JPH01173843A

JPH01173843A - トルク測定装置

Info

Publication number: JPH01173843A
Application number: JP62334862A
Authority: JP
Inventors: Shigeo Yoshimura; 吉村　茂夫; Yasushiro Ishino; 連信郎石野; Shiro Takada; 史郎高田; Ichiji Kimura; 一司木村
Original assignee: Kubota Corp
Current assignee: Kubota Corp
Priority date: 1987-12-28
Filing date: 1987-12-28
Publication date: 1989-07-10

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測定装置に関し、特にエンジン。

モータ、産業機械駆動用の軸などのトルクを非接触で測
定可能なトルク測定装置に関する。

従来の技術従来のこの種のトルク測定装置として、特許第　゛１６
９３２６号明Ｉｉ［ｌ出に開示されるものがある。これ
は、第１０図に示されるように、強磁性並びに磁歪性を
有する軸１の外周に、この軸１の回転軸心の方向と４５
度の角度をなして互いに反対方向に傾斜するナーリング
部２，３を形成し、各ナーリング部２゜３の外周に励磁
コイル４および検出コイル５．６をそれぞれ配置したも
のである。

このような構成によれば、ナーリング部２，３により磁
気異方性が与えられ、伝達トルクにもとづく各ナーリン
グ部２．３での透磁率の変化が検出コイル５，６にて検
出される。このとき、ナーリング部２，３は互いに反対
方向に傾斜しているため、その一方のナーリング方向に
圧縮力が作用すると、他方のナーリング方向には引張力
が作用する。このため、第１１図に示すように、コイル
５゜６のうち一方の検出電圧７はトルクの増加にしたが
って増加し、反対に他方のコイルの検出電圧８は減少す
る。ここで、一方のコイルの検出Ｔｉｆｆニアと他方の
コイルの検出電圧８との差をとって合成すると、第１２
図に示すように、トルクの変化のみを示すトルク検出電
圧９が得られる。

また、従来の他のトルク検出装置として、特開昭５９−
１６６８２７号公報に示されるものがある。これは、第
１０図におけるナーリング部に代えて、同様に互いに反
対方向に傾斜したアモルファス強磁性層を、接着、メツ
キ、その他により回転軸の表面に形成したものである。

このようなものによれば、強磁性を有しない軸について
もトルクの測定が可能になる。

発明が解決しようとする問題点ところが、このような従来のものでは、伝達トルクが負
荷されていない状態で両検出コイル５゜６から出力され
る検出電圧７．８のバランスが、温度変化や経年変化な
どによって変化する傾向がある。これは、！１１１１に
おける軸心方向の磁性（透磁率、磁歪率）が安上したり
、軸を通過する磁力線に帰因する鉄損が変化するほかに
、励磁コイル４、検出コイル５．６の電気特性の変化や
、軸、磁性層、コイルなどの材料特性や製造上のバラツ
キなどによる。この結果、第１１図における検出電圧７
，８のゼロ点が変化し、両者の交点が縦軸上から側方へ
ずれることになって、トルクの測定値に誤差を及ぼす。

このような誤差が生じる原因の一つとして、−般のトル
ク伝達軸においては、その駆動側と柔道側との間に温度
差が生じることがあげられる。この温度差により軸心方
向に温度勾配が生じ、第１０図における両検出部の温度
が異なってしまうことから、上記温度変化にもとづく誤
差が発生しやすいものである。

そこで本発明はこのような問題点を解決し、両検出部の
バランスのずれによってトルク測定値に誤差が生じるこ
とを防止できるようにすることを目的とする。− 問題点を解決するための手段上記問題点を解決するため本発明は、トルク伝達軸の回転軸心の方向と角度をなして、互いに
反対方向に傾斜して磁気異方性を付与された第１および
第２の磁気異方性部と、各磁気異方性部における透磁率
の安上を検出可能な第１および第２の検出コイルとを備
え、かつ前記軸にトルクが作用していないときの雨検出コイルに
よる検出信号値が等しくなるように制御する手段を備え
た構成としたものである。

作用このような構成によれば、制御手段により、軸に作用す
るトルクの影響を受けることなしに、温度変化や経年変
化にもとづいてトルク検出時に生じる両検出部のバラン
スのずれが解消される。

