JPH0758811B2 - Torque detector - Google Patents
Torque detectorInfo
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- JPH0758811B2 JPH0758811B2 JP61310685A JP31068586A JPH0758811B2 JP H0758811 B2 JPH0758811 B2 JP H0758811B2 JP 61310685 A JP61310685 A JP 61310685A JP 31068586 A JP31068586 A JP 31068586A JP H0758811 B2 JPH0758811 B2 JP H0758811B2
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Description
【発明の詳細な説明】 [発明の目的] (産業上の利用分野) この発明は、トルクの検出に利用される磁歪式のトルク
検出装置に係り、出力の回転変動の低減とヒステリシス
の低減との両立を図ったトルク検出装置に関するもので
ある。The present invention relates to a magnetostrictive torque detection device used for torque detection, and reduces a rotational fluctuation of output and a hysteresis. The present invention relates to a torque detection device that achieves both of the above.
(従来の技術) 被測定軸、例えば回転軸や固定軸などの軸にトルクを加
えた場合、軸素材の歪が軸の中心部よりも軸の表面部に
おいて大きくなることが知られている。(Prior Art) It is known that when torque is applied to a shaft to be measured, such as a rotating shaft or a fixed shaft, the strain of the shaft material becomes larger at the surface portion of the shaft than at the center portion of the shaft.
また、例えば、被測定軸の軸横断面に向かって時計方向
にトルクTを加えると、軸の周囲に第8図に示すように
軸方向と45度傾いた右方向に引張り応力+σが、また45
度傾いた左方向に圧縮応力−σが発生する。Further, for example, when a torque T is applied clockwise toward the axial cross section of the shaft to be measured, tensile stress + σ is generated around the shaft in the right direction inclined by 45 degrees with respect to the axial direction, as shown in FIG. 45
A compressive stress −σ occurs in the leftward direction inclined.
一方、磁性体は応力が加わると、透磁率が変化する、い
わゆる磁歪特性を持っており、この磁性体の特性を利用
して磁性体に作用する応力を磁気的に測定することがで
きる。On the other hand, the magnetic substance has a so-called magnetostriction characteristic in which the magnetic permeability changes when stress is applied, and the stress acting on the magnetic substance can be magnetically measured by utilizing the characteristic of this magnetic substance.
すなわち、正の磁歪を有する磁正体では引張り応力方向
に透磁率が増加し、逆に負の磁歪を有する磁性体では引
張り応力方向に透磁率が減少する性質を有している。That is, a magnetic substance having a positive magnetostriction has a property of increasing magnetic permeability in the tensile stress direction, and a magnetic substance having a negative magnetostriction has a property of decreasing magnetic permeability in the tensile stress direction.
この性質を利用して回転軸や固定軸などの軸に加えられ
たトルクを検出するには、励磁コイルから発せられた磁
束を軸の表面部、すなわち大きな歪の生じる部分に集中
させることにより大きな検出出力を得ることが可能であ
る。To detect the torque applied to a shaft such as a rotating shaft or a fixed shaft by using this property, it is possible to concentrate the magnetic flux generated from the exciting coil on the surface part of the shaft, that is, the part where large distortion occurs. It is possible to obtain the detection output.
第9図(a),(b)は、従来のトルク検出装置を示す
図である。このトルク検出装置51は、磁性体からなる被
測定軸52の外周に、例えばパーマロイ等の高透磁率材料
から形成したヨーク54を前記被測定軸52に対し所定の間
隔53をおいて近接配置し、このヨーク54に、前記被測定
軸52を磁路の一部とする磁気回路を形成する励磁手段と
しての励磁コイル55と、前記被測定軸52を通る磁歪成分
を検出する検出手段としての検出コイル56とが設けてあ
り、励磁コイル55から発せられた磁束が被測定軸52およ
びヨーク54を磁路とする磁気回路を形成するようにした
構造をなすものである。9 (a) and 9 (b) are views showing a conventional torque detecting device. In this torque detecting device 51, a yoke 54 formed of, for example, a high magnetic permeability material such as permalloy is arranged on the outer periphery of a shaft to be measured 52 made of a magnetic material in close proximity to the shaft to be measured 52 with a predetermined space 53. , An exciting coil 55 as an exciting means for forming a magnetic circuit having the measured shaft 52 as a part of a magnetic path on the yoke 54, and a detection means for detecting a magnetostrictive component passing through the measured shaft 52. The coil 56 is provided, and the magnetic flux emitted from the exciting coil 55 forms a magnetic circuit having the shaft to be measured 52 and the yoke 54 as magnetic paths.
このトルク検出装置51において、例えば第8図に示した
ように、被測定軸52の軸横断面に向かって時計方向にト
ルクTを加えた場合、軸方向と45度傾いた右方向の引張
り応力+σによる透磁率の増加と、45度傾いた左方向の
圧縮応力−σによる透磁率の減少との和を出力としてと
らえている。In this torque detecting device 51, for example, as shown in FIG. 8, when a torque T is applied in the clockwise direction toward the axial cross section of the shaft to be measured 52, the tensile stress in the right direction inclined by 45 degrees with respect to the axial direction. The output is the sum of the increase in magnetic permeability due to + σ and the decrease in magnetic permeability due to the compressive stress -σ in the left direction inclined at 45 degrees.
このようにして、トルク検出装置51においては例えば第
10図に示すような出力特性が得られ、これによって、印
加されるトルクと検出出力とを対応させることによりト
ルク検出が行われる(特開昭60−79238号)。In this way, in the torque detection device 51, for example,
An output characteristic as shown in FIG. 10 is obtained, whereby torque is detected by making the applied torque correspond to the detected output (Japanese Patent Laid-Open No. 60-79238).
