JP6961222B2 - 歪みセンサのステータ構造 - Google Patents

Description

本発明は歪みセンサのステータ構造に関し、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歪みセンサに関する。

車両の操舵装置等の機器に搭載される従来の歪みセンサの構造としては、例えば以下の特許文献１に記載された歪みセンサが知られている。すなわち、図３に示す従来の歪みセンサ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にトルクが印加されると、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は磁区が回転及び整列して透磁率が変化し、それにより磁束密度が変化する。そして、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に印加された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歪みセンサ１では、前記回転軸２にトルクが印加された場合に前記第１合金膜３１の磁区が回転及び整列する方向と前記第１輪状検出コイル４１及び前記第２輪状検出コイル４２の検出する磁束の向きとが一致しない。また、前記回転軸２にトルクが印加された場合に前記第２合金膜３２の磁区が回転及び整列する方向と前記第３輪状検出コイル４３及び前記第２輪状検出コイル４２の検出する磁束の向きとが一致しない。このため、前記第１，第２，第３，第４輪状検出コイル４１，４２，４３，４４における、ビラリ効果による前記回転軸２の磁束密度の変化の検出効率が低下し、前記歪みセンサ１の検出感度及び検出精度が低下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、検出コイルにおける、ビラリ効果による回転軸の磁束密度の変化の検出効率を向上し、歪みセンサの検出感度及び検出精度の検出効率を向上する歪みセンサのステータ構造を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するために、この発明に係る歪みセンサのステータ構造は、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第１異方性付与部材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、各第１ティースの間に形成された、複数の第１スロットと、各第１スロットに挿入された第１検出コイルとを備え、第１スロットは、回転軸にトルクを印加した場合に第１異方性付与部材の磁区が回転及び整列する方向と、第１検出コイルの検出する磁束の向きとが、一致又は直交するように形成されるように構成され、また、第１異方性付与部材は、異方性を付与された第１合金膜であるように構成され、また、回転軸は、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第１異方性付与部材と二分された第２異方性付与部材を表面にさらに有し、回転軸と同軸にさらに第２ステータコアが一体に形成された輪状ステータと、第２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２ティースと、各第２ティースの間に形成された、複数の第２スロットと、各第２スロットに挿入された第２検出コイルとをさらに有し、第２スロットは、回転軸にトルクを印加した場合に第２異方性付与部材の磁区が回転及び整列する方向と、第２検出コイルの検出する磁束の向きとが、一致又は直交するように形成されるように構成され、また、第２異方性付与部材は、異方性を付与された第２合金膜であるように構成される。

本発明に係る歪みセンサのステータ構造によれば、第１スロットは、回転軸にトルクを印加した場合に第１異方性付与部材の磁区が回転及び整列する方向と、第１検出コイルの検出する磁束の向きとが、一致又は直交するように形成されるので、歪みセンサ１の検出感度及び検出精度の検出効率が向上する。

本発明の実施の形態に係る歪みセンサの断面概略図である。 図１に記載の第１ティース及び第２ティースと第１合金膜及び第２合金膜との概略図である。 従来の歪み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３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歪みセンサ１０の断面概略図である。前記歪みセンサ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Ａに沿って二分されて設けられている。前記第１合金膜３１は第１異方性付与部材を構成し、前記第２合金膜３２は第２異方性付与部材を構成する。

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。

なお、前記第１異方性付与部材及び前記第２異方性付与部材として利用できるのは、前記第１合金膜３１及び前記第２合金膜３２のような異方性が付与された合金膜に限定されず、歪みにより透磁率が変化する磁性体であればよい。
（※弊所コメント：段落［００３０］も含めて異方性付与部材は合金膜以外でも利用できることを追記しました。なお、合金膜以外の部材を使った構成の歪みセンサについて、権利取得を希望される場合又は権利範囲に含める可能性がある場合は、その構成の具体例を記載する必要がありますのでお知らせください。）

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を模式的に示す。
輪状の前記第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、輪状の前記第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。なお、図２においては、前記第１ティース４５０が直線上に並ぶように前記第１ステータコア４５を展開して図示し、前記第２ティース４６０が直線上に並ぶように前記第２ステータコア４６を展開して図示している。また、前記第１ティース４５０及び第２ティース４６０は３個ずつ図示されているが、前記第１ティース４５０及び第２ティース４６０の数は３個ずつに限定されるものではなく、任意の複数の数だけ設けられていればよい。

前記各第１ティース４５０の間には、第１スロット４５２がそれぞれ構成されている。また、前記各第２ティース４６０の間には、第２スロット４６２がそれぞれ構成されている。前記各第１スロット４５２は前記回転軸２の軸方向Ａに対して斜め方向の溝、すなわちスキューとして構成されている。また、前記各第２スロット４６２は前記回転軸２の軸方向Ａに対して斜め方向であり且つ前記各第１スロット４５２とは逆の斜め方向の溝、すなわちスキューとして構成されている。

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２ティース４６０に、第２検出コイル４６１が巻回されている。すなわち、前記各第１検出コイル４５１は前記各第１スロット４５２に挿入され、前記各第２検出コイル４６１は前記各第２スロット４６２に挿入されている。前記第１検出コイル４５１と、前記第２検出コイル４６１とは、図示しない信号検出部に接続されている。そして、前記第１検出コイル４５１と前記第２検出コイル４６１との検出した磁束の変化を電気信号として前記信号検出部へ送信する。前記信号検出部は前記第１検出コイル４５１の検出した磁束の変化と前記第２検出コイル４６１の検出した磁束の変化との差分を計算し、前記回転軸２の歪みの検出信号とする。

前記各第１スロット４５２がスキューとして構成されていることにより、前記第１検出コイル４５１に鎖交する磁束の方向Ｂ１が前記回転軸２の軸方向Ａに対して斜め方向となる。また、前記回転軸２にトルクが印加されると、前記第１合金膜３１にトルクの印加方向に応じてＢ２又はＢ３方向に磁区の回転及び整列が生じる。このため、前記第１検出コイル４５１に鎖交する磁束の方向Ｂ１と、前記回転軸２にトルクが印加された時の磁区の回転及び整列の方向Ｂ２又はＢ３とが、一致又は直交する。

同様に、前記各第２スロット４６２がスキューとして構成されていることにより、前記第２検出コイル４６１に鎖交する磁束の方向Ｃ１が前記回転軸２の軸方向Ａに対して斜め方向となる。また、前記回転軸２にトルクが印加されると、前記第２合金膜３２にトルクの印加方向に応じてＣ２又はＣ３方向に磁区の回転及び整列が生じる。このため、前記第２検出コイル４６１に鎖交する磁束の方向Ｃ１と、前記回転軸２にトルクが印加された時の磁区の回転及び整列の方向Ｃ２又はＣ３とが、一致又は直交する。

一方、特許文献１に記載されているような、ステータコアのスロットが前記回転軸２の軸方向Ａに沿って設けられ、スキューとして構成されていない歪みセンサでは、コイルに鎖交する磁束の方向が軸方向Ａに対して一致し、前記回転軸２にトルクが印加された時の磁区の回転及び整列の方向とは一致又は直交しない。

このため、この実施の形態のように前記各第１スロット４５２及び前記各第２スロット４６２がスキューとして構成されている前記歪みセンサ１０は、スロットがスキューとして構成されていない歪みセンサよりも、検出感度及び検出精度が向上する。

また、ステータコアのスロットが前記回転軸２の軸方向Ａに沿って設けられ、スキューとして構成されていない歪みセンサでは、コイルに鎖交する磁束の方向が前記回転軸２の軸方向Ａに対して一致するので、前記回転軸２を伝わって貫通する磁気ノイズによって検出感度及び検出精度が悪化しやすい。これに対して、この実施の形態の前記歪みセンサ１０は、前記第１検出コイル４５１及び前記第２検出コイル４６１の磁束の方向が軸方向Ａに対して一致していないので、前記回転軸２を伝わって貫通する磁気ノイズによる検出感度及び検出精度の悪化が起こりにくくなり、軸方向Ａの磁気ノイズに対するロバスト性が向上する。

また、前記各第１スロット４５２及び前記各第２スロット４６２がスキューとして構成されているので、スロットがスキューとして構成されていない歪みセンサよりも、前記第１検出コイル４５１及び前記第２検出コイル４６１の磁束が発生する部分の面積が増加する。これにより、検出感度及び検出精度が向上する。

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ように、その軸方向に沿って前記第１異方性付与部材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、前記各第１ティース４５０の間に形成された、複数の前記第１スロット４５２と、前記各第１スロット４５２に挿入された前記第１検出コイル４５１とを備え、前記第１スロット４５２は、前記回転軸２にトルクを印加した場合に前記第１異方性付与部材３１の磁区が回転及び整列する方向と、前記第１検出コイル４５１の検出する磁束の向きとが、一致又は直交するように形成されるので、検出感度及び検出精度が向上する。

また、前記第１異方性付与部材は、異方性を付与された前記第１合金膜３１であるので、簡単な構成で前記回転軸２の表面に異方性付与部材を設けることができる。

また、前記回転軸２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前記第１異方性付与部材と二分された前記第２異方性付与部材を表面にさらに有し、前記回転軸２と同軸にさらに第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２ステータコア４６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２ティース４６０と、前記各第２ティース４６０の間に形成された、複数の前記第２スロット４６２と、前記各第２スロット４６２に挿入された前記第２検出コイル４６１とをさらに有し、前記第２スロット４６２は、前記回転軸２にトルクを印加した場合に前記第２異方性付与部材３２の磁区が回転及び整列する方向と、前記第２検出コイル４６１の検出する磁束の向きとが、一致又は直交するように形成されるので、前記第１異方性付与部材と前記各第１ティース４５０と前記第１検出コイル４５１と前記第１スロット４５２とをのみを備える場合に比べて、前記第１検出コイル４５１の検出する磁束の変化と、前記第２検出コイル４６１との磁束の変化との差分を前記回転軸２に入力された歪みの検出信号とすることができ、前記歪みセンサ１０の検出感度及び検出精度が向上する。

また、前記第２異方性付与部材３２は、異方性を付与された前記第２合金膜３２であるので、簡単な構成で前記回転軸２の表面に異方性付与部材を設けることができる。

なお、この実施の形態では、図２に示すように前記第１検出コイル４５１に鎖交する磁束の方向Ｂ１と、前記回転軸２にトルクが印加された時の磁区の回転及び整列の方向Ｂ２又はＢ３とが、一致又は直交していたが、磁束の方向Ｂ１と磁区の回転及び整列の方向Ｂ２又はＢ３とは完全に一致又は直交していなくともよく、一致又は直交に近い位置関係であってもよい。また、前記第２検出コイル４６１に鎖交する磁束の方向Ｃ１と、前記回転軸２にトルクが印加された時の磁区の回転及び整列の方向Ｃ２又はＣ３とが、一致又は直交するが、磁束の方向Ｃ１と磁区の回転及び整列の方向Ｃ２又はＣ３とは完全に一致又は直交していなくともよく、一致又は直交に近い位置関係であってもよい。各磁束の方向と軸の回転及び整列の方向が一致又は直交に近い位置関係であれば、スロットがスキューとして構成されてない歪みセンサよりも、検出感度及び検出精度が向上し、また軸方向Ａの磁気ノイズに対するロバスト性が向上する。

また、この実施の形態では、前記歪みセンサ１０においては、前記回転軸２に前記第１合金膜３１と前記第２合金膜３２とが設けられ、前記輪状ステータ４には、前記第１合金膜３１に対向している前記第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とが設けられていたが、前記歪みセンサ１０において前記第１合金膜３１と前記第１ステータコア４５とが設けられ、前記第２合金膜３２と前記第２ステータコア４６とが設けられていない構成であっても歪みセンサとして機能する。

また、この実施の形態では前記第１異方性付与部材として前記第１合金膜３１を設け、前記第２異方性付与部材として前記第２合金膜３２を設けていたが、前記第１異方性付与部材及び前記第２異方性付与部材は前記第１合金膜３１及び前記第２合金膜３２のような異方性が付与された合金膜に限定されず、歪みにより透磁率が変化する磁性体であればよい。

なお、本発明による歪みセンサのステータ構造は、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前記第１異方性付与部材３１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、前記各第１ティース４５０の間に形成された、複数の前記第１スロット４５２と、前記各第１スロット４５２に挿入された前記第１検出コイル４５１とを備え、前記第１スロット４５２は、前記回転軸２にトルクを印加した場合に前記第１異方性付与部材３１の磁区が回転及び整列する方向と、前記第１検出コイル４５１の検出する磁束の向きとが、一致又は直交するように形成される構成であり、また、前記第１異方性付与部材３１は、異方性を付与された前記第１合金膜３１である構成であり、また、前記回転軸２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前記第１異方性付与部材と二分された前記第２異方性付与部材を表面にさらに有し、前記回転軸２と同軸にさらに前記第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２ステータコア４６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２ティース４６０と、前記各第２ティース４６０の間に形成された、複数の前記第２スロット４６２と、前記各第２スロット４６２に挿入された前記第２検出コイル４６１とをさらに有し、前記第２スロット４６２は、前記回転軸２にトルクを印加した場合に前記第２異方性付与部材３２の磁区が回転及び整列する方向と、前記第２検出コイル４６１の検出する磁束の向きとが、一致又は直交するように形成される構成であり、また、前記第２異方性付与部材３２は、異方性を付与された前記第２合金膜３２である構成である。

本発明による歪みセンサのステータ構造は、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第１異方性付与部材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、各第１ティースの間に形成された、複数の第１スロットと、各第１スロットに挿入された第１検出コイルとを備え、第１スロットは、回転軸にトルクを印加した場合に第１異方性付与部材の磁区が回転及び整列する方向と、第１検出コイルの検出する磁束の向きとが、一致又は直交するように形成されるので、検出感度及び検出精度が向上する。

２ 回転軸
４ 輪状ステータ
１０ 歪みセンサ
３１ 第１合金膜（第１異方性付与部材）
３２ 第２合金膜（第２異方性付与部材）
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１スロット
４６０ 第２ティース
４６１ 第２検出コイル
４６２ 第２スロット

Claims (4)

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第１異方性付与部材（３１）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）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、
   前記各第１ティース（４５０）の間に形成された、複数の第１スロット（４５２）と、
   前記各第１スロット（４５２）に挿入された第１検出コイル（４５１）と
   を備え、
   前記第１スロット（４５２）は、前記回転軸（２）にトルクを印加した場合に前記第１異方性付与部材（３１）の磁区が回転及び整列する方向と、前記第１検出コイル（４５１）の検出する磁束の向きとが、一致又は直交するように形成されることを特徴とする歪みセンサのステータ構造。
2. 前記第１異方性付与部材（３１）は、異方性を付与された第１合金膜（３１）であることを特徴とする請求項１に記載の歪みセンサのステータ構造。
3. 前記回転軸（２）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前記第１異方性付与部材（３１）と二分された第２異方性付与部材（３２）を表面にさらに有し、
   前記回転軸２と同軸にさらに第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２ステータコア（４６）に設けられ、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、
   前記各第２ティース（４６０）の間に形成された、複数の第２スロット（４６２）と、
   前記各第２スロット（４６２）に挿入された第２検出コイル（４６１）と
   をさらに有し、
   前記第２スロット（４６２）は、前記回転軸（２）にトルクを印加した場合に前記第２異方性付与部材（３２）の磁区が回転及び整列する方向と、前記第２検出コイル（４６１）の検出する磁束の向きとが、一致又は直交するように形成されることを特徴とする請求項１又は２に記載の歪みセンサのステータ構造。
4. 前記第２異方性付与部材（３２）は、異方性を付与された第２合金膜（３２）であることを特徴とする請求項３に記載の歪みセンサのステータ構造。

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