JP2005241563A

JP2005241563A - トルクセンサ

Info

Publication number: JP2005241563A
Application number: JP2004054405A
Authority: JP
Inventors: Toshio Chamura; 俊夫茶村; Shuichi Onabeda; 周一女部田
Original assignee: TDK Corp
Current assignee: TDK Corp
Priority date: 2004-02-27
Filing date: 2004-02-27
Publication date: 2005-09-08

Abstract

【課題】構造の簡素化、低コスト化等が実現可能でありながら、同時に、トルク変化の検出を高感度で行うことができるトルクセンサを提供する。
【解決手段】トルクセンサ１０は、少なくとも一部がシャフト１２に挟み込まれ、且つ、このシャフト１２の捻れに伴って変形可能な超磁歪部材１４と、この超磁歪部材１４の変形に基づく透磁率又は残留磁化量の変化を検出するためのピックアップコイル１６と、を有して構成されている。そして、シャフト１２におけるトルク変化を、超磁歪部材１４の透磁率又は残留磁化量の変化として検出するようにした。
【選択図】図１

Description

本発明は、磁歪素子を用いたトルクセンサに関する。

従来、磁歪素子の応力磁気効果を用いてトルクの変化を検出可能としたトルクセンサが広く知られている。

例えば、図８に示される従来公知のトルクセンサ１は、チタン合金製のトルク伝達軸２と、このトルク伝達軸２の周囲に同心円状に巻回されたコイル３Ａ、３Ｂと、を有して構成されており、トルク伝達軸２の表面には、熱処理によって内部応力を低減させた磁歪を有するニッケルー鉄磁性材料薄帯４Ａ、４Ｂが、平面圧縮応力を印加させた状態で接着されている。

このトルクセンサ１は、トルク伝達軸２から伝達された応力に基づく磁性薄帯４Ａ、４Ｂの磁気特性の変化を、コイル３Ａ、３Ｂのインピーダンス変化として検出し、トルク変化を検出するようにしたものである。

特開平５−５６６０号公報

しかしながら、この従来公知のトルクセンサ１は、磁歪薄体４Ａ、４Ｂの加工や接着が困難でコスト高になってしまう上に、磁歪薄体４Ａ、４Ｂにおける磁気特性の変化が小さく、検出感度の向上には限界があった。

本発明は、このような問題点を解決するためになされたものであって、構造の簡素化、低コスト化等が実現可能でありながら、同時に、トルク変化の検出を高感度で行うことができるトルクセンサを提供することを目的とする。

本発明の発明者は、鋭意研究の結果、構造の簡素化、低コスト化等が実現可能でありながら、同時に、トルク変化の検出を高感度で行うことができるトルクセンサを見出した。

即ち、次のような本発明により、上記目的を達成することができる。

（１）少なくとも一部がシャフトに挟み込まれ、且つ、該シャフトの捻れに伴って変形可能な磁歪部材と、該磁歪部材の変形に基づく透磁率又は残留磁化量の変化を検出するための検出手段と、を有してなり、前記シャフトにおけるトルク変化を、前記磁歪部材の透磁率又は残留磁化量の変化として検出するようにしたことを特徴とするトルクセンサ。

（２）前記検出手段は、前記シャフトの外周を囲むように配設されたピックアップコイルを含み、前記磁歪部材の透磁率又は残留磁化量の変化を前記ピックアップコイルのインダクタンス値の変化として検出するようにしたことを特徴とする前記（１）記載のトルクセンサ。

（３）前記検出手段は、前記磁歪部材の周囲に巻回されたピックアップコイルと、該ピックアップコイルを囲んで前記シャフトの外周に巻回された発信コイルと、該発信コイルの外周を囲むように配設された受信コイルと、を含み、前記磁歪部材の透磁率又は残留磁化量の変化を、前記ピックアップコイルのインダクタンス値の変化として前記受信コイルで検出するようにしたことを特徴とする前記（１）記載のトルクセンサ。

（４）前記検出手段はホール素子を含み、前記磁歪部材の透磁率又は残留磁化量の変化を前記ホール素子の起電力変化として検出するようにしたことを特徴とする前記（１）記載のトルクセンサ。

（５）前記検出手段は磁気抵抗効果素子を含み、前記磁歪部材の透磁率又は残留磁化量の変化を前記磁気抵抗効果素子の起電力変化として検出するようにしたことを特徴とする前記（１）記載のトルクセンサ。

