JP2006250865A - Torque detecting device and torque controller using same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、種々の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、大量安価に生産される製品や、過酷な環境で使用され、さらに高い信頼性やフェールセーフが要求される車両等にも適用できるトルク検出装置と、このトルク検出装置から出力されるトルクに関する情報を用いるトルク制御装置に関する。 The present invention is suitable for detecting torque in various shafts, gears, pulleys, and other rotating bodies, and is used in products manufactured in large quantities at low cost, and in harsh environments, and has higher reliability and fail-safety. The present invention relates to a torque detection device that can be applied to required vehicles and the like, and a torque control device that uses information about torque output from the torque detection device.
軸のトルクを電気信号として測定する方法としては、図6(B)のように軸体607の機械的な変位をひずみゲージ608で検出したり、図6(C)のように軸体の機械的変位を光学センサ609と光学スリット610で検出したり、図6(A)のように、軸体602の表面に塗布した磁歪材料601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7、図8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701にトルクTを印加すると、軸体の機械的捻れによって図7における方向702,703で示すような、軸体701の軸方向に対して+45度及び−45度方向に一方が圧縮、他方には引っ張り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 the torque T is applied to the
ところで、正の飽和磁歪定数を有する磁歪材料は、図8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704を図7で示すように軸体701の表面に固定すると、軸体701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6(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602の表面に磁歪材料601を塗布し、この軸体602上の磁歪材料601に、軸体602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603,606を設け、それぞれのスリット603,606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604、605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)。
Incidentally, a magnetostrictive material having a positive saturation magnetostriction constant has the property that, as shown in FIG. 8, the permeability increases when the material is pulled, and the permeability decreases when the material is compressed. When such a
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力学量センサ(例えば、特許文献4参照)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, Patent Document 2, 3), and a mechanical quantity sensor (for example, see Patent Document 4) in which a film-like planar coil is provided on the magnetostrictive layer on the surface of the shaft body to improve sensitivity and temperature characteristics.
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 in particular, the magnetostrictive torque detection device has various problems shown below. The spread is delayed compared to other physical quantity detection sensors.
例えば、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、特許文献2または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。 For example, the magnetostrictive torque detection device described in Patent Document 1 must have a large axial dimension due to its structure, and an annular detection coil must be passed through the shaft. There are also large restrictions. In addition, since the opposite inverse magnetostriction generation sites are physically separated from each other, there is a problem that if the shaft body has a temperature gradient, the magnetic characteristics are not balanced and a temperature drift occurs in the torque detection characteristics. In order to improve these problems, in the torque detection device described in Patent Document 2 or 3, a magnetic head type torque sensor in which a cross-shaped groove is formed in a magnetic core and an eight-shaped coil is inserted into the groove. It is said.
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、安価に製造することが難しかった。 These do not require the detection coil to pass through the shaft, and can be mounted at one location around the shaft. Although the temperature drift characteristics are improved because the detector is small, the change in the gap between the shaft and the detection coil core affects the torque detection sensitivity. Therefore, a highly accurate bearing structure and strict gap management are required, and the sensor itself can be downsized. However, there are many restrictions on the structure around the shaft and sensor mounting. In addition, the magnetic head type detection coil requires advanced manufacturing technology, and it has been difficult to manufacture at low cost.
前記を改善したものに、特許文献4に記載の力学量センサ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に記載の力学量センサにおいても、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、また、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 its surface like the mechanical quantity sensor described in Patent Document 4, and this coil is excited from outside the shaft at different locations on the shaft. Another annular coil is provided to further improve detection sensitivity, sensitivity fluctuation due to a gap, temperature drift, and the like. However, even in the mechanical quantity sensor described in Patent Document 4, it is necessary to pass an annular coil for excitation through the shaft body, and there is a great structural limitation in the assembly of the sensor, and the impedance change of the torque detection unit Is indirectly detected via an annular coil, so there is a limit to the improvement in sensitivity.
