JPH0626949A - トルクセンサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 トルク伝達軸に伝わるトルクを、非接触で外
部の電気的、磁気的雑音や環境温度の変化に影響されず
に正確に測定する。 【構成】 トルク伝達軸１に歪み調整アタッチメント２
を固定して、慣性モーメントを軸の他の部分よりも大き
くし、このアタッチメントに軸の剪断歪みが伝達される
ように測定用アモルファス箔11を設けるとともに軸の剪
断歪みが伝達されないように参照用アモルファス箔14を
設ける。これのアモルファス箔にそれぞれ対向して電磁
石15,16 並びにホール素子17,18 を配置し、これらのホ
ール素子によって検出されるアモルファス箔の磁化の変
化を検出し、その検出出力の差を取ることによって外部
雑音や経時変化の影響を相殺除去する。また、アモルフ
ァス箔とアタッチメントとの間に熱歪み補償部材５，７
を配置し、その線熱膨張率を他の構成部材の線熱膨張率
に対して適切に選定して環境温度の変化の影響を受けな
いようにする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、アモルファス、アモル
ファス合金、アモルファス金属あるいは非晶質金属と呼
ばれる主として金属元素から構成され、溶融状態から急
速に冷却固化して製造されたため、高い透磁率、飽和磁
化特性を有する結晶構造を持たない材料或いは微小な結
晶構造を有していてもアモルファス箔と同様な組成で同
様な磁気特性を有する箔（本明細書においてはこれらを
総称してアモルファス箔と称する）を用いた、感度特性
に優れたトルクセンサに関するものであり、特に回転原
動機の応力特性を非接触で電磁気的に検出する際に、応
力によるトルク伝達軸の歪みをアモルファス箔の磁気特
性が線形である範囲に留め、かつ磁気、電気、熱等の外
部擾乱や材料の経時変化や疲労に起因する特性の変化
（総称して経時変化と称する）に対して安定性が高く、
正確に負荷トルクを検出することができるトルクセンサ
に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、磁気センサ素子によって応力を測
定する際の磁気の検出手段としては、以下のものがあっ
た。 （１） 磁歪（自発磁化）を利用するもの。アモルファ
ス箔は、磁界中に置かれると磁界の強度とアモルファス
箔の特性に応じて歪み、その特性を磁歪と称する。逆
に、応力が負荷されて歪むと、磁界を形成するが、これ
を自発磁化と称する。この自発磁化の変化を何らかの手
段で検出し、磁界の強さから歪みを推定することが可能
である。 （２） 透磁率変化を利用するもの。アモルファス箔の
内部に外部の磁気が浸透する現象があり、その程度はア
モルファス箔の種類によって異なる。浸透する度合いを
透磁率と称し、歪みによって透磁率が変化する現象を検
知して歪みを推定することが可能である。 （３） トランス結合係数の変化を利用するもの。アモ
ルファス箔をトランスの磁心とし、歪みによってトラン
ス巻線と磁心の相対位置が変化することによって、トラ
ンスの入力に対する出力が変化する程度を知り、歪みを
推定することができる。 以上は代表的なものであり、これら以外にもあり得る
が、磁気現象そのもの或いは磁気を利用して種々の現象
を測定することに習熟した当業者であれば、容易に知り
得ることである。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】アモルファス箔を用い
てトルク伝達軸の変位を測定する場合、どのような場合
でも何らかの方法でアモルファス箔を他の材料に取り付
けなければならない。また、使用する場所には、熱、磁
気、電波、静電気、迷走電流、振動、塵埃などの外乱が
存在し、さらにアモルファス箔の疲労や時効による経時
変化がある。それらによって問題となることは以下の点
である。

【０００４】（１） アモルファス箔と、それを取り付
けた材料とでは熱膨張係数が違うため、温度変化に伴っ
てトルク伝達軸の変位とは別に熱歪みが発生し、測定結
果を狂わせる。 （２） 本来測定に用いるための磁気とは異なる外部磁
気が測定を狂わせる。 （３） 磁気測定においては、何らかの方法で磁気量を
電気量に変換する必要があるが、電波、静電気、迷走電
流などの電気的雑音が電気量に影響を及ぼして測定を狂
わせる可能性がある。 （４） 振動により、アモルファス箔と磁気ピックアッ
プの相対位置変位が生じ、測定を狂わせる可能性があ
る。 （５） 塵埃によって電気回路の短絡や、磁気の遮蔽な
どが発生し、測定を狂わせる可能性がある。 （６） 経時変化によってアモルファス箔の磁気特性が
変化し、歪みに対する磁気反応が変化して、新品の場合
とは異なった測定結果を示す可能性がある。

