JP2022013124A - トルク検出センサ - Google Patents

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Abstract

【課題】センサを小型化し安価に量産可能であり、被検出体の全周にわたって検出感度を低下させずに圧縮応力及び/又は引張応力の発生を検出する。【解決手段】環状のコア2に周方向に複数のティース3a1,3a2が千鳥配置で突設され、各ティースの周囲にコイル5が各々巻かれており、各コイルに通電することにより該当するティースが励磁されて対向する被検出体との間で当該被検出体の軸心方向に対して+45度又は-45度の傾きを有する複数の磁路が形成される。【選択図】図3

Description

本発明は、自己励磁型のトルク検出センサに関する。
回転軸等の被検出体に作用するトルクを非接触で検出する方法として、磁歪式のトルク検出装置がある。例えば、歪みを検出する被検出体となる軸(シャフト)の表面に、磁歪特性を増加させる表面処理(たとえば、メッキまたは溝加工等)を施し、磁歪効果を測定することによってトルクを検出する。磁歪効果の測定は、シャフトと同軸に巻かれたコイルを配置し、インピーダンスの大きさに基づくビラリ効果により発生したシャフトの透磁率の変化を読み取ることによって行われる。
トルク検出装置として、出願人は、被検出体に形成される磁路がその軸心に対して所定角度となるように絶縁筒体に組み付けられた複数のコアとの間に形成される磁路を各々増やすことでトルク検出感度を向上させた磁歪式トルク検出センサを提案した。複数のコアが被検出体の軸心方向に対して所定角度で傾斜して配列され、両側脚部の端面が絶縁筒体の内周面より被検出体に臨むように組み付けられている。また、コ字状に形成されたコアは被検出体の軸心に対して所定角度で傾斜して配列することで、一方の脚部(端面)-被検出体-他方の脚部(端面)-架橋部を通る独立した磁路が形成される。このように、複数のコアに同一のコイルが通っていることでコイルの周りに同一の磁界が発生するため同極となり、そのためこの所望ではない磁路は形成されることはなくコアに磁束を集中されることで隣り合うコア間同士を結ぶ磁路が形成されにくいため、検出感度が向上する構造となっている(特許文献1:特許第6483778号参照)。
特許第6483778号公報
しかしながら、上述した特許文献のトルク検出装置においては、絶縁筒体の外周面に溝を設け、該溝に沿って複数の検出コイルを巻き付ける必要があり、かつ両側脚部を連結する架橋部に囲まれたコ字状空間部を検出コイルが通過するように複数のコアが絶縁筒体に組み付けられる。
このため、検出コイル及びコアを絶縁筒体の径方向の厚みを利用して埋設する必要があることから、センサが径方向及び軸方向に大型化し易い。またコアを構成する両側脚部の端面は、被検出体に臨むように設けられることから、端面形状が平面ではなく弧状の曲面に形成する必要があり、加工コストがかかる。
また、被検出体の全周にわたって、検出感度を低下させずにきめ細かくトルクを検出したいというニーズもある。
本発明はこれらの課題を解決すべくなされたものであり、その目的とするところは、センサを小型化し安価に量産可能であり、被検出体の全周にわたって発生した圧縮応力及び/又は引張応力を、検出感度を低下させずに検出することができる自己励磁タイプのトルク検出センサを提供することにある。
本発明は上記目的を達成するため、次の構成を備える。
被検出体の周囲に設けられた環状のコアから複数箇所で突設されたティースに巻き付けられたコイルに通電して被検出体との間に形成される磁気回路において透磁率の変化をコイルインピーダンスの変化で測定するトルク検出センサであって、環状のコアに周方向に複数のティースが千鳥配置で突設され、各ティースの周囲にコイルが各々巻かれており、各コイルに通電することにより該当するティースが励磁されて対向する被検出体との間で当該被検出体の軸心方向に対して+45度又は-45度の傾きを有する複数の磁気回路が形成されることを特徴とする。
上記構成によれば、環状のコアに周方向に複数のティースが千鳥配置で突設されており、各ティースの周囲に巻かれた同一の通電回路に直列に接続されたコイルに通電することにより、周方向に隣接するティースが異磁極に励磁されて対向する被検出体との間で軸心方向に対して+45度又は-45度の傾きを有する複数の磁路が形成される。よって、被検出体の全周にわたって発生した圧縮応力又は引張応力を検出することができる。また、N極ティースから被検出体を経てS極ティースに戻る磁気回路が周方向に形成されたとしても、トルク検出には寄与しない磁路成分であるため、検出感度に影響しない。
前記複数のティースは同一の通電回路に直列に接続されるコイルが巻かれており、周方向に隣接するティースは、N極とS極で交互励磁されることが好ましい。
これにより、同一の通電回路に直列に接続されるコイルが巻かれ周方向に隣接するティースがN極とS極で交互励磁さえすれば、複数コイルに対して例えば一筆書き状に連続して配線することもでき、配線バリエーションが増えて配線も容易に行える。
前記コアは、第一コア、中間コア及び第二コアを有し、前記第一コアに周方向に複数形成された第一ティースと前記第二コアに周方向に複数形成された第二ティースが前記中間コアを介して積層されて前記第一ティース及び前記第二ティースが周方向に千鳥配置で突設されていてもよい。
第一コア及び第二コアは、モータの固定子コアに用いられる積層コアと同様な製造工程を経て製造することができ、径方向及び軸方向に小型化し安価に量産化することができる。また、第一コアと第二コアとの間に中間コアを設けることで、巻線スペースを設けることができる。そのため、第一ティース及び第二ティースに巻き付けるコイルの巻数を稼ぐことができ、より多くの磁束を発生させて検出感度を向上させることができる。
前記コアに千鳥配置で突設された複数のティースに巻かれた前記コイルに通電して被検出体との間に形成される磁気回路において透磁率の変化をコイルインピーダンスの変化で測定する自己励磁型センサであってもよい。
この場合、任意のタイミングでコイルに通電することで被検出体に作用する圧縮応力又は引張応力を検出することができる。
被検出体の周囲に設けられた複数の環状コアと、該複数の環状コアから複数箇所で突設されたティースに巻き付けられたコイルに通電して被検出体との間に形成される磁気回路において透磁率の変化をコイルインピーダンスの変化で測定するトルク検出センサであって、第一コア、中間コア及び第二コアを有し、前記第一コアに周方向に複数形成された第一ティースと前記第二コアに周方向に複数形成された第二ティースが前記中間コアを介して積層されて前記第一ティース及び前記第二ティースが周方向に千鳥配置で突設され、各ティースの周囲にコイルが各々巻かれており、各コイルに通電することにより励磁されて対向する被検出体との間で軸心方向に対して+45度の傾きを有する複数の磁気回路が形成される第一トルク検出部と、第三コア、中間コア及び第四コアを有し、前記第三コアに周方向に複数形成された第三ティースと前記第四コアに周方向に複数形成された第四ティースが前記中間コアを介して積層されて前記第三ティース及び前記第四ティースが周方向に千鳥配置で突設され、各ティースの周囲にコイルが各々巻かれており、各コイルに通電することにより励磁されて対向する被検出体との間で軸心方向に対して-45度の傾きを有する複数の磁気回路が形成される第二トルク検出部と、を備え、前記第一トルク検出部と前記第二トルク検出部が前記被検出体の軸心方向と直交する対称面を中心に前記第一トルク検出部と前記第二トルク検出部が鏡面配置となるように中間コアを介して積層されていることを特徴とする。
上記構成によれば、第一トルク検出部のコイルに通電することにより隣接する第一ティースと第二ティースが異磁極に励磁されて対向する被検出体との間で軸心方向に対して+45度の傾きを有する複数の磁路が形成され、第二トルク検出部のコイルに通電することにより隣接する第三ティースと第四ティースが異磁極に励磁されて対向する被検出体との間で軸心方向に対して-45度の傾きを有する複数の磁路が形成される。よって、被検出体の全周にわたって発生した圧縮応力及び引張応力を検出することができる。
また、+45度の傾きを有する複数の磁路が形成される第一トルク検出部と-45度の傾きを有する複数の磁路が形成される第二トルク検出部が被検出体の軸心方向と直交する対称面を中心に鏡面配置となるように積層されていると、通電により第一ティース及び第二ティース間に形成される+45度の傾きを有する磁路と第三ティース及び第四ティース間に形成される-45度の傾きを有する磁路が互いに磁束が相殺されることなくトルク検出を行うことができる。
第一トルク検出部を構成する第一ティース、中間コア及び第二ティース、第二トルク検出部を構成する第三ティース、中間コア及び第四ティースはモータの固定子コアと同様な製造工程で製造することができ、径方向及び軸方向に小型化し安価に量産化することができる。
また、複数のティースの間に中間コアを設けることで、第一ティース~第四ティースの周囲に各々巻かれるコイルの巻数を稼ぐことができ、より多くの磁束を発生させることで検出感度を向上させることができる。
前記第一トルク検出部と前記第二トルク検出部は、対称面を介して軸心方向に隣接する第二ティースと第三ティースが同磁極に励磁されると、対称面を介して軸心方向に対称位置にある第二ティースと第三ティースは同磁極となるため、第二ティースと第三ティース間で対称面を跨ぐ磁路が被検出体の軸心方向に形成されることはなく、検出感度を低下させることはない。
前記第一トルク検出部と前記第二トルク検出部は、対称面を介して軸心方向に隣接する第二ティースと第三ティースが異磁極に励磁されると、対称面を介して軸心方向に対称位置にある第二ティースと第三ティースは異なる磁極となるため、第二ティースと第三ティース間で対称面を跨ぐ磁路が被検出体の軸心方向に形成されるが、トルク検出には寄与しない磁路成分であるため、検出感度に影響しない。
前記第一トルク検出部及び前記第二トルク検出部は、複数のコアに千鳥配置で突設されたティースに巻かれたコイルに各々通電して被検出体との間に形成される磁気回路において透磁率の変化をコイルインピーダンスの変化で測定する自己励磁型センサであってもよい。
この場合、任意のタイミングで第一トルク検出部及び第二トルク検出部の千鳥配置で突設されたティースに巻かれたコイルに通電することで被検出体に作用する圧縮応力及び引張応力を検出することができる。
センサを小型化し安価に量産可能であり、被検出体の全周にわたって発生した圧縮応力及び/又は引張応力を、検出感度を低下させずに検出することができる自己励磁タイプのトルク検出センサを提供することができる。
トルク検出センサの正面図、矢印Y-Y方向断面図及び斜視図である。 トルク検出センサの正面図、右側面図及び矢印Y-Y方向断面図である。 コアの周方向に突設されたティースの配置及び通電により形成される磁極の配置図である。 図3の複数のティースに巻かれたコイルの結線図である。 コイル通電により形成される磁極の配置図である。 他例に係るトルク検出センサの分解正面図、矢印X-X断面図及び分解斜視図並びに第一コアの正面図、矢印X-X方向断面図及び第一コアの端面図である。 他例に係るコア及びティースの組立構成を示す説明図である。 他例に係るトルク検出センサの分解状態を示す正面図、側面図及び斜視図である。 図8-1のトルクセンサの正面図、矢印Y-Y方向断面図及び斜視図である。 他例に係るトルク検出センサの正面図、右側面図及び斜視図である。 他例に係るトルク検出センサの正面図、右側面図、矢印Y-Y方向断面図及び斜視図である。 図9のコアの周方向に突設されたティースの配置及び通電により形成される磁路の説明図である。 図11の他例に係るコアの周方向に突設されたティースの配置及び通電により形成される磁路の説明図である。 図1のトルク検出センサに適用できない通電によりティースに形成される磁極の比較配置図である。 図9のトルクセンサに適用できないコア及び通電によりティースに形成される磁極の比較配置図である。 図9のトルクセンサに適用できないコア及び通電によりティースに形成される磁極の比較配置図である。 他例に係るトルク検出センサと被検出体の正面図、右側面図、及び斜視図である。
