JP2001330524A - トルクセンサ及びトルクセンサ用被検出軸 - Google Patents
トルクセンサ及びトルクセンサ用被検出軸Info
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- JP2001330524A JP2001330524A JP2000147759A JP2000147759A JP2001330524A JP 2001330524 A JP2001330524 A JP 2001330524A JP 2000147759 A JP2000147759 A JP 2000147759A JP 2000147759 A JP2000147759 A JP 2000147759A JP 2001330524 A JP2001330524 A JP 2001330524A
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 トルクセンサ用シャフトをバルクの磁歪材を
挟むように他の支持金属を接合して構成した場合に、磁
歪材の長さを短くしても熱応力による悪影響を少なくで
き、センサの出力を高くすることを可能にする。 【解決手段】 シャフト2は、略円筒状のハウジング3
の内部に挿通された状態でベアリング4を介してハウジ
ング3に対して相対回転可能に支持されている。シャフ
ト2は被検出部5を構成する円柱状の磁歪材7と、磁歪
材7を軸方向の両端面で挟むように接合固定された支持
金属としての一般鋼8とで構成されている。一般鋼8
は、円筒状に形成され、その外径が磁歪材7の外径と同
じに形成されている。シャフト2には磁歪材7と一般鋼
8との接合部S付近に周方向に延びる環状溝9が形成さ
れている。環状溝9は磁歪材7側に形成されている。
挟むように他の支持金属を接合して構成した場合に、磁
歪材の長さを短くしても熱応力による悪影響を少なくで
き、センサの出力を高くすることを可能にする。 【解決手段】 シャフト2は、略円筒状のハウジング3
の内部に挿通された状態でベアリング4を介してハウジ
ング3に対して相対回転可能に支持されている。シャフ
ト2は被検出部5を構成する円柱状の磁歪材7と、磁歪
材7を軸方向の両端面で挟むように接合固定された支持
金属としての一般鋼8とで構成されている。一般鋼8
は、円筒状に形成され、その外径が磁歪材7の外径と同
じに形成されている。シャフト2には磁歪材7と一般鋼
8との接合部S付近に周方向に延びる環状溝9が形成さ
れている。環状溝9は磁歪材7側に形成されている。
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、被検出軸に作用す
るトルクを磁歪材の透磁率の変化を利用して検出するト
ルクセンサ及びトルクセンサ用被検出軸に関するもので
ある。
るトルクを磁歪材の透磁率の変化を利用して検出するト
ルクセンサ及びトルクセンサ用被検出軸に関するもので
ある。
【0002】
【従来の技術】この種のトルクセンサは、磁歪材がシャ
フトに働くトルクによって捻じれて歪むことによりその
透磁率がトルクに応じて変化し、この透磁率変化に対応
した磁束変化に基づいて検出用コイルに誘導される誘導
起電力からトルクを検出するようになっている。そし
て、磁歪式のトルクセンサ用シャフトの形態としては、
図11(a)に示すように、円柱状の磁歪材51を円柱
状の支持金属(一般鋼)52で挟むように接合したも
の、図11(b)に示すように、一般鋼製のシャフト5
3の外周面に円筒状の磁歪材54を固着したもの、円筒
状の磁歪材54を固着する代わりに一般鋼製のシャフト
53の外周面にメッキ、溶射等で磁歪材層を形成したも
の、あるいはシャフト全体を磁歪材で構成したものがあ
る。しかし、シャフト全体を磁歪材で構成するとコスト
高となるため、図11(b)に示すようにシャフト53
の外周面に磁歪材54を固着した構成や、シャフトの外
周面に磁歪材層を形成した構成が一般に採用される。
フトに働くトルクによって捻じれて歪むことによりその
透磁率がトルクに応じて変化し、この透磁率変化に対応
した磁束変化に基づいて検出用コイルに誘導される誘導
起電力からトルクを検出するようになっている。そし
て、磁歪式のトルクセンサ用シャフトの形態としては、
図11(a)に示すように、円柱状の磁歪材51を円柱
状の支持金属(一般鋼)52で挟むように接合したも
の、図11(b)に示すように、一般鋼製のシャフト5
3の外周面に円筒状の磁歪材54を固着したもの、円筒
状の磁歪材54を固着する代わりに一般鋼製のシャフト
53の外周面にメッキ、溶射等で磁歪材層を形成したも
の、あるいはシャフト全体を磁歪材で構成したものがあ
る。しかし、シャフト全体を磁歪材で構成するとコスト
高となるため、図11(b)に示すようにシャフト53
の外周面に磁歪材54を固着した構成や、シャフトの外
周面に磁歪材層を形成した構成が一般に採用される。
【0003】シャフトの外周面に磁歪材を固着したトル
クセンサ用シャフトの製造時には磁性焼鈍を実施する
が、これらの構成では異種金属の接合となるため、両者
の膨張係数が異なり、焼鈍処理の冷却過程において応力
が発生し、センサ特性に悪影響を及ぼすため、センサの
出力がシャフト全体を磁歪材で形成したものに比較して
大幅に低下する。特開平5−322674号公報には、
アモルファス磁性合金薄帯を高温接着したトルク検出装
置において、図12(a)に示すように、センサシャフ
ト56におけるアモルファス磁性合金薄帯57の接着部
の両端に応力逃がし溝58を設け、高温接着後のセンサ
