JPS59228140A - 磁気弾性トルク変換器 - 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】 本発明は、非接触式の、回転又は静止中の車軸上のトル
ク測定用変換器に関する。

磁気弾性トルク変換器は従来よシ知られておシ、例えば
スウェーデン特許第１６７，３８７号に示されている。

これらの変換器は車軸材料の表面内の内部応力が車軸回
転時に変換器の出力信号に変動を与えるという欠点を有
している。確かにこれらの変動は車軸に熱処理を施した
り、変換器の極数を増加させたシ、可能ならば長い時間
測定しその平均値を求めることによって減少させること
ができる。しかし、熱処理法金用いて車軸表面内の内部
応力（ｉ−１ＯＮ／皿２以下に減少させることは困難で
あシ、たとえ極数が多くても、車軸が回転することによ
って起きる信号変動はかなシなものになる、そして瞬時
測定の要求がある場合には、ある時間間隔での平均値演
算は許容されない。

上述のような困難さを解決するために、全く別の解決方
法が試みられてきている。ここでは磁性体からなる問題
の車軸において、等ピンチで車軸表面の母線に対しそれ
ぞれ＋４５度、−４５度の傾斜角を有する平行溝が２条
にわたって互いにある距離を置かれた環状帯に刻まれて
、この結果、磁化方向の形状が２つの環状帯内の溝の向
きと一致している。なかでも溝に垂直な路程の増加の影
響が大きい。車軸にねじれモーメント負荷ががが９、又
車軸が正の磁気ひずみを有しているとすると、溝が正の
主応力に平行な領域内での磁気抵抗は減少し、溝が負の
主応力に平行なもう一方の領域内での磁気抵抗は増加す
る。異なる結合内での磁気抵抗を比較することによって
加えられたトルクの測定値が得られる。この測定原理は
各々の環状帯領域を車軸と同心の２つの固定コイルで囲
むことで実現される、このコイルはそれぞれ直列接続さ
れたコイルに変流電流を流して励磁する目的と、２つの
環状帯領域内の磁束差を、互、いに反対向に接続された
コイルによって検出する目的で１史用される。断面がＥ
字形の噛み合わせ面を有する回転体形状に作られた鉄心
がコイルを囲み車軸との間に空気間隙を有している。

上記の解決方法は原理的には正しく機能するが、いくつ
かの欠点を有している。第１に、車軸の材料を使用状況
に照らして選択しなければならず、そして測定のために
必要な磁気特性は２次的な問題である。多くの場合、例
えば、高い強度従って非常な固さが要求されるので、透
磁率従って感度が非常に小さくなる。車軸材料としてオ
ーステナイト・ステンレスを要求される場合がある、こ
の場合には先の測定方法は完全に無意味である。

又車軸の磁気特性が十分に良好な場合でも、別の困難が
待ちうけている。先に述べたように、車軸は常にかなシ
な量、不定方向に磁化されている。

この第１の原因は内部応力によるものであるが、異なる
結晶方向を有する領域で発生するものもある、これらは
すべて、車軸の製造工程に起因するものである。この製
造工程とは、車軸が太い場合は鍛造であり、小さな寸法
の場合は圧延である。

この焼きならしが十分注意深く、これらの車軸をつるし
た状態で相互に又炉壁から十分距離ヲとって行なわれれ
ば、明らかにこの磁化方向は繰り返し焼きならすことに
よってかなシ減らすことができる。最大の注意をはらっ
ても数パーセントの残留磁気は残る。おそらくこれは前
記の変化する結晶磁化によるものであって１児全除去は
むずがしい。

もしも磁心と組み合わされているコイルが車軸に対し完
全な同心円でその端面が傾いていなければ、先に述べた
車軸内の残留磁気は角度依存性のある信号は発生しない
。しかし完全な同心ではなく又端面が完全な環対称でな
いとすると、前記車軸製造工程における車軸の熱処理が
完全であったとしても角度依存性のある信号が常に生じ
る。

もし仮シに先に述べた環状帯が形成されている円筒形部
材が例えば、はんだ付によって車軸に備えられていると
すると、状況は全く異なる。この場合、溝は好適に貫通
したすき間として形成できる。そのような円筒形部材の
長所は、圧延管材がら作れる点であシ、圧延で作られる
ためこれは周辺方向に対してさらに均一な性質１［する
。この方法により角度に依存する信号変化は少なくても
１桁減少できるであろう、これは低トルクで使用される
多くの分野での計測方法として適用可能な条件である。

別に製造した測定用円筒形部材全使用することによる利
点は当然あって、それは、好適な磁気特性を有する材料
を選択できることであシ、これは、不適当な磁気特性を
有する高い強度の材料で作られた車軸又は非磁性鋼であ
るオーステナイトの車軸と組み合わせることができる。

