JPH02122230A

JPH02122230A - トルクセンサ

Info

Publication number: JPH02122230A
Application number: JP27557988A
Authority: JP
Inventors: Masao Kohama; 政夫小浜
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1988-10-31
Filing date: 1988-10-31
Publication date: 1990-05-09

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】［発明の目的］（産業上の利用分野）本発明は、非晶質磁性金属材の磁歪効果を利用して軸ｌ
・ルクを検出するトルクセンサに関する。

（従来の技術）軸トルクを検出するトルクセンサには種々のタイプがあ
る。これらの中に、非晶質磁性金属＋４の磁歪効果を利
用したトルクセンサがある。非晶質磁性金属材の磁歪効
果を利用したトルクセンサの代表的なものは、特公昭６
２−２８４１３号公報に示されているように、軸の外周
面に磁歪効果の大きい非晶質磁性金属帯を固着するとと
もに」１記金属帯の近傍に軸とは非接触状態にコイルを
配設し、軸に加えられた回転力によって生じる非晶質磁
性金属帯の透磁率変化に伴うコイルのインピダンス変化
や誘起電圧変化から軸トルクを検出するようにしている
。すなわち、コイルのインピダンス変化から軸トルクを
検出するようにしたものは、上記コイルを辺とするブリ
ッジ回路を構成し、このブリッジ回路を交流発振器で付
勢している。そして、ブリッジ回路の中点間型位差を差
動増幅器で増幅して軸トルクに対応した信号を得たり、
あるいは必要に応じて同期整流回路を通してトルク増減
の極性をも判別できるように構成している。一方、コイ
ルの誘起電圧変化から軸トルクを検出するようにしたも
のにあっては、検出用のコイルとは別に交流電流で付勢
される励磁用のコイルを設け、検出用のコイルの誘起電
圧の変化から軸トルクを検出するようにしている。

しかしなから、上記のように構成された従来のトルクセ
ンサにあっては２次のような問題かあった。すなわち、
磁歪効果の大きい非晶質磁性金属材を用いた従来のトル
クセンサにあっては、前記説明から判かるように、定電
圧あるいは定電流の交流電源を必要としたり、さらには
検出信号を処理するために同期整流回路、整流回路、フ
ィルタ回路等の複雑な回路素子を必要としたりする。こ
のため、センサ全体が高価格化する問題があった。

そこで、このような不具合を解消するために。

特開昭６２−６１２９号公報に示されているように、ト
ランジスタを用いたマルチバイブレータ方式も提案され
ている。しかし、トルク変化による検出コイルのインピ
ーダンス変化は２通常１％以下と小さい。このため、マ
ルチバイブレータ方式を採用したものにあっては、トル
ク変化に対する周波数変化が小さく、検出感度の点で問
題かあった。

（発明が解決しようとする課題）上述の如く、非晶質磁性金属材の磁歪効果を利用した従
来のトルクセンサにあっては　多くの回路素子を必要と
するために全体か高価格化したり、あるいは検出感度が
低いなどの問題があった。

そこで本発明は、必要な部品数を少なくでき全体の低価
格化を実現できるとともに高感度にトルクを検出できる
トルクセンサを提供することを目的としている。

［発明の構成〕（課題を解決するための手段）」１記目的を達成するために１本発明に係るトルクセン
サでは、２つのコイルを回路要素とした自励発振回路を
用いている。すなわち、磁歪効果を有する非晶質磁性金
属材を軸に固着するとともに上記非晶質磁性金属材の近
傍に上記軸とは非接触に第１および第２のコイルを配設
し、上記軸に加えられた回転力によって生じる上記非晶
質磁性金属材の透磁率の変化に伴なう上記第１および第
２のコイルのインピーダンス変化から上記軸のトルクを
検出するようにしたトルクセンサにおいて。

