JPH0522859B2 - - Google Patents

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JPH0522859B2
JPH0522859B2 JP59052809A JP5280984A JPH0522859B2 JP H0522859 B2 JPH0522859 B2 JP H0522859B2 JP 59052809 A JP59052809 A JP 59052809A JP 5280984 A JP5280984 A JP 5280984A JP H0522859 B2 JPH0522859 B2 JP H0522859B2
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JP
Japan
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torque
magnetic
transmission shaft
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torque transmission
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JP59052809A
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JPS60196635A (ja
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Tadahiko Kobayashi
Tomokazu Domon
Hironori Fukuda
Masashi Sahashi
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Toshiba Corp
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Tokyo Shibaura Electric Co Ltd
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Priority to EP84308792A priority patent/EP0146382B1/en
Priority to US06/682,269 priority patent/US4590807A/en
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Publication of JPH0522859B2 publication Critical patent/JPH0522859B2/ja
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    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01LMEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L3/00Measuring torque, work, mechanical power, or mechanical efficiency, in general
    • G01L3/02Rotary-transmission dynamometers
    • G01L3/04Rotary-transmission dynamometers wherein the torque-transmitting element comprises a torsionally-flexible shaft
    • G01L3/10Rotary-transmission dynamometers wherein the torque-transmitting element comprises a torsionally-flexible shaft involving electric or magnetic means for indicating
    • G01L3/101Rotary-transmission dynamometers wherein the torque-transmitting element comprises a torsionally-flexible shaft involving electric or magnetic means for indicating involving magnetic or electromagnetic means
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    • G01L3/102Rotary-transmission dynamometers wherein the torque-transmitting element comprises a torsionally-flexible shaft involving electric or magnetic means for indicating involving magnetic or electromagnetic means involving magnetostrictive means

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  • Physics & Mathematics (AREA)
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  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Measuring Magnetic Variables (AREA)
  • Force Measurement Appropriate To Specific Purposes (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の技術分野〕 本発明は非接触でトルクを検出するトルクセン
サに関する。
〔発明の技術的背景〕
トルクは回転駆動系の制御を行なう際の基本量
の一つである。トルクを精密に検出するために
は、その検出機構が非接触方式であることが必要
である。
近年、上述したような非接触方式のトルクセン
サとしてアモルフアス磁性合金の薄帯を利用した
ものが提案されている。(電気学会マグネテイツ
クス研究会資料MAG−81−72)。
このトルクセンサの概略構成は第1図に示すよ
うなものである。図中1はトルクを検出すべき回
転軸、すなわちトルク伝達軸であり、このトルク
伝達軸1にはアモルフアス磁性合金から形成され
た環状磁心2が巻回されて固定されている。この
環状磁心2には予めその周方向3に対して角度θ
の傾き方向に誘導磁気異方性Ku′4が付与されて
いる。なお、前記環状磁心2の周囲には例えば図
示しない検出コイルが近接して配設されており、
更にこの検出コイルは図示しない検出回路に接続
されている。
上記トルクセンサの原理を概略的に説明する。
ここで、説明を簡単にするためにθ>45°、飽和
磁歪定数λs>0とする。いま、トルク伝達軸1に
トルク5が加わると、トルク伝達軸1に発生した
ひずみ応力が環状磁心2に伝達され、環状磁心2
には+45°の方向に張力σが、−45°の方向に圧縮
応力−σがそれぞれ発生する。これに伴い、環状
磁心2には磁気ひずみ効果により+45°方向に誘
導磁気異方性Ku″6(=3λs・σ)が誘導される。
この結果Ku′とKu″の合成として誘導磁気異方性
はKu7へ変化する。一般に、磁性体の透磁率は
励磁方向に対する誘導磁気異方性の方向によつて
変化する。したがつて、環状磁心2の誘導磁気異
方性の方向の変化に伴う透磁率の変化を、例えば
検出コイル及びこれに接続された検出回路により
電圧の変化として測定することができ、その値か
らトルク伝達軸1に加えられたトルク5を検出す
ることができる。
なお、上記トルクセンサの説明では環状磁心を
構成する磁性体としてアモルフアス磁性合金を用
いた場合について述べたが、これに限らず軟質磁
性を示すものであれば、例えばパーマロイ(Fe
−Ni合金)、センダスト(Fe−Al−Si合金)、Fe
−Si合金など他の磁性体を用いることができる。
ところで、上述したように磁性金属薄帯からな
る環状磁心の周囲に近接して検出コイルを配設す
ればトルクの検出ができるが、その検出機構はト
ルクセンサの性能を左右する重要な因子となる。
従来、上述した検出機構としては第2図a及び
bに示すようなものが知られている。
第2図aは中空のトルク伝達軸11に磁性金属
薄帯の環状磁心12を固定し、ソレノイドコイル
13を用いて環状磁心12の周方向に励磁し、さ
らに検出巻線14を巻いて出力を検出するもので
ある。また、同図bはトルク伝達軸11に磁性金
属薄帯の環状磁心12を固定し、その外周に巻か
れたソレノイドコイル13′を用いて環状磁心1
2の巾方向に励磁し、さらにその外側に検出巻線
14′を巻いて出力を検出するものである。
すなわち、第2図a及びb図示の検出機構では
いずれも透磁率の変化をソレノイドコイルと検出
巻線との相互誘導による電圧の変化としてとら
え、増幅回路を経て出力を得るものである。
〔背景技術の問題点〕
しかし、第2図bのように環状磁心の巾方向に
励磁するものは小型化が困難で、狭空間に収納す
ることができず、しかも励磁用のソレノイドコイ
ルには100mA以上の励磁電流を必要とするため、
磁気回路上不都合な点が生じる。
また、第2図aのように環状磁心の周方向に励
磁するものは環状磁心の全周の透磁率を連続して
検出するため、一周分の透磁率を一定値にする必
要がある。ところが、トルク伝達軸としてFe系
などの強磁性体を用いた場合、材質の不均一性か
ら一周のうちに透磁率変化が生じる。したがつ
て、この透磁率変化に起因する出力変動がトルク
の検出出力に重畳されるため、S/Nが著しく劣
化する。
〔発明の目的〕
本発明は上記欠点を解消するためになされたも
のであり、小型で必要とする励磁電流が小さく、
しかもS/N比を向上して安定したトルク検出を
行なえるトルクセンサを提供しようとするもので
ある。
〔発明の概要〕
本発明のトルクセンサは、磁歪を有し斜め方向
の誘導磁気異方性の付与された磁性金属薄帯をト
ルク伝達軸に固定し、該トルク伝達軸に加えられ
たトルクにより前記磁性金属薄帯の磁気特性が変
化することを利用してトルクの非接触検出を行な
うトルクセンサにおいて、前記トルク伝達軸に固
定された1個のまたは前記トルク伝達軸の軸方向
に沿つて異なる位置に固定された1対の磁性金属
薄帯に対応して、磁性金属薄帯を周方向に励磁す
るように、前記トルク伝達軸に非接触でかつ周方
向に沿つて配置された1個または1対の磁心と、
前記トルク伝達軸の一回転に同期した同期信号を
発生する手段と、前記磁心により得られる前記磁
性金属薄帯の一回転分の磁気特性変化を平均化処
理することによりトルクを検出する手段とを具備
したことを特徴とする特徴とするものである。
このようなトルクセンサによれば、回転に同期
させて一回転分の磁気特性変化の平均値を検出す
るので、トルク伝達軸の円周上に固定した磁性金
属薄帯の透磁率が一定の値でなくとも、それを補
償して正確なトルク検出を行なうことができる。
また、トルク伝達軸としてFe系などの強磁性体
を用いても、その透磁率変化に起因する出力変動
がなくなり、高S/N比で安定したトルク検出を
行なうことができる。
またこのようなトルクセンサによれば、同じ出
力を得るのに低い励磁電流ですむ周方向に励磁し
た場合でもS/N比の良好な出力を得ることがで
きる。すなわちトルク伝達軸に磁性金属薄帯を巻
回した場合、巾方向に励磁しようとすると反磁場
係数の関係で周方向の場合に比べかなりの大励磁
電流が必要となる。これに対して周方向に励磁の
場合は低励磁電流ですむが、磁性金属薄帯の透磁
率の均一性を保つことを考えると巾方向の場合に
比べ若干の問題が残る。しかしながら本発明によ
れば、その均一性をも十分カバーでき、非常に有
効である。又、この磁性金属薄帯は完全に巻回し
なくても、部分的に設けても良い。
本発明において平均化処理としては、アナロ
グ、デジタルの2種類があり、前者は、フイルタ
ー回路または積分回路を用いる方法である。一
方、後者のデジタル平均化処理は、瞬時瞬時の出
力を数値に置換え、積算計算した後一回転分の所
要時間で割る事で平均値を得る。このため、高精
度かつ、周波数応答の要求されるトルク検出では
有効である。
〔発明の実施例〕
以下、本発明の実施例を第3図〜第5図を参照
して説明する。
第3図において、図示しないモータ等の駆動源
によつて回転する直径55mmの強磁性体からなるト
ルク伝達軸21の外周には環状磁心221,222
が固定されている。これら環状磁心221,222
は単ロール法により作製された巾5mm、厚さ30μ
mの(Fe0.65Ni0.3Cr0.0575Si11B14アモルフアス磁
性合金の薄帯を前記トルク伝達軸21に一周巻い
て固定したものである。これら環状磁心221
222には予めその周方向に対してそれぞれ角度
+θ及び角度−θの傾き方向に誘導磁気異方性が
付与されている。
これらの環状磁心221,222の上方にはそれ
ぞれ酸化物磁性体からなるU型の検出用磁心23
,232が非接触で周方向に配設されている。こ
れら検出用磁心231,232にはそれぞれ励磁用
コイル241,242及び検出用コイル251,2
2が施されている。
前記環状磁心221,222の磁気特性の変化に
より生じる出力電力を前記トルク伝達軸21の回
転数に同期させて一回転分の平均化処理を行なつ
て検出するための回路構成を第4図に示す。
まず、検出用磁心231,232に施した励磁用
コイル241,242は和動結合、また検出用コイ
ル251,252は差動結合とし、発振器26より
得られる正弦波を励磁用コイル241,242に加
え、環状磁心221,222をトルク伝達軸21の
周方向に励磁する。いま、トルク伝達軸21にト
ルクが加わると、予め付与された誘導磁気異方性
の方向に応じて、環状磁心221,222の透磁率
はそれぞれ増減の変化を生じる。この変化量を検
出用コイル251,252で正弦波電圧に変換し、
検波回路27に加え、更に積分回路28及びA/
Dコンバータ29を経て平均化演算処理器30に
導入する。
一方、トルク伝達軸21の別の位置には回転数
センサ31が配設されており、この回転数センサ
31により得られる回転数信号を同期信号発生器
32に送り、更に回転に同期した電気信号を平均
化演算処理器30に導入する。
したがつて、平均化演算処理器30では回転数
に同期した電気信号により、1回転毎に平均化さ
れたデジタル出力値が得られる。更に、このデジ
タル出力値をD/Aコンバータ33によりDCア
ナログ出力電圧に変換することにより高S/N
で、かつ安定したトルク検出を行なうことができ
る。
しかして、本発明のトルクセンサによれば、ト
ルク伝達軸21の回転数に同期させて一回転分の
磁気特性変化に対応する電圧の平均値を検出する
ので、トルク伝達軸21の円周上に固定した磁性
金属薄帯221,222の透磁率が円周上で常に一
定の値でなくとも、それを補償して正確にトルク
検出を行なうことができる。また、トルク伝達軸
21としてFe系などの強磁性体を用いても、そ
の透磁率変化に起因する出力変動がなくなり、高
S/N比の安定したトルク検出を行なうことがで
きる。更に、装置全体を小型化することができ、
狭空間にも収納することができる。
事実、上記トルクセンサを用いてトルク伝達軸
21のN=2000rpmにおける動トルクを検出した
ところ第5図に示す如く極めて優れた線形性を有
していることが判明した。
なお、第5図の出力はデジタル出力値をD/A
コンバータ33により電圧に変換したものである
が、任意のDAコンバータにより出力を可変とす
ることができる。また、デジタル出力値を直接マ
イクロコンピユータに導入することができるので
付加価値が大きい。
なお、上記実施例と同様な効果は磁性金属薄帯
としてパーマロイ、センダスト、Fe−Si合金を
用いた場合、また検出用磁心としてアモルフアス
合金、パーマロイ、センダスト、Fe−Si合金を
用いた場合にも得られた。
また、上記実施例のトルクセンサではトルク伝
達軸の全周に環状磁心を固定したが、トルク伝達
軸の周方向の一部分にのみ磁性金属薄帯を固定し
て動トルクを検出した場合でも、同様に高S/N
比の安定した出力電圧を得ることができる。
更に、上記実施例では2個の検出磁心を用い、
励磁用コイルは和動結合、検出用コイルは差動結
合としたが、トルクの正負を知る必要がない場合
には、検出磁心を1個だけにしてもよい。また、
2個の検出磁心を用いる場合でも、検出用コイル
を和動結合としてもよい。ただし、正負のトルク
を線形性よく、高出力で検出するには、上記実施
例のような構成とすることが望ましい。
〔発明の効果〕
以上詳述した如く本発明によれば、トルク伝達
軸の材質や磁性金属薄帯内での透磁率の変化の影
響を受けず、広範囲の材質のトルク伝達軸のトル
クを高S/N比で安定して検出できる等工業上極
めて実用性の高いトルクセンサを提供できるもの
である。
【図面の簡単な説明】
第1図は非接触方式のトルクセンサの原理図、
第2図a及びbはそれぞれ従来のトルクセンサの
構成図、第3図は本発明の実施例におけるトルク
センサの構成図、第4図は同トルクセンサの回路
構成図、第5図は同トルクセンサによる動トルク
検出特性図である。 21……トルク伝達軸、221,222……環状
磁心、231,232……検出用磁心、241,2
2……励磁用コイル、251,252……検出用
コイル、26……発振器、27……検波回路、2
8……積分回路、29……A/Dコンバータ、3
0……平均化演算処理器、31……回路数セン
サ、32……同期信号発生器、33……D/Aコ
ンバータ。