前記のような問題点を解決するために、本願出願人は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トルク検出装置を提案した。このトルク検出装置は図9(A)、(B)に記載のように軸体901の溝部901aに磁歪材料902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903を配置し、固定リング904で固定して、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である。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。
In order to solve the above-mentioned problems, the applicant of the present application has proposed a torque detection device that fixes a torque detection module on a shaft and reads out a torque value with electromagnetic waves. As shown in FIGS. 9A and 9B, this torque detector directly fixes a
さらにその発展形として図9(C)に示すように、半導体基板910上に、電源用受信アンテナ911と信号用送信アンテナ912とを形成すると共に、検出コイル913を形成し、合わせて電源受信回路914と信号処理回路等915とを形成し、軸側トルクセンサモジュールをワンチップ型としたものも提案している。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、軸体製造工程の見なおしや、特殊な膜固定装置が必要であるという問題があった。
Further, as a developed form thereof, as shown in FIG. 9C, a power receiving antenna 911 and a signal transmitting antenna 912 are formed on a semiconductor substrate 910, and a detection coil 913 is formed. There is also proposed one in which a
前記の問題点を解決するべく、本願出願人は軸体の物理変位を一度検出プレートに伝達してトルクを検出することにより、軸体材料・構造やセンサ製造上の制約を改善したものを提案した。このトルク検出装置は、図10に示すように、軸920に固定されたセンサモジュール921と、このセンサモジュールと非接触に近接して配置した固定側モジュール922とから構成し、軸920と、センサチップ923と磁歪膜付きの検出プレート924とからなる固定側モジュール921を別々に製造してこれらを接合する方法である。この方法によれば、従来から軸に行われている機械加工技術がそのまま使用でき、トルク検出装置の製造、物流、管理コストを低減できる。また、この方法はトルク検出に軸体自体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、繊維強化プラスチックその他にも適用が可能となる。図10の発明でも、アンテナ、回路、検出コイルを半導体チップ上の整形したワンチップ型センサ923が利用されている。
しかしながら、ワンチップ型センサ923を図9(C)の形態で構成すると、半導体基板上の同一平面に送受信アンテナと検出コイルが整形されるため、チップ上で検出コイルとして利用できる面積が極めて小さくなり、さらに半導体基板の辺に対し45度の角度をもって配置しているため、チップ表面の利用効率が悪く、インピーダンスの検出感度が低下し、トルク検出感度が小さくなってしまう。これは同時にチップ面積が大きくなり、製造歩留まりや、センサのコストが増大することを意味する。
However, when the one-
また、図11のように、検出コイル913を磁歪材料膜、すなわち磁歪膜付き検出プレートに向かい合わせてチップを配置すると、送受信アンテナ911、912が検出プレート側となってしまい、半導体基板によって電磁波の減衰が避けられないことと、アンテナが金属である磁歪膜付き検出プレート930に接近してしまうため、電磁波931が減衰し、電源及び信号の送受信性能が低下してしまうという問題が発生する。
Further, as shown in FIG. 11, when the chip is arranged with the detection coil 913 facing the magnetostrictive material film, that is, the detection plate with the magnetostrictive film, the transmission / reception antennas 911 and 912 become the detection plate side, and the semiconductor substrate causes the electromagnetic wave to be transmitted. Since attenuation is unavoidable and the antenna approaches the
しかも、検出感度を向上しようとすると、検出コイルに、より多くの電流を流さなければならず、ひいては電源としてトルクセンサに外部から供給している電磁波931の電力を大きくせざるをえない。これらは総じて他の電子機器に悪影響を与え、トルク検出装置の価格増を招き、実用化の障害となる。さらに、検出コイルが一組しか具備されていないため、どちらかのコイルや、インピーダンス検出回路が故障すると、センサ全体の機能を喪失する問題もある。 Moreover, in order to improve the detection sensitivity, more current must be passed through the detection coil, and as a result, the power of the electromagnetic wave 931 supplied from the outside to the torque sensor as a power source must be increased. These generally have an adverse effect on other electronic devices, increase the price of the torque detection device, and become an obstacle to practical use. Further, since only one set of detection coils is provided, there is a problem that the function of the entire sensor is lost when one of the coils or the impedance detection circuit fails.
本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、小型軽量、高感度、高精度でかつ安価に製造でき、取付けの制約が少なく、少電力での駆動が可能で、従来の製造プロセスをそのまま踏襲でき、ロバスト性が良好なトルク検出装置を提供することにある。また、このトルク検出装置から出力されるトルクに関する情報を用いる制御装置を提供することにある。 The present invention has been made in view of such problems, and the object of the present invention is to be small, lightweight, highly sensitive, highly accurate and inexpensive to manufacture, with few mounting restrictions, and with low power. An object of the present invention is to provide a torque detector that can be driven, can follow the conventional manufacturing process as it is, and has good robustness. Moreover, it is providing the control apparatus which uses the information regarding the torque output from this torque detection apparatus.
本発明者らは、トルク検出装置につき鋭意研究を重ねた結果、以下の特徴を有する本発明を完成させるに至った。すなわち、本発明に係るトルク検出装置は、ワンチップ型の半導体基板の両面を利用し、片面を検出コイル側、もう一面をアンテナ及び回路側とし、検出コイルと信号処理回路をチップの両面を貫通する貫通ビアで電気的に接続することによって、チップ片面全面に検出コイルを配置できるものである。 As a result of intensive studies on the torque detection device, the present inventors have completed the present invention having the following characteristics. That is, the torque detection device according to the present invention uses both sides of a one-chip type semiconductor substrate, one side is the detection coil side, the other side is the antenna and circuit side, and the detection coil and the signal processing circuit penetrate both sides of the chip. The detection coil can be arranged on the entire surface of one side of the chip by being electrically connected by the through via.
また、センサチップ自体をあらかじめ、軸体の軸方向とチップの辺を45度の角度で配置することにより、検出コイルをチップの辺に対して並行及び垂直に配置することを特徴とする。さらに、二つのコイルが対となり90度の角度を持って配置された検出コイルを複数個設け、これらの故障を検出してコイル対毎に切離してトルク検出値を補正したり、それぞれの対毎にトルクを検出・送信し、故障した部位の情報を送信することによって、受信側でも補正を可能とすることを特徴とする。 Further, the sensor chip is arranged in advance and in parallel to the chip side by arranging the sensor chip itself in an axial direction of the shaft body and the chip side at an angle of 45 degrees. Further, a plurality of detection coils arranged in pairs with two coils arranged at an angle of 90 degrees are provided, and these faults are detected and separated for each coil pair to correct the torque detection value. By detecting and transmitting torque and transmitting information on the failed part, correction can be performed on the receiving side as well.
