JP6989114B2

JP6989114B2 - トルク検出装置

Info

Publication number: JP6989114B2
Application number: JP2017236761A
Authority: JP
Inventors: 健幸古平
Original assignee: Tamagawa Seiki Co Ltd
Current assignee: Tamagawa Seiki Co Ltd
Priority date: 2017-12-11
Filing date: 2017-12-11
Publication date: 2022-01-05
Anticipated expiration: 2037-12-11
Also published as: JP2019105473A

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。

また、ヒステリシスによる悪影響を抑制するために、バイアス電流を流すためのコイルを設けてバイアス磁界を発生させる構成が公知である。特許文献３〜５には、このような構成の例が記載されている。

特開２００６−６４４４５号公報特開２０１４−１６００６号公報特開２０１４−１５３２５４号公報特開２０１４−２１９２１７号公報特開２００８−２０３１６６号公報

しかしながら、従来の構成では、バイアス用コイルを配置するためのスペースが必要となり、省スペース化に限界があるという問題があった。

たとえば、バイアス用コイル用のボビンを設置してそこにコイルを巻く構成では、ボビンの設置スペースが必要となる。また、特許文献３〜５では軸部材にバイアス用コイルを巻回するため、軸方向の寸法が比較的大きくなる。

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、省スペース化を可能にす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、径方向内側に突出する複数のティースを備えた環状のステータと、いずれかのティースの周りに巻回され、バイアス電流が流れるバイアス用コイルとを備え、いずれかのティースの周りに巻回される励磁コイル、または、いずれかのティースの周りに巻回される検出コイルをさらに備え、前記バイアス用コイルは、前記励磁コイルまたは前記検出コイルと同一のティースに巻回される構成である。

この発明に係るトルク検出装置によれば、バイアス用コイルが輪状ステータのティースに配置されるので、全体構成の省スペース化が可能となる。

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の第１ステータコアおよびこれに巻回される各コイルを図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。

以下、この発明の実施の形態を添付図面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、バイアス用コイルＢと、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。

バイアス用コイルＢにはバイアス電流が流れる。バイアス電流はたとえば所定方向の直流電流である。このバイアス電流により、バイアス用コイルＢの周辺にバイアス磁界が発生する。シャフト２を構成する磁性体は、このバイアス磁界の影響を受けて磁化される。

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に障害が発生した場合等に、サブ系励磁コイルＳＥが動作するよう切り替えられる。同様に、メイン系検出コイルＭＤおよびサブ系検出コイルＳＤ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検出コイルＭＤのみが動作し、サブ系検出コイルＳＤは休止するが、メイン系検出コイルＭＤに障害が発生した場合等に、サブ系検出コイルＳＤ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、バイアス用コイルＢ、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およびサブ系検出コイルＳＤは、いずれもコイル軸Ｔ１〜Ｔ８すべてに配置される。

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。

なお、シャフト２を構成する磁性体は、バイアス用コイルＢが発生するバイアス磁界により、磁壁の移動が発生しない状態（すなわち全体が１つの磁区となっている状態）になっている。または、バイアス磁界が存在しない場合と比較して、磁壁の移動が少ない状態（すなわち磁区の数が少ない状態）になっている。言い換えると、シャフト２を構成する磁性体は回転磁化状態にあるか、または、比較的回転磁化状態に近い状態にあるということができる。

このため、バイアス磁界が存在しない場合と比較すると、塑性変形で発生する空孔および転移の影響が小さく、ヒステリシスが緩和される。

このような状態を実現するための各バイアス用コイルＢに流すべきバイアス電流の向きおよび大きさは、当業者が適宜決定可能である。特定のバイアス用コイルＢのみに電流を流してもよい。また、バイアス用コイルＢに流れる電流の向きおよび大きさは、ヒステリシスの緩和に限らず、トルクに対する逆磁歪効果の感受性を調整するために設計されてもよい。

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。

このように、実施の形態１では、バイアス用コイルＢは、他のコイル（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およびサブ系検出コイルＳＤ）と同一のティースに巻回されるので、バイアス用コイルＢを配置するためのボビン等を設ける必要がなく、全体構成の省スペース化が可能となる。

また、実施の形態１によれば、バイアス用コイルＢと、他のコイルとが同一のティースに巻回されるので、各コイルの物理的距離が近くなり、磁界を効率的に利用することができる。

上述の実施の形態１において、各コイルの配置は適宜変更可能である。たとえば、バイアス用コイルＢをすべてのティースに配置する必要はなく、少なくとも１つのティースに配置すればよい。また、励磁コイルおよび検出コイルは冗長構成とする必要はなく、サブ系励磁コイルＳＥおよびサブ系検出コイルＳＤのいずれかまたは双方を省略してもよい。また、検出コイルおよび励磁コイルは、それぞれ少なくとも１本のティースに配置されていればよい。

さらに、バイアス用コイルＢ、励磁コイル（たとえばメイン系励磁コイルＭＥ）および検出コイル（たとえばメイン系検出コイルＭＤ）をすべてのティースには配置しない場合において、バイアス用コイルＢと他のコイルとの位置関係は、適宜変更可能である。たとえば、バイアス用コイルＢは励磁コイルと同一のステータコアに配置されればよい。同一のステータコアであれば、励磁コイルと同一のティースに配置してもよいし、励磁コイルが配置されたティースと対向する位置にあるティースに配置してもよいし、励磁コイルが配置されたティースと直交する位置のティースに配置されてもよいし、他のティースに配置されてもよい。また、バイアス用コイルＢは、検出コイルと同一のステータコアに配置されればよい。同一のステータコアであれば、検出コイルと同一のティースに配置してもよいし、検出コイルが配置されたティースと対向する位置にあるティースに配置してもよいし、検出コイルが配置されたティースと直交する位置のティースに配置されてもよいし、他のティースに配置されてもよい。

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）、５０ティース、ＭＥメイン系励磁コイル（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（励磁コイル）、ＳＤサブ系検出コイル（検出コイル）、Ｓトルク軸。

Claims

トルク軸(S)を有するシャフト(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、
径方向内側に突出する複数のティース(50)を備えた輪状ステータ(4)と、
いずれかの前記ティース(50)の周りに巻回され、バイアス電流が流れるバイアス用コイル(B)と、
を備えるトルク検出装置において、
いずれかの前記ティース(50)の周りに巻回される励磁コイル(SE,ME)、または、
いずれかの前記ティース(50)の周りに巻回される検出コイル(SD,MD)、
をさらに備え、
前記バイアス用コイル(B)は、前記励磁コイル(SE,ME)または前記検出コイル(SD,MD)と同一の前記ティース(50)に巻回される構成からなることを特徴とするトルク検出装置。