JP2001336998A

JP2001336998A - 磁歪式応力検出装置

Info

Publication number: JP2001336998A
Application number: JP2001166773A
Authority: JP
Inventors: Ichiro Inazaki; 一郎稲崎; Hideki Aoyama; 英樹青山; Hiroo Ozeki; 宏夫大関; Akihiro Masune; 昭洋増根
Original assignee: Mitsubishi Materials Corp
Current assignee: Mitsubishi Materials Corp
Priority date: 2001-06-01
Filing date: 2001-06-01
Publication date: 2001-12-07

Abstract

(57)【要約】【課題】トルク、曲げ力、引っ張り及び圧縮力等の複
数成分の応力を一組のセンサーで同時に検出する磁歪式
応力検出装置を提供する。【解決手段】シャフト１０１に形成され、応力に応じ
て透磁率が変化する磁歪層２０１と、指向性を有し、磁
歪層２０１に対向してかつシャフト１０１の軸方向に対
してその指向性が所定の４５度をなすように設けられた
磁歪層２０１の透磁率の変化を検出する複数の検出セン
サ３０１〜３０４と、検出センサの出力を増幅する増幅
器４０１〜４０４と、各増幅器の出力からシャフト１０
１に生じた縦応力成分を含む複数の応力成分を同時に求
める信号処理装置５０１とから構成される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、磁歪層を利用し
て、シャフト等に加えられるねじり応力、縦応力、２方
向の軸曲げ応力の等の複数の応力成分を同時に検出する
磁歪式応力検出装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】シャフトに加わるトルクを検出するため
の手段の一つとして、磁歪層を用いるものがある。これ
は、高い磁気歪み特性を有する薄い磁歪層をシャフトの
外周面に形成し、トルクの変化を磁歪層に生じる透磁率
の変化によって検出するものである。このようなトルク
を検出するための従来の手段として、特開昭６０−１４
３７３５号公報；「シャフトにかかるトルク又は曲げ力
を測定する装置」がある。この公報に記載されている測
定装置は、シャフトに形成された磁歪面から所定の距離
にコイルを有する渦電流プローブを配置し、磁歪面の透
磁率の変化をそのコイルのインピーダンスの変化によっ
て感知するものである。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上述した従
来のトルク検出装置においては、磁歪層の透磁率の変化
を検出するために複数組のプローブを設け、それらの出
力信号を加減算処理し、引っ張り及び圧縮力に対する検
出感度を下げることによって、トルク成分の検出感度の
向上を図っていた。したがって、この装置を用いてトル
ク成分と共に引っ張り及び圧縮力成分を検出するために
は、引っ張り及び圧縮力成分を検出するためにさらに複
数のコイルを設けるか又は他の何らかのセンサを別途設
ける必要があった。しかし、引っ張り及び圧縮力を検出
するために他の複数のコイル又は他のセンサを設ける場
合、トルクを検出するためのコイルと引っ張り及び圧縮
力を検出するためのコイル等のセンサを異なった位置に
設けなければならず、トルクと引っ張り及び圧縮力を同
じ検出位置で同時に検出することはできないという問題
があった。

【０００４】この発明は、このような背景の下になされ
たもので、トルク、曲げ力、引っ張り及び圧縮力等の複
数成分の力又は応力を一組のセンサで同時に検出するこ
とができる磁歪式応力検出装置を提供することを目的と
する。

【０００５】

【課題を解決するための手段】請求項１記載の発明は、
シャフトの外周面に形成され、応力に応じて透磁率が変
化する磁歪面と、該磁歪面に対向して配置され、前記磁
歪面に平行、かつ、前記シャフトの軸の方向に対して所
定の角度を有して時間とともに変動する磁場成分を生成
するとともに、前記磁歪面の透磁率の変化を検出して出
力信号を出力する指向性を有した複数の検出センサと、
前記複数の検出センサからの前記出力信号を処理して前
記シャフトに生じた前記軸周りのねじり応力と、前記軸
方向に平行な圧縮応力と、前記軸方向に垂直な曲げ応力
との複数の応力成分を求める信号処理手段とを具備し、
前記複数の検出センサは、少なくとも二つの指向性の方
向を有し、これらの指向性の方向と前記シャフトの軸の
周りの位置との組み合わせが少なくとも４通りとされる
とともに、これらの検出センサからの出力信号がそれぞ
れ異なるものとされ、前記ねじり応力の大きさと、前記
圧縮応力の大きさと、前記曲げ応力の大きさと、前記曲
げ応力の方向との間に少なくとも４通りの独立な関係が
成り立つように配置されていることを特徴とする。

【０００６】また、請求項２記載の発明は、請求項１に
記載の磁歪式応力検出装置において、前記複数の検出セ
ンサの少なくとも二つは、その指向性の方向が同一とさ
れ、前記シャフトの軸の周りの位置が１８０度ずらされ
て互いに対向して配置されていることを特徴とする。

