JP2000321153A - トルク、スラスト力およびラジアル力の検出方法、検出装置及び研磨装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 たとえ、磁歪層を備えた軸と検出素子との間
の距離が変化した場合であっても、その影響を受けるこ
とがなく、回転体が受けるトルク、スラスト力およびラ
ジアル力を精度良くかつ非接触で同時に検出することが
できるトルク、スラスト力およびラジアル力の検出方
法、検出装置、研磨装置の提供。 【解決手段】 第１、第２の検出ユニット２０〜２３が
検出する磁歪層１１の透磁率の変化量を、この透磁率の
変化量とトルク、スラスト力、Ｘ軸方向およびＹ軸方向
のラジアル力並びに距離との間の関係式に代入すること
により、トルク、スラスト力、Ｘ軸方向およびＹ軸方向
のラジアル力と距離を求める。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、磁歪効果を利用す
ることにより、回転体が受けるトルク、スラスト力およ
びラジアル力を非接触で検出するトルク、スラスト力お
よびラジアル力の検出方法、検出装置及び研磨装置に関
するものである。

【０００２】

【従来の技術】この種の回転体が受けるトルク、スラス
ト力およびラジアル力を非接触で検出するトルク、スラ
スト力およびラジアル力の検出装置として、本出願人
は、新規の磁歪式応力検出装置（特願平７−７４１７７
号参照）を提案した。この磁歪式応力検出装置は、軸に
形成され、応力の変化にともない透磁率が変化する磁歪
層と、指向性を有し、磁歪層に対向してかつ上記軸の軸
方向に対してその指向性が４５度をなすように設けられ
た磁歪層の透磁率の変化を検出する複数の検出コイル
と、各検出コイルの出力から、上記軸にかかるトルク、
スラスト力およびラジアル力を演算する信号処理手段と
から構成されている。そして、上記磁歪式応力検出装置
にあっては、回転体が受けるトルク、スラスト力および
ラジアル力を非接触で同時に検出することができる。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上記従来の
磁歪式応力検出装置においては、磁歪層を備えた軸と検
出コイルとの間の距離の変化について考慮されていなか
った。すなわち、上記磁歪層を備えた軸と検出コイルと
の間の距離（ギャップ）が変化すると、検出コイルの出
力が変動するため、たとえば、芯ぶれに起因する回転に
ともなう出力の変動（回転零点変動）、およびラジアル
力に起因する撓みにともなう出力の変動などが生じると
いう問題があった。

【０００４】本発明は、上記事情に鑑みてなされたもの
で、その目的とするところは、たとえ、磁歪層を備えた
軸と検出素子との間の距離が変化した場合であっても、
その影響を受けることがなく、回転体が受けるトルク、
スラスト力およびラジアル力を精度良くかつ非接触で同
時に検出することができるトルク、スラスト力およびラ
ジアル力の検出方法、検出装置及び研磨装置を提供する
ことにある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明の請求項１は、軸
に形成され、かつこの軸にかかるトルクおよび力により
生ずる歪みに応じて透磁率が変化する磁歪層と、この磁
歪層に対向配置され、かつ上記磁歪層の透磁率の変化を
検出する複数の検出素子を備え、これらの検出素子の出
力に基づいて、上記軸にかかるトルク、スラスト力およ
びラジアル力を検出する検出方法であって、上記軸の軸
線に対して所定角度傾斜した検出方向を有する検出素子
と、この検出素子の検出方向に対して直交する方向に検
出方向を有する検出素子とを組み合わせた第１の検出ユ
ニットおよび上記軸の軸線に対して直交する方向に検出
方向を有する検出素子と、この検出素子の検出方向に対
して直交する方向に検出方向を有する検出素子とを組み
合わせた第２の検出ユニットを、それぞれ一対ずつ備
え、上記両第１の検出ユニットどうしを、上記軸の軸線
を中心に互いに９０度の位置に配置し、かつ上記両第２
の検出ユニットどうしを、上記軸の軸線を中心に互いに
９０度の位置に配置し、上記各第１、第２の検出ユニッ
トが検出した上記磁歪層の透磁率の変化に基づいて、上
記軸にかかるトルク、スラスト力およびラジアル力を演
算により求めるものである。この請求項１にあっては、
上記第１、第２の検出ユニットが検出する磁歪層の透磁
率の変化量を、この透磁率の変化量とトルク、スラスト
力、Ｘ軸方向およびＹ軸方向のラジアル力並びに距離と
の間の関係式に代入することにより、トルク、スラスト
力、Ｘ軸方向およびＹ軸方向のラジアル力と距離を求め
る。

