CN1940515A - 磁致伸缩式转矩传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种能够提高转矩检测可靠性的磁致伸缩式转矩传感器。在具备：具有磁致伸缩性并绕中心轴线(O)旋转的旋转轴(2)；及由以规定间隔配置在旋转轴(2)的外周部、并在内周面具有用于检测施加在旋转轴(2)上转矩的检测线圈的半圆筒铁淦氧磁心(100)、(200)构成的圆筒状磁心(M)的磁致伸缩式转矩传感器(1)中，检测线圈是用于形成电桥电路的线圈集合体，由沿磁心(M)的全周配置的柔性基板线圈(C)构成。
Description
技术领域
本发明涉及基于检测线圈的电感变化检测施加在具有磁致伸缩特性的旋转轴上的转矩的磁致伸缩式转矩传感器。
背景技术
在汽车的动力转向机构、发动机控制机构以及动力传递机构等中，需要检测施加在作为被动轴的转向轴等上的转矩。
一般地，具有磁致伸缩特性的镍(Ni)、铁(Fe)-铝(Al)合金、Fe-钴(Co)合金等的材料，通过附加的外力其相对磁导率发生变化(在压缩力方向相对磁导率减少，在拉力方向相对磁导率增加)。
以往已经提出利用此原理的磁致伸缩式转矩传感器(例如参照专利文献1：日本特开2005-164531号公报)。关于该磁致伸缩式转矩传感器，用图13进行说明，在图13中，磁致伸缩式转矩传感器110由以下部件构成：具有磁致伸缩特性的旋转轴111；在内周面上安装了相对该旋转轴111的中心轴线O倾斜了+45°的线圈112a、113a和相对同一中心轴线O倾斜了-45°的线圈112b、113b的一对半圆筒磁心114、115；及向这些半圆筒磁心114、115内的线圈附加交流电压的交流信号发生电路(未图示)。
在如此构成的磁致伸缩式转矩传感器中，如图14所示，从轴向X看去，在图中，附加转矩T(以下，将该转矩T的方向作为正方向)，以使得左侧向顺时针方向运动，而右侧向逆时针方向运动。这时，从轴的左侧看去，旋转轴111在+45°方向上受到压缩力，而在-45°方向上受到拉力，而且从轴的右侧看去，同样地，旋转轴111在+45°方向上受到压缩力，而在-45°方向上受到拉力。如将旋转轴111的直径作为D，则该主应力σ与转矩T成正比，用(1)式可得出。
σ＝16T/πD3 (1)
这时，如旋转轴具有磁致伸缩效果，则根据主应力σ，引出由(2)式得到的轴磁各向异性Ku。
Ku＝2×(3/2)×λSσ＝48λST/πD3 (2)
λS：轴的饱和磁致伸缩常量
根据该轴磁各向异性Ku，+σ方向为容易磁化方向，-σ方向为难于磁化方向，根据青瓷能量的关系，容易磁化方向(+σ方向)的相对磁导率增加，相反地，难于磁化方向(-σ方向)的相对磁导率减小。因此，若在倾斜于容易磁化方向(拉力方向)的线圈112b、113b中流入电流，则由于拉力方向的相对磁导率变高，所以在拉力方向使磁通减少的方向上流动感应电流。并且，由该感应电流诱发感应电压，因此线圈112b、113b的电感变大。另一方面，若在倾斜于难于磁化方向(压缩方向)的线圈112a、113a中流入电流，则由于压缩方向的相对磁导率变小，所以线圈112a、113a的电感变小。
图15表示检测上述电感变化的电路(电桥电路)。如图15所示，电桥电路由线圈112a、112b、113a、113b形成。线圈112a的d端和线圈112b的e端连接，线圈113b的b端和线圈113a的g端连接。从振荡器(交流信号发生电路)A产生的高频率电流I流入线圈112a的c端和线圈113b的a端，并在线圈112b的f端和线圈113a的h端流出。