【０００７】また、請求項３記載の発明は、請求項１に
記載の磁歪式応力検出装置において、前記複数の検出セ
ンサの少なくとも三つは、その指向性の方向が同一とさ
れ、前記シャフトの軸の周りの位置がそれぞれ互いにず
らされて配置されていることを特徴とする。

【０００８】また、請求項４記載の発明は、請求項３に
記載の磁歪式応力検出装置において、前記複数の検出セ
ンサの少なくとも二つは、前記シャフトの軸の周りの位
置が１８０度ずらされて互いに対向して配置されている
ことを特徴とする。

【０００９】また、請求項５記載の発明は、請求項１に
記載の磁歪式応力検出装置において、前記複数の検出セ
ンサの少なくとも四つは、前記シャフトの軸の周りの位
置がそれぞれ９０度づつずらされて配置されていること
を特徴とする。

【００１０】また、請求項６記載の発明は、請求項２か
ら請求項５のいずれかに記載の磁歪式応力検出装置にお
いて、前記シャフトの軸の周りの位置がずらされて配置
された前記複数の検出センサは、その指向性の方向が前
記シャフトの軸の方向に対して平行もしくは垂直に設置
されていることを特徴とする。

【００１１】また、請求項７記載の発明は、請求項１に
記載の磁歪式応力検出装置において、前記複数の検出セ
ンサの少なくとも一つは、その指向性の方向が前記シャ
フトの軸の方向に対して平行に設置され、前記複数の検
出センサの少なくとも他の一つは、その指向性の方向が
前記シャフトの軸の方向に対して垂直に設置されている
ことを特徴とする。

【００１２】また、請求項８記載の発明は、請求項１に
記載の磁歪式応力検出装置において、前記複数の検出セ
ンサの少なくとも一つは、その指向性の方向が前記シャ
フトの軸の方向に対して時計方向に４５度傾けて設置さ
れ、前記複数の検出センサの少なくとも他の一つは、そ
の指向性の方向が前記シャフトの軸の方向に対して反時
計方向に４５度傾けて設置されていることを特徴とす
る。

【００１３】また、請求項９記載の発明は、請求項８に
記載の磁歪式応力検出装置において、前記検出センサの
指向性の方向が時計方向と反時計方向にそれぞれ４５度
傾けて設置された二つの検出センサは、前記シャフトの
軸の方向に沿って配置されていることを特徴とする。

【００１４】また、請求項１０記載の発明は、請求項１
に記載の磁歪式応力検出装置において、前記複数の検出
センサの少なくとも一つは、その指向性の方向が前記シ
ャフトの軸の方向に対して時計方向に４５度傾けて設置
され、前記複数の検出センサの少なくとも他の一つは、
その指向性の方向が前記シャフトの軸の方向に対して反
時計方向に４５度傾けて設置され、これらの二つの検出
センサは、前記シャフトの軸の周りの位置が１８０度ず
らされて互いに対向して配置されていることを特徴とす
る。

【００１５】また、請求項１１記載の発明は、請求項１
に記載の磁歪式応力検出装置において、前記複数の検出
センサの少なくとも一つは、その指向性の方向が前記シ
ャフトの軸の方向に平行に設置され、前記複数の検出セ
ンサの少なくとも他の一つは、その指向性の方向が前記
シャフトの軸の方向に対して垂直に設置され、これらの
二つの検出センサは、前記シャフトの軸の周りの位置が
１８０度ずらされて互いに対向して配置されていること
を特徴とする。

【００１６】また、請求項１２記載の発明は、請求項１
に記載の磁歪式応力検出装置において、前記シャフトの
軸の方向に沿って配置された二つの検出センサからなる
検出センサの組み合わせが、前記軸の周りにそれぞれ互
いに９０度づつずらされるようにして四つ配置され、前
記検出センサの組み合わせのうち一方の検出センサは、
その指向性の方向が前記シャフトの軸の方向に対して時
計方向に４５度傾けて設置され、前記検出センサの組み
合わせの他方の検出センサは、その指向性の方向が前記
シャフトの軸の方向に対して反時計方向に４５度傾けて
設置されていることを特徴とする。

【００１７】また、請求項１３記載の発明は、請求項１
から請求項１２のいずれかに記載の磁歪式応力検出装置
において、前記複数の検出センサを４の倍数具備してい
ることを特徴とする。

【００１８】上記構成によれば、複数の検出センサが磁
歪面に対向してかつ軸方向に対してその指向性が所定の
角度をなして設けられているので、引っ張り及び圧縮
力、２方向の軸曲げ力、トルク等に対応した複数の応力
成分を、同時に検出することができる。

【００１９】また、複数の検出センサのうち少なくとも
１対の互いに対向する検出センサが、軸方向に対してそ
の指向性が４５度傾斜させて設けられている場合、複数
の検出センサの出力が均等に複数の成分を含むので、検
出センサの出力に応じて各成分の応力を簡単な信号処理
で求めることができる。