【０００６】本発明の請求項２は、軸に形成され、かつ
この軸にかかるトルクおよび力により生ずる歪みに応じ
て透磁率が変化する磁歪層と、この磁歪層に対向配置さ
れ、かつ上記磁歪層の透磁率の変化を検出する複数の検
出素子を備え、これらの検出素子の出力に基づいて、上
記軸にかかるトルク、スラスト力およびラジアル力を検
出する検出装置であって、上記軸の軸線に対して所定角
度傾斜した検出方向を有する検出素子と、この検出素子
の検出方向に対して直交する方向に検出方向を有する検
出素子とを組み合わせた第１の検出ユニットおよび上記
軸の軸線に対して直交する方向に検出方向を有する検出
素子と、この検出素子の検出方向に対して直交する方向
に検出方向を有する検出素子とを組み合わせた第２の検
出ユニットを、それぞれ一対ずつ備え、上記両第１の検
出ユニットどうしを、上記軸の軸線を中心に互いに９０
度の位置に配置し、かつ上記両第２の検出ユニットどう
しを、上記軸の軸線を中心に互いに９０度の位置に配置
し、上記各第１、第２の検出ユニットが検出した上記磁
歪層の透磁率の変化に基づいて、上記軸にかかるトル
ク、スラスト力およびラジアル力を演算する演算処理手
段を設けたものである。この請求項２にあっては、上記
第１、第２の検出ユニットが検出した磁歪層の透磁率の
変化を演算処理手段に入力することにより、この演算処
理手段にあらかじめ設定された関係式に基づいて、トル
ク、スラスト力、Ｘ軸方向およびＹ軸方向のラジアル力
と距離を算出する。

【０００７】本発明の請求項３は、第１の検出ユニット
と第２の検出ユニットとを、軸を挟んで互いに対向する
ように配置したものである。この請求項３にあっては、
第１の検出ユニットの各検出素子と第２の検出ユニット
の各検出素子とを互いに対向配置することにより、各検
出素子を軸のまわりに等間隔に配置して、トルク、スラ
スト力およびラジアル力を算出する関係式の単純化を図
る。

【０００８】本発明の請求項４は、第１の検出ユニット
と第２の検出ユニットとを、軸の軸線に沿って配置した
ものである。この請求項４にあっては、第１の検出ユニ
ットの各検出素子と第２の検出ユニットの各検出素子と
を、軸の軸線に沿って重ねるように配置することによ
り、トルク、スラスト力およびラジアル力を算出する関
係式の単純化を図るとともに、軸のまわりの大部分のス
ペースがあくため、軸の交換等において上記各検出ユニ
ットが作業の邪魔にならない。

【０００９】本発明の請求項５は、検出ユニットが、中
心部に配置された磁心に巻回したコイルと、円周部に等
間隔に配置された４つの磁心にそれぞれ巻回したコイル
とから構成されたものである。この請求項５にあって
は、中心部および円周部に配置された磁心にそれぞれコ
イルを巻回することにより、単純な構造の部品で構成さ
れて、製作が容易である。

【００１０】本発明の請求項６は、検出ユニットが、磁
心の中心部に設けられたコイル巻回部とこの磁心の円周
部に等間隔に設けられた４つのコイル巻回部とにそれぞ
れ巻回したコイルから構成されたものである。この請求
項６にあっては、磁心の中心部および円周部のコイル巻
回部にそれぞれコイルを巻回することにより、コイルが
精度良く配置され、磁気回路中の空隙が極力少なくされ
て、検出精度の向上が図れる。

【００１１】本発明の請求項７は、検出ユニットが、互
いに直交する一対のＵ字状の磁心にそれぞれ巻回したコ
イルから構成されたものである。この請求項７にあって
は、コイルがそれぞれ巻回された一対のＵ字状の磁心を
互いに直交するように配置することにより、容易にかつ
精度良く設置される。本発明の請求項８は、前記請求項
２〜請求項７のいずれかに記載した検出装置を研磨ヘッ
ドの軸とこれに対向する部位との間に設けたことを特徴
とする研磨装置である。この請求項にかかる研磨装置に
あっては、検出装置によって得られる研磨抵抗に基づい
て、所定の形状（例えば、寸法、平坦度、面粗さ等）ま
で研磨が完了したか否かを検出する終点検出やワークに
発生する割れ等の研磨状態の異常を検知する異常検知が
可能となる。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下、図面に基づいて本発明の実
施の形態を説明する。図１は本発明の第１の実施形態を
示す斜視図、図２は磁歪層と検出ユニットとの関係を示
す展開図、図３は軸と検出ユニットとの関係を示す説明
図、図４は検出ユニットの一例を示す斜視図、図５は検
出ユニットの他の一例を示す斜視図、図６は検出ユニッ
トの別の一例を示す斜視図、図７は検出素子の指向性に
ついて説明する説明図、図８は検出素子の指向性と検出
素子の出力との関係を説明する説明図、図９は第１の実
施形態を組み込んだ切削工具を示す断面図である。

