JP5399999B2 - 磁歪式トルクセンサ - Google Patents

Description

本発明は、インパクト回転工具などの構造体の回転軸に加わるトルクを非接触検出する磁歪式トルクセンサに関するものである。

従来から、図４に示すような、構造体の回転軸に加わるトルクを非接触検出する磁歪式トルクセンサが提案されている（特許文献１参照）。

この磁歪式トルクセンサは、加えられるトルクによって透磁率が変化する磁歪効果部１０を有する回転軸１と、円筒状のコイルボビン８と、コイルボビン８の外周に巻かれるコイル４と、コイルボビン８の最外周部に取り付けられるヨーク９と、からなる。

回転軸１は、構造体２内部に軸回転自在に取り付けられるものであり、円筒状のコイルボビン８は、回転軸１と同心に配置されるとともに磁歪効果部１０から径方向に離れて配置されるものである。また、コイル４は、磁歪効果部１０の透磁率の変化を検出して、回転軸１に加えられるトルクの大きさを検出するものであり、ヨーク９は、コイル４の磁路を強化するとともに外部磁気を遮断するものである。

上述の構成の磁歪式トルクセンサは、最外周部に位置するヨーク９が筒状の構造体２の内周面に固定されて、構造体２内部に取り付けられる。

特開２００２−２５７６４８号公報

しかし、上記構成の磁歪式トルクセンサであっては、ヨーク９とコイルボビン８の寸法誤差が加え合わさると、コイルボビン８の外周に円環状に巻かれたコイル４の中心軸の位置が回転軸１の中心軸１１の位置からずれてしまうことがある。その場合には、コイル４で透磁率の変化をうまく検出することができず、トルク検出を精度良く行うことが難しいという問題があった。

また、構造体２の振動により構造体２に固定されたヨーク９に応力が働いてヨーク９が変形することがあり、その場合には、ヨーク９の磁気特性（コイル４の磁路強化と外部磁気の遮断）が変化して、トルク検出精度が低下するという問題があった。

そこで、本発明は、回転軸と、コイルボビンに巻かれたコイルの、中心軸のずれを抑制するとともにヨークの磁気特性の変化を抑えて、トルク検出精度を向上させることができる磁歪式トルクセンサを提供することを課題とする。

上記課題を解決するための本発明の磁歪式トルクセンサは、加えられるトルクによって透磁率が変化する磁歪効果部を有するとともに筒状の構造体内部に軸回転自在に取り付けられる回転軸と、前記回転軸と同心に配置されるとともに前記磁歪効果部から径方向に離れて配置される円筒状のコイルボビンと、前記コイルボビンの外周に巻かれて前記透磁率を検出するコイルと、前記コイルが巻かれた前記コイルボビンの外周に取り付けられるヨークと、からなる磁歪式トルクセンサにおいて、前記コイルボビンに、前記構造体に接触して前記構造体内部での前記コイルボビンの位置を保持する位置決め突起を形成し、前記ヨークと前記構造体を非接触に設け、前記回転軸は、前記構造体内部に固定された軸受を介して前記構造体内部に軸回転自在に取り付けられ、前記位置決め突起は、軸方向に延びて前記軸受に接触する軸受接触部を有することを特徴とする。

また、前記コイルボビンは、軸方向の両端部に前記位置決め突起を形成していることが好ましい。

また、前記位置決め突起は、前記コイルボビンの所定の直径を基準として、軸方向から視たときに、前記直径と直交する方向に突出するものと、前記直径と同一直線上に突出するものの、両方又は一方であることが好ましい。

本発明の磁歪式トルクセンサは、回転軸と、コイルボビンに巻かれたコイルの、中心軸のずれを抑制するとともにヨークの磁気特性の変化を抑えて、トルク検出精度を向上させることができる。

本発明の実施形態の磁歪式トルクセンサの正面断面図を示す。 同上の磁歪式トルクセンサのコイルボビンを示し、（ａ）は側面図であり、（ｂ）は正面図である。 同上の磁歪式トルクセンサのコイルボビン及びヨークを示し、（ａ）は分解側面図であり、（ｂ）は、分解斜視図であり、（ｃ）は、組み合わせた状態の斜視図である。 従来の磁歪式トルクセンサの正面断面図を示す。

