JP7515929B1 - Magnetostrictive torque angle sensor and magnetostrictive torque angle sensing system - Google Patents
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Abstract
【課題】同一のセンサによりトルクと角度とを検出する。
【解決手段】磁歪式トルクアングルセンサ100は磁歪性を有する軸10と磁極部101を有し、磁極部101は第1磁極段101Aと第2磁極段101Bを備え、第1磁極段101Aは径方向に突出する第1突出磁極110を有し、第1突出磁極110には励磁コイル130と角度検出コイル150が巻回され、励磁コイル130は第1励磁コイル131と第2励磁コイル132が交互に配置されて構成され、第1励磁コイル131と第2励磁コイル132には位相の異なる第1励磁信号と第2励磁信号が供給され、第2磁極段101Bは第1突出磁極110と周方向に異なる位置に径方向に突出する第2突出磁極120を有し、第2突出磁極120にはトルク検出コイル140が巻回され、磁歪部12と第1突出磁極110の間の磁気抵抗は軸10の回転に伴い変化する。
【選択図】図1
A torque and an angle are detected by the same sensor.
The magnetostrictive torque angle sensor 100 has a magnetostrictive shaft 10 and a magnetic pole section 101. The magnetic pole section 101 has a first magnetic pole stage 101A and a second magnetic pole stage 101B. The first magnetic pole stage 101A has a first protruding magnetic pole 110 that protrudes in the radial direction. An excitation coil 130 and an angle detection coil 150 are wound around the first protruding magnetic pole 110. The excitation coil 130 is formed by alternately winding a first excitation coil 131 and a second excitation coil 132. a first excitation signal and a second excitation signal having different phases are supplied to the first excitation coil 131 and the second excitation coil 132, the second magnetic pole stage 101B has a second protruding magnetic pole 120 that protrudes radially at a circumferentially different position from the first protruding magnetic pole 110, a torque detection coil 140 is wound around the second protruding magnetic pole 120, and the magnetic resistance between the magnetostrictive portion 12 and the first protruding magnetic pole 110 changes as the shaft 10 rotates.
[Selected Figure] Figure 1
Description
本発明は、磁歪式トルクアングルセンサ及び磁歪式トルクアングルセンシングシステムに関し、特に、同一のセンサによりトルクと角度とを検出可能な磁歪式トルクアングルセンサ及び磁歪式トルクアングルセンシングシステムに関する。 The present invention relates to a magnetostrictive torque angle sensor and a magnetostrictive torque angle sensing system, and in particular to a magnetostrictive torque angle sensor and a magnetostrictive torque angle sensing system that can detect torque and angle using the same sensor.
軸の表面に磁歪特性を有する磁歪膜を設けておき、磁歪膜の磁歪特性を検出することにより、軸に作用する回転によるトルクを検出する磁歪式トルクセンサが知られている。この磁歪式トルクセンサは、軸心に対して+45度または-45度の方向の磁路及び巻線を有し、軸の周囲に設けられる。 A magnetostrictive torque sensor is known that detects the torque acting on the shaft due to rotation by providing a magnetostrictive film with magnetostrictive properties on the surface of the shaft and detecting the magnetostrictive properties of the magnetostrictive film. This magnetostrictive torque sensor has a magnetic path and windings oriented at +45 degrees or -45 degrees to the shaft center, and is provided around the shaft.
磁歪膜を設けた軸にトルクを作用させると、軸表面の磁歪膜に歪みが生じ、ビラリ(Villari)効果により磁歪膜の透磁率が変化する。このような磁歪膜の透磁率の変化に応じて、磁歪式トルクセンサの巻線のインピーダンスが変化する。この結果、磁歪式トルクセンサは、軸に作用するトルクに応じたインピーダンス変化から、トルクに応じた検出信号を得ることができる。 When torque is applied to a shaft provided with a magnetostrictive film, distortion occurs in the magnetostrictive film on the shaft surface, and the magnetic permeability of the magnetostrictive film changes due to the Villari effect. The impedance of the windings of the magnetostrictive torque sensor changes in response to this change in magnetic permeability of the magnetostrictive film. As a result, the magnetostrictive torque sensor can obtain a detection signal corresponding to the torque acting on the shaft from the change in impedance corresponding to the torque.
軸に加わるトルクだけでなく軸の角度も検出する場合、トルクセンサに加えて同じ軸に角度センサを設ける必要がある。この種の磁歪式トルクアングルセンサは、特許文献1に記載されている。 To detect not only the torque applied to a shaft but also the angle of the shaft, it is necessary to provide an angle sensor on the same shaft in addition to the torque sensor. This type of magnetostrictive torque angle sensor is described in Patent Document 1.
特許文献1に記載のトルク及び角度センサの場合、物理的に2個のセンサを設ける必要がある。この結果、センサ全体のサイズが大きくなると共に、センサ2台分のコストがかかる問題があった。また、部品点数の増加に伴って故障の発生確率が大きくなる可能性がある。このため、物理的に2個のセンサを設けることなく、1個のセンサによりトルクと角度とを検出できることが望ましい。
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、同一のセンサによりトルクと角度とを検出可能な磁歪式トルクアングルセンサ及び磁歪式トルクアングルセンシングシステムを提供することを目的とする。
In the case of the torque and angle sensor described in Patent Document 1, it is necessary to physically provide two sensors. As a result, there is a problem that the size of the entire sensor becomes large and the cost of two sensors is required. In addition, the probability of occurrence of a malfunction may increase with the increase in the number of parts. For this reason, it is desirable to be able to detect the torque and angle using one sensor without physically providing two sensors.
The present invention has been made to solve the above-mentioned problems, and has an object to provide a magnetostrictive torque angle sensor and a magnetostrictive torque angle sensing system that are capable of detecting torque and angle using the same sensor.
この発明に係る磁歪式トルクアングルセンサは、磁歪部を有する軸と、軸の周囲に配置される磁極部とを有する磁歪式トルクアングルセンサであって、磁極部は、第1磁極段と、第1磁極段に対して軸方向に間隔をあけて対向配置された第2磁極段とを備え、第1磁極段は、軸に向かって径方向に突出する第1突出磁極を有し、第1突出磁極のうちの少なくとも2極に、励磁コイルと角度検出コイルとがそれぞれ巻回され、少なくとも2極の励磁コイルは、第1励磁コイルと第2励磁コイルとが交互に配置されて構成され、第1励磁コイルと第2励磁コイルとにはそれぞれ位相の異なる第1励磁信号と第2励磁信号とが供給され、第2磁極段は、第1突出磁極と周方向に異なる位置に、軸に向かって径方向に突出する第2突出磁極を有し、第2突出磁極には、少なくとも1極のトルク検出コイルが巻回され、磁歪部と第1突出磁極との間の磁気抵抗が、軸の回転に伴って周期的に変化するように構成される。 The magnetostrictive torque angle sensor according to the present invention is a magnetostrictive torque angle sensor having a shaft having a magnetostrictive portion and a magnetic pole portion arranged around the shaft, the magnetic pole portion having a first magnetic pole stage and a second magnetic pole stage arranged opposite the first magnetic pole stage with a gap in the axial direction, the first magnetic pole stage having a first protruding magnetic pole protruding radially toward the shaft, an excitation coil and an angle detection coil are wound around at least two of the first protruding magnetic poles, and the excitation coils of the at least two poles are The first and second excitation coils are arranged alternately, a first excitation signal and a second excitation signal having different phases are supplied to the first and second excitation coils, respectively, the second magnetic pole stage has a second protruding magnetic pole that protrudes radially toward the shaft at a circumferentially different position from the first protruding magnetic pole, at least one torque detection coil is wound around the second protruding magnetic pole, and the magnetic resistance between the magnetostrictive portion and the first protruding magnetic pole changes periodically with the rotation of the shaft.
この発明に係る磁歪式トルクアングルセンサにおいて、軸の中心軸から磁歪部までの半径距離が円周方向で周期的に変化するか、磁歪部の軸心に沿う方向の大きさが円周方向で周期的に変化するかにより、磁気抵抗が変化するように構成される。 The magnetostrictive torque angle sensor of this invention is configured so that the magnetic resistance changes depending on whether the radial distance from the central axis of the shaft to the magnetostrictive portion changes periodically in the circumferential direction, or whether the size of the magnetostrictive portion in the direction along the axis changes periodically in the circumferential direction.
この発明に係る磁歪式トルクアングルセンサにおいて、nを2以上の整数とした場合、第1磁極段には、2n極の第1突出磁極に、励磁コイルと角度検出コイルとがそれぞれ巻回され、2n極の励磁コイルは、n極の第1励磁コイルとn極の第2励磁コイルとが周方向に1極ずつ交互に配置されて構成される。 In the magnetostrictive torque angle sensor according to the present invention, where n is an integer equal to or greater than 2, the first magnetic pole stage has an excitation coil and an angle detection coil wound around a first protruding magnetic pole of 2n poles, and the 2n-pole excitation coil is configured with a first excitation coil of n poles and a second excitation coil of n poles alternately arranged in the circumferential direction.
この発明に係る磁歪式トルクアングルセンサにおいて、第1励磁コイルには第1励磁信号が供給され、第2励磁コイルには第1励磁信号と位相が一定の角度だけ異なる第2励磁信号が供給される。 In the magnetostrictive torque angle sensor of this invention, a first excitation signal is supplied to the first excitation coil, and a second excitation signal, the phase of which differs from that of the first excitation signal by a certain angle, is supplied to the second excitation coil.
この発明に係る磁歪式トルクアングルセンサにおいて、トルク検出コイルは、周方向において、隣接する2極の第1突出磁極の中間に位置する第2磁極段に配置される。 In the magnetostrictive torque angle sensor of this invention, the torque detection coil is arranged in the second pole stage located midway between the first protruding poles of two adjacent poles in the circumferential direction.
この発明に係る磁歪式トルクアングルセンサにおいて、励磁コイルは、少なくとも、第1磁極段内で電気角180°となる2極の第1突出磁極に配置され、角度検出コイルは、少なくとも、第1磁極段内で互いに電気角90°になる位置の第1突出磁極に配置され、トルク検出コイルは、少なくとも、第2磁極段内で電気角180°となる2極の第2突出磁極に配置される。 In the magnetostrictive torque angle sensor of the present invention, the excitation coil is arranged at least on the first protruding magnetic poles of two poles that form an electrical angle of 180° in the first magnetic pole stage, the angle detection coil is arranged at least on the first protruding magnetic poles at a position that forms an electrical angle of 90° with respect to each other in the first magnetic pole stage, and the torque detection coil is arranged at least on the second protruding magnetic poles of two poles that form an electrical angle of 180° in the second magnetic pole stage.
