JP2023161654A - トルクセンサ - Google Patents

Abstract

【課題】シャフトを大型化せずに感度良くトルクを検出可能なトルクセンサを提供する。【解決手段】外側シャフト５と、内側シャフト６とを含み、外側シャフト５の内側に内側シャフト６が同心円状に配置された回転シャフト２と、回転シャフト２に対して磁界を印加する磁界印加部３と、回転シャフト２と磁界印加部３との間に流れる磁束の回転シャフト２に加わるトルクに応じた変化を検出する磁束検出部４とを備え、外側シャフト５と内側シャフト６とは、飽和磁束密度が異なる材料により構成されている。【選択図】図２

Description

本開示は、トルクセンサに関する。

例えば、電気自動車や電動バイク、電動アシスト自転車をはじめとするモビリティー産業市場の需要は年々増加傾向にある。特に、その出力を左右する部品であるトルクセンサの需要もモビリティー需要と共に増加傾向にある。

トルクセンサの検出方式としては、歪みゲージ等にて測定した歪みを非接触で伝達するものや、磁歪効果を用いて、回転するシャフトに対して非接触での検出を可能にする手法が広く知られている（例えば、下記特許文献１，２を参照。）。

特に、磁歪を用いる方式のトルクセンサにおいては、シャフトの表面にめっきを行うなど、検出感度を保ちつつ、大型化を抑制する方式が広く望まれている。加えて、水や砂利等の外界からの影響を受けにくい構造がより好ましい。

特開２００７－１３９６１４号公報 特開平４－２２８３１号公報

ところで、トーションシャフトの外部に加工を施す磁歪型トルクセンサにおいては、高い検出感度が見込める一方で、センサ本体が大型化し易く、水や砂利等、外界の影響を受け易いといった課題が存在する。このため、トルクセンサの実装にあたり、センサ本体の耐食性や密封性に加え、周辺機構がサイズ的な制約を受けるなど、搭載性が著しく損なわれることがある。

また、上記特許文献１，２に記載の技術では、シャフトの外面に磁歪機構が設けられており、外界の影響を直接的に被ることになる。また、シャフトの外部に磁歪機構が設けられることからシャフトが大型化してしまう。

本開示に係る技術は、このような従来の事情に鑑みて提案されたものであり、シャフトを大型化せずに感度良くトルクを検出可能なトルクセンサを提供することを目的とする。

本開示の一態様に係るトルクセンサは、外側シャフトと、前記外側シャフトの内側に同心円状に配置された内側シャフトとを含む回転シャフトと、前記回転シャフトに対して磁界を印加する磁界印加部と、前記回転シャフトと前記磁界印加部との間に流れる磁束の前記回転シャフトに加わるトルクに応じた変化を検出する磁束検出部とを備え、前記外側シャフトと前記内側シャフトとは、飽和磁束密度が異なる材料により構成されている。

本開示の一態様に係るトルクセンサは、回転シャフトを構成する外側シャフトの内側に固定可能な内側シャフトと、少なくとも前記内側シャフトに対して磁界を印加可能に配置される磁界印加部と、少なくとも前記内側シャフトと、前記磁界印加部との間に流れる磁束の変化を検出可能な磁束検出部と、を備え、前記外側シャフトと前記内側シャフトとは、飽和磁束密度が異なる材料により構成され、前記磁束検出部は、前記内側シャフトが前記外側シャフトに固定された状態において、前記外側シャフトに加えられた回転方向のトルクに応じて変化する、前記内側シャフトと前記磁界印加部との間に流れる磁束の変化を検出可能である。

