JP6376028B2

JP6376028B2 - トルクセンサ

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Publication number: JP6376028B2
Application number: JP2015082247A
Authority: JP
Inventors: 晃之中村
Original assignee: Hitachi Metals Ltd
Current assignee: Hitachi Metals Ltd
Priority date: 2015-04-14
Filing date: 2015-04-14
Publication date: 2018-08-22
Anticipated expiration: 2035-04-14
Also published as: US9714877B2; CN106052918B; US20160305833A1; JP2016200552A; CN106052918A

Description

本発明は、磁歪式のトルクセンサに関する。

従来、磁歪式のトルクセンサが知られている。磁歪式のトルクセンサでは、応力が付与された際に透磁率が変化する磁歪特性を有する回転軸を用い、トルクが付与された際の回転軸の透磁率の変化を検出コイルのインダクタンスの変化として検出することにより、回転軸に付与されたトルク（回転トルク）を検出するように構成されている。

回転軸にトルクが付与されると、軸方向に対して＋４５度傾斜した方向に圧縮（または引張）の応力が作用し、軸方向に対して−４５度傾斜した方向に引張（または圧縮）の応力が作用する。よって、軸方向に対して＋４５および−４５度度傾斜した方向の透磁率の変化を２つの検出コイルでそれぞれ検出するように構成し、かつ、ブリッジ回路等を用いて両検出コイルの両端電圧の差分を測定するように構成することで、回転軸に付与されたトルクを感度よく検出することが可能になる。

従来の磁歪式のトルクセンサとして、特許文献１がある。

特許文献１では、フレキシブル基板に形成した配線パターンにより、回転軸の軸方向に対して＋４５度および−４５度傾斜した辺を有する検出コイルを形成し、当該フレキシブル基板を磁性体リングの内周面に装着した基板コイル型のトルクセンサが提案されている。

特許第４８８８０１５号公報

ところで、磁歪式のトルクセンサでは、ホールＩＣ等を用いた他方式のトルクセンサと比較して、大きなトルクを検出することが可能であるという特徴がある。本発明者らは、このような磁歪式のトルクセンサの特徴を活かし、パワートレイン系のトルクの検出や、エンジンのシャフトトルクの検出にトルクセンサを用いることを考えた。

しかしながら、上述のような用途では、トルクセンサが潤滑油等の油に浸されたり、トルクセンサに油がかかったりする場合が考えられる。このような場合、トルクセンサには、耐油性が要求されることになる。

特許文献１のトルクセンサでは、フレキシブル基板を用いているため、このフレキシブル基板に用いるフィルム状の樹脂の耐油性が問題となり、信頼性の観点から改善の余地があった。

そこで、本発明は、耐油性に優れたトルクセンサを提供することを目的とする。

本発明は、上記課題を解決することを目的として、磁歪特性を有する回転軸の周囲に取り付けられ、前記回転軸に付与されたトルクを測定するトルクセンサであって、前記回転軸と離間して同軸に設けられ、中空円筒状に形成されると共に、その外周面に軸方向に対して所定角度傾斜した複数の第１傾斜溝と、軸方向に対して前記第１傾斜溝と反対方向に前記所定角度傾斜した複数の第２傾斜溝とが形成された樹脂からなるボビンと、前記第１傾斜溝に沿って絶縁電線を前記ボビンに巻き付けて構成される第１検出コイルと、前記第２傾斜溝に沿って絶縁電線を前記ボビンに巻き付けて構成される第２検出コイルと、前記第１検出コイルと前記第２検出コイルのインダクタンスの変化を検出することにより、前記回転軸に付与されたトルクを測定する測定部と、を備えた、トルクセンサを提供する。

本発明によれば、耐油性に優れたトルクセンサを提供できる。

本発明の一実施の形態に係るトルクセンサを示す図であり、（ａ）は分解斜視図、（ｂ）は回転軸に取り付けた際の断面図である。ボビンの斜視図である。（ａ）は第１検出コイルにおける絶縁電線の巻き方を説明する図であり、（ｂ）は第２検出コイルにおける絶縁電線の巻き方を説明する図である。測定部の概略構成図である。

