JP7058872B2 - 回転角検出機能を備える磁歪式トルクセンサ - Google Patents

Description

本発明は、回転角検出機能を備える磁歪式トルクセンサに関する。

一般に、シャフトを回転させる場合に、シャフトに加わるトルクを検出する機能と、シャフトの回転角度を検出する機能が求められることがある。そこで特許文献１には、シャフトの回転角度を検出する回転角度センサを取り付けるとともに、シャフト上に角度センサに近接して非接触磁歪式のトルクセンサを配置する技術が記載されている。

特開２００８－７６０６６号公報

しかしながら、特許文献１に記載の技術では、回転角度センサとトルクセンサが別構造になっているため、センサ全体のサイズが大きくなるという課題があった。

本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、その目的は、シャフトの回転角度とトルクの両方を検出可能なセンサの小型化を図ることができる、回転角検出機能を備える磁歪式トルクセンサを提供することにある。

本発明は、シャフトと、前記シャフトの少なくとも外周に配置されるとともに、外周面の横断面形状が非真円形でかつシャフト中心軸からの半径距離が円周方向で周期的に変化する磁歪部であって、互いに逆方向の磁気異方性を有する第１磁歪部および第２磁歪部と、前記第１磁歪部に近接して配置された第１突出磁極と、前記第２磁歪部に近接して配置された第２突出磁極と、前記第１突出磁極に巻回された第１検出コイルと、前記第２突出磁極に巻回されるとともに、前記円周方向において前記第１検出コイルと同じ位置に配置された第２検出コイルと、を備え、前記第１検出コイルによって得られる第１検出信号と前記第２検出コイルによって得られる第２検出信号とに基づいて、前記シャフトの回転角度とトルクを検出可能とした、回転角検出機能を備える磁歪式トルクセンサである。

また、本発明に係る磁歪式トルクセンサは、前記第１検出信号と前記第２検出信号の和に基づいて、前記シャフトの回転角度を求めるとともに、前記第１検出信号と前記第２検出信号の差に基づいて、前記シャフトに加わるトルクを求める信号処理部をさらに備えるものである。

本発明によれば、シャフトの回転角度とトルクの両方を検出可能なセンサの小型化を図ることができる。

本発明の実施形態に係る磁歪式トルクセンサの主要部の構成例を示す側断面図である。 シャフトの横断面形状を説明する図である。 シャフトの回転角度とコイルのインピーダンスの関係を示す図である。 シャフトに加わるトルクとコイルのインピーダンスの関係を示す図である。 信号処理部を説明する図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して詳細に説明する。
図１は、本発明の実施形態に係る磁歪式トルクセンサの主要部の構成例を示す側断面図である。
磁歪式トルクセンサ１は、回転角検出機能を備えるトルクセンサであって、シャフト１０と、第１磁歪部としての第１磁歪膜１１と、第２磁歪部としての第２磁歪膜１２と、第１輪状ステータコア１３と、第２輪状ステータコア１４と、第１検出コイル１５と、第２検出コイル１６と、を備えている。

シャフト１０は、金属製のシャフトであって、図２に示すような横断面形状を有している。図２は、シャフト中心軸Ｊと直交する方向でシャフト１０を断面したときの形状を示している。
図２から分かるように、シャフト１０の横断面形状は非真円形になっており、シャフト中心軸（以下、単に「中心軸」ともいう。）Ｊからの半径距離が円周方向で周期的に変化している。具体的には、シャフト１０の中心軸Ｊを中心とした円周方向には、中心軸Ｊからの半径距離が最大距離Ｒａとなる凸状の断面形状部１０ａと最小距離Ｒｂとなる凹状の断面形状部１０ｂとが存在する。断面形状部１０ａと断面形状部１０ｂは、シャフト１０の円周方向に４５°間隔で交互に配置されている。また、断面形状部１０ａと断面形状部１０ｂとの間では、中心軸Ｊからの半径距離が連続的に変化している。

