JPH03269329A - 磁気弾性力変換器 - 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】

［０００１］

【産業上の利用分野】

本発明は、主に引張力および／または圧縮力を測定する
ための変換器に関する。圧縮力だけの測定ですむ場合、
変換器は力吸収ベース上に固定的に装着しなくてもよい
。しかしながら、例えばドリルヘッドの測定時のように
、こうした変換器には引張力／圧縮力およびトルクを同
時に測定できる機能を持たせて構成しておくこともある
。 ［０００２］

【従来の技術】

強磁性体材料の磁気弾性効果を利用して機械的な力を電
気的に測定する方法は、既に５０年も前から行われてき
ている。しかしながら、強力な信号パワーおよび良好な
機械特性を利用した磁気弾性変換器が実際に汎用されて
いる重化学工業のような特殊な分野を除き、ストレーン
ゲージで対処しているのが実情である。 ［０００３］ こうした特性に加えて、量産向きの単純でしかもコスト
が安くすみ、しかも満足のいく精度を備えた磁気弾性変
換器カミ磁気弾性技術の新たな進展のためにその出現が
待たれている。 ［０００４］ 「磁気テスト法およびその手段」に係る米国特許第１，
９０６，５５１号は、磁気弾性効果を利用した力測定法
に係る幾つかの基本原理を明らかにしている。 この特許明細書は、独立した励起巻線および測定用巻線
を使用し、またディファレンシャル測定に無負荷測定体
を使用する方式を明らかにしている。 ［０００５］ 米国特許第１，９０６，５５１号に記載された変換器は
比較的複雑な構造をしており、粗雑に取り扱われる汎用
的な用途にはあまり使われていない。また、そうした構
造の変換器には幾つかの固有の欠点がある。無負荷測定
体を用いて安定度の高いディファレンシャル測定を行う
には、測定体をできるだけ力測定体と同じ条件のものに
しておく必要がある。その際、両方の測定体自身、すな
わち測定体の材質および幾何学形状はもとより周囲の磁
気回路についても同じ条件のものにしておく必要がある
。また温度条件についても測定体同士を一致させるため
に２つの測定体の間は非常に良好な熱接触を保っておく
必要がある。 ［０００６］ また米国特許第１，９０６，５５１号は、引張力および
／または圧縮力用の変換器を備えた圧力測定装置を明ら
かにしている。この装置は、一方の測定ゾーン内に引張
応力を発生させて、圧縮応力の加わっている他の測定ゾ
ーンから得た信号とは逆感度の引張力信号を得るための
ものである。無負荷測定体からの信号を減算しないでこ
の引張信号から減算を行なえば、理論上は感度および直
線性が改善される。 ［０００７］ 前述した事柄から、引張力および／または圧縮力測定用
のそうした部品は圧縮力および曲げモーメントに晒され
るため、非常に強い材料から製作しておき、実際の使用
に当たり測定ゾーンに十分な大きさの引張応力が生じる
ようにしておかなくてはならない。しかしながらこうし
た変換器は、扱いにくいだけでなく高価なものになって
しまう。また圧縮力および／または引張力測定用の変換
器に曲げ力が加わるため大きな応力が生じ、磁気回路の
周囲の応力が非常に不均一にばらつく欠点がある。その
結果、測定信号の直線性に乱れが生じている。 ［０００８］ 「変換器および応力測定手段」に係る米国特許第２，８
６７．１１８号は、異なった材料からなる２つの測定ゾ
ーンに同じ負荷を加える磁気弾性変換器を明らかにして
いる。この特許明細書に記載された変換器は、材料の一
方が正の磁気ひずみ性を、また他方が負の磁気ひずみ性
を備え、他の変換器と同じようにして各測定ゾーンの磁
束差の測定が行なわれている。この方式によれば、変換
器を単純化し安価に製造しようとする要求を満たすこと
ができる。しかしながら、両方のゾーンが異なった材料
から構成されているため、これら両方のゾーン間に良好
な適合性を保つことができない。こうした適合性は、前
述した理論に則った良好な安定性を得るために必要とさ
れている。 ［０００９］ 米国特許第４，８０２，３６８号は、２つの半割り部品
を互いに宛てがい、中央部をねじを用い連結して組み立
てられる引張力および／または圧縮力測定用の変換器を
明らかにしている。前述した引張力および／または圧縮
力測定用の変換器に関連して説明してきた課題に加えて
、ここで指摘した米国特許に係る力変換器は他にも欠点
を備えている。ここでいう欠点とは、磁界線と力領域線
の両者が強制的に変移させられジヨイント箇所からずれ
てしまうことが起きる。微視的に見て表面はすべてが均
一でないため、表面の至る所で前記ジヨイント箇所を磁
界が適切に通りにくくなることが経、験されている。そ
の結果、変換器は磁界の形状に対し正確な回転対称形に
ならなくなる。これにより横向きの負荷に耐える変換器
の能力が低下することになる。さらに負荷の加わった状
態で変換器に生じる機械的な応力がジヨイント箇所で不
均一にばらつき、表面同士の滑りにより変換器信号の履
歴現象が起きる。 ［００１０］

