(57)【要約】【課題】鋼軸の高速回転および衝撃捻りの場合に適合する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シート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。図6のようなリング状のセンサーは非接触的に鋼軸に取り付けて，リングに埋め込んだ磁極の励磁コイルと検出コイルが90度の向きで配置されている．こうして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６
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
鋼軸表面近傍に配置された磁束センサによって鋼軸表面の磁束を非接触に測定する磁束センサを用いてトルクを測る非接触トルクセンサに関し、磁気ヘッド部分の磁束センサが高透磁率材のコアに励磁コイルと検出コイルが巻かれた磁束センサを直交する２軸に配置、もしくは図２のような十字型のように直交する２軸を一体化された構造を有する磁気ヘッドを用いて、２軸方向に励磁され、発生する磁界を鋼軸表面において時間とともに回転させることにより、固定方向への励磁により残留していた磁気履歴を分散させ、ヒステリシスを低減させる非接触トルクセンサ。
【請求項２】
磁束センサに０．１ｍｍ以下と極めて薄くした高透磁率材のコアに励磁コイルと検出コイルが巻かれた磁束センサを用いる請求項１のトルクセンサ。
【請求項３】
請求項１、２に用いられる磁束センサを図６のような非磁性リングの上下に１対、左右に１対、軸に対し４５度方向に傾いた溝に埋め込まれ、鋼軸とリングの軸とを一致させ鋼軸の周りに非接触で配置させられるリング状の磁気ヘッドとした請求項１の非接触トルクセンサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
鋼軸にトルクが加わると、磁歪の逆効果によって鋼軸の透磁率が変化する。当該非接触トルクセンサは、この原理を用いて鋼軸に加わるトルクを非接触で測るセンサであって、いわゆる磁気ヘッド式センサに関し、薄型磁束センサを用いるトルク測定に関するものである。ここで薄型磁束センサとは文献１のような薄板型磁束センサのように、鋼軸表面トルクを測定するために、厚さ０．１ｍｍ以下のように薄いアモルファス等高透磁率材をコアとしてコイルを巻かれた磁束センサを以下、薄型磁束センサと呼ぶ。
【背景技術】
【０００２】
鋼軸に加わるトルクを測るトルクセンサには大別して接触式と非接触式があるが、回転している軸に加わるトルクを測るには系の慣性モーメントに影響を与えない非接触式が望ましく、また、インパクトレンチによるボルトの締結トルクのように瞬間的な衝撃トルクのように高速のトルクを測定すべき要求は多い。
【０００３】
【特許文献１】特願2007-201869
【０００４】
【特許文献２】特許第2905561
【０００５】
【特許文献３】特許公開2005-208008
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
従来トルクセンサにはアモルファス薄帯トソレノイドコイルを用いた方式が知られている。しかしながら、この方法は鋼軸表面へのアモルファス薄帯を埋め込み、あるいは蒸着などによって付けられるため、被測定対象である鋼軸の慣性モーメントを変化させるため厳密な意味で非接触とは言えない。非接触にトルクを測る方法としては文献２、３などが知られる。
【０００７】
文献１の薄板型磁束センサは図１のようなアモルファスなどの高透磁率材をコアとし、励磁コイルと検出コイルが巻かれた複数の検出素子をブリッジとし、そのインピーダンス変化から鋼軸のトルクを検出するセンサであり、磁束センサのコアを薄くすることによって、磁路を鋼軸表面に形成させることができるため、表面に近いほど大きくなるトルクによる歪の効果を測定するのに適した磁束センサである。一般鋼軸をそのままでトルクを測定しようとする場合、軸表面の組成や磁区構造などのムラにより、ヒステリシスが大きな問題となる。それを解決する方法として、文献２のように、トルク検出磁界と直交方向に振幅の大きな交流磁界を連続的に重畳する方式も提案されているが、この方法では直交方向への大きな磁化電流が必要であるので、小型電池機器のようなものには適さないことが難点であった。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
図１は当該トルクセンサに使われる磁束センサのひとつである薄板型磁束センサである。１はアモルファスなどの高透磁率材をコアであり、2は励磁コイル、３は検出コイルである。このような、磁束センサを２個使う場合、一方を磁化容易軸に他方を磁化困難難軸においた場合、磁化容易軸での磁束検出のための励磁によって磁壁移動や磁壁回転など、磁化過程と呼ばれる磁区の運動がおこる。急激にトルクを反転させると、それまでの磁化容易軸が磁化困難軸となり、磁化困難軸が磁化容易軸となるため、磁化には早く、消磁には遅くなるため、磁化過程の磁気履歴が残留してトルク測定におけるヒステリシスの原因となっていた。この問題を解決する方法として励磁による磁界を徐々に回転させながら磁化の方向を変えることで、磁化過程を分散させ、トルク測定のヒステリシスの効果を低減させる方法を考案した。
【発明の効果】
【０００９】
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、当該センサは軸の周囲に置かれた磁束センサの励磁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り、鋼軸のトルクを非接触で測るセンサである。自動車、機械など鋼軸の瞬間的なトルクを非接触で測る場合、ヒステリシスが大きな問題であったが、鋼軸の表面近傍に回転磁界を発生させ、ヒステリシスを低減させることで、感度の向上を実現でき、なお簡単な構造であるので、低コストで鋼軸のトルクを測ることもできる。
【実施例１】
【００１０】
図２にクロス型の薄型磁束センサの例を示す。８はアモルファスなどの高透磁率材を磁芯であり、４はX軸励磁コイル、５はY軸励磁コイル、６，７はX,Y軸の検出コイルである。直交する2極にそれぞれ励磁と検出コイルが巻かれており、鋼軸に対し、概４５度の方向をＸ軸の方向となるように配置される。Ｘ方向の磁極の励磁コイルに最大電流をＩ０、ωは各周波数、時間をｔとして、Ｉｘ＝Ｉ０ｓｉｎωｔなる交流電流を、Ｙ方向の励磁コイルにはＩｙ＝Ｉ０ｃｏｓωｔなる励磁電流を流す。そのとき発生する磁界Ｈは時間とともに回転する。両軸に巻かれたコイルの巻数を等しくＮとすれば、磁極の中心部分で、Ｘ方向にＨｘ＝ＮＩｃｏｓωｔ、Ｙ方向にＨｙ＝ＮＩｓｉｎωｔなる軸方向の磁界を合成した磁界Ｈ＝（Ｈｘ，Ｈｙ）が発生する。Ｈは時間とともに回転する回転磁界のベクトルである。回転磁界の回転周波数はｆ＝２πωである。Ｘ、Ｙ軸に巻かれた検出コイルの出力電圧をオシロスコープ上にリサージュを描くと鋼軸にトルクが加わらないとき図３（ａ）のような円を描く。
【００１１】
鋼軸にトルクが加わると、鋼軸の磁気異方性のために、磁歪の逆効果から回転磁界の方向が時間ｔにおいて、θ＝ωｔなる方向が、鋼軸表面の磁化容易軸と一致するとき、リサージュループは図３（ｂ）のように右上がりの楕円となり、逆方向のトルクではリサージュ波形は図３（ｃ）に示すように右下がりとなる。ここでリサージュの長軸の長さはトルクによる透磁率の変化と比例する。
【００１２】
検出コイルの出力を図４のような実施回路ではマイクロコンピュータ９よりアンプ１０を介しＹ軸の励磁コイルにはサイン波を、Ｘ軸にはコサイン波を発生させて励磁し、鋼軸表面に発生する磁界を回転させる。２軸の検出コイルの出力電圧をＡ／Ｄコンバータ１１により取り込み、リサージュで言えば楕円の傾きφｍと長径Ｌｍをもとめ、Ｌｍより、これからトルクを求める。実際は取り付け誤差などがあり、概４５度方向で長径が最大となるが、取り付け誤差をφεとすれば、φｍ−φεが最大方向である、磁界容易軸の方向との誤差を補正して求められた真のＬｍとφｍからトルクを算出する。
【００１３】
図５は薄型磁束センサをＣ字型に曲げたものである。１３は励磁及び検出コイルである。このギャップ部分を軸表面にほぼ平行面に配置してもよい、ギャップ１４を設けることによって、センサコア１２と軸表面の磁気回路を閉回路とし、軸方向への漏洩磁束を減らすことができる。鋼軸の周辺金属による影響を低減させることができる。
【００１４】
磁束センサは図１のように板状でなくても、図６のようにリング状に薄型センサが配置された構造でもよい。リングは非磁性ステンレス（図６の１５）でつくられ、リングの溝（図６の１６）にはアモルファス等高透磁率材などに巻かれた薄型磁束センサが、上下に１対、左右に１対配置され、それぞれ磁界を回転させる。その平均をとることで軸の上下と左右の偏芯をキャンセルすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】薄板型磁束センサの構造図
【図２】一体型磁束センサの構造図
【図３】回転磁界
【図４】センサ回路
【図５】C字型磁束センサ
【図６】リング型磁束センサ
【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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【図６】
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