JP4305271B2 - Magnetostrictive torque sensor - Google Patents
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Description
本発明は、非接触磁歪式トルクセンサ、特に、磁歪特性を有する回転軸に加わるトルクを、透磁率変化による検出コイルのインダクタンス変化から非接触的に検出する非接触磁歪式トルクセンサに関する。 The present invention relates to a non-contact magnetostrictive torque sensor, and more particularly to a non-contact magnetostrictive torque sensor that detects, in a non-contact manner, a torque applied to a rotating shaft having magnetostrictive characteristics from a change in inductance of a detection coil caused by a change in permeability.
自動車のパワーステアリング機構、エンジン制御機構、動力伝達機構などでは回転軸であるハンドル軸、その他の受動軸などに加わるトルクを検出する必要性が高い。 In a power steering mechanism, an engine control mechanism, a power transmission mechanism, and the like of an automobile, there is a high need to detect torque applied to a handle shaft that is a rotating shaft and other passive shafts.
一般に、磁歪特性を有する材料は、力を加えると比透磁率が変化し、圧縮力方向では比透磁率が減少し、張力方向では比透磁率が増加する。この原理を利用した磁歪式トルク検出装置が、例えば特許文献1に記載されている。 In general, when a force is applied to a material having magnetostrictive characteristics, the relative permeability changes, the relative permeability decreases in the compressive force direction, and the relative permeability increases in the tension direction. A magnetostrictive torque detection device using this principle is described in Patent Document 1, for example.
図11(a)に特許文献1に記載されている磁歪式トルク検出装置の略図を示す。図11(a)の磁歪式トルク検出装置は、受動軸である回転軸11の外周に、回転軸11に対して±45°に複数の磁歪膜13、13を固着し、その外周に±45°磁歪膜13、13に対応してリング形検出コイル12、12を配設したものである。回転軸11に外部からトルクが印加されると、磁歪膜13、13の一方には張力が、他方には圧縮力が発生して歪が生じ、磁歪膜13、13の透磁率が変化する。この磁歪膜13、13の透磁率変化によるリング形検出コイル12、12のインダクタンス変化を検出して出力する。
FIG. 11A shows a schematic diagram of a magnetostrictive torque detection device described in Patent Document 1. FIG. In the magnetostrictive torque detection apparatus of FIG. 11A, a plurality of
上述した磁歪式トルク検出装置の他に、図11(b)に示すものがある。図11(b)の磁歪式トルク検出装置は、磁歪回転軸11に対向配置したU字形磁心14上に巻回した検出コイル12、12を使用することにより、磁歪回転軸11の透磁率変化を検出して出力するものである。
しかし、図11(a)の磁歪式トルク検出装置によれば、回転軸11に±45°の磁歪膜13、13を固着するため、回転軸11を加工する必要があるという問題がある。
However, according to the magnetostrictive torque detecting device of FIG. 11A, there is a problem that the rotating shaft 11 needs to be processed because the ± 45 °
また、図11(b)の磁歪式トルク検出装置によれば、回転軸11を加工する必要がなく、回転軸11に装着容易であるが、検出コイル12が巻かれたU字形磁心14は回転軸11に対してリング形磁心のような回転対称でなく、回転軸11がU字形磁心14に対面していない部分があるため、出力信号の感度が低く、出力信号のゼロ点が回転軸11の回転に伴って、大きく変動してしまうという問題がある。
Further, according to the magnetostrictive torque detecting device of FIG. 11B, it is not necessary to process the rotating shaft 11 and it can be easily mounted on the rotating shaft 11, but the U-shaped magnetic core 14 around which the
従って、本発明の目的は、回転軸に±45°の磁歪膜を固着するなどの加工を施すことなく、出力信号の感度を向上し、回転軸の回転に伴う出力信号のゼロ点変動を小さくすることによって、磁歪回転軸に加わるトルクを精度よく検出する非接触磁歪式トルクセンサを提供することにある。 Accordingly, the object of the present invention is to improve the sensitivity of the output signal without applying a process such as fixing a ± 45 ° magnetostrictive film to the rotating shaft, and to reduce the zero point fluctuation of the output signal accompanying the rotation of the rotating shaft. Accordingly, it is an object of the present invention to provide a non-contact magnetostrictive torque sensor that accurately detects torque applied to the magnetostrictive rotating shaft.
また、本発明の更なる目的は、回転軸の圧縮方向及び張力方向の磁束変化を検出する非接触磁歪式トルクセンサを提供することにある。 A further object of the present invention is to provide a non-contact magnetostrictive torque sensor that detects changes in magnetic flux in the compression direction and tension direction of the rotating shaft.
