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【発明の名称】 磁歪リング及び磁歪リング式トルクセンサ
【発明者】 【氏名】島田 宗勝

【氏名】浦本 清弘

【氏名】松岡 敏光

【氏名】坂元 宏規

【要約】 【課題】製造が容易でセンサ感度が向上した磁歪リング式のトルクセンサを実現し得る異方性磁歪リング、その製造方法及び磁歪リング式トルクセンサを提供すること。

【構成】磁歪リング式トルクセンサは、回動軸と磁歪を有するリングと磁気検出部を備える。磁歪を有するリングが回動軸に嵌合し、磁歪リングが周方向に着磁され、回動軸にトルクがかかったときに、磁歪リングからの磁束漏れの大きさを磁気検出部にて検出する非接触方式の磁歪リング式トルクセンサである。磁歪リングが異方性を有する。
【特許請求の範囲】
【請求項1】
回動軸と磁歪を有するリングと磁気検出部を備え、上記磁歪を有するリングが上記回動軸に嵌合しており、
この磁歪リングがその周方向に着磁されており、上記回動軸にトルクがかかったときに、この磁歪リングからの磁束漏れの大きさを該磁歪リングに近接配置した上記磁気検出部にて検出する非接触方式の磁歪式トルクセンサに用いられる磁歪リングにおいて、
磁歪特性に異方性を有することを特徴とする磁歪リング式トルクセンサ用磁歪リング。
【請求項2】
上記磁歪リングの中心軸線方向に磁界を印加して測定した周方向磁歪の大きさにおいて、異方性を有するようにしていない場合に比べて、磁歪が大きくなっていることを特徴とする請求項1に記載の磁歪リング式トルクセンサ用磁歪リング。
【請求項3】
上記周方向磁歪の大きさが10%以上大きくなっていることを特徴とする請求項2に記載の磁歪リング式トルクセンサ用磁歪リング。
【請求項4】
マルエージング鋼から成ることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1つの項に記載の磁歪リング式トルクセンサ用磁歪リング。
【請求項5】
応力下における時効処理で作製されたことを特徴とする請求項1〜4のいずれか1つの項に記載の磁歪リング式トルクセンサ用磁歪リング。
【請求項6】
回動軸方向に沿った断面形状がコの字を90度回転した形状をなすことを特徴とする請求項1〜5のいずれか1つの項に記載の磁歪リング式トルクセンサ用磁歪リング。
【請求項7】
請求項1〜6のいずれか1つの項に記載の磁歪リング式トルクセンサ用磁歪リングを製造するに当たり、
磁歪を有するリングを、軸部材に冷やし嵌めした状態にて時効処理することを特徴とする磁歪リング式トルクセンサ用磁歪リングの製造方法。
【請求項8】
上記軸部材の線膨張係数が上記磁歪を有するリングの線膨張係数よりも大きいことを特徴とする請求項7に記載の磁歪リング式トルクセンサ用磁歪リングの製造方法。
【請求項9】
上記軸部材がオーステナイト系ステンレス製であることを特徴とする請求項7又は8に記載の磁歪リング式トルクセンサ用磁歪リングの製造方法。
【請求項10】
回動軸と磁歪を有するリングと磁気検出部を備え、上記磁歪を有するリングが上記回動軸に嵌合しており、
この磁歪リングが周方向に着磁されており、上記回動軸にトルクがかかったときに、この磁歪リングからの磁束漏れの大きさを該磁歪リングに近接配置した上記磁気検出部にて検出する非接触方式の磁歪リング式トルクセンサにおいて、
上記磁歪リングが、請求項1〜6のいずれか1つの項に記載の磁歪リング式トルクセンサ用磁歪リングであることを特徴とする磁歪リング式トルクセンサ。
【請求項11】
上記磁気検出部が、ホールセンサとヨークを備えることを特徴とする請求項10に記載の磁歪リング式トルクセンサ。
【請求項12】
上記磁歪リングと上記回動軸が締結手段により締結されていることを特徴とする請求項10又は11に記載の磁歪リング式トルクセンサ。
【発明の詳細な説明】【技術分野】
【0001】
本発明は、異方性リング及びこれを用いた磁歪式トルクセンサに係り、更に詳細には、回動軸に働くトルクを非接触で検出する磁歪式トルクセンサのうち、磁歪リング方式のトルクセンサに良好に用いられる異方性を有する磁歪リング及びその製造方法、並びにこれを用いた磁歪式トルクセンサに関する。
【背景技術】
【0002】
従来、トルクセンサとして磁歪を利用したセンサの提案がなされているものの、車輌用として実用化されているものはないようである。
車輌のミッションの出力軸トルクをモニターできるようになると、AT(自動変速機)の変速ショックに対し、現在行われているような難しい制御を行わなくともよいようになる。また、車輌の総合制御が可能になり、省燃費な車輌の実現に資するため、廉価で小型なトルクセンサの要望は潜在的にあり、研究開発されてきている。
【0003】
従来の提案に係る磁歪式トルクセンサとして、回動軸に設けた2つの帯状の溝部と、それらを取り囲むコイルを設けたものがあり(例えば、特許文献1及び非特許文献1参照)、このトルクセンサでは、コイルで励磁し、左右溝部の透磁率変化を検出することによりトルクが検出される。
【特許文献1】特許第2677066号公報
【非特許文献1】R.Ishino et al.:IEEE Trans.on Magnetics,vol.38,No.5,3306,September 2002.