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 1 磁歪を有し斜め方向の誘導磁気異方性の付与
    された磁性金属薄帯をトルク伝達軸に固定し、該
    トルク伝達軸に加えられたトルクにより前記磁性
    金属薄帯の磁気特性が変化することを利用してト
    ルクの非接触検出を行なうトルクセンサにおい
    て、前記トルク伝達軸に固定された1個のまたは
    前記トルク伝達軸の軸方向に沿つて異なる位置に
    固定された1対の磁性金属薄帯に対応して、磁性
    金属薄帯を周方向に励磁するように、前記トルク
    伝達軸に非接触でかつ周方向に沿つて配置された
    1個または1対の磁心と、前記トルク伝達軸の一
    回転に同期した同期信号を発生する手段と、前記
    磁心により得られる前記磁性金属薄帯の一回転分
    の磁気特性変化を平均化処理することによりトル
    クを検出する手段とを具備したことを特徴とする
    トルクセンサ。
JP5280984A 1983-12-17 1984-03-19 トルクセンサ Granted JPS60196635A (ja)

Priority Applications (4)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP5280984A JPS60196635A (ja) 1984-03-19 1984-03-19 トルクセンサ
EP84308792A EP0146382B1 (en) 1983-12-17 1984-12-17 Torque sensor of noncontact type
US06/682,269 US4590807A (en) 1983-12-17 1984-12-17 Torque sensor of noncontact type
DE8484308792T DE3481546D1 (de) 1983-12-17 1984-12-17 Beruehrungsfreie drehmomentfuehler.

Applications Claiming Priority (1)

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JP5280984A JPS60196635A (ja) 1984-03-19 1984-03-19 トルクセンサ

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Publication Number Publication Date
JPS60196635A JPS60196635A (ja) 1985-10-05
JPH0522859B2 true JPH0522859B2 (ja) 1993-03-30

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ID=12925170

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Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS5353498U (ja) * 1976-10-08 1978-05-08
JPS589034A (ja) * 1981-07-09 1983-01-19 Kosuke Harada アモルフアス磁性薄帯によるトルクセンサ
JPS60177231A (ja) * 1984-02-24 1985-09-11 Hitachi Ltd トルク検出器

Patent Citations (3)

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JPS60196635A (ja) 1985-10-05

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