JPH01110230A - 磁気弾性トルク変換器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は回転中又は静止中車軸のねじれモーメントを非
接触で測定可能な変換器に関する。この変換器は磁気弾
性を用い対称回転体構造に設計されている。この変換器
は、車軸上の測定域に温度勾配がある場合、すなわち車
軸上に熱流が存在する場合に使用するのに特に有用であ
る。

［従来の技術］ 対称回転式磁気弾性トルク変換器や、本発明と同様な設
計のものは多くの特許明細書及び論文で知られており、
そのうちのいくつかは以下に解説を行なう。

これら良く知られている方法に共通の測定原理及び特徴
は、荷重又はねじれによって車軸に対し±４５度の関係
で現われる圧縮又は引張り応力とほぼ同じ向きの磁化方
向を有する異方性磁気弾性体内に測定域を作ることにあ
る。このようにすることにより、測定域内での磁気抵抗
は、その磁化方向が引張り応力と一致する所では減少し
、圧縮応力と一致する領域では増加する、従って、これ
は領域内を通る磁力線の増加又は減少に対応する。

この方法は磁気ひずみが正の場合に適用できる。

２つの領域内での磁気抵抗の差、すなわち、ひとつの領
域では異方性磁化方向が引張り方向と一致し、もうひと
つの領域では圧縮方向と一致している、２つの領域間で
の、磁気抵抗の差を測定することにより軸方向の力又は
磁気ひずみの影響を受けずにトルクの測定が行なえる。

領域間の磁気抵抗差の測定は通常車軸と同心で車軸に沿
って２つの領域に対し等しい強度を有する１次コイルを
通して、時間の関数の電場を発生させて行なう。領域間
の磁場の差は、各々の領域上に位置する２つの２次コイ
ルを用いて行なう。

これを行なう簡単な方法は２次コイルを逆接続すること
でありすなわち各コイル内に含まれる歪が互いに打消し
合うように接続する方法である。この方法で得られる２
次信号の位相整流″を行なうことによりトルクの方向も
識別可能である。

以下に述べるトルク変換器間の差異は、磁気ひずみ材料
に何を選ぶかを別にすれば、′必要な異方性を作り出す
手順の差異にあると言える。

ソビエト連邦特許５ＬＪ６６７８３６号によれば異方性
は車軸の表面にスリットを刻むことで作り出されている
。

ソビエト連邦特許５Ｕ８３８４４８号に記載の変換器で
は感度を上げるために回転式エンボツシングによってこ
の模様を表面に作・り出している。

合衆国特許ＵＳ４５０６５５４号に記載の変換器では異
方性は主応力方向にスリットを切られ′たスリーブを用
いて作られている。

非常に良く似た設計のものがＩＥＥＥ　Ｔｒａｎｓ　Ｈ
ａｇｎ第Ｈａｏ　−２２巻Ｎα５　１）、４０３（１９
８６年９月号）にＪ、山崎、Ｋ８毛利子の他による「燦
発圧接式磁気ひずみ合金層ワーヤーを用いたトルク検出
器」に記述されている。ここでは１００ミリメートルの
厚さの“スリーブ″が生成されており、これはステンレ
ス鋼製の車軸上に″スリット“を備えて作られているが
、溶けた磁気弾性合金をマスク、をかげた車軸に吹き付
けて作っている。ここで使われる方法は次の手順からな
っている、すなわち、適切な材質の導体内に強力な電流
を流すことにより芯が蒸発し、導体が爆発するというも
のである。

に、派出、■、佐々田その他によるＩＥＥＥ　Ｔｒａｎ
ｓＨａｇｎ　Ｖｏｌ、Ｈａ（１１８、Ｎｏ、６　１）、
１７６７ｒ応力に感応するアモルファスリボンを用いた
新形トルク変換器」には、アモルファス磁気ひずみ材料
で作られた応力除去焼きなましをされた箔膜を、あらか
じめ一定のトルクで応力をかけられている車軸上に接着
する方法が記載されている。接着剤が乾いた後で先の応
力を取り除くと、箔膜に応力がかかるため異方性が作り
出される。

″山形模様の応力感応アモルファスリボンを備えたトル
ク変換器″ＩＥＥＥ　Ｔｒａｎｓ　ＨａＱｎ　Ｖｏｌ、
Ｈａｇ　２０、Ｎα５　　ｐ、９５１、■、佐々田、Ａ
、広池、及びに、派出著には磁性体又は非磁性体変換器
中軸の主応力方向にアモルファス磁気弾性材料片を接着
して異方性を作り出す方法が記述されている。

独国特許ＤＥ３７０４０４９　　Ａｌには磁気ひずみ材
料の車軸上に導体パターンを設置して異方性を作る方法
が述べられている。この導体パターンは先に述べたスリ
ットと同一形状をしている。

この種のトルク変換器は多くの利用分野で良好な測定性
能を示している。しかしながら、いくつかの特殊な応用
分野では精度上の問題を生じている。仮りに熱流が車軸
を通っている場合、すなわち車軸に温度勾配が存在する
時には測定結果に影響を与える。良く知られているよう
に好適な磁性材料の特性は非常に温度に依存する。従っ
てもしも車軸の測定領域内に温度差が存在すると、その
測定領域内の透磁率が変化するために測定信号はトルク
を正しく示すものとはならない。このような問題の生じ
る適用例は多くの分野で見られる。

例えば内燃機関とその減速器室又は連結器との間では数
百度の温度差が生じる。従ってこれらの部品を接続する
車軸を通って熱流が生じ、車軸内のトルクを測定する際
に測定精度が影響される。電動機は通常高熱の機械室内
に設置されており、高負荷となると電動機の許容最高温
度に達する。−方これにより駆動される機械は室外にあ
って電動機とは壁を通る軸で接続されているため、同様
に温度勾配を生じこれは測定精度に問題を生じる。

我々の知る限りでは、この種の磁気弾性トルク変換器に
使用される材質、すなわち、焼鈍及び冷延珪素鋼の透磁
率の温度依存性に対する資料は見あたらない。しかしな
がら、ニューシャーシー、プリンストン、のデイ−・フ
ァン・ノストラツド社のボゾルス著で１９５１年に発行
された″強磁性“という本からある程度の強度は推測す
ることができる。ここでは、８００℃で焼きなましを行
なわれた純鉄の測定結果が記載されている。

この本の付録１．第３図−第８図より初期透磁率μ　と
、温度と共に増加する最大透磁率μ、とがわかる。この
図よりμ、は２００℃ごとに２倍の係数で増加すること
がわかる。

すなわち μ＝μｒ＝＝ｏ　’ｃ”　（１＋Ｔ／２００）又は言葉
を変えると、μは０．５％／℃で増加する。

一方現在議論中のトルク変換器で使用される−１応力除
去焼きなましをされた材質片の張り応力による磁気ひず
み透磁率変化は少くとも１％／ＭＰａである。

従って２０ＭＰａの負荷を負っている変換器では４０℃
の温度変化と等価な透磁率変化を生じる。

これは測定領域内での温度差１℃あたり最大１／４０＝
２．５％の零点変動を与えることを示している。

以上の推定は粗く、又例えば圧縮応力に対する磁気ひず
み透磁率変化も引張り応力に対するものと同じであると
仮定している。しかしながら推定値は温度勾配により生
じる最大零点変動を表わしていると考えられる。又この
ことは、車軸内測定領域における温度勾配が同様な値を
示す例や、さらに高い測定精度を必要とする場合は、車
軸を通る熱流の影響を除去又はかなり減少させた測定を
行なわなければならないことを示している。

本発明は磁気弾性トルク変換器内での温度勾配の影響を
非常に信頼性の高い方法で除去した装置を示している。

［発明の要約］ まず第１Ａ図から第１Ｄ図を用いて、温度勾配が零点信
号、すなわち車軸がトルクを伝達していない時の変換器
出力に影響を与える様子を示す。

もちろん、車軸に負荷がかかつている場合は、温度勾配
により生じる零点信号の変化は正しいトルク信号に加算
されるだけである。

′第１Ｂ図に示す無負荷状態の車軸が第１Ａ図に示す温
度勾配にさらされると、各測定コイルに生じる透磁率の
差のために、各測定コイルは第１Ｃ図に示ずようなΔｚ
ｅｒ。信号を発しその結果第１Ｄ図に示すｌ−信号が出
力される。第１Ｂ図よりｚｅｒ。

