JPS63317733A - 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〕 本発明は、回転軸に印加されるトルクを、該回転軸の表
皮層の応力磁気効果による透磁率の変化として非接触的
に検出する磁歪式トルクセンサおよびその製造方法に関
する。

〔従来の技術〕

電動機、工作機械、自動車等における回転駆動系の制御
に必要なトルクの検出は、非接触的であることが望まし
く、かつ回転数の影響を受けず、正・逆回転および静止
時の検出が可能であることが望ましい。

その要望を満たしたトルクセンサとして、アモルファス
磁性薄膜の磁気歪み特性を利用し、トルクの印加により
生じるアモルファス磁性薄膜の透磁率の変化を電気量と
して検出するようにしたものが提案されている（特開昭
５８−９０３４号）。これを第７図〔１〕および（ＩＩ
）に示す。（１０）は回転軸、（７０）は回転軸を一周
するようにその周面に設けられたアモルファス磁性薄膜
である。アモルファス磁性薄膜（７０）は、回転軸に加
わるトルクが該薄膜（７０）に導入されるように樹脂接
着剤を介して強固に回転軸（１０）に接合されている。

また、そのアモルファス磁性薄膜（７０）には、磁化容
易軸として、回転軸（１０）の周方向に対して一定の傾
斜角度（α）をなす−軸磁気異方性が予め付与されてい
る。（２０）は励磁用巻線、（４０）は磁界検出用巻線
であり、それぞれ回転軸（１０）に対し回転対称に配置
されている。励磁用巻線（２０）は高周波電源（３０）
により励磁されてアモルファス磁性薄膜（７０）に励磁
磁界を印加する。

第７図Ｎ）のトルクセンサにおいて、回転軸（１０）に
トルク（Ｔ）が加わると、アモルファス磁性薄膜（７０
）に応力誘導−軸磁気異方性が生じ、印加されたトルク
に比例してアモルファス磁性薄膜（７０）の透磁率が変
化する。それに伴って、検出用巻線（４０）に生じるイ
ンダクタンスの変化が、検出用巻ｖＡ（４０）と励磁用
巻線（２０）との間の相互誘導による誘起電圧の変化と
して交流電圧計（５０）に出力される。回転軸（１０）
に印加されたトルク（Ｔ）の正転・逆転方向は、トルク
が印加されていないときの出力を基準値として、その大
小関係から判別される。

第７図（ｎ）は、上記トルクセンサを差動型に構成した
ものであり、回転軸（１０）に２つのアモルファス磁性
薄膜（７０ａ、　７０ｂ）を接着すると共に、各アモル
ファス磁性薄膜に対して検出用巻線（４０ａ。

４０ｂ）を配置しておき、トルクの印加による２つのア
モルファス磁性薄膜（７０ａ、　７０ｂ）の透磁率の変
化に伴って、一方の検出用巻線（４０ａ）と他方の検出
用巻線（４０ｂ）との間に生じる誘起電圧の差を出力し
、その出力の大きさと正負の符合からトルクをその正転
・逆転方向を含めて検出するようにしている。

上記トルクセンサは、その検出原理上、トルクの検出感
度が軸の回転角度や回転数と無関係であり、静止・回転
円トルクの検出が可能で、瞬時応答性をも備え、かつ構
造簡素である等の特徴を有している。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかしながら、上記トルクセンサにおいては、回転軸と
その表面に密着されているアモルファス磁性薄膜とが相
異なる熱膨張係数を有するものである場合、使用環境温
度により、アモルファス磁性薄膜に熱応力が発生する。

また、アモルファス磁性薄膜は一般に樹脂接着剤により
回転軸に接着されているので、使用環境温度により、そ
の接着力が変化する。該薄膜が、スパッタリングやイオ
ンブレーティングなどにより形成されたものである場合
にも、回転軸との界面の接着力は経時変化により劣化す
る。このような、アモルファス磁性薄膜に生じる熱応力
や回転軸に対する接着力の変化は、センサの出力変動・
零点変動の原因となり、トルクの精度良い検出を妨げ、
センサの信頼性を失わしめる。

