特許 7521435 トルクセンサ及びトルク検出装置

(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】2024-07-16

(45)【発行日】2024-07-24

(54)【発明の名称】トルクセンサ及びトルク検出装置

(51)【国際特許分類】

   G01L 3/10 20060101AFI20240717BHJP

【ＦＩ】

G01L3/10 301J

【請求項の数】 5

(21)【出願番号】P 2021006739

(22)【出願日】2021-01-19

(65)【公開番号】P2022110970

(43)【公開日】2022-07-29

【審査請求日】2023-08-07

(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

(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】奥山 健

(72)【発明者】

【氏名】中村 晃之

(72)【発明者】

【氏名】二口 尚樹

【審査官】松山 紗希

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１７－０４９１２４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００９－００８５４７（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０１Ｌ ３／００－３／２６

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

磁歪特性を有するシャフトによって伝達されるトルクを検出するトルクセンサであって、
前記シャフトの外周に配置されると共に前記シャフトの軸方向に並んで配置された円筒状の一対の検出部と、前記一対の検出部を接続する第１及び第２の接続線路とを備え、
前記一対の検出部は、前記シャフトの軸方向に対して所定角度傾斜した第１直線部を有する第１及び第３の検出コイルと、前記シャフトの軸方向に対して前記第１直線部と反対方向に前記所定角度傾斜した第２直線部を有する第２及び第４の検出コイルとをそれぞれ有し、前記第１乃至第４の検出コイルが径方向に積層されており、
前記第１乃至第４の検出コイルは、前記第１及び第４の検出コイルを直列に接続してなる直列回路と前記第２及び第３の検出コイルを直列に接続してなる直列回路とが並列に接続された直並列回路を構成し、
前記第１の接続線路は、前記一対の検出部のうち一方の検出部における前記第１及び第４の検出コイルの接続部と、他方の検出部における前記第１及び第４の検出コイルの接続部または前記第２及び第３の検出コイルの接続部の一方とを接続し、
前記第２の接続線路は、前記一対の検出部のうち一方の検出部における前記第２及び第３の検出コイルの接続部と、他方の検出部における前記第１及び第４の検出コイルの接続部または前記第２及び第３の検出コイルの接続部の他方とを接続し、
前記第１の接続線路と前記第２の接続線路との間の電位差によって前記シャフトによって伝達されるトルクが検出される、
トルクセンサ。

【請求項2】

前記一対の検出部は、４層の配線層を有する円筒状に湾曲したフレキシブル基板をそれぞれ有し、
前記第１及び第２の検出コイルは、前記４層の配線層のうち２層の配線層にわたってそれぞれ形成され、前記第１の検出コイルの一部が前記第２の検出コイルの外径側に配置されると共に、前記第１の検出コイルの他の一部が前記第２の検出コイルの内径側に配置されており、
前記第３及び第４の検出コイルは、前記４層の配線層のうち他の２層の配線層にわたってそれぞれ形成され、前記第３の検出コイルの一部が前記第４の検出コイルの外径側に配置されると共に、前記第３の検出コイルの他の一部が前記第４の検出コイルの内径側に配置されている、
請求項１に記載のトルクセンサ。

【請求項3】

前記フレキシブル基板は、
前記第１の検出コイルが前記第２の検出コイルの外径側に配置される領域と、前記第１の検出コイルが前記第２の検出コイルの内径側に配置される領域の周方向長さが等しく、
前記第３の検出コイルが前記第４の検出コイルの外径側に配置される領域と、前記第３の検出コイルが前記第４の検出コイルの内径側に配置される領域の周方向長さが等しい、
請求項２に記載のトルクセンサ。

【請求項4】

請求項１乃至３の何れか１項に記載のトルクセンサと、
前記直並列回路を交流励磁する交流電圧を発生する駆動部とを備え、
前記一対の検出部は、前記第１乃至第４の検出コイルの積層構造、及び前記直並列回路の構成が同じであり、かつ、前記直並列回路に互いに逆方向の前記交流電圧が印加され、
前記一対の検出部は、周方向において相対的に１８０度回転して配置されており、
前記第１の接続線路は、前記一対の検出部のうち一方の検出部における前記第１及び第４の検出コイルの接続部と、他方の検出部における前記第２及び第３の検出コイルの接続部とを接続し、
前記第２の接続線路は、前記一対の検出部のうち一方の検出部における前記第２及び第３の検出コイルの接続部と、他方の検出部における前記第１及び第４の検出コイルの接続部とを接続している、
トルク検出装置。

