JPS59166827A - 差動方式による磁気ひずみ形トルクセンサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、構成が簡単で、トルク伝達軸の材質及びその
回転速度に影響されることなくトルクを高感度で検出す
ることのできる新しいトルクセンサに関するものである
。

一般に１強磁性体を磁化すると磁化方向の長さがわずか
に変化し、逆にその長さが変化するのを阻止するように
力を加えたり、変化を助長するように力を加えてやると
磁化特性が変化する０通常前者の現象は磁気ひずみ効果
、後者の現象は磁気ひずみの逆効果あるいは応力−磁気
効果と呼ばれている。応力による磁気的性質の変化は応
力によって磁気異方性と呼ばれる性質が現れるためで。

その大きさは強磁性体を磁化飽和まで磁化した場合のひ
ずみを表す飽和磁気ひずみ定数λ、と印加された応力σ
の積λ８σに比例する。σによる磁気特性の変化を透磁
率の変化としてとらえれば、σの影響は磁気抵抗の変化
もしくは自己インダクタンス、相互インダクタンスの変
化として現れるから。

応力から電気信号への直接的な変換が可能とな見。

トルクセンサに関してもこれまでにいくつかの方式のも
のが試みられてきた。そのようなものの１つに通常トル
ク伝達軸が鉄を主成分とする強磁性体であることに着目
し、軸自身に現れる磁気ひずみの逆効果を利用した方式
のものがある。しかし一般に、トルク伝達軸の製造工程
においてはその強度のみに注意が払われており磁気的性
質は軸の回転方向に対し一様でなく又保磁力も比較的大
きいため、軸の回転と共に出力が変動したシ、励磁電力
が大きくなる等の欠点があった。又トソレク検出の感度
、精度を向上させる目的から９強磁性材料からなる中空
丸棒をトルク伝達軸の一部として挿入し、検出すべきト
ルクを受ける棒として用い。

その中空丸棒における磁気ひずみの逆効果の１種である
逆つイーデマン効果を利用して検出する方式のものでは
実装性の点で制限を受けるものであった。

これらに対し、最近、アモルファス（非晶質）磁性薄帯
をトルクを受ける弾性棒の外周上に接着等の方法で固定
し、トルクによる弾性棒表面に現れる応力がその表面に
固定されたアモルファス磁性薄帯に導入されるようにし
、その薄帯における磁気ひずみの逆効果を用いる方式の
ものが、考案されている。その１つは非磁性の弾性棒を
トルクを受ける棒として用い、その外周上にトルクによ
る主応力の発生する。軸方向に対し４５°の角をなすら
せんにそって幅の狭いアモルファス磁性薄帯をある程度
長く巻いて固定した方式のもので、トルクによる上記薄
帯の透磁率変化が、検出巻線の自己インダクタンスの変
化として現れるようにし。

トルクを検出しようとするものであった。この方仲、ト
ルクを受ける弾性棒には１強磁性を示す材質のものは使
用できないことである。なぜならば。

弾性棒外周に固定されたアモルファス磁性薄帯の断面積
は１弾性棒の断面積に比べ著しく小さく。

もしこれに通常のトルク伝達軸のような強磁性体の棒を
用いたならば１弾性棒の磁束の影響の方があまシにも大
きいため、上記アモルファス磁性薄帯の透磁率変化から
くる検出コイルの自己インダクタンスの変化は相対的に
極めて小さくなりその検出が困難となるからである。又
場合によっては弾性棒自身の逆つイーデマン効果による
磁束変化も同時に現れ、アモルファス磁性薄帯の透磁、
率変化による自己インダクタンスの変化のみを検出する
ことが本質的に不可能となるからである。つまシこの方
式においては、トルク伝達軸の一部に非磁性体からなる
専用の弾性棒を挿入しなければならず実装上の問題が解
決されていないということ。

又仮りに強磁性体の弾性棒を使用したとすれば。

アモルファス磁性薄帯に限らず、磁性薄帯をトルク検出
に用いる利点がほとんど見い出せない。

一方幅広アモルファス磁性薄帯を用いる方式のものでは
トルク検出機構が差動的に構成され、トルクを受ける弾
性棒はその磁気的性質において制限を受けないという特
徴を有していた。第１図には後に上記トルクセンサの原
理を参照するためにその基本構成を示している。トルク
伝達軸ｌの外周面上の２ケ所に幅広の高磁気ひずみアモ
ルファス磁性薄帯２ａ、２ｂが接着されており、各薄帯
には中心軸８とα０及び−α０の方向に一軸磁気異方性
５ａ。

