JP6483778B1 - 磁歪式トルク検出センサ - Google Patents

Abstract

【課題】被検出体に形成される磁路がその軸心に対して所定角度となるように絶縁筒体に組み付けられた複数のコアとの間に形成される磁路を各々増やすことでトルク検出感度を向上させた磁歪式トルク検出センサを提供する。【解決手段】被検出体の外周を覆って同心状に組み付けられる絶縁筒体３α、３βと、前記絶縁筒体の周面に設けられた溝３ａに沿って巻き付けられた複数の検出コイル４と、両側脚部を連結する架橋部に囲まれたコ字状空間部を前記検出コイルが通過するように前記絶縁筒体に組み付けられる複数のコア５と、を具備し、複数のコアは被検出体の軸心に対して所定角度で傾斜して配列され、両側脚部の端面５ｅが絶縁筒体の内周面より被検出体に臨むように組み付けられている。【選択図】図３

Description

本発明は、磁歪式トルク検出センサに関する。

回転軸等の被検出に作用するトルクを非接触で検出する方法として、磁歪式のトルク検出装置がある。トルク検出装置は、一対のコイルが被検出体の周りに非接触で巻回され、これらの内外周を囲む一対のクローポール型のコアが被検出体に接触することなく同心状に設けられている。各コアは筒部の両端に内周側に極歯が設けられた一対のリング部が極歯どうしが噛み合い配置となって被検出体と対向するように組み付けられる。各コアは被検出体と共に磁路を形成し、被検出体の軸線に直交する線分に対して対称に配置されている。各コイルへの通電により発生する磁束はコア及び被検出体による磁路が形成される。

対象体Ｓにトルクが作用した場合について説明する。被検出体に作用するトルクの方向に応じて、被検出体の軸線方向に対して＋４５°の方向に圧縮応力が作用し−４５°の方向に引張応力が作用し、又は＋４５°の方向に引張応力が作用し−４５°の方向に圧縮応力が作用する。被検出体には磁束が軸線に対して傾斜した方向に通過するので、上記被検出体に作用する引張応力若しくは圧縮応力の方向に沿うように磁束が通過する。被検出体の比透磁率が変化することにより、一対のコイルのインダクタンスが変化する。この一対のコイルのインダクタンスの変化をトルクに換算することにより、被検出体に作用するトルクを検出するようになっている。また、図４に示すようにクローポール型の上下に噛み合う歯１０１と歯１０２との間隔をＣ１、C２と異ならせることにより、対象体Ｓを通過する磁束の方向を所望の方向にすることができるとしている。（特許文献１：特許第５６８３００１号公報参照）。

特許第５６８３００１号公報

しかしながら、上述した特許文献１の検出装置においては、僅かではあるものの所望の方向の磁束とは異なる方向の磁束も形成されてしまいこのため磁束が互いに打ち消し合って、検出感度が低下するおそれがあった。
また、所望の方向の磁束自体をより増やすことで、検出感度をより向上させたいという要求もあった。

本発明はこれらの課題を解決すべくなされたものであり、その目的とするところは、被検出体に形成される磁路がその軸心に対して所定角度となるように絶縁筒体に組み付けられた複数のコアとの間に形成される磁路を各々増やすことでトルク検出感度を向上させた磁歪式トルク検出センサを提供することにある。

本発明は上記目的を達成するため、次の構成を備える。
被検出体の外周を覆って同心状に組み付けられる絶縁筒体と、前記絶縁筒体の周面に設けられた溝に沿って巻き付けられた複数の検出コイルと、両側脚部を連結する架橋部に囲まれたコ字状空間部を前記検出コイルが通過するように前記絶縁筒体に組み付けられる複数のコアと、を具備し、前記複数のコアは前記被検出体の軸心に対して所定角度で傾斜して配列され、前記両側脚部の端面が前記絶縁筒体の内周面より前記被検出体に臨むように組み付けられていることを特徴とする。

