JP2734160B2 - 磁歪式トルクセンサ - Google Patents
磁歪式トルクセンサInfo
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- JP2734160B2 JP2734160B2 JP2025523A JP2552390A JP2734160B2 JP 2734160 B2 JP2734160 B2 JP 2734160B2 JP 2025523 A JP2025523 A JP 2025523A JP 2552390 A JP2552390 A JP 2552390A JP 2734160 B2 JP2734160 B2 JP 2734160B2
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- Japan
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- coil
- magnetostrictive
- torque
- change
- torque sensor
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- Force Measurement Appropriate To Specific Purposes (AREA)
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Description
【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、高感度の磁歪式トルクセンサに関する。
［従来技術］ 磁歪式トルクセンサの一例を第８図に示す。
この磁歪式トルクセンサは、回転軸９表面に被着され
た磁歪膜91、92からそれぞれ径方向に一定間隔離れて励
磁コイル93及び検出コイル94を嵌着している。
た磁歪膜91、92からそれぞれ径方向に一定間隔離れて励
磁コイル93及び検出コイル94を嵌着している。
磁歪膜91、92の形状は回転により互いに逆方向の応力
が作用するように形状磁気異方性が付与されており、正
の磁歪を有する磁性膜では、例えば引張り応力を受ける
磁歪膜91の透磁率は増加し、例えば圧縮応力を受ける磁
歪膜92の透磁率は減少する。したがって、励磁コイル9
3、93に交流電流を通電すれば、励磁コイル93と検出コ
イル94との間の相互インダクタンスが互いに逆方向に変
化するので、両検出コイル94、94の出力電圧差によりト
ルクが検出される。
が作用するように形状磁気異方性が付与されており、正
の磁歪を有する磁性膜では、例えば引張り応力を受ける
磁歪膜91の透磁率は増加し、例えば圧縮応力を受ける磁
歪膜92の透磁率は減少する。したがって、励磁コイル9
3、93に交流電流を通電すれば、励磁コイル93と検出コ
イル94との間の相互インダクタンスが互いに逆方向に変
化するので、両検出コイル94、94の出力電圧差によりト
ルクが検出される。
［発明が解決しようとする課題］ 上記したように、従来の磁歪式トルクセンサでは、回
転軸の応力変化によるインダクタンス変化（もしくは、
インダクタンス変化によるリアクタンス変化を含むイン
ピーダンス変化）によりトルクを検出している。しか
し、応力変化によるインダクタンス変化はそれほど大き
くなく、その結果として、検出感度の向上を図ることが
容易ではないという問題があった。
転軸の応力変化によるインダクタンス変化（もしくは、
インダクタンス変化によるリアクタンス変化を含むイン
ピーダンス変化）によりトルクを検出している。しか
し、応力変化によるインダクタンス変化はそれほど大き
くなく、その結果として、検出感度の向上を図ることが
容易ではないという問題があった。
本発明は上記問題に鑑みなされたものであり、高感度
の磁歪式トルクセンサ用を提供することを解決すべき課
題としている。
の磁歪式トルクセンサ用を提供することを解決すべき課
題としている。
［課題を解決するための手段］ 本発明の磁歪式トルクセンサは、磁歪膜が外周面に形
成された回転軸の外周に非接触に近接配置されて上記磁
歪膜を貫通する磁束を発生させるコイルと、該コイルに
交流電圧を印加する交流電源と、上記コイルに通電され
る交流電流を検出する電流検出部と、上記交流電圧と上
記電流とに基づいて算出した上記コイルの抵抗変化に対
応する物理量に基づいて上記回転軸のトルクを検出する
トルク算出部とを包含している。
成された回転軸の外周に非接触に近接配置されて上記磁
歪膜を貫通する磁束を発生させるコイルと、該コイルに
交流電圧を印加する交流電源と、上記コイルに通電され
る交流電流を検出する電流検出部と、上記交流電圧と上
記電流とに基づいて算出した上記コイルの抵抗変化に対
応する物理量に基づいて上記回転軸のトルクを検出する
トルク算出部とを包含している。
［作用］ 回転軸にトルクが作用し、コイルが磁歪膜を貫通する
交流磁束を発生させると、トルクにより磁歪膜の鉄損
（主としてヒステリシス損）が変化する。この鉄損失変
化は、コイルに印加する交流電圧とコイルに通電される
電流との位相差により検出される。
交流磁束を発生させると、トルクにより磁歪膜の鉄損
（主としてヒステリシス損）が変化する。この鉄損失変
化は、コイルに印加する交流電圧とコイルに通電される
電流との位相差により検出される。
すなわち、本発明の磁歪式トルクセンサでは、コイル
のインピーダンスの内で特に抵抗成分の変化だけでトル
クを検出する。
のインピーダンスの内で特に抵抗成分の変化だけでトル
クを検出する。
［実施例］ 本発明の磁歪式トルクセンサは、第１図に示すよう
に、磁歪膜１が外周面に被着される回転軸２に巻装され
るコイル３と、コイル３に所定周波数の交流電圧Ｖを印
加する交流電源４と、コイル３と直列に接続されコイル
３の電流Ｉを検出する電流変換器（CT、本発明でいう電
流検出部）５と、コイル３の抵抗変化により回転軸のト
ルクを検出するトルク算出部６とを備えている。
に、磁歪膜１が外周面に被着される回転軸２に巻装され
るコイル３と、コイル３に所定周波数の交流電圧Ｖを印
加する交流電源４と、コイル３と直列に接続されコイル
３の電流Ｉを検出する電流変換器（CT、本発明でいう電
流検出部）５と、コイル３の抵抗変化により回転軸のト
ルクを検出するトルク算出部６とを備えている。
トルク算出部６は、電流変換器５から出力されるコイ
ル電流Ixと、交流電圧Ｖとを乗算する乗算器61と、乗算
器61から出力される電圧を全波整流する全波整流器62
と、全波整流器62から出力される整流電圧から搬送波成
分を除去し平均電圧を出力する平均値回路63とからな
る。
ル電流Ixと、交流電圧Ｖとを乗算する乗算器61と、乗算
器61から出力される電圧を全波整流する全波整流器62
と、全波整流器62から出力される整流電圧から搬送波成
分を除去し平均電圧を出力する平均値回路63とからな
る。
回転軸２は直径2cmであり、磁歪膜１は、膜厚が約700
μｍ、幅が40mmに形成され、組成がFe:56wt％、Ni:40wt
％、Cr:4wt％である減圧プラズマ溶射膜からなる。磁歪
膜１は左リード45度に形成され、所定間隙を保って形成
された複数の斜帯膜1aからなり、各斜帯膜1aの幅は5m
m、隣接する二つの斜帯膜1a、1a間の間隙幅は1mmに設定
されている。
μｍ、幅が40mmに形成され、組成がFe:56wt％、Ni:40wt
％、Cr:4wt％である減圧プラズマ溶射膜からなる。磁歪
膜１は左リード45度に形成され、所定間隙を保って形成
された複数の斜帯膜1aからなり、各斜帯膜1aの幅は5m
m、隣接する二つの斜帯膜1a、1a間の間隙幅は1mmに設定
されている。
コイル３は磁歪膜１と小間隔を保って回転軸２に嵌着
された300ターンの樹脂ボビン（図示せず）に巻装され
ている。
された300ターンの樹脂ボビン（図示せず）に巻装され
ている。
なお、この実施例では、交流電源部４の内部抵抗、配
線抵抗及びコイル３の直流抵抗はできるだけ小さく設計
して、無視できるようにしている。その結果、第１図の
回路は、第２図の等価回路に書き直すことができ、コイ
ル３は交流抵抗ＲとリアクタンスｊωＬとの並列接続に
より表すことができる。
線抵抗及びコイル３の直流抵抗はできるだけ小さく設計
して、無視できるようにしている。その結果、第１図の
回路は、第２図の等価回路に書き直すことができ、コイ
ル３は交流抵抗ＲとリアクタンスｊωＬとの並列接続に
より表すことができる。
以下、この磁歪式トルクセンサの動作を説明する。
回転軸２に加わるトルクにより磁歪膜１の透磁率が変
化し、同時にコイル３の鉄損が変化する。この鉄損変化
は主として磁歪膜１のヒステリシス損の変化によるもの
と考えられる。鉄損変化はコイル３の交流抵抗Ｒを変化
させ、磁歪膜１の透磁率変化はコイル３のリアクタンス
ｊωＬを変化させ、これらの変動によりコイル３のイン
ピーダンスが変化すれば、電流Ｉが変化する。
化し、同時にコイル３の鉄損が変化する。この鉄損変化
は主として磁歪膜１のヒステリシス損の変化によるもの
と考えられる。鉄損変化はコイル３の交流抵抗Ｒを変化
させ、磁歪膜１の透磁率変化はコイル３のリアクタンス
ｊωＬを変化させ、これらの変動によりコイル３のイン
ピーダンスが変化すれば、電流Ｉが変化する。
コイル３の鉄損（消費電力）Peは、周波数及び電圧Ｖ
が一定であるので、以下のようになる。
が一定であるので、以下のようになる。
Pe＝Ｖ×Ｉ×cosΘ したがって、交流電圧Ｖと電流値Ｉの実効値を求めれ
ば鉄損Peがわかり、鉄損Peがわかれば、 Pe＝V2/R であるので、 Ｒ＝V2/Peの式から計算することができる。
ば鉄損Peがわかり、鉄損Peがわかれば、 Pe＝V2/R であるので、 Ｒ＝V2/Peの式から計算することができる。
ただし、上述したように鉄損Peと交流抵抗Ｒとは関連
しているので、鉄損Peの変化から直接、トルク変化を検
出することができる。すなわち、交流電圧Ｖと交流の電
流Ｉとを乗算器61でアナログ乗算し、乗算電圧を全波整
流器62で全波整流し、全波整流器62から出力された全波
整流電圧を平均値回路63で平均すれば、上記した鉄損Pe
を算出することができる。
しているので、鉄損Peの変化から直接、トルク変化を検
出することができる。すなわち、交流電圧Ｖと交流の電
流Ｉとを乗算器61でアナログ乗算し、乗算電圧を全波整
流器62で全波整流し、全波整流器62から出力された全波
整流電圧を平均値回路63で平均すれば、上記した鉄損Pe
を算出することができる。
以下、実験結果を、第３図〜第７図に示す。
ただし、交流電圧Ｖは1Vとし、15kg−ｍのトルクを加
えた。この時、電流Ｉは10kHzで4mA、100kHzで60μＡ程
度であった。以下、Ｒはコイルの直流抵抗及び交流抵抗
の両方を含む全抵抗を表し、Ｌはコイルのインダクタン
スを表す。
えた。この時、電流Ｉは10kHzで4mA、100kHzで60μＡ程
度であった。以下、Ｒはコイルの直流抵抗及び交流抵抗
の両方を含む全抵抗を表し、Ｌはコイルのインダクタン
スを表す。
第３図は、回転軸２をステンレス鋼SUS304で製作した
場合における交流電圧Ｖの周波数とＲ、Ｌの変化率を表
す。Ｒの変化率の方がＬの変化率よりも格段に高いこと
がわかる。
場合における交流電圧Ｖの周波数とＲ、Ｌの変化率を表
す。Ｒの変化率の方がＬの変化率よりも格段に高いこと
がわかる。
第４図は、トルクとＲの変化率を表す。ただし、周波
数は10kHzでその他の条件は第３図の場合と同一であ
る。
数は10kHzでその他の条件は第３図の場合と同一であ
る。
第５図は、回転軸２を炭素鋼S45Cで製作した場合にお
ける周波数とＲ、Ｌの変化率を表す。Ｒの変化率の方が
Ｌの変化率よりも高いことがわかる。
ける周波数とＲ、Ｌの変化率を表す。Ｒの変化率の方が
Ｌの変化率よりも高いことがわかる。
磁歪膜１をアモルファス箔に代えた場合におけるイン
ダクタンスＬの変化率を第６図に、抵抗Ｒの変化率を第
７図に示す。ただし、トルクは5kg−ｍとした。アモル
ファス箔の組成はFe81wt％,B17wt％、Si2wt％とし、膜
厚は40μｍとし、形状は上記したものと同一とした。
ダクタンスＬの変化率を第６図に、抵抗Ｒの変化率を第
７図に示す。ただし、トルクは5kg−ｍとした。アモル
ファス箔の組成はFe81wt％,B17wt％、Si2wt％とし、膜
厚は40μｍとし、形状は上記したものと同一とした。
これらの実験結果から、本実施例のトルクセンサは、
高感度となることがわかる。
高感度となることがわかる。
また、ヒステリシスが小さいアモルファス磁歪膜より
も、従来不適当とされていた高ヒステリシス磁歪膜の方
が高感度となることがわかる。
も、従来不適当とされていた高ヒステリシス磁歪膜の方
が高感度となることがわかる。
以上の説明では、磁歪膜１及びコイル３を各一個とし
たが第８図に示す従来例と同様に磁歪膜及びコイルをそ
れぞれ各一対ずつ設け、一方のコイルの交流抵抗の増加
分と一方のコイルの減少分とを加算して、トルクを検出
してもよい。
たが第８図に示す従来例と同様に磁歪膜及びコイルをそ
れぞれ各一対ずつ設け、一方のコイルの交流抵抗の増加
分と一方のコイルの減少分とを加算して、トルクを検出
してもよい。
［発明の効果］ 上記説明したように、本発明の磁歪式トルクセンサで
は、コイルの交流抵抗（若しくはそれに相当する信号）
により回転軸のトルクを検出しているので、磁歪式トル
クセンサの感度を向上することができる。
は、コイルの交流抵抗（若しくはそれに相当する信号）
により回転軸のトルクを検出しているので、磁歪式トル
