JP5164728B2 - トルクセンサ - Google Patents

Description

この発明は、回転軸の捩れトルクを検出し、これにより特に電動自転車の踏力を検出することができるトルクセンサに関するものである。

電動自転車では、ユーザがペダルを踏み込んだときの踏力を検出し、このトルクに応じた補助動力を与えている。このトルクを検出する装置として、特許文献１が開示されている。この特許文献１に記載の電動補助自転車の踏力検知装置は、電動アシスト付き自転車等のアシスト力を制御するための情報としてペダルに加わる踏力を検出する手段として、中空軸に加わる捻りトルクを検出するタイプの踏力検出装置であって、中空軸の両端外側にマグネットリングをそれぞれ備え、それに対向してバネを用いてＭＲセンサをそれぞれ接触配置する。中空軸が回転することによって得られる出力波形において、中空軸の捩れ量に比例して発生する出力波形の位相差より踏力を算出するものである。

しかしながら、特許文献１に記載の発明で踏力を検出することは、ＭＲセンサをマグネットリングに対して接触配置しているために部品の磨耗が起こり、耐久性に問題がある。また、マグネットリングの真円度、着磁のバランスによって出力が不安定になりやすく、踏力検出の精度に悪影響を及ぼす。

回転軸に加わるトルクを非接触で検出するトルクセンサとして、主なものに磁歪式があるが、この磁歪式は、センサ軸の製造の難しさ、温度変化に対する出力変化に対応するために温度補正制御が必要なことなど、それらに起因するコスト増等多くの問題を抱えている。

特開２００３−３３５２９１号公報

この発明は、上記従来技術を考慮したものであって、磁気センサがマグネットリングに対して非接触であっても、確実に回転軸に加わるトルクを得ることができ、高信頼性かつ低コストなトルクセンサを提供することを目的とする。

前記目的を達成するため、請求項１の発明では、回転軸に固定され、当該回転軸とともに回転するシャフトと、当該シャフトの外周に沿って固定され、当該シャフトの両端部近傍に配設される各ロータと、前記シャフトを覆うケースと、当該ケースの内周に沿って固定され、前記各ロータに対向して配設される各ステータとを有し、前記各ロータは、前記回転軸の軸方向に２極着磁された環状のマグネットと、当該マグネットの前記回転軸の軸方向両端部に設けられた磁性体からなる２つの環状のコアロータとからなり、当該各コアロータの外周には、周方向に断続的にロータ側極歯が夫々形成され、前記マグネットを挟んだ各ロータ側極歯は相互に電気角で１８０°ずれた形態で形成される。

また、前記各ステータは、磁性体からなる２つの環状のコアステータと、これらのコアステータの間に設けられ、前記ロータ側極歯からの磁界の方向及び量を計測する磁気センサとからなり、前記各コアステータは、前記各コアロータに対応してそれぞれ設けられ、前記各コアステータの内周面には、前記各ロータ側極歯と対向するように、断続的にステータ側極歯が形成され、前記磁気センサを挟んだ各ステータ側極歯は相互に電気角が１８０°ずれた状態で形成され、前記磁気センサは、前記ロータに対して非接触であることを特徴としている。

請求項２の発明では、前記回転軸は、クランクを介してペダルと連結されたクランク軸であり、電動自転車に適用されることを特徴としている。

請求項１の発明によれば、磁気センサがロータに対して非接触であるため、センサがロータの回転により磨耗することはなく、長期にわたり使用することができる。したがって、長期にわたって、この磁気センサを用いて、コアロータからの磁界の方向及び量を計測し、シャフト両端に発生する捩れ量を算出し、トルクを求めることができる。

また、マグネットの磁界は、シャフトの回転とともにコアロータからコアステータに伝わり、これが対向する他方のコアステータに伝わる。このとき、コアステータ間に設けられた磁気センサがこの磁束を拾う。この磁束量から、シャフト両端における出力波形を算出する。したがって、磁気センサで検出した出力波形の位相差（時間差）をもとにしてトルクを算出するため、磁歪式等のコイルの温度特性などを主にした温度に起因する出力変化の影響がなくなり、温度変化が生じても安定したトルク検出が可能で、環境変化に対して信頼性が向上するとともに、製造時の温度補正値入力等の作業をすることなく、結果として低コストのトルクセンサを提供することができる。また、コアロータ及びコアステータに極歯を備えるので、出力波形の精度を安定させることができ、安定して高精度なトルク検出が可能となる。

