(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
表面に磁歪膜を有した回転軸と、前記磁歪膜に前記回転軸の軸心に対して傾斜する複数のスリットを設けた第１の磁気異方性部と、前記第１の磁気異方性部のスリットと傾斜が対称となるようにもうけた第２の磁気異方性部と、前記２つの磁気異方性部の周囲にそれぞれ配置した第１、第２の励磁・検出コイルと、前記励磁コイルに励磁電流を通電する励磁回路と、前記第１および第２の検出コイルからの信号を増幅する第１および第２の増幅回路と、前記第１の増幅回路からの信号と前記第２の増幅回路からの信号との差動をとる差動回路とを備えた磁歪式トルクセンサにおいて、
前記第１の磁気異方性部と前記第２の磁気異方性部の合金組成を異なるようにし、前記検出コイルからの出力信号を同一になるよう調整したことを特徴とする磁歪式トルクセンサ。
【請求項２】
表面に磁歪膜を有した回転軸と、前記磁歪膜に前記回転軸の軸心に対して傾斜する複数のスリットを設けた第１の磁気異方性部と、前記第１の磁気異方性部のスリットと傾斜が対称となるようにもうけた第２の磁気異方性部と、前記２つの磁気異方性部の周囲にそれぞれ配置した第１、第２の励磁・検出コイルと、前記励磁コイルに励磁電流を通電する励磁回路と、前記第１および第２の検出コイルからの信号を増幅する第１および第２の増幅回路と、前記第１の増幅回路からの信号と前記第２の増幅回路からの信号との差動をとる差動回路とを備えた磁歪式トルクセンサにおいて、
前記磁歪膜を形成する際に前記第１の磁気異方性部と前記第２の磁気異方性部の成膜時の温度または熱処理温度を異なるようにし、前記検出コイルからの出力信号を同一になるよう調整したことを特徴とする磁歪式トルクセンサ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は磁性体の逆磁歪効果を利用した非接触式トルクセンサに関し、とくにロボット、工作機械などに使用するモータのトルクを検出するトルクセンサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
回転駆動系を有するロボットやマニピュレータおよび工作機械の制御に、非接触でかつ小型のトルクセンサが要求されている。
このようなトルクセンサには種々の方式があるが、非接触で小型化に有利な方式としては磁歪式トルクセンサがある。これは、磁性体に力が印加されると磁性体の透磁率が変わるという逆磁歪効果を利用してトルク検出を行うものである。すなわち、図１に概略構造を示すように、磁歪合金材からなる回転軸１の表面に溝を設ける事により回転軸長の方向と角度をなし、互いに反対方向に傾斜して第１および第２の磁気異方性付与した部分を設け、回転軸１の周囲に一定ギャップを保って励磁コイル３１、３２および検出コイル４１、４２またはコイルを巻いた磁気ヘッド（表示無し）を設けてある。そしてトルク印加に伴う磁気異方性付与部分の透磁率の変化をインピーダンスの変化として検出し、このインピーダンスの変化をトルクに換算して出力を発生するものである。この構成では、差動構造となりノイズや温度に対する影響が少なくなり、また同一のトルクに対する出力感度も単一の検出部を用いたときに比べ大きくなる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述のような磁歪式トルクセンサは回転軸に負荷を付加する際に発生する曲げによる出力変動が大きいという問題があった
これは、回転軸の片端に付加を負荷した際、第１の磁気異方性部と第２の磁気異方性の曲げモーメントがアンバランスをしている事に起因している。この場合、第１の磁気異方性部と第２の磁気異方性部の曲げモーメントのアンバランスはこの回転軸に支え、負荷を与える構成により異なるが、負荷を片端に付加する際には必ず発生する。
そこで、本発明はこのように回転軸に曲げを与えた際にも出力変動を発生しない高精度の磁歪式トルクセンサを提供することを目的としたものである。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するため、請求項１記載の発明は、表面に磁歪膜を有した回転軸と、前記磁歪膜に前記回転軸の軸心に対して傾斜する複数のスリットを設けた第１の磁気異方性部と、前記第１の磁気異方性部のスリットと傾斜が対称となるようにもうけた第２の磁気異方性部と、前記２つの磁気異方性部の周囲にそれぞれ配置した第１、第２の励磁・検出コイルと、前記励磁コイルに励磁電流を通電する励磁回路と、前記第１および第２の検出コイルからの信号を増幅する第１および第２の増幅回路と、前記第１の増幅回路からの信号と前記第２の増幅回路からの信号との差動をとる差動回路とを備えた磁歪式トルクセンサにおいて、前記第１の磁気異方性部と前記第２の磁気異方性部の合金組成を異なるようにし、前記検出コイルからの出力信号を同一になるよう調整した構成にしている。
