JP2006162304A - Torque detection device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は軸やギアやプーリーその他の回転体におけるトルクを検出するのに好適で、安価であり、また車両等の使用に適応可能なトルク検出装置に関する。 The present invention relates to a torque detection device that is suitable for detecting torque in a shaft, gear, pulley, or other rotating body, is inexpensive, and can be adapted for use in a vehicle or the like.
軸のトルクを電気信号として測定する方法としては、図8(B)のように軸体807の機械的な変位をひずみゲージ808で検出したり、図8(C)のように軸体の機械的変位を光学センサ809と光学スリット810で検出したり、図8(A)のように、軸体802の表面に塗布した磁歪材料801の逆磁歪効果を利用したいわゆる磁歪式トルク検出装置などが一般的である。この磁歪式トルク検出装置のトルク検出原理で代表的なものを、図1,図2で説明する。
As a method of measuring the torque of the shaft as an electric signal, a mechanical displacement of the
軸体にトルクTを印加すると、軸体の機械的捻れによって図1における符号101,
102で示すような、軸体104の軸方向に対して+45度及び−45度方向に一方が引っ張り、他方には圧縮方向となる応力が生じる。この応力は軸のどの部分でも発生しているものである。
When a torque T is applied to the shaft body,
As shown by 102, one of the pulling directions is in the + 45 ° and −45 ° directions with respect to the axial direction of the
ところで、正の飽和磁歪定数を有する磁歪材料は、図2に示すように材料を引っ張ると透磁率が増大し、圧縮すると逆に透磁率が減少する性質を持っている。このような磁歪材料を符号103で示すように軸体104の表面に固定すると、軸体104の軸方向に対して+45度及び−45度の方向に逆磁歪効果が発生する。図8(A)は、このような逆磁歪効果を利用した磁歪式トルクセンサの具体的構成を示したもので、軸体802の表面に磁歪材料801を塗布し、この軸体802上の磁歪材料801に、軸体802の軸方向に対してそれぞれ+45度及び−45度で細長いスリット803,806を設け、それぞれのスリット803,806の外側に磁歪材料部分の磁気特性を検出する検出コイル804、805を配置している。このような磁歪効果を利用した磁歪式トルク検出装置としては、例えば、軸体の表面に磁歪材料の膜を設け、軸の周囲に検出コイルを配置したものが知られている(例えば、特許文献1参照。)。
By the way, as shown in FIG. 2, a magnetostrictive material having a positive saturation magnetostriction constant has a property that the permeability increases when the material is pulled, and the permeability decreases conversely when the material is compressed. When such a magnetostrictive material is fixed to the surface of the
また、他の磁歪式トルク検出装置としては、検出コイルのコア部を軸に対して傾斜かつ対向的に配置して検出コイルを磁気ヘッド形に小型簡略化したものや(例えば、特許文献2,3参照。)、軸体表面の磁歪層上にフィルム状の平面コイルを設けて感度や温度特性を改善したトルク検出装置(例えば、特許文献4参照。)、軸体上にトルク検出モジュールを固定して電磁波でトルク値を読み出すもの(例えば、特許文献5参照。)が知られている。
As another magnetostrictive torque detection device, the detection coil is arranged in a tilted and opposed manner with respect to the axis, and the detection coil is reduced to a magnetic head type (for example,
しかしながら、従来の一般的な機械変位検出型トルク検出装置には精度,構造的な制約や安価に製造する上での問題も多く、特に磁歪式トルク検出装置は以下に示す多様な課題があり、他の物理量検出センサに比べて普及が遅れている。 However, the conventional general mechanical displacement detection type torque detection device has many problems in accuracy, structural restrictions and low cost manufacturing, and the magnetostrictive torque detection device has various problems shown below. The spread is delayed compared to other physical quantity detection sensors.