シャフト56の収縮時にアモルファス磁性合金薄帯57
の端部を図12(b),(c)に示すように、応力逃が
し溝58に逃がし、圧縮応力を減少させてアモルファス
磁性合金の自発磁化を安定化させるものが開示されてい
る。
クセンサ用シャフトの製造時には磁性焼鈍を実施する
が、これらの構成では異種金属の接合となるため、両者
の膨張係数が異なり、焼鈍処理の冷却過程において応力
が発生し、センサ特性に悪影響を及ぼすため、センサの
出力がシャフト全体を磁歪材で形成したものに比較して
大幅に低下する。特開平5−322674号公報には、
アモルファス磁性合金薄帯を高温接着したトルク検出装
置において、図12(a)に示すように、センサシャフ
ト56におけるアモルファス磁性合金薄帯57の接着部
の両端に応力逃がし溝58を設け、高温接着後のセンサ
シャフト56の収縮時にアモルファス磁性合金薄帯57
の端部を図12(b),(c)に示すように、応力逃が
し溝58に逃がし、圧縮応力を減少させてアモルファス
磁性合金の自発磁化を安定化させるものが開示されてい
る。
【0004】しかし、シャフトの表面に磁歪材を設けた
構成では、軸方向の全体に磁歪材に対する拘束があるた
め、端部に応力逃がし溝58を設けても、熱応力の影響
が多く残る。これに対して、図11(a)に示す構成の
シャフトでは、磁歪材に対する軸方向の拘束がないた
め、熱応力の影響を受け難い。
構成では、軸方向の全体に磁歪材に対する拘束があるた
め、端部に応力逃がし溝58を設けても、熱応力の影響
が多く残る。これに対して、図11(a)に示す構成の
シャフトでは、磁歪材に対する軸方向の拘束がないた
め、熱応力の影響を受け難い。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】ところが、図11
(a)に示す構成、即ち円柱状の磁歪材を一般鋼製のシ
ャフトと接合した構成においても、製造コストを低減す
るため磁歪材の長さを短くしていくと、前記熱応力の影
響が大きくなることが判った。図13に100℃の温度
差によって磁歪材表面に発生する応力を、磁歪材長を変
えて有限要素法(FEM)によって求めたシミュレーシ
ョンの解析結果を示す。なお、試料の直径は30mmで
ある。
(a)に示す構成、即ち円柱状の磁歪材を一般鋼製のシ
ャフトと接合した構成においても、製造コストを低減す
るため磁歪材の長さを短くしていくと、前記熱応力の影
響が大きくなることが判った。図13に100℃の温度
差によって磁歪材表面に発生する応力を、磁歪材長を変
えて有限要素法(FEM)によって求めたシミュレーシ
ョンの解析結果を示す。なお、試料の直径は30mmで
ある。
【0006】本発明は前記の問題点に鑑みてなされたも
のであって、その第1の目的はトルクセンサ用シャフト
(被検出軸)をバルクの磁歪材を挟むように他の支持金
属を接合して構成した場合に、磁歪材の長さを短くして
も熱応力による悪影響を少なくでき、センサの出力を高
くすることができるトルクセンサを提供することにあ
る。また、第2の目的はそのトルクセンサ用被検出軸を
提供することにある。
のであって、その第1の目的はトルクセンサ用シャフト
(被検出軸)をバルクの磁歪材を挟むように他の支持金
属を接合して構成した場合に、磁歪材の長さを短くして
も熱応力による悪影響を少なくでき、センサの出力を高
くすることができるトルクセンサを提供することにあ
る。また、第2の目的はそのトルクセンサ用被検出軸を
提供することにある。
【0007】
【課題を解決するための手段】前記第1の目的を達成す
るために請求項1に記載の発明では、被検出軸を、磁歪
材と該磁歪材を軸方向の両端面で挟むように接合固定さ
れた支持金属とで構成し、前記磁歪材を通る磁束を発生
させる磁束発生手段と、前記被検出軸に作用するトルク
に応じて前記磁歪材が歪むことによる前記磁束の変化を
検出するための検出手段とを備えたトルクセンサであっ
て、前記磁歪材の軸方向の両側に接合される支持金属を
筒状とした。
るために請求項1に記載の発明では、被検出軸を、磁歪
材と該磁歪材を軸方向の両端面で挟むように接合固定さ
れた支持金属とで構成し、前記磁歪材を通る磁束を発生
させる磁束発生手段と、前記被検出軸に作用するトルク
に応じて前記磁歪材が歪むことによる前記磁束の変化を
検出するための検出手段とを備えたトルクセンサであっ
て、前記磁歪材の軸方向の両側に接合される支持金属を
筒状とした。
【0008】従って、この発明では、被検出軸に作用す
るトルクによって磁歪材が歪むと、磁束発生手段により
磁歪材を通るように形成された磁束に変化が現れ、この
被検出軸に作用したトルクに応じた磁束の変化が検出手
段により検出される。磁歪材の軸方向の両側に接合され
る支持金属が筒状のため、磁歪材と支持金属との熱膨張
率の違いに起因した残留熱応力が小さくなる。
るトルクによって磁歪材が歪むと、磁束発生手段により
磁歪材を通るように形成された磁束に変化が現れ、この
被検出軸に作用したトルクに応じた磁束の変化が検出手
段により検出される。磁歪材の軸方向の両側に接合され
る支持金属が筒状のため、磁歪材と支持金属との熱膨張
率の違いに起因した残留熱応力が小さくなる。
【0009】請求項2に記載の発明では、請求項1に記
載の発明において、前記被検出軸は、前記磁歪材と前記
支持金属との接合部付近に周方向に延びる環状の溝が形
成されている。従って、この発明においては、残留熱応
力がより小さくなるとともに、磁歪材の部分におけるト
ルク伝達が均一になり、トルクセンサの出力をより高め
ることができる。
載の発明において、前記被検出軸は、前記磁歪材と前記
