JP4827166B2 - 複合磁気ヘッド及び回転軸トルク検出装置 - Google Patents

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。

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。

例えば特許文献１では、図７（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、この方式は回転軸へ追加工を施す必要があるため、磁性膜の剥離など信頼性を損なう恐れがある。さらに、軸の専用化や大径化が必須となるため、装着性が悪いと思われる。

また特許文献２では、図７（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。

さらに特許文献３では、図７（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と思われる。

そしてさらに上記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も高く、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。

また特許文献４では、図７（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。しかし、Ｕ字形鉄心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になり、生産性も悪く、さらに磁極の作用面積が増やし難いために高感度化が困難であると思われる。

特開平１−９４２３０号公報 特開平６−２７３２４７号公報 特開平６−１９４２３９号公報 特許第２９０５５６１号公報

本発明は、上述した従来の磁歪検出型のトルク検出装置に関わる装着性、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。

本発明の複合磁気ヘッドは、磁歪特性を有する回転軸に対して傾斜させた軟磁性部と非磁性部とを周方向へ交互に並ベて配置した複合磁気ヘッドコアと、前記回転軸と前記複合磁気ヘッドコアとの間に介される空隙と、前記複合磁気ヘッドコアに巻回した励磁・検出用のコイルとを有する複合磁気ヘッドであって、前記非磁性部の周方向の最小幅が、前記軟磁性部の傾斜角方向長さの０.５〜１.５倍であることを特徴とする。

前記軟磁性部の回転軸に対する傾斜角は３５〜５５度であることが好ましい。

前記軟磁性部の軸の前記回転軸に対する傾斜方向は、全て時計回り、または全て反時計回りであることが好ましい。

前記軟磁性部の軸の前記回転軸に対する傾斜方向が、時計回りと反時計回りを交互に繰り返すように軟磁性部を配置してもよい。

前記複合磁気ヘッドコアが回転軸の外周を取り囲む様に一体化、または２分割して形成されていることが好ましい。

前記傾斜方向が時計回りである複合磁気ヘッドと、反時計回りである複合磁気ヘッドとを組み合わせて１対で利用することが好ましい。

前記軟磁性部における軸方向の両端部が、内径側へ突出していることが好ましい。

本発明の複合磁気ヘッドと、それから得られる信号に回路処理を加えて信号を出力する信号処理回路とを組み合わせることにより回転軸トルク検出装置を形成することができる。

以下に、磁歪検出型の回転軸トルク検出装置の原理を説明しながら、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８（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。

図８（ａ）の無負荷状態から、図８（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、軟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磁歪特性を利用することができる。

つまり、励磁コイルで発生した磁束が、引張応力の加わる方向へは流れ易く、反対に圧縮応力の加わる方向へは流れ難くなるので、こ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８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ことになる。

前述の様に、軸へ回転トルクを付与すると＋４５°と−４５°の両方向へ、向きの異なる応力が同時に発生するので、無負荷時に対するインダクタンスの変化量からトルクを推定する方式では、＋４５°か−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°の両方向を同時に検出して、その差分量を検出することで、より高精度にトルクを推定することも可能になる。＋４５°と−４５°の両方向を同時に検出する手段としては、図２（ｂ）に示す様に時計回りに傾斜角を有するものと、反時計回りに傾斜角を有するものとを組み合わせて、１対で利用することで実現可能となる。もしくは図３（ｂ）に示す様に、軟磁性部の傾斜方向が、時計回りと反時計回りを交互に繰り返しており、なおかつ図４（ｂ）に示す軸方向への巻線方式であって、軟磁性部の傾斜方向別に巻線を２分割しても良い。

いずれにせよ、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。

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、軸への加工が必要なことが信頼性や装着性を悪化させていた。

そこで本方式では回転軸を無加工とし、回転軸に対して空隙を介して軟磁性部と非磁性部とが周方向へ交互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。

軸への複雑な加工を不要にすることで、装着性を大幅に改善することができる。なお、回転軸が非磁性ＳＵＳなどの様に磁歪特性を持たないものであっても、軸の外周部に磁歪特性を有するリングを被せるだけで済むので、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、コイルを磁気ヘッドの外周面に配置できるので、コイルが断線する危険性を回避することもできる。そしてさらに、回転軸と磁気ヘッド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。

