JPH04116434A - トルク検出回路 - 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〕 この発明は、工作機械のスピンドル、電気モータあるい
は建設機械の回転軸等として利用される軸において、そ
の軸に加わるトルクを検出する為に用いられるトルク検
出回路に関する。

〔従来の技術〕

第１０図に示される如く、被測定軸３ｏに対し、それに
加わるトルクに対して相互に異なる相関の出力信号を生
ずるようにした二つの検出コイル３］。

３２を添設し、各検出コイル３Ｌ　３２の出力信号を夫
々整流した後引算回路３４において相互に引算すること
により、上記トルクの大きさに対応した信号を引算回路
の出力信号として得るようにしたトルク検出回路がある
。

〔発明が解決しようとする課題〕

この従来のトルク検出回路では、被測定軸に機械的なが
たがあったり、被α１定軸や検出コイルに温度変化があ
ると、それらによる誤差信号が上記引算回路の出力信号
に含まれてしまい、トルク値の検出精度が低下する問題
点があった。

本願発明は上記従来技術の問題点く技術的課題）を解決
する為になされたもので、トルク対応信号と誤差信号の
位相差を利用して誤差信号を人怖に軽減することができ
るようにして、トルクの大きさの測定精度を高め得るよ
うにしたトルク検出回路を提供することを目的としてい
る。

〔課題を解決する為の手段〕

」１記目的を達成する為に、本願発明におけるトルク検
出回路は、トルク測定用の交流信号を出力する信号源と
、被測定軸に加わるトルクの大きさを検出し得るよう被
測定軸に添設した検出コイルを備えておって、上記被測
定軸から該検出コイルを通して信号を受けると共に、上
記信号源から」。

記交流信号を受けて、Ｌ記検出コイルを通して受けた信
号に対応する信号を出方するトルク検出部と、上記信号
源から上記交流信号を受けて、その交流信号に対し予め
定めた角度だけ位相をずらした移相信号を出力する移相
手段とを備えたものである。

〔作用〕

被測定軸にトルクが加わるとトルク検出部はそのＩ・ル
クの大きさに対応する信号を出方する。この場合、被ａ
１定軸にがたがあったり、被測定軸の温度や検出コイル
の温度に変化があると、上記トルク検出部の出力信号に
はそれらによる誤差信号が含まねる。一方、上記の場合
移相手段は、トルク検出用の交流信号に対し誤差信号の
位相のずれに対応した角度だけ位相のずれた移相信号を
出力する。トルク検出部の出力信号を上記移相信号によ
り位相検波することにより、誤差信号を除去（７た高精
度のトルク対応信号が得られる。

〔実施例〕

以下本願の実施例を示す図面について説明する。

第１図において、Ｊは磁性体金属等からなる被測定軸を
示す。この軸は前記のような用途において夫々機械に備
え１号けられている軸、或いはそれらの用途に供する為
に金属材料メーカーから出荷されるもの、或いはそれら
の用途に供する為のものを製作するに当たってその特性
を検査する為のテストピースとしての軸等がある。２は
被測定軸１の一部においてその周面に形成された磁気異
方部を示す。この磁気異方部２には軸１の表面に条状部
３を螺旋状に備えてあり、この被測定軸にトルクが加え
られた場合に磁気的性質が他の部分よりも大きく変化す
る。上記条状部３は透磁率や磁歪などの磁気的性質がそ
れらの周囲の表面とは胃なっている。軸１の軸心に対す
る条状部３の傾きは好ましくは４５度である６Ｉ−記の
ような条状部３は、軸１が鋼材の場合には軸１の表面の
一部を局部的に加熱処理もしくは浸炭、窒化処理して軸
１の組織を局部的に変えることによって形成されたり、
軸１が鋼材またはプラスデックの場合には、軸１よりも
透磁率の高いリボン（高磁歪材）を軸１の表面に貼り付
けたりすることによって形成さねたり、軸１の表面に凹
部又は凸部を設けることにより形成される。次に４ａ、
　４ｂは上記領域２の周囲に配設した筒状の検出コイル
で、周知の如く被測定軸］の磁気的性質の変化を検出す
る為のものである。

