JPH01173842A - トルク測定装置 - 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 本発明はトルク測定装置に関し、特にエンジン、モータ
、産業機械駆動用の軸などのトルクを非接触で測定可能
なトルク測定装置に関する。

従来の技術 従来のこの種のトルク測定装置として、特許第１６９３
２６号明細書に開示されるものがある。これは、第１０
図に示されるように、強磁性並びに磁歪性を有する軸１
の外周に、この軸１の回転軸心の方向と４５度の角度を
なして互いに反対方向に傾斜するナーリング部２，３を
形成し、各ナーリング部２゜３の外周に励磁コイル４お
よび検出コイル５，６をそれぞれ配置したものである。

このような構成によれば、ナーリング部２，３により磁
気異方性が与えられ、伝達トルクにもとづく各ナーリン
グ部２，３での透磁率の変化が検出コイル５．６にて検
出される。このとき、ナーリング部２，３は互いに反対
方向に傾斜しているため、その一方のナーリング方向に
圧縮力が作用すると、他方のナーリング方向には引張力
が作用する。このため、第１１図に示すように、コイル
５゜６のうち一方の検出電圧７はトルクの増加にしたが
って増加し、反対に他方のコイルの検出電圧８は減少す
る。ここで、一方のコイルの検出電圧７と他方のコイル
の検出電圧８との差をとって合成すると、第１２図に示
すように、トルクの変化のみを示すトルク検出電圧９が
得られる。

また、従来の他のトルク検出装置として、特開昭５９−
１６６８２７号公報に示されるものがある。これは、第
１θ図におけるナーリング部に代えて、同様に互いに反
対方向に傾斜したアモルファス強磁性層を、接着、メツ
キ、その他により回転軸の表面に形成したものである。

このようなものによれば、強磁性を有しない軸について
もトルクの測定が可能になる。

発明が解決しようとする問題点 ところが、このような従来のものでは、伝達トルクが負
荷されていない状態で両検出コイル５゜６から出力され
る検出電圧７，８のバランスが、温度変化や経年変化に
よって変化する傾向がある。

これは、軸１における軸心方向の磁性（透磁率、磁歪率
）が変化したり、軸を貫通する磁力線に起因する鉄損が
変化するほかに、励磁コイル４、検出コイル５，６や軸
１の磁性層などに材料や製造上のバラツキが存在するこ
とによる。この結果、第１１図における検出電圧７，８
のゼロ点が変化し、両者の交点が図の縦軸上から側方へ
ずれることになって、トルクの測定値に誤差を及ぼす。

また、伝達トルク負荷時の検出感度が温度変化や経年変
化などによって変化する。これは、軸１の磁歪率や透磁
率が温度によって変化するためである。この結果、第１
１図における面検出電圧７゜８の特性線が上下に移動す
るとともにその傾きが変化し、やはりトルクの測定値に
誤差を及ぼす。

さらに、測定用の電子回路における各種部品。

材料に温度変化や経年変化にもとづく各種誤差が生じ、
この誤差が上記励磁特性などの変化に重畳して、ゼロ点
変化が拡大するという問題点もある。

このような温度変化には、軸全体の温度が変化する場合
や、軸の長さ方向に温度差を生ずる場合がある。これら
の何れの場合にもトルク検出電圧に誤差を発生する。

そこで本発明はこのような問題点を解決し、上記バラン
ス、ゼロ点および感度の変化によってトルク測定値に誤
差が生じることを防止することを目的とする。

問題点を解決するための手段 上記問題点を解決するため本発明は、トルク伝達軸の回
転軸心の方向と角度をなして、互いに反対方向に傾斜し
て磁気異方性を付与された第１および第２のトルク検出
用磁気異方性部と、各トルク検出用磁気異方性部におけ
る透磁率の変化を検出可能な第１および第２の検出コイ
ルとを備えたトルク検出部を有し、かつ 前記第１および第２のトルク検出用磁気異方性部のそれ
ぞれの近傍における軸の外周面に、前記軸の回転軸心と
平行な方向に磁気異方性が付与された第１および第２の
補正用磁気異方性部と、各補正用磁気異方性部における
透磁率の変化を検出可能な第１および第２の補正コイル
とを備えた補正部を有する構成としたものである。