明らかなように、変換器の励振コイルは除いである。

゛　　　本発明によるトルク変換器を第２Ｂ図に示す。

ここでは車軸は３つの平行環状領域を備え、その各々は
外側領域３．５では磁場が車軸に対し角度でα傾斜する
ような異方性を又、中央領域４では車軸に対しα傾斜す
るような異方性を有するように構成されている。外側に
ある２つの領域の幅は中央領域の約半分である。角度α
は変換器の感度を上げるために少くとも４５度必要であ
る。

励振コイルは１２Ｂ図には示されていないが、通常の方
法で直列接続されている。

外側の２つの領域に対する測定コイルは共に等しい巻数
Ｎを有し、中央領域のコイルは２つの外側コイルの巻数
の和すなわち２Ｎに等しい巻数を有する。第２Ｂ図に示
すように外側コイルは直列接続され、中央領域の測定コ
イルは他の２つに対し逆接続されている。

第２Ｃ図及び第２Ｄ図かられかるように、温度勾配によ
る生じる零点信号の合計値はほとんど零となる。従って
ここに示すトルク変換器は車軸を通って熱流の存在する
ような場合にも適用できる。

熱流が定常的である場合、すなわち温度勾配が線型であ
る場合には、透磁率に対する熱流の影響すなわら測定信
号への影響は完全に補償できる。又それ以外のさらに複
雑な温度勾配を有する場合もその影響はかなり除去でき
る。

［実施例］ 第３図は本発明による磁気弾性トルク変換器のひとつの
実施例を示す。ここでの異方性はＵＳ４５０６５５４に
記載の変換器と同じ方法で作られている。

測定スリーブ２は車軸１上にねじれを生じないように固
定されている。スリーブには３つの環状領域３，４．５
があって領域３及び５の軸方向の長さは等しく、それら
のスリットはスリーブの軸に対して同一方向に、すなわ
ち軸に対して約４５度の傾斜を有するように付けられて
いる。測定領域４の軸方向の長さは他の２領域の倍であ
って、この領域には領域３及び５に付けられているのと
同じピッチのスリットが、領域３及び５のスリットと９
０痩の角度をなすように付けられている。

各測定領域３．４．５はそれぞれ、同心状ボビン６．７
及び８、コイル９，１ｏ及び１１．１２：１３．１４で
囲まれている。コイル１０．１２及び１４は直列接続さ
れて交流電流による励振用に使用され、コイル９，１１
及び１３は車軸上に発生するトルク検出用に使用される
。コイル１１は外側の２つのコイルに対し逆接されてい
る。電気的な接続は第４図に示す。Ｕ字形かみ合い面を
有する回転体形状の鉄芯１５はコイルを囲んでおり、鉄
芯の環状外部部分１６．１７は車軸との間に間隙を作っ
ている。

空間１８及び１９は円板状磁性体で満されており、これ
が絶縁材で満されている場合に比べてさらに良好な励振
磁束の分配を行なう。この場合ボビンの側壁の幅を広く
し、ボビンを互いに密着できるようにしても良いし、又
は、図に示す３つのボビンをひとつに継ぎ合わせたもの
を作りすべてのコイルをその上に巻き付けることも可能
である。

そのような場合には励振コイルを測定領域の全体に均等
に巻き付けることもできる。

第４図ではコイル１０．１２及び１４には交流電源２０
から直列に電流が供給され、コイル９゜１１及び１３は
コイル１１が他の２つに対し逆接続となるように示され
ており、最終的な信号は整流器２１で制御整流され表示
器２２に出力される。

第４図において、１次電流は励振コイルが直列接続され
ているためにひとつの同一方向に流れる。

もちろん、変換器の各半分づつに逆向き磁場を作ること
も全く可能である。この接続方法は第５図に示している
、すなわち励振コイル１０，１２ａ、１２ｂ及び１４は
逆向きの磁化方向を作り出すように巻き付けられ又、接
続されている。従ってもちろん中央測定コイルも必要な
逆接続を得るために分割されていなければならない。２
つの中央コイルはそれぞれ先に述べた中央コイルの半分
の巻数で巻かれている。

このような構成では常にその終端部でいくらかの磁束の
もれが生じるので、もしも中央励振コイルの巻数が、他
のコイルの２倍であったとすると、中央測定領域におけ
る磁束は他の２つの領域にお１ノる磁束より少し強くな
る。従って、温度勾配のｌｉｅ￥１を最小とするために
、中央励振コイル又は中央測定コイルの巻数は他の２つ
の外側コイルの巻線の２倍より少し少なめにする。

