JPH05113375A - Magnetostriction type torque detection device - Google Patents

Magnetostriction type torque detection device

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Publication number
JPH05113375A
JPH05113375A JP27236991A JP27236991A JPH05113375A JP H05113375 A JPH05113375 A JP H05113375A JP 27236991 A JP27236991 A JP 27236991A JP 27236991 A JP27236991 A JP 27236991A JP H05113375 A JPH05113375 A JP H05113375A
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JP
Japan
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coil
torque
measured
detection
output
Prior art date
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Pending
Application number
JP27236991A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Toru Takeuchi
徹 竹内
Junichi Maruyama
旬一 丸山
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Nissan Motor Co Ltd
Original Assignee
Nissan Motor Co Ltd
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Publication date
Application filed by Nissan Motor Co Ltd filed Critical Nissan Motor Co Ltd
Priority to JP27236991A priority Critical patent/JPH05113375A/en
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Abstract

PURPOSE:To enable a torque to be detected accurately even if the temperature of a coil changes. CONSTITUTION:The amount of inductance change of coils is 9a and 9b is obtained from the coils 9a and 9b which allow a line of force using a magnetic anisotropy part which is provided on a surface of an axis to be measured as one part of a magnetic path to be generated by conduction and a coil output when AC is conducted in both of the coils 9a and 9b and a coil output when DC is conducted. Detection circuits 40 and 50 which detect a torque which is applied to the axis to be measured based on the amount of inductance change are also provided.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、磁気歪現象を利用して
トルクの検出を行う磁歪式トルク検出装置に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a magnetostrictive torque detecting device for detecting torque by utilizing a magnetostrictive phenomenon.

【0002】[0002]

【従来の技術】従来の磁歪式トルク検出装置としては、
例えば図11及び図12に示すようなものがある(類似
公知例として特開平1−213533号公報等があ
る)。
2. Description of the Related Art As a conventional magnetostrictive torque detecting device,
For example, there is one as shown in FIG. 11 and FIG. 12 (similarly known examples include JP-A 1-213533).

【0003】図11に示すトルク検出装置のトルクピッ
クアップ部101は、少なくとも表面部が磁性体からな
る被測定軸103を有しており、この被測定軸103の
表面には、当該被測定軸103の軸心方向に対し所定の
角度をなす凹状部105a,105bと凸状部107
a,107bとが形成され、これら凹状部105a,1
05b及び凸状部107a,107bによって形状磁気
異方性をもつようにしてある。
A torque pickup unit 101 of the torque detection device shown in FIG. 11 has a shaft 103 to be measured, at least the surface of which is made of a magnetic material. The shaft 103 to be measured has a surface 103 to be measured. The concave portions 105a and 105b and the convex portion 107 that form a predetermined angle with respect to the axial direction of the
a, 107b are formed, and these concave portions 105a, 1a are formed.
05b and the convex portions 107a and 107b have a shape magnetic anisotropy.

【0004】そしてトルクピックアップ部101は、被
測定軸103のほか、該被測定軸103に形成した一方
の凹状部105a及び凸状部107aと、他方の凹状部
105b及び凸状部107bに対して対向配置させた一
対のコイル109a,109bを有しており、このコイ
ル109a,109bの外側に被測定軸103との間で
隙間111をおいて、高透磁率材料よりなる円筒状のヨ
ーク113を設けた構造となっている。
In addition to the shaft 103 to be measured, the torque pickup portion 101 has one concave portion 105a and a convex portion 107a formed on the shaft 103 to be measured, and the other concave portion 105b and a convex portion 107b. It has a pair of coils 109a and 109b arranged opposite to each other, and a cylindrical yoke 113 made of a high magnetic permeability material is provided outside the coils 109a and 109b with a gap 111 between the coil 103a and 109b to be measured. It has a structure provided.

【0005】このような構造のトルクピックアップ部1
01によって検出された値を取り出すには、図12に示
すように、コイル109a,109bと抵抗器115,
117とを組合せてブリッジ回路を構成し、このブリッ
ジ回路にバランス用の可変抵抗器119を設けると共
に、ブリッジ回路の接続点A,C間には励磁用発振器1
21を接続して両コイル109a,109bの励磁方向
を同一方向に合わせ、接続点B,D間には差動増幅器1
23を接続して、その出力125を同期(励磁用発振器
121により同期をとる)検波器127に接続してB,
Dの差動出力を半波整流した後、平滑器129により直
流化して出力端子131,133により検出出力を取り
出すことができるようになっている。
The torque pickup unit 1 having such a structure
To retrieve the value detected by 01, as shown in FIG. 12, the coils 109a and 109b and the resistor 115,
117 is combined to form a bridge circuit, a balancing variable resistor 119 is provided in this bridge circuit, and the excitation oscillator 1 is provided between the connection points A and C of the bridge circuit.
21 is connected to align the excitation directions of both coils 109a and 109b in the same direction, and the differential amplifier 1 is provided between the connection points B and D.
23 is connected, and its output 125 is connected to a detector 127 which is synchronized (synchronized by the excitation oscillator 121) with B,
After half-wave rectifying the differential output of D, the smoothing device 129 converts it into a direct current, and the output terminals 131 and 133 can extract the detection output.

【0006】次に、図11に示したトルクピックアップ
部101を図12に示した電気回路に接続した場合の作
動について説明する。
Next, the operation when the torque pickup unit 101 shown in FIG. 11 is connected to the electric circuit shown in FIG. 12 will be described.

【0007】まず、作動に際しては、励磁用発振器12
1によりコイル109a,109bに一定振幅(V)及
び周波数(f)の交流を通電する。この通電によって、
被測定軸103→間隙111→ヨーク113→間隙11
1→被測定軸103を磁路とする磁力線が、コイル10
9a,109bを取り囲むように発生する。
First, in operation, the excitation oscillator 12
By 1, the alternating current of constant amplitude (V) and frequency (f) is applied to the coils 109a and 109b. By this energization,
Measured shaft 103 → gap 111 → yoke 113 → gap 11
1 → The magnetic force line having the magnetic path of the shaft 103 to be measured is the coil 10
It occurs so as to surround 9a and 109b.

