JP3863076B2 - トルクセンサ - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、トルク伝達軸に作用するトルクによる磁歪材の透磁率変化をコイルにより検出するトルクセンサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、この種のトルクセンサにおいては、トルクが伝達されるトルク伝達軸の外周面に磁歪材を設け、この磁歪材の外周囲に検出コイルを配設し、そして、トルク伝達軸をフレームにより軸受を介して支承した構成で、トルク伝達軸に作用するトルクにより、磁歪材に引張りや圧縮の応力が及ぶことによる逆磁歪効果で磁歪材の透磁率が変化することに合わせ、その透磁率変化を検出コイルにより検出するようになっている。
しかして、このものの場合、検出コイルは、端末にリード線が接続され、このリード線がフレーム外に導出されて、更に、そのフレーム外で他の電気部品との接続に供するリード線に接続されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来のものの場合、検出コイルの接続が、フレーム内、フレーム外のいずれにおいてもリード線との接続であるため、厄介であった。
又、そのリード線をフレーム内からフレーム外に導出するのも厄介であり、組立て作業が一層面倒になっていた。
加えて、トルク伝達軸には、該トルク伝達軸とフレームとの間に介在された軸受の位置を規制する止め輪を装着するが、この止め輪を装着するための溝をトルク伝達軸に専用に形成していたため、コスト高となっていた。
【０００４】
本発明は上述の事情に鑑みてなされたものであり、従ってその目的は、検出コイルの接続が容易にできるトルクセンサを提供し、併せて、止め輪装着溝を有するトルク伝達軸を安価に形成できるトルクセンサを提供するにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明のトルクセンサは、トルクが伝達されるトルク伝達軸と、このトルク伝達軸の外周面に設けられた磁歪材と、この磁歪材の外周囲に配設された検出コイルと、前記トルク伝達軸を支承するフレームとを具備するものにおいて、そのフレームの軸方向の外側に、前記トルク伝達軸が貫通する孔を有する中継用基板を設け、この中継用基板に、前記検出コイルを接続して前記フレーム外に導出された接続ピンを接続したことを特徴とする（請求項１の発明）。
このものによれば、検出コイルの接続は中継用基板に対して行えば良く、従来のリード線に接続したもののような面倒を要しない。
【０００６】
この場合、検出コイルは、フランジ部を四角形に形成したボビンに巻装されて磁歪材の外周囲に配設され、そのボビンの角部に接続ピンを設けると良い（請求項１の発明）。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施例につき、図面を参照して説明する。
まず、図２には、トルク伝達軸１を示しており、これはステンレス鋼など金属にて円柱状に形成したもので、トルク（回転動力）が伝達されるようになっている。このトルク伝達軸１の外周面には、図中左右の中間部の近接した二箇所に、凹凸部２，３を形成し、この凹凸部２，３の外周面、従って又、トルク伝達軸１の外周面に、それぞれ磁歪材４，５を設けている。
【００１２】
なお、凹凸部２，３は、この場合、トルク伝達軸１の外周面に例えば転造により形成したものであり、そのパターンは、トルク伝達軸１に作用するトルクによる応力が磁歪材４，５に最も有効に及ぶように、いずれもトルクの印加方向（回転方向）に対して約４５度角の傾きで形成しているが、図中左側の凹凸部２と右側の凹凸部３とでは、その傾きの方向を逆にしており、この結果、磁歪材４，５には互いに反対の応力が及ぶようになっている。
【００１３】
又、磁歪材４，５は、ともに例えばニッケルと鉄との合金から成るもので、これを凹凸部２，３の外周面（トルク伝達軸１の外周面）にメッキにより設けている。但し、トルク伝達軸１の外周面には必ずしも凹凸部２，３を形成する必要はなく、磁歪材４，５もメッキ以外、例えば箔帯で接着するようなものであっても良い。
更に、トルク伝達軸１の磁歪材４，５を設けた部分の両端部分には、それぞれ溝６を環状に形成しており、このほか、トルク伝達軸１の全体の両端部には、それらをトルク伝達のためにそれぞれ非円筒形と成す平坦部７を形成している。
【００１４】