【００１３】図１〜図３において符号１０は軸（回転
体）であり、この軸１０の中間部（センサ軸部）には、
強磁性材料（たとえば、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｍｏ−Ｂ）からな
る磁歪膜１１が形成されている。この磁歪膜１１は、た
とえば、プラズマ溶射法を用いて成膜されたものであ
る。

【００１４】上記磁歪膜１１に対向して、上記軸１０の
まわりには、等間隔に４組の検出ユニット２０、２１、
２２、２３が配置されている。これらの検出ユニット２
０、２１、２２、２３は、図１〜図３においては、それ
ぞれ、位置Ｎ、Ｅ、Ｓ、Ｗに対応して設置されている。

【００１５】これらの検出ユニット２０〜２３は、たと
えば、図４〜図６に示すような構造をしている。なお、
これらの図において、矢印は磁界の向きを、かつ一点鎖
線は検出方向（指向性の方向）を示している。

【００１６】すなわち、図４に示す検出ユニットは、ユ
ニット本体３０の中心部に配置された円柱状の磁心３１
および円周部に等間隔に配置された４つの磁心３２に、
それぞれコイル３３、３４が巻回されたものである。そ
して、このコイル３３を高周波電源によって励磁するこ
とにより、互いに直交する検出方向（指向性）を有する
一対の検出素子Ｄ１、Ｄ２が構成され、かつこれらの一
対の検出素子Ｄ１、Ｄ２によって検出ユニットが構成さ
れている。

【００１７】また、図５に示す検出ユニットは、略円柱
状の磁心３６の中心部に設けた円柱状のコイル巻回部３
７とこの磁心３６の円周部に該コイル巻回部３７を囲む
ように設けた４つの扇状のコイル巻回部３８とに、それ
ぞれ、コイル３９が巻回されたものである。そして、こ
の検出ユニットにおいても、上記図４に示す検出ユニッ
トと同様に、コイル巻回部３７を挟んで互いに対向する
コイル巻回部３８間に、互いに直交する検出方向を有し
ており、これらの互いに直交する検出方向を有する一対
の検出素子Ｄ１、Ｄ２によって検出ユニットが構成され
ている。

【００１８】さらに、図６に示す検出ユニットは、互い
に直交する一対のＵ字状の磁心４１にそれぞれコイル４
２が巻回されたものである。そして、これらのＵ字状の
磁心４１およびコイル４２によって、互いに直交する検
出方向を有する一対の検出素子Ｄ１、Ｄ２が構成され、
かつこれらの一対の検出素子Ｄ１、Ｄ２によって検出ユ
ニットが構成されている。ここで、これらの検出ユニッ
トの指向性の方向について、図７と図８を参照して説明
する。

【００１９】図７に示すように、平板試験片１に形成さ
れた磁歪膜２に対向して、平板試験片１の軸線に対して
所定角度θ傾斜した方向に指向性を有する（図７におい
て符号３が指向性の方向を示している）検出素子４が配
置されている。そして、この平板試験片１に、その軸線
方向に沿って引張力Ｆを加えるとともに、検出素子４を
回転させて指向性の方向３を変化させると、検出素子の
指向性の方向と検出素子の出力との間には、図８に示す
ような関係がある。

【００２０】上記のように構成された検出ユニット２
０、２１、２２、２３のうち、検出ユニット（第１の検
出ユニット）２０、２１は、その検出方向が軸１０の軸
線に対して所定角度θ（４５度）およびθ＋９０度（１
３５度）傾斜して設定されている。また、検出ユニット
（第２の検出ユニット）２２、２３は、その検出方向が
軸１０の軸線に直交する方向および軸線に沿う方向に設
定されている。なお、図１において、矢印Ａ１、Ａ２、
Ａ３は、それぞれ、軸１０にかかるスラスト力、トルク
およびラジアル力を示しており、φはラジアル力Ａ３の
ラジアル方向の角度を示している。

【００２１】このような構成の検出装置において、上記
軸１０に、図３に示すように、Ｘ、Ｙ、Ｚ軸成分Ｆｘ、
Ｆｙ、Ｆｚを有する力Ｆがかかると、この力Ｆが生じさ
せる歪みに応じて、軸１０のセンサ軸部に成形された磁
歪膜１１の透磁率が変化する。そして、この磁歪膜１１
の透磁率の変化を、上記各検出ユニット２０、２１、２
２、２３によって検出する。これらの検出ユニット２０
〜２３が検出した磁歪膜１１の透磁率の変化量を、それ
ぞれ、Ｎ１、Ｎ２、Ｅ１、Ｅ２、Ｓ１、Ｓ２、Ｗ１、Ｗ
２とすると、これらの変化量は以下の式で表せられる。

