JP2000337975A - スラスト力検出装置、トルク・スラスト力検出装置及び検出方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 温度変化の影響を受けずに構造が単純であり
しかも小型で安価な精度のよいスラスト力検出装置、ト
ルク・スラスト力検出装置及び検出方法を提供すること
を目的とする。 【解決手段】 検出装置１は、検出軸２の外周表面に互
いに反対方向に配され歪みに応じて磁気特性が変化する
一対の磁歪材３、４と、磁歪材３、４の磁気特性の変化
を電気的なインピーダンスの変化に変換する一対の検出
コイル５、６と、温度変化に基づくインピーダンスの変
化を補償する温度補償回路７ａ、７ｂ、７ｃ、７ｄと、
それぞれの検出コイル５、６の電圧の差に基づいて検出
軸２のトルクＴを検出する減算回路１２と、電圧の和に
基づいて検出軸２のスラスト力Ｓを検出する加算回路１
５とを備えている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、外力が加わって歪
みを生ずることにより磁気特性が変化する磁性材を利用
したスラスト力検出装置及び検出方法、トルク・スラス
ト力検出装置及び検出方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、非晶質性磁歪材の透磁率の変化を
検出することによってトルクを検出する検出装置が種々
開発されている。例えば、特許第２６３３１２５号公報
に示されるような、トルク伝達軸の外周面に一対の磁気
異方性部を形成し、この磁気異方性部に対応して一対の
検出コイルを設け、さらに各検出コイルからの出力信号
をそれぞれ処理するための一対の信号処理ラインを設け
ることで、一対のトルク検出系を構成し、トルク伝達軸
に印加されるトルクの大小に応じた交流信号を一対の検
出コイルから出力したうえで、一対の信号処理ラインで
処理することで、トルクの大きさを測定するものであっ
て、一対のトルク検出系どうしが均一でないことにもと
づきトルク信号の零点出力が温度変化にしたがい変動す
るのを打ち消すように補償するアンバランスを一方のト
ルク検出系に発生させることのできる感温抵抗を備えた
ものがある。

【０００３】あるいは特開昭６３−２０７５４１号公報
に示されるように、ドリルを用いた機械加工においてこ
のドリルに作用するトルクを検出するために、ドリルと
連結される回転機構の一部に捻れやすい捻れ部を設ける
とともにこの両端に反射部を設け、これらの反射部に光
を照射し反射した光の位相差をカウンタによって検出
し、この信号と回転数検出器からの回転数信号とを演算
制御部によって補正し、これによってドリルに作用する
トルクを演算するものがある。このときドリルを支持す
るフレームの一部には歪みやすい平行平板構造が設けら
れており、この平行平板構造に歪みゲージを設置するこ
とによってドリルのスラスト方向の力も検出可能となっ
ている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら特開昭６
３−２０７５４１号公報における検出装置においては、
ドリルと連結される回転機構の一部に捻れやすい捻れ部
を設ける必要があるためねじり方向の剛性が低下してし
まうとともに、平行平板構造を設けることによってこの
部分の剛性も低下したものとなる。また、特許第２６３
３１２５号公報における検出装置においては、温度補償
を行うための感温抵抗は１つだけ設けられたものであ
り、一対設けられた検出コイルに生じる個々の特性変動
を打ち消すものではなくアンバランスを一方のトルク検
出系に発生させることによって温度補償を行うものであ
り、それぞれの検出コイルに対して温度補償を行うもの
ではない。

【０００５】本発明は、このような事情に鑑みてなされ
たもので、温度変化の影響を受けずに精度良い検出が行
えるとともに、構造が単純であり、しかも小型で安価な
スラスト力検出装置及び検出方法、トルク・スラスト力
検出装置及び検出方法を提供することを目的としてい
る。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記の課題を解決するた
め、請求項１に記載の発明は、軸線方向に作用する力に
よって歪む円柱状の検出軸と、この検出軸の外周表面に
配され、前記検出軸の歪みに応じて磁気特性が変化する
一対の磁性材と、前記一対の磁性材に対応するようにそ
れぞれの外周に配され、前記磁性材の磁気特性の変化を
電気的なインピーダンスの変化に変換する一対の変換素
子と、前記それぞれの変換素子に接続され、温度変化に
基づく前記インピーダンスの変化を補償する温度補償回
路と、前記検出軸の歪みに基づく前記インピーダンスの
変化を検出し、前記検出軸の軸線方向に作用する力を検
出するスラスト力検出手段とを備えたことを特徴とす
る。

【０００７】本発明によれば、一対設けられた変換素子
のそれぞれに温度補償回路を設けたことにより、簡易な
構成で温度変化による検出信号の温度ドリフトを少なく
することができる。また、検出部分である磁性材は検出
軸の周囲に配されたものであり、この磁性材の磁気特性
の変化は、外周に配された変換素子によって電気的なイ
ンピーダンスの変化に変換されるため、検出軸の剛性は
低下されないとともに、検出軸に非接触な状態でスラス
ト力検出を行うことができる。そのため、長期間安定し
たスラスト力検出を行うことができる。さらに、検出部
分である磁性材と変換素子とは作用力発生点近傍に設置
された構造であるため、検出軸が受ける力を高精度に検
出することができる。

【０００８】請求項２に記載の発明は、軸線方向及び軸
線まわりに作用する力によって歪む円柱状の検出軸と、
この検出軸の外周表面に配され、前記検出軸の歪みに応
じて磁気特性が変化する一対の磁性材と、前記一対の磁
性材に対応するようにそれぞれの外周に配され、前記磁
性材の磁気特性の変化を電気的なインピーダンスの変化
に変換する一対の変換素子と、前記それぞれの変換素子
に接続され、温度変化に基づく前記インピーダンスの変
化を補償する温度補償回路と、前記検出軸の歪みに基づ
く前記インピーダンスの変化を検出し、前記検出軸の軸
線まわりに作用する力を検出するトルク検出手段と、前
記検出軸の歪みに基づく前記インピーダンスの変化を検
出し、前記検出軸の軸線方向に作用する力を検出するス
ラスト力検出手段とを備えたことを特徴とする。

【０００９】本発明によれば、検出軸の外周に配された
一対の磁性材の変化に基づき、この検出軸に作用するト
ルクの検出とスラスト力の検出とを同時に行うことがで
きる。また、検出軸の剛性を低下させることなく長期間
安定した検出を行うことができる。

