JP2584845B2 - 磁気弾性トルク変換器 - Google Patents

磁気弾性トルク変換器

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JP2584845B2 JP63240643A JP24064388A JP2584845B2 JP 2584845 B2 JP2584845 B2 JP 2584845B2 JP 63240643 A JP63240643 A JP 63240643A JP 24064388 A JP24064388 A JP 24064388A JP 2584845 B2 JP2584845 B2 JP 2584845B2
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Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は回転中又は静止中車軸のねじれモーメントを
非接触で測定可能な変換器に関する。この変換器は磁気
弾性を用い対称回転体構造に設計されている。この変換
器は、車軸上の測定域に温度勾配がある場合、すなわち
車軸上に熱流が存在する場合に使用するのに特に有用で
ある。
［従来の技術］ 対称回転式磁気弾性トルク変換器や、本発明と同様な
設計のものは多くの特許明細書及び論文で知られてお
り、そのうちのいくつかは以下に解説を行なう。
これら良く知られている方法に共通の測定原理及び特
徴は、荷重又はねじれによつて車軸に対し±45度の関係
で現われる圧縮又は引張り応力とほぼ同じ向きの磁化方
向を有する異方性磁気弾性体内に測定域を作ることにあ
る。このようにすることにより、測定域内での磁気抵抗
は、その磁化方向が引張り応力と一致する所では減少
し、圧縮応力と一致する領域では増加する、従つて、こ
れは領域内を通る磁力線の増加又は減少に対応する。こ
の方法は磁気ひずみが正の場合に適用できる。
２つの領域内での磁気抵抗の差、すなわち、ひとつの
領域では異方性磁化方向が引張り方向と一致し、もうひ
とつの領域では圧縮方向と一致している、２つの領域間
での、磁気抵抗の差を測定することにより軸方向の力又
は磁気ひずみの影響を受けずにトルクの測定が行なえ
る。
領域間の磁気抵抗差の測定は通常車軸と同心で車軸に
沿つて２つの領域に対し等しい強度を有する１次コイル
を通して、時間の関数の電場を発生させて行なう。領域
間の磁場の差は、各々の領域上に位置する２つの２次コ
イルを用いて行なう。これを行なう簡単な方法は２次コ
イルを逆接続することでありすなわち各コイル内に含ま
れる歪が互いに打消し合うように接続する方法である。
この方法で得られる２次信号の位相整流を行なうことに
よりトルクの方向も識別可能である。
以下に述べるトルク変換器間の差異は、磁気ひずみ材
料に何を選ぶかを別にすれば、必要な異方性を作り出す
手順の差異にあると言える。
ソビエト連邦特許SU667836号によれば異方性は車軸の
表面にスリットを刻むことで作り出されている。
ソビエト連邦特許SU838448号に記載の変換器では感度
を上げるために回転式エンボツシングによつてこの模様
を表面に作り出している。
合衆国特許US4506554号に記載の変換器では異方性は
主応力方向にスリットを切られたスリーブを用いて作ら
れている。
非常に良く似た設計のものがIEEE Trans Magn第Mag−
22巻No.5 p.403（1986年９月号）にJ.山崎、K.毛利その
他による「爆発圧接式磁気ひずみ合金層ワーヤーを用い
たトルク検出器」に記述されている。ここでは100ミリ
メートルの厚さの“スリーブ”が生成されており、これ
はステンレス鋼製の車軸上に“スリツト”を備えて作ら
れているが、溶けた磁気弾性合金をマスクをかけた車軸
に吹き付けて作つている。ここで使われる方法は次の手
順からなつている、すなわち、適切な材質の導体内に強
力な電流を流すことにより芯が蒸発し、導体が爆発する
というものである。
K.原田、I.佐々田その他によるIEEE Trans Magn Vol.