【０００５】上記（１）の問題点を解決するために、機
械的に熱歪みを打ち消すような機構を取り付けて温度補
償をする方法や、アモルファス箔を取り付ける材料に、
アモルファス箔と同様な熱膨張係数を有する材料を使用
する方法などが提案されているが、何れの方法において
も多少の誤差は免れられず、また、温度補償機構を取り
付ける場合、磨耗や機械的故障などの発生の問題があ
り、また後に述べるようなアモルファス箔とそれを取り
付ける材料との間に熱膨張率の差があるために派生する
問題もある。

【０００６】上記（２）の外部磁気による擾乱は、磁気
遮蔽によりある程度は減ずることができるが、前項と同
様にコストが増大するとともに磁気漏洩などの故障源に
もなる可能性がある。また、（３）に関しては、電波に
対する電波遮蔽、静電気に対するアース、迷走電流に対
する回路的な対策が考えられるが、いずれも万全なもの
ではなく、コスト増の要因にもなる。（４）の振動に付
いても各種の対策があるが、効果、コスト、故障対策な
どを考えると困難である。（５）の塵埃については、多
くの機器の故障原因に内の多くの部分を占めるものであ
るが、完全な対策は殆どない。（６）の経時変化に対し
ては、特性の劣化そのものを防止することは困難であ
り、特性変化に対応して回路特性を調整する方法も考え
られるが、維持上の面倒が付きまとうことは避けられな
い。

【０００７】上述した問題以外にも、アモルファス箔の
歪み−磁気特性と、トルク伝達軸材料の歪み特性との結
合上の問題もある。すなわち、例えば自動車のプロペラ
シャフトの場合、最大10^-3の歪みが発生すると考えられ
るが、例えばFe₆₅CO₁₅P₁₃C₇の組成を有するアモルファ
ス箔の磁気特性が直線性を保つ上限は３×10^-5程度であ
る。したがって、アモルファス箔を単純にプロペラシャ
フトの表面に何らかの手段によって取り付けた場合、プ
ロペラシャフトの最大歪みとアモルファス箔の最大歪み
とはほぼ等しいと考えて良いので、歪みが０から３×10
^-5までは良好な直線性を以て歪みの測定をすることがで
きるが、それを越えた歪みの測定は事実上できないと考
えて良い。それを解決するには、トルク伝達軸の歪みを
リンク機構などの方法によって機械的に縮小してアモル
ファス箔に伝えてやることが考えられるが、歪み量が極
端に小さくなってしまうので、伝達誤差や長期使用にお
ける故障、磨耗等の問題があり、事実上困難である。

【０００８】本発明の目的は、上述した従来の種々の欠
点を解消し、熱、磁気、電波、静電気、迷走電流、振
動、塵埃などの外乱や、アモルファス箔の疲労や時効に
よる経時変化による測定誤差をなくし、トルクを長い使
用時間に亘って正確に測定することができるようにした
トルクセンサを提供しようとするものである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明のトルクセンサは
このような解決方法を実現するために、トルク伝達軸の
一部分の外径を増大することによって慣性モーメントを
他の部分より増大させた部分の外周に、トルク伝達軸の
剪断歪みが軸径を増大させた部分を介して伝わるように
配置された測定用アモルファス箔と、前記軸径を増大さ
せた部分の外周に、トルク伝達軸の剪断歪みが伝わらな
いように配置された参照用アモルファス箔と、これら測
定用アモルファス箔および参照用アモルファス箔のそれ
ぞれに対向して配置され、それぞれのアモルファス箔を
励磁する測定用電磁石および参照用電磁石と、前記測定
用アモルファス箔および参照用アモルファス箔に発生す
る磁化をそれぞれ検知する測定用磁気ピックアップおよ
び参照用磁気ピックアップと、剪断歪みが伝わるように
した前記測定用アモルファス箔の磁化を検知する測定用
磁気ピックアップの利得の変化を計測する測定用計測回
路と、剪断歪みが伝わらないようにした前記参照側用ア
モルファス箔の磁化を検知する参照用磁気ピックアップ
の利得の変化を計測する参照用計測回路と、前記測定用
計測回路の出力信号と、参照用計測回路の出力信号との
差を取ることによって外部雑音および経時変化の影響を
除去した前記トルク伝達軸に加わるトルクを測定する演
算回路と、構成材料の線熱膨張率の違いによる熱歪みが
前記測定用および参照用のアモルファス箔に負荷される
ことを、構成材料の線熱膨張率の差を利用して排除する
熱歪み補償部材とを具えることを特徴とするものであ
る。