【0004】
一方、磁歪リングを回動軸に嵌合するタイプの磁歪式トルクセンサも提案されている(例えば、非特許文献2及び3参照)。この磁歪リング式トルクセンサは、磁歪リングを周方向に磁化させておき、回動軸にトルクがかかったときに、回動軸方向に発生する磁界の成分をホール素子等の小さな磁気センサで検出するものである。
【非特許文献2】I.J.Garshelis:IEEE Trans.on Magnetics,vol.28,No.5,2202,September 1992.
【非特許文献3】I.J.Garshelis and C.R.Conto:JAP,vol.79,No.8,4756,1996.
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
しかしながら、かかる従来の磁歪式トルクセンサのうち、コイルを用いる方式のセンサには、コイルを用いるがゆえにスペースを要するという問題がある。
また、コイルに10kHzオーダーの交流電流を流す必要があり、電気的な電力という点では1W弱程度の電力が必要であり、電力的にも問題があった。
【0006】
一方、磁歪リングを回動軸に嵌合する磁歪式トルクセンサは、小型、省電力の要求を満たすものであるが、回動軸と磁歪リングとが締り嵌めされているため、少し大きなトルクがかかると、回動軸とリングとの間にすべりが発生してしまうという問題がある。
また、磁歪リングには引張の周方向応力(Hoop stress)が働いていて、これにより周方向に1軸の磁気異方性が確保されるが、この部分が良好なセンサ特性にとっては本質的な部分となっている。即ち、良好なセンサ特性を得るのには、嵌合代をある程度以上大きくすることが必要であるが、大きな嵌合代を確保することは製造上容易ではない。
【0007】
本発明は、このような従来技術の有する課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、製造が容易で良好なセンサ特性を有する磁歪リング式のトルクセンサを実現し得る異方性磁歪リング、その製造方法及びこれを用いた磁歪リング式トルクセンサを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0008】
本発明者らは、上記目的を達成すべく鋭意検討を重ねた結果、磁歪リングの磁歪に異方性を付与することにより、上記嵌合代の減少と良好なセンサ特性が実現できることを見出し、本発明を完成するに至った。
【0009】
即ち、本発明の磁歪リング式トルクセンサ用磁歪リングは、回動軸と磁歪を有するリングと磁気検出部を備え、上記磁歪を有するリングが上記回動軸に嵌合しており、
この磁歪リングがその周方向に着磁されており、上記回動軸にトルクがかかったときに、この磁歪リングからの磁束漏れの大きさを該磁歪リングに近接配置した上記磁気検出部にて検出する非接触方式の磁歪式トルクセンサに用いられる磁歪リングにおいて、
磁歪特性に異方性を有することを特徴とする。
【0010】
また、本発明の磁歪式トルクセンサ用磁歪リングの製造方法は、上述の如き磁歪リング式トルクセンサ用磁歪リングを製造するに当たり、
磁歪を有するリングを、軸部材に冷やし嵌めした状態にて時効処理することを特徴とする。
【0011】
また、本発明の磁歪リング式トルクセンサは、回動軸と磁歪を有するリングと磁気検出部を備え、上記磁歪を有するリングが上記回動軸に嵌合しており、
この磁歪リングがその周方向に着磁されており、上記回動軸にトルクがかかったときに、この磁歪リングからの磁束漏れの大きさを該磁歪リングに近接配置した上記磁気検出部にて検出する非接触方式の磁歪リング式トルクセンサにおいて、
上記磁歪リングが、上述の如き磁歪リング式トルクセンサ用磁歪リングであることを特徴とする。
【発明の効果】
【0012】
本発明によれば、磁歪リングの磁歪に異方性を付与することとしたため、製造が容易で良好なセンサ特性を有する磁歪リング式のトルクセンサを実現し得る異方性磁歪リング、及びこれを用いた磁歪リング式トルクセンサを提供することができる。
