(57)【要約】【課題】  磁歪検出型の回転軸トルク検出装置において、回転軸への追加工を不要とし、さらに磁気ヘッドの励磁・検出コイルの巻線方法を簡素化して巻回数に依存した高感度化が容易な構造を提供する。【解決手段】  磁歪特性を有する回転軸１０に対して、空隙を介してＣ字形軟磁性体を周方向に並ベ、前記軟磁性部を回転軸に対して略４５度傾斜させ、その内周及び外周にコイルを巻回した磁気ヘッドによって、回転軸のねじり応力を精度良く検出する。【選択図】図８
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
巻線したＣ字形軟磁性体の空隙部を回転軸に対向させて回転軸の透磁率の変化を検出するトルクセンサであって、Ｃ字形軟磁性体はその端部どうしが前記空隙部で対向して最接近し、回転軸の軸方向に対して傾斜していることを特徴とするトルクセンサ。
【請求項２】
回転軸の軸方向に対するＣ字形軟磁性体の傾斜角度は＋３５〜＋５５度であることを特徴とする請求項１に記載のトルクセンサ。
【請求項３】
回転軸の軸方向に対するＣ字形軟磁性体の傾斜角度は−３５〜−５５度であることを特徴とする請求項１に記載のトルクセンサ。
【請求項４】
巻線した一対のＣ字形軟磁性体の空隙部を回転軸に対向させて回転軸の透磁率の変化を検出するトルクセンサであって、Ｃ字形軟磁性体はその端部どうしが前記空隙部で対向して最接近し、回転軸の軸方向に対して＋３５〜＋５５度および−３５〜−５５度それぞれ傾斜し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の何れかに記載のトルクセンサを回転軸周方向に等間隔に配置してなることを特徴とするトルクセンサ。
【請求項６】
Ｃ字形軟磁性体の回転軸に対向する底面は、回転軸表面の曲面に沿った形状であることを特徴とする請求項１乃至５の何れかに記載のトルクセンサ。
【請求項７】
前記空隙部はＣ字形軟磁性体と回転軸間の空隙に対して1.2〜5倍の大きさであることを特徴とする請求項１乃至６の何れかに記載のトルクセンサ。
【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装置に関するもので、特に自動車分野、産業機械分野などに適用するものである。
【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。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、応答性に優れ、高感度化が比較的容易であり、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なう従来手法に代わる方式として注目されている。
【０００３】
例えば特許文献１では、図１４（ａ）に示す様に、回転軸に傾斜角を有する磁性膜115を固着させて、回転軸外周のソレノイドコイルで励磁・検出を行なう手法が提案されている。ところが、この方式は回転軸に磁性膜を接着する等の追加工を施す必要があり、実用上、その磁性膜の剥離が信頼性の低下を招く。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。
【０００４】
また特許文献２では、図１４（ｂ）に示す様に、回転軸を無加工とし、ループコイルを一定の傾斜角を保ちながら配置することで特許文献１と同様にトルク検出を行なう手法が提案されている。この方式は軸への追加工が不要であるが、感度を高めるために軸の長手方向へ向かって広い領域を検出する必要があるので、装置の大型化が懸念される。
【０００５】
さらに特許文献３では、図１４（ｃ）に示す様に、特許文献２の課題を克服すべくコイル部分を大幅にコンパクト化する構造が提案されているが、コイル構造が複雑なため多数巻が困難であり、コイルの巻回数に依存した高感度化は実現し難い。
【０００６】
