JPS62264685A - 圧延機用トルク検出装置 - 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） 本発明は非接触でトルクを検出するトルク検出装置に関
する。

（従来の技術） トルクは回転駆動系の制御を行なう際の基本量の１つで
ある。トルクを精密に検出するためには、その検出機構
が非接触方式であることが必要である。

近年、上述したような非接触方式のトルク検出装置とし
てアモルファス磁性合金の薄帯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資料ＭＡＧ
−８１−７２）。

このトルク検出装置の概略構成は第４図に示すようなも
のである。第４図において、トルクを検出すべき回転軸
、すなわちトルク伝達軸１にはアモルファス磁性合金か
ら形成された環状磁心２が巻回されて固定されている。

この環状磁心２には予めその周方向３に対して角度θの
傾き方向に誘導磁気異方性Ｋｕ’４が付与されている。

なお、前記環状磁心？の周囲には例えば図示しない検出
コイルが近接して配設されており、更にこの検出コイル
は図示しない検出回路に接続されている。

上記トルク検出装置の原理を概略的に説明する。ここで
説明を簡単にするためにθ＞４５”、飽和磁歪定数入Ｓ
＞Ｏとする。いま、トルク伝達軸１にトルク５が加わる
と、トルク伝達軸１に発生したひずみ応力が環状磁心２
に伝達され、環状磁心２には＋４５″の方向に張力σが
、−４５＠の方向に圧縮応力−σがそれぞれ発生する。

これに伴ない、環状磁心２には磁気ひずみ効果により＋
４５″の方向に誘導磁気異方性Ｋｕ”６（Ｋｕ″＝３人
Ｓσ）が誘導される。この結果、Ｋｕ’とＫ　ｕ　”の
合成として誘導磁気異方性はＫｕ７へ変化する。一般に
、磁性体の透磁率は励磁方向に対する誘導磁気異方性の
方向によって変化する。したがって、環状磁心２の誘導
磁気異方性の方向の変化に伴う透磁率の変化を１例えば
検出コイル及びこれに接続された検出回路により電圧の
変化として測定することができ、その値からトルク伝達
軸１に加えられたトルク５を検出することができる。

なお、上記トルク検出装置の説明では環状磁心を構成す
る磁性体としてアモルファス磁性合金を用いた場合につ
いて述べたが、これに限らず軟質磁性を示すものであれ
ば、例えばパーマロイ（Ｆｅ−Ｎｒ金合金、センダスト
（Ｆｅ−Ａｎ　−Ｓｉ合金）、Ｆｅ−Ｓｉ合金など他の
磁性体を用いることができる。

ところで、従来のトルク検出装置では、磁性金属の磁気
歪特性に伴う出力を大きくするために、飽和磁歪定数が
例えば３０Ｘ１０−６以上とできるだけ大きい飽和磁歪
定数を有する磁性材料を用いるのが一般的であった。

しかしながら、このように飽和磁歪定数の大きい磁性材
料を用いたトルク検出装置では、検出感度は充分大きい
が、トルクに対する線形性が劣り、結局狭い範囲でのト
ルク検出にしか使用できないという問題がある。

また、磁性金属薄帯に予め誘導磁気異方性を付与した後
、磁性金属薄帯を曲率を有するトルク伝達軸の表面に固
定して使用するため、入Ｓが大きいと曲率による応力変
化が生じ、初期の誘導磁気異方性が劣化してトルク検出
特性に悪影響を与えるという問題がある。

（発明が解決しようとする問題点） 本発明は上記問題点を解決するためになされたものであ
り、実用レベルの検出感度を有しながら高トルク領域ま
で線形性に漫れたトルク検出装置を提供しようとするも
のである。

［発明の構成］ （問題点を解決するための手段と作用）本発明のトルク
検出装置は、回転軸に磁歪を有する磁性金属薄帯を固定
し、前記回転軸に加えられたトルクに伴う前記磁性金属
薄帯の磁気特性の変化を非接触検出することにより、ト
ルクを測定するトルク検出装置において、前記磁性金属
薄帯の飽和磁歪定数入Ｓが １人ｓｌ＜　　ｌＸｌ０−’ の関係を満たすことを特徴とするものである。

