JP4208206B2 - 磁歪式トルクセンサ及びトルク検出方法 - Google Patents
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Description
また、前記第一方向透磁率検出手段及び前記第二方向透磁率検出手段は、前記共振回路に対して所定数の駆動信号を出力すると共に、駆動信号出力停止後に前記共振回路から減衰状に出力される自由振動波の数をカウントし、該カウント数が所定数に達したか否かを判断する自由振動波カウント処理を行い、該自由振動波カウント処理に要した時間測定にもとづいて自由振動波の位相ズレ成分を検出することを特徴とする。このような磁歪式トルクセンサによれば、自由振動波の位相ズレ成分を安価なデジタル回路を用いて測定することができる。しかも、トルク検出の分解能は、時間測定用のカウンタ速度により決まり、共振回路の基準共振周波数に依存しないので、検出対象に応じて共振回路の基準共振周波数を最適化しつつ、高分解能のトルク検出を行うことができる。
また、前記第一方向透磁率検出手段及び前記第二方向透磁率検出手段は、前記自由振動波カウント処理における自由振動波のカウント数が所定数に達したタイミングを基準として、前記自由振動波カウント処理を所定回数だけ繰り返すことにより、自由振動波の位相ズレ成分を増幅させることを特徴とする。このような磁歪式トルクセンサによれば、回路構成を複雑にすることなく、自由振動波カウント処理の繰り返し回数を増やすだけで、自由振動波の位相ズレ成分を任意に増幅させることができるので、磁歪式トルクセンサの検出精度を飛躍的に向上させることができる。
また、一回の検出処理における前記自由振動波カウント処理の繰り返し回数、及び/又は、一回の自由振動波カウント処理における自由振動波のカウント数を変更する手段を備えることを特徴とする。このような磁歪式トルクセンサによれば、使用条件に応じて自由振動波カウント数や繰り返し回数を変更し、トルク検出の検出精度や応答性能を調整することができる。
また、前記第一検出コイル及び前記第二検出コイルは、軸表面における検出領域及び/又は検出方向を限定するために、軸表面との間で閉磁路を構成することを特徴とする。このような磁歪式トルクセンサによれば、軸表面における検出領域や検出方向を限定し、トルクの検出精度をさらに向上させることができる。つまり、本発明の磁歪式トルクセンサでは、トルクに応じた自由振動波の位相ズレを、自由振動波の数だけ蓄積して検出するので、自由振動波の位相ズレに含まれる誤差成分も蓄積されてしまうことになるが、軸表面における検出領域や検出方向を限定することにより、SN比を高めることができるので、蓄積される誤差成分を抑制し、検出精度を向上させることができる。また、検出コイル側で検出方向を限定することができるので、軸表面に、溝、スリット、薄膜などで縞模様を加工する必要がない。その結果、これらの加工が許容されない回転軸や静止軸であっても、本発明によるトルク検出の適用が可能となる。
また、前記第一検出コイル及び前記第二検出コイルは、高透磁率材料を用いて形成され、軸表面との間で閉磁路を構成するコアと、該コアに巻装されるコイルとを備えることを特徴とする。このような磁歪式トルクセンサによれば、閉磁路に生じる磁束密度を高めて、軸表面の透磁率変化を高精度に検出することができる。
また、前記第一共振回路は、直列又は並列に接続された複数の前記第一検出コイルを備え、前記第二共振回路は、直列又は並列に接続された複数の前記第二検出コイルを備えることを特徴とする。このような磁歪式トルクセンサによれば、第一検出コイル及び第二検出コイルを、それぞれ複数設けることにより、軸表面に存在する温度や材質のばらつき、さらには、検出コイルと軸表面との間のギャップ変動などを平均化することができるので、これらの誤差要因による検出精度の低下を回避できる。
