CN106052918B - 扭矩传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种耐油性优越的扭矩传感器。扭矩传感器(1)安装于具有磁致伸缩特性的旋转轴(2)的周围，并对施加于旋转轴的扭矩进行测定，具备：由树脂构成的筒管(3)，其与旋转轴分离且同轴设置，并形成为中空圆筒状，并且在外周面形成有相对于轴向倾斜规定角度的多个第一倾斜槽(10)以及相对于轴向向与第一倾斜槽相反的方向倾斜规定角度的多个第二倾斜槽(11)；第一检测线圈(4)，其将绝缘电线(6)沿着第一倾斜槽卷绕于筒管而构成；第二检测线圈(5)，其将绝缘电线沿着第二倾斜槽卷绕于筒管而构成；以及测定部(41)，其对第一检测线圈与第二检测线圈(5)的电感的变化进行检测，从而对施加于旋转轴的扭矩进行测定。

Description

扭矩传感器
技术领域
本发明涉及磁致伸缩式的扭矩传感器。
背景技术
以往，公知有磁致伸缩式的扭矩传感器。在磁致伸缩式的扭矩传感器中，构成为使用具有磁导率在施加应力时变化的磁致伸缩特性的旋转轴，将施加扭矩时的旋转轴的磁导率的变化检测为检测线圈的电感的变化，从而对施加于旋转轴的扭矩(转矩)进行检测。
若对旋转轴施加扭矩，则在相对于轴向倾斜+45度的方向作用有压缩(或者拉伸)的应力，在相对于轴向倾斜-45度的方向作用有拉伸(或者压缩)的应力。因此，构成为通过两个检测线圈对相对于轴向倾斜+45以及-45度的方向的磁导率的变化分别进行检测，并且，构成为使用桥接电路等对两检测线圈的两端电压的差分进行测定，从而能够灵敏度良好地检测施加于旋转轴的扭矩。
作为以往的磁致伸缩式的扭矩传感器，存在专利文献1。
在专利文献1中，提出了通过形成于柔性基板的布线图案，形成具有相对于旋转轴的轴向倾斜+45度以及-45度的边的检测线圈，将该柔性基板安装于磁性体环的内周面的基板线圈型的扭矩传感器。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本专利第4888015号公报
然而，在磁致伸缩式的扭矩传感器中，存在与使用霍尔IC等的其他方式的扭矩传感器相比，能够对较大的扭矩进行检测的特征。本发明的发明人们考虑活用上述的磁致伸缩式的扭矩传感器的特征，在动力传递***的扭矩的检测、发动机的轴扭矩的检测中使用扭矩传感器。
然而，在上述的用途中，考虑有将扭矩传感器浸渍于润滑油等油中、在扭矩传感器挂有油的情况。在上述的情况下，对扭矩传感器要求有耐油性。
在专利文献1的扭矩传感器中，使用柔性基板，因此该柔性基板所使用的薄片状的树脂的耐油性成为问题，从而从可靠性的观点来看，存在改善的余地。
发明内容
因此，本发明的目的在于提供一种耐油性优越的扭矩传感器。
本发明以解决上述课题而目的，提供一种扭矩传感器，其安装于具有磁致伸缩特性的旋转轴的周围，并对施加于上述旋转轴的扭矩进行测定，上述扭矩传感器的特征在于，具备：由树脂构成的筒管，其与上述旋转轴分离且同轴设置，并形成为中空圆筒状，并且在外周面形成有相对于轴向倾斜规定角度的多个第一倾斜槽以及相对于轴向向与上述第一倾斜槽相反的方向倾斜上述规定角度的多个第二倾斜槽；第一检测线圈，其将绝缘电线沿着上述第一倾斜槽卷绕于上述筒管而构成；第二检测线圈，其将绝缘电线沿着上述第二倾斜槽卷绕于上述筒管而构成；以及测定部，其对上述第一检测线圈与上述第二检测线圈的电感的变化进行检测，从而对施加于上述旋转轴的扭矩进行测定。
