JP4910535B2 - 磁歪リング式トルクセンサ - Google Patents

Description

本発明は、磁歪式トルクセンサに係り、更に詳細には、回動軸に働くトルクを非接触で検出する磁歪式トルクセンサのうち、磁歪リング方式のトルクセンサに関する。

従来、トルクセンサとして磁歪を利用したセンサの提案がなされているものの、車輌用として実用化されているものはないようである。
車輌のミッションの出力軸トルクをモニターできるようになると、ＡＴの変速ショックに対し、現在行われているような難しい制御を行わなくともよいようになる。また、車輌の総合制御が可能になり、省燃費な車輌の実現に資するため、廉価で小型なトルクセンサの要望は潜在的にあり、研究開発されてきている。

従来の提案に係る磁歪式トルクセンサとして、回動軸に設けた２つの帯状の溝部と、それらを取り囲むコイルを設けたものがあり（例えば、特許文献１及び非特許文献１参照）、このトルクセンサでは、コイルで励磁し、左右溝部の透磁率変化を検出することによりトルクが検出される。
特許第２６７７０６６号公報 Ｒ．Ｉｓｈｉｎｏ ｅｔ ａｌ．：ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ．ｏｎ Ｍａｇｎｅｔｉｃｓ，ｖｏｌ．３８，Ｎｏ．５，３３０６，Ｓｅｐｔｅｍｂｅｒ ２００２．

一方、磁歪リングを回動軸に嵌合するタイプの磁歪式トルクセンサも提案されている（例えば、非特許文献２及び３参照）。この磁歪リング式トルクセンサは、磁歪リングを周方向に磁化させておき、回動軸にトルクがかかったときに、回動軸方向に発生する磁界の成分をホール素子等の小さな磁気センサで検出するものである。
Ｉ．Ｊ．Ｇａｒｓｈｅｌｉｓ：ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ．ｏｎ Ｍａｇｎｅｔｉｃｓ，ｖｏｌ．２８，Ｎｏ．５，２２０２，Ｓｅｐｔｅｍｂｅｒ １９９２． Ｉ．Ｊ．Ｇａｒｓｈｅｌｉｓ ａｎｄ Ｃ．Ｒ．Ｃｏｎｔｏ：ＪＡＰ，ｖｏｌ．７９，Ｎｏ．８，４７５６，１９９６．

しかしながら、かかる従来の磁歪式トルクセンサのうち、コイルを用いる方式のセンサには、コイルを用いるがゆえにスペースを要するという問題がある。
また、コイルに１０ｋＨｚオーダーの交流電流を流す必要があり、電気的な電力という点では１Ｗ弱程度の電力が必要であり、電力的にも問題があった。

一方、磁歪リングを回動軸に嵌合する磁歪式トルクセンサは、小型、省電力の要求を満たすものであるが、回動軸と磁歪リングとが締り嵌めされているため、少し大きなトルクがかかると、回動軸とリングとの間にすべりが発生してしまうという問題がある。
また、磁歪リングには引張の周方向応力（Ｈｏｏｐ ｓｔｒｅｓｓ）が働いていて、これにより周方向に１軸の磁気異方性が確保されるが、この部分が良好なセンサ特性にとっては本質的な部分となっている。

しかしながら、かかる磁歪リング方式のトルクセンサにおいては、回動軸が磁性体の場合、漏れ磁束のかなりの部分が回動軸を通るようになるため、感度が著しく劣化するという問題があり、特に回動軸がモータ等の出力軸のときには、出力軸は鋼製であって非磁性体製のものは特殊用途以外にはなく、この問題が顕著である。

本発明は、このような従来技術の有する課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、センサ感度に優れた磁歪リング式トルクセンサを提供することにある。

本発明者らは、上記目的を達成すべく鋭意検討を重ねた結果、磁歪リングに空間部を形成し、磁歪リングと磁性体たる回動軸とを離間させることにより、上記目的が達成できることを見出し、本発明を完成するに至った。

即ち、本発明の磁歪リング式トルクセンサは、回動軸と磁歪を有するリング状部材と磁気検出部とを備え、上記磁歪を有するリング状部材が上記回動軸に嵌合しており、
上記磁歪リング状部材は周方向に着磁されており、この磁歪リング状部材に上記磁気検出部が近接配置されており、上記回動軸にトルクがかかったときに、上記磁歪リング状部材からの磁束漏れの大きさを上記磁気検出部にて検出する非接触方式の磁歪リング式トルクセンサにおいて、
上記磁歪リング状部材がその内部に非磁性部を有し、この非磁性部が空間であり、
上記磁歪リング状部材の中心軸線方向に沿った断面形状がコの字を回転した形状をなし、上記非磁性部空間がほぼ矩形状をなし、
この非磁性部空間に、上記回動軸及びコの字の磁歪リング部材の内面と接触している状態にて、線膨張係数が上記磁歪リング部材よりも大きいリング状非磁性材が挿入されていることを特徴とする。

