JP6883843B2

JP6883843B2 - トルク検出装置

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Publication number: JP6883843B2
Application number: JP2017020446A
Authority: JP
Inventors: 雅宏酒井; 和之石橋; 健幸古平; 貴広佐々木; 駿弥岩澤
Original assignee: Tamagawa Seiki Co Ltd
Current assignee: Tamagawa Seiki Co Ltd
Priority date: 2017-02-07
Filing date: 2017-02-07
Publication date: 2021-06-09
Anticipated expiration: 2037-02-07
Also published as: JP2018128312A

Description

この発明は、トルク検出装置に関する。

トルク検出において、磁歪効果を用いることが知られている。たとえば、歪みを検出する対象となる軸（シャフト）の表面に、磁歪特性を増加させる表面処理（たとえば、メッキまたは溝加工等）を施し、磁歪効果を測定することによってトルクを検出する。この際、軸方向上下に、回転方向に対する特性変化の異方性を付与することが必要である。磁歪効果の測定は、シャフトと同軸に巻かれたコイルを配置し、インピーダンスの大きさに基づくビラリ効果により発生したシャフトの透磁率の変化を読み取ることによって行われる。このような構成の例は、特許文献１および２に記載される。

特開２００６−６４４４５号公報特開２０１４−１６００６号公報

しかしながら、従来の構成では、高い検出精度を得ようとするとシャフトが長くなってしまうという問題があった。

たとえば、自己インピーダンスの大きさに基づいてトルクを検出することは、合計２個（シャフトの、互いに異方性を有する２箇所にそれぞれ１個ずつ）のコイルで可能であるが、検出感度および精度を改善するためには、励磁コイルと検出コイルの組を用いることが必要であり、その場合には、互いに異方性を有する２箇所にそれぞれ１組ずつ、合計４個のコイルが必要となる。また、さらに冗長性を持たせるためにはより多数のコイルが必要となり、たとえば２重にするには合計８個のコイルが必要となる。

このように多数のコイルをシャフトと同軸に配置すると、シャフトの長さ（すなわち軸方向の寸法）が大きくなる。

また、シャフトが長くなると、検出動作に係る範囲が長大になるので、温度分布が不均一であったり、トルク以外の応力がシャフトに印加されたりした場合等の誤差も大きくなり、精度が低下するおそれがある。

この発明はこのような問題点を解消するためになされたものであり、高い検出精度を得ながらシャフトを短くできるトルク検出装置を提供することを目的とする。

この発明に係るトルク検出装置は、トルク軸を有するシャフトの外周面にめっき処理により形成され、かつ、直列状に設けられた第１合金膜及び第２合金膜の磁歪特性を利用して前記シャフトの透磁率の変化に基づき、前記シャフトに加えられたトルクを検出する、トルク検出装置であって、
前記トルク軸に垂直な複数の第１〜第８コイル軸の周りに巻回される複数の励磁コイルと、
前記トルク軸に垂直な第２コイル軸の周りに巻回される検出コイルと、
を備え、前記複数の励磁コイルのうち、メイン系励磁コイルに障害が発生した時に、サブ系励磁コイルが動作するよう切り替えるようにした構成である。

この発明に係るトルク検出装置によれば、コイル軸がトルク軸と垂直に構成されるので、コイルを多数配置してもトルク軸の長さへの影響が小さく、高い検出精度を得ながらシャフトの長さを短くすることができる。

この発明の実施の形態１に係る磁歪式トルクセンサの断面概略図である。図１の一部の部材を図１のＡ方向から見た概略図である。図２における各コイルの位置関係の概略を説明する図である。実施の形態２における各コイルの位置関係の概略を説明する図である。実施の形態３における各コイルの位置関係の概略を説明する図である。

