(57)【要約】【課題】簡易な構造で、磁気コア同士の磁気干渉を低減し、センサの感度を高め、トルクの付与方向の識別を可能にする磁歪型のトルクセンサを提供する。【解決手段】  一対のヨーク端部とそれを接続するヨーク接続部と前記ヨーク接続部を励磁するコイルを有する磁気コアを回転軸の周方向に複数備え、  前記磁気コアは、おのおの、前記ヨーク端部の端面の中央同士を結ぶ線がトルクセンサで検知しようとする回転軸の軸方向と所定の角度を為し、  かつ、前記コイルは回転軸の周方向に沿って前記ヨーク接続部の内周側で巻かれる第一のコイルと、回転軸の周方向に沿って前記ヨーク接続部の外周側で巻かれる第二のコイルからなることを特徴とするトルクセンサ。【選択図】図１
2010054239.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
一対のヨーク端部とそれを接続するヨーク接続部と前記ヨーク接続部を励磁するコイルを有する磁気コアを回転軸の周方向に複数備え、
前記磁気コアは、おのおの、前記ヨーク端部の端面の中央同士を結ぶ線がトルクセンサで検知しようとする回転軸の軸方向と所定の角度を為し、
かつ、前記コイルは回転軸の周方向に沿って前記ヨーク接続部の内周側で巻かれる第一のコイルと、回転軸の周方向に沿って前記ヨーク接続部の外周側で巻かれる第二のコイルからなることを特徴とするトルクセンサ。
【請求項２】
前記第一のコイルと第二のコイルは電流の流れる方向が反対であることを特徴とするトルクセンサ。
【請求項３】
請求項１又は請求項２のいずれかのトルクセンサにおいて、
前記所定の角度が、略４５°に設定されていること特徴とするトルクセンサ。
【請求項４】
請求項３のトルクセンサにおいて、
前記所定の角度が＋略４５°に設定された第１の磁気コアユニットと、前記所定の角度が−略４５°に設定された第２の磁気コアユニットとを備えることを特徴とするトルクセンサ。
【請求項５】
請求項１乃至請求項４のいずれかのトルクセンサにおいて、
Ｎ個の前記磁気コアは絶縁部材を介して支持されて磁気コアユニットを構成していることを特徴とするトルクセンサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁歪特性を利用して回転軸の軸トルクを非接触で検出するトルクセンサに関する。
【背景技術】
【０００２】
自動車のパワーステアリング機構やエンジン制御機構、動力伝達機構などでは軸トルクを正確に検出する手段が古くから望まれている。この検出精度を高めることにより、精密制御や効率向上が可能となるため、これまでに様々な手法が提案されてきた。なかでも回転軸の磁歪特性を利用して非接触で軸トルクを検出する手法は、過負荷耐量も大きいことから、トーションバーのねじれ量からトルク検出を行う従来手法に代わる方式として注目されている。
【０００３】
この方式のトルクセンサとして、各種のものが提案されているが、いずれも、トルクによって発生する透磁率の変動、より具体的には、回転軸の軸方向に対して＋４５°と−４５°の方向での透磁率の変動を検出コイルによって検出している。例えば特許文献１に開示の技術では、図２１（ａ）に示すように、トルクを検出すべき回転軸５０２に、その軸方向に対して傾斜角を有する磁性膜５０３を固着させて、回転軸外周のソレノイドコイル５０４で励磁・検出を行う。ところが、この方式は回転軸へ追加工を施す必要があるため、磁性膜５０３の剥離など信頼性を損なうおそれがある。さらに、軸の専用化や大径化が必須となるため、装着性が悪いという問題もある。
【０００４】
このため、回転軸に全く加工を施さずに同様の機能を有するトルクセンサが提案された。例えば、特許文献２に開示の技術では、突起部を有する多数の磁気片を磁気ピンで磁気リングに取り付け磁気コアを構成し、さらに各磁気ピンにコイルを巻いてトルクセンサを構成している。
【０００５】
また、特許文献３では、回転軸の周囲に非接触で巻回され回転軸を軸方向に沿って励磁する励磁コイルと、回転軸との間で独立した検出磁気回路を形成する複数の検出コアを、回転軸の励磁領域周囲に等間隔にリング状に配置して成る一体型成形の検出コア輪と、トルク伝達により変化する各コア内の磁界を検出する磁気検出部を含む構成をとっている。
【０００６】
【特許文献１】特開平１−９４２３０号公報
【特許文献２】特開昭６３−９０７３０号公報
【特許文献３】特開昭６２−２４９０２６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、改良が施された特許文献の技術であっても、依然として克服すべき課題があった。
【０００８】
例えば、特許文献２では、磁気リングが一体物であり、周方向で隣り合うコアは分離されておらず、磁気干渉により出力にノイズが発生した。この場合、トルクセンサの感度が低下するだけでなく、トルクの付与方向が識別できない。また、多数設けられた磁気ピン毎にコイルを巻くため、隣り合うコイル同士が干渉し、コイルの巻数を増やすことに限界があった。そのため、得られる出力が小さく感度が低かった。
【０００９】
