JP2004184187A

JP2004184187A - 磁歪式トルクセンサ

Info

Publication number: JP2004184187A
Application number: JP2002350455A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Kubota; 剛久保田; Satomi Ishikawa; さとみ石川
Original assignee: Yamaha Motor Co Ltd
Current assignee: Yamaha Motor Co Ltd
Priority date: 2002-12-02
Filing date: 2002-12-02
Publication date: 2004-07-02

Abstract

【課題】トルク受感部に磁気異方性を持たせるための加工が容易であるとともに高感度かつ高精度であり、さらにコストの低減も図ることのできる磁歪式トルクセンサを提供する。
【解決手段】トルクが作用する回転軸のうち外周にコイルが巻回されている二つの部分が、その回転軸の長手方向に対して所定の角度に傾斜する方向の磁気異方性を示す磁化容易軸を有し、それら二つの磁化容易軸同士が、回転軸の長手方向に垂直な方向に対して対称な方向を指向するように構成する。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、コイルを流れる電流によって磁化された強磁性体製の回転軸に加わるトルクに起因する回転軸の歪に伴う透磁率の変化に基づいてトルクを検出する磁歪式トルクセンサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
磁歪効果を利用した非接触式の磁歪式トルクセンサは、強磁性体から成る回転軸にトルクが加わるときの歪に応じた回転軸自身の透磁率変化により、その周囲に巻回されたコイルを含む交流抵抗のインピーダンス変化が生じ、このインピーダンス変化からトルクを検出するものである。
【０００３】
従来、このような磁歪式トルクセンサにおいて、トルクを正確に検知するとともに、温度特性を改善するために、トルクが作用する回転軸の中心軸線に対して傾斜した方向の磁気異方性を有する２組の磁歪材を、それぞれ逆方向を指向するように傾斜させて配置する試みがなされている。
【０００４】
例えば、以下に示す特許文献１では、トルク受感部をなす磁歪材にらせん状の溝を形成し、その磁歪材を一般鋼で挟む形で接合するによって磁気異方性を発現させる技術についての開示がなされている。
【０００５】
また、トルク受感部に磁歪材の膜を形成し、回転軸に対してねじり応力を加えた状態で熱処理を施すことによって磁気異方性を発現させ技術も提案されている（例えば、特許文献２を参照）。
【０００６】
【特許文献１】
特開２００１−３３０５２４号公報
【０００７】
【特許文献２】
特開２００２−８２０００号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来技術のうち、特許文献１に開示されている技術の場合、溝を形成するための加工が難しいために手間がかかり、トルクの検出特性にばらつきが生じる恐れがあるのは勿論のこと、非効率かつ高コストであった。
【０００９】
また、特許文献２に開示されている技術の場合、ねじり応力を加えた状態で熱処理を施すため、成膜室の大きさが制限される上、熱処理前の工程が増加するなど、やはり効率とコストの面で改善すべき点があった。
【００１０】
本発明は上記に鑑みてなされたものであり、その目的は、トルク受感部に磁気異方性を持たせるための加工が容易であるとともに高感度かつ高精度であり、さらにコストの低減も図ることのできる磁歪式トルクセンサを提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１記載の本発明は、強磁性体から成る回転軸の周囲に磁場を与えるためのコイルを巻回し、外部から加わるトルクによる前記回転軸の歪に起因する透磁率の変化に基づいて前記トルクを検知する磁歪式トルクセンサにおいて、前記回転軸の長手方向の中心軸に対して０度より大きく９０度より小さい角度をなす方向に磁化容易軸を持つ強磁性材料から構成され、前記回転軸に加わるトルクを受感する第１および第２の受感部を備えたことを要旨とする。
【００１２】
