JPH0262925A - 磁歪式トルクセンサ - 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】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、回転軸に印加されるトルクを、非接触的に検
出する磁歪式トルクセンサに関する。

〔従来の技術〕

電動機、工作機械、自動車等における回転駆動系の回転
軸に加わるトルクを、回転軸の磁歪効果を利用して電気
量として非接触的に検出するセンサとしては、回転軸表
面に螺旋溝を形成して応力磁気異方性をもたせ、これに
励磁巻線と検出巻線を回転対称に軸に配置し、印加トル
クによる回転軸表面の透磁率の変化を励磁巻線と検出巻
線との間の相互誘導による起電圧として測定するように
したものが知られている。また、近時は、磁歪体として
、均一な磁気的性質と高い磁気歪定数を有するアモルフ
ァス磁性薄帯を回転軸表面に接着しその薄帯に一軸磁気
異方性を付与しておき、印加トルクによりアモルファス
磁性薄帯に生じる透磁率の変化を検出するようにしたも
のも従業されている。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかるに、回転軸に螺旋溝を形成したトルクセンサでは
、動力伝達軸として必要な回転軸の機械的強度が損なわ
れるばかりか、その強度低下によるトルクセンサそのも
のの信頼性も著しく低下することになる。

他方、アモルファス磁性薄帯を磁歪体として印加トルク
を検出するようにしたトルクセンサは、そのような問題
はなく、かつ検出感度が高い等の特長を有しているが、
反面検出々力の温度依存性や経時的変動を無視できない
という問題がある。

すなわち、回転軸とアモルファス磁性薄帯とは一般に熱
膨張係数の差が大きいため、使用環境の温度変化により
アモルファス磁性薄帯に熱応力が生じ、またアモルファ
ス磁性薄帯を回転軸表面に接着している接着剤の経時劣
化が生じる。これらの温度変化や接着剤の劣化は検出々
力の変動や感度の低下の原因となる。加えて、高いトル
クが加わる領域では、トルクとその検出々力の直線性が
低く、従ってそのダイナミックレンジが狭いという難点
もある。

本発明は、上記従来の問題点を解消するための改良され
た磁歪式トルクセンサを提供するものである。

〔問題点を解決するための手段および作用〕本発明の磁
歪式トルクセンサは、 回転軸の表面を円周方向に交番磁化するための、両端部
が内向に屈曲した略コ字形状を有する鉄心にコイルを巻
装してなる励磁用磁気ヘッド複数個が回転軸の表面に近
接してその円周方向に配置され、かつ回転軸に印加され
るトルクに比例して生じる前記磁束の軸方向成分を検出
するための、両端が内向に屈曲した略コ字形状を有する
鉄心にコイルを巻装してなる検出用磁気ヘッドが、前記
励磁用磁気ヘッドのそれぞれにそれと直交する向きに取
付けられていることを特徴としている。

以下、本発明のトルクセンサについて、実施例を示す図
面を参照して説明する。

第１図において、（１０）は回転軸、（２０）は励磁用
磁気ヘッド、（３０）は検出用磁気ヘッドである。励磁
用磁気ヘッド（２０）は鉄心（２１）とこれに巻装され
たコイル（２２）とからなる電磁石であり、その磁極と
なる鉄心（２１）の両端部は内向き（回転軸表面に向か
って）屈曲して略コ字形状をなしている。

各励磁用磁気ヘッド（２０，２０，２０）は、それぞれ
の磁極対が回転軸（１０）の円周方向に−敗し、かつ回
転軸（１０）の回転に支障を生じさせない範囲で軸表面
に近接してその軸まわりを一巡するように円形配置され
、その隣り合う端部と端部に架は渡された非磁性接続具
（４０）により、磁気的に絶縁された状態で互いに連結
固定されている。なお、各励磁用磁気ヘッド（２０，２
０，２０）のコイルの巻数および巻き方向は同一であり
、その端子には第２図に示すように励磁用交流電源（６
０）が接続されている。

