JP6841472B2 - 磁歪式トルクセンサ - Google Patents

Description

この発明は磁歪式トルクセンサに関し、特に、コイルのインピーダンスの変化から、回転軸の歪みを検出する磁歪式トルクセンサに関する。

例えば車両の操舵装置等の機器に搭載される従来の磁歪式トルクセンサの構造としては、例えば以下の特許文献１に記載された内容を図７として挙げることができる。すなわち、従来の磁歪式トルクセンサ１では、回転軸２の外周面に環状に異方性付与部材である第１合金膜３１及び第２合金膜３２が設けられ、前記第１合金膜３１に対向するように第１輪状検出コイル４１及び第２輪状検出コイル４２が前記回転軸２の軸方向に互いにずらされた状態で設けられており、前記第２合金膜３２に対向するように第３輪状検出コイル４３及び第４輪状検出コイル４４が前記回転軸２の軸方向に互いにずらされた状態で設けられている。前記第２合金膜３２は、前記第１合金膜３１の磁気異方性に対して９０度位相が異なるように設けられている。

前記回転軸２にトルクが作用した状態では、前記回転軸２に歪みが生じることで前記第１合金膜３１及び前記第２合金膜３２に歪みが生じて、ビラリ効果により前記第１合金膜３１及び前記第２合金膜３２の透磁率が変化する。それにより、前記第１輪状検出コイル４１及び前記第２輪状検出コイル４２と、前記第３輪状検出コイル４３及び前記第４輪状検出コイル４４とのインピーダンスが変化し、インピーダンスの変化に対応して前記第１，第２，第３，第４輪状検出コイル４１，４２，４３，４４の検出電圧が変化する。したがって、第１，第２，第３，第４輪状検出コイル４１，４２，４３，４４の検出電圧を測定することで、前記第１合金膜３１及び前記第２合金膜３２の透磁率の変化を算出して、前記回転軸２の歪みを検出することができる。そして、前記回転軸２の歪みから、前記回転軸２にかかるトルクを算出することができる。

特開２００６−６４４４５号公報

上記のような従来の前記磁歪式トルクセンサ１では、検出精度や感度の向上及び故障検知のために、前記第１，第２，第３，第４輪状検出コイル４１，４２，４３，４４の４つの検出コイルが設けられている。そして、前記磁歪式トルクセンサ１にさらに二重冗長性を持たせたい場合には、さらに４つの検出コイルを追加して合計８つの検出コイルを前記回転軸２に設ける必要がある。

しかし、８つの検出コイルを前記回転軸２に設けると、前記磁歪式トルクセンサ１の軸方向の長さが長大になるので、前記磁歪式トルクセンサ１の機器への搭載が難しくなり、また、周囲の温度変化により前記磁歪式トルクセンサ１の両端に温度差が生じて温度勾配が発生した場合には、検出コイルの配置位置により各検出コイルのインピーダンス特性が変化し、前記磁歪式トルクセンサ１の歪み検出精度に悪影響を及ぼすという問題点があった。また、前記第１，第２，第３，第４輪状検出コイル４１，４２，４３，４４の発生させる磁束と、前記回転軸２が同方向になるので、前記回転軸２の磁化等で前記回転軸２を貫通する方向に生じた磁気ノイズが前記第１，第２，第３，第４輪状検出コイル４１，４２，４３，４４の中心を貫いてインダクタンスが大きく変化し、歪み検出精度が悪化するという問題点があった。

この発明は、このような課題を解決するためになされたものであり、特に、軸方向の長さを短くし、耐温度変化、回転軸の磁化及び磁気ノイズに対する特性を、強くした磁歪式トルクセンサを提供することを目的とする。

