JPS63317734A - 磁歪式トルクセンサ - 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】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、回転軸に印加されるトルクを、該回転軸の表
皮層の応力磁気効果による透磁率の変化として非接触的
に検出する磁歪式トルクセンサおよびその製造方法に関
する。

〔従来の技術〕

電動機、工作機械、自動車等における回転駆動系の制御
に必要なトルクの検出は、非接触的であることが望まし
く、かつ回転数の形容を受けず、正・逆回転および静止
時の検出が可能であることが望ましい。

その要望を満たしたトルクセンサとして、アモルファス
磁性薄膜の磁気歪み特性を利用し、トルりの印加により
生じるアモルファス磁性薄膜の透磁率の変化を電気量と
して検出するようにしたものが提案されている（特開昭
５８−９０３４号）。これを第６図〔１〕および（Ｉｆ
）に示す。（１０）は回転軸、（７０）は回転軸を一周
するようにその周面に設けられたアモルファス磁性薄膜
である。アモルファス磁性薄膜（７０）は、回転軸に加
わるトルクが該薄膜（７０）に導入されるように樹脂接
着剤を介して強固に回転軸（１０）に接合されている。

また、そのアモルファス磁性薄膜（７０）には、磁化容
易軸として、回転軸（１０）の周方向に対して一定の傾
斜角度（α）をなす−輔磁気異方性が予め付与されてい
る。（２０）は励磁用巻線、（４０）は磁界検出用巻線
であり、それぞれ回転軸（１０）に対し回転対称に配置
されている。励磁用巻線（２０）は高周波電源（３０）
により励磁されてアモルファス磁性薄膜（７０）に励磁
磁界を印加する。

第６図（１）のトルクセンサにおいて、回転軸（１０）
にトルク（Ｔ）が加わると、アモルファス磁性薄膜（７
０）に応力誘辱−軸磁気異方性が生じ、印加されたトル
クに比例してアモルファス磁性薄膜（７０）の透磁率が
変化する。それに伴って、検出用巻線（４０）に生じる
インダクタンスの変化が、検出用巻線（４０）と励磁用
巻線（２０）との間の相互誘導による誘起電圧の変化と
して交流電圧計（５０）に出力される。回転軸（１０）
に印加されたトルク（Ｔ）の正転・逆転方向は、トルク
が印加されていないときの出力を基準値として、その大
小関係から判別される。

第６図（ＩＩ）は、上記トルクセンサを差動型に構成し
たものであり、回転軸（１０）に２つのアモルファス磁
性薄膜（７０ａ、　７０ｂ）を接着すると共に、各アモ
ルファス磁性薄膜に対して検出用巻線（４０ａ。

４０ｂ）を配置しておき、トルクの印加による２つのア
モルファス磁性薄膜（７０ａ、　７０ｂ）の透磁率の変
化に伴って、一方の検出用巻線（４０ａ）と他方の検出
用巻線（４０ｂ）との間に生じる誘起電圧の差を出力し
、その出力の大きさと正負の符合からトルクをその正転
・逆転方向を含めて検出するようにしている。

上記トルクセンサは、その検出原理上、トルクの検出感
度が軸の回転角度や回転数と無関係であり、静止・回転
両トルクの検出が可能で、瞬時応答性をも備え、かつ構
造簡素である等の特徴を有している。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかしながら、上記トルクセンサにおいては、回転軸と
その表面に密着されているアモルファス磁性薄膜とが相
異なる熱膨張係数を有するものである場合、使用環境温
度により、アモルファス磁性薄膜に熱応力が発生する。

また、アモルファス磁性薄膜は一般に樹脂接着剤により
回転軸に接着されているので、使用環境温度により、そ
の接着力が変化する。ＭＥ　Ｆｌ膜が、スパッタリング
やイオンブレーティングなどにより形成されたものであ
る場合にも、回転軸との界面の接着力は経時変化により
劣化する。このような、アモルファス磁性薄膜に生じる
熱応力や回転軸に対する接着力の変化は、センサの出力
変動・零点変動等あ原因となり、トルクの精度良い検出
を妨げ、センサの信頼性を失わしめる。

本発明は上記問題点を解決するための改良された磁歪式
トルクセンサおよびその製造方法を提供する。

〔問題点を解決するための手段および作用〕本発明の磁
歪式トルクセンサは、回転軸にトルクが印加されること
により生じる回転軸表面の透磁率の変化を電気量として
非接触検出する磁歪式トルクセンサにおいて、 前記回転軸の所定の部位、すなわち透磁率の変化を検出
しようとする部位における軸表面を一周する略帯状領域
の表皮層に、周方向に対して傾斜する方向を磁化容易軸
とする応力磁気異方性が付与されていることを特徴とし
ている。

また、本発明の磁歪式トルクセンサの製造方法は、回転
軸にトルクを印加した状態で、その回転軸の所定の部位
における軸表面を一周する略帯状領域の表皮層を加熱す
ることにより、印加トルクによる該表皮層内のねじり応
力を除去し、ついで該表皮層の加熱を停止して冷却した
のち、トルクを除去して該表皮層内に前記トルクによる
ねじり応力と逆符号のねじり応力を生じさせることによ
り、該表皮層に、周方向に対して傾斜する方向を磁化容
易軸とする応力磁気異方性を付与することを特徴として
いる。

以下、本発明について詳しく説明する。

第１図は本発明のトルクセンサの例を示している。（１
１）は回転軸（１０）の表皮層に磁化容易軸として応力
磁気異方性が付与されている領域であり、該領域は適当
な幅（例えば、１０１■）を有するほぼ帯形状をなして
、軸周面を１周している。その帯状領域（以下、「異方
化帯域Ｊ　）（１１）における応力磁気異方性は、その
周面のどの位置においても、周方向に対し一定の傾斜角
度（α）を以て付与されている。

第２図のトルクセンサは本発明のトルクセンサを差動型
に構成した例であり、その回転軸（１０）の周面には、
２つの異方化帯域（ｌｌａ）と（ｌｌｂ）とが適当な距
離（例えば、５ｇｍ）を隔てて設けられている。その一
方の異方化帯域（ｌｌａ）の表皮層には、周方向に対す
る傾斜角がαである応力磁気異方性が、他方もう１つの
異方化帯域（ｌｌｂ）には、周方向に対する傾斜角度が
−αである応力磁気異方性が、それぞれ磁化容易軸とし
ては付与されている。

本発明のトルクセンサの構成は、回転軸（１０）の周面
に、上記のように磁化容易軸として応力磁気異方性を有
する異方化帯域（１１）　（ｌｌａ、　１ｌｂ）が形成
されている点を除いて、前記アモルファス磁性薄膜を磁
歪材として回転軸に設けたトルクセンサのそれと異なる
ものである必要はない。すなわち、第１図に示す本発明
のトルクセンサの例では、１つの異方化帯域（１１）が
形成された回転軸（１０）の該異方化帯域（１１）の近
傍に、第６図〔Ｉ〕のトルクセンサと同じように、励磁
用巻線（２０）および検出用巻線（４０）が回転軸（１
０）に対して回転対称に配置されることにより構成され
ており、そのトルクセンサによるトルクの検出は、第６
図（ｒ）のそれの場合と同じように行われる。また、第
２図に示す本発明のトルクセンサの例では、２個所に異
方化帯域（ｌｌａ）および（ｌｌｂ）が形成された回転
軸（１ｏ）の近傍に、第６図ＣＩＩ）のトルクセンサと
同じように、励磁用巻線（２０）が配置されると共に、
２つの検出用巻線（４０ａ）と（４０ｂ）とが互いに逆
極性に接続されてそれぞれ一方の異方化帯域（ｌｌａ）
と他方の異方化帯域（ｌｌｂ）とに相対するように配置
されることにより構成され、そのトルクセンサによるト
ルクの検出は、第６図（］Ｉ）のそれと同じように行わ
れる。

次に、本発明のトルクセンサを製造するためのその構成
部材である回転軸の異方化帯域の形成について第３図を
参照して説明する。（Ａ）はトルク印加装置であり、そ
の固定支持部（１）と回動支持部（２）との間に被処理
材である回転軸（１０）が固定される。（Ｂ）は回転軸
（１０）の所定の部位（異方化帯域を形成しようとする
部位）の表皮層を加熱するための高周波加熱コイルであ
る。

図のように、回転軸（１０）を固定支持部（１）と回動
支持部（２）との間に固定し、その所定の部位の周面を
包囲するように高周波加熱コイル（Ｂ）をとりつけたう
え、回動支持部（２）のレバー（３）にねじり荷重（Ｗ
）をかけて回転軸（１０）に所定のトルクを印加すると
共に、高周波加熱コイル（Ｂ）により回転軸（１０）の
所定部位の表皮層を加熱昇温させる。

加熱開始当初、回転軸（１０）の周面には、第４図に示
すように印加トルク（Ｔｏ）により、周方向に対し±４
５°の方向に主応力σが生じている。高周波加熱コイル
（Ｂ）により回転軸（１０）の表皮層を、原子の移動・
再配列が生じ易い温度、すなわちその回転軸材の応力緩
和熱処理温度に昇温し、その温度に適当時間保持すると
、その表皮層のねじり応力が除去される。表皮層のねじ
り応力が消去されたのち、高周波加熱コイル（Ｂ）によ
る加熱を停止する。このとき、回転軸に高周波コイルに
よる残留磁化が生じないように、徐々に電圧を降下させ
て加熱を停止する。

高周波加熱コイル（Ｂ）による加熱を停止し、加熱され
た部分の表皮層が適当な温度まで冷却したのち、回転軸
（１０）の印加トルクを除去すると、その部分の表皮層
には、第５図に示すように、加熱処理前とは逆の符号の
ねじり応力が生じ、その応力により表皮層に一軸磁気異
方性が与えられる。

回転軸材の磁気歪み定数λＳが正の場合、その磁気異方
性は応力の正方向であり、λｓ＜Ｑの場合は、応力の負
方向に与えられる。

なお、上記異方化帯域を形成するための回転軸（１０）
に印加されるトルク（Ｔｏ）の大きさは適宜法められる
が、実機使用等の印加トルクに対するセンサ出力信号の
直線性を高めるために、十分な大きさく概ね、定格トル
クの２倍以上）のトルク、例えば、定格トルクが３Ｑｋ
ｇｍである場合は、６０〜９０ｋｇｍのトルクを印加し
て表皮層の加熱と冷却の処理を行うことが望ましい。

また、第２図のような差動型トルクセンサを構成するこ
とを目的として、回転軸（１０）に２つの異方化帯域（
ｌｌａ）と（ｌｌｂ）を形成する場合には、回転軸（１
０）の１個所に異方化帯域（ｌｌａ）を形成したのち、
第３図における高周波加熱コイル（Ａ）を回転軸（１０
）の軸方向にずらして、もう１つの異方化帯域（ｌｌｂ
）を形成しようとする部分に位置させたうえ、回転軸に
トルク（Ｔｏ）を印加してその部分の表皮層の加熱と冷
却を前記と同じように行えばよい。むろん、このときに
導入される応力磁気異方性の方向を一方の異方化帯域（
ｌｌａ）のそれ（（ＩＪｉ斜角度α）と対称な向き（傾
斜角−α）とするために回転軸には、一方の異方化帯域
（ｌｌａ）を形成したときのそれと同一の大きさのトル
クを、逆の方向に印加することが必要である。

上記のように一方の異方化帯域（ｌｌａ）を形成したの
ち、もう１つの異方化帯域（ｌｌｂ）を形成するために
高周波加熱コイル（Ｂ）により回転軸（１０）の表皮層
を加熱する場合、先に形成されている異方化帯域（ｌｌ
ａ）に熱影響が及ぶと、その応力磁気異方性がくずれる
。これを防止するには、先に形成した異方化帯域（ｌｌ
ａ）に、例えば第１図に示したように水冷ジャケット（
Ｃ）をあてがい、冷却水（Ｗ）の給排送により、該異方
化帯域（ｌｌａ）の昇温を防止するようにすればよい。

なお、回転軸（ｌＯ）は一般に強磁性金属材料（例えば
、ＳＣＭ　４１５等）からなるが、もし軸材が非磁性材
である場合は、軸周面に強磁性層を形設したうえで、前
記の加熱・冷却処理を行って異方化帯域を形成すればよ
い。

〔発明の効果〕

本発明のトルクセンサは、回転軸自身の表皮層に異方化
帯域を形成してその部分の透磁率の変化を検出するよう
にしたので、従来のように回転軸表面にアモルファス磁
性薄膜を磁歪材として設けたトルクセンサと異なって、
磁歪材と回転軸との熱膨張係数の差による熱応力の発生
や、磁歪材の接着力の変化等による検出出力の変動や零
点変動等がなく、トルク検出の信頼性が高く、回転軸が
破断しない限り高精度のトルク検出を行うことができる
。

また、回転軸にアモルファス薄膜等の磁性膜を磁歪材と
して、接着、あるいはスパッタリング法、イオンブレー
ティング法等により設けることは極めて高価であるが、
本発明では、回転軸の表皮層に応力磁気異方性を付与す
ればよいので、コスト的にも極めて有利である。

【図面の簡単な説明】

第１図、第２図は本発明のトルクセンサの例を示す図、
第３図は本発明による回転軸に応力磁気異方性を付与す
る方法の例を示す模式的説明図、第４図、第５図は回転
軸表面の応力を示す図、第６図（１）、（ｎ）は従来の
トルクセンサを示す図である。 ｌＯ：回転軸、１１．　ｌｌａ、　ｌｌｂ：異方化帯域
、２０：励磁用巻線、４０．４０ａ、　４０ｂ：検出用
巻線、７０：アモルファス磁性薄膜、Ａ：）ルク印加装
置、Ｂ：高周波加熱コイル、Ｃ：冷却ジャケット。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）回転軸にトルクが印加されることにより生じる回
   転軸表面の透磁率の変化を電気量として非接触検出する
   磁歪式トルクセンサにおいて、前記回転軸の所定の部位
   における軸表面を一周する略帯状領域の表皮層に、周方
   向に対して傾斜する方向を磁化容易軸とする応力磁気異
   方性が付与されていることを特徴とする磁歪式トルクセ
   ンサ。
2. （２）回転軸にトルクが印加されることにより生じる回
   転軸表面の透磁率の変化を電気量として非接触検出する
   磁歪式トルクセンサの製造方法において、 前記回転軸にトルクを印加した状態で、その回転軸の所
   定の部位における軸表面を一周する略帯状領域の表皮層
   を加熱することにより、印加トルクによる該表皮層内の
   ねじり応力を除去し、ついで該表皮層の加熱を停止して
   冷却したのち、トルクを除去して該表皮層内に前記トル
   クによるねじり応力と逆符号のねじり応力を生じさせる
   ことにより、該表皮層に、周方向に対して傾斜する方向
   を磁化容易軸とする応力磁気異方性を付与することを特
   徴とする磁歪式トルクセンサの製造方法。