【００２２】Ｅ１＝Ｆｚ／２＋Ｍｚ＋Ｆｘ／２−Ｄｘ Ｅ２＝Ｆｚ／２−Ｍｚ＋Ｆｘ／２−Ｄｘ Ｗ１＝Ｄｘ Ｗ２＝Ｆｚ−Ｆｘ＋Ｄｘ Ｎ１＝Ｆｚ／２＋Ｍｚ＋Ｆｙ／２−Ｄｙ Ｎ２＝Ｆｚ／２−Ｍｚ＋Ｆｙ／２−Ｄｙ Ｓ１＝Ｄｙ Ｓ２＝Ｆｚ−Ｆｙ＋Ｄｙ

【００２３】ここで、変化量Ｓ１、Ｗ１は軸１０の軸線
に直交する方向の成分であり、変化量Ｓ２、Ｗ２は軸１
０の軸線に沿う方向の成分である。また、図３におい
て、Ｍｚは軸１０にかかるトルクを示し、かつＤｘ、Ｄ
ｙはそれぞれＸ、Ｙ軸方向の変位（距離）成分を示して
いる。

【００２４】上記各式を展開すると、以下の各式が得ら
れる。 Ｆｚ＝（Ｅ１＋Ｅ２＋Ｗ１＋Ｗ２）／２＝（Ｎ１＋Ｎ２
＋Ｓ１＋Ｓ２）／２ Ｍｚ＝（Ｅ１−Ｅ２）／２＝（Ｎ１−Ｎ２）／２ Ｆｘ＝（Ｅ１＋Ｅ２＋３Ｗ１−Ｗ２）／２ Ｆｙ＝（Ｎ１＋Ｎ２＋３Ｓ１−Ｓ２）／２ Ｄｘ＝Ｗ１ Ｄｙ＝Ｓ１ φ＝ｔａｎ-1（Ｆｙ／Ｆｘ）＝ｔａｎ-1｛（Ｎ１＋Ｎ２
＋３Ｓ１−Ｓ２）／（Ｅ１＋Ｅ２＋３Ｗ１−Ｗ２）｝

【００２５】これらの式からスラスト力Ｆｚ、トルクＭ
ｚおよびＸ、Ｙ軸方向のラジアル力Ｆｘ、Ｆｙ並びに距
離（変位）Ｄｘ、Ｄｙ、ラジアル力の方向φをそれぞれ
演算処理によって容易に求めることができる。

【００２６】図９は、上記構成の検出装置をフライス加
工における切削抵抗（切削トルク、Ｘ、ＹおよびＺ軸方
向の切削力）を測定する場合に適用したものである。こ
の図においては、主軸５１に工具ホルダ５２を介して切
削工具（回転体）５３が装着され、この切削工具５３の
センサ軸部に磁歪膜５４が形成されるとともに、上記主
軸頭５８にセンサ本体５５が取付部材５６を介して取り
付けられ、かつこのセンサ本体５５の先端に装着された
４つの検出ユニット５７が上記磁歪膜５４のまわりに等
間隔に対向配置されたものである。そして、上述した検
出ユニット２０〜２３と同様の構成を有する上記検出ユ
ニット５７によって上記磁歪膜５４の透磁率の変化を検
出する。

【００２７】図１０は本発明の第２の実施形態を示すも
のである。そして、この第２の実施形態においては、図
１および図２に示す上記第１の実施形態の検出ユニット
２０、２１、２２、２３の代わりに、同様の構造の検出
ユニット６０、６１、６２、６３を用いている。

【００２８】このうち、検出ユニット（第１の検出ユニ
ット）６０、６１は、検出ユニット２０、２１と同様
に、その検出方向が軸１０の軸線に対して所定角度θ
（４５度）およびθ＋９０度（１３５度）傾斜して設定
されており、両検出ユニット６０、６１は、軸１０の軸
線に直交する面内において、該軸線まわりに９０度離間
して配置されている。

【００２９】また、検出ユニット（第２の検出ユニッ
ト）６２、６３は、検出ユニット２２、２３と同様に、
その検出方向が軸１０の軸線に直交する方向および軸線
に沿う方向に設定されており、上記各検出ユニット６
０、６１の下方に（軸１０の軸線に沿った方向に）所定
間隔離間してそれぞれ配置されている。