【請求項5】

請求項１乃至３の何れか１項に記載のトルクセンサと、
前記直並列回路を交流励磁する交流電圧を発生する駆動部とを備え、
前記一対の検出部は、前記第１乃至第４の検出コイルの積層構造、及び前記直並列回路の構成が同じであり、かつ、前記直並列回路に互いに逆方向の前記交流電圧が印加され、
前記一対の検出部は、周方向に沿った回転位置が互いに同じ位置となるように配置されており、
前記第１の接続線路は、前記一対の検出部におけるそれぞれの前記第１及び第４の検出コイルの接続部同士を接続し、
前記第２の接続線路は、前記一対の検出部におけるそれぞれの前記第２及び第３の検出コイルの接続部同士を接続している、
トルク検出装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、磁歪式のトルクセンサ及びトルク検出装置に関する。

【背景技術】

【0002】

従来、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シャフトに付与されたトルクを検出する磁歪式のトルクセンサとして、シャフトの透磁率の変化をシャフトの近傍に配置されたコイルのインダクタンスの変化によって捉えるものが知られている（例えば、特許文献１参照）。

【0003】

特許文献１に記載のトルクセンサは、円筒状に湾曲したフレキシブル基板の複数の配線層に検出コイルが形成されており、このフレキシブル基板がトルクの検出対象となるシャフトと同心となるように、シャフトの周囲に配置されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【文献】特開２０１７－４９１２４号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

ところで、磁歪式のトルクセンサの取り付け時の位置ずれや、温度変化、外部からの応力等に起因して、シャフトとトルクセンサとの間に相対的な偏心が生じてしまう場合がある。特に、自動車等の振動が大きい環境で使用される場合には、製造公差や取り付け公差等の影響の他に、振動によってもシャフトとトルクセンサとの間に相対的な偏心が生じるおそれがある。シャフトとトルクセンサとの間に偏心が生じると、この偏心の影響によって検出精度が低下してしまうおそれがあることが、本発明者らによって確認されている。

【0006】

そこで、本発明は、検出対象のシャフトの偏心によるトルクの検出精度の低下を抑制可能なトルクセンサ、及びこのトルクセンサを用いたトルク検出装置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】

【0007】

本発明は、上記課題を解決することを目的として、磁歪特性を有するシャフトによって伝達されるトルクを検出するトルクセンサであって、前記シャフトの外周に配置されると共に前記シャフトの軸方向に並んで配置された円筒状の一対の検出部と、前記一対の検出部を接続する第１及び第２の接続線路とを備え、前記一対の検出部は、前記シャフトの軸方向に対して所定角度傾斜した第１直線部を有する第１及び第３の検出コイルと、前記シャフトの軸方向に対して前記第１直線部と反対方向に前記所定角度傾斜した第２直線部を有する第２及び第４の検出コイルとをそれぞれ有し、前記第１乃至第４の検出コイルが径方向に積層されており、前記第１乃至第４の検出コイルは、前記第１及び第４の検出コイルを直列に接続してなる直列回路と前記第２及び第３の検出コイルを直列に接続してなる直列回路とが並列に接続された直並列回路を構成し、前記第１の接続線路は、前記一対の検出部のうち一方の検出部における前記第１及び第４の検出コイルの接続部と、他方の検出部における前記第１及び第４の検出コイルの接続部または前記第２及び第３の検出コイルの接続部の一方とを接続し、前記第２の接続線路は、前記一対の検出部のうち一方の検出部における前記第２及び第３の検出コイルの接続部と、他方の検出部における前記第１及び第４の検出コイルの接続部または前記第２及び第３の検出コイルの接続部の他方とを接続し、前記第１の接続線路と前記第２の接続線路との間の電位差によって前記シャフトによって伝達されるトルクが検出される、トルクセンサを提供する。

【発明の効果】

【0008】

本発明に係るトルクセンサ及びトルク検出措置によれば、検出対象のシャフトの偏心によるトルクの検出精度の低下を抑制することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【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のトルクセンサにおける一対の検出部を示す斜視図、（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】一対の検出部における第１乃至第４の検出コイルの配置を説明する図である。

