JPH03200071A - トルクバランサ - 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】 （イ）産業上の利用分野 本発明は、トルクバランサに関するものであり、トルク
バランサは例えば傾斜計、角加速度計などに用いられる
。

（ロ）従来の技術 トルクバランサを用いた従来の傾斜計は次のような構成
を有している。すなわち、ゼロバランス電流計の可動コ
イルに不平衡重りを設け、傾斜計が傾斜した場合に重り
によって発生するトルクを打ち消す方向に可動コイルに
フィードバック電流を流す。このために可動コイルの相
対偏角を相対偏角検出装置によって電気量として検出し
、これを増幅して可動コイルに負帰還させる。

（ハ）発明が解決しようとする課題 しかしながら、上記のような従来のトルクバランサには
、平衡可能なトルクが太き（（傾斜計の場合には、計測
可能な傾斜角範囲が大きく）、シかも応答速度の高いフ
ィードバック性能を得ることができないという問題点が
ある。すなわち、従来のトルクバランサは、外磁型磁気
回路の場合及び内磁型磁気回路の場合のいずれの場合に
も、指示計の動作範囲に対応して均整磁界を発生するよ
うに構成されている（例えば、「機械工学便覧」改訂第
６版第２０−４頁参照）。従って、可動コイルの比較的
大きい可動範囲内にわたってほぼ均一な磁界が発生する
ようになっている。このため、・磁束密度は低いものと
なっている。この結果、十分なフィードバックトルクが
発生せず、平衡可能なトルク範囲が小さくなり、また応
答速度も低くなる。また、可動コイルの大きい可動範囲
を確保するために装置全体が大きくなっている。

本発明はこのような課題を解決することを目的としてい
る。

（ニ）課題を解決するための手段 本発明は、トルクバランサにおいては可動コイルはゼロ
点（基準位置）を中心として大きくても数度程度の範囲
しか変位しないことに着目して成されたものであり、磁
石とヨークとの間に集中磁界を形成させ、常にこの集中
磁界内で可動コイルが動作するように構成することによ
り、上記課題を解決する。すなわち、本発明は、閉磁路
の途中に磁界間隙を構成するようにフレームに固定され
る磁石及びヨークと、磁石及びヨークによって構成され
る磁界間隙内に位置すると共に磁石の磁極方向に直交す
る軸（Ｙ−Ｙ’）を中心として回動可能に支持される可
動コイルと、可動コイルにこれの回動中心から所定距離
の位置に設けられる重り（４０）と、磁石及びヨークに
対する可動コイルの基準位置からの偏角を検出する相対
偏角検出装置と１重りに作用する力によって発生するト
ルクにかかわらず可動コイルが磁石及びヨークに対して
基準位置に保持されるように相対偏角検出装置によって
検出される偏角信号を可動コイルに負帰還させるフィー
ドバック装置とを有するトルクバランサを前提としたも
のであり、磁石（１８）は棒状又は略棒状のものであり
、磁石の磁極側端面及びこれに対面するヨーク（１２）
によって構成される磁界間隙（５１及び５３）の可動コ
イル回転方向への寸法（Ａ）は、可動コイル（２２）の
可動コイル回転方向への寸法（Ｂ）よりも僅小寸法（δ
）だけ小さくされており、上記僅小寸法は相対偏角検出
装置（４４）が検出可能な最大偏角位置まで可動コイル
が回動した状態においても可動コイルが上記磁界間隙内
に位置するように設定されていることを特徴としている
。

（ホ）作用 磁石とヨークとの対面部の磁界間隙に、可動コイル回転
方向への寸法が比較的狭い磁界が形成される。可動コイ
ルは基準位置（ゼロ点位置）では、磁界間隙の中央部に
位置している。相対偏角検出装置がこれの測定可能な最
大偏角を検出する状態においても、可動コイルが磁石と
ヨークとの間の磁界間隙から外側にはみ出すことがない
ように設定されている。従って、フィードバック動作中
は可動コイルは常に集中磁界内に位置しており、これに
流れるフィードバック電流によって大きいトルクを発生
する。このため、重りによって発生するトルクが大きい
場合（傾斜計として使用する場合には傾斜角が大きい場
合）にも、トルク平衡を達成することができるので、大
きいトルク（傾斜計として使用する場合には傾斜角）を
計測することができる。また、トルク（傾斜角）が急速
に変化した場合にもフィードバックトルクが大きいため
応答性が良（なる。この結果、例えば傾斜角が大きく、
しかも傾斜角の変化速度が大きい場合にも、このトルク
バランサを傾斜計に適用することができることになる。