【００１０】

【作用】本発明者等は、上述したような優れた特性を有
するトルクセンサを開発するために、理論的、実験的に
検討を重ねて、次の結論に達し、それに基づいて本発明
を成したものである。 （１） 熱、磁気、電波、静電気、迷走電流、振動、塵
埃などの外乱や、アモルファス箔の疲労や時効による経
時変化に関しては、それぞれに対して一々対策を講じて
も上記のような問題があり、中には一つの対策が他の問
題を持ち込む場合もある。 （２） そのような問題に対しては、原理的にそれらの
何れにも、或いはそれらの殆どに影響されない方式を用
いる必要がある。 （３） （２）の問題を解決する方法として考えられる
ものは、アモルファス箔を回路の一部とした磁気回路を
組み、アモルファス箔に歪みが負荷されることによって
透磁率が変化すると、磁気回路中の磁気ピックアップの
利得が変化する現象に着目し、歪みが負荷されるアモル
ファス箔に並列的に歪みが負荷されないアモルファス箔
を配置し、同様にして磁気回路を組み、両方の利得の差
を測定し、予め歪みの量に応じた利得の差を測定してお
くことによって、外部擾乱は相殺除去されるので、歪み
のみによる利得を測定することができる。また、熱膨張
率の差による歪みについては、第３の異なった熱膨張率
を有する金属より成る熱歪み補償部材を導入することに
よってこれらの構成材料の熱膨張率の差による歪みを打
ち消すことによって解決できる。 （４） アモルファス箔の歪み−磁気特性と、トルク伝
達材料の歪み特性との結合上の問題は、トルク伝達軸に
それよりも外径の大きなスリーブ状の歪み変換アタッチ
メントを取り付け、その外側にアモルファス箔を巻き付
け、両端を固定することにより、トルク伝達軸の剪断歪
みよりアモルファス箔のそれを小さくすることによって
解決する。

【００１１】上述した本発明によるトルクセンサによれ
ば、外部擾乱は測定用および参照用のアモルファス箔に
等しく加わると考えられるので、これらのアモルファス
箔に発生する磁化の変化を検出した信号の差を取ること
によって外部擾乱による誤差分を相殺することができ、
歪みを正確に測定することができる。また、トルク伝達
軸とアモルファス箔との熱膨張率の差による測定誤差に
ついては、両端をトルク伝達軸に固定した測定用アモル
ファス箔および一方の端のみをトルク伝達軸に固定した
参照用アモルファス箔は共に歪み変換アタッチメントに
は両端が固定されているので、環境温度が変化すると、
トルク伝達軸に対する応力負荷の有る無しに拘らず、熱
膨張率の差でアモルファス箔に圧縮または引っ張り応力
がかかる。その値は、本質的には測定用アモルファス箔
と参照用アモルファス箔とで等しいので、両者を相殺す
れば打ち消すことが可能と考えられるが、例えば環境温
度が最高約２００℃変化し、熱膨張率の差が５×10^-6／
℃とすると、熱歪みは１×10^-3にも達し、アモルファス
箔で歪みを直線的に測定できる限界と考えられる３×10
^-5を遙かに上回り、歪みの測定自体不可能となってしま
う。それを避けるためには、何らかの方法で過大な熱膨
張率の差による歪みを打ち消すことが必要である。その
ためには、アモルファス箔よりもさらに熱膨張率が低い
金属をアモルファス箔とアタッチメント構成金属との間
に介在させて、熱歪みを打ち消すことが適切である。そ
のような金属としては、、例えばインバーと称せられて
いる熱膨張率が殆ど零に近い金属が適当である。そのよ
うな配慮により、熱膨張率の僅かな非線形性による微小
な熱歪みは、測定用アモルファス箔と、参照用アモルフ
ァス箔とで互いに打ち消されることになり、無視するこ
とが可能となる。

【００１２】トルク伝達軸の外径を部分的に増大させる
方法は幾つか考えられる。例えばトルク伝達軸そのもの
の一部分の外径を局所的に太くしたり、トルク伝達軸に
別個の部材を取り付けて外径を増大させることができる
が、後述するような歪み調整アタッチメントを用いるの
が好適である。この場合、歪み調整アタッチメントをト
ルク伝達軸に固定する方法は、溶接や蝋付けのような冶
金的な方法あるいはボルトやかしめ或いは塑性流動によ
る機械的な締め付け、接着剤による接着など固定後は全
く自由度がないものであれば任意の方法を採用すること
ができる。また、測定用および参照用のアモルファス箔
を歪み調整アタッチメントに対して固定する方法も同様
である。

【００１３】歪み測定用のアモルファス箔と外部擾乱を
打ち消すための参照用アモルファス箔を設け、これらの
アモルファス箔で発生する自発磁化を検知して得られる
出力信号の差を取ることによって相殺できる熱膨張率の
差によるもの以外の外部擾乱の内容を個々に説明すれ
ば、振動に付いては軸周りの振動はほぼ考えなくて良い
ので、上記の対策で熱膨張率の差の問題と同時に解決す
ることができる。

