JPH0545538U - 磁歪式トルクセンサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 磁歪シャフト内に侵入した磁束が外部に飛び
出して洩れ磁束となるのを防止し、トルクの検出感度を
向上する。 【構成】 磁歪シャフト２の外周側に、各コア部材６，
７の各脚部６Ｂ，７Ｂ間に位置して、各スリット溝４，
５を覆う筒状の皮膜層２１，２１を設け、該各皮膜層２
１を空気よりも透磁率の低い非磁性で、かつ導電性を有
する材料から形成する構成とした。従って、該各皮膜層
２１は、非磁性であるから、各脚部６Ｂ，７Ｂから磁歪
シャフト２内に侵入した磁束が外部（エアギャップδ
内）に飛び出すのを阻止する。また、各皮膜層２１は導
電性を有するから、磁歪シャフト２内の磁束が該各皮膜
層２１内に侵入した場合でも、この磁束はうず電流損に
よって低減される。さらに、導電率が高くなると、表皮
効果の生じる範囲である表面からの厚さ寸法Ｓ1 が小さ
くなり、磁歪シャフト２内を流れる磁束の密度が高くな
る。

Description

【考案の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】

本考案は、例えば自動車用エンジンの出力軸等に発生するトルクを検出するの に用いて好適な磁歪式トルクセンサに関する。

【０００２】

【従来の技術】

図３ないし図５に従来技術による磁歪式トルクセンサを自動車用エンジンのト ルク検出に用いた場合を例に挙げて示す。

【０００３】 図において、１は自動車の車体（図示せず）に固定された筒状のケーシング、 ２は該ケーシング１内に軸受３，３を介して回転自在に配設され、プロペラシャ フト、アウトプットシャフト、ドライブシャフトをなす磁歪シャフトをそれぞれ 示し、該磁歪シャフト２は、例えばクロムモリブデン鋼等の磁歪材料から円柱状 に形成され、その軸方向中間部にはセンサ部２Ａが一体形成されている。また、 該センサ部２Ａの外周面には、下向き４５°の角度をもって刻設された多数の一 側スリット溝４，４，…と、該各一側スリット溝４に対向して位置し、上向き４ ５°の角度をもって刻設された多数の他側スリット溝５，５，…とが設けられて いる。

【０００４】 ６は各一側スリット溝４の外周側に位置し、ケーシング１の内周面に設けられ た一側コア部材を示し、該一側コア部材６は図４にも示す如く、フェライト等の 磁性材料から有底の段付筒状に形成された一対のコア片６Ａ，６Ａを衝合するこ とにより筒状に形成され、該各コア片６Ａの内周側には径方向内向きに伸長する 環状の脚部６Ｂがそれぞれ形成されている。７は該一側コア部材６と対向して各 他側スリット溝５の外周側に設けられた他側コア部材を示し、該他側コア部材７ も一側コア部材６とほぼ同様に、フェライト等の磁性材料からなる一対のコア片 ７Ａ，７Ａから形成され、該各コア片７Ａには環状の脚部７Ｂがそれぞれ形成さ れている。また、該各コア部材６，７と磁歪シャフト２との間には、例えば１ｍ ｍ程度の微小なエアギャップδが形成されている。そして、該各コア部材６，７ は磁歪シャフト２等と共に図５に示す磁気回路を形成するものである。

【０００５】 ８，９は各コア部材６，７の内周側に設けられた一側コイルボビン，他側コイ ルボビン、１０，１１は該各コイルボビン８，９に巻回された励磁および検出コ イルとしての一側コイル，他側コイルをそれぞれ示し、該各コイル１０，１１は 、調整抵抗と共にブリッジ回路に形成され、発振器および差動増幅器等からなる 検出回路（いずれも図示せず）に接続されている。ここで、該各コイル１０，１ １は、前記発振器からの高周波電圧により励磁されて磁束を発生する励磁コイル と、後述の磁気回路１５中を流れる磁束を検出する検出コイルとを兼ねて構成さ れている。