この発明に係る磁歪式トルクアングルセンサにおいて、励磁コイルは、少なくとも、第1磁極段内で電気角180°となる2極の第1突出磁極に配置され、角度検出コイルは、少なくとも、第1磁極段内で互いに電気角90°になる位置の第1突出磁極に配置され、トルク検出コイルは、第2磁極段内で1極の第2突出磁極に配置される。 In the magnetostrictive torque angle sensor of the present invention, the excitation coil is arranged at least on two first protruding poles that have an electrical angle of 180° in the first pole stage, the angle detection coil is arranged at least on a first protruding pole that has an electrical angle of 90° from each other in the first pole stage, and the torque detection coil is arranged on one second protruding pole in the second pole stage.
この発明に係る磁歪式トルクアングルセンサにおいて、第2磁極段は、トルク検出コイルを巻回されない第2突出磁極を更に備える。 In the magnetostrictive torque angle sensor of this invention, the second magnetic pole stage further includes a second protruding magnetic pole that is not wound with a torque detection coil.
この発明に係る磁歪式トルクアングルセンシングシステムは、トルク検出コイルが第2磁極段内でいずれか2極に配置された上記の磁歪式トルクアングルセンサと、励磁コイルに励磁信号を供給し、トルク検出コイルからのトルク検出信号及び角度検出コイルからの角度検出信号を処理する処理部と、を備え、処理部は、第1励磁コイルと第2励磁コイルとにそれぞれ位相の異なる第1励磁信号と第2励磁信号とを供給し、トルク検出コイルからのトルク検出信号により、軸に加わるトルクを検出し、角度検出コイルからの角度検出信号により、軸の角度を検出する。 The magnetostrictive torque angle sensing system of the present invention comprises the above-mentioned magnetostrictive torque angle sensor in which torque detection coils are arranged at any two poles within the second magnetic pole stage, and a processing unit that supplies an excitation signal to the excitation coil and processes a torque detection signal from the torque detection coil and an angle detection signal from the angle detection coil. The processing unit supplies a first excitation signal and a second excitation signal, which are out of phase with each other, to the first excitation coil and the second excitation coil, respectively, detects the torque applied to the shaft from the torque detection signal from the torque detection coil, and detects the angle of the shaft from the angle detection signal from the angle detection coil.
この発明に係る磁歪式トルクアングルセンシングシステムは、トルク検出コイルが第2磁極段内でいずれか1極に配置された上記の磁歪式トルクアングルセンサと、励磁コイルに励磁信号を供給し、トルク検出コイルからのトルク検出信号及び角度検出コイルからの角度検出信号を処理する処理部と、を備え、処理部は、第1励磁コイルと第2励磁コイルとにそれぞれ位相の異なる第1励磁信号と第2励磁信号とを供給し、角度検出コイルからの角度検出信号により、軸の角度を検出し、トルク検出コイルからのトルク検出信号を、角度検出信号を用いて補正し、軸に加わるトルクを検出する。 The magnetostrictive torque angle sensing system of the present invention comprises the above-mentioned magnetostrictive torque angle sensor in which a torque detection coil is arranged at one of the poles in the second magnetic pole stage, and a processing unit that supplies an excitation signal to the excitation coil and processes a torque detection signal from the torque detection coil and an angle detection signal from the angle detection coil. The processing unit supplies a first excitation signal and a second excitation signal having different phases to the first excitation coil and the second excitation coil, respectively, detects the angle of the shaft using the angle detection signal from the angle detection coil, corrects the torque detection signal from the torque detection coil using the angle detection signal, and detects the torque applied to the shaft.
この発明に係る磁歪式トルクアングルセンサにおいて、トルク検出信号と角度検出信号とが得られるため、同一のセンサによりトルクと角度とを検出可能な磁歪式トルクアングルセンサ及び磁歪式トルクアングルセンシングシステムを提供することができる。 The magnetostrictive torque angle sensor of the present invention can provide a torque detection signal and an angle detection signal, making it possible to provide a magnetostrictive torque angle sensor and a magnetostrictive torque angle sensing system that can detect torque and angle using the same sensor.
以下、本発明の磁歪式トルクアングルセンサ100、及び磁歪式トルクアングルセンサ100を用いた磁歪式トルクアングルセンシングシステム1の実施の形態につき、図面を用いて説明する。なお、各図において、同一部分には同一符号を付している。 The following describes an embodiment of the magnetostrictive torque angle sensor 100 of the present invention and a magnetostrictive torque angle sensing system 1 using the magnetostrictive torque angle sensor 100, with reference to the drawings. Note that the same parts are denoted by the same reference numerals in each drawing.
実施の形態1.
はじめに、実施の形態1における磁歪式トルクアングルセンサ100の基本的な構成について、図1~図4を用いて説明する。
[磁歪式トルクアングルセンサ100の構成]
図1は、実施の形態1に係る磁歪式トルクアングルセンサ100の構成を示す斜視図である。図2は、図1のII-II線における断面を示す断面図である。図3は、図1のIII-III線における断面を示す断面図である。図4は、実施の形態1に係る磁歪式トルクアングルセンサ100の第1突出磁極110と第2突出磁極120とを展開した状態で示す説明図である。
Embodiment 1.
First, the basic configuration of a magnetostrictive torque angle sensor 100 according to the first embodiment will be described with reference to FIGS.
[Configuration of magnetostrictive torque angle sensor 100]
Fig. 1 is a perspective view showing the configuration of a magnetostrictive torque angle sensor 100 according to embodiment 1. Fig. 2 is a cross-sectional view taken along line II-II in Fig. 1. Fig. 3 is a cross-sectional view taken along line III-III in Fig. 1. Fig. 4 is an explanatory diagram showing a first protruding magnetic pole 110 and a second protruding magnetic pole 120 of the magnetostrictive torque angle sensor 100 according to embodiment 1 in a developed state.
磁歪式トルクアングルセンサ100は、主に、軸10と、磁極部101とを有する。軸10は、外周面に磁歪部12を有している。軸10は、図示しない軸受等により保持され、磁極部101に対して回転可能に構成されている。軸10は、図示しない被検体と共に回転するか、あるいは図示しないトルク発生部によりトルクを加えられる。
磁極部101は、軸10の周囲に配置される。磁極部101は、第1磁極段101Aと、間隔調整部190を介して第1磁極段101Aに対して軸方向に間隔をあけて対向配置された第2磁極段101Bとを備えている。
The magnetostrictive torque angle sensor 100 mainly comprises a shaft 10 and a magnetic pole portion 101. The shaft 10 has a magnetostrictive portion 12 on its outer circumferential surface. The shaft 10 is supported by a bearing or the like (not shown) and is configured to be rotatable relative to the magnetic pole portion 101. The shaft 10 rotates together with a test object (not shown), or a torque is applied to the shaft 10 by a torque generating portion (not shown).
The magnetic pole portion 101 is arranged around the shaft 10. The magnetic pole portion 101 includes a first magnetic pole stage 101A and a second magnetic pole stage 101B arranged opposite the first magnetic pole stage 101A with a gap in the axial direction therebetween via a gap adjustment portion 190.
[磁極部と各種コイルについて]
第1磁極段101Aには、軸10に向かって径方向に突出する少なくとも2極の第1突出磁極110が設けられている。図1に示す具体例では、4極の第1突出磁極110として、第1突出磁極110a、110b、110c、及び110dが、等角度間隔に設けられている。後述するように、第1突出磁極110の磁極数を、励磁コイル130と角度検出コイル150との極数にあわせて、変更することが可能である。
第2磁極段101Bには、軸10に向かって径方向に突出する少なくとも1極の第2突出磁極120が、周方向に第1突出磁極110と異なる位置に設けられている。図1に示す具体例では、第2突出磁極120として、4極の第2突出磁極120a、120b、120c、及び120dが等角度間隔に設けられている。後述するように、第2突出磁極120の磁極数を、トルク検出コイル140の極数にあわせて変更することが可能である。
[Magnetic poles and various coils]
The first magnetic pole stage 101A is provided with at least two first protruding magnetic poles 110 that protrude radially toward the shaft 10. In the specific example shown in Fig. 1, four first protruding magnetic poles 110, that is, first protruding magnetic poles 110a, 110b, 110c, and 110d, are provided at equal angular intervals. As will be described later, the number of magnetic poles of the first protruding magnetic poles 110 can be changed in accordance with the number of poles of the excitation coil 130 and the angle detection coil 150.
In the second pole stage 101B, at least one second protruding magnetic pole 120 protruding radially toward the shaft 10 is provided at a circumferentially different position from the first protruding magnetic pole 110. In the specific example shown in Fig. 1, four second protruding magnetic poles 120a, 120b, 120c, and 120d are provided at equal angular intervals as the second protruding magnetic poles 120. As will be described later, the number of magnetic poles of the second protruding magnetic poles 120 can be changed in accordance with the number of poles of the torque detection coil 140.
[第1突出磁極について]
第1突出磁極110には、少なくとも2極の励磁コイル130と角度検出コイル150とが巻回されている。
図1及び図4に示す具体例では、第1突出磁極110aには励磁コイル130aと角度検出コイル150aとが巻回され、第1突出磁極110bには励磁コイル130bと角度検出コイル150bとが巻回され、第1突出磁極110cには励磁コイル130cと角度検出コイル150cとが巻回され、第1突出磁極110dには励磁コイル130dと角度検出コイル150dとが巻回されている。
[Regarding the first protruding magnetic pole]
At least two excitation coils 130 and an angle detection coil 150 are wound around the first protruding magnetic pole 110 .
In the specific example shown in Figures 1 and 4, an excitation coil 130a and an angle detection coil 150a are wound around the first protruding magnetic pole 110a, an excitation coil 130b and an angle detection coil 150b are wound around the first protruding magnetic pole 110b, an excitation coil 130c and an angle detection coil 150c are wound around the first protruding magnetic pole 110c, and an excitation coil 130d and an angle detection coil 150d are wound around the first protruding magnetic pole 110d.
ここで、少なくとも2極の励磁コイル130は、第1励磁コイル131と第2励磁コイル132とが交互に配置されて構成される。図1及び図4に示す具体例では、励磁コイル130a及び130cが第1励磁コイル131であり、励磁コイル130b及び130dが第2励磁コイル132である。
ここで、第1励磁コイル131と第2励磁コイル132とにはそれぞれ位相の異なる第1励磁信号と第2励磁信号とが供給される。第1励磁信号及び第2励磁信号は、例えば、90°の位相差を有するsin相励磁信号とcos相励磁信号とにより実現される。なお、sin相励磁信号とcos相励磁信号とは一例であり、sin波とcos波に代えて、三角波、矩形波、多段階段状波等の各種の周期的波形であってもよい。第1励磁信号と第2励磁信号との位相差は、厳密に90°に限定されるものではない。
なお、図1及び図4において励磁コイル130a~130dが4極に配置された具体例を図示しているが、少なくとも、第1磁極段101A内で電気角90°となる2極に配置されればよい。
角度検出コイル150a~150dは、誘起される電圧を角度検出信号として出力する。なお、角度検出コイル150a~150dは4極に配置された具体例を図示しているが、少なくとも、第1磁極段101A内で励磁コイル130と同じ位置の2極に配置されればよい。
Here, the at least two-pole excitation coil 130 is configured by alternately arranging a first excitation coil 131 and a second excitation coil 132. In the specific example shown in Fig. 1 and Fig. 4, the excitation coils 130a and 130c are the first excitation coil 131, and the excitation coils 130b and 130d are the second excitation coil 132.
Here, a first excitation signal and a second excitation signal having different phases are supplied to the first excitation coil 131 and the second excitation coil 132, respectively. The first excitation signal and the second excitation signal are realized by, for example, a sine-phase excitation signal and a cosine-phase excitation signal having a phase difference of 90°. Note that the sine-phase excitation signal and the cosine-phase excitation signal are only examples, and various periodic waveforms such as a triangular wave, a rectangular wave, and a multi-step stepped wave may be used instead of the sine wave and the cosine wave. The phase difference between the first excitation signal and the second excitation signal is not strictly limited to 90°.
Although FIGS. 1 and 4 show a specific example in which the exciting coils 130a to 130d are arranged in four poles, it is sufficient that they are arranged in at least two poles that form an electrical angle of 90° within the first magnetic pole stage 101A.
The angle detection coils 150a to 150d output the induced voltage as an angle detection signal. Note that, although the angle detection coils 150a to 150d are illustrated as being arranged in four poles, it is sufficient that they are arranged in at least two poles at the same positions as the excitation coil 130 within the first magnetic pole stage 101A.
[第2突出磁極について]
第2突出磁極120には、トルク検出コイル140が巻回されている。図1及び図4に示す具体例では、電気角180°になる位置で、第2突出磁極120bにトルク検出コイル140bが巻回され、第2突出磁極120dにトルク検出コイル140dが巻回されている。トルク検出コイル140b及び140dは、誘起される電圧をトルク検出信号として出力する。
トルク検出コイル140は、トルク検出コイル140b及び140dの具体例を図示しているが、第2磁極段101B内で互いに電気角180°になる位置の2極であればよい。また、トルク検出コイル140は、第2磁極段101B内でいずれか1極のみの配置とすることも可能である。この場合、トルク検出コイル140は、周方向において、隣接する2極の第1突出磁極の中間に位置する第2磁極段に配置することが望ましい。
[Regarding the second protruding magnetic pole]
A torque detection coil 140 is wound around the second protruding magnetic pole 120. In the specific example shown in Figures 1 and 4, a torque detection coil 140b is wound around the second protruding magnetic pole 120b, and a torque detection coil 140d is wound around the second protruding magnetic pole 120d at a position corresponding to an electrical angle of 180°. The torque detection coils 140b and 140d output an induced voltage as a torque detection signal.
Although the torque detection coil 140 is illustrated as specific examples of torque detection coils 140b and 140d, it is sufficient that the torque detection coil 140 has two poles located at positions that are 180° apart from each other in the second magnetic pole stage 101B. It is also possible to arrange the torque detection coil 140 at only one of the poles in the second magnetic pole stage 101B. In this case, it is desirable to arrange the torque detection coil 140 at the second magnetic pole stage located midway between the first protruding magnetic poles of two adjacent poles in the circumferential direction.
[磁路について]
ここで、第1突出磁極110a~110dと第2突出磁極120a~120dとは、図4に示すように、電気角360°の範囲内にそれぞれ電気角90°間隔であって、周方向に異なる位置に4極ずつ配置されている。なお、電気角90°間隔は、厳密に90°に限定されるものではなく、若干の変更や誤差を含んでもよい。
第1突出磁極110a~磁歪部12~第1突出磁極110bの間、第1突出磁極110b~磁歪部12~第1突出磁極110cの間、第1突出磁極110c~磁歪部12~第1突出磁極110dの間、及び第1突出磁極110d~磁歪部12~第1突出磁極110aの間には、水平磁路Hが形成されている。
第2突出磁極120b~磁歪部12~第1突出磁極110bの間、及び第2突出磁極120d~磁歪部12~第1突出磁極110dの間には、約45°の第1傾斜磁路Diag_1が形成されている。同様に、第2突出磁極120b~磁歪部12~第1突出磁極110cの間、及び第2突出磁極120d~磁歪部12~第1突出磁極110aの間には、約-45°の第2傾斜磁路Diag_2が形成されている。
なお、以上の具体例における90°及び45°等は若干の誤差または意図的な変更が含まれていてもよい。
[Magnetic path]
Here, the first protruding magnetic poles 110a to 110d and the second protruding magnetic poles 120a to 120d are arranged at different circumferential positions at intervals of 90° electrical angle within a range of 360° electrical angle, with four poles in each group. Note that the intervals of 90° electrical angle are not strictly limited to 90° and may include slight variations or errors.
Horizontal magnetic paths H are formed between the first protruding magnetic pole 110a, the magnetostrictive portion 12, and the first protruding magnetic pole 110b, between the first protruding magnetic pole 110b, the magnetostrictive portion 12, and the first protruding magnetic pole 110c, between the first protruding magnetic pole 110c, the magnetostrictive portion 12, and the first protruding magnetic pole 110d, and between the first protruding magnetic pole 110d, the magnetostrictive portion 12, and the first protruding magnetic pole 110a.
A first inclined magnetic path Diag_1 of about 45° is formed between the second protruding magnetic pole 120b, the magnetostrictive portion 12, and the first protruding magnetic pole 110b, and between the second protruding magnetic pole 120d, the magnetostrictive portion 12, and the first protruding magnetic pole 110d. Similarly, a second inclined magnetic path Diag_2 of about -45° is formed between the second protruding magnetic pole 120b, the magnetostrictive portion 12, and the first protruding magnetic pole 110c, and between the second protruding magnetic pole 120d, the magnetostrictive portion 12, and the first protruding magnetic pole 110a.
In addition, the angles of 90° and 45° in the above specific examples may include slight errors or intentional changes.
[磁気抵抗について]
次に、図5~図11を参照して、軸10の構成とその磁気抵抗の特性とについて説明する。図5~図10は、実施の形態1に係る磁歪式トルクアングルセンサ100の軸10の構成を示す構成図である。図11は、実施の形態1に係る磁歪式トルクアングルセンサ100の磁気抵抗の特性を示す特性図である。
[Magnetic resistance]
Next, the configuration of the shaft 10 and its magnetic resistance characteristics will be described with reference to Figures 5 to 11. Figures 5 to 10 are configuration diagrams showing the configuration of the shaft 10 of the magnetostrictive torque angle sensor 100 according to embodiment 1. Figure 11 is a characteristic diagram showing the magnetic resistance characteristics of the magnetostrictive torque angle sensor 100 according to embodiment 1.
図5において、軸10は、内軸部11と、内軸部11の外周に設けられた磁歪部12とを備え、軸10の半径が円周方向で周期的に変化するように構成される。これにより、磁歪部12と第1突出磁極110a~110dとの間の第1磁気抵抗、及び磁歪部12と第2突出磁極120a~120dとの間の第2磁気抵抗は、図11に示すように、軸10の回転に伴って周期的に変化するように構成される。
なお、第1磁気抵抗と第2磁気抵抗のうち、角度検出に必要となる第1磁気抵抗が軸10の回転に伴って周期的に変化することが望ましい。このため、図6に示すように、軸10において第1突出磁極110a~110dに対向する磁歪領域12aのみにおいて図5のような断面形状を有していればよく、軸10において第2突出磁極120a~120dに対向する磁歪領域12bは真円の断面形状であってもよい。
5, the shaft 10 includes an inner shaft portion 11 and a magnetostrictive portion 12 provided on the outer periphery of the inner shaft portion 11, and is configured so that the radius of the shaft 10 changes periodically in the circumferential direction. As a result, the first magnetic resistance between the magnetostrictive portion 12 and the first protruding magnetic poles 110a to 110d and the second magnetic resistance between the magnetostrictive portion 12 and the second protruding magnetic poles 120a to 120d change periodically with the rotation of the shaft 10, as shown in FIG.
Of the first and second magnetic resistances, it is desirable that the first magnetic resistance required for angle detection periodically changes with the rotation of the shaft 10. For this reason, as shown in Fig. 6, it is sufficient that only the magnetostrictive region 12a facing the first protruding magnetic poles 110a to 110d on the shaft 10 has the cross-sectional shape shown in Fig. 5, and the magnetostrictive region 12b facing the second protruding magnetic poles 120a to 120d on the shaft 10 may have a cross-sectional shape of a perfect circle.
軸10は以下のいずれかのようにして形成される。図5の形状の内軸部11の外周面に、磁歪膜としての磁歪部12がコーティングまたは溶射形成等により付与されて、軸10が形成される。もしくは、図5または図6の外形形状の外筒部としての磁歪部12に、内軸部11が圧入されて、軸10が形成される。または、内軸部11と磁歪部12とが全て磁歪材料により構成され、軸10全体が磁歪部12で形成されてもよい。なお、以下に示す軸10の別形態についても同様の製法を適用することができる。 The shaft 10 is formed in one of the following ways. The magnetostrictive portion 12 as a magnetostrictive film is applied to the outer peripheral surface of the inner shaft portion 11 having the shape of FIG. 5 by coating, spraying, or the like to form the shaft 10. Alternatively, the inner shaft portion 11 is press-fitted into the magnetostrictive portion 12 as an outer cylinder having the outer shape of FIG. 5 or FIG. 6 to form the shaft 10. Alternatively, the inner shaft portion 11 and the magnetostrictive portion 12 may all be made of magnetostrictive material, and the entire shaft 10 may be formed of the magnetostrictive portion 12. Note that the same manufacturing method can be applied to the other forms of shaft 10 shown below.
図7において、円柱形状の内軸部11の外周面の一部であって、第1突出磁極110a~110dと第2突出磁極120a~120dとが軸10に対向する位置に、コーティングまたは溶射形成等により磁歪部12が付与されて形成される。または、外筒部としての磁歪部12に内軸部11が圧入されて軸10が形成される。ここで、磁歪部12は、軸方向の大きさが円周方向で周期的に変化するように形成される。これにより、磁歪部12と第1突出磁極110a~110dとの間の第1磁気抵抗、及び磁歪部12と第2突出磁極120a~120dとの間の第2磁気抵抗は、図11に示すように、軸10の回転に伴って周期的に変化するようになる。なお、図7において、内軸部11の断面は真円形に限らず、図5のように半径が円周方向で周期的に変化するように構成されていてもよい。 In FIG. 7, the magnetostrictive portion 12 is formed by coating or spraying on a part of the outer peripheral surface of the cylindrical inner shaft portion 11, where the first protruding magnetic poles 110a-110d and the second protruding magnetic poles 120a-120d face the shaft 10. Alternatively, the inner shaft portion 11 is pressed into the magnetostrictive portion 12 as an outer cylinder portion to form the shaft 10. Here, the magnetostrictive portion 12 is formed so that the size in the axial direction changes periodically in the circumferential direction. As a result, the first magnetic resistance between the magnetostrictive portion 12 and the first protruding magnetic poles 110a-110d and the second magnetic resistance between the magnetostrictive portion 12 and the second protruding magnetic poles 120a-120d change periodically with the rotation of the shaft 10, as shown in FIG. 11. Note that in FIG. 7, the cross section of the inner shaft portion 11 is not limited to a perfect circle, and may be configured so that the radius changes periodically in the circumferential direction as shown in FIG. 5.