【００１４】その他の磁気、電波、静電気、迷走電流、
振動に付いては、測定用および参照用のアモルファス箔
を用いることによって相殺できる。すなわち、測定は一
定の入力に対する出力の相対変化を測定するものである
から、磁気、電波、静電気、迷走電流、振動などの外部
擾乱は２つのアモルファス箔に対して等しく作用するも
のと考えられるので、それらを相殺することにより原理
的に測定結果に影響しないようにすることができる。ま
た、環境温度の変化による熱膨張および収縮に伴う測定
誤差、材料の時効による磁気−歪み特性の経時変化にも
影響されることが少なくなる。

【００１５】また、アモルファス箔の歪み−磁気特性
と、トルク伝達軸材料の歪み特性の結合の問題について
は、アモルファス箔の歪みが飽和磁化値の最大値に達す
るときに、トルク伝達軸材料の歪みが最大値に達するよ
うな歪み調整アタッチメントを用いる必要がある。これ
は、アモルファス箔の歪み−磁気特性は、飽和磁化値の
最大値に至るまでは比例的に変化するが、それ以降は歪
みの増加に対して磁化値が追随せず、磁化値から歪みを
推定できなくなるためである。

【００１６】歪み調整アタッチメントとしては、梃子を
利用したリンク機構、歯車などの伝達機構を用いても良
いが、何れも僅かな機械的な伝達誤差が大きな歪み測定
誤差につながり、適当でない。そのような伝達機構を用
いない、材料の形状特性や材質特性を利用して、伝達誤
差があり得ない方式を採用するのが適切である。

【００１７】ここで、材料の形状変化を利用する方法と
は、トルク伝達軸の内、センサであるアモルファス箔を
取り付ける部分と他の部分の慣性モーメントを異なる値
としてアモルファス箔を取り付ける部分を他の部分より
も変形しにくくする方法が適切である。

【００１８】さらに、材料の材質特性を利用する方法と
は、トルク伝達軸の内、アモルファス箔を取り付ける部
分と他の部分とで、材料の弾性係数を異なったものと
し、アモルファス箔を取り付ける部分を他の部分よりも
変形しにくくする方法が考えられるが、適切な組合せが
得られる範囲はきわめて狭く、現実的ではない。

【００１９】

【実施例】図１は本発明によるトルクセンサの一実施例
の構成を示す断面図である。本例においては、トルク伝
達軸１に歪み調整アタッチメント本体２を嵌合固定す
る。本例では、歪み調整アタッチメント２の両端をトル
ク伝達軸１に溶接して固定するが、この溶接部を符号３
および４で示す。この歪み調整アタッチメント２はトル
ク伝達軸１の外径を部分的に増大させて慣性モーメント
を大きくする作用を有している。図２は歪み調整アタッ
チメント２の構成を示すものであり、トルク伝達軸１に
固定され、トルク伝達軸と一体に歪む軸固定部２ａと、
外径をさらに増大させた拡大部２ｂと、この拡大部から
軸方向に延在する延長部２ｃとを一体的に形成し、全体
として筒状の構成を有している。拡大部２ｂの左半分は
軸固定部２ａに連結されており、軸と一体に歪むが、右
半分は軸から離間しているので、軸に加わる剪断応力が
作用せず、したがって軸と一体に歪むことはない。勿
論、延長部２ｃもトルク伝達軸１と一体に歪むことはな
い。

【００２０】歪み調整アタッチメント２の軸固定部２ａ
の遊端側には測定側の熱歪み補償部材５の一端を溶接部
６によって固着し、延長部２ｃの遊端側には参照側の熱
歪み補償部材７の一端を溶接部８によって固着する。図
３は測定側の熱歪み補償部材５の構成を示すものであ
り、歪み調整アタッチメント２の軸固定部２ａの外径よ
りも僅かに大きな内径を有するスリーブ本体５ａと、そ
の一端側に形成したフランジ部５ｂとを有している。参
照側の熱歪み補償部材７の構造もこれと同様である。測
定側の熱歪み補償部材５の遊端（フランジ部５ｂ）と、
歪み調整アタッチメント２の拡大部２ｂの左側半部との
間に溶接部９および10によって測定用アモルファス箔11
を固定し、拡大部２ｂの右側半部と参照側の熱歪み補償
部材７の遊端との間には溶接部12および13によって参照
用のアモルファス箔14を固定する。

【００２１】これらの測定用および参照用のアモルファ
ス箔11および14を歪み調整アタッチメント２および熱歪
み補償部材５，７に固定する方法としては、溶接の他に
樹脂類による接着、機械的締め付け、ボルト絞め、低温
蝋による蝋付けなどがあるが、何れも従来既知の方法で
あり、当業者であれば、使用条件やアモルファス箔の性
質に基づいて適切な方法を採用することができる。だだ
し、アモルファス箔は材質により異なるが、概ね300 ℃
から400 ℃を越える高温により結晶化し、アモルファス
でなくなると共にその優れた磁気特性を失うので、低温
蝋を使用する場合でも、使用するアモルファスの材質に
伴う結晶化温度を知り、その温度よりも十分に低い温度
で作業をしなければならない。

