JPS62184323A - Magneto-striction type torque sensor - Google Patents

Magneto-striction type torque sensor

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JPS62184323A
JPS62184323A JP2545586A JP2545586A JPS62184323A JP S62184323 A JPS62184323 A JP S62184323A JP 2545586 A JP2545586 A JP 2545586A JP 2545586 A JP2545586 A JP 2545586A JP S62184323 A JPS62184323 A JP S62184323A
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JP
Japan
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magneto
torque
transmission shaft
torque transmission
shaft
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Application number
JP2545586A
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Japanese (ja)
Inventor
Kosuke Harada
原田 耕介
Ichiro Sasada
一郎 笹田
Hirotaka Fukanuma
博隆 深沼
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PLASMA GIKEN KOGYO KK
Original Assignee
PLASMA GIKEN KOGYO KK
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Abstract

PURPOSE:To obtain a small-sized, high-performance noncontact torque sensor which is easily mounted by providing a magneto-strictive layer directly on a shaft in a cylindrical shape which has the center line of the shaft on the shaft surface as an axis of rotational symmetry. CONSTITUTION:The magneto-strictive layer 6 which has uniform magnetic characteristics is formed by a plasma spraying method, etc., on the outer periphery of the torque transmission shaft 1 without any seam, a couple of coils 7 and 8 containing U-shaped iron cores are arranged having their magnetic pole surface directions made coincident with the direction of the magneto- strictive layer 6 without contacting, and the directions of the magnetic electrode couple of the coils is + or -alpha deg. (alphanot equal to 0, alphanot equal to 90) to the axial direction of the torque transmission shaft. The magneto-strictive layer is properly 50-300mum in consideration of sensitivity and the joining strength between the magneto-strictive layer and torque transmission shaft. Further, ferrite, 'Permalloy(R)' which has high magnetic permeability and superior frequency characteristics, or an amorphous magnetic body with a small saturation magneto-striction constant lambdas is suitable to the U-shaped iron core material.

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は磁歪現象に基づく非接触方式トルクセンサに関
する。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION [Field of Industrial Application] The present invention relates to a non-contact torque sensor based on magnetostrictive phenomena.

〔従来の技術〕[Conventional technology]

トルクに関する情報は種々の機械あるいは電気機械系の
高度な制御に必要とされ、特にロボットの運転制御、エ
ンジンやモータの高度な制御等のために、構造が簡単で
非接触方式トルクセンサは強(望まれている。このよう
な技術分野において、トルクセンサに要求される特性は
、トルク検出感度がトルク伝達軸の回転速度に無関係に
一定であること、瞬時応答特性を有していること及び信
頼性が高いこと等である。しかもトルク検出を必要とす
る機械装置の部位は通常限られた狭い空間内にあること
が多く、トルクセンサは小形で装着容易な構造を有して
いなければならない。
Information about torque is required for advanced control of various machines or electromechanical systems. In particular, non-contact torque sensors with a simple structure and high performance are needed for robot operation control, advanced control of engines and motors, etc. In this technical field, the characteristics required of a torque sensor are that the torque detection sensitivity is constant regardless of the rotational speed of the torque transmission shaft, that it has instantaneous response characteristics, and that it is reliable. In addition, the parts of mechanical devices that require torque detection are usually located within a limited narrow space, so the torque sensor must have a small size and a structure that is easy to install.