以下、この発明の実施の形態を添付図面の図１〜図５に基づいて説明する。
実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１に係る磁歪式トルクセンサ１０の断面概略図である。磁歪式トルクセンサ１０は、たとえば車載ＥＰＳ（電動パワーステアリング）用の操舵トルク検出装置等に搭載される。磁歪式トルクセンサ１０には、シャフト２が設けられている。シャフト２は、歪みを検出する対象となる部材である。シャフト２はトルク軸Ｓを有する。すなわち、シャフト２に対して、トルク軸Ｓの周りにトルクが加えられ、このトルクに応じてシャフト２に歪みが発生する。

シャフト２の磁歪特性は、加わるトルクの向きおよび強さによって異なるように構成される。たとえば、シャフト２の径方向の外周面にめっき処理による合金膜が形成され、この合金膜がそのような磁歪特性を有してもよい。本実施形態では、第１合金膜３１と第２合金膜３２とがシャフト２の長手方向に直列状に設けられている。第１合金膜３１は、シャフト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、磁歪特性が異なる（たとえば反転する）ようにめっき処理がなされて形成されている。第２合金膜３２も、シャフト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、磁歪特性が異なる（たとえば反転する）ようにめっき処理がなされて形成されている。磁歪式トルクセンサ１０は、この磁歪特性を利用して、シャフト２の透磁率の変化に基づき、シャフト２に加えられたトルクを検出する。

第２合金膜３２の磁歪特性は、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、第１合金膜３１及び第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いる。たとえば、第２合金膜３２には第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、第１合金膜３１及び第２合金膜３２は、異方性付与部材を構成している。

磁歪式トルクセンサ１０は、輪状ステータ４（環状のステータ）を備える。輪状ステータ４は、シャフト２の外側に、これと同軸状に（すなわちトルク軸Ｓの周りに）配置される。輪状ステータ４は、第１合金膜３１に対向している第１ステータコア４５と、第２合金膜３２に対向している第２ステータコア４６とから構成されている。第１ステータコア４５と、第２ステータコア４６とは、シャフト２の長手方向に沿って互いに離間して設けられている。第１ステータコア４５および第２ステータコア４６は、トルク軸Ｓの方向において、所定の基準点（たとえばシャフト２の軸方向中央点）を中心として対称に配置される。輪状ステータ４及びシャフト２は、ハウジング５に収容されている。

図２は、図１の第１ステータコア４５と、第１ステータコア４５に巻回される各コイルとを含む構成を示す概略図であり、シャフト２の軸方向（トルク軸Ｓと平行な方向、たとえば図１のＡ方向）から見た図である。

第１ステータコア４５には、円周状にスロットが配置される。すなわち、第１ステータコア４５は、径方向内側に（たとえばシャフト２に向かって）突出する複数のティース５０を備える。図２の例では、ティース５０は周方向に等間隔に設けられる。とくに、図２の例では、合計８本のティース５０が４５度おきに形成されている。各ティース５０の周りにはコイルが巻回される。コイルは冗長系に構成され、メイン系（第１系統）のコイルと、サブ系（第２系統）のコイルとを含む。

メイン系コイルはメイン系励磁コイルＭＥおよびメイン系検出コイルＭＤを含み、サブ系コイルはサブ系励磁コイルＳＥおよびサブ系検出コイルＳＤを含む。メイン系励磁コイルＭＥおよびサブ系励磁コイルＳＥは、いずれか一方のみが動作する。たとえば通常時はメイン系励磁コイルＭＥのみが動作し、サブ系励磁コイルＳＥは休止するが、メイン系励磁コイルＭＥに障害が発生した時に、サブ系励磁コイルＳＥが動作するよう切り替えられる。