这里，若正转矩附加在旋转轴111上，则由于线圈112a和线圈113a的电感L减少ΔL，线圈112b和线圈113b的电感L增加/ΔL，所以电桥电路的输出以正值增加。
ΔV＝2×ωΔL×I (3)
另外，若负转矩附加在旋转轴111上，则由于线圈112a和线圈113a的电感L增加/ΔL，线圈112b和线圈113b的电感L减少/ΔL，所以电桥电路的输出以负值减少。
这样一来，作为电压变化可得到施加在旋转轴111上的转矩的变化。
但是，根据专利文献1，由于在半圆筒状磁心114中，线圈112a、113b用于检测旋转轴111中的一侧半圆区域的磁性，在半圆筒状磁心115中，线圈112b、113a用于检测旋转轴111中的另一侧半圆区域的磁性，所以在旋转轴111的磁性不均匀时，存在线圈112a、113b的检测量及线圈112b、113a的检测量(传感器输出)根据旋转轴111的旋转角度而变动，产生降低转矩检测上的可靠性的问题。
发明内容
因此，本发明的目的是提供一种能够抑制因旋转轴旋转角度的传感器输出的变动(相对旋转轴旋转角度的传感器输出的依存性)，并且能够提高转矩检测上的可靠性的磁致伸缩式转矩传感器。
(1)为实现上述目的，本发明提供一种磁致伸缩式转矩传感器，其具备：具有磁致伸缩性并绕中心轴线旋转的旋转轴；及以规定间隔配置在上述旋转轴的外周部、并在内周面具有用于检测施加在上述旋转轴上转矩的检测线圈的圆筒状磁心，其特征在于，上述检测线圈是用于形成电桥电路的线圈集合体，由沿上述磁心的全周配置的柔性基板线圈构成。
(2)为实现上述目的，本发明提供一种磁致伸缩式转矩传感器，其具备：具有磁致伸缩性并绕中心轴线旋转的旋转轴；及以规定间隔配置在上述旋转轴的外周部、并在内周面具有用于检测施加在上述旋转轴上转矩的检测线圈的圆筒状磁心，其特征在于，上述检测线圈是用于形成电桥电路的线圈集合体，具有相对上述中心轴线倾斜+45°的第1线圈和相对上述中心轴线倾斜-45°的第2线圈，上述电桥电路包含分别与上述第1线圈和上述第2线圈相对应的第1电阻和第2电阻。
采用本发明，能够抑制因旋转轴的旋转角度引起的传感器输出的变动，并且能够提高转矩检测上可靠性。
附图说明
图1(a)～(c)是为了说明本发明第一实施方式的磁致伸缩式转矩传感器而模式化表示的主视图和侧视图。
图2是表示本发明第一实施方式的磁致伸缩式转矩传感器的柔性基板线圈的展开图。
图3是为了说明本发明第一实施方式的磁致伸缩式转矩传感器而表示的电路图。
图4是为了说明本发明第一实施方式的磁致伸缩式转矩传感器中的电桥电路的变形例而表示的电路图。
图5是为了说明本发明第一实施方式的磁致伸缩式转矩传感器中的线圈配置状态的变形例而表示的侧视图。
图6(a)及(b)是为了说明本发明第二实施方式的磁致伸缩式转矩传感器而模式化表示的主视图和侧视图。
图7是表示本发明第二实施方式的磁致伸缩式转矩传感器的柔性基板线圈的展开图。
图8(a)及(b)是为了说明本发明第三实施方式的磁致伸缩式转矩传感器而模式化表示的主视图和侧视图。
图9是为了说明本发明第三实施方式的磁致伸缩式转矩传感器而表示的电路图。
图10是表示本发明第三实施方式的磁致伸缩式转矩传感器的柔性基板线圈的展开图。
图11是为了说明本发明第四实施方式的磁致伸缩式转矩传感器而模式化表示的主视图。