また、本発明の異方性磁歪リングや磁歪リング式トルクセンサを用いれば、センサ特性に優れた省電力小型のトルク検出装置を実現できる。しかも、リングの締め代が小さくとも良好なセンサ特性が得られることから、その有用性は飛躍的に向上している。
【発明を実施するための最良の形態】
【0013】
以下、本発明につき図面を参照して詳細に説明する。
本発明の内容を明確にすべく、まず、従来技術につき再度説明する。
図9は、特許文献1や非特許文献1に開示されているような交流透磁率差動方式の磁歪式トルクセンサを示す構成図である。
一方、図10は、ガルシェリスの提案している磁歪リング方式のトルク検出装置を示す側面図であり、非特許文献2や非特許文献3に開示されている。
【0014】
図9において、回動軸1Lと1Rに設けられた溝1gは、左(1L)右(1R)でそれぞれ異なる方向に45度傾いて形成されている。回動軸1L、1Rに図示Tのようにトルクが働くと、回動軸1Lの溝部帯(山部)では透磁率が増加し、回動軸1Rでは減少する。トルクが働くと45度方向には引張、圧縮応力が働き、溝が形状異方性を形成しているから、磁歪の逆効果によりいっそうそのようになる(磁歪の値が正である材料について説明している。以下でも同様である)。
【0015】
図9に示すセンサでは、溝部1gが軸方向に2ヶ所あること、溝1gを覆うコイル2が設置する必要があることにより、センサの小型化には難がある。また、コイル2には10kHzオーダーの交流電流を流す。数十mAで数ボルトであるから、1W弱の電力を要するので、消費電力が大きいという難もある。
【0016】
一方、図10に示す磁歪リング式トルクセンサでは、磁歪を有するリング3が回動軸1に嵌められている。それにより、リング3には周方向に引張応力(Hoop stress)が働いている。周方向に着磁すると磁化は周方向に向いている。
回動軸1にトルクがかかると、45度方向に引張応力(それと直交して圧縮応力)が作用するので、磁歪の逆効果により、磁化は軸方向に倒される。従って、リング端部には磁極が現われ、漏れ磁束が発生する。よって、ホール素子等のセンサ4を配置しておくと、トルクに相関のある信号が検出される。
【0017】
かかる磁歪リング式センサは、図9のトルクセンサと比べると、回動軸方向長さが短くてよいし、検出センサも小さいので、径方向にも小型化が図れる。また、ホール素子も省電力であることから、省電力・小型化が図れるという利点がある。
但し、回動軸1にリング3を締り嵌めするため、両者間にすべりが発生するという難点があり、締め代の大きさをある程度以上確保しないと、良好なセンサ特性が得られず、工法上の容易さに難点がある。また、センサ感度を向上させることにも問題がある。
【0018】
本発明者らは、このような背景を踏まえて、磁歪リングの異方性化について検討したところ、締め代の減少と良好なセンサ特性の確保ができることを見出し、本発明を完成させた。
よって、本発明の異方性磁歪リング及び磁歪リング式トルクセンサは、基本的に図10に示したような構造を有する。
【0019】
なお、本発明の磁歪リング式トルクセンサにおいては、磁歪リングと回動軸がトルク印加に際して滑らないように、締結手段により締結することができる。
【実施例】
【0020】
以下、本発明を実施例及び参考例により更に詳細に説明するが、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。
【0021】
(参考例1)
図1は、長さ13mm、厚さ0.76mmのマルエージング鋼製リング20をφ12.64mmの回動軸10に冷やし嵌めにて嵌合して成る磁歪リング式トルクセンサの一例を示す模式的断面図である。
この際、締め代は20μmとした。リング20は日立金属製のマルエージング鋼であるYAG300を機械加工して作製し、820℃にて1時間固溶化し、次いで、490℃にて5時間時効処理する熱処理を行い、しかる後、回動軸10に冷やし嵌めした。回動軸10はSUS303製である。