支持金属との接合部付近に周方向に延びる環状の溝が形
成されている。従って、この発明においては、残留熱応
力がより小さくなるとともに、磁歪材の部分におけるト
ルク伝達が均一になり、トルクセンサの出力をより高め
ることができる。
【0010】請求項3に記載の発明では、請求項2に記
載の発明において、前記溝は前記磁歪材側に形成されて
いる。従って、この発明においては、磁歪材の使用長さ
をより短くでき、よりコスト低減に寄与する。
載の発明において、前記溝は前記磁歪材側に形成されて
いる。従って、この発明においては、磁歪材の使用長さ
をより短くでき、よりコスト低減に寄与する。
【0011】請求項4に記載の発明では、被検出軸を、
磁歪材と該磁歪材を軸方向の両端面で挟むように接合固
定された支持金属とで構成し、前記磁歪材を通る磁束を
発生させる磁束発生手段と、前記被検出軸に作用するト
ルクに応じて前記磁歪材が歪むことによる前記磁束の変
化を検出するための検出手段とを備えたトルクセンサで
あって、前記被検出軸の少なくとも前記磁歪材と前記支
持金属との接合部付近の径を磁歪材の前記検出手段と対
向する箇所の径より小さく形成した。
磁歪材と該磁歪材を軸方向の両端面で挟むように接合固
定された支持金属とで構成し、前記磁歪材を通る磁束を
発生させる磁束発生手段と、前記被検出軸に作用するト
ルクに応じて前記磁歪材が歪むことによる前記磁束の変
化を検出するための検出手段とを備えたトルクセンサで
あって、前記被検出軸の少なくとも前記磁歪材と前記支
持金属との接合部付近の径を磁歪材の前記検出手段と対
向する箇所の径より小さく形成した。
【0012】従って、この発明においては、請求項1に
記載の発明と同様にして被検出軸に作用するトルクが検
出される。また、磁歪材と支持金属との接合部付近の径
が磁歪材の前記検出手段と対向する箇所の径より小さい
ことにより、磁歪材と支持金属との熱膨張率の違いに起
因した残留熱応力が小さくなる。
記載の発明と同様にして被検出軸に作用するトルクが検
出される。また、磁歪材と支持金属との接合部付近の径
が磁歪材の前記検出手段と対向する箇所の径より小さい
ことにより、磁歪材と支持金属との熱膨張率の違いに起
因した残留熱応力が小さくなる。
【0013】請求項5に記載の発明では、トルクセンサ
用被検出軸が請求項1〜請求項5のいずれか一項に記載
の被検出軸からなる。従って、この発明の被検出軸を使
用することにより、請求項1〜請求項4のいずれか一項
に記載の発明の作用、効果が得られる。
用被検出軸が請求項1〜請求項5のいずれか一項に記載
の被検出軸からなる。従って、この発明の被検出軸を使
用することにより、請求項1〜請求項4のいずれか一項
に記載の発明の作用、効果が得られる。
【0014】
【発明の実施の形態】以下、本発明を具体化した一実施
の形態を図1〜図6に従って説明する。図2はトルクセ
ンサ1が組付けられた部分における断面図である。被検
出軸としてのトルクセンサ用シャフト(以下、単にシャ
フトと称す)2は、略円筒状のハウジング3の内部に挿
通された状態でベアリング4を介してハウジング3に対
して相対回転可能に支持されている。トルクセンサ1は
磁歪特性を有する被検出部5と、被検出部5の歪みによ
る磁気的変化を検出するための検出部6とを備えてい
る。
の形態を図1〜図6に従って説明する。図2はトルクセ
ンサ1が組付けられた部分における断面図である。被検
出軸としてのトルクセンサ用シャフト(以下、単にシャ
フトと称す)2は、略円筒状のハウジング3の内部に挿
通された状態でベアリング4を介してハウジング3に対
して相対回転可能に支持されている。トルクセンサ1は
磁歪特性を有する被検出部5と、被検出部5の歪みによ
る磁気的変化を検出するための検出部6とを備えてい
る。
【0015】図1及び図2に示すように、シャフト2は
被検出部5を構成する円柱状の磁歪材7と、該磁歪材7
を軸方向の両端面で挟むように接合固定された支持金属
としての一般鋼8とで構成されている。一般鋼8は、円
筒状に形成され、その外径が磁歪材7の外径と同じに形
成されている。この実施の形態では磁歪材7と一般鋼8
とは摩擦圧接により接合され、磁歪材7の両端面には一
般鋼8の肉厚と同じ肉厚の環状部7aが形成され、磁歪
材7は環状部7aの端面において一般鋼8の端面に接合
されている。シャフト2には磁歪材7と一般鋼8との接
合部S付近に周方向に延びる環状の溝9が形成されてい
る。この実施の形態では環状の溝9は磁歪材7側に形成
されている。磁歪材7を構成する磁歪材料としては、例
えばパーマロイ、鉄・ニッケル合金、鉄・ニッケル・ク
ロム合金、鉄・アルミニウム系合金等の高透磁率軟磁性
材料が使用される。
被検出部5を構成する円柱状の磁歪材7と、該磁歪材7
を軸方向の両端面で挟むように接合固定された支持金属
としての一般鋼8とで構成されている。一般鋼8は、円
筒状に形成され、その外径が磁歪材7の外径と同じに形
成されている。この実施の形態では磁歪材7と一般鋼8
とは摩擦圧接により接合され、磁歪材7の両端面には一
般鋼8の肉厚と同じ肉厚の環状部7aが形成され、磁歪
材7は環状部7aの端面において一般鋼8の端面に接合
されている。シャフト2には磁歪材7と一般鋼8との接
合部S付近に周方向に延びる環状の溝9が形成されてい
る。この実施の形態では環状の溝9は磁歪材7側に形成
されている。磁歪材7を構成する磁歪材料としては、例
えばパーマロイ、鉄・ニッケル合金、鉄・ニッケル・ク
ロム合金、鉄・アルミニウム系合金等の高透磁率軟磁性
材料が使用される。
【0016】磁歪材7の表面(外周面)にはシャフト2
の軸線方向と所定の角度をなす多数の溝7bを有する環