従来、装着容易な励磁及び検出コイル系による非接触ト
ルクセンサとしては、トルク伝達軸外に鉄心入りコイル
系を配置したものが既にR6へ、BethとW、W、M
eeks によりReview  of 5cien誹
ificInstrument + Vol、 25 
+  1954に、及び00DahleによりASEA
 Journal、Vol、  33. 1960にそ
れぞれ論文発表されている。この2つのセンサとも逆磁
歪効果を有するトルク伝達軸そのものの磁化特性が、印
加トルクにより変化することを利用したものであり、こ
れらはほぼ同様の長所と短所を持っている。従って、こ
こでは0.Dahleによるトルクセンサについての基
本構成を示し、その簡単な動作原理と問題点を説明する
。第10図(a)にその基本構成を示す。逆磁歪効果を
有するトルク伝達軸1とそれに対し、わずかな空隙をお
いて2つのU字形鉄心入り励磁コイル2及び検出コイル
3が配置されている。今、図示のようにトルクTが印加
されると、トルク伝達軸の表面には互いに直交する方向
に、引っ張り応力σ4及び圧縮応力−σ5が生じる。各
応力の方向は]・ルク伝達軸の軸方向に対し±45°の
方向である。このためトルク伝達軸の表面近傍の透磁率
は、逆磁歪効果により変化し、トルク伝達軸の飽和磁歪
定数λshoと仮定とすればσ方向で大きくなり、−σ
方向で減少することとなる。この場合、2方向の透磁率
の差は、印加トルクTに比例する。2つのU字形鉄心入
り励磁コイル2及び検出コイル3は、磁気回路ブリッジ
の原理によって非接触に、この2方向の透磁率の差を符
号を含めて検出可能とするものである。結果として印加
トルクが符号を含めて検出可能となる。このように、筒
車な原理と装着容易性を有することが、上記トルクセン
サの大きな特長であるが、本方式は以下のような重大な
欠点を有していた。即ち、通常の鋼材からなるトルク伝
達軸は、その製造工程において強度のみに注意が払われ
磁気特性に関してはほとんど考慮されておらず、その結
果トルク伝達軸表面近傍における磁気特性ははなはだ不
均一なため、第10図(b)に示すように、トルク伝達
軸1の回転に伴う大きな出力ドリフトが生じる。このた
め、この方式によっては、瞬時応答特性を有するトルク
センサの実現は困難であった。
Conventionally, as a non-contact torque sensor using an excitation and detection coil system that is easy to install, one that has a coil system with an iron core placed outside the torque transmission shaft has already been used in R6, Beth and W, W, M.
Review of 5cien ific Instrument + Vol. 25
+ ASEA in 1954 and by 00 Dahle
Journal, Vol. 33. Papers were published in 1960. Both of these sensors utilize the fact that the magnetization characteristics of the torque transmission shaft itself, which has an inverse magnetostrictive effect, changes depending on the applied torque, and they have almost the same advantages and disadvantages. Therefore, here 0. The basic configuration of the Dahle torque sensor will be shown, and its simple operating principle and problems will be explained. FIG. 10(a) shows its basic configuration. A torque transmission shaft 1 having an inverse magnetostrictive effect and two U-shaped cored excitation coils 2 and a detection coil 3 are arranged with a slight gap therebetween. Now, when the torque T is applied as shown in the figure, a tensile stress σ4 and a compressive stress −σ5 are generated on the surface of the torque transmission shaft in directions perpendicular to each other. The direction of each stress is ±45° with respect to the axial direction of the torque transmission shaft. Therefore, the magnetic permeability near the surface of the torque transmission shaft changes due to the inverse magnetostriction effect, and assuming the saturation magnetostriction constant λsho of the torque transmission shaft, it increases in the σ direction, and −σ
It will decrease in the direction. In this case, the difference in magnetic permeability in the two directions is proportional to the applied torque T. The two U-shaped core-containing excitation coils 2 and detection coils 3 are capable of detecting the difference in magnetic permeability in the two directions, including the sign, in a non-contact manner based on the principle of a magnetic circuit bridge. As a result, the applied torque can be detected including its sign. As described above, having the hour wheel principle and ease of installation are major features of the torque sensor, but this method has the following serious drawbacks. In other words, in the manufacturing process of torque transmission shafts made of ordinary steel, attention is paid only to strength and little consideration is given to magnetic properties, and as a result, magnetic properties near the surface of the torque transmission shaft are extremely non-uniform. As shown in FIG. 10(b), a large output drift occurs as the torque transmission shaft 1 rotates. Therefore, depending on this method, it has been difficult to realize a torque sensor having instantaneous response characteristics.

また、これらの問題点の軽減と高怒度化、及びトルク伝
達軸が非磁性であってもトルク検出を可能とすることを
目的として、特開昭58−9034号公報に、トルク伝
達軸における逆磁歪効果を利用せず、トルク伝達軸の外
周に高磁歪アモルファス薄帯を巻いて固定し、その優れ
た逆磁歪効果を利用しようとするトルクセンサがある。
In addition, with the aim of alleviating these problems, increasing the degree of anger, and enabling torque detection even if the torque transmission shaft is non-magnetic, Japanese Patent Laid-Open No. 58-9034 discloses that There is a torque sensor that does not utilize the inverse magnetostriction effect, but rather utilizes the excellent inverse magnetostriction effect by wrapping and fixing a high magnetostrictive amorphous ribbon around the outer periphery of a torque transmission shaft.

一方、トルク検出感度がトルク伝達軸の回転速度に無関
係に一定であり、瞬時応答特性を有するトルクセンサと
して、高磁歪アモルファス薄帯をトルク伝達軸の周囲に
固定し、印加トルクに対応して変化する高磁歪アモルフ
ァス薄帯の透磁率を、ソレノイドコイル系を用いて非接
触に検出する方式のものが電気学会マグネティクス研究
会資料MAG−82−162(1982年)に発表され
ている。
On the other hand, as a torque sensor whose torque detection sensitivity is constant regardless of the rotational speed of the torque transmission shaft and has instantaneous response characteristics, a high magnetostrictive amorphous ribbon is fixed around the torque transmission shaft and changes in response to the applied torque. A method for non-contact detection of the magnetic permeability of a high magnetostrictive amorphous ribbon using a solenoid coil system was published in the Institute of Electrical Engineers of Japan Magnetics Study Group Material MAG-82-162 (1982).