【0008】ところで、被測定軸103における磁路に
ついて考えると、表皮効果のために、通電する交流の周
波数(f)が高くなるほど、磁力線が表面付近に集中し
てくることから、結果として、磁力線は凸状部の長手方
向に沿ったものとなる。それゆえ、凹状部105a,1
05b及び凸状部107a,107bによる形状磁気異
方性の効果が表われる。
Now, considering the magnetic path on the shaft to be measured 103, the magnetic field lines concentrate near the surface as the frequency (f) of the alternating current that flows becomes higher due to the skin effect. Is along the longitudinal direction of the convex portion. Therefore, the concave portions 105a, 1
05b and the convex portions 107a and 107b exhibit the effect of shape magnetic anisotropy.

【0009】凹状部105a,105b及び凸状部10
7a,107bの軸心方向に対する角度は、一般的には
一方の凹状部105a及び凸状部107aと他方の凹状
部105b及び凸状部107bとが互いに逆方向でかつ
等しい角度にするが、最も望ましいのは被測定軸103
にトルクが付加された場合の主応力方向、即ち、右45
°方向及び左45°方向をなすようにすることである。
この理由は、磁力線は主応力方向を主体に流れ、かつ凸
状部107a,107bは被測定軸103の最表面部で
あるから最も歪が大きいところであり、この歪による磁
性体の透磁率変化を最も効果的にひき出すことができる
ためである。
The concave portions 105a and 105b and the convex portion 10
The angles of the 7a and 107b with respect to the axial direction are generally the opposite directions of the concave portion 105a and the convex portion 107a on one side and the concave portion 105b and the convex portion 107b on the other side, and the same angle, Desirable shaft 103 to be measured
Direction of principal stress when torque is applied to
That is, the angle direction is 45 ° and the angle direction is 45 ° to the left.
The reason for this is that the lines of magnetic force mainly flow in the principal stress direction, and the convex portions 107a and 107b are the outermost surface portions of the shaft to be measured 103, so that the strain is the largest, and the change in magnetic permeability of the magnetic body due to this strain is This is because it can be extracted most effectively.

【0010】そして、被測定軸103に対して図11に
示すT方向にトルクが付加されると、一方の凸状部10
7aは右45°方向に形成されているため、最大引張応
力+δが作用し、反対に、他方の凸状部107bは左4
5°に形成されているため、最大圧縮応力−δが作用す
る。
When torque is applied to the shaft 103 to be measured in the T direction shown in FIG.
Since 7a is formed in the right 45 ° direction, the maximum tensile stress + δ acts, and conversely, the other convex portion 107b is left 4
Since it is formed at 5 °, the maximum compressive stress −δ acts.

【0011】ここで、被測定軸103が正の磁歪効果を
有しておれば、一方の凸状部107aの透磁率はトルク
零のときに比べて増大し、逆に、他方の凸状部107b
の透磁率はトルク零のときに比べて減少する。
Here, if the shaft 103 to be measured has a positive magnetostrictive effect, the magnetic permeability of the one convex portion 107a increases as compared with that when the torque is zero, and conversely, the other convex portion 107a. 107b
The magnetic permeability of is smaller than that when the torque is zero.

【0012】従って、一方のコイル109aのインダク
タンスは増大し、他方のコイル109bのインダクタン
スは減少するので、図12のブリッジ回路のバランスが
くずれ、出力端子131,133間にトルクに対応した
出力が生じる。
Therefore, since the inductance of one coil 109a increases and the inductance of the other coil 109b decreases, the bridge circuit in FIG. 12 loses balance and an output corresponding to the torque is generated between the output terminals 131 and 133. ..

【0013】また、トルクが逆方向に付加された場合に
は、前述したのと逆の作用により、一方のコイル109
aのインダクタンスは減少し、他方のコイル109bの
インダクタンスは増大するので、図12のブリッジ回路
のバランスがくずれ、出力端子131,133間にトル
クに対応した出力が生じる。
When the torque is applied in the opposite direction, the one coil 109
Since the inductance of “a” decreases and the inductance of the other coil 109b increases, the bridge circuit in FIG. 12 loses balance and an output corresponding to the torque is generated between the output terminals 131 and 133.

【0014】さらに具体的に説明すれば、コイル109
a,109bのインダクタンスをそれぞれL1 〔H〕,
2 〔H〕とし、これらのコイルの持つ直流抵抗分をR
1 Ω、R2 Ωとし、ブリッジ抵抗器115,117の各
抵抗値をRとし、励磁用発振器121の電圧をV〔V〕
周波数をf〔Hz〕としたとき、ブリッジ回路A−B−
C、A−D−Cを流れる電流i1 〔A〕,i2 〔A〕
は、それぞれ次式で表わされる。
More specifically, the coil 109
The inductances of a and 109b are L 1 [H],
L 2 [H] and the direct current resistance of these coils is R
1 Ω and R 2 Ω, the resistance values of the bridge resistors 115 and 117 are R, and the voltage of the excitation oscillator 121 is V [V].
When the frequency is f [Hz], the bridge circuit AB-
Current flowing through C, A-D-C i 1 [A], i 2 [A]
Are respectively expressed by the following equations.

