JP2005308443A

JP2005308443A - 非接触型トルクセンサ

Info

Publication number: JP2005308443A
Application number: JP2004122869A
Authority: JP
Inventors: Manabu Ichikura; 学市倉
Original assignee: Tokyo Cosmos Electric Co Ltd
Current assignee: Tokyo Cosmos Electric Co Ltd
Priority date: 2004-04-19
Filing date: 2004-04-19
Publication date: 2005-11-04

Abstract

【課題】安定した性能を有し、かつ安価に構成することができる非接触型トルクセンサを提供する。
【解決手段】軸６２，６３に取り付けられ、軸のねじれに伴って相対的に回転変位する第１及び第２のロータ７０，８０と磁気センサ９０とを備える。ロータ７０は軸方向に単極着磁されたリング状磁石７３が一対のリング状磁性体コア７１，７２によって挟持された構造とされて、それらコア７１，７２に設けられた歯形突出部が周方向交互に位置されて外周面が構成され、ロータ８０は外周部が軸方向に空隙８６を介して対向された一対のリング状磁性体コア８１，８２を有し、それらコア８１，８２に設けられた歯形突出部が周方向交互に位置されてロータ７０の外周面と所定の間隙９３を介して対向する内周面が構成されている。磁気センサ９０は空隙８６内に配されて空隙内の磁束の変化を検出する。
【選択図】図１

Description

この発明は軸のねじり変位を検出するトルクセンサに関し、特に磁気を用い、回転トルクを非接触で検出する非接触型トルクセンサに関する。

図９はこの種のトルクセンサの従来例として特許文献１に記載されている構成を示したものであり、この例では第１の軸１１と第２の軸１２とがねじれ棒体（トーションバー）１３を介して連結されており、軸１１に取り付けられたスリーブ１４の回りにリング状磁石１５が取り付けられている。軸１２にはフランジ１６が取り付けられ、このフランジ１６の上面には下部歯形状コア１７が搭載され、さらにその下部歯形状コア１７の上にスペーサ１８を介して上部歯形状コア１９が搭載されている。これら歯形状コア１７，１９は磁性体よりなり、スペーサ１８は非磁性とされている。なお、スペーサ１８のつば１８ａの上下面には磁性体よりなる一対のリング２１が配設され、これらリング２１の間に磁気センサ２２が位置されている。

下部歯形状コア１７と上部歯形状コア１９とは同様の構成とされ、図９Ｂに示したように内周側に突出するコア片１７ａ，１９ａ（図９Ｂではコア片１７ａは隠れて見えない）をそれぞれ６個備えており、磁石１５はこれらコア片１７ａ，１９ａによって挟まれた構造となっている。磁石１５は図９Ｂに示したように周方向３０°ピッチでＮ極とＳ極とが交互に位置するように多極着磁されたものとされる。
上記のような構成において、第１の軸１１に回転力が作用していない中立状態では磁石１５と上部、下部歯形状コア１９，１７とは図９Ｂに示した位置関係とされ、磁石１５の周方向隣接するＮ極とＳ極とはコア片１７ａと１９ａとによって短絡されて閉磁気回路を形成するため、磁気センサ２２が位置する空隙には磁束が生じず、磁気センサ２２には出力電圧が発生しない。

これに対し、軸１１が軸１２に対して回転すると、図９Ｂの状態で形成されていた閉磁気回路のバランスがくずれ、上部歯形状コア１９と下部歯形状コア１７との間に磁束が流れるようになり、その方向及び量に対応する出力電圧を磁気センサ２２は出力し、その出力から軸１１の回転方向及び軸１２に対する相対的回転変位量を検出できるものとなっている。
図１０は特許文献２に記載されているトルクセンサの構成を示したものであり、この例では第１の軸３１は小径部３２を介して第２の軸３３に連結されており、軸３３には円筒形のモールド部材（非磁性材）３４が取り付けられ、このモールド部材３４の端面に設けられた埋め込み部３４ａに磁性体よりなるコモンリング３５が埋設され、そのコモンリング３５上に磁石３６が配設されている。磁石３６は円周上、等間隔に１６個配設され、図１０Ｂに示したようにそれぞれ軸方向に着磁されている。

