JP6717679B2 - 磁歪式トルクセンサおよび駆動装置 - Google Patents

Description

本発明は、磁歪式トルクセンサおよびこれを備えた駆動装置に関する。

非接触式のトルクセンサとして、たとえば特許文献１および２のセンサが公知である。
特許文献１は、車両のハンドルに連結された入力軸と車両の車輪に連結された出力軸との間に設置され、前記ハンドルの回転操作によって発生したねじれを検出する操舵装置用非接触式トルクセンサにおいて、前記入力軸に結合し、中心から同一の半径を持つように外周面に沿って複数のＮ極磁石とＳ極磁石とが互いにずれるように配置される磁力発生部と、前記出力軸に連結され、複数の前記Ｎ極磁石と前記Ｓ極磁石の領域内にそれぞれ位置するように複数のホールが設けられた円筒状の磁気遮蔽部と、前記磁気遮蔽部の外周面から離隔して設けられ、複数の前記ホールを通過する磁力を検出する磁気検出部と、前記磁気検出部の外周面に位置し、前記磁力発生部と前記磁気遮蔽部の相対的なねじれ変化を感知する磁気検出センサ部とを含む、操舵装置用非接触式トルクセンサを開示している。

特許文献２は、トルク伝達軸の外周面に磁気歪み効果を有する磁性合金層を設けてなるトルクセンサ用磁歪検出体において、トルク伝達軸の外周面に溶射法により磁性合金層を形成し、無酸化雰囲気中で加熱処理し、溶射層表面に押圧塑性加工を施し、軸の長手方向に対して角度４５゜に傾斜する複数の凹条および凸条を規則的間隔毎に形成する製造方法によって得られた磁歪検出体を有するトルクセンサを開示している。

特表２０１１−５１２２８４号公報 特開平６−３４４６０号公報

特許文献１のように、出力軸のねじれ角を検出してトルクを測定するやり方では、出力信号の位相差に基づいてトルクが算出されるが、信号の位相遅れ等によって誤差が生じ易い。また、出力軸の長さがある程度長くないと、トルクを精度よく検出することが難しい。
一方、特許文献２では、たとえば、トルク伝達軸の軸方向に対して＋４５°および−４５°に傾斜する凹条および凸条を形成し、＋４５°の凹条および凸条の領域における透磁率変化と、−４５°の凹条および凸条の領域における透磁率変化とを差動的に検出することによってトルクが算出される。この種の手法では、特許文献１の位相遅れ等の問題は生じないが、凹条や凸条を形成するために軸にローレット加工等の処理を施さなければならないため、その精度も要求される。

そこで、本発明の一実施形態は、簡易な構造で、かつ精度よくトルクを検出することができる磁歪式トルクセンサおよびこれを備えた駆動装置を提供する。

本発明の一実施形態に係る磁歪式トルクセンサは、磁歪特性を有し、中心軸線回りに回転する回転軸と、前記回転軸の外周部に対して所定の間隔を空けて配置され、かつ前記回転軸の前記中心軸に平行な検出軸を有しており、前記回転軸に加わるトルクを検出する検出素子と、前記検出素子を覆うように設けられ、前記回転軸の前記中心軸と直交する方向に磁場を印加するバイアス磁界発生部とを含む。

この構成によれば、バイアス磁界発生部によって、回転軸の中心軸と直交する方向に磁場が強制的に印加される。この磁場中に検出素子が配置されているので、検出素子を地磁気等の外部磁場から保護することができる。これにより、回転軸の逆磁歪効果によって発生する磁場以外の外部磁場の影響を受けにくくすることができるため、検出軸に平行な方向において磁場の変化を精度よく検出することができる。したがって、回転軸にトルクが発生し、このトルクによる逆磁歪効果によって検出軸に平行な方向の磁場が変化したときに、この磁場の変化を検出し、その変化分に基づいてトルクを精度よく検出することができる。また、上記の検出は、回転軸にローレット加工等の特別な加工を施さなくても行うことができるので、センサの構造を簡易にすることもできる。