請求項２の発明によれば、電動自転車に適用することにより、ユーザの踏力（トルク）を確実に検出し、より的確な補助動力をユーザに対して与えることができる。

以下、図面を参照してこの発明に係るトルクセンサについて説明する。

図１はこの発明に係るトルクセンサの概略断面図であり、図２はコアロータ及びコアステータを示す概略断面図である。また、図３はこの発明に係るトルクセンサを部品ごとに示した分解図であり、図４は電動補助自転車にこの発明に係るトルクセンサを適用したときの概略断面図である。

図示したように、この発明に係るトルクセンサ１は、筒状のシャフト２と、ロータ３と、ステータ４と、ケース５で構成される。シャフト２は、回転軸となるクランク軸６（図４参照）の外周に被冠して固定される。具体的には、クランク軸６の外周面に形成された凹凸部（図示省略）と、シャフト２の内周面に形成された凹凸部７をスプライン嵌合させて固定される。これにより、シャフト２はクランク軸６とともに回転する。シャフト２の凹凸部７と反対側の端部には、クランク軸６を挿通可能な環状部材１７が配設される。シャフト２は、ばね鋼やステンレス鋼、あるいはチタン合金等で形成される。

ロータ３は、環状のマグネット８と、磁性体からなる環状のコアロータ９で構成される。コアロータ９は、マグネット８の軸方向両側に備わる。すなわち、２個のコアロータ９でマグネット８が挟まれてロータ３が形成される。マグネット８は、軸方向（アキシャル方向）にＮＳに２極着磁される。このロータ３は、シャフト２の外周に沿って固定され、シャフト２の両端部近傍にそれぞれ配設される。コアロータ９は、電磁鋼板や亜鉛メッキ鋼板、あるいは焼結合金等で形成される。マグネット８は、プラスチックマグネットやフェライト、あるいはネオジウム等で形成される。

ステータ４は、環状の磁性体からなるコアステータ１０とＰＣＢからなる環状部材２１に固定されたＭＲ（磁気抵抗）センサ１３で構成される。なお、ＭＲセンサ１３は磁束あるいは磁界の量や向きを検出できるものであればどのような磁気（磁界）センサ（例えばホール素子等）を用いてもよい。コアステータ１０は、コアロータ９に対してそれぞれ対向して設けられる。すなわち、一つのステータ４にコアステータ１０は２個設けられる。ＭＲセンサ１３は、このコアステータ１０の間に設けられる。ステータ４は、シャフト２を覆うケース５の内周に沿って、ロータ３に対向してそれぞれ設けられる。したがって、ＭＲセンサ１３はロータ３に対応してそれぞれ備わり、ＭＲセンサ１３はロータ３に対して非接触である。このように、ＭＲセンサ１３がロータ３に対して非接触であるため、センサ１３がロータ３の回転により磨耗することはなく、センサ１３を長期にわたり使用することができる。したがって、長期にわたって、このＭＲセンサ１３を用いて、コアロータ９からの磁界の方向及び量を計測し、後述するような方法でシャフト２の両端に発生する捩れ量を算出し、トルクを求めることができる。

ロータ３及びステータ４の軸方向外側であって、シャフト２とケース５の間には、環状のベアリング１８が備わる。コアステータ１０は、電磁鋼板や亜鉛メッキ鋼板、あるいは焼結合金等で形成される。ケース５は、アルミや他の非磁性材料で形成される。ベアリング１８は、ボールベアリングや、焼結合金、樹脂等で形成される。

