JP7179297B2

JP7179297B2 - トルクセンサのステータ構造

Info

Publication number: JP7179297B2
Application number: JP2019128991A
Authority: JP
Inventors: 貴広佐々木
Original assignee: Tamagawa Seiki Co Ltd
Current assignee: Tamagawa Seiki Co Ltd
Priority date: 2019-07-11
Filing date: 2019-07-11
Publication date: 2022-11-29
Anticipated expiration: 2039-07-11
Also published as: JP2021015018A

Description

本発明は、トルクセンサのステータ構造に関し、特に、軸に付与した磁歪部の周知のビラリ効果（ＶｉｌｌａｒｉＥｆｆｅｃｔ）を利用した歪み検出センサのステータ構造に関し、特に、互いに対向するティース端面に傾斜した辺を付け、各辺同士が向かい合うように配置し、軸方向に対して斜め方向に傾き主磁束を流すことができ、歪みとその方向を磁束の変化として効率よく検出することである。

従来、用いられていたこの種のトルクセンサとしては、特許文献１に開示された構成を挙げることができる。すなわち、図７は、トルクセンサ１０の構造を示す図であり、具体的には、回転軸９０の軸に垂直な向きから見た断面図である。
このトルクセンサ１０は、磁歪特性を利用して回転軸９０に印加されるトルクを検出する。磁歪特性を利用するため、トルクセンサ１０は、回転軸９０の軸方向に対して＋４５°の透磁率の変動を検出する図上側の第１の磁気コアユニット２０Ｒと、－４５°の透磁率の変動を検出する図下側の第２の磁気コアユニット２０Ｌとを有する。この２方向の透磁率変化を測定することにより、回転軸９０に印加されたトルクの向き及び大きさを検出する。回転軸９０は磁歪材料で形成され、例えばニッケル・クロム・モリブデン鋼で形成される。この材料は例えば自動車のエンジンにおけるクランクシャフト材として一般に使用される。

また、第１の磁気コアユニット２０Ｒ全体は、一般的なハウジング（図示せず）に収容されており、例えばモールド材（図示せず）を用いて固定される。また、ハウジングには、導出部が設けられ、この中に外部回路が設けられる。外部回路は、図示しない各コイルに電力を供給したり、検出された出力信号を取得したりする。また、ハウジングの周囲に設けられた固定用ボルト孔に固定用ボルトを貫通させ、外部の固定箇所にネジ止めすることによってハウジングが固定される。なお、第２の磁気コアユニット２０Ｌも、同様にハウジングに収容されている。

図８に示されるものは、図７のトルクセンサに用いられている磁気コアの斜視図であり、巻線部１０５を構成する励磁用コイル２１４ａと検出用コイル２１５ａとを有するボビン２５０の軸方向両端に、貫通孔２７０を介して第１ティース端面２６０ａ及び第２ティース端面２６０ｂが設けられている。
前記各ティース端面２６０ａ、２６０ｂは、その先端に、前記軸９０の表面にならって曲折形成された第１辺３０ａ及び第２辺３０ｂが形成されている。
また、前述の構成のトルクセンサ１０において、励磁周波数２０ｋＨｚ、励磁電流５０ｍＡ、励磁用コイル１００ターン、検出用コイル２００ターン、第１及び第２ティース端面２６０ａ、２６０ｂの凸部（図示せず）と回転軸表面の空隙（磁気ギャップ）を１ｍｍとした。一方の磁気コアユニットは、図９に示すように、第１及び第２ティース端面２６０ａ、２６０ｂの中央を結ぶ角度が４５度となるのに対し、他方の磁気コアユニットでは－４５度となるようにした。一方の磁気コアユニットと他方の磁気コアユニットを近づけて配置する場合、同じ極性の磁気コア端面同士が近接するように配置すると（Ｎ極同士を近接させ、Ｓ極同士を近接させる）、磁気コアユニット間における漏洩磁束を防止できるので好ましい。

各コイルの繋げ方と巻きまわす方向については図９に示すものとした。図９はコイルの接続状態、励磁用コイルを巻き回す向きと磁束成分の向きを説明する回転軸表面の展開図、図１０は回転軸を示す一部構成図、図１１は軸と磁気コアとの関係を示す構成図である。