本発明の一実施形態に係る磁歪式トルクセンサでは、前記検出素子は、磁気インピーダンス（ＭＩ：Magneto Impedance）センサを含んでいてもよい。
この構成によれば、ホールセンサや磁気抵抗センサに比べて高感度である磁気インピーダンスセンサを検出素子として使用することで、トルクの検出精度をさらに向上させることができる。

本発明の一実施形態に係る磁歪式トルクセンサでは、前記バイアス磁界発生部は、前記検出素子の上方に間隔を空けて配置された磁石と、前記磁石を定位置に固定するための支持部材とを含んでいてもよい。
本発明の一実施形態に係る磁歪式トルクセンサでは、前記支持部材は、前記磁石の一方の極および他方の極の両側から前記磁石を挟むヨークを含んでいてもよい。

本発明の一実施形態に係る磁歪式トルクセンサでは、前記バイアス磁界発生部は、前記磁石と前記検出素子との間に配置され、前記検出素子の前記検出軸に直交する方向の磁場の変化を検出する回路基板を含んでいてもよい。
本発明の一実施形態に係る磁歪式トルクセンサでは、前記磁石は、永久磁石を含んでいてもよい。

本発明の一実施形態に係る磁歪式トルクセンサでは、前記磁石は、電磁石を含んでいてもよい。
本発明の一実施形態に係る磁歪式トルクセンサでは、前記回転軸は、前記検出素子の前記検出軸の一端から他端まで全体にわたって対向する平滑な周面を前記外周部に有していてもよい。

本発明の一実施形態に係る駆動装置は、本発明の一実施形態に係る磁歪式トルクセンサを備えている。

図１は、本発明の一実施形態に係る駆動装置の概略構成図である。 図２は、本発明の一実施形態に係る磁歪式トルクセンサの概略構成図である。 図３Ａおよび図３Ｂは、図２のカウンターシャフトの軸方向と直交する方向における模式的な断面図である。 図４は、図２のカウンターシャフトの軸方向における模式的な断面図（一部）である。 図５は、磁歪材料の特性を説明するための図である。 図６は、磁気インピーダンスセンサの概略構成図である。 図７Ａ〜図７Ｃは、磁気インピーダンスセンサの動作原理を説明するための図である。 図８は、回路基板の構成を説明するための図である。 図９は、前記磁歪式トルクセンサの制御回路の一例を示す図である。

以下では、本発明の実施の形態を、添付図面を参照して詳細に説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る駆動装置１の概略構成図である。
駆動装置１は、たとえば自動車等のトランスミッションとして使用される。当該トランスミッションとしては、エンジンの減速比を段階的に切り替えることができる機構（ステップオートマッチクトランスミッション（ステップＡＴ））、エンジンの減速比を無段階に切り替えることができる機構（無段変速機）のいずれであってもよい。

図１の駆動装置１は、インプットシャフト２、本発明の回転軸の一例としてのカウンターシャフト３およびアウトプットシャフト４を含む。
インプットシャフト２にはギア６が接続されており、エンジンからの動力は、ギア６に伝達される。
カウンターシャフト３には、インプットシャフト２のギア６と同期する同期ギア８およびドライブギア９が固定されている。図１では、１つのドライブギア９のみが描かれているが、ドライブギア９は、駆動装置１（トランスミッション）の段数に合わせて複数設けられていてもよい。たとえば、駆動装置１が４速オートマチックトランスミッション（４速ＡＴ）の場合には、ドライブギア９は４つ設けられていてもよい。

アウトプットシャフト４には、カウンターシャフト３のドライブギア９と同期する同期ギア１０が固定されている。また、アウトプットシャフト４には、駆動輪（タイヤ）が接続されている。
エンジンから駆動装置１に動力が入力されると、その動力は、ギア６に伝達される。そして、その動力は、ギア６に同期する同期ギア８を介してドライブギア９に伝達され、アウトプットシャフト４によって駆動輪に伝えられる。これにより、駆動輪が駆動する。