【図5】トルクセンサを含むトルク検出装置の回路図である。

【図6】シャフトと検出部との偏心の大きさに対するオフセット電圧の変化の測定結果を示すグラフ図である。

【図7】本発明の一変形例を示す図であり、（ａ）は一対の検出部における第１乃至第４の検出コイルの配置を説明する図、（ｂ）はトルクセンサの回路図である。

【発明を実施するための形態】

【0010】

［実施の形態］
以下、本発明の実施の形態について、添付図面を参照して説明する。

【0011】

（トルクセンサ及びトルク検出装置の構成）
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のトルクセンサにおける一対の検出部を示す斜視図、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は、一対の検出部における第１乃至第４の検出コイルの配置を説明する図である。図５は、トルクセンサを含むトルク検出装置の回路図である。

【0012】

図５に示すように、トルク検出装置１は、トルクセンサ１０と、トルクセンサ１０の動作のための交流電圧を発生する交流電源である駆動部９とを備え、シャフト２によって伝達されるトルクを検出する。シャフト２は、例えばエンジン等の車両の駆動源の駆動力を伝達される駆動軸であり、応力（ここではトルク）が付与された際に透磁率が変化する磁歪特性を有している。

【0013】

シャフト２としては、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、その後ショットピーニングを施したものを用いることができる。浸炭焼入れ焼戻し処理を施すことで、シャフト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、シャフト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。

【0014】

トルクセンサ１０は、シャフト２が挿通される円筒状の一対の検出部３と、一対の検出部３の周囲を覆う樹脂モールド部７と、を有している。図１に示すように、樹脂モールド部７は、一対の検出部３を保護するためのものであり、一対の検出部３の周囲を覆うように樹脂をモールドして形成されている。

【0015】

樹脂モールド部７は、一対の検出部３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二つのフランジ部７２とを一体に有している。本体部７１には、シャフト２を通すための貫通孔７１ａが形成されている。それぞれのフランジ部７２には、金属からなる短円筒状のカラー７３が保持されている。トルクセンサ１０は、カラー７３に挿通されるボルトによって、例えば車体に固定されたステーやハウジング等の非回転部材に固定される。

【0016】

一対の検出部３は、円筒状に形成されており、シャフト２の外周に配置されると共に、シャフト２の軸方向に並んで配置されている。なお、検出部３同士の距離が離れすぎていると、検出精度の低下やトルクセンサ１０の大型化を招来するため、一対の検出部３は、本体部７１内において近接して配置されている。

【0017】

図２（ａ）に示されるように、一対の検出部３は、シャフト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るように円筒状に湾曲したフレキシブル基板６と、フレキシブル基板６の周囲を覆う円筒状の磁性リング４とをそれぞれ有している。

【0018】

ボビン５は、樹脂等の非磁性体からなり、フレキシブル基板６を支持している。磁性リング４は、例えば圧粉磁心やアモルファス軟磁性体等の磁性体からなり、磁気回路の磁気抵抗を下げると共に、後述する検出コイル３１～３４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。

【0019】

図２（ｂ）に示されるように、フレキシブル基板６は、４層の配線層６０を有しており、これら４層の配線層６０のうち二つの配線層６０と他の二つの配線層６０とがそれぞれペアを構成している。すなわち、フレキシブル基板６は、２層の配線層６０を２ペア有している。より具体的には、フレキシブル基板６は、磁性リング４側（外側）からボビン５側（内側）に向かって、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を有しており、第１配線層６１と第２配線層６２、ならびに第３配線層６３と第４配線層６４が、それぞれペアとして用いられる。配線層６０は、第１乃至第４配線層６１～６４の総称である。ただし、配線層６０の層数はこれに限定されず、４層以上であればよい。

【0020】

第４配線層６４は、ポリイミドからなる第１ベース樹脂層６５ａの表（おもて）面（ボビン５側の面。以下同様。）に形成されており、第１ベース樹脂層６５ａの裏面（磁性リング４側の面。以下同様。）は接着層６６ｂ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に接着固定されている。

【0021】

第３配線層６３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２配線層６２が形成されている。

【0022】

第１配線層６１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２配線層６２に接着固定されている。第１配線層６１の裏面には、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。

