JP2004184188A

JP2004184188A - 磁歪式トルクセンサ

Info

Publication number: JP2004184188A
Application number: JP2002350458A
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】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直線状に貫通または穿設されて成る複数の孔部を有し、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直線状に貫通または穿設されて成る複数の孔部を有し、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、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直線状に貫通または穿設されて成る複数の孔部を有し、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形状をなすことを要旨とする。
【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、前記複数の孔部の各々の位置が、前記回転軸の所定角回転後に当該回転前の前記複数の孔部のいずれかの位置と一致する回転対称性を有することを要旨とする。
【００１５】
請求項４記載の本発明は、請求項１乃至３のいずれかに記載の発明において、前記複数の孔部は、少なくとも前記回転軸の長手方向の中心軸に対して４５度の角度をなす方向に貫通または穿設されて成ることを要旨とする。
【００１６】
【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。
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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（軸心）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。
【００２３】
受感部１３Ａおよび１３Ｂは、回転軸１１上に孔部としての貫通孔を複数設けることによって構成され、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に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。
【００２４】
このような磁気異方性を持たせるために、回転軸１１のうち周囲にコイル１５Ａまたは１５Ｂが巻回されている部分には、複数の貫通孔がドリル等を用いて回転軸１１を貫通することによって設けられている。図１の受感部１３Ａおよび１３Ｂに記載した破線は、貫通孔の一部を明示するために記載したものである。
【００２５】
図３は、回転軸１１上で貫通されて成る貫通孔の一構成例を示す説明図である。図３（ａ）は、回転軸１１表面における複数の貫通孔の配列を示す側面図である。同図に示す場合、複数の貫通孔２１は、回転軸１１上に規則的に二列に配列されるようにドリル等によって貫通されて形成される。より具体的には、直径が１０ｍｍ程度の回転軸１１に対して、１．５ｍｍ径のドリルで貫通した２列をなす貫通孔２１が設けられている。
【００２６】
図３（ｂ）は、図３（ａ）の矢視Ｂ方向の側面図であり、貫通孔２１は破線により表示している。
【００２７】
貫通孔２１は、それぞれ図３（ａ）の矢視Ｃ方向のＹ−Ｙ線断面図と矢視Ｄ方向のＸ−Ｘ線断面図である図３（ｃ）と図３（ｄ）に示すように、回転軸１１の長手方向に対して４５度の傾斜角をなす方向に直線状に貫通されて成る。
【００２８】
加えて、回転軸１１（特にそのうちの受感部１３Ａおよび１３Ｂ）は、長手方向の中心軸に対して１８０度回転対称になっている。すなわち、回転軸１１を長手方向の中心軸に対して１８０度回転させると、各貫通孔２１が回転前のいずれかの貫通孔２１の位置に一致する。このような対称性を持たせるのは、回転軸１１の磁気異方性の方向が揃うようにした方が感度を高くすることができるためである。
【００２９】
貫通孔２１は、回転軸１１の長手方向中心軸に対して４５度をなしていれば、受感部１３Ａおよび１３Ｂの感度を上げる意味で最も好ましい。それ以外でも回転軸１１の長手方向と平行でなければ構わないが、貫通孔を設けるときの加工の難易度は傾斜角によらないので、以後、最適値である４５度の角度で貫通孔２１を形成したものとして説明する。
【００３０】
図４は、外部からトルクが加わるときに受感部１３Ａおよび１３Ｂに加わる作用を模式的に示す説明図である。
【００３１】
このうち図４（ａ）は、受感部１３Ａ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１３Ａの表面では引張変形を受け、受感部１３Ａの透磁率が増加する。その結果、受感部１３Ａを貫通する磁束も増加する。
【００３２】