駆動装置１では、動力がインプットシャフト２からアウトプットシャフト４に伝達される際、カウンターシャフト３が捻じれて（図１の矢印）応力が発生する。この応力によって発生するトルクが検出され、その検出結果がエンジンの制御システム等にフィードバックされる。
図２は、本発明の一実施形態に係る磁歪式トルクセンサ１８の概略構成図である。図３Ａおよび図３Ｂは、図２のカウンターシャフト３の軸方向と直交する方向における模式的な断面図である。図４は、図２のカウンターシャフト３の軸方向における模式的な断面図（一部）である。

図１で示したように、本発明の一実施形態に係る駆動装置１では、カウンターシャフト３に加わるトルクが検出される。このトルク検出に、図３Ａおよび図３Ｂに示す磁歪式トルクセンサ１８が使用される。
磁歪式トルクセンサ１８は、カウンターシャフト３と、本発明の検出素子の一例としてのＭＩ（Magneto Impedance）センサ１９と、バイアス磁界発生部２０とを含む。

カウンターシャフト３は、磁歪特性を有する材料からなる。そのような材料としては、たとえば、鉄、ニッケル、フェライト、鉄−ガリウム系合金、鉄−コバルト系合金、鉄−ニッケル系合金等の磁歪材料が挙げられる。カウンターシャフト３は、さらに、前述の磁歪材料に、イットリウム（Ｙ）、プラセオジム（Ｐｒ）、サマリウム（Ｓｍ）、テルビウム（Ｔｂ）、ジスプロシウム（Ｄｙ）、ホルミウム（Ｈｏ）、エルビウム（Ｅｒ）、ツリウム（Ｔｍ）等の希土類金属のうちの少なくとも１種を含む材料からなることが好ましい。これにより、カウンターシャフト３の透磁率の変化を一層大きくすることができる。

ここで、図５を参照して、磁歪特性を有するカウンターシャフト３の形状変化について説明を加える。
図５に示すように、カウンターシャフト３は磁歪特性を有するため、磁石等によって強制的に発生させた磁場中に置かれると、極性が配向し、磁化方向に沿って伸びる磁歪効果を発現する。一方、外部から力がカウンターシャフト３に加えられ、カウンターシャフト３に歪が生じると（図５では圧縮）、カウンターシャフト３から発生する磁場が変化する逆磁歪効果を発現する。したがって、たとえば図２に示すように、カウンターシャフト３を駆動装置１に組み込んだ状態でカウンターシャフト３にトルクＴが加わって応力σおよび応力−σが発生すると、その応力によって逆磁歪効果が発現し、カウンターシャフト３から発生する磁場が変化する。この実施形態では、この磁場の変化をＭＩセンサ１９で検出してトルクを算出する。

次に、図６および図７Ａ〜図７Ｃを参照して、ＭＩセンサ１９の構造および動作原理について説明を加える。
ＭＩセンサ１９は、ワイヤ２２の回りにコイル２３を巻きつけた構造を有している。
ワイヤ２２は、アモルファス合金ワイヤからなり、たとえば、ＦｅＣｏＳｉＢ合金磁性ワイヤ、ＣｏＳｉＢ合金磁性ワイヤからなる。ワイヤ２２は、一端および他端を有する線状に形成されている。ワイヤ２２の長さおよび径は、磁歪式トルクセンサ１８の大きさにもよるが、たとえば、長さが１．０ｍｍ〜２．０ｍｍ程度、径が１０μｍ〜２０μｍ程度であってもよい。