図３は、図２における各コイルの位置関係の概略を説明する図である。

図２および図３に示すように、各コイルは、それぞれコイル軸の周りに巻回される。図２の例では、各ティース５０に対応して、コイル軸Ｔ１〜Ｔ８が配置されている。コイル軸Ｔ１〜Ｔ８は、いずれもトルク軸Ｓに垂直に配置される。また、第１ステータコア４５に配置される各コイルは、すべてトルク軸Ｓの方向において同一の位置に設けられる（たとえば図２の例では、トルク軸Ｓは紙面に垂直であり、各コイルはすべて紙面にかかるように配置されている）。言い換えると、各コイル軸も、すべてトルク軸Ｓの方向において同一の位置に設けられる。

実施の形態１では、メイン系励磁コイルＭＥおよびサブ系励磁コイルＳＥは、いずれも、コイル軸Ｔ１〜Ｔ８すべてに配置される。また、メイン系検出コイルＭＤは、コイル軸Ｔ１，Ｔ３，Ｔ５およびＴ７に配置され、サブ系検出コイルＳＤは、コイル軸Ｔ２，Ｔ４，Ｔ６およびＴ８に配置される。このように、実施の形態１では、メイン系励磁コイルＭＥおよびサブ系励磁コイルＳＥは、同一の軸の周りに（すなわち同一のティース５０に）巻回され、メイン系検出コイルＭＤおよびサブ系検出コイルＳＤは、周方向に互い違いとなるコイル軸の周りに巻回される。図２および図３の例では、コイル軸Ｔ１〜Ｔ８のすべてについて（すなわちすべてのティース５０について）、メイン系励磁コイルＭＥおよびサブ系励磁コイルＳＥが対となって配置されている。

第２ステータコア４６についても同様にコイルが配置される。たとえば、第２ステータコア４６は、第１ステータコア４５と同様の形状を有し、図２に示す構成と同様にして各コイルが巻回される。

このように構成された磁歪式トルクセンサ１０において、シャフト２にトルクが入力された状態では、シャフト２に歪みが発生することにより、第１合金膜３１及び第２合金膜３２に歪みが発生して透磁率が変化する。すると、シャフト２に入力されたトルクに応じて、図２に示す各検出コイル（メイン系検出コイルＭＤおよびサブ系検出コイルＳＤ）のインピーダンスが変化する。磁歪式トルクセンサ１０は、このインピーダンスを表す値を検出するよう構成されており、検出された値に対応して、シャフト２に入力されたトルクを決定または算出することができる。なお、インピーダンスおよびトルクの具体的な算出方法はどのようなものであってもよく、たとえば特許文献１または特許文献２に記載される方法を用いてもよいし、他の公知技術を用いてもよい。

以上説明するように、この発明の実施の形態１に係る磁歪式トルクセンサ１０によれば、コイル軸がトルク軸と垂直に構成されるので、コイルを多数配置してもトルク軸の長さへの影響が小さく、高い検出精度を得ながらシャフトの長さを短くすることができる。

このため、様々な装置への搭載がより容易となる。また、シャフト２に温度勾配が発生した場合でも、各コイル間の距離が比較的小さいので、誤差を比較的小さく抑制することができる。

さらに、実施の形態１に係る構成では、コイル軸がトルク軸Ｓと直交するので、検出すべき磁束もトルク軸Ｓと直交することになり、シャフト２をトルク軸Ｓの方向に貫通する方向の磁気ノイズの影響を受けないので、検出精度が向上する。

また、実施の形態１では、ティースが径方向内側に突出する構成となっているので、ステータコアのバックヨークが、トルク軸Ｓと直交する方向の外部からの磁気ノイズに対してシールドとして機能し、磁気ノイズに対する耐性がより高くなる。

また、実施の形態１では、メイン系およびサブ系の励磁コイルを全スロットに施し、検出コイルについてはメイン系とサブ系とで互い違いとなるように施している。とくに、メイン系励磁コイルＭＥおよびサブ系励磁コイルＳＥが同一の軸（同一のティース５０）に配置されるので、励磁系統が切り替わる際の励磁コイルと検出コイルとの距離変化が小さく、特性の変化を抑制することができる。たとえば、切り替えによる感度の低下や、中立点の変動を抑制することができる。