［実施の形態］
以下、本発明の実施の形態を添付図面にしたがって説明する。

（トルクセンサの全体構成）
図１は、本実施の形態に係るトルクセンサを示す図であり、（ａ）は分解斜視図、（ｂ）は回転軸に取り付けた際の断面図である。

図１（ａ），（ｂ）に示すように、トルクセンサ１は、磁歪特性を有する回転軸２の周囲に取り付けられ、回転軸２に付与されたトルク（回転トルク）を測定するものである。

トルクセンサ１は、樹脂からなるボビン３と、ボビン３に絶縁電線６を巻き付けて構成される検出コイル４，５と、磁性体リング７と、固定リング８と、を備えている。

回転軸２は、磁歪特性を有する材料から構成され、円柱状（棒状）に形成されている。磁歪特性を有する材料としては、例えば、ニッケル、鉄−アルミニウム合金、鉄−コバルト合金等が挙げられる。なお、回転軸２に用いる材料としては、圧縮時に透磁率が低下し引張時に透磁率が増加する正磁歪材料、圧縮時に透磁率が増加し引張時に透磁率が低下する負磁歪材料のどちらを用いても構わない。回転軸２は、例えば、パワートレイン系のトルク伝達に用いられるシャフト、あるいは車両のエンジンのトルク伝達に用いられるシャフトである。

磁性体リング７は、磁性体（強磁性体）からなり、中空円筒状に形成されている。磁性体リング７の中空部には検出コイル４，５を設けたボビン３が挿入され、磁性体リング７は、ボビン３の外周面を覆うように配置される。磁性体リング７の内径は、ボビン３の外径と略同じに（ボビン３の外径よりも若干大きく）形成される。磁性体リング７は、検出コイル４，５で生じた磁束が外部に漏れて感度が低下することを抑制する役割を果たす。

固定リング８は、ボビン３を磁性体リング７に固定するためのものであり、ボビン３の中空部に挿入される中空円筒状の円筒部８ａと、円筒部８ａの一端部に一体に設けられた円環状の第１フランジ部８ｂと、円筒部８ａの他端部が挿入され嵌合される挿入穴８ｄを有する円環状の第２フランジ部８ｃと、を備えている。

磁性体リング７の中空部にボビン３を挿入した後、ボビン３の中空部に固定リング８の円筒部８ａを通し、円筒部８ａの先端部（他端部）を挿入穴８ｄに挿し込んで第２フランジ部８ｃに嵌合することで、両フランジ部８ｂ，８ｃにより磁性体リング７とボビン３とが挟み込まれると共に、円筒部８ａの外周面と磁性体リング７の内周面との間にボビン３が挟み込まれ、ボビン３が磁性体リング７に固定される。

円筒部８ａの外径は、ボビン３の内径と略同じに（ボビン３の内径よりも若干小さく）形成される。また、フランジ部８ｂ，８ｃの外径は、磁性体リング７の外径と略同じに形成される。

トルクセンサ１では、回転軸２は、円筒部８ａの中空部に挿通される。円筒部８ａの内径は、回転軸２の外径よりも若干大きく形成されている。トルクセンサ１では、円筒部８ａの内壁と回転軸２との間には隙間９が形成され、トルクセンサ１が回転軸２に接触しないように構成されている。トルクセンサ１は、ハウジング等の固定部材に固定され、回転軸２の回転に伴って回転しないようにされる。

本実施の形態では、ボビン３（検出コイル４，５）と回転軸２との間に固定リング８が設けられることになるので、固定リング８は、検出コイル４，５で生じた磁束に影響を与えない樹脂からなるものを用いる必要がある。また、トルクセンサ１を潤滑油等の油が接触する環境で使用する場合、固定リング８として、耐油性を有する材料からなるものを用いる必要がある。さらに、トルクセンサ１を高温環境で使用する場合には、固定リング８として、耐熱性を有する材料からなるものを用いることが望ましい。ここでは、後述するボビン３と同じ材料からなる固定リング８を用いた。

なお、ここでは固定リング８を用いてボビン３を磁性体リング７に固定する場合を説明したが、ボビン３と磁性体リング７とを固定する構造はこれに限定されず、例えば、ボビン３と磁性体リング７をモールド樹脂で覆うことで両者を固定しても構わない。

