JP2010066043A - Torque sensor - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、回転軸の捩れトルクを検出し、これにより特に電動自転車の踏力を検出することができるトルクセンサに関するものである。 The present invention relates to a torque sensor that can detect a torsional torque of a rotating shaft, and in particular, can detect a pedaling force of an electric bicycle.
電動自転車では、ユーザがペダルを踏み込んだときの踏力を検出し、このトルクに応じた補助動力を与えている。このトルクを検出する装置として、特許文献1が開示されている。この特許文献1に記載の電動補助自転車の踏力検知装置は、電動アシスト付き自転車等のアシスト力を制御するための情報としてペダルに加わる踏力を検出する手段として、中空軸に加わる捻りトルクを検出するタイプの踏力検出装置であって、中空軸の両端外側にマグネットリングをそれぞれ備え、それに対向してバネを用いてMRセンサをそれぞれ接触配置する。中空軸が回転することによって得られる出力波形において、中空軸の捩れ量に比例して発生する出力波形の位相差より踏力を算出するものである。
In an electric bicycle, the pedaling force when the user depresses the pedal is detected, and auxiliary power corresponding to this torque is applied.
しかしながら、特許文献1に記載の発明で踏力を検出することは、MRセンサをマグネットリングに対して接触配置しているために部品の磨耗が起こり、耐久性に問題がある。また、マグネットリングの真円度、着磁のバランスによって出力が不安定になりやすく、踏力検出の精度に悪影響を及ぼす。
However, the detection of the treading force in the invention described in
また、特許文献1に記載のマグネットリングは、円周方向に沿って多極着磁されている。このようなリング形状の多極マグネットを着磁する場合、着磁ヨーク内径とマグネット外径にクリアランスがあるため、そのクリアランス分だけ中心がずれた状態で着磁される。その結果、マグネットの着磁ピッチにムラ及び磁極ごとの磁束密度にムラが発生する。このムラは、マグネットの真円度が悪い場合にも発生する。仮に、マグネットが誤差なく着磁されていても、マグネットに偏芯や芯ずれがあった場合、磁気センサが検出する波形にピッチずれや磁束密度ムラが発生する。このように、ムラやずれが発生すると、結果として正確なトルク検出が困難となる。
Further, the magnet ring described in
回転軸に加わるトルクを非接触で検出するトルクセンサとして、主なものに磁歪式があるが、この磁歪式は、センサ軸の製造の難しさ、温度変化に対する出力変化に対応するために温度補正制御が必要なことなど、それらに起因するコスト増等多くの問題を抱えている。 The main type of torque sensor that detects the torque applied to the rotating shaft in a non-contact manner is the magnetostrictive type. However, this magnetostrictive type compensates for the difficulty in manufacturing the sensor shaft and the temperature correction to cope with the output change with respect to the temperature change. There are many problems such as the need for control and cost increase due to them.
この発明は、上記従来技術を考慮したものであって、磁気センサがマグネットリングに対して非接触であっても、確実に回転軸に加わるトルクを得ることができ、さらに円周方向に多極着磁されたマグネットを使用しても正確なトルクを検出することができる、高信頼性を有しかつ低コストなトルクセンサを提供することを目的とする。 The present invention takes the above-described conventional technology into consideration, and even when the magnetic sensor is not in contact with the magnet ring, it is possible to reliably obtain torque applied to the rotating shaft, and further to multipolar in the circumferential direction. An object of the present invention is to provide a highly reliable and low-cost torque sensor that can detect an accurate torque even when a magnetized magnet is used.
