JPH05196518A - 磁歪式トルクセンサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 磁歪式トルクセンサのトルク検出特性の改
善、特に環境温度の変化による検出出力の零点変動、検
出感度・精度の低下を抑制防止する。 【構成】 励磁・検出巻線２０を内包した磁気シールド
ケース３０のハウジング５０への組付けにスペーサ４０
を使用し、スペーサ４０を介してシールドケース３０を
ハウジング５０に支持させる。ハウジング５０（環境温
度に直接晒される部材である）から磁気シールドケース
３０への熱伝達が抑制され、温度変化による磁気特性の
変化及び熱変形に伴う内部応力変化に因る磁気特性の変
化も抑制される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】本発明は、トルク伝達軸に印加されるトル
クを非接触検出する磁歪式トルクセンサに関する。

【０００２】

【従来の技術】トルク伝達軸（以下、「計測軸」）に印
加されるトルクを非接触検出するトルクセンサとして、
計測軸の周面に一軸磁気異方性を有す領域（以下、「磁
歪部」）を形成して磁歪部のまわりに励磁・検出巻線を
配置し、計測軸に印加されるトルクにより磁歪部に生じ
る透磁率の変化を電気量として検出するようにした磁歪
式トルクセンサが知られている（特許第１６９３２６
号，特開昭６３−２５２４８７号等）。これを図５によ
り説明すると、Ｍは計測軸Ｓの表面に形成されている磁
歪部、２０は励磁・検出巻線である。（同図は、軸に生
じる透磁率の変化を差動的に取り出すように軸表面の隣
り合う２個所に磁歪部Ｍを形成し、各磁歪部Ｍに励磁・
検出巻線２０を配置した差動構成の例を示している）。
励磁・検出巻線２０は、磁歪部Ｍに励磁磁界を印加する
巻線２１と、磁歪部に生じる透磁率の変化を検出する巻
線２２とを円筒状ボビン１０に巻き重ねて構成され、巻
線２１は高周波励磁電源に、巻線２２は検出される透磁
率の変化を電気量（例えば直流電圧）として出力する検
出回路に、それぞれ接続される。

【０００３】３０は、上記励磁・検出巻線２０に対し磁
路を形成するコアーであり、また巻線２０を外部磁場の
影響から遮断する部材である強磁性材料（パーマロイ合
金等）からなる磁気シールドケースである。磁気シール
ドケース３０は、中央部に開口３１が貫通し、内部に２
つの励磁・検出巻線２０を嵌納する空間である２つの円
環溝３２が並列して形成されたＥ字型断面を有する中空
円筒体で構成され、２つの円環溝３２のそれぞれに励磁
・検出巻線２０が組込まれて円筒状に組付けられる。励
磁・検出巻線２０を内包した磁気シールドケース３０
は、ハウジング５０（アルミ合金等の円筒体）に嵌め込
まれ、保持される。ハウジング５０は、左右の開口端部
に嵌着された軸受６０，６０を介して計測軸Ｓを支持し
ている。磁気シールドケース３０とこれに内包された励
磁・検出巻線２０は計測軸Ｓに対して同芯状になるよう
ハウジング５０に固着されている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】磁歪式トルクセンサに
よる高感度、高精度のトルク検出を行うことを目的とし
て、従来より各構成部材の加工精度を高め、機械的遊び
を少なくすることにより、励磁・検出巻線２０と計測軸
表面とのギヤツプ量を小さくし、かつ計測軸に対し巻線
２０を完全に同芯状に固定するよう努力されてきた。し
かし、それだけでは、環境温度の変化により、各構成部
材に熱変形が生じ、磁気シールドケース３０などを押圧
する外力が発生し、磁気シールドケース３０の内部応力
の変化とそれに伴う磁気特性の変化を抑制防止すること
ができない。しかも熱変形によつて、磁気シールドケー
ス３０やそれに内包された励磁・検出巻線２０の支持状
態に弛みが生じ、計測軸Ｓに対する巻線２０の回転対称
性が損なわれるなどの不具合を生じる。また、磁気シー
ルドケース３０や、励磁・検出巻線２０が外部からの熱
影響を受け易く、それ自体の温度変化により磁気特性の
変化が生じ易い。これらの現象はいずれも、磁歪式トル
クセンサにおける検出出力に影響を与え、零点変動や検
出感度、検出精度を低下させる原因となつていた。