以下、本発明を更に詳細に説明する。

トルクＴは次式 に従って、磁性金属薄帯の表面応力σＡに変換される。

ここで、ｄ：トルク伝達軸の直径、ＧＴ　：トルク伝達
軸の剛性率、ＧＡ：磁性合金薄帯の剛性率である０本発
明に係るトルク検出装置では、この表面応力σ＾の変化
を磁性金属薄帯の磁気変化に変換して測定する。

本発明者らは、トルク検出装置の出力の線形性について
鋭意研究を行なったところ、線形性の保証には磁性金属
薄帯の飽和磁歪定数（入Ｓ）と誘導磁気異方性（Ｋ　ｕ
Ｏ）が大きく影響していることを見出した。

本発明者らの研究によれば、 Ｋｕ、／３人５（ｆｈ≧２　・・・■ のとき、 の範囲で優れた線形性が得られる。■式を■式に代入す
ると。

となる。

上記の研究結果の物理的意味は、次のようなものである
。すなわち、Ｋ　ｕ（１＝　３人ＳσＡ近傍で磁性金属
薄帯の容易磁化方向が不安定になりトルク検出装置の出
力が線形性を逸脱して飽和現象を示すが、Ｋｕ、が：３
人５ｃｒＡより充分大きければこの飽和現象は起きず容
易磁化方向はＫｕ６近傍でわずかに変化するにとどまる
。上記の飽和現象が生じるか否かの臨界値がＫ　ｕ６　
／　３人ＳσＡ＝２ということである。

■式から明らかなように、Ｋ　ｕ−／入Ｓが大きいほど
、広範囲のトルクに対して線形性が保証される。ところ
で、従来のように表面応力と磁気変化との変換効率を大
きくするために入Ｓの大きい磁性金属薄帯を用いようと
すると、入Ｓに伴なってＫ　ｕ（１も大きくならなけれ
ば、トルク検出装置の出　。

力は良好な線形性を示さない。しかし、Ｋ　ｕ、の大き
さは約１５Ｘ　Ｉ　Ｏ３ｅｒｇ　／ｃ＋＋＋３が限界で
あるため、入Ｓを大きくすると出力の線形性が劣ること
になる。

例えば、重工業用の圧延機を駆動する大型直流電動機の
軸トルクを監視しようとした場合、軸表面の応力は定格
時には：　０．８　ｋｇ／　ｍ１１２であるのに対し、
鋼鉄インゴット圧延時には３００〜６００％負荷、すな
わち：　５　ｋｇ／　ｍｍ　２まで上昇する。ところが
、この表面応力に対応するトルクを検出しようとしても
、Ｋ　ｕ（１の限界値を大幅に上回るものであるため、
測定が不可能である。

したがって、入Ｓが小さいほど、トルク検出装置の出力
の線形性は良好となる。

更に、本発明者らの研究によれば、磁性金属薄帯の飽和
磁歪定数（入Ｓ）が小さいほど、所望の方向に誘導磁気
異方性（Ｋ　ｕｏ　）を付与することが容易となること
も明らかになった。このことは、入Ｓが小さいほど方向
の揃っていない磁気異方性成分が少なく、磁性金属薄帯
に予め誘導磁気異方性を付与した後、磁性金属薄帯を曲
率を有するトルク伝達軸の表面に固定した際に曲率によ
る応力変化が生じても、初期の誘導磁気異方性がより劣
化しにくく、トルク検出特性に悪影響を与えることが少
ないことも示している。

以上のようにトルク検出装置の出力の線形性を良好にし
、所望方向への誘導磁気異方性の付与を容易にするため
には、入Ｓが小さいほどよいが磁性金属薄帯が １人ｓ１　＜　　ｌＸｌ０−’ という関係を満足すれば、所期の目的を達成することが
できる。