請求項１記載の本発明によれば、トルクが作用する回転軸のうち外周に前記コイルが巻回されている部分が、その回転軸の長手方向の中心軸に対して０度より大きく９０度より小さい角度をなす方向に磁化容易軸を持つ強磁性材料から構成され、前記回転軸に加わるトルクを受感する第１および第２の受感部を備えた磁歪式トルクセンサを提供することにより、トルク受感部に磁気異方性を持たせるための加工が容易であるとともに高感度かつ高精度であり、さらにコストの低減も実現することができる。
【００１３】
請求項２記載の本発明は、請求項１記載の発明において、前記強磁性材料は、方向性電磁鋼板であることを要旨とする。
【００１４】
請求項３記載の本発明は、請求項１または２記載の発明において、前記第１および第２の受感部は、前記回転軸の長手方向の中心軸と直交する軸のいずれかを対称軸として互いに対称な方向を指向する磁気異方性をそれぞれ有することを要旨とする。
【００１５】
請求項３記載の本発明によれば、回転軸でトルクを受感する部分を二つ設け、各々の受感部が有する磁気異方性が、その回転軸の長手方向と垂直な方向に対して対称になるように二つの受感部を配置することにより、より高精度で温度特性を改善し得る磁歪式トルクセンサを提供することが可能となる。
【００１６】
請求項４記載の本発明は、請求項３記載の発明において、前記磁気異方性は、少なくとも前記回転軸の長手方向に対して４５度の角度をなす方向を指向することを要旨とする。
【００１７】
請求項５記載の本発明は、請求項２乃至４のいずれかに記載した発明において、前記第１および第２の受感部は、前記方向性電磁鋼板が円筒形に加工されて成ることを要旨とする。
【００１８】
【発明の実施の形態】
次に、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。
【００１９】
図１は、本発明の一実施形態に係る磁歪式トルクセンサの構成を表す部分断面図である。同図に示す磁歪式トルクセンサ１は、外部からのトルクにより回転する回転軸１１、回転軸１１上でトルクを直接受感する受感部１３Ａおよび１３Ｂ（第１および第２の受感部）、受感部１３Ａおよび１３Ｂの周囲にそれぞれ巻回されるコイル１５Ａおよび１５Ｂ、以上の部位を収容するヨーク１７から少なくとも構成されている。
【００２０】
回転軸１１は、ベアリング１９Ａおよび１９Ｂを介して磁歪式トルクセンサ１本体に対して回転可能に支持されている。この回転軸１１は、通過する磁束の状態に応じて非磁性体でもよいし強磁性体でもよい。図１においては、回転軸１１の両端は異なる形状をなしている。これは、ベアリング１９Ａ側をモータに連結する一方で、ベアリング１９Ｂ側をブレーキに連結し、そのモータで回転軸１１を回転させ、ブレーキをかけたときに生じるトルクが回転軸１１に加わる場合を想定しているためであるが、両端の構成はこれに限られるわけではなく、両端が他の形状を有する場合でも以後の説明は全く変わらない。
【００２１】
受感部１３Ａおよび１３Ｂは、回転軸１１の長手方向の中心軸に対して０度より大きく９０度より小さい所定の傾斜角をなす方向を指向する磁気異方性を有している。磁気異方性とは、巨視的な磁化が一定方向を指向する傾向のことであり、外部磁場がないときに磁化が安定する方向、すなわち内部エネルギー（または磁気異方性エネルギー）が安定する方向は磁化容易軸と呼ばれる。
【００２２】
ヨーク１７は磁性材料から成り、回転軸１１とともにコイルを流れる電流によって生じる磁束を還流させて磁束の磁路を構成する。
【００２３】
なお、図示はしないが、各コイルの外側にさらに２次コイルをそれぞれ巻回し、それらとコイル１５Ａおよび１５Ｂとの相互誘導を利用してトルクを検出する構成にすることも可能である。
【００２４】
また、図１は、あくまで磁歪式トルクセンサ１要部の構成を示すものであり、図面記載を簡略化している部分もある。例えば、磁歪式トルクセンサ１を適用対象に固定するためのネジ等の部材については記載を省略している。
【００２５】
図２は、図１に示す磁歪式トルクセンサ１の矢視Ａ方向の側面図である。同図に示すように、磁歪式トルクセンサ１のヨーク１７側面が円形をなしていることが好ましいが、回転軸１１の長手方向中心軸に対して対称であれば、適用対象や磁歪式トルクセンサ１の配置位置等に応じて適宜変更可能である。
【００２６】
図３は、受感部１３Ａおよび１３Ｂの一構成例を示す説明図である。なお、以後の説明において、二つの受感部１３Ａおよび１３Ｂを特に区別する必要がない場合には、それらを一括して受感部１３と記載する。
【００２７】
受感部１３は、図３（ａ）に示すように、一様な磁気異方性（方位（１００）の磁化容易軸１００）を有する方向性けい素鋼帯等の方向性電磁鋼板２１から切り取った長方形型の面を有する部分により形成される。このような方向性電磁鋼板２１は圧延等によって形成される。圧延によって形成される場合には、圧延された方向に磁気異方性を有している。
