JP2008107297A - 磁歪式トルクセンサ - Google Patents

Abstract

【課題】所期の磁気シールド効果が得られると共に、磁気シールド板や他の構成部品の浮遊容量によって誤動作するおそれのないようにし得、併せて、磁気シールド板を介しての感電のおそれもないようにし得るようにする。
【解決手段】トルクが伝達されるシャフト１と、このシャフト１の外周面に設けられた磁歪膜４，５と、この磁歪膜４，５の外周囲に配設された検出コイル６，７と、シャフト１を支承するフレーム４１とを具備するものにおいて、検出コイル６，７の外周囲に磁気シールド板２８を設け、この磁気シールド板２８を電気的に接地Ｅ_１すると共に、該磁気シールド板２８をシャフト１及びフレーム４１から電気的に絶縁した。
【選択図】図１

Description

本発明は、検出コイルの外周囲に磁気シールド板を有する磁歪式トルクセンサに関する。

従来より、磁歪式トルクセンサは、トルクが伝達されるシャフトの外周面に磁歪膜を設け、この磁歪膜の外周囲に検出コイルを配設し、そして、シャフトをフレームにより支承した構成で、シャフトに作用するトルクにより、磁歪膜に引張りや圧縮の応力が及ぶことによる逆磁歪効果で磁歪膜の透磁率が変化することに合わせ、その透磁率変化を検出コイルのインダクタンス変化で検出するようになっている（例えば特許文献１参照）。

このものの場合、外部磁気の影響で誤動作する可能性があり、それに対して、フレームに鉄など磁性材を用いているが、フレームと検出コイルとの距離が大きく、フレームによる磁気シールド効果は少ない。
そこで、検出コイルの外周囲に磁気シールド板を設けて、所期の磁気シールド効果が得られるようにしたものもある（例えば特許文献２参照）。
特開２００４−５３２５４号公報 特開２００４−３０９１８４号公報

磁歪式トルクセンサにおける磁歪膜の透磁率の変化量、並びに検出コイルのインダクタンスの変化量は、例えば磁歪膜に比較的安価なニッケルと鉄との合金等を用いた場合、数〔％〕（およそ３〔％〕未満）といった非常に微小な値となる。又、検出コイルのインダクタンス変化から電気信号（例えば電圧信号）に変換するには、一般的に交流ブリッジ回路を用いるが、交流ブリッジ回路は例えば４０〔ｋＨｚ〕といった高周波で励磁するため、前記磁気シールド板やそれによって囲繞された検出コイルやシャフトといった他の構成部品の浮遊容量によって誤動作するおそれがあり、それへの対応が充分になされていなかった。

本発明は上述の事情に鑑みてなされたものであり、従ってその目的は、所期の磁気シールド効果が得られると共に、磁気シールド板や他の構成部品の浮遊容量によって誤動作するおそれのないようにし得、併せて、磁気シールド板を介しての感電のおそれもないようにし得る磁歪式トルクセンサを提供するにある。

上記目的を達成するために、本発明の磁歪式トルクセンサにおいては、トルクが伝達されるシャフトと、このシャフトの外周面に設けられた磁歪膜と、この磁歪膜の外周囲に配設された検出コイルと、前記シャフトを支承するフレームとを具備するものにおいて、前記検出コイルの外周囲に磁気シールド板を設け、この磁気シールド板を電気的に接地すると共に、該磁気シールド板を前記シャフト及びフレームから電気的に絶縁したことを特徴とする（請求項１の発明）。

上記手段によれば、検出コイルの外周囲に設けた磁気シールド板によって、所期の磁気シールド効果が得られる。
又、磁気シールド板を電気的に接地しているため、磁気シールド板やそれによって囲繞された検出コイルやシャフトといった他の構成部品の浮遊容量を一定の小さい値にでき、該浮遊容量による誤動作のおそれをなくすことができる。
更に、磁気シールド板を外部に露出するシャフト及びフレームから電気的に絶縁しているため、磁気シールド板からシャフト及びフレームを介しての感電のおそれもなくすことができる。