【００２２】図１に示すように、測定用アモルファス箔
11および参照用アモルファス箔14とそれぞれ対向するよ
うに測定用電磁石15および参照用電磁石16を配置してこ
れらのアモルファス箔をそれぞれ励磁する。これらの測
定用および参照用電磁石15および16は交流電源に接続
し、アモルファス箔を含む磁気回路を構成するようにす
る。さらに、測定用アモルファス箔11および参照用アモ
ルファス箔14と対向するように測定用ホール素子17およ
び参照用ホール素子18をそれぞれ配置し、これらのアモ
ルファス箔に生じる自発磁化を検知する。これらの測定
用および参照用ホース素子17および18を測定用および参
照用計測回路19および20にそれぞれ接続し、測定用アモ
ルファス箔11および参照用アモルファス箔14に生じる自
発磁化の変化を計測する。これらの測定用および参照用
計測回路19および20の出力信号を、さらに演算回路21に
供給し、これらの出力信号の差を求め、トルク検出信号
を出力する。

【００２３】トルク伝達軸１の左端が原動機に連結さ
れ、右端が被駆動部材に連結されており、トルク伝達軸
は負荷がかかった状態で回転しているものとする。その
場合、トルク伝達軸１はそのトルクに応じた捩じれを発
生するが、歪み調整アタッチメント２の拡大部は、トル
ク伝達軸よりも太いので、捩じれ量は小さくなる。今、
トルク伝達軸１と歪み調整アタッチメント２の弾性率を
同じとし、トルク伝達軸の剪断歪みをγ_a とすれば、測
定用アモルファス箔11の剪断歪みγ_c は次式で与えられ
る。 γ_c ＝γ_a ・a³・c ／(a⁴+b⁴) ------(1) ここで、a はトルク伝達軸１の直径、ｂは歪み調整アタ
ッチメント２の直径、ｃは測定用アモルファス箔11の直
径である。トルク伝達軸１の直径ａ、トルク伝達軸の剪
断歪みγ_a および測定用アモルファス箔11の剪断歪みγ
_c は設計上の値として既知のものとすると、歪み調整ア
タッチメント２の直径ｂおよび測定用アモルファス箔11
の直径ｃが未知となるが、ｂの値を適宜設定して上述し
た（１）式からｃの値を得ることができ、適切な組み合
わせを選べば容易に設計できる。

【００２４】以下に示す表１は、トルク伝達軸１の直径
ａを20mm、トルク伝達軸の剪断歪みγ_a を１×10^-3 お
よび測定用アモルファス箔11の剪断歪みγ_c を３×10^-5
として、ｂの値を逐次変えてｃの値を求めたものであ
る。なお、この計算を行うに際しては、測定用アモルフ
ァス箔11は十分に薄く、その内径と外径とは等しいとし
た。

【表１】 微小な誤差を無視すれば、表１のＮｏ．１では、測定用
アモルファス箔11は歪み調整アタッチメント２の外周に
張り付ければ良いことになるが、Ｎｏ．２以降の場合に
は、アモルファス箔と歪み調整アタッチメント２との間
に、番号順に約2.9mm 、約10.3mm、約19.5mmの間隙を置
いて配置すれば良いことが理解できる。

【００２５】図１に示した構成においては、測定用アモ
ルファス箔11の実際の歪みは(1) 式および表１で得られ
る値にならない。すなわち、（１）式と表１で示される
数値は、歪み調整アタッチメント２の測定用アモルファ
ス箔11を固定している部分がアモルファス箔の長さとほ
ぼ等しい場合にのみ成り立つものであるが、図１の実施
例では、測定用アモルファス箔11の長さをｄとし、熱歪
み補償部材５の長さをｅとするとき、歪み調整アタッチ
メント２の両端が固定された部分の長さはほぼｄ−ｅに
しかならないので（１）式は成立しない。図１に示した
構成での実際の測定用アモルファス箔11の剪断歪みγ_c
は（２）式で与えられる。

【数１】 γ_c ＝〔γ_a ・a³・c ／(a⁴+b⁴) 〕〔(d−e)／d 〕 --------(2) これは、トルク伝達軸１の歪みを受ける部分の長さが測
定用アモルファス箔11の長さより短いために、アモルフ
ァス箔の張り付け位置の剪断歪みが相対的に減少するこ
とを意味している。したがって、表１を求める際の数値
を他の要素は一定にしてｄを50mm、e を25mmとして計算
し直した結果が表２である。