上記磁歪式トルク検出センサによれば、複数のコアが被検出体の軸心方向に対して所定角度で傾斜して配列され、両側脚部の端面が絶縁筒体の内周面より被検出体に臨むように組み付けられている。また、コ字状に形成されたコアは被検出体の軸心に対して所定角度で傾斜して配列することで、一方の脚部（端面）−被検出体−他方の脚部（端面）−架橋部を通る独立した磁路が形成される。コアが無い場合に比べ、より磁束を集中させることが可能であり、磁路が上記のルートにほぼ限定することができる。トルクの検出に有効な磁束の絶対量を増やすことができるので、被検出体に作用するトルクの検出感度が向上する。特に、コ字状に形成されるコアは複数段に積層することが可能であるので、目的とする方向の磁束量を更に大きく確保することができる。また、所望ではない磁路である一方の脚部から同一側の隣り合う脚部を通る磁路は、複数のコアに同一のコイルが通っていることでコイルの周りに同一の磁界が発生するため同極となり、そのためこの所望ではない磁路は形成されることはない。更に前述のようにコアに磁束を集中されることで隣り合うコア間同士を結ぶ磁路が形成されにくい構造となっている。よって、この構造は所望の磁路がより多く得られる構造となっている。このため、トルク検出感度の向上に更に寄与することができる。

前記複数のコアと前記被検出体に形成される磁路が当該被検出体の軸心に対して±４５°のいずれかの傾斜角度となるように前記複数のコアが前記絶縁筒体に組み付けられていることが望ましい。
これにより、被検出体の軸心に対してトルクが印加された場合＋４５°の方向に圧縮応力が作用し−４５°の方向に引張応力が作用する場合、又は＋４５°の方向に引張応力が作用し−４５°の方向に圧縮応力が作用する。その際、前記のように当該被検出体の軸心に対して±４５°のいずれかの傾斜角度となるように前記複数のコアが前記絶縁筒体に組み付けられていることで、被検出体に生じる透磁率の変化を検出コイルのインダクタンス変化量からトルクに換算して最大に検出することができる。

また、前記被検出体に形成される磁路が当該被検出体の軸心に対して＋４５°の傾斜角度で形成されるように前記複数のコアが組み付けられた第一の絶縁筒体と前記被検出体に形成される磁路が当該被検出体の軸心に対して−４５°の傾斜角度で形成されるように前記複数のコアが組み付けられた第二の絶縁筒体が軸方向に近接して配置されていてもよい。
これにより、被検出体に作用するいずれの回転方向のトルクの変化を高感度で検出することができる。

被検出体と、その軸心に対して所定角度となるように絶縁筒体に組み付けられた複数のコアとの間に形成される所望の方向の磁路の磁束量を増やすことができ、かつ望まない方向へ向かう磁束との打消し量を減らすことでトルク検出感度を向上させた磁歪式トルク検出センサを提供することができる。また、トルク検出感度が向上することでシャフト自体に加工が不要となり、コアが複数あるためシャフト表面の材質むら、回転中の偏心等による変動をコアの数で平均化することで安定してトルク検出を行うことができ、部品の品質精度や管理などにかかるコストを低減することができる。

磁歪式トルク検出センサの正面図及び斜視図である。 コアの形状を示す正面図及び斜視図である。 第一、第二の絶縁筒体の正面図、軸方向側面図及び矢印Ｙ−Ｙ方向断面図である。 従来の磁歪式のトルク検出装置のコアの説明図である。

以下、本発明に係る磁歪式トルク検出センサの一実施形態について、添付図面を参照しながら説明する。先ず、磁歪式トルク検出センサの概略構成について図１Ａ，Ｂを参照して説明する。

被検出体Ｓの一例としては、逆磁歪効果が大きい材料が好ましい。例えば、逆磁歪効果が高い材料として、パーメンジュール、Fe-Al（アルフェル）、Fe-Nix（パーマロイ）および球状黒鉛鋳鉄( JIS :FCD70 ) などがある。尚、逆磁歪効果とは、磁性体に外部から応力を加えると磁気特性が変化する現象である。また、被検出体Ｓには、必要に応じて磁性焼鈍を予め施しておくと、詳しくは後述するが被検出体Ｓに作用するトルクを好適に検出できる。また、非磁性材料であっても金属磁性材料を溶射等してコーティングしたり、磁性円筒を軸に圧入したりすることでトルク検出することが可能となる。尚、図１Ａ，Ｂに例示した被検出体Ｓは、円柱状であるがこれに限定されない。被検出体Ｓは、外形が円柱状であれば、内部の構造は問わない。例えば、内径が軸方向において一定である円筒状、または内径が軸方向に位置により異なっている円筒状であってもよい。また、被検出体Ｓは、回転することが予定されているものであってもよいし、予定されていないものであってもよい。

