特許 7503261 磁歪式トルクセンサー

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-06-12

(45)【発行日】2024-06-20

(54)【発明の名称】磁歪式トルクセンサー

(51)【国際特許分類】

   G01L 3/10 20060101AFI20240613BHJP

【ＦＩ】

G01L3/10 301Z

【請求項の数】 7

(21)【出願番号】P 2019240106

(22)【出願日】2019-12-31

(65)【公開番号】P2021110536

(43)【公開日】2021-08-02

【審査請求日】2022-12-22

(73)【特許権者】

【識別番号】505000480

【氏名又は名称】フィンガルリンク株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100129986

【弁理士】

【氏名又は名称】森田 拓生

(72)【発明者】

【氏名】名郷根 正昭

(72)【発明者】

【氏名】座間 誠一

【審査官】松山 紗希

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１７－１３８２９１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００１－０８３０２５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０００－０１９０３４（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０１Ｌ ３／００－３／２６

Ｇ０１Ｌ ５／００－５／２８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

一軸方向に伸長するシャフト体からなり、シャフト体の端部を除く所定の第一区間に亘って拡径部を有する、磁歪合金製のシャフトと、
前記拡径部の両端部それぞれに非接触で近接配置されたピックアップセンサと、
第一区間内のシャフト及びピックアップセンサを箱状に囲って、シャフトの両端部以外を防磁する防磁ボックス（４）と、
拡径区間の両端それぞれよりも外方の第二区間にて、シャフト（１）外周部と防磁ボックス（４）の外端部との間に介設された、防磁処理を施された防磁スペーサー（３）と、
を具備するトルクセンサであって、
センサ（２）は、平面視対角位置／又は／及び側面視対角位置に対となるように、軸方向左右に配置されてなることを特徴とする磁歪式トルクセンサー。

【請求項2】

防磁スペーサー（３）は、ベアリング（２３）を介してシャフト（１）及び防磁ボックス（４）それぞれを支持する弾性材からなり、
シャフト（１）の前記第一区間から所定の距離を開けた第二区間にて、シャフトに外周面接触してシャフトを支持すると共に、
ベアリング（２３）を介して組み込まれた、自由回転可能な回転部品である、短円筒枠状のハウジング（２）を有し、
この回転部品であるハウジング（２）が、第二区間と第一区間の間の支持位置で、防磁ボックス（４）を自由回転可能に支持する、請求項１に記載の磁歪式トルクセンサー。

【請求項3】

シャフト（１）の第一区間の両端の区間境界のうち少なくとも一方の拡径端部が、湾曲状に窪んだ凹部からなる、請求項１又は２に記載の磁歪式トルクセンサー。

【請求項4】

シャフト（１）の第一区間の両端のうち少なくとも一方の拡径端部の角部が面取り部（１２１Ｃ）からなる、請求項１、２又は３のいずれかに記載の磁歪式トルクセンサー。

【請求項5】

シャフト（１）の第一区間の両端のうち一方の拡径端部の径が、他方の拡径端部の径と異なる、請求項１、２、３、又は４のいずれかに記載の磁歪式トルクセンサー。

【請求項6】

シャフト（１）の第一区間内の拡径部の周面の一部が、軸に対して一定角度で傾斜した円錐面からなる、請求項１、２、３、４、又は５のいずれかに記載の磁歪式トルクセンサー。

【請求項7】

シャフト（１）の第一区間の両端の区間境界のうち少なくとも一方の拡径端部が、軸側面視にて複数の段差を有した階段状部を有する、請求項１、２、３、４、５、又は６のいずれかに記載の磁歪式トルクセンサー。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明はシャフト型の応力センサーに関し、特に、トルク負荷されたシャフトから漏れる磁束を計測することで、シャフトに掛かったトルクを検出する、逆磁場効果を利用した磁歪式トルクセンサー、すなわち応力検出装置に関する。