図8において、内軸部11の外周面の一部に形成された磁歪部12は、磁歪領域12aと磁歪領域12bとを有している。ここで、磁歪領域12aは、第1突出磁極110a~110dに対向する領域である。磁歪領域12bは、第2突出磁極120a~120dに対向する領域である。磁歪領域12aは、軸方向の大きさが円周方向で周期的に変化するように形成される。一方、磁歪領域12bは、軸方向の大きさは変化しないように形成される。これにより、磁歪領域12aと第1突出磁極110a~110dとの間の第1磁気抵抗は、図11に示すように、軸10の回転に伴って周期的に変化するようになる。一方、磁歪領域12bと第2突出磁極120a~120dとの間の第2磁気抵抗は、軸10の回転に伴って変化せず、一定になる。なお、図8において、内軸部11の断面は真円形に限らず、図5のように半径が円周方向で周期的に変化するように構成されていてもよい。 In FIG. 8, the magnetostrictive portion 12 formed on a part of the outer circumferential surface of the inner shaft portion 11 has a magnetostrictive region 12a and a magnetostrictive region 12b. Here, the magnetostrictive region 12a is a region facing the first protruding magnetic poles 110a to 110d. The magnetostrictive region 12b is a region facing the second protruding magnetic poles 120a to 120d. The magnetostrictive region 12a is formed so that its axial size changes periodically in the circumferential direction. On the other hand, the magnetostrictive region 12b is formed so that its axial size does not change. As a result, the first magnetic resistance between the magnetostrictive region 12a and the first protruding magnetic poles 110a to 110d changes periodically with the rotation of the shaft 10, as shown in FIG. 11. On the other hand, the second magnetic resistance between the magnetostrictive region 12b and the second protruding magnetic poles 120a to 120d does not change with the rotation of the shaft 10 and remains constant. In FIG. 8, the cross section of the inner shaft portion 11 is not limited to a perfect circle, and may be configured such that the radius changes periodically in the circumferential direction, as in FIG. 5.
図9において、円柱形状の内軸部11の外周面の一部であって、第1突出磁極110a~110dと第2突出磁極120a~120dとが軸10に対向する位置に、軸方向の大きさが円周方向で周期的に変化すると共に、内軸部11から突出するように磁歪部12が形成される。これにより、磁歪部12と第1突出磁極110a~110dとの間の第1磁気抵抗、及び磁歪部12と第2突出磁極120a~120dとの間の第2磁気抵抗は、図11に示すように、軸10の回転に伴って周期的に変化するようになる。なお、図9において、内軸部11の断面は真円形に限らず、図5のように半径が円周方向で周期的に変化するように構成されていてもよい。 In FIG. 9, a magnetostrictive portion 12 is formed on a part of the outer peripheral surface of the cylindrical inner shaft portion 11 at a position where the first protruding magnetic poles 110a-110d and the second protruding magnetic poles 120a-120d face the shaft 10, and the axial size of the magnetostrictive portion 12 changes periodically in the circumferential direction and protrudes from the inner shaft portion 11. As a result, the first magnetic resistance between the magnetostrictive portion 12 and the first protruding magnetic poles 110a-110d and the second magnetic resistance between the magnetostrictive portion 12 and the second protruding magnetic poles 120a-120d change periodically with the rotation of the shaft 10, as shown in FIG. 11. Note that in FIG. 9, the cross section of the inner shaft portion 11 is not limited to a perfect circle, and may be configured such that the radius changes periodically in the circumferential direction as shown in FIG. 5.
図10において、内軸部11の外周面の一部に、内軸部11から突出するように形成された磁歪部12は、磁歪領域12aと磁歪領域12bとを有している。ここで、磁歪領域12aは、第1突出磁極110a~110dに対向し、軸方向の大きさが円周方向で周期的に変化するように形成される。磁歪領域12bは、第2突出磁極120a~120dに対向し、軸方向の大きさは変化しないように形成される。これにより、磁歪領域12aと第1突出磁極110a~110dとの間の第1磁気抵抗は、図11に示すように、軸10の回転に伴って周期的に変化するようになる。一方、磁歪領域12bと第2突出磁極120a~120dとの間の第2磁気抵抗は、軸10の回転に伴って変化せず、一定になる。なお、図10において、内軸部11の断面は真円形に限らず、図5のように半径が円周方向で周期的に変化するように構成されていてもよい。 In FIG. 10, the magnetostrictive portion 12 formed on a part of the outer circumferential surface of the inner shaft portion 11 so as to protrude from the inner shaft portion 11 has a magnetostrictive region 12a and a magnetostrictive region 12b. Here, the magnetostrictive region 12a faces the first protruding magnetic poles 110a to 110d, and is formed so that its axial size changes periodically in the circumferential direction. The magnetostrictive region 12b faces the second protruding magnetic poles 120a to 120d, and is formed so that its axial size does not change. As a result, the first magnetic resistance between the magnetostrictive region 12a and the first protruding magnetic poles 110a to 110d changes periodically with the rotation of the shaft 10, as shown in FIG. 11. On the other hand, the second magnetic resistance between the magnetostrictive region 12b and the second protruding magnetic poles 120a to 120d does not change with the rotation of the shaft 10, but remains constant. In FIG. 10, the cross section of the inner shaft portion 11 is not limited to a perfect circle, and may be configured such that the radius changes periodically in the circumferential direction, as in FIG. 5.
図5及び図6に示す軸10の断面形状、及び図7~図10に示す磁歪部12の形状、並びに図11に示す磁気抵抗変化率は、滑らかな正弦波形状に沿ったものを示しているが、これに限定されるものではない。たとえば、正弦波に代えて、三角波、矩形波、多段階段状波等の各種の周期的形状に基づいて、軸10の断面形状、及び図6~図7に示す磁歪部12の形状、並びに図11に示す磁気抵抗変化率を決定してもよい。 The cross-sectional shape of the shaft 10 shown in Figures 5 and 6, the shape of the magnetostrictive portion 12 shown in Figures 7 to 10, and the magnetic resistance change rate shown in Figure 11 are shown to follow a smooth sine wave shape, but are not limited to this. For example, instead of a sine wave, the cross-sectional shape of the shaft 10, the shape of the magnetostrictive portion 12 shown in Figures 6 to 7, and the magnetic resistance change rate shown in Figure 11 may be determined based on various periodic shapes such as a triangular wave, a rectangular wave, or a multi-step stepped wave.
[磁歪式トルクアングルセンシングシステム1の処理]
以下、図12を参照して磁歪式トルクアングルセンシングシステム1について説明する。図12は、実施の形態1に係る磁歪式トルクアングルセンシングシステム1の構成を示す構成図である。磁歪式トルクアングルセンシングシステム1は、磁歪式トルクアングルセンサ100と、処理部200とを備えている。図12において、磁歪式トルクアングルセンサ100と処理部200との関係で、磁歪式トルクアングルセンサ100において、励磁コイル130と、トルク検出コイル140と、角度検出コイル150とを示している。
[Processing of magnetostrictive torque angle sensing system 1]
The magnetostrictive torque angle sensing system 1 will be described below with reference to Fig. 12. Fig. 12 is a configuration diagram showing the configuration of the magnetostrictive torque angle sensing system 1 according to the first embodiment. The magnetostrictive torque angle sensing system 1 includes a magnetostrictive torque angle sensor 100 and a processing unit 200. Fig. 12 shows an excitation coil 130, a torque detection coil 140, and an angle detection coil 150 in the magnetostrictive torque angle sensor 100 in relation to the magnetostrictive torque angle sensor 100 and the processing unit 200.
処理部200は、励磁コイル130に励磁信号を供給する。すなわち、処理部200は、励磁コイル130に含まれる第1励磁コイル131(励磁コイル130a、130c)と第2励磁コイル132(励磁コイル130b、130d)とに対して、それぞれ位相の異なる二種の励磁信号として第1励磁信号と第2励磁信号とを供給する。処理部200は、位相の異なる二種の励磁信号として、90°位相の異なる2種の励磁信号、例えばsin相励磁信号とcos相励磁信号とを用いる。 The processing unit 200 supplies an excitation signal to the excitation coil 130. That is, the processing unit 200 supplies a first excitation signal and a second excitation signal as two types of excitation signals with different phases to the first excitation coil 131 (excitation coils 130a and 130c) and the second excitation coil 132 (excitation coils 130b and 130d) included in the excitation coil 130. The processing unit 200 uses two types of excitation signals with a phase difference of 90°, for example a sine-phase excitation signal and a cosine-phase excitation signal, as the two types of excitation signals with different phases.
処理部200は、トルク検出コイル140からトルク検出信号の供給を受け、トルク検出信号の振幅情報としての電圧変化により軸10に加わるトルクを検出する。処理部200は、図1に示す例では、トルク検出コイル140としてトルク検出コイル140bとトルク検出コイル140dとからトルク検出信号の供給を受け、トルク検出信号の振幅情報としての電圧変化により軸10に加わるトルクを検出する。処理部200は、検出したトルクをトルクデータとして外部に出力する。
処理部200は、角度検出コイル150から角度検出信号の供給を受け、角度検出信号と基準信号との位相差に基づいて軸10の角度を検出する。処理部200は、図1に示す例では、角度検出コイル150として角度検出コイル150a~150dから角度検出信号の供給を受け、角度検出信号と励磁信号との位相差に基づいて軸10の角度を検出する。処理部200は、検出した角度を角度データとして外部に出力する。
The processing unit 200 receives torque detection signals from the torque detection coils 140, and detects the torque applied to the shaft 10 based on voltage changes as amplitude information of the torque detection signals. In the example shown in Fig. 1, the processing unit 200 receives torque detection signals from the torque detection coils 140b and 140d as the torque detection coils 140, and detects the torque applied to the shaft 10 based on voltage changes as amplitude information of the torque detection signals. The processing unit 200 outputs the detected torque to the outside as torque data.
The processing unit 200 receives an angle detection signal from the angle detection coil 150, and detects the angle of the shaft 10 based on the phase difference between the angle detection signal and a reference signal. In the example shown in Fig. 1, the processing unit 200 receives an angle detection signal from angle detection coils 150a to 150d as the angle detection coil 150, and detects the angle of the shaft 10 based on the phase difference between the angle detection signal and an excitation signal. The processing unit 200 outputs the detected angle to the outside as angle data.