また、実施の形態１のように励磁コイルと検出コイルとの結合が複数組形成される場合であっても、各結合がそれぞれ異なる方向となるので、異なる組の間の結合を従来の構成に比べて低減することができ、ある組に断線等の不具合事象が発生した場合であっても、他の組への磁気的影響を抑制することができる。

実施の形態２．
実施の形態２は、実施の形態１において各コイルの配置を変更するものである。
図４は、実施の形態２における各コイルの位置関係の概略を説明する図である。各コイルがコイル軸Ｔ１１〜Ｔ１８の周りに巻回される。実施の形態１とは異なり、メイン系励磁コイルＭＥおよびサブ系励磁コイルＳＥは、いずれも、コイル軸Ｔ１１，Ｔ１３，Ｔ１５およびＴ１７に配置され、メイン系検出コイルＭＤは、コイル軸Ｔ１４およびＴ１８に配置され、サブ系検出コイルＳＤは、コイル軸Ｔ１２およびＴ１６に配置される。

このような構成によっても、実施の形態１と同様にコイル軸がトルク軸と垂直に構成されるので、コイルを多数配置してもトルク軸の長さへの影響が小さく、高い検出精度を得ながらシャフトの長さを短くすることができる。

また、このような構成でも、メイン系励磁コイルＭＥおよびサブ系励磁コイルＳＥが同一の軸（同一のティース５０）の周りに巻回されるので、励磁系統が切り替わる際の励磁コイルと検出コイルとの距離変化が小さく、特性の変化を抑制することができる。

その他、実施の形態２によっても、実施の形態１におけるものと同様の効果を得ることができる。

実施の形態３．
実施の形態３は、実施の形態１において各コイルの配置を変更するものである。
図５は、実施の形態３における各コイルの位置関係の概略を説明する図である。各コイルがコイル軸Ｔ２１〜Ｔ２８の周りに巻回される。実施の形態１とは異なり、各コイル軸についてすべてのコイルが配置される。たとえば、コイル軸Ｔ２１にメイン系励磁コイルＭＥ、サブ系励磁コイルＳＥ、メイン系検出コイルＭＤ、サブ系検出コイルＳＤがすべて配置される。コイル軸Ｔ２２〜Ｔ２８についても同様である。

言い換えると、実施の形態３では、実施の形態１において、シャフト２の径方向外側にさらに検出コイルを追加したものであるということもできる。

このような構成によっても、実施の形態１および２と同様にコイル軸がトルク軸と垂直に構成されるので、コイルを多数配置してもトルク軸の長さへの影響が小さく、高い検出精度を得ながらシャフトの長さを短くすることができる。

その他、実施の形態３によっても、実施の形態１および２におけるものと同様の効果を得ることができる。

上述の実施の形態１〜３において、以下のような変形を施すことができる。
各コイルの配置は、図２〜５に示すものに限らない。たとえば励磁コイルおよび検出コイルは冗長構成をとる必要はなく、少なくとも１組あればよい。また、その場合、励磁コイルが巻回される軸を第１コイル軸とし、検出コイルが巻回される軸を第２コイル軸とすると、第１コイル軸と第２コイル軸とは一致してもよいし、異なってもよい。励磁コイルおよび検出コイルの組が複数設けられる場合には、励磁コイルが巻回される第１コイル軸と検出コイルが巻回される第２コイル軸とがすべて一致してもよいし（図３および図５はこのケースに該当する）、励磁コイルが巻回される第１コイル軸と検出コイルが巻回される第２コイル軸とがすべて異なっていてもよいし（図４はこのケースに該当する）、一部のみ一致してもよい。

図２の例では、コイル軸Ｔ１〜Ｔ８はいずれもトルク軸Ｓと交わるように配置されているが、これは必須ではない（垂直であれば交わる必要はない）。また、図２の例では、複数のコイル軸が互いに一致する（たとえばコイル軸Ｔ１はコイル軸Ｔ５と一致する）が、これらはすべて異なる（平行または交わる）ものであってもよい。