【0023】

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１０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。

【0024】

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（第１乃至第４配線層６１～６４）の配線パターンを模式的に示している。

【0025】

図３に示すように、フレキシブル基板６の第１乃至第４配線層６１～６４には、第１乃至第４の検出コイル３１～３４が形成されている。すなわち、一対の検出部３は、第１乃至第４の検出コイル３１～３４を径方向に積層してそれぞれ構成されている。

【0026】

第１及び第３の検出コイル３１，３３は、シャフト２の軸方向に対して所定角度傾斜した第１直線部３１ａ，３３ａを有し、第２及び第４の検出コイル３２，３４は、シャフト２の軸方向に対して第１直線部３１ａ，３３ａと反対方向に所定角度傾斜した第２直線部３２ａ，３４ａを有している。シャフト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ため、第１直線部３１ａ，３３ａ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，３４ａ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。

【0027】

トルクセンサ１０では、第１の検出コイル３１を形成する配線層６０と、第２の検出コイル３２を形成する配線層６０の配線パターンを一部入れ替えており、ペアとなる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２の検出コイル３１，３２がそれぞれ形成されている。これにより、第１の検出コイル３１の一部が第２の検出コイル３２の外径側に配置されると共に、第１の検出コイル３１の他の一部が第２の検出コイル３２の内径側に配置されることになる。本実施の形態では、第１の検出コイル３１が第２の検出コイル３２の外径側に配置される領域（後述する第１領域３５）と、第１の検出コイル３１が第２の検出コイル３２の内径側に配置される領域（後述する第２領域３６）の周方向長さが等しくなるように両検出部３が構成されている。

【0028】

同様に、トルクセンサ１０では、第３の検出コイル３３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ており、ペアとなる２層の配線層６０（第３及び第４配線層６３，６４）にわたって第３及び第４の検出コイル３３，３４が形成されている。これにより、第３の検出コイル３３の一部が第４の検出コイル３４の外径側に配置されると共に、第３の検出コイル３３の他の一部が第４の検出コイル３４の内径側に配置されることになる。本実施の形態では、第３の検出コイル３３が第４の検出コイル３４の外径側に配置される領域（後述する第２領域３６）と、第３の検出コイル３３が第４の検出コイル３４の内径側に配置される領域（後述する第１領域３５）の周方向長さが等しくなるように両検出部３が構成されている。また、フレキシブル基板は、複数のビア（ｖｉａ）を有しており、複数の配線層６０の間がビアを介して電気的に接続されている。

【0029】

各検出コイル３１～３４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。また、各検出コイル３１～３４を２層の配線層６０にわたって形成することで、検出部３に対するシャフト２の相対的な偏心の影響によるオフセット電圧を抑制することも可能になる。

【0030】

第１配線層６１及び第３配線層６３の配線パターンに流れる電流と、第２配線層６２及び第４配線層６４の配線パターンに流れる電流とは、互いに同じ向きである。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。

【0031】

次に、各検出コイル３１～３４の配置の詳細を図４により説明する。図４に示すように、両検出部３では、その全周の略半分の領域（以下、第１領域３５という）において、径方向内方から外方にかけて、第３の検出コイル３３、第４の検出コイル３４、第２の検出コイル３２、第１の検出コイル３１が順次配置されている。また、両検出部３では、その全周の略半分の領域（以下、第２領域３６という）において、径方向内方から外方にかけて、第４の検出コイル３４、第３の検出コイル３３、第１の検出コイル３１、第２の検出コイル３２が順次配置されている。一対の検出部３は、第１乃至第４の検出コイル３１～３４の積層構造が同じ構造となっており、かつ、周方向において相対的に１８０度回転して配置されている。以下、一方の検出部３（図４における左側の検出部３）を第１の検出部３ａ、他方の検出部３（図４における右側の検出部３）を第２の検出部３ｂという。

【0032】

シャフト２と検出部３ａ，３ｂとの間で偏心が生じやすい方向が既知である場合には、当該方向と第１領域３５と第２領域３６とが対向する方向とが一致するように、両検出部３ａ，３ｂを配置することが望ましい。本実施の形態では、シャフト２と検出部３ａ，３ｂとの間で偏心が生じやすい方向が鉛直方向である場合を想定し、第１領域３５と第２領域３６とが鉛直方向に対向するように両検出部３ａ，３ｂを配置している。