次にトルク検出回路を示す第２図において、６は信号源
で、トルク測定用の交流信号を出力する、１、うにした
ものであり、例えば発振器が用いられる。

上記交流信号の周波数は例えば１０　Ｋ　ｔｌ　ｚ　〜
２００　Ｋ　ｔｌ　ｚ稈度の周波数範囲内の値が好まし
い。７はトルク検出部で、上記検出コイル４ａ、　４ｂ
を備えておって上記信号源６からの交流信号を受けるこ
とにより被測定軸の磁気的変化に対応する出力信号を生
ずるようにしたものである。８は移相手段として例示す
る移相器で、上記信号源から上記交流信号を受けて、そ
の交流信号に対し予め定められた角度だけ位相がずれた
移相信号を出力するようにしたものである。その角度は
上記交流信号に対する後述の誤差信号の位相のずれに対
応させて予め定められ、又その角度は例えば±１０°程
度の範囲で微調整が可能となっている。９は検波手段と
して例示する位相検波器で、トルク検出部７からの出力
信号と移相器８からの移相信号とを受けて前者を後者で
もって位相検波し、検波された信号を出力するようにし
たものである。次に上記トルク検出部７について説明す
る。１０はブリッジ回路で、前記検出コイル４ａ、　４
ｂをブリッジ用抵抗１０ａ、　１０ｂと共にブリッジに
接続して構成しである。１１は周知の差動増幅回路で、
差動増幅器１２、入力抵抗１３．１４、帰還抵抗１５、
接地抵抗１６等から構成されており、ブリッジ回路１０
からの信号を差動増幅するようになっている。１８は通
常の増幅回路で、増幅器１９、入力抵抗２０、帰還抵抗
２１、接地抵抗２２等から構成されている。

次に上記構成のトルク検出回路の動作を第３図の波形図
に基づいて説明する。信号源６がａに示されるような交
流信号を出力すると、その信号はトルク検出部７の検出
コイル４ａ、　４ｂに与えられ、それらによる磁束が被
測定軸１に及ぼされる。この状態において被測定軸１に
捻りトルクが加わると、各コイル４ａ、　４ｂが添設さ
れた各磁気異方部２２の磁気的性質が変化する。トルク
検出部７はその変化を検出コイル４ａ、　４ｂを通して
受ける。即ち上記磁気的性質の変化により各検出コイル
４ａ、　４ｂの各々の両端の電圧が変化する。この場合
、被測定軸１に軸線方向或いは半径方向の機械的ながた
があると、被測定軸１と各検出コイル４ａ、　４ｂとの
位置関係が変化する。そのような変化があると各検出コ
イル４ａ、　４ｂの各両端に現れる電圧はその位置関係
の変化による誤差をも含んだものとなる。

上記検出コイル４ａ、　４ｂの各両端に現れる電圧の変
化はブリッジ回路１０の出力信号として出力され、差動
増幅回路１１、増幅回路１８で順次増幅され、トルク検
出部７の出力端７ａからｂに示すような出力信号として
出力される。この信号す中には、上記トルクの大きさに
対応したトルク対応信号Ｃと、上記誤差に対応した誤差
信号ｄとが含まれる。これらトルク対応信号Ｃと誤差信
号ｄとの間にはδで示される位相差例えば９０°がある
。尚被測定軸１の温度が変化してその磁気的性質が変わ
ったり、或いは検出コイル４ａ、　４ｂの温度が変化し
て各々の特性に変動があった場合においても、トルク検
出部７の出力端７ａにおいては同様に誤差信号が含まれ
る状態となる。

一方上記の場合において移相器８はｅに示されるような
移相信号を出力する。この移相信号ｅは上記交流信号ａ
に対する誤差信号ｄの位相のずれα（例えば１３５°）
に対応した角度だけ、上記交流信号ａに対し位相をずら
した信号である。本例ではｄとｅとの対比から明らかな
ように、移相信号ｅのプラスの状態及びマイナスの状態
のいずれもが夫々誤差信号ｄのＯクロスの点の前後に均
等に跨がる状態となる角度だけ位相をずらした矩形波の
信号である。尚そのずれの角度は上記交流信号の周波数
、被測定軸１の材質、磁気異方部２の特性、検出コイル
４ａ、　４ｂのコイル巻数等によって種々異なる為、実
験的に定めるのが良い。即ちそれらの条件が決定した後
、後述の第６図の実施例と同様の方法によってトルク対
応信号Ｃと誤差信号ｄとの位相差を求めると共に、それ
らの信号と交流信号ａとの位相差を求め、それらの求め
られた値から、誤差信号を最も大きく抑圧できる状態と
なる角度を求めると良い。

上記のようなトルク検出部７の出力信号すと移相器８か
らの移相信号ｅとが検波器９に入力される。

検波器９においては、上記トルク検出部７の出力信号す
のうちのトルク対応信号Ｃは位相検波されてｆに示され
るような信号となり、更にこの信号が積分されることに
よってｇに示されるようなトルク対応信号となる。一方
上記誤差信号ｄは、位相検波されることによりｈに示さ
れるような波形の信号となり、更にこの信号が積分され
ることによりｉに示されるような信号部ぢ殆どＯの信号
となってしまう。その結果検波器９からはｇに示される
トルク対応信号のみが出力される。

次に第４図は、被測定軸１に機械的ながたがあった場合
においてそれによる誤差の程度を測定した結果を示すも
のである。横軸は交流信号の周波数、縦軸は機械的がた
による誤差を夫々示す。図においてＡは上記のような移
相信号を用いて位相検波を行うようにしたトルク検出回
路の誤差の程度を示ずものであり、Ｂは前記従来技術の
ような引算回路を用いたトルク検出回路における誤差の
程度を示すものである。この図から明らかなように上記
移相信号を用いるようにしたトルク検出回路においては
誤差を極めて少なくすることができている。又交流信号
の広い周波数範囲において機械的がたによる誤差を少な
くすることができている。誤差を１％以内に収める為に
は交流信号の周波数としては１０〜２００　Ｋ　ＩＩ　
ｚ程度が好ましい。

次に、上記移相信号を用いてトルク検出部７の出力信号
から誤差信号を除去する操作は、十記検波器に代えて例
えばコンビゴー夕を用いた信号処理手段により行なって
も良い。

上記実施例ではトルク検出部７が二つの検出コイルを備
えている例を示したが、トルク検出部は一つのみあるい
は三つ以−トの検出コイルを備えたものであってもよい
。またトルク検出部は、上記検出コイルの他に励磁用コ
イルを備えておって、その励磁用コイルに信号源からの
交流信号を流すことにより被測定軸を励磁し、検出コイ
ルは励磁された被測定軸の磁気的変化の検出のみを行な
うようにしたものであってもよい。

次に異なる実施例について説明する。前記第２図のトル
ク検出回路における移相手段としては上記移相器８に代
えて、上記交流信号を受けてその交流信号の位相が予め
設定した角度となった時に第５図にｅ゛で示すようなパ
ルス状のゲート信号を出力するようにした信号発生器を
用い、又検波器段としては上記検波器９に代えて、上記
ゲート信号ｅ”を受けた時のみトルク検出部７からの信
号（第５図のｂ゛参照を通過させそれを積分するように
したゲート回路を用いても良い。これらの信号発生器及
びゲート回路を用いたトルク検出回路にあっては、第５
図の波形図に示されるようにして誤差信号の除去が行わ
れる。即ち第５図においてｌ　　ｂｌ　　ｃｌ　　ｄｌ
は前記実施例と同様に交流信号、トルク検出部７の出力
信号、トルク対応信号、誤差信号を夫々示す。検波手段
であるゲート回路において上記のような動作が行われる
ことにより、ゲート回路を通過したトルク対応信号はｆ
゛に示されるような波形となり、これが積分されること
により　ｌに示されるようなトルク対応信号となる。

