JP2005274159A - Torque sensor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、磁歪素子を用いたトルクセンサに関する。 The present invention relates to a torque sensor using a magnetostrictive element.
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。このようなトルクセンサは、自動車ハンドルの回転操作力の検知等に適用され、所定の強度が必要とされる。 Conventionally, a torque sensor that can detect a change in torque by using a stress magnetic effect of a magnetostrictive element is widely known. Such a torque sensor is applied to detection of a rotational operation force of an automobile handle, and a predetermined strength is required.
例えば、図10に示されるトルクセンサ1は、複数の孔2Aが形成された磁歪合金薄帯2をシャフト3の外周に接着固定して構成されている。このトルクセンサ1では、シャフト3のトルクが1箇所に集中しないように、トルクを磁歪合金薄帯2の複数の孔2Aで分散させることによって、強度の向上が図られている。 For example, the torque sensor 1 shown in FIG. 10 is configured by bonding and fixing a magnetostrictive alloy ribbon 2 having a plurality of holes 2 </ b> A to the outer periphery of the shaft 3. In this torque sensor 1, the strength is improved by dispersing the torque in the plurality of holes 2 </ b> A of the magnetostrictive alloy ribbon 2 so that the torque of the shaft 3 is not concentrated in one place.
しかしながら、この従来公知のトルクセンサ1は、シャフト3のトルクに対して、ある程度の強度を確保することができる一方で、磁歪合金薄帯2の加工や接着が困難でコスト高になってしまう上に、磁歪合金薄帯2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。 However, while this conventionally known torque sensor 1 can secure a certain degree of strength against the torque of the shaft 3, it is difficult to process and bond the magnetostrictive alloy ribbon 2 and increases the cost. In addition, the change in magnetic properties in the magnetostrictive alloy ribbon 2 is small, and there is a limit to the improvement of detection sensitivity.
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、低コスト化や検出感度の向上が実現可能でありながら、同時に、装置の破損等を未然に防止可能で、トルクに対する強度を向上させる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。 The present invention has been made to solve such problems, and while being able to reduce costs and improve detection sensitivity, at the same time, it is possible to prevent damage to the device and to prevent torque. It aims at providing the torque sensor which can improve the intensity | strength with respect to.
本発明の発明者は、鋭意研究の結果、低コスト化や検出感度の向上が実現可能でありながら、同時に、装置の破損等を未然に防止可能で、トルクに対する強度を向上させることができるトルクセンサを見出した。 As a result of earnest research, the inventor of the present invention is able to reduce costs and improve detection sensitivity, but at the same time, can prevent damage to the device and the like, and can improve the strength against torque I found a sensor.
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。 That is, the above-described object can be achieved by the following present invention.
(1)磁歪部材を備え、且つ、一端が固定部に固定された略筒状の磁歪ロッドと、該磁歪ロッドの内側空間内を貫通して配設され、且つ、前記磁歪ロッドの他端側に該磁歪ロッドの内径よりも大径の突出部を備えたシャフトと、該シャフトにおける前記突出部を前記磁歪ロッドの他端側に付勢するための弾性部材と、前記磁歪ロッドの変形に基づく該磁歪ロッドの透磁率又は残留磁化量の変化を検出可能な検出手段と、を有してなり、前記シャフトのトルクは、該シャフトの突出部と前記磁歪ロッドとの間に作用する摩擦力によって前記磁歪ロッドに伝達可能とされていることを特徴とするトルクセンサ。 (1) A substantially cylindrical magnetostrictive rod having a magnetostrictive member and having one end fixed to a fixed portion, and disposed through the inner space of the magnetostrictive rod, and the other end side of the magnetostrictive rod A shaft provided with a protruding portion having a diameter larger than the inner diameter of the magnetostrictive rod, an elastic member for biasing the protruding portion of the shaft toward the other end of the magnetostrictive rod, and based on deformation of the magnetostrictive rod. Detecting means capable of detecting a change in permeability or residual magnetization amount of the magnetostrictive rod, and the torque of the shaft is caused by a frictional force acting between the protruding portion of the shaft and the magnetostrictive rod. A torque sensor characterized in that transmission to the magnetostrictive rod is possible.
(2)前記弾性部材の付勢力は調整可能とされていることを特徴とする前記(1)記載のトルクセンサ。 (2) The torque sensor according to (1), wherein the urging force of the elastic member is adjustable.
(3)前記磁歪ロッドには所定のバイアス磁界が印加されていることを特徴とする前記(1)又は(2)記載のトルクセンサ。 (3) The torque sensor according to (1) or (2), wherein a predetermined bias magnetic field is applied to the magnetostrictive rod.
