JPH06201493A

JPH06201493A - 磁歪式応力センサ

Info

Publication number: JPH06201493A
Application number: JP35792592A
Authority: JP
Inventors: Kosuke Harada; 耕介原田; Ichiro Sasada; 一郎笹田; Fumitaka Koga; 文隆古賀
Original assignee: Omron Corp; Omron Tateisi Electronics Co
Current assignee: Omron Corp
Priority date: 1992-12-25
Filing date: 1992-12-25
Publication date: 1994-07-19
Anticipated expiration: 2015-07-17
Also published as: JP3067437B2

Abstract

(57)【要約】【目的】磁歪式応力センサの小型化を図ること【構成】炭素鋼で形成される回転軸１の側面に近接し
て、検出コイル２を配置する。検出コイル２は図（Ｃ）
に拡大して示すように、同一形状からなる半円形状の第
１，第２の巻線３，４を備え、それら第１，第２の巻線
の直線部３ａ，４ａを同一線上で一致するように配置さ
せ、両巻線で１つの円形を構成し、係る検出コイルに第
１の巻線側から電流を流すと、図示するような方向で各
巻線内を流れる。さらに、係る巻線は、湾曲可能なフィ
ルムシート５に装着され、上記の所定形状を保持する。
そして、両巻線でそれぞれ形成された半円形状の空間部
位が磁極を構成し、電流を流すと両磁極を通過するよう
に磁束が流れ（その一部は回転軸内を通る）、回転軸に
トルクが係ると、巻線間での相互インダクタンスが変化
するため、その変化を検知することにより応力を測定す
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、磁歪式応力センサに関
するものである。

【０００２】

【従来の技術】磁歪式の応力（トルク）センサは、磁気
歪現象のひとつである強磁性体に機械的な歪を与えた時
に透磁率が変化する現象を利用したもので、トルク検出
用の回転軸体を鉄などの強磁性体で形成し、その軸体の
側面に対向するようにブリッジを構成する２つのＵ字形
コイル（Ｕ字状のコアの開放側両端脚部にコイルを巻回
して構成される）を交差状に配置した構成としている。

【０００３】そして、その回転軸にトルクが加わると、
捻られて軸の中心線に対して±４５度の方向に引張応力
と圧縮応力とが生じ、これにより回転軸の透磁率が変化
する。この透磁率の変化を、上記２つのＵ字形コイルの
一方に交流電流を流して励磁するとともに、他方のコイ
ルから信号を取り出すようことにより透磁率の変化分を
検出し、その検出結果に基づいてトルクを求めるように
なっている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら上記した
従来のセンサは、Ｕ型状のコアを必須の構成としている
とともに、励磁コイルと検出コイルが必要となるため、
構成が複雑でかつ小型化を図ることができずに、使用用
途が限定されてしまう。

【０００５】そして、このような構成においては、磁束
の多くは、励磁用コアの開放端，被測定軸内，検出用コ
アの開放端，検出用コア内部，検出用コアの他開放端，
被測定軸内，励磁用コアの他開放端と行った磁路を持
つ。励磁用コアと検出用コアは、交差状に配置されてい
るため、上記磁路は２系統存在し、被測定軸に加わるト
ルクの方向に対して、それぞれの磁路の透磁率が差動的
に変化することで、トルクを検出する。しかし、励磁用
コア開放端と検出用コア開放端間の被測定軸内を通る磁
路は、異なる４箇所に存在する。よって、必然的に、互
いに隣接するが異なる場所の透磁率を測ることになり、
被測定軸における透磁率の不均一性のため、軸回転に伴
う大きなゼロ点変動が発生する。

【０００６】本発明は、上記した背景に鑑みてなされた
もので、その目的とするところは、構成が簡単で小型化
を図ることができ、さらに、必要に応じて同一箇所にお
ける直交する２方向に向けて発生するトルクを検出する
ことができる磁歪式応力センサを提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記した目的を達成する
ために、本発明に係る磁歪式応力センサでは、互いに逆
向きに巻いて形成された略半円形状の巻線コイル２個
を、その直線部同士を略一致させることにより略円形状
に形成されてなる検出コイルを用いて構成した。

【０００８】また、好ましくは前記の構成の円形状の検
出コイルを２個用い、それら両検出コイルを同心状に配
置するとともに、前記両検出コイルに形成される前記直
線部を略直交配置することであり、さらにまた、上記各
構成の検出コイルの片側面に透磁率の高い材質からなる
部材を装着し、前記検出コイルの反対側面を応力測定対
象部材に対向配置させるのがより好ましい。

【０００９】

【作用】検出コイルを測定対象物に近接或いは接触配置
する。そして、検出コイルに所定の電流を流すと、コイ
ルを構成する２つの半円形状の巻線コイルは逆向きに巻
かれているため一方の巻線コイルで形成される半円形状
空間から他方の巻線コイルで形成される半円形状空間に
向けて磁束が発生し、その磁束の一部は近接配置された
測定対象物内を通過することになる。一方、検出コイル
のインダクタンスは、各巻線コイルが有しているインダ
クタンス分と、両巻線コイル間で発生する相互インダク
タンスの２倍の和である。したがって、上記の状態で測
定対象部に所定の応力を与えると、測定対象物の透磁率
が変化し、上記の相互インダクタンスも変化する。よっ
て、流れる電流を一定にしておけば、応力の大きさに応
じて出力電圧が変動し、また、コイルに印加する電圧を
一定にすれば電流が変動する。そして、その変動を検知
することにより、応力が測定される。

【００１０】また、２つの検出コイルを所定の位置関係
で積層配置すると、２つの検出コイル間での相互インダ
クタンスが零となるため、両検出コイルに同時に電流を
流し、同一箇所において発生する異なる方向の応力を同
時に測定することができる。

【００１１】

【実施例】以下、本発明に係る磁歪式応力センサの好適
な実施例を添付図面を参照にして詳述する。図１，図２
は本発明に係るセンサの第１実施例を示している。同図
（Ａ），（Ｂ）に示すように炭素鋼で形成される回転軸
１の側面に近接して、検出コイル２を配置している。

【００１２】そして、この検出コイル２は同図（Ｃ）に
拡大して示すように、同一形状からなる半円形状の第
１，第２の巻線３，４を備え、それら第１，第２の巻線
３，４の直線部３ａ，４ａを同一線上で一致するように
配置させて（近接状態で平行配置させるようにしてもよ
い）、両巻線３，４で１つの円形を構成するように配置
する。そして、両巻線３，４は１本の線を半円形状に適
宜所定のターン数だけ巻回することにより形成され、最
終的な配置状態では両巻線３，４は逆方向に同一のター
ン数だけ巻回されることになる。これにより、係る検出
コイル２に第１の巻線３側から電流を流すと、同図
（Ｃ）に示すような方向で各巻線内を流れる。さらに、
係る巻線３，４は、湾曲可能なため、所定の曲率を付与
及び保持でき、上記所定形状を実現できる。これによ
り、両巻線３，４でそれぞれ形成された半円形状の空間
部位が磁極を構成することになり、比較的大きな電流を
必要とする場合でも放熱が良いため問題ない。

【００１３】なお、巻線の成形方法としては、一方の巻
線（例えば第１の巻線３）を所定回数だけ巻回した後、
他方の巻線（例えば第２の巻線４）を同一回数だけ逆巻
回するようにしてもよく、また、両方の巻線を交互に巻
回するようにしてもよく、その巻線方法は任意である。

【００１４】そして、上記構成からなる検出コイル２を
トルク検出のために配設するには、その検出コイル２を
所定の曲率半径で湾曲させ、回転軸１の側面と所定の距
離をおいて平行に配置し、しかも、両巻線３，４の直線
部３ａ，４ａの方向が、回転軸１の軸方向に対して４５
度傾斜した方向に位置するように設置する。このよう
に、本例では、検出コイル２が肉薄な平面状に形成され
ているため、それを湾曲させることができ、その結果、
回転軸１の表面と検出コイル２（磁極）との距離を一定
かつ短くすることができ、検出感度が向上する。なお、
係る検出コイル２を回転軸１に直接接着させてもよい。

【００１５】次に上記センサの動作原理について説明す
る。まず、上記の巻線コイル２の第１の巻線３側並びに
第２の巻線４側でそれぞれ発生するインダクタンスをそ
れぞれＬ11，Ｌ12とし、両インダクタンスＬ11，Ｌ12間
で生じる相互インダクタンスをＭ１とすると、その検出
コイル２の等価回路は、同図（Ｄ）に示すようになり、
検出コイル２全体が有するインダクタンスＬ１は、Ｌ１＝Ｌ11＋Ｌ12＋２Ｍ１となる。

【００１６】そして、この検出コイル２に所定の電流Ｉ
を流すと、図２に示すように第１，第２の巻線３，４の
直線部３ａ，４ａを中心として両巻線３，４で形成され
る半円形状の空間部位を通る磁束φが生じる。そして、
検出コイル２の面を基準として片面側に位置する磁束
（たとえば破線で示す側）の通る箇所に上記の回転軸１
が配置されているため、回転軸１をトルクＴで捻ること
により所定方向の応力σが加わり、それにより透磁率が
変化するので検出コイルに発生するインダクタンス分
（より具体的には相互インダクタンスＭ１）が変わる。

【００１７】よって、そのインダクタンスの変化を検出
することにより、トルクを検出することが可能となる。
そして、そのインダクタンスの変化の検出としては、た
とえば検出コイル２の両端に一定の電圧を印加してお
き、流れる電流の変化を検出するようにしたり、或いは
逆に電流を一定にして電圧の変化を検出するなど種々の
方式をとることができる。

【００１８】なお、図１（Ａ）には、回転軸１上の２箇
所に向きの異なる２つの検出コイル２をそれぞれ配置し
た例を示したが、１個のみを配置してもよいのはもちろ
んで、その個数は任意である。

【００１９】図３は本発明に係るセンサの第２実施例を
示している。この例では、上記した第１実施例に示す同
一形状からなる円形状の検出コイルを２個（第１，第２
の検出コイル１０，１１）用い、それらを同心状に配置
（中心を一致させる）し、しかも、両検出コイル１０，
１１の直線部１０ａ，１１ａが直交するよう配置させて
いる。そして、実際に係る構成のセンサを、回転軸１に
対向配置させる際には、その軸方向に対し±４５度の方
向（トルク印加時に発生する引張・圧縮応力の方向）に
両直線部１０ａ，１１ａが位置するように配置する。

【００２０】ここで、両検出コイル１０，１１の有する
インダクタンスＬ１，Ｌ２並びに検出対象の回転軸１に
トルクＴが加わった時のインダクタンスの変化について
考えると、上記した第１実施例で説明したように、各検
出コイル１０，１１を構成する半円形状の第１，第２の
巻線のインダクタンスＬ11，Ｌ12，Ｌ21，Ｌ22とし、そ
の相互インダクタンスをＭ１，Ｍ２とすると、各インダ
クタンスＬ１，Ｌ２は下記式で与えられる。

【００２１】Ｌ１＝Ｌ11＋Ｌ12＋２Ｍ１Ｌ２＝Ｌ21＋Ｌ22＋２Ｍ２ところで、２つの検出コイル１０，１１で形成されるセ
ンサは、各巻線コイルにより、４等分されて中心角９０
度の４つの扇形部位ａ〜ｄを有している。そして第１の
検出コイル１０は、第１の巻線により２つの扇系部位
ａ，ｂで一つの磁極を形成し、同様に第２の巻線により
２つの扇系部位ｃ，ｄで他の磁極を形成している。一
方、第２の検出コイル１１は、第１の巻線により２つの
扇系部位ｂ，ｃで一つの磁極を形成し、同様に第２の巻
線により２つの扇系部位ａ，ｄで他の磁極を形成してい
る。