以下、本発明の実施形態の一例を添付図面に基づいて説明する。

本実施形態の磁歪式トルクセンサは、インパクト回転工具などの構造体の回転軸に加わるトルクを非接触検出するものである。なお、この磁歪式トルクセンサが取り付けられるインパクト回転工具の詳しい構成については説明を省略し、磁歪式トルクセンサに関する構成のみ説明を行なう。

本実施形態の磁歪式トルクセンサは、図１に示すように、加えられるトルクによって透磁率が変化する磁歪効果部１０を有する回転軸１と、コイルボビン３と、コイル４と、ヨーク５と、から構成される。以下においては、図１における各構成を組み合わせた状態を基準とし、図１の左右方向を軸方向として、各構成の説明を行う。

図１に示すように、構造体２は、軸方向に延びる筒状に形成されていて、内周面２０が断面円形状となっている。この内周面２０には、径方向に対向する位置に回転軸１を軸受けする一対の軸受７，７が固定されている。この一対の軸受７，７は、軸方向に距離をおいて２組（つまり２対）設けてある。この２対の軸受７，７を介して、円柱状の回転軸１が、回転軸１の中心軸１１を中心に軸回転自在に構造体２内部に取り付けられる。なお、これらの対をなす軸受７，７は、内周面２０の周方向全周に亘って設けた一体のものであってもよいし、内周面２０の周方向全周に亘って複数の軸受７を所定の間隔をおきながら設けたものであってもよい。

回転軸１には、周方向全周に亘って、磁歪効果部１０が設けてある。この磁歪効果部１０は、回転軸１にトルクが加わって捩れが生じると、透磁率が変化する部分である。本実施形態においては、磁歪効果部１０は、回転軸１の外周面の周方向全周に亘って、アモルファス箔をエポキシ系接着剤で強固に固定したものである。このアモルファス箔には、スリットパターン（図示せず）が周方向全周に亘って設けられている。回転軸１が捩れると、このスリットパターンが捩れて、透磁率がそれに併せて変化する。ここで、この磁歪効果部１０の軸方向の長さは、２対の軸受７，７間の軸方向の長さと略同じ長さとなっている。なお、磁歪効果部１０は、回転軸１の捩れに応じて透磁率が変化するようなものであれば、上述の構成に限定されない。

上述した構成の回転軸１は、磁歪効果部１０が２対の軸受７，７の間に位置するように構造体２内部に配置される。この回転軸１と同心となるように略円筒状のコイルボビン３が配置される。コイルボビン３は、内径が回転軸１の外径よりも若干大きく、図１に示すように、コイルボビン３の内周面が回転軸１の磁歪効果部１０から径方向に所定の距離離れた箇所に位置することとなる。

コイルボビン３は、図２（ｂ）に示すように、軸方向に延びる円筒状の基部３４の外周面から、周方向全周に亘って、巻付け用突起３５と端部突起３６とがそれぞれ突出したものである。以下においては、図２（ａ）の左右方向を幅方向として説明を行う。なお、図２（ｂ）では左右方向が軸方向となっている。ここで、図２（ａ）の上下方向に伸びるコイルボビン３の直径を、所定の直径６とする。

巻付け用突起３５と端部突起３６とは突出長さが同じで、リング状となっている。端部突起３６は、基部３４の外周面の軸方向の両端部にそれぞれ１つずつ設けてあり、巻付け用突起３５は、その両端部突起３６の間に軸方向に並んで２つ設けてある。端部突起３６の軸方向の長さは、強度をつけるために、巻付け用突起３５の軸方向の長さの倍程度に形成されている。隣り合う巻付け用突起３５と端部突起３６との間の基部３４が、コイル４が巻かれる巻線部４０となる。