【0015】 i1 =V/[(R+R1 +2πfL1 cos θ1 2 +(2πfL1 sin θ1 2 1/2 …(1) i2 =V/[(R+R2 +2πfL2 cos θ2 2 +(2πfL2 sin θ2 2 1/2 …(2) ただし、θ1 ,θ2 は、コイル109a,109bのイ
ンピーダンスZ1 を複素数上で表わしたときのそのイン
ダクタンス分の実軸となす角度である。
I 1 = V / [(R + R 1 + 2πfL 1 cos θ 1 ) 2 + (2πfL 1 sin θ 1 ) 2 ] 1/2 (1) i 2 = V / [(R + R 2 + 2πfL 2 cos θ 2 ) 2 + (2πfL 2 sin θ 2 ) 2 ] 1/2 (2) where θ 1 and θ 2 are the real axes of their inductances when the impedance Z 1 of the coils 109a and 109b is expressed on a complex number. Is the angle to make.

【0016】このとき、B,D点の電位V1 ,V2 はV
1 =i1 ・R,V2 =i2 ・Rとなり、この2つの電位
の差を差動増幅器123で求める。さらにトルクの正逆
方向を判別する同期検波器127を通し、平滑器129
よりトルクに比例した出力を得る。また、同期検波器1
27では、トルクピックアップ部101の温度変化によ
って生じる出力のドリフトを、この温度変化によるドリ
フトの出力位相が測定しようとするトルクに比例した出
力位相と略90°異なることを利用し、検波タイミング
をトルクに比例した出力位相と同期させることにより小
さくする機能も有している。
At this time, the potentials V 1 and V 2 at the points B and D are V 1
1 = i 1 · R and V 2 = i 2 · R, and the difference between these two potentials is obtained by the differential amplifier 123. Further, a smoothing device 129 is passed through a synchronous detector 127 that determines the forward and reverse directions of the torque.
An output more proportional to torque is obtained. In addition, the synchronous detector 1
In No. 27, the drift of the output caused by the temperature change of the torque pickup unit 101 is different from the output phase proportional to the torque to be measured by the output phase of the drift caused by the temperature change, and the detection timing is determined by the torque. It also has the function of making it smaller by synchronizing with the output phase proportional to.

【0017】[0017]

【発明が解決しようとする課題】従来の磁歪式トルク検
出器は、トルクピックアップ部の温度変化によって生じ
る出力のドリフトを、この温度変化によるドリフトの出
力位相が測定しようとするトルクに比例した出力位相と
略90°異なることを利用し、検波タイミングをトルク
に比例した出力位相と同期させることにより小さくする
ようになっていたため、温度変化による出力ドリフトの
位相が僅かに変化したとき、このドリフトの値を十分に
打消すことができず、トルクの検出精度が劣化するとい
う問題があった。
In the conventional magnetostrictive torque detector, the output phase caused by the temperature change of the torque pickup unit is proportional to the torque to be measured by the output phase of the drift caused by the temperature change. It is designed to be smaller by synchronizing the detection timing with the output phase proportional to the torque by utilizing the difference of about 90 ° from the above. Therefore, when the phase of the output drift due to the temperature change slightly changes, the value of this drift However, there is a problem in that the torque detection accuracy is deteriorated.

【0018】そこで、本発明は、コイルに温度変化が生
じてもトルクを精度よく検出することのできる磁歪式ト
ルク検出装置を提供することを目的とする。
Therefore, an object of the present invention is to provide a magnetostrictive torque detecting device capable of accurately detecting the torque even if the temperature of the coil changes.

【0019】[0019]

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明は、第1に、被測定軸と、該被測定軸の表面
に軸方向に対して所定の角度をなすように設けられた磁
気異方性部と、通電により前記磁気異方性部を磁路の一
部とした磁力線を発生させるコイルと、該コイルに交流
を通電したときのコイル出力と直流を通電したときのコ
イル出力から当該コイルのインダクタンス変化分を求め
該インダクタンス変化分に基づいて前記被測定軸にかか
るトルクを検出する検出回路とを有することを要旨とす
る。
In order to solve the above problems, the present invention firstly provides a shaft to be measured and a surface of the shaft to be measured so as to form a predetermined angle with respect to the axial direction. A magnetic anisotropy part, a coil for generating magnetic lines of force by energizing the magnetic anisotropy part as a part of a magnetic path, and a coil output when an alternating current is applied to the coil and a direct current when a direct current is applied. The gist of the present invention is to have a detection circuit that obtains a change in inductance of the coil from the coil output and detects the torque applied to the shaft to be measured based on the change in inductance.

【0020】第2に、上記第1の構成において、前記検
出回路は、前記コイルに交流と直流とを時分割で切替通
電させるように構成してなることを要旨とする。
Secondly, the gist of the first configuration is that the detection circuit is configured to energize the coil to switch between alternating current and direct current in a time division manner.

【0021】第3に、被測定軸と、該被測定軸の表面に
軸方向に対して所定の角度をなすように設けられた磁気
異方性部と、交流の通電により前記磁気異方性部を磁路
の一部とした磁力線を発生させる検出コイルと、該検出
コイルの近傍に設置され直流を通電させる補償用コイル
と、前記検出コイルのコイル出力と前記補償用コイルの
コイル出力から当該検出コイルのインダクタンス変化分
を求め該インダクタンス変化分に基づいて前記被測定軸
にかかるトルクを検出する検出回路とを有することを要
旨とする。
Third, the shaft to be measured, the magnetic anisotropy portion provided on the surface of the shaft to be measured so as to form a predetermined angle with respect to the axial direction, and the magnetic anisotropy due to alternating current application. A detection coil for generating a magnetic force line whose part is a part of a magnetic path, a compensation coil installed near the detection coil for energizing direct current, and a coil output of the detection coil and a coil output of the compensation coil. The gist of the present invention is to have a detection circuit that obtains a change in inductance of the detection coil and detects the torque applied to the shaft to be measured based on the change in inductance.

【0022】[0022]

【作用】上記構成において、第1に、コイルに直流を通
電したときのコイル出力から温度変化による出力ドリフ
トの主要因であるコイルの直流抵抗分が求められ、この
項を差引いたインダクタンス変化分からトルクが求めら
れる。これにより、トルクが精度よく検出される。
In the above structure, firstly, the DC resistance of the coil, which is the main factor of the output drift due to the temperature change, is obtained from the coil output when DC is applied to the coil, and the torque change is calculated from the inductance change obtained by subtracting this term. Is required. Thereby, the torque is accurately detected.

