JPS6275328A - 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】 〔発明の技術分野〕 本発明は非接触でトルクを検出するトルクセンサに関す
る。

〔発明の技術的背景〕

トルクは回転駆動系の制御を行なう際の基本量の一つで
ある。トルクを精密に検出するためには、その検出機構
が非接触方式であることが必要である。

近年、上述したような非接触方式のトルクセンサとして
アモルファス磁性合金の薄帯を利用したものが提案され
ている（電気学会マグネティックス研究会資料ＭＡＧ−
８１−７２）。

このトルクセンサの概略構成は第５図に示すようなもの
である。第５図において、トルクを検出すべき回転軸、
すなわちトルク伝達軸１にはアモルファス磁性合金から
形成された環状磁心２が巻回されて固定されている。こ
の環状磁心２には予めその周方向３に対して角度θの傾
き方向に誘導磁気異方性ＫＵ’　４が付与されている。

なお、前記環状磁心２の周囲には例えば図示しない検出
コイルが近接して配設されており、更にこの検出コイル
は図示しない検出回路に接続されている。

上記トルクセンサの原理を概略的に説明する。

ここで、説明を簡単にするためにθ〉４５°、飽和磁歪
定数λｓｈｏとする。いま、トルク伝達軸１にトルク５
が加わると、トルク伝達軸１に発生したひずみ応力が環
状磁心２に伝達され、環状磁心２には＋４５６の方向に
張力σが、−４５６の方向に圧縮応力−σがそれぞれ発
生する。これに伴い、環状磁心２には磁気ひずみ効果に
より＋４５°の方向に誘導磁気異方性　Ｋｕ″６（−３
λＳ・σ）が誘導される。この結果、ＫＬＩ’　とＫ　
ｕ　”の合成として誘導磁気異方性はＫｕ７へ変化する
。一般に、磁性体の透磁率は励磁方向に対する誘導磁気
異方性の方向によって変化する。したがって、環状磁心
２の誘導磁気異方性の方向の変化に伴う透磁率の変化を
、例えば検出コイル及びこれに接続された検出回路によ
り電圧の変化として測定することができ、その値からト
ルク伝達軸１に加えられたトルク５を検出することがで
きる。

なお、上記トルクセンサの説明では環状磁心を構成する
磁性体としてアモルファス磁性合金を用いた場合につい
て述べたが、これに限らず軟質磁性を示すものであれば
、例えばパーマロイ（Ｆｅ−Ｊｌｉ合金）、センダスト
（Ｆｅ−Ａｊ２−８　ｉ合金）、Ｆｅ−８ｉ合金など他
の磁性体を用いることができる。

ところで、上述したように磁性金属薄帯からなる環状磁
心の周囲に近接して検出コイルを配設すればトルクの検
出ができるが、その検出機構はトルクセンサの性能を左
右する重要な因子となる。

従来、上述した検出機構としては第６図（ａ）及び（ｂ
）に示すようなものが知られている。

第６図（ａ）は中空のトルク伝達軸１１に磁性金属薄帯
の環状磁心１２を固定し、ソレノイドコイル１３を用い
て環状磁心１２の周方向に励磁し、更に検出巻線１４を
巻いて出力を検出するものである。また、同図（ｂ）は
トルク伝達軸１１に磁性金属薄帯の環状磁心１２を固定
し、その外周に巻かれたソレノイドコイル１３′を用い
て環状磁心１２の幅方向に励磁し、さらにその外側に検
出巻線１４′を巻いて出力を検出するものである。

すなわち、第６図（ａ）及び（ｂ）の検出機構ではいず
れも透磁率の変化をソレノイドコイルと検出巻線との相
互誘導による電圧の変化としてとらえ、増幅回路を経て
出力を得るものである。

〔背景技術の問題点〕

上述したような検出機構で検出出力を実用レベルにする
ためには、少なくとも一対の検出磁心を用い、これらを
差動結合することにより、検出出力の線形性を良好なも
のにする必要がある。しかし、特に第６図（ａ）の方式
では、対をなす検出磁心を設けようとすると大きな取付
はスペースが必要となるうえ、取付は作業も煩雑となる
。また、第６図（ａ）及び（ｂ）の方式ではトルク伝達
軸に巻いて固定する環状磁心に予め大きな誘導磁気異方
性を付与しなければならないが、環状磁心に大きな誘導
磁気異方性を付与することは極めて困難である。また、
トルク伝達軸の全周にわたって連続的にトルクを検出す
るため、透磁率をどの位置でも一定値にする必要がある
が、トルク伝達軸にｌ”ｅ系等の強磁性体を用いた場合
、材質の不均一性から一周のうちに透磁率変化が生じる
。したがって、この透磁率変化に起因する出力変動がト
ルクの検出出力に重畳されるため、Ｓ／Ｎ比が著しく低
下する。更に、磁性金属薄帯の透磁率変化を利用して検
出を行なっているため、電動機等の磁界を発生する機器
に近接して配置した場合、誘導磁界によりトルクの検出
出力に多大な影響を及ぼすとともに、Ｓ／Ｎ比の低下が
著しい。

