JPWO2008081569A1 - 力および変位の検出方法 - Google Patents
力および変位の検出方法 Download PDFInfo
- Publication number
- JPWO2008081569A1 JPWO2008081569A1 JP2008529387A JP2008529387A JPWO2008081569A1 JP WO2008081569 A1 JPWO2008081569 A1 JP WO2008081569A1 JP 2008529387 A JP2008529387 A JP 2008529387A JP 2008529387 A JP2008529387 A JP 2008529387A JP WO2008081569 A1 JPWO2008081569 A1 JP WO2008081569A1
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- measurement object
- displacement
- force
- coil
- torque
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
- G01L1/00—Measuring force or stress, in general
- G01L1/14—Measuring force or stress, in general by measuring variations in capacitance or inductance of electrical elements, e.g. by measuring variations of frequency of electrical oscillators
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
- G01L1/00—Measuring force or stress, in general
- G01L1/12—Measuring force or stress, in general by measuring variations in the magnetic properties of materials resulting from the application of stress
Abstract
Description
下記特許文献1は、磁歪式トルクセンサである。この磁歪式センサは、コイルを巻き付けるための筒状のコイルボビンをセンサ軸に相対して回転軸に支持し、コイルの外周側を覆う筒状のシールドヨークを備えるとともに、このシールドヨークの軸心方向端部に径方向に設置された鍔部をほぼ全周にわたって備え、コイルボビンの外周側にはゴム様弾性体で形成した数個の支持体を設けた構造であり、上記シールドヨークの鍔部とコイルボビンとの間に間隔が生じるように支持体を設置したことを特徴とする磁歪式センサである。このような磁歪式センサは、
1.シールドヨークの透磁率変化に伴うセンサ出力の変動やセンサ精度の低下を防止できる。
2.シールドヨークの磁束密度変化に伴うセンサ出力の変動やセンサ精度の低下を防止できる。
3.磁束方向に起因する出力低下を防止できる。
などの効果を有している。
1.製造時に発生するセンサの変形や破損、また変形に起因するセンサ特性のばらつきを防止できる。
2.従来のセンサに比較して、広いトルク範囲で直線性が得られる。
といった効果を有している。
1.従来の切削加工によるシールドケースを適用する必要がないため、センサの製造コストを著しく削減できる。
といった効果を有している。
1.シールドケースを必要とする磁歪式トルクセンサで問題となるトルク伝達軸に平行な方向の外部磁場や直流磁場の影響を軽減できる。
2.シールドケースを必要とする磁歪式トルクセンサで問題となる、回転部である磁気異方性部と非回転部である検出コイルとの間の複雑な磁気回路を回避できる。
3.シールドケースを必要とする磁歪式トルクセンサに必要な磁束を別部材に流すための磁気回路が不要となる
といった効果がある。
1.磁気異方性部を一部分に限定した磁歪式トルクセンサにおいて、高い測定感度が得られる。
ことをその発明の効果として挙げている。
また、従来のトルク測定が磁歪効果、すなわちトルク伝達軸に発生する引張歪みとそれに直交する圧縮歪みがそれぞれ透磁率の増加をもたらす現象に基づいている。透磁率が増加する方向に磁束が通過するようにコイルを設置すると、コイルのインダクタンスLが増加し、逆に透磁率が低下する方向に対しては、Lが減少することになる。このLの増減をブリッジ接続し、差動電圧をロックインアンプ等で増幅することにより、トルクに比例した出力電圧を測定することができる原理である。したがって、従来の測定方法では、測定対象物は磁性体に限定されるか、もしくは磁気異方性部を軸に設ける必要がある。
さらに、従来のセンサや測定方法では、測定対象物の振動の影響が直接的なかたちでトルク測定結果に反映することも課題である。特に、自動車のエンジン出力軸のトルク検出では、走行中の車体振動の影響を排除することも技術的な課題とされている。
1.高感度化、高精度化のために磁気異方性部を測定対象物に設ける必要がある。
2.磁気異方性部の長期信頼性等を考慮すると、自動車のトルク伝達軸のような高耐久性と高信頼性を要求される部品には磁気異方性部を使用したセンサが適用できない場合がある。
3.測定対象が磁気異方性部も含めた磁性体に限定される。
4.測定対象物の振動が力や変位の測定結果に影響する。
請求項2の発明は、請求項第1項記載の力および変位の検出方法において、測定対象物に作用する力やトルク、または測定対象物の変形や変位に応じて、共振回路に対して印加する駆動信号を自動的に変化させることを特徴とする力および変位の検出方法である。
請求項3の発明は、請求項第1項記載の力および変位の検出方法において、測定対象物に作用する力やトルク、または測定対象物の変形や変位の経時変化を蓄積、解析する集積回路からの命令に応じて、共振回路に対して印加する駆動信号を自動的に変化させることを特徴とする力および変位の検出方法である。
請求項4の発明は、測定対象物に作用する力やトルク、または測定対象物の変形または変位を検出する力または変位を検出するセンサにおいて、該測定対象物に所定の距離を置いて対向するように配置した第1コイルと、該測定対象物を内部に包含した第2ソレノイド型コイルと、該第1コイルと該第2ソレノイド型コイルに直列、或いは並列に接続されたキャパシタンスと、該第1コイルと該第2ソレノイド型コイルと該キャパシタンスからなる共振回路に対して任意の波形と周波数の駆動信号を複数回、パルス状に印加する駆動回路と、共振回路の発振波形の位相変化をカウンタ値に変換し、印加した駆動信号の数に応じて該カウンタ値を積算する積算回路を備え、該測定対象物に作用する力やトルク、または該測定対象物の変形や変位を検知することを特徴とする力および変位の検出方法である。
請求項5の発明は、請求項第4項記載の力および変位の検出方法において、測定対象物に作用する力やトルク、または測定対象物の変形や変位に応じて、共振回路に対して印加する駆動信号を自動的に変化させることを特徴とする力および変位の検出方法である。
請求項6の発明は、請求項第1項記載の力および変位の検出方法において、測定対象物に作用する力やトルク、または測定対象物の変形や変位の経時変化を蓄積、解析する集積回路からの命令に応じて、共振回路に対して印加する駆動信号を自動的に変化させることを特徴とする力および変位の検出方法である。
1.測定対象物に作用する力やトルク、または測定対象物の変形または変位を検出する力または変位を検出するセンサにおいて、該測定対象物に対向するように配置したコイル、もしくは該測定対象物を内部に包含したソレノイド型コイルと、該センサコイルもしくはソレノイド型コイルに直列、或いは並列に接続されたキャパシタンスと、該コイルと該キャパシタンスからなる共振回路に対して任意の波形と周波数の駆動信号を複数回、パルス状に印加する駆動回路と、共振回路の発振波形の位相変化をカウンタ値に変換し、印加した駆動信号の数に応じて該カウンタ値を積算する積算回路を備え、該測定対象物に作用する力やトルク、または該測定対象物の変形や変位を検知することを特徴とする力および変位の検出方法
2.測定対象物に作用する力やトルク、または測定対象物の変形または変位を検出する力または変位を検出するセンサにおいて、該測定対象物に所定の距離を置いて対向するように配置した第1コイルと、該測定対象物を内部に包含した第2ソレノイド型コイルと、該第1コイルと該第2ソレノイド型コイルに直列、或いは並列に接続されたキャパシタンスと、該第1コイルと該第2ソレノイド型コイルと該キャパシタンスからなる共振回路に対して任意の波形と周波数の駆動信号を複数回、パルス状に印加する駆動回路と、共振回路の発振波形の位相変化をカウンタ値に変換し、印加した駆動信号の数に応じて該カウンタ値を積算する積算回路を備え、該測定対象物に作用する力やトルク、または該測定対象物の変形や変位を検知することを特徴とする力および変位の検出方法
である。これらの発明により、前述した技術的な課題を解決することができる。その原理を以下に説明する。
ΔL=ΔLM+ΔLC
である。
一般に、ΔLCはΔLMに比較して極めて小さいことから、従来の測定方法ではΔLCは無視されてきた。しかし、本発明のように、駆動信号を複数回に分け、パルス状信号として、共振回路に印加でき、かつ複数回の駆動信号による位相変化を積算できる検出方法を適用することにより、後述するアルミニウム合金製のトルク伝達軸についてトルクが測定できるになる。すなわち、ΔLCの測定を行うことができる。特別な磁気異方性部を測定対象物に設ける必要がなく、したがって自動車のトルク伝達軸のような高耐久性と高信頼性を要求される部品にも適用可能で、かつ測定対象物が後述する実施例に記載するアルミニウムのような非磁性体やオーステナイト系ステンレス鋼のような磁性の弱い材料についても適用可能な力および変位の検出方法を提供するものである。
また、2)項に記述した検知方法を適用すると、測定対象物を内部に包含した第2ソレノイド型コイルが力または変位と、測定対象物の振動を、測定対象物に対向するように配置した第1コイルが測定対象物の振動のみを測定することから、第2ソレノイド型コイルの出力信号から第1コイルの出力信号を減算することにより、振動項を除去することができる。第1コイルと第2ソレノイド型コイルに同位相で重畳しているその他のノイズ信号も減算処理によって除去できる効果も有している。
1.測定対象物に磁性を問わず、また測定対象物に磁気異方性部を設けるような特殊な加工が不要である。
点にある。この最大の効果から、
2.センサ部を作製するためのコストが削減でき、また共振回路、駆動岐路および1チップマイコンの低コストかつ簡単な機器構成で高精度の力および変位検出機器を提供できる。
ことが、副次的ではあるが、大きな効果が得ることができる。
1.測定対象物の材料特性、測定条件、測定環境に合わせた駆動信号を任意で選択できるため、常に高感度かつ高精度の測定を行うことができる。
2.駆動信号を繰り返し印加し、単発の駆動信号によって生じる出力信号を積算する形式の検知方式であるため、瞬間的に発生するノイズを積算処理することによって除去できる。
2 コイル
3 歪ゲージ式力センサ
4 ハンドル
5 片持ちはり
上記3種類のトルク伝達軸の特性に応じて、3種類のコイルを作製した。S45C鋼製のトルク伝達軸用コイルはソレノイド型であり、直径100μmの銅線を使用し、巻数は1300ターンである。SUS304製のトルク伝達軸用コイルはソレノイド型であり、直径100μmの銅線を使用し、巻数は1000ターンである。また、AL5056製のトルク伝達軸用コイルは非ソレノイド型であり、直径50μmの銅線を使用し、巻数は400ターンである。なお、第2図にS45C製トルク伝達軸にソレノイド型コイルを設置した状態の写真を、図3にAL5056製のトルク伝達軸に非ソレノイド型コイルを設置した状態の写真をそれぞれ示す。
ハンドル4を回転することによって荷重の負荷と除荷、すなわちトルクの負荷と除荷を行い、負荷と除荷に伴うトルクのヒステリシス誤差を評価することができる。歪ゲージ式力センサ3で測定した力に、片持ちはり5の長さを乗じることによってトルク伝達軸に作用するトルクが求められる。
図4は、本発明の一実施形態の回路系を示す図面である。図5は、本発明のもう一実施形態の回路系を示す図面である。また、図6は1回の駆動信号を印加した場合の出力信号の減衰状態を示す。複数回の駆動信号を印加する場合には図6に示すA点、すなわち、第1周期目の信号がゼロクロスする点で、次の駆動信号をコイルに印加する形式で測定を行った。
・トルク検出範囲:−100〜+100Nm
・応答性:5msec以下
・検出感度:0.2mV/Nm
・ヒステリシス誤差:±2%FS以下(FS:フルスケール)
・角度依存性誤差:±3%FS以下
・温度ドリフト誤差:±3%FS以下
・使用温度範囲:−20〜+120℃
なお、この磁歪式トルクセンサは汎用仕様ではなく、自動車用エンジン出力軸に適用できる仕様をほぼ満足している優れたトルクセンサである。以下に、上記実施例と比較例についてトルク測定を行い、本発明の効果を説明する。
振幅5V、パルス幅5μsecと20μsecと変化させた矩形パルス信号を駆動信号として5回繰返し、共振回路に印加した場合のSUS304トルク伝達軸についてのトルクと出力信号の変化を第8図に示す。20μsec信号印加がより高出力が得られることは投入エネルギーが高いことを考えれば当然の結果であり、高出力ゆえに、20μsec信号印加でより良好な直線性とヒステリシス誤差特性が得られる。一方、5μsecが4倍の周波数応答性を有しているのに対して、出力の減少は高々20%程度であることから、測定感度と測定精度を優先するか、測定周波数を優先するのか、所望の測定値や、その測定値に基づいた機器の制御条件に応じて測定条件を適宜選択できることも本発明の効果であることがわかる。
振幅5V、パルス幅5μsecの矩形パルス信号を駆動信号として2回、5回、および10回繰返し印加した場合のS45Cトルク伝達軸についてのトルクと出力信号の変化を第9図に示す。印加回数を増すごとに、高出力が得られることは投入エネルギーが高いことを考えれば当然の結果であり、高出力ゆえに、良好な直線性とヒステリシス誤差特性が得られることも前述した。したがって、より高感度で高精度の測定を求める場合には駆動信号印加回数を多くすればよい。また、駆動信号印加回数を増加すると、突発的に発生するノイズ信号が積算処理過程で除去される効果もあり、ノイズ特性も向上する。ただし、周波数応答性は印加回数に応じて低下していくことになる。前述したパルス幅と同様、駆動信号印加回数を設定できることは、所望の測定値や、その測定値に基づいた機器の制御条件に応じて測定条件を適宜選択できるという点で、本発明の大きな効果である。なお、駆動信号のパルス幅や印加回数を変化することができない比較試料においては、このような効果を得ることができないことは明らかである。
Claims (6)
- 測定対象物に作用する力やトルク、または測定対象物の変形または変位を検出する力または変位を検出するセンサにおいて、該測定対象物に対向するように配置したコイル、もしくは該測定対象物を内部に包含したソレノイド型コイルと、該センサコイルもしくはソレノイド型コイルに直列、或いは並列に接続されたキャパシタンスと、該コイルと該キャパシタンスからなる共振回路に対して任意の波形と周波数の駆動信号を複数回、パルス状に印加する駆動回路と、共振回路の発振波形の位相変化をカウンタ値に変換し、印加した駆動信号の数に応じて該カウンタ値を積算する積算回路を備え、該測定対象物に作用する力やトルク、または該測定対象物の変形や変位を検知することを特徴とする力および変位の検出方法。
- 請求項第1項記載の力および変位の検出方法において、測定対象物に作用する力やトルク、または測定対象物の変形や変位に応じて、共振回路に対して印加する駆動信号を自動的に変化させることを特徴とする力および変位の検出方法。
- 請求項第1項記載の力および変位の検出方法において、測定対象物に作用する力やトルク、または測定対象物の変形や変位の経時変化を蓄積、解析する集積回路からの命令に応じて、共振回路に対して印加する駆動信号を自動的に変化させることを特徴とする力および変位の検出方法。
- 測定対象物に作用する力やトルク、または測定対象物の変形または変位を検出する力または変位を検出するセンサにおいて、該測定対象物に所定の距離を置いて対向するように配置した第1コイルと、該測定対象物を内部に包含した第2ソレノイド型コイルと、該第1コイルと該第2ソレノイド型コイルに直列、或いは並列に接続されたキャパシタンスと、該第1コイルと該第2ソレノイド型コイルと該キャパシタンスからなる共振回路に対して任意の波形と周波数の駆動信号を複数回、パルス状に印加する駆動回路と、共振回路の発振波形の位相変化をカウンタ値に変換し、印加した駆動信号の数に応じて該カウンタ値を積算する積算回路を備え、該測定対象物に作用する力やトルク、または該測定対象物の変形や変位を検知することを特徴とする力および変位の検出方法。
- 請求項第4項記載の力および変位の検出方法において、測定対象物に作用する力やトルク、または測定対象物の変形や変位に応じて、共振回路に対して印加する駆動信号を自動的に変化させることを特徴とする力および変位の検出方法。
- 請求項第1項記載の力および変位の検出方法において、測定対象物に作用する力やトルク、または測定対象物の変形や変位の経時変化を蓄積、解析する集積回路からの命令に応じて、共振回路に対して印加する駆動信号を自動的に変化させることを特徴とする力および変位の検出方法。
Applications Claiming Priority (5)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2007000007 | 2007-01-02 | ||
JP2007000007 | 2007-01-02 | ||
JP2007019347 | 2007-01-30 | ||
JP2007019347 | 2007-01-30 | ||
PCT/JP2007/001427 WO2008081569A1 (ja) | 2007-01-02 | 2007-12-19 | 力および変位の検出方法 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP4197360B2 JP4197360B2 (ja) | 2008-12-17 |
JPWO2008081569A1 true JPWO2008081569A1 (ja) | 2010-04-30 |
Family
ID=39588259
Family Applications (2)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2007292667A Pending JP2008211762A (ja) | 2007-01-02 | 2007-11-12 | 検出装置及び検出方法 |
JP2008529387A Expired - Fee Related JP4197360B2 (ja) | 2007-01-02 | 2007-12-19 | 力および変位の検出方法 |
Family Applications Before (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2007292667A Pending JP2008211762A (ja) | 2007-01-02 | 2007-11-12 | 検出装置及び検出方法 |
Country Status (2)
Country | Link |
---|---|
JP (2) | JP2008211762A (ja) |
WO (1) | WO2008081569A1 (ja) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN110361610A (zh) * | 2019-06-23 | 2019-10-22 | 西南交通大学 | 变压器绕组径向变形测试系统及其测试评估方法 |
Families Citing this family (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US10295618B2 (en) | 2014-09-19 | 2019-05-21 | Hitachi Metals, Ltd. | Magnetic permeability sensor and magnetic permeability detecting method, dielectric permittivity sensor and dielectric permittivity detecting method, and magnetic permeability and dielectric permittivity sensor and magnetic permeability and dielectric permittivity detecting method |
JP6613599B2 (ja) * | 2015-03-19 | 2019-12-04 | 日立金属株式会社 | 透磁率・誘電率センサ及び透磁率・誘電率検出方法 |
Family Cites Families (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US4219740A (en) * | 1979-01-12 | 1980-08-26 | Eldec Corporation | Proximity sensing system and inductance measuring technique |
DE3733943A1 (de) * | 1987-10-07 | 1989-04-20 | Andrae Leonberg Gmbh | Verfahren und vorrichtung zur erregung eines schwingkreises |
ATE82451T1 (de) * | 1990-12-21 | 1992-11-15 | Detra Sa | Induktiver naeherungssensor. |
-
2007
- 2007-11-12 JP JP2007292667A patent/JP2008211762A/ja active Pending
- 2007-12-19 JP JP2008529387A patent/JP4197360B2/ja not_active Expired - Fee Related
- 2007-12-19 WO PCT/JP2007/001427 patent/WO2008081569A1/ja active Application Filing
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN110361610A (zh) * | 2019-06-23 | 2019-10-22 | 西南交通大学 | 变压器绕组径向变形测试系统及其测试评估方法 |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JP2008211762A (ja) | 2008-09-11 |
WO2008081569A1 (ja) | 2008-07-10 |
JP4197360B2 (ja) | 2008-12-17 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US6330833B1 (en) | Magnetoelastic torque sensor | |
US7584672B2 (en) | Magnetostrictive torque sensor | |
JP2545365B2 (ja) | トルク測定装置 | |