また、このトルクバランサは変化速度の大きい角加速度
を検出するための角加速度計にも適用可能である。

（へ）実施例 （第１実施例） 第１〜３図に示すように、非磁性材料製のフレーム１０
に方形枠状のヨーク１２が固着されている。ヨーク１２
には、これと一体にステイ１４が設けられており、ステ
イ１４はヨーク１２の上端から水平方向にヨーク１２の
中心部に向って伸びている。このステイ１４に非磁性金
属１６を介して略棒状の磁石１８が取り付けられている
。磁石１８は、第４及び５図に示すように、棒状の磁石
の両側面に非磁性金属１６及び２０を接合し、これを円
柱状に加工することにより構成されている。従って、磁
石１８の第４図中左右の磁極面は円弧状となっている。

磁石１８のＮ極及びＳ極がそれぞれヨーク１２の平行面
１２ａ及び１２ｂと対面するように配置されている。磁
石１８の外周側にこれを包囲するように断面方形の可動
コイル２２が設けられている。可動コイル２２は、コイ
ル枠２４に線を巻き付けることにより構成されている。

長方形の可動コイル２２の短辺２２ａ及び２２ｂが、ヨ
ーク１２の平行面１２ａと磁石１８のＮ極との間の磁界
間隙５１゜及び平行面１２ｂとＳ極との間の磁界間隙５
３にそれぞれ位置している。なお、可動コイル２２の短
辺２２ａ及び２２ｂの第１図中で上下方向の断面形状は
、後述の第６図に示すように、磁石１８の円弧形状に対
応した円弧状としである。このため、可動コイル２２が
磁石１８に対して回動じても両者の相対関係は変化しな
い。可動コイル２２の長辺２２ｃ及び２２ｄの中央部に
それぞれバンド止め座２６及び２８が接着されている。

方、ヨーク１２の平行面１２ａ及び１２ｂと直交する平
行面１２ｃ及び１２ｄの中央部にはそれぞれ、中空ブツ
シュ状のスパンボビン３０及び３２が固着されている。

スパンボビン３０及び３２にはそれぞれスパンバンド３
４及び３６が取り付けられており、このスパンバンド３
４及び３６がそれぞれバンド止め座２６及び２８と連結
されている。スパンバンド３６は、スパンボビン３２に
固着される゛「山」字状のリーフスプリング３６ａと、
これの中央部の折り返し部に一端が固着されるトーショ
ンバンド３６ｂとから構成されている。トーションバン
ド３６ｂの他端側がバンド止め座２８に固着される。リ
ーフスプリング３６ａはトーションバンド３６ｂに引張
り力を作用シている。スパンバンド３４についても同様
に、リーフスプリング３４ａとトーションバンド３４ｂ
とから構成されている。トーションバンド３４ｂとトー
ションバンド３６ｂとは同一軸（Ｙ−Ｙ’軸）上に配置
されている。従って、可動コイル２２はＹ−Ｙ　’軸を
中心として回動可能に支持されていることになる。スパ
ンバンド３４及び３６には摩擦がないため、外からトル
クが作用しない限り、可動コイル２２の中心を通る水平
面はヨーク１２の中心を通る水平面と同一面上に位置す
ることになる。このように、可動コイル２２が基準位置
にある場合の磁石１８、可動コイル２２及びヨーク１２
の位置関係を第６図に示す。ヨーク１２の寸法Ａは可動
コイル２２の寸法Ｂよりも僅小寸法δだけ大きくしであ
る。可動コイル２２には外部から電流を供給可能である
。また、可動コイル２２にはアーム３８が取り付けられ
ており、このアーム３８の先端側には円板４０が取り付
けられている。円板４０の重量は付加不平衡重量となり
、傾斜時に重力トルクを可動コイル２２に与える。一方
、重り４０は光電インタラプタのための反射板としても
構成されており、これの両側に第２図に示すように小さ
いすきまを置いて光電インタラプタ４２及び４４が設け
られている。光電インタラプタ４２及び４４は後述のよ
うに発光部４２ａ及び４４ａ、及び受光部４２ｂ及び４
４ｂを備えており（第９〜１１図委照）。

