JP2020197496A - トルクセンサ - Google Patents

Abstract

【課題】センサ性能をより向上させることができる磁歪式のトルクセンサの構造を実現する。【解決手段】トルクセンサ１は、トルクが負荷される磁歪材であるトルク伝達軸２の被検出部３の外径側に配置される環状のコイルユニット４と、該コイルユニット４に結合されたバックヨーク５とを備える。コイルユニット４は、被検出部３を通過する磁束を発生するコイル部を含む円筒状の本体部６を有する。バックヨーク５は、磁性粉が混入したゴムである磁性ゴムにより、全体を一体に、かつ、全周がつながった環状に構成されたものであって、本体部６の外周面を覆う外周覆い部８と、該外周覆い部８の軸方向両端部から径方向内方に折れ曲がり、かつ、本体部６の軸方向両側面を覆う１対の側面覆い部９ａ、９ｂとを有する。【選択図】図４

Description

本発明は、例えばトルク伝達軸が伝達しているトルクを測定するための磁歪式のトルクセンサに関する。

近年、自動車の高効率化、低燃費化を進めるべく、エンジンの最適な出力制御（ハイブリッド自動車におけるモータと同調した出力制御を含む）を行うために、エンジンの出力トルクを測定することが求められている。エンジンの出力トルクを測定する方法としては、例えば、エンジンの下流側に存在する何れかのトルク伝達軸が伝達しているトルクを測定することが考えられる。

一方、トルク伝達軸が伝達しているトルクを測定するためのトルクセンサとして、磁歪式のトルクセンサが知られている。図１１は、例えば特開２００９−２１０３２５号公報などに記載されて従来から知られている磁歪式のトルクセンサの１例を示している。図１１に示した磁歪式のトルクセンサ１００は、磁歪材であるトルク伝達軸１０１の外径側に配置された円筒状のコイルユニット１０２と、コイルユニット１０２の外径側に配置された磁性材製で円筒状のバックヨーク１０３とを備えている。

コイルユニット１０２は、具体的な構造の図示は省略するが、環状のコイル部と、該コイル部を保持する合成樹脂製のコイルホルダとを含んで、全体を円筒状に構成されている。前記コイル部は、通電により磁束を発生させる機能を有している。バックヨーク１０３は、前記コイル部により発生した磁束の磁路として機能することにより、該コイル部により発生した磁束のうち、トルク伝達軸１０１を通過しない磁束を減らして、トルク伝達軸１０１を通過する磁束、すなわち、バックヨーク１０３とトルク伝達軸１０１との間で還流する磁束（図１１の矢印α参照）を増やすものである。

トルク伝達軸１０１にトルクが負荷され、トルク伝達軸１０１が弾性的に捩れ変形すると、逆磁歪効果に基づいてトルク伝達軸１０１の透磁率が変化し、これに伴って、前記コイル部のインダクタンスが変化する。したがって、トルク伝達軸１０１の透磁率の変化を、前記コイル部のインダクタンスの変化として検出することにより、トルク伝達軸１０１が伝達するトルクを測定することができる。特に、図示の構造では、バックヨーク１０３によって、トルク伝達軸１０１を通過する磁束、すなわち、トルク伝達軸１０１とバックヨーク１０３との間で還流する磁束を増やすことができるため、その分、センサ性能を向上させることができる。具体的には、トルク測定に関して、感度を向上させたり、誤差を低減したり、ノイズを低減したりすることができる。

特開２００９−２１０３２５号公報

図１１に示したトルクセンサ１００を構成するバックヨーク１０３は、磁性体金属板製、フェライト磁心、圧粉磁心といった、弾性変形しにくい又は弾性変形しない部材である。このため、図１１に示したトルクセンサ１００においては、組み立ての都合上、バックヨーク１０３を単なる円筒状に構成することで、バックヨーク１０３の内径側にコイルユニット１０２を軸方向から挿入できるようにしている。