[トルク検出と角度検出の処理]
以下、図13~図16を参照して、軸10の回転時及びトルク入力時における角度検出の特性とトルク検出の特性とについて詳細に説明する。
[Torque detection and angle detection processing]
Hereinafter, with reference to FIGS. 13 to 16, the angle detection characteristics and torque detection characteristics when the shaft 10 rotates and when torque is input will be described in detail.
・トルク入力なしで軸10が回転する際のトルク検出:
図13は、実施の形態1に係る磁歪式トルクアングルセンサ100において、軸10に対するトルク入力なしで軸10が回転する際における、トルク検出コイル140b及び140dに生じる電圧を処理した出力電圧特性を示す特性図である。ここで、図13では、トルク入力なしで軸10が回転する際におけるトルク検出コイル140b及び140dに生じる各トルク検出信号を合成した結果を示している。
トルク検出コイル140b及び140dに生じる各トルク検出信号は、位相差が180°であって、電気角360°で1サイクルの電圧変化が生じている。よって、トルク検出コイル140b及び140dに生じる各トルク検出信号を合成して得られるトルク検出の際の出力電圧特性は、図13に示すように、回転角度に応じた電圧変化なしの平坦な特性になる。
これにより、処理部200は、トルク=0と算出し、トルク=0を示すトルクデータを外部に出力する。すなわち、軸10が回転する場合でも、トルク検出に何ら影響を与えることがない。
Torque detection when the shaft 10 rotates without torque input:
13 is a characteristic diagram showing output voltage characteristics obtained by processing voltages generated in the torque detection coils 140b and 140d when the shaft 10 rotates without torque input to the shaft 10 in the magnetostrictive torque angle sensor 100 according to embodiment 1. Here, FIG. 13 shows the result of combining the torque detection signals generated in the torque detection coils 140b and 140d when the shaft 10 rotates without torque input.
The torque detection signals generated in the torque detection coils 140b and 140d have a phase difference of 180°, and one cycle of voltage change occurs per electrical angle of 360°. Therefore, the output voltage characteristic at the time of torque detection obtained by combining the torque detection signals generated in the torque detection coils 140b and 140d is a flat characteristic with no voltage change according to the rotation angle, as shown in FIG.
As a result, the processing unit 200 calculates the torque as 0, and outputs to the outside the torque data indicating the torque as 0. In other words, even if the shaft 10 rotates, there is no effect on the torque detection.
以上の例では、トルク検出コイル140b及び140dに生じる各トルク検出信号を合成することで、図13に示す回転角度に応じた電圧変化なしの平坦な出力電圧特性を得ていた。一方、トルク検出コイル140を、第2磁極段101B内でいずれか1極の第2突出磁極120に配置することが可能である。このようにトルク検出コイル140を1極のみにした場合、回転角度に応じた電圧変化なしの平坦な出力電圧特性を得ることができず、トルク入力なしにもかかわらず、回転角度に応じた電圧変化成分がトルク検出コイル140から出力されることになる。この場合、トルク検出コイル140からのトルク検出信号を、角度検出コイル150からの角度検出信号を用いて補正することで、軸10に加わるトルクについて、図13に示す回転角度に応じた電圧変化なしの平坦な出力電圧特性を得ることができる。 In the above example, the torque detection signals generated in the torque detection coils 140b and 140d are combined to obtain a flat output voltage characteristic without voltage change according to the rotation angle shown in FIG. 13. On the other hand, it is possible to arrange the torque detection coil 140 on any one of the second protruding poles 120 in the second pole stage 101B. If the torque detection coil 140 has only one pole in this way, it is not possible to obtain a flat output voltage characteristic without voltage change according to the rotation angle, and a voltage change component according to the rotation angle is output from the torque detection coil 140 even though there is no torque input. In this case, the torque detection signal from the torque detection coil 140 is corrected using the angle detection signal from the angle detection coil 150, so that it is possible to obtain a flat output voltage characteristic without voltage change according to the rotation angle shown in FIG. 13 for the torque applied to the shaft 10.
・トルク入力なしで軸10が回転する際の角度検出:
図14は、実施の形態1に係る磁歪式トルクアングルセンサ100において、軸10に対するトルク入力なしで軸10が回転する際における、角度検出コイル150a~150dに生じる電圧を処理した出力電圧特性を示す特性図である。図14では、トルク入力なしで軸10が回転する際における角度検出コイル150a~150dに生じる各角度検出信号を処理して角度を検出する様子を示している。
処理部200は、角度検出コイル150a~150dから角度検出信号の供給を受け、角度検出信号と基準信号との位相差に基づいて軸10の角度を検出する。なお、基準信号とは、それぞれの角度検出信号に対応する励磁信号である。よって、処理部200は、角度検出コイル150a~150dから角度検出信号の供給を受け、角度検出信号と励磁信号との位相差θに基づいて軸10の角度を検出する。処理部200は、検出した角度を角度データとして外部に出力する。
以下、励磁信号と角度検出信号との関係を数式により説明する。
励磁信号は、
ER1-R3=Ecosωt
ER2-R4=Esinωt
と表せる。
そして、角度検出信号は、
ES1-S2
=kE(sinωt・sinθ+cosωt・cosθ)
=kEcos(ωt-θ)
となる。
すなわち、処理部200は、軸10の角度を、基準となる励磁信号cosωtからθだけずれた波形として検出することができる。
よって、角度検出の際の出力電圧特性は、図14に示すように、回転角度に応じて電圧が直線的に変化する状態になる。これにより、処理部200は、回転角度を算出し、回転角度を示す角度データを外部に出力する。
Angle detection when the shaft 10 rotates without torque input:
14 is a characteristic diagram showing output voltage characteristics obtained by processing voltages generated in the angle detection coils 150a to 150d when the shaft 10 rotates without torque input to the shaft 10 in the magnetostrictive torque angle sensor 100 according to embodiment 1. Fig. 14 shows how angles are detected by processing the angle detection signals generated in the angle detection coils 150a to 150d when the shaft 10 rotates without torque input.
The processing unit 200 receives the angle detection signals from the angle detection coils 150a to 150d, and detects the angle of the shaft 10 based on the phase difference between the angle detection signals and a reference signal. The reference signals are excitation signals corresponding to the respective angle detection signals. Thus, the processing unit 200 receives the angle detection signals from the angle detection coils 150a to 150d, and detects the angle of the shaft 10 based on the phase difference θ between the angle detection signals and the excitation signal. The processing unit 200 outputs the detected angle to the outside as angle data.
The relationship between the excitation signal and the angle detection signal will be explained below using mathematical expressions.
The excitation signal is
E R1-R3 = Ecosωt
E R2-R4 =Esinωt
This can be expressed as:
And the angle detection signal is
E S1-S2
=kE(sinωt・sinθ+cosωt・cosθ)
=kEcos(ωt-θ)
It becomes.
That is, the processing unit 200 can detect the angle of the shaft 10 as a waveform that is shifted by θ from the reference excitation signal cosωt.
Therefore, the output voltage characteristic during angle detection is such that the voltage changes linearly according to the rotation angle, as shown in Fig. 14. This allows the processing unit 200 to calculate the rotation angle, and output angle data indicating the rotation angle to the outside.
・軸10の回転なしでトルク入力時のトルク検出:
図15は、実施の形態1に係る磁歪式トルクアングルセンサ100において、軸10が回転せずに軸10に対してトルク入力がある際の、トルク検出コイル140b及び140dに生じる電圧を処理した出力電圧特性を示す特性図である。図15では、軸10の回転なし状態であってトルク入力時における、トルク検出コイル140b及び140dに生じる各トルク検出信号の差分を求めた様子を示している。
図4で説明した第1傾斜磁路Diag_1と第2傾斜磁路Diag_2とのそれぞれで得られるトルク検出信号について着目すると、第1傾斜磁路Diag_1で得られるトルク検出信号と第2傾斜磁路Diag_2で得られるトルク検出信号とは、異なる電圧変化率を有している。
処理部200は、第1傾斜磁路Diag_1で得られるトルク検出信号と第2傾斜磁路Diag_2で得られるトルク検出信号との差分により、トルク検出の際の出力電圧特性を求める。トルク検出の際の出力電圧特性は、図15に示すように、トルクに応じて直線的な電圧変化率を有する。これにより、処理部200は、軸10への入力トルクを求め、求めたトルクをトルクデータとして外部に出力する。
Torque detection when torque is input without rotation of shaft 10:
15 is a characteristic diagram showing output voltage characteristics obtained by processing the voltages generated in the torque detection coils 140b and 140d when torque is input to the shaft 10 without rotating the shaft 10 in the magnetostrictive torque angle sensor 100 according to embodiment 1. Fig. 15 shows the difference between the torque detection signals generated in the torque detection coils 140b and 140d when torque is input to the shaft 10 without rotating the shaft 10.
Focusing on the torque detection signals obtained from the first inclined magnetic path Diag_1 and the second inclined magnetic path Diag_2 described in FIG. 4, the torque detection signal obtained from the first inclined magnetic path Diag_1 and the torque detection signal obtained from the second inclined magnetic path Diag_2 have different voltage change rates.
The processing unit 200 obtains an output voltage characteristic at the time of torque detection from the difference between the torque detection signal obtained in the first inclined magnetic path Diag_1 and the torque detection signal obtained in the second inclined magnetic path Diag_2. The output voltage characteristic at the time of torque detection has a linear voltage change rate according to the torque, as shown in Fig. 15. In this way, the processing unit 200 obtains the input torque to the shaft 10, and outputs the obtained torque to the outside as torque data.
・軸10の回転なしでトルク入力時の角度検出:
図16は、実施の形態1に係る磁歪式トルクアングルセンサ100において、軸10が回転せずに軸10に対してトルク入力がある際の、トルク入力時に、角度検出コイル150a~150dに生じる電圧を処理した出力電圧特性を示す特性図である。図16では、軸10の回転なし状態であってトルク入力時における角度検出コイル150a~150dに生じる各角度検出信号の差分を求めた様子を示している。
ここで、角度検出コイル150a~150dに生じるそれぞれの角度検出信号は、同一の特性になっている。よって、角度検出コイル150a~150dに生じる各角度検出信号の間で差分を求めることで得た角度検出信号は、電圧変化なしの平坦な状態になる。これにより、処理部200は、角度=0を示す角度データを出力する。すなわち、軸10にトルク入力がある場合でも、軸10の角度検出に何ら影響を与えることがない。
Angle detection when torque is input without rotation of shaft 10:
16 is a characteristic diagram showing output voltage characteristics obtained by processing voltages generated in the angle detection coils 150a to 150d when torque is input to the shaft 10 without rotating the shaft 10 in the magnetostrictive torque angle sensor 100 according to embodiment 1. Fig. 16 shows the difference between the angle detection signals generated in the angle detection coils 150a to 150d when torque is input to the shaft 10 without rotating.