図９における１個目の磁気コアのティース端面２６０ａ、２６０ｂは、おのおの図９の領域Ｓ１、領域Ｎ１と対向し、領域Ｓ１及び領域Ｎ１間に実線矢印（太線）で示した向きの磁束が回転軸表面９０ｆ上に流される。２個目の磁気コアのティース端面２６０ａ、２６０ｂは、おのおの図９の領域Ｓ２、領域Ｎ２と対向し、領域Ｓ２及び領域Ｎ２間に実線矢印（太線）で示した向きの磁束が図１１の回転軸表面９０ｆ上に流される。３個目の磁気コアのティース端面２６０ａ、２６０ｂは、おのおの図９の領域Ｓ３、領域Ｎ３と対向し、領域Ｓ３及び領域Ｎ３間に実線矢印（太線）で示した向きの磁束が回転軸表面９０ｆ上に流される。４個目の磁気コアのヨーク端部の端面２６０ａ、２６０ｂは、おのおの図９の領域Ｓ４、領域Ｎ４と対向し、領域Ｓ４及び領域Ｎ４間に実線矢印（太線）で示した向きの磁束が回転軸表面９０ｆ上に流される。

図１２は、前記回転軸９０が回転した時に発生するトルクＴに対する出力電圧Ｖの関係を示しており、第１信号Ｖ_Ｌ１と第２信号Ｖ_Ｒ１の信号との差分（トルクＴを表わす）である第３信号Ｖ_Ｏ１が負側と正側とで得られる。

特開２０１０－５４２３６

従来のトルクセンサは、以上のように構成されていたため、次のような課題が存在していた。
すなわち、回転方向によって透磁率が異なる構成からなる軸の周囲に磁気コアを、わずかなギャップを介して配設し、ギャップパーミアンスによって出力される信号の測定によって、回転軸の左右トルクを測定する構成であるが、前記磁束はもっとも磁気抵抗が低い部分を主として流れるため、主磁束は第１ティース端面と第２ティース端面との距離がもっとも近いところを軸方向に対して垂直に流れ、トルク検出に寄与しないため、検出効率が悪くなっていた。
また、巻線部と磁歪部に磁束を流すヨークとが分離しているため、磁気的損失が存在し、加工及び組立のばらつきにより誤差が発生する。
さらに、アッセンブリ化された磁気コアは、磁束の方向に関係なくそれぞれ分離しているため、トルクセンサの精度悪化の要因となっていた。

本発明は、以上のような課題を解決するためになされたもので、特に、軸に付与した磁歪部のビラリ効果を利用した歪み検出センサのステータ構造において、軸と対向するティース端面に傾斜した辺を付け、各辺同士が向かい合うように配置し、軸方向に対して斜め方向に傾き主磁束を流すことができ、歪みとその方向を磁束の変化として効率よく検出することができるステータ構造を提供することを目的とする。

本発明によるステータ構造は、軸に付与した磁歪部の周知のビラリ効果（ＶｉｌｌａｒｉＥｆｆｅｃｔ）を利用したステータ構造において、前記軸の外側に設けられ、複数個のコアを連設してなる磁路一体型の磁気コアブロックを備え、前記各磁気コアブロックのバックヨークには、複数の溝を介して形成された複数のティース端面と、前記軸を介して互いに対向する前記各ティース端面に傾斜して形成された辺と、前記各溝内に絶縁コード部を介して形成された各コイルパターンと、が設けられ、前記各磁気コアブロックを輪状に形成した時、前記各辺同士が前記軸を介して向かい合うように配置された構成とすることにより、前記軸の軸方向に対して斜め方向（０°より大きく９０°より小さい）に傾けた主磁束を流すことができ、歪みとその方向を磁束の変化として検出する構成であり、また、前記各溝は、前記軸の軸方向に対して非直角方向に形成されていることにより、前記各溝に設けられた前記コイルパターンから互いに異なる方向の磁束が流れるようにした構成であり、また、前記各磁気コアブロックは、３個のティース端面及び２個の溝が前記バックヨークと共に一体形成されている構成であり、また、前記各コイルパターンにおける前記第１、第２磁束方向からの磁束は、前記各ティース端面から前記軸方向に対して、斜め方向（０°より大きく９０°より小さい）で、かつ、上下又は左右対称に形成することで、歪み方向に対して対称な複数の信号を得て、その差分をとるようにした構成である。

