JPH06265422A - 磁歪式トルクセンサ - Google Patents
磁歪式トルクセンサInfo
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- JPH06265422A JPH06265422A JP8139993A JP8139993A JPH06265422A JP H06265422 A JPH06265422 A JP H06265422A JP 8139993 A JP8139993 A JP 8139993A JP 8139993 A JP8139993 A JP 8139993A JP H06265422 A JPH06265422 A JP H06265422A
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- Force Measurement Appropriate To Specific Purposes (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【目的】 磁歪式トルクセンサの出力を安定させ、高精
度のトルク測定を可能にする。 【構成】 トルク伝達軸を構成する金属材料の少なくと
も表面部分のフェライト結晶粒の大きさを、励磁コイル
又は検出コイルの極間の距離の５０分の１以下とする。 【効果】 各結晶粒の方位のバラツキが平均化され、検
出出力の変動が抑えられる。
度のトルク測定を可能にする。 【構成】 トルク伝達軸を構成する金属材料の少なくと
も表面部分のフェライト結晶粒の大きさを、励磁コイル
又は検出コイルの極間の距離の５０分の１以下とする。 【効果】 各結晶粒の方位のバラツキが平均化され、検
出出力の変動が抑えられる。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、回転軸の伝達トルクを
検出する装置に関し、特に、非接触型磁歪式トルクセン
サに関する。
検出する装置に関し、特に、非接触型磁歪式トルクセン
サに関する。
【０００２】
【従来の技術】電動機、工作機械等の産業機械や自動車
等における回転駆動系のトルク伝達軸に加わるトルクを
非接触で検出するセンサとして、磁歪式トルクセンサが
ある。これは、軸表面に交番磁界を印加し、トルクによ
り軸表面に生じる透磁率の変化を電気量として検出する
ものである。磁歪式トルクセンサにも各種タイプがあ
り、励磁及び検出用としてそれぞれＵ字形の鉄芯を有す
るコイルを用い、これらのコイルを測定しようとするト
ルク伝達軸の近傍に配置して、トルク伝達軸の表面に生
じる主応力（軸長手方向に対して±４５°方向）の透磁
率の変化を検出する磁気ヘッド型や、測定しようとする
トルク伝達軸に予め長手方向に対して傾斜した方向を磁
化容易軸とする磁気異方性を与えておき、この近傍に励
磁用ソレノイドコイル及び透磁率変化検出用のソレノイ
ドコイルを配置したもの等が知られている。
等における回転駆動系のトルク伝達軸に加わるトルクを
非接触で検出するセンサとして、磁歪式トルクセンサが
ある。これは、軸表面に交番磁界を印加し、トルクによ
り軸表面に生じる透磁率の変化を電気量として検出する
ものである。磁歪式トルクセンサにも各種タイプがあ
り、励磁及び検出用としてそれぞれＵ字形の鉄芯を有す
るコイルを用い、これらのコイルを測定しようとするト
ルク伝達軸の近傍に配置して、トルク伝達軸の表面に生
じる主応力（軸長手方向に対して±４５°方向）の透磁
率の変化を検出する磁気ヘッド型や、測定しようとする
トルク伝達軸に予め長手方向に対して傾斜した方向を磁
化容易軸とする磁気異方性を与えておき、この近傍に励
磁用ソレノイドコイル及び透磁率変化検出用のソレノイ
ドコイルを配置したもの等が知られている。
【０００３】一方、形態的には、回転動力（エンジン、
モータ等）と負荷との間に着脱可能に接続することによ
り、動力と負荷との間に伝達されるトルクを検出するユ
ニット型（単体型）のトルクセンサが最近広く用いられ
るようになっている。
モータ等）と負荷との間に着脱可能に接続することによ
り、動力と負荷との間に伝達されるトルクを検出するユ
ニット型（単体型）のトルクセンサが最近広く用いられ