【０００６】 １２，１２は各コア部材６，７の端部に設けられた外側スペーサ、１３は各コ ア部材６，７間に配設された内側スペーサをそれぞれ示し、該各スペーサ１２， １３は各コア部材６，７の各コア片６Ａ，７Ａと係合して位置決めするものであ る。そして、該各スペーサ１２，１３によって一体化された各コア部材６，７等 は、Ｃリング１４，１４によってケーシング１の内周面に固定されている。

【０００７】 さらに、１５は各コイル１０，１１で発生した磁束により、各コア部材６，７ から磁歪シャフト２に亘って形成された磁気回路を示し、該磁気回路１５は、図 ５に示す如く各コア部材６，７内に形成され、磁気抵抗Ｒ1 を有するコア内磁路 １５Ａと、各コア部材６，７の各脚部６Ｂ，７Ｂと磁歪シャフト２との間に形成 され、磁気抵抗Ｒ2 を有する一対のコア−シャフト間磁路１５Ｂ，１５Ｂと、各 脚部６Ｂ，７Ｂ間に各コイルボビン８，９を介して形成され、磁気抵抗Ｒ3 を有 する脚部間磁路１５Ｃと、エアギャップδ内に位置して前記各コア−シャフト間 磁路１５Ｂをバイパスして形成され、磁気抵抗Ｒ4 を有するシャフト外磁路１５ Ｄと、磁歪シャフト２内に各スリット溝４，５に沿って形成され、磁気抵抗Ｒ5 を有するシャフト内磁路１５Ｅとから構成されている。ここで、前記各磁気抵抗 Ｒ1 ，Ｒ2 ，Ｒ3 ，Ｒ4 ，Ｒ5 は、

【０００８】

【数１】 Ｓ：磁路断面積 μ：透磁率 として求められるものである。

【０００９】 なお、１６，１６は、磁歪シャフト２をケーシング１に固定するＣリングであ る。

【００１０】 従来技術による磁歪式トルクセンサは上述の如き構成を有するもので、各コイ ル１０，１１に検出回路の発振器から交流電圧を印加すると、例えば図４中に二 点鎖線で示す如く、該各コイル１０，１１から磁束が発生する。そして、この磁 束は、各コア部材６，７からエアギャップδを介して磁歪シャフト２内に侵入し 、該磁歪シャフト２の表面を各スリット溝４，５に沿って流れつつ、磁歪シャフ ト２からエアギャップδを介してコア部材６，７内に還流し、これにより図５に 示す磁気回路１５が形成される。ここで、各コイル１０，１１の自己インダクタ ンスＬは、各磁気抵抗Ｒ1 〜Ｒ5 を合成した総磁気抵抗をＲｔ、コイル巻数をＮ とすると、

【００１１】

【数２】 Ｌ＝Ｎ2 ／Ｒｔ として求めることができる。

【００１２】 また、発振器の発振周波数が高くなると、いわゆる表皮効果が生じ、磁歪シャ フト２内の磁束は、磁歪シャフト２の表面から下記数３で求められる所定の厚さ 寸法Ｓの範囲内を集中的に流れるようになる。

【００１３】

【数３】 但し、α：導電率 ω：角周波数

【００１４】 そして、磁歪シャフト２の一端側に図３に示す如く、反時計方向のトルクＴが 加えられると、一側スリット溝４に沿って引っ張り応力＋σが発生すると共に、 他側スリット溝５に沿って圧縮応力−σが発生する。これにより、一側スリット ４側の磁歪シャフト２の透磁率μは引っ張り応力＋σにより大きくなってシャフ ト内磁路１５Ｅの磁気抵抗Ｒ5 が減少し、一方、他側スリット５側の透磁率μは 圧縮応力−σにより小さくなって磁気抵抗Ｒ5 が大きくなる。この結果、一側コ イル１０は総磁気抵抗Ｒｔが小さくなって自己インダクタンスＬが増大し、一方 、他側コイル１１は総磁気抵抗Ｒｔが大きくなって自己インダクタンスＬが減少 するため、ブリッジ回路の平衡が崩れて差動増幅器にトルクＴに応じた出力電圧 が現われる。

