JPS6320031B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

〔発明の技術分野〕 本発明は非接触でトルクを検出するトルクセン
サに関する。 〔発明の技術的背景とその問題点〕 トルクは回転駆動系の制御を行う場合の基本量
で、それを精密に検出するためには非接触構造で
あることが必要である。 最近、アモルフアス磁性合金の磁気ひずみ特性
を利用し、直接非接触でトルクを検出するトルク
センサが提案されている（電気学会マグネテイツ
クス研究会資料MAG−81−71）。 これは、大きな磁気ひずみ特性を有するアモル
フアス特性薄帯を回転軸に巻いて固定し、トルク
に伴う回転軸のひずみ応力を、磁気歪みに伴うア
モルフアス合金の磁気特性の変化を検出すること
によりトルクを非接触で検出するものである。 このトルクセンサを第１図に従つて更に詳しく
説明する。第１図中１はアモルフアス磁性合金の
薄帯から形成された環状磁芯であり、この環状磁
芯１にはその周方向２に対して角度θの傾き方向
に誘導磁気異方性Ku′3が付与されて回転軸４に
巻回して固定されている。説明を簡単にするため
に、θ＞45゜、飽和磁歪定数λs＞０と仮定する。
回転軸４にトルク５を印加すると、環状磁芯１に
は＋45゜の方向に張力ａが−45゜の方向には圧縮応
力−ａが加わり、磁気ひずみ効果により誘導磁気
異方性Ku″＝3λs・ａが＋45゜方向に誘導される。
その結果Ku′とKu″の合成として誘導磁気異方性
はKu６へ変化する。一般に、磁性体の透磁率は
励磁方向に対する誘導磁気異方性の方向によつて
変化するから、第１図に示す如く、回転軸に加え
られたトルクによつてアモルフアス磁性合金薄帯
の環状磁芯の誘導磁気異方性が変化するようにす
れば、この環状磁芯の周囲に近接して検出コイル
を配設し、検出回路で透磁率の変化を電圧の変化
として出力することによつて、トルクを検出する
ことができる。 なお、上記トルクセンサの説明では環状磁芯を
構成する磁性体としてアモルフアス磁性合金を用
いた場合について述べたが、これに限らず軟質磁
性を示すものであれば、例えばパーマロイ（Fe
−Ni合金）、センダスト（Fe−Al−Si合金）Fe
−Si合金など他の磁性体を用いることができる。 このように磁気歪特性を用いてトルクを検出す
るが、一般に磁気歪特性を利用する場合は、その
出力を大とするためになるべく大きい例えば30×
10^-6以上の飽和磁歪定数を有する磁性材料を用い
るのが普通である。 しかしながら従来のものでは、トルクに対する
出力の線形性が劣り、結局狭いトルク範囲での測
定しかできないという問題点があつた。 〔発明の目的〕 本発明は以上の点を考慮してなされたもので、
広範囲トルク検出における線形性に優れたトルク
センサを提供することを目的とする。 〔発明の概要〕 本発明は、回転軸に固定された磁歪を有する磁
性金属薄帯（飽和磁歪定数λs）の磁気特性の、
前記回転軸に加えられたトルクによる変化を非接
触検出することにより、トルクを測定するトルク
センサにおいて、 前記磁性金属薄帯のλsが １×10^-6｜λs｜＜20×10^-6 の関係を満たすことを特徴とするトルクセンサで
ある。このようなトルクセンサは、非常に線形性
にすぐれたものとなる。 トルクは、σA＝16G_A／πd³G_T・Ｔの変換により、表 面応力に変化し、この表面応力変化を磁性金属の
磁気変化に変換して測定するが、λsが１×10^-6未
満では、その変換効率が極めて悪く、線形性は良
好であるが、センサ出力が低いという問題があ
る。よつてλs１×10^-6とする。またλsが20×
10^-6以上となると、線形性が極めて劣化してしま
う。 よつて前述のような範囲とする。 本発明者は、トルクセンサの線形性について鋭
意研究を行なつたところ、この線形性の保証に
は、磁性金属薄帯の飽和磁歪定数（λs）と誘導
磁気異方性（Ku₀）が大きく関係していることを
見い出して、本発明に到つた。 本発明者の研究によれば、Ku₀／３・λs・σ_A
２（Ku₀：誘導磁気異方性、λs：飽和磁歪定数、
σ_A：磁性金属薄帯の表面応力）のとき、 ｜Ｔ｜πd³／16・G_T／G_A・σ_A （Ｔ：トルク、ｄ：トルク伝達軸（回転軸）の直
径、G_T：トルク伝達軸の剛性率、G_A：磁性金属
薄帯の剛性率）の範囲で優れた線形性を得ること
ができることが見い出された。 すなわち、 ｜Ｔ｜πd³／96 G_T／G_A（Ku₀／λs） の範囲で良好な線形性が得られるのである。 上述した式から明らかなように、広範囲のトル
クに対し線形性を保証するためには、Ku₀／λsの
値が重要な因子となる。とがわかる。 この式の物理的意味としては、異なる２種類の
異方性Ku₀と3λσ_Aの競合において、Ku₀3λsσ_A
近傍で容易磁化方向の不安定性を生じ、飽和現象
を引き起こすわけであるのでKu₀が、3λsσ_Aより
十分大きければ、この飽和現象は起きず容易磁化
方向はKu₀近傍でわずかに変化するにとどまる。
この線形現象の臨界値がKu₀／λs＝２と言うこと
である。 このように本発明者の研究によれば、Ku₂／λs
が大きい程、広範囲のトルクで線形性が保証され
ることが見い出されたのである。 従来、磁歪を利用した応力センサにおいては、
より大きな飽和磁歪値を実現することに注力され
ていた。これは、応力と磁気変化に変換する際の
効率を大きくするためである。 ここで線形性を考慮した場合、前述のごとく
Ku₀／λsが大きい程良いため、λsの増大に伴ない
Ku₀も増加する必要がある。しかしながらKu₀に
は限界があり（〜15×10³erｇ／cm³）、λsを大きく
すると線形性の点が劣ることになる。例えば自動
車用エンジンシヤフトの最大トルクは、100Kg・
ｍにも達し、この範囲までの線形性を保証するに
は、シヤフト径等を考慮して35×10³erｇ／cm³を
超えるKu₀を磁場中処理により付与することが必
要となる。しかしながらこの値は限界値を超える
ものであり、不可能である。 よつて前述のごとく１×10^-6｜λs｜＜20×
10^-6の範囲であれば、すぐれた線形性を得ること
ができる。 また、Ku₀についても、磁性金属薄帯に磁場中
処理により付与する場合、より理想的に一軸磁気
異方性を付与するもめにはある程度以上のKu₀を
必要とする。よつてKu₀＞１×10³erｇ／cm³であ
ることが望ましい。 本発明に用いる磁性金属薄帯としては、例えば
パーマロイ（Fe−Ni合金）、センダスト（Fe−
Al−Si合金）、Fe−Si合金等の磁性体が挙げられ
る。しかしながらより大きいKu₀の付与が可能で
あり、Ku₀／λsの可変域の大きい非晶質合金を用
いることが好ましい。 また非晶質合金として、 （Co_1-a-bFe_aM_b）_zSi_xBy Ｍ＝Ti、Zr、Hf、Ｖ、Nb、Ta、Cr、Mo、
Ｗ、Mn、Re、Ru、Ir、Pd、Pt、Ag、Au、Cu、
Zn、Al、Ga、In、Ge、Sn、Pb、Sb、Bi、Ｙ、
希土類金属のうちから選ばれた少なくとも一種の
元素 0.05ａ0.5 ０ｂ0.15 ０ｘ20 ４ｙ35 ｘ＋ｙ＋ｚ＝100 で表わされる非晶質合金を用いると極めて線形性
に優れたトルクセンサを得ることができる。 ここでFeは誘導磁気異方性の大きな値を得る
ため、及び飽和磁歪値の制御のための必須成分で
あるが、その値がａ＜0.05では誘導磁気異方性値
及び飽和磁歪値が小さく、ａ＞0.5では飽和磁歪
値が大きくなり、線形性が劣化する。 よつて 0.05ａ0.5の範囲とする。 Ｍはアモルフアス合金の結晶化温度を上昇さ
せ、熱安定性を向上させるとともに熱膨張係数の
大きさを調整することが出来、回転シヤフト材の
熱膨張係数の大きさに合わせることが出来、信頼
性の高いトルクセンサを得ることに有効な元素で
あるが、その大きさがｂ＝0.15を越えるとアモル
フアス化することが困難になる。よつてｂ＜0.15
とする。 Ｍは少量の添加により効果が現われ始めるが、
実用上は、0.01ｂ0.12の含有量にすることが
好ましい。 Siは結晶化温度を上昇させるのに効果のある元
素であるが、その含有率を上記範囲に限定したの
は、Ｘが20を越えるとアモルフアス合金の製造が
困難になるためである。また、Ｂはアモルフアス
合金の製造に不可欠の元素であるが、その含有率
を上記範囲に限定したのは、ｙが４未満および35
を越えるとアモルフアス合金の製造が困難になる
ためである。 実用上好ましいSiの下限値としては１＜Siであ
る。これはSiの含有により、アモルフアス合金の
製造性が高まるためである。 このように１×10^-6｜λs｜＜20×10^-6の範囲
で優れた線形性を示すが、さらに５×10^-6｜λs
｜18×10^-6であればより実用的に優れたものと
なる。 〔発明の効果〕 以上説明したように本発明によれば、良好な線
形性を有するトルクセンサを得ることができ、ト
ルクが広範囲で変化する系に用いると有効であ
る。 トルクセンサにおいては、磁性金属薄帯に誘導
磁気異方性を付与しておく必要があるが、その具
体的な方法としては回転軸の径に合わせて例えば
アモルフアス磁性合金薄帯の環状磁芯を作製し、
熱処理して内部応力を除去した後、これを前記回
転軸に巻回して軸にねじりを与えた状態で接着
し、軸のねじりをもどすという方法が知られてい
る。（電気学会マグネテイツクス研究会資料
MAG−81−71）。 又、本発明者らが先に出願したように、アモル
フアス磁性合金薄帯に予め誘導磁気異方性を付与
した後、前記薄帯を回転軸に巻いて固定するとい
う方法もある（特願昭57−171347号）。この具体
的な方法の１つとしては、アモルフアス磁性合金
薄帯の長手方向に対してある角度θを持つ方向に
外部から直流磁場を印加したまま加熱する方法で
ある。 しかしながら、前者の方法は予めシヤフトの径
に合わせた環状磁芯を作製する必要があること、
回転軸にねじりを与える必要があることなど工程
が繁雑になるという問題点があるため、後者の方
が実用的に好ましい。 〔発明の実施例〕 以下に本発明の実施例を説明する。 第１表に示す組成を有する非晶質合金薄帯（幅
約５mm、平均板厚30μｍ）を単ロール法で作製し
た。この非晶質合金薄帯に磁場中熱処理300℃、
1H炉冷（印加磁場方向、薄帯長手方向に対し45゜
方向、2000Oe）により、誘導磁気異方性を付与
した後、トルク伝達軸の周方向に固定した。 第２図中にトルクセンサの構成を示す。 第２図ａ中２１は直径55mmのトルク伝達軸であ
り、このトルク伝達軸２１には一対の環状磁芯２
２₁，２２₂が固定されている。これら環状磁芯２
２₁，２２₂として、前述のアモルフアス磁性合金
の薄帯を前記トルク伝達軸２１に一周巻いて固定
されている。また、これらの環状磁芯２２₁，２
２₂にはそれぞれその周方向に対して角度45゜と角
度−45゜の傾き方向に誘導磁気異方性が付与され
ている。環状磁芯２２₁，２２₂上には１mmのギヤ
ツプを隔てて酸化物磁性体からなる１対のＵ型の
磁心２３₁，２３₂によつて構成される検出ヘツド
が配設されている。これら磁心２３₁，２３₂には
第２図ｂに示す如く１次巻線（励磁巻線）２４お
よび２次巻線（検出巻線）２５が施されている。
この検出ヘツドにより環状磁芯２２₁，２２₂の周
方向に励磁することができる。このような励磁は
構成により幅方向に行うこともできるが、薄帯の
形状から反磁場係数の小さい周方向に励磁した方
が励磁電流が小さくてすむため、有効である。ま
た、２次巻線（検出巻線）２５は差動接続されて
いる。 上記トルクセンサを用いてトルク伝達軸２１の
トルクを検出した。その特性を第１表にあわせて
示す。 なお第１表において、飽和磁歪値（λs）は歪
ゲージ法により求めた値であり、誘導磁気異方性
（Ku）はアモルフアス合金の長さ方向及び幅方向
に磁場をかけて熱処理し、その磁化曲線の第１象
限における２つの磁化曲線の囲む面積から算出し
た値である。 線形性は、出力の最小二乗直線に対する2σ値
を、70Kg・ｍトルク値に対する最小二乗直線近似
値（直線度（％））で表わした。