作用 このような構成によれば、補正用磁気異方性部は軸の回
転軸心と平行な方向に磁気異方性を付与されており１、
補正コイルからの出力は軸に作用するトルクの影響をほ
とんど受けることなく、軸の材料の透磁率、磁歪率のみ
に関係した出力を出すことができる。このような補正用
磁気異方性部および補正コイルを、各トルク検出用磁気
異方性部および検出コイルの近傍にそれぞれ設けたため
、温度変化や経年変化にもとづいて発生するトルクによ
る以外の各種誤差のみを、トルク検出データから分離し
て補正することが可能となる。

実施例 第１図において、１１はトルク伝達用の軸であり、たと
えばエンジンの出力を作業装置に伝達するために用いら
れる。軸１１の外周面には、この軸１１の回転軸心の方
向と２０〜６０度、好ましくは４５度の角度をなして、
互いに反対方向に傾斜した磁気異方性を付与されたトル
ク検出用磁気異方性部１２．１３が、互いに所定距離を
おいて設けられている。このトルク検出用磁気異方性部
１２．１３は、前述のように、たとえば軸１１の外周面
をナーリング加工することによっても形成できるし、ま
たアモルファス強磁性層を軸１１の表面に接着、メツ゛
キあるいはその他の方法によって形成できる。

トルク検出用磁気異方性部１２．１３を間にはさんで軸
心方向に距離をおいた位置には、これら各トルク検出用
磁気異方性部１２．１３の近傍における軸１１の外周面
に、補正用磁気異方性部１４．１５がそれぞれ設けられ
ている。これら補正用磁気異方性部１４、　ｉｓは、軸
１１の回転軸心と平行な方向に磁気異方性が付与されて
おり、トルク検出用磁気異方性部１２．１３と同様のナ
ーリング加工やアモルファス強磁性層の形成その他の方
法による軸方向の磁気異方性の形成により構成されてい
る。

各磁気異方性部１２．１３．１４．１５の外周には、励
磁コイル１６．１７．１８．１９がそれぞれ配置されて
いる。また、各励磁コイル１６．１７．１８．１９のさ
らに外周には、トルク検出用磁気異方性部１２．１３に
対応した検出コイル２０．２１と、補正用磁気異方性部
１４、１５に対応した補正コイル２２．２３とが、それ
ぞれ設けられている。２４はコアで、硅素鋼板フェライ
ト等の強磁性体により形成されて磁束の通路を構成する
とともに、各コイル１６・・・２３を収容するためのケ
ーシングとして利用される。

第２図は、トルク測定回路を示す。図において、２５は
発振器で、この発振器２５には、パワー増幅器にて構成
される交流式の第１の電源２６が接続されている。また
、第１の電源２６の出力端子には、やはりパワー増幅器
にて構成される交流式の第２の電源２７の入力端子が接
続されている。励磁コイル１６、１８は直列に配置され
て第２の電源２７に接続され、また励磁コイル１７．１
９は、これも直列に接続されて、第１の電源２６に接続
されている。検出コイル２０．２１および補正コイル２
２．２３は、それぞれ、整流器２８．２９．３０．３１
と、抵抗およびコンデンサにより構成されるフィルタ３
２．３３．３４．３５と、ＡＤ変換器３６．３７．３８
．３９とを介して、ＣＰＵ４０に接続されている。

ＣＰＵ４０には、両型源２６．２７の出力を遮断させる
ための電源遮断用信号線４１がＤＡ変換器４２を伴って
接続されている。またＣＰＵ４０には、両型源２６、２
７を構成するパワー増幅器の増幅率を調節してその出力
を調整する電源制御用信号線４３．４４が、それぞれ接
続されている。　４５．４６は、各信号線４３゜４４に
介装されたＤＡ変換器である。４７は基準値設定装置で
、デジタル設定あるいはメモリによりソフトウェア的に
設定される基準値ＥＢをＣＰＵ４０へ入力する。またＣ
ＰＵ４０にはタイミング回路４８が接続され１本回路の
ための動作タイミングを設定する。４９はトルク信号の
出力端子である。５０゜５１．５２はマニュアルスイッ
チで、本回路の動作タイミングに関係なく各種誤差を後
述するように随時補正するために用いられる。

次に、上記構成にもとづく動作を説明する。電源２６．
２７を投入すると、検出コイル２０．２１および補正コ
イル２２．２３に出力電圧が現われ、各電圧は、ＡＤ変
換器３７．３８．３６．３９の出力側すなわちｃｐＵ４
０（７）入力側では、それぞれｖｉ、ｖ、、ｓ、、ｓ２
という値になる。また、これらの値はＣＰ　Ｕ３Ｏの内
部で演算処理され、それぞれＶＬ’ｌｖ、’ｔＳ　１′
ｌ　Ｓ２′　という値に変換される。

軸１１にトルクが作用すると、第１１図で説明した場合
と同様に、検出コイル２０．２１の出力電圧がＡＤ変換
を経由した値をＶ、、Ｖ、として、第３図に示すものが
得られる。そして、これらの値Ｖ工。

ｖ２は後述のようにＣＰｔＪ４０の内部で、演算処理さ
れてＶユｊ　、　Ｖ、Ｉ　という値に変換され、両者の
差Ｖ　＞　’　　Ｖ　２　’　に適当な定数ｋを乗じた
値ｋ（Ｖユ／ｙ、ｌ）が、トルク信号として出力端子４
９から出力される。第４図は、第３図の出力電圧Ｖ、、
Ｖよにもとづくトルク信号Ｔの例を示す。

温度変化や経年変化により発生する誤差は、次のように
して補正される。

すなわち、まずゼロ点補正が行われる。このためには例
えば１分間に１回ある設定されたタイミング毎に電源遮
断用信号線４１を介して、両型源２６゜２７の出力が遮
断される。すると、各励磁コイル１６゜１７、１８．１
９の励磁電圧が０になるため、これに対応する検出コイ
ル２０．２１および補正コイル２２．２３の出力電圧も
０となる。したがって、このとき各ＡＤ変換器３６．３
７．３８．３９の出力がＯ以外の値。

たとえばｖ、＝１．、Ｖ、＝ｔ、、Ｓ、＝δ１．Ｓ３＝
δ３になっていると、これらの誤差は電子回路の温度ド
リフト等何らかの原因によるものである。

そ：でＣＰＵ４０により、Ｖ、’　＝＝Ｖ、−ｇ、、Ｖ
、’”Ｖａ−１＠ｅ　Ｓ、’　＝Ｓ１−８１ｔ　８％　
＝Ｓｚ　　８　Ｂとなるよう演算により較正される。こ
れによりゼロ点補正の演算が完了すればＶｉ’＝ｖ、’
＝ｓ１’　＝ｓ、’　＝ｏとなり、ゼロ点補正が完了し
た後の次のタイミングではε１．し、δ□、δ２の回路
誤差の補正された新しいデータＶ％＊Ｖａ’＊Ｓｌ”９
８２′が得られる。

次のタイミングでは両検出部および両補正部のバランス
補正が行われる。すなわち、検出コイル１８、１９のバ
ランスがくずれると、検出電圧ＶｉｅＶ、が第５図のよ
うになり、これに対応したトルク信号Ｔも第６図に示す
ように正規の状態から変動することになるため、これを
補正する。

このために、ＣＰＵ４０の内部で補正電圧Ｓ　ｔ　ｔＳ
３の補正データＳｌ’ｔｓｚ′の差３１／　−８，１が
演算される。そして、電源制御用信号線４３を介して、
第２の電源２７へ制御信号が送られ、Ｓ、　１−８２′
＝０となるように電源２７が調整される。

こうすることにより、直列に接続された励磁コイル１６
．１８の励磁電圧が同時に調整され、出力Ｓ１並びに出
力ｖ１が補正され、Ｓｌと８３とのバランス、すなわち
ｖｌとＶ、のバランスが同時に補正される。この結果、
第５図および第６図に示された線図が、第３図および第
４図に示される如くトルクゼロの場合にＶ、＝Ｖ、に近
づくように補正される。

次に、感度補正が行われる。すなわち、上述のバランス
補正が行われた段階では、第７図に示すように両信号Ｖ
、’、Ｖ、／の出力線の交点Ａはトルクゼロ上に来る。

ところが、温度変化などによって軸材の磁気特性が変動
すると、両信号ｖ１′。

Ｖｚ’の出力線はその勾配（すなわち感度）が変化する
とともに第７図における平均レベルＥｍも変動して、第
８図に実線で示すようにＥｍがＥｍ′に変化する。この
結果、ｋ　（Ｖ、’　−ｖ、’　）で表われさるトルク
信号線の傾斜（第４図参照）が変化してしまい、測定角
度が変化する。

そこで、両信号ｖ１′、■２′の平均値Ｅ　ｍ　’　を
所定値Ｅｍに戻し、その傾きを所定のものとして、感度
特性が一定になるように、補正を行う。

ここでは、平均値を代表する検出値として両信号の和Ｖ
□’＋ｖ、’（平均値の２倍の値）を用いる。この値が
、基準値設定装置！４７によりＣＰＵ４０に入力される
設定値ＥＳと等しくなるよう、すなわち（Ｖ％　＋Ｖｓ
’　）　　Ｅｓ＝Ｏとなるよう制御する。具体的には、
電源制御用線４４により第１の電源２６を調整し、その
出力レベルを増減させる。

すると、第２の電源２７は第１の電源２６出方側に接続
されているため、両型源２６．２７は同時に出方レベル
が増減し、両検出部のバランスをくずすことなく、Ｖ□
’　＋ｖ、’がＥ、に等しくなるように制御される。こ
のように両信号Ｖｌ’ｔｖａ′の出力レベルが所定値に
戻されると、第８図で破線で示すように、それに応じて
両者の傾きも所定のものとなり、感度補正が完了する。

上述のゼロ点補正、バランス補正および感度補正は、タ
イミング回路４８により、一定のタイミングでこの順に
行われる。すなわち、たとえば第９図に示すように、１
サイクルを１分間として、その最初の５０ミリ秒でゼロ
補正を行い、次の５０ミリ秒でバランス補正を行い、残
りの時間内において感度補正を常時すなわち多数回行い
、このようなサイクルを繰返し実行するものである。な
お、ゼロ補正及びバランス補正動作中は、前回のサイク
ルの最終時点のトルク信号を端子４９から出力する。

このような自動的なサイクル動作に加えて、手動により
随時補正を行うことができる。

たとえば、ゼロ点補正のためのマニュアルスイッチ５０
を操作すると、その信号がＣＰＵ４０に取り込まれ、こ
のスイッチ５０を操作している間中、上述のゼロ点補正
の動作を繰り返し実行する。このとき操作者へのトルク
指示値をＯとして、補正動作中であることを表示する。

スイッチ操作を終えると、補正後のデータによるトルク
測定値ｋ　（Ｖ工’　−Ｖ、’　）を出力する。

バランス補正のためのマニュアルスイッチ５１を押すと
、上述のバランス補正の動作が実行される。

このようなマニュアル操作は１通常は、第６図に示すよ
うに、トルク負荷が掛かっていないのに、両側の検出状
態のバランスがくずれてトルク指示値が０にならない場
合に行われる。

感度補正のためのマニュアルスイッチ５２によるマニュ
アル補正を行うときには、たとえば本装置の製作完了時
に、軸１１にてこと分銅などでトルクを作用させて定格
基準トルクをがけ、そのときの指示値が定格値と一致す
るように、基準値設定装置４７を調整すればよい。

以上のように、本装置によれば、トルク出力信号の温度
変化、経時変化、ゼロ点変化のすべてを自動補正できる
。特に、トルク負荷中の温度変化による感度変化、ゼロ
点変化の自動補正をも行える。また、電子処理回路は、
ＡＤ変換器３６．３７゜３８、３９およびＤＡ変換器４
２．４５．４６のほかは、は　。

とんどＣＰＵ４０だけしか存在しないという単純な構成
とすることができる。これは、各種誤差の自動補正をソ
フトウェアで行ったことにも帰因して部のほかに、トル
クに対し無感度の補正部を一対のトルク検出部の両側方
近傍に設けたため、温度変化、経年変化、軸方向温度勾
配などにもとづいてトルク検出時に発生する各種誤差を
良好に補正でき、高精度のトルク検出が可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明のトルク測定装置の一実施例の概略図、
第２図はトルク測定用の電子回路図、第３図は誤差が存
在しない場合の検出電圧を示すグラフ、第４図は第３図
にもとづくトルク信号を示すグラフ、第５図はバランス
がくずれたときの検出電圧を示すグラフ、第６図は第５
図にもとづくトルク信号を示すグラフ、第７図は所定の
感度のもとての検出電圧を示すグラフ、第８図は感度が
変動したときの検出電圧を示すグラフ、第９図は第２図
に示す回路の動作タイミング図、第１０図は従来のトル
ク測定装置の概略図、第１１図は第１０図の装置におけ
る検出電圧を示すグラフ、第１２図は第１１図にもとづ
くトルク信号を示すグラフである。 １１・・・軸、１２．１３・・・トルク検出用磁気異方
性部、１４　、１５・・・補正用磁気異方性部、１６．
１７．１８．１９・・・励磁コイル、２０．２１・・・
検出コイル、２２．２３・・・補正コイル、２６．２７
・・・電源、４０・・・ＣＰＵ、４７・・・基準値設定
装置、５０．５１，５２・・・マニュアルスイッチ。 代理人　　　森　　本　　義　　弘 第１図 １１−・軸 ｔ２．１３　・−トルクオ倹を旧利石ａ気異り左・１丁
（ｐｔ４．／、５・−ネ由正目１石庄気異シ；＋ｉ　−
ｙ巨１６．１７．７８．１’／−１ｉ５ｔ）　４ａり、
ｆル２θ、ｚＩ−・・を突出コイル ２２、２３−享市正クイル 第３図　　　　　　　第う図 第４図　　　　　　　　第６図 第８図 第７図 第１θ図 第１１図 オ金 第１２図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、トルク伝達軸の回転軸心の方向と角度をなし、互い
   に反対方向に傾斜して磁気異方性を付与された第１およ
   び第２のトルク検出用磁気異方性部と、各トルク検出用
   磁気異方性部における透磁率の変化を検出可能な第１お
   よび第２の検出コイルとを備えたトルク検出部を有し、
   かつ 前記第１および第２のトルク検出用磁気異方性部のそれ
   ぞれの近傍における軸の外周面に前記軸の回転軸心と平
   行な方向に磁気異方性を付与された第１および第２の補
   正用磁気異方性部と、各補正用磁気異方性部における透
   磁率の変化を検出可能な第１および第２の補正コイルと
   を備えた補正部を有することを特徴とするトルク測定装
   置。 ２、各検出コイルおよび各補正コイルごとにそれぞれ励
   磁コイルを設け、 第１の検出コイル用の励磁コイルと第１の補正コイル用
   の励磁コイルとを直列に接続して第１の交流電源に接続
   し、 第２の検出コイル用の励磁コイルと第２の補正コイル用
   の励磁コイルとを直列に接続して第２の交流電源に接続
   したことを特徴とする特許請求の範囲第１項に記載のト
   ルク測定装置。 ３、トルク測定時に、適当なタイミングで、第１および
   第２の電源の出力を遮断する手段と、前記電源出力の遮
   断時における第１および 第２の検出コイルと第１および第２の補正コイルの測定
   値を求める手段と、 前記交流電源出力の遮断が解除されたときの両検出コイ
   ルおよび両補正コイルの測定値から、各コイルにおける
   前記交流電源遮断時の読みを差し引いて、測定データを
   較正する手段とを有することを特徴とする特許請求の範
   囲第２項に記載のトルク測定装置。 ４、両補正コイルの測定データの較正値が等しくなるよ
   うに、いずれか一方の交流電源を調整する手段を有する
   ことを特徴とする特許請求の範囲第３項に記載のトルク
   測定装置。５、両検出コイルの測定データの較正値の和
   が一定の基準値となるように、両交流電源を調整する手
   段を有することを特徴とする特許請求の範囲第３項また
   は第４項に記載のトルク測定装置。 ６、基準値を設定可能な基準値設定装置を有することを
   特徴とする特許請求の範囲第５項に記載のトルク測定装
   置。 ７、一定タイミングごとに、 両検出コイルおよび両補正コイルの測定データを較正す
   る処理と、 両補正コイルの測定データの較正値が等しくなるように
   、いずれか一方の電源を調整する処理と、 両検出コイルの測定データの較正値の和が一定の基準値
   となるように、少なくともいずれか一方の電源を調整す
   る処理と、 の三つの処理うちのいずれか一っの処理を実行させるか
   、または二つ以上の処理をシリアルに実行させる手段を
   有することを特徴とする特許請求の範囲第５項または第
   ６項に記載のトルク測定装置。 ８、三つの処理のうち少なくともいずれか一つを、一定
   タイミングに関係なく、マニュアル操作で任意の時期に
   実行させることができるマニュアルスイッチを有するこ
   とを特徴とする特許請求の範囲第７項に記載のトルク測
   定装置。 ９、両検出コイルの測定データの較正値の差に係数を乗
   じた値を出力するトルク値出力端子を有することを特徴
   とする特許請求の範囲第３項から第８項までのいずれか
   に記載のトルク測定装置。