JPS62179627A - 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】 ［発明の目的］ （産業上の利用分野） この発明は、トルクの検出に利用される磁歪式のトルク
検出装置に係り、トルク検出出力の安定化、特に出力の
回転変動の低減を図ったトルク検出装置に関するもので
ある。

（従来の技術） 被測定軸、例えば回転軸や固定軸などの軸にト＋ｔ、　
Ｎ　４　ｈｎ　ｊ　４　ｔｕ　Ａ　　Ｊｄ＋　１　））
　／Ｐｉ　＋　Ｊ＋（赫／Ｆｌ　ｒｈ　、？、　Ｍｌ　
ｈ　Ｌｌも軸の表面部において大きくなることが知られ
ている。

また、例えば、被測定軸の軸横断面に向かって時計方向
にトルクＴを加えると、軸の周囲に第２図に示すように
軸方向と４５度傾いた右方向に引張り応力＋σが、また
４５度傾いた左方向に圧縮応力−σが発生する。

一方、磁性体は応力が加わると、透磁率が変化する。い
わゆる磁歪特性を持っており、この磁性体の特性を利用
して磁性体に作用する応力を磁気的に測定することがで
きる。

すなわち、正の磁歪を有する磁性体では引張り応力方向
に透磁率が増加し、逆に負の磁歪を有する磁性体では引
張り応力方向に透磁率が減少する。

この性質を利用して回転軸や固定軸などの軸に加えられ
たトルクを検出するには、励磁コイルから発せられた磁
束を軸の表面部、すなわち大きな歪の生じる部分に集中
させることにより大きな検出出力を得ることが可能であ
る。

このようにして、例えば、鉄鋼材料で製作された軸の出
力特性は第３図に示すようなものが得られ、これによっ
て、印加されるトルクと検出出力とを対応させることに
よりトルク検出が行われる（特開昭６０−７９２３８号
参照）。

（発明が解決しようとする問題点） しかしながら、測定に使用される回転軸や固定軸などの
軸は、機械加工および／または焼入れ等の熱処理によっ
て、局部的な応力が加わり、これらの応力によってｒｉ
ｉ壁が移動して固着された状態になっている。そのため
、第４図に示すように局部的に透磁率の異方性をもつ分
布状態になっており、このままの状態で測定すると、第
６図に示すトルクＴ＝Ｏｋｇｆ１１ｍの状態での出力（
以下。

「零トルク」と称す、）が、軸の回転位置による変動と
なって現われる。そして、この局部的な透磁率の異方性
をもつ分布状態は、測定すべきトルク領域では消えるこ
となく保存されるので、第６図に示すトルクＴと出力と
の関係が、トルクＴの増大時においても軸の回転位置に
よる出力変動となって表われ、被測定軸に対して作用す
るトルクＴを正確に計Ｊｌｌすることができないという
問題点があった。

そこでこの発明は、上述した従来の問題点に着目してな
されたもので、軸の局部的な透磁率の異方性を矯正し、
軸全周にわたって透磁率を等史的な分布状態とすること
によって、被測定軸を回転状態で使用するときでも、ト
ルクの検出出力特性が軸の回転位置によって変動するこ
とのない安定したトルク出力が得られるトルク検出装置
を提供することを目的としている。

［発明の構ｒ＆］ （問題点を解決するための手段） 上記の目的を達成するためのこの発明によるトルク検出
装置の構成は、磁性体からなる軸と、前記軸を磁路の一
部とする磁気回路を形成する励磁手段と、前記軸を通る
磁歪成分を検出する検出手段とを備えたトルク検出装置
において、前記軸として、当該軸表面部の透磁率の局部
異方性を磁界により等方化した軸を用いたことを特徴と
するものである。