【００２２】この状態で第１の検出コイル１０に電流を
流すと、上記した両磁極（ａ，ｂ），（ｃ，ｄ）間を通
る磁束が発生し、一見、その磁束は第２の検出コイル１
１の巻線で形成される磁極を横切るように見える。しか
し、その磁束の方向は、例えば第２の検出コイル１１の
第１の巻線で形成される磁極（ｂ，ｃ）では、２つの扇
形部位ｂ，ｃで互いに反対方向を向いており、打ち消し
合い、本質的に第２の検出コイルとは鎖交しない。同様
のことが第２の検出コイルの第２の巻線で形成される磁
極（２つの扇形部位ａ，ｄ）側にもいえる。従って、第
１の検出コイル１０と第２の検出コイル１１間の相互イ
ンダクタンスは、上記のごとく１つの磁極内で反対方向
の磁束が生じて相殺されるために、理想状態で零とな
る。また同様に第２の検出コイル１１に電流を流して磁
束を発生させたとしても、第１の検出コイル１０側には
その影響を与えない。つまり、積層配置させた第１，第
２の検出コイル１０，１１に同時に電流を流しても、各
検出コイル１０，１１に発生する相互インダクタンスＭ
１，Ｍ２は、自己のコイルに流れる電流にのみに起因す
る。その結果、同一箇所に発生する異なる方向の応力
（引張応力，圧縮応力）を同時に測定することができ
る。

【００２３】そして、かかる２つの検出コイル１０，１
１からなるセンサを用い、実際に回転軸１に加わるトル
クを測定するためには、図４に示すように両検出コイル
１０，１１（インダクタンスはそれぞれＬ１，Ｌ２）を
それぞれ抵抗Ｒ１，Ｒ２に接続して、Ｌ−Ｒのブリッジ
回路を形成し、回転軸１にトルクが加わっていない時に
は、ブリッジ回路が平衡状態になるように調整してい
る。そして、直列接続された検出コイル１０（１１）と
抵抗Ｒ１（Ｒ２）の両端に交流電源１５を接続するとと
もに、両検出コイル１０，１１とそれに接続した抵抗Ｒ
１，Ｒ２との各接続点には、図示省略の同期整流器を接
続しており、そのブリッジ回路に印加した交流電圧を直
流電圧として出力させるようになっている。

【００２４】これにより、トルクを加えていない無負荷
状態ではブリッジが平衡し、出力電圧が零となり、また
回転軸１を所定方向に捻る（トルクを与える）と、たと
えば図３に示すように±４５度の方向に所定の応力σ，
−σが生じ、軸の飽和磁歪を正（λｓ〉０）と仮定すれ
ば、第１の検出コイル１０の相互インダクタンスＭ１が
減少し、第２の検出コイル１１の相互インダクタンスＭ
２が上昇し、上記ブリッジ回路が非平衡状態となり、ト
ルク（応力σ）の大きさに応じて直流出力電圧（絶対
値）が増大する。なお、その他の構成並びに作用は上記
した第１実施例と同様であるためその説明を省略する。

【００２５】図５は、上記した第２実施例の構成からな
る応力センサの入出力特性を示している。すなわち、検
出コイルの外径を２０ｍｍとするとともに、その検出コ
イルを構成する各巻線の巻数を２５ターンとし、励磁電
流として、２０ｋＨｚで１．２Ａ（一定）の交流電流を
流す。そして、この状態で直径が２５ｍｍの炭素鋼から
なる回転軸１に加えるトルクを−２０ｋｇｍから２０ｋ
ｇｍまで変化させた時の出力電圧を測定した。図から明
らかなように、加えるトルクの方向により正負が反転
し、しかも、トルクの大きさにほぼ比例して出力電圧が
変化することがわかる。

【００２６】図６は、本発明にかかるセンサの第３実施
例を示している。同図に示すように、本例では、上記し
た第１実施例または第２実施例に示す１または２個の検
出コイル２０の裏面側（測定対象物である回転軸１に非
対向面側）に、透磁率の高い板状部材であるアモルファ
スヨーク２１を配置している。このアモルファスヨーク
２１の透磁率は、空気に比べ十分高く、検出コイル２０
に電流を流した時に生じる磁束の一部がこの透磁率の高
いアモルファスヨーク２１内を通るため、アモルファス
ヨーク２１を設けない第１，第２実施例のものに比し、
インダクタンスが高くなり、検出感度が向上する。

【００２７】そして、そのことを実証するために２個の
検出コイルからなる同一形状のセンサ（第２実施例のも
の）を用い、それを回転軸１に直接接着、所定の空隙
（１．５ｍｍ）を離して配置、並びにアモルファスヨー
クを設けたセンサを所定の空隙（１．５ｍｍ）を離して
配置した３つのタイプのセンサに対し、励磁電流を変化
させた時の感度の変化を測定し、その結果を図７に示
す。図から明らかなように、いずれの場合も応力センサ
として機能することがわかるとともに、同じ空隙を離し
て配置した場合、アモルファスヨークを設けたものの方
が感度が高いことがわかる。なお、その他の構成並びに
作用は上記した各実施例と同様であるためその説明を省
略する。

【００２８】図８は本発明に係るセンサの第４実施例を
示している。同図に示すように、この例では上記した第
１実施例に示す１個の検出コイル２からなるタイプを基
本とし、係る検出コイル２を所定形状からなる透磁率の
高い板状部材であるコア３０に装着している。そしてこ
のコア３０は、その取り付け面に半円形状（各巻線３，
４でそれぞれ形成される空間部位よりも一回り小さな形
状）の凸部３０ａを溝部３０ｂを挟んで２個設け、それ
ら両凸部３０ａの周囲を巻回するように各巻線３，４を
配置する。この例でも上記第３実施例と同様の作用効果
が発揮する。なお、その他の構成並びに作用は上記した
各実施例と同様であるためその説明を省略する。

【００２９】なおまた、係る凸部を有するコアを用いる
ものとしては、図９に示すように、平面形状が中心角９
０度の扇形からなる４個の凸部３０′ａを有するコア３
０′に、上記した第２実施例の２つの検出コイル１０，
１１を所定の角度位置で配置したタイプのものにも用い
ることができるのはもちろんである。

【００３０】さらに、検出コイルは、必ずしも上記した
各実施例のように回転軸に対応させて湾曲させる必要は
なく、平坦な平面状としてもよく、係る場合には、特に
上記した各実施例のように回転軸１を捻るように加わる
トルク以外に、直線方向に加わる圧縮或いは引張応力を
測定するのにも適している。

【００３１】

【発明の効果】以上のように、本発明に係る磁歪式応力
センサでは、磁極の面積がセンサ（検出コイル）の全体
のほぼ半分となり、検出感度が向上する。また、従来の
ようにＵ字状のコアが不要となり、薄型・小型に構成す
ることができる。さらに、２つの検出コイルを所定の角
度位置で積層配置した場合には、各検出コイルは、他の
検出コイルで発生する磁束の影響をほとんど受けないた
め、同時に測定用の電流を流すことが可能となり、同一
場所で直交方向に発生する２つの応力を同時に測定可能
となり、不均一性に起因する零点変動が抑えられる。さ
らにまた、検出コイルに透磁率の高い板状部材を装着し
た場合には、センサの有するインダクタンスが増加し、
検出感度が向上する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る磁歪式応力センサの第１実施例を
示す図である。

【図２】作用を説明する図である。

【図３】本発明に係る磁歪式応力センサの第２実施例を
示す図である。

【図４】そのセンサを用いて応力を測定するための回路
図である。

【図５】そのトルク−出力電圧の関係を示す測定結果の
図である。

【図６】本発明に係る磁歪式応力センサの第３実施例を
示す図である。

【図７】本発明に係る磁歪式応力センサの効果を実証す
るための図である。

【図８】本発明に係る磁歪式応力センサの第４実施例を
示す図である。

【図９】その変形例を示す図である。

【符号の説明】

１回転軸２，１０，１１，２０検出コイル１０ａ，１１ａ直線部３第１の巻線４第２の巻線２１アモルファスヨーク（透磁率の高い板状部材）３０，３０′ コア（透磁率の高い板状部材）

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】互いに逆向きに巻いて形成された略半円
形状の巻線コイル２個を、その直線部同士を略一致させ
ることにより略円形状に形成されてなる検出コイルを備
えた磁歪式応力センサ。
【請求項２】請求項１に記載の検出コイルを２個用
い、それら両検出コイルを同心状に配置するとともに、
前記両検出コイルに形成される前記直線部を略直交する
ように配置してなる磁歪式応力センサ。
【請求項３】請求項１または２のいずれかに記載の検
出コイルの片側面に透磁率の高い材質からなる略板状部
材を装着し、前記検出コイルの反対側面を応力測定対象
部材に対向配置するようにした磁歪式応力センサ。