JPH07113700A - 磁歪式トルク検出装置及び磁歪式応力検出装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】構造が簡単で高感度の磁歪式トルク検出装置を
提供する。高温環境下で使用可能な磁歪式応力検出装置
を提供する。 【構成】回路部８が検出コイルに交流電流を供給する
と、磁歪コア２に交番磁束が形成される。回転軸２又は
被計測体に加えられるトルク又は応力に応じて磁性コア
の透磁率が変調されると、検出コイル２のインピーダン
スが変調され、このインピーダンス変化を検出してトル
ク又は応力（又は歪み）が検出される。特に本発明で
は、検出コイル３が巻装される磁歪コア２が回転軸１又
は被計測体に固定され、磁歪コア２の両端が回転軸１又
は被計測体の表面に密着される。これにより高感度のト
ルク又は応力検出が可能となる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、磁歪式トルク検出装置
に関する。

【０００２】

【従来技術】従来、磁歪性を有する回転軸の表面に近接
してその周方向及び軸方向に対し斜めに磁歪コア（磁気
ヘッド）を配設し、磁歪コアに巻装される検出コイルに
交流電流を供給してそのインピーダンスに関連する状態
量に基づいて回転軸のトルクを検出する磁歪式トルク検
出装置が知られている。

【０００３】特開昭６１−８６３９号公報及び特開昭６
１−８２１２６号公報は、上記装置において、交流電流
の周波数に対して検出コイルがコンデンサとともに共振
回路を構成することを開示している。また従来より、歪
みを受感すると電気抵抗が変化するロードセルが知られ
ている。このロードセルでは、歪みに応じた素子の電気
抵抗の微小変化をブリッジ回路などにて検出し、内蔵ア
ンプにて増幅して出力する。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら上記した
従来の磁歪式トルク検出装置は、例えば磁歪膜を被着す
るなどの方法で回転軸の全周にわたって高感度の磁歪性
を与える必要があり、製造が困難であるという大きな問
題点があった。また、従来の磁歪式トルク検出装置に
は、一層の感度向上が要求されていた。

【０００５】また、上記したロードセルは、ブリッジ回
路から出力される信号電圧が小さいので、信号電圧を増
幅するための内蔵アンプをブリッジ回路に近接配置し
て、内蔵アンプとブリッジ回路との間の配線抵抗に起因
する雑音電圧などを低減する必要があり、そのために内
蔵アンプの許容温度により制限されて高温環境下での使
用が困難であるという問題があった。

【０００６】本発明は上記問題点に鑑みなされたもので
あり、その第一の目的は構造が簡単で高感度の磁歪式ト
ルク検出装置を提供することである。またその第二の目
的は、高温環境下で使用可能な磁歪式応力検出装置を提
供することである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】第一発明の磁歪式トルク
検出装置は、磁歪性を有するとともに、両端部が回転軸
の表面に密着、固定される磁歪コアと、前記磁歪コアを
貫通する磁束を発生する検出コイルと、前記検出コイル
に交流電流を供給するとともに、前記検出コイルのイン
ピーダンスに関連する状態量に基づいて前記回転軸のト
ルクを検出する回路部とを備えることを特徴としてい
る。

【０００８】好適な態様において、前記回転軸は磁性材
からなり、前記磁歪コアは前記回転軸とともに閉磁気回
路を構成する。好適な態様において、前記検出コイルと
ともに共振回路を構成するコンデンサが前記回転軸に固
定される。好適な態様において、前記回転軸に配設され
て前記検出コイルに給電する回転コイルと、前記回転コ
イルに近接配置されて前記回転コイルに交流電力を非接
触状態で送電するとともに前記回転コイルから非接触状
態で受信した信号電圧を前記回路部へ出力する固定コイ
ルとを備える。

【０００９】好適な態様において、前記固定コイルは、
前記交流電力送電用の送電コイルと、前記信号電圧受信
用の受信コイルとからなる。第二発明の磁歪式トルク検
出装置は、磁歪性を有するとともに、両端部が応力を検
出すべき被計測体の表面に固定される磁歪コアと、前記
磁歪コアを貫通する磁束を発生する検出コイルと、前記
検出コイルとともに共振回路を構成するコンデンサと、
前記共振回路に交流電流を供給するとともに、前記共振
回路の循環電流に基づいて前記被計測体の応力を検出す
る回路部とを備えることを特徴としている。

【００１０】好適な態様において、前記磁歪コアは、前
記被計測体とともに閉磁気回路を構成する。

【００１１】

【作用及び発明の効果】回路部が検出コイルに交流電流
を供給すると、磁歪コアに交番磁束が形成される。回転
軸又は被計測体に加えられるトルク又は応力に応じて磁
性コアの透磁率が変調されると、検出コイルのインピー
ダンス（リアクタンス）が変調され、このインピーダン
ス変化を検出してトルク又は応力（又は歪み）が検出さ
れる。

【００１２】特に第一発明では、検出コイルが巻装され
る磁歪コアが回転軸に固定され、磁歪コアの両端が回転
軸の表面に密着される。その結果、以下の理由により、
信号感度が向上する。第１に、回転軸が磁歪性又は磁性
（高透磁性）をもつ必要が無く、回転軸に磁歪膜を強固
に固着したりする必要がなく、また、回転軸が非磁性で
あってもよく、構造及び製造工程が簡単となる。

【００１３】第２に、回転軸が例えば鉄鋼など通常の磁
性を有するものの場合、磁性コア（磁気ヘッド）が回転
軸の表面に対してギャップを隔てて配置される従来の磁
歪式トルク検出装置の磁気回路に比較して、上記ギャッ
プが解消されるので、交番磁束が大幅に増加する。した
がって、信号電圧が増大し、種々の雑音電圧に対するＳ
Ｎ比が向上する。更に言えば、検出コイルの全インピー
ダンスの内のトルクで変調されるインピーダンス成分が
上記全インピーダンスに対して相対的及び絶対的に増加
し、このために雑音電圧に対して検出コイルの信号電圧
が相対的に増強され、ＳＮ比が向上する。

【００１４】第３に、上記した従来の磁歪式応力検出装
置のように回転軸の表面が磁歪コアに対して回転しない
ので、回転軸の表面の周方向の磁気特性のばらつきに応
じて発生する検出コイルのインピーダンス変動により雑
音又は偽信号が生じることもなく、ＳＮ比が改善され
る。第４に、上記した従来の磁歪式応力検出装置のよう
に磁歪コアの磁極端面と回転軸の表面との間のギャップ
長が、回転軸の回転とともに周期変動し、それにより偽
信号が生じることがなく、ＳＮ比が改善される。

【００１５】特に第二発明では、被計測体の表面に固定
される磁歪コアを貫通する磁束を発生する検出コイルと
コンデンサとで共振回路を構成し、この共振回路の循環
電流に基づいて応力を検出する。すなわち、この発明で
は、応力を検出コイルのリアクタンス変化として検出す
るので、共振回路の循環電流の変化（例えば共振周波数
の変化や位相の変化）として検出することができる。こ
のため、この磁歪コア及び共振回路を被計測体に設け、
信号処理及び給電用の回路部をそれらから遠く離れて設
けた場合でも、両者を接続する配線の抵抗に起因する雑
音電圧の影響を低減することができる。

【００１６】例えば、共振回路の周波数変化により磁歪
コアのリアクタンス変化を検出する場合、共振回路と回
路部との間の配線抵抗増加又はこの配線に誘導される電
磁誘導ノイズ電圧の影響は小さい。したがって、たとえ
被計測体が高温環境下に存在する場合ても、熱に弱い回
路部だけを被計測体から離して配設しても高感度、高Ｓ
Ｎ比の応力計測が可能となる。

【００１７】

【実施例】

（実施例１）以下、図１〜図４を参照して具体的に説明
する。この磁歪式トルク検出装置は、回転軸１の表面に
固着された磁歪コア２と、磁歪コア２に巻装された検出
コイル３と、検出コイル３にコンデンサ４を通じて給電
する回転コイル５と、回転コイル５に近接して配設され
て回転コイル５とともにロータリートランスを構成する
給電コイル６及び受信コイル７と、給電コイル６に交流
電流を給電するとともに受信コイル７から信号電圧を受
け取る回路部８とからなる。

