JPH0758231B2 - トルク検出装置 - Google Patents
トルク検出装置Info
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- JPH0758231B2 JPH0758231B2 JP62253694A JP25369487A JPH0758231B2 JP H0758231 B2 JPH0758231 B2 JP H0758231B2 JP 62253694 A JP62253694 A JP 62253694A JP 25369487 A JP25369487 A JP 25369487A JP H0758231 B2 JPH0758231 B2 JP H0758231B2
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- magnetic
- torque
- output
- sensor
- magnetoresistive effect
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Description
【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、トルク検出装置に係り、特に軸のねじれによ
つて生ずる位置の相対ずれを検出するものに好適なトル
ク検出装置に関する。
つて生ずる位置の相対ずれを検出するものに好適なトル
ク検出装置に関する。
従来の装置は、例えば三菱電気技報Vol,58,No.7 1984
の図１に記載のように、軸のねじれを軸に取り付けた歯
車A,Bの位相差として、電磁ピツクアツプで検出する構
成となつていた。しかし、電磁ピツクアツプの出力信号
の大きさは、歯車の回転数に依存し、低速になると出力
信号は小さくなつてしまうので高速回転中でのトルク検
出にのみ使用され、超低速あるいは停止時におけるトル
ク検出については配慮されていなかつた。
の図１に記載のように、軸のねじれを軸に取り付けた歯
車A,Bの位相差として、電磁ピツクアツプで検出する構
成となつていた。しかし、電磁ピツクアツプの出力信号
の大きさは、歯車の回転数に依存し、低速になると出力
信号は小さくなつてしまうので高速回転中でのトルク検
出にのみ使用され、超低速あるいは停止時におけるトル
ク検出については配慮されていなかつた。
上記、従来の技術は、超低速あるいは停止時におけるト
ルク検出については配慮されておらず、モータ等の停止
時におけるトルクの測定ができない問題があつた。
ルク検出については配慮されておらず、モータ等の停止
時におけるトルクの測定ができない問題があつた。
本発明の目的は、磁気抵抗効果素子を用いて磁気式ロー
タリイエンコーダの技術を利用し、停止時から高速域ま
で使用できる高精度で分解能の高いトルク検出装置を提
供することにある。
タリイエンコーダの技術を利用し、停止時から高速域ま
で使用できる高精度で分解能の高いトルク検出装置を提
供することにある。
上記目的は、駆動側と負荷側とを結ぶ回転軸上に所定間
隔離して取り付けられた両回転体の表面にN,S極の磁気
信号を記録した磁性体が複数個設けられてなる２つの磁
気回転体と、前記２つの磁気回転体の磁性体表面にそれ
ぞれ対向して配置され、該磁性体の磁界に感応して内部
抵抗が変化する磁気抵抗効果素子が少なくとも一対所定
間隔離して設けられてなる磁気センサと、該磁気センサ
の出力段にそれぞれ設けられ、前記磁気回転体が回転し
た際に、前記各磁気センサに設けられて少なくとも一対
の磁気抵抗効果素子間の抵抗変化の違いを正弦波状のア
ナログ電圧信号に変換してその信号が出力されるセンサ
出力手段と、該２つのセンサ出力手段から出力される両
者の正弦波状の電圧信号の瞬時の大きさの違いに基づい
て前記回転軸上に働く負荷トルクが検出されるトルク検
出手段とで構成されるトルク検出装置において、前記各
磁気センサに配置される一対の前記磁気抵抗効果素子を
２組備え、該対の関係にある前記磁気抵抗効果素子の間
隔は前記磁気回転体の磁極ピッチ（λ）に対してλ/2、
前記組の関係にある間隔はλ/6離して配置されてなり、
前記両組には前記センサ出力手段が設けられ、その手段
からの出力信号の加算値に基づき前記負荷トルクが検出
されることで達成される。
隔離して取り付けられた両回転体の表面にN,S極の磁気
信号を記録した磁性体が複数個設けられてなる２つの磁
気回転体と、前記２つの磁気回転体の磁性体表面にそれ
ぞれ対向して配置され、該磁性体の磁界に感応して内部
抵抗が変化する磁気抵抗効果素子が少なくとも一対所定
間隔離して設けられてなる磁気センサと、該磁気センサ
の出力段にそれぞれ設けられ、前記磁気回転体が回転し
た際に、前記各磁気センサに設けられて少なくとも一対
の磁気抵抗効果素子間の抵抗変化の違いを正弦波状のア
ナログ電圧信号に変換してその信号が出力されるセンサ
出力手段と、該２つのセンサ出力手段から出力される両
者の正弦波状の電圧信号の瞬時の大きさの違いに基づい
て前記回転軸上に働く負荷トルクが検出されるトルク検
出手段とで構成されるトルク検出装置において、前記各
磁気センサに配置される一対の前記磁気抵抗効果素子を
２組備え、該対の関係にある前記磁気抵抗効果素子の間
隔は前記磁気回転体の磁極ピッチ（λ）に対してλ/2、
前記組の関係にある間隔はλ/6離して配置されてなり、
前記両組には前記センサ出力手段が設けられ、その手段
からの出力信号の加算値に基づき前記負荷トルクが検出
されることで達成される。
磁気抵抗効果素子はパーマロイ等をガラス基板上に蒸着
して作られ、極性に無関係に磁界の強さによつて抵抗値