〔発明の目的〕

本発明は上記欠点を解消するためになされたものであり
、取付はスペースが極めて狭空間でも容易に取付けるこ
とができるうえ、電動機等のような磁界発生源に近接し
て配置することができ、しかも高出力、高Ｓ／Ｎ比で安
定したトルク検出を行なえるトルクセンサを提供しよう
とするものである。

〔発明の概要〕

一般に、非接触のトルク検出を行なう場合、検出磁心で
検出される磁性金属薄帯の磁気特性変化は小さいため、
磁界検出部は高感度が要求される。

このため、外部から発生する誘導磁界等の外乱ノイズの
影響も多大なものとなる。これに対し、検出出力に重畳
されている外乱ノイズのみを打消すことができれば、高
出力、高Ｓ／Ｎ比で安定したトルク検出が可能となる。

本発明はこのような技術的思想に基づいてなされたもの
である。

すなわち本発明のトルクセンサは、トルク伝達軸に固定
された磁性金属薄帯に近接して非接触に設けられる検出
磁心をトルク伝達軸の軸方向の異なる位置で対をなすよ
うに配置し、これら検出磁心に施された検出巻線を差動
結合するとともに、前記検出磁心対を前記トルク伝達軸
の周方向に複数対配設させ、各検出磁心対に施された検
出巻線より得られる差動出力を合成するように、検出磁
心対相互の検出巻線を結合したことを特徴とするもので
ある。

このようなトルクセンサによれば、複数対の検出磁心対
の検出巻線を適切に結合することにより、検出出力に重
畳されている外乱ノイズのみを打消すことができ、誘導
磁界等に対し、優れた耐ノイズ性及び過渡応答性が得ら
れる。また、検出磁心を用いるので、取付はスペースが
狭くとも容易に取付けることができる。しかも、磁性金
属薄帯はトルク伝達軸の周方向に部分的に固定するだけ
でよいので、予め大きな誘導磁気異方性を付与すること
ができ、検出出力を大きくすることができる。

また、例えば電動機の場合、誘導磁界等の外乱ノイズ成
分には対称的な特定の位置関係が存在する。すなわち、
各種電動機の磁界発生状態は直流、交流単相、交流３相
等の駆動源の相違、あるいは２．４．６極等の極数の相
違による各種方式に応じて１５°、３０°、４５’　、
６０°、９０°、１２０°、１８０°等の原理上の対称
性がある。

この対称的な特定の角度を隔てて検出磁心対を複数対配
設することにより外乱ノイズ成分の位相も対称的になり
、この位相差により外乱ノイズ成分を相殺させて大幅に
低減することができる。

したがって、特に電動機等に内蔵するか又は近接して配
置することができ、実用性が高く、適用範囲の広いトル
クセンサを提供することができる。

〔発明の実施例〕

以下、本発明の実施例を図面を参照して説明する。なお
、第１図は本発明に係るトルクセンサの斜視図、第２図
は同トルクセンサの正面図、第３図は同トルクセンサの
回路構成図である。

第１図及び第２図において、直径４０姻の強磁性体から
なるトルク伝達軸２ｏの２箇所には周方向に沿って部分
的に一対の磁性金属薄帯２１．２２が平行して接着固定
されている。これら磁性金属薄帯２１．２２は単ロール
法により作製された幅５Ｍ、厚さ３０ｕ１ｎの（Ｆｅ　
　　Ｃｏ　　　）７８０．２　　　　　　　　０．８ ＳｉａＢｔ＋アモルファス磁性合金薄帯を１０１Ｍ１の
長さに切出したものである。また、磁性金属薄帯２１に
はトルク伝達軸２ｏの周方向に対して角度θ（例えば＋
４５°）の傾き方向に、磁性金属薄帯２２にはトルク伝
達軸２０の周方向に対して角度−〇（例えば−４５°）
の傾き方向にそれぞれ誘導磁気異方性Ｋｕ”が付与され
ている。

更に、磁性金属薄帯２１．２２の回転面の外周には１Ｍ
のギャップを隔ててＵ型の第１の検出磁心対３１．３２
及び第２の検出磁心対３３．３４がそれぞれ配設されて
いる。これら第１の検出磁心対３１．３２と第２の検出
磁心対３３．３４とはトルク伝達軸２０の回転軸に対し
て互いに１８００回転した対称的な位置に配置されてい
る。これら検出磁心３１．３２．３３．３４にはそれぞ
れ励磁巻線４１１．４２１．４３ｔ　、４４を及び検出
巻線４１２．４２２．４３２．４４２が施されている。