【００１５】 また、これとは逆に、磁歪シャフト２の一端側に時計方向のトルクを加えたと きは、一側スリット溝４に沿って圧縮応力−σが生じて透磁率μが小さくなり、 他側スリット溝５に沿って引っ張り応力＋σが生じて透磁率μが大きくなるから 、一側コイル１０の自己インダクタンスＬが減少し、他側コイル１１の自己イン ダクタンスＬが増大して、差動増幅器からこの逆向きのトルクに応じた電圧が出 力される。

【００１６】

【考案が解決しようとする課題】

ところで、上述した従来技術による磁歪式トルクセンサでは、各コイル１０， １１に交流電圧を印加して磁束を生じせしめ、各コア部材６，７、エアギャップ δ、磁歪シャフト２に亘る磁気回路１５を形成し、外部から伝達されたトルクに よりシャフト内磁路１５Ｅの磁気抵抗Ｒ5 が変化するのを利用して、このトルク を検出している。しかし、各コア部材６，７の各脚部６Ｂ，７Ｂからエアギャッ プδを介して磁歪シャフト２内に侵入した磁束は、その全てがシャフト内磁路１ ５Ｅを流れる訳ではなく、図４中に点線で示す如く、その一部は各スリット溝４ ，５に沿って流れずに、磁歪シャフト２からエアギャップδ内に飛び出して洩れ 磁束となり、シャフト内磁路１５Ｅをバイパスするシャフト外磁路１５Ｄを形成 してしまう。

【００１７】 このため、上述した従来技術によるものでは、シャフト内磁路１５Ｅを流れる 磁束が減少してしまい、これによりトルクの検出感度が大幅に低下するばかりか 、トルク検出信号が小さくなるため、車両の振動等によって生じるノイズの影響 を受け易くなり、検出精度や信頼性が大幅に低下するという問題がある。

【００１８】 本考案は上述した従来技術の問題に鑑みなされたもので、磁歪シャフト内に侵 入した磁束が外部に飛び出して洩れ磁束となるのを防止し、トルクの検出感度を 向上できるようにした磁歪式トルクセンサを提供することを目的とする。

【００１９】

【課題を解決するための手段】

上述した課題を解決するために、第１の考案が採用する構成の特徴は、磁歪シ ャフトの外周側に、コア部材の各脚部の間に位置して皮膜層を設け、該皮膜層は 非磁性材料から形成したことにある。

【００２０】 また、第２の考案が採用する構成の特徴は、磁歪シャフトの外周側に、コア部 材の各脚部の間に位置して皮膜層を設け、該皮膜層は導電性材料から形成したこ とにある。

【００２１】

【作用】

第１の考案の構成により、非磁性材料からなる皮膜層は、コア部材の各脚部か ら磁歪シャフト内に侵入した磁束が外部に飛び出すのを阻止し、洩れ磁束の発生 を防止することができる。

【００２２】 また、第２の考案の構成により、コア部材の各脚部から磁歪シャフト内に侵入 した磁束が、該磁歪シャフトから飛び出して導電性材料からなる皮膜層に侵入す ると、該皮膜層内にうず電流が発生し、これにより、この磁束を低減して洩れ磁 束の発生を防止することができる。

【００２３】

【実施例】

以下、本考案の実施例を図１および図２に基づき説明する。なお、実施例では 前述した従来技術と同一の構成要素に同一の符号を付し、その説明を省略するも のとする。

【００２４】 図中、２１，２１は各コア部材６，７の各脚部６Ｂ，７Ｂ間にそれぞれ位置し 、各スリット溝４，５を覆うようにして磁歪シャフト２の外周側に設けられた筒 状の皮膜層を示し、該各皮膜層２１は、空気よりも低い透磁率μを有する非磁性 で、かつ導電性を有する例えば銅、アルミニウム、金、銀等の材料から所定の長 さ寸法Ｌと厚さ寸法ｔをもって形成されている。