【背景技術】

【0002】

磁歪の逆効果を利用してトルク印加に伴ってシャフトに発生する歪みをトルク検出する応力センサーとして、従来、検知部としてシャフトに巻線を施した同軸タイプやコの字形のコアに巻線を施した磁気ヘッド形のシャフト型センサーのほか、シャフトにアモルファス薄帯を貼着したり、プラズマ溶射、スパッタリング、メッキにより磁性層をシャフトの表面に形成したりするシャフト型センサーが知られる。これら従来のシャフト型センサーは、加工精度の問題、或いは表面への均一層の形成精度の問題から、応力センシングの信頼性に欠けるか或いは製造コストがかさむという問題があった。

【0003】

上記の他、シャフトのトルク検出部位を、周面に段差を構成する円筒体により構成し、円筒の中空内に円柱体などからなるフープ応力発生部材をはめ込み、円筒体周面に部材により円周方向の引っ張り応力（フープ応力）を発生させるトルク検出装置が開示される（特許文献１参照）。このようなトルク検出装置は、簡便・低コストでかつ信頼性に優れ、高い検出分解能を有する、とされる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【文献】特開２００１－８３０２５号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

しかしながら、上記嵌め込み式のトルク検出装置は、別部材の嵌め込みによって組み立てられるため、嵌め込み部の隙間を完全になくすことはできず、嵌め込み部に粗面或いは粗面による隙間が形成されてしまうという問題があった。シャフトに係るトルクを検出するという性質上、これらの隙間はシャフトとトルクの一体化を妨げ、トルク検知の精度に根本的に欠けるものであった。

【0006】

上記問題点に対し、嵌め込み後の溶接によってシャフトと磁歪リングとを一体化させることも考えられる。本発明者は溶接金属を磁歪リングの終端部ないし中間部に当てて連続溶接する試行を行った。溶接金属は磁歪リングとの一体化はある程度果たすものの、シャフトに熱影響部の窪みを形成したり、溶接金属自体にブローホールや割れを形成したりするという悪影響を与えることがあり、また、金属表面自体に窪みやへこみができやすいことから均一な表面に成り難く、トルク検出の精度向上につながるとは言えなかった。

【0007】

そこで本発明は、磁束漏れ量を確実にトルク検知することができる程度までの信頼性を有し、かつ、生産性に優れた磁歪式トルクセンサー、すなわち磁歪式応力検出装置を提供することを課題とする。

【課題を解決するための手段】

【0008】

上記課題に鑑みて、本発明においては、以下の手段を講じるものとしている。但し以下において構成の名称に続けて記載する数字乃至アルファベットは、図面の理解のために便宜的に付した符号であり、これによって構成の概念ないし形状、構造を限定する趣旨ではない。

【0009】

（１） 本発明に係る磁歪式トルクセンサーは、
一軸方向に伸長するシャフト体からなり、シャフト体の端部を除く所定の第一区間１２に亘って拡径部１２０を有する、一体製の磁歪合金製のシャフト（１）と、
前記拡径部の両端部それぞれに非接触で近接配置されたピックアップセンサ（４Ｓ）と、
第一区間内のシャフト及びピックアップセンサを箱状に囲って、シャフトの両端部以外を防磁する防磁ボックス（４）と、
拡径区間の両端それぞれよりも外方の第二区間にて、シャフト（１）外周部と防磁ボックス（４）の外端部との間に介設された、防磁処理を施された防磁スペーサー（３）と、
を具備するトルクセンサであって、
ピックアップセンサ（４Ｓ）は、平面視対角位置／又は／及び側面視対角位置に対となるように、軸方向左右に配置されてなることを特徴とする。

【0010】

シャフト自体に拡径部を形成して、拡径部の段差による磁束漏れを検出するようにしたことで、いわゆるシャフトと磁歪リング部分との一体化を完全なものとし、トルク検知量の精度を格段に向上させることができる。