【表】

【表】 第１表から明らかなごとく、λsが１×10^-6｜
λs｜＜20×10^-6の関係を満たす本発明の実施例の
方が線形性に優れていることがわかる。従つて自
動車用エンジンシヤフト等、トルクが広範囲で変
化する系に用いると非常に有効である。

【図面の簡単な説明】

第１図はトルクセンサを説明する原理図、第２
図はトルクセンサの構成図。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 回転軸に固定された磁歪を有する磁性金属薄
   帯（飽和磁歪定数λs）の磁気特性の、前記回転
   軸に加えられたトルクによる変化を非接触検出す
   ることにより、トルクを測定するトルクセンサに
   おいて、 前記磁性金属薄帯のλsが １×10^-6｜λs｜＜20×10^-6 の関係を満たすことを特徴とするトルクセンサ。 ２ 前記磁性金属薄帯として非晶質合金を用いた
   ことを特徴とする特許請求の範囲第１項記載のト
   ルクセンサ。 ３ 前記非晶質合金として、 （Co₁−ａ−bFe_aM_b）_zSi_xBy （ただしＭ＝Ti、Zr、Hf、Ｖ、Nb、Ta、Cr、
   Mo、Ｗ、Mn、Re、Ru、Ir、Pd、Pt、Ag、
   Au、Cu、Zn、Al、Ga、In、Ge、Sn、Pb、Sb、
   Bi、Ｙ、希土類金属のうちから選ばれた少なく
   とも一種 0.05ａ0.5 ０ｂ0.15 ０ｘ20 ４ｙ35 ｘ＋ｙ＋Ｚ＝100） の組成よりなる非晶質合金を用いたことを特徴と
   する特許請求の範囲第３項記載のトルクセンサ。 ４ 前記非晶質合金として 0.01ｂ0.12 １ｘ20 の組成よりなる非晶質合金を用いたことを特徴と
   する特許請求の範囲第３項記載のトルクセンサ。