しかしながら、図１１に示したトルクセンサ１００のように、バックヨーク１０３を単なる円筒状に構成すると、バックヨーク１０３とトルク伝達軸１０１との間隔（エアギャップ）Ｇが大きくなる。このため、バックヨーク１０３の外径側（径方向に関してトルク伝達軸１０１と反対側）に漏れる磁束（図１１の矢印β参照）が発生することを避けられない。すなわち、図１１に示したトルクセンサ１００は、トルク伝達軸１０１とバックヨーク１０３との間で還流する磁束の量を増やし、センサ性能のより一層の向上を図る面からは、さらなる改良の余地がある。

本発明は、上述したような事情に鑑み、センサ性能をより向上させることができる磁歪式のトルクセンサの構造を実現することを目的としている。

本発明のトルクセンサは、磁歪式であり、トルクが負荷される磁歪材の外径側に配置される環状のコイルユニットと、該コイルユニットに結合されたバックヨークとを備える。
前記コイルユニットは、前記磁歪材を通過する磁束を発生するコイル部を含む円筒状の本体部を有する。なお、該本体部は、例えば、前記コイル部と、該コイル部を保持する非磁性材製のコイルホルダとを組み合わせることによって、円筒状に構成することができる。なお、前記本体部は円筒状であるが、該本体部に含まれる前記コイル部の全体形状は、必ずしも全周がつながった円形状である必要はない。すなわち、前記コイル部の全体形状は、全周がつながった円形状であっても良いし、例えば半円形状などの円弧形状であっても良い。
前記バックヨークは、磁性粉が混入したゴムである磁性ゴムにより、全体を一体に、かつ、全周がつながった環状に構成されたものであって、前記本体部の外周面を覆う外周覆い部と、該外周覆い部の軸方向両端部から径方向内方に折れ曲がり、かつ、前記本体部の軸方向両側面を覆う１対の側面覆い部とを有する。

本発明のトルクセンサにおいては、前記コイルユニットは、前記本体部の周方向１箇所から軸方向及び／又は径方向外方に突出し、かつ、配線の接続端子が接続される端子台をさらに有し、前記バックヨークは、前記端子台を係合させることで該端子台のうち前記接続端子が接続される部分を前記バックヨークから露出させる端子台係合部をさらに有する構成を採用することができる。

この場合には、前記端子台は、前記本体部の軸方向中間部の周方向１箇所から径方向外方に突出しており、前記１対の側面覆い部は、前記本体部の軸方向両側面の全周を覆っている構成を採用することができる。

本発明のトルクセンサによれば、センサ性能をより向上させることができる。

図１は、実施の形態の第１例のトルクセンサをトルク伝達軸の周囲に配置した状態で示す斜視図である。 図２は、実施の形態の第１例のトルクセンサをトルク伝達軸の周囲に配置した状態で軸方向から見た図である。 図３は、図２のＡ−Ａ断面図である。 図４は、図２のＢ−Ｂ断面図である。 図５（ａ）は、実施の形態の第１例のトルクセンサを構成するコイルユニットを軸方向から見た図であり、図５（ｂ）は、図５（ａ）のＣ−Ｃ断面図である。 図６（ａ）は、実施の形態の第１例のトルクセンサを構成するバックヨークを軸方向から見た図であり、図６（ｂ）は、図６（ａ）のＤ−Ｄ断面図であり、図６（ｃ）は、図６（ａ）のＥ−Ｅ断面図である。 図７は、実施の形態の第２例のトルクセンサをトルク伝達軸の周囲に配置した状態で示す斜視図である。 図８は、実施の形態の第２例のトルクセンサをトルク伝達軸の周囲に配置した状態で軸方向から見た図である。 図９は、図８のＦ−Ｆ断面図である。 図１０は、図８のＧ−Ｇ断面図である。 図１１は、従来から知られているトルクセンサの１例をトルク伝達軸の周囲に配置した状態で示す断面図である。