本発明によれば、磁歪リングに空間部を形成し、磁歪リングと磁性体たる回動軸とを離間させることとしたため、センサ感度に優れるた磁歪リング式トルクセンサを提供することができる。
本発明の磁歪リング式トルクセンサは、鋼製の回動軸を対象とすることができるので、その有用性が飛躍的に向上している。

以下、本発明につき図面を参照して詳細に説明する。
本発明の内容を明確にすべく、まず、従来技術につき再度説明する。
図１３は、特許文献１や非特許文献１に開示されているような交流透磁率差動方式の磁歪式トルクセンサを示す構成図である。
一方、図１４は、ガルシェリスの提案している磁歪リング方式のトルク検出装置を示す側面図であり、非特許文献２や非特許文献３に開示されている。

図１３において、回動軸１Ｌと１Ｒに設けられた溝１ｇは、左（１Ｌ）右（１Ｒ）でそれぞれ異なる方向に４５度傾いて形成されている。回動軸１Ｌ、１Ｒに図示Ｔのようにトルクが働くと、回動軸１Ｌの溝部帯（山部）では透磁率が増加し、回動軸１Ｒでは減少する。トルクが働くと４５度方向には引張、圧縮応力が働き、溝が形状異方性を形成しているから、磁歪の逆効果によりいっそうそのようになる（磁歪の値が正である材料について説明している。以下でも同様である）。

図１３に示すセンサでは、溝部１ｇが軸方向に２ヶ所あること、溝１ｇを覆うコイル２が設置する必要があることにより、センサの小型化には難がある。また、コイル２には１０ｋＨｚオーダーの交流電流を流す。数十ｍＡで数ボルトであるから、１Ｗ弱の電力を要するので、消費電力が大きいという難もある。

一方、図１４に示す磁歪リング式トルクセンサでは、磁歪を有するリング３が回動軸１に嵌められている。それにより、リング３には周方向に引張応力（Ｈｏｏｐ ｓｔｒｅｓｓ）が働いている。周方向に着磁すると磁化は周方向に向いている。
回動軸１にトルクがかかると、４５度方向に引張応力（それと直交して圧縮応力）が作用するので、磁歪の逆効果により、磁化は軸方向に倒される。従って、リング端部には磁極が現われ、漏れ磁束が発生する。よって、ホール素子等のセンサ４を配置しておくと、トルクに相関のある信号が検出される。

かかる磁歪リング式トルクセンサは、図１３のトルクセンサと比べると、回動軸方向長さが短くてよいし、検出センサも小さいので、径方向にも小型化が図れる。また、ホール素子も省電力であることから、省電力・小型化が図れるという利点がある。
但し、回動軸１にリング３を締り嵌めするため、両者間にすべりが発生するという難点があり、締め代の大きさをある程度以上確保しないと、良好なセンサ特性が得られず、工法上の容易さに難点がある。

また、かかる磁歪リング式トルクセンサにおいては、回動軸が鋼製の場合には、感度が著しく低減してしまうという問題もある。

本発明者らは、このような背景を踏まえて、磁歪リングの構造につき検討したところ、所定構造を採用することにより、センサ感度の確保ができることを見出し、本発明を完成させた。
よって、本発明の磁歪リング式トルクセンサは、基本的に図１４に示したような構造を有している。

なお、本発明の磁歪リング式トルクセンサにおいては、磁歪リングと回動軸がトルク印加に際して滑らないように、締結手段により締結することができる。

以下、本発明を実施例及び参考例により更に詳細に説明するが、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。

（参考例１）
図１は、長さ１３ｍｍ、厚さ０．７６ｍｍのマルエージング鋼製リング２０をφ１２．６４ｍｍの回動軸１０に冷やし嵌めにて嵌合して成る磁歪リング式トルクセンサの一例を示す模式的断面図である。
締め代は５５μｍとした。リング２０は日立金属製のマルエージング鋼であるＹＡＧ３００を機械加工して作製し、８２０℃にて１時間固溶化し、次いで、４９０℃にて５時間時効処理する熱処理を行い、しかる後、回動軸１０に冷やし嵌めした。回動軸１０はＳＵＳ３０３製ものと、Ｓ４５Ｃ高周波焼き入れのものを用いた。

