JPS60143735A - シヤフトにかかるトルク又は曲げ力を測定する装置 - 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】 産業上の利用分野 本発明は、不整列状態によってシャフトに加えられるト
ルクもしくは曲げ力を、磁歪性の高い面の透磁率変化を
観察することによって離れた位置から測定する装置に係
り、特に、当該面とセンサとの間に物理的な接続を必要
としない技術に係る。

従来の技術 非接触で、低電力で、本来安全で、シャフトに対して大
幅な変更を必要とせず、シャフトに電子装置が取り付け
られず、消耗性の部品（即ち、スリップリング）がなく
且つシャフトに著しい質量が追加されずに回転シャフト
のねじれ荷重を測定する方法が何年にもわたって要求さ
れている。

これに対する解決策が、１９６７年９月１２日付（７）
　Ｆ　、　Ｅ　、　Ｓ　ｃ　ｏ　ｐ　ｐ　ｅ氏の”電磁
トルクメータ”と題する特許第３．３４０，７２９号、
１９７９年１月２３日付の０．Ｄａｈｌｅ氏の”トルク
トランスジューサ”と題する特許第４，１３５．３９１
号、並びに１９８２年１２月２１日付のＨ，Ｈｏｒｔｅ
ｒ氏等のパ駆動シャフトのねじれ荷重を監視する組立体
′°と題する特許第４，３６４．２７８号に開示されて
いる。これらの公知技術は、変成器作用を利用し、ねじ
れ荷重のかかったシャフト、変成器のコアとして働くよ
うにすることによってトルクを測定する技術に集約され
る。従って、変成器の１次及び２次巻線をシャフトのま
わりに適切に配置することにより、磁歪シャフト、シー
ス又はスリーブの透磁率変化を検出することができる。

ねじれ荷重によりシャフトに透磁率変化が生じることに
よって非対称の磁界が発生し、変成器の２次側に磁気電
流が流れて２次巻線に電流が誘起される。従って、この
電流はシャフトにねじれ荷重に関連したものとなる。公
知文献には、磁歪現象をいかに利用するかが述べられて
いる。

上記の解決策の主たる欠点は、変成器の２次巻線に検出
可能な信号を得るのに相当の電力を必要とするために危
険な環境に安全に設置することが困難なことである。又
、シャフトと相互作用する誘起磁界によって速度の制約
も課せられる。アモルファス金属のような磁歪性の高い
材料で作ったシース又はスリーブを使用することにより
、消費電力を減少できるが、速度に制約があると共に、
シャフト付近のスペースが限定される。更に、複雑さ及
び設置の容易性についても大きな問題がある。

発明の目的 本発明の一般的な目的は、シャフトにかかるトルクもし
くは曲げ力（不整列）を測定する装置であって、上記の
要望を満たすような改良された装置を提供することであ
る。

発明の構成 と記の目的によれば、回転又は静止したシャフトにかか
るトルクもしくは曲げ力を測定する装置において、シャ
フトにかかるトルクにより生じる歪もしくはシャフトの
曲げ、引張り又は圧縮の関数として透磁率が変化するよ
うな磁歪性の高い面がシャフトに設けられた装置が提供
される。この透磁率変化をコイルのインピーダンス変化
によって感知する手段が設けられており、この手段は、
コイルが上記面から所定の距離に至近離間されているよ
うなプローブ手段を含んでいる。更に、電気回路手段が
コイルのインピーダンス変化を測定し、与えられたトル
ク又は曲げ力の関数である読み取り可能な出力信号を発
生する。

実施例 第１図にシャフト１を示す。ねじれ及び曲げを測定しよ
うとするシャフトの中心線が示されている。シャフトに
はＭｅｔｇｌａｓ（商標）のようなアモルファス金属の
円筒状のカラー２がついている。このカラーは、非常に
磁歪特性の強い面をシャフト上に形成し、その透磁率は
シャフトにかかるトルクにより生ずる歪、即ち、シャフ
トの曲げ、引重り、又は圧縮の関数として変化する。

シャフトの磁歪面の透磁率の変化を感知するために、４
つのプローブ３，９．４及び１１がある。プローブ対９
と１１は、図面に示すように、シャフトの中心線を切る
水平面内に位置し、又プローブ対３と４は垂直直交面内
に位置している。従って、これらのプローブは直径方向
に対向して９０度離れている。個々のプローブには、そ
のスリーブ又は表面２から所定の距離に接近離間された
コイル（３ａのような）がある。次に述べるように、プ
ローブには電気回路手段が含まれているかあるいは組合
わされており、この電気回路手段は、コイルのインピー
ダンスの変化を測定し、■４つ、加えられたトルクもし
くは曲げ力の関数である読み出し可能な出力信号を発生
する。