又、比較的良好な磁気特性を有する通常の車軸鋼で作ら
れた車軸の場合にも管材で作られた円筒形部材は、先に
述べたように、かなシ均質な磁化方向を有するという利
点を有している。

円筒形部材をはんだ付する時に用いられるはんだは非磁
性隔離材全形成し、円筒形部材と車軸間の電磁結合全減
少させる０円筒形部材のよシ大きな電磁絶縁を得るため
には、両環状帯の下側で車軸を細くすれば良い、従って
、円筒形部材は、その両端部と中央部のみが車軸に接層
されている、この場合おそらく溶接によるのであろうが
、レーザ゛溶接が好適である。

純粋に製造技術の面から言えば切シ溝弐円筒形部材を備
えた実施例は、車軸に直接溝を刻む実施例に較べて、大
きな利点を有する。溝を車軸内に刻む時には、シャンク
−エンド　ミル（５ｈａｎｋｅｎｄ　ｍ１ｌｌ　）を使
用しなければならないし、又車軸は加工中に同時にらせ
ん運動をしなければならない。一方円筒形部材の切シ溝
は、管を静止状態にして、立削シ盤を用いて簡単に切る
ことができる。切シ溝がその全長にわたって主応力の方
向と完全には一致しないかも知れないという点は、はと
んど影響を与えない。

測定がトルクの一方向についてのみ実施される場合には
、２つの環状帯内の切シ溝を異なる角度で切って、変換
器の直線性を改善することができる。引張シ及び圧縮応
力素子からの適当な割合いの信号成分の組合わせに基づ
く磁気弾性変換器の直線性誤差を減少させるための理論
的基礎は、スウェーデン特許第７６１４６００号に示さ
れている、当然本記載内容は完全に異なったものである
。

、厳封されている第１図から第６図を参照して、以下に
本発明を説明する。

第１図は、軟磁性体で作られ、円筒の内面及び外面の同
心性が優れた測定用円筒部材１を示す。

２条の環状帯２及び３は互いにある距離だけ離され、相
互に平行な切シ溝で等間隔に円筒部材の円筒表面母線に
対し約＋４５度と一４５度の角度を有する切シ溝が刻１
れている。

第２図はトルク測定用固定車軸４の囲りにはんだ付けさ
れた円筒部材１′ｆ：示す。各々の環状帯２゜３は車軸
４と同心でコイル８，１０及び９，１°１を備えた２つ
の巻わ＜１６．１７で囲まれておシ。

１０及び１１は互いに直列接続されて、又流電流全流し
励磁用に使用され、８、及び９は互いに対向するように
接続され、２つの環状帯内の磁束差を検出するために用
いられる。鉄心５は断面が８字形の噛み合わせ面を有す
る回転体形状に作られていてコイルを囲み車軸との間に
鉄心の６つの環状体部分で空気間隙を有する。車軸との
同心性を確かなものとするために、円筒部材と磁心の極
表面との間の空気間隙を、例えばテフロンや青銅のよう
な低摩擦性の好適な非磁性円筒部材で充てんすることは
有効であろう。

もし環状帯域が完全に対称形に形成され、車軸の心出し
が鉄心５内でうまく行なわれ、円筒部拐が均質な磁気的
特性を有し、例えははんだ付は工程中に形成されるはん
だ層によって円筒部材が車軸から磁気的に分離されてい
たとすると、車軸が無負荷の場合出力信号は零になるで
あろう。従って、変換器内の平衡に影響を与えるのは環
状帯内の切シ溝方向における透磁率の変化のみである。

磁束の車軸への透過が無視できる程度の高周波で励磁す
ればはんだによる磁気絶縁は不要となる。

車軸にねじれモーメントが加わると、１つの環状帯の切
シ溝には磁束の方向に引張シ応力が加わシ、もう一方の
環状帯の切シ溝には磁束の方円に圧縮応力が加わる、従
って、材質が、例えは過当に磁化された鉄のような正の
磁気ひずみを有する場合、両方の環状帯を通る磁束はそ
れぞれ増加及び減少され、トルクに比例した信号が得ら
れる。

第６図において、コイル１０及び１１は直列接続され、
又流電源１３から給電され、対向接続されたコイル８及
び９からの信号は、フィルタを備えた整流器によって同
期整流され計器１５に表示される様子を示している。

第４図及び第５図は本発明を管状車軸に適用した例を示
している、この場合には測定を車軸の内側で実施するの
が望ましく、従って車軸と変換器の位置が入れ換わって
いる。トルク伝達用車軸３０は斜線部分であシ、円筒部
材の内側に２つの切り溝領域３１．３２が備えられてい
る。ここでは円筒軸３６状に形成された軟磁性磁心は、
６つの環状板３３，３４．３５に具備し、これらの間に
は励磁コイル３γ、３８及び検出コイル３９゜慢０が巻
わ＜４１．４２上に配置されている。コイル装置を備え
た磁心は管状車軸内に例えば軸３６の突出部分によって
、同心円的に保持されている。

第６図は薄い円筒部材の製造が困難な大きな単軸５１に
特に適合する本発明の一つの実施１＋ｌｌを示している
。ここでは円筒部材に代わって平行な領域５３．５４に
先に円筒部材について述べたのと同一方法によって打ち
抜かれたか又はエンチングによって切シ溝全開けられた
軟磁性条帯５０が使用されている。条帯結合部５２はも
ちろん切り溝の方向に従わなければならない。

【図面の簡単な説明】

第１図は２本の環状帯部分があってそれぞれには円筒表
面に対し約＋４５度と一４５度の角度の相互に平行な溝
が切られた２本の環状帯部分’ＩＴする測定用円筒形部
材の側面図、第２図は最も一般的な応用例における本発
明の一つの実施例を測定用円筒部材が車軸の外側にあっ
て関係する外鉄心を備えたコイル装置が円筒部材を囲ん
でいる、本発明の最も一般的な応用例における本発明の
一実施例を示す断面図、第６図は励磁コイルへの給電と
、検出コイルからの差信号測定のための原理図、第４図
及び第５図は測定用円筒部材が車軸の内貼シとして備え
られ磁心と固定コイルとが測定用円筒部材の内側に備え
られた本発明の他の実施例を示す図、第６図は特に大き
な車軸で薄い測定用円筒部材全製造するのが困難な車軸
における本発明の一つの実施例を示す図である。 １・・・・・・円筒部材 ２．３，３１，３２・・・・・・環状帯５・・・・・・
鉄心 ８．９，１０，１１．３７，３８，３９，４０・・・・
・・コイル ４．３０，５１・・・・・・車軸 代理人浅村　晧 手続補正書（自船 昭和５８年６月２２日 特許庁長官殿 １、事件の表示 昭和ｎ年特許願第　ｔ＞７ｆ１．：＃ｒ号磁気弾性トル
ク変換器 ３、補正をする者 事件との関係　特許出願人 ４、代理人 ５、補正命令の日付 昭和　　年　　月　　日 ６、補正により増加する発明の数 ７、補正の対象 −”＼ 図　　　面　　　　　　　、ｐ−＼ 願書に蔭付した図面中、與４図７Ｊ＞ら第６図までをこ
こに添付の図面と差替える。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 （１）一本の車軸（４）と、該車軸に同心的に配置され
   た、父流電流による励磁用固定巻線（１０゜１１）と計
   測用固定巻線（８，９）とを有し、かつ前記車軸と同一
   の中心を有し、前記車軸と組み合わせて前記巻線ヲ囲む
   と共にそれら巻線の間に対称的に配置されて仕切シ壁全
   形成している磁心（５）を具備し、それによって前記巻
   線は、車軸に負荷がかかつていない状態で等量の磁束を
   仕切シの両側に発生させるように配置し給電されると共
   に、前記車軸にトルク負荷がかけられた際に生じる前記
   磁束間の差を検出するように配置されている磁気弾性ト
   ルク変換器において、前記巻線と磁性体容器に直接対向
   するように、前記車軸に剛直に装着された軟磁性円筒部
   材（１ンであって２つの互いに離されて配置された平行
   な領域（２゜３）を有し各々の領域には等間隔で一方の
   領域内では円筒表面の母線に対し＋４５匿又他方の領域
   内では一４５度の角度をもって互いに平行に刻まれた切
   シ溝が備えられている前記円筒部材（１）を具備するこ
   とを特徴とする磁気弾性トルク変換器。 （２、特許請求の範囲第１項に記載の変換器において、
   前記軟磁性円筒部材が圧延管材で作られていることを特
   徴とする磁気弾性トルク変換器。 （３）特許請求の範囲Ｍ１項に記載の変換器において、
   前記円筒部材が前記車軸の外円筒面上に取付けられ、前
   記巻線及び前記磁心が円筒部材を取シ付けられた前記車
   軸を囲っていることを特徴とする磁気弾性トルク変換器
   。 （４）特許請求の範囲第１項に記載の変換器において、
   前記円筒部材が中空な車軸の内円筒面上に取シ付けられ
   、前記巻線及び磁心が円筒部材ｆｃ取シ付けられた中空
   な車軸を囲っていること’！ｒ％徴とする磁気弾性トル
   ク変換器。 （５）特許請求の範囲第１項に記載の変換器において、
   前記円筒部材が、類似の切シｌ＃を具備した条帯片を前
   記車軸の円筒面上に例えば硬ろう付けによって巻き付け
   ることによって形成されたことを特徴とする磁気弾性ト
   ルク変換器。