そして、軸方向に通電することにより、リング２０を周方向に着磁した。通電着磁はピーク電流値が約１００００Ａのパルス電流で行った。
このようにして、本例の磁歪リング式トルクセンサを作製した。

このトルクセンサにおいて、回動軸１０にトルクを印加しながら、リング２０の端部から１ｍｍの位置での漏れ磁界をガウスメータにて測定した。ガウスメータの検出部はリング表面から約０．５ｍｍの位置にあり、リング面に対して垂直な成分の磁界を測定した。測定結果を図２に示す。

図２に示したように、回動軸１０の材質が異なっていても、双方ともヒステリシスのない直線性の良い特性が得られている。
但し、ＳＵＳ３０３の場合には１５Ｎｍのトルクを印加したときに９Ｇであるのに対し、Ｓ４５Ｃの場合は１．５Ｇであり、感度が１／６に低下していることが分かる。
このように、リングの構造等の条件が同一であっても、回動軸の材質が異なることにより感度の低下が起こるが、この理由は上述の通りである。

（参考例２）
ＹＡＧ３００製の時効リング２０（参考例１と同じ仕様のもの）をＳＵＳ３０３製の回動軸１０に２０μｍにて冷やし嵌めし、リング２０と回動軸１０を図３に示すように電子ビームにて溶接した。図に示すように約０．５ｍｍの溶け込みにて全周溶接し、本例のトルクセンサを得た。
また、５０μｍにて冷やし嵌めしたものを電子ビームにて溶接した。着磁方法、センサ特性の測定方法は参考例１の場合と同じである。

図４は、冷やし嵌めの締め代が２０μｍのトルクセンサにおける±１５Ｎｍでの測定結果を示す。大きなヒステリシスとなっている。
電子ビーム溶接にて接合しているので、リングと軸とはすべりを起こさない（一方、トルクを印加にともない、軸とリングがすべりを起こす場合には、トルク−センサ出力特性はヒステリシスを描いてしまう。）。従って、この場合のヒステリシスは、冷やし嵌めによる周方向引張応力（Ｈｏｏｐ ｓｔｒｅｓｓ）が小さいために、良好なセンサ特性とならないのであると解釈できる。

冷やし嵌めの締め代が５０μｍのトルクセンサにおいて、±１５Ｎｍにおけるトルク−センサ出力特性は図２に示した通りである。更にトルクを大きくすると、滑りが発生して、ヒステリシスを描くことが実験的にわかっている。
電子ビームで接合した場合には、図５に示したように良好なセンサ特性、すなわち、特性が直線であり、ヒステリシスを描かない特性となる。

（参考例３）
中心軸線方向における断面がコの字を９０度回転した形状のリング２１を、マルエージング鋼であるＹＡＧ３００を用いて作製した。具体的な形状を図６に示す。
リング２１の長さは１３ｍｍ、外径は１６．７ｍｍ、内径は１４．７ｍｍ、脚部は（軸方向）長さが２ｍｍである。また、コの字リング２１の内側の両隅は１Ｒで加工した。

機械加工の後、固溶化および時効熱処理を施した。回動軸１０をＳ４５Ｃ製のφ１２．６４ｍｍとし、高周波焼入れにて作製した。そして５０μｍにて冷やし嵌めにてリング２１と軸１０を嵌合し、本例のトルクセンサを得た。

トルク印加、±１５Ｎｍにてのセンサ特性を図７に示す。ヒステリシスのない直線性の良い、良好なセンサ特性が得られている。なお、着磁方法、センサ特性の測定方法は参考例１と同じであった。
図７に示すように、１５Ｎｍでのセンサ出力は１．７Ｇであり、図２に示した結果に対してあまり向上していないように見えるが、この場合にはセンサ部の径は１６．７ｍｍであるので、実際には２．３倍以上に向上していることになる。

したがって、図６に示すリング構造を採用することにより、大幅な感度向上が達成されてことがわかる。
図６では、ほぼ矩形状の空間がリン２１グ内に設けられている。また、空間の厚さは１ｍｍより厚くなっている。即ち、リング２１の厚さよりも厚くなっている。このような厚さの関係にすることが、感度を確保するうえで好適なのである。
一方、リング２１を軸１０から離せば離すほど良いように思えるが、トルクに対する応力が径の３乗で減少してしまうから、あまり離すのは得策ではない。かといって近すぎると感度向上が期待できないわけである。