Here, the angle detection signals generated in the angle detection coils 150a to 150d have the same characteristics. Therefore, the angle detection signal obtained by calculating the difference between the angle detection signals generated in the angle detection coils 150a to 150d is in a flat state with no voltage change. As a result, the processing unit 200 outputs angle data indicating angle = 0. In other words, even if there is a torque input to the shaft 10, there is no effect on the angle detection of the shaft 10.
以上の図13~図16は、軸10へのトルク入力なしの軸10の回転時、または軸10の回転なしの軸10へのトルク入力時の特性について説明してきた。実際には、電動パワーステアリング装置またはロボットの回転軸などにおいて、軸10が回転しつつ、更に軸10にトルクの入力がある状態が発生しうる。このような場合、処理部200は、図13~図16を用いて説明した処理を並行して行うことで、角度とトルクとをそれぞれ算出することができる。 The above Figs. 13 to 16 have described the characteristics when the shaft 10 rotates without torque being input to the shaft 10, or when torque is input to the shaft 10 without the shaft 10 rotating. In reality, in an electric power steering device or a rotating shaft of a robot, a state may occur in which the shaft 10 rotates while torque is also input to the shaft 10. In such a case, the processing unit 200 can calculate the angle and torque by performing the processes described using Figs. 13 to 16 in parallel.
[磁極数の変更]
以上の実施の形態1では、第1磁極段101Aに励磁コイル130a~130dと角度検出コイル150a~150dとを巻回し、第2磁極段101Bにトルク検出コイル140b及び140dを巻回しているが、磁歪式トルクアングルセンサ100はこの状態に限定されるものではない。
励磁コイル130は、少なくとも、第1磁極段101A内で電気角180°となる2極の第1突出磁極110に配置されればよく、励磁コイル130a及び130c、または、励磁コイル130b及び130dを配置すればよい。
角度検出コイル150は、第1磁極段101A内で互いに電気角90°になる位置の2極、すなわち、角度検出コイル150aまたは150bのどちらか1極と、角度検出コイル150cまたは150dのどちらか1極の、合計2極を第1突出磁極110に配置すればよい。
トルク検出コイル140は、少なくとも、第2磁極段101B内で電気角180°となる2極の第2突出磁極120に配置されればよく、トルク検出コイル140a及び140c、または、トルク検出コイル140b及び140dを配置すればよい。
処理部200において角度検出信号から求めた角度によりトルク検出信号を補正する場合、トルク検出コイル140は、トルク検出コイル140a~140dのうちの1極のみの配置とすることができる。
[Changing the number of magnetic poles]
In the above-described first embodiment, the excitation coils 130a to 130d and the angle detection coils 150a to 150d are wound around the first magnetic pole stage 101A, and the torque detection coils 140b and 140d are wound around the second magnetic pole stage 101B, but the magnetostrictive torque angle sensor 100 is not limited to this state.
The excitation coil 130 needs to be arranged at least on the two first protruding magnetic poles 110 that form an electrical angle of 180° within the first magnetic pole stage 101A, and excitation coils 130a and 130c, or excitation coils 130b and 130d may be arranged.
The angle detection coil 150 is configured by arranging two poles at positions that are at an electrical angle of 90° from each other within the first magnetic pole stage 101A, i.e., one pole of either angle detection coil 150a or 150b, and one pole of either angle detection coil 150c or 150d, for a total of two poles, on the first protruding magnetic pole 110.
The torque detection coils 140 need only be arranged at least on the two second protruding magnetic poles 120 that form an electrical angle of 180° within the second magnetic pole stage 101B, and torque detection coils 140a and 140c, or torque detection coils 140b and 140d may be arranged.
When the torque detection signal is corrected by the angle obtained from the angle detection signal in the processing unit 200, the torque detection coil 140 can be arranged with only one pole among the torque detection coils 140a to 140d.
なお、励磁コイル130、トルク検出コイル140、及び角度検出コイル150を減らす場合、励磁コイル130と角度検出コイル150とが存在しない部分の第1突出磁極110を第1磁極段101Aに設けないようにすることが可能である。同様に、トルク検出コイル140が存在しない部分の第2突出磁極120を第2磁極段101Bに設けないようにすることが可能である。
一方、励磁コイル130、トルク検出コイル140、及び角度検出コイル150を減らす場合であっても、励磁コイル130と角度検出コイル150とが存在しない(巻回されない)部分の第1突出磁極110を第1磁極段101Aから削減せず、同様に、トルク検出コイル140が存在しない(巻回されない)部分の第2突出磁極120を第2磁極段101Bから削減しないことも可能である。この場合、第1磁極段101Aと第2磁極段101Bとで同数の突出磁極を有することになり、構成部品を共用化することが可能になる。
When reducing the number of excitation coils 130, torque detection coils 140, and angle detection coils 150, it is possible not to provide the first protruding magnetic poles 110 in the first magnetic pole stage 101A in the portions where there are no excitation coils 130 and no angle detection coils 150. Similarly, it is possible not to provide the second protruding magnetic poles 120 in the second magnetic pole stage 101B in the portions where there are no torque detection coils 140.
On the other hand, even when the excitation coil 130, the torque detection coil 140, and the angle detection coil 150 are reduced, it is also possible not to reduce the first protruding magnetic poles 110 in the portions where the excitation coil 130 and the angle detection coil 150 are not present (not wound) from the first magnetic pole stage 101A, and similarly not to reduce the second protruding magnetic poles 120 in the portions where the torque detection coil 140 is not present (not wound) from the second magnetic pole stage 101B. In this case, the first magnetic pole stage 101A and the second magnetic pole stage 101B have the same number of protruding magnetic poles, making it possible to share components.
以上の説明では、第1突出磁極110a~110dと第2突出磁極120a~120dとを4極にしていたため、電気角360°と機械角360°とが一致していた。
これに対し、第1突出磁極110と第2突出磁極120とを45°毎の8極にすることで、電気角360°を機械角180°に収容することができる。この場合、上述した電気角180°は機械角90°に対応し、上述した電気角90°は機械角45°に対応することになる。
また、第1突出磁極110と第2突出磁極120とを30°毎の12極にすることで、電気角360°を機械角120°に収容することができる。この場合、電気角180°は機械角60°に対応し、電気角90°は機械角30°に対応することになる。また、同様の構造にして、任意の極数に増やすことが可能である。
In the above description, the first protruding magnetic poles 110a to 110d and the second protruding magnetic poles 120a to 120d form four poles, so that the electrical angle of 360° and the mechanical angle of 360° match.
In contrast, by providing eight first and second protruding magnetic poles 110 and 120 at 45° intervals, an electrical angle of 360° can be accommodated within a mechanical angle of 180°. In this case, the electrical angle of 180° corresponds to a mechanical angle of 90°, and the electrical angle of 90° corresponds to a mechanical angle of 45°.
Furthermore, by providing 12 poles, each of which has an angle of 30° between the first protruding magnetic poles 110 and the second protruding magnetic poles 120, an electrical angle of 360° can be accommodated in a mechanical angle of 120°. In this case, an electrical angle of 180° corresponds to a mechanical angle of 60°, and an electrical angle of 90° corresponds to a mechanical angle of 30°. Furthermore, it is possible to increase the number of poles to any number using a similar structure.
以上の極数の変更について、以下のようにすることが可能である。nを2以上の正の整数とした場合、第1磁極段101A内で電気角(360/2n)°間隔となる2n極の第1突出磁極110を設けると共に、2n極の第1突出磁極110に励磁コイル130と角度検出コイル150とをそれぞれ巻回することが可能である。ここで、2n極の励磁コイル130は、n極の第1励磁コイル131とn極の第2励磁コイル132とが周方向に1極ずつ交互に配置されて構成される。すなわち、第1励磁コイル131と第2励磁コイル132とは、電気角(360/2n)°間隔で交互に配置される。
これにより、任意の極数の励磁コイル130と角度検出コイル150とを用いて、単一のセンサにより角度とトルクとを干渉することなく検出することが可能であり、かつ、軸10に対して磁極部101の交換が容易になる。また、第1磁極段101A内で、2nを超えて、第1励磁コイル131と第2励磁コイル132とが巻回されない第1突出磁極110を設けることも可能である。
The above-mentioned number of poles can be changed as follows. When n is a positive integer of 2 or more, it is possible to provide 2n-pole first protruding magnetic poles 110 spaced apart by an electrical angle of (360/2n)° in the first magnetic pole stage 101A, and to wind the excitation coil 130 and the angle detection coil 150 around the 2n-pole first protruding magnetic poles 110. Here, the 2n-pole excitation coil 130 is configured by alternately arranging n-pole first excitation coils 131 and n-pole second excitation coils 132, one pole at a time, in the circumferential direction. That is, the first excitation coils 131 and the second excitation coils 132 are alternately arranged at intervals of an electrical angle of (360/2n)°.
This makes it possible to detect the angle and torque without interference with a single sensor using the excitation coil 130 and the angle detection coil 150 with any number of poles, and also makes it easy to replace the magnetic pole portion 101 with respect to the shaft 10. Also, it is possible to provide a first protruding magnetic pole 110 in which the first excitation coil 131 and the second excitation coil 132 are not wound more than 2n in the first magnetic pole stage 101A.
[実施の形態により得られる効果]
以上の実施の形態とその効果とを以下に付記として列記する。
付記(1):
以上の実施の形態で説明した磁歪式トルクアングルセンサ100は、磁歪部12を有する軸10と、軸10の周囲に配置される磁極部101とを有する磁歪式トルクアングルセンサ100であって、磁極部101は、第1磁極段101Aと、第1磁極段101Aに対して軸方向に間隔をあけて対向配置された第2磁極段101Bとを備え、第1磁極段101Aは、軸10に向かって径方向に突出する第1突出磁極110を有し、第1突出磁極110のうちの少なくとも2極に、励磁コイル130と角度検出コイル150とがそれぞれ巻回され、少なくとも2極の励磁コイル130は、第1励磁コイル131と第2励磁コイル132とが交互に配置されて構成され、第1励磁コイル131と第2励磁コイル132とにはそれぞれ位相の異なる第1励磁信号と第2励磁信号とが供給され、第2磁極段101Bは、第1突出磁極110と周方向に異なる位置に、軸10に向かって径方向に突出する第2突出磁極120を有し、第2突出磁極120には少なくとも1極のトルク検出コイル140が巻回され、磁歪部12と第1突出磁極110との間の磁気抵抗が、軸10の回転に伴って周期的に変化するように構成される。
この磁歪式トルクアングルセンサ100では、同一のセンサにより、すなわち、同一の軸10と磁極部101とにより、トルク検出コイル140からトルク検出信号を得られ、角度検出コイル150から角度検出信号を得られる。このため、同一のセンサによりトルクと角度とを検出することが可能になる。
[Effects Obtained by the Embodiments]
The above embodiments and their effects are listed below as supplementary notes.