状の領域A,Bが、軸線と直交する平面に対して対称に
形成されている。多数の溝7bは軸心方向に45度と−
45度をなすように、周方向に等間隔に形成されてい
る。
の軸線方向と所定の角度をなす多数の溝7bを有する環
状の領域A,Bが、軸線と直交する平面に対して対称に
形成されている。多数の溝7bは軸心方向に45度と−
45度をなすように、周方向に等間隔に形成されてい
る。
【0017】図2に示すように、検出部6はシャフト2
に対して2つのベアリング10を介して両端にて支持さ
れ、シャフト2に相対回転可能に配置された円筒状のヨ
ーク11を備えている。ヨーク11の内周面には前記各
領域A,Bと対向する位置にそれぞれ凹部が形成されて
いる。各凹部には内側に励磁用コイル12が、外側に検
出用コイル13がそれぞれ巻回されたボビン(図示せ
ず)がそれぞれ収納されている。ヨーク11がベアリン
グ10を介してシャフト2に支持されているため、シャ
フト2がハウジング3に対して偏心していても、ヨーク
11と磁歪材7との軸心が一致し易い。なお、励磁用コ
イル12が磁束発生手段を構成し、検出用コイル13が
検出手段を構成している。
に対して2つのベアリング10を介して両端にて支持さ
れ、シャフト2に相対回転可能に配置された円筒状のヨ
ーク11を備えている。ヨーク11の内周面には前記各
領域A,Bと対向する位置にそれぞれ凹部が形成されて
いる。各凹部には内側に励磁用コイル12が、外側に検
出用コイル13がそれぞれ巻回されたボビン(図示せ
ず)がそれぞれ収納されている。ヨーク11がベアリン
グ10を介してシャフト2に支持されているため、シャ
フト2がハウジング3に対して偏心していても、ヨーク
11と磁歪材7との軸心が一致し易い。なお、励磁用コ
イル12が磁束発生手段を構成し、検出用コイル13が
検出手段を構成している。
【0018】励磁用コイル12は交流電源14に接続さ
れ、励磁用コイル12には所定周波数の交流電流が供給
される。検出用コイル13は公知の処理回路15に接続
されている。励磁用コイル12に交流電流が流れること
により、磁束がヨーク11→磁歪材7→ヨーク11を通
る磁気回路が、各領域A,Bのそれぞれに対して形成さ
れる。磁歪材7を通る磁束は、溝7bにより分断された
各領域を溝7bに沿うように、磁歪材7の軸線方向に対
して45度又は−45度傾く。
れ、励磁用コイル12には所定周波数の交流電流が供給
される。検出用コイル13は公知の処理回路15に接続
されている。励磁用コイル12に交流電流が流れること
により、磁束がヨーク11→磁歪材7→ヨーク11を通
る磁気回路が、各領域A,Bのそれぞれに対して形成さ
れる。磁歪材7を通る磁束は、溝7bにより分断された
各領域を溝7bに沿うように、磁歪材7の軸線方向に対
して45度又は−45度傾く。
【0019】処理回路15は、両検出用コイル13から
入力した誘導起電力を差動回路(図示せず)で減算し、
その減算した信号を内部に設けられた整流回路等で整流
して公知の回路でトルクの値を求めるようになってい
る。差動回路で減算するのは、温度変化等による外乱ノ
イズを相殺して補償することで、精度の高いトルク検出
を行うためである。検出用コイル13からの出力信号
は、シャフト2にトルクが加わっていないときに処理回
路15が零トルクを検出するようにレベル設定されてい
る。そして、処理回路15は検出信号の信号レベルが零
レベルに対して正側にどれだけの値をとるか、負側にど
れだけの値をとるかによって、トルクの大きさ及び方向
を検出するようになっている。
入力した誘導起電力を差動回路(図示せず)で減算し、
その減算した信号を内部に設けられた整流回路等で整流
して公知の回路でトルクの値を求めるようになってい
る。差動回路で減算するのは、温度変化等による外乱ノ
イズを相殺して補償することで、精度の高いトルク検出
を行うためである。検出用コイル13からの出力信号
は、シャフト2にトルクが加わっていないときに処理回
路15が零トルクを検出するようにレベル設定されてい
る。そして、処理回路15は検出信号の信号レベルが零
レベルに対して正側にどれだけの値をとるか、負側にど
れだけの値をとるかによって、トルクの大きさ及び方向
を検出するようになっている。
【0020】次に、前記のように構成されたトルクセン
サ1の作用を説明する。トルクセンサ1の作動中は、交
流電源14から励磁用コイル12に一定の振幅および周
波数の交流電流が流され、磁束がヨーク11→磁歪材7
→ヨーク11を通る2つの磁気回路が形成される。2つ
の検出用コイル13から出力される各誘導起電力は、磁
歪材7の領域Aと領域Bにおける歪み、即ちシャフト2
のトルクに比例する。シャフト2に回転力が加えられて
トルクが発生すると、磁歪材7を軸方向に分ける領域A
と領域Bは、それぞれ一方が圧縮力を他方が引張力を受
ける。磁歪材7は、引張力が作用すると透磁率が大きく
なり、圧縮力が作用すると透磁率が小さくなる。このた
め、領域Aと領域Bの磁束の変化を検出する各検出用コ
イル13には、引張力を受けた被検出領域を検出する側
で大きくなり、圧縮力を受けた被検出領域を検出する側
で小さくなるようなシャフト2のトルクに比例する誘導
起電力が発生する。
サ1の作用を説明する。トルクセンサ1の作動中は、交
流電源14から励磁用コイル12に一定の振幅および周
波数の交流電流が流され、磁束がヨーク11→磁歪材7
→ヨーク11を通る2つの磁気回路が形成される。2つ
の検出用コイル13から出力される各誘導起電力は、磁
歪材7の領域Aと領域Bにおける歪み、即ちシャフト2
のトルクに比例する。シャフト2に回転力が加えられて