この発明に係る磁歪式トルクセンサは、回転方向が反転することで磁歪特性が反転するようにその軸方向に沿って二分されて異方性付与部材となる第１，第２合金膜が表面に設けられた回転軸と、回転軸と同軸に設けられた第１ステータコア及び第２ステータコアが一体に形成された輪状ステータと、第１ステータコアに設けられ、回転軸に向かって突出した複数の第１ティースと、第２ステータコアに設けられ、輪状ステータの周方向において第１ティースに対して異なった位置から回転軸に向かって突出した複数の第２ティースとを備え、各第１ティースのうち奇数個目には第１検出コイルが巻回され、各第１ティースのうち偶数個目には第２検出コイルが巻回され、各第２ティースのうち奇数個目には第１検出コイルと同じ巻回方向に第３検出コイルが巻回され、各第２ティースのうち偶数個目には第２検出コイルと同じ巻回方向に第４検出コイルが巻回され、第１検出コイルの出力と、第２検出コイルの出力と、第３検出コイルの出力と、第４検出コイルの出力とに基づいて、回転軸に発生するトルク及び各検出コイルの故障を検出し、また、第２ティースは、輪状ステータの周方向において、隣接する第１ティース同士が輪状ステータの中心に対してなす中心角の半分の角度だけ、第１ティースに対して異なった位置から回転軸に向かって突出する。

この発明の磁歪式トルクセンサによれば、回転軸と同軸に設けられた第１ステータコア及び第２ステータコアが一体に形成された輪状ステータと、第１ステータコアに設けられ、回転軸に向かって突出した複数の第１ティースと、第２ステータコアに設けられ、輪状ステータの周方向において第１ティースに対して異なった位置から回転軸に向かって突出した複数の第２ティースとを備え、第２ティースは、輪状ステータの周方向において、隣接する第１ティース同士が輪状ステータの中心に対してなす中心角の半分の角度だけ、第１ティースに対して異なった位置から回転軸に向かって突出し、第１ステータコアに第１検出コイル及び第２検出コイルが巻回され、第２ステータコアに第３検出コイル及び第４検出コイルが巻回され、第１検出コイルの出力と、第２検出コイルの出力と、第３検出コイルの出力と、第４検出コイルの出力とに基づいて、回転軸に発生するトルク及び各検出コイルの故障を検出するので、軸方向の長さを短くし、耐温度変化、回転軸の磁化及び磁気ノイズに対する特性を強くすることができる。

この発明の実施の形態に係る磁歪式トルクセンサの断面概略図である。 図１に示す磁歪式トルクセンサの輪状ステータの平面図である。 図１に示す磁歪式トルクセンサの輪状ステータの斜視図である。 図１に示す磁歪式トルクセンサのＡ−Ａ線における断面概略図である。 図１に示す磁歪式トルクセンサのＢ−Ｂ線における断面概略図である。 図１に示す磁歪式トルクセンサの回転軸への入力トルクと検出コイルの出力信号電圧との関係を示す概略のグラフである。 従来の磁歪式トルクセンサの概略図である。

以下、この発明の実施の形態を添付図面の図１〜図６に基づいて説明する。なお、従来例と同一又は同等部分には同一符号を付して説明する。
図１は、この発明の実施の形態に係る磁歪式トルクセンサ１０の断面概略図である。前記磁歪式トルクセンサ１０には、回転軸２が設けられている。前記回転軸２には、径方向の外周面にめっき処理による第１合金膜３１と第２合金膜３２とが前記回転軸２の長手方向に直列状に、すなわち前記回転軸２の軸方向に沿って二分されて設けられている。

前記第１合金膜３１は、前記回転軸２に右回りのトルクがかかった場合と、左回りのトルクがかかった場合とで、磁歪特性が反転するようにめっき処理がなされて形成されている。前記第２合金膜３２も、前記回転軸２に右回りのトルクがかかった場合と、左回りのトルクがかかった場合とで、磁歪特性が反転するようにめっき処理がなされて形成されている。そして、前記第２合金膜３２の磁歪特性は、前記第１合金膜３１の磁歪特性に対して逆向きになるように形成されている。

すなわち、前記第１合金膜３１及び前記第２合金膜３２にはめっき処理によって磁気異方性が付与されており、前記第２合金膜３２には前記第１合金膜３１に対して９０度異なる位相の磁気異方性が付与されている。また、前記第１合金膜３１及び前記第２合金膜３２は、異方性付与部材を構成している。