一方ゲート回路を通った誤差信号はｈ゛に示されるよう
な波形となり、これが積分されることによりｉ”に示さ
れる如く誤差信号は殆ど０の信号となってしまう。従っ
てゲート回路からはｇ’に示されるトルク対応信号のみ
が出力される。

次に本願の更に異なる実施例を示す第６図について説明
する。図において、２５は位相分割器で、信号源６ｅか
らの交流信号を受けて、夫々上記交流信号とは同期し、
かつ相互に位相の９０°異なる第１移相信号及び第２移
相信号を出力するようにしたものである。本例では第１
移相信号として−に記交流信号と同相の０゛信号を出力
し、第２移相信号としてその０゛信号とは９０°だけず
れた９０゛信号を出力するようにしである。２６．２７
は周知の位相検波器、２８は位相回転回路を夫々示す。

このような回路にあっては、検波器２６においては位相
分割器２５からのＯ°倍信号用いてトルク検出部７ｅか
らの出力信号の位相検波が行われ、検波器２７において
は９０”信号を用いて同様の検波が行われる。これらの
検波器２６２７からの出力信号を、例えば検波器２６の
出力信号を横軸に、検波器２７の出力信号をｙｉ軸にと
って描くと第７図（Ａ）　に示されるようになる。即ち
トルク対応信号と誤差信号とは第３図のｃ、ｄの対比か
ら明らかなように相互の位相がずれている為、トルク対
応信号は第７図（八）においてＣで示されるように、又
誤差信号はｄで示されるように現れる。これら検波器２
６２７の出力信号は位相回転回路２８において、第７図
（Ｂ）　に示されるように誤差信号ｄが縦軸と略重なる
ように、即ち誤差信号の横軸成分ができるだけ小さくな
るように位相回転され、この状態において横軸成分が出
力信号として取り出される。この為位相回転回路２８の
出力信号はＣ″で示されるような殆ど誤差信号を含まな
い高精度のトルク対応信号となる。

なお、機能上前図のものと同−又は均等構成と考えられ
る部分には、前回と同一の符号にアルファベントのｅを
付して重複する説明を省略した。

次に第８図は第６図の回路において信号源６ｅからの交
流信号の周波数が異なる場合におけるトルク対応信号Ｃ
と誤差信号ｄとの関係を示すものである。このような関
係の場合においても前記の場合と同様に誤差信号ｄが縦
軸と略重なるように位相回転を行うことにより、誤差信
号が大幅に除去されたトルク対応信号を得ることができ
る。しかし前記第７図（Ｂ）に関しての説明から明らか
なように、トルク対応信号と誤差信号との交差の角度（
位相差）が９０°に近い程位相回転回路２８の出力信号
として得られるトルク対応信号（Ｃ″で示される信号）
のレベルは高い。従ってそのような状態となるように交
流信号の周波数を選定すると良い。

次に第９図は第６図の回路において温度変化による誤差
信号の除去の様子を示すものである。第９図（Ａ）にお
いてＣはトルク対応信号を、ｄ’は温度変化による誤差
信号を、夫々第７図（Ａ）の場合と同様に描いたもので
ある。このような場合においても、第９図（Ｂ）　に示
されるように誤差信号ｄ”の横軸方向の成分が最も小さ
くなるように前記検波器２６．２７の出力を位相回転回
路２８において位相回転することにより、誤差を大幅に
除去した高精度のトルク対応信号を得ることができる。