以下、本発明の第１実施例（第１の実施形態）につき、図１ないし図６を参照して説明する。
まず、図２には、中央部にシャフト１を示している。このシャフト１は、ステンレス鋼など金属にて円柱状に形成したものであり、トルク（回転動力）が伝達されるようになっている。このシャフト１の外周面には、図中左右（軸方向）の中間部の近接した二箇所に、凹凸部２，３を形成し、この凹凸部２，３の外周面、従って又、シャフト１の外周面に、それぞれ磁歪膜４，５を設けている。

なお、凹凸部２，３は、この場合、シャフト１の外周面に例えば転造により形成したものであり、そのパターンは、シャフト１に作用するトルクによる応力が磁歪膜４，５に最も効果的に及ぶように、いずれもトルクの印加方向（回転方向）に対して約４５度角の傾きで形成しているが、図中左側の凹凸部２と右側の凹凸部３とでは、その傾きの方向を逆にしており、この結果、磁歪膜４，５には互いに反対の応力が及ぶようになっている。

又、磁歪膜４，５は、磁歪材、中でも例えばニッケルと鉄との合金から成るもので、それを凹凸部２，３の外周面（シャフト１の外周面）に例えばメッキにより設けている。但し、シャフト１の外周面には必ずしも凹凸部２，３を形成する必要はなく、磁歪膜４，５も磁歪材のメッキ以外、例えば磁歪材の箔帯で接着するようなものであっても良い。

磁歪膜４，５の外周囲には、検出コイル６，７を、共通のボビン８に巻装した状態で配設している。ボビン８は、プラスチックなど電気絶縁材から成るもので、図で左右の中央に位置する中間部である仕切部９の両側に凹部１０，１１に有しており、この凹部１０，１１に検出コイル６，７を仕切部９の外周面より中心側に（凹部１０，１１から出ないように）巻装収容している。ボビン８の凹部１０，１１より更に外側（両端部側）の上面部には、溝部１２，１３を有しており、この溝部１２，１３にそれぞれ検出コイル６，７の端末部分６ａ，７ａを収めて通している。

このほか、ボビン８には、両端部の外周部に段部１４，１５を形成し、両端部の内周部に凹部１６，１７を形成していて、この凹部１６，１７に嵌着した軸受１８，１９によりシャフト１を回転可能に支承している。なお、図で左側の軸受１８の外側（左側）には、ワッシャ２０を介してストップリング２１を装着し、図で右側の軸受１９の外側（右側）には、ワッシャ２２、与圧ばね（波形ワッシャ）２３、ワッシャ２４を順に介してストップリング２５を装着している。又、ボビン８の両端部の下方にはフランジ部２６，２７を形成している。

検出コイル６，７の外周囲には、磁気シールド板２８をボビン８の外周面に巻き付けて設けている。従って、磁気シールド板２８は筒状であり、磁性材、この場合、特には鉄とコバルトとの合金のアモルファス薄帯から成っているが、接したボビン８が電気絶縁材から成る関係上、シャフト１及び検出コイル６，７とは電気的に絶縁されている。又、この場合、磁気シールド板２８は、ボビン８の前記凹部１０，１１に巻装収容した検出コイル６，７よりも径方向の外方に位置する、仕切部（中間部）９の外周面と、凹部１０，１１とフランジ部２６，２７との間の部分の外周面とに接して受けられている。

ボビン８の左右の両端部の上面には、それぞれ導電材から成る接続ピン２９を立設しており、この両接続ピン２９に、前記ボビン８の溝部１２，１３を通した検出コイル６，７の端末部分６ａ，７ａを接続している。なお、この接続ピン２９に対する検出コイル６，７の端末部分６ａ，７ａの接続は、具体的には、接続ピン２９の各下部に、検出コイル６，７の端末部分６ａ，７ａの先端部を巻き付けた上で、半田３０付けをすることにより行っている。

磁気シールド板２８の上方には、回路基板３１を接続ピン２９に挿通させて配設している。この回路基板３１は、図３に示すように、表側（上面）に、検出コイル接続用のパターン３２，３３，３４，３５と、磁気シールド板接地用のパターン３６とを有しており、裏側（下面）に、ばね状端子接続用のパターン３７を有していて、これをスルーホール３８により磁気シールド板接地用のパターン３６のパッド３６ａと導通させている。