【００１０】請求項３に記載の発明は、軸線方向及び軸
線まわりに作用する力によって歪む円柱状の検出軸と、
この検出軸の外周表面にそれぞれの検出方向が前記検出
軸の軸線に対して互いに反対方向に所定角度傾斜して配
され、前記検出軸の歪みに応じて磁気特性が変化する一
対の磁性材と、前記一対の磁性材に対応するようにそれ
ぞれの外周に配され、前記磁性材の磁気特性の変化を電
気的なインピーダンスの変化に変換する一対の変換素子
と、前記それぞれの変換素子に接続された交流供給源
と、前記それぞれの変換素子に接続され、温度変化に基
づく前記インピーダンスの変化を補償する温度補償回路
と、前記磁性材の磁気特性の変化に応じたそれぞれの変
換素子の電圧の差に基づいて前記検出軸に作用するトル
クを検出する減算部と、それぞれの変換素子の電圧の和
に基づいて前記検出軸に作用するスラスト力を検出する
加算部を備えたことを特徴とする。

【００１１】本発明によれば、検出軸の軸線に対して互
いに反対方向に所定角度傾斜して配された磁性材は検出
軸の歪みに応じて磁気特性を変化させるとともに、それ
ぞれの磁性材に対応するように配置され交流供給源が接
続された変換素子からはそれぞれの電気的なインピーダ
ンスの変化に応じた信号が出力される。そして、それぞ
れの変換素子からの信号を温度補償回路を介して電圧と
して減算部及び加算部に入力しそれぞれの電圧の差と和
とを求めることにより、検出軸に作用するトルクとスラ
スト力とを同時に検出することができる。

【００１２】請求項４に記載の発明は、軸線方向に作用
する力によって歪む円柱状の検出軸の外周表面に前記検
出軸の歪みに応じて磁気特性が変化する一対の磁性材を
配するとともに、前記磁性材の磁気特性の変化を電気的
なインピーダンスの変化に変換する一対の変換素子を前
記一対の磁性材に対応するようにそれぞれの外周に配
し、前記それぞれの変換素子に温度補償回路を接続し
て、温度変化に基づく前記インピーダンスの変化を補償
しつつ、このインピーダンスの変化を検出することによ
って、前記検出軸の軸線方向に作用する力を検出するこ
とを特徴とする。

【００１３】本発明によれば、簡易な構成で温度変化に
よる検出信号の温度ドリフトを抑えながら検出軸の剛性
を維持しつつ、検出軸に非接触な状態で安定したスラス
ト力検出を長期間行うことができる。

【００１４】請求項５に記載の発明は、軸線方向及び軸
線まわりに作用する力によって歪む円柱状の検出軸の外
周表面に前記検出軸の歪みに応じて磁気特性が変化する
一対の磁性材を配するとともに、前記磁性材の磁気特性
の変化を電気的なインピーダンスの変化に変換する一対
の変換素子を前記一対の磁性材に対応するようにそれぞ
れの外周に配し、前記それぞれの変換素子に温度補償回
路を接続して、温度変化に基づく前記インピーダンスの
変化を補償しつつ、このインピーダンスの変化を検出す
ることによって、前記検出軸の軸線まわりに作用する力
と軸線方向に作用する力とを同時に検出することを特徴
とする。

【００１５】本発明によれば、簡易な構成で温度変化に
よる検出信号の温度ドリフトを抑えながら検出軸の剛性
を維持しつつ、検出軸に非接触な状態でトルクとスラス
ト力との検出を同時に長期間行うことができる。

【００１６】請求項６に記載の発明は、軸線方向及び軸
線まわりに作用する力によって歪む円柱状の検出軸の外
周表面に前記検出軸の歪みに応じて磁気特性が変化する
一対の磁性材をそれぞれの検出方向が前記検出軸の軸線
に対して互いに反対方向に所定角度傾斜するように配す
るとともに、前記それぞれの変換素子に交流供給源を接
続し、前記磁性材の磁気特性の変化に応じたそれぞれの
変換素子の電圧の差に基づいて前記検出軸に作用するト
ルクと、前記それぞれの変換素子の電圧の和に基づいて
前記検出軸に作用するスラスト力とを同時に検出するこ
とを特徴とする。

【００１７】本発明によれば、一対の磁性材を検出軸の
外周表面にそれぞれの検出方向を検出軸の軸線に対して
互いに反対方向に所定角度傾斜して配したことにより、
それぞれの電圧の差と和とを求めることによって、検出
軸に作用するトルクとスラスト力とを同時に検出するこ
とができる。

【００１８】

【発明の実施の形態】以下、本発明の一実施形態による
トルク・スラスト力検出装置を図１を参照して説明す
る。図１において検出装置１は、円柱状の検出軸２と、
この検出軸２の外周表面に配された一対の磁性材である
第一磁歪材３及び第二磁歪材４と、これら第一、第二磁
歪材３、４の外周に配された一対の検出コイル（変換素
子）である第一検出コイル５及び第二検出コイル６とを
備えている。

【００１９】検出軸２は、例えば金型用鋼ＨＰＭ７５
や、ＳＮＣＭ材、ＳＫＤ材、ＳＫＨ材、Ｓ４５Ｃ等の鉄
鋼材料によって円柱状に形成されたものであって、軸線
方向に作用する力であるスラスト力Ｓと軸線まわりに作
用する力であるトルクＴとによってそれぞれの矢印の方
向に歪みを生じる。

【００２０】第一、第二磁歪材３、４は、検出軸２の軸
線方向にそれぞれ離間して配置されたものであるととも
に、検出軸２の上端２ａ、下端２ｂからもそれぞれ離間
して配置されている。この第一、第二磁歪材３、４は、
例えばＦｅ：Ｎｉ：Ｍｏ：Ｂの合金からなっており、作
用力による歪みや温度変化による歪みによって透磁率が
変化するものである。このうち第一磁歪材３は、帯状の
同一形状を有する複数の膜体３ａが、図１中、検出軸２
の軸線方向に対して−４５゜の角度で検出軸２の外周全
周にわたってそれぞれ平行に同じ間隔を有して配された
ものである。一方、第二磁歪材４は、帯状の同一形状を
有する複数の膜体４ａが、第一磁歪材３の膜体３ａと反
対向きになるように配置されたものであって、図１中、
検出軸２の軸線方向に対して＋４５゜の角度で検出軸２
の外周全周にわたってそれぞれ平行に同じ間隔を有して
配されたものである。これら第一、第二磁歪材３、４は
検出軸２の外周に溶射されて一体形成されているととも
に、検出軸２の歪みに応じてその磁気特性（インダクタ
ンスと損失抵抗）が変化する。