【図面の簡単な説明】

第１Ａ図から第１Ｄ図は従来技術による磁気弾性トルク
変換器において、車軸及び測定スリーブ内の温度勾配が
零点信号に与える影響を示している図。測定領域内で必
要な異方性は傾斜線で示されている。 第２Ａ図から第２Ｄ図は本発明による磁気弾性トルク変
換器の原理を示す図、これは車軸及び測定スリーブの測
定領域内での温度勾配の影響を著しく減少させている。 第３図は本発明による変換器の提出された実施例を示す
図。 第４図は励振コイルへの給電及び測定コイルからの信号
測定を行なうための回路の原理を示す図。 第５図は励振コイルへの給電及び測定コイルからの信号
測定を行なうための回路の別の実施例を示す図。 ［符号の説明］ １・・・車軸、２・・・測定用スリーブ３．４．５・・
・測定領域　６．７．８・・・ボビン９．１１．１３・
・・測定用コイル （１１ａ’、１１ｂ） １０．１２．１４・・・励振コイル （１２ａ、１２ｂ） ２０・・・交流電源

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. （１）磁気弾性トルク変換器において、車軸と、該車軸
   と同心で交流電流により前記変換器を励振するための固
   定コイルと、前記車軸と同心で車軸に加えられた外部ね
   じれモーメントを測定するためのコイルと、それに車軸
   に同心の磁気容器とで構成された前記変換器において、
   前記車軸は３つの平行環状領域（３、４、５）を有し、
   外側領域（３、５）においては車軸の軸方向に対して約
   ４５度に等しい角度α傾斜するような磁場を生成する異
   方性を又、中央領域においては車軸の軸方向に対して約
   −４５度に等しい角度α傾斜するような異方性を有し、
   両外側の領域の軸方向の幅は中央領域の幅の半分であり
   、励振は互いに直列接続された３つのコイルで行なわれ
   、各コイルは環状領域の外側に配置され、外側の励振コ
   イル（１０、１４）は中央励振コイルのほぼ半分の巻数
   を有し、前記各励振コイルと同心状に測定コイルが設置
   され、外側の測定コイル（９、１３）は中央測定コイル
   （１１）のほぼ半分の巻数を有し該中央測定コイルは外
   部測定コイルと逆接続されていることを特徴とする前記
   磁気弾性トルク変換器。
2. （２）請求項第１項に記載の磁気弾性トルク変換器にお
   いて前記３つの励振コイルが３領域全てにわたつて均一
   に巻かれたひとつの励振コイルで置き換えられているこ
   とを特徴とする磁気弾性トルク変換器。
3. （３）請求項第１項に記載の磁気弾性トルク変換器にお
   いて、前記中央励振コイルが２つの励振コイル（１２ａ
   、１２ｂ）で置き換えられ、その各々は請求項第１項に
   記載の中央励振コイルの半数の巻数を有し、各コイル内
   に生成される磁束が互いに反対方向となるように接続さ
   れ、外側励振コイルは隣接する中央励振コイルと同一方
   向の磁束を生成するように接続され、又中央測定コイル
   が又、２つの測定コイル（１１ａ、１１ｂ）で置換えら
   れ、その各々は請求項第１項に記載の中央測定コイルの
   半数の巻数を有し、各々は隣接する外側測定コイルに対
   し逆接続され、結果として測定コイル全体がトルク測定
   が可能なように逆接続されていることを特徴とする磁気
   弾性トルク変換器。
4. （４）請求項第１項に記載の磁気弾性トルク変換器にお
   いて、中央励振コイルの巻数が外側の励振コイルの巻数
   の２倍より少ないことを特徴とする磁気弾性トルク変換
   器。
5. （５）請求項第１項に記載の磁気弾性トルク変換器にお
   いて、中央測定コイルの巻数が、外側の測定コイルの巻
   数の２倍より少ないことを特徴とする磁気弾性トルク変
   換器。
6. （６）請求項第１項に記載の磁気弾性トルク変換器にお
   いて、前記コイルの間に円板状の磁気材料が配置されて
   いることを特徴とする磁気弾性トルク変換器。