JP7076781B2 - 透磁率の変化を検出するためのコアおよび歪み検出装置 - Google Patents

Description

この発明はコアおよび歪み検出装置に関し、とくに、検出対象部材の透磁率の変化を検出するために用いられるものに関する。

透磁率の変化を検出し、これを利用して動作する機器が公知である。たとえば、磁歪材料を用い、ビラリ効果を利用して、磁歪材料の透磁率の変化に基づき、磁歪材料に加わるトルクを検出することができる。

このような構造の例は、特許文献１に記載される。特許文献１の構成では、歪みを検出する対象となる軸部材の表面に磁歪特性を増加させる表面処理（メッキ、溝加工等）を施し、軸部材と同軸上に軸部材を巻くようにコイルを配置し、そのインピーダンスの増減でビラリ効果により発生した軸の磁束密度の変化を読み取り、軸部材に発生した歪みの値を算出する。

特開２００６－６４４４５号公報

しかしながら、従来の方法では、歪みの方向を検出するために、歪みを検出する対象に磁気的異方性を付与するための加工が必要であった。このような加工は、たとえば高周波印加、形状加工等によって行われるが、そのためのコストおよび工数が追加で必要となる。

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、検出対象部材への磁気的異方性の付与を不要とするコアおよび歪み検出装置を提供することを目的とする。

この発明に係るコアは、磁性体を含み、検出対象部材の透磁率の変化を検出するために用いられるコアであって、前記コアに対して、軸方向、径方向および周方向が定義可能であり、前記コアは、径方向に突出する複数のティースを備え、第１磁路を形成する第１ティースおよび第２ティースが、軸方向および周方向において異なる位置に設けられる。
特定の態様によれば、前記複数のティースは、軸方向において異なる位置に設けられる複数のティース段を構成し、前記第１ティースは第１ティース段に属し、第２ティースは第２ティース段に属する。
特定の態様によれば、各前記ティース段には、それぞれ複数のティースが周方向に等間隔に設けられ、前記第１ティース段と、前記第２ティース段とは、ティースの周方向位置が互い違いとなるように配置される。
特定の態様によれば、前記第１ティースおよび前記第２ティースは、前記第１磁路のうち前記検出対象部材内に形成される部分が、軸方向に対して４５度の角度をなすように配置される。
特定の態様によれば、前記複数のティースは第３ティースを含み、第２ティースおよび第３ティースが第２磁路を形成し、前記第１ティース、前記第２ティースおよび前記第３ティースは、前記第１磁路のうち前記検出対象部材内に形成される部分と、前記第２磁路のうち前記検出対象部材内に形成される部分とが、互いに平行とならないように配置される。
特定の態様によれば、前記第１磁路と前記第２磁路とは互いに垂直である。
特定の態様によれば、前記第１磁路のうち前記検出対象部材内に形成される部分は、軸方向に対して４５度の角度をなし、前記第２磁路のうち前記検出対象部材内に形成される部分は、軸方向に対して、前記第１磁路のうち前記検出対象部材内に形成される部分とは反対側に前記４５度の角度をなす。
また、本発明に係る歪み検出装置は、上述のコアと、円筒状または円筒面状の磁歪部材を含む前記検出対象部材とを備える。

この発明に係るコアおよび歪み検出装置によれば、検出対象部材への磁気的異方性の付与が不要となる。

この発明の実施の形態１に係る歪み検出装置の構成の例を示す図である。 磁歪部における歪みと磁化状態との対応関係を示す図である。 図１のコアの斜視図である。 各ティースと磁路との位置関係を示す概略図である。 磁歪部内に形成される磁路の概略の例を示す図である。 角度と検出される透磁率との関係を示すグラフである。 実施の形態２における各ティースと磁路との位置関係を示す概略図である。 実施の形態２の変形例における各ティースと磁路との位置関係を示す概略図である。 実施の形態２の変形例における各ティースと磁路との位置関係を示す概略図である。

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に、この発明の実施の形態１に係る歪み検出装置１０の構成の例を示す。図１は、軸部材２０の軸Ａを含む平面による切断部端面図である。歪み検出装置１０は軸部材２０およびコア３０を備える。本実施例では、軸部材２０は略円筒形状に形成され、少なくとも一部が軸Ａの周りに歪むことができるように構成される。たとえば、軸部材２０において、軸方向の一端に対して、他端が軸Ａの周りに回転することによって、ねじれるように歪みが発生する。