【0023】第2に、コイルへの直流と交流の通電を時
分割で切替えることにより、一層精度のよいトルク検出
が行われる。
Secondly, more accurate torque detection can be performed by switching the direct current and alternating current to the coil in a time division manner.

【0024】第3に、検出コイルには交流を通電し、そ
の近傍に設けた補償用コイルに直流を通電してそのコイ
ル出力から検出コイルの直流抵抗分が推定される。そし
て、検出コイルのコイル出力のうち、その直流抵抗分を
差引いたインダクタンス変化分からトルクが求められ
る。これにより、検出コイルに時分割等により交流と直
流を切替通電させることなく精度のよいトルク検出が行
われる。
Third, the detection coil is energized with an alternating current, and the compensation coil provided in the vicinity thereof is energized with a direct current to estimate the direct current resistance of the detection coil from the coil output. Then, the torque is obtained from the inductance change amount obtained by subtracting the DC resistance component from the coil output of the detection coil. Thereby, accurate torque detection is performed without switching the alternating current and direct current to the detection coil by time division or the like and energizing.

【0025】[0025]

【実施例】以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明
する。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.

【0026】図1ないし図6は、本発明の第1実施例を
示す図である。
1 to 6 are views showing a first embodiment of the present invention.

【0027】まず、図1及び図2を用いて磁歪式トルク
検出装置の構成を説明する。
First, the structure of the magnetostrictive torque detecting device will be described with reference to FIGS.

【0028】図1に示すトルクピックアップ部1は、前
記図11に示したものとほぼ同様に構成されており、被
測定軸3の表面には、その軸方向に対し所定の角度をな
す凹状部5a,5bと凸状部7a,7bとが形成され、
これら凹状部5a,5b及び凸状部7a,7bにより磁
気異方性部が形成されている。9a,9bは一対のコイ
ル、13はヨーク、11は被測定軸3とヨーク13との
間の隙間である。図2に示すように、コイル9a,9b
と抵抗器15,17とでブリッジ回路が構成されてい
る。このコイル9a,9bと抵抗器15,17以外の回
路機器は、8,16又は32ビットのマイクロコンピュ
ータで構成することができるが、理解を助けるため、以
下に個々の電気機器で回路を構成する形で説明する。
The torque pickup unit 1 shown in FIG. 1 has a structure substantially similar to that shown in FIG. 11, and the surface of the shaft 3 to be measured has a concave portion that makes a predetermined angle with the axial direction thereof. 5a, 5b and convex portions 7a, 7b are formed,
A magnetic anisotropic portion is formed by the concave portions 5a and 5b and the convex portions 7a and 7b. 9a and 9b are a pair of coils, 13 is a yoke, and 11 is a gap between the shaft 3 to be measured and the yoke 13. As shown in FIG. 2, the coils 9a, 9b
And the resistors 15 and 17 form a bridge circuit. The circuit devices other than the coils 9a and 9b and the resistors 15 and 17 can be configured by an 8-, 16-, or 32-bit microcomputer, but in order to facilitate understanding, the circuits are configured by individual electric devices below. Explain in shape.

【0029】21は正弦波発振器であり、その発振周波
数は、回路全体の時間を制御する主クロック41によっ
て定められている(例えば10kHz)。42は定電圧
発生器、43は交直の切替器、44は切替器43をスイ
ッチングするための分周器、45はブリッジ出力のデー
タ取出しを制御する信号を得るための分周器である。4
6は9b側コイルの交流通電時のインダクタンスZ01
出のためのピークホールド器、47は9b側コイルの直
流通電時の抵抗値(R01+R1 )検出のためのピークホ
ールド器、48は9bコイル側の電流位相と駆動電圧位
相との位相差θ01を測定する位相検出器、49は上記Z
01,(R01+R1 ),θ01の3つの値からコイル9bの
インダクタンスL1 を演算するための演算器である。而
して、ピークホールド器46,47、位相検出器48及
び演算器49により、コイル9bのインダクタンス検出
回路40が構成されている。50はコイル9aのインダ
クタンス検出回路であり、56,57,58,59は、
それぞれ上記の各機器に対応したインピーダンスZ02
出のためのピークホールド器、抵抗値(R02+R2 )検
出のためのピークホールド器、位相検出器及び演算器で
ある。23はコイル9aとコイル9bのインダクタンス
の差を検出する差動アンプ、31は差動アンプ23の出
力端子である。
Reference numeral 21 is a sine wave oscillator, the oscillation frequency of which is determined by a main clock 41 which controls the time of the entire circuit (for example, 10 kHz). 42 is a constant voltage generator, 43 is an alternating-current switching device, 44 is a frequency divider for switching the switching device 43, and 45 is a frequency divider for obtaining a signal for controlling the data output of the bridge output. Four
6 is a peak hold device for detecting the inductance Z 01 when the 9b side coil is energized with alternating current, 47 is a peak hold device for detecting the resistance value (R 01 + R 1 ) when the 9b side coil is energized with direct current, and 48 is 9b A phase detector for measuring the phase difference θ 01 between the current phase on the coil side and the drive voltage phase, 49 is the above Z
This is a calculator for calculating the inductance L 1 of the coil 9b from three values of 01 , (R 01 + R 1 ), θ 01 . Thus, the peak hold devices 46 and 47, the phase detector 48, and the calculator 49 constitute the inductance detection circuit 40 of the coil 9b. 50 is an inductance detection circuit for the coil 9a, and 56, 57, 58, 59 are
These are a peak hold device for detecting the impedance Z 02 , a peak hold device for detecting the resistance value (R 02 + R 2 ), a phase detector, and a computing device corresponding to each of the above devices. Reference numeral 23 is a differential amplifier that detects a difference in inductance between the coils 9 a and 9 b, and 31 is an output terminal of the differential amplifier 23.