前記目的を達成するため、請求項1の発明では、回転軸に固定され、当該回転軸とともに回転するシャフトと、当該シャフトの外周に沿って固定され、当該シャフトの両端部近傍に配設されるロータと、前記シャフトを覆うケースと、当該ケースの内周に沿って固定され、前記ロータに対向して配設されるステータとを有し、前記ロータは、前記回転軸の回転方向に多極着磁されたマグネットからなり、前記ステータは、軸方向の両側に側壁を有し、内周方向に断続的に極歯が形成されたクローポール型であって、前記ケース内周面と、前記側壁と、前記極歯面で囲われたステータ内空間を備え、当該ステータ内空間に、前記ロータからの磁界の方向及び量を計測する磁気センサが備わることを特徴とするトルクセンサを提供する。 In order to achieve the above object, according to the first aspect of the present invention, the shaft is fixed to the rotating shaft, rotates together with the rotating shaft, is fixed along the outer periphery of the shaft, and is disposed near both ends of the shaft. A rotor, a case that covers the shaft, and a stator that is fixed along the inner periphery of the case and is disposed so as to face the rotor; and the rotor is multipolar in the rotation direction of the rotating shaft. The stator is magnetized, and the stator has a side wall on both sides in the axial direction, and is a claw pole type in which pole teeth are intermittently formed in the inner circumferential direction, the inner circumferential surface of the case, There is provided a torque sensor comprising a stator inner space surrounded by a side wall and the pole tooth surface, wherein the stator inner space is provided with a magnetic sensor for measuring the direction and amount of a magnetic field from the rotor.
請求項2の発明では、前記回転軸は、クランクを介してペダルと連結されたクランク軸であり、電動自転車に適用されることを特徴としている。
The invention according to
請求項1の発明によれば、磁気センサがステータとケースで囲まれたステータ内空間に配設されるため、磁気センサがロータ(マグネット)に対して非接触となる。このため、センサがマグネットの回転により磨耗することはなく、長期にわたり使用することができる。したがって、長期にわたって、この磁気センサを用いて、マグネットからの磁界の方向及び量を計測し、シャフト両端に発生する捩れ量を算出し、トルクを求めることができる。また、シャフトの両端に位置する磁気センサで磁束量を拾い、それぞれの磁気センサで検出した出力波形の位相差(時間差)をもとにしてトルクを算出するため、磁歪式等のコイルの温度特性などを主にした温度に起因する出力変化の影響がなくなり、温度変化が生じても安定したトルク検出が可能で、環境変化に対して信頼性が向上するとともに、製造時の温度補正値入力等の作業をすることなく、結果として低コストのトルクセンサを提供することができる。さらに、ステータをクローポール型として内面に極歯を備えたので、マグネットに磁極ピッチムラあるいは磁束密度ムラが発生していても、また、マグネットに偏芯や芯ずれがあっても、複数の極歯が集磁した磁束を合成して磁気センサに磁束を伝達するので、これらのムラやずれの影響がキャンセルされ、正確な出力波形を得ることができ、信頼性の高い、安定して高精度なトルク検出を行うことができる。 According to the first aspect of the present invention, since the magnetic sensor is disposed in the stator inner space surrounded by the stator and the case, the magnetic sensor is not in contact with the rotor (magnet). For this reason, the sensor is not worn by the rotation of the magnet and can be used for a long time. Therefore, for a long period of time, using this magnetic sensor, the direction and amount of the magnetic field from the magnet can be measured, the amount of twist generated at both ends of the shaft can be calculated, and the torque can be obtained. In addition, the magnetic characteristics of coils such as magnetostrictive type are used to pick up the amount of magnetic flux with magnetic sensors located at both ends of the shaft and calculate the torque based on the phase difference (time difference) of the output waveform detected by each magnetic sensor. This eliminates the influence of output changes caused by temperature, etc., enables stable torque detection even when temperature changes occur, improves reliability against environmental changes, and inputs temperature correction values during manufacturing, etc. As a result, a low-cost torque sensor can be provided. Furthermore, since the stator is a claw pole type and has pole teeth on the inner surface, even if the magnet has uneven magnetic pole pitch or magnetic flux density, or even if the magnet has eccentricity or misalignment, multiple polar teeth Since the magnetic flux collected is transmitted to the magnetic sensor and the magnetic flux is transmitted to the magnetic sensor, the effects of these irregularities and deviations are cancelled, and an accurate output waveform can be obtained, which is reliable, stable and highly accurate. Torque detection can be performed.
請求項2の発明によれば、電動自転車に適用することにより、ユーザの踏力(トルク)を確実に検出し、より的確な補助動力をユーザに対して与えることができる。 According to the second aspect of the present invention, when applied to an electric bicycle, it is possible to reliably detect the user's pedaling force (torque) and to give more accurate auxiliary power to the user.
以下、図面を参照してこの発明に係るトルクセンサについて説明する。 Hereinafter, a torque sensor according to the present invention will be described with reference to the drawings.