（６）前記磁歪部材は、前記シャフトの周方向に略等間隔で複数個挟み込まれていることを特徴とする前記（１）乃至（５）のいずれかに記載のトルクセンサ。

（７）前記磁歪部材は、超磁歪素子を材料とする超磁歪部材からなることを特徴とする前記（１）乃至（６）のいずれかに記載のトルクセンサ。

本発明に係るトルクセンサによれば、構造の簡素化、低コスト化等が実現可能でありながら、同時に、トルク変化の検出を高感度で行うことができるという優れた効果を有する。

本発明は、少なくとも一部がシャフトに挟み込まれ、且つ、該シャフトの捻れに伴って変形可能な磁歪部材と、該磁歪部材の変形に基づく透磁率又は残留磁化量の変化を検出するための検出手段と、を有してなり、前記シャフトにおけるトルク変化を、前記磁歪部材の透磁率又は残留磁化量の変化として検出するようにしたことによって、上記課題を解決したものである。

以下、図を用いて、本発明の実施例１及び実施例２に係るトルクセンサについて詳細に説明する。

図１及び図２に示されるように、本発明の実施例１に係るトルクセンサ１０は、シャフト１２に挟み込まれた略直方体形状の超磁歪部材１４と、シャフト１２の外周を囲むように配設されたピックアップコイル１６と、を有して構成されている。

シャフト１２は、本実施例においては、２本の、第１シャフト１８及び第２シャフト２０によって構成されている。又、これら第１、第２シャフト１８、２０は、軸方向断面が略半円形状の突出部１８Ａ、２０Ａを有しており、第１、第２シャフト１８、２０は、この突出部１８Ａ、２０Ａが軸方向で互い違いとなる状態で一体化されている。なお、シャフト１２には、セラミックスやプラスチック等の非磁性、且つ、絶縁体の材料を適用することが好ましい。

超磁歪部材１４は、第１シャフト１８の突出部１８Ａと、第２シャフト２０の突出部２０Ａとの間に挟み込まれており、シャフト１２の捻れに伴って変形可能となっている。又、超磁歪部材１４は、超磁歪素子を材料としている。ここで、「超磁歪素子」とは、希土類元素および／または特定の遷移金属などを主成分（例えば、テルビウム、ジスプロシウム、鉄など）とする粉末焼結合金あるいは単結晶合金から作られた磁歪素子をいい、外部からの応力によって変形すると大きな透磁率又は残留磁化量の変化を生じる性質を有している。

ピックアップコイル１６は、この超磁歪部材１４の変形に基づく透磁率又は残留磁化量の変化を検出可能である。

次に、本発明の実施例１に係るトルクセンサ１０の作用について説明する。

シャフト１２に捻り応力が加えられると、シャフト１２に挟み込まれた超磁歪部材１４はシャフト１２から所定の圧縮力を受ける。そして、この圧縮力によって超磁歪部材１４には変形が生じる。その結果、ピックアップコイル１６の内側空間に占める超磁歪部材１４の容積が変化すると共に、この超磁歪部材１４の透磁率又は残留磁化量が変化する。従って、この透磁率または残留磁化率の変化をピックアップコイル１６のインダクタンス値の変化として検出することで、シャフト１２のトルク変化を検出することができる。

本実施例１におけるトルクセンサ１０によれば、少なくとも一部がシャフト１２に挟み込まれ、且つ、このシャフト１２の捻れに伴って変形可能な超磁歪部材１４と、この超磁歪部材１４の変形に基づく透磁率又は残留磁化量の変化を検出するためのピックアップコイル（検出手段）１６と、を有してなり、シャフト１２におけるトルク変化を、超磁歪部材１４の透磁率又は残留磁化量の変化として検出するようにしたため、トルク変化の検出を高感度で行うことができる。又、従来のトルクセンサに比べ、構造を簡素化することができ、低コスト化を容易に実現することができる。

特に、超磁歪素子を材料とする超磁歪部材１４を用いているため、より一層、トルク変化の検出感度を高めることができる。

次に、図３及び図４を用いて、本発明の実施例２に係るトルクセンサについて説明する。

図に示されるように、本発明の実施例２に係るトルクセンサ３０は、シャフト１２に挟み込まれた略直方体形状の超磁歪部材１４と、この超磁歪部材１４の周囲に巻回されたピックアップコイル３２と、このピックアップコイル３２を囲んでシャフト１２の外周に巻回された発信コイル３４と、この発信コイル３４の外周を囲むように配設された受信コイル３６と、を有して構成されている。なお、上記実施例１に係るトルクセンサ１０と同様な部分については、図中において同じ符号を付す事とし、その説明は省略する。

このトルクセンサ３０は、超磁歪部材１４の透磁率又は残留磁化量の変化を、ピックアップコイル３２のインダクタンス値の変化として受信コイル３６で検出するようにしたものである。なお、この例では、超磁歪部材１４は、第１、第２シャフト１８、２０の突出部１８Ａ、２０Ａよりも短寸とされ、ピックアップコイル３２は、第１、第２シャフト１８、２０の軸方向端面と超磁歪部材１４との間に形成された隙間に配設されている。