【課題を解決するための手段】

本発明に係る磁気弾性力変換器は、周知技術に則り、直
結しである２つの主要巻線により磁化される近接した２
つの磁気回路を備えている。変換器は、磁気ひずみによ
る透磁率変化により生じた力に変換器が晒される場合、
一方の磁気回路の磁気抵抗が変化するように構成されて
いる。こうした磁気抵抗の変化により、磁束変動が生じ
る。変換器に負荷を加えた場合に磁気抵抗が変化しない
ようにするために、または実質的に磁気抵抗の変化が起
きないようにするために第２の磁気回路が組み込んであ
り、また周知の方法を用いて磁気ひずみ以外の原因によ
り生じる材料の透磁率変化を補償している。 ［００１１］ こうした補償方法は、力の変化を磁束より検知する測定
用巻線に生じた信号から、力の関与しない部品の磁束を
関知する測定用巻線に生じた信号を減算する手法で行わ
れている。例えば、温度変化により透磁率の変化、すな
わち磁束の変化が起きれば、この変化によって両方の測
定用巻線に同じような大きな信号の変化が起きる。従っ
て、こうした変化は変換器からの出力信号に影響を及ぼ
すことはない。 ［００１２］ こうした補償機能を適切に働かせるために、両方の磁気
回路は、磁気材料、幾何学的な形状および磁化性能を含
めて、両者共にできるだけ同一のものでなくてはならな
い。また、両方の磁気回路は正確に同４じ状態の外部条
件、例えば同じ温度に晒されていなくてはならない。 ［００１３］ 本発明に係る力変換器は、簡単に製作できしかもオート
マチック生産に適していることを理由に、回転対称形の
構造体に作られている。回転対称形の構造体にする理由
は、この他にも横向きの力および曲げモーメントに対し
影響が少ない声とが挙げられる。力変換器は、両端部と
中央部に３枚のフランジを持つ力吸収コアを備えている
。このコアは、励起巻線および測定用巻線の装着用ボビ
ンとしての役割も、果たしている。磁気回路の磁束シー
ルドヨークは、前述したフランジと円筒状の外側シェル
から構成されている。単一部品からできている力吸収コ
アは、力の関与する比較的薄い壁のチューブ状部分と、
力の関与しない厚い壁の部分から構成されている。厚い
壁のチューブ状部分は、これを中実な円筒状部分で置き
換えることもできる。これら部分の境界部は、中央フラ
ンジの厚みに等しい長さを備えている。この境界部にと
って重要な点は、厚い壁の部分の磁束が分散するのを押
さえるためにできるだけ短くしておく必要のあることで
ある。境界部は円錐形状かまたは他の形状にしておくこ
とができる。変換器のこの部分は、以下の説明では第１
の境界ゾーンとして言及されている。 ［００１４］ 厚い壁のチューブ状部分は、第２の端部に第２の境界ゾ
ーンを備えている。この第２の境界ゾーンは薄い壁のチ
ューブ状部分の寸法に相当する幅を備え、コア用の端部
ゾーンに向けて位置している。しかしながら試験結果は
、外径を薄い壁のチューブの外径まで減少させることだ
けが重要な点を教えている。またこの第２の境界ゾーン
は、付属の外側フランジの厚みに等しくなるようできる
だけ短くしておく必要がある。 ［００１５］ 前述したように、磁気ひずみ以外の理由により材料の透
