JP7099699B2 - 透磁率の変化を検出するためのコア構造体および歪み検出装置 - Google Patents

Description

この発明はコア構造体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。

このような機器において、偏芯や磁歪材料の特性による周方向のバラつきに影響を受け、感度等の特性が周方向で大きく変動する場合がある。このような場合に、バラつき条件を緩和して検出精度を高めるために、検出対象部材の透磁率変化を全周にわたって検出するための構成が知られている。たとえば特許文献１の構成では、Ｕ字形のコアを周方向に配列して回転軸の全周の透磁率を検出し、回転軸に発生した歪みの値を算出する。

特開２０１０－８２９６号公報

しかしながら、従来の方法では、コアの製造が困難であるという問題があった。たとえば特許文献１の構成では、Ｕ字形のコアがそれぞれ別部材となっているので、コアを多数精密に位置合わせして配置する必要があり、コアの組立工程が複雑になる。

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、検出対象部材の透磁率変化を全周にわたって検出するためのコア構造体および歪み検出装置において、より容易に製造できるものを提供することを目的とする。

この発明に係るコア構造体は、磁性体を含む環状のコアと、検出コイルとを備え、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構造体であって、
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、少なくとも４本のティースを備え、
前記検出対象部材および２本の前記ティースを介する磁路が、複数形成され、
前記複数の磁路は、前記検出対象部材において周方向範囲の全体を覆うように形成される。
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、各ティース段において、各ティースは周方向に等間隔に設けられる。
特定の態様によれば、
第１ティース段と、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、
前記第１ティース段の各ティースについて、当該ティースと、当該ティースの周方向片側に隣接する前記第２ティース段のティースとの間で、第１磁路が形成されるとともに、当該ティースと、当該ティースの周方向反対側に隣接する前記第２ティース段のティースとの間で、第２磁路が形成され、
前記第１磁路および前記第２磁路のうち前記第１ティース段の当該ティースを通る部分は、向きが互いに同じである。
特定の態様によれば、各前記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、各ティースが配置される。
特定の態様によれば、
前記コア構造体は、さらに励磁コイルを備え、
前記複数のティースは、周方向において異なる位置に設けられる複数のティース列を構成し、
第１ティース列の各ティースに前記検出コイルが巻回され、
前記第１ティース列の周方向両側に隣接する各ティース列の各ティースには、前記検出コイルは巻回されず、前記励磁コイルが巻回される。
特定の態様によれば、３つ以上の前記ティース段を備え、前記各ティース段は軸方向に等間隔に設けられる。
また、本発明に係る歪み検出装置は、上述のコア構造体と、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構造体および歪み検出装置によれば、コアの製造がより容易となる。

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。 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。 実施の形態１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）。

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と平行な方向に比較的強く磁化される（または、その方向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に歪みが発生すると、磁歪部２２は軸Ａと平行ではない方向に比較的強く磁化される（または、その方向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２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、少なくとも４本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、本実施形態では一体に成形されるが、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。

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２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３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３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２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３に、各ティースと磁路との位置関係を概略的に示す。図３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する（ただし１本のティースがそれぞれ異なるティースと複数のティース対を形成している）。ティース対はそれぞれ１つの磁路を形成する。これによって、磁歪部２２および２本のティースを介する磁路が複数形成される。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。

磁路は、磁歪部２２において周方向範囲の全体を覆うように形成される（ただし、厳密には、ティースの太さ等に応じ、ティースが配置される位置が除かれてもよい）。たとえば、ティース段Ｔ１（第１ティース段）のティースＴ１２について、このティースＴ１２と、その周方向片側（たとえば図３における左側）に隣接するティース段Ｔ２（第２ティース段）のティースＴ２１との間で、磁路Ｍ１（第１磁路）が形成される。一方で、このティースＴ１２と、その周方向反対側（たとえば図３における右側）に隣接するティース段Ｔ２のティースＴ２２との間で、磁路Ｍ２（第２磁路）が形成される。同様にして、このような２つの磁路が、ティース段Ｔ１の各ティースについて形成される。なお、図３の例ではティース段Ｔ１とティース段Ｔ２は対称であるので、ティース段Ｔ２の各ティースについて２つの磁路が形成されるということもできる。

これら２つの磁路（たとえばティースＴ１２を通る磁路Ｍ１およびＭ２）のうち、当該ティースＴ１２を通る部分は、磁束の向きが互いに同じである。このような磁路を形成するため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、ティース段Ｔ１の各ティースに励磁コイル４１を隣り合うティースで異なる位相になるよう巻回し、ティース段Ｔ２の各ティースに検出コイル４２を隣り合うティースで異なる位相になるよう巻回すれば、磁路Ｍ１および磁路Ｍ２のうちティースＴ１２を通る部分は互いに同じ向きとなる。このようにして、図３に示すように５つの磁路（図３に示さないものを含めると１２個の磁路）が形成される。