端部突起３６の外周面からは、図２（ａ）に示すように、複数の位置決め突起３０が突出している。位置決め突起３０は、コイルボビン３の所定の直径６と同一直線上の一方向（図２（ａ）の上方向）に延びる位置決め突起３１と、この所定の直径６と直交する方向（図２（ａ）の左方向及び右方向）に延びる一対の位置決め突起３２，３２とからなる。

一対の位置決め突起３２，３２は、直径６の直線方向に離れて２組形成されている。位置決め突起３１と、２対の位置決め突起３２，３２とは、それぞれ直径６の直線方向に略同じ間隔（コイルボビン３の直径６の３分の１程度の長さ）をおいて設けられている。位置決め突起３１，３２の突出先端面３８は、突出した部分の端部突起３６の外周面と平行にそれぞれ形成されている。両端部突起３６，３６に設けられた位置決め突起３１，３２は、図２（ｂ）に示すように、それぞれ軸方向に並んでいる。

また、位置決め突起３１，３２は、軸方向に沿ってコイルボビン３の外方に突出した軸受接触部３０１をそれぞれ有する。軸受接触部３０１は、位置決め突起３１，３２の突出先端部分の構成であり、軸受接触部３０１の径方向の外端面は、位置決め突起３１，３２の突出先端面３８となっている。

２つの巻付け用突起３５，３５からは、図２（ｂ）に示すように、コネクタ取付部３３が突出している。コネクタ取付部３３は、巻線部４０に巻かれたコイル４の一端と他端とを保持する部分である。このコネクタ取付部３３にコネクタ（図示せず）が接続されて、コイル４が外部の検出回路と電気的に接続される。コイル４は、外部の検出回路と電気的に接続されることで磁束を発生させ、この磁束が捩れによって変化することから磁歪効果部１０の透磁率の変化を検出して、回転軸１に加わるトルクを検出することができる。

コネクタ取付部３３は、図２（ａ）に示すように、コイルボビン３の所定の直径６と同一直線上の一方向（図２（ａ）の下方向）に突出している。また、コネクタ取付部３３は、コネクタ取付部３３の突出方向に向けて開口するコネクタ取付凹部３７を有する。このコネクタ取付凹部３７にコネクタが差し込まれる。

上述した構成のコイルボビン３の巻線部４０，４０にコイル４がそれぞれ巻き付けられる。コイル４の一端と他端とは、コネクタと電気的に接続可能な状態でコネクタ取付部３３に保持される。このようにコイル４が巻き付けられたコイルボビン３の外周には、ヨーク５が取り付けられる。ヨーク５は、コイルボビン３の外周に巻き付けたコイル４を、周方向全周に亘って覆って、コイル４の磁路強化と外部磁気の遮断を行うものである。

ヨーク５は、図３に示すように、略円筒状のものを半分に割った２つの半割ヨーク５０，５０からなる。この半分に割った箇所は、上述したコイルボビン３の所定の直径６と同一直線上となっている。

この半割ヨーク５０，５０を組み合わせたヨーク５は、図３（ｂ）に示すように、円筒状の基部５１と、位置固定用突起５２とからなる。位置固定用突起５２は、基部５１の内周面の軸方向の両端部から、周方向全周に亘って、基部５１の中心軸の方向に向かって突出したものであり、コイルボビン３に接触してコイルボビン３に対するヨーク５の位置を固定するものである。基部５１の内径は、コイルボビン３の巻付け用突起３５の外径と略同じとなるように形成されている。また、基部５１の外径は、コイルボビン３の位置決め突起３０の突出先端面３８から、コイルボビン３の中心軸までの距離よりも、若干短くなるように形成されている。位置固定用突起５２は、軸方向に所定の厚みを有するリング状に形成されている。位置固定用突起５２の内径はコイルボビン３の端部突起３６の外径よりも若干短くなるように形成されている。また、両位置固定用突起５２，５２間の軸方向の長さは、コイルボビン３の基部３４の軸方向の両端間の長さと略同じとなるように形成されている。位置固定用突起５２の軸方向の所定の厚みは、端部突起３６の軸方向の外端面３６１から位置決め突起３０の軸方向の外端面３０２までの軸方向の長さよりも、若干短くなるように形成されている。

