JPH05231967A - 磁歪式トルクセンサ - Google Patents
磁歪式トルクセンサInfo
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- JPH05231967A JPH05231967A JP4070328A JP7032892A JPH05231967A JP H05231967 A JPH05231967 A JP H05231967A JP 4070328 A JP4070328 A JP 4070328A JP 7032892 A JP7032892 A JP 7032892A JP H05231967 A JPH05231967 A JP H05231967A
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Landscapes
- Physical Vapour Deposition (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【構成】 スパッタリング法やイオンプレーティング
法、レーザ蒸着法などの真空技術を用い、３００℃〜６
００℃の温度で、マルエージング鋼からなる回転軸の所
定表面に、回転軸の材質より熱膨張係数が大きく、引張
り強さが２０ｋｇ／ｍｍ2 以上のＮｉ−Ｆｅ合金、銅、
銅合金、アルミニウム合金Ｎｉ−Ｃｏ合金およびＮｉの
いずれか一つの膜を０．１〜３０μｍの厚さに被覆した
回転軸構造をもつ磁歪式トルクセンサとしている。ま
た、膜のパターンをシェブロン状に形成している 【効果】 磁性膜のように磁気特性を揃える必要がな
く、膜形成によりマルエージング鋼の磁気特性を向上さ
せたものであるから特性が安定しており、しかも、出力
を大幅に向上させることが出来るので、ノイズに対して
強いトルクセンサを構成することができる。
法、レーザ蒸着法などの真空技術を用い、３００℃〜６
００℃の温度で、マルエージング鋼からなる回転軸の所
定表面に、回転軸の材質より熱膨張係数が大きく、引張
り強さが２０ｋｇ／ｍｍ2 以上のＮｉ−Ｆｅ合金、銅、
銅合金、アルミニウム合金Ｎｉ−Ｃｏ合金およびＮｉの
いずれか一つの膜を０．１〜３０μｍの厚さに被覆した
回転軸構造をもつ磁歪式トルクセンサとしている。ま
た、膜のパターンをシェブロン状に形成している 【効果】 磁性膜のように磁気特性を揃える必要がな
く、膜形成によりマルエージング鋼の磁気特性を向上さ
せたものであるから特性が安定しており、しかも、出力
を大幅に向上させることが出来るので、ノイズに対して
強いトルクセンサを構成することができる。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は磁性体の逆磁歪効果を利
用した非接触式トルクセンサに関するもので、特に、ロ
ボット、工作機械などに使用するモータのトルクを検出
するトルクセンサである。
用した非接触式トルクセンサに関するもので、特に、ロ
ボット、工作機械などに使用するモータのトルクを検出
するトルクセンサである。
【０００２】
【従来の技術】回転駆動系を有するロボットやマニピュ
レータおよび工作機械の制御に、非接触でかつ小型のト
ルクセンサが要求されている。このようなトルクセンサ
には種々の方式があるが、非接触で小型化に有利な方式
としては磁歪式トルクセンサがある。これは、磁性体に
力が印加されると磁性体の透磁率が変わるという逆磁歪
効果を利用してトルク検出を行うものである。磁性体か
らなる回転軸の透磁率の変化は回転軸の周囲に一定ギャ
ップを保って巻いてあるコイルまたはコイルを巻いた磁
気ヘッド（図示せず）のインピーダンス変化として検出
する。磁性体回転軸の材質にはマルエージング鋼がトル
クセンサ用として実用化されている（たとえば、特開昭
６３−２５２４８７）。
レータおよび工作機械の制御に、非接触でかつ小型のト
ルクセンサが要求されている。このようなトルクセンサ
には種々の方式があるが、非接触で小型化に有利な方式
としては磁歪式トルクセンサがある。これは、磁性体に
力が印加されると磁性体の透磁率が変わるという逆磁歪
効果を利用してトルク検出を行うものである。磁性体か
らなる回転軸の透磁率の変化は回転軸の周囲に一定ギャ
ップを保って巻いてあるコイルまたはコイルを巻いた磁
気ヘッド（図示せず）のインピーダンス変化として検出
する。磁性体回転軸の材質にはマルエージング鋼がトル
クセンサ用として実用化されている（たとえば、特開昭
６３−２５２４８７）。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】ところが、マルエージ
ング鋼を回転軸に加工しトルクを印加するとその磁気特
性（透磁率）が変わり、トルクに対する出力はほぼ比例
関係になるが、この材料の透磁率の変化は非常に小さい
ため、出力も小さい。従って、アンプで大幅に増幅しな
ければならないうえ実際のモータ用回転軸に応用する場
合、トルクを検出する部分だけ回転軸の径を小さくし、
感度を上げる必要があった。その結果、その部分の機械
的強度が低下し、ロボットや工作機などの実機モータへ
の組込みは不可能であった。本発明はマルエージング鋼
からなる回転軸のトルクによる透磁率の変化を大きく
し、出力を向上させ、ノイズに強い安定した測定のでき
る磁歪式トルクセンサを提供することを目的とする。
ング鋼を回転軸に加工しトルクを印加するとその磁気特
性（透磁率）が変わり、トルクに対する出力はほぼ比例
関係になるが、この材料の透磁率の変化は非常に小さい
ため、出力も小さい。従って、アンプで大幅に増幅しな
ければならないうえ実際のモータ用回転軸に応用する場
合、トルクを検出する部分だけ回転軸の径を小さくし、
感度を上げる必要があった。その結果、その部分の機械
的強度が低下し、ロボットや工作機などの実機モータへ
の組込みは不可能であった。本発明はマルエージング鋼
からなる回転軸のトルクによる透磁率の変化を大きく
し、出力を向上させ、ノイズに強い安定した測定のでき
る磁歪式トルクセンサを提供することを目的とする。
【０００４】
【課題を解決するための手段】このため本発明はスパッ
タリング法やイオンプレーティング法、レーザ蒸着法な
どの真空技術を用い、３００℃〜６００℃の温度で、マ
ルエージング鋼からなる回転軸の所定表面に、回転軸の
材質より熱膨張係数が大きく、引張り強さが２０ｋｇ／
ｍｍ2 以上の膜を０．１〜３０μｍの厚さに被覆した回
転軸構造をもつ磁歪式トルクセンサとしている。また、
膜のパターンをシェブロン状に形成している
タリング法やイオンプレーティング法、レーザ蒸着法な
どの真空技術を用い、３００℃〜６００℃の温度で、マ
ルエージング鋼からなる回転軸の所定表面に、回転軸の
材質より熱膨張係数が大きく、引張り強さが２０ｋｇ／
ｍｍ2 以上の膜を０．１〜３０μｍの厚さに被覆した回
転軸構造をもつ磁歪式トルクセンサとしている。また、
膜のパターンをシェブロン状に形成している
【０００５】
【作用】磁気特性におよぼすマルエージング鋼の極表面
状態の影響は明らかではないが、種々の実験結果から、
現在のところ以下のように考えられる。マルエージング
鋼より熱膨張係数の大きな材料からなる膜を高温で被覆
すると冷却中に熱膨張係数の差によりマルエージング鋼
に圧縮応力がかかり、磁気特性に変化を引き起こす。膜
の強度が小さいとこの変化が不十分になる。膜厚が薄す
ぎると同じように不十分となり、逆に厚すぎると、測定
時に表皮効果によりマルエージング鋼に磁界が流れなく
なり出力が小さくなる。膜形成温度については高温ほど
マルエージング鋼の高温強度が小さくなるので効果は大
きいが、６００℃以上になるとマルエージング鋼の時効
による強度低下が起こり、使用上問題となるので好まし
くない。また、膜のパターン形状をシェブロン状にする
ことにより、回転軸表面の圧縮応力をさらに大きくで
き、出力特性もさらに向上させることができる。
状態の影響は明らかではないが、種々の実験結果から、
現在のところ以下のように考えられる。マルエージング
鋼より熱膨張係数の大きな材料からなる膜を高温で被覆
すると冷却中に熱膨張係数の差によりマルエージング鋼
に圧縮応力がかかり、磁気特性に変化を引き起こす。膜
の強度が小さいとこの変化が不十分になる。膜厚が薄す
ぎると同じように不十分となり、逆に厚すぎると、測定
時に表皮効果によりマルエージング鋼に磁界が流れなく
なり出力が小さくなる。膜形成温度については高温ほど
マルエージング鋼の高温強度が小さくなるので効果は大
きいが、６００℃以上になるとマルエージング鋼の時効
による強度低下が起こり、使用上問題となるので好まし
くない。また、膜のパターン形状をシェブロン状にする
ことにより、回転軸表面の圧縮応力をさらに大きくで
き、出力特性もさらに向上させることができる。
【０００６】
【実施例】以下、本発明を実施例に基づいて詳細に説明
する。図１は本発明を用いた第１の実施例を示す磁歪式
トルクセンサの構成図で、機械加工した回転軸に直接、
膜を形成している。図２は本発明の第２の実施例を示す
図で回転軸に溝加工をほどこした上に膜を形成してい
る。図において１は回転軸、２は磁場の印加および透磁
率の変化を検出するコイル、３は膜、４は溝である。回
転軸１はマルエージング鋼である。これは鉄ニッケル・
マルテンサイト型の時効合金で引っ張り強さが２００〜
３００ｋｇ／ｍｍ2 、熱膨張係数は１１×１０-6／℃の
磁性材料である。回転軸１に用いた組成をつぎに示す。 １８Ｎｉ−０．５Ｔｉ−０．１Ａｌ−８Ｃｏ−５Ｍｏ
−０. ０２Ｃ−Ｆｅ ２５Ｎｉ−１．５Ｔｉ−０．２Ａｌ−０．５Ｎｂ−
０．０１Ｃ−Ｆｅ ９．８４Ｎｉ−３．６２Ｃｏ−０．１５Ｃ−Ｆｅ １２Ｃｒ−０．５Ｎｉ−０．１５Ｃ−１Ｍｎ−Ｆｅ 膜３の材質はＮｉ−Ｆｅ合金、Ｃｒ、ＡＬ−５Ｃｕ、Ｃ
ｕ、Ｃｕ−５ＡＬ、ジュラルミン、７０Ｎｉ−Ｃｏ、Ｃ
ｒ、Ａｌ、Ｎｉとした。膜３の作製は回転軸１をトリク
レン、純水、アルコールの順に超音波洗浄を施したの
ち、各種真空槽（スパッタリング、イオンプレーティン
グ、レーザ）内にセットした。５×１０-6Ｔｏｒｒ以下
に排気したのち、回転軸１を２５０〜６００℃の間の種
々の一定温度に加熱した後、各種の膜を種々の厚さに形
成した。つぎに、トルク出力特性を測定した結果を表１
から表６に示す。膜を形成しない場合の出力は０．１Ｖ
である。
する。図１は本発明を用いた第１の実施例を示す磁歪式
トルクセンサの構成図で、機械加工した回転軸に直接、
膜を形成している。図２は本発明の第２の実施例を示す
図で回転軸に溝加工をほどこした上に膜を形成してい
る。図において１は回転軸、２は磁場の印加および透磁
率の変化を検出するコイル、３は膜、４は溝である。回
転軸１はマルエージング鋼である。これは鉄ニッケル・
マルテンサイト型の時効合金で引っ張り強さが２００〜
３００ｋｇ／ｍｍ2 、熱膨張係数は１１×１０-6／℃の
磁性材料である。回転軸１に用いた組成をつぎに示す。 １８Ｎｉ−０．５Ｔｉ−０．１Ａｌ−８Ｃｏ−５Ｍｏ
−０. ０２Ｃ−Ｆｅ ２５Ｎｉ−１．５Ｔｉ−０．２Ａｌ−０．５Ｎｂ−
０．０１Ｃ−Ｆｅ ９．８４Ｎｉ−３．６２Ｃｏ−０．１５Ｃ−Ｆｅ １２Ｃｒ−０．５Ｎｉ−０．１５Ｃ−１Ｍｎ−Ｆｅ 膜３の材質はＮｉ−Ｆｅ合金、Ｃｒ、ＡＬ−５Ｃｕ、Ｃ
ｕ、Ｃｕ−５ＡＬ、ジュラルミン、７０Ｎｉ−Ｃｏ、Ｃ
ｒ、Ａｌ、Ｎｉとした。膜３の作製は回転軸１をトリク
レン、純水、アルコールの順に超音波洗浄を施したの
ち、各種真空槽（スパッタリング、イオンプレーティン
グ、レーザ）内にセットした。５×１０-6Ｔｏｒｒ以下
に排気したのち、回転軸１を２５０〜６００℃の間の種
々の一定温度に加熱した後、各種の膜を種々の厚さに形
成した。つぎに、トルク出力特性を測定した結果を表１
から表６に示す。膜を形成しない場合の出力は０．１Ｖ
である。
【０００７】
【表１】
【０００８】
【表２】
【０００９】
【表３】
【００１０】
【表４】
【００１１】
【表５】
【００１２】
【表６】
【００１３】表１〜表５から分かるとおり、回転軸１の
熱膨張係数より大きい値をもち、引張り強さが２０ｋｇ
／ｍｍ2 以上のＮｉ−Ｆｅ合金、銅、銅合金、アルミニ
ウム合金、Ｎｉ−Ｃｏ合金、Ｎｉの膜は膜厚が０．１〜
３０μｍ、形成温度が３００〜５５０℃の範囲において
トルク出力は従来法より大きくなることが分かる。これ
に対して、熱膨張係数が小さいＣｒや引張強さの小さい
Ａｌなどの膜のものは出力が小さく全く効果がなかった
（表６）。マルエージング鋼は普通、時効処理（４５０
℃〜５５０℃加熱）して使用される。前記実施例より分
かるように、この時効処理温度と膜形成温度が一致して
いる条件がある。この場合、前もって、時効処理なしで
膜成形すれば時効処理を兼ねられることが予想される。
この点を調べるため、時効処理なしのマルエージング鋼
に５００℃で７０Ｎｉ−Ｆｅ膜を１５μｍ付着後、トル
ク出力特性とマルエージング鋼の強度を調べた。その結
果、強度とトルク出力特性は前記実施例の試料と同じ
く、トルク出力は大きく効果のあることが分かった。図
３は本発明の第３の実施例を示す図で膜のパターンをシ
ェブロン状に形成したものである。膜材質に６５Ｎｉ−
Ｆｅ合金を用い、１０μｍの膜厚でパターンの数を変え
て成形している。トルク出力特性を測定した結果を図４
に示す。連続した膜に比べて出力は良好になっているこ
とが分かる。なお、この実施例ではシェブロン状のもの
についてのみ示したが、膜が不連続の場合でも同様の結
果が得られることは明らかである。また、実施例は回転
軸について示したが平面上の歪を検出するセンサでも同
様の効果が得られることは明らかである。
熱膨張係数より大きい値をもち、引張り強さが２０ｋｇ
／ｍｍ2 以上のＮｉ−Ｆｅ合金、銅、銅合金、アルミニ
ウム合金、Ｎｉ−Ｃｏ合金、Ｎｉの膜は膜厚が０．１〜
３０μｍ、形成温度が３００〜５５０℃の範囲において
トルク出力は従来法より大きくなることが分かる。これ
に対して、熱膨張係数が小さいＣｒや引張強さの小さい
Ａｌなどの膜のものは出力が小さく全く効果がなかった
（表６）。マルエージング鋼は普通、時効処理（４５０
℃〜５５０℃加熱）して使用される。前記実施例より分
かるように、この時効処理温度と膜形成温度が一致して
いる条件がある。この場合、前もって、時効処理なしで
膜成形すれば時効処理を兼ねられることが予想される。
この点を調べるため、時効処理なしのマルエージング鋼
に５００℃で７０Ｎｉ−Ｆｅ膜を１５μｍ付着後、トル
ク出力特性とマルエージング鋼の強度を調べた。その結
果、強度とトルク出力特性は前記実施例の試料と同じ
く、トルク出力は大きく効果のあることが分かった。図
３は本発明の第３の実施例を示す図で膜のパターンをシ
ェブロン状に形成したものである。膜材質に６５Ｎｉ−
Ｆｅ合金を用い、１０μｍの膜厚でパターンの数を変え
て成形している。トルク出力特性を測定した結果を図４
に示す。連続した膜に比べて出力は良好になっているこ
とが分かる。なお、この実施例ではシェブロン状のもの
についてのみ示したが、膜が不連続の場合でも同様の結
果が得られることは明らかである。また、実施例は回転
軸について示したが平面上の歪を検出するセンサでも同
様の効果が得られることは明らかである。
【００１４】
【発明の効果】以上述べたように、本発明は、磁性膜の
ように磁気特性を揃える必要がなく、膜形成によりマル
エージング鋼の磁気特性を向上させたものであるから特
性が安定しており、しかも、出力を大幅に向上させるこ
とが出来るので、ノイズに対して強いトルクセンサを構
成することができる。
ように磁気特性を揃える必要がなく、膜形成によりマル
エージング鋼の磁気特性を向上させたものであるから特
性が安定しており、しかも、出力を大幅に向上させるこ
とが出来るので、ノイズに対して強いトルクセンサを構
成することができる。
【図１】本発明を用いた第１の実施例を示す磁歪式トル
クセンサの断面図
クセンサの断面図
【図２】本発明を用いた第２の実施例を示す磁歪式トル
クセンサの断面図
クセンサの断面図
【図３】本発明を用いた第３の実施例を示す磁歪式トル
クセンサの断面図
クセンサの断面図
【図４】本発明を用いた第３の実施例のトルク出力特性
を示す図
を示す図
１ 回転軸 ２ コイル ３ 膜 ４ 溝
Claims (3)
- 【請求項１】加えられたトルクに対応して透磁率が変化
する強磁性体の回転軸と、この強磁性体の回転軸の透磁
率の変化を検出するために加える磁場印加手段と、透磁
率の変化を非接触で検出する透磁率検出手段とからなる
磁歪式トルクセンサにおいて、 前記強磁性体がマルエージング鋼からなり、その表面に
前記マルエージング鋼より熱膨張係数が大きく、引張り
強さが２０ｋｇ／ｍｍ2 以上を有する膜が真空技術を用
いて３００℃〜６００℃の温度で厚さ０．１μｍから３
０μｍの厚さに形成されていることを特徴とする磁歪式
トルクセンサ。 - 【請求項２】加えられたトルクに対応して透磁率が変化
する強磁性体の回転軸と、この強磁性体の回転軸の透磁
率の変化を検出するために加える磁場印加手段と、透磁
率の変化を非接触で検出する透磁率検出手段とからなる
磁歪式トルクセンサにおいて、 前記強磁性体がマルエージング鋼からなり、その表面に
前記マルエージング鋼より熱膨張係数が大きく、引張り
強さが２０ｋｇ／ｍｍ2 以上を有する膜が真空技術を用
いて３００℃〜６００℃の温度で厚さ０．１μｍ〜３０
μｍの厚さにシェブロン状に形成されていることを特徴
とする磁歪式トルクセンサ。 - 【請求項３】 前記膜がＮｉ−Ｆｅ合金、銅、銅合金、
アルミニウム合金、Ｎｉ−Ｃｏ合金およびＮｉのいずれ
かであることを特徴とする請求項１および２記載の磁歪
式トルクセンサ。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP4070328A JPH05231967A (ja) | 1992-02-19 | 1992-02-19 | 磁歪式トルクセンサ |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP4070328A JPH05231967A (ja) | 1992-02-19 | 1992-02-19 | 磁歪式トルクセンサ |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH05231967A true JPH05231967A (ja) | 1993-09-07 |
Family
ID=13428260
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP4070328A Pending JPH05231967A (ja) | 1992-02-19 | 1992-02-19 | 磁歪式トルクセンサ |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH05231967A (ja) |
Cited By (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2005274191A (ja) * | 2004-03-23 | 2005-10-06 | Yaskawa Electric Corp | 調和減速機 |
| EP1621858A1 (en) * | 2003-05-06 | 2006-02-01 | Ntn Corporation | Sensor-integrated bearing for wheel |
| JP2008026209A (ja) * | 2006-07-24 | 2008-02-07 | Nissan Motor Co Ltd | 磁歪リング及び磁歪リング式トルクセンサ |
| JP2011231829A (ja) * | 2010-04-26 | 2011-11-17 | Ihi Corp | 防振部材 |
| US10983019B2 (en) | 2019-01-10 | 2021-04-20 | Ka Group Ag | Magnetoelastic type torque sensor with temperature dependent error compensation |
| US11486776B2 (en) | 2016-12-12 | 2022-11-01 | Kongsberg Inc. | Dual-band magnetoelastic torque sensor |
| US11821763B2 (en) | 2016-05-17 | 2023-11-21 | Kongsberg Inc. | System, method and object for high accuracy magnetic position sensing |
| US12025521B2 (en) | 2020-02-11 | 2024-07-02 | Brp Megatech Industries Inc. | Magnetoelastic torque sensor with local measurement of ambient magnetic field |
-
1992
- 1992-02-19 JP JP4070328A patent/JPH05231967A/ja active Pending
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