CN100460843C - 扭矩传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种扭矩传感器,它能够实现加工、组装成本的低廉化,同时能够得到传感器整体的良好的组装性。在通过检测在同轴上连接构成作为扭矩检测对象的轴体(2)的两个轴部(3、4)(输入轴(3)和输出轴(4))的弹性体(5)的扭转角度,来检测作用于轴体的扭矩的扭矩传感器中,具备:在周围产生磁通的硬磁性体(6);一对第一软磁性体(7、8),用于与硬磁性体(6)一起形成通过弹性体(5)的扭转使磁阻变化的第一磁性回路H1;一对第二软磁性体(9、10),用于与硬磁性体(6)一起形成磁阻为一定的第二磁性回路H2;以及磁通检测机构(12),检测根据弹性体(5)的扭转角度而变化的第二磁性回路H2的磁通密度。
Description
技术领域
本发明涉及一种例如检测传递电动动力转向装置等的旋转动力的机构的轴扭矩的扭矩传感器。
背景技术
现在,在这种扭矩传感器中,提出的方案具备:在同轴上连接构成轴体的两个轴部(输出轴和输入轴)的弹性体(扭杆);安装在该弹性体的两端部中的一端部上的硬磁性体(磁铁);安装在另一端部的一对带齿软磁性体(磁轭);以及检测这一对软磁性体间产生的磁通密度的磁传感器(例如专利文献1—日本特开2003-149062号公报,图1;专利文献2—日本特表2004-519672号公报,图9)。
在这样的扭矩传感器中,如果在弹性体上发生扭转,则硬磁性体的磁极位置和软磁性体的齿位置会在周向上相对变化,由于在软磁性体上感生的磁通量会与之相应变化,由此能够通过测定该变化量来进行轴体扭矩的检测。
但是,在扭矩传感器中,由于传感器外形尺寸上的制约,磁铁的大小被限制。另外,为了提高对弹性体的扭转的检测精度,要使用磁极数多的磁铁,由此磁铁的磁极宽度变小。
因此,若采用现有(专利文献1、2)所示的扭矩传感器,在磁铁和软磁性体之间的尺寸精度上特别要求严密性。这是因为,如果磁铁和软磁性体之间的尺寸具有偏差,则易产生检测误差,使质量上的可靠性下降。磁铁的直径及磁极宽度越小这种情况越明显。其结果,磁铁和软磁性体的加工及组装精度增高,在加工及组装上不仅要花费很多时间,而且还有加工及组装成本增大的问题。
另外,若采用专利文献1、2所示的扭矩传感器,由于有圆周方向的磁极变化,所以磁轭的组装困难,存在传感器整体不能得到良好的组装性的问题。
发明内容
因此,本发明的目的在于提供一种扭矩传感器,它能够实现加工及组装成本的低廉化,同时,传感器整体能够得到良好的组装性。
(1)为了达到上述目的,本发明提供的扭矩传感器是通过检测在同轴上连接构成作为扭矩检测对象的轴体的两个轴部的弹性体的扭转角度,来检测作用于上述轴体的扭矩,其特征是,具备:在周围产生磁通的硬磁性体;一对第一软磁性体,用于与上述硬磁性体一起形成通过上述弹性体的扭转使磁阻变化的第一磁性回路;一对第二软磁性体,用于与上述硬磁性体一起形成磁阻为一定的第二磁性回路;以及磁通检测机构,检测根据上述弹性体的扭转角度而变化的上述第二磁性回路的磁通密度。
(2)为了达到上述目的,本发明提供的扭矩传感器是通过检测在同轴上连接构成作为扭矩检测对象的轴体的两个轴部的弹性体的扭转角度,来检测作用于上述轴体的扭矩,其特征在于,具备:硬磁性圆筒体,固定在上述两个轴部中任一方的轴部上,且N极及S极在轴向上充磁而成;一对第一软磁性圆筒体,在轴向上并列配设在上述硬磁性圆筒体的周围,且分别固定在上述两个轴部上,用于与上述硬磁性圆筒体一起形成通过上述弹性体的扭转分别在周向上相对变位从而使磁阻变化的第一磁性回路;一对第二软磁性圆筒体,在轴向并列配设在上述一对第一软磁性圆筒体的周围,用于与上述硬磁性圆筒体一起形成磁阻为一定的第二磁性回路;以及磁通检测机构,配设在上述一对第二软磁性圆筒体之间,检测根据上述弹性体的扭转角度而变化的上述第二磁性回路的磁通密度。