また、ヨーク５には、２つの半割ヨーク５０，５０を組み合わせた際に、位置決め突起３１，３２が位置する箇所に差込孔５３を貫通させて設けている。位置決め突起３１に対応する２つの差込孔５３は、ちょうど２つの半割ヨーク５０，５０を組み合わせる箇所に位置しており、２つの半割ヨーク５０，５０の組み合わせる端部にそれぞれ差込孔５３が形成されている。それぞれの差込孔５３は、対応する位置決め突起３１，３２が突出する方向と逆方向から視て、対応する位置決め突起３１，３２と同形で若干大きい断面形状となっている。

また、ヨーク５には、２つの半割ヨーク５０を組み合わせた際に、コネクタ取付部３３が位置する箇所にコネクタ用孔５４を貫通させて設けている。ここで、コネクタ用孔５４は、ちょうど２つの半割ヨーク５０，５０を組み合わせる箇所に位置しており、２つの半割ヨーク５０，５０の組み合わせる端部にそれぞれコネクタ用孔５４が形成されている。コネクタ用孔５４は、コネクタ取付部３３が突出する方向と逆方向から視て、コネクタ取付部３３と同形で若干大きい断面形状となっている。

コイルボビン３とヨーク５とを上記構成とすることで、コイルボビン３の所定の直径６と直交する方向から２つの半割ヨーク５０，５０を組み合わせると、図３（ｃ）に示すように、対応する差込孔５３に、位置決め突起３１，３２がそれぞれ略隙間無く嵌まりこむ。また、コネクタ用孔５４に、コネクタ取付部３３が略隙間無く嵌まりこむ。

以上のように、位置決め突起３１，３２、コネクタ取付部３３、差込孔５３及びコネクタ用孔５４を、半割ヨーク５０，５０の組み合わせを邪魔しない形状でそれぞれ形成したことで、本実施形態のコイルボビン３及びヨーク５は組立性が向上したものとなっている。

また、上述したような寸法および形状で各部位を形成することで、ヨーク５はコイルボビン３に軸方向及び径方向にずれ難い状態で取付可能となっている。

また、コイルボビン３にヨーク５を取り付けたものは、図３（ｃ）に示すように、コイルボビン３の中心軸から離れる方向（径方向及び幅方向）の最外部および軸方向の最外部にコイルボビン３の位置決め突起３０がそれぞれ位置する。

以上のように、最外部にコイルボビン３の位置決め突起３０が位置する、コイル４及びヨーク５を取り付けたコイルボビン３が、図１に示すように、構造体２内部に配置される。

この配置された状態で、コイルボビン３の位置決め突起３０の突出先端面３８は、構造体２の内周面２０にそれぞれ面接触する。なお、本実施形態においては、コイルボビン３のコネクタ取付部３３の突出先端面３９も構造体２の内周面２０に面接触しており、位置決め突起を兼ねている。つまり、コイルボビン３は、構造体２の内周面２０の周方向全周に亘って、所定の間隔をおきながら接触することで、構造体２内部での、径方向及び幅方向の位置が固定される。

また、コイルボビン３の位置決め突起３０の軸受接触部３０１の軸方向の外端面３０２は、２対の軸受７，７にそれぞれ接触する。つまり、コイルボビン３は、構造体２に固定された軸受７に接触することで、軸方向への移動が抑制され、構造体２内部での、軸方向の位置が固定される。

以上のようにして、コイルボビン３の構造体２内部での、径方向及び軸方向の位置が固定されることで、コイルボビン３の外周に巻き付けた円環状のコイル４の軸方向及び径方向の位置が固定されることとなる。

このとき、ヨーク５は、構造体２の内周面２０との間に隙間を有しており、構造体２の内周面２０に非接触な状態となっている。つまり、ヨーク５を介してコイルボビン３は構造体２に固定されていないので、ヨーク５の寸法誤差を原因とする円環状のコイル４の中心軸のずれの発生を抑制することができる。また、ヨーク５は、構造体２に非接触な状態であるので、構造体２の振動によって、変形したり温度が変化したりして磁気特性（コイル４の磁路強化と外部磁気の遮断）が変化することが抑制されたものとなっている。