表面即ちカラー２には軸方向ギャップ５があり、これは
プローブがここを通過するときに中断が生じるので、速
度の測定に用いられる。しかし、このギャップはトルク
又は曲げの測定には無関係である。

高度の磁歪面即ちスリーブ′２は種々の違った方法で形
成できる。好ましい実施例では、アモルファス金属スリ
ーブがシャフトにつながれる。前述のように１代表的な
アモルファス金属はＭｅｔｇｌａｓと言う商標で販売さ
れている。このスリープを取り付ける他の方法としては
電気メッキ、溶接等がある。

さらに、シャフトの表面は化学的変更技術によって磁歪
面を呈するように処理されてもよい。

これらの技術としてイオンインプランテーション又はイ
オン衝撃がある。さらに、塗装、炎噴射。

プラズマ噴射、レーザ溶融又は真空蒸着等によってシャ
フトに被膜を被着することもできる。

４つのプローブ３．９．４及び１１は全て、シャフトか
ら所定の距離１４だけ離間されており、これらは渦電流
型のものである。特に満足なものとされている渦電流型
プローブは、本発明の譲受人である米国ネバダ州のミン
デンに所在するＢｅｎｔｌｙ、Ｎｅｖａｄａ　Ｃｏｒｐ
、：ｏｒａｔｉｏｎで製造された非接触プローブである
。このプローブはギャップ−電圧トランスジューサであ
り、一般に現在市販されているものは、モータのシャフ
トのような導電性材料までの距離（即ち空隙）を測定す
るものである。従ってこれは振動の測定に使用される。

このプローブの実際のトランスジューサはコイルである
。例えば、コイルの直径は５ミリメートルから２５ミリ
メートルで良い。このトランスジューサは、プローブの
一部あるいは別のユニットである発振器で駆動され、渦
電流を誘起し、この特定の場合にはアモルファス金属ス
リーブ即ち磁歪面２である。この電流は、もちろん金属
が交流磁界に置かれたときにも金属に誘起される。この
渦電流は誘起磁界とは逆の磁界を発生する。その合成磁
界は渦電流プローブのコイルのインピーダンスの変化と
して感知される。

コイルのインピーダンスのこのような変化は、渦電流と
、これによって誘起される磁場電流との大きさ及び位相
関係を指示する。この関係は種々の要因によって決まり
、これには、シャフトの導電性、透磁率及び不均一性、
並びに発振器周波数、さらに空間ギャップが含まれる。

従って、以下に述べる本発明の場合には、透磁率に対す
る感度を切り離すことにより、静止もしくは回転してい
るシャフトにかかるトルクを感知できる。１つのプロー
ブ、例えばプローブ３はそれ自体で、このようなトルク
を感知するのに用いることができる。しかし、２つのプ
ローブ、例えばプローブ３．４を用いると、ギャップの
変化及び振動を平均化しながら、出力電圧信号が２倍に
なる。４つのプローブ３，４．９及び１１を用いれば、
トルクに対するシャフトの４つの点のプローブの応答を
平均化し、しかもギャップの変化及び振動を補償しなが
ら、出力電圧も２倍になるという効果が追加される。

従って、第１図は基本構成ブロックであり、これに対し
て、表面処理や監視電子装置を色々ｉ変えることによっ
て本発明の他の態様が構成きれる。さらに別のシステム
構成において、直径方向に対向するプローブを用いて、
この基本ユニットを構成ブロックとして用いれば、振動
エラーを打ち消すことができる。又ねじれに対してあら
かじめ歪ませた面を用いることにより、小さなねじり荷
重に対する感度を上げることができる。あらかじめ歪を
入れた２つの面を用い、つまり、第２Ａ図に示すように
、２つ以−ヒの離間されたスリーブ即ち面及び４つ以上
のプローブを用いることにより、トルク以外の歪に対す
る感度、即ち曲げ、引張り及び圧縮に対する感度を下げ
ることができる。プローブの出力信号を成るやり方で結
合することにより、トルク以外の感度を高めることがで
き、即ちトルクに対する感度を下げつつ、例えば曲げを
測定することができる。

一般に、例えばＢｅｎｔｌｙ　ＮｅｖａｄａＣｏｒｐｏ
ｒａｔｉｏｎで作られた渦電流プローブを使用する場合
には、これにともなってｌ０ＫＨｚ越える高周波数で駆
動される単一コイルが使用されることになる。従って、
この単一コイルは磁歪面に渦電流を誘起させる励振器の
役目をする。このコイルは又、誘起した渦電流によって
作られた磁場も感知し、ひいてはそのインピーダンス変
化も感知する。もちろん、このインピーダンスの変化を
測定し、シャフト１のトルク、曲げ。

及びその他の変形についての関連したデータが与えられ
る。

コイル３ａは第１図のプローブ３に一図示されている。

このコイルは、上記の市販されているものとしては、円
形であるが、長円形又は長方形でも良い。このような形
状の違いから、ねじりストレスの感度を上げ、トルク以
外の応力に対する感度を下げるように電磁界の形状が変
えられる。

更に、プローブを相互に９０度の角度で追加して、信号
対雑音比を改善し、機械的及び電気的な振れの影響をお
さえることができる。

第２図から第４図に第１図の組立てブロックの種々の変
形態様を示す。第２Ａ図及び第２Ｂ図には、更に別の磁
歪面がシャフト１の上にスリーブ又は面として形成され
ており、元の面の近くに軸方向に離れて位置している。

スリーブ２及び８にはギャップ５があり、これらはシャ
フトの速度の測定のみに用いる。プローブ対３．４及び
６．７は、直径方向に対向されており、これにより各プ
ローブ対の振動及びギャップ変化を補正する。

これはプローブの出力信号を算術的に加えれば行なえる
。一方、中心線を通る同一半径方向面内にあって互いに
隣接しているプローブ対、例えば４と７又は３と６の出
力信号を互いに差動的にすれば、加えられたトルクに比
例した信号を発生し、然も温度の影響及びシャフトの曲
げ、引張り、圧縮を含むトルク以外のストレスのような
共通のエラーを打消すことができる。これらは第１図に
Ｔ（引張り）及びＣ（圧縮）として矢印で示されている
。

直線性のよい信号を発生するために、２つの磁歪面２及
び８が差のストレスを与えてもよい。

例えば、面８にねじりストレスを正の方向にあらかじめ
加え、面２にねじりストレスを負の方向にあらかじめ加
えてもよい。このあらかじめ加えられるストレス（プレ
ストレス）は、初め所定の量だけ正又は負のトルクをシ
ャフトにかけ、前述したように、その後、磁歪面をポン
ディング又はコーティング等で取り付けて、加えたトル
クを解除することによって得られる。

プレストレスを加えた場合とそうでない場合の結果を第
８図、第９Ａ図及び第９Ｂ図に示す。

第８図は、ストレスを加えていない状態の面を観察する
プローブの出力信号を曲線３５で示している。この曲線
においては、零トルク点を中心にピークが形成され、最
小出力は加えたトルクが零の場合に一致する。この場合
の欠点は、零トルクの周辺に不感領域即ち平坦領域が与
えられることである。このトルク不感知領域は、微少な
ねじりプレストレスを負の方向に面にかけることにより
、図示したように″動作範囲“°以下に移動でき、出力
特性３６が得られる。従って、トルクと電圧との関係は
少なくとも零トルクから、正のトルク範囲の中間までは
ほぼ一次関数となることが明らかである。

第９Ａ図の曲線は、第２Ａ図のプローブからの出力信号
を表わし、正のプレストレス及び負のプレストレスの曲
線が示されている。ここでは双方の曲線のピークは指定
の″動作範囲パの外にある。第９Ｂ図にこの双方の曲線
の差を示し、これは明らかに、動作範囲全体にわたって
、はぼ直線づ飢ス　傑−で　９−”）　ＩＴ１瞼慎１売
ｍ不面間のプレストレスの相違により、所定の動作範囲
にわたってトルクと共に一次関数として変化する出力信
号がどのようにして与えられるかが明らかである。

動作範囲は零トルクより上にあり、ここでは双方の面と
も互いに異なる正のプレストレスを持つ。

プレストレスの相違が最適でなく、出力がねじり荷重の
一次関数でない場合は、下記に述べる電子的なりニヤラ
イザが必要である。

第２Ｂ図は第２Ａ図の断面図であり、薄い均一な接合線
１３（接合は例えばエポキシ接着剤で行なわれる）によ
ってシャフト１に取り付けられた面２を示しており、こ
の面は、回転数ｒｐｍを測定するためのギャップ５を宥
し、そしてプローブの先端と磁歪面２どの間には空間ギ
ャップ１４が形成されている。第３Ａ図は、８木のプロ
ーブを用いたより複雑な構成を示す。この構成において
は、信頼性を上げるために冗長さを設けている。又この
構成では添付の回路図を参照して見ればわかるように、
２つの平面内の曲げモーメントを測定することが可能で
ある。第３Ｂ図の断面図は、シャフトの中心線を通って
プローブが直交している関係を示す。

