JP2005274160A

JP2005274160A - トルクセンサ

Info

Publication number: JP2005274160A
Application number: JP2004083604A
Authority: JP
Inventors: Teruo Mori; 輝夫森; Shiro Tomizawa; 史郎富沢
Original assignee: TDK Corp
Current assignee: TDK Corp
Priority date: 2004-03-22
Filing date: 2004-03-22
Publication date: 2005-10-06

Abstract

【課題】部品点数の削減、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、シャフト１２に嵌合され、且つ、このシャフト１２の外周面に固定された略筒状体からなる超磁歪部材１４と、この超磁歪部材１４の透磁率又は残留磁化量の変化を検出するための検出コイル２２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の変形に基づく超磁歪部材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、磁歪部材を用いたトルクセンサに関する。

従来、磁歪部材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１２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（特許文献１参照）。

このトルクセンサ１は、トルク伝達軸２からの捩れ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、トルク伝達軸２の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における磁気特性の変化（磁歪値の変化）が小さいため、ブリッジ回路等を用いて検出感度を向上させる必要があり、コスト高になってしまうといった問題点があった。

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、部品点数の削減、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、部品点数の削減、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）シャフトに嵌合され、且つ、該シャフトの外周面に固定された略筒状体からなる磁歪部材と、該磁歪部材の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、前記磁歪部材の変形に基づく該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）前記磁歪部材は、接着剤によって前記シャフトの外周面に接着固定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。

（３）前記磁歪部材は、圧入及び焼き嵌めのいずれか一方によって前記シャフトの外周面に固定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。

（４）前記磁歪部材の内周面と前記シャフトの外周面との間に弾性フィルムを介在させたことを特徴とする前記（３）記載のトルクセンサ。

（５）前記磁歪部材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）乃至（４）のいずれかに記載のトルクセンサ。

（６）前記検出手段は検出コイルを含み、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。

（７）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）乃至（５）のいずれかに記載のトルクセンサ。

（８）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）乃至（５）のいずれかに記載のトルクセンサ。

（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。

本発明に係るトルクセンサによれば、部品点数の削減、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。

本発明に係るトルクセンサは、シャフトに嵌合され、且つ、該シャフトの外周面に固定された略筒状体からなる磁歪部材と、該磁歪部材の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、前記磁歪部材の変形に基づく該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、図面を用いて、本発明の実施例１〜３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に嵌合され、且つ、このシャフト１２の外周面に固定された略円筒形状の超磁歪部材１４と、この超磁歪部材１４の近傍に配設された磁気ヘッド１６と、を有して構成されている。

超磁歪部材１４は、接着剤１８によってシャフト１２の外周面に接着固定されている。又、この超磁歪部材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。

磁気ヘッド１６は、開口部が超磁歪部材１４側に向けて配設された略コの字形状のコア２０と、このコア２０の周囲に巻回された検出コイル（検出手段）２２によって構成されている。

検出コイル２２は、超磁歪部材１４の変形に基づく超磁歪部材１４の透磁率又は残留磁化量の変化をインダクタンス値の変化として検出可能とされている。なお、この例では、検出コイル２２におけるインダクタンス値は、ＬＣＲメータ２４によって検出が可能となっている。

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が軸心周りに捩られると、シャフト１２の外周面に固定された超磁歪部材１４に所定のトルクが伝達される。そして、このトルクによって超磁歪部材１４が変形し、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。

本発明の発明者は、シャフト１２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、軸径３ｍｍのステンレス製のシャフト１２と、外形６ｍｍ、内径３ｍｍ、長さ１０ｍｍの円筒形状の超磁歪部材１４をエポキシ系の接着剤１８で接着固定した。又、検出コイル２２は、線種が０．１２ｍｍのＵＥＷ、巻数６００ターンとした。その結果、図３に示されるように、データを採集したトルク０（ｃＮ・ｍ）〜８０（ｃＮ・ｍ）の範囲において、シャフト１２に印加されるトルクの変化に応じて検出コイル２２のインダクタンス値が変化することが見出された。

