JPH03231127A - 磁歪式トルクセンサ - Google Patents
磁歪式トルクセンサInfo
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- JPH03231127A JPH03231127A JP2027373A JP2737390A JPH03231127A JP H03231127 A JPH03231127 A JP H03231127A JP 2027373 A JP2027373 A JP 2027373A JP 2737390 A JP2737390 A JP 2737390A JP H03231127 A JPH03231127 A JP H03231127A
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- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
- G01L3/00—Measuring torque, work, mechanical power, or mechanical efficiency, in general
- G01L3/02—Rotary-transmission dynamometers
- G01L3/04—Rotary-transmission dynamometers wherein the torque-transmitting element comprises a torsionally-flexible shaft
- G01L3/10—Rotary-transmission dynamometers wherein the torque-transmitting element comprises a torsionally-flexible shaft involving electric or magnetic means for indicating
- G01L3/101—Rotary-transmission dynamometers wherein the torque-transmitting element comprises a torsionally-flexible shaft involving electric or magnetic means for indicating involving magnetic or electromagnetic means
- G01L3/102—Rotary-transmission dynamometers wherein the torque-transmitting element comprises a torsionally-flexible shaft involving electric or magnetic means for indicating involving magnetic or electromagnetic means involving magnetostrictive means
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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。
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、高感度の磁歪式トルクセンサに関する。
[従来技術]
磁歪式トルクセンサの一例を第11図に示す。
この磁歪式トルクセンサは、回転軸9表面に被着された
磁歪膜9L 92からそれぞれ径方向に一定間隔離れて
励磁コイル93及び検出コイル94を嵌着している。
磁歪膜9L 92からそれぞれ径方向に一定間隔離れて
励磁コイル93及び検出コイル94を嵌着している。
磁歪膜91.92の形状は回転により互いに逆方向の応
力が作用するように形状磁気異方性が付与されており、
正の磁歪を有する磁性膜では、逆磁歪効果により、例え
ば引張り応力を受ける磁歪膜91の透磁率は増加し、例
えば圧縮応力を受ける磁歪膜92の透磁率は減少する。
力が作用するように形状磁気異方性が付与されており、
正の磁歪を有する磁性膜では、逆磁歪効果により、例え
ば引張り応力を受ける磁歪膜91の透磁率は増加し、例
えば圧縮応力を受ける磁歪膜92の透磁率は減少する。
したがって、励磁コイル93.93に交流電流を通電す
れば、励磁コイル93と検出コイル94との間の相互イ
ンダクタンスが互いに逆方向に変化するので、雨検出コ
イル94.94の出力電圧差によりトルクが検出される
。
れば、励磁コイル93と検出コイル94との間の相互イ
ンダクタンスが互いに逆方向に変化するので、雨検出コ
イル94.94の出力電圧差によりトルクが検出される
。
[発明が解決しようとする課題]
しかしながら、上記した従来装置において、鉄鋼などを