受光量に応じた電圧を出力する。光電インタラプタ４２
及び４４は第７図に示すように差増幅器４６と接続され
ており、差増幅器４６の出力側は可動コイル２２と接続
されている。この回路の途中に差増幅器４６の出力を指
示する指示器４８が設けられている。

次にこの実施例の動作について説明する。磁石１８の作
用により第８図に示すような閉磁路が形成される。ヨー
ク１２を、−辺の長さ１４ｍｍ、幅５ｍｍ、厚さ１ｍｍ
の軟鉄材製とし、また磁石１８は断面５ｍｍＸ５ｍｍの
四角形で長さ９　ｍ　ｍとした場合に、ヨーク１２内部
の磁束密度は９ＫＧとなり、またヨーク１２と磁石１８
との間の磁界間隙５１及び５３の磁束密度は３ＫＧとな
る。磁気回路は閉ループとなり、漏洩磁束の少ない構成
としであるので、磁界間隙５１及び５３で上述のように
高い磁束密度を得ることができる。フレームｌＯを設置
した場所が重力方向に対して傾斜していない場合には、
円板４０の重量によるトルクが発生しないため、可動コ
イル２２は基準位置（偏角Ｏ）にある。この状態では、
円板４０は光電インタラプタ４２及び４４の中間位置に
あり、光電インタラプタ４２及び４４の出力電圧に差が
ないため、指示器４８の指示はＯとなる。すなわち、第
９図に示すように円板４０が光１１−１′ンタラブタ４
２と光電インタラプタ４４との間の中間位置にあると、
光電インタラプタ４２側の発光部４２ａから発光されｔ
同根４０によって反射され受光部４２ｂによって受光さ
れる光量と、光電インタラプタ４４側の発光部４４ａか
ら発光され円板４０によって反射され受光部４４ｂによ
って受光される光量との差がなく、光電インタラブ−タ
４２及び４４の出力電圧の差がないため、差増幅器４６
の出力は０となる。なお、円板４０が光電インタラプタ
４２又は光電インタラプタ４４に近づくと（第１０又は
１１図）、近づいた側の受光量が減少するため、光電イ
ンタラプタ４２及び４４の出力は第１２図に示すように
なり、両者の電圧差は第１３図に示すようなものとなる
。

次に、フレームｌＯが第２図に示す平面内で傾斜すると
次のような動作が得られることになる。

フレーム１０が傾斜しても、これに回転自由度が与えら
れた状態で支持されている可動コイル２２は、円板４０
の重量に作用する重力により、アーム３８が垂直向きと
なった姿勢を保持しようとする。このため、フレーム１
０の傾斜方向に応じて、光電インタラプタ４２及び４４
の一方が円板４０に接近し、他方が円板４０から遠ざか
る。

円板４０が光電インタラプタ４２と光電インタラプタ４
４との中間位置からずれると、第１３図に示すような特
性に応じて、電圧差が差増幅器４６に人力される。差増
幅器４６はこの電圧差に基づいてこれをＯとするフィー
ドバック制御を行う。

すなわち、差増幅器４６は、電圧差のプラス及びマイナ
スに応じて、所定の方向及び値の電流を可動コイル２２
に流す。可動コイル２２に電流が流れることにより、可
動コイル２２は円板４０が光電インタラプタ４２と光電
インタラプタ４４との中間位置に（るように回動する。

