JPH01503403A - 機械的応力の無接触式測定装置 - 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】 機械的応力の無接触式測定装置 〔技術分野〕 本発明は、請求の範囲第１項に記載した上位概念に基づくトーション又は曲げ力 の測定装置を出発点とする。

〔背景技術〕

強磁性材料が、引張力又は圧縮力の作用する方向で透磁率を変化することは公知 である。この透磁率の変化はセンサコイルによって無接触式に検出される。材料 としてアモルファス金属を使用する場合、該アモルファス金属は箔の形でしか接 着又は溶着することができない。その場合、被測定物面において該材料の高い付 着強度又はクリープ耐性を得ることは困難である。

更に又、アモルファス金属を溶着する場合に結晶化限界域を容易に越えることが あるので、測定区域部分においてアモルファス金属組織状態が変化し、かつ正確 に規定できるような材料状態はもはや存在しない。また、これに加えて軸面に、 比較的複雑な方式でプレロードをかけて被覆層を設けたとしても、測定範囲全体 にわたって線形に延びる測定曲線は得られない。特に縁範囲では測定曲線は直線 から著しく偏れるので、きわめて小さな測定範囲しか評価することができない。

更に、これに要する製造プロセスはコスト高で実施しにくい。左捩れ軸区分には 第１の層を、また右捩れ軸区分には第２の層を、或いはその逆に設ける必要があ る。その場合、プレロードのかけられた表層部分は狭い測定範囲でしか線形動作 しないので、可能測定範囲の比較的小さい部分しか利用することができない。

〔発明の利点〕

背景技術に対比して本発明の装置は、簡単にかつ手頃なコストで被測定物に層を 高い付着強度とクリープ耐性とを以て装着できるという利点を有している。この 場合プレロードをかける必要はない。評価回路を用いて、全測定範囲にわたって 線形に延びる特性曲婦を評価することが可能である。縁範囲を除き被測定物の片 側で前記層を被覆するセンサコイルを用いることによって、複雑なアクセスの困 難な構造体の場合でもセンサの比較的簡単な組込みが可能である。センサコイル は、比較的多くの形状異方性帯域を同時に検出するので、センサコイル自体によ ってすでに、いわゆる平均値が形成される。コイル巻線形状は、その都度の測定 課題に容易にかつ経済的に適合することができる。

またセンサコイルの装着のために経済的な層加工技術（薄肉層・厚肉層加工技術 ）を使用することが可能である。

従属請求項に記載した手段によって、独立請求項で開示した構成の有利な態様と 改良が可能である。

〔図面の簡単な説明〕

第１図は磁気弾性式のトルクセンサを示す図、第２図は第１図に示した磁気弾性 式トルクセンサを作動するための本発明の回路装置の構成図、第３図は作用する トルクを関数とする測定電圧を示す線図、第４図、第５図、第６図及び第７図は 夫々細部の変化態様を示す図、第８図は製作法の部分断面図である。

〔発明を実施するための最良の形態〕

次に図面に基づいて本発明の１実施例を詳説する。

第１図には、回動をトーションによって測定しようとする軸が符号１０で示され ている。該軸１０には、高磁気弾性材料から成る２つの区域１１．１２が設けら れており、該区域の透磁率は、軸１０に及ぼされる負荷の１関数として変化する 。軸１０の捩れが弾性区域において生じると、９０°の角度を成して交差する主 応力方向が生じる。その場合、図示の線αに溢って引張応力が、また図示の線β に溢って圧縮応力がその都度等しい量で作用する。この場合強磁性材料では、例 えば線αに沿っては透磁率は高くなり、線βに沿っては低くなり、あるいは逆に 線αに沿っては透磁率は低くなり、線βに溢っては高くなる。前記区域において 対称軸線に対して、すなわち軸１０の軸線に対して＋４５°もしくは一４５°の 角度でストリップ線路パターンが構成されている場合には、方向に関連した信号 が生じる。零位ドリフトを低下させるために２つのコイルはホイートストン・セ ミブリッジにおいて接続される。

この場合側コイルはその都度互に９０°ずらされたゾーンを検出する。

透磁率の変化を検出するために各区域１１．＄２には１つのセンサユニット１３ ，１４が夫々配設されている。両センサユ二ツ）１３．１４は等しく構成されて おシかつセンサコイル１６の巻成されたコイルホルダ１５から成っている。セン サコイル１６は軸１０に対してできるだけ僅かな距離ａを以て配置されねばなら ない。センサコイル１６の接続部１７．１８はコンデンサ２１と接続されておシ 、該コンデンサはセンサコイル１６と共に並列振動回路を形成している。両セン サユニット１３．１４の並列振動回路は、第２図で詳細に示した電気的な評価回 路２２に接続されている。

該評価回路２２は両センサユニット１３．１４のための差形成回路として表わさ れている。評価回路２２０両分路は同じ構成素子から成っているので、第２のセ ンサコイル及びその接続回路分路のだめの構成素子は同一対照符号に夫々ａを付 加して示した。交流電圧発振器２５はセンサコイル１６，１６ａに交流電圧を供 給する。前記のようにセンサコイル１６とコンデンサ２１とから成る並列回路は 前置抵抗２６を介して交流電圧発振器２５に接続されている。センサコイル１６ においてセンサ信号２７が取出される。センサ信号２７は、ダイオード２８を介 してフィルタコンデンサ３１とブリーダ抵抗３２とから成るフィルタ回路２９に 供給される。フィルタを通過した信号電圧３３は抵抗３５とコンデンサ３６とか ら成る低域フィルタユニット３４を介して増幅器ユニット３７に達する。

該増幅器ユニット３７は反転形演算増幅回路３８として構成されておシ、該演算 増幅回路の増幅定数は２つの抵抗３９．４０によって設定可能である。この場合 、演算増幅回路３８の負の入力端子にはセンサコイル１６のセンサ信号が、また 演算増幅回路３８の正の入力端子には第２のセンサコイル１６ａのセンサ信号カ 供給される。

センサユニット１３もしくは１４の、通電するセンサコイル１６によって発生さ れた交番磁界は軸１０を検出するので、センサコイル１６の電気特性は軸１０の 区域１１，１２の影響を受ける。先ず軸１０の区域１１．１２の透磁率がセンサ コイル１６のインダクタンスを決定する。すでに述べたように強磁性材料の透磁 率は（トーション応力は周知のように引張荷重と圧縮荷重に分解されるが）引張 荷重下又は圧縮荷重下で変化するので、軸１０の機械的な応力状態を無接触式に 測定することが可能である。更に又、センサコイル１６の透磁率は、区域１１． １２における軸１０の表面からのセンサコイル１６の距離の１関数である。それ ゆえに距離ａは高い実効信号を得るためには、できるだけ小さいのが殊に有利で ある。

しかもセンサコイル１６の磁気特性は付加的に第２の効果によって決定される。

交番磁界は区域１１゜１２における軸１０の表面へ渦電流を誘導し、該渦電流は インダクタンスの低下を生せしめる。また該渦電流の影響量も、区域１１．１２ の軸表面からのセンサコイル１６の距離ａの１関数である。両効果は、該距離ａ が小さくなるに伴なって増強する。区域１１に設けられたス）　ＩＩツブ線路構 成体に基づいて、軸１０に右捩りモーメントが作用すると、センサコイル１６に 作用する磁気弾性効果の変化が生じる。それに伴なって、引張荷重に基づく成分 は増大し、かつ圧縮荷重に基づく成分は減少する。ス）　ＩＪツブ線路構成体は 、複数の細い条溝又はウェブによって相互に分離された帯域から成っている。こ れによって、演算増幅回路３８の磁性を考慮すれば、トルクを関数として測定電 圧ＵＭを示す第６図の線図において、第１象限に示した曲線４５が生じる。捩れ が大きくなると、感度低下傾向が認められる。同様に第■象限の曲線４６は左捩 りモーメントにおける関係を表わしている。小さなモーメントにおいて殊に、ト ーション応力の増大に伴なって感度の顕著な上昇が生じる。第■象限及び第■象 限に示した曲線４７及び４８は、第２センサユニツト１４のセンサコイル１６ａ において同時に生じる電圧を表わし、該電圧はｙ軸に対称的に構成されている。

両曲線４５．４６；４７，４８は、不等湾曲を示しているにも拘らず、逆向きに 延びているが、各勾配特性に基づいて、第２図に示したような適当な評価回路２ ２において減算されてほぼ直線状の測定曲線を生じる。この曲線経過は、区域１ １．１２のパーマロイ磁性材料の磁気弾性感度特性曲線の経過が、引張荷重と圧 縮荷重において異なることに起因している。

大抵の場合例えば構成体積が小さかったり、或いはアクセスが不良である場合性 々にして、軸１０をめぐってリング状のセンサコイル１６を配置することが不可 能になることがある。これに対しては、第４図に示したようにセンサコイル５０ は軸１０の片側にだけ配置され、従って該センサコイルは区域１１．１２の部分 範囲を覆うにすぎない。この場合センサコイル５０と区域１１，１２の軸表面と の距離ａは殊にコンスタントでなければならない。要するにコイルホルダ５１は 、軸１０の軸線上に中心をとる半径を有していなければならない。更に又、該セ ンサコイル５０は、軸１０の軸線の長手方向にコイルホルダ５１をめぐって巻成 されている。これによってセンサコイル５０の巻線はその全長にわたって、区域 １１．１２に設けられたス）　ＩＪツブ線路構成体をカバーしておシ、従って多 数の帯域を概括的にほぼ等測的に同時検出することに基づいて平均値が形成され る。例えば個々のストリップ線路における移行に起因する誤差はセンサコイル５ ０の交番磁界によって減少される。その他の誤差、特に温度ドリフト、は評価回 路２２における両センサコイルの差形成回路によって補償作用に基づき減少され る。センサコイル５０は、軸線に対して直角な横方向で４Ｓ成することかでき、 要するに第４図に示した巻成方向に対して９０°ずらして巻成することもできる 。

また第５図及び第６図に示したようにセンサコイル５０をセグメント状のコイル ホルダ５１上で方形状又は楕円状に構成することも可能である。また・例えば円 形状の複数のセンサコイル５３をコイルホルダ５１の内側に直列配置することも 考えられる。

コンスタントな距離を得るために形状を軸表面に適合させるようにワイヤを巻成 せねばならないようなセンサコイル５０の製作コストは比較的高くつく。しかし センサコイルは電気化学式に例えばエツチング又はメッキによって、あるいはプ リント法や蒸着法で設けられてもよい。

軸１０に磁気弾性層を設けるためには、軸１０の表面を粗面化又は化学的に前処 理しておくのが特に有利である。次いでメッキ又はプラズマジェットによって、 例えば４５：５５の組成比率のＦｅ　／　Ｎｉ層（パーマロイ）が設けられる。

軸面における前記パーマロイ層の付着強度を付加的に高めるために約２μｍ厚の 結合層を設けることも可能である。４５°の角度で整列された帯域は次いで工具 例えば鋭い旋削バイトを用いて全周にわたって刻み目が入れられる。前記パーマ ロイ層の軸方向長が例えば１”：１２ｍｍである場合、帯域幅ｃｚ１龍、刻み込 まれた溝幅ｄ　＝　０．１　ｍｒｘである。

また、第８図に示したように軸１０に、切削加工法又は非切削加工法によってレ リーフ状のストリップ線路パターン５５を製作するのが特に有利と判った。次い で軸表面はメッキ、プラズマジェット又はその他の方法によって磁気弾性層５６ で全面的にコーティングされる。やはり、互に分離された所望の帯域を得るため に次いで切削加工法又は非切削加工法により、町の凸段部位５７が露出し、かつ 、凹設部内の磁気弾性層間の仕切りとして役立つようになるまで、レリーフ部分 が除去される。

本発明により提案される装置は、著しく局限された場所的状況下でトルクを測定 せねばならない所で特に採用することができる。装置の構成が著しく単純で構成 費が手頃であることに基づいて、本装置は、例えば自動車の電気的なかじ取り補 助手段のために適用されるセンサの場合のような大量生産のために特に適してい る。

Ｍ 補正書の翻訳文提出書（特許法第１８４条の８）平成１年１月λ５日 特許庁長官　吉　１）文　毅　殿 １、国際出願番号 ＰＣＴ／ＤＥ　８７１００２５８ ２、発明の名称 機械的応力の無接触式測定装置 ３、特許出願人 ５、補正書の提出年月日 昭和６３年８月２９日 請求の範囲 １、　回転する又は固定的に位置する被測定物（１０）に及ぼされる機械的応力 を無接触式に測定する装置並びに被測定物（１０）であって、被測定物（１０） の壁面には、磁気弾性的に感応する表層部を有する少なくとも２つの区域（１１ ，１２）が設けられており、該区域の透磁率が前記応力の１関数として変化し、 かつ前記区域（１１，１２）の夫々に少なくとも１つのセンサコイル）（１３， １４）が配設されており、各センサユニットが、自己誘導に従って動作するセン サコイル（１６，１６＆）並びに該センサコイル（１６゜１６ａ）を制御して交 番磁界を誘導するだめの発振器（２５）を備えかつ前記センサコイル（１６，１ ６ａ）のインピーダンスの変化を測定するための電気的な評価回路（２２）を有 している形式のものにおいて、区域（１１，１２）が、プレロードをかけずに装 着された表層部と、軸の軸線に対して＋４５°及び／又は−４５°の角度で配列 された条溝パターンを有し、各七ンｆコイル（１６，１６ａ）が少なくとも１つ のコンデンサ（２１，２１ａ）と相俟って、前記電気的な評価回路（２２）の構 成部分を成す並列振動回路を夫々形成して、機械的応力についてほぼ線形の特性 白砂を生ぜしめにとを特徴とする、機械的応力の無接触式測定装置。

２、　センサコイル（１６，１６ａ）に配設された前置抵抗（２６，２６ａ）の 抵抗値、前記センサコイル（１６，１６＆）のインダクタンスとオーム抵抗値、 コンデンサ（２１，２１＆）の容量並びに交番電圧源（２５）の周波数が、区域 （１１，１２）の条溝パターンと相俟って、線形の特性曲線を生ぜしめるように 互に調和されている、請求の範囲第１項記載の測定装置。

６、　センサコイル（ｉ６．１６＆）が区域（１１゜１２）を少なくとも部分的 に覆っており、かつ前記センサコイルがコイル全長及びコイル幅にわたって、区 域（１１，１２）の表面に対してコンスタントな距離（ａ）を有している、請求 の範囲第１項又は第２項記載の測定装置。

４、　センサコイル（５０）が軸の軸線方向に巻成されている、請求の範囲第１ 項から第６項までのいずれか１項記載の測定装置。

５、　センサコイル（１６）の幾何学的形状が円形、楕′円形又は方形である、 請求の範囲第４項記載の測定装置。

６．１つのセンサユニット（１３，１４）に対して複数のセンサコイルが直列に 接続されている、請求の範囲第５項記載の’Ｊ１１定装置。

Ｚ　磁気弾性層が混合比４５　：　５５のＦｅ　−Ｎｉ合金から成る、請求の範 囲第１項から第６項までのいずれか１項記載の測定装置。

８．被測定物（１０）の壁に、所望のパターンに相応したレリーフ構造を形成し 、軸（１０）の面に、磁気弾性材料から成っていて前記レリーフ構造を完全に被 覆するプレロードのかからない層を装着し、該層をレリーフの最大高さまで除去 することを特徴とする、被覆層の装着法。

９　層を非切削加工又は切削加工で除去する、請求の範囲第８項記載の方法。

１０、被測定物（１０）の壁面に粗面化を施した上で磁気弾性材料から成るプレ ロードのかからない層を被覆し、次いで鋭利な工具を用いて所望の条溝形状をで きるだけ僅かな間隔で成形することを特徴とする、被覆層の装着法。

１１、被測定物（１０）の壁面に粗面化を施したのちに該壁面に薄い結合剤層を 設ける、請求の範囲第１０項記載の方法。

国際調査報告 １１０“＾″ｋ””””　ＰＣＴ／ＤＥ　８７１００２５８１ａｌ＃ｎ＋ａ＋ｍ 酔１＾ｐｍ＝”・ｐｃＴｌｏＥ　８７１００２５８ＡＮＮＥＸ　Ｔｏ　Ｔ：’Ｅ 　ＩＮＴＥＲＮＡＴＩＯＮＡＬ　５ＥＡＲＣ：Ｅ　ＲＥ？ＯＲＴ　０ＮＰａｔｅ ｒ＋ｔ　ｄｏｃ＊ｙｅｒｓｔ　Ｐｕｋ＋１ｉｃａｔｉｏｎ　Ｐａｒｅｎｔ　ｆａ 、＝＋ｉｌｙ　？＊ｂＨｃａ′ヒｉｏｒ＋ｃｉｔａｄ　ｉｎ　５ｅａｒｃｈ　ｄ ａｔｅ　ｍ＠ｍｂｅ”：Ｉｓ）　ｄａ℃８

Claims (12)

【特許請求の範囲】
1. １．回転する又は固定的に位置する被測定物（１０）に及ぼされる機械的応力を 無接触式に測定する装置であつて、被測定物（１０）の表面には、磁気弾性的に 感応する表層部を有する少なくとも２つの区域（１１，１２）が設けられており 、該区域の透磁率が前記応力の１関数として変化し、かつ前記区域（１１，１２ ）の夫々に少なくとも１つのセンサユニツト（１３，１４）が配設されており、 各センサユニツトがセンサコイル（１６，１６ａ）並びに該センサコイル（１６ ，１６ａ）を制御して交番磁界を誘導するための発振器（２５）を備えかつ前記 センサコィル（１６，１６ａ）のインピーダンスの変化を測定するための電気的 な接続回路（２２）を有している形式のものにおいて、表層部が、被測定物（１ ０）に装着された磁気弾性材料から成るプレロードのかからない磁気弾性層であ り、かつ各センサコイル（１６，１６ａ）が少なくとも１つのコンデンサ（２１ ，２１ａ）と相侯つて、電気的な評価回路（２２）の部分としての並列振動回路 を夫々形成して、機械的応力についてほぼ線形の特性曲線を生ぜしめることを特 徴とする、機械的応力の無接触式測定装置。
2. ２．センサコイル（１６，１６ａ）に配設された前置抵抗（２６，２６ａ）の抵 抗値、前記センサコイル（１６，１６ａ）のインダクタンスとオーム抵抗値、コ ンデンサ（２１，２１ａ）の容量並びに交番電圧源（２５）の周波数が、区域（ １１，１２）の磁気弾性層のストリップ線路パターンと相侯つて、線形の特性曲 線を生ぜしめるように互に調和されている、請求の範囲第１項記載の測定装置。
3. ３．センサコイル（１６，１６ａ）が磁気弾性層を少なくとも部分的に覆つてお り、かつ前記センサコイルがコイル全長及びコイル幅にわたつて、軸（１０）の 表面に対してコンスタントな距離（ａ）を有している、請求の範囲第１項又は第 ２項記載の測定装置。
4. ４．センサコイル（５０）が軸の軸線方向に巻成されている、請求の範囲第１項 から第３項までのいずれか１項記載の測定装置。
5. ５．センサコイル（１６）の幾何学的形状が円形、楕円形又は方形である、請求 の範囲第４項記載の測定装置。
6. ６．１つのセンサユニツト（１２，１３）に対して複数のセンサコイルが直列に 接続されている、請求の範囲第５項記載の測定装置。
7. ７．磁気弾性層面に、軸の軸線に対して＋４５°と−４５°の角度を成して配列 された条溝が形成されている、請求の範囲第１項から第６項までのいずれか１項 記載の測定装置。
8. ８．磁気弾性層が混合比４５：５５のＦｅ−Ｎｉ合金から成る、請求の範囲第１ 項から第７項までのいずれか１項記載の測定装置。
9. ９．被測定物（１０）の表面が、所望のパターンに相応したレリーフ構造を有し 、軸（１０）の面に、磁気弾性材料から成つていて前記レリーフ構造を完全に被 覆するプレロードのかからない層を装着し、該層をレリーフの最大高さまで除去 することを特徴とする、被覆層の装着法。
10. １０．層を非切削加工又は切削加工で除去する、請求の範囲第９項記載の方法。
11. １１．被測定物（１０）の表面に粗面化を施した上で磁気弾性材料から成るプレ ロードのかからない層を被覆し、次いで鋭利な工具を用いて所望の条溝形状をで きるだけ僅かな間隔で成形することを特徴とする、被覆層の装着法。
12. １２．表面粗面化ののち薄い結合剤層を設ける、請求の範囲第１１項記載の方法 。