［実施の形態の第１例］
実施の形態の第１例について、図１〜図６を用いて説明する。

本例の磁歪式のトルクセンサ１は、自動車のパワートレインのうち、エンジンの下流側に存在するトルク伝達軸２が伝達しているトルクを測定するために用いられる。

磁歪材であるトルク伝達軸２は、軸方向一部の外周面に、軸方向に関して外径が変化しない円筒面である被検出部３を備える。トルク伝達軸２は、少なくとも被検出部３を含む一部又は全体が、磁歪特性を有する材料、例えば、ＳＣ（機械構造用炭素鋼）、ＳＵＳ（ステンレス鋼）、ＳＣｒ（クロム鋼）、ＳＣＭ（クロムモリブデン鋼）、ＳＮＣＭ（ニッケルクロムモリブデン鋼）などの磁歪特性の良い鉄鋼により造られている。

トルクセンサ１は、全体を円筒状に構成されている。トルクセンサ１は、図１〜図４に示すように、トルク伝達軸２の被検出部３の外径側に、被検出部３と同軸に配置することで、内周面を被検出部３に近接対向させている。また、この状態で、トルクセンサ１は、図示しないハウジングなどの非回転部材に支持されている。

トルクセンサ１は、コイルユニット４と、バックヨーク５とを備える。なお、以下の説明では、トルクセンサ１の軸方向に関して、図１、図３、図４、図５（ｂ）、図６（ｂ）、図６（ｃ）の左側を一方側とし、図１、図３、図４、図５（ｂ）、図６（ｂ）、図６（ｃ）の右側を他方側とする。

コイルユニット４は、図３〜図５に示すように、円筒状の本体部６と、本体部６の軸方向一方側端部の周方向１箇所に結合された端子台７とを有する。

本体部６は、具体的な構造の図示は省略するが、環状（具体的には全体形状が円形状）のコイル部と、該コイル部を保持する合成樹脂製のコイルホルダとを含んで円筒状に構成されている。前記コイル部は、例えば、前記コイルホルダに外嵌又は内嵌したり、前記コイルホルダに包埋したりすることで、前記コイルホルダに保持されている。前記コイル部は、通電により磁束を発生させる機能を有している。このような本体部６の内周面は、被検出部３に近接対向している。また、トルクセンサ１の使用状態で、前記コイル部から発生した磁束の一部は、被検出部３を通過する。なお、前記コイル部の全体形状は、例えば半円形状などの円弧形状とすることもできる。

端子台７は、前記コイル部への通電を行う図示しない配線（ケーブル）の接続端子を接続するためのものであり、該接続端子を接続した状態で、トルク伝達軸２が伝達するトルクを測定するための測定回路と前記コイル部とが導通される。端子台７は、軸方向から見た形状が扇形であり、本体部６の軸方向一方側端部の周方向１箇所から軸方向一方側に突出している。また、端子台７は、径方向内側面が本体部６の内周面と同一円筒面内に配置されており、径方向外側部が本体部６の外周面よりも径方向外側に突出している。なお、端子台７に対する前記配線の接続端子の接続は、例えば、軸方向片側から行うようにすることもできるし、径方向外側から行うようにすることもできる。また、端子台は、本例の形状と異なる任意の形状を採用することができる。また、端子台は、本体部の外周面よりも径方向外側に突出しておらず、本体部の軸方向側面から軸方向にのみ突出していてもよい。

バックヨーク５は、図１〜図６に示すように、磁性材料によって、全体を一体に、かつ、全周がつながった環状に構成されている。特に、本例では、バックヨーク５を構成する磁性材料として、フェライト粉などの磁性粉が混入したニトリルブタジエンゴム（ＮＢＲ）などのゴムである、磁性ゴムを用いている。該磁性ゴム中の磁性粉の割合は、例えば４０〜９０体積％とすることができる。また、バックヨーク５は、例えば射出成形により造ることができる。

本例では、バックヨーク５は、コイルユニット４とは別個に造られた後、コイルユニット４に対して、本体部６の外周面及び軸方向両側面を覆うように組み付けられている。このようなバックヨーク５は、外周覆い部８と、１対の側面覆い部９ａ、９ｂとを有する。

