JPH01225181A - トルクセンサ - Google Patents
トルクセンサInfo
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- JPH01225181A JPH01225181A JP63050820A JP5082088A JPH01225181A JP H01225181 A JPH01225181 A JP H01225181A JP 63050820 A JP63050820 A JP 63050820A JP 5082088 A JP5082088 A JP 5082088A JP H01225181 A JPH01225181 A JP H01225181A
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- torque
- magnetic
- torque sensor
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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。
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Description
(産業上の利用分野)
本発明は、被測定軸に加えられるトルクを検出するのに
利用される磁歪式のトルクセンサに関するものである。 (従来の技術) 従来より、この種の磁歪式のトルクセンサとしては、例
えば、第4図に示す構造のものがある。 第4図に示す磁歪式のトルクセンサ21は、磁気ひすみ
効果を持つ磁性体からなる被測定軸22の外周部に、当
該被測定軸22との間に間隙23をおいて、例えばパー
マロイ等の高透磁率材料より形成されたヨーク24を配
設し、このヨーク24には、前記被測定軸22を磁路の
一部とする磁気回路を形成する励磁手段としての励磁コ
イル25と、前記被測定軸22を通る磁歪成分を検出す
る検出手段としての検出コイル26とを設けた構造をな
すものである。 このような構造をもつ磁歪式のトルクセンサ21は、励
磁コイル25に通電することにより。 当該励磁コイル25から発せられた磁束が、被測定軸2
2→間隙23→ヨーク24→間隙23→被測定軸22を
通る磁気回路が形成され、このとき、検出コイル26に
は、誘導起電力が生じる。 前記誘導起電力が生じる状態において、被測定軸22に
ねじりトルクが加わると、この被測定軸22の磁気ひず
み効果によって、当該被測定軸22目体の透磁率が変化
するため、前記磁気回路を通る磁束密度に変化が生じ、
自己、誘導により検出コイル26に発生する誘導起電力
が変化して、この誘導起電力の変化を検出することによ
って。 例えば第5図に示すようなトルク−出力特性が得られ、
前記被測定軸22に加えられたねじりトルクを検出する
ことができる。 (発明が解決しようとする課題) しかしながら、第4図に示すような構造の磁歪式のトル
クセンサ21において、被測定軸22として通常の機械
構造用鋼(JIS SC。 Ser、SCM、SNCMなど)から製作されているも
のを用いた場合には、磁気ひずみ効果の検出量が小さく
、第5図に示す出力特性図において感度を示す角度θが
小さいことから、十分な検出感度を得ることができない
とともに、同じく第5図に示す出力特性図においてヒス
テリシスを示す幅りが大きくなり、正確なトルクの検出
が行い難いという問題点を有しており、十分な検出感度
でかつヒステリシスが小さい状況で、被測定軸に加えら
れているトルクの検出を行ううえでの課題となっていた
。 (発明の目的) 本発明は、上述した従来の問題点に着目してなされたも
ので、十分な検出感度を得ることができるとともに、ヒ
ステリシスが小さく、静止軸や回転軸などの被測定軸に
加えられるトルクの検出を正確に行うことができるトル
クセンサを提供することにより、上記課題を解決するこ
とを目的とするものである。
利用される磁歪式のトルクセンサに関するものである。 (従来の技術) 従来より、この種の磁歪式のトルクセンサとしては、例
えば、第4図に示す構造のものがある。 第4図に示す磁歪式のトルクセンサ21は、磁気ひすみ
効果を持つ磁性体からなる被測定軸22の外周部に、当
該被測定軸22との間に間隙23をおいて、例えばパー
マロイ等の高透磁率材料より形成されたヨーク24を配
設し、このヨーク24には、前記被測定軸22を磁路の
一部とする磁気回路を形成する励磁手段としての励磁コ
イル25と、前記被測定軸22を通る磁歪成分を検出す
る検出手段としての検出コイル26とを設けた構造をな
すものである。 このような構造をもつ磁歪式のトルクセンサ21は、励
磁コイル25に通電することにより。 当該励磁コイル25から発せられた磁束が、被測定軸2
2→間隙23→ヨーク24→間隙23→被測定軸22を
通る磁気回路が形成され、このとき、検出コイル26に
は、誘導起電力が生じる。 前記誘導起電力が生じる状態において、被測定軸22に
ねじりトルクが加わると、この被測定軸22の磁気ひず
み効果によって、当該被測定軸22目体の透磁率が変化
するため、前記磁気回路を通る磁束密度に変化が生じ、
自己、誘導により検出コイル26に発生する誘導起電力
が変化して、この誘導起電力の変化を検出することによ
って。 例えば第5図に示すようなトルク−出力特性が得られ、