US5889215A (en) | Magnetoelastic torque sensor with shielding flux guide | |
US5493921A (en) | Sensor for non-contact torque measurement on a shaft as well as a measurement layer for such a sensor | |
JP5684442B2 (ja) | 磁気センサ装置 | |
US4626781A (en) | Device for detecting the speed of rotation and/or an angle of rotation of a shaft | |
EP0523025B1 (en) | Method for measuring torque and/or axial stresses | |
US7131339B2 (en) | Measurement of torsional dynamics of rotating shafts using magnetostrictive sensors | |
JPWO2008044689A1 (ja) | トルク検出器及びその製造方法並びに電動パワーステアリング装置 | |
US20060042404A1 (en) | Magnetostrictive torque sensor and electric steering system | |
EP2397829B1 (en) | Dynamic signal torque sensor | |
WO2000063662A1 (en) | Magnetoelastic load cell | |
JP3616237B2 (ja) | トルク検出装置 | |
US6871553B2 (en) | Integrating fluxgate for magnetostrictive torque sensors | |
US7350425B2 (en) | Method of eliminating hysteresis from a magnetoelastic torque sensor | |
JP3352366B2 (ja) | パルス信号発生装置 | |
JP4197360B2 (ja) | 力および変位の検出方法 | |
US6779409B1 (en) | Measurement of torsional dynamics of rotating shafts using magnetostrictive sensors | |
JP4746200B2 (ja) | トルクセンサにおいて使用するための磁気弾性部材を形成する方法 | |
KR102234582B1 (ko) | 자기 변형 센서를 동작시키기 위한 방법 | |
Garshelis et al. | Development of a non-contact torque transducer for electric power steering systems | |
US20040187606A1 (en) | Torque sensing apparatus for picking up a magnetic flux | |
JP2012088185A (ja) | 磁気検知デバイス及び磁歪力センサ | |
JP2000266619A (ja) | トルクセンサ及びステアリングシャフトのトルク検出装置 |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
A975 | Report on accelerated examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971005 Effective date: 20080918 |
|
A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20080925 |
|
A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 |
|
A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20080925 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20111010 Year of fee payment: 3 |
|
R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20111010 Year of fee payment: 3 |
|
S111 | Request for change of ownership or part of ownership |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R313113 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20111010 Year of fee payment: 3 |
|
R350 | Written notification of registration of transfer |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R350 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20111010 Year of fee payment: 3 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20141010 Year of fee payment: 6 |
|
LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |