JPH055661A - 多機能付きトルクセンサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 応用磁気効果を用いたトルクセンサにおいて
基本構成を変更することなくトルク伝達軸の回転数を非
接触で検出し、トルク、回転数および仕事率をも監視で
きる多機能付きトルクセンサを提供することを目的とし
ている。 【構成】 トルク伝達軸１の表面に磁歪を有する磁性材
料薄帯２を固着し、トルク伝達軸１から磁性材料２に伝
達された応力による磁気特性の変化を軸の同心円状に巻
回したコイル５のインピーダンス変化によってトルクを
検出するトルクセンサにおいて、前記磁性材料薄帯２に
孔３あるいは空隙３ａを形成し、基本外周を長方形ある
いは平行四辺形とするとともにトルク伝達軸１の周方向
に固着する場合に対辺を空隙３ａを設けて向かい合わせ
て、あるいは密着して固着するとともに、コイル８を巻
回した磁心７を磁性材料薄帯２の外側に空間を介して非
接触に配置し、回転時の空隙検出により軸回転数を検出
することによってトルクと同時にトルク伝達軸の回転数
を検出する構成とし、回転数検出機能を付加し仕事率も
求めることができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、磁性材料でてきた部材
に応力を外部から印加すると透磁率が変化するいわゆる
応力磁気効果を用いたトルクセンサに関する。

【０００２】

【従来の技術】最近、応力磁気効果を用いた力学量のセ
ンサの開発が注目されている。たとえばこの原理を用い
たトルクセンサが米国特許第４，８２３，６１７号明細
書、特開昭６１−３１２２５０号公報などに記載されて
いる。

【０００３】以下この種の従来のトルクセンサの構成に
ついて図１２を参照しながら説明する。

【０００４】図に示すように、トルク伝達軸２１にアモ
ルファス磁性合金２２ａ，２２ｂをポリイミド系の樹脂
等の接着剤で接着し、両者の線熱膨張率差を利用し使用
温度領域よりより高温で硬化することにより、アモルフ
ァス磁性合金２２ａ，２２ｂに面内内部圧縮応力を印加
してある。またトルク伝達軸２１を中心としてコイル２
３ａ，２３ｂを巻回し、差動出力回路２４に接続してあ
る。

【０００５】いま、トルクがトルク伝達軸２１に印加さ
れると、アモルファス磁性合金２２ａおよび２２ｂに歪
が発生する。これによって応力磁気効果により透磁率が
変化し、結果としてコイル２３ａ，２３ｂのインダクタ
ンスが変化する。たとえば、右捩りのトルクに対して
は、コイル２３ａのインダクタンスは大きくなり、コイ
ル２３ｂのインダクタンスは小さくなる。この変化を差
動検出回路によって検出し、トルクの大きさと方向を同
時に検出できる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】このような従来のセン
サにおいては、トルク伝達軸２１に伝達されるトルク量
やトルクの方向が検出できるが、仕事率（馬力）を求め
る場合には、必要な軸の回転数は他に設けた回転数セン
サによらねばならなかった。このため、トルクセンサ自
体では仕事率を検出できないという課題を有していた。

【０００７】本発明は上記課題を解決するもので、従来
のトルクセンサの基本構成を変更することなくトルク伝
達軸の回転数を非接触で検出し、トルク，回転数および
仕事率をも監視できる多機能付きトルクセンサを提供す
ることを目的としている。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明は上記目的を達成
するために、トルク伝達軸表面に磁歪を有する磁性材料
薄帯を固着し、前記トルク伝達軸から前記磁性材料薄帯
に伝達された応力による磁気特性の変化を、軸の同心円
状に巻回したコイルのインピーダンス変化によってトル
クを検出するトルクセンサにおいて、前記磁性材料薄帯
に孔あるいは空隙を形成し、基本外周を長方形或は平行
四辺形とするとともに、前記トルク伝達軸の周方向に固
着する場合に対辺に空隙を設けて向かい合わせて、ある
いは密着して固着するとともに、コイルを巻回した磁心
を磁性材料薄帯の外側に空間を介して非接触に配置し、
回転時の空隙検出により軸回転数を検出することによっ
て、トルクと同時にトルク伝達軸の回転数を検出するよ
うにしたものである。また、この２つの値を乗算処理す
ることによって同時に仕事率をも求めることができるよ
うにしたものである。