(発明が解決しようとする問題点) しかしながら、トルクの測定に供される回転軸や固定軸
などの軸は、機械加工や焼入れ等の熱処理によって局部
的な応力が加わっていることが多く、この応力によって
磁壁が移動して固着された状態になっている。そのた
め、第11図に示すように局部的に透磁率の異方性をもつ
分布状態になっており、このままの状態でトルクを測定
すると、第12図に示すトルクT=0kgf・mの状態での出
力(以下、「零トルク」と称す。)が、被測定軸52の回
転位置による変動となって現われる。そして、この局部
的な透磁率の異方性をもつ分布状態は、測定しようとす
るトルク領域では消えることなく保存されるので、第12
図に示すトルクTと出力との関係が、トルクTの増大時
においても被測定軸52の回転位置による出力変動となっ
て表われ、被測定軸52に対して作用するトルクTを正確
に測定することができないという問題点があった。(Problems to be solved by the invention) However, the rotating shaft and fixed shaft used for torque measurement are often subjected to local stress due to heat treatment such as machining or quenching. The domain wall is moved and fixed by the stress. Therefore, as shown in FIG. 11, the distribution state has a local anisotropy of magnetic permeability. When the torque is measured in this state, the torque T = 0 kgf · m shown in FIG. Output (hereinafter, referred to as “zero torque”) appears as a variation depending on the rotational position of the shaft 52 to be measured. Then, the distribution state having the local anisotropy of magnetic permeability is preserved in the torque region to be measured without disappearing.
The relationship between the torque T and the output shown in the figure appears as an output fluctuation due to the rotational position of the shaft 52 to be measured even when the torque T increases, and the torque T acting on the shaft 52 to be measured can be accurately measured. There was a problem that I could not do it.
そこで、従来の場合には、被測定軸52において、上記し
た局部的な透磁率の異方性をもつ分布状態を解消するた
めに、被測定軸52を高温に加熱し、ひずみ取りの焼なま
し処理を施すのが通例であった。Therefore, in the conventional case, in the measured shaft 52, in order to eliminate the distribution state having the local anisotropy of magnetic permeability described above, the measured shaft 52 is heated to a high temperature, and strain relief annealing is performed. It was customary to perform more processing.
しかしながら、被測定軸52に対して高温の焼なまし処理
を施すと材料が軟化し、容易に塑性変形を起すことにな
り、また、第13図に示すようにヒステリシスが大きく出
現してトルク検出の精度が低下するという問題点を有し
ていた。However, when high-temperature annealing treatment is applied to the shaft to be measured 52, the material is softened and easily plastically deforms. Moreover, as shown in Fig. 13, hysteresis appears largely and torque detection is performed. However, there is a problem in that the accuracy of is reduced.
すなわち、従来のトルク検出装置51においては、被測定
軸52の回転による出力変動をなくそうとすればヒステリ
シスが大きくなり、ヒステリシスを小さく保とうとすれ
ば回転による出力変動が大きくなるという二律背反の困
難な問題点を有していた。That is, in the conventional torque detection device 51, the hysteresis becomes large when trying to eliminate the output fluctuation due to the rotation of the shaft to be measured 52, and the output fluctuation due to the rotation becomes large when trying to keep the hysteresis small. I had a problem.
(発明の目的) この発明は、上述した従来の問題点に着目してなされた
もので、被測定軸の局部的な透磁率の異方性を拾うこと
なく、当該被測定軸の全周にわたるトータルとしての透
磁率変化を検出することによって、被測定軸を回転状態
で使用するときでも、トルクの検出出力特性が被測定軸
の回転位置によって変動することのない安定したトルク
出力を得ることができ、しかもヒステリシスを著しく小
さなものとすることができる高精度のトルク検出装置を
提供することを目的としている。(Object of the Invention) The present invention has been made in view of the above-mentioned conventional problems, and the entire circumference of the shaft to be measured can be obtained without picking up the local anisotropy of magnetic permeability of the shaft to be measured. By detecting the change in magnetic permeability as a total, it is possible to obtain a stable torque output that does not change the torque detection output characteristics depending on the rotational position of the shaft to be measured, even when the shaft to be measured is used in a rotating state. It is an object of the present invention to provide a highly accurate torque detection device which can be made extremely small in hysteresis.
[発明の構成] (問題点を解決するための手段) この発明は、被測定軸と、前記被測定軸を磁路の一部と
する磁気回路を形成するコイルとを有し、前記被測定軸
を通る磁歪成分を検出するトルク検出装置において、前
記被測定軸は、不規則相単相、もしくはFe3Al型規則相,
FeAl型規則相および不規則相のうちの2種以上を含む混
合相よりなり、Fe3Al型規則相の規則度が0.9以下である
鉄−アルミニウム系合金を素材の一部または全部として
いることを特徴とするものである。[Structure of the Invention] (Means for Solving Problems) The present invention has a shaft to be measured and a coil forming a magnetic circuit having the shaft to be measured as a part of a magnetic path. In the torque detection device for detecting a magnetostrictive component passing through the shaft, the measured shaft is a disordered phase single phase, or Fe 3 Al type ordered phase,
An iron-aluminum based alloy consisting of a mixed phase containing two or more of FeAl-type ordered phase and disordered phase and having an Fe 3 Al-type ordered phase degree of 0.9 or less is part or all of the material. It is characterized by.
この発明の実施態様において、前記被測定軸は、当該被
測定軸の軸方向と一定の角度をなすように、表面部に適
宜間隔毎に、凹状部および/または凸状部の形成による
形状磁気異方性をもたせたものとすることができ、具体
的には例えば前記凹凸状部による形状磁気異方性はその
方向を逆にした一対として形成させることが可能であ
り、さらには前記一対の凹凸状部に対向する一対のコイ
ルを巻回した構成とすることができる。そして、一対の
コイルを巻回する場合においては当該コイルを励磁用発
振器と接続し、励磁方向を同一方向に合わせた構成とす
ることができる。さらには、トルク負荷による前記一対
の凹凸状部における透磁率の変化を対向するコイルのイ
ンダクタンス変化として交流ブリッジにより差動増幅器
を介して検出する構成とすることもできる。In an embodiment of the present invention, the measured shaft has a shape magnetic field formed by forming a concave portion and / or a convex portion at appropriate intervals on the surface portion so as to form a constant angle with the axial direction of the measured shaft. Anisotropy can be imparted, and specifically, for example, the shape magnetic anisotropy due to the uneven portion can be formed as a pair in which the directions are reversed, and further, the pair of A configuration in which a pair of coils facing the uneven portion is wound can be used. In the case of winding a pair of coils, the coils can be connected to an exciting oscillator and the exciting directions can be aligned with each other. Furthermore, it is also possible to adopt a configuration in which a change in magnetic permeability in the pair of concavo-convex portions due to a torque load is detected as a change in the inductance of the opposing coils via the differential amplifier by the AC bridge.
