JP2020012783A - Distortion sensor structure and distortion detection method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は歪みセンサ構造及び歪み検出方法に関し、特に、磁束の変化から回転軸の歪みを検出する歪みセンサ構造及び歪み検出方法に関する。 The present invention relates to a strain sensor structure and a strain detection method, and more particularly, to a strain sensor structure and a strain detection method for detecting a rotation axis distortion from a change in magnetic flux.
車両の操舵装置等の機器に搭載される従来の歪みセンサの構造としては、例えば以下の特許文献1に記載された歪みセンサが知られている。すなわち、図4に示す従来の歪みセンサ1では、回転軸2の外周面に環状に異方性付与部材である第1磁歪材部30及び第2磁歪材部31が設けられ、前記第1磁歪材部30に対向するように第1輪状検出コイル41及び第2輪状検出コイル42が前記回転軸2の軸方向に互いにずらされた状態で設けられており、前記第2磁歪材部31に対向するように第3輪状検出コイル43及び第4輪状検出コイル44が前記回転軸2の軸方向に互いにずらされた状態で設けられている。前記第2磁歪材部31は、前記第1磁歪材部30の磁気異方性に対して90度位相が異なるように設けられている。
As a structure of a conventional strain sensor mounted on a device such as a steering device of a vehicle, for example, a strain sensor described in
前記回転軸2にトルクが印加されると、前記回転軸2に歪みが生じることで前記第1磁歪材部30及び前記第2磁歪材部31に歪みが生じて、ビラリ効果により前記第1磁歪材部30及び前記第2磁歪材部31は磁区が回転及び整列して透磁率が変化し、それにより磁束が変化する。そして、前記第1輪状検出コイル41及び前記第2輪状検出コイル42と、前記第3輪状検出コイル43及び前記第4輪状検出コイル44とのインピーダンスが変化し、インピーダンスの変化に対応して前記第1,第2,第3,第4輪状検出コイル41,42,43,44の検出電圧が変化する。したがって、第1,第2,第3,第4輪状検出コイル41,42,43,44の検出電圧を測定することで、前記第1磁歪材部30及び前記第2磁歪材部31の透磁率の変化を算出して、前記回転軸2の歪みを検出することができる。そして、前記回転軸2の歪みから、前記回転軸2に印加されたトルクを算出することができる。
When torque is applied to the rotating
上記のような従来の前記歪みセンサ1では、前記第1,第2磁歪材部30,31を透過する磁束の発生及び前記第1,第2磁歪材部30,31の磁束の検出を前記第1,第2,第3,第4輪状検出コイル41,42,43,44で行っている。そのため、前記第1,第2,第3,第4輪状検出コイル41,42,43,44の巻線の均一性が磁束の検出精度に影響するので、歪みセンサの検出精度を確保するためにコイルに要求される巻線の均一性が高くなり生産が難しくなるという問題点があった。
In the
この発明は、このような課題を解決するためになされたものであり、簡単な構成で検出精度の高い歪みセンサ構造及び歪み検出方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made to solve such a problem, and an object of the present invention is to provide a strain sensor structure and a strain detection method with a simple configuration and high detection accuracy.
上記の課題を解決するために、この発明に係る歪みセンサ構造は、回転方向が反転することで磁歪特性が反転するように、異方性付与部材である第1磁歪材部が設けられた回転軸と、前記回転軸の径方向の外側に設けられた磁石と、前記磁石を支持するヨークと、前記磁石により生ずる磁束を検出可能に設けられた磁気センサとを備え、前記磁気センサは、前記回転軸にトルクが印加された場合に前記第1磁歪材部により発生する磁束の変化を検出する構成であり、また、前記磁石は前記回転軸と同軸に設けられた輪状磁石であり、軸方向に複数配置され、前記回転軸の軸方向に沿って極が変化する構成であり、また、前記磁石は前記回転軸の周方向に複数設けられ、前記回転軸の径方向に沿って極が変化する構成であり、また、前記回転軸に、回転方向が反転することで磁歪特性が反転するように、異方性付与部材である第2磁歪材部がさらに設けられ、前記磁気センサは、前記回転軸にトルクが印加された場合に前記第2磁歪材部により発生する磁束の変化を検出する構成であり、また、前記磁気センサは、ホール素子である構成である。 In order to solve the above-described problem, a strain sensor structure according to the present invention includes a rotation sensor provided with a first magnetostrictive material portion, which is an anisotropy imparting member, so that a magnetostriction characteristic is reversed by reversing a rotation direction. A shaft, a magnet provided radially outside the rotation shaft, a yoke supporting the magnet, and a magnetic sensor provided to detect a magnetic flux generated by the magnet, wherein the magnetic sensor is It is configured to detect a change in magnetic flux generated by the first magnetostrictive member when a torque is applied to a rotation axis, and the magnet is a ring-shaped magnet provided coaxially with the rotation axis, And a plurality of magnets are provided in the circumferential direction of the rotating shaft, and the number of the magnets varies along the radial direction of the rotating shaft. And the rotation shaft A second magnetostrictive member, which is an anisotropy imparting member, is further provided so that the magnetostriction characteristics are inverted by reversing the rotation direction, and the magnetic sensor is configured such that when torque is applied to the rotating shaft, The magnetic sensor is configured to detect a change in magnetic flux generated by the second magnetostrictive member, and the magnetic sensor is a Hall element.