【００２１】このとき、第一、第二磁歪材３、４が上端
２ａ、下端２ｂから離間して設られていることによっ
て、検出装置１を設置する際に検出軸２に磁性体が取り
付けられたり、または磁性体が近傍に設けられた場合に
おいても、この取り付けられた磁性体又は近傍に設けら
れた磁性体から発生する漏れ磁束によって歪み測定に誤
差が生じるのを防止するようになっている。また、検出
軸２と第一、第二磁歪材３、４とを、例えば接着剤を用
いずに溶射によって接合させることによって、検出軸２
の歪みを第一、第二磁歪材３、４で測定する際に、熱膨
張係数が一桁大きい接着剤の影響を受けないようにし、
温度変化のみに起因するそれぞれ第一、第二磁歪材３、
４の磁気特性の変化に基づく測定誤差をなるべく減少さ
せるようになっている。

【００２２】変換素子である第一、第二検出コイル５、
６は、それぞれの第一、第二磁歪材３、４に対応するよ
うにそれぞれの外周に配されたものであって、樹脂など
を被覆した銅線を二層に巻いて円筒状に形成させたそれ
ぞれコイル５ａと５ｂ、コイル６ａと６ｂからなる二層
構造のものであり、その内周は検出軸２及び第一、第二
磁歪材３、４と離間するように配置されている。この第
一、第二検出コイル５、６は、検出軸２の歪みによる第
一、第二磁歪材３、４の磁気特性の変化を自己のインピ
ーダンス（インダクタンスと損失抵抗）の変化に変換す
るためのものである。

【００２３】第一検出コイル５には２つの温度補償回路
７ａ、７ｃがそれぞれ直列に接続されているとともに、
第二検出コイル６には２つの温度補償回路７ｂ、７ｄが
それぞれ直列に接続されている。前述したように、検出
軸２の熱膨張係数と各磁歪材３、４の熱膨張係数とは異
なっており、各磁歪材３、４を検出軸２に溶着すること
によって温度変化による磁歪材３、４の磁気特性の変化
を抑えるようにしているが、温度変化による磁気特性の
変化が完全にゼロとなるわけではなく依然として温度ド
リフトが生ずる。温度補償回路７はこの温度ドリフトを
極めて少なくするためのものである。

【００２４】この温度補償回路７ａ〜７ｄはそれぞれ、
図３に示すように、ＮＴＣサーミスタ（Negative Tempe
rature Coefficient サーミスタ）３０と、温度変化に
よる抵抗値変化が小さくＮＴＣサーミスタ３０に並列接
続された抵抗３１と、ＮＴＣサーミスタ３０及び抵抗３
１による並列抵抗に直列接続された絶対値調整用の抵抗
３２とからなる。

【００２５】上記ＮＴＣサーミスタ３０は、温度上昇に
従ってその抵抗値が減少する負特性を有するサーミスタ
であり、その変化特性は温度上昇に正比例して抵抗値が
減少する訳ではなく、温度上昇に従って非線型的に抵抗
値が減少する特性を有する。このＮＴＣサーミスタ３０
は、温度変化によるそれぞれの磁歪材３、４の磁気特性
（透磁率）の変化に起因するそれぞれの検出コイル５、
６の変化を補償するためのものであり、各検出コイル
５、６のインピーダンスは温度上昇による磁歪材３、４
の磁気特性の変化に伴ってその値が上昇する特性を有す
るため、インピーダンスの温度変化分を補償するため負
特性を有するＮＴＣサーミスタ３０が用いられる。

【００２６】ＮＴＣサーミスタ３０に並列接続された抵
抗３１は、ＮＴＣサーミスタ３０の非線型特性が線形特
性となるように補償するためのものである。つまり、Ｎ
ＴＣサーミスタ３０と抵抗３１とによる並列回路を１つ
のサーミスタとして見た場合に、このサーミスタの特性
は線形の特性を有する。温度変化によりインピーダンス
の直流抵抗分のみが変化する場合、例えば、図１中の各
検出コイル５、６の抵抗成分の温度係数が０．４％／℃
である場合には、ＮＴＣサーミスタ３０と抵抗３１との
並列回路は温度係数を−０．４％／℃と設定するのが最
良である。絶対値調整用の抵抗３２は温度補償回路７ａ
（７ｂ、７ｃ、７ｄ）全体の抵抗値を調整するためのも
のである。

【００２７】図１中、右側の回路はトルク検出手段とし
てのトルク検出用回路Ａを構成しており、左側の回路は
スラスト力検出手段としてのスラスト力検出用回路Ｂを
構成している。トルク検出用回路Ａは、第一、第二磁歪
材３、４の磁気特性の変化を電気的なインピーダンスの
変化に変換する第一、第二検出コイル５、６のコイル５
ａ、６ａと、この第一、第二検出コイル５、６のコイル
５ａ、６ａにそれぞれ直列に接続され温度変化に基づく
インピーダンスの変化を補償する温度補償回路７ａ、７
ｂと、交流電流を出力するとともに一端は第１、第２検
出コイル５、６のコイル５ａ、６ａの接点に接続され他
端は同じ抵抗値を有する抵抗９ａ、９ｂの接点に接続さ
れた１つの交流電圧源８と、温度補償回路７ａと抵抗９
ａとの接点に接続され交流信号を直流信号に変換する第
１変換部１０と、温度補償回路７ｂと抵抗９ｂとの接点
に接続され交流信号を直流信号に変換する第２変換部１
１と、第１変換部１０と第２変換部１１との間の直流電
圧の差を求める減算回路（減算部）１２とを備えてい
る。