前記回転軸２の外側には、これと同軸状に輪状ステータ４が設けられている。前記輪状ステータ４は、前記第１合金膜３１に対向している第１ステータコア４５と、前記第２合金膜３２に対向している第２ステータコア４６とを備えている。前記輪状ステータ４及び前記回転軸２は、ハウジング５に収容されている。

図２は前記輪状ステータ４の平面図であり、図３は前記輪状ステータ４の斜視図である。図２及び図３に示すように、前記輪状ステータ４は電磁鋼板を積層することで、前記第１ステータコア４５と、前記第２ステータコア４６とが一体に形成されて構成されている。

前記第１ステータコア４５には、前記回転軸２に向かって突出された複数の第１ティース４５０が設けられている。また、前記第２ステータコア４６には前記回転軸２に向かって突出された複数の第２ティース４６０が設けられている。そして、前記第２ステータコア４６は、隣接する前記第１ティース４５０同士が前記輪状ステータ４の中心に対してなす中心角の半分の角度だけ、前記第１ステータコア４５に対して前記輪状ステータ４の周方向に回転させたように形成されている。すなわち、前記第２ティース４６０は、前記第２ステータコア４６に設けられており、前記輪状ステータ４の周方向において、隣接する前記第１ティース４５０同士が前記輪状ステータ４の中心に対してなす中心角の半分の角度だけ、前記第１ティース４５０に対して異なった位置から前記回転軸２に向かって突出している。

図４は、図１のＡ−Ａ線に沿う断面として前記磁歪式トルクセンサ１０を見た時の平面断面概略図である。前記各第１ティース４５０のうち奇数個目の前記各第１ティース４５０に、第１検出コイル４５１が巻回されている。また、前記各第１ティース４５０のうち偶数個目の前記各第１ティース４５０に、第２検出コイル４５２が、前記第１検出コイル４５１とは逆の巻回方向に巻回されている。すなわち、前記第１ステータコア４５には、前記第１検出コイル４５１及び前記第２検出コイル４５２の２つの系統分のコイルが設けられている。前記第１検出コイル４５１と、前記第２検出コイル４５２とは、図示しない信号検出部に接続されている。

図５は、図１のＢ−Ｂ線において切断して前記磁歪式トルクセンサ１０を見た時の平面断面概略図である。前記各第２ティース４６０のうち奇数個目の前記各第２ティース４６０に、第３検出コイル４６１が前記第１検出コイル４５１（図４参照）と同じ巻回方向に巻回されている。また、前記各第２ティース４６０のうち偶数個目の前記各第２ティース４６０に、第４検出コイル４６２が、前記第２検出コイル４５２と同じ巻回方向（前記第３検出コイル４６１とは逆の巻回方向）に巻回されている。すなわち、前記第２ステータコア４６には、前記第３検出コイル４６１及び前記第４検出コイル４６２の２つの系統分のコイルが設けられている。前記第３検出コイル４６１と、前記第４検出コイル４６２とは、前記図示しない信号検出部に接続されている。前記図示しない信号検出部には、図示しない増幅回路及び図示しない差動回路等が設けられている。

次に、実施の形態に係る前記磁歪式トルクセンサ１０の動作を説明する。
図１に示すように、前記回転軸２にトルクが入力された状態では、前記回転軸２に歪みが発生することにより、前記第１合金膜３１及び前記第２合金膜３２に歪みが発生して透磁率が変化する。すると、前記回転軸２に入力されたトルクに応じて、図４，図５に示す、前記第１，第２，第３，第４検出コイル４５１，４５２，４６１，４６２のインピーダンスが変化する。

次に、前記第１，第２，第３，第４検出コイル４５１，４５２，４６１，４６２のインピーダンス変化に応じて、各検出コイルの出力信号電圧の変化が信号検出部に入力される。

信号検出部では、増幅回路により各検出コイルの信号電圧が増幅され、続いて、差動回路により、前記第１検出コイル４５１と、前記第３検出コイル４６１との作動電圧ＶＴ１と、前記第２検出コイル４５２と前記第４検出コイル４６２との作動電圧ＶＴ２とが算出される。