を共有する円筒状に巻かれた励磁コイル３．及び逆直列
に結線された検出コイル４ａ、４ｂが配置されておシ、
励磁コイル３には数１０ｋＨｚの交流電源６が、検出コ
イルに・は直流出力電圧を取シ出すための同期整流回路
７が各々接続されている。第２図は同図（ａ）に示すト
ルク伝達軸１の外周に近接して巻かれた中心軸８を共有
する円筒状コイル９を同図（ｂ）の簡略化されたコイル
１０により表すことを述べたコイルの簡略表示法に関す
る。この方式のトルクセンナの検出原理及び特性は原田
、笹田等により以下のいくつかの文献で明らかにされて
いる。

〔１〕［アモルファス磁性薄帯によるトルクトランスデ
ー−サ１．電気学会マグネティックス研究会資料、　Ｍ
ＡＧ−８１−７１、昭和５６年１０月。

〔２〕［アモルファス磁性薄帯によるトルクトランスデ
ユーサの出力特性−１，同上資料、　ＭＡＧ　−８２−
２３，昭和５７年１月。

上記（：１：］、［：２）を整理した内容の〔３〕［ア
モルファス磁性薄帯によるトルクトランスデューサ」、
同上資料、　ＭＡＧ−８２−１６２，昭和５７年１２月 〔４〕「応力感応アモルファス磁性薄帯による新しいト
ルクトランスデユーサｊ　’、　ＩＥＥＥ　Ｔｒａｎｓ
　−ａｃｔｉｏｎ　ｏｎ　Ｍａｇｎｅｔｉｃｓ　、　Ｖ
ｏｌ　、ＩＶＬＡＧ７１８．　Ｎｏ、　６゜ｐｐ１７６
７〜１７６９．　Ｓｅｐｔｅｍｂｅｒ、　１９８２゜以
上の研究結果によると、検出コイルには２つのアモルフ
ァス磁性薄帯２ａ、２ｂの透磁率の差に基づく磁束のみ
が鎖交し１強磁性体弾性棒の磁束は打消されてしまうも
のであること、又アモルファス磁性薄帯として、　　Ｉ
Ｓ＝　１．５Ｔ、λ５＝２４Ｘ１０−６の鉄系のものを
用い、トルク伝達軸として強磁性体であるバネ鋼（ＳＵ
Ｐ９）を用い、励磁電源として２０ｋＨｚの交流電源を
用い、静止トルクから瞬時トルクにいたるトルクがトル
ク伝達軸の回転数に無関係に。

高精度で検出できることが明らかにされている。

ところで、上記方式のトルクセンサを実際に応用しよう
とＪる立場からみると、応用対象機械装置によっては、
トルク伝達軸に接着される２つの幅広アモルファス磁性
薄帯に一軸磁気異方性を付与する工程において１問題を
生ずる場合がある０これ１では、上記−軸磁気異方性は
、アモルファス磁性薄帯で磁場中熱処理する方法、及び
上記薄帯をトルク伝達軸に接着する時トルク伝達軸にあ
らかじめトルクを印加しておき接着完了後それを除去す
る方法のいずれかによっていた。しかし前者の場合は、
比較的大きな一軸磁気異方性を作り出すことは容易でな
く、従って、ダイナミックレンジがあまり大きくできな
い欠点があり、又後者の場合は、アモルファス磁性薄帯
接着時にあらかじめトルクの印加が困難となるような場
合実現不可能となる恐れがある。

本発明は、上記幅広アモルファス磁性薄帯を用いた差動
方式トルクセンサと同一原理に基づき。

しかも前述のごとき製作上の問題点をこうむることなく
製作できる新しいトルクセンサを提供するものである。

この目的を達成するため９本発明では、高磁気ひずみ幅
広アモルファス磁性薄帯を用いるかわりに比較的幅の狭
い短ざく状の高磁気ひずみアモルファス磁性薄帯を用い
、その薄帯の形状効果に基づく形状磁気異方性を利用し
てトルク伝達軸の中心軸に対し４５°を含む任意の方向
の一軸磁気異方性を得ようとするものである。以下その
方法と。

そのようにして構成されるトルクセンサの検出原理につ
いて、第１図の幅広アモルファス磁性薄帯によるトルク
センサとの対応関係を示しながら説明する。

第３図は短ざく状磁性薄帯で、同図のように長手方向に
Ｘ軸１幅方向にｙ軸がとっであるものとする。Ｘ軸方゛
向に磁化する時の反磁界係数をＮ７ｙ軸方向に磁化する
時の反磁界係数゛をＮ上　とすると、これらは形状のみ
によって定まる定数であるが、今の場合、　９．＞ｗで
あるの−でＮ、　＜　Ｎ土である。