〔発明が解決しようとする問題点〕[Problem that the invention seeks to solve]

ところが、前者のセンサは高磁歪アモルファス薄帯の巻
き始めと巻き終わりに起因する磁気特性の不均一性が依
然として存在し、トルク伝達軸の回転に伴う大きな出力
ドリフトの生じる問題は解決されていない。
However, the former sensor still suffers from non-uniformity in magnetic properties due to the beginning and end of winding of the high magnetostrictive amorphous ribbon, and the problem of large output drift due to rotation of the torque transmission shaft remains unsolved.

また、Ihftのトルクセンサでは、トルク伝達軸を取
り囲むように導電線を巻くことが必要なため装着容易性
に欠ける問題点があり、しかもトルク伝達軸の偏心回転
運動の悪影響を吸収して優れたトルクセンサを実現する
ためには、ソレノイドコイル長はその直径と同程度、あ
るいはそれ以上長くする必要があり小形化にも限度があ
った。
In addition, IHFT torque sensors have the problem of not being easy to install because they require a conductive wire to be wrapped around the torque transmission shaft. In order to realize a torque sensor, the length of the solenoid coil must be equal to or longer than the diameter of the solenoid, and there is a limit to miniaturization.

そこで本発明は、上記問題点をすべて解決する、装着容
易な小形高性能非接触トルクセンサを提供することを目
的とする。
SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a compact, high-performance, non-contact torque sensor that is easy to install and solves all of the above problems.

〔問題点を解決するための手段〕[Means for solving problems]

本発明は、軸に印加されたトルクを前記軸の表面に設け
られた磁歪層における逆磁歪効果を利用して、前記トル
クを検出する磁歪方式トルクセンサにおいて、前記軸表
面上に前記軸の中心線を回転対象軸とする円筒形状に磁
歪層を軸に直接設けたことを特徴とする。
The present invention provides a magnetostrictive torque sensor that detects torque applied to a shaft by utilizing an inverse magnetostrictive effect in a magnetostrictive layer provided on the surface of the shaft. It is characterized by having a cylindrical shape with a line as the axis of rotation, and a magnetostrictive layer is provided directly on the axis.

磁歪層は溶射法がプラズマ溶射法により形成することが
望ましい。溶射法による磁歪層の形成は通常環境下で可
能であり、かつその形成速度が磁歪層形成に利用可能な
他の技術、例えばスパッタ法、1着法、電着法等に比較
し高速であること、しかもトルク伝達軸を回転させなか
ら磁歪層を形成することでその磁気特性が回転対象とな
り本発明の目的上好都合である。
The magnetostrictive layer is preferably formed by a plasma spraying method. Formation of a magnetostrictive layer by thermal spraying is possible under normal conditions, and the formation speed is faster than other techniques available for forming magnetostrictive layers, such as sputtering, single deposition, electrodeposition, etc. Moreover, since the torque transmission shaft is not rotated, by forming the magnetostrictive layer, its magnetic properties become rotationally symmetrical, which is advantageous for the purpose of the present invention.

〔作 用〕[For production]

本発明により、磁気特性の不均一性に起因したトルク伝
達軸の回転に伴う出力のドリフトの問題が根本的に解決
され、瞬時応答性が実現できると共に、磁歪層の固定に
どのような接着剤も使用しないため広い動作温度範囲に
わたって高信頼性のトルクセンサが得られる。
The present invention fundamentally solves the problem of output drift due to the rotation of the torque transmission shaft due to non-uniformity of magnetic properties, enables instantaneous response, and also enables the fixation of the magnetostrictive layer using any adhesive. Since the torque sensor does not use any heat, a highly reliable torque sensor can be obtained over a wide operating temperature range.

〔実施例〕〔Example〕

以下図によって実施例を詳細に説明する。第1図(a)
は、本発明の第1実施例における基本構成を示している
。トルク伝達軸1の外周に、プラズマ溶射法等の溶射法
により継ぎ目なく磁気特性の一様な磁歪層6が形成され
たものに、1対のU字形鉄心入りコイル7.8がその磁
極面方向を磁歪層6の方向に向は非接触に配置されてお
り、各コイルの磁極対の方向はトルク伝達軸の軸方向に
対し±α° (α≠01α≠90)をなしている。この
場合、磁歪層組成は飽和磁歪定数λS及び飽和磁化Is
が共に大きく、結晶磁気異方性が小さいものが感度の点
から理想的であるが、高透磁率U字形鉄心の磁束収束効
果、及び励磁周波数を100kHz程度に高くすること
で十分な出力が得られるので飽和磁歪定数λSは特に大
きい必要はない。このため従来から磁歪振動子材料とし
て知られているNi−Fe合金(45パーマロイ)ある
いは、Fe−C。
Embodiments will be described in detail below with reference to the drawings. Figure 1(a)
1 shows the basic configuration of the first embodiment of the present invention. A magnetostrictive layer 6 with uniform magnetic properties is seamlessly formed on the outer periphery of the torque transmission shaft 1 by a thermal spraying method such as a plasma spraying method, and a pair of U-shaped cored coils 7.8 are attached to the magnetostrictive layer 6 in the direction of the magnetic pole surface. are arranged in a non-contact manner in the direction of the magnetostrictive layer 6, and the direction of the magnetic pole pair of each coil is at ±α° (α≠01α≠90) with respect to the axial direction of the torque transmission shaft. In this case, the magnetostrictive layer composition is the saturation magnetostriction constant λS and the saturation magnetization Is
From the viewpoint of sensitivity, it is ideal to have both large values and small magnetocrystalline anisotropy, but sufficient output can be obtained by using the magnetic flux convergence effect of the high magnetic permeability U-shaped core and by increasing the excitation frequency to about 100 kHz. Therefore, the saturation magnetostriction constant λS does not need to be particularly large. For this reason, Ni-Fe alloy (45 permalloy) or Fe-C, which has been known as a magnetostrictive vibrator material.