また、特許文献３の第１実施例では、先に述べた特許文献２と同様に、磁気リングが一体物のため、隣接する検出コア先端部において磁気干渉が生じ、トルクセンサとしての感度は極めて低かった。さらに同センサの励磁コイルは回転軸に対してソレノイド状に巻回され、検出コアは回転軸の軸方向に対して垂直に配置していた。回転軸に対してトルクが付与されると軸の軸方向に対して＋４５°と−４５°に透磁率変化が生じるが、同センサでは、これらを切り分けて測定できない構造であった。すなわちトルクの付与方向を識別できないといった課題があった。
【００１０】
さらに特許文献３の第３実施例では上記磁気リングを用いないで、各々独立した検出用Ｕ字型コアとしていたが、隣り合うコア同士の間隔が狭く、コア同士で磁気干渉が生じ、感度が低下した。この場合も、上記した理由によって、トルクの絶対値は測定できるが、トルクの付与方向を識別できないので、同コア形状はトルクセンサとして不適であった。磁気干渉を考慮し、仮にＵ字型コアを１個乃至２個としても、軸表面の磁気特性が均一でない実用鋼材を用いた場合、出力電圧に変動が生じ、正確にトルクを測定することができなかった。すなわちゼロ点変動が大きくなり、トルクセンサとして不適であった。当然、この場合もトルクの付与方向を識別することはできなかった。
【００１１】
本発明は、このような状況に鑑みてなされたものであり、その目的は、磁気コア同士の磁気干渉を低減し、センサの感度を高め、トルクの付与方向の識別を可能にする技術の提供とともに、簡易な構造でそれを可能にすることにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明のトルクセンサは、一対のヨーク端部とそれを接続するヨーク接続部と前記ヨーク接続部を励磁するコイルを有する磁気コアを回転軸の周方向に複数備え、前記磁気コアは、おのおの、前記ヨーク端部の端面の中央同士を結ぶ線がトルクセンサで検知しようとする回転軸の軸方向と所定の角度を為し、かつ、前記コイルは回転軸の周方向に沿って前記ヨーク接続部の内周側で巻かれる第一のコイルと、回転軸の周方向に沿って前記ヨーク接続部の外周側で巻かれる第二のコイルからなることを特徴とする。
【００１３】
前記第一のコイルと第二のコイルは電流の流れる方向が反対になるようにすることが好ましい。
また、所定の角度が略４５°に設定することが好ましい。
また、前記所定の角度が＋略４５°に設定された第１の磁気コアユニットと、前記所定の角度が−略４５°に設定された第２の磁気コアユニットとを備えることが好ましい。
また、Ｎ個の前記磁気コアは絶縁部材を介して支持されて磁気コアユニットを構成していることが好ましい。
【００１４】
前記ヨーク接続部は前記ヨーク端部同士を磁気回路的につなげる部材であり、回転軸の軸方向において、ヨーク接続部の厚さ＜ヨーク接続部の幅という構成を除外するものではない。ヨーク接続部の断面のアウトラインは、円形、楕円形、矩形、四角形及び６角形等の多角形のいずれとしてもよい。ただし、成形・焼結で作製するフェライトコアでヨーク接続部を構成するには、成形性がよく、欠けを抑制し歩留りが良いという観点から、断面のアウトラインが円形であるヨーク端部が好ましい。
【００１５】
上記本発明のトルクセンサにおいて、前記ヨーク端部は、同一形状にすることができる。部品形状の共通化によって、製造プロセスの数を抑え、組み立ての際の部品取り間違いを防げる。
【００１６】
上記本発明のトルクセンサにおいて、
前記ヨーク端部および前記ヨーク接続部が、Ｍｎ−Ｚｎ系フェライトで構成されていることが望ましい。Ｍｎ−Ｚｎ系フェライトの焼結体コアのなかでも抵抗率ρが高いものを用いると、磁気的な励磁と検出の効率を高くすることができる。さらに、特に高周波特性に優れるものを用いると、磁気的なロスが低く、キュリー温度が高いので自動車用途に適用し易い。
【００１７】
磁気コアの数は周方向に４個以上がこのましい。隣り合う磁気コアの励磁方向を交互に変える場合は偶数にする必要がある。例えば磁気コアの数Ｎは４〜３６の範囲内の偶数とする。工作機械装置の場合、回転軸の直径を大きくすることもあり、回転軸のトルクを検知する際のゼロ点変動を抑制するためにはＮを大きくすることが望ましい。自動車用途のように回転軸の直径がある程度の範囲に抑えられる場合、小型化及び軽量化の観点から、Ｎは４，６及び８のいずれかであることが好ましい。
【００１８】
前記コイルは、具体的には励磁用コイルと検出用コイルで構成される。いずれのコイルについても、励磁用コイルと検出用コイルは同じ向きに巻くことが好ましい。
【００１９】
Ｎ個の磁気コアを支持する絶縁部材は、環状の非磁性部材で支持することが好ましい。前記環状の非磁性部材は、例えば一体成形できる樹脂を用いるが、８０℃程度の環境温度に耐えられれば他の材料（非磁性の有機材料）に代替可能である。軟磁性体のヨーク端部同士を任意の間隔で、かつヨーク端部と回転軸表面間の空隙（磁気ギャップ）が一定に保てれば、円盤状でなくてもよい。ただし、前記環状の非磁性部材の中央には、回転軸を通すための軸孔が必要である。
【００２０】
前記ヨーク端部とヨーク接続部は嵌合してもよい。この場合、いずれか一方に凹部を設け、その凹部に嵌る凸部を他方が有するのがよい。前記ヨーク端部とヨーク接続部は接着剤によって接着してもよい。前記ヨーク端部は、環状の非磁性部材（例えば非磁性リング）と嵌合してもよい。前記ヨーク端部と環状の非磁性部材は接着剤によって接着してもよい。
【００２１】