請求項２記載の発明は、表面に磁歪膜を有した回転軸と、前記磁歪膜に前記回転軸の軸心に対して傾斜する複数のスリットを設けた第１の磁気異方性部と、前記第１の磁気異方性部のスリットと傾斜が対称となるようにもうけた第２の磁気異方性部と、前記２つの磁気異方性部の周囲にそれぞれ配置した第１、第２の励磁・検出コイルと、前記励磁コイルに励磁電流を通電する励磁回路と、前記第１および第２の検出コイルからの信号を増幅する第１および第２の増幅回路と、前記第１の増幅回路からの信号と前記第２の増幅回路からの信号との差動をとる差動回路とを備えた磁歪式トルクセンサにおいて、前記磁歪膜を形成する際に前記第１の磁気異方性部と前記第２の磁気異方性部の成膜時の温度または熱処理温度を異なるようにし、前記検出コイルからの出力信号を同一になるよう調整した構成にしている。
【０００５】
【発明の実施の形態】
本発明は磁歪式トルクセンサの二つの検出部の磁歪材の組成を変化させる事により出力を同じにすることまたは増幅回路のゲインを調整し二つの出力を同じにする構成にすることまたは二つの検出部の磁歪膜の成膜時の温度を変えるようにしたものである。磁歪式トルクセンサは磁歪材の磁化ベクトル（大きさＭ、軸長からの傾きθ）の回転が歪の印加に伴い発生し、回転軸の軸長方向の変化として、その変化量が透磁率の変化量となり出力に反映される。すなわち、歪印加前の磁化ベクトルの軸長からの傾きがθであり、歪印加後θ’となった場合、Ｍ（ｃｏｓθ−ｃｏｓθ’）が透磁率変化に反映し、出力変化となる。
従来の磁歪式トルクセンサは、差動構成を取るため、回転軸の表面に、回転軸長の方向と角度をなし、互いに反対方向に傾斜して第１および第２の磁歪を有する磁性材料を、磁気異方性を付与するように付着させ、トルク印加に伴う磁歪材の透磁率の変化を得るようにしている。特定方向のトルクが印加された際、磁化ベクトルの回転はそれぞれ同じ回転方向となる。つまり、第１の磁歪材の磁化ベクトルの回転が右まわりであれば、第２の磁歪材の磁化ベクトルの回転も右まわりとなる。
しかし、曲げによる歪の場合にはトルクの場合と異なり、曲げの印加により磁化ベクトルの回転は対向してそれぞれ逆方向となる。これは、曲げモーメントが同じであれば回転量は同じであるので、差動をとってキャンセルできる。そこで、曲げによる歪の大きい方の出力を、曲げによる歪の小さい方の出力に比べ小さくし、曲げによる歪の小さい方の出力と同じにすればよい。出力感度を最適化した条件でのトルク変化に伴う磁化ベクトルの回転量Δθ（＝θ−θ’）が、磁歪材の組成を変化させたり、熱処理温度を変化させる事により、減少することが知られている。
そこで、これを適用して曲げによる歪の大きい第１の磁気異方性部（磁歪膜）の合金組成や熱処理温度を第２の磁気異方性部（磁歪膜）の合金組成や熱処理温度より変化させ、第１の磁歪膜部と第２の磁歪膜部の曲げによる出力を同じになるように調整する。これにより、第１の磁気異方性部（磁歪膜）と第２の磁気異方性部（磁歪膜）の曲げによる出力が同じになり、差動によりキャンセルできる。
また、磁歪部の材質を同じにした場合、たとえば同一材質の磁歪膜や回転軸に磁歪材を用いた時は増幅回路のゲインにより同じ出力になるように調整する。すなわち、曲げによる歪の大きい第１の増幅回路の出力感度ｇ1 を第２の増幅回路の出力感度ｇ2 より小さくし、第１の磁気異方性部（スリット）と第２の磁気異方性部（スリット）からの曲げによる出力を同じになるように調整する。すなわちｇ1 ＜ｇ2 とすることにより、第１の磁気異方性部（スリット）と第２の磁気異方性部（スリット）の曲げによる出力が同じになるので、差動によりキャンセルできる。
【実施例】
以下、本発明の磁歪式トルクセンサの実施の形態を図に基づいて詳細に説明する。
（第１の実施例）
