JPH0197824A

JPH0197824A - トルク検出装置

Info

Publication number: JPH0197824A
Application number: JP25369287A
Authority: JP
Inventors: Shoichi Kawamata; 昭一川又; Tadashi Takahashi; 正高橋; Kunio Miyashita; 邦夫宮下
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1987-10-09
Filing date: 1987-10-09
Publication date: 1989-04-17

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、トルク検出装置に係り、特に軸のねじれによ
って生ずる位置の相対ずれを検出するものに好適なトル
ク検出装置に関する。

〔従来の技術〕

従来の装置は、例えば三菱電機技報ＶｏＱ、５８゜Ｎα
７　１９８４の図１に記載のように、軸のねじれを軸に
取り付けた歯車Ａ、Ｂの位相差として、電磁ピックアッ
プで検出する構成となっていた。しかし、電磁ピックア
ップの出力信号の大きさは、歯車の回転数に依存し、低
速になると出力信号は小さくなってしまうので高速回転
中でのトルク検出にのみ使用され、超低速あるいは停止
時におけるトルク検出については配慮されていなかった
。

〔発明が解決しようとする問題点〕

上記、従来の技術は、超低速あるいは停止時におけるト
ルク検出については配慮されておらず、モータ等の停止
時におけるトルクの測定ができない問題があった。

本発明の目的は、磁気抵抗効果素子を用いて磁気式ロー
タリイエンコーダの技術を利用し、停止時から高速域ま
で使用できる高精度で分解能の高いトルク検出装置を提
供することにある。

〔問題点を解決するための手段〕

上記目的は、軸のねじれ検出を、表面に磁気信号を記録
した信号トラックを有する磁気ドラムとこれに対向配置
させた磁気抵抗効果素子から成る磁気センサで構成する
ことにより、達成される。

〔作用〕

磁気抵抗効果素子はパーマロイ等をガラス基板上に蒸着
して作られ、極性に無関係に磁界の強さによって抵抗値
が変化する。従って、全周にＮ。

Ｓの磁気信号が記録された、磁気ドラムに、前記、磁気
抵抗効果素子を対向させると、磁気ドラムのＮ、Ｓ信号
に応じた磁界が磁気抵抗効果素子に加えて、速度に無関
係に磁気ドラムの相対位置を磁気抵抗素子の抵抗変化と
して取り出すことができる。それにより、出力波形を三
角波とすることで、停止時のトルクでも、各々の三角波
の大きさより゛角度を測定することにより検出できる。

〔実施例〕

本発明に係るトルク検出装置の実施例を説明する。

第１図は本発明の一実施例であるトルク検出装置の略示
構成図である。第２図は第１図において一方の磁気ドラ
ムと磁気センサの関係を示した略示構成図である。第３
図は（Ａ）　、　　（Ｔｈ）、・第２図の一部展開図で
あり、第４図、第５図はその動作波形説明図である。

第１図において、１は回転する軸であり、２゜２′は回
転ドラムである。磁気信号を記録した磁性体３，３′を
有する回転ドラム２，２′は軸１に間隔りだけで隔てて
固着されている。４は磁気抵抗効果素子（以下ＭＲ素子
と称す）Ｒで構成される磁気センサであり、各々回転ド
ラム２，２′に対向し、小さな間隙を介して配置される
。ここで、回転ドラム２．２′と磁気センサ４，４′の
動作について第２図を用いて説明する。

第２図では、動作説明上回転ドラム２と磁気センサ４を
取り出したものである。前述したように。

回転ドラム２の磁性体３にはＮ、Ｓの磁気信号が全周に
わたって記録されており１間隙Ｑを介してＭＲ素子Ｒ１
，Ｒｚで構成された磁気センサ４が対向配置されている
。

第３図（Ａ）および第３図（Ｂ）は、第２図に示した回
転ドラム２における磁性体３と磁気センサ４の配置関係
を示す拡大展開図である。第３図において、ＭＲ素子Ｒ
ｚ、Ｒｚは、記録波長（Ｎ極とＳ極の間隔）λに対して
λ／２ずつ離して配置している。第４図にこの動作波形
を示した。第４図において、前記回転ドラム２の磁性体
３は、回転ドラム２の回転によって図示矢印のように移
動するものである。一方１周知のようにＭＲ素子Ｒｉ、
Ｒｚは、磁気信号のＮ極、Ｓ極の磁束変化のいずれかの
信号が加わると抵抗値が低下する特性を有しているので
、磁性体３が朱印の、ごとく移動すると、ＭＲ素子ＲＬ
、Ｒｚの抵抗変化は、記録波長λに応じた抵抗変化が得
られ各々−（Ｒ１、Ｒｘ　）はλ／２位相のずれた波形
となる。ここで、前記ＭＲ素子Ｒｚ、Ｒｚを第５図（イ
）のように３端子に接続し、両端に電圧Ｖを加えると出
力端子Ｅ＾１から得られる電圧は、第６図（Ａ）に示す
ような波形となり、磁性体３に記録した磁気信号に対応
した出力Ｅ＾１が得られるものである。一方、同様に第
１図で示した回転ドラム２′と磁気センサ４′からも同
様の作用で第６図（Ｂ）に示した波形ＥＡ４が得られる
。