［ この短ざく状磁性薄帯をｘ　−ｙ平面に平行な任意の方
向（ｙ軸とのなす角をθ）から磁界を加え磁化する場合
を考える。簡単のために磁化過程は飽、和硫化Ｉ８が回
転することによシ磁化される回転磁化過程であるとする
と、第４図のように■８がｙ軸と角θをなしている時１
反磁界効果による磁気エネイレギーＥｄは次式で表され
る゛ことが知られている。

ここに１．ｌｏは真空の透磁率である。今の場合Ｎ／／
〈Ｎ上であるからＥｄは０判又はθ−πにおいて最小と
なる。すなわち、θ−〇又はθ−π方向に磁化するのが
最も容易であることを示しておシ、このことは。

形状効果による磁気異方性の容易軸はその長手方向であ
ることを意味している。従って、このような短ざく状磁
性薄帯をトルク伝達軸の外周面上にその長手方向が軸方
向に対しα０又は−α０方向になるよう接着等の方法で
固定すれば、形状効果のためにトルクセンサの構成に適
する軸方向とα０又は−αＱ方向に磁化容易軸を持つ一
軸磁気異方性が自動的に得られることになる。第５図に
は、この製作方法に基づくトルクセンサの基本的構成を
示している。トルク伝達軸１とその外周上に軸方向８と
正の角α０の方向に接着された短ざく状アモルファス磁
性薄帯１２ａ及び負の角＝α０の方向に接着された短ざ
く状アモルファス磁性薄帯１２ｂと第１図に示した先行
技術により用いられている電気コイル手段とからなって
いる。第５図に示された本発明によるトルクセンサの動
作原理は、先に挙げた文献〔１〕〜〔４〕の動作態“理
に関する記述から理解されるが、ここにα−４５で２つ
のアモルファス磁性薄帯１２ａ、１２ｂが同一組成の薄
帯でちる場合につきその概要を述べる。第６図は本発明
によるトルクセンサの原理を説明するだめの原理図であ
る。

トルク伝達軸ＪにトルクＴが図示の方向に印加されると
その表面には主応力が図示１３のごとく生じるのその方
向は同図の場合、引張応力が軸方向８に対し４５°、圧
縮応力が同軸方向８に対し一４５°方向である。σはＴ
によシ次式で表せることは材料力学の入門的教科書や文
献〔１〕〜〔４〕等から周知のことである。

６ Ｔｌｄ３（２） ここにπは円周率、ｄはトルク伝達軸１の外径である。

知ざく状アモルファス磁性薄帯１２ａ、１２ｂにもトル
クＴによる軸のねじれにより主応力１３と同様な主応力
が現れ、この大きさをσいとすると。

（２）式を用いて。

で表されることが文献〔ｌ〕〜〔４〕等によシ明らかに
されている。ことＶｃＧＡはアモルファス磁性薄帯１２
ａ、１２ｂの剛性率、ＧＴはトルク伝達軸１の剛性率で
ある。今アモルファス磁性薄帯の飽和磁気ひずみ定数λ
、を正とすると、トルクＴによりアモルファス磁性薄帯
１２ａ　、　　１２ｂに生じる磁気異方性は同薄帯１２
ａ、１２ｂ中如軸方向８に対し４５°方向にσＡ−４５
°方向に一σＡが存在することから、その容易軸方向は
４５°方向でその大きさＫｕばで与えられることがやは
り文献〔ｌ〕〜〔４〕より知られている。すなわち（４
）式で与えられる応力にょる一軸磁気異方性の容易軸１
５はアモルファス磁性薄帯１２ａでは形状磁気異方性の
容易軸１４ａと同方向で、同薄帯１２ｂでは形状磁気異
方性の容易軸１４ｂと直交する。従って、アモルファス
磁性薄帯１２ａにおいて、軸方向８と４５°方向にある
一軸磁気異方性は強められ、逆にアモルファス磁性薄帯
ｉ２ｂにおいて、軸方向８と一４５°方向にある一軸磁
気異方性は弱められることＫなる。今このような状態（
第６図でトルクＴが印痛された状態９にある２つのアモ
ルファス磁性薄帯を軸方向８に平行な磁界により励磁す
ると、第７図のような磁化曲線となる。Ｏ≦１＜Ｉｓ／
＆の範囲では磁化過程は主に磁壁移動磁化過程であって
、トルクＴとはほぼ無関係であるがＩｓ／Ｉ”ｉ＜Ｉ≦
工、の範囲では、飽和磁化マ８が各容易軸方向１４ａ、
１４ｂからの磁化の回転により磁化され、この場合、磁
化の回転に要する励磁磁界はアモルファス磁性薄帯１２
ａで大きく、逆に同１２ｂでは小さくなるために、第７
図のごとき磁化曲線が得られるものである。従って、第
７図Ｈｃｒより大きな振幅の交番磁界を電源６により励
磁コイル３を通してアモルファス磁性ｉ帯１２ａ　。

