JPH03218427A - 磁歪式トルクセンサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、トルク伝達軸に印加されるトルクをその軸表
面の磁歪効果を利用し電気量として非接触的に検出する
磁歪式トルクセンサに関する。

〔従来の技術］ 電動機、工作機械、自動車等における回転駆動系のトル
ク伝達軸（以下、ｒ軸体Ｊ）に加わるトルクを検出する
センサとして、軸体の表面に、軸心方向に対し傾斜する
方向を磁化容易軸とする一軸磁気異方性を付与しておき
、その軸体表面に交番磁界を印加し、軸体にトルクが加
わることにより生じる軸体表面の軸心方向の透磁率変化
を電気量として非接触検出するようにした磁歪式トルク
センサが知られている。

これを第５図により説明すると、（１）は軸体、（１・
１）ば、その軸体表面の一軸磁気異方性が付与されてい
る帯域（以下、「磁気異方性帯域」）である。その一軸
磁気異方性は、軸体の表面に、例えば周方向に略一定間
隔をなす複数条の互いに平行な螺旋溝（溝の傾斜方向が
磁化容易軸となる）を刻設することにより与えられる。

（１１）は、磁気異方性帯域（１・１）に交番磁界を印
加する巻線（励磁巻線）　、（１２）は磁気異方性帯域
（１・ｌ）表面に生じる透磁率の変化を検出する巻線（
検出巻線）である。

励磁巻線（１１）と検出巻線（１２）　（以下、「両者
を励磁・検出巻線（１０）　Ｊと称することもある）は
、プラスチック等からなる円環状ボビン（２０）の外周
面に同心円状に重合捲装されている。（３０）は、強磁
性体（代表的にはパーマロイ合金）からなるヨーク部材
である。該ヨーク部材（３０）は、軸体挿通孔（以下、
「軸孔Ｊ　）　（３４）を有するドーナツ形状の筺体、
すなわち円周板面部（３１）とその両側の側板面部（３
２．３２）　とで画成される円周空間を有する部材であ
る。

前記ボビン（２０）に重合捲装された励磁・検出巻線（
１０）は、ヨーク部材（３０）の円周空間内に嵌納され
て、円筒状ハウジング（４０）に装入・固定されたうえ
、ハウジング（４０）の両開口端のラジアル軸受（５０
．５０）を介して軸体（１）の所定個所に回転対称に取
付けられる。その励磁巻線（１１）は高周波電源（図示
せず）に、検出巻線（工２）は、軸体表面の透磁率変化
を電気量として取出す検出回路（図示せず）に、それぞ
れ接続される。なお、図は、軸体（１）の表面の隣り合
う２個所に磁気異方性域（１・１）（１・１）（その磁
化容易軸の軸心方向に対する傾き角度は同一で、向きは
互いに逆である）を形成し、軸体のトルク印加により生
じる２つの磁気異方性域におけるそれぞれの透磁率変化
を差動的に取出すように、２つの励磁・検出巻線（１０
）　（１０）をヨーク部材（３０）　（３０）のそれぞ
れに嵌納してハウジング（４０）内に装入・固定した差
動型トルクセンサの構成を示している。

〔発明が解決しようとする課題〕

上記磁歪式トルクセンサのトルク検出感度は、軸体表面
に印加される磁界の磁束（Φ）を大きくすることにより
高められる。磁束（Φ）は、起磁力Ｎ・Ｉ（Ｎ：励磁巻
線の巻数．■：励磁電流）と、磁気抵抗Ｒ（軸体表面、
ヨーク部材、および軸体表面とヨーク部材との間隙Ｇ等
の各部分の抵抗の総和）との関数（Φ＝Ｎ−１／Ｒ）で
あり、起磁力一定の条件下で、磁束（Φ）を大きくする
には、磁気回路の抵抗を小さくすることが必要である。