クセンサの感度を向上することができる。
また、本発明では、低ヒステリシスの磁歪膜を形成す
ることが困難であるPVD法による被着の容易な高ヒステ
リシス磁歪膜を用いることができるので、被着性に劣る
アモルファス磁歪膜を採用せずとも高感度化を達成する
ことができる。
ることが困難であるPVD法による被着の容易な高ヒステ
リシス磁歪膜を用いることができるので、被着性に劣る
アモルファス磁歪膜を採用せずとも高感度化を達成する
ことができる。
第１図はこの実施例の磁歪式トルクセンサのブロック
図、第２図はその等価回路図、第３図〜第７図はこの実
施例の磁歪式トルクセンサの諸特性を示す特性図、第８
図は従来の磁歪式トルクセンサを示す模式図である。 ２……回転軸 １……磁歪膜 ３……コイル ４……交流電源 ５……電流変換器（電流検出部） ６……トルク算出部
図、第２図はその等価回路図、第３図〜第７図はこの実
施例の磁歪式トルクセンサの諸特性を示す特性図、第８
図は従来の磁歪式トルクセンサを示す模式図である。 ２……回転軸 １……磁歪膜 ３……コイル ４……交流電源 ５……電流変換器（電流検出部） ６……トルク算出部
Claims (1)
- 【請求項１】磁歪膜が外周面に形成された回転軸の外周
に非接触に近接配置されて上記磁歪膜を貫通する磁束を
発生させるコイルと、該コイルに交流電圧を印加する交
流電源と、上記コイルに通電される交流電流を検出する
電流検出部と、上記交流電圧と上記電流とに基づいて算
出した上記コイルの抵抗変化に対応する物理量に基づい
て上記回転軸のトルクを検出するトルク算出部とを包含
してなる磁歪式トルクセンサ。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2025523A JP2734160B2 (ja) | 1990-02-05 | 1990-02-05 | 磁歪式トルクセンサ |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2025523A JP2734160B2 (ja) | 1990-02-05 | 1990-02-05 | 磁歪式トルクセンサ |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH03229121A JPH03229121A (ja) | 1991-10-11 |
| JP2734160B2 true JP2734160B2 (ja) | 1998-03-30 |
Family
ID=12168420
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2025523A Expired - Fee Related JP2734160B2 (ja) | 1990-02-05 | 1990-02-05 | 磁歪式トルクセンサ |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2734160B2 (ja) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH11132878A (ja) * | 1997-08-29 | 1999-05-21 | Toyota Autom Loom Works Ltd | トルクセンサ |
Family Cites Families (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS58140655A (ja) * | 1982-02-17 | 1983-08-20 | Shibaura Eng Works Co Ltd | 鉄損測定方法及びその方法を利用した応力測定装置 |
| DE3437379A1 (de) * | 1983-10-12 | 1985-04-25 | Bently Nevada Corp., Minden, Nev. | Vorrichtung zum messen der auf eine welle ausgeuebten dreh- oder biegekraft |
-
1990
- 1990-02-05 JP JP2025523A patent/JP2734160B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH03229121A (ja) | 1991-10-11 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |