JP2012088185A - 磁気検知デバイス及び磁歪力センサ - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、良好なセンサ特性を確保しながら小型化を図るようにする。
【解決手段】本発明は、検知対象物１０に固定された磁歪部材２０からの磁束漏れの変化に基づき、その検知対象物１０に作用する力を検知する磁気センサＳ，Ｓと板状ヨーク部材４０とを備えた磁気検知デバイスＢにおいて、上記磁気センサＳ，Ｓの入出力線９，９を挿通するための挿通孔４１を、板状ヨーク部材１０の面中心Ｏ１に穿設した構成のものである。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えば自動車のミッションの出力軸に作用するトルクを逆磁歪効果により非接触で検出する磁気検知デバイス及び磁歪力センサに関する。

従来、自動車の制御には廉価で小型な力センサの要望が潜在的にあり、これまでに数々のものが研究開発されてきているが、そのひとつに例えばトルクセンサがある。
トルクセンサは、電動パワーステアリングに必須のものであり、変位方式のものが採用されているが、低価格化の要望が強く、磁歪方式のトルクセンサの開発が多くなされてきている。

また、次世代のステアリングであるステア・バイ・ワイヤにおいても廉価なトルクセンサの要望が強く、また、将来的には電動車が普及すると考えられ、省電力センサであることも重要要件である。それらのことを考慮し、本出願人等はリング方式の磁歪式トルクセンサを開発し提案してきている。

これまで提案してきた磁歪式トルクセンサにおいても、さらに小型化を図りたいという要望がある。すなわち、小型化によってコストの低減を図ることができるとともに、搭載スペース的にも余裕を生じさせ、汎用性が高まるからである。本発明は更なる小型化を検討した結果なされたものである。

ところで、この種の磁歪式トルクセンサとして、特許文献１に開示された構成のものがある。特許文献１に開示されている磁歪式トルクセンサは、軸に固定された磁歪リングからの磁束漏れの変化に基づき、その軸に作用するトルクを検知するホールＩＣと板状ヨーク部材とを備えた磁気検知デバイスを有する構成のものである。

上記特許文献１に開示された従来の磁歪式トルクセンサは、軸にトルクを作用させると磁歪リングから漏れ磁束が発生するので、その漏れ磁束の変化をホールＩＣによって検知することによって、加えられるトルクの方向に対応した信号を得ている。
なお、上記の軸に嵌合されている磁歪リングには周方向に引張応力が作用しているので、周方向には着磁成分がより多く残存しており、応力誘起の磁気異方性を活用しているのである。

特開２００８‐０２６２１０号公報

しかしながら、上記磁歪力センサは、ホールＩＣに接続された入出力線を、軸に近設した板状ヨーク部材を避けるようにして、その板状ヨーク部材の周囲に配線しなければならず、そのために小型化を阻害するという問題がある。

そこで本発明は、良好なセンサ特性を確保しながら小型化を図った磁気検知デバイス及び磁歪力センサの提供を目的としている。

上記目的を達成するための本発明に係る磁気検知デバイスは、検知対象物に固定された磁歪部材からの磁束漏れの変化に基づき、その検知対象物に作用する力を検知する磁気センサと板状ヨーク部材とを備えたものであり、上記磁気センサの入出力線を挿通するための挿通孔を、板状ヨーク部材のほぼ面中心に穿設したことを特徴としている。

上記目的を達成するための本発明に係る磁歪力センサは、上記の磁気検知デバイスを有することを特徴としたものである。

本発明によれば、良好なセンサ特性を確保しながら小型化を図ることができる。

本発明の一実施形態に係る磁気検知デバイスを適用した磁歪力センサの基本構造を示す断面図である。 同上の磁歪力センサの一部をなす磁歪部材、板状ヨーク部材及び軸状体の相対的な位置関係を示す平面図である。 （Ａ）は、従来における板状ヨーク部材と磁歪部材との配置関係を示す平面図、（Ｂ）は、本願発明における板状ヨーク部材と磁歪部材との配置関係を示す平面図、（Ｃ）は、それらの磁場解析を示すグラフである。 従来の磁歪力センサの基本構造を示す断面図である。 他例に係る板状ヨーク部材の平面図である。

