JPH02128129A - トルクセンサ - 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】 ［発明の目的］ （産業上の利用分野） 本発明は、トルク伝達軸に加えられるトルクを非接触で
検出するトルクセンサに関する。

（従来の技術） トルクは回転駆動系の制御を行なう際の最も基本的な変
量であり、これを精密に検出するためにはその検出機構
が非接触であることが要求される。

近年、上述したような非接触方式のトルクセンサとして
、アモルファス磁性合金の薄帯を利用したものが提案さ
れている（ｉ！ｌＳ気学会マグネティックス研究会資料
ＭＡＧ−８１−７２）。

このトルクセンサの原理図及び概略構成図を第４図及び
第５図に示す。即ち、１はトルク伝達軸で、この軸１に
は周方向に沿って磁性金属薄帯２が接着により固定され
ている。上記磁性金属薄帯２は、アモルファス磁性合金
薄板を矩形状に切出したものであり、トルク伝達軸１の
周方向に対して角度θの傾き方向に誘導磁気異方性ＫＬ
Ｉ’が付与されている。尚、トルク伝達軸１の周囲には
磁性金属薄帯２を幅方向に励磁する励磁コイル３及びソ
レノイドコイルより成る検出コイル４が配置されている
。

しかして、上記のようなトルクセンサの原理を概略的に
説明するに、ここでは説明の便宜上、θ〉４５°１磁性
金属薄帯２の飽和磁歪定数λＳ〉０とする。

今、トルク伝達軸１に第４図に矢印で示すようなトルク
Ｔが加わると、その輔１に発゛生した歪み応力が磁性金
属薄帯２に伝達され、これに応じて磁性金属薄帯２には
、トルク伝達軸１の周方向に対して＋４５″及び−４５
＠の各方向に夫々張力＋σ及び圧縮応力−σが発生する
。このとき、飽和磁歪定数λｓ＞０であるから、磁性金
属薄帯２には、磁気歪み効果により＋４５＠の方向に誘
導磁気異方性Ｋｕ＝３λＳ・σが誘導される。

この結果、上記Ｋｔ＋’とＫｕ”との合成として誘導磁
気異方性はＫｕへと変化する。このとき一般に、磁性体
の透磁率は励磁方向に対する誘導磁気異方性の方向によ
って変化する。従って、励磁コイル３によって磁性金属
薄帯２を励磁すると、その磁性金属薄帯２の誘導磁気異
方性の方向の変化に伴う透磁率の変化を、検出コイル４
により出力電圧の変化として測定することができ、その
測定電圧からトルク伝達軸１に加えられたトルクを非接
触検出することができる。

しかしながら上記構成のトルクセンサでは、励磁コイル
３により磁性金属薄帯２を幅方向に励磁している関係上
、形状磁気異方性定数１／２ＮＩｓ２が大きくなる。即
ち、例えばトルク伝達軸１の直径が１２ｍ５．磁性金属
薄帯２の幅が１３ＩＩ■であった場合、形状磁気異方性
定数は２Ｘ１０ｅｒｇ／Ｃ■３となり、磁性金属薄帯２
に予め付与される誘導磁気異方性としては、上記形状磁
気異方性をはるかに上回る値が必要である。しかも励磁
コイル３に供給する出力検出励磁電流値も１００ｍＡを
越える値を必要とするものであり、通常において強磁性
体により形成されるトルク伝達軸１において余分な起磁
力を生ずることがある等、総じて磁気回路上において不
都合な点が多いという事情下にある。

そこで、従来においては、上記のような問題点を解決す
るものとして、例えば特公昭６３−２００３０号公報に
示されるようなトルクセンサが供されている。即ち、こ
のトルクセンサにあっては、−個または一対の検出磁心
を磁性金属薄帯の周方向に励磁するように配設すると共
に、この検出磁心に励磁コイル及び検出コイルを巻装す
る構成とし、以て出力検出励磁電流値の減少等を図るよ
うにしている。

（発明が解決しようとする課毘） しかしながら、上記従来構成では、例えばエンジントル
クの検出に洪される場合のように、高温度雰囲気下で使
用される場合には、励磁巻線の特性変動に起因したトル
ク検出精度の低下を招く虞がある。また、モータトルク
の検出に供される場合には、トルク伝達軸たるシャフト
への漏れ磁束の影響を生じ、このため検出出力にすべり
周波数成分が重畳されてトルク検出精度の低下を来たす
ことになる。