図１に示すシャフト１０は、シャフト中心軸方向（図１の上下方向）において、少なくとも、第１輪状ステータコア１３、第２輪状ステータコア１４、第１検出コイル１５、第２検出コイル１６と対向するシャフト部分が、図２のような非真円形の横断面形状になっている。したがって、第１輪状ステータコア１３等と対向しないシャフト部分の横断面形状は真円形でもよい。本実施形態においては、一例として、図１に示す範囲のシャフト１０部分の横断面形状が一様に図２のような形状になっているものとする。このため、以降の説明では、非真円形の横断面形状をなすシャフト部分を含めてシャフト１０と称する。

第１磁歪膜１１は、シャフト１０の外周に、シャフト１０の外周面を全周にわたって被覆するように形成されている。第１磁歪膜１１は、シャフト１０の円周方向の全周にわたって均一な厚さで形成されている。このため、第１磁歪膜１１は、上述したシャフト横断面形状と相似形をなすように、シャフト横断面形状に倣ってシャフト１０を被覆している。したがって、第１磁歪膜１１の外周面の横断面形状は、シャフト１０の外周面と同様に非真円形でかつシャフト中心軸（Ｊ）からの半径距離が円周方向で周期的に変化している。第１磁歪膜１１には予め所定の方向に磁気異方性が付与されている。

第２磁歪膜１２は、シャフト中心軸Ｊ方向において第１磁歪膜１１と隣り合う位置に形成されている。第２磁歪膜１２は、シャフト１０の外周に、シャフト１０の外周面を全周にわたって被覆するように形成されている。第２磁歪膜１２の厚さは、第１磁歪膜１１の厚さと等しく、かつ、シャフト１０の円周方向の全周にわたって均一になっている。このため、第２磁歪膜１２は、上述したシャフト横断面形状と相似形をなすように、シャフト横断面形状に倣ってシャフト１０を被覆している。したがって、第２磁歪膜１２の外周面の横断面形状は、シャフト１０の外周面と同様に非真円形でかつシャフト中心軸（Ｊ）からの半径距離が円周方向で周期的に変化している。

第２磁歪膜１２には予め磁気異方性が付与されている。第２磁歪膜１２には、シャフト中心軸Ｊに対して第１磁歪膜１１とは逆方向に磁気異方性が付与されている。本実施形態においては、好ましい１つの例として、第１磁歪膜１１には、シャフト中心軸Ｊに対して一方側に４５°の傾斜角度をもって磁気異方性が付与され、第２磁歪膜１２には、シャフト中心軸Ｊに対して他方側に４５°の傾斜角度をもって磁気異方性が付与されている。第１磁歪膜１１と第２磁歪膜１２は、たとえば、磁歪材料を用いたメッキ処理によってシャフト１０の外周面に形成することができる。

第１輪状ステータコア１３は、シャフト１０の周囲に配置されている。第１輪状ステータコア１３は、シャフト１０を囲むように輪状に形成されている。第１輪状ステータコア１３は、所定のギャップを介して第１磁歪膜１１と近接かつ対向するように配置されている。第１輪状ステータコア１３には複数のティース１３ａが設けられている。複数のティース１３ａはそれぞれ第１突出磁極を構成するものである。複数のティース１３ａは、第１輪状ステータコア１３の円周方向に所定の角度間隔で配置されている。各々のティース１３ａは、第１輪状ステータコア１３のコア本体から内方（シャフト中心軸Ｊ側）に向けて突出するように設けられている。また、各ティース１３ａの突出端は、所定のギャップを介して第１磁歪膜１１と近接かつ対向している。

第２輪状ステータコア１４は、シャフト中心軸Ｊ方向において第１輪状ステータコア１３とは異なる位置で、シャフト１０の周囲に配置されている。具体的には、第１輪状ステータコア１３は、第１磁歪膜１１と第２磁歪膜１２の境界よりも上方に配置され、第２ステータコア１４は、第１磁歪膜１１と第２磁歪膜１２の境界よりも下方に配置されている。第２輪状ステータコア１４は、シャフト１０を囲むように輪状に形成されている。第２輪状ステータコア１４は、所定のギャップを介して第２磁歪膜１２と近接かつ対向するように配置されている。第２輪状ステータコア１４には複数のティース１４ａが設けられている。複数のティース１４ａはそれぞれ第２突出磁極を構成するものである。ティース１４ａは、ティース１３ａと同じ数だけ設けられている。複数のティース１４ａは、第２輪状ステータコア１４の円周方向に所定の角度間隔で配置されている。また、複数のティース１４ａは、円周方向において、上述した複数のティース１３ａと同じ位置（同位相）に配置されている。各々のティース１４ａは、第２輪状ステータコア１４のコア本体から内方（シャフト中心軸Ｊ側）に向けて突出するように設けられている。また、各ティース１４ａの突出端は、所定のギャップを介して第２磁歪膜１２と近接かつ対向している。また、シャフト中心軸Ｊから各ティース１４ａの内端部までの離間距離は、シャフト中心軸Ｊから各ティース１３ａの内端部までの離間距離と等しく設定されている。