このようなフィードバック制御が連続的に行われるため
、フレームｌＯの傾斜にかかわらず、円板４０は光電イ
ンタラプタ４２と光電インタラプタ４４との中間位置に
保持される。この場合、フレームエ０の傾斜が大きけれ
ば大きいほど円板４０の重量に作用する重力による可動
コイル２２のトルクが太き（なるため、可動コイル２２
をフレーム１０と同様の傾斜角に保持するために可動コ
イル２２に供給される電流の値も太き（なる。この電流
の値が指示器４８によって検出される。従って、指示器
４８が示す電流値はフレーム１０の傾斜角に対応したも
のとなる。これにより、傾斜角の計測が可能となる。

上記動作を数式を用いて説明すると次のようになる。ま
ず、磁界間隙５１及び５３の磁束密度をＢｇ、可動コイ
ル２２を流れる電流をｉとすれば、可動コイル２２に発
生するトルクＴ１は、Ｔ　−”　Ｋ　ｌ’　Ｂ　ｇ　・
ｉ　　　・・・■なお、Ｋ１は可動コイル２２の巻数及
びコイル枠２４の寸法によって決定される常数である。

Ｂ１は一定と考えられるので、トルクＴ、は電流ｉに比
例することになる。

一方、フレームＩＯが第１４図に示すように角度θだけ
傾斜すると、可動コイル２２に次式で示す振り子トルク
Ｔ、が作用する。

Ｔ＋　＝Ｋｚ　　”　Ｓ　ｊ　ｎθ　・・・■なお、Ｋ
２は円板４０の重量の等価中心点の重量及び振り子長さ
によって決まる定数である。

この装置のフィードバック系をブロック線区で示すと、
第１５図のようになる。第１５図において、Ｔ１は可動
コイル２２の傾斜によって発生する入力トルク、Ｔ、は
可動コイル２２に負帰還される電流によって発生するフ
ィードバックトルク、ｅはＴ、とＴｆとの差、Ｇ６は検
出部の伝達関数、Ｇ、は増幅回路のゲイン、ｒｏは出力
電流、またＧ、は帰還回路のゲインを示す。これらの間
には、次の関係が成立する。

ｅ＝”ｒＩ　　Ｔｔ Ｔｒ　＝Ｔ、ｘＧｔ Ｉ　ｏ　”　Ｇ　ａ　Ｘ　Ｇ　ａ　Ｘ　ｅここで、 Ｇａ　ｘＧ、＝Ｇｔ とすると、 １、／ＴＩ　＝Ｇｔ／（１＋Ｇｆ　　−Ｇｔ）ここで、
Ｇｔ）１ならば、 １、／Ｔ、＝１／Ｇ、　　　・・・■ ■式にＴ、＝Ｔ１、ｉ＝工。とおいてＧｔを求めれば、 Ｇｒ　　＝　Ｋ　ｒ　　Ｘ　Ｂｙ このＧ、及び■式を■式に代入すると。

Ｉ０＝　（Ｋｚ　Ｘ５ｉｎθ）／　（Ｋ、ｘＢ、）ここ
で、 Ｋａ／に＋＝に とすると、 ■。＝ＫＸｓｉｎθ／Ｂ、　　　・・・■が成立する。

この場合、Ｂ、は一定と考えられるので、■式から、傾
斜角の正弦値に比例した電流が求められることが分かる
。また、磁束密度Ｂｇが大きいほど傾斜角範囲θを大き
くとれることを示している。