素材とする高透磁性の回転軸9のトルクを検出する場合
、励磁コイル93と検出コイル94との間の相互インダ
クタンスの大部分は回転軸9自体から生じ、磁歪膜91
.92を通過する磁束に基づく相互インダクタンス成分
は小さいので(すなわち、大部分の磁束が回転軸9側を
通過するので)、磁歪膜92の透磁率変化による相互イ
ンダクタンスの変化率は小さく、その結果、検出感度(
SN比)が低いという欠点があった。
素材とする高透磁性の回転軸9のトルクを検出する場合
、励磁コイル93と検出コイル94との間の相互インダ
クタンスの大部分は回転軸9自体から生じ、磁歪膜91
.92を通過する磁束に基づく相互インダクタンス成分
は小さいので(すなわち、大部分の磁束が回転軸9側を
通過するので)、磁歪膜92の透磁率変化による相互イ
ンダクタンスの変化率は小さく、その結果、検出感度(
SN比)が低いという欠点があった。
また、上記した従来装置において、鉄鋼、アルミ合金、
チタンなどを素材とする高導電性の回転軸のトルクを検
出する場合、回転軸を貫通する交番磁束による渦電流損
失により励磁コイル93のインピーダンスが低下し、上
記したと同様に検出感度(SN比)が低下してしまう。
チタンなどを素材とする高導電性の回転軸のトルクを検
出する場合、回転軸を貫通する交番磁束による渦電流損
失により励磁コイル93のインピーダンスが低下し、上
記したと同様に検出感度(SN比)が低下してしまう。
発明は上記問題に鑑みなされたものであり、高感度の磁
歪式トルクセンサを提供することを解決すべき課題とし
ている。
歪式トルクセンサを提供することを解決すべき課題とし
ている。
[課題を解決するための手段]
本発明の磁歪式トルクセンサは、高透磁性あるいは高導
電性をもつ回転軸の外周面に形成された磁歪膜と、上記
磁歪膜に近接する円周面上に設けられ上記磁歪膜を貫通
する磁束を発生させる励磁コイルと、上記磁歪膜に近接
して設けられ上記磁束と鎖交する検出コイルと、該検出
コイルのインピーダンス変化からトルクを検出する信号
処理部とを備え、該検出コイルは、上記回転軸の径方向
に伸びるコイル軸心を有している。
電性をもつ回転軸の外周面に形成された磁歪膜と、上記
磁歪膜に近接する円周面上に設けられ上記磁歪膜を貫通
する磁束を発生させる励磁コイルと、上記磁歪膜に近接
して設けられ上記磁束と鎖交する検出コイルと、該検出
コイルのインピーダンス変化からトルクを検出する信号
処理部とを備え、該検出コイルは、上記回転軸の径方向
に伸びるコイル軸心を有している。
検出コイルは励磁コイルを兼ねることもできる。
vii歪膜として、アモルファスリボン、Fe−N系の
PVD膜、溶射膜などを採用することか好適である。
PVD膜、溶射膜などを採用することか好適である。
本発明でいう高透磁性は比透磁率500以上をいい、本
発明でいう高導電性は導電率100μΩC11以上をい
う。
発明でいう高導電性は導電率100μΩC11以上をい
う。
[作用]
回転軸にトルクが作用すると磁歪膜の透磁率が変化し、
その結果、励磁コイルによるta磁歪膜磁化量、検出コ
イルと鎖交する磁束量、検出コイル両端の電圧が順次変
化する。
その結果、励磁コイルによるta磁歪膜磁化量、検出コ
イルと鎖交する磁束量、検出コイル両端の電圧が順次変
化する。
特にこの発明では、検出コイルの軸心(コイル軸心とい
う)が回転軸の径方向に伸びているので、磁束が主とし
て回転軸の径方向に形成される。したがって、磁気抵抗
の影響(すなわち、磁束を構成する各磁力線同志の反発
)や表皮効果の影響などにより、磁束が回転軸内部に深
く侵入するのか妨害されて磁歪膜を通過する割合いか増
加する。
う)が回転軸の径方向に伸びているので、磁束が主とし
て回転軸の径方向に形成される。したがって、磁気抵抗
の影響(すなわち、磁束を構成する各磁力線同志の反発
)や表皮効果の影響などにより、磁束が回転軸内部に深
く侵入するのか妨害されて磁歪膜を通過する割合いか増
加する。
その結果、回転軸の渦電流損やヒステリシス損による検
出コイルのインピーダンス低下か抑制され、また、磁歪
膜を通過せず回転軸を通過する磁束に基づく検出コイル
のインダクタンス低下が抑制される。
出コイルのインピーダンス低下か抑制され、また、磁歪
膜を通過せず回転軸を通過する磁束に基づく検出コイル
のインダクタンス低下が抑制される。
[実施例]
本発明の磁歪式トルクセンサを第1図〜第4図により説
明する。
明する。
この磁歪式トルクセンサは、回転軸9の外周面に被着さ
れた磁歪WA1.2(第1図では同格、第2図参照)と
、磁歪膜1.2に近接して個別に配設された励磁コイル
及び検出コイル兼用のコイル部3.4と、コイル部3.
4の自己インダクタンスの差を検出する信号処理部5(
第4図参照)とを備えている。
れた磁歪WA1.2(第1図では同格、第2図参照)と
、磁歪膜1.2に近接して個別に配設された励磁コイル
及び検出コイル兼用のコイル部3.4と、コイル部3.