【0033】

図５に示すように、トルクセンサ１０の両検出部３ａ，３ｂでは、第１乃至第４の検出コイル３１～３４によって直並列回路３０がそれぞれ構成されている。直並列回路３０は、第１及び第４の検出コイル３１，３４を直列に接続してなる直列回路３０ａと、第２及び第３の検出コイル３２，３３を直列に接続してなる直列回路３０ｂとを並列に接続して構成されている。なお、第１乃至第４の検出コイル３１～３４は、同じ巻数とされ、同じインピーダンスとなるように構成されている。

【0034】

駆動部９は、検出部３ａ，３ｂのそれぞれの直列回路３０ａ，３０ｂの両端部間に、第１乃至第４の検出コイル３１～３４を交流励磁する交流電圧を印加する。図５では、直並列回路３０に駆動部９の交流電圧が印加された場合の第１乃至第４の検出コイル３１～３４のインピーダンスをそれぞれＺ１～Ｚ４として示している。

【0035】

トルクセンサ１０は、駆動部９によって両検出部３の直並列回路３０に互いに逆方向の交流電圧が印加される。図示の例では、第１の検出部３ａにおいては、駆動部９が直列回路３０ａ，３０ｂの第１及び第２の検出コイル３１，３２側の端部に接続されており、直列回路３０ａ，３０ｂの第３及び第４の検出コイル３３，３４側の端部が電気的に接地されている。また、第２の検出部３ｂにおいては、駆動部９が直列回路３０ａ，３０ｂの第３及び第４の検出コイル３３，３４側の端部に接続されており、直列回路３０ａ，３０ｂの第１及び第２の検出コイル３１，３２側の端部が電気的に接地されている。

【0036】

また、トルクセンサ１０は、一対の検出部３同士を接続する第１及び第２の接続線路８１，８２を有している。第１の接続線路８１は、第１の検出部３ａの第１の検出コイル３１と第４の検出コイル３４との接続部３７ａと、第２の検出部３ｂの第２の検出コイル３２と第３の検出コイル３３との接続部３８ｂとを接続している。第２の接続線路８２は、第１の検出部３ａの第２の検出コイル３２と第３の検出コイル３３との接続部３８ａと、第２の検出部３ｂの第１の検出コイル３１と第４の検出コイル３４との接続部３７ｂとを接続している。

【0037】

第１の接続線路８１は、直列に接続された二つの抵抗器８１ａ，８１ｂを有している。第２の接続線路８２は、直列に接続された二つの抵抗器８２ａ，８２ｂを有している。また、第１及び第２の接続線路８１，８２は、シャフト２によって伝達されるトルクの大きさに応じた電圧を出力する第１及び第２の出力接点８１ｃ，８２ｃを有している、第１の出力接点８１ｃは、第１の接続線路８１の二つの抵抗器８１ａ，８１ｂの間の電圧を出力し、第２の出力接点８２ｃは、第２の接続線路８２の二つの抵抗器８２ａ，８２ｂの間の電圧を出力する。第１の出力接点８１ｃと第２の出力接点８２ｃとの間の電位差は、シャフト２によって伝達されるトルクの大きさに応じた出力電圧Ｖｏｕｔとなる。出力電圧Ｖｏｕｔは、例えばＡＤコンバータによってデジタル値に変換され、車両の駆動源（エンジンや電動モータ）の制御や自動変速機（オートマチックトランスミッション）の制御などに用いられる。

【0038】

なお、抵抗器８１ａ，８１ｂの抵抗値，及び抵抗器８２ａ，８２ｂの抵抗値は同じである。また、抵抗器８１ａ，８１ｂ，８２ａ，８２ｂの抵抗値は、第１の接続線路８１によって接続部３７ａと接続部３８ｂの間で流れる電流、及び第２の接続線路８２によって接続部３８ａと接続部３７ｂの間で流れる電流が無視できる程度の値である。ただし、抵抗器８１ａ，８１ｂ，８２ａ，８２ｂを省略しても第１及び第２の接続線路８１，８２を介して第１の検出部３ａと第２の検出部３ｂとの間で流れる電流がトルクの検出精度に影響を与えない場合には、これらの抵抗器８１ａ，８１ｂ，８２ａ，８２ｂを省略してもよい。