具体的には、本発明に係るトルク検出装置は、軸体の表面に配置され、磁歪材料と該磁歪材料に近接して配置された検出コイルとを備えるセンサ部と、該センサ部とワイヤレスで送受信される固定部とを備え、前記軸体に印加されたトルクを検出する装置であって、前記センサ部は、板状の基板を備えると共に、前記固定部からワイヤレスで供給された電磁波を受信する受信アンテナと、検出されたトルクに関する信号を前記固定部に送信する送信アンテナとを備えており、前記送信アンテナおよび受信アンテナは、前記基板の一方の面に形成されると共に、前記コイルは、前記基板の他方の面に形成されることを特徴としている。特に、検出コイルは軸体と対向する面に配置され、受信アンテナおよび送信アンテナは固定部と対向する反対面に配置されることが好ましい。 Specifically, a torque detection device according to the present invention includes a sensor unit that is disposed on the surface of a shaft body and includes a magnetostrictive material and a detection coil that is disposed in proximity to the magnetostrictive material, and the sensor unit wirelessly. A device for detecting torque applied to the shaft body, wherein the sensor unit includes a plate-like substrate and receives an electromagnetic wave supplied wirelessly from the fixed unit. And a transmission antenna that transmits a signal related to the detected torque to the fixed portion, the transmission antenna and the reception antenna are formed on one surface of the substrate, and the coil is It is formed on the other surface of the substrate. In particular, the detection coil is preferably disposed on the surface facing the shaft body, and the reception antenna and the transmission antenna are preferably disposed on the opposite surface facing the fixed portion.
前記のごとく構成された本発明のトルク検出装置は、送信アンテナと受信アンテナとを基板の一方の面に形成し、他方の面に検出コイルを形成するため送受信性能を向上できる。また、基板の他方の面に形成され、トルクが印加されて変形した磁歪材料のインピーダンス変化を検出する検出コイルは大きく形成することができるため、トルク検出感度を向上させることができる。 The torque detection device of the present invention configured as described above can improve the transmission / reception performance because the transmission antenna and the reception antenna are formed on one surface of the substrate and the detection coil is formed on the other surface. In addition, since the detection coil that is formed on the other surface of the substrate and detects the impedance change of the magnetostrictive material deformed by the application of torque can be formed large, the torque detection sensitivity can be improved.
本発明に係るトルク検出装置の好ましい具体的な態様としては、前記センサ部は、前記検出コイルのインピーダンス変化を検出するインピーダンス検出回路と、検出されたインピーダンス変化を信号処理してトルク情報に変換する信号処理回路と、トルク情報に関する信号を変調・増幅して電波送信する送信回路と、前記固定部から送信される電磁波を受信する受信回路とを備えることを特徴としている。このように構成されたトルク検出装置は、板状の基板上の一方の面に磁歪材料のインピーダンス変化を検出する検出コイルと、他方の面にインピーダンス検出回路、信号処理回路、送信回路および受信回路を形成すると共に、送信アンテナおよび受信アンテナを形成することができ、ワンチップの基板に各種の回路、コイル、アンテナ等を効率よく配置することができる。 As a preferred specific aspect of the torque detection device according to the present invention, the sensor section detects an impedance change of the detection coil, and converts the detected impedance change into torque information by signal processing. A signal processing circuit, a transmission circuit that modulates and amplifies a signal related to torque information and transmits a radio wave, and a reception circuit that receives an electromagnetic wave transmitted from the fixing unit are provided. The torque detection device configured as described above includes a detection coil for detecting a change in impedance of a magnetostrictive material on one surface on a plate-like substrate, and an impedance detection circuit, a signal processing circuit, a transmission circuit, and a reception circuit on the other surface. In addition, a transmission antenna and a reception antenna can be formed, and various circuits, coils, antennas, and the like can be efficiently arranged on a one-chip substrate.
また、本発明に係るトルク検出装置の好ましい具体的な態様としては、前記基板は、その表面と裏面を接続する貫通穴を有しており、一方の面に形成された前記検出コイルと、他方の面に形成された前記インピーダンス検出回路とを前記貫通穴を通して電気的に接続することを特徴としている。この構成によれば、トルク検出装置のセンサ部を構成するモジュールの基板の例えば表面に形成された送信アンテナ、受信アンテナ、各種電気回路等と、裏面側に形成された検出コイル等の電気素子との接続が容易に行える。 Moreover, as a preferable specific aspect of the torque detection device according to the present invention, the substrate has a through-hole connecting the front surface and the back surface, the detection coil formed on one surface, and the other The impedance detection circuit formed on the surface is electrically connected through the through hole. According to this configuration, for example, a transmitting antenna, a receiving antenna, various electric circuits and the like formed on the front surface of the module substrate constituting the sensor unit of the torque detection device, and an electric element such as a detection coil formed on the back surface side Can be easily connected.