以上のように、本開示に係る技術によれば、シャフトを大型化せずに感度良くトルクを検出可能なトルクセンサを提供することが可能である。

本開示に係る技術の第１の実施形態に係るトルクセンサの構成を示す斜視図である。 図１に示すトルクセンサの構成を示す断面図である。 本開示に係る技術の第２の実施形態に係るトルクセンサの構成を示す斜視図である。 図３に示すトルクセンサの構成を示す断面図である。 図１及び図３に示すトルクセンサにおいて、回転シャフトの内側シャフトが凹凸構造を有する場合を示し、（Ａ）はその断面図、（Ｂ）はその平面図である。 図１に示すトルクセンサを用いて、回転シャフトに加わるトルクを変更しながら、磁束密度を測定した結果を示すグラフである。 図１に示すトルクセンサと図３に示すトルクセンサとの磁路磁束密度をコンピュータシミュレーションにより求めた結果を示すグラフである。 外側シャフトと内側シャフトとの材質を変更した場合の磁路磁束密度をコンピュータシミュレーションにより求めた結果を示すグラフである。 内側シャフトの凹凸構造の有無による測定角度に応じた磁束密度をコンピュータシミュレーションにより求めた結果を示すグラフである。 内側シャフトの凹凸構造におけるヘリカル角を変更しながら、内側シャフトに加わる応力をコンピュータシミュレーションにより求めた結果を示すグラフである。

以下、本開示に係る技術の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。
なお、以下の説明で用いる図面においては、各構成要素を見やすくするため、構成要素によって寸法の縮尺を異ならせて示すことがあり、各構成要素の寸法比率などが実際と同じであるとは限らないものとする。また、以下の説明において例示される材料等は一例であって、本開示に係る技術はそれらに必ずしも限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲で適宜変更して実施することが可能である。

（第１の実施形態）
先ず、本開示に係る技術の第１の実施形態として、例えば図１及び図２に示すトルクセンサ１Ａについて説明する。
なお、図１は、トルクセンサ１Ａの構成を示す斜視図である。図２は、トルクセンサ１Ａの構成を示す断面図である。

本実施形態のトルクセンサ１Ａは、図１及び図２に示すように、回転シャフト２と、回転シャフト２に対して磁界を印加する磁界印加部３と、回転シャフト２と磁界印加部３との間に流れる磁束を検出する磁束検出部４とを備えている。

回転シャフト２は、中空円筒状の外側シャフト５と内側シャフト６とを含み、外側シャフト５の内側に内側シャフト６が同心円状に配置された構造（二重シャフト構造）を有している。内側シャフト６は、回転シャフト２に加わるトルクに応じて磁歪を発生させる磁歪機構を構成しており、回転シャフト２を構成する外側シャフト５の内側に固定可能となっている。

したがって、本実施形態のトルクセンサ１Ａは、トルクの検出対象となる回転シャフト２（外側シャフト５）に対して、磁歪機構となる内側シャフト６を取り付ける構成としてもよい。

磁界印加部３は、内側シャフト６に対して磁界を印加可能なように、外側シャフト５（回転シャフト２）の外周面と対向して配置されている。磁束検出部４は、内側シャフト６と磁界印加部３との間に流れる磁束の変化を検出可能なように、磁界印加部３と外側シャフト５（回転シャフト２）の外周面との間に配置されている。

本実施形態では、回転シャフト２の軸線方向の中央部に位置して、磁界印加部３及び磁束検出部４が回転シャフト２とは非接触な状態で、回転シャフト２の外側に配置されている。なお、磁界印加部３及び磁束検出部４の配置については、上述した回転シャフト２の軸線方向の中央部に限らず、回転シャフト２の軸線方向の一端側など、任意の位置に配置することが可能である。

磁界印加部３には、磁界を発生させるものであればよく、例えばフェライト磁石やネオジウム磁石などの永久磁石や、コイルに電流を流すことにより磁界を発生させる電磁石などを用いることができる。なお、本実施形態では、磁界印加部３として、フェライト磁石を用いている。

磁束検出部４には、磁束の変化を検出するものであればよく、例えばホールセンサやＭＲセンサ、コイルなどの磁気センサを用いることができる。なお、本実施形態では、磁束検出部４として、ホールセンサ等を内蔵したガウスメータを用いている。

以上のような構成を有する本実施形態のトルクセンサ１Ａでは、回転シャフト２にトルクが加わると、磁歪効果により回転シャフト２と磁界印加部３との間に流れる磁束が変化し、この磁束の変化を磁束検出部４が検出する。本実施形態のトルクセンサ１Ｂでは、このような回転シャフト２に加わるトルクに応じた磁束の変化を検出することで、回転シャフト２に加わるトルクを非接触で検出することが可能となっている。