また、前記ヨーク端部の軸孔側の端面は平面にすることもできる。ただし、好ましくは、前記ヨーク端部の前記軸孔側の端面は対向する回転軸表面の形状に沿った曲面にする。回転軸の軸芯を基準にしてみたときに、曲面状の端面（磁極面）と回転軸間の距離が均一になっていると、磁気的な励磁と検出の効率を良くすることができる。すなわち、ヨーク端部と回転軸の磁気ギャップは機械的な寸法誤差、あるいは回転時に生ずる回転ぶれなどが生じても機械的に干渉しない寸法を設定しているのであるが、ヨーク端部の回転軸への対向面を曲面状にすることによって、ヨーク端部と回転軸との間の磁気抵抗を低減する事が可能となる。したがって、コイルのターン数やコイルに流す電流を大きくしなくても、高い磁束密度で磁気コアから回転軸に磁束を印加できる。また、ヨーク端部の回転軸への対向面を曲面状にすることによって、各々のヨーク端部においてヨーク端部と回転軸の間の磁気ギャップ長を均一にする事が可能となり、その結果、回転軸に印加される磁界が平均化され、いわゆる励磁ムラが抑制され、かつ、ヨーク端部と回転軸の対向面積が大きい事から、回転軸表面で生じている透磁率変化を効率よく検出できる。すなわち、磁気コアの数を特に多くしなくても、ゼロ点変動を低減できる。
【００２２】
また、前記磁気コアを複数設け、磁気コア同士を磁気的に離隔して配置することは、ゼロ点変動を抑制する上で好ましい。
【００２３】
また、磁路を形成可能な材料で構成された外装ヨーク部を付加し、その内部に該外装ヨーク部と磁気的に分離された前記磁気コアユニットを備える構成としてもよい。また、前記外装ヨーク部は円筒状とし、該外装ヨーク部は円環状の磁石を有する場合、前記外装ヨーク部の中には前記Ｎ個の磁気コアを収める。
【００２４】
また、前記ヨーク端部及びヨーク接続部の材料としては、Ｎｉ−Ｚｎ系フェライト、鉄粉、Ｆｅ基アモルファス（薄帯を積層または粉砕・成形したものをヨークとする。）、Ｆｅ基ナノ結晶材料（薄帯を積層または粉砕・成形したものをヨークとする。）のいずれかを用いることもできる。
【００２５】
前記柱状ヨークに励磁用コイルと検出用コイルを配置する。従来であれば、各ヨークにそれぞれ励磁用コイルと検出用コイルを一つずつ巻いていたが、本発明のように磁気コアユニットの内周側と外周側にコイルを回転軸の周りに沿って巻くことでコイルの数を減らすことができる。ボビンの形状は円形や矩形等としてもよい。また、回転軸の周囲を取り巻くようにシェイキング磁界重畳用コイル環状に巻回してもよい。ここでシェイキング磁界とは、ヒステリシスの原因の１つである回転軸表面近傍のピンニングの影響を低減する目的でシャフトに印加する磁界である。シェイキング磁界は前記励磁用コイルまたはシェイキング磁界重畳用コイルに、励磁周波数とは異なる周波数の交流電圧を印加することによって得られる。ヒステリシス低減を実現するために、回転軸表面に磁性膜を貼り付ける等の特別な加工を施す手法が提案されているが、回転軸の信頼性を損なう。一方、シェイキング磁界の重畳は、回転軸に特別な加工を施すことなく、回転軸に対して非接触でヒステリシスの低減が可能となる。
【発明の効果】
【００２６】
本発明によれば、磁気コア同士の磁気的干渉が抑えられる。その結果、トルクセンサによって高い出力が得られ、さらにトルク付与方向の識別が可能となる。また、従来のトルクセンサでは、磁気コアの一つに対して一つのコイルが必要であったが、前記の構成にすることでコイルの数を減らすことができ、巻線のコストを減らすことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
つぎに、本発明を実施するための最良の形態（以下、単に「実施形態」という）を、図面を参照して具体的に説明する。
【００２８】
（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態に係るトルクセンサ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。なお、以下に示す図面においては、図面が煩雑になるのを避け理解を容易にするために適宜符号を省略する。
【００２９】
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。背景技術で上述した通り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下側の第１の磁気コアユニット２０と、−４５°の透磁率の変動を検出する図上側の第２の測定ユニット１２０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。第１の磁気コアユニット２０と第２の測定ユニット１２０の検出コイルから得られる電圧の差分を求めることで、図１１のＶＯ１に示すようにトルクＴに対して出力電圧をリニアに変動させることができる。
【００３０】
また、第１の測定ユニット２０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。外部回路には、後述する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１２０も、同様のハウジングに収容されている。以下、第１の磁気コアユニット２０について説明し、第２の磁気コアユニット１２０に関する説明は省略する。
【００３１】
