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本研究では、鋼軸の磁気ひずみ効果を利用して非接触に軸トルクを計測する、汎用性の高いトルクセンサ実現のための基礎研究として、一対の平面8の字型コイルを埋め込んだフェライトヘッドと25mmφのSNCM高周波焼き入れ軸を用いて、以下の項目について研究を実施し所期の目的を達成した。以下の実験結果は60kHz、0.4Aの励磁条件で得られたものである。
1.外因性ゼロ点変動の低減法
鋼軸の磁気特性は、軸の周方向(回転方向)に必ずしも均一でなく、軸の回転と共にトルクセンサのゼロ点が変動する。この中の大部分は、軸に対向配置された一対の検出コイルからなるブリッジ回路の非対称性の故に増幅されたゼロ点変動(外因性ゼロ点変動)であり、軸の不均一性のみから来るゼロ点変動(真性変動)と区別できる。本研究ではまず、外因性ゼロ点変動を低減するために、検出コイルと並列にチューニング抵抗を入れ、ブリッジの平衡度を上げる方法の有効性を実験とシミュレーションによって示した。抵抗の調整に対する変動の自乗平均は大域的最小値をとることを示した。すなわち、必ず最小化が可能である。しかし、外因性変動の最小値を達成する条件と、オフセットが最小になる条件は必ずしも一致しないことを指摘した。これに対して、検出コイルインピーダンスの軸一回転平均と等しいインピーダンスを対辺に持つブリッジとしておけば上記問題は生じないことも指摘した。
2.温度変動の補償法
トルクセンサの温度ドリフトを40-140度にわたる温度範囲で調べ、ブリッジ型検出回路の初期オフセットの大きさとトルクセンサの温度ドリフトが正の相関関係にあることを明らかにした。一例として、初期オフセットが印加電圧の0.047%に対して全ドリフトは-22%、同様に0.013%に対して-7.5%であった。最も大きな温度変動要因は軸の透磁率の温度変化、すなわち、焼き入れによって残留する圧縮応力が軸の熱膨張に伴い緩和し、透磁率が増加するためであることを定量的に示した。
上記の他、本研究の派生として、磁気異方性を検出するマイクロプローブの開発およびその非破壊検査への応用についての研究成果も得た。
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