軸３１には円筒フランジ型磁路材３７が取り付けられ、この磁路材３７の一端部はコモンリング３５の内周面と微小空隙を介して対向されている。磁路材３７の他端部には非磁性材からなるピックアップ部材３８が取り付けられ、さらにそのピックアップ部材３８の外周側にはリング状の磁路材３９が取り付けられている。磁路材３９には１６個の歯形突出部３９ａが周方向に形成されており、これら歯形突出部３９ａは図１０Ｂに示したように各磁石３６のＮ極の上方側において、各磁石３６の間に位置するようにされている。
磁路材３７の他端部端面と磁路材３９の内周面とは微小空隙を介して対向され、この空隙と対応してピックアップ部材３８には空隙３８ａが形成されており、これら空隙に磁気センサ（ホール素子）４１が位置されている。

このトルクセンサは軸３１と３３との間に生じたねじり変位を磁石３６と歯形突出部３９ａとの間のギャップ空間の変化としてとらえ、このギャップ空間の変化により生じた磁束量の変化を磁気センサ４１により検出してトルクを検出するものとなっている。即ち、軸３１に回転力が作用していない中立状態（定常状態）では歯形突出部３９ａと磁石３６とは図１０Ｂに示した状態にあり、ギャップ空間は比較的大きいことから、磁気センサ４１に印加される磁界の強さはほとんど０となる。これに対し、軸３１に回転力が加わり、軸３３に対して軸３１が回転すると、ギャップ空間は小さくなり、これに伴って磁気センサ４１を通過する磁束量が大きくなってゆく。従って、磁気センサ４１の出力から軸３３に対する軸３１の相対的回転変位量が検出される。

一方、図１１は特許文献３に記載されているトルクセンサの構成を示したものであり、軸５１はトーションバー部を挟んで入力側５１ａと出力側５１ｂの部位を有するものとなっており、軸５１の入力側５１ａ及び出力側５１ｂに磁性体よりなる第１リング５２と第２リング５３とがそれぞれ取り付けられている。
これら第１リング５２と第２リング５３とは互いにわずかな隙間を介して対向する対向端面５２ａ，５３ａを有し、各対向端面５２ａ，５３ａには複数の切り欠き５２ｂ，５３ｂが所定の間隔で形成されており、軸５１のねじれに伴って相対的に回転変位することにより、対向端面５２ａ，５３ａの対向する面積が変化するようになっている。

第１リング５２の他方の端面５２ｃにはわずかな隙間を介してＣ字形の磁石５４が位置され、この磁石５４は軸５１と非接触で図示しない固定側に固定されている。磁石５４はＣ字の両端がＮ極とＳ極とされ、このＮ極とＳ極の間に磁気センサ（ホール素子）５５が位置されている。
このトルクセンサでは、軸５１のトーションバー部がねじれると、第１、第２リング５２，５３の対向端面５２ａ，５３ａが対向する面積が変化し、これにより磁気センサ５５を通る磁束量が変化するものとなっており、磁気センサ５５の出力から軸５１のねじり変位が検出される。
特許第２６１３４４９号公報特公平７−４３２８８号公報特開２００２−３１０８１８号公報

上述したように、図９に示したトルクセンサでは周方向にＮ極とＳ極とが交互に位置するように多極着磁されたリング状の磁石を用いるものとなっており、また図１０に示したトルクセンサでは多数の磁石を用いるものとなっている。しかしながら、このように１つの磁石を多極に着磁するためには専用の着磁器が一般に必要となり、また極数が多くなり、さらには磁石が小さくなるに従い、バランスのとれた十分な磁力を得ることが困難となっていた。一方、多数の磁石を用いる構成はその分、部品点数が多くなり、また組み立てに手間がかかり、取扱いが面倒なものとなっていた。

これに対し、図１１に示したトルクセンサは単一、単極の磁石を用いるものとなっており、その点で取扱い易いものとなっているが、トルクのかかっていない状態でも磁気センサ配置部には磁界が生じており、つまり常に磁石の磁界が磁気センサに加わっており、よって例えば磁石の経時的変化や温度変化に起因して出力が変動するといった状況が生じ、出力の安定性において問題があるものとなっていた。
この発明の目的は上述した問題に鑑み、単一、単極の磁石を用いるものであって、トルクがかかっていない状態では磁気センサに加わる磁界を０とし、つまり磁気的均衡状態が得られるようにし、よって経時的、温度的に安定した性能を有し、かつ安価に構成することができる非接触型トルクセンサを提供することにある。