【００３０】このように構成することにより、上記第１
の実施形態と同様に、各検出ユニット６０〜６３によっ
て、円滑に磁歪膜１１の透磁率の変化をとらえて、この
変化量に基づいて、容易にスラスト力Ｆｚ、トルクＭｚ
およびＸ、Ｙ軸方向のラジアル力Ｆｘ、Ｆｙ並びに距離
（変位）Ｄｘ、Ｄｙを演算することができる。

【００３１】図１１と図１２は、上記第２の実施形態の
検出装置をフライス加工における切削抵抗（切削トル
ク、Ｘ、ＹおよびＺ軸方向の切削力）を測定する場合に
適用したものである。これらの図においては、図９に示
す検出ユニット５７の代わりに、上記主軸頭５８に取付
部材６６を介して取り付けたセンサ本体６５の先端に４
つの検出ユニット６７が装着されている。そして、上述
した検出ユニット６０〜６３（２０〜２３）と同様の構
成を有する上記検出ユニット６７は、上記検出ユニット
６０〜６３の空間配置と同様に磁歪膜５４のまわりに配
置されている。

【００３２】したがって、上記各検出ユニット６７によ
って磁歪膜５４の透磁率の変化を確実に検出することが
できるとともに、図１２に示すように、各検出ユニット
６７が、切削工具５３の先端側からみて約１／４のスペ
ースを占めるだけで、残りの３／４のスペースがあいて
いるから、切削工具５３の交換作業等において検出ユニ
ット６７が作業の邪魔になることがなく、作業性が大幅
に向上する。

【００３３】図１３〜図１５は、上記第１の実施形態の
検出装置を研磨装置の終点検出や異常検知、つまり所定
の形状（例えば、寸法、平坦度、面粗さ等）まで研磨で
きたか否かの検出やワークに発生する割れ等の研磨状態
の異常検知を行なうようにしたものである。図１３、図
１４に示す研磨装置はワークであるウエハー７１を研磨
加工するＣＭＰ装置であって、下側に設けられたテーブ
ル７２と、上側に設けられたカルーセル７３とを備えて
いる。カルーセル７３は上下方向に配置された回転軸７
４により回転可能に支持された円盤状のもので、このカ
ルーセル７３の下面には単数または複数の研磨ヘッド７
５が同じく上下方向に配置された軸７６により回転可能
に支持されている。

【００３４】一方、カルーセル７３の下面に対向して円
盤状のテーブル７２が上下方向に配置された回転軸７７
により回転可能または固定支持されている。そして、図
１４に示すように、カルーセル７３とテーブル７２とは
オフセット量Ｃで、つまり芯ずれした状態で配置されて
いる。そして、このようにオフセットした状態で、カル
ーセル７３の回転軸７４に対して所定間隔Ｌ離れた位置
に配置された複数の研磨ヘッド７５の軸７６が回転する
ことで、研磨ヘッド７５とテーブル７２との間に挟持さ
れたウエハー７１が研磨されるのである。尚、このとき
図１３に示すようにカルーセル７３の中央部からテーブ
ル７２に向かって研磨剤を落下させ、ウエハー７１とテ
ーブル７２との間に供給している。そして、上記研磨ヘ
ッド７５の軸７６には前記第１実施形態の検出装置が設
けられている。

【００３５】図１５に示すように、前記研磨ヘッド７５
の軸７６はカルーセル７３に設けられた軸受部７８に対
して回転自在に支持されている。軸受部７８は上下に設
けられたベアリング７９を各々下側と上側とからボルト
８０で固定したホルダ８１を備え、ホルダ８１の中に第
１実施形態の検出ユニット２０、２１、２２、２３が配
置されている。検出ユニット２０、２１、２２、２３は
軸７６の外周面に対向して配置され、各々に対向する軸
７６の外周面には磁歪膜１１が設けられている。なお、
軸７６が磁性材ならば磁歪膜１１を設けなくてもよい。

【００３６】上記実施形態によれば、研磨ヘッド７５の
軸７６に磁歪膜１１を形成するだけでよいため、装置の
剛性を低下させることなく、センサを組み込むことがで
きる。つまり、このようなトルクやスラスト力やラジア
ル力を検出するために歪みゲージ等を軸７６内に埋め込
むようにすると装置の剛性低下が避けれないという問題
があったが、このように非接触で、かつ、装置剛性を低
下させるような加工が必要ないこの実施形態では、装置
の剛性低下の問題が生じないのである。