その手段として、軸体（１）およびヨーク部材（３０）
を透磁率の高い材料に変更することが考えられるが、軸
体（１）は機械構造部材としての強度設計の点から、ま
たヨーク部材（３０）は、所定形状に成形するための加
工性や使用環境条件（例えば熱的影響）等から、それぞ
れの材質選択に制約が加えられる。またこれらの部材の
材質変更によりもたらされる回路抵抗低減効果は小さい
。

磁気回路全体の抵抗に占める最も大きい抵抗は、．軸体
（１）の表面とヨーク部材（３０）との間隙（Ｇ）に起
因する抵抗である。その磁気抵抗を小さくするには、間
隙（Ｇ）をできるだけ狭くすべきことは言うまでもない
が、高速回転する軸体（１）とヨーク部材（３０）との
接触およびそれによるトルクセンサ破損等のトラブル回
避のためには、一定の間隙（約ｌｍ）を必要とし、従っ
てその間隙部分の磁気抵抗とそれに因る磁束（Φ）の低
減およびトルク検出感度の低下を免れない。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、軸体とヨ
ーク部材との間に所要の間隙が与えられた状態において
、その間隙の磁気抵抗を低減して磁束（Φ）を増大させ
ることにより、薄肉のヨーク部材であっても高感度のト
ルク検出を可能とした改良された磁歪式トルクセンサを
提供するものである。

〔課題を解決するための手段〕

本発明は、前記のように円環状ボビン（２０）の外周面
に励磁・検出巻線（１０）を重合捲装したうえ、円周板
面部（３１）とその左右両側の、中央に軸孔（３４．３
４）が形成されている側板面部（３２．３２）とからな
るドーナツ形状の筺体であるヨーク部材（３０）の円周
空間内に嵌納し円筒状ハウジング（４０）に装入固定し
てなる磁歪式トルクセンサにおいて、前記ヨーク部材（
３０）は、側板面部（３２．３２）の軸孔（３４．　３
４）の周縁に、円環状突起が形成されていることを特徴
としている。

以下、本発明のトルクセンサについて実施例を示す図面
を参照して説明する。

第１図は、本発明トルクセンサにおけるヨーク部材（３
０）を、その円周空間内に嵌納された励磁・検出巻線（
１０）と共に示した一部切欠斜視図である。

（３３．　３３）は、ヨーク部材（３０）の側板面部（
３２．３２）の各軸孔（３４．３４）の周縁にそって形
設されている円環状突起である。

円環状突起（３３．３３）は軸体（１）表面に対して略
平行な向きに突出している。その突出幅（側板面部の内
側面から突出端面までの軸方向幅）Ｗは、ヨーク部材（
３０）のサイズ、例えば軸孔（３４）の口径の大小等に
関わりなく、例えば２〜３ｍｍ程度であってよい。

上記ヨーク部材（３０）は、例えば機械加工またはプレ
ス加工等により成形される半割タイプの部材であって、
径方向に２分割された２つの半円形状部材を、ボビン（
２０）に攪装された励磁・検出巻線（１０）に被せ、そ
れらの分割面を重ね合わせて接合することによりドーナ
ツ状の筺体に組立てられる。

ヨーク部材（３０）の肉厚は、通常２１ａｌｌ程度であ
るが、本発明における肉厚はそれより薄肉、例えば０．
５〜ＩＷ程度であって構わない。

第２図は、上記励磁・検出巻線（１０）が嵌納された２
つのヨーク部材（３０）　（３０）を、円筒状ハウジン
グ（４０）内に装入・固定したうえ、軸受（５０．　５
０）を介して軸体（１）に回転対称に係装して差動型ト
ルクセンサを構成した例を示している。

本発明のトルクセンサは、ヨーク部材（３０）の側板面
部（３２．３２）の軸孔（３４．３４）周縁に円環状突
起（３３．３３）が形設されている点を除いて、構成上
特別の制限や条件の付加はなく、例えばボビン（２０）
およびヨーク部材（３０）の材質・サイズや、励磁・検
出巻線（１０）の捲装態様、あるいはヨーク部材（３０
）のハウジング（４０）内への装入・固定態様等は、第
４図に示した従来公知のトルクセンサにおけるそれと同
様のものであってよい。

