JPH0298640A - 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、回転軸の周方向捩しれに伴う歪みによって住
する磁化方向の変化を検出して、回転軸に作用するトル
クを求める磁歪式トルクセンサに関する。

〔従来の技術〕

回転軸などのトルク伝達軸に作用するトルクを検出する
場合、従来は歪ゲージを用いるのが一般的である。この
歪ゲージによるトルクの検出は、計測対象となる回転軸
の表面に４つの歪ゲージを貼着してブリッジ回路を形成
し、トルクによる回転軸の捩じれに伴う歪ゲージの抵抗
の変化を検知してトルクを求めるものである。そして、
歪ゲージの抵抗の変化を検出するだめの電気回路には、
スリップリングまたは交流トランスを使用している。と
ころが、スリップリングまたは交流トランスは、いずれ
もノイズが発生しやすく、特にインパクトレンチのよう
な衝撃トルクの検出に対しては、ＳＮ比（Ｓ／Ｎ）を充
分に取れないおそれがある。このため、近年は、捩じれ
にに伴う歪みによる軸の磁化方向の変化を検知してトル
クを求める磁歪式トルクセンサが注目されている。

この磁歪式トルクセンサは、コの字型のコアに巻いた２
つのコイルを回転軸に近接して直交配置し、一方のコイ
ルを励磁して発生させた磁束を回転軸中を透過させ、他
方のコイルによって軸の歪みに基づく磁化方向の変化に
よる変形した磁束を検出するようにしたものである。従
って、磁歪式トルクセンサは、コイルを回転軸と非接触
に配置してトルクを検出することができるところから、
検出信号の取り出しを容易に行うことができる。

ところが、従来の磁歪式トルクセンサは、無負荷の状態
であっても、回転軸の回転に伴い、第６図に示したよう
に軸の周方向における検出信号が大きく変動する。この
第６図に示したデータは、トルクが５　ｋｇ−ｍのとき
に、出力電圧が８２０ｍＶとなるように感度を調整した
場合のもので、無負荷時における周方向の検出信号は、
１．０００　ｍＶ以上変動する。そして、この無負荷時
の出力変動が零点の変動として作用するため、検出トル
クが実際のトルクと異なった値となる欠点があった。

そこで、この問題を解決するために、各種の手法が開示
されている。

例えば、■回転軸の表面に磁性材料による被膜を形成し
、回転軸の磁気特性の向上を図る方法（特公昭５１−１
４９８５号公報）、■著しい磁気歪み特性を有するアモ
ルファス磁性薄帯を回転軸に巻き付けて固定し、回転軸
の歪み応力をアモルファス磁性薄帯の磁気歪みを介して
検出する方法（特開昭５８−９０３４号公報）、■常に
回転軸の一定の位置においてサンプリングするようにし
、回転軸の周方向の磁化のバラツキによる影響を除去す
る方法（特開昭６２−１５４２７号公報）、■回転軸の
無負荷時における周方向の検出値をオフセット成分とし
て記憶しておき、回転軸に負荷が作用しているときの検
出信号からオフセット成分を減算してトルクを求める方
法（特開昭６２−５５５３３号公報）などがある。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかし、回転軸の表面に磁性材料からなる被膜を形成す
る場合、被膜の厚さを一様にする事が困難である。また
、回転軸の表面にアモルファス磁性薄帯を巻き付けると
、アモルファス磁性薄帯に歪みが生じることや、アモル
ファス磁性薄帯を回転軸に密着させることが困難である
欠点を有している。そして、回転軸の一定位置でサンプ
リングする方法や、無負荷時の回転軸周方向の検出値を
記りαしておく方法は、回転角を検出する手段等を必要
とし、センサが大型かつ高価となるとともに、データを
変換してマイクロコンピュータによって計算する必要が
あり、軸の回転速度が大きい場合には、演算速度が不足
する欠点を有している。

本発明は、前記従来技術の欠点を解消するためになされ
たもにで、回転軸の周方向における零点の変動かが小さ
く、安価に検出精度を向上することができるｆｎ歪式ト
ルクセンサを提供することを目的としている。

〔！！！題を解決するための手段および作用〕本発明は
、回転軸の周方向における零点の変動が、回転軸の強度
を得るために焼入れが施され、この焼入れにより回転軸
の残留応力分布がランダムとなることに基づくことに着
目してなされたもので、トルクを伝達する回転軸と、こ
の回転軸を透過した磁束を検出する磁束検出部を有する
磁歪式トルクセンサにおいて、少なくとも前記回転軸の
前記磁束検出部に対向した部分が、全周にわたって残留
応力を除去されていることを特徴としている。