【００３７】そして、上記検出ユニット２０、２１、２
２、２３と磁歪膜１１とにより非接触、高感度、高応答
性でトルク、スラスト力、ラジアル力の検出ができるた
め信頼性の高い終点検出が可能となり、かつウエハー７
１に割れやウエハー７１の表面に形成された膜の剥離が
生じた場合等、研磨中の異常検知が可能となる。したが
って、結果として研磨加工の精度を高めることができる
とともに、研磨加工の生産性を向上することなども可能
となる。また、各研磨ヘッド７５において検出ユニット
２０、２１、２２、２３と磁歪膜１１とによりそれぞれ
の研磨ヘッド７５に作用するトルク、スラスト力、ラジ
アル力を検出できるため、研磨ヘッド７５毎の終点検出
及び異常検知が可能となる。

【００３８】また、上記研磨装置によりウエハー７１を
研磨する場合の終点検出、異常検知について説明した
が、カルーセル７３、テーブル７２、研磨ヘッド７５の
セッティングや、各研磨ヘッド７５のバランス検出にも
使用できる。

【００３９】なお、上記各実施形態においては、検出ユ
ニット２０〜２３を軸１０等のまわりに等間隔に配置
し、また検出ユニット６０〜６３を軸１０の軸線に沿っ
て２段に配置して説明したが、これに限らず、４つの検
出ユニットの８つの検出素子（検出方向）成分を軸１０
のまわりに等間隔に（４５度ごとに）配置しても良い。
ただし、この場合には、ラジアル力を受けた際の軸１０
のセンサ軸部表面の応力分布および角度を考慮した距離
の変化を含む式を立てなければならず、式が複雑化す
る。

【００４０】

【発明の効果】本発明の請求項１は、軸に形成され、か
つこの軸にかかるトルクおよび力により生ずる歪みに応
じて透磁率が変化する磁歪層と、この磁歪層に対向配置
され、かつ上記磁歪層の透磁率の変化を検出する複数の
検出素子を備え、これらの検出素子の出力に基づいて、
上記軸にかかるトルク、スラスト力およびラジアル力を
検出する検出方法であって、上記軸の軸線に対して所定
角度傾斜した検出方向を有する検出素子と、この検出素
子の検出方向に対して直交する方向に検出方向を有する
検出素子とを組み合わせた第１の検出ユニットおよび上
記軸の軸線に対して直交する方向に検出方向を有する検
出素子と、この検出素子の検出方向に対して直交する方
向に検出方向を有する検出素子とを組み合わせた第２の
検出ユニットを、それぞれ一対ずつ備え、上記両第１の
検出ユニットどうしを、上記軸の軸線を中心に互いに９
０度の位置に配置し、かつ上記両第２の検出ユニットど
うしを、上記軸の軸線を中心に互いに９０度の位置に配
置し、上記各第１、第２の検出ユニットが検出した上記
磁歪層の透磁率の変化に基づいて、上記軸にかかるトル
ク、スラスト力およびラジアル力を演算により求めるも
のであるから、上記第１、第２の検出ユニットが検出す
る磁歪層の透磁率の変化量を、この透磁率の変化量とト
ルク、スラスト力、Ｘ軸方向およびＹ軸方向のラジアル
力並びに距離との間の関係式に代入することにより、ト
ルク、スラスト力、Ｘ軸方向およびＹ軸方向のラジアル
力と距離を容易に求めることができる。したがって、た
とえ、磁歪層を備えた軸と検出素子との間の距離が変化
した場合であっても、その影響を受けることがなく、回
転体が受けるトルク、スラスト力およびラジアル力を精
度良くかつ非接触で同時に検出することができる。

【００４１】本発明の請求項２は、軸に形成され、かつ
この軸にかかるトルクおよび力により生ずる歪みに応じ
て透磁率が変化する磁歪層と、この磁歪層に対向配置さ
れ、かつ上記磁歪層の透磁率の変化を検出する複数の検
出素子を備え、これらの検出素子の出力に基づいて、上
記軸にかかるトルク、スラスト力およびラジアル力を検
出する検出装置であって、上記軸の軸線に対して所定角
度傾斜した検出方向を有する検出素子と、この検出素子
の検出方向に対して直交する方向に検出方向を有する検
出素子とを組み合わせた第１の検出ユニットおよび上記
軸の軸線に対して直交する方向に検出方向を有する検出
素子と、この検出素子の検出方向に対して直交する方向
に検出方向を有する検出素子とを組み合わせた第２の検
出ユニットを、それぞれ一対ずつ備え、上記両第１の検
出ユニットどうしを、上記軸の軸線を中心に互いに９０
度の位置に配置し、かつ上記両第２の検出ユニットどう
しを、上記軸の軸線を中心に互いに９０度の位置に配置
し、上記各第１、第２の検出ユニットが検出した上記磁
歪層の透磁率の変化に基づいて、上記軸にかかるトル
ク、スラスト力およびラジアル力を演算する演算処理手
段を設けたものであるから、上記第１、第２の検出ユニ
ットが検出した磁歪層の透磁率の変化を演算処理手段に
入力することにより、この演算処理手段にあらかじめ設
定された関係式に基づいて、トルク、スラスト力および
ラジアル力を円滑にかつ確実に算出することができる。

