JP2693246B2

JP2693246B2 - トルクバランサ

Info

Publication number: JP2693246B2
Application number: JP34347589A
Authority: JP
Inventors: 隆男山口; 一西沢
Original assignee: 隆男山口
Priority date: 1989-12-28
Filing date: 1989-12-28
Publication date: 1997-12-24
Anticipated expiration: 2012-12-24
Also published as: JPH03200071A

Description

【発明の詳細な説明】（イ）産業上の利用分野本発明は、トルクバランサに関するものであり、トル
クバランサは例えば傾斜計、角加速度計などに用いられ
る。

（ロ）従来の技術トルクバランサを用いた従来の傾斜計は次のような構
成を有している。すなわち、ゼロバランス電流計の可動
コイルに不平衡重りを設け、傾斜計が傾斜した場合に重
りによって発生するトルクを打ち消す方向に可動コイル
にフィードバック電流を流す。このために可動コイルの
相対偏角を相対偏角検出装置によって電気量として検出
し、これを増幅して可動コイルに負帰還させる。

（ハ）発明が解決しようとする課題しかしながら、上記のような従来のトルクバランサに
は、平衡可能なトルクが大きく（傾斜計の場合には、計
測可能な傾斜角範囲が大きく）、しかも応答速度の高い
フィードバック性能を得ることができないという問題点
がある。すなわち、従来のトルクバランサは、外磁型磁
気回路の場合及び内磁型磁気回路の場合のいずれの場合
にも、指示計の動作範囲に対応して均整磁界を発生する
ように構成されている（例えば、「機械工学便覧」改訂
第６版第20−４頁参照）。従って、可動コイルの比較的
大きい可動範囲内にわたってほぼ均一な磁界が発生する
ようになっている。このため、磁束密度は低いものとな
っている。この結果、十分なフィードバックトルクが発
生せず、平衡可能なトルク範囲が小さくなり、また応答
速度も低くなる。また、可動コイルの大きい可動範囲を
確保するために装置全体が大きくなっている。本発明は
このような課題を解決することを目的としている。

（ニ）課題を解決するための手段本発明は、トルクバランサにおいては可動コイルはゼ
ロ点（基準位置）を中心として大きくても数度程度の範
囲しか変位しないことに着目して成されたものであり、
磁石とヨークとの間に集中磁界を形成させ、常にこの集
中磁界内で可動コイルが動作するように構成することに
より、上記課題を解決する。すなわち、本発明は、閉磁
路の途中に磁界間隙を構成するようにフレームに固定さ
れる磁石及びヨークと、磁石及びヨークによって構成さ
れる磁界間隙内に位置すると共に磁石の磁極方向に直交
する軸（Ｙ−Ｙ′）を中心として回動可能に支持される
可動コイルと、可動コイルにこれの回動中心から所定距
離の位置に設けられる重り（40）と、磁石及びヨークに
対する可動コイルの基準位置からの偏角を検出する相対
偏角検出装置と、重りに作用する力によって発生するト
ルクにかかわらず可動コイルが磁石及びヨークに対して
基準位置に保持されるように相対偏角検出装置によって
検出される偏角信号を可動コイルに負帰還させるフィー
ドバック装置とを有するトルクバランサを前提としたも
のであり、磁石（18）は棒状又は略棒状のものであり、
磁石の磁極側端面及びこれに対面するヨーク（12）によ
って構成される磁界間隙（51及び53）の可動コイル回転
方向への寸法（Ａ）は、可動コイル（22）の可動コイル
回転方向への寸法（Ｂ）よりも僅小寸法（δ）だけ大き
くされており、上記僅小寸法は相対偏角検出装置（44）
が検出可能な最大偏角位置まで可動コイルが回動した状
態においても可動コイルが上記磁界間隙内に位置するよ
うに設定されていることを特徴としている。

（ホ）作用磁石とヨークとの対面部の磁界間隙に、可動コイル回
転方向への寸法が比較的狭い磁界が形成される。可動コ
イルは基準位置（ゼロ点位置）では、磁界間隙の中央部
に位置している。相対偏角検出装置がこれの測定可能な
最大偏角を検出する状態においても、可動コイルが磁石
とヨークとの間の磁界間隙から外側にはみ出すことがな
いように設定されている。従って、フィードバック動作
中は可動コイルは常に集中磁界内に位置しており、これ
に流れるフィードバック電流によって大きいトルクを発
生する。このため、重りによって発生するトルクが大き
い場合（傾斜計として使用する場合には傾斜角が大きい
場合）にも、トルク平衡を達成することができるので、
大きいトルク（傾斜計として使用する場合には傾斜角）
を計測することができる。また、トルク（傾斜角）が急
速に変化した場合にもフィードバックトルクが大きいた
め応答性が良くなる。この結果、例えば傾斜角が大き
く、しかも傾斜角の変化速度が大きい場合にも、このト
ルクバランサを傾斜計に適用することができることにな
る。また、このトルクバランサは変化速度の大きい角加
速度を検出するための角加速度計にも適用可能である。