【００２８】
方向性電磁鋼板２１の厚は、０．２０ｍｍ〜０．５０ｍｍ程度である。この厚は、０．３０ｍｍ〜０．４０ｍｍ程度であればより好ましく、最適値は０．３５ｍｍである。
【００２９】
図３（ａ）では、受感部１３を構成する上での理論的に最適な場合として、磁化容易軸１００に対して受感部１３の一つの面をなす長方形の一方の対辺が４５度の傾斜角をなしている場合を示している。なお、磁化容易軸１００が面をなす長方形のいずれの辺にも平行にならない方向を指向するように切り取れば、受感部１３として適用することは可能であるが、切り取るときの加工の難易度はその傾斜角によらないので、以後、最適値である４５度の角度で切り取ったものとして説明する。
【００３０】
次に、切り取った方向性電磁鋼板２１の長方形型の面の一組の対辺が当接するように巻いて造管し、円筒形状をなす受感部１３を形成する（図３（ｂ）を参照）。なお、図３（ｃ）は、図３（ｂ）に示す受感部１３の横断面を示すＸ−Ｘ線断面図である。
【００３１】
このように構成された受感部１３をコア部分として回転軸１１に嵌合または接合することにより、外部から加わるトルクに比例した磁気歪みが、受感部１３の円周方向に発生する。この結果、受感部１３に逆磁歪効果が生じてその透磁率が変化する。特に磁化容易軸１００方向の透磁率変化が、他の方向に比べて大きくなる。
【００３２】
図４は、外部からトルクが加わるときに受感部１３に加わる作用を模式的に示す説明図である。
【００３３】
このうち図４（ａ）は、受感部１３がＰ方向に回転（図で受感部１３の左側面から見たときに反時計回りに回転）するトルクが加わっている。このようなトルクが加わると受感部１３の表面では磁化容易軸１００の指向性によってその方向への透磁率変化が最も敏感に増加する。その結果、受感部１３を貫通する磁束は増加する。
【００３４】
他方、図４（ｂ）は、図４（ａ）と同様に受感部１３がＰ方向に回転するトルクが加わっている。この場合、受感部１３の磁化容易軸１００は図４（ａ）とは鉛直方向を対称軸として対称な方向を指向しているため、材料特性が図４（ａ）の場合と逆になり、受感部１３の透磁率は減少する。その結果、受感部１３を貫通する磁束も減少する。
【００３５】
以上二つの場合について説明してきたが、本実施形態においては、図４（ａ）に示す受感部１３を受感部１３Ｂ、図４（ｂ）に示す受感部１３を受感部１３Ａとして適用している（図１を参照）。この両者を逆にして磁歪式トルクセンサを構成することも勿論可能である。
【００３６】
このようにして、磁化容易軸１００の方向が、回転軸１１の中心軸に垂直であり、二つのコイル１５Ａおよび１５Ｂの対称軸に対して対称な方向を指向する二つの受感部１３Ａおよび１３Ｂを用いることにより、トルクの大きさだけでなく、トルクの方向も正確に検知することが可能となる。
【００３７】
すなわち、図１において、二つのコイル１５Ａおよび１５Ｂにおける自己インダクタンス変化の差がトルクの大きさに応じて大きくなるため、この差を差動増幅することによってトルクに対応するセンサ出力信号を得ることができる。このセンサ信号の大きさと出力値の正負により、トルクの大きさおよび方向を検出することができる。また、二つの受感部１３Ａおよび１３Ｂを用いれば、前述した感度の向上に加えて、温度特性の改善も実現することができる。
【００３８】
従来のように、受感部の表面に溝または磁歪材の膜を設けることによって磁気異方性を発現させる場合には、回転軸中の溝または膜以外の部位で磁気異方性を生じないため、その部分の磁気歪みは受感されない。この結果、受感部の重量あたりのセンサ感度は低下する。これに対して本実施形態の磁歪式トルクセンサ１は、回転軸１１中の磁気歪みが発生する部位全体に磁気異方性が発生するため、受感部１３の重量あたりのセンサ感度が向上するという効果が得られる。
【００３９】
なお、例えば、方向性電磁鋼板２１の内側に、図５の断面図に示すような棒状部材２３または図６の断面図に示すような円筒部材２５を装着することもできる。これら棒状部材２３または円筒部材２５は、磁束の状態に応じて強磁性体でもよいし、非磁性体でもよい。これらの部材のいずれかを受感部１３の中空内部に装着することにより、回転軸１１自体の強度が上がるので、受感部１３が同じ形状を有するものであっても更に大きなトルクを検知することが可能となる。
【００４０】
