JP2008058171A - 磁気トルクセンサ - Google Patents

Abstract

【課題】 小型モータに内蔵される磁気トルクセンサを提供する。
【解決手段】 小型モータ１４の回転軸２１の外周面の一部に円筒形状の強磁性体２４を固定し、２層の円筒形状で、内層を磁歪材２５、外層を圧電材２７で構成した複合材２３を前記強磁性体２４の端面近傍に非接触となるように配置し、永久磁石２０の一端に凹部２６を設け、前記強磁性体２４の一部または全てを前記凹部２６内に配置したことにより、非接触で、小型モータに内蔵される磁気トルクセンサを構成することが可能となる。
【選択図】 図２

Description

本発明は、小型モータに内蔵される磁気トルクセンサに関する。

従来より、工作機械、自動車、ロボット等の回転機構におけるトルクは重要な要素であり、そのトルクを検出することを目的として現在では歪ゲージが多く使われている。しかしながら、最近では、非接触で且つ高感度である磁気トルクセンサが注目され始めている。

また、高精度な駆動制御をするため、トルクを回転速度や発生力から間接的に検出するのではなく、リアルタイムに検出するニーズが高まってきている。その一方で、回転機構内部に設置可能な磁気トルクセンサは少なく、回転機構の外部に各種磁気トルクセンサを装着し、トルクを検出することが多い。その一例として、図４に示す回転軸自身もしくは回転軸に固定された磁歪材の磁歪効果を利用するソレノイド方式（特許文献１）や、図５に示す鉄心にコイルを巻いた検出器を用いる磁気ヘッド方式（特許文献２）や、図６に示すホール素子方式（特許文献３）などが挙げられる。
特開平０７−１００７３５ 特開平０２−２７１２３１ 特開平０５−１９６５１７

しかしながら、上記特許文献１によるソレノイド方式では、励磁及び検出コイルが必要であり、回転軸とそれを取り巻く検出コイルとのギャップを一定に保つことが難しいという問題点があった。また、上記特許文献２による磁気ヘッド方式では、モータの小型化が必要な場合、小径の回転軸に取り付け可能な検出コイルの作製が困難であるという問題点があった。また、上記特許文献３によるホール素子方式では検出器の小型化に限界があるという問題点があった。

さらに、小型モータではデッドスペースがほとんど無いため、磁気トルクセンサを内蔵させるためには、小型モータの構成をより小型にする必要がある。

したがって、本発明は、磁気トルクセンサにおける上記の問題点を解決するため、励磁及び検出コイルを用いることなく、より簡略な構成で、且つ高感度な検出が可能な磁気トルクセンサを提供することを目的とする。

請求項１記載の発明は、小型モータに内蔵される磁気トルクセンサにおいて、前記小型モータの回転軸の外周面の一部に円筒形状の強磁性体を固定するとともに、磁歪材と圧電材を積層した複合材を前記強磁性体の端面近傍に前記強磁性体と非接触となるように配置することを特徴とする磁気トルクセンサとしている。

請求項２記載の発明は、前記複合材は、２層の円筒形状を有しており、内層を磁歪材で構成し、外層を圧電材で構成することを特徴とする請求項１及び２記載の磁気トルクセンサとしている。

請求項３記載の発明は、前記小型モータの永久磁石の一端に凹部を設けるとともに、前記強磁性体の一部または全てを前記凹部内に配置することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の磁気トルクセンサとしている。

請求項４記載の発明は、前記複合材において、前記磁歪材をＦｅ−Ｘ系（Ｘ＝Ｇａ，Ａｌ，Ｎｉ，Ｃｏ，Ｍｏ，Ｇｅ，Ｃｒ）合金とすることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の磁気トルクセンサとしている。

本発明の磁気トルクセンサでは、小型モータの回転軸の外周面の一部に円筒形状の強磁性体を固定するとともに、磁歪材と圧電材を積層した複合材を前記強磁性体の端面近傍に非接触となるように配置することで、前記回転軸にトルクが発生した際に生じる強磁性体からの漏洩磁場の変化を前記複合材が検出することで、これらを磁気トルクセンサとして機能させることが可能である。

