JP2010054237A - Torque sensor - Google Patents
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Abstract
Description
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トルクセンサに関する。 The present invention relates to a torque sensor that detects the axial torque of a rotating shaft in a non-contact manner using magnetostriction characteristics.
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。この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、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う従来手法に代わる方式として注目されている。 For the power steering mechanism, engine control mechanism, power transmission mechanism, and the like of automobiles, a means for accurately detecting shaft torque has long been desired. By increasing the detection accuracy, precise control and efficiency can be improved, and various methods have been proposed so far. In particular, the method of detecting the shaft torque without contact using the magnetostrictive characteristics of the rotating shaft has a large overload capability, and is attracting attention as a method that replaces the conventional method of detecting the torque from the torsion amount of the torsion bar. .
この方式のトルクセンサとして、各種のものが提案されているが、いずれも、トルクによって発生する透磁率の変動、より具体的には、回転軸の軸方向に対して+45°と−45°の方向での透磁率の変動を検出コイルによって検出している。例えば特許文献1に開示の技術では、図23(a)に示すように、トルクを検出すべき回転軸502に、その軸方向に対して傾斜角を有する磁性膜503を固着させて、回転軸外周のソレノイドコイル504で励磁・検出を行う。ところが、この方式は回転軸へ追加工を施す必要があるため、磁性膜503の剥離など信頼性を損なうおそれがある。さらに、軸の専用化や大径化が必須となるため、装着性が悪いという問題もある。
Various types of torque sensors of this type have been proposed, but all of them vary in permeability caused by torque, more specifically, + 45 ° and −45 ° with respect to the axial direction of the rotating shaft. The fluctuation of the magnetic permeability in the direction is detected by the detection coil. For example, in the technique disclosed in Patent Document 1, as shown in FIG. 23 (a), a
このため、回転軸に全く加工を施さずに同様の機能を有するトルクセンサが提案された。例えば、特許文献2に開示の技術では、突起部を有する多数の磁気片を磁気ピンで磁気リングに取り付け磁気コアを構成し、さらに各磁気ピンにコイルを巻いてトルクセンサを構成している。
For this reason, a torque sensor having a similar function without any processing on the rotating shaft has been proposed. For example, in the technique disclosed in
また、特許文献3では、回転軸の周囲に非接触で巻回され回転軸を軸方向に沿って励磁する励磁コイルと、回転軸との間で独立した検出磁気回路を形成する複数の検出コアを、回転軸の励磁領域周囲に等間隔にリング状に配置して成る一体型成形の検出コア輪と、トルク伝達により変化する各コア内の磁界を検出する磁気検出部を含む構成をとっている。 Further, in Patent Document 3, a plurality of detection cores that form independent detection magnetic circuits between an excitation coil that is wound around the rotation axis in a non-contact manner and that excites the rotation axis in the axial direction, and the rotation axis. The detection core wheel is integrally formed by arranging the ring around the excitation region of the rotating shaft at equal intervals, and a magnetic detection unit that detects a magnetic field in each core that changes due to torque transmission. Yes.
しかしながら、改良が施された特許文献の技術であっても、依然として克服すべき課題があった。 However, there is still a problem to be overcome even with the improved technology of the patent literature.
例えば、特許文献2では、磁気リングが一体物であり、周方向で隣り合うコアは分離されておらず、磁気干渉により出力にノイズが発生した。この場合、トルクセンサの感度が低下するだけでなく、トルクの付与方向が識別できない。また、多数設けられた磁気ピン毎にコイルを巻くため、隣り合うコイル同士が干渉し、コイルの巻数を増やすことに限界があった。そのため、得られる出力が小さく感度が低かった。
For example, in
また、特許文献3の第1実施例では、先に述べた特許文献2と同様に、磁気リングが一体物のため、隣接する検出コア先端部において磁気干渉が生じ、トルクセンサとしての感度は極めて低かった。さらに同センサの励磁コイルは回転軸に対してソレノイド状に巻回され、検出コアは回転軸の軸方向に対して垂直に配置していた。回転軸に対してトルクが付与されると軸の軸方向に対して+45°と−45°に透磁率変化が生じるが、同センサでは、これらを切り分けて測定できない構造であった。すなわちトルクの付与方向を識別できないといった課題があった。
Further, in the first embodiment of Patent Document 3, as in
さらに特許文献3の第3実施例では上記磁気リングを用いないで、各々独立した検出用U字型コアとしていたが、隣り合うコア同士の間隔が狭く、コア同士で磁気干渉が生じ、感度が低下した。この場合も、上記した理由によって、トルクの絶対値は測定できるが、トルクの付与方向を識別できないので、同コア形状はトルクセンサとして不適であった。磁気干渉を考慮し、仮にU字型コアを1個乃至2個としても、軸表面の磁気特性が均一でない実用鋼材を用いた場合、出力電圧に変動が生じ、正確にトルクを測定することができなかった。すなわちゼロ点変動が大きくなり、トルクセンサとして不適であった。当然、この場合もトルクの付与方向を識別することはできなかった。 Furthermore, in the third embodiment of Patent Document 3, the magnetic rings are not used, and the detection U-shaped cores are independent from each other. However, the interval between adjacent cores is narrow, magnetic interference occurs between the cores, and the sensitivity is high. Declined. Also in this case, although the absolute value of the torque can be measured for the reason described above, the shape of the core is unsuitable as a torque sensor because the direction of torque application cannot be identified. In consideration of magnetic interference, even if one or two U-shaped cores are used, if a practical steel material with non-uniform magnetic properties on the shaft surface is used, the output voltage varies and torque can be measured accurately. could not. That is, the zero point fluctuation becomes large, which is not suitable as a torque sensor. Of course, in this case as well, the direction of torque application could not be identified.
本発明は、このような状況に鑑みてなされたものであり、その目的は、簡易な構造のトルクコアで、磁気コア同士の磁気干渉を低減し、センサの感度を高め、トルクの付与方向の識別を可能にするトルクコアの提供にある。 The present invention has been made in view of such a situation, and an object thereof is a torque core having a simple structure, which reduces magnetic interference between the magnetic cores, increases the sensitivity of the sensor, and identifies the direction in which the torque is applied. It is in providing a torque core that makes it possible.
本発明のトルクセンサは、2つのヨーク端部と、1つのヨーク中央部と、コイルを巻いたヨーク接続部とを有し、前記ヨーク中央部の両端側に前記ヨーク接続部を介して前記ヨーク端部が接続される磁気コアを複数備え、前記磁気コアは、おのおの、前記ヨーク端部と前記ヨーク中央部に形成される磁歪検出面の中央同士を結ぶ線がトルクセンサで検知しようとする回転軸の軸方向と所定の角度を為し、この複数の前記磁気コアが絶縁部材を介して支持されて磁気コアユニットを構成していることを特徴とするものである。 The torque sensor of the present invention has two yoke end portions, one yoke central portion, and a yoke connecting portion around which a coil is wound, and the yoke connecting portion is connected to both ends of the yoke central portion via the yoke connecting portion. A plurality of magnetic cores to which end portions are connected are provided, and each of the magnetic cores is a rotation which a line connecting the end portions of the yoke and the center of the magnetostriction detection surface formed at the central portion of the yoke is detected by a torque sensor. A predetermined angle is formed with respect to the axial direction of the shaft, and the plurality of magnetic cores are supported via insulating members to constitute a magnetic core unit.
上記トルクセンサは、一方の前記ヨーク端部と前記ヨーク中央部に形成される磁歪検出面の中央同士を結ぶ線がトルクセンサで検知しようとする回転軸の軸方向に対して+略45°に設定され、他方の前記ヨーク端部と前記ヨーク中央部に形成される磁歪検出面の中央同士を結ぶ線がトルクセンサで検知しようとする回転軸の軸方向に対して−略45°に設定されているものが好ましい。 In the torque sensor, a line connecting the centers of one of the yoke ends and the center of the magnetostriction detection surface formed at the yoke central portion is + 45 ° with respect to the axial direction of the rotating shaft to be detected by the torque sensor. The line connecting the other end of the yoke and the center of the magnetostriction detection surface formed at the center of the yoke is set to approximately 45 ° with respect to the axial direction of the rotating shaft to be detected by the torque sensor. Are preferred.
