JPH03229121A - 磁歪式トルクセンサ - 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】 ［産業上の利用分野コ 本発明は、高感度の磁歪式トルクセンサに関する。

［従来技術］ 磁歪式トルクセンサの一例を第８図に示す。

この磁歪式トルクセンサは、回転軸９表面に被着された
磁歪膜９１．９２からそれぞれ径方向に一定間隔離れて
励磁コイル９３及び検出コイル９４を嵌着している。

磁歪膜９１．９２の形状は回転により互いに逆方向の応
力が作用するように形状磁気異方性が付与されており、
正の磁歪を有する磁性膜では、例えば引張り応力を受け
る磁歪膜９１の透磁率は増加し、例えば圧縮応力を受け
る磁歪膜９２の透磁率は減少する。したがって、励磁コ
イル９３．９３に交流電流を通電すれば、励磁コイル９
３と検出コイル９４との間の相互インダクタンスが互い
に逆方向に変化するので、雨検出コイル９４．９４の出
力電圧差によりトルクが検出される。

［発明が解決しようとする課題］ 上記したように、従来の磁歪式トルクセンサでは、回転
軸の応力変化によるインダクタンス変化（もしくは、イ
ンダクタンス変化によるリアクタンス変化を含むインピ
ーダンス変化）によりトルクを検出している。しかし、
応力変化によるインダクタンス変化はそれほど大きくな
く、その結果として、検出感度の向上を図ることが容易
ではないという問題があった。

本発明は上記問題に鑑みなされたものであり、高感度の
磁歪式トルクセンサ用を提供することを解決すべき課題
としている。

［課題を解決するための手段］ 本発明の磁歪式トルクセンサは、磁歪膜が外周面に形成
された回転軸に巻装され上記磁歪膜を貫通する磁束を発
生させるコイルと、該コイルに交流電圧を印加する交流
電源と、上記コイルに通電される交流Ｉｉ流を検出する
電流検出部と、上記交流電圧と上記電流とから上記コイ
ルの抵抗変化を検出するとともに上記抵抗変化から上記
回転軸のトルクを検出するトルク算出部とを包含してい
る。

［作用］ 回転軸にトルクが作用し、コイルが磁歪膜を貫通する交
流磁束を発生させると、トルクにより磁歪膜の鉄損（主
としてヒステリシス損）が変化する。この鉄損失変化は
、コイルに印加する交流電圧とコイルに通電される電流
との位相差により検出される。

すなわち、本発明の磁歪式トルクセンサでは、コイルの
インピーダンスの内で特に抵抗成分の変化だけでトルク
を検出する。

［実施例］ 本発明の磁歪式トルクセンサは、第１図に示すように、
磁歪膜１が外周面に被着される回転軸２に巻装されるコ
イル３と、コイル３に所定周波数の交流電圧■を印加す
る交流電源４と、コイル３と直列に接続されコイル３の
電流Ｉを検出する電流変換器（ＣＴ、本発明でいう電流
検出部）５と、コイル３の抵抗変化により回転軸のトル
クを検出するトルク算出部６とを備えている。

トルク算出部６は、電流変換器５から出力されるコイル
電流ｌｘと、交流電圧Ｖとを乗算する乗算器６１と、乗
算器６１から出力される電圧を全波整流する全波整流器
６２と、全波整流器６２から出力される整流電圧から搬
送波成分を除去し平均電圧を出力する平均値回路６３と
からなる。

回転軸９は直径２ｃｍであり、磁歪膜１は、膜厚が約７
００μｍ、幅が４ｅｍｍに形成され、組成がＦｅ：５６
ｗｔ％、Ｎｉ：４０ｗｔ％、ＣＯ：４ｗｔ％である減圧
プラズマ溶射膜からなる。磁歪膜１は左リード４５度に
形成され、所定間隙を保って形成された複数の斜帯覆１
ａからなり、各斜帯膜１ａの幅は５ｍｍ、隣接する二つ
の斜帯膜１ａ、１ａ間の間隙幅は１ｍｍに設定されてい
る。

コイル３は磁歪膜１と小間隔を保って回転軸９に嵌着さ
れた３００ターンの樹脂ボビン（図示せず）に巻装され
ている。

なお、この実施例では、交流電源部４の内部抵抗、配線
抵抗及びコイル３の直流抵抗はできるだけ小さく設計し
て、無視できるようにしている。

その結果、第１図の回路は、第２図の等価回路に書き直
すことができ、コイル３は交流抵抗Ｒとリアクタンスｊ
ωＬどの並列接続により表すことができる。

以下、この磁歪式トルクセンサの動作を説明する。

回転軸９に加わるトルクにより磁歪膜１の透磁率が変化
し、同時にコイル３の鉄損が変化する。

この鉄損変化は主として磁歪膜１のヒステリシス損の変
化によるものと考えられる。鉄損変化はコイル３の交流
抵抗Ｒを変化させ、磁歪膜１の透磁率変化はコイル３の
リアクタンスｊωＬを変化させ、これらの変動によりコ
イル３のインピーダンスが変化すれば、電流Ｉが変化す
る。

コイル３の鉄損（消費電力）Ｐｅは、周波数及び電圧Ｖ
が一定であるので、以下のようになる。

ｐｅ＝ｖｘ　ｌＸＣ０５ｅ したがって、交流電圧Ｖと電流値Ｉの実効値を求めれば
鉄損ｐｅがわかり、鉄損Ｐｅがわかれば、Ｐｅ＝Ｖ’　
／Ｒ であるので、 Ｒ＝Ｖ”　／Ｐｅの式から計算することができる。

ただし、上述したように鉄損ｌｅｅと交流抵抗Ｒとは関
連しているので、鉄損ｐｅの変化から直接、トルク変化
を検出することができる。すなわち、交流電圧■と交流
の電流Ｉとを乗算器６１でアナログ乗算し、乗算電圧を
全波整流器６２で全波整流し、全波整流器６２から出力
された全波整流電圧を平均値回路６３で平均すれば、上
記した鉄損Ｐｅ＠緯出することができる。

以下、実験結果を、第３図〜第７図に示す。

タタし、交流電圧ｖは１ｖとし、１５ｋＱ−ｍのトルク
を加えた。この時、電流Ｉは１０ｋｌ−１２で４ｍＡ、
１００ｋＨｚで６０μ八程度であった。

以下、Ｒはコイルの直流抵抗及び交流抵抗の両方を含む
全抵抗を表し、しはコイルのインダクタンスを表す。

第３図は、回転軸をステンレス鋼５ＵＳ３０４で製作し
た場合における交流電圧Ｖの周波数とＲｌＬの変化率を
表す。Ｒの変化率の方がしの変化率よりも格段に高いこ
とがわかる。

第４図は、トルクとＲの変化率を表す。ただし、周波数
は１０ｋＨ２でその他の条件は第３図の場合と同一であ
る。

第５図は、回転軸１を炭素鋼３４５Ｇで製作した場合に
おける周波数とＲ，Ｌの変化率を表す。

Ｒの変化率の方がＬの変化率よりも高いことがわかる。

磁歪膜２をアモルファス箔に代えた場合におけるインダ
クタンスＬの変化率を第６図に、抵抗Ｒの変化率を第７
図に示す。ただし、トルクは５ｋＱ−ｍとした。アモル
ファス箔の組成はＦｅ８１ｗｔ％、Ｂ１７ｗｔ％、３　
ｉ　２ｗｔ％とし、膜厚は４０μｍとし、形状は上記し
たものと同一とした。

これらの実験結果から、本実施例のトルクセンサは、高
感度となることがわかる。

また、ヒステリシスが小さいアモルファス磁歪膜よりも
、従来不適当とされていた高ヒステリシス磁歪膜の方が
高感度となることがわかる。

以上の説明では、磁歪膜１及びコイル３を各−個とした
が第８図に示す従来例と同様に磁歪膜及びコイルをそれ
ぞれ各一対ずつ設け、一方のコイルの交流抵抗の増加分
と一方のコイルの減少分とを加算して、トルクを検出し
てもよい。

［発明の効果］ 上記説明したように、本発明の磁歪式トルクセンサでは
、コイルの交流抵抗（若しくはそれに相当する信号）（
より回転軸のトルクを検出しているので、磁歪式トルク
センサの感度を向上することができる。

また、本発明では、低ヒステリシスの磁歪膜を形成する
ことが困難であるＰＶＤ法による被着の容易な高ヒステ
リシス磁歪膜を用いることができるので、被着性に劣る
アモルファス磁歪膜を採用せずとも高感度化を達成する
ことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの実施例の磁歪式トルクセンサのブロック図
、第２図はその等価回路図、第３図〜第７図はこの実施
例の磁歪式トルクセンサの緒特性を示す特性図、第８図
は従来の磁歪式トルクセンサを示す模式図である。 １・・・回転軸 ２・・・磁歪膜 ３・・・コイル ４・・・交流電源 ５・・・電流変換器（電流検出部） ６・・・トルク算出部 工・」 駆り 畦 γ （軟−く） γ価υ舟　メ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 磁歪膜が外周面に形成された回転軸に巻装され上記磁歪
   膜を貫通する磁束を発生させるコイルと、該コイルに交
   流電圧を印加する交流電源と、上記コイルに通電される
   交流電流を検出する電流検出部と、上記交流電圧と上記
   電流とから上記コイルの抵抗変化を検出するとともに上
   記抵抗変化から上記回転軸のトルクを検出するトルク算
   出部とを包含してなる磁歪式トルクセンサ。