(4)前記シャフトの突出部は、前記磁歪ロッドの他端側の外径よりも大径とされていることを特徴とする前記(1)乃至(3)のいずれかに記載のトルクセンサ。 (4) The torque sensor according to any one of (1) to (3), wherein the protruding portion of the shaft has a larger diameter than the outer diameter on the other end side of the magnetostrictive rod.
(5)前記シャフトの突出部と前記磁歪ロッドとの間に弾性シートを介在させたことを特徴とする前記(1)乃至(4)のいずれかに記載のトルクセンサ。 (5) The torque sensor according to any one of (1) to (4), wherein an elastic sheet is interposed between the protruding portion of the shaft and the magnetostrictive rod.
(6)前記検出手段は、前記磁歪ロッドの外周を囲むように配設された検出コイルを含み、前記磁歪ロッドの透磁率又は残留磁化量の変化を前記検出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)乃至(5)のいずれかに記載のトルクセンサ。 (6) The detection means includes a detection coil disposed so as to surround the outer periphery of the magnetostrictive rod, and detects a change in permeability or residual magnetization of the magnetostrictive rod as a change in inductance value of the detection coil. The torque sensor according to any one of (1) to (5), wherein the torque sensor is configured as described above.
(7)前記検出手段はホール素子を含み、前記磁歪ロッド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)乃至(5)のいずれかに記載のトルクセンサ。 (7) The detection means includes a Hall element, and detects a change in magnetic permeability or residual magnetization of the magnetostrictive rod as a change in electromotive force of the Hall element. The torque sensor according to any one of the above.
(8)前記検出手段は磁気抵抗効果素子を含み、前記磁歪ロッド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)乃至(5)のいずれかに記載のトルクセンサ。 (8) The detection means includes a magnetoresistive effect element, and detects a change in magnetic permeability or residual magnetization of the magnetostrictive rod as a change in electromotive force of the magnetoresistive effect element. The torque sensor according to any one of (5) to (5).
(9)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(8)のいずれかに記載のトルクセンサ。 (9) The torque sensor according to any one of (1) to (8), wherein the magnetostrictive member is a giant magnetostrictive member made of a giant magnetostrictive element.
本発明に係るトルクセンサによれば、低コスト化や検出感度の向上が実現可能でありながら、同時に、装置の破損等を未然に防止可能で、トルクに対する強度を向上させることができるという優れた効果を有する。 According to the torque sensor of the present invention, it is possible to reduce costs and improve detection sensitivity, but at the same time, it is possible to prevent damage to the device and to improve strength against torque. Has an effect.
本発明に係るトルクセンサは、磁歪部材を備え、且つ、一端が固定部に固定された略筒状の磁歪ロッドと、該磁歪ロッドの内側空間内を貫通して配設され、且つ、前記磁歪ロッドの他端側に該磁歪ロッドの内径よりも大径の突出部を備えたシャフトと、該シャフトにおける前記突出部を前記磁歪ロッドの他端側に付勢するための弾性部材と、前記磁歪ロッドの変形に基づく該磁歪ロッドの透磁率又は残留磁化量の変化を検出可能な検出手段と、を有してなり、前記シャフトのトルクは、該シャフトの突出部と前記磁歪ロッドとの間に作用する摩擦力によって前記磁歪ロッドに伝達可能とされていることによって、上記課題を解決したものである。 The torque sensor according to the present invention includes a substantially cylindrical magnetostrictive rod having a magnetostrictive member, one end of which is fixed to a fixed portion, an inner space of the magnetostrictive rod, and the magnetostrictive rod. A shaft provided with a protrusion having a diameter larger than the inner diameter of the magnetostrictive rod on the other end of the rod; an elastic member for biasing the protrusion on the shaft toward the other end of the magnetostrictive rod; and the magnetostriction Detecting means capable of detecting a change in permeability or residual magnetization of the magnetostrictive rod based on deformation of the rod, and the torque of the shaft is between the protruding portion of the shaft and the magnetostrictive rod. The above-mentioned problem is solved by being able to transmit to the magnetostrictive rod by the acting frictional force.