【0022】
なお、リング20は電子ビームにて接合した。溶け込みは約0.5mmとし、全周溶接した。そして、軸方向に通電することにより、リング20を周方向に着磁した。通電着磁はピーク電流値が約10000Aのパルス電流で行った。
このようにして、本例の磁歪リング式トルクセンサを作製した。
【0023】
このトルクセンサにおいて、回動軸10にトルクを印加しながら、リング20の端部から1mmの位置での漏れ磁界をガウスメータにて測定した。ガウスメータの検出部はリング表面から約0.5mmの位置にあり、リング面に対して垂直な成分の磁界を測定した。測定結果を図2に示す。
【0024】
図2から明らかなように、大きなヒステリシスを描いていて良好な特性となっていない。
一方、締め代を50μmとした場合には、±15Nmにおいて、ヒステリシスのない直線性のよい特性が得られている。
【0025】
このように、マルエージング鋼の時効リングにおいては、良好なセンサ特性を得るには、締め代をある程度以上に大きする必要があるのである。即ち、周方向に働く応力(Hoop stress)を大きくする必要があるわけである。
但し、締め代を50μmとすることは、冷やし嵌めとしては、あまり容易でなく、締め代は20μm程度と小さいことが望まれる。
【0026】
(実施例1)
固溶化処理(真空中820℃で2時間)したYAG300の素材から、リング20(参考例1と同じ仕様のもの)を作製し、SUS303製の軸部材(リングへのHoop Stressを付与用の軸)に、2μmにて冷やし嵌めしたものと、50μmにて冷やし嵌めしたものをそれぞれ用意した。そして、それらを真空中にて490℃で5時間時効処理を施した。
【0027】
なお、SUS303は、その線膨張係数がYAG300よりも大きいので、時効温度においては、リングが応力下で時効される。
ちなみにマルエージング鋼の線膨張係数は11.3×10−6/℃であり、SUS303のそれは14.7×10−6/℃である。
【0028】
このようにして作製したリングを、締め代20μmにて回動軸であるSUS軸に冷やし嵌めした。次いで、両端を電子ビームにより接合した。そして、参考例1と同様にしてセンサ特性を調べた。結果を図3にまとめて示した。
【0029】
2μmの冷やし嵌めでの時効処理を施したリング、50μmの冷やし嵌めでの時効処理を施したリングともに、ヒステリシスのない直線の特性が得られている。
同じ冷やし嵌めなのに、参考例1とは違った特性となっている。これまででは、回動軸に対し50μm程度の締め代が必要であったが、20μmで良好な特性が得られることになる。また、感度も向上している。
【0030】
(実施例2)
参考例1、実施例1の方法で作製したリングの磁歪そのものの測定を行った。リング20に抗磁性歪ゲージ31を、図4(b)に示すように、中心軸に平行な方向と垂直な方向に貼った(計2枚)。そして、電磁石のギャップの中央にリング20を置いて、中心軸線方向に磁場を印加して、磁歪を測定した(図4(a)参照)。
【0031】
磁歪の測定結果を図5,6に示す。
図5は時効処理のみのリングでの結果である。平行方向は23ppm、垂直方向は−10ppmとなっている。磁場は±3.5kOeであった。磁歪曲線が飽和の傾向を示しているので、この範囲での磁場の大きさで測定を行っている。
【0032】
一方、図6は、50μmにてSUS303軸(軸部材)に冷やし嵌めして、時効処理を施したリングでの結果である。平行方向が約18ppm、垂直方向が−13ppmとなっている。
平行方向は伸びにくくなっていて、垂直方向の縮みは増加している。垂直方向の磁歪の大きさは30%増加している。このように磁歪に異方性がつくと実施例1で示したようにセンサ特性の改善が図れるわけである。
【0033】
なお、結果を示していないが、2μm冷やし嵌め時効リングでは平行方法では23ppm弱、垂直方法では−13ppmとなっていた。
磁歪の異方性の大きさとしては、10%以上あれば、実施例1で示した、センサ特性改善の効果が十分に期待できると考えられる。