以下、本発明に係るトルク検出センサの一実施形態について、添付図面を参照しながら説明する。先ず、磁歪式トルク検出センサの概略構成について図1A,Bを参照して説明する。
被検出体Sの一例としては、逆磁歪効果が大きい材料が好ましい。例えば、逆磁歪効果が高い材料として、パーメンジュール、Fe-Al(アルフェル)、Fe-Nix(パーマロイ)および球状黒鉛鋳鉄( JIS :FCD70 ) などがある。尚、逆磁歪効果とは、磁性体に外部から応力を加えると磁気特性が変化する現象である。また、被検出体Sには、必要に応じて磁性焼鈍を予め施しておくと、詳しくは後述するが被検出体Sに作用するトルクを好適に検出できる。また、非磁性材料であっても金属磁性材料を溶射等してコーティングしたり、磁性円筒を軸に圧入したりすることでトルク検出することが可能となる。尚、図1A~Cに例示した被検出体Sは、円柱状であるがこれに限定されない。被検出体Sは、外形が円柱状であれば、内部の構造は問わない。例えば、内径が軸方向において一定である円筒状、または内径が軸方向に位置により異なっている円筒状であってもよい。また、被検出体Sは、回転することが予定されているものであってもよいし、予定されていないものであってもよい。
更には、被検出体Sは、中実な軸材料でもよいし、空芯状の筒体であってもよい。
図1A~Cに示すように、被検出体Sの外周を覆って磁歪式のトルク検出センサ1が同心状に組み付けられる。環状のコア2に周方向に千鳥配置で複数のティース3が突設され、各ティース3の周囲にインシュレータ4を介して同一の通電回路に直列接続されたコイル5が各々巻かれている。各コイル5に通電することにより周方向に隣接するティース3が異磁極(N極又はS極)に励磁されて対向する被検出体Sとの間で軸心方向に対して+45度又は-45度の傾きを有する複数の磁路が形成される。
トルク検出センサ1は、被検出体Sの周囲に複数箇所で対峙するティース3に巻き付けられたコイル5に通電して被検出体Sとの間に形成される磁気回路において透磁率の変化をコイルインピーダンスの変化で測定する自己励磁型のトルク検出センサが用いられる。
コア2及びティース3の構成について説明する。コア2及びティース3は、例えば電磁鋼板をプレス成形したものを積層したものでも、磁性材料をブロック状に一体形成されたものでもよい。また、焼結体、金属粉末射出成形、圧粉体で製造されたものでもよい。以下、積層タイプの構成について説明する。
第一コア2aには環状のコアバック部2a1に径方向内側に向かって突設された第一ティース3a1が、周方向に60度の位相差を設けて合計6か所に設けられている。各第一ティース3a1には筒状の絶縁樹脂製の第一インシュレータ4a1が嵌め込まれ、周囲にはコイル5が巻き付けられている。
第二コア2bは、第一コア2aと同様に環状のコアバック部2b1に径方向内側に向かって突設された第二ティース3a2が、周方向に60度の位相差を設けて合計6か所に設けられている。各第二ティース3a2には筒状の絶縁樹脂製の第二インシュレータ4a2が嵌め込まれ、周囲にはコイル5が巻き付けられている。
なお、各ティース間の位相差は全て同じであってもよいし、ばらばらであっても良い。また、ティースの本数は偶数でも奇数でも良いが、後述するように周方向にN極とS極で交互に励磁するため偶数が効率的である。
第一コア2aと第二コア2bの間には、環状の中間コア2cが設けられている。中間コア2cは、第一コア2aと第二コア2bとの間にコアの周囲にコイル5を巻くスペースを確保するスペーサとしての役割と、第一コア2aと第二コア2bとの間の磁路を兼用している。尚、中間コア2cには径方向内側に向かうティースは設けられていない。
第一コア2aと第二コア2bは中間コア2cを介して積層されてかしめ又は接着若しくはこれらの併用により一体化されコア2を形成している。互いに隣り合う第一ティース3a1と第二ティース3a2は、周方向に45度位相が異なるように積層されている。より正確には第一ティース3a1の被検出体と対向する先端部と第二ティース3a2の被検出体と対向する先端部が中間コア2cを介して周方向に45度位相が異なるように積層されている。このため、図3A,Bのコア2の展開図に示すように、コア2の内周面には、周方向に第一ティース3a1及び第二ティース3a2が千鳥配置で突設されている。
図3Aの上段は、引っ張り方向(CW方向)と圧縮方向(CCW方向)の応力を測定するティース3(第一ティース3a1及び第二ティース3a2)の配置を単純化して示すものである。各ティース3に巻かれたコイル5は同一の通電回路6に直列に接続されており、図3A下段に示すように交流電源により通電することにより周方向に隣接する第一ティース3a1又は第二ティース3a2は互いに異磁極(N極又はS極)に励磁されるようになっている。ここではコイル5をAコイルとして説明する。図中NAはN極に励磁されたAコイル、SAはS極に励磁されたAコイル表示するものとし、N極に励磁されるかS極に励磁されるかはAコイルをティース3に巻く向きを反対にすれば実現することができる。また、NA及びSAを囲む長枠Eは第一ティース3a1及び第二ティース3a2との間に形成される磁路において軸心方向(図の上下方向)に対する磁路の傾き(例えば+45度の磁路の傾き)を示す。