図1はこの発明に係るトルクセンサの概略断面図であり、図2はロータ及びステータを示す概略断面図である。また、図3はこの発明に係るトルクセンサを部品ごとに示した分解図であり、図4は電動補助自転車にこの発明に係るトルクセンサを適用したときの概略断面図である。 FIG. 1 is a schematic sectional view of a torque sensor according to the present invention, and FIG. 2 is a schematic sectional view showing a rotor and a stator. FIG. 3 is an exploded view showing the torque sensor according to the present invention for each part, and FIG. 4 is a schematic cross-sectional view when the torque sensor according to the present invention is applied to a battery-assisted bicycle.
図示したように、この発明に係るトルクセンサ1は、筒状のシャフト2と、ロータ(マグネット)3と、ステータ4と、ケース5で構成される。シャフト2は、回転軸となるクランク軸6(図4参照)の外周に被冠して固定される。具体的には、クランク軸6の外周面に形成された凹凸部(図示省略)と、シャフト2の内周面に形成された凹凸部7をスプライン嵌合させて固定される。これにより、シャフト2はクランク軸6とともに回転する。シャフト2の凹凸部7と反対側の端部には、クランク軸6を挿通可能な環状部材17が配設される。シャフト2は、ばね鋼やステンレス鋼、あるいはチタン合金等で形成される。
As shown, the
ロータ3は、環状のマグネット8からなる。マグネット8は、放射方向(ラジアル方向)に多極着磁される。このロータ3(マグネット8)は、シャフト2の外周に沿って固定され、シャフト2の両端部近傍にそれぞれ配設される。マグネット8は、例えばプラスチックマグネットやフェライト、あるいはネオジウム等で形成される。
The
ステータ4は、環状に形成され、磁性体で構成される。ステータ4は、軸方向の両側に側壁4aを有し、この側壁4aから櫛歯状にクローポール4bが立ち上がり、このクローポール4bは対向する側壁4aの方向に折れ曲がって形成される。ステータ4は、この両側の側壁4aからのクローポール4bが互いに噛み合うようにして形成される。すなわち、ステータ4は、クローポール型のステータである。ステータ4は、シャフト2を覆うケース5の内周に沿って、ロータ3に対向してそれぞれ設けられる。ステータ4は、電磁鋼板や亜鉛メッキ鋼板、あるいは焼結合金等で形成される。
The
ステータ4とケース5で形成された空間(側壁4aの間)には、PCBからなる環状部材21が配設され、この環状部材21にMR(磁気抵抗)センサ13が固定される。なお、MRセンサ13は磁束あるいは磁界の量や向きを検出できるものであればどのような磁気(磁界)センサを用いてもよい。このような構成により、MRセンサ13がロータ3に対して非接触となるので、センサ13がロータ3の回転により磨耗することはなく、センサ13を長期にわたり使用することができる。したがって、長期にわたって、このMRセンサ13を用いて、マグネット8からの磁界の方向及び量を計測し、後述するような方法でシャフト2の両端に発生する捩れ量を算出し、トルクを求めることができる。
An
上述したクローポール4bは、ステータ4の内周方向に断続的に形成されるため、これが極歯となる。この極歯は、S極とN極が交互に形成される。この極歯を通してロータ3からの磁界の方向とその量(磁束量)をMRセンサ13が拾う。なお、このMRセンサ13をステータ4内に複数個設け、得られた結果を平均して出力してもよい。すなわち、マグネット8の磁界は、シャフト2の回転とともにクローポール4bから側壁4aに伝わり、これが対向する他方の側壁4aに伝わる。このとき、側壁4a間に設けられたMRセンサ13がこの磁束を拾う。この磁束量から、シャフト2の両端における出力波形を算出する。これにより、後述するように、MRセンサ13で検出した出力波形の位相差(時間差)をもとにしてトルクを算出できる。このため、磁歪式等のコイルの温度特性などを主にした温度に起因する出力変化の影響がなくなり、温度変化が生じても安定したトルク検出が可能で、環境変化に対して信頼性が向上するとともに、製造時の温度補正値入力等の作業をすることなく、結果として低コストのトルクセンサ1を提供することができる。また、クローポール型のステータを利用することにより、出力波形の精度を安定させることができ、安定して高精度なトルク検出が可能となる。
Since the above-described
ロータ3及びステータ4の軸方向外側であって、シャフト2とケース5の間には、環状のベアリング18が備わる。ケース5は、アルミや他の非磁性材料で形成される。ベアリング18は、ボールベアリングや、焼結合金、樹脂等で形成される。
An
図4に示すように、クランク軸6の両端には、ペダル付クランク14が取付けられる。電動自転車を運転するユーザによるペダルを踏み込んだときの踏力(トルク)は、クランク軸6からトルクセンサ1に伝わり、ワンウェイクラッチ15を介してスプロケット16に伝達される。19はハウジングである。このように、トルクセンサ1を電動自転車に適用することにより、ユーザの踏力(トルク)を確実に検出し、より的確な補助動力をユーザに対して与えることができる。他の適用としては、例えば自動車のパワーステアリングの回転トルクの補助にも用いることができる。
As shown in FIG. 4, pedal-equipped
図5はMRセンサによって得られた結果の出力波形を示すグラフ図である。 FIG. 5 is a graph showing the output waveform of the result obtained by the MR sensor.