磁気ヘッドの構造として、前記軟磁性部は回転軸に対して絶対値で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、回転軸と複合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、複合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。

前記非磁性部の周方向の幅は、前記軟磁性部の傾斜角方向長さの０.５〜１.５倍であると、軟磁性部の数と同数だけ発生する複数の閉磁路どうしの磁気的な干渉が起こり難くなるため、回転軸に対して４５°傾斜する方向の透磁率変化を効率良く検出することができる。励磁・検出コイルで発生する磁束は、複合磁気ヘッドの軟磁性体片ごとに分割されながら傾斜方向に沿って流れ、一方の端部近傍から空隙を介して回転軸へ流れ込む。その回転軸へ流れ込んだ磁束が、同じ軟磁性体片の他方の端部近傍へ戻る様に磁気回路を構成すると、磁路長、つまり磁気抵抗が最も小さくなるために検出感度が高まる。その手段として、隣接極どうしの間に位置する非磁性部の周方向の幅を広げることが好ましい。非磁性部の周方向の幅が、軟磁性部の傾斜角方向長さの０.５倍未満であると、回転軸から流れ出た磁束が隣接する他の軟磁性体片に流れてしまうために、磁路長、つまり磁気抵抗が増大して検出感度が相対的に低下してしまう。また、非磁性部の周方向の幅が、軟磁性部の傾斜角方向長さの１.５倍を大幅に超えると、回転軸と対向することで磁極面として作用できる軟磁性部の有効面積が相対的に減少し、検出感度が低下してしまう。

軟磁性部と非磁性部とが周方向へ交互に並んだ複合磁気ヘッドを得る手段として、例えば図１に示す様に、軟磁性ヨーク10と非磁性スペーサ11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立てを行なう手法が選択できる。また、軟磁性部だけを個別に製作した後に、複数の軟磁性体片を非磁性体の樹脂等でインサート成型する手法や、非磁性体のアルミダイキャストで鋳包む手法なども選択できる。

また図６に示す様に、磁気ヘッドを周方向へ２分割にすることで、軸を挟み込む様に装着可能とし、回転軸への装着性をより良好にすることもできる。さらに磁気ヘッドの一部を切り欠いて、回転軸への着脱を容易にすることも可能である。

励磁・検出コイルの巻線方式としては、図７（ｄ）の特許文献４に記載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（ａ）〜（ｃ）に記載のごとく磁気ヘッドの全体を取り囲む様に一様に巻回することができる。図４（ａ）に記載の方式はリング形状の複合磁気ヘッドコア20に対して外周面において周方向に巻線を施す。巻線作業が最も容易であり、さらに回転軸を挿入する磁気ヘッドの内周面側にコイルが存在しないため、より高い構造信頼性を得ることができる。また図４（ｂ）に記載の方式はリング形状の複合磁気ヘッドコア20に対して軸方向に巻線を施す。図３（ｂ）に記載の様に時計回りと反時計回りを交互に繰り返す複合磁気ヘッドにおいて、軟磁性部の傾斜方向別に巻線を２分割したり、図６に記載の様に複合磁気ヘッドを周方向へ２分割し、その各々へ独立して巻線を施したりする場合に有効である。また図４（ｃ）に記載の巻線方式は周方向の巻線密度を不均一にして巻線が主に軟磁性体片と交差するように巻く。巻線作業が複雑なものの、傾斜角を有する軟磁性体片に対して直交方向にコイルを配置できるという利点があり、検出効率の向上につながる。

また、図５に記載のごとく軟磁性部における軸方向の両端部を、回転軸のある内側へ向かって突出させることも好ましい（図５（ａ））。各軟磁性部の間を埋める非磁性部も軟磁性部と同様に形成すると内周側に突出するつばを有する複合磁気ヘッドコア20が形成される（図５（ｂ））。前述の様に、複合磁気ヘッドの軟磁性部における軸方向の両端部近傍では、磁束が直角に曲げられて内周面側へ向かい、空隙を介して回転軸に出入りする。このため、軟磁性部の両端部近傍を可能な限り回転軸に近付けることで空隙量を減らし、磁気抵抗を減少させて高感度化を図ることが容易になる。

さらに、図５（ｃ）に記載のごとく磁気ヘッドの外周側面と、内周側面の凹部の各々に励磁・検出用のコイルを同時に配置することで、コイルの多数巻と小型化を同時に実現することも可能となる。