以下に、本発明を実施するための形態について、図面を参照して説明する。図１は、本発明の一例に係る磁気検知デバイスを適用した磁歪力センサの基本構造を示す断面図、図２は、その磁歪力センサの一部をなす磁歪部材、板状ヨーク部材とともに、軸状体の相対的な位置関係を示す平面図である。

本発明の一実施形態に係る磁歪力センサＡは、検知対象物１０に作用する力を検知するためのものであり、その検知対象物１０に固定された磁歪部材２０、磁気検知デバイスＢ及びケース３０を有している。

本実施形態において示す検知対象物１０は、ＳＵＳ３０４やＳＵＳ３０３等のオーステナイト系ステンレス（非磁性材）で形成された軸状体を一例として示している。なお、以下には、検知対象物を「軸状体」という。

磁歪部材２０は、これに作用する力、従ってまたトルクによって磁束漏れが変化する機能を有するものであり、軸状体１０に嵌合固定できるように、両端を開口した円筒形に形成されている。
この磁歪部材２０は、本実施形態においてはＦｅＧａＡｌ合金で形成しているが、ＦｅＣｏＶ合金で形成してもよい。
本実施形態に示すように、磁歪部材２０をＦｅＧａＡｌ合金又はＦｅＣｏＶ合金で形成することにより、磁気の検知感度を高めることができる。

磁気検知デバイスＢは、軸状体１０に嵌合固定された磁歪部材２０からの磁束漏れの変化に基づき、その軸状体１０に作用する力を検知するホールＩＣ等の磁気センサＳ，Ｓと、板状ヨーク部材４０とを有して構成されている。
板状ヨーク部材４０は漏れ磁束を集めるとともに、強める役目をする。また、２個のホールＩＣ信号は差動動作をする。もちろんホールＩＣ１個のみによっても機能するが、２個のホールＩＣで差動させることにより信号の大きさが２倍になる点及び温度安定性が増す点等で有利となる。

板状ヨーク部材４０は、図１，２に示すように、平面視において軸状体１０に沿って磁歪部材２０の幅Ｗ１よりも長い長さＷ２（図２参照）にした長方形に形成されているとともに、磁歪部材２０の軸方向と平行に配設されている。
この板状ヨーク部材４０の面中心Ｏ１には、磁気センサＳ，Ｓの入出力線９，９を挿通するための挿通孔４１を貫通させて穿設している。

挿通孔４１は、面中心Ｏ１に対して対称な平面視長方形にして形成されている。すなわち、磁気検知デバイスＢの一部をなしているので、挿通孔４１は面中心Ｏ１に対して対称であることが必要である。これは、漏れ磁束分布の対称性を確保できるため、熱膨張等の変形による微妙な位置ずれの影響を回避することができる。

磁気センサＳ，Ｓは、軸線Ｏ上であって、磁歪部材２０の両端近傍に位置するようにして、板状ヨーク部材４０の下面４０ａ両側に固定されている。
また、磁気センサＳ，Ｓに接続されている入出力線９，９を挿通孔４１を通じて板状ヨーク部材４０の上面４０ｂ側に導出しており、その入出力線９，９には図示しない磁気検知回路が接続されている。

ケース３０は、側面視において円形にしかつ互いに所要の間隔にした両端壁３０ａ，３０ａの外周縁部に沿って周壁３０ｂを囲繞形成した円筒形のものであり、これの内部に上記した板状ヨーク部材４０、磁気センサＳ，Ｓ及びこれらを支持するホルダＨが配置されている。

上記両端壁３０ａ，３０ａの中央部には、軸状体１０を遊挿するための軸孔３１，３１が形成されているとともに、それらの軸孔３１，３１には、軸状体１０を転動支持するためベアリング（図示しない）が配設されている。
また、周壁３０ｂであって、上記挿通孔４１に対向する位置には、入出力線９，９を外部に導出するための導出孔３２が形成されている。

以上の構成からなる磁歪トルクセンサＢ１の検知動作は、次のとおりである。
磁歪部材２０が周方向に磁化しているので、これにトルクが働くと＋／−４５度方向に引張・圧縮応力が働き、磁化が４５度方向に倒れる（引張応力方向を向く）ことから、その磁歪部材２０の端面に磁極が生じて、漏れ磁束がトルクとともに出てくる。
その漏れ磁束の変化が磁気センサＳ，Ｓによって検知され、図示しない磁気検知回路によって処理される。

