JPH01173844A - トルク測定装置 - 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 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、特許用１６９３
２６号明細間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、強磁性なら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電圧７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雨検出コイル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、軸１における
軸心方向の磁性（透磁率、磁歪率）が変化したり、軸を
貫通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や軸１の磁性層などの材料
や製造上のバラツキによる。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などの現象が生じて、トルクの測定
値に誤差を及ぼす。

そこで本発明はこのような問題点を解決し、上記バラン
ス、ゼロ点および感度の変化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のトルク検出用磁気異方性部と、各トルク検出用磁
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たトルク検出部を有し、 前記トルク伝達軸とは別のトルク負荷のかからない補正
用の軸と、この補正用の軸の軸心の方向と角度をなして
互いに反対方向に傾斜するように前記補正用の軸の外周
面に形成された第１および第２の補正用磁気異方性部と
、各補正用磁気異方性部の周囲に設けられた第１および
第２の補正コイルとを備えた補正部を有し、 前記補正部は、前記トルク検出部とほぼ同一の磁気特性
を有するように構成されて、トルク検出部の近傍に設け
られるようにしたものである。

作用 このような構成によれば、補正用の軸は、トルク伝達軸
から分離して設けられているだめトルクが負荷されるこ
とがない。したがって、両補正コイルの出力を検出して
、この検出電圧を一定にするように励磁側交流電源を制
御することにより、温度変化や経年変化にもとづいてト
ルク検出時に発生する各＠誤差が、トルク信号の影響を
殆んど受けることなしに補正される。

実施例 第２図において、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装置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トルク検出
用磁気異方性部１２．１３が、互いに所定距離をおいて
設けられている。このトルク検出用磁気異方性部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１１の表面に接者、メツキするな
どによっても形成できる。

軸１１の近傍には、トルクの伝達を受けることのない補
正用の軸５５が、この軸１１とほぼ同じ温度等の周囲条
件を受ける位貨に設けられている。この補正用の軸５５
の外周面には、軸１１におけるトルク検出用磁気異方性
部１２．１３と同様に、この軸５５の軸心の方向と２０
〜６０度、好ましくは４５度の角度をなして互いに反対
方向に傾斜する補正用磁気異方性部１４．１５が形成さ
れている。

各磁気異方性部１２．１３．１４．１５の外周には、励
磁コイル１６．１７．１８．１９がそれぞれ配置されて
いる。また各励磁コイル１６．１７．１８．１９のさら
に外周には、トルク検出用磁気異方性部１２．１３に対
応した検出コイル２０．２１と、補正用磁気異方性部１
４゜１５に対応した補正コイル２２．２３とが、それぞ
れ設けられている。２４．５４はコアで、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、各コイル
１６．・・・２３を収容するためのケーシングとして利
用される。軸１１のまわりのトルク検出部と、軸５５の
まわりの補正部とは、磁気異方性部の特性を揃えるなど
してほぼ同一の磁気特性を有するように製作されている
。

第１図は、電子回路を含んだ本装置の全体の構成を示す
。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１６．１８は直列に接続されて第１の電源２
６に接続され、また励磁コイル１７．１９は、これも直
列に接続されて、第２の電源２７に接続されている。検
出コイル２０．２１および補正コイル２２．２３はそれ
ぞれ整流器２８．２９．３０．３１と、抵抗およびコン
デンサにより構成されるフィルタ３２．３３．３４゜３
５と、ＡＤ変換器３８．３９．３６．３７とを介して、
ＣＰ　Ｕ　４０に接続されている。

ＣＰ　Ｕ　４０には、両型源２６．２７の出力を遮断さ
せるための電源遮断用信号＠４１が、ＯＡ変換器４２を
伴って接続されている。またＣ　Ｐ　Ｕ　４０には、両
型源２６．２７を構成するパワー増幅器の増幅率を調部
してその出力を調整する電源制御用信号線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ＯＡ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ＣＰ口内部メモリに
よりソフトウェア的に設定される基準値ＥｓをＣＰ　Ｌ
ｌ　４０へ入力する。またＣ　Ｐ　Ｕ　４０にはタイミ
ング設定装置４８が接続され、本回路のための動作タイ
ミングを設定する。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時刻に補正す
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。電源２６．
２７を投入すると、検出コイル２０．２１および補正コ
イル２２．２３に出力電圧が現われ、各電圧は、ＡＤＷ
ｌ換器３８．３９．３６．３７の出力側すなわちＣＰＵ
４０の入力側では、それぞれＶｔ　、　Ｖ２　、　Ｓｔ
　。