更に、本発明の他の目的は、コイルの検出感度が高い非接触磁歪式トルクセンサを提供することにある。 Another object of the present invention is to provide a non-contact magnetostrictive torque sensor with high coil detection sensitivity.
また、本発明の他の目的は、回転軸に装着容易である非接触磁歪式トルクセンサを提供することにある。 Another object of the present invention is to provide a non-contact magnetostrictive torque sensor that can be easily mounted on a rotating shaft.
更にまた、本発明の他の目的は、コイルの巻き方、検出回路の組み立て及び製造が容易な非接触磁歪式トルクセンサを提供することにある。 It is still another object of the present invention to provide a non-contact magnetostrictive torque sensor that is easy to wind a coil and assemble and manufacture a detection circuit.
本発明によると、中心軸の周りに回転する磁歪特性を有する回転軸と、前記回転軸の外周と所定の間隔を有しながら前記回転軸と同軸に配置された、前記回転軸の歪を検出するコイルを巻回した磁性リングを備えた磁歪式トルクセンサにおいて、
前記磁性リングは、前記中心軸に対して45°傾いてその円周方向に交互に配置された強磁性部と非磁性部とから形成され、
前記コイルは、前記強磁性部と前記非磁性部の傾斜方向と直交する方向に巻回することを特徴とする磁歪式トルクセンサを提供する。
According to the present invention, a rotating shaft having a magnetostrictive characteristic that rotates around a central axis, and a distortion of the rotating shaft that is arranged coaxially with the rotating shaft while having a predetermined distance from an outer periphery of the rotating shaft are detected. In a magnetostrictive torque sensor having a magnetic ring around which a coil is wound,
The magnetic ring is formed of a ferromagnetic portion and a non-magnetic portion that are alternately arranged in a circumferential direction inclined by 45 ° with respect to the central axis,
The coil provides a magnetostrictive torque sensor, wherein the coil is wound in a direction orthogonal to the inclination direction of the ferromagnetic part and the nonmagnetic part.
前記磁性リングは、前記回転軸の張力方向の磁束変化を検出するために、前記回転軸の張力方向に傾斜してその円周方向に交互に配置された張力検出用強磁性部と張力検出用非磁性部とから形成された第1の磁性リングと、前記回転軸の圧縮方向の磁束変化を検出するために、前記回転軸の圧縮方向に傾斜してその円周方向に交互に配置された圧縮検出用強磁性部と圧縮検出用非磁性部とから形成された第2の磁性リングとを含み、
前記コイルは、前記第1の磁性リングに圧縮方向に傾斜して巻回された第1のコイルと、前記第2の磁性リングに張力方向に傾斜して巻回された第2のコイルとを含むことを特徴とする。
In order to detect a change in magnetic flux in the tension direction of the rotating shaft, the magnetic ring is inclined in the tension direction of the rotating shaft and alternately arranged in the circumferential direction and tension detecting ferromagnetic portions. In order to detect a change in magnetic flux in the compression direction of the rotating shaft, the first magnetic ring formed from a non-magnetic portion is alternately arranged in the circumferential direction inclining in the compressing direction of the rotating shaft. A second magnetic ring formed from a compression detecting ferromagnetic portion and a compression detecting non-magnetic portion;
The coil includes a first coil wound around the first magnetic ring in a compression direction, and a second coil wound around the second magnetic ring in a tension direction. It is characterized by including.
前記磁性リングは、前記非磁性部の面積が前記強磁性部の面積よりも小さいことを特徴とする。 The magnetic ring is characterized in that an area of the nonmagnetic part is smaller than an area of the ferromagnetic part.
前記磁性リングは、前記非磁性部の位置で、前記非磁性部の傾斜方向に沿って、2分割された半円筒磁心を含むことを特徴とする。 The magnetic ring includes a semi-cylindrical magnetic core that is divided into two at the position of the nonmagnetic portion along the inclination direction of the nonmagnetic portion.
前記2分割された半円筒磁心にそれぞれコイルを独立して巻回することを特徴とする。 A coil is independently wound around each of the two half-cylindrical magnetic cores.
本発明の非接触磁歪式トルクセンサによると、回転軸に対して45°傾いたコイルにより発生する磁束が、強磁性部と非磁性部の傾き方向に集中するため、出力信号の感度を高くすることができる。また、該コイルは磁性リングの周囲に巻かれており回転軸に対して回転対称であるため、出力信号は回転軸の回転角度に依存することがない。即ち、回転軸の回転に伴う出力信号のゼロ点変動を小さくすることができる。 According to the non-contact magnetostrictive torque sensor of the present invention, the magnetic flux generated by the coil inclined by 45 ° with respect to the rotation axis is concentrated in the inclination direction of the ferromagnetic part and the non-magnetic part, so that the sensitivity of the output signal is increased. be able to. Further, since the coil is wound around the magnetic ring and is rotationally symmetric with respect to the rotation axis, the output signal does not depend on the rotation angle of the rotation axis. That is, the zero point fluctuation of the output signal accompanying the rotation of the rotating shaft can be reduced.