本発明のトルクセンサの励磁検出回路構成は任意である
。第４図は、前記第２図の差動型トルクセンサについて
その励磁検出回路構成の例を示している。２つの励磁コ
イル（１１）　（１１）は同極性に接続されており、高
周波電源（２）に励磁されて軸体（１）の磁気異方性帯
域（１・１）（１・１）に交番磁界を印加する。２つの
検出巻線（ｌ２）と（１２）は逆極性に接続され、その
端子に同期整流器（３）が接続されている。

このトルクセンサにおいて、回転軸（１）にトルクが印
加されていない状態では、２つの磁気異方性域（１・ｌ
）と（ｌ・１）の透磁率は相等しいので、方の検出巻線
（１２）に生じる誘起電圧と、他方の検出巻線（ｌ２）
に生じる誘起電圧とは互いに打ち消し合い、出力は現れ
ない。回転軸（１）にトルク（Ｔ）が印加されると、２
つの磁気異方性域（１・１）と（１・１）の一方には張
力が、他方には圧縮力がそれぞれ選択的に作用すること
により、一方の磁気異方性域の透磁率は増加し、他方の
それは減少する。この透磁率の差動的な変化により、一
方の検出巻線（１２）の誘起電圧は増加し、他方の検出
巻線（１２）の誘起電圧は減少する。その差が同期整流
器（３）により直流電圧として出力され、その出力値の
大きさから印加トルクの大きさが、また出力値の正負の
符号からトルクの印加方向がそれぞれ検出される。

〔作用〕

本発明トルクセンサのヨーク部材（３０）の軸孔（３４
）周縁に形設されている円環状突起（３３．３３）は、
ヨーク部材（３０）と軸体（１）表面との間の間隙（Ｇ
）である空間磁路に断面積拡大効果を与える。第３図は
、その空間磁路（Ｇ）の磁束線を模式的に表している。

この円環状突起（３３．３３）による間隙（Ｇ）の磁路
断面積拡大効果により、間隙（Ｇ）の磁気抵抗が減少し
、磁束（Φ）が増大する結果、軸体（１）に印加される
トルクの検出感度（Ｓ）〔Ｓ　＝（Ｖｔ　　Ｖｏ）／　
Ｖｏ，Ｖｏ　：　トルク無印加時の検出出力電圧，Ｖ７
：定格トルク印加時の検出出力電圧〕が高められる。そ
の検出感度の向上は、後記実施例に示すように約１０％
ないし、それ以上に達する。特に、ヨーク部材としてプ
レス成形加工品等の薄肉品（例えば、肉厚二０．５〜ｉ
ｎｎ）を使用する場合における円環状突起（３３．３３
）による検出感度の増加率は大である。

〔実施例〕

１隻五土 ヨーク部材（３０）として、ＰＣパーマロイ合金（７５
％Ｎｉ−２５％Ｆｅ）薄板のプレス加工成形品であって
、第１図に示す円環状突起（３３．３３）を有するヨー
ク部材（これをａとする）、および円環状突起を有しな
い従来型ヨーク部材（これをｂとする）を用意し、差動
型構造のトルクセンサＡ（ヨーク部材ａ使用）およびト
ルクセンサＢ（ヨーク部材ｂ使用）を組立て、それぞれ
について第４図の励磁・検出回路によるトルク検出試験
を行った。