【００２０】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して、この発明
の一実施の形態について説明する。図１はこの発明の一
実施の形態による磁歪式応力検出装置の構成を示す斜視
図である。図１において、１０１はシャフトであり、２
０１はシャフト１０１に形成されている磁歪層である。
３０１〜３０４は透磁率の変化を検出する検出センサで
あり、指向性を有する透磁率変化の検出面を、磁歪層２
０１に対向させ、所定の空隙を有して設置されている。

【００２１】ここで、図２を参照して、検出センサ３０
１〜３０４の構造について説明する。図２（Ａ）は、矢
印Ａで示す方向の指向性を有する透磁率変化の検出面３
０ａと円筒形状の本体３０からなる検出センサの外観を
示す図であり、図２（Ｂ）〜（Ｅ）に示す検出センサに
共通の外観形状を示している。図２（Ｂ）に示す検出セ
ンサは、本体３１と、検出面３１ａの指向方向（図２
（Ａ）の矢印Ａと同一の方向）と同じ向きで本体３１内
に設けられている励磁コイル４１ａ及び検出コイル４１
ｂとから構成されている。この励磁コイル４１ａ及び検
出コイル４１ｂは、共通のグランド端子６１ｇと、励磁
コイル４１ａの入力端子である端子６１ｅ又は検出コイ
ル４１ｂの出力端子である端子６１ｓに接続されてい
る。

【００２２】図２（Ｃ）に示す検出センサは、本体３２
と、検出面３２ａの指向方向（図２（Ａ）の矢印Ａと同
一の方向）と同じ向きで本体３２内に設けられている励
磁・検出コイル４２とから構成されている。この励磁・
検出コイル４２はグランド側端子６２ｎ及びプラス側端
子６２ｐに両端が接続されている。

【００２３】図２（Ｄ）に示す検出センサは、本体３３
と、検出面３３ａの指向方向（図２（Ａ）の矢印Ａと同
一の方向）と同じ向きでかつ検出面３３ａの向きに開口
部を向けて本体３３内に設けられているコの字型のフェ
ライト磁心５３と、フェライト磁心５３の中心部に巻か
れている励磁・検出コイル４３とから構成されている。
この励磁・検出コイル４３の両端は端子６３ａ及び６３
ｂに接続されている。

【００２４】図２（Ｅ）に示す検出センサは、本体３４
と、検出面３４ａの指向方向（図２（Ａ）の矢印Ａと同
一の方向）と同じ向きの溝部を有して本体３４内に本体
３４と同軸方向に設けられている円筒形状のフェライト
磁心５４と、フェライト磁心５４の溝部及び外周面にこ
の図に示すように巻かれている励磁・検出コイル４４と
から構成されている。この励磁・検出コイル４４の両端
は端子６４ａ及び６４ｂに接続されている。

【００２５】以上のようにして形成されている検出セン
サ３０１〜３０４は、図１に矢印で示すようにその指向
方向がシャフト１０１の軸方向に対して、互いに対向す
る検出センサ３０１及び検出センサ３０２が時計方向に
４５度、もう一方の互いに対向する検出センサ３０３及
び検出センサ３０４が反時計方向に４５度それぞれ傾け
て設置されている。ただし、検出センサ３０１と検出セ
ンサ３０３は、シャフト１０１の軸と垂直な平面上で軸
方向に９０度離間して設置されている。そして、これら
の検出センサ３０１〜３０４の各出力端子から出力され
た信号は、増幅器４０１〜４０４に入力されて所定の増
幅率で増幅される。

【００２６】なお、この場合、検出センサ３０１の設置
されている方向をＳ、検出センサ３０２の方向をＮ、検
出センサ３０３の方向をＥ、検出センサ３０４の方向を
Ｗとし、増幅器４０１〜４０４の出力信号それぞれ
Ｖ_S、Ｖ_N、Ｖ_E及びＶ_Wとする。この増幅器４０１〜４０
４の出力Ｖ_S、Ｖ_N、Ｖ_E及びＶ_Wは、信号処理装置５０１
へ入力され、信号処理装置５０１のブロック内に図示す
る演算式に基づいて処理される。ただし、σ_tはシャフ
ト１０１へ加えられたトルクＴによって生じたねじり応
力に比例する値、σ_cは同様に軸方向の圧縮力Ｆ_zにによ
って生じた圧縮応力に比例する値、σ_bS又は−σ_bN及び
σ_bE又は−σ_bWは、それぞれＳ方向からＮ方向への曲げ
力Ｆ_xによって生じた曲げ応力及びＥ方向からＷ方向へ
の曲げ力Ｆ_yによって生じた曲げ応力に比例する値であ
る。