図3Bの上段は、圧縮方向(CCW方向)と引っ張り方向(CW方向)の応力を測定するティース3(第一ティース3a1及び第二ティース3a2)の配置を単純化して示すものである。各ティース3に巻かれたコイル5は同一の通電回路6に直列に接続されており、図3B下段に示すように交流電源により通電することにより周方向に隣接する第一ティース3a1又は第二ティース3a2は互いに異磁極(N極又はS極)に励磁されるようになっている。ここではコイル5をBコイルとして説明する。図中NBはN極に励磁されたBコイル、SBはS極に励磁されたBコイル表示するものとし、N極に励磁されるかS極に励磁されるかはBコイルをティース3に巻く向きを反対にすれば実現することができる。また、NB及びSBを囲む長枠Eは第一ティース3a1及び第二ティース3a2との間に形成される磁路において軸心方向(図の上下方向)に対する磁路の傾き(例えば-45度の磁路の傾き)を示す。
図4A,B,Cは、コア2の展開図において各ティース3(第一ティース3a1及び第二ティース3a2)に巻かれたコイル5に対する通電パターンの一例を示している。図中の黒いラインはコイル5であり、図中では省略されているがコイル5はティース3に巻かれている。また、図3での説明と同様にコイル5をティース3に巻く向きを反対にすることで励磁する極を変更している。コア2に周方向に千鳥配置で突設された複数のティース3のうち同一の通電回路に直列に接続されるコイル5が巻かれたティース3は、周方向に隣接するN極とS極が交互に励磁されることが好ましい。これにより、同一の通電回路に直列に接続されるコイル5が巻かれた周方向に隣接するティース3がN極とS極に交互励磁さえすれば、複数コイル5に対して例えば以下に説明するように一筆書き状に連続して配線することもでき、配線バリエーションが増えて配線も容易に行える。
図4Aは、第一ティース3a1と第二ティース3a2とでジグザグ状に通電する通電回路6a及び第一ティース3a1と第二ティース3a2に形成される磁極(-SA-SA-NA-NA-…)を例示する。図4Bは、第一ティース3a1と第二ティース3a2とで矩形波状に通電する通電回路6b及び第一ティース3a1と第二ティース3a2に形成される磁極(-SA-NA-SA-NA-…)を例示する。図4Cは、第一ティース3a1に周方向に通電してからUターンして第二ティース3a2に周方向に通電する通電回路6c及び第一ティース3a1と第二ティース3a2に形成される磁極(-SA-NA-SA-NA-…)を例示する。図4A~Cに示すいずれの通電パターンにおいても、トルク検出に最も寄与する磁路は、周方向に位相差±45度で配置された第一ティース3a1と第二ティース3a2との間に形成される磁路(図5参照)である。ただし、感度を落としても制約が無い場合は位相差±45度でなくてもよく、例えば位相差±30度などでも良い。
図5は、CW方向及びCCW方向のトルク検出センサのコア2の展開図であって、図中矢印は第一ティース3a1と第二ティース3a2に形成される磁路を示す。
図5上段に示すCW方向のトルク検出センサ1において第一ティース3a1の周方向に異磁極間(NA-SA間)に発生する磁路及び第二ティース3a2の周方向に異磁極間(NA-SA間)に発生する磁路はトルク検出にはほとんど寄与しない磁路成分である。そのため、検出感度にほとんど影響しない。
同様に図5下段に示すCCW方向のトルク検出センサ1において第一ティース3a1の周方向に隣合う異磁極間(NB-SB間)に発生する磁路及び第二ティース3a2の周方向に隣合う異磁極間(NB-SB間)に発生する磁路はトルク検出には寄与しない磁路成分である。そのため、検出感度にはほとんど影響しない。
ここで、トルク検出センサ1の他の構成例について、図6及び図7を参照して説明する。図6A~Gは、トルク検出センサの分解正面図、矢印X-X断面図及び分解斜視図並びに第一コアの正面図、矢印X-X方向断面図及び第一コアの端面図である。
図6Aにおいて、コア2が環状の第一コア2a、中間コア2c、第二コア2bが積層されている点は図2A乃至図2Cと同様であるが、図6B~Dに示すように、第一ティース3a1はコアバック部2a1と一体ではなく、第二ティース3a2もコアバック部2b1と一体ではない点が異なる。
図6E~Gに示すように、第一コア2aには、複数の第一ティース3a1が周方向に60度の位相差を設けて径方向内側に突設されており、合計6か所に配置されている。図6Dに示すように、第二コア2bも同様に、複数の第二ティース3a2が周方向に60度の位相差を設けて径方向内側に突設されており、合計6か所に配置されている。
図6A,Dに示すように第一コア2aと第二コア2bは、中間コア2cを介して積層され、かつ第一ティース3a1と第二ティース3a2は周方向に45度の位相差で重ね合わせて一体に組み付けられる。組み付け後のトルク検出センサ1の状態を図6Cに示す。
また、図7A,B,Cは他例に係るコア及びティースの組立構成を示す説明図である。図7Aに示すように第一ティース3a1はコアバック部2a1の内周面に設けられたアリ溝2a2に第一ティース3a1の外径端部に設けられた係合部3a4を軸心方向に嵌め合わせて組み付けられる。第一ティース3a1は、コアバック部2a1より取り外された状態で、第一インシュレータ4a1が嵌め込まれ、第一インシュレータ4a1にコイル5が巻き付けられる。これを第一コア2aのコアバック部2a1に形成されたアリ溝2a2に係合部3a4を軸心方向に嵌め合わせて組み付けられる。第二コア2bのコアバック部2b1に対する第二ティース3a2の組み付け構造も第一ティース3a1と同様に係合部3b4をアリ溝2b2に軸心方向に嵌め合わせて組み付けられる(図6D参照)。