【００２８】すなわち、交流電圧源８と抵抗９ａと温度
補償回路７ａと第一検出コイル５のコイル５ａとは１つ
の閉回路を形成しており、交流電圧源８と抵抗９ｂと温
度補償回路７ｂと第二検出コイル６のコイル６ａとは１
つの閉回路を構成しており、それぞれの閉回路は対称形
をなしている。このとき抵抗９ａ、９ｂはこれら閉回路
に流れる電流を電圧に変換するためのものである。

【００２９】一方、スラスト検出用回路Ｂは、交流電圧
源８によって励磁された第一、第二検出コイル５、６の
コイル５ａ、６ａによって電磁誘導された一対の第一、
第二検出コイル５、６のコイル５ｂ、６ｂに直列に接続
された温度補償回路７ｃ、７ｄと、この温度補償回路７
ｃに接続し交流信号を直流信号に変換する第３変換部１
３と、温度補償回路７ｄに接続し交流信号を直流信号に
変換する第４変換部１４と、第３、第４変換部１３、１
４の接地点ＧＮＤを基準としたそれぞれの直流電圧の和
を求める加算回路（加算部）１５とを備えている。ま
た、減算回路１２と加算回路１５とは図示しない演算部
と接続されており、演算部は減算回路１２及び加算回路
１５の出力値から検出軸２に作用する力を検出するよう
になっている。

【００３０】このように構成されたトルク及びスラスト
力の検出装置１の動作について説明する。まず、検出軸
２にトルクＴが作用された場合について説明する。第
一、第二磁歪材３、４は正磁歪材からなっており、引張
歪みが生じると透磁率は増加し、圧縮歪みが生じると透
磁率が減少する磁気機械効果を備えている。この第一、
第二磁歪材３、４を外周に配置させた検出軸２に例えば
図１中、矢印方向にトルクＴが作用した場合、検出方向
が軸線方向に対して負の方向の角度（−４５゜）に設け
られた第一磁歪材３には引張歪みが生じ、一方、検出方
向が軸線方向に対して正の方向の角度（＋４５゜）に設
けられた第二磁歪材４には圧縮歪みが生じる。このと
き、互いに反対方向に同じ角度で配されているそれぞれ
の第一、第二磁歪材３、４は、作用されたトルクＴに応
じてその透磁率を変化させる。すなわち、第一、第二磁
歪材３、４の透磁率は絶対値を等しくしてそれぞれ増
加、減少される。

【００３１】この第一、第二磁歪材３、４の透磁率の変
化に応じるように比例して、それぞれの磁歪材３、４の
外周に設置した円筒状の第一、第二検出コイル５、６の
コイル５ａ、６ａのインピーダンスが変化する。このと
き、交流電圧源８によって、トルク検出用回路Ａのそれ
ぞれの閉回路には交流電流が流れる。この交流電流は抵
抗９ａ、９ｂで接点ａを基準とした交流の電圧に変換さ
れ、第１、第２変換部１０、１１によって直流電圧に変
換される。そしてこれらの直流電圧は減算回路１２に入
力され、減算回路１２はこの直流電圧の減算値を演算部
に出力し、演算部はトルクＴを算出する。

【００３２】つぎに、検出軸２にスラスト力が作用され
た場合について説明する。検出軸２に、図１中、矢印方
向のスラスト力Ｓが作用した場合、第一、第二磁歪材
３、４には圧縮方向の力が作用し、圧縮歪みが生じる。
このとき、第一、第二磁歪材３、４は検出軸２の軸線を
基準として互いに反対方向に同じ角度で配されているた
め等しく歪まされる。そのため、それぞれの磁歪材３、
４の透磁率はスラスト力Ｓに応じて等しく変化する（こ
の場合、圧縮力を受けるため、透磁率は等しく減少され
る）。このとき、第一、第二検出コイル５、６のコイル
５ｂ、６ｂのインピーダンスは透磁率の変化に応じて変
化する。交流電圧源８によって励磁された第一、第二検
出コイル５、６のコイル５ａ、６ａによって電磁誘導さ
れた第一、第二検出コイル５、６のコイル５ｂ、６ｂは
接点ｂによって接続されており、この接点ｂは接地点Ｇ
ＮＤと接続されている。そのため、各検出コイル５、６
のコイル５ｂ、６ｂ間には接地点ＧＮＤを基準とした交
流電圧が生じる。この交流電圧は第３、第４変換部１
３、１４によって直流電圧に変換され、加算回路１５は
これら直流電圧の値を加算する。そして演算部は加算回
路１５の出力に基づきスラスト力Ｓを算出する。

【００３３】すなわち、一対の第一、第二磁歪材３、４
を、検出軸２の軸線を基準として互いに反対方向に同じ
角度で配置させるとともに、それぞれの磁歪材３、４の
磁気特性の変化を電気的なインピーダンスの変化に変換
する一対の第一、第二検出コイル５、６の電圧の和と差
を検出することによって、検出軸２に作用するトルクＴ
とスラスト力Ｓとを同時に検出することができる。例え
ば、図１中、矢印方向のトルクＴとスラスト力Ｓとが同
時に作用した場合、これらに応じた歪みをＨT、ＨS と
すると、第一磁歪材３に生じる歪みＨ3 は、 Ｈ3 ＝ ＨT − ＨS （ｃ１） である。一方、第二磁歪材４に生じる歪みＨ4 は、 Ｈ4 ＝ −ＨT −ＨS （ｃ２） である。ここで、減算回路１２によって（ｃ１）、（ｃ
２）式の差を求めることによりスラスト力Ｓによる歪み
成分ＨS がキャンセルされ、一方加算回路１５によって
（ｃ１）、（ｃ２）式の和を求めることによりトルクＴ
の歪み成分ＨT がキャンセルされることになり、この各
歪み成分がキャンセルされた値に基づいてトルクＴとス
ラスト力Ｓとを同時に求めることができる。

【００３４】次に、図３中に示された抵抗３２、抵抗３
１、及びＮＴＣサーミスタ３０の値の設定及び本発明の
一実施形態による検出装置が周囲の温度に関わりなく検
出軸２に作用する力による歪みのみを測定することがで
きる原理について説明する。ここではトルク検出用回路
Ａのうち、温度補償回路７ａを含んだ閉回路部分につい
て説明する。直流電圧の値ＶBは（１）式で表される。

【数１】 但し、Ｅ0 は交流電圧源８から出力される交流電圧の振
幅、Ｚは第一磁歪材３と第一検出用コイル５との電気的
に等価な回路のインピーダンスの値、Ｒvは温度補償回
路７ａの抵抗値、Ｒsは抵抗９ａの値である。