【表２】

【００２６】表２から明らかなように、熱歪み補償部材
５を、歪み調整アタッチメント２と測定用アモルファス
箔11との間に介在させることによって、歪み調整アタッ
チメントの直径と、アモルファス箔11の巻き付け部の直
径を小さくすることができる。すなわち、軸径増加部分
で、捩じれが加わるのはｄ−ｅの長さ部分であり、ｅは
単純に熱歪み補償部材５の歪み調整アタッチメント２へ
の取り付け部分の捩じれを伝達しているに過ぎず、熱歪
み補償部材５がなく、また歪み調整アタッチメント２が
熱歪み補償部材のアモルファス箔取り付け部分まで延在
している場合の歪みよりも小さくなる。

【００２７】次に、熱歪み補償部材５および７の作用に
付いて説明する。トルク伝達軸１および／または歪み調
整アタッチメント２と測定用および参照用アモルファス
箔11および14とは材質が異なるため、当然熱膨張率も異
なっている。例えば、トルク伝達軸１および歪み調整ア
タッチメント２を共にSUS304ステンレス鋼で製作し、ア
モルファス箔11および14をFe₇₃B₁₃Si₉で形成すると、前
者の熱膨張率は17.3×10^-6/ ℃( ０〜100 ℃) 、後者の
それは7.6 ×10^-6/ ℃( ０〜100 ℃) であり、その差は
9.7 ×10^-6/ ℃≒10^-5であり、或る温度において両者共
に熱に起因する応力がかかっておらず、その状態から仮
に＋100 ℃の温度変化があったとすると、約10^-3だけSU
S304ステンレス鋼の方が余分に伸びることになる。すな
わち、100 ℃の温度変化によりトルク伝達軸１に加わる
最大の歪みがアモルファス箔に負荷されることになる。
この値はアモルファス箔の磁気応答限界の３×10^-3を大
きく越えることになるので、何らかの対策を講ずる必要
がある。その対策としては、異なった線熱膨張率を有す
る材料を組み合わせて大きな線熱膨張率を打ち消し合
い、アモルファス箔に線熱膨張率に起因する応力が負荷
されるのを防止することが考えられる。

【００２８】図１に示す構成において、アモルファス箔
11の線熱膨張と、歪み調整アタッチメント２および熱歪
み補償部材５を合わせたものの線熱膨張とが等しくなる
条件を求めると、以下の（３）〜（６）式が得られるこ
とになる。 Δｅ＝ｔｅξ₅ ------(3) Δ(d-e) ＝ｔ(d-e) ξ₂ ------(4) Δd ＝ｔd ξ₁₁ ------(5) Δd ＝Δｅ＋Δ(d−e) ------(6) これら(3) 〜(6) 式より、次式(7) が得られる。 e ＝d(ξ₂ −ξ₁₁) ／( ξ₂ −ξ₅) ------(7) ここで、ｔは温度変化、ｅは熱歪み補償部材５の長さ、
Δｅは熱歪み補償部材の線熱歪み、ξ₅ は熱歪み補償部
材５の線熱膨張率、Δ(d−e)は歪み調整アタッチメント
２の線熱歪み、ξ₂ は歪み調整アタッチメント２の線熱
膨張率、ｄはアモルファス箔11の長さ、Δd はアモルフ
ァス箔11の線熱歪み、ξ₁₁はアモルファス箔11の線熱膨
張率である。

【００２９】本例においては、熱歪み補償部材５を、鉄
63.5% 、ニッケル36.5% から成るインバー(invar) と呼
ばれる合金で製作する。インバーは常温の線熱膨張率が
1.2×10^-6/ ℃であり、高温になるとやや増加するが、S
US304ステンレス鋼よりも十分に低いものである。ここ
で、SUS403ステンレス鋼の線熱膨張率を17.3×10^-6/℃
とし、アモルファス箔11のそれを7.6 ×10^-6/ ℃とし、
インバーより成る熱歪み補償部材11のそれを1.2 ×10^-6
/ ℃とし、ｄを50mmとすると、(7) 式から、 ｅ＝d(ξ₂ −ξ₁₁) ／( ξ₂ −ξ₅) ＝50×(17.3 −7.6)/(17.3−1.2)＝30.1mm が得られ、これによって測定用アモルファス箔11に熱歪
みが負荷されるのを防止できるため、環境温度の変化に
拘らず、精度の良い測定が可能となる。