また、図7Bに示すようにコアバック部2a1の内周面に凸部2a3が形成され、第一ティース3a1の径方向外側端部に凹部3a3が設けられており、凸部2a3を凹部3a3に凹凸嵌合させて第一ティース3a1がコアバック部2a1に径方向内側に向かって組み付けられるようにしてもよい。このコア形態であると、第一ティース3a1の第一コア2aに対する組み付け及び第二ティース3a2の第二コア2bに対する組み付けの自由度が高いため、組み立て性がよい。
また、図7Cに示すように、環状のコアバック部2a1に代えて、円弧状に分割されたコアバック部2a1´に径方向に第一ティース3a1が突設されたコアセグメント2aaを環状に連結して第一コア2a´を組み立てるようにしてもよい。第二コア2b´(図示せず)も同様である。
各コアセグメント2aaのコアバック部2a1´の周方向一端には凸部2a4が形成され、周方向他端に凹部2a5が形成されている。第一ティース3a1にインシュレータを装着してコイル(図示せず)を巻いたコアセグメント2aaどうしを凸部2a4と凹部2a5が凹凸嵌合させて第一コア2a´を組み立てるようにしてもよい。これにより、ティースに対する巻線作業が容易になりコアセグメント2aaは共通の構造であるので組立性が向上する。
図8-1A~Cは、他例に係るトルク検出センサの組立構成を示す説明図、図8-2A~Cは図8-1のトルクセンサの正面図、矢印Y-Y方向断面図及び斜視図である。
上述した実施例では図2A乃至図2Cと同様に同径の環状の第一コア2a、中間コア2c、第二コア2bが軸線方向に積層されてコア2として一体に組み付けられていたが、例えば中間コア2cの外径が第一コア2a及び第二コア2bより大きくかつこれらが中間コア2cの両端開口から同心状に嵌め込まれるようになっていてもよい。
図8-1A~Cは、中間コア2cに対して第一コア2a及び第二コア2bが挿入前の分解状態を示す開口端の正面図、側面図及び斜視図である。図8-2A~Cは中間コア2cに第一コア2a及び第二コア2bが両端開口より嵌め込まれた状態を示す開口端の正面図、矢印Y-Y断面図及び斜視図である。図8Cは、中間コア2cに第一コア2a及び第二コア2bが挿入前後の状態を示す斜視図である。図8-2Bに示すように、中間コア2cの両端開口より挿入された第一コア2aと第二コア2bは所定間隔を空けて嵌め込まれていてもよい。中間コア2cも磁性体であるため、45度位相が異なる第一ティース3a1と第二ティース3a2は中間コア2cを介して磁気回路が形成される。
次にトルク検出センサ1の他例について図9乃至図12を参照して説明する。
本実施例も、被検出体Sの周囲に設けられた環状のコア2から複数箇所で突設されたティース3に巻き付けられたコイル5に通電して被検出体Sとの間に形成される磁気回路において透磁率の変化をコイルインピーダンスの変化で測定する自己励磁型のトルク検出センサ1である。
図9C,図10Cにおいて、第一トルク検出部7aは、環状の第一コア2a-1,環状の第二コア2a-2に周方向に複数の第一ティース3a1,第二ティース3a2が径方向内側に向けて突設されている。第一コア2a-1と第二コア2a-2は中間コア2c1を介して重ね合わせることで、第一ティース3a1と第二ティース3a2が千鳥配置に設けられている。各第一ティース3a1,第二ティース3a2の周囲には第一インシュレータ4a1,第二インシュレータ4a2が各々嵌め込まれ、同一の通電回路に接続された第一コイル5aが各々巻かれており、各第一コイル5aに通電することにより隣接する第一ティース3a1,第二ティース3a2が異磁極に励磁されて対向する被検出体Sとの間で軸心方向に対して+45度の傾きを有する複数の磁路が形成されるようになっている。
第二トルク検出部7bは、環状の第三コア2b-1,環状の第四コア2b-2に周方向に複数の第三ティース3b1,第四ティース3b2が径方向内側に向けて突設されている。第三コア2b-1と第四コア2b-2は中間コア2c2を介して重ね合わせることで、第三ティース3b1と第四ティース3b2が千鳥配置に設けられている。各第三ティース3b1,第四ティース3b2の周囲には第三インシュレータ4b1,第四インシュレータ4b2が各々嵌め込まれ、同一の通電回路に接続された第二コイル5bが各々巻かれており、各第二コイル5bに通電することにより周方向隣接する第三ティース3b1,第四ティース3b2が異磁極に励磁されて対向する被検出体Sとの間で軸心方向に対して-45度の傾きを有する複数の磁路が形成されるようになっている。
上記第一トルク検出部7aと第二トルク検出部7bは、図11の第一コア2a-1,第二コア2a-2及び第三コア2b-1,第四コア2b-2bの展開図に示すように、被検出体Sの軸心方向(図の上下方向)と直交する対称面Mを中心に第一トルク検出部7aと第二トルク検出部7bが鏡面配置となるように積層されている。
図10A,Dにおいて、第一コア2a-1には環状のコアバック部2a1に径方向内側に向かって突設された第一ティース3a1が、周方向に60度の位相差を設けて合計6か所に設けられている。各第一ティース3a1には筒状の絶縁樹脂製の第一インシュレータ4a1が嵌め込まれ、周囲には第一コイル5aが巻き付けられている。
図10B,Cに示すように、第一コア2a-1は中間コア2c1を介して第二コア2a-2と積層されている。第二コア2a-2には環状のコアバック部2a1に径方向内側に向かって突設された第二ティース3a2が、周方向に60度の位相差を設けて合計6か所に設けられている。各第二ティース3a2には筒状の絶縁樹脂製の第二インシュレータ4a2が嵌め込まれ、周囲には第一コイル5aが巻き付けられている。
第一コア2a-1と第二コア2a―2は、第一ティース3a1と第二ティース3a2が周方向に+45度位相がずれて積層されるようになっている(図11コア展開図上段参照)。