るようになっている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】磁気ヘッド型の磁歪式
トルクセンサでは、測定対象であるトルク伝達軸と検出
器である励磁コイル、検出コイル等の間隔が検出信号の
強度に大きな影響を与える。この間隔がトルク伝達軸の
１回転中に変化すると、検出出力が変動し、高精度のト
ルク検出が不可能となる。このため、従来のトルクセン
サでは、トルク伝達軸及び両コイルの位置は非常に注意
深く、高精度に組み立てられている。
トルクセンサでは、測定対象であるトルク伝達軸と検出
器である励磁コイル、検出コイル等の間隔が検出信号の
強度に大きな影響を与える。この間隔がトルク伝達軸の
１回転中に変化すると、検出出力が変動し、高精度のト
ルク検出が不可能となる。このため、従来のトルクセン
サでは、トルク伝達軸及び両コイルの位置は非常に注意
深く、高精度に組み立てられている。
【０００５】しかし、従来、このように組立の機械的精
度を向上させても、なお、検出出力が僅かに変動すると
いう現象を避けることができなかった。本発明はこのよ
うな課題を解決するために成されたものであり、その目
的とするところは、検出出力を安定させ、高精度のトル
ク測定を可能にするトルクセンサを提供することにあ
る。
度を向上させても、なお、検出出力が僅かに変動すると
いう現象を避けることができなかった。本発明はこのよ
うな課題を解決するために成されたものであり、その目
的とするところは、検出出力を安定させ、高精度のトル
ク測定を可能にするトルクセンサを提供することにあ
る。
【０００６】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に成された本発明では、回転軸の周辺にＵ字形鉄芯を有
する励磁コイル及び検出コイルを配置し、回転軸に印加
されるトルクによる回転軸の歪に起因する軸材料の磁気
的特性の変化を検出することにより伝達トルクを測定す
る磁気ヘッド型磁歪式トルクセンサにおいて、回転軸を
構成する金属材料の少なくとも表面部分の結晶粒の大き
さを、励磁コイル又は検出コイルの極間の距離の５０分
の１以下としたことを特徴とする。
に成された本発明では、回転軸の周辺にＵ字形鉄芯を有
する励磁コイル及び検出コイルを配置し、回転軸に印加
されるトルクによる回転軸の歪に起因する軸材料の磁気
的特性の変化を検出することにより伝達トルクを測定す
る磁気ヘッド型磁歪式トルクセンサにおいて、回転軸を
構成する金属材料の少なくとも表面部分の結晶粒の大き
さを、励磁コイル又は検出コイルの極間の距離の５０分
の１以下としたことを特徴とする。
【０００７】
【作用】磁歪式トルクセンサでは、励磁コイルの両極間
の磁束により回転軸（トルク伝達軸）を磁化し、その両
極間の軸材料のフェライト相の磁気特性の非対称な変化
を検出コイルにより検出する。回転軸材料である金属材
料は一般に多結晶であり、各結晶粒の方位は通常はラン
ダムである。各フェライト結晶粒（単結晶）の磁気的特
性はその方位に依存するため、励磁コイルの両極間の結
晶粒の数が少なくなると、各結晶粒毎の磁気的特性が相
対的に大きく現われるようになり、トルク伝達軸全体と
して、磁気的方向性を現わすようになる。この磁気的方
向性は場所毎に異なるため、トルク伝達軸が回転する際
には、検出出力の変動として現われる。そこで、励磁コ
イルの両極間の結晶粒の数を５０個程度以上とすること
により、各結晶粒の方位のバラツキが平均化され、場所
毎の違いもほぼ無視し得る程度となるため、検出出力の
変動が抑えられる。検出コイルの極間についても同様の
議論が成り立つ。
の磁束により回転軸（トルク伝達軸）を磁化し、その両
極間の軸材料のフェライト相の磁気特性の非対称な変化
を検出コイルにより検出する。回転軸材料である金属材
料は一般に多結晶であり、各結晶粒の方位は通常はラン
ダムである。各フェライト結晶粒（単結晶）の磁気的特
性はその方位に依存するため、励磁コイルの両極間の結
晶粒の数が少なくなると、各結晶粒毎の磁気的特性が相
対的に大きく現われるようになり、トルク伝達軸全体と
して、磁気的方向性を現わすようになる。この磁気的方
向性は場所毎に異なるため、トルク伝達軸が回転する際
には、検出出力の変動として現われる。そこで、励磁コ
イルの両極間の結晶粒の数を５０個程度以上とすること
により、各結晶粒の方位のバラツキが平均化され、場所
毎の違いもほぼ無視し得る程度となるため、検出出力の
変動が抑えられる。検出コイルの極間についても同様の
議論が成り立つ。
【０００８】
【実施例】本発明の一実施例を図１〜図３及び図５によ
り説明する。本実施例では、磁気ヘッド型磁歪式トルク
センサを対象に、トルク伝達軸の表層（表面から５００
μｍ以内）のフェライト結晶粒の大きさと、トルク検出
出力の（軸回転時の）変動との関係を測定する実験を行
なった。磁気ヘッド型トルクセンサとは、図３（ａ）に
示すように、単ヨーク形の励磁コイル１２及び検出コイ
ル１３をトルク伝達軸の外周に配置したものであり、励
磁コイル１２及び検出コイル１３の両極１２１，１２２
／１３１，１３２は、図３（ｂ）に示すように、トルク
伝達軸１１の表面直上で、互いに９０°で交差するよう
に、かつ、一方が軸方向に並び、他方が回転方向に並ぶ
ように、配置される。
り説明する。本実施例では、磁気ヘッド型磁歪式トルク
センサを対象に、トルク伝達軸の表層（表面から５００
μｍ以内）のフェライト結晶粒の大きさと、トルク検出
出力の（軸回転時の）変動との関係を測定する実験を行
なった。磁気ヘッド型トルクセンサとは、図３（ａ）に
示すように、単ヨーク形の励磁コイル１２及び検出コイ
ル１３をトルク伝達軸の外周に配置したものであり、励
磁コイル１２及び検出コイル１３の両極１２１，１２２
／１３１，１３２は、図３（ｂ）に示すように、トルク
伝達軸１１の表面直上で、互いに９０°で交差するよう
に、かつ、一方が軸方向に並び、他方が回転方向に並ぶ
ように、配置される。
【０００９】図３（ｂ）に示すように、隣接する極１２
１，１３１，１２２，１３２に挟まれるトルク伝達軸１
１の表面の領域をそれぞれＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄとすると、こ
れらの領域Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄは磁気的には図３（ｃ）のよ
うに結合されることになる。すなわち、励磁コイル１２
の両極１２１，１２２により、領域Ａ−領域Ｂのルート
及び領域Ｃ−領域Ｄのルートで磁路が形成され、検出コ
イル１３の両極１３１，１３２により両ルートの中間点
における磁位の変化が検出される。トルク伝達軸１１に
トルクが印加され、図３（ａ）に示すように、軸表面の
主応力方向（軸方向に対して±４５°傾いた方向）に＋
σ及び−σの引張（圧縮）応力が発生すると、両ルート
の間のバランスが崩れ、検出コイル１３によりその量が
検出されて、トルクに換算される。
１，１３１，１２２，１３２に挟まれるトルク伝達軸１
１の表面の領域をそれぞれＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄとすると、こ
れらの領域Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄは磁気的には図３（ｃ）のよ
うに結合されることになる。すなわち、励磁コイル１２
の両極１２１，１２２により、領域Ａ−領域Ｂのルート
及び領域Ｃ−領域Ｄのルートで磁路が形成され、検出コ
イル１３の両極１３１，１３２により両ルートの中間点
における磁位の変化が検出される。トルク伝達軸１１に
トルクが印加され、図３（ａ）に示すように、軸表面の
主応力方向（軸方向に対して±４５°傾いた方向）に＋
σ及び−σの引張（圧縮）応力が発生すると、両ルート
の間のバランスが崩れ、検出コイル１３によりその量が
検出されて、トルクに換算される。
【００１０】このような構成を有する磁気ヘッド型磁歪
式トルクセンサでは、励磁コイル１２及び検出コイル１
３の各極の間の領域Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄにおいて、トルク伝
達軸１１の材料（特に、表面層）の磁気的特性が均一で
ないと、トルク伝達軸１１が１回転する間に検出コイル
１３からの出力が変動する。トルク伝達軸１１は、通