ここで、前記第１検出コイル４５１と前記第２検出コイル４５２とは互いに巻回方向が反対となっており、また、前記第３検出コイル４６１と前記第４検出コイル４６２とでは、互いに巻回方向が反対となっているので、図６に示す通り、前記回転軸２（図１参照）へ入力された入力トルクの大きさに対して発生する信号電圧の関係をグラフに示すと、前記第１検出コイル４５１及び前記第３検出コイル４６１は、前記第２検出コイル４５２及び前記第４検出コイル４６２に対して、グラフの傾きが逆になるような関係になっている。すなわち、前記回転軸２にＣＷ方向のトルクが入力された時には前記第２検出コイル４５２及び前記第４検出コイル４６２の出力電圧が高くなるとともに前記第１検出コイル４５１及び前記第３検出コイル４６１の出力電圧が低くなる。また、前記回転軸２にＣＣＷ方向のトルクが入力された時には前記第２検出コイル４５２及び前記第４検出コイル４６２の出力電圧が低くなるとともに前記第１検出コイル４５１及び前記第３検出コイル４６１の出力電圧が高くなる。

したがって、作動電圧ＶＴ１又は作動電圧ＶＴ２のいずれか一方の値より、前記第１検出コイル４５１と、前記第３検出コイル４６１とのインピーダンスの変化、又は前記第２検出コイル４５２と、前記第４検出コイル４６２とのインピーダンスの変化が分かり、第１，第２，第３，第４検出コイルの４５１，４５２，４６１，４６２のインピーダンスの変化により、前記回転軸２に入力されたトルクを算出することができる。

次に、前記磁歪式トルクセンサ１０の故障を検出する場合について説明する。
前記磁歪式トルクセンサ１０の動作中には、前記信号検出部により、前記第１検出コイル４５１と、前記第２検出コイル４５２との作動電圧ＶＴＦ１と、前記第３検出コイル４６１と、前記第４検出コイル４６２との作動電圧ＶＴＦ２とが算出されている。そして、ＶＴＦ１又はＶＴＦ２との少なくともいずれか一方が、所定の閾値の範囲外になったときに、前記磁歪式トルクセンサ１０が故障したものと判断される。これにより、作動電圧ＶＴＦ１又はＶＴＦ２から、前記磁歪式トルクセンサ１０の故障を検出することができる。

このように、回転方向が反転することで磁歪特性が反転する前記第１合金膜３１及び前記第２合金膜３２が表面に設けられた前記回転軸２と、前記回転軸２と同軸に設けられた前記第１ステータコア４５及び前記第２ステータコア４６が一体に形成された前記輪状ステータ４と、前記第１ステータコア４５に設けられ、前記回転軸２に向かって突出した複数の前記第１ティース４５０と、前記第２ステータコア４６に設けられ、前記輪状ステータ４の周方向において前記第１ティース４５０に対して異なった位置から前記回転軸２に向かって突出した複数の第２ティース４６０と、を備え、前記各第１ティース４５０のうち奇数個目には前記第１検出コイル４５１が巻回され、前記各第１ティース４５０のうち偶数個目には前記第２検出コイル４５２が巻回され、前記各第２ティース４６０のうち奇数個目には前記第１検出コイル４５１と同じ巻回方向に前記第３検出コイル４６１が巻回され、前記各第２ティース４６０のうち偶数個目には前記第２検出コイル４５２と同じ巻回方向に前記第４検出コイル４６２が巻回され、前記第１検出コイル４５１の出力と、前記第２検出コイル４５２の出力と、前記第３検出コイル４６１の出力と、前記第４検出コイル４６２の出力とに基づいて、前記回転軸２に発生するトルク及び前記第１，第２，第３，第４検出コイル４５１，４５２，４６１，４６２の故障を検出するので、前記第１ステータコア４５及び前記第２ステータコア４６にそれぞれ２つの系統分の検出コイルが設けられているために、前記輪状ステータ４の軸方向の長さが短くなり、前記磁歪式トルクセンサ１０の軸方向の長さを短くすることができ、耐温度変化を強くすることができる。