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４に、磁歪部２２内に形成される磁路Ｍ１の概略の例を示す。なお実際には磁路Ｍ１は全体が紙面に含まれるわけではないが、図４では、磁路Ｍ１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４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Ｔ１２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、ティース段Ｔ１およびティース段Ｔ２は各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Ｍ１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Ｍ１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Ｍ１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Ｍ１を介して測定される透磁率は小さくなる。

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、コア３０の部品点数が比較的少ないので（たとえば単一部材であるので）、コア３０の製造がより容易となる。また、コア３０をよりコンパクトにできる可能性があり、さらに、コア３０の形状精度を向上できる可能性がある。

また、歪み検出装置１０によれば、磁歪部２２において周方向範囲の全体を覆うように、なるべく途切れない態様で磁路が形成されるので、磁歪部２２の透磁率変化を全周にわたって検出することができる。このため、偏芯や磁歪材料の特性による周方向のバラつきによる影響が軽減される。

また、互いに隣接する磁路（たとえば磁路Ｍ１および磁路Ｍ２）は、軸方向に対して互いに反対に傾斜するよう形成される。本実施形態では、図３に示すように磁路Ｍ１が軸方向に対して４５度の角度をなし、磁路Ｍ２は軸方向に対して磁路Ｍ１とは反対側に４５度の角度をなすよう配置されている。このため、ある方向の透磁率の変化が磁路Ｍ１に与える影響と、磁路Ｍ２に与える影響とは異なり（たとえば磁束の増減が互いに逆となり）、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。
実施の形態１では各ティース段に６本のティースが設けられるが、各ティース段に少なくとも２本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、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、３つ以上のティース段を備える場合には、各ティース段は軸方向に等間隔に設けられてもよい。

図５に、このような変形例における、４つ以上のティース段を備える場合のティースおよび磁路の構成を概略的に示す。なお図５では、正方形がティースを表し、双方向矢印が磁路を表す。

実施の形態１では図４に示すように、各磁路のうち磁歪部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。ただし、互いに隣接する磁路（たとえば磁路Ｍ１および磁路Ｍ２）は、軸方向に対して互いに反対に、等しい角をなすよう形成する必要がある。

実施の形態２．
実施の形態２は、実施の形態１においてティースおよびコイルの配置を変更するものである。以下、実施の形態１との相違を説明する。

図６に、各ティースと磁路との位置関係を概略的に示す。図６は、実施の形態２に係るコアを、図３と同様に周方向に展開した状態を表し、コア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、ティース対はそれぞれ１つの磁路を形成する。なお後述するように、本実施形態において透磁率の変化の検出に用いない磁路については図示を省略している。

実施の形態２に係るコアは多段スロットコアであり、複数のティース段を備える。図６にはティース段Ｔ５およびＴ６が示される。ティース段Ｔ５はティースＴ５ａ、ティースＴ５ｂ、ティースＴ５ｃおよびティースＴ５ｄを含み、ティース段Ｔ６はティースＴ６ａ、ティースＴ６ｂ、ティースＴ６ｃおよびティースＴ６ｄを含む。

また、実施の形態２に係るコアは、複数のティース列を備える。図６にはティース列Ｔａ、ティース列Ｔｂ、ティース列Ｔｃおよびティース列Ｔｄが示される。ティース列ＴａはティースＴ５ａおよびティースＴ６ａを含み、ティース列ＴｂはティースＴ５ｂおよびティースＴ６ｂを含み、ティース列ＴｃはティースＴ５ｃおよびティースＴ６ｃを含み、ティース列ＴｄはティースＴ５ｄおよびティースＴ６ｄを含む。

各ティース列は、周方向において異なる位置に設けられる。また、同じティース列に属するティースは、同じ周方向位置に設けられる。このように、実施の形態２ではティースは格子状に配列される。

各ティース列には、交互に励磁コイル４１および検出コイル４２が巻回される。たとえば、奇数番目のティース列には励磁コイル４１が巻回され、偶数番目のティース列には検出コイル４２が巻回される。より具体的には、ティースＴ５ａおよびティースＴ６ａには励磁コイル４１が巻回され、ティースＴ５ｂおよびティースＴ６ｂには検出コイル４２が巻回され、ティースＴ５ｃおよびティースＴ６ｃには励磁コイル４１が巻回され、ティースＴ５ｄおよびティースＴ６ｄには検出コイル４２が巻回される。