上記回路基板３１の裏側において、ばね状端子接続用のパターン３７の両端パッド３７ａ部分には、それぞれ図４に示すばね状端子３９を半田付けして取付け接続している。ばね状端子３９は、ほゞ三角形状に屈曲した弾性接触部３９ａを有している。

ここで、回路基板３１に前述のごとく挿通させた接続ピン２９は、詳細には、前記検出コイル接続用のパターン３２〜３５の、磁気シールド板２８周囲部におけるパッド３２ａ〜３５ａに挿通しており、その挿通した接続ピン２９の上部からパッド３２ａ〜３５ａにかけて図１及び図４に示す半田４０付けをすることにより、検出コイル接続用のパターン３２〜３５に接続していて、それにより、同時に回路基板３１を前記磁気シールド板２８の上方に固定している。更に、それらと同時に、上記ばね状端子３９を弾性接触部３９ａにより磁気シールド板２８、特にはこれの前記ボビン８の仕切部９で受けられた部分に外側より圧接させている。

ボビン８の前記段部１４からボビン８、磁気シールド板２８、及び回路基板３１の外周には、フレーム４１を装着している。このフレーム４１は、鉄など磁性材で且つ導電材から成るもので、図で左側の一方の半フレーム４１ａと、同右側の他方の半フレーム４１ｂとに分けて形成され、それらを複数のねじ４２により結合している。ここで、そのように設けられたフレーム４１は、ボビン８から前記軸受１８，１９を介してシャフト１を支承しており、その構成で、前記磁気シールド板２８とフレーム４１との間には、それらの電気的絶縁をするに必要な空間距離を確保しており、かくして前記磁気シールド板２８をフレーム４１からも電気的に絶縁している。

フレーム４１の図で上部の中央部にはコネクタ挿通口４３を形成しており、これに磁気シールド線４４の端部に設けたコネクタ４５を挿通して回路基板３１に接続している。詳細には、この場合、図１に示すように、磁気シールド線４４が、シールド外皮４４ａの内部に３本の検出コイル接続用のリード線４６，４７，４８を挿通し、シールド外皮４４ａと一体に又はそれの内部に挿通して磁気シールド板接地用のリード線４９を有する構成であり、コネクタ４５はそれらのリード線４６〜４９に接続した端子４５ａ〜４５ｄを図３に示すごとく有し、この端子４５ａ〜４５ｄを、前記検出コイル接続用のパターン３２〜３５と磁気シールド板接地用のパターン３６の、それぞれ回路基板３１のほゞ中央部におけるパッド３２ｂ〜３６ｂに接続している（この場合、パッド３２ｂとパッド３４ｂは共用である）。

従って、検出コイル接続用のリード線４６〜４８は、検出コイル接続用のパターン３２〜３５を介して前記接続ピン２９に接続され、ひいては前記検出コイル６，７に接続されている。又、磁気シールド板接地用のリード線４９は磁気シールド板接地用のパターン３６から前記ばね状端子接続用のパターン３７を介してばね状端子３９に接続され、ひいては前記磁気シールド板２８に接続されている。

図１は又、前記磁歪膜４，５からトルク検出回路５０にかけての電気的構成を示しており、上述のように、シャフト１の磁歪膜４，５を設けた部分の外周囲に検出コイル６，７が設けられ、その検出コイル６，７に回路基板３１からコネクタ４５を介して検出コイル接続用のリード線４６〜４８が接続され、検出コイル６，７の外周囲に設けた磁気シールド板２８には、ばね状端子３９から回路基板３１及びコネクタ４５を介して磁気シールド板接地用のリード線４９が接続されている。