１２ｂに印加すれば検出コイル４ａ、４ｂには第７図磁
化曲線１６ａ　、　　１６ｂの差に比例した磁束が鎖交
し。

検出コイル両端（同期整流回路７の入力側）には印加ト
ルクＴに対応した誘起電圧が生じる。この際トルク伝達
軸が強磁性体であってもそれからの磁束は逆直列に結線
された検出コイル４ａ、４ｂには正味鎖交しないことは
明らかである。

第８図、第９図はこのトルク検出過程を図示しだもので
ある。印加トルクＴの方向が逆転すると第７図において
、磁化曲線の関係が１６ａ　、　］’６ｂを入れかえた
ものとなるため、第８図における検出コイル鎖交磁束△
Φの符号は反転し、結果として誘起電圧の符号が反転す
ることになる。ゆえに同期整流回路７によυ誘起電圧を
直流電圧に変換すれば、トルクＴの大きさと方向を読み
取ることができる。その場合、同期整流回路の制御信号
として励磁コイル３を流軌る励磁電流を用いることがで
きる。本発明によるトルクセンサは以上の説明かられか
るように検出機構が差動的であるため印加トルクＴ＝Ｏ
の時は出力は現−れない。従って、検出特性は第１０図
のようになる。第１図に示した幅広アモルファス磁性薄
帯を用いる方式の場合、ダイナミノクレンジは一軸磁気
異方性５ａ、５ｂの大きさに比例し７検出感度は逆に反
比例的に減少することが先の文献［：３］　、　［４］
により明らかにされている。従って１本発明によるトル
クセンサに関しても同様の関係が成立し、　　（Ｎ上−
Ｎ／）が大きくなればダイナミックレンジは大きくなり
逆に感度は減少することになる。すなわち本トルクセン
サにおいては、検出感度及びダイナミックレンジは短ざ
く状アモルファス磁性薄帯の形状比９．／Ｗにより設定
することができるものである。以上α−４５の場合につ
いて説明したが、α＼４５の場合も基本的には同じであ
る。この場合は、形状磁気異方性の容易軸方向１４ａ　
、　　１４ｂと応力誘導−軸磁気異方性１５の方向が第
６図の場合と異なるだめ、アモルファス磁性薄帯１２ａ
、１２ｂの磁化曲線に及ぼすトルクの影響の大きさが多
少変化し結果として検出感度が多少変化するのみでちる
。

第１１図は本発明によるトルクセンサの第１実施例であ
る。検出感度は短ざく状アモルファス磁性薄帯１２ａ、
１２ｂの形状比１／ｗに依存すると同時にその全断面積
に比例するので、第５図のトルクセンサの基本構成にお
いて、感度を増すために短ざく状アモルファス磁性薄帯
１２ａ　、　１２ｂ　　の数を同数だけ増しだものであ
る０第１１図のトルクセンサは。

第１図のトルクセンナにおいて一軸磁気異方性５ａ。

５ｂを形状効果により与えるためにその幅広アモルファ
ス磁性薄帯２ａ、２ｂの一部を角α０及び−α０で細長
く切除したものと見なすことができる。

第１２図は本発明の第２実施例で、第１実施例において
軸方向８に最近接した２枚の短ざく状アモルファス磁性
薄帯１２ａ　、　　１２ｂが互いに近接した一端におい
て交わる形状に形成されたアモルファス磁性薄帯１７を
用いたもので、この構成によりアモルファス磁性薄帯は
実効的に軸方向８に長くなるのでＮ、を低下させ、（Ｎ
土−Ｎ／／）を犬きくすることができるので、ダイナミ
ックレンジの拡大が可能となる。又接着の手間を半減さ
せることができるＯ 第１３図は本発明の第３実施例で、基本的には第１実施
例と異ならないが、第１実施例において。

短ざく状アモルファス磁性薄帯１２ａ、１２ｂの磁束が
トルク伝達軸１を帰路として閉路を作シやすい場合は、
短ざ〈状磁性薄帯１２ａ、１２ｂの形状効果は弱められ
形状磁気異方性が生じにくくなりトルク検出感度が低下
する恐れがある。このような欠点を改善するため第３実
施例では、トルク伝達軸１の外周にまず幅の広い非磁性
アモルファス薄帯１８を接着し、その上に第１実施例と
同じ要領で短ざく状アモルファス磁性薄帯１２ａ、１２
ｂを接着したものである。このような構成によって、ト
ルク伝達軸１を通りぬける磁束量を減少させ、短ざく状
アモルファス磁性薄帯１２ａ、１２ｂの形状磁気異方性
が低下しないようにし、トルク検出感度低下を防止する
ことが可能となる。