合金(2V−パーメンジュール)等を始めとする金属磁
性材料はすべて適合し、また鉄やマルテンサイトステン
レスでも良い。また、Fe基アモルファス(非晶質)磁
性体であっても良い。磁歪層の厚さは、50μm〜30
0μm程度が感度及び磁歪層とトルク伝達軸との接合強
度の点から妥当である。また、U字形鉄心材料としては
、高透磁率で周波数特性の優れたフェライト、パーマロ
イあるいは、飽和磁歪定数λSの小さなアモルファス磁
性体が適している。
All metal magnetic materials including alloy (2V-permendur) etc. are suitable, and iron and martensitic stainless steel may also be used. Alternatively, it may be an Fe-based amorphous (non-crystalline) magnetic material. The thickness of the magnetostrictive layer is 50 μm to 30 μm.
Approximately 0 μm is appropriate from the viewpoint of sensitivity and bonding strength between the magnetostrictive layer and the torque transmission shaft. Further, as the U-shaped core material, ferrite, permalloy, which has high magnetic permeability and excellent frequency characteristics, or an amorphous magnetic material with a small saturation magnetostriction constant λS is suitable.

ところで、検出コイルに鎖交する磁束は概ね磁歪層の厚
さに比例するので、トルク検出感度を高くするには、付
着面を通して軸のねじり歪が磁歪層に伝達されうる範囲
内で、磁歪層厚みをできるだけ大きくする必要がある。
By the way, the magnetic flux that intersects with the detection coil is roughly proportional to the thickness of the magnetostrictive layer, so in order to increase the torque detection sensitivity, the magnetostrictive layer should be It is necessary to increase the thickness as much as possible.

それには大きな磁歪層形成速度と強付着強度を兼備した
溶射法が最も適している。
The most suitable method for this purpose is the thermal spraying method, which has both a high magnetostrictive layer formation rate and strong adhesion strength.

溶射法は通常環境下で磁歪層の形成が可能であり、種々
の機械装置の製造ライン中の一工程として容易に組み込
め、量産にも適している。
The thermal spraying method allows the formation of a magnetostrictive layer under normal conditions, can be easily incorporated as a step in the production line of various mechanical devices, and is suitable for mass production.

その他スパッタ法や蒸着法が考えられるがそれらは薄層
形成時に低圧気体放電用容器や真空容器を必要とし、ま
た電着法はメッキ浴を必要とするので製造ライン中の一
工程として容易に組み込めるとはいえない。第2にこれ
ら何れの方法も磁歪層形成速度が格段に遅い。例えば、
RFスパッタ法の膜形成速度は標準的なもので約100
人/S程度である。
Other methods such as sputtering and vapor deposition are possible, but these require a low-pressure gas discharge container or vacuum container when forming a thin layer, and electrodeposition requires a plating bath, so they can be easily incorporated as one step in the production line. I can't say that. Secondly, the rate of formation of the magnetostrictive layer is extremely slow in any of these methods. for example,
The standard film formation speed of RF sputtering is approximately 100%.
Approximately 1 person/S.

プラズマ溶射法も磁歪層形成には適した方法であるが、
一応想起される懸念は、その保磁力Heの大きさである
が、磁歪層としてNi層について測定した例では、溶射
後研磨した状態でI(、=30〜50(Oe)程度であ
り、これに更に焼鈍処理を施せば保磁力の低減が見込ま
れるのでそのおそれはない。
Plasma spraying is also a suitable method for forming magnetostrictive layers, but
The concern that may be raised is the magnitude of the coercive force He, but in an example measured for a Ni layer as a magnetostrictive layer, it was about I(, = 30 to 50 (Oe)) in the polished state after thermal spraying, and this If further annealing is applied to the steel, the coercive force can be expected to be reduced, so there is no risk of this happening.