（ボビン３と検出コイル４，５の構成）
図１及び図２に示すように、ボビン３は、樹脂からなり、全体として中空円筒状に形成されている。ボビン３は、回転軸２に対して離間して設けられ、かつ、回転軸２と同軸に設けられる。

ボビン３の外周面には、回転軸２の軸方向に対して所定角度傾斜した複数の第１傾斜溝１０と、軸方向に対して第１傾斜溝１０と反対方向に所定角度（第１傾斜溝１０と同じ角度）傾斜した複数の第２傾斜溝１１と、が形成されている。

ここでは、軸方向に対して＋４５度傾斜するように第１傾斜溝１０を形成すると共に、第２傾斜溝は、前記軸方向に対して−４５度傾斜するように第２傾斜溝１１を形成している（図３参照）。トルクセンサ１では、傾斜溝１０，１１に沿って絶縁電線６を巻き付けて検出コイル４，５を形成するが、回転軸２にトルクが付与された際の透磁率の変化は軸方向に対して±４５度の方向で最も大きくなるので、傾斜溝１０，１１を軸方向に対して±４５度傾斜するように傾斜することで、検出感度を向上できる。

なお、傾斜溝１０，１１の傾斜角度は±４５度に限定されない。ただし、傾斜溝１０，１１の傾斜角度が小さすぎたり大きすぎたりすると感度が低下するため、傾斜溝１０，１１の傾斜角度は±３０〜６０度の範囲とすることが望ましい。

本実施の形態では、８つの第１傾斜溝１０を周方向に等間隔に形成すると共に、８つの第２傾斜溝１１を周方向に等間隔に形成しており、全体として網目状の溝をボビン３の外周面に形成している。なお、傾斜溝１０，１１の数はこれに限定されず、ボビン３の外径（回転軸２の外径）等に応じて適宜変更可能である。

ボビン３の軸方向の両端部で、かつ第１傾斜溝１０と第２傾斜溝１１の間には、絶縁電線６を巻き付ける際に絶縁電線６が脱落しないように係止する係止壁１２が設けられている。係止壁１２は、第１傾斜溝１０と第２傾斜溝１１の間の肉厚部分における厚さ方向の中央部に、側方（軸方向における外方）に開口する切欠き１３を設けることで形成される。切欠き１３は、第１傾斜溝１０と第２傾斜溝１１とを連結するように周方向に沿って形成される。係止壁１２の角部１２ａは、絶縁電線１２の巻き付け作業が容易となるように面取り加工される。

本実施の形態では、検出コイル４，５をボビン３の外周面に形成しているため、ボビン３は、検出コイル４，５で生じた磁束に影響を与えない樹脂からなるものを用いる必要がある。また、トルクセンサ１を潤滑油等の油が接触する環境で使用する場合、ボビン３として、耐油性を有する材料からなるものを用いる必要がある。さらに、トルクセンサ１を高温環境で使用する場合には、ボビン３として、耐熱性を有する材料からなるものを用いることが望ましい。

さらにまた、ボビン３の熱による変形により絶縁電線６が断線しないように、ボビン３として、銅（絶縁電線６）と同等の線膨張係数を有するものを用いることが望ましい。より具体的には、ボビン３に用いる樹脂としては、線膨張係数が、銅の線膨張係数の±２５％以内のものを用いることが望ましい。なお、銅の線膨張係数は１．６６×１０^−５〜１．６８×１０^−５／℃であるから、ボビン３に用いる樹脂としては、線膨張係数が１．２５×１０^−５／℃以上２．１×１０^−５／℃以下のものを用いることが望ましい。

このような条件を満たす樹脂としては、例えば、ポリフタルアミド樹脂（ＰＰＡ）、ポリエーテルエーテルケトン樹脂（ＰＥＥＫ）、ポリフェニレンサルファイド樹脂（ＰＰＳ）等が挙げられる。このうちＰＰＡ及びＰＰＳの線膨張係数は１．３×１０^−５〜１．５×１０^−５／℃である。ボビン３を構成する樹脂にガラス繊維を混入することで、線膨張係数を調整することも可能である。このような樹脂からなるボビン３を用いることで、耐油性、耐熱性、および信頼性の高いトルクセンサ１を実現できる。

第１検出コイル４は、第１傾斜溝１０に沿って絶縁電線６をボビン３に巻き付けて構成される。

図３（ａ）に示すように、本実施の形態では、第１検出コイル４を形成する際に、最初の第１傾斜溝１０に絶縁電線６を沿わせた後、切欠き１３を通して絶縁電線６を隣の（図示左隣の）第１傾斜溝１０に移動させることを繰り返し、絶縁電線６がボビン３の外周を１周して最初の第１傾斜溝１０に到達するまで略クランク状に（ジグザグに）配線する（図示実線）。その後、再び最初の第１傾斜溝１０に絶縁電線６を沿わせた後、これまでの配線方向と逆周りに切欠き１３を通して絶縁電線６を隣の（図示右隣の）第１傾斜溝１０に移動させることを繰り返し、最初の第１傾斜溝１０まで戻る（図示破線）。以上により、１ターン分の配線が完了する。

同様の配線を複数ターン（例えば７ターン）繰り返すことで、第１検出コイル４が形成される。なお、図３（ａ）は、ボビン３を展開して平面で示したものであり、図示右側の端部と図示左側の端部は連結されている。

絶縁電線６をボビン３に巻き付ける際には、ボビン３を治具に固定して作業を行う。このとき、絶縁電線６の張力によりボビン３が回転してしまわないように、ボビン３の軸方向における端部が治具に係止される。

第２検出コイル５は、第２傾斜溝１１に沿って絶縁電線６をボビン３に巻き付けて構成される。

図３（ｂ）に示すように、本実施の形態では、第２検出コイル５を形成する際に、最初の第２傾斜溝１１に絶縁電線６を沿わせた後、切欠き１３を通して絶縁電線６を隣の（図示右隣の）第２傾斜溝１１に移動させることを繰り返し、絶縁電線６がボビン３の外周を１周して最初の第２傾斜溝１１に到達するまで略クランク状に（ジグザグに）配線する（図示実線）。その後、再び最初の第２傾斜溝１１に絶縁電線６を沿わせた後、これまでの配線方向と逆周りに切欠き１３を通して絶縁電線６を隣の（図示左隣の）第２傾斜溝１１に移動させることを繰り返し、最初の第２傾斜溝１１まで戻る（図示破線）。以上により、１ターン分の配線が完了する。

同様の配線を複数ターン（例えば７ターン）繰り返すことで、第２検出コイル５が形成される。なお、図３（ｂ）は、ボビン３を展開して平面で示したものであり、図示右側の端部と図示左側の端部は連結されている。

なお、絶縁電線６の巻き付け方は図示の方法に限らず、例えば、隣り合う２つの第１傾斜溝１０（または第２傾斜溝１１）に繰り返し絶縁電線を巻き付けることを繰り返して第１検出コイル４（または第２検出コイル５）を形成してもよい。なお、絶縁電線６の巻き付けは専用の巻き付け装置によりなされるのが通常であるが、この際の絶縁電線６の巻き付け易さを考慮すると、図３（ａ），（ｂ）で説明した方法を用いることがより望ましいといえる。すなわち、図３（ａ），（ｂ）で説明した方法で絶縁電線６を巻き付けることで、生産性を向上することが可能になる。

検出コイル４，５に用いる絶縁電線６としては、銅または銅にニッケル等のめっきを施した導体の外周に、耐油性、耐熱性に優れた絶縁層を形成したものを用いるとよい。絶縁電線６の絶縁層としては、例えば、ポリエステル、ポリイミド、ポリアミドイミドからなるものを用いることができる。また、ここでは、絶縁電線６として外径０．１２ｍｍのものを用いたが、絶縁電線６の外径は適宜変更可能である。

本実施の形態では、第１検出コイル４を２層、第２検出コイル５を２層形成し、合計４つの検出コイル４，５を形成した。検出コイル４，５の積層順序は特に限定するものではないが、ここでは、ボビン３の内側から順に、第１検出コイル４（第１層という）、第２検出コイル５（第２層という）、第２検出コイル５（第３層という）、第１検出コイル４（第４層という）を形成した。各層の検出コイル４，５は、使用する絶縁電線６の長さが同じ長さとされ、抵抗値が同じとなるように構成される。

（測定部の構成）
図４に示すように、トルクセンサ１は、第１検出コイル４と第２検出コイル５のインダクタンスの変化を検出することにより、回転軸２に付与されたトルクを測定する測定部４１を備えている。

以下、第１層（第１検出コイル４）のインダクタンスをＬ１、第２層（第２検出コイル５）のインダクタンスをＬ２、第３層（第２検出コイル５）のインダクタンスをＬ３、第４層（第１検出コイル４）のインダクタンスをＬ４とする。

測定部４１は、第１層、第３層、第４層、第２層の検出コイル４，５を順次環状に接続して構成されるブリッジ回路４２と、第１層と第２層の検出コイル４，５間の接点ａと第３層と第４層の検出コイル４，５間の接点ｂとの間に交流電圧を印加する発信器４３と、第１層と第３層の検出コイル４，５巻の接点ｃと第４層と第２層の検出コイル４，５間の接点ｄ間の電圧を検出する電圧測定回路４４と、電圧測定回路４４で測定した電圧を基に回転軸２に付与されたトルクを演算するトルク演算部４５と、を備えている。

測定部４１では、回転軸２にトルクが付与されない状態では、各層の検出コイル４，５のインダクタンスＬ１〜Ｌ４は等しくなり、電圧測定回路４４で検出される電圧は略０となる。

ここで、回転軸２にトルクが付与されると、軸方向に対して＋４５度の方向の透磁率が減少（または増加）し、軸方向に対して−４５度方向の透磁率が増加（または減少）する。よって、発信器４３から交流電圧を印加した状態で回転軸２にトルクが付与されると、第１，４層の第１検出コイル４ではインダクタンスが減少（または増加）し、第２，３層の第２検出コイル５ではインダクタンスが増加（または減少）する。その結果、電圧測定回路４４で検出される電圧が変化するので、この電圧の変化を基に、トルク演算部４５が回転軸２に付与されたトルクを演算する。

各層の検出コイル４，５は巻き付け方向が異なる以外は全く同じ構成であるから、図４のようなブリッジ回路４２を用いることで、温度による各検出コイル４，５のインダクタンスへの影響をキャンセルすることが可能であり、精度よく回転軸２に付与されたトルクを検出することができる。また、トルクセンサ１では、第１検出コイル４でインダクタンスが増加（または低下）すれば、必ず第２検出コイル５ではインダクタンスが低下（または増加）するため、図４のようなブリッジ回路４２を用いることで、検出感度をより向上することができる。

（実施の形態の作用及び効果）
以上説明したように、本実施の形態に係るトルクセンサ１では、ボビン３に絶縁電線６を巻き付けることで検出コイル４，５を形成している。

検出コイル４，５をボビン３に絶縁電線６を巻き付ける構成とすることにより、従来のフレキシブル基板を用いた基板コイル式のトルクセンサと比較して、耐油性に優れ信頼性の高いトルクセンサ１を実現できる。

トルクセンサ１は、特に潤滑油等の油が付着する環境下での使用に好適であり、例えば、パワートレイン系のトルク検出、エンジンのシャフトトルクの検出等に好適に用いることができる。

なお、回転軸２に磁性の部分と非磁性の部分を交互に、かつ軸方向に対して傾斜して配置し、回転軸２と同軸に配置した検出コイルにより回転軸に付与されたトルクを検出するトルクセンサも知られているが、このような構造のトルクセンサでは、回転軸２を加工したり回転軸２の周囲にシート状の部材を貼付したりする必要がある。本実施の形態に係るトルクセンサ１では、回転軸２に加工を行う必要がないため、信頼性が高い。

（実施の形態のまとめ）
次に、以上説明した実施の形態から把握される技術思想について、実施の形態における符号等を援用して記載する。ただし、以下の記載における各符号等は、特許請求の範囲における構成要素を実施の形態に具体的に示した部材等に限定するものではない。

［１］磁歪特性を有する回転軸（２）の周囲に取り付けられ、前記回転軸（２）に付与されたトルクを測定するトルクセンサ（１）であって、前記回転軸（２）と離間して同軸に設けられ、中空円筒状に形成されると共に、その外周面に軸方向に対して所定角度傾斜した複数の第１傾斜溝（１０）と、軸方向に対して前記第１傾斜溝（１０）と反対方向に前記所定角度傾斜した複数の第２傾斜溝（１１）とが形成された樹脂からなるボビン（３）と、前記第１傾斜溝（１０）に沿って絶縁電線（６）を前記ボビン（３）に巻き付けて構成される第１検出コイル（４）と、前記第２傾斜溝（１１）に沿って絶縁電線（６）を前記ボビン（３）に巻き付けて構成される第２検出コイル（５）と、前記第１検出コイル（４）と前記第２検出コイル（５）のインダクタンスの変化を検出することにより、前記回転軸（２）に付与されたトルクを測定する測定部（４１）と、を備えた、トルクセンサ（１）。

［２］前記第１傾斜溝（１０）は、前記軸方向に対して＋４５度傾斜するように形成され、前記第２傾斜溝（１１）は、前記軸方向に対して−４５度傾斜するように形成される、［１］に記載のトルクセンサ（１）。

［３］前記ボビン（３）の周囲に設けられた中空円筒状の磁性体からなる磁性体リング（７）をさらに備えた、［１］又は［２］に記載のトルクセンサ（１）。

［４］前記ボビン（３）は、ポリフタルアミド樹脂、ポリエーテルエーテルケトン樹脂、又はポリフェニレンサルファイド樹脂からなる、［１］乃至［３］の何れかに記載のトルクセンサ（１）。

以上、本発明の実施の形態を説明したが、上記に記載した実施の形態は特許請求の範囲に係る発明を限定するものではない。また、実施の形態の中で説明した特徴の組合せの全てが発明の課題を解決するための手段に必須であるとは限らない点に留意すべきである。

本発明は、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変形して実施することが可能である。例えば、上記実施の形態では、ブリッジ回路４２を用いた測定部４１について説明したが、測定部４１の構成はこれに限定されるものではない。

また、上記実施の形態では、第１検出コイル４と第２検出コイル５をそれぞれ２つ形成する場合について説明したが、検出コイル４，５の数はこれに限定されず、１つあるいは３つ以上であってもよい。

１…トルクセンサ
２…回転軸
３…ボビン
４…第１検出コイル
５…第２検出コイル
６…絶縁電線
７…磁性体リング
８…固定リング
１０…第１傾斜溝
１１…第２傾斜溝
４１…測定部

Claims

磁歪特性を有する回転軸の周囲に取り付けられ、前記回転軸に付与されたトルクを測定するトルクセンサであって、
前記回転軸と離間して同軸に設けられ、中空円筒状に形成されると共に、その外周面に軸方向に対して所定角度傾斜した複数の第１傾斜溝と、軸方向に対して前記第１傾斜溝と反対方向に前記所定角度傾斜した複数の第２傾斜溝とが形成された樹脂からなるボビンと、
前記第１傾斜溝に沿って絶縁電線を前記ボビンに巻き付けて構成される第１検出コイルと、
前記第２傾斜溝に沿って絶縁電線を前記ボビンに巻き付けて構成される第２検出コイルと、
前記第１検出コイルと前記第２検出コイルのインダクタンスの変化を検出することにより、前記回転軸に付与されたトルクを測定する測定部と、を備えた、
トルクセンサ。
前記第１傾斜溝は、前記軸方向に対して＋４５度傾斜するように形成され、
前記第２傾斜溝は、前記軸方向に対して−４５度傾斜するように形成される、
請求項１に記載のトルクセンサ。
前記ボビンの周囲に設けられた中空円筒状の磁性体からなる磁性体リングをさらに備えた、
請求項１又は２に記載のトルクセンサ。
前記ボビンは、ポリフタルアミド樹脂、ポリエーテルエーテルケトン樹脂、又はポリフェニレンサルファイド樹脂からなる、
請求項１乃至３の何れか１項に記載のトルクセンサ。