JP7596682B2

JP7596682B2 - 磁歪式トルクセンサ

Info

Publication number: JP7596682B2
Application number: JP2020155210A
Authority: JP
Inventors: 貴裕大寺; 潤司小野; 昌弘小林; 晃大福田
Original assignee: NSK Ltd
Current assignee: NSK Ltd
Priority date: 2020-09-16
Filing date: 2020-09-16
Publication date: 2024-12-10
Anticipated expiration: 2040-09-16
Also published as: JP2022049145A

Description

本発明は、回転体に生じる逆磁歪効果を利用して該回転体が伝達するトルクを測定する磁歪式トルクセンサに関する。

例えば自動車の技術分野においては、自動変速機を構成する回転軸により伝達しているトルクを測定し、その測定結果を利用して、当該変速機の変速制御やエンジンの出力制御を行うことが、従来から行われている。

また、回転軸により伝達しているトルクを測定する技術として、例えば特開２０１７－９６８２６号公報（特許文献１）には、当該トルクを、回転軸の周囲に配置した磁歪式トルクセンサにより測定する技術が記載されている。

特開２０１７－９６８２６号公報

特開２０１７－９６８２６号公報に記載の磁歪式トルクセンサは、トルクの測定精度を向上させる面からは、さらなる改良の余地がある。すなわち、磁歪式トルクセンサによるトルクの測定精度を向上させるためには、磁歪式トルクセンサの検出部と、回転軸の被検出面との間隔を精度よく規制することが効果がある。これに対し、特開２０１７－９６８２６号公報に記載の構造では、エンジンのクランクシャフトとトルクコンバータのケースとをトルク伝達可能に接続するドライブプレートを被検出部材とし、該ドライブプレートに、前記エンジンのシリンダブロックに支持固定された磁歪式トルクセンサの検出部を対向させている。したがって、前記磁歪式トルクセンサの検出部と、前記回転軸の被検出面との間隔を規制するためには、エンジンやトルクコンバータを構成する各部品の形状精度及び組立精度を十分に確保する必要があり、自動車の製造コストが増大する可能性がある。

本発明は、上述のような事情に鑑み、トルクの測定精度を向上することができる磁歪式トルクセンサの構造を実現することを目的としている。

本発明の磁歪式トルクセンサは、使用時にも回転しない部分に取り付けられた状態で、磁歪特性を有する回転体の被検出面に対向して配置され、前記回転体に生じる逆磁歪効果を利用して該回転体が伝達するトルクを測定するものである。
本発明の磁歪式トルクセンサは、合成樹脂製のホルダと、該ホルダに埋め込まれた検出部とを備える。
前記検出部は、前記被検出面の周囲に全周にわたって配置されている。
前記ホルダは、前記検出部を保持する本体部と、その先端部を、前記回転体の前記被検出面に摺接又は近接対向させた、少なくとも１個の位置決め凸部とを有する。
前記少なくとも１個の位置決め凸部は、前記本体部の内周面の円周方向３箇所以上から径方向内側に向けて突出するように設けられている、又は、前記本体部の内周面から全周にわたって径方向内側に向けて突出するように設けられている。

本発明の磁歪式トルクセンサによれば、トルクの測定精度を向上させることができる。

図１は、実施の形態の１例に係る磁歪式トルクセンサを、軸方向から見た端面図である。図２は、図１のＸ－Ｘ断面図である。図３は、実施の形態の１例に係る磁歪式トルクセンサの検出部を展開した状態で示す模式図であり、（Ａ）は第１検出コイル及び第４検出コイルを示す図であり、（Ｂ）は第２検出コイル及び第３検出コイルを示す図である。図４は、実施の形態の１例に係る磁歪式トルクセンサの測定部を示す回路図である。図５は、実施の形態の１例に係る磁歪式トルクセンサの変形例を示す、図２に相当する図である。

本発明の実施の形態の１例について、図１～図５を用いて説明する。本例の磁歪式トルクセンサ１は、使用時にも回転しないケーシングなどの非回転部材に取り付けられ、かつ、磁歪特性を有する回転軸２の周囲に配置されて、回転軸２が伝達するトルクを測定する。すなわち、磁歪式トルクセンサ１は、検出部３を、回転軸２の外周面に備えられた被検出面４に対向させている。磁歪式トルクセンサ１は、検出部３により、逆磁歪効果に基づいて、回転軸２がトルクを伝達する際に生じる該回転軸２の透磁率の変化を検出し、回転軸２が伝達するトルクを測定する。