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、磁気ヘッド部分の構造信頼性が向上するとともに、コンパクト化も容易になる。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。

以下、本発明の実施形態について図面とともに説明する。

（全体構成）
図１（ａ）〜（ｃ）に、本発明の磁歪式トルク検出装置の一実施形態を示す。図１（ａ）は複合磁気ヘッドの鉄心部分を分解した斜視図を示したものである。磁気ヘッドの鉄心部分は、斜め４５度の傾斜角を有する４つの軟磁性ヨーク10と、それらの間に配置する４つの非磁性スペーサ11と、外周の両端部を補強する外周補強リング12で構成されている。軟磁性ヨーク10には焼結フェライトを使用し、非磁性スペーサ11および外周補強リング12にはアルミを使用し、各々の部材を接着固定した。図1（ｂ）は接着固定後の複合磁気ヘッドコア２０の斜視図を示したものである。図1（ｃ）は前記複合磁気ヘッドコア２０の外周側へ励磁・検出用のコイルを巻回して複合磁気ヘッド１を形成し、その内周側へ被験物である回転軸２を挿入し、コイルの両端部に交流電流１３を印加している様子を示した斜視図である。回転軸にはニッケル・モリブデン鋼に浸炭処理を施したものを使用した。

回転軸の外径はΦ２０mm、複合磁気ヘッドの内径はΦ２０.６mm、外径はΦ２５mmとした。励磁・検出コイルにはΦ０.５mmのエナメル線を使用し、複合磁気ヘッドコアの外周側へ１２０ターン巻回し、交流電流の周波数を100ｋHzとした。

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９に示す。トルクは回転軸につないだトルク計により測定し、コイルのインダクタンスはＬＣＲメータで測定した。図９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、本発明の複合磁気ヘッドから得られる信号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。

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。 本発明の一実施例に関わる装置の取付け方法を示す模式図である。 本発明の一実施例に関わる磁極パターンを示す模式図である。 本発明の一実施例に関わるコイル巻線方法を示す模式図である。 本発明の一実施例に関わる他の構造を示す模式図である。 本発明の一実施例に関わる他の装置取付け方法を示す模式図である。 他の実施例を示す模式図である。 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。 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。

符号の説明

１：複合磁気ヘッド
２：回転軸
10：軟磁性ヨーク
11：非磁性スペーサ
12：外周補強リング
13：励磁・検出コイル
20：複合磁気ヘッドコア
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

Claims (8)

1. 磁歪特性を有する回転軸に対して傾斜させた軟磁性部と非磁性部とを周方向へ交互に並ベて配置した複合磁気ヘッドコアと、前記回転軸と前記複合磁気ヘッドコアとの間に介される空隙と、前記複合磁気ヘッドコアに巻回した励磁・検出用のコイルとを有する複合磁気ヘッドであって、前記非磁性部の周方向の最小幅が、前記軟磁性部の傾斜角方向長さの０.５〜１.５倍であることを特徴とする複合磁気ヘッド。
2. 前記軟磁性部の前記回転軸に対する傾斜角が３５〜５５度であることを特徴とする、請求項１に記載の複合磁気ヘッド。
3. 前記軟磁性部の軸の前記回転軸に対する傾斜方向が、全て時計回り、または全て反時計回りであることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の複合磁気ヘッド。
4. 前記軟磁性部の軸の前記回転軸に対する傾斜方向が、時計回りと反時計回りを交互に繰り返すことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の複合磁気ヘッド。
5. 前記複合磁気ヘッドコアが回転軸の外周を取り囲む様に一体化、または２分割して形成されていることを特徴とする請求項１乃至４の何れかに記載の複合磁気ヘッド。
6. 請求項３に記載の複合磁気ヘッドにおいて、前記傾斜方向が時計回りである複合磁気ヘッドと、反時計回りである複合磁気ヘッドとを組み合わせて１対で利用することを特徴とする複合磁気ヘッド。
7. 前記軟磁性部における軸方向の両端部が、内径側へ突出していることを特徴とする１乃至６の何れかに記載の複合磁気ヘッド。
8. 請求項１乃至７の何れかに記載の複合磁気ヘッドから得られる信号に回路処理を加えて信号を出力することを特徴とする回転軸トルク検出装置。
   

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