第４Ａ図及び第４Ｂ図は、例えばアモルファス金属の箔
片１５．１６として示された磁歪面の別の取り付は方法
を示し、これらの面はトルクのかかったシャフトの主引
張り及び圧縮線に沿ったシャフト軸に対し４５度の角度
で取り付けられている。シャフトは前もってストレスが
加えられており、箔片１５は、プレストレスによってぴ
ったり引張られた状態で、まだプローブが取り付゛けら
れていない中心部を残して両端に接合される。箔片１６
も、プレストレスが反対方向に加えられていること以外
は同様に取り付けられ、これらの箔片はシャフト２に対
してぴったりと保持される。

他のコイル構、成については第４Ｃ図及び第４Ｄ図に示
してあり、感知コイル１７は磁歪面２を囲んでいる。

第５図にモニタのブロック図を示す。このモニタは、デ
ィスプレイとして１回転速度（ｒｐｍ）、馬力（ｈｐ）
、平均トルク、ねじり振動（即ちねじり振動振巾）及び
動的トルクの表示装置を持つ。図に示すように、このモ
ニタは、１つ、２つ又は４つのプローブと共に使用する
ことができる。この内、４つのプローブの使用が図示さ
れている。これらは、例えば第１図に示されたように、
特にプローブ３．９．４．１１である。

個々のプローブは、発振器／復調器ユニット１３に接続
されており、上記のように、このユニットは例えばプロ
ーブ３のコイル３ａに１００ＫＨｚを越える高周波信号
を与え、復調器によってプローブ間の電圧を測定し、従
って測定した面の透磁率とともに変化するプローブのイ
ンピーダンスを測定する０発振器／復調器ユニット１３
の出方信号は全て１９において加算増巾器で加算される
。磁歪面２に空間ギャップによって電圧スパイクがもし
現われた場合は、これが高域通過フィルタ２０を通過し
、ユニット２５によって表示されるｒｐｍ信号に変換さ
れる。加算されたプローブ信号の低域成分は、低域通過
フィルタ２１及び２２によってフィルタされる。これに
よってほぐ直流の成分が形成され、これはユニット２３
で直線化され、倍率が加味されそして平均トルクディス
プレイユニット２７に表示される。トルクとｒｐｍを乗
算する乗算ユニット２４は、２６に馬力を表示する。

低域通過フィルタ２２自体の出力は、上記した動的トル
ク信号である。ピーク・ピーク検出器４１により、ねじ
り振動振ｒｌが２８に表示される。

第８図及び第９Ｂ図の曲線を参照して述べたリニアライ
ザ２３が必要であるかどうかは、所望の動作範囲及び差
のプレストレスの使用によって決まる。

第６図の回路図は、プローブ対３，４及び６．７が、第
２Ａ図に示したような２つの隣接して離れている磁歪面
に生じる変化を監視するようなトルクモニタの別の実施
例を示している。隣接したプローブ３．６及び４．７の
復調信号出力は、ユニット２９によって差がとられ１９
で加算される。その後、この信号は第５図に示すものと
同様のユニットによって同様に処理される。隣接面の信
号の差をとることにより、温度や、シャフトの曲げ、引
張り及び圧縮を含むトルク以外のストレスのような共通
のエラーに対する感度が低下される。同一面に現われる
プローブ出力信号を算術的に加算することにより、磁歪
面の不均一さ及び振動に対する感度が低下され、従って
所定の磁歪面に向いているプローブ対とその回転シャフ
トとの間の間隔に対する感度が低下される。

第６図を参照すれば、加算ユニット３０は発振器／復調
器１８の全ての出力信号を加算する。

これは曲げ歪型子装置２１により処理されて倍率が加味
され、警報を示すセットポイントを持つアラームユニッ
ト３２を駆動する。これは、主に、曲げ、引張り、及び
／又は圧縮のようなトルクに関連しない歪による過剰型
指示を与える。更に、前述したように、第２Ａ図及び第
２Ｂ図をもう一度参照すれば、プローブが置かれていて
、シャフトの中心線即ち軸を通って延びている共通平面
がＸ平面である。このことは第７図にも示されているが
、第３Ａ図を参照して、４つの直交プローブ９．１０．
１１及び１２が加えられており、これらプローブの信号
は、曲げ歪ユニット３１で加算されたときはアラームユ
ニット３２を駆動する。

このユニットは、示されたようにＹ面、即ち、第３Ｂ図
によく示されているようにこれらのプローブが置かれて
いる面の曲げ歪を与える。

第７図の残りの回路部分は、第６図に対して選択回路３
３及び３４を追加した二重モニタを示し、これらの回路
は、４つのプローブの各組、即ち３．６．４．７及び９
．１０．１１．１２によって与えられた個々のトルク出
力を比較する。