また、本発明によると、回転軸の張力方向に傾斜してその円周方向に交互に配置された張力検出用強磁性部と張力検出用非磁性部とから形成された第1の磁性リングに圧縮方向に傾斜して巻回された第1のコイルと、回転軸の圧縮方向に傾斜してその円周方向に交互に配置された圧縮検出用強磁性部と圧縮検出用非磁性部とから形成された第2の磁性リングに張力方向に傾斜して巻回された第2のコイルとを含むため、回転軸の張力方向及び圧縮方向の磁束変化を検出することができる。 Further, according to the present invention, the first magnetic ring formed of the tension detecting ferromagnetic portion and the tension detecting nonmagnetic portion which are inclined in the tension direction of the rotating shaft and are alternately arranged in the circumferential direction thereof. A first coil wound in the compression direction, and a ferromagnetic part for compression detection and a non-magnetic part for compression detection which are inclined in the compression direction of the rotating shaft and alternately arranged in the circumferential direction. Since it includes the second coil that is wound around the formed second magnetic ring while being inclined in the tension direction, it is possible to detect a change in magnetic flux in the tension direction and the compression direction of the rotating shaft.
また、本発明によると、磁性リングは、前記非磁性部の面積が前記強磁性部の面積よりも小さいため、コイルの検出感度を高くすることができる。 According to the present invention, the magnetic ring can increase the detection sensitivity of the coil because the area of the nonmagnetic portion is smaller than the area of the ferromagnetic portion.
更に、本発明によると、トルクセンサは2つの半円筒磁心に分割されるため、容易に磁歪回転軸に装着することができる。 Furthermore, according to the present invention, since the torque sensor is divided into two semi-cylindrical magnetic cores, it can be easily attached to the magnetostrictive rotating shaft.
また、本発明によると、2分割された半円筒磁心にそれぞれコイルを独立して巻回するため、コイルの巻き方、検出回路の組み立て及び製造が容易である。 In addition, according to the present invention, since the coils are wound independently around the half-cylindrical magnetic core divided into two, it is easy to wind the coils and to assemble and manufacture the detection circuit.
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
図1は、本発明の磁歪式トルクセンサの第1実施例を示す。この磁歪式トルクセンサは、磁歪特性を有する回転軸10と、回転軸10の軸Oに対して+45°傾いたコイル21(以下、単に「+45°コイル」と呼ぶ)が周囲に巻かれた磁性リング31とから構成され、+45°コイル21が周囲に巻かれた磁性リング31を回転軸10に通して同心状に配置した構造を有する。+45°コイル21が巻かれた磁性リング31は、回転軸10の軸Oに対して−45°傾いた非磁性部31a及び強磁性部31b(以下、それぞれ単に「−45°非磁性部」及び「−45°強磁性部」と呼ぶ)を併せ持つ複合磁性材料からなっており、図1に示すように、磁性リング31は−45°非磁性部31a及び−45°強磁性部31bを円周方向に交互に配置した構造を有する。ここで、−45°非磁性部31aは比透磁率が低いものが望ましく、−45°強磁性部31bは比透磁率が高いものが望ましい。また、−45°非磁性部31aと−45°強磁性部31bの個数は4から2N(N=2,3,4,…)である。また、+45°コイル21の検出感度を高くするため、−45°非磁性部31aの面積は−45°強磁性部31bの面積より小さいことが好ましい。