また、本発明で用いる前記磁歪材と前記圧電材を積層した複合材は、回転軸側に前記磁歪材を配置して構成することにより、漏洩磁場の変化から磁歪材が伸縮し、積層された圧電材が機械的応力を受けることにより、その圧電材から取り出せる電圧が変化する。そして、この電圧変化を信号として取り出すことができる。更に、前記複合材を２層の円筒形状として、内層を磁歪材で構成し、外層を圧電材で構成することにより、検出面積を大きく確保することができるため、回転軸に固定された強磁性体の歪による漏洩磁場の変化をより高感度に検出することが可能となる。

また、本発明では、前記小型モータの永久磁石の一端に凹部を設け、前記強磁性体の一部を前記凹部内に配置することにより、前記強磁性体が永久磁石に励磁されて、漏洩磁場の変化をより大きくすることが可能となり、高感度に検出することが可能となる。

また、本発明の複合材において、前記磁歪材をＦｅ−Ｘ系（Ｘ＝Ｇａ，Ａｌ，Ｎｉ，Ｃｏ，Ｍｏ，Ｇｅ，Ｃｒ）合金で形成することにより、比較的低磁場で大きな磁歪を発現させることが可能となり、微小な漏洩磁場でも変位を検出することができ、高感度な磁気トルクセンサを構成することが可能となる。

以下、本発明に係る磁気トルクセンサについて、添付図面を参照して説明する。本発明における磁気トルクセンサは、小型モータに内蔵されるものであり、回転軸に固定された強磁性体とその端面近傍に配置された複合材から構成される。

第１の実施例における模式断面図を図１に示す。この小型モータ1は、ハウジング２、フランジ３、エンドフランジ４、軸受５、コイル６、永久磁石７、回転軸８、及び基板９から構成させており、円筒形状の前記ハウジング２の内周面に同じく円筒形状の前記コイル６が固定されるとともに、その一端には前記基板９を固定した。また、前記永久磁石７を固定した回転軸８は、前記ハウジング２内を挿通されるとともに、前記ハウジング２の両端にあるフランジ３、及びエンドフランジ４に固定された軸受５で回転自在に保持するようにした。

そして、前記基板９には前記回転軸８と対向するように複合材１０を固定し、前記回転軸８には前記複合材１０と対向されるように強磁性体１１を接着固定した。このとき、前記複合材１０は、２層の円筒形状で、内層を磁歪材１２、外層を圧電材１３で積層構成したものである。

本実施例では、前記回転軸８にトルクが与えられると、固定された前記強磁性体１１が歪み、前記強磁性体１１からの漏洩磁場が変化した。この漏洩磁場の変化によって、対向配置された前記複合材１０の内層を形成する前記磁歪材１２が伸縮した。この伸縮によって、前記磁歪材１２の外周に積層構成された前記圧電材１３には前記磁歪材１２から機械的応力が与えられ、前記圧電材１３の内部ではその応力に応じて電気分極が生じ、発生する電界が変化した。この発生する電界の変化を電圧信号として取り出すことで前記回転軸８に与えられたトルクを測定することができた。

第２の実施例における模式断面図を図２に示す。この小型モータ１４は、前記小型モータ１と同様にハウジング１５、フランジ１６、エンドフランジ１７、軸受１８、コイル１９、永久磁石２０、回転軸２１、及び基板２２から構成させており、円筒形状の前記ハウジング１５の内周面に、同じく円筒形状の前記コイル１９が固定するとともに、その一端には前記基板２２を固定した。また、前記永久磁石２０を固定した回転軸２１は前記ハウジング１５内を挿通しており、前記ハウジング１５の両端にあるフランジ１６、及びエンドフランジ１７に固定された軸受１８により回転自在に保持されるようにした。