更に、励磁コイルに鉄心入りコイルを利用し励磁磁界を
数百ガウス(G)以上とすれば、十分な感度が得られま
たヒステリシス誤差も実用上問題とならない。従って磁
歪層形成には溶射法かプラズマ溶射法が最も適している
Furthermore, if an iron-core coil is used as the excitation coil and the excitation magnetic field is several hundred Gauss (G) or more, sufficient sensitivity can be obtained and hysteresis errors do not pose a practical problem. Therefore, thermal spraying or plasma spraying is most suitable for forming the magnetostrictive layer.

今、図示のようにトルクTが印加された場合、トルク伝
達軸表面には引っ張り応力4及び圧縮応力5が生じ、ト
ルク伝達軸表面に強固に接合している磁歪層にも同様の
応力が誘導される。従って、磁歪層の飽和磁歪定数λs
hoとすれば、第10図(a)の場合と同様に磁歪層の
透磁率はσ方向で大きくなり、逆に−σ力方向減少する
。このため、U字形鉄心入りコイル8において自己イン
ダクタンスが増加し、逆にコイル7において減少する。
Now, when torque T is applied as shown in the figure, tensile stress 4 and compressive stress 5 are generated on the surface of the torque transmission shaft, and similar stress is induced in the magnetostrictive layer that is firmly bonded to the surface of the torque transmission shaft. be done. Therefore, the saturation magnetostriction constant λs of the magnetostrictive layer
If ho, the magnetic permeability of the magnetostrictive layer increases in the σ direction and decreases in the −σ force direction, as in the case of FIG. 10(a). Therefore, the self-inductance increases in the U-shaped cored coil 8, and conversely decreases in the coil 7.

第1図(b)に印加トルクと各自己インダクタンスとの
関係を示す。トルクの印加方向は第1図(a)に図示し
た方向を正としている。これから、2つの自己インダク
タンスの差を符号を含めて検出すれば、トルクの方向を
含めて非接触検出が可能となることがわかる。2つの自
己インダクタンスの差を検出する回路としては例えばブ
リ、ジが良く知られている。第2図にこの回路に基づく
トルクセンサの1構成例を示す。正弦波電源9を励磁電
源とし、出力は位相検波回路10によって、トルクに比
例するブリッジ非平衡電圧1)を直流として取り出す。
FIG. 1(b) shows the relationship between applied torque and each self-inductance. The direction of torque application shown in FIG. 1(a) is defined as positive. From this, it can be seen that if the difference between the two self-inductances is detected including the sign, non-contact detection including the direction of the torque is possible. As a circuit for detecting the difference between two self-inductances, for example, BRIDGE and GE are well known. FIG. 2 shows an example of the configuration of a torque sensor based on this circuit. A sine wave power source 9 is used as an excitation power source, and a phase detection circuit 10 outputs a bridge unbalanced voltage 1) proportional to torque as a direct current.

この場合、2つの自己インダクタンスの差の符号は、ブ
リッジ非平衡電圧IIの位相と1対1の関係にあるため
、位相検波回路によりトルクの方向が識別可能となる。
In this case, since the sign of the difference between the two self-inductances has a one-to-one relationship with the phase of the bridge unbalanced voltage II, the direction of the torque can be identified by the phase detection circuit.

位相検波回路の位相制御信号は、正弦波電源電圧あるい
は励磁電流12の位相を基準として構成する。可変抵−
抗13は、零調を行なうものである。
The phase control signal of the phase detection circuit is configured with the phase of the sine wave power supply voltage or excitation current 12 as a reference. Variable resistance
The resistor 13 performs zero adjustment.

第3図は、第1図(a)における1対のU字形鉄心入り
コイル7.8と磁歪層6間の空隙変化に伴う感度変化を
補償するための1回路である。これは、空隙の増大に伴
う感度の低下を、可変利得増幅器14によって補償する
ものである。空隙が大きくなると、U字形鉄心の反磁界
効果のためにコイル7.8の自己インダクタンスは単調
に減少し、その結果、励磁電流12が単調に増加するの
で、空隙変化は励磁電流12の振幅変化から検出される
。従って、励磁電流12の振幅に比例して可変利得増幅
器14の利得を大きくすれば良い。本実施例では、これ
を達成するために、励磁電流振幅を電流検出器16で検
出し整流回路17により直流電圧に変化し、これを可変
利得増幅器の利得制御信号18とするものである。
FIG. 3 shows a circuit for compensating for sensitivity changes due to changes in the air gap between the pair of U-shaped cored coils 7.8 and the magnetostrictive layer 6 in FIG. 1(a). This is because the variable gain amplifier 14 compensates for the decrease in sensitivity due to the increase in air gap. As the air gap increases, the self-inductance of the coil 7.8 decreases monotonically due to the demagnetizing field effect of the U-shaped core, and as a result, the excitation current 12 increases monotonically, so that the change in the air gap is caused by the change in the amplitude of the excitation current 12. Detected from. Therefore, the gain of the variable gain amplifier 14 may be increased in proportion to the amplitude of the excitation current 12. In this embodiment, in order to achieve this, the excitation current amplitude is detected by the current detector 16 and changed to a DC voltage by the rectifier circuit 17, which is used as the gain control signal 18 of the variable gain amplifier.