根据本发明,能够实现加工及组装成本的低廉化,同时,传感器整体能够得到良好的组装性。
附图说明
图1是表示用于说明本发明的实施例的扭矩传感器的剖视图。
图2是表示用于说明本发明的实施例的扭矩传感器的分解立体图。
图3是表示用于说明本发明的实施例的扭矩传感器的磁性回路的立体图。
图4(a)及图4(b)是表示用于说明本发明的实施例的扭矩传感器的立体图。
图5是表示用于说明本发明的实施例的扭矩传感器的第一软磁性体的变形例(1)的立体图。
图6是表示用于说明本发明的实施例的扭矩传感器的第一软磁性体的变形例(2)的剖视图。
图7(a)及图7(b)是表示用于说明本发明的实施例的扭矩传感器的第一软磁性体的变形例(3)的立体图和仰视图。
图8是表示用于说明本发明的实施例的扭矩传感器的第一软磁性体的变形例(4)的剖视图。
图9是表示用于说明本发明的实施例的扭矩传感器的第一软磁性体的变形例(5)的剖视图。
图10是表示用于说明本发明的实施例的扭矩传感器的第一软磁性体的变形例(6)的正视图。
图中
1—扭矩传感器;2—轴体;3—输入轴;4—输出轴;5—弹性体;6—硬磁性体;7、8—第一软磁性体;9、10—第二软磁性体;11—第三软磁性体;11A、11B—凸缘;12—磁通检测机构;13、14—突体群;13A、13B—突体;15、16—延伸片;15A、16B—垂直部;15B、16A—水平部;G1~G5—空隙;H1—第一磁性回路;H2—第二磁性回路
具体实施方式
图1表示用于说明本发明的实施例的扭矩传感器的剖视图。图2表示用于说明本发明的实施例的扭矩传感器的分解立体图。图3表示用于说明本发明的实施例的扭矩传感器的磁性回路的立体图。
首先,说明扭矩传感器的整体结构。
在图1及图2中,由符号1表示的扭矩传感器具备:弹性体5,其在同轴上连接构成作为扭矩检测对象的轴体2的两个轴部3、4(输入轴3和输出轴4);在周围产生磁通的硬磁性体6;一对第一软磁性体7、8,其用于与硬磁性体6一起形成通过弹性体5的扭转使磁阻变化的第一磁性回路H1(图3所示);一对第二软磁性体9、10,其用于与硬磁性体6一起形成磁阻为一定的第二磁性回路H2(图3所示);第三软磁性体11,其用于防止第一磁性回路H1及第二磁性回路H2的磁力低下;以及磁通检测机构12,其检测根据弹性体5的扭转角度变化的第二磁性回路H2的磁通密度。而且,其结构为,通过检测弹性体5的扭转角度,以检测作用于轴体2(输入轴3和输出轴4之间)的扭矩。
其次,说明弹性体5的结构。
弹性体5如图1所示,是由穿过输入轴3的扭杆组成的,其两端部通过销轴(未图示)等分别固定在输入轴3和输出轴4上。而且,如前所述,做成在同轴上连接输入轴3和输出轴4饿结构。
接着,说明硬磁性体6的结构。
硬磁性体6如图1~图3所示,是由N极及S极在轴向充磁的无底圆筒状的磁铁组成的,其配设在第一软磁性体7和第三软磁性体11之间,且固定在输入轴3的外周面。另外,关于硬磁性体6,如果准备多个同种类的磁铁,并选择性地使用它们,则能够实现长寿命化。在这种情况下,如果选择性地使用不同种类的磁铁,则能够补充完备各磁铁的消磁特性,能改善传感器的温度特性。
下面,说明第一软磁性体7、8的结构。
第一软磁性体7、8如图1~图3所示,由无底圆筒状的磁轭构成,在轴向上相互并列配设在硬磁性体6的外周围,且分别固定在输入轴3及输出轴4上。而且,其结构是,与硬磁性体6及第三磁性体11一起形成通过弹性体5的扭转分别在周向相对移位并使磁阻变化的第一磁性回路H1。
