらに、励磁周波数を３３３ｋＨｚとすると、磁歪材２の表皮効果厚さｄは、０．０４７７～０．０５１５ｍｍとなる。よって、励磁周波数を５０ｋＨｚ以上３３３ｋＨｚ以下とする場合（特に２５０ｋＨｚより大きく３３３ｋＨｚ以下とする場合）には、磁性リング４の厚さを、磁歪材２の表皮効果厚さｄの１．４５５倍以上、より好ましくは１．６７７倍以上とするとよい。

【0061】

このように、励磁周波数が５０ｋＨｚ以上３３３ｋＨｚ以上である場合には、磁性リング４の厚さを設計する際には、駆動部８の励磁周波数ｆ及び磁歪材２の透磁率μを基に、式（１）により磁歪材２の表皮効果厚さｄを算出し、算出した磁歪材２の表皮効果厚さｄの１．４５５倍以上、好ましくは１．６７７倍以上となるように、磁性リング４の厚さを決定することで、誤差を３％ＦＳ以下に抑制することが可能である。なお、磁歪材２の表皮効果厚さから決定する場合であっても、磁性リング４の厚さは１．０００ｍｍ未満であることが望ましく、０．５００ｍｍ以下であることがより望ましい。

【0062】

（実施の形態のまとめ）
次に、以上説明した実施の形態から把握される技術思想について、実施の形態における符号等を援用して記載する。ただし、以下の記載における各符号等は、特許請求の範囲における構成要素を実施の形態に具体的に示した部材等に限定するものではない。

【0063】

［１］クロム鋼またはクロムモリブデン鋼からなる磁歪材（２）の周囲に設けられた検出コイル（３）と、前記検出コイル（３）の周囲を覆うように設けられた磁性リング（４）と、前記検出コイル（３）を５０ｋＨｚ以上３３３ｋＨｚ以下の励磁周波数で交流励磁するための駆動部（８）と、を備え、前記検出コイル（３）のインダクタンスの変化を基に前記磁歪材（２）に付与されたトルクを検出するように構成されており、前記磁性リング（４）は、テープ状のアモルファス軟磁性材料からなるアモルファステープ（４１）を、前記検出コイル（３）の周囲に巻き付けて構成されており、前記磁性リング（４）の厚さが、前記磁歪材（２）の表皮効果厚さの１．４５５倍以上、かつ１．０００ｍｍ未満である、磁歪式トルクセンサ（１）。

【0064】

［２］クロム鋼またはクロムモリブデン鋼からなる磁歪材（２）の周囲に設けられた検出コイル（３）と、前記検出コイル（３）の周囲を覆うように設けられた磁性リング（４）と、前記検出コイル（３）を５０ｋＨｚ以上２５０ｋＨｚ以下の励磁周波数で交流励磁するための駆動部（８）と、を備え、前記検出コイル（３）のインダクタンスの変化を基に前記磁歪材（２）に付与されたトルクを検出するように構成されており、前記磁性リング（４）は、テープ状のアモルファス軟磁性材料からなるアモルファステープ（４１）を、前記検出コイル（３）の周囲に巻き付けて構成されており、前記磁性リング（４）の厚さが、前記磁歪材（２）の表皮効果厚さの１．２６１倍以上、かつ１．０００ｍｍ未満である、磁歪式トルクセンサ（１）。

【0065】

［３］クロム鋼またはクロムモリブデン鋼からなる磁歪材（２）の周囲に設けられた検出コイル（３）と、前記検出コイル（３）の周囲を覆うように設けられた磁性リング（４）と、前記検出コイル（３）を５０ｋＨｚ以上２００ｋＨｚ以下の励磁周波数で交流励磁するための駆動部（８）と、を備え、前記検出コイル（３）のインダクタンスの変化を基に前記磁歪材（２）に付与されたトルクを検出するように構成されており、前記磁性リング（４）は、テープ状のアモルファス軟磁性材料からなるアモルファステープ（４１）を、前記検出コイル（３）の周囲に巻き付けて構成されており、前記磁性リング（４）の厚さが、前記磁歪材（２）の表皮効果厚さの１．１２８倍以上、かつ１．０００ｍｍ未満である、磁歪式トルクセンサ（１）。

【0066】

［４］前記磁歪材（２）には、ショットピーニングが施されている、［１］乃至［３］の何れか１項に記載の磁歪式トルクセンサ（１）。

【0067】

［５］クロム鋼またはクロムモリブデン鋼からなる磁歪材（２）の周囲に設けられた検出コイル（３）と、前記検出コイル（３）の周囲を覆うように設けられた磁性リング（４）と、前記検出コイル（３）を５０ｋＨｚ以上３３３ｋＨｚ以下の励磁周波数で交流励磁する駆動部（８）と、を備え、前記検出コイル（３）のインダクタンスの変化を基に前記磁歪材（２）に付与されたトルクを検出するように構成された磁歪式トルクセンサ用磁性リングの厚さの設計方法であって、前記磁性リング（４）は、テープ状のアモルファス軟磁性材料からなるアモルファステープ（４１）を、前記検出コイル（３）の周囲に巻き付けて構成されており、前記駆動部（８）の励磁周波数及び前記磁歪材（２）の透磁率を基に、前記磁歪材（２）の表皮効果厚さを算出する工程と、前記磁歪材（２）の表皮効果厚さの１．４５５倍以上かつ１．０００ｍｍ未満となるように、前記磁性リング（４）の厚さを決定する工程と、を有する、磁歪式トルクセンサ用磁性リングの厚さの設計方法。

【0068】

以上、本発明の実施の形態を説明したが、上記に記載した実施の形態は特許請求の範囲に係る発明を限定するものではない。また、実施の形態の中で説明した特徴の組合せの全てが発明の課題を解決するための手段に必須であるとは限らない点に留意すべきである。本発明は、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変形して実施することが可能である。

【符号の説明】

【0069】

１…トルクセンサ（磁歪式トルクセンサ）
２…磁歪材
３…検出コイル
４…磁性リング
４１…アモルファステープ
５…ボビン
６…フレキシブル基板
７…樹脂モールド部
８…駆動部
９…検出部
１０…センサ部

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】