JPH0523612B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

〔産業上の利用分野〕 本発明は、回転軸に加えられたトルクにより磁
性膜の磁気特性が変化することを利用してトルク
を非接触検出するトルクセンサに係り、特に自動
車、工作機械、ロボツトなどの回転軸のトルクを
検出するのに好適なトルクセンサに関する。 〔従来の技術〕 回転軸にかかるトルクを正確に検出することが
自動車をはじめ、工作機械、ロボツト等の技術の
中に求められている。この場合、回転軸に検出体
が接触しない非接触方式が適している。 非接触方式のトルクセンサとして、最近、回転
軸として磁性体を用いるか、或いは非磁性の回転
軸に磁性体を取付けるなどして、磁性体の回転ね
じりによる磁気ひずみ現象を測定することでトル
クを検出するものが主流となつてきている。 自動車の駆動軸やハンドルのように数10キログ
ラム・メートル以上のトルクがかかる部材におい
ては、機械強度面および材料コスト面より、回転
軸の一部分にトルクセンサ用磁性体を貼り付けて
使用している。回転軸にトルクがかかると長手方
向に対して45゜の方向にひずみが発生するが、回
転軸に貼り付けられた磁気ひずみ材料にも45゜の
方向にひずみが発生し、それが磁気的な異方性、
つまり磁束検出方向による透磁率の差を生じ、磁
気ヘツドなどの磁束検出器で、それを検出するこ
とによつて回転軸にかかつたトルクを知ることが
できる。 磁気ひずみを非接触検出する方法として、回転
軸に対して、ソレノイドコイル状の励磁巻線と検
出巻線を採用するものが最近、考案された。特開
昭59−61731号公報参照。 この方法のトルクの検出は、回転軸上の磁性膜
部分を覆うソレノイドコイルのインダクタンスの
変化で行う。ソレノイドコイルには交流電流が流
され、電流値、コイル巻数、周波数などによつ
て、回転軸に与えられたトルクに依存した電気信
号出力が得られる。 この方法は励磁用並びに検出用に回転軸と局部
的に磁気回路を構成する磁路を用いないことが特
長であるが、この場合には、回転軸に取付けられ
る磁性材料の選択が重要となる。 特開昭59−61731号公報では、かかる場合の磁
性材料としてアモルフアス磁性合金薄膜を用いる
ことを提案している。 〔発明が解決しようとする問題点〕 本発明者らの研究によれば、アモルフアス磁性
合金の薄帯は、ヒステリシスおよび熱的安定性に
改善の余地がある。アモルフアス合金以外に従来
多用されてきた磁性材料たとえば鉄系合金材料で
は磁歪係数が小さく、十分な出力特性が得られな
い。磁区構造が制御されていない普通のニツケル
系合金では磁歪係数は大きいが、出力の再現性お
よび熱的安定性が得られない。 このようにソレノイドコイルを有する検出回路
により磁気ひずみを検出するトルクセンサは、適
切な磁性材料が見出されていないため感度および
信頼性に欠けていた。 本発明の目的は、ソレノイドコイルを有する検
出回路により磁気ひずみを検出するトルクセンサ
において、高感度かつ高信頼性を有するトルクセ
ンサを提供するある。 〔問題点を解決するための手段〕 本発明のトルクセンサは、非磁性材料からなる
回転軸と、回転軸の外周に形成された磁性膜と、
磁性膜の磁気特性の変化を検出するソレノイドコ
イルを有する検出回路とを具備し、磁性膜の磁気
特性の変化から前記回転軸に加わるトルクを非接
触方式で検出するものであり、以下の特徴を有す
る。 本発明のトルクセンサに用いた磁性膜は、一つ
の磁性膜からなり、回転軸の円周方向を磁化容易
軸とし、軸方向を磁化困難軸とする単軸異方性を
有する。 更に、本発明のトルクセンサに用いたソレノイ
ドコイルは、同一寸法及び同一巻数の四つのコイ
ルからなり、これらのコイルが、磁性膜を覆うよ
うに形成された第１及び第２のコイルと、磁性膜
から離れた位置であつて回転軸を覆うように形成
された第３及び第４のコイルとからなる。 更に、本発明のトルクセンサに用いた検出回路
は、第１及び第２のコイルが対向し、第３及び第
４のコイルが対向するように結線され、第１と第
３とのコイルが接続する端子及び第２と第４との
コイルが接続する端子、又は第１と第４とのコイ
ルが接続する端子及び第２と第３とのコイルが接
続する端子の一方を入力端子とし、他方を出力端
子としたブリツヂ回路からなる。 本発明のトルクセンサにおける磁性膜の材料に
は、ひずみに敏感な材料として一般に知られてい
る磁性材料たとえばニツケル、ニツケルと鉄の合
金、ニツケルとコバルトの合金、コバルトと鉄の
合金、鉄とアルミニウムの合金、鉄とニツケルと
コバルトの合金などの結晶質材料および鉄とニツ
ケルとボロンとシリコンを含むアモルフアス合金
などをいずれも用いることができる。 めつきにより作られた磁性膜は、ひずみに対す
る磁気感応特性が非常に良好であり、磁性膜とし
て最も好適である。めつき磁性膜のなかでは、磁
性材料として鉄とニツケルの合金特にパーマロイ
を用いたものが最も好ましい。磁界中めつきによ
り作製されたパーマロイの単軸異方性膜は、10²
〜10³J／m³の範囲の大きさの異方性が容易に得ら
れ、磁性膜として最適である。 磁気ひずみを検出するのに、従来とられてきた
一般的な方法は、非接触に配置されたコ字型の励
磁用および検出用磁心とトルクセンサ磁性材料で
形成される磁気回路ブリツジによるものである。
この方法は、トルクセンサ磁性材料が均一であれ
ばすぐれた方法であるが、実際は非接触配置をと
る励磁用磁心および検出用磁心と回転軸上のトル
クセンサ磁性体とのカツプリングが完全な回転対
称となし難く、回転軸上のトルクセンサ磁性体に
存在する局部的なむらなどのために出力の回転角
によるゆらぎが避けられない。このような欠点を
補うために検出センサを多極構造にするなどの方
策があるが、このような事柄は、コスト上昇につ
ながり実際的でない。 先に述べたソレノイドコイルを検出回路に用い
る方式によれば、これらの欠点を解消することが
できる。 回転軸の磁気ひずみ現象をソレノイド状の励磁
巻線と検出巻線で検出する方式の磁歪リング型の
トルクセンサにおいて回転軸に要求される主な事
項を挙げると次の通りである。 (1) 感度が高いこと。感度に対して磁気ひずみ材
料の磁歪係数と磁区構造が関係する。また、磁
気ひずみ材料の動作磁束のレベルが関係する。
更に、励磁周波数を最適化することによつて磁
気ひずみ感度を高めることができるので、これ
らを選択することが大切となる。 (2) ヒステリシスが小さいこと。このために外部
からの応力に対して磁化が可逆的に変化するこ
とが要求される。コイルによる励磁で、たとえ
ば一軸異方性を有する磁性材料を困難軸方向に
励磁する場合などはヒステリシスが小さいこと
が知られている。 (3) 温度変化の小さいこと。磁気ひずみ材料の磁
気特性の温度依存性が関係するので、熱的に安
定な磁性材料が必要である。 単軸異方性を有する磁性膜特にめつきにより作
製した磁性膜は、前記３つの事項を具備すること
がわかつた。 〔作用〕 非磁性回転軸の外周に、回転軸の円周方向を磁
化容易軸とし軸方向を磁化困難軸とする単軸異方
性を有する磁性膜を設けることにより、磁気ひず
みに対する感受性が高まり、かつ可逆回転磁化に
適した単軸異方性膜となる。 この結果、トルクと電気信号出力の関係、特に
トルクをくり返し与えたときの出力変化を小さく
でき、トルク検出感度の向上、温度を含む使用環
境に対しての信頼性の向上など多くの効果が得ら
れる。また磁気的にすぐれた単軸異方性膜を使用
することにより、トルクセンサとしての入出力回
路はホイートストンブリツジ型の回路を採用する
ことができ、安価な大きな出力が得られる。すな
わち、単軸異方性磁性膜を使用することにより、
好都合の回路方式としてホイートストンブリツジ
型の回路が採用され非接触型のトルクセンサとし
て、従来のものに比べて著しく構成が簡単で、高
感度化を実現できる。 〔実施例〕 ひずみに感応する磁性膜のめつき基台となり、
かつ、数10キログラム・メートルのトルクを支え
る回転軸としてオーステナイト系の非磁性不銹鋼
を切削、研摩、洗浄し、めつき前処理を行つてか
ら、スルフアミン酸塩などを用いためつき液で厚