（実施例） 以下、この発明を図面に基づいて説明する。

第１図（ａ）、（ｂ）はこの発明に係るトルク検出装置
の一実施例の構成を示す正面図および側面図である。同
図において、鉄を主成分として０．２重量％の炭素を含
んだニッケルークロム−モリブデン合金鋼（０，２重量
％Ｃ，ＪＩＳ−３ＮＣＭ４２ＯＨ材）からなる被測定軸
（外径ｔ７ｍｍ）１の外周には１例えばパーマロイ等の
高い透磁率を有する物質からなるヨーク４が被測定軸１
に対して所定の間隔をおくようにして近接配置されてい
る。

ヨーク４には、前記被測定軸１を磁路の一部とする磁気
回路を形成する励磁手段としての励磁コイル２と、前記
軸１を通る磁歪成分を検出する検出手段としての検出コ
イル３とが交差するように丸首されている。従って、励
磁コイル２から発せられた磁束が被測定軸１およびヨー
ク４を磁路として磁気回路を形成する。

そして、このトルク検出装置の構成において、例えば第
２図に示す被測定軸１の軸横断面に向かって時計方向に
トルクＴを加える場合、軸方向と４５度傾いた右方向の
引張り応力＋σによる透磁率の増加と、４５度傾いた左
方向の圧縮応力−σによる透磁率の減少との和を出力と
してとらえている。

そこで、第６図に示す被測定軸１に対するトルクＴ＝Ｏ
ｋｇｆ＠ｍの状態で現われる零トルク出力は、被測定軸
１を磁路の一部とする磁気回路における検出コイル３を
通過する磁束のバランスのくずれを読み取っていること
になる。

すなわち、本来は零トルク出力は零であるはずであるが
、ｆ５１図（ａ）、（ｂ）に示すヨーク４の各磁極の加
工精度や、励磁コイル２および検出コイル３の配置の微
妙なずれと、被３＋１定Ｉｈｌ１１の局部的な透磁率の
不均一とから、零トルク出力は零でなく、数ミリボルト
から数十ミリボルトの４ｔｉを示す、この場合、零トル
ク出力が零でないこと自体はさほど大きな問題ではない
が、被測定軸１の回転による出力変動を生じることには
問題があり、被ａｌｌ定軸１の局部的な磁気的不均一か
らくる出力の回転位置による変動が大きな問題となり、
測定トルクの印加時にも保存されるので好ましくない。

そこで、この発明では、Ｌ記変動要因のうち被測定軸１
自体の問題に絞って考えるために、前記ヨーク４の各磁
極の加工精度が高く、励磁コイル２および検出コイル３
がバランスよく作られていて、被測定軸１がヨーク４．
励磁コイル２および検出コイル３から無限長の距離にあ
るときの出力は零であるとする。

この場合に、被測定軸１とヨーク４の先端の磁極とを１
ｍｍの間隔をおいて接近させて測定したとき、被測定軸
１の表面部全周にわたって本トルク出力が零である場合
には、軸表面部の透磁率は当該軸表面部のどの位置にお
いても等史的であり、例えば第５図に示すように４５度
方向の透磁率が等しい形で表すすことができる。そして
、零トルク出力が零でない値を示す場所がある場合には
、その場所は被測定軸１の軸方向に対して４５度傾いた
右方向の透磁率ル■と、４５度傾いた左方向の透磁率ｇ
ｅとの差１蕩■−ｇｅｌの大きい場所である。この場合
、軸表面部の透磁率は、円周全体にわたっては均一でな
く、第４図に示すように部分的に、４５度傾いた右方向
の透′ｍ率と４５度傾いた左方向の透磁率のうちのどち
らかがｆＩＩａな分布になっている。これは測定すべき
トルク領域でも消えること゛なく保存され、第唱図に示
すトルクと出力との関係から被測定軸１の回転方向の位
置において出力変動となって表われる。

そこで、第４図に示すような被測定軸１の局部的な透磁
率の異方性を矯正し、第５図に示すような被測定軸１の
全周にわたって等史的な分布にすれば上記の回転変動が
解消されることになると考えた。そこで、木発明者は第
４図に示すような被測定軸１に対して、磁壁の固着エネ
ルギー以上の交番磁界を直接的にもしくは交番電流を介
して間接的に印加することにより、磁壁を大きく移動さ
せて、局部的な透磁率の異方性を矯正し、第５図に示す
ような軸表面部全周にわたって等史的な分布状態とする
ことによって、被測定軸１の回転位置による出力変動を
解消しうることを見出した。