以下、図面を用いて、本発明の実施例1及び2に係るトルクセンサについて詳細に説明する。 Hereinafter, the torque sensor according to the first and second embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
図1及び図2に示されるように、本実施例1に係るトルクセンサ10は、ベース(固定部)12に下端14Aが固定された略円筒状の超磁歪ロッド14と、この超磁歪ロッド14の内側空間内を貫通して配設され、且つ、超磁歪ロッドの上端14B側に上側プレート(突出部)16を備えたシャフト18と、このシャフト18における上側プレート16を超磁歪ロッド14の上端14B側に付勢するためのばね(弾性部材)20と、超磁歪ロッド14の変形に基づく超磁歪ロッド14の透磁率又は残留磁化量の変化を検出可能な検出コイル(検出手段)22と、を有して構成されている。
As shown in FIGS. 1 and 2, the
超磁歪ロッド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。
The giant
シャフト18の上方に配設された上側プレート16は、この例では、略円板形状の部材からなり、その外径は、超磁歪ロッド14における上端14B側の外径よりも大径とされている。又、シャフト18の上側プレート16と超磁歪ロッド14の上端14Bとの間には、弾性シート24が介在されている。
In this example, the
一方、シャフト18の下方には、上側プレート16と略同形状の下側プレート26が配設されており、この下側プレート26は、ナット28によってシャフト18に沿って上下動可能な構造となっている。又、この下側プレート26とベース12との間には、ばね20が縮設されており、ばね20の付勢力は、下側プレート26を上下動させることによって調整が可能となっている。
On the other hand, a
検出コイル22は、超磁歪ロッド14の外周を囲むように配設されており、超磁歪ロッド14の透磁率又は残留磁化量の変化を検出可能である。
The
次に、本実施例1に係るトルクセンサ10の作用について説明する。
Next, the operation of the
シャフト18にトルクが加えられると、シャフト18に固定された上側プレート16がシャフト18の捩れに伴って回転する。この上側プレート16はばね20によって超磁歪ロッド14の上端14B側に付勢されているため、シャフト18のトルクは、上側プレート16と超磁歪ロッド14との間に作用する摩擦力によって超磁歪ロッド14に伝達される。その結果、超磁歪部材14に捻れ(変形)が生じ、この変形に基づいて超磁歪部材14の透磁率又は残留磁化量が変化する。従って、この超磁歪部材14の透磁率又は残留磁化率の変化を検出コイル22のインダクタンス値の変化として検出すれば、シャフト18のトルク変化を検出することができる。
When torque is applied to the
本発明の発明者は、図3に示されるようなトルク測定器30及びLCRメータ32を用いて、トルクセンサ10のシャフト18に印加されるトルクと、検出コイル22におけるインダクタンス値の関係についてデータを採集した。なお、本実験では、外形8mm、内径5mm、長さ20mmの円筒形状の超磁歪ロッド14と、線径0.2mm、線種UEW、巻数200ターン、コイル長0.13cmの検出コイル22を用いた。又、超磁歪ロッド14と上側プレート16との間には、弾性シート24としてテフロン(登録商標)シートを介在させた。
The inventor of the present invention uses the
又、本実施例1に係るトルクセンサ10との比較を行うために、図4に示されるような比較例1に係るトルクセンサ40についても同様のデータを採取した。なお、この比較例1に係るトルクセンサ40は、シャフト42に固定された略円板形状のプレート44を、超磁歪ロッド14の上端14Bに接着固定したものである。
In order to make a comparison with the
その結果、比較例1に係るトルクセンサ40は、図5に示されるように、トルクを0(cN・m)から徐々に増加させていったところ、トルクが80(cN・m)を超えたあたりで超磁歪ロッド14が破損に至った。
As a result, as shown in FIG. 5, the
一方、本実施例1に係るトルクセンサ10は、図6及び図7に示されるように、80(cN・m)を超えるトルクを加えた場合でも、トルクの最大値は50(cN・m)程度に抑止され、超磁歪ロッド14が破損に至ることは無かった。これは、シャフト18には80(cN・m)を超えるトルクが加えられたが、上側プレート16と超磁歪ロッド14との間に作用する摩擦力よりも超磁歪ロッド14が元の形状に復帰しようとする力が大きくなった結果、上側プレート16と超磁歪ロッド14との間に滑りが発生し、超磁歪ロッド14には50(cN・m)を超えるトルクが伝達されなかったことを意味する。なお、図6は超磁歪ロッド14に60kg/cm2の予荷重を印加した場合、図7は80kg/cm2の予荷重を印加した場合のデータをそれぞれ示したものである。
On the other hand, as shown in FIGS. 6 and 7, the
本実施例1に係るトルクセンサ10によれば、超磁歪部材を備え、且つ、一端14Aがベース(固定部)12に固定された略筒状の超磁歪ロッド14と、この超磁歪ロッド14の内側空間内を貫通して配設され、且つ、超磁歪ロッドの他端14B側に、この超磁歪ロッド14の内径よりも大径の上側プレート(突出部)16を備えたシャフト18と、このシャフト18における上側プレート16を超磁歪ロッド14の他端14B側に付勢するためのばね(弾性部材)20と、超磁歪ロッド14の変形に基づく超磁歪ロッド14の透磁率又は残留磁化量の変化を検出可能な検出コイル(検出手段)22と、を有してなり、シャフト18のトルクは、シャフト18の上側プレート16と超磁歪ロッド14との間に作用する摩擦力によって超磁歪ロッド14に伝達可能とされているため、シャフト18から超磁歪ロッド14に所定以上のトルクが伝達された場合、シャフト18からのトルク伝達を遮断することができる。従って、超磁歪ロッド14にシャフト18から過大なトルクが加えられるのを防止することができ、超磁歪ロッド14の破損等を未然に防止し、強度を向上させることができる。又、従来のトルクセンサに比べ、加工が容易で低コスト化が可能である上に、略筒状の超磁歪ロッド14を用いているため、トルク変化の検出感度を向上させることができる。