【０００５】そこで本発明は、磁歪式トルクセンサにつ
いて、各構成部材の加工精度を高めて組付けられたとき
の機械的遊びを小さくして励磁・検出巻線２０と計測軸
表面とのギヤツプを小さくすることにより巻線２０と計
測軸の軸芯を精度高く一致した状態に維持すると共に、
複雑な構造や特殊な断熱構造を用いることなく、温度変
化の比較的激しい使用環境においても、磁気シールドケ
ース３０や励磁・検出巻線２０等の磁気特性の変化や、
磁気シールドケースの固定状態の弛み等が抑制防止さ
れ、トルク検出における零点変動や検出感度の低下、検
出精度の低下を生じないようにした磁歪式トルクセンサ
を提供しようとするものである。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明の磁歪式トルクセ
ンサは、励磁・検出巻線の外側周面と端面を被包した磁
気シールドケースが、スペーサを介して、計測軸をベア
リング支持したハウジングに支持されていることを特徴
としている。

【０００７】

【作用】励磁・検出巻線を被包した磁気シールドケース
が、スペーサを介してハウジングに支持された構造を有
する本発明の磁歪気トルクセンサにおいては、前記図５
の磁歪式トルクセンサのように磁気シールドケースをハ
ウジングの内周面に密着嵌合した従来の固定構造と異な
つて、ハウジング（環境温度に直接晒される部材であ
る）から磁気シールドケースへの熱影響が抑制され、同
部材の温度変化が小さくなるので、その熱変形量も少な
く且つ内部応力変化も小さい。また、スペーサとして、
磁気シールドケースよりも弾性に富む材料で形成したも
のを使用すれば、温度変化によるハウジングの変形、計
測軸の変形に伴うハウジングの変形、あるいは磁気シー
ルドケース自身の変形等、構成部材に生じる変形に追従
して、スペーサが弾性変形するので、スペーサがなけれ
ば磁気シールドケースに内部応力が生じるような場合に
も、その内部応力変化とそれに起因する磁気特性の変化
は、スペーサの弾性変形により抑制防止される。またハ
ウジングと磁気シールドケースとの間の寸法に変化が生
じるような場合にも、磁気シールドケースの軸芯のずれ
やガタ付等は、スペーサの弾性変形により未然に防止さ
れ、計測軸の軸芯と磁気シールドケースの軸芯とが正確
に一致した回転対称状態が安定的に維持される。計測軸
に対する磁気シールドケースの回転対称性が精度良く安
定的に維持されることにより、磁気シールドケースを計
測軸の表面に接近させ、励磁・検出巻線と軸表面とのギ
ヤツプをより狭小化した状態に支持することも可能にな
る。

【０００８】以下、本発明の磁歪式トルクセンサについ
て実施例を示す図面を参照して説明する。各図中、前記
図５と同一の部材には同一の符号を付している。図１に
おいて、４０は、ハウジング５０の内周面と磁気シール
ドケース３０の外周面との間に介装されたスペーサであ
る。この例におけるスペーサ４０は、磁気シールドケー
ス３０よりも弾性に富む材料で形成された、Ｏ−リング
形状を有する円環部材である。磁気シールドケース３０
は、中央部に計測軸Ｓが貫通する開口３１を有すると共
に内部に励磁・検出巻線２０が組込まれる断面コ字型の
円環溝３２を成形した円筒体であり、図２（１）に示す
ように、その円環溝３２に励磁・検出巻線２０が組込ま
れ、外周面にスペーサ４０が環着されたうえ、ハウジン
グ５０に組付けられる。なお、その磁気シールドケース
３０の励磁・検出巻線２０を組込むための具体的形態に
は従来より２つの方式が採用されている。１つは円筒部
材とその開口端に嵌合する孔あき円板とを使用し、円筒
部材に励磁・検出巻線２０を収納したうえ、その開口端
に孔あき円板を嵌着することにより円筒体に組上げる方
式であり、他の１つは軸芯に沿って左右に半分割した断
面コ字型の円環溝を有する２つの半割体で構成され、励
磁・検出巻線２０を、左右から挟み付け円環溝に嵌め込
んで円筒体に組上げる方式のものである。本発明はその
いずれの方式にも適用されることはいうまでもない。上
述の図２（１）の形態は、上記２つの方式のうち、前者
即ち、円筒部材とその開口端に嵌着される孔あき円板と
で磁気シールドケース３０の円筒体を構成する例を示し
ている。図２（２）は、磁気シールドケースについて、
２つの励磁・検出巻線２０が組込まれる２つの円環溝３
２を有する、公知の断面Ｅ字型磁気シールドケース３０
を２つ割り構成とし、その半割体３０・１の円環溝３２
に励磁・検出巻線２０を組込み、円筒状に合体し、その
外周面にスペーサ４０を環着する例を示している。