常、強度的観点から、炭素鋼又は低合金鋼の焼入・焼も
どし材が使用されるが、これらの材料は多結晶体であ
り、全体としての磁気特性は各単結晶の磁気特性を（ベ
クトル的に）加算したものとなる。従って、各コイル１
２、１３の極１２１，１３１，１２２，１３２に挟まれ
る部分の結晶粒の数が少なくなると、各個の結晶粒の方
向性が全体としての特性に大きく影響するようになる。
そこで、トルク伝達軸１１の結晶粒の大きさと出力の変
動との関係を次のようにして調査した。
式トルクセンサでは、励磁コイル１２及び検出コイル１
３の各極の間の領域Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄにおいて、トルク伝
達軸１１の材料（特に、表面層）の磁気的特性が均一で
ないと、トルク伝達軸１１が１回転する間に検出コイル
１３からの出力が変動する。トルク伝達軸１１は、通
常、強度的観点から、炭素鋼又は低合金鋼の焼入・焼も
どし材が使用されるが、これらの材料は多結晶体であ
り、全体としての磁気特性は各単結晶の磁気特性を（ベ
クトル的に）加算したものとなる。従って、各コイル１
２、１３の極１２１，１３１，１２２，１３２に挟まれ
る部分の結晶粒の数が少なくなると、各個の結晶粒の方
向性が全体としての特性に大きく影響するようになる。
そこで、トルク伝達軸１１の結晶粒の大きさと出力の変
動との関係を次のようにして調査した。
【００１１】材料として径３６ｍｍの炭素鋼Ｓ２５Ｃ及
びマンガン鋼ＳＭｎ４０を用い、これに各種熱処理を施
すことにより、結晶粒径を変化させた。これらの材料を
径３５ｍｍの精密丸棒に機械加工し、図３に示す磁気ヘ
ッド型トルクセンサのトルク伝達軸１１を作成した。そ
して、このトルク伝達軸１１の外周に、両極間１２１，
１２２／１３１，１３２の距離が共に５ｍｍである励磁
コイル１２と検出コイル１３とを配置した。これら３種
のトルク伝達軸１１を用いて、１５kgf・mのトルクを加
えて回転させた場合における、トルク伝達軸１１が１回
転する間の検出コイル１３の出力の変動を測定した。ト
ルク伝達軸１１が１回転する間の検出出力の変動の様子
の一例を図２に示す。出力の変動を結晶粒の大きさに対
してプロットした結果は図１に示す通りである。なお、
フェライト結晶粒径は、機械加工後、その表面の一部を
切り出して、表面から５００μｍ以下の表層部分につい
て測定したものである。図１より、結晶粒径が極間距離
の１／５０を超えると、出力の変動率は１０％ＦＳ（フ
ルスケール）を超え、安定した出力が得られないことが
わかる。従って、精密なトルク測定を行なうためには、
上記極間距離（５ｍｍ）の場合には、結晶粒径は約１０
０μｍ以下とする必要がある。
びマンガン鋼ＳＭｎ４０を用い、これに各種熱処理を施
すことにより、結晶粒径を変化させた。これらの材料を
径３５ｍｍの精密丸棒に機械加工し、図３に示す磁気ヘ
ッド型トルクセンサのトルク伝達軸１１を作成した。そ
して、このトルク伝達軸１１の外周に、両極間１２１，
１２２／１３１，１３２の距離が共に５ｍｍである励磁
コイル１２と検出コイル１３とを配置した。これら３種
のトルク伝達軸１１を用いて、１５kgf・mのトルクを加
えて回転させた場合における、トルク伝達軸１１が１回
転する間の検出コイル１３の出力の変動を測定した。ト
ルク伝達軸１１が１回転する間の検出出力の変動の様子
の一例を図２に示す。出力の変動を結晶粒の大きさに対
してプロットした結果は図１に示す通りである。なお、
フェライト結晶粒径は、機械加工後、その表面の一部を
切り出して、表面から５００μｍ以下の表層部分につい
て測定したものである。図１より、結晶粒径が極間距離
の１／５０を超えると、出力の変動率は１０％ＦＳ（フ
ルスケール）を超え、安定した出力が得られないことが
わかる。従って、精密なトルク測定を行なうためには、
上記極間距離（５ｍｍ）の場合には、結晶粒径は約１０
０μｍ以下とする必要がある。
【００１２】上述の通り、出力の安定性は軸材料の表層
部分の結晶粒の大きさと極間距離との相対的な関係に依
存するため、トルクセンサ全体の大きさが変化し、励磁
コイル（及び／又は検出コイル）の極間距離が変化する
場合には、許容される結晶粒の大きさもそれに応じて変
