JP3166938B2 - 磁歪式歪センサ - Google Patents
磁歪式歪センサInfo
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- JP3166938B2 JP3166938B2 JP18458592A JP18458592A JP3166938B2 JP 3166938 B2 JP3166938 B2 JP 3166938B2 JP 18458592 A JP18458592 A JP 18458592A JP 18458592 A JP18458592 A JP 18458592A JP 3166938 B2 JP3166938 B2 JP 3166938B2
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- coil
- magnetic film
- magnetic
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- Measuring Magnetic Variables (AREA)
- Measurement Of Length, Angles, Or The Like Using Electric Or Magnetic Means (AREA)
- Transmission And Conversion Of Sensor Element Output (AREA)
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、回転軸や固定軸にかか
るトルクや歪みを検出する歪みセンサに関する。
るトルクや歪みを検出する歪みセンサに関する。
【０００２】
【従来の技術】従来、自動車、ロボット、マニピュレー
タ、工作機械等の回転駆動系の力制御を行う場合に使用
するトルクセンサとして、小型化、非接触化の目的で、
回転軸の歪からトルクを計測する磁歪式トルクセンサが
提案されている。この方式は、回転軸の表面に磁歪を有
する複数条の帯状の磁性材料である磁歪膜を螺旋状に付
着させ、回転軸にトルクが加えられたときに変化する磁
歪膜の磁気特性をインピーダンスの変化として検出コイ
ルや磁気ヘッドにより非接触でトルクを検出している。
この磁歪膜は、アモルファス箔を接着剤で張り付ける方
法、スパッタ法、メッキ法などにより回転軸の表面に形
成され、一般にトルクの印加方向も検出できるように、
帯状にして、長手方向に磁気異方性をもたせている（例
えば、特開昭６１- １９５３２３号公報）。一方、回転
体でない場合は金属歪みゲージで歪みを検出する方法が
とられている。
タ、工作機械等の回転駆動系の力制御を行う場合に使用
するトルクセンサとして、小型化、非接触化の目的で、
回転軸の歪からトルクを計測する磁歪式トルクセンサが
提案されている。この方式は、回転軸の表面に磁歪を有
する複数条の帯状の磁性材料である磁歪膜を螺旋状に付
着させ、回転軸にトルクが加えられたときに変化する磁
歪膜の磁気特性をインピーダンスの変化として検出コイ
ルや磁気ヘッドにより非接触でトルクを検出している。
この磁歪膜は、アモルファス箔を接着剤で張り付ける方
法、スパッタ法、メッキ法などにより回転軸の表面に形
成され、一般にトルクの印加方向も検出できるように、
帯状にして、長手方向に磁気異方性をもたせている（例
えば、特開昭６１- １９５３２３号公報）。一方、回転
体でない場合は金属歪みゲージで歪みを検出する方法が
とられている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】ところが、回転軸に磁
歪膜を形成した磁歪式トルクセンサの場合、トルク出力
特性の温度ドリフトが大きいため、使用可能温度範囲が
狭く、モータ内部に組み込めないという問題があった。
従って、モータを組み込んだアクチュエータの小型化は
不可能であった。一方、固定軸の歪みを検出する金属歪
みゲージの場合は、温度ドリフトを小さくするために歪
みゲージの熱膨張係数を固定軸と合わせる工夫やダミー
ゲージの使用が行われていたが、完全ではなく、また、
作製に熟練が必要となるため、コスト高になる問題があ
った。本発明は、温度ドリフトが小さく、使用温度範囲
の広い磁歪式歪センサを提供することを目的としたもの
である。
歪膜を形成した磁歪式トルクセンサの場合、トルク出力
特性の温度ドリフトが大きいため、使用可能温度範囲が
狭く、モータ内部に組み込めないという問題があった。
従って、モータを組み込んだアクチュエータの小型化は
不可能であった。一方、固定軸の歪みを検出する金属歪
みゲージの場合は、温度ドリフトを小さくするために歪
みゲージの熱膨張係数を固定軸と合わせる工夫やダミー
ゲージの使用が行われていたが、完全ではなく、また、
作製に熟練が必要となるため、コスト高になる問題があ
った。本発明は、温度ドリフトが小さく、使用温度範囲
の広い磁歪式歪センサを提供することを目的としたもの
である。
【０００４】
【課題を解決するための手段】上記の問題を解決するた
め、本発明は、力伝達部材の表面に逆磁歪効果を有する
磁性膜を形成し、その周囲にコイルを配置した構成と
し、前記力伝達部材の表面に発生する歪みに基づく前記