【００１８】更に、上記した磁歪コア２、検出コイル
３、コンデンサ４、回転コイル５、給電コイル６及び受
信コイル７からなる共振回路Ａと同じ構成の共振回路Ｂ
が配設されており、共振回路Ｂは、回転軸１の表面の同
一周上に磁歪コア２と１８０度離れて固着された磁歪コ
ア（図示せず）と、この不図示の磁歪コアに巻装された
不図示の検出コイルと、この不図示の検出コイルに不図
示のコンデンサを通じて給電する回転コイル５０と、回
転コイル５０に近接して配設されて回転コイル５０とと
もにロータリートランスを構成する給電コイル６０及び
受信コイル７０とからなり、回路部８は、給電コイル６
０に交流電流を給電するとともに受信コイル７０から信
号電圧を受け取る。

【００１９】回転軸１は、材質がＳ４５Ｃである。磁歪
コア２は、図４に示すように、Ｆｅ−Ｎｉ６０ｗｔ％合
金を素材として細長い略角棒形状に形成されている。
門状に屈曲した磁歪コア２の中央部には検出コイル３が
巻装されており、磁歪コア２の一端面は両端部は回転軸
１の外周面に密接可能に湾曲されており、磁歪コア２の
両端部がねじ２０によりそれぞれ回転軸１に螺着されて
いる。磁歪コア２の長手方向は軸方向に対して＋４５度
の捩じれ角で配置されている。

【００２０】同様に、磁歪コア２と同一周上で１８０度
離れて磁歪コア２と同形の磁歪コア（図示せず）が螺着
されており、この磁歪コア２長手方向は軸方向に対して
−４５度の捩じれ角で配置されている。そしてこの不図
示の磁歪コアには不図示の検出コイルが巻装されてい
る。回転コイル５、５０は、それぞれ一対のコイル５
ａ、５ｂからなり、両コイル５ａ、５ｂは互いに逆方向
に巻装されるとともに軸方向にギャップｄを隔てて配置
されている。

【００２１】給電コイル６、６０は、ギャップｄに面す
る位置にて回転軸１の表面に近接して配置され、それら
の軸心は回転軸１の径方向へ伸びている。受信コイル
７、７０も、ギャップｄに面する位置にて回転軸１の表
面に近接して配置され、それらの軸心は回転軸１の径方
向へ伸びている。以下、図１に示すこの実施例の磁歪式
トルク検出装置の動作を図２の等価回路図を参照して説
明する。

【００２２】ただし、共振回路Ｂの動作は、共振回路Ａ
の動作と同じであるので、共振回路Ａの動作だけを代表
して説明する。回路部８は、発振回路８１、受信回路８
２、トルク信号電圧出力回路８３からなり、発振回路８
１が、給電コイル６に交流電流を給電すれば、回転コイ
ル５に交流電圧が誘導され、回転コイル５とコンデンサ
４と検出コイル３とからなる共振回路Ａに交流電流が流
れ、受信コイル７には回転コイル５に流れる交流電流に
応じて交流信号電圧が誘導される。受信コイル７に誘導
された交流信号電圧は受信回路８２により処理され、受
信回路８２はこの交流信号電圧に基づいて発振回路８１
の発振周波数を共振回路Ａの共振周波数に制御する制御
信号を出力するとともに、受信した交流信号電圧をトル
ク信号電圧出力回路８３に出力する。トルク信号電圧出
力回路８３は入力された交流信号電圧の周波数に基づい
て回転軸１のトルクを検出する。なお、回路８３につい
ては、マイコン構成としてもよいし、アナログ又はデジ
タル回路構成としてもよいが、その詳細な回路構成は本
発明の趣旨ではないので説明を省略する。

【００２３】なお、図１の装置において、どちらかの方
向へトルクが加わると、磁歪コア２に引っ張り力又は圧
縮力のどちらかが加えられ、他方の磁歪コア２に反対の
力が加えられ、これにより検出コイル３のリアクタンス
と不図示の検出コイルのリアクタンスは逆方向へ変化す
る。したがって、上記トルク変化により検出コイル３の
リアクタンスが変動すれば、それに基づいて受信回路８
２に入力される交流信号電圧が変化し、それに基づいて
発振回路８１の発振周波数を共振回路Ａの共振周波数に
調整し、この共振周波数に基づいてそれに対応するトル
ク値をトルク信号電圧出力回路８３から出力すればよ
い。

【００２４】以下、発振回路８１及び受信回路８２の一
例を図３を参照して説明する。なお、上記したコンデン
サ４は検出コイル３と直列接続されて直列共振回路を構
成しているが、コンデンサ４を検出コイル３と並列接続
して並列共振回路を構成してもよい。この回路におい
て、電圧制御発振器８１５は給電コイル６を介して共振
回路Ａを励振し、回転コイル５を流れる電流により受信
コイル７に受信電圧Ｖ２が誘起される。

【００２５】ここで、励振周波数、すなわち、給電コイ
ル６に印加される励振電圧Ｖ１の周波数が、共振回路Ａ
の共振周波数と等しければ、励振電圧Ｖ１と受信電圧Ｖ
２との位相差はπ／２になる。すなわち、共振回路Ａの
無効電流は０となり、共振回路Ａの電流は励振電圧Ｖ１
と同位相となり、受信コイル７には共振回路Ａの電流と
π／２ずれた電圧が誘導される。

【００２６】したがって、電圧制御発振器８１５を制御
して、受信電圧Ｖ２と励振電圧Ｖ１との位相差をπ／２
に調節し、その時の受信電圧Ｖ２の周波数値を共振周波
数ｆｒとして検出することができる。更に詳しく説明す
れば、電圧制御発振器（以下、ＶＣＯと略称する）８１
５は、共振回路Ａの共振周波数付近で動作するように設
計されている。

【００２７】受信電圧Ｖ２の波形はシュミットトリガ
（受信回路）８２により受信電圧Ｖ２と同相の矩形波電
圧に変換され、排他的論理和回路８１１においてＶＣＯ
８１５の出力電圧Ｖ１と比較される。排他的論理和ゲ−
ト８１１の出力電圧は、Ｖ１が矩形波電圧に等しければ
ロ−レベル、異なっていればハイレベルとなる。排他的
論理和ゲ−ト８１１の出力電圧は、低域フィルタ８１２
によりそのデュ−ティ−比によりレベルが異なる直流電
圧に変換され、この直流電圧は制御電圧発生器８１４に
おいて基準電圧発生器８１３の参照電圧と比較される。

【００２８】制御電圧発生器８１４は、上記直流電圧と
参照電圧との差電圧が０となるように出力電圧を出力
し、ＶＣＯ８１５は制御電圧発生器８１４の出力電圧の
値により決定される周波数の矩形波を出力する。ここ
で、シュミットトリガ（受信回路）８２から出力される
矩形波電圧とＶＣＯ８１５の出力信号Ｖ１との位相差が
π／２であれば、排他的論理和ゲ−ト８１１の出力電圧
のデュ−ティ−比は０．５となるように構成されてお
り、このときの低域フィルタ８１２の出力電圧は、排他
的論理和ゲ−ト８１１の出力電圧の波高値の２分の１と
なる。従って、基準電圧発生器８１３から出力される参
照電圧の値を排他的論理和ゲ−ト８１１の出力電圧の半
分とすることにより、ＶＣＯ８１５の発振周波数は常に
共振回路の共振周波数になる。

【００２９】上記説明では共振回路Ａの信号処理により
周波数ｆ１を求める方法を説明したが、共振回路Ｂの信
号処理により周波数ｆ２も同様に求められる。そして、
回路部８のトルク信号電圧出力回路８３は、周波数ｆ１
から対応するトルクＴ１を出力し、周波数ｆ２から対応
するトルクＴ２を出力し、トルクＴ１とＴ２との絶対値
の和としてトルクＴを求める。

【００３０】なお、磁歪コア２は回転軸１とできるだけ
似た熱膨張係数をもつことが好ましい。 （実施例２）他の実施例を図５を参照して説明する。こ
の実施例では給電コイル６を磁気コア６ａに巻装し、受
信コイル７を磁気コア７ａに巻装するとともに、回転コ
イル５を磁気コア６ａ、７ａの両磁極端面の間に配置し
ている。

【００３１】このようにすれば、このロータリートラン
スの電磁変換効率が向上する。 （実施例３）他の実施例を図６を参照して説明する。こ
の実施例では、磁歪コア２はいわゆるＴ字状コアであっ
て、その中央脚部に検出コイル３が巻装されている。こ
の場合でも、磁歪コア２の両端部を回転軸１の外周面に
固定することにより磁歪コア２にトルクに応じた引っ張
り力又は圧縮力を付与できることは当然である。 （実施例４）また、図１及び図４の磁歪コア２と同一形
状のダミー磁歪コアを同じリード角で磁歪コア２と同周
上に配設し、このダミー磁歪コアに巻装された検出コイ
ルの誘導電圧を検出コイル３の誘導電圧と同様に処理し
て得られた両信号電圧の差を検出して同相ノイズ電圧を
除去することも可能である。 （実施例５）他の実施例を図７を参照して説明する。

【００３２】この実施例では図４の磁歪コア２の形状
を、それ自身で検出コイル３を囲む閉磁気回路となるよ
うに形成している。このようにすれば、回転軸１が非磁
性であってもよく、高感度でトルク検出を行うことがで
きる。また、回転軸１が非磁性の場合には図８に示すよ
うに、磁歪コア２を、薄肉の部分円筒からなる磁性片２
９を介して回転軸１に固定すればよい。このようにすれ
ば感度を向上することができる。このような磁性片２９
は図６の磁歪コア２にも適用することができる。

【００３３】もちろんこの磁性片２９は高透磁性を有す
ればよく、磁歪性を持たなくてもよい。 （実施例６）他の実施例を図９を参照して説明する。こ
の実施例では磁歪コア２を磁歪性を有する薄肉の部分円
筒板で構成し、この部分円筒板の長手方向の両端部を回
転軸１に螺着している。

【００３４】そして、検出コイル３はこの磁歪コア２の
外周側の表面に絶縁シートを介して張りつけられた渦巻
きコイルにより構成している。この場合、磁歪コア２を
回転軸１の表面に成膜又は接着した磁歪膜（例えばアモ
ルファス磁歪膜）により構成してもよい。また、この実
施例でも回転軸１は非磁性とすることができる。 （実施例７）他の実施例を図１０を参照して説明する。

【００３５】この実施例では磁歪コア２を回転軸１の表
面に成膜又は接着した下側磁歪膜（例えばアモルファス
磁歪膜）２ａと、下側磁歪膜２ａの外周側の表面に形成
した渦巻きコイル３を介して成膜又は接着した上側磁歪
膜（例えばアモルファス磁歪膜）２ｂとから構成してい
る。ただし、両磁歪膜２ａ、２ｂの少なくとも一方が磁
歪性を持てばよい。

【００３６】このようにすれば、検出コイル３と鎖交
し、かつ検出コイル３を囲覆して磁歪コア２が形成され
るので、外部ノイズを低減でき、かつ、高感度のトルク
検出が実現し、磁歪コア２の固定も容易となる。もちろ
ん、検出コイル３は渦巻きコイルの代わりに積層コイル
としてもよい。また、この場合も、回転軸１は非磁性と
することもできる。 （実施例８）他の実施例を図１１を参照して説明する。

【００３７】この実施例では、磁歪コア２は、検出コイ
ル３を嵌挿しつつ一対のコ字状コア２ｃ、２ｄの各磁極
端面を突き合わせ形成し、更にこの磁歪コア２を一対の
非磁性金属からなる一対のホルダ２８により回転軸１に
固定している。更に説明すれば、ホルダ２８は回転軸１
の外周面に螺着される基部２８ａと、基部２８ａから略
遠心方向へ延設される立柱部２８ｂとからなり、両ホル
ダ２８の立柱部２８ｂにて磁歪コア２を挟持している。
更に、立柱部２８ｂには、磁歪コア２が遠心方向へ逸脱
するのを防止する庇部２８ｃが形成されている。

【００３８】このようにすれば、両ホルダ２８、２８間
に加えられる大きな応力が磁歪コア２に集中することに
なるので、センサ感度を向上することができる。 （実施例９）本発明の磁歪式応力検出装置の一実施例を
図１２を参照して説明する。この実施例では、磁歪コア
２は、検出コイル３が巻装された断面角形のコア部２５
と、両端部がコア部２５の両端部上面に密着するヨーク
部２６とからなり、コア部２５及びヨーク部２６の少な
くとも一方が磁歪性を有している。これらコア部２５は
非磁性材からなる一対のスペーサ２７を介して応力を検
出すべき被測定体１００上に配設されており、コア部２
５及びヨーク部２６の両端部は不図示の螺子によりそれ
ぞれスペーサ２７を介して被計測体１００に固定されて
いる。