実施の形態１〜３では、各ステータコアについてすべてのコイルがトルク軸Ｓの方向において同一の位置に設けられるが、励磁コイルのうち少なくとも１つと、検出コイルのうち少なくとも１つとが同一の位置にあれば、他は異なる位置に設けられてもよい。一部のコイルを異なる軸方向位置に設けた場合であっても、少なくとも１組のコイルについては、シャフト２の長さを抑制する効果を得ることができる。

実施の形態１〜３では、コイル軸はティースに対応するが、コイル軸を設ける方法（たとえば巻回の軸となる部材）はこれに限らない。

実施の形態１〜３では、メイン系励磁コイルＭＥおよびサブ系励磁コイルＳＥが同一の軸（同一のティース５０）の周りに巻回されるが、励磁系統が切り替わる際の特性の変化を許容できる場合等には、そのように構成する必要はない。たとえば、メイン系励磁コイルＭＥおよびサブ系励磁コイルＳＥを、すべて異なるティースに配置してもよい。

実施の形態１〜３では、図１に示す第１合金膜３１及び第２合金膜３２はめっき処理により、シャフト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、第１合金膜３１及び第２合金膜３２の表面に溝加工を施すことや、第１合金膜３１及び第２合金膜３２の表面に溶射による加工を施すことで第１合金膜３１及び第２合金膜３２に磁気異方性が付与されていてもよい。

さらに、シャフト２の磁歪特性の変化に関わらず、シャフト２の透磁率の変化に基づいてトルクを検出する装置であれば、本発明の応用が可能である。

実施の形態１〜３では、輪状ステータ４は第１ステータコア４５及び第２ステータコア４６との２つを１組として構成されたが、これ以外の数の輪状ステータから構成されていてもよい。例えば、第１ステータコア及び第２ステータコアに加えて、第３ステータコア及び第４ステータコアを１組として設けてもよい。これにより、ステータコアが２組となり検出コイルの数が合計８つになるので、磁歪式トルクセンサ１０にさらなる冗長性を持たせることができる。

２シャフト、４輪状ステータ（環状のステータ）、１０磁歪式トルクセンサ（トルク検出装置）、ＭＥメイン系励磁コイル（第１系統の励磁コイル）、ＭＤメイン系検出コイル（検出コイル）、ＳＥサブ系励磁コイル（第２系統の励磁コイル）、ＳＤサブ系検出コイル（検出コイル）、Ｓトルク軸、Ｔ１〜Ｔ８コイル軸（第１コイル軸，第２コイル軸）、Ｔ１１，Ｔ１３，Ｔ１５，Ｔ１７コイル軸（第１コイル軸）、Ｔ１２，Ｔ１４，Ｔ１６，Ｔ１８コイル軸（第２コイル軸）、Ｔ２１〜Ｔ２８コイル軸（第１コイル軸，第２コイル軸）。

Claims

トルク軸(S)を有するシャフト(2)の外周面にめっき処理により形成され、かつ、直列状に設けられた第１合金膜(31)及び第２合金膜(32)の磁歪特性を利用して前記シャフト(2)の透磁率の変化に基づき、前記シャフト(2)に加えられたトルクを検出する、トルク検出装置であって、
前記トルク軸(S)に垂直な複数の第１〜第８コイル軸(T1〜T8)の周りに巻回される複数の励磁コイル(ME,SE)と、
前記トルク軸(S)に垂直な第２コイル軸(T2)の周りに巻回される検出コイル(MD)と、
を備え、前記複数の励磁コイル(ME,SE)のうち、メイン系励磁コイル(ME)に障害が発生した時に、サブ系励磁コイル(SE)が動作するよう切り替えるように構成したことを特徴とするトルク検出装置。