〔発明の効果〕

以上のように本願発明にあっては、被測定軸１にトルク
が加わった場合、そのトルクの大きさを検出コイル４ａ
が検出し、トルク検出部７からそのトルクの大きさに対
応する信号が出力されるから、その出力信号によって上
記被測定軸１に加わったトルクの大きさを知ることがで
きるは勿論のこと、上記の場合、被測定軸１に機械的な
がたつきがあったり、被測定軸１や検出コイル４ａの温
度変化があったりしてそれらによる誤差が検出コイル４
ａを通して入力され、それらの誤差に対応した誤差信号
ｄが７上記トルク検出部７の出力信号すに含まれていて
も、トルク測定用の交流信号ａに対する誤差信号ｄの位
相のずれαに対応した角度だけ、その交流信号ａに対し
位相をずらした移相信号ｅを出力する移相手段８を備え
ているから、上記移相信号ｅを用いることにより、上記
出力信号す中のトルク対応信号Ｃと誤差信号ｄとの位相
差δを利用して誤差信号ｄを大幅に軽減でき、トルクの
大きさの測定精度を高め得る効果がある。

【図面の簡単な説明】

図面は本願の実施例告示すもので、第１図は被測定軸と
検出コイルとの関係を略示する図、第２図はトルク検出
回路の回路図、第３図は動作説明用波形図、第４図は被
測定軸の機械的がたによる誤差の周波数特性及び位相検
波特性を示すグラフ、第５図は異なる実施例の動作説明
用波形図、第６図はトルク検出回路の異なる実施例を示
す回路図、第７図（＾）、（Ｂ）　は第６図のトルク検
出回路の動作説明図、第８図は第７図（八）とはトルク
測定用の交流信号の周波数が異なる場合におけるトルク
対応信号と誤差信号との関係を示す図、第９図（Ａ）（
Ｂ）　は誤差信号が温度変化による誤差信号である場合
における動作説明図である。第１０図は従来のトルク検
出回路の回路図である。 １・・・被測定軸、４ａ、　４ｂ・・・検出コイル、６
・・・信号源、７・・・トルク検出部、８・・移相手段
、９・・・検波手段。 彫寞ｇ黍表ツー蕩初　× （△） 第 図 第 図 （Ｂ） 第 図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、トルク測定用の交流信号を出力する信号源と、被測
   定軸に加わるトルクの大きさを検出し得るよう被測定軸
   に添設した検出コイルを備えておって、上記被測定軸か
   ら該検出コイルを通して信号を受けると共に、上記信号
   源から上記交流信号を受けて、上記検出コイルを通して
   受けた信号に対応する信号を出力するトルク検出部と、
   上記信号源から上記交流信号を受けて、その交流信号に
   対し予め定めた角度だけ位相をずらした移相信号を出力
   する移相手段とを備えるトルク検出回路。 ２、トルク検出部からの出力信号と移相手段からの移相
   信号とを受けて、前者を後者でもって位相検波し検波さ
   れた信号を出力する検波手段を備える請求項１記載のト
   ルク検出回路。 ３、トルク測定用の交流信号を出力する信号源と、被測
   定軸に加わるトルクの大きさを検出し得るよう被測定軸
   に添設した検出コイルを備えておって、上記被測定軸か
   ら該検出コイルを通して信号を受けると共に、上記信号
   源から上記交流信号を受けて、上記検出コイルを通して
   受けた信号に対応する信号を出力するトルク検出部と、
   上記信号源から上記交流信号を受けて、夫々上記交流信
   号とは同期し、かつ相互に位相の９０゜異なる第１及び
   第２移相信号を出力する位相分割器と、上記トルク検出
   部からの出力信号及び上記位相分割器からの第１移相信
   号とを受けて、前者を後者でもって位相検波し検波され
   た信号を出力する第１検波器と、上記トルク検出部から
   の出力信号及び上記位相分割器からの第２移相信号とを
   受けて、前者を後者でもって位相検波し検波された信号
   を出力する第２検波器とを備えるトルク検出回路。