（ヘ）実施例（第１実施例）第１〜３図に示すように、被磁性材料製のフレーム10
に方形枠状のヨーク12が固着されている。ヨーク12に
は、これと一体にステイ14が設けられており、ステイ14
はヨーク12の上端から水平方向にヨーク12の中心部に向
って伸びている。このステイ14に非磁性金属16を介して
略棒状の磁石18が取り付けられている。磁石18は、第４
及び５図に示すように、棒状の磁石の両側面に非磁性金
属16及び20を接合し、これを円柱状に加工することによ
り構成されている。従って、磁石18の第４図中左右の磁
極面は円弧状となっている。磁石18のＮ極及びＳ極がそ
れぞれヨーク12の平行面12a及び12bと対面するように配
置されている。磁石18の外周側にこれを包囲するように
断面方形の可動コイル22が設けられている。可動コイル
22は、コイル枠24に線を巻き付けることにより構成され
ている。長方形の可動コイル22の短辺22a及び22bが、ヨ
ーク12の平行面12aと磁石18のＮ極との間の磁界間隙5
1、及び平行面12bとＳ極との間の磁界間隙53にそれぞれ
位置している。なお、可動コイル22の短辺22a及び22bの
第１図中で上下方向の断面形状は、後述の第６図に示す
ように、磁石18の円弧形状に対応した円弧状としてあ
る。このため、可動コイル22が磁石18に対して回動して
も両者の相対関係は変化しない。可動コイル22の長辺22
c及び22dの中央部にそれぞれバンド止め座26及び28が接
着されている。一方、ヨーク12の平行面12a及び12bと直
交する平行面12c及び12dの中央部にはそれぞれ、中空ブ
ッシュ状のスパンボビン30及び32が固着されている。ス
パンボビン30及び32にはそれぞれスパンバンド34及び36
が取り付けられており、このスパンバンド34及び36がそ
れぞれバンド止め座26及び28と連結されている。スパン
バンド36は、スパンボビン32に固着される「山」字状の
リープスブリング36aと、これの中央部の折り返し部に
一端が固着されるトーションバンド36bとから構成され
ている。トーションバンド36bの他端側がバンド止め座2
8に固着される。リーフスプリング36aはトーションバン
ド36bに引張り力を作用している。スパンバンド34につ
いても同様に、リーフスプリング34aとトーションバン
ド34bとから構成されている。トーションバンド34bとト
ーションバンド36bとは同一軸（Ｙ−Ｙ′軸）上に配置
されている。従って、可動コイル22はＹ−Ｙ′軸を中心
として回動可能に支持されていることになる。スパンバ
ンド34及び36には摩擦がないため、外からトルクが作用
しない限り、可動コイル22の中心を通る水平面はヨーク
12の中心を通る水平面と同一面上に位置することにな
る。このように、可動コイル22が基準位置にある場合の
磁石18、可動コイル22及びヨーク12の位置関係を第６図
に示す。ヨーク12の寸法Ａは可動コイル22の寸法Ｂより
も僅小寸法δだけ大きくしてある。可動コイル22には外
部から電流を供給可能である。また、可動コイル22には
アーム38が取り付けられており、このアーム38の先端側
には円板40が取り付けられている。円板40の重量は付加
不平衡重量となり、傾斜時に重力トルクを可動コイル22
に与える。一方、重り40は光電インタラプタのための反
射板としても構成されており、これの両側に第２図に示
すように小さいすきまを置いて光電インタラプタ42及び
44が設けられている。光電インタラプタ42及び44は後述
のように発光部42a及び44a、及び受光部42b及び44bを備
えており（第９〜11図参照）、受光量に応じた電圧を出
力する。光電インタラプタ42及び44は第７図に示すよう
に差増幅器46と接続されており、差増幅器46の出力側は
可動コイル22と接続されている。この回路の途中に差増
幅器46の出力を指示する指示器48が設けられている。

