JPH0628673U - 磁歪式トルクセンサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 磁歪シャフトの磁気抵抗が総磁気抵抗に占め
る割合を増大させ、トルクの検出感度を向上する。 【構成】 各コア部材２１には、周方向に３０°程度ず
つ離間した間隔をもって位置し、外面側から内面側に亘
って表皮深さＳ以上の深さ寸法ｈを有する複数の溝２
３，２３，…を設ける構成とした。この各溝２３によ
り、各コア部材２１は周方向に離間する複数のコ字状コ
ア２４，２４，…として実質的に分割され、各コア部材
２１内に入った磁束の流れが規制されることにより、各
コア部材２１内の磁束の流れは最短距離たる直線状とな
り、磁路長が短くなる。

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６に従来技術による磁歪式トルクセンサとして、２コイル型の磁 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、例えばプロペ ラシャフト、アウトプットシャフト、ドライブシャフト等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正磁歪材料 から円柱状に形成され、軸方向中間にはセンサ部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４５°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】 ６，６は軸方向に離間して位置し、磁歪シャフト２のセンサ部２Ａ外周側を取 囲むようにケーシング１の内周面に設けられた筒状のコア部材、７，７は該各コ ア部材６をそれぞれ構成する一対のコア片を示し、該各コア片７は図４，図６に も示す如く、パーマロイ等の高透磁率軟磁性材料から有底筒状に形成され、その 中央部には磁歪シャフト２が挿通されるシャフト挿通穴７Ａが軸方向に穿設され ると共に、その端部は磁歪シャフト２のセンサ部２Ａと微小なエアギャップδを 介して対向する環状脚部７Ｂ，７Ｂとなっている。

【０００５】 ８，８は各コア部材６の内周側に設けられたコイルボビン、９，９は該各コイ ルボビン８に巻回された励磁および検出コイルとしてのコイルをそれぞれ示し、 該各コイル９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９は、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、図５に示す磁気回路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】 １０，１０は各コア部材６の端部に設けられた外側スペーサ、１１は各コア部 材６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１０，１１は各 コア部材６を両側から挟持して固定するもので、該各スペーサ１０，１１によっ て一体化された各コア部材６等は、Ｃリング１２，１２によってケーシング１の 内周面に固定されている。

【０００７】 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９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９から生じた磁束により各コア部材６から磁歪シャフト２ に亘って磁気回路が形成される。

【０００８】 ここで、この磁気回路は、図５に示す如く、トルクＴに応じて変化する磁歪シ ャフト２の磁気抵抗Ｒ1 と、エアギャップδの磁気抵抗Ｒ2 ，Ｒ2 と、各コア部 材６の磁気抵抗Ｒ3 とから大略構成され、また、各コイルボビン８には各コア片 ７の各環状脚部７Ｂ間をバイパスする磁束による磁気抵抗Ｒ4 が形成され、該各 磁気抵抗Ｒ1 ，Ｒ2 ，Ｒ3 ，Ｒ4 の値は、

【０００９】

【数１】 Ｒ＝Ａ／μＳ 但し、Ａ：磁路平均長さ（磁路長） Ｓ：磁路断面積 μ：透磁率 としてそれぞれ求められる。

【００１０】 従って、主たる磁気抵抗Ｒ1 ，Ｒ2 ，Ｒ3 を合成した総磁気抵抗Ｒｔは、各ス リット溝４，５間を流れる磁束の磁路長をＡ1 、エアギャップδ間を流れる磁束 の磁路長をＡ2 、コア部材６内を流れる磁束の磁路長をＡ3 とし、該各磁路にお ける磁路断面積および透磁率をそれぞれＳ1 、Ｓ2 、Ｓ3 、μ1 、μ2 、μ3 と すれば、

【００１１】

【数２】 として求められる。

【００１２】 一方、各コイル９の自己インダクタンスＬは、コイル巻数をＮとすると、

【００１３】

【数３】 Ｌ＝Ｎ² ／Ｒｔ として求めることができる。

【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μ1 は引っ張り応力＋σにより大きくなって該磁 歪シャフト２の磁気抵抗Ｒ1 が減少し、一方、他側スリット５側の磁歪シャフト ２の透磁率μ1 は圧縮応力−σにより小さくなって磁気抵抗Ｒ1 が増大する。

【００１５】 この結果、一側のコイル９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、他側のコイル９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。

【００１６】 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に沿って生じる圧縮応力−σによって透磁率μ1 が小さ くなる一方、他側スリット溝５に沿って生じる引っ張り応力＋σによって透磁率 μ1 が大きくなるから、一側のコイル９の自己インダクタンスＬが減少し、他側 のコイル９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。

【００１７】

【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９に交 流電圧を印加して磁束を生ぜしめ、各コア部材６、エアギャップδ、磁歪シャフ ト２に亘る磁気回路を形成することにより、トルクに応じて変化する磁歪シャフ ト２の磁気抵抗Ｒ1 を利用して、磁歪シャフト２に加わったトルクを検出してい る。

【００１８】 しかし、前記数３に示す如く各コイル９の自己インダクタンスＬを決定する総 磁気抵抗Ｒｔは、磁歪シャフト２の磁気抵抗Ｒ1 のみならず、その他の各磁気抵 抗Ｒ2 ，Ｒ3 との合成値であるため、磁歪シャフト２の磁気抵抗Ｒ1 が応力σに よって変化する変化分ΔＲ1 が総磁気抵抗Ｒｔに与える影響が小さく、即ち前記 数２のうちトルク依存性を有する右辺第１項の占める割合が低い。

【００１９】 このため、上述した従来技術によるものでは、トルク検出とは無関係な各エア ギャップδの磁気抵抗Ｒ2 や各コア部材６の磁気抵抗Ｒ3 のために、トルクに応 じて変化する磁歪シャフト２の磁気抵抗Ｒ1 が総磁気抵抗Ｒｔに与える影響が小 さくなって、トルクの検出感度が大幅に低下し、検出精度や信頼性が低いという 問題がある。

【００２０】 特に、図６中に二点鎖線で示す如く、磁歪シャフト２の表面では透磁率の低い 各スリット溝４，５によって磁束の流れが斜め方向に強制されるため、該磁歪シ ャフト２から各コア片７の環状脚部７Ｂを介してコア部材６内に入った磁束も、 この影響を受けて該コア部材６の表面を斜め方向に流れ易い。従って、該コア部 材６内の磁路長Ａ3 が不必要に増大し易いから、前記数１よりコア部材６の磁気 抵抗Ｒ3 が大きくなって、相対的に磁歪シャフト２の磁気抵抗Ｒ1 が総磁気抵抗 Ｒｔに占める割合が低下し、トルクの検出感度が大幅に低下するという問題があ る。

【００２１】 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、磁歪シャフトの磁気 抵抗が総磁気抵抗に占める割合を増大させることにより、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。

【００２２】

【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、本考案が採用する構成の特徴は、コア部材に は周方向に所定間隔離間して外面側から内面側に亘る複数の溝を設けたことにあ る。

【００２３】

【作用】

コア部材の外面側から内面側に亘って設けられた複数の溝は、その透磁率が空 気と実質的に等しくコア部材よりも小さいから、該各溝によりコア部材は周方向 に所定間隔離間して複数個に分割された状態となり、磁束は各溝によって流れ方 向が最短距離に規制される。

【００２４】

【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 前述した図３ないし図６に示す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。

【００２５】 図中、２１，２１は従来技術で述べたコア部材６に代えて本実施例に適用され る筒状のコア部材を示し、該各コア部材２１は、従来技術で述べた各コア部材６ とほぼ同様に、磁歪シャフト２のセンサ部２Ａ外周側を取囲むようにケーシング １の内周面に軸方向に離間して設けられ、後述のコア片２２，２２を衝合するこ とによって筒状に形成されている。しかし、本実施例による各コア部材２１には その外面側から内面側に亘って後述する複数の溝２３，２３，…が設けられてい る点で相違する。

【００２６】 ２２，２２はパーマロイ等の高透磁率軟磁性材料から有底筒状に形成され、従 来技術で述べた各コア片７とほぼ同様にシャフト挿通穴２２Ａと環状脚部２２Ｂ とが設けられたコア片、２３，２３，…は該各コア片２２の外面側から内面側に 亘って設けられた１２個の溝をそれぞれ示し、該各溝２３は図２に示す如く、各 コア片２２の中心に対して例えば周方向に３０°程度ずつ離間した間隔をもって 位置し、該各コア片２２の衝合面でそれぞれ対向する他方の溝２３と接続されて いる。また、該各溝２３はその断面がＵ字状ないし半円状に形成され、その深さ 寸法ｈは下記数４で求められる表皮深さＳ以上となっている（ｈ≧Ｓ）。

【００２７】

【数４】

【００２８】 そして、前記各溝２３は、その透磁率が内部にある空気の透磁率と実質的に等 しく、各コア部材２１の磁気抵抗Ｒ3 よりも磁気抵抗が大きいから、各スリット 溝４，５と同様に各コア部材２１内の磁束の流れを規制している。

【００２９】 即ち、磁束は表皮効果によって前記数４に示す所定の表皮深さＳ内を集中して 流れるから、この表皮深さＳ以上の深さ寸法ｈで設けられた各溝２３により、磁 束にとって各コア部材２１は、周方向に３０度程度ずつ離間した間隔をもって位 置する１２個のコ字状コア２４，２４，…にそれぞれ分割された状態と等しくな り、図２中に二点鎖線で示す如く、各コア部材２１内に入射した磁束は各溝２３ により、その流れ方向がコア部材２１内での最短距離、即ち各環状脚部２２Ｂ間 の最短距離たる直線状に規制されて各コ字状コア２４内を流れるようになってい る。

【００３０】 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。

【００３１】 然るに、本実施例では、各コア部材２１に周方向に３０°程度ずつ離間した間 隔をもって位置し、外面側から内面側に亘って表皮深さＳ以上の深さ寸法ｈを有 する複数の溝２３，２３，…を設ける構成としたから、該各溝２３により各コア 部材２１を周方向に離間する複数のコ字状コア２４として実質的にそれぞれ分割 することができ、各コア部材２１内に入った磁束の流れを効果的に規制すること ができる。

【００３２】 この結果、図２に示す如く、各コア部材２１内の磁束を各環状脚部２２Ｂ間の 最短距離たる直線状に流すことができ、各コア部材２１の磁路長Ａ3 を大幅に短 くできるから、総磁気抵抗Ｒｔに占める磁歪シャフト２の磁気抵抗Ｒ1 の割合を 相対的に大きくすることができ、磁歪シャフト２の透磁率μ1 の変化を効果的に 反映させて、トルクの検出感度を大幅に増大することができる。

【００３３】 また、各溝２３は各コア部材２１の外面側から内面側に亘って周方向に複数個 形成されているから、該各溝２３の分だけ各コア部材２１の表面積を増大させる ことができ、該各溝２３内を軸方向に流れる空気によって各コア部材２１を効果 的に冷却することができ、エンジンからの熱等によって該各コア部材２１が変形 等するのを防止することができる。

【００３４】 なお、前記実施例では、各溝２３，２３，…は周方向に３０°程度ずつ離間し た間隔をもって１２個設けるものとして述べたが、これに替えて、３０°以下あ るいは３０°以上ずつ周方向に離間した間隔をもって設けてもよい。

【００３５】 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。

【００３６】 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。

【００３７】

【考案の効果】

以上詳述した如く、本考案によれば、コア部材には周方向に所定間隔離間して 外面側から内面側に亘る複数の溝を設ける構成としたから、その透磁率が空気と 実質的に等しい該各溝により、表皮効果の影響を受ける磁束にとって該コア部材 を周方向に所定間隔離間する複数のコ字状コアとして実質的に分割することがで きる。この結果、各溝によってコア部材内の磁束の流れをコア部材内での最短距 離たる直線状に規制し、該コア部材内を流れる磁束の磁路長を短くして磁気抵抗 を小さくできるから、磁気回路の総磁気抵抗に占めるコア部材の磁気抵抗の低減 によって磁歪シャフトの磁気抵抗が占める割合を相対的に大きくすることができ 、磁歪シャフトの透磁率変化を効果的に反映させてトルクの検出感度を向上する ことができる。

【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】図１中のコア部材を拡大して示す一部破断の斜
視図である。

【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。

【図６】図３中のコア部材を拡大して示す一部破断の斜
視図である。

【符号の説明】

１ ケーシング ２ 磁歪シャフト ９ コイル（励磁および検出コイル） ２１ コア部材 ２３ 溝

Claims (1)

【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
   た筒状のコア部材と、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、該コア部材の内周側に
   設けら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、前記コア部材には
   周方向に所定間隔離間して外面側から内面側に亘る複数
   の溝を設けたことを特徴とする磁歪式トルクセンサ。