【0030】次に、図3ないし図6を用いて、上述のよ
うに構成された磁歪式トルク検出装置の作用を説明す
る。図3及び図4は原理を説明するための図、図5及び
図6は図2中の各部の信号波形を示している。
Next, the operation of the magnetostrictive torque detecting device configured as described above will be described with reference to FIGS. 3 and 4 are diagrams for explaining the principle, and FIGS. 5 and 6 show signal waveforms of respective parts in FIG.

【0031】被測定軸3にトルクが付加されると、その
軸表面に軸方向と45°方向に形成した凸状部7a,7
bには、それぞれ引張応力と圧縮応力が作用する。する
と、逆磁歪効果により引張側の凸状部は透磁率が高くな
り、この部分を磁束が通るコイルのインピーダンスは増
加し、圧縮側はその逆となる。コイル9a,9bの高圧
側から与えられた電圧はコイル9a,9bの低圧側から
それぞれ抵抗器15,17を介してアースに通じ、この
抵抗器15,17の端子電圧Va,Vbは、コイル9
a,9bを通る電流ia,ibに比例する。検出回路
は、この電圧Va,Vbを処理していくこととなる。本
実施例はコイルの持つ純粋なインダクタンス分のみを取
出すことを特徴としているので、この原理をまず説明す
る。図3はコイル9b側のブリッジ部分を取出した図で
ある。コイルインピーダンスZ1 は、インダクタンス分
であるL1 とコイル9b自体の持つ直流抵抗分R1 に分
けて考えられる。また、抵抗器17の抵抗値R01も含め
てコイル9b側の系を考えると複素平面上で、図3右側
のように示すことができる。この原理をもとに、ブリッ
ジに交流を与えてインピーダンス及び位相差(Z01,θ
01)を計り、次に直流を与えて抵抗値(R01+R1 )を
計り、この2つからインダクタンスL1 を求めるもので
あるが、この作用を具体的な回路で説明する。
When torque is applied to the shaft 3 to be measured, convex portions 7a, 7a formed on the surface of the shaft 3 in the direction of 45 ° with respect to the axial direction.
Tensile stress and compressive stress act on b, respectively. Then, due to the inverse magnetostriction effect, the magnetic permeability of the convex portion on the tensile side becomes high, the impedance of the coil through which the magnetic flux passes through this portion increases, and the opposite side becomes the opposite on the compression side. The voltage applied from the high voltage side of the coils 9a and 9b is connected to the ground from the low voltage side of the coils 9a and 9b through the resistors 15 and 17, respectively, and the terminal voltages Va and Vb of the resistors 15 and 17 are
It is proportional to the currents ia and ib passing through a and 9b. The detection circuit will process these voltages Va and Vb. Since the present embodiment is characterized in that only the pure inductance of the coil is taken out, this principle will be described first. FIG. 3 is a view in which the bridge portion on the coil 9b side is taken out. The coil impedance Z 1 can be considered by being divided into an inductance component L 1 and a DC resistance component R 1 of the coil 9b itself. Further, considering the system on the side of the coil 9b including the resistance value R 01 of the resistor 17, it can be shown as on the right side of FIG. 3 on the complex plane. Based on this principle, alternating current is applied to the bridge to obtain impedance and phase difference (Z 01 , θ
01 ), and then a direct current is applied to measure the resistance value (R 01 + R 1 ), and the inductance L 1 is obtained from these two values. This action will be explained with a concrete circuit.

【0032】まず41のクロックで一定周期(周波数f
Hz)の信号を出す(図5(a))。これをもとに正弦
波発振器21から正弦波(精度を犠牲にして三角波でも
可)を発振させる。この正弦波交流が交直切替器43を
通じてコイル9a,9bへ通電される。ここでは、コイ
ル9b側で説明を進める。一方、定電圧源42からは一
定値の直流電圧が切替器43を通じてコイル9bに流さ
れる。この切替えのタイミングは、分周器44でクロッ
ク41の基準周波数の1/2〜1/100に固定される
(図5(c))。高い応答性が要求される場合は1/2
〜1/3程度とする。
First, at a clock of 41, a fixed period (frequency f
(Hz) signal is output (FIG. 5A). Based on this, the sine wave oscillator 21 oscillates a sine wave (a triangular wave is possible at the expense of accuracy). This sinusoidal alternating current is supplied to the coils 9a and 9b through the AC / DC switch 43. Here, the description will proceed on the side of the coil 9b. On the other hand, a DC voltage having a constant value is supplied from the constant voltage source 42 to the coil 9b through the switch 43. The timing of this switching is fixed to 1/2 to 1/100 of the reference frequency of the clock 41 by the frequency divider 44 (FIG. 5 (c)). 1/2 when high responsiveness is required
Approximately 1/3.

