JPH0754274B2 - トルク検出方式 - Google Patents

トルク検出方式

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JPH0754274B2
JPH0754274B2 JP1110152A JP11015289A JPH0754274B2 JP H0754274 B2 JPH0754274 B2 JP H0754274B2 JP 1110152 A JP1110152 A JP 1110152A JP 11015289 A JP11015289 A JP 11015289A JP H0754274 B2 JPH0754274 B2 JP H0754274B2
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孝信 岩金
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Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、磁性体の磁気歪効果を利用した非接触トルク
検出方式に関するもので、例えばロボットの関節トルク
あるいは工作機に使用するモータのトルクを検出する方
式に関する。
〔従来の技術〕
磁歪方式のトルク検出方式は、一般的に、第12図に示す
ように被測定軸3に軸方向と一定角度をもって等間隔に
帯状に蒸着された磁歪膜2と、それと一定の空隙をもっ
て被測定軸3のまわりに巻回された励磁,検出の両巻線
11,12で構成されている(特開昭61−195323号公報参
照)。
そして、従来においては、その信号処理部としては、例
えば特開昭62−220821号公報に見られるように、マルチ
バイブレータ方式が使用されている。
通常、これらの方式は、被測定軸に印加されたトルクに
より被測定軸に蒸着された磁歪膜の磁気特性の変化を、
第13図に示すようにマルチバイブレータ方式により周波
数変化として捉え、f/V変換することにより処理され
る。
〔発明が解決しようとする課題〕
しかし、この方式では、励磁、検出の2つの巻線を必要
とするため、部品点数が多くなり、回路の複雑化を招
く。また、回路がモータ等に組み込まれた場合、トルク
センサ部も温度が上昇するが、この方式では、励磁,検
出巻線の温度上昇及びトランジスタの温度特性等の影響
で、0点(無負荷時)のドリフトが非常に大きい。第6
図の被線で示す特性は20℃→80℃(60℃)までの巻線温
度変化による特性を示したものであるが、この場合、ト
ルクが全く印加されていないにも拘わらず、ほぼ定格ト
ルク程度(定格の約90%)の検出誤差を生じている。
本発明は、このような従来の問題点に鑑みてなされたも
のであり、検出回路の簡素化と温度特性の向上を図るこ
とを目的とする。
〔課題を解決するための手段〕
この目的を達成するため、本発明は、磁性体の磁気歪効
果を利用した非接触トルク検出方式において、磁性体の
回りに一定の空隙をもって巻いた巻線と並列にコンデン
サを接続し、このコンデンサのキャパシタンスと前記巻
線のインダクタンス分とで並列LC共振回路を構成し、そ
の共振周波数の近傍の周波数で交流励磁し、その励磁電
圧と励磁電流との位相差を測定することにより、トルク
の検出を行うことを特徴とする。
このトルク検出方法において、巻線の表皮効果及び磁性
膜や被測定軸に流れるうず電流等による高周波抵抗の増
加による検出温度の低下を、前記励磁電流から、励磁電
圧にあるゲインを乗じたものを減算した補償励磁電圧と
前記励磁電流との位相差を測定することにより補償する
ことができる。
〔実施例〕
以下、本発明を実施例に基づいて具体的に説明する。
第1図は本発明の実施例を示すものであり、被測定軸3
の軸方向と一定の角度をなすように、磁気歪効果をもつ
磁性膜2を等間隔に複数の帯状に蒸着し、被測定軸3を
磁路の一部とする磁気回路を構成するように、被測定軸
3の回りに一定の空隙をもって単数の巻線1を巻いてト
ルクセンサを形成する。
このトルクセンサにおいて、第2図に示すように、巻線
1に並列にコンデンサ4を接続し、このコンデンサ4の
キャパシタンスCと巻線1のインダクタンスLCとで並列
LC共振回路を構成し、その共振周波数の近傍の周波数
で、交流励磁して、その励磁電圧と励磁電流の位相差を
測定する。図中5は励磁電流検出用抵抗である。この並
列LC共振回路において、共振周波数の近傍の周波数で交
流励磁すると、その検出特性は第3図に示すようにイン
ダクタンスの微小変位区間ΔLにおいて位相差Δθに直
線部を持つ。本方式では、この直線部を利用すること
で、トルクと位相差の線形性を確保する。