図１Ａ，Ｂに示すように、被検出体Ｓの外周を覆って一対の磁歪式トルク検出センサ１，２が同心状に組み付けられる。樹脂製の第一の絶縁筒体３α，第二の絶縁筒体３β（インシュレータ）が被検出体Ｓの外周を覆って同心状に各々組み付けられる。絶縁筒体３の周面には斜め方向に傾斜した溝３ａが複数箇所に穿設されている。この一対の溝３ａ内に検出コイル４が各々埋設され、第一、第二の絶縁筒体３α，３βの端部で溝３ａ間を渡って周回して巻き付けられている（図１Ｂ、図３Ｂ参照）。第一，第二の絶縁筒体３α，３βの周囲には複数の検出コイル４が隣り合う溝３ａ内を通過して周回して巻き付けられている。

第一，第二の絶縁筒体３α，３βに形成された溝３ａに沿って一定間隔でコ字状に形成された複数のコア５が組み付けられている。図１Ａ，Ｂに示すように、各コア５は、両側脚部５ａを連結する架橋部５ｂに囲まれたコ字状空間部５ｃを検出コイル４が通過するように絶縁筒体３に組み付けられる。
図３Ａに示すように、複数のコア５は被検出体Ｓの軸心Ｏに対して所定角度で傾斜して溝３ａに対して架橋部５ｂが検出コイル４と交差するよう両側脚部５ａを第一，第二の絶縁筒体３α，３βの径方向内側に向かって挿入して組み付けられている。図３Ｃに示すように、コア５の両側脚部５ａの脚部端面５ｅが絶縁筒体３の内周面より被検出体Ｓに臨むように露出形成されている。ここで、脚部端面５１ｅ１と５１ｅ２は、図３Aに示すコア５１の両側脚部５ａの端面であり、また脚部端面５２ｅ１と５２ｅ２は別のコア５２の両側脚部５ａの端面である。
なお、本実施例では脚部端面５ｅが被検出体Ｓに臨むように露出形成されているが必ずしも露出させる必要はなく、磁歪式トルク検出センサの利用用途などに応じて脚部端面５ｅを絶縁筒体３で覆っても良い。

また、図１Ａに示すように、各コア５は被検出体Ｓに形成される磁路が当該被検出体Ｓの軸心Ｏに対して±４５°のいずれかの傾斜角度となるように第一，第二の絶縁筒体３α，３βに組み付けられている。これにより、被検出体Ｓの軸心Ｏに対して＋４５°の方向に圧縮応力が作用し−４５°の方向に引張応力が作用する場合、又は＋４５°の方向に引張応力が作用し−４５°の方向に圧縮応力が作用する場合に、前述した逆磁歪効果により被検出体Ｓに生じる透磁率の変化を検出コイル４のインダクタンス変化量からトルクに換算して検出することができる。

本実施形態では、被検出体Ｓに形成される磁路（図１Ａ矢印）が当該被検出体Ｓの軸心Ｏに対して＋４５°の傾斜角度で形成されるように複数のコア５が組み付けられた第一の絶縁筒体３α（図１Ａ左側）と、被検出体Ｓに形成される磁路（図１Ａ矢印）が当該被検出体Ｓの軸心Ｏに対して−４５°の傾斜角度で形成されるように複数のコア５が組み付けられた第二の絶縁筒体３β（図１Ａ右側）が軸方向に近接して配置されている。
これにより、被検出体Ｓに作用するいずれの回転方向のトルクの変化を高感度で検出することができる。