本発明によるステータ構造は、以上のように構成されているため、次のような効果を得ることができる。
すなわち、軸に付与した磁歪部の周知のビラリ効果（ＶｉｌｌａｒｉＥｆｆｅｃｔ）を利用したステータ構造において、前記軸の外側に設けられ、複数個のコアを連設してなる磁路一体型の磁気コアブロックを備え、前記各磁気コアブロックのバックヨークには、複数の溝を介して形成された複数のティース端面と、前記軸を介して互いに対向する前記各ティース端面に傾斜して形成された辺と、前記各溝内に絶縁コート部を介して形成された各コイルパターンと、が設けられ、前記各磁気コアブロックを輪状に形成した時、前記各辺同士が前記軸を介して向かい合うように配置された構成とすることにより、前記軸の軸方向に対して斜め方向（０°より大きく９０°より小さい）に傾けた主磁束を流すことができ、歪みとその方向を磁束の変化として検出する構成よりなるため、バックヨークとティース端面とが一体に構成されているため、機械的精度が従来より大幅に向上する。
また、前記各溝は、前記軸の軸方向に対して非直角方向に形成されていることにより、前記各溝に設けられた前記各コイルパターンから互いに異なる方向の磁束が流れるようにした構成により、主磁束を磁歪部の軸方向に対して斜め方向に形成されることで、検出効率（感度）を向上させることができる。
また、前記各磁気コアブロックは、３個のティース端面及び２個の溝が前記バックヨークと共に一体形成されている構成であるため、磁気的に効率の良い磁気コアをつくり、製造誤差を抑えることができる。
また、前記各コイルパターンにおける前記第１、第２磁束方向からの磁束は、前記各ティース端面から前記軸方向に対して、斜め方向（０°より大きく９０°より小さい）で、かつ、上下又は左右対称に形成することで、歪み方向に対して対称な複数の信号を得て、その差分をとる構成からなるため、同一の磁気コアにおいて、複数のティースを組み合わせたことにより、磁歪部の軸方向に対して斜めの磁束を上下または左右対称に形成することで、歪み方向に対して対称な複数の信号を取得し、検出精度を向上させることができる。

本発明の実施の形態に係るトルクセンサのステータ構造における１個の磁気コアブロックを示す斜視図である。図１の磁気コアブロックの溝内にコイルパターンを装着した状態を示す磁歪部を示す模式図である。トルクセンサの作動時の出力信号の説明図である。図１の磁気コアブロックを複数組み合わせ、斜めの磁束を形成するティース端面を上下及び左右対称に配置した模式図である。図１の磁気コアブロックを複数組み合わせ、磁路一体型コアの形態を示す模式図である。図４の模式図の一部の拡大図である。従来のトルクセンサを示す概略断面図である。図７の磁気コアを示す概略拡大断面図である。従来の磁気ステータの各ヨーク端部の中心が斜め４５°になるように配置された磁気ステータの展開図である。従来の軸を示す一部構成図である。従来の軸と磁気コアとの関係を示す構成図である。従来の出力電圧ＶとトルクＴとの関係を示す特定図である。

本発明によるステータ構造は、軸に付与した磁歪部のビラリ効果を利用した歪み検出センサのステータ構造において、軸と対向するティース端面に傾斜した辺を付け、各辺同士が向かい合うように配置し、軸方向に対して斜め方向に傾いた主磁束を流すことができ、歪みとその方向を磁束の変化として効率よく検出することである。

以下、図面と共に本発明によるステータ構造の好適な実施の形態について説明する。
尚、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、本発明の実施の形態に係るトルクセンサのステータ構造の多数の磁気コアブロック１０ａの中の１個の磁気コアブロックを示すものである。
前記磁気コアブロック１０ａは、全体が磁性材を、例えば、金属射出成形機で一体に成形したもので、さらに詳しく言えば、基板の役目をなすバックヨーク１００に対して一体に、第１ティース端面２６０ａ、第２ティース端面２６０ｂ、及び第３ティース端面２６０ｃを形成した構成である。

前記各ティース端面２６０ａ、２６０ｂ、及び２６０ｃ間には、第１溝１０１及び第２溝１０２が形成されており、前記各ティース端面２６０ａ、２６０ｂ、２６０ｃの表面には、図１０で示される軸９０の周面９１の曲面に対向する曲折面からなる第１辺３０ａ、第２辺３０ｂ及び第３辺３０ｃが、軸９０の表面からわずかなギャップを介して配設されている。

前記各溝１０１、１０２には、表面側Ｐからみてハの字型をなすように、第１、第２絶縁コート部２００、２００ａを介して一対の第１、第２コイルパターン２０１、２０２が配設され、第１磁束方向１０７及び第２磁束方向１０８が発生するように構成されている。
尚、前記各コイルパターン２０１、２０２は、各溝１０１、１０２に配設されていることが図２に示されている。
従って、図２の構成により、１個の磁歪部１１０が形成されている。