また、上記の課題を解決するために、この発明に係る歪み検出方法は回転方向が反転することで磁歪特性が反転するように、異方性付与部材である磁歪材部が設けられた回転軸と、前記回転軸の径方向の外側に設けられた磁石と、前記磁石を支持するヨークと、前記磁石により生じる磁束を検出可能に設けられた磁気センサとを備える歪みセンサにおいて、前記磁気センサは、前記回転軸にトルクが印加された場合に前記磁歪材部により発生する磁束の変化を検出する。 Further, in order to solve the above problem, a distortion detection method according to the present invention provides a rotating shaft provided with a magnetostrictive material portion which is an anisotropy imparting member so that a magnetostriction characteristic is reversed by reversing a rotation direction. And a magnet provided radially outside the rotation shaft, a yoke supporting the magnet, and a magnetic sensor provided to detect a magnetic flux generated by the magnet, wherein the magnetic sensor is And detecting a change in magnetic flux generated by the magnetostrictive member when torque is applied to the rotating shaft.
本発明に係る歪みセンサ構造によれば、第1磁歪材部を有する回転軸の径方向の外側に設けられた磁石と、磁石により生じる磁束を検出可能に設けられた磁気センサとを備え、磁気センサは、回転軸にトルクが印加された場合に第1磁歪材部により発生する磁束の変化を検出する構成であるので、簡単な構成で検出精度の高い歪みセンサ構造とすることができる。 According to the strain sensor structure of the present invention, the magnet includes: a magnet provided radially outside the rotation shaft having the first magnetostrictive member; and a magnetic sensor provided so as to detect a magnetic flux generated by the magnet. Since the sensor is configured to detect a change in magnetic flux generated by the first magnetostrictive member when a torque is applied to the rotating shaft, a strain sensor structure having a simple configuration and high detection accuracy can be provided.
実施の形態1.
以下、この発明の実施の形態1の歪みセンサを添付図面に基づいて説明する。なお、従来例と同一又は同等部分には同一符号を付して説明する。
図1に歪みセンサ10の断面概略図を示す。前記歪みセンサ10の回転軸20の外側には、磁性材料で形成された輪状の第1ヨーク50が設けられている。前記第1ヨーク50は、ヨークを構成している。前記第1ヨーク50の径方向外側には、ハウジング60が設けられている。尚、図1以下の図面においては、歪みセンサの軸受や配線等の一部の構成の記載を省略している。
Hereinafter, a strain sensor according to
FIG. 1 shows a schematic sectional view of the strain sensor 10. A ring-shaped first yoke 50 made of a magnetic material is provided outside the rotation shaft 20 of the strain sensor 10. The first yoke 50 constitutes a yoke. A
前記回転軸20には、径方向の外周面にめっき処理による合金膜である第1磁歪材部30が前記回転軸20の長手方向に直列状に、すなわち前記回転軸20の軸方向Aに沿って形成されている。 On the rotating shaft 20, a first magnetostrictive material portion 30, which is an alloy film formed by plating on a radially outer peripheral surface, is arranged in series in the longitudinal direction of the rotating shaft 20, that is, along the axial direction A of the rotating shaft 20. It is formed.
前記第1磁歪材部30は、前記回転軸20に右回りのトルクがかかった場合と、左回りのトルクがかかった場合とで、磁歪特性が反転するようにめっき処理がなされて形成されている。すなわち、前記第1磁歪材部30は、異方性付与部材を構成している。 The first magnetostrictive member 30 is formed by performing a plating process so that the magnetostriction characteristics are reversed between a case where a clockwise torque is applied to the rotating shaft 20 and a case where a counterclockwise torque is applied to the rotating shaft 20. I have. That is, the first magnetostrictive member 30 constitutes an anisotropy imparting member.
前記第1ヨーク50の内側上部及び内側下部に、第1永久磁石70及び第2永久磁石71が設置されている。前記第1永久磁石70及び前記第2永久磁石71の形状は輪状であり、前記回転軸20と同軸に互いに対向するように、前記回転軸20の軸方向Aに間隔を空けて設置されている。すなわち、前記第1永久磁石70及び前記第2永久磁石71は、前記第1磁歪材部30に対向している。前記第1永久磁石70及び前記第2永久磁石71は、磁石を構成している。
A first
前記第1永久磁石70及び前記第2永久磁石71は、前記軸方向Aに沿って上側がS極70s,71s、下側がN極70n,71nであるように設置されている。そのため、前記第1永久磁石70のN極70nと、前記第2永久磁石71のS極71sとが対向している。すなわち、前記第1永久磁石70及び前記第2永久磁石71は、前記回転軸20の軸方向に沿って対向する極が異なるように構成されている。
The first
前記第1永久磁石70の下方に、図示しない支持部材に指示された第1ホール素子80が2つ設けられている。前記第1ホール素子80は前記第1磁歪材部の近傍に、前記第1永久磁石70と前記第2永久磁石71とにより生じる磁束を検出可能に設けられており、図示しない検出回路に接続されている。また、前記第1ホール素子80は磁気センサを構成している。
Below the first
次に、この実施の形態1の歪みセンサ10の動作を説明する。
まず、前記回転軸20にトルクが印加されていない場合には、前記第1永久磁石70のN極70nと、前記第2永久磁石71のS極71sとが対向しているので、前記第1永久磁石70のN極70nと前記第2永久磁石71のS極71sとの間の磁束Bが前記第1磁歪材部30を透過する。このときの前記第1磁歪材部30を透過する磁束Bは、前記第1ホール素子80により検出される。
Next, the operation of the strain sensor 10 according to the first embodiment will be described.