コア５は、図２Ａ，Ｂに示すように、磁性板材をコ字状に折り曲げ形成されたものが好適に用いられる。磁性板材としては、軟磁性材であることが好ましく、比較的透磁率が高いケイ素鋼板や純鉄などが用いられる。コア5は、磁性ナノワイヤであっても良い。例えば、アモルファス合金（金属ガラス）のナノワイヤがあり、このワイヤを束ねたファイバーを用いることもできる。また、コア５は、フェライトで構成することもできる。コア５は、両側脚部５ａとこれらを連結する架橋部５ｂを有し、これらに囲まれたコ字状空間部５ｃを検出コイル４が通過するように第一，第二の絶縁筒体３α，３βに組み付けられる。また、コア５は図２Ａ，Ｂに示すように１枚板であってもよいが、図２Ｃ，Ｄに示すように大きさが異なる（相似形の）コ字状の磁性板材５ｄ１〜５ｄ３を複数枚重ねて１つのコア５を形成してもよい。これにより、コア５を通過する磁路を大きく確保することができるので、トルク検出感度の向上に寄与することができる。

ここで、被検出体Ｓに作用するトルクの検出原理について説明する。被検出体Ｓにトルクが発生すると、逆磁歪効果により被検出体Ｓの透磁率μが変化し、その結果検出コイル４のインダクタンスの変化として測定することができる。詳細には、検出コイル４のインダクタンスは、検出コイル４の巻き数Ｎの２乗に比例し、検出コイル４を挟み込む形で構成されているコア５と被検出体Ｓの磁路を含む磁気抵抗Ｒｍに反比例する。磁気抵抗Ｒｍは、磁束が流れる磁路の断面積Ａと比透磁率μｒに反比例し、磁束が流れる磁路Ｌの長さに比例する。また、所望の方向の磁束量を増やすことで透磁率μの変化を鋭敏に取得することができる。検出コイル４のインダクタンスを決定するコア５から被検出体Ｓに流れ込む磁束と同じ方向に圧縮力が加わると、被検出体Ｓの透磁率μの値は低下し、その結果として検出コイル４のインダクタンスは低下する。逆に、磁束の流れと同じ方向に引っ張り力が働くと、検出コイル４のインダクタンスが増加する。

例えば、図１Ａ，Ｂにおいて被検出体Ｓに＋４５°方向に引っ張り力が作用すると検出コイル４のインダクタンスは増大し、−４５°方向に圧縮力が作用すると検出コイル４のインダクタンスは低下する。このインダクタンスの変化をロックインアンプを用いた位相検波方式により出力電圧の変化として検出し、被検出体Ｓにトルクが作用している場合の出力電圧値と、トルクが作用していない場合の出力電圧値との変化量に基づいて、被検出体Ｓに作用するトルクを検出するようになっている。

また、本発明では図３Ａに示すように複数のコア５１，５２などはそれぞれのコ字状空間部５ｃ（図２参照）を単一の検出コイル４が通過するように絶縁筒体３に組み付けられる。その際、検出コイル４には図３Ａの矢印の方向に電流が流れている場合、図３Ｃに示すコア５１には一方の脚部端面５１ｅ１−被検出体Ｓ−他方の脚部端面５１ｅ２−架橋部５ｂ（図２参照）を通る磁路が形成される。同様にコア５２には一方の脚部端面５２ｅ１−被検出体Ｓ−他方の脚部端面５２ｅ２−架橋部５ｂ（図２参照）を通る磁路が形成される。単一の検出コイル４により発生する磁路であるため、コア５１、５２の一方向の脚部端面５１ｅ１と５２ｅ１は磁気的に同極となり互いに磁気的に反発する性質が生じる。同様に他方の脚部端面５１ｅ２と５２ｅ２も磁気的に同極となり互いに反発する性質が生じる。

