(57)【要約】【課題】小型化、省電力化が可能で、モータ軸やトランスミッションの出力軸などへの取り付けが容易であって、これら軸に掛かるトルクのリアルタイムモニタリングにも適用することができるトルク検出装置を提供する。【解決手段】軸１と磁気センサ５を備えたトルク検出装置において、軸１には１対の周方向溝２，２を所定の間隔Ａに形成すると共に、これら溝２，２の間の溝間部に周方向に着磁された着磁部４を形成し、ホールセンサなどの磁気センサ５を軸１の上記溝間部に対向して配設する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
円筒状の軸部分を有する回転軸において、円周方向に形成された１対の溝と、これら溝の間の溝間部を含む領域において周方向に着磁された着磁領域を有する軸と、該軸の上記溝間部に対向して配設された磁気センサを備えていることを特徴とするトルク検出装置。
【請求項２】
上記着磁領域が溝間部にバンド状に形成されていることを特徴とする請求項１に記載のトルク検出装置。
【請求項３】
上記磁気センサがヨークを備えていることを特徴とする請求項１又は２に記載のトルク検出装置。
【請求項４】
上記ヨークがソフト磁性材料から成ることを特徴とする請求項３に記載のトルク検出装置。
【請求項５】
上記磁気センサが軸の溝間部の端部に位置していることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つの項に記載のトルク検出装置。
【請求項６】
上記磁気センサが軸方向に２個並んで配設されており、それぞれ軸の溝間部の両端部に位置していることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１つの項に記載のトルク検出装置。
【請求項７】
軸を介して上記磁気センサと相対向する位置に、軸表面を円周方向に着磁するための着磁機構を備えていることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１つの項に記載のトルク検出装置。
【請求項８】
上記着磁機構が永久磁石で構成されていることを特徴とする請求項７に記載のトルク検出装置。
【請求項９】
上記軸が表面硬化処理された鋼であることを特徴とする請求項１〜８のいずれか１つの項に記載のトルク検出装置。
【請求項１０】
上記磁気センサがホール素子又はホールＩＣであることを特徴とする請求項１〜９のいずれか１つの項に記載のトルク検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、モータやトランスミッションなどの出力軸における軸トルクを非接触に検出するのに用いられるトルク検出装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
例えば、自動車のトランスミッションの出力軸トルクをリアルタイムにモニターすることができれば、ＡＴ車における変速ショックを現在行われているような難しい制御を行わなくても緩和することができるようになるものと考えられる。
また、車輌の総合制御が可能になり、省燃費車輌の実現につなげることができることから、廉価で小型なトルクセンサの潜在的な要望は少なくなく、各種機関において研究開発が進められている。
【０００３】
このようなトルクセンサとしては、種々のものが知られているが、例えば図６に示すように、トルクを検出しようとする軸（被測定軸）に、螺旋状の溝を備えた帯状部分を左右に２箇所形成すると共に、これら帯状部分を取り囲むコイルをそれぞれ備え、コイルで励磁し、左右の溝有帯状部の透磁率変化を検出することにより、トルクを検出する方式のセンサが提案されている（例えば、特許文献１及び非特許文献１参照）。
ここで、溝は左右で相対向する方向にそれぞれ４５度傾いて設けられており、図に示すように軸にトルクが働くと、図中左側の帯状部では透磁率が増加し、右側帯状部では透磁率が減少する。トルクが働くと４５度方向に引張、圧縮応力が働き、溝が形状異方性を形成しているから、磁歪の逆効果により上記のようになる。なお、これは、磁歪が正の材料についての説明であって、以下の説明においても同様とする。