磁率に変化が生じた場合、これを適切に補償するにはで
きるだけ磁気材料は同じ材料を使用することが重要であ
る。磁気部品を製造するにあたり、こうした磁気材料の
同一性を充分に確保するには、これら磁気部品の多くを
単一の部品または同じ部品から製作しておくのがよい。 他の部品についてはこれら部品の磁気抵抗を低く押さえ
ておけば、総磁気抵抗に及ぼす影響を少なくすることが
できる。こうした手法を用いておけば、温度が変化する
ことがあっても適切な補償作用が得られる。力吸収コア
は単一の部品から構成されているため、磁束内にジヨイ
ント箇所のない構造体が得られる。変換器の励起巻線お
よび測定用巻線を単純な形態で巻けるようにしておけば
、磁束経路から完全にジヨイント箇所をなくすことがで
きる。 ［００１６］ 力の関与する磁気回路は、負荷の加わる部分、すなわち
薄い壁のチューブ状部分によりその一部が構成されてい
る。この薄い壁のチューブ状部分は、できるだけ応力が
均一にかかり、応力集中が起きず、しかも構成部品が非
常に軽量のフランジおよび外側シェルの一部分からでき
ている。こうして、過負荷に対し非常に良好な直線性と
抵抗性が得られる。 ［００１７］ 実質的に力の関与しない磁気回路を構成しようとすれば
、うず電流により高い周波数の磁束が表面に集中する欠
点がある。従って、供給する周波数を適切に選択するこ
とは本発明の要部を構成している。この周波数は、磁気
弾性材料内への透磁深さがコアの厚い壁のチューブ状部
分の壁厚よりも小さくなるように選択される。結果的に
、厚い壁のチューブ状部分の表面に加わる応力だけが磁
気抵抗に関与している。コアのこの部分を前述したよう
に構成することで、磁束の大部分は厚い壁のチューブ状
部分の中央部分を通るようになる。このため磁束は表面
から払拭され、変換器のこの部分に作用する機械応力を
大幅に低下させることができる。しかしながら、こうし
た払拭作用は力と同じ接触箇所から入り込む温度束には
効果はないが、この現象は各ゾーンに等しく影響を及ぼ
している。そうしたコアの構造によれば、２つの磁気回
路は同一とはならない。従って、巻線の巻き数を適当に
調節する必要がある。 ［００１８］ 本発明の範囲内において、磁気回路同士に適当な同一性
を備えた他にも様々なコアを使用することができる。し
かしながら、こうしたコアはともすると製造コストが嵩
み、また機械応力の分布が不均一となる傾向がある。以
下に好ましい実施例のコアの構造について詳細に説明が
されている。 ［００１９］ この変換器を使用し、例えば、変換器の端部に位置する
ねじ締めジヨイントを介して力を加えれば簡単に引張力
の測定を行うことができる。またこの変換器は、既存の
構造体の一部分として利用することもできる。 ［００２０］ 前述したコアを回転シャフトに一体化した部品、例えば
ドリルヘッドの一部として構成し、さらに既存の静止ボ
ビンに設けた励起巻線と測定用巻線がシャフトと同軸的
に設置してあれば、圧縮力とトルクを合わせた力に見合
う信号をドリル作業中に得ることができる。 ［００２１］