【0011】

上記磁歪式トルクセンサーにおいて、一体製の磁歪合金を表面層に形成した棒状体、或いは全体が一体製の磁歪合金からなる棒状体を原料とし、この棒状体の削り出しによって、前記拡径部１２０を有する一体製の磁歪合金製のシャフト（１）を形成したものであることが好ましい。

【0012】

（２）防磁スペーサー（３）は、ベアリング（２３）を介してシャフト（１）及び防磁ボックス（４）それぞれを支持する弾性材からなり、
シャフト（１）の前記第一区間から所定の距離を開けた第二区間にて、シャフトに外周面接触してシャフトを支持すると共に、
ベアリング（２３）を介して組み込まれた、自由回転可能な回転部品である、短円筒枠状のハウジング（２）を有し、
この回転部品であるハウジング（２）が、第二区間と第一区間の間の支持位置で、防磁ボックス（４）を自由回転可能に支持することが好ましい。

【0013】

シャフトの拡大径の部分を削り出し等によってシャフトと一体の磁歪性合金からなるものとし、この拡大径部分を、弾性材からなる防磁スペーサー３で囲ってシャフトを回転可能に支持することで、支持によって漏れ磁束に影響を与えることがなくなり、検知精度の高いセンサを構成することができる。

【0014】

（３）シャフト（１）の第一区間の両端の区間境界のうち少なくとも一方の拡径端部が、湾曲状に窪んだ凹部（１２１Ｌ/１２２Ｌ）からなることが好ましい。

【0015】

拡径端部が凹部からなることで、漏れ磁束の磁束方向が凹部付近に集まり、漏れ磁束の量が僅かであっても確実に漏れ磁束の増減を検知することができる。

【0016】

（４）シャフト（１）の第一区間の両端のうち少なくとも一方の拡径端部の角部が面取り部（１２１Ｃ）からなることが好ましい。

【0017】

拡径端部の角部は漏れ磁束の変化量が大きく極端な磁束変化を検知できるところ、この部分を面取り部からなるものとすることで、面取り部全体による放射方向を磁束変化領域とすることができる。この磁束変化領域内に磁束センサを対向させて設置することで、磁束変化を詳細に検知することができる。

【0018】

（５）シャフト（１）の第一区間の両端のうち一方の拡径端部の径が、他方の拡径端部の径と異なることが好ましい。

【0019】

一方の拡径端部と他方の拡径端部とを異なる第一径、第二径とし、第一径における磁束量変化と、第二径における磁束量変化とを、段差部の高さを考慮して比較することで、磁束量変化によるノイズを除去して、シャフトが受けた純粋なねじり応力の検知が可能となる。

【0020】

（６）シャフト（１）の第一区間内の拡径部の周面の一部が、軸に対して一定角度で傾斜した円錐面からなる、或いは軸に対して非一定角度で傾斜した凹面又は凸面からなることが好ましい。
一定角度で傾斜した円錐面を有した拡径部は、第一区間両端の段差量が明らかであり、下降によって第一区間両端の長さを変えることで、異なる第一径、第二径を両端の径とすることができる。これにより、ノイズの精度を調整できる。
或いは一定角度で傾斜した凹面又は凸面からなる周面を有することで、拡径部の第一区間両端の角部の角度を９０度未満の鋭角に調整したり、９０度超１８０度未満の鈍角に調整したりすることができる。角部の角度を鋭角側に調整することで、磁束漏れ量の変化をピーキーにすることができる一方、鈍角側に調整することで、磁束漏れ量の変化を緩やかにすることができる。

【0021】

（７）シャフト（１）の第一区間の両端の区間境界のうち少なくとも一方の拡径端部が、軸側面視にて複数の段差を有した階段状部を有することが好ましい。
複数の段差部がある場合、段差による角部それぞれで磁束漏れ量の変化を確認することができる。

【発明の効果】

【0022】

本発明は上記手段を講じることで、磁束漏れ量を確実にトルク検知することができる程度までの信頼性を有し、かつ、生産性に優れた磁歪式トルクセンサー、すなわち磁歪式応力検出装置を提供するものとなった。