この発明によるトルク検出装置では、被測定軸として、
不規則相よりなる鉄−アルミニウム系合金を素材の一部
または全部としているものや、規則度が0.9以下のFe3Al
型の規則相,FeAl型規則相および不規則相のうちの2種
以上を含む混合相よりなる鉄−アルミニウム系合金を素
材の一部または全部としているものを使用しているが、
この場合、アルミニウム含有量が8重量%以上18重量%
以下であるものとすることがとくに望ましい。In the torque detection device according to the present invention, as the shaft to be measured,
Iron-aluminum alloy consisting of disordered phases as part or all of the material, or Fe 3 Al with an order of 0.9 or less
-Type ordered phase, FeAl-type ordered phase and a mixed phase containing two or more kinds of disordered phases are used as a part or all of an iron-aluminum alloy,
In this case, the aluminum content is 8% by weight or more and 18% by weight
It is particularly desirable to have the following.
すなわち、本発明者は種々の実験研究のなかで鉄−アル
ミニウム系合金中におけるアルミニウム濃度と出力感度
およびヒステリシスとの関係を調べたところ、第6図に
示す結果が得られた。この第6図は、鉄−アルミニウム
係合金を用いて後に説明する第1図に示す形状の被測定
軸を熱間加工→放冷により作成した場合の実験結果を示
すものである。第6図に示すように、感度についてはア
ルミニウム濃度が18重量%を越えると零となり、またヒ
ステリシスについてはアルミニウム濃度の増加とともに
減少し、14重量%の近傍で零となる。That is, the present inventor investigated the relationship between the aluminum concentration in the iron-aluminum alloy and the output sensitivity and hysteresis in various experimental studies, and the results shown in FIG. 6 were obtained. This FIG. 6 shows the experimental results when the shaft to be measured having the shape shown in FIG. 1 which will be described later is formed by hot working → cooling using iron-aluminum engaging metal. As shown in FIG. 6, the sensitivity becomes zero when the aluminum concentration exceeds 18% by weight, and the hysteresis decreases as the aluminum concentration increases, and becomes zero near 14% by weight.
したがって、トルク検出装置に要求される精度にもよる
が、通常の場合にはヒステリシスが10%以内の精度を満
足させるようにすることが望ましく、アルミニウム濃度
を8重量%以上とするのがよい。また、アルミニウム濃
度が18重量%を越えると室温では非磁性となり、感度が
零となるので、18重量%以下とするのがよい。Therefore, although it depends on the accuracy required for the torque detection device, it is usually desirable that the hysteresis satisfies the accuracy within 10%, and the aluminum concentration is 8% by weight or more. Further, if the aluminum concentration exceeds 18% by weight, it becomes nonmagnetic at room temperature and the sensitivity becomes zero, so it is preferable to set it to 18% by weight or less.
また、Fe3Al型規則相の規則度とヒステリシスとの関係
を調べたところ、第7図に示す結果が得られた第7図に
示すように、Fe3Al型規則相の規則度が0.9を超え、完全
な規則相に近づくとヒステリシスが増大して10%を越え
るので、Fe3Al型規則相の規則度は0.9以下とした。When the relationship between the order of the Fe 3 Al type ordered phase and the hysteresis was examined, the results shown in FIG. 7 were obtained. As shown in FIG. 7, the order of the Fe 3 Al type ordered phase was 0.9. , And the hysteresis increases to approach the perfect ordered phase and exceeds 10%, the ordering degree of the Fe 3 Al type ordered phase was set to 0.9 or less.
このFe3Al型規則相の規則度の調整は、鋳造,熱間鍛
造,熱間圧延,熱間押し出し等の終了後における素材の
冷却方法,不規則領域に加熱後の急冷方法、もしくは前
記急冷後にFe3Al型規則相/不規則相の変態点以下に再
加熱する際の温度や保持時間、などを選定することによ
って可能である。The order of the Fe 3 Al type ordered phase can be adjusted by cooling the material after the completion of casting, hot forging, hot rolling, hot extrusion, or the like, a quenching method after heating to an irregular region, or the above-mentioned quenching. This can be done by selecting the temperature and the holding time when reheating below the transformation point of the Fe 3 Al type ordered phase / disordered phase.
このように、被測定軸の素材として、不規則相よりなる
鉄−アルミニウム系合金、もしくは規則度が0.9以下のF
e3Al型規則相,FeAl型規則相および不規則相のうちの2
種以上を含む混合相よりなる鉄−アルミニウム系合金を
用いることによって、高感度でかつヒステリシスの著し
く少ない二律背反的な特性のいずれにも優れた出力特性
をもつトルク検出装置とすることができる。In this way, as the material of the shaft to be measured, an iron-aluminum alloy consisting of a disordered phase, or an F degree of order of 0.9 or less.
e 3 Al type ordered phase, FeAl type ordered phase and disordered phase 2
By using the iron-aluminum alloy composed of a mixed phase containing at least one kind, it is possible to obtain a torque detection device having high sensitivity and excellent output characteristics in both of the antinomy characteristics with extremely small hysteresis.
また、本発明者の別の実験によると、被測定軸の少なく
とも一部に用いる鉄−アルミニウム系合金は、その電気
抵抗率が75μΩ−cm以上であるとさらに好ましいことが
確認されている。これは、被測定軸を鋳造もしくは熱間
鍛造により製造した後の冷却速度が大きいほど、製造さ
れた被測定軸の電気抵抗率が大きくなるとともに不規則
相も多くなり、ヒステリシスがより低下することによ
る。Further, according to another experiment conducted by the present inventor, it has been confirmed that the iron-aluminum alloy used for at least a part of the shaft to be measured has an electric resistivity of 75 μΩ-cm or more. This means that the higher the cooling rate after manufacturing the measured shaft by casting or hot forging, the larger the electrical resistivity of the manufactured measured shaft and the more irregular phases, and the lower the hysteresis. by.
(実施例) 第1図はこの発明の一実施例によるトルク検出装置の構
成を示す断面説明図である。(Embodiment) FIG. 1 is a sectional explanatory view showing a configuration of a torque detecting device according to an embodiment of the present invention.
図に示すトルク検出装置1は、少なくとも表面が鉄−ア
ルミニウム系合金からなる被測定軸2を有しており、こ
の鉄−アルミニウム系合金としては、不規則相単相より
なるものや、規則度が0.9以下のFe3Al型規則相,FeAl型
規則相および不規則相のうちの2種以上を含む混合相よ
りなるものが使用される。そして、この被測定軸2の表
面には、当該被測定軸2の軸心方向に対し所定の角度を
なす凹状部3a,3bと凸状部4a,bとが適宜間隔毎に当該被
測定軸2と一体で形成してあり、これら凹状部3a,3bお
よび凸状部4a,4bによって形状磁気異方性をもつように
してある。A torque detection device 1 shown in the figure has at least a surface to be measured 2 made of an iron-aluminum alloy, and as the iron-aluminum alloy, those having an irregular phase and a single phase, and a regularity degree. A mixed phase containing two or more of Fe 3 Al-type ordered phase, FeAl-type ordered phase and disordered phase of 0.9 or less is used. Then, on the surface of the shaft to be measured 2, concave portions 3a and 3b and convex portions 4a and 4b forming a predetermined angle with respect to the axial direction of the shaft to be measured 2 are provided at appropriate intervals. It is formed integrally with No. 2 and has a shape magnetic anisotropy by these concave portions 3a, 3b and convex portions 4a, 4b.
この場合、前記一方の凹状部3aおよび凸状部4aと、他方
の凹状部3bおよび凸状部4bとは、軸心方向に対し同じ傾
斜角度(この実施例では45゜)でかつ互いに反対方向に
傾斜した状態で一対のものとして設けてある。In this case, the one concave portion 3a and the convex portion 4a and the other concave portion 3b and the convex portion 4b have the same inclination angle (45 ° in this embodiment) with respect to the axial direction and opposite directions. It is provided as a pair in a tilted state.
また、このトルク検出装置1は、前記被測定軸2のほ
か、当該被測定軸2に形成した一方の凹状部3aおよび凸
状部4aと、他方の凹状部3bおよび凸状部4bに対向して配
置させた一対のコイル5a,5bを有しており、前記コイル5
a,5bの外側に、かつ被測定軸2との間で間隙6をおい
て、高透磁率材料よりなる円筒状のヨーク7を設けた構
造をなすものである。In addition to the measured shaft 2, the torque detecting device 1 faces one of the concave portion 3a and the convex portion 4a formed on the measured shaft 2 and the other concave portion 3b and the convex portion 4b. Has a pair of coils 5a, 5b arranged in
A cylindrical yoke 7 made of a high magnetic permeability material is provided outside the a and 5b and with a gap 6 between the shaft 2 and the measured shaft 2.
このような構造のトルク検出装置1において、コイル5
a,5bは、第2図に例示するように、抵抗器11,12と組合
わされてブリッジ回路を構成し、このブリッジ回路にバ
ランス用の可変抵抗器13を設けると共に、ブリッジ回路
の接続点A,C間には励磁用発振器14を接続して励磁方向
を同一方向に合わせ、接続点B,B′間には差動増幅器15
を接続して、出力端子16,17より検出出力を取り出すこ
とができるようにしてある。In the torque detection device 1 having such a structure, the coil 5
As illustrated in FIG. 2, a and 5b are combined with resistors 11 and 12 to form a bridge circuit, and a variable resistor 13 for balancing is provided in the bridge circuit, and a connection point A of the bridge circuit is provided. An excitation oscillator 14 is connected between C and C to align the excitation direction in the same direction, and a differential amplifier 15 is connected between connection points B and B '.
Is connected so that the detection output can be taken out from the output terminals 16 and 17.
次に、前記第1図に示したトルク検出装置1を第2図に
示した電気回路に接続した場合の動作について説明す
る。Next, the operation when the torque detector 1 shown in FIG. 1 is connected to the electric circuit shown in FIG. 2 will be described.
まず、作動に際しては、励磁用発振器14より、コイル5
a,5bに一定振幅(V)および周波数(f)の交流を通電
する。この通電によって、被測定軸2→間隙6→ヨーク
7→間隙6→被測定軸2を磁路とする磁力線が、コイル
5a,5bを取り囲むように発生する。First, when operating, the excitation oscillator 14
An alternating current of constant amplitude (V) and frequency (f) is applied to a and 5b. Due to this energization, the magnetic force lines whose magnetic path is the shaft to be measured 2 → gap 6 → yoke 7 → gap 6 → shaft to be measured 2
It occurs so as to surround 5a and 5b.
ところで、通電する交流の周波数(f)を高くすると、
被測定軸2にはうず電流が増加する。そして、うず電流
の分布は被測定軸2の中心に近いほど強く、表面では零
となる。そのため、表面での磁化は外部磁場の変化に追
従できても、内側になると磁化の変化は妨げられるよう
になる。By the way, if the frequency (f) of the alternating current to be energized is increased,
The eddy current increases on the measured shaft 2. The distribution of the eddy current is stronger as it is closer to the center of the shaft 2 to be measured, and becomes zero on the surface. Therefore, even if the magnetization on the surface can follow the change in the external magnetic field, the change in the magnetization will be hindered inside.
