(57)【要約】【課題】低コスト化や検出感度の向上が実現可能でありながら、同時に、装置の破損等を未然に防止可能で、トルクに対する強度を向上させることができるトルクセンサを提供する。【解決手段】トルクセンサ１０は、超磁歪部材を備え、且つ、一端１４Ａがベース１２に固定された略筒状の超磁歪ロッド１４と、この超磁歪ロッド１４の内側空間内を貫通して配設され、且つ、超磁歪ロッドの他端１４Ｂ側に、この超磁歪ロッド１４の内径よりも大径の上側プレート１６を備えたシャフト１８と、このシャフト１８における上側プレート１６を超磁歪ロッド１４の他端１４Ｂ側に付勢するためのばね２０と、超磁歪ロッド１４の変形に基づく超磁歪ロッド１４の透磁率又は残留磁化量の変化を検出可能な検出コイル２２と、を有して構成されている。そして、シャフト１８のトルクは、上側プレート１６と超磁歪ロッド１４との間に作用する摩擦力によって超磁歪ロッド１４に伝達可能とされている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁歪部材を備え、且つ、一端が固定部に固定された略筒状の磁歪ロッドと、該磁歪ロッドの内側空間内を貫通して配設され、且つ、前記磁歪ロッドの他端側に該磁歪ロッドの内径よりも大径の突出部を備えたシャフトと、該シャフトにおける前記突出部を前記磁歪ロッドの他端側に付勢するための弾性部材と、前記磁歪ロッドの変形に基づく該磁歪ロッドの透磁率又は残留磁化量の変化を検出可能な検出手段と、を有してなり、前記シャフトのトルクは、該シャフトの突出部と前記磁歪ロッドとの間に作用する摩擦力によって前記磁歪ロッドに伝達可能とされていることを特徴とするトルクセンサ。
【請求項２】
請求項１において、
前記弾性部材の付勢力は調整可能とされてい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２において、
前記磁歪ロッドには所定のバイアス磁界が印加されていることを特徴とするトルクセンサ。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれかにおいて、
前記シャフトの突出部は、前記磁歪ロッドの他端側の外径よりも大径とされてい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４のいずれかにおいて、
前記シャフトの突出部と前記磁歪ロッドとの間に弾性シートを介在させたことを特徴とするトルクセンサ。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれかにおいて、
前記検出手段は、前記磁歪ロッドの外周を囲むように配設された検出コイルを含み、前記磁歪ロッドの透磁率又は残留磁化量の変化を前記検出コイルのインダクタンス値の変化として検出するようにしたことを特徴とするトルクセンサ。
【請求項７】
請求項１乃至５のいずれかにおいて、
前記検出手段はホール素子を含み、前記磁歪ロッドの透磁率又は残留磁化量の変化を前記ホール素子の起電力変化として検出するようにしたことを特徴とするトルクセンサ。
【請求項８】
請求項１乃至５のいずれかにおいて、
前記検出手段は磁気抵抗効果素子を含み、前記磁歪ロッドの透磁率又は残留磁化量の変化を前記磁気抵抗効果素子の起電力変化として検出するようにしたことを特徴とするトルクセンサ。
【請求項９】
請求項１乃至８のいずれかにおいて、
前記磁歪部材は、超磁歪素子を材料とする超磁歪部材からな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、磁歪素子を用いたトルクセンサに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、磁歪素子の応力磁気効果を用いてトルクの変化を検出可能としたトルクセンサが広く知られている。このようなトルクセンサは、自動車ハンドルの回転操作力の検知等に適用され、所定の強度が必要とされる。
【０００３】