被測定軸3にトルクが印加されると、被測定軸3に蒸着
された磁歪膜2は伸縮し、その磁気特性(透磁率)が変
化する。すなわち、被測定軸3の回りに巻いた巻線1の
インダクタンスLが変化するため、先の並列LC共振回路
の励磁電圧と励磁電流の位相差が変化する。本方式は、
この位相差の変化をトルク変化として検出する。
このように、共振周波数近傍で巻線1を励磁したときの
温度特性の改善について説明する。第2図において、巻
線のインダクタンスをL,抵抗分をR、コンデンサのキャ
パシタンスをCとし、この回路に交流 を印加したとすると、励磁電流Iは次の通りとなる。
したがって、励磁電圧Eに対する励磁電流Iの位相
は、次のように表される。
例えば、周波数ωを に設定すると、 R=R0(1+αt)とすると、 となる。ここでαは抵抗Rの温度係数、tは温度変化を
表す。
一方、従来のようにコンデンサCを接続しないときの位
相′は、 となる。
ここで(1)式より温度係数k1を求めると、 (2)式より温度係数k2を求めると、 となる。温度係数の比を求めると、 k1/k2=1/(ω0L/R0 となる。ここで、(ω0L/R0は共振回路の電圧上昇
比に相当するものであり、通常、これは30〜50に設定さ
れるため、コンデンサを接続した場合の温度係数k1は、
接続しない従来の回路の温度係数k2に比較して、温度係
数が1/1000程度に小さくなることを意味している。した
がって、温度変化に対する位相の変動が著しく小さく
なる。
第6図に本方式によるトルク検出の温度特性を示す。従
来、印加トルクが零のとき、温度が20℃から80℃に上が
ると、被線で示すように定格トルク程度の誤差が生じる
が、本方式では、実線で示すように、従来と比較し、0
点ドリフトは3桁近く改善される。検出コイルの作り方
によっては、さらに大幅に改善することができる。
第4図は、本発明のトルク検出方法を実施するための回
路例、第5図は各部の動作波形図を示す。図中31は励磁
交流電圧Vを矩形波に波形整形するコンパレータ、32は
励磁電流Iを矩形波に波形整形するコンパレータ、33は
クロックパルス(第5図(a)参照)を発生するクロッ
ク発振器である。なお、励磁電流Iは、第2図の検出抵
抗RDの両端電圧として検出することができる。コンパレ
ータ31の出力(第5図(b)参照)とクロックパルスは
アンドゲート34に入力されており、第5図(d)に示す
信号を出力する。一方、コンパレータ32の出力は第5図
(c)に示す波形となり反転器35で位相反転され(第5
図(e)参照)、アンドゲート36によりアンドゲート34
の出力との論理積をとって第5図(f)に示す波形が生
成される。この出力パルスはカウンタ37でカウントさ
れ、コンパレータ32の立ち上がりパルスでラッチされ、
1周期毎にラッチ38の記憶値が出力される。このカウン
ト出力は、励磁交流電圧Vと励磁電流Iの位相差に相当
する値となる。
このようにして、被測定軸3に加わるトルクを電気信号
として検出することができる。
ところで、本発明のように磁気歪効果を利用したトルク
センサでは、被測定軸にトルクが印加されると、被測定
軸に蒸着された磁性膜の磁気特性が変化し、巻線のイン
ピーダンス変化が現れる。この変化を位相変化として検
出するが、第11図(a),(b)のベクトル図に示すよ
うに巻線部の抵抗に流れる電流(IR>IR′)が大きい
と、インピーダンスの変化分が同じでも(ΔIZ/IZ=ΔI
Z′/IZ′)位相変化は小さくなる(Δθ>Δθ′)。
そのため、巻線部の抵抗を下げることが感度の向上につ
ながる。実際、巻線の直流抵抗分は下げることができる
が、巻線の表皮効果及び磁性膜、被測定軸に流れるうず
電流等による高周波抵抗のため巻線部に流れる電流が大
きくなり、従来の方式ではこの分も含んで位相差を測定
するため、感度が低くなる。
第7図は、このような問題点を解消して、検出感度の向
上を図った実施例を示している。
この実施例においては、第4図のコンパレータ32に入力
する励磁電流Iに比例する電圧Viに次のような補償を行
う。すなわち、第7図の補償回路は演算増幅器2個で構
成され、まず、一段目の演算増幅器41で励磁電流分Vi
RDIDsin(ωt+)を反転し、その出力と励磁電圧V
=V0sinωtに、ある一定ゲインK(ゲイン調整器43で
調整)を掛けて加え合わせ、反転させる。結果として2
段目の演算増幅器42の出力V′は、 となる。すなわち、巻線の全インピーダンス分として流
れる電流から、高調波抵抗分を任意に除去することがで
きる。上記式のθとの関係をベクトル図で表すと第8
図のようになる。この図が示すように、Kの値を適当に
選ぶことで、位相差の変化を大きく取り出すことができ
る(θ>)。
そこで、トルク検出を行うためにVとIの位相をとる
代わりに、本実施例ではVとV′の位相θをとり感度を
上げる。その一例として、K=1/2・RDID/V0、すなわち
V′の振幅V0をRDIDの1/2とする場合の印加トルクと位
相差の特性を従来例とあわせて第9図に示す。
この場合では、高周波補償なしの場合と比較し、約2倍
の感度の向上が得られる。
第10図に他の実施例を示す。この例では、センタタップ
のトランス6により、巻線1の抵抗分に流れる電流を検
出抵抗5に逆方向に流し、相殺することで感度を上げ
る。すなわち、センサ巻線1側の等価並列抵抗分をRP
すると、トランス6の他の側にRP/kの抵抗値をもつ抵抗
7を接続して、抵抗分電流を相殺する。ここでk=1/2
とすると、第9図のトルク−位相差特性と同等となる。
〔発明の効果〕
以上に述べたように、本発明においては、磁気歪効果を
利用した非接触トルク検出方式において、磁性体の回り
に一定の空隙をもって巻いた巻線と並列にコンデンサを
接続して並列LC共振回路を構成し、その共振周波数の近
傍の周波数で交流励磁し、その励磁電圧と励磁電流との
位相差を測定することにより、トルクの検出を行ことと
している。このように共振周波数近傍の周波数で巻線を
励磁することにより、マルチバイブレータを用いた発振
方式に比較して、温度特性が著しく向上するため、発熱
や温度変化が大きな環境で使用されるロボットの関節駆
動アクチュエータの出力軸、工作機駆動用モータの出力
軸に直接組み込むことができる。また被測定軸回りの巻
線が一つでよいため、部品点数が少なく、装置の簡素化
が図れる。トルク検出の線形性は、磁歪膜に対する巻線
電流の値の影響が大きいが、本方式では巻線の印加電圧
を変えることにより、電流値を自由に設定することがで
きるため、最適動作点にすることが可能となる。
また励磁電流から、励磁電圧にあるゲインを乗じたもの
を減算した補償励磁電圧と前記励磁電流との位相差を測
定することにより、巻線の高周波抵抗の増加を補償する
ことができ、巻線の表皮効果及び磁性膜、被測定軸に流
れるうず電流等による影響を抑えて感度を上げることが
でき、耐ノイズ性が強くなる。そのため、ロボットの関
節駆動アクチュエータの出力軸、工作機駆動用モータの
出力軸に直接組み込むことができる。抵抗分を除くよう
にするため、温度特性が良くなる。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明を実施するための巻線の例を示す図、第
2図は検出回路例を示す回路図、第3図はトルク変化に
対する位相変化を示す特性図、第4図は本発明の実施例
を示すブロック図、第5図はその動作を示す波形図、第
6図は従来例と比較した本発明の温度特性図、第7図は
高周波抵抗補償を行う例を示す回路図、第8図は検出位
相と補償位相との比較を示す図、第9図は印加トルクと
位相差の関係を示す特性図、第10図は高周波抵抗補償の
他の実施例を示す回路図、第11図は電流の間の位相関係
を示すベクトル図、第12図は従来の巻線の例を示す図、
第13図は従来の検出回路例を示す回路図である。 1:巻線、2:磁性膜 3:被測定軸、4:コンデンサ 5:検出抵抗、6:トランス 7:抵抗 31,32:コンパレータ 33:クロックパルス発生器 34,36:アンドゲート、35:反転器 37:カウンタ、38:ラッチ 41,42:演算増幅器、43:ゲイン調整器
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭61−162726(JP,A) 特開 昭64−9330(JP,A) 特開 昭48−99646(JP,A)

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】磁性体の磁気歪効果を利用した非接触トル
    ク検出方式において、磁性体の回りに一定の空隙をもっ
    て巻いた巻線と並列にコンデンサを接続し、このコンデ
    ンサのキャパシタンスと前記巻線のインダクタンス分と
    で並列LC共振回路を構成し、その共振周波数の近傍の周
    波数で交流励磁し、その励磁電圧と励磁電流との位相差
    を測定することにより、トルクの検出を行うことを特徴
    とするトルク検出方式。
  2. 【請求項2】励磁電流から、励磁電圧にあるゲインを乗
    じたものを減算した補償励磁電圧と前記励磁電流との位
    相差を測定することにより、巻線の高周波抵抗の増加を
    補償したトルクの検出を行うことを特徴とする請求項1
    記載のトルク検出方式。
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