First, when no torque is applied to the rotating shaft 20, the
次に、前記回転軸20にトルクが印加されている場合には、前記回転軸20へのトルクの印加方向に応じて前記第1磁歪材部30が歪み、透磁率がビラリ効果により変化する。この変化により、前記第1磁歪材部30の磁束密度が変化するので前記第1磁歪材部を透過する磁束Bが変化し、前記第1ホール素子80に検出される。前記第1ホール素子80により検出された、前記回転軸20へトルクが印加されていない場合と印加されている場合との、前記第1磁歪材部30の磁束Bの変化により、前記回転軸20の歪みを検出することができる。
Next, when a torque is applied to the rotating shaft 20, the first magnetostrictive member 30 is distorted according to the direction of the torque applied to the rotating shaft 20, and the magnetic permeability changes due to the Villari effect. Due to this change, the magnetic flux density of the first magnetostrictive member 30 changes, so that the magnetic flux B transmitted through the first magnetostrictive member changes, and is detected by the
特許文献1の前記歪みセンサ1のように、磁束の変化を検出するために第1,第2,第3,第4輪状検出コイル41,42,43,44を用いる場合には、各検出コイルの巻線の均一性が検出精度に影響する。一方、この実施の形態1のように前記第1ホール素子80で磁束Bの変化を検出する場合には巻線の均一性の高いコイルを製造する必要がないので、前記歪みセンサ10の構成が簡単になり、そのため生産が簡単になる。
When the first, second, third, and fourth annular detection coils 41, 42, 43, and 44 are used to detect a change in magnetic flux as in the
また、特許文献1の前記歪みセンサ1では、歪みを検出するためにコイルにより交流磁場を印加し、第1,第2,第3,第4輪状検出コイル41,42,43,44のインピーダンスとして磁束の変化を検出するが、この方式では交流磁場による渦電流損やヒステリシス損が発生し前記歪みセンサ1への入力電力に対する効率が低下する。一方、この実施の形態1のように、前記第1永久磁石70及び前記第2永久磁石71により直流磁場を印加し前記第1磁歪材部30に磁束Bを透過させる場合は、交流磁場を印加する場合よりも渦電流損やヒステリシス損を抑えることができ、前記歪みセンサ10への入力電力に対する効率の低下が抑えられる。
Further, in the
また、特許文献1の前記歪みセンサ1のようにコイルにより磁場を印加する方法に比べて、この実施の形態1のように前記第1永久磁石70及び前記第2永久磁石71により磁場を印加する方法は、コイルよりも均質に磁束Bを発生することができるので、前記歪みセンサ10の磁束の検出精度が向上する。
Further, as compared with the method of applying a magnetic field by a coil as in the
さらに、特許文献1の前記歪みセンサ1のように第1,第2,第3,第4輪状検出コイル41,42,43,44を設ける場合には、特に冗長系構成とした場合には巻線の場所を確保するために、前記歪みセンサ1の小型化やレイアウトの自由度に制限がある。一方、この実施の形態1のように前記第1永久磁石70及び前記第2永久磁石71により磁場を印加する方法は、巻線が不要であるから省スペース化が可能であり、冗長系に対応しやすい。
Further, when the first, second, third, and fourth ring-shaped detection coils 41, 42, 43, and 44 are provided as in the
このように、回転方向が反転することで磁歪特性が反転するように、異方性付与部材である前記第1磁歪材部30が設けられた前記回転軸20と、前記回転軸20の径方向の外側に設けられた前記第1,第2永久磁石70,71と、前記第1,第2永久磁石70,71を支持する前記第1ヨーク50と、前記第1,第2永久磁石70,71により生じる磁束Bを検出可能に設けられた前記第1ホール素子80とを備え、前記第1ホール素子80は、前記回転軸20にトルクが印加された場合に前記第1磁歪材部30により発生する磁束Bの変化を検出する構成であるので、簡単な構成で検出精度の高い歪みセンサ構造とすることができる。
As described above, the rotation shaft 20 provided with the first magnetostrictive member 30 serving as the anisotropy providing member and the radial direction of the rotation shaft 20 so that the magnetostriction characteristics are reversed by reversing the rotation direction. The first and second
また、前記第1,第2永久磁石70,71は前記回転軸20と同軸に設けられた輪状磁石であり、軸方向Aに複数配置され、前記回転軸20の軸方向Aに沿って極が変化するので、簡単な構成で発生磁束Bの均一性及び磁束Bの検出精度を高くすることができる。
The first and second
また、磁気センサとして、前記第1ホール素子80を有しているので、磁気センサが検出コイルである場合よりも、巻線の均一性の高いコイルを製造する必要がなく、前記歪みセンサ10の構成が簡単になる。さらに、前記歪みセンサ10への入力電力に対する効率の低下が抑えられ、前記歪みセンサ10の磁束Bの検出精度が向上する。さらにまた、前記歪みセンサ10への省スペース化が可能であり、冗長系に対応しやすい。
Further, since the
また、回転方向が反転することで磁歪特性が反転するように、異方性付与部材である前記第1磁歪材部30が設けられた前記回転軸20と、前記回転軸20の径方向の外側に設けられた前記第1,第2永久磁石70,71と、前記第1,第2永久磁石70,71を支持する前記第1ヨーク50と、前記第1,第2永久磁石70,71により生じる磁束Bを検出可能に設けられた前記第1磁気センサ80とを備える前記歪みセンサ10において、前記第1磁気センサ80は、前記回転軸20にトルクが印加された場合に前記第1磁歪材部30により発生する磁束Bの変化を検出する方法であるので、簡単な構成で検出精度の高い歪み検出方法とすることができる。
Further, the rotation shaft 20 provided with the first magnetostrictive material portion 30 as an anisotropy imparting member and a radially outer portion of the rotation shaft 20 so that the magnetostriction characteristics are reversed by reversing the rotation direction. , The first and second
実施の形態2.