磁歪式トルクセンサ１は、検出部３と、ホルダ５と、測定回路６とを備える。

検出部３は、ボビン７と、該ボビン７に巻き付けられた絶縁電線からなる複数個ずつの検出コイル８ａ～８ｄと、バックヨーク９とを備える。

ボビン７は、円筒形状を有し、非磁性体材料である樹脂材料により構成されている。ボビン７は、外周面に、ボビン７の軸方向に対して所定角度（図示の例では＋４５度）だけ傾斜した複数の第１傾斜溝１０ａと、ボビン７の軸方向に対して第１傾斜溝１０ａとは反対方向に所定角度（図示の例では－４５度）だけ傾斜した複数の第２傾斜溝１０ｂとを有する。なお、第１傾斜溝１０ａ及び第２傾斜溝１０ｂのそれぞれの傾斜角度は、任意に設定することができる。

複数の検出コイル８ａ～８ｄのうち、第１検出コイル８ａ及び第４検出コイル８ｄのそれぞれは、ボビン７の第１傾斜溝１０ａに沿って絶縁電線を巻き付けてなる。これに対し、複数の検出コイル８ａ～８ｄのうち、第２検出コイル８ｂ及び第３検出コイル８ｃのそれぞれは、ボビン７の第２傾斜溝１０ｂに沿って絶縁電線を巻き付けてなる。

すなわち、複数の検出コイル８ａ～８ｄは、径方向に積層されている。また、第１検出コイル８ａは、円周方向に等間隔に配置され、かつ、円周方向に隣り合う第１検出コイル８ａ同士が直列に接続されている。第２検出コイル８ｂは、円周方向に等間隔に配置され、かつ、円周方向に隣り合う第２検出コイル８ｂ同士が直列に接続されている。第３検出コイル８ｃは、円周方向に等間隔に配置され、かつ、円周方向に隣り合う第３検出コイル８ｃ同士が直列に接続されている。第４検出コイル８ｄは、円周方向に等間隔に配置され、かつ、円周方向に隣り合う第４検出コイル８ｄ同士が直列に接続されている。

第１検出コイル８ａ及び第４検出コイル８ｄは、回転軸２の軸方向に対して所定角度（図示の例では＋４５度）だけ傾斜した第１方向での、回転軸２の透磁率変化を検出する。第２検出コイル８ｂ及び第３検出コイル８ｃは、回転軸２の軸方向に対して第１方向とは反対側に所定角度（図示の例では－４５度）だけ傾斜した第２方向での、回転軸２の透磁率変化を検出する。検出コイル８ａ～８ｄを構成する絶縁電線は、測定回路６に電気的に接続される。

バックヨーク９は、円筒形状を有し、例えば鉄などの磁性体材料（強磁性体材料）により構成され、ボビン７に外嵌固定されている。バックヨーク９は、ボビン７の周囲に配置された検出コイル８ａ～８ｄで生じた磁束の外部への漏れを抑制する機能を有する。

ホルダ５は、本体部１１と、複数個（図示の例では３個）の位置決め凸部１２と、コネクタ部１３とを備える。

本体部１１は、円筒形状を有する。本体部１１は、回転軸２の周囲に配置され、内部に検出部３を保持している。換言すれば、検出部３は、本体部１１の内部に埋め込まれている（モールドされている）。

位置決め凸部１２のそれぞれは、本体部１１の内周面の円周方向複数箇所（図示の例では円周方向等間隔３箇所）のそれぞれから径方向内側に向けて突出している。位置決め凸部１２のそれぞれは、先端部（径方向内側の端部）を、回転軸２の被検出面４に摺接又は近接対向、好ましくは摺接させている。本例では、位置決め凸部１２のそれぞれは、先端部に、本体部１１の中心軸を中心とする部分円筒面状の凹曲面部１４を有する。

本例では、位置決め凸部１２のそれぞれは、図２に示すように、本体部１１の内周面のうち、軸方向片側（図２の左側）の端部から径方向内側に向けて突出している。ただし、例えば図５に示すように、位置決め凸部１２のそれぞれを、本体部１１の内周面から軸方向全長にわたって突出させることもできる。または、位置決め凸部のそれぞれを、本体部の内周面の軸方向中間部若しくは軸方向他側の端部から径方向内側に向けて突出させることもできる。

コネクタ部１３は、本体部１１の外周面の円周方向１箇所から径方向外側に向けて突出している。コネクタ部１３には、ハーネス１５が接続される。ハーネス１５は、検出コイル８ａ～８ｄを構成する絶縁電線と測定回路６とを電気的に接続する。あるいは、ホルダ５の内部に、測定回路６が実装された基板部を埋め込み、かつ、測定回路６のトルク演算部１６が出力するトルク信号をハーネス１５により取り出すように構成することもできる。