例えば、図１０に示されるトルクセンサ１は、複数の孔２Ａが形成された磁歪合金薄帯２をシャフト３の外周に接着固定して構成されている。このトルクセンサ１では、シャフト３のトルクが１箇所に集中しないように、トルクを磁歪合金薄帯２の複数の孔２Ａで分散させることによって、強度の向上が図られている。
【０００４】
【特許文献１】特開平７−１１３７０２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、この従来公知のトルクセンサ１は、シャフト３のトルクに対して、ある程度の強度を確保することができる一方で、磁歪合金薄帯２の加工や接着が困難でコスト高になってしまう上に、磁歪合金薄帯２における磁気特性の変化が小さく、検出感度の向上には限界があった。
【０００６】
本発明は、このような問題点を解決するためになされたものであって、低コスト化や検出感度の向上が実現可能でありながら、同時に、装置の破損等を未然に防止可能で、トルクに対する強度を向上させることができるトルクセンサを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の発明者は、鋭意研究の結果、低コスト化や検出感度の向上が実現可能でありながら、同時に、装置の破損等を未然に防止可能で、トルクに対する強度を向上させることができるトルクセンサを見出した。
【０００８】
即ち、次のような本発明により、上記目的を達成することができる。
【０００９】
（１）磁歪部材を備え、且つ、一端が固定部に固定された略筒状の磁歪ロッドと、該磁歪ロッドの内側空間内を貫通して配設され、且つ、前記磁歪ロッドの他端側に該磁歪ロッドの内径よりも大径の突出部を備えたシャフトと、該シャフトにおける前記突出部を前記磁歪ロッドの他端側に付勢するための弾性部材と、前記磁歪ロッドの変形に基づく該磁歪ロッドの透磁率又は残留磁化量の変化を検出可能な検出手段と、を有してなり、前記シャフトのトルクは、該シャフトの突出部と前記磁歪ロッドとの間に作用する摩擦力によって前記磁歪ロッドに伝達可能とされていることを特徴とするトルクセンサ。
【００１０】
（２）前記弾性部材の付勢力は調整可能とされていることを特徴とする前記（１）記載のトルクセンサ。
【００１１】
（３）前記磁歪ロッドには所定のバイアス磁界が印加されていることを特徴とする前記（１）又は（２）記載のトルクセンサ。
【００１２】
（４）前記シャフトの突出部は、前記磁歪ロッドの他端側の外径よりも大径とされていることを特徴とする前記（１）乃至（３）のいずれかに記載のトルクセンサ。
【００１３】
（５）前記シャフトの突出部と前記磁歪ロッドとの間に弾性シートを介在させたことを特徴とする前記（１）乃至（４）のいずれかに記載のトルクセンサ。
【００１４】
（６）前記検出手段は、前記磁歪ロッドの外周を囲むように配設された検出コイルを含み、前記磁歪ロッドの透磁率又は残留磁化量の変化を前記検出コイルのインダクタンス値の変化として検出するようにしたことを特徴とする前記（１）乃至（５）のいずれかに記載のトルクセンサ。
【００１５】
（７）前記検出手段はホール素子を含み、前記磁歪ロッドの透磁率又は残留磁化量の変化を前記ホール素子の起電力変化として検出するようにしたことを特徴とする前記（１）乃至（５）のいずれかに記載のトルクセンサ。
【００１６】
（８）前記検出手段は磁気抵抗効果素子を含み、前記磁歪ロッドの透磁率又は残留磁化量の変化を前記磁気抵抗効果素子の起電力変化として検出するようにしたことを特徴とする前記（１）乃至（５）のいずれかに記載のトルクセンサ。
【００１７】
（９）前記磁歪部材は、超磁歪素子を材料とする超磁歪部材からなることを特徴とする前記（１）乃至（８）のいずれかに記載のトルクセンサ。
【発明の効果】
【００１８】
本発明に係るトルクセンサによれば、低コスト化や検出感度の向上が実現可能でありながら、同時に、装置の破損等を未然に防止可能で、トルクに対する強度を向上させることができるという優れた効果を有する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