图12是为了说明本发明第四实施方式的磁致伸缩式转矩传感器而表示的电路图。
图13是为了说明现有的磁致伸缩式转矩传感器而表示的主视图。
图14是为了说明现有的磁致伸缩式转矩传感器的动作原理而模式化表示的侧视图。
图15是为了说明现有的磁致伸缩式转矩传感器而表示的电路图。图中：
1、71、81、91磁致伸缩式转矩传感器，2旋转轴，3a、3b、4a、4b线圈，82、83、92、93电阻，100、200半圆筒铁淦氧磁心，300电桥电路，400电流源，600锁定放大器，C柔性基板线圈，M磁心
具体实施方式
实施方式1
图1是为了说明本发明第一实施方式的磁致伸缩式转矩传感器而模式化表示的图。图1(a)、图1(b)及图1(c)分别表示主视图、侧视图及除去了磁心的侧视图。图2是表示本发明第一实施方式的磁致伸缩式转矩传感器的柔性基板线圈的展开图。图3是为了说明本发明第一实施方式的磁致伸缩式转矩传感器而表示的电路图。
磁致伸缩式转矩传感器的整体构成
在图1～图3中，用符号1表示的磁致伸缩式转矩传感器大体有以下构件构成：具有磁致伸缩性的旋转轴2；及内周面装有由相对该旋转轴2的中心轴线O倾斜+45°的转矩检测用线圈3a、4a及相对同一旋转轴2的中心轴线O倾斜-45°的转矩检测用线圈3b、4b构成的柔性基板线圈C的两个半圆筒铁淦氧磁心100、200；向连接这些半圆筒铁淦氧磁心100、200内的线圈3a、3b、4a、4b而成的电桥电路300供给电压的电流源400；及检测来自电桥电路300的差动信号的锁定放大器600。
旋转轴2的构成
旋转轴2由镍(Ni)、铁(Fe)-铝(Al)合金或Fe-钴(Co)合金等的材料构成的圆柱体形成。
半圆筒铁淦氧磁心100、200的构成
半圆筒铁淦氧磁心100、200，如图1所示，为了形成圆筒状的磁心M，在旋转轴2的外周部上以规定的间隔在相互紧连的状态下配置。磁心M保持在中心轴线O上，整体由高透磁率(最好是透磁率μ＞100)·低导电率(最好是导电率σ＝104～105S/m)性部件形成。在磁心M的内周面上沿全周配置柔性基板线圈C。
如图2所示，若柔性基板线圈C的宽度尺寸为W(W＝半圆筒铁淦氧磁心100、200的宽度尺寸)，则W用下式表示。
W＝πD/2N(N＝1，2，3，…)
D：半圆筒铁淦氧磁心100、200(圆筒磁心)的内径
另外，若柔性基板线圈C的线圈长度为H，其电流线圈宽度尺寸为L，则H及L分别用下式表示。
H＝πD，L＝W/2＝πD/4N(N＝1，2，3，…)
这里，例如N＝1时，H＝πD，W＝πD/2，L＝πD/4
再有，有关柔性基板线圈C的形成方法，与专利文献1：特开2005-164531号公报所记载的形成方法大致一致，省略其说明。
在柔性基板线圈C的中心轴线方向的一侧上沿圆周方向整体形成线圈3a、3b。线圈3a配置在接近半圆筒铁淦氧磁心100、200内周面的位置上，另外线圈3b配置在接近旋转轴2外周面的位置上。在柔性基板线圈C的中心轴线方向的另一侧上沿圆周方向整体形成线圈4a、4b。线圈4a配置在接近半圆筒铁淦氧磁心100、200内周面的位置上，另外线圈4b配置在接近旋转轴2外周面的位置上。
电流源400的构成
