JPH0422830A - トルクセンサ - 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】 産業上の利用分野 本発明は、磁性材料でできた部材に応力を外部から印加
すると透磁率が変化するいわゆる応力磁気効果を用いた
トルクセンサに関する。

従来の技術 最近、応力磁気効果を用いた力学量のセンサの開発が注
目されている。たとえばこの原理を用いたトルクセンサ
が特開昭６０−２６０８２１号公報、特開昭６３−１６
３２４３号公報などに記載されている。

以下この種、従来のトルクセンサの構成について第９図
を参照しながら説明する。

図において、３１はトルク伝達軸で、３２ａ３２ｂは磁
歪を有するアモルファス磁性合金３３ａ、３３ｂはコイ
ル、３４は差動検出回路である。トルク伝達軸３１とア
モルファス磁性合金３２ａ、３２ｂをポリイミド系の樹
脂等の接着剤で接着し、両者の線膨張率差を利用し使用
温度領域より高温で硬化することにより、アモルファス
磁性合金３２ａ、３２ｂに面内内部圧縮応力を印加しで
ある。またトルク伝達軸３１を中心としてコイル３３ａ
および３３ｂを巻回し、差動検出回路３４に接続しであ
る。

いま、トルクがトルク伝達軸３１に印加されると、アモ
ルファス磁性合金３２ａおよび３２ｂに歪が発生する。

これによって応力磁気効果により透磁率が変化し、結果
としてコイル３３ａおよび３３ｂのインダクタンスが変
化する。例えば、右捩りのトルクに対しては、コイル３
３ａのインダクタンスは大きくなり、コイル３３ｂのイ
ンダクタンスは小さくなる。この変化を差動検出回路３
４によって検出し、トルクの大きさと方向を同時に検出
できる。

発明が解決しようとする課題 このような従来のセンサにおいては、トルク伝達軸３１
に伝達されるトルク量やトルクの方向が検出できるが、
仕事率を求める際必要な軸の回転数は検出できないとい
う欠点を有していた。

本発明は上記課題を解決するもので、従来のトルクセン
サの基本構成を変更することなくトルク伝達軸の回転数
を非接触で検出し、仕事率をも監視できるトルクセンサ
を提供することを目的としている。

課題を解決するための手段 本発明は上記目的を達成するために、トルク伝達軸の表
面に磁歪を有する磁性材料薄帯を固着し、トルク伝達軸
から磁性材料ｉＲ帯に伝達された応力による磁気特性の
変化を軸の同心円上に巻回したコイルのインピーダンス
変化によってトルクを検出スるトルクセンサにおいて、
磁性材料薄帯の外周を長方形もしくは平行四辺形としト
ルク伝達軸の外周面上に固着する場合に長方形もしくは
平行四辺形の対辺を空隙を設けて向かい合わせて固着す
るとともに、コイルを巻回した磁心を磁性材料薄帯の外
側に空間を介して非接触に配置しトルク伝達軸の回転時
の上記空隙検出によりトルク伝達軸の回転数を検出する
ことによってトルクとトルク伝達軸の回転数とを検出す
るようにしたものである。

作用 上記のような構成のトルクセンサとすることによりトル
ク伝達軸に生したトルクを、磁歪を有する磁性材料薄帯
の応力−磁気効果によって検出するとともに、トルク伝
達軸の回転時、トルク伝達軸上の物質が、固着したアモ
ルファス磁性合金であるかまたは空隙であるかの差を回
転するトルク伝達軸との間に形成された磁気回路におけ
る磁気抵抗の変化によって検出することができるので、
トルク同時に回転数をも検出することができるものであ
る。