【0039】

（トルクセンサ及びトルク検出装置の動作）
次に、トルクセンサ１０及びトルク検出装置１の動作について説明する。駆動部９が両検出部３ａ，３ｂの直並列回路３０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シャフト２の周囲に配置されているため、第１乃至第４の検出コイル３１～３４で発生する磁束がシャフト２を通過する。シャフト２は、前述のように磁歪特性を有する磁歪材であるため、シャフト２の伝達トルクに応じて透磁率が変化し、これにより第１乃至第４の検出コイル３１～３４のインピーダンス（主にインダクタンス）が変化する。

【0040】

例えば、シャフト２に一方の回転方向のトルクが付与されて第１及び第３の検出コイル３１，３３のインピーダンスが増加し、第２及び第４の検出コイル３２，３４のインピーダンスが減少した場合、あるいはシャフト２に他方の回転方向のトルクが付与されて第１及び第３の検出コイル３１，３３のインピーダンスが減少し、第２及び第４の検出コイル３２，３４のインピーダンスが増加した場合には、直並列回路３０が不平衡の状態となり、第１の検出部３ａにおける接続部３７ａと接続部３８ａとの間、及び第２の検出部３ｂにおける接続部３７ｂと接続部３８ｂとの間に、シャフト２に付与されたトルクに応じた電位差が生じる。これにより、第１の接続線路８１と第２の接続線路８２との間に発生する出力電圧Ｖｏｕｔによってシャフト２に付与されたトルクを検出することが可能になる。

【0041】

ここで、シャフト２と検出部３ａ，３ｂとの偏心の影響について検討する。振動等によりシャフト２が検出部３ａ，３ｂの中心の位置からずれると、シャフト２と各検出コイル３１～３４との間の距離が変化する。その結果、例えばトルクが付与されていない無負荷状態でシャフト２が回転していても、直並列回路３０で不平衡が生じてしまい、出力電圧ＶｏｕｔがゼロＶから変動してしまう。すなわち、トルクの検出値に誤差が発生してしまう。以下、シャフト２にトルクが付与されていない状態で出力される電圧をオフセット電圧という。

【0042】

このような偏心の影響によるオフセット電圧は、本実施の形態に係るトルクセンサ１０のように、第１及び第２の検出コイル３１，３２を２層の配線層６０にわたって形成し、第３及び第４の検出コイル３３，３４を２層の配線層６０にわたって形成する構造（以下、２分割コイル構造という）とすることでもある程度抑制可能であるが、シャフト２の偏心に起因して発生する誤差を抑制し、さらにトルクの検出精度を高めれば、車両制御のさらなる高度化に寄与し得る。

【0043】

本実施の形態では、二つの検出部３を用い、各検出部３を構成する直並列回路３０の中点同士（接続部３７ａと接続部３７ｂ、及び接続部３８ａと接続部３８ｂ）を第１及び第２の接続線路８１，８２により接続し、これら第１及び第２の接続線路８１，８２の電位差を出力することで、オフセット電圧のさらなる抑制を図っている。

【0044】

より具体的には、例えば図４に示されるような偏心が発生した場合、第１の検出部３ａにおいては、シャフト２が第２領域３６に近づき、第１領域３５から離れる。他方、第２の検出部３ｂにおいては、シャフト２が第１領域３５に近づき、第２領域３６から離れる。そのため、偏心の影響によるオフセット電圧の変動が、両検出部３ａ，３ｂで同じ大きさで、かつ逆方向の変化となる。よって、接続部３７ａと接続部３７ｂ及び接続部３８ａと接続部３８ｂを第１及び第２の接続線路８１，８２により接続して両直並列回路３０の出力を合成すると、偏心の影響によるオフセット電圧が相殺されることになる。このように、トルクセンサ１０では、２分割コイル構造を適用し、かつ同じ構造の二つの検出部３を互いに１８０度回転させた状態で配置し、これら二つの検出部３の出力を合成することによって、偏心の影響によるオフセット電圧の発生を抑制している。