前記第１および第２のコイルの一方の端子を共通のコン
デンサを介して比較器もしくは差動増幅器の出力端に接
続し、上記比較器もしくは差動増幅器の反転入力端子を
第１の抵抗器を介して基準電位レベル点に接続するとと
もに上記第１のコイルの他方の端子に接続し、上記比較
器もしくは差動増幅器の非反転入力端子を第２の抵抗器
を介して前記基準電位レベル点に接続するとともに第３
の抵抗器を介して上記第２のコイルの他方の端子に接続
して自励発振回路を構成し、前記軸に加わるトルクを上
記自励発振回路の発振周波数の変化として検出するよう
にしている。

（作　用）回路定数を所定範囲に設定すると、第１および第２のコ
イルの僅かなインピーダンス変化に対応させて発振周波
数を大幅に変化させることかできる。したかって、高感
度なトルク検出が可能となる。また、高精度で複雑な部
品は必要とぜす。

しかも部品数も大幅に減少できる。したがって。

全体の低価格化は勿論のこと全体の小型化も実現できる
。

（実施例）以下２図面を参照しながら実施例を説明する。

第１図には本発明の一実施例に係るトルクセンサ１０の
回路構成か示されている。同図において１１は回転力を
伝達するための軸を示している。

この軸１１は強磁性祠あるいは非磁性祠で形成されてい
る。軸１］の外周面で軸方向の中途位置には２箇所に亙
って非晶質磁性金属帯１２．１３が周方向に固着されて
いる。非晶質磁性金属帯１２としては、軸１］の軸心線
に対して角度−αの方向を磁化容易軸とする一軸磁気異
方性を有したものか用いられている。また、非晶質磁性
金属材］３としては軸１１の軸心線に対して角度十αの
方向を磁化容易軸とする一軸異方性を有したものが用い
られている。

軸１１の回りで、非晶質磁性金属帯１２．１３の設けら
れている回りには、これらとは非接触にリング状のコイ
ル１４．１５が配置されている。

そして、コイル１４，１．５の一方の端子１６゜１７は
、容量の大きいコンデンサ１８を共通に介して比較器１
９の出力端に接続されている。なお比較器］９の電源系
統は省略されている。また。

比較器］９の代わりに差動増幅器を用いることもできる
か、出力の立−１−かりか速い比較器の方が後段での信
号処理に際して有利である。比較器１９の反転入力端子
２０は、抵抗器２］を介して基準電位レベル点、つまり
接地されるとともにコイル１４の他方の端子２２に接続
されている。比較器］９の非反転入力端子２３は、抵抗
器２４を介して接地されているとともに抵抗器′２：５
を介してコイル１５の他方の端子２６に接続されている
。上記構成から判かるように、コイル１４，１５．比較
器１９．抵抗器２１，２４．２５は、矩形波発振回路２
７を構成している。なお、比較器１９の出力端はコンデ
ンサ２８を介して接地されておりまた端子２６は抵抗器
２つ、半導体スイッチング素子３０を介して接地されて
いる。

そして、コンデンサー８と端子１．６．１７との接続点
電位か周波数・電圧変換器３１の入力信号として与えら
れ、この周波数・電圧変換器３］の出力■。から軸１１
に加わったトルクを知るようにしている。

次に、上記のように構成されたトルクセンサ］０の動作
を説明する。

軸１１にトルクＴが加わると、軸］１の表面には、軸１
１の軸心線に対して±４５度の方向に引張り応力→−σ
と圧縮応力−σとが生じる。前述の如く、非晶質磁性金
属帯１２．１３は、軸１１の軸心線に対して角度−α、
十αの方向を磁化容易軸とする一軸異方性を有したもの
が用いられている。今、αか概ね４５度であるとすると
、磁化容易軸はトルクＴによって軸１］に生じる表面応
力の方向と同一方向となる。このため、第１図に示すよ
うにトルクＴが加わった状態では、非晶質磁性金属帯１
２には圧縮応力か、また非晶質磁性金属帯］３には引張
り応力か加わることになる。この結果、磁歪効果が効率
よく生じて非晶質磁性金属帯１２の透磁率が減少し、非
晶質磁性金属帯１３の透磁率が増加する。この透磁率の
変化に伴なってコイル１４１５のインピーダンスか変化
し　このインピータンスの変化で矩形波発振回路２７の
発振周波数か変化する。したかって１周波数・電圧変換
器３１の出力■。は軸ｌ・ルクＴに対応したものとなり
、ここにトルクセンサとしての機能か発揮されることに
なる。

ところで、−１−記のように軸トルクＴに対応させて矩
形波発振回路２７の発振周波数を高感度に変化させるた
めの各種条件を説明すると以下の通りである。

比較器１９の出力端電圧Ｅ。は発振周期に対応して±Ｅ
に変化する。今、−Ｅから＋Ｅに変化したときを考える
と、このときの反転入力端子２０の電圧ｖ１は次式で表
わされる。

Ｖ〕−（β］　Ｅ＋Ｖ　）　［１−ｅｘｐ　Ｉ　（１７
１＋ｒ１）ｔ／Ｌ　１）］　Ｖ・・・（１）また、非反転入力端子２３の電圧ｖ２は次式で表わされ
る。

β２＝（Ｒ２Ｅ”Ｖ　）　［１−ｅＸｐ　ｆ−（Ｒ２＋
Ｒ３＋ｒ２　）ｔ／Ｌ　２１］　Ｖ・・・（２）ただし、　（１）　、　（２）式において、β１−Ｒ１
／　（Ｒ１十ｒｔ　　）　　、　　Ｒ２−Ｒ２／　（Ｒ
２＋Ｒ３＋ｒ２　　）、　　Ｒ１は抵抗器２１の抵抗値
、Ｒ２は抵抗器２４の抵抗値、Ｒ３は抵抗器２５の抵抗
値＋ｒｌはコイル１４の内部抵抗値、β２はコイル１５
の内部抵抗値、＋７１はコイル１４のインダクタンス値
Ｌ　２はコイル１５のインダクタンス値、■はβ１＝Ｖ
２となる端子２０．２３の電位である。

なお、コンデンサ１８は２発振周期に対して十分に小さ
いインピーダンス値のものが用いられており、その役割
は比較器１９からコイル１４．１５に直流電流が流れる
のを遮断し、交流電流のみの小さい値に抑えて比較器１
９の動作の安定化を図るためにある。また、コンデンサ
２８は、比較器１９のインダクタンス負荷を補償して動
作の安定化を図る機能を発揮する。したかって、これら
コンデンサ１８，２８は発振の周期には格別関与しない
。

比較器１つの出力端の電圧Ｅ−ｏは、２つの入力端子２
０．２３の電圧Ｖ１　＋　Ｖ　２のレベルによって±Ｅ
に変化する。今、第２図に示す関係に発振させるものと
すると、Ｖ、＜β２のときにはＥｏ−十Ｅとなり、また
Ｖ、＞β２のときにはＥｏ＝−Ｅとなる。したがって、
矩形波発振回路２７を発振させるには、抵抗器２１の抵
抗値Ｒ７とコイル１４のインダクタンス値Ｌ　、とコイ
ル１４の内部抵抗値ｒ、とによって決まる時定数が。

抵抗器２４の抵抗値Ｒ２と抵抗器２５の抵抗値Ｒ３とコ
イル１５のインダクタンス値Ｉ７□とコイル１５の内部
抵抗値ｒ２とによって決まる時定数より大きくなければ
ならないことになる。つまり。

１−　１’　／　（Ｒｔ　　＋ｒ１　　）　　＞　Ｉ、
２　　／　（Ｒ２＋Ｒ３”β２　　）で、かつＲ１／　（Ｒｉ　”ｒｌ）　＞　Ｒ２／　（Ｒ２＋Ｒ３
＋ｒ２　）・・・（３）の関係かなければならない。

］　２しかし、（３）式を満した場合でも、たとえばＬ　１／
　（Ｒｉ　＋ｒ１）　）Ｒ２／　（＋２２　＋１？３　
＋ｒ２　）の場合には、第２図（ａ）の波形から判かる
ように、■、とＶ２の立上り状態が大きく異なるので。

■、＝ｖ２となる■はｖ′、β２Ｅとなり、Ｌｌまたは
Ｒ２が多少変化してもβ１＝Ｖ２に達するまでの時間は
ほとんど変化しない。したがって、この場合にはＬｌあ
るいはＲ２の変化に対応させて矩形波発振回路２７の発
振周波数を大幅に変えることはできない。

これに対し２時定数１−１／　（Ｒ１＋ｒ１）と２時定
数Ｌ　２　／　（Ｒ２＋Ｒ３＋ｒ２　）とが（３）式を
満し、かつ互いに接近する場合、すなわち。

Ｌ　】／　（Ｒ１＋ｒｌ　）　＞　Ｌ　２　／　（Ｒ２
＋Ｒ３＋ｒ２　）で、かつＬ　１／　（Ｒ１＋ｒ１）　＝Ｌ　２　／　（Ｒ２＋Ｒ
３＋ｒ２　）の場合には、第２図（ｂ）に示すように＋
　　ｖｌ　とＶ２の立上がり状態が近似したものとなる
。したがって、この場合にはＶ　］　＝　Ｖ　２となる
Ｖは確実にＶくβ２Ｅとなり、ＬｌあるいはＲ２の変化
が■の値に影響を与え、これによってβ１＝ｖ２になる
時間Ｔ／２が変化する。つまり、この場合には１．１あ
るいはＲ２が僅かに変化しても矩形波発振回路２７の発
振周波数が変化することになる。

なお、この場合、コイル１４のインダクタンスＬ１の増
加に対し、コイル１５のインダクタンスＩ７゜が一定か
、もしくは減少すれば発振周波数が低くなり、コイル１
４のインダクタンスＬ　、の減少に対し、コイル１５の
インダクタンスＬ２が−定か、もしくは増加すれば発振
周波数は高くなる。

同様に、Ｌｌが一定か、もしくは減少し、Ｒ２が増加す
れば発振周波数が高くなり、Ｌｌが一定か。

もしくは増加し、Ｒ２が減少すれば発振周波数か低くな
る。

このことから判かるように、軸１１にトルクＴが加わっ
ていない状態で。

Ｌ　１／　（Ｒｉ　＋ｒ＋　）　＞Ｒ２／　（Ｒ２＋Ｒ
３＋ｒ２）で、かつＬ　１／　（Ｒ１＋ｒ１）　＝　Ｒ２／　（Ｒ２＋Ｒ３
＋ｒ２　）を満し、しかもＲ］　　／（Ｊ　　＋ｒｌ　　）　　＞Ｒ２／（Ｒ２＋
Ｒ３”ｒ２　　）で　かつＲ＋　　／　（Ｒ１＋ｒｌ　　）　　＝Ｒ２／　（１？
２　　＋Ｒ３＋ｒ２　　）を満していれは、軸１］に加
わったトルクＴによってコイル１４，１．５のインタフ
タンスか変化すると、矩形波発振回路２７の発振周波数
か変わりトルクＴと発振周波数とを対応させることかで
き。

結局、トルクＴの大きさを検出することができる。

第３図は、　Ｌ　１／　（Ｒ１＋ｒ、　）　＝４．９Ｇ
６　ｘ　１Ｏ−７Ｌ　　２　　／　　（Ｒ２＋Ｒ３＋ｒ
２　　）　　＝　　４．９４５　　Ｘ　　１０−７β］
　＝０．２５１１１　、　　β２＝０．２４８に設定し
てトルクＴと発振周波数との関係を調べた実験結果を示
すものである。この図からも明らかなようにトルクＴを
高感度に検出することかできる。

なお、矩形波発振回路２７が正常に動作するか否かを知
ることは、たとえはトルクセンサを組込た装置の安全性
を確保する点ならびに保守の点からも重要である。この
実施例では９次のようにして矩形波発振回路２７が正常
に動作するか否かを確認できる。すなわぢ、半導体スイ
ッチング素子３０をオン状態にする。このようにすると
、抵抗器２９か接地状態となるので、■２の電位が変化
し、この結果として発振周波数か変化する。したかって
、矩形波発振回路２７か正常に動作するか否かを確認で
きることになる。

なお、上述した実施例では、最終的に周波数・電圧変換
器３１からトルクＴに対応した信号を得ているか、トル
クＴの大きさに対応した制御をマイクロコンピュータを
介して行なうような場合には、矩形波発振回路２７の発
振信号、つまり矩形波信号をそのままパルス信号として
用い、このパルスの単位時間当りの個数をマイクロコン
ピュータに内蔵されたカウンタでカウントさせ、このカ
ウンタの出力を利用するようにしてもよい。また上述し
た実施例では、コンデンサ１８と端子１６１７との接続
点から周波数信号を取出すようにしているか、比較器１
９の出力端から取出すようにしてもよい。また、コイル
１５のインダクタンス値あるいは内部抵抗を適切に設定
することによって抵抗器２５を省略することもてきる。

さらに。

コンデンサ２８を端子１．６，１．７の接続点と接地点
との間に接続してもよい。その他１本発明の要旨を逸脱
しない範囲て種々変形することができる。

［発明の効果］以上述べたように本発明によれば、簡単な回路要素の組
合わせで実現でき、低価格化ならびに小型化を実現でき
るとともに消費電力の増加を招くこともなく、そのうえ
高感度にトルク検出を行なえるトルクセンサを提供でき
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例に係るトルクセンサの回路構
成図、第２図は同センサにおける矩形波発振回路の好ま
しい回路定数を説明するための図　第３図はトルクと発
振周波数との関係の一実験例を示す図である。１０・・・トルクセンサ、］１・・・軸、１２．１３・
・・非晶質磁性金属帯、１４．１５・・・コイル、］８
゜２８・・・コンデンサ、］９・・・比較器、２１，２
４゜２５・・・抵抗器、２７・・・矩形波発振回路、３
１・・・周波数・電圧変換器。

Claims

【特許請求の範囲】

（１）　磁歪効果を有する非晶質磁性金属材を軸に固着
するとともに上記非晶質磁性金属材の近傍に上記軸とは
非接触に第１および第２のコイルを配設し、上記軸に加
えられた回転力によって生じる上記非晶質磁性金属材の
透磁率の変化に伴なう上記第１および第２のコイルのイ
ンピーダンス変化から上記軸のトルクを検出するように
したトルクセンサにおいて、前記第１および第２のコイ
ルの一方の端子を共通のコンデンサを介して比較器もし
くは差動増幅器の出力端に接続し、上記比較器もしくは
差動増幅器の反転入力端子を第１の抵抗器を介して基準
電位レベル点に接続するとともに上記第１のコイルの他
方の端子に接続し、上記比較器もしくは差動増幅器の非
反転入力端子を第２の抵抗器を介して前記基準電位レベ
ル点に接続するとともに第３の抵抗器を介して上記第２
のコイルの他方の端子に接続して自励発振回路を構成し
、前記軸に加わるトルクを上記自励発振回路の発振周波
数の変化として検出するようにしたことを特徴とするト
ルクセンサ。
（２）　前記比較器もしくは差動増幅器の出力端あるい
は前記共通のコンデンサと前記基準電位レベル点との間
にコンデンサが接続されている請求項１に記載のトルク
センサ。
（３）　前記第３の抵抗器は、前記第２のコイルの内部
抵抗で兼用されている請求項１に記載のトルクセンサ。
（４）　前記第３の抵抗器と前記第２のコイルとの接続
点が第４の抵抗器およびスイッチング素子を直列に介し
て前記基準電位レベル点に接続されている請求項１に記
載のトルクセンサ。