上記３種の構造は、何れもコイルが回転軸に隣接しているため、軸の回転振れや異物混入などの影響を受けてコイルが断線する危険性が高く、それらを防止して構造信頼性を確保するためにコイル部分を樹脂などで覆って補強したり、軸とコイル間の空隙を拡大して感度を犠牲にしたりといった回避策が必要になると思われる。
【０００７】
また特許文献４では、図１４（ｄ）に示す様に、回転軸の外周にＵ字形鉄心を設ける構造が記載されている。この場合、励磁専用及び検出専用の鉄心が必要であり、これらを回転軸の外周に複数並べようとすると、構造が複雑化してコンパクト化が困難となる。さらに複数個の鉄心に対してそれぞれコイルを巻回するため、生産性が悪い。
【０００８】
【特許文献１】特開平１−９４２３０
【特許文献２】特開平６−２７３２４７
【特許文献３】特開平６−１９４２３９
【特許文献４】特許２９０５５６１
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は、上述した従来の磁歪式トルク検出装置の信頼性、小型化、高感度化、生産性に関わる課題を解決するためのものである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本願第１の発明は、巻線したＣ字形軟磁性体の空隙部を回転軸に対向させて回転軸の透磁率の変化を検出するトルクセンサであって、Ｃ字形軟磁性体はその端部どうしが前記空隙部で対向して最接近し、回転軸の軸方向に対して傾斜していることを特徴とするトルクセンサである。
【００１１】
本発明で回転軸の軸方向に対するＣ字形軟磁性体の傾斜角度は＋３５〜＋５５度であることが好ましい。
【００１２】
本発明で回転軸の軸方向に対するＣ字形軟磁性体の傾斜角度は−３５〜−５５度であることが好ましい。
【００１３】
本願第２の発明は、巻線した一対のＣ字形軟磁性体の空隙部を回転軸に対向させて回転軸の透磁率の変化を検出するトルクセンサであって、Ｃ字形軟磁性体はその端部どうしが前記空隙部で対向して最接近し、回転軸の軸方向に対して＋３５〜＋５５度および−３５〜−５５度それぞれ傾斜していることを特徴とするトルクセンサである。
【００１４】
本願第３の発明は、本願第１又は２の発明のトルクセンサを回転軸周方向に等間隔に配置してなることを特徴とするトルクセンサである。
【００１５】
本願第１乃至３の発明のトルクセンサにおいて、Ｃ字形軟磁性体の回転軸に対向する底面は、回転軸表面の曲面に沿った形状であることが好ましい。
【００１６】
本願第１乃至３の発明のトルクセンサにおいて、前記空隙部はＣ字形軟磁性体と回転軸間の空隙に対して1.2〜5倍の大きさであることが好ましい。
【００１７】
以下に、磁歪検出型の回転軸トルク検出装置の原理とともに、本発明の特長を示す。センサに設けられた励磁コイルへ電流を流すと、コイル周辺には図１（ａ）に示す様な磁束201が発生する。コイルで発生する磁束201は、コイルと直交する面内で右ネジの法則に従って閉ループを形成する。また、コイルの巻き方など磁気回路の工夫によって、複数の閉磁路を形成する場合が多い。なお、軸の回転によってセンサとの相対位置が変化しても、軸に回転トルクが加わって歪が生じない限り透磁率が変化しないため、コイルのインダクタンスにも変化は生じない。
【００１８】
図１（ａ）の無負荷状態から、図１（ｂ）の様に軸へ回転トルクを付与すると、軸の長手方向に対して＋４５°と−４５°傾斜する方向に、引張応力（＋σ）と圧縮応力（−σ）とがそれぞれ直交しながら同時に発生する。ここで、正の磁歪を有する磁性材料に引張応力が加わると透磁率が増加し、逆に圧縮応力が加わると透磁率が減少する。
【００１９】
この透磁率の変化量や差分量を検出すれば、トルクの正負や絶対量を推定することができる。例えば、図１に示す様に軸に対して−４５°傾斜する方向に螺旋状の励磁コイルがあると仮定する。コイルで発生する磁束は、右ネジの法則に従って閉磁路を形成するので、コイルとは直交する＋４５°方向の面内における透磁率変化の影響を大きく受ける。ここで、＋４５°方向に引張応力が加わったと仮定すると、無負荷時に比べて磁束が流れ易くなるので、コイルのインダクタンスは無負荷時に比べて増加する。反対に圧縮応力が加わると、インダクタンスは減少する。