【００２７】また、信号処理装置５０１は、予め、シャ
フト１０１の機械的性質、磁歪層２０１の磁気特性、検
出センサ３０１〜３０４の検出感度、検出センサ３０１
〜３０４と磁歪層２０１間の空隙の大きさ、増幅器４０
１〜４０４の増幅率等の種々のパラメータに応じて設定
されている各定数に基づいて、上記各演算結果σ_t、
σ_c、σ_bS又は−σ_bN及びσ_bE又は−σ_bWに応じて、シ
ャフト１０１に加えられているトルクＴ、Ｓ−Ｎ方向の
曲げ力Ｆ_x、Ｅ−Ｗ方向の曲げ力Ｆ_y及びシャフト１０１
の圧縮力Ｆ_zを演算によって求め、各端子５０１_t、５０
１_x、５０１_y及び５０１_zから出力する。

【００２８】次に、上記のように構成された磁歪式応力
検出装置を用い、実際に各応力成分検出したときの検出
結果について、図１、図３及び図５〜図８を参照して説
明する。図３は、図１に示す検出センサ３０１〜３０４
等に関して測定時の詳細条件について説明するための図
であり、この図において、３０−１は図２（Ｂ）に示す
検出センサ３１と同様な検出センサであり、各端子には
図２（Ｂ）と同一の符号を付けている。６００は高周波
電源であり、周波数４０Ｈｚで６Ｖピーク−ピークの正
弦波電圧を出力する。４００は増幅器であり、端子６１
ｓから出力された検出電圧をこの場合１０倍に増幅し
て、図１に示す信号処理装置５０１と同様な信号処理装
置５００へ出力する。なお、検出センサ３０−１の端子
６１ｇと高周波電源６００のグランド及び信号処理装置
５００のグランドは共通である。

【００２９】また、この場合、シャフト１００は長さ１
００mm、直径Ｄ１＝１２mm、検出センサ３０−１は直径
９．５mm、長さ１０mm、検出センサ３０ａ−１と磁歪層
２００の表面との空隙は０．５mm、磁歪層は軸方向の長
さが２０mmで、磁歪層２００と検出センサ３０−１はシ
ャフト１００の軸方向の中心部に位置している。なお、
以下の測定における各検出センサの配置及び指向方向
は、図１に示すものと同様であり、また各部の詳細な条
件は図３を参照して説明したとおりである。また、後
述する各図に示す電圧変化分ΔＶp-pは、図４に示すよ
うにシャフト１００に力が加えられていない状態での増
幅器４００の出力電圧Ｖ０の値（Ｖp-p）０と、力が加
えられ状態（時刻ｔ１以降）での値Ｖp-pの差を示して
いる。

【００３０】図５は、図１において矢印Ｔで示す向きの
トルクＴをシャフト１０１に印加した場合の各部の動作
電圧を示すグラフであり、横軸にトルクＴ（Ｎ／ｍ）を
とり、図５（ａ）では縦軸に、図１に示す増幅器４０１
の出力電圧Ｖ_Sの変化分ΔＶp-pを表したものである。ま
た、同様に図５（ｂ）〜（ｄ）は、それぞれ縦軸に増幅
器４０２〜４０４の出力電圧Ｖ_N、Ｖ_E及びＶ_Wの各変化
分ΔＶp-pを表したものである。また、図５（ｅ）は、
図５（ａ）〜（ｂ）に示す電圧を入力して、トルク成分
の応力σ_tをσ_t＝（Ｖ_S＋Ｖ_N−Ｖ_E−Ｖ_W）／４の演算処
理によって求めた結果を示している。図５（ｅ）に示す
ように、印加トルクＴに比例した出力値σ_tが得られた
ことが分かる。

【００３１】図６は、図１において矢印Ｆ_zで示す向き
と反対方向の引っ張り荷重Ｆ_zをシャフト１０１に印加
した場合の各部の動作電圧を示すグラフであり、横軸に
引っ張り荷重Ｆ_z（Ｎ）をとり、図６（ａ）〜図６
（ｄ）は、それぞれ縦軸に増幅器４０１〜４０４の出力
電圧Ｖ_S、Ｖ_N、Ｖ_E及びＶ_Wの各変化分ΔＶp-pを表した
ものである。また、図６（ｅ）は、図６（ａ）〜（ｄ）
に示す電圧を入力して、引っ張り力成分の応力σ_cをσ_c
＝（Ｖ_S＋Ｖ_N＋Ｖ_E＋Ｖ_W）／４の演算処理によって求め
た結果を示している。図６（ｅ）に示すように、引っ張
り荷重Ｆ_zに比例した出力値σ_cが得られたことが分か
る。

【００３２】図７は、図１において矢印Ｆ_xで示す向き
の曲げ荷重Ｆ_xをシャフト１０１に印加した場合の各部
の動作電圧を示すグラフであり、横軸に曲げ荷重Ｆ
_x（Ｎ）をとり、図７（ａ）及び図７（ｂ）は、それぞ
れ縦軸に増幅器４０１及び４０２の出力電圧Ｖ_S及びＶ_N
の各変化分ΔＶp-pを表したものである。また、図７
（ｃ）は、図７（ａ）及び（ｂ）に示す電圧を入力し
て、曲げ力成分の応力σ_bSをσ_bS＝（Ｖ_S−Ｖ_N）／２の
演算処理によって求めた結果を示している。図７（ｃ）
に示すように、曲げ荷重Ｆ_xに比例した出力値σ_bSが得
られたことが分かる。