【0034】
さて、リングの中心軸線方向にのみ何故磁界をかけて測定するのか、奇異に思われるかもしれないが、大きな磁界をかけるにはこの方向しかかけられないからである。周方向に大きな磁界をかけて磁歪を測定したいが、それは実現不可能なことである。
中心軸線方向に磁界をかけるとマルエージング鋼の磁歪は正なので、中心軸線方向に伸びる。それに伴い、周方向には縮む。縮みの大きさが大きいということは、こちら方向を向いている磁化が多いということである。
応力下で時効処理を施したリングにおいて、異方性がついているのは何故であろうか。時効の際には微細な析出物が析出する。冷やし嵌め状態で時効した場合には、磁化分布に異方性を与えるように、微細な析出物の析出分布状態がなるものと推定される。
【0035】
(実施例3)
磁歪検出部の構造として、図7(a)及び(b)に示すように、2個のホール素子30とヨーク40を設けた構造とすることができる。
回動軸10にトルクが印加されたときの磁束の流れを図7(c)に示した。左右のホール素子40の信号は逆極性であるので、差動すると感度は2倍になる。また、同相入力はキャンセルされるから、SN比の改善が図れる。
また、ヨークを採用すると感度を更に倍にすることができ、且つ電磁ノイズに対する耐性を向上させることができる。また、検出部とリングとのギャップ変動に対しても鈍感にできる。感度は都合4倍となった。
【0036】
ヨーク40としてはPB(パーマロイのB種)パーマロイ製で厚さ1mmのものを採用した。大きさは図示の大きさ、即ちホール素子30とリング20を覆える程度であればよい。ホール素子30(樹脂パッケージ)とヨーク40とは接している。また、感磁部はリング表面から約0.5mm離間した位置としている。
【0037】
(実施例4)
コの字リングの場合を図8に示す。コの字リング22では回動軸10が鋼の場合でも感度低下を少なくすることができる。
コの字リング22全体に一様な周方向応力がかかるように冷やし嵌めした状態にて時効処理したところ、実施例1と同様の効果が確認できた。
【0038】
以上、本発明を好適実施例により詳細に説明したが、本発明はこれら実施例に限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内において種々の変形が可能である。
例えば、トルク検出用の磁気センサとしてはホールセンサのみを例示したが、これに限定されるものではなく、省電力で小型であるところの、ホールIC、及びMIセンサを使用可能であることは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【0039】
【図1】磁歪リング式トルクセンサの一例を示す模式的断面図である。
【図2】トルクセンサ特性を示すグラフである。
【図3】トルクセンサ特性を示すグラフである。
【図4】リング自体の磁歪測定を示す説明図グラフである。
【図5】磁歪測定結果を示すグラフである。
【図6】磁歪測定結果を示すグラフである。
【図7】本発明のトルクセンサの他の実施例を示す断面図である。
【図8】本発明のトルクセンサの更に他の実施例を示す断面図である。
【図9】従来の磁歪式トルクセンサ(溝方式)の一例を示す断面図である。
【図10】従来の磁歪リング式トルクセンサの一例を示す断面図である。
【符号の説明】
【0040】
1 回動軸
1L、1R 回動軸
1g 溝
2 コイル
3 リング
10 回動軸
20 リング
22 コの字リング
30 ホール素子
31 抗磁性歪ゲージ
40 ヨーク
【出願人】 【識別番号】000003997
【氏名又は名称】日産自動車株式会社
【出願日】 平成18年7月24日(2006.7.24)
【代理人】 【識別番号】100102141
【弁理士】
【氏名又は名称】的場 基憲


【公開番号】 特開2008−26209(P2008−26209A)
【公開日】 平成20年2月7日(2008.2.7)
【出願番号】 特願2006−200522(P2006−200522)