が変化する。従つて、全周にN,Sの磁気信号が記録され
た、磁気回転ドラム（磁気回転体）に、前記磁気抵抗効
果素子を対向させると、磁気回転ドラム（磁気回転体）
のN,S信号に応じた磁界が磁気抵抗効果素子に加えて、
速度に無関係に磁気回転ドラム（磁気回転体）の相対位
置を磁気抵抗素子の抵抗変化として取り出すことができ
る。それにより、出力波形を正弦波とすることで停止時
のトルクでも、各々の正弦波の大きさより角度を測定す
ることにより検出できる。
して作られ、極性に無関係に磁界の強さによつて抵抗値
が変化する。従つて、全周にN,Sの磁気信号が記録され
た、磁気回転ドラム（磁気回転体）に、前記磁気抵抗効
果素子を対向させると、磁気回転ドラム（磁気回転体）
のN,S信号に応じた磁界が磁気抵抗効果素子に加えて、
速度に無関係に磁気回転ドラム（磁気回転体）の相対位
置を磁気抵抗素子の抵抗変化として取り出すことができ
る。それにより、出力波形を正弦波とすることで停止時
のトルクでも、各々の正弦波の大きさより角度を測定す
ることにより検出できる。
さらに、磁気センサに配置される一対の前記磁気抵抗効
果素子を２組備え、該対の関係にある前記磁気抵抗効果
素子の間隔は前記磁気回転体の磁極ピッチ（λ）に対し
てλ/2、前記組の関係にある間隔はλ/6離して配置し、
前記両組に設けられる前記センサ出力手段の前記電圧信
号を加算することにより、上記出力信号波形に含まれる
３次調波が減少できるので高精度なトルク検出が可能と
なる。
果素子を２組備え、該対の関係にある前記磁気抵抗効果
素子の間隔は前記磁気回転体の磁極ピッチ（λ）に対し
てλ/2、前記組の関係にある間隔はλ/6離して配置し、
前記両組に設けられる前記センサ出力手段の前記電圧信
号を加算することにより、上記出力信号波形に含まれる
３次調波が減少できるので高精度なトルク検出が可能と
なる。
本発明に係るトルク検出装置の実施例を説明する。
第１図は本発明を実施する上で対象としたトルク検出装
置の略示構成図である。第２図は第１図において一方の
磁気回転ドラム（磁気回転体）と磁気センサの関係を示
した略示構成図である。第３図は、第２図の一部展開図
であり、第４図，第５図及び第６図はその動作波形説明
図である。
置の略示構成図である。第２図は第１図において一方の
磁気回転ドラム（磁気回転体）と磁気センサの関係を示
した略示構成図である。第３図は、第２図の一部展開図
であり、第４図，第５図及び第６図はその動作波形説明
図である。
第１図において、１は回転する軸であり、2,2′は回転
ドラムである。回転ドラム２と２′は軸１に間隔Ｌだけ
隔てて固着され、そのドラム表面には交互にN,S極の磁
気信号が複数記録された磁性体3,3′を有する。４は磁
気抵抗効果素子（以下MR素子と称す）Ｒで構成される磁
気センサであり、各々回転ドラム2,2′上の磁性体表面
に対向し、小さな間隙を介して配置される。ここで、回
転ドラム2,2′と磁気センサ4,4′の動作について第２図
を用いて説明する。
ドラムである。回転ドラム２と２′は軸１に間隔Ｌだけ
隔てて固着され、そのドラム表面には交互にN,S極の磁
気信号が複数記録された磁性体3,3′を有する。４は磁
気抵抗効果素子（以下MR素子と称す）Ｒで構成される磁
気センサであり、各々回転ドラム2,2′上の磁性体表面
に対向し、小さな間隙を介して配置される。ここで、回
転ドラム2,2′と磁気センサ4,4′の動作について第２図
を用いて説明する。
第２図では、動作説明上回転ドラム２と磁気センサ４を
取り出したものである。前述したように、回転ドラム２
の磁性体３にはN,Sの磁気信号が全周にわたつて記録さ
れており、間隙ｌを介してMR素子R1，R2で構成された磁
気センサ４が対向配置されている。
取り出したものである。前述したように、回転ドラム２
の磁性体３にはN,Sの磁気信号が全周にわたつて記録さ
れており、間隙ｌを介してMR素子R1，R2で構成された磁
気センサ４が対向配置されている。
第３図（Ａ）および第３図（Ｂ）は、第２図に示した回
転ドラム２における磁性体３と磁気センサ４の配置関係
を示す拡大展開図である。第３図において、MR素子R1，
R2は、磁性体３の記録波長（Ｎ極とＳ極の間隔）λに対
してλ/2ずつ離して配置している。第４図にこの動作波
形を示した。第４図において、前記回転ドラム２の磁性
体３は、回転ドラム２の回転によつて図示矢印のように
移動するものである。一方、周知のようにMR素子R1，R2
は、磁気信号のＮ極,S極の磁束変化のいずれかの信号が
加わると抵抗値が低下する特性を有しているので、磁性
体３が矢印のごとく移動すると、MR素子R1，R2の抵抗変
化は、記録波長λに応じた抵抗変化が得られ各々（R1，
R2）はλ/2位相のずれた波形となる。ここで、前記MR素
子R1，R2を第５図のように３端子に接続し、両端に電圧
Ｖを加えると出力端子EA1から得られる電圧は、第６図
（Ａ）に示すような波形となり、磁性体３に記録した磁
気信号に対応した出力EA1が得られるものである。一
方、同様に第１図で示した回転ドラム２′と磁気センサ
４′からも同様の作用で第６図（Ｂ）に示した波形EA2
が得られる。
転ドラム２における磁性体３と磁気センサ４の配置関係
を示す拡大展開図である。第３図において、MR素子R1，
R2は、磁性体３の記録波長（Ｎ極とＳ極の間隔）λに対
してλ/2ずつ離して配置している。第４図にこの動作波
形を示した。第４図において、前記回転ドラム２の磁性
体３は、回転ドラム２の回転によつて図示矢印のように
移動するものである。一方、周知のようにMR素子R1，R2
は、磁気信号のＮ極,S極の磁束変化のいずれかの信号が