化する。上記実験結果より、トルクセンサの出力の変動
を１０％ＦＳ以下に抑えるためには、結晶粒径は極間距
離の１／５０とすべきことがわかる。
部分の結晶粒の大きさと極間距離との相対的な関係に依
存するため、トルクセンサ全体の大きさが変化し、励磁
コイル（及び／又は検出コイル）の極間距離が変化する
場合には、許容される結晶粒の大きさもそれに応じて変
化する。上記実験結果より、トルクセンサの出力の変動
を１０％ＦＳ以下に抑えるためには、結晶粒径は極間距
離の１／５０とすべきことがわかる。
【００１３】
【発明の効果】本発明に係る磁歪センサでは、測定対象
であるトルク伝達軸の励磁コイル又は検出コイルの両極
間の部分の結晶粒を微細にすることにより、各結晶粒の
磁気的方向性に起因するトルク検出出力の変動を最小限
に抑える。このため、安定した出力が得られ、精密な軸
伝達トルクの検出・測定が可能となる。
であるトルク伝達軸の励磁コイル又は検出コイルの両極
間の部分の結晶粒を微細にすることにより、各結晶粒の
磁気的方向性に起因するトルク検出出力の変動を最小限
に抑える。このため、安定した出力が得られ、精密な軸
伝達トルクの検出・測定が可能となる。
【図１】 磁気ヘッド型磁歪式トルクセンサにおいて、
トルク伝達軸の材料の結晶粒の大きさを変化させたとき
のトルク出力の変動を示すグラフ。
トルク伝達軸の材料の結晶粒の大きさを変化させたとき
のトルク出力の変動を示すグラフ。
【図２】 トルク伝達軸が１回転する間の検出コイルの
出力の変動を示すグラフ。
出力の変動を示すグラフ。
【図３】 本発明の一実施例である磁気ヘッド型磁歪式
トルクセンサの構成を示す斜視図（ａ）、励磁コイル及
び検出コイルの極の配置を示す説明図（ｂ）、及び、磁
路の構成を示す回路図（ｃ）。
トルクセンサの構成を示す斜視図（ａ）、励磁コイル及
び検出コイルの極の配置を示す説明図（ｂ）、及び、磁
路の構成を示す回路図（ｃ）。
１１…トルク伝達軸 １２…励磁コイル １２１，１２２…励磁コイル
の極 １３…検出コイル １３１，１３２…検出コイル
の極
の極 １３…検出コイル １３１，１３２…検出コイル
の極
Claims (1)
- 【請求項１】 回転軸の周辺にＵ字形鉄芯を有する励磁
コイル及び検出コイルを配置し、回転軸に印加されるト
ルクによる回転軸の歪に起因する軸材料の磁気的特性の
変化を検出することにより伝達トルクを測定する磁気ヘ
ッド型磁歪式トルクセンサにおいて、 回転軸を構成する金属材料の少なくとも表面部分の結晶
粒の大きさを、励磁コイル又は検出コイルの極間の距離
の５０分の１以下としたことを特徴とする磁歪式トルク
センサ。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP8139993A JPH06265422A (ja) | 1993-03-15 | 1993-03-15 | 磁歪式トルクセンサ |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP8139993A JPH06265422A (ja) | 1993-03-15 | 1993-03-15 | 磁歪式トルクセンサ |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH06265422A true JPH06265422A (ja) | 1994-09-22 |
Family
ID=13745239
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP8139993A Pending JPH06265422A (ja) | 1993-03-15 | 1993-03-15 | 磁歪式トルクセンサ |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH06265422A (ja) |
-
1993
- 1993-03-15 JP JP8139993A patent/JPH06265422A/ja active Pending
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