【実施例】

図１は、本発明に係る磁気弾性力変換器の好ましい実施
例を明らかにしている。この図は、変換器のシャフトに
沿って見た軸方向断面図である。変換器は２つの磁気回
路を備え、また力吸収コア１と、第１のフランジ２、第
２のフランジおよび第３のフランジ４と、スリーブ５と
で構成されている。これらフランジはコア１と一体の部
品から構成しておくことができ、あるいは別部品として
構成しておき中央の部品であるコア１に溶接または接着
することもできる。また周囲のスリーブ５は、巻線を装
着した後にフランジに溶接するかまたは接着することが
できる。既に説明したように、コア１は、力の関与する
薄い壁のチューブ状部分６と、力の関与しない厚い壁の
チューブ状部分または中実部分７から構成されている。 力の関与しない厚い壁の部分７は、第２のフランジ３の
厚みと同じ軸方向長さを備えた第１の中間境界ゾーン８
を備えている。厚い壁の部分または中実部分７の反対側
端部には、フランジ４の厚みに相当する軸方向長さを備
えた第２の境界ゾーン９が設けられている。コア１の端
部には、薄い壁のチューブ状部分６の外径と同じ外径を
持つ突起ゾーン１０が設けられている。ゾーン１０の内
径は、薄い壁のゾーンの内径と厚い壁のゾーンの内径の
範囲内で自由に選択することができる。力の関与した部
分７を中実部品として製作する場合には、例えばこの部
分の下側に前述した境界ゾーン９を設置しておくことが
好ましい。こうして、コア部品６からなる第１の測定ゾ
ーンと、境界ゾーン８、フランジ２．３およびスリーブ
５の上側部品と、コア部品７からなる力の関与しない第
２の測定ゾーンと、境界ゾーン８．９と、フランジ３．
４およびスリーブ５の下側部品とが形成される。 ［００２２］ コア１と磁束シールドヨークは、これらの部品の磁気抵
抗を小すくシ、且つ感度を高めるためにできれば透磁率
の大きな材料から製作することが好ましい。前述したよ
うに、フランジ２．３および４もコア１と一体の部品か
ら直接製作することができる。フランジの間の空間内に
は、励起巻線１１．１２および測定用巻線１３．１４を
巻き付けておくことができる。コア１は、こうした巻線
操作に伴い適当なボビンとして用いることができる。 ［００２３］ 磁気リターンコンダクタの分路操作を小さな力で行なえ
るようにするために、フランジ２．３および４は薄く製
作しておく必要がある。この部分に加わる機械応力を減
少させるために、スリーブ５は第２図に示すようにベロ
ーズ状に形成しておくことができる。 ［００２４］ 厚い壁のチューブ状部分７は断面積が大きいため、この
部分の平均的な応力は薄い壁の部分６の断面積の場合に
比べて小さい。応力の「フローライン」が、セントペナ
ントの定理（Ｓａｉ、ｎｔ　　Ｖｅｎａｎｔ’　　ｓ　
　ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ）に則り薄い壁の部分６から厚い
壁の部分７にかけて通り抜ける際、この「フローライン
」は４５度の大きな傾斜角度で厚い壁の部分または中実
部分７の包囲面に向けて分岐している。このゾーンは応
力を断面積全体にわたり均一に分散させられるだけの軸
方向長さを備えていないため、中心部に比べて包囲面の
方が負荷が小さく圧縮応力も低下している。平均的な応
力が小さく、圧縮応力が均一に分散されておらず、しか
も磁化の表面効果による磁界の透磁深さに制限があるた