次にこの実施例の動作について説明する。磁石18の作
用により第８図に示すような閉磁路が形成される。ヨー
ク12を、一辺の長さ14mm、幅5mm、厚さ1mmの軟鉄材製と
し、また磁石18は断面5mm×5mmの四角形で長さ9mmとし
た場合に、ヨーク12内部の磁束密度は9KGとなり、また
ヨーク12と磁石18との間の磁界間隙51及び53の磁束密度
は3KGとなる。磁気回路は閉ループとなり、漏洩磁束の
少ない構成としてあるので、磁界間隙51及び53で上述の
ように高い磁束密度を得ることができる。フレーム10を
設置した場所が重力方向に対して傾斜していない場合に
は、円板40の重量によるトルクが発生しないため、可動
コイル22は基準位置（偏角０）にある。この状態では、
円板40は光電インタラプタ42及び44の中間位置にあり、
光電インタラプタ42及び44の出力電圧に差がないため、
指示器48の指示は０となる。すなわち、第９図に示すよ
うに円板40が光電インタラプタ42と光電インタラプタ44
との間の中間位置にあると、光電インタラプタ42側の発
光部42aから発光されて円板40によって反射され受光部4
2bによって受光される光量と、光電インタラプタ44側の
発光部44aから発光され円板40によって反射され受光部4
4bによって受光される光量との差がなく、光電インタラ
プタ42及び44の出力電圧の差がないため、差増幅器46の
出力は０となる。なお、円板40が光電インタラプタ42又
は光電インタラプタ44に近づくと（第10又は11図）、近
づいた側の受光量が減少するため、光電インタラプタ42
及び44の出力は第12図に示すようになり、両者の電圧差
は第13図に示すようなものとなる。

次に、フレーム10が第２図に示す平面内で傾斜すると
次のような動作が得られることになる。フレーム10が傾
斜しても、これに回転自由度が与えられた状態で支持さ
れている可動コイル22は、円板40の重量に作用する重力
により、アーム38が垂直向きとなった姿勢を保持しよう
とする。このため、フレーム10の傾斜方向に応じて、光
電インタラプタ42及び44の一方が円板40に接近し、他方
が円板40から遠ざかる。円板40が光電インタラプタ42と
光電インタラプタ44との中間位置からずれると、第13図
に示すような特性に応じて、電圧差が差増幅器46に入力
される。差増幅器46はこの電圧差に基づいてこれを０と
するフィードバック制御を行う。すなわち、差増幅器46
は、電圧差のプラス及びマイナスに応じて、所定の方向
及び値の電流を可動コイル22に流す。可動コイル22に電
流が流れることにより、可動コイル22は円板40が光電イ
ンタラプタ42と光電インタラプタ44との中間位置にくる
ように回動する。このようなフィードバック制御が連続
的に行われるため、フレーム10の傾斜にかかわらず、円
板40は光電インタラプタ42と光電インタラプタ44との中
間位置に保持される。この場合、フレーム10の傾斜が大
きければ大きいほど円板40の重量に作用する重力による
可動コイル22のトルクが大きくなるため、可動コイル22
をフレーム10と同様の傾斜角に保持するために可動コイ
ル22に供給される電流の値も大きくなる。この電流の値
が指示器48によって検出される。従って、指示器48が示
す電流値はフレーム10の傾斜角に対応したものとなる。
これにより、傾斜角の計測が可能となる。

上記動作を数式を用いて説明すると次のようになる。
まず、磁界間隙51及び53の磁束密度をB_g、可動コイル22
を流れる電流をｉとすれば、可動コイル22に発生するト
ルクT_eは、 T_e＝K₁・B_g・ｉ・・・なお、K₁は可動コイル22の巻数及びコイル枠24の寸法
によって決定される常数である。B_gは一定と考えられる
ので、トルクT_eは電流ｉに比例することになる。

一方、フレーム10が第14図に示すように角度θだけ傾
斜すると、可動コイル22に次式で示す振り子トルクT_iが
作用する。

T_i＝K₂・sinθ ・・・なお、K₂は円板40の重量の等価中心点の重量及び振り
子長さによって決まる定数である。

この装置のフィードバック系をブロック線図で示す
と、第15図のようになる。第15図において、T_iは可動コ
イル22の傾斜によって発生する入力トルク、T_fは可動コ
イル22に負帰還される電流によって発生するフィードバ
ックトルク、ｅはT_iとT_fとの差、G_dは検出部の伝達関
数、G_aは増幅回路のゲイン、I_oは出力電流、またG_fは帰
還回路のゲインを示す。これらの間には、次の関係が成
立する。