トルクが発生すると、磁歪材7を軸方向に分ける領域A
と領域Bは、それぞれ一方が圧縮力を他方が引張力を受
ける。磁歪材7は、引張力が作用すると透磁率が大きく
なり、圧縮力が作用すると透磁率が小さくなる。このた
め、領域Aと領域Bの磁束の変化を検出する各検出用コ
イル13には、引張力を受けた被検出領域を検出する側
で大きくなり、圧縮力を受けた被検出領域を検出する側
で小さくなるようなシャフト2のトルクに比例する誘導
起電力が発生する。
【0021】2つの検出用コイル13に誘導された誘導
起電力は処理回路15に入力される。処理回路15に入
力された両検出用コイル13からの電圧が差動回路で減
算されるとともに、その減算された信号が内部に設けら
れた整流回路等で整流されて公知の回路でトルクの値が
求められる。
起電力は処理回路15に入力される。処理回路15に入
力された両検出用コイル13からの電圧が差動回路で減
算されるとともに、その減算された信号が内部に設けら
れた整流回路等で整流されて公知の回路でトルクの値が
求められる。
【0022】図3に、本発明の構成に対応したシャフト
2において、一般鋼8の肉厚を変更した場合と、比較の
ために一般鋼8を円筒状ではなく中実体とした場合とに
ついて、100℃の温度差によって磁歪材7の表面に発
生する応力分布を、FEM(限界要素法)によるシミュ
レーションで求めた結果を示す。磁歪材7は直径が30
mmで長さ25mm、×印は一般鋼8の内径が20m
m、+印は一般鋼8の内径が25mmの場合を示し、△
印は一般鋼8が中実体の比較例の場合を示す。なお、い
ずれの場合も環状の溝9を形成していない場合の結果で
ある。
2において、一般鋼8の肉厚を変更した場合と、比較の
ために一般鋼8を円筒状ではなく中実体とした場合とに
ついて、100℃の温度差によって磁歪材7の表面に発
生する応力分布を、FEM(限界要素法)によるシミュ
レーションで求めた結果を示す。磁歪材7は直径が30
mmで長さ25mm、×印は一般鋼8の内径が20m
m、+印は一般鋼8の内径が25mmの場合を示し、△
印は一般鋼8が中実体の比較例の場合を示す。なお、い
ずれの場合も環状の溝9を形成していない場合の結果で
ある。
【0023】図3から明らかなように、残留応力は磁歪
材7の中央からの距離が大きくなるほど大きくなり、本
発明の構成要件を備えた場合、即ち一般鋼8が筒状に形
成された場合の方が残留応力が小さくなることが確認さ
れた。また、一般鋼8が筒状に形成された場合、肉厚が
薄い方が残留応力が小さくなることが確認された。ま
た、比較例では磁歪材7の中央からの距離の増加に伴っ
て残留応力が次第に増加するのに対して、一般鋼8が筒
状に形成された場合、磁歪材7の中央近傍にほぼ一定の
残留応力となる部分が存在し、肉厚が薄い方が残留応力
が一定となる部分の範囲が大きくなることが確認され
た。
材7の中央からの距離が大きくなるほど大きくなり、本
発明の構成要件を備えた場合、即ち一般鋼8が筒状に形
成された場合の方が残留応力が小さくなることが確認さ
れた。また、一般鋼8が筒状に形成された場合、肉厚が
薄い方が残留応力が小さくなることが確認された。ま
た、比較例では磁歪材7の中央からの距離の増加に伴っ
て残留応力が次第に増加するのに対して、一般鋼8が筒
状に形成された場合、磁歪材7の中央近傍にほぼ一定の
残留応力となる部分が存在し、肉厚が薄い方が残留応力
が一定となる部分の範囲が大きくなることが確認され
た。
【0024】図4に一般鋼8を筒状に形成するととも
に、磁歪材7と一般鋼8との接合部S付近の磁歪材7側
に、周方向に延びる環状の溝9が形成された場合と、環
状の溝9が無い場合とについて、100℃の温度差によ
って磁歪材7の表面に発生する応力分布を、FEMによ
るシミュレーションで求めた結果を示す。また、図5に
同じシャフト2に対して、10N・mのトルクを印加し
た場合の磁歪材7の表面に発生する剪断応力分布を、F
EMによるシミュレーションで求めた結果を示す。
に、磁歪材7と一般鋼8との接合部S付近の磁歪材7側
に、周方向に延びる環状の溝9が形成された場合と、環
状の溝9が無い場合とについて、100℃の温度差によ
って磁歪材7の表面に発生する応力分布を、FEMによ
るシミュレーションで求めた結果を示す。また、図5に
同じシャフト2に対して、10N・mのトルクを印加し
た場合の磁歪材7の表面に発生する剪断応力分布を、F
EMによるシミュレーションで求めた結果を示す。
【0025】+印は環状の溝9が無い場合を示し、○印
は環状の溝9が有る場合を示す。なお、いずれの場合
も、磁歪材7は直径が30mmで長さ25mm、一般鋼
8の内径は25mmであり、環状の溝9が無いものは図
3の+印のものと同じである。また、○印の場合、磁歪
材7の中央からの距離が10mm以上の部分のデータが
無いのは、10mmの箇所に環状の溝9が形成されてい
るためである。
は環状の溝9が有る場合を示す。なお、いずれの場合
も、磁歪材7は直径が30mmで長さ25mm、一般鋼
8の内径は25mmであり、環状の溝9が無いものは図
3の+印のものと同じである。また、○印の場合、磁歪
材7の中央からの距離が10mm以上の部分のデータが
無いのは、10mmの箇所に環状の溝9が形成されてい
るためである。
【0026】図4から明らかなように、磁歪材7と一般
鋼8との接合面近傍に環状の溝9を形成した場合、磁歪
材7の中央からの距離が大きな位置においても残留熱応
力の低減効果があることが確認された。また、図5か
ら、前記環状の溝9を設けることにより、トルク伝達が
均一化されることが判明した。
鋼8との接合面近傍に環状の溝9を形成した場合、磁歪
材7の中央からの距離が大きな位置においても残留熱応
力の低減効果があることが確認された。また、図5か
ら、前記環状の溝9を設けることにより、トルク伝達が
均一化されることが判明した。
【0027】図6にシャフト2を磁歪材のみで形成した
場合(バルクシャフト)と、磁歪材7の両端に中実材の
一般鋼8を接合した場合(従来)と、磁歪材7の両端に
筒状の一般鋼8を接合するとともに、所定の位置に環状
の溝9が形成された場合(発明品)とについて、10N
・mのトルクを加えた場合のセンサ出力の比較を示す。
なお、磁歪材7の長さは40mmである。
場合(バルクシャフト)と、磁歪材7の両端に中実材の
一般鋼8を接合した場合(従来)と、磁歪材7の両端に
筒状の一般鋼8を接合するとともに、所定の位置に環状
の溝9が形成された場合(発明品)とについて、10N
・mのトルクを加えた場合のセンサ出力の比較を示す。
なお、磁歪材7の長さは40mmである。
【0028】従来品ではシャフトの製造時の磁性焼鈍に
おける冷却過程での残留応力が大きく、センサ特性に悪
影響を与えるため、センサ出力がバルクシャフトの1/
4に低下した。しかし、発明品では前記残留応力が小さ
いため、センサの出力がバルクシャフトとほぼ同等の値
を確保できることが確認された。
おける冷却過程での残留応力が大きく、センサ特性に悪
影響を与えるため、センサ出力がバルクシャフトの1/
4に低下した。しかし、発明品では前記残留応力が小さ
いため、センサの出力がバルクシャフトとほぼ同等の値
を確保できることが確認された。
【0029】この実施の形態では以下の効果を有する。 (1) 中実状の磁歪材7を軸方向の両端面で挟むよう
に接合固定された支持金属(一般鋼8)で構成したシャ
フト2において、前記支持金属を筒状としたので、磁歪
材7と支持金属との熱膨張率の違いに起因した残留熱応
力が小さくなる。その結果、磁歪材7の長さを短くして
も熱応力による悪影響を少なくでき、トルクセンサ1の
出力を高くすることができる。
に接合固定された支持金属(一般鋼8)で構成したシャ
フト2において、前記支持金属を筒状としたので、磁歪
材7と支持金属との熱膨張率の違いに起因した残留熱応
力が小さくなる。その結果、磁歪材7の長さを短くして
も熱応力による悪影響を少なくでき、トルクセンサ1の
出力を高くすることができる。
【0030】(2) シャフト2には、磁歪材7と支持
金属(一般鋼8)との接合部S付近に周方向に延びる環
状の溝9が形成されているため、残留熱応力がより小さ
くなり、トルクの伝達が均一になり、トルクセンサ1の
出力をより高めることができる。
金属(一般鋼8)との接合部S付近に周方向に延びる環
状の溝9が形成されているため、残留熱応力がより小さ
くなり、トルクの伝達が均一になり、トルクセンサ1の
出力をより高めることができる。
【0031】(3) 環状の溝9が磁歪材7側に形成さ
れているため、磁歪材7の使用長さをより短くでき、よ
りコスト低減に寄与する。 (4) 磁歪材7と支持金属(一般鋼8)とが摩擦圧接
により接合されているため、溶接やレーザーによる接合
に比較して、接合が簡単にできるとともに信頼性が高く
なる。
れているため、磁歪材7の使用長さをより短くでき、よ
りコスト低減に寄与する。 (4) 磁歪材7と支持金属(一般鋼8)とが摩擦圧接
により接合されているため、溶接やレーザーによる接合
に比較して、接合が簡単にできるとともに信頼性が高く
なる。
【0032】(5) 磁歪材7の両端部に一般鋼8の肉
厚と同じ肉厚の環状部7aが形成されているため、磁歪
材7と一般鋼8の接触面積が同じになり、磁歪材7と一
般鋼8の温度の上昇具合がほぼ均一になり、摩擦圧接が
良好に行われてより信頼性が高くなる。
厚と同じ肉厚の環状部7aが形成されているため、磁歪
材7と一般鋼8の接触面積が同じになり、磁歪材7と一
般鋼8の温度の上昇具合がほぼ均一になり、摩擦圧接が
良好に行われてより信頼性が高くなる。
【0033】なお、実施の形態は前記に限定されるもの
ではなく、例えば次のように構成してもよい。 ○ 環状の溝9を省略して、磁歪材7に筒状の一般鋼8
を接合しただけの構成としてもよい。この場合、環状の
溝9を形成した場合に比較してトルク伝達が均一化され
る効果は低いが、中実体の一般鋼8を接合した従来品に
比較して、センサの出力を大きくできる。
ではなく、例えば次のように構成してもよい。 ○ 環状の溝9を省略して、磁歪材7に筒状の一般鋼8
を接合しただけの構成としてもよい。この場合、環状の
溝9を形成した場合に比較してトルク伝達が均一化され
る効果は低いが、中実体の一般鋼8を接合した従来品に
比較して、センサの出力を大きくできる。
【0034】○ 図7に示すように、磁歪材7の両側に
中実体の支持金属(一般鋼8)を接合し、磁歪材7と一
般鋼8との接合部S付近に周方向に延びる環状の溝9を
形成した構成としてもよい。図8に磁歪材7の長さを2
5mm,35mm,55mmと変更し、100℃の温度
差によって磁歪材7の表面に発生する応力分布を、FE
Mによるシミュレーションで求めた結果を示す。図8か
ら明らかなように、磁歪材7の長さが25mmの場合に
磁歪材中央の残留応力は約3.1MPaとなる。従っ
て、図13に示す環状の溝9のない従来品の場合の磁歪
長25mmの磁歪材中央の残留応力の値の4.9MPa
に比較して、残留応力が4割程度低下している。即ち、
磁歪材7と接合する支持金属(一般鋼8)を筒状としな
くても、磁歪材7と一般鋼8との接合部S付近に周方向
に延びる環状の溝9を形成することにより残留熱応力を