め、第２の測定ゾーンは事実上刃の関与しないゾーンで
ある。 ［００２５］ 力の関与しない下側部分の内径および外径は、上側部分
の圧縮応力がコアの縦方向の断面に沿って一定するよう
に選択する必要がある。こうした機能を得るには、回路
間に幾何学的な完全な同一性が求められる。しかしなが
ら、励起巻線および測定用巻線それぞれの巻線数を調節
し、２つの磁気回路の磁気条件をできるだけ等しくして
、無負荷の状態で変換器から得られる出力信号が零に近
くなるようにすれば両者の違いを補償することができる
。 ［００２６］ 磁化、磁気抵抗変化の測定および測定値の処理は、この
種の変換器が従来から利用してきた方法により行われる
。二次巻線を反対向きに接続することにより、磁束差に
見合う電圧が発生する。この電圧は位相感知整流器に接
続され、またこの整流器は供給信号発生器の位相により
制御される。高周波出力信号は低圧フィルターにより処
理され、変換器が負担した力に比例する直流電圧を得て
いる。 ［００２７］ 図３は、コア１の実施例を示している。このコアの厚い
壁のチューブ状部分７は、第１のチューブ状部分１５に
置き換えられている。この第１のチューブ状部分１５は
厚い壁のチューブ状部分と同じ内径を備え、しかも薄い
壁のチューブ状部分６の外径と同じ外径を備えている。 このため２つの磁気回路には充分な同一性が得られる。 薄い壁の部分とチューブ状部分１５との間の境界部にラ
ジアル方向に狭い外側スロット１６を設置することによ
り、磁束は第２の磁気回路から遮断される。ただしこの
例では、力測定ゾーンにある程度の曲げが加わり応力分
布が不均一となる。またラジアル方向スロットの底に応
力集中が起きるため、過負荷負担能力が低下する。 ［００２８］ 図４は、２つの磁気回路同士が幾何学的に完全な同一性
を備えているコア１の実施例を示している。この実施例
のコアは、厚い壁のチューブ状部分７が第２のチューブ
状部分１７に置き換えである。第２のチューブ状部分１
７は厚い壁のチューブ状部分７と同じ内径を備え、しか
も薄い壁のチューブ状部分６の外径と同じ外径を備えて
いる。第２のチューブ状部分１７の自由端には細い軸方
向スロット１８が形成され、このスロット１８は薄い壁
のチューブ状部分６の内径に等しい外径を備え、しかも
下側ゾーンの軸方向長さに相当する軸方向長さを備えて
いる。この下側ゾーンの表面ば磁束から絶縁されている
。しかしながら、こうした方式は従来のものに比べてコ
トス高となり、また力測定部分に応力を均一に完全に分
散させることができない。 ［００２９］ 本発明にかかるコアの実施例には他にも様々なものがあ
る。 ［００３０］ 図５は、コア１が回転可能なドリルヘッドの一体部品を
構成している実施例を示している。力の関与しない部分
７は、前述したものと同じ境界ゾーン８．９を備えた一
体部品として示しである。図面から明らかなように、励
起巻線と測定用巻線は、前述した実施例と同じくフラン
ジ２．３．４およびシェル５を備えた外側静止ボビン内
に収容されている。負荷を加えると、スピンドルの変換
器設置部分に加わる軸力とトルクの両者が測定され、こ
れに見合う信号を検出することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 力吸収コア、磁気回路を閉じる実質的に負荷の加わらな
い部品、励起巻線および測定用巻線を備えた回転対称形
の変換器を示す断面図。