FIG. 1 shows a first embodiment of a magnetostrictive torque sensor according to the present invention. The magnetostrictive torque sensor includes a rotating
次に、本発明の磁歪式トルクセンサの動作原理について説明する。図2に示すように、軸方向Xから見て、図面で左側を反時計廻り方向に、図面で右側を時計廻り方向に力が働くように、回転軸10にトルクTが印加される。以下、この方向のトルクTを正方向とする。このとき、回転軸10の前側(紙面の表)から見て、回転軸10の+45°方向には圧縮力が、−45°方向には張力が加わることになる。この主応力σはトルクTに比例し、回転軸10の直径をDとすると、次式で与えられる。
σ=16T/(πD3) (1)
このとき、回転軸10が磁歪効果を持っていれば、主応力σにより、軸磁気異方性Kuが誘起される。
Ku=2・(3/2)λsσ=48λsT/(πD3) (2)
ここで、λsは回転軸10の飽和磁歪定数である。この軸磁気異方性Kuによって、+σ方向は磁化容易方向、−σ方向は磁化困難方向となり、静磁エネルギーの関係から、磁化容易方向+σ方向の比透磁率は増加し、逆に磁化困難方向−σ方向の比透磁率は減少する。従って、磁化困難方向−σ方向(圧縮力方向)に傾くコイルに電流を流すと、コイルにより形成する磁束は磁化容易方向+σ方向(張力方向)に傾いて張力方向の比透磁率が高くなるので、張力方向の磁束を減少させる方向に感応電流が流れ、感応電流によって感応電圧が誘起されるため、このコイルのインダクタンスは大きくなる。逆に、磁化容易方向+σ方向(張力方向)に傾くコイルに電流を流すと、コイルにより形成する磁束は、磁化困難方向−σ方向(圧縮力方向)に傾いて圧縮力方向の比透磁率が小さくなるので、圧縮力方向の磁束を増加させる方向に感応電流が流れ、感応電流によって感応電圧が誘起されるため、このコイルのインダクタンスは小さくなる。
Next, the operation principle of the magnetostrictive torque sensor of the present invention will be described. As shown in FIG. 2, when viewed from the axial direction X, a torque T is applied to the
σ = 16T / (πD 3 ) (1)
At this time, if the
Ku = 2 · (3/2) λsσ = 48λsT / (πD 3 ) (2)
Here, λs is a saturation magnetostriction constant of the
図1及び2に示すように、磁性リング31は、−45°非磁性部31a及び−45°強磁性部31bを併せ持つ複合磁性材料からなっており、−45°非磁性部31a及び−45°強磁性部31bを円周方向に交互に配置した構造を有する。+45°コイル21は、磁性リング31の周囲に、回転軸10の軸Oに対して+45°傾いて、−45°非磁性部31a及び−45°強磁性部31bに直交して巻かれている。従って、+45°コイル21に電流Iを流したとき+45°コイル21により発生する磁束Φは磁性リング31の−45°非磁性部31a(非磁性部31aは−45°方向に弱く磁化される)及び−45°強磁性部31bを通るため、図2に示すように磁束Φは強制的に回転軸10の軸Oに対して−45°傾いて回転軸10を通る。よって、回転軸10を通る磁束Φは磁化容易方向+σ方向(張力方向)に集中して張力方向の比透磁率が大きくなるため、+45°コイル21のインダクタンスは大きくなる。
As shown in FIGS. 1 and 2, the magnetic ring 31 is made of a composite magnetic material having both a −45 ° nonmagnetic portion 31a and a −45 ° ferromagnetic portion 31b, and the −45 ° nonmagnetic portion 31a and −45 °. The ferromagnetic portions 31b are alternately arranged in the circumferential direction. The + 45 °
図3は、上述した+45°コイル21の電気特性から磁歪回転軸10に印加されるトルクを検出するための検出回路である。+45°コイル21と、3つの抵抗器R1、R2、R3(R1=R2=R3=10Ω)を用いて、図3に示すようなブリッジ回路を構成する。そして、直列接続された+45°検出コイル21と抵抗器R3、直列接続抵抗器R1とR2との両端に回路を駆動する発振器70を接続し、+45°検出コイル21と抵抗器R3の間、及び直列接続抵抗器R1とR2の間に、トルク印加時にブリッジ回路から発生する差動信号を検出・増幅して出力するロックイン増幅器80を接続する。
FIG. 3 is a detection circuit for detecting the torque applied to the magnetostrictive
次に、図3の検出回路の動作について説明する。発振器70から発生する高周波数電流Iが抵抗器R1と+45°検出コイル21に流入し、抵抗器R2と抵抗器R3から流出する。トルクが印加されていないとき、検出回路が平衡状態になるようにゼロ点調整を行う。図2に示すように、正トルクTが印加されるとき、+45°検出コイル21のインダクタンスLがΔL増加し、ロックイン増幅器80からの出力Vは正方向に増加する。それに対して、負トルクが印加されるとき、+45°検出コイル21のインダクタンスLがΔL減少し、ロックイン増幅器80からの出力Vは負方向に減少する。これより、トルクTの方向及び大きさが検出される。