【０００９】上記のように円環形状のスペーサ４０を磁
気シールドケース３０の外周面に環着する構成では、磁
気シールドケース３０がその軸芯に沿つて分割された２
つ割り構成を有する場合においても、２つの半割体がス
ペーサ４０で一つに束ねられるので、その組付けや持ち
運び時の取扱い、およびハウジング５０への嵌装操作が
容易になる。また、円環形状のスペーサ４０を磁気シー
ルドケース３０に環着する構成において、図示のよう
に、２つのスペーサ４０を、磁気シールドケース３０の
軸方向の２個所に離隔させて左右対称に配置すれば、ス
ペーサ４０の弾性を最大限に発揮させながら、計測軸Ｓ
に対する磁気シールドケース３０の回転対称性をより維
持し易くすることができる。

【００１０】更に、そのスペーサ４０が環着される磁気
シールドケース３０の外周面に、図示のように円周溝３
３を形設してこれにスペーサ４０を嵌合させる構成とす
れば、磁気シールドケース３０に対するスペーサ４０の
位置決めが容易かつ正確となり、しかも磁気シールドケ
ース３０をハウジング５０に組付ける際のスペーサ４０
の位置ずれ等が防止され、組付け易いだけでなく、磁気
シールドケース３０の支持状態もより安定化される。磁
気シールドケース３０に形成される上記円周溝３３と同
様の溝を、ハウジング５０の内周面にも形成しておけ
ば、磁気シールドケース３０の組付けの際に、磁気シー
ルドケース３０のハウジング５０に対する軸芯方向の位
置決めがし易くなると共に、磁気シールドケース３０の
安定性はより一層良好なものとなる。

【００１１】磁気シールドケース３０の外周面に環着さ
れる円環形状のスペーサ４０は前記Ｏ−リング形状のも
のに限定されない。図３はＯ−リング形状のスペーサに
代え、偏平肉厚を有する筒状のスペーサ４０を使用した
例を示している。磁気シールドケース３０は、その外周
面に環着された筒状のスペーサ４０を介してハウジング
５０に支持されている。

【００１２】上記偏平肉厚の筒状スペーサ４０を介して
磁気シールドケース３０をハウジング５０に支持する構
成とする場合においても、図１，図２のＯ−リング形状
のスペーサ４０を使用した支持構造の場合と同様に、２
つのスペーサ４０を磁気シールドケース３０の外周面の
軸方向の左右の２個所に離間させて配置することによ
り、磁気シールドケース３０の回転対称性をより維持し
易くすることができ、また磁気シールドケース３０の外
周面に溝を設けてスペーサ４０を嵌合させ、もしくは接
着剤を使用して外周面に接着固定する構成とすれば、ス
ペーサ４０の位置決めやずれ防止に有効であると共に、
磁気シールドケース３０の組付けが容易で、磁気シール
ドケース３０の支持状態がより安定化されること等も、
前記Ｏ−リング形状のスペーサを使用する構成について
説明したそれと異ならない。

【００１３】上記円環形状のスペーサ４０（Ｏ−リング
形状たると偏平肉厚形状たるとを問わない）を使用する
場合、その円周方向の一個所にスリツト等の断点を設け
ておけば、環境温度の変化に伴う径方向の膨張・収縮
（周長の伸縮）が、その断点の隙間幅の増減により無理
なく吸収される等、スペーサ４０の機能をより効果的に
発揮させるのに役立つこともある。なお、上記円環形状
のスペーサ４０は、所定の円環形状を有する成形品のほ
か、線条材や板状材を使用し、これを磁気シールドケー
ス３０の外周面に巻き回して円環形状に賦形する構成と
してもよい。