前記磁気コアは、コイルに流れる電流で励磁されたときに、前記ヨーク端部と前記ヨーク中央部に形成される磁歪検出面の中央同士を結ぶ線に沿った磁束成分が隣り合う磁気コアで逆向きとなるように前記磁気コアを構成することが好ましい。
隣り合う磁気コアがコイルを巻いた向きが逆であり、前記コイルを直列接続すると共に、直列接続状態にある隣り合う磁気コアのコイル同士は異なる側で接続されているものが適用できる。また、隣り合う磁気コアがコイルを巻いた向きが同じであり、前記コイルを直列接続すると共に、直列接続状態にある隣り合う磁気コアのコイル同士は同じ側で接続されているものが適用できる。
When the magnetic core is excited by the current flowing through the coil, the magnetic flux components along the line connecting the centers of the magnetostriction detection surfaces formed at the yoke end and the yoke center are reversed by the adjacent magnetic core. It is preferable to configure the magnetic core so as to be oriented.
The direction in which the adjacent magnetic cores are wound with the coils is reversed, and the coils of the adjacent magnetic cores connected in series are connected on different sides while being connected in series. Moreover, the direction which the adjacent magnetic core wound the coil is the same, and while connecting the said coil in series, the coil of the adjacent magnetic core in a serial connection state is connected on the same side is applicable.
前記コイルは、一方の前記ヨーク端部と前記ヨーク中央部の間のヨーク接続部に巻かれたコイルと、他方の前記ヨーク端部と前記ヨーク中央部の間のヨーク接続部に巻かれたコイルが、電気的に交互に繋がっていることが好ましい。 The coil includes a coil wound around a yoke connection portion between one of the yoke end portions and the yoke center portion, and a coil wound around a yoke connection portion between the other yoke end portion and the yoke center portion. However, it is preferable that they are electrically connected alternately.
前記所定の角度が、略45°に設定されていることが好ましい。略45°としては45°±10°程度が許容される(−略45°は、−45°±10°程度に相当する。)。 The predetermined angle is preferably set to approximately 45 °. About 45 ° ± 10 ° is allowed as about 45 ° (−about 45 ° corresponds to about −45 ° ± 10 °).
前記ヨーク接続部は前記ヨーク端部同士を磁気回路的につなげる部材であり、回転軸の軸方向において、ヨーク接続部の厚さ<ヨーク接続部の幅という構成を除外するものではない。ヨーク接続部の断面のアウトラインは、円形、楕円形、矩形、四角形及び6角形等の多角形のいずれとしてもよい。ただし、成形・焼結で作製するフェライトコアでヨーク接続部を構成するには、成形性がよく、欠けを抑制し歩留りが良いという観点から、断面のアウトラインが円形であるヨーク端部が好ましい。 The yoke connecting portion is a member that connects the yoke end portions in a magnetic circuit, and does not exclude the configuration of the thickness of the yoke connecting portion <the width of the yoke connecting portion in the axial direction of the rotating shaft. The outline of the cross section of the yoke connecting portion may be any of a polygon such as a circle, an ellipse, a rectangle, a rectangle, and a hexagon. However, in order to configure the yoke connection portion with a ferrite core produced by molding / sintering, a yoke end portion having a circular cross-sectional outline is preferable from the viewpoints of good moldability, suppressing chipping and good yield.
上記本発明のトルクセンサにおいて、前記ヨーク端部は線対称の2組の形状のものを作り、ヨーク中央部と組み合わせて磁気コアを構成することができる。部品形状の共通化によって、製造プロセスの数を抑え、組み立ての際の部品取り間違いを防げる。ヨーク端部は板状のものが好ましい。磁気コアユニットを組み立てた際に小型化を図ることができる。また、前記ヨーク中央部は、前記2組のヨーク接続部を張り合わせた一体の構造を用いることもできる。 In the above torque sensor of the present invention, the yoke end portions can be formed in two sets of line symmetrical shapes and combined with the yoke central portion to constitute a magnetic core. By sharing parts shapes, the number of manufacturing processes can be reduced, and mistakes in parts removal during assembly can be prevented. The yoke end is preferably plate-shaped. Miniaturization can be achieved when the magnetic core unit is assembled. Further, the yoke central portion may be an integral structure in which the two sets of yoke connecting portions are bonded together.
上記本発明のトルクセンサにおいて、前記ヨーク端部および前記ヨーク接続部が、Mn−Zn系フェライトで構成されていることが望ましい。Mn−Zn系フェライトの焼結体コアのなかでも抵抗率ρが高いものを用いると、磁気的な励磁と検出の効率を高くすることができる。さらに、特に高周波特性に優れるものを用いると、磁気的なロスが低く、キュリー温度が高いので自動車用途に適用し易い。 In the torque sensor of the present invention, it is preferable that the yoke end and the yoke connecting portion are made of Mn—Zn based ferrite. Among the sintered cores of Mn—Zn ferrite, those having a high resistivity ρ can increase the efficiency of magnetic excitation and detection. Furthermore, when a material having particularly excellent high-frequency characteristics is used, the magnetic loss is low and the Curie temperature is high, so that it is easy to apply to automobile applications.
磁気コアの数Nは4以上の偶数であり、例えばNは4〜36の範囲内の偶数とすることが好ましい。工作機械装置の場合、回転軸の直径を大きくすることもあり、回転軸のトルクを検知する際のゼロ点変動を抑制するためにはNを大きくすることが望ましい。自動車用途のように回転軸の直径がある程度の範囲に抑えられる場合、小型化及び軽量化の観点から、Nは4,6及び8のいずれかであることが好ましい。 The number N of magnetic cores is an even number of 4 or more. For example, N is preferably an even number within a range of 4 to 36. In the case of a machine tool device, the diameter of the rotating shaft may be increased, and it is desirable to increase N in order to suppress the zero point fluctuation when detecting the torque of the rotating shaft. When the diameter of the rotating shaft is limited to a certain range as in automotive applications, N is preferably any one of 4, 6 and 8 from the viewpoint of miniaturization and weight reduction.
前記コイルは、具体的には励磁用コイルと検出用コイルで構成される。いずれのコイルについても、励磁用コイルと検出用コイルは同じ向きに巻くことが好ましい。 Specifically, the coil includes an excitation coil and a detection coil. In any of the coils, the excitation coil and the detection coil are preferably wound in the same direction.
N個の磁気コアを支持する絶縁部材は、環状の非磁性部材で支持することが好ましい。前記環状の非磁性部材は、例えば一体成形できる樹脂を用いるが、80℃程度の環境温度に耐えられれば他の材料(非磁性の有機材料)に代替可能である。軟磁性体のヨーク端部同士を任意の間隔で、かつヨーク端部と回転軸表面間の空隙(磁気ギャップ)が一定に保てれば、円盤状でなくてもよい。ただし、前記環状の非磁性部材の中央には、回転軸を通すための軸孔が必要である。 The insulating member that supports the N magnetic cores is preferably supported by an annular nonmagnetic member. The annular nonmagnetic member uses, for example, a resin that can be integrally molded, but can be replaced with another material (nonmagnetic organic material) as long as it can withstand an environmental temperature of about 80 ° C. As long as the yoke ends of the soft magnetic material are spaced at an arbitrary interval and the gap (magnetic gap) between the yoke ends and the surface of the rotating shaft is kept constant, the shape may not be a disk shape. However, a shaft hole for passing the rotation shaft is required at the center of the annular nonmagnetic member.
ヨーク端部とヨーク接続部、ヨーク中央部とヨーク接続部は嵌合してもよい。この場合、いずれか一方に凹部を設け、その凹部に嵌る凸部を他方が有するのがよい。前記ヨーク端部とヨーク接続部は接着剤によって接着してもよい。前記ヨーク端部は、環状の非磁性部材(例えば非磁性リング)と嵌合してもよい。前記ヨーク端部と環状の非磁性部材は接着剤によって接着してもよい。 The yoke end portion and the yoke connection portion, and the yoke center portion and the yoke connection portion may be fitted. In this case, it is preferable that a concave portion is provided on one side, and the other has a convex portion that fits into the concave portion. The yoke end portion and the yoke connection portion may be bonded with an adhesive. The yoke end may be fitted with an annular nonmagnetic member (for example, a nonmagnetic ring). The yoke end and the annular non-magnetic member may be bonded with an adhesive.
