JPH04140624A - トルク測定装置 - 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、回転体を介して伝達されるトルクを磁気セン
サによる磁歪量検出をもって非接触で測定するトルク測
定装置に関する。

〔従来の技術］ 従来より、各種の回転駆動装置において、その駆動系に
おける伝達トルクの測定が行われている。

回転駆動装置としては、エンジン、電動モータ等があり
、車両や産業機械等の駆動源として広く利用されている
。そして、このようなエンジン、電動モータ等の運転状
態を分析するためには、その回転数とならんで、トルク
測定を正確に行なうことが必要となる。

特に、車両用エンジン等においては、エンジンの出力ト
ルクやその駆動力伝達機構であるトランスミッション、
プロペラシャフト、差動ギア等におけるトルクを計測す
ることにより、各気筒毎のトルク出力の状態や、エンジ
ンに対する負荷の状態を検出することができる。そして
、このトルク検出結果に基づき、点火時期制御、燃料噴
射量制御、変速時期あるいは変速比制御を行うことによ
り、これらを最適な状態に制御することができ、車両の
燃費を改善し、また運転特性を向上させるなどの効果が
得られる。

また、産業用モータにおいても、正確なトルク測定がで
きれば、これに基づいて回転駆動系の最適制御が行なえ
、正確な位置制御や動作制御等を達成できる。更に、ト
ルク測定に基づいて駆動系の診断も行なうこともできる
。

ここで、回転駆動系を介してトルクを伝達する場合には
、この回転駆動系内においてトルクを伝達する回転体（
例えば回転軸やクラッチ板等）に伝達するトルクに比例
した歪みが発生する。そこで、この歪量を検出すること
により、回転体の伝達トルクの測定を行える。

そして、この回転体内に発生した歪量を磁歪効果を用い
て検出する装置が周知であり、例えば特開平２−１１８
４２７号公報、特開平２−１２８１２９号公報等に示さ
れている。この従来装置によれば、トルクを伝達する回
転体を強磁性体で形成したり、回転体にアモルファス磁
性薄体等を被覆形成したりし、伝達トルクによるこれら
磁性体の歪みに応じた磁歪量を磁気センサを用いて検出
している。

このようなトルク測定装置を用いれば、回転体と非接触
で伝達トルクを測定できるため、回転駆動系におけるト
ルク測定を容易に行なうことができる。

［発明が解決しようとする課題］ しかしながら、従来のトルク測定装置では、次のような
問題点があった。

（ａ）回転体の周面にアモルファス磁性薄体を接着固定
する場合には、接着工程において、磁性体のない部分又
は磁性体の重なった部分等の継ぎ目部が必ず生じてしま
う。そして、この継ぎ目部の影響が磁界センサに現れて
しまい、トルク検出が不正確になったり、検出のための
構成が複雑になってしまうという問題点があった。

また、アモルファス磁性薄体を回転軸に固定する際に、
皺や残留応力が発生しやすく、特に薄体の端部に歪が発
生しやすかった。このため、軸の周囲において均一なト
ルク検出ができないという問題点があった。

また、回転体に直接アモルファス磁性薄体を接着固定し
た場合、十分な接着強度が得られないという問題点があ
った。

（ｂ）回転体に磁性膜を被覆した場合には、十分な感度
でトルクを安定して検出するために必要な膜厚を有する
磁性体層を得ることが難しく、トルクを安定して検出す
ることができないという問題点かあった。また、均一な
磁性膜を回転体に被覆するためには、高価な装置を必要
とするという問題点もあった。

また、磁気センサの磁界が回転体にも及び回転体から不
要な磁気信号が重畳し、精度よくトルクを検出できない
という問題点があった。

（ｃ）回転体自身を強磁性体で形成する場合には、トル
クを伝達するために必要な機械強度とトルクを検出する
ために必要な磁気性能を両立することが難しく、このた
め安定したトルク検出が行えないという問題点があった
。

（ｄ）更に、回転体に磁性体を複数張り付ける場合には
、これらを均一にかつ十分な強度で接着固定することが
難しいという問題点があった。

目的 本発明は上記問題点を解決することを課題としてなされ
たものであり、検出に十分な厚みを持つ磁性体を均一か
つ十分な強度で回転体に固定し、高感度で高応答なトル
ク検出を行なえるトルク測定装置を提供することを目的
とする。