そして、検出コイル６，７と抵抗５１，５２とによってブリッジ回路５３を形成しており、このブリッジ回路５３の入力端子に交流電源５４をコンデンサ５５を介して接続している。ブリッジ回路５３は電気的に接地Ｅ_１をしており、磁気シールド板接地用のリード線４９は、磁気シールド板２８側とは反対側の端部をブリッジ回路５３に接続することにより、ブリッジ回路５３を介して電気的に接地Ｅ_１をしている。又、フレーム４１も接地Ｅ_１とは別の電気的な接地Ｅ_２をしている。
一方、ブリッジ回路５３の出力端子間に増幅器、特には差動増幅器５６を接続し、この差動増幅器５６の出力端子を整流回路５７を介して検出出力端子５８に接続している。

以上の構成で、ブリッジ回路５３には、交流電源５４からコンデンサ５５を介して例えば４０〔ｋＨｚ〕程度の高周波の交流電源が印加されるものであり、それがブリッジ回路５３の検出コイル６と抵抗５１とに分圧されると共に、検出コイル７と抵抗５２とに分圧されて、ブリッジ回路５３からは電圧Ｖ_１、Ｖ_２が出力される。
そして、それらが差動増幅器５６に入力されて差動出力されることにより、該差動増幅器５６からは電圧Ｖ_３が出力され、その出力電圧Ｖ_３が整流回路５７により整流されて、検出出力端子５８からは電圧Ｖｏｕｔが出力される。

こうした状況で、シャフト１にトルクが伝達されると、シャフト１にはそれに応じた応力が所定の回転角度で発生する。この応力に対し、シャフト１の外周面部の二箇所に傾きの方向を逆にして設けた磁歪膜４，５のうち、一方の磁歪膜４には例えば引張りの応力が及び、他方の磁歪膜５にはそれとは反対の例えば圧縮の応力が及ぶ。このうち、引張りの応力が及んだ一方の磁歪膜４では、それの透磁率が大きくなり、圧縮の応力が及んだ他方の磁歪膜５では、それの透磁率が小さくなる。このため、検出コイル６，７のうち、引張りの応力が及んだ一方の磁歪膜４に対応した検出コイル６では、インダクタンスが大きくなり、圧縮の応力が及んだ他方の磁歪膜５に対応した検出コイル７では、インダクタンスが小さくなる。

この結果、ブリッジ回路５３からの出力電圧Ｖ_１と出力電圧Ｖ_２との差が大きくなり、差動増幅器５６の出力電圧Ｖ_３が大きくなることによって、検出出力端子５８の出力電圧Ｖｏｕｔも大きくなる。かくして、シャフト１に伝達されたトルクが検出される。

このように作用する本構成において、検出コイル６，７の外周囲には磁気シールド板２８を設けており、それによって所期の磁気シールド効果を得ることができる。
又、磁気シールド板２８は、ばね状端子３９及び磁気シールド板接地用のリード線４９からブリッジ回路５３を介して電気的に接地Ｅ_１をしており、それによって、磁気シールド板２８やそれによって囲繞された検出コイル６，７及びシャフト１といった他の構成部品、並びにばね状端子３９や磁気シールド板接地用のリード線４９の浮遊容量を一定の小さい値にでき、該浮遊容量による誤動作のおそれをなくすことができる。

この場合、特にはトルクがシャフト１に伝達されていないときの信号（０点）の変動が抑制される効果がある。図５、図６は、トルクセンサの０点を観察したもので、図５は本構成のもの（検出コイル６，７の外周囲に磁気シールド板２８を設け、該磁気シールド板２８を信号処理回路であるブリッジ回路５３を介して電気的に接地Ｅ_１をしたもの）、図６は従来のもの（磁気シールド板２８がないもの）の、それぞれ０点の観察中に、トルクセンサに手を触れたとき（図中の矢印）の信号変化を表している。本構成のものにおいては、従来のものに比して、０点信号の変動が非常に小さくなっていることが確認できた。

更に、磁気シールド板２８は、外部に露出するシャフト１及びフレーム４１から電気的に絶縁もしており、それによって、磁気シールド板２８からシャフト１及びフレーム４１を介しての感電のおそれをもなくすことができる。

加えて、本構成においては、磁気シールド板接地用のリード線４９を、回路基板３１と、この回路基板３１から磁気シールド板２８に圧接するばね状端子３９を介して、磁気シールド板２８に接続しており、それによって、磁気シールド板２８に対する磁気シールド板接地用のリード線４９の接続がより確実にできるので、誤動作のおそれを一段と確実になくすことができる。