【００２５】 ここで、前記長さ寸法Ｌは、各コア部材６，７の各脚部６Ｂ，７Ｂからエアギ ャップδを介して磁歪シャフト２内に磁束が侵入するのを許すべく、該各脚部６ Ｂ間，７Ｂ間の長さ寸法とほぼ等しくなるように形成され、また、前記厚さ寸法 ｔは、各皮膜層２１が各コイルボビン８，９に摺接するのを防止すべく、エアギ ャップδよりも小さくなるように形成されている。

【００２６】 本実施例による磁歪式トルクセンサは上述の如き構成を有するもので、その基 本的な作動については従来技術によるものと格別差異はない。

【００２７】 然るに、本実施例による磁歪式トルクセンサでは、磁歪シャフト２の外周側に 、各コア部材６，７の各脚部６Ｂ，７Ｂ間に位置して、各スリット溝４，５を覆 う筒状の皮膜層２１，２１を設け、該各皮膜層２１を空気よりも透磁率μの低い 非磁性で、かつ導電性を有する銅、アルミニウム、金、銀等の材料から形成する 構成としたから、以下の効果を奏する。

【００２８】 第１に、各皮膜層２１は非磁性であるから、該各皮膜層２１によって、各脚部 ６Ｂ，７Ｂから磁歪シャフト２内に侵入した磁束が外部（エアギャップδ内）に 飛び出すのを阻止して効果的に遮蔽することができ、エアギャップδ内に洩れ磁 束が生じるのを防止して、磁気回路１５のシャフト外磁路１５Ｄを流れる磁束を 大幅に低減できる。この結果、磁歪シャフト２内を流れる磁束が低下するのを防 止でき、トルクの検出感度を大幅に高めて、検出精度や信頼性を向上することが できる。

【００２９】 第２に、各皮膜層２１は導電性を有するから、磁歪シャフト２内の磁束が該各 皮膜層２１内に侵入した場合でも、この磁束をうず電流損によって効果的に低減 することができ、洩れ磁束が発生するのを防止して、トルクの検出感度等を大幅 に向上できる。さらに、前記数３に示す如く、導電率αが高くなると、表皮効果 の生じる範囲、即ち、表面からの厚さ寸法Ｓは小さくなるから、各皮膜層２１に よって、従来技術で述べた厚さ寸法Ｓよりも小さい厚さ寸法Ｓ1 （Ｓ1 ＜Ｓ）を 効果的に得ることができる。この結果、磁歪シャフト２内を流れる磁束の密度を 向上することができ、より一層、トルクの検出感度を向上することができる。

【００３０】 なお、前記実施例では、各皮膜層２１は、各スリット溝４，５を覆うようにし て筒状に形成するものとして述べたが、本考案はこれに限らず、例えば図２に示 す変形例の如く、各皮膜層３１に各スリット溝４，５と対応する突部３１Ａをそ れぞれ形成し、該各突部３１Ａを各スリット溝４，５内に嵌合して設ける構成と してもよい。この場合には、磁歪シャフト２内を流れる磁束が各スリット溝４， ５内に侵入して、磁路長が短くなるのを効果的に防止できるから、より一層、ト ルクの検出感度や検出精度を向上することができる。

【００３１】 また、前記実施例では、各皮膜層２１は、銅、アルミニウム、金、銀等の空気 よりも透磁率μが低い非磁性で、かつ導電性を有する材料から形成するものとし て述べたが、これに替えて、例えば非磁性による磁気遮蔽効果のみを必要とする 場合は、石英ガラス等の導電性のない非磁性材料から形成してもよい。

【００３２】 また、前記実施例では、２コイル式の磁歪式トルクセンサを例に挙げて説明し たが、本考案はこれに限らず、例えば４コイル式の磁歪式トルクセンサに用いて もよい。

【００３３】 さらに、前記実施例では、自動車用エンジンのトルク検出に用いた場合を例に 挙げて説明したが、電動モータの回転軸のトルク等の他のトルク検出にも用いる ことができる。

