JPH0197826A - 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】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、トルク検出装置に係り、特に軸のねじれによ
って生ずる位置の相対ずれを検出するものに好適なトル
ク検出装置に関する。

〔従来の技術〕

従来の装置は、例えば三菱電機技報Ｖｏｆｌ、５８゜Ｎ
α７　１９８４の図１に記載のように、軸のねじれを軸
に取り付けた歯車Ａ、Ｂの位相差として、電磁ピックア
ップで検出する構成となっていた。しかし、電磁ピック
アップの出力信号の大きさは、歯車の回転数に依存し、
低速になると出力信号は小さくなってしまうので高速回
転中でのトルク検出にのみ使用され、超低速あるいは停
止時におけるトルク検出については配慮されていなかっ
た。

〔発明が解決しようとする問題点〕

上記、従来の技術は、超低速あるいは停止時におけるト
ルク検出については配慮されておらず。

モータ等の停止時におけるトルクの測定ができない問題
があった。

本発明の目的は、磁気抵抗効果素子を用いて磁気式ロー
タリイエンコーダの技術を利用し、停止時から高速域ま
で使用できる高精度で分解能の高いトルク検出装置を提
供することにある。

〔問題点を解決するための手段〕

上記目的は、軸のねじれ検出を、表面に磁気信号を記録
した信号トラックを有する磁気ドラムとこれに対向配置
させた磁気抵抗効果素子から成る磁気センサで構成する
ことにより、達成される。

〔作用〕

磁気抵抗効果素子はパーマロイ等をガラス基板上に蒸着
して作られ、極性に無関係に磁界の強さによって抵抗値
が変化する。従って、全周にＮ。

Ｓの磁気信号が記録された、磁気ドラムに、前記、磁気
抵抗効果素子を対向させると、磁気ドラムのＮ、Ｓ信号
に応じた磁界が磁気抵抗効果素子に加えて、速度に無関
係に磁気ドラムの相対位置を磁気抵抗素子の抵抗変化と
して取り出すことができる。それにより、出力波形を正
弦波とすることで停止時のトルクでも、各々の正弦波の
大きさより角度を測定することにより検出できる。

〔実施例〕

本発明に係るトルク検出装置の実施例を説明する。

第１図は本発明の一実施例であるトルク検出装置の軸承
構成図である。第２図は第１′図において一方の磁気ド
ラムと磁気センサの関係を示した軸承構成図である。第
３図は（Ａ）、（Ｂ）　、第２図の一部展開図であり、
第４図、第５図はその動作波形説明図である。

第１図において、１は回転する軸であり、２゜２′は回
転ドラムである。磁気信号を記録した磁性体３，３′を
有する回転ドラム２，２′は軸１に間隔りだけで隔てて
固着されている。４は磁気抵抗効果素子（以下ＭＲ素子
と称す）Ｒで構成される磁気センサであり、各々回転ド
ラム２，２′に対向し、小さな間隙を介して配置される
。ここで、回転ドラム２，２′と磁気センサ４，４′の
動作について第２図を用いて説明する。

第２図では、動作説明上回転ドラム２と磁気センサ４を
取り出したものである。前述したように、回転ドラム２
の磁性体３にはＮ、Ｓの磁気信号が全周にわたって記録
されており、間隙ａを介してＭＲ素子Ｒ１，Ｒ２で構成
された磁気センサ４が対向配置されている。

第３図（Ａ）および第３図（Ｂ）は、第２図に示した回
転ドラム２における磁性体３と磁気センサ４の配置関係
を示す拡大展開図である。第３図において、ＭＲ素子Ｒ
ｔ＊　Ｒｚは、記録波長（Ｎ極とＳ極の間隔）λに対し
てλ／２ずつ離して配置している。第４図にこの動作波
形を示した。第４図において、前記回転ドラム２の磁性
体３は、回転ドラム２の回転によって図示矢印のように
移動するものである。一方、周知のようにＭＲ素子Ｒ１
，Ｒｚは、磁気信号のＮ極、Ｓ極の磁束変化のいずれか
の信号が加わると抵抗値が低下する特性を有しているの
で、磁性体３が矢印のごとく移動すると、ＭＲ素子Ｒ１
，Ｒｘの抵抗変化は、記録波長λに応じた抵抗変化が得
られ各々（Ｒ１，Ｒ２）はλ／２位相のずれた波形とな
る。ここで、前記ＭＲ素子ＲＬ、ＲＺを第５図（イ）の
ように３端子に接続し、両端に電圧Ｖを加えると出力端
子ＦＡＩから得られる電圧は、第６図（Ａ）に示すよう
な波形となり、磁性体３に記録した磁気信号に対応した
出力Ｅ＾１が得られるものである。一方、同様゛に第１
図で示した回転ドラム２′と磁気センサ４′からも同様
の作用で第６図（Ｂ）に示した波形Ｅ＾２が得られる。