［課題を解決するための手段］ 上記目的を達成するために本発明は、トルクを伝達する
回転体の表面に形成された金属あるいは金属酸化物から
なる被覆膜と、磁性材料からなり、前記被覆膜上に固着
されるとともに、回転体の歪みに応じて変形する糸状磁
性体と、この糸状磁性体の近傍に配置され、磁歪量を検
出する磁気センサと、を有し、前記磁気センサの検出値
より、回転体に発生した歪みに起因する糸状磁性体の磁
気特性の変化を検出して回転体の伝達トルクを非接触で
測定することを特徴とする。

このように、磁歪効果を得るための磁性体を糸状とした
ため、この磁性体を均一なものとして形成することがで
き、正確なトルク検出を行なうことができる。また、回
転体には予め被覆膜が形足されており、この被覆膜の材
質を適当なものとすることにより、糸状磁性体の回転体
への接着を硼実にすることができる。更に、被覆膜を高
透磁導材料あるいは高導電率材料で構成すると、磁性錦
からなる回転体自体の磁歪効果の悪影響を排除すること
かできる。

［作用・効果］ 本発明に係るトルク測定装置によれば、トルクを伝達す
る回転体の表面に糸状磁性体が固定されているため、ト
ルクにより回転体に発生した歪に応じ、この糸状磁性体
の磁気特性が変化し、磁歪効果が生じる。そこで、この
磁歪効果を磁気センサにより検出することで、回転体が
伝達するトルクを非接触で検出することができる。

ここで、糸状磁性体は、細く長い形態であるため、各糸
状磁性体を均一に並べ回転体に固定することができ、こ
のため、継ぎ目部が均等となり、磁気センサに継ぎ目部
の影響を生じさせなくすることができる。また、糸状磁
性体は一次元的な形状を有するため、回転体に固定する
時に生じる残留応力を均一化することができる。

更に、糸状磁性体を回転体表面に密に固定すれば、トル
クを検出するために十分な膜厚を有する磁性体層を回転
体の表面に層状に形成することかできる。また、厚い磁
性体層が必要な場合には、糸状磁性体を多層とすればよ
い。

糸状磁性体を回転体表面に固定するため、回転体自身の
任意の材質のものを利用することかでき、回転体にトル
クを伝達するために十分な機械強度をもたせることがで
きる。そして、糸状磁性体により回転体において伝達さ
れる歪を検出するため、高精度なトルク測定か可能とな
る。

更に、糸状磁性体を回転体表面に直接固定するのではな
く、被覆膜上に固定するため、糸状磁性体と回転体に任
意の材料を用いる場合においても、十分な機械的強度を
もって両者を接着固定することができる。そこで、回転
体における歪を糸状磁性体に確実に伝達することができ
、正確なトルク測定が可能となる。

また、回転体には、機械的強度の強い鉄系のものか採用
される場合が多（、この場合回転体自体の歪みに起因す
る磁歪効果も生じる。この磁歪効果は糸状磁性体におけ
る磁歪効果と異なるものであるため、これがトルク検出
の精度悪化の原因となる。本発明によれば、被覆膜を高
透磁率材料あるいは高導電率材料によって構成すること
により、表皮効果により磁気センサの磁界が回転体に侵
入することを防ぎ、そのため回転体の影響を受けないよ
うにすることができ、トルク検出の精度を高めることが
できる。

以上説明したように、本発明に係るトルク測定装置によ
れば、糸状磁性体を採用するとともに、これを被覆材上
に固定したため、十分な強度で糸状磁性体を固定できる
とともに高精度の測定を行うことができる。

［実施例］ 以下、本発明の実施例について、図面に基づいて説明す
る。

第１図は実施例の全体構成を示す斜視図であり、回転軸
１０において伝達されているトルクを検出する。そして
、回転体（回転軸）１０の周面には、１０μｍ厚のニッ
ケルあるいは銅の被覆膜１２を電子ビーム蒸着法によっ
て形成してあり、この被覆膜１２上に複数の非晶質磁性
体からなる糸状磁性体１４を所定間隔をおいて接着固定
しである。

この例においては、糸状磁性体１４は回転軸１０の軸方
向に対し４５度の角度で固定しである。

これは、トルク伝達による回転軸１０の歪みはこの方向
に生じる場合が多いからである。

なお、糸状磁性体１４の被覆膜１２への固定には、耐熱
性のエポキシ樹脂による接着固定が採用されている。

一方、この糸状磁性体１４の近傍には、磁気センサ１５
が配置されている。この磁気センサ１５は、直交配置さ
れた２つのコの字状のコア１６゜１８と、このコア１６
．１８にそれぞれ巻回された励磁コイル２０、検出コイ
ル２２からなっている。