したがって、同じ外径を有する受感部１３を作成し、その中空内部に歪み応力の一部を分散するための部材を装着することにより、さまざまなトルクレンジを計測可能な磁歪式トルクセンサを製造することができる。この結果、受感部１３を含む回転軸１１等を大量に生産することが可能なり、コストを一段と低減させることができる。
【００４１】
以上説明した本発明の一実施形態によれば、磁気異方性の方向（磁化容易軸の方向）を受感部の軸方向に対して正確に４５度にすることができるため、高性能の磁歪式トルクセンサが得られる。
【００４２】
また、本実施形態によれば、回転軸中の歪みが発生する部位全体に磁気異方性があり、発生する歪みをすべて方向性電磁鋼板で支持することができるので、受感部の重量を軽くしても重量あたりの感度が高く、小型・軽量化をする上でも好適な磁歪式トルクセンサを提供できる。
【００４３】
さらに、本実施形態によれば、磁気異方性を発現するために特別な工程を行う必要がないため、大幅なコストダウンが可能となる。
【００４４】
加えて、本実施形態においては、通常の造管技術を適用して形成される同形状の受感部を、適用対象に必要とされるトルクレンジ等に応じて使い分けることができるので、量産効果によって一段とコストダウンすることが期待される。
【００４５】
以上説明した磁歪式トルクセンサは、例えば、電動アシスト自転車や電動車椅子等、人力に加えて電動モータを補助駆動力として利用する小型電動移動体において、人力によって外部から加わるトルクを検出する場合、あるいはオートバイ等の自動二輪車、四輪バギー、水上ビーグル等の操舵軸上に設けてハンドル操作時の回転トルクを検出するために好適である。これらの適用対象ごとに、磁歪式トルクセンサの大きさや回転軸の径、検出するトルクの絶対値および要求精度は異なる。しかしながら、その基本構成はいずれも上述したものに他ならない。
【００４６】
ところで、本発明は、以上説明した実施の形態のみに限られるわけではない。上述した一実施形態と同様の効果を奏する範囲内において、種々の設計変更等を行うことが可能であるとともに、前述した以外にもさまざまな適用例を想定することができることは勿論であり、この意味で、本発明は、上記一実施形態と同様の効果を奏するさまざまな実施の形態等を含みうるものである。
【００４７】
【発明の効果】
以上の説明からも明らかなように、本発明によれば、トルク受感部に磁気異方性を持たせるための加工が容易であるとともに高感度かつ高精度であり、さらにコストの低減も図ることのできる磁歪式トルクセンサを提供することができる。
【００４８】
また、本発明よれば、同形状のトルク受感部を適用対象で必要なトルクレンジに関わらず量産できるため、磁歪式トルクセンサを安価で提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係る磁歪式トルクセンサの構成を示す部分断面図である。
【図２】図１の矢視Ａ方向の側面図である。
【図３】本発明の一実施形態に係る磁歪式トルクセンサの受感部の構成を示す説明図である。
【図４】外部からトルクが加わり、受感部に透磁率変化が生じる場合の概略を示す説明図である。
【図５】受感部に棒状部材を挿入したときの断面図である。
【図６】受感部に管状部材を挿入したときの断面図である。
【符号の説明】
１磁歪式トルクセンサ
１１回転軸
１３、１３Ａ、１３Ｂ受感部
１５Ａ、１５Ｂコイル
１７ヨーク
１９Ａ、１９Ｂベアリング
２１方向性電磁鋼板
２３棒状部材
２５円筒部材
１００磁化容易軸

Claims

強磁性体から成る回転軸の周囲に磁場を与えるためのコイルを巻回し、外部から加わるトルクによる前記回転軸の歪に起因する透磁率の変化に基づいて前記トルクを検知する磁歪式トルクセンサにおいて、
前記回転軸の長手方向の中心軸に対して０度より大きく９０度より小さい角度をなす方向に磁化容易軸を持つ強磁性材料から構成され、前記回転軸に加わるトルクを受感する第１および第２の受感部を備えたことを特徴とする磁歪式トルクセンサ。
前記強磁性材料は、方向性電磁鋼板であることを特徴とする請求項１記載の磁歪式トルクセンサ。
前記第１および第２の受感部は、前記回転軸の長手方向の中心軸と直交する軸のいずれかを対称軸として互いに対称な方向を指向する磁気異方性をそれぞれ有することを特徴とする請求項１または２記載の磁歪式トルクセンサ。
前記磁気異方性は、少なくとも前記回転軸の長手方向に対して４５度の角度をなす方向を指向することを特徴とする請求項３記載の磁歪式トルクセンサ。
前記第１および第２の受感部は、前記方向性電磁鋼板が円筒形に加工されて成ることを特徴とする請求項２乃至４のいずれか１項記載の磁歪式トルクセンサ。