如图3所示，电流源400包括交流电源(高频振荡器)，将电压供给电桥电路300的输入端子而构成。在电流源400一侧端子上连接线圈3b的c端及线圈4a的a端，另外在另一侧端子上连接线圈3a的f端及线圈4b的h端。电桥电路300由线圈3a、3b、4a、4b形成。并且，做成线圈4a、3b及线圈3a、4b的输入侧端分别作为第一输入端子和第二输入端子的结构。另外，连接线圈3b的d端和线圈3a的e端的同时，连接线圈4a的b端和线圈4b的g端，做成线圈3a、3b及线圈4a、4b的输出端分别作为第一输出端子和第二输出端子的结构。
再有，在电桥电路300中，如图4所示，线圈3b的d端和线圈4a的e端连接，也可连接线圈3a的b端和线圈4b的g端。这种情况，在电流源400的一侧端子上连接线圈3b的c端及线圈3a的a端，另外在另一侧端子上连接线圈4a的f端及线圈4b的h端。并且，做成线圈3a、3b及线圈4a、4b的输入端子分别作为第一输入端子和第二输入端子，同时线圈4a、3b及线圈3a、4b的输出端子分别作为第一输出端子及第二输出端子的结构。
锁定放大器600的构成
如图3所示，锁定放大器600构成如下：连接在电桥电路300的两个输出端子上，如上所述检测来自电桥电路300的差动信号。
磁致伸缩式转矩传感器的检测原理
其次，用图3说明有关本实施方式的磁致伸缩式转矩传感器的检测原理。
如图3所示，由电流源400产生的高频电流流入线圈3b的c端和线圈4a的a端，向线圈3a的f端和线圈4b的h端流出。
这里，若在旋转轴2上作用正转矩，则线圈3b、4b的电感增加，同时，线圈3a、4a的电感减少，来自锁定放大器600的输出在正方向上增加。与此相反，若在旋转轴2上作用负转矩，则线圈3b、4b的电感减少，同时，线圈3a、4a的电感增加，来自锁定放大器600的输出负方向上减少。由此，检测作用在旋转轴2上转矩的方向及大小。
第一实施方式的效果
根据以上说明的第一实施方式，可得到以下的效果。
(1)由于线圈3a、3b、4a、4b的测量区域不变，所以能够抑制因旋转轴旋转角度的传感器输出的变动，并能够提高转矩检测上的可靠性。
(2)由于转矩检测用线圈由柔性基板线圈C形成，所以能够便于进行半圆筒铁淦氧磁心100、200的转矩检测用线圈的安装。
再有，在本实施方式中，说明了有关线圈3a、4a及线圈3b、4b分别沿中心轴线O并排排列的情况，但本发明并不限于此，如图5所示，即便将线圈3a、4a、3b、4b叠层在旋转轴2的周围，也可起到与实施方式1相同的效果。这种情况，线圈3b、4b配置在线圈3a、4a之间。
第二实施方式
图6是为了说明本发明第二实施方式的磁致伸缩式转矩传感器而模式化表示的图。图6(a)是主视图，图6(b)是侧视图。图7是表示本发明第二实施方式的磁致伸缩式转矩传感器的柔性基板线圈的展开图。在图6及图7中，与图1及图2相同的构件标记相同的符号，省略其详细说明。
如图6(a)及图6(b)所示，第二实施方式所示的磁致伸缩式转矩传感器71，其特征在于，将线圈3a、4a中一侧的线圈配置在旋转轴侧，另外将另一侧的线圈配置在磁心侧，同时，将线圈3b、4b中一侧的线圈配置在旋转轴侧，另外将另一侧的线圈配置在磁心侧。
由此，线圈3a、4a各自沿中心轴线O相互并列，并且各自配置在与半圆筒铁淦氧磁心100、200和旋转轴2接近的位置上。另外，线圈3b、4b各自沿中心轴线O相互并列，并各自配置在与半圆筒铁淦氧磁心100、200和旋转轴2相接近的位置上。
如图7所示，若柔性基板线圈C的宽度尺寸为W(W＝半圆筒铁淦氧磁心100、200的宽度尺寸)，则W用下式表示。
