JPH0197825A

JPH0197825A - トルク検出装置

Info

Publication number: JPH0197825A
Application number: JP25369387A
Authority: JP
Inventors: Shoichi Kawamata; 昭一川又; Tadashi Takahashi; 正高橋; Kunio Miyashita; 邦夫宮下
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1987-10-09
Filing date: 1987-10-09
Publication date: 1989-04-17

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、トルク検出装置に係り、特に軸のねじれによ
って生ずる位置の相対ずれを検出するものに好適なトル
ク検出装置に関する。

〔従来の技術〕

従来の装置は、例えば三菱電機技報ＶＯＱ、５Ｂ。

Ｎα７　１９８４の図１に記載のように、軸のねじれを
軸に取り付けた歯車Ａ、Ｂの位相差として、電磁ピック
アップで検出する構成となっていた。しかし、電磁ピッ
クアップの出力信号の大きさは、歯車の回転数に依存し
、低速になると出方信号は小さくなってしまうので高速
回転中でのトルク検出にのみ使用され、超低速あるいは
停止時におけるトルク検出については配慮されていなか
った。

〔発明が解決しようとする問題点〕

上記、従来の技術は、超低速あるいは停止時におけるト
ルク検出については配慮されておらず、モータ等の停止
時におけるトルクの測定ができない問題があった。

本発明の目的は、磁気抵抗効果素子を用いて磁気式ロー
タリイエンコーダの技術を利用し、停止時から高速域ま
で使用できるトルク検出装置を提供することにある。

〔問題点を解決するための手段〕

上記目的は、軸のねじれ検出を、表面に磁気信号を記録
した信号トラックを有する磁気ドラムとこれに対向配置
させた磁気抵抗効果素子から成る磁気センサで構成する
ことにより、達成される。

〔作用〕

磁気抵抗効果素子はパーマロイ等をガラス基板上に蒸着
して作られ、極性に無関係に磁界の強さによって抵抗値
が変化する。従って、全周にＮ。

Ｓの磁気信号が記録された、磁気ドラムに、前記、磁気
抵抗効果素子を対向させると、磁気ドラムのＮ、Ｓ信号
に応じた磁界が磁気抵抗効果素子に加えて、速度に無関
係に磁気ドラムの相対位置を磁気抵抗素子の抵抗変化と
して取り出すことができる。それによって、停止時のト
ルクでも、各々の抵抗変化の大きさを測定することによ
り検出できる。

〔実施例〕

本発明に係るトルク検出装置の実施例を説明する。

第１図は本発明の一実施例であるトルク検出装置の軸承
構成図である。第２図は第１１図において一方の磁気ド
ラムと磁気センサの関係を余した軸承構成図である。第
３図は（Ａ）、（Ｂ）　、第２図の一部展開図であり、
第４図、第５図はその動作波形説明図である。

第１図において、１は回転する軸であり、２゜２′は回
転ドラムである。磁気信号を記録した磁性体３，３′を
有する回転ドラム２，２′は軸１に間隔りだけで隔てて
固着されている。４は磁気抵抗効果素子（以ドＭＲ素子
と称す）Ｒで構成される磁気センサであり、各々回転ド
ラム２．２′に対向し、小さな間隙を介して配置される
。ここで１回転ドラム２，２′と磁気センサ４，４′の
動作について第２図を用いて説明する。

第２図では、動作説明上回転ドラム２と磁気センサ４を
取り出したものである。前述したように、回転ドラム２
の磁性体３にはＮ、Ｓの磁気信号が全周にわたって記録
されており１間隙悲を介してＭＲ素子Ｒｘ、Ｒｚで構成
された磁気センサ４が対向配置されている。