（第２の実施形態）
次に、本開示に係る技術の第２の実施形態として、例えば図３及び図４に示すトルクセンサ１Ｂについて説明する。
なお、図３は、トルクセンサ１Ｂの構成を示す斜視図である。図４は、トルクセンサ１Ｂの構成を示す断面図である。また、以下の説明では、上記トルクセンサ１Ａと同等の部位については、説明を省略すると共に、図面において同じ符号を付すものとする。

本実施形態のトルクセンサ１Ｂは、図３及び図４に示すように、回転シャフト２と、回転シャフト２に対して磁界を印加する磁界印加部３と、回転シャフト２と磁界印加部３との間に流れる磁束を検出する磁束検出部４とを備えている。

回転シャフト２は、中空円筒状の外側シャフト５と内側シャフト６とを含み、外側シャフト５の内側に内側シャフト６が同心円状に配置された構造（二重シャフト構造）を有している。内側シャフト６は、回転シャフト２に加わるトルクに応じて磁歪を発生させる磁歪機構を構成しており、回転シャフト２を構成する外側シャフト５の内側に固定可能となっている。

したがって、本実施形態のトルクセンサ１Ａは、トルクの検出対象となる回転シャフト２（外側シャフト５）に対して、磁歪機構となる内側シャフト６を取り付ける構成としてもよい。

磁界印加部３は、内側シャフト６に対して磁界を印加可能なように、内側シャフト６（回転シャフト２）の内周面と対向して配置されている。磁束検出部４は、内側シャフト６と磁界印加部３との間に流れる磁束の変化を検出可能なように、磁界印加部３と内側シャフト６（回転シャフト２）の内周面との間に配置されている。

本実施形態では、回転シャフト２の軸線方向の中央部に位置して、支持機構７により片持ち支持された磁界印加部３及び磁束検出部４が回転シャフト２とは非接触な状態で、回転シャフト２の内側に配置されている。

支持機構７は、磁界印加部３及び磁束検出部４が取り付けられた状態で、回転シャフト２の一端側から回転シャフト２の内側に挿入されるロッド部７ａと、回転シャフト２の一端側に対向してロッド部７ａを片持ち支持するフレーム部７ｂとを有している。

なお、支持機構７については、上述した構成に限らず、回転シャフト２とは非接触な状態で磁界印加部３及び磁束検出部４を回転シャフト２の内側に配置する構成であればよい。

また、磁界印加部３及び磁束検出部４の配置については、上述した回転シャフト２の軸線方向の中央部に限らず、回転シャフト２の軸線方向の一端側など、任意の位置に配置することが可能である。

以上のような構成を有する本実施形態のトルクセンサ１Ｂでは、回転シャフト２にトルクが加わると、磁歪効果により回転シャフト２と磁界印加部３との間に流れる磁束が変化し、この磁束の変化を磁束検出部４が検出する。本実施形態のトルクセンサ１Ｂでは、このような回転シャフト２に加わるトルクに応じた磁束の変化を検出することで、回転シャフト２に加わるトルクを非接触で検出することが可能となっている。

ところで、本実施形態のトルクセンサ１Ａ，１Ｂでは、上述した回転シャフト２を構成する外側シャフト５と内側シャフト６とが、互いに飽和磁束密度の異なる材料により構成されている。本実施形態のトルクセンサ１Ａ，１Ｂでは、外側シャフト５の飽和磁束密度よりも内側シャフト６の飽和磁束密度が大きくなっている。

具体的に、外側シャフト５の飽和磁束密度は、０．１Ｔよりも小さいことが好ましい。外側シャフト５には、このような飽和磁束密度を満たす材料として非磁性材料を用いることが好ましい。非磁性材料としては、例えば、アルミニウム等の非磁性金属材料やプラスチック等の樹脂材料などを用いることができる。

一方、内側シャフト６の飽和磁束密度は、０．３Ｔよりも大きいことが好ましい。内側シャフト６には、このような飽和磁束密度を満たす材料として軟磁性材料を用いることが好ましい。軟磁性材料としては、例えば、アモルファス材料などを用いることができる。

本実施形態のトルクセンサ１Ａ，１Ｂにおいて、回転シャフト２を構成する内側シャフト６は、図５（Ａ），（Ｂ）に示すように、凸部８と凹部又は孔部９とが周方向に交互に並んだ凹凸構造１０を有することが好ましい。

このうち、凹部９は、内側シャフト６の外周側又は内周側を内側シャフト６の径方向に凹ませることにより形成されている。一方、孔部９は、内側シャフト６を径方向に貫通することにより形成されている。凸部８は、内側シャフト６の凹部又は孔部９の間に形成されている。

凹凸構造１０は、回転シャフト２の軸線方向に磁界印加部３及び磁束検出部４と重なる範囲で凸部８と凹部又は孔部９とが一定の幅で延在し、内側シャフト６の軸線に対して２５°～５５°の角度（以下、「ヘリカル角度」という。）で凸部８と凹部又は孔部９とが螺旋状に捻れた形状（ヘリカル形状）を有している。

また、凸部８と凹部９とが周方向に交互に並んだ凹凸構造１０の場合、内側シャフト６の外周側又は内周側において、凸部８と凹部９との間が周方向に連結された構成となる。この場合、トルクセンサ１Ａでは、内側シャフト６の内周側において、凸部８と凹部９との間が周方向に連結された凹凸構造１０であることが好ましい。一方、トルクセンサ１Ｂでは、内側シャフト６の外周側において、凸部８と凹部９との間が周方向に連結された凹凸構造１０であることが好ましい。

以上のように、本実施形態のトルクセンサ１Ａ，１Ｂでは、上述した回転シャフト２を、相対的に飽和磁束密度が小さい材料（非磁性材料）からなる外側シャフト５の内側に、相対的に飽和磁束密度が大きい材料（軟磁性材料）からなる内側シャフト６を配置した二重シャフト構造とし、この回転シャフト２の外側又は内側に磁界印加部３及び磁束検出部４を配置した構成となっている。

この構成の場合、回転シャフト２にトルクが加わることで磁歪を発生させる内側シャフト６が外界の影響を直接受けることがない。また、回転シャフト２と磁界印加部３との間に流れる磁束を、外側シャフト５よりも飽和磁束密度が大きい内側シャフト６へと通し易くすることが可能である。

また、本実施形態のトルクセンサ１Ａ，１Ｂでは、内側シャフト６の近傍に磁界印加部３及び磁束検出部４を配置できるため、回転シャフト２に加わるトルクに応じた磁束の変化を高感度で検出することが可能であり、このトルクセンサ１Ａ，１Ｂの小型化を図ることも可能である。

また、本実施形態のトルクセンサ１Ａ，１Ｂでは、回転シャフト２を外側シャフト５の内側に内側シャフト６を配置した二重シャフト構造とすることで、この回転シャフト２の剛性を高めることが可能である。

また、本実施形態のトルクセンサ１Ａ，１Ｂでは、上述した凸部８と凹部又は孔部９とが周方向に交互に並んだ凹凸構造１０を有する内側シャフト６を用いた場合、凸部８に磁束が集中し、凸部８と凹部又は孔部９との間で磁束密度の変化を大きくし、磁気的な干渉を低減することで、検出感度を高めることが可能である。また、このような凹凸構造１０を有する内側シャフト６を用いた場合、トルクセンサ１Ａ，１Ｂに角度センサとしての機能を持たせることも可能である。

さらに、内側シャフト６の軸線に対して２５°～５５°の角度で凸部８と凹部又は孔部９とが螺旋状に捻れたヘリカル形状を有することで、回転シャフト２に加わるにトルクに応じた磁束の変化を大きくし、検出感度を高めることが可能である。

以上のようにして、本実施形態のトルクセンサ１Ａ，１Ｂでは、シャフトを大型化せずに感度良くトルクを検出することが可能である。

以下、実施例により本開示に係る技術の効果をより明らかなものとする。なお、本開示に係る技術は、以下の実施例に限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲で適宜変更して実施することができる。