加わると抵抗値が低下する特性を有しているので、磁性
体３が矢印のごとく移動すると、MR素子R1，R2の抵抗変
化は、記録波長λに応じた抵抗変化が得られ各々（R1，
R2）はλ/2位相のずれた波形となる。ここで、前記MR素
子R1，R2を第５図のように３端子に接続し、両端に電圧
Ｖを加えると出力端子EA1から得られる電圧は、第６図
（Ａ）に示すような波形となり、磁性体３に記録した磁
気信号に対応した出力EA1が得られるものである。一
方、同様に第１図で示した回転ドラム２′と磁気センサ
４′からも同様の作用で第６図（Ｂ）に示した波形EA2
が得られる。
ここで、第１図のトルク検出装置において、例えば軸１
の駆動側にモータを取り付け、負荷側に負荷を取り付け
ると軸１は、その負荷トルクに比例して角度θだけねじ
れる。これを式であらわすと次のようになる。
の駆動側にモータを取り付け、負荷側に負荷を取り付け
ると軸１は、その負荷トルクに比例して角度θだけねじ
れる。これを式であらわすと次のようになる。
ここで、θ：ねじれ角（rad）,G:軸のせん断係数（kg/c
m2）,L:ドラム間の距離（cm）,D:軸径（cm）である。せ
ん断係数Ｇは軸の材質で決まるもので、ドラム間の距離
Ｌと軸径Ｄが決まればねじれ角θに対するトルクＴがわ
かる。従つて、軸１のねじれ角θを検出することによ
り、トルク測定が可能となる。軸１のねじれ角θの測定
方法の一例を第７図（Ａ）および第７図（Ｂ）に示す。
第７図（Ａ）において、軸１のねじれ角θは、回転ドラ
ム２と磁気センサ４で得られる出力EA1と回転ドラム
２′と磁気センサ４′で得られる出力EA2の零クロスに
おける位相差θ2−θ1を測定して行う。すなわち、第７
図（Ａ）に示すように負荷トルクが小さい場合は、軸１
のねじれ量も小さいので出力EA1とEA2の零クロスにおけ
る位相差θ1は小さくなる。逆に、第７図（Ｂ）のよう
に負荷トルクが大きい場合は軸１のねじれ量も増加する
ので、零クロスにおける位相差θ2は大きくなる。従つ
て、この位相差θ1あるいはθ2を測定すればトルクの大
きさを検出できる。第８図は、本発明が対象としたトル
ク検出装置の一特性を示したもので、トルクＴに対する
位相角θの関係を実測したものである。
m2）,L:ドラム間の距離（cm）,D:軸径（cm）である。せ
ん断係数Ｇは軸の材質で決まるもので、ドラム間の距離
Ｌと軸径Ｄが決まればねじれ角θに対するトルクＴがわ
かる。従つて、軸１のねじれ角θを検出することによ
り、トルク測定が可能となる。軸１のねじれ角θの測定
方法の一例を第７図（Ａ）および第７図（Ｂ）に示す。
第７図（Ａ）において、軸１のねじれ角θは、回転ドラ
ム２と磁気センサ４で得られる出力EA1と回転ドラム
２′と磁気センサ４′で得られる出力EA2の零クロスに
おける位相差θ2−θ1を測定して行う。すなわち、第７
図（Ａ）に示すように負荷トルクが小さい場合は、軸１
のねじれ量も小さいので出力EA1とEA2の零クロスにおけ
る位相差θ1は小さくなる。逆に、第７図（Ｂ）のよう
に負荷トルクが大きい場合は軸１のねじれ量も増加する
ので、零クロスにおける位相差θ2は大きくなる。従つ
て、この位相差θ1あるいはθ2を測定すればトルクの大
きさを検出できる。第８図は、本発明が対象としたトル
ク検出装置の一特性を示したもので、トルクＴに対する
位相角θの関係を実測したものである。
一方、MR素子Ｒは、前述したように磁界の大きさに対応
して抵抗値が変化するため、軸１が停止していても、MS
素子には回転ドラム2,2′の磁性体3,3′からのＮ極,S極
による所定強度の磁界が常に加わつているため軸１の停
止時のトルクを検出することができる。すなわち、上記
のように磁気センサ出力EA1，EA2の零クロスより両者の
位相差を求めたのでは零クロス時点でしかトルクが検出
できない。これに対して、EA1，EA2の瞬時の大きさの違
いから位相差を求めると連続して停止時からトルクが検
出できる。第９図及び第10図に停止時におけるトルク検
出の一例を示す。
して抵抗値が変化するため、軸１が停止していても、MS
素子には回転ドラム2,2′の磁性体3,3′からのＮ極,S極
による所定強度の磁界が常に加わつているため軸１の停
止時のトルクを検出することができる。すなわち、上記
のように磁気センサ出力EA1，EA2の零クロスより両者の
位相差を求めたのでは零クロス時点でしかトルクが検出
できない。これに対して、EA1，EA2の瞬時の大きさの違
いから位相差を求めると連続して停止時からトルクが検
出できる。第９図及び第10図に停止時におけるトルク検
出の一例を示す。
第９図は、本発明の一実施例であるトルク検出装置をモ
ータ６に組込んだ例を示したものである。回転ドラム2,
2′はモータ６のシヤフト１に任意の間隔をおいて固着
されている。磁気センサ4,4′は各々、回転ドラム2,2′
に小さな間隙をおいて対向して配置されている。又、回
転ドラム2,2′側のシヤフト１端には、例えば工作機な
どの負荷７が接続される。一般に、工作機等を駆動する
電動機は、インバータ等の発展に伴い直流電動機から交
流電動機化が急速に進んでいる。一方、工作機等を駆動
する電動機の軸トルクの検出は、加工物の加工精度，加
工速度等の制御のフイードバツクに欠くことができな
い。電動機の軸トルクは、直流電動機の場合には、電流
とトルクが比例することから、電流を検出することによ
り容易にトルクを検出できるが、交流電動機では、電流
トルクが比例しないため、電流でのトルク検出は、困難
である。そこで、本発明のようなトルク検出装置が必要
となる。
ータ６に組込んだ例を示したものである。回転ドラム2,