磁歪材４，５の外周囲には、図１に示すように、検出コイル８，９を、共通のボビン１０に巻装した状態で配設している。ボビン１０は、プラスチックなど電気絶縁材から成るもので、中間部に検出コイル８，９間を仕切る仕切部１０ａを有し、両端部に仕切部１０ａよりも大きなフランジ部１０ｂ，１０ｃを有している。
【００１５】
フランジ部１０ｂ，１０ｃは又、図３にフランジ部１０ｂで代表して示すように、四角形に形成しており、このフランジ部１０ｂ，１０ｃには、それぞれ、前記トルク伝達軸１が貫通する孔１１の周囲に位置して円形の浅底な凹部１２を形成し、この凹部１２の周縁部に段部１３を形成している。加えて、図１及び図４中、左側のフランジ部１０ｂの図３に示す四つの角部には、それぞれ、孔１４と、この孔１４に連なって外方に突出する筒部１５とを形成すると共に、それの近傍に位置して同じく外方に少しく突出する凸部１６を複数、例えば２個ずつ形成している。なお、右側のフランジ部１０ｃの四つの角部には、凸部１６のみを形成している（図４参照）。
【００１６】
しかして、上記ボビン１０の孔１４から筒部１５には、それぞれ、導電材から成る接続ピン１７を挿通して固着しており、この接続ピン１７のボビン１０内側部分に前記検出コイル８，９を接続している。なお、この接続ピン１７に対する検出コイル８，９の接続は、接続ピン１７のボビン１０内側部分に検出コイル８，９の端末部分８ａ，９ａを巻き付けた上で、半田１８付けをすることにより行っている。
【００１７】
そして、図１に示すように、ボビン１０の両外側に位置したトルク伝達軸１の前記溝６には、それぞれ止め輪１９を装着している。又、トルク伝達軸１の磁歪材４，５を設けた部分の両側には、軸受２０，２１をそれぞれ止め輪１９に当接して位置規制されるまで装着して、これらを又、ボビン１０のフランジ部１０ｂ，１０ｃの段部１３にそれぞれ嵌合して固着している。なお、このボビン１０に対する軸受２０，２１の固着は、接着剤による接着を伴って行うようにするとなお良い。
【００１８】
又、この場合、軸受２０，２１は、磁歪材４，５に対する検出コイル６，７の位置精度の出しやすいボールベアリングであるが、それよりも安価なブッシュメタル（焼結軸受）としても良い。
【００１９】
軸受２０，２１からボビン１０にはフレーム２２を被装している。このフレーム２２は、図１中左側の部分２２ａと右側の部分２２ｃとから成るもので、その左側の部分２２ａには、前記ボビン１０の筒部１５とそれぞれ対応する部分に孔２３を形成し、この孔２３からその筒部１５を貫通させて突出させており、それによって同時に前記接続ピン１７を突出させている。なお、このとき、フレーム２２の両部分２２ａ，２２ｂの内面をボビン１０の前記凸部１６に当接させて軸方向の位置決めをしている。又、フレーム２２の両部分２２ａ，２２ｂの内面と軸受２０，２１との各間には、それぞれ与圧ばね２４とワッシャ２５とを介在させている。
【００２０】
更に、フレーム２２は軸受２０，２１の外周に嵌着しており、これによって、フレーム２２がトルク伝達軸１を支承、中でも軸受２０，２１を介して回転可能に支承するようにしている。
加えて、フレーム２２は磁性体で形成しており、これによって磁歪材４，５と検出コイル８，９に外部磁界の影響が及ばないようにする磁気シールド構成を採用している。
【００２１】
そして、フレーム２２の図１中左側の部分２２ａには、トルク伝達軸１が貫通した孔２６の周縁部から外方に突出する突出部２７をあらかじめ形成している。この突出部２７は、この場合、バーリングによって形成しており、その関係上、円筒形を成している。
【００２２】
これに対して、２８は中継用基板を示しており、この中継用基板２８には後述する各種電気部品２９を実装しており、且つ、中央部には孔３０を形成していて、この孔３０を上記フレーム２２の突出部２７に嵌合して固定し、これによって中継用基板２８をフレーム２２の外側に設けている。又、この折り、中継用基板２８の検出コイル接続部分には、前記フレーム２２から突出した接続ピン１７の先端部を貫通させて半田３１付けをすることにより接続しており、もって、検出コイル８，９を接続ピン１７を介して中継用基板２８に接続している。
【００２３】
ここで、図５は前記検出コイル８，９を含むトルクセンサ、特にはその検出回路３２を示しており、検出コイル８，９と抵抗３３，３４とによってブリッジ回路３５を形成し、このブリッジ回路３５の入力端子に直流電源Ｅをスイッチング素子３６を介して接続している。スイッチング素子３６は、スイッチング素子制御部３７によってスイッチングが制御されるようになっている。
【００２４】