さらに、本発明に係るトルク検出装置の好ましい具体的な他の態様としては、前記検出コイルは、前記基板の表面に平面的に形成されると共に、前記基板の外周辺と平行または直角な複数の平行パターンと該複数の平行パターンの端部を交互に連結する交差パターンとからなる往復型コイルに形成され、前記検出コイルを2つ用いてコイル対を形成し、該コイル対は前記平行パターンが直交するように、その一端が接続されることを特徴としている。この構成によれば、トルクをインピーダンス変化として検出するコイルが平行パターンと、この平行パターンの端部を接続する交差パターンとから形成されているため容易に形成できると共に、直交する2つのコイル対によりインピーダンスを検出できるため検出感度を高めることができる。 Furthermore, as another preferable specific embodiment of the torque detection device according to the present invention, the detection coil is formed in a plane on the surface of the substrate, and a plurality of parallel or perpendicular to the outer periphery of the substrate. A reciprocating coil comprising a parallel pattern and cross patterns alternately connecting ends of the plurality of parallel patterns is formed, and a coil pair is formed by using two detection coils. It is characterized in that one end thereof is connected so as to be orthogonal. According to this configuration, the coil that detects torque as an impedance change is formed from the parallel pattern and the intersecting pattern that connects the ends of the parallel pattern, and can be easily formed. Since the impedance can be detected, the detection sensitivity can be increased.
本発明に係るトルク検出装置の好ましい具体的な他の態様としては、前記コイル対を複数配置し、該複数のコイル対から出力されるトルクに関する信号を選択または平均する総合トルク算出回路を備えることを特徴としている。この構成によれば、コイル対を複数配置し、複数のコイル対から出力されるトルクに関する信号を用いて、選択または平均して総合トルクを算出しているため、精度の良いトルク検出が可能となる。 As another preferred specific aspect of the torque detection device according to the present invention, a plurality of the coil pairs are arranged, and a total torque calculation circuit that selects or averages signals related to torque output from the plurality of coil pairs is provided. It is characterized by. According to this configuration, a plurality of coil pairs are arranged, and the total torque is calculated by selecting or averaging using the signals related to the torque output from the plurality of coil pairs, so that accurate torque detection is possible. Become.
本発明に係るトルク検出装置の好ましい具体的な他の態様としては、前記複数のコイル対の故障を検出する故障検出手段を備え、該故障検出手段により検出された前記コイル対から出力されるトルクに関する信号を無効とする切離し回路および/または前記複数のコイル対から出力される信号を補正する補正回路を備えることを特徴としている。この構成によれば、インピーダンス変化を検出する複数のコイル対の故障を検出して、このコイル対からの信号を切り離し回路で無効とするか、あるいは複数のコイル対から出力される信号を補正するため、精度の良いトルク検出が可能となる。 As another preferable specific aspect of the torque detection device according to the present invention, the torque detection device includes a failure detection means for detecting a failure of the plurality of coil pairs, and the torque output from the coil pair detected by the failure detection means. And a correction circuit that corrects a signal output from the plurality of coil pairs. According to this configuration, a failure of a plurality of coil pairs that detect impedance changes is detected, and signals from the coil pairs are disconnected and invalidated by a circuit, or signals output from the plurality of coil pairs are corrected. Therefore, accurate torque detection is possible.
本発明に係るトルク検出装置の好ましい具体的な他の態様としては、前記送信アンテナは、複数のコイル対から検出されるインピーダンス変化またはトルクに関する情報をそれぞれ送信することを特徴としている。この構成によれば、複数のコイル対から出力されるトルク情報の補正、故障検出、及び故障時のトルク検出装置の機能喪失を防止することができる。 As another preferred specific aspect of the torque detection device according to the present invention, the transmission antenna transmits information on impedance changes or torque detected from a plurality of coil pairs, respectively. According to this configuration, correction of torque information output from the plurality of coil pairs, failure detection, and loss of function of the torque detection device at the time of failure can be prevented.
本発明に係るトルク検出装置においては、前記複数のコイル対は、離れて配置された2つの往復型コイルにより構成されることが好ましい。すなわち、隣接していない2つのコイルを接続してコイル対としている。この構成によれば、コイル対を構成する2つの往復型コイルが隣接せずに離れているため、平面的にコイルを形成するときのばらつきを除去することができ、インピーダンス変化を精度良く検出することができる。 In the torque detection device according to the present invention, it is preferable that the plurality of coil pairs are constituted by two reciprocating coils arranged apart from each other. That is, two non-adjacent coils are connected to form a coil pair. According to this configuration, since the two reciprocating coils constituting the coil pair are separated from each other without being adjacent to each other, it is possible to eliminate variations when forming the coils in a plane and to detect the impedance change with high accuracy. be able to.
本発明に係るトルク制御装置は、前記のいずれかに記載のトルク検出装置から出力されたトルクに関する情報を用いてトルクを制御することを特徴としている。この構成によれば、種々の回転軸等のトルクを精度良く検出することができると共に、構成が簡単なため、制御装置の小型化を達成できる。また、検出されるトルクの精度が良いため、制御装置の機能を安定させることができる。 The torque control device according to the present invention is characterized in that torque is controlled using information on torque output from any of the torque detection devices described above. According to this configuration, torque of various rotating shafts and the like can be detected with high accuracy, and the configuration is simple, so that the control device can be reduced in size. Moreover, since the accuracy of the detected torque is good, the function of the control device can be stabilized.
本発明に係るトルク検出装置は、トルク検出機能及び、電源・信号の送受信機能を半導体基板上に構成するワンチップ型センサであっても、基板片面全体を検出コイルに利用できるため、基板面積を増大させずともトルク検出感度を向上させることができ、省電力を図ることができる。 Even if the torque detection device according to the present invention is a one-chip sensor having a torque detection function and a power / signal transmission / reception function on a semiconductor substrate, the entire surface of one side of the substrate can be used as a detection coil. Torque detection sensitivity can be improved without increasing the power, and power can be saved.