実施例 以下、本発明の実施例について第１図〜第８図を参照し
ながら説明する。

実施例】 第１図において、ｌは直径３０■のチタニウム製のトル
ク伝達軸である。２は長方形状アモルファス磁性合金薄
帯であって、線膨張率７．８×１０−’　（１／’Ｃ）
　、飽和磁歪定数２０Ｘ１０−’を有するＦｅ−３ｉ−
Ｂ系のアモルファス磁性合金を、トルク伝達軸１とは付
加重合型ポリイミド系接着剤で接着し、常に使用温度範
囲内で薄帯内に面内圧縮応力が作用するようにしたもの
で、接着時、第２図（ａ）のような円筒形状とし、トル
ク伝達軸１に接着時空隙３ができるように配したもので
ある。このトルク伝達軸１から長方形状アモルファス磁
性合金薄帯２に伝達された応力（歪）による磁気特性の
変化をトルク伝達軸１の同心円上にボビン４に巻回した
コイル５のインピーダンス変化によってトルクを検出す
る。６は高透磁率のＮｉ−Ｆｅ系磁性材料である。７は
高透磁率の馬蹄型フェライト磁心であり、前記空隙の周
方同長と同程度の極間長を持ち、長方形状アモルファス
磁性合金薄帯２の外側に空間を介して非接触に配置して
いる。さらに、この磁心７に回転数検出用コイル８が巻
回されている。９はトルクおよび回転数の検出回路を含
む電気回路である。それぞれのコイルは３０ｋＨｚで駆
動されている。１０ａ１０ｂはそれぞれトルク検出用コ
イルおよび回転数検出用コイルと電気回路を結ぶ導線で
ある。

第３図に本発明のトルクセンサにおける回転数検出原理
を示した。軸１が回転している状態を第３図（ａ）、　
（ｂ）および（Ｃ）に示す。第３図（ａ）および（Ｃ）
の場合、磁心７と長方形状アモルファス磁性合金薄帯２
とは空間を介して磁気回路を構成する。また、第３図（
ｂｌの場合、磁気回路の空間部分は大きくなる。このた
め、第３図（ａ）、　（Ｃ）のそれぞれのインピーダン
ス値Ｚａ、Ｚｃはほぼ等しくなるが、第３図（ｂ）のイ
ンピーダンス値ｚｂはより小さくなる。

第３図（ｂ）の状態は軸１の１回転毎に生ずるからこの
インピーダンス変化を計測することにより、回転数が計
測できる。

第４図に本実施例のトルクセンサにおけるトルクとイン
ピーダンス値の関係を示す。以上のようにトルクと同時
にトルク伝達軸の回転数を検出でき、これによって仕事
率を求めることができる。

実施例２ 次に本発明の他の実施例について第５図（ａ）　、（ハ
）を参照しながら説明する。

図において、１１は鋼鉄製トルク伝達軸である。

１２は線膨張率１１．０ｘｌＯ−”（１／’ｃ）、飽和
磁歪定数１６Ｘ１０−″を有するＦｅ−Ｎｉ−３ｉＢ系
の長方形状アモルファス磁性合金薄帯であり、トルク伝
達軸１１とは付加重合型ポリイミド系接着剤で接着し、
常に使用温度範囲内で面内圧縮応力が作用するようにし
ている。実施例１と同様に接着し、空隙１３ができるよ
うにする。１４はコイル巻回用ボビン、１５はコイル、
１６は高透磁率のフェライトである。トルクの検出原理
は実施例１と同様である。１７は高透磁率のコの字型磁
心であり、空隙の周方向長と同程度な厚みを持ち、アモ
ルファス磁性合金薄帯１２の外側に空間を介して非接触
的に配置している。さらにこの磁心１７に回転数検出用
コイル１８が巻回されている。１９はトルクおよび回転
数の検出回路を含む電気回路であり、２０ａ、２０ｂは
接続導線である。

回転数検出原理は実施例１の場合とＭ似しているが、軸
の長さ方向に回転数検出用磁気回路を形成している点が
異なる。軸１１が回転している状態で、磁心１７とアモ
ルファス磁性合金薄帯１２は空間を介して磁気回路を構
成する。しかし、空隙１３と磁心１７が半径方向に近接
一致した場合、磁気回路の磁気抵抗は大きく、そうでな
い場合と異なり、この時コイルのインピーダンスは大き
く変化する。この変化を計測することにより、回転数が
計測できる。

実施例３ さらに本発明の他の実施例について第６図（ａｌ、　（
ｂ）とともに説明する。

図において、２１は直径１０閣の鋼鉄製のトルク伝達軸
である。２２ａ、２２ｂは線膨張率１１．０Ｘ　１０−
”　（１／”Ｃ）　、飽和磁歪定数１６Ｘ１０−’を有
するＦ　ｅ−Ｎ　ｉ　−３ｉ　−Ｂ系の長方形状アモル
ファス磁性合金薄帯であり、斜め±４５＠にそれぞれ対
称にスリットを設けである。これを第２図（ｂ）に示し
たような形状とし、付加重合型ポリイミド系接着剤でト
ルク伝達軸２１に接着し、常に使用温度範囲内で面内圧
縮応力が作用するようにしている。接着のとき、実施例
１と同様に接着し、空隙２３ａおよび２３ｂができるよ
うにする。