トルクを伝達する回転軸、例えばインパクトレンチの回
転軸、モータの回転軸、その他各種装置の駆動軸等は、
トルクに耐える強度を得るために、鋼により形成され、
焼入れが施されている。そして、焼入れをした鋼は、焼
入れしたままでは組織的に不安定で、そのままにしてお
くと内部応力が大きくなり、割れなどを生じるため、焼
入れ後焼もどしを行っている。しかし、焼もどしは、−
最に靭性の向上を目的としており、焼もどした軸中には
内部応力が残留し、この残留した内部応力が軸の周方向
における磁化のバラツキを生じさせ、零点変動の原因と
なる。そこで、軸に残留している内部応力を除去すれば
、軸の周方向における磁化のバラツキを小さくでき、無
負荷時の周方向における検出信号（零点）の変動の小さ
い、検出精度の良い磁歪式トルクセンサを得ることがで
きる。

残留応力の除去は、回転軸を高温に加熱して徐冷する焼
なまし処理により行うことができる。

〔実施例〕

本発明に係る磁歪式トルクセンサの好ましい実施例を、
添付図面に従って詳説する。

第１図は、本発明の実施例に係る磁歪式トルクセンサの
断面図である。

第１図において、トルクを伝達する回転軸】Ｏは、一対
の軸受１２．１４を介してケース１６に回転自在に支持
されている。また、ケース１６の軸受１２．１４間には
、回転軸１０を透過した磁束を検出するための、磁束検
出部である詳細を後述するコイルユニット１８が回転軸
１０に近接して取り付けである。

一方、回転軸１０は、先端（図の右側端）に、例えばナ
ツトやボルトを回転させるための図示しないソケフトを
連結する連結部２０が形成され、後端部が回転駆動装置
（図示せず）に接続する接続フランジ２１を有している
。この回転軸ｌＯは、例えば炭素鋼により形成され、コ
イルユニット１８に対向した検出部２２が、焼なまし処
理により全周にわたって残留応力を除去されているとと
もに、軸受部２４．２Ｇや連結部２０．接続フランジが
高周波焼入れ、炎焼入れ、窒化処理などにより表面硬化
処理され、耐摩耗性と強度の向上とが図られている。

焼なまし処理は鋼種により異なるが、例えば回転軸１０
を５００〜６００°Ｃに加熱し、この温度に所要時間保
持した後、室温まで徐冷する。この焼なまし処理により
、残留応力の殆どを除去することができ、回転軸１０の
周方向の磁化のバラツキを大幅に改善して、回転軸１０
の無負荷時における周方向の検出信号の変動を、暁なま
し処理をしない従来の回転軸に比較して極めて小さくす
ることができる コイルユニット１Ｂは、第２図に示したように、励磁コ
イル２８と検出コイル３０とからなっている。励磁コイ
ル２８は、回転軸１０の軸方向に直交して配置したコの
字状の励磁コア３２に巻回しである。また、検出コイル
３０は、励磁コア３２の内側に位置し、回転軸１０の軸
線に平行したコの字状の検出コア３４に巻回しである。

励（Ｂコイル２Ｂは、高周波発信器３６が接続しである
定振幅駆動回路３日に接続され、定振幅駆動回路３８か
ら励磁電流を受けるようになっている。一方、検出コイ
ル３０は、検出した磁束に応じた電圧を検出信号として
高周波増幅器４０に入力する。高周波増幅器４０は、入
力してきた検出信号を増幅して検波器４２に送る。検波
器４２は、入力してきた交流信号を直流信号にして、直
流増幅器４４を介してアナログ・ディジタル変換器（Ａ
／Ｄ変換器）４６に出力するゆＡ／Ｄ変換器４６は、ア
ナログ値をディジタル値に変換し、トルク演算器４８に
入力する。そして、トルク演算器４８は、Ａ／Ｄ変換器
４６からの入力信号に基づきトルクを求め、表示器５０
に送出して表示する。

上記の如く構成した実施例の作用は、次のとおりである
。

定振幅駆動回路３８は、高周波増幅器４０の出力パルス
に同期して、所定振幅の交流励磁電流を励磁コイル２８
に供給する。励磁コイル２８が励磁されると、励磁コア
３２の一方の脚から出た磁束は、回転軸１０を透過して
他方の男に達する。