本发明的效果如下。
根据本发明，能够提供一种耐油性优越的扭矩传感器。
附图说明
图1是表示本发明的一实施方式的扭矩传感器的图，(a)是分解立体图，(b)是安装于旋转轴时的剖视图。
图2是筒管的立体图。
图3中(a)是对第一检测线圈中的绝缘电线的卷绕方法进行说明的图，(b)是对第二检测线圈中的绝缘电线的卷绕方法进行说明的图。
图4是测定部的简要结构图。
符号说明
1—扭矩传感器，2—旋转轴，3—筒管，4—第一检测线圈，5—第二检测线圈，6—绝缘电线，7—磁体环，8—固定环，10—第一倾斜槽，11—第二倾斜槽，41—测定部。
具体实施方式
(实施方式)
以下，根据附图对本发明的实施方式进行说明。
(扭矩传感器的整体结构)
图1是表示本实施方式的扭矩传感器的图，(a)是分解立体图，(b)是安装于旋转轴时的剖视图。
如图1(a)、图1(b)所示，扭矩传感器1安装于具有磁致伸缩特性的旋转轴2的周围，并对施加于旋转轴2的扭矩(转矩)进行测定。
扭矩传感器1具备由树脂构成的筒管3、在筒管3卷绕绝缘电线6而构成的检测线圈4、5、磁性体环7以及固定环8。
旋转轴2由具有磁致伸缩特性的材料构成，并形成为圆柱状(棒状)。作为具有磁致伸缩特性的材料，例如，能够列举镍、铁-铝合金、铁-钴合金等。此外，作为在旋转轴2使用的材料，也可以使用磁导率在压缩时降低且在拉伸时增加的正磁致伸缩材料、磁导率在压缩时增加且在拉伸时降低的负磁致伸缩材料的任一个。旋转轴2例如是动力传递***的扭矩传递所使用的轴或者车辆的发动机的扭矩传递所使用的轴。
磁性体环7由磁性体(强磁性体)构成，并形成为中空圆筒状。在磁性体环7的中空部***有设置检测线圈4、5的筒管3，磁性体环7配置为覆盖筒管3的外周面。磁性体环7的内径形成为与筒管3的外径大致相同(比筒管3的外径稍大)。磁性体环7发挥抑制在检测线圈4、5产生的磁通向外部泄漏而导致灵敏度降低的作用。
固定环8用于将筒管3固定于磁性体环7，并具备***筒管3的中空部的中空圆筒状的圆筒部8a、一体地设置于圆筒部8a的一端部的圆环状的第一凸缘部8b以及具有供圆筒部8a的另一端部***、嵌合的***孔8d的圆环状的第二凸缘部8c。
在向磁性体环7的中空部***筒管3后，固定环8的圆筒部8a通过筒管3的中空部，圆筒部8a的前端部(另一端部)******孔8d而与第二凸缘部8c嵌合，从而通过两凸缘部8b、8c夹持磁性体环7与筒管3，并且在圆筒部8a的外周面与磁性体环7的内周面之间夹持筒管3，从而能够将筒管3固定于磁性体环7。
圆筒部8a的外径形成为与筒管3的内径大致相同(比筒管3的内径稍小)。另外，凸缘部8b、8c的外径形成为与磁性体环7的外径大致相同。
在扭矩传感器1中，旋转轴2插通于圆筒部8a的中空部。圆筒部8a的内径形成为比旋转轴2的外径稍大。在扭矩传感器1中，构成为在圆筒部8a的内壁与旋转轴2之间形成有间隙9，从而扭矩传感器1不与旋转轴2接触。扭矩传感器1固定于壳体等固定部件，不伴随着旋转轴2的旋转而旋转。