コイル２３は、ワイヤ２２に複数回巻きつけられ、その両端部が後述する回路基板２９に接続されている。
そして、ＭＩセンサ１９では、図７Ａに示すように、その周囲に外部磁場が無い状態であり、かつパルス電源２４からコイル２３にパルス電流が流れていない状態では、ワイヤ２２の電子スピンの向きは、コイル２３の円周方向に沿って交互に規則的に配向している。この状態で、ＭＩセンサ１９に外部磁場Ｈ_ｅｘｔが印加されると、図７Ｂに示すように、その磁場の影響によって電子スピンの向きが、ワイヤ２２の軸線方向Ｘ_ｓ（本発明の検出軸の一例）に対して傾斜する。そこへパルス電源２４からパルス電流が通電されると、図７Ｃに示すように、パルス電流によって形成された円周磁場によって電子スピンが回転し、一定の方向に配向する。この回転の際、コイル２３に、ワイヤ２２の軸線方向Ｘ_ｓの磁気ベクトル変化の速度に比例した誘起電圧が発生するので、この誘起電圧の大きさに基づいて外部磁場Ｈ_ｅｘｔの値を検出することができる。

再び図３Ａ、図３Ｂおよび図４を参照して、ＭＩセンサ１９は、ワイヤ２２の軸線方向Ｘ_ｓがカウンターシャフト３の中心軸（図２のＸ軸）に平行となるように、カウンターシャフト３の外周部２１に対して間隔を空けて配置されている。たとえば、ＭＩセンサ１９は、当該外周部２１の上方位置において後述する回路基板２９に固定されていてもよい（図８参照）。

また、カウンターシャフト３は、ＭＩセンサ１９の軸線方向Ｘ_ｓの一端から他端まで全体にわたって対向する領域２５において、平滑な外周面２６を有している。つまり、カウンターシャフト３は、その外周部２１の全体にわたって平滑な周面を有している必要はなく、少なくとも領域２５における外周面２６が選択的に平滑になっていてもよい。たとえば、図１に示す同期ギア８およびドライブギア９の取付け部周辺においては、その周面に起伏があってもよい。むろん、カウンターシャフト３は、その外周部２１の全体にわたって平滑な周面を有していてもよい。

バイアス磁界発生部２０は、磁石２７、本発明の支持部材の一例としてのヨーク２８および回路基板２９を含む。
磁石２７は、図３Ａに示す永久磁石２７Ａであってもよいし、図３Ｂに示す電磁石２７Ｂであってもよい。電磁石２７Ｂである場合、磁石２７は、柱状の磁性体３０の回りにコイル３１を巻きつけた構造を有している。

ヨーク２８は、たとえば鉄等の磁性材料からなり、磁石２７の一方の極および他方の極の両側から磁石２７を挟む一対のヨーク２８を含む。各ヨーク２８は一方表面２８Ａおよび他方表面２８Ｂを有する板状であり、一方表面２８Ａ同士を向い合せて磁石２７を挟むことによって磁石２７を固定（支持）している。たとえば、図３Ａに示すように、永久磁石２７Ａは、Ｎ極が一方のヨーク２８の上端部に固定され、Ｓ極が他方のヨーク２８の上端部に固定されることによって、一対のヨーク２８に支持されている。また、図３Ｂに示すように、電磁石２７Ｂは、磁性体３０の軸線方向一端が一方のヨーク２８の上端部に固定され、他端が他方のヨーク２８の上端部に固定されることによって、一対のヨーク２８に支持されている。

また、図４に示すように、各ヨーク２８の幅Ｗ_ｙは、ＭＩセンサ１９の軸線方向Ｘ_ｓに沿う長さＬ_ｓと同じか、それよりも大きくされている。これにより、バイアス磁界発生部２０を設置したときに、ＭＩセンサ１９をヨーク２８で完全に覆うことができる。
そして、磁石２７とヨーク２８との一体構造物は、ＭＩセンサ１９を覆うように設けられている。これにより、ＭＩセンサ１９は、一対のヨーク２８に区画され、その軸線方向Ｘ_ｓの両側が開放された空間３５に配置されることになる。