また、電源及び信号送受信アンテナと、検出コイルが基板上の異なる面に配置され、アンテナを外側、コイルを軸側に配置できるため、検出コイルと送受信電磁波の干渉を低減できる。また、金属である場合の多い軸や検出プレートをアンテナから遠ざけることができるため、アンテナの利得を向上できる。 In addition, since the power supply and signal transmission / reception antenna and the detection coil are arranged on different surfaces on the substrate, and the antenna can be arranged on the outer side and the coil on the shaft side, interference between the detection coil and the transmission / reception electromagnetic wave can be reduced. Further, since the shaft and the detection plate, which are often made of metal, can be moved away from the antenna, the gain of the antenna can be improved.
トルク検出を行う検出コイルの対を複数設け、これを基板上で分散させることによって磁歪材料膜の材料ばらつきや、成膜ばらつきの影響を低減でき、トルク検出精度や製品歩留まりを向上することができる。さらに、分散させた複数の検出コイルや回路の故障を検出して故障部分を切離して信号を補正することで、センサの一部に故障が発生しても完全な機能喪失を防止することができる。これによりセンサのロバスト性が向上し、高い信頼性が求められる用途にも適用できる。 By providing multiple pairs of detection coils for torque detection and dispersing them on the substrate, it is possible to reduce the effects of material variations and film formation variations of the magnetostrictive material film, and improve torque detection accuracy and product yield. . Furthermore, it is possible to prevent complete loss of function even if a failure occurs in a part of the sensor by detecting a failure in a plurality of dispersed detection coils and circuits and correcting the signal by separating the failure portion. . This improves the robustness of the sensor and can be applied to applications that require high reliability.
[第1の実施形態]
以下、本発明に係るトルク検出装置の第1の実施形態を図面に基づき詳細に説明する。図1は、本実施形態に係るトルク検出装置の基本的構成を示す要部斜視図であり、(A)はセンサモジュールを固定した軸体と固定側モジュールとを離した状態の要部斜視図と、センサモジュールの要部拡大図、(B)はトルクを検出する軸体の一部を破断した要部斜視図、(C)は軸体に一方向のトルクを印加した状態の斜視図と要部拡大図、(D)は軸体に他方向のトルクを印加した状態の斜視図と要部拡大図、図2は、図1のセンサチップと固定側モジュールの電気的構成を示すブロック図、図3は、センサチップの要部構成を示し、(A)は概略斜視図、(B)は一部を省略した表面図、(C)は要部の断面図、(D)は裏面図である。
[First Embodiment]
Hereinafter, a first embodiment of a torque detection device according to the present invention will be described in detail with reference to the drawings. FIG. 1 is a main part perspective view showing a basic configuration of a torque detection device according to the present embodiment, and FIG. 1A is a main part perspective view in a state where a shaft body to which a sensor module is fixed and a fixed side module are separated from each other. And (B) is a perspective view of the main part with a part of the shaft body that detects torque being broken, and (C) is a perspective view of a state where torque in one direction is applied to the shaft body. (D) is a perspective view and a main part enlarged view of a state in which torque in the other direction is applied to the shaft body, and FIG. 2 is a block diagram showing an electrical configuration of the sensor chip and the fixed side module of FIG. 3A and 3B show the configuration of the main part of the sensor chip, FIG. 3A is a schematic perspective view, FIG. 3B is a front view with a part omitted, FIG. 3C is a cross-sectional view of the main part, and FIG. It is.
図1において、本実施形態のトルク検出装置100は、トルク被検出体である軸体101に固定され、この軸体と一体に回転するセンサモジュール110と、軸体とは別に固定される固定側モジュール120とを備えて構成され、センサモジュールと固定側モジュールとが一対となって機能するように構成されている。この基本構成は、従来の技術で説明した図10に示す構成と同等の構成となっている。図1は本発明を使用したワンチップ型トルクセンサチップの軸体101への実装形態を示している。
In FIG. 1, a