Next, the operation of the detection circuit of FIG. 3 will be described. High frequency current I generated from the
図3の検出回路によれば、+45°コイル21と3つの抵抗器R1、R2、R3のブリッジ回路のバランスをとることにより、更に、ロックイン増幅器80により雑音が除去されるため、安定した精確なゼロ点調整を容易に行うことができるとともに、出力電圧の感度を高くすることができる。
According to the detection circuit of FIG. 3, noise is removed by the lock-in
さらに、上述した磁歪式トルクセンサの構造によれば、+45°コイル21により発生する磁束Φが−45°方向に集中するため、出力信号の感度を高くすることができる。また、+45°コイル21は磁性リング31の周囲に巻かれており磁歪回転軸10に対して回転対称であるため、出力信号は磁歪回転軸10の回転角度に依存することがない。即ち、磁歪回転軸10の回転に伴う出力信号のゼロ点変動を小さくすることができる。
Furthermore, according to the structure of the magnetostrictive torque sensor described above, the magnetic flux Φ generated by the + 45 °
なお、上述の第1実施例では、検出コイルが回転軸10の軸Oに対して+45°傾き、磁性リングの非磁性部及び強磁性部が回転軸10の軸Oに対して−45°傾くとしたが、逆に、検出コイルが回転軸10の軸Oに対して−45°傾き、磁性リングの非磁性部及び強磁性部が回転軸10の軸Oに対して+45°傾くとしても良い。
In the first embodiment described above, the detection coil is inclined + 45 ° with respect to the axis O of the
図4は、本発明の磁歪式トルクセンサの第2実施例を示す。第2実施例の磁歪式トルクセンサは磁歪特性を有する回転軸10を有するが、第1実施例と相違して、回転軸10の軸Oに対して+45°傾いたコイル21(以下、単に「+45°コイル」と呼ぶ)が周囲に巻かれた磁性リング31と、回転軸10の軸Oに対して−45°傾いたコイル22(以下、単に「−45°コイル」と呼ぶ)が周囲に巻かれた磁性リング32とをそれぞれ回転軸10の両端部に通して回転軸10に同心状に配置する。更に、1つの磁性リング31は、回転軸10の軸Oに対して−45°傾いた非磁性部31a及び強磁性部31b(以下、それぞれ単に「−45°非磁性部」及び「−45°強磁性部」と呼ぶ)を併せ持つ複合磁性材料からなっており、図4に示すように、磁性リング31は−45°非磁性部31a及び−45°強磁性部31bを円周方向に交互に配置した構造を有する。また、もう1つの磁性リング32は、回転軸10の軸Oに対して+45°傾いた非磁性部32a及び強磁性部32b(以下、それぞれ単に「+45°非磁性部」及び「+45°強磁性部」と呼ぶ)を併せ持つ複合磁性材料からなっており、図4に示すように、磁性リング32は+45°非磁性部32a及び+45°強磁性部32bを円周方向に交互に配置した構造を有する。ここで、−45°非磁性部31a及び+45°非磁性部32aは比透磁率が低いものが望ましく、−45°強磁性部31b及び+45°強磁性部32bは比透磁率が高いものが望ましい。また、−45°非磁性部31aと−45°強磁性部31b、及び+45°非磁性部32aと+45°強磁性部32bの個数は4から2N(N=2,3,4,…)である。また、+45°コイル21と−45°コイル22の検出感度を高くするため、−45°非磁性部31a及び+45°非磁性部32aの面積はそれぞれ−45°強磁性部31b及び+45°強磁性部32bの面積より小さいことが好ましい。
FIG. 4 shows a second embodiment of the magnetostrictive torque sensor of the present invention. The magnetostrictive torque sensor of the second embodiment has a
次に、図5を参照して、図4の磁歪式トルクセンサの動作について説明する。+45°コイル21に電流Iを流すと+45°コイル21により発生する磁束Φは磁性リング31の−45°非磁性部31a(非磁性部31aは−45°方向に弱く磁化される)及び−45°強磁性部31bを通るため、図5に示すように磁束Φは強制的に回転軸10の軸Oに対して−45°傾いて回転軸10を通る。よって、回転軸10を通る磁束Φは磁化容易方向+σ方向(張力方向)に集中して張力方向の比透磁率が大きくなるため、+45°コイル21のインダクタンスは大きくなる。同様に、−45°コイル22に電流Iを流すと−45°コイル22により発生する磁束Φは磁性リング32の+45°非磁性部32a(非磁性部32aは+45°方向に弱く磁化される)及び+45°強磁性部32bを通るため、図5に示すように磁束Φは強制的に回転軸10の軸Oに対して+45°傾いて回転軸10を通る。よって、回転軸10を通る磁束Φは磁化困難方向−σ方向(圧縮方向)に集中して圧縮方向の比透磁率が小さくなるため、−45°コイル22のインダクタンスは小さくなる。