【図２】 分路力を小さくし、結果的に機械的な応力を減少するよ
うにした磁束シールドヨークの構成部品の変更例を示す
断面図。

【図３】 コアの変更例を示す説明図。

【図４】 コアの他の変更例を示す説明図。

【図５】 コアが他の部品から独立し、接触しないで軸方向力の測
定の行なえる変換器の具体例を示す断面図。

【符号の説明】

１　力吸収コア ２　第１のフランジ 第２のフランジ 第３のフランジ 周囲のスリーブ チューブ状部分 中実部分 第１の境界ゾーン 第２の境界ゾーン Ｏ突起ゾーン １　励起巻線 ２　励起巻線 ３　測定用巻線 ４　測定用巻線

【書類名】

【図１】

【図２】

【図３】 図面 符開平

【図４】

【図５】 り

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】交流の供給される２つの励起巻線（１１、
   １２）を備えている回転対称形をした磁気弾性材料から
   なる力吸収コア（１）と、２つの測定用巻線（１３、１
   ４）と、第１のフランジ（２）、第２のフランジ（３）
   および第３のフランジ（４）の形態をした磁束シールド
   ヨークと、周囲のスリーブ（５）とを有している磁気弾
   性力変換器において、 前記コアは、薄い壁のチューブ状部分（６）と、中間の
   第１の境界ゾーン（８）を備えた厚い壁のチューブ状部
   分または中実部分（７）と、この厚い壁のチューブ状部
   分または中実部分の反対側の端部に配置された第２の境
   界ゾーン（９）とを有し、前記第２の境界ゾーンは、薄
   い壁のチューブ状部分の外径と同じ外径を備えた突起ゾ
   ーン（１０）に変化し、 また前記コアは、コアの薄い壁のチューブ状部分と、第
   １の境界ゾーンと、第１および第２のフランジと、これ
   らフランジの間に位置するスリーブの一部分と、励起巻
   線および測定用巻線とでなる、力の関与する第１の磁気
   回路を有し、さらに前記コアは、コアの厚い壁のチュー
   ブ状部分または中実部分と、第１および第２の境界ゾー
   ンと、第２および第３のフランジと、スリーブの残りの
   部分と、励起巻線および測定用巻線とでなる、力の関与
   しない第２の磁気回路を有しており、 供給電圧の周波数は、それぞれ磁気弾性材料内への透磁
   深さが厚い壁のチューブ状部分の壁厚よりも浅く、しか
   も力の関与しない部分を中実な部品として構成してあれ
   ば、この力の関与しない部分の半径よりも短くなるよう
   に選択され、前記励起巻線の巻線数は、２つの測定用ゾ
   ーン内で同じ磁気状態になるように設定されており、 また前記測定用巻線は相対して接続されており、しかも
   この測定用巻線の巻線数が、変換器が無負荷の状態で変
   換器の出力電圧が所望のレベルに達するように設定され
   ていることを特徴とする磁気弾性力変換器。
2. 【請求項２】請求項１に記載された磁気弾性力変換器に
   おいて、コア（１）の厚い壁のチューブ状部分（７）は
   、この厚い壁のチューブ状部分と同じ内径を備え且つ薄
   い壁のチューブ状部分（６）と同じ外径を備えた第１の
   チューブ状部分（１５）により置き換えられており、当
   該第１のチューブ状部分は、前記２つのチューブ状部分
   の間の境界に幅の狭いラジアル方向外側スロット（１６
   ）を備えていることを特徴とする磁気弾性力変換器。
3. 【請求項３】請求項１に記載された磁気弾性力変換器に
   おいて、コア（１）の厚い壁のチューブ状部分（７）は
   、この厚い壁のチューブ状部分と同じ内径を備え且つ薄
   い壁のチューブ状部分（６）と同じ外径を備えた第２の
   チューブ状部分（１７）により置き換えられており、前
   記スロットは薄い壁のチューブ状部分の内径に等しい外
   径を備え、また下側ゾーンの軸方向長さに相当する軸方
   向長さを備えていることを特徴とする磁気弾性力変換器
   。
4. 【請求項４】請求項１に記載された磁気弾性力変換器に
   おいて、前記フランジはコアと同じ部品から製作されて
   いることを特徴とする磁気弾性力変換器。
5. 【請求項５】請求項１に記載された磁気弾性力変換器に
   おいて、前記フランジはコアに溶接または接着されてい
   ることを特徴とする磁気弾性力変換器。
6. 【請求項６】請求項１に記載された磁気弾性力変換器に
   おいて、前記スリーブはフランジに溶接または接着され
   ていることを特徴とする磁気弾性力変換器。
7. 【請求項７】請求項１に記載された磁気弾性力変換器に
   おいて、前記スリーブは、軸方向にある範囲にわたり圧
   縮可能なベローズとして構成されていることを特徴とす
   る磁気弾性力変換器。
8. 【請求項８】請求項１に記載された磁気弾性力変換器に
   おいて、前記コアは、自立しているシャフトの非接触軸
   力測定を行えるようにフランジ、スリーブおよび巻線か
   ら分離されていることを特徴とする磁気弾性力変換器。