ただし、この場合補償可能な空隙変化モードは、第1図
(a)において1対のU字形鉄心入りコイル7.8と磁
歪層6間の空隙が等しく変化する場合に限られる。
However, in this case, the compensable air gap change mode is limited to the case where the air gap between the pair of U-shaped cored coils 7.8 and the magnetostrictive layer 6 changes equally in FIG. 1(a).

第4図は、本発明の第2実施例を示したものである。第
1図(a)においては、1対のU字形鉄心入りコイル7
.8の並びは、トルク伝達軸1の軸方向に平行していた
のに対し、本実施例では1対のU字形鉄心入りコイルを
その相対的位置関係を保持したまま90°回転させ、1
対のU字形鉄心入りコイル19.20の並びがトルク伝
達軸1の軸方向に直交するようにしたものである。外的
要因によって、トルク伝達軸1にその軸方向の温度勾配
が生じても、1対のU字形鉄心入りコイル19.20の
直下の温度は常に等しくなり、温度の影響は同相外乱と
なる。従って、例えば第2図の差動構造の検出回路によ
り同相外乱は完全に除去されるので、出力ドリフトを生
じないようという特徴を有する。
FIG. 4 shows a second embodiment of the invention. In FIG. 1(a), a pair of U-shaped cored coils 7
.. 8 were arranged parallel to the axial direction of the torque transmission shaft 1, but in this example, a pair of U-shaped iron cored coils were rotated 90 degrees while maintaining their relative positional relationship, and 1
The pair of U-shaped cored coils 19 and 20 are arranged perpendicularly to the axial direction of the torque transmission shaft 1. Even if a temperature gradient occurs in the axial direction of the torque transmission shaft 1 due to an external factor, the temperatures immediately below the pair of U-shaped cored coils 19 and 20 are always equal, and the influence of temperature becomes an in-phase disturbance. Therefore, the common mode disturbance is completely removed by the differential structure detection circuit shown in FIG. 2, for example, so that it has the characteristic that no output drift occurs.

第5図は、本発明の第3実施例を示したものである。ト
ルク伝達軸lに対し非接触に配置されたこのU字形鉄心
入りコイル21.22.23.24は、コイル21.2
2及び同23.24がそれぞれ直列に結線され全体とし
て1対のコイル系を形成している。この場合、コイル2
1.22は直線25の上にあり、また同23.24は直
線26の上にある。更にこの2つの直線25.26の方
向は、それぞれトルク伝達軸lの軸方向に対し、±α°
 (α≠0、α≠90)をなしている。本実施例のU字
形鉄心入りコイル構成を開いてトルクを検出する場合も
、例えば第2図の差動構造の検出回路を利用することが
できる。本実施例の効果は、第1実施例の空隙変化に対
する補償法によって、補償不可能であった不均一な空隙
変化、即ちコイル系全体が4つのU字形鉄心入りコイル
間の相対的位置関係を不変に保ちつつ、磁歪層6に対し
斜めに傾くような空隙変化のモードに対し補償が自動的
になされることである。−例として、U字形鉄心入りコ
イル22.23と磁歪層6間の空隙が減少し、逆に同コ
イル21.24と磁歪層6間の空隙が増加する場合を考
えると、U字形鉄心入りコイル21と同22の自己イン
ダクタンスの和と同23.24の自己インダクタンスの
和が常に等しくなり、差動出力に影響を与えないからで
ある。
FIG. 5 shows a third embodiment of the present invention. This coil 21.22.23.24 with a U-shaped iron core is arranged in a non-contact manner with respect to the torque transmission shaft l.
2 and 23 and 24 are connected in series, forming a pair of coil systems as a whole. In this case, coil 2
1.22 is on the straight line 25, and 23.24 is on the straight line 26. Furthermore, the directions of these two straight lines 25 and 26 are ±α° with respect to the axial direction of the torque transmission axis l.
(α≠0, α≠90). When detecting torque by opening the U-shaped cored coil structure of this embodiment, for example, the differential structure detection circuit shown in FIG. 2 can be used. The effect of this embodiment is that the compensation method for air gap changes of the first embodiment can eliminate non-uniform air gap changes that could not be compensated for, that is, the entire coil system can compensate for the relative positional relationship between the four U-shaped cored coils. It is possible to automatically compensate for a mode in which the air gap changes obliquely with respect to the magnetostrictive layer 6 while keeping it unchanged. - As an example, consider the case where the air gap between the coil 22, 23 with a U-shaped iron core and the magnetostrictive layer 6 decreases, and conversely, the air gap between the coil 21, 24 and the magnetostrictive layer 6 increases. This is because the sum of the self-inductances of 21 and 22 and the sum of the self-inductances of 23.24 are always equal, and do not affect the differential output.