例えば、上記特許文献1に記載の磁歪式トルク検出装置は、その構造上、軸方向の寸法が大きくならざるを得ず、また、環状の検出コイルを軸に通す必要があるため、機器に組み込む際の制約も大きい。また、相反する逆磁歪現象の発生部位が物理的に離れているため、軸体に温度勾配があると磁気特性がバランスしなくなり、トルク検出特性に温度ドリフトが生じてしまう課題がある。これらの課題を改善するために、上記特許文献2又は3に記載のトルク検出装置では、磁気コアに十字形の溝を形成し、この溝に八の字形のコイルを挿入した磁気ヘッド形のトルクセンサとしている。これらは検出コイルを軸に通す必要が無く、軸周囲の一箇所に取付け可能である。検出部が小型なので温度ドリフト特性も改善するが、軸体と検出コイルコアのギャップ変化がトルク検出感度に影響するため、高精度な軸受け構造や厳密なギャップ管理が必要となり、センサ自体が小型にできても軸まわりの構造やセンサ取付けに多くの制約が発生する。また、磁気ヘッド形の検出コイルは高度な製造技術が必要であり、安価に製造する事が難しかった。
For example, the magnetostrictive torque detection device described in
前記を改善したものに、特許文献4に記載のトルク検出装置のように磁歪材料を表面に持つ軸体にフィルム状平面コイルを直接張りつけ、軸上の異なる場所でこのコイルを軸外部から励磁する別の環状コイルを具備させ、検出感度,ギャップによる感度変動,温度ドリフト等をさらに改善したものが提案されている。しかしながら、この特許文献4に記載のトルク検出装置においても、軸体に励磁用の環状コイルを通さなければならず、センサの組付けに構造的な制約が大きく、又、トルク検出部のインピーダンス変化を環状コイル経由で間接的に検出しているので、感度向上にも限界があった。
To improve the above, a film-like planar coil is directly attached to a shaft body having a magnetostrictive material on the surface like the torque detection device described in
上記を大幅に改善したものに、特許文献5及び図9に記載のトルク検出装置のように磁歪材料を直接固定し、この上にフィルム上の平面コイル及び、送受信アンテナ及び、信号処理チップで構成した軸側トルクセンサモジュール902を配置して、固定側モジュール905で電磁波による電源送受信とトルク検出値信号伝達を行うものが提案されている。この提案は軸で直接トルクを検出・処理して電磁波で検出値を送信するため、小型,高感度でセンサ取付けの自由度が高い。さらにその発展形として図9(C)に示すような各アンテナと検出コイルを半導体チップ上に成形して軸側トルクセンサモジュールワンチップ型としたものも提案されている。しかしながら、これらはいずれも軸表面に直接磁歪材料膜を蒸着やスパッタリング等で固定しなければならず、軸体の一般的な製造プロセスとスパッタリング等のプロセスでは、部品の重量,大きさ,清潔度,油等の付着物質,材質などの面でかけ離れており、軸体製造方法の大幅な見なおしや、特殊な膜固定装置が必要であるという問題があった。これらは総じて軸の製造や、トルク検出装置の価格増を招き、実用化の障害となる。
A magnetostrictive material is directly fixed as in the torque detection device described in
また、種々の理由から軸体を樹脂や非磁性金属や繊維強化プラスティックやその他の特殊材料で作成しなければならない場合は、磁歪材料膜の固定に問題があったり、軸の磁気特性の利用ができないため、逆磁歪効果が有効に利用できない。 Also, if the shaft must be made of resin, non-magnetic metal, fiber reinforced plastic or other special materials for various reasons, there is a problem in fixing the magnetostrictive material film, or the magnetic properties of the shaft may not be used. Therefore, the inverse magnetostriction effect cannot be used effectively.
また、軸強度を高めるための熱処理も、軸の磁気的な特性が変化することから、トルク検出性能や安定性に問題が発生するし、耐食や意匠の為に塗装が必要な場合もあり、特許文献5に記載の方法であっても、一般的に軸体へ要求される特質に制約を与え、ひいてはトルク検出装置の適用範囲は十分とは言えなかった。
Also, the heat treatment to increase the shaft strength also changes the magnetic characteristics of the shaft, causing problems in torque detection performance and stability, and painting may be necessary for corrosion resistance and design, Even in the method described in
本発明は、これらの課題を解決するものであり、小型軽量,高感度,高精度でかつ安価に製造でき、従来の製造プロセスをそのまま踏襲できるトルク検出装置を提供することを目的とする。 The present invention solves these problems, and an object of the present invention is to provide a torque detection device that can be manufactured in a small size, light weight, high sensitivity, high accuracy, and low cost, and that can follow a conventional manufacturing process as it is.