Next, the operation of the magnetostrictive torque sensor of FIG. 4 will be described with reference to FIG. When the current I is supplied to the + 45 °
図6は、上述した第2実施例の+45°コイル21と−45°コイル22の電気特性から磁歪回転軸10に印加されるトルクを検出するための検出回路である。+45°コイル21と−45°コイル22と、2つの抵抗器R1、R2(R1=R2=10Ω)を用いて、図6に示すようなブリッジ回路を構成する。そして、直列接続された+45°検出コイル21と抵抗器R1、直列接続された−45°検出コイル22と抵抗器R2との両端に回路を駆動する発振器70を接続し、+45°検出コイル21と抵抗器R1の間、及び直列接続された−45°検出コイル22と抵抗器R2の間に、トルク印加時にブリッジ回路から発生する差動信号を検出・増幅して出力するロックイン増幅器80を接続する。
FIG. 6 shows a detection circuit for detecting the torque applied to the magnetostrictive
次に、図6の検出回路の動作について説明する。発振器70から発生する高周波数電流Iが+45°検出コイル21と−45°検出コイル22に流入し、抵抗器R1と抵抗器R2から流出する。トルクが印加されていないとき、検出回路が平衡状態になるようにゼロ点調整を行う。図6に示すように、正トルクTが印加されるとき、+45°検出コイル21のインダクタンスLがΔL増加し、−45°検出コイル22のインダクタンスLがΔL減少し、ロックイン増幅器80からの出力Vは正方向に増加する。それに対して、負トルクが印加されるとき、+45°検出コイル21のインダクタンスLがΔL減少し、−45°検出コイル22のインダクタンスLがΔL増加し、ロックイン増幅器80からの出力Vは負方向に減少する。これより、トルクTの方向及び大きさが検出される。
Next, the operation of the detection circuit of FIG. 6 will be described. Flowing high frequency current I + 45 °
図6の検出回路によれば、+45°コイル21と−45°コイル22と、2つの抵抗器R1、R2のブリッジ回路のバランスをとることにより、更に、ロックイン増幅器80により雑音が除去されるため、安定した精確なゼロ点調整を容易に行うことができるとともに、出力電圧の感度を高くすることができる。
According to the detection circuit of FIG. 6, noise is removed by the lock-in
さらに、第2実施例の磁歪式トルクセンサの構造によれば、+45°コイル21と−45°コイル22により発生する磁束Φがそれぞれ−45°方向と+45°方向に集中するため、出力信号の感度を高くすることができる。また、+45°コイル21と−45°コイル22はそれぞれ磁性リング31と32の周囲に巻かれており磁歪回転軸10に対して回転対称であるため、出力信号は磁歪回転軸10の回転角度に依存することがない。即ち、磁歪回転軸10の回転に伴う出力信号のゼロ点変動を小さくすることができる。
Further, according to the structure of the magnetostrictive torque sensor of the second embodiment, the magnetic flux Φ generated by the + 45 °
図7(a)は、磁歪特性を有する回転軸10の軸O(図示せず)に対して+45°傾いたコイル21(以下、単に「+45°コイル」と呼ぶ)がそれぞれに巻かれた半円筒磁心ペア41、41を磁歪回転軸10に装着した本発明の磁歪式トルクセンサの第3実施例を示す。ここで、各半円筒磁心41、41は、磁歪特性を有する回転軸10の軸O(図示せず)に対して−45°傾いた非磁性部41a及び強磁性部41b(以下、それぞれ単に「−45°非磁性部」及び「−45°強磁性部」と呼ぶ)を併せ持つ複合磁性材料からなる。図7(b)は、(a)の−45°非磁性部41aにおける−45°切断部41Aを含む半円筒磁心ペア41、41の軸に垂直な方向から見た部分拡大平面図である。第3実施例では、第1実施例と相違して、磁性リングを、切断部41Aで示すように、切断方向が−45°非磁性部41aと−45°強磁性部41bの傾く方向と同じであるように、その直径上の−45°非磁性部41aで2つの半円筒磁心41,41に分割する。+45°コイル21は、2つの半円筒磁心41,41のそれぞれに、その一方の切断端面の45°の角の所から、−45°非磁性部41a及び−45°強磁性部41bに直交して、他方の切断端面の45°の角の所まで巻く。そして、2つの半円筒磁心41,41を磁歪回転軸10の周囲に同心状に緊密に対向配置して、磁歪式トルクセンサを構成する。
FIG. 7A shows a half in which coils 21 (hereinafter simply referred to as “+ 45 ° coils”) inclined by + 45 ° with respect to the axis O (not shown) of the
なお、図7の磁歪式トルクセンサの動作原理については、図2で説明した動作原理と同様であるので説明は省略する。 The operation principle of the magnetostrictive torque sensor in FIG. 7 is the same as the operation principle described in FIG.
