JPS61155827A - トルク検出装置 - 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】 〔発明の技術分野〕 本発明は回転軸等に印加されたトルクを非接触で検出す
るトルク検出装置に関する。

〔発明の技術的背景とその問題点〕

トルクは、例えば回転駆動系の制御を行なう際に検出す
べき基本漫の一つである。従来、トルクを検出する装置
としてはコイルばねや板ばねを用いた機械式のものが知
られているが、回転制御系のようにトルクを精密に検出
しなければならない用途には、非接触式の検出装置が要
求される。

そこで、近年、このような要求を満たすトルク検出装置
としてアモルファス磁性合金の薄帯に生ずる磁気歪み効
果を利用したものが提案されている（電気学会マグネテ
ィックス研究会買料ＭＡＧ−８１−７２）。

このトルク検出装置は、第７図に示すように、トルクを
検出すべき回転軸、すなわちトルク伝達軸１にアモルフ
ァス磁性合金からなる薄帯２を巻回、固定するとともに
、この薄帯２に対し非接触状態でかつ磁気的に結合され
る如く図示しない検出ヘッドを対向配置させて構成され
ている。上記薄帯２には予めその周方向に対して角度θ
の方向Ｍａを磁化容易軸とするように誘導磁気異方性が
付与されている。

このように構成されたトルク検出装置は、次のようにし
てトルクを検出することができる。すなわち、いま、 θ〉４５°、飽和磁気歪定数λｓｈ。

とする。トルク伝達軸１に図中点線矢印で示すようなト
ルクＴが加わると、トルク伝達軸１に発生した歪み応力
σが薄帯２に伝達され、薄帯２には＋４５°の方向に張
力σが、また−４５°の方向の圧力応力−σがそれぞれ
発生する。これに伴って薄帯２には磁気歪み効果によっ
て＋４５°の方向Ｍ１に誘導磁気異方性（−３λＢ・σ
）が誘導される。

この結果、ＭｅとＭ里とが合成されて薄帯２の誘導磁気
異方性はＭ３に変化する。この場合、薄帯２の内部を通
過する磁束の向きが一定であれば、上記のように、誘導
磁気異方性の方向が変化することによって薄帯２の上記
磁束貫通方向の透磁率が変化する。したがって、この透
磁率変化を例えば検出コイルおよびこれに接続された検
出回路により電圧の変化として測定すれば、その値から
トルク伝達軸１に加えられたトルクを求めることができ
る。

ところで、上述したように磁性金属からなる薄帯２の周
囲に近接して検出ヘッドを設置すればトルクの検出を行
なうことができるが、この検出ヘッドは言うまでもなく
トルク検出装置の性能を作用する重要な要素である。

そこで、従来のトルク検出装置では上記の検出ヘッドと
して例えば第８図（ａ＞、（ｂ）に示すものを用いてい
た。

すなわち、同図（ａ）に示す検出ヘッドβ−は、薄帯２
の外周に非接触に同軸巻回された一次コイル１１と二次
コイル１２とで構成されている。そして、上記−次コイ
ル１１を定電流交流型１１１１３で付勢することにより
、薄帯２を軸方向に励磁して、二次コイル１２に誘起さ
れた電圧を電圧計１４で測定する。

これによって、薄帯２の磁気特性の変化、すなわちトル
クを検出するようにしている。

一方、同図（ｂ）に示す検出ヘッド３は、薄帯２を周方
向に励磁させる如く配置されたＵ字状の検出磁心１５と
、この検出磁心１５に巻回された一次コイル１６および
二次コイル１１とで構成されている。

そして、−次コイル１６を上記と同様に付勢することに
よって薄帯２を図中矢印で示すように周方向に励磁して
、薄帯２の磁気特性の変化を二次コイル１７で検出する
ようにしている。

しかしながら、このような従来のトルク検出装置にあっ
ては、次のような問題があった。すなわち、これら装置
の検出へッドコーは、いずれも薄帯２の磁気特性の変化
を一次コイルと二次コイルとの間の相互誘導の変化とし
て検出するものである。

したがって、必然的に一次、二次の２つのコイルを必要
とするので、検出ヘッドが大型化し、狭空間に収容する
ことが困難であった。特に、第８図（ａ）に示すように
薄帯２の幅方向に励磁するものにあっては、反磁界の影
響を少なくするために、薄帯２の幅方向の長さを極力大
きくし、しかも−次フイルに大きな励磁電流を流さなけ
ればならず、検出ヘッドの大型化は一層顕著であった。

また、このような従来のトルク検出装置においては、・
薄帯２の誘導磁気異方性を検出ヘッド３の設置方向に対
して傾斜させているので、異なる向きのトルクに対して
得られる信号値の変化率が異なり、リニアリティーに欠
けるという不具合があった。

〔発明の目的〕

本発明はこのような問題に基づきなされたものであり、
その目的とするところは、装置全体の小形化を損うこと
なしに、リニアリティーの良好なトルク検出装置を提供
することにある。