本発明は上記問題点を解決するための改良された磁歪式
トルクセンサおよびその製造方法を提供する。

〔問題点を解決するための手段および作用〕本発明の磁
歪式トルクセンサは、回転軸にトルクが印加されること
により生じる回転軸表面の透磁率の変化を電気量として
非接触検出する磁歪式トルクセンサにおいて、 前記回転軸の透磁率の変化を検出しようとする部位にお
ける軸表面を一周する略帯状領域の表皮層に、周方向に
対して傾斜する方向を磁化容易軸とする誘導磁気異方性
が付与されていることを特徴としている。

第１図は本発明のトルクセンサの例を示している。（１
１）は回転軸（ｌＯ）の表皮層に磁化容易軸として誘導
磁気異方性が付与されている領域であり、該領域は適当
な幅（例えば、１０龍）を有するほぼ帯形状をなして、
軸周面を１周している。その帯状領域（以下、「異方化
帯域Ｊ　）（１１）における誘導磁気異方性は、その周
面のどの位置においても、周方向に対し一定の傾斜角度
（α）を以て付与されている。

第２図のトルクセンサは本発明のトルクセンサを差動型
に構成した例であり、その回転軸（１０）の周面には、
２つの異方化帯域（ｌｌａ）と（ｌｌｂ）とが適当な距
離（例えば、５ｍｍ）を隔てて設けられている。その一
方の異方化帯域（ｌｌａ）の表皮層には、周方向に対す
る傾斜角がαである誘導磁気異方性が、他方もう１つの
異方化帯域（ｌｌｂ）には、周方向に対する傾斜角度が
−αである誘導磁気異方性が、それぞれ磁化容易軸とし
ては付与されている。

本発明のトルクセンサの構成は、回転軸（１０）の周面
に、上記のように磁化容易軸として誘導磁気異方性を有
する異方化帯域（１１［１１ａ、（ｌｌａ、　１ｌｂ）
が形成されている点を除いて、前記アモルファス磁性薄
膜を磁歪材として回転軸に設けたトルクセンサのそれと
異なるものである必要はない。すなわち、第１図に示す
本発明のトルクセンサの例では、１つの異方化帯域（１
１）が形成された回転軸（１０）の該異方化帯域（１１
）の近傍に、第７図（Ｉ）のトルクセンサと同じように
、励磁用巻線（２０）および検出用巻線（４０）が回転
軸（１０）に対して回転対称に配置されることにより構
成されており、そのトルクセンサによるトルクの検出は
、第７図ＣＩ）のそれの場合と同じように行われる。ま
た、第２図に示す本発明のトルクセンサの例では、２個
所に異方化帯域（ｌｌａ）および（ｆｌｂ）が形成され
た回転軸（１０）の近傍に、第７図（Ｉ［）のトルクセ
ンサと同じように、励磁用巻線（２０）が配置されると
共に、２つの検出用巻線（４０ａ）と（４０ｂ）とが互
いに逆極性に接続されてそれぞれ一方の異方化帯域（ｌ
ｌａ）と他方の異方化帯域（ｌｌｂ）とに相対するよう
に配置されることにより構成され、そのトルクセンサに
よるトルクの検出は、第７図（ＩＩ）のそれと同じよう
に行われる。