上述したように、本実施形態の磁歪式トルクセンサは、加えられるトルクによって透磁率が変化する磁歪効果部１０を有するとともに筒状の構造体２内部に軸回転自在に取り付けられる回転軸１を有する。そしてさらに、回転軸１と同心に配置されるとともに磁歪効果部１０から径方向に離れて配置される円筒状のコイルボビン３と、コイルボビン３の外周に巻かれて透磁率を検出するコイル４とを有する。そしてさらに、コイル４が巻かれたコイルボビン３の外周に取り付けられるヨーク５を有する。そして、コイルボビン３に、構造体２に接触して構造体２内部でのコイルボビン３の位置を保持する位置決め突起３０を形成し、ヨーク５と構造体２を非接触に設けたものである。

このような構成とすることで、本実施形態の磁歪式トルクセンサは、コイルボビン３に形成した位置決め突起３０を構造体２に接触させて、コイル４を外周に巻いたコイルボビン３の構造体２内部での位置を保持することができる。そして、このコイルボビン３の外周に取り付けたヨーク５を構造体２に対して非接触とすることができる。

そのため、ヨーク５を介して、コイルボビン３を構造体２内部に固定させなくてもよいので、ヨーク５の寸法誤差に起因するコイルボビン３の外周に巻きつけたコイル４の中心軸のずれを抑制することができる。

また、ヨーク５が構造体２に接触しないので、構造体２の振動によって、ヨーク５が変形したりヨーク５の温度が変化したりすることを抑制できる。そのため、それを起因とするヨーク５の磁気特性（外部磁気を遮断することやコイル４の磁路を強化すること）の低下を抑制することができる。

以上から、本実施形態の磁歪式トルクセンサは、図４等の従来例と比べると、回転軸１とコイルボビン３に巻かれたコイル４の中心軸のずれを抑制するとともにヨーク５の磁気特性の変化を抑えることができるので、トルク検出精度を向上させたものとなっている。

また、本実施形態の磁歪式トルクセンサにおいては、コイルボビン３は、軸方向の両端部に位置決め突起３０を形成したものである。

このような構成とすることで、本実施形態の磁歪式トルクセンサは、コイルボビン３の軸方向の両端部に形成した位置決め突起３０で、コイルボビン３の構造体２内部での位置を保持することができる。そのため、コイルボビン３の中心軸がコイルボビン３の軸方向の両端部に亘ってずれることを抑制することができるので、このコイルボビン３の外周に巻かれたコイル４の中心軸と、回転軸１の中心軸のずれをさらに抑制することができる。

また、本実施形態の磁歪式トルクセンサにおいては、位置決め突起３０は、コイルボビン３の所定の直径６を基準として、軸方向から視たときに、直径６と直交する方向に突出する位置決め突起３１と、直径６と同一直線上に突出する位置決め突起３２と、からなるものである。

このような構成とすることで、ヨーク５の位置決め突起３１，３２に対応した箇所に差込孔５３を設ければ、コイルボビン３の所定の直径６と同一直線上で円筒状のものを半分に割った２つの半割ヨーク５０，５０からヨーク５を構成することができる。そのため、この２つ半割ヨーク５０，５０をコイルボビン３の所定の直径６と直交する方向から組み合わせるだけで、コイルボビン３の外周全周に亘ってヨーク５を取り付けることができる。よって、本実施形態の磁歪式トルクセンサは、組立性のよいものとなる。

ここで、この位置決め突起３１に対応する差込孔５３は、コイルボビン３の所定の直径６と直交する方向から視て、位置決め突起３１と略同じ形状に形成することができる。また、位置決め突起３２に対応する差込孔５３は、コイルボビン３の所定の直径６と同一線上の方向から視て、位置決め突起３２と略同じ形状に形成することができる。そのため、２つの半割ヨーク５０，５０を組み合わせた際に、位置決め突起３１，３２と差込孔５３との間にほとんど隙間ができないようにできるので、コイル４の磁路強化や外部磁気の遮断を効率良く行うことができる。