図３（Ａ）は、従来における板状ヨーク部材と磁歪部材との配置関係を示す平面図、（Ｂ）は、本願発明における板状ヨーク部材と磁歪部材との配置関係を示す平面図、（Ｃ）は、それらの磁場解析を示すグラフである。

図３（Ａ），（Ｂ）において、磁歪部材の外側１．５ｍｍ離れた位置にＰＢパーマロイの板状ヨーク部材（幅６ｍｍ、長さ２０ｍｍ、厚さ１ｍｍ）が配置されている。磁歪部材は内径１２．６ｍｍ、外径１４．２ｍｍ、長さ１３ｍｍである。なお、図３（Ａ）においては、磁歪部材を「２０´」、板状ヨーク部材を「４０´」で示している。

図３（Ｃ）においては、磁歪部材の軸方向に対し、板状ヨーク部材の下側、０．５ｍｍ離れた位置での径方向の磁束密度成分の変化を示している。板状ヨーク部材に幅３ｍｍ、長さ６．５ｍｍの長方形の挿通孔を穿設した場合の分布は、挿通孔付近では多少変わるものの、高さの変化はないことがわかる。
このピーク高さは、磁歪力センサのねじり感度に対応している。換言すると、ホールＩＣが検知する磁場の大きさである。

上記した本発明の一実施形態に係る磁歪力センサによれば、次の各効果を得ることができる。
１）磁歪力センサの入出力線を挿通孔を通じて外部に導出させることができるので、良好なセンサ特性を確保しながら小型化を図ることができる。
具体的には、軸線Ｏ方向において１０ｍｍの短縮化が図れている（約１８％の小型化）。また、板状ヨーク部材、磁気センサの保持も挿通孔を介して行うことができるので、構造の簡素化を図ることができる。

２）磁歪部材以外を非磁性材で作製したときには、感度減少の小さい磁歪力センサとすることができる。
３）磁歪部材をＦｅＧａＡｌ合金又はＦｅＣｏＶ合金で形成したときには、感度の大きい磁歪力センサを提供できる。

（参考例１）
図４に示す従来構成の磁歪力センサを製作した。図４は、従来の磁歪力センサの基本構造を示す断面図である。なお、図１，２において説明したものと同等のものには、それらに同一の符号を付して説明を省略する。また、板状ヨーク部材とケースについては、本願のものとは基本構造が同等のものであるので、同一の符号に「´」を付している。

磁歪部材２０として、内径１２．６ｍｍ、外径１４．２ｍｍ、幅１３ｍｍのパーメンヂュール製リングをφ１２．６１のＳＵＳ製の軸状体に冷やし嵌めにて嵌合固定した。締め代は１０μｍであった。
磁歪部材２０は、日立金属製のパーメンヂュールであるＹＥＰ−２Ｖを機械加工して作製した。また、真空中にて８５０℃にて３時間の保持、その後４００℃まで１００〜２００℃／Ｈｒで冷却し、その後、炉冷の熱処理を行った。

軸状体１０はＳＵＳ３０３製のものである。その軸方向に通電することにより、磁歪部材２０´を周方向に着磁した。通電着磁はピーク電流値、約８５００Ａのパルス電流で行った。
板状ヨーク部材４０´はＰＢパーマロイにて作製した。幅６ｍｍ、長さ２０ｍｍ、厚さ１ｍｍの大きさで板状であった。機械加工後、真空中にて８５０℃にて１時間の保持、その後、炉冷の熱処理を行った。

樹脂（ベークライト）製のホルダＨ´で板状ヨーク部材４０´とホールＩＣ（磁気センサ）Ｓ，Ｓを保持した。ホールＩＣ（厚さ１ｍｍ）を、図４に示すように、感磁部が磁歪部材２０の端面と対向するように配置した。ホールＩＣと磁歪部材とのキャップは０．５ｍｍとした。ホールＩＣと板状ヨーク部材とは密着させた。また、ケース３０´は４ｍｍ厚さのＳ４５Ｃで作製した。
トルクを+/−５Ｎｍ印加したときの感度はホールＩＣ１個分に換算すると１．５Ｇ／Ｎｍとなった。