センサモジュール110は、軸体101に円周方向に形成された溝102を跨るように平坦に加工された取付け座面103,104上に固定される。この構成により、溝で分割された取付け座面には、軸体にトルクが印加されたときに微小変位が生じるようにしている。センサモジュール110は、トルク被検出体である軸体101に固定され、軸体101と一体に回転する。
The
センサモジュール110は、中央部がX形の形状をなした金属板材よりなる検出プレート111と、後述されるセンサチップ112で構成され、検出プレート111の表面にセンサチップ112を固定している。検出プレート111は中心部にX形部分が形成され、このX形部分は軸に対してそれぞれ+/−45度になるように形成される。検出プレート111は両側辺を軸の取付け座面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微小変位に応じて、検出プレート111に微小変位による応力が発生する。軸体へのトルク印加と、検出プレート111に発生する応力の関係を説明する。
The
図1(C)のように、軸体101にトルク+Tが印加されると、軸体の弾性力によりトルクに応じた微小変位が発生する。検出プレート111の両端は溶接等により強固に座面に固定されているため、座面の変位は検出プレート111のX状部分でそれぞれ圧縮応力105、引っ張り応力106が発生する。次に図1(D)のように、軸体101に反対側のトルク−Tが印加されると、検出プレート111のX状部分で今度は反対方向の引っ張り、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7,8で説明した軸表面に発生する応力の関係と同一である。
As shown in FIG. 1C, when the torque + T is applied to the
よって、検出プレート111のX部中央表面へ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製し、検出プレート111のX部中央表面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101のトルクを検出することができる。図示の例では説明のためにセンサチップ112が露出しているが、より現実的な実施例としてこの一部を樹脂等でモールドすることが望ましい。
Therefore, if the magnetostrictive material is fixed to the X portion central surface of the
固定側モジュール120は、軸体101の直径より大きな開口部を有し、軸体の外周に沿うような馬蹄形の形状の筐体を有している。開口部は半円弧状の円弧面を有しており、軸体と所定の間隙を有して対向できる構成となっている。間隙は1mm程度が好ましいが、特に規定されるものではない。すなわち、間隙が小さいほど送受信する電力が少なくてすむというメリットがある。軸体のトルク検出時には、軸体の外周面に沿わせて開口部を接近させるだけの動作ですみ、取付け上の制約がほとんど無く、固定側モジュールからの電力の送信や、センサモジュールからの信号の送信が安定して行える。
The fixed-
図2は、センサチップ112および固定側モジュール120を電気的な観点で示したものであり、センサチップ側には、軸上に発生する逆磁歪効果すなわち図7の方向702,703で示される表面応力による透磁率変化をインピーダンス変化として検出する検出コイル201、ブリッジ回路を構成するための抵抗器202、2つの検出コイルを励磁してかつ、検出コイル間で相反するインピーダンスを差動増幅してトルク情報を取り出す励磁・インピーダンス検出回路203、トルク情報を電波で送信するための信号変調回路204、変調されたトルク信号を増幅してアンテナに送り出す高周波増幅回路205で構成される信号処理回路206、電波を軸側から外部に送信する信号用送信アンテナ210、電源用の電波を受信する電源用受信アンテナ211、電波として受信した電力を回路の電源に変換する電源受信回路212、一連の信号処理・変調等に必要な基準信号を受信して各部に供給する基準信号分別回路213を形成したセンサチップ112が、磁歪膜を塗布した検出プレート111に固定され、軸101と一体に回転する。
FIG. 2 shows the
センサチップ112は例えば単一のシリコン基板から形成される。検出コイル201は電流が印加されて磁界が形成され、この励磁状態が応力により変化するインダクタンス変化を、ブリッジ回路のインピーダンス変化として検出するものである。ブリッジ回路はフルブリッジ回路や、ハーフブリッジ回路等、適宜の形態を用いることができるが、感度の上ではフルブリッジ回路が好ましい。また、インダクタンス変化に代えて、他の特性変化を検出してもよい。
The
一方、固定側モジュール120は、センサチップ112に送信する基準信号を生成する基準信号生成回路220、電源と該基準信号を電磁波として軸側に送信する電源送信回路221、これらを電波として放出する電源用送信アンテナ222、軸側から送られてきた電波を受信する信号用受信アンテナ223、アンテナで受信した微弱電波を増幅する高周波増幅回路224、トルク信号を電波から取り出す信号復調回路225、トルク信号を外部に出力する信号出力回路226を備えて構成されている。
On the other hand, the fixed
図3は本発明に係るトルク検出装置のセンサチップの第1の実施形態を示す図であり、例えば図1のトルク検出装置100のセンサチップ112を説明するものである。通常、半導体チップで利用できる加工面は半導体基板301上に2面存在し、例えば片側を表面と定義すると、反対側は裏面となる。表面には信号処理回路206、信号用送信アンテナ210、電源用受信回路212、電源受信用アンテナ211が形成されている。一方、裏面には長手方向が互いに90度の角度を持つ2つの検出コイル201が一組として加工され、検出プレート上に固定された磁歪材料膜に発生する圧縮、引張応力をインピーダンス変化として検出する。
FIG. 3 is a diagram showing a first embodiment of the sensor chip of the torque detection device according to the present invention. For example, the
この検出コイル201は基板の表面に平面的に形成されるものであり、基板301の外周辺と平行または直角な複数の平行パターンと、この複数の平行パターンの端部を交互に連結する交差パターンとからなる往復型コイルに形成されている。そして、図3(D)において、水平な平行パターンの検出コイルと、垂直なパターンの検出コイルを用いて、それらの一端を接続することによりコイル対を形成している。検出コイル201は、最大で基板裏面全体に配置が可能であるが、別の目的で他の回路または配線を加工してもよい。裏面に加工された検出コイル201と、表面に加工された信号処理回路206は、半導体基板の表面と裏面を貫通する貫通穴として貫通ビア302を設けることにより電気的な接続を行っている。なお、表裏面の電気的接続は他の方法を用いて接続してもよい。
The
このように構成された第1の実施形態においては、固定側モジュール120の電源送信回路221から送信アンテナ222により送信された電源用の電磁波230は、センサチップ112の受信アンテナ211で受信され、検出コイル201を励磁してセンサチップを動作状態とする。軸体101にトルクが印加され、センサチップの検出プレート111に応力が作用すると、逆磁歪効果により検出コイルのインピーダンスが変化する。このインピーダンス検出値は信号変調回路204で処理され、高周波増幅回路205で増幅され、送信アンテナ210から固定側モジュール120に電磁波231により送信され、信号用受信アンテナ223で受信される。
