JP2019200138A

JP2019200138A - 透磁率の変化を検出するためのコア構造体および歪み検出装置

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Publication number: JP2019200138A
Application number: JP2018094798A
Authority: JP
Inventors: 貴広佐々木; Takahiro Sasaki
Original assignee: Tamagawa Seiki Co Ltd
Current assignee: Tamagawa Seiki Co Ltd
Priority date: 2018-05-16
Filing date: 2018-05-16
Publication date: 2019-11-21
Anticipated expiration: 2038-05-16
Also published as: JP7076780B2

Abstract

【課題】周方向における検出範囲の単位がより大きくなるコア構造体および歪み検出装置を提供する。【解決手段】コア構造体は、磁性体を含むコア３０と、検出コイル４２と備え、軸部材２０の透磁率の変化を検出するために用いられる。コア３０に対して、軸方向、径方向および周方向が定義可能である。コア３０は、径方向に突出する複数のティースを備える。第１ティースＴ２１と第２ティースＴ１１とが、周方向において異なる位置に設けられ、第３ティースＴ２３が、第１ティースＴ２１に対し、第２ティースＴ１１と軸方向および周方向に対称となる位置に設けられ、検出コイル４２が、少なくとも第２ティースＴ１１および第３ティースＴ３２に巻回される。【選択図】図４

Description

この発明はコア構造体および歪み検出装置に関し、とくに、検出対象部材の透磁率の変化を検出するために用いられるものに関する。

透磁率の変化を検出し、これを利用して動作する機器が公知である。たとえば、磁歪材料を用い、ビラリ効果を利用して、磁歪材料の透磁率の変化に基づき、磁歪材料に加わるトルクを検出することができる。

このような構造の例は、特許文献１に記載される。特許文献１の構成では、複数のコアが周方向に等間隔に配置されている。このような構成において、各コアに巻回されたコイルのインピーダンスの増減でビラリ効果により発生した軸の磁束密度の変化を読み取り、軸部材に発生した歪みの値を算出する。

特開２００９−３１２４９号公報

しかしながら、従来の構成では、周方向における検出範囲の単位が小さいという問題があった。このため、軸部材において周方向に磁気的な偏りが存在する場合には、検出範囲内の軸部材のインピーダンスが、軸部材の歪みだけでなく軸部材の回転によっても変化する可能性が大きく、歪み検出の精度が悪化する。

たとえば特許文献１の構成では、周方向における検出範囲はＵ字形状のコア１個分の大きさしかなく、軸部材の回転によってインピーダンスが変化する可能性が大きい。

この発明はこのような問題点を解消するためになされたものであり、周方向における検出範囲の単位がより大きくなるコア構造体および歪み検出装置を提供することを目的とする。

この発明に係るコア構造体は、
磁性体を含むコアと、検出コイルと備え、検出対象部材の透磁率の変化を検出するために用いられるコア構造体であって、
前記コアに対して、軸方向、径方向および周方向が定義可能であり、
前記コアは、径方向に突出する複数のティースを備え、
第１ティースと第２ティースとが、周方向において異なる位置に設けられ、
第３ティースが、前記第１ティースに対し、前記第２ティースと軸方向および周方向に対称となる位置に設けられ、
前記検出コイルが、少なくとも前記第２ティースおよび前記第３ティースに巻回される。
特定の態様によれば、前記検出コイルが、さらに前記第１ティースに巻回される。
特定の態様によれば、前記コア構造体はさらに励磁コイルを備え、前記励磁コイルが、
前記第１ティースに巻回されるか、または、
前記第２ティースおよび前記第３ティースに巻回されるか、または、
前記第１ティース、前記第２ティースおよび前記第３ティースに巻回される。
特定の態様によれば、
前記複数のティースは、軸方向において異なる位置に設けられる少なくとも３段のティース段を構成し、
前記第１ティース、前記第２ティースおよび前記第３ティースは、それぞれ互いに異なるティース段に属する。
特定の態様によれば、
第４ティースが、前記第２ティースと同一の軸方向位置かつ前記第３ティースと同一の周方向位置に設けられ、
第５ティースが、前記第３ティースと同一の軸方向位置かつ前記第２ティースと同一の周方向位置に設けられ、
前記第４ティースおよび前記第５ティースに検出コイルが巻回される。
特定の態様によれば、
前記第１ティースおよび前記第２ティースは第１磁路を形成し、
前記第１ティースおよび前記第２ティースは、前記第１磁路のうち前記検出対象部材内に形成される部分が、軸方向に対して４５度の角度をなすように配置される。
また、この発明に係る歪み検出装置は、上述のコア構造体と、円筒状または円筒面状の磁歪部材を含む前記検出対象部材とを備える。