磁性膜の透磁率の変化をコイルのインピーダンス変化と
してとらえ、かつ、温度変化によるインピーダンス変化
を補正する補正手段を設け、前記力伝達部材の表面に発
生した歪みを検出する歪みセンサであって、前記補正手
段は、前記磁性膜に基づくインピーダンス変化分として
前記磁性膜の断面積および前記磁性膜の磁気回路長ｂの
少なくとも一方を調整した値と、前記コイルの抵抗に基
づくインピーダンス変化分としてコイル長ｃおよびコイ
ル断面積ａの少なくとも一方を調整した値とを同じ値に
設定した構成にしている。また、前記磁性膜の断面積を
前記磁性膜の膜厚および膜幅の少なくとも一方にて設定
してもよい。
め、本発明は、力伝達部材の表面に逆磁歪効果を有する
磁性膜を形成し、その周囲にコイルを配置した構成と
し、前記力伝達部材の表面に発生する歪みに基づく前記
磁性膜の透磁率の変化をコイルのインピーダンス変化と
してとらえ、かつ、温度変化によるインピーダンス変化
を補正する補正手段を設け、前記力伝達部材の表面に発
生した歪みを検出する歪みセンサであって、前記補正手
段は、前記磁性膜に基づくインピーダンス変化分として
前記磁性膜の断面積および前記磁性膜の磁気回路長ｂの
少なくとも一方を調整した値と、前記コイルの抵抗に基
づくインピーダンス変化分としてコイル長ｃおよびコイ
ル断面積ａの少なくとも一方を調整した値とを同じ値に
設定した構成にしている。また、前記磁性膜の断面積を
前記磁性膜の膜厚および膜幅の少なくとも一方にて設定
してもよい。
【０００５】
【作用】温度ドリフトは一定歪みのもとで温度が変わる
と検出回路のインピーダンスが変わることにより生じ
る。歪みを受ける軸上に磁歪膜を形成した構成の場合、
軸と磁歪膜の熱膨張係数が異なるため、温度変化で磁歪
膜に歪みが発生する。磁歪定数が正の磁歪膜の場合、温
度上昇により引張り応力がかかると膜の磁気特性（透磁
率μ）は低下する。透磁率μが低下すると自己インダク
タンスＬは（１）式に基づいて低下するので、結果とし
てインピーダンスは低下する。 Ｌ＝μＳ／ｂ （１） ただし、Ｓは磁性体の断面積、ｂは磁気回路長である。
一方、温度上昇により、コイルの抵抗Ｒは（２）式およ
び（３）式により増加するので、コイルのインピーダン
スは増加する。 Ｒ＝ρｃ／Ａ×（１＋αｔ）＝Ｒ0 （１＋αｔ） （２） ΔＲ＝Ｒ0 αｔ （３） ただし、ΔＲはコイルの抵抗増加分、Ｒ0 は初期抵抗、
ρは体積固有抵抗率、αは抵抗温度係数、ｔは上昇温
度、ｃはコイル長、Ａはコイル断面積である。したがっ
て、温度ドリフトに関連する二つの項は互いに反対のイ
ンピーダンス変化を示すことになる。つまり、二つの項
に関連する因子、とくに磁性体の断面積Ａ、コイルの抵
抗Ｒ（ｃ、Ａ）を調整すれば温度ドリフトをなくすこと
ができる。
と検出回路のインピーダンスが変わることにより生じ
る。歪みを受ける軸上に磁歪膜を形成した構成の場合、
軸と磁歪膜の熱膨張係数が異なるため、温度変化で磁歪
膜に歪みが発生する。磁歪定数が正の磁歪膜の場合、温
度上昇により引張り応力がかかると膜の磁気特性（透磁
率μ）は低下する。透磁率μが低下すると自己インダク
タンスＬは（１）式に基づいて低下するので、結果とし
てインピーダンスは低下する。 Ｌ＝μＳ／ｂ （１） ただし、Ｓは磁性体の断面積、ｂは磁気回路長である。
一方、温度上昇により、コイルの抵抗Ｒは（２）式およ
び（３）式により増加するので、コイルのインピーダン
スは増加する。 Ｒ＝ρｃ／Ａ×（１＋αｔ）＝Ｒ0 （１＋αｔ） （２） ΔＲ＝Ｒ0 αｔ （３） ただし、ΔＲはコイルの抵抗増加分、Ｒ0 は初期抵抗、
ρは体積固有抵抗率、αは抵抗温度係数、ｔは上昇温
度、ｃはコイル長、Ａはコイル断面積である。したがっ
て、温度ドリフトに関連する二つの項は互いに反対のイ
ンピーダンス変化を示すことになる。つまり、二つの項
に関連する因子、とくに磁性体の断面積Ａ、コイルの抵
抗Ｒ（ｃ、Ａ）を調整すれば温度ドリフトをなくすこと
ができる。
【０００６】
【実施例】以下、本発明の実施例を図に基づいて説明す
る。図１〜図３は本発明の実施例を示す要部側面図で、
磁性膜を３種類の形状イ〜ハに形成したものである。図
において１は軸、２は磁歪膜、３は励磁および検出用の
コイルである。軸１の外周表面に磁歪膜２をイ〜ハの形
状で５μm の厚さに形成したもので、それぞれの試料の
まわりに直径７０μm のコイルを種々の巻数で巻いて、
試料温度を−１５から１２０°Ｃに変化させて、温度ド
リフトを測定した。結果を図４に示す。この図から、い
ずれの形状の磁性膜の場合もコイルの巻数を変化させて
ゆけば、磁歪膜の材質、膜作製法によらず温度ドリフト
が零になる条件が存在することが分かる。すなわち、磁
性膜のインピーダンスとコイルのインピーダンスとを合
わせればよい。なお、本実施例は力伝達部材の断面形状
が円形のものについておこなったが、磁性膜のインピー
ダンスが検出できるものであれば、多角形等どんな形状
のものでもよい。
る。図１〜図３は本発明の実施例を示す要部側面図で、
磁性膜を３種類の形状イ〜ハに形成したものである。図
において１は軸、２は磁歪膜、３は励磁および検出用の
コイルである。軸１の外周表面に磁歪膜２をイ〜ハの形