（第１の実施例）
第１の実施例では、上記トルクセンサ１Ａを用いて、回転シャフト２に加えるトルク［Ｎｍ］を変更しながら、回転シャフト２と磁界印加部３との間に流れる磁束密度［ｍＴ］の変化を磁束検出部４により測定した。その結果を図６に示す。

なお、第１の実施例では、外側シャフト５の材料としてアルミニウムを用い、内側シャフト６の材料としてＳＵＳ４３０を用いている。また、外側シャフト５及び内側シャフト６の各部の寸法は、下記表１に示すとおりである。また、回転シャフト２と磁界印加部３との間の距離は６ｍｍとし、磁束検出部４は、回転シャフト２の外周面と接触した状態とした。

図６に示すように、上記トルクセンサ１Ａを用いることで、回転シャフト２に加わるトルクに応じて磁束密度が線形に変化することわかる。したがって、上記トルクセンサ１Ａでは、回転シャフト２に加わるトルクと、このトルクに応じた磁束密度の大きさとを予め測定しておく。これにより、上記トルクセンサ１Ａを用いて、実際に回転シャフト２に加わるトルクに応じた磁束密度の変化から、回転シャフト２に加わるトルクの値を求めることが可能である。

（第２の実施例）
第２の実施例では、下記表２に示す条件のトルクセンサ１Ａと、下記表３に示す条件のトルクセンサ１Ｂとを用いて、トルクの無負荷時に、回転シャフト２と磁界印加部３との間の磁束検出部４に流れる磁束密度（以下、「磁路磁束密度」という。）をコンピュータシミュレーションにより求めた。その結果を図７に示す。

図７に示すように、上記トルクセンサ１Ａ及び上記トルクセンサ１Ｂは、何れも回転シャフト２と磁界印加部３との間に流れる磁束密度を磁束検出部４により検出可能であることがわかる。

（第３の実施例）
第３の実施例では、下記表４に示す条件のトルクセンサ１Ａを用いて、外側シャフト５と内側シャフト６との飽和磁束密度を変更した場合の磁路磁束密度をコンピュータシミュレーションにより求めた。その結果を下記表５に示す。

なお、第３の実施例では、回転シャフト２と磁界印加部３との間の距離は６ｍｍとし、磁束検出部４と回転シャフト２の外周面との間の距離を０．５ｍｍとした。

表５に示すように、磁路磁束密度のボーダーラインを０．０３０３［Ｔ］に設定した場合、外側シャフト５の飽和磁束密度は、０．１Ｔよりも小さいことが好ましく、内側シャフト６の飽和磁束密度は、０．３Ｔよりも大きいことが好ましいことがわかる。

（第４の実施例）
第４の実施例では、下記表６に示す条件のトルクセンサ１Ａを用いて、外側シャフト５と内側シャフト６との材質を変更した場合の磁路磁束密度をコンピュータシミュレーションにより求めた。その結果を下記表７及び図８に示す。

表７及び図８に示すように、外側シャフト５には飽和磁束密度が０．１Ｔよりも小さい材質のもの（非磁性材料）を用い、内側シャフト６には飽和磁束密度が０．３Ｔよりも大きい材質のもの（軟磁性材料）を用いることが好ましいことがわかる。

（第５の実施例）
第５の実施例では、下記表８に示す条件のトルクセンサ１Ａを用いて、（ａ）凸部８と凹部９とが周方向に交互に並んだ凹凸構造１０を有する内側シャフト６と、（ｂ）凸部８と孔部９とが周方向に交互に並んだ凹凸構造１０を有する内側シャフト６と、（ｃ）凹凸構造１０の無い内側シャフト６とについて、周方向の測定角度［ｄｅｇ］に応じた磁束密度［Ｔ］をコンピュータシミュレーションにより求めた。その結果を図９に示す。