【００３０】本実施例においては、熱歪み補償部材５の
材料に歪み調整アタッチメント２およびアモルファス箔
11よりも線熱膨張率の小さいインバーを使用したが、こ
れとは逆に歪み調整アタッチメントおよびアモルファス
箔よりも線熱膨張率の大きな材料を使用することもでき
る。その場合には、歪み調整アタッチメント２を長く
し、その両端の間にアモルファス箔と熱歪み補償部材を
位置させるようにすることが必要であり、また、それに
よってアモルファス箔にかかる剪断歪みの値が変わって
くるが、上記の説明を理解すれば、当業者であれば簡単
な応用として適切な設計が可能である。さらに、一般に
金属材料の線熱膨張率は温度によって変化するが、それ
も使用温度範囲の平均値を取ることによって処理するこ
とが可能であり、熱膨張率の線形性からの微小なずれ
は、測定用アモルファス箔11と、参照用のアモルファス
箔14とで打ち消され、特に精密な測定を要する場合に
は、測定電気回路で温度補償することによって補正する
ことができる。

【００３１】実験例 トルク伝達軸として直径が20mm、長さが200mm のSCM415
鋼でH _R C35 に調質し、両端を長さ20mmに亘ってM10 の
六角ボルトの頭部形状に仕上げた丸棒を用意した。別に
同じ材質で長さ80mm, 両端が各々長さ23mmに亘って外径
58.0mm, 中央部が20.05mm,残りが50.0mmのものを歪み調
整アタッチメントとして用意した。さらに、63.5% 鉄,3
6.5%ニッケルのインバーと称せられる熱膨張率の低い合
金で、長さ34mm, 一端に外径が長さ29mmに亘って62.0mm
で残りの部分が64.5mm, 内径が全長に亘って58.05mm の
ものを２個、熱歪み補償部材として用意した。前記の歪
み調整アタッチメントの両端には各々１個の熱歪み補償
部材を長さ5mm の部分が重なるようにして差し込み、熱
歪み補償部材側の端と歪み調整アタッチメントを溶接し
て固定した。さらに、両端に熱歪み補償部材側が固定さ
れた歪み調整アタッチメントを、トルク伝達軸に各々の
長さ方向の中心が一致するようにして差し込み、図１に
示すように、歪み調整アタッチメントの内径が小さい部
分の両端で、熱歪み補償部材と歪み調整アタッチメント
とを溶接して固定した。

【００３２】次に、組成がFe₆₅CO₁₅P₁₃C₇,厚さが25μm
のアモルファス箔で巾50mm, 長さが管状の鋼の外径65.4
mmの部分にアモルファス箔の端と端とを突き合わせて一
巻きできる長さのものを２枚用意し、それぞれアモルフ
ァス箔の端が3mm づつ熱歪み補償部材と歪み調整アタッ
チメントの外径が65.4mmの部分にかかるようにして巻き
付け、シアノアクリレート系接着剤で接着した。さら
に、接着した部分の上から、厚さ0.3mm のステンレス鋼
で巾4mm の締め金具で締め付けてアモルファス箔の管状
の鋼に対する固定を確実にした。

【００３３】図１に示すように、各々のアモルファス箔
11および14の外周上にトルク伝達軸１の長手方向に沿っ
て電磁石15および16と、GaAsのホール素子17および18を
配置し、各々のホール素子からの出力ケーブルを計測回
路19および20に接続し、これらの計測回路を演算回路21
に接続した。また、電磁石15および16には１KHz の周波
数で、P-P 値が２V の交流電圧を印加した。この状態
で、トルク伝達軸１の一端を作業台に固定したバイスで
固定し、他端にトルクレンチを連結してトルク伝達軸ま
わりに回転する方向の負荷をかけた。

【００３４】図４は上述した実験装置を用い、測定環境
温度を15℃に保ったときの負荷トルクを横軸にとり、演
算回路21から出力されるトルク検出信号を縦軸にとって
示すものである。図４に示すように０〜0.3kgf/mの広い
トルク範囲に亘って検出信号は直線関係にあることが確
認できた。次に、測定環境温度を０℃から２℃、20℃か
ら23℃、98℃から102 ℃の３つの温度範囲に変化させて
実施したところ、得られた結果は±1.2%の範囲で等し
く、この方式によって温度を補償しつつ正確な測定がで
きることが実証された。さらに、電波雑音に対する安定
性を測定するため、１KV, １μA の放電による電波雑音
をトルクセンサから１メートル離れた所で発生させ、同
様の測定を行ったが、測定結果に対する影響は認められ
なかった。

【００３５】本発明は上述した実施例にのみ限定される
ものではなく、幾多の変更や変形が可能である。例え
ば、上述した実施例においては、トルク伝達軸に歪み調
整アタッチメントと取り付けて径を増大させたが、トル
ク伝達軸そのものを加工してその一部分の径を増大させ
ることもできる。さらに、上述した実施例では、熱歪み
補償部材をインバーで形成したが、他の材料で形成する
こともできる。