小さくでき、トルクセンサの出力を従来品より高めるこ
とができる。
中実体の支持金属(一般鋼8)を接合し、磁歪材7と一
般鋼8との接合部S付近に周方向に延びる環状の溝9を
形成した構成としてもよい。図8に磁歪材7の長さを2
5mm,35mm,55mmと変更し、100℃の温度
差によって磁歪材7の表面に発生する応力分布を、FE
Mによるシミュレーションで求めた結果を示す。図8か
ら明らかなように、磁歪材7の長さが25mmの場合に
磁歪材中央の残留応力は約3.1MPaとなる。従っ
て、図13に示す環状の溝9のない従来品の場合の磁歪
長25mmの磁歪材中央の残留応力の値の4.9MPa
に比較して、残留応力が4割程度低下している。即ち、
磁歪材7と接合する支持金属(一般鋼8)を筒状としな
くても、磁歪材7と一般鋼8との接合部S付近に周方向
に延びる環状の溝9を形成することにより残留熱応力を
小さくでき、トルクセンサの出力を従来品より高めるこ
とができる。
【0035】○ 環状の溝9に代えて、図9に示すよう
に、一般鋼8の径を磁歪材7の径より小さくし、磁歪材
7の両端部に環状の凹部7cを設け、磁歪材7と一般鋼
8との接合部S付近から磁歪材7及び一般鋼8の径を小
さく形成した構成としてもよい。図10に磁歪材7の長
さを25mm,35mm,55mmと変更し、100℃
の温度差によって磁歪材7の表面に発生する応力分布
を、FEMによるシミュレーションで求めた結果を示
す。図10から明らかなように、図13に示す環状の溝
9のない従来品に比較して、磁歪材7の長さが25mm
の場合に、残留応力が2割以上低下している。
に、一般鋼8の径を磁歪材7の径より小さくし、磁歪材
7の両端部に環状の凹部7cを設け、磁歪材7と一般鋼
8との接合部S付近から磁歪材7及び一般鋼8の径を小
さく形成した構成としてもよい。図10に磁歪材7の長
さを25mm,35mm,55mmと変更し、100℃
の温度差によって磁歪材7の表面に発生する応力分布
を、FEMによるシミュレーションで求めた結果を示
す。図10から明らかなように、図13に示す環状の溝
9のない従来品に比較して、磁歪材7の長さが25mm
の場合に、残留応力が2割以上低下している。
【0036】○ 支持金属(一般鋼8)が筒状の場合
も、図9に示すように磁歪材7を両端が小径となる形状
とし、支持金属の外径を磁歪材7の小径部と同じに、即
ち領域A、Bと対応する部分の径より小さく形成しても
よい。
も、図9に示すように磁歪材7を両端が小径となる形状
とし、支持金属の外径を磁歪材7の小径部と同じに、即
ち領域A、Bと対応する部分の径より小さく形成しても
よい。
【0037】○ 磁歪材7に接合されてシャフト2を構
成する支持金属は、一般鋼に限らず、磁歪材7との接合
が可能で、機械的強度が確保できるものであれば他の金
属でもよいが、コストの点から一般鋼8が好ましい。
成する支持金属は、一般鋼に限らず、磁歪材7との接合
が可能で、機械的強度が確保できるものであれば他の金
属でもよいが、コストの点から一般鋼8が好ましい。
【0038】○ 磁歪材7と支持金属との接合は摩擦圧
接に限らず、溶接やレーザー等による他の接合方法を採
用してもよい。 ○ 筒状の支持金属に磁歪材7を接合する構成におい
て、磁歪材7の端部に筒状支持金属の肉厚と対応する肉
厚の環状部を形成せずに接合してもよい。
接に限らず、溶接やレーザー等による他の接合方法を採
用してもよい。 ○ 筒状の支持金属に磁歪材7を接合する構成におい
て、磁歪材7の端部に筒状支持金属の肉厚と対応する肉
厚の環状部を形成せずに接合してもよい。
【0039】○ 磁歪材7の表面に形成された溝7bは
必須ではなく、溝7bを無くして、クロスヘッド型ピッ
クアップで磁束の変化を検出する構成を採用してもよ
い。 ○ シャフト2の径及び磁歪材7の長さはトルクセンサ
の使用条件に応じて適宜変更してもよい。
必須ではなく、溝7bを無くして、クロスヘッド型ピッ
クアップで磁束の変化を検出する構成を採用してもよ
い。 ○ シャフト2の径及び磁歪材7の長さはトルクセンサ
の使用条件に応じて適宜変更してもよい。
【0040】次に、前記各実施の形態から把握できる請
求項記載以外の技術的思想(発明)について、以下にそ
の効果とともに記載する。 (1) 請求項1〜請求項3のいずれか一項に記載の発
明において、前記磁歪材及び前記筒状の支持金属は摩擦
圧接により接合されている。この場合、磁歪材及び支持
金属の接合が簡単にかつ良好に行われ、他の接合方法に
比較して信頼性が高くなる。
求項記載以外の技術的思想(発明)について、以下にそ
の効果とともに記載する。 (1) 請求項1〜請求項3のいずれか一項に記載の発
明において、前記磁歪材及び前記筒状の支持金属は摩擦
圧接により接合されている。この場合、磁歪材及び支持
金属の接合が簡単にかつ良好に行われ、他の接合方法に
比較して信頼性が高くなる。
【0041】(2) (1)において、磁歪材はその両
端部に、支持金属と同じ肉厚の環状部が形成され、該環
状部の端面において支持金属に接合されている。この場
合、摩擦圧接による接合が良好に行われる。
端部に、支持金属と同じ肉厚の環状部が形成され、該環
状部の端面において支持金属に接合されている。この場
合、摩擦圧接による接合が良好に行われる。
【0042】
【発明の効果】以上詳述したように、請求項1〜請求項
5に記載の発明によれば、トルクセンサ用シャフト(被
検出軸)をバルクの磁歪材を挟むように他の支持金属を
接合して構成した場合に、磁歪材の長さを短くしても熱
応力による悪影響を少なくでき、センサの出力を高くす
ることができる。
