(57)【要約】【課題】分割して軸に挿入可能な非接触トルクセンサを提供する。【解決手段】  本発明はアモルファス薄板に励磁及び検出コイルを巻いた磁束検出素子によりトルクを測る。分割可能な外筒図１、２には測定される軸１の中心軸に対し約４５度の向きと約−４５度の向きに当該磁束検出素子が固定されている。分割可能な外筒を測定される鋼製軸の表面近傍に置き、鋼製軸のトルクによっておこる透磁率の変化を磁束検出素子によって測定しトルクを算出、表示する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
当該センサの検出素子は図１のように、厚さ0.1ｍｍ程度のアモルファスの薄板をほぼ長方形状にし、その上に励磁コイルと検出コイルとを巻いてあるものであり、以下当該検出素子という。トルクを検出しようとする図２、２３のような鋼製の軸に対して、鋼製のシャフトの軸と空隙を隔て非接触に配置される外筒の表面もしくは裏面に、当該検出素子の長手方向がシャフトの中心軸とのなす角を、ひとつは約４５度となるように取り付けられ、もうひとつの当該検出素子の取り付け角が約−４５度の方向に取り付けられた外筒部の当該磁束検出素子により、シャフト表面近傍の磁束変化から鋼製シャフトのトルクを測る、非接触トルクセンサ。
【請求項２】
当該検出素子の数は複数でもよく、外筒の表面もしくは裏面に約４５度の方向に取り付けられる当該検出素子の数と、約−４５度の方向に取り付けられる当該検出素子の数とを同数とする請求項１の非接触トルクセンサ。
【請求項３】
外筒部の当該検出素子のうち４５度方向のものをすべて直列に接続し、また−４５度の方向の検出コイルもすべて直列に接続された請求項２のトルクセンサ。
【請求項４】
取り付け４５度にした当該検出素子と−４５度にした当該検出素子を同数だけ分割可能な外筒容器やクリップの腕の内側に固定され、鋼製軸の表面近傍に分割して挿入し、組み立てられる請求項目１から３の非接触トルクセンサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
大型トラックの事故が頻発するなか、ドライバーの安全意識の高揚や安全技能の向上が課題となっており、タイヤと大型トラックの整備強化への取組みが要請されている。そのため、トラックの各締付け部等のトルクを厳密に検査する必要が、今現在、小型かつ感度がよい非接触トルクセンサがない。
【０００２】
自動車用センサには、エンジン制御システム用センサ，シャシー制御システム用センサ，安全・快適制御システム用センサなどがあり、年間の市場規模は、約１,５００〜１,６００億円となっている。車１台当たりの採用個数増を背景に今後も自動車用センサの市場は拡大する。自動車の運転にはトルクセンサが使用されているが、軽いかつ柔軟な運転制御を実現するために非接触トルクセンサが期待されている。
【０００３】
各種の回転機械におけるシャフトに負荷するトルクなどを測定するために、非接触トルクセンサがあれば、摩擦係数の影響を回避することができ、高精度・高速の回転制御が可能になる。
【背景技術】
【０００４】
本発明は、磁歪特性を有する締付け工具、タイヤレンチまたは回転軸に加わるトルクを検出コイルのインダクタンス変化に基づいて検出する非接触トルクセンサに関するものである。
【０００５】
【特許文献１】特許出願２００１−２１１３０２は、磁歪式トルクセンサである。このような従来の磁歪式トルクセンサは軸の外周に磁気異方性部を形成すると共に、この磁気異方性部を取り囲むように配置されたコイルを備えている。この方式は軸に加工を必要とするため、厳密な意味で非接触とは言えない。
【０００６】
【特許文献２】特許公開２００７−１１４０８８は、検出コイルは、前記中心軸線に対して＋４５°傾斜する第１コイルと、前記中心軸線に対して−４５°傾斜する第２コイルとを有すものであるがこの方式では軸表面全体の透磁率を測定するためコイルが大きくなり、余分の励磁電流を必要とする。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