他方、図４（ｂ）は、図４（ａ）と同様に受感部１３Ｂ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１３Ｂの形状は、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、特性が図４（ａ）の場合と逆になり、受感部１３Ｂに圧縮変形が生じ、受感部１３Ｂの透磁率は減少する。その結果、受感部１３Ｂを貫通する磁束も減少する。
【００３３】
以上説明したように、磁化容易軸の方向が異なる二つの受感部１３Ａおよび１３Ｂを回転軸１１に設けることにより、トルクを受感するときの二つのコイル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。
【００３４】
ちなみに、二つの受感部に設けられる貫通孔２１の傾斜方向を逆にして本実施形態に係る磁歪式トルクセンサを構成することも勿論可能である。
【００３５】
従来のように、受感部の表面に溝等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、切削加工を行うための高度な技術が必要になる。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をドリル等で貫通するだけの簡単な加工で済み、加工時間の大幅な削減とコストダウンを図ることが可能となる。
【００３６】
ところで、貫通孔２１の径およびその数、並びに貫通位置は、回転軸１１の軸径や磁歪式トルクセンサ１の適用対象に応じた所望の感度等に応じて適宜変化する。
【００３７】
例えば、回転軸１１の軸径が大きい場合には、貫通孔をさらに多数設けることが可能になる。図５は、そのような例を示す説明図である。回転軸１１には、図５（ａ）に示すように４つの貫通孔の列が設けられている。このうち、回転軸１１の長手方向中心軸に近い方の列をなす複数の貫通孔を貫通孔３１と記載する一方、遠い方の列をなす複数の貫通孔を貫通孔３３と記載する。なお、図５（ａ）の貫通孔３１および３３は、１．５ｍｍ径のドリルを用いて形成してもよいし、軸径が大きいことに鑑みて、３ｍｍ径のドリルを用いて形成してもよい。
【００３８】
図５（ｂ）は、図５（ａ）の矢視Ｅ方向の側面図である。同図に示すように、貫通孔は、回転軸１１の軸心に近い方に列をなす貫通孔３１と、それらの貫通孔３１よりも回転軸１１の表面に近いほうで貫通される貫通孔３３とがそれぞれ対をなして設けられており、回転軸１１の長手方向中心軸に対して１８０度の回転対称性を有する。
【００３９】
図５（ｃ）は、貫通孔３１の形成例を示す図５（ａ）の矢視Ｆ方向のＸ’−Ｘ’線断面図である。また、図５（ｄ）は、貫通孔３３の形成例を示す図５（ａ）の矢視Ｆ方向のＹ’−Ｙ’線断面図である。これらの図からも明らかなように、貫通孔３１および３３は、すべて回転軸１１の長手方向中心軸に対して４５度の傾斜角をなすように貫通されている。
【００４０】
図５を用いて説明した場合のように、さらに多数の貫通孔を設けることにより、回転軸１１の全体積中で磁気異方性を有する体積の割合が増加するので、感度を一段と向上させることができる。
【００４１】
なお、軸径が大きくさらに多数の貫通孔を設けることができる場合には、たとえば軸心に対する回転対称性をさらに高めることも可能である。感度だけを考慮した場合、理想的には円と同様の回転対称性を有していれば最も好ましいが、実際には適用対象に応じて確保すべきトルクレンジや軸径は異なるため、個々のケースに対して感度と体積減による強度変化のバランスを保持しうる最適な貫通方法を選択することになる。
【００４２】
図６は、貫通孔を多数設けるとともに、回転軸１１の軸心に対する回転対称性をさらに高めた場合の例を示す説明図である。
【００４３】
このうち、図６（ａ）は、複数の貫通孔の配列を示す側面図である。同図に示す複数の貫通孔は、回転軸１１上に規則的に配列されるようにドリル等によって貫通される。各貫通孔が回転軸１１の長手方向中心軸に対して４５度の角度をなす点については上述した場合（図３を参照）と同様であるが、図６（ａ）の矢視Ｇ方向の側面図である図６（ｂ）に示すように、図３の場合よりも高い回転対称性を有する。より具体的には、表面で列をなす直線状の貫通孔４１、４３、および４５は、矢視Ｇ方向から見ると、互いに６０度の角度をなして貫通されているように見える。したがって、回転軸１１を長手方向中心軸に対して１２０度回転したときに、各貫通孔は回転前のいずれかの貫通孔の位置にする。すなわち、回転軸１１は長手方向中心軸に対して１２０度の回転対称性を有している。
【００４４】
なお、図６（ｂ）の矢視Ｈ方向のＺ−Ｚ断面図は、図５（ｂ）に示したものと同様である。
【００４５】
また、図６においても、１．５ｍｍ径または３ｍｍ径のドリルによって同じ径を有する複数の貫通孔を形成することに変わりはない。
【００４６】
このように回転軸１１の軸心方向に対する対称性を高めることにより、回転軸１１の最表面に近い部分に磁気異方性を発現させることが可能となるため、本実施形態に係る磁歪式トルクセンサの感度を向上させる意味ではより好ましい。
【００４７】
例えば、回転軸１１の長手方向中心軸に対して、一般に（３６０／ｎ）度回転対称（ｎは２以上の整数）となるように貫通孔を形成することができる。このうち、９０度回転対称（ｎ＝４）の場合には、図６（ｂ）に対応する側面図において、貫通孔が正方形の各辺（の一部）に対応する。また、７２度回転対称（ｎ＝５）の場合には、図６（ｂ）に対応する側面図において、貫通孔は正５角形の各辺（の一部）に対応する。