本実施例１に係るトルクセンサ１０によれば、シャフト１２に嵌合され、且つ、このシャフト１２の外周面に固定された略筒状体からなる超磁歪部材１４と、この超磁歪部材１４の透磁率又は残留磁化量の変化を検出するための検出コイル（検出手段）２２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の変形に基づく超磁歪部材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、超磁歪部材１４における磁歪値の変化を大きくすることができ、シャフトのトルク変化の検出を高感度で行うことができる。又、検出感度の向上を目的としたブリッジ回路等が不要なため、従来のトルクセンサに比べ、部品点数を削減することができ、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、トルク変化の検出感度をより一層高めることができる。

又、超磁歪部材１４は接着剤１８によってシャフト１２の外周面に接着固定されているため、シャフト１２と超磁歪部材１４を強固に固定することができる上に、シャフト１２からの径方向の圧力を接着剤１８で吸収しつつ、シャフト１２のトルク成分だけを効率良く超磁歪部材１４に伝達することができ、この点においてもトルク変化の検出感度の向上が図られている。

次に、図４〜図６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４及び図５に示される、本発明の実施例２に係るトルクセンサ３０は、超磁歪部材１４を圧入によってシャフト１２の外周面に固定したものである。又、超磁歪部材１４の内周面とシャフト１２の外周面との間には、弾性フィルムであるＰＥ（ポリエチレン）フィルム３２が介在されている。なお、他の構造については上記実施例１に係るトルクセンサ１０と同じであるため、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。

本発明の発明者は、実施例１のトルクセンサ１０と同じシャフト１２、超磁歪部材１４及び検出コイル２２を用い、トルクセンサ３０のシャフト１２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。その結果、図６に示されるように、データを採集したトルク０（ｃＮ・ｍ）〜５０（ｃＮ・ｍ）の範囲において、シャフト１２のトルク変化に応じて検出コイル２２のインダクタンス値が変化することが見出された。

即ち、本実施例２に係るトルクセンサ３０によっても、シャフト１２におけるトルク変化を、超磁歪部材１４の変形に基づく超磁歪部材１４の透磁率又は残留磁化量の変化として検出することができる。

本実施例２に係るトルクセンサ３０によれば、超磁歪部材１４は圧入によってシャフト１２の外周面に固定されているため、超磁歪部材１４に圧入による所定の予荷重を印加することができ、実施例１に係るトルクセンサ１０と異なる特性を得ることができる。具体的には、超磁歪部材１４に所定の予荷重を印加することによって、検出コイル２２におけるインダクタンス値の変化の立ち上がりをトルクセンサ１０よりも早くすることができる。従って、実施例１及び２に係るトルクセンサ１０、３０を用意すれば、ユーザーは使用用途に応じてトルクセンサの特性を選択することが可能となる。

又、超磁歪部材１４の内周面とシャフト１２の外周面との間には、ＰＥフィルム（弾性フィルム）３２が介在されているため、シャフト１２からの径方向の圧力を弾性フィルム３２で吸収しつつ、シャフト１２のトルク成分だけを効率良く超磁歪部材１４に伝達することができ、トルク変化の検出感度を更に向上させることができる。

なお、本実施例２においては、超磁歪部材１４を圧入によってシャフト１２の外周面に固定したが、本発明はこれに限定されず、超磁歪部材１４を焼き嵌めによってシャフト１２の外周面に固定してもよい。

又、超磁歪部材１４の内周面とシャフト１２の外周面との間に、弾性フィルムとしてＰＥフィルム３２を介在したが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば、ＰＳ（ポリスチレン）フィルム、ゴム等の弾性フィルムを介在させてもよい。

次に、図７〜図９を用いて、本発明の実施例３に係るトルクセンサについて説明する。

図７及び図８に示される、本発明の実施例３に係るトルクセンサ４０は、直流電源４２によって検出コイル２２に固定電流を入力し、超磁歪部材１４に所定のバイアス磁界を印加したものである。なお、他の構造については上記実施例２に係るトルクセンサ３０と同じであるため、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。