（参考例４）
リングと回動軸の接合を電子ビームにて行った以外は、参考例３と同一の構成を採用し、本例のトルクセンサを得た。
上記同様にトルクセンサ特性を調べたところ、±１５Ｎｍでの特性は図７に示した結果と同様であった。更に高トルク域まで、ヒステリシスのない直線性に優れた特性が得られた。

（実施例１）
参考例３では締め代５０μｍの冷やし嵌めで嵌合した。また、参考例４では、参考例３の状態にてリングと回動軸を電子ビームにて接合した。本例では、リングと回動軸とをすきま嵌めし、リングを軸方向に圧縮を加えた状態において、リングと回動軸を電子ビーム溶接にて接合し、トルクセンサを得た。リングの軸方向への圧縮代は１０μｍとした。それ以外は参考例３，４と同様とした。

上記同様にトルクセンサ特性を調べたところ、トルク−センサ出力特性も図７に示した結果と同様であった。
従って、軸方向に圧縮を加えることは、（センサ）リングにとっては周方向に引張応力を与えることと等価であると判断される。
本例で採用した工法は、冷やし嵌め、焼き嵌めが採用できないときに、センサ特性を確保し得る工法として有用である。

（参考例５）
図８（ａ）は、磁歪リング式トルクセンサの他の例を示す断面図であり、２個のホール素子３０とヨーク４０を設けた検出部を有するトルクセンサを示している。
磁束の流れは図８（ｂ）に示したようになる。従って、図示右側のホール素子と左側のホール素子とでは、極性が逆のセンサ特性となる。両者の出力を差動させることにより、倍の感度を得ることができる。また、ヨーク４０を設けることにより感度が更に倍となる。

センサ特性を図９に示す。感度４倍となっている。上述のようなホール素子の配置を採用することにより、同相入力はキャンセルされ、ＳＮ比が向上するので有利である。
また、ヨークを設けると、外からの電磁ノイズに対して耐性を有するようになる。更に、ギャップ（磁歪リング表面と検出センサとの距離）変動に対して鈍感となるという効果がある。

ヨーク４０としてはＰＢ（パーマロイのＢ種）パーマロイ製で厚さ１．０ｍｍのものを用いた。ヨーク４０の大きさは、図示のように、ホール素子３０及びリング２０を覆える大きさであればよい。また、周方向長さもホール素子３０の大きさ（樹脂パッケージの大きさ）の３倍程度の幅があればよい。
なお、素子パッケージとヨークは接して取り付けられている。ホール素子３０はリング２０に近接している。感磁部はリング表面から約０．５ｍｍ離間した位置としている。

（参考例６）
図１０は、磁歪リング式トルクセンサの更に他の例を示す断面図であり、回動軸１１は、図示したように縮径軸とすることもできる。
回動軸１１以外は参考例３と同様の構成を採用したところ、センサ感度が約４０％向上していた。トルクに対するリング応力が大きくなることに起因する。

（実施例２）
図１１は、本発明の磁歪リング式トルクセンサの他の実施例を示す断面図であり、リング２０内の空間にＳＵＳ製リング５０を配置した例を示している。
本例では、内径が回動軸１０の軸径、外径がリング２０の内径となるリング５０をＳＵＳ３０３にて作製した。そして、図１２に示すようにリング５０を３分割した。隙間は刃物厚さ程度とした。
そして、かかるリング５０をコの字リング２０の内側に入れて、回動軸１０に対し絞め代５０μｍにて冷やし嵌めし、本例のトルクセンサを得た。

センサ特性は参考例３と同様であった。リング２０内にＳＵＳを入れると、センサの温度特性の改善を図ることができる。センサの感度は室温から１２０℃の範囲の試験において、温度に対して減少傾向にあったが、本実施例の場合にはほぼフラットとなっていた。
マルエージング鋼の線膨張係数は１１．３×１０^−６／℃である。ＳＵＳ３０３は１４．７×１０^−６／℃、Ｓ４５Ｃは１０．７×１０^−６／℃である。
ＳＵＳの線膨張がマルエージング鋼よりも大きいから、温度が上がった場合にリング２０を内側から押圧するので、リング２０の周方向応力を増大させる機能があり、感度の温度依存性をフラットに改善してくれるものと推察される。

以上、本発明を好適実施例により詳細に説明したが、本発明はこれら実施例に限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内において種々の変形が可能である。
例えば、トルク検出用の磁気センサとしてはホールセンサのみを例示したが、これに限定されるものではなく、省電力で小型であるところの、ホールＩＣ、及びＭＩセンサを使用可能であることは言うまでもない。