ここで対比説明としてコア５１、５２のコ字状空間部５ｃ（図２参照）に複数の検出コイル４が通過し、かつ各検出コイル４に逆方向からの電流が流れていた場合について説明する。この場合、本実施例とは異なり脚部端面５１ｅ１と５２ｅ１は磁気的に異極となり互いに引き合う性質が生じる。同様に他方の脚部端面５１ｅ２と５２ｅ２も引き合う。通常、コアどうしの距離が近く異極であればあるほど磁路は形成されやすいため、脚部端面５１ｅ１と脚部端面５２ｅ１間および脚部端面５１ｅ２と脚部端面５２ｅ２間で磁路が発生してしまう。しかしながらこれらの磁路は所望の磁路である被検出体Ｓの軸心Ｏに対して±４５°のいずれかの傾斜角度とは異なるものであるため、トルク検出の精度を低下させてしまうことになる。
これに対して本実施形態のように脚部端面５１ｅ１と５２ｅ１間および脚部端面５１ｅ２と５２ｅ２間では磁気的に同局となり互いに反発するため磁路は形成されず、よって脚部端面５１ｅ１と５１ｅ２間および脚部端面５２ｅ１と５２ｅ２間に磁路の形成が集中されることになる。そのため、トルク検出に有効ではない磁路が少なく、有効な磁路がより多く形成さるためトルク検出精度を高めることが可能となる。

以上説明したように、コ字状に形成された複数のコア５は被検出体Ｓの軸心Ｏに対して所定角度で傾斜して配列され、被検出体Ｓの周囲に複数箇所で独立した磁路が形成される。このため被検出体Ｓに作用するトルクの検出感度が向上する。特に、コ字状に形成されるコア５は複数段に積層することが可能であるので、磁路を大きく確保することができるので、トルク検出感度の向上に寄与することができる。また、各コア５と被検出体Ｓとの間で形成される磁路は独立しているので、他のコアからの漏れ磁束による磁気的な干渉を受け難く検出感度を向上させることができる。

上述した実施形態では、被検出体Ｓにコアの磁束鎖交面が＋４５°及び−４５°の傾斜角度で交差した一対の絶縁筒体３α、３βを設けたがいずれか一方のみを設けてもよいし、３つ以上の絶縁筒体を設けてもよい。
また、コア５の架橋部５ｂにはコア５を通過する磁束密度の変化を検出するサーチコイルが巻き付けられていてもよい。
また、コア５は、磁性材料により両側脚部５ａとこれらを連結する架橋部５ｂを有するコ字状に一体形成されていたが、両側脚部５ａを磁性板材で形成し架橋部５ｂを絶縁筒体３の外周に同心状に篏合する磁性円筒材で構成することも可能である。
また、絶縁筒体３とコア５はインサート成形により一体に組み付けられていてもよい。

Ｓ 被検出体 １，２ 磁歪式トルクセンサ ３α 第一の絶縁筒体 ３β 第二の絶縁筒体 ３ａ 溝 ４ 検出コイル ５，５１，５２ コア ５ａ 両側脚部 ５ｂ 架橋部 ５ｃ コ字状空間部 ５ｄ１〜５ｄ３ 磁性板材 ５ｅ，５１ｅ１，５１ｅ２、５２ｅ１，５２ｅ２ 脚部端面

Claims (3)

1. 被検出体の外周を覆って同心状に組み付けられる絶縁筒体と、
   前記絶縁筒体の周面に設けられた溝に沿って巻き付けられた複数の検出コイルと、
   両側脚部を連結する架橋部に囲まれたコ字状空間部を前記検出コイルが通過するように前記絶縁筒体に組み付けられる複数のコアと、を具備し、
   前記複数のコアは前記被検出体の軸心に対して所定角度で傾斜して配列され、前記両側脚部の端面が前記絶縁筒体の内周面より前記被検出体に臨むように組み付けられていることを特徴とする磁歪式トルク検出センサ。
2. 前記複数のコアと前記被検出体に形成される磁路が当該被検出体の軸心に対して±４５°のいずれかの傾斜角度となるように前記複数のコアが前記絶縁筒体に組み付けられている請求項１記載の磁歪式トルク検出センサ。
3. 前記被検出体に形成される磁路が当該被検出体の軸心に対して＋４５°の傾斜角度で形成されるように前記複数のコアが組み付けられた第一の絶縁筒体と前記被検出体に形成される磁路が当該被検出体の軸心に対して−４５°の傾斜角度で形成されるように前記複数のコアが組み付けられた第二の絶縁筒体が軸方向に近接して配置されている請求項２記載の磁歪式トルク検出センサ。