ここで、ティース列Ｔｂに着目すると、ティース列Ｔｂ（第１ティース列）の各ティース（すなわちティースＴ５ｂおよびＴ６ｂ）に、検出コイル４２が巻回され、ティース列Ｔｂの周方向両側に隣接する各ティース列（すなわちティース列ＴａおよびＴｃ）の各ティースには、検出コイル４２は巻回されず励磁コイル４１が巻回される。より詳しくは、ティース列Ｔｂの周方向方側（図６では左側）に隣接するティース列Ｔａ（第２ティース列）の各ティース（すなわちティースＴ５ａおよびＴ６ａ）に、励磁コイル４１が巻回され、ティース列Ｔｂの周方向反対側（図６では右側）に隣接するティース列Ｔｃ（第３ティース列）の各ティース（すなわちティースＴ５ｃおよびＴ６ｃ）に、励磁コイル４１が巻回されるということができる。

また、励磁コイル４１は、各列で位相が交互となるよう巻回される。たとえば、奇数番目のティース列に励磁コイル４１が巻回される場合には、（４ｎ＋１）番目のティース列には正位相で励磁コイル４１が巻回され、（４ｎ＋３）番目のティース列には逆位相で励磁コイル４１が巻回される。より具体的には、ティース列Ｔｃの励磁コイル４１が、ティース列Ｔａの励磁コイル４１とは逆の位相で巻回される。このため、ティース列Ｔａと、磁歪部２２と、ティース列Ｔｃと、コアのヨークとを通る磁路が形成される。この磁路は検出コイル４２が巻かれたティース（たとえばティース列Ｔｂまたはティース列Ｔｄ）を通らないので、検出の対象とはならず、図６では図示を省略している。

磁歪部２２に歪みが発生すると、特定の斜め方向（たとえばティースＴ５ｂから左下のティースＴ６ａへと向かう方向）の透磁率が、これと直交する方向（たとえばティースＴ５ｂから右下のティースＴ６ｃへと向かう方向）の透磁率より大きくなる。このため、図６に双方向矢印で示すように、検出コイル４２が巻かれたティース（たとえばティースＴ５ｂ）を通る磁束が発生する。この磁束を検出することにより、磁歪部２２における透磁率の変化を検出することができる。

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、コアの部品点数が比較的少ないので（たとえば単一部材であるので）、コアの製造がより容易となる。また、コアをよりコンパクトにできる可能性があり、さらに、コアの形状精度を向上できる可能性がある。

また、実施の形態２でも、磁歪部２２において周方向範囲の全体を覆うように、なるべく途切れない態様で磁路が形成されるので、磁歪部２２の透磁率変化を全周にわたって検出することができる。このため、偏芯や磁歪材料の特性による周方向のバラつきによる影響が軽減される。

また、実施の形態２でも、軸方向に対して互いに反対に傾斜する磁路が形成されるので、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２において、以下のような変形を加えることができる。
実施の形態２では、少なくとも２段×４列のティースがあれば本発明の効果を得ることができるが、３つ以上のティース段が形成されてもよい。また、３つ以上のティース段を備える場合には、各ティース段は軸方向に等間隔に設けられてもよい。また、５列以上のティース列が形成されてもよい。

図７に、このような変形例における、３つ以上のティース段を備える場合のティースおよび磁路の構成を概略的に示す。なお図７では、正方形がティースを表し、双方向矢印が磁路を表す。

実施の形態２でも、各磁路のうち磁歪部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。ただし、互いに隣接する磁路は、軸方向に対して互いに反対に、等しい角をなすよう形成する必要がある。

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、Ｍ１ 磁路（第１磁路）、Ｍ２ 磁路（第２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）、Ｔａ ティース列（第２ティース列）、Ｔｂ ティース列（第１ティース列）、Ｔｃ ティース列（第３ティース列）、Ｔｄ ティース列、Ｔ１１～１６，Ｔ２１～２６，Ｔ５ａ～Ｔ５ｄ，Ｔ６ａ～Ｔ６ｄ ティース。

Claims (3)

1. 磁性体を含む環状のコアと、検出コイルと、励磁コイルとを備え、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構造体であって、
   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、少なくとも４本の複数のティースを備え、
   前記検出対象部材および２本の前記ティースを介する磁路が、複数形成され、
   前記複数の磁路は、前記検出対象部材において周方向範囲の全体を覆うように形成され、
   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、
   各ティース段において、同じ周方向位置に設けられるティースによりティース列を構成し、
   前記複数のティースは、周方向において異なる位置に設けられる複数のティース列を構成し、
   第１ティース列の各ティースに前記検出コイルが巻回され、
   前記第１ティース列の周方向両側に隣接する各ティース列の各ティースには、前記検出コイルは巻回されず、前記励磁コイルが巻回される、
   コア構造体。
2. ３つ以上の前記ティース段を備え、前記各ティース段は軸方向に等間隔に設けられる、請求項１に記載のコア構造体。
3. 請求項１または２に記載のコア構造体と、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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