Note (1):
The magnetostrictive torque angle sensor 100 described in the above embodiment is a magnetostrictive torque angle sensor 100 having a shaft 10 having a magnetostrictive portion 12 and a magnetic pole portion 101 arranged around the shaft 10, the magnetic pole portion 101 includes a first magnetic pole stage 101A and a second magnetic pole stage 101B arranged opposite the first magnetic pole stage 101A with a gap in the axial direction, the first magnetic pole stage 101A has a first protruding magnetic pole 110 protruding in the radial direction toward the shaft 10, and an excitation coil 130 and an angle detection coil 150 are wound around at least two poles of the first protruding magnetic pole 110, respectively, and at least two The pole excitation coil 130 is configured by alternatingly arranging first excitation coils 131 and second excitation coils 132, and a first excitation signal and a second excitation signal of different phases are supplied to the first excitation coil 131 and the second excitation coil 132, respectively. The second magnetic pole stage 101B has a second protruding magnetic pole 120 that protrudes radially toward the shaft 10 at a circumferentially different position from the first protruding magnetic pole 110, and at least one pole of the torque detection coil 140 is wound around the second protruding magnetic pole 120, and the magnetic resistance between the magnetostrictive portion 12 and the first protruding magnetic pole 110 changes periodically as the shaft 10 rotates.
In this magnetostrictive torque angle sensor 100, a torque detection signal can be obtained from the torque detection coil 140 and an angle detection signal can be obtained from the angle detection coil 150 using the same sensor, i.e., the same shaft 10 and magnetic pole portion 101. This makes it possible to detect both torque and angle using the same sensor.
付記(2):
上記付記(1)の磁歪式トルクアングルセンサ100において、磁気抵抗は、軸10の中心軸から磁歪部12までの半径距離が円周方向で周期的に変化するか、磁歪部12の軸心に沿う方向の大きさが円周方向で周期的に変化するかにより、軸10の回転に伴って周期的に変化するように構成される。このため、同一の軸10と磁極部101とを用いて、トルクだけでなく角度を検出することが可能になる。
Note (2):
In the magnetostrictive torque angle sensor 100 of the above supplementary note (1), the magnetic resistance is configured to change periodically with the rotation of the shaft 10 depending on whether the radial distance from the central axis of the shaft 10 to the magnetostrictive portion 12 changes periodically in the circumferential direction or the magnitude of the magnetostrictive portion 12 in the direction along the axis of the shaft 10 changes periodically in the circumferential direction. This makes it possible to detect not only torque but also angle using the same shaft 10 and magnetic pole portion 101.
付記(3):
上記付記(1)~(2)の磁歪式トルクアングルセンサ100において、nを2以上の整数とした場合、第1磁極段101Aには、2n極の第1突出磁極110に、励磁コイル130と角度検出コイル150とがそれぞれ巻回され、2n極の励磁コイル130は、n極の第1励磁コイル131とn極の第2励磁コイル132とが周方向に1極ずつ交互に配置されて構成される。これにより、任意の極数の励磁コイル130と角度検出コイル150とを用いて、単一のセンサにより角度とトルクとを干渉することなく検出することが可能になる。
Note (3):
In the magnetostrictive torque angle sensor 100 of Supplementary Notes (1) and (2) above, where n is an integer equal to or greater than 2, in the first magnetic pole stage 101A, an excitation coil 130 and an angle detection coil 150 are wound around the first protruding magnetic pole 110 with 2n poles, and the 2n-pole excitation coil 130 is configured by alternating n-pole first excitation coils 131 and n-pole second excitation coils 132 in the circumferential direction, one pole at a time. This makes it possible to detect angle and torque without interference with one another using excitation coils 130 and angle detection coils 150 with any number of poles, using a single sensor.
付記(4):
上記付記(1)~(3)の磁歪式トルクアングルセンサ100において、第1励磁信号が第1励磁コイル131に供給され、第1励磁信号と位相が90°異なる第2励磁信号が第2励磁コイル132に供給される。これにより、単一のセンサにより角度とトルクとを干渉することなく検出することが可能になる。
Note (4):
In the magnetostrictive torque angle sensor 100 described in the above supplementary notes (1) to (3), a first excitation signal is supplied to a first excitation coil 131, and a second excitation signal having a phase difference of 90° from that of the first excitation signal is supplied to a second excitation coil 132. This makes it possible to detect angle and torque without interference with each other using a single sensor.
付記(5):
上記付記(1)~(4)の磁歪式トルクアングルセンサ100において、トルク検出コイル140は、周方向において、隣接する2極の第1突出磁極110の中間に位置する第2磁極段101Bに配置される。このため、同一の軸10と磁極部101とを用いて、角度だけでなくトルクを検出することが可能になる。そして、単一のセンサにより角度とトルクとを干渉することなく検出することが可能になる。
Note (5):
In the magnetostrictive torque angle sensor 100 described in Supplementary Notes (1) to (4) above, the torque detection coil 140 is disposed in the second pole stage 101B located midway between two adjacent first protruding magnetic poles 110 in the circumferential direction. This makes it possible to detect not only angle but also torque using the same shaft 10 and magnetic pole portion 101. This makes it possible to detect angle and torque without interference with each other using a single sensor.
付記(6):
上記付記(1)~(5)の磁歪式トルクアングルセンサ100において、励磁コイル130は、少なくとも、第1磁極段101A内で電気角180°となる2極の第1突出磁極110に配置され、角度検出コイル150は、少なくとも、第1磁極段101A内で互いに電気角90°になる位置の第1突出磁極110に配置され、トルク検出コイル140は、少なくとも、第2磁極段101B内で電気角180°となる2極の第2突出磁極120に配置される。これにより、同一の軸10と磁極部101とを用いた同一のセンサにより、角度とトルクとを干渉することなく検出することが可能になる。
Note (6):
In the magnetostrictive torque angle sensor 100 of the above supplementary notes (1) to (5), the excitation coil 130 is disposed at least on two first protruding magnetic poles 110 that form an electrical angle of 180° in the first magnetic pole stage 101A, the angle detection coil 150 is disposed at least on the first protruding magnetic poles 110 at positions that form an electrical angle of 90° with respect to each other in the first magnetic pole stage 101A, and the torque detection coil 140 is disposed at least on two second protruding magnetic poles 120 that form an electrical angle of 180° in the second magnetic pole stage 101B. This makes it possible to detect angle and torque without interference by the same sensor using the same shaft 10 and magnetic pole portions 101.
付記(7):
上記付記(1)~(5)の磁歪式トルクアングルセンサ100において、励磁コイル130は、少なくとも、第1磁極段101A内で電気角180°となる2極の第1突出磁極110に配置され、角度検出コイル150は、少なくとも、第1磁極段101A内で互いに電気角90°になる位置の第1突出磁極110に配置され、トルク検出コイル140は、第2磁極段101B内で1極の第2突出磁極120に配置される。この場合、トルク検出コイル140からのトルク検出信号を、角度検出コイル150からの角度検出信号を用いて補正し、軸10に加わるトルクを検出することができる。ここで、角度検出信号を用いてトルク検出信号を補正することで、トルク検出コイル140が、1極だけ、あるいは、周方向にアンバランスな位置の複数極であるときでも、トルク検出に何ら悪影響を受けることがない。これにより、同一の軸10と磁極部101とを用いた最低限の構成の単一のセンサにより、角度とトルクとを干渉することなく検出することが可能になる。
Note (7):
In the magnetostrictive torque angle sensor 100 of the above supplementary notes (1) to (5), the excitation coil 130 is disposed at least on the first protruding magnetic poles 110 of two poles that form an electrical angle of 180° in the first magnetic pole stage 101A, the angle detection coil 150 is disposed at least on the first protruding magnetic poles 110 of a position that forms an electrical angle of 90° with respect to each other in the first magnetic pole stage 101A, and the torque detection coil 140 is disposed on the second protruding magnetic pole 120 of one pole in the second magnetic pole stage 101B. In this case, the torque detection signal from the torque detection coil 140 can be corrected using the angle detection signal from the angle detection coil 150 to detect the torque applied to the shaft 10. Here, by correcting the torque detection signal using the angle detection signal, even when the torque detection coil 140 has only one pole or has multiple poles that are unbalanced in the circumferential direction, the torque detection is not adversely affected at all. This makes it possible to detect the angle and the torque without interference by a single sensor having a minimum configuration using the same shaft 10 and magnetic pole portion 101.
付記(8):
上記付記(1)~(7)の磁歪式トルクアングルセンサ100において、第2磁極段101Bは、トルク検出コイル140を巻回されない第2突出磁極120を更に備える。この場合、第1磁極段101Aと第2磁極段101Bとで同数の突出磁極を有することになり、構成部品を共用化することが可能になる。
Note (8):
In the magnetostrictive torque angle sensor 100 of the above supplementary notes (1) to (7), the second magnetic pole stage 101B further includes a second protruding magnetic pole 120 that is not wound with the torque detection coil 140. In this case, the first magnetic pole stage 101A and the second magnetic pole stage 101B have the same number of protruding magnetic poles, making it possible to share components.
付記(9):
以上の実施の形態で説明した磁歪式トルクアングルセンシングシステム1は、上記付記(1)~(6)のいずれか一項に記載の磁歪式トルクアングルセンサ100と、励磁コイル130に励磁信号を供給し、トルク検出コイル140からのトルク検出信号及び角度検出コイル150からの角度検出信号を処理する処理部200と、を備える。処理部200は、第1励磁コイル131と第2励磁コイル132とにそれぞれ位相の異なる第1励磁信号と第2励磁信号とを供給し、トルク検出コイル140からのトルク検出信号により、軸10に加わるトルクを検出し、角度検出コイル150からの角度検出信号により、軸10の角度を検出する。このため、同一のセンサによりトルクと角度とを検出可能な磁歪式トルクアングルセンサ100及び磁歪式トルクアングルセンシングシステム1を実現することができる。
Note (9):
The magnetostrictive torque angle sensing system 1 described in the above embodiment includes the magnetostrictive torque angle sensor 100 described in any one of Supplementary Notes (1) to (6) above, and a processing unit 200 that supplies an excitation signal to the excitation coil 130 and processes a torque detection signal from the torque detection coil 140 and an angle detection signal from the angle detection coil 150. The processing unit 200 supplies a first excitation signal and a second excitation signal having different phases to the first excitation coil 131 and the second excitation coil 132, respectively, detects the torque applied to the shaft 10 from the torque detection signal from the torque detection coil 140, and detects the angle of the shaft 10 from the angle detection signal from the angle detection coil 150. This makes it possible to realize the magnetostrictive torque angle sensor 100 and the magnetostrictive torque angle sensing system 1 that are capable of detecting torque and angle using the same sensor.