また、本実施形態の磁歪式トルクセンサにおいては、回転軸１は構造体２内部に固定された軸受７を介して構造体２内部に軸回転自在に取り付けられ、コイルボビン３の位置決め突起３２は軸方向に延びて軸受７に接触する軸受接触部３０１を有するものである。

このような構成とすることで、本実施形態の磁歪式トルクセンサは、コイルボビン３の位置決め突起３２の軸方向に延びる軸受接触部３０１を、構造体２内部に固定された軸受７に接触させることができる。そのため、コイルボビン３の構造体２内部での軸方向の位置決めが容易となって、本実施形態の磁歪式トルクセンサは、安定してトルク検出を行うことができ、トルク検出精度を向上させたものとなっている。

なお、本実施形態においては、位置決め突起３０の突出先端面３８を、突出した部分の端部突起３６の外周面と平行になるようにそれぞれ形成したことで、コイルボビン３を、構造体２の円筒状の内周面２０内にスムーズに配置することができる。

（変更例）
上述した本実施形態においては、各位置決め突起３０は、径方向に略同じ間隔となるようにそれぞれ設けたが、周方向に略同じ間隔となるようにそれぞれ設けても構わない。また、両端部突起３６に同じ配置となるように各位置決め突起３０をそれぞれ設けたが、両端部突起３６で違う配置となるように各位置決め突起３０を設けてもよい。また、位置決め突起３２の数は、上記実施形態に限定されない。

また、上述した本実施形態においては、コイルボビン３のコネクタ取付部３３が構造体２の内周面２０に接触するようにしていたが、コネクタ取付部３３は構造体２の内周面２０に接触しないようにしても構わない。

また、本実施形態においては、位置決め突起３０が、直径６と直交する方向に突出する位置決め突起３１と、直径６と同一直線上に突出する位置決め突起３２とから構成されているが、そのうち、一方だけであっても構わない。

また、磁歪効果部１０の軸方向の長さは上述した長さに限定されず、回転軸１の表面全体に亘って設けてあっても構わない。

以上、本発明を添付図面に示す実施形態に基づいて説明したが、本発明は上記の各実施形態に限定されるものではなく、本発明の意図する範囲内であれば、適宜の設計変更が可能である。

１ 回転軸
１０ 磁歪効果部
２ 構造体
３ コイルボビン
３０ 位置決め突起
３０１ 軸受接触部
４ コイル
５ ヨーク
６ 直径
７ 軸受

Claims (3)

1. 加えられるトルクによって透磁率が変化する磁歪効果部を有するとともに筒状の構造体内部に軸回転自在に取り付けられる回転軸と、前記回転軸と同心に配置されるとともに前記磁歪効果部から径方向に離れて配置される円筒状のコイルボビンと、前記コイルボビンの外周に巻かれて前記透磁率を検出するコイルと、前記コイルが巻かれた前記コイルボビンの外周に取り付けられるヨークと、からなる磁歪式トルクセンサにおいて、
   前記コイルボビンに、前記構造体に接触して前記構造体内部での前記コイルボビンの位置を保持する位置決め突起を形成し、前記ヨークと前記構造体を非接触に設け、
   前記回転軸は、前記構造体内部に固定された軸受を介して前記構造体内部に軸回転自在に取り付けられ、
   前記位置決め突起は、軸方向に延びて前記軸受に接触する軸受接触部を有することを特徴とする磁歪式トルクセンサ。
2. 前記コイルボビンは、軸方向の両端部に前記位置決め突起を形成していることを特徴とする請求項１に記載の磁歪式トルクセンサ。
3. 前記位置決め突起は、前記コイルボビンの所定の直径を基準として、軸方向から視たときに、前記直径と直交する方向に突出するものと、前記直径と同一直線上に突出するものの、両方又は一方であることを特徴とする請求項１または２に記載の磁歪式トルクセンサ。

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