【0045】

図６は、シャフト２と検出部３ａ，３ｂとの偏心の大きさ（シャフト２の中心軸と検出部３ａ，３ｂの中心軸との距離）に対するオフセット電圧の測定結果を示すグラフ図である。また、図６では、一つの２分割構造の検出部３のみを有するトルクセンサを用いた場合のオフセット電圧を比較例として示している。図６に示すように、本実施の形態による実施例のトルク検出装置１では、比較例の測定結果と比較して、偏心の影響によるオフセット電圧が大幅に抑制されている。

【0046】

（変形例）
上記実施の形態では、一対の検出部３を互いに１８０度回転させた状態で配置したが、これに限らず、図７（ａ）に示すように、一対の検出部３ａ，３ｂを周方向に沿った回転位置が互いに同じ位置となるように配置してもよい。この場合、図５の回路図における第２の検出部３ｂの直並列回路３０において、第１の検出コイル３１と第２の検出コイル３２との配置を入れ替え、かつ、第３の検出コイル３３と第４の検出コイル３４との配置を入れ替えて、図７（ｂ）に示す回路構成とする。また、第１の接続線路８１により、一対の検出部３ａ，３ｂにおける第１及び第４の検出コイル３１，３４の接続部３７ａ，３７ｂ同士を接続し、第２の接続線路８２により、一対の検出部３ａ，３ｂにおける第２及び第３の検出コイル３２，３３の接続部３８ａ，３８ｂ同士を接続する。このように構成することで、実質的に上記実施の形態と同じ構成となり、同様の作用効果を得ることが可能になる。

【0047】

（実施の形態の作用及び効果）
以上説明したように、トルクセンサ１０を用いたトルク検出装置１によれば、シャフト２と検出部３との偏心の影響によるオフセット電圧を抑制し、トルクを高精度に検出することができる。

【0048】

（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。

【0049】

［１］磁歪特性を有するシャフト（２）によって伝達されるトルクを検出するトルクセンサ（１０）であって、前記シャフト（２）の外周に配置されると共に前記シャフト（２）の軸方向に並んで配置された円筒状の一対の検出部（３ａ，３ｂ）と、前記一対の検出部（３ａ，３ｂ）を接続する第１及び第２の接続線路（８１，８２）とを備え、前記一対の検出部（３ａ，３ｂ）は、前記シャフト（２）の軸方向に対して所定角度傾斜した第１直線部（３１ａ，３３ａ）を有する第１及び第３の検出コイル（３１，３３）と、前記シャフト（２）の軸方向に対して前記第１直線部（３１ａ，３３ａ）と反対方向に前記所定角度傾斜した第２直線部（３２ａ，３４ａ）を有する第２及び第４の検出コイル（３２，３４）とをそれぞれ有し、前記第１乃至第４の検出コイル（３１～３４）が径方向に積層されており、前記第１乃至第４の検出コイル（３１～３４）は、前記第１及び第４の検出コイル（３１，３４）を直列に接続してなる直列回路（３０ａ）と前記第２及び第３の検出コイル（３２，３３）を直列に接続してなる直列回路（３０ｂ）とが並列に接続された直並列回路（３０）構成し、前記第１の接続線路（８１）は、前記一対の検出部（３ａ，３ｂ）のうち一方の検出部（３ａ）における前記第１及び第４の検出コイル（３１，３４）の接続部と、他方の前記検出部（３ｂ）における前記第１及び第４の検出コイル（３１，３４）の接続部または前記第２及び第３の検出コイル（３２，３３）の接続部の一方とを接続し、前記第２の接続線路（８２）は、前記一対の検出部（３ａ，３ｂ）のうち一方の検出部（３ａ）における前記第２及び第３の検出コイル（３２，３３）の接続部と、他方の前記検出部（３ｂ）における前記第１及び第４の検出コイル（３１，３４）の接続部または前記第２及び第３の検出コイル（３２，３３）の接続部の他方とを接続し、前記第１の接続線路（８１）と前記第２の接続線路（８２）との間の電位差によって前記シャフト（２）によって伝達されるトルクが検出される、トルクセンサ（１０）。