本発明に係るトルクセンサは、磁歪部材を備え、且つ、一端が固定部に固定された略筒状の磁歪ロッドと、該磁歪ロッドの内側空間内を貫通して配設され、且つ、前記磁歪ロッドの他端側に該磁歪ロッドの内径よりも大径の突出部を備えたシャフトと、該シャフトにおける前記突出部を前記磁歪ロッドの他端側に付勢するための弾性部材と、前記磁歪ロッドの変形に基づく該磁歪ロッドの透磁率又は残留磁化量の変化を検出可能な検出手段と、を有してなり、前記シャフトのトルクは、該シャフトの突出部と前記磁歪ロッドとの間に作用する摩擦力によって前記磁歪ロッドに伝達可能とされていることによって、上記課題を解決したものである。
【実施例１】
【００２０】
以下、図面を用いて、本発明の実施例１及び２に係るトルクセンサについて詳細に説明する。
【００２１】
図１及び図２に示されるように、本実施例１に係るトルクセンサ１０は、ベース（固定部）１２に下端１４Ａが固定された略円筒状の超磁歪ロッド１４と、この超磁歪ロッド１４の内側空間内を貫通して配設され、且つ、超磁歪ロッドの上端１４Ｂ側に上側プレート（突出部）１６を備えたシャフト１８と、このシャフト１８における上側プレート１６を超磁歪ロッド１４の上端１４Ｂ側に付勢するためのばね（弾性部材）２０と、超磁歪ロッド１４の変形に基づく超磁歪ロッド１４の透磁率又は残留磁化量の変化を検出可能な検出コイル（検出手段）２２と、を有して構成されている。
【００２２】
超磁歪ロッド１４は、超磁歪素子を材料としている。ここで、「超磁歪素子」とは、希土類元素および／または特定の遷移金属などを主成分（例えば、テルビウム、ジスプロシウム、鉄など）とする粉末焼結合金あるいは単結晶合金から作られた磁歪素子をいい、外部からの応力によって変形すると大きな透磁率又は残留磁化量の変化を生じる性質を有している。
【００２３】
シャフト１８の上方に配設された上側プレート１６は、この例では、略円板形状の部材からなり、その外径は、超磁歪ロッド１４における上端１４Ｂ側の外径よりも大径とされている。又、シャフト１８の上側プレート１６と超磁歪ロッド１４の上端１４Ｂとの間には、弾性シート２４が介在されている。
【００２４】
一方、シャフト１８の下方には、上側プレート１６と略同形状の下側プレート２６が配設されており、この下側プレート２６は、ナット２８によってシャフト１８に沿って上下動可能な構造となっている。又、この下側プレート２６とベース１２との間には、ばね２０が縮設されており、ばね２０の付勢力は、下側プレート２６を上下動させることによって調整が可能となっている。
【００２５】
検出コイル２２は、超磁歪ロッド１４の外周を囲むように配設されており、超磁歪ロッド１４の透磁率又は残留磁化量の変化を検出可能である。
【００２６】
次に、本実施例１に係るトルクセンサ１０の作用について説明する。
【００２７】
シャフト１８にトルクが加えられると、シャフト１８に固定された上側プレート１６がシャフト１８の捩れに伴って回転する。この上側プレート１６はばね２０によって超磁歪ロッド１４の上端１４Ｂ側に付勢されているため、シャフト１８のトルクは、上側プレート１６と超磁歪ロッド１４との間に作用する摩擦力によって超磁歪ロッド１４に伝達される。その結果、超磁歪部材１４に捻れ（変形）が生じ、この変形に基づいて超磁歪部材１４の透磁率又は残留磁化量が変化する。従って、この超磁歪部材１４の透磁率又は残留磁化率の変化を検出コイル２２のインダクタンス値の変化として検出すれば、シャフト１８のトルク変化を検出することができる。
【００２８】
本発明の発明者は、図３に示されるようなトルク測定器３０及びＬＣＲメータ３２を用いて、トルクセンサ１０のシャフト１８に印加されるトルクと、検出コイル２２におけるインダクタンス値の関係についてデータを採集した。なお、本実験では、外形８ｍｍ、内径５ｍｍ、長さ２０ｍｍの円筒形状の超磁歪ロッド１４と、線径０．２ｍｍ、線種ＵＥＷ、巻数２００ターン、コイル長０．１３ｃｍの検出コイル２２を用いた。又、超磁歪ロッド１４と上側プレート１６との間には、弾性シート２４としてテフロン（登録商標）シートを介在させた。
【００２９】
又、本実施例１に係るトルクセンサ１０との比較を行うために、図４に示されるような比較例１に係るトルクセンサ４０についても同様のデータを採取した。なお、この比較例１に係るトルクセンサ４０は、シャフト４２に固定された略円板形状のプレート４４を、超磁歪ロッド１４の上端１４Ｂに接着固定したものである。