この発明に係るコアおよび歪み検出装置によれば、周方向における検出範囲の単位がより大きくなる。

この発明の実施の形態１に係る歪み検出装置の構成の例を示す図である。磁歪部における歪みと磁化状態との対応関係を示す図である。図１のコアの斜視図である。各ティースと磁路との位置関係の一例を示す図である。磁歪部内に形成される磁路の概略の例を示す図である。

以下、この発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。
実施の形態１．
図１に、この発明の実施の形態１に係る歪み検出装置１０の構成の例を示す。図１は、軸部材２０の軸Ａを含む平面による切断部端面図である。歪み検出装置１０は軸部材２０およびコア３０を備える。本実施例では、軸部材２０は略円筒形状に形成され、少なくとも一部が軸Ａの周りに歪むことができるように構成される。たとえば、軸部材２０において、軸方向の一端に対して、他端が軸Ａの周りに回転することによって、ねじれるように歪みが発生する。

軸部材２０は磁歪材料を含む。本実施形態では、磁歪材料は磁歪部２２として成形される。図１の例では、軸部材２０はシャフト２１を備えており、磁歪部２２はシャフト２１の径方向外側に、シャフト２１の周囲を取り巻くように設けられる。磁歪部２２は、たとえば円筒状または円筒面状に形成される。

軸部材２０および磁歪部２２は、その歪みが検出される検出対象部材である。磁歪部２２が歪むことに応じて、ビラリ効果により磁歪部２２の磁化状況が変化する。とくに、特定方向における磁歪部２２の透磁率が変化し、この変化を検出することができる。また、磁歪部２２における透磁率の変化を検出することにより、たとえば軸部材２０の歪みの大きさを算出することができ、また、たとえば軸部材２０に加わっているトルクの大きさを算出することができる。

コア３０は環状に形成される。コア３０に対して、軸方向、径方向および周方向が定義可能である。本実施形態では、コア３０の軸方向は軸部材２０の軸方向に一致し、とくに、コア３０の軸と軸部材２０の軸は一致する（したがってコア３０の軸は軸Ａである）。

図２に、磁歪部２２における歪みと磁化状態との対応関係を示す。図２は、磁歪部２２の紙面手前側における磁化の状態を示す。歪みがない状態（たとえば軸部材２０にトルクが加わっていない状態）では、磁歪部２２は軸Ａと平行な方向Ｈ０に比較的強く磁化される（または、方向Ｈ０に磁化された磁区が成長する）。ここで、軸部材２０にトルクが加わる等の原因により、軸部材２０に歪みが発生する場合がある。たとえば、軸部材２０の下端と上端とを逆向きに回転させるようにねじる力（矢印Ｄ）が加わると、これに応じて軸部材２０が歪み、磁歪部２２は軸Ａと平行ではない方向Ｈ１に比較的強く磁化される（または、方向Ｈ１に磁化された磁区が成長する）。さらに軸部材２０の歪みが大きくなると、磁歪部２２は方向Ｈ０との角度がより大きい方向Ｈ２に比較的強く磁化される（または、方向Ｈ２に磁化された磁区が成長する）。このように磁歪部２２の磁化の方向が変化すると、これに応じて、特定の測定方向における磁歪部２２の透磁率が変化する。歪み検出装置１０は、このような透磁率の変化を検出する装置であるということができる。

図３は、コア３０の斜視図である。コア３０は少なくとも一部に磁性体を含み、略円筒面状のヨーク３１と、複数のティースとを備える。ティースは、それぞれヨーク３１から径方向に（本実施形態では径方向内側に）突出するよう形成される。ヨーク３１と各ティースとは、一体に成形されてもよいし、別部材として成形され組み合わせられてもよい。なお図示されるヨーク３１およびティースの形状は厳密ではない。

本実施形態ではコア３０は多段スロットコアであり、複数のティース段を備える。たとえば図３の例では、ティースＴ１１、ティースＴ１２、ティースＴ１３、ティースＴ１４、ティースＴ１５およびティースＴ１６からなるティース段Ｔ１（第１ティース段。図４等も参照）と、ティースＴ２１、ティースＴ２２およびティースＴ２３からなるティース段Ｔ２（第２ティース段。図４等も参照）と、ティースＴ３１、ティースＴ３２、ティースＴ３３、ティースＴ３４、ティースＴ３５およびティースＴ３６からなるティース段Ｔ３（第３ティース段。図４等も参照）とが構成されている。なお、ティースＴ１１、Ｔ１４、Ｔ３１およびＴ３４は、図１の切断部端面図にも現れている。このように、本実施形態では、コア３０は合計１５本のティースを備える。

各ティース段は、軸方向において異なる位置に設けられる。また、同じティース段に属するティースは、同じ軸方向位置に設けられる。図１に示す向きに見ると、ティース段Ｔ１（図１ではティースＴ１１およびティースＴ１４）は紙面上側に配置され、ティース段Ｔ２（図１には現れない）は紙面中央に配置され、ティース段Ｔ３（図１ではティースＴ３１およびティースＴ３４）は紙面下側に配置される。

各ティース段には、各ティースが周方向に等間隔に設けられる。ティース段Ｔ１およびティース段Ｔ３は６本のティースを含むので、周方向に隣接するティースの間隔（たとえばティースＴ１１とティースＴ１２との間隔）は６０度となっている。また、ティース段Ｔ２は３本のティースを含むので、周方向に隣接するティースの間隔は１２０度となっている。

本実施形態では、ティース段Ｔ１とティース段Ｔ３とは、ティースの周方向位置が一致するように配置される。また、ティース段Ｔ２のティースは、周方向において、ティース段Ｔ１またはＴ３における２本のティースの間（たとえば周方向中央）に配置される。

図４に、各ティースと磁路との位置関係を概略的に示す。図４は、コア３０を周方向に展開した状態を表し、コア３０の周方向が紙面横方向に対応する。各ティースは、双方向矢印で示すように２本が１組となってティース対を形成し、このティース対が１つの磁路を形成する。また、１本のティースが複数のティース対に属する場合がある。たとえば、ティースＴ２１（第１ティース）は、ティースＴ１１（第２ティース）、ティースＴ３２（第３ティース）、ティースＴ１２（第４ティース）、およびティースＴ３１（第５ティース）とそれぞれティース対を形成する。本実施形態では、１つの磁路を形成するティース対が、互いに異なるティース段に属する。

ティース対を形成する各ティースは、周方向において異なる位置に設けられる。たとえば、ティースＴ１１とティースＴ２１とが、周方向においてそれぞれ異なる位置に設けられ、また、ティースＴ２１とティースＴ３２とが、周方向においてそれぞれ異なる位置に設けられている。なお、本実施形態では、ティース対を形成する各ティースは、軸方向においても異なる位置に設けられているが、これは必須ではない。

ティースＴ３２は、ティースＴ２１に対し、ティースＴ１１と軸方向および周方向に対称となる位置（すなわちティースＴ１１と反対の位置）に設けられる。同様に、ティースＴ３１は、ティースＴ２１に対し、ティースＴ１２と軸方向および周方向に対称となる位置に設けられる。

ティースＴ１２は、ティースＴ１１と同一の軸方向位置かつティースＴ３２と同一の周方向位置に設けられる。同様に、ティースＴ３１は、ティースＴ３２と同一の軸方向位置かつティースＴ１１と同一の周方向位置に設けられる。

コア３０において、各ティースに励磁コイル４１または検出コイル４２、若しくは励磁コイル４１と検出コイル４２の両方が巻回されることにより、コア構造体が構成される。たとえば、ティースＴ２１に励磁コイル４１が巻回され、ティースＴ１１、Ｔ１２、Ｔ３１およびＴ３２に検出コイル４２が巻回される。

励磁コイル４１および検出コイル４２の機能は公知であるが、たとえば、励磁コイル４１は、磁歪部２２における透磁率の変化を検出するために磁界を発生させるためのコイルであり、検出コイル４２は、磁歪部２２における透磁率の変化を検出するために励磁コイル４１によって発生した磁界を検出するためのコイルである。これらのコイルを用いて、軸部材２０に対する周方向の歪みを検出することができる。検出コイルは、同時に励磁コイルとしての役割を果たすことも出来る。

このように、コア３０と、励磁コイル４１と、検出コイル４２とが、実施の形態１に係るコア構造体を構成する。このコア構造体を用いて、軸部材２０の透磁率の変化を検出することができる。

ここで、ティースＴ２１を中心に対称となるティース（たとえばティースＴ１１およびＴ３２）に巻回される検出コイル４２は、たとえば直列に接続される。または、ティースＴ２１を中心に対称となるティースに巻回される検出コイル４２は、同一の検出回路に接続されていてもよい。このような配置とすることにより、周方向における検出範囲の単位が２つのティース対（すなわち３本のティース）にわたって大きく構成される。たとえば、図４の検出範囲の単位Ｕは、ティースＴ１１からティースＴ３２にわたる大きい周方向範囲をカバーすることができる。

図４には１０本のティースが示されており、これらのティースが、検出範囲の単位Ｕを含む合計４個の検出範囲の単位を構成する。本実施形態ではコア３０は合計１５本のティースを備えるので、検出範囲の単位は合計６個構成されることになる。

さらに、ティースＴ２１に関して対称となる別のティース（たとえばティースＴ１２およびＴ３１）に巻回される検出コイル４２も、直列に接続されるか、同一の検出回路に接続されていてもよい。ただし、ある検出範囲の単位に係る検出コイル４２（たとえばティースＴ１１およびＴ３２に巻回されるもの）と、別の検出範囲の単位に係る検出コイル４２（たとえばティースＴ１２およびＴ３１に巻回されるもの）とは、直列には接続されないか、または、同一の検出回路には接続されない。

図５に、磁歪部２２内に形成される磁路５０（第１磁路）の概略の例を示す。なお実際には磁路５０は全体が紙面に含まれるわけではないが、図５では、磁路５０を紙面（すなわち軸Ａを含む平面）に投影したものとして示す。また、軸部材２０は略円筒形状をなし丸みを帯びているが、図５では中央付近に着目して平面とみなしているため、形状は厳密ではない。

ティースＴ１１およびティースＴ２１は、先端の位置のみ概略的に示す。実施の形態１では、ティースＴ１１とティースＴ２１とは軸方向および周方向において異なる位置に設けられているので、ティースＴ１１およびティースＴ２１を介して形成される磁路５０のうち磁歪部２２内に形成される部分は、図示のように軸方向に対して斜め方向（すなわち、軸方向に対して平行でも垂直でもない方向）に延びることになる。とくに、本実施形態では、磁路５０のうち磁歪部２２内に形成される部分は、軸方向に対して４５度をなす。この方向が、磁歪部２２の透磁率を測定する測定方向となる。すなわち、磁歪部２２がこの方向に近い方向に磁化されれば、磁路５０を介して測定される透磁率は大きくなり、磁歪部２２がこの方向とは異なる方向（たとえば直交する方向）に磁化されれば、磁路５０を介して測定される透磁率は小さくなる。

また、本実施形態では、図４に示すように、ティースＴ１１、Ｔ２１およびＴ３２からなる検出範囲の単位Ｕに対し、同じ周方向範囲をカバーし単位Ｕに直交するティースＴ１２、Ｔ２１およびＴ３１からなる検出範囲の単位が構成されている。このように、２つの互いに直交する検出範囲の単位により、歪みの方向を検出することができるので、磁歪部２２に異方性を付与する等の工程は省略可能である。

このように、本発明の実施の形態１に係る歪み検出装置１０によれば、検出範囲の単位Ｕにおいて、ティースＴ２１とティースＴ１１とが、周方向において異なる位置に設けられ、ティースＴ３２がティースＴ１１と反対側（すなわち、ティースＴ２１に対し、ティースＴ１１と軸方向および周方向に対称となる位置）に設けられるので、検出範囲の単位Ｕの周方向寸法をより大きくすることができる。

また、１つの検出範囲の単位において、２本のティースに検出コイル４２が巻回されるので、ノイズの影響が平均化され、ノイズ耐性が向上する。

実施の形態１において、以下のような変形を加えることができる。
コイルの巻回態様は、実施の形態１で説明したものに限らず、当業者が適宜設計可能である。たとえば、検出範囲の単位Ｕについて説明すると、少なくとも両側のティースＴ１１およびティースＴ３２に検出コイル４２が巻回されていればよい。なお、ティースＴ１１およびティースＴ３２のコイルの位相は同一とすると好適である（たとえば、図４においてティースＴ１１内で紙面手前向きの磁束を測定する場合には、ティースＴ３２内でも紙面手前向きの磁束を測定するようにする）。

これに加えて、中央のティースＴ２１に検出コイル４２を巻回してもよい。この場合には、両側のティースＴ１１およびＴ３２と、中央のティースＴ２１とで、コイルの位相を逆にすると好適である。

検出回路を適切に設計すれば、これらの変形例のように励磁コイル４１を用いない場合でも磁束を適切に検出することができる。

また、これらの変形例のように検出コイル４２を構成した上で、さらに任意に励磁コイル４１を追加してもよい。たとえば、中央のティースＴ２１に励磁コイル４１を巻回してもよいし、両側のティースＴ１１およびＴ３２に励磁コイル４１を巻回してもよいし、すべてのティースＴ１１、Ｔ２１およびＴ３２に励磁コイル４１を巻回してもよい。励磁コイル４１の位相等は当業者が適宜設計可能であるが、たとえば両側のティースＴ１１およびＴ３２は互いに同位相とし、これらと中央のティースＴ２１とは逆位相とすることができる。

検出範囲の単位は、実施の形態１では合計１５本のティースを用いて６個の検出範囲の単位が構成されるが、この数は任意に変更が可能である。たとえば、ティースＴ１１、Ｔ１２、Ｔ２１、Ｔ３１およびＴ３２の５本のみを用いても本発明の効果を得ることができる。または、歪みの向きを検出する必要がない場合等には、検出範囲の単位を互いに直交させる必要はなく、たとえば図４の検出範囲の単位Ｕ単独でも本発明の効果を得ることができる。

実施の形態１では、図４に示すように３つのティース段が形成されているが、４つ以上のティース段が形成されてもよい。または、とくに整列した段を形成しないものであってもよい。

実施の形態１では各ティースは各ティース段において周方向に等間隔に設けられるが、これらは等間隔である必要はない。ただし、検出範囲の単位は直線状となるようにティースを配置する必要がある。

実施の形態１では図５に示すように、磁路５０のうち磁歪部２２内に形成される部分が軸方向に対して４５度をなすが、この角度は任意に変更可能である。とくに、磁路５０のうち磁歪部２２内に形成される部分が、軸Ａに対して平行でない方向に延びていればよい。

実施の形態１およびその変形例において、歪み検出装置１０の用途は任意であるが、たとえば、外力による透磁率変化を検出する各種のセンサに応用することができる。

１０歪み検出装置、２０軸部材（検出対象部材）、２２磁歪部（検出対象部材）、３０コア、５０磁路（第１磁路）、Ａ軸、Ｔ１〜Ｔ３ティース段、Ｔ１１〜１６，Ｔ２１〜２３，Ｔ３１〜Ｔ３６ティース（Ｔ２１第１ティース、Ｔ１１第２ティース、Ｔ３２第３ティース、Ｔ１２第４ティース、Ｔ３１第５ティース）。

Claims

磁性体を含むコアと、検出コイルとを備え、検出対象部材の透磁率の変化を検出するために用いられるコア構造体であって、
前記コアに対して、軸方向、径方向および周方向が定義可能であり、
前記コアは、径方向に突出する複数のティースを備え、
第１ティースと第２ティースとが、周方向において異なる位置に設けられ、
第３ティースが、前記第１ティースに対し、前記第２ティースと軸方向および周方向に対称となる位置に設けられ、
前記検出コイルが、少なくとも前記第２ティースおよび前記第３ティースに巻回される、
コア構造体。
前記検出コイルが、さらに前記第１ティースに巻回される、請求項１に記載のコア構造体。
前記コア構造体はさらに励磁コイルを備え、前記励磁コイルが、
前記第１ティースに巻回されるか、または、
前記第２ティースおよび前記第３ティースに巻回されるか、または、
前記第１ティース、前記第２ティースおよび前記第３ティースに巻回される、
請求項１または２に記載のコア構造体。
前記複数のティースは、軸方向において異なる位置に設けられる少なくとも３段のティース段を構成し、
前記第１ティース、前記第２ティースおよび前記第３ティースは、それぞれ互いに異なるティース段に属する、
請求項１〜３のいずれか一項に記載のコア構造体。
第４ティースが、前記第２ティースと同一の軸方向位置かつ前記第３ティースと同一の周方向位置に設けられ、
第５ティースが、前記第３ティースと同一の軸方向位置かつ前記第２ティースと同一の周方向位置に設けられ、
前記検出コイルが前記第４ティースおよび前記第５ティースに巻回される、請求項１〜４のいずれか一項に記載のコア構造体。
前記第１ティースおよび前記第２ティースは第１磁路を形成し、
前記第１ティースおよび前記第２ティースは、前記第１磁路のうち前記検出対象部材内に形成される部分が、軸方向に対して４５度の角度をなすように配置される、請求項１〜５のいずれか一項に記載のコア構造体。
請求項１〜６のいずれか一項に記載のコア構造体と、
円筒状または円筒面状の磁歪部材を含む前記検出対象部材と
を備える、歪み検出装置。