そして、検出コイル６，７がボビン８に巻装されて磁歪膜４，５の外周囲に配設され、そのボビン８の中間部（仕切部９）で磁気シールド板２８が受けられ、磁気シールド板２８のその受けられた部分にばね状端子３９が圧接するようにもしており、それによって、磁気シールド板２８に対する磁気シールド板接地用のリード線４９の接続が更に確実にできるので、誤動作のおそれも更に確実になくすことができる。

以上に対して、図７ないし図９は本発明の第２実施例（第２の実施形態）を示すもので、第１実施例と同一もしくは同様の部分には同一の符号を付して説明を省略し、異なる部分についてのみ述べる。

このものの場合、磁気シールド板２８の両端部２８ａ，２８ｂを、回路基板３１にねじ６１，６２によって取付けている。又、そのとき、磁気シールド板２８の一端部２８ａは、回路基板３１の磁気シールド板接地用のパターン３６に直接的（前記ばね状端子３９及びばね状端子接続用のパターン３７を用いず）に接続している。回路基板３１の磁気シールド板接地用のパターン３６には又、磁気シールド板接地用のリード線４９を直接的に接続もしており、そのほか、回路基板３１の検出コイル接続用のパターン３２〜３５には、検出コイル接続用のリード線４６〜４８を接続している。

すなわち、このものの場合、磁気シールド板２８を電気的に接地するためにリード線４９を接続する回路基板３１に、磁気シールド板２８の端部２８ａが取付け接続されることによって、リード線４９が磁気シールド板２８に接続される構成としている。
このようにすることにより、磁気シールド板２８に対する磁気シールド板接地用のリード線４９の接続が、第１実施例のものより少ない部品点数、簡単な組立てでできる利点がある。

このほか、本発明は上記し且つ図面に示した実施例にのみ限定されるものではなく、特に磁歪膜と検出コイルはともに１つのみ具えられていても良いなど、要旨を逸脱しない範囲内で適宜変更して実施し得る。

本発明の第１実施例を、トルク検出回路を含む電気的構成で示す図 トルクセンサの縦断側面図 回路基板の平面図 トルクセンサの縦断正面図 本発明の特性図 従来例の特性図 本発明の第２実施例を示す図２相当図 図４相当図 図３相当図

符号の説明

図面中、１はシャフト、４，５は磁歪膜、６，７は検出コイル、８はボビン、９は仕切部（ボビンの中間部）、２８は磁気シールド板、２８ａは磁気シールド板の端部、３１は回路基板、３９はばね状端子、４１はフレーム、４９は磁気シールド板接地用のリード線、Ｅ_１は接地を示す。

Claims (4)

1. トルクが伝達されるシャフトと、
   このシャフトの外周面に設けられた磁歪膜と、
   この磁歪膜の外周囲に配設された検出コイルと、
   前記シャフトを支承するフレームとを具備するものにおいて、
   前記検出コイルの外周囲に磁気シールド板を設け、
   この磁気シールド板を電気的に接地すると共に、
   該磁気シールド板を前記シャフト及びフレームから電気的に絶縁したことを特徴とする磁歪式トルクセンサ。
2. 磁気シールド板を電気的に接地するためにリード線が具えられ、このリード線を、回路基板と、この回路基板から磁気シールド板に圧接するばね状端子を介して、磁気シールド板に接続したことを特徴とする請求項１記載の磁歪式トルクセンサ。
3. 検出コイルがボビンに巻装されて磁歪膜の外周囲に配設され、そのボビンの中間部で磁気シールド板が受けられ、磁気シールド板のその受けられた部分にばね状端子が圧接することを特徴とする請求項２記載の磁歪式トルクセンサ。
4. 磁気シールド板を電気的に接地するためにリード線が具えられ、このリード線を接続する回路基板に磁気シールド板の端部が取付け接続されることによって、前記リード線が磁気シールド板に接続されることを特徴とする請求項１記載の磁歪式トルクセンサ。

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