また、複数の前記第一検出コイルと複数の前記第二検出コイルは、回転軸及び/又は静止軸の同一円周上に並び、かつ、前記第一検出コイルの検出領域と前記第二検出コイルの検出領域とが交互になるように配置されることを特徴とする。このような磁歪式トルクセンサによれば、軸表面の円周方向に存在する温度や材質のばらつき、さらには、検出コイルと軸表面との間のギャップ変動などを平均化することができるので、これらの誤差要因による検出精度の低下を回避できる。また、第一検出コイルの検出領域と第二検出コイルの検出領域とが交互になるようにしたので、第一検出コイルの検出領域と第二検出コイルの検出領域とのズレに起因する誤差の発生を抑制できるだけでなく、この誤差を軸の回転にもとづいて排除することができる。
また、複数の前記第一検出コイルと複数の前記第二検出コイルは、回転軸及び/又は静止軸の同一円周上に並び、かつ、前記第一検出コイルの検出領域と前記第二検出コイルの検出領域とが重なるように配置されることを特徴とする。このような磁歪式トルクセンサによれば、軸表面の円周方向に存在する温度や材質のばらつき、さらには、検出コイルと軸表面との間のギャップ変動などを平均化することができるので、これらの誤差要因による検出精度の低下を回避できる。また、第一検出コイルの検出領域と第二検出コイルの検出領域とが重なるようにしたので、第一検出コイルの検出領域と第二検出コイルの検出領域とのズレに起因する誤差の発生を防止することができる。
また、前記第一共振回路と前記第二共振回路は、相互干渉を避けるために、交互に駆動されることを特徴とする。このような磁歪式トルクセンサによれば、相互干渉による検出精度の低下を回避することができる。しかも、第一検出コイルの検出領域と第二検出コイルの検出領域を、相互干渉を考慮することなく、任意に設定することができるので、使用条件に応じた検出領域の最適化が容易となる。
また、前記軸表面は、メッキ法により成膜された磁歪膜であることを特徴とする。このような磁歪式トルクセンサによれば、トルクに応じた磁歪膜における磁歪の逆効果にもとづいて、トルクを高精度に検出できるだけでなく、トルク検出におけるヒステリシスを抑えることができる。しかも、本発明の磁歪式トルクセンサでは、メッキ法により成膜された磁歪膜(例えば、ニッケルメッキ)であっても、十分な検出精度が得られるので、接着法、スパッタ法、真空蒸着法などでアモルファスなどの磁歪膜を形成する場合に比べ、大幅なコストダウンが図れるだけでなく、ニッケルメッキなどが施された既存の部材(樹脂を含む)を対象として、高精度なトルク検出を行うことができる。
また、本発明のトルク検出方法は、軸表面に生じる磁歪の逆効果を利用して回転軸及び/又は静止軸のトルクを検出するトルク検出方法であって、前記軸表面において第一方向の透磁率変化を検出すべく配置される第一検出コイルと、前記軸表面において第二方向の透磁率変化を検出すべく配置される第二検出コイルと、前記第一検出コイルに対して直列又は並列に接続される第一コンデンサと、前記第二検出コイルに対して直列又は並列に接続される第二コンデンサとが用いられ、前記第一検出コイル及び前記第一コンデンサからなる第一共振回路に対して駆動信号を出力し、該駆動信号の出力停止後に前記第一共振回路から減衰状に出力される自由振動波の位相ズレ成分にもとづいて、前記第一方向の透磁率変化を検出し、前記第二検出コイル及び前記第二コンデンサからなる第二共振回路に対して駆動信号を出力し、該駆動信号の出力停止後に前記第二共振回路から減衰状に出力される自由振動波の位相ズレ成分にもとづいて、前記第二方向の透磁率変化を検出し、前記第一方向の透磁率と前記第二方向の透磁率との差分にもとづいて、前記回転軸及び/又は静止軸のトルクを検出することを特徴とする。このようなトルク検出方法によれば、トルク検出精度を向上させることができる。つまり、上記のように構成された第一共振回路や第二共振回路から減衰状に出力される自由振動波においては、軸表面の透磁率変化が位相ズレとなって明確に現れ、しかも、自由振動波における位相ズレは、振動波の数だけ蓄積されるので、第一方向及び第二方向の透磁率変化を高精度に検出し、その差分から回転軸や静止軸のトルクを高精度に検出することが可能になる。
