JP2566617B2 - 軸の回転数の検出装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は軸の回転数の検出装置に関し、特にこの軸の
トルクセンサーと一体化された回転数検出装置に関す
る。

従来の技術 エンジン、モータ、産業機械駆動用の軸などのトルク
を非接触で測定可能なトルクセンサーとして、たとえば
特許第169326号明細書に開示されるものがある。これ
は、強磁性ならびに磁歪性を有する回転軸の外周に、こ
の回転軸の軸心方向と45度の角度をなして互いに反対方
向に傾斜するナーリング部を形成し、各ナーリング部の
外周に、励磁コイルと、互いに差動接続される検出コイ
ルとをそれぞれ配置したものである。

このような構成によれば、両ナーリング部により磁気
異方性が与えられ、伝達トルクにもとづくナーリング部
での透磁率の変化が検出コイルにて検出され、この検出
結果から回転軸に作用するトルクが求められる。

発明が解決しようとする課題 しかし、このような従来のトルクセンサーは、トルク
の検出のみを目的として構成されており、軸の回転数を
検出しようとする場合には、別途回転数センサーを設置
しなければならない。したがつて、スペースを大きく必
要とするうえに、コストアツプにもなるという問題点が
ある。

そこで本発明はこのような問題点を解決し、トルクセ
ンサーと回転数センサーとを一体化できるようにするこ
とを目的とする。

課題を解決するための手段 上記課題を解決するため本発明は、回転軸の軸心の方
向に対し角度をなすように、この回転軸の外周面に形成
された一対のトルク検出用磁気異方性部と、各トルク検
出用磁気異方性部における透磁率の変化を検出可能な一
対のトルク検出コイルと、前記各トルク検出用磁気異方
性部のそれぞれ近傍における回転軸の外周面に前記軸心
と平行な方向に形成された一対の補正用磁気異方性部
と、各補正用磁気異方性部における透磁率の変化を検出
可能な一対の補正コイルと、一方の補正用磁気異方性部
に端部が向かい合うように配置された回転数検出用ヨー
クと、この回転数検出用ヨークに巻付けられた回転数検
出コイルと、他方の補正用磁気異方性部に端部が向かい
合うように配置された回転方向弁別用ヨークと、この回
転方向弁別用ヨークに巻付けられるとともに、前記回転
数検出コイルの検出信号の位相に対し、前記回転軸の回
転方向により異なつた位相差の検出信号を出力可能な回
転方向弁別コイルとを有する構成としたものである。

また本発明によれば、回転数検出用ヨークと回転方向
弁別用ヨークとによる磁気バランスの乱れを補正するた
めの磁気バランス用ヨークを有した構成とすることがで
きる。

さらに本発明によれば、トルク検出コイルの出力と回
転数検出コイルの出力とから軸動力を演算する手段を有
した構成とすることができる。

作用 このような構成によれば、トルク検出コイルにより回
転軸に作用するトルクが検出される。また補正用磁気異
方性部は回転軸の軸心と平行な方向に磁気異方性を付与
されており、このため補正コイルは、回転軸に作用する
トルクの影響をほとんど受けることなく、回転軸を形成
する材料の透磁率のみに関係した出力を生じる。この出
力により、温度変化や経年変化にもとづいて発生する各
種誤差が、トルク検出コイルによるトルク検出データか
ら分離、除去される。かつ、これらと同時に、回転数検
出用ヨークの端部の近傍を単位時間当りに磁気異方性部
が通過する回数を回転数検出コイルで検出することによ
り、回転軸の回転数が検出される。さらに回転方向弁別
コイルの検出信号と回転数検出コイルの検出信号との位
相差から、回転軸の回転方向が検出される。以上によ
り、測定誤差の補償機能を有したトルクセンサーと、回
転数センサーと、回転方向弁別センサーとが一体化さ
れ、トルクセンサーの基本構成に大きな変更を加えるこ
となしに、トルクと回転数と回転方向とを同時に検出可
能となる。

磁気バランス用ヨークを有した構成とすることによ
り、センサー全体を確実に磁気バランスさせることが可
能となり、この結果静止トルク出力値の回転角度変動や
温度によるトルクセンサーの零点変動が最少になる。

実施例 第１図〜第５図においては、１はトルク伝達用の回転
軸であり、たとえばエンジンの出力を作業装置に伝達す
るために用いられる。回転軸１の外周面には、この回転
軸１の軸心の方向と20〜60度、好ましくは45度の角度を
なして、互いに反対方向に傾斜するように形成された一
対のトルク検出用磁気異方性部2,3が、所定距離をおい
て設けられている。このトルク検出用磁気異方性部2,3
は、たとえば第２図に示すように回転軸１の外周面をナ
ーリング加工することによつても形成できるし、またシ
エブロン状アモルフアス薄帯を回転軸１の外面に接着す
るなどによつても形成できる。

トルク検出用磁気異方性部2,3を間にはさんで軸心方
向に距離をおいた位置には、これら各トルク検出用磁気
異方性部2,3の近傍における回転軸１の外周面に、一対
の補正用磁気異方性部4,5がそれぞれ設けられている。
これら補正用磁気異方性部4,5は、回転軸１の軸心と平
行な方向に磁気異方性が付与されており、トルク検出用
磁気異方性部と同様にナーリング加工などにより形成さ
れている。

各磁気異方性部2,3,4,5は筒状の磁気シールド部6,20
にてそれぞれ覆われており、これら磁気シールド部6,20
の内部にはボビン７が収容されている。トルク検出用磁
気異方性部2,3に対応したボビン７には、これら磁気異
方性部2,3の周囲に配置される励磁コイル８と、各励磁
コイル８の外周に配置される一対のトルク検出コイル9,
10とが巻付けられている。また、補正用磁気異方性部4,
5に対応したボビン７には、同様の励磁コイル11と補正
コイル12,13とが巻付けられている。

各励磁コイル8,11は、これら励磁コイル8,11に交流電
流を供給可能な励磁回路14,14に接続されている。トル
ク検出コイル9,10は、これらトルク検出コイル9,10から
の検出交流電圧を直流電圧に変換するための整流回路1
5,16に、それぞれ接続されている。両整流回路15,16は
減算回路17に接続され、この減算回路17はトルク演算回
路18に接続されている。19はトルク値の出力端子であ
る。

第３図に示すように、補正用磁気異方性部4,5に対応
した磁気シールド部20は周方向ふたつ割りの構成とされ
ている。21,22はその分割部である。一方の補正用磁気
異方性部４に対応した磁気シールド部20の分割部21,22
には、第４図に示すような回転数検出用ヨーク23と磁気
バランス用ヨーク24とがそれぞれ配置されている。これ
らヨーク23,24は強磁性体にて構成され、その端部が磁
気異方性部４に向かい合うようにＣ形に形成されてい
る。第５図に示すように、たとえば磁気異方性部４がナ
ーリング部にて形成されている場合には、一方のヨーク
23がナーリングの山部25に向かい合うときに他方のヨー
ク24がその谷部26に向かい合うようにして、確実に磁気
バランスがとれるようにされている。

他方の磁気異方性部５に対応した磁気シールド部20に
は、第１図および第２図にも示すように、同様の構成の
回転方向弁別用ヨーク27と磁気バランス用ヨーク24とが
設けられている。

回転数検出用ヨーク23には、回転数検出コイル28が巻
付けられている。この回転数検出コイル28は、補正コイ
ル12とともに励磁コイル11にて励磁されるようになつて
おり、また第１図に示すように波形整形回路29に接続さ
れて、その出力波形が矩形波に変換されるようになつて
いる。波形整形回路29は、1/N割算器にて構成された回
転数演算回路30に接続されている。31は回転数信号の出
力端子である。

回転方向弁別用ヨーク27は、回転方向弁別コイル32が
巻付けられている。この回転方向弁別コイル32は、回転
数検出コイル28と同様に、補正コイル13のための励磁コ
イル11にて励磁されるとともに波形整形回路33に接続さ
れている。両波形整形回路29,33の出力側は、ともに位
相弁別回路34に接続されている。35は同回路34の出力端
子である。

ここで、回転数検出コイル28と回転方向弁別コイル32
とは、補正用磁気異方性部4,5に関し、概略1/4ピツチの
位相のずれを生じるように構成されている。このような
構成は、たとえば第６図に示すように回転数検出用ヨー
ク23と回転方向弁別用ヨーク27とを同位相で設置すると
ともに、補正用磁気異方性部4,5どうしを互いに1/4ピツ
チずらせて形成することにより得ることができる。ある
いは、反対に、両異方性部4,5を同位相で形成し、両ヨ
ーク23,27を互いに周方向にずらせて配置するなどの構
成としてもよい。

トルク演算回路18の出力側と、回転数演算回路30の出
力側とは、掛算回路にて構成された軸動力演算回路36に
接続されている。37は軸動力の出力端子である。

このような構成において、回転軸１によりトルクが伝
達される場合には、この伝達トルクにもとづきトルク検
出用磁気異方性部2,3の透磁率が変化する。このとき、
励磁コイル8,11が励磁回路14により活性化されているこ
とから、前記透磁率の変化にもとづき、トルク検出用コ
イル9,10の検出電圧が変化する。ここで、トルク検出用
磁気異方性部2,3は互いに反対方向に傾斜しているた
め、これら磁気異方性部2,3の一方に圧縮応力が作用す
ると、他方には引張応力が選択的に作用する。このた
め、トルク検出コイル9,10のうち一方のコイルの検出電
圧はトルクの増加にしたがつて増加し、反対に他方のコ
イルの検出電圧は減少する。これら検出電圧の増減は、
両整流回路15,16の出力側において、第７図に示すよう
な直流出力38,39となつて現われる。

ここで、両トルク検出コイル9,10などが磁気的にバラ
ンスされている場合には、両直流出力38,39の傾斜角度
は互いに等しくなる。したがつて、減算回路17によりこ
れら直流出力38,39の差をとつて合成すると、第８図に
示すように、トルクの変化のみを表わすトルク検出電圧
40が得られる。このトルク検出電圧40にもとづき、トル
ク演算回路18の内部で対応するトルク値が演算され、演
算結果が出力端子19に現われる。

経年変化や温度変化によりトルク検出部の磁気的なバ
ランスがくずれると、第７図の直流出力38,39の傾きが
変化したり、その零点が変動したりして、第８図のトル
ク検出電圧40に誤差が生じるおそれがある。このような
誤差を補正コイル12,13の出力を利用して補償する。す
なわち、補正用磁気異方性部4,5は、回転軸１の軸心と
平行な方向に磁気異方性が付与されているため、回転軸
１にトルクが作用しても透磁率は実質的には変化しな
い。したがつて、この補正用磁気異方性部4,5の周囲に
配置された補正コイル12,13からの出力は、トルクの影
響をほとんど受けることがなく、回転軸１の材料の透磁
率などの物理的性質の経年変化、温度変化のみに関係し
た値となる。そこで、補正用磁気異方性部4,5に対応す
る補正コイル12,13の出力電圧を一定に保つように、各
励磁電源を制御することにより（この場合磁気異方性部
３と５、２と４に対応する励磁コイルは各々共通に励磁
される。）温度変化や経年変化にもとづいて発生する誤
差を除去したトルク検出データのみが、出力端子19に現
われる。

第９図（ａ）は回転数検出コイル28の出力波形を示
す。ｔ＝０以前の時刻では回転軸１は停止しており、ｔ
＝０で回転を開始している。第９図（ａ）は、回転軸１
が停止していたときには、回転数検出用ヨーク23の先端
が補正用磁気異方性部４の山部25と向かい合つていた場
合を示す。回転軸１が回転を始めて磁気異方性部４の谷
部26がヨーク23の先端に向かい合つたときには、このヨ
ーク23の先端から磁気異方性部４の表面までの距離が大
きくなつて磁界強度が弱くなるため、回転数検出コイル
28の出力が低下する。回転軸１の回転により山部25と谷
部26とが次々とヨーク23の位置を通過するので、第９図
（ａ）に示すように時間とともに繰り返し変化する波形
が得られる。ここで41はキヤリアの波形を示し、このキ
ヤリア41は、励磁回路14により励磁コイル11に供給され
る電流の周波数と等しい周波数になる。

このような回転数検出コイル28の出力波形は、波形整
形回路29により第９図（ｂ）に示すような矩形波42に変
換される。この矩形波42は、回転軸１の１周当りの谷部
26の数をＮとした1/N割算器で構成された回転数演算回
路30でカウントされ、そのときの回転軸１の回転数が出
力端子31に出力される。たとえば、回転軸１が5000rpm
で回転しており、回転軸１の外周の30箇所に谷部26が形
成されているとすると、１秒間に谷部26の2500個分に対
応する矩形波42が回転数演算回路30に入力される。第９
図（ａ）は、キヤリア41の周波数を10,000Hzとした場合
の、このときのトルク検出電圧を示す。

磁気シールド部20の内部には、回転数検出用ヨーク23
のほかに磁気バランス用ヨーク24が設けられているた
め、強磁性体にて形成された回転数検出用ヨーク23によ
り周囲の磁気バランスが乱されることが防止される。な
お、回転数検出用ヨーク23が実用性を害する程度に磁気
バランスを乱すものではない場合は、磁気バランス用ヨ
ーク24を設けなくてよい。

第９図（ｃ）は回転方向弁別コイル32の出力波形を示
す。同図（ｄ）は波形整形回路33の出力波形を示す。回
転数検出用ヨーク23と回転方向弁別用ヨーク27とは、前
述のように回転軸１の周方向において互いに位相ずれが
生じるように配置されているため、波形整形回路29から
の矩形波42と波形整形回路33からの矩形波43との間に
も、第９図（ｂ）（ｄ）に示されるような位相ずれが生
じる。回転軸１が逆転してその回転方向が反対になる
と、矩形波42に関する矩形波43の位相が進んだり、ある
いは遅れたりするため、この位相の「進み」と「遅れ」
とを第１図の位相弁別回路34で弁別することにより、回
転軸１の回転方向に関する信号が出力端子35に現われ
る。

第１図に示すように、トルク演算回路18の出力と回転
数演算回路30の出力とは、軸動力演算回路36に入力され
る。この軸動力演算回路36は、前述のように掛算回路に
て構成されており、トルク値と回転数値とを掛け合わせ
ることにより出力端子37に軸動力を出力させる。

発明の効果 以上述べたように本発明によると、温度変化や経年変
化にもとづいて発生する誤差の補償機能を有したトルク
センサーと、回転数センサーと、回転方向弁別センサー
とが一体化されるため、トルクセンサーの基本構成に大
きな変化を加えることなしに、トルク、トルクの方向、
回転数、回転方向を、同時に、小スペースで、安価に検
出できる。

回転数検出用ヨークや回転方向弁別用ヨークに対応し
て磁気バランス用ヨークを設けることにより、これらヨ
ークのまわりを確実に磁気バランスさせることが可能と
なり、静止トルクの出力値の回転角度変動や温度変化に
よるトルクセンサーの零点変動を最少にすることができ
る。

軸動力を演算する手段を設けることにより、一つのセ
ンサーの構成で、トルク、トルクの方向、回転数、回転
方向および軸動力のすべてを同時に検出できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明にもとづく軸の回転数の検出装置の概略
構成を示す図、第２図は第１図における磁気シールド部
の一部を切欠いて示す図、第３図は補正用磁気異方性部
における磁気シールド部の斜視図、第４図は回転数検出
用ヨークまたは回転方向弁別用ヨークと磁気バランス用
ヨークとの斜視図、第５図はこれらヨークの位置関係を
示す図、第６図は回転数検出用ヨークと回転方向弁別用
ヨークとの位置関係を示す図、第７図は第１図における
整流回路の出力を示す図、第８図は第１図における減算
回路の出力を示す図、第９図は第１図における回転数検
出コイル、回転方向弁別コイルおよび両波形整形回路の
出力波形を示す図である。 １……回転軸、2,3……トルク検出用磁気異方性部、4,5
……補正用磁気異方性部、6,20……磁気シールド部、9,
10……トルク検出コイル、12,13……補正コイル、18…
…トルク演算回路、23……回転数検出用ヨーク、24……
磁気バランス用ヨーク、27……回転方向弁別用ヨーク、
28……回転数検出コイル、30……回転数演算回路、32…
…回転方向弁別コイル、34……位相弁別回路、36……軸
動力演算回路。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 団栗 彰男 兵庫県尼崎市浜１丁目１番１号 久保田 鉄工株式会社技術開発研究所内 (72)発明者 花澤 明由 大阪府枚方市中宮大池１丁目１番１号 久保田鉄工株式会社枚方製造所内 (72)発明者 柴田 良雄 兵庫県尼崎市浜１丁目１番１号 久保田 鉄工株式会社技術開発研究所内 (72)発明者 西田 哲也 大阪府堺市石津北町64番地 久保田鉄工 株式会社堺製造所内 (56)参考文献 特開 平１−173842（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−245033（ＪＰ，Ａ) 特開 昭49−67671（ＪＰ，Ａ)

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】回転軸の軸心の方向に対し角度をなすよう
   に、この回転軸の外周面に形成された一対のトルク検出
   用磁気異方性部と、 各トルク検出用磁気異方性部における透磁率の変化を検
   出可能な一対のトルク検出コイルと、 前記各トルク検出用磁気異方性部のそれぞれ近傍におけ
   る回転軸の外周面に前記軸心と平行な方向に形成された
   一対の補正用磁気異方性部と、 各補正用磁気異方性部における透磁率の変化を検出可能
   な一対の補正コイルと、 一方の補正用磁気異方性部に端部が向かい合うように配
   置された回転数検出用ヨークと、 この回転数検出用ヨークに巻付けられた回転数検出コイ
   ルと、 他方の補正用磁気異方性部に端部が向かい合うように配
   置された回転方向弁別用ヨークと、 この回転方向弁別用ヨークに巻付けられるとともに、前
   記回転数検出コイルの検出信号の位相に対し、前記回転
   軸の回転方向により異なつた位相差の検出信号を出力可
   能な回転方向弁別コイルと、 を有することを特徴とする軸の回転数の検出装置。
2. 【請求項２】回転数検出用ヨークと回転方向弁別用ヨー
   クとによる磁気バランスの乱れを補正するための磁気バ
   ランス用ヨークを有することを特徴とする請求項１記載
   の軸の回転数の検出装置。
3. 【請求項３】トルク検出コイルの出力と回転数検出コイ
   ルの出力とから軸動力を演算する手段を有することを特
   徴とする請求項１または２に記載の軸の回転数の検出装
   置。