第6図は、本発明に用いられる電源回路である。FIG. 6 shows a power supply circuit used in the present invention.

回路が複雑でかつ電力の利用率の悪い正弦波励磁電源を
用いずに、トランジスタ・スイッチによって直流電源か
ら直接交番励磁電流を得るようにした検出回路方式であ
る。トランジスタ27は出力抵抗の小さなエミッタホロ
ワとして動作し、トランジスタ28は通常のオン・オフ
動作をするトランジスタ・スイッチであり、これらは時
比率1:1のスイッチング制御パルス29により交互に
オン・オフを繰り返す。コンデンサ30は、1対のU字
形鉄心入りコイル7.8のインダクタンスとLC直列共
振を起こしインピーダンスを小さくする目的で挿入され
ている。またダイオード31は、トランジスタ27がオ
フの時、オン状態にあるトランジスタ28を通して、コ
ンデンサ30の一端を接地電圧に短絡する効果を持って
いる。このためコンデンサ30と1対のU字形鉄心入り
コイル7.8及び抵抗とからなるLCR直並列回路は、
出力抵抗の小さい矩形電圧源によって駆動されるのと等
価になる。この場合、励磁電流はLC直列共振によりス
イッチング制御パルス29の基本波成分のみとなり正弦
波励磁電源による励磁と等価になる。
This is a detection circuit system in which an alternating excitation current is obtained directly from a DC power source using a transistor switch, without using a sinusoidal excitation power source, which has a complicated circuit and poor power utilization. The transistor 27 operates as an emitter follower with a small output resistance, and the transistor 28 is a transistor switch that performs normal on/off operation, and these are alternately turned on and off by a switching control pulse 29 with a duty ratio of 1:1. The capacitor 30 is inserted for the purpose of causing LC series resonance with the inductance of the pair of U-shaped cored coils 7.8 to reduce impedance. Further, the diode 31 has the effect of short-circuiting one end of the capacitor 30 to the ground voltage through the transistor 28 which is in an on state when the transistor 27 is off. Therefore, the LCR series-parallel circuit consisting of the capacitor 30, a pair of U-shaped cored coils 7.8, and a resistor is as follows:
This is equivalent to being driven by a rectangular voltage source with small output resistance. In this case, the excitation current becomes only the fundamental wave component of the switching control pulse 29 due to LC series resonance, and is equivalent to excitation by a sinusoidal excitation power source.

第7図は、本実施例の検出回路によって実際にトルク検
出を行なった例である。直径12mmの強磁性丸棒の周
囲に、プラズマ溶射法によりNi層を一様に約300 
ttmの厚さに形成し、1対のU字形鉄心入りコイルは
第1図(a)のように配置した。
FIG. 7 shows an example in which torque was actually detected by the detection circuit of this embodiment. Around a ferromagnetic round bar with a diameter of 12 mm, a Ni layer of about 300 ml was uniformly coated using a plasma spraying method.
ttm thick, and a pair of U-shaped cored coils were arranged as shown in FIG. 1(a).

またU字形鉄心としてU字形のフェライト磁心を用い、
空隙の大きさは0.3鰭とした。この図において、直線
性の良い特性が得られることが示されている。第8図は
、電動機と発電機を組み合わせた実験装置によって、出
力のトルク伝達軸の回転速度への依存性を調べたもので
ある。これにより静止状態から180Orpmにわたっ
て感度が一定であることが示されている。第9図は、本
発明で最も重要な瞬時応答性を調べたものである。検出
対称トルクは電動機と発電機を組み合わせた実験装置が
約180Orpmの定常回転状態にある時の、トルク伝
達軸に生じた固有振動数約5!H1zのトルク振動であ
る。トルク振動の振幅は約3Nmでその周期は、トルク
伝達軸の1回転に対し約2周期の関係にある。上の波形
が整流子を有する接触形ストレインゲージトルクメータ
による参照出力で下の波形が本実施例によるトルク出力
波形である。
In addition, a U-shaped ferrite magnetic core is used as the U-shaped iron core,
The size of the void was 0.3 fin. This figure shows that characteristics with good linearity can be obtained. FIG. 8 shows an investigation of the dependence of the output on the rotational speed of the torque transmission shaft using an experimental device that combines an electric motor and a generator. This shows that the sensitivity is constant over 180 rpm from the rest state. FIG. 9 shows an investigation of instantaneous response, which is the most important aspect of the present invention. The detected symmetrical torque is the natural frequency of about 5 that occurs in the torque transmission shaft when the experimental equipment that combines an electric motor and a generator is in a steady rotation state of about 180 Orpm! This is a torque vibration of H1z. The amplitude of the torque vibration is approximately 3 Nm, and its period is approximately two periods per one rotation of the torque transmission shaft. The upper waveform is a reference output from a contact type strain gauge torque meter having a commutator, and the lower waveform is a torque output waveform according to this embodiment.

両波形の間には基本的一致が見られる。There is a basic agreement between both waveforms.