第１検出コイル１５は、第１輪状ステータコア１３の所定部位に巻回されている。第１輪状ステータコア１３の各ティース１３ａは絶縁部材１７でそれぞれ被覆され、この絶縁部材１７を介して各ティース１３ａに第１検出コイル１５が巻回されている。また、第１輪状ステータコア１３の各ティース１３ａには、第１検出コイル１５と共に第１励磁コイル１８が巻回されている。

第２検出コイル１６は、第２輪状ステータコア１４の所定部位に巻回されている。第２輪状ステータコア１４の各ティース１４ａは絶縁部材１９でそれぞれ被覆され、この絶縁部材１９を介して各ティース１４ａに第２検出コイル１６が巻回されている。また、第２輪状ステータコア１４の各ティース１４ａには、第２検出コイル１６と共に第２励磁コイル２０が巻回されている。ここで、第１突出磁極を構成するティース１３ａと第２突出磁極を構成するディース１４ａとは、円周方向において互いに同じ位置に配置されている。このため、ティース１３ａに巻回された第１検出コイル１５と、ティース１４ａに巻回された第２検出コイル１６も、円周方向で互いに同じ位置に配置され、ティース１３ａに巻回された第１励磁コイル１８と、ティース１４ａに巻回された第２励磁コイル２０も、円周方向で互いに同じ位置に配置されている。

上記構成からなる第１輪状ステータコア１３および第１検出コイル１５の組と、第２輪状ステータコア１４および第２検出コイル１６の組は、それぞれの組に属する第１励磁コイル１８と第２励磁コイル２０を含めて、電気的かつ磁気的に互いに等しい特性を有している。

また、本実施形態に係る磁歪式トルクセンサ１は、上述した構成要素のほかに、第１輪状ステータコア１３や第２輪状ステータコア１４を保持するための構成の一例として、ベアリング２５と、ハウジング２６と、スペーサ２７と、押さえ部材２８と、を備えている。

ベアリング２５は、ハウジング２６に取り付けられている。ベアリング２５の内輪側はシャフト１０に嵌合され、この嵌合状態でベアリング２５がシャフト１０を回転自在に支持している。

ハウジング２６は、全体的に円筒状に形成されている。ハウジング２６の内側には、スペーサ２７と押さえ部材２８を用いて、第１輪状ステータコア１３と第２輪状ステータコア１４が取り付けられている。第１輪状ステータコア１３と第２輪状ステータコア１４は、ハウジング１６と共に固定されるのに対し、シャフト１０は、ハウジング１６の内側でベアリング２５により回転自在に支持される。

ハウジング２６の内周側には段部２６ａが形成されている。第１輪状ステータコア１３は、ハウジング２６の段部２６ａに突き当てられている。スペーサ２７は、円環状に形成されている。スペーサ２７は、シャフト中心軸Ｊ方向において、第１輪状ステータコア１３と第２輪状ステータコア１４の間に配置されている。