図10Cにおいて、第一コア2a-1と同様に第三コア2b-1には環状のコアバック部2b1に径方向内側に向かって突設された第三ティース3b1が、周方向に60度の位相差を設けて合計6か所に設けられている。各第三ティース3b1には筒状の絶縁樹脂製の第三インシュレータ4b1が嵌め込まれ、周囲には第二コイル5bが巻き付けられている。
図10Cに示すように、第三コア2b-1は中間コア2c2を介して第四コア2b-2が積層されている。第四コア2b-2には環状のコアバック部2b1に径方向内側に向かって突設された第四ティース3b2が、周方向に60度の位相差を設けて合計6か所に設けられている。各第四ティース3b2には筒状の絶縁樹脂製の第四インシュレータ4b2が嵌め込まれ、周囲には第二コイル5bが巻き付けられている。
第三コア2b-1と第四コア2b―2は、第三ティース3b1と第四ティース3b2が周方向に-45度位相がずれて積層されるようになっている(図11コア展開図下段参照)。
図9B,図10Bに示すように、第二コア2a-2と第四コア2b-2の間には、環状の中間コア2c3を介して積層されている。中間コア2c1,2c2,2c3は、第一コア2a-1,第二コア2a-2間、第三コア2b-1,第四コア2b-2間、或いは第二コア2a-2と第四コア2b-2間に第一ティース3a1,第二ティース3a2の周囲に第一コイル5a又は第三ティース3b1,第四ティース3b2の周囲に第二コイル5bを巻くスペースを確保するスペーサとしての役割と、第一コア2a-1,第二コア2a-2、第三コア2b-1,第四コア2b-2或いは第二コア2a-2と第四コア2b-2間の磁路を兼用している。尚、中間コア2c1,2c2,2c3には径方向内側に向かうティースは設けられていない。
第一コア2a-1、中間コア2c1、第二コア2a―2、中間コア2c3、第四コア2b-2、中間コア2c2、第三コア2b-1は積層されてかしめ又は接着若しくはこれらの併用により一体化される。
第一トルク検出部7aにおいて互いに隣り合う第一ティース3a1,第二ティース3a2は周方向に+45度位相が異なるように千鳥配置で積層されている。また、第二トルク検出部7bにおいて隣り合う第三ティース3b1,第四ティース3b2は周方向に-45度位相が異なるように千鳥配置で積層されている。
このため、図11のコアの展開図に示すように、第一トルク検出部7aの第一コア2a-1,2a-2に周方向に千鳥配置で形成された第一ティース3a1,第二ティース3a2と、第二トルク検出部7bの第三コア2b-1,第四コア2b-2に周方向に千鳥配置で形成された第三ティース3b1,第四ティース3b2が対称面Mを中心として鏡面配置で積層されている。尚、NA及びSAを囲む長枠Eは第一ティース3a1及び第二ティース3a2間に形成される磁路において軸心方向(図の上下方向)に対する磁路の傾きを示す。同様にNB及びSBを囲む長枠Eは第三ティース3b1及び第四ティース3b2との間に形成される磁路において軸心方向(図の上下方向)に対する磁路の傾きを示す。
上記構成によれば、第一トルク検出部7aの第一コイル5aに通電することにより隣接する第一ティース3a1,第二ティース3a2が異磁極(N極又はS極)に励磁されて対向する被検出体Sとの間で軸心方向に対して+45度の傾きを有する複数の磁路が形成される。また、第二トルク検出部7bの第二コイル5bに通電することにより隣接する第三ティース3b1,第四ティース3b2が異磁極(N極又はS極)に励磁されて対向する被検出体Sとの間で軸心方向に対して-45度の傾きを有する複数の磁路が形成される。
よって、被検出体Sの全周にわたって圧縮応力及び引張応力の発生を検出することができる。また、第一ティース3a1,第二ティース3a2は環状の第一コア2a-1,第二コア2a-2に周方向に所定間隔で複数突設され、第三ティース3b1,第四ティース3b2は、第三コア2b-1,第四コア2b-2に周方向に所定間隔で複数突設されているので、モータの固定子コア(積層コア)と同様に製造することができ、径方向及び軸方向に小型化し安価に量産化することができる。
また、図11に示すように、第一トルク検出部7aと第二トルク検出部7bは、対称面Mを介して軸心方向に隣接する第二ティース3a2と第四ティース3b2が同磁極に励磁されると、対称面Mを介して軸心方向に対称位置にある第二ティース3a2と第四ティース3b2は同磁極となるため、対称面Mを跨いで第二コア2a-2と第四コア2b-2の間に磁路が形成されることはない。
また、図12に示すように、第一トルク検出部7aと第二トルク検出部7bは、対称面Mを介して軸心方向に隣接する第二ティース3a2と第四ティース3b2が異磁極(N極又はS極)に励磁されると、対称面Mを介して軸心方向に対称位置にある第二ティース3a2と第四ティース3b2は異なる磁極となるため対称面Mを跨いで第二コア2a-2と第四コア2b-2の間に磁路が形成されるが、トルク検出にはほとんど寄与しない磁路成分である。そのため、検出感度にはほとんど影響しない。
また図11、図12において、コア2(第一コア2a-1,第二コア2a-2及び第三コア2b-1,第四コア2b-2)の周方向に形成される異磁極(NA,SA)(NB,SB)間に周方向に形成される磁路は、トルク検出にはほとんど寄与しない磁路成分である。そのため、検出感度にはほとんど影響しない。
ここで、上述した実施例に対する比較例について図13乃至図15を参照して説明する、以下は、コアの展開図を参照して対比説明するものとする。