次に、この発明によるトルク検出装置の具体的な実施例
を被測定＃＋１に対して交番磁界を直接印加した場合を
例にとって説明する。

第１図に示した被測定軸１として、鉄を主成分としかつ
０．２重量％のＪＲ”１ｋを含んだニッケ−ルークロム
−モリブデン合金鋼Ｃｏ−２ｍｍ％Ｃ１ＪＩＳ−３ＮＣ
Ｍ４２ＯＨ材）からナル外径１７ｍｍの軸素材を用いた
。そして、この軸素材に対して浸炭焼入れ焼もどしを施
した被測定軸１を。

外径３０　ｍ　ｍ　、長さ１４０ｍｍのベークラクト製
ボビンに線径０．８ｍｍのエナメル被覆銅線を１２００
回巻いたソレノイドコイルに挿入し、５０Ｈｚの交流を
３０ボルト加えて交番磁界を印加し、その後電圧を下げ
て零とした。

その結果、第７図■に示すように、零トルク出力の変動
が初期の第７図■に比べて約１／４に低減した。

同様の方法で電圧を６０ボルト印加した場合の結果を第
７図Ｏに示す、この場合、零トルク出力の変動が初期の
第７図■に比べて約１７ｔｏに低減しており、被測定軸
１の回転による出力変動はほぼ完全に解消された。

なお、交番磁界発生のために印加する電圧もしくは電流
については、被測定軸１によるが、電圧もしくは電流の
大きい方が効果が大きい。また、この発明の主旨から、
印加する磁界は交流による磁界に限らず、直流磁界を交
互に魅加減衰させる手法であってもよく、パルス減衰磁
界であっても良い。

次に、他の具体的な実施例について説明する。

被測定軸１として、鉄を主成分としかつ０．２重量％の
炭素を含んだニッケルークロム−モリブデン合金鋼（０
，２重量％Ｃ、Ｊ　Ｉ　Ｓ−５ＮＣ５−５ＮＣ材）から
なる外径１７ｍｍの軸素材を用いた。そして、この軸素
材に対して浸炭焼入れ焼もどしを施した被測定軸１の両
端にコンデンサからの電極を接続し、チャージした電荷
を放電させた。このとき、チャージする電圧を変えたり
、チャージ時間を変えることにより、チャージ電荷を変
えて放電電流を徐々に下げた。また、チャージ電荷の極
性を変えることで被測定軸１に流れる電流の向きを交互
に変えた。すなわち、このような操作によってコンデン
サの放電電流の大きさと極性を変えることにより、被測
定軸１に対して減衰する交番電流を流した。

このようにして被測定軸１に交番電流が流れると、直線
電流の周囲には右ねじの法則によりｉ／２πｒ（ただし
ｉ：電流、ｒ：距ｔ１１）で示される環磁界が発生する
。従って、前記操作によって被測定軸１の外周部には右
まわりと左まわりに徐々に減衰する環磁界が生じ、これ
により被測定軸１の軸表面部の磁壁が固着から解放され
、透磁率の等方化が実現できる。この場合に流す電流に
ついては本実施例の場合、ｌＯＯアンペア以上の電流か
ら徐々に減衰する交番電流であれば、被測定軸１の外周
部には約２３エルステツド以上から減衰する環磁界にな
るので、磁壁の固着から解放するのにＩ−分である。

この結果、第８図■に示すように、零トルク出力の変動
が初期の第８図■に比べて約１／３０に低減しており、
被測定軸１の回転による出力変動はほぼ完全に解消され
た。

なお、被測定軸１に流す電流の大きさについては当該被
測定軸１の材質により異なり、保磁力の大きい材料であ
れば大きな電流を流す必要があるが、逆に保磁力の小さ
な材料ならば小さな電流で上のである。また、被測定軸
１が太くなると表面の透磁率の局部異方性を等方化させ
るための電流は大きいものを必要とし、被測定軸１か細
ければ電流は小さなものでよい。