外周覆い部８は、全周がつながった円筒状に構成されており、本体部６の外周面を軸方向全長及び全周にわたり覆っている。１対の側面覆い部９ａ、９ｂのうちの一方の側面覆い部９ａは、外周覆い部８の軸方向一方側部から径方向内側に折れ曲がり、本体部６の軸方向一方側側面を覆っている。すなわち、一方の側面覆い部９ａは、周方向１箇所に不連続部を有する欠円輪状に構成されており、該不連続部を軸方向から見た形状が扇形の端子台係合部１０としている。そして、一方の側面覆い部９ａは、端子台係合部１０に端子台７を周方向のがたつきなく係合させた状態で、本体部６の軸方向一方側側面のうち、端子台７から周方向に外れた部分を覆っている。１対の側面覆い部９ａ、９ｂのうちの他方の側面覆い部９ｂは、外周覆い部８の軸方向他方側部から径方向内側に折れ曲がり、本体部６の軸方向他方側側面を全周にわたり覆っている。すなわち、他方の側面覆い部９ａは、全周がつながった円輪状に構成されている。また、１対の側面覆い部９ａ、９ｂの内周面は、本体部６の内周面と同一円筒面内に配置されており、被検出部３に近接対向している。

上述したようなバックヨーク５は、前記コイル部により発生した磁束の磁路として機能することにより、該コイル部から発生した磁束のうち、被検出部３を通過しない磁束を減らして、被検出部３を通過する磁束、すなわち、バックヨーク５と被検出部３との間で還流する磁束（図３及び図４の矢印α参照）を増やすものである。

上述のようなトルクセンサ１を組み立てる際には、磁性ゴム製のバックヨーク５を弾性的に拡径させつつ、バックヨーク５の内径側にコイルユニット４を軸方向から挿入した後、バックヨーク５を弾性的に復元させて縮径させることで、コイルユニット４にバックヨーク５を組み付ける。そして、このように組み付けた状態で、外周覆い部８により本体部６の外周面を覆うとともに、１対の側面覆い部９ａ、９ｂにより本体部６の軸方向両側面を覆う。また、端子台係合部１０に端子台７を周方向のがたつきなく係合させて、端子台７の軸方向一方側面及び外周面をバックヨーク５から露出させる。本例では、端子台係合部１０と端子台７との係合によって、コイルユニット４とバックヨーク５との相対回転を阻止することができる。なお、図示の例では、端子台７の径方向外側部がバックヨーク５の外周面よりも径方向外側に突出しているとともに、端子台７の軸方向一方側部がバックヨーク５の軸方向一方側の側面よりも軸方向一方側に突出している。ただし、端子台の径方向外側部をバックヨークの外周面よりも径方向外側に突出させない構成や、端子台の軸方向一方側部をバックヨークの軸方向一方側の側面よりも軸方向一方側に突出させない構成を採用することもできる。

本例のトルクセンサ１の使用時に、トルク伝達軸２にトルクが負荷され、磁歪材である被検出部３が弾性的に捩れ変形すると、逆磁歪効果に基づいて被検出部３の透磁率が変化し、これに伴って、前記コイル部のインダクタンスが変化する。したがって、被検出部３の透磁率の変化を、前記コイル部のインダクタンスの変化として検出することにより、トルク伝達軸２が伝達するトルクを測定することができる。

特に、本例では、バックヨーク５は、円筒状の外周覆い部８だけでなく、外周覆い部８の軸方向両端部から径方向内方に折れ曲がった１対の側面覆い部９ａ、９ｂを有しており、バックヨーク５と被検出部３との間隔（エアギャップ）Ｇが、１対の側面覆い部９ａ、９ｂの内周面と被検出部３との間で十分に小さくなっている。このため、前述の図１１に示すような、円筒状のバックヨーク１０３を用いた構造と比較して、被検出部３を通過しない漏れ磁束を減らすことができ、被検出部３を通過する磁束、すなわち、バックヨーク５と被検出部３との間で還流する磁束を増やすことができる。したがって、その分、センサ性能を向上させること、具体的には、トルク測定に関して、感度を向上させたり、誤差を低減したり、ノイズを低減したりすることができる。