なお、　１人ｓｌ　　の下限は実用的な検出レベルが得
られる範囲で決定されるが、現状の測定限界である１０
−ラオーダーの値であっても充分実用的な検出レベルを
得ることが可能である。

また、Ｋｕｏについては、磁性金属薄帯に磁場中処理で
より理想的な一軸磁気異方性を付与するためには、Ｋ　
ｕｏがある程度以上の値を宥することが必要であり、　
Ｋｕ、）　Ｉ　Ｘ　１０３ｅｒｇ　７ｃｍ３であること
が望ましい。

本発明において、磁性金属薄帯としては、例えばパーマ
ロイ（Ｆ　ｅ−Ｎ　ｉ合金）、センダスト（Ｆｅ−ＡＪ
Ｉ−Ｓｔ金合金、Ｆｅ−Ｓｉ合金などの磁性体でもよい
が、より大きいＫｕ、を付与することができ、Ｋ　ｕ０
／入Ｓの可変域が大きい非晶質合金を用いることが望ま
しい。

非晶質合金としては、メタロイド元素としてＳｉ、Ｂ、
Ｐ、Ｃ等を含有するＣｏ基非晶質合金が挙げられる。特
に、Ｓｉ、Ｂ１．Ｈ含有するものが望ましい、また、Ｚ
ｒ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｎｂ等を非晶質化元素とする金属−金
属系非晶質合金でもよい、これらの非晶質合金では、少
量のＦｅを含有させることにより、零磁歪近傍のものを
得ることができる。

好ましい非晶質合金としては、例えば次式％式％） （ただし、０．０２≦ａ≦０．１　、０．３≦ｙ≦１．
０．５≦２≦３２）にて表わされるものが挙げられる。

上記組成において、Ｆｅは零磁歪近傍の非晶質合金を得
るために添加され、Ｆｅの添加量を示すａの値はｚ、ｙ
に応じて０．０２〜０．１、好ましくは０．０３〜０．
０７の範囲で設定される。

この非晶質合金において最も重要となるのは、メタロイ
ド元素であるＳｉとＢとの配合比である。すなわち、Ｂ
及びＳｉを加えることにより合金の非晶質化が容易とな
り、このうちＳｔは熱安定性を向上させる作用を有する
が、特に実用性の高い組成を得るためには、Ｓｉ、！：
Ｂとの配合比を示すｙを０．３〜１．０の範囲に規定す
ることが必要である。これはｙが０．３未満では、非晶
質合金の製造が困難で透磁率が小さくなり、また磁気特
性の熱安定性もやや悪くなるためである。

また、Ｓｉ及びＢの配合量を示す２の範囲を５〜３２と
したのは、２が５未満では軟磁気特性が劣化するととも
に良好な薄帯が作製しにくくなり、一方３２を超えると
キュリ一温度が低下して温度特性が劣化し実用的でなく
なるためである。

また、好ましい非晶質合金として次式、（Ｃ’１−ａ−
ｂ　ＦｅａＭｂ）　１００−ｚ　（ｓ　Ｉｌ−、Ｂ、）
　Ｚ（ただし、Ｍ：　Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｃｕ、Ｒ
ｅ、Ｚ　ｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗ、Ｒｕ、Ｒｈ
、Ｉ　ｒ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ａｇ、Ａｕ。

Ｚｎ、Ａｎ、Ｇａ、Ｉ　ｎ、Ｇｅ、Ｓｎ、Ｐｂ、Ｓｂ、
Ｂｉ、Ｙ、希土類金属のうちから選択される少なくとも
１種、　０．０２≦ａ≦０．１．０≦ｂ≦０．１５．０
．３≦ｙ≦１．０　、５≦２≦３２）にて表わされるも
のを挙げることができる。

される形で添加され、非晶質合金の耐熱性、熱安定性を
改善する作用を宥する。これらの元素は非晶質合金のキ
ュリ一温度が実用的な温度の下限まで低下しない範囲で
添加され、Ｍ成分にもよるがｂ　＝　０．１５まで添加
することが可能である。また、Ｍ成分がＭｎである場合
、ｂ≧０．０６ではＦｅを不要とすることもできる。

更に、好ましい非晶質合金としては、次式％式％ （ただし、Ｍ’　：　Ｆｅ、Ｎｉ、Ｍｎから選ばれる少
なくとも１種、Ｍ″：　Ｚｒ、Ｈｆ、Ｔ　ｉ、Ｎｂ、Ｔ
ａ、Ｗ、Ｂから選ばれる少なくとも１種、０≦Ｃ≦０．
３．２≦２≦３５）にて表わされるものを挙げることが
できる。

上記組成の非晶質合金は、メタロイド元素を含まない金
属−金属系のものである。

なお、本発明において用いられる非晶質合金は、所定組
成比の合金素材を溶融状態から１０５’Ｃ／秒以上の冷
却速度で急冷する液体急冷法等の常法によって容易に製
造され、例えば単ロール法によって製造された板状の薄
帯として使用される。

（実施例） 以下、本発明の実施例を図面を参照して説明する。

まず、下記表に示す組成を有する非晶質合金薄帯（幅約
５菖■、平均板厚３０ＪＬｍ）を単ロール法により作製
した。この非晶質合金薄帯に、薄帯の長手方向に対して
４５°方向に２００００ｅの磁場を印加して３００℃に
おいて、磁場中熱処理を施した後、１時間炉冷して誘導
磁気異方性を付与した。

各磁性金属薄帯について、半導体ゲージ法により求めた
飽和磁歪値（入Ｓ）を下記表に併記する。

最初に、次式 ％式％ にて表わされる磁性金属薄帯のうち、ａ　＝　０．０５
のもの（実施例１）、ａ＝０．４のもの（比較例１）及
びａ　＝　０．９のもの（比較例２）について、磁性金
属薄帯の幅方向に磁気異方性が付与されている状態から
磁性金属薄帯の長手方向に磁界を印加したときの磁化曲
線を調べた。この結果を第２図に示す。

第２図から明らかなように、飽和磁歪定数が小さいほど
磁化曲線の線形性が良好であることがわかる。このこと
は、飽和磁歪定数が小さいほど、誘導磁気異方性が所望
の方向に付与されやすいことを示している。

次に、上記の各磁性金属薄帯を用いて第１図（ａ）及び
（ｂ）に示すトルク検出装置を作製した。

第１図（ａ）において、直径５５１１１１のトルク伝達
軸１１には、下記表に示す各上記の磁性金属薄帯からな
る１対の環状磁心１２□、１２□が固定されている。こ
れら環状磁心１２１．１２□にはそれぞれその周方向に
対して角度４５°と角度−４５°の傾き方向に誘導磁気
異方性が付与されている。これら環状磁心１２１．１２
□上にはｌｌｌ１１のギャップを隔てて酸化物磁性体か
らなる１対のＵ型の磁心１３１．１３２によって構成さ
れる検出ヘッドが配設されている。

第１図（ｂ）に示すようにこれら磁心１３１．１３□に
はそれぞれ１次巻線（励磁巻線）１４及び２次巻線（検
出巻線）１５が施されている。これらの検出ヘッドによ
り環状磁心１２１．１２２の周方向に励磁することがで
きる。このような励磁は構成により幅方向に行なうこと
もできるが、薄帯の形状から反磁界係数の小さい周方向
に励磁したほうが励磁電流が小さくてすむため有効であ
る。また、１次巻線（検出巻線）１５は差動接続されて
いる。

上記トルク検出装置を用いてトルク伝達軸１１のトルク
を検出した。その特性を下記表に併記する。

なお、下記表中、トルク検出の臨界値であるトルク飽和
値は、トルク検出装置の出力が線形置載から非線形領域
に移行する臨界トルク値を表面応力に換算したものであ
る。

上記表から明らかなように、入Ｓが １λｓ１＜　１ｘｔｏ−ｓ の関係を満たす磁性金属薄帯を用いた実施例１〜８のト
ルク検出装置は、比較例１〜４のものよりも高トルク値
まで、出力が良好な直線性を示すことがわかる。