前記被測定軸22に加えられたねじりトルクを検出する
ことができる。 (発明が解決しようとする課題) しかしながら、第4図に示すような構造の磁歪式のトル
クセンサ21において、被測定軸22として通常の機械
構造用鋼(JIS SC。 Ser、SCM、SNCMなど)から製作されているも
のを用いた場合には、磁気ひずみ効果の検出量が小さく
、第5図に示す出力特性図において感度を示す角度θが
小さいことから、十分な検出感度を得ることができない
とともに、同じく第5図に示す出力特性図においてヒス
テリシスを示す幅りが大きくなり、正確なトルクの検出
が行い難いという問題点を有しており、十分な検出感度
でかつヒステリシスが小さい状況で、被測定軸に加えら
れているトルクの検出を行ううえでの課題となっていた
。 (発明の目的) 本発明は、上述した従来の問題点に着目してなされたも
ので、十分な検出感度を得ることができるとともに、ヒ
ステリシスが小さく、静止軸や回転軸などの被測定軸に
加えられるトルクの検出を正確に行うことができるトル
クセンサを提供することにより、上記課題を解決するこ
とを目的とするものである。
(2題を解決するための手段)
本発明は、被測定軸と、前記被測定軸を磁路の一部とす
る磁気回路を形成する励磁手段と、前記被測定軸を通る
磁歪成分を検出する検出手段を備えたトルクセンサにお
いて、前記被測定軸の少なくとも磁歪を検出する部分が
、下記(A)〜(C)に示す特性、 (A)飽和磁歪λsが、 o、5xio−’≦1λs1≦15X10−6であるこ
と、 CB)飽和磁歪入Sと結晶磁気異方性定数K。 (J/m3)との比が。 IKl/入S1≧6X108 (J/m3)であって、
かつ ねじり応力に対する弾性限τE (K g f / m
m2)が、 τ8≧20 (Kgf/mm2) であること、および/または ねじり応力に対する0、2%耐力τ (Kgfo、2 7mm2)が。 τo、2≧40 (Kgf/mm2) であること。 (C)保磁力HC,(Oe)が 5 (Oe) ≦Hc≦50(Oe)であること、
および/または 初透磁率用、が、 10≦ル、≦100 であること、および/または 最大透磁率ル が。 50≦ル ≦250 であること。 のうちの少なくとも一つを満足しているものとすること
により、上述した従来の課題を解決するための手段とし
たことを特徴としている。 本発明に係るトルクセンサは、上記のように、被測定軸
と、前記被測定軸を磁路の一部とする磁気回路を形成す
る励磁手段と、前記被測定軸に発生する磁歪成分を検出
する検出手段を備えた構造をなすものであるが、この場
合、例えば、前記励磁手段と検出手段は、それぞれ別個
のコイルすなわち励磁コイルと検出コイルとから形成し
て励磁と検出とを行うようにした構成とすることができ
、あるいは共通のコイルから形成して当該コイルの透磁
率変化によるインタフタンス変化を検出するようにした
構成とすることもできる。さらに、被測定軸には、その
軸心方向に対して所定の角度をなす凹凸状部を形成して
、形状的な磁気異方性を付与するようになすこともでき
るが、このような構造のものに限定されることなくその
他種々の構造のものを採用することが可能である。 本発明に係る磁歪式のトルクセンサでは、被測定軸とじ
て、少なくともその一部、とくに磁路を形成する部分、
もしくは被測定軸の全体が、上述した特定の磁気的特性
、a械的性賀を有する素材を用いることを特徴とするも
のであり、以下に、その理由について述べる。 まず、飽和&i歪入Sは、材料によって大きさが変化し
、その値が大きいほど感度は高くなるので、この飽和磁
歪λsは0.5X10’6以上とすることが望ましい、
しかし、15X10−’を超えると感度は向上するが、
後述する飽和磁歪入Sと結晶磁気異方性定数に+ (
J/m’)との比1に、/入S1の値が小さくなってヒ
ステリシスを生じやすくなるので、この飽和磁歪λsは
15 X 10−6以下であることが望ましく、したが
って、0.5X10−’≦1λs1≦15×101とし
た。 つぎに、結晶磁気異方性定数Ks (J/m’)は、
結晶質の磁性体が本来もっている磁気的な異方性の大き
さであり、材料の成分や結晶構造、金属組織によって種
々変化する。この結晶磁気異方性定数に、は、外部から
印加される応力(トルクセンサの場合にはねじり応力)
に従って変化し、この結晶磁気異方性定数KKと飽和磁
歪λsとの比lK+/入S1の値が、ヒステリシスを生
じさせることなく印加することが可能な最大印加応力に
相当する。そこで、材料によって決まるIK+/入S1
入信1相当する応力を超えて印加すると、センサ出力曲
線が直線からはずれて、ヒステリシスを生じることにな
る0例えば、自動車のドライブシャフトのように大きな
トルクが印加される場合には、このIK+/入S1入信
1さは8X10’ (J/m3)以上であることが望
ましい。 また、印加される応力の最大がlKt/λs1に相当す
る応力以内であっても、素材のねじり応力に対する弾性
限τ (Kgf/mm2)が小さいと、自動車のドライ
ブシャフトのように大きなトルクが印加された場合には
塑性変形を引き起こし、ヒステリシスを生じさせる。し
たがって、このような不具合を避けるためには、ねじり
応力に対する弾性限τEは20Kgf/mm2以上、お
よび/またはねじり応力に対する0、2%耐力で0.2
は40Kgf/mm2以上であることが望ましい、ここ
で、一般的には弾性限τEを正確に求めることは困難で
あるので、0.2%耐力で0.2を求めるのがよい。 さらに、上述した飽和磁歪入Sの大きさが、0.5X1
0−’≦1人sl≦15 X l O−’、飽和磁歪入
Sと結晶磁気異方性定数に、との比の大きさが、lK1
/λs1≧6X108(J/m3)を満たすためには、
より一般的な磁気的性質の評価では、保磁力Hcが5(
Oe)≦Hc≦50(Oe)、初透磁率1がlO≦IL
i≦100.最大透磁率ル。が5o≦ILm≦250の
うちの少なくともいずれかを満たすことが必要である。 (実施例) i1図はこの発明の実施例におけるトルクセンサを示し
ている。 図に示すトルクセンサ1は、その全体が後出の第1表に
示す磁気的性質1機械的性質を有するFe系合金から成
る被測定軸2を用いており、この被測定軸2の表面には
、当該被測定軸2の軸心方向に対し所定の角度をなす凹
状部3a、3bおよび凸状部4a、4bが適宜なる間隔
をもって当該被測定軸2と一体に形成してあり、これら
凹状部3a、3bおよび凸状部4a、4bによって形状
磁気異方性を持つようにしである。 この場合、荊記一方の凹状部3aおよび凸状部4aと、
他方の凹状部3bおよび凸状部4bとは、軸心方向に対
し同じ傾斜角度(例えばこの実施例では45゛)でかつ
互いに反対方向に傾斜した状態で一対をなすものとして
設けである。 また、このトルクセンサ1は、前記被測定軸2のほかに
、当該被測定軸2に形成した一方の凹状部3aおよび凸
状部4aと、他方の凹状部3bおよび凸状部4bに対向
して配置させた一対のコイル5a、5bを有しており、
前記コイル5a。 5bの外側に、かつ被測定軸2との間で間隙6をおいて
、高透磁率材料よりなる円筒状のヨーク7を設けた構造
をなすものである。この場合、コイル5a、5bは、被
測定軸2を磁路の一部とする磁気回路を形成する励磁手
段と、前記被測定軸2を通る磁歪成分を検出する検出手
段とに共通して使用されるものとなっている。 このような構造のトルクセンサ1において、コイル5a
、5bは、第2図に例示するように、抵抗11.12と
組合わされてブリッジ回路を構成し、このブリッジ回路
にバランス用の可変抵抗13を設けると共に、ブリッジ
回路の接続点A、C間には励磁用発振器14を接続して
励磁方向を同一方向に合わせ、接続点B、B’間には差
動増幅器15を接続して、出力端子16.17より検出
出力を取り出すことができるようにしである。 次に、前記第1図に示したトルクセンサ1を第2図に示
した電気回路に接続した場合の動作について説明する。 まず、作動に際しては、励磁用発振器14より、コイル
5a、5bに一定振幅(V)および周波数(f)の交流
を通電する。この通電によって、被測定軸2→間隙6→
ヨーク7→間隙6→被測定軸2を磁路とする磁力線が、
コイ、ル5a。 5bを取り囲むように発生する。 ところで1通電する交流の周波数(f)を高くすると、
被測定軸2にはうず電流が増加する。 そして、うず電流の分布は被測定軸2の中心に近いほど
強く、表面では零となる。そのため、表面での磁化は外
部磁場の変化に追従できても、内側になると磁化の変化
は妨げられるようになる。 したがって、前記の磁力線は被測定軸2の表面部分を流
れ、被測定軸2には凹状部3a、3bが、当該被測定軸
2の軸心方向と所定の角度をなすように形成しであるた
め、これが磁気抵抗となり、凸状部4a、4bを主体に
流れることになる。それゆえ、前記凹状部3a、3bお
よび凸状部4a、4bによる形状磁気異方性の効果が現
われる。 上記凹状部3a、3bおよび凸状部4a、4bの軸心方
向に対する角度は、一方の凹状部3aおよび凸状部4a
と他方の凹状部3bおよび凸状部4bとが互いに逆方向
でかつ等しい角度を有するものとしているが、前記角度
が最も望ましいのは、被測定軸2にトルクが印加された
場合の主応力方向、すなわち、右45@方向および左4
5゜方向をなすようにすることである。この理由は、前
記磁力線は主応力方向を主体に流れ、かつ凸状部4a、
4bは被測定軸2の最表面部であるから最もひずみが大
きいところであり、このひずみによる磁性体の透磁率変
化を最も効果的にひき出すことができるためである。 そして、被測定軸2に対して第1図に示すT方向にトル
クが印加されると、一方の凸状部4aは右45°方向に
形成されているため、最大引張応力+σが作用し、反対
に、他方の凸状部4bは左45°方向に形成されている
ため、最大圧縮応力−σが作用する。 ここで、被測定軸2が正の磁気ひずみ効果を有していれ
ば、一方の凸状部4aの透磁率はトルク零のときに比べ
て増大し、逆に、他方の凸状部4bの透磁率はトルク零
のときに比べて減少する。 したがって、一方のコイル5aのインダクタンスは増大
し、他方のコイル5bのインダクタンスは減少するので
、第2図に示したブリッジ回路のバランスがくずれ、出
力端子16.17間にトルクに対応した出力が生じる。 また、トルクが逆方向に印加された場合には、前述した
のと逆の作用により、一方のコイル5aのインダクタン
スは減少し、他方のコイル5bのインダクタンスは増大
するので、第2図に示したブリッジ回路のバランスがく
ずれ、出力端子16.17間にトルクに対応した出力が
生じる。 これをさらに具体的に説明すれば、コイル5a、5bの
インダクタンスをそれぞれL1+L2とし、抵抗11.
12の抵抗値をRとし、励磁用発振器14の電圧を79
周波数をfとしたときに、ブリッジ回路A−B−Cを流
れる電流をil、回路A−B’−Cを流れる電流を12
とすると、 となり。 B点の電位v1は、 v、=t、争1’iB′点の電位
v2は、v2=12・R となる。 ソコテ、 B−B’ f)’a位MハI V+ −V2
1で表わされ、これを差動増幅器15で求めることに
よりトルクの検出を行う。 本発明の実施例におけるトルクセンサ1では、凹状部3
a、3bおよび凸状部4a 、4bをその傾きが反対で
ある一対のものとし、それぞれにコイル5a、5bを対
向させて、前記凹状部3a。 3bおよび凸状部4a、4bにおける磁性変化の差をブ
リッジ回路により検出するようにしているので、被測定
軸2の透磁率が温度によって変化したとしても、出力の
零点は動かないものとすることができ、トルクの検出精
度を高いものとすることが可能である。 この実施例において、被測定軸2は、Feを主成分とし
、C,Si 、Mn、Ni 、Cr。 MOなどの元素を含むFe系合金を素材としている。 そこでまず、各成分のものについて50Kgずつをそれ
ぞれ真空誘導炉中で溶製したのち、鍛造し、焼ならし熱
処理を行なったあと被測定軸2となる形状に機械加工を
施し、次いで第1表に示す条件で浸炭焼入れ焼戻し、焼
入れ焼戻しなどの熱処理を行って被測定軸2を作製した
。 これらの被測定軸2は、直径が20mmの軸の表面部分
に、軸心方向に対し所定の角度(この実施例では45°
)を有する幅2mm、段差Inmの凹状部3a、3bお
よび凸状部4a、4bが一体に形成しである構造をなす
ものである。 次に、上記各被測定軸2を用いた第1図に示した構造の
トルクセンサ1において、第2図に示した電気回路図の
励磁発振器14より、コイル5a、5bに対して周波数
30KHz、電流100mAの交流を供給することによ
って、被測定軸2→間隙6→ヨーク7→間隙6→被測定
軸2を磁路とする磁気回路を形成させておき、この状態
で左右回転方向にそれぞれ30Kgf11mのトルクを
印加した際の前記被測定軸2の透磁率変化をコイル5a
、5bにおいてインダクタンス変化として交流ブリッジ
により検出し、このときの各トルクセンサーの出力感度
(第3図の角度θ)およびヒステリシス(第3図の幅h
)を調べた。これらの結果を同じく第1表に示す。 また、センサ出力特性を調べた被測定軸と同じ材質のも
のについて、ri1気的性質1機械的性質を調べた。こ
れらのうち、悠和磁歪入Sは歪ゲージ法により測定し、
結晶磁気異方性定数に!はトルク法によってδ11足し
た。また、保磁力Hc、初透磁率g0.最大透磁率ル
は磁気リング試験片を1
m用い、B−H曲線を描くことにより読みと
った。 なお、初透磁率p、は磁界Hが50eときの透磁率をμ
、−とじた。また、ねじり応力はひずみゲージの貼付に
よりせん新店カーひずみ曲線を描き、この曲線が直線か
らはずれる点を弾性限τ。 とし、0.2%の永久ひずみを生じるときのせん新店力
をτ。、2とした。これらの結果もあゎわせて第1表に
示す。 第1表に示すように、0.5X10へb≦1人s1≦1
5 X 10−’であるもの、IK+/λs1≧6XI
O8(J/m3)でかつτ ≧20 (Kgf/mm2
)および/またはIK1/入S1≧6X10r′ (J
/m3)でかつτ0.2≧40 (Kgf/mm2)で
あるもの、5≦Hc≦50(Oe)および/または10
≦p、≦100および/または50≦弘 ≦250であ
る被側定軸2を用いた本発明例No、 1〜6の場合に
は、ヒステリシスは10%以下となっている。そしてな
かでも磁気的性質9機械的性質の両方を満足する本発明
例No、 1〜5の場合にはヒステリシスが7%以下
となっている。 しかし、飽和磁歪1λs1が15X10−’を超え、悠
和磁歪入Sと結晶磁気異方性定数との比IK1/λs1
が6X108 (J/m3)より小さく、保磁力Hcが
5(Oe)より小さく。 初透磁率ル、が100を超え、最大透磁率延 が1
m250を超える比較例No、
7の場合には、感度は高いもののヒステリシスは20%
と大きくなっている。また、飽和磁歪1λs1が0.5
X10−6より小さく、弾性限τ が20(Kgf/m
m2)より小さく、0.2%耐力で0.2が40 (K
gf/mm’ )より小さく、保磁力Hcが5(Oe)
より小さく、初透磁率ル、がlOOを超え、最大透磁率
ル が250を超える比較例No、 8の場合には感度
も低く、ヒステリシスも15%と大きくなっている。 なお、と記実施例では、コイル5a、5bが励磁手段用
のコイルと検出手段用のコイルとに共通使用されたトル
クセンサーを例にとって説明したが、そのほか、第4図
に例示したトルクセンサ21のように、被測定軸22の
外周部に、当該被測定軸22との間に間隙23をおいて
、高透磁率材料からなるヨーク24を配設し、このヨー
ク24には、励磁手段としての励磁コイル25と検出手
段としての検出コイル26とを各々設けた構造をなすも
のとすることもでき、特に限定されない。
る磁気回路を形成する励磁手段と、前記被測定軸を通る
磁歪成分を検出する検出手段を備えたトルクセンサにお
いて、前記被測定軸の少なくとも磁歪を検出する部分が
、下記(A)〜(C)に示す特性、 (A)飽和磁歪λsが、 o、5xio−’≦1λs1≦15X10−6であるこ
と、 CB)飽和磁歪入Sと結晶磁気異方性定数K。 (J/m3)との比が。 IKl/入S1≧6X108 (J/m3)であって、
かつ ねじり応力に対する弾性限τE (K g f / m
m2)が、 τ8≧20 (Kgf/mm2) であること、および/または ねじり応力に対する0、2%耐力τ (Kgfo、2 7mm2)が。 τo、2≧40 (Kgf/mm2) であること。 (C)保磁力HC,(Oe)が 5 (Oe) ≦Hc≦50(Oe)であること、
および/または 初透磁率用、が、 10≦ル、≦100 であること、および/または 最大透磁率ル が。 50≦ル ≦250 であること。 のうちの少なくとも一つを満足しているものとすること
により、上述した従来の課題を解決するための手段とし
たことを特徴としている。 本発明に係るトルクセンサは、上記のように、被測定軸
と、前記被測定軸を磁路の一部とする磁気回路を形成す
る励磁手段と、前記被測定軸に発生する磁歪成分を検出
する検出手段を備えた構造をなすものであるが、この場
合、例えば、前記励磁手段と検出手段は、それぞれ別個
のコイルすなわち励磁コイルと検出コイルとから形成し
て励磁と検出とを行うようにした構成とすることができ
、あるいは共通のコイルから形成して当該コイルの透磁
率変化によるインタフタンス変化を検出するようにした
構成とすることもできる。さらに、被測定軸には、その
軸心方向に対して所定の角度をなす凹凸状部を形成して
、形状的な磁気異方性を付与するようになすこともでき
るが、このような構造のものに限定されることなくその
他種々の構造のものを採用することが可能である。 本発明に係る磁歪式のトルクセンサでは、被測定軸とじ
て、少なくともその一部、とくに磁路を形成する部分、
もしくは被測定軸の全体が、上述した特定の磁気的特性
、a械的性賀を有する素材を用いることを特徴とするも
のであり、以下に、その理由について述べる。 まず、飽和&i歪入Sは、材料によって大きさが変化し
、その値が大きいほど感度は高くなるので、この飽和磁
歪λsは0.5X10’6以上とすることが望ましい、
しかし、15X10−’を超えると感度は向上するが、
後述する飽和磁歪入Sと結晶磁気異方性定数に+ (
J/m’)との比1に、/入S1の値が小さくなってヒ
ステリシスを生じやすくなるので、この飽和磁歪λsは
15 X 10−6以下であることが望ましく、したが
って、0.5X10−’≦1λs1≦15×101とし
た。 つぎに、結晶磁気異方性定数Ks (J/m’)は、
結晶質の磁性体が本来もっている磁気的な異方性の大き
さであり、材料の成分や結晶構造、金属組織によって種
々変化する。この結晶磁気異方性定数に、は、外部から
印加される応力(トルクセンサの場合にはねじり応力)
に従って変化し、この結晶磁気異方性定数KKと飽和磁
歪λsとの比lK+/入S1の値が、ヒステリシスを生
じさせることなく印加することが可能な最大印加応力に
相当する。そこで、材料によって決まるIK+/入S1
入信1相当する応力を超えて印加すると、センサ出力曲
線が直線からはずれて、ヒステリシスを生じることにな
る0例えば、自動車のドライブシャフトのように大きな
トルクが印加される場合には、このIK+/入S1入信
1さは8X10’ (J/m3)以上であることが望
ましい。 また、印加される応力の最大がlKt/λs1に相当す
る応力以内であっても、素材のねじり応力に対する弾性
限τ (Kgf/mm2)が小さいと、自動車のドライ
ブシャフトのように大きなトルクが印加された場合には
塑性変形を引き起こし、ヒステリシスを生じさせる。し
たがって、このような不具合を避けるためには、ねじり
応力に対する弾性限τEは20Kgf/mm2以上、お
よび/またはねじり応力に対する0、2%耐力で0.2
は40Kgf/mm2以上であることが望ましい、ここ
で、一般的には弾性限τEを正確に求めることは困難で
あるので、0.2%耐力で0.2を求めるのがよい。 さらに、上述した飽和磁歪入Sの大きさが、0.5X1
0−’≦1人sl≦15 X l O−’、飽和磁歪入
Sと結晶磁気異方性定数に、との比の大きさが、lK1
/λs1≧6X108(J/m3)を満たすためには、
より一般的な磁気的性質の評価では、保磁力Hcが5(
Oe)≦Hc≦50(Oe)、初透磁率1がlO≦IL
i≦100.最大透磁率ル。が5o≦ILm≦250の
うちの少なくともいずれかを満たすことが必要である。 (実施例) i1図はこの発明の実施例におけるトルクセンサを示し
ている。 図に示すトルクセンサ1は、その全体が後出の第1表に
示す磁気的性質1機械的性質を有するFe系合金から成
る被測定軸2を用いており、この被測定軸2の表面には
、当該被測定軸2の軸心方向に対し所定の角度をなす凹
状部3a、3bおよび凸状部4a、4bが適宜なる間隔
をもって当該被測定軸2と一体に形成してあり、これら
凹状部3a、3bおよび凸状部4a、4bによって形状
磁気異方性を持つようにしである。 この場合、荊記一方の凹状部3aおよび凸状部4aと、
他方の凹状部3bおよび凸状部4bとは、軸心方向に対
し同じ傾斜角度(例えばこの実施例では45゛)でかつ
互いに反対方向に傾斜した状態で一対をなすものとして
設けである。 また、このトルクセンサ1は、前記被測定軸2のほかに
、当該被測定軸2に形成した一方の凹状部3aおよび凸
状部4aと、他方の凹状部3bおよび凸状部4bに対向
して配置させた一対のコイル5a、5bを有しており、
前記コイル5a。 5bの外側に、かつ被測定軸2との間で間隙6をおいて
、高透磁率材料よりなる円筒状のヨーク7を設けた構造
をなすものである。この場合、コイル5a、5bは、被
測定軸2を磁路の一部とする磁気回路を形成する励磁手
段と、前記被測定軸2を通る磁歪成分を検出する検出手
段とに共通して使用されるものとなっている。 このような構造のトルクセンサ1において、コイル5a
、5bは、第2図に例示するように、抵抗11.12と
組合わされてブリッジ回路を構成し、このブリッジ回路
にバランス用の可変抵抗13を設けると共に、ブリッジ
回路の接続点A、C間には励磁用発振器14を接続して
励磁方向を同一方向に合わせ、接続点B、B’間には差
動増幅器15を接続して、出力端子16.17より検出
出力を取り出すことができるようにしである。 次に、前記第1図に示したトルクセンサ1を第2図に示
した電気回路に接続した場合の動作について説明する。 まず、作動に際しては、励磁用発振器14より、コイル
5a、5bに一定振幅(V)および周波数(f)の交流
を通電する。この通電によって、被測定軸2→間隙6→
ヨーク7→間隙6→被測定軸2を磁路とする磁力線が、
コイ、ル5a。 5bを取り囲むように発生する。 ところで1通電する交流の周波数(f)を高くすると、
被測定軸2にはうず電流が増加する。 そして、うず電流の分布は被測定軸2の中心に近いほど
強く、表面では零となる。そのため、表面での磁化は外
部磁場の変化に追従できても、内側になると磁化の変化
は妨げられるようになる。 したがって、前記の磁力線は被測定軸2の表面部分を流
れ、被測定軸2には凹状部3a、3bが、当該被測定軸
2の軸心方向と所定の角度をなすように形成しであるた
め、これが磁気抵抗となり、凸状部4a、4bを主体に
流れることになる。それゆえ、前記凹状部3a、3bお
よび凸状部4a、4bによる形状磁気異方性の効果が現
われる。 上記凹状部3a、3bおよび凸状部4a、4bの軸心方
向に対する角度は、一方の凹状部3aおよび凸状部4a
と他方の凹状部3bおよび凸状部4bとが互いに逆方向
でかつ等しい角度を有するものとしているが、前記角度
が最も望ましいのは、被測定軸2にトルクが印加された
場合の主応力方向、すなわち、右45@方向および左4
5゜方向をなすようにすることである。この理由は、前
記磁力線は主応力方向を主体に流れ、かつ凸状部4a、
4bは被測定軸2の最表面部であるから最もひずみが大
きいところであり、このひずみによる磁性体の透磁率変
化を最も効果的にひき出すことができるためである。 そして、被測定軸2に対して第1図に示すT方向にトル
クが印加されると、一方の凸状部4aは右45°方向に
形成されているため、最大引張応力+σが作用し、反対
に、他方の凸状部4bは左45°方向に形成されている
ため、最大圧縮応力−σが作用する。 ここで、被測定軸2が正の磁気ひずみ効果を有していれ
ば、一方の凸状部4aの透磁率はトルク零のときに比べ
て増大し、逆に、他方の凸状部4bの透磁率はトルク零
のときに比べて減少する。 したがって、一方のコイル5aのインダクタンスは増大
し、他方のコイル5bのインダクタンスは減少するので
、第2図に示したブリッジ回路のバランスがくずれ、出
力端子16.17間にトルクに対応した出力が生じる。 また、トルクが逆方向に印加された場合には、前述した
のと逆の作用により、一方のコイル5aのインダクタン
スは減少し、他方のコイル5bのインダクタンスは増大
するので、第2図に示したブリッジ回路のバランスがく
ずれ、出力端子16.17間にトルクに対応した出力が
生じる。 これをさらに具体的に説明すれば、コイル5a、5bの
インダクタンスをそれぞれL1+L2とし、抵抗11.
12の抵抗値をRとし、励磁用発振器14の電圧を79
周波数をfとしたときに、ブリッジ回路A−B−Cを流
れる電流をil、回路A−B’−Cを流れる電流を12
とすると、 となり。 B点の電位v1は、 v、=t、争1’iB′点の電位
v2は、v2=12・R となる。 ソコテ、 B−B’ f)’a位MハI V+ −V2
1で表わされ、これを差動増幅器15で求めることに
よりトルクの検出を行う。 本発明の実施例におけるトルクセンサ1では、凹状部3
a、3bおよび凸状部4a 、4bをその傾きが反対で
ある一対のものとし、それぞれにコイル5a、5bを対
向させて、前記凹状部3a。 3bおよび凸状部4a、4bにおける磁性変化の差をブ
リッジ回路により検出するようにしているので、被測定
軸2の透磁率が温度によって変化したとしても、出力の
零点は動かないものとすることができ、トルクの検出精
度を高いものとすることが可能である。 この実施例において、被測定軸2は、Feを主成分とし
、C,Si 、Mn、Ni 、Cr。 MOなどの元素を含むFe系合金を素材としている。 そこでまず、各成分のものについて50Kgずつをそれ
ぞれ真空誘導炉中で溶製したのち、鍛造し、焼ならし熱
処理を行なったあと被測定軸2となる形状に機械加工を
施し、次いで第1表に示す条件で浸炭焼入れ焼戻し、焼
入れ焼戻しなどの熱処理を行って被測定軸2を作製した
。 これらの被測定軸2は、直径が20mmの軸の表面部分
に、軸心方向に対し所定の角度(この実施例では45°
)を有する幅2mm、段差Inmの凹状部3a、3bお
よび凸状部4a、4bが一体に形成しである構造をなす
ものである。 次に、上記各被測定軸2を用いた第1図に示した構造の
トルクセンサ1において、第2図に示した電気回路図の
励磁発振器14より、コイル5a、5bに対して周波数
30KHz、電流100mAの交流を供給することによ
って、被測定軸2→間隙6→ヨーク7→間隙6→被測定
軸2を磁路とする磁気回路を形成させておき、この状態
で左右回転方向にそれぞれ30Kgf11mのトルクを
印加した際の前記被測定軸2の透磁率変化をコイル5a
、5bにおいてインダクタンス変化として交流ブリッジ
により検出し、このときの各トルクセンサーの出力感度
(第3図の角度θ)およびヒステリシス(第3図の幅h
)を調べた。これらの結果を同じく第1表に示す。 また、センサ出力特性を調べた被測定軸と同じ材質のも
のについて、ri1気的性質1機械的性質を調べた。こ
れらのうち、悠和磁歪入Sは歪ゲージ法により測定し、
結晶磁気異方性定数に!はトルク法によってδ11足し
た。また、保磁力Hc、初透磁率g0.最大透磁率ル
は磁気リング試験片を1
m用い、B−H曲線を描くことにより読みと
った。 なお、初透磁率p、は磁界Hが50eときの透磁率をμ
、−とじた。また、ねじり応力はひずみゲージの貼付に
よりせん新店カーひずみ曲線を描き、この曲線が直線か
らはずれる点を弾性限τ。 とし、0.2%の永久ひずみを生じるときのせん新店力
をτ。、2とした。これらの結果もあゎわせて第1表に
示す。 第1表に示すように、0.5X10へb≦1人s1≦1
5 X 10−’であるもの、IK+/λs1≧6XI
O8(J/m3)でかつτ ≧20 (Kgf/mm2
)および/またはIK1/入S1≧6X10r′ (J
/m3)でかつτ0.2≧40 (Kgf/mm2)で
あるもの、5≦Hc≦50(Oe)および/または10
≦p、≦100および/または50≦弘 ≦250であ
る被側定軸2を用いた本発明例No、 1〜6の場合に
は、ヒステリシスは10%以下となっている。そしてな
かでも磁気的性質9機械的性質の両方を満足する本発明
例No、 1〜5の場合にはヒステリシスが7%以下
となっている。 しかし、飽和磁歪1λs1が15X10−’を超え、悠
和磁歪入Sと結晶磁気異方性定数との比IK1/λs1
が6X108 (J/m3)より小さく、保磁力Hcが
5(Oe)より小さく。 初透磁率ル、が100を超え、最大透磁率延 が1
m250を超える比較例No、
7の場合には、感度は高いもののヒステリシスは20%
と大きくなっている。また、飽和磁歪1λs1が0.5
X10−6より小さく、弾性限τ が20(Kgf/m
m2)より小さく、0.2%耐力で0.2が40 (K
gf/mm’ )より小さく、保磁力Hcが5(Oe)
より小さく、初透磁率ル、がlOOを超え、最大透磁率
ル が250を超える比較例No、 8の場合には感度
も低く、ヒステリシスも15%と大きくなっている。 なお、と記実施例では、コイル5a、5bが励磁手段用
のコイルと検出手段用のコイルとに共通使用されたトル
クセンサーを例にとって説明したが、そのほか、第4図
に例示したトルクセンサ21のように、被測定軸22の
外周部に、当該被測定軸22との間に間隙23をおいて
、高透磁率材料からなるヨーク24を配設し、このヨー
ク24には、励磁手段としての励磁コイル25と検出手
段としての検出コイル26とを各々設けた構造をなすも
のとすることもでき、特に限定されない。
以上説明してきたように1本発明は、被測定軸と、前記
被測定軸を磁路の一部とする磁気回路を形成する励磁手
段と、前記被測定軸を通る磁歪成分を検出する検出手段
を備えたトルクセンサにおいて、前記被測定軸の少なく
とも磁歪を検出する部分が、下記(A)〜(C)に示す
特性、(A)飽和磁歪λsが。 0.5X10−’ ≦ 1 λ S 1 ≦ 15X
10 −らであること。 (B)飽和磁歪入sと結晶磁気異方性定数に1(J/m
3)との比が。 1に1/入sl≧6X108 (J/m3)であって、
かつ ねじり応力に対する弾性限τ (Kgf/mm2)が、 τ ≧20 (Kgf/mm2) であること、および/または ねじり応力に対する0、2%耐力τ (Kgfo、2 /mm2)が、 τ0.2≧40 (Kgf/mm2) であること、 (C)保磁力He(Oe)が 5(Oe)≦He≦50(Oe) であること、および/または 初透磁率ル、が、 1O≦鉢、≦100 であること、および/または 最大透磁率用 が、 50≦μ ≦250 であること。 のうちの少なくとも一つを満足しているものであるから
、被測定軸の強度を十分に確保したうえで、当該トルク
センサの出力感度を十分良好なものにすることが可能で
あるとともに、ヒステリシスを小さなものにすることが
可能であり、トルクの検出を正確に実施することができ
るようになる。 そして、特に動力伝達軸のような負荷の大きい回転軸そ
れ自体を被測定軸として使用し、当該回転軸に加えられ
るトルクを検出する場合において1回転軸の強度を十分
に確保したうえで、トルクセンサの検出感度を大きなも
のにすることができると同時に、ヒステリシスを小さな
ものにすることができ、トルクの検出をきわめて簡便な
構成にしてしかも正確に行うことができるという非常に
優れた効果がもたらされる。
被測定軸を磁路の一部とする磁気回路を形成する励磁手
段と、前記被測定軸を通る磁歪成分を検出する検出手段
を備えたトルクセンサにおいて、前記被測定軸の少なく
とも磁歪を検出する部分が、下記(A)〜(C)に示す
特性、(A)飽和磁歪λsが。 0.5X10−’ ≦ 1 λ S 1 ≦ 15X
10 −らであること。 (B)飽和磁歪入sと結晶磁気異方性定数に1(J/m
3)との比が。 1に1/入sl≧6X108 (J/m3)であって、
かつ ねじり応力に対する弾性限τ (Kgf/mm2)が、 τ ≧20 (Kgf/mm2) であること、および/または ねじり応力に対する0、2%耐力τ (Kgfo、2 /mm2)が、 τ0.2≧40 (Kgf/mm2) であること、 (C)保磁力He(Oe)が 5(Oe)≦He≦50(Oe) であること、および/または 初透磁率ル、が、 1O≦鉢、≦100 であること、および/または 最大透磁率用 が、 50≦μ ≦250 であること。 のうちの少なくとも一つを満足しているものであるから
、被測定軸の強度を十分に確保したうえで、当該トルク
センサの出力感度を十分良好なものにすることが可能で
あるとともに、ヒステリシスを小さなものにすることが
可能であり、トルクの検出を正確に実施することができ
るようになる。 そして、特に動力伝達軸のような負荷の大きい回転軸そ
れ自体を被測定軸として使用し、当該回転軸に加えられ
るトルクを検出する場合において1回転軸の強度を十分
に確保したうえで、トルクセンサの検出感度を大きなも
のにすることができると同時に、ヒステリシスを小さな
ものにすることができ、トルクの検出をきわめて簡便な
構成にしてしかも正確に行うことができるという非常に
優れた効果がもたらされる。
第1図は本発明が適用されるトルクセンサの構造例を示
す軸方向断面説明図、第2図は第1図のトルクセンサに
接続する電気回路の構成を例示する説明図、第3図は第
1図のトルクセンサの出力特性を示すグラフ、第4図(
a)(b)はトルクセンサの他の構造例を示す各々軸方
向説明図および軸直角方向説明図、第5図は第4図のト
ルクセンサの出力特性を示すグラフである。 1.21・・・トルクセンサ、2.22・・・被測定軸
。 ”in、5b・・・コイル〔励磁手段および検出手段〕
、25・・・励磁コイル(励磁手段)、26・・・検出
コイル〔検出手段〕。 @3図 第4図(a) 第4図(b) 第5図
す軸方向断面説明図、第2図は第1図のトルクセンサに
接続する電気回路の構成を例示する説明図、第3図は第
1図のトルクセンサの出力特性を示すグラフ、第4図(
a)(b)はトルクセンサの他の構造例を示す各々軸方
向説明図および軸直角方向説明図、第5図は第4図のト
ルクセンサの出力特性を示すグラフである。 1.21・・・トルクセンサ、2.22・・・被測定軸
。 ”in、5b・・・コイル〔励磁手段および検出手段〕
、25・・・励磁コイル(励磁手段)、26・・・検出
コイル〔検出手段〕。 @3図 第4図(a) 第4図(b) 第5図
Claims (1)
- (1)被測定軸と、前記被測定軸を磁路の一部とする磁
気回路を形成する励磁手段と、前記被測定軸を通る磁歪
成分を検出する検出手段を備えたトルクセンサにおいて
、前記被測定軸の少なくとも磁歪を検出する部分が、下
記(A)〜(C)に示す特性、 (A)飽和磁歪λsが、 0.5×10^−^6≦|λs|≦15×10^−^6
であること、 (B)飽和磁歪λsと結晶磁気異方性定数K_1(J/
m^3)との比が、 |K_1/λs|≧6×10^8(J/m^3)であっ
て、かつ ねじり応力に対する弾性限τ_E(Kgf/mm^2)
が、 τ_E≧20(Kgf/mm^2) であること、および/または ねじり応力に対する0.2%耐力τ_0_._2(Kg
f/mm^2)が、 τ_0_._2≧40(Kgf/mm^2)であること
、 (C)保磁力Hc(Oe)が 5(Oe)≦Hc≦50(Oe) であること、および/または 初透磁率μ_iが、 10≦μ_i≦100 であること、および/または 最大透磁率μ_mが、 50≦μ_m≦250 であること、 のうちの少なくとも一つを満足していることを特徴とす
るトルクセンサ。
Priority Applications (4)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP63050820A JPH01225181A (ja) | 1988-03-04 | 1988-03-04 | トルクセンサ |
| US07/319,351 US5107711A (en) | 1988-03-04 | 1989-03-06 | Torque sensor |
| DE68918978T DE68918978T2 (de) | 1988-03-04 | 1989-03-06 | Magnetostriktiver Drehmomentwandler. |
| EP89103924A EP0338227B1 (en) | 1988-03-04 | 1989-03-06 | Magnetostrictive torque sensor |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP63050820A JPH01225181A (ja) | 1988-03-04 | 1988-03-04 | トルクセンサ |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH01225181A true JPH01225181A (ja) | 1989-09-08 |
Family
ID=12869399
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP63050820A Pending JPH01225181A (ja) | 1988-03-04 | 1988-03-04 | トルクセンサ |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH01225181A (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20120234107A1 (en) * | 2010-08-26 | 2012-09-20 | Halliburton Energy Services, Inc. | Non-contact torque measurement apparatus and methd |
Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS60123078A (ja) * | 1983-12-08 | 1985-07-01 | Toshiba Corp | トルクセンサ |
| JPS62203032A (ja) * | 1986-03-03 | 1987-09-07 | Nissan Motor Co Ltd | 磁歪式トルクセンサ |
-
1988
- 1988-03-04 JP JP63050820A patent/JPH01225181A/ja active Pending
Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS60123078A (ja) * | 1983-12-08 | 1985-07-01 | Toshiba Corp | トルクセンサ |
| JPS62203032A (ja) * | 1986-03-03 | 1987-09-07 | Nissan Motor Co Ltd | 磁歪式トルクセンサ |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20120234107A1 (en) * | 2010-08-26 | 2012-09-20 | Halliburton Energy Services, Inc. | Non-contact torque measurement apparatus and methd |
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