【００３５】ここで、インピーダンスの値Ｚを（２）式
で表す。

【数２】 ここで、 Ｚ1：常温（例えば２５℃）で検出軸２に外力がかかっ
ていない場合のインピーダンスの実数部 Ｚ2：常温（例えば２５℃）で検出軸２に外力がかかっ
ていない場合のインピーダンスの虚数部 ｍ1：外力によるインピーダンスの実数部の変化率 ｍ2：外力によるインピーダンスの虚数部の変化率 α1：インピーダンスの実数部の温度係数 α2：インピーダンスの虚数部の温度係数 Ｔ：温度補償回路７ａ周囲の温度 Ｔ0：常温（例えば２５℃） Ｆ：検出軸２にかかる外力 ｉ：虚数単位（つまり、ｉ2＝−１）

【００３６】また、温度補償回路７ａの抵抗値Ｒvを温
度変化を考慮に入れて（３）式に表す。

【数３】 但し、Ｒv0は常温（例えば２５℃）における温度補償回
路７ａの抵抗値であり、αvは温度補償回路７ａの温度
係数である。

【００３７】（２）、（３）式を（１）式に代入すると
（４）式となる。

【数４】

【００３８】ここで、

【数５】

【数６】 とおく。

【００３９】

【数７】 であるので、Ｘ1、Ｘ2はそれぞれ（７）式及び（８）式
に示されたように近似できる。

【数８】

【数９】

【００４０】よって、Ｘ1＋Ｘ2、つまり（４）式の分母
の平方根の中身は（９）式となる。

【数１０】 従って、

【数１１】 となる。ここで、

【数１２】 であるので、テーラー展開を（１０）式に用いて２次以
降を無視すると、

【数１３】 となる。

【００４１】次に、直流電圧の値ＶBが温度変化、つま
り式中に表れる項（Ｔ−Ｔ0）に影響されない条件を求
める。（１１）式から解るように、

【数１４】 である場合、項（Ｔ−Ｔ0）が含まれる項が零となるの
で直流電圧の値ＶBが温度変化に影響を受けないことに
なる。即ち、温度補償回路７ａの温度係数αvが、

【数１５】 である場合に、直流電圧の値ＶBが温度変化に影響を受
けなくなる。

【００４２】上記の式中においては温度補償回路７ａの
抵抗値をＲvとして一括していたが、図３中に示される
ように、温度補償回路７ａをなす抵抗３２、抵抗３１、
及びＮＴＣサーミスタ３０を考慮した場合であっても、
抵抗３２及び抵抗３１には温度変化による抵抗変化が小
さい抵抗を用い、抵抗３２、抵抗３１、及びＮＴＣサー
ミスタ３０を合成した温度変化特性が（１３）式を満足
するように各々を選択すれば、温度変化に影響されず検
出軸２に加わる外力のみによる歪みを測定することがで
きる。

【００４３】また、上記（１３）式を満足する場合、
（１１）式は、

【数１６】 となる。この場合、抵抗９ａ間の電圧値Ｖは、（１４）
式中の項

【数１７】 を減算することによって、

【数１８】 となり、検出軸２に作用する力に比例した電圧を得るこ
とができる。

【００４４】このように、一対設けられた第一、第二検
出コイル５、６のコイル５ａ、５ｂ、６ａ、６ｂそれぞ
れに温度補償回路を設けたことにより、簡易な構成で温
度変化による検出信号の温度ドリフトを少なくすること
ができる。また、検出部分である第一、第二磁歪材３、
４は検出軸２の周囲に配されたものであり、この第一、
第二磁歪材３、４の磁気特性の変化は、外周に配された
第一、第二検出コイル５、６によって電気的なインピー
ダンスの変化に変換されるため、検出軸２の剛性は低下
されないとともに、検出軸２に非接触な状態でトルクＴ
の検出を行うことができる。そのため、長期間安定した
トルクＴの検出を行うことができる。さらに、検出部分
である第一、第二磁歪材３、４はトルク発生点近傍であ
る検出軸２に直接設置され、第一、第二検出コイル５、
６は、その内周が検出軸２及び第一、第二磁歪材３、４
に接触しないように配置させたボビンの外周に巻いた構
造であるため、検出軸２が受ける力を高精度に検出する
ことができる。

【００４５】また、それぞれの磁歪材３、４に対応する
ように配置させた検出コイル５、６のコイル５ａ、６ａ
には共通の交流電圧源８が接続されており、さらに検出
コイル５、６のコイル５ｂ、６ｂはコイル５ａ、６ａに
より電磁誘導されており、これら検出コイル５、６のコ
イル５ａ、５ｂ、６ａ、６ｂからはそれぞれの電気的な
インピーダンスの変化に応じた信号が出力される。この
とき磁歪材３、４は検出軸２の外周表面に互いに反対方
向に配されたものであり、それぞれの検出コイル５、６
のコイル５ａ、５ｂ、６ａ、６ｂからの信号を温度補償
回路７ａ、７ｂ、７ｃ、７ｄを介して電圧として減算回
路１２及び加算回路１５に入力することにより、減算回
路１２は検出軸２のトルクＴを、加算回路１５は検出軸
２のスラスト力Ｓを同時に検出することができる。

【００４６】第一、第二磁歪材３、４は検出軸２の上端
２ａ、下端２ｂからそれぞれ離間した位置に溶射されて
いるので、外部磁場に影響されることがなく、検出精度
を更に向上させることができる。また、例えば磁歪材
３、４と検出軸２とを接着剤を用いて接合させた場合、
検出軸２の歪みを磁歪材３、４で測定する際に、熱膨張
係数が大きく異なる接着剤の影響を受けて測定誤差の原
因となる場合があるが、溶射によって接合させたことに
より、温度変化のみに起因する磁性材の磁気特性の変化
に基づく測定誤差をなるべく減少させることができる。