在本实施方式中，在筒管3(检测线圈4、5)与旋转轴2之间设置有固定环8，因此固定环8需要使用由不对在检测线圈4、5产生的磁通给予影响的树脂构成的部件。另外，当在接触润滑油等油的环境下使用扭矩传感器1的情况下，作为固定环8，需要使用由具有耐油性的材料构成的部件。并且，当在高温环境下使用扭矩传感器1的情况下，作为固定环8，优选使用由具有耐热性的材料构成的部件。此处，使用由与后述的筒管3相同的材料构成的固定环8。
此外，此处，对使用固定环8将筒管3固定于磁性体环7的情况进行了说明，但固定筒管3与磁性体环7的构造不限定于此，例如，也可以通过利用模制树脂覆盖筒管3与磁性体环7，将两者固定。
(筒管3与检测线圈4、5的结构)
如图1以及图2所示，筒管3由树脂构成，作为整体形成为中空圆筒状。筒管3设置为相对于旋转轴2分离，并且，设置为与旋转轴2同轴。
在筒管3的外周面形成有相对于旋转轴2的轴向倾斜规定角度的多个第一倾斜槽10以及相对于轴向向与第一倾斜槽10相反的方向倾斜规定角度(与第一倾斜槽10相同的角度)的多个第二倾斜槽11。
此处，以相对于轴向倾斜+45度的方式形成第一倾斜槽10，并且以相对于上述轴向倾斜-45度的方式形成第二倾斜槽11(参照图3)。在扭矩传感器1中，虽沿着倾斜槽10、11卷绕绝缘电线6而形成检测线圈4、5，但对旋转轴2施加扭矩时的磁导率的变化相对于轴向在±45度的方向成为最大，因此使倾斜槽10、11以相对于轴向倾斜±45度的方式倾斜，从而能够提高检测灵敏度。
此外，倾斜槽10、11的倾斜角度不限定于±45度。但是，若倾斜槽10、11的倾斜角度过小、过大，则灵敏度降低，因此倾斜槽10、11的倾斜角度优选形成±30～60度的范围。
在本实施方式中，在周向等间隔地形成八个第一倾斜槽10，并且在周向等间隔地形成八个第二倾斜槽11，作为整体将网眼状的槽形成于筒管3的外周面。此外，倾斜槽10、11的个数不限定于此，能够与筒管3的外径(旋转轴2的外径)等对应地适当变更。
在筒管3的轴向的两端部且第一倾斜槽10与第二倾斜槽11之间设置有以在卷绕绝缘电线6时不使绝缘电线6脱落的方式卡止的卡止壁12。卡止壁12通过在第一倾斜槽10与第二倾斜槽11之间的壁厚部分的厚度方向的中央部设置在侧方(轴向的外侧)开口的切口13而形成。切口13以连结第一倾斜槽10与第二倾斜槽11的方式沿着周向形成。卡止壁12的角部12a以绝缘电线6的卷绕作业变得容易的方式进行倒角加工。
在本实施方式中，将检测线圈4、5形成于筒管3的外周面，因此筒管3需要使用由不对在检测线圈4、5产生的磁通给予影响的树脂构成的部件。另外，当在接触润滑油等油的环境下使用扭矩传感器1的情况下，作为筒管3，需要使用由具有耐油性的材料构成的部件。并且，当在高温环境下使用扭矩传感器1的情况下，作为筒管3，优选使用由具有耐热性的材料构成的部件。
再者，优选使用具有与铜(绝缘电线6)同等的线膨胀系数的部件作为筒管3，以使绝缘电线6不因筒管3的热引起的变形而断线。更加具体而言，作为筒管3所使用的树脂，优选使用线膨胀系数为铜的线膨胀系数的±25％以内的树脂。此外，铜的线膨胀系数为1.66×10-5～1.68×10-5/℃，因此作为筒管3所使用的树脂，优选使用线膨胀系数为1.25×10-5/℃以上且2.1×10-5/℃以下的树脂。