また、前記ヨーク端部、ヨーク中央部の軸孔側の端面(磁歪検出面)は平面にすることもできる。ただし、好ましくは、磁歪検出面は対向する回転軸表面の形状に沿った曲面にする。回転軸の軸芯を基準にしてみたときに、曲面状の磁歪検出面と回転軸間の距離が均一になっていると、磁気的な励磁と検出の効率を良くすることができる。すなわち、ヨーク端部、ヨーク中央部と回転軸の磁気ギャップは機械的な寸法誤差、あるいは回転時に生ずる回転ぶれなどが生じても機械的に干渉しない寸法を設定しているのであるが、ヨーク端部、ヨーク中央部に形成された磁歪検出面を曲面状にすることによって、ヨーク端部、ヨーク中央部と回転軸との間の磁気抵抗を低減する事が可能となる。したがって、コイルのターン数やコイルに流す電流を大きくしなくても、高い磁束密度で磁気コアから回転軸に磁束を印加できる。また、ヨーク端部、ヨーク中央部の磁歪検出面を曲面状にすることによって、各々のヨーク端部においてヨーク端部と回転軸の間の磁気ギャップ長を均一にする事が可能となり、その結果、回転軸に印加される磁界が平均化され、いわゆる励磁ムラが抑制され、かつ、ヨーク端部、ヨーク中央部と回転軸の対向面積が大きい事から、回転軸表面で生じている透磁率変化を効率よく検出できる。すなわち、磁気コアの数を特に多くしなくても、ゼロ点変動を低減できる。 Further, the end surface (magnetostriction detection surface) on the shaft hole side of the yoke end portion and the yoke center portion may be flat. However, preferably, the magnetostriction detection surface is a curved surface along the shape of the opposing surface of the rotating shaft. If the distance between the curved magnetostrictive detection surface and the rotation axis is uniform when the axis of the rotation axis is taken as a reference, the efficiency of magnetic excitation and detection can be improved. In other words, the yoke end and the magnetic gap between the yoke center and the rotating shaft are set to dimensions that do not interfere mechanically even if mechanical dimensional errors or rotational fluctuations occur during rotation. By making the magnetostriction detection surface formed in the central part and the yoke central part into a curved surface, it becomes possible to reduce the magnetic resistance between the yoke end part, the yoke central part and the rotating shaft. Therefore, the magnetic flux can be applied from the magnetic core to the rotating shaft with a high magnetic flux density without increasing the number of turns of the coil and the current flowing through the coil. In addition, by making the magnetostriction detection surfaces of the yoke end and the yoke central part curved, it becomes possible to make the magnetic gap length between the yoke end and the rotating shaft uniform at each yoke end. The magnetic field applied to the rotating shaft is averaged, so-called uneven excitation is suppressed, and the yoke end, the central portion of the yoke and the rotating shaft have a large facing area, so that the magnetic permeability change occurring on the rotating shaft surface Can be detected efficiently. That is, the zero point fluctuation can be reduced without particularly increasing the number of magnetic cores.
また、前記磁気コアを複数設け、磁気コア同士を磁気的に離隔して配置することは、ゼロ点変動を抑制する上で好ましい。 In addition, it is preferable to provide a plurality of the magnetic cores and to dispose the magnetic cores magnetically apart from each other in order to suppress the zero point fluctuation.
また、磁路を形成可能な材料で構成された外装ヨーク部を付加し、その内部に該外装ヨーク部と磁気的に分離された前記磁気コアユニットを備える構成としてもよい。また、前記外装ヨーク部は円筒状とし、該外装ヨーク部は円環状の磁石を有する場合、前記外装ヨーク部の中には前記N個の磁気コアを収める。 Moreover, it is good also as a structure which adds the exterior yoke part comprised with the material which can form a magnetic path, and is equipped with the said magnetic core unit magnetically isolate | separated from this exterior yoke part. Further, when the exterior yoke portion is cylindrical and the exterior yoke portion has an annular magnet, the N magnetic cores are accommodated in the exterior yoke portion.
また、前記ヨーク端部及びヨーク接続部の材料としては、Ni−Zn系フェライト、鉄粉、Fe基アモルファス(薄帯を積層または粉砕・成形したものをヨークとする。)、Fe基ナノ結晶材料(薄帯を積層または粉砕・成形したものをヨークとする。)のいずれかを用いることもできる。 In addition, as materials for the yoke end portion and the yoke connection portion, Ni—Zn ferrite, iron powder, Fe-based amorphous (a laminate obtained by laminating or pulverizing and forming a ribbon is used as a yoke), Fe-based nanocrystalline material. (A yoke obtained by laminating or pulverizing and molding thin ribbons) can also be used.
前記ヨーク接続部は励磁用コイルと検出用コイルが環状に巻回される。これらコイルは、各々、コイルを巻いて樹脂で固めたもの或いはコイルをボビンに巻きつけたもので構成できる。樹脂で固める形状やボビンの形状は円形や矩形等としてもよい。さらに、ヨーク端部には、前記励磁用コイルと検出用コイルに加え、環状に巻回されたシェイキング磁界重畳用コイルを備えてもよい。また、シェイキング磁界重畳用コイルは前記ヨーク端部と回転軸表面の間に、回転軸の周囲を取り巻くように環状に巻回してもよい。ここでシェイキング磁界とは、ヒステリシスの原因の1つである回転軸表面近傍のピンニングの影響を低減する目的でシャフトに印加する磁界である。シェイキング磁界は前記励磁用コイルまたはシェイキング磁界重畳用コイルに、励磁周波数とは異なる周波数の交流電圧を印加することによって得られる。ヒステリシス低減を実現するために、回転軸表面に磁性膜を貼り付ける等の特別な加工を施す手法が提案されているが、回転軸の信頼性を損なう。一方、シェイキング磁界の重畳は、回転軸に特別な加工を施すことなく、回転軸に対して非接触でヒステリシスの低減が可能となる。 In the yoke connection portion, an exciting coil and a detecting coil are wound in an annular shape. Each of these coils can be constituted by winding a coil and hardening it with a resin, or winding a coil around a bobbin. The shape solidified with resin and the shape of the bobbin may be circular or rectangular. Furthermore, in addition to the excitation coil and the detection coil, a shaking magnetic field superimposing coil wound in an annular shape may be provided at the yoke end. The shaking magnetic field superimposing coil may be wound in an annular shape so as to surround the periphery of the rotating shaft between the yoke end and the rotating shaft surface. Here, the shaking magnetic field is a magnetic field applied to the shaft for the purpose of reducing the influence of pinning in the vicinity of the rotating shaft surface, which is one of the causes of hysteresis. The shaking magnetic field is obtained by applying an AC voltage having a frequency different from the excitation frequency to the exciting coil or the shaking magnetic field superimposing coil. In order to reduce the hysteresis, a technique for applying a special process such as attaching a magnetic film to the surface of the rotating shaft has been proposed, but the reliability of the rotating shaft is impaired. On the other hand, the superposition of the shaking magnetic field makes it possible to reduce the hysteresis in a non-contact manner with respect to the rotating shaft without performing special processing on the rotating shaft.
本発明によれば、簡易な構造でありながら、磁気コア同士の磁気的干渉が抑えられるトルクセンサを提供できる。その結果、トルクセンサによって高い出力が得られ、さらにトルク付与方向の識別が可能となる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, although it is a simple structure, the torque sensor which can suppress the magnetic interference between magnetic cores can be provided. As a result, a high output can be obtained by the torque sensor, and the torque application direction can be identified.
つぎに、本発明を実施するための最良の形態(以下、単に「実施形態」という)を、図面を参照して具体的に説明する。 Next, the best mode for carrying out the present invention (hereinafter simply referred to as “embodiment”) will be specifically described with reference to the drawings.
(第1の実施形態)
図1は、第1の実施形態に係るトルクセンサ10の構造を示す図である。図1(a)は上部から見た図を示し、図2(b)はA−A’の断面図を示している。なお、以下に示す図面においては、図面が煩雑になるのを避け理解を容易にするために適宜符号を省略する。
(First embodiment)
FIG. 1 is a diagram illustrating a structure of a
このトルクセンサ10は、磁歪特性を利用して回転軸90に印加されるトルクを検出する。背景技術で上述した通り磁歪特性を利用するため、トルクセンサ10は、回転軸90の軸方向に対して+45°の透磁率の変動を検出する図中下側と、−45°の透磁率の変動を検出する図中上側の測定ユニットを有する。この2方向の透磁率変化を測定することにより、回転軸90に印加されたトルクの向き及び大きさを検出する。回転軸90は磁歪材料で形成され、例えばニッケル・クロム・モリブデン鋼で形成される。この材料は例えば自動車のエンジンにおけるクランクシャフト材として一般に使用される。
The
また、ヨーク端部は、一般的なハウジング(図示せず)に収容されており、例えばモールド材(図示せず)を用いて固定される。また、ハウジングには、導出部が設けられ、この中に外部回路が設けられる。外部回路には、後述する各コイルに電力を供給したり、検出された出力信号を取得する。また、ハウジングの周囲に設けられた固定用ボルト孔に固定用ボルトを貫通させ、外部の固定箇所にネジ止めすることによってハウジングが固定される。 The yoke end is housed in a general housing (not shown), and is fixed using, for example, a molding material (not shown). Further, the housing is provided with a lead-out portion, and an external circuit is provided therein. The external circuit supplies power to each coil, which will be described later, and acquires a detected output signal. Further, the housing is fixed by passing the fixing bolt through a fixing bolt hole provided around the housing and screwing it to an external fixing location.