押さえ部材２８の上部は、ベアリング２５と反対側からハウジング２６の内部に挿入されている。ハウジング１６の内部において、押さえ部材２８の端部２８ａは、スペーサ２７と反対側から第２輪状ステータコア１４に突き当てられている。これにより、ハウジング２６の内部では、ハウジング２６の段部２６ａとスペーサ２７との間に第１輪状ステータコア１３が挟まれるとともに、押さえ部材２８の端部２８ａとスペーサ２７との間に第２輪状ステータコア１４が挟まれている。そして、シャフト中心軸Ｊ方向においては、第１輪状ステータコア１３と第２輪状ステータコア１４との間隔がスペーサ２７によって一義的に決められている。すなわち、スペーサ２７は、シャフト中心軸Ｊ方向で第１輪状ステータコア１３と第２輪状ステータコア１４とを位置決めする位置決め部材として機能している。また、押さえ部材２８は、シャフト中心軸Ｊで第１輪状ステータコア１３と第２輪状ステータコア１４の位置ずれを防止する位置ずれ防止部材として機能している。押さえ部材２８の内周面と第２磁歪膜１２の外面との間にはギャップ（不図示）が形成され、これによって押さえ部材２８と第２磁歪膜１２が非接触に配置されている。

次に、上記構成からなる磁歪式トルクセンサ１の動作と、シャフト１０の回転角度およびトルクの検出について説明する。
まず、シャフト１０が回転すると、第１輪状ステータコア１３と第１磁歪膜１１との間のギャップ（以下、「第１のギャップ」という。）や、第２輪状ステータコア１４と第２磁歪膜１２との間のギャップ（以下、「第２のギャップ」という。）が、シャフト１０の回転にともなって周期的に変化する。具体的には、第１輪状ステータコア１３に関しては、シャフト１０の断面形状部１０ａがティース１３ａと対向するときに、第１のギャップが最小となり、シャフト１０の断面形状部１０ｂがティース１３ａに対向するときに、第１のギャップが最大となる。同様に、第２輪状ステータコア１４に関しては、シャフト１０の断面形状部１０ａがティース１４ａと対向するときに、第２のギャップが最小となり、シャフト１０の断面形状部１０ｂがティース１４ａに対向するときに、第２のギャップが最大となる。

したがって、第１励磁コイル１８と第２励磁コイル２０にそれぞれ同位相の交流電流を供給すると、第１検出コイル１５と第２検出コイル１６から出力される信号のレベルは、シャフト１０の回転にともなうギャップの変化とギャップの大きさに依存する透磁率の変化により、サイン曲線のように周期的に変化する。このことは、図２に示すシャフト１０の横断面形状を規定する半径距離がサイン曲線のような周期性をもって連続的に変化することを意味する。

これにより、第１輪状ステータコア１３に巻回された第１検出コイル１５のインピーダンスと、第２輪状ステータコア１４に巻回された第２検出コイル１６のインピーダンスは、シャフト１０の回転角度に応じて図３のように変化する。
図３においては、縦軸にインピーダンス、横軸にシャフトの回転角度をとり、第１検出コイル１５のインピーダンスをＺ１、第２検出コイル１６のインピーダンスをＺ２で示している。

図３から分かるように、第１検出コイル１５のインピーダンスＺ１と、第２検出コイル１６のインピーダンスＺ２は、シャフト１０の回転角度に応じて、互いに同じ変化を示している。このため、シャフト１０の回転に対して、第１検出コイル１５のインピーダンスＺ１と第２検出コイル１６のインピーダンスＺ２の差（Ｚ１－Ｚ２）は、常に一定の値（ゼロ）となる。これに対し、第１検出コイル１５のインピーダンスＺ１と第２検出コイル１６のインピーダンスＺ２の和（Ｚ１＋Ｚ２）は、それぞれのインピーダンスＺ１またはＺ２の２倍の値になる。このため、シャフト１０の回転角度の変化に対して、インピーダンスの差（Ｚ１－Ｚ２）は変化せず、インピーダンスの和（Ｚ１＋Ｚ２）は、インピーダンスＺ１またはＺ２と同じ周期で、インピーダンスＺ１またはＺ２の２倍の値で変化する。すなわち、シャフト１０の回転角度の変化は、インピーダンスの差（Ｚ１－Ｚ２）の変化としては現れず、インピーダンスの和（Ｚ１＋Ｚ２）の変化としてのみ現れる。

一方、シャフト１０にねじりのトルクが加わると、第１磁歪膜１１と第２磁歪膜１２にそれぞれ歪みが生じる。そうすると、第１磁歪膜１１と第２磁歪膜１２の透磁率がそれぞれビラリ効果によって変化する。具体的には、シャフト１０に第１の方向のトルクが加わると、第１磁歪膜１１の透磁率は増加し、第２磁歪膜１２の透磁率は減少する。また、シャフト１０に第２の方向、すなわち第１の方向と反対方向のトルクが加わると、第１磁歪膜１１の透磁率は減少し、第２磁歪膜１２の透磁率は増加する。