〔発明の効果〕〔Effect of the invention〕

以上のように本発明によるトルクセンサは、トルク検出
感度がトルク伝達軸の回転速度に無関係に一定であり、
瞬時応答特性を有することが示された。本発明によるト
ルクセンサは、本来簡単で装着容易な構造であるため、
ロボットの運動制御、エンジンやモータの高度な制御等
を始めとし種々の分野に大きい効果を持つものである。
As described above, in the torque sensor according to the present invention, the torque detection sensitivity is constant regardless of the rotation speed of the torque transmission shaft,
It was shown that it has instantaneous response characteristics. Since the torque sensor according to the present invention has a structure that is inherently simple and easy to install,
It has great effects in various fields including motion control of robots, advanced control of engines and motors, etc.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of drawings]

第1図(a)は本発明の一実施例を示した斜視図、第1
図(b)はトルクとコイルに発生する自己インダクタン
スとの関係を示したグラフ、第2図は検出回路図、第3
図は空隙補償した検出回路図、第4図及び第5図は磁歪
層と検出コイルとの位置関係を示した斜視図、第6図は
本発明に用いられる電源回路図、第7図は印加トルクと
検出回路の出力との関係図、第8図はトルク一定条件に
おける回転数−出力図、第9図は瞬時応答性を調べたオ
シログラフ図、第10図(a)は従来のセンサを示した
斜視図、第10図(b)は従来のセンサの特性図である
。 1・・・トルク伝達軸(軸) 3・・・磁歪層 7.8.21〜24・・・コイル 14・・・可変利得増幅器 16・・・電流検出器 17・・・整流回路 第1図 (α) (b) 第2図 第4図 第6図 乱転数(rpml 第9図 #軸1.5 N−m/dlv 虐m 5ms /dlv n気肩らと 、)ガ訂東ヂシストレインブージトルクメ
ータつ出ガ((ト且妖dzり) 1贋シ千、オ砒ξデ(1りとるトJレク4ンサー仕2り
第10図 (b) 固賑禽(攪)
FIG. 1(a) is a perspective view showing one embodiment of the present invention.
Figure (b) is a graph showing the relationship between torque and self-inductance generated in the coil, Figure 2 is a detection circuit diagram, and Figure 3 is a graph showing the relationship between torque and self-inductance generated in the coil.
The figure is a detection circuit diagram with air gap compensation, Figures 4 and 5 are perspective views showing the positional relationship between the magnetostrictive layer and the detection coil, Figure 6 is a power supply circuit diagram used in the present invention, and Figure 7 is an application circuit diagram. Figure 8 is a diagram of the relationship between torque and the output of the detection circuit, Figure 8 is a rotation speed-output diagram under constant torque conditions, Figure 9 is an oscillograph diagram examining instantaneous response, and Figure 10 (a) is a diagram of the conventional sensor. The perspective view shown in FIG. 10(b) is a characteristic diagram of a conventional sensor. 1... Torque transmission shaft (shaft) 3... Magnetostrictive layer 7.8.21-24... Coil 14... Variable gain amplifier 16... Current detector 17... Rectifier circuit Fig. 1 (α) (b) Figure 2 Figure 4 Figure 6 Random rotation number (rpml Figure 9 #axis 1.5 N-m/dlv 5ms/dlv Inbuzi Torque Meter Tsudega ((To and Demonic Dzuri) 1 Fake 1000, Ousen ξde (1 Ritoru To J Rex 4 Sensor Type 2 Figure 10 (b) Solid Mighty Bird (Agitation)

Claims (3)

【特許請求の範囲】[Claims] (1)軸に印加されたトルクを前記軸の表面に設けられ
た磁歪層における逆磁歪効果を利用して、前記トルクを
検出する磁歪方式トルクセンサにおいて、前記軸表面上
に前記軸の中心線を回転対象軸とする円筒形状に磁歪層
を軸に直接設けたことを特徴とする磁歪方式トルクセン
サ。
(1) In a magnetostrictive torque sensor that detects torque applied to a shaft by utilizing an inverse magnetostrictive effect in a magnetostrictive layer provided on the surface of the shaft, the center line of the shaft is displayed on the surface of the shaft. A magnetostrictive torque sensor characterized in that it has a cylindrical shape with a rotational axis of , and a magnetostrictive layer is provided directly on the axis.
(2)前記円筒形状磁歪層を溶射法により形成すること
を特徴とする特許請求の範囲第(1)項記載の磁歪方式
トルクセンサ。
(2) The magnetostrictive torque sensor according to claim (1), wherein the cylindrical magnetostrictive layer is formed by a thermal spraying method.
(3)前記円筒形状磁歪層をプラズマ溶射法により形成
することを特徴とする特許請求の範囲第(1)項記載の
磁歪方式トルクセンサ。
(3) The magnetostrictive torque sensor according to claim (1), wherein the cylindrical magnetostrictive layer is formed by a plasma spraying method.
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