(57)【要約】【課題】トルク受感部に磁気異方性を持たせるための加工が容易であるとともに高感度かつ高精度であり、さらにコストの低減も図ることのできる磁歪式トルクセンサを提供する。【解決手段】回転軸の表面に、当該回転軸の長手方向の中心軸に対して０度より大きく９０度より小さい角度をなす方向に磁気異方性を示す強磁性体製の薄膜が貼付されて成る第１および第２の受感部を備える。【選択図】      図１
2004184190.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転軸の周囲に磁場を与えるためのコイルを巻回し、外部から加わるトルクによる前記回転軸の歪に起因する前記コイルのインピーダンス変化に基づいて前記トルクを検知する磁歪式トルクセンサにおいて、
前記回転軸の表面に、当該回転軸の長手方向の中心軸に対して０度より大きく９０度より小さい角度をなす方向に磁気異方性を示す強磁性体製の薄膜が貼付されて成る第１および第２の受感部を備えたことを特徴とする磁歪式トルクセンサ。
【請求項２】
前記第１および第２の受感部は、前記回転軸の長手方向の中心軸と直交する軸のいずれかを対称軸として互いに対称な方向を指向する磁気異方性をそれぞれ有することを特徴とする請求項１記載の磁歪式トルクセンサ。
【請求項３】
前記薄膜は、エッチング処理によって磁気異方性を発現したものであることを特徴とする請求項１または２記載の磁歪式トルクセンサ。
【請求項４】
前記薄膜は樹脂フィルム上に積層され、この樹脂フィルムと一体で前記回転軸表面に貼付されたことを特徴とする請求項３記載の磁歪式トルクセンサ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、回転軸の周囲に磁場を与えるためのコイルを巻回し、外部から加わるトルクによる回転軸の歪に起因するコイルのインピーダンス変化に基づいてそのトルクを検知する磁歪式トルクセンサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
磁歪効果を利用した非接触式の磁歪式トルクセンサは、強磁性体から成る回転軸にトルクが加わるときの歪に応じた回転軸自身の透磁率変化により、その周囲に巻回されたコイルを含む交流抵抗のインピーダンス変化が生じ、このインピーダンス変化からトルクを検出するものである。
【０００３】
従来、このような磁歪式トルクセンサにおいて、トルクを正確に検知するとともに、温度特性を改善するために、トルクが作用する回転軸の中心軸線に対して傾斜した方向の磁気異方性を有する２組の磁歪材を、それぞれ逆方向を指向するように傾斜させて配置する試みがなされている。
【０００４】
例えば、以下に示す特許文献１では、トルク受感部をなす磁歪材にらせん状の溝を形成し、その磁歪材を一般鋼で挟む形で接合するによって磁気異方性を発現させる技術についての開示がなされている。
【０００５】
また、トルク受感部に磁歪材の膜を形成し、回転軸に対してねじり応力を加えた状態で熱処理を施すことによって磁気異方性を発現させ技術も提案されている（例えば、特許文献２を参照）。
【０００６】
【特許文献１】
特開２００１−３３０５２４号公報
【０００７】
【特許文献２】
特開２００２−８２０００号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来技術のうち、特許文献１に開示されている技術の場合、溝を形成するための加工が難しいために手間がかかり、トルクの検出特性にばらつきが生じる恐れがあるのは勿論のこと、非効率かつ高コストであった。
【０００９】
また、特許文献２に開示されている技術の場合、ねじり応力を加えた状態で熱処理を施すため、成膜室の大きさが制限される上、熱処理前の工程が増加するなど、やはり効率とコストの面で改善すべき点があった。
【００１０】