【0033】このようにして、交流、直流を時分割でコ
イル9bに通電させたときの切替器43出口の電圧を図
5(d)に示す。これが、ブリッジに与えられたときの
抵抗器17の高圧側電圧は図5(e)のようになる。こ
のとき、交流通電時の安定電圧を求めるため、交直切替
のタイミング(図5(c))から一定時間(切替周期の
1/2〜2/3程度)後に抵抗器17の高圧側電圧(図
5(e))をピークホールド器で保持する。このとき交
流通電時の信号はピークホールド器46で保持し、直流
通電時の信号はピークホールド器47で保持すべく、分
周器45によりそれぞれ、図6(a),(c)のような
サンプル指令信号が出される。ピークホールド器はサン
プル指令信号を受けるとまず出力をリセットし、信号を
受けている間は常に入力のうちの最大値を示し、指令信
号がなくなると、その時点の値を維持する。以上のよう
な機能により、ピークホールド器46には交流通電時の
インピーダンスの絶対値|Z01|によって定まる電圧が
記憶される(図6(b))。
FIG. 5 (d) shows the voltage at the outlet of the switching device 43 when the coil 9b is energized by alternating current and direct current in this manner. When this is applied to the bridge, the voltage on the high voltage side of the resistor 17 is as shown in FIG. At this time, in order to obtain a stable voltage during AC energization, the high-voltage side voltage of the resistor 17 (see FIG. 5C) after a certain time (about 1/2 to 2/3 of the switching cycle) from the AC / DC switching timing (FIG. 5C). 5 (e)) is held by the peak hold device. At this time, the signal during AC energization is held by the peak hold unit 46, and the signal during DC energization is held by the peak hold unit 47 by the frequency divider 45 as shown in FIGS. 6A and 6C, respectively. A sample command signal is issued. The peak hold device first resets the output when it receives the sample command signal, always shows the maximum value of the inputs while receiving the signal, and maintains the value at that time when the command signal disappears. With the above functions, the peak hold device 46 stores the voltage determined by the absolute value of the impedance | Z 01 | during AC energization (FIG. 6B).

【0034】一方、ピークホールド器47には抵抗器1
7の抵抗値とコイルの直流抵抗の和の値によって定まる
電圧が記憶される(図6(d))。また、交流通電時の
電流の位相は位相検出器48で求められる。
On the other hand, the peak hold device 47 has a resistor 1
The voltage determined by the sum of the resistance value of 7 and the DC resistance of the coil is stored (FIG. 6D). Further, the phase of the current when the alternating current is applied is obtained by the phase detector 48.

【0035】演算器49は、これらの値をもとに、次の
ような演算を行ってコイル9bのインダクタンス相当電
圧VL1 を求める。
The calculator 49 performs the following calculation based on these values to obtain the inductance-equivalent voltage V L1 of the coil 9b.

【0036】 VL1 =[|Z012 +(R01+R1 2 −2・|Z01|・cos θ01 ・(R01+R1 )]1/2 …(3) コイル9a側でも、上記と同様にして、コイル9aのイ
ンダクタンス相当電圧VL2 が求められる。
V L1 = [| Z 01 | 2 + (R 01 + R 1 ) 2 −2 · | Z 01 | · cos θ 01 · (R 01 + R 1 )] 1/2 (3) Also on the coil 9 a side In the same manner as above, the inductance equivalent voltage V L2 of the coil 9a is obtained.

【0037】 VL2 =[|Z022 +(R02+R2 2 −2・|Z02|・cos θ02 ・(R02+R2 )]1/2 …(4) このようにして求められた両コイル9a,9bのインダ
クタンス相当電圧VL1 ,VL2 は、差動アンプ23に
入れられ、その差が求められる。この値は、トルクに比
例することから、この電圧VL1 ,VL2 の差に基づい
て被測定軸3にかかったトルクが求められる。
V L2 = [| Z 02 | 2 + (R 02 + R 2 ) 2 −2 · | Z 02 | · cos θ 02 · (R 02 + R 2 )] 1/2 (4) In this way The obtained inductance-equivalent voltages V L1 and V L2 of both coils 9a and 9b are input to the differential amplifier 23, and the difference therebetween is obtained. Since this value is proportional to the torque, the torque applied to the shaft 3 to be measured can be obtained based on the difference between the voltages V L1 and V L2 .

【0038】次いで、図7及び図8には、本発明の第2
実施例を示す。この実施例は、2個のコイル9a,9b
のインダクタンス差を求める差動アンプ223をブリッ
ジ回路の直後に置き、その分、コイルインダクタンスの
検出回路を片側のコイル相当分だけ省く構成としたもの
である。246はコイルへの交流通電時のインピーダン
ス検出のためのピークホールド器、247はコイルへの
直流通電時の抵抗値検出のためのピークホールド器、2
48は位相差検出器、249は演算器である。
Next, FIG. 7 and FIG. 8 show the second embodiment of the present invention.
An example is shown. In this embodiment, two coils 9a and 9b are used.
The differential amplifier 223 for obtaining the inductance difference is placed immediately after the bridge circuit, and the coil inductance detection circuit is omitted by that much for that portion. 246 is a peak hold device for detecting impedance when AC current is applied to the coil, 247 is a peak hold device for detecting resistance value when DC current is applied to the coil, 2
Reference numeral 48 is a phase difference detector, and 249 is a calculator.

【0039】作用を説明すると、図8はコイル9a,9
bの出力端B点、D点の出力を複素平面上に表わしたも
のである。コイル9a,9bのインピーダンスが同一で
あれば、両出力は図8上N点に一致する。被測定軸3に
トルクが加わると、引張り側に対応したコイルはΔL1
だけインダクタンスが増加し、圧縮側に対応したコイル
はΔL2 だけインダクタンスが減少する。トルク検出装
置としては(ΔL1 +ΔL2 )の値を計測したい。これ
に対し、この実施例の回路では、図8の|δZ12|で示
すような出力が差動アンプ223から得られる。このと
きの電流と駆動電圧との位相は図示するようにθ12であ
る。前記図2の場合と同様の方法でコイル9a,9bの
出力端電圧間の出力差から|δZ12|とθ12,δR12
求める。ここでδR12はブリッジ回路に直流を流した時
の主にコイル9a,9bの直流抵抗の差である。ここ
で、図8からインダクタンス変化相当電圧VL12は、 VL12=[|δZ122 +δR12 2 −2・|δZ12|・δR12・cos θ121/2 …(5) で表わされるので、この演算を演算器249で行なう。
この値が、コイルの温度変化による直流抵抗分の変化に
左右されないトルクに比例した出力となる。したがっ
て、このインダクタンス変化相当電圧VL12に基づいて
被測定軸3にかかるトルクが精度よく求められる。
To explain the operation, FIG. 8 shows coils 9a, 9
The outputs at the output points B and D of b are represented on a complex plane. If the impedances of the coils 9a and 9b are the same, both outputs match the N point in FIG. When torque is applied to the shaft 3 to be measured, the coil corresponding to the pulling side will have ΔL 1
The inductance increases, and the coil corresponding to the compression side decreases in inductance by ΔL 2 . The torque detection device wants to measure the value of (ΔL 1 + ΔL 2 ). On the other hand, in the circuit of this embodiment, the output as shown by | δZ 12 | in FIG. 8 is obtained from the differential amplifier 223. The phase of the current and the driving voltage at this time is θ 12 as shown in the figure. In the same manner as in the case of FIG. 2, | δZ 12 | and θ 12 , δR 12 are obtained from the output difference between the output terminal voltages of the coils 9a and 9b. Here &Dgr; R 12 is mainly the difference in the DC resistance of the coil 9a, 9b upon applying a direct current to the bridge circuit. Here, from FIG. 8, the inductance change equivalent voltage V L12 is represented by V L12 = [| δZ 12 | 2 + δR 12 2 −2 · | δZ 12 | · δR 12 · cos θ 12 ] 1/2 (5) Therefore, this calculation is performed by the calculator 249.
This value is an output proportional to the torque that is not affected by the change in the DC resistance component due to the change in the coil temperature. Therefore, the torque applied to the shaft 3 to be measured can be accurately obtained based on this inductance change equivalent voltage V L12 .