【0050】

［２］前記一対の検出部（３）は、４層の配線層（６０）を有する円筒状に湾曲したフレキシブル基板（６）をそれぞれ有し、前記第１及び第２の検出コイル（３１，３２）は、前記４層の配線層（６０）のうち２層の前記配線層（６０）にわたってそれぞれ形成され、前記第１の検出コイル（３１）の一部が前記第２の検出コイル（３２）の外径側に配置されると共に、前記第１の検出コイル（３１）の他の一部が前記第２の検出コイル（３２）の内径側に配置されており、前記第３及び第４の検出コイル（３３，３４）は、前記４層の配線層（６０）のうち他の２層の前記配線層（６０）にわたってそれぞれ形成され、前記第３の検出コイル（３３）の一部が前記第４の検出コイル（３４）の外径側に配置されると共に、前記第３の検出コイル（３３）の他の一部が前記第４の検出コイル（４４）の内径側に配置されている、［１］に記載のトルクセンサ（１０）。

【0051】

［３］前記フレキシブル基板（６）は、前記第１の検出コイル（３１）が前記第２の検出コイル（３２）の外径側に配置される領域と、前記第１の検出コイル（３１）が前記第２の検出コイル（３２）の内径側に配置される領域の周方向長さが等しく、かつ、前記第３の検出コイル（３３）が前記第４の検出コイル（３４）の外径側に配置される領域と、前記第３の検出コイル（３３）が前記第４の検出コイル（３４）の内径側に配置される領域の周方向長さが等しい、［２］に記載のトルクセンサ（１０）。

【0052】

［４］上記［１］乃至［３］の何れか１項に記載のトルクセンサ（１０）と、前記直並列回路（３０）を交流励磁する交流電圧を発生する駆動部（９）とを備え、前記一対の検出部（３）は、前記第１乃至第４の検出コイル（３１～３４）の積層構造、及び前記直並列回路（３７）の構成が同じであり、前記直並列回路（３０）に互いに逆方向の前記交流電圧が印加され、前記一対の検出部（３ａ，３ｂ）は、周方向において相対的に１８０度回転して配置されており、前記第１の接続線路（８１）は、前記一対の検出部（３ａ，３ｂ）のうち一方の前記検出部（３ａ）における前記第１及び第４の検出コイル（３１，３４）の接続部と、他方の検出部（３ｂ）における前記第２及び第３の検出コイル（３２，３３）の接続部とを接続し、前記第２の接続線路（８２）は、前記一対の検出部（３ａ，３ｂ）のうち一方の検出部（３ａ）における前記第２及び第３の検出コイル（３２，３３）の接続部と、他方の検出部（３ｂ）における前記第１及び第４の検出コイル（３１，３４）の接続部とを接続している、トルク検出装置（１）。

【0053】

［５］上記［１］乃至［３］の何れか１項に記載のトルクセンサ（１０）と、前記直並列回路（３０）を交流励磁する交流電圧を発生する駆動部（９）とを備え、前記一対の検出部（３ａ，３ｂ）は、前記第１乃至第４の検出コイル（３１～３４）の積層構造、及び前記直並列回路（３０）の構成が同じであり、かつ、前記直並列回路（３０）に互いに逆方向の前記交流電圧が印加され、前記一対の検出部（３ａ，３ｂ）は、周方向に沿った回転位置が互いに同じ位置となるように配置されており、前記第１の接続線路（８１）は、前記一対の検出部（３ａ，３ｂ）におけるそれぞれの前記第１及び第４の検出コイル（３１，３４）の接続部同士を接続し、前記第２の接続線路（８２）は、前記一対の検出部（３ａ，３ｂ）におけるそれぞれの前記第２及び第３の検出コイル（３２，３３）の接続部同士を接続している、トルク検出装置（１）。

【0054】

以上、本発明の実施の形態及び変形例を説明したが、上記に記載した実施の形態及び変形例は、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、実施の形態及び変形例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。また、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】

【0055】

１…トルク検出装置
１０…トルクセンサ
２…シャフト
３，３ａ，３ｂ…検出部
３０…直並列回路
３０ａ，３０ｂ…直列回路
３１…第１の検出コイル
３２…第２の検出コイル
３３…第３の検出コイル
３４…第４の検出コイル
３１ａ，３３ａ…第１直線部
３２ａ，３４ａ…第２直線部
４…磁性リング
５…ボビン
６…フレキシブル基板
６０…配線層
７…樹脂モールド部
８１…第１の接続線路
８２…第２の接続線路
９…駆動部

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】