一方、ブリッジ回路３５の出力端子間に増幅器、特には差動増幅器３８を接続し、この差動増幅器３８の出力端子を整流回路３９を介して検出出力端子４０に接続している。
なお、前記中継用基板２８に実装した電気部品２９は、上述の抵抗３３，３４と、スイッチング素子３６、スイッチング素子制御部３７、差動増幅器３８、整流回路３９、及び検出出力端子４０を含んでおり、更に、図示しない外部リード線を接続するコネクタ等をも含んでいる。
【００２５】
以上の構成で、ブリッジ回路３５には、直流電源Ｅから、スイッチング素子制御部３７によってスイッチングが制御されるスイッチング素子３６を介して例えば１０〔ｋＨｚ〕程度の高周波の方形波電源が印加されるものであり、それがブリッジ回路３５の検出コイル８と抵抗３３とに分圧されると共に、検出コイル９と抵抗３４とに分圧されて、ブリッジ回路３５からは電圧Ｖ１、Ｖ２が出力される。
【００２６】
そして、それらが差動増幅器３８に入力されて差動出力されることにより、該差動増幅器３８からは電圧Ｖ３が出力され、その出力電圧Ｖ３が整流回路３９により整流されて、検出出力端子４０からは電圧Ｖｏｕｔが出力される。
【００２７】
こうした状況で、トルク伝達軸１にトルクが伝達されると、トルク検出軸１にはそれに応じた応力が所定の傾き角度で発生する。この応力に対し、トルク検出軸１の外周面部の二箇所に傾きの方向を逆にして設けた磁歪材４，５のうち、一方の磁歪材４には例えば引張りの応力が及び、他方の磁歪材５にはそれとは反対の例えば圧縮の応力が及ぶ。このうち、引張りの応力が及んだ一方の磁歪材４では、それの透磁率が大きくなり、圧縮の応力が及んだ他方の磁歪材５では、それの透磁率が小さくなる。このため、検出コイル８，９のうち、引張りの応力が及んだ一方の磁歪材４に対応した検出コイル８では、インダクタンスが大きくなり、圧縮の応力が及んだ他方の磁歪材５に対応したコイル９では、インダクタンスが小さくなる。
【００２８】
この結果、ブリッジ回路３５からの出力電圧Ｖ１と出力電圧Ｖ２との差が大きくなり、差動増幅器３８の出力電圧Ｖ３が大きくなることによって、検出出力端子４０の出力電圧Ｖｏｕｔも大きくなる。かくして、トルク伝達軸１に伝達されたトルクが検出される。
【００２９】
このように、本構成のものでは、トルクが伝達されるトルク伝達軸１の外周面に磁歪材４，５を設け、この磁歪材４，５の外周囲に検出コイル８，９を配設し、そして、トルク伝達軸１をフレーム２２により支承したものにおいて、そのフレーム２２の外側に検出コイル８，９が接続される中継用基板２８を設けている。これにより、検出コイル８，９の接続は中継用基板２８に対して行えば良く、従来のリード線に接続したもののような面倒を要しないので、検出コイル８，９の接続が容易にでき、作業性の向上を達成できる。
【００３０】
又、その中継用基板２８については、フレーム２２のトルク伝達軸１が貫通する孔２６の周縁部から外方に突出部２７を形成し、この突出部２７に中継用基板２８を嵌合して固定している。これにより、中継用基板２８が堅固に固定されるので、該中継用基板２８に接続した外部リード線の引張り外力や、その接続のためのコネクタに対する相手コネクタの差込みの外力等が検出コイル８，９の接続部である接続ピン１７の接続部に及ぶことがなくなり、もしくは少なくなって、該接続ピン１７の接続状態（検出コイル８，９の接続状態）を堅固に維持できる。
【００３１】
更に、検出コイル８，９を巻装したボビン１０については、それのフランジ部１０ｂを四角形に形成し、その角部に接続ピン１７を設け、この接続ピン１７のボビン１０内側部分に検出コイル８，９を接続している。これにより、検出コイル８，９はそれぞれ端末部分８ａ，９ａを接続ピン１７に接続すれば良く、従来のリード線に接続したもののような面倒を要しない上、フレーム２２内からフレーム２２外への導出も接続ピン１７で行えば良く、従来のリード線を導出させたもののような面倒を要しないので、これによっても、検出コイル８，９の接続が容易にでき、作業性の向上を達成できる。
【００３２】
加えて、トルク伝達軸１の磁歪材４，５が設けられた部分の両端部分には溝６を形成している。ここで、図６はトルク伝達軸１に溝６を形成していない場合における、トルク伝達軸１のトルク作用状態を発明者の実験結果で示しており、作用したトルクによる局部的な集中応力Ｐがトルク伝達軸１の磁歪材４，５が設けられた部分（特には図示例では、右側端部の平坦部７からトルクが作用している関係上、該右側端部の平坦部７に近い磁歪材５が設けられた部分）に及んでいる。
【００３３】