W＝πD/2N(N＝1，2，3，…)
D：半圆筒铁淦氧磁心100、200(圆筒磁心)的内径
另外，若柔性基板线圈C的线圈长度为H，其电流线圈宽度尺寸为L，则H及L分别用下式表示。
H＝πD，L＝W/2＝πD/4N(N＝1，2，3，…)
这里，例如N＝1时，H＝πD，W＝πD/2，L＝πD/4
第二实施方式的效果
根据以上说明的第二实施方式，可得到与第一实施方式的效果(1)及(2)相同的效果。
第三实施方式
图8是为了说明本发明第三实施方式的磁致伸缩式转矩传感器而模式化表示的图。图8(a)是主视图，图8(b)是侧视图。图9是为了说明本发明第三实施方式的磁致伸缩式转矩传感器而表示的电路图。图10是表示本发明第三实施方式的磁致伸缩式转矩传感器的柔性基板线圈的展开图。在图8～图10中，与图1～图3相同的构件标记相同的符号，省略其详细说明。
如图8(a)及图8(b)所示，第三实施方式所示的磁致伸缩式转矩传感器81，其特征在于，具备：具有线圈3a、3b及电阻82、83的电桥电路300。
由此，如图8及图9所示，线圈3b与电阻82连接，且配置在接近旋转轴2外周面的位置上。另外，如图8及图9所示，线圈3a与电阻83连接，且配置在接近半圆筒铁淦氧磁心100、200内周面的位置上。
再有，在本实施方式中，说明了有关将线圈3b配置在旋转轴侧，并将线圈3a配置在磁心侧的情况，但也可以将线圈3b配置在磁心侧，并将线圈3a配置在旋转轴侧。
如图10所示，若柔性基板线圈C的宽度尺寸为W(W＝半圆筒铁淦氧磁心100、200的宽度尺寸)，则W用下式表示。
W＝πD/2N(N＝1，2，3，…)
D：半圆筒铁淦氧磁心100、200(圆筒磁心)的内径
另外，若柔性基板线圈C的线圈长度为H，其电流线圈宽度尺寸为L，则H及L分别用下式表示。
H＝πD，L＝W/2＝πD/4N(N＝1，2，3，…)
这里，例如N＝1时，H＝πD，W＝πD/2，L＝πD/4
第三实施方式的效果
根据以上说明的第三实施方式，不仅可得到与第一实施方式的效果(1)及(2)相同的效果，还可得到以下效果。
若调整电阻82、83，则能够取得电桥电路300的平衡，因此在旋转轴2上未施加转矩的情况下，能够将锁定放大器600的输入端电压Va-Vb设定为Va-Vb＝0。这样一来，能够提高锁定放大器600的增幅率，并能够提高转矩检测灵敏度。
第四实施方式
图11是为了说明本发明第四实施方式的磁致伸缩式转矩传感器而模式化表示的图。图12是为了说明本发明第四实施方式的磁致伸缩式转矩传感器而表示的电路图。在图11及图12中，与图1及图3相同的构件标记相同的符号，省略其详细说明。
如图11及图12所示，第四实施方式所示的磁致伸缩式转矩传感器91，其特征在于，在半圆筒铁淦氧磁心100、200的内周面上分别配置线圈3a、3b及线圈4a、4b，同时，将电阻92、93连接在这些线圈3a、3b、4a、4b上，从而形成电桥电路300。
由此，通过在半圆筒铁淦氧磁心100、200(圆筒磁心)的内周面上相互连接线圈3a、4a，同时，相互连接线圈3b、4b，从而形成沿整个圆周方向的柔性基板C。在该柔性基板C的线圈4a、4b上分别连接电阻92、93。
第四实施方式的效果
根据以上说明的第四实施方式，不仅可得到与第一实施方式的效果(1)及(2)相同的效果，还可得到以下效果。