図２は、第１の磁気コアユニット２０を示した図であり、図２（ａ）は平面図を示し、図２（ｂ）はＡ−Ａ’の断面図を示し、さらに図２（ｃ）は下面図を示している。図３は、第１の磁気コアユニット２０の外観を示す斜視図である。また図４は１個の磁気コアユニットの外観を示す斜視図である。ここで１個の磁気コアユニットとは第１板状ヨーク２２０ａ及び第２板状ヨーク２２０ｂ（ヨーク端部の具体例）と、円筒状ヨーク２４０（ヨーク接続部の具体例）で構成されたユニットを指す。それぞれの円筒状ヨーク２４０には励磁用コイル２１４ａ〜２１４ｄと検出用コイル２１５ａ〜２１５ｄが巻回されたボビン２５０が取り付けられる。さらに円筒状ヨーク２４０には、その下側の端面に第１板状ヨーク２２０ａが取り付けられ、上側の端面に第２板状ヨーク２２０ｂが取り付けられる。第１板状ヨーク２２０ａと第２板状ヨーク２２０ｂは、同一形状の部品である。第１非磁性リング２３０ａ、第２非磁性リング２３０ｂの中心には、回転軸９０が挿入可能な軸孔２２８が形成されている。なお、第１の磁気コアユニット２０は、前記磁気コアが４個含まれる構成となる。
【００３２】
図３は、ヨーク接続部とコイルの関係を説明するための図である。図２と同じ構成のトルクセンサである。ヨーク接続部２４０は回転軸９０の周囲に４つ配置される。励磁用コイル２１４ａ、２１４ｂ、ならびに検出用コイル２１５ａ、２１５ｂはそれぞれ回転軸の周方向に巻かれる。励磁用コイル２１４ａと検出用コイル２１５ａはヨーク接続部２４０の外周側で巻かれる。励磁用コイル２１４ｂと検出用コイル２１５ｂはヨーク接続部２４０の内周側で巻かれる。励磁用コイル２１４ａと２１５ａは反対方向に電流が流される。そのため、ヨーク接続部には外周側と内周側で反並行方向に電流が流れるのでフレミングの右手の法則に従って誘導起電力が発生する。図３では図面奥に向かって電流が流れる方向に誘導起電力が発生する。従来のトルクセンサでは、磁気コアの一つに対して一つのコイルが必要であったが、前記の構成にすることでコイルの数を減らすことができ、巻線のコストを減らすことができる。
【００３３】
図６（ａ）（ｂ）はそれぞれ第１板状ヨーク２２０ａの上面および底面から見た斜視図である。また図７は４個の第１板状ヨーク２２０ａを第１非磁性リング２３０ａに取り付けたときの斜視図である。同図（ａ）は板状ヨークの上面からみた斜視図であり、同図（ｂ）は第１非磁性リングの底面からみた斜視図である。第１板状ヨーク２２０ａは、第１非磁性リング２３０ａの軸孔の中心からみて等角度な間隔で周方向に並べて（０°，９０°，１８０°，２７０°の位置）、第１非磁性リング２３０ａに取り付けられる。非磁性リングおよび板状ヨークには所定の位置に孔２７０が設けられている。これらは、孔を有する円筒状ヨーク２４０、励磁用コイル及び検出用コイルを巻回したボビン２５０、第２板状ヨーク２２０ｂ、そして第２非磁性リング２３０ｂとともに孔の位置を揃えてボルト及びナットで締結するために用いられる。なお、図示は省略したが、第２板状ヨーク２２０ｂも同様に第２非磁性リング２３０ｂに取り付けられる。
【００３４】
非磁性リング２３０ａ及び２３０ｂには、所定の位置に凸部２３１ａを設けることで、等間隔に板状ヨークを取り付けることができる。磁気コアユニット２０に軸を挿入した場合、それぞれ等間隔に取り付けられた第１及び第２板状ヨークは、その軸孔側の端面と回転軸表面間の空隙（磁気ギャップ）が同じ寸法になる。ここで回転軸表面と対向する板状ヨークの軸孔側の端面は回転軸表面の形状に沿った曲面を有する。第１板状ヨーク２２０ａが有する、回転軸表面と対向するこの曲面（磁極面）を２６０ａ、第２板状ヨークが有するこの曲面（磁極面）を２６０ｂとする。
【００３５】
図８は図７を平面図及び断面図で示した。図８（ａ）は平面図を示し、図８（ｂ）はＡ−Ａ’の断面図、図８（ｃ）は下面図を示している。なお、同図では非磁性リングの一部の図示を省略している。第１板状ヨーク２２０ａにおいて低く（厚さを薄く）形成されている面をヨーク接続部２２１といい、外周が直径Ｒ１１で高さｈ１のリング形状の一部である。なお、この高さｈ１は、ヨーク接続部２２１の底面２２４を基準としており、以下の高さｈ２も同様である。
【００３６】
第１板状ヨーク２２０ａにおいてヨーク接続部２２１より高く形成されている凸部２２３は空隙（磁気ギャップ）を介して回転軸の軸表面と対向し、回転軸の励磁とトルク付与によって生じる透磁率変化の検出に大きく寄与する。２２３は外周が直径Ｒ１２、内周が直径Ｒ１３のリングの１部分と同形状であって、高さｈ２となるように形成されている。したがって、ヨーク接続部２２１と凸部２２３の間には高さｈ２−ｈ１の段差が形成されている。また、第２板状ヨーク２２０ｂは、上述の通り第１板状ヨーク２２０ａと同様の形状である。
【００３７】
第１及び第２板状ヨーク２２０ａ，２２０ｂの材料には、フェライトではＭｎ−Ｚｎ系フェライト、Ｎｉ−Ｚｎ系フェライトが好ましい。この他、粉末では純鉄粉、Ｆｅ−Ａｌ−Ｓｉ系センダスト粉、Ｆｅ基アモルファス材やＦｅ基ナノ結晶材である非晶質金属粉などが好ましく、さらに、それら材料の粒径は２００μｍ以下が好ましい。また非磁性リングに用いられる非磁性材としては８０℃程度で熱変形が生じ難い樹脂や真鍮などのＣｕ−Ｚｎ系合金やＡｌ−Ｓｉ系合金などが好ましい。真鍮などのＣｕ−Ｚｎ系合金やＡｌ−Ｓｉ系合金などをプレス加工で成形する場合、それら材料の粒径は２００μｍ以下が好ましい。また、軟磁性体（板状ヨークや円筒状ヨーク）と非磁性リングを上記した粉末材料で作製する場合は、それぞれ別々に仮成形体として形成され、第１及び第２板状ヨーク２２０ａ，２２０ｂと非磁性部とを組み合わせ、高圧により本成形することでリング形状とする（以下、この成形方法を２色成形と呼ぶ）。なお、バインダとして、各材料粉への分散性等を考慮して、平均粒径が１００μｍ以下の熱可塑性樹脂を使用できる。なお、円筒状ヨーク２４０は第１及び第２板状ヨーク２２０ａ，２２０ｂに関する材料及び形成手順と同じでよい。