作为满足上述的条件的树脂，例如，能够列举聚邻苯二酰胺树脂(PPA)、聚醚醚酮树脂(PEEK)，聚苯硫醚树脂(PPS)等。其中，PPA以及PPS的线膨胀系数为1.3×10-5～1.5×10-5/℃。向构成筒管3的树脂混入玻璃纤维，从而也能够调整线膨胀系数。使用由上述的树脂构成的筒管3，从而能够实现耐油性、耐热性以及可靠性较高的扭矩传感器1。
第一检测线圈4构成为将绝缘电线6沿着第一倾斜槽10卷绕于筒管3。
如图3(a)所示，在本实施方式中，在形成第一检测线圈4时，在使绝缘电线6沿着最初的第一倾斜槽10后，反复使绝缘电线6通过切口13向邻接的(图示左邻的)第一倾斜槽10移动，绝缘电线6在筒管3的外周绕一圈直至到达最初的第一倾斜槽10呈大致曲柄状(锯齿状)布线(图示实线)。然后，再次在使绝缘电线6沿着最初的第一倾斜槽10后，反复使绝缘电线6在与至此的布线方向相反的方向通过切口13向邻接的(图示右邻的)第一倾斜槽10移动，返回至最初的第一倾斜槽10(图示虚线)。以上，一圈的布线结束。
反复多圈(例如七圈)相同的布线，从而能够形成第一检测线圈4。此外，图3(a)是将筒管3展开而以平面表示的图，图示右侧的端部与图示左侧的端部被连结。
在将绝缘电线6卷绕于筒管3时，将筒管3固定于夹具来进行作业。此时，以筒管3不因绝缘电线6的张力而旋转的方式将筒管3的轴向的端部卡止于夹具。
第二检测线圈5构成为将绝缘电线6沿着第二倾斜槽11卷绕于筒管3。
如图3(b)所示，在本实施方式中，在形成第二检测线圈5时，在使绝缘电线6沿着最初的第二倾斜槽11后，反复使绝缘电线6通过切口13向邻接邻的(图示右邻的)第二倾斜槽11移动，绝缘电线6在筒管3的外周绕一圈直至到达最初的第二倾斜槽11呈大致曲柄状(锯齿状)布线(图示实线)。然后，在再次使绝缘电线6沿着最初的第二倾斜槽11后，反复使绝缘电线6在与至此的布线方向相反的方式通过切口13向邻接的(图示左邻的)第二倾斜槽11移动，返回至最初的第二倾斜槽11(图示虚线)。以上，一圈的布线结束。
反复多圈(例如七圈)相同的布线，从而能够形成第二检测线圈5。此外，图3(b)是将筒管3展开而以平面表示的图，图示右侧的端部与图示左侧的端部被连结。
此外，绝缘电线6的卷绕方法不限定于图示的方法，例如，也可以在邻接的两个第一倾斜槽10(或者第二倾斜槽11)反复卷绕绝缘电线而形成第一检测线圈4(或者第二检测线圈5)。此外，绝缘电线6的卷绕通常由专用的卷绕装置进行，但若考虑此时的绝缘电线6的卷绕容易性，则能够称为更加优选使用在图3(a)、图3(b)中说明的方法。即，以在图3(a)、图3(b)中说明的方法卷绕绝缘电线6，从而能够提高生产率。
作为检测线圈4、5所使用的绝缘电线6，也可以使用在铜或者对铜实施镍等的电镀的导体的外周形成耐油性、耐热性优越的绝缘层。作为绝缘电线6的绝缘层，例如能够使用由聚酯、聚酰亚胺、聚酰胺-酰亚胺构成的部件。另外，此处，作为绝缘电线6，使用外径0.12mm的部件，但绝缘电线6的外径能够适当地变更。
在本实施方式中，形成两层第一检测线圈4，形成两层第二检测线圈5，从而形成合计四个检测线圈4、5。检测线圈4、5的层叠顺序不被特别地限定，但此处，从筒管3的内侧按顺序形成第一检测线圈4(称为第一层)、第二检测线圈5(称为第二层)、第二检测线圈5(称为第三层)、第一检测线圈4(称为第四层)。各层的检测线圈4、5构成为使用的绝缘电线6的长度相同，电阻值相同。