したがって、第１輪状ステータコア１３に巻回された第１検出コイル１５のインピーダンスと、第２輪状ステータコア１４に巻回された第２検出コイル１６のインピーダンスは、シャフト１０に加わる入力トルクに応じて図４のように変化する。
図４においては、縦軸にインピーダンス、横軸にシャフト１０への入力トルクをとり、第１検出コイル１５のインピーダンスをＺ１、第２検出コイル１６のインピーダンスをＺ２で示している。また、入力トルクの数値に関して、入力トルクが一方向に加わるときのトルクの数値をプラス、他方向に加わるときのトルクの数値をマイナスで表している。

図４から分かるように、第１検出コイル１５のインピーダンスＺ１と、第２検出コイル１６のインピーダンスＺ２は、シャフト１０への入力トルクに対して、互いに異なる変化を示している。具体的には、第１検出コイル１５のインピーダンスＺ１は、入力トルクが一方向（プラス側）に加わると増加し、他方向（マイナス側）に加わると減少する。一方、第２検出コイル１６のインピーダンスＺ２は、入力トルクが一方向に加わると減少し、他方向に加わると増加する。

また、インピーダンスＺ１とＺ２は、入力トルクの変化に対して互いに同じ勾配で変化し、シャフト１０にトルクが加わっていないとき、すなわち入力トルクがゼロのときに同じ値をとる。このため、シャフト１０に加わるトルクに関して、第１検出コイル１５のインピーダンスＺ１と第２検出コイル１６のインピーダンスＺ２の和（Ｚ１＋Ｚ２）は、常に一定の値となる。これに対し、第１検出コイル１５のインピーダンスＺ１と第２検出コイル１６のインピーダンスＺ２の差（Ｚ１－Ｚ２）は、それぞれのインピーダンスＺ１またはＺ２の２倍の値になる。このため、シャフト１０に加わるトルクの変化に対して、インピーダンスの和（Ｚ１＋Ｚ２）は変化せず、インピーダンスの差（Ｚ１－Ｚ２）は、インピーダンスＺ１またはＺ２に比べて２倍の勾配で一様に変化する。すなわち、シャフト１０への入力トルクの変化は、インピーダンスの和（Ｚ１＋Ｚ２）の変化としては現れず、インピーダンスの差（Ｚ１－Ｚ２）の変化としてのみ現れる。

ここで、第１検出コイル１５によって得られる第１検出信号Ｓ１と、第２検出コイル１６によって得られる第２検出信号Ｓ２は、図５に示すように、信号処理部３０に取り込まれる。第１検出信号Ｓ１は、第１検出コイル１５のインピーダンスＺ１の変化に応じて信号レベルが変化する信号であればよく、第２検出信号Ｓ２は、第２検出コイル１６のインピーダンスＺ２の変化に応じて信号レベルが変化する信号であればよい。一例として、第１検出信号Ｓ１には第１検出コイル１５が出力する検出電圧を用い、第２検出信号Ｓ２には第２検出コイル１６が出力する検出電圧を用いることができる。

信号処理部３０は、信号を加算または減算する演算機能と、信号を増幅する機能を有する。信号処理部３０は、取り込んだ第１検出信号Ｓ１と第２検出信号Ｓ２を用いて、シャフト１０の回転角度と、シャフト１０に加わるトルクを求める。具体的には、信号処理部３０は、第１検出信号Ｓ１と第２検出信号Ｓ２の和、すなわち加算値に基づいて、シャフト１０の回転角度θを求めるとともに、第１検出信号Ｓ１と第２検出信号Ｓ２の差、すなわち減算値に基づいて、シャフト１０に加わるトルクＴを求める。この場合、第１検出信号Ｓ１と第２検出信号Ｓ２の和は、シャフト１０の回転角度を反映したものとなる。このため、周知のＶＲ型レゾルバにおける回転角度検出と同様の原理で、シャフト１０の回転角度を検出することができる。一方、第１検出信号Ｓ１と第２検出信号Ｓ２の差は、シャフト１０に加わるトルクを反映したものとなる。このため、周知の磁歪式トルクセンサにおけるトルク検出と同様の原理で、シャフト１０に加わるトルクを検出することができる。信号処理部３０は、こうして求めたシャフト１０の回転角度θとトルクＴの情報を、たとえば、図示しないモータ制御回路などに出力する。