第３図（Ａ）および第３図（Ｂ）は、第２図に示した回
転ドラム２における磁性体３と磁気センサ４の配置関係
を示す拡大展開図である。第３図において、ＭＲ素子Ｒ
ｔ＋　Ｒｘは、記録波長（ＮｔにとＳ極の間隔）λに対
してλ／２ずつ離して配置している。第４図にこの動作
波形を示した。第４図において、前記回転ドラム２の磁
性体３は、回転ドラム２の回転によって図示矢印のよう
に移動するものである。一方１周知のようにＭＲ素子Ｒ
ｘ、Ｒｚは、磁気信号のＮ極、Ｓ極の磁束変化のいずれ
かの信号が加わると抵抗値が低下する特性を有している
ので、磁性体３が矢印のごとく移動すると、ＭＲ素子Ｒ
１，Ｒ，の抵抗変化は、記録波長λに応じた抵抗変化が
得られ各々（Ｒ１＃　Ｒｚ）はλ／２位相のずれた波形
となる。ここで、前記ＭＲ素子Ｒ１，Ｒ２を第５図（イ
）のように３端子に接続し１両端に電圧■を加えると出
力端子ＥＡＲから得られる電圧は、第６図（Ａ）に示す
ような波形となり、磁性体３に記録した磁気信号に対応
した出力Ｅ＾１が得られるものである。一方、同様に第
１図で示した回転ドラム２′と磁気センサ４′からも同
様の作用で第６図（Ｂ）に示した波形Ｅ＾２が得られる
。

ここで、第１図のトルク検出装置において、例えば軸１
の駆動側にモータを取り付け、負荷側に負荷を取り付け
ると軸１は、その負荷トルクに比例して角度θだけねじ
れる。これを式であられすと次のようになる。

ここで、θ：ねじれ角（ｒａｄ　）　、　Ｇ　：軸のせ
ん新係数（ｋｇ／ｄ）　、　Ｌ　：ドラ４間の距離（ａ
ａ）、Ｄ：軸径（１）である、せん新係数Ｇは軸の材質
で決まるもので、ドラム間の距ｆｉＬと軸径りが決まれ
ばねじれ角θに対するトルクＴがわかる。従つて、軸１
のねじれ角θを検出することにより、トルク測定が４能
となる。軸１のねじれ角Ｏの測定方法の一例を第７図（
Ａ）および第７図（Ｂ）に示す。第７図（Ａ）において
、軸１のねじれθは、回転ドラム２と磁気センサ４で得
られる出力Ｅ＾１と回転ドラム２′と磁気センサ４′で
得られる出力Ｅ＾２の零クロスにおける位相差θ２−θ
ｌを測定して行う。すなわち、第７図（Ａ）に示すよう
に負荷トルクが小さい場合は、軸１のねじれ量も小さい
ので出力ＥＡＲとＥ＾２の零クロスにおける位相差θ１
は小さくなる。逆に、第７図（Ｂ）のように負荷トルク
が大きい場合は軸１のねじれ量も増加するので、零クロ
スにおける位相差θ２は大きくなる。従って、この位相
差θｌあるいはθ２を測定すればトルクの大きさを検出
できる。第８図は、本発明によるトルク検出装置の一特
性を示したもので、トルク１゛に対する位相角θの関係
を実測したものである。

一方、ＭＲ素子Ｒは、前述したように磁界の大きさに対
応して抵抗値が変化するため、軸１が停止していても、
ＭＳ素子には回転ドラム２，２′の磁性体３，３′から
のＮ極、Ｓ極による所定強度の磁界が常に加わっている
ため軸１の停止時のトルクを検出することができる。第
９図及び第１０図に停止時におけるトルク検出の一例を
示す。

