JPH075055A - 磁歪式歪センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】消費電力を低減し、磁性体の特性のばらつきや
磁性体から検出部までのギャップ変動に対しても影響を
受けにくい磁歪式歪センサを得る。 【構成】円柱もしくは円筒形状からなる逆磁歪効果を有
する力伝達部材(1) の近傍に、ヨーク(31)に巻回された
励磁コイル(32)と検出コイル(33)を有する磁気ヘッド
(3) が配置され、力伝達部材(1) の表面に発生する歪に
基づく力伝達部材(1) の透磁率の変化を磁気ヘッド(3)
に巻回された検出コイル(31)のインピーダンス変化とし
てとらえることにより、力伝達部材(3) の表面に発生し
た歪を検出する磁歪式歪センサにおいて、磁気ヘッド(3
1)のギャップデプス方向に直角方向の内径位置でのヨー
ク長さＬが力伝達部材(1) の外周長の略６０％以上であ
る構成としている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は磁性体の逆磁歪効果を利
用した磁歪式歪センサに関するもので、とくに、モータ
シャフトのトルク、液体の圧力や電線の張力を測定する
ための歪センサに関する。

【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等の制御には、非接触で小型のト
ルクセンサが要求される。従来、このようなトルクセン
サとして磁気ヘッド方式（図３）とソレノイドコイル方
式（図４）がある。これはいずれも回転軸１の外周表面
に逆磁歪効果を有する磁性膜２を形成した構造を有して
おり、回転軸１にトルクが加わると磁性膜２の透磁率が
変化するので、この透磁率の変化を前記２つの方式によ
り検出するものである。すなわち、磁気ヘッド方式では
ヨーク４１に巻回した励磁コイル４２に交流電圧を印加
しておき、磁性膜２の透磁率の変化は回転軸１の周囲に
配置した磁気ヘッド４に巻いている検出コイル４３によ
りインピーダンス変化を検出しトルクを算出する。ソレ
ノイドコイル方式では回転軸から一定ギャップを保って
巻いてあるソレノイドコイル５のインピーダンス変化と
して検出しトルクを算出する。回転軸１が磁性材料の場
合は磁性膜を設けず回転軸自体の逆磁歪効果によりトル
クを検出する。一方、送電線や電車線の張力を測定する
試みが進められている。例えば、送電線の場合、電線に
雪が積もり、その重さが増すと電線が荷重に耐えられな
くなり断線にいたる。従って、電線の張力を常時監視す
る必要がある。また、電車線で用いられるのトロリ線の
場合、張力を一定に保たないとパンタグラフからの集電
に支障を来すだけでなく、アーク発生に伴うトロリ線の
異常摩耗や電波障害を引き起こす。これらの張力を測定
する張力センサは種々有るが、中でも出力を大きくとれ
る磁歪式の張力センサが優れている。この構成は磁性膜
を力伝達部材の全面に設けている他は図４と同じであ
る。励磁コイルは５２に電圧を印加しておき、張力がか
かると力伝達部材１が歪み、磁性膜２の磁気特性が変化
し、その結果、検出コイル５３のインピーダンスが変化
する。そうすると，検出コイル５３の電圧が変化するの
で、これに対応した張力が計測できる。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところが、図４のソレ
ノイドコイル方式の構造を持つトルクセンサの場合、磁
性膜２の円周上での特性のばらつきも平均化できる上、
回転によるギャップ変動も平均化できる反面、ソレノイ
ドコイルで発生させた磁界が磁性膜２に効率よく伝わら
ないために、普通、数百ｍＡの大きな電流を流して磁界
を発生する必要があった。高電圧下におかれた電線の張
力を常時監視する場合は、測定機器を大地から絶縁する
ためバッテリーを用いなければならない。したがって、
消費電力が大きくなるとバッテリーの電圧低下を引き起
こすので、連続測定が困難という問題があった。これに
対して、図３の磁気ヘッドによる検出では、磁気ヘッド
４のヨーク４１に巻いてある励磁コイル４２で発生した
磁界が全てヨーク４１内を通って磁性体にはいるため、
消費電力はソレノイドコイル方式の十分の一と少ない。
しかし、従来のヨーク長さの短いものでは、回転軸１の
軸ぶれにより図５中の従来例のように、回転リップルを
生じるという問題があり実用化できなかった。一方、図
４のソレノイドコイル方式と同一構成の張力センサの場
合、力伝達軸は回転しないので回転リップルなど考慮し
なくて良いが、温度変化によるヘッドまでのわずかなギ
ャップ変化により出力が変わるという問題があった。ま
た、磁性膜や磁性体力伝達部材の磁気特性の円周上での
ばらつきがあるため、センサをセットするたびに特性が
変わるという問題もあった。そこで、本発明は消費電力
を低減し、しかも、磁性体の特性のばらつきや磁性体表
面から検出部までのギャップ変動に対しても影響を受け
にくい磁歪式歪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】上記問題を解決するた
め、本発明は円柱もしくは円筒形状からなる逆磁歪効果
を有する力伝達部材の近傍に、ヨークに巻回された励磁
コイルと検出コイルを有する磁気ヘッドが配置され、力
伝達部材の表面に発生する歪に基づく力伝達部材の透磁
率の変化を前記磁気ヘッドに巻回された検出コイルのイ
ンピーダンス変化としてとらえることにより、前記力伝
達部材の表面に発生した歪を検出する磁歪式歪センサの
磁気ヘッドのギャップデプス方向に直角方向の内径位置
でのヨーク長さが力伝達部材の外周長の略６０％以上と
なる構成にしている。