In the first embodiment configured as described above, the
検出コイル201は基板301の裏面側に形成され、受信アンテナ211および送信アンテナ210は基板301の表面側に形成されているため、相互干渉を受けることが少なく、送受信機能が安定しており、正確なトルクを検出することができる。また、センサチップ112は小型軽量に作製することができ、固定側モジュール120はセンサチップと対向しやすいように一端部が開口しており、両者はワイヤレスで送受信されるため、どのような軸体でも容易に取り付けることができ、正確なトルクを検出することができる。さらに、送受信の電磁波が減衰しにくいため、省電力を達成できる。
Since the
[第2の実施形態]
本発明の第2の実施形態を図4(A)に基づいて説明する。図9(C)や図11、図3では検出コイルが1組であるが、図4(A)のように、これを複数のブロックに分割して格子状に交互配置しても0トルク検出原理に影響を及ぼさない。図示の例では、平行パターンと、この平行パターンの端部を接続する交差パターンを有する往復型コイルが16個形成されており、水平パターンのコイルと垂直パターンのコイルを接続して、8個のコイル対を形成することができる。この構成により多様な検出コイル201の配置が可能である。例えば、長手方向が水平な検出コイル201同士を全て直列接続して単一な検出コイルとして利用すれば、検出プレート111上に固定された磁歪材料膜の材料ばらつきや、成膜ばらつきによる検出トルクのオフセット誤差を低減することが可能である。
[Second Embodiment]
A second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. In FIG. 9C, FIG. 11 and FIG. 3, there is one set of detection coils. However, as shown in FIG. 4A, 0 torque detection is possible even if this is divided into a plurality of blocks and arranged alternately in a grid pattern. Does not affect the principle. In the example shown in the drawing, 16 reciprocating coils having a parallel pattern and an intersecting pattern connecting the ends of the parallel pattern are formed, and a horizontal pattern coil and a vertical pattern coil are connected to form 8 reciprocating coils. Coil pairs can be formed. With this configuration, various arrangements of the
このことは、軸体101にトルクを与えていない状態で、2つある検出コイルのインピーダンスが釣合っていないと、どちらかの方向にトルクが与えられている状態と同一となってしまうからであり、これは磁歪材料側のばらつきや、回路のアンバランス成分によって発生する。よって、例えば検出プレート111への磁歪材料膜の成膜状態が均一でない場合に、単一で大面積の検出コイル201を2つ配置すると、より成膜ばらつきの影響を受けやすくなる。このため、複数の小型検出コイルを分散して格子状にかつ交互に配置すれば、磁歪材料膜のばらつきに起因するアンバランス成分が分散されて、同一成膜条件でのオフセット誤差を低減することができる。また、この実施形態では、検出コイルの対を隣接しないで離れた配置された検出コイルの対401としてもよい。これにより、ばらつきをさらに低減することができる。
This is because when the torque is not applied to the
[第3の実施形態]
本発明の第3の実施形態を図4(B)及び図4(C)に基づいて説明する。前記の実施形態で複数のブロックに分割した検出コイル201に、機能しない検出コイル402と対をなす検出コイル403がある場合には、このコイル対を切り離して無効とする。すなわち、複数のコイル対に個別のインピーダンス検出回路404を設け、それぞれの回路またはコイルの異常を監視するコイル故障検出回路405で検出コイル201またはインピーダンス検出回路404のいずれかが故障と判断された場合は、故障した系統を切離し回路406で切離し、総合トルク算出回路407で有効なトルクに関する信号を選択、あるいは平均して総合トルクを算出する。また、同時に故障検出回路405の出力に基づいて補正回路408を調整すれば、トルクセンサとしての機能を継続することができる。この補正は総合トルクを算出した後に行ってもよいし、その他の信号経路上で行ってもよい。さらに、この切離しは他の故障部位に基づくものであってもよいし、補正内容も本実施例が制約を与えるものではない。
[Third Embodiment]
A third embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 4B and 4C. If the
また、所望のトルク検出感度に対し、あらかじめ余裕を持ったトルク検出性能を持たせたり、予備コイルを配置しておけば、センサチップや、磁歪材料膜に製造上の欠損があっても当該部分を切離し、置換することによって、所望の機能・性能を満たすことができるため、製造歩留まりを向上させることもできると共に、ロバスト性を向上させることができる。すなわち、あるコイル対が故障しても、他のコイル対を用いてバックアップすることができ、機能を回復することができる。 In addition, if there is sufficient torque detection performance in advance for the desired torque detection sensitivity, or if a spare coil is placed, even if there is a manufacturing defect in the sensor chip or magnetostrictive material film, this part Since the desired functions and performances can be satisfied by separating and replacing, the manufacturing yield can be improved and the robustness can be improved. That is, even if a certain coil pair breaks down, it can be backed up using another coil pair, and the function can be restored.