したがって、本発明のトルク検出装置は、圧延機用トル
クモニタ等、トルクが広範囲でダイナミックに変化する
系に用いた場合に非常に有効となる。

［発明の効果］ 以上詳述した如く本発明によれば、出力が高トルク値ま
で飽和することなく良好な線形性を示すトルク検出装置
を得ることができ、特にトルクが広範囲に変化する回転
系の非接触トルク検出に有効である等その工業的価値は
極めて大きいものである。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）は本発明の実施例におけるトルク検出装置
の概略構成図、同図（ｂ）は同トルク検出装置に施され
た励磁巻線及び検出巻線の配線図、第２図は実施例１、
比較例１．２の磁性合金薄帯の磁化曲線を示す特性図、
第３図は本発明に係るトルク検出装置の原理図である。 １１・・・トルク伝達軸、１２１．１２２・・・環状磁
心、１３１．１３２・・・磁心、１４・・・１次巻線（
励磁巻線）、１５・・・２次巻線（検出巻線）。 出願人代理人　弁理士　鈴江　武彦 （ｂ） 第１図 第２図 第３図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 （１）回転軸に磁歪を有する磁性金属薄帯を固定し、前
   記回転軸に加えられたトルクに伴う前記磁性金属薄帯の
   磁気特性の変化を非接触検出することにより、トルクを
   測定するトルク検出装置において、前記磁性金属薄帯の
   飽和磁歪定数λｓが｜λｓ｜＜１×１０＾−＾６ の関係を満たすことを特徴とするトルク検出装置。 （２）磁性金属薄帯が非晶質合金からなることを特徴と
   する特許請求の範囲第１項記載のトルク検出装置。 （３）非晶質合金が、次式 （Ｃｏ＿１＿−＿ａＦｅ＿ａ）＿１＿０＿０＿−＿ｚ（
   Ｓｉ＿１＿−＿ｙＢ＿ｙ）＿ｚ（ただし、０．０２≦ａ
   ≦０．１、 ０．３≦ｙ≦１．０、 ５≦ｚ≦３２） にて表わされることを特徴とする特許請求の範囲第２項
   記載のトルク検出装置。 （４）非晶質合金が、次式 （Ｃｏ＿１＿−＿ａ＿−＿ｂＦｅ＿ａＭ＿ｂ）＿１＿０
   ＿０＿−＿ｚ（Ｓｉ＿１＿−＿ｙＢ＿ｙ）＿ｚ（ただし
   、Ｍ：Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｃｕ、Ｒｅ、Ｚｒ、Ｎｂ
   、Ｍｏ、Ｈｆ、 Ｔａ、Ｗ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｉｒ、 Ｐｄ、Ｐｔ、Ａｇ、Ａｕ、Ｚｎ、 Ａｌ、、Ｇａ、Ｉｎ、Ｇｅ、Ｓｎ、 Ｐｂ、Ｓｂ、Ｂｉ、Ｙ、希土類金 属のうちから選択される少なくと も１種、 ０．０２≦ａ≦０．１、 ０≦ｂ≦０．１５、 ０．３≦ｙ≦１．０、 ５≦ｚ≦３２） にて表わされることを特徴とする特許請求の範囲第２項
   記載のトルク検出装置。 （５）非晶質合金が、次式 （Ｃｏ＿１＿−＿ｃＭ′＿ｃ）＿１＿０＿０＿−＿ｘＭ
   ″＿ｘ（ただし、Ｍ′：Ｆｅ、Ｎｉ、Ｍｎから選択され
   る少なくとも１種、 Ｍ”：Ｚｒ、Ｈｆ、Ｔｉ、Ｎｂ、 Ｔａ、Ｗ、Ｂから選択される少 なくとも１種、 ０≦ｃ≦０．３、 ２≦ｚ≦３５） にて表わされることを特徴とする特許請求の範囲第２項
   記載のトルク検出装置。