図13は、図1のトルク検出センサ1に適用できない通電によりティースに形成される磁極の比較配置図である。図3に示すように、各コイル5に通電することにより隣接するティース3が異磁極(N極又はS極)に励磁されて対向する被検出体Sとの間で軸心方向に対して+45度又は-45度のいずれかの傾きを有する複数の磁路が形成されている。これに対して、図13はコア2(第一コア2a,第二コア2b)において千鳥配置されたティース3に両側に隣り合うティース3に対して軸心方向(図の上下方向)に対して+45度及び-45度の傾きを有する磁路(SA-NA-SA)が各々形成されている。この場合、測定するトルク成分の向きが正反対となるので測定ができないことになる。
図14は、図9のトルク検出センサ1に適用できないコア及び通電によりティースに形成される磁極の比較配置図である。図11のトルク検出センサ1の磁路とティースの配置図において第一トルク検出部7aと第二トルク検出部7bの配置を周方向に1ピッチ(45度)ずらした配置で、第一トルク検出部7aの第一ティース3a1,第二ティース3a2と第二トルク検出部7bの第三ティース3b1,第四ティース3b2は、対称面Mを中心とする鏡面配置となっていない。この場合、第二コア2a-2の第二ティース3a2と第四コア2b-2の第四ティース3b2との間を+45度及び-45度で跨ぐ磁路(NB-SA、NA-SB)が形成され、同一磁極(NB,SB)から+45度の磁路(NB-SA,NA-SB)と-45度の磁路(NB-SB)が形成されるので、磁束が相殺されて測定に寄与しないため検出感度が低下する。
図15は、図9のトルク検出センサ1に適用できないコア及び通電によりティースに形成される磁極の比較配置図である。図11のトルク検出センサ1の磁路とティースの配置図において、第一トルク検出部7aの第一ティース3a1,第二ティース3a2と第二トルク検出部7bの第三ティース3b1,第四ティース3b2は、対称面Mを中心とする鏡面配置となっているが、第一コア2a-1の周方向に設けられた第一ティース3a1(SA)と第三コア2b-1の周方向に設けられた第三ティース3b1(SB)は同じ極性となっている。
この場合、例えば第一トルク検出部7aにおいて、第一コア2a-1,第二コア2a-2に千鳥配置で設けられた第一ティース3a1,第二ティース3a2間に+45度の磁路(NA-SA)と-45度の磁路(NA-SA)が各々形成される。また、第二トルク検出部7bには第三コア2b-1,第四コア2b-2に千鳥配置で設けられた第三ティース3b1,第四ティース3b2間に+45度の磁路(NB-SB)と-45度の磁路(NB-SB)が各々形成される。この場合、第一トルク検出部7a及び第二トルク検出部7bには、対称面Mを介して軸心方向に隣接する第二ティース3a2と第四ティース3b2が同磁極に励磁されると、対称面Mを介して被検出体の軸心方向に対称位置にある第二ティース3a2と第四ティース3b2は同磁極となるため、対称面Mを跨いで第二コア2a-2と第四コア2b-2の間に磁路が形成されることはない。また、第一コア2a-1と第二コア2a-2において第一ティース3a1,第二ティース3a2の両側に隣り合うティースに対して軸心方向(図の上下方向)に対して+45度及び-45度の傾きを有する磁路(SA-NA-SA)が各々形成されている。同様に第三コア2b-1と第四コア2b-2において第三ティース3b1,第四ティース3b2の両側に隣り合うティースに対して被検出体の軸心方向(図の上下方向)に対して+45度及び-45度の傾きを有する磁路(SA-NA-SA)が各々形成されている。この場合、測定するトルク成分の向きが正反対となるので測定ができないことになる。
以上説明したように、環状のコア2に周方向に千鳥配置で複数のティース3が突設されているので、モータの固定子コア(積層コア)の製造工程と同様に製造することができ、径方向に小型化し安価に量産化することができ、しかも周方向に千鳥配置で複数のティース3が突設できるので、被検出体Sの全周にわたって圧縮応力又は引張応力の発生を検出することができる。
被検出体Sの軸線方向に対して+45度の傾きを有する複数の磁路が形成される第一トルク検出部7aと被検出体Sの軸線方向に対して-45度の傾きを有する複数の磁路が形成される第二トルク検出部7bが軸心方向と直交する対称面Mを中心に鏡面配置となるように積層されている場合には、被検出体Sの全周にわたって圧縮応力及び引張応力の発生を検出することができる。
本実施例は、中実状の軸である被検出体Sのトルクを検出するトルク検出センサについて説明したが、被検出体Sとして中空軸のトルクを検出するようにしてもよい。この場合、コア2の形状は、環状のコアバック部2a1,2b1より径方向外側に向かってティース3が形成される。
図16A~Cにおいて、コア2が、環状の第一コア2a、中間コア2c、第二コア2bが一体に積層されている。第一コア2aは、環状のコアバック部2a1に周方向に所定の位相差を設けかつ対向位置において径方向外側に向かって第一ティース3a1が例えば合計4本突設されている。第二コア2bは、環状のコアバック部2b1に周方向に所定の位相差を設けかつ対向位置において径方向外側に向かって第二ティース3a2が例えば合計4本突設されている。第一ティース3a1には第一インシュレータ4a1を介して第一コイル5aが巻かれており、第二ティース3a2には第二インシュレータ4a2を介して第二コイル5b巻かれている。第一コア2aと第二コア2bは、中間コア2cを介して積層され、かつ第一ティース3a1と第二ティース3a2は周方向に45度の位相差で重ね合わせて例えば4組設けられる。
上述のトルク検出センサ1は、図16B,Cに示すように被検出体S(中空軸)の中空孔に同心状に挿入され、第一ティース3a1及び第二ティース3a2が、被検出体Sの内周面と対峙するように組み付けられる。これにより、図16Aに示すように千鳥配置された第一ティース3a1と第二ティース3a2の間に被検出体Sを含む磁気回路が形成され、±45度の磁路成分からトルク変化を検出することができる。