[第4の実施形態]
本発明の第4の実施形態を図5に基づいて説明する。この実施形態は、軸体101上に固定されたセンサチップ112が電磁波231として電源用の電磁波を受信し、電磁波230として送信したトルク情報を、固定側モジュール120で受信し、固定側モジュールから、シリアル通信でトルク情報を利用する制御装置501又は測定装置へ送信される形態を示している。このシリアル通信の通信フレームを第3の実施形態で述べた、検出コイル又は回路その他の診断情報505とトルク情報506で、図5(B)のように構成すれば、制御装置501側でもトルク情報の補正、故障検出、及び故障時の機能喪失防止が可能となる。診断情報とは、例えば故障したコイル対を特定する情報であり、この情報を基に補正回路408の補正を行う。
[Fourth Embodiment]
A fourth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. In this embodiment, the
また、別の方法として、図5(C)のように、各検出コイル201に応じて、診断情報505に続くトルク情報を507〜509のように個別に送信するフレーム構成にし、診断情報505を基に、複数のコイル対から検出されるトルク情報フレーム507〜509の利用判断や補正を行っても同様の効果がある。このように検出コイルに断線等の故障が発生しても、故障部分を切り離して機能させることができるため、センサチップの歩留まりや、制御装置のロバスト性を向上させることができる。
As another method, as shown in FIG. 5C, according to each
以上、本発明の実施形態について詳述したが、本発明は、前記の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の精神を逸脱しない範囲で、種々の設計変更を行うことができるものである。例えば、センサ部を構成する検出プレートは金属板材から作製することが好ましいが、金属製に限らず、プラスチック製や、セラミックから形成してもよい。 Although the embodiments of the present invention have been described in detail above, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various designs can be made without departing from the spirit of the present invention described in the claims. It can be changed. For example, the detection plate constituting the sensor unit is preferably made of a metal plate material, but is not limited to metal, and may be made of plastic or ceramic.
また、トルクを検出する軸体は金属に限らず、プラスチック軸にも適用することができる。軸体をプラスチックとする場合は、センサモジュールの検出プレートは軸体形成時にインサート成型で固定することができる。 Further, the shaft body for detecting the torque is not limited to a metal, but can be applied to a plastic shaft. When the shaft body is made of plastic, the detection plate of the sensor module can be fixed by insert molding when the shaft body is formed.
本発明の活用例として、このトルク検出装置を複数の回転軸に取り付けることによって、例えば自動車のエンジンのクランクシャフトや変速機の駆動シャフト、車輪を駆動するドライブシャフト等の回転軸のトルク管理を行い、制御する用途にも適用できる。また、自動車のパワーステアリング軸のトルク検出等も容易に行え、ロボット装置のアームのトルク検出や各種の用途に用いることができ、検出されたトルクを用いてトルク制御装置を構成することもできる。 As an example of use of the present invention, by attaching this torque detection device to a plurality of rotating shafts, torque management of rotating shafts such as a crankshaft of an automobile engine, a drive shaft of a transmission, a drive shaft for driving wheels, and the like is performed. It can also be used for controlling purposes. In addition, the torque of the power steering shaft of the automobile can be easily detected, and can be used for detecting the torque of the arm of the robot apparatus and various applications, and the torque control apparatus can be configured using the detected torque.
100…トルク検出装置、101…軸体、105、106…軸体表面に発生する応力、110…センサモジュール(センサ部)、111…磁歪膜付き検出プレート、112…センサチップ、120…固定側モジュール(固定部)、201…検出コイル、203…励磁、インピーダンス検出回路、205…高周波増幅回路(送信回路)、206…信号処理回路、212…電源受信回路、210…信号用送信アンテナ、211…電源用受信アンテナ、212…電源受信回路、230、231…電磁波、301…半導体基板、302…貫通ビア(貫通穴)、401…検出コイルの対、402…機能しない検出コイル、403…切離された対となる検出コイル、404…インピーダンス検出回路、405…故障検出回路、406…切離し回路、407…総合トルク算出回路、408…補正回路、501…制御装置、505…診断情報フレーム、506、507、508、509…トルク情報フレーム
DESCRIPTION OF
Claims (9)
前記センサ部は、板状の基板を備えると共に、前記固定部からワイヤレスで供給された電磁波を受信する受信アンテナと、検出されたトルクに関する信号を前記固定部に送信する送信アンテナとを備えており、
前記送信アンテナおよび受信アンテナは、前記基板の一方の面に形成されると共に、前記検出コイルは、前記基板の他方の面に形成されることを特徴とするトルク検出装置。 A sensor unit that is disposed on the surface of the shaft body and includes a magnetostrictive material and a detection coil that is disposed in proximity to the magnetostrictive material, and a fixing unit that wirelessly transmits and receives the sensor unit, and is applied to the shaft body A device for detecting the generated torque,
The sensor unit includes a plate-like substrate, and includes a receiving antenna that receives an electromagnetic wave wirelessly supplied from the fixed unit, and a transmission antenna that transmits a signal related to the detected torque to the fixed unit. ,
The transmitting antenna and the receiving antenna are formed on one surface of the substrate, and the detection coil is formed on the other surface of the substrate.
前記検出コイルを2つ用いてコイル対を形成し、該コイル対は前記平行パターンが直交するように、その一端が接続されることを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載のトルク検出装置。 The detection coil is planarly formed on the surface of the substrate, and includes a plurality of parallel patterns that are parallel or perpendicular to the outer periphery of the substrate and a cross pattern that alternately connects ends of the plurality of parallel patterns. Formed in a reciprocating coil
The torque according to any one of claims 1 to 3, wherein two detection coils are used to form a coil pair, and one end of the coil pair is connected so that the parallel patterns are orthogonal to each other. Detection device.
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