ｅ＝T_i−T_f T_f＝I_o×G_f I_o＝G_d×G_a×ｅここで、 G_d×G_a＝G_t とすると、 I_o/T_i＝G_t/（１＋G_f・G_t）ここで、G_t≫１ならば、 I_o/T_i＝1/G_f ・・・式にT_e＝T_i、ｉ＝I_oとおいてG_fを求めれば、 G_f＝K₁×B_g このG_f及び式を式に代入すると、 I_o＝（K₂×sinθ）／（K₁×B_g）ここで、 K₂/K₁＝Ｋとすると、 I_o＝Ｋ×sinθ/B_g ・・・が成立する。

この場合、B_gは一定と考えられるので、式から、傾
斜角の正弦値に比例した電流が求められることが分か
る。また、磁束密度B_gが大きいほど傾斜角範囲θを大き
くとれることを示している。

第６図に示すように可動コイル22のＢ寸法はヨーク12
のＡ寸法よりも僅小寸法δだけ小さくされており、可動
コイル22は磁石18によって発生する集中磁界内に常に位
置している。この状態を第16図に示す。可動コイル22及
び重り40は共に同一回転体上にあるため、両者は互いに
異なった回転半径（円板40はr_a,可動コイル22はr_b）に
所在して変位量は異なるが、回転角は同一である。第16
図中において、（ｂ）は両者が中央位置（基準位置）に
ある場合を示し、（ａ）及び（ｃ）は円板40が基準位置
からそれぞれ＋ε/2及び−ε/2変位した状態を示す。円
板40が最も光電インタラプタ44側に移動した（ａ）の状
態においても可動コイル22は磁界間隙51及び53内に位置
しており、集中磁界から外れることはない。また、逆に
円板40が最も光電インタラプタ42側に移動した（ｃ）図
の状態においても可動コイル22は磁界間隙51及び53内に
位置している。すなわち、いずれの場合にも可動コイル
22は、｜δ/2−（ε/2）×（r_a/r_b）｜のゆとりをもって磁界間隙51及び53内にあることにな
る。なお、上記各値の実際値は、ε＝0.5mm、δ＝2mm、
r_a＝10mm、r_b＝5.75mmであり、可動コイル22は基準位置
から一方向に0.56mmの余裕を有することになる。このよ
うに、可動コイル22は比較的狭い磁界間隙51及び53内に
位置しており、可動コイル22を通る磁束密度は高くなっ
ており、この結果、可動コイル22に通電することによっ
て得られるフィードバックトルクは大きくなる。従っ
て、フレーム10の傾斜角が大きくなった場合でも円板40
を光電インタラプタ42と光電インタラプタ44との中間位
置に保持することができ、計測可能な傾斜角度が大きく
なる。前述のように、ヨーク12を一辺の長さ14mm、幅5m
m、厚さ1mmの軟鉄材製とし、また磁石18は断面5mm×5mm
の四角形で長さ9mmとした場合に、可動コイル22を通過
する磁束密度は3KGとなり、傾斜角90度までの計測が可
能となった。また応答速度も高くなる（70Hzに達する）
ため、急速に変化する傾斜角の計測も可能となる。更
に、測定精度も高いものになり、±90゜の範囲内におい
て0.01％（±５分）の精度となる。また、装置は小型化
され、全構成要素は25mm立方のケース内に納められる。

なお、この実施例では、第４及び５図で示したように
磁石18の両側に非磁性金属16及び20を接合して円形のも
のとしたが、第17図に示すように、全体を径方向に着磁
した円柱状の磁石とすることもできる。この場合、部品
点数も減少し、構造も簡易なものとなる。また、第18図
に示すような四角柱状の棒磁石とすることもできる。

（第２実施例）次に本発明によるトルクバランサを用いて角加速度計
を構成した実施例を第19及び20図に示す。可動コイル22
は軸心を垂直向きとした状態で可動可能に支持されてい
る。可動コイル22に設けられた２本のアーム38a及び38b
にそれぞれ円板40a及び40bが設けられている。両円板40
a及び40bは可動コイル22の軸心に関して対称位置に配置
されており、またこれらの重量も等しい。円板40a及び4
0bの重量は付加平衡重量となり、可動部の慣性モーメン
トを増大させる。円板40a及び40b0にそれぞれ小さいす
きまを置いて対面するように光電インタラプタ42a・42b
及び44a・44bが設けられている。その他の基本的な構成
などは前述の第１実施例と同様であるので、第１実施例
と対応する部材には第１実施例と同様の参照符号を付し
てある。また、図示していない差増幅器46などについて
も第１実施例と同様である。