これに対して、図７はトルク伝達軸１に溝６を形成した本構成のものにおける、トルク伝達軸１のトルク作用状態を同じく発明者の実験結果で示しており、作用したトルクによる局部的な集中応力Ｐは、溝６の存在のために、溝６まで発生するに留まり、トルク伝達軸１の磁歪材４，５が設けられた部分に及ぶことが阻止されている。
【００３４】
このように、トルク伝達軸１に形成した溝６は、トルク伝達軸１に作用したトルクによる局部的な集中応力Ｐがトルク伝達軸１の磁歪材４，５が設けられた部分に及ぶことを阻止するもので、これにより、磁歪材４，５に集中応力Ｐのない均一な応力を及ぼさせ、安定した透磁率の変化を出させることができるので、検出精度を良くすることができる。
【００３５】
そして又、本構成のものの場合、上述の溝６にはそれぞれ止め輪１９を装着し、これによって軸受２０，２１の位置を規制するようにしている。従って、本構成のものの場合には、トルク伝達軸１に作用したトルクによる局部的な集中応力Ｐがトルク伝達軸１の磁歪材４，５が設けられた部分に及ぶことを阻止するための溝６を利用して、軸受２０，２１の位置を規制する止め輪１９の装着ができるもので、その結果、トルク伝達軸１に止め輪１９装着用の溝を別途形成する必要がなくなり、その分、トルク伝達軸１の加工が容易になるので、止め輪装着溝を有するトルク伝達軸１を安価に形成することができる。
【００３６】
このほか、本構成のものにおいては、軸受２０，２１をボビン１０に嵌合しており、これによって、トルク伝達軸１外周の磁歪材４，５に対する検出コイル８，９の位置決めが容易且つ確実にできるので、組立て容易にして検出精度を高く得ることができる。
又、上記軸受２０，２１とボビン１０とを接着剤にて接着することにより、トルク伝達軸１外周の磁歪材４，５に対する検出コイル８，９の位置決めがより確実にできるので、検出精度も一層高く得ることができる。
【００３７】
更に、ボビン１０の前記フランジ部１０ｂには、接続ピン１７を挿通する筒部１５を形成していて、この筒部１５をフレーム２２の孔２３に挿通しており、これによって、接続ピン１７とフレーム２２との電気絶縁がボビン１０の筒部１５でできる。なお、この場合、中継用基板２８を筒部１５の先端に当接するように配置すれば、中継用基板２８とフレーム２２との電気絶縁までボビン１０の筒部１５でできることになる。
【００３８】
又、中継用基板２８には、増幅器、特には差動増幅器３８を実装しており、これによって、外来ノイズに対するＳ／Ｎ比を良くすることができる。
なお、本発明は上記し且つ図面に示した実施例にのみ限定されるものではなく、特に磁歪材はトルク伝達軸の一箇所にのみ設けられていても良いなど、要旨を逸脱しない範囲内で適宜変更して実施し得る。
【００３９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明のトルクセンサによれば、トルク伝達軸を支承するフレームの軸方向の外側に、前記トルク伝達軸が貫通する孔を有する中継用基板を設け、この中継用基板に、前記検出コイルを接続して前記フレーム外に導出された接続ピンを接続したことによって、検出コイルの接続が容易にできて、作業性の向上を達成できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例を示す全体の縦断側面図
【図２】トルク伝達軸単体の側面図
【図３】ボビンの正面図
【図４】検出コイルを巻装したボビンの縦断側面図
【図５】検出回路の結線図
【図６】発明者の実験結果を示す図その１
【図７】発明者の実験結果を示す図その２
【符号の説明】
１はトルク伝達軸、４，５は磁歪材、６は溝、８，９は検出コイル、１０はボビン、１０ｂはボビンのフランジ部、１７は接続ピン、１９は止め輪、２０，２１は軸受、２２はフレーム、２６は孔、２７は突出部、２８は中継用基板、３０は孔を示す。

Claims (2)

1. トルクが伝達されるトルク伝達軸と、このトルク伝達軸の外周面に設けられた磁歪材と、この磁歪材の外周囲に配設された検出コイルと、前記トルク伝達軸を支承するフレームとを具備し、
   前記フレームの軸方向の外側に、前記トルク伝達軸が貫通する孔を有する中継用基板を設け、この中継用基板に、前記検出コイルを接続して前記フレーム外に導出された接続ピンを接続したことを特徴とするトルクセンサ。
2. 検出コイルが、フランジ部を四角形に形成したボビンに巻装されて磁歪材の外周囲に配設され、そのボビンの角部に接続ピンを設けたことを特徴とする請求項１記載のトルクセンサ。

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