次にこの発明の実施の形態2の歪みセンサ11を説明する。尚、以下の実施の形態において、図1の参照符号と同一の符号は、同一または同様な構成要素であるので、その詳細な説明は省略する。
実施の形態2は、実施の形態1に対して、さらに第2の磁歪材部を設けた歪みセンサである。
図2に歪みセンサ11の断面概略図を示す。回転軸21には、前記第1磁歪材部30と、合金膜である第2磁歪材部31とが設けられている。前記第2磁歪材部31は径方向の外周面にめっき処理により、前記第1磁歪材部30に隣り合うようにして前記回転軸21の長手方向に直列状に、すなわち前記回転軸21の軸方向Aに沿って形成されている。
Next, a strain sensor 11 according to a second embodiment of the present invention will be described. In the following embodiments, the same reference numerals as those in FIG. 1 denote the same or similar components, and a detailed description thereof will be omitted.
The second embodiment is a strain sensor in which a second magnetostrictive member is further provided in the first embodiment.
FIG. 2 shows a schematic sectional view of the strain sensor 11. The rotating shaft 21 is provided with the first magnetostrictive member 30 and a second magnetostrictive member 31 which is an alloy film. The second magnetostrictive member 31 is formed in a radially outer peripheral surface by plating so as to be adjacent to the first magnetostrictive member 30 in series in the longitudinal direction of the rotating shaft 21, that is, the axis of the rotating shaft 21. It is formed along the direction A.
前記第2磁歪材部31は、前記回転軸21に右回りのトルクがかかった場合と、左回りのトルクがかかった場合とで、磁歪特性が反転するようにめっき処理がなされて形成されている。すなわち、前記第2磁歪材部31は、異方性付与部材を構成している。また、前記第2磁歪材部31は、前記第1磁歪材部30に対し、前記回転軸21に右回りのトルクがかかった場合と、左回りのトルクがかかった場合との磁歪特性が反対であるようにめっき処理がなされている。 The second magnetostrictive material portion 31 is formed by performing a plating process so that the magnetostriction characteristics are reversed when the clockwise torque is applied to the rotating shaft 21 and when the counterclockwise torque is applied to the rotating shaft 21. I have. That is, the second magnetostrictive member 31 constitutes an anisotropy imparting member. Further, the second magnetostrictive member 31 has opposite magnetostrictive characteristics when a clockwise torque is applied to the rotating shaft 21 and a counterclockwise torque is applied to the first magnetostrictive member 30. The plating process is performed as follows.
前記歪みセンサ11は、ハウジング60の内部に磁性材料で形成された第2ヨーク51をさらに備えている。前記第2ヨーク51は、ヨークを構成している。前記第2ヨーク51の内側上部及び内側下部に、第3永久磁石71及び第4永久磁石72が設置されている。前記第2ヨーク51の構成は前記第1ヨーク50と同じ構成であり、前記第3永久磁石71及び前記第4永久磁石72の構成は、前記第1永久磁石70及び前記第2永久磁石71と同じ構成である。前記第3永久磁石71及び前記第4永久磁石72は、磁石を構成している。
The strain sensor 11 further includes a
前記第3永久磁石72の下方に、図示しない支持部材に指示された第2ホール素子81が2つ設けられている。前記第2ホール素子81は前記第2磁歪材部の近傍に、前記第3永久磁石72と前記第4永久磁石73とにより生じる磁束Cを検出可能に設けられており、図示しない検出回路に接続されている。また、前記第2ホール素子81は磁気センサを構成している。
Below the third permanent magnet 72, two
次に、この実施の形態2の歪みセンサ11の動作を説明する。
まず、前記回転軸21にトルクが印加されていない場合には、前記第1永久磁石70のN極70nと、前記第2永久磁石71のS極71sとが対向しているので、前記第1永久磁石70のN極70nと前記第2永久磁石71のS極71sとの間の磁束Bが前記第1磁歪材部30を透過する。このときの前記第1磁歪材部30の磁束Bは、前記第1ホール素子80により検出される。
Next, the operation of the strain sensor 11 according to the second embodiment will be described.