2′はモータ６のシヤフト１に任意の間隔をおいて固着
されている。磁気センサ4,4′は各々、回転ドラム2,2′
に小さな間隙をおいて対向して配置されている。又、回
転ドラム2,2′側のシヤフト１端には、例えば工作機な
どの負荷７が接続される。一般に、工作機等を駆動する
電動機は、インバータ等の発展に伴い直流電動機から交
流電動機化が急速に進んでいる。一方、工作機等を駆動
する電動機の軸トルクの検出は、加工物の加工精度，加
工速度等の制御のフイードバツクに欠くことができな
い。電動機の軸トルクは、直流電動機の場合には、電流
とトルクが比例することから、電流を検出することによ
り容易にトルクを検出できるが、交流電動機では、電流
トルクが比例しないため、電流でのトルク検出は、困難
である。そこで、本発明のようなトルク検出装置が必要
となる。
第９図のトルク検出装置で第１図と異なつている点は、
磁気センサの出力をトルク検出の他に位置検出及び速度
検出用として用するため、磁気センサ4,4′の出力から
各々sin,cosの２相信号を出力している点である。ここ
で、磁気センサの出力を２相出力にすることはMR素子の
場合、前述したように、パーマロイ等をガラス基板上に
蒸着して作るため、MR素子パターンの簡単な仕様変更に
よりガラス基板上に一体化して製作できるため、磁気セ
ンサ4,4′の数も増えず、センサ自体の大きさもほとん
ど変らないのでシステム全体の構造も簡単になる。
磁気センサの出力をトルク検出の他に位置検出及び速度
検出用として用するため、磁気センサ4,4′の出力から
各々sin,cosの２相信号を出力している点である。ここ
で、磁気センサの出力を２相出力にすることはMR素子の
場合、前述したように、パーマロイ等をガラス基板上に
蒸着して作るため、MR素子パターンの簡単な仕様変更に
よりガラス基板上に一体化して製作できるため、磁気セ
ンサ4,4′の数も増えず、センサ自体の大きさもほとん
ど変らないのでシステム全体の構造も簡単になる。
さて、第９図において、磁気センサ4,4′から90度位相
のずれた２相出力EA1とEB1及びEA2とEB2を取り出し、各
出力は、比較器51,52,52′及び53′により方形波MA1，M
B1，MA2及びMB2を得る。このうち２相の方形波MA1,MB
は、第10図（Ｂ）に示すように磁気センサ４の出力EA1
を４つのモードに分けるために使用される。例えば、出
力EA1の０°〜90°の範囲では、MA1，MB1の関係はH1，L
0となり、90°〜180°の範囲ではH1，H1となる。同様に
180°〜270°ではL0，H1,270°〜360°の範囲ではL0，L
0となる。さらに方形波波MA2，MB2は、磁気センサ４′
の出力EA2を４つのモードに分けるために使用される。
また、磁気センサ4,4′の出力EA1，EA2は、第10図
（Ａ）の（ロ）のように各々、三角波の搬送波PMと比較
し、正弦波出力AM1及びAM2を得る。例えば、磁気センサ
4,4′の出力EA1，EA2は第10図（Ａ）の（イ）のように
正弦波なので、出力EA1，EA2のアナログ量の大きさで角
度θを求めることができる。さらに、出力EA1，EA2のア
ナログ量は各々１周期間で同一電圧になる点が存在する
が、モード判別部８あるいは８′により０〜90度,90〜1
80度,180〜270度及び270〜360度の判定ができる。さら
に位置検出部９及び９′により、トルク検出14の他に位
置検出12,12′及び速度検出13,13′の情報を得ることが
できる。なお、位置および速度検出については負荷７の
位置及び速度検出を精度良く行う時には負荷側の回転ド
ラム２′と磁気センサ４′の情報で行うと検出精度の向
上が図れる。あるいは、モータ制御をスムーズに行ない
たい時はモータ側（駆動側）の回転ドラム２と磁気セン
サ４の位置及び速度情報を使用する方が良い。更に、負
荷の運転状態により負荷側と駆動側をスイツチ10及び1
0′により切り換える場合もある。
のずれた２相出力EA1とEB1及びEA2とEB2を取り出し、各
出力は、比較器51,52,52′及び53′により方形波MA1，M
B1，MA2及びMB2を得る。このうち２相の方形波MA1,MB
は、第10図（Ｂ）に示すように磁気センサ４の出力EA1
を４つのモードに分けるために使用される。例えば、出
力EA1の０°〜90°の範囲では、MA1，MB1の関係はH1，L
0となり、90°〜180°の範囲ではH1，H1となる。同様に
180°〜270°ではL0，H1,270°〜360°の範囲ではL0，L
0となる。さらに方形波波MA2，MB2は、磁気センサ４′
の出力EA2を４つのモードに分けるために使用される。
また、磁気センサ4,4′の出力EA1，EA2は、第10図
（Ａ）の（ロ）のように各々、三角波の搬送波PMと比較
し、正弦波出力AM1及びAM2を得る。例えば、磁気センサ
4,4′の出力EA1，EA2は第10図（Ａ）の（イ）のように
正弦波なので、出力EA1，EA2のアナログ量の大きさで角
度θを求めることができる。さらに、出力EA1，EA2のア
ナログ量は各々１周期間で同一電圧になる点が存在する
が、モード判別部８あるいは８′により０〜90度,90〜1
80度,180〜270度及び270〜360度の判定ができる。さら
に位置検出部９及び９′により、トルク検出14の他に位
置検出12,12′及び速度検出13,13′の情報を得ることが
できる。なお、位置および速度検出については負荷７の
位置及び速度検出を精度良く行う時には負荷側の回転ド
ラム２′と磁気センサ４′の情報で行うと検出精度の向
上が図れる。あるいは、モータ制御をスムーズに行ない