Mag18、No.6 p.1767「応力に感応するアモルフアスリボ
ンを用いた新形トルク変換器」には、アモルフアス磁気
ひずみ材料で作られた応力除去焼きなましをされた箔膜
を、あらかじめ一定のトルクで応力をかけられている車
軸上に接着する方法が記載されている。接着剤が乾いた
後で先の応力を取り除くと、箔膜に応力がかかるため異
方性が作り出される。
“山形模様の応力感応アモルフアスリボンを備えたト
ルク変換器“IEEE Trans Magn Vol.Mag20、No.5 p.95
1、I.佐々田、A.広池、及びK.原田著には磁性体又は非
磁性体変換器車軸の主応力方向にアモルフアス磁気弾性
材料片を接着して異方性を作り出す方法が記述されてい
る。
独国特許DE3704049 A1には磁気ひずみ材料の車軸上に
導体パターンを設置して異方性を作る方法が述べられて
いる。この導体パターンは先に述べたスリツトと同一形
状をしている。
この種のトルク変換器は多くの利用分野で良好な測定
性能を示している。しかしながら、いくつかの特殊な応
用分野では精度上の問題を生じている。仮りに熱流が車
軸を通つている場合、すなわち車軸に温度勾配が存在す
る時には測定結果に影響を与える。良く知られているよ
うに好適な磁性材料の特性は非常に温度に依存する。従
つてもしも車軸の測定領域内に温度差が存在すると、そ
の測定領域内の透磁率が変化するために測定信号はトル
クを正しく示すものとはならない。このような問題の生
じる適用例は多くの分野で見られる。例えば内燃機関と
その減速器室又は連結器との間では数百度の温度差が生
じる。従つてこれらの部品を接続する車軸を通つて熱流
が生じ、車軸内のトルクを測定する際に測定精度が影響
される。電動機は通常高熱の機械室内に設置されてお
り、高負荷となると電動機の許容最高温度に達する。一
方これにより駆動される機械は室外にあつて電動機とは
壁を通る軸で接続されているため、同様に温度勾配を生
じこれは測定精度に問題を生じる。
我々の知る限りでは、この種の磁気弾性トルク変換器
に使用される材質、すなわち、焼鈍及び冷延珪素鋼の透
磁率の温度依存性に対する資料は見あたらない。しかし
ながら、ニユージヤージー、プリンストン、のデイー・
フアン・ノストラツド社のボゾルス著で1951年に発行さ
れた“強磁性”という本からある程度の強度は推測する
ことができる。ここでは、800℃で焼きなましを行なわ
れた純鉄の測定結果が記載されている。
この本の付録1,第３図−第８図より初期透磁率μ
oと、温度と共に増加する最大透磁率μmとがわかる。こ
の図よりμmは200℃ごとに２倍の係数で増加することが
わかる。
すなわち μ＝μT＝O℃・（１＋T/200） 又は言葉を変えると、μは0.5％／℃で増加する。
一方現在議論中のトルク変換器で使用される、応力除
去焼きなましをされた材質片の張り応力による磁気ひず
み透磁率変化は少くとも１％/MPaである。
従つて20MPaの負荷を負つている変換器では40℃の温
度変化と等価な透磁率変化を生じる。これは測定領域内
での温度差１℃あたり最大1/40＝2.5％の零点変動を与
えることを示している。
以上の推定は粗く、又例えば圧縮応力に対する磁気ひ
ずみ透磁率変化も引張り応力に対するものと同じである
と仮定している。しかしながら推定値は温度勾配により
生じる最大零点変動を表わしていると考えられる。又こ
のことは、車軸内測定領域における温度勾配が同様な値
を示す例や、さらに高い測定精度を必要とする場合は、
車軸を通る熱流の影響を除去又はかなり減少させた測定
を行なわなければならないことを示している。
本発明は磁気弾性トルク変換器内での温度勾配の影響
を非常に信頼性の高い方法で除去した装置を示してい
る。
［発明の要約］ まず第1A図から第1D図を用いて、温度勾配が零点信
号、すなわち車軸がトルクを伝達していない時の変換器
出力に影響を与える様子を示す。もちろん、車軸に負荷
がかかつている場合は、温度勾配により生じる零点信号
の変化は正しいトルク信号に加算されるだけである。
第1B図に示す無負荷状態の車軸が第1A図に示す温度勾
配にさらされると、各測定コイルに生じる透磁率の差の
ために、各測定コイルは第1C図に示すようなΔzero信号
を発しその結果第1D図に示す‐zero信号が出力され
る。第1B図より明らかなように、変換器の励振コイルは
除いてある。
本発明によるトルク変換器を第2B図に示す。ここでは
車軸は３つの平行環状領域を備え、その各々は外側領域
3,5では磁場が車軸に対し角度でα傾斜するような異方
性を又、中央領域４では車軸に対しα傾斜するような異
方性を有するように構成されている。外側にある２つの
領域の幅は中央領域の約半分である。角度αは変換器の
感度を上げるために少くとも45度必要である。
励振コイルは第2B図には示されていないが、通常の方
法で直列接続されている。
外側の２つの領域に対する測定コイルは共に等しい巻
数Ｎを有し、中央領域のコイルは２つの外側コイルの巻
数の和すなわち2Nに等しい巻数を有する。第2B図に示す
ように外側コイルは直列接続され、中央領域の測定コイ
ルは他の２つに対し逆接続されている。
第2C図及び第2D図からわかるように、温度勾配による
生じる零点信号の合計値はほとんど零となる。従つてこ
こに示すトルク変換器は車軸を通つて熱流の存在するよ
うな場合にも適用できる。熱流が定常的である場合、す
なわち温度勾配が線型である場合には、透磁率に対する
熱流の影響すなわち測定信号への影響は完全に補償でき
る。又それ以外のさらに複雑な温度勾配を有する場合も
その影響はかなり除去できる。
［実施例］ 第３図は本発明による磁気弾性トルク変換器のひとつ
の実施例を示す。ここでの異方性はUS4506554に記載の
変換器と同じ方法で作られている。
測定スリーブ２は車軸１上にねじれを生じないように
固定されている。スリーブには３つの環状領域3,4,5が
あつて領域３及び５の軸方向の長さは等しく、それらの
スリツトはスリーブの軸に対して同一方向に、すなわち
軸に対して約45度の傾斜を有するように付けられてい
る。測定領域４の軸方向の長さは他の２領域の倍であつ
て、この領域には領域３及び５に付けられているのと同
じピツチのスリツトが、領域３及び５のスリツトと90度
の角度をなすように付けられている。各測定領域3,4,5
はそれぞれ、同心状ボビン6,7及び８、コイル9,10及び1
1,12;13,14で囲まれている。コイル10,12及び14は直列
接続されて交流電流による励振用に使用され、コイル9,
11及び13は車軸上に発生するトルク検出用に使用され
る。コイル11は外側の２つのコイルに対し逆接されてい
る。電気的な接続は第４図に示す。Ｕ字形かみ合い面を
有する回転体形状の鉄芯15はコイルを囲んでおり、鉄芯
の環状外部部分16,17は車軸との間に間隙を作つてい
る。
空間18及び19は円板状磁性体で満されており、これが
絶縁材で満されている場合に比べてさらに良好な励振磁
束の分配を行なう。この場合ボビンの側壁の幅を広く
し、ボビンを互いに密着できるようにしても良いし、又
は、図に示す３つのボビンをひとつに継ぎ合わせたもの
を作りすべてのコイルをその上に巻き付けることも可能
である。そのような場合には励振コイルを測定領域の全
体に均等に巻き付けることもできる。
第４図ではコイル10,12及び14には交流電源20から直
列に電流が供給され、コイル9,11及び13はコイル11が他
の２つに対し逆接続となるように示されており、最終的
な信号は整流器21で制御整流され表示器22に出力され
る。
第４図において、１次電流は励振コイルが直列接続さ
れているためにひとつの同一方向に流れる。もちろん、
変換器の各半分づつに逆向き磁場を作ることも全く可能
である。この接続方法は第５図に示している、すなわち
励振コイル10,12a,12b及び14は逆向きの磁化方向を作り
出すように巻き付けられ又、接続されている。従つても
ちろん中央測定コイルも必要な逆接続を得るために分割
されていなければならない。２つの中央コイルはそれぞ
れ先に述べた中央コイルの半分の巻数で巻かれている。
このような構成では常にその終端部でいくらかの磁束
のもれが生じるので、もしも中央励振コイルの巻数が、
他のコイルの２倍であつたとすると、中央測定領域にお
ける磁束は他の２つの領域における磁束より少し強くな
る。従つて、温度勾配の影響を最小とするために、中央
励振コイル又は中央測定コイルの巻数は他の２つの外側
コイルの巻線の２倍より少し少なめにする。
【図面の簡単な説明】
第1A図から第1D図は従来技術による磁気弾性トルク変換
器において、車軸及び測定スリーブ内の温度勾配が零点
信号に与える影響を示している図。測定領域内で必要な
異方性は傾斜線で示されている。 第2A図から第2D図は本発明による磁気弾性トルク変換器
の原理を示す図、これは車軸及び測定スリーブの測定領
域内での温度勾配の影響を著しく減少させている。 第３図は本発明による変換器の提出された実施例を示す
図。 第４図は励振コイルへの給電及び測定コイルからの信号
測定を行なうための回路の原理を示す図。 第５図は励振コイルへの給電及び測定コイルからの信号
測定を行なうための回路の別の実施例を示す図。 ［符号の説明］ １…車軸、２…測定用スリーブ 3,4,5…測定領域、6,7,8…ボビン 9,11,13…測定用コイル （11a,11b） 10,12,14…励振コイル （12a,12b） 20…交流電源 21…同期整流器

Claims (6)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】磁気弾性トルク変換器において、車軸と、
    該車軸と同心で交流電流により前記変換器を励振するた
    めの固定コイルと、前記車軸と同心で車軸に加えられた
    外部ねじれモーメントを測定するためのコイルと、それ
    に車軸に同心の磁気容器とで構成された前記変換器にお
    いて、前記車軸は３つの平行環状領域（3,4,5）を有
    し、外側領域（3,5）においては車軸の軸方向に対して
    約45度に等しい角度α傾斜するような磁場を生成する異
    方性を又、中央領域においては車軸の軸方向に対して約
    −45度に等しい角度α傾斜するような異方性を有し、両
    外側の領域の軸方向の幅は中央領域の幅の半分であり、
    励振は互いに直列接続された３つのコイルで行なわれ、
    各コイルは環状領域の外側に配置され、外側の励振コイ
    ル（10,14）は中央励振コイルのほぼ半分の巻数を有
    し、前記各励振コイルと同心状に測定コイルが設置さ
    れ、外側の測定コイル（9,13）は中央測定コイル（11）
    のほぼ半分の巻数を有し該中央測定コイルは外部測定コ
    イルと逆接続されていることを特徴とする前記磁気弾性
    トルク変換器。
  2. 【請求項２】請求項第１項に記載の磁気弾性トルク変換
    器において前記３つの励振コイルが３領域全てにわたつ
    て均一に巻かれたひとつの励振コイルで置き換えられて
    いることを特徴とする磁気弾性トルク変換器。
  3. 【請求項３】請求項第１項に記載の磁気弾性トルク変換
    器において、前記中央励振コイルが２つの励振コイル
    （12a,12b）で置き換えられ、その各々は請求項第１項
    に記載の中央励振コイルの半数の巻数を有し、各コイル
    内に生成される磁束が互いに反対方向となるように接続
    され、外側励振コイルは隣接する中央励振コイルと同一
    方向の磁束を生成するように接続され、又中央測定コイ
    ルが又、２つの測定コイル（11a,11b）で置換えられ、
    その各々は請求項第１項に記載の中央測定コイルの半数
    の巻数を有し、各々は隣接する外側測定コイルに対し逆
    接続され、結果として測定コイル全体がトルク測定が可
    能なように逆接続されていることを特徴とする磁気弾性
    トルク変換器。
  4. 【請求項４】請求項第１項に記載の磁気弾性トルク変換
    器において、中央励振コイルの巻数が外側の励振コイル
    の巻数の２倍より少ないことを特徴とする磁気弾性トル
    ク変換器。
  5. 【請求項５】請求項第１項に記載の磁気弾性トルク変換
    器において、中央測定コイルの巻数が、外側の測定コイ
    ルの巻数の２倍より少ないことを特徴とする磁気弾性ト
    ルク変換器。
  6. 【請求項６】請求項第１項に記載の磁気弾性トルク変換
    器において、前記コイルの間に円板状の磁気材料が配置
    されていることを特徴とする磁気弾性トルク変換器。
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