【００３０】
その結果、比較例１に係るトルクセンサ４０は、図５に示されるように、トルクを０（ｃＮ・ｍ）から徐々に増加させていったところ、トルクが８０（ｃＮ・ｍ）を超えたあたりで超磁歪ロッド１４が破損に至った。
【００３１】
一方、本実施例１に係るトルクセンサ１０は、図６及び図７に示されるように、８０（ｃＮ・ｍ）を超えるトルクを加えた場合でも、トルクの最大値は５０（ｃＮ・ｍ）程度に抑止され、超磁歪ロッド１４が破損に至ることは無かった。これは、シャフト１８には８０（ｃＮ・ｍ）を超えるトルクが加えられたが、上側プレート１６と超磁歪ロッド１４との間に作用する摩擦力よりも超磁歪ロッド１４が元の形状に復帰しようとする力が大きくなった結果、上側プレート１６と超磁歪ロッド１４との間に滑りが発生し、超磁歪ロッド１４には５０（ｃＮ・ｍ）を超えるトルクが伝達されなかったことを意味する。なお、図６は超磁歪ロッド１４に６０ｋｇ／ｃｍ２の予荷重を印加した場合、図７は８０ｋｇ／ｃｍ２の予荷重を印加した場合のデータをそれぞれ示したものである。
【００３２】
本実施例１に係るトルクセンサ１０によれば、超磁歪部材を備え、且つ、一端１４Ａがベース（固定部）１２に固定された略筒状の超磁歪ロッド１４と、この超磁歪ロッド１４の内側空間内を貫通して配設され、且つ、超磁歪ロッドの他端１４Ｂ側に、この超磁歪ロッド１４の内径よりも大径の上側プレート（突出部）１６を備えたシャフト１８と、このシャフト１８における上側プレート１６を超磁歪ロッド１４の他端１４Ｂ側に付勢するためのばね（弾性部材）２０と、超磁歪ロッド１４の変形に基づく超磁歪ロッド１４の透磁率又は残留磁化量の変化を検出可能な検出コイル（検出手段）２２と、を有してなり、シャフト１８のトルクは、シャフト１８の上側プレート１６と超磁歪ロッド１４との間に作用する摩擦力によって超磁歪ロッド１４に伝達可能とされているため、シャフト１８から超磁歪ロッド１４に所定以上のトルクが伝達された場合、シャフト１８からのトルク伝達を遮断することができる。従って、超磁歪ロッド１４にシャフト１８から過大なトルクが加えられるのを防止することができ、超磁歪ロッド１４の破損等を未然に防止し、強度を向上させることができる。又、従来のトルクセンサに比べ、加工が容易で低コスト化が可能である上に、略筒状の超磁歪ロッド１４を用いているため、トルク変化の検出感度を向上させることができる。
【００３３】
特に、超磁歪素子を材料とする超磁歪ロッド１４を用いているため、トルク変化の検出感度をより一層高めることができる。
【００３４】
又、ばね（弾性部材）２０の付勢力は調整可能とされているため、上側プレート１６と超磁歪ロッド１４との間に作用する摩擦力を変化させることができ、シャフト１８から超磁歪ロッド１４に伝達可能なトルクの大きさを容易に調整することができる。
【００３５】
更に、シャフト１８の上側プレート（突出部）１６は、超磁歪ロッド１４の他端１４Ｂ側の外径よりも大径とされているため、上側プレート１６と超磁歪ロッド１４との接触面積を大きくすることができる。従って、シャフトの１８のトルクをより確実に超磁歪ロッド１４に伝達することができ、トルクの変化の検出感度を更に向上させることができる。
【００３６】
又、超磁歪ロッド１４と上側プレート１６との間に弾性シート２４を介在させたため、シャフト１８の軸方向の圧力を弾性シート２４で吸収しつつ、シャフト１８のトルクのみを超磁歪ロッド１４に効率的に伝達することができる。
【実施例２】
【００３７】
次に、図８を用いて、本発明の実施例２に係るトルクセンサ５０について詳細に説明する。
【００３８】
図に示されるように、本実施例２に係るトルクセンサ５０は、上記実施例１に係るトルクセンサ１０の超磁歪ロッド１４の軸方向両端に磁石５２をそれぞれ配設し、超磁歪ロッド１４に所定のバイアス磁界を印加したものである。なお、実施例１に係るトルクセンサ１０と同様な部分については、図中において同じ番号を付す事とし、その説明は省略する。
【００３９】
本実施例２に係るトルクセンサ５０によれば、超磁歪部材１４には所定のバイアス磁界が印加されているため、シャフト１８のトルク変化のみならず、シャフト１８の回転方向をも検出することができる。
【００４０】
なお、本発明に係るトルクセンサは、上記実施例１及び２に係るトルクセンサ１０、５０の形状や構造等に限定されるものではなく、例えば、超磁歪ロッド１４は円筒形状の部材に限定されず、角筒形状等の部材であってもよい。
【００４１】
又、シャフト１８の突出部を略円板形状の上側プレート１６によって構成したが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば、突出部をシャフト１８と一体的に形成してもよく、又、多角形形状等であってもよい。更に、本発明に係る弾性部材は、ばね２０に限定されるものではない。
【００４２】
更に又、ばね２０の付勢力を調整可能としたが、本発明はこれに限定されるものではなく、ばね２０の付勢力は一定でもよく、超磁歪ロッド１４が耐え得るトルクの値に基づいて最適設定すればよい。
【００４３】
又、本発明における検出手段は検出コイルに限定されるものではなく、例えば、図９に示されるトルクセンサ６０のように、検出手段としてホール素子６２（又はＭＲ、ＧＭＲ等の磁気抵抗効果素子）を適用し、超磁歪ロッド１４の透磁率又は残留磁化量の変化をホール素子６２（又は磁気抵抗効果素子）の起電力変化として検出するようにしてもよい。
【００４４】
なお、トルクセンサの検出感度が十分に得られる場合等には、超磁歪部材の代わりに、磁歪素子からなる磁歪部材を適用してもよい。
【００４５】
即ち、本発明に係るトルクセンサは、磁歪部材を備え、且つ、一端が固定部に固定された略筒状の磁歪ロッドと、該磁歪ロッドの内側空間内を貫通して配設され、且つ、前記磁歪ロッドの他端側に該磁歪ロッドの内径よりも大径の突出部を備えたシャフトと、該シャフトにおける前記突出部を前記磁歪ロッドの他端側に付勢するための弾性部材と、前記磁歪ロッドの変形に基づく該磁歪ロッドの透磁率又は残留磁化量の変化を検出可能な検出手段と、を有してなり、前記シャフトのトルクは、該シャフトの突出部と前記磁歪ロッドとの間に作用する摩擦力によって前記磁歪ロッドに伝達可能とされていればよい。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】本発明の実施例１に係るトルクセンサの略示側断面図
【図２】図１におけるII−II線に沿う略示断面図
【図３】本発明の実施例１に係るトルクセンサのトルクとインダクタンス値の測定手段を示す側断面図
【図４】比較例１に係るトルクセンサのトルクとインダクタンス値の測定手段を示す側断面図
【図５】比較例１に係るトルクセンサのトルクとインダクタンス値の関係を示すグラフ
【図６】本発明の実施例１に係るトルクセンサに６０ｋｇ／ｃｍ２の予荷重を印加した場合における、トルクとインダクタンス値の関係を示すグラフ
【図７】同トルクセンサに予荷重８０ｋｇ／ｃｍ２の予荷重を印加した場合における、トルクとインダクタンス値の関係を示すグラフ
【図８】本発明の実施例２に係るトルクセンサの略示側断面図
【図９】本発明の実施例１に係るトルクセンサの検出手段として磁気抵抗効果素子を適用した例を示す側断面図
【図１０】従来のトルクセンサの略示側断面図
【符号の説明】
【００４７】
１、１０、４０、５０、６０…トルクセンサ
２…磁歪合金薄帯
３…シャフト
１２…ベース
１４…超磁歪ロッド
１６、４２…シャフト
１８…上側プレート
２０…ばね
２２…検出コイル
２４…シート
２６…下側プレート
２８…ナット
３０…トルク測定器
３２…ＬＣＲメータ
４４…プレート
５２…磁石
６２…ホール素子
【図１】
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【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】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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