第９図においては１本発明のトルク検出装置をモータ６
に組込んだ例を示したものである０回転ドラム２，２′
はモータ６のシャフト１に任意の間隔をおいて固着され
ている。磁気センサ４，４′は各々、回転ドラム２，２
′に小さな間隙をおいて対向して配置されている。又、
回転ドラム２゜２′側のシャフト１端には、例えば工作
機などの負荷が接続される。一般に、工作機等を駆動す
る電動機は、インバータ等の発展に伴い直流電動機から
交流電動機化が急速に進んでいる。一方、工作機等を駆
動する電動機の軸トルクの検出は、加工物の加工精度、
加工速度等の制御のフィードバックに欠くことができな
い、電動機の軸トルクは、直流電動機の場合には、電流
とトルクが比例することから、電流を検出することによ
り容易にトルクを検出できるが、交流電動機では゛、電
流トルクが比例しないため、電流でのトルク検出は、困
難である。そこで、本発明のようなトルク検出装置が必
要となる。　　　　− 第９図のトルク゛検出装置で第１図と異なっている点は
、磁気センサの出力をトルク検出の他に位置検出及び速
度検出用として用するため、磁気センサ４，４′の出力
を各々２相出力としている点である。ここで、磁気セン
サの出力を２相出力にすることはＭＳ素子の場合、前述
したように、パーマロイ等をガラス基板上に蒸着して作
るため。

ＭＲ素子パターンの簡単な仕様変更によりガラス基板上
に一体化して製作できるため、磁気センサ４．４′の数
も増えず、センサ自体の大きさもほとんど変らないので
システム全体の構造も簡単になる。

さて、第９図において、磁気センサ２及び２′からほぼ
９０度位相のずれた２相出力ＥＡ１とＥａｔ及びＥＡｔ
とＥＢｔを取り出し、各出力は、比較器５１．５２．５
２’及び５３′により方形波Ａ　！　。

Ｂｓ、Ａｘ及びＢ２を得る。この２相の方形波Ａ　１ｇ
Ｈｚは、第１０図（Ｂ）に示すように磁気センサ４の出
力ＥＡＩを４つのモードに分けるために使用される０例
えば、出力Ｅ＾五のＯ＠〜９０°の範囲では、Ａｔ、Ｂ
ｌの関係はＨｌ、Ｌｏとなり、９０＠〜１８０＠の範囲
では）１１．　Ｈｚとなるゝ。同様に１８０″〜２７０
″ではＬｏ、Ｈｌ、２７０″〜３６０６の範囲ではＬｏ
、Ｌｏとなる。さら、に方形波Ａｘ、に３ｘは、磁気セ
ンサ４′の出力ＥＡａを４つのモードに分けるために使
用される。また、磁気センサ４，４′の出力Ｅ７１．　
Ｅｐ、ｚは前記の方に、第１０図（Ａ）の（ロ）のよう
に各々、三角波の搬送波ＰＭと比較し、出力ＡＭｚ及び
Ａ肘を得る。

例えば、磁気センサ４，４′の出力ＡＡｌＩＡＡ２を第
１０図（Ａ）の（イ）のように正弦波と仮定すれば、出
力Ｅ＾ｉｔ　ＥＡＲのアナログ量で角度θを求めること
ができる。さらに、出力ｈＡｄ、　ＥＡｊ！のアナログ
量は各々１周期間で同一電圧になる点が存在するが、モ
ード判別部８あるいは８′により０〜９０度、９０〜１
８０度、１８０〜２７０度及び２７０〜３６０度の判定
ができる。さらに位置検出部９及び９′により、トルク
検出１４の他に位置検出１２．１２’及び速度検出１３
．１３’の情報を得ることができる。なお、位置および
速度検出については負荷７の位置及び速度検出を精度良
く行う時には負荷側の回転ドラム２′と磁気センサ４′
の情報で行うと検出精度の向上が図れる。あるいは、モ
ータ制御スムーズに行ないたい時はモータ側（駆動側）
の回転ドラム２と磁気センサ４の位置及び速度情報を使
用する方が良い。

更に、負荷の運転状態により負荷側と駆動側をスイッチ
１０及び１０′により切り換える場合もある。

ここで、回転ドラム２，２′が第１０図（イ）の（、）
点で停止している場合を考えると、搬送波ＰＭが磁気セ
ンサ４の出力Ｅ＾工の（ａ）点に達するまで時間ｔａｘ
の幅のパルスＡＭＩが得られる・この時、第９図のモー
タ６のシャフト１にトルクＴが加わっていれば、回転ド
ラム２′と磁気センサ４′から得られる出力ＥＡｚは、
第１０図（Ａ）の（イ）の破線で示すような波形となり
、時間ｔａｘの間の幅のパルスＡＭｚが得られる。この
パルスＡＭｉとＡＭｓは、センサ出力ＥＡ１とＥ７１の
アナログ量に比例するので、時間ｊａｎとｔ、！の値を
トルク測定部１に入力しドラム２．２′間の角度差とし
て求められ、トルク検出が可能となる。

以上の実施例では磁気センサ４，４′より正弦波状の出
力を得られる場合について説明した。しかし、実際の出
力波形は多くの高調波を含んだ歪波の場合が多い、ここ
では歪波でも使用できる最も実用的な実施例を示す、第
１１図は磁気センサ４．４′の磁気抵抗効果素子（ＭＲ
素子）の抵抗変化が回転ドラム２からの磁界により飽和
する最も一般的な抵抗変化である。ＭＲ素子Ｒｈ、Ｒｘ
はそれぞれ第１２図のような接続であり、出力電圧ＥＡ
Ｒは第１３図（Ａ）のような歪波出力となる。

同様に同転ドラム２′と磁気センサ４′による出力ＥＡ
ｔも第１３図（Ｂ）のような歪波・出力となる。

この歪波のアナログ値と回転ドラムの角度の関係は正弦
波のように一義的に決らない、この波形から同転ドラム
の角度を演算する方法を第１４図に示す、ａ気センサ４
と４′からはそれぞれ９０度位相の異る２相出力とが得
られるので、これをアンプＡ　Ｍ　ｚ　”　Ａ　Ｍ　ａ
を通してアナログ−デジタル変換器Ａ　Ｌ）　ｘ　”　
Ａ　Ｄ　ａに人力して、デジタル出力としそれをそれぞ
れ読出′し専用メモリ（ＲＯＭ　）　ＲＯｔ〜ＲＯ４の
アドレスに人力する。この読出し専用メモリは前もって
磁気センサ４，４′からの出力波形を分析し波形のアナ
ログの大きさと角度の関係を記録している。すなわち入
力信号の大きさが角度に対して直線的な比例関係になる
ように、このＲＯＭで補正してやる。このＲＯＭ　　Ｒ
ｏｔ〜ＲＯａの出力はそれぞれマイクロコンピュータＭ
Ｃに人力し、それぞれの角度を演算してその角度差θ０
から（２）式によりトルクＴを演算して出力する。また
、各回転ドラムの角度をあるいは角度の時間的な変化か
ら速度を各々出力することができる０以上のように磁気
センサ４，４′の出力が歪んだ任意の波形で正確にトル
クを検出できる効果がある。

本実施例では、回転ドラム２，２′と磁気センサ４，４
′をモータ６のシャフト１に外付けした構造で説明した
が、回転ドラム２，２′と磁気センサ４，４′をモータ
６の中に内蔵υても良い。

さらに、回転ドラム２．２′の形状をドラムタイプとし
たが、第１５図の様に円板の平′面（片面又は両面）に
磁性体３，３′を装着して検出する構造としてもよい。

磁性体３，３′を円板の両面に装着した場合は磁気セン
サの数も必要個数配置させる必要がある。

又、本実施例ではトルク検出の他に位置検出及び速度検
出の情報を同一のセンサから得られるので、モータ制御
等の高信頼、高精度化が図れる。

〔発明の効果〕

本発明によれば、トルク検出装置を、磁気信号を記録し
た磁性体を有する回転ドラムとＭＲ素子を配置した磁気
センサとにより構成することで、停止時においてもトル
ク検出ができる。さらに磁気センサの出力の大きさは回
転数に依存せず一定であり処理回路の構成も簡単にでき
る。また、磁気を利用しているため塵埃、結露等の耐環
境性に優れているので信頼性の高いトルク検出装置を提
供できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例のトルク検出装置の軸承構成
図、第２図はトルク検出装置を構成する回転ドラムと磁
気センサの詳細図、第３図（Ａ）は磁性体の展開図、第
３図（Ｈ）はこの磁性体に対する磁気センサの平面図、
第４図は磁性体に記録された磁極とセンサの出力を示す
図、第５図はＭＲ素子の三端子接続図、第６図（Ａ）お
よび第６図（Ｂ）は三端子の中点から得られる出力波形
図、第７図（Ａ）および第７図（Ｂ）も同じく磁気セン
サから得られる出力波形に基づいて負荷トルク検出する
手法説明図、第８図は本発明によるトルク検出装置の特
性図、第９図は停止時におけるトルク検出の一実施例を
示すトルク検出装置の構成図、第１０図（Ａ）はセンサ
出力波形と搬送波との関係を示す図、第１０図（Ｂ）は
二つの磁気センサ出力信号からのモードの生別説明図、
第１１図は、本発明による他の実施例の磁性体に記録さ
れた磁極とセンサ出力の関係を示す図、第１２図は他の
実施例のＭＲ素子の三端子接続図。第１３図（Ａ）および第１３図（Ｂ）ゝは他の実施例の
三端子の中性点から得られる出力波形図、第１４図は他
の実施例のトルク検出装置の構成図、第１５図は他の実
施例の軸承構成図である。１・・・軸、２，２′・・・回転ドラム、３．３’・・
・磁性体、４．４′・・・磁気センサ、６・・・モータ
、７・・・負荷、８．８’・・・モード判別部、９，９
′・・・位置検出部、１０．１０’・・・切り換スイッ
チ、１１・・・トルク測定部、１２．１２’・・・位置
出力部、１３゜１３′・・・速度出力部、１４・・・ト
ルク出力部、５１゜５２．５３，５１’　、５２’　、
５３’・・・比較器、Ｒ・・・ＭＳ素子、　ＥＡＩ、　
ＥＡｔ・・・磁気センサ出力、Ａｘ、Ｂｔ・・・モード
判別用２相出力、ＡＮＡ、　ＡＭｚ・・・停止時のパル
ス出力。第４図第５図Ｃイノｆゾ℃ヘハＪＭ人ＥＡｚイ立Ａ（コ　　肉で１第１１図

Claims

【特許請求の範囲】１、駆動源と負荷とを結ぶ回転軸上に所定間隔で取付け
られた複数の角度検出器と、この複数の角度検出器によ
つて検出された角度の相対的な角度差により負荷トルク
を検出する装置に於いて前記回転軸の駆動側と負荷側に所定の間隔をもつて取付
けられ、表面に磁気信号を生成する複数の磁極を有する
複数の回転ドラムあるいは回転ディスクの前記表面に対
向して配置され、かつ前記磁極の磁界に感応して内部抵
抗が変化する磁気抵抗効果素子を具備する磁気センサを
備え、前記それぞれの回転ドラムあるいは回転ディスク
の角度に対応した２組の出力を前記出力センサより得る
と共にこの出力の波形に対応した角度を記憶したＲＯＭ
（メモリ）を有し、ＲＯＭの出力を元に２組の出力の角
度差を演算出することを特徴とするトルク検出装置。２、特許請求の範囲第１項記載のものにおいて、前記各
組の二角波出力は、各々位相の異なる多相出力としたこ
とを特徴とするトルク検出装置。３、特許請求の範囲第２項記載のものにおいて、前記多
相出力を使用して角度を演算することを特徴とするトル
ク検出装置。４、特許請求の範囲第１項記載のものにおいて、最大ト
ルク印加時の複数の回転ドラムあるいは回転ディスク間
の角度差は三角波出力の１サイクル以内としたことを特
徴とするトルク検出装置。５、特許請求の範囲第１項記載のものにおいて、三角波
出力の１サイクル間を複数モードに分けて、角度演算を
行うことを特徴とするトルク検出装置。６、特許請求の範囲第１項記載のものにおいて、磁気セ
ンサの出力信号をトルク検出の他に回転軸の位置又は速
度を演算して出力するようにしたことを特徴とするトル
ク検出装置。