本実施例２におけるトルクセンサ３０によれば、ピックアップコイル３２を超磁歪部材１４の近傍に配設することができ、より一層、トルク変化の検出感度を向上することができる。又、発信コイル３４及び受信コイル３６からなる伝送コイルによって、トルク変化の検出をシャフト１２と非接触の状態で行うことができ、回転部材及び非回転部材間における磨耗等を未然に防止することができ、信頼性を高めることができる。

なお、本実施例２においては、第１、第２シャフト１８、２０の軸方向端面と超磁歪部材１４との間に形成された隙間にピックアップコイル３２を配設したが、本発明はこれに限定されず、超磁歪部材１４がシャフト１２の捻れに伴って変形可能となっていればよい。

従って、例えば、図５に示されるように、第１、第２シャフト１８、２０の突出部１８Ａ、２０Ａと超磁歪部材１４との間に形成された溝にピックアップコイル３２を配設してもよい。

本発明に係るトルクセンサは、上記実施例１、２に係るトルクセンサ１０、３０の形状や構造等に限定されるものではなく、例えば、超磁歪部材１４は、少なくとも一部がシャフト１２に挟み込まれ、且つ、シャフト１２の捻れに伴って変形可能であればよい。

従って、例えば、図６に示されるように、軸方向断面が略台形形状の超磁歪部材４０を、シャフト４２の周方向に略等間隔で複数個挟み込んだり、又、図７に示されるように、軸方向断面が略正方形形状の超磁歪部材４４を、シャフト４６の周方向に略等間隔で複数個挟み込んだ構造としてもよい。この場合、トルクの検出感度を更に高めることができる上に、検出感度の均一化を図ることができる。

又、本発明における「検出手段」はホール素子を含み、磁歪部材の透磁率又は残留磁化量の変化をホール素子の起電力変化として検出するようにしてもよく、更に、「検出手段」はＭＲ、ＧＭＲ等の磁気抵抗効果素子を含み、磁歪部材の透磁率又は残留磁化量の変化を磁気抵抗効果素子の起電力変化として検出するようにしてもよい。

なお、トルクセンサの検出感度をそれ程高める必要がない場合等には、超磁歪部材の代わりに、磁歪素子からなる磁歪部材を適用してもよい。

本発明の実施例１に係るトルクセンサの略示側断面図図１におけるII−II線に沿った略示断面図本発明の実施例２に係るトルクセンサの略示側断面図図３におけるIV−IV線に沿った略示断面図図３におけるシャフトの他の例を示す略示部分側断面図本発明の他の例に係るトルクセンサの略示断面図本発明の更に他の例に係るトルクセンサの略示断面図従来のトルクセンサの略示側断面図

符号の説明

１、１０、３０…トルクセンサ
２…トルク伝達軸
３Ａ、３Ｂ…コイル
４Ａ、４Ｂ…磁性薄帯
１２、４２、４６…シャフト
１４、４０、４４…超磁歪部材
１６、３２…ピックアップコイル
１８…第１シャフト
２０…第２シャフト
３４…発信コイル
３６…受信コイル

Claims

少なくとも一部がシャフトに挟み込まれ、且つ、該シャフトの捻れに伴って変形可能な磁歪部材と、該磁歪部材の変形に基づく透磁率又は残留磁化量の変化を検出するための検出手段と、を有してなり、前記シャフトにおけるトルク変化を、前記磁歪部材の透磁率又は残留磁化量の変化として検出するようにしたことを特徴とするトルクセンサ。
請求項１において、
前記検出手段は、前記シャフトの外周を囲むように配設されたピックアップコイルを含み、前記磁歪部材の透磁率又は残留磁化量の変化を前記ピックアップコイルのインダクタンス値の変化として検出するようにしたことを特徴とするトルクセンサ。
請求項１において、
前記検出手段は、前記磁歪部材の周囲に巻回されたピックアップコイルと、該ピックアップコイルを囲んで前記シャフトの外周に巻回された発信コイルと、該発信コイルの外周を囲むように配設された受信コイルと、を含み、前記磁歪部材の透磁率又は残留磁化量の変化を、前記ピックアップコイルのインダクタンス値の変化として前記受信コイルで検出するようにしたことを特徴とするトルクセンサ。
請求項１において、
前記検出手段はホール素子を含み、前記磁歪部材の透磁率又は残留磁化量の変化を前記ホール素子の起電力変化として検出するようにしたことを特徴とするトルクセンサ。
請求項１において、
前記検出手段は磁気抵抗効果素子を含み、前記磁歪部材の透磁率又は残留磁化量の変化を前記磁気抵抗効果素子の起電力変化として検出するようにしたことを特徴とするトルクセンサ。
請求項１乃至５のいずれかにおいて、
前記磁歪部材は、前記シャフトの周方向に略等間隔で複数個挟み込まれていることを特徴とするトルクセンサ。
請求項１乃至６のいずれかにおいて、
前記磁歪部材は、超磁歪素子を材料とする超磁歪部材からなることを特徴とするトルクセンサ。