5に記載の発明によれば、トルクセンサ用シャフト(被
検出軸)をバルクの磁歪材を挟むように他の支持金属を
接合して構成した場合に、磁歪材の長さを短くしても熱
応力による悪影響を少なくでき、センサの出力を高くす
ることができる。
【図1】 一実施の形態のトルクセンサ用シャフトの模
式部分正面図。
式部分正面図。
【図2】 トルクセンサの模式断面図。
【図3】 磁歪材表面に発生する熱応力分布を示すグラ
フ。
フ。
【図4】 磁歪材表面に発生する熱応力分布を示すグラ
フ。
フ。
【図5】 トルク印加によって発生する応力分布を示す
グラフ。
グラフ。
【図6】 センサ出力の比較を示すグラフ。
【図7】 別の実施の形態のトルクセンサ用シャフトの
模式正面図。
模式正面図。
【図8】 その磁歪材表面に発生する熱応力分布を示す
グラフ。
グラフ。
【図9】 別の実施の形態のトルクセンサ用シャフトの
模式正面図。
模式正面図。
【図10】 その磁歪材表面に発生する熱応力分布を示
すグラフ。
すグラフ。
【図11】 (a)は従来技術のトルクセンサ用シャフ
トの模式正面図、(b)は別の従来技術のトルクセンサ
用シャフトの模式斜視図。
トの模式正面図、(b)は別の従来技術のトルクセンサ
用シャフトの模式斜視図。
【図12】 (a)は別の従来技術のシャフトの模式断
面図、(b)は同じく正面図、(c)は(b)の部分拡
大断面図。
面図、(b)は同じく正面図、(c)は(b)の部分拡
大断面図。
【図13】 磁歪材表面に発生する熱応力分布を示すグ
ラフ。
ラフ。
1…トルクセンサ、2…被検出軸としての(トルクセン
サ用)シャフト、7…磁歪材、8…支持金属としての一
般鋼、9…環状の溝、12…磁束発生手段としての励磁
用コイル、13…検出手段としての検出用コイル、S…
接合部。
サ用)シャフト、7…磁歪材、8…支持金属としての一
般鋼、9…環状の溝、12…磁束発生手段としての励磁
用コイル、13…検出手段としての検出用コイル、S…
接合部。
Claims (5)
- 【請求項1】 被検出軸を、磁歪材と該磁歪材を軸方向
の両端面で挟むように接合固定された支持金属とで構成
し、前記磁歪材を通る磁束を発生させる磁束発生手段
と、前記被検出軸に作用するトルクに応じて前記磁歪材
が歪むことによる前記磁束の変化を検出するための検出
手段とを備えたトルクセンサであって、前記磁歪材の軸
方向の両側に接合される支持金属を筒状としたトルクセ
ンサ。 - 【請求項2】 前記被検出軸は、前記磁歪材と前記支持
金属との接合部付近に周方向に延びる環状の溝が形成さ
れている請求項1に記載のトルクセンサ。 - 【請求項3】 前記溝は前記磁歪材側に形成されている
請求項2に記載のトルクセンサ。 - 【請求項4】 被検出軸を、磁歪材と該磁歪材を軸方向
の両端面で挟むように接合固定された支持金属とで構成
し、前記磁歪材を通る磁束を発生させる磁束発生手段
と、前記被検出軸に作用するトルクに応じて前記磁歪材
が歪むことによる前記磁束の変化を検出するための検出
手段とを備えたトルクセンサであって、 前記被検出軸の少なくとも前記磁歪材と前記支持金属と
の接合部付近の径を磁歪材の前記検出手段と対向する箇
所の径より小さく形成したトルクセンサ。 - 【請求項5】 請求項1〜請求項4のいずれか一項に記
載された被検出軸からなるトルクセンサ用被検出軸。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2000147759A JP2001330524A (ja) | 2000-05-19 | 2000-05-19 | トルクセンサ及びトルクセンサ用被検出軸 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2000147759A JP2001330524A (ja) | 2000-05-19 | 2000-05-19 | トルクセンサ及びトルクセンサ用被検出軸 |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2001330524A true JP2001330524A (ja) | 2001-11-30 |
Family
ID=18653902
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2000147759A Pending JP2001330524A (ja) | 2000-05-19 | 2000-05-19 | トルクセンサ及びトルクセンサ用被検出軸 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP2001330524A (ja) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2008026210A (ja) * | 2006-07-24 | 2008-02-07 | Nissan Motor Co Ltd | 磁歪リング式トルクセンサ |
-
2000
- 2000-05-19 JP JP2000147759A patent/JP2001330524A/ja active Pending
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2008026210A (ja) * | 2006-07-24 | 2008-02-07 | Nissan Motor Co Ltd | 磁歪リング式トルクセンサ |
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