互いに比較すべき個々の出力がその組の限度内に入らな
い場合は、許容外表水が選択ユニットによって指示され
る。しかし、他の点については、同じパラメータが測定
される。

上記に述べたように、動作範囲を定める互いに逆のプレ
ストレスを用いることにより直線出力が与えられる。し
かし、別の技術として、シャフト上にある２つの磁歪面
に隣接して、プレストレスをかけない第３の磁歪面を用
いてもよい。従って、監視手段は、プレストレス点の周
辺にあいまいさのない直線的に延びる動作範囲を与える
ことができる。

発明の効果 従って、本発明には下記の効果がある。

１、公知の変成器技術に比べて簡単である。

２、非接触である。

３、所要電力が低く、雑音裕度が高く、本来高感度であ
る。

４、適切なプレストレスを用いれば１本来高度な直線性
を発揮する。

５、消耗性の部品やフライイングポンドの電子装置がな
いため、信頼性が高い。

６、現場に設置し改造がＨ（能である。

７、シャフトの質量及びバランスに対する影響は最小で
ある・ ８、シャフトの構造安全性に影響しない。

９、危険な雰囲気中で本来的に安全が確保できる。

ｌＯ０振動、不整列、一度によるギャップの変化に対し
て不感であり曲げ、引張り、及び／又は圧縮（不整列）
に対して感知が低い。

１１、平均トルク、動的トルク、ｒｐｍ、馬力及びトル
ク以外のストレスに対して警報を与えることができる。

１２、低価格である。

１３、よごれ、油、又はあかによって影響されない。

以上の効果の中で、公知の変成器技術に比べると、本発
明の重要な効果は本来的に感度が高いことであり、これ
は、モの１部には、多数のプローブを使用すること及び
雑音裕度が高いことによるものであり、そしてこれは種
々のプローブ出力の代数和及び差をとれることによるも
のである。又、これらによって、曲げ、引張り等々に対
する感度が減少される。更に、公知の変成器技術と本発
明とのその他の大きな相違は、プローブが小型の円筒ユ
ニットであって回転シャフトの隣りに容易に設置できる
ために現場で設置でき且つ改造できるという点で非常に
簡単なことである。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明による４つのプローブ及びシャフトの
斜視図、 第２Ａ図は、第１図の別の実施例の斜視図、第２Ｂ図は
、第２Ａ図の断面図、 第３Ａ図は、第１図の別の実施例の斜視図、第３Ｂ図は
、第３Ａ図の断面図、 第４Ａ図は、第１図の別の実施例の斜視図、第４Ｂ図は
、第４Ａ図の断面図、 第４Ｃ図は、第１図の別の実施例の斜視図、第４Ｄ図は
、第４Ｃ図の断面図、 第５図は１本発明において第１図ないし第４Ｄ図の種々
のプローブの電気信号をいかに用いるかを示すブロック
図、 第６図は、別の実施例の回路図、 第７図は、別の実施例の別の回路図、 第８図は、本発明のプローブの出力信号のグラフ、 ｍ９Ａ図は、シャフトの面にプレストレスを加えた場合
の出方信号を示すグラフ、そして第９Ｂ図は、第９Ａ図
の２つの曲線の相違を示すグラフである。 ｌ・・０シヤフト ２・・・磁歪面又はスリーブ ３．４．９．１１・・・プローブ ５−＠・ギャップ 手続補正弁（方式） 昭和　年６０−付２日 １、事件の表示　昭和５９年特許願第２１４０６０号２
、発明の名称　シャフトにかかるトルク又は曲げカを測
定する装置 ３、補正をする者 事件との関係　出　願　人 名称　ベントリー　ネバダ　コーポレーション４、代理
人 ５、補正命令の日付　昭和６０年１月２９日５　図面の
浄書（内容に変更なし）。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 ストレスの関数として透磁率が変化する磁歪面と、　、 コイルのインピーダンス変化によって上記磁歪面の透磁
   率の変化を感知する手段であって、上記コイルが上記磁
   歪面から所定の距離に至近離間されているような渦電流
   プローブ手段、及び実質的に１００ＫＨｚ以上の作動周
   波数を有していて上記コイルを駆動すると共に上記渦電
   流を上記磁歪面に誘起する発振器を含んでいるような感
   知手段と、 Ｌ記コイルのインピーダンス変化を測定し。 与えられたス・ドレスの関数である読み取り可能な出力
   信号を発生する電気回路手段とを具備したことを特徴と
   するストレス測定装置。