＜実施形態の効果＞
以上説明したように、本発明の実施形態によれば、第１輪状ステータコア１３、第２輪状ステータコア１４、第１検出コイル１５、第２検出コイル１６等を用いて、シャフト１０の回転角度とトルクの両方を１つの磁歪式トルクセンサ１で検出することができる。また、回転角度センサとトルクセンサを別構造とする場合に比べて、センサ全体のサイズを小さくできる。また、部品点数の削減やセンサ取付の省スペース化を図ることができる。

＜変形例等＞
本発明の技術的範囲は上述した実施形態に限定されるものではなく、発明の構成要件やその組み合わせによって得られる特定の効果を導き出せる範囲において、種々の変更や改良を加えた形態も含む。

たとえば、上記実施形態においては、シャフト１０の円周上に断面形状部１０ａと断面形状部１０ｂを４つずつ配置したシャフト横断面形状を示したが、本発明はこれに限らず、断面形状部１０ａと断面形状部１０ｂは少なくとも２つずつあればよい。また、断面形状部１０ａと断面形状部１０ｂを２つずつ含むシャフト横断面形状は、楕円形またはこれに類似した形状となる。

また、上記実施形態においては、第１輪状ステータコア１３に複数のティース１３ａを設け、第２輪状ステータコア１４に複数のティース１４ａを設けた例を挙げたが、本発明はこれに限らず、ティース１３ａとティース１４ａをそれぞれ１つずつ設けてもよい。

また、上記実施形態においては、第１磁歪部と第２磁歪部をメッキ処理によってシャフトの外周面に被覆形成するとしたが、本発明はこれに限らず、磁歪材で直接シャフトを形成してもよい。また、あらじめ形状的に磁気異方性を付与した磁歪材をシャフトに圧入することにより、シャフトの外周に磁歪部を配置してもよい。

１ 磁歪式トルクセンサ、１０ シャフト、１１ 第１磁歪膜（第１磁歪部）、１２ 第２磁歪膜（第２磁歪部）、１３ 第１輪状ステータコア、１４ 第２輪状ステータコア、１５ 第１検出コイル、１６ 第２検出コイル、３０ 信号処理部。

Claims (2)

1. シャフト（１０）と、
   前記シャフト（１０）の少なくとも外周に配置されるとともに、外周面の横断面形状が非真円形でかつシャフト中心軸（Ｊ）からの半径距離が円周方向で周期的に変化する磁歪部であって、互いに逆方向の磁気異方性を有する第１磁歪部（１１）および第２磁歪部（１２）と、
   前記第１磁歪部（１１）に近接して配置された第１突出磁極（１３ａ）と、
   前記第２磁歪部（１２）に近接して配置された第２突出磁極（１４ａ）と、
   前記第１突出磁極（１３ａ）に巻回された第１検出コイル（１５）と、
   前記第２突出磁極（１４ａ）に巻回されるとともに、前記円周方向において前記第１検出コイル（１５）と同じ位置に配置された第２検出コイル（１６）と、
   を備え、
   前記第１検出コイル（１５）によって得られる第１検出信号（Ｓ１）と前記第２検出コイル（１６）によって得られる第２検出信号（Ｓ２）とに基づいて、前記シャフト（１０）の回転角度とトルクを検出可能とした、回転角検出機能を備える磁歪式トルクセンサ。
2. 前記第１検出信号（Ｓ１）と前記第２検出信号（Ｓ２）の和に基づいて、前記シャフト（１０）の回転角度を求めるとともに、前記第１検出信号（Ｓ１）と前記第２検出信号（Ｓ２）の差に基づいて、前記シャフト（１０）に加わるトルクを求める信号処理部（３０）をさらに備える、請求項１に記載の回転角検出機能を備える磁歪式トルクセンサ。

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