【００２０】
前記磁気ヘッドによって、そのインダクタンスの変化量からトルクを推定するには、無負荷時と＋４５°または−４５°のどちらか一方向の透磁率変化を検出すれば良いことになる。また、＋４５°と−４５°の両方向の透磁率変化を同時に検出し、その差分量を知ることで、より高精度にトルクを推定することが可能になる。＋４５°と−４５°の両方向の透磁率変化を同時に検出する手段としては、図２と図３に示す様な軟磁性体を図７のように組み合わせることで実現可能となる。
【００２１】
磁歪式の回転軸トルク検出装置では、軸に対して＋４５°および、または−４５°傾斜方向の透磁率変化を読み取ることが重要であり、特許文献１ではコイルを軸の回転方向に沿って傾斜角なくソレノイド状に巻回する代わりに、回転軸に±４５°傾斜する方向へ磁性膜を設けることで傾斜方向のみに磁束が流れる様に工夫している。また、特許文献２や特許文献３ではコイルに傾斜角を持たせることで軸トルクを検出可能にしている。
【００２２】
特許文献１の構造は、コイルが単純なソレノイド状のために多数巻が容易で、高感度化し易いという大きな特長を有するものの、軸への追加工が必要なことが信頼性や生産性を悪化させていた。
【００２３】
そこで本方式では回転軸を無加工とし、図４〜８に示すように回転軸３に対して空隙２２を介してＣ字形軟磁性体１,２,６,７,８〜１１,または１２〜１９が周方向に並んだ複数の磁極部を形成し、その軟磁性部が回転軸に対して傾斜角を有するとともに、磁極部へ励磁するためのコイル４または５が単純なソレノイド状であることを構造上の主な特徴としている。
【００２４】
軸への複雑な加工を不要にすることで、装着性と製造コストを大幅に改善することができる。また特許文献１の様に信頼性を損なうことがない。また、コイルをソレノイド状にできるので、巻回数に依存した高感度化が容易になる。さらに、コイルを回転軸から十分離れた位置に配置できるので、コイルが回転軸と接触し、断線する危険性を回避することができる。そしてさらに、回転軸とＣ字形軟磁性体との空隙を大幅に縮小して、高感度化を図ることも容易になる。
【００２５】
磁気ヘッドの構造として、前記Ｃ字形軟磁性体は回転軸の長手方向に対して絶対値で３５〜５５°の傾斜角度を有することが好ましい。なお、軟磁性部の傾斜角度は、回転軸のねじり応力が発生する方向である４５°に揃えるのが最も好ましい。しかし、回転軸と磁気ヘッド間の空隙部によって、磁束の流れる方向が若干変化するため、磁気ヘッドの軟磁性部の傾斜角度が理想値である４５°に対して±１０°の範囲でずれても、検出精度に顕著な差を生じることがない。
【００２６】
図６に示すように、隣り合うＣ字形軟磁性体、例えば８と９、９と１０、１０と１１、１１と５の間隔が等間隔かつ複数個を配置することによって、磁歪特性のばらつきがある回転軸であっても、回転軸周方向の透磁率変化の平均値を確実に検出することができる。また回転軸の振れ回りが起きても、安定した信号が得られる。
【００２７】
図２、３に示すように、Ｃ字形軟磁性体を回転軸に前記傾斜角度で装着した場合、Ｃ字形軟磁性体の底面は対向する回転軸表面の曲面に沿った形状が好ましい。この場合、底面が平面であるときよりも、回転軸に対する軟磁性部底面の面積が大きくなることから、信号を検出できる範囲が広くなり、透磁率変化を精確に検出することが可能となる。よってセンサ感度が高くなる。本発明の場合、実施例として外径φ18mm、空隙２２は1mmとしているので、この曲面はR10となる。また対向するＣ字形軟磁性体先端同士の空隙２１は近づいていた方が好ましい。この場合も、回転軸に対する軟磁性部底面の面積を大きくすることができるので、透磁率変化を精確に検出することが可能となる。ただし、空隙２１は回転軸とＣ字形軟磁性体間の空隙２２よりも大きい必要がある。仮に空隙２１を空隙２２よりも小さくした場合、軟磁性部先端から流れ出た磁束２０は回転軸表面よりも空隙２１を通り、対向する軟磁性部先端に流れ込む方が優勢となり、センサ感度を低下させる。しかし、空隙２１があまり大き過ぎると回転軸に対向する軟磁性部底面の面積が小さくなることからセンサ感度が低下するため好ましくない。空隙２１は空隙２２の1.2〜5倍の大きさであることが好ましい。