【００１４】図４は、スペーサ４０を、磁気シールドケ
ース３０の円周方向の複数個所に分割配置して磁気シー
ルドケース３０をハウジング５０内に組付けた構造を示
している。この例におけるスペーサ４０は、ハウジング
５０の胴部を外側から内側に貫通するねじ７０と、ねじ
の先端にあてがわれる当て材７１とからなり、ねじ７０
は、ハウジング５０の円周方向の複数個所（例えば、中
心角１２０°をなす３個所）に設けられたねじ孔に、径
方向の進退調節自在に螺合されている。磁気シールドケ
ース３０は、当て材７１を介してその外周面に押付けら
れる複数本のねじ７０の先端に支持されてハウジング５
０に支持されている。このようにスペーサ４０を磁気シ
ールドケース３０の外周面の複数個所に分割配置した構
成とすれば、それだけハウジング５０と磁気シールドケ
ース３０との間の熱伝達路が小さくなり、ハウジング５
０から磁気シールドケースへの熱影響がより少なくな
る。

【００１５】上記ねじ７０を使用したスペーサ４０で磁
気シールドケース３０を固定する構成において、計測軸
に対する磁気シールドケース３０の回転対称性をより維
持し易くするために、図示のように、そのスペーサ４０
を、磁気シールドケース３０の軸方向に離れた２個所に
左右対称に配置するのが好ましいことは言うまでもな
い。また、当て材７１として、磁気シールドケース３０
よりも弾性に富む材料からなるものを使用すれば、外部
からの熱影響で各構成部材に変形が生じるような場合に
も、その変形に起因する磁気シールドケース３０の内部
応力の変化や、磁気シールドケース３０に対するねじ７
０の押圧力の弛み等は、当て材７１の弾性変形により未
然に防止されることも、前記図１〜図３の構成について
説明したそれと異ならない。その場合の当て材７１は、
図３における円筒形状のスペーサ４０と同様に、磁気シ
ールドケース３０の外周面を周回する筒形状であつても
よく、あるいは、ねじ７０の先端が当接する部分にのみ
当て材７１を接着剤等で接合固着させた分割配置の構成
としてもよい。

【００１６】上記図１〜図４に示した磁気シールドケー
ス３０の支持構造は、いずれもスペーサ４０を磁気シー
ルドケース３０の外周面にのみ当接させた構成を有して
いるが、必ずしもそれに限定されず、スペーサ４０を磁
気シールドケース３０の端面に固着させ、スペーサ４０
の外周が磁気シールドケース３０の外径より大きくなる
ように構成すれば、図示のものと同様に磁気シールドケ
ース３０をハウジング５０に接触させずに支持すること
ができる。

【００１７】本発明に使用されるスペーサの材種につい
て、磁気シールドケースよりも弾性に富む材種の例とし
て、ゴムまたは樹脂、例えばネオプレン、ブタジエンア
クリルニトリルゴム、ブタジエンスチレンゴム、ブチル
ゴム、ポリアミド、ポリスチレン、ポリエステル、シリ
コーン等が挙げられる。その材種およびスペーサの肉厚
・形状等は、トルクセンサの使用環境温度の変化や、磁
気シールドケースとハウジングとのクリアランス等に応
じて適宜選択・設定される。

【００１８】本発明のトルクセンサは、磁気シールドケ
ース３０を、スペーサ４０を介してハウジング５０内に
組付けた支持構造を有する点を除き、磁気シールドケー
ス３０の形状や、その励磁・検出巻線２０の組込み形
態、計測軸Ｓのベアリング支持態様等は、図５に示した
従来の磁歪式トルクセンサにおける構成を用いることが
できる。各図に示したトルクセンサはいずれも、トルク
検出を差動構成とするための２つの励磁・検出巻線２０
の１つずつを内包した断面コ字型を有する２つの磁気シ
ールドケース３０を、それぞれスペーサ４０を介してハ
ウジング５０に並列させて支持した構造を有している
が、磁気シールドケース３０の形状はむろんそれに限定
されず、図２（２）に示したように、従来構造と同様の
断面Ｅ字型を有する磁気シールドケース３０を使用し、
２つの円環溝３２のそれぞれに励磁・検出巻線２０を組
込んでハウジング５０に組付け支持させてもよいことは
当然である。図２（２）では、そのスペーサ４０として
Ｏ−リング形状のものを使用し、これを軸方向の２個所
に離隔させて左右対称に配置した例を示しているが、図
３における偏平肉厚形状のスペーサ４０や、図４におけ
る分散配置型のスペーサ４０などの場合もそれと同じ要
領で使用してハウジング５０への組付けを行えばよい。
また、本発明のトルクセンサは、差動型のものに限定さ
れず、計測軸Ｓに１つの磁歪部Ｍを形成し、これに１つ
の励磁・検出巻線２０を対向配置する構成の場合にも、
前述したスペーサ４０による磁気シールドケース３０の
支持構造を適用して同様の作用効果を奏することは言う
までもない。

【００１９】

【発明の効果】本発明の磁歪式トルクセンサは、励磁・
検出巻線を内包する磁気シールドケースが、計測軸をベ
アリング支持するハウジング内に安定よく支持され、温
度変化の比較的激しい使用環境においても、軸芯のずれ
や傾き等を生じにくく、計測軸表面と磁気シールドケー
スとのギヤツプ量をより狭小化でき、計測軸に対する励
磁・検出巻線の正確な回転対称性が長期に亘り安定に維
持されると共に、温度変化や内部応力変化による磁歪特
性の変化が抑制防止され、従つて検出出力の零点変動を
生じにくく、感度良く高精度のトルク検出を行うことが
できる。また、本発明の磁歪式トルクセンサは、その改
良されたトルク検出特性を得るために複雑な構造や特殊
な断熱構造を必要とせず、スペーサを介して磁気シール
ドケースをハウジング内に組付ける簡素な構造であり、
工作機械、自動車、建設・作業機械、ロボツト、電動機
制御、その他の各種分野でのトルク計測・制御に使用さ
れるトルクセンサとして有用である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の磁歪式トルクセンサの実施例を示す軸
方向断面図である。

【図２】本発明の磁歪式トルクセンサにおける磁気シー
ルドケースとスペーサの取付け態様の例を示す斜視説明
図である。

【図３】本発明の磁歪式トルクセンサの実施例を示す軸
方向断面図である。

【図４】本発明の磁歪式トルクセンサの実施例を示す軸
方向断面図である。

【図５】従来の磁歪式トルクセンサを示す軸方向断面図
である。

【符号の説明】

１０：ボビン，２０：励磁・検出巻線，３０：磁気シー
ルドケース，３２：円環溝，３３：円周溝，４０：スペ
ーサ，５０：ハウジング，６０：軸受，７０：ねじ，７
１：当て材，Ｓ：トルク計測軸，Ｍ：磁歪部。

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 励磁・検出巻線の外側周面と端面を被包
   した磁気シールドケースが、スペーサを介して、トルク
   計測軸をベアリング支持したハウジングに支持されてい
   ることを特徴とする磁歪式トルクセンサ。
2. 【請求項２】 磁気シールドケースは、その外周面に当
   接するスペーサを介してハウジングに支持されているこ
   とを特徴とする請求項１に記載の磁歪式トルクセンサ。
3. 【請求項３】 スペーサは、円環形状を有し、軸芯方向
   に間隔を置いて左右に配置されていることを特徴とする
   請求項１または請求項２に記載の磁歪式トルクセンサ。
4. 【請求項４】 スペーサは、磁気シールドケースの外周
   面に形設された円周溝に嵌合していることを特徴とする
   請求項２または請求項３に記載の磁歪式トルクセンサ。
5. 【請求項５】 スペーサは、磁気シールドケースの円周
   方向に沿つて複数個所に分割配置されていることを特徴
   とする請求項１または請求項２に記載の磁歪式トルクセ
   ンサ。
6. 【請求項６】 スペーサは、磁気シールドケースの材料
   より弾性に富む材料からなることを特徴とする請求項１
   ないし請求項５のいずれか１つに記載の磁歪式トルクセ
   ンサ。