【特許文献１】特許第２６７７０６６号公報
【非特許文献１】Ｒ．Ｉｓｈｉｎｏ  ｅｔ  ａｌ．：ＩＥＥＥ  ｔｒａｎｓ．ｏｎ  Ｍａｇｎｅｔｉｃｓ，ｖｏｌ．３８，Ｎｏ．５，３３０６，Ｓｅｐ．２００２
【０００４】
また、図７に示すように、磁歪リングを軸に嵌合するタイプの磁歪式トルクセンサ、すなわち磁歪リングを周方向に磁化させておいて、軸にトルクがかかったときに、軸方向に発生する磁界の成分を、ホール素子等の小さな磁気センサで検出するものも提案されている（例えば、非特許文献２及び３参照）。
このタイプのセンサにおいては、磁歪を有するリングが軸に嵌められているため、リングには、周方向に引張応力が働いている。周方向に着磁すると、磁化は周方向に向いている。軸にトルクがかかると、４５度方向に応力が作用するので、磁化は軸方向に倒され、軸方向に磁化が現われる。ホール素子等のセンサを配置しておくと、トルクに相関のある信号が検出される。
【非特許文献２】Ｉ．Ｊ．Ｇａｒｓｈｅｌｉｓ：ＩＥＥＥ  ｔｒａｎｓ．ｏｎ  Ｍａｇｎｅｔｉｃｓ，ｖｏｌ．２８，Ｎｏ．５，２２０２，Ｓｅｐ．１９９２
【非特許文献３】Ｉ．Ｊ．Ｇａｒｓｈｅｌｉｓ  ａｎｄ  Ｃ．Ｒ．Ｃｏｎｔｏ：ＪＡＰ，Ｖｏｌ．７９，Ｎｏ．８，４７５６，１９９６
【０００５】
さらに、図８に示すように、磁歪を有する軸材の一部に周方向にバンド状に着磁する方式も提案されている（例えば、非特許文献４参照）。
当該装置のトルク検出原理は、上記した磁歪リング方式と同じであって、軸には磁歪を有する材料を使用し、バンド状に、周方向に着磁しておくことによって、軸にトルクがかかると、周方向を向いていた磁化が軸方向に傾くことから、バンドの端付近に、ホール素子等の磁気センサを配設しておくと、トルクに見合った信号が検出できることになる。
【非特許文献４】Ｉ．Ｊ．Ｇａｒｓｈｅｌｉｓ  ａｎｄ  Ｃ．Ａ．Ｊｏｎｅｓ：ＪＡＰ，Ｖｏｌ．８５，Ｎｏ．８，５４６８，１９９９
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、図６に示した螺旋溝方式の磁歪式トルクセンサにおいては、溝部を備えた帯状部分が軸方向に２個所あることや、これら帯状部分をそれぞれ覆うコイルを用いる方式であるため、スペースを要する点に課題があり、センサの小型化には難がある。また、コイルに１０ｋＨｚオーダーの交流電流を流す方式であり、数十ｍＡで、数ボルトであるから、１Ｗ弱程度の電力を要し、消費電力が大きいという課題もある。
【０００７】
また、図７に示した磁歪リング嵌合タイプの磁歪式トルクセンサにおいては、図６に示したものと較べると、軸方向長さが短くてよいし、検出センサも小さいことから、径方向にも小型化を図ることができ、ホール素子等のホールセンサも省電力であることから、小型、省電力の要求を満たすものであるが、このセンサの場合には、センサの検出原理から想像されるように、軸は非磁性（例えば、オーステナイト系ステンレス鋼など）であるか、磁化しにくい材料であることが望ましい。また、軸とリングとが締り嵌めであるため、少し大きなトルクがかかると、軸とリングとの間に、すべりが発生してしまうという難点がある。また、リングを実際のモータ軸などに取り付けるための工法開発も必要となる。このとき、トルク検出装置の取り付け位置にリングを勘合するには、段取りなどを考慮した設計見直しも伴うものと考えられる。
【０００８】
そして、図８に示したバンド状着磁方式のトルクセンサの場合には、リング嵌合方式で課題であったすべりの問題はないものの、軸材料を特殊な材料に変更することが必要である点や、図示したように局所的で、軸方向にはっきりと分離されたバンド状に着磁することができない点等に課題を有している。
【０００９】