本発明は上記に鑑みてなされたものであり、その目的は、トルク受感部に磁気異方性を持たせるための加工が容易であるとともに高感度かつ高精度であり、さらにコストの低減も図ることのできる磁歪式トルクセンサを提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１記載の本発明は、回転軸の周囲に磁場を与えるためのコイルを巻回し、外部から加わるトルクによる前記回転軸の歪に起因する前記コイルのインピーダンス変化に基づいて前記トルクを検知する磁歪式トルクセンサにおいて、前記回転軸の表面に、当該回転軸の長手方向の中心軸に対して０度より大きく９０度より小さい角度をなす方向に磁気異方性を示す強磁性体製の薄膜が貼付されて成る第１および第２の受感部を備えたことを要旨とする。
【００１２】
請求項１記載の本発明によれば、回転軸の表面に、当該回転軸の長手方向の中心軸に対して０度より大きく９０度より小さい角度をなす方向に磁気異方性を示す強磁性体製の薄膜が貼付されて成る第１および第２の受感部を備えた磁歪式トルクセンサを提供することにより、トルク受感部に磁気異方性を持たせるための加工が容易であるとともに高感度かつ高精度であり、さらにコストの低減も実現することができる。
【００１３】
請求項２記載の本発明は、請求項１記載の発明において、前記第１および第２の受感部は、前記回転軸の長手方向の中心軸と直交する軸のいずれかを対称軸として互いに対称な方向を指向する磁気異方性をそれぞれ有することを要旨とする。
【００１４】
請求項２記載の本発明によれば、回転軸でトルクを受感する部分を二つ設け、各々の受感部が有する磁気異方性が、その回転軸の長手方向と垂直な方向に対して対称になるように二つの受感部を配置することにより、より高精度で温度特性を改善し得る磁歪式トルクセンサを提供することが可能となる。
【００１５】
請求項３記載の本発明は、請求項１または２記載の発明において、前記薄膜は、エッチング処理によって磁気異方性を発現したものであることを要旨とする。
【００１６】
請求項４記載の本発明は、前記薄膜は樹脂フィルム上に積層され、この樹脂フィルムと一体で前記回転軸表面に貼付されたことを要旨とする。
【００１７】
【発明の実施の形態】
次に、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。
【００１８】
図１は、本発明の一実施形態に係る磁歪式トルクセンサの構成を表す部分断面図である。同図に示す磁歪式トルクセンサ１は、外部からのトルクにより回転する回転軸１１、回転軸１１上でトルクを直接受感する受感部１３Ａおよび１３Ｂ（第１および第２の受感部）、受感部１３Ａおよび１３Ｂの周囲にそれぞれ巻回されるコイル１５Ａおよび１５Ｂ、以上の部位を収容するヨーク１７から少なくとも構成されている。
【００１９】
図２は、図１に示す磁歪式トルクセンサ１の矢視Ａ方向の側面図である。同図に示すように、磁歪式トルクセンサ１は側面が円筒形状をなしていることが好ましい。
【００２０】
回転軸１１は、ベアリング１９Ａおよび１９Ｂを介して磁歪式トルクセンサ１本体に対して回転可能に支持されている。この回転軸１１は、通過する磁束の状態に応じて非磁性体でもよいし強磁性体でもよい。図１においては、回転軸１１の両端は異なる形状をなしている。これは、ベアリング１９Ａ側をモータに連結する一方で、ベアリング１９Ｂ側をブレーキに連結し、そのモータで回転軸１１を回転させ、ブレーキをかけたときに生じるトルクが回転軸１１に加わる場合を想定しているためであるが、両端の構成はこれに限られるわけではなく、両端が他の形状を有する場合でも以後の説明は全く変わらない。
【００２１】
受感部１３Ａおよび１３Ｂは、回転軸１１の長手方向中心軸に対して、０度より大きく９０度より小さい所定の傾斜角をなす方向に磁気異方性を有している。磁気異方性とは、巨視的な磁化が一定方向を指向する傾向のことであり、外部磁場がないときに磁化が安定する方向、すなわち内部エネルギー（または磁気異方性エネルギー）が安定する方向は磁化容易軸と呼ばれる。