4の自己インダクタンスの差を検出する信号処理部5(
第4図参照)とを備えている。
回転軸9は直径2cmの炭素鋼からなり、磁歪膜1.2
は、膜厚が約10μm、幅が4mmk形成され、組成が
Fe : 40wt%、N1:60wt%であるスパッ
タ膜からなる。第2図に示すように、Fi1歪膜1は回
転軸心に対して左リード45度に形成され、所定間隙を
保って形成された複数の斜帯膜1aからなり、磁歪膜2
は回転軸心に対して右リード45度に形成され、所定間
隙を保って形成された複数の斜帯膜2aからなる。各斜
帯膜の幅は3mm、隣接する二つの斜帯膜間の間隙幅は
1mmに設定されている。
は、膜厚が約10μm、幅が4mmk形成され、組成が
Fe : 40wt%、N1:60wt%であるスパッ
タ膜からなる。第2図に示すように、Fi1歪膜1は回
転軸心に対して左リード45度に形成され、所定間隙を
保って形成された複数の斜帯膜1aからなり、磁歪膜2
は回転軸心に対して右リード45度に形成され、所定間
隙を保って形成された複数の斜帯膜2aからなる。各斜
帯膜の幅は3mm、隣接する二つの斜帯膜間の間隙幅は
1mmに設定されている。
磁歪膜1.2と小間隔を保って回転軸9に嵌着された樹
脂製のコイルボビン30.40(第1図では同格、第3
図参照)の外周面に、コイル部3.4が個別に枝状に配
設されている。コイル部3.4は、それぞれ、巻回数が
200回で軸方向のコイル幅が20mm、周方向の隙間
d(第1図参照)が2mm、コイル3.4と磁歪膜1.
2との間隙が1mmとした。
脂製のコイルボビン30.40(第1図では同格、第3
図参照)の外周面に、コイル部3.4が個別に枝状に配
設されている。コイル部3.4は、それぞれ、巻回数が
200回で軸方向のコイル幅が20mm、周方向の隙間
d(第1図参照)が2mm、コイル3.4と磁歪膜1.
2との間隙が1mmとした。
以下、信号処理部5を説明しつつこの磁歪式トルクセン
サの動作を、第4図を参照して説明する。
サの動作を、第4図を参照して説明する。
信号処理部5は、二磁心マルチバイブレータ型の発娠回
路51、同調増幅器52a、52b、検波回路53a、
53b、ローバスフイ/L、夕54a、54b、差動ア
ンプ55からなる。
路51、同調増幅器52a、52b、検波回路53a、
53b、ローバスフイ/L、夕54a、54b、差動ア
ンプ55からなる。
発娠回路51の二人万端はコイル部3.4の各一端に接
続され、コイル部3.4の各他端は高位電源Eに接続さ
れている。発娠回路51は、トランジスタTr1、Tr
2を用いた無安定マルチバイブレータからなり、コイル
部3.4はトランジスタT「1、王r2の]レクタ負荷
を個別に構成している。トランジスタTr1、王r2の
エミッタは個別にエミッタ抵抗R1、R2を介して接地
されており、更に両エミッタは3端子店動抵抗■rを介
して接地されている。
続され、コイル部3.4の各他端は高位電源Eに接続さ
れている。発娠回路51は、トランジスタTr1、Tr
2を用いた無安定マルチバイブレータからなり、コイル
部3.4はトランジスタT「1、王r2の]レクタ負荷
を個別に構成している。トランジスタTr1、王r2の
エミッタは個別にエミッタ抵抗R1、R2を介して接地
されており、更に両エミッタは3端子店動抵抗■rを介
して接地されている。
発娠回路51は一定周波数f1でパルス発搬してあり、
トランジスタTr1、Tr2のコレクタにはパルス電流
が通電される。回転軸9の内部応力により磁歪膜1.2
の透磁率は逆方向に変化しく一方は増加、使方は減少し
)、コイル部3.4の自己インダクタンスが変調される
。その結果、両コレクタ電流(パルス電流)が磁歪膜1
.2の透1a率変化によりそれぞれAM変調される。A
M変調された両コレクタ電流はエミッタ抵抗R1、R2
によりエミッタ電圧VeLVe2の変化を生じせしめる
。なお、3端子摺動抵抗Vrは零点調整用の抵抗である
。
トランジスタTr1、Tr2のコレクタにはパルス電流
が通電される。回転軸9の内部応力により磁歪膜1.2
の透磁率は逆方向に変化しく一方は増加、使方は減少し