【００３８】
つづいて、磁気コアユニット２０の組立手順を簡単に説明する。図９は、磁気コアユニット２０を構成する、第１及び第２非磁性リング、第１及び第２板状ヨーク、円筒状ヨーク、ボビンの斜視図を示している。図示のように、円筒状ヨーク２４０は、第１非磁性リングで支持した第１板状ヨーク２２０ａに上から載せるように結合している。次に励磁用コイルと検出用コイルを巻回したボビン２５０に円筒状ヨーク２４０を挿入する。さらに円筒状ヨークおよびボビンの上から被せるように第２板状ヨーク２２０ｂを結合させる。この際、各々の部材に形成しておいた貫通孔２７０の位置を合わせ、連なった貫通孔にボルトを通し、ナットで締結する。
【００３９】
これによって、第１板状ヨーク２２０ａ、円筒状ヨーク２４０そして第２板状ヨーク２２０ｂが接合され、図４に示したように、励磁用コイル及び検出用コイルを巻回した４個の磁気コアを含む磁気コアユニット２０が完成する。なお、磁気コアユニット１２０に含まれる、非磁性リング及び軟磁性体は磁気コアユニット２０のそれらとは鏡像対称の形状であり、組立手順も同様である。
【００４０】
非磁性リング及び板状ヨークが環状部を構成しているので、磁気コアユニットの組立が容易になっている。非磁性リングには、４つの凸部が形成されており、隣り合う凸部の間の凹みは板状ヨークを嵌めこめる形状となっている。さらに、凸部と非磁性リングの周縁の間には前記凹みと同じ深さの溝が形成されており、板状ヨークを嵌めこみ易い。非磁性リングによって隣り合う磁気コアは磁気的に離隔されている。広い磁極面を有する磁気コアが回転軸を密に取り囲んでおり、回転軸表面の磁束密度分布をほぼ均一にすることができる。
【００４１】
なお、図９の構成において、一方の板状ヨークと円筒状ヨークを予め一体に成形して磁気コアを構成することもできる。さらに、一方の板状ヨークと円筒状ヨークを予め一体に成形する際に、円筒状ヨークの高さを調整することにより、円筒状ヨーク付き板状ヨークを２個組合わせて磁気コアを構成することも可能である。
【００４２】
図１０は、任意の１個の磁気コアおける第１板状ヨーク２２０ａ及び第２板状ヨーク２２０ｂの、回転軸９０に対向する端面２６０ａ，２６０ｂと、回転軸９０との位置関係を模式的に示した図である。本図に示すように、２つの端面２６０ａ，２６０ｂの中心を結ぶ線Ｌ１と、回転軸９０の軸方向とは、＋４５°をなす。なお図示しないが、磁気コアユニット２０内の他の磁気コアにおいても同様に、板状ヨークの回転軸９０と対向する端面は、それら中心を結ぶ線と回転軸９０の軸方向とは＋４５°をなす。また、第２の磁気コアユニット１２０においては、回転軸９０に対向する端面２６０ａ，２６０ｂの中心を結ぶ線と回転軸９０の軸方向とは−４５°をなす。
【００４３】
励磁用コイルに印加される交流電圧波形は、所定の周波数と振幅を有する正弦波とする。内周側と外周側のコイルの交流電圧波形を同じにすることが好ましい。このとき、当該所定の周波数と振幅が異なる交流電圧を、励磁用コイルに重畳しても良い。また、上記交流電圧を重畳するために、各ボビンに重畳用コイルを巻回しても良い。また、重畳用コイルは第１板状ヨーク２２０ａ及び第２板状ヨーク２２０ｂの凸部２２３の外周側に、回転軸９０の周りを周回するように、巻回しても良い。
【００４４】
（実施例１）
図１で示す構成のトルクセンサにおいて、本実施例では、励磁周波数２０ｋＨｚ、励磁電流５０ｍＡ、励磁用コイルを内周側、外周側とも１００ターン、検出用コイルを内周側、外周側とも２００ターン、第１及び第２板状ヨーク２２０ａ，２２０ｂの凸部２２３と回転軸表面の空隙ｇ（磁気ギャップ）を１ｍｍとした。磁気コアにはＭｎ−Ｚｎフェライトの焼結体を用いた。非磁性リングには繊維状の素材を固めたベーク板を用いた。回転軸には高周波焼き入れを施した、φ１８ｍｍのニッケル・クロム・モリブデン鋼鋼材を用い、±１４０Ｎｍのトルクを付与した。本実施例では感度Ｓが０．９ｍＶ／Ｎｍが得られた。図１２に本実施例と比較例の感度Ｓ、ヒステリシスε、ゼロ点変動ηを示す。なお感度は図１３に示す値を下記の数式（数１）で定義した。
【００４５】
【数１】
2010054239.tif 000003
【００４６】
ここで、Ｔｍは付与したトルクの絶対値、Ｖｓは最大トルクが付与されたときの出力電圧と最小トルクが付与されたときの出力電圧の電圧差、Ｖｈはトルクが付与されていないときの出力電圧の差である。
【００４７】
図１２に本発明における実施例１と特許文献２、３のトルクセンサの特徴を表で示す。特許文献２では磁気リングが一体物であるため、検出コアを軸方向に対して±４５°に装着しても、隣接する検出コア先端部同士において磁気干渉が生じ、感度が極めて低く、かつトルクの付与方向を識別することができない。また、特許文献３の第３実施例では各々独立した検出用Ｕ字型コアを用いているが、コアの装着角度が軸方向に対して＋４５°または−４５°ではないので、トルクの付与によって生じる透磁率変化を＋４５°または−４５°に分離して測定することができない。すなわちトルクの付与方向が識別できない。一方、本発明の実施例１では、磁気コアが一体物の磁気リングを介することなく、軸方向に対して±４５°に装着している。よって、実施例１ではトルク絶対値とトルクの付与方向が同時に測定できる。
【００４８】
次に実施例１と各参考例のヒステリシスを比較すると実施例１が０．３％と最も低い。参考例２〜４では励磁コア数が少ないため、回転軸表面を十分に励磁することができない。したがってヒステリシスの原因となるピンニングの影響を低減できないため、ヒステリシスは１．２〜４．０％と大きな値となる。
【００４９】
図１６は、第１板状ヨーク２２０ａ、第２板状ヨーク２２０ｂ及び円筒状ヨーク２４０に用いられる軟磁性材料と、非磁性リング２３０ａ，２３０ｂに用いられる非磁性材料との組合せと、出力の感度の関係を示す表である。ここでは、組合せ１〜３の３種類を例示している。
【００５０】
組合せ１では、第１板状ヨーク２２０ａ、第２板状ヨーク２２０ｂは、鉄粉及びバインダの混合粉を低圧でプレス成形した仮成形体である。非磁性リング２３０ａ及び２３０ｂは、真鍮粉とバインダの混合粉を低圧でプレス成形した仮成形体である。それら２種類の仮形成体を合わせ、高圧でプレス成形することで図６に示す部品が接着剤やネジ等を用いることなく作製できる。
【００５１】
組合せ２では、第１板状ヨーク２２０ａ、第２板状ヨーク２２０ｂ及び円筒状ヨーク２４０はフェライト粉を成形・焼結した焼結体（フェライトコア）である。非磁性リング２３０ａ及び２３０ｂは、樹脂等で成形されたもの、若しくは真鍮粉とバインダの混合粉をプレス成形した圧粉体である。そして軟磁性の焼結体と非磁性体とを接着剤で組み立て、図７に示す部品が得られる。
【００５２】
組合せ３では、第１板状ヨーク２２０ａ、第２板状ヨーク２２０ｂ及び円筒状ヨーク２４０は、鉄粉及びバインダの混合粉をプレス成形した圧粉体である。非磁性リング２３０ａ，２３０ｂは、真鍮粉とバインダの混合粉をプレス成形した圧粉体である。そして軟磁性の焼結体と非磁性の圧粉体とを接着剤で組み立て、第１及び第２板状ヨーク２２０ａ，２２０ｂ、円筒状ヨーク２４０が形成されている。この場合、非磁性部は８０℃の環境温度に耐え得る樹脂等で作製された部品を用いてもよい。
【００５３】
組合せ１〜３のいずれの場合も、トルク検出時に良好な感度が得られたが、特に組合せ２の材料を用いた場合、最も良好な感度が得られる。なお、いずれの組合せにおいても、成形の際のプレスの方向は、各部品を組み立てたときの回転軸の軸方向と同じである。
【００５４】
以上、第１の実施形態によれば、磁気コアユニットを３要素で構成し、さらにその組立が容易とすることができる。また、第１及び第２板状ヨーク、円筒状ヨークおよびボビンを含む磁気コアユニットはリング形状を有し、回転軸を挿入するだけで、容易に装着することができる。つまり、ハンドリングが容易になるとともに、回転軸表面と磁極間の空隙（磁気ギャップ）の寸法精度を適正にする作業が容易となる。また、回転軸円周方向に配列した複数の磁気コアによって、安定した出力電圧が得られる。より具体的には、ゼロ点変動とヒステリシスが改善されたり、軸ぶれ対策が容易となる。
【００５５】
（第２の実施形態）
図１７，１８に磁気コアユニット２０で用いることができる第１板状ヨークの代表的な形状の一部を示す。図１７（ａ）は第１の実施形態で用いた第１板状ヨーク２２０ａである。本発明の第１板状ヨークと第２板状ヨークは、所定の寸法を有するボビン２５０と円筒状ヨーク２４０の取り付けが可能であり、かつ、第１板状ヨーク２２０ａ及び第２板状ヨーク２２０ｂの、回転軸９０に対向する端面２６０ａ，２６０ｂと回転軸９０との位置関係が図９と同様であれば、第１板状ヨークは図１７（ｂ）〜（ｇ）に示す形状であってもよい。なお、磁気コアユニット２０で用いられる第２板状ヨークは図１７に示した形状と同様である。また磁気コアユニット１２０で用いられる第１及び第２板状ヨークは図１７に示す形状の鏡像対称である。具体的には、図１７（ａ）の板状ヨーク２２０ａを、エッジ部分５２０ｃ及び５２０ｄを結ぶ辺を軸として反転させた形状となる。
【００５６】
例えば、図１７（ｂ）〜（ｇ）の板状ヨーク３２０〜３２５に示すように、図１７（ａ）の板状ヨークのエッジ部分５２０ａ〜５２０ｄ、に比べ、４２０ａ、４２０ｄ、４２１ａ〜４２１ｄ、４２２ａ、４２２ｄ、４２３ａ〜４２３ｄ、４２４ａ、４２５ａ、４２５ｂ、４２５ｃは丸みを帯びている。エッジ部分に丸みを持たせることによって、軟磁性体を金型でプレス加工する際、原料粉の噛み込みが少なくなり、量産性が向上する。
【００５７】
また図１７（ａ）を図１７（ｂ）〜（ｇ）のように変形してもよい。図１のようにトルクセンサ１０に回転軸を挿入し、所定の励磁電流を励磁用コイルに流したとき、各軟磁性体が磁気飽和を起こさなければ、第１及び第２板状ヨークと円筒状ヨークとの接合部近傍は図１７（ｂ）〜（ｇ）のように小型化してもよい。特に図１７（ｆ）、（ｇ）は図１７（ａ）に比べ、軟磁性体の原料が少なくて済むことから、コスト的に優れ、小型化、軽量化が実現できる。図１７に示す第１及び第２板状ヨークを、図９の第１の実施形態と同様に組立て、磁気コア及び磁気コアユニットを構成してもよい。
【００５８】
図１７に示す第１及び第２板状ヨークは第１の実施形態と同様に、その材料として、フェライトではＭｎ−Ｚｎ系フェライト、Ｎｉ−Ｚｎ系フェライトが好ましい。この他、粉末では純鉄粉、Ｆｅ−Ａｌ−Ｓｉ系センダスト粉、Ｆｅ基アモルファス材やＦｅ基ナノ結晶材である非晶質金属粉などが好ましく、それら材料の粒径は２００μｍ以下が好ましい。
【００５９】
原料としてフェライトを用いる場合、金型を用いたプレス加工で作製しても良い。また、上記の粉末原料を用いる場合は、上述したように２色成形で第１及び第２板状ヨークと非磁性リングを作製しても良い。
【００６０】
磁気コアユニットを構成する際には、隣り合う励磁用コイル同士は逆方向に巻回する。このとき隣り合う検出用コイル同士も逆方向に巻回する。すなわち同じボビンには励磁用コイルと検出用コイルが同方向に巻回される。
【００６１】
以上、第２の実施形態によれば、第１の実施形態における実施例１で示した効果が得られる。さらに、第１及び第２板状ヨークのエッジ部分に丸みを持たせ、かつ、円筒状ヨークとの接合部近傍を小型化することで、実施例１に比べ量産性が良く、小型、軽量な磁気コア及び磁気コアユニットの作製が可能となる。
【００６２】
（第３の実施形態）
本実施形態は、第１の実施形態で示したトルクセンサ１０の出力及び精度を向上させるために直流バイアス磁界を印加している。なお、第２の実施形態で示した構成にも適用可能である。
【００６３】
図１９は、第１の実施形態で示した磁気コアユニット２０をベースに、円筒状のバイアスヨーク７１０を付加したバイアス付加ユニット７００の構成を示した図である。ここでは、第１の実施形態で示した磁気コアユニット２０を便宜的に内部磁気コアユニット２０ａと称する。円筒状のバイアスヨーク７１０の内部に、第１及び第２スペーサ７４６ａ，７４６ｂを介して、内部磁気コアユニット２０ａが配されており、以下、この構成をバイアス付加ユニット７００と称する。本図は、バイアス付加ユニット７００の縦断面図を示しており、右半分は、磁路になる部分をハッチングで表している。
【００６４】
バイアスヨーク７１０は、円筒形状のバイアス用ヨーク接続部７５８ｂと、バイアス用ヨーク接続部７５８ｂ開口に嵌合する環状の上側ヨーク端部７５８ａと、バイアス用ヨーク接続部７５８ｂの図１９下側の開口に嵌合する環状の下側ヨーク端部７５８ｃ、下側ヨーク端部７５８ｃの下に設けられる固定板７５６ｃとを有する。バイアスヨーク７１０に配された内部磁気コアユニット２０ａの上面には、中心に回転軸が挿入される軸孔７２９ａを有する環状の第１スペーサ７４６ａが配されている。また、内部磁気コアユニット２０ａの下面には、中心に回転軸が挿入される軸孔７２９ｂを有する環状の第２スペーサ７４６ｂが配されている。軸孔７２９ｂは、内部磁気コアユニット２０ａの中央に形成されている軸孔の径と同じ大きさである。第１及び第２スペーサ７４６ａ，７４６ｂは、バイアス付加ユニット７００と内部磁気コアユニット２０ａとを磁気的に分離可能な材料で形成されており、磁気的な干渉を防止する。
【００６５】
下側ヨーク端部７５８ｃの中心部分には、開口７２６ａが形成されており、その開口７２６に永久磁石のリング磁石７２８が嵌め込まれている。また、リング磁石７２８の中心部分には、所定の大きさの軸孔７２９ｂが形成されている。そして、リング磁石７２８は、第２スペーサ７４６ｂと第２スペーサ７４６ｂの下側に設けられた固定板７５６ｃとの２つの部材によって挟まれ支持される。さらに、上側ヨーク接続部７５８ａの上面には、ボビンに巻かれたバイアス用のコイル７６９を内部に有する円筒部材７９０が取り付けられている。具体的には、上下に開口を有する円筒形状の第３スペーサ７６８ｂと、第３スペーサ７６８ｂの上側の開口を塞ぐ環状の固定板７６８ａと、第３スペーサ７６８ｂの下側の開口を塞ぐ環状の第４スペーサ７６８ｃとを備える。この第４スペーサ７６８ｃは、コイル７６９と上側ヨーク端部７５８ａとを、磁気的に離間させる。
【００６６】
また、前記の固定板７６８ａと第４スペーサ７６８ｃの中心には、回転軸９０が挿入されるための軸孔が形成されている。それら軸孔は、内部磁気コアユニット２０ａの中央の軸孔の径と同じである。また、円筒部材７９０には、貫通孔７４５ａが形成されており、内部磁気コアユニット２０ａと、バイアスヨーク７１０と、円筒部材７９０とのそれぞれの貫通孔７４５ａ，２７０及び７４５ｂが繋がって一組の貫通孔を形成する。これによって、内部磁気コアユニット２０ａと、バイアスヨーク７１０と、円筒部材７９０とをボルトなどで合わせて固定することができる。
【００６７】
以上の様な構成とすると、内部磁気コアユニット２０ａにリング磁石７２８を有するリング状のバイアスヨーク７１０を付加した構成とすることで、バイアス磁束が周方向に均一に分布し、その結果、磁気的ノイズの影響を排除することができ、トルクの検出精度が向上する。また、バイアス用コイル７６９に流す電流量を変更することで、バイアス磁束量を容易に調整できる。そして、リング磁石７２８とバイアス用コイル７６９を併用することで、バイアス用コイル７６９のみによってバイアス磁束を発生させる場合と比べて、消費電力を抑制できる。なお、上側ヨーク端部７５８ａと下側ヨーク端部７５８ｃの両方に、リング磁石７２８及びバイアス用コイル７６９を設ける構成としてもよい。また、リング磁石７２８またはバイアス用コイル７６９のいずれか一方のみであってもよい。