磁歪リング式トルクセンサの一例を示す模式的断面図である。 トルクセンサ特性を示すグラフである。 電子ビーム溶接したトルクセンサを示す断面図である。 トルクセンサ特性を示すグラフである。 トルクセンサ特性を示すグラフである。 磁歪リング式トルクセンサの一例を示す断面図である。 トルクセンサ特性を示すグラフである。 磁歪リング式トルクセンサの他の例を示す断面図である。 トルクセンサ特性を示すグラフである。 磁歪リング式トルクセンサの更に他の例を示す断面図である。 本発明の磁歪リング式トルクセンサの他の実施例を示す断面図である。 分割リングを示す平面図である。 従来の磁歪式トルクセンサ（溝方式）の一例を示す断面図である。 従来の磁歪リング式トルクセンサの一例を示す断面図である。

符号の説明

１ 回動軸
１Ｌ、１Ｒ 回動軸
１ｇ 溝
２ コイル
３ リング
１０、１１ 回動軸
２０、２１ リング
３０ ホール素子
４０ ヨーク
５０ 分割リング

Claims (11)

1. 回動軸と磁歪を有するリング状部材と磁気検出部とを備え、上記磁歪を有するリング状部材が上記回動軸に嵌合しており、
   上記磁歪リング状部材は周方向に着磁されており、この磁歪リング状部材に上記磁気検出部が近接配置されており、上記回動軸にトルクがかかったときに、上記磁歪リング状部材からの磁束漏れの大きさを上記磁気検出部にて検出する非接触方式の磁歪リング式トルクセンサにおいて、
   上記磁歪リング状部材がその内部に非磁性部を有し、この非磁性部が空間であり、
   上記磁歪リング状部材の中心軸線方向に沿った断面形状がコの字を回転した形状をなし、上記非磁性部空間がほぼ矩形状をなし、
   この非磁性部空間に、上記回動軸及びコの字の磁歪リング部材の内面と接触している状態にて、線膨張係数が上記磁歪リング部材よりも大きいリング状非磁性材が挿入されていることを特徴とする磁歪リング式トルクセンサ。
2. センサ部中央における上記回動軸に垂直な断面において、上記非磁性空間部の厚さが上記リング状部材の厚さより大きいことを特徴とする請求項１に記載の磁歪リング式トルクセンサ。
3. 上記コの字状の磁歪リング部材の脚部と、上記回動軸とが締結されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の磁歪リング式トルクセンサ。
4. 上記コの字状の磁歪リング状部材の脚部と上記回動軸との締結が、電子ビーム溶接にてなされていることを特徴とする請求項３に記載の磁歪リング式トルクセンサ。
5. 上記リング状非磁性材がオーステナイト系ステンレスから成ることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つの項に記載の磁歪リング式トルクセンサ。
6. 上記回動軸が鋼製であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１つの項に記載の磁歪リング式トルクセンサ。
7. 上記磁歪リング部材がマルエージング鋼から成ることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１つの項にに記載の磁歪リング式トルクセンサ。
8. 上記磁気検出部がホールセンサとヨークを備えることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１つの項に記載の磁歪リング式トルクセンサ。
9. 回動軸と磁歪を有するリング状部材と磁気検出部とを備え、上記磁歪を有するリング状部材が上記回動軸に嵌合しており、
   上記磁歪リング状部材は周方向に着磁されており、この磁歪リング状部材に上記磁気検出部が近接配置されており、上記回動軸にトルクがかかったときに、上記磁歪リング状部材からの磁束漏れの大きさを上記磁気検出部にて検出する非接触方式の磁歪リング式トルクセンサにおいて、
   上記磁歪リング状部材がその内部に非磁性部を有し、この非磁性部が空間であり、
   上記磁歪リング状部材の中心軸線方向に沿った断面形状がコの字を回転した形状をなし、上記非磁性部空間がほぼ矩形状をなし、
   上記コの字状リング部材が、圧縮応力をその中心軸線方向に印加された状態にて上記回動軸と締結されていることを特徴とする磁歪リング式トルクセンサ。
10. 上記コの字状の磁歪リング部材の脚部と、上記回動軸とが締結されていることを特徴とする請求項９に記載の磁歪リング式トルクセンサ。
11. 上記コの字状の磁歪リング状部材の脚部と上記回動軸との締結が、電子ビーム溶接にてなされていることを特徴とする請求項１０に記載の磁歪リング式トルクセンサ。

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