JPH04190125A - トルクトランスデューサ - 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、回転軸に作用しているトルクの測定値を与え
る非接触型磁気弾性トルクトランスデユーサの改良に関
する。

［従来の技術］ 回転軸に作用しているトルクの測定値を与える非接触型
磁気弾性トルクトランスデユーサの例として、−特開昭
６３．−２５２４８７号公報に開示されているものを挙
げることができる。

これを中央部縦断面図である第９図および回路図である
第１Ｏ図を示して説明するならば、ａおよびｂは、互い
に対称的な螺旋方向の磁気異方性を有する環状帯であっ
て、回転軸Ｃの表面部に、軸方向に離隔した状態で設け
られている。

この環状帯を、回転軸Ｃと同軸のボビンｄ、　ｅが囲ん
でおり、ボビンｄ、ｅに、１対のコイルｆ、ｇ及びり、
ｉが取り付けられている。そのうちｆとｈは、直列に接
続されて交流で駆動される励磁コイルであり、ｇとｉは
、２つの環状帯の磁束の差を感知する反対向きに接続さ
れた感知コイルである。またＪは、フェライト材料コア
である。

励磁コイルｆ、ｈは交流電源ｋから給電され、反対向き
に接続された感知コイルｇ、ｉに誘起された起電力は、
整流器ｍで位相敏感に整流されて電圧表示器ｎに表示さ
れる。第１０図における黒点はコイルの極性を示す。

回転軸Ｃにトルクが加えられていないときには、環状帯
ａ、ｂ内の応力は対称的で且つ等しいので、励磁コイル
ｆ、ｈに交流電流が加えられても、整流器ｍの出力信号
は実質土庄じない。

しかし、トルクが回転軸Ｃに加えられているときには、
環状帯ａ、ｂはそれぞれ引張応力および圧縮応力を受け
、その結果、一方の環状帯における透磁率は増大し、他
方においては減少する。そのため、一方の環状帯を通る
磁束は増大して、他方においては減少し、一方の感知コ
イルに誘起された電圧は、他方における誘起電圧を上回
る。その結果、その誘起された電圧の差に対応する出力
信号、すなわち、加えられたトルクに比例する出力信号
が得られ、整流器ｍによって、トルク値に対応する直流
電圧に変換される。この整流器出力の極性によって、加
えられたトルクの方向が知れる。

［発明が解決しようとする課題］ 上記のようなトルクトランスデユーサにおいては、回転
軸に対し非接触状態でトルク値を検出するものであるか
ら、回転軸に作用するトルク値を精度良く検出する上で
、励磁コイルや感知コイルに対する回転軸のぶれを十分
に小さいレベルに保つことが必要となる。

ところが、このような点については、従来必ずしも十分
な解決手段が提供されていない。

本発明は、従来技術に存した上記のような問題点に鑑み
行われたものであって、その目的とするところは、励磁
コイルや感知コイルに対する回転軸のぶれを十分に小さ
いレベルに確実に保つことにより、回転軸に作用するト
ルク値を精度良く検出することができるトルクトランス
デユーサを提供することにある。

［課題を解決するための手段］ 上記目的を達成するために、本発明のトルクトランスデ
ユーサは、回転軸に設けられ、その回転軸に作用するト
ルクに応答して透磁率を変化させる強磁性磁歪手段と、 その強磁性磁歪手段に磁場を与える磁場付与手段と、 前記の回転軸に作用するトルクに起因する透Ｍｉ率の変
化を感知してそのトルクの大きさに対応する電気信号に
変換する感知手段と、 回転軸のうち少なくとも感知手段により前記強磁性磁歪
手段の透磁率変化を感知する部分の相対的なぶれを実質
上防止し得るように、軸受手段を介して回転軸を回転自
在に保持する固定ハウジング部材と、 固定ハウジング部材内へ液状潤滑剤を供給し、それを軸
受手段を経て固定ハウジング部材外へ送り出す潤滑手段
とを備え、 磁場付与手段及び感知手段は固定ハウジング部材に対し
固定的に設けられ、 回転軸と一体的に回転する多孔質材料製の回転環状板部
と、その回転環状板部と環状に重合摺動する多孔質材料
製の固定環状板部とを有し、前記液状潤滑剤の送出を許
容しつつ軸受手段への外部からの異物侵入を防止するシ
ール装置が、軸受手段の外側部に設けられているものと
している。

［作用］ 回転軸にトルクが作用すると、強磁性磁歪手段の透磁率
が変化し、その影響が、磁場付与手段によって与えられ
ている磁場に及ぶ。その磁場の変化から、感知手段が前
記透磁率の変化を感知して、回転軸に作用しているトル
クの大きさに対応する電気信号に変換する。

回転軸に作用するトルクに応答して透磁率を変化させる
強磁性磁歪手段のうち、少なくとも感知手段によりその
透磁率変化を感知する部分が設けられている部分の回転
軸の、固定ハウジング部材に対する相対的なぶれが、回
転軸と固定ハウジング部材の間に軸受手段を介在させる
ことにより実質上防止されており、磁場付与手段及び感
知手段は固定ハウジング部材に対し固定的に設けられて
いるので、磁場付与手段及び感知手段に対し、回転軸の
前記部分は、相対的なぶれが実質上防止される。

そして、軸受手段に対する潤滑は、潤滑手段により確実
に行われる。すなわち、潤滑手段によって、固定ハウジ
ング部材内へ液状潤滑剤が供給され、その液状潤滑剤が
、軸受手段を経て、シール、装置における多孔質材料製
の回転環状板部および／または多孔質材料製の固定環状
板部を浸透により通過し、或はそれらの重合部を通過し
て、固定ハウジング部材外へ送り出される。而も、軸受
手段への外部からの異物侵入は、そのシール装置によっ
て防止される。

そのため、軸受手段が損傷することが回避され、磁場付
与手段及び感知手段に対する回転軸の前記部分の相対的
なぶれは、より確実に防止される。

［実施例］ 本発明の実施例を、第１図乃至第８図を参照しつつ説明
する。

第１図乃至第６図は本発明トルクトランスデユーサの１
実施例に関するものであり、そのうち第１図は中央部縦
断面図、第２図は全体の組立図である。

１０は、トルクが加えられる回転軸である。この回転軸
１０は、ニッケル・マレージング鋼製、すなわち強磁性
磁歪材料製である。１２及び１４は、軸方向に離隔して
設けられた環状帯であって、互いに軸対称的な螺旋方向
の磁気異方性を有する。この螺旋方向の磁気異方性を有
する環状帯１２及び１４は、回転軸１０の中央部におけ
る側周面部に、軸線に対しそれぞれ＋４５度、−４５度
をなす多数の螺線状の満１６からなるローレットを形成
し、それによって残留応力を生成させることにより設け
られている。その磁気異方性の強さは、回転軸１０の他
の部分に存在し得る無秩序な磁気異方性より十分に強い
ので、当該他の部分の磁気異方性は無視することができ
る。そして各環状帯１２及び１４は、その周囲長さの少
なくとも５０％（望ましくは８０％）が、残留無応力域
のない周囲領域（部材の軸に垂直な平面と部材の表面と
の交線）を少なくとも１つ有するものである。この実施
例においては、実質上これらの環状帯１２及び１４につ
いて、回転軸１０に作用するトルクに応答して変化する
透磁率を感知するものである。またこの回転軸１０には
、軸線方向に貫通する中空部１８が設けられており、各
環状帯１２及び１４の軸線方向外側の環状部分２０及び
２２に、それぞれ中空部１８と外部とを連通ずる径方向
のオイル供給孔２４が６つずつ放射状に設けられている
。

上記強磁性磁歪材料としては１例えばニッケル・マレー
ジング鋼等の鉄−ニッケル・マルテンサイト硬化可能鋼
や、少なくとも５ｐｐｍの絶対値を有する実質上等方性
の磁歪を特徴とすると共に、０．０５乃至０．７５重量
％の炭素と、当該合金の磁歪を少なくとも絶対値５ｐｐ
ｍに高めるのに充分な量のニッケル、クロム、コバルト
、チタン、アルミニウム、マンガン、モリブデン、銅及
びホウ素から選択された１つ以上の元素とを含む、熱的
に硬化された鋼合金などを挙げることができる。

なお、回転軸１０は、必ずしも全体が強磁性磁歪材料製
である必要はない。例えば、環状帯１２及び１４を設け
る部分の表面近傍部のみを強磁性磁歪材料により構成し
ても良く、表面に強磁性磁歪材料を帯状に接着してもよ
い。

磁気異方性を与えるための残留応力誘起方法は、機械的
方法でも、熱的方法でも、或は適当な他の方法でもよい
。残留応力により誘起される磁気方向特性を回転軸上の
所要個所に付与する方法としては、例えば、過度の捩り
歪み、ローレット切り、研削、機械的けがき、指向性又
はマスク付きショット・ピーニング又はサンド・ブラス
ト、ロールクラツシング、適当な化学的手段、選択的熱
処理等を挙げることができる。残留応力を誘起するため
に加える応力は、使用中にその部分に加わると予想され
る最大の応力より大きいことが特に望ましい。使用中に
回転軸に加わるトルクによって残留応カバターンが変化
し、それと共に環状帯内の磁気異方性が変化しないこと
を保証するためである。

回転軸の軸線に対する残留応力の方向角及びその結果と
しての磁化容易軸の方向角は、両頂状帯１２及び１４に
おいて対称状となされている。その絶対値は、０度より
大きく９０度より小さい範囲においてとることができる
が、１０乃至８０度であることが好ましい。より望まし
くは、２０乃至６０度である。上記環状帯１２及び１４
は、同一直径の部材上に、且つ同じトルクが加わる程度
に互いに十分に近接した状態に配置されることが望まれ
る。

２６は金属製の固定ハウジング部材である。この固定ハ
ウジング部材２６は、略筒状をなし、その側壁部に透孔
２８が設けられている。固定ハウジング部材２６内には
、回転軸１０のうち両頂状帯１２及び１４並びにオイル
供給孔２４が設けられている両頂状部分２０及び２２を
含む部分が挿通されており、この回転軸１０は、両頂状
部分２０及び２２の軸線方向離隔状態において、玉軸受
３０及び３２を介して固定ハウジング部材２６により回
転自在に保持されている。３４及び３６は玉軸受の外輪
、３８及び４ｏは内輪、４２は転勤球体である。

４４は、パーマロイ製、すなわち高透磁率材料製の、電
磁遮蔽ケースである。４６及び４７は励磁コイル用ボビ
ン、４８は励磁コイル用ボビン端子、５０は、その励磁
コイル用ボビン端子４８が設けられた突部、５２及び５
３は感知コイル用ボビン、５４は感知コイル用ボビン端
子、５６は切欠部、５８はフレキシブル回路基板である
。第３図は、これらの部品の組み立て図、第４図はその
完成図を表わす。電磁遮蔽ケース４４は二つ割り状に形
成されており、その内側に、１対の感知コイル用ボビン
５２及び５３が軸線方向離隔状態で接着固定され、それ
らの内側にそれぞれ同心状に、励磁コイル用ボビン４６
及び４７が嵌合した状態で接着固定される。そして切欠
部５６に突部５０が嵌合することにより、励磁コイル用
ボビン端子４８と感知コイル用ボビン端子５４がほぼ直
線状に並んだ状態となる。また、励磁コイル用ボビン４
６及び４７にはそれぞれ励磁コイル６０及び６１が、感
知コイル用ボビン５２及び５３にはそれぞれ感知コイル
６２及び６３が、それぞれ捲回されている。

電磁遮蔽ケース４４の軸線方向両端外周部は、固定ハウ
ジング部材２６の内部に、電ｍ遮蔽ケース４４及び固定
ハウジング部材２６の材料よりも弾力性に富むポリテト
ラフルオロエチレン樹脂製の環状の保持部材６４を介し
て軸方向及び径方向固定状に保持されている。また回転
軸１０の軸線をほぼ中心とする固定ハウジング部材２６
に対する電磁遮蔽ケース４４の回転も、保持部材６４と
の間の摩擦により一応防止される。この保持部材６４に
よる保持によって、両頂状帯１２及び１４のそれぞれを
、回転軸１０と同軸状に、励磁コイル６０及び感知コイ
ル６２並びに励磁コイル６１及び感知コイル６３が非接
触状態で囲むよう構成されている。保持部材６４の横断
面形状は略鈎形であるが、その横断面における一部を切
欠して軸方向及び径方向の接触部付近の断面積を縮小す
ることにより、その部分において軸方向及び径方向に弾
性変形し易いよう構成されている。保持部材６４の材料
は、温度変化による各部品の膨張率の差や、各部品の公
差をある程度吸収し得るようなものであることを要し、
このトルクトランスデユーサの使用対象や使用部位をな
るべく制限しないようにするために、ある程度の高温に
耐えるものであることや、耐油性を有することが望まし
い。

また絶縁性のものであることが望ましい。なおこの実施
例においては、保持部材６４の横断面形状は前述のよう
に略鈎形であるが、回転軸線に垂直な面に沿う環状平板
状部分と回転軸線に平行な周面に沿う筒状部分とに分離
されたものであっても勿論差し支えない。

両正軸受３０及び３２における外輪３４及び３６の軸線
方向外側には、多孔質材料の１つである焼結合金製の固
定環状板部６６及び６７が固定され、それらの外側には
、回転軸１０と一体的に回転する同じく焼結合金製の回
転環状板部６８及び６９が、固定環状板部６６及び６７
と環状に重合摺動するように設けられている。これらの
回転環状板部６８及び６９並びに固定環状板部６６及び
６７は、オイル供給孔２４から供給されるオイル（液状
潤滑剤）の送出を許容しつつ玉軸受３０及び３２への外
部からの異物侵入を防止するシール装置７０及び７２を
構成するものである。そして一方（第１図における左方
）のシール装置７０における回転環状板部６８の軸線方
向外側には、回転軸１０に固定された鉤形横断面の環状
保持器７４によって皿ばね７６等の弾性手段が保持され
ており、これによって当該回転環状板部６８の外周部内
側を固定環状板部６６の内周部外側に弾性的に圧接させ
て環状重合部７８が開きすぎることのないように隙間調
整を図っている。またこの弾性手段によって同時に玉軸
受３０．３２に予圧をかけることも可能である。第１図
の右方のシール装置７２は、弾性手段が設けられない態
様のものとしているが、両方に設けることも勿論可能で
ある。

この実施例においては、環状重合部７８の隙間調整は定
圧予圧の状態で行なわれているが、例えば第７図に示す
ように、回転軸１０に螺合された環状保持体８０によっ
て定位置予圧の状態で隙間調整を行なってもよい。また
例えば第８図に示すように１回転環状板部６８を玉軸受
３０の側に固定し、固定環状板部６６をその軸線方向外
側に環状に重合するよう固定ハウジング部材２６に固定
しても勿論差し支えない。

８２は、玉軸受３０及び３２の軸方向外側に位置する回
転軸１０の溝部に外嵌されたＣリング、８４は、第１図
における左側の玉軸受３０と保持部材６４との間に挿入
された環状のスペーサである。

８６は、螺子孔が貫通している導電材料製の回り止めで
ある。その回り止め８６とｉｔＭｉ遮蔽ケース４４との
間にフレキシブル回路基板５８を挟んだ状態で導電材料
製の螺子８８によってそれらを固定している。全体の平
面図を表わす第５図に示されるように、各回り止め８６
は、透孔２８内に突出してその透孔２８の周方向両側端
部に接する状態に配設され、以て、固定ハウジング部材
２６に対する電磁遮蔽ケース４４の周方向回動が防止さ
れている。９０はシールドケーブル、９２はリード線、
９４はアース線である。アース線９４は、回り止め８６
及び螺子８８を介して電磁遮蔽ケース４４に電気的に接
続され、リード１ｌｉ１９２は、フレキシブル回路基板
５８における必要個所に接続されており、シールドケー
ブル９０は、透孔２８内を通って導出されている。この
シールドケーブル９０は、固定ハウジング部材２６に固
定されているケーブル押え９６を介して固定ハウジング
部材２６に保持され、同時に、シールドケーブル９０に
おけるシールドの折返し部９７と固定ハウジング部材２
６とが、ケーブル押え９６を介して電気的に接続されて
いる。９８は、そのケーブル押え９６を締め付ける締め
付は螺子、１００は、シールドケーブル９０の他端部に
設けられたコネクタである。なお、第５図においては、
シールドケーブル９０、リード線９２、アース線９４、
ケーブル押え９６及び締め付は螺子９８は、省略されて
いる。

本発明トルクトランスデユーサによるトルク検出回路図
の一例を表わす第６図に示されるように、励磁コイル６
０及び６１は、互いに同じ向きに直列接続されて交流電
源１０２により駆動され、感知コイル６２及び６３は、
２つの環状帯１２及び１４の磁束の差を感知すべく、向
きを逆にして直列に接続されている。励磁コイル６０及
び６１は交流電源１０２から給電され、反対向きに接続
された感知コイル６２及び６３に誘起された起電力は、
整流器１０４で位相敏感に整流されて電圧表示器１０６
に表示される。１０８は、雨感知コイル６２及び６３の
間から導出された調整用ラインである。黒点はコイルの
極性を示す。

回転軸１０にトルクが加えられていないときには、環状
帯１２及び１４内の応力は対称的で且つ等しいので、励
磁コイル６０及び６１に交流電流が加えられても、整流
器１０４の出力信号は実質土庄じない。この場合は、両
頂状帯１２及び１４における透磁率が等しく、雨感知コ
イル６２及び６３に誘起される電圧は、大きさが等しく
極性が反対であり、互いに打ち消し合うからである。

しかし、トルクが回転軸１０に加えられているときには
、環状帯１２及び１４はそれぞれ引張応力および圧縮応
力を受け、その結果、環状帯１２及び１４のうち一方に
おける透磁率は増大し、他方の環状帯においては減少す
る。そのため、一方の環状帯を通る磁束は増大して、他
方においては減少し、一方の感知コイルに誘起された電
圧は、他方の感知コイルにおける誘起電圧を上回る。そ
の結果、その誘起された電圧の差に対応する出力信号、
すなわち、加えられたトルクに比例する出力信号が得ら
れる。その出力信号は、整流器１０４によって、トルク
値に対応する直流電圧に変換される。この整流器１０４
の出力の極性によって、加えられたトルクの方向、すな
わち時計回り又は反時計回りが知れる。

回転軸１０は１両環状部分２０及び２２の軸線方向両外
方部において、玉軸受３ｏ及び３２を介して固定ハウジ
ング部材２６により回転自在に保持されているので、回
転軸１０のうち少なくとも環状帯１２及び１４が設けら
れている部分の固定ハウジング部材２６に対する相対的
なぶれが実質上防止されており、電磁遮蔽ケース４４は
、固定ハウジング部材２６に軸方向及び径方向固定状に
保持されているので、電磁遮蔽ケース４４及びその内側
に固定保持されている励磁コイル６０及び６１並びに感
知コイル６２及び６３に対し、回転軸１０の前記部分は
、相対的なぶれが実質上防止される。

この玉軸受３０及び３２の潤滑は、回転軸１０の中空部
１８を経てオイル供給孔２４から固定ハウジング部材２
６内へオイルを供給し、そのオイルを、玉軸受３０及び
３２の転動球体４２の軌道部を経て、シール装置７０及
び７２における焼結合金製の回転環状板部６８．６９お
よび／または焼結合金製の固定環状板部６６．６７を浸
透により通過させ、或はそれらの環状重合部７８を通過
させて、固定ハウジング部材２６の外へ送り出すことに
より、確実に行われる。而も、玉軸受３０及び３２への
外部からの異物侵入は、このシール装置７０及び７２に
よって防止される。異物侵入の防止は、環状重合部７８
の隙間調整を、前記弾性手段による定圧予圧状態で或は
環状保持体による定位置予圧状態で行うことにより、よ
り確実化することができる。

そして、甥子８８によって透孔２８内で固定された回り
止め８６によって、１ｉｉＩｉｆｉ遮蔽ケース４４とア
ース線９４とが接続されると共に固定ハウジング部材２
６に対する電磁遮蔽ケース４４の周方向回動が防止され
、それによって回転軸１ｏに作用するトルク値の検出が
より安定化されると共にリード線９２やアース線９４の
損傷が防がれる。

また上述のように、電磁遮蔽ケース４４は比較的弾力性
のある保持部材６４を介して固定ハウジング部材２６に
軸方向及び径方向固定状に保持されているので、温度変
化による熱応力や、各部品の組み立てによる公差の蓄積
等によるはめ合い応力が電磁遮蔽ケース４４並びに励磁
コイル６ｏ及び６１並びに感知コイル６２及び６３に生
じたり、回転軸１ｏの変形、変位、振動等の影響が玉軸
受３０及び３２並びに固定ハウジング部材２６を経て電
磁遮蔽ケース４４、励磁コイル６ｏ及び６１並びに感知
コイル６２及び６３に伝達されることは抑制される。

なお、回転軸に上記のような環状帯を２つ設けるのでな
（、例えば、回転軸の表面部の少なくとも一部分に螺旋
方向の残留応力により生成された磁気異方性を与え、そ
の部分の少なくとも１つの周囲領域は、その周囲長さの
少なくとも５０％において残留無応力域がないものとし
、磁場付与手段が、前記磁気異方性が与えられた部分と
、回転軸のうちそのような磁気異方性が与えられていな
い区域とに磁場を与えるものとし、感知手段により、前
記磁気異方性が与えられた部分と、回転軸のうちそのよ
うな磁気異方性が与えられていない前記区域との間の透
磁率差を感知するものとすることも可能である。

また、磁場付与手段及び感知手段も、上記のような励磁
コイル及び感知コイルに限定されるものではない。例え
ば磁気ヘッドを、上記のような両頂状帯の外側に１個ず
つ配設することによって、前記磁場付与手段及び感知手
段に代えることが可能である。

［発明の効果］ 本発明のトルクトランスデユーサでは、回転軸のうち少
なくとも感知手段により前記強磁性Ｍ１歪手段の透ｆＦ
ｉ率変化を感知する部分について、軸受手段を介して磁
場付与手段及び感知手段に対する相対的なぶれが実質上
防止されている。そして、軸受手段に対する潤滑は潤滑
手段により確実に行われ、而も軸受手段への外部からの
異物侵入は、そのシール装置によって防止されるので、
軸受手段が損傷することが回避され、磁場付与手段及び
感知手段に対する回転軸の前記部分の相対的なぶれはよ
り確実に防止され、回転軸に作用するトルク値を、感知
手段によってより精度良く検出することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図乃至第６図は本発明トルクトランスデユーサの１
実施例に関するものであり、そのうち第１図は中央部縦
断面図、第２図は全体の組立図、第３図は部分組立図、
第４図は部分完成図、第５図は全体の平面図、第６図は
回路図である。 第７図及び第８図はそれぞれ別の実施例についての要部
断面図である。 第９図は、従来のトルクトランスデユーサについての中
央部縦断面図、第１０図は回路図である。 図面中、１０は回転軸、１２及び１４は環状帯、１８は
中空部、２４はオイル供給孔、２６は固定ハウジング部
材、３０及び３２は玉軸受、６０及び６１は励磁コイル
、６２及び６３は感知コイル、６６及び６７は固定環状
板部、６８及び６９は回転環状板部、７０及び７２はシ
ール装置である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 　回転軸に設けられ、その回転軸に作用するトルクに応
   答して透磁率を変化させる強磁性磁歪手段と、 その強磁性磁歪手段に磁場を与える磁場付与手段と、 前記の回転軸に作用するトルクに起因する透磁率の変化
   を感知してそのトルクの大きさに対応する電気信号に変
   換する感知手段と、 回転軸のうち少なくとも感知手段により前記強磁性磁歪
   手段の透磁率変化を感知する部分の相対的なぶれを実質
   上防止し得るように、軸受手段を介して回転軸を回転自
   在に保持する固定ハウジング部材と、 固定ハウジング部材内へ液状潤滑剤を供給し、それを軸
   受手段を経て固定ハウジング部材外へ送り出す潤滑手段
   とを備え、 磁場付与手段及び感知手段は固定ハウジング部材に対し
   固定的に設けられ、 回転軸と一体的に回転する多孔質材料製の回転環状板部
   と、その回転環状板部と環状に重合摺動する多孔質材料
   製の固定環状板部とを有し、前記液状潤滑剤の送出を許
   容しつつ軸受手段への外部からの異物侵入を防止するシ
   ール装置が、軸受手段の外側部に設けられていることを
   特徴とするトルクトランスデューサ。