【００３９】このようにすれば、被計測体１００に加え
られる応力により被計測体１００が伸縮すれば磁歪コア
２も伸縮し、それに応じて検出コイル３のリアクタンス
が変化し、このリアクタンス変化を検出コイル３とコン
デンサ４とからなる共振回路の共振周波数の変動として
回路部２００（図２と同様としてもよい）により検出す
ればよい。

【００４０】このように本実施例によれば、検出コイル
３のリアクタンス変化を共振回路の共振周波数の変動と
して検出できるので、回路部２００を検出コイル３から
離してもその間の配線抵抗の影響を無視することがで
き、磁歪コア２が許容可能な高温環境下でも応力を検出
することができる。なお被計測体１００が磁性体であれ
ばヨーク部２６を省略することができ、また、図１１の
応力増強構造（ホルダ構造）を採用できることはもちろ
んである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の磁歪式トルク検出装置の一実施例の全
体構成を示す模式平面図、

【図２】図１の装置の等価回路図、

【図３】図２の装置の具体的回路図、

【図４】磁歪コアの固定方式を示す要部拡大断面図、

【図５】給電コイルの変形態様を示す断面図である。

【図６】磁歪コアの変形態様を示す要部拡大断面図、

【図７】磁歪コアの変形態様を示す要部拡大断面図、

【図８】磁歪コアの変形態様を示す要部拡大断面図、

【図９】磁歪コアの変形態様を示す要部拡大断面図、

【図１０】磁歪コアの変形態様を示す要部拡大断面図、

【図１１】磁歪コアの変形態様を示す要部拡大断面図、

【図１２】本発明の磁歪式応力検出装置の一実施例の全
体構成を示す模式平面図。

【符号の説明】

１は回転軸、２は磁歪コア、３は検出コイル、４はコン
デンサ、５は回転コイル、６は給電コイル、７は受信コ
イル、８は回路部。

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】磁歪性を有するとともに、両端部が回転軸
   の表面に密着、固定される磁歪コアと、 前記磁歪コアを貫通する磁束を発生する検出コイルと、 前記検出コイルに交流電流を供給するとともに、前記検
   出コイルのインピーダンスに関連する状態量に基づいて
   前記回転軸のトルクを検出する回路部とを備えることを
   特徴としている。
2. 【請求項２】前記回転軸は磁性材からなり、前記磁歪コ
   アは前記回転軸とともに閉磁気回路を構成する請求項１
   記載の磁歪式トルク検出装置。
3. 【請求項３】前記検出コイルとともに共振回路を構成す
   るコンデンサが前記回転軸に固定される請求項１記載の
   磁歪式トルク検出装置。
4. 【請求項４】前記回転軸に配設されて前記検出コイルに
   給電する回転コイルと、前記回転コイルに近接配置され
   て前記回転コイルに交流電力を非接触状態で送電すると
   ともに前記回転コイルから非接触状態で受信した信号電
   圧を前記回路部へ出力する固定コイルとを備える請求項
   １記載の磁歪式トルク検出装置。
5. 【請求項５】前記固定コイルは、前記交流電力送電用の
   送電コイルと、前記信号電圧受信用の受信コイルとから
   なる請求項４記載の磁歪式トルク検出装置。
6. 【請求項６】磁歪性を有するとともに、両端部が応力を
   検出すべき被計測体の表面に固定される磁歪コアと、 前記磁歪コアを貫通する磁束を発生する検出コイルと、 前記検出コイルとともに共振回路を構成するコンデンサ
   と、 前記共振回路に交流電流を供給するとともに、前記共振
   回路の循環電流に基づいて前記被計測体の応力を検出す
   る回路部とを備えることを特徴とする磁歪式応力検出装
   置。
7. 【請求項７】前記磁歪コアは、前記被計測体とともに閉
   磁気回路を構成する請求項６記載の磁歪式応力検出装
   置。