第一软磁性体7如图2所示,具备由突出在下方的多个突体13A构成的突体群13,并通过对磁轭形成用的带孔圆筒体(未图示)的下端部在周向上间断地切口来形成的。多个突体13A是由正面为矩形的凸片构成的,在第一软磁性体7的周向上以等间隔配置在并列的位置上。突体13A的前端面(自由端面)具备由内外两条曲线及左右两条直线包围的平面形状,以直角的扁平面形成在轴体2(第一软磁性体7的轴线)上。
第一软磁性体8如图2所示,具备由突出在上方的多个突体14A构成的突体群14,并通过对磁轭形成用的带孔圆筒体(未图示)的上端部在周向上间断地切口来形成的。多个突体14A是由正面为矩形的凸片构成的,在第一软磁性体8的周向上以等间隔配置在并列的位置上。突体14A的前端面(自由端面)具备与突体13A的前端面形状相同的平面形状,通过空隙G1(图1所示)与突体13A的前端面相对,并且以直角的扁平面形成在轴体2(第一软磁性体8的轴线)上。
接着,说明第二软磁性体9、10的结构。
第二软磁性体9、10如图1~图3所示,是由无底圆筒状的磁轭构成的,在轴向上相互并列配设在第一软磁性体7、8的外周围,且配设在未图示的固定系统上。而且,其结构是,与硬磁性体6及第三软磁性体11一起形成保持磁阻一定的第二磁性回路H2。
第二软磁性体9如图2所示,通过空隙G2(图1所示)配置在第一软磁性体7的外周围。在第二软磁性体9的外周面上,一体设有钩形的延伸片15,其是由突出在其轴向(下方)的垂直部15A及突出在与该垂直部15A成直角的方向(第二软磁性体9的径向)的水平部15B组成的。
第二软磁性体10如图2所示,通过空隙G3(图1所示,G3=G2)配置在第一软磁性体8的外周围。在第二软磁性体10的外周面上,一体设有钩形的延伸片16,其以空隙G4与第二软磁性体9的延伸片15相对,且是由突出在其轴向(上方)的垂直部16B及突出在与该垂直部16B成直角的方向(第二软磁性体10的径向)的水平部16A组成的。
接着,说明第三软磁性体11的结构。
第三软磁性体11如图1~图3所示,是由在两端部分别具备凸缘11A、11B的无底圆筒状的磁轭构成,配设在第一软磁性体7、8的内周围,且固定在硬磁性体6的下端面。在第三软磁性体11的凸缘11B和第二软磁性体10的内表面之间形成空隙G5。在本实施例中,虽将第三软磁性体11配设在硬磁性体6和第一软磁性体8之间,但也可以将其配设在硬磁性体6和第一软磁性体7之间。另外,如果硬磁性体6和第一软磁性体8之间形成的空隙尺寸不加大磁阻(从长远看使磁力降低),则第三软磁性体11是不需要的。
最后,说明磁通检测机构12的结构。
磁通检测机构12如图1及图3所示,其结构为,由非接触型的磁通检测器构成,配设在第二软磁性体9、10的延伸片15、16之间(空隙G4内),检测根据弹性体5的扭转角度变化的第二磁性回路H2的磁通密度。
下面,用图1及图3、图4说明本发明的实施例的扭矩传感器的动作。
扭矩传感器1的动作如下。
图4表示用于说明本发明的实施例的扭矩传感器的动作的立体图。图4(a)是表示弹性体扭转变形前的扭矩传感器的立体图。图4(b)是表示弹性体扭转变形后的扭矩传感器的立体图。
在本实施例所示的扭矩传感器1中,如图1及图3所示,分别形成有:由硬磁性体6(N极)-第一软磁性体7-空隙G1-第一软磁性体8-空隙G5-第三软磁性体11-硬磁性题6(S极)组成的第一磁性回路H1;以及由硬磁性体6(N极)-第一软磁性体7-空隙G2-第二软磁性体9-空隙G4-第二软磁性体10-空隙G3-第一软磁性体8-空隙G5-第三软磁性体11-硬磁性体6(S极)组成的第二磁性回路H2。另外,在本实施例中,从硬磁性体6的N极发出的磁通中的不经由磁性回路H1、H2返回S极的磁通小到可以忽视的程度。
在此,当扭矩作用于轴体2(输入轴3)使弹性体5产生扭转后,第一软磁性体7配置在与该扭转角度相应的从图4(a)所示的位置在周向变位到图4(b)所示的位置。