〔発明の概要〕 本発明は、検出対象となるトルク伝達軸に固着され互い
に異なる方向に誘導磁気異方性を付与された磁気歪み材
料からなる第１および第２の磁性体と、上記第１の磁性
体に対し非接触でかつ磁気的に結合される如く配置され
前記第１の磁性体の磁気特性の変化に基づいて自己イン
ダクタンスが変化する第１の検出ヘッドと、前記第２の
磁性体に対し非接触でかつ磁気的に結合される如く配置
され前記第２の磁性体の磁気特性の変化に基づいて自己
インダクタンスが変化する第２の検出ヘッドと、これら
２つの検出ヘッドの出力を差動増幅する手段とを具備し
てなることを特徴としている。

〔発明の効果〕

本発明によれば、トルク変化に対して異なる特性を示す
ような２つの検出ヘッドの差動出力を得るようにしてい
るので、得られた信号の直線性を改善することができる
。そして、この場合には、検出ヘッドに施された１つの
巻線のみで励磁・検出を行なわせるようにしているので
、−次、二次コイルを必要とした従来の検出ヘッドに比
べ、その構成を大幅に簡略化でき、検出ヘッド自体の小
形化を図ることができる。したがって、２つの検出ヘッ
ドを用いることによって生じる装置の大型化をこれによ
って回避することができる。

（発明の実施例〕 以下、図面を参照しながら本発明の実施例について説明
する。

すなわち、第１図において、２１は図示しないモータな
どの駆動源によって回転する例えば直径５５履の強磁性
体からなるトルク伝達軸２１である。こ、のトルク伝達
軸２１の外周には、軸方向に所定の間隔を明けて２つの
薄帯２２．２３が巻装、固定されている。これら薄帯２
２．−２３は、例えば単ロール法によって形成された幅
５＃１１１厚さ３０ｕｍの（Ｆ　ｅｏ、ｓｓ　Ｎ　ｉｎ
、ｓ　Ｃｒａ、ｏｓ　）ｙ！Ｓ　’ｕ　　ＢＩ３アモル
ファス磁性合金からなるものである。これら、薄帯２２
゜２３には予め周方向線に対して＋θ（Ｍｌ、、同一θ
（Ｍ２）の方向でそれぞれ誘導磁気異方性が付与されて
いる。

これら薄帯２２．２３と対向する位置には、上記薄帯２
２．２３と非接触の関係を保ってそれぞれ検出ヘッド旺
、扶が配置されている。これら検出ヘッド旺、翻−は、
薄帯２２．２３を周方向に励磁する如く配置されたＵ字
状の検出磁心２Ｂ、　２７とこれら検出磁心２６．２７
に巻装された検出コイル２８．２９とで構成されている
。検出磁心２６．２７は、例えば酸化物磁性体からなる
ものである。

第２図は、本実施例装置の電気的構成を示す回路図であ
る。すなわち、交流電源３１の出力は、演算増幅器３２
の非反転入力端に入力されている。上記演算増幅器３２
の出力端は、前述した検出コイル２８、２９および基準
抵抗３３を直列に介して接地されている。検出コイル２
８の両端は演算増幅器３４の各入力端に接続され、また
検出コイル２９の両端は演算増幅器３５の各入力端に接
続されている。これら２つの演算増幅器３４．３５の出
力は、演算増幅器３６の各入力端に接続されており、こ
の増幅器３６からトルクを示す電気量が出力される。そ
して、基準抵抗３３に発生する電圧は演算増幅器３２の
反転入力端にフィードバックされている。つまり、上記
演算増幅器３２と基準抵抗３３とで定電流回路が形成さ
れている。

次にこのように構成された本実施例に係るトルク検出装
置の作用について説明する。

演算増幅器３２から出力される交流定電流は、検出コイ
ル２８．２９に流れ、これら検出コイル２８．２９の両
端にはそれぞれの自己インダクタンスに比例した電圧Ｖ
ｌ　、Ｖ２が発生する。各コイル２８．２９の自己イン
ダクタンスは、各検出コイル２８．２９が巻装された検
出磁心２６．２７、これらと対向する薄帯２２．２３お
よび両者の間の空隙で構成される磁気回路の磁気特性に
よって一義的に決定される。いま、トルク伝達軸２１に
全くトルクが加わっていない状態で、出力■がゼロとな
る如く調整されているものとする。この状態で、上記ト
ルク伝達軸２１に例えば図中点線矢印で示すような向き
にトルクＴが加わると、薄帯２２．２３には周方向線に
対して＋４５°の方向に張力σが、また同一４５°の方
向に圧縮応力−σが発生し、この結果、薄帯２２の誘導
磁気異方性は強められ、薄帯２３の誘導磁気異方性は弱
められる。このように薄帯２２．２３の磁気特性が変化
すると、検出コイル２８の両端電圧■１と検出コイル２
９の両端電圧■２との差の電圧が増加する。また、トル
ク伝達軸２１に逆向きのトルクを印加した場合には、こ
れらは逆向きに変化する。このようなトルク伝達軸２１
に加わるトルクＴの大きさと各検出コイル２８．２９の
端子電圧Ｖ１　、Ｖ２との間の関係は第３図に示すよう
なものとなる。つまり、この図から明らかなように、薄
帯２２．２３の磁化容易軸を周方向線に対してそれぞれ
異なる角度に傾斜させて設置した場合には、トルク印加
の向きと電圧との関係が、原点を境にして非線形に変化
する。そこで、両電圧Ｖｌ　、Ｖ２を差動増幅すること
によって、第４図に示すようにトルクＴと電圧■との間
の関係を線形化することができる。