According to the
特に、超磁歪素子を材料とする超磁歪ロッド14を用いているため、トルク変化の検出感度をより一層高めることができる。
In particular, since the giant
又、ばね(弾性部材)20の付勢力は調整可能とされているため、上側プレート16と超磁歪ロッド14との間に作用する摩擦力を変化させることができ、シャフト18から超磁歪ロッド14に伝達可能なトルクの大きさを容易に調整することができる。
Further, since the biasing force of the spring (elastic member) 20 can be adjusted, the frictional force acting between the
更に、シャフト18の上側プレート(突出部)16は、超磁歪ロッド14の他端14B側の外径よりも大径とされているため、上側プレート16と超磁歪ロッド14との接触面積を大きくすることができる。従って、シャフトの18のトルクをより確実に超磁歪ロッド14に伝達することができ、トルクの変化の検出感度を更に向上させることができる。
Furthermore, since the upper plate (projecting portion) 16 of the
又、超磁歪ロッド14と上側プレート16との間に弾性シート24を介在させたため、シャフト18の軸方向の圧力を弾性シート24で吸収しつつ、シャフト18のトルクのみを超磁歪ロッド14に効率的に伝達することができる。
Further, since the
次に、図8を用いて、本発明の実施例2に係るトルクセンサ50について詳細に説明する。 Next, the torque sensor 50 according to the second embodiment of the present invention will be described in detail with reference to FIG.
図に示されるように、本実施例2に係るトルクセンサ50は、上記実施例1に係るトルクセンサ10の超磁歪ロッド14の軸方向両端に磁石52をそれぞれ配設し、超磁歪ロッド14に所定のバイアス磁界を印加したものである。なお、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、図中において同じ番号を付す事とし、その説明は省略する。
As shown in the figure, the torque sensor 50 according to the second embodiment is provided with
本実施例2に係るトルクセンサ50によれば、超磁歪部材14には所定のバイアス磁界が印加されているため、シャフト18のトルク変化のみならず、シャフト18の回転方向をも検出することができる。
According to the torque sensor 50 according to the second embodiment, since a predetermined bias magnetic field is applied to the
なお、本発明に係るトルクセンサは、上記実施例1及び2に係るトルクセンサ10、50の形状や構造等に限定されるものではなく、例えば、超磁歪ロッド14は円筒形状の部材に限定されず、角筒形状等の部材であってもよい。
The torque sensor according to the present invention is not limited to the shape and structure of the
又、シャフト18の突出部を略円板形状の上側プレート16によって構成したが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば、突出部をシャフト18と一体的に形成してもよく、又、多角形形状等であってもよい。更に、本発明に係る弾性部材は、ばね20に限定されるものではない。
Moreover, although the protrusion part of the
更に又、ばね20の付勢力を調整可能としたが、本発明はこれに限定されるものではなく、ばね20の付勢力は一定でもよく、超磁歪ロッド14が耐え得るトルクの値に基づいて最適設定すればよい。
Furthermore, although the biasing force of the
又、本発明における検出手段は検出コイルに限定されるものではなく、例えば、図9に示されるトルクセンサ60のように、検出手段としてホール素子62(又はMR、GMR等の磁気抵抗効果素子)を適用し、超磁歪ロッド14の透磁率又は残留磁化量の変化をホール素子62(又は磁気抵抗効果素子)の起電力変化として検出するようにしてもよい。
Further, the detection means in the present invention is not limited to the detection coil. For example, like the
なお、トルクセンサの検出感度が十分に得られる場合等には、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。 Note that when the detection sensitivity of the torque sensor is sufficiently obtained, a magnetostrictive member made of a magnetostrictive element may be applied instead of the super magnetostrictive member.