図は、励磁用コイルと検出用コイルとを並列に接続した
例を示しているが、直列としてもよい。

上記励磁用磁気ヘッド（２０，２０，２０）を交流電流
により励磁すると、回転軸（１０）に励磁々界が印加さ
れて、第３図に示すように回転軸（１０）の表皮層に、
円周方向の磁束（破線で示す）が生じる。各励磁用磁気
ヘッド（２０）　（２０）　（２０）の励磁により生じ
る各磁束の向きは同一であり、隣り合う磁気ヘッド（２
０）と（２０）との間に磁束の断点があるが、軸周面の
ほぼ全周にわたる環状の磁場が形成される。

一方、検出用磁気ヘッド（３０）は、鉄心（３１）とこ
れに巻装されたコイル（３２）とからなり、その鉄心（
３１）は前記励磁用磁気ヘッド（２０）の鉄心（２１）
と同じように、その両端部が内向き（回転軸表面に向か
って）屈曲して略コ字形状を呈している。各検出用磁気
ヘッド（３０，３０，３０）のそれぞれは前記励磁用磁
気ヘッド（２０，２０，２０）に、それと略直交する向
き（回転軸の軸心方向）に取付られている。ただし、そ
れぞれの励磁用磁気ヘッド（２０）と検出用磁気ヘッド
（３０）とは磁気的短絡が生じないように絶縁されてい
る。各検出用磁気ヘッド（３０，３０゜３０）の各コイ
ルの巻数と巻き方向は同じであり、その端子に第２図に
示すようにトルク指示計（７０）が接続されている。な
お、上記各磁気ヘッド（２０゜２０、２０）（３０，３
０，３０）は磁気ヘッド支持部材（５０）に支承されて
空間に固定されている。

上記トルクセンサによるトルク検出原理について説明す
ると、まず回転軸にトルクが印加されていない状態では
、回転軸表面の磁気的歪みは存在しないので、励磁用磁
気ヘッド（２０）により励磁されて回転軸（１０）表皮
層に生じる磁束は、第４図に示すように円周方向に平行
である。このため検出用磁気ヘッド（３０）のコイルと
交鎖する磁束はないか、または検出用磁気ヘッド（３０
）のヨーク部（Ｘ。

Ｙ）を通る磁束をバランスさせることが可能であり、従
ってトルク指示計（７０）に出力はあられれない。

今、回転軸（１０）にトルクが印加されると、回転軸の
表面には、軸方向に対する傾き角が±４５°の引張応力
と圧縮応力とが対をなして誘導される。

回転軸が鋼材などのように正の磁気歪み定数を有するも
のである場合、引張応力方向の磁気抵抗は減じ、圧縮応
力方向の磁気抵抗が増加し、その結果として、円周方向
に平行であった磁束は、印加トルクに比例した角度だけ
円周方向に対して傾斜する。この磁束の傾斜により生じ
る磁束の軸方向成分が検出用磁気ヘッド（３０）の鉄心
（３１）を通り、その結果コイル（３２）に生じる交番
起電圧がトルク指示計に出力される。この場合において
、検出側回路に同期整流回路を組込み励磁用磁気ヘッド
（２０）の励磁電流の位相を基準とし、検出用磁気ヘッ
ド（３０）のコイル（３２）に生じる起電圧を同期半波
整流すれば、印加トルクの大きさだけでなく、その整流
電圧の正負の符号から、トルクの印加方向を判別するこ
とができる。これを第５図および第６図により説明する
。各図中、（Ｅｌ）（Ｅ２）は回転軸（１０）の表面に
近接対向する励磁用磁気ヘッド（２０）の両端部（磁極
）の位置を示し、破線とその矢符は回転軸表面の交番磁
束とその向きを示している。

回転軸（１０）表面の磁束はトルクの印加により、その
トルクに比例した角度をもって円周方向に対し傾斜して
いる。第５図はトルク印加方向が時計廻りの場合であり
、トルクの印加方向が逆の場合は、第６図に示すように
、円周方向に対し上記とは反対の方向の傾斜を示す。な
お、磁束の向きは、励磁電流の位相に対応して各図のＨ
）に示す向きと［１１）に示す向きに交番する。