また、前記共振回路に対して所定数の駆動信号を出力すると共に、駆動信号出力停止後に前記共振回路から減衰状に出力される自由振動波の数をカウントし、該カウント数が所定数に達したか否かを判断する自由振動波カウント処理を行い、該自由振動波カウント処理に要した時間測定にもとづいて自由振動波の位相ズレ成分を検出することを特徴とする。このようなトルク検出方法によれば、自由振動波の位相ズレ成分を安価なデジタル回路を用いて測定することができる。しかも、トルク検出の分解能は、時間測定用のカウンタ速度により決まり、共振回路の基準共振周波数に依存しないので、検出対象に応じて共振回路の基準共振周波数を最適化しつつ、高分解能のトルク検出を行うことができる。
また、前記自由振動波カウント処理における自由振動波のカウント数が所定数に達したタイミングを基準として、前記自由振動波カウント処理を所定回数だけ繰り返すことにより、自由振動波の位相ズレ成分を増幅させることを特徴とする。このようなトルク検出方法によれば、回路構成を複雑にすることなく、自由振動波カウント処理の繰り返し回数を増やすだけで、自由振動波の位相ズレ成分を任意に増幅させることができるので、トルクの検出精度を飛躍的に向上させることができる。
また、一回の検出処理における前記自由振動波カウント処理の繰り返し回数、及び/又は、一回の自由振動波カウント処理における自由振動波のカウント数を変更することを特徴とする。このようなトルク検出方法によれば、使用条件に応じて自由振動波カウント数や繰り返し回数を変更し、トルク検出の検出精度や応答性能を調整することができる。
また、前記第一検出コイル及び前記第二検出コイルは、軸表面における検出領域及び/又は検出方向を限定するために、軸表面との間で閉磁路を構成することを特徴とする。このようなトルク検出方法によれば、軸表面における検出領域や検出方向を限定し、トルクの検出精度をさらに向上させることができる。つまり、本発明のトルク検出方法では、トルクに応じた自由振動波の位相ズレを、自由振動波の数だけ蓄積して検出するので、自由振動波の位相ズレに含まれる誤差成分も蓄積されてしまうことになるが、軸表面における検出領域や検出方向を限定することにより、SN比を高めることができるので、蓄積される誤差成分を抑制し、検出精度を向上させることができる。また、検出コイル側で検出方向を限定することができるので、軸表面に、溝、スリット、薄膜などで縞模様を加工する必要がない。その結果、これらの加工が許容されない回転軸や静止軸であっても、本発明によるトルク検出の適用が可能となる。
また、前記第一検出コイル及び前記第二検出コイルは、高透磁率材料を用いて形成され、軸表面との間で閉磁路を構成するコアと、該コアに巻装されるコイルとを備えることを特徴とする。このようなトルク検出方法によれば、閉磁路に生じる磁束密度を高めて、軸表面の透磁率変化を高精度に検出することができる。
また、前記第一共振回路は、直列又は並列に接続された複数の前記第一検出コイルを備え、前記第二共振回路は、直列又は並列に接続された複数の前記第二検出コイルを備えることを特徴とする。このようなトルク検出方法によれば、第一検出コイル及び第二検出コイルを、それぞれ複数設けることにより、軸表面に存在する温度や材質のばらつき、さらには、検出コイルと軸表面との間のギャップ変動などを平均化することができるので、これらの誤差要因による検出精度の低下を回避できる。
また、複数の前記第一検出コイルと複数の前記第二検出コイルは、回転軸及び/又は静止軸の同一円周上に並び、かつ、前記第一検出コイルの検出領域と前記第二検出コイルの検出領域とが交互になるように配置されることを特徴とする。このようなトルク検出方法によれば、軸表面の円周方向に存在する温度や材質のばらつき、さらには、検出コイルと軸表面との間のギャップ変動などを平均化することができるので、これらの誤差要因による検出精度の低下を回避できる。また、第一検出コイルの検出領域と第二検出コイルの検出領域とが交互になるようにしたので、第一検出コイルの検出領域と第二検出コイルの検出領域とのズレに起因する誤差の発生を抑制できるだけでなく、この誤差を軸の回転にもとづいて排除することができる。
また、複数の前記第一検出コイルと複数の前記第二検出コイルは、回転軸及び/又は静止軸の同一円周上に並び、かつ、前記第一検出コイルの検出領域と前記第二検出コイルの検出領域とが重なるように配置されることを特徴とする。このようなトルク検出方法によれば、軸表面の円周方向に存在する温度や材質のばらつき、さらには、検出コイルと軸表面との間のギャップ変動などを平均化することができるので、これらの誤差要因による検出精度の低下を回避できる。また、第一検出コイルの検出領域と第二検出コイルの検出領域とが重なるようにしたので、第一検出コイルの検出領域と第二検出コイルの検出領域とのズレに起因する誤差の発生を防止することができる。
また、前記第一共振回路と前記第二共振回路は、相互干渉を避けるために、交互に駆動されることを特徴とする。このようなトルク検出方法によれば、相互干渉による検出精度の低下を回避することができる。しかも、第一検出コイルの検出領域と第二検出コイルの検出領域を、相互干渉を考慮することなく、任意に設定することができるので、使用条件に応じた検出領域の最適化が容易となる。
また、前記軸表面は、メッキ法により成膜された磁歪膜であることを特徴とする。このようなトルク検出方法によれば、トルクに応じた磁歪膜における磁歪の逆効果にもとづいて、トルクを高精度に検出できるだけでなく、トルク検出におけるヒステリシスを抑えることができる。しかも、本発明のトルク検出方法では、メッキ法により成膜された磁歪膜(例えば、ニッケルメッキ)であっても、十分な検出精度が得られるので、接着法、スパッタ法、真空蒸着法などでアモルファスなどの磁歪膜を形成する場合に比べ、大幅なコストダウンが図れるだけでなく、ニッケルメッキなどが施された既存の部材(樹脂を含む)を対象として、高精度なトルク検出を行うことができる。
2 第一共振回路
3 第二共振回路
4 検出回路
L1 第一検出コイル
L2 第二検出コイル
C1 第一コンデンサ
C2 第二コンデンサ
S 回転軸
図1は、本発明の第一実施形態に係る磁歪式トルクセンサの構成を示すブロック図である。この図に示される磁歪式トルクセンサ1は、軸表面に生じる磁歪の逆効果を利用して回転軸S(又は静止軸)のトルクを検出するものであり、第一共振回路2、第二共振回路3及び検出回路4を備えて構成されている。第一共振回路2は、軸表面において第一方向(例えば、+45°方向)の透磁率変化を検出すべく配置される第一検出コイルL1に、第一コンデンサC1を直列又は並列に接続して構成され、検出回路4から出力される駆動信号により駆動される。第二共振回路3は、軸表面において第二方向(例えば、−45°方向)の透磁率変化を検出すべく配置される第二検出コイルL2に、第二コンデンサC2を直列又は並列に接続して構成され、検出回路4から出力される駆動信号により駆動される。
ちなみに、共振回路2、3を強制振動させる共振周波数fは、以下に示す式で求めることができる。
つぎに、本発明の第二実施形態に係る磁歪式トルクセンサ11について、図17〜図19を参照して説明する。ただし、第一実施形態と共通の部分については、第一実施形態と同一符号を付し、第一実施形態の説明を援用する。
Claims (22)
