JPS6228413B2

JPS6228413B2 -

Info

Publication number: JPS6228413B2
Application number: JP56108542A
Authority: JP
Inventors: Kosuke Harada; Ichiro Sasada
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1981-07-09
Filing date: 1981-07-09
Publication date: 1987-06-19
Also published as: JPS589034A

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は非接触トルクセンサに関する。

〔従来の技術および問題点〕

磁歪効果を利用するトルク検出法は、耐環境性
および感度の高さの点で、光学的方法や歪ゲージ
による方法に比べ優れている。磁歪効果を利用す
るトルク検出法の従来技術として、応力磁気効果
を有するアモルフアス磁性薄帯を軸周あるいは軸
に固定されたスリーブ状の受歪体上に直接にある
いは非磁性層を介して固定し、そのトルクによる
透磁率変化を軸近傍に設置した開磁路形鉄心入り
検出巻線により検出する方式のものがある（西ド
イツ特許出願公開第2939566号公報）。しかし、そ
の方式に用いて軸方向の検出磁界により透磁率を
検出する場合は、正・負のトルクに対し出力が対
称となるので、トルクの方向を検出し得ない。こ
の方法で、印加トルクの大きさのみならずその方
向をも検出するためには薄帯中に誘導される主応
力方向（軸方向に対し±45゜方向）の透磁率変化
を検出すべく、開磁路形鉄心であるところのＵ字
形鉄心を２個用いて十字形に組んだ検出巻線か、
あるいは単独にＵ字形鉄心入り検出巻線を軸方向
に対して適当な角度だけ傾斜させたものを用いる
必要がある。この方法の重大な欠点は、十字形の
検出コイルを用いる場合は、その構成が複雑とな
り、またＵ字形鉄心入り検出コイル軸を方向に対
して適当な角度だけ傾斜させたものを用いる場合
は、角度により感度が敏感に変化するため、その
設置方法に細心の注意を要すること、更に差動構
成とする場合にはこのような検出巻線を２個用い
て、それぞれの検出巻線の傾斜角が軸方向あるい
は周方向に対し対称となるよう設置する必要があ
り、製作上著しく面倒である。

一方、特許169326号には、軸の有する磁歪効果
と、回転対称性を有するソレノイドコイルを検出
巻線に用いた差動構造形のトルクセンサが開示さ
れている。この方法は、検出巻線の回転対称性か
ら軸の回転に伴う出力変動も現れにくいという構
造的に優れた特徴を有している。しかし、この方
法では、印加トルクにより軸に誘導される主応力
によつて、軸の透磁率が差動的に変化するよう、
軸に対し±45゜方向の螺旋溝を刻む必要がある。
なぜならば、軸に誘導される主応力は、張力と圧
縮力が互いに直交した形で対をなしたものであ
り、軸の２個所の透磁率を差動的に変化させるた
めには、一方では張力が他の一方では圧縮応力が
それぞれ選択的に作用するように、応力場に異方
性を導入する必要があるからである。この方法に
も幾つかの重大な欠点が存在する。その１つは、
螺旋溝の刻印は軸の強度を著しく低下させるた
め、トルクセンサそのものの信頼性はもとより、
検出対称機器の信頼性を著しく低下させることで
ある。今一つは、トルク検出に通常の軸材の磁性
を利用していることに起因する問題点である。す
なわち、保持力Hcが通常の軟磁性材料に比べ百
倍程度大きい（50％NiFeでHc＝0.05 Oe、鉄系
アモルフアス磁性薄帯ではHc＝0.08 Oe、通常の
軸材であるS45CのHc＝８〜10 Oe）ために磁歪
効果のヒステリシス現象が大きいこと、鉄の結晶
磁気異方性のためにトルクにより誘導される一軸
磁気異方性の効果が弱められ感度が小さいこと、
高周波磁気特性が悪く励磁磁界周波数を高くでき
ないために動特性が悪いこと等により、瞬時トル
ク検出に大きな困難が伴う。

本発明は、上記従来技術における種々の問題点
を解決すべくなされたもので、高感度、高安定で
瞬時応答特性にすぐれ、製作容易な小形高性能ト
ルクセンサの提供を目的とする。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明に係る第１のトルクセンサは、トルクを
伝達する回転軸周に大きな磁気ひずみ定数を有す
るアモルフアス磁性薄帯を前記軸の周方向に巻い
て固定し、前記軸に加えられたトルクにより前記
アモルフアス磁性薄帯の透磁率が変化することを
利用してトルクの非接触検出を行うトルクセンサ
において、前記アモルフアス磁性薄帯に、前記軸
の周方向に対し傾斜する方向（≠90゜）を磁化容
易軸とする一軸磁気異方性を持たせたことを特徴
とし、また、本発明に係る第２のトルクセンサは、ト
ルクを伝達する回転軸周に大きな磁気ひずみ定数
を有するアモルフアス磁性薄帯を前記軸の周方向
に巻いて固定し、前記軸に加えられたトルクによ
る前記アモルフアス磁性薄帯の透磁率変化を前記
軸近傍に設置した開磁路形鉄心入り検出巻線によ
り検出し、トルクの非接触検出を可能としたトル
クセンサにおいて、前記アモルフアス磁性薄帯
に、前記軸の周方向に対し傾斜する方向（≠90
゜）を磁化容易軸とする一軸磁気異方性を持たせ
たことを特徴としている。

〔作用〕

第１図ａは、円筒状に巻かれたアモルフアス磁
性薄帯１にその長手方向２に対し、角αの傾きを
持つて一様に磁化容易軸Ku３を付与したものを
示している。磁化容易軸の付与方法は、例えば
IEEE Transactions on Magnetics MAG―16
（1980）p.1227（H.Fujimori，H.Yoshimoto and
H.Morita）に記載されているように、アモルフ
アス磁性薄帯を例えば円筒状にして熱処理する時
に斜め磁界を印加しておけば良い。以下、印加ト
ルクから透磁率変化への変換過程の説明を簡単に
するために、α＞45゜とし、磁気ひずみ定数λｓ
＞ｏと仮定する。第１図ｂは磁化Ｋα＞45゜と
し、磁気ひずみ定数λｓ＞０と仮定する。第１図
ｂは磁化容易軸Ku３を持つアモルフアス磁性薄
帯１が回転軸４に巻いて固定されたもので、これ
にトルク５が加わるとアモルフアス磁性薄帯１に
は、±45゜方向に主応力σ６が生じる。このた
め、磁歪効果によりσの正方向に一軸磁気異方性
が誘導され、結果として合成された磁化容易軸は
Ku３からKu′７に変化する。第１図ｃは、逆方向
のトルク８が加わつた場合で、この場合は合成さ
れた磁化容易軸Ku″９は第１図ｂのKu′７とは逆
の関係になる。一般に磁性体の透磁率は、励磁方
向に対する磁化容易軸の方向によつて変化する。
励磁磁界の大きさをアモルフアス磁性薄帯の保持
力を充分超える程度としたとき、薄帯の透磁率は
磁化容易軸の方向が励磁磁界方向に近づくにつれ
大きくなる。

従つて、第１図ｂの構成において、上記のよう
な励磁磁界を検出磁界として加え、透磁率に比例
した信号、例えば、誘起電圧を検出すれば、トル
クをその方向を含めて検出することが可能とな
る。

また、第７図のようにその磁極対方向を予め持
たせていた磁化容易軸Ku３の方向と異なつた軸
方向に設置したＵ字形鉄心入り検出巻線３０のイ
ンピーダンスを測定し、更にトルクが印加されて
いない時の測定値を基準として大きさの比較も行
えば、トルクの大きさおよびその方向を検出可能
となる。また、Ｕ字形鉄心入り検出巻線３０は、
その磁極対方向が周方向となるよう設置しても同
様な効果が期待できる。

〔実施例〕

第３図〜第６図は本発明の第１のトルクセンサ
の実施例を示している。各図において、巻線の表
示を簡略化するために、第２図ａに例示してある
ような軸の周囲を取り囲むように巻かれた巻線１
０を第２図ｂの巻線１１のように表示するものと
する。

第３図に示した実施例は、トルクをインタグタ
ンス変化として検出するものである。その第３図
ａはアモルフアス磁性薄帯１の周囲に施された検
出巻線１２を用いて、直接インピーダンス測定器
１３によつて、インタグタンス変化を測定する例
である。第３図ｂは、高周波電源１４を用いてイ
ンタグタンスの変化を励磁巻線１５と検出巻線１
２間の相互誘導による誘起電圧の変化として交流
電圧計１６にて検出する例である。上記２つの方
法においては、励磁周波数は回筒軸４が磁化され
ないよう高くすることが必要であるが、これらの
方法によれば、トルクの大きさの検出はもとより
トルクの方向の識別も、トルクが加わつていない
ときの出力を基準とすることにより可能である。

第４図は、前記第３図ｂの実施例を拡張したも
のであり、同一組成のアモルフアス磁性薄帯１を
２個使用して出力を差動的に取り出すようにした
トルクセンサを示している。励磁巻線１５，１
５′は２つのアモルフアス磁性薄帯１，１′に対し
同極性となるように施され、検出巻線１２，１
２′は、誘起電圧を互いに打ち消す方向に接続さ
れている。各巻線に付けられた小さな黒丸１８
は、巻線の極性を示している。２つのアモルフア
ス磁性薄帯１，１′に付与された磁化容易軸Ku
３，３′はアモルフアス磁性薄帯１，１′の長手方
向に対し、第１図の傾斜角αがアモルフアス磁性
薄帯１ではα、アモルフアス磁性薄帯１′では−
αになるよう付与される。

トルクが印加されていない時は、２つのアモル
フアス磁性薄帯１，１′の透磁率は等しく、従つ
てこの時は出力は現れない。トルク５が印加され
た場合は、アモルフアス磁性薄帯１，１′の磁気
ひずみ定数λｓ＞０の場合を例にとると、第１図
からわかるように磁化容易軸がそれぞれ第４図
Ku′７およびKu″9の方向に変化するため、左方の
アモルフアス磁性薄帯１よりも右方のアモルフア
ス磁性薄帯１′の透磁率が大きくなり、結果とし
て右方の検出巻線への誘起電圧が大きくなる。こ
の誘起電圧の差を同期整流器１７により直流電圧
として出力するものである。トルクの方向が逆に
なつた場合、全く同様の原理から今度は左方の検
出巻線への誘起電圧の方が大きくなり同期整流器
１７の出力が符号反転する。従つて、トルクの大
きさとその方向が検出可能となる。磁気ひずみλ
ｓ＜０の場合も上記の全く同様の原理によつて、
トルクセンサが構成可能であることがわかる。

第５図の実施例は、前記第４図に示したトルク
センサの変形例である。回転軸４へのアモルフア
ス磁性薄帯１，１′の固定方法および磁化容易軸
３，３′の付与方法は第４図の場合と全く同じ
で、透磁率を励磁巻線の自己インタグタンスから
検出するようにしている。２つの励磁巻線１５，
１５′は、高周波電源１４でダイオード２０，２
０′を介して励磁される。トルク印加により２つ
の励磁巻線１５，１５′のインタグタンスが変化
して、励磁電流の大きさに差が生じる。これを、
抵抗２１，２１′と平滑用コンデンサ２２により
直流差動出力Vout１９として取り出すものであ
る。この場合、トルクの印加方向は直流差動出力
Vout１９の符号から識別される。

第６図に示す実施例は、第４図の実施例の一変
形例である。第４図の例では、２個のアモルフア
ス磁性薄帯１，１′が同種の磁気ひずみ特性を有
していたのに対し、異種の磁気ひずみ特性を有す
るアモルフアス磁性薄帯を用いるようにしたもの
で、アモルフアス磁性薄帯１の磁気ひずみ定数λ
ｓを正、他方のアモルフアス磁性薄帯２３の磁気
ひずみ定数λｓを負とした場合について示してい
る。この場合、磁化容易軸Ku３，３′の方向は、
同図に示しているように同方向に付与する。磁気
ひずみ定数λｓが負のアモルフアス磁性薄帯２３
においては、磁気ひずみ定数λｓが正のアモルフ
アス磁性薄帯１の場合とは逆に、トルク５による
主応力σ６負方向に一軸磁気異方性が誘導される
ので、差動出力が得られる。２つのアモルフアス
磁性薄帯１，２３を入れ替えた構成も勿論可能で
ある。本実施例によると２種のアモルフアス磁性
薄帯１，２３の熱処理が同時に行える場合は、磁
化容易軸Ku３，３′の方向を正確に合わせられる
利点を持つている。

第７図および第８図はそれぞれ本発明の第２の
トルクセンサの実施例を示している。第７図の実
施例においては、アモルフアス磁性薄帯１が軸４
の周上に巻いて固定され、アモルフアス磁性薄帯
１には周方向に対し傾斜する方向（≠90゜）に磁
化容易軸Ku３を持たせてあり、軸４近傍にその
磁極対方向が軸方向と平行に設置されたＵ字形鉄
心入り検出巻線３０、およびその端子にはインピ
ーダンス測定器３１が接続されている。ここで、
磁化容易軸Ku３の方向とＵ字形鉄心入り検出巻
線３０の磁極対方向は異なつている必要がある。

第８図は、前記第７図の実施例を差動形に発展
させたものである。軸４の２個所にアモルフアス
磁性薄帯１，１′を巻いて固定し、アモルフアス
磁性薄帯１では周方向に対し角α（α≠90゜）、
他方１′では−α方向に、それぞれ磁化容易軸Ku
３，３′を持たせ、更に、一対のＵ字形鉄心入り
検出巻線３０，３０′を各磁極対方向が軸方向と
平行となるようにして前述のアモルフアス磁性薄
帯１，１′の近傍に設置したことを主構造とし、
検出巻線３０，３０′のインダクタンスの差を検
出するダイオード２０，２１′高周波電源１４、
抵抗２１，２１′およびコンデンサ２２を構成要
素とした検出回路とからなる。

トルク５が印加された状態では、磁気ひずみ定
数λｓ＞０としたとき、自己インダクタンスは左
方の検出巻線３０において小さくなり、逆に右方
の検出巻線３０′において大きくなる。自己イン
ダクタンスの差は２つの検出巻線３０，３０′の
半波励磁電流の差として検出され、これが抵抗２
１，２１′とコンデンサ２２よりなる平滑回路に
より直流出力Vout２５として得られる。上記説
明において、印加トルクの方向が反転すると直流
出力Vout２５の符号が反転することは容易に理
解される。

磁気ひずみ定数λｓ＜０の場合も、印加トルク
に対する自己インダクタンスの変化方向が正反対
となる違いがあるのみで、他は全く同様に説明さ
れる。

また、検出巻線３０，３０′の磁極対方向を軸
４の周方向としても同様の効果が期待できる。

第９図は、前記第４図に示したトルクセンサに
よつて、電動機と発電機を結合したトルク試験装
置において、負荷急変時に回転軸に現れたトルク
変動を検出した例である。縦軸はトルク値
（1.2Nm／div）、横軸は時間軸（5ms／div）であ
り、図中(i)は本発明例の出力、(ii)は参照出力（ス
トレンゲージトルクセンサ）を示している（Ａ点
において負荷急変）。これにより、瞬時トルクが
検出可能であるのが示されている。第１０図は、
同じトルクセンサによつて、検出出力の軸回転速
度への依存性を調べた例であるが、縦軸は出力電
圧(v)、横軸は回転数（rpm）である。これによ
り、感度は軸の回転速度によらないことが示され
ている。

〔発明の効果〕

本発明のトルクセンサは、検出感度が軸の回転
数に無関係であり、瞬時応答特性を有している。
本発明によれば、１個の検出巻線を用いてトルク
の大きさおよびその方向が検出可能で、構成の簡
単な小型トルクセンサが実現される。また、本発
明によるトルクセンサは容易に差動形とすること
ができ、温度変化や外乱電磁雑音に対しすぐれた
安定性を有する。検出巻線として、開磁路形鉄心
入りのものを用いて差動形トルクセンサを構成す
る場合にも、２個の検出巻線をそれらの磁極対方
向が軸方向に平行あるいは周方向に平行となるよ
うにして、軸近傍に設置すればよく、従来技術に
比べ構造が簡単化され、製作が容易になると共に
更に小型化が可能である。

本トルクセンサは小形高性能であり、エンジン
やモータの高度な制御分野を始めとして、その他
の種々の回転駆動系の制御の分野に大きい効果を
持つものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の原理説明図、第２図は巻線の
略記法に関する説明図、第３図〜第８図は本発明
の実施例におけるトルクセンサの原理図、第９図
は本発明トルクセンサによる負荷急変時のトルク
検出例を示すグラフ、第１０図は本発明トルクセ
ンサによる検出出力の回転数依存性を示すグラフ
である。１，１′…アモルフアス磁性薄帯、２…アモル
フアス磁性薄帯の長手方向、３，３′…磁化容易
軸、４…回転軸、５…印加トルク、６，６′…ト
ルクにより誘導される主応力、７…トルク印加に
より変化した磁化容易軸、８…印加トルク、９…
トルク印加により変化した磁化容易軸、１０…巻
線、１１…略記法により描かれた巻線、１２，１
２′…検出巻線、１３…インピーダンス測定器、
１４…高周波電源、１５，１５′…励磁巻線、１
６…交流電圧計、１７…同期整流器、１８…巻線
の極性を示す記号、１９…出力電圧、２０，２
０′…ダイオード、２１，２１′…抵抗、２２，２
２′…コンデンサ、２３…負の磁気ひずみ定数を
有するアモルフアス磁性薄帯、２５…直流電圧、
３０，３０′…Ｕ字形鉄心入り検出巻線、３１…
インピーダンス測定器。

Claims

【特許請求の範囲】１トルクを伝達する回転軸周に大きな磁気ひず
み定数を有するアモルフアス磁性薄帯を前記軸の
周方向に巻いて固定し、前記軸に加えられたトル
クにより前記アモルフアス磁性薄帯の透磁率が変
化することを利用してトルクの非接触検出を行う
トルクセンサにおいて、前記アモルフアス磁性薄
帯に、前記軸の周方向に対し傾斜する方向（≠90
゜）を磁化容易軸とする一軸磁気異方性を持たせ
たことを特徴とするトルクセンサ。２トルクを伝達する回転軸周に大きな磁気ひず
み定数を有するアモルフアス磁性薄帯を前記軸の
周方向に巻いて固定し、前記軸に加えられたトル
クによる前記アモルフアス磁性薄帯の透磁率変化
を前記軸近傍に設置した開磁路形鉄心入り検出巻
線により検出し、トルクの非接触検出を可能とし
たトルクセンサにおいて、前記アモルフアス磁性
薄帯に、前記軸の周方向に対し傾斜する方向（≠
90゜）を磁化容易軸とする一軸磁気異方性を持た
せたことを特徴とするトルクセンサ。