また、本例では、バックヨーク５は、図４から明らかなように、軸方向両端部に１対の側面覆い部９ａ、９ｂを有しており、該側面覆い部９ａ、９ｂの内径が、コイルユニット４の外径よりも小さくなっている。このようなバックヨーク５を、仮に、フェライト磁心や圧粉磁心などの脆性が高い（割れやすい）部材とする場合には、バックヨーク５を弾性的に拡径させることができないため、バックヨーク５の構造を、軸方向や周方向に分割できる構造としなければ、バックヨーク５をコイルユニット４に組み付けることができなくなる。しかしながら、バックヨーク５の構造を、軸方向や周方向に分割できる構造とすると、分割箇所に生じる微小隙間によって、バックヨーク５の存在に基づくセンサ性能の向上の効果が低下する可能性がある。

これに対して、本例では、バックヨーク５を磁性ゴム製の部材としているため、バックヨーク５を弾性的に拡径させることができる。したがって、本例では、バックヨーク５の構造を、軸方向や周方向に分割できる構造とせず、全体を一体に、かつ、全周がつながった環状の構造としていながらも、バックヨーク５を弾性的に拡径させることに基づいて、バックヨーク５をコイルユニット４に組み付けることができる。このような本例の構造では、バックヨーク５が、分割箇所（微小隙間）を有していないため、その分、バックヨーク５の存在に基づくセンサ性能の向上の効果を高くすることができる。

また、本例では、バックヨーク５を磁性ゴム製の部材としているため、例えば、バックヨーク５をハウジングに締り嵌めで内嵌したり、トルクセンサ１の単体の状態でバックヨーク５が他の物体にぶつかったりしても、バックヨーク５の割れを防ぐことができる。したがって、トルクセンサ１の取り扱い性を良くすることができる。また、バックヨーク５の割れを防ぐことができるため、バックヨーク５の割れを防ぐことを目的として、バックヨーク５の肉厚を大きくする必要がない。すなわち、本例では、バックヨーク５の肉厚を小さくすることができるため、その分、バックヨーク５の材料である磁性ゴムの量を少なくしてコストを抑えたり、トルクセンサ１を小型に構成したりすることができる。

［実施の形態の第２例］
実施の形態の第２例について、図７〜図１０を用いて説明する。

本例の磁歪式のトルクセンサ１ａでは、コイルユニット４ａは、円筒状の本体部６の軸方向中間部の周方向１箇所に、軸方向から見た形状が扇形の端子台７ａを結合している。すなわち、端子台７ａは、本体部６の軸方向中間部の周方向１箇所から径方向外方に突出している。また、バックヨーク５ａは、外周覆い部８ａの軸方向中間部の周方向１箇所に、該１箇所を径方向に貫通し、かつ、周方向に伸長する矩形孔である、端子台係合部１０ａを有する。そして、端子台係合部１０ａに端子台７ａを径方向内側から挿通することで、端子台係合部１０ａに端子台７ａを周方向及び軸方向のがたつきなく係合させている。また、この状態で、端子台７ａの径方向外側部は、外周覆い部８ａの外周面よりも径方向外側に突出している。本例では、端子台７ａに対する配線の接続端子の接続は、径方向外側から行うようにしている。また、本例では、バックヨーク５ａの軸方向両端部を構成する１対の側面覆い部９ｂのそれぞれは、全周がつながった円輪状に構成されており、本体部６の軸方向側面の全周（全体）を覆っている。なお、端子台は、本例の形状と異なる任意の形状を採用することができる。また、端子台の径方向外側部をバックヨークの外周覆い部よりも径方向外側に突出させない構成を採用することもできる。