First, when no torque is applied to the rotating shaft 21, the
また、前記回転軸21にトルクが印加されていない場合には、前記第3永久磁石72のN極72nと、前記第4永久磁石73のS極73sとが対向しているので、前記第3永久磁石72のN極72nと前記第4永久磁石73のS極73sとの間の磁束Cが前記第2磁歪材部31を透過する。このときの前記第2磁歪材部31の磁束Cは、前記第2ホール素子81により検出される。そして、前記第1ホール素子80の検出結果と、前記第2ホール素子81の検出結果との差分が、図示しない検出回路において計算される。
When no torque is applied to the rotating shaft 21, the N pole 72 n of the third permanent magnet 72 and the S pole 73 s of the fourth permanent magnet 73 face each other. The magnetic flux C between the N pole 72n of the permanent magnet 72 and the S pole 73s of the fourth permanent magnet 73 passes through the second magnetostrictive member 31. At this time, the magnetic flux C of the second magnetostrictive member 31 is detected by the
次に、前記回転軸21にトルクが印加されている場合には、前記回転軸21へのトルクの印加方向に応じて前記第1磁歪材部30及び前記第2磁歪材部31が歪み、透磁率がビラリ効果により変化する。この変化により、前記第1磁歪材部30及び前記第2磁歪材部31の磁束密度が変化するので前記第1磁歪材部30を透過する磁束B及び前記第2磁歪材部31を透過する磁束Cが変化し、前記第1ホール素子80及び前記第2ホール素子81に検出される。そして、前記第1ホール素子80の検出結果と、前記第2ホール素子81の検出結果との差分が、図示しない検出回路において計算される。
Next, when torque is applied to the rotating shaft 21, the first magnetostrictive member 30 and the second magnetostrictive member 31 are distorted according to the direction in which the torque is applied to the rotating shaft 21, and the transmission is performed. Magnetic susceptibility changes due to the Villari effect. Due to this change, the magnetic flux density of the first magnetostrictive member 30 and the second magnetostrictive member 31 changes, so that the magnetic flux B transmitted through the first magnetostrictive member 30 and the magnetic flux transmitted through the second magnetostrictive member 31 C changes and is detected by the
次に、前記回転軸21にトルクが印加されていない場合の磁束の検出結果の差分と、前記回転軸21にトルクが印加されている場合の磁束の検出結果の差分との変化により、前記回転軸21の歪みを検出することができる。 Next, the difference between the detection result of the magnetic flux when the torque is not applied to the rotating shaft 21 and the difference between the detection results of the magnetic flux when the torque is applied to the rotating shaft 21 is changed. The distortion of the shaft 21 can be detected.
前記第1磁歪材部30と前記第2磁歪材部31とは異方性が互いに逆であるから、前記回転軸21にトルクが印加された場合の磁束の変化の値は逆になる。したがって、前記第1ホール素子80の検出結果と、前記第2ホール素子81との検出結果との差分を計算して検出結果とすることで、前記第1ホール素子80の検出結果のみを用いる実施の形態1の前記歪みセンサ10よりも、この実施の形態2の前記歪みセンサ11の方が歪みの検出値が大きくなり、歪みの測定精度が向上する。
Since the first magnetostrictive member 30 and the second magnetostrictive member 31 have anisotropy opposite to each other, the value of the change in magnetic flux when torque is applied to the rotating shaft 21 is opposite. Therefore, the difference between the detection result of the
このように、前記回転軸21に、回転方向が反転することで磁歪特性が反転するように、異方性付与部材である前記第2磁歪材部31がさらに設けられ、前記磁気センサ80,81は、前記回転軸21にトルクが印加された場合に前記第2磁歪材部31により発生する磁束の変化を検出するので、歪みセンサの精度を向上させることができる。
As described above, the second magnetostrictive member 31 serving as an anisotropy imparting member is further provided on the rotation shaft 21 so that the magnetostriction characteristics are inverted by reversing the rotation direction, and the
実施の形態3.
次にこの発明の実施の形態3の歪みセンサを説明する。
実施の形態3は、実施の形態1に対して、永久磁石の配置を変更したものである。
図3に歪みセンサ12の平面概略図を示す。前記歪みセンサ12には、前記回転軸20の軸方向から見た平面図である図3に示すように、磁性材料で形成された環状の第3ヨーク52に第5永久磁石74、第6永久磁石75、第7永久磁石76及び第8永久磁石77が取り付けられている。前記第3ヨーク52は、ヨークを構成している。第5永久磁石74、第6永久磁石75、第7永久磁石76及び第8永久磁石77は、磁石を構成している。前記第5永久磁石74、前記第6永久磁石75、前記第7永久磁石76及び前記第8永久磁石77は、前記回転軸20の周方向に等間隔に配置されている。
Embodiment 3 FIG.
Next, a strain sensor according to Embodiment 3 of the present invention will be described.
The third embodiment is different from the first embodiment in the arrangement of the permanent magnet.
FIG. 3 is a schematic plan view of the strain sensor 12. As shown in FIG. 3, which is a plan view seen from the axial direction of the rotary shaft 20, the strain sensor 12 has a fifth permanent magnet 74 and a sixth permanent magnet attached to an annular third yoke 52 made of a magnetic material. The magnet 75, the seventh permanent magnet 76, and the eighth permanent magnet 77 are attached. The third yoke 52 constitutes a yoke. The fifth permanent magnet 74, the sixth permanent magnet 75, the seventh permanent magnet 76, and the eighth permanent magnet 77 constitute a magnet. The fifth permanent magnet 74, the sixth permanent magnet 75, the seventh permanent magnet 76, and the eighth permanent magnet 77 are arranged at equal intervals in the circumferential direction of the rotating shaft 20.
前記第5永久磁石74及び前記第7永久磁石76は、前記回転軸20の径方向外側がN極74n,76n、内側がS極74s,76sとなるように配置されている。一方、前記第6永久磁石75及び前記第8永久磁石77は、前記回転軸20の径方向外側がS極75s,77s、内側がN極75n,77nとなるように配置されている。すなわち、前記第5永久磁石74、前記第6永久磁石75、前記第7永久磁石76及び前記第8永久磁石77は、前記回転軸20の径方向に沿って極が変化する。
The fifth permanent magnet 74 and the seventh permanent magnet 76 are arranged such that the outer side in the radial direction of the rotating shaft 20 is
前記第5永久磁石74、前記第6永久磁石75、前記第7永久磁石76及び前記第8永久磁石77の径方向内側に、図示しない支持部材に指示された前記第1ホール素子80がそれぞれ設けられている。前記第1ホール素子80は前記第2磁歪材部の近傍に、前記第5,第6,第7,第8永久磁石74,75,76,77の磁束を検出可能に設けられており、図示しない検出回路に接続されている。また、前記第1ホール素子80は磁気センサを構成している。
The
次に、この実施の形態3の前記歪みセンサ12の動作を説明する。
まず、前記回転軸20にトルクが印加されていない場合には、前記第5永久磁石74及び前記第7永久磁石76は、前記回転軸20の径方向外側がN極74n,76n、内側がS極74s,76sとなるように配置され、一方、前記第6永久磁石75及び前記第8永久磁石77は、前記回転軸20の径方向外側がS極75s,77s、内側がN極75n,77nとなるように配置されているので、磁束Dが前記第1磁歪材部30を透過する。
Next, the operation of the strain sensor 12 according to the third embodiment will be described.
First, when no torque is applied to the rotating shaft 20, the fifth permanent magnet 74 and the seventh permanent magnet 76 have
次に、前記回転軸20にトルクが印加されている場合には、前記回転軸20へのトルクの印加方向に応じて前記第1磁歪材部30が歪み、透磁率がビラリ効果により変化する。この変化により前記第5永久磁石74、前記第6永久磁石75、前記第7永久磁石76及び前記第8永久磁石77のそれぞれの間の周方向の磁束密度が変化することで、前記第1磁歪材部30を透過する磁束Dが変化する。 Next, when a torque is applied to the rotating shaft 20, the first magnetostrictive member 30 is distorted according to the direction of the torque applied to the rotating shaft 20, and the magnetic permeability changes due to the Villari effect. Due to this change, the magnetic flux density in the circumferential direction between each of the fifth permanent magnet 74, the sixth permanent magnet 75, the seventh permanent magnet 76, and the eighth permanent magnet 77 changes, so that the first magnetostriction The magnetic flux D passing through the material part 30 changes.
実施の形態1の歪みセンサ10の動作と同じく、前記第1ホール素子80は、前記回転軸20へトルクが印加されていない場合と印加されている場合との、磁束の変化を検出する。これにより、磁束の変化により前記回転軸20に印加されるトルクによる前記回転軸20の歪みを検出することができる。
As in the operation of the strain sensor 10 of the first embodiment, the
このように、前記第5,6,7,8永久磁石74,75,76,77は前記回転軸20の周方向に複数設けられ、前記回転軸20の径方向に沿って極が変化するので、前記歪みセンサ12の軸方向Aの全長が短くなり、前記歪みセンサ12をコンパクトにすることができる。 As described above, the plurality of fifth, sixth, seventh, and eighth permanent magnets 74, 75, 76, and 77 are provided in the circumferential direction of the rotating shaft 20, and the poles change along the radial direction of the rotating shaft 20. Accordingly, the overall length of the strain sensor 12 in the axial direction A is reduced, and the strain sensor 12 can be made compact.
なお、この発明の実施の形態1では前記第1ホール素子80を2個、実施の形態2では前記第1ホール素子80及び前記第2ホール素子81を2個ずつ、実施の形態3では前記第1ホール素子80を4個、前記第1〜第8永久磁石70〜77の近くに設けていたが、前記第1ホール素子80及び前記第2ホール素子81を設ける位置及び数は、前記第1磁歪材部30及び前記第2磁歪材部31の歪みによる磁束の変化を検出できる任意の位置に設ければよい。
In the first embodiment of the present invention, the two
また、この発明の実施の形態1〜3では、磁気センサとして前記第1ホール素子80及び前記第2ホール素子81が設けられていたが、ホール素子以外の他の方式の磁気センサを用いてもよい。
In the first to third embodiments of the present invention, the
また、この発明の実施の形態1〜3では、前記第1磁歪材部30及び前記第2磁歪材部31はめっき処理により、前記回転軸20,21に右回りのトルクがかかった場合と、左回りのトルクがかかった場合とで、磁歪特性が反転するように形成されて磁気異方性が付与されていたが、他の方法により磁気異方性が付与されていてもよい。例えば、前記第1磁歪材部30及び前記第2磁歪材部31に溝加工を施すことや、前記第1磁歪材部30及び前記第2磁歪材部31の表面に溶射による加工を施すことで前記第1磁歪材部30及び前記第2磁歪材部31に磁気異方性が付与されていてもよい。また、前記回転軸20,21の表面のみではなく、前記回転軸20,21の一部または全部が磁歪材部で構成されてもよい。 In the first to third embodiments of the present invention, the first magnetostrictive member 30 and the second magnetostrictive member 31 are subjected to a plating process so that clockwise torque is applied to the rotating shafts 20 and 21; The magnetic anisotropy is formed by inverting the magnetostriction characteristics when the counterclockwise torque is applied, but the magnetic anisotropy may be provided by another method. For example, the first magnetostrictive material portion 30 and the second magnetostrictive material portion 31 are subjected to groove processing, and the surfaces of the first magnetostrictive material portion 30 and the second magnetostrictive material portion 31 are processed by thermal spraying. The first magnetostrictive member 30 and the second magnetostrictive member 31 may have magnetic anisotropy. Further, not only the surfaces of the rotating shafts 20 and 21 but also a part or the whole of the rotating shafts 20 and 21 may be formed of a magnetostrictive material portion.