【００２２】
このような磁気異方性を持たせるために、回転軸１１のうち周囲にコイル１５Ａまたは１５Ｂが巻回されている部分の表面には、強磁性ステンレス鋼等の磁歪効果を有する強磁性体製の薄膜を縞上にエッチングしたものが貼付されている。なお、貼付される薄膜の回転軸長手方向の長さは、場合によってはコイル１５Ａまたは１５Ｂが外周に巻回されている部分より若干長くてもよいし、若干短くてもよい。
【００２３】
縞模様のエッチング処理を施す場合には、図１に示すように磁歪式トルクセンサ１の側面から見て回転軸１１の長手方向中心軸と４５度の角度をなすのが理論的にも好ましいが、少なくとも長手方向中心軸に平行または垂直でさえなければ磁気異方性は発現する。本実施形態においては、あえて４５度以外の角度にする必然性がないため、以後の説明においては、最適なエッチングを施したものとする。
【００２４】
図３は、前述した縞模様のエッチングを施した薄膜８１を用いて受感部１３Ａまたは１３Ｂを構成する際の概略を示す説明図である。同図に示すように、薄膜８１は回転軸１１に貼付されて受感部１３が構成される。
【００２５】
エッチングする際には、貼付工程等における薄膜８１の取り扱いが難しくなることもある。そこで、薄膜８１にポリイミド等の樹脂フィルムを熱圧着して積層したものにエッチングを施し、その樹脂フィルム付きの薄膜８１を回転軸に貼付する方法も考えられる。ちなみに、このような樹脂フィルム付き薄膜は市販されており、前述した積層工程を行う必要はない。
【００２６】
以上のように構成される受感部１３Ａおよび１３Ｂの周囲にコイル１５Ａおよび１５Ｂをそれぞれ巻回し、これらを、磁路を構成するためのヨーク１７に収納する。
【００２７】
ヨーク１７は磁性材料から成り、回転軸１１とともにコイルを流れる電流によって生じる磁束を還流させて磁束の磁路を構成する。
【００２８】
なお、図示はしないが、各コイルの外側にさらに２次コイルをそれぞれ巻回し、それらとコイル１５Ａおよび１５Ｂとの相互誘導を利用してトルクを検出する構成にすることも可能である。
【００２９】
また、図１は、あくまで磁歪式トルクセンサ１要部の構成を示すものであり、図面記載を簡略化している部分もある。例えば、磁歪式トルクセンサ１を適用対象に固定するためのネジ等の部材については記載を省略している。
【００３０】
図４は、外部からトルクが加わるときに受感部１３Ａおよび１３Ｂに加わる作用を模式的に示す説明図である。
【００３１】
このうち図４（ａ）は、受感部１３ＡがＰ方向に回転（図で受感部１３の左側面から見たときに反時計回りに回転）するトルクが加わっている。このようなトルクが加わると受感部１３Ａの表面では薄膜の形状に沿って引張ひずみが発生し、受感部１３Ａの透磁率が増加する。その結果、受感部１３Ａを貫通する磁束も増加する。
【００３２】
他方、図４（ｂ）は、図４（ａ）と同様に受感部１３ＢがＰ方向に回転するトルクが加わっている。この場合、受感部１３Ｂの磁化容易軸は図４（ａ）とは鉛直方向を対称軸として対称な方向を指向しているため、材料特性が図４（ａ）の場合と逆になり、受感部１３Ｂに圧縮ひずみが生じ、受感部１３Ｂの透磁率は減少する。その結果、受感部１３Ｂを貫通する磁束も減少する。
【００３３】
以上説明したように、回転軸１１上に磁化容易軸の方向が異なる二つの受感部１３Ａおよび１３Ｂとして、縞模様のエッチングを施した薄膜８１を回転軸１１の表面に貼付して構成することにより、トルクを受感するときの二つのコイル１５Ａおよび１５Ｂにおける自己インダクタンス変化の差がトルクの大きさに応じて大きくなるため、この差を差動増幅することによってトルクに対応するセンサ出力信号を得ることができる。このセンサ信号の大きさと出力値の正負により、トルクの大きさおよび方向を検出することができる。また、二つの受感部１３Ａおよび１３Ｂを用いれば、前述した感度の向上に加えて、温度特性の改善も実現することができる。
【００３４】
なお、二つの受感部の縞模様を逆にして本実施形態に係る磁歪式トルクセンサを構成することも勿論可能である。
【００３５】
従来のように、受感部の表面に溝等を設けることによって磁気異方性を発現させる場合には、切削加工または鍛造加工を行うための高度な技術が必要になる。これに対して本実施形態の磁歪式トルクセンサ１は、回転軸１１に薄膜８１を貼付するだけなので、容易に構成可能であり、加工時間の大幅な削減とコストダウンを図ることが可能となる。
【００３６】
以上説明した本発明の一実施形態によれば、軸に溝を掘ったり、スリーブにスリットを設けたりするような難しい切削加工を必要とせず、溶射等のように磁歪材に無駄が生じないため、材料費を軽減することができる。
【００３７】
また、本実施形態によれば、エッチングによって最適な磁気異方性を示す受感部を構成することができるので、磁歪式トルクセンサ自体の性能を向上させることができる。
【００３８】
なお、エッチングにより施される模様（パターン）は上述した縞模様に限られるわけではない。例えば、図５および図６に示すようなエッチング（４５度の傾斜角で同じパターンを繰り返すようなエッチング）を施した薄膜８１を用いても上記同様の効果を得ることができる。
【００３９】
以上説明した磁歪式トルクセンサは、例えば、電動アシスト自転車や電動車椅子等、人力に加えて電動モータを補助駆動力として利用する小型電動移動体において、人力によって外部から加わるトルクを検出する場合、あるいはオートバイ等の自動二輪車、四輪バギー、水上ビーグル等の操舵軸上に設けてハンドル操作時の回転トルクを検出するために好適である。これらの適用対象ごとに、磁歪式トルクセンサの大きさや回転軸の径、検出するトルクの絶対値および要求精度は異なる。しかしながら、その基本構成はいずれも上述したものに他ならない。
【００４０】
ところで、本発明は、以上説明した実施の形態のみに限られるわけではない。上述した実施の形態と同様の効果を奏する範囲内において、種々の設計変更等を行うことが可能であるとともに、前述した以外にもさまざまな適用例を想定することができることは勿論であり、この意味で、本発明は、上記実施形態と同様の効果を奏するさまざまな実施の形態等を含みうるものである。
【００４１】
【発明の効果】
以上の説明からも明らかなように、本発明によれば、トルク受感部に磁気異方性を持たせるための加工が容易であるとともに高感度かつ高精度であり、さらにコストの低減も図ることのできる磁歪式トルクセンサを提供することができる。
【００４２】
特に、本発明によれば、トルクを受感するのに最適な磁気異方性を容易に受感部に持たせることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係る磁歪式トルクセンサの構成を示す部分断面図である。
【図２】図１の矢視Ａ方向の側面図である。
【図３】縞模様のエッチングを施した薄膜により受感部を構成する場合の説明図である。
【図４】外部からトルクが加わり、受感部に透磁率変化が生じる場合の概略を示す説明図である。
【図５】薄膜に施される別なエッチングの例（パターン）を示す説明図である。
【図６】薄膜に施されるエッチングの第３例（パターン）を示す説明図である。
【符号の説明】
１  磁歪式トルクセンサ
１１  回転軸
１３、１３Ａ、１３Ｂ  受感部
１５Ａ、１５Ｂ  コイル
１７  ヨーク
１９Ａ、１９Ｂ  ベアリング
８１  薄膜
【図１】
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【図２】
2004184190.tif 000004
【図３】
2004184190.tif 000005
【図４】
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【図５】
2004184190.tif 000007
【図６】
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