【００４８】
この意味では、円と同程度の回転対称性を有するように貫通孔を設ければ感度をいくらでもよくすることができるが、一方で貫通技術の難度が高くなるとともに、回転軸１１の強度が弱くなるという問題も生じる。そこで、適用対象によって感度と体積減による強度変化のバランスを優先させる必要も出てくるので、貫通孔をどのように設けるかは、適用対象に応じて最適なものを選択するのが望ましい。
【００４９】
図７は、回転軸１１の第４の構成例を示す説明図である。このうち図７（ａ）は側面図を示し、図７（ｂ）は図７（ａ）の矢視Ｉ方向の側面図を示している。
【００５０】
磁束を通すのは回転軸１１の表面なので、貫通孔はできるだけ軸心から遠く最表面に近い方が望ましい。そこで、磁束が通る表面積を増加させるために、図７においては、貫通孔５１を図３と同様に設けた後、回転軸１１の一部を削り、貫通孔５１を露出させ、さらに感度を上昇を図っている。また、この形状を鍛造により形成することで、さらに加工難易度を低下し、その結果加工時間を一段と短縮することができる。
【００５１】
以上説明した本発明の一実施形態によれば、貫通孔をドリルで貫通して貫通孔を設けるだけの簡単な加工で済むため、上記従来技術で説明した場合のような切削、マスキング等の難しい加工が不要であり、回転軸に磁気異方性を発現させるための加工が容易である。したがって、加工時間も大幅に短縮可能であり、コストも削減できる。
【００５２】
また、溶射等を用いる場合のように、磁歪材を無駄に消費することがないため、材料費も削減できる。
【００５３】
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。
【００５４】
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。
【００５５】
例えば、回転軸１１に複数の貫通孔を設ける代わりに、穿設によって有底の孔部である穿設孔６１を複数設けることによって受感部１３Ａおよび１３Ｂを構成してもよい。図８は、この場合の受感部の一構成例を示す説明図であり、図８（ａ）の側面図に対して、図８（ｂ）が矢視Ｊ方向のＷ−Ｗ線断面図を、図８（ｃ）が矢視Ｋ方向のＶ−Ｖ線断面図をそれぞれ示している。なお、図８においては、穿設孔６１の穿設方向が回転軸１１の長手方向中心軸に対して４５度の角度をなす最適な場合を図示している。
【００５６】
以上のように構成される受感部を有する回転軸１１が、長手方向中心軸に対して１８０度の回転対称性を有するのは明らかである。なお、上述した貫通孔の場合と同様に、さらに高い回転対称性を有する形状の回転軸１１を形成することも可能である。
【００５７】
このように穿設孔を複数設けることによって受感部を構成する場合にも、上述した実施の形態と同様の効果が得られるのは勿論であり、特に、孔部の体積増により磁歪式トルクセンサの感度を向上させる意味で大きな効果を得ることができる。
【００５８】
この例からも明らかなように、本発明は、上述した実施の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。すなわち、本発明は、上記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。
【００５９】
【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。
【００６０】
特に、本発明によれば、トルクを受感するのに最適な磁気異方性を容易に受感部に持たせることができる。
【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例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】受感部の別な構成例を示す説明図である。
【図６】受感部の第３の構成例を示す説明図である。
【図７】受感部の第４の構成例を示す説明図である。
【図８】本発明の別な実施形態に係る磁歪式トルクセンサの受感部の構成例を示す説明図である。
【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、３１、３３、４１、４３、４５、５１貫通孔
６１穿設孔

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直線状に貫通または穿設されて成る複数の孔部を有し、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形状をなす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、前記複数の孔部の各々の位置が、前記回転軸の所定角回転後に当該回転前の前記複数の孔部のいずれかの位置と一致する回転対称性を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。
前記複数の孔部は、少なくとも前記回転軸の長手方向の中心軸に対して４５度の角度をなす方向に貫通または穿設されて成ることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項記載の磁歪式トルクセンサ。