また、この発明の実施の形態1〜3では、前記第1〜第3ヨーク50〜52が設けられていたが、前記第1〜第3ヨーク50〜52の形状は任意の形状であってもよいし、前記第1〜第3ヨーク50〜52の代わりに前記第1〜第8永久磁石70〜77を支持する非磁性材料のステーであってもよい。
In the first to third embodiments of the present invention, the first to third yokes 50 to 52 are provided. However, the first to third yokes 50 to 52 may have any shape. Alternatively, a stay made of a non-magnetic material that supports the first to eighth
また、この発明の実施の形態1では輪状の前記第1,第2永久磁石70,71が、実施の形態2では輪状の前記第1〜第4永久磁石70〜73が設けられていたが、前記第1〜第4永久磁石70〜73は、前記回転軸20,21の軸方向に沿って対向する極が異なるように設けられていれば、完全に輪状の永久磁石ではなくてもよく、例えば、複数の磁石を前記回転軸20,21の周方向に並べて配置したものであってもよい。
Further, the first and second annular
また、この実施の形態2では前記第1,第2磁歪材部30,31の2種類の磁歪材部と、前記第1,第2磁歪材部30,31に対向する輪状の前記第1,第2永久磁石70,71及び前記第3、第4永久磁石72,73がそれぞれ設けられていたが、磁歪材部は回転軸21において3つ以上設けられていてもよいし、磁歪材部に対向する永久磁石の数は任意の数であってよい。
Further, in the second embodiment, two types of the first and second magnetostrictive material portions 30 and 31 and the ring-shaped first and second magnetostrictive material portions 30 and 31 are opposed to each other. Although the second
また、この実施の形態2では、前記第1〜第4永久磁石70〜73は前記回転軸21に同軸に設けられた輪状磁石であって前記回転軸21の軸方向Aに沿って極が変化していたが、永久磁石を実施の形態3の前記第5〜第8永久磁石74〜77のように前記回転軸21の周方向に配置し、前記回転軸21の径方向に沿って極が変化するようにして設けてもよい。
In the second embodiment, the first to fourth
また、この実施の形態3では前記第5〜第8永久磁石74〜77の4個の永久磁石が設けられていたが、永久磁石の位置及び数は前記回転軸20の軸方向から見て永久磁石が対象になるように配置されていれば任意の位置及び数であってもよい。 Further, in the third embodiment, four permanent magnets of the fifth to eighth permanent magnets 74 to 77 are provided, but the position and number of the permanent magnets are permanent when viewed from the axial direction of the rotary shaft 20. Arbitrary positions and numbers may be used as long as the magnets are arranged so as to be targeted.
なお、本発明による歪みセンサ構造及び歪み検出方法の要旨としては、以下の通りである。すなわち、回転方向が反転することで磁歪特性が反転するように、異方性付与部材である前記第1磁歪材部30が表面に設けられた回転軸20と、前記回転軸20の径方向の外側に設けられた前記第1,第2永久磁石70,71と、前記第1,第2永久磁石70,71を支持する第1ヨーク50と、前記第1,第2永久磁石70,71により生じる前記磁束Bを検出可能に設けられた第1磁気センサ80とを備え、前記第1磁気センサ80は、前記回転軸20にトルクが印加された場合に前記第1磁歪材部30により生じる前記磁束Bの変化を検出する構成であり、また、前記第1,第2磁石70,71は前記回転軸20と同軸に設けられた輪状磁石であり、軸方向Aに複数配置され、前記回転軸20の軸方向Aに沿って極が変化する構成であり、また、前記第5〜第8永久磁石74〜77は前記回転軸20の周方向に複数設けられ、前記回転軸20の径方向に沿って極が変化する構成であり、また、前記回転軸21の表面に、回転方向が反転することで磁歪特性が反転するように、異方性付与部材である前記第2磁歪材部31がさらに設けられ、前記第1,第2磁気センサ80,81は、前記回転軸21にトルクが印加された場合に前記第2磁歪材部31により生じる前記磁束Cの変化を検出する構成であり、また、前記第1,第2磁気センサ80,81は、ホール素子である構成であり、また、回転方向が反転することで磁歪特性が反転するように、異方性付与部材である前記第1磁歪材部30が表面に設けられた前記回転軸20と、前記回転軸20の径方向の外側に設けられた第1,第2磁石70,71と、前記第1,第2磁石70,71を支持する第1ヨーク50と、前記第1,第2磁石70,71により生じる磁束Bを検出可能に設けられた前記第1磁気センサ80とを備える歪みセンサにおいて、前記第1磁気センサ80は、前記回転軸20にトルクが印加された場合に前記第1磁歪材部30により発生する前記磁束Bの変化を検出する検出方法である。
The gist of the strain sensor structure and the strain detection method according to the present invention is as follows. That is, the rotating shaft 20 having the first magnetostrictive member 30 serving as an anisotropic member provided on the surface thereof, and the radial direction of the rotating shaft 20 so that the magnetostriction characteristics are reversed by reversing the rotating direction. The first and second
本発明による歪みセンサ構造は、回転方向が反転することで磁歪特性が反転するように、異方性付与部材である第1磁歪材部が表面に設けられた回転軸と、回転軸の径方向の外側に設けられた磁石と、磁石を支持するヨークと、磁石により生じる磁束を検出可能に設けられた磁気センサとを備え、磁気センサは、回転軸にトルクが印加された場合に第1磁歪材部により生じる磁束の変化を検出する構成であるので、簡単な構成で検出精度の高い歪みセンサ構造とすることができる。 The strain sensor structure according to the present invention includes: a rotating shaft having a first magnetostrictive member serving as an anisotropic member provided on a surface thereof; and a radial direction of the rotating shaft, the magnetostriction characteristics being reversed by reversing the rotating direction. A magnet provided outside of the magnet, a yoke supporting the magnet, and a magnetic sensor provided to detect a magnetic flux generated by the magnet, wherein the magnetic sensor has a first magnetostriction when torque is applied to a rotating shaft. Since it is configured to detect a change in magnetic flux generated by the material portion, it is possible to obtain a strain sensor structure with high detection accuracy with a simple configuration.