さ10ミクロンメートル程度の磁性合金をその上に
めつきする。この場合、めつき液組成、めつき電
流、めつき温度、めつき槽中における被めつき物
の設置，めつき時の印加磁界などの条件により、
結晶粒度、転位密度、内部応力、電着繊維構造、
一軸性磁気異方性を用途に合わせる。 次いで、非磁性不銹鋼とめつき磁性膜の界面の
整合と合金化およびめつき膜の残留応力の緩和の
ために熱処理を行う。これにより、基台である不
銹鋼とめつき磁性膜の密着は完全となり、くり返
しの回転応力に対して剥離することはなくなると
ともに、めつき膜に残留する内部応力は低減し、
ひずみに対する磁気感応特性が良好となる。 次に、耐湿などの環境条件を考慮して、磁性め
つき膜の上に保護膜を塗布する。これに対して、
たとえば、ポリイミド系などの樹脂コーテングが
有効である。 以下、本発明の一実施例を説明する。 実施例 １ 第１図は実験に用いた磁性合金めつき膜作製の
ための装置の概略図である。１はめつき槽、２は
めつき液の循環方向、３はめつき液貯槽、４は温
度コントローラ、５はポンプ、６はフイルタ、７
は流量計である。８はめつきされる陰極で、試料
となるステンレス管である。９は８を取囲むよう
に配置された陽極で、ニツケル板である。１０は
被めつき物であるステンレス管８を回転する歯車
であり、１１はモータである。１２はステンレス
管の部分に円周方向の磁界を発生するための通電
用導体で、銅棒である。磁性合金めつきはステン
レス管の円周方向に磁界を与えながら、かつ、そ
の方向の回転を与えながら電気めつきによつて作
製される。 外径20mm、内径12mm、長さ100mmのステンレス
管（材質JIS規格SUS32）の外表面を機械加工に
よつて平滑に仕上げ、その後でアルカリ脱脂洗浄
液に浸漬し、続いて第１図に示す横型のめつき槽
でステンレス管に回転を与えながら磁性合金を電
気めつきした。使用しためつき液を第１表に示
す。

【表】 めつき条件としては、電流密度5A／ｄm²、液
温50℃、また、ステンレス管の円周方向に磁界強
さ800ATを印加した。めつき時、ステンレス管
を30rpmで回転し、厚さ0.01mm、膜の平均組成は
ニツケル70重量％、鉄30重量％のNi−Fe合金膜
を得た。めつきのままの結晶粒径は約200Å、転
位密度は約10¹²／cm²、内部応力は約200MPaであ
つた。 次に、これを水素雰囲気中で400℃×30分の熱
処理を行つた。熱処理後のNi−Fe合金膜の結晶
粒径は平均約1000Åで内部応力は約10MPaに低
減した。。また、Ｘ線回析で得られた結果では、
Ni−Fe合金膜は結晶の（111）面を表面とするよ
うな繊維構造を有し、その集積度は約80％であつ
た。 以上のようにして作製したステンレス管表面に
めつきしたNi−Fe合金膜の磁気的性質および膜
の密着性を調べた。管の円周方向に沿つて磁化し
たとき管の長手方向に沿つて磁化したときの直流
磁化曲線を第２図に示す。円周方向のB₈₀₀（Ｈ＝
800A／ｍにおける磁束密度）は1.0テスラ、保磁
力Hcは400A／ｍ、角型比Br／Bmは0.96である。
管の長手方向のB₈₀₀は0.9テスラ、Hcは15A／ｍ、
Br／Bmは0.06である。このように円周方向を容
易軸とする単軸異方性を有する磁性膜である。 次に、ステンレス管とめつき磁性膜の密着性を
評価するために、ステンレス管の一端を固定し、
他端に回転力を与えて、最大トルク20N・ｍを
10⁶回くり返し加えたが、めつき磁性膜の剥離や
ひび割れは全くみられなかつた。 最後に、ソレノイドコイルでステンレス管の長
手方向に磁化し、試料であるステンレス管にトル
クを与えて、その上にめつきした磁性膜に捩りひ
ずみを与えたときの透磁率を測定した。代表的な
特性として、励磁周波数100kHz、励磁振幅80A／
ｍでの印加トルクと比透磁率の関係を第３図に示
す。トルクなしでは比透磁率は900であるが、印
加トルクにほぼ比例して比透磁率は減少し、トル
ク30N・ｍを与えたときの比透磁率は300であつ
た。このようにトルクに感応して比透磁率が顕著
に変化し、かつ、その変化率は従来の磁性材料に
比して格段に大きいのですぐれた磁気ひずみトル
クセンサ材料として本実験のNi−Fe合金めつき
膜は格好のものと云うことができる。 実施例 ２ 外径20mmのステンレス管の表面に厚さ0.01mmの
Ni−Fe合金磁性膜を幅70mmのリング状に部分め
つきした。めつき槽、めつき液、めつき条件、め
つき時の磁界印加などは実施例１に述べたものと
同じである。次いで熱処理および表面の保護コー
テングを施した。このようにして作製した磁性膜
の磁区構造はステンレス管の円周方向と180゜磁区
の方向とが一致し、ステンレス管の長手方向を磁
化困難軸とするような単軸異方性を有するもので
あつた。このような試料を以下の実験に供した。 試料であるステンレス管とコイルの位置関係を
第４図に示す。ここで、四つのソレノイドコイ
ル、つまり、第１〜第４のソレノイドコイルを、
C₁〜C₄のソレノイドコイルに対応させて説明す
る。ソレノイドコイルC₁とC₂はめつきが施され
ている部分に、ソレノイドコイルC₃とC₄はめつ
きが施されていない部分においた。各ソレノイド
コイルは同一寸法、同じ巻数とした。ソレノイド
コイルの仕様を表に示す。 これら４ケのソレノイドコイルを第５図に示す
ようなブリツヂ回路に組んだ。第５図に示すブリ
ツヂ回路は、本発明のトルクセンサに使用した検
出回路であつて、C₁とC₂とのソレノイドコイル
が対向し、C₃とC₄とのソレノイドコイルが対向
するように結線されている。そして、C₁とC₃と
のソレノイドコイルが接続する端子と、C₂とC₄
とのソレノイドコイルが接続する端子とを入力端
子とし、C₁とC₄とのソレノイドコイルが接続す
る端子と、C₂とC₃とのソレノイドコイルが接続
する端子とを出力端子とした。こうしたブリツヂ
回路を使用し、試料に捩り応力を与えたときの出
力電圧を測定した。入力回路には、

〔発明の効果〕

以上説明した通り、本発明によれば磁気ひずみ
の検出感度を高め、かつ熱的安定性のすぐれた信
頼性の高いトルクセンサが得られる。しかもホイ
ーストンブリツジ型の検出回路を用いることがで
きるので、検出方法も簡便になる。

【図面の簡単な説明】

第１図はめつき磁性膜作製装置の概略構成図、
第２図は本発明の一実施例によるトルクセンサの
直流磁化曲線図、第３図は本発明の一実施例によ
るトルクセンサの透磁率とトルクの関係を示す特
性図、第４図は本発明の一実施例によるトルクセ
ンサの配置構成図、第５図は本発明のトルクセン
サの検出回路の一実施例を示す回路図、第６図は
トルクと出力電圧との関係を示す特性図、第７図
はトルクセンサの他の例を示す斜視図である。 ２０……ステンレス管（回転軸）、２１……磁
性膜。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 非磁性材料からなる回転軸と、前記回転軸の
   外周に形成された磁性膜と、前記磁性膜の磁気特
   性の変化を検出するソレノイドコイルを有する検
   出回路とを具備し、前記磁性膜の磁気特性の変化
   から前記回転軸に加わるトルクを非接触方式で検
   出するトルクセンサにおいて、 前記磁性膜が、一つの磁性膜からなり、前記回
   転軸の円周方向を磁化容易軸及び軸方向を磁化困
   難軸とする単軸異方性を有し、 前記ソレノイドコイルが、同一寸法及び同一巻
   数の四つのコイルからなり、これらのコイルが、
   前記磁性膜を覆うように形成された第１及び第２
   のコイルと、前記磁性膜から離れた位置であつて
   前記回転軸を覆うように形成された第３及び第４
   のコイルとからなり、 前記検出回路が、前記第１及び第２のコイルが
   対向し、前記第３及び第４のコイルが対向するよ
   うに結線され、第１と第３とのコイルが接続する
   端子及び第２と第４とのコイルが接続する端子、
   又は第１と第４とのコイルが接続する端子及び第
   ２と第３とのコイルが接続する端子の一方を入力
   端子とし、他方を出力端子としたブリツヂ回路か
   らなることを特徴とするトルクセンサ。