【0040】図9及び図10には、本発明の第3実施例
を示す。この実施例は、検出コイル9a,9bの極く近
傍に補償用コイル19a,19bを設置し、この補償用
コイル19a,19bに直流を通電することにより、検
出コイル9a,9bの直流抵抗分を推定するようにした
ものである。
9 and 10 show a third embodiment of the present invention. In this embodiment, the compensation coils 19a and 19b are installed in the immediate vicinity of the detection coils 9a and 9b, and a direct current is supplied to the compensation coils 19a and 19b, so that the DC resistance components of the detection coils 9a and 9b are removed. It is supposed to be estimated.

【0041】補償用コイル19a,19bの設置のし方
は検出コイル9a,9bの外側でもよいが、検出コイル
9a,9bの内側、もしくはその両方、さらには図9
(b)のように両コイル9a,19aを1つのボビンに
同時に巻くことも可能である。但し図9(b)の方法は
補償の精度は高いがコストが高くなる。
The compensation coils 19a and 19b may be installed outside the detection coils 9a and 9b, but inside the detection coils 9a and 9b, or both, and further, as shown in FIG.
It is also possible to wind both coils 9a and 19a on one bobbin at the same time as in (b). However, the method of FIG. 9B has a high compensation accuracy but a high cost.

【0042】図10の回路図で、その作用を説明する。
これまでの実施例と異なり検出コイル9a,9bに交
流、直流を交互に流す必要はなく、検出コイル9a,9
bには交流を通電し、補償用コイル19a,19bには
直流を定常的に通電しておく。こうすると、図8で説明
したδR12が補償用コイル19a,19b側から求めら
れる。これは検出用コイル9a,9bの直流抵抗分とは
僅かに異なる場合があるが、極く近傍に設置してあるた
め実用上は十分に近似ができる。直流抵抗分を求めるた
めに補償用コイル19a,19bに流す直流電流値は、
検出用コイル9a,9bに流す交流電流の実効値と同程
度とするが、コイルの位置により多少の差を付けた方が
補償がより精度よく行われる場合もある。
The operation will be described with reference to the circuit diagram of FIG.
Unlike the previous embodiments, it is not necessary to alternately flow alternating current and direct current through the detection coils 9a and 9b, and the detection coils 9a and 9b
AC is energized to b, and DC is constantly energized to the compensation coils 19a and 19b. By doing so, δR 12 described in FIG. 8 is obtained from the compensating coils 19a and 19b side. This may be slightly different from the DC resistance of the detection coils 9a and 9b, but since they are installed very close to each other, they can be sufficiently approximated in practical use. The value of the direct current flowing through the compensation coils 19a and 19b to obtain the direct current resistance is
Although it is set to the same level as the effective value of the alternating current flowing through the detection coils 9a and 9b, it may be possible to perform the compensation more accurately by making a slight difference depending on the position of the coil.

【0043】[0043]

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
第1に、被測定軸の表面に軸方向に対して所定の角度を
なすように設けられた磁気異方性部と、通電により磁気
異方性部を磁路の一部とした磁力線を発生させるコイル
と、コイルに交流を通電したときのコイル出力と直流を
通電したときのコイル出力から当該コイルのインダクタ
ンス変化分を求めこのインダクタンス変化分に基づいて
被測定軸にかかるトルクを検出する検出回路とを具備さ
せたため、コイルに直流を通電したときのコイル出力か
ら温度変化による出力ドリフトの主要因であるコイルの
直流抵抗分が求められ、この項を差引いたインダクタン
ス変化分からトルクが求められてコイルに温度変化が生
じてもトルクを精度よく検出することができる。
As described above, according to the present invention,
Firstly, a magnetic anisotropy portion is formed on the surface of the shaft to be measured so as to form a predetermined angle with respect to the axial direction, and a magnetic force line is formed by energizing the magnetic anisotropy portion as part of the magnetic path A detection circuit for detecting the torque applied to the shaft to be measured based on the inductance change amount of the coil and the coil output when the AC current is applied to the coil and the coil output when the DC current is applied. Therefore, the DC resistance component of the coil, which is the main factor of the output drift due to temperature change, is obtained from the coil output when DC is applied to the coil, and the torque is obtained from the inductance change amount by subtracting this term. Even if the temperature changes, the torque can be accurately detected.

【0044】第2に、コイルに交流と直流とを時分割で
切替通電させるようにしたため、短時間で一層精度のよ
いトルク検出を行うことができる。
Secondly, since alternating current and direct current are switched and energized to the coil in a time division manner, more accurate torque detection can be performed in a short time.