このように、被検出体Sが中実な軸に限らず、中空軸のトルク変化も検出できるので、汎用性が向上する。
また、コア2及びティース3は積層タイプについて説明したが、これに限定されるものではなく、ブロック状の磁性材料を切削、ワイヤーカットなどにより形成してもよい。
S 被検出体 1 トルク検出センサ 2 コア 2a,2a´,2a-1 第一コア 2a-2,2b,2b´ 第二コア 2a1,2a1´,2b1 コアバック部 2a2,2b2 アリ溝 2a3,2a4 凸部 2a5 凹部 2aa コアセグメント 2b-1 第三コア 2b-2 第四コア 2c,2c1,2c2,2c3 中間コア 3 ティース 3a1 第一ティース 3a2 第二ティース 3a3 凹部 3a4,3b4 係合部 3b1 第三ティース 3b2 第四ティース 4 インシュレータ 4a1 第一インシュレータ 4a2 第二インシュレータ 4b1 第三インシュレータ 4b2 第四インシュレータ5 コイル 5a 第一コイル 5b 第二コイル 6,6a,6b,6c 通電回路 7a 第一トルク検出部 7b 第二トルク検出部 M 対称面
前記第一トルク検出部と前記第二トルク検出部は、対称面を介して軸心方向に隣接するティースどうしが同磁極に励磁されると、対称面を介して軸心方向に対称位置にある第二ティースと第ティースは同磁極となるため、第二ティースと第ティース間で対称面を跨ぐ磁路が被検出体の軸心方向に形成されることはなく、検出感度を低下させることはない。
前記第一トルク検出部と前記第二トルク検出部は、対称面を介して軸心方向に隣接するティースどうしが異磁極に励磁されると、対称面を介して軸心方向に対称位置にある第二ティースと第ティースは異なる磁極となるため、第二ティースと第ティース間で対称面を跨ぐ磁路が被検出体の軸心方向に形成されるが、トルク検出には寄与しない磁路成分であるため、検出感度に影響しない。

Claims (8)

  1. 被検出体の周囲に設けられた環状のコアから複数箇所で突設されたティースに巻き付けられたコイルに通電して被検出体との間に形成される磁気回路において透磁率の変化をコイルインピーダンスの変化で測定するトルク検出センサであって、
    環状のコアに周方向に複数のティースが千鳥配置で突設され、各ティースの周囲にコイルが各々巻かれており、各コイルに通電することにより該当するティースが励磁されて対向する被検出体との間で当該被検出体の軸心方向に対して+45度又は-45度の傾きを有する複数の磁気回路が形成されることを特徴とするトルク検出センサ。
  2. 前記複数のティースは同一の通電回路に直列に接続されるコイルが巻かれており、周方向に隣接するティースは、N極とS極で交互励磁される請求項1記載のトルク検出センサ。
  3. 前記コアは、第一コア、中間コア及び第二コアを有し、前記第一コアに周方向に複数形成された第一ティースと前記第二コアに周方向に複数形成された第二ティースが前記中間コアを介して積層されて前記第一ティース及び前記第二ティースが周方向に千鳥配置で突設されている請求項1又は請求項2記載のトルク検出センサ。
  4. 前記コアに千鳥配置で突設された複数のティースに巻かれた前記コイルに通電して被検出体との間に形成される磁気回路において透磁率の変化をコイルインピーダンスの変化で測定する自己励磁型センサである請求項1乃至請求項3のいずれかに記載のトルク検出センサ。
  5. 被検出体の周囲に設けられた複数の環状コアと、該複数の環状コアから複数箇所で突設されたティースに巻き付けられたコイルに通電して被検出体との間に形成される磁気回路において透磁率の変化をコイルインピーダンスの変化で測定するトルク検出センサであって、
    第一コア、中間コア及び第二コアを有し、前記第一コアに周方向に複数形成された第一ティースと前記第二コアに周方向に複数形成された第二ティースが前記中間コアを介して積層されて前記第一ティース及び前記第二ティースが周方向に千鳥配置で突設され、各ティースの周囲にコイルが各々巻かれており、各コイルに通電することにより励磁されて対向する被検出体との間で軸心方向に対して+45度の傾きを有する複数の磁気回路が形成される第一トルク検出部と、
    第三コア、中間コア及び第四コアを有し、前記第三コアに周方向に複数形成された第三ティースと前記第四コアに周方向に複数形成された第四ティースが前記中間コアを介して積層されて前記第三ティース及び前記第四ティースが周方向に千鳥配置で突設され、各ティースの周囲にコイルが各々巻かれており、各コイルに通電することにより励磁されて対向する被検出体との間で軸心方向に対して-45度の傾きを有する複数の磁気回路が形成される第二トルク検出部と、を備え、
    前記第一トルク検出部と前記第二トルク検出部が前記被検出体の軸心方向と直交する対称面を中心に前記第一トルク検出部と前記第二トルク検出部が鏡面配置となるように中間コアを介して積層されていることを特徴とするトルク検出センサ。
  6. 前記第一トルク検出部と前記第二トルク検出部は、対称面を介して軸心方向に隣接する第二ティースと第三ティースが同磁極に励磁される請求項5記載のトルク検出センサ。
  7. 前記第一トルク検出部と前記第二トルク検出部は、対称面を介して軸心方向に隣接する第二ティースと第三ティースが異磁極に励磁される請求項5記載のトルク検出センサ。
  8. 前記第一トルク検出部及び前記第二トルク検出部は、複数のコアに千鳥配置で突設されたティースに巻かれたコイルに各々通電して被検出体との間に形成される磁気回路において透磁率の変化をコイルインピーダンスの変化で測定する自己励磁型センサである請求項5乃至請求項7のいずれかに記載のトルク検出センサ。
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