これらの巻線は第３図に示すように接続されている。す
なわち、第１の検出磁心対３１．３２の励磁巻線４１１
．４２ｔは和動的に結線され、検出巻線４１２．４２２
は差動的に結線されている。

同様に、第２の検出磁心対３３．３４の励磁巻線４３１
．４４ｔは和動的に結線され、検出巻線４３２．４４２
は差動的に結線されている。

また、第１の検出磁心対３１，３２の励磁巻線４１１．
４２ｔと第２の検出磁心対３３．３４の励磁巻線４３１
．４４ｔとは並列接続され、交流電８１４５に導かれて
いる。一方、第１の検出磁心対３１．３２の検出巻線４
１２．４２２と第２の検出磁心対３３．３４の検出巻線
４３２．４４２とは直列に接続され、出力される■。ｕ
ｔ　は図示しない電気回路を経てトルク出力として検出
される。

このようなトルクセンサによれば、第１の検出磁心対３
１．３２の検出者４１１４１２．４２２で得られる差動
出力にも、第２の検出磁心対３３．３４の検出巻線４３
２．４４２で得られる差動出力にもトルク負荷に伴う出
力に外乱ノイズが重畳されているが、これらの外乱ノイ
ズは位相が１８００反転したものとなっている。したが
って、検出者ｌＩ４１２．４２２と検出巻線４３２．４
４２とを直列接続することにより得られる■。ｕｔはト
ルク負荷に伴う出力が２倍となり、外乱ノイズが打消さ
れたものとなる。

実際に、上記トルクセンサを３相誘導電動機の出力軸の
軸受部近傍に内蔵し、回転数１５０゜ｒｐｍの同トルク
を検出した。まず、検出磁心対を一対だけ配設した場合
（比較例）、トルク検出特性は第４図（ａ）に示すよう
に外乱ノイズの重畳が大きく、安定したトルク検出は不
可能であった。

これに対し、上記実施例のような構成とした場合、同図
（ｂ）に示すように２倍のトルク検出感度が得られ、し
かも外乱ノイズは位相差により相殺され、Ｓ／Ｎ比が高
く、安定で線形性に優れた検出特性を得ることができた
。このように本発明のトルクセンサは、大きな誘導磁界
が発生する電動機に内蔵又は近接して配置することもで
き、実用性が高い。

なお、上記実施例では第１及び第２の検出磁心対の検出
巻線を直列接続したが、並列接続してもよい。この場合
、トルク負荷に伴う出力は２倍になるわけではないが、
外乱ノイズは打消すことができる。

また、磁性金属薄帯としてパーマロイ、センダスト、Ｆ
ｅ−８ｉ合金等他の磁性体を用いた場合にも上記実施例
と同様な効果を得ることができる。

〔発明の効果〕

以上詳述した如く本発明によれば、取付はスペースが極
めて狭空間でも容易に取付けることができるうえ、電動
機等のような磁界発生源に近接して配置しても、高出力
、高Ｓ／Ｎ比で安定したトルク検出を行なえることがで
きる等、実用上顕著な効果を奏するものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例におけるトルクセンサの斜視図
、第２図は同トルクセンサの正面図、第３図は同トルク
センサの回路構成図、第４図（ａ）は本発明の比較例の
トルクセンサを用いた場合の動トルク検出特性図、同図
（ｂ）は本発明の実施例におけるトルクセンサを用いた
場合の動トルク検出特性図、第５図は非接触方式のトル
クセンサの原理図、第６図（ａ）及び（ｂ）はそれぞれ
従来のトルクセンサの概略構成図である。 ２０・・・トルク伝達軸、２１．２２・・・磁性金属薄
帯、３１．３２・・・第１の検出磁心対、３３．３４・
・・第２の検出磁心対、４１１．４２ｔ　、４３ｓ、４
４１・・・励磁巻線、４１２．４２２．４３２．４４２
・・・検出巻線、４５・・・交流電源。 出願人代理人　弁理士　鈴江武彦 第３図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 磁歪を有する磁性金属薄帯をトルク伝達軸に固定し、該
   軸に加えられたトルクによる前記磁性金属薄帯の磁気特
   性の変化を、この磁性金属薄帯に近接して非接触に設け
   られた検出磁心により検出するトルクセンサにおいて、
   前記トルク伝達軸の軸方向の異なる位置で対をなす検出
   磁心を設け、これら検出磁心に施された検出巻線を差動
   結合するとともに、前記検出磁心対を前記トルク伝達軸
   の周方向に複数対配設させ、各検出磁心対に施された検
   出巻線より得られる差動出力を合成するように、検出磁
   心対相互の検出巻線を結合したことを特徴とするトルク
   センサ。