δ２という値になる。また、これらの値はＣＰＵ４０の
内部で後述するように演算処理され、それぞれＶｔ　’
　、　Ｖ２　’　、　Ｓｔ　’　、　８２　’　という
値に変換される。

軸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■１゜■２
は、第３図に示すものが得られる。これらの値Ｖ１．Ｖ
２は後述のようにＣＰ　Ｕ　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ｋを乗じた値ｋ（Ｖ１
’−Ｖ２’　）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、第３図の出力電圧Ｖ１．Ｖ２に
もとづくトルク信号Ｔの例を示す。

湿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。なお、両軸１１．５５は互いに近接し
て設けられており、これら両輪１１．５５のまわりの温
度条件は実質的に同一であるとみなされる。

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、両型源２６．２７の出力が遮断さ
れる。すると、各励磁コイル１６．１７．１８゜１９の
励磁電圧がＯになるため、これに対応する検出コイル２
０．２１および補正コイル２２．２３の出力電圧もＯと
なるべきである。したがって、このとき各ＡＤ変換器３
８．３９．３６．３７の出力がＯ以外の値、たとえば■
１−ε１．Ｖ２−ε２．Ｓ１−δ１゜δ２−δ２になっ
ていると、これは何らかの誤差、゛例えば電子回路の温
度ドリフトその他の変化にもとづくものである。そこで
ＣＰ　Ｕ　４０により、Ｖ１’−Ｖｔ−δ１．Ｖ２’−
Ｖ２−δ２゜Ｓ１’　−８１−６１，８２’　＝８２−
６２となるようａＳＳ処理する。これにより電源２６．
２７の遮断時はＶ１’　−Ｖ２　’　＝８１　’　−８
２’　＝Ｏとなり、電源２６．２７回復後も、次の電源
遮断動作による補正動作まで、上記ε１．δ２．δ１．
δ２をホールドしてゼロ点補正の完了したデータＶ１′
。

Ｖ２　’　、　Ｓｔ　’　、　８２　’を使用する。

次に、雨検出部および両補正部のバランス補正が行われ
る。すなわち、トルク検出用磁気異方性部１２．１３の
磁気特性が温度変化等により変化した場合に、トルクが
ゼロのときでも検出電圧Ｖ１゜■２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。

このために、ＣＰ　Ｕ　４０の内部で補正電圧Ｓ１゜δ
２の補正データＳ１’　、８２　’の差Ｓ１′−８２’
を演算する。そして、電源制御用信号線４３を介して、
第２の電源２７へ制御信号が送られ、Ｓ１’　−８２’
　＝Ｏとなるように電源２７が調整される。こうするこ
とにより、直列に接続された励磁コイル１７．１９の励
磁電圧が同時に調整され、出力Ｓ２と、これに伴って出
力■２とが補正され、Ｓｌと８２とのバランス、すなわ
ち■１と■２とのバランスが補正される。この場合は、
軸５５の磁気異方性部の磁気特性と温度等により同様の
変化を受けると見なさている。この結果、第５図および
第６図に示された特性線図が、第３図および第４図に示
される状態に補正される。

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　’　はトルク０を中心にして左右の対像
性はほぼ制御され保たれるが、温度によりレベルＥｍは
上下に変動する。温度変化が生ずると両信号Ｖ１’　、
Ｖ２　’　はＥｍが変化するとともにその傾きが変化し
て、第８図のことく、点線の特性が実線の特性に示す状
態になってしまう。この結果、ｋ（Ｖｔ’−Ｖ２’）で
表わされるトルク出力信号線の傾斜（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Ｅりを所定
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号の和Ｖ１’
＋Ｖ２’（平均値Ｅ、の２倍の値）を用いる。この値が
、基準値設定Ｋｒ１１４７によりＣＰＵ４０に入力され
る設定値Ｅｓと等しくなるよう、すなわち（Ｖ１’　＋
Ｖ２　’　）−Ｅｓ　＝Ｏとなるよう制御する。具体的
には、電源制御用信＠ｆｆＪ４４により両層！Ｉ２６．
２７を同比率で調整し、その出力レベルを同時に増減す
ると、雨検出位置におけるバランスをくずすことなく、
Ｖ１’　＋Ｖ２　’がＥｓに等しくなるように制御され
る。このように両信号Ｖｚ　’　、　Ｖ２　’の出力レ
ベルが所定値に戻されると、第８図に示されるように実
線の特性が点線の特性に復帰し、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。

基準となる設定値Ｅｓを設定変更すると、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。

上述のゼロ点補正、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
行われる。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、その最初の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
、ゼロ点補正およびバランス補正動作中は補正直前のト
ルク検出出力信号をホールドして端子４９から出力する
。

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　ＩＪ　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
点補正の動作を繰り返し実行する。スイッチ操作を終え
ると、補正債のデータによるトルク測定値ｋ（Ｖ１’−
Ｖ２’　）を出力する。

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
うな状態、すなわちトルク負荷が掛かつていないのに、
両側の検出状態のバランスがくずれてトルク指示値がＯ
にならない場合に行われることが多い。

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にてこと分銅などで定格トルクをかけ、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＠
＠４７を調整すればよい。

以上のように、本装置によれば、トルク出力信号の温度
変化、経時変化、ゼロ点変化等の各種誤差のほぼ全てを
自動補正できる。特に、トルク負荷の有無にかかわらず
、温度変化による感度変化、ゼロ点変化を自動的に補正
できる。また、電子処理回路は、ＡＤ変換器３６．３７
．３８．３９およびＤＡ変換器４２．４５．４６のほか
は、はとんどＣＰ　ＬＪ　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Ｉ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、トルクの作用する軸
に対応してトルク検出部を設けるとともに、トルクの作
用しない補正用の軸に補正部を設けたため、温度変化や
経年変化などにもとづいてトルク検出時に発生する各種
誤差を良好に補正でき、高精度のトルク検出が可能にな
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構成図、
第２図は第１図における軸まわりの構成図、第３図は誤
差が存在しない場合の検出電圧を示す特性図、第４図は
第３図に、もとづくトルク検出電圧を示す特性図、第５
図はバランスがくずれたときのトルク検出電圧を示す特
性図、第６図は第５図にもとづくトルク検出電圧を示す
特性図、第７図は所定の感度のもとでのトルク検出電圧
を示す特性図、第８図は感度が変動したときのトルク検
出電圧を示す特性図、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
特性図、第１２図は第１１図にもとづくトルク検出電圧
を示す特性図である。 １１・・・軸、１２．１３・・・トルク検出用磁気異方
性部、１４、１５・・・補正用磁気異方性部、１６．１
７．１８．１９・・・励磁コイル、２０．２１・・・検
出コイル、２２．２３・・・補正コイル、２６．２７・
・・交流電源、４０・・・ＣＰＬＩ、４７・・・基準Ｕ
Ｉｉ設定装置、５０．５１．５２・・・マニュアルスイ
ッチ、５５・・・補正用の軸。 代理人　　　森　　本　　義　　弘 第１図 ５５−ネ創Ｅｌ／）細 第２図 ｔｅ＞　　　ｔｕ　　　　ｉ−ｔ　　　Ｚ／第３図　　
　　　　　第５図 第４図　　　　　　　　箇６図 第８図 第９図

Claims (1)

1. 【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、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のトルク検出用磁気異方性部と、各トルク検出用
   磁気異方性部における透磁率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たトルク検出部を有し、 前記トルク伝達軸とは別のトルク負荷のかからない補正
   用の軸と、この補正用の軸の軸芯の方向と角度をなして
   互いに反対方向に傾斜するように前記補正用の軸の外周
   面に形成された第１および第２の補正用磁気異方性部と
   、各補正用磁気異方性部の周囲に設けられた第１および
   第２の補正コイルとを備えた補正部を有し、 前記補正部は、前記トルク検出部とほぼ同一の磁気特性
   を有するように構成されて、トルク検出部の近傍に設け
   られていることを特徴とするトルク測定装置。 ２、補正部は、温度およびその他の周囲環境条件がトル
   ク検出部と実質的に同一となる場所に設けられているこ
   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、各検出コイルおよび各補正コイルごとにそれぞれ励
   磁コイルを設け、 第１の検出コイル用の励磁コイルと第１の補正コイル用
   の励磁コイルとを直列に接続して第１の交流電源に接続
   し、 第２の検出コイル用の励磁コイルと第２の補正コイル用
   の励磁コイルとを直列に接続して第２の交流電源に接続
   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。 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の検出コイルと第１および第２の補正コイルの測定
   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お
   よび両補正コイルの測定値から、各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３項
   に記載のトルク測定装置。 ５、両補正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手段を有すること
   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、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、上記基準値は、デジタル基準値設定装置にて設定可
   能であ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、 両補正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、 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、 の処理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、上記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マニュア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、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４項から第９項までのいずれ
   かに記載のトルク測定装置。