図３は、図４で示す多数の磁気コアブロック１０ａ、すなわち、磁歪部１１０を筒状（図５、図６）に配設したステータ構造を用いて、前記軸９０を回転させた時の第１磁束方向１０７から得られる第１信号Ｖ_Ｌ１と第２磁束方向１０８（すなわち、第１磁束方向１０７と対称）から得られる第２信号Ｖ_Ｒ１が得られ、その差分１１１が得られる。
尚、従来の状態では、図８に示されるように、各巻線部１０５及び１０６の励磁用コイル２１４ａで励磁し、軸９０のねじれを検出用コイル２１５ａで出力信号を得るようにした構成であるが、本実施の形態では、前記軸９０の透磁率の変化を利用し、多数の磁歪部１１０で出力電圧差として取り出す構成である。本実施の形態では、前述の磁歪部１１０を用いた周知のビラリ効果（ＶｉｌｌａｒｉＥｆｆｅｃｔ）、すなわち、応力の作用下での、磁場中にある強磁性物質内における透磁率の変化を利用している。

図４は、一対の磁気コアブロック１０ａを用い、斜め磁束を形成するティース端面２６０ａ、２６０ｂ、２６０ｃの組み合わせによって、上下及び左右対称に配置した構成図である。以下に図４の基礎となる図１の動作について説明する。
軸９０に付与した磁歪部１１０のビラリ効果を利用した歪みの検出センサ１５０（図２）において、軸９０と対向するティース端面２６０ａ、２６０ｂ、２６０ｃに傾斜した辺３０ａ、３０ｂ、３０ｃを付け、完成品としては、その辺同士が向かい合うように配置することにより、軸９０の軸方向Ｅに対して斜め方向（０°より大きく９０°より小さい）に傾けた主磁束を流すことができ、歪みとその方向を磁束の変化として、効率よく検出できる。磁束の傾きが４５°のとき、効率最大となる。また、ティースとそれを繋ぐコイルパターン２０１、２０２及びバックヨーク１００を一体化させ、連続した磁性体で構成することで、磁気的な損失の少ない効率的なコアとし、一対で製造することで製造誤差を抑える。さらに、同一コアで、複数のティースを用いて軸方向に対して斜め方向（０°より大きく９０°より小さい）の磁束を上下又は左右対称に形成することで、歪み方向に対して対称な複数の信号Ｖ_Ｌ１、Ｖ_Ｒ１を得ることができ、図３のように、その差分１１１をとることで、検出精度を向上させることが出来る。

図５の構成は、４個の磁気コアブロック１０ａを組み合わせた構成を示し、実際には、さらに５個の磁気コアブロック１０ａを設けて完成品とするが、ここでは４個を組み合わせた場合について述べる。
図４～図６に本発明を実施する為の構成の一例を記載する。実施の形態の磁気コアブロックの最小単位を任意のＮ個とし、その磁気コアブロックを軸周方向に配置する。
本実施の形態では、軸９０と対向するティース端面２６０ａ、２６０ｂ、２６０ｃの傾斜した辺３０ａ、３０ｂ、３０ｃ同士を向かい合わせ、図２に示す軸方向Ｅに対して斜め方向に傾けた主磁束を流すことができ、歪みとその方向を磁束の変化として、効率よく検出できる。また、ティース端面２６０ａ、２６０ｂ、２６０ｃとそれを繋ぐコイルパターン２０１、２０２及びバックヨーク１００を一体化させ、連続した磁性体で構成することにより、磁気的な損失の少ない効率的な磁気コアブロックとする。さらに、同一の磁気コアブロックにおいて、上下または左右または上下左右対称な複数のティース端面２６０ａ、２６０ｂ、２６０ｃの組み合わせにより、軸方向Ｅに対して斜め方向の磁束を上下または左右または上下左右対称に形成することで、歪み方向に対して対称な複数の信号Ｖ_Ｌ１、Ｖ_Ｒ１を得ることができ、その差分１１１をとることで、検出精度を向上させることが出来る。

従って、主磁束を磁歪部１１０の軸方向Ｅに対して斜め方向に形成することで、検出効率（感度）を向上させることができる。ティース端面２６０ａ、２６０ｂ、２６０ｃとコイルパターン２０１、２０２及びバックヨーク１００を一体の連続した磁性体で構成することで、磁気的に効率の良い磁気コアブロックをつくり、製造誤差を抑えることができる。
同一の磁気コアブロックにおいて、複数のティース端面２６０ａ、２６０ｂ、２６０ｃを組み合わせにより、磁歪部１１０の軸方向Ｅに対して斜めの磁束を上下または左右対称に形成することで、歪み方向に対して対称な複数の信号Ｖ_Ｌ１、Ｖ_Ｒ１を取得し、その差分１１１によって検出精度を向上させる。

本発明は、ステータ構造に関し、特に、軸に付与した磁歪部の周知のビラリ効果（ＶｉｌｌａｒｉＥｆｆｅｃｔ）を利用したステータ構造において、前記軸の外側に設けられ、複数個のコアを連設してなる磁路一体型の磁気コアブロックを備え、前記各磁気コアブロックのバックヨークには、複数の溝を介して形成された複数のティース端面と、前記軸を介して互いに対向する前記各ティース端面に傾斜して形成された辺と、前記各溝内に絶縁コート部を介して形成された各コイルパターンと、が設けられ、前記各磁気コアブロックを輪状に形成した時、前記各辺同士が前記軸を介して向かい合うように配置された構成とすることにより、前記軸の軸方向に対して斜め方向（０°より大きく９０°より小さい）に傾けた主磁束を流すことができ、歪みとその方向を磁束の変化として、検出する構成である。

１０トルクセンサのステータ構造
１０ａ磁気コアブロック（磁路一体型）
３０ａ第１辺
３０ｂ第２辺
３０ｃ第３辺
９０軸
１００バックヨーク
１０１第１溝
１０２第２溝
１０７第１磁束方向
１０８第２磁束方向（第１磁束方向と対称）
１１０磁歪部
１１１第１、第２磁束方向の信号の差分
１５０検出センサ
２０１第１コイルパターン
２０２第２コイルパターン
２１４ａ励磁用コイル
２１５ａ検出用コイル
２６０ａ第１ティース端面
２６０ｂ第２ティース端面
２６０ｃ第３ティース端面
Ｅ軸方向
Ｐ表面側
Ｖ_Ｌ１第１磁束方向から得られる第１信号
Ｖ_Ｒ１第２磁束方向１０８（第１磁束方向と対称）から得られる第２信号

Claims

軸（９０）に付与した磁歪部（１１０）の周知のビラリ効果（ＶｉｌｌａｒｉＥｆｆｅｃｔ）を利用したステータ構造において、
前記軸（９０）の外側に設けられ、複数個のコアを連設してなる磁路一体型の磁気コアブロック（１０ａ）を備え、
前記各磁気コアブロック（１０ａ）のバックヨーク（１００）には、複数の溝（１０１、１０２）を介して形成された複数のティース端面（２６０ａ、２６０ｂ、２６０ｃ）と、
前記軸（９０）を介して互いに対向する前記各ティース端面（２６０ａ～２６０ｃ）に傾斜して形成された辺（３０ａ～３０ｃ）と、
前記各溝（１０１、１０２）内に絶縁コート部（２００）を介して形成された各コイルパターン（２０１、２０２）と、が設けられ、
前記各磁気コアブロック（１０ａ）を輪状に形成した時、前記各辺（３０ａ～３０ｃ）同士が前記軸（９０）を介して向かい合うように配置された構成とすることにより、前記軸（９０）の軸方向（Ｅ）に対して斜め方向（０°より大きく９０°より小さい）に傾けた主磁束を流すことができ、歪みとその方向を磁束の変化として検出する構成よりなるトルクセンサのステータ構造。
前記各溝（１０１、１０２）は、前記軸（９０）の前記軸方向（Ｅ）に対して非直角方向に形成されていることにより、前記各溝（１０１、１０２）に設けられた前記各コイルパターン（２０１、２０２）から互いに異なる方向の磁束が流れるようにした構成の請求項１記載のトルクセンサのステータ構造。
前記各磁気コアブロック（１０ａ）は、３個の前記ティース端面（２６０ａ～２６０ｃ）及び２個の前記溝（１０１、１０２）が前記バックヨーク（１００）と共に一体形成されている構成よりなる請求項１又は２記載のトルクセンサのステータ構造。
前記各コイルパターン（２０１、２０２）における第１、第２磁束方向（１０７、１０８）からの前記磁束は、前記各ティース端面（２６０ａ～２６０ｃ）から前記軸方向（Ｅ）に対して、斜め方向（０°より大きく９０°より小さい）で、かつ、上下又は左右対称に形成することで、歪み方向に対して対称な複数の信号（Ｖ_Ｌ１、Ｖ_Ｒ１）を得て、その差分（１１１）をとる構成からなる請求項１、２、３の何れか１項に記載のトルクセンサのステータ構造。