(测定部的结构)
如图4所示，扭矩传感器1具备对第一检测线圈4与第二检测线圈5的电感的变化进行检测，从而对施加于旋转轴2的扭矩进行测定的测定部41。
以下，将第一层(第一检测线圈4)的电感设为L1，将第二层(第二检测线圈5)的电感设为L2，将第三层(第二检测线圈5)的电感设为L3，将第四层(第一检测线圈4)的电感设为L4。
测定部41具备：依次呈环状连接第一层、第三层、第四层、第二层的检测线圈4、5而构成的桥接电路42、向第一层和第二层的检测线圈4、5之间的接点a与第三层和第四层的检测线圈4、5之间的接点b之间施加交流电压的发信器43、对第一层和第三层的检测线圈4、5之间的接点c与第四层和第二层的检测线圈4、5之间的接点d之间的电压进行检测的电压测定电路44、以及基于由电压测定电路44测定出的电压对施加于旋转轴2的扭矩进行运算的扭矩运算部45。
在测定部41中，在未对旋转轴2施加扭矩的状态下，各层的检测线圈4、5的电感L1～L4相等，由电压测定电路44检测的电压大致为0。
此处，若对旋转轴2施加扭矩，则相对于轴向倾斜+45度的方向的磁导率减少(或者增加)，相对于轴向倾斜-45度方向的磁导率增加(或者减少)。因此，若在从发信器43施加交流电压的状态下对旋转轴2施加扭矩，则在第一层、第四层的第一检测线圈4中，电感减少(或者增加)，在第二层、第三层的第二检测线圈5中电感增加(或者减少)。其结果，由电压测定电路44检测的电压变化，因此扭矩运算部45基于该电压的变化，对施加于旋转轴2的扭矩进行运算。
各层的检测线圈4、5除了卷绕方向不同以外，全部为相同的结构，因此使用图4那样的桥接电路42，从而能够取消温度对各检测线圈4、5的电感的影响，从而能够高精度地对施加于旋转轴2的扭矩进行检测。另外，在扭矩传感器1中，若电感在第一检测线圈4中增加(或者降低)，则电感在第二检测线圈5必然降低(或者增加)，因此使用图4那样的桥接电路42，从而能够更加提高检测灵敏度。
(实施方式的作用以及效果)
如以上说明的那样，在本实施方式的扭矩传感器1中，通过在筒管3卷绕绝缘电线6形成检测线圈4、5。
检测线圈4、5形成在筒管3卷绕绝缘电线6的结构，从而与使用了以往的柔性基板的基板线圈式的扭矩传感器相比，能够实现耐油性优越且可靠性较高的扭矩传感器1。
扭矩传感器1特别地优选在附着润滑油等油的环境下的使用，例如，能够适当地使用于动力传递***的扭矩检测、发动机的轴扭矩的检测等。
此外，也公知有在旋转轴2交替并且相对于轴向倾斜地配置磁性的部分与非磁性的部分，通过配置为与旋转轴2同轴的检测线圈对施加于旋转轴的扭矩进行检测的扭矩传感器，但在上述的构造的扭矩传感器中，需要对旋转轴2进行加工、在旋转轴2的周围粘贴片状的部件。在本实施方式的扭矩传感器1中，不需要对旋转轴2进行加工，因此可靠性较高。
(实施方式的总结)
接下来，引用实施方式的附图标记等记载根据以上说明的实施方式掌握的技术思想。但是，以下的记载的各附图标记等不限定于在实施方式具体地表示权利要求书的构成要素的部件等。