図2は、磁気コアユニット20の外観を示す斜視図である。また図3は1個の磁気コアユニットを説明するための斜視図である。ここで1個の磁気コアユニットとは板状のヨーク端部220a及びそれと左右対称に作られた板状のヨーク端部220b(ヨーク端部の具体例)と、この2つのヨーク端部の平面同士を接触させた形状のヨーク中央部と、ヨーク中央部の上下側両方でヨーク端部との接続をなしている円筒状のヨーク接続部240(ヨーク接続部の具体例)で構成されたユニットを指す。それぞれのヨーク接続部240には励磁用コイル214a〜214dと検出用コイル215a〜215dが巻回されたボビン250が取り付けられる。第1非磁性リング230a、第2非磁性リング230bの中心には、回転軸90が挿入可能な軸孔228が形成されている。なお、磁気コアユニット20は、前記磁気コアが4個含まれる構成となる。
FIG. 2 is a perspective view showing an appearance of the
図4(a)(b)はそれぞれ第1ヨーク端部220aの上面および底面から見た斜視図である。また図5は4個の板状のヨーク端部220aを第1非磁性リング230aに取り付けたときの斜視図である。同図(a)はヨーク端部の上面からみた斜視図であり、同図(b)は第1非磁性リングの底面からみた斜視図である。ヨーク端部220aは、第1非磁性リング230aの軸孔の中心からみて等角度な間隔で周方向に並べて(0°,90°,180°,270°の位置)、第1非磁性リング230aに取り付けられる。非磁性リングおよびヨーク端部には所定の位置に孔270が設けられている。これらは、孔を有するヨーク接続部240、励磁用コイル及び検出用コイルを巻回したボビン250、ヨーク中央部220c、他方のヨーク接続部220b、そして第2非磁性リング230bとともに孔の位置を揃えてボルト及びナットで締結するために用いられる。なお、図示は省略したが、他方のヨーク端部220bも同様に第2非磁性リング230bに取り付けられる。但し、図5に示すものとは左右対称の形状となる。
4A and 4B are perspective views of the
非磁性リング230a及び230bには、所定の位置に凸部231aを設けることで、等間隔にヨーク端部を取り付けることができる。磁気コアユニット20に軸を挿入した場合、それぞれ等間隔に取り付けられたそれぞれのヨーク端部とヨーク中央部は、その軸孔側の端面と回転軸表面間の空隙(磁気ギャップ)が同じ寸法になる。ここで回転軸表面と対向するヨーク端部の軸孔側の端面(磁歪検出面)は回転軸表面の形状に沿った曲面を有する。ヨーク端部220aが有する磁歪検出面を260a、ヨーク端部が有するこの曲面(磁極面)を260bとする。
The
図6は図5を平面図及び断面図で示した。図6(a)は平面図を示し、図6(b)はA−A’の断面図、図6(c)は下面図を示している。なお、同図では非磁性リングの一部の図示を省略している。ヨーク端部220aにおいて低く(厚さを薄く)形成されている面をヨーク板状部221といい、外周が直径R11で高さh1のリング形状の一部である。なお、この高さh1は、ヨーク接続部221の底面224を基準としており、以下の高さh2も同様である。
FIG. 6 shows FIG. 5 in a plan view and a cross-sectional view. 6A is a plan view, FIG. 6B is a cross-sectional view of A-A ′, and FIG. 6C is a bottom view. In the figure, a part of the nonmagnetic ring is not shown. A surface formed low (thinner thickness) at the
ヨーク端部220aにおいてヨーク板状部221より高く形成されている凸部223は空隙(磁気ギャップ)を介して回転軸の軸表面と対向し、回転軸の励磁とトルク付与によって生じる透磁率変化の検出に大きく寄与する。223は外周が直径R12、内周が直径R13のリングの1部分と同形状であって、高さh2となるように形成されている。したがって、ヨーク板状部221と凸部223の間には高さh2−h1の段差が形成されている。また、第2ヨーク端部220bは、上述の通りヨーク端部220aと同様の形状である。
A
ヨーク端部220a,220b,ヨーク中央部の材料には、フェライトではMn−Zn系フェライト、Ni−Zn系フェライトが好ましい。この他、粉末では純鉄粉、Fe−Al−Si系センダスト粉、Fe基アモルファス材やFe基ナノ結晶材である非晶質金属粉などが好ましく、さらに、それら材料の粒径は200μm以下が好ましい。また非磁性リングに用いられる非磁性材としては80℃程度で熱変形が生じ難い樹脂や真鍮などのCu−Zn系合金やAl−Si系合金などが好ましい。真鍮などのCu−Zn系合金やAl−Si系合金などをプレス加工で成形する場合、それら材料の粒径は200μm以下が好ましい。また、軟磁性体(ヨーク端部、ヨーク中央部や円筒状ヨーク)と非磁性リングを上記した粉末材料で作製する場合は、それぞれ別々に仮成形体として形成され、第1及び第2ヨーク端部220a,220bと非磁性部とを組み合わせ、高圧により本成形することでリング形状とする(以下、この成形方法を2色成形と呼ぶ)。なお、バインダとして、各材料粉への分散性等を考慮して、平均粒径が100μm以下の熱可塑性樹脂を使用できる。なお、円筒状ヨーク240はヨーク端部220a,220bに関する材料及び形成手順と同じでよい。
As materials for the
図7はヨーク中央部を説明するための図である。図は図6のヨーク端部と組み合わせる場合の配置で書かれている。ヨーク中央部は図7(a)に示すように、投影図でみれば図6のヨーク端部と左右対称の形をしている。また、板状部分229の厚さは図6のヨーク端部のヨーク板状部221よりも厚く形成されている。板状部分229の厚さは図6のヨーク端部のヨーク板状部221に対して2杯の厚さを持つことが好ましい。これは上下側に両方ヨーク端部が設置され、両方からの磁束がこのヨーク中央部に集中するために磁束をその分だけ通過させやすくするためである。また、同様の理由で磁歪検出面となる凸部225での磁歪検出面の面積は、ヨーク中央部のそれと比べて2倍となることが好ましい。また、ヨーク中央部は図7(b)に示すように上下で対照になるように形成され、一方にはヨーク端部220aが、他方にはヨーク端部220bがヨーク接続部240を介して配置される。
FIG. 7 is a view for explaining the central portion of the yoke. The figure is written in an arrangement when combined with the yoke end of FIG. As shown in FIG. 7A, the central portion of the yoke is symmetrical to the yoke end portion of FIG. Further, the thickness of the plate-
つづいて、磁気コアユニット20の組立手順を簡単に説明する。円筒状ヨーク240が、第1非磁性リングで支持したヨーク端部220aに上から載せるように貫通孔270で結合される。次に円筒状のヨーク接続部240に励磁用コイルと検出用コイルを巻回したボビン250を挿入する。さらにヨーク中央部を被せてヨーク接続部が貫通孔280で結合される。さらに、ヨーク中央部の他方の側にヨーク接続部240が設置され、さらに上面にヨーク端部220bを結合させる。この際、各々の部材に形成しておいた貫通孔270の位置を合わせ、連なった貫通孔にボルトを通し、ナットで締結することもできる。
Next, the assembly procedure of the
これによって、ヨーク端部220a、ヨーク接続部240、ヨーク中央部220c、ヨーク接続部240、そしてヨーク端部220bの順に重ねて接合され、図2に示したように、励磁用コイル及び検出用コイルを巻回したボビン250を有する4個の磁気コアを含む磁気コアユニット20が完成する。
As a result, the
非磁性リング及びヨーク端部が環状部を構成しているので、磁気コアユニットの組立が容易になっている。非磁性リングには、4つの凸部が形成されており、隣り合う凸部の間の凹みはヨーク端部を嵌めこめる形状となっている。さらに、凸部と非磁性リングの周縁の間には前記凹みと同じ深さの溝が形成されており、ヨーク端部を嵌めこみ易い。非磁性リングによって隣り合う磁気コアは磁気的に離隔されている。広い磁極面を有する磁気コアが回転軸を密に取り囲んでおり、回転軸表面の磁束密度分布をほぼ均一にすることができる。 Since the non-magnetic ring and the yoke end constitute an annular portion, the assembly of the magnetic core unit is facilitated. The nonmagnetic ring is formed with four convex portions, and the recess between adjacent convex portions is shaped to fit the yoke end. Furthermore, a groove having the same depth as the recess is formed between the convex portion and the peripheral edge of the nonmagnetic ring, and the yoke end portion can be easily fitted. Adjacent magnetic cores are magnetically separated by a non-magnetic ring. A magnetic core having a wide magnetic pole surface surrounds the rotating shaft closely, and the magnetic flux density distribution on the surface of the rotating shaft can be made substantially uniform.
従来技術のようにリングコア内周の突出した磁極にコイルを巻くことは難しく工数がかかる。これに対して本発明の構成では、柱状のヨーク接続部毎にコイル又はコイル付きボビンを挿入し易く、工数を短縮できる。
なお、一方のヨーク端部とヨーク接続部を予め一体に成形しておけば、ボビンを前記円筒状ヨークに挿入し、ヨーク中央部と組合わせて1組の磁気コアを構成することもできる。さらに、ヨーク接続部の高さを調整することにより、一方のヨーク端部とヨーク接続部を予め一体に成形し、ヨーク接続部とヨーク中央部を一体に成形して、両者を組み合わせて磁気コアを構成することも可能である。
As in the prior art, it is difficult and time-consuming to wind a coil around the projecting magnetic pole on the inner periphery of the ring core. On the other hand, in the structure of this invention, it is easy to insert a coil or a bobbin with a coil for every columnar yoke connection part, and can reduce a man-hour.
If one yoke end and yoke connecting portion are formed integrally in advance, a bobbin can be inserted into the cylindrical yoke and combined with the yoke central portion to form a set of magnetic cores. Further, by adjusting the height of the yoke connecting portion, one yoke end and the yoke connecting portion are integrally molded in advance, the yoke connecting portion and the yoke central portion are integrally molded, and the two are combined to form a magnetic core. It is also possible to configure.
図8は、任意の1個の磁気コアおけるヨーク端部220a、ヨーク中央部220c及びヨーク端部220bの、回転軸90に対向する端面260a,260b,260cと、回転軸90との位置関係を模式的に示した図である。本図に示すように、2つの端面260b,260cの中心を結ぶ線L1と、回転軸90の軸方向とは、+45°をなす。2つの端面260c,260aの中心を結ぶ線L2と、回転軸90の軸方向とは、−45°をなす。
FIG. 8 shows the positional relationship between the
図9は、トルクセンサ10における、回路結線を示した図であり、図10はトルクと出力電圧の関係を示したグラフである。第1磁気コアユニット20で検出される第1出力VL1と第2磁気コアユニット120で検出される第2出力VR1は、同期検波回路99aを通り、オペアンプ99bに入力される。その結果、最終出力VO1が得られる。なお、第2出力VR1は、オペアンプ99bに反転入力される。トルクセンサ10では、磁気コア及び回転軸は電気回路的にはトランスの磁芯のように機能する。そこで、図9では、磁気コア及び回転軸を2本の太線で表わす。
FIG. 9 is a diagram showing circuit connections in the
なお、図9では隣り合う励磁用コイル同士は逆方向に巻回した。また隣り合う検出用コイル同士に関しても同様である。したがって同じボビンに巻回される励磁用コイルと検出用コイルの巻回方向は同じである。コイル214a及びコイル214cは、図1(a)の平面図でみると、時計回りとなるように導線が巻かれているものである。図1(b)で紙面の手前側に位置するコイル214bは、図1(a)でみると、反時計回りに導線が巻かれているものである。図1(b)で紙面の後背側に位置するコイル214dは、図1(a)でみると、反時計回りに導線が巻かれているものである。
In FIG. 9, adjacent exciting coils are wound in opposite directions. The same applies to adjacent detection coils. Therefore, the winding directions of the exciting coil and the detecting coil wound around the same bobbin are the same. The
一方、隣り合う励磁用コイル同士を同じ方向に巻回し、かつ、隣り合う検出用コイル同士も同じ方向に巻回した場合、磁気コアユニット内に含まれる磁気コア数によって、最終出力はV01と異なる傾向を示す場合がある。例えば、図1に示すように、1つの磁気コアユニット内に4個の磁気コアユニット(0°,90°,180°,270°の位置)を含む場合、隣り合う磁気コア同士の間隔が狭いために磁気干渉が生じ、トルクの付与方向を識別できない。例えば+45°方向に生じている透磁率変化を検出しようとしても、隣接する磁気コアから磁束が流れ込む。この流れ込む磁束は−45°方向の成分であり、最終出力V02はVL1とVR1を足し合わせたものになる。図10に示すように、V02からは、トルクの絶対値は測定できるものの、トルクの付与方向が識別できない。 On the other hand, when adjacent exciting coils are wound in the same direction and adjacent detection coils are also wound in the same direction, the final output is V 01 depending on the number of magnetic cores included in the magnetic core unit. May show different trends. For example, as shown in FIG. 1, when four magnetic core units (positions of 0 °, 90 °, 180 °, and 270 °) are included in one magnetic core unit, the interval between adjacent magnetic cores is narrow. Therefore, magnetic interference occurs, and the direction of torque application cannot be identified. For example, even if an attempt is made to detect a change in permeability that occurs in the + 45 ° direction, a magnetic flux flows from an adjacent magnetic core. This flowing magnetic flux is a component in the −45 ° direction, and the final output V 02 is the sum of V L1 and V R1 . As shown in FIG. 10, from V 02 , the absolute value of torque can be measured, but the direction of torque application cannot be identified.
この他、1つの磁気コアユニットに含まれる磁気コア数を2個(0°と180°の位置または90°と270°の位置)とした場合、第1及び第2ヨーク端部間の距離、すなわち260aと260b間の距離に比べ、隣り合う磁気コア同士の間隔の方が十分に広いため、上記したような隣り合う磁気コア同士の磁気干渉は生じ難い。したがって、励磁コイルと検出コイルを全て同方向に巻回しても、トルクの絶対値とトルクの付与方向は識別が可能である。1つの磁気コアユニット内の磁気コア数を1個とした場合は、磁気干渉を生じる相手となる磁気コアが軸の周方向に存在しないので、当然、トルクの絶対値とトルクの付与方向は識別できる。ただし、磁気コア数を1個または2個とした場合では、磁気コア数4個とした場合よりも感度が低く、ヒステリシスとゼロ点変動は大きい。これはコア数の減少に伴い、軸表面に対向するコア面積が減少し励磁および検出への寄与が小さくなることに起因する。特に磁気コア数が1個の場合、軸表面の磁気特性が不均一であれば、ゼロ点変動が極めて大きくなり、トルクセンサとしては不適である。したがって、隣り合う励磁用コイル同士及び検出用コイル同士を逆方向に巻回した磁気コアを多数用いた方が出力電圧が大きく、感度が高く、ヒステリシスとゼロ点変動が小さいので、トルクセンサとして好適である。 In addition, when the number of magnetic cores included in one magnetic core unit is two (positions of 0 ° and 180 ° or positions of 90 ° and 270 °), the distance between the first and second yoke ends, That is, since the distance between adjacent magnetic cores is sufficiently wider than the distance between 260a and 260b, magnetic interference between adjacent magnetic cores as described above is unlikely to occur. Therefore, even if the exciting coil and the detection coil are all wound in the same direction, the absolute value of the torque and the direction in which the torque is applied can be identified. When the number of magnetic cores in one magnetic core unit is one, the magnetic core that causes magnetic interference does not exist in the circumferential direction of the shaft, so naturally the absolute value of torque and the direction in which torque is applied are identified. it can. However, when the number of magnetic cores is one or two, the sensitivity is lower than when the number of magnetic cores is four, and hysteresis and zero point fluctuation are large. This is due to the decrease in the core area facing the shaft surface and the contribution to excitation and detection as the number of cores decreases. In particular, when the number of magnetic cores is one, if the magnetic characteristics of the shaft surface are not uniform, the zero point fluctuation becomes extremely large, which is not suitable as a torque sensor. Therefore, using a large number of magnetic cores in which adjacent excitation coils and detection coils are wound in opposite directions has a higher output voltage, higher sensitivity, and smaller hysteresis and zero point fluctuations. It is.
励磁用コイルに印加される交流電圧波形は、所定の周波数と振幅を有する正弦波とする。このとき、当該所定の周波数と振幅が異なる交流電圧を、励磁用コイルに重畳しても良い。また、上記交流電圧を重畳するために、各ボビンに重畳用コイルを巻回しても良い。この場合、1個のボビンには励磁用、検出用、重畳用の3つのコイルが巻回されることになる。また、重畳用コイルはヨーク端部220a、及びヨーク端部220bの凸部223、ヨーク中央部の凸部225の外周側に、回転軸90の周りを周回するように、巻回しても良い。
The AC voltage waveform applied to the exciting coil is a sine wave having a predetermined frequency and amplitude. At this time, an alternating voltage having a different amplitude from the predetermined frequency may be superimposed on the exciting coil. In addition, a superposition coil may be wound around each bobbin in order to superimpose the AC voltage. In this case, three coils for excitation, detection, and superposition are wound around one bobbin. The superimposing coil may be wound around the
(実施例1)
図1で示す構成のトルクセンサにおいて、本実施例では、励磁周波数20kHz、励磁電流50mA、励磁用コイル100ターン、検出用コイル200ターン、ヨーク端部220a,220bの凸部223と回転軸表面の空隙g(磁気ギャップ)を1mmとした。磁気コアにはMn−Znフェライトの焼結体を用いた。非磁性リングには繊維状の素材を固めたベーク板を用いた。回転軸には高周波焼き入れを施した、φ18mmのニッケル・クロム・モリブデン鋼鋼材を用い、±140Nmのトルクを付与した。本実施例では感度Sが1.0mV/Nm、ヒステリシスεは0.27%、ゼロ点変動ηは0.9%が得られた。なお感度とヒステリシス、ゼロ点変動は図11、図12下記の数式(数1〜3)で定義した。
Example 1
In the torque sensor having the configuration shown in FIG. 1, in this embodiment, the excitation frequency is 20 kHz, the excitation current is 50 mA, the excitation coil is 100 turns, the detection coil is 200 turns, the
ここで、Tmは付与したトルクの絶対値、Vsは最大トルクが付与されたときの出力電圧と最小トルクが付与されたときの出力電圧の電圧差、Vhはトルクが付与されていないときの出力電圧の差、Vkはトルクを付与していない状態で回転軸を1周回転させ、得られた出力電圧の最大値と最小値の差である。 Here, T m is the absolute value of the torque applied, V s is the voltage difference between the output voltage when the output voltage and the minimum torque when maximum torque is applied has been applied, V h is no torque is applied The output voltage difference V k is the difference between the maximum value and the minimum value of the output voltage obtained by rotating the rotating shaft one turn without applying torque.
図13に本発明における実施例1と特許文献2、3のトルクセンサの特徴を表で示す。特許文献2では磁気リングが一体物であるため、検出コアを軸方向に対して±45°に装着しても、隣接する検出コア先端部同士において磁気干渉が生じ、感度が極めて低く、かつトルクの付与方向を識別することができない。また、特許文献3の第3実施例では各々独立した検出用U字型コアを用いているが、コアの装着角度が軸方向に対して+45°または−45°ではないので、トルクの付与によって生じる透磁率変化を+45°または−45°に分離して測定することができない。すなわちトルクの付与方向が識別できない。一方、本発明の実施例1では、磁気コアが一体物の磁気リングを介することなく、軸方向に対して±45°に装着している。さらに、隣り合う磁気コアにおける励磁コイル及び検出コイルは逆方向に巻回されている。よって、実施例1ではトルク絶対値とトルクの付与方向が同時に測定できる。
FIG. 13 is a table showing the characteristics of the torque sensor of Example 1 and
(実施例に係る励磁用コイルを巻く向きと磁束成分の向き)
図14は、請求項3に関する、第1の実施形態に係る励磁用コイルを巻き回す向きと磁束成分の向きを説明する概略図であり、(a)回転軸模式図、(b)回転軸表面の展開図、(c)は励磁用コイルの回路結線の例を示した回路図である。図14(b)は(a)の回転軸の表面(周面)を平面に展開した図であり、回転軸表面90f上に示した点線の四角形の領域は図2及び図3の磁気コアの端面と対向する領域に相当する。
(Direction of winding the exciting coil and magnetic flux component according to the embodiment)
FIGS. 14A and 14B are schematic diagrams for explaining the direction of winding the exciting coil and the direction of the magnetic flux component according to the first embodiment, and FIG. 14A is a schematic diagram of a rotating shaft, and FIG. (C) is a circuit diagram showing an example of circuit connection of the exciting coil. FIG. 14B is a diagram in which the surface (circumferential surface) of the rotating shaft of FIG. 14A is developed in a plane, and the dotted square area shown on the rotating shaft surface 90f is the magnetic core of FIG. 2 and FIG. This corresponds to a region facing the end face.
より詳細にいうと、図3、図4における磁気コアのヨーク端部、ヨーク中央部の端面(磁歪検出面)260a,260b、260cは、おのおの図14(b)の破線で囲う四角い領域に対向するよう配置される。
領域の番号で頭にNと記載されているものは励磁用コイルによって発せられた磁束が出て行く磁歪検出面の位置であり、Sと記載されているものは磁束が入り込む磁歪検出面の位置である。2番目のa,b,cの文字は、ヨーク端部220a,220b、及びヨーク中央部220cのいずれの磁歪検出面かを示すものであり、各ヨークのアルファベットと対応している。
実線矢印(太線)で示した向きの磁束が回転軸表面90f上に流される。図14(b)の一番左側の磁気コアではヨーク中央部の磁歪検出面Nc1から発せられた磁束が、両側のヨーク端部の磁歪検出面Sa1,Sb1に向かって流される。2番目の磁気コアでは、両ヨーク端部Na1,Nb1から発せられた磁束が、ヨーク中央部の磁歪検出面Sc1に向かって流される。3番目と4番目の磁気コアでは1番目と2番目の磁気コアと同じように磁束が流れる。
More specifically, in FIG. 3 and FIG. 4, the yoke end of the magnetic core and the end surfaces (magnetostriction detection surfaces) 260a, 260b, and 260c of the yoke center are opposed to the square region surrounded by the broken line in FIG. Arranged to do.
In the region number, “N” at the head indicates the position of the magnetostriction detection surface from which the magnetic flux generated by the exciting coil exits, and “S” indicates the position of the magnetostriction detection surface where the magnetic flux enters. It is. The second letters a, b, and c indicate the magnetostriction detection surfaces of the
A magnetic flux in the direction indicated by the solid line arrow (thick line) flows on the rotation shaft surface 90f. In the leftmost magnetic core in FIG. 14B, the magnetic flux generated from the magnetostriction detection surface Nc1 at the center of the yoke flows toward the magnetostriction detection surfaces Sa1, Sb1 at the yoke ends on both sides. In the second magnetic core, the magnetic flux generated from both yoke end portions Na1 and Nb1 flows toward the magnetostriction detection surface Sc1 in the central portion of the yoke. Magnetic flux flows through the third and fourth magnetic cores in the same manner as the first and second magnetic cores.
すなわち、図14(b)では、磁気コアの一対の磁歪検出面によって回転軸表面に流される磁束の向きは隣り合う磁気コアで逆向きとなっている。このような磁束の向きを実現するには、(b)の回転軸表面上に磁気コアを配置したときに、図14(c)の回路結線となるように各々の磁気コアの励磁用コイルを配置・接続する。トルクセンサの回路全体の構成は、図9の構成になっている。 That is, in FIG. 14B, the direction of the magnetic flux flowing on the surface of the rotating shaft by the pair of magnetostriction detection surfaces of the magnetic core is opposite between adjacent magnetic cores. In order to realize such a direction of the magnetic flux, when the magnetic core is arranged on the surface of the rotating shaft of (b), the exciting coil of each magnetic core is arranged so as to be the circuit connection of FIG. Place and connect. The configuration of the entire circuit of the torque sensor is the configuration shown in FIG.
まず、図14(c)において、4個の励磁用コイル214a,214b,214c及び214dは直列に接続され、各々の励磁用コイルの軸線が回転軸軸方向を向いている。
1個目の磁気コアでは、励磁用コイル214aは左ネジ巻き(コイルの回路図形の左側に示した点線矢印はコイルが左ネジ巻きであることを示す。)であり且つ電流iが回転軸軸方向(図14の下側から上側に向かう向き)に平行な向きに沿って流されている。すると、励磁用コイル214aが巻かれた磁気コアのヨーク接続部には回転軸軸方向と反対向きの磁束(コイルの回路図形の右側に示した実線矢印は磁束の向きを示す。)が励磁される。
2個目の磁気コアでは、励磁用コイル214bは右ネジ巻き(コイルの回路図形の左側に示した鎖線矢印はコイルが右ネジ巻きであることを示す。)であり且つ電流iが回転軸軸方向に平行な向きに沿って流されている。すると、励磁用コイル214bが巻かれた磁気コアのヨーク接続部には回転軸軸方向と同じ向きの磁束が励磁される。
3個目の磁気コアでは、励磁用コイル214cは左ネジ巻きであり且つ電流iが回転軸軸方向に平行な向きに沿って流されている。すると、励磁用コイル214cが巻かれた磁気コアのヨーク接続部には回転軸軸方向と反対向き(反平行の向き)の磁束が励磁される。
4個目の磁気コアでは、励磁用コイル214dは右ネジ巻きであり且つ電流iが回転軸軸方向に平行な向きに沿って流されている。すると、励磁用コイル214dが巻かれた磁気コアのヨーク接続部には回転軸軸方向と同じ向きの磁束が励磁される。
First, in FIG. 14C, four
In the first magnetic core, the
In the second magnetic core, the
In the third magnetic core, the
In the fourth magnetic core, the
従って、図14(c)に示す向きで電流iが励磁用コイルに流されているとき(回路の端子電圧はV1>V2の関係にある。)、図14(b)に示すように番号の頭にNがつく各領域と対向する磁気コアの端面はN極となり、番号の頭にSがつく各領域と対向する磁気コアの端面はS極となる。すなわち、磁気コアの端面の中央同士を結ぶ線に沿った磁束成分が隣り合う磁気コアで逆向きとなる。ただし、(c)に図示する電流iの向きを逆にすると(V1<V2)、各領域のN極、S極は逆になる。なお図14(c)の回路結線だけでなく、他の回路結線の方法でも各領域で同じくN極、S極とすることができ、適宜変更してよい。 Therefore, when the current i flows through the exciting coil in the direction shown in FIG. 14C (the terminal voltage of the circuit is in a relationship of V 1 > V 2 ), as shown in FIG. 14B. The end surface of the magnetic core facing each region with N at the head of the number becomes an N pole, and the end surface of the magnetic core facing each region with S at the head of the number becomes an S pole. That is, the magnetic flux components along the line connecting the centers of the end faces of the magnetic cores are opposite in the adjacent magnetic cores. However, if the direction of the current i shown in (c) is reversed (V 1 <V 2 ), the N pole and S pole of each region are reversed. It should be noted that not only the circuit connection of FIG. 14C but also other circuit connection methods can similarly set the N pole and the S pole in each region, and may be changed as appropriate.
図15は、請求項4に関する、巻線の回路結線について説明するための模式図である。4つのヨーク240Ra、240Rb、240Rc、240Rdは磁気コアユニット20のヨーク端部220bとヨーク中央部220cの間に設置されるヨーク接続部を示し(図中では実際に巻線を巻くボビンの図で記載している)、4つのヨーク240La、240Lb、240Lc、240Ldは、ヨーク中央部220cとヨーク端部220aの間に設置されるヨーク接続部を示している。
ヨーク接続部240a〜250dにはボビンを介して励磁用コイル214a〜214dと検出用コイル215a〜215dが、ボビン240e〜240hには励磁用コイル214e〜214hと検出用コイル215e〜215hが巻かれている。各コイルは、ヨーク端部220bとヨーク中央部220cの間に設置されるヨーク接続部と、ヨーク中央部220cとヨーク端部220aの間に設置されるヨーク接続部を交互につなぐように配線されている。図15中では、励磁コイル214c、214h、214a、214fと、励磁コイル214d、214g、214b、214eが繋がっている。また、検出コイル215c、215h、215a、215fと、励磁コイル215d、215g、215b、215eが繋がっている。このように各コイルを一方の磁気コアユニットと他方の磁気コアユニットのヨークに交互につなぐことで、オフセット電圧が改善されるので、各ヨークへの印加される電圧のバラツキが小さくなり、トルクセンサとしての感度を向上させることができる。トルクセンサの回路全体の構成は、図16の構成になっている。
FIG. 15 is a schematic diagram for explaining circuit connection of windings according to claim 4. Four yokes 240Ra, 240Rb, 240Rc, and 240Rd indicate yoke connecting portions installed between the
図17、18、19は、請求項4に関する他の回路結線の例を示すものである。図14ではヨーク端部とヨーク中央部の磁歪検出面の位置関係が全て同じであるが、図18,19では位置関係が左右対称の磁気コアが2つずつ配置される。ヨーク端部、ヨーク中央部、非磁性リングなどもそれに伴った形状に変更される。磁歪検出面をなるべく広く形成するのであれば、図14や図17のように、ヨーク端部とヨーク中央部の磁歪検出面の位置関係が全て同じ磁気コアを用いることが好ましい。つまり、全て同じ磁気コアを用いることができる。 17, 18 and 19 show other examples of circuit connection relating to the fourth aspect. In FIG. 14, the positional relationship of the magnetostriction detection surfaces at the yoke end and the central portion of the yoke are all the same, but in FIGS. 18 and 19, two magnetic cores whose positional relationship is bilaterally symmetrical are arranged. The yoke end portion, the yoke center portion, the nonmagnetic ring, and the like are also changed to the shape associated therewith. If the magnetostriction detection surface is to be formed as wide as possible, it is preferable to use a magnetic core in which the positional relationship between the magnetostriction detection surfaces at the yoke end and the yoke center is the same as shown in FIGS. That is, all the same magnetic cores can be used.
図20は、ヨーク端部220a、ヨーク中央部220c、ヨーク端部220b及びヨーク接続部240に用いられる軟磁性材料と、非磁性リング230a,230bに用いられる非磁性材料との組合せと、出力の感度の関係を示す表である。ここでは、組合せ1〜3の3種類を例示している。
FIG. 20 shows a combination of a soft magnetic material used for the
組合せ1では、ヨーク端部220a、ヨーク中央部220c、ヨーク端部220b、ヨーク接続部は、鉄粉及びバインダの混合粉を低圧でプレス成形した仮成形体である。非磁性リング230a及び230bは、真鍮粉とバインダの混合粉を低圧でプレス成形した仮成形体である。それら2種類の仮形成体を合わせ、高圧でプレス成形することで図5に示す部品が接着剤やネジ等を用いることなく作製できる。
In the combination 1, the
組合せ2では、ヨーク端部220a、ヨーク中央部220c、ヨーク端部220b及びヨーク接続部240はフェライト粉を成形・焼結した焼結体(フェライトコア)である。非磁性リング230a及び230bは、樹脂等で成形されたもの、若しくは真鍮粉とバインダの混合粉をプレス成形した圧粉体である。そして軟磁性の焼結体と非磁性体とを接着剤で組み立て、図5に示す部品が得られる。
In the
組合せ3では、ヨーク端部220a、ヨーク中央部220c、ヨーク端部220b及びヨーク接続部240は、鉄粉及びバインダの混合粉をプレス成形した圧粉体である。非磁性リング230a,230bは、真鍮粉とバインダの混合粉をプレス成形した圧粉体である。そして軟磁性の焼結体と非磁性の圧粉体とを接着剤で組みたて、ヨーク端部220a,220b、ヨーク中央部220c、ヨーク240接続部が形成されている。この場合、非磁性部は80℃の環境温度に耐え得る樹脂等で作製された部品を用いてもよい。
In the combination 3, the
組合せ1〜3のいずれの場合も、トルク検出時に良好な感度が得られたが、特に組合せ2の材料を用いた場合、最も良好な感度が得られる。なお、いずれの組合せにおいても、成形するプレスの方向は、各部品を組み立てたときの回転軸の軸方向と同じである。
In any of the combinations 1 to 3, good sensitivity was obtained at the time of torque detection. However, particularly when the material of the
以上、第1の実施形態によれば、磁気コアユニットを4要素で構成し、さらにその組立が容易とすることができる。また、第1及び第2ヨーク端部、円筒状ヨークおよびボビンを含む磁気コアユニットはリング形状を有し、回転軸を挿入するだけで、容易に装着することができる。つまり、ハンドリングが容易になるとともに、回転軸表面と磁極間の空隙(磁気ギャップ)の寸法精度を適正にする作業が容易となる。また、回転軸円周方向に配列した複数の磁気コアによって、安定した出力電圧が得られる。より具体的には、ゼロ点変動とヒステリシスが改善され、かつ軸ぶれ対策が容易となる。 As mentioned above, according to 1st Embodiment, a magnetic core unit can be comprised by 4 elements, and also the assembly can be made easy. Further, the magnetic core unit including the first and second yoke end portions, the cylindrical yoke and the bobbin has a ring shape, and can be easily mounted only by inserting the rotating shaft. That is, handling becomes easy, and an operation for making the dimensional accuracy of the gap (magnetic gap) between the surface of the rotating shaft and the magnetic poles proper becomes easy. In addition, a stable output voltage can be obtained by a plurality of magnetic cores arranged in the circumferential direction of the rotation axis. More specifically, the zero point fluctuation and hysteresis are improved, and countermeasures against shaft shake are facilitated.
(第2の実施形態)
図21,22に磁気コアユニット20で用いることができるヨーク端部の代表的な形状の一部を平面図で示す。なお、板状部の投影図の形状としてみれば、ヨーク中央部も同じ形状にできる。図21(a)は第1の実施形態で用いたヨーク端部220aである。本発明のヨーク端部は、所定の寸法を有するボビン250と円筒状ヨーク240の取り付けが可能であり、第1ヨーク端部は図21(b)〜(g)に示す形状であってもよい。なお、磁気コアユニット20で用いられる他方のヨーク端部は図21に示した形状と鏡像対称である。具体的には、図21(a)のヨーク端部220aを、エッジ部分520c及び520dを結ぶ辺を軸として反転させた形状となる。
(Second Embodiment)
21 and 22 are plan views showing a part of a typical shape of a yoke end that can be used in the
例えば、図21(b)〜(g)のヨーク端部320〜325に示すように、図21(a)のヨーク端部のエッジ部分520a〜520d、に比べ、420a、420d、421a〜421d、422a、422d、423a〜423d、424a、425a、425b、425cは丸みを帯びている。エッジ部分に丸みを持たせることによって、軟磁性体を金型でプレス加工する際、原料粉の噛み込みが少なくなり、量産性が向上する。
For example, as shown in
また図21(a)を図21(b)〜(g)のように変形してもよい。図1のようにトルクセンサ10に回転軸を挿入し、所定の励磁電流を励磁用コイルに流したとき、各軟磁性体が磁気飽和を起こさなければ、ヨーク端部と円筒状ヨークとの接合部近傍は図21(b)〜(g)のように小型化してもよい。特に図21(f)、(g)は図21(a)に比べ、軟磁性体の原料が少なくて済むことから、コスト的に優れ、小型化、軽量化が実現できる。
Moreover, you may deform | transform FIG. 21 (a) like FIG.21 (b)-(g). As shown in FIG. 1, when a rotary shaft is inserted into the
図21に示す第1及び第2ヨーク端部は第1の実施形態と同様に、その材料として、フェライトではMn−Zn系フェライト、Ni−Zn系フェライトが好ましい。この他、粉末では純鉄粉、Fe−Al−Si系センダスト粉、Fe基アモルファス材やFe基ナノ結晶材である非晶質金属粉などが好ましく、それら材料の粒径は200μm以下が好ましい。 As in the first embodiment, the first and second yoke end portions shown in FIG. 21 are preferably Mn—Zn based ferrite and Ni—Zn based ferrite. In addition, as the powder, pure iron powder, Fe-Al-Si-based sendust powder, amorphous metal powder such as Fe-based amorphous material or Fe-based nanocrystal material, etc. are preferable, and the particle size of these materials is preferably 200 μm or less.
原料としてフェライトを用いる場合、金型を用いたプレス加工で作製しても良い。また、上記の粉末原料を用いる場合は、上述したように2色成形で第1及び第2ヨーク端部と非磁性リングを作製しても良い。 When using ferrite as a raw material, it may be produced by pressing using a mold. Moreover, when using said powder raw material, you may produce a 1st and 2nd yoke end part and a nonmagnetic ring by two-color shaping | molding as mentioned above.
磁気コアユニットを構成する際には、隣り合う励磁用コイル同士は逆方向に巻回する。このとき隣り合う検出用コイル同士も逆方向に巻回する。すなわち同じボビンには励磁用コイルと検出用コイルが同方向に巻回される。また図21に示す第1及び第2ヨーク端部を用いた場合でも、図9と同様の磁気回路が構成される。 When configuring the magnetic core unit, adjacent exciting coils are wound in opposite directions. At this time, adjacent detection coils are also wound in opposite directions. That is, the excitation coil and the detection coil are wound around the same bobbin in the same direction. Even when the first and second yoke end portions shown in FIG. 21 are used, the same magnetic circuit as in FIG. 9 is configured.
励磁用コイルに印加される交流電圧波形は、所定の周波数と振幅を有する正弦波とする。このとき、当該所定の周波数と振幅が異なる交流電圧を、励磁用コイルに重畳しても良い。また、上記交流電圧を重畳するために、各ボビン250に重畳用コイルを巻回しても良い。また、重畳用コイルを第1及び第2ヨーク端部における凸部223の外周側に対応する部分に巻回しても良い。
The AC voltage waveform applied to the exciting coil is a sine wave having a predetermined frequency and amplitude. At this time, an alternating voltage having a different amplitude from the predetermined frequency may be superimposed on the exciting coil. Further, a superimposing coil may be wound around each
以上、第2の実施形態によれば、第1の実施形態における実施例1で示した効果が得られる。さらに、第1及び第2ヨーク端部のエッジ部分に丸みを持たせ、かつ、円筒状ヨークとの接合部近傍を小型化することで、実施例1に比べ量産性が良く、小型、軽量な磁気コア及び磁気コアユニットの作製が可能となる。 As mentioned above, according to 2nd Embodiment, the effect shown in Example 1 in 1st Embodiment is acquired. Further, the edge portions of the first and second yoke end portions are rounded, and the vicinity of the joint portion with the cylindrical yoke is reduced in size so that the mass productivity is better than that of the first embodiment, and the size and weight are reduced. A magnetic core and a magnetic core unit can be manufactured.
以上、本発明を実施の形態をもとに説明した。この実施の形態は例示であり、それらの各構成要素の組み合わせにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。 The present invention has been described based on the embodiments. This embodiment is an exemplification, and it is understood by those skilled in the art that various modifications can be made to combinations of the respective constituent elements, and such modifications are also within the scope of the present invention.
本発明は、磁歪特性を利用するトルクセンサに広く利用できる。 The present invention can be widely used for torque sensors that use magnetostriction characteristics.
10:トルクセンサ
20:磁気コアユニット
90,502:回転軸
90f,190f:回転軸表面
99a:同期検波回路
99b:オペアンプ
214a〜h:励磁用コイル
215a〜h:検出用コイル
220a、220b:ヨーク端部
220c:ヨーク中央部
221:ヨーク端部のヨーク接続部
223:ヨーク端部の凸部
224:ヨーク端部の底面
225:ヨーク中央部の凸部
228:軸孔
230a:第1非磁性リング
230b:第2非磁性リング
231a:第1非磁性リングの凸部
240:円筒状ヨーク
250:ボビン
260a、260b:回転軸表面と対向するヨーク端部の磁歪検出面
260c:回転軸表面と対向するヨーク中央部の磁歪検出面
270,280,:貫通孔
420a〜420d,421a〜421d,422a〜422d,423a〜423d,424a〜424d,425a〜425d,520a〜520d:ヨーク端部のエッジ部分
503:磁性膜
504:励磁・検出用ソレノイドコイル
505,506:検出用磁気コア
507,508:励磁用磁気コア
10: Torque sensor 20:
Claims (5)
前記磁気コアは、おのおの、前記ヨーク端部と前記ヨーク中央部に形成される磁歪検出面の中央同士を結ぶ線がトルクセンサで検知しようとする回転軸の軸方向と所定の角度を為し、
この複数の前記磁気コアが絶縁部材を介して支持されて磁気コアユニットを構成していることを特徴とするトルクセンサ。 A magnet having two yoke end portions, one yoke central portion, and a yoke connecting portion wound with a coil, and the yoke end portion is connected to both end sides of the yoke central portion via the yoke connecting portion. With multiple cores,
In each of the magnetic cores, a line connecting the centers of the magnetostriction detection surfaces formed at the yoke end portion and the yoke center portion forms a predetermined angle with the axial direction of the rotating shaft to be detected by the torque sensor,
A torque sensor characterized in that the plurality of magnetic cores are supported via an insulating member to constitute a magnetic core unit.
前記所定の角度が、略45°に設定されていること特徴とするトルクセンサ。 The torque sensor according to any one of claims 1 to 4,
The torque sensor, wherein the predetermined angle is set to about 45 °.
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- 2008-08-26 JP JP2008217135A patent/JP2010054237A/en active Pending
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