本例のホルダ５は、例えば、エポキシ樹脂や、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）、ＰＡ（ポリアミド）、ＰＰＡ（ポリフタルアミド）などの熱可塑性樹脂を射出成形することにより造ることができる。すなわち、検出部３の周囲に金型を配置し、検出部３と金型との間に画成されたキャビティ内に溶融樹脂を送り込み、該溶融樹脂を冷却及び固化させる。これにより、ホルダ５を成形し、かつ、ホルダ５の本体部１１の内部に検出部３を埋め込む。

測定回路６は、検出コイル８ａ～８ｄのそれぞれのインダクタンスの変化を検出することで、回転軸２が伝達するトルクを測定する。測定回路６は、ブリッジ回路１７と、発振器１８と、電圧測定装置（ロックイン増幅器）１９と、トルク演算部１６とを備える。

ブリッジ回路１７は、第１検出コイル８ａと、第２検出コイル８ｂと、第３検出コイル８ｃと、第４検出コイル８ｄとを環状に接続してなる。発振器１８は、第１検出コイル８ａと第２検出コイル８ｂとの接点Ａと、第３検出コイル８ｃと第４検出コイル８ｄとの接点Ｂとの間に、交流電圧を印加する。電圧測定装置１９は、第１検出コイル８ａと第３検出コイル８ｃとの接点Ｃと、第２検出コイル８ｂと第４検出コイル８ｄとの接点Ｄとの間の電圧を検出する。トルク演算部１６は、電圧測定装置１９の出力信号に基づいて、回転軸２が伝達するトルクを演算する。

本例の磁歪式トルクセンサ１を用いて、回転軸２が伝達するトルクを測定するには、発振器１８により、Ａ点とＢ点との間に交流電圧を印加し、検出コイル８ａ～８ｄのそれぞれに交流電流を流す。すると、検出コイル８ａ～８ｄのそれぞれには、円周方向に隣り合う一対の検出コイル同士で互いに逆向きの電流が流れる。この結果、検出コイル８ａ～８ｄの周囲に交流磁界が発生し、交流磁界の磁束の一部が回転軸２の表層部を通過する。この状態で、回転軸２にトルクが加わると、逆磁歪効果により、回転軸２は、軸方向に対して＋４５度の方向の透磁率が増加（又は減少）し、軸方向に対して－４５度の方向の透磁率が減少（又は増加）する。このため、第１検出コイル８ａ及び第４検出コイル８ｄでは、インダクタンスが減少（又は増加）し、第２検出コイル８ｂ及び第３検出コイル８ｃでは、インダクタンスが増加（又は減少）する。この結果、電圧測定装置１９で検出される電圧の値が変化するため、トルク演算部１６は、この電圧の値をもとに、回転軸２が伝達するトルクを演算する。

一方、回転軸２がトルクを伝達していない状態では、検出コイル８ａ～８ｄのそれぞれのインダクタンスは互いに等しくなる。このため、電圧測定装置１９で検出される電圧は０になる。

本例の磁歪式トルクセンサ１は、ホルダ５の本体部１１を、回転軸２の被検出面４の周囲に配置し、かつ、位置決め凸部１２の凹曲面部１４を、回転軸２の被検出面４に摺接又は近接対向させる。これにより、磁歪式トルクセンサ１は、検出部３を、被検出面４の周囲に配置し、該被検出面４に対向させている。回転軸２のうち、少なくとも被検出面４を含む部分は、ＳＣｒ４２０（クロム鋼）、ＳＣＭ４２０（クロムモリブデン鋼）、ＳＮＣＭ４２０（ニッケルクロムモリブデン鋼）などの鋼（鉄合金）などの磁歪特性を有する材料により構成されている。具体的には、回転軸２全体を、磁歪特性を有する材料により構成することができる。あるいは、被検出面４を含む部分を、磁歪特性を有する材料により構成し、残部を構成する部品と結合固定することもできる。

なお、被検出面４に、ショットピーニング処理を施して、磁歪特性を改善した改質層を形成することもできる。このような改質層を形成すれば、磁歪式トルクセンサ１によるトルク測定の感度及びヒステリシスを改善することができる。