図１は本発明の実施の形態を示す部分側断面図、図２は検出回路を示す検出回路図である。図において、１は回転軸、２は磁気異方性部、３は励磁コイル、４は検出コイル、５は励磁電源、６は整流回路、７は平滑回路、８は増幅回路である。なお、増幅回路８には感度調整機能（ゲイン）がもうけられている。回転軸１は直径２０ｍｍのＳＵＳ３０４を用い、磁気異方性を付与するため軸心に対して傾斜したスリットパターンをもうけている。さらにその表面にスパッタ法、湿式メッキ法および真空蒸着法によりＮｉ−Ｆｅ合金からなる第１の磁歪膜２１１と第２の磁歪膜２２１を形成し磁気異方性部２とした。第１の磁歪膜２１１はＮｉ組成量を９０．０重量％、第２の磁歪膜２２１はＮｉ組成量を８９．５重量％とした。スパッタ法による磁歪膜の形成方法はつぎのようにした。回転軸１を中性洗剤、純水、アルコールの順に超音波洗浄を施した後、真空槽内にセットし、５×１０−４Ｐａ以下に排気した後、加熱し４００℃となるようにした。スパッタ条件はターゲット電圧３２５Ｖ、ターゲット電流１Ａとした。このようにして作製した回転軸１の第１の磁気異方性部２１の周囲に第１の励磁コイル３１と第１の検出コイル４１を巻回し、第２の磁気異方性部２２の周囲に第２の励磁コイル３２と第２の検出コイル４２を巻回した。これを検出回路に接続しトルクセンサを作製した。つぎに、動作について説明する。上述の方法により作製したトルクセンサを図３に示すように片持梁りにして、その端部に負荷を付加し透磁率の変化を測定して効果を調べた。なお、曲げモーメントは第１の磁気異方性部２１の方が第２の磁気異方性部２２より大きい。測定した結果を表１に示す。通常の同じ組成を用いた場合、負荷の重さに対して出力変動値が変化していたものが、本発明の実施例では改善された事が分かる。また、磁歪膜の材質としてＮｉ−ＣｏやＦｅ−Ａｌ−Ｓｉなどについても、第１の磁歪膜の組成を最適組成とし、第２の磁歪膜の組成をわずかにずらすことにより同様の結果が得られた。以上の実施例はスパッタ法の結果で述べたが、真空蒸着法、湿式メッキ法の場合でも同様の結果が得られた。さらに磁歪膜として磁性薄帯を接着材にて回転軸に張り付けた場合も同様の結果が得られた。
（第２の実施例）
第２の実施例の構成図は第１の実施例と同じであるため省略する。スパッタ法による成膜方法も第１の実施例と同様であるが、Ｎｉ−Ｆｅ合金からなる第１の磁歪膜２１１と第２の磁歪膜２２１のＮｉ組成量を９０％とし、第１の磁歪膜２１１の成膜温度が第２の磁歪膜２２１の成膜温度よりも高くなるようにした。ただし、その平均温度は４００℃となるようにした。つぎに、動作について説明する。第１の実施例と同様にこの回転軸１を図３に示すように片持梁りにして、その端部に負荷を付加し、透磁率の変化を測定して効果を調べた。測定結果は表１と同様によい結果が得られ、通常の第１、第２の磁歪部の成膜温度を同じにした場合、負荷の大きさ対して出力変動値が変化していたものが、本発明の実施例では改善されたことがわかる。以上の実施例はスパッタ法の結果で述べたが、真空蒸着法、湿式メッキ法の場合でも同様の結果が得られた。とくに、湿式メッキ法では成膜後に上述スパッタ法の成膜条件と同じ温度での熱処理を行う事により、同様の結果が得られた。
【０００６】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば第１の磁歪膜と第２の磁歪膜の合金組成をわずかに異ならせ磁歪材の磁化ベクトルの回転を調整するかまたは第１の増幅回路と第２増幅回路のゲインを調整できるようにしたので、出力変動のない高精度の磁歪式トルクセンサを提供できる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の磁歪式トルクセンサを示す部分側断面図である。
【図２】本発明の磁歪式トルクセンサの検出回路を示す回路図である。
【図３】本発明の実施例を説明する説明図である。
【符号の説明】
１：回転軸
２：磁気異方性部
２１：第１の磁気異方性部
２１１：第１の磁歪膜
２１２：第１のスリット
２２：第２の磁気異方性部
２２１：第２の磁歪膜
２２２：第２のスリット
３  励磁コイル
３１：第１の励磁コイル
３２：第２の励磁コイル
４  検出コイル
４１：第１の検出コイル
４２：第２の検出コイル
５  励磁電源
６  整流回路
６１：第１の整流回路
６２：第２の整流回路
７  平滑回路
７１：第１の平滑回路
７２：第２の平滑回路
８  増幅回路
８１：第１の増幅回路
８２：第２の増幅回路
９  差動回路
【表１】0003702451.tif 000002
【表２】0003702451.tif 000003
【図１】
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【図２】
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【図３】
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