請求項１の発明によれば、軸のねじり変位を検出する非接触型トルクセンサは、軸に取り付けられ、軸のねじれに伴って相対的に回転変位する第１及び第２のロータと、磁気センサとを備え、第１のロータは上記軸方向に単極着磁されたリング状磁石が一対のリング状磁性体コアによって挟持された構造とされて、それら磁性体コアに設けられた歯形突出部が周方向交互に位置されて外周面が構成され、第２のロータは外周部が上記軸方向に空隙を介して対向された一対のリング状磁性体コアを有し、それら磁性体コアに設けられた歯形突出部が周方向交互に位置されて上記外周面と所定の間隙を介して対向する内周面が構成されており、磁気センサは上記空隙内に配されて空隙内の磁束の変化を検出する構造とされる。

請求項２の発明では請求項１の発明において、上記歯形突出部は上記軸の径方向に延びた基部と、その基部の先端から折れ曲がった対向部とよりなるものとされる。

この発明によれば、磁石は単極着磁されたものを１つ用いるのみであり、よって多極着磁された磁石や多数の磁石を用いる従来構成例に比し、構成が簡単となり、また取扱いも簡易となり、その点で安価に構成することができる。
また、トルクのかかっていない状態では磁気センサには磁界は加わらず、磁気的に安定した均衡状態が得られ、その無磁界（出力０）の状態を検出中点とすることができ、よって磁石の経時的変化や温度変化の影響を受けず、安定した性能を得ることができる。

この発明の実施形態を図面を参照して実施例により説明する。
図１はこの発明による非接触型トルクセンサの一実施例の構成を一部切り欠いて示したものであり、図２はその断面構造を拡大して示したものである。この例ではトーションバー（ねじれバネ）６１を介して軸６２と６３とが連結されており、これら軸６２，６３にトルクセンサが取り付けられている。なお、軸６２，６３とトーションバー６１とは図示しない部分において例えば溶接等により機械的に結合されている。
トルクセンサはこの例では第１のロータ７０と第２のロータ８０と磁気センサ９０と第１のサポータ９１と第２のサポータ９２とによって構成されている。まず、第１及び第２のロータ７０，８０の構成を図３及び４を参照して説明する。

第１のロータ７０は図３Ａに示したように一対のリング状磁性体コア７１，７２とリング状磁石７３とよりなるものとされる。磁性体コア７１，７２にはそれぞれ外周部に歯形突出部７４，７５が配列形成されており、この例ではこれら歯形突出部７４，７５はそれぞれ等角間隔で１０個外周部に設けられている。
歯形突出部７４，７５はそれぞれ径方向に外側に向って延びた基部７４ａ，７５ａと、その基部７４ａ，７５ａの先端から折れ曲がった対向部７４ｂ，７５ｂとよりなり、図３Ａに示したようにＬ型をなすものとされる。なお、磁性体コア７１の歯形突出部７４の対向部７４ｂと磁性体コア７２の歯形突出部７５の対向部７５ｂとは図３Ａにおいて逆方向に、つまり互いに近づく方向に曲げられている。

リング状磁石７３はその中心軸方向に単極着磁されたものとされ、図３Ａ中に示したように例えば上面がＮ極とされ、下面がＳ極とされる。
ロータ７０は図３Ｂに示したように、これら磁石７３及び磁性体コア７１，７２を積層一体化することによって構成され、一対の磁性体コア７１，７２によって磁石７３が挟持された構造とされる。両磁性体コア７１，７２の歯形突出部７４，７５は互いに離間して周方向交互に位置され、それら歯形突出部７４，７５の対向部７４ｂ，７５ｂの配列によってロータ７０の外周面が構成される。これら対向部７４ｂ，７５ｂの外側面はロータ７０の円筒外周面を構成するように円筒面とされており、また対向部７４ｂ，７５ｂの高さ（中心軸方向の長さ）はロータ７０の厚みと等しくなるようにされている。

一方、第２のロータ８０は図４Ａに示したように一対のリング状磁性体コア８１，８２と非磁性のリング８３とよりなるものとされ、これら磁性体コア８１，８２には第１のロータ７０の磁性体コア７１，７２と同様に、歯形突出部８４，８５がそれぞれ内周部に配列形成されている。
歯形突出部８４，８５はそれぞれ径方向に内側に向って延びた基部８４ａ，８５ａと、その基部８４ａ，８５ａの先端から折れ曲がった対向部８４ｂ，８５ｂとよりなり、Ｌ型をなすものとされて、それぞれ等角間隔で１０個設けられている。両歯形突出部８４，８５の対向部８４ｂ，８５ｂは図４Ａにおいて互いに近づく方向に曲げられている。

