JP2001050831A - トルク、スラスト力およびラジアル力の検出方法並びに検出装置 - 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
並びに検出装置の提供。 【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および検出装置に関するもの
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。また、温度変化による出力の変動も
無視できないものとなっており、このような温度変化に
よる誤差発生の対策が要望されている。

【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、かつ、温度変化の影響を受け
ることがないトルク、スラスト力およびラジアル力の検
出方法並びに検出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と、この検出素子の温度補償回
路とを備え、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。ここで、温度
によって変化する検出素子の出力値は温度補償回路によ
って補正される。

【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
出素子と、この検出素子の温度補償回路とを備え、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。ここで、温度によって変化する検出素子の出力値
は温度補償回路によって補正される。

【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。

【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は温
度補償回路の説明図、図６はコイルの温度とインピーダ
ンスとの関係を示すグラフ図、図７は検出ユニットの他
の一例を示す斜視図、図８は検出ユニットの別の一例を
示す斜視図、図９は検出素子の指向性について説明する
説明図、図１０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１１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。ここで、上記各コイル３４には図５に示すよ
うに温度補償回路Ｈが直列に接続されている。

【００１７】図５において温度補償回路Ｈは、ＮＴＣサ
ミスタ（Negative Temperature Coefficient サーミス
タ）Ｒｔと、温度変化による抵抗値変化が小さくＮＴＣ
サーミスタＲｔに組み合わせて接続された抵抗Ｒ２〜Ｒ
７と、これらＮＴＣサーミスタＲｔ及び抵抗Ｒ２〜Ｒ７
による並列抵抗に直列接続された絶対値調整用の抵抗Ｒ
１とからなる。

【００１８】上記ＮＴＣサーミスタＲｔ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Ｒｔ
は、温度変化によるそれぞれの磁歪膜１１の磁気特性
（透磁率）の変化に起因するそれぞれのコイル３４の変
化を補償するためのものであり、コイル３４のインピー
ダンスは温度上昇による磁歪膜１１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Ｒｔが用いられる。

【００１９】ＮＴＣサーミスタＲｔに組み合わされて接
続された抵抗Ｒ２〜Ｒ７は、ＮＴＣサーミスタＲｔ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、ＮＴＣサーミスタＲｔと抵抗Ｒ２〜Ｒ７
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。した
がって、図６に示すように前記コイル３４のインピーダ
ンスが実線で示すような勾配（温度上昇にしたがってイ
ンピーダンスが増加する）を持っている場合に、ＮＴＣ
サーミスタＲｔと抵抗Ｒ２〜Ｒ７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そのインピーダンス
（抵抗値）が破線で示すように前記特性を打ち消すよう
な逆勾配に設定されている。尚、温度上昇に従ってイン
ピーダンス（抵抗値）が減少する性質の素子は、上記サ
ーミスタでなくても良い。

【００２０】また、図７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。ここで、上記各コイル３９にも前述した図５に
示すような温度補償回路Ｈが直列に接続されている。

【００２１】さらに、図８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。この各コイル４２にも図５に
示すような温度補償回路Ｈが接続されている。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９と
図１０を参照して説明する。

【００２２】図９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９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１０に示
すような関係がある。

【００２３】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。

【００２４】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。

【００２５】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

【００２６】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。

【００２７】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）｝

【００２８】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。

【００２９】図１１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。また、この検出ユニット２０〜２３の図示し
ない各コイルに図５に示すような温度補償回路Ｈが接続
されているため、測定中に環境の温度変化が生じてもこ
れに影響されることなく、フライス加工における切削抵
抗（切削トルク、Ｘ、Ｙ及びＺ軸方向の切削力）の正確
な測定が行なえる。

【００３０】図１２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。

【００３１】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。

【００３２】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。尚、この実施形
態においても検出ユニット６０〜６３の図示しない各コ
イルに図５に示すような温度補償回路Ｈが接続されてい
る。

【００３３】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。また、測
定中に環境の温度変化が生じても、温度補償回路Ｈによ
ってコイルのインピーダンスが補正されるため、前記測
定中における環境の温度変化が生じてもこれに影響され
ることなく、フライス加工における切削抵抗（切削トル
ク、Ｘ、Ｙ及びＺ軸方向の切削力）の正確な測定が行な
える。

【００３４】図１３と図１４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１１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。

【００３５】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１４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。また、温度補償回路Ｈによってコイルのイ
ンピーダンスが補正されるため、前記測定中における環
境の温度変化が生じてもこれに影響されることなく、フ
ライス加工における切削抵抗（切削トルク、Ｘ、Ｙ及び
Ｚ軸方向の切削力）の正確な測定が行なえる点は前記実
施形態と同様である。

【００３６】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。

【００３７】

【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
検出素子と、この検出素子の温度補償回路とを備え、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。また、前記温度補償
回路により温度による影響を無くして正確な検出を行な
うことができる。

【００３８】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
出素子と、この検出素子の温度補償回路とを備え、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。また、前記温度
補償回路により温度による影響を無くして正確な検出を
行なうことができる。

【００３９】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。

【００４０】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。

【００４１】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。

【００４２】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。

【００４３】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。

【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】 温度補償回路の説明図である。

【図６】 温度とインピーダンスとの関係を示すグラフ
図である。

【図７】 検出ユニットの他の一例を示す斜視図であ
る。

【図８】 検出ユニットの別の一例を示す斜視図であ
る。

【図９】 検出素子の指向性について説明する説明図で
ある。

【図１０】 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１１】 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１２】 本発明の第２の実施形態を示す斜視図であ
る。

【図１３】 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１４】 図１３を切削工具の先端側からみた平面図
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 Ｈ 温度補償回路 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

フロントページの続き (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 Ｆターム(参考） 2F051 AA11 AB05 BA00 BA03

Claims (7)

【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と、この検出
   素子の温度補償回路とを備え、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と、この検出
   素子の温度補償回路とを備え、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。