したがって、演算増幅器３４〜３６のゲインが全て１で
あるとすると、演算増幅器３４の出力■は、■冨Ｖｌ　
−ｖ２ で表わされ、この電圧Ｖがトルク伝達軸２１に加わった
トルクの量を表わすことになる。

このように本実施例によれば、検出コイル２８゜２９を
励磁用と検出用とに兼用し、両コイル２８．２９の自己
インダクタンスの変化を検出する方式を採用しているの
で、１つのヘッドには１つのコイルが巻装されていれば
良く、従来に比べて構成の簡単化を図ることができる。

そして、この場合には、異なる特性を示す２つの検出ヘ
ッド２４．２５の出力を差動増幅することによってトル
ク信号を得るようにしているので、得られた信号にリニ
アリティーを持たせることができ、測定レンジの拡大化
を図ることができる。

なお、本発明は、上記実施例に限定されるものではない
。

例えば、第５図に示す回路は、第２図の回路の演算増幅
器３４を省略したものであるが、この場合でも演算増幅
器３５のゲインを２にすれば、演算増幅器３６の出力■
は、 ｖ　−（ｖｌ　＋ｖ２　）　−２Ｖ２　”Ｖｘ　−Ｖ２
となり、上記実施例と同様の出力■を得ることができる
。そして、この場合には、増幅器３４が無い分だけ構成
を簡素化することができる。

また、第６図は、演算増幅器３４と演算増幅器３５を省
略した回路例を示したものである。すなわち、演算増幅
器３２の出力端は、抵抗４１．検出コイル２８゜２９、
基準抵抗３３からなる直列回路と、抵抗４２．４３から
なる直列回路とを並列接続した回路を介して接地され゛
ている。そして、演算増幅器３６の非反転入力端は抵抗
４２．４３の間に接続され、反転入力端は検出コイル２
８．２９の間に接続されている。

このような構成であれば、電源電圧を抵抗４２゜４３で
分圧して作られる基準電圧と、雨検出コイル２８、２９
の両端に発生する電圧ｖ１と■２との差の電圧とが比較
される。したがって、検出コイル２８゜２９に流れる電
流を１．抵抗４１．３３の抵抗値をＲｓ、抵抗４２．４
３の抵抗値が等しいとすると、演算増幅器３６の出力■
は、 ｖ−（２ｉ−Ｒ１１＋Ｖｌ　＋Ｖ２　）ｘ１／２（ｉ−
Ｒｓｓ＋ｖ２） −（ＶＬ　−Ｖ２　）／２ で表わされる。つまり、この場合には上記２つの実施例
に比べ出力電圧は１／２になるが、その構成をさらに簡
略化できる。

このほか、本発明は磁性体として上述したアモルファス
合金の他、パーマロイ、センダスト、Ｆｅ−３ｉ合金を
用いても良く、その形態は薄帯に限らずブロック状、線
状であっても良い。また磁性体をトルク伝達軸の全周に
１って固定しても一部に固定してもよい。一方、検出磁
心の材質もアモルファス合金、パーマロイ、センダスト
、Ｆｅ−Ｎｉ等、種々のものが考えられる。

このように、本発明はその要旨を逸脱しない範囲で種々
変更して実施することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例に係るトルク検出装置の主要
部を示す斜視図、第２図は同装置の雷、気的構成を示す
回路図、第３図は同装置の検出ヘッド出力とトルクとの
関係を４示す図、第４図は同装置の出力電圧とトルクと
の関係を示す図、第５図および第６図は本発明の他の実
施例に係るトルク検出装置をそれぞれ示す図、第７図お
よび第８図は従来のトルク検出装置を示す図である。 １．２１・・・トルク伝達軸、２　、２２．２３・・・
薄帯、β−２２４、２５・・・検出ヘッド、１１．１６
・・・−次コイル、１２゜１７・・・二次コイル、１５
．２６．２７・・・検出磁心、２８．２９・・・検出コ
イル。 出願人代理人　弁理士　鈴江武彦 第１ｖＡ 第２１ｉｉ 第５図 第６園

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 検出対象となるトルク伝達軸に固着され互いに異なる方
   向に誘導磁気異方性を付与された磁気歪み材料からなる
   第１および第２の磁性体と、上記第１の磁性体に対し非
   接触でかつ磁気的に結合される如く配置され前記第１の
   磁性体の磁気特性の変化に基づいて自己インダクタンス
   が変化する第１の検出ヘッドと、前記第２の磁性体に対
   し非接触でかつ磁気的に結合される如く配置され前記第
   ２の磁性体の磁気特性の変化に基づいて自己インダクタ
   ンスが変化する第２の検出ヘッドと、これら２つの検出
   ヘッドの出力を差動増幅する手段とを具備してなること
   を特徴とするトルク検出装置。