【００３３】図８は、図１において矢印Ｆ_yで示す向き
の曲げ荷重Ｆ_yをシャフト１０１に印加した場合の各部
の動作電圧を示すグラフであり、横軸に曲げ荷重Ｆ
_y（Ｎ）をとり、図８（ａ）及び図８（ｂ）は、それぞ
れ縦軸に増幅器４０３及び４０４の出力電圧Ｖ_E及びＶ_W
の各変化分ΔＶp-pを表したものである。また、図８
（ｃ）は、図８（ａ）及び（ｂ）に示す電圧を入力し
て、曲げ力成分の応力σ_bEをσ_bE＝（Ｖ_E−Ｖ_W）／２の
演算処理によって求めた結果を示している。図８（ｃ）
に示すように、曲げ荷重Ｆ_yに比例した出力値σ_bEが得
られたことが分かる。

【００３４】以上のように、本発明の図１に示す実施形
態によれば、４個の指向性を有する検出センサ３０１〜
３０４を用いて磁歪層２０１に生じる透磁率の変化を検
出し、その検出結果を演算処理することによって、トル
ク成分、引っ張り及び圧縮成分（Ｚ方向の成分）、Ｘ及
びＹ方向の成分（２方向の軸曲げ成分）を同時に検出す
ることができることができた。

【００３５】なお、上記の実施形態を用いた測定におい
ては、検出センサ３０１〜３０４として図２（Ｂ）に示
すものを用いる場合について説明したが、図２（Ｃ）〜
（Ｅ）に示すものを用いる場合にも各成分力に応じた同
様の検出出力を得ることができる。ただし、図２（Ｃ）
〜（Ｅ）に示す検出センサを用いる場合には、例えば、
図３に示す高周波電源６００を電流源として構成し、各
検出センサの２つの端子を通して各励磁・検出コイルに
所定の電流を流し、同一の端子間に現れる電流変化を検
出することによって、磁歪層に生じる透磁率の変化を検
出するようにする。

【００３６】次に、本発明による他の実施の形態につい
て図９を参照して説明する。図９は本発明の一実施の形
態による磁歪式応力検出装置の構成を示す斜視図であ
り、この図に示す磁歪式応力検出装置は、図１に示すも
のに比べ、検出センサ及び増幅器の数が１組（各４個）
多くなっている。図９において、１１１はシャフトであ
り、２１１はシャフト１１１に形成されている磁歪層で
ある。３１１−１〜３１４−１は図１に示す検出センサ
３０１〜３０４と同様の１組の検出センサであり、ま
た、３１１−２〜３１４−２は図１に示す検出センサ３
０１〜３０４と同様のもう１組の検出センサである。た
だし、２組の検出センサは、軸方向に離間して設置さ
れ、かつ対応する各検出センサ（例えば、検出センサ３
１２−１と検出センサ３１２−２）の指向方向は、それ
ぞれ９０度異なって、軸に対して４５度又は−４５度に
傾けて設置されている。

【００３７】各検出センサ３１１−１〜３１４−１及び
３１１−２〜３１４−２の出力端子は、それぞれ対応す
る増幅器４１１−１〜４１４−１及び４１１−２〜４１
４−２の入力端子に接続され、増幅器４１１−１〜４１
４−１及び４１１−２〜４１４−２が各検出センサ３１
１−１〜３１４−１及び３１１−２〜３１４−２の出力
電圧を所定の増幅率で増幅した後、信号処理装置５１１
へ増幅信号を出力する。ただし、この場合、増幅器４１
１−１、４１２−１、４１３−１及び４１４−１の出力
信号をそれぞれＶ_1S、Ｖ_1N、Ｖ_1E及びＶ_1Wとし、増幅器
４１１−２、４１２−２、４１３−２及び４１４−２の
出力信号をそれぞれＶ_2S、Ｖ_2N、Ｖ_2E及びＶ_2Wとする。

【００３８】信号処理装置５１１は、入力された各増幅
器の出力信号を演算処理して、シャフト１１１に印加さ
れたトルクＴ、Ｓ−Ｎ方向の曲げ力Ｆ_x、Ｅ−Ｗ方向の
曲げ力Ｆ_y及び引っ張り及び圧縮力Ｆ_zを求め、各出力端
子５１１_t、５１１_x、５１１ _y及び５１１_zから出力す
る。ただし、この場合、信号処理装置５１１は、入力さ
れた信号から各荷重による応力成分を求める際に、互い
に指向性が異って対応する２つの検出センサ（例えば、
検出センサ３１１−１と検出センサ３１１−２）の検出
出力を以下のようにして平均化し、両方の検出センサに
おいて逆位相で検出された誤差成分を除去する。したが
って本実施形態の磁歪式応力検出装置は、図１に示す実
施形態と比較して、より精度よく演算処理結果を得るこ
とができる。