図8は、上述した第3実施例の2つの+45°コイル21,21の電気特性から磁歪回転軸10に印加されるトルクを検出するための検出回路である。2つの+45°コイル21,21と、2つの抵抗器R1、R2(R1=R2=10Ω)を用いて、図8に示すようなブリッジ回路を構成する。そして、2つの直列接続された+45°コイル21,21、直列接続抵抗器R1とR2との両端に回路を駆動する発振器70を接続し、直列接続された2つの+45°コイル21の間、及び直列接続抵抗器R1とR2の間に、トルク印加時にブリッジ回路から発生する差動信号を検出・増幅して出力するロックイン増幅器80を接続する。
FIG. 8 shows a detection circuit for detecting the torque applied to the magnetostrictive
次に、図8の検出回路の動作について説明する。発振器70から発生する高周波数電流Iが上側の+45°検出コイル21と抵抗器R1に流入し、下側の+45°検出コイル21と抵抗器R2から流出する。トルクが印加されていないとき、検出回路が平衡状態になるようにゼロ点調整を行う。図8に示すように、正トルクTが印加されるとき、上側の+45°検出コイル21のインダクタンスLがΔL増加し、下側の+45°検出コイル21のインダクタンスLがΔL減少し、ロックイン増幅器80からの出力Vは正方向に増加する。それに対して、負トルクが印加されるとき、上側の+45°検出コイル21のインダクタンスLがΔL減少し、下側の+45°検出コイル21のインダクタンスLがΔL増加し、ロックイン増幅器80からの出力Vは負方向に減少する。これより、トルクTの方向及び大きさが検出される。
Next, the operation of the detection circuit of FIG. 8 will be described. High frequency current I generated from the
図8の検出回路によれば、2つの+45°コイル21,21と、2つの抵抗器R1、R2のブリッジ回路のバランスをとることにより、更に、ロックイン増幅器80により雑音が除去されるため、安定した精確なゼロ点調整を容易に行うことができるとともに、出力電圧の感度を高くすることができる。
According to the detection circuit of FIG. 8, noise is further removed by the lock-in
さらに、第3実施例の磁歪式トルクセンサの構造によれば、2つの直列接続された+45°コイル21,21により発生する磁束Φが−45°方向に集中するため、出力信号の感度を高くすることができる。また、2つの直列接続された+45°コイル21,21は、第1実施例と同様に磁歪回転軸10に対してリング形軸回転対称検出コイルと同じ働きをするため、第1実施例と同様に磁歪回転軸10に対して回転対称であるため、出力信号は磁歪回転軸10の回転角度に依存することがない。即ち、磁歪回転軸10の回転に伴う出力信号のゼロ点変動を小さくすることができる。しかも、第3実施例の磁歪式トルクセンサは2つの半円筒磁心41,41に分割されるため、第1実施例に比較して容易に磁歪回転軸10に装着することができる。
Furthermore, according to the structure of the magnetostrictive torque sensor of the third embodiment, since the magnetic flux Φ generated by the two + 45 °
図9は、本発明の磁歪式トルクセンサの第4実施例を示す。第4実施例では、第2実施例の磁性リング31及び32をそれぞれ、第3実施例のように、−45°切断部41A及び+45°切断部42Aで示すように、その直径上の−45°非磁性部41a及び+45°非磁性部42aの位置で、−45°非磁性部41a及び+45°非磁性部42aの傾き方向に沿って2つの半円筒磁心ペア41,41及び42,42に分割して、半円筒磁心41,41及び42,42のそれぞれに+45°コイル21,21及び−45°コイル22,22を巻回する。
FIG. 9 shows a fourth embodiment of the magnetostrictive torque sensor of the present invention. In the fourth embodiment, as in the third embodiment, the magnetic rings 31 and 32 of the second embodiment are each −45 on the diameter as indicated by the −45 °
なお、図9の磁歪式トルクセンサの動作原理については、図5で説明した動作原理と同様であるので説明は省略する。 The operation principle of the magnetostrictive torque sensor in FIG. 9 is the same as the operation principle described in FIG.