第６図に示すように可動コイル２２の８寸法はヨーク１
２のＡ寸法よりも僅小寸法δだけ小さくされており、可
動コイル２２は磁石１８によって発生する集中磁界内に
常に位置している。この状態を第１６図に示す。可動コ
イル２２及び重り４０は共に同一回転体上にあるため、
両者は互いに異なった回転半径（円板４ｏはｒｌ、可動
コイル２２はｒＩ、）に所在して変位量は異なるが、回
転角は同一である。第１６図中において、（ｂ）は両者
が中央位置（基準位置）にある場合を示し、（ａ）及び
（Ｃ）は円板４０が基準位置からそれぞれ＋ε／２及び
−ε／２変位した状態を示す。円板４０が最も光電イン
タラプタ４４側に移動した（ａ）の状態においても可動
コイル２２は磁界間隙５１及び５３内に位置しており、
集中磁界から外れることはない。また、逆に円板４０が
最も光電インタラプタ４２側に移動した（ｃ）図の状態
においても可動コイル２２は磁界間！１Ｊ（５１及び５
３内に位置している。すなわち、いずれの場合にも可動
コイル２２は、 δ／２−（ε／２）　Ｘ　（ｒａ　／ｒｂ　）のゆとり
をもって磁界間隙５１及び５３内にあることになる。な
お、上記多値の実際値は、ｆ、＝０．５ｍｍ、δ＝２ｍ
ｍ、ｒａ　＝ｌＯｍｍ。

ｒＩｌ＝５．７５ｍｍであり、可動コイル２２は基準位
置から一方向に（１５６ｍｍの余裕を有することになる
。このように、可動コイル２２は比較的狭い磁界間隙５
１及び５３内に位置しており、可動コイル２２を通る磁
束密度は高くなっており、この結果、可動コイル２２に
通電することによって得られるフィードバックトルクは
大きくなる。従って、フレーム１０の傾斜角が大きくな
った場合でも円板４０を光電インタラプタ４２と光電イ
ンタラプタ４４との中間位置に保持することができ、計
測可能な傾斜角度が大きくなる。前述のように、ヨーク
１２を一辺の長さ１４ｍｍ、幅５ｍｍ、厚さ１ｍｍの軟
鉄材製とし、また磁石１８は断面５ｍｍＸ５ｍｍの四角
形で長さ９ｍｍとした場合に、可動コイル２２を通過す
る磁束密度は３ＫＧとなり、傾斜角９０度までの計測が
可能となった。また応答速度も高くなる（７０　Ｈｚに
達する）ため、急速に変化する傾斜角の計測も可能とな
る。更に、測定精度も高いものになり、±９０″の範囲
内において０．０１％（±５分）の精度となる。また、
装置は小型化され、全構成要素は２５ｍｍ立方のケース
内に納められる。

なお、この実施例では、第４及び５図に示したように磁
石１８の両側に非磁性金［１６及び２０を接合して円形
のものとしたが、第１７区に示すように、全体を径方向
に着磁した円柱状の磁石とすることもできる。この場合
、部品点数も減少し、構造も簡易なものとなる。また、
第１８図に示すような四角柱状の棒磁石とすることもで
きる。

（第２実施例） 次に本発明によるトルクバランサを用いて角加速度計を
構成した実施例を第１９及び２０図に示す。可動コイル
２２は軸心を垂直向きとした状態で回動可能に支持され
ている。可動コイル２２に設けられた２本のアーム３８
ａ及び３８ｂにそれぞれ円板４０ａ及び４０ｂが設けら
れている。同円板４０ａ及び４０ｂは可動コイル２２の
軸心に関して対称位置に配置されており、またこれらの
重量も等しい。円板４０ａ及び４０ｂの重量は付加平衡
重量となり、可動部の慣性モーメントを増大させる。円
板４０ａ及び４０ｂＯにそれぞれ小さいすきまを置いて
対面するように光電インタラプタ４２ａ　−４２ｂ及び
４４ａ　・４４ｂが設けられている。その他の基本的な
構成などは前述の第１実施例と同様であるので、第１実
施例と対応する部材には第１実施例と同様の参照符号を
付しである。また、図示してない差増幅器４６などにつ
いても第１実施例と同様である。

この実施例の場合、フレームｌＯに旋回角加速度が作用
すると、左右の円板４０ａ及び４０ｂの平衡重量を含み
増大した可動部の慣性モーメントにより可動コイル２２
がフレーム１０に対して相対的に回転しようとするが、
この場合にも第１実施例と同様に可動コイル２２にフィ
ードバック電流が供給され、可動コイル２２は第１９及
び２０図に示す平衡位置に保持される。この結果、作用
する角加速度に対応する指示値が指示器４８に示される
ことになる。

なお、上記２つの実施例では、可動コイル２２の偏角を
検出する装置として、可変距離型インタラプタ光電検出
器を用いたが、定ギヤツプ可変相対変位型光電検出器を
用いることもでき、また高周波ピックアップとアルミ板
との組合せ、２枚のコンデンサー根の組合せなどによる
可変距離型又は定ギヤツプ可変相対変位型の検出器など
を用いても差し支えない。

（ト）発明の詳細 な説明してきたように１本発明によると、棒状又は略棒
状の磁石を用いると共に磁界間隙のコイル回転方向寸法
よりも可動コイルのコイル回転方向寸法を僅小寸法だけ
小さくしたので、コイルに集中磁束が作用し、従来のも
のと比較して使用領域における磁束密度が著しく増大し
、この結果、フィードバックトルクが増大すると共にフ
ィードバック応答性が向上し、計測可能範囲が拡大され
ると共に急速な変動に追従して計測を−行うことが可能
となる。コイルはゼロ点を中心として極めて小量回動す
るだけであり、このための構造が簡略化され、トルクバ
ランサを大幅に小型化することができる。上記効果は径
方向に磁化した円柱状磁石を用いても同様である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１実施例のトルクバランサの断面図
（第２図のＩ−Ｉ線に沿う断面図〕、第２図は第１図の
部分断面側面図、第３図は第１図の平面図、第４図は磁
石の正面図、第５図は磁石の側面図、第６図はヨーク、
磁石及び可動コイルの位置関係を示す図、第７図は第１
実施例のフィードバック制御系を示す図、第８図は磁石
によって形成される磁路を示す図、第９図は円板が光電
インタラックの中間位置にある状態を示す図、第１０図
は円板が一方の光電インタラプタ側に変位した状態を示
す図、第１１図は円板が他方の光電インタラプタに変位
した状態を示す図、第１２図は光電インタラプタの出力
電圧を示す図、第１３図は光電インタラプタの電圧差出
力を示す図、第１４図はトルクバランサが傾斜した状態
を示す図、第１５図はフィードバック系をブロック線図
として示す図、第１６図は円板の可動範囲と可動コイル
の位置との関係を示す図、第１７図は円柱状の磁石を示
す図、第１８図は角柱状の磁石を示す図、第１９図は第
２実施例の平断面図、第２０図は第１９図の正断面図で
ある。 １０・・・フレーム、１２・・・ヨーク、１８・・・磁
石、２２・・・可動コイル、３０゜３２・・・スパンボ
ビン、３４．３６・・・スパンバンド、３８・・・アー
ム、４０・・・円板、４２．４４・・・光電インタラプ
タ。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、閉磁路の途中に磁界間隙を構成するようにフレーム
   に固定される磁石及びヨークと、磁石及びヨークによっ
   て構成される磁界間隙内に位置すると共に磁石の磁極方
   向に直交する軸を中心として回動可能に支持される可動
   コイルと、可動コイルにこれの回動中心から所定距離の
   位置に設けられる重りと、磁石及びヨークに対する可動
   コイルの基準位置からの偏角を検出する相対偏角検出装
   置と、重りに作用する力によって発生するトルクにかか
   わらず可動コイルが磁石及びヨークに対して基準位置に
   保持されるように相対偏角検出装置によって検出される
   偏角信号を可動コイルに負帰還させるフィードバック装
   置とを有するトルクバランサにおいて、 磁石は棒状又は略棒状のものであり、磁石の磁極側端面
   及びこれに対面するヨークによって構成される磁界間隙
   の可動コイル回転方向への寸法は、可動コイルの可動コ
   イル回転方向への寸法よりも僅小寸法だけ小さくされて
   おり、上記僅小寸法は相対偏角検出装置が検出可能な最
   大偏角位置まで可動コイルが回動した状態においても可
   動コイルが上記磁界間隙内に位置するように設定されて
   いることを特徴とするトルクバランサ。 ２、磁石が径方向に着磁された円柱形状のものである請
   求項１記載のトルクバランサ。