【００３９】（１）トルクＴによるねじり応力成分σ_t σ_t＝（Ｖ_1S＋Ｖ_1N−Ｖ_2S−Ｖ_2N）／４若しくはσ_t＝
（Ｖ_1E＋Ｖ_1W−Ｖ_2E−Ｖ _2W）／４又はそれらの平均。（２）引っ張り及び圧縮力Ｆ_zによる縦応力成分σ_c σ_c＝（Ｖ_1S＋Ｖ_1N＋Ｖ_2S＋Ｖ_2N）／４若しくはσ_c＝
（Ｖ_1E＋Ｖ_1W＋Ｖ_2E＋Ｖ _2W）／４又はそれらの平均。（３）Ｓ−Ｎ方向の曲げ力Ｆ_xによる曲げ応力成分σ_b1S
（＝−σ_b1N）又はσ_b2S（＝−σ_b2N） σ_b1S＝（Ｖ_1S−Ｖ_1N）／２若しくはσ_b2S＝（Ｖ_2S−Ｖ
_2N）／２又はそれらの平均。（４）Ｅ−Ｗ方向の曲げ力Ｆ_yによる曲げ応力成分σ_b1E
（＝−σ_b1W）又はσ_b2E（＝−σ_b2W） σ_b1E＝（Ｖ_1E−Ｖ_1W）／２若しくはσ_b2E＝（Ｖ_2E−Ｖ
_2W）／２又はそれらの平均。

【００４０】次に、図１０を参照して本発明によるさら
に他の実施の形態について説明する。図１０において、
１２１はシャフト、２２１はシャフト１２１に形成され
ている磁歪層であり、それぞれ図１に示すシャフト１０
１、磁歪層２０１に対応するものである。３２１−１、
３２２−１、３２３−１、３２４−１、３２１−２、３
２２−２、３２３−２及び３２４−２は、検出センサで
あり、図１に示す検出センサ３０１と同様に構成されて
いて、磁歪層２２１と所定の空隙を有し、検出面を対向
させて設置されていてる。ただし、この場合、検出セン
サ３２１−１の指向方向は、磁歪層２２１に向かってシ
ャフト１２１の軸に対して反時計方向に４５度（−４５
度）傾いており、検出センサ３２２−１の指向方向は、
同様に、時計方向に４５度（＋４５度）傾いている。ま
た、検出センサ３２３−１の指向方向は軸に対して反時
計方向に９０度傾いており、検出センサ３２４−１並び
に３２１−２、３２２−２、３２３−２及び３２４−２
は軸と同一方向の指向性を有するように設置されてい
る。

【００４１】なお、検出センサ３２１−１と検出センサ
３２２−１が及び検出センサ３２１−２と検出センサ３
２２−２が、それぞれＳ−Ｎ軸上で対向して設置されて
おり、検出センサ３２３−１と検出センサ３２４−１が
及び検出センサ３２３−２と検出センサ３２４−２が、
それぞれＥ−Ｗ軸上で対向して設置されている。また、
検出センサ３２１−１の出力と検出センサ３２２−１の
出力は差動増幅器４２０_tへ入力されて所定の増幅率で
差動増幅され、差動増幅器４２０_tの出力端子４２１_tか
らトルクＴに対応した値として出力される。また、検出
センサ３２３−１の出力と検出センサ３２４−１の出力
は差動増幅器４２０_zへ入力されて差動増幅され、差動
増幅器４２０_zの出力端子４２１_zから軸方向の引っ張り
又は圧縮力Ｆ_zに対応した値として出力される。また、
検出センサ３２１−２の出力と検出センサ３２２−２の
出力は差動増幅器４２０_xへ入力されて差動増幅され、
差動増幅器４２０_xの出力端子４２１_xから径方向の曲げ
力Ｆ_xに対応した値として出力される。さらに、検出セ
ンサ３２３−２の出力と検出センサ３２４−２の出力は
差動増幅器４２０_yへ入力されて差動増幅され、差動増
幅器４２０_yの出力端子４２１_yから径方向の曲げ力Ｆ_y
に対応した値として出力される。

【００４２】このように、図１０に示す実施形態によれ
ば、各成分の荷重又は応力毎に対応させた対向する１対
の検出センサを用い、かつそれらの指向方向を各成分の
方向に対して図に示すような関係となるように設定し、
１対の検出センサからの２つの出力を差動増幅すること
で、直接、各成分に対応した出力を作動増幅器の出力信
号として得ることができる。

【００４３】次に、図１１を参照して、図１に示した磁
歪式応力検出装置を切削工具の回転軸に適用する例につ
いて説明する。図１１において、７００は主軸、７０１
は主軸ヘッド、７０２はセンサ固定部、７０３はボル
ト、７０４は工具ホルダ、７０５、７０６及び７０７は
軸受、７０８はセンサ軸、７０９はチップである。ま
た、８００はセンサ軸７０８の外周面に形成されている
磁歪層、８０１及び８０２はセンサ固定部７０２に固定
されている検出センサであり、それぞれ図１に示す磁歪
層２０１、検出センサ３０１及び３０２に対応するもの
である。ただし、図１に示す検出センサ３０３及び３０
４に対応する残りの２つの検出センサも、図１に示すも
のと同様にしてセンサ８０１及び８０２の設置されてい
る同一の平面上に９０度離間して対向して設置されてい
るものとする。