そして、励磁コイル２０に所定の交流電流を流通し、こ
の状態における検出コイル２２の電流を測定して、糸状
磁性体１４の歪みに応じた磁歪量を検出する。すなわち
、回転軸〕０にトルクが加わると、回転軸１０に捩じり
方向の歪が生じ、これに従って糸状磁性体１４に歪か生
じる。糸状磁性体１４に歪が生じるとこの磁気特性が変
化し、励磁コイル２０及び糸状磁性体１４によって生じ
た磁界が変化することとなる。そこで、検出コイル２２
における電流にトルクに応じた変化か現れ、トルクの検
出を行なうことができる。

第２図に、このトルク測定装置のトルク測定例を示す。

この例では、糸状磁性体１４は回転軸１０に対し４５度
で固定されており、励磁コイル２０に周波数２０ｋＨｚ
の交流電流を３５０ｍＡ流した。これより、トルクか０
〜１５０ｋｇｆ’ｍに変化した場合、検出コイル２２に
おいて、約３００〜６００ｍＶの出力が得られる。尚、
回転軸１０の直径は３５ｍｍであった。

このように検出コイル２２における出力電圧を検出する
ことにより、回転軸１０におけるトルクを測定できるこ
とか理解される。

また、各種の実験によれば、励磁電流としては１０ｍＡ
程度から測定でき、励磁周波数も１ｋＨｚ程度から数１
００ｋＨｚ程度まで変化させても、上述の場合と同様に
トルクに対応した出力電圧か得られることが判っている
。

ここで、上述の実験において用いた非晶質磁性体からな
る糸状磁性体１４の磁気特性について第３図及び第４図
に基づいて説明する。

第３図は１ｋＨｚの交流磁界において、糸状磁性体に０
１７０．１８０ｇの荷重をそれぞれかけた場合のＢＨ左
カーブ磁場の強さＨと磁束密度の関係）を示している。

これより、糸状磁性体１４は正の磁歪定数を有しており
、荷重による引張応力のため、透磁率及び飽和磁束密度
か増加していることが理解される。

第４図は２０ｋＨｚの交流磁界において、糸状磁性体１
４に０．７０．１８０ｇの荷重をそれぞれかけた場合の
ＢＨ左カーブ示している。この場合にも、荷重による引
張応力のため、透磁率及び飽和磁束密度が増加している
ことが理解される。

また、小さな荷重に対しても磁気特性が大きく変化して
おり、磁歪定数か大きく荷重に対し感度か高いことか判
る。また、１０エルステツド（Ｏｅ）あるいはそれ以下
の低磁界においても充分磁気特性か変化しており、少な
い励磁電流においても充分トルクを検出できることが判
る。

このように、糸状磁性体１４を非晶質材で構成すると、
その保磁力が小さく、透磁率が高いという優れた軟磁性
特性を示し、磁歪定数が高くかつ機械強度も優れている
ので、大きな応力が印加でき、広範囲なトルク測定が可
能となる。また、本例によれば回転軸］０に糸状磁性体
を付加しているため、回転軸１０の素材を任意に選ぶこ
とができるという特徴がある。

更に、糸状磁性体１４を回転軸１０に直接ではなく、被
覆膜１２を介し接着している。このため、糸状磁性体１
４を確実に固定することができる。

被覆膜１２の厚みは、接着効果を高める場合０．０１μ
ｍないし１μｍ程度でよい。表皮効果によるシールド作
用を発揮するためには、０．１μｍないし１０μｍの厚
み範囲で用いることか望ましい。

更に、本実施例における糸状磁性体１４は線径が約１０
０μｍと細いため、均質なものを得やすく、一定間隔回
転軸１０に付加すれば、均一な検出が行なえ、継ぎ目が
検出されない。また、糸状磁性体１４を密に並べれば、
継ぎ目がないのと同等の結果が得られる。そこで、回転
軸１０の周囲全体にわたって均一なトルク検出が可能と
なる。

ここで、回転軸１０の表面に設けられた被膜１２として
は、スパッタ法などで形成された金属酸化物等が望まし
い。これは、金属酸化物を用いると、鉄等からなる回転
軸１０と非晶質の糸状磁性体１４を直接接着するのに比
べ接着強度を高めることができるためである。

更に、被膜１２を、銀、チタン等の非磁性、高導電率材
料により構成すれば、励磁コイル２０による磁界が回転
軸１０の内部に浸透することをシ−ルド効果により防ぐ
ことができる。このため、回転軸１０の磁気特性に依存
しない糸状磁性体１４の変化にのみ依存する磁界の変化
を検出することかでき、優れたトルク検出が可能となる
。