付記(10):
以上の実施の形態で説明した磁歪式トルクアングルセンシングシステム1は、上記付記(7)に記載の磁歪式トルクアングルセンサ100と、励磁コイル130に励磁信号を供給し、トルク検出コイル140からのトルク検出信号及び角度検出コイル150からの角度検出信号を処理する処理部200と、を備える。処理部200は、第1励磁コイル131と第2励磁コイル132とにそれぞれ位相の異なる第1励磁信号と第2励磁信号とを供給し、角度検出コイル150からの角度検出信号により、軸10の角度を検出し、トルク検出コイル140からのトルク検出信号を、角度検出信号を用いて補正し、軸10に加わるトルクを検出する。ここで、角度検出信号を用いてトルク検出信号を補正することで、トルク検出コイル140が、1極だけ、あるいは、周方向にアンバランスな位置の複数極であるときでも、トルク検出に何ら悪影響を受けることがない。このため、同一のセンサによりトルクと角度とを検出可能な磁歪式トルクアングルセンサ100及び磁歪式トルクアングルセンシングシステム1を実現することができる。
Note (10):
The magnetostrictive torque angle sensing system 1 described in the above embodiment includes the magnetostrictive torque angle sensor 100 described in the above supplementary note (7), and a processing unit 200 that supplies an excitation signal to the excitation coil 130 and processes a torque detection signal from the torque detection coil 140 and an angle detection signal from the angle detection coil 150. The processing unit 200 supplies a first excitation signal and a second excitation signal having different phases to the first excitation coil 131 and the second excitation coil 132, respectively, detects the angle of the shaft 10 using the angle detection signal from the angle detection coil 150, corrects the torque detection signal from the torque detection coil 140 using the angle detection signal, and detects the torque applied to the shaft 10. Here, by correcting the torque detection signal using the angle detection signal, torque detection is not adversely affected even when the torque detection coil 140 has only one pole or multiple poles that are unbalanced in the circumferential direction. This makes it possible to realize the magnetostrictive torque angle sensor 100 and the magnetostrictive torque angle sensing system 1 that are capable of detecting both torque and angle using the same sensor.
1 磁歪式トルクアングルセンシングシステム、10 軸、11 内軸部、12 磁歪部、100 磁歪式トルクアングルセンサ、101 磁極部、101A 第1磁極段、101B 第2磁極段、110,110a~110d 第1突出磁極、120,120a~120d 第2突出磁極、130,130a~130d 励磁コイル、131 第1励磁コイル、132 第2励磁コイル、140,140b,140d トルク検出コイル、150,150a~150d 角度検出コイル、190 間隔調整部、200 処理部、H 水平磁路、Diag_1 第1傾斜磁路、Diag_2 第2傾斜磁路。 1 magnetostrictive torque angle sensing system, 10 shaft, 11 inner shaft portion, 12 magnetostrictive portion, 100 magnetostrictive torque angle sensor, 101 magnetic pole portion, 101A first magnetic pole stage, 101B second magnetic pole stage, 110, 110a to 110d first protruding magnetic pole, 120, 120a to 120d second protruding magnetic pole, 130, 130a to 130d excitation coil, 131 first excitation coil, 132 second excitation coil, 140, 140b, 140d torque detection coil, 150, 150a to 150d angle detection coil, 190 spacing adjustment portion, 200 processing portion, H horizontal magnetic path, Diag_1 first inclined magnetic path, Diag_2 second inclined magnetic path.
Claims (10)
前記磁極部は、
第1磁極段と、
前記第1磁極段に対して軸方向に間隔をあけて対向配置された第2磁極段とを備え、
前記第1磁極段は、前記軸に向かって径方向に突出する第1突出磁極を有し、
前記第1突出磁極のうちの少なくとも2極に、励磁コイルと角度検出コイルとがそれぞれ巻回され、
前記少なくとも2極の励磁コイルは、第1励磁コイルと第2励磁コイルとが交互に配置されて構成され、
前記第1励磁コイルと前記第2励磁コイルとにはそれぞれ位相の異なる第1励磁信号と第2励磁信号とが供給され、
前記第2磁極段は、前記第1突出磁極と周方向に異なる位置に、前記軸に向かって径方向に突出する第2突出磁極を有し、
前記第2突出磁極には、少なくとも1極のトルク検出コイルが巻回され、
前記磁歪部と前記第1突出磁極との間の磁気抵抗が、前記軸の回転に伴って周期的に変化するように構成される、
磁歪式トルクアングルセンサ。 A magnetostrictive torque angle sensor having a shaft having a magnetostrictive portion and a magnetic pole portion disposed around the shaft,
The magnetic pole portion is
A first pole stage; and
a second pole stage disposed opposite the first pole stage with an axial gap therebetween,
The first pole stage has a first protruding pole protruding radially toward the axis,
An excitation coil and an angle detection coil are wound around at least two of the first protruding magnetic poles,
The at least two-pole excitation coil is configured by alternately arranging a first excitation coil and a second excitation coil,
a first excitation signal and a second excitation signal having different phases are supplied to the first excitation coil and the second excitation coil, respectively;
the second pole stage has a second protruding pole protruding radially toward the axis at a position different in the circumferential direction from the first protruding pole,
A torque detection coil having at least one pole is wound around the second protruding magnetic pole,
The magnetic resistance between the magnetostrictive portion and the first protruding magnetic pole is configured to change periodically with rotation of the shaft.
Magnetostrictive torque angle sensor.
請求項1に記載の磁歪式トルクアングルセンサ。 The magnetic resistance is changed depending on whether the radial distance from the central axis of the shaft to the magnetostrictive portion changes periodically in the circumferential direction or whether the size of the magnetostrictive portion in the direction along the axis of the shaft changes periodically in the circumferential direction.
2. The magnetostrictive torque angle sensor according to claim 1.
前記第1磁極段には、2n極の前記第1突出磁極に、前記励磁コイルと前記角度検出コイルとがそれぞれ巻回され、
2n極の前記励磁コイルは、n極の前記第1励磁コイルとn極の前記第2励磁コイルとが周方向に1極ずつ交互に配置されて構成される、
請求項1に記載の磁歪式トルクアングルセンサ。 When n is an integer of 2 or more,
In the first magnetic pole stage, the excitation coil and the angle detection coil are wound around the first protruding magnetic poles having 2n poles,
The 2n-pole excitation coil is configured by alternately arranging the n-pole first excitation coil and the n-pole second excitation coil in a circumferential direction, one pole at a time.
2. The magnetostrictive torque angle sensor according to claim 1.
前記第2励磁コイルには前記第1励磁信号と位相が一定の角度だけ異なる前記第2励磁信号が供給される、
請求項1に記載の磁歪式トルクアングルセンサ。 The first excitation signal is supplied to the first excitation coil,
The second excitation coil is supplied with the second excitation signal, the second excitation signal having a phase different from that of the first excitation signal by a certain angle.
2. The magnetostrictive torque angle sensor according to claim 1.
請求項1に記載の磁歪式トルクアングルセンサ。 the torque detection coil is disposed in the second pole stage located midway between the first protruding poles of two adjacent poles in the circumferential direction;
2. The magnetostrictive torque angle sensor according to claim 1.
前記角度検出コイルは、少なくとも、前記第1磁極段内で互いに電気角90°になる位置の前記第1突出磁極に配置され、
前記トルク検出コイルは、少なくとも、前記第2磁極段内で電気角180°となる2極の前記第2突出磁極に配置される、
請求項1に記載の磁歪式トルクアングルセンサ。 The excitation coil is disposed at least at the first protruding poles of two poles that form an electrical angle of 180° in the first pole stage,
The angle detection coils are disposed at least at the first protruding magnetic poles at positions that are spaced apart from each other by an electrical angle of 90° within the first magnetic pole stage,
The torque detection coil is disposed at least in the second protruding magnetic poles of two poles that form an electrical angle of 180° in the second magnetic pole stage.
2. The magnetostrictive torque angle sensor according to claim 1.
前記角度検出コイルは、少なくとも、前記第1磁極段内で互いに電気角90°になる位置の前記第1突出磁極に配置され、
前記トルク検出コイルは、前記第2磁極段内で1極の前記第2突出磁極に配置される、
請求項1に記載の磁歪式トルクアングルセンサ。 The excitation coil is disposed at least at the first protruding poles of two poles that form an electrical angle of 180° in the first pole stage,
The angle detection coils are disposed at least at the first protruding magnetic poles at positions that are spaced apart from each other by an electrical angle of 90° within the first magnetic pole stage,
the torque detection coil is disposed on one of the second protruding poles in the second pole stage;
2. The magnetostrictive torque angle sensor according to claim 1.
請求項1に記載の磁歪式トルクアングルセンサ。 the second pole stage further includes the second protruding pole that is not wound with the torque detection coil;
2. The magnetostrictive torque angle sensor according to claim 1.
前記励磁コイルに励磁信号を供給し、前記トルク検出コイルからのトルク検出信号及び前記角度検出コイルからの角度検出信号を処理する処理部と、を備え、
前記処理部は、
前記第1励磁コイルと前記第2励磁コイルとにそれぞれ位相の異なる第1励磁信号と第2励磁信号とを供給し、
前記トルク検出コイルからのトルク検出信号により、前記軸に加わるトルクを検出し、
前記角度検出コイルからの角度検出信号により、前記軸の角度を検出する、
磁歪式トルクアングルセンシングシステム。 A magnetostrictive torque angle sensor according to any one of claims 1 to 6,
a processing unit that supplies an excitation signal to the excitation coil and processes a torque detection signal from the torque detection coil and an angle detection signal from the angle detection coil,
The processing unit includes:
supplying a first excitation signal and a second excitation signal having different phases to the first excitation coil and the second excitation coil, respectively;
Detecting a torque applied to the shaft based on a torque detection signal from the torque detection coil;
detecting an angle of the shaft based on an angle detection signal from the angle detection coil;
Magnetostrictive torque angle sensing system.
前記励磁コイルに励磁信号を供給し、前記トルク検出コイルからのトルク検出信号及び前記角度検出コイルからの角度検出信号を処理する処理部と、を備え、
前記処理部は、
前記第1励磁コイルと前記第2励磁コイルとにそれぞれ位相の異なる第1励磁信号と第2励磁信号とを供給し、
前記角度検出コイルからの角度検出信号により、前記軸の角度を検出し、
前記トルク検出コイルからのトルク検出信号を、前記角度検出信号を用いて補正し、前記軸に加わるトルクを検出する、
磁歪式トルクアングルセンシングシステム。 The magnetostrictive torque angle sensor according to claim 7 ;
a processing unit that supplies an excitation signal to the excitation coil and processes a torque detection signal from the torque detection coil and an angle detection signal from the angle detection coil,
The processing unit includes:
supplying a first excitation signal and a second excitation signal having different phases to the first excitation coil and the second excitation coil, respectively;
Detecting an angle of the shaft based on an angle detection signal from the angle detection coil;
a torque detection signal from the torque detection coil is corrected using the angle detection signal to detect a torque applied to the shaft;
Magnetostrictive torque angle sensing system.
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