図10は、上述した第4実施例の2つの+45°コイル21,21及び2つの−45°コイル22,22の電気特性から磁歪回転軸10に印加されるトルクを検出するための検出回路である。2つの+45°コイル21,21及び2つの−45°コイル22,22を用いて、図10に示すようなブリッジ回路を構成する。そして、2つの直列接続された+45°コイル21と21、2つの直列接続された−45°コイル22と22の両端に回路を駆動する発振器70を接続し、2つの直列接続された+45°検出コイル21と21の間、及び2つの直列接続された−45°コイル22と22の間に、トルク印加時にブリッジ回路から発生する差動信号を検出・増幅して出力するロックイン増幅器80を接続する。
FIG. 10 is a detection circuit for detecting the torque applied to the magnetostrictive
次に、図10の検出回路の動作について説明する。発振器70から発生する高周波数電流Iが上側の+45°検出コイル21と−45°検出コイル22に流入し、下側の+45°検出コイル21と−45°検出コイル22から流出する。トルクが印加されていないとき、検出回路が平衡状態になるようにゼロ点調整を行う。図10に示すように、正トルクTが印加されるとき、左上側の+45°検出コイル21と右下側のと−45°検出コイル22のインダクタンスLがΔL増加し、左下側の+45°検出コイル21と右上側の−45°検出コイル22のインダクタンスLがΔL減少し、ロックイン増幅器80からの出力Vは正方向に増加する。それに対して、負トルクが印加されるとき、左上側の+45°検出コイル21と右下側の−45°検出コイル22のインダクタンスLがΔL減少し、左下側の+45°検出コイル21と右上側のと−45°検出コイル22のインダクタンスLがΔL増加し、ロックイン増幅器80からの出力Vは負方向に減少する。これより、トルクTの方向及び大きさが検出される。
Next, the operation of the detection circuit of FIG. 10 will be described. The high frequency current I generated from the
図10の検出回路によれば、2つの+45°コイル21,21及び2つの−45°コイル22,22のブリッジ回路のバランスをとることにより、更に、ロックイン増幅器80により雑音が除去されるため、安定した精確なゼロ点調整を容易に行うことができるとともに、出力電圧の感度を高くすることができる。
According to the detection circuit of FIG. 10, noise is removed by the lock-in
さらに、第4実施例の磁歪式トルクセンサの構造によれば、2つの直列接続された+45°コイル21,21及び2つの直列接続された−45°コイル22,22により発生する磁束Φがそれぞれ−45°方向と+45°方向に集中するため、出力信号の感度を高くすることができる。また、2つの直列接続された+45°コイル21,21及び2つの直列接続された−45°コイル22,22は、第2実施例と同様に磁歪回転軸10に対してリング形軸回転対称検出コイルと同じ働きをするため、第2実施例と同様に磁歪回転軸10に対して回転対称であるため、出力信号は磁歪回転軸10の回転角度に依存することがない。即ち、磁歪回転軸10の回転に伴う出力信号のゼロ点変動を小さくすることができる。しかも、第4実施例の磁歪式トルクセンサは2つの半円筒磁心41,41及び42,42に分割されるため、第2実施例に比較して容易に磁歪回転軸10に装着することができる。更に、検出コイルの数は4つあるため、検出コイルのブリッジ回路の接続が容易であり、外部回路を要しないでブリッジ回路が組める。
Furthermore, according to the structure of the magnetostrictive torque sensor of the fourth embodiment, the magnetic fluxes Φ generated by the two + 45 °
10 磁歪回転軸
21 +45°コイル
22 −45°コイル
31、32 磁性リング
41、42 半円筒磁心
31a、41a −45°非磁性部
31b、41b −45°強磁性部
32a、42a +45°非磁性部
32b、42b +45°強磁性部
41A、42A 切断部
70 発振器
80 ロックイン増幅器
10
Claims (5)
前記磁性リングは、前記中心軸に対して45°傾いてその円周方向に交互に配置された強磁性部と非磁性部とから形成され、
前記コイルは、前記強磁性部と前記非磁性部の傾斜方向と直交する方向に巻回することを特徴とする磁歪式トルクセンサ。 A rotating shaft having magnetostrictive characteristics that rotates around a central axis, and a coil that is arranged coaxially with the rotating shaft while having a predetermined distance from the outer periphery of the rotating shaft, is wound. In a magnetostrictive torque sensor with a magnetic ring,
The magnetic ring is formed of a ferromagnetic portion and a non-magnetic portion that are alternately arranged in a circumferential direction inclined by 45 ° with respect to the central axis,
The magnetostrictive torque sensor according to claim 1, wherein the coil is wound in a direction orthogonal to an inclination direction of the ferromagnetic portion and the nonmagnetic portion.
前記コイルは、前記第1の磁性リングに圧縮方向に傾斜して巻回された第1のコイルと、前記第2の磁性リングに張力方向に傾斜して巻回された第2のコイルとを含むことを特徴とする請求項1記載の磁歪式トルクセンサ。 In order to detect a change in magnetic flux in the tension direction of the rotating shaft, the magnetic ring is inclined in the tension direction of the rotating shaft and alternately arranged in the circumferential direction and tension detecting ferromagnetic portions. In order to detect a change in magnetic flux in the compression direction of the rotating shaft, the first magnetic ring formed from a non-magnetic portion is alternately arranged in the circumferential direction inclining in the compressing direction of the rotating shaft. A second magnetic ring formed from a compression detecting ferromagnetic portion and a compression detecting non-magnetic portion;
The coil includes a first coil wound around the first magnetic ring in a compression direction, and a second coil wound around the second magnetic ring in a tension direction. The magnetostrictive torque sensor according to claim 1, further comprising:
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