本発明は、従来の磁歪式トルクセンサにおける上記課題に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、小型化、省電力化が可能であり、モータ軸やトランスミッションの出力軸など、各種の軸への取り付けが容易であって、これらの軸に掛かるトルクのリアルタイムモニタリングにも適用可能なトルク検出装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明者らは、上記課題の解決を目的として、モータの軸材料として実用されている材料を用いたバンド方式のトルクセンサの実現に向けて鋭意検討した結果、軸のトルク検出部とすべき部分に、１対の溝を軸の周方向に沿って設け、これら溝の間の位置（溝間部）に周方向に着磁された部分を設けることによって、良好なセンサ特性が得られることを見出し、本発明を完成するに到った。
【００１１】
本発明は上記知見に基づくものであって、本発明のトルク検出装置は、軸と磁気センサから成り、上記軸には１対の溝が周方向に形成されていると共に、これら溝の溝間部に周方向に着磁された着磁領域を備え、上記磁気センサが軸の上記溝間部に対向して配設されていることを特徴としている。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、軸の周方向に形成した１対の溝の間の部分である溝間部に、周方向の着磁領域が形成されていることから、溝間の領域内にのみ局部的に着磁領域を安定に形成することができると共に、ホール素子など小型の磁気センサを用いることによって、省電力小型で、経時安定性に優れ、信頼度の高いトルク検出装置を実現することができ、このようなトルク検出装置は、モータ軸やトランスミッションの出力軸などのトルクをリアルタイムにモニタするための装置として好適に使用し得るものとなる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明のトルク検出装置について、その実施の形態と共にさらに詳細に説明する。
【００１４】
本発明のトルク検出装置は、例えば図１に示すような構造を有し、基本的にモータ軸やトランスミッションの出力軸など、トルクを検出しようとする軸１と、例えばホール素子やホールＩＣなどから成る磁気センサ５を備えたものであって、上記軸１には、周方向に位置する１対の溝２，２が所定間隔Ａをおいて形成されていると共に、これら溝２，２の間の溝間部（幅Ａの部分）には、周方向に着磁された着磁部４（着磁領域）が形成され、上記磁気センサ５は、幅Ａを有する上記溝間部に対向する位置に配設されている。なお、本発明におけるホール素子、又はホールＩＣなどの磁気センサはアナログ出力のものである。
【００１５】
このとき、上記溝２，２の深さについては特に限定されないが、センサ特性を確保し、かつ機械的な強度も確保するという観点から０．５ｍｍから２．０ｍｍ程度の範囲とすることが望ましい。
また、当該溝２，２の間隔Ａについては、大きすぎると本発明の効果が認められにくくなると共に、センサの小型化に反することとなり、小さすぎると感度が低下する傾向があることから、５ｍｍから２０ｍｍ程度の範囲とすることが望ましい。
【００１６】
上記着磁部４は、図示したように、局所的で軸方向に分離されたバンド状に着磁することが望ましく、これによって検出感度を向上させることができる。バンド状着磁部の幅Ｂとしては、バンド状着磁部の形成の容易性から、上記溝間距離Ａ以内が望ましく、上記溝間距離Ａの１／２〜４／５の範囲、さらには溝間距離Ａの２／３程度とすることが望ましい。
【００１７】
また、上記磁気センサ５としては、上記したホール素子やホールＩＣなどのホールセンサの他には、ＭＩセンサなどをも使用することができるが、検出感度を大きくする観点から、図に示すように、幅Ａをなす溝間部の端部、すなわち溝２に近い位置に配置することが望ましい。
【００１８】
このような構造を有する本発明のトルク検出装置においては、トルク検出部が１個所であって、コイルを使用しないことから、溝方式のトルクセンサ（図６参照）に較べて省電力小型化が可能であり、軸１に直接着磁するようにしていることから、リング嵌合式トルクセンサ（図７参照）のようなリングのすべりが発生することがなく、軸１に１対の円周溝２，２を備えていることから、従来のバンド状着磁方式トルクセンサ（図８参照）に較べて、着磁部を溝間部内に局部的に、軸方向に区分されたバンド状に形成することができ、検出感度を向上させることができる。