【０００５】

【作用】上記手段により、力伝達部材の歪に基づく磁気
特性の変化を、円柱状力伝達部材から一定の距離にほぼ
全周に沿って配置したギャップデプス方向に対して直角
方向のヨーク長さが長い磁気ヘッドで検出するため、磁
界が磁性膜に効率よく伝わり、かつ、ギャップ変動も平
均化するので、低消費電力化と平均的出力の検出の両方
ができる磁歪式歪センサが得られる。

【０００６】

【実施例】以下、本発明の実施例を図に基づいて詳細に
説明する。 第１実施例 図１（ａ）は本発明を用いた磁歪式トルクセンサの正断
面図で図１（ｂ）のＡ−Ａ断面からみたものである。図
１（ｂ）は側断面図で図１（ａ）のＢ−Ｂ断面からみた
ものである。図において、１は回転軸、２は磁性膜、３
は磁気ヘッドである。回転軸１は非磁性材であるＳＵＳ
３０４のシャフトをトリクレン、純水、アルコールの順
に超音波洗浄を施したのち、スパッタ装置内にセット
し、５×１０^-6Ｔｏｒｒ以下に排気したのち、４００℃
に加熱した後、シャフトの一部に９０％ＮｉーＦｅ磁性
膜を５μｍの厚さに形成して作製したものである。回転
軸１の周囲に配置した磁気ヘッド３は、硅素鋼板を積層
したヨーク３１と、これに励磁コイル３２を２００ター
ン、検出コイル３３を６００ターン巻いて構成したもの
からなる。これらのコイルはイからロに巻いてきたコイ
ルを折り返し、ハからニへ、さらにイと巻いていく順序
で巻いて行った。ここで、ヨーク長さ（Ｌとする）はギ
ャップデプス方向に対して直角方向のヨークの長さであ
り、最も回転軸に近い内径イからロまでの円周の長さの
ことである。このヨーク長さＬを種々変えた磁気ヘッド
を作製した後、トルクセンサに組み立て、消費電力と回
転リップルを測定した。消費電力はヨーク長さＬにかか
わらずソレノイドコイル方式に比べ十分の一であった。
また、回転リップルはＬが回転シャフトの外周長の６０
％未満では大きかったが、Ｌが回転シャフトの外周長の
６０％以上あれば、図５に示すようにソレノイドコイル
方式と同程度に良好であることがわかった。また、検出
出力も従来の磁気ヘッドに比べて大きくなった。なお、
実施例では円柱状非磁性シャフトを使用したが、磁性シ
ャフトでも同様の効果がある事は明らかである。 第２実施例 力伝達部材１は円柱状のマルエージング鋼からなり、そ
の周囲に磁気ヘッドを配置して張力センサを構成した。
磁気ヘッド３の仕様は第１実施例で作製したものを使用
した。磁気ヘッドギャップ部と力伝達部材１までの距離
は０．６ｍｍとした。消費電力はヨーク長さＬにかかわ
らずソレノイドコイル方式に比べ十分の一と小さい値で
あった。また、磁気ヘッドとシャフトの距離を種々変え
て特性の変化を測定した。その結果、Ｌの長さがシャフ
トの外周長の６０％以上あれば、ソレノイドコイル方式
と同じく出力が平均化され、問題ないことがわかった。 第３実施例 図２は本発明を用いた磁歪式圧力センサの断面図であ
る。図において、１はチタン合金パイプからなる力伝達
部材、３は磁気ヘッド、５は受圧部である。磁気ヘッド
３の仕様は第１実施例で作製したもの同様にし、種々の
圧力を加えて計測した。その結果、消費電力は第１実施
例の場合と同じく、ヨーク長さＬにかかわらずソレノイ
ドコイル方式に比べ十分の一と小さい値であり、圧力値
の測定結果も良好であった。

【０００７】

【発明の効果】以上述べたように、本発明によれば、磁
気ヘッド方式としたので、低消費電力化を達成でき、磁
気ヘッドのヨーク積層厚さを力伝達部材の外周長さの６
０％以上としたので、トルクセンサにおいては回転リッ
プルも生じることがなく、張力センサや圧力センサでは
ギャップ変動に対しても安定で大きな出力を取り出せる
磁歪式歪センサを得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】（ａ）は本発明の第１実施例を示す磁歪式トル
クセンサの正断面図、（ｂ）は側断面図である。

【図２】本発明の第３実施例を示す磁歪式圧力センサの
断面図である。

【図３】（ａ）は従来の磁気ヘッドを用いた磁歪式トル
クセンサの部分断面図、（ｂ）は側断面図である。

【図４】従来のソレノイドコイルを用いた磁歪式トルク
センサの部分断面図である。

【図５】磁歪式張力センサにおける回転リップルを示す
特性図である。

【符号の説明】

１：力伝達部材 ２：磁性膜 ３、４：磁気ヘッド ３１、４１：ヨーク ３２、４２、５２：励磁コイル ３３、４３、５２：検出コイル ５：ソレノイドコイル ６：受圧部

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】円柱もしくは円筒形状からなる逆磁歪効果
   を有する力伝達部材の近傍に、ヨークに巻回された励磁
   コイルと検出コイルを有する磁気ヘッドが配置され、前
   記力伝達部材の表面に発生する歪に基づく前記力伝達部
   材の透磁率の変化を前記磁気ヘッドに巻回された検出コ
   イルのインピーダンス変化としてとらえることにより、
   前記力伝達部材の表面に発生した歪を検出する磁歪式歪
   センサにおいて、前記磁気ヘッドのギャップデプス方向
   に直角方向の内径位置でのヨーク長さが前記力伝達部材
   の外周長の略６０％以上であることを特徴とする磁歪式
   歪センサ。
2. 【請求項２】前記力伝達部材が非磁性材であり、かつ、
   その表面に磁歪効果を有する磁性膜が形成されたことを
   特徴とする請求項１記載の磁歪式歪センサ。