)、コイル部3.4の自己インダクタンスが変調される
。その結果、両コレクタ電流(パルス電流)が磁歪膜1
.2の透1a率変化によりそれぞれAM変調される。A
M変調された両コレクタ電流はエミッタ抵抗R1、R2
によりエミッタ電圧VeLVe2の変化を生じせしめる
。なお、3端子摺動抵抗Vrは零点調整用の抵抗である
。
両エミッタ電圧Ve1、Ve2は、それぞれ同調増幅器
52a、52bにより周波数f1を中心周波数として同
調増幅され、検波回路53a、53bで検波され、ロー
パスフィルタ54a、54bで搬送周波数f1をローパ
スフィルタ(図示せず)で個別にカットされ、差動増幅
回路54で差動増幅されて、出力電圧Vとなる。
52a、52bにより周波数f1を中心周波数として同
調増幅され、検波回路53a、53bで検波され、ロー
パスフィルタ54a、54bで搬送周波数f1をローパ
スフィルタ(図示せず)で個別にカットされ、差動増幅
回路54で差動増幅されて、出力電圧Vとなる。
搬送周波数f1を34kH2、コイル部3.4への通電
電流を100mA、信号処理部5の総合増幅率を40d
Bとした場合におけるトルク−出力電圧特性を第5図に
示す。
電流を100mA、信号処理部5の総合増幅率を40d
Bとした場合におけるトルク−出力電圧特性を第5図に
示す。
この実施例の磁歪式トルクセンサにおける磁束分布状態
を第6図に、従来の磁歪式トルクセンサ(第11図参照
)の磁歪式トルクセンサにおける磁束分布状態を第7図
に示す。従来の磁歪式トルクセンサではla東は主とし
て回転軸9の軸方向に伸びており、本実施例のia磁歪
式トルクセンサは磁束は主として回転軸9の径方向に伸
びている。
を第6図に、従来の磁歪式トルクセンサ(第11図参照
)の磁歪式トルクセンサにおける磁束分布状態を第7図
に示す。従来の磁歪式トルクセンサではla東は主とし
て回転軸9の軸方向に伸びており、本実施例のia磁歪
式トルクセンサは磁束は主として回転軸9の径方向に伸
びている。
その結果、この実施例では、磁束が回転軸9の表面部に
偏在しており、その結果として、応力による磁歪膜1.
2の透磁率変化に基づくコイル部3.4のインピーダン
ス変化率を増大して、高感度を得ることができる。
偏在しており、その結果として、応力による磁歪膜1.
2の透磁率変化に基づくコイル部3.4のインピーダン
ス変化率を増大して、高感度を得ることができる。
コイル部3.4の形状、配置を変更した変形態様を第8
図〜第10図に示す。
図〜第10図に示す。
第10図では、コイル部3は、互いに回転対称に配設さ
れ直列接続された12個の単位]イルCからなり、相接
して隣接する各単位コイルCは、第1図にその通電方向
を示すように、互いに逆向きに巻回されている。コイル
部4もコイル部3と等しい構成を有しており、各単位コ
イルCのコイル軸心は回転軸9の径方向に伸びている。
れ直列接続された12個の単位]イルCからなり、相接
して隣接する各単位コイルCは、第1図にその通電方向
を示すように、互いに逆向きに巻回されている。コイル
部4もコイル部3と等しい構成を有しており、各単位コ
イルCのコイル軸心は回転軸9の径方向に伸びている。
なお、上記したコイル部3.4を構成する各単位コイル
Cは、重ね巻きまたは波巻きにより一括してコイルボビ
ン30.40上に巻回してもよい。
Cは、重ね巻きまたは波巻きにより一括してコイルボビ
ン30.40上に巻回してもよい。
第8図では、周方向に相隣接する単位コイルCの間に間
隙を設けたものであり、この場合(は、相隣接する単位
コイルCは互いに逆向きに巻く必要はない。
隙を設けたものであり、この場合(は、相隣接する単位
コイルCは互いに逆向きに巻く必要はない。
第9図では、各単位コイルCか円形に形成されている。
[発明の効果]
上記説明したように、本発明の磁歪式トルクセンサでは
、検出コイルのコイル軸心が回転軸の径方向に伸びてい
るので、磁束が主として回転軸の径方向に形成される。
、検出コイルのコイル軸心が回転軸の径方向に伸びてい
るので、磁束が主として回転軸の径方向に形成される。
したがって、磁気抵抗の影!(すなわち、磁束を構成す
る各磁気力線同志の反発)や表皮効果の影響などにより
、磁束が磁性回転軸内部に深く侵入するのが妨害されて
磁歪膜を通過する割合いが増加する。その結果、回転軸
の渦電流損やヒステリシス損による検出コイルのインピ
ーダンス低下が抑制され、また、磁歪膜を通過せず回転
軸を通過する磁束に基づく検出コイルのインダクタンス
低下が抑制される。
る各磁気力線同志の反発)や表皮効果の影響などにより
、磁束が磁性回転軸内部に深く侵入するのが妨害されて
磁歪膜を通過する割合いが増加する。その結果、回転軸
の渦電流損やヒステリシス損による検出コイルのインピ
ーダンス低下が抑制され、また、磁歪膜を通過せず回転
軸を通過する磁束に基づく検出コイルのインダクタンス
低下が抑制される。
したがって、検出コイルのインダクタンスの内で、磁歪
膜を通過する磁束に依存する成分の割合か増加し、磁歪
膜の一定の透磁率変化に対する検出コイルのインダクタ
ンス変化が増大し、高感度となる。
膜を通過する磁束に依存する成分の割合か増加し、磁歪
膜の一定の透磁率変化に対する検出コイルのインダクタ
ンス変化が増大し、高感度となる。
また、高透磁性をもつ回転軸では、回転軸内部を通過す
る磁束の割合が減少するので、回転軸内部の磁気的不均
一を原因として生じる磁気変調が減少し、更に高感度(
高SN比)となる。
る磁束の割合が減少するので、回転軸内部の磁気的不均
一を原因として生じる磁気変調が減少し、更に高感度(
高SN比)となる。
更に、高導電性をもつ回転軸では、回転軸の渦電流損に
よる検出コイルのインピーダンス低下が減少するので、
磁歪膜の一定の透磁率変化に対する検出コイルのインダ
クタンス変化が増大し、高感度となる。
よる検出コイルのインピーダンス低下が減少するので、
磁歪膜の一定の透磁率変化に対する検出コイルのインダ
クタンス変化が増大し、高感度となる。
第1図はこの実施例の磁歪式トルクセンサに用いられる
コイル部3.4を示す平面図、第2図はこの実施例の磁
歪式トルクセンサに用いられる磁↑膜1.2を示す斜視
図、第3図はコイル部3の周方向の配列を示す断面図、
第4図はこの実施例の磁歪式トルクセンサに用いられる
信号処理部5を示すブロック図、第5図は出力電圧Vと
トルクとの関係を示す特性図、第6図はこの実施例の磁
歪式トルクセンサにおける磁束分布を示す模式断面図、
第7図は従来の磁歪式トルクセンサにおける磁束分布を
示す模式断面図、第8図、第9図はそれぞれ変形態様を
示す斜視図、第10図は更なる変形態様を示す平面図、
第11図は従来の磁歪式トルクセンサを示す斜視図であ
る。 1.2・・・磁歪膜 3.4・・・コイル部 (励磁コイル及び検出コイル) 5・・・信号処理部 9・・・回転軸
コイル部3.4を示す平面図、第2図はこの実施例の磁
歪式トルクセンサに用いられる磁↑膜1.2を示す斜視
図、第3図はコイル部3の周方向の配列を示す断面図、
第4図はこの実施例の磁歪式トルクセンサに用いられる
信号処理部5を示すブロック図、第5図は出力電圧Vと
トルクとの関係を示す特性図、第6図はこの実施例の磁
歪式トルクセンサにおける磁束分布を示す模式断面図、
第7図は従来の磁歪式トルクセンサにおける磁束分布を
示す模式断面図、第8図、第9図はそれぞれ変形態様を
示す斜視図、第10図は更なる変形態様を示す平面図、
第11図は従来の磁歪式トルクセンサを示す斜視図であ
る。 1.2・・・磁歪膜 3.4・・・コイル部 (励磁コイル及び検出コイル) 5・・・信号処理部 9・・・回転軸
Claims (1)
- 高透磁性あるいは高導電性をもつ回転軸の外周面に形成
された磁歪膜と、上記磁歪膜に近接する円周面上に設け
られ上記磁歪膜を貫通する磁束を発生させる励磁コイル
と、上記磁歪膜に近接して設けられ上記磁束と鎖交する
検出コイルと、該検出コイルのインピーダンス変化から
トルクを検出する信号処理部とを備え、該検出コイルは
、上記回転軸の径方向に伸びるコイル軸心を有してなる
磁歪式トルクセンサ。
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