磁石２７およびヨーク２８の一体構造物の設置状態において、磁石２７は、ＭＩセンサ１９を交差するように配置されている。つまり、永久磁石２７Ａの場合には、ＭＩセンサ１９の軸線方向Ｘ_ｓと直交する方向において、Ｎ極およびＳ極がＭＩセンサ１９を挟んで一方側および他方側に配置されている。また、電磁石２７Ｂの場合には、ＭＩセンサ１９の軸線方向Ｘ_ｓと直交する方向において、磁性体３０の軸線方向一端および他端がＭＩセンサ１９を挟んで一方側および他方側に配置されている。これにより、図３Ａおよび図３Ｂに示すように、磁石２７によって、一対のヨーク２８の下端部間においてＭＩセンサ１９の軸線方向Ｘ_ｓと直交する方向に磁場Ｈ_ｂを発生させることができる。このような磁場Ｈ_ｂは、磁石２７の支持部材がヨーク２８ではなく、たとえば樹脂部材等の場合でも磁石２７から直接発生させることができるが、ヨーク２８を使用することによって、磁束をヨーク２８の下端部に集中させることができるので、発生磁力を有効に利用することができる。

回路基板２９は、図８に示すように、たとえば、ＭＩセンサ１９のコイル２３に流すパルス電流を制御するためのパルス発振回路３２、コイル２３に発生した誘起電圧を検出し、この誘起電圧の大きさに基づいて外部磁場Ｈ_ｅｘｔの値を算出する信号処理回路３３、電磁石２７Ｂのコイル３１に流す電流を制御するためのバイアス磁界駆動回路３４等を含んでいてもよい。

次に、磁歪式トルクセンサ１８によるトルク検出動作について説明する。
磁歪式トルクセンサ１８では、図２、図３Ａおよび図３Ｂに示すように、バイアス磁界発生部２０の磁石２７の作用によって、カウンターシャフト３の中心軸Ｘと直交する方向に磁場Ｈ_ｂが強制的に印加される。この磁場Ｈ_ｂはヨーク２８で囲まれた空間３５の全体に分布する。この空間３５に配置されたＭＩセンサ１９に対しては、その軸線方向Ｘ_ｓと直交するＹ１方向に磁場Ｈ_ｂが印加されるので、図７Ｃに示すように、ワイヤ２２の電子スピンが一定の方向に配向する。さらに、ＭＩセンサ１９は、空間３５中に配置されているので、地磁気等の外部磁場から保護される。つまり、バイアス磁界発生部２０によって、ワイヤ２２の電子スピンが一定方向に揃う初期状態を作り出すことができ、この初期状態も、ＭＩセンサ１９がバイアス磁界発生部２０に覆われていることで、外部磁場の影響を受けにくくなっている。

そして、図２に示すように、カウンターシャフト３にトルクＴが加わって応力σおよび応力−σが発生すると、その応力によって逆磁歪効果が発現し、カウンターシャフト３から発生する磁場が変化する。この磁場変化は、図７Ｂに示す外部磁場Ｈ_ｅｘｔとしてＭＩセンサ１９によって検出され、その磁場の影響によって電子スピンの向きが、Ｙ１方向に対して傾斜する。

そこへパルス電源２４からパルス電流が通電されると、図７Ｃに示すように、パルス電流によって形成された円周磁場によって電子スピンが回転し、初期状態に配向する。この回転の際、コイル２３に、ワイヤ２２の軸線方向Ｘ_ｓの磁気ベクトル変化の速度に比例した誘起電圧が発生するので、この誘起電圧の大きさに基づいて外部磁場Ｈ_ｅｘｔの値が検出され、回路基板２９の信号処理回路３３で処理されることによってカウンターシャフト３に加わったトルク値が算出される。

以上のように、磁歪式トルクセンサ１８では、カウンターシャフト３の逆磁歪効果によって発生する磁場以外の外部磁場の影響をＭＩセンサ１９が受けにくいので、ＭＩセンサ１９の検出軸Ｘ_ｓに平行な方向において磁場の変化（Ｙ１方向に対する変化）を精度よく検出することができる。したがって、カウンターシャフト３にトルクＴが発生し、このトルクＴによる逆磁歪効果によって検出軸Ｘ_ｓに平行な方向の磁場が変化したときに、この磁場の変化を検出し、その変化分に基づいてトルクを精度よく検出することができる。また、上記の検出は、カウンターシャフト３にローレット加工等の特別な加工を施さなくても行うことができるので、センサの構造を簡易にすることもできる。