【００３４】

【考案の効果】

以上詳述した如く、第１の考案によれば、非磁性材料からなる皮膜層は、コア 部材の各脚部から磁歪シャフト内に侵入した磁束が外部に飛び出すのを阻止する ことができる。この結果、磁歪シャフト内の磁束が外部に飛び出して洩れ磁束と なるのを効果的に防止でき、該磁歪シャフト内を流れる磁束が低下するのを防止 し、トルクの検出感度を高めて、検出精度や信頼性を向上できる。

【００３５】 また、第２の考案によれば、コア部材の各脚部から磁歪シャフト内に侵入した 磁束が、該磁歪シャフトから飛び出して導電性材料からなる皮膜層に侵入すると 、該皮膜層内にうず電流が発生し、これにより、この磁束を低減して洩れ磁束の 発生を防止することができる。この結果、前記第１の考案とほぼ同様に、トルク の検出感度、検出精度等を向上することができる。さらに、導電率が高くなると 、表皮効果の生じる範囲が小さくなるから、磁歪シャフト内を流れる磁束の密度 を向上することができ、より一層トルクの検出感度を向上できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本考案の実施例による磁歪式トルクセンサの要
部を拡大して示す縦断面図である。

【図２】本考案の変形例による磁歪式トルクセンサの要
部を拡大して示す縦断面図である。

【図３】従来技術による磁歪式トルクセンサを示す縦断
面図である。

【図４】図３中の要部を拡大して示す縦断面図である。

【図５】コア部材、磁歪シャフト等に形成される磁気回
路を示す回路図である。

【符号の説明】

１ ケーシング ２ 磁歪シャフト ６ 一側コア部材 ６Ｂ，７Ｂ 脚部 ７ 他側コア部材 ８ 一側コイルボビン ９ 他側コイルボビン １０ 一側コイル（励磁および検出コイル） １１ 他側コイル（励磁および検出コイル） ２１ 皮膜層

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)考案者 狩野 英樹 群馬県伊勢崎市粕川町1671番地１ 日本電 子機器株式会社内 (72)考案者 上岡 秀樹 群馬県伊勢崎市粕川町1671番地１ 日本電 子機器株式会社内 (72)考案者 小林 信章 群馬県伊勢崎市粕川町1671番地１ 日本電 子機器株式会社内 (72)考案者 保科 敦巳 群馬県伊勢崎市粕川町1671番地１ 日本電 子機器株式会社内 (72)考案者 片平 洋一 群馬県伊勢崎市粕川町1671番地１ 日本電 子機器株式会社内

Claims (2)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 【請求項１】 筒状のケーシングと、該ケーシング内に
   回転自在に配設された磁歪シャフトと、該磁歪シャフト
   の外周側を取り囲むように前記ケーシング内に設けら
   れ、両端側に径方向内向きに伸長する環状の脚部が形成
   されたコア部材と、該コア部材の内周側に設けられたコ
   イルボビンと、前記磁歪シャフトに作用するトルクを電
   気信号として検出すべく、該コイルボビンに巻回された
   少なくとも一対の励磁および検出コイルとからなる磁歪
   式トルクセンサにおいて、前記磁歪シャフトの外周側に
   は、前記コア部材の各脚部の間に位置して皮膜層を設
   け、該皮膜層は非磁性材料から形成したことを特徴とす
   る磁歪式トルクセンサ。
2. 【請求項２】 筒状のケーシングと、該ケーシング内に
   回転自在に配設された磁歪シャフトと、該磁歪シャフト
   の外周側を取り囲むように前記ケーシング内に設けら
   れ、両端側に径方向内向きに伸長する環状の脚部が形成
   されたコア部材と、該コア部材の内周側に設けられたコ
   イルボビンと、前記磁歪シャフトに作用するトルクを電
   気信号として検出すべく、該コイルボビンに巻回された
   少なくとも一対の励磁および検出コイルとからなる磁歪
   式トルクセンサにおいて、前記磁歪シャフトの外周側に
   は、前記コア部材の各脚部の間に位置して皮膜層を設
   け、該皮膜層は導電性材料から形成したことを特徴とす
   る磁歪式トルクセンサ。