ここで、第１図のトルク検出装置において、例えば軸１
の駆動側にモータを取り付け、負荷側に負荷を取り付け
ると軸１は、その負荷トルクに比例して角度θだけねじ
れる。これを式であられすと次のようになる。

ここで、θ：ねじれ角（ｒａｄ’　）　＋　Ｇ　”軸の
せん新係数Ｏｃｇ／ａＩ）　、　Ｌ　ニドラム間の距離
（ａｎ）　、　Ｄ：軸径（ａｎ）である。せん新係数Ｇ
は軸の材質で決まるもので、ドラム間の距離りと軸径り
が決まればねじれ角θに対するトルクＴがわかる。従っ
て、軸１のねじれ角θを検出することにより、トルク測
定が可能となる。軸１のねじれ角θの測定方法の一例を
第７図（Ａ）および第７図（Ｂ）に示す。第７図（Ａ）
において、軸１のねじれθは、回転ドラム２と磁気セン
サ４で得られる出力ＥＡ□と回転ドラム２′と磁気セン
サ４′で得られる出力Ｅ＾２の零クロスにおける位相差
０２−０１を測定して行う。すなわち、第７図（Ａ）に
示すように負荷トルクが小さい場合は、軸１のねじれ量
も小さいので出力ＥＡＩとＥｘｚの零クロスにおける位
相差θ１は小さくなる。逆に、第７図（Ｂ）のように負
荷トルクが大きい場合は軸１のねじれ量も増加するので
、零クロスにおける位相差θ２は大きくなる。従って、
この位相差θ１あるいはθ２を測定すればトルクの大き
さを検出できる。第８図は、本発明によるトルク検出装
置の一特性を示したもので、トルクＴに対する位相角θ
の関係を実測したものである。

一方、ＭＲ素子Ｒは、前述したように磁界の大きさに対
応して抵抗値が変化するため、軸１が停止していても、
ＭＳ素子には回転ドラム２，２′の磁性体３，３′から
のＮ極、Ｓ極による所定強度の磁界が常に加わっている
ため軸１の停止時のトルクを検出することができる。第
９図及び第１０図に停止時におけるトルク検出の一例を
示す。

第９図においては、本発明のトルク検出装置をモータ６
に組込んだ例を示したものである。回転ドラム２，２′
はモータ６のシャフト１に任意の間隔をおいて固着され
ている。磁気センサ４，４′は各々、回転ドラム２，２
′に小さな間隙をおいて対向して配置されている。又、
回転ドラム２゜２′側のシャフト１端には、例えば工作
機などの負荷が接続される。一般に、工作機等を駆動す
る電動機は、インバータ等の発展に伴い直流電動機から
交流電動機化が急速に進んでいる。一方、工作機等を駆
動する電動機の軸トルクの検出は、加工物の加工精度、
加工速度等の制御のフィードバックに欠くことができな
い。電動機の軸トルクは、直流電動機の場合には、電流
とトルクが比例することから、電流を検出することによ
り容易にトルクを検出できるが、交流電動機では、電流
トルクが比例しないため、電流でのトルク検出は、困難
である。そこで、本発明のようなトルク検出装置が必要
となる。

第９図のトルク検出装置で第１図と異なっている点は、
磁気センサの出力をトルク検出の他に位置検出及び速度
検出用として用するため、磁気センサ４，４′の出方を
各々２相出力としている点である。ここで、磁気センサ
の出力を２相出力にすることはＭＳ素子の場合、前述し
たように、パーマロイ等をガラス基板上に蒸着して作る
ため、ＭＲ素子パターンの簡単な仕様変更によりガラス
基板上に一体化して製作できるため、磁気センサ４．４
′の数も増えず、センサ自体の大きさもほとんど変らな
いのでシステム全体の構造も簡単になる。

さて、第９図において、磁気センサ２及び２′からほぼ
９０度位相のずれた２相出力Ｅ＾１とＥＢＩ及びＥＡ２
とＥＢ２を取り出し、各出力は、比較器５１．５２．５
２’及び５３′により方形波Ａ１゜Ｂｘ、Ａ２及びＢ２
を得る。この２相の方形波Ａ　Ｉ　。