上記問題を解決するため、本発明に係るトルク検出装置は、トルクを伝達する軸体と、この軸体に固定され軸体と共に回転可能で、軸体の捻れによって発生する微小変位を、モジュール支持部材の応力として受領し、この応力からトルク値を検出及び算出し、前記トルク情報を電磁波で軸外部へ送出するトルク被検出モジュールからなり、モジュール支持部材の材料特性又は支持部材表面に膜状に固定された材料の特性を利用することを特徴とする。 In order to solve the above problems, a torque detection device according to the present invention is a module that supports a shaft body that transmits torque and a small displacement that is fixed to the shaft body and that can be rotated together with the shaft body and is generated by twisting of the shaft body. It consists of a torque detection module that receives as a member stress, detects and calculates a torque value from this stress, and sends the torque information to the outside of the shaft by electromagnetic waves, and forms a film on the material characteristics of the module support member or on the surface of the support member It is characterized by utilizing the properties of the fixed material.
本発明に係るトルク検出装置は、軸体表面に直接検出原理を固定したり、軸体の磁気的な特性を利用せず、軸体はその軸の機械的特性や材質を軸そのものの機能を優先させて構成し、トルク被検出部分はトルク検出機能を優先させた構成とし、軸体自身のの磁気特性を利用しないため、軸の材質の自由度が高く、非磁性金属,樹脂,繊維強化プラスティックなど広範囲な適用が可能となる。 The torque detection device according to the present invention does not fix the detection principle directly on the surface of the shaft body or use the magnetic characteristics of the shaft body. It is configured with priority, and the torque detection part is configured to prioritize the torque detection function and does not use the magnetic characteristics of the shaft itself, so the shaft material is highly flexible and non-magnetic metal, resin, fiber reinforced A wide range of applications such as plastic becomes possible.
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
図3は、本発明に係るトルク検出装置の第1の実施の形態を示す図である。 FIG. 3 is a diagram showing a first embodiment of a torque detection device according to the present invention.
図において、本例のトルク検出装置300は、トルク被検出体である軸体301に固定され軸体301と一体に回転するトルク被検出体側モジュール305と、軸体301とは別に固定される固定側モジュール315とを有して構成され、これらトルク被検出体側モジュール305と固定側モジュール315とが一対となって機能するようになっている。
In the figure, a
前記トルク被検出体側モジュール305は軸体に加工された取付け座面303,316の上に固定される。またこの実施例ではトルク検出部位の径方向全体に溝302を形成し、この溝302で座面を303と316に分割する事によって、座面303と316の間に印加トルクによる微小変位が生じるようにしている。トルク被検出体モジュール305は、センサモジュールの主たる支持部材であり、中央部がX形の形状をなした検出プレート307と、特許文献5及び図9(C)で説明されるようなセンサチップ306で構成され、検出プレート307の表面にセンサチップ306を固定している。検出プレートのX形部分は317に示すように、軸に対してそれぞれ+/−45度になるように配置する。前記検出プレート307は両端を座面303,316に溶接等で固定され、軸体にトルクが印加されることによる前記微小変位に応じて、検出プレート307に微小変位による応力が発生する。また、検出プレートの形状は、中央部がX形となっていれば図6(A)
603,603のように他の形状であってもよいし、X形ではなく他の形状であってもよい。
The torque detected
Other shapes such as 603 and 603 may be used, and other shapes may be used instead of the X shape.
次に図3(B),(C)を使用して軸体へのトルク印加と、検出プレート307に発生する応力の関係を説明する。図3(B)で軸体304にトルク+Tが印加されると軸体の弾性力により座面303と316の間に微小な変位が発生する。この変位は軸の捻れに応じて発生し、溝302が深くなればこの変位も大きくなる。検出プレート307の両端は溶接等により強固に座面303,316に固定されているため、座面の変位は検出プレート307のX状部分でそれぞれ方向311に圧縮、方向312に引っ張りの応力が発生する。次に(C)の様に軸体304に反対側のトルク−Tが印加されると、検出プレート
307のX状部分で今度は方向311に引っ張り、方向312に圧縮の応力が発生する。これらは軸方向に対して+/−45度の相反する圧縮,引っ張り応力であり、先に図1,図2で説明した軸表面に発生する応力の関係と同一である。
Next, the relationship between the torque application to the shaft body and the stress generated in the
よって、前記検出プレート307のX部中央表面へ図6(A)601のように磁歪材料を膜状に固定したり、検出プレート自体を磁歪材料で作成し、+/−45方向それぞれの逆磁歪効果によるインピーダンス変化を計測すれば、軸体の表面に磁歪材料を固定したり、軸体材料の磁気特性を利用することなく、軸体のトルクを検出することが出来る。またこの発明によれば、検出プレート取付け座面303,316および検出プレートを曲面ではなく平面で構成できるため、軸径毎にセンサモジュールを変更する必要がなくなる。これにより、軸体は一般的な機械加工のみで済み、センサモジュール固定前であれば焼入れや、塗装等の後処理も可能である。さらにセンサモジュールの種類を増やさずに済み、検出プレートの材料自由度も高くなるため、大幅に軸体及びトルクセンサモジュール305の生産性を向上させることができ、ひいてはトルクセンサのコストを大幅に低減できる。
Therefore, a magnetostrictive material is fixed in the form of a film as shown in FIG. 6 (A) 601 on the surface of the X portion center of the
次に第2の実施例を図4を使用して説明する。前記軸体に形成するセンサモジュール用座面303,316の配置及び溝302の深さは、計測しようとするトルクの範囲や、検出プレート及びセンサチップの最大許容特性に対して適切でなければならない。よって、軸体の材質,熱処理,径,最大印加トルク等に応じ、座面の微小変位が十分発生するのであれば軸体401のように溝を廃止したり、逆に微小変位が不足する場合はトルク被検出部位のみ404のような外径拡大部を設けて微小変位を増幅しても良い。また、この外径拡大部は軸体と一体的に作られても良いし、404の部分を機械的に結合する構成であっても良い。
Next, a second embodiment will be described with reference to FIG. The arrangement of the sensor module seat surfaces 303 and 316 formed in the shaft body and the depth of the
次に第3の実施例を図5を使用して説明する。これはセンサモジュール305の製造方法と、軸体への接合方法の一例を説明したものである。センサモジュール305は一般的に言う半導体製造に似た工程で製造された後、センサモジュール305単体で流通可能であり、センサモジュール305を固定する前の軸体301は一般的に言う機械部品製造の工程で製造され、軸単体でも流通可能であって、これら両者が結合されて、トルク検出装置付きの軸体となる。まず、センサモジュール305の検出プレート307は、薄板を巻き取った、いわゆるロール状の素材から、プレス加工等でX形やその他必要な形状に加工してロール状又は、棒状の検出プレート一次加工品501を作成する。これは半導体製品のリードフレームを製造する工程に酷似しているものである。検出プレートに磁歪材料の膜が必要な場合は、この段階で蒸着やスパッタリング等で磁歪膜を連続的に固定することが可能である。次に検出プレートの各X形部分にセンサチップ306を固定し、これらを切り離せばセンサモジュール製品502が完成する。なお、図3,図5では、説明のためにセンサチップがむき出しの状態となっているが、図6(B)のように、センサチップ部分を一般の半導体製品の様に樹脂モールド604等で覆ってもよい。また、センサモジュール製品502は、最終的に軸へ残るセンサモジュール305と後述する支持部位である耳505で構成され、耳505とセンサモジュール305の間に切り離し用の切りこみを形成してある。この耳505は軸へ固定する前までのセンサモジュール305の取り扱いと、位置決めを容易にするためのものであるので、この有無によりセンサモジュール機能に影響を与えるものではない。次にセンサモジュール製品502を加工済みの軸体301に固定する方法について説明する。まずセンサモジュール製品502を軸体の座面303,316の上に乗せ、所定の固定位置に合わせる。このとき座面303と316の端から端までの幅をセンサモジュール製品の幅と合わせておくと位置決めが容易である。又、センサモジュール製品502を軸体301に乗せるときや、位置合わせの時に耳505を利用すれば取り扱いが容易である。次に、センサモジュール製品502を軸体301の座面303,316上に位置決めした後、たとえばレーザーや電子などによる溶接ビーム504で検出プレート502を固定する。検出プレート502が固定されれば耳505は不要であるので、耳505を外側に引いて切り離せば良い。
Next, a third embodiment will be described with reference to FIG. This is an example of a method for manufacturing the
上記の方法に係れば、センサモジュール305を半導体製品と同様な工程で製造でき、センサモジュール305の軸体301への取付けも従来通りの加工,固定技術が使用できる。