さらに、前記基板２２には前記回転軸２１と対向するように、複合材２３を固定する。このとき、前記複合材２３は２層の円筒形状を有しており、内層を磁歪材２５、外層を圧電材２７で積層構成したものである。また、前記永久磁石２０の一端には凹部２６を設けており、前記回転軸２１に接着固定される強磁性体２４の一部を前記凹部２６内に配置した。

本実施例において、図３のセンサ部分の説明図で示すように、前記回転軸２１と円筒形状の前記複合材２３と前記強磁性体２４と配置し、前記永久磁石２０に前記凹部２６を設けることにより、第１の実施例と同様に回転軸に与えられるトルクを検出することが可能だが、前記強磁性体２４の一部が前記永久磁石２０の凹部２６内部に配置されるため、前記強磁性体２７が励磁され、漏洩磁場の変化をより大きくすることが可能となり、高感度に検出することが可能となる。

また、上記実施例１、２において、前記複合材１０、２３における磁歪材１２、２５はＦｅ−Ｘ系（Ｘ＝Ｇａ，Ａｌ，Ｎｉ，Ｃｏ，Ｍｏ，Ｇｅ，Ｃｒ）合金で形成し、前記圧電材１３、２７はチタン酸鉛（ＰｂＴｉＯ_３）系セラミックスで形成してもよい。さらには、前記磁歪材としては、高強度で透磁率の高いＦｅ−Ｇａ合金で形成することにより、磁気トルクセンサのセンサ部分として十分な強度を持たせ、微小な漏洩磁場変化も検出することが可能となる。また、前記強磁性体１１、２４はＦｅ−Ｇａ合金で形成してもよい。

以上より、励磁及び検出コイルを用いることなく、より簡略な構成で、高感度な検出が可能な磁気トルクセンサを小型モータに内蔵させることが可能となり、そのサイズをほとんど変更することなくトルクセンシング機能を付加することができる小型モータを提供することが可能となる。これは、例えば、自動車用インダクションモータへの搭載や、インテリジェントロボットへ応用し、関節のトルクをフィードバック制御するといった方面での応用も可能となる。

本発明における第１の実施例を示す模式断面図である。 本発明における第２の実施例を示す模式断面図である。 本発明における第２の実施例のセンサ部分の説明図である。 従来のソレノイド方式の磁気トルクセンサを示す説明図である。 従来の磁気ヘッド方式の磁気トルクセンサを示す説明図である。 従来のホール素子方式の磁気トルクセンサを示す説明図である。

符号の説明

１、１４ 小型モータ
２、１５ ハウジング
３、１６ フランジ
４、１７ エンドフランジ
５、１８ 軸受
６、１９ コイル
７、２０ 永久磁石
８、２１ 回転軸
９、２２ 基板
１０、２３ 複合材
１１、２４ 強磁性体
１２、２５ 磁歪材
１３、２７ 圧電材
２６ 凹部

Claims (4)

1. 小型モータに内蔵される磁気トルクセンサにおいて、
   前記小型モータの回転軸の外周面の一部に円筒形状の強磁性体を固定するとともに、磁歪材と圧電材を積層した複合材を前記強磁性体の端面近傍に前記強磁性体と非接触となるように配置することを特徴とする磁気トルクセンサ。
2. 前記複合材は、２層の円筒形状を有しており、内層を磁歪材で構成し、外層を圧電材で構成することを特徴とする請求項１及び２記載の磁気トルクセンサ。
3. 前記小型モータの永久磁石の一端に凹部を設けるとともに、前記強磁性体の一部または全てを前記凹部内に配置することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の磁気トルクセンサ。
4. 前記複合材において、前記磁歪材をＦｅ−Ｘ系（Ｘ＝Ｇａ，Ａｌ，Ｎｉ，Ｃｏ，Ｍｏ，Ｇｅ，Ｃｒ）合金とすることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の磁気トルクセンサ。
   

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