次に、本発明のトルクセンサを製造するためのその構成
部材である回転軸の異方化帯域の形成について説明する
。回転軸（１０）の異方化帯域（１１）（ｌｌａ、　１
ｌｂ）の磁化容易軸である誘導磁気異方性は、所謂磁場
中冷却効果を利用し、印加磁場として回転軸のまわりに
スパイラル状の磁場を形成した状態において回転軸の所
定部位の表皮層を熱処理することにより導入される。こ
れを第３図により説明すると、（Ａ）は、回転軸（１０
）の所定の部位の表皮層を加熱するための高周波加熱コ
イル、（Ｂ）は回転軸（１０）の軸心方向の磁場を形成
するための直流磁場発生ソレノイドコイルである。ソレ
ノイドコイル（Ｂ）は、回転軸の熱処理領域（形成しよ
うとする異方化帯域）に均一な磁場が印加されるように
十分な長さく熱処理領域の幅の２倍〜数倍）を有してい
る。高周波加熱コイル（Ａ）と直流磁場発生用ソレノイ
ドコイル（Ｂ）とは同心円状に配置されている。（Ｃ）
は回転軸（１０）の周方向の磁場を形成するための直流
磁場発生回路である。

異方化帯域を形成しようとする回転軸（１０）は、図示
のように、高周波加熱コイル（Ａ）内に挿入され、これ
に周方向磁場発生回路（Ｃ）が軸方向に接続される。こ
のように回転軸（１０）を設置したのち、高周波加熱コ
イル（Ａ）により、回転軸（１０）の所定の部位の表皮
層を加熱昇温する。回転軸（１ｏ）の所定部位の表皮層
が十分な温度、すなわち原子の移動・再配列が容易に生
起し得る温度（回転軸材の応力緩和熱処理温度に相当す
る温度）に達した後、高周波加熱コイル（Ａ）による加
熱を停止する。このとき、回転軸に高周波コイルによる
残留磁化が生じないように、徐々に電圧を降下させて加
熱を停止する。

ライで、軸方向磁場発生ソレノイドコイル（Ｂ）に直流
電流ｒｏｃ＋を、また周方向磁場発生回路（Ｃ）に直流
電流ｒ　ＤＣ２をそれぞれ通じると、軸方向磁場発生ソ
レノイドコイル（１３）により第４図のように回転軸（
ｌＯ）の軸心方向の直流磁場（Ｈａｃｋ）が形成され、
周方向磁場発生回路（Ｃ）により、第５図に示すように
回転軸（１０）のまわりに周方向の直流磁場（Ｈｏｃｚ
）が生じる。この２つの方向の磁場の合成として、回転
軸（１０）には、第６図に示すように、その周方向に対
して一定の傾斜をなすスパイラル状の直流磁場（Ｈａｃ
ｋ）が印加される。回転軸（１０）の加熱された帯状領
域の表皮層は、上記スパイラル状の磁場（Ｈｎｃ３）中
で冷却されることにより、その磁場の方向に一致する方
向の銹Ｂ磁気異方性が付与される。こうして形成される
異方化帯域（１１）の誘４磁気異方性の傾斜角（α）は
、軸方向の直流磁場（Ｈ８ｃ＋）と周方向の直流磁場（
）（ＤＣ２）の強さにより任意に決めることができる。

また、第２図のような差動型トルクセンサを構成するこ
とを目的として、回転軸（１０）に２つの異方化帯域（
ｌｌａ）と（ｌｌｂ）を形成する場合には、回転軸（１
０）の１個所に異方化帯域（ｌｌａ）を形成したのち、
高周波加熱コイル（Ａ）内の回転軸（ｌＯ）の位置をず
らして、もう１つの異方化帯域（ｌｌｂ）を形成しよう
とする部分を高周波加熱コイル（Ａ）の内部に位置させ
たうえ、その部分の表皮層を加熱して前記と同じように
スパイラル状の磁場中で冷却させればよい。むろん、こ
のときに導入される誘導磁気異方性の方向を一方の異方
化帯域（ｌｌａ）のそれ（傾斜角度α）と対称な向き（
傾斜角−α）とするためには、周方向磁場発生回路（Ｃ
）および軸方向磁場発生ソレノイドコイル（Ｂ）のそれ
ぞれの電流の大きさは一方の異方化帯域（ｌｌａ）を形
成したときのそれと同一とし、いずれか一方の電流の向
きを逆にするだけでよい。