本例の磁歪式トルクセンサ１は、ホルダ５の位置決め凸部１２のそれぞれの先端部に備えられた凹曲面部１４を、回転軸２の被検出面４に摺接又は近接対向、好ましくは摺接させている。このため、磁歪式トルクセンサ１及び回転軸２を備える機械装置の部品の形状精度及び組立精度を過度に高くすることなく、ホルダ５の本体部１１の内部に埋め込まれた検出部３と、回転軸２の被検出面４との間隔を精度よく規制することができる。換言すれば、回転軸２の被検出面４に対する検出部３の径方向の位置決めを高精度に行うことができる。したがって、前記機械装置の製造コストを過度に増大させることなく、磁歪式トルクセンサ１によるトルクの測定精度を向上させることができる。

以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明はこれに限定されることなく、発明の技術思想を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。

本例では、検出部３を埋め込んだホルダ５に、位置決め凸部１２を形成している。本発明の技術的範囲からは外れるが、検出コイルを巻き付けたボビンに位置決め凸部を形成し、かつ、該位置決め凸部の先端部を、回転体の被検出面に摺接又は近接対向させることもできる。この場合、ボビンの径方向外側を、合成樹脂製のホルダにより覆うことができる。

本例では、位置決め凸部１２を円周方向複数箇所に配置しているが、位置決め凸部を全周にわたり円環状に形成することもできる。ただし、位置決め凸部の先端部を、回転体の被検出面に摺接する場合、位置決め凸部の先端部と回転体の被検出面との摺接面積を小さくして、摺接抵抗を抑える面から、位置決め凸部を円周方向複数箇所、好ましくは３箇所以上に間欠的に配置することが好ましい。

本例では、４組の検出コイル８ａ～８ｄによりブリッジ回路１７を構成しているが、ブリッジ回路を構成する４組の検出コイルのうち、２組の検出コイルを抵抗に置き換えて使用することができる。あるいは、複数の検出コイルとボビンとからなるコイル部材に代えて、ホール素子、ホールＩＣ、ＭＲ素子、ＧＭＲ素子、ＡＭＲ素子、ＴＭＲ素子、ＭＩ素子などの磁気検出素子を備えた磁気センサを使用することもできる。

本例では、磁歪式トルクセンサ１の検出部３を、回転軸２の外周面に備えられた被検出面４の周囲に配置しているが、本発明の技術的範囲からは外れるが、検出部を、回転体の軸方向側面に備えられた被検出面に、軸方向に対向させることもできる。この場合、位置決め凸部は、被検出面に向けて軸方向に突出するように形成される。

本発明の磁歪式トルクセンサは、例えば、自動車のパワートレインに組み込んで使用することができる。この場合、組み込み対象となる装置は、特に限定されず、オートマチックトランスミッション（ＡＴ）、ベルト式無段変速機、トロイダル型無段変速機、オートマチックマニュアルトランスミッション（ＡＭＴ）、ダブルクラッチトランスミッション（ＤＣＴ）などの車側の制御で変速を行うトランスミッション、又はトランスファーを対象とすることができる。また、対象となる車両の駆動方式（ＦＦ、ＦＲ）も、特に問わない。

さらに、本発明の磁歪式トルクセンサは、自動車のパワートレインに限らず、電動アシスト自転車を含む自転車、風車、鉄道車両、圧延機、工作機械、建設機械、農業機械、家庭用電気器具などの各種機械装置に組み込んで使用することができる。

１磁歪式トルクセンサ
２回転軸
３検出部
４被検出面
５ホルダ
６測定回路
７ボビン
８ａ第１検出コイル
８ｂ第２検出コイル
８ｃ第３検出コイル
８ｄ第４検出コイル
９バックヨーク
１０ａ第１傾斜溝
１０ｂ第２傾斜溝
１１本体部
１２位置決め凸部
１３コネクタ部
１４凹曲面部
１５ハーネス
１６トルク演算部
１７ブリッジ回路
１８発振器
１９電圧測定装置

Claims

使用時にも回転しない部分に取り付けられた状態で、磁歪特性を有する回転体の被検出面に対向して配置され、前記回転体に生じる逆磁歪効果を利用して該回転体が伝達するトルクを測定する、磁歪式トルクセンサであって、
合成樹脂製のホルダと、
該ホルダに埋め込まれた検出部と、
を備え、
前記検出部が、前記被検出面の周囲に全周にわたって配置されており、
前記ホルダが、前記検出部を保持する本体部と、その先端部を、前記回転体の前記被検出面に摺接又は近接対向させた、少なくとも１個の位置決め凸部とを有しており、
前記少なくとも１個の位置決め凸部が、前記本体部の内周面の円周方向３箇所以上から径方向内側に向けて突出するように設けられている、又は、前記本体部の内周面から全周にわたって径方向内側に向けて突出するように設けられている、
磁歪式トルクセンサ。