２４ａ、２４ｂはコイル巻回用のボビン、２５ａ２５ｂ
はコイル、２６は高透磁率のフェライトである。トルク
の検出原理は実施例１．２と同様であるが、本発明は斜
め±４５°に形状異方性をもたせであるため、第７図に
示すような差動回路により、トルクの大きさと同時にト
ルクの方向も検出できる。第８図にその出力特性を示し
た。２７は高透磁率の馬蹄型フェライト磁心であり、空
隙の周方向長と同程度の極間長を持ち、長方形状アモル
ファス磁性合金薄帯２２ａ、２２ｂの外側に空間を介し
て非接触的に配置している。さらに、この磁心２７に回
転数検出用コイル２Ｂが巻回されている。２９はトルク
および回転数の検出回路を含む電気回路である。それぞ
れのコイルは３０ｋＨｚで駆動されている。３０ａ、３
０ｂはトルク検出用コイルと電気回路２９とを、また３
０ｃは回転数検出用コイルと電気回路とをそれぞれ結ぶ
導線である０回転数検出原理は実施例１の場合と全く同
一である。

このように本発明のセンサでは、トルクの大きさ、方向
および回転数を計測できる。これによってトルクの大き
さと回転数の積より仕事率をも求めることができる。

実施例では、磁歪を有する磁性材料薄膜としてアモルフ
ァス磁性合金について述べたが、とくにこの合金に本発
明は限定されるものではない。しかし、この合金は透磁
率が高く、本発明の回転数検出トルクセンサに通した材
料である。

発明の効果 以上の実施例から明らかなように本発明によれば、簡単
な構造で精度よくトルクの大きさ、方向と回転数を同時
に計測することができるので、これによって仕事率も求
めることができる安価なトルクセンサを提供することが
できる。そしてこれらのセンサは今後、自動車、ロボッ
トなどの制御に大きく貢献することが期待できる。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）は本発明の一実施例の部分断面正面図、第
１回出）は第１図（ａ）のＡ−Ａ線断面図、第２図（ａ
）は実施例１および２の接着剤のアモルファス磁性合金
薄帯の斜視図、第２図（り）は実施例３の接着剤のアモ
ルファス磁性合金薄帯の斜視図、第３図（ａ）（ｂ）、
　（Ｃ）は実施例１のトルクセンサにおける回転数検出
原理を説明するための図、第４図は実施例１のトルクセ
ンサにおけるトルクとインピーダンス値の関係を示す図
、第５図（ａ）は実施例２の部分断面正面図、第５図（
ｂ）は第５図（ａ）のＢ−Ｂ線断面図、第６図（ａ）は
実施例３０部部分面正面図、第６図（＋））は第６図［
ａ）のＣ−Ｃ線断面図、第７図は実施例３のトルク検出
回路の回路図、第８図は実施例３のトルクセンサの出力
特性を示す図、第９図は従来のトルクセンサの構成を示
す図である。 １．１１．２１・・・・・・トルク伝達軸、２．１２２
２ａ、２２ｂ・・・・・・アモルファス磁性合金薄帯、
３、　１３．　２３　ａ、　　２３　ｂ・−−−−−空
隙、４．１４゜２４　ａ、　　２４　ｂ−・−−−−ボ
ビン、５．１５　２５ａ。 ２５ｂ・・・・・・トルク検出用コイル、７．１７．２
７・・・・・・磁心、 ８゜ １８゜ ２８・・・・・・回転数検出用コイ ル。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）トルク伝達軸の表面に磁歪を有する磁性材料薄帯
   を固着し、前記トルク伝達軸から前記磁性材料薄帯に伝
   達された応力による磁気特性の変化を軸の同心円上に巻
   回したコイルのインピーダンス変化によってトルクを検
   出するトルクセンサにおいて、前記磁性材料薄帯の外周
   を長方形もしくは平行四辺形とし前記トルク伝達軸の外
   周面上に固着する場合に四辺形の対辺を空隙を設けて向
   かい合わせて固着するとともに、コイルを巻回した磁心
   を前記磁性材料薄帯の外側に空間を介して非接触に配置
   し回転時の前記空隙検出によりトルク伝達軸の回転数を
   検出することによってトルクとトルク伝達軸の回転数と
   を検出することを特徴とするトルクセンサ。
2. （２）トルク伝達軸の表面に固着する磁性材料薄帯が磁
   歪を有するアモルファス磁性合金で構成されていること
   を特徴とする請求項１記載のトルクセンサ。