若调整电阻92、93，则能够取得电桥电路300的平衡，因此在旋转轴2上未施加转矩的情况下能够将锁定放大器600的输入端电压Va-Vb设定为Va-Vb＝0。这样一来，能够提高锁定放大器600的增幅率，并能够提高转矩检测灵敏度。
Claims (10)
1.一种磁致伸缩式转矩传感器，
具备：具有磁致伸缩性并绕中心轴线旋转的旋转轴；
及以规定间隔配置在上述旋转轴的外周部、并在内周面具有用于检测施加在上述旋转轴上转矩的检测线圈的圆筒状磁心，其特征在于，
上述检测线圈是用于形成电桥电路的线圈集合体，由沿上述磁心的全周配置的柔性基板线圈构成。
2.根据权利要求1所述的磁致伸缩式转矩传感器，其特征在于，
上述检测线圈具有相对上述中心轴线倾斜+45°的一对第1线圈和相对上述中心轴线倾斜-45°的一对第2线圈，
上述一对第1线圈彼此沿上述中心轴线并列配置，
上述一对第2线圈配置在分别对应上述一对第1线圈的位置上。
3.根据权利要求1所述的磁致伸缩式转矩传感器，其特征在于，
上述检测线圈具有相对上述中心轴线倾斜+45°的一对第1线圈和相对上述中心轴线倾斜-45°的一对第2线圈，
上述一对第1线圈和上述一对第2线圈叠层在上述旋转轴周围。
4.根据权利要求1所述的磁致伸缩式转矩传感器，其特征在于，
上述检测线圈具有相对上述中心轴线倾斜+45°的一对第1线圈和相对上述中心轴线倾斜-45°的一对第2线圈，
上述一对第1线圈各自沿上述中心轴线相互并列，并且各自配置在与上述磁心和上述旋转轴相接近的位置上，
上述一对第2线圈分别对应上述一对第1线圈，且分别配置在与上述磁心和上述旋转轴相接近的位置上。
5.根据权利要求1～4任意一项所述的磁致伸缩式转矩传感器，其特征在于，上述电桥电路是使用上述检测线圈连同电阻共同形成的。
6.根据权利要求1所述的磁致伸缩式转矩传感器，其特征在于，
上述检测线圈具有相对上述中心轴线倾斜+45°的第1线圈和相对上述中心轴线倾斜-45°的第2线圈，
上述第1线圈与用于形成上述电桥电路的第1电阻连接，并且配置在与上述旋转轴相接近的位置上，
上述第2线圈与用于形成上述电桥电路的第2电阻连接，并且配置在与上述磁心相接近的位置上。
7.一种磁致伸缩式转矩传感器，
具备：具有磁致伸缩性并绕中心轴线旋转的旋转轴；
及以规定间隔配置在上述旋转轴的外周部、并在内周面具有用于检测施加在上述旋转轴上转矩的检测线圈的圆筒状磁心，其特征在于，
上述检测线圈是用于形成电桥电路的线圈集合体，具有相对上述中心轴线倾斜+45°的第1线圈和相对上述中心轴线倾斜-45°的第2线圈，
上述电桥电路包含分别与上述第1线圈及上述第2线圈相对应的第1电阻和第2电阻。
8.根据权利要求7所述的磁致伸缩式转矩传感器，其特征在于，
上述第1线圈由各自相互连接、并且沿上述磁心的全周配置的一对线圈构成，
上述第2线圈由各自相互连接、并且沿上述磁心的全周配置的一对线圈构成。
9.根据权利要求8所述的磁致伸缩式转矩传感器，其特征在于，
上述第1线圈的两个线圈中的一个线圈及上述第2线圈的两个线圈中的一个线圈配置在上述磁心的一侧半圆区域中，
上述第1线圈的两个线圈中的另一个线圈及上述第2线圈的两个线圈中的另一个线圈配置在上述磁心的另一侧半圆区域中。
10.根据权利要求1～9任意一项所述的磁致伸缩式转矩传感器，其特征在于，上述磁心由分割包含上述中心轴线的假想面的一对半圆筒磁心构成。
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