【図面の簡単な説明】

【0023】

【図1】本発明の磁歪式応力検出装置を含む磁歪式トルクセンサーの構成例を示す平面図である。

【図2】図１のＡ－Ａ軸方向縦断面図である。

【図3】実施例１のシャフトのみのＡ－Ａ軸方向縦断面図、並びに、その一端及び他端の拡径端部を示すＢ－Ｂ部分拡大図及びＣ－Ｃ部分拡大図である。

【図4】本発明の実施例２のシャフトの軸方向縦断面図、並びに、その一端及び他端の拡径端部を示すＤ－Ｄ部分拡大図及びＥ－Ｅ部分拡大図である。

【図5】本発明の実施例３～６のシャフトの軸方向縦断面図（ａ）～（ｄ）である。

【発明を実施するための形態】

【0024】

以下、本発明に係る磁歪式トルクセンサー、磁歪式応力検出装置、及び覚醒度算出方法の実施の形態を図面に基づいて説明する。但し以下において構成の名称に続けて記載する数字乃至アルファベットは、図面の理解のために便宜的に付した符号であり、これによって構成の概念ないし形状、構造を限定する趣旨ではない。

【0025】

（実施例１）
本発明の実施例１の磁歪式トルクセンサーの構成は、一軸方向に伸長するシャフト体（１１）からなる共にこのシャフト体（１１）の端部を除く所定の第一区間１２に亘って拡径部１２０を有する、一体製の磁歪合金製のシャフト（１）と、
前記拡径部の両端部それぞれに非接触で近接配置されたピックアップセンサ（４Ｓ）と、
第一区間内のシャフト及びピックアップセンサを箱状に囲って、シャフトの両端部以外を防磁する防磁ボックス（４）と、
拡径区間の両端それぞれよりも外方の第二区間にて、シャフト（１）外周部と防磁ボックス（４）の外端部との間に介設された、防磁処理を施された防磁スペーサー（３）と、を具備して構成される（図１、図２）。

【0026】

（シャフト（１））
シャフト（１）は、一軸方向に伸長するシャフト体からなると共に、シャフト体の端部を除く所定の第一区間に亘って拡径部を有した、磁歪合金製の一体製材からなる。この一体製材は、拡径部とシャフト体とが同一の一体製材からなり、嵌め込みや溶接、接着等によって組み合わされた組み合わせ製材ではない。好ましくは、少なくとも拡径部の厚さと同じかそれ以上の厚さの表面層を有したシャフト状の棒状体を削り出して、拡径部及びシャフト体を一体的に成形してなる。

【0027】

具体的には、シャフト（１）は、図３に示すように、軸方向長さ中央位置の第一区間１２に亘って拡径部１２０が削り出しによって一方のシャフト体１１１，他方のシャフト体１１２と一体加工される。

【0028】

拡径部１２０のうち一方（図３中の向かって右側）のシャフト体１１１寄りの拡径端部は、図３右上のＢ－Ｂ部分拡大図に示されるように、対軸４５度で面取りされた面取り面１２１Ｃを有した角部と、この角部から対軸垂直なドーナツ面で形成された第一の拡径端面１２１Ｈと、第一の拡径端面１２１Ｈとシャフト体１１との境界基部として第一のアール凹面部１２１Ｌが成形された拡径基部と、からなる。拡径端面１２１Ｈのシャフト１１表面からの径方向高さは、拡径厚さ１２１Ｔとして示される。

【0029】

拡径部１２０のうち他方（図３中の向かって左側）のシャフト体１１２寄りの拡径端部は、図３左上のＣ－Ｃ部分拡大図に示されるように、面取りされることなく断面視略９０度の直角形成部１２２Ｐからなる角部と、この角部から対軸垂直なドーナツ面で形成された第二の拡径端面１２２Ｈと、第二の拡径端面１２２Ｈと他方のシャフト体１１２との境界基部として第二のアール凹面部１２２Ｌが成形された拡径基部と、からなる。第二の拡径端面１２２Ｈとの他方のシャフト体１１２表面からの径方向高さは、拡径厚さ１２２Ｔとして示される。拡径厚さ１２２Ｔは１２１Ｔと共通する。