したがって、前記の磁力線は被測定軸2の表面部分を流
れ、被測定軸2には凹状部3a,3bが、当該被測定軸2の
軸心方向と所定の角度をなすように形成してあるため、
これが磁気抵抗となり、凸状部4a,4bを主体に流れるこ
とになる。それゆえ、前記凹状部3a,3bおよび凸状部4a,
4bによる形状磁気異方性の効果が現われる。Therefore, the magnetic force lines flow on the surface portion of the shaft to be measured 2, and the concave portions 3a and 3b are formed on the shaft to be measured 2 so as to form a predetermined angle with the axial direction of the shaft 2 to be measured. For,
This serves as a magnetic resistance, and flows mainly through the convex portions 4a and 4b. Therefore, the concave portions 3a, 3b and the convex portion 4a,
The effect of shape magnetic anisotropy due to 4b appears.
上記凹状部3a,3bおよび凸状部4a,4bの軸心方向に対する
角度は、一方の凹状部3aおよび凸状部4aと他方の凹状部
3bおよび凸状部4bとが互いに逆方向でかつ等しい角度に
するが、最も望ましいのは、被測定軸2にトルクが印加
された場合の主応力方向、すなわち、右45゜方向および
左45゜方向をなすようにすることである。この理由は、
前記磁力線は主応力方向を主体に流れ、かつ凸状部4a,4
bは被測定軸2の最表面部であるから最もひずみが大き
いところであり、このひずみによる磁性体の透磁率変化
を最も効果的にひき出すことができるためである。The angles of the concave portions 3a, 3b and the convex portions 4a, 4b with respect to the axial direction are the concave portion 3a and the convex portion 4a on one side and the concave portion on the other side.
The angles of 3b and the convex portion 4b are opposite to each other and have the same angle, but the most desirable direction is the principal stress direction when torque is applied to the shaft to be measured 2, that is, the right 45 ° direction and the left 45 ° direction. It is to make a direction. The reason for this is
The lines of magnetic force mainly flow in the principal stress direction, and the convex portions 4a, 4
This is because b is the outermost surface portion of the shaft to be measured 2 where the strain is the largest, and the change in the magnetic permeability of the magnetic body due to this strain can be most effectively extracted.
そして、被測定軸2に対して第1図に示すT方向にトル
クが印加されると、一方の凸状部4aは右45゜方向に形成
されているため、最大引張応力+σが作用し、反対に、
他方の凸状部4bは左45゜方向に形成されているため、最
大圧縮応力−σが作用する。When a torque is applied to the shaft 2 to be measured in the T direction shown in FIG. 1, one convex portion 4a is formed in the right 45 ° direction, so that the maximum tensile stress + σ acts, Conversely,
Since the other convex portion 4b is formed in the left 45 ° direction, the maximum compressive stress −σ acts.
ここで、被測定軸2が正の磁歪効果を有していれば、一
方の凸状部4aの透磁率はトルク零のときに比べて増大
し、逆に、他方の凸状部4bの透磁率はトルク零のときに
比べて減少する。Here, if the shaft 2 to be measured has a positive magnetostrictive effect, the magnetic permeability of one convex portion 4a increases as compared to when the torque is zero, and conversely, the magnetic permeability of the other convex portion 4b. The magnetic susceptibility decreases compared to when the torque is zero.
したがって、一方のコイル5aのインダクタンスは増大
し、他方のコイル5bのインダクタンスは減少するので、
第2図に示したブリッジ回路のバランスがくずれ、出力
端子16,17間にトルクに対応した出力が生じる。Therefore, the inductance of one coil 5a increases and the inductance of the other coil 5b decreases,
The bridge circuit shown in FIG. 2 is out of balance, and an output corresponding to the torque is generated between the output terminals 16 and 17.
また、トルクが逆方向に印加された場合には、前述した
のと逆の作用により、一方のコイル5aのインダクタンス
は減少し、他方のコイル5bのインダクタンスは増大する
ので、第2図に示したブリッジ回路のバランスがくず
れ、出力端子16,17間にトルクに対応した出力が生じ
る。Further, when the torque is applied in the opposite direction, the inductance of one coil 5a decreases and the inductance of the other coil 5b increases due to the effect opposite to that described above, so that it is shown in FIG. The balance of the bridge circuit is lost, and an output corresponding to the torque is generated between the output terminals 16 and 17.
この実施例においては、上述のように、凹状部3a,3bお
よび凸状部4a,4bをその傾きが反対である一対のものと
し、それぞれにコイル5a,5bを対向させて、前記凹状部3
a,3bおよび凸状部4a,4bにおける磁性変化の差をブリッ
ジ回路により検出するようにしているので、被測定軸2
の透磁率が温度によって変化したとしても出力の零点は
動かないものとすることができ、トルクの検出精度を高
いものとすることが可能である。In this embodiment, as described above, the concave portions 3a, 3b and the convex portions 4a, 4b are a pair of which the inclinations are opposite to each other, and the coils 5a, 5b are opposed to each other, and the concave portion 3 is formed.
Since the bridge circuit detects the difference in magnetic change between a and 3b and convex portions 4a and 4b, the measured shaft 2
The zero point of the output can be kept stationary even if the magnetic permeability of is changed by temperature, and the torque detection accuracy can be improved.
これをさらに具体的に説明すれば、コイル5a,5bのイン
ダクタンスをそれぞれL1,L2とし、抵抗11,12の抵抗値を
Rとし、励磁用発振器14の電圧をV,周波数をfとしたと
きに、ブリッジ回路A−B−Cを流れる電流をi1、回路
A−B′−Cを流れる電流をi2とすると、 となり、 B点の電位V1は V1=i1・R B′点の電位V2は V2=i2・R となる。More specifically explaining this, the inductances of the coils 5a and 5b are L 1 and L 2 , the resistance values of the resistors 11 and 12 are R, the voltage of the excitation oscillator 14 is V, and the frequency is f. When the current flowing through the bridge circuit A-B-C is i 1 and the current flowing through the circuit A-B'-C is i 2 , Therefore, the potential V 1 at the point B becomes V 1 = i 1 · R and the potential V 2 at the point B ′ becomes V 2 = i 2 · R.
そこで、B−B′点の電位差は|V1−V2|すなわち、 で表わされ、これを作動増幅器15で求める。Therefore, the potential difference at the point BB ′ is | V 1 −V 2 | Which is determined by the operational amplifier 15.
第2図に示した電気回路において、励磁発振器14よりコ
イル5a,5bに供給される交流の周波数(f)は1kHz〜100
kHz程度とすることがより望ましく、これによって高感
度で低ヒステリシスの出力特性を得ることができる。In the electric circuit shown in FIG. 2, the frequency (f) of the alternating current supplied from the exciting oscillator 14 to the coils 5a and 5b is 1 kHz to 100.
It is more preferable to set the frequency to about kHz, whereby high-sensitivity and low-hysteresis output characteristics can be obtained.
この発明によるトルク検出装置1において、被測定軸2
としては少なくとも表面部が鉄−アルミニウム系合金か
らなるものが用いられ、とくに、前記合金が不規則相単
相よりなるものや、規則度が0.9以下のFe3Al型規則相,F
eAl型規則相および不規則相のうちの2種以上を含む混
合相よりなるものが用いられるのは前述したとおりであ
り、この実施例においては直径20mmの軸の表面に凹状部
3a,3bおよび凸状部4a,4bを形成した。この場合、被測定
軸2に形成する凹状部3a,3bおよび凸状部4a,4bの段差は
1mmとなるように形成したが、この段差は、前記うず電
流の影響度合によるが、励磁発振器14により供給される
交流の周波数が前出のように1KHz〜100KHz程度であるな
らば、0.5mm〜1.5mm程度の段差で十分である。In the torque detection device 1 according to the present invention, the measured shaft 2
As at least the surface portion is used iron-aluminum-based alloy, in particular, the alloy is composed of a disordered phase single phase, the order of 0.9 or less Fe 3 Al type ordered phase, F
As described above, the mixed phase containing two or more kinds of the eAl type ordered phase and the disordered phase is used, and in this embodiment, the concave portion is formed on the surface of the shaft having a diameter of 20 mm.
3a, 3b and convex portions 4a, 4b were formed. In this case, the steps of the concave portions 3a, 3b and the convex portions 4a, 4b formed on the measured shaft 2 are
Although it was formed to be 1 mm, this step depends on the influence degree of the eddy current, but if the frequency of the alternating current supplied by the excitation oscillator 14 is about 1 KHz to 100 KHz as described above, 0.5 mm to A step of about 1.5 mm is sufficient.
一方、前記凹状部3a,3bおよび凸状部4a,4bの間隔は、形
状磁気異方性が十分に出るようにすればよく、この実施
例においては凹状部3a,3bおよび凸状部4a,4bとも同じ2m
m間隔で形成した。On the other hand, the distance between the concave portions 3a, 3b and the convex portions 4a, 4b may be such that the shape magnetic anisotropy is sufficiently obtained, and in this embodiment, the concave portions 3a, 3b and the convex portions 4a, 4a, Same as 4b 2m
It was formed at m intervals.
他方、凹状部3a,3bおよび凸状部4a,4bの断面形状は、第
3図に模型的断面として示すようにR形状とすると、切
欠の影響を小さくすることができるとともに、加工性を
良好なものとすることができる。On the other hand, when the cross-sectional shapes of the concave portions 3a, 3b and the convex portions 4a, 4b are R-shaped as shown in FIG. 3 as a model cross-section, the influence of the notches can be reduced and the workability is improved It can be anything.
この第3図では凹状部3a,3bをR形状とし、凸状部4a,4b
は平坦なものとなっているが、凸状部4a,4bをもR形状
とすることも必要に応じて望ましく、このように両方共
R形状にすることによって、トルクが負荷された場合の
切欠効果による破断を防止できるようにするのもよい。In FIG. 3, the concave portions 3a and 3b have an R shape, and the convex portions 4a and 4b
Is flat, but it is also desirable if the convex portions 4a, 4b are also R-shaped as necessary. By making both R-shaped in this way, the notch when torque is applied is formed. It is also possible to prevent breakage due to the effect.
この実施例に示すトルク検出装置1において、前記コイ
ル5a,5bの巻数は適宜設定されるものであるが、ここで
はコイル5a,5bとも線径0.6mmの銅線を44ターン巻いたも
のとしている。また、コイル5a,5bにおける銅線の接続
の仕方については、一方のコイル5aと他方のコイル5bと
による磁界の方向が同一方向となるように接続すること
により、励磁磁界が共有化され、出力感度を高くするこ
とができる。そして、この実施例では、第2図に示した
電気回路の励磁発振器14より供給される交流の励磁周波
数は10KHz,電流は100mAでトルクの測定を行なった。In the torque detection device 1 shown in this embodiment, the number of turns of the coils 5a and 5b is set appropriately, but here, it is assumed that the coils 5a and 5b are made by winding 44 turns of a copper wire having a wire diameter of 0.6 mm. . Regarding the method of connecting the copper wires in the coils 5a and 5b, the exciting magnetic field is shared by connecting the coils 5a and 5b so that the directions of the magnetic fields are the same. The sensitivity can be increased. In this example, the torque was measured at an AC excitation frequency of 10 KHz and a current of 100 mA supplied from the excitation oscillator 14 of the electric circuit shown in FIG.
その結果、この実施例によるトルク検出装置1におい
て、被測定軸2を一定位置に固定したときのトルク−出
力特性は第4図に示すものであった。ここで、零トルク
における出力は、第2図に示した電気回路の可変抵抗器
13でバランスをとり、零とすれば以降零点は変化しな
い。そして、この場合にヒステリシス零の極めて優れた
特性を示すものであった。As a result, in the torque detection device 1 according to this embodiment, the torque-output characteristic when the shaft 2 to be measured is fixed at a fixed position is shown in FIG. Here, the output at zero torque is the variable resistor of the electric circuit shown in FIG.
Balance at 13 and set to zero, the zero point does not change thereafter. And, in this case, it showed an extremely excellent characteristic of zero hysteresis.
また、被測定軸2を回転させたときの出力は第5図に示
すとおりであった。この第5図に示すように、この発明
によるトルク検出装置1では、被測定軸2における全周
の平均化された透磁率変化を捉えるため、零点の回転変
動がまったく無く、したがってトルク印加の際において
も、その印加されたトルクに対応する出力の回転変動は
全く生じないものであった。なお、第5図は、14重量%
のAlを含むFe−Al系合金であってFe3Al型規則相と不規
則相を含み、Fe3Al型規則相の規則度が0.3であるFe−Al
系合金を用いて被測定軸を形成した場合の実験結果を示
すものである。The output when the shaft 2 to be measured was rotated was as shown in FIG. As shown in FIG. 5, in the torque detecting device 1 according to the present invention, since the averaged magnetic permeability change in the entire circumference of the shaft to be measured 2 is captured, there is no rotation fluctuation of the zero point, and therefore, when torque is applied. Even in the above, no rotational fluctuation of the output corresponding to the applied torque occurred. Note that FIG. 5 shows 14% by weight.
Fe-Al-based alloy containing Al, which contains an Fe 3 Al type ordered phase and a disordered phase, and the Fe 3 Al type ordered phase has an ordering degree of 0.3.
7 shows an experimental result when a shaft to be measured is formed using a system alloy.
この発明の一実施例によるトルク検出装置1において
は、高透磁率材料、例えば鉄−ニッケル合金よりなるヨ
ーク7を用い、磁力線のもれを少なくすることで出力感
度の向上を図っているが、励磁電流との兼ねあいでこの
ヨーク7は必ずしも用いなくてもよい。In the torque detection device 1 according to the embodiment of the present invention, the output sensitivity is improved by using the yoke 7 made of a high magnetic permeability material, for example, an iron-nickel alloy to reduce leakage of magnetic force lines. This yoke 7 does not necessarily have to be used in consideration of the exciting current.
また、前記被測定軸2に対するトルク印加による一対の
凹状部3a,3bおよび凸状部4a,4bの透磁率変化を、一対の
コイル5a,5bのインダクタンス変化としてとらえ、交流
ブリッジにより差動増幅器15を介して検出するようにし
ているが、励磁コイルと検出コイルを設けたトルク検出
装置にも前記構成の被測定軸2を適用することが可能で
ある。Further, the change in the magnetic permeability of the pair of concave portions 3a, 3b and the convex portions 4a, 4b due to the torque applied to the shaft to be measured 2 is recognized as the change in the inductance of the pair of coils 5a, 5b, and the differential amplifier 15 by the AC bridge. However, the shaft to be measured 2 having the above-described configuration can be applied to a torque detecting device provided with an exciting coil and a detecting coil.
[発明の効果] 以上説明してきたように、この発明は、被測定軸と、前
記被測定軸を磁路の一部とする磁気回路を形成するコイ
ルとを有し、前記被測定軸を通る磁歪成分を検出するト
ルク検出装置において、前記被測定軸は、不規則相単
相、もしくはFe3Al型規則相,FeAl型規則相および不規則
相のうちの2種以上を含む混合相よりなり、Fe3Al型規
則相の規則度が0.9以下である鉄−アルミニウム系合金
を素材としているものであるから、ヒステリシスが極め
て小さく、トルク検出の精度を大幅に高めることがで
き、かつまた前記被測定軸のトルクによる磁性変化を当
該被測定軸の全周にわたって捉えるので、被測定軸の回
転による出力の変動が全くなく、例えば高速で回転する
軸のトルクを正確に測定することができるという非常に
優れた効果が得られる。また、被測定軸に凹状部および
/または凸状部を形成して形成磁気異方性をもたせるよ
うにした場合に前記凹凸状部の傾きが反対である一対の
ものとして両者における磁性変化の差をとるようにする
ことによって、被測定軸の透磁率が温度変化によって変
化したとしても出力の零点は動かないものにすることが
可能であり、さらには例えば動力伝達軸をトルク検出装
置の被測定軸として直接用いることが可能であるため、
カップリングなどを用いることなく、非常にコンパクト
にトルク検出手段を構成できるという著しく優れた効果
を奏するトルク検出装置を提供することができる。As described above, the present invention has the shaft to be measured and the coil forming the magnetic circuit having the shaft to be measured as a part of the magnetic path, and passes through the shaft to be measured. In the torque detection device for detecting a magnetostrictive component, the measured shaft is composed of a disordered phase single phase or a mixed phase containing two or more of Fe 3 Al type ordered phase, FeAl type ordered phase and disordered phase. , Fe 3 Al-type ordered phase having an ordering degree of 0.9 or less is used as the material, the hysteresis is extremely small, the accuracy of torque detection can be significantly improved, and Since the magnetic change due to the torque of the measurement shaft is captured over the entire circumference of the shaft to be measured, there is no change in the output due to the rotation of the shaft to be measured, and the torque of the shaft rotating at high speed can be accurately measured. Excellent effect on Obtained. Also, when a concave portion and / or a convex portion is formed on the shaft to be measured so as to have a formed magnetic anisotropy, the inclination of the concave and convex portions is opposite to each other, and the difference in magnetic change between the two is considered. It is possible to keep the zero point of the output stationary even when the magnetic permeability of the shaft to be measured changes due to temperature change. Since it can be used directly as an axis,
It is possible to provide a torque detection device having a remarkably excellent effect that the torque detection means can be configured very compactly without using a coupling or the like.
第1図はこの発明の一実施例によるトルク検出装置の構
造を示す断面説明図、第2図は第1図のトルク検出装置
に接続する電気回路の構成を例示する説明図、第3図は
被測定軸に形成する凹状部および凸状部の断面形状を例
示する模型的説明図、第4図および第5図はこの発明の
実施例によるトルク検出装置において各々被測定軸を一
定位置に固定したときのトルクと出力との関係を示す特
性説明図および被測定軸を一回転させたときの検出出力
の安定を示す特性説明図、第6図は不規則相単相、もし
くはFe3Al型規則相,FeAl型規則相および不規則相のうち
の2種以上を含む混合相よりなる鉄−アルミニウム系合
金で構成した被測定軸を用いたトルク検出装置において
前記鉄−アルミニウム系合金中のアルミニウム濃度によ
る出力感度およびヒステリシスへの影響を調べた結果を
例示するグラフ、第7図は前記Fe3Al型規則相の規則度
によるヒステリシスへの影響を調べた結果を例示するグ
ラフ、第8図は軸に加えられるトルク(T)と応力
(σ)との関係を示す斜面説明図、第9図(a)(b)
は従来のトルク検出装置の構造を説明する各々概略正面
図および概略側面図、第10図は従来のトルク検出装置に
おいて被測定軸を一定位置に固定したときのトルクと出
力との関係を示す特性説明図、第11図は通常の軸におけ
る軸表面部の透磁率の局部異方的な分布状態を示す概念
的説明図、第12図は従来のトルク検出装置において被測
定軸を一回転させたときの検出出力の変動を示す特性説
明図、第13図は従来のトルク検出装置において出力の回
転変動を低減させるために高温に加熱してひずみ取り焼
なまし処理を施した被測定軸を用いた場合のトルクと出
力との関係を示す特性説明図である。 1……トルク検出装置、2……被測定軸、5a,5b……コ
イル。1 is a cross-sectional explanatory view showing the structure of a torque detection device according to an embodiment of the present invention, FIG. 2 is an explanatory view illustrating the configuration of an electric circuit connected to the torque detection device of FIG. 1, and FIG. A model explanatory view illustrating the cross-sectional shapes of the concave portion and the convex portion formed on the shaft to be measured, FIG. 4 and FIG. 5 are each a fixed shaft of the shaft to be measured in the torque detecting device according to the embodiment of the present invention. Fig. 6 is a characteristic explanatory diagram showing the relationship between the torque and the output when the rotation is performed, and a characteristic explanatory diagram showing the stability of the detection output when the shaft to be measured is rotated once. Fig. 6 is an irregular phase single phase or Fe 3 Al type In a torque detection device using a shaft to be measured composed of an iron-aluminum alloy consisting of a mixed phase containing two or more of an ordered phase, an FeAl type ordered phase and a disordered phase, aluminum in the iron-aluminum based alloy is used. Output sensitivity and Graph illustrating the results of examining the influence of the Hysteresis, graph Figure 7 is an example of the results of examining the influence of the hysteresis due to the degree of order of the Fe 3 Al type ordered phase, torque FIG. 8 is applied to the shaft FIG. 9A and FIG. 9B are explanatory views of a slope showing a relationship between (T) and stress (σ).
FIG. 10 is a schematic front view and a schematic side view, respectively, for explaining the structure of the conventional torque detection device, and FIG. 10 is a characteristic showing the relationship between torque and output when the shaft to be measured is fixed at a fixed position in the conventional torque detection device. Explanatory drawing, FIG. 11 is a conceptual explanatory view showing a locally anisotropic distribution state of the magnetic permeability of the shaft surface portion in a normal shaft, and FIG. 12 is one rotation of the shaft to be measured in the conventional torque detecting device. Fig. 13 is a characteristic explanatory diagram showing the fluctuation of the detected output when the measured shaft is heated to a high temperature and strain-relieved and annealed to reduce the fluctuation of the output rotation in the conventional torque detection device. It is a characteristic explanatory view showing the relation between torque and output when there is. 1 ... Torque detection device, 2 ... Measured shaft, 5a, 5b ... Coil.
Claims (1)
する磁気回路を形成するコイルを有し、前記被測定軸を
通る磁歪成分を検出するトルク検出装置において、前記
被測定軸の少なくとも一部は、不規則相単相、もしくは
Fe3Al型規則相,FeAl型規則相および不規則相のうちの2
種以上を含む混合相よりなり、Fe3Al型規則相の規則度
が0.9以下である鉄−アルミニウム系合金を素材として
いることを特徴とするトルク検出装置。1. A torque detection device for detecting a magnetostrictive component passing through the shaft to be measured, comprising: a shaft to be measured; and a coil forming a magnetic circuit having the shaft to be measured as a part of a magnetic path. At least a part of the measuring axis is irregular phase single phase, or
Fe 3 Al type ordered phase, FeAl type ordered phase and disordered phase 2
A torque detection device comprising a mixed phase containing at least one kind and an iron-aluminum alloy having a Fe 3 Al type ordered phase with an ordering degree of 0.9 or less.
Priority Applications (6)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP61310685A JPH0758811B2 (en) | 1986-12-27 | 1986-12-27 | Torque detector |
| DE3751439T DE3751439T2 (en) | 1986-09-26 | 1987-09-25 | Torque detector devices. |
| EP91202448A EP0464964B1 (en) | 1986-09-26 | 1987-09-25 | Torque detecting devices |
| DE8787308499T DE3782708T2 (en) | 1986-09-26 | 1987-09-25 | TORQUE DETECTOR DEVICE. |
| US07/101,213 US4840073A (en) | 1986-09-26 | 1987-09-25 | Torque detecting device |
| EP87308499A EP0261980B1 (en) | 1986-09-26 | 1987-09-25 | Torque detecting device |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP61310685A JPH0758811B2 (en) | 1986-12-27 | 1986-12-27 | Torque detector |
Publications (2)
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|---|---|
| JPS63167232A JPS63167232A (en) | 1988-07-11 |
| JPH0758811B2 true JPH0758811B2 (en) | 1995-06-21 |
Family
ID=18008222
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP61310685A Expired - Fee Related JPH0758811B2 (en) | 1986-09-26 | 1986-12-27 | Torque detector |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH0758811B2 (en) |
-
1986
- 1986-12-27 JP JP61310685A patent/JPH0758811B2/en not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS63167232A (en) | 1988-07-11 |
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