コアロータ９の外周及びコアステータ１０の内周、すなわち両者の対向面には、断続的にそれぞれロータ側極歯１１及びステータ側極歯１２が形成される。このロータ側極歯１１とステータ側極歯１２の歯の数は同じである。これらの極歯は、電気角で１８０°ずれた状態で形成される。２極着磁されたマグネット８の両側のコアロータ９は、いずれかがＮ極、他方がＳ極となる。そうすると、これに対向するコアステータ１０も、それぞれＮ極、Ｓ極になる。互いに極歯１１，１２を設けたことにより、極歯１１，１２が近づいたときに一番大きな出力となる。磁界は、ロータ３の回転とともに、一方のコアロータ９からこれに対向するコアステータ１０に伝わり、そのまま隣のコアステータ１０に飛んで、これに対向する他方のコアロータ９に伝わる。そして再びマグネット８を介して再び最初のコアロータ９に伝わる。このようにして磁界はループ状に回っている。このときの磁界の方向とその量（磁束量）をＭＲセンサ１３が拾う。なお、このＭＲセンサ１３を複数個設け、得られた結果を平均して出力してもよい。

すなわち、マグネット８の磁界は、シャフト２の回転とともにコアロータ９からコアステータ１０に伝わり、これが対向する他方のコアステータ１０に伝わる。このとき、コアステータ１０間に設けられたＭＲセンサ１３がこの磁束を拾う。この磁束量から、シャフト２の両端における出力波形を算出する。後述するように、ＭＲセンサ１３で検出した出力波形の位相差（時間差）をもとにしてトルクを算出できる。このため、磁歪式等のコイルの温度特性などを主にした温度に起因する出力変化の影響がなくなり、温度変化が生じても安定したトルク検出が可能で、環境変化に対して信頼性が向上するとともに、製造時の温度補正値入力等の作業をすることなく、結果として低コストのトルクセンサ１を提供することができる。また、コアロータ９及びコアステータ１０に極歯１１，１２を備えるので、出力波形の精度を安定させることができ、安定して高精度なトルク検出が可能となる。

図４に示すように、クランク軸６の両端には、ペダル付クランク１４が取付けられる。電動自転車を運転するユーザによるペダルを踏み込んだときの踏力（トルク）は、クランク軸６からトルクセンサ１に伝わり、ワンウェイクラッチ１５を介してスプロケット１６に伝達される。１９はハウジングである。このように、トルクセンサ１を電動自転車に適用することにより、ユーザの踏力（トルク）を確実に検出し、より的確な補助動力をユーザに対して与えることができる。他の適用としては、例えば自動車のパワーステアリングの回転トルクの補助にも用いることができる。

図５はＭＲセンサによって得られた結果の出力波形を示すグラフ図である。

図示したように、ＭＲセンサによって得られた磁束量は、そのまま電圧波形として出力することができる。実線Ａがシャフト２の凹凸部７に近い側のＭＲセンサ１３の結果であり、点線Ｂが遠い側のＭＲセンサ１３の結果である（以下、符号については図１〜図４を参照）。本来であれば、クランク軸６とともにシャフト２が回転すると、シャフト２の両端のＭＲセンサ１３の出力波形はそれぞれ重なるはずである。しかしながら、シャフト２の片方の端部のみで凹凸部７によりクランク軸６にスプライン嵌合しているため、クランク軸６が回転すると、シャフト２の両端部には捩れが発生する。したがって、シャフト２の両端部の回転は同期せず、出力波形に位相差（時間差Δｔ）が生じる。すなわち、凹凸部７から遠い側の点線Ｂの方が、実線Ａより遅れて回転する結果となる。この時間差Δｔを計ることは、シャフト２の捩れ量を計ることと同じである。したがって、この捩れ量から、トルクを算出することが可能となる。

トルクは、捩れ角度θを算出し、その後に求めることができる。その際、センサ組立精度に起因する初期誤差Ｔｒｅｆを補正値として用いる。周期ｔは、極歯が隣の極歯の位置に行くまでの時間を示す。なお、トルクと捩れ角は比例関係にあるため、この比例定数を予め求めておく。また、「センサ極数」とは、コアロータ９一個当たりのＮ極とＳ極の数である。すなわち、ロータ側極歯１１の凸部分がＮ極であれば、凹部分はＳ極となる。
捩れ角度θは、以下のようにして求めることができる。
捩れ角度θ＝時間差Δｔ×（３６０／（センサ極数／２））／周期ｔ
トルク（Ｔ）は、以下のようにして求めることができる。
トルク（Ｔ）＝比例定数×捩れ角度θ―初期誤差Ｔｒｅｆ