ここで、第１図のトルク検出装置において、例えば軸１
の駆動側にモータを取り付け、負荷側に負荷を取り付け
ると軸１は、その負荷トルクに比例して角度θだけねじ
れる。これを式であられすと次のようになる。

ここで、θ：ねじれ角（ｒａｄ　）　、　Ｇ　：軸のせ
ん新係数（ｋｇ／ｃｄ）　、　Ｌ　ニドラム間の距ｉ！
！１（ＣＩｌｌ）、Ｄ：軸径（１）である。せん新係数
Ｇは軸の材質で決まるもので、ドラム間の距離りと軸径
りが決まればねじれ角θに対するトルクＴがわかる。従
つて、軸１のねじれ角θを検出することにより、トルク
測定が可能となる。軸１のねじれ角θの測定方法の一例
を第７図（Ａ）および第７図（Ｂ）に示す。第７図（Ａ
）において、軸１のねじれ０は、回転ドラム２と磁気セ
ンサ４で得られる出力ＦＡＩと回転ドラム２′と磁気セ
ンサ４′で得られる出力Ｅ＾２の零クロスにおける位相
差θ２−θｌを測定して行う、すなわち、第７図（Ａ）
に示すように負荷トルクが小さい場合は、軸１のねじれ
量も小さいので出力Ｅ＾１とＥＡＩＩの零クロスにおけ
る位相差Ｏ１は小さくなる。逆に、第７図（Ｂ）のよう
に負荷トルクが大きい場合は軸１のねじれ量も増加する
ので、零クロスにおける位相差θ２は大きくなる。従っ
て、この位相差θ１あるいはθ２を測定すればトルクの
大きさを検出できる。第８図は、本発明によるトルク検
出装置の一特性を示したもので、トルクＴに対する位相
角θの関係を実測したものである。

一方、ＭＲ素素子線、前述したように磁界の大きさに対
応して抵抗値が変化するため、軸１が停止していても、
ＭＳ素子には回転ドラム２，２′の磁性体３，３′から
のＮ極、Ｓ極による所定強度の磁界が常に加わっている
ため軸１の停止時のトルクを検出することができる。第
９図及び第１０図に停止時におけるトルク検出の一例を
示す。

第９図においては、本発明のトルク検出装置をモータ６
に組込んだ例を示したものである。回転ドラム２，２′
はモータ６のシャフト１に任意の間隔をおいて固着され
ている。磁気センサ４，４′は各々、回転ドラム２，２
′に小さな間隙をおいて対向して配置されている。又、
回転ドラム２゜２′側のシャフト１端には、例えば工作
機などの負荷が接続される。一般に、工作機等を駆動す
る電動機は、インバータ等の発展に伴い直流電動機から
交流電動機化が急速に進んでいる。一方、工作機等を駆
動する電動機の軸トルクの検出は、加工物の加工精度、
加工速度等の制御のフィードバックに欠くことができな
い。電動機の軸トルクは、直流電動機の場合には、電流
とトルクが比例することから、電流を検出することによ
り容易にトルクを検出できるが、交流電動機では、電流
トルクが比例しないため、電流でのトルク検出は、困難
である。そこで１本発明のようなトルク検出装置が必要
となる。

第９図のトルク検出装置で第１図と異なっている点は、
磁気センサの出力をトルク検出の他に位置検出及び速度
検出用として用するため、磁気センサ４，４′の出力を
各々２相出力としている点である。ここで、磁気センサ
の出力を２相出力にすることはＭＲ素子の場合、前述し
たように、パーマロイ等をガラス基板上に蒸着して作る
ため、ＭＲＲ子パターンの簡単な仕様変更によりガラス
基板上に一体化して製作できるため、磁気センサ４．４
′の数も増えず、センサ自体の大きさもほとんど変らな
いのでシステム全体の構造も簡単になる。

さて、第９図において、磁気センサ２及び２′からほぼ
９０度位相のずれた２相出力ＥＡＬとＥＢＩ及びＥＡｚ
とＥａｔを取り出し、各出力は、比較器５１．５２．５
２’及び５３′により方形波Ａｔ。

Ｂｔ、Ａｚ及びＢ２を得る。この２相の方形波Ａ　ｈ　
。

Ｂ１は、第１０図（Ｂ）に示すように磁気センサ４の出
力Ｅ＾１を４つのモードに分けるために使用される６例
えば、出力Ｅ＾１の０″〜９０″の範囲では、Ａｌ、Ｂ
ｔの関係はＨＡ、ＬＯとなり、９０゜〜１８０°の範囲
ではＨｌ、Ｈｌとなる。′同様に１８０′〜２７０＠で
はＬＱ、　Ｈｚ、　２７０’　〜３６０＠の範囲ではＬ
ｏ、Ｌｏとなる。さらに方形波Ａｚ＋　１３ｚは、磁気
センサ４′の出力Ｅ＾２を４つのモードに分けるために
使用される。また、磁気センサ４，４′の出力ＦＡＩ、
　Ｅ＾２は前記の方に。

第１０図（Ａ）の（ロ）のように各々、三角波の搬送波
ＰＭと比較し、正弦波出力Ａ　Ｈ１及びＡＭ２を得る０
例えば、磁気センサ４，４′の出力ＡＡＩ。

ＡＡｚは第１０図（Ａ）の（イ）のように正弦波なので
、出力Ｅ＾１．　ＥＡｔのアナログ量で角度θを求める
ことができる。さらに、出力Ｅ＾１．ＥＡｚのアナログ
量は各々１周期間で同一電圧になる点が存在するが、モ
ード判別部８あるいは８′により０〜９０度、９０〜１
８０度、１８０〜２７０度及び２７０〜３６０度の判定
ができる。さらに位置検出部９及び９′により、トルク
検出１４の他に位置検出１２．１２’及び速度検出１３
．１３’の情報を得ることができる。なお、位置および
速度検出については負荷７の位置及び速度検出を精度良
く行う時には負荷側の回転ドラム２′と磁気センサ４′
の情報で行うと検出精度の向上が図れる。あるいは、モ
ータ制御をスムーズに行ないたい時はモータ側（駆動側
）の回転ドラム２と磁気センサ４の位置及び速度情報を
使用する方が良い。

更に、負荷の運転状態により負荷側と駆動側をスイッチ
１０及び１０’　により切り換える場合もある。

ここで、回転ドラム２，２′が第１０図（イ）の（ａ）
点で停止している場合を考えると、搬送波ＰＭが磁気セ
ンサ４の出力Ｅ＾１の（ａ）点に達するまで時間ｔａｘ
の幅のパルスＡＭｌが得られる。

この時、第９図のモータ６のシャフト１にトルクＴが加
わっていれば１回転ドラム２′と磁気センサ４′から得
られる出力ＥＡ２．は、第１０図（Ａ）の（イ）の破線
で示すような波形となり、時間ｔｌＩｚの間の幅のパル
スＡｘｚが得られる。このパルスＡＭＩとＡＭ２は、セ
ンサ出力Ｅ＾１とＥＡｔのアナログ量に比例するので、
時間ｉｍｌとｔｌＩ２の値をトルク測定部１に入力しド
ラム２，２′間の角度差として求められ、トルク検出が
可能となるゝ。

次に正弦波出力より各々の回転ドラムの角度を求め、そ
の角度差でトルクを演算するのにマイクロコンピュータ
を使用した例について第１１図。

第１２図により説明する。第９図で示した磁気センサ４
から２相出力Ｅ　ａｌ、　Ｅ　Ａｌ及び磁気センサ４′
からＥＡｔ、　ＥＢＢの２相出力が第１１図に各々入力
される。この出力はアンプＡ　Ｍ　ｉ〜Ａ　Ｍ　４によ
り増幅して、Ａｚｓｉｎθ１ｔ　Ｂｔｃｏｓθ＊　Ａｚ
ｓｉｎθ。

ｇ　ｚｃｏｓθとなる。これを各々アナログ−デジタル
（Ａ／Ｄ）変換器Ａ　Ｄ　１〜ＡＤ４を通して、マイク
ロコンピュータＭＣに入力する。マイクロコンピュータ
ＭＣでは第１２図に示すフローチャートに従って演算処
理を行って、端子１４にトルクに比例した出力を出す。

第１２図のフローチャートは始めに磁気センサ４．４′
の出力をアンプしてＡ／Ｄ変換した後のディジタル値Ａ
ｔ、Ｂｔ、Ａａｙ　Ｈｚを読み込む、次にＡ１と８１よ
り次式のような演算を行って回転ドラム２の角度θｌを
出す。

ここでＡ１とＢ１の正負を判別してモードを判定してＢ
１の値を決める。

同様にして、入力Ａｘ、Ｂｚにより回転ドラム２′の角
度θ２を次式で演算する。

次に角度θ１と０２の差より回転ドラム２と２′の角度
差すなわちねじれ角θ０を演算して、（１）式より変形
した次式によりトルクＴを演算する。

次にトルクＴを出力して始めの状態に戻る。ここで（２
）式の０１の演算は（５）式のようにＡ１又は０　ｘ＝
ｓｉｎ−”Ａｘ＝ｃｏｓ−ＩＢ　ｔ　　　　　　　　　
　−（５）Ｂ１だけを使用しても演算できる。しかし回
転ドラム２又は２′と磁気センサ４又は４′との小さな
間隙（スペーシング）の変化等により、磁気センサ４，
４′の出力が変化した場合は出力Ａ　１　。

Ｂ２が同時に変化するので（２）式のよろにＡ１とＢｉ
　を割算したほうが精度を高くできる。

第１３図は回転位置及び回転速度のフローチャートを示
す、まず、正弦波のディジタル入力Ａ　１　。

Ｂ１を取込み、速度測定用のタイマーの時間ｔを読込ん
で１時保管した後タイマーを両スタートさせる６次にト
ルク検出を行ったと同様に（２）式による演算により１
サイクル内の微角度θｌを得る。

次に、前回の微角度ｏｎ−１をメモリから読出し、今回
の角度θ１との差を演算して角度の変化分（θ。−１−
θｌ）を求め、これを先に１時保管した前回と今回の時
間差ｔで割って速度Ｖを演算して。

出力端子１３に出力する。また、位置の演算は今回の微
角度θｌと前回の微角度θ１−１の差に前回までの角度
累積θΣ−１を加えて現在角度θΣを演算して、出力端
子１２に出力する。次に今回の微位置θ１をθ□−１の
メモリに入れ、現在角度θΣを前回の度度θΣ−ｌメモ
リに入れて元に戻る。以上は微角度θ１と前回の微角度
０ｎ−１が１サイクル以内の例であるが１サイクル以上
変化する場合は角度累積を用いて演算する。

以上は磁気センサ４，４′から正弦波状を出力を得られ
た場合について述べたが実際に正弦波出力を得る法を第
１４図で説明する。磁気センサ４の磁気抵抗効果素子（
ＭＲ素子）ＲａｎとＲａｗ及びＲｂｉとＲｂｚは記録波
λに対してλ／２離して配置し、Ｒ＆１とＲｂ　１およ
びＲａｔとＲｂｚはそれぞれλ／６ＸＩＩＬ、て配置し
ている。このような配置で各ＭＲ素子を図示のように接
続するので回転ドラム２が回転すると各ＭＲ素子Ｒａｔ
とＲａＺによる出力ｅａは図示の実線ｅａのようになる
。この波形歪はＭＲ素子が磁界に対して抵抗変化が飽和
するために生ずる。このためこの歪波の主成分は第３次
調波であり、図示破線のように基本波ｅａｔと第３次調
波ｅＪ１８に分けることができる。またＭＲ素子Ｒｂｘ
とＲｂｘによる出力８にも同様に基本波８ｂｌと第３次
調波ｅｂ８のようになる。接続図に示すブリッジ出力（
ｔｍ＋ｅ−）すなわちＥ＾１を考えると第３次調波ｅａ
ａとｅｂｓは逆位相で打波され基本波のみが得られる。

本実施例では、回転ドラム２，２′お磁気センサ４，４
′をモータ６のシャフト１に外付けした構造で説明した
が、回転ドラム２，２′と磁気センサ４，４′をモータ
６の中に内蔵しても良い。

さらに、回転ドラム２，２′の形状をドラムタイプとし
たが、第１５図の様に円板の平面（片面又は両面）に磁
性体３，３′を装着して検出する構造としてもよい。磁
性体３，３′を円板の両面に装着した場合は磁気センサ
の数も必要個数配置させる必要がある。

又、本実施例ではトルク検出の他に位置検出及び速度検
出の情報を同一のセンサから得られるので、モータ制御
等の高信頼、高精度化が図れる。

【発明の効果〕

本発明によれば、トルク検出装置を、磁気信号を記録し
た磁性体を有する回転ドラムとＭＲ素子を配置した磁気
センサとにより構成することにより正弦波出力を得るこ
とができるので停止時においても高精度でトルク検出が
できる。さらに磁気センサの出力の大きさは回転数に依
存せず一定であり処理回路の構成も簡単にできる。また
、磁気を利用しているため塵埃、結露等の耐環境性に優
れているので信頼性の高いトルク検出装置を提供できる
。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例のトルク検出装置の軸承構成
図、第２図はトルク検出装置を構成する回転ドラムと磁
気センサの詳細図、第３図（Ａ）は磁性体の展開図、第
３図（Ｂ）はこの磁性体に対する磁気センサの平面図、
第４図は磁性体に記録された磁極とセンサの出力を示す
図、第５図はＭＲ素子の三端子接続図、第６図（Ａ）お
よび第６図（Ｂ）は三端子の中点から得られる出力波形
図、第７図（Ａ）および第７図（Ｂ）も同じく磁気セン
サから得られる出力波形に基づいて負荷トルク検出する
手法説明図、第８図は本発明によるトルク検出装置の特
性図、第９図は停止時におけるトルク検出の一実施例を
示すトルク検出装置の構成図、第１０図（Ａ）はセンサ
出力波形と搬送波との関係を示す図、第１０図（Ｂ）は
二つの磁気センサ出力信号からのモードの生別説明図、
第１１図は法の実施例の構成図である。第１２図は他の
実施例のトルク演算のフローチャートである。 第１３図は他の実施例の速度検出及び位置検出のフロー
チャートである。第１４図は本発明の正弦波出力を得る
手段の１実施例である。第１５図は他の実施例の軸承構
成図である。 ｌ・・・軸、２，２′・・・回転ドラム、３，３′・・
・磁性体、４，４′・・・磁気センサ、６・・・モータ
、７・・・負荷、８，８′・・・モード判別部、９，９
′・・・位置検出部、１０．１０’・・・切り換スイッ
チ、１１・・・トルク測定部、１２．１２’・・・位置
出力部、１３゜１３′・・・速度出力部、１４・・・ト
ルク出力部、５１゜５２．５３，５１’　、５２’　、
５３’・・・比較器。 Ｒ・・・ＭＳ素子、ＥＡＲ，ＥＡｔ・・・磁気センサ出
力、Ａ１．Ｂｌ・・・モード判別用２相出力、ＡＭＩＩ
　ＡＭ２・・・停止時のパルス出力。 ＼Ｑノ 第　１　阻 第１の ＄４０ Ｚ Ｉ ＡＺ 事’７Ｉ２Ｉｌ （Ａ’） 第１１図 第１７０ 第１３固 ＄１４０

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、駆動源と負荷とを結ぶ回転軸上に所定間隔で取付け
   られた複数の角度検出器と、この複数の角度検出器によ
   つて検出された角度の相対的な角度差により負荷トルク
   を検出する装置に於いて前記回転軸の駆動側と負荷側に
   所定の間隔をもつて取付けられ、表面に磁気信号を生成
   する複数の磁極を有する複数の回転ドラムあるいは回転
   ディスクと、これらそれぞれの回転ドラムあるいは回転
   ディスクの前記表面に対向して配置され、かつ前記磁極
   の磁界に感応して内部抵抗が変化する磁気抵抗効果素子
   を具備する磁気センサを備え、前記それぞれの回転ドラ
   ムあるいは回転ディスクの角度に対応した２組のほぼ正
   弦波状出力磁気センサより得てこれら２組の正弦波出力
   の角度差を演算して負荷トルクを検出することを特徴と
   するトルク検出装置。 出することを特徴とするトルク装置。 ２、特許請求の範囲第１項記載のものにおいて、前記各
   組の正弦波出力は、各々位相の異なる多相出力としたこ
   とを特徴とするトルク検出装置。 ３、特許請求の範囲第２項記載のものにおいて、前記多
   相出力を使用して角度を演算することを特徴とするトル
   ク検出装置。 ４、特許請求の範囲第１項記載のものにおいて、最大ト
   ルク印加時の複数の回転ドラムあるいは回転ディスク間
   の角度差は正弦波出力の１サイクル以内としたことを特
   徴とするトルク検出装置。 ５、特許請求の範囲第１項記載のものにおいて、正弦波
   出力の１サイクル間を複数モードに分けて、角度演算を
   行うことを特徴とするトルク検出装置。 ６、特許請求の範囲第１項記載のものにおいて、磁気セ
   ンサの出力信号をトルク検出の他に回転軸の位置又は速
   度を演算して出力するようにしたことを特徴とするトル
   ク検出装置。