また、軸１の材料を特殊な材料にする必要もなく、モータやトランスミッションの出力軸などへの取り付けも容易であり、これら出力軸をそのまま軸１とすることも可能であるが、これらの軸は熱処理されて使用されていることから、軸部の平坦加工及び溝加工後に、後述するような熱処理を施す必要がある。これらの熱処理によりセンサ特性が確保されることになる。
【００１９】
上記軸１には、上記円周溝２，２を形成した状態で、例えば高周波焼入れのような表面硬化処理を施すことが望ましい。
図２は、このような表面硬化処理を施した軸１における硬化組織パターンを示す概略断面図であって、対をなす溝２，２の存在によって、溝間部における熱処理組織や圧縮残留応力分布が均一化されており、これによって着磁部４の磁気特性が均質化されて、センサとして望ましい特性となるものと考えられる。なお、このときの表面硬化処理条件としては、硬化層深さが溝深さの半分程度以上とすることが望ましい。溝間の円筒部分において、圧縮残留応力分布は軸方向には均一であり、軸中心軸に対する対称性が確保されていることが良好なセンサを得るための要因と推定される。なお、このような圧縮残留応力分布を得るためには、熱処理組織が均一化されている必要がある。このような状態にあると、バンド着磁部における磁化分布も、周方向に比較的そろった磁化分布になっているものと推定される。
【００２０】
また、上記磁気センサ５には、例えば図３にも示すように、例えば珪素鋼板、電磁軟鉄、パーマロイなど、保磁力の小さいソフト（軟質）磁性材料から成るヨーク７を設けて集磁を図ることが望ましく、これによってセンサ感度をほぼ倍近くにすることができる。さらに、ヨーク７を用いることによって、上記した感度増加に加えて、外界からの電磁界ノイズに対する耐性を持たせることができると共に、軸１とのギャップ変動に対して鈍感にすることができる。
具体例として、ヨーク７には板厚０．５ｍｍ程度のＰＢパーマロイ（４０〜５０％Ｎｉ−Ｆｅ）を使用し、当該ヨーク７の軸１表面からの距離としては、図示したように磁気センサ５がヨーク７との中央になるような位置に配設するのが適切である。
【００２１】
さらに、磁気センサは２個用いることが望ましく、図３（ａ）及び（ｂ）に示すように、磁気センサ５に加えて第２の磁気センサ６を軸方向に並べ、これらを溝間部の端部、すなわち溝２に近い位置にそれぞれ配置することが望ましい。この場合、第２の磁気センサ６については、感度センスが逆であるから、減算する必要があり、それによってセンサ信号が加算されて２倍にすることができる。
このように２個のセンサ５，６を配置することにより、外部からのほぼ一様な磁界に対しては、その影響をキャンセルすることができるので、外乱に対する耐性がさらに増すことになる。
【００２２】
また、上記軸１の周方向着磁を常時リフレッシュするために、当該軸１を挟んだ上記磁気センサ５，６の反対側位置に着磁機構８を設けることも可能である。
このように、リフレッシュ機構である着磁機構８を常設することによって、センサ出力の長期安定性を図ることができ、万一、外乱磁界が印加されたとしても、センサ信号を確保することができるようになる。したがって、特にモータ出力軸用のトルクセンサとして、好適なものとなる。
【００２３】
図４（ａ）は、当該着磁機構８の外観形状を示すものであって、フェライトボンド磁石などの永久磁石９をヨーク１０，１０で挟持した構造をなし、図中の矢印方向に磁化されている（もちろん反対でも可。ただし、最初の着磁方向と一致させる必要がある。）。ここで、図３における軸１の表面とヨーク１０，１０との距離は、例えば１．０ｍｍ程度（軸１の径Ｄが２０ｍｍ程度の場合）とするのが適当である。
【００２４】
なお、着磁機構８としては、図４（ｂ）に示すようにヨークを用いることなく、永久磁石９のみであってもよい。
また、着磁機構８による周方向着磁の強さとしては、最初の周方向着磁の強さよりも弱くしたときに、良い成績が得られることが確認されている。
【実施例】
【００２５】
以下、本発明を実施例に基づいて具体的に説明する。なお、本発明は、これらの実施例のみに限定れることはない。
【００２６】
（発明例）
ＪＩＳ  Ｇ４０５１にＳ４０Ｃとして規定される機械構造用炭素鋼を用いて、図１に示すような形状を有し、軸径Ｄ＝１９ｍｍの被測定軸１を機械加工によって作製し、その周方向に半径１ｍｍの対を成す半円形断面の溝２，２を同じく機械加工によって形成した。このとき、上記溝２，２間の距離Ａを１６ｍｍとした。
【００２７】
次に、上記被測定軸１の溝２，２の近傍に高周波焼入れを施し、次いで１７０℃×２時間の焼戻し処理を行うことによって、図２に示したような表面硬化層を形成したのち、上記溝２，２の間の溝間部に、ＮｄＦｅＢ焼結磁石を用いて着磁部４をバンド状に形成した。このとき、着磁部４の狙い幅Ｂを１２ｍｍとした。
【００２８】
なお、表面硬化層の表面硬さは、ＨＲＣで５０以上狙い、有効硬化層深さについてはＨＲＣ４５以上となる深さで０．８ｍｍ以上狙いで高周波熱処理を行い、狙い通りの処理ができていた。
また、着磁方法については、非特許文献２に記載された方法に準拠し、幅１２ｍｍ、奥行き６ｍｍ、厚さ３ｍｍ（厚さ方向が容易磁化方向で、こちらに着磁されている）の磁石を、図３（ａ）の位置関係に軸（約２６０ｒｐｍにて回転）と対持させて行なった。軸に接近させてから、１ｍｍ径方向に離し、３分間保持し、その後、径方向に離した。全所用時間は約５分であった。
【００２９】
そして、図に示す位置に磁気センサであるホールセンサ５を配置すると共に、軸１にトルクを印加して、ホールセンサ５の出力を調べた。
なお、ホールセンサ５は、径方向の磁界を検知し、その感磁エリアは、約２ｍｍ２であって、エリアの中心は軸１の表面から約０．５ｍｍの位置にあった。
【００３０】
図５は、その結果を示すものであって、±５０Ｎｍのトルクに対して、ヒステリシスのほとんどない特性を示すことが判明した。
【００３１】
（比較例）
軸に１対の円周溝２，２を形成しなかったこと以外は、上記発明例と同じ操作を繰り返すことによって得られた軸を用いて、同一条件のもとにホールセンサの出力特性を同様に調査した。
その結果、図５に対応する特性は、レンズ状の特性となり、２０％程度のヒステリシスが認められ、トルクセンサとして使用に耐えない特性を示すことが確認された。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明のトルク検出装置の実施形態の一例を示す説明図である。
【図２】図１に示したトルク検出装置の軸における表面硬化組織を示す概略断面図である。
【図３】（ａ）本発明のトルク検出装置の他の実施形態例を示す説明図である。（ｂ）図３（ａ）の切断線Ｂ−Ｂについての断面図である。
【図４】（ａ）図３に示したトルク検出装置における着磁機構の形状例を示す説明図である。（ｂ）上記着磁機構の他の形状例を示す説明図である。
【図５】図１に示したトルク検出装置におけるセンサ出力特性データの一例を示すグラフである。
【図６】従来の溝方式トルクセンサの構造を示す概略説明図である。
【図７】従来のリング嵌合方式トルクセンサの構造を示す概略説明図である。
【図８】従来のバンド状着磁方式トルクセンサの構造を示す概略説明図である。
【符号の説明】
【００３３】
１    軸
２    溝
４    着磁部
５，６    ホールセンサ（磁気センサ）
７    ヨーク
８    着磁機構
９    フェライトボンド磁石（永久磁石）
【図１】
2006177844.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
2006177844.tif 000008
【図７】
2006177844.tif 000009
【図８】
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