(1)一种扭矩传感器1，其安装于具有磁致伸缩特性的旋转轴2的周围，并对施加于上述旋转轴2的扭矩进行测定，上述扭矩传感器1的特征在于，具备：由树脂构成的筒管3，其与上述旋转轴2分离且同轴设置，并形成为中空圆筒状，并且在外周面形成有相对于轴向倾斜规定角度的多个第一倾斜槽10以及相对于轴向向与上述第一倾斜槽10相反的方向倾斜上述规定角度的多个第二倾斜槽11；第一检测线圈4，其将绝缘电线6沿着上述第一倾斜槽10卷绕于上述筒管3而构成；第二检测线圈5，其将绝缘电线6沿着上述第二倾斜槽11卷绕于上述筒管3而构成；以及测定部41，其对上述第一检测线圈4与上述第二检测线圈5的电感的变化进行检测，从而对施加于上述旋转轴2的扭矩进行测定。
(2)根据(1)所记载的扭矩传感器1，其特征在于，上述第一倾斜槽10形成为相对于上述轴向倾斜+45度，上述第二倾斜槽11形成为相对于上述轴向倾斜-45度。
(3)根据(1)或(2)所记载的扭矩传感器1，其特征在于，进一步具备设置于上述筒管3的周围的由中空圆筒状的磁性体构成的磁性体环7。
(4)根据(1)至(3)中任一项所记载的扭矩传感器1，其特征在于，上述筒管3由聚邻苯二酰胺树脂、聚醚醚酮树脂或者聚苯硫醚树脂构成。
以上，虽对本发明的实施方式进行了说明，但上述所记载的实施方式不限定权利要求书的发明。另外，应该注意不限定于在实施方式中说明的特征的组合的全部在用于解决发明的课题的手段中是必须的这点。
本发明能够在不脱离其主旨的范围内适当地变形来实施。例如，在上述实施方式中，对使用了桥接电路42的测定部41进行了说明，但测定部41的结构不限定于此。
另外，在上述实施方式中，对分别形成两个第一检测线圈4与第二检测线圈5的情况进行了说明，但检测线圈4、5的个数不限定于此，也可以为一个或者三个以上。

Claims (5)

1.一种扭矩传感器，其安装于具有磁致伸缩特性的旋转轴的周围，并对施加于所述旋转轴的扭矩进行测定，所述扭矩传感器的特征在于，具备：
由树脂构成的筒管，其使用由具有耐油性的材料构成的部件，所述筒管与所述旋转轴分离且同轴设置，并形成为中空圆筒状，并且在外周面形成有相对于轴向倾斜规定角度的多个第一倾斜槽以及相对于轴向向与所述第一倾斜槽相反的方向倾斜所述规定角度的多个第二倾斜槽；
第一检测线圈，其将绝缘电线沿着所述第一倾斜槽卷绕于所述筒管而构成；
第二检测线圈，其将绝缘电线沿着所述第二倾斜槽卷绕于所述筒管而构成；以及
测定部，其对所述第一检测线圈与所述第二检测线圈的电感的变化进行检测，从而对施加于所述旋转轴的扭矩进行测定，
在筒管的轴向的两端部且第一倾斜槽与第二倾斜槽之间设置有以在卷绕绝缘电线时不使绝缘电线脱落的方式卡止的卡止壁。
2.根据权利要求1所述的扭矩传感器，其特征在于，
所述第一倾斜槽形成为相对于所述轴向倾斜+45度，
所述第二倾斜槽形成为相对于所述轴向倾斜-45度。
3.根据权利要求1或2所述的扭矩传感器，其特征在于，
进一步具备设置于所述筒管的周围的由中空圆筒状的磁性体构成的磁性体环。
4.根据权利要求1或2所述的扭矩传感器，其特征在于，
所述筒管由聚邻苯二酰胺树脂、聚醚醚酮树脂或者聚苯硫醚树脂构成。
5.根据权利要求3所述的扭矩传感器，其特征在于，
所述筒管由聚邻苯二酰胺树脂、聚醚醚酮树脂或者聚苯硫醚树脂构成。
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