本発明の発明者は、実施例１のトルクセンサ１０と同じシャフト１２、超磁歪部材１４及び検出コイル２２を用い、トルクセンサ４０のシャフト１２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。その結果、図９に示されるように、トルク０（ｃＮ・ｍ）を基準として、トルク０（ｃＮ・ｍ）〜２５（ｃＮ・ｍ）の範囲においては検出コイル２２のインダクタンス値が増加し、トルク０（ｃＮ・ｍ）〜−２５（ｃＮ・ｍ）の範囲においては検出コイル２２のインダクタンス値が減少することが見出された。即ち、シャフト１２を一方向に捩った場合には、検出コイル２２のインダクタンス値が増加し、シャフト１２を他方向に捩った場合には、検出コイル２２のインダクタンス値が減少することになる。

本実施例３に係るトルクセンサ４０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１２のトルク変化のみならず、シャフト１２の回転方向も検出することができる。

なお、本実施例３においては、直流電源４２で検出コイル２２に固定電流を入力することによって、超磁歪部材１４に所定のバイアス磁界を印加したが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば、バイアス磁石を配設し、これによって超磁歪部材１４にバイアス磁界を印加してもよい。

本発明に係るトルクセンサは、上記実施例１〜３に係るトルクセンサ１０、３０、４０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。

上記実施例１においては、超磁歪部材１４を接着剤１８によってシャフト１２の外周面に接着固定し、又、実施例２及び３においては、超磁歪部材１４の内周面とシャフト１２の外周面との間にＰＥフィルム３２を介在し、超磁歪部材１４を圧入によってシャフト１２に固定したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、超磁歪部材１４とシャフト１２を直接固定してもよい。

更に、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１０及び図１１に示されるトルクセンサ５０のように、検出手段としてホール素子５２（又はＭＲ、ＧＭＲ等の磁気抵抗効果素子）を適用し、超磁歪部材１４の透磁率又は残留磁化量の変化をホール素子５２（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。

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１４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。

即ち、本発明に係るトルクセンサは、シャフトに嵌合され、且つ、該シャフトの外周面に固定された略筒状体からなる磁歪部材と、該磁歪部材の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、前記磁歪部材の変形に基づく該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ものであればよい。

本発明の実施例１に係るトルクセンサの略示斜視図図１の矢視IIから見た略示側面図実施例１のトルクセンサにおける、シャフトのトルクと検出コイルのインダクタンス値との関係を示したグラフ本発明の実施例２に係るトルクセンサの略示斜視図図４の矢視Vから見た略示側面図実施例２のトルクセンサにおける、シャフトのトルクと検出コイルのインダクタンス値との関係を示したグラフ本発明の実施例３に係るトルクセンサの略示斜視図図７の矢視VIIIから見た略示側面図実施例３のトルクセンサにおける、シャフトのトルクと検出コイルのインダクタンス値との関係を示したグラフトルクセンサの検出手段としてホール素子又は磁気抵抗効果素子を適用した例を示した略示斜視図図１０の矢視XIから見た略示側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、４０、５０…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…シャフト
１４…超磁歪部材
１６…磁気ヘッド
１８…接着剤
２０…コア
２２…検出コイル
２４…ＬＣＲメータ
３２…ＰＥフィルム
４２…直流電源

Claims

シャフトに嵌合され、且つ、該シャフトの外周面に固定された略筒状体からなる磁歪部材と、該磁歪部材の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、前記磁歪部材の変形に基づく該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、
前記磁歪部材は、接着剤によって前記シャフトの外周面に接着固定されていることを特徴とするトルクセンサ。
請求項１において、
前記磁歪部材は、圧入及び焼き嵌めのいずれか一方によって前記シャフトの外周面に固定されていることを特徴とするトルクセンサ。
請求項３において、
前記磁歪部材の内周面と前記シャフトの外周面との間に弾性フィルムを介在させたことを特徴とするトルクセンサ。
請求項１乃至４のいずれかにおいて、
前記磁歪部材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。
請求項１乃至５のいずれかにおいて、
前記検出手段は検出コイルを含み、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。
請求項１乃至５のいずれかにおいて、
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乃至５のいずれかにおいて、
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８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。