この実施例の場合、フレーム10に旋回角加速度が作用
すると、左右の円板40a及び40bの平衡重量を含み増大し
た可動部の慣性モーメントにより可動コイル22がフレー
ム10に対して相対的に回転しようとするが、この場合に
も第１実施例と同様に可動コイル22にフィードバック電
流が供給され、可動コイル22は第19及び20図に示す平衡
位置に保持される。この結果、作用する角加速度に対応
する指示値が指示器48に示されることになる。

なお、上記２つの実施例では、可動コイル22の偏角を
検出する装置として、可変距離型インタラプタ光電検出
器を用いたが、定ギャップ可変相対変位型光電検出器を
用いることもでき、また高周波ピックアップとアルミ板
との組合せ、２枚のコンデンサー板の組合せなどによる
可変距離型又は定ギャップ可変相対変位型の検出器など
を用いても差し支えない。

（ト）発明の効果以上説明してきたように、本発明によると、棒状又は
略棒状の磁石を用いると共に磁界間隙のコイル回転方向
寸法よりも可動コイルのコイル回転方向寸法を僅小寸法
だけ小さくしたので、コイルに集中磁束が作用し、従来
のものと比較して使用領域における磁束密度が著しく増
大し、この結果、フィードバックトルクが増大すると共
にフィードバック応答性が向上し、計測可能範囲が拡大
されると共に急速な変動に追従して計測を行うことが可
能となる。コイルはゼロ点を中心として極めて小量回動
するだけであり、このための構造が簡略化され、トルク
バランサを大幅に小型化することができる。上記効果は
径方向に磁化した円柱状磁石を用いても同様である。

【図面の簡単な説明】第１図は本発明の第１実施例のトルクバランサの断面図
（第２図のＩ−Ｉ線に沿う断面図）、第２図は第１図の
部分断面側面図、第３図は第１図の平面図、第４図は磁
石の正面図、第５図は磁石の側面図、第６図はヨーク、
磁石及び可動コイルの位置関係を示す図、第７図は第１
実施例のフィードバック制御系を示す図、第８図は磁石
によって形成される磁路を示す図、第９図は円板が光電
インタラプタの中間位置にある状態を示す図、第10図は
円板が一方の光電インタラプタ側に変位した状態を示す
図、第11図は円板が他方の光電インタラプタに変位した
状態を示す図、第12図は光電インタラプタの出力電圧を
示す図、第13図は光電インタラプタの電圧差出力を示す
図、第14図はトルクバランサが傾斜した状態を示す図、
第15図はフィードバック系をブロック線図として示す
図、第16図は円板の可動範囲と可動コイルの位置との関
係を示す図、第17図は円柱状の磁石を示す図、第18図は
角柱状の磁石を示す図、第19図は第２実施例の平断面
図、第20図は第19図の正断面図である。 10……フレーム、12……ヨーク、18……磁石、22……可
動コイル、30,32……スパンボビン、34,36……スパンバ
ンド、38……アーム、40……円板、42、44……光電イン
タラプタ。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献特開昭61−86613（ＪＰ，Ａ) 特開昭54−48290（ＪＰ，Ａ) 特開昭60−235069（ＪＰ，Ａ) 特開昭64−79664（ＪＰ，Ａ) 特開昭62−106312（ＪＰ，Ａ) 特開昭61−118013（ＪＰ，Ａ) 特開昭61−71329（ＪＰ，Ａ) 特公昭59−46340（ＪＰ，Ｂ２)

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】閉磁路の途中に磁界間隙を構成するように
フレームに固定される磁石及びヨークと、磁石及びヨー
クによって構成される磁界間隙内に位置すると共に磁石
の磁極方向に直交する軸を中心として回動可能に支持さ
れる可動コイルと、可動コイルにこれらの回動中心から
所定距離の位置に設けられる重りと、磁石及びヨークに
対する可動コイルの基準位置からの偏角を検出する相対
偏角検出装置と、重りに作用する力によって発生するト
ルクにかかわらず可動コイルが磁石及びヨークに対して
基準位置に保持されるように相対偏角検出装置によって
検出される偏角信号を可動コイルに負帰還させるフィー
ドバック装置とを有するトルクバランサにおいて、磁石は棒状又は略棒状のものであり、磁石の磁極側端面
及びこれに対面するヨークによって構成される磁界間隙
の可動コイル回転方向への寸法は、可動コイルの可動コ
イル回転方向への寸法よりも僅小寸法だけ大きくされて
おり、上記僅小寸法は相対偏角検出装置が検出可能な最
大偏角位置まで可動コイルが回動した状態においても可
動コイルが上記磁界間隙内に位置するように設定されて
いることを特徴とするトルクバランサ。
【請求項２】磁石が径方向に着磁された円柱形状のもの
である請求項１記載のトルクバランサ。