動力の伝達軸などに加わるトルクの測定を必要とされることが多い、特許文献のようにシャフトへの加工では実際の軸トルクの正確な測定とはいえない。文字通りに非接触でトルクを測りたいという要望は多い、本発明の課題は完全に非接触でトルクを測ることである。
【０００８】
また特許文献２のような方法は非接触であると言えるが、機構が先に存在する部分ではトルク測定のために後からコイルを巻くことは困難である。そのため、測定対象の軸を含めて構成される全体の機構が既に、先に完成されたものではトルク測定はできない。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
前期の課題を解決するため、特許文献１のように軸に取り付けられた磁歪材によらず、鋼製軸そのものにおこる磁歪の逆効果を測定するため、測定される鋼製軸の表面近傍の外筒部に図１、３のような当該磁束検出素子を置き、当該磁束検出素子と測定される鋼製軸表面の間に磁路を形成し磁路内の磁束変化を測定することによりトルクの測定を行うことによって完全に非接触のトルク測定を行う。しかしながら特許文献１、２のように軸に外側に巻かれるコイルは分割が不可能であるため、磁束検出手段としてアモルファスの薄板（０．１ｍｍ程度）に励磁および検出コイルが巻かれた当該磁束検出素子を図４のように、半分に分割された、外筒に取り付けた構造とし、分割された状態で被検軸を包むように取り付けられ、ねじなどにより合わされる。外筒と軸が触らないように、軸の外側の不動部分に固定される。このような容易に組み立てられる構造とした外筒容器もしくはクリップのアーム内側または表面に固定された当該磁束検出素子により軸のトルクを測るようにした。
【００１０】
鋼製の軸の表面近傍に置かれる透磁率測定手段としての当該磁束を検出素子の構造例を図２に示す。これによりシャフトとアモルファス板の磁路を形成させ、磁路内の磁束の変化を検出し、シャフト表面のトルクによる透磁率の変化を検出する。図２に構造示す。６はアモルファスの薄板、７は検出コイル、８は励磁コイルである。このような検出素子を２個、図１に示すように、シャフトの軸に対しひとつの検出素子の長手方向を約４５°傾け、もうひとつの検出素子（図２では紙面の向こう側）を約−４５斜めに、軸の外側に空隙を隔て非接触で配置される外筒の表面若しくは裏面に接着などで固定している。また磁束検出素子は複数でもよく、図３にしめすように、約４５度の方向の当該磁束検出素子と約−４５度傾けた磁束検出素子の数を同数だけ配置しても良い。このとき約４５度の向きの検出コイをすべて直列結合し、同様にマイナス４５度の向きの当該磁束検出素子もこの方向の素子の検するコイルもすべて直列結合する。図５、１９のように向きのちがう方向のそれぞれの直列結合された、合成インダクタンスをＬ１、Ｌ２とすれば、Ｌ１とＬ２の差からシャフトのトルクが求められる。その場合、差をとることによりＬ１、Ｌ２において同様に変化する磁気的なコモンモードのノイズを低減できる。また軸の偏心による各素子の出力の差も直列結合することにより平均化することができ、軸の偏心の効果も低減できる。
【発明の効果】
【００１１】
特許文献１のような従来の磁歪材を埋め込んだ磁歪式トルクセンサなどの磁歪式トルクセンサは厳密な意味で非接触といえないが、当該センサは軸の外部の外筒に磁束検出素子を配置しているので、完全に非接触のトルクセンサである。また、磁束検出素子は分割可能な外筒もしくはクリーップアームに取り付けられているので、既に完成された機械の軸などトルクを測りたいところに、当該センサを簡単にとりつけて測定でき、分割して挿入可能な当該センサは既に完成された機械での実機における伝達効率の改善試験など広範なトルク測定が期待できる。
【実施例１】
【００１２】
図１に当該センサの実施例を示す。１は測定する鋼製の対象軸であり、外筒２は測定される軸の外部に一定の間隔をおいて、軸と該当の中心軸が一致するように機械などの不動部分に固定される。外筒の両側面には互いに向きが対称なるように、ひとつの当該磁束検出素子を長手方向が軸の中心軸に対して約４５度の方向とし、もうひとつの当該磁束検出素子は約−４５度の方向に固定している。当該磁束検出素子は測定される鋼製軸の表面近傍に配置され、素子下の鋼製軸の表面とギャップを隔てて磁路を形成する。したがって距離などの条件を一致させたとき、磁路を形成する鋼製軸の表面の透磁率がトルクにより、軸の磁気異方性にもとづく磁歪の逆効果によって変化し、その透磁率の最大変化の方向は、４５度の方向と、−４５度に分解される。したがって４５度方向の磁束密度と、−４５度の磁束密度の差を測定すれば、トルクによる透磁率変化を求めることができる。磁束を測定するため図２のような磁束検出素子を用いる。６は１０×３×０．１ｍｍ程度の長方形状をしたアモルファスの薄板であり、その回りに検出コイル７、と励磁コイル８が巻いてある。図５のようなセンサ回路構成とし、励磁コイルには発振器から、交流電流が流される。そのとき、励磁コイルとはトランス結合されており、励磁電圧が出力される。アモルファスは外筒に固定されているので、出力電圧は素子下の鋼製軸表面の透磁率などの変化に依存する。軸と当該磁束検出素子の距離条件を同じにすれば、その変化はトルクによる軸の磁歪の逆効果による。また磁束検出素子の断面や形状を同じにすることで、検出コイルのインダクタンスの差は磁束密度といえ、磁歪の逆効果によっておこる透磁率変化のための、磁束密度を測定する。２１により差動増幅された出力をＡＤ変換しマイコン２２に取り込まれた電圧から、トルクを算出し、表示器２３にとる値を表示し、外部装置へもトルクデータを転送する。
【実施例２】
【００１３】
実施例１の磁束検出素子は軸中心軸に対し４５の向きと−４５度に配置されたものであるが、図３のように、複数の当該磁束検出素子を配置してもよい。図３、９は軸の外側に置かれる外筒、１０は外筒に長手方向きが約４５度のとなるように配置された当該磁束検出素子であり、１１は−４５度に配置されたものである。１０および、１１は同数だけ外筒に配置され、励磁コイルは図５、１７のように並列接続され、検出コイルはそれぞれの向きの側を直列接続される、それらの合成インダクタンスを１８と１９とした。直列接続することによって偏心などによる素子と軸表面間の距離のバラつきを平均化するためである。また各素子は断面積などの形状寸法、励磁および検出コイル巻数などすべてをほとんど同じにしてある。
【実施例３】
【００１４】
当該センサのコイルは軸の周りに巻かず、磁束検出素子の回りに巻いてあるので図３のようにセンサの磁束検出手段は外筒部分ごと分割した構造が可能である。１２は外筒を半分に割った形状の外筒である。１３は半分に分けられた外筒を合わせるためのプレート部分であり、１４はボルト穴、１５が当該磁束検出素子である。半分に分割された外筒には磁束検出素子は軸の中心軸に対し、向きを−４５度方向に取り付けられた、もう一つの分割された外筒と対をなし、プレートにあけられたボルト穴１４で、ボルトを通し、合わせられる。したがって従来のトルク測定では軸をはずす必要があったが分割可能な非接触トルクセンサは、分割して軸の周囲に挿入後、組み立てることができる。磁束検出素子は外筒でも、洗濯バサミのようなクリップの腕に配置することで、機器を分解せず簡便にトルクを測ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】鋼製シャフヘの当該磁束検出素子の取り付け例
【図２】磁束検出素子
【図３】複数個の磁束検出素子の取り付け例図
【図４】分割可能な構造例
【図５】実施回路例
【符号の説明】
【００１６】
１  鋼製シャフト
２  外筒
３  アモルファス薄板
４  検出コイル
５  励磁コイル
６  アモルファス薄板
７  検出コイル
８  励磁コイル
９    外筒
１０  ４５度方向の磁束検出素子
１１  −４５方向の磁束検出素子
１２  外筒
１３  結合板
１４  止め穴
１５  磁束検出素子
１６  発振回路
１７  励磁コイル
１８  検出コイル合成インダクタ（４５度方向）
１９  検出コイル合成インダクタ（―４５度方向）
２０  差動増幅器
２１  マイコン
２２  表示器
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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