本発゛明は上記事情に鑑みてなされたものであり、その
目的は、出力検出励磁電流値の減少を図り得ると共に、
使用環境の温度及び使用対象の如何に関係なくトルク検
出精度を向上させることができるトルクセンサを提供す
るにある。

［発明の構成］ （課題を解決するための手段） 本発明は上記目的を達成するために、トルク伝達軸に加
えられたトルクを、その軸の外周面に固定された磁歪を
有する磁性金属薄帯の磁気特性の変化に基づいて非接触
検出するトルクセンサにおいて、前記磁性金属薄帯を前
記トルク伝達軸の外周面にこれを一周するように固定し
、前記磁性金属薄帯をその周方向に励磁するＮ個（Ｎは
２以上の自然数）で一組の検出磁心を偶数組設けてこれ
ら各組を軸方向へ互に所定間隔を存した状態で配置し、
前記各検出磁心に励磁コイル及び検出コイルを夫々巻回
し、軸方向に隣接する各検出磁心に巻回された検出コイ
ル群のうち一つの検出コイル群を和動接続すると共に残
りの検出コイル群を差動接続し、さらに上記差動接続さ
れた検出コイル群の出力に基づいて前記磁性金属薄帯の
磁気特性の変化を検出し、且つその検出出力を前記和動
接続された検出コイル群の出力により補正するように構
成したものである。

（作用） トルク伝達軸にトルクが加えられた場合、その軸には上
記トルクに応じた歪み応力が作用して、磁性金属薄帯の
磁気特性が変化する。この場合、磁性金属薄帯の周方向
に励磁するように偶数組設けられた検出磁心（Ｎ個で一
組）の励磁コイルに励磁電流を流しておけば、上記のよ
うな磁気特性変化に応じて検出コイルから前記印加トル
クに応じた検出電圧が出力される。このようにＮ個で一
組の検出磁心を磁性金属薄帯の周方向に励磁するように
偶数組配設し、磁性金属薄帯の磁気特性の変化を検出す
れば、出力検出励磁電流値を小さくすることができる。

このとき、軸方向に隣接する各検出コイルに巻回された
検出コイル群のうち、和動接続された一つの検出コイル
群の出力は、その検出コイルの特性変動を示す信号とな
るから、その出力によって、残りの差動接続された検出
コイル群の出力を補正すれば、トルク検出精度を向上さ
せることができる。

（実施例） 以下、本発明の一実施例について第１図乃至第３図を参
照しながら説明する。

第２図において、１１は例えば強磁性体より成るトルク
伝達軸で、この輔１１の外周面にはこれを一周するよう
にして磁歪を有する一対の磁性金属薄帯１２．１３が平
行して接着固定されている。

上記磁性金属薄帯１２．１３は、アモルファス磁性合金
薄板を矩形状に切出したものであり、トルク伝達軸１１
の周方向に対して夫々角度θと角度−〇の傾き方向に誘
導磁気異方性が付与されている。

１４　ａ　〜１４　ｄはＮ個（Ｎは２以上の自然数）た
る４個で一組の検出磁心で、これらは例えば酸化磁性体
をＵ字状に形成して成り、磁性金属薄帯１２の周囲にこ
れと１１程度のギャップを存した状態で等間隔（この場
合９０°ピツチ）に配置され、その配置状態で磁性金属
薄帯１２を周方向に励磁するように設けられている。ま
た、１５ａ〜１５ｄは上記検出磁心１４ａ〜１４ｄと対
をなす４個の検出磁心で、これらも酸化磁性体をＵ字状
に形成して成り、磁性金属薄帯１３の周囲に前記検出磁
心１４ａ〜１４ｄと同様に配置され、その配置状態で磁
性金属薄帯１３を周方向に励磁するように設けられてい
る。尚、上記検出磁心１４ａ〜１４ｄ及び１５ａ〜１５
ｄの各組は、トルク伝達軸１１の軸方向へ互に所定間隔
を存した状態で設けられている。

しかして、第１図に示すように、上記各検出磁心１４　
ａ　〜１４　ｄには、励磁コイル１６ａ〜１６ｄ及び検
出コイル１７ａ〜１７ｄが夫々巻回され、また、各検出
磁心１５ａ〜１５ｄには、励磁コイル１８ａ　〜１８ｄ
及び検出コイル１９ａ　〜１９ｄが夫々巻回されており
、これにより４群ずつの励磁コイル１６ａ−１８ａ、１
６ｂ−１８ｂ、１６ｃｍ１８ｃ、１６ｄ−１８ｄ及び検
出コイル１７ａ−１９ａ、１７ｂ−１９ｂ、１７ｃｍ１
９ｃ。

１７ｄ−１９ｄが設けられている。このとき、各群の励
磁コイル１６ａ−１８ａ、１６ｂ−１８ｂ。

１６ｃｍ１８ｃ、１６ｄ−１８ｄは、全て和動結線され
ており、電源２０により励磁されるようになっている。

これに対して、各群の検出コイル１７ａ−１９ａ、１７
ｂ−１９ｂ、１７ｃｍ１９ｃ。

１７ｄ−１９ｄは、一つの検出フィル１７ａ−１９ａ群
のみが初動結線され、残りの検出コイル１７ｂ−１９ｂ
、１７ｃｍ１９ｃ、１７ｄ−１９ｄ群は差動結線されて
いる。そして、これら各検出コイル群の両端から電圧信
号を得る構成となっている。

しかして、第３図には上記検出コイル１７ａ−１９ａ、
１７ｂ−１９ｂ、１７ｃｍ１９ｃ、１７ｄ−１９ｄ群か
らの電圧信号を処理するための回路構成が機能ブロック
の組合わせにより示されており、以下これについて説明
する。

即ち、検出コイル１７ｂ−１９ｂ、１７ｃｍ１９ｃ、１
７ｄ−１９ｄ群からの電圧信号は、夫々差動増幅部２１
，２２．２３を介した後に加算部２４により加算される
。この加算部２４から出力される電圧信号は、バンドパ
スフィルタ２５を通じて励磁成分のみが取出された後に
、同期検波部２６及び積分部２７により検出トルクに比
例した直流電圧信号に変換され、この後にＡ−Ｄ変換部
２８を通じて検出トルク演算用のマイクロコンピュータ
２９に入力される。

一方、検出コイル１７ａ−１９ａ群からの電圧信号は、
差動増幅部３０を介した後にバンドパスフィルタ３１及
びローパスフィルタ３２に夫々与えられる。上記電圧信
号のうちバンドパスフィルタ３１を通過した信号は、前
記加算部２４から出力される電圧信号と同様に、同期検
波部３３．桔分部３４及びＡ−Ｄ変換部３５を通じて前
記マイクロコンピュータ２９に入力される。このとき、
検出コイル１７ａ−１９ａ群は和動接続されているから
、マイクロコンピュータ２９に入力される電圧信号は、
トルク成分には無関係な信号であり、これにより温度変
化に伴う前記検出トルクの変化量を算出することができ
る。また、ローパスフィルタ３２を通過した電圧信号は
、比較部３６により量子化されてすべり周波数（トルク
検出軸１１がモータのシャフトであった場合）に比例し
たパルス信号に変換された後に、周波数−電圧変換を行
なうＦ−Ｖ変換部３７により電圧信号に再変換され、Ａ
−Ｄ変換部３８を通じてマイクロコンピュータ２９に入
力される。このように入力される電圧信号もトルク成分
には無関係な信号であり、これによりすべり周波数を検
出できる。

そして、マイクロコンピュータ２９にあっては、検出コ
イル１７ｂ−１９ｂ、１７ｃｍ１９ｃ、１７ｄ−１９ｄ
群から上述のように与えられる信号に基づいてトルク伝
達軸１１に加えられたトルクを演算すると共に、その演
算内容を検出コイル１７ａ−１９ａ群から上述のように
与えられる信号（温度変化に伴う前記検出トルクの変化
量を示す信号、並びにすべり周波数を示す信号）に基づ
いて補正するものである。尚、マイクロコンピュータ２
９による演算結果は、表示部３９に表示されると共に、
Ｄ−Ａ変換部４０を通じてアナログ信号として外部装置
へ出力されるようになっている。

上記構成のトルクセンサを用いてトルク伝達軸１１の動
トルクを検出したところ、きわめて優れた線形性を有し
ていることを確認できた。また、励磁コイル１６ａ　〜
１６ｄ及び１８ａ〜１８ｄに対する励Ｆａ電流値、つま
り出力検出励磁電流値も、検出コイルとしてソレノイド
コイルを用いた従来構成のものに比して大幅に減ってい
ることが分かった。従って、強磁性体から成るトルク伝
達軸１１から受ける影響も大幅に低減でき、磁気回路上
において有利になる。さらに、マイクロコンピュータ２
９による検出トルクの演算時には、その演算内容を、温
度変化に伴う検出トルクの変化量を示す信号及びすべり
周波数を示す信号に基づいて補正する構成であるから、
高温度環境で使用される場合或は検出対象がモータトル
クであった場合でもトルク検出精度を向上させることが
できる。

また、４個ずつの検出磁心１４ａ〜１４ｄ、１５ａ〜１
５ｄ並びに４対の検出コイル１７ａ〜１７ｄ、１９ａ〜
１９ｄを設ける構成とした結果、トルク伝達軸１１の振
れの影響を小さくできて、トルク検出精度が一層高くな
ることも判明した。

尚、上記実施例では、磁性金属薄帯１２．１３をアモル
ファス磁性合金から形成したが、これに代えてパーマロ
イ、センダスト等の磁性合金を用いても良く、また、検
出磁心１４ａ〜１４ｄ、１５ａ〜１５ｄをアモルファス
合金、パーマロイ。

センダスト等から形成する構成としても良い。さらに、
上記実施例において、励磁コイル１６ａ。

１８ａを無励磁状態とし、このときの励磁コイル１６　
ａ　＋　　１８　ａまたは検出コイル１７ａ、１９ａの
抵抗変化を検出することにより、雰囲気温度の影響によ
る出力特性の変動の補正することもできる。

［発明の効果コ 本発明によれば以上の説明によって明らかなように、出
力検出励磁電流値の減少を図り得ると共に、トルク検出
精度を向上を、使用雰囲気の温度及び使用対象の如何に
関係なく実現することが可能になるものである。

【図面の簡単な説明】

第１図乃至第３図は本発明の一実施例を示すもので、第
１図は励磁コイル及び検出コイルの結線状態を示す配線
図、第２図はトルクセンサの構成を示す斜視図、第３図
は信号処理のための回路構成を示すブロック図である。 また、第４図及び第５図は従来例説明用のもので、第４
図はトルクセンサの原理図、第５図はトルクセンサの概
略的構成図である。 図中、］１はトルク伝達軸、１２．１３は磁性金属薄帯
、１４　ａ　−１４ｄ　、　　１５　ａ　〜１５　ｄは
検出磁心、１６ａ　〜１６ｄ、１８ａ　〜１８ｄは励磁
コイル、１７ａ　〜１７ｄ、１９ａ　〜１９ｄは検出コ
イル、２５．２９はバンドパスフィルタ、３２はローパ
スフィルタ、２９はマイクロコンピュータを示す。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １．磁歪を有する磁性金属薄帯をトルク伝達軸の外周面
   に固定し、その軸に加えられたトルクによる前記磁性金
   属薄帯の磁気特性の変化に基づいて上記トルクを非接触
   検出するトルクセンサにおいて、前記磁性金属薄帯を前
   記トルク伝達軸の外周面にこれを一周するように固定す
   ると共に、前記磁性金属薄帯をその周方向に励磁するＮ
   個（Ｎは２以上の自然数）で一組の検出磁心を偶数組設
   けてこれら各組を軸方向へ互に所定間隔を存した状態で
   配置し、前記各検出磁心に励磁コイル及び検出コイルを
   夫々巻回すると共に、軸方向に隣接する各検出磁心に巻
   回された検出コイル群のうち一つの検出コイル群を和動
   接続すると共に残りの検出コイル群を差動接続し、これ
   ら差動接続された検出コイル群の出力に基づいて前記磁
   性金属薄帯の磁気特性の変化を検出し、且つその検出出
   力を前記和動接続された検出コイル群の出力により補正
   するようにしたことを特徴とするトルクセンサ。