上述のような本例のトルクセンサ１ａでは、バックヨーク５ａの軸方向他方側端部を構成する側面覆い部９ｂだけでなく、バックヨーク５ａの軸方向一方側端部を構成する側面覆い部９ｂも、全周がつながった円輪状に構成されている。このため、本例では、実施の形態の第１例に比べて、バックヨーク５ａの軸方向一方側端部から外径側に回る磁束（漏れ磁束）をより十分に減らすことができる。したがって、その分、センサ性能をより向上させることができる。
その他の構成及び作用効果は、実施の形態の第１例と同様である。

上述した実施の形態の各例では、トルクセンサの製造方法として、コイルユニットとバックヨークとを別個に造った後、コイルユニットに対してバックヨークを組み付ける方法を採用した。ただし、本発明を実施する場合には、トルクセンサの製造方法として、インサート成形によりコイルユニットに対してバックヨークを結合する方法、すなわち、バックヨークを射出成形により造るのと同時に、コイルユニットに対して結合する方法を採用することもできる。

また、本発明を実施する場合、トルクセンサを構成するコイルユニットの構造は、特に限定されず、磁歪材を通過する磁束（磁歪材とバックヨークとの間で還流する磁束）を発生するコイル部を含むものであれば、公知構造を含む、各種構造のものを採用することができる。また、磁歪材は、トルク伝達軸そのものに限らず、例えば、トルク伝達軸の外周面のうちコイル部と径方向に対向する部分に固定された磁歪膜や、トルク伝達軸に外嵌固定されたスリーブなどであっても良い。

本発明のトルクセンサを自動車のパワートレインの一部に設置する場合、具体的な設置箇所は、特に問わない。例えば、本発明のトルクセンサは、オートマチックトランスミッション（ＡＴ）、ベルト式無段変速機、トロイダル型無段変速機、オートマチックマニュアルトランスミッション（ＡＭＴ）、デュアルクラッチトランスミッション（ＤＣＴ）などの車側の制御で変速を行うトランスミッションや、トランスファーや、マニュアルトランスミッション（ＭＴ）に設置することができる。また、対象となる車両の駆動方式（ＦＦ、ＦＲ、ＭＲ、ＲＲ、４ＷＤなど）も、特に問わない。
また、本発明のトルクセンサは、自動車のパワートレインに限らず、例えば、風車、圧延機、鉄道車両、工作機械、建設機械、農業機械、家庭用電気器具、モータなど、各種機械装置に組み込んで使用することができる。

１、１ａ トルクセンサ
２ トルク伝達軸
３ 被検出部
４、４ａ コイルユニット
５、５ａ バックヨーク
６ 本体部
７、７ａ 端子台
８、８ａ 外周覆い部
９ａ、９ｂ 側面覆い部
１０、１０ａ 端子台係合部
１００ トルクセンサ
１０１ トルク伝達軸
１０２ コイルユニット
１０３ バックヨーク

Claims (3)

1. トルクが負荷される磁歪材の外径側に配置される環状のコイルユニットと、該コイルユニットに結合されたバックヨークとを備えた磁歪式のトルクセンサであって、
   前記コイルユニットは、前記磁歪材を通過する磁束を発生するコイル部を含む円筒状の本体部を有し、
   前記バックヨークは、磁性粉が混入したゴムである磁性ゴムにより、全体を一体に、かつ、全周がつながった環状に構成されたものであって、前記本体部の外周面を覆う外周覆い部と、該外周覆い部の軸方向両端部から径方向内方に折れ曲がり、かつ、前記本体部の軸方向両側面を覆う１対の側面覆い部とを有する、
   トルクセンサ。
2. 前記コイルユニットは、前記本体部の周方向１箇所から軸方向及び／又は径方向外方に突出し、かつ、配線の接続端子が接続される端子台をさらに有し、
   前記バックヨークは、前記端子台を係合させることで該端子台のうち前記接続端子が接続される部分を前記バックヨークから露出させる端子台係合部をさらに有する、
   請求項１に記載のトルクセンサ。
3. 前記端子台は、前記本体部の軸方向中間部の周方向１箇所から径方向外方に突出しており、
   前記１対の側面覆い部は、前記本体部の軸方向両側面の全周を覆っている、
   請求項２に記載のトルクセンサ。

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