また、前記第２ティース４６０は、前記輪状ステータ４の周方向において、隣接する前記第１ティース４５０同士が前記輪状ステータ４の中心に対してなす中心角の半分の角度だけ、前記第１ティース４５０に対して異なった位置から前記回転軸２に向かって突出するので、前記輪状ステータ４の軸方向の長さを短くした場合に前記第１ティース４５０と前記第２ティース４６０とが干渉することがない。

また、前記第１，第２，第３，第４検出コイル４５１，４５２，４６１，４６２の発生させる磁束が前記回転軸２と直角方向となるために、前記回転軸２の磁化により前記回転軸２を貫通する方向に生じた磁気ノイズの影響を受けにくくなり、さらに、前記第１ステータコア４５及び前記第２ステータコア４６のバックヨークが前記回転軸２に対して直交する方向からの磁気ノイズに対してシールドの役目を果たすので、前記磁歪式トルクセンサ１０を前記回転軸２の磁化及び磁気ノイズに対する耐性を強くすることができる。

なお、この実施の形態では、図１に示す前記第１合金膜３１及び前記第２合金膜３２はめっき処理により、前記回転軸２に右回りのトルクがかかった場合と、左回りのトルクがかかった場合とで、磁歪特性が反転するように形成されて磁気異方性が付与されていたが、他の方法により磁気異方性が付与されていてもよい。例えば、前記第１合金膜３１及び前記第２合金膜３２の表面に溝加工を施すことや、前記第１合金膜３１及び前記第２合金膜３２の表面に溶射による加工を施すことで前記第１合金膜３１及び前記第２合金膜３２に磁気異方性が付与されていてもよい。

また、この実施の形態では、前記輪状ステータ４は１つ設けられていたが、これ以上の数の輪状ステータが設けられていてもよい。例えば、前記第１ステータコア及び前記第２ステータコアとが一体に形成されている前記輪状ステータ４に代えて、前記第１ステータコア及び前記第２ステータコアと、前記第１ステータコア及び前記第２ステータコアと同じ構成である第３ステータコア及び第４ステータコアとが一体に形成されている第２輪状ステータを設けてもよい。これにより、ステータコアが４つとなり検出コイルの数が合計８つになるので、前記磁歪式トルクセンサ１０にさらに冗長性を持たせることができる。

また、この実施の形態では、前記第２検出コイル４５２は前記第１検出コイル４５１と逆の巻回方向に巻回され、前記第４検出コイル４６２は前記第３検出コイル４６１と逆の巻回方向に巻回されていたが、前記第１検出コイル４５１と前記第２検出コイル４５２とが同じ方向に巻回され、前記第３検出コイル４６１と前記第４検出コイル４６２とが同じ方向に巻回されていてもよい。

また、この実施の形態では、前記第２ティース４６０は、前記輪状ステータ４の周方向において、隣接する前記第１ティース４５０同士が前記輪状ステータ４の中心に対してなす中心角の半分の角度だけ、前記第１ティース４５０に対して異なった位置から前記回転軸２に向かって突出していたが、前記第２ティース４６０の位置は必ずしもこの位置に限定されず、前記第１ティース４５０と干渉しない範囲で前記第１ティース４５０に対して適宜異なった位置から突出するように設けられていてもよい。