即ち、本発明に係るトルクセンサは、磁歪部材を備え、且つ、一端が固定部に固定された略筒状の磁歪ロッドと、該磁歪ロッドの内側空間内を貫通して配設され、且つ、前記磁歪ロッドの他端側に該磁歪ロッドの内径よりも大径の突出部を備えたシャフトと、該シャフトにおける前記突出部を前記磁歪ロッドの他端側に付勢するための弾性部材と、前記磁歪ロッドの変形に基づく該磁歪ロッドの透磁率又は残留磁化量の変化を検出可能な検出手段と、を有してなり、前記シャフトのトルクは、該シャフトの突出部と前記磁歪ロッドとの間に作用する摩擦力によって前記磁歪ロッドに伝達可能とされていればよい。 That is, the torque sensor according to the present invention is provided with a magnetostrictive member, and has a substantially cylindrical magnetostrictive rod whose one end is fixed to the fixing portion, and is disposed through the inner space of the magnetostrictive rod, and A shaft provided with a protruding portion having a diameter larger than the inner diameter of the magnetostrictive rod on the other end side of the magnetostrictive rod, and an elastic member for biasing the protruding portion of the shaft toward the other end side of the magnetostrictive rod; Detecting means capable of detecting a change in magnetic permeability or residual magnetization amount of the magnetostrictive rod based on deformation of the magnetostrictive rod, and the torque of the shaft is calculated between the protruding portion of the shaft and the magnetostrictive rod. What is necessary is just to be able to transmit to the said magnetostrictive rod by the frictional force which acts in between.
1、10、40、50、60…トルクセンサ
2…磁歪合金薄帯
3…シャフト
12…ベース
14…超磁歪ロッド
16、42…シャフト
18…上側プレート
20…ばね
22…検出コイル
24…シート
26…下側プレート
28…ナット
30…トルク測定器
32…LCRメータ
44…プレート
52…磁石
62…ホール素子
DESCRIPTION OF
Claims (9)
前記弾性部材の付勢力は調整可能とされていることを特徴とするトルクセンサ。 In claim 1,
A torque sensor characterized in that an urging force of the elastic member is adjustable.
前記磁歪ロッドには所定のバイアス磁界が印加されていることを特徴とするトルクセンサ。 In claim 1 or 2,
A torque sensor, wherein a predetermined bias magnetic field is applied to the magnetostrictive rod.
前記シャフトの突出部は、前記磁歪ロッドの他端側の外径よりも大径とされていることを特徴とするトルクセンサ。 In any one of Claims 1 thru | or 3,
The torque sensor, wherein the protruding portion of the shaft has a larger diameter than the outer diameter of the other end side of the magnetostrictive rod.
前記シャフトの突出部と前記磁歪ロッドとの間に弾性シートを介在させたことを特徴とするトルクセンサ。 In any one of Claims 1 thru | or 4,
A torque sensor comprising an elastic sheet interposed between the projecting portion of the shaft and the magnetostrictive rod.
前記検出手段は、前記磁歪ロッドの外周を囲むように配設された検出コイルを含み、前記磁歪ロッドの透磁率又は残留磁化量の変化を前記検出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。 In any one of Claims 1 thru | or 5,
The detection means includes a detection coil disposed so as to surround the outer periphery of the magnetostrictive rod, and detects a change in permeability or residual magnetization of the magnetostrictive rod as a change in inductance value of the detection coil. Torque sensor characterized by the above.
前記検出手段はホール素子を含み、前記磁歪ロッド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。 In any one of Claims 1 thru | or 5,
The torque sensor according to claim 1, wherein the detecting means includes a Hall element and detects a change in magnetic permeability or residual magnetization of the magnetostrictive rod as a change in electromotive force of the Hall element.
前記検出手段は磁気抵抗効果素子を含み、前記磁歪ロッド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。 In any one of Claims 1 thru | or 5,
The torque sensor according to claim 1, wherein the detecting means includes a magnetoresistive effect element, and detects a change in magnetic permeability or residual magnetization of the magnetostrictive rod as a change in electromotive force of the magnetoresistive effect element.
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。 In any one of Claims 1 thru | or 8.
The magnetostrictive member comprises a giant magnetostrictive member made of a giant magnetostrictive element.
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A300 | Withdrawal of application because of no request for examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A300 Effective date: 20070605 |