【０００９】

【作用】本発明は上記した構成においてトルク伝達軸に
生じたトルクを、磁歪を有する磁性材料薄帯の応力−磁
気効果によって検出するとともに、トルク伝達軸の回転
時、トルク伝達軸が固着した磁性材料薄帯であるか、ま
たは空隙であるかの差を回転するトルク伝達軸との間に
形成された磁気回路における磁気抵抗の変化によって検
出することができるので、トルクと同時に回転数をも検
出することができるものである。また、この２つの値を
乗算処理することによって同時に仕事率をも求めること
ができる。

【００１０】

【実施例】

（実施例１）本発明の第１の実施例について図１〜図７
を参照しながら説明する。

【００１１】図１に示すように直径３０mmのチタニウム
製トルク伝達軸１に小さな長方形孔３ａを等間隔に設け
た長方形状線熱膨張率７．９×１０^-6（１／℃）で正の
飽和磁歪定数を持つ、５０μｍ厚の４５％Ｎｉ−Ｆｅの
磁性合金薄帯２を付加重合型ポリイミド系接着剤で接着
している。接着はトルクセンサの使用温度１５０℃より
１００℃高い温度２５０℃に急速昇温しこの温度で２時
間保持して行った。こうすることによってトルクセンサ
の使用温度領域−５０℃〜＋１５０℃で４５％Ｎｉ−Ｆ
ｅの磁性合金薄帯２内に面内圧縮応力が作用するように
設計したものである。接着前、９００℃，２時間，１０
^-6Torrの真空雰囲気中で熱処理し、図２のような円筒形
状とし、トルク伝達軸１に接着時空隙３ができるように
配したものである。長方形状の磁性合金薄帯２に設けた
小さな長方形孔３ａの周方向長は前記空隙３の周方向長
と同じくしている。ボビン４にはトルク検出用コイル５
が巻回され、高透磁率のＮｉ−Ｆｅ系磁性材料のヨーク
６に取付けられている。高透磁率な馬蹄型フェライト磁
心７は前記空隙３および小さな長方形孔３ａの周方向長
と同程度な極間長を持ち、長方形状４５％Ｎｉ−Ｆｅの
磁性合金薄帯２の外側に空間を介して非接触に配置して
いる。さらに、この磁心７に回転数検出用コイル８が巻
回されている。それぞれトルク検出用コイル５および回
転数検出用コイル８は１０kHzで駆動され、トルクおよ
び回転数の検出回路を含む電気回路９に導線１０ａ，１
０ｂで結線されている。

【００１２】図３はトルクセンサにおける回転数検出原
理を示したもので、トルク伝達軸１が回転している典型
的な状態を図３(a)および(b)に示す。図３(a)の場合、
磁心７と長方形状４５％Ｎｉ−Ｆｅの磁性合金薄帯２と
は空間を介して磁気回路を構成する。また、図３(b)の
場合磁気回路には長方形状４５％Ｎｉ−Ｆｅの磁性合金
薄帯２が含まれなく、磁気回路の空間部分は大きくな
る。このため、図３(a)のインピーダンス値Ｚaに比べ、
図３(b)のインピーダンス値Ｚbはより小さくなる。図３
(b)の状態はトルク伝達軸１の１回転毎に小さな長方形
孔３ａの数＋１回生ずるからこのインピーダンス変化を
計測することにより、回転数が計測できる。この回転数
計測では、回転数検出コイル８のインピーダンス値は、
トルク伝達軸１に印加されるトルク値の大きさや回転に
よるトルク伝達軸１と磁心７間の空隙間隔の変動で変化
する。このため図３(b)のインピーダンス値Ｚbがこれら
の変化幅を越えて小な値になるように設計する必要があ
るが、磁心７の極間長さが前記空隙３の周方向長と同程
度以下である場合この条件を満足する。

【００１３】図４はトルクセンサにおけるトルクとイン
ピーダンス値の関係を示すもので、この関係はトルク伝
達軸１が静止および回転時でも±１％F.S.(フルスケー
ル)の精度でえられる。この高精度は前述のように使用
温度領域で常に４５％Ｎｉ−Ｆｅの磁性合金薄帯２に面
内圧縮応力を印加しているため生じたものであり、この
手段なしでは精度が悪くなる。このトルク検出用コイル
５を図５に示すブリッジ回路に組み込み、トルク値をＤ
Ｃ（直流）電圧として出力する。また、図６は回転数検
出コイル８を固定抵抗Ｒと直列に電源に接続した場合の
回転数検出コイル８の両端電圧の変化を示す。回転によ
りスパイク状の電圧降下が生じている。トルク変動と回
転による回転数検出コイル８の両端電圧変動以下の電圧
値Ｖ_Lを閾値とし、この値以下となる単位時間の回数を
検出するためコンパレータとカウンタを通す。これによ
って回転数が検出できる。また、カウンタからの出力を
ＤＣ電圧に変換し、これにサンプリング時間での平均ト
ルク値を変換したＤＣ電圧を乗算回路により、乗算処理
して仕事率を出力できる。この回路のブロック図を図７
に示す。

【００１４】以上のように高精度のトルク検出と同時に
トルク伝達軸１の回転数を検出でき、これによって仕事
率が同時に求まるセンサが構成できる。これらの３つの
出力は個々に取り出せるようにしている。

【００１５】本実施例では特に空隙３は必要ではなく、
単に小さな長方形孔３ａだけでも同様の回転数検出が可
能となるが、長方形状４５％Ｎｉ−Ｆｅの磁性合金薄帯
２を使用する場合は、空隙３を小さくしてもその部分の
磁気抵抗が存在するからこの空隙を回転数検出に利用す
る方が好ましい。

【００１６】（実施例２）本発明の第２の実施例につい
て図８〜図１２を参照しながら説明する。

【００１７】図８に示すように、トルク伝達軸１１は直
径１０mmの鋼鉄（JIS S35C）でできている。線熱膨張率
１１．０×１０^-6（１／℃）、飽和磁歪定数１６×１０
^-6を有するＦｅ−Ｎｉ−Ｓｉ−Ｂ系の長方形状アモルフ
ァス磁性合金薄帯１２ａ，１２ｂは斜め±４５゜にそれ
ぞれ対称にスリットを設けてある。これは図９に示した
ように、長方形状アモルファス磁性合金薄帯１２ｂの辺
にコの字形の空隙１３ｃを形成しかつ円筒形状とし、付
加重合型ポリイミド系接着剤でトルク伝達軸１１に接着
し、常に使用温度範囲内で面内圧縮応力が作用するよう
にして構成したものである。接着時、実施例１と同様に
接着、空隙１３a，１３bができるようにする。コイル巻
回用ボビン１４a，１４ｂにはコイル１５ａ，１５ｂを
巻回している。また１６は高透磁率なフェライトのヨー
クである。トルクの検出原理は実施例１と同様である
が、本実施例は斜め±４５゜に形状異方性をもたせてあ
るため、図１０に示すように差動回路により、トルクの
大きさと同時にトルクの方向も検出できる。図１１にそ
の出力特性を示した。

【００１８】高透磁率の馬蹄型フェライト磁心１７ａ，
１７ｂは、空隙の周方向長の約半分の小さい極間長を持
ち、長方形状アモルファス磁性合金薄帯１２ａ，１２ｂ
の外側にそれぞれ空間を介して非接触に配置している。
さらに、この磁心１７ａ，１７ｂにそれぞれ回転数検出
用コイル１８ａ，１８ｂが巻回されている。１９はトル
ク、回転数および仕事率の検出回路を含む電気回路であ
る。それぞれのコイルは３０kHzで駆動されている。２
０a，２０bはトルク検出用コイルと電気回路１９とを、
また、２０c，２０ｄは回転数検出用コイルと電気回路
とをそれぞれ結ぶ導線である。回転数検出原理は実施例
１の場合と同様であるが、本実施例ではトルク変動等に
よるコイルのインピーダンス変化を低減するため、回転
数検出用コイル１８ａ，１８ｂを図５と同様なブリッジ
回路による差動をとり、空隙１３ｃの検出をより正確に
している。

【００１９】このように本実施例のセンサではトルクの
大きさ、方向及び回転数を計測できる。これによって実
施例１と同様にしてトルクの大きさと回転数の積より仕
事率をも求めることができる。これらの３つの出力は個
々に取り出せるようにしている。