【0045】第3に、検出コイルには交流を通電し、そ
の近傍に設置した補償用コイルに直流を通電してそのコ
イル出力から直流抵抗を求め、その直流抵抗から検出コ
イルの直流抵抗分を推定して当該検出コイルのインダク
タンス変化分を求めるようにしたため、検出コイルには
時分割等により交流と直流を切替通電させることなく精
度のよいトルク検出を行うことができる。
Thirdly, an alternating current is supplied to the detection coil, a direct current is supplied to a compensation coil installed in the vicinity thereof, a DC resistance is obtained from the coil output, and a DC resistance component of the detection coil is obtained from the DC resistance. Since the inductance change amount of the detection coil is estimated and obtained, accurate torque detection can be performed without switching the alternating current and direct current to the detecting coil by time division or the like.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】本発明に係る磁歪式トルク検出装置の第1実施
例におけるトルクピックアップ部の構成を示す断面図で
ある。
FIG. 1 is a cross-sectional view showing a configuration of a torque pickup section in a first embodiment of a magnetostrictive torque detection device according to the present invention.

【図2】第1実施例の回路図である。FIG. 2 is a circuit diagram of the first embodiment.

【図3】第1実施例におけるインダクタンス分の検出原
理を説明するための図である。
FIG. 3 is a diagram for explaining the principle of detecting the inductance component in the first embodiment.

【図4】第1実施例におけるインダクタンス分の検出原
理を説明するための図である。
FIG. 4 is a diagram for explaining a principle of detecting an inductance component in the first embodiment.

【図5】図2中の各部の信号波形を示すタイミングチャ
ートである。
5 is a timing chart showing a signal waveform of each part in FIG.

【図6】図2中の各部の信号波形を示すタイミングチャ
ートである。
FIG. 6 is a timing chart showing signal waveforms of respective parts in FIG.

【図7】本発明の第2実施例の回路図である。FIG. 7 is a circuit diagram of a second embodiment of the present invention.

【図8】第2実施例におけるインダクタンス変化分の検
出作用を説明するための図である。
FIG. 8 is a diagram for explaining the detecting action of the inductance change amount in the second embodiment.

【図9】本発明の第3実施例において補償用コイルの設
置例を示す図である。
FIG. 9 is a diagram showing an example of installation of compensation coils in the third embodiment of the present invention.

【図10】第3実施例の回路図である。FIG. 10 is a circuit diagram of the third embodiment.

【図11】従来の磁歪式トルク検出装置におけるピック
アップ部を示す断面図である。
FIG. 11 is a cross-sectional view showing a pickup section in a conventional magnetostrictive torque detection device.

【図12】従来例の回路図である。FIG. 12 is a circuit diagram of a conventional example.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

3 被測定軸 5a,5b 凹状部 7a,7b 凹状部とともに磁気異方性部を構成する凸
状部 9a,9b コイル 19a,19b 補償用コイル 21 正弦波発振器 40,50 インダクタンス検出回路 42 直流定電圧発生器 43 交流、直流の切替器
3 Axis to be measured 5a, 5b Concave part 7a, 7b Convex part forming a magnetic anisotropic part together with the concave part 9a, 9b Coil 19a, 19b Compensating coil 21 Sine wave oscillator 40, 50 Inductance detecting circuit 42 DC constant voltage Generator 43 AC / DC switching device

Claims (3)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 被測定軸と、該被測定軸の表面に軸方向
に対して所定の角度をなすように設けられた磁気異方性
部と、通電により前記磁気異方性部を磁路の一部とした
磁力線を発生させるコイルと、該コイルに交流を通電し
たときのコイル出力と直流を通電したときのコイル出力
から当該コイルのインダクタンス変化分を求め該インダ
クタンス変化分に基づいて前記被測定軸にかかるトルク
を検出する検出回路とを有することを特徴とする磁歪式
トルク検出装置。
1. An axis to be measured, a magnetic anisotropy section provided on the surface of the axis to be measured so as to form a predetermined angle with respect to the axial direction, and a magnetic path between the magnetic anisotropy section by energization. And a coil for generating a magnetic field line as a part of the coil, and an inductance change amount of the coil is obtained from a coil output when an alternating current is applied to the coil and a coil output when a direct current is applied to the coil. A magnetostrictive torque detection device, comprising: a detection circuit that detects a torque applied to a measurement axis.
【請求項2】 前記検出回路は、前記コイルに交流と直
流とを時分割で切替通電させるように構成してなること
を特徴とする磁歪式トルク検出装置。
2. The magnetostrictive torque detection device according to claim 1, wherein the detection circuit is configured to switch and energize the coil between alternating current and direct current in a time division manner.
【請求項3】 被測定軸と、該被測定軸の表面に軸方向
に対して所定の角度をなすように設けられた磁気異方性
部と、交流の通電により前記磁気異方性部を磁路の一部
とした磁力線を発生させる検出コイルと、該検出コイル
の近傍に設置され直流を通電させる補償用コイルと、前
記検出コイルのコイル出力と前記補償用コイルのコイル
出力から当該検出コイルのインダクタンス変化分を求め
該インダクタンス変化分に基づいて前記被測定軸にかか
るトルクを検出する検出回路とを有することを特徴とす
る磁歪式トルク検出装置。
3. An axis to be measured, a magnetic anisotropy section provided on the surface of the axis to be measured so as to form a predetermined angle with respect to the axial direction, and the magnetic anisotropy section by energizing alternating current. A detection coil that generates a magnetic force line that is a part of a magnetic path, a compensation coil that is installed in the vicinity of the detection coil and that conducts a direct current, and a detection coil from the detection coil output and the compensation coil output. And a detection circuit for detecting the torque applied to the shaft to be measured based on the inductance change amount of the magnetostrictive torque detection device.
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