たい時はモータ側（駆動側）の回転ドラム２と磁気セン
サ４の位置及び速度情報を使用する方が良い。更に、負
荷の運転状態により負荷側と駆動側をスイツチ10及び1
0′により切り換える場合もある。
ここで、回転ドラム2,2′が第10図（Ａ）の（イ）の
（ａ）点で停止している場合を考えると、搬送波PMが磁
気センサ４の出力EA1の（ａ）点に達するまで時間tm1の
幅のパルスAM1が得られる。この時、第９図のモータ６
のシヤフト１にトルクＴが加わつていれば、回転ドラム
２′と磁気センサ４′から得られる出力EA2は、第10図
（Ａ）の（イ）の破線で示すような波形となり、時間t
m2の間の幅のパルスAM2が得られる。このパルスAM1とA
M2は、時間tm1とtm2の値をトルク測定部１に入力しドラ
ム2,2′間の角度差として求められ、トルク検出が可能
となる。
（ａ）点で停止している場合を考えると、搬送波PMが磁
気センサ４の出力EA1の（ａ）点に達するまで時間tm1の
幅のパルスAM1が得られる。この時、第９図のモータ６
のシヤフト１にトルクＴが加わつていれば、回転ドラム
２′と磁気センサ４′から得られる出力EA2は、第10図
（Ａ）の（イ）の破線で示すような波形となり、時間t
m2の間の幅のパルスAM2が得られる。このパルスAM1とA
M2は、時間tm1とtm2の値をトルク測定部１に入力しドラ
ム2,2′間の角度差として求められ、トルク検出が可能
となる。
次に正弦波出力より各々の回転ドラムの角度を求め、そ
の角度差でトルクを演算するのにマイクロコンピユータ
を使用した例について第11図，第12図により説明する。
第９図で示した磁気センサ４から２相出力EB1，EA1及び
磁気センサ４′からEA2，EB2の２相出力が第11図に各々
入力される。この出力はアンプAM1〜AM4により増幅し
て、a1sinθ1，a1cosθ，a2sinθ，a2cosθとなる。こ
れを各々アナログ−デジタル（A/D）変換器AD1〜AD4を
通して、マイクロコンピユータMCに入力する。マイクロ
コンピユータMCでは第12図に示すフローチヤートに従つ
て演算処理を行つて、端子14にトルクに比例した出力を
出す。
の角度差でトルクを演算するのにマイクロコンピユータ
を使用した例について第11図，第12図により説明する。
第９図で示した磁気センサ４から２相出力EB1，EA1及び
磁気センサ４′からEA2，EB2の２相出力が第11図に各々
入力される。この出力はアンプAM1〜AM4により増幅し
て、a1sinθ1，a1cosθ，a2sinθ，a2cosθとなる。こ
れを各々アナログ−デジタル（A/D）変換器AD1〜AD4を
通して、マイクロコンピユータMCに入力する。マイクロ
コンピユータMCでは第12図に示すフローチヤートに従つ
て演算処理を行つて、端子14にトルクに比例した出力を
出す。
第12図のフローチヤートは始めに磁気センサ4,4′の出
力をアンプしてA/D変換した後のデイジタル値A1，B1，A
2，B2を読み込む、次にA1とB1より次式のような演算を
行つて回転ドラム２の角度θ1を出す。
力をアンプしてA/D変換した後のデイジタル値A1，B1，A
2，B2を読み込む、次にA1とB1より次式のような演算を
行つて回転ドラム２の角度θ1を出す。
ここでA1とB1の正負を判別してモードを判定してθ1の
値を決める。
値を決める。
同様にして、入力A2，B2により回転ドラム２′の角度θ
2を次式で演算する。
2を次式で演算する。
次に角度θ1とθ2の差より回転ドラム２と２′の角度差
すなわちねじれ角θ0を演算して、（１）式より変形し
た次式によりトルクＴを演算する。
すなわちねじれ角θ0を演算して、（１）式より変形し
た次式によりトルクＴを演算する。
次にトルクＴを出力して始めの状態に戻る。ここで
（２）式のθ1の演算は（５）式のようにA1又は θ1＝sin-1A1＝cos-1B1 …（５） B1だけを使用しても演算できる。しかし回転ドラム２又
は２′と磁気センサ４又は４′との小さな間隙（スペー
シング）の変化等により、磁気センサ4,4′の出力が変
化した場合は出力A1，B2が同時に変化するので（２）式
のようにA1とB1を割算したほうが精度を高くできる。
（２）式のθ1の演算は（５）式のようにA1又は θ1＝sin-1A1＝cos-1B1 …（５） B1だけを使用しても演算できる。しかし回転ドラム２又
は２′と磁気センサ４又は４′との小さな間隙（スペー
シング）の変化等により、磁気センサ4,4′の出力が変
化した場合は出力A1，B2が同時に変化するので（２）式
のようにA1とB1を割算したほうが精度を高くできる。
第13図は回転位置及び回転速度のフローチヤートを示
す。まず、正弦波のデイジタル入力A1，B1を取込み、速
度測定用のタイマーの時間ｔを読込んで１時保管した後
タイマーを両スタートさせる。次にトルク検出を行つた
と同様に（２）式による演算により１サイクル内の微角
度θ1を得る。次に、前回の微角度θn-1をメモリから読
出し、今回の角度θ1との差を演算して角度の変化分
（θn-1−θ1）を求め、これを先に１時保管した前回と
今回の時間差ｔで割って速度ｖを演算して、出力端子13
に出力する。また、位置の演算は今回の微角度θ1と前
回の微角度θn-1の差に前回までの角度累積θΣ-1を加
えて現在角度θΣを演算して、出力端子12に出力する。
次に今回の微位置θ1をθn-1のメモリに入れ、現在角度
θΣを前回の度度θΣ-1メモリに入れて元に戻る。以上
は微角度θ1と前回の微角度θn-1が１サイクル以内の例
であるが１サイクル以上変化する場合は角度累積を用い
て演算する。
す。まず、正弦波のデイジタル入力A1，B1を取込み、速
度測定用のタイマーの時間ｔを読込んで１時保管した後
タイマーを両スタートさせる。次にトルク検出を行つた
と同様に（２）式による演算により１サイクル内の微角
度θ1を得る。次に、前回の微角度θn-1をメモリから読
出し、今回の角度θ1との差を演算して角度の変化分
（θn-1−θ1）を求め、これを先に１時保管した前回と
今回の時間差ｔで割って速度ｖを演算して、出力端子13
に出力する。また、位置の演算は今回の微角度θ1と前
回の微角度θn-1の差に前回までの角度累積θΣ-1を加
えて現在角度θΣを演算して、出力端子12に出力する。
次に今回の微位置θ1をθn-1のメモリに入れ、現在角度
θΣを前回の度度θΣ-1メモリに入れて元に戻る。以上
は微角度θ1と前回の微角度θn-1が１サイクル以内の例
であるが１サイクル以上変化する場合は角度累積を用い
て演算する。
以上は磁気センサ4,4′から正弦波状を出力を得られた
場合について述べたが実際に正弦波出力を得る方法を第
14図で説明する。磁気センサ４の磁気抵抗効果素子（MR
素子）Ra1とRa2及びRb1とRb2は記録波λに対してλ/2離
して配置し、Ra1とRb1およびRa2とRb2はそれぞれλ/6離
して配置している。このような配置で各MR素子を図示の
ように接続するので回転ドラム２が回転すると各MR素子
Ra1とRa2による出力eaは図示の実線eaのようになる。こ
の波形歪はMR素子が磁界に対して抵抗変化が飽和するた
めに生ずる。このためこの歪波の主成分は第３次調波で
あり、図示破線のように基本波ea1と第３次調波ea3に分
けることができる。またMR素子Rb1とRa2による出力ebも
同様に基本波eb1と第３次調波eb3のようになる。接続図
に示すブリツジ出力（ea＋eb）すなわちEA1を考えると
第３次調波ea3とeb3は逆位相で打波され基本波のみが得
られる。
場合について述べたが実際に正弦波出力を得る方法を第
14図で説明する。磁気センサ４の磁気抵抗効果素子（MR
素子）Ra1とRa2及びRb1とRb2は記録波λに対してλ/2離
して配置し、Ra1とRb1およびRa2とRb2はそれぞれλ/6離
して配置している。このような配置で各MR素子を図示の
ように接続するので回転ドラム２が回転すると各MR素子
Ra1とRa2による出力eaは図示の実線eaのようになる。こ
の波形歪はMR素子が磁界に対して抵抗変化が飽和するた
めに生ずる。このためこの歪波の主成分は第３次調波で
あり、図示破線のように基本波ea1と第３次調波ea3に分
けることができる。またMR素子Rb1とRa2による出力ebも
同様に基本波eb1と第３次調波eb3のようになる。接続図
に示すブリツジ出力（ea＋eb）すなわちEA1を考えると
第３次調波ea3とeb3は逆位相で打波され基本波のみが得
られる。
本実施例では、回転ドラム2,2′と磁気センサ4,4′をモ
ータ６のシヤフト１に外付けした構造で説明したが、回
転ドラム2,2′と磁気センサ4,4′をモータ６の中に内蔵
しても良い。さらに、回転ドラム2,2′の形状をドラム
タイプとしたが、第15図の様に円板の平面（片面又は両
面）に磁性体3,3′を装着して検出する構造としてもよ
い。磁性体3,3′を円板の両面に装着した場合は磁気セ
ンサの数も必要個数配置させる必要がある。
ータ６のシヤフト１に外付けした構造で説明したが、回
転ドラム2,2′と磁気センサ4,4′をモータ６の中に内蔵
しても良い。さらに、回転ドラム2,2′の形状をドラム
タイプとしたが、第15図の様に円板の平面（片面又は両
面）に磁性体3,3′を装着して検出する構造としてもよ
い。磁性体3,3′を円板の両面に装着した場合は磁気セ
ンサの数も必要個数配置させる必要がある。
又、本実施例ではトルク検出の他に位置検出及び速度検
出の情報を同一のセンサから得られるので、モータ制御
等の高信頼，高精度化が図れる。
出の情報を同一のセンサから得られるので、モータ制御
等の高信頼，高精度化が図れる。
本発明によれば、トルク検出装置を、磁気信号を記録し
た磁性体を有する回転ドラムとMR素子を配置した磁気セ
ンサとにより構成することによりセンサ出力として正弦
波出力が得られるので、その出力の大きさに基づいて任
意の時間で連続してトルクが検出できると共に、特に停
止時においても高精度でトルク検出ができる。さらに磁
気センサの出力の大きさは回転数に依存せず一定であり
処理回路の構成も簡単にできる。また、磁気を利用して
いるため塵埃，結露等の耐環境性に優れているので信頼
性の高いトルク検出装置を提供できる。
た磁性体を有する回転ドラムとMR素子を配置した磁気セ
ンサとにより構成することによりセンサ出力として正弦
波出力が得られるので、その出力の大きさに基づいて任
意の時間で連続してトルクが検出できると共に、特に停
止時においても高精度でトルク検出ができる。さらに磁
気センサの出力の大きさは回転数に依存せず一定であり
処理回路の構成も簡単にできる。また、磁気を利用して
いるため塵埃，結露等の耐環境性に優れているので信頼
性の高いトルク検出装置を提供できる。
第１図は本発明を実施する上で対象としたトルク検出装
置の略示構成図、第２図はトルク検出装置を構成する回
転ドラムと磁気センサの詳細図、第３図（Ａ）は磁性体
の展開図、第３図（Ｂ）はこの磁性体に対する磁気セン
サの平面図、第４図は磁性体に記録された磁極とセンサ
の出力を示す図、第５図はMR素子の三端子接続図、第６
図（Ａ）および第６図（Ｂ）は三端子の中点から得られ
る出力波形図、第７図（Ａ）および第７図（Ｂ）も同じ
く磁気センサから得られる出力波形に基づいて負荷トル
ク検出する手法説明図、第８図は本発明が対象としたト
ルク検出装置の特性図、第９図は本発明の一実施例を示
すトルク検出装置の構成図、第10図（Ａ）はセンサ出力
波形と搬送波との関係を示す図、第10図（Ｂ）は二つの
磁気センサ出力信号からのモードを判別する説明図、第
11図は本発明の他の実施例の構成図である。第12図は他
の実施例のトルク演算のフローチヤートである。第13図
は他の実施例の速度検出及び位置検出のフローチヤート
である。第14図は本発明の正弦波出力を得る手段の１実
施例である。第15図は他の実施例の略示構成図である。 １……軸、2,2′……回転ドラム、3,3′……磁性体、4,
4′……磁気センサ、６……モータ、７……負荷、8,8′
……モード判別部、9,9′……位置検出部、10,10′……
切り換スイツチ、11……トルク測定部、12,12′……位
置出力部、13,13′……速度出力部、14……トルク出力
部、51,52,53,51′,52′,53′……比較器、Ｒ……MS素
子、EA1，EA2……磁気センサ出力、A1，B1……モード判
別用２相出力、AM1，AM2……停止時のパルス出力。
置の略示構成図、第２図はトルク検出装置を構成する回
転ドラムと磁気センサの詳細図、第３図（Ａ）は磁性体
の展開図、第３図（Ｂ）はこの磁性体に対する磁気セン
サの平面図、第４図は磁性体に記録された磁極とセンサ
の出力を示す図、第５図はMR素子の三端子接続図、第６
図（Ａ）および第６図（Ｂ）は三端子の中点から得られ
る出力波形図、第７図（Ａ）および第７図（Ｂ）も同じ
く磁気センサから得られる出力波形に基づいて負荷トル
ク検出する手法説明図、第８図は本発明が対象としたト
ルク検出装置の特性図、第９図は本発明の一実施例を示
すトルク検出装置の構成図、第10図（Ａ）はセンサ出力
波形と搬送波との関係を示す図、第10図（Ｂ）は二つの
磁気センサ出力信号からのモードを判別する説明図、第
11図は本発明の他の実施例の構成図である。第12図は他
の実施例のトルク演算のフローチヤートである。第13図
は他の実施例の速度検出及び位置検出のフローチヤート
である。第14図は本発明の正弦波出力を得る手段の１実
施例である。第15図は他の実施例の略示構成図である。 １……軸、2,2′……回転ドラム、3,3′……磁性体、4,
4′……磁気センサ、６……モータ、７……負荷、8,8′
……モード判別部、9,9′……位置検出部、10,10′……
切り換スイツチ、11……トルク測定部、12,12′……位
置出力部、13,13′……速度出力部、14……トルク出力
部、51,52,53,51′,52′,53′……比較器、Ｒ……MS素
子、EA1，EA2……磁気センサ出力、A1，B1……モード判
別用２相出力、AM1，AM2……停止時のパルス出力。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭59−27230（ＪＰ，Ａ) 特開 昭56−107140（ＪＰ，Ａ) 実開 昭50−4784（ＪＰ，Ｕ)
Claims (2)
- 【請求項１】駆動側と負荷側とを結ぶ回転軸上に所定間
隔離して取り付けられた両回転体の表面にN,S極の磁気
信号を記録した磁性体が複数個設けられてなる２つの磁
気回転体と、前記２つの磁気回転体の磁性体表面にそれ
ぞれ対向して配置され、該磁性体の磁界に感応して内部
抵抗が変化する磁気抵抗効果素子が少なくとも一対所定
間隔離して設けられてなる磁気センサと、 該磁気センサの出力段にそれぞれ設けられ、前記磁気回
転体が回転した際に、前記各磁気センサに設けられた少
なくとも一対の磁気抵抗効果素子間の抵抗変化の違いを
正弦波状のアナログ電圧信号に変換してその信号が出力
されるセンサ出力手段と、該２つのセンサ出力手段から
出力される両者の正弦波状の電圧信号の瞬時の大きさの
違いに基づいて前記回転軸上に働く負荷トルクが検出さ
れるトルク検出手段とを具備したトルク検出装置におい
て、 前記各磁気センサに配置される一対の前記磁気抵抗効果
素子を２組（Ra1とRa2及びRb1とRb2）備え、該対の関係
にある前記磁気抵抗効果素子の間隔は前記磁気回転体の
磁極ピッチ（λ）に対してλ/2、前記組の関係にある間
隔はλ/6離して配置されてなり、前記両組には前記セン
サ出力手段が設けられ、その手段からの出力信号の加算
値に基づき前記負荷トルクが検出されることを特徴とす
るトルク検出装置。 - 【請求項２】特許請求の範囲第１項において、 前記各センサ出力手段の正弦波状の電圧信号（EA1，
EA2）より90度位相のずれた正弦波状の電圧信号（EB1，
EB2）をそれぞれ生成し、該各センサ毎に得られた２相
電圧信号（sin信号,cos信号）の大きさの比から前記各
磁気回転体の角度（位相）を求め、その得られた両者の
角度の差（位相差）より前記回転軸上に働く負荷トルク
が検出されることを特徴とするトルク検出装置。
Priority Applications (10)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP62253694A JPH0758231B2 (ja) | 1987-10-09 | 1987-10-09 | トルク検出装置 |
| KR1019880007458A KR890000890A (ko) | 1987-06-22 | 1988-06-21 | 토크검출장치 |
| DE3821083A DE3821083A1 (de) | 1987-06-22 | 1988-06-22 | Drehmomenterfassungsgeraet |
| DE3844578A DE3844578C2 (ja) | 1987-06-22 | 1988-06-22 | |