10,11,12 歪みセンサ
20,21 回転軸
30 第1磁歪材部
31 第2磁歪材部
50 第1ヨーク(ヨーク)
51 第2ヨーク(ヨーク)
52 第3ヨーク(ヨーク)
70 第1永久磁石(磁石)
71 第2永久磁石(磁石)
72 第3永久磁石(磁石)
73 第4永久磁石(磁石)
74 第5永久磁石(磁石)
75 第6永久磁石(磁石)
76 第7永久磁石(磁石)
77 第8永久磁石(磁石)
80 第1ホール素子(第1磁気センサ)
81 第2ホール素子(第2磁気センサ)
A 軸方向
B,C,D 磁束
10, 11, 12 Strain sensor 20, 21 Rotation axis 30 First magnetostrictive material section 31 Second magnetostrictive material section 50 First yoke (yoke)
51 2nd yoke (yoke)
52 Third yoke (yoke)
70 1st permanent magnet (magnet)
71 Second permanent magnet (magnet)
72 Third permanent magnet (magnet)
73 4th permanent magnet (magnet)
74 5th permanent magnet (magnet)
75 6th permanent magnet (magnet)
76 7th permanent magnet (magnet)
77 8th permanent magnet (magnet)
80 First Hall Element (First Magnetic Sensor)
81 Second Hall Element (Second Magnetic Sensor)
A-axis direction B, C, D Magnetic flux
Claims (6)
前記回転軸(20,21)の径方向の外側に設けられた磁石(70,71,72,73,74,75,76,77)と、
前記磁石(70,71,72,73,74,75,76,77)を支持するヨーク(50,51,52)と、
前記磁石(70,71,72,73,74,75,76,77)により生じる磁束(B,C,D)を検出可能に設けられた磁気センサ(80,81)と
を備え、
前記磁気センサ(80,81)は、前記回転軸(20,21)にトルクが印加された場合に前記第1磁歪材部(30)により生じる前記磁束(B,C,D)の変化を検出することを特徴とする歪みセンサ構造。 A rotating shaft (20, 21) provided with a first magnetostrictive member (30), which is an anisotropy imparting member, so that the magnetostriction characteristics are reversed by reversing the rotation direction;
Magnets (70, 71, 72, 73, 74, 75, 76, 77) provided radially outside the rotation shafts (20, 21);
A yoke (50, 51, 52) for supporting the magnet (70, 71, 72, 73, 74, 75, 76, 77);
Magnetic sensors (80, 81) provided so as to detect magnetic fluxes (B, C, D) generated by the magnets (70, 71, 72, 73, 74, 75, 76, 77),
The magnetic sensors (80, 81) detect changes in the magnetic fluxes (B, C, D) generated by the first magnetostrictive member (30) when a torque is applied to the rotating shafts (20, 21). A strain sensor structure.
前記磁気センサ(80,81)は、前記回転軸(20,21)にトルクが印加された場合に前記第2磁歪材部(31)により生じる前記磁束(C)の変化を検出することを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の歪みセンサ構造。 A second magnetostrictive material portion (31), which is an anisotropy imparting member, is further provided on the rotation shaft (20, 21) so that the magnetostriction characteristics are inverted by reversing the rotation direction,
The magnetic sensor (80, 81) detects a change in the magnetic flux (C) generated by the second magnetostrictive member (31) when a torque is applied to the rotating shaft (20, 21). The strain sensor structure according to claim 1, wherein
前記回転軸(20)の径方向の外側に設けられた磁石(70,71)と、
前記磁石(70,71)を支持するヨーク(50)と、
前記磁石(70,71)により生じる磁束(B)を検出可能に設けられた磁気センサ(80)と
を備える歪みセンサにおいて、
前記磁気センサは、前記回転軸(20)にトルクが印加された場合に前記第1磁歪材部(30)により発生する前記磁束(B)の変化を検出することを特徴とする歪み検出方法。 A rotating shaft (20) provided with a first magnetostrictive member (30), which is an anisotropy imparting member, so that the magnetostriction characteristics are reversed by reversing the rotation direction;
Magnets (70, 71) provided radially outside the rotating shaft (20);
A yoke (50) for supporting the magnets (70, 71);
A magnetic sensor (80) provided to detect a magnetic flux (B) generated by the magnets (70, 71);
A distortion detecting method, wherein the magnetic sensor detects a change in the magnetic flux (B) generated by the first magnetostrictive member (30) when a torque is applied to the rotating shaft (20).
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