- 軸表面に生じる磁歪の逆効果を利用して回転軸及び/又は静止軸のトルクを検出する磁歪式トルクセンサであって、
前記軸表面において第一方向の透磁率変化を検出すべく配置される第一検出コイルと、
前記軸表面において第二方向の透磁率変化を検出すべく配置される第二検出コイルと、
前記第一検出コイルに対して直列又は並列に接続される第一コンデンサと、
前記第二検出コイルに対して直列又は並列に接続される第二コンデンサと、
前記第一検出コイル及び前記第一コンデンサからなる第一共振回路に対して駆動信号を出力し、該駆動信号の出力停止後に前記第一共振回路から減衰状に出力される自由振動波の位相ズレ成分にもとづいて、前記第一方向の透磁率変化を検出する第一方向透磁率検出手段と、
前記第二検出コイル及び前記第二コンデンサからなる第二共振回路に対して駆動信号を出力し、該駆動信号の出力停止後に前記第二共振回路から減衰状に出力される自由振動波の位相ズレ成分にもとづいて、前記第二方向の透磁率変化を検出する第二方向透磁率検出手段と、
前記第一方向の透磁率と前記第二方向の透磁率との差分にもとづいて、前記回転軸及び/又は静止軸のトルクを検出するトルク検出手段と
を備えることを特徴とする磁歪式トルクセンサ。 - 前記第一方向透磁率検出手段及び前記第二方向透磁率検出手段は、前記共振回路に対して所定数の駆動信号を出力すると共に、駆動信号出力停止後に前記共振回路から減衰状に出力される自由振動波の数をカウントし、該カウント数が所定数に達したか否かを判断する自由振動波カウント処理を行い、該自由振動波カウント処理に要した時間測定にもとづいて自由振動波の位相ズレ成分を検出することを特徴とする請求項1記載の磁歪式トルクセンサ。
- 前記第一方向透磁率検出手段及び前記第二方向透磁率検出手段は、前記自由振動波カウント処理における自由振動波のカウント数が所定数に達したタイミングを基準として、前記自由振動波カウント処理を所定回数だけ繰り返すことにより、自由振動波の位相ズレ成分を増幅させることを特徴とする請求項2記載の磁歪式トルクセンサ。
- 一回の検出処理における前記自由振動波カウント処理の繰り返し回数、及び/又は、一回の自由振動波カウント処理における自由振動波のカウント数を変更する手段を備えることを特徴とする請求項2又は3記載の磁歪式トルクセンサ。
- 前記第一検出コイル及び前記第二検出コイルは、軸表面における検出領域及び/又は検出方向を限定するために、軸表面との間で閉磁路を構成することを特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載の磁歪式トルクセンサ。
- 前記第一検出コイル及び前記第二検出コイルは、高透磁率材料を用いて形成され、軸表面との間で閉磁路を構成するコアと、該コアに巻装されるコイルとを備えることを特徴とする請求項5記載の磁歪式トルクセンサ。
- 前記第一共振回路は、直列又は並列に接続された複数の前記第一検出コイルを備え、前記第二共振回路は、直列又は並列に接続された複数の前記第二検出コイルを備えることを特徴とする請求項1〜6のいずれかに記載の磁歪式トルクセンサ。
- 複数の前記第一検出コイルと複数の前記第二検出コイルは、回転軸及び/又は静止軸の同一円周上に並び、かつ、前記第一検出コイルの検出領域と前記第二検出コイルの検出領域とが交互になるように配置されることを特徴とする請求項7記載の磁歪式トルクセンサ。
- 複数の前記第一検出コイルと複数の前記第二検出コイルは、回転軸及び/又は静止軸の同一円周上に並び、かつ、前記第一検出コイルの検出領域と前記第二検出コイルの検出領域とが重なるように配置されることを特徴とする請求項7記載の磁歪式トルクセンサ。
- 前記第一共振回路と前記第二共振回路は、相互干渉を避けるために、交互に駆動されることを特徴とする請求項1〜9のいずれかに記載の磁歪式トルクセンサ。