【００２８】
励磁・検出コイル４または５で発生する磁束２０は、磁気ヘッドの軟磁性体片ごと流れ、図８に示すように、Ｃ字形軟磁性体先端に流れ込んだ磁束は空隙２２を介して回転軸へ流れる。その回転軸へ流れ込んだ磁束が、対向するＣ字形軟磁性体先端に流れることで磁気回路を構成する。このように回転軸表面の±４５°に生じている透磁率を検出することが可能となる。ここで図８は図４のＣ字形軟磁性体１を正面にみた図である。
【００２９】
U字型コアよりC字型コアの方が好適である理由について説明する。回転軸にU字型またはC字型コアを1つ装着し、トルク0〜200Nmを付与したときの透磁率変化を測定した。なお、コアには代表例としてMn-Znフェライトを用い、その中心部に励磁・検出コイルを100ターン巻回し、検出周波数10kHz、励磁電流10mAとした。図９に空隙２１とセンサ感度の相関関係を示す。センサ感度Sは式（１）として定義した。
【００３０】
【数１】
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【００３１】
ここでTは回転軸に付与したトルク、△Lはトルク０Nmにおけるインダクタンスとトルク200Nmにおけるインダクタンスの差である。図９より、空隙２１が小さくなるにつれ、センサ感度が高くなることが明らかである。ただし前記したように、空隙２１は空隙２２よりも大きい必要がある。図９で空隙２１の9mmという設定は図１０(a)に示すU字型コアである。空隙1.5mm、3mmおよび5mmは図１０(b)に示すC字型コアである。U字型コア、すなわち空隙２１が大きい場合、図１１（a）に示すように回転軸表面に流れる磁束は疎である。一方、図１１(b)に示すようにC字型コア、すなわち空隙２１が小さい場合、回転軸表面に流れる磁束は密である。よってC字型コアの方が回転軸表面の±45°に生じている透磁率変化を検出しやすく、センサ感度が高くなる。
【００３２】
図１２にU字型コアの空隙２１を小さくした例を図示する。この場合、次の点が問題になる。
（１）図１２(b)に示すように、磁極先端以外からの漏れ磁束が多くなる。したがって回転軸表面に磁束が流れにくくなり、センサ感度が低下する。
（２）励磁／検出コイルを巻く場所が狭くなり、コイル巻き数が限定される。そのためセンサの高感度化が困難になる。
以上のことから、トルクセンサの磁極部分はU字型よりもC字型が好適である。
【００３３】
前記磁気ヘッドを得る手段として、互いの部品を切削や鍛造、鋳造などで個別に製作した後に、接着やネジ止め等によって組み立てを行なう手法が選択できる。
【００３４】
励磁・検出コイルの巻線方式としては、図１４（ｄ）のトルクセンサのごとく軟磁性体片の各々へソレノイド状に巻き付ける方式の他に、図４〜７に記載のごとくＣ字形軟磁性体を取り囲む様に一様に巻回することができる。この方式は、巻線作業が容易であり、回転軸が振動し、コイルと接触することによって断線する危険性が無いため、より高い構造信頼性を得ることができる。
【００３５】
さらに、図４〜７に記載のごとく、Ｃ字形軟磁性体の外周側面及び内周に励磁・検出コイルを設けることによって、回転軸表面の透磁率変化量を検出しトルクの絶対値とトルクの印加方向を識別することができる。このコイルの巻き方は個々のＣ字形軟磁性体にコイルを巻く手間が省け、製造プロセスが簡略化される。
【発明の効果】
【００３６】
本発明により、トルクを検出する回転軸への複雑な追加工が不要になる。また、回転軸の回転振れが生じた場合であっても、軸がコイルに接触し、断線させる危険性が無いことから、磁気ヘッド部分の構造信頼性が向上する。さらに、励磁・検出コイルの巻線処理が容易なため、装置全体としての生産性も向上する。また、コイルの巻数を容易に増やすことができ、高いセンサ感度が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３７】
以下、本発明の実施形態について図面とともに説明する。
【００３８】
（全体構成）
本発明の磁歪式トルク検出装置の一実施形態を示す。磁気ヘッドは図６に示すように、回転軸の長手方向に対して４５度の傾斜角を有する４つのＣ字形軟磁性体８〜１１が回転軸の外周方向に並んでいる。Ｃ字形軟磁性体はMn-Zn系フェライト、コイル４をボビン兼軟磁性部位置だし冶具に巻回し、コイル５はＣ字形軟磁性体の外周に巻回した。図６は前記Ｃ字形軟磁性体の外周側および内周側へ励磁・検出用のコイルを巻回して磁気ヘッドを形成し、被験物である回転軸１０を挿入した例を示す。なお、回転軸はニッケル・モリブデン鋼を使用した。
【００３９】
回転軸の外径はΦ18mm、ボビンの内径はΦ34mm、Ｃ字形軟磁性体と回転軸の空隙は1mmとした。励磁・検出コイルにはΦ0.5mmのエナメル線を使用し、ボビン及びＣ字形軟磁性体の外周側に１００ターンづつ巻回し、コイル同士を直列に接続した。なお交流電流の周波数は10ｋHzとした。
【００４０】
回転軸へ−２００〜＋２００Ｎｍのトルクを付与した時の、コイルのインダクタンス変化を実測したものを図１３に示す。図より、トルクを付与した時のインダクタンス変化は良好な直線性を示すことが解かる。従って、本発明の構成に回路処理を加えれば、極めて直線性の良い出力信号が得られることになる。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】本発明の一実施例に関わるトルク検出の原理を示す模式図である。
【図２】本発明の一実施例に関わるＣ字形軟磁性体の模式図である。
【図３】本発明の一実施例に関わるＣ字形軟磁性体の模式図である。
【図４】本発明の一実施例に関わるトルク検出装置の模式図である。
【図５】本発明の一実施例に関わるトルク検出装置の模式図である。
【図６】本発明の一実施例に関わるトルク検出装置の模式図である。
【図７】本発明の一実施例に関わるトルク検出装置の模式図である。
【図８】本発明の一実施例に関わるトルク検出装置の動作原理を示す図である。
【図９】空隙２１とセンサ感度の相関関係を示す図である。
【図１０】コアの形状を示す模式図である。
【図１１】回転軸表面の磁束の密度を表す模式図である。
【図１２】U字型コアの空隙２１を小さくした場合の磁束の漏れを表す模式図である。
【図１３】本発明の一実施例に関わる実験結果を示すグラフである。
【図１４】他の実施例を示す模式図である。
【符号の説明】
【００４２】
１：Ｃ字形軟磁性体A
２：Ｃ字形軟磁性体B
３：回転軸
４：励磁・検出コイルA
５：励磁・検出コイルB
６：Ｃ字形軟磁性体C
７：Ｃ字形軟磁性体D
８：Ｃ字形軟磁性体E
９：Ｃ字形軟磁性体F
10：Ｃ字形軟磁性体G
11：Ｃ字形軟磁性体H
12：Ｃ字形軟磁性体I
13：Ｃ字形軟磁性体J
14：Ｃ字形軟磁性体K
15：Ｃ字形軟磁性体L
16：Ｃ字形軟磁性体M
17：Ｃ字形軟磁性体N
18：Ｃ字形軟磁性体O
19：Ｃ字形軟磁性体P
20：磁束
21：Ｃ字形軟磁性体先端間の空隙
22：Ｃ字形軟磁性体と回転軸間の空隙
102：回転軸
110：軟磁性ヨーク
113：励磁・検出コイル
115：軟磁性体片
201：磁束
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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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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