なお、本発明による磁歪式トルクセンサの要旨としては、以下の通りである。すなわち、回転方向が反転することで磁歪特性が反転するようにその軸方向に沿って二分されて異方性付与部材となる前記第１合金膜３１及び前記第２合金膜３２が表面に設けられた前記回転軸２と、前記回転軸２と同軸に設けられた前記第１ステータコア４５及び前記第２ステータコア４６が一体に形成された前記輪状ステータ４と、前記第１ステータコア４５に設けられ、前記回転軸２に向かって突出した複数の前記第１ティース４５０と、前記第２ステータコア４６に設けられ、前記輪状ステータ４の周方向において前記第１ティース４５０に対して異なった位置から前記回転軸２に向かって突出した複数の前記第２ティース４６０とを備え、前記各第１ティース４５０のうち奇数個目には前記第１検出コイル４５１が巻回され、前記各第１ティース４５０のうち偶数個目には前記第２検出コイル４５２が巻回され、前記各第２ティース４６０のうち奇数個目には前記第１検出コイル４５１と同じ巻回方向に前記第３検出コイル４６１が巻回され、前記各第２ティース４６０のうち偶数個目には前記第２検出コイル４５２と同じ巻回方向に前記第４検出コイル４６２が巻回され、前記第１検出コイル４５１の出力と、前記第２検出コイル４５２の出力と、前記第３検出コイル４６１の出力と、前記第４検出コイル４６２の出力とに基づいて、前記回転軸２に発生するトルク及び各検出コイル４５１，４５２，４６１，４６２の故障を検出するように構成されている。

本発明による磁歪式トルクセンサは、回転方向が反転することで磁歪特性が反転するようにその軸方向に沿って二分されて異方性付与部材となる第１合金膜３１及び第２合金膜３２が表面に設けられた回転軸２と、回転軸２と同軸に設けられた第１ステータコア４５及び第２ステータコア４６が一体に形成された輪状ステータ４と、第１ステータコア４５に設けられ、回転軸２に向かって突出した複数の第１ティース４５０と、第２ステータコア４６に設けられ、輪状ステータ４の周方向において第１ティース４５０に対して異なった位置から回転軸２に向かって突出した複数の第２ティース４６０とを用い、回転軸に発生するトルク及び各検出コイルの故障を検出するので、軸方向の長さを短くし、温度変化、回転軸の磁化及び磁気ノイズに強くすることができる。

２ 回転軸
４ 輪状ステータ
１０ 磁歪式トルクセンサ
３１ 第１合金膜
３２ 第２合金膜
４５ 第１ステータコア
４６ 第２ステータコア
４５０ 第１ティース
４５１ 第１検出コイル
４５２ 第２検出コイル
４６０ 第２ティース
４６１ 第３検出コイル
４６２ 第４検出コイル

Claims (2)

1. 回転方向が反転することで磁歪特性が反転するように、その軸方向に沿って二分されて異方性付与部材となる第１，第２合金膜（３１，３２）が表面に設けられた回転軸（２）と、
   前記回転軸（２）と同軸に設けられた第１ステータコア（４５）及び第２ステータコア（４６）が一体に形成された輪状ステータ（４）と、
   前記第１ステータコア（４５）に設けられ、前記回転軸（２）に向かって突出した複数の第１ティース（４５０）と、
   前記第２ステータコア（４６）に設けられ、前記輪状ステータ（４）の周方向において前記第１ティース（４５０）に対して異なった位置から前記回転軸（２）に向かって突出した複数の第２ティース（４６０）と、
   を備え、
   前記各第１ティース（４５０）のうち奇数個目には第１検出コイル（４５１）が巻回され、前記各第１ティース（４５０）のうち偶数個目には第２検出コイル（４５２）が巻回され、前記各第２ティース（４６０）のうち奇数個目には前記第１検出コイル（４５１）と同じ巻回方向に第３検出コイル（４６１）が巻回され、前記各第２ティース（４６０）のうち偶数個目には前記第２検出コイル（４５２）と同じ巻回方向に第４検出コイル（４６２）が巻回され、
   前記第１検出コイル（４５１）の出力と、前記第２検出コイル（４５２）の出力と、前記第３検出コイル（４６１）の出力と、前記第４検出コイル（４６２）の出力とに基づいて、前記回転軸（２）に発生するトルク及び前記各検出コイル（４５１，４５２，４６１，４６２）の故障を検出する
   ことを特徴とする磁歪式トルクセンサ。
2. 前記第２ティース（４６０）は、前記輪状ステータ（４）の周方向において、隣接する前記第１ティース（４５０）同士が前記輪状ステータ（４）の中心に対してなす中心角の半分の角度だけ、前記第１ティース（４５０）に対して異なった位置から前記回転軸（２）に向かって突出す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。

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