【００２０】本発明ではトルク伝達軸の線熱膨張率が磁
歪を有する磁性材料薄帯の熱膨張率より大きく、かつセ
ンサ使用温度より高い温度で接着することにより、使用
温度領域で常に磁歪を有する磁性材料薄帯に面内圧縮応
力を印加した例について述べた。これによりヒステリシ
スの極めて小さな、センサの温度特性変化の少ないセン
サが実現できる。この技術を用いない場合、逆にヒステ
リシスが出現し、センサの温度特性変化の大きいセンサ
となり、トルクセンサには適さなくなる。

【００２１】また本発明では磁性材料薄帯として４５％
Ｎｉ−Ｆｅ磁性材料薄帯とアモルファス合金薄帯につい
て述べた。この薄帯は磁歪を有する高透磁率の磁性材料
であればよいが、特にアモルファス磁性合金では、材料
組成の変化を自由に行なうことができ、トルク伝達軸と
の熱膨張係数等の材料常数の調整が容易であり、かつ優
れた磁気特性を有しているため、トルク検出材料として
最適である。

【００２２】

【発明の効果】以上の実施例の説明から明らかなように
本発明によれば、簡単な構造で精度良くトルクの大き
さ，方向，回転数を同時に計測することができるので、
これによって仕事率も求めることができる安価で、多機
能なセンサを提供することができる。そして、これらの
センサは今後、自動車、ロボットなどの制御に大きく貢
献することが期待できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】（ａ）は本発明の第１の実施例におけるトルク
センサの部分断面正面図 （ｂ）は同、Ａ−Ａ断面図

【図２】第１の実施例の接着前、熱処理後の円筒状、長
方形状４５％Ｎｉ−Ｆｅ磁性合金薄帯の斜視図

【図３】（ａ）は第１の実施例のトルクセンサにおける
回転数検出原理を示す図 （ｂ）は第１の実施例のトルクセンサにおける回転数検
出原理を示す図

【図４】同、トルク出力特性図

【図５】同、トルク検出用ブリッジ回路図

【図６】同、回転数検出コイル両端電圧の変化を示す図

【図７】同、仕事率を出力のためのブロック回路図

【図８】（ａ）は本発明の第２の実施例におけるトルク
センサの部分断面正面図 （ｂ）は同、Ｂ−Ｂ断面図

【図９】第２の実施例の接着前、熱処理後の円筒状、長
方形状アモルファス磁性合金薄帯の斜視図

【図１０】第２の実施例のトルク検出用ブリッジ回路図

【図１１】同、トルク出力特性図

【図１２】従来例のトルクセンサの部分正面図

【符号の説明】

１ トルク伝達軸 ２ 磁性合金薄帯 ３ 空隙 ３ａ 孔 ５ トルク検出用コイル ７ 馬蹄型フェライト磁心 ８ 回転数検出用コイル ９ 電気回路

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 【請求項１】表面に磁性材料薄帯を固着したトルク伝達
   軸と、前記トルク伝達軸の同心円状に設けたコイルと、
   前記コイルのインピーダンス変化を検出する検出回路を
   備え、前記磁性材料薄帯に孔あるいは空隙を形成し、基
   本外周を長方形あるいは平行四辺形とするとともに、前
   記トルク伝達軸の周方向に固着する場合に対辺に空隙を
   設けて向かい合わせて、あるいは密着して固着するとと
   もに、コイルを巻回した磁心を磁性材料薄帯の外側に空
   間を介して非接触に配置し、回転時の空隙検出により軸
   回転数を検出することによってトルクと同時にトルク伝
   達軸の回転数を検出するようにしてなる多機能付きトル
   クセンサ。 【請求項２】トルク伝達軸は線熱膨張率が磁歪を有する
   磁性材料薄帯より大きな熱膨張率を有し、センサ使用温
   度より高い温度で接着され、使用温度領域で常に磁歪を
   有する磁性材料薄帯に面内圧縮応力を印加するようにし
   てなる請求項１記載の多機能付きトルクセンサ。 【請求項３】トルク伝達軸表面に固着する磁性材料が磁
   歪を有するアモルファス磁性合金よりなる請求項１記載
   の多機能付きトルクセンサ。 【請求項４】トルク検出と同時に回転数を検出し、これ
   を乗算処理して仕事率を出力する乗算回路を有する請求
   項１〜３記載の多機能付きトルクセンサ。