【0030】

拡径部１２０の径１２Ｄは、シャフト体の径１１Ｄの１０５％以上１２０％以下であることが好ましい。

【0031】

（防磁スペーサー（３））
防磁スペーサー（３）は、ベアリング（２３）を介してシャフト（１）及び防磁ボックス（４）それぞれを支持する弾性材からなる。シャフト（１）の前記第一区間から所定の距離を開けた第二区間にて、シャフトに外周面接触してシャフトを支持すると共に、ベアリング（２３）を介して組み込まれた、自由回転可能な回転部品であるハウジング（２）を有し、
この回転部品であるハウジング（２）が、第二区間と第一区間の間の支持位置で、防磁ボックス（４）を自由回転可能に支持する。
より具体的には、防磁スペーサー（３）は、第一区間よりも軸方向外方の第二区間に亘って、シャフト（１）の外周全体に面接触して周着する周着部品からなり、さらに、
第二区間よりも軸方向内方かつ第一区間よりも軸方向外方の支持位置にて、防磁ボックス（４）の端部を支持する回転部品であるハウジング（２）と、
周着部品及び支持部品の間に組み込まれたベアリング（２３）とから構成される。
ベアリング（１２）は短円筒枠状のハウジング（２）にそれぞれ外周支持され、一対のハウジング（２）が拡径部（１２０）の拡径区間（１２）よりそれぞれ外側の軸方向位置にて対向配置され、一対のハウジング（２）によって箱状の防磁ボックス（２２）が挟まれ、軸に直交する上下２本ずつのボルト（２１Ｂ）によってハウジング（２）と防磁ボックス（２２）とが固定されることで、拡径部（１２０）を囲う収容空間を有した防磁ボックス（２２）が、第一区画（１２）を含む防磁区画として支持固定される。

【0032】

シャフト体１１には第一区間よりも先側の各先部に、固定用Ｃリングを止めるためのリング溝１３が形成され、このリング溝１３よりも軸方向中央側に筒状弾性材からなる防磁スペーサー３が嵌め込まれ、防磁スペーサー３の外面に当接するように、固定用Ｃリング３Ｒがリング溝１３に嵌め込まれる。

【0033】

ピックアップセンサ（４Ｓ）は、平面視対角位置／又は／及び側面視対角位置に対となるように、防磁ボックス２２内であって拡径部近傍に形成された上下の基板４２に接して軸方向左右に配置されてなる（図１、図２）。

【0034】

（実施例２）
図４に示す実施例２のシャフトは、拡径部１２０が一定の傾斜角度１２０θで傾斜した円錐の周面を有し、大きい方の一方の拡径端の拡径高さ１２１Ｔが、他方の拡径端の拡径高さ１２２Ｔの約２倍となるように設定される。また、拡径端の角部は異なる傾斜角度で面取りされる。

【0035】

（実施例３～６）
図５（ａ）～（ｄ）に示す実施例３～６のシャフトは、拡径部１２０が凹部を有しつつ傾斜するか、或いは一定の傾斜角度１２０θで断面直線的に傾斜するか、或いは傾斜角度を変えて多段階に傾斜した円錐の周面を有する。大きい方の一方の拡径端の拡径高さ１２１Ｔが、他方の拡径端の拡径高さ１２２Ｔの約２倍となるように設定される。また、拡径端の角部は異なる傾斜角度で面取りされる。

【0036】

その他、本発明は趣旨を逸脱しない範囲で適宜構成の組合せ、抽出、公知構造への置換が可能である。

【符号の説明】

【0037】

第一区間１２
拡径部１２０
シャフト １
ピックアップセンサ ４Ｓ
防磁ボックス ２２
防磁スペーサー ３
ベアリング ２３
面取り部 １２１Ｃ
階段状部 １２１Ｓ

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】