そして、回転軸１０にトルクが作用すると、回転軸１０
は捩じれ、歪みが生して回転軸１０の磁化の方向が変化
し、磁束の一部が検出コイル３０と鎖交して、検出コイ
ル３０に電圧が誘起される。

検出コイル３０に誘起した電圧は、検出信号として高周
波増幅器４０に入力されて増幅された後、検波器４２に
より検波されて直流の検出信号に変換される。検波器４
２から出力された検出信号は、直流増幅器４４により増
幅された後、Ａ／Ｄ変換器４６に送られ、Ａ／Ｄ変換器
４６によりアナログ値からディジタル値に変換され、ト
ルク演Ｘ１４８に送られる。トルク演算器４８は、Ａ／
Ｄ変換器４６から入力してきたデータに基づきトルクを
算出し、表示器５０に表示する。

第３図は、回転軸１０の焼なまし効果を示す実験データ
である。

回転軸１０に加える負荷を変化させるとともに、回転軸
１０の周方向に６０度間隔の位置における出力電圧のヒ
ステリシスを求めたときの、５ｋｇ−ｍと無負荷との出
力電圧をプロットしたもので、零点移動の最大値は、定
格出力（５０００ｍＶ）の約＋６％となり、従来のもの
に比較して零点移動を大幅に改善することができる。こ
の結果、検出誤差が小さくなり、検出精度を向上するこ
とができる。また、回転角検出器等を必要としないため
、安価なセンサを得ることができる。

第４図は、回転軸の他の実施例を示したものである。

第４図に示した回転軸ＩＯは、焼なまし処理を施した検
出部２２を軸受部２４．２６より大径に形成したもので
ある。これにより、焼なまし処理により低下した検出部
２６の強度を補強することができる。

第５図は、回転軸のさらに他の実施例の断面図を示した
ものである。

第５図に示した回転軸１０は、周方向の残留応力あるい
は磁化特性のバラツキ、すなわち無負荷時の検出値の周
方向のバラツキに応じて回転軸１０またはコマ１１　（
回転軸の検出部外周に装着する）を切削加工し、無負荷
時の検出値が周方向において一様となるように修正でき
るようにしたものである。ただし、この場合、光センサ
５２などのギャップｄを検出するセンサを設け、コイル
ユニット１８と回転軸１０またはコマ１１との回転角度
ごとのギャップｄを求めて検出値の補正をする必要があ
る。

なお、前記実施例においては、励磁コイル２８を回転軸
ＩＯの軸線に直交するように配置した場合について説明
したが、励磁コイル２８を軸線に沿って配宜し、検出コ
イル３０を軸線に直交させてもよい、また、励磁コイル
２８と検出コイル３０とを回転軸ｌＯの周囲に重ねて巻
回してもよい。

さらに、前記実施例においては、焼なまし処理により残
留応力を除去する場合について説明した力（例えば機械
的方法等の他の方法によって残留応力を除去するように
してもよい、そして、コイルユニット１８の取り付は位
置は、第１図の位置に限定されず、軸受１４より連結部
２０側であってもよい。

〔発明の効果〕

以上に説明した如く、本発明によれば、回転軸の磁束検
出部に対向した部分を、全周にわたって残留応力を除去
したことにより、回転軸の周方向における零点の変動を
小さくすることができ、検出精度を向上することができ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例に係る磁歪式トルクセンサの断
面図、第２図は実施例の磁歪式トルクセンサを用いたト
ルク検出装置のブロック図、第３図は実施例の回転軸の
周方向における零点移動の説明図、第４図は回転軸の他
の実施例の説明図、第５図は回転軸のさらに他の実施例
の断面図、第６図は従来の回転軸の無負荷時における検
出値の周方向のバラツキを示す図である。 １０−・・・・・回転軸、１８−・−・・・磁束検出部
（コイルユニット）、２２　・・−・−検出部、２４．
２６　・・・−軸受部、２８−・−・−励磁コイル、３
０　・・−・・検出コイル。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）トルクを伝達する回転軸と、この回転軸を透過し
   た磁束を検出する磁束検出部を有する磁歪式トルクセン
   サにおいて、少なくとも前記回転軸の前記磁束検出部に
   対向した部分が、全周にわたって残留応力を除去されて
   いることを特徴とする磁歪式トルクセンサ。（２）前記
   残留応力の除去は、焼なまし処理によることを特徴とす
   る請求項１記載の磁歪式トルクセンサ。