ロータ８０は図４Ｂに示したように、リング８３を挟んで磁性体コア８１，８２が重ねられて構成され、両磁性体コア８１，８２の歯形突出部８４，８５は互いに離間して周方向交互に位置され、それら歯形突出部８４，８５の対向部８４ｂ，８５ｂの配列によってロータ８０の内周面が構成される。これら対向部８４ｂ，８５ｂの内側面はロータ８０の円筒内周面を構成するように円筒面とされており、また対向部８４ｂ，８５ｂの高さはロータ８０の厚みと等しくなるようにされている。
ロータ８０の外周部には空隙８６が形成されており、磁性体コア８１と８２とは外周部においてこの空隙８６を介してロータ８０の中心軸方向に対向されている。

上述したロータ７０の磁性体コア７１，７２と磁石７３との固定及びロータ８０の磁性体コア８１，８２とリング８３との固定は例えば接着固定とされる。なお、ロータ８０はこの例ではリング８３を介して磁性体コア８１，８２が重ねられ、これにより外周部に所定の空隙８６が構成されて一体化されているが、例えばリング８３を用いることなく、樹脂剤を使用し、磁性体コア８１，８２の内周側部分に樹脂剤を充填して、それらを固定一体化し、その状態で外周部に空隙８６が構成されるようにしてもよい。各ロータ７０，８０の磁性体コア７１，７２及び８１，８２の構成材料にはけい素鋼等が用いられる。

上記のような構成とされたロータ７０，８０は図１及び２に示したようにそれぞれ軸６２及び６３に取り付けられ、軸６２，６３のねじれ（トーションバー６１のねじれ）に伴って相対的に回転変位するものとされる。ロータ７０の軸６２への取り付けはリング状をなす第１のサポータ９１を介して行われ、即ち軸６２の回りに固定されたサポータ９１の端面（下端面）にロータ７０の磁性体コア７１の内周部が対接され、例えば接着固定されて取り付けられる。
一方、ロータ８０の軸６３への取り付けは第２のサポータ９２を使用して行われる。サポータ９２は大径のリング状とされ、その外周部上端面には周壁９２ａが突出形成されており、ロータ８０はこの周壁９２ａ上に搭載され、磁性体コア８２の外周部が周壁９２ａと対接され、例えば接着固定されて取り付けられる。

ロータ７０と８０とは上記のように取り付けられて、ロータ７０の回りをロータ８０が囲むように配置され、ロータ７０の外周面とロータ８０の内周面とは微小な間隙９３を介して互いに対向される。図５はこれら軸６２，６３に取り付けられた状態のロータ７０と８０との配置関係を拡大して示したものである。
磁気センサ９０は図１及び２に示したようにロータ８０の空隙８６内に配され、この磁気センサ９０によって空隙８６内において磁性体コア８１，８２間に流れる磁束の変化が検出される。なお、磁気センサ９０は図示しない固定体側に取り付けられ、固定配置されている。磁気センサ９０は例えばホール素子を用いて構成されたホールＩＣとされる。

次に、上記のような構成を有するトルクセンサの動作について説明する。
トーションバー６１にトルクが加わっていない状態ではロータ７０と８０とは図６Ａに示したような位置関係にあり、ロータ７０の周方向隣接する歯形突出部７４と７５とはロータ８０の歯形突出部８４に対して、あるいは歯形突出部８５に対して均等に対向している。従って、この状態では磁石７３によってそれぞれＮ極、Ｓ極に磁化されている歯形突出部７４，７５間の磁束は対向するロータ８０の歯形突出部８４，８５によって短絡されるため、磁性体コア８１，８２間の空隙８６には磁束は通らず、よって磁気センサ９０には磁界が加わらないのでその出力は０となる。

これに対し、トーションバー６１にトルクがかかり、ねじり変位が発生してロータ７０と８０とに相対的に回転変位が生じ、例えば図６Ｂに示したような位置関係になると、ロータ７０の歯形突出部７４及び７５はそれぞれロータ８０の歯形突出部８４及び８５と対向するようになり、歯形突出部７４からの磁束はロータ８０の磁性体コア８１，８２を通って歯形突出部７５に流れるようになる。よって、空隙８６を磁束が通り、この磁束量に応じた出力電圧を磁気センサ９０は出力する。
一方、トルクが反対方向にかかると、ロータ７０と８０とは反対方向に相対的に回転変位するため、磁性体コア８１，８２を通り、空隙８６を通る磁束の向きは逆向きとなる。従って、磁気センサ９０は軸６２，６３に生じたねじり変位の方向と大きさに対応した出力電圧を出力し、この出力電圧から加わったトルクの方向及び大きさが検出される。図７は上述したトルクセンサの検出特性を示したものである。

上記のような構成とされたトルクセンサでは磁石としては単極着磁されたものを１つ配置するだけでよく、よって図９や図１０に示したような多極着磁された磁石や多数の磁石を必要とする従来のトルクセンサと比べて、構成・取扱いが簡単となり、その分安価に構成することができる。
また、トルクのかかっていない状態では磁気センサには磁界は加わらず、磁気的に安定した均衡状態となっており、よって磁石の経時的変化や温度変化の影響を受けることなく、安定した性能を有し、かつ中点調整が不要なトルクセンサを実現することができる。このようなトルクセンサは例えば自動車の電動パワーステアリング装置におけるトルク検出に用いて好適なものとなる。

上述した実施例では両ロータ７０，８０の磁性体コア７１，７２及び８１，８２の各歯形突出部７４，７５及び８４，８５はいずれもＬ型に曲がった形状とされているが、Ｌ型に曲げることなく、例えば径方向に単に延びただけの形状とすることもできる。即ち、十分な磁束密度が得られ、その磁束変化が十分な場合には例えば図８に示した例のような形状とすることもできる。なお、この例ではロータ８０’の歯形突出部８４，８５が折れ曲がりのない形状となっているが、同様にロータ７０の歯形突出部７４，７５も折れ曲がりのない形状とすることもできる。

なお、互いに対向するロータ７０の歯形突出部７４，７５とロータ８０の歯形突出部８４，８５の形状は上述した例に限らず、適宜変えることができ、それによって出力特性（出力変化特性）を変えることも可能である。

この発明による非接触型トルクセンサの一実施例を示す一部切り欠いた斜視図。図１の要部拡大断面図。Ａは図１におけるロータ７０の分解斜視図、Ｂはその組み立てられた状態の斜視図。Ａは図１におけるロータ８０の分解斜視図、Ｂはその組み立てられた状態の斜視図。ロータ７０と８０の配置関係を示す斜視図。図１に示したトルクセンサの動作を説明するための図、Ａはトルクのかかっていない状態のロータ位置を示し、Ｂはトルクのかかった状態のロータ位置の一例を示す。図１に示したトルクセンサの出力特性を示すグラフ。この発明による非接触型トルクセンサの他の実施例を説明するための図。非接触型トルクセンサの第１の従来例を示す図、Ａは断面図、Ｂは平面図。非接触型トルクセンサの第２の従来例を示す図、Ａは片側断面図、Ｂは要部を示す斜視図。非接触型トルクセンサの第３の従来例を示す斜視図。

Claims

軸のねじり変位を検出する非接触型トルクセンサであって、
上記軸に取り付けられ、軸のねじれに伴って相対的に回転変位する第１及び第２のロータと、
磁気センサとを備え、
上記第１のロータは上記軸方向に単極着磁されたリング状磁石が一対のリング状磁性体コアによって挟持された構造とされて、それら磁性体コアに設けられた歯形突出部が周方向交互に位置されて外周面が構成され、
上記第２のロータは外周部が上記軸方向に空隙を介して対向された一対のリング状磁性体コアを有し、それら磁性体コアに設けられた歯形突出部が周方向交互に位置されて上記外周面と所定の間隙を介して対向する内周面が構成されており、
上記磁気センサは上記空隙内に配されて空隙内の磁束の変化を検出する構造とされていることを特徴とする非接触型トルクセンサ。
請求項１記載の非接触型トルクセンサにおいて、
上記歯形突出部は上記軸の径方向に延びた基部と、その基部の先端から折れ曲がった対向部とよりなることを特徴とする非接触型トルクセンサ。