JPH03231127A

JPH03231127A - 磁歪式トルクセンサ

Info

Publication number: JPH03231127A
Application number: JP2027373A
Authority: JP
Inventors: Yoichiro Kashiwagi; 陽一郎柏木; Hajime Sasaki; 元佐々木; Hisashi Shiraki; 白木　久史; Kaneo Mori; 佳年雄毛利
Original assignee: Toyoda Automatic Loom Works Ltd
Current assignee: Toyota Industries Corp
Priority date: 1990-02-07
Filing date: 1990-02-07
Publication date: 1991-10-15
Anticipated expiration: 2013-09-21
Also published as: US5321985A; JP2800347B2

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、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。

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
。

［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。

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。

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。

［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。

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。

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。

［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。

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。

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。

［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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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
。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

【図面の簡単な説明】

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

Claims

【特許請求の範囲】

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。