（１）ヨーク部材（３０） ａ：肉厚１ａａｍ、円環状突起の突出幅（ｗ）２ｍｍ，
ｂ＝肉厚１閣、円環状突起なし． （２）軸体（１）：Ｃｒ−Ｍｏ系強靭鋼（ＪＩＳ　Ｇ　
４１０３ＳＮＣＭ８１５相当）、磁気異方性域は螺旋溝
刻設（傾斜角度４５゜，　−４５”　）　、軸径２５ｍ
．（３）ヨーク部材と軸体表面の間隙（Ｇ）：１ｍｍ（
４）励磁電流：　４０−ｍＡ　ｒｔａｓ　（周波数１０
ｋＨｚ）。

裏蓋１ ヨーク部材（３０）の肉厚が０．５　ｓＩＩＩ１である
点を除いて前記実施例１におけるトルクセンサＡとおな
じトルクセンサ（これをＡとする）、およびトルクセン
サＢと同じトルクセンサ（これをＢとする）を組立て、
それぞれについて実施例１と同じトルク検出試験を行っ
た。

第１表に各実施例のトルク検出試験結果を示す。

表中、トルクセンサＡ（発明例）の検出感度ＳＡ、およ
びトルクセンサＢ（従来型）の検出惑度ＳＩ＋は、それ
ぞれ（Ｖｔ　　Ｖｏ）／　Ｖｏ　（Ｖｏ　：　トルク無
印加時の検出々力電圧，ｖ１：定格トルク印加時の検出
々力電圧〕であり、検出感度増加率（％）は、（Ｓａ　
　Ｓｓ）／　ＳｉＸ１００（％）である。

第１表のトルク検出試験結果から、ヨーク部材に円環状
突起が形成されている発明例のトルクセンサＡは、円環
状突起を有しない従来型トルクセンサＢに比べて検出感
度が高く、また実施例１のトルクセンサＢと実施例２の
トルクセンサＢとの比較からわかるようにヨーク部材の
肉厚が薄くなると検出感度が低下するが、ヨーク部材に
円環状突起を形成することにより薄肉化に伴う感度低下
が効果的に補償され、 良好な検出感度が確保され ることかわかる。

〔発明の効果〕

本発明によれば、トルクセンサ構成部材の材質や励磁条
件の変更等を要することなく高いトルク検出惑度が得ら
れる。殊に薄肉のヨーク部材を用いる場合にも良好な検
出感度を確保できるので、ヨーク部材の薄肉化（例えば
、肉厚０．５〜１ｍ＋ａ）とそれによる材料コストの節
減、軽量化等が可能である。また、従来のヨーク部材は
機械加工品が使用されているが、薄肉のヨーク部材は工
程の簡素なプレス加工による成形も可能であり、それに
よる加工コストの低減効果も大である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明トルクセンサのヨーク部材をこれに被包
された励磁・検出巻線と共に示す一部切欠斜視図、第２
図は本発明トルクセンサの実施例を示す軸方向断面図、
第３図は本発明トルクセンサにおける磁気回路の磁束線
説明図、第４図はトルクセンサの励磁・検出回路構成の
例を示す図、第５図は従来のトルクセンサを示す軸方向
断面図である。 １０：励磁・検出巻線，１１：励磁巻線，１２：検出巻
線，２０：ボビン，３０：ヨーク部材３１：円周板面部
，３２：側板面部，３３：円環状突起，３４：軸孔．４
０：ハウジング．５０：軸受。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、トルク伝達軸（以下、「軸体」）の表面を励磁する
   励磁巻線と、トルクの印加により生じる軸体表面の透磁
   率の変化を検出する検出巻線とを円環状ボビンの外周面
   に同心円状に重合捲装し、これを、円周板面部と、その
   左右両側の軸体挿通孔（以下、「軸孔」）が形成されて
   いる側板面部とからなるドーナツ形状の筺体であるヨー
   ク部材の円周空間内に嵌納して円筒状ハウジング内に装
   入固定したうえ、軸体に回転対称に嵌装してなる磁歪式
   トルクセンサにおいて 前記ヨーク部材は、側板面部の軸孔の周縁に、軸体表面
   と略平行な向きの円環状突起が形成されていることを特
   徴とする磁歪式トルクセンサ。