【００４２】本発明の請求項３は、第１の検出ユニット
と第２の検出ユニットとを、軸を挟んで互いに対向する
ように配置したものであるから、第１の検出ユニットの
各検出素子と第２の検出ユニットの各検出素子とを互い
に対向配置することにより、各検出素子を軸のまわりに
等間隔に配置することができ、トルク、スラスト力およ
びラジアル力を算出する関係式の単純化を図ることがで
きる。

【００４３】本発明の請求項４は、第１の検出ユニット
と第２の検出ユニットとを、軸の軸線に沿って配置した
ものであるから、第１の検出ユニットの各検出素子と第
２の検出ユニットの各検出素子とを、軸の軸線に沿って
重ねるように配置することにより、トルク、スラスト力
およびラジアル力を算出する関係式を単純化することが
できるとともに、軸のまわりの大部分のスペースがあく
ため、軸の交換等において上記各検出ユニットが作業の
邪魔になることがなくて、円滑に作業することができ
る。

【００４４】本発明の請求項５は、検出ユニットが、中
心部に配置された磁心に巻回したコイルと、円周部に等
間隔に配置された４つの磁心にそれぞれ巻回したコイル
とから構成されたものであるから、中心部および円周部
に配置された磁心にそれぞれコイルを巻回することによ
り、単純な構造の部品で構成でき、容易に製作すること
ができる。

【００４５】本発明の請求項６は、検出ユニットが、磁
心の中心部に設けられたコイル巻回部とこの磁心の円周
部に等間隔に設けられた４つのコイル巻回部とにそれぞ
れ巻回したコイルから構成されたものであるから、磁心
の中心部および円周部のコイル巻回部にそれぞれコイル
を巻回することにより、コイルを精度良く配置すること
ができ、磁気回路中の空隙を極力少なくできて、検出精
度を向上させることができる。

【００４６】本発明の請求項７は、検出ユニットが、互
いに直交する一対のＵ字状の磁心にそれぞれ巻回したコ
イルから構成されたものであるから、コイルがそれぞれ
巻回された一対のＵ字状の磁心を互いに直交するように
配置することにより、容易にかつ精度良く設置すること
ができる。

【００４７】本発明の請求項８に係る研磨装置にあって
は、請求項２〜請求項７のいずれかに記載した検出装置
によって得られる研磨抵抗に基づいて、所定の形状（例
えば、寸法、平坦度、面粗さ等）まで研磨が完了したか
否かを検出する終点検出や異常検知が可能となるため、
正確な研磨加工を行なうことができるとともに、研磨加
工の生産性を向上することなども可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の第１の実施形態を示す斜視図であ
る。

【図２】 磁歪層と検出ユニットとの関係を示す展開図
である。

【図３】 軸と検出ユニットとの関係を示す説明図であ
る。

【図４】 検出ユニットの一例を示す斜視図である。

【図５】 検出ユニットの他の一例を示す斜視図であ
る。

【図６】 検出ユニットの別の一例を示す斜視図であ
る。

【図７】 検出素子の指向性について説明する説明図で
ある。

【図８】 検出素子の指向性と検出素子の出力との関係
を説明する説明図である。

【図９】 第１の実施形態を組み込んだ切削工具を示す
断面図である。

【図１０】 本発明の第２の実施形態を示す斜視図であ
る。

【図１１】 第２の実施形態を組み込んだ切削工具を示
す正面図である。

【図１２】 図１１を切削工具の先端側からみた平面図
である。

【図１３】 第１の実施形態を組み込んだ研磨装置の全
体構成図である。

【図１４】 図１３の研磨装置の装置各部の動きを示す
斜視図である。

【図１５】 図１３のＡ部拡大断面図である。

【符号の説明】

Ａ１ スラスト力 Ａ２ トルク Ａ３ ラジアル力 Ｄ１、Ｄ２ 検出素子 １０ 軸（回転体） １１、５４ 磁歪膜（磁歪層） ２０、２１、６０、６１ （第１の）検出ユニット ２２、２３、６２、６３ （第２の）検出ユニット ３１、３２、３６、４１ 磁心 ３３、３４、３９、４２ コイル ３７、３８ コイル巻回部 ５３ 切削工具（軸、回転体） ５７、６７ 検出ユニット ７５ 研磨ヘッド ７６ 軸