- 前記軸表面は、メッキ法により成膜された磁歪膜であることを特徴とする請求項1〜10のいずれかに記載の磁歪式トルクセンサ。
- 軸表面に生じる磁歪の逆効果を利用して回転軸及び/又は静止軸のトルクを検出するトルク検出方法であって、
前記軸表面において第一方向の透磁率変化を検出すべく配置される第一検出コイルと、
前記軸表面において第二方向の透磁率変化を検出すべく配置される第二検出コイルと、
前記第一検出コイルに対して直列又は並列に接続される第一コンデンサと、
前記第二検出コイルに対して直列又は並列に接続される第二コンデンサとが用いられ、
前記第一検出コイル及び前記第一コンデンサからなる第一共振回路に対して駆動信号を出力し、該駆動信号の出力停止後に前記第一共振回路から減衰状に出力される自由振動波の位相ズレ成分にもとづいて、前記第一方向の透磁率変化を検出し、
前記第二検出コイル及び前記第二コンデンサからなる第二共振回路に対して駆動信号を出力し、該駆動信号の出力停止後に前記第二共振回路から減衰状に出力される自由振動波の位相ズレ成分にもとづいて、前記第二方向の透磁率変化を検出し、
前記第一方向の透磁率と前記第二方向の透磁率との差分にもとづいて、前記回転軸及び/又は静止軸のトルクを検出する
ことを特徴とするトルク検出方法。 - 前記共振回路に対して所定数の駆動信号を出力すると共に、駆動信号出力停止後に前記共振回路から減衰状に出力される自由振動波の数をカウントし、該カウント数が所定数に達したか否かを判断する自由振動波カウント処理を行い、該自由振動波カウント処理に要した時間測定にもとづいて自由振動波の位相ズレ成分を検出することを特徴とする請求項12記載のトルク検出方法。
- 前記自由振動波カウント処理における自由振動波のカウント数が所定数に達したタイミングを基準として、前記自由振動波カウント処理を所定回数だけ繰り返すことにより、自由振動波の位相ズレ成分を増幅させることを特徴とする請求項13記載のトルク検出方法。
- 一回の検出処理における前記自由振動波カウント処理の繰り返し回数、及び/又は、一回の自由振動波カウント処理における自由振動波のカウント数を変更することを特徴とする請求項13又は14記載のトルク検出方法。
- 前記第一検出コイル及び前記第二検出コイルは、軸表面における検出領域及び/又は検出方向を限定するために、軸表面との間で閉磁路を構成することを特徴とする請求項12〜15のいずれかに記載のトルク検出方法。
- 前記第一検出コイル及び前記第二検出コイルは、高透磁率材料を用いて形成され、軸表面との間で閉磁路を構成するコアと、該コアに巻装されるコイルとを備えることを特徴とする請求項16記載のトルク検出方法。
- 前記第一共振回路は、直列又は並列に接続された複数の前記第一検出コイルを備え、前記第二共振回路は、直列又は並列に接続された複数の前記第二検出コイルを備えることを特徴とする請求項12〜17のいずれかに記載のトルク検出方法。
- 複数の前記第一検出コイルと複数の前記第二検出コイルは、回転軸及び/又は静止軸の同一円周上に並び、かつ、前記第一検出コイルの検出領域と前記第二検出コイルの検出領域とが交互になるように配置されることを特徴とする請求項18記載のトルク検出方法。
- 複数の前記第一検出コイルと複数の前記第二検出コイルは、回転軸及び/又は静止軸の同一円周上に並び、かつ、前記第一検出コイルの検出領域と前記第二検出コイルの検出領域とが重なるように配置されることを特徴とする請求項18記載のトルク検出方法。
- 前記第一共振回路と前記第二共振回路は、相互干渉を避けるために、交互に駆動されることを特徴とする請求項12〜20のいずれかに記載のトルク検出方法。
- 前記軸表面は、メッキ法により成膜された磁歪膜であることを特徴とする請求項12〜21のいずれかに記載のトルク検出方法。
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