【００４７】次に、図２を参照して本発明の他の実施形
態について説明する。なお、図１と共通するものは同一
の符号を付して説明する。図２において、検出装置２１
は、円柱状の検出軸２と、この検出軸２の外周表面に互
いに反対方向に上端２ａ、下端２ｂから離間して配され
た一対の磁性材である第一磁歪材３及び第二磁歪材４
と、これら第一、第二磁歪材３、４の外周に配された一
対の検出コイル（変換素子）である第一検出コイル５、
第二検出コイル６とを備えている。また、この検出軸２
には、スラスト力ＳとトルクＴとがそれぞれの矢印の方
向に作用される。第一、第二磁歪材３、４は、帯状の同
一形状を有する複数の膜体３ａ、４ａが、検出軸２の軸
線方向に対して±４５゜の角度で検出軸２の外周全周に
わたってそれぞれ平行に同じ間隔を有して溶射されたも
のであり、検出軸２の歪みに応じてその磁気特性（イン
ダクタンスと損失抵抗）が変化する。また、第一、第二
検出コイル５、６は、それぞれコイル５ａと５ｂ、６ａ
と６ｂから成る二層構造のものであり、検出軸２の歪み
による第一、第二磁歪材３、４の磁気特性の変化を自己
のインピーダンス（インダクタンスと損失抵抗）の変化
に変換する。

【００４８】第一、第二検出コイル５、６のコイル５
ａ、６ａには交流電圧源８によって交流電流が流され
る。交流電圧源８の一端は第一、第二検出コイル５、６
のコイル５ａ、６ａの接続点と接続されており、他端は
２つの温度補償回路２７ａ、２７ｂの接点ｃと接続され
ている。この温度補償回路２７ａ、２７ｂは、温度上昇
分によるインピーダンスの増加分を補償するためのもの
であって、温度上昇に従って抵抗分が増加する性質の素
子が用いられている。この素子には例えばＰＴＣサーミ
スタ（Positive Temperature Coefficient サーミス
タ）が用いられる。

【００４９】上記ＰＴＣサーミスタは、温度上昇に従っ
てその抵抗値が増加する正特性を有するサーミスタであ
るが、その変化特性は温度上昇に正比例して抵抗値が増
加するする訳ではなく、温度上昇に従って非線形的に抵
抗値が増加する特性を有する。このＰＴＣサーミスタは
インピーダンスの温度変化による変化を補償するための
ものであり、上記のようにインピーダンスは温度上昇に
伴ってその値が上昇する特性を有し、インピーダンスの
温度変化分を補償するために正特性を有するＰＴＣサー
ミスタが用いられている。

【００５０】図４は温度補償回路２７ａ、２７ｂの回路
構成を示す図である。図４において、８２はＰＴＣサー
ミスタであり、ＰＴＣサーミスタ８２に並列接続された
抵抗８０は、ＰＴＣサーミスタ８２の非線形特性が線形
特性となるように補償するためのものである。つまり、
ＰＴＣサーミスタ８２と抵抗８０とによる並列回路を１
つのサーミスタとして見た場合に、このサーミスタの特
性は線形の特性を有する。例えば、インピーダンスの抵
抗成分の温度係数が０．４％／℃である場合には、ＰＴ
Ｃサーミスタ８２と抵抗８０との並列回路も温度係数が
０．４％／℃となるように設定するのが最良である。８
４は絶対値調整用の抵抗であり、温度補償回路２７ａ、
２７ｂ全体の抵抗値を調整するためのものである。

【００５１】図２中、右側の回路はトルク検出手段とし
てのトルク検出用回路Ａを構成しており、左側の回路は
スラスト力検出手段としてのスラスト力検出用回路Ｂを
構成している。そして、トルク検出用回路Ａのうち、Ｐ
ＴＣサーミスタを備えた温度補償回路２７ａには抵抗２
９ａが直列に接続されており、一方、温度補償回路２７
ｂには、抵抗２９ｂが直列に接続されている。これら抵
抗２９ａ、２９ｂの一端は第一、第二検出コイル５、６
のコイル５ａ、６ａのそれぞれの一端と接続しており、
これら接続点は交流信号を直流信号に変換する第１、第
２変換部１０、１１と接続されている。抵抗２９ａ、２
９ｂは検出コイル５、６のコイル５ａ、６ａを流れる電
流を電圧に変換するためのものであり、同一の抵抗値を
有している。第１、第２変換部１０、１１は減算回路
（減算部）１２に接続されており、この減算回路１２は
第１変換部１０と第２変換部１１との間の直流電圧の差
を求めるようになっている。

【００５２】一方、スラスト検出用回路Ｂは、交流電圧
源８によって励磁された第一、第二検出コイル５、６の
コイル５ａ、５ｂによって電磁誘導された一対の第一、
第二検出コイル５、６のコイル５ｂ、６ｂに直列に接続
されたＮＴＣサーミスタを備えた温度補償回路７ｃ、７
ｄと、この温度補償回路７ｃに接続し交流信号を直流信
号に変換する第３変換部１３と、温度補償回路７ｄに接
続し交流信号を直流信号に変換する第４変換部１４と、
第３、第４変換部１３、１４の接地点ＧＮＤを基準とし
たそれぞれの直流電圧の和を求める加算回路（加算部）
１５とを備えている。

【００５３】このような構成を持つ検出装置２１によっ
ても、検出軸２のトルクＴとスラスト力Ｓとは、第一、
第二検出コイル５、６の温度変化に基づくインピーダン
スの変化を補償しつつそれぞれの第一、第二検出コイル
５、６の電圧の差と和とを求めることにより、同時に安
定して検出することができる。

【００５４】なお、上記各実施形態に示したそれぞれの
温度補償回路の代わりに、図５に示す温度補償回路を用
いても良い。この温度補償回路においては、サーミスタ
Ｒｔと線形補償用の抵抗Ｒ２〜Ｒ７とを組み合わせたも
のを複数並列接続した線形補償部と、この線形補償部に
直列に接続した絶対値補償用の抵抗Ｒ１とから構成され
ている。そして、このように構成することにより、さら
に直線性の良い温度補償回路とすることができる。ま
た、温度上昇に従って抵抗分が増加する性質の素子は、
ＰＴＣサーミスタでなくても良く、白金測温抵抗体であ
っても良い。

【００５５】次に、ドリルによってワークに穴を開ける
加工を施した際にこのドリルに作用するトルクＴとスラ
スト力Ｓとを本発明の検出装置を用いて検出した結果に
ついて説明する。なお、この実施例において第一、第二
磁歪材３、４はドリルの外周表面に直接設けたものであ
る。このときの加工条件を図６に示す。ドリルは高速度
工具鋼（ＳＫＨ材）からなるツイストドリルであって、
先端角１１８゜、直径５ｍｍのものを用いた。そして、
厚さ１０ｍｍの炭素鋼（ＪＩＳ Ｓ４５Ｃ）に対して切
削速度２０ｍ／ｍｉｎ．（回転速度１３００ｒｐｍ、送
り０．１０ｍｍ／ｒｅｖ．）で加工を行った。

【００５６】図７は、加工穴数と検出装置によって検出
されたドリルに作用する力の平均値との関係を示したも
のである。このうち図７（ａ）は加工穴数とドリルに作
用する切削トルクＴの平均値との関係を示しており、横
軸は加工穴数、縦軸は１回の穴開け加工で検出装置によ
って検出された切削トルクＴの平均値である。また、図
７（ｂ）は加工穴数とドリルに作用するスラスト力Ｓの
平均値との関係を示しており、横軸は加工穴数、縦軸は
１回の穴開け加工で検出装置によって検出されたスラス
ト力Ｓの平均値である。これより、本発明の検出装置は
ドリルに作用するトルクＴとスラスト力Ｓとを同時に安
定して検出可能であることが分かる。なお、このときの
トルクＴは約１．０Ｎ・ｍであって、加工穴数が８００
個を越えたあたりから下降する。一方、スラスト力Ｓは
６００〜８００Ｎ程度であって、加工穴数が８００個を
越えたあたりから１０００Ｎ程度に上昇し、その値も不
安定である。また、図８は図７より求めた、加工穴数と
切削トルクＴに対するスラスト力Ｓの比率との関係を示
しており、このとき横軸は加工穴数であり縦軸は（スラ
スト力Ｓ／トルクＴ）を表している。

【００５７】図９に、一回の穴開け動作によって検出装
置が検出したトルクＴの値を示す。このうち、図９
（ａ）は２個目の穴の加工時に検出されたドリルに作用
するトルクＴであり、図９（ｂ）は１０８０個目の穴の
加工時に検出されたトルクＴである。一回の穴開け動作
は約５秒間であるが、この穴開け動作中においてトルク
Ｔは安定して検出されていることが分かる。また、１０
８０個目のトルクＴも安定して検出可能であって、検出
装置は長期間安定して使用可能であることが分かる。図
１０は、このときの検出装置が検出したスラスト力であ
る。このうち、図１０（ａ）は２個目の穴の加工時に検
出装置によって検出されたドリルに作用するスラスト力
であり、図１０（ｂ）は１０８０個目の穴の加工時に検
出されたスラスト力である。図９同様に、穴開け動作中
においてスラスト力も安定して検出されていることが分
かる。以上、これらの実施例からも、本発明の検出装置
は、第一、第二検出コイル５、６の温度変化に基づくイ
ンピーダンス変化を温度補償回路がそれぞれ補償してい
ることから、結果として加工時に生じる熱の影響を受け
ることなく、トルクＴとスラスト力Ｓとを長期間、同時
に安定して検出可能であることが分かる。

【００５８】

【発明の効果】本発明のスラスト力検出装置及び検出方
法、トルク・スラスト力検出装置及び検出方法は、以下
のような効果を有するものである。請求項１に記載の発
明によれば、一対設けられた変換素子のそれぞれに温度
補償回路を設けたことにより、簡易な構成で温度変化に
よる検出信号の温度ドリフトを少なくすることができ
る。また、検出部分である磁性材は検出軸の周囲に配さ
れたものであり、この磁性材の磁気特性の変化は、外周
に配された変換素子によって電気的なインピーダンスの
変化に変換されるため、検出軸の剛性は低下されないと
ともに、検出軸に非接触な状態でスラスト力検出を行う
ことができる。そのため、長期間安定したスラスト力検
出を行うことができる。さらに、検出部分である磁性材
と変換素子とは作用力発生点近傍に設置された構造であ
るため、検出軸が受ける力を高精度に検出することがで
きる。

【００５９】請求項２に記載の発明によれば、検出軸の
外周に配された一対の磁性材の変化に基づき、この検出
軸に作用するトルクの検出とスラスト力の検出とを同時
に行うことができる。また、検出軸の剛性を低下させる
ことなく長期間安定した検出を行うことができる。

【００６０】請求項３に記載の発明によれば、検出軸の
軸線に対して互いに反対方向に所定角度傾斜して配され
た磁性材は検出軸の歪みに応じて磁気特性を変化させる
とともに、それぞれの磁性材に対応するように配置され
交流供給源が接続された変換素子からはそれぞれの電気
的なインピーダンスの変化に応じた信号が出力される。
そして、それぞれの変換素子からの信号を温度補償回路
を介して電圧として減算部及び加算部に入力しそれぞれ
の電圧の差と和とを求めることにより、検出軸に作用す
るトルクとスラスト力とを同時に検出することができ
る。

【００６１】請求項４に記載の発明によれば、簡易な構
成で温度変化による検出信号の温度ドリフトを抑えなが
ら検出軸の剛性を維持しつつ、検出軸に非接触な状態で
安定したスラスト力検出を長期間行うことができる。

【００６２】請求項５に記載の発明によれば、簡易な構
成で温度変化による検出信号の温度ドリフトを抑えなが
ら検出軸の剛性を維持しつつ、検出軸に非接触な状態で
トルクとスラスト力との検出を同時に長期間行うことが
できる。

【００６３】請求項６に記載の発明によれば、一対の磁
性材を検出軸の外周表面にそれぞれの検出方向を検出軸
の軸線に対して互いに反対方向に所定角度傾斜して配し
たことにより、それぞれの電圧の差と和とを求めること
によって、検出軸に作用するトルクとスラスト力とを同
時に検出することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のトルク・スラスト力検出装置の実施形
態の一例を示す図である。