Ｂｌは、第１０図（Ｂ）に示すように磁気センサ４の出
力Ｅ＾１を４つのモードに分けるために使用される。例
えば、出力ＥＡ１のＯ＠〜９０″の範囲では、Ａ１．Ｂ
１の関係はＨｔ、Ｌｏとなり、９０＠〜１８０°の範囲
ではＨｌ、ＨＡとなる。同様に１８０″〜２７０″では
Ｌｏ、　Ｈｔｔ　２７０’　〜３６０°の範囲ではＬｏ
、Ｌｏとなる。さらに方形波Ａｚ、Ｂｚは、磁気センサ
４′の出力Ｅ＾２を４つのモードに分けるために使用さ
れる。また、磁気センサ４，４′の出力Ｅ＾ｉｔ　ＥＡ
ｔは前記の方に、第１０図（Ａ）の（ロ）のように各々
、三角波の搬送波ＰＭと比較し、三角波出力ＡＭＩ及び
ＡＭｚを得る。例えば、磁気センサ４，４′の出力１１
．ＡｚｗＥ＾２は第１０図（Ａ）の（イ）のように正弦
波と仮定すれば、出力Ｅ＾１ｔ　ＥＡｔのアナログ量で
角度θを求めることができる。さらに、出力ＥＡｔｓＥ
ＡＲのアナログ量は各々１周期間で同一電圧になる点が
存在するが、モード判別部８あるいは８′により０〜９
０度、９０〜１８０度、１８０〜２７０度及び２７０〜
３６０度の判定ができる。

さらに位置検出部９及び９′により、トルク検出１４の
他に位置検出１２．１２’及び速度検出１３．１３’の
情報を得ることができる。なお、位置および速度検出に
ついては負荷７の位置及び速度検出を精度良く行う時に
は負荷側の回転ドラム２′と磁気センサ４′の情報で行
うと検出精度の向上が図れる。あ′るいは、モータ制御
をスムーズに行ないたい時はモータ側（駆動側）の回転
ドラム２と磁気センサ４の位置及び速度情報を使用する
方が良い、更に、負荷の運転状態により負荷側と駆動側
をスイッチ１０及び１０′により切り換える場合もある
。

ここで１回転ドラム２，２′が第１０図（イ）の（ａ）
点で停止している場合を考えると、搬送波ＰＭが磁気セ
ンサ４の出力Ｅ＾五の（ａ）点に達するまで時間ｔａｘ
の幅のパルスＡＭＩが得られる。

この時、第９図のモータ６のシャフト１にトルクＴが加
わっていれば１回転ドラム２′と磁気センサ４′から得
られる出力ＥＡｔは、第１０図（Ａ）の（イ）の破線で
示すような波形となり１時間ｔ、２の間の幅のパルスＡ
Ｍｓが得られる。このパルスＡ　ＭｉとＡＭｓは、セン
サ出力ＥＡｌとＥＡｔのアナログ量に比例するので１時
間ｊｍｌとｔｍＺの値をトルク測定部１に入力しドラム
２，２′間の角度差として求められ、トルク検出が可能
となる。

以上の例では正弧波状の出力が得られるものと仮定して
説明して来た。しかし、実際−磁気センサ４，４′から
の出力には磁気抵抗効果素子（ＭＲ素子）の抵抗変化が
飽和するため奇数次高調波を多く含むため正弦波出力を
得ることは困しい、第１１図は実用的に最も近い実施例
を示す、第３図のような回転ドラム２と磁気センサ４の
配置で考えると、回転ドラム２に記録する磁気信号の及
び回転ドラム２と磁気センサ４の間の小さな間隙（スペ
ーシング）を適当に選ぶことにより、ＭＲ素子Ｒ１，Ｒ
ｚの抵抗変化が飽和するようにすれば、第１１図に示す
ようなＭＲ素子Ｒｚ、Ｒｚの抵抗変化波形が得られる。

なお各ＭＲ素子は第１２図のように接続しているのでそ
の出力ＥＡＲは第１３図（Ａ）のような三角波の出力が
得られる。この三角波は回転ドラムの磁気信号に変して
直線的に変るので回転角度と出力ＥＡＲのアナログ値が
一対一に対応するので、第１０図で示した角度の検出も
精度良く得られる。同様にして磁気ドラム２′の出力も
第１３図（Ｂ）のＥＡＲのように得られるので、再磁気
センサ４及び４′の出力から各々の角度を検出するもの
も容易にできる。

本実施例では、回転ドラム２，２′と磁気センサ４，４
′をモータ６のシャフト１に外付けした構造で説明した
が、回転ドラム２，２′と磁気センサ４，４′をモータ
６の中に内蔵しても良い。

さらに、回転ドラム２，２′の形状をドラムタイプとし
たが、第１４図の様に円板の平面（片面又は両面）に磁
性体３，３′を装着して検出する構造としてもよい、磁
性体３．３′を円板の両面に装着した場合は磁気センサ
の数も必要個数配置させる必要がある。

又、本実施例ではトルク検出の他に位置検出及び速度検
出の情報を同一のセンサから得られるので、モータ制御
等の高信頼、高精度化が図れる。

（発明の効果〕本発明によれば、トルク検出装置を、磁気信号を記録し
た磁性体を有する回転ドラムとＭＲ素子を配置した磁気
センサとにより構成することにより三角波出力を得るこ
とができるので停止時においても高精度でトルク検出が
できる。さらに磁＼　１気センサの出力の大きさは回転数に依存せず一定であり
処理回路の構成も簡単にできる。また、磁気を利用して
いるため塵埃、結露等の耐環境性に優れているので信頼
性の高いトルク検出装置を提供できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例のトルク検出装置の略示構成
図、第２図はトルク検出装置を構成する回転ドラムと磁
気センサの詳細図、第３図（Ａ）は磁性体の展開図、第
３図（Ｂ）はこの磁性体に対する磁気センサの平面図、
第４図は磁性体に記録された磁極とセンサの出力を示す
図、第５図はＭＲ素子の三端子接続図、第６図（Ａ）お
よび第６図（Ｂ）は三端子の中点から得られる出力波形
図、第７図（Ａ）および第７図（Ｂ）も同じく磁気セン
サから得られる出力波形に基づいて負荷トルク検出する
手法説明図、第８図は本発明によるトルク検出装置の特
性図、第９図は停止時におけるトルク検出の一実施例を
示すトルク検出装置の構成図、第１０図（Ａ）はセンサ
出力波形と搬送波との関係を示す図、第１０図（Ｂ）は
二つの磁気センサ出力信号からのモードの生別説明図、
第１１図は他の実施例の磁性体に記録された磁極と磁気
センサの出力を示す図、第１２図は他の実施例のＭＲ素
子の三端子接続図、第１３図（Ａ）および第１３図（Ｂ
）は他の実施例の三端子の中性点から得られる出力波形
図、第１４図は他の実施例の略示構成図である。１・・・軸、２，２′・・・回転ドラム、３，３′・・
・磁性体、４，４′・・・磁気センサ、６・・・モータ
、７・・・負荷、８．８’・・・モード判別部、９，９
′・・・位置検出部、１０．１０’・・・切り換スイッ
チ、１１・・・トルク測定部、１２．１２’・・・位置
出力部、１３゜１３′・・・速度出力部、１４・・・ト
ルク出力部、５１゜５２．５３，５１’　、５２’　、
５３’・・・比較器、Ｒ・・・ＭＳ素子、ＥＡＲ，ＥＡ
ｔ・・・磁気センサ出力、Ａｔ、Ｂｌ・・・モード判別
用２相出力、ＡＭＩ、　ＡＭｚ・・・停止時のパルス出
力。躬′２−図帛４日率５図　　　　范６図高−１０（Ａ）ＥＡＩ　　　　　　　　　　トルク／１＼ＣＢ）乞菌不目馬　ｅ

Claims

【特許請求の範囲】１、駆動源と負荷とを結ぶ回転軸上に所定間隔で取付け
られた複数の角度検出器と、この複数の角度検出器によ
つて検出された角度の相対的な角度差により負荷トルク
を検出する装置に於いて前記回転軸の駆動側と負荷側に所定の間隔をもつて取付
けられ、表面に磁気信号を生成する複数の磁極を有する
複数の回転ドラムあるいは回転ディスクと、これらそれ
ぞれの回転ドラムあるいは回転ディスクの前記表面に対
向して配置され、かつ前記磁極の磁界に感応して内部抵
抗が変化する磁気抵抗効果素子を具備する磁気センサを
備え、前記それぞれの回転ドラムあるいは回転ディスク
の角度に対応した２組のほぼ三角波状出力磁気センサよ
り得てこれら２組の三角波出力の角度差を演算して負荷
トルクを検出することを特徴とするトルク検出装置。２、特許請求の範囲第１項記載のものにおいて、前記各
組の出力は各々位相の異なる多相出力としたことを特徴
とするトルク検出装置。３、特許請求の範囲第２項記載のものにおいて、前記多
相出力を使用して角度を演算することを特徴とするトル
ク検出装置。４、特許請求の範囲第１項記載のものにおいて、最大ト
ルク印加時の複数の回転ドラムあるいは回転ディスク間
の角度差は出力の１サイクル以内としたことを特徴とす
るトルク検出装置。５、特許請求の範囲第１項記載のものにおいて、出力の
１サイクル間を複数モードに分けて、角度演算を行うこ
とを特徴とするトルク検出装置。６、特許請求の範囲第１項記載のものにおいて、磁気セ
ンサの出力信号をトルク検出の他に回転軸の位置又は速
度を演算して出力するようにしたことを特徴とするトル
ク検出装置。