実施例第２図に６いて、１１はトルク伝達用の軸であり、たと
えばエンジンの出力を作業ＫＷ１に伝達するために用い
られる。軸１１の外周面には、この軸１１の回転軸心の
方向と２０〜６０度、好ましくは４５度の角度をなして
、互いに反対方向に傾斜するように形成された磁気異方
性部１２．１３が、互いに所定距離をおいて設けられて
いる。この磁気異方性部１２゜１３は、前述のように、
たとえば軸１１の外周面をナーリング加工することによ
っても形成できるし、またアモルファス強磁性層を軸１
１の表面に接着。

メツキするなどによっても形成できる。

各磁気異方性部１２．１３の外周には、励磁コイル１６
、１７がそれぞれ配置され、また各励磁コイル１６゜１
７のさらに外周には、検出コイル２０．２１が設けられ
ている。２４はコアで、硅素鋼板、フェライト等の強磁
性体により形成されて磁束の通路を構成するとともに、
両コイル２０．２１を収容するためのケーシングとして
利用される。

第１図は、電子回路を含んだ本装置の全体の詳細を示す
。図において、２５は発振器で、この発振器２５には、
パワー増幅器にて構成される交流式の第１および第２の
電源２６．２７が接続されている。

励磁コイル１６は第２の電源２７に接続され、また励磁
コイル１７は第１の電源２６に接続されている。検出コ
イル２０．２１はそれぞれ整流器２９．３０と、抵抗お
よびコンデンサにより構成されるフィルタ３３゜３４と
、ＡＤ変換器３７．３８とを介して、ＣＰ　Ｌｌ　４０
に接続されている。

ＣＰ　Ｕ　４０には、両電源２６．２７の出力を遮断さ
せるための電源遮断用信号＠４１が、ＤＡ変換器４２を
伴って接続されている。またＣ　Ｐ　Ｕ　４Ｇには、両
電源２６．２７を構成するパワー増幅器の増幅率を調節
してその出力を調整する電源遮断用信号線４３．４４が
、それぞれ接続されている。４５．４６は、各信号線４
３．４４に介装されたＤＡ変換器である。４７は基準値
設定装置で、デジタル設定あるいはメモリによりソフト
ウェア的に設定される基準［１［Ｅａ′４！：ＣＰ　Ｌ
ｌ　４０へ入力する。またＣ　Ｐ　Ｕ　４０にはタイミ
ング回路４８が接続され、本回路のための動作タイミン
グを発生する。４９はトルク信号の出力端子である。

５０、５１．５２はマニュアルスイッチで、本回路の動
作タイミングに関係なく各種誤差を任意に補正するため
に用いられる。

次に、上記構成にもとづく動作を説明する。最初にｗｉ
源２６．２７を投入すると、検出コイル２０．２１に出
力電圧が現われ、各電圧は、ＡＤ変換器３７゜３８の出
力側すなわちＣＰ　Ｕ　４０の入力側では、それぞれＶ
ｌ、Ｖ２という値になる。また、これらの値はＣＰ　Ｕ
　４０の内部で演算処理され、それぞりＶ１’　、Ｖ２
　’　という値に変換される。またセンサーの最初の調
整の時、センサーへの負荷トルクを取除いた状態（Ｔ＝
Ｏ）で、後述のマニュアルゼロ補正スイッチ５０を操作
し、センサーのアンバランスに帰因するトルク出力端子
からのトルク指示ｆ！ＩＢ′４！：ＣＰロ内部不揮発性
メモリー内に記憶し、以後トルク信号の演痒にトルク指
示値−ｋ（Ｖ１’　−Ｖ２　’　）　−８とする操作が
必要である。

次に＠１１にトルクが作用すると、第１１図で説明した
場合と同様に、検出コイル２０．２１の出力電圧Ｖ１．
Ｖ２として、第３図に示すものが青られる。

但し上記ゼロ点補正値８は省略しである。そして、これ
らの値Ｖ１．Ｖ２は後述のようにＣＰ　Ｌｌ　４０の内
部で演算処理されてＶ１’　、Ｖ２　’　という値に変
換され、両者の差Ｖ１’　−Ｖ２　’に適当な定数ｋｅ
乗Ｌ；たｌｋ　（■１’　　Ｖ２　’　）　から上記Ｂ
を引いたＩｋ　（Ｖｔ　’　−Ｖ２　’　）−８が、ト
ルク信号として出力端子４９から出力される。第４図は
、１’＄３図の出力電圧Ｖｔ　、Ｖ２にもとづくトルク
信号Ｔの例を示す。

温度変化や経年変化により発生する誤差は、次のように
して補正される。

すなわち、まずゼロ点補正が行われる。この場合には、
電源遮断用信号線４１を介して、両電源２６゜２７の出
力が遮断される。すると、各励磁コイル１６゜１７の励
磁電圧が０になるため、これに対応する検出コイル２０
．２１の出力電圧も０となるべきである。

したがって、このとき各ＡＤ変換器３７．３８の出力が
Ｏ以外の値、たとえば■１−ε１．Ｖ２　＝ε２になっ
ていると、これは何らかの誤差にもとづくものである。

そこでＣＰ　Ｕ　４０により、■１′＝■１−ε１．Ｖ
２’−Ｖ２−ε２となるよう演算処理する。これにより
Ｖ１’　−Ｖ２　’　＝Ｏとなり、ゼロ点補正の完了し
たデータＶ１’　、Ｖ２　’が得られる。

次に、両検出部のバランス補正が行われる。すなわち、
このバランスがくずれると、検出電圧Ｖ１．Ｖ２が第５
図のようになり、これに対応したトルク信号Ｔも第６図
に示すように正規の状態から変動することになるため、
これを補正する。

このとき、ＣＰ　Ｕ　４０において、まずトルク負荷が
０または０の近傍であるか否かを判断する。これは、Ｃ
Ｐ　ＩＪ　４０によりトルク信号ｋ　（Ｖｔ　’　−Ｖ
２’）−Ｂの値を基準値と比較することにより行われ、
たとえば基準値ａ　Ｅ　ｏとして定格トルク信号ｋ　（
Ｖ１’　−Ｖ２　’　）−８の１％を設定し、トルク信
号ｋ　（Ｖ１’　−Ｖ２　’　）−８の値が基準値Ｅｏ
未渦の場合に、バランス補正を実行可とする。

そして、電源制御用＠＠Ｐ２４３を介して、第２の電源
２７へ制ａ信号が送られ、Ｖ１’　−Ｖ２　’　＝Ｏと
なるように電源２７が調整されて、■１′とＶ２’との
バランスが補正される。この結果、第５図および第６図
に示された線図が、第３図および第４図に示される状態
に補正される。

ここで、トルク信＠ｔｋ　（Ｖｔ　’　−Ｖ２　’　　
）　−Ｂの値がＯまたは定格トルクの１％未満の場合に
のみバランス補正を行うこととしたのは、軸１にトルク
が作用しているときには、信号■１′。

Ｖ２　’にトルク成分が含まれている（第３図〜第６図
参照）ため、バランス補正を行い青ないためである。ま
た、定格トルクの１％未満の場合としたのは、通常、軸
１に何らかのトルクが負荷されている場合には、機械効
率などの関係上、少なくともある程度以上のトルク信号
が出力されるのが必然であり、１％未満の範囲では実質
的にトルクがＯであるとして問題ないためである。トル
ク信号ｋ（Ｖ１’−Ｖ２’）の値が定格トルクの１％以
上であるときには、バランス補正は行われない。

次に、感度補正が行われる。すなわち、上述のバランス
補正が行われた段階では、第７図に示すように両信号Ｖ
１’　、Ｖ２　’の線の傾きの絶対値は等しく、両信号
Ｖ１’　、Ｖ２　’の平均値Ｅｎ＋は一定の値となる。

ところが、温度変化などによって装置の特性が変動する
と、両信号■１′。

Ｖ２’の線はその傾きが変化するとともに第８図示すよ
うに上下にも変動して、第８図に実線で示す状態になっ
てしまう。この結宋、ｋ　（Ｖ１’　−Ｖ２’）−８で
表わされるトルク信号線の傾斜（第４図参照）が変化し
てしまい、測定感度が変化する。

そこで、両信号Ｖ１’　、Ｖ２　’の平均値を所定値に
戻し、その傾きを所定のものとして、感度特性が一定に
なるように、補正を行う。

ここでは、平均値を代表する値として両信すの和Ｖ１’
＋Ｖ２’（平均値の２倍の値）を用いる。

この値が、基準値設定装置４７によりＣＰ　Ｌｌ　４０
に入力される設定ｆＩＥ　ｓと等しくなるよう、すなわ
ち（■１’　＋Ｖ２　’　　）−Ｅｓ　−０となるよう
制御する。具体的には、電源制御用信号線４４により両
電源２６．２７を同様に調整し、その出力レベルを同時
に珊減すると、両検出部のバランスをくずすことなく、
Ｖ１’　十Ｖ２　’がＥｓに等しくなるように制（社）
される。このように両信号Ｖ１’　、Ｖ２　’の出力レ
ベルが所定値に戻されると、第８図で破線で示すように
、それに応じて両者の傾きも所定のものとなり、感度補
正が完了する。

これとは反対に、基準となる設定ｆｌＥｓを設定変更す
ることにより本装置の測定感度を様々に変化させること
ができ、これによって多種類の測定レンジを得ることが
できる。

上述のピロ点補正、バランス補正および感度補正は、タ
イミング回路４８により、一定のタイミングでこの順に
行うことができる。すなわち、たとえば第９図に示すよ
うに、１サイクルを１分間として、そのｎ初の５０ミリ
秒でゼロ補正を行い、次の５０ミリ秒でバランス補正を
行い、残りの時間内において感度補正を常時すなわち多
数回行い、このようなサイクルを繰返し実行するもので
ある。

なお、ゼロ点補正動作中は、前回のサイクルで得た信号
を端子４９から出力する。また、前述のように、バラン
ス補正を行う際には、軸１にトルクが負荷されているか
否かをまず判断し、トルクが負荷されていないときのみ
バランス補正を行うこともできる。軸１にトルクが負荷
されているときには、バランス補正は行わず、ただちに
感度補正を行う。　このような自動的なサイクル動作に
加えて、手動により随時補正を行うことができる。

たとえば、ゼロ点補正のためのマニュアルスイッチ５０
を操作すると、その信号がＣＰ　Ｕ　４０に取り込まれ
、このスイッチ５０を操作している間中、上述のゼロ点
補正の動作を並びにその時のトルク出力端子４９からの
トルク指示値［３ｅＣＰＬＪ内部の不発揮性メモリーの
中に記憶し、出力信号−ｋ（Ｖ１’、Ｖ２’）−８を演
枠する動作を繰り返す。このマニュアルゼロ補正以後Ｂ
の値は次のマニュアルゼロ補正とするまでＣＰＵ内部の
不発揮性メモリーに記憶される。またこの動作は通常、
センサーの初期調整時、センサーにトルクが印加されて
いない無負荷の状態で使用される。

バランス補正のためのマニュアルスイッチ５１を押すと
、上述のバランス補正の動作が実行される。

このようなマニュアル操作は、通常は、第６図に示すよ
うに、トルク負荷が訃かつていないのに、両側の検出状
態のバンズがくずれてトルク指示値が０にならない場合
に行われる。

感度補正のためのマニュアルスイッチ５２によるマニュ
アル補正を行うときには、たとえば本装置の製作完了時
に、軸１１にてこおよび分銅などでトルクを作用させて
定格トルクをかけ、そのときの指示値が定格値と一致す
るように、基準値設定装置４７を調整すればよい。

以上のように、本Ｈｆｆｉによれば、トルク出力信号の
温度変化、経時変化、ゼロ点変化のすべてを自動補正で
きる。特に、トルク負荷中の温度変化による感度変化、
ゼロ点変化の自動補正をも行える。また、電子処理回路
は、ＡＤ変換器３７．３８およびＯＡ変換器４２．４５
．４６のほかは、はとんどＣＰ　Ｕ　４０だけしか存在
しないという単純な構成とすることができる。これは、
各種誤差の自動補正をソフトウェアで行ったことにも帰
因している。

発明の効果以上述べたように本発明によると、軸にトルクが作用し
ていないときの雨検出コイルによる検出信号の値が等し
くなるように制御する手段を備えたため、トルクにもと
づく信号成分の影響を受けることなしに、両検出部にお
けるバランスのずれを補正でき、高精度のトルク検出が
可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明のトルク測定装置の一実施例の概略図、
第２図は第１図における軸まわりの詳細図、第３図は誤
差が存在しない場合の検出電圧を示すグラフ、第４図は
第３図にもとづくトルク信号を示すグラフ、第５図はバ
ランスがくずれたときの検出電圧を示すグラフ、第６図
は第５図にもとづくトルク信号を示すグラフ、第７図は
所定のｆｉ度のもとでの検出電圧を示すグラフ、第８図
は感度が変動したときの検出電圧を示すグラフ、第９図
は第１図に示す回路の動作タイミング図、第１０図は従
来のトルク測定装置の概略図、第１１図は第１０図の装
置における検出電圧を示すグラフ、第１２図は第１１図
にもとづくトルク信号を示すグラフである。１１・・・軸、１２．１３・・・磁気異方性部、１６．
１７・・・励磁コイル、２０．２１・・・検出コイル、
２６．２７・・・電源、４０・・・ＣＰＵ、４７・・・
基準値設定スイッチ、５０．５１．５２・・・マニュア
ルスイッチ。代理人　　　森　　本　　義　　弘第１図斧、２１−・、検出フィル＃！２図／６　　　　　ｆ７　　　　２４２０　　　　　：）ｆ第３図　　　　　　　第５図第４図　　　　　　　　＠６図第８図第９図

Claims

【特許請求の範囲】１、トルク伝達軸の回転軸心の方向と角度をなして、互
いに反対方向に傾斜して磁気異方性を付与された第１お
よび第２の磁気異方性部と、各磁気異方性部における透
磁率の変化を検出可能な第１および第２の検出コイルと
を備え、かつ前記軸にトルクが作用していないときの両検出コイルに
よる検出信号値が等しくなるように制御する手段を備え
たことを特徴とするトルク測定装置。２、第１および第２の検出コイルにそれぞれ対応させて
第１および第２の励磁コイルを設け、これら第１および
第２の励磁コイルを第１および第２の交流電源にそれぞ
れ接続したことを特徴とする特許請求の範囲第１項に記
載のトルク測定装置。３、制御手段は、両検出コイルによる検出信号値が等し
くなるように、いずれか一方の電源を制御可能とされて
いることを特徴とする特許請求の範囲第２項に記載のト
ルク測定装置。４、トルク測定時に、適当なタイミングで、第１および
第２の電源の出力を遮断する手段と、前記電源出力の遮
断時における第１および第２の検出コイルの測定値を求める手段と、前記電源出
力の遮断が解除された、ときの両検出コイルの測定値か
ら、両検出コイルにおける前記電源遮断時の読みを差し
引いて、測定データを較正する手段とを有することを特
徴とする特許請求の範囲第２項または第３項に記載のト
ルク測定装置。５、制御手段は、両検出コイルによる検出信号値として
の、両検出コイルの測定データの較正値が等しくなるよ
うに制御を行うよう構成されていることを特徴とする特
許請求の範囲第４項に記載のトルク測定装置。６、軸におけるトルクの作用の有無にかかわらず、両検
出コイルの測定データの較正値の和が一定の基準値とな
るように、両電源を調整する手段を有することを特徴と
する特許請求の範囲第４項または第５項に記載のトルク
測定装置。７、基準値を設定可能な基準値設定装置を有することを
特徴とする特許請求の範囲第６項に記載のトルク測定装
置。８、一定タイミングごとに、両検出コイルの測定データを較正する処理と、軸にトルクが作用していないときの両検出コイルの測定
データの較正値が等しくなるように、いずれか一方の電
源を調整する処理と、軸におけるトルクの作用の有無に
かかわらず、両検出コイルの測定データの較正値の和が一定の基
準値となるように、両電源を調整する処理と、のうちのいずれか一つを実行させるか、または二つ以上
をシリアルに実行させる手段を有することを特徴とする
特許請求の範囲第６項または第７項に記載のトルク測定
装置。９、三つの処理のうち少なくともいずれか一つを、一定
タイミングに関係なく、マニュアル操作で任意の時期に
実行させることができるアニュマルスイッチを有するこ
とを特徴とする特許請求の範囲第８項に記載のトルク測
定装置。１０、軸におけるトルクの作用の有無にかかわらず、両
検出コイルの測定データの較正値の差に係数を乗じた値
を出力するトルク値出力端子を有することを特徴とする
特許請求の範囲第６項から第９項までのいずれかに記載
のトルク測定装置。１１、制御手段は、出力トルク値が０または、０の近傍
であって実質的にトルクが作用していないと判断したと
きに、両検出コイルによる検出信号値が等しくなるよう
に制御可能に構成されていることを特徴とする特許請求
の範囲第１０項に記載のトルク測定装置。