他の構成例 次に、糸状磁性体１４の回転軸１０への他の固定法を第
５図及び第６図に示す。第５図は回転軸１０の軸方向に
対し平行に糸状磁性体１４を固定したものであり、第６
図に示したのは回転軸１０の軸方向に対し９０度方向即
ち周方向に糸状磁性体１４を巻回したものである。第６
図のように、糸状磁性体１４を巻回して作成すると、作
業性か良くかつ均一な張力をかけて巻回できるので、残
留応力を均一とすることができ、安定した測定をするこ
とかできる。

糸状磁性体１４の被覆膜１２への固定は、ポリイミド系
、ポリアミド系の耐熱接着剤でもよく、更に銀ロー、半
田等の金属ロー付は法で行なってもよい。

また、第６図に示したような糸状磁性体１４を巻回した
構造にあっては、その両端部のみを溶接こよって軸に固
定してもよい。その際の溶接法は、スポット溶接、レー
サ溶接、ガス溶接、電子ビーム溶接等いずれの方法であ
ってもよい。このように両端のみを溶接すると、検出に
係る糸状磁性体１４の磁気特性に対する影響が少なく、
また、作業性もよい。

また、基磁性体１４を微結晶質あるいは単結晶質からな
る糸状の軟質磁性体としてもよい。

また、糸状磁性体１４を断面形状は、矩形、楕円等とし
てもよい。このように、矩形、楕円とすれば、軸への接
着面積が大きくとれるため、接着力が強くなる。そこで
、剪断力の検出も可能となる。ここで、楕円あるいは矩
形の縦横比は１：１〜１　：　１００程度の範囲で選択
するのが好ましい。

回転体は、トルクか伝達される回転部分であれば回転円
板でもよい。この場合、円板部分に磁性体を固定して磁
気センサによりトルクを検出するとよい。また、前記糸
状磁性体を回転体に固定する場合、糸状磁性体を予めガ
ラス繊維などからなろ布状体に並べ固定した後、回転体
に転写したり、布状体とともにそのまま接着することも
可能である。

回転体か円筒状（回転軸）の場合、上述のように、糸状
磁性体は、回転軸の軸方向に対してプラス４５度、マイ
ナス４５度の方向に揃えて回転軸周囲に固定するのか好
ましいか、軸方向に平行あるいは垂直方向とすることも
可能である。

また、回転体が円板形状の場合、半径方向に対してプラ
ス４５度あるいはマイナス４５度の方向に揃えて回転体
表面に接着固定するのか好ましいが、半径方向あるいは
同心円状に固定することも可能である。

糸状磁性体は回転体か円筒状の場合、円筒部の近接した
２つの領域に軸方向に対してプラス４５度とマイナス４
５度の２つの方向に固定あるいは軸方向に対して右巻き
と左巻きの２つの方向に固定するとよい。このようにす
ると、２つの領域の糸状磁性体が引っ張りと圧縮のそれ
ぞれ逆方向の横領を受は差動出力を得ることができる。

磁気センサは励磁コイルと検出コイルがそれぞれ直交配
置したものを用いたが、これに限らず３本足あるいは５
本足のコアからなるヘッドからセンサでもよく、またソ
レノイド型のコイルからなる磁気センサでもよい。ソレ
ノイド型の場合、励磁と検出を１つのコイルで兼用して
もよいし、これらを別々に分けてもよい。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係るトルク測定装置の全体構成を示す
構成図、 第２図は同実施例のトルクと出力の関係を示す特性図、 第３図及び第４図は同実施例における糸状磁性体の特性
を示す図、 第５図及び第６図は糸状磁性体の他の取り付は令を示す
構成図である。 １０　・・・　回転軸 １２　・・・　被覆膜 １４　・・・　糸状磁性体 １５　・・・　磁気センサ 第 ■ 図 ）ルク（ｋｇｆｍ） 第 図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 トルクを伝達する回転体の表面に形成された金属あるい
   は金属酸化物からなる被覆膜と、 磁性材料からなり、前記被覆膜上に固着されるとともに
   、回転体の歪みに応じて変形する糸状磁性体と、 この糸状磁性体の近傍に配置され、磁歪量を検出する磁
   気センサと、 を有し、 前記磁気センサの検出値より、回転体に発生した歪みに
   起因する糸状磁性体の磁気特性の変化を検出して回転体
   の伝達トルクを非接触で測定することを特徴とするトル
   ク測定装置。