図示したように、MRセンサによって得られた磁束量は、そのまま電圧波形として出力することができる。実線Aがシャフト2の凹凸部7に近い側のMRセンサ13の結果であり、点線Bが遠い側のMRセンサ13の結果である(以下、符号については図1〜図4を参照)。本来であれば、クランク軸6とともにシャフト2が回転すると、シャフト2の両端のMRセンサ13の出力波形はそれぞれ重なるはずである。しかしながら、シャフト2の片方の端部のみで凹凸部7によりクランク軸6にスプライン嵌合しているため、クランク軸6が回転すると、シャフト2の両端部には捩れが発生する。したがって、シャフト2の両端部の回転は同期せず、出力波形に位相差(時間差Δt)が生じる。すなわち、凹凸部7から遠い側の点線Bの方が、実線Aより遅れて回転する結果となる。この時間差Δtを計ることは、シャフト2の捩れ量を計ることと同じである。したがって、この捩れ量から、トルクを算出することが可能となる。
As shown in the figure, the amount of magnetic flux obtained by the MR sensor can be output as a voltage waveform as it is. The solid line A is the result of the
トルクは、捩れ角度θを算出し、その後に求めることができる。その際、センサ組立精度に起因する初期誤差Trefを補正値として用いる。周期tは、極歯が隣の極歯の位置に行くまでの時間を示す。なお、トルクと捩れ角は比例関係にあるため、この比例定数を予め求めておく。また、「センサ極数」とは、ロータ3(マグネット8)一個当たりのN極とS極の数である。すなわち、多極着磁されたマグネット8のN極とS極の数の合計である。
捩れ角度θは、以下のようにして求めることができる。
捩れ角度θ=時間差Δt×(360/(センサ極数/2))/周期t
トルク(T)は、以下のようにして求めることができる。
トルク(T)=比例定数×捩れ角度θ―初期誤差Tref
The torque can be obtained after calculating the twist angle θ. At that time, the initial error Tref resulting from the sensor assembly accuracy is used as a correction value. The period t indicates the time until the pole tooth reaches the position of the adjacent pole tooth. Since the torque and the torsion angle are in a proportional relationship, this proportionality constant is obtained in advance. The “number of sensor poles” is the number of N poles and S poles per rotor 3 (magnet 8). That is, it is the total number of N poles and S poles of the
The twist angle θ can be obtained as follows.
Twist angle θ = time difference Δt × (360 / (number of sensor poles / 2)) / period t
The torque (T) can be obtained as follows.
Torque (T) = proportional constant × twist angle θ−initial error Tref
また、出力波形の周期tとロータ3の分解数(センサ極数)からクランク軸6の回転速度を算出し、上記で求めたトルクと合算することでパワー(W)を算出することができる。これにより、トルクセンサと別に速度センサを設けなくても、ユーザのペダルを漕いだ力をパワー(W)として得ることができ、踏力と比例しているモータに指令するアシスト量制御が容易となる。また、システムの構成として速度センサ分安価になる。
回転速度(N)は、以下のようにして求めることができる。
回転速度(N)=1/(周期t×(センサ極数/2))
パワー(W)は、以下のようにして求めることができる。
パワー(W)=1.047×10−1×回転速度(N)×トルク(T)
Further, the rotational speed of the crankshaft 6 is calculated from the period t of the output waveform and the number of decompositions of the rotor 3 (number of sensor poles), and the power (W) can be calculated by adding the torque obtained above. Thus, even if a speed sensor is not provided separately from the torque sensor, the force applied by the user's pedal can be obtained as power (W), and the assist amount control for instructing the motor proportional to the pedaling force is facilitated. . In addition, the system configuration is cheaper than the speed sensor.