さらに、検出素子として、ホールセンサや磁気抵抗センサに比べて高感度であるＭＩセンサ１９を使用することで、トルクの検出精度をさらに向上させることができる。
以上、本発明の一実施形態を説明したが、本発明は、他の形態で実施することもできる。
たとえば、図９に示すように、カウンターシャフト３の軸方向に直交するＹ１方向に対する磁場の変化を検出するＭＩセンサ１９に加えて、Ｙ１方向とは反対方向のＹ２方向の磁場の変化を検出する素子として、ＭＩセンサ１９´を空間３５に配置してもよい。この場合、ＭＩセンサ１９，１９´で検出された信号を差動アンプ（ＡＭＰ）３８で増幅させてトルクセンサの出力として出力することで、たとえば、カウンターシャフト３の偏心回転、カウンターシャフト３の温度特性による変化、その他の外乱磁場による影響等を考慮して精度よくトルクを検出することができる
一方、Ｙ１，Ｙ２方向に直交するＸ方向の磁場の変化を検出する素子として、空間３５にＭＩセンサ３６を配置し、このＭＩセンサ３６で検出された信号をバイアス磁界駆動回路３４にフィードバックしてコイル３１に流す電流を制御すれば、空間３５内に安定して強制磁場Ｈ_ｂを発生させることができる。

また、トルクの検出素子としては、ＭＩセンサ１９に限らず、ホールセンサ、磁気抵抗センサ等の他の磁気センサを適用してもよい。
また、本発明の磁歪式トルクセンサは、前述のトランスミッション（駆動装置１）に限らず、トルクのモニタリングが必要な各種駆動装置に組み込むことができる。
その他、特許請求の範囲に記載された事項の範囲で種々の設計変更を施すことが可能である。

１ 駆動装置
３ カウンターシャフト
１８ 磁歪式トルクセンサ
１９ ＭＩセンサ
１９´ ＭＩセンサ
２０ バイアス磁界発生部
２１ 外周部
２６ 外周面
２７ 磁石
２７Ａ 永久磁石
２７Ｂ 電磁石
２８ ヨーク
２９ 回路基板

Claims (8)

1. 磁歪特性を有し、中心軸線回りに回転する回転軸と、
   前記回転軸の外周部に対して所定の間隔を空けて配置され、かつ前記回転軸の前記中心軸に平行な検出軸を有しており、前記回転軸に加わるトルクを検出する検出素子と、
   前記検出素子を覆うように設けられ、前記回転軸の前記中心軸と直交する方向に磁場を印加するバイアス磁界発生部とを含み、
   前記検出素子は、磁気インピーダンス（ＭＩ：Magneto Impedance）センサを含む、磁歪式トルクセンサ。
2. 前記バイアス磁界発生部は、前記検出素子の上方に間隔を空けて配置された磁石と、前記磁石を定位置に固定するための支持部材とを含む、請求項１に記載の磁歪式トルクセンサ。
3. 前記支持部材は、前記磁石の一方の極および他方の極の両側から前記磁石を挟むヨークを含む、請求項２に記載の磁歪式トルクセンサ。
4. 前記バイアス磁界発生部は、前記磁石と前記検出素子との間に配置され、前記検出素子の前記検出軸に直交する方向の磁場の変化を検出する回路基板を含む、請求項２または３に記載の磁歪式トルクセンサ。
5. 前記磁石は、永久磁石を含む、請求項２〜４のいずれか一項に記載の磁歪式トルクセンサ。
6. 前記磁石は、電磁石を含む、請求項２〜５のいずれか一項に記載の磁歪式トルクセンサ。
7. 前記回転軸は、前記検出素子の前記検出軸の一端から他端まで全体にわたって対向する平滑な周面を前記外周部に有している、請求項１〜６のいずれか一項に記載の磁歪式トルクセンサ。
8. 請求項１〜７のいずれか一項に記載の磁歪式トルクセンサを備えた、駆動装置。

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