軸部材２０は磁歪材料を含む。本実施形態では、磁歪材料は磁歪部２２として成形される。図１の例では、軸部材２０はシャフト２１を備えており、磁歪部２２はシャフト２１の径方向外側に、シャフト２１の周囲を取り巻くように設けられる。磁歪部２２は、たとえば円筒状または円筒面状に形成される。

軸部材２０および磁歪部２２は、その歪みが検出される検出対象部材である。磁歪部２２が歪むことに応じて、ビラリ効果により磁歪部２２の磁化状況が変化する。とくに、特定方向における磁歪部２２の透磁率が変化し、この変化を検出することができる。また、磁歪部２２における透磁率の変化を検出することにより、たとえば軸部材２０の歪みの大きさを算出することができ、また、たとえば軸部材２０に加わっているトルクの大きさを算出することができる。

コア３０は環状に形成される。コア３０に対して、軸方向、径方向および周方向が定義可能である。本実施形態では、コア３０の軸方向は軸部材２０の軸方向に一致し、とくに、コア３０の軸と軸部材２０の軸は一致する（したがってコア３０の軸は軸Ａである）。

図２に、磁歪部２２における歪みと磁化状態との対応関係を示す。図２は、磁歪部２２の紙面手前側における磁化の状態を示す。歪みがない状態（たとえば軸部材２０にトルクが加わっていない状態）では、磁歪部２２は軸Ａと平行な方向Ｈ０に比較的強く磁化される（または、方向Ｈ０に磁化された磁区が成長する）。ここで、軸部材２０にトルクが加わる等の原因により、軸部材２０に歪みが発生する場合がある。たとえば、軸部材２０の下端と上端とを逆向きに回転させるようにねじる力（矢印Ｄ）が加わると、これに応じて軸部材２０が歪み、磁歪部２２は軸Ａと平行ではない方向Ｈ１に比較的強く磁化される（または、方向Ｈ１に磁化された磁区が成長する）。さらに軸部材２０の歪みが大きくなると、磁歪部２２は方向Ｈ０との角度がより大きい方向Ｈ２に比較的強く磁化される（または、方向Ｈ２に磁化された磁区が成長する）。このように磁歪部２２の磁化の方向が変化すると、これに応じて、特定の測定方向における磁歪部２２の透磁率が変化する。歪み検出装置１０は、このような透磁率の変化を検出する装置であるということができる。

図３は、コア３０の斜視図である。コア３０は少なくとも一部に磁性体を含み、略円筒面状のヨーク３１と、複数のティースとを備える。ティースは、それぞれヨーク３１から径方向に（本実施形態では径方向内側に）突出するよう形成される。ヨーク３１と各ティースとは、一体に成形されてもよいし、別部材として成形され組み合わせられてもよい。なお図示されるヨーク３１およびティースの形状は厳密ではない。

本実施形態ではコア３０は多段スロットコアであり、複数のティース段を備える。たとえば図３の例では、ティースＴ１１、ティースＴ１２、ティースＴ１３、ティースＴ１４、ティースＴ１５およびティースＴ１６からなるティース段Ｔ１（第１ティース段。図４等も参照）と、ティースＴ２１、ティースＴ２２、ティースＴ２３、ティースＴ２４、ティースＴ２５およびティースＴ２６からなるティース段Ｔ２（第２ティース段。図４等も参照）とが構成されている。このうちティースＴ１１およびティースＴ１４は、図１の切断端面図にも現れている。

各ティース段は、軸方向において異なる位置に設けられる。また、同じティース段に属するティースは、同じ軸方向位置に設けられる。図１に示す向きに見ると、ティース段Ｔ１（図１ではティースＴ１１およびティースＴ１４）は紙面上側に配置され、ティース段Ｔ２（図１には現れない）は紙面下側に配置される。また、各ティース段には、各ティースが周方向に等間隔に設けられる。図３の例では、各ティース段は６本のティースを含むので、周方向に隣接するティースの間隔（たとえばティースＴ１１とティースＴ１２との間隔）は６０度となっている。