（実施例１）
図１に示す構成の磁歪力センサを製作した。板状ヨーク部材４０に上記した挿通孔４１を形成し、その挿通孔４１にホールＩＣ（磁気センサ）Ｓ，Ｓからの入出力線９，９を配線するとともにホルダＨを変更し、ケース３０を短縮化した以外は参考例１と同様とした。

すなわち、軸状体１０、磁歪部材２０及び板状ヨーク部材１０の材質、熱処理も同じとしている。ケース３０は１０ｍｍ、軸方向に短縮した。板状ヨーク部材４０の挿通孔４１は幅３ｍｍ、長さ６．５ｍｍの長方形とした。板状ヨーク部材４０及びホールＩＣ（磁気センサ）Ｓ，Ｓは、その板状ヨーク部材１０の挿通孔４１を介してホルダＨで保持した。
この場合、＋／−５ＮｍでのホールＩＣ１個分の換算感度は１．５Ｇ／Ｎｍであり、参考例１と同じであった。

図５は、他例に係る板状ヨーク部材の平面図である。
他例に係る板状ヨーク部材５０は、上記した軸状体１０に沿って長い平面視において長方形に形成されている。
この板状ヨーク部材５０の面中心Ｏ１には、磁気センサＳ，Ｓの入出力線９，９を挿通するための挿通孔５１を平面視において軸線Ｏに沿った長軸を有する楕円形にして貫通穿設している。

なお、本発明は上述した実施形態に限るものではなく、次のような変形実施が可能である。
・上記した実施形態においては、板状ヨーク部材の面中心に、磁気センサの入出力線を挿通するための挿通孔を平面視長方形にして貫通穿設した例について説明したが、長方形に限らず円形や楕円形若しくは異形に形成してもよく、また、単一のものに限らず、２つ以上形成してもよい。

・上記の実施形態においては、磁気検知デバイスの磁気センサとしてホールＩＣを例示したが、省電力で小型であるＧＭＲセンサを使うこともできることは勿論である。
以上の例示では板状ヨーク部材としてＰＢパーマロイを例示したが、他の軟磁性材料であるケイ素鉄、電磁軟鉄、パーメンジュール、フェライト等も用いてもよい。また、ケースをＳ４５Ｃで形成したものを示したが、ケイ素鉄、電磁軟鉄、ＰＢパーマロイ等でもよいことは勿論である。

・上記した実施形態においては、検知対象物をＳＵＳのみで形成した例について説明したが、例えばチタン合金や非磁性鋼を用いることもできる。また、温度特性を確保するには熱膨張係数差を考慮しさえすればよい。

９ 入出力線
１０ 検知対象物
２０ 磁歪部材
４０ 板状ヨーク部材
４１ 挿通孔
Ｂ 磁気検知デバイス
Ｓ 磁気センサ

Claims (7)

1. 検知対象物に固定された磁歪部材からの磁束漏れの変化に基づき、その検知対象物に作用する力を検知する磁気センサと板状ヨーク部材とを備えた磁気検知デバイスにおいて、
   上記磁気センサの入出力線を挿通するための挿通孔を、板状ヨーク部材のほぼ面中心に穿設していることを特徴とする磁気検知デバイス。
2. 挿通孔を、面中心に対して対称に形成していることを特徴とする請求項１に記載の磁気検知デバイス。
3. 請求項１又は２に記載した磁気検知デバイスを有することを特徴とする磁歪力センサ。
4. 請求項１又は２に記載した磁気検知デバイスを有する磁歪力センサであって、
   検知対象物を軸状体として形成しているとともに、リング状に形成されかつ周方向に着磁された磁歪部材を軸状体として形成した検知対象物に嵌合しており、
   上記磁気センサを、検知対象物に作用するトルクによる磁束漏れの変化を検知するように、軸状体として形成した検知対象物に嵌合した磁歪部材に近接配置していることを特徴とする磁歪力センサ。
5. 板状ヨーク部材を磁歪部材の軸方向と平行に配設していることを特徴とする請求項４に記載の磁歪力センサ。
6. 板状ヨーク部材がＰＢパーマロイであることを特徴とする請求項４又は５に記載の磁歪力センサ。
7. 磁気センサと信号処理回路とが挿通孔を通じて導出した入出力線を介して接続されていることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の磁歪力センサ。

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