这种场合,当第一软磁性体7变位时,则突体13A和突体14A在周向上相对错位,其各前端面的相对的面积彼此都减少。由此,第一软磁性体7、8之间(第一磁性回路H1内)的磁阻增大,流经第一磁性回路H1的磁通减少。与之相反,由于第二软磁性体9、10之间(第二磁性回路H2内)的磁阻与作用于轴体2上的扭矩的有无无关,是一定的,所以流经第二磁性回路H2的磁通增多。
另一方面,如果突体13A和突体14A在周向上相对错位,其各前端面的相对的面积彼此增加,则第一软磁性体7、8之间(第一磁性回路H1内)的磁阻减小,流经第一磁性回路H1的磁通增多。另外,流经第二磁性回路H2的磁通减少。
如此,能够将弹性体5上产生的扭转量(扭转角度)作为流经第二磁性回路H2的磁通的变化量进行检测,能够将该检测量作为扭矩检测量通过磁通检测机构12求得。
实施例的效果如下。
根据以上说明的第一实施例,能够得到如下所述的效果。
(1)由于在硬磁性体6和第二软磁性体磁铁9、10之间的相对位置不随弹性体5的扭转而变化,因而,对硬磁性体6和第二软磁性体9、10之间的尺寸精度没有严格的要求。由此,能够缓和包括硬磁性体6和第二软磁性体9、10的构成零件加工、组装精度,能够缩短加工、组装时间,同时能够实现加工、组装成本的低廉化。
(2)由于没有在圆周方向上的磁极变化,所以,能够简便地进行磁轭的组装作业,能够得到传感器整体的良好的组装性。
以上虽基于上述的实施例说明了本发明的扭矩传感器,但本发明并不限定于上述的实施例,在不脱离本发明的宗旨的范围内能够以各种方式进行实施,例如,还能够进行如下所示的变形。
(1)本实施例虽对突体13A、14A的正面形状为矩形的情况进行了说明,但本发明并不限定于此,也可以是图5所示的大致锯齿形。在这种场合,正面大致为锯齿形的突体13A、14A能够通过在正面为矩形的突体上,将其自由端边缘的周向端部进行切口以设置倾斜面51、52来形成。由此,在两个倾斜面51、52之间形成的空隙尺寸增大,磁阻相应增大。由此,通过磁通检测机构12检测的磁通能够在两个倾斜面51、52之间相对于弹性体5的扭转变位发生很大的变化,能够得到灵敏度高的扭矩传感器。
(2)本实施例虽对突体13A、14A的截面形状为矩形的情况进行了说明,但本发明并不限定于此,也可以是图6所示的大致楔形。在这种场合,截面为大致楔形的突体13A、14A能够通过在截面为矩形的突体上,将其自由端边缘的径向端部进行切口以设置倾斜面的方式来形成。由此,能够使突体13A、14A的相对的面积增大,能够在确保相同的相对的面积的场合,缩短第一软磁性体7、8的径向尺寸,能够实现传感器整体的小型化。
(3)本实施例虽对突体13A、14A的前端面形状为左右对称形状的情况进行了说明,但本发明并不限定于此,也可以如图7(a)及图7(b)所示是具有左右非对称的前端面形状的突体13A、14A。即,要点在于:本发明的突体13A、14A的前端面形状可以是根据弹性体5的扭转角度使前端面的相对面积变化量发生变化的形状。由此,突体13A、14A(前端面)的面积变化能够相对于弹性体5的扭转变位发生很大变化,得到灵敏度高的扭矩传感器。
(4)本实施例虽对突体13A、14A的前端面形状为左右对称形状的情况进行了说明,但本发明并不限定于此,也可以如图8所示,是突体13A的内表面或外表面与突体14A的外表面或内表面相对。在这种场合,如图9所示,可以分别在突体13A的内表面设置阶梯部D1,在突体14A的外表面设置阶梯部D2。由此,能够使突体13A、14A的相对的面积增大,能够在确保同一的相对的面积的场合缩短第一软磁性体7、8的径向尺寸,能够实现传感器整体的小型化。
(5)本实施例虽对突体13A、14A以等间隔分别并列在第一软磁性体7、8的周向的情况进行了说明,但本发明并不限定于此,也可以如图10所示,将突体群13、14的突体13A、14A(仅图示了突体群13及突体13A)中相互相邻的两个突体之间的尺寸设定为沿着周向为不同的尺寸。由此,能够根据弹性体5的扭转角度得到灵敏度不同的扭矩传感器。
(6)本实施例虽对说明了磁通检测器为非接触型的情况进行了说明,但本发明并不限定于此,也可以是接触型。
(7)本实施例虽对磁通检测机构12由单一的磁通检测器构成的情况进行了说明,但本发明并不限定于此,也可以由温度特性各不相同的多个磁通检测器组成。在这种场合,可选择性地将多个磁通检测器配置在第二磁性回路H2内。
Claims (11)
1.一种扭矩传感器,通过检测在同轴上连接构成作为扭矩检测对象的轴体的两个轴部的弹性体的扭转角度,来检测作用于上述轴体的扭矩,其特征在于,具备:
在周围产生磁通的硬磁性体,固定在上述两个轴部中任一方的轴部上,且N极及S极在轴向上充磁而成;
一对第一软磁性体,用于与上述硬磁性体一起形成通过上述弹性体的扭转使磁阻变化的第一磁性回路;
一对第二软磁性体,用于与上述硬磁性体一起形成磁阻为一定的第二磁性回路;以及
磁通检测机构,检测根据上述弹性体的扭转角度而变化的上述第二磁性回路的磁通密度。
2.一种扭矩传感器,通过检测在同轴上连接构成作为扭矩检测对象的轴体的两个轴部的弹性体的扭转角度,来检测作用于上述轴体的扭矩,其特征在于,具备:
硬磁性圆筒体,固定在上述两个轴部中任一方的轴部上,且N极及S极在轴向上充磁而成;
一对第一软磁性圆筒体,在轴向上并列配设在上述硬磁性圆筒体的周围,且分别固定在上述两个轴部上,用于与上述硬磁性圆筒体一起形成通过上述弹性体的扭转分别在周向上相对变位从而使磁阻变化的第一磁性回路;
一对第二软磁性圆筒体,在轴向并列配设在上述一对第一软磁性圆筒体的周围,用于与上述硬磁性圆筒体一起形成磁阻为一定的第二磁性回路;以及
磁通检测机构,配设在上述一对第二软磁性圆筒体之间,检测根据上述弹性体的扭转角度而变化的上述第二磁性回路的磁通密度。
3.根据权利要求2所述的扭矩传感器,其特征在于,还具备:介于上述一对第一软磁性圆筒体中任一方的第一软磁性圆筒体和上述硬磁性圆筒体之间的第三软磁性圆筒体。
4.根据权利要求2~3中的任一项所述的扭矩传感器,其特征在于:
上述一对第一软磁性圆筒体分别具有在周向上并列的突体群,
上述一对第一软磁性圆筒体的各突体群的突体,其前端面在轴向上按规定的间隔配置在相互相对的位置上。
5.根据权利要求4所述的扭矩传感器,其特征在于:在上述突体群的各突体上,通过切开形成其自由端边缘的周向端部来设置倾斜面。
6.根据权利要求4所述的扭矩传感器,其特征在于:在上述突体群的各突体上,通过切开形成其自由端边缘的径向端部来设置倾斜面。
7.根据权利要求4中的任一项所述的扭矩传感器,其特征在于:上述突体群的各突体的前端面形状是根据上述弹性体的扭转角度使上述前端面的相对面积变化量发生变化的前端面形状。
8.根据权利要求2~3中的任一项所述的扭矩传感器,其特征在于:
上述一对第一软磁性圆筒体分别具备在周向上并列的突体群,并配置在上述一对第一软磁性圆筒体的两个突体群中的一方突体群的内表面与另一方突体群的外表面相对的位置上。
9.根据权利要求4所述的扭矩传感器,其特征在于:在上述一方突体群的各突体的内表面及另一方突体群的各突体的外表面上分别设有阶梯部。
10.根据权利要求4所述的扭矩传感器,其特征在于:上述突体群的突体中在周向上相邻的两个突体之间的周向尺寸设定为沿着上述第一软磁性体的周向为相互不同的尺寸。
11.根据权利要求1~3中任一项所述的扭矩传感器,其特征在于:上述磁通检测机构由各温度特性互不相同的多个磁通检测器组成,上述多个磁通检测器可选择地配置在上述第二磁性回路内。
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