【００４４】各検出センサ８０１、８０２等の出力は、
出力線８０３によって図示していない増幅器（図１の増
幅器４０１、４０２等に対応するもの）へ入力され、増
幅器の出力は信号処理装置（図１の信号処理装置５０１
に対応するもの）に入力される。なお、この信号処理装
置からは、検出センサ８０１、８０２等の内部のコイル
へそれを励磁するための励磁信号が供給される。

【００４５】このような構成によって、検出センサ８０
１、８０２及び図示していない他の２つの検出センサ
は、回転するセンサ軸７０８に加えられたトルク、引っ
張り及び圧縮荷重、並びに径方向の２軸の曲げ荷重の各
成分を同時にかつ動的に検出する。また、４個の検出セ
ンサのみで、同一のセンサ軸断面に印加された４つの異
なる荷重成分を検出できるので、複数の荷重成分を検出
する際に従来の装置に比べて、検出部を小型、軽量化す
ることができ、さらに、同一面に印加された複数成分の
応力を同時に検出することができる。

【００４６】

【発明の効果】以上説明したように、この発明によれ
ば、トルク、曲げ力、引っ張り及び圧縮力、２方向の軸
曲げ力等の複数成分の力又は応力を一組のセンサーで同
時に検出することができるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の一実施形態による磁歪式応力検出装
置の構成を示す斜視図である。

【図２】図１に示す検出センサ３０１〜３０４の内部構
成例を示す構成図である。

【図３】図５〜図８に示す実測結果の測定条件を示す模
式図である。

【図４】図５〜図８に示す各増幅器の出力電圧の実測結
果の測定条件を示す波形図である。

【図５】図１、図３及び図４に示す構成及び測定条件に
基づいて、シャフトに印加されたトルクＴによる応力σ
_tを測定した結果を示すグラフである。

【図６】図１、図３及び図４に示す構成及び測定条件に
基づいて、軸方向の引っ張り荷重Ｆ_zによる応力σ_cを測
定した結果を示すグラフである。

【図７】図１、図３及び図４に示す構成及び測定条件に
基づいて、径方向の曲げ荷重Ｆ_xによる応力σ_bSを測定
した結果を示すグラフである。

【図８】図１、図３及び図４に示す構成及び測定条件に
基づいて、径方向の曲げ荷重Ｆ_yによる応力σ_bEをを測
定した結果を示すグラフである。

【図９】この発明の他の実施形態による磁歪式応力検出
装置の構成を示す斜視図である。

【図１０】この発明のさらに他の実施形態による磁歪式
応力検出装置の構成を示す斜視図である。

【図１１】この発明の実施形態による磁歪式応力検出装
置を切削工具の回転軸に適用した場合を示す断面図であ
る。

【符号の説明】

１０１，１００，１１１，１２１・・・シャフト７０８・・・センサ軸２０１，２００，２１１，２２１，８００・・・磁歪層３０１，３０２，３０３，３０４，３０，３１，３２，
３３，３４，３０−１，３１１−１，３１２−１，３１
３−１，３１４−１，３１１−２，３１２−２，３１３
−２，３１４−２，３２１−１，３２２−１，３２３−
１，３２４−１，３２１−２，３２２−２，３２３−
２，３２４−２，８０１，８０２・・・検出センサ５０１，５００，５１１・・・信号処理装置４２０_t，４２０_x，４２０_y，４２０_z・・・差動増幅器

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者大関宏夫埼玉県さいたま市北袋町１丁目297番地三菱マテリアル株式会社メカトロ・生産システム開発センター内 (72)発明者増根昭洋埼玉県さいたま市北袋町１丁目297番地三菱マテリアル株式会社メカトロ・生産システム開発センター内Ｆターム(参考） 2F051 AB05 BA03 DA03