また、出力波形の周期ｔとコアロータ９の分解数（センサ極数）からクランク軸６の回転速度を算出し、上記で求めたトルクと合算することでパワー（Ｗ）を算出することができる。これにより、トルクセンサと別に速度センサを設けなくても、ユーザのペダルを漕いだ力をパワー（Ｗ）として得ることができ、踏力と比例しているモータに指令するアシスト量制御が容易となる。また、システムの構成として速度センサ分安価になる。
回転速度（Ｎ）は、以下のようにして求めることができる。
回転速度（Ｎ）＝１／（周期ｔ×（センサ極数／２））
パワー（Ｗ）は、以下のようにして求めることができる。
パワー（Ｗ）＝１．０４７×１０^−１×回転速度（Ｎ）×トルク（Ｔ）

図６はこの発明に係る別のトルクセンサの概略断面図であり、図７は図６におけるコアロータ及びコアステータを示す概略断面図である。また、図８はこの発明に係る別のトルクセンサを部品ごとに示した分解図である。なお、図７では一方のステータコアを省略して記載している。

この実施例では、コアステータ１０が一体物として形成され、コアステータ１０のみでステータ４を形成する。これにより、コアステータ１０が一つの部品で済むため、生産性が向上し、コストを削減できる。ケース５の一部がプリント基板２０で構成される。ＭＲセンサ１３は、このプリント基板２０の内側にコアステータ１０ごとに対応して取付けられる。したがって、ＭＲセンサ１３は、コアステータ１０とケース５の間に配設される。ＭＲセンサ１３は、コアステータ１０の漏洩磁束を拾って、その測定結果は上述したようなトルクの計算に用いられる。このような漏洩磁束でも、トルクの計算として用いる程度の波形を出力できるので、問題はない。その他の構成、作用、効果は実施例１と同様である。

この発明に係るトルクセンサの概略断面図である。 コアロータ及びコアステータを示す概略断面図である。 この発明に係るトルクセンサを部品ごとに示した分解図である。 電動補助自転車にこの発明に係るトルクセンサを適用したときの概略断面図である。 ＭＲセンサによって得られた結果の出力波形を示すグラフ図である。 この発明に係る別のトルクセンサの概略断面図である。 図６におけるコアロータ及びコアステータを示す概略断面図である。 この発明に係る別のトルクセンサを部品ごとに示した分解図である。

符号の説明

１：トルクセンサ、２：シャフト、３：ロータ、４：ステータ、５：ケース、６：クランク軸、７：凹凸部、８：マグネット、９：コアロータ、１０：コアステータ、１１：ロータ側極歯、１２：ステータ側極歯、１３：ＭＲセンサ、１４：ペダル付クランク、１５：ワンウェイクラッチ、１６：スプロケット、１７：環状部材、１８：ベアリング、１９：ハウジング、２０：プリント基板、２１：環状部材

Claims (2)

1. 回転軸に固定され、当該回転軸とともに回転するシャフトと、
   当該シャフトの外周に沿って固定され、当該シャフトの両端部近傍に配設される各ロータと、
   前記シャフトを覆うケースと、
   当該ケースの内周に沿って固定され、前記各ロータに対向して配設される各ステータとを有し、
   前記各ロータは、前記回転軸の軸方向に２極着磁された環状のマグネットと、当該マグネットの前記回転軸の軸方向両端部に設けられた磁性体からなる２つの環状のコアロータとからなり、
   当該各コアロータの外周には、周方向に断続的にロータ側極歯が夫々形成され、前記マグネットを挟んだ各ロータ側極歯は相互に電気角で１８０°ずれた形態で形成され、
   前記各ステータは、磁性体からなる２つの環状のコアステータと、これらのコアステータの間に設けられ、前記ロータ側極歯からの磁界の方向及び量を計測する磁気センサとからなり、
   前記各コアステータは、前記各コアロータに対応してそれぞれ設けられ、
   前記各コアステータの内周面には、前記各ロータ側極歯と対向するように、断続的にステータ側極歯が形成され、前記磁気センサを挟んだ各ステータ側極歯は相互に電気角が１８０°ずれた状態で形成され、
   前記磁気センサは、前記ロータに対して非接触であることを特徴とするトルクセンサ。
2. 前記回転軸は、クランクを介してペダルと連結されたクランク軸であり、電動自転車に適用されることを特徴とする請求項１に記載のトルクセンサ。

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