第１４図は本発明の第４実施例で、これは第２実施例を
第３実施例と同様の方法で改善したものである０ 第も、第４実施例では幅広の非磁性アモルファス磁性薄
帯１８を用いたが、同様の特性改善は、第１５図に示す
非磁性層２０ａと高磁気ひずみ層２０ｂとからなる２層
アモルファス磁性薄帯１９を用いて構成することも可能
である。

以上述べたように、差動方式の磁気ひずみ形トルクセン
ナによれば専用の弾性棒を用いることなく非接触で、静
止トルクから瞬時トルクにいたる１で高感度で検出する
ことが可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明でその原理を応用する先行技術によるア
モルファス磁性薄帯を用いたトルクセンサ。第２図はコ
イルの簡略表示法。第３図は短ざく状磁性薄帯の斜視図
。第４図は形状磁気異方性の説明図。第５図は本発明に
よるトルクセンサの基本的構成図。第６図は本発明によ
るトルクセンサの検出原理の説明図。第７図は印加トル
クによる磁化曲線の変化の説明図。第８図は検出コイル
鎖交磁束と励磁交番磁界の関係図。第９図は検出コイル
鎖交磁束波形及び誘起電圧波形。第１０図は本発明によ
るトルクセンナの検出特性。第１１図は本発明の第１実
施例。第１２図は本発明の第２実施例。第１３図は第１
実施例を改善した第３実施例。 第１４図は第２実施例を改善した第４実施例。第１５図
は非磁性層と高磁気ひずみ層よりなる２層構造アモルフ
ァス磁性薄帯の斜視図。１はトルク伝達軸、２ａ、２ｂ
は高磁気ひずみアモルファス磁性薄帯。 ３は励磁巻線、４ａ＋４ｂは検出コイル、５ａ、５ｂは
一軸磁気異方性の容易軸方向、６は交流電源、７は同期
整流回路＋　　１２ａ　＋　１２ｂは短ざく状高磁気ひ
ずみアモルファス磁性薄帯、１３はトルク＋Ｃよる主応
力、　　１４ａ　、　１４ｂは形状磁気異方性の容易軸
方向。 １８１１）１ａ性アモルファス薄帯。 特訂出願人　Ｊｊ’；ｉ　［Ｉ’、　４）；介　化１名
図面の浄書（内容に変更なし） 第１図 第２図 第３図 第４図 Ｈ −−−−−アモルファス磁性薄帯１２ａの磁化特性−一
一一一一同１２ｂの磁化特性 □Ｔ−０の時のアモルファス磁性薄帯１２ａ。 １２ｂ双方の磁化特性 第７図 第８図 第９図 第１０図 第１１図 第１２図 第１３図 第１４図 図面の浄書（内容に変更なし） ９ 第１５図 手続補正書　（自発） 昭和５８年９月１日 特許庁長官　　　　　　殿 １、事件の表示　　昭和５８年特許願第４００８２号２
、発明の名称 サ　ドウオウソキ　　　　　　ジ　キ　　　　　　ガタ
差動方式による磁気ひずみ形トルクセンサ３、補正をす
る者 ４、補正の対象 図面 ５、補正の内容 ■、事件の表示　　昭和５８年特許願第４００８２号２
０発明の名称 サドウホウンキ　　　　　ジ　キ　　　　　ガタ差動方
式による磁気ひずみ形トルクセンサ３、補正をする者 事件との関係　　特許出願人

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）トルクを伝達する丸棒状軸と、その外周面上に上
   記丸棒状軸の軸方向に対し一方は正の角他方は負の角を
   なすよう固定された２種類の短ざく状磁気ひずみ磁性薄
   帯と、上記丸棒状軸に印加されるトルクにより差動的に
   変化する上記２種類の磁気ひずみ磁性薄帯の透磁率の差
   を検出するための上記丸棒状軸の外周面近傍に設置され
   た電気コイル手段とよシなる！ことを特徴とする差動方
   式による磁気ひずみ形トルクセンサ。
2. （２）短ざく状磁気ひずみ磁性薄帯が非磁性層を介して
   トルクを伝達する丸棒状軸外周面に固定されてなること
   を特徴とする特許請求の範囲第（１）項記載の差動方式
   による磁気ひずみ形トルクセンサ。