| DE3844580A DE3844580C2 (ja) | 1987-06-22 | 1988-06-22 | |
| DE3844579A DE3844579C2 (ja) | 1987-06-22 | 1988-06-22 | |
| DE3844577A DE3844577C2 (ja) | 1987-06-22 | 1988-06-22 | |
| GB8814893A GB2207763B (en) | 1987-06-22 | 1988-06-22 | Torque detecting apparatus |
| US07/209,998 US4874053A (en) | 1987-06-22 | 1988-06-22 | Torque detecting apparatus |
| GB9113393A GB2245712B (en) | 1987-06-22 | 1991-06-19 | Torque detecting apparatus |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP62253694A JPH0758231B2 (ja) | 1987-10-09 | 1987-10-09 | トルク検出装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0197826A JPH0197826A (ja) | 1989-04-17 |
| JPH0758231B2 true JPH0758231B2 (ja) | 1995-06-21 |
Family
ID=17254850
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP62253694A Expired - Lifetime JPH0758231B2 (ja) | 1987-06-22 | 1987-10-09 | トルク検出装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH0758231B2 (ja) |
Families Citing this family (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH0346530A (ja) * | 1989-07-14 | 1991-02-27 | Hitachi Ltd | トルク検出装置を用いた制御装置 |
| JP2515891B2 (ja) * | 1989-09-20 | 1996-07-10 | 株式会社日立製作所 | 角度センサ及びトルクセンサ、そのセンサの出力に応じて制御される電動パワ―ステアリング装置 |
| FR2661246B1 (fr) * | 1990-04-20 | 1994-08-05 | Roulements Soc Nouvelle | Dispositif de mesure d'un couple sur un arbre. |
| JP2007093406A (ja) * | 2005-09-29 | 2007-04-12 | Ntn Corp | ドライブシャフトの軸トルク測定方法および測定装置 |
| JP2007093407A (ja) * | 2005-09-29 | 2007-04-12 | Ntn Corp | ドライブシャフトの軸トルク測定方法および測定装置 |
| JP6557961B2 (ja) * | 2014-11-13 | 2019-08-14 | 日本精工株式会社 | 回転装置 |
| JP6520059B2 (ja) * | 2014-11-13 | 2019-05-29 | 日本精工株式会社 | トルク測定装置付回転伝達装置 |
| US12044529B2 (en) | 2019-03-14 | 2024-07-23 | Panasonic Intellectual Property Management Co., Ltd. | Magnetic sensor including a magnetoresistance element and sensor system |
| BR202019019537U2 (pt) * | 2019-09-19 | 2021-03-30 | Daniel Augusto Do Carmo | Aparelho para medição de velocidade angular instantânea |
Family Cites Families (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS504784U (ja) * | 1973-05-09 | 1975-01-18 | ||
| JPS56107140A (en) * | 1980-01-30 | 1981-08-25 | Yaskawa Electric Mfg Co Ltd | Torque detection device |
| JPS5927230A (ja) * | 1982-08-07 | 1984-02-13 | Aisin Seiki Co Ltd | トルクセンサ |
-
1987
- 1987-10-09 JP JP62253694A patent/JPH0758231B2/ja not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH0197826A (ja) | 1989-04-17 |
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