さらに、この実施例では大きな電流を容易にとり出すた
めにコンデンサを用いたが、電源によっては大容量の交
流電源に直接接続して電圧振幅を減衰させる手法でもよ
い。

上述した実施例では、被測定軸１として強度の比較的大
きなニッケルークロム−モリブデン合金鋼を用いる例を
示したが、この発明にあってはこれに限定されるもので
はなく、ニッケルやパーマロイのような高磁歪材料を用
いた場合にも、また強度の大きな各種の炭素鋼および合
金鋼よりなる軸１を用いる場合にも、あるいはそれらの
複合材料よりなる被測定軸１を用いる場合にも上の適用
できる。

さらに、励磁コイル２．検出コイル３．ヨーク４におい
てもこれらを被測定軸１と同軸的に配置する構造のもの
であっても、また磁束を検出する従来公知の検出手段１
例えばポール素子等のトルク検出装置にも適用可能であ
ることは言うまでもない。

［発明の効果］ 以上説明してきたように、この発明のトルク検出装置に
よれば、磁性体からなる軸と、前記軸を磁路の一部とす
る磁気回路を形成する励磁手段と、前記軸を通る磁歪成
分を検出する検出手段とを備えたトルク検出装置におい
て、前記軸として、当該軸表面部の透磁率の局部異方性
を磁界により等方化した軸を用いた構成としたことがら
、軸の回転による出力変動がなく極めて安定した出力特
性が得られるものとなり、軸に作用するトルクを正確に
検出することができるという著しく優れた効果が得られ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）、（ｂ）はこの発明の一実施例によるトル
ク検出装置の構造を説明する各々概略正面図および概略
側面図、第２図は軸トルクと応力との関係を示す説明図
、第３図はトルク検出装置において軸を一定位置に固定
したときのトルクと出力との関係を示す特性説明図、第
４図は従来の軸における軸表面部の透磁率の局部異方的
な分布状態を示す概念的説明図、第５図はこの発明によ
る軸における軸表面部の透磁率の等史的な分布状態を示
す概念的説明図、第６図は軸を一回転させたときの検出
出力の変動を示す特性説明図、第７図は交番磁界を印加
しない軸を用いた場合（同図■の場合）、ソレノイドコ
イルの電圧を３０ボルトとして交番磁界を印加した軸を
用いた場合（同図■の場合）、およびソレノイドコイル
の電圧ヲ６０ボルトとして交番磁界を印加した頓１を用
いた場合（同図Ωの場合）において各々当該軸を−・回
転させたときの零トルク出力の変動のようすを示す説明
図、第８図は交番電流を印加しない軸を用いた場合（同
図■の場合）および交番電流を印加した軸を用いた場合
（同図■の場合）において各々当該軸を一回転させたと
きの零トルク出力の変動のようすを示す説明図である。 １・・・軸、 ２・・・励磁コイル（励磁手段）、 ３・・・検出コイル（検出手段）。 ４・・・ヨーク。 特許出願人　日産自動車株式会社 代理人弁理士　小　　塩　　　豐 第１図　　　第１図 （ａ）　　　　　　　　　（ｂ） 第３図 第４図 回転イ立置（度） 第５図 ロ転イを置（農） 第６図 ０　ω　１２０１８０２４０３００３６００にイ１１Ｅ
、置　１＊ン 第７図 丘Ｄｉイ装置　（）ｋ） 第８図 回転イｆ−ｌ！　（）ｊ（）

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）磁性体からなる軸と、前記軸を磁路の一部とする
   磁気回路を形成する励磁手段と、前記軸を通る磁歪成分
   を検出する検出手段とを備えたトルク検出装置において
   、前記軸として、当該軸表面部の透磁率の局部異方性を
   磁界により等方化した軸を用いたことを特徴とするトル
   ク検出装置。