【図２】本発明のトルク・スラスト力検出装置の実施形
態の一例を示す図である。

【図３】温度補償回路の回路構成を示す図である。

【図４】温度補償回路の回路構成を示す図である。

【図５】温度補償回路を回路構成を示す図である。

【図６】本発明の検出装置を用いてドリルに作用する力
を検出したときの加工条件を説明する図である。

【図７】本発明の検出装置を用いてドリルに作用する力
を検出したときの、加工穴数と検出された力との関係を
説明する図である。

【図８】本発明の検出装置を用いてドリルに作用する力
を検出したときの、加工穴数とトルクに対するスラスト
力の比率との関係を説明する図である。

【図９】本発明の検出装置を用いてドリルに作用する力
を検出したときの、加工穴数と検出されたトルクとの関
係を説明する図である。

【図１０】本発明の検出装置を用いてドリルに作用する
力を検出したときの、加工穴数と検出されたスラスト力
との関係を説明する図である。

【符号の説明】

１、２１ 検出装置 ２ 検出軸 ３ 第一磁歪材 ４ 第二磁歪材 ５ 第一検出コイル ５ａ、５ｂ コイル ６ 第二検出コイル ６ａ、６ｂ コイル ７ａ、７ｂ、７ｃ、７ｄ 温度補償回路 ２７ａ、２７ｂ 温度補償回路 ８ 交流電圧源 ９ａ、９ｂ 抵抗 ２９ａ、２９ｂ 抵抗 １０ 第１変換部 １１ 第２変換部 １２ 減算部（減算回路） １３ 第３変換部 １４ 第４変換部 １５ 加算部（加算回路） Ｔ トルク Ｓ スラスト力 Ａ トルク検出用回路（トルク検出手段） Ｂ スラスト力検出用回路（スラスト力検出手段）

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 軸線方向に作用する力によって歪む円柱
   状の検出軸と、 この検出軸の外周表面に配され、前記検出軸の歪みに応
   じて磁気特性が変化する一対の磁性材と、 前記一対の磁性材に対応するようにそれぞれの外周に配
   され、前記磁性材の磁気特性の変化を電気的なインピー
   ダンスの変化に変換する一対の変換素子と、 前記それぞれの変換素子に接続され、温度変化に基づく
   前記インピーダンスの変化を補償する温度補償回路と、 前記検出軸の歪みに基づく前記インピーダンスの変化を
   検出し、前記検出軸の軸線方向に作用する力を検出する
   スラスト力検出手段とを備えたことを特徴とするスラス
   ト力検出装置。
2. 【請求項２】 軸線方向及び軸線まわりに作用する力に
   よって歪む円柱状の検出軸と、 この検出軸の外周表面に配され、前記検出軸の歪みに応
   じて磁気特性が変化する一対の磁性材と、 前記一対の磁性材に対応するようにそれぞれの外周に配
   され、前記磁性材の磁気特性の変化を電気的なインピー
   ダンスの変化に変換する一対の変換素子と、 前記それぞれの変換素子に接続され、温度変化に基づく
   前記インピーダンスの変化を補償する温度補償回路と、 前記検出軸の歪みに基づく前記インピーダンスの変化を
   検出し、前記検出軸の軸線まわりに作用する力を検出す
   るトルク検出手段と、 前記検出軸の歪みに基づく前記インピーダンスの変化を
   検出し、前記検出軸の軸線方向に作用する力を検出する
   スラスト力検出手段とを備えたことを特徴とするトルク
   ・スラスト力検出装置。
3. 【請求項３】 軸線方向及び軸線まわりに作用する力に
   よって歪む円柱状の検出軸と、 この検出軸の外周表面にそれぞれの検出方向が前記検出
   軸の軸線に対して互いに反対方向に所定角度傾斜して配
   され、前記検出軸の歪みに応じて磁気特性が変化する一
   対の磁性材と、 前記一対の磁性材に対応するようにそれぞれの外周に配
   され、前記磁性材の磁気特性の変化を電気的なインピー
   ダンスの変化に変換する一対の変換素子と、 前記それぞれの変換素子に接続された交流供給源と、 前記それぞれの変換素子に接続され、温度変化に基づく
   前記インピーダンスの変化を補償する温度補償回路と、 前記磁性材の磁気特性の変化に応じたそれぞれの変換素
   子の電圧の差に基づいて前記検出軸に作用するトルクを
   検出する減算部と、 それぞれの変換素子の電圧の和に基づいて前記検出軸に
   作用するスラスト力を検出する加算部を備えたことを特
   徴とするトルク・スラスト力検出装置。
4. 【請求項４】 軸線方向に作用する力によって歪む円柱
   状の検出軸の外周表面に前記検出軸の歪みに応じて磁気
   特性が変化する一対の磁性材を配するとともに、 前記磁性材の磁気特性の変化を電気的なインピーダンス
   の変化に変換する一対の変換素子を前記一対の磁性材に
   対応するようにそれぞれの外周に配し、前記それぞれの
   変換素子に温度補償回路を接続して、温度変化に基づく
   前記インピーダンスの変化を補償しつつ、このインピー
   ダンスの変化を検出することによって、 前記検出軸の軸線方向に作用する力を検出することを特
   徴とするスラスト力検出方法。
5. 【請求項５】 軸線方向及び軸線まわりに作用する力に
   よって歪む円柱状の検出軸の外周表面に前記検出軸の歪
   みに応じて磁気特性が変化する一対の磁性材を配すると
   ともに、 前記磁性材の磁気特性の変化を電気的なインピーダンス
   の変化に変換する一対の変換素子を前記一対の磁性材に
   対応するようにそれぞれの外周に配し、前記それぞれの
   変換素子に温度補償回路を接続して、温度変化に基づく
   前記インピーダンスの変化を補償しつつ、このインピー
   ダンスの変化を検出することによって、 前記検出軸の軸線まわりに作用する力と軸線方向に作用
   する力とを同時に検出することを特徴とするトルク・ス
   ラスト力検出方法。
6. 【請求項６】 軸線方向及び軸線まわりに作用する力に
   よって歪む円柱状の検出軸の外周表面に前記検出軸の歪
   みに応じて磁気特性が変化する一対の磁性材をそれぞれ
   の検出方向が前記検出軸の軸線に対して互いに反対方向
   に所定角度傾斜するように配するとともに、前記それぞ
   れの変換素子に交流供給源を接続し、 前記磁性材の磁気特性の変化に応じたそれぞれの変換素
   子の電圧の差に基づいて前記検出軸に作用するトルク
   と、 前記それぞれの変換素子の電圧の和に基づいて前記検出
   軸に作用するスラスト力とを同時に検出することを特徴
   とするトルク・スラスト力検出方法。