【００３６】

【発明の効果】以上詳細に説明したように、本発明によ
るトルクセンサによれば、トルク伝達軸が広い範囲で歪
んでも、アモルファス箔の飽和磁化値の最大範囲内に収
めることができ、その結果良好な直線性で測定すること
により、正確に歪みを測定することができる。また、歪
みが伝達される測定用のアモルファス箔と、歪みが伝達
されない参照用のアモルファス箔とを同一の環境下に配
置し、これらのアモルファス箔の自発磁化を検出した信
号の差を取ることによって、従来電気−磁気測定におい
て問題であった熱、磁気、電波、静電気、迷走電流、振
動、塵埃などの外乱やアモルファス箔の時効による経時
変化に左右されることなく、正確な測定が可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は、本発明によるトルクセンサの一実施例
の構成を示す断面図である。

【図２】図２は、歪み調整アタッチメントの構成を示す
断面図である。

【図３】図３は、熱歪み補償部材の構成を示す断面図で
ある。

【図４】図４は、実験例におけるトルクと検出信号との
関係を示すグラフである。

【符号の説明】

１ トルク伝達軸 ２ 歪み調整アタッチメント ３ ,４ 溶接部 ５，７ 熱歪み補償部材 ６，８ 溶接部 11 測定用アモルファス箔 ９，10, 12, 13 溶接部 14 参照用アモルファス箔 15 測定用電磁石 16 参照用電磁石 17 測定用ホール素子 18 参照用ホール素子 19 測定用計測回路 20 参照用計測回路 21 演算回路

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【手続補正書】

【提出日】平成４年７月２０日

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００２２

【補正方法】変更

【補正内容】

【００２２】図１に示すように、測定用アモルファス箔
11および参照用アモルファス箔14とそれぞれ対向するよ
うに測定用電磁石15および参照用電磁石16を配置してこ
れらのアモルファス箔をそれぞれ励磁する。これらの測
定用および参照用電磁石15および16は交流電源に接続
し、アモルファス箔を含む磁気回路を構成するようにす
る。さらに、測定用アモルファス箔11および参照用アモ
ルファス箔14と対向するように測定用ホール素子17およ
び参照用ホール素子18をそれぞれ配置し、これらのアモ
ルファス箔に生じる磁気を検知する。これらの測定用お
よび参照用ホール素子17および18を測定用および参照用
計測回路19および20にそれぞれ接続し、測定用アモルフ
ァス箔11および参照用アモルファス箔14に生じる磁気の
変化を計測する。これらの測定用および参照用計測回路
19および20の出力信号を、さらに演算回路21に供給し、
これらの出力信号の差を求め、トルク検出信号を出力す
る。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 トルク伝達軸の一部分の外径を増大する
   ことによって慣性モーメントを他の部分より増大させた
   部分の外周に、トルク伝達軸の剪断歪みが軸径を増大さ
   せた部分を介して伝わるように配置された測定用アモル
   ファス箔と、 前記軸径を増大させた部分の外周に、トルク伝達軸の剪
   断歪みが伝わらないように配置された参照用アモルファ
   ス箔と、 これら測定用アモルファス箔および参照用アモルファス
   箔のそれぞれに対向して配置され、それぞれのアモルフ
   ァス箔を励磁する測定用電磁石および参照用電磁石と、 前記測定用アモルファス箔および参照用アモルファス箔
   に発生する磁化をそれぞれ検知する測定用磁気ピックア
   ップおよび参照用磁気ピックアップと、 剪断歪みが伝わるようにした前記測定用アモルファス箔
   の磁化を検知する測定用磁気ピックアップの利得の変化
   を計測する測定用計測回路と、 剪断歪みが伝わらないようにした前記参照側用アモルフ
   ァス箔の磁化を検知する参照用磁気ピックアップの利得
   の変化を計測する参照用計測回路と、 前記測定用計測回路の出力信号と、参照用計測回路の出
   力信号との差を取ることによって外部雑音および経時変
   化の影響を除去した前記トルク伝達軸に加わるトルクを
   測定する演算回路と、 構成材料の線熱膨張率の違いによる熱歪みが前記測定用
   および参照用のアモルファス箔に負荷されることを、構
   成材料の線熱膨張率の差を利用して排除する熱歪み補償
   部材とを具えることを特徴とするトルクセンサ。
2. 【請求項２】 前記トルク伝達軸に、軸と一体に変形す
   る軸固定部と、この軸固定部に一部分が連結され、外径
   を拡大させた拡大部と、この拡大部の、前記軸固定部に
   連結されていない部分に連結され、剪断歪みが伝わらな
   い延長部とを一体的に形成し、全体として円筒状をした
   歪み調整アタッチメントを固定して設け、前記測定用ア
   モルファス箔の一端を前記拡大部に固定し、他端を測定
   用熱歪み補償部材を介して前記軸固定部に固定し、前記
   参照用アモルファス箔の一端を拡大部に固定し、他端を
   参照用熱歪み補償部材を介して前記延長部に固定したこ
   とを特徴とする請求項１記載のトルクセンサ。