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 小林 達宜 埼玉県大宮市北袋町１−297 三菱マテリ アル株式会社総合研究所内 (72)発明者 増根 昭洋 埼玉県大宮市北袋町１−297 三菱マテリ アル株式会社知能機器・システム開発セン ター内 (72)発明者 青山 英樹 神奈川県横浜市港北区日吉３−14−１ 学 校法人慶應義塾大学 理工学部内

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 軸に形成され、かつこの軸にかかるトル
   クおよび力により生ずる歪みに応じて透磁率が変化する
   磁歪層と、この磁歪層に対向配置され、かつ上記磁歪層
   の透磁率の変化を検出する複数の検出素子を備え、これ
   らの検出素子の出力に基づいて、上記軸にかかるトル
   ク、スラスト力およびラジアル力を検出する検出方法で
   あって、 上記軸の軸線に対して所定角度傾斜した検出方向を有す
   る検出素子と、この検出素子の検出方向に対して直交す
   る方向に検出方向を有する検出素子とを組み合わせた第
   １の検出ユニットおよび上記軸の軸線に対して直交する
   方向に検出方向を有する検出素子と、この検出素子の検
   出方向に対して直交する方向に検出方向を有する検出素
   子とを組み合わせた第２の検出ユニットを、それぞれ一
   対ずつ備え、 上記両第１の検出ユニットどうしを、上記軸の軸線を中
   心に互いに９０度の位置に配置し、かつ上記両第２の検
   出ユニットどうしを、上記軸の軸線を中心に互いに９０
   度の位置に配置し、 上記各第１、第２の検出ユニットが検出した上記磁歪層
   の透磁率の変化に基づいて、上記軸にかかるトルク、ス
   ラスト力およびラジアル力を演算により求めることを特
   徴とするトルク、スラスト力およびラジアル力の検出方
   法。
2. 【請求項２】 軸に形成され、かつこの軸にかかるトル
   クおよび力により生ずる歪みに応じて透磁率が変化する
   磁歪層と、この磁歪層に対向配置され、かつ上記磁歪層
   の透磁率の変化を検出する複数の検出素子を備え、これ
   らの検出素子の出力に基づいて、上記軸にかかるトル
   ク、スラスト力およびラジアル力を検出する検出装置で
   あって、 上記軸の軸線に対して所定角度傾斜した検出方向を有す
   る検出素子と、この検出素子の検出方向に対して直交す
   る方向に検出方向を有する検出素子とを組み合わせた第
   １の検出ユニットおよび上記軸の軸線に対して直交する
   方向に検出方向を有する検出素子と、この検出素子の検
   出方向に対して直交する方向に検出方向を有する検出素
   子とを組み合わせた第２の検出ユニットを、それぞれ一
   対ずつ備え、 上記両第１の検出ユニットどうしを、上記軸の軸線を中
   心に互いに９０度の位置に配置し、かつ上記両第２の検
   出ユニットどうしを、上記軸の軸線を中心に互いに９０
   度の位置に配置し、 上記各第１、第２の検出ユニットが検出した上記磁歪層
   の透磁率の変化に基づいて、上記軸にかかるトルク、ス
   ラスト力およびラジアル力を演算する演算処理手段を設
   けたことを特徴とするトルク、スラスト力およびラジア
   ル力の検出装置。
3. 【請求項３】 第１の検出ユニットと第２の検出ユニッ
   トとを、軸を挟んで互いに対向するように配置したこと
   を特徴とする請求項２記載のトルク、スラスト力および
   ラジアル力の検出装置。
4. 【請求項４】 第１の検出ユニットと第２の検出ユニッ
   トとを、軸の軸線に沿って配置したことを特徴とする請
   求項２記載のトルク、スラスト力およびラジアル力の検
   出装置。
5. 【請求項５】 検出ユニットが、中心部に配置された磁
   心に巻回したコイルと、円周部に等間隔に配置された４
   つの磁心にそれぞれ巻回したコイルとから構成されたこ
   とを特徴とする請求項２、３または４記載のトルク、ス
   ラスト力およびラジアル力の検出装置。
6. 【請求項６】 検出ユニットが、磁心の中心部に設けら
   れたコイル巻回部とこの磁心の円周部に等間隔に設けら
   れた４つのコイル巻回部とにそれぞれ巻回したコイルか
   ら構成されたことを特徴とする請求項２、３または４記
   載のトルク、スラスト力およびラジアル力の検出装置。
7. 【請求項７】 検出ユニットが、互いに直交する一対の
   Ｕ字状の磁心にそれぞれ巻回したコイルから構成された
   ことを特徴とする請求項２、３または４記載のトルク、
   スラスト力およびラジアル力の検出装置。
8. 【請求項８】 請求項２〜請求項７のいずれかに記載し
   た検出装置を研磨ヘッドの軸とこれに対向する部位との
   間に設けたことを特徴とする研磨装置。