今、印加トルクにより磁束が第５図に示す向きに傾斜し
ているとする。その交番磁束が同図（Ｉ）のように右上
から左下に向かっている場合において、磁極（Ｅｌ）（
Ｅ２）が形成する磁界の両端縁部類［（Ｘ）と（Ｙ）の
それぞれを通る磁束は、領域（Ｘ）において密、領域（
Ｙ）において粗となり、従って、その領域（Ｘ）と（Ｙ
）との間に配置された検出用磁気ヘッド（３０）の鉄心
（３１）にはＸからＹに向かう磁束が生じる。他方、ト
ルクの印加方向が上記とは逆向きの第６図において、そ
の磁束が同図（１）に示すように、左上から右下に向か
っている場合の領域（Ｘ）と（Ｙ）における磁束の粗密
関係は上記第５図（１）のそれとは逆に、領域（Ｙ）の
方が領域（Ｘ）よりも密となるので、領域（Ｘ）と（Ｙ
）間に配置された検出用磁気ヘッド（３０）の鉄心（３
１）には上記と逆にＹからＸに向かう磁束が生じ、従っ
てそれにより検出用磁気ヘッドのコイルに発生する起電
圧は上記の場合と正負の符号が反対となる。第５図（Ｉ
Ｉ）と第６図（ＩＩ）における領域（Ｘ）（Ｙ）の磁束
の粗密状態とそれに対応して検出用磁気ヘッド（３０）
の鉄心（３１）に生じる磁束の向きの対応関係および、
その出力値の正負の符号の逆転についても上記と全く同
じである。従って、励磁用磁気ヘッド（２０）による交
番磁化の位相変化を基準にして、トルクの印加により生
じる検出々力を同期整流してトルク指示計に取出すよう
にすれば、印加トルクの大きさと方向とを同時に検出す
ることができる。

上記説明では、３個の励磁用磁気ヘッド（２０）を用い
た例を挙げたが、むろんそれに限定されず、その個数は
２個あるいは３個以上であってもよい。

また、励磁用磁気ヘッド（２０）の励磁電流は、正確な
正弦波である必要はな（、矩形波であってもよいので、
発振器またはバイブレータ等の出力を増幅して使用する
こともできる。

〔発明の効果〕

本発明のトルクセンサは、回転軸表面に対する螺旋溝の
刻設等の軸加工を必要とせず、従って軸加工に伴う軸強
度の低下や検出精度の低下等の問題がなく、またアモル
ファス磁性薄帯を磁歪体として軸表面に接着したトルク
センサのような環境温度の変化や接着剤の経時劣化によ
る出力のドリフトの問題もなく、高感度・高精度のトル
ク検出が可能であり、回転駆動系の制御におけるすぐれ
て高い信頼性を有するものである。

【図面の簡単な説明】

第１図（１）は本発明の実施例を示す正面図、同図（Ｉ
Ｉ）はその側面図、第２図は本発明のトルクセンサの励
磁・検出回路説明図、第３図、第４図は回転軸表面の交
番磁束を示す図、第５図（１）〔■〕、第６図（１）（
ｎ）はトルク印加による磁束変化を模式的に示す図であ
る。 １０：回転軸、２０：励磁用磁気ヘッド、３０：検出用
磁気ヘッド、２１，３１：鉄心、２２．３２：コイル。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）　回転軸の表面を円周方向に交番磁化するための
   、両端部が内向に屈曲した略コ字形状を有する鉄心にコ
   イルを巻装してなる励磁用磁気ヘッド複数個が回転軸の
   表面に近接してその円周方向に配置され、かつ回転軸に
   印加されるトルクに比例して生じる磁束の軸方向成分を
   検出するための、両端が内向に屈曲した略コ字形状を有
   する鉄心にコイルを巻装してなる検出用磁気ヘッドが、
   前記励磁用磁気ヘッドのそれぞれにそれと直交する向き
   に取付けられていることを特徴とする磁歪式トルクセン
   サ。