また、本実施形態では、ティース段Ｔ１とティース段Ｔ２とは、ティースの周方向位置が互い違いとなるように配置されている。すなわち、周方向位置において、ティース段Ｔ１のティースＴ１１とティースＴ１２との間、いずれからも３０度だけ隔たった位置に、ティース段Ｔ２のティースＴ２１が配置されている。

図４に、各ティースと磁路との位置関係を概略的に示す。図４は、コア３０を周方向に展開した状態を表し、コア３０の周方向が紙面横方向に対応する。各ティースは、双方向矢印で示すように２本が１組となってティース対を形成し、このティース対が１つの磁路を形成する。図４の例ではティースＴ１１（第１ティース）とティースＴ２１（第２ティース）とがティース対となる。このように、本実施形態では、１つの磁路を形成するティース対が、互いに異なるティース段に属する。コア３０において、各ティースに励磁コイル４１および検出コイル４２が巻回されることにより、コア構造体が構成される。

励磁コイル４１および検出コイル４２の機能は公知であるが、たとえば、励磁コイル４１は、磁歪部２２における透磁率の変化を検出するために磁界を発生させるためのコイルであり、検出コイル４２は、磁歪部２２における透磁率の変化を検出するために励磁コイル４１によって発生した磁界を検出するためのコイルである。これらのコイルを用いて、軸部材２０に対する周方向の歪みを検出することができる。

これらのコイルの具体的な巻回方法および電圧印加方法は、公知の歪み検出装置等に基づき、当業者が適宜設計することができるが、以下に例を説明する。たとえば、ティースＴ１１に励磁コイル４１および検出コイル４２を正位相で巻回し、ティースＴ２１に励磁コイル４１および検出コイル４２を逆位相で巻回すれば、これら２本のティースを通る磁路を形成することができる。また、隣接するティース対のコイルを互いに逆位相とすれば（たとえばティースＴ１１を正位相、ティースＴ２１を逆位相、ティースＴ１２を逆位相、ティースＴ２２を正位相とする）、ティース対間の干渉または結合を抑制することができる。このようにして、図４に示すように３つの磁路（図４に示さないものを含めると６つの磁路）が形成される。

また、たとえば励磁コイル４１を省略してもよい。すなわち、任意のティースに検出コイル４２のみを巻回し、検出回路を適切に設計すれば、誘起される電圧を測定して透磁率を検出することも可能である。この場合には、検出コイル４２が励磁コイルとしての役割を果たすということもできる。

ここで、図３および図４から明らかなように、ティース対を形成するティース（たとえばティースＴ１１とティースＴ２１）は、軸方向および周方向において異なる位置に設けられている。

このように、コア３０と、励磁コイル４１と、検出コイル４２とが、実施の形態１に係るコア構造体を構成する。このコア構造体を用いて、軸部材２０の透磁率の変化を検出することができる。

図５に、磁歪部２２内に形成される磁路５０（第１磁路）の概略の例を示す。なお実際には磁路５０は全体が紙面に含まれるわけではないが、図５では、磁路５０を紙面（すなわち軸Ａを含む平面）に投影したものとして示す。また、軸部材２０は略円筒形状をなし丸みを帯びているが、図５では中央付近に着目して平面とみなしているため、形状は厳密ではない。

ティースＴ１１およびティースＴ２１は、先端の位置のみ概略的に示す。上述のように、ティースＴ１１とティースＴ２１とは軸方向および周方向において異なる位置に設けられているので、ティースＴ１１およびティースＴ２１を介して形成される磁路５０のうち磁歪部２２内に形成される部分は、図示のように軸方向に対して斜め方向（すなわち、軸方向に対して平行でも垂直でもない方向）に延びることになる。とくに、本実施形態では、磁路５０のうち磁歪部２２内に形成される部分は、軸方向に対して４５度をなす。この方向が、磁歪部２２の透磁率を測定する測定方向となる。すなわち、磁歪部２２がこの方向に近い方向に磁化されれば、磁路５０を介して測定される透磁率は大きくなり、磁歪部２２がこの方向とは異なる方向（たとえば直交する方向）に磁化されれば、磁路５０を介して測定される透磁率は小さくなる。

図６のグラフに、角度と検出される透磁率との関係を示す。磁歪部２２における磁化の向きをθとする。磁歪部２２に歪みがない状態では、図２に示すようにθはＨ０に一致し、軸方向に対してなす角θはθ＝０［度］となる。一方、磁路５０は、図５に示すように常に軸方向に対して４５度をなすので、このとき、θと磁路５０の向きとのなす角φはφ＝４５［度］となり、透磁率としてμ＝μ０が検出される。

θが増加すると（すなわち磁歪部２２の磁化の方向がＨ０からＨ１へと、さらにＨ２へと変化すると）、θと磁路５０とのなす角φが減少し、したがって磁路５０を介して測定される透磁率が大きくなる。たとえばθ＝４５［度］の時には、透磁率としてμ＝μ１が検出される（ただしμ１＞μ０）。

θが減少すると（すなわち磁歪部２２の磁化の方向がＨ０からＨ１の反対側へと変化すると）、θと磁路５０とのなす角φが増加し、したがって磁路５０を介して測定される透磁率が小さくなる。たとえばθ＝－４５［度］の時には、透磁率としてμ＝μ２が検出される（ただしμ０＞μ２）。

ここで、図６のグラフからも明らかなように、－４５［度］≦θ≦４５［度］の範囲を検出範囲とすると、検出範囲内では透磁率に対するθの一意性が保証されるので、θの大きさのみならず向きまでも正しく特定することができ、歪みの向きと大きさを正しく検出することができる。

このように、本発明の実施の形態１に係る歪み検出装置１０によれば、磁歪部２２における磁路５０が軸Ａと平行にならないように構成されているので、所定の検出範囲内ではθの向きを正しく特定することができ、歪みの向きと大きさを正しく検出することができる。したがって、歪みの方向を検出するための追加の構成（検出対象部材に磁気的異方性を付与するための構成等）は不要となり、コストや工数が節約できる。

実施の形態１において、以下のような変形を加えることができる。
ティース対は、実施の形態１では６対設けられるが、少なくとも１対あれば本発明の効果を得ることができる。

実施の形態１では、図４に示すように２つのティース段が形成されているが、３つ以上のティース段が形成されてもよい。または、とくに整列した段を形成しないものであってもよい。

実施の形態１では各ティースは周方向に等間隔に設けられるが、これらは等間隔である必要はない。また、異なる段のティースの周方向位置は、互い違いとならないものであってもよい。

実施の形態１では図５に示すように、磁路５０のうち磁歪部２２内に形成される部分が軸方向に対して４５度をなすが、この角度は、斜め方向であれば任意に変更可能である。言い換えると、磁路５０のうち磁歪部２２内に形成される部分が、軸Ａに対して平行でも垂直でもない方向に延びていればよい。なお、磁路の角度を変更すると、透磁率に対するθの一意性が保証される検出範囲が変化するが、磁路の角度および検出範囲の設計は当業者が適宜行うことができる。

実施の形態２．
実施の形態１では、１本のティースを通る磁路は１つのみであった。実施の形態２は、実施の形態１において、１本のティースを２つ以上の磁路が通るよう変更するものである。以下、実施の形態１との相違点を説明する。

図７に、実施の形態２における各ティースと磁路との位置関係を概略的に示す。実施の形態１と同様に２本が１組となってティース対を形成するが、実施の形態１と異なり、ティース対のうち１本は他のティース対と共通である。図７の例では、ティースＴ１１（第１ティース）とティースＴ２１（第２ティース）とがティース対を形成し、ティースＴ１２（第３ティース）と上述のティースＴ２１（第２ティース）とがティース対を形成する。したがって、ティースＴ２１は２つのティース対に共通している。このように、実施の形態２では、２対のティース対を形成する３本のティースがティース組を構成する。

ティースＴ１１およびティースＴ２１が磁路（第１磁路）を形成し、ティースＴ２１およびティースＴ１２が別の磁路（第２磁路）を形成する。各ティースは、第１磁路のうち磁歪部２２内に形成される部分と、第２磁路のうち磁歪部２２内に形成される部分とが、互いに平行とならないように配置される。本実施形態では、図７に示すようにこれらの部分が互いに垂直となるよう配置され、とくに、第１磁路のうち磁歪部２２内に形成される部分が軸方向に対して４５度の角度をなし、第２磁路のうち磁歪部２２内に形成される部分は、軸方向に対して、第１磁路のうち磁歪部２２内に形成される部分とは反対側に、４５度の角度をなすよう配置されている。

このような磁路は、たとえば図７に示すように、ティースＴ２１に励磁コイル４１を巻回し、ティースＴ１１およびティースＴ１２に検出コイル４２を巻回することによって構成可能である。または、ティースＴ２１に検出コイル４２を巻回し、ティースＴ１１およびティースＴ１２に励磁コイル４１を巻回してもよい。

このように、本発明の実施の形態２に係る歪み検出装置によっても、磁歪部における磁路が軸Ａと平行にならないように構成されているので、所定の検出範囲内ではθの向きを正しく特定することができ、歪みの向きと大きさを正しく検出することができる。したがって、歪みの方向を検出するための追加の構成（検出対象部材に磁気的異方性を付与するための構成等）は不要となり、コストや工数が節約できる。

また、実施の形態２では、互いに平行でない２つの磁路を用いて透磁率を検出することができるので、検出精度が向上する。

実施の形態２において、実施の形態１の変形と同様の変形を施すことができる。
また、実施の形態２において、ティースおよびコイルの配置は、任意に変更が可能である。変形例を図８および図９に概略的に示す。図８および図９のいずれでも、２対のティース対を形成する３本のティースがティース組を構成しており、各ティース対が形成する磁路が互いに垂直となっている。

図８では、ティースが３段に配置され、第２ティース段のティースには励磁コイル４１が巻回され、第１ティース段および第３ティース段のティースには検出コイル４２が巻回される。励磁コイル４１と検出コイル４２との配置は、入れ替えてもよい。

図９では、第１ティース段には第２ティース段の２倍の数のティースが形成され、第１ティース段のティースには検出コイル４２が巻回され、第２ティース段のティースには励磁コイル４１が巻回される。励磁コイル４１と検出コイル４２との配置は、入れ替えてもよい。

なお、２対のティース対がそれぞれ形成する磁路のうち磁歪部２２内に形成される部分は、図７のように互いに垂直であってもよいが、必ずしも垂直なものに限られない。ただし、いずれも軸Ａに対しては平行でも垂直でもなく、また互いに平行とはならない。

実施の形態１および２ならびにこれらの変形例において、歪み検出装置１０の用途は任意であるが、たとえば、外力による透磁率変化を検出する各種のセンサに応用することができる。

１０ 歪み検出装置、２０ 軸部材（検出対象部材）、２２ 磁歪部（検出対象部材）、３０ コア、５０ 磁路（第１磁路）、Ａ 軸、Ｔ１ ティース段（第１ティース段）、Ｔ２ ティース段（第２ティース段）、Ｔ１１～１６，Ｔ２１～２６ ティース（Ｔ１１ 第１ティース、Ｔ２１ 第２ティース、Ｔ１２ 第３ティース）。

Claims (3)

1. 磁性体を含み、検出対象部材の透磁率の変化を検出するために用いられるコアであって、
   前記コアに対して、軸方向、径方向および周方向が定義可能であり、
   前記コアは、軸方向において異なる位置に、径方向に突出する複数のティースをそれぞれ有する第１ティース段と第２ティース段とを備え、
   前記第１ティース段には、前記第２ティース段に属する前記複数のティースの２倍の本数の前記複数のティースが形成され、
   前記第２ティース段は、前記第１ティース段に含まれる隣接する２本のティースの周方向位置の中間に１本のティースが位置するように前記複数のティースが形成され、
   第１ティースと第３ティースとは前記第１ティース段に属し、第２ティースは前記第２ティース段に属しており、
   前記第１ティースおよび前記第２ティースが、軸方向および周方向において異なる位置に設けられて第１磁路を形成し、
   前記第２ティースおよび前記第３ティースが軸方向および周方向において異なる位置に設けられて第２磁路を形成し、
   前記第１磁路のうち前記検出対象部材内に形成される部分は、軸方向に対して４５度の角度をなし、
   前記第２磁路のうち前記検出対象部材内に形成される部分は、軸方向に対して、前記第１磁路のうち前記検出対象部材内に形成される部分とは反対側に４５度の角度をなす、
   コア。
2. 前記第１ティース段に属する前記複数のティースには検出コイルが巻回され、
   前記第２ティース段に属する前記複数のティースには励磁コイルが巻回される、
   請求項１に記載のコア。
3. 請求項１または２に記載のコアと、
   円筒状または円筒面状の磁歪部材を含む前記検出対象部材と
   を備える、歪み検出装置。

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