(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】回転軸の表面に線状の磁歪材料が巻回されて成る第１および第２の受感部を備える。【選択図】      図１
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【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線状の磁歪材料が巻回されて成る第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】
前記磁歪材料は、軟磁性を持つ鉄系合金であ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または２記載の磁歪式トルクセンサ。
【請求項４】
前記線状の磁歪材料は、引張または圧縮の応力を加えて前記回転軸に固定されて成ることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項記載の磁歪式トルクセンサ。
【請求項５】
前記線状の磁歪材料は、端部が前記回転軸上に固定された弾性体であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項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線状の磁歪材料が巻回されて成る第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、回転軸の表面に線状の磁歪材料が巻回されて成る第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、前記磁歪材料は、軟磁性を持つ鉄系合金であることを要旨とする。
【００１４】
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。
【００１５】
請求項３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。
【００１６】
請求項４記載の本発明は、請求項１乃至３のいずれか１項記載の発明において、前記線状の磁歪材料は、引張または圧縮の応力を加えて前記回転軸に固定されて成ることを要旨とする。
【００１７】
請求項５記載の本発明は、請求項１乃至３のいずれか１項記載の発明において、前記線状の磁歪材料は、端部が前記回転軸上に固定された弾性体であることを要旨とする。
【００１８】
【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。
【００１９】
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。
【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】
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。
【００２２】
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、巨視的な磁化が磁性体の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。
【００２３】
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には、軟磁性を持つ鉄系合金等の磁歪材料から成る線状部材３１Ａおよび３１Ｂが複数の上述した方向に磁気異方性を発現するように稠密に巻回されている。すなわち、線状部材３１Ａおよび３１Ｂの回転軸１１の長手方向中心軸に対する傾斜方向は、磁気異方性によって磁化容易軸が指向する方向に一致する。なお、線状部材３１Ａおよび３１Ｂは、回転軸１１のうち外周にコイル１５Ａおよび１５Ｂが巻回されている部分にそれぞれ巻回されていればよいが、場合によっては当該部分より若干長く巻回されていてもよいし、若干短く巻回されていてもよい。
【００２４】
線状部材３１Ａおよび３１Ｂの回転軸１１に対する傾斜角は、回転軸１１の長手方向中心軸に対して４５度の角度をなしていることが理論的に好ましいが、それらの線状部材を回転軸１１に巻回する上で、４５度の角度をなすように実施することは技術的に難しいので、それ以外でも、回転軸１１の長手方向中心軸方向と平行にならないように、その方向に対して、少なくとも０度より大きく９０度より小さい傾斜角をなしていればよい。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
図１に示す場合には、線状部材３１Ａおよび３１Ｂを一条で回転軸１１の表面に巻回した場合を想定しているが、回転軸１１の長手方向中心軸に対する角度をできるだけ４５度に近づけるという意味では、多条巻きにする方が望ましい。しかしながら、一般的に多条巻きはその条数が増すにつれて巻回することが技術的に難しくなるため、磁歪式トルクセンサ１でセンシングが必要とされるトルクレンジや回転軸１１の軸径等の種々の条件との兼ね合いにより、条数は適宜変更される。
【００２８】
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。
【００２９】
図３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。
【００３０】
このうち図３（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、線状部材３１Ａには引張ひずみが発生して透磁率が増加する。その結果、受感部１３Ａを貫通する磁束も増加する。
【００３１】
他方、図３（ｂ）は、図３（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、線状部材３１Ｂは図３（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、歪の方向が図３（ａ）の場合と逆になり、線状部材３１Ａには圧縮ひずみが生じ、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。