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】シャフトの外周面に形成され、応力に応
じて透磁率が変化する磁歪面と、該磁歪面に対向して配置され、前記磁歪面に平行、か
つ、前記シャフトの軸の方向に対して所定の角度を有し
て時間とともに変動する磁場成分を生成するとともに、
前記磁歪面の透磁率の変化を検出して出力信号を出力す
る指向性を有した複数の検出センサと、前記複数の検出センサからの前記出力信号を処理して前
記シャフトに生じた前記軸周りのねじり応力と、前記軸
方向に平行な圧縮応力と、前記軸方向に垂直な曲げ応力
との複数の応力成分を求める信号処理手段とを具備し、前記複数の検出センサは、少なくとも二つの指向性の方
向を有し、これらの指向性の方向と前記シャフトの軸の
周りの位置との組み合わせが少なくとも４通りとされる
とともに、これらの検出センサからの出力信号がそれぞ
れ異なるものとされ、前記ねじり応力の大きさと、前記
圧縮応力の大きさと、前記曲げ応力の大きさと、前記曲
げ応力の方向との間に少なくとも４通りの独立な関係が
成り立つように配置されていることを特徴とする磁歪式
応力検出装置。
【請求項２】請求項１に記載の磁歪式応力検出装置に
おいて、前記複数の検出センサの少なくとも二つは、その指向性
の方向が同一とされ、前記シャフトの軸の周りの位置が
１８０度ずらされて互いに対向して配置されていること
を特徴とする磁歪式応力検出装置。
【請求項３】請求項１に記載の磁歪式応力検出装置に
おいて、前記複数の検出センサの少なくとも三つは、その指向性
の方向が同一とされ、前記シャフトの軸の周りの位置が
それぞれ互いにずらされて配置されていることを特徴と
する磁歪式応力検出装置。
【請求項４】請求項３に記載の磁歪式応力検出装置に
おいて、前記複数の検出センサの少なくとも二つは、前記シャフ
トの軸の周りの位置が１８０度ずらされて互いに対向し
て配置されていることを特徴とする磁歪式応力検出装
置。
【請求項５】請求項１に記載の磁歪式応力検出装置に
おいて、前記複数の検出センサの少なくとも四つは、前記シャフ
トの軸の周りの位置がそれぞれ９０度づつずらされて配
置されていることを特徴とする磁歪式応力検出装置。
【請求項６】請求項２から請求項５のいずれかに記載
の磁歪式応力検出装置において、前記シャフトの軸の周りの位置がずらされて配置された
前記複数の検出センサは、その指向性の方向が前記シャ
フトの軸の方向に対して平行もしくは垂直に設置されて
いることを特徴とする磁歪式応力検出装置。
【請求項７】請求項１に記載の磁歪式応力検出装置に
おいて、前記複数の検出センサの少なくとも一つは、その指向性
の方向が前記シャフトの軸の方向に対して平行に設置さ
れ、前記複数の検出センサの少なくとも他の一つは、そ
の指向性の方向が前記シャフトの軸の方向に対して垂直
に設置されていることを特徴とする磁歪式応力検出装
置。
【請求項８】請求項１に記載の磁歪式応力検出装置に
おいて、前記複数の検出センサの少なくとも一つは、その指向性
の方向が前記シャフトの軸の方向に対して時計方向に４
５度傾けて設置され、前記複数の検出センサの少なくと
も他の一つは、その指向性の方向が前記シャフトの軸の
方向に対して反時計方向に４５度傾けて設置されている
ことを特徴とする磁歪式応力検出装置。
【請求項９】請求項８に記載の磁歪式応力検出装置に
おいて、前記検出センサの指向性の方向が時計方向と反時計方向
にそれぞれ４５度傾けて設置された二つの検出センサ
は、前記シャフトの軸の方向に沿って配置されているこ
とを特徴とする磁歪式応力検出センサ。
【請求項１０】請求項１に記載の磁歪式応力検出装置
において、前記複数の検出センサの少なくとも一つは、その指向性
の方向が前記シャフトの軸の方向に対して時計方向に４
５度傾けて設置され、前記複数の検出センサの少なくと
も他の一つは、その指向性の方向が前記シャフトの軸の
方向に対して反時計方向に４５度傾けて設置され、これ
らの二つの検出センサは、前記シャフトの軸の周りの位
置が１８０度ずらされて互いに対向して配置されている
ことを特徴とする磁歪式応力検出装置。
【請求項１１】請求項１に記載の磁歪式応力検出装置
において、前記複数の検出センサの少なくとも一つは、その指向性
の方向が前記シャフトの軸の方向に平行に設置され、前
記複数の検出センサの少なくとも他の一つは、その指向
性の方向が前記シャフトの軸の方向に対して垂直に設置
され、これらの二つの検出センサは、前記シャフトの軸
の周りの位置が１８０度ずらされて互いに対向して配置
されていることを特徴とする磁歪式応力検出装置。
【請求項１２】請求項１に記載の磁歪式応力検出装置
において、前記シャフトの軸の方向に沿って配置された二つの検出
センサからなる検出センサの組み合わせが、前記軸の周
りにそれぞれ互いに９０度づつずらされるようにして四
つ配置され、前記検出センサの組み合わせのうち一方の
検出センサは、その指向性の方向が前記シャフトの軸の
方向に対して時計方向に４５度傾けて設置され、前記検
出センサの組み合わせの他方の検出センサは、その指向
性の方向が前記シャフトの軸の方向に対して反時計方向
に４５度傾けて設置されていることを特徴とする磁歪式
応力検出装置。
【請求項１３】請求項１から請求項１２のいずれかに
記載の磁歪式応力検出装置において、前記複数の検出センサを４の倍数具備していることを特
徴とする磁歪式応力検出装置。