状で５μm の厚さに形成したもので、それぞれの試料の
まわりに直径７０μm のコイルを種々の巻数で巻いて、
試料温度を−１５から１２０°Ｃに変化させて、温度ド
リフトを測定した。結果を図４に示す。この図から、い
ずれの形状の磁性膜の場合もコイルの巻数を変化させて
ゆけば、磁歪膜の材質、膜作製法によらず温度ドリフト
が零になる条件が存在することが分かる。すなわち、磁
性膜のインピーダンスとコイルのインピーダンスとを合
わせればよい。なお、本実施例は力伝達部材の断面形状
が円形のものについておこなったが、磁性膜のインピー
ダンスが検出できるものであれば、多角形等どんな形状
のものでもよい。
【０００７】
【発明の効果】以上述べたように、本発明によれば、磁
歪膜に応じて、コイルの抵抗値を調整するだけで温度ド
リフトを抑制できるので、使用温度範囲の広い、たとえ
ば、温度が上昇するアクチュエータ等に適用できる磁歪
式歪センサを提供でき、その小型化に貢献できるという
効果がある。とくに、回転軸の材質に影響されなく、温
度ドリフトを小さくできる点は本発明の歪みセンサの適
用分野を広げる効果がある。
歪膜に応じて、コイルの抵抗値を調整するだけで温度ド
リフトを抑制できるので、使用温度範囲の広い、たとえ
ば、温度が上昇するアクチュエータ等に適用できる磁歪
式歪センサを提供でき、その小型化に貢献できるという
効果がある。とくに、回転軸の材質に影響されなく、温
度ドリフトを小さくできる点は本発明の歪みセンサの適
用分野を広げる効果がある。
【図１】本発明の実施例を示す磁性膜形状イの要部側面
図
図
【図２】本発明の実施例を示す磁性膜形状ロの要部側面
図
図
【図３】本発明の実施例を示す磁性膜形状ハの要部側面
図
図
【図４】コイル巻線回数に対する温度ドリフトの関係を
示す図
示す図
【符号の説明】 １ 軸 ２ 磁歪膜 ３ コイル
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) G01L 1/12 G01L 3/10
Claims (2)
- 【請求項１】 力伝達部材の表面に逆磁歪効果を有する
磁性膜を形成し、その周囲にコイルを配置した構成と
し、前記力伝達部材の表面に発生する歪みに基づく前記
磁性膜の透磁率の変化をコイルのインピーダンス変化と
してとらえ、かつ、温度変化によるインピーダンス変化
を補正する補正手段を設け、前記力伝達部材の表面に発
生した歪みを検出する歪みセンサであって、前記補正手段は、 前記磁性膜に基づくインピーダンス変
化分として前記磁性膜の断面積および前記磁性膜の磁気
回路長ｂの少なくとも一方を調整した値と、前記コイル
の抵抗に基づくインピーダンス変化分としてコイル長ｃ
およびコイル断面積ａの少なくとも一方を調整した値と
を同じ値に設定したことを特徴とする磁歪式歪センサ。 - 【請求項２】 前記磁性膜の断面積を前記磁性膜の膜厚
および膜幅の少なくとも一方にて設定したことを特徴と
する請求項１記載の磁歪式歪センサ。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP18458592A JP3166938B2 (ja) | 1992-06-17 | 1992-06-17 | 磁歪式歪センサ |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP18458592A JP3166938B2 (ja) | 1992-06-17 | 1992-06-17 | 磁歪式歪センサ |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH063205A JPH063205A (ja) | 1994-01-11 |
| JP3166938B2 true JP3166938B2 (ja) | 2001-05-14 |
Family
ID=16155786
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP18458592A Expired - Fee Related JP3166938B2 (ja) | 1992-06-17 | 1992-06-17 | 磁歪式歪センサ |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3166938B2 (ja) |
-
1992
- 1992-06-17 JP JP18458592A patent/JP3166938B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH063205A (ja) | 1994-01-11 |
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Legal Events
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Free format text: PAYMENT UNTIL: 20090309 Year of fee payment: 8 |
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