【００３２】
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を線状部材３１Ａおよび３１Ｂの巻回によって設けることにより、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。
【００３３】
なお、二つの受感部に設けられる線状部材３１Ａおよび３１Ｂの傾斜方向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。
【００３４】
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に線状部材３１Ａおよび３１Ｂを巻回するだけなので、それらの線状部材を巻回することと、巻回した線状部材３１Ａおよび３１Ｂを回転軸１１上に固定する加工のみが必要とされる。このうち、巻回に関しては既存の機器で容易に実施できる上、その際に充分な引張または圧縮荷重を加えて固定すればよい。回転軸１１に各線状部材端部を固定する方法としては、例えば線状部材全体のろう付け加工なども想定される。また、回転軸１１で線状部材３１Ａおよび３１Ｂを巻回する部分の径をその部分の外側の径よりも若干細くして段差を設けることにより、線状部材３１Ａおよび３１Ｂの端部がその段差によって固定されるようにしてもよい。
【００３５】
このように、本実施形態に係る磁歪式トルクセンサ１によれば、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】
なお、上述したように、線状部材の径および数、並びに巻回するときの条数は、回転軸１１の軸径、適用対象に応じた所望の感度等に応じて適宜変化する。
【００３７】
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。
【００３８】
また、線状部材は一般に強度が高いため、この線状部材を巻回することによって受感部の強度を高めることが可能となる。
【００３９】
さらに、磁気焼鈍等の加工処理が不要なので、熱処理による回転軸の強度減も生じない。
【００４０】
ところで、線状部材としては、磁歪材料から成るばね等の弾性体である弾性部材を用いることもできる。このときには、弾性部材を引張または圧縮によって荷重を加え、回転軸１１に設けられる固定用の穴に端部を固着する方法も想定される。
【００４１】
図４は、一条の弾性部材４１Ａおよび４１Ｂを回転軸１１の表面にそれぞれ巻回した場合の説明図である。
【００４２】
また、図５は二条の弾性部材５１Ａ、５３Ａ、および５１Ｂ、５３Ｂをそれぞれ巻回した場合の回転軸１１にも受けられる受感部１３Ａおよび１３Ｂの構成を示す説明図である。
【００４３】
さらに、図６に示すように、平角線弾性部材６１Ａおよび６１Ｂを回転軸１１に巻回することも可能である。この場合には、受感部の断面積は前述した円形の弾性部材よりも減少するが、回転軸１１の長手方向中心軸に対する傾斜角度を４５度に近づけやすくなるため、センサの感度を向上させる上では好ましいのに加えて、センサをさらに小型化する上でも効果を発揮する。
【００４４】
また、図７に示すように、弾性部材７３Ａおよび７３Ｂの外周に、さらに弾性部材７１Ａおよび７１Ｂをそれぞれ巻回することによってセンサの感度向上を図ることも可能である。
【００４５】
以上説明した各弾性部材を回転軸１１上で固定する場合には、適用する弾性部材の内径が回転軸１１の径よりも小さいものにしておいて軽圧入した後、端部の固定を行ったり、弾性部材をろう付けしたりすることも可能である。
【００４６】
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。
【００４７】
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。
【００４８】
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、上記各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。
【００４９】
【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。
【００５０】
さらに本発明によれば、回転軸の周囲に巻回する線状部材は一般に強度が高いので、受感部全体の強度を高めることが可能となる。
【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】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４】一条の弾性部材を回転軸に巻回することにより受感部を構成する場合の説明図である。
【図５】二条の弾性部材を回転軸に巻回することにより受感部を構成する場合の説明図である。
【図６】平角線弾性部材を回転軸に巻回することにより受感部を構成する場合の説明図である。
【図７】二つの弾性部材を重ねて回転軸に巻回することにより受感部を構成する場合の説明図である。
【符号の説明】
１  磁歪式トルクセンサ
１１、２１  回転軸
１３、１３Ａ、１３Ｂ、２３、２３Ａ、２３Ｂ  受感部
１５Ａ、１５Ｂ、２５Ａ、２５Ｂ  コイル
１７、２７  ヨーク
１９Ａ、１９Ｂ、２９Ａ、２９Ｂ  ベアリング
３１Ａ、３１Ｂ  線状部材
４１Ａ、４１Ｂ、５１Ａ、５１Ｂ、５３Ａ、５３Ｂ、６３Ａ、６３Ｂ、７１Ａ、７１Ｂ、７３Ａ、７３Ｂ  弾性部材
６１Ａ、６１Ｂ  平角線弾性部材
【図１】
2004184189.tif 000003
【図２】
2004184189.tif 000004
【図３】
2004184189.tif 000005
【図４】
2004184189.tif 000006
【図５】
2004184189.tif 000007
【図６】
2004184189.tif 000008
【図７】
2004184189.tif 000009