According to the above method, the
次にセンサモジュール検査装置の実施例を図7(A)(B)を使用して説明する。特許文献5では、センサモジュールを軸体に固定した後、既知のトルクを与えてセンサからの検出トルク情報と、既知のトルクを比較して校正値を算出し、これをセンサモジュールに書きこんでトルクセンサとしてのトルク検出精度を高める方法が提案されている。本実施例では軸体301に取付けられる前のセンサモジュール305が単独に製造され、流通することから、センサモジュール305での機能保証を行う必要があり、このための検査手段として、図7(A)に示す、微小角度を発生させ、センサモジュール製品502に角度変位を与える微小角度発生装置701と、発生した微小角度を計測する微小角度計702と、微小角度発生装置701で発生した角度変位をセンサモジュール製品502へ伝える可動側チャック703と、センサモジュール製品502の反対側を固定する固定側チャック704と、センサモジュールへ電源用電磁波と、センサモジュールが検出したねじり応力による信号を電磁波として受信するアンテナ705と、微小角度計702の角度検出値が所定の値になる様に微小角度発生装置701に角度発生を指示し、微小角度変化に応じて得られた図7(B)の特性と規格値707を比較するモジュール検査装置706からなる。
Next, an embodiment of the sensor module inspection apparatus will be described with reference to FIGS. In
センサモジュール製品502は、微小角度によってねじられると、中央のX形部分に、軸体に固定された時と同一方向の交錯応力が働く。この応力は与えた角度に依存する為、予め求めた角度とセンサモジュールからの信号の関係と比較して合否判断を行う。
When the
この検査方法によれば、センサモジュール製品502を軸に取付ける前でも単体での機能確認を実施でき、また、センサモジュールを軸体に取付けた後に校正し得る範囲内にばらつきが収まる様管理したり、精度のクラス分けができるようになるため、ひいてはセンサモジュールのコストを低減することが可能となる。
According to this inspection method, it is possible to check the function of a single unit even before the
101,102…軸体表面に発生する応力、103…磁歪材料、304,506…センサモジュールが固定された軸体、305…被検出体側センサモジュール、303,316…座面、306…センサチップ、307,602,603…検出プレート、315…固定側モジュール、501…切り離し前の検出プレート1次加工品、502…耳付きのセンサモジュール製品、504…溶接ビーム、505…耳、601,903…磁歪材料膜、604…樹脂モールド、701…微小角度発生装置、702…微小角度計、703…可動側チャック、704…固定側チャック、705…アンテナ、706…モジュール検査装置、707…規格値。 101, 102 ... Stress generated on the surface of the shaft body, 103 ... Magnetostrictive material, 304, 506 ... Shaft body on which the sensor module is fixed, 305 ... Sensor module to be detected side, 303, 316 ... Seat surface, 306 ... Sensor chip, 307, 602, 603 ... detection plate, 315 ... fixed side module, 501 ... primary processed product of detection plate before separation, 502 ... sensor module product with ear, 504 ... welding beam, 505 ... ear, 601,903 ... magnetostriction Material film, 604 ... resin mold, 701 ... minute angle generator, 702 ... minute angle meter, 703 ... movable side chuck, 704 ... fixed side chuck, 705 ... antenna, 706 ... module inspection device, 707 ... standard value.
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Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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CN112345137A (en) * | 2019-08-07 | 2021-02-09 | 上海金艺检测技术有限公司 | Flexible transmission system torque monitoring method based on stress testing technology |
-
2004
- 2004-12-03 JP JP2004350554A patent/JP2006162304A/en active Pending
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CN112345137A (en) * | 2019-08-07 | 2021-02-09 | 上海金艺检测技术有限公司 | Flexible transmission system torque monitoring method based on stress testing technology |
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