【００６８】
以上、本発明を実施の形態をもとに説明した。この実施の形態は例示であり、それらの各構成要素の組み合わせにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。
【産業上の利用可能性】
【００６９】
本発明は、磁歪特性を利用するトルクセンサに広く利用できる。
【図面の簡単な説明】
【００７０】
【図１】第１の実施形態に係るトルクセンサの構造を示す図である。
【図２】第１の磁気コアユニットを示した図である。
【図３】コイル形状を説明するための図である。
【図４】第１の磁気コアユニットの外観を示す斜視図である。
【図５】磁気コアの外観を示す斜視図である。
【図６】第１板状ヨークを示す斜視図である。
【図７】４個の第１板状ヨークを非磁性リングに取り付けた状態を示す斜視図である。
【図８】４個の第１板状ヨークを非磁性リングに取り付けた状態を示す平面図及び断面図である。
【図９】磁気コアユニットの組立方法を示す図である。
【図１０】第１の磁気コアにおける第１及び第２板状ヨークの、回転軸に対向する面と、回転軸との位置関係を模式的に示した図である。
【図１１】印加されるトルクと検出出力の関係を示したグラフである。
【図１２】（ａ）第１の実施形態の実施例１と比較例に用いられたトルクセンサの構造上の特徴を示した表、（ｂ）第１の実施形態の実施例１と参考例に用いられたトルクセンサの感度、ゼロ点変動及びヒステリシスを示した表である。
【図１３】トルクセンサの出力電圧特性を示したグラフである。
【図１４】別の磁気コアユニットの組立方法を示す図である。
【図１５】別の磁気コアユニットの組立方法を示す図である。
【図１６】軟磁性部と非磁性部に用いられる材料の組合せと、出力の感度の関係を示した表である。
【図１７】他の板状ヨークの形状を示した平面図である。
【図１８】他の板状ヨークの形状を示した平面図である。
【図１９】第３の実施形態に係るバイアス付加ユニットの構成を示した図である。
【図２０】従来技術に係る、磁歪式トルクセンサの構成を示す概略図である。
【符号の説明】
【００７１】
１０：トルクセンサ
２０，１２０：磁気コアユニット
２０ａ：内部磁気コアユニット
３０：磁気コア
４０：右ネジ巻きの励磁用コイル
５０：左ネジ巻きの励磁用コイル
６０：柱状コア
９０，５０２：回転軸
９０ｆ，１９０ｆ：回転軸表面
９９ａ：同期検波回路
９９ｂ：オペアンプ
２１４：励磁用コイル
２１５：検出用コイル
２２０ａ：第１板状ヨーク
２２０ｂ：第２板状ヨーク
２２１：板状ヨークのヨーク接続部
２２３：板状ヨークの凸部
２２４：板状ヨークの底面
２２８，７２９ａ，７２９ｂ：軸孔
２３０ａ：第１非磁性リング
２３０ｂ：第２非磁性リング
２３１ａ：第１非磁性リングの凸部
２４０：円筒状ヨーク
２５０：ボビン
２６０ａ：回転軸表面と対向する第１板状ヨークの端面
２６０ｂ：回転軸表面と対向する第２板状ヨークの端面
２７０，７４５ａ，７４５ｂ：貫通孔
２８０：コイルボビン
３２０〜３２５：板状ヨーク
４２０ａ〜４２０ｄ，４２１ａ〜４２１ｄ，４２２ａ〜４２２ｄ，４２３ａ〜４２３ｄ，４２４ａ〜４２４ｄ，４２５ａ〜４２５ｄ，５２０ａ〜５２０ｄ：板状ヨークのエッジ部分
５０３：磁性膜
５０４：励磁・検出用ソレノイドコイル
５０５，５０６：検出用磁気コア
５０７，５０８：励磁用磁気コア
５１４ａ〜５１４ｆ：励磁用コイル
７００：バイアス付加ユニット
７１０：バイアスヨーク
７１４ａ〜７１４ｆ：励磁用コイル
７２６：開口
７２８：リング磁石
７４６ａ：第１スペーサ
７４６ｂ：第２スペーサ
７５６ｃ：固定板
７５８ａ：上側ヨーク端部
７５８ｂ：バイアス用ヨーク接続部
７５８ｃ：下側ヨーク端部
７６８ａ：固定板
７６８ｂ：第３スペーサ
７６８ｃ：第４スペーサ
７６９：バイアス用コイル
７９０：円筒部材
【図１】
2010054239.tif 000004
【図２】
2010054239.tif 000005
【図３】
2010054239.tif 000006
【図４】
2010054239.tif 000007
【図５】
2010054239.tif 000008
【図６】
2010054239.tif 000009
【図７】
2010054239.tif 000010
【図８】
2010054239.tif 000011
【図９】
2010054239.tif 000012
【図１０】
2010054239.tif 000013
【図１１】
2010054239.tif 000014
【図１２】
2010054239.tif 000015
【図１３】
2010054239.tif 000016
【図１４】
2010054239.tif 000017
【図１５】
2010054239.tif 000018
【図１６】
2010054239.tif 000019
【図１７】
2010054239.tif 000020
【図１８】
2010054239.tif 000021
【図１９】
2010054239.tif 000022
【図２０】
2010054239.tif 000023