上記のように一方の異方化帯域（ｌｌａ）を形成したの
ち、もう１つの異方化帯域（ｌｌｂ）を形成するために
高周波加熱コイル（Ａ）により回転軸（１０）の表皮層
を加熱する場合、先に形成されている異方化帯域（ｌｌ
ａ）に熱影響が及ぶと、その誘導磁気異方性がくずれる
。これを防止するには、先に形成した異方化帯域（ｌｌ
ａ）に、例えば図示のように水冷ジャケラ）　（Ｄ）を
あてがい、冷却水（Ｗ）の給徘送により、該異方化帯域
（ｌｌａ）の昇温を防止するようにすればよい。

なお、回転軸（１０）は一般に強磁性金属材料（例えば
、ＳＣＭ　４１５等）からなるが、もし軸材が非磁性材
である場合は、軸周面に強磁性層を形設したうえで、前
記の磁場中冷却効果による異方化帯域を形成すればよい
。

〔発明の効果〕

本発明のトルクセンサは、回転軸自身の表皮層に異方化
帯域を形成してその部分の透磁率の変化を検出するよう
にしたので、従来のように回転軸表面にアモルファス磁
性薄膜を磁歪材として設けたトルクセンサと異なって、
磁歪材と回転軸との熱膨張係数の差による熱応力の発生
や、磁歪材の接着力の劣化等による検出出力の変動や零
点変動等がなく、トルク検出の信頼性が高く、回転軸が
破断しない限り高精度のトルク検出を行うことができる
。

また、回転軸にアモルファス薄膜等の磁性膜を磁歪材と
して、接着、あるいはスパッタリング法、イオンブレー
ティング法等により設けることは極めて高価であるが、
本発明では、回転軸の表皮層に銹界磁気異方性を付与す
ればよいので、コスト的にも極めて有利である。

【図面の簡単な説明】

第１図、第２図は本発明のトルクセンサの例を示す図、
第３図は本発明による回転軸の誘導磁気異方性誘起のた
めの磁場中熱処理方法の例を示す模式的説明図、第４図
、第５図は直流磁場発生説明図、第６図は回転軸に印加
されるスパイラル状磁場の模式的説明図、第７図（１）
、（ＩＩ）は従来のトルクセンサを示す図である。 １０：回転軸、１１．　ｌｌａ、　ｌｌｂ　：異方化帯
域、２０：励磁用巻線、４０．４０ａ、　４０ｂ　：検
出用巻線、７０：アモルファス磁性薄膜、Ａ：高周波加
熱コイル、Ｂ：軸方向磁場発生ソレノイドコイル、Ｃ：
周方向磁場発生回路。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）回転軸にトルクが印加されることにより生じる回
   転軸表面の透磁率の変化を電気量として非接触検出する
   磁歪式トルクセンサにおいて、前記回転軸の所定の部位
   における軸表面を一周する略帯状領域の表皮層に、周方
   向に対して傾斜する方向を磁化容易軸とする誘導磁気異
   方性が付与されていることを特徴とする磁歪式トルクセ
   ンサ。
2. （２）回転軸にトルクが印加されることにより生じる回
   転軸表面の透磁率の変化を電気量として非接触検出する
   磁歪式トルクセンサの製造方法において、 前記回転軸の所定の部位における軸表面を一周する略帯
   状領域の表皮層を加熱し、加熱された回転軸の表皮層を
   、軸心方向の直流磁場と、周方向の直流磁場とが合成さ
   れて形成されるスパイラル状直流磁場中において冷却さ
   せることにより、前記帯状領域の表皮層に、周方向に対
   して傾斜する方向を磁化容易軸とする誘導磁気異方性を
   誘起させることを特徴とする磁歪式トルクセンサの製造
   方法。