図９に示すように、（ａ），（ｂ）の凸部８と凹部９又は孔部９とが周方向に交互に並んだ凹凸構造１０を有する内側シャフト６を用いた場合、（ｃ）の凹凸構造１０の無い内側シャフト６を用いた場合よりも、凸部８に磁束が集中し、凸部８と凹部又は孔部９との間で磁束密度の変化を大きくし、磁気的な干渉を低減することで、検出感度を高めることが可能である。また、このような凹凸構造１０を有する内側シャフト６を用いた場合、トルクセンサ１Ａ，１Ｂに角度センサとしての機能を持たせることも可能である。

（第６の実施例）
第６の実施例では、下記表９に示す条件のトルクセンサ１Ａを用いて、凸部８と孔部９とが周方向に交互に並んだ凹凸構造１０を有する内側シャフト６について、内側シャフト６の軸線に対するヘリカル角度［°］を変更した場合の内側シャフト６に加わる応力［ＭＰａ］をコンピュータシミュレーションにより求めた。その結果を図１０に示す。

なお、応力については、内側シャフト６に１０Ｎｍのトルクを加え、孔部９の各間に位置する凸部８に加わる応力の平均値を求めた。

図１０に示すように、ヘリカル角度が２５°～５５°となる範囲で、内側シャフト６に加わる応力が大きくなることがわかる。したがって、ヘリカル角度を２５°～５５°とすることで、回転シャフト２に加わるにトルクに応じた磁束の変化を大きくし、検出感度を高めることが可能である。

１Ａ，１Ｂ…トルクセンサ ２…回転シャフト ３…磁界印加部 ４…磁束検出部 ５…外側シャフト ６…内側シャフト ７…支持機構 ８…凸部 ９…凹部又は孔部

Claims (9)

1. 外側シャフトと、内側シャフトとを含み、前記外側シャフトの内側に前記内側シャフトが同心円状に配置された回転シャフトと、
   前記回転シャフトに対して磁界を印加する磁界印加部と、
   前記回転シャフトと前記磁界印加部との間に流れる磁束の前記回転シャフトに加わるトルクに応じた変化を検出する磁束検出部とを備え、
   前記外側シャフトと前記内側シャフトとは、飽和磁束密度が異なる材料により構成されているトルクセンサ。
2. 前記外側シャフトの飽和磁束密度よりも前記内側シャフトの飽和磁束密度が大きい請求項１に記載のトルクセンサ。
3. 前記外側シャフトの飽和磁束密度が０．１Ｔよりも小さく、前記内側シャフトの飽和磁束密度が０．３Ｔよりも大きい請求項２に記載のトルクセンサ。
4. 前記外側シャフトが非磁性材料からなり、前記内側シャフトが軟磁性材料からなる請求項３に記載のトルクセンサ。
5. 前記内側シャフトは、凸部と凹部又は孔部とが周方向に交互に並んだ凹凸構造を有する請求項１～４の何れか一項に記載のトルクセンサ。
6. 前記凹凸構造は、前記内側シャフトの軸線に対して２５°～５５°の角度で前記凸部と前記凹部又は孔部とが螺旋状に捻れた形状を有する請求項５に記載のトルクセンサ。
7. 前記磁界印加部が前記外側シャフトの外周面と対向して配置され、
   前記磁束検出部が前記磁界印加部と前記外側シャフトの外周面との間に配置されている請求項１～４の何れか一項に記載のトルクセンサ。
8. 前記磁界印加部が前記内側シャフトの内周面と対向して配置され、
   前記磁束検出部が前記磁界印加部と前記内側シャフトの内周面との間に配置されている請求項１～４の何れか一項に記載のトルクセンサ。
9. 回転シャフトを構成する外側シャフトの内側に固定可能な内側シャフトと、
   少なくとも前記内側シャフトに対して磁界を印加可能に配置される磁界印加部と、
   少なくとも前記内側シャフトと、前記磁界印加部との間に流れる磁束の変化を検出可能な磁束検出部と、を備え、
   前記外側シャフトと前記内側シャフトとは、飽和磁束密度が異なる材料により構成され、
   前記磁束検出部は、前記内側シャフトが前記外側シャフトに固定された状態において、前記外側シャフトに加えられた回転方向のトルクに応じて変化する、前記内側シャフトと前記磁界印加部との間に流れる磁束の変化を検出可能な、
   トルクセンサ。

Images