The rotation speed (N) can be obtained as follows.
Rotational speed (N) = 1 / (cycle t × (number of sensor poles / 2))
The power (W) can be obtained as follows.
Power (W) = 1.047 × 10 −1 × Rotational speed (N) × Torque (T)
図6はクローポール型のステータを用いて磁束を検出するときの説明図である。 FIG. 6 is an explanatory diagram when the magnetic flux is detected using a claw pole type stator.
図で示したステータ4は、クローポール4bが一方向にのみ折り曲げられて形成されている(図の手前側に爪の先端が向いている)。上述したように、リング状のマグネット8に対してラジアル方向に着磁した場合、着磁ピッチにムラが生じることがある。図では、図の右側がピッチ間隔が小さくて、左側が大きい場合を示している。このような場合、磁気センサが検出する波形にピッチずれや磁束密度ムラが発生し、結果として正確なトルク検出ができないおそれがある。しかしながら、クローポール型のステータを用いることにより、突出した極歯に集磁された磁束が合成されて(矢印P)、磁気センサ13に伝達される。
The
このため、マグネット8に磁極ピッチムラあるいは磁束密度ムラが発生していても、また、マグネット8に偏芯や芯ずれがあっても、複数の極歯(クローポール4b)が集磁した磁束を合成して磁気センサ13に磁束を伝達するので、これらのムラやずれの影響がキャンセルされ、正確な出力波形を得ることができ、信頼性の高い、安定して高精度なトルク検出を行うことができる。したがって、ホール素子で直接マグネットの磁束を検出するよりも、検出精度を高めることができる。
For this reason, even if magnetic pole pitch unevenness or magnetic flux density unevenness occurs in the
1:トルクセンサ、2:シャフト、3:ロータ、4:ステータ、4a:側壁、4b:クローポール、5:ケース、6:クランク軸、7:凹凸部、8:マグネット、13:MRセンサ、14:ペダル付クランク、15:ワンウェイクラッチ、16:スプロケット、17:環状部材、18:ベアリング、19:ハウジング 1: Torque sensor, 2: Shaft, 3: Rotor, 4: Stator, 4a: Side wall, 4b: Claw pole, 5: Case, 6: Crankshaft, 7: Concavity and convexity, 8: Magnet, 13: MR sensor, 14 : Crank with pedal, 15: one-way clutch, 16: sprocket, 17: annular member, 18: bearing, 19: housing
Claims (2)
当該シャフトの外周に沿って固定され、当該シャフトの両端部近傍に配設されるロータと、
前記シャフトを覆うケースと、
当該ケースの内周に沿って固定され、前記ロータに対向して配設されるステータとを有し、
前記ロータは、前記回転軸の回転方向に多極着磁されたマグネットからなり、
前記ステータは、軸方向の両側に側壁を有し、内周方向に断続的に極歯が形成されたクローポール型であって、前記ケース内周面と、前記側壁と、前記極歯面で囲われたステータ内空間を備え、
当該ステータ内空間に、前記ロータからの磁界の方向及び量を計測する磁気センサが備わることを特徴とするトルクセンサ。 A shaft fixed to the rotating shaft and rotating together with the rotating shaft;
A rotor fixed along the outer periphery of the shaft and disposed near both ends of the shaft;
A case covering the shaft;
A stator fixed along the inner periphery of the case, and disposed opposite the rotor,
The rotor is composed of a magnet that is multipolarly magnetized in the rotation direction of the rotating shaft,
The stator is a claw pole type having side walls on both sides in the axial direction, and pole teeth are intermittently formed in an inner circumferential direction, the case inner circumferential surface, the side walls, and the pole tooth surfaces. With an enclosed stator space,
A torque sensor characterized in that a magnetic sensor for measuring the direction and amount of a magnetic field from the rotor is provided in the stator internal space.
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Legal Events
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