JP2000502186A - トルクトランスデューサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 軸にトルクを負荷させる際、軸に軸線方向の静的磁界を発生させる円形に分極されたリング２を備えた軸１を有するトルクトランスデューサ。該リングが軸に関して自由に配備され、かつ、所与の周波数で軸を磁化するための少なくとも１つの巻線４、８、９を備えている静止した筒状シェル３によって同心円的に囲繞されている。巻線に接続された位相感知式検出器５は、制御器６の周波数の巻線に誘導される均一な調波を備えた電圧の内容に対応する信号を供給する。制御器は信号に比例する直流を発生させ、軸に発生した静的磁界に反作用するような極性で巻線に接続されている。直流は、軸に負荷されるトルクの標準を構成する。

Description

【発明の詳細な説明】 トルクトランスデューサ 技術分野 軸を介して伝えられるトルクを測定する必要性は、複数個の異なるプロセス及 び目的を監視し、且つ、制御することの双方に対して存在する。負荷の駆動源が 電気モーターからなる場合、負荷に伝えられる駆動軸のトルクのより直接的な測 定の必要性が、このような関係において、存在するかも知れないけれども、通常 、関連したトルクは、モーターに供給される動力即ちパワーを介して間接的に得 ることができる。別の応用例では、例えば、駆動源が内燃機関の場合、他の方法 を用いて測定を行うことが必要とされている。例えば、自動車工業界では、クラ ンク軸を介して駆動車輪に伝えられるトルクと、ステアリングコラムを介してス テアリング装置に伝えられるトルクとの双方のトルク測定に対する必要性が長年 にわたって存在していた。 本発明によるトルクトランスデューサは、磁気弾性非接触式トルクトランスデ ューサのカテゴリーに関する。 背景技術、問題点 一般に、トルクを受ける円形円筒状の軸は純粋な剪断軸応力により影響を受け る。この応力状態は、それの主要な応力によって、圧縮応力と、それの大きさの 、それに対して直角に向けられた引張応力として表現することができる。主要な 応力の方向はシリンダ面に対する直線母線に対して±４５゜で傾けられている。 これを利用した、最も普通に用いられているトルク測定は、軸の測定範囲内で 、回転対称をなす均質な磁化するフィールド、即ち、Ｈ−フィールドが囲繞する 静的励磁用巻線の助けにより作り出されるように設計されている。この結果とし て、負荷されていない状態で軸において等しい均質な磁束密度となり、即ち、Ｂ −フィールドとなる。軸が負荷される際、Ｂ−フィールドのフィールドの形態は 乱され、それは検出巻線の助けにより検出することができる。 上述した方法に基づくトルクトランスデューサの構造的設計に関して当業界の 状態は多数の特許明細書及び技術文献に開示されている。これらの解決策の多く に共通していることは、ある形式の異方性を備えた２つの区域が磁気材料に作り 出されることであり、それにより、磁束密度が、トランスデューサ軸のシリンダ 面に対する直線母線に平行な自然な方向から遠去かる角度で偏向されてしまう。 当技術分野の状態によれば、磁化及び検出回路を設計し、また、上述した異方 性を達成する複数個の異なるやり方が存在し、それらのいくつかを以下に記載す る。 ソビエト連邦特許第６６７，９３６号は、特定のパターンに従って軸の表面に 溝を切断することにより、各区域に、純粋に幾何学的に異方性を作り出す方法を 記載している。このパターンは、直線母線に対して４５゜の角度でトランスデュ ーサ軸のシリンダ面に向けられた多数の相互に平行なラインからなっている。 米国特許第４，８２３，６２０号は、幾何学的異方性に関して上述したことと 同じ実施例を記載している。しかしながら、トランスデューサでのヒステリシス を低減させる目的で、軸の表面を硬化し、あるいは、浸炭させることが加えられ ている。 軸のトルクを測定するための別の磁気弾性方法は欧州特許第０，５２５，５５ １Ａ２号から明かである。トルクを測定するべき軸は円形に分極された磁気リン グを備えており、該磁気リングは軸上に収縮させられ、あるいは接着されている 。軸に負荷が掛かる際、リングも歪められる。このことは、周方向の磁化が周方 向成分及び軸線方向成分の双方を備えた螺旋の向きに変えられることを意味して いる。 軸に相対して自由に装架され、またホール素子が軸線方向成分だけを検知する よう向けられた該ホール素子によって、軸に生ずるトルクの測定は得られる。 上記方法の双方にはある種の制限及び問題が必然的に伴う。最初に述べた方法 は完全な回転対称を前提としており、また軸は所望の異方性を達成するために作 動しなければならない。上述した第２の方法によるホール素子を用いた場合にも いくつかの欠点が必然的に伴う。一方で、ホール素子はリングの周囲に沿った一 点だけでフィールドを測定している。トランスデューサ軸が回転すると、従って 円形に分極された磁気リングも回転すると、ホール素子からの出力信号は、リン グの磁界が完全な対称を有していなければ、変化してしまう。別の欠点は、ホー ル素子が非常に小さな信号レベルを有していることである。これにより、信号を 電気的干渉に敏感にさせてしまう。加えて、ホール素子は不必要でない温度のド リフト、即ちふらつきを有してしまう。 発明の要約 本発明は、トルクを測定すべきである軸、即ちトランスデューサ軸に取り付け られている円形に分極された磁気リングを用いた最後に述べた方法の改良である 。本発明により、ホール素子での関連したトルクの感知における上述した欠点を 除去するのを可能にする。 本発明によれば、円形に分極されたリングは筒状シェルにより同心円的に、且 つ自由に囲繞させられる。トランスデューサ軸の負荷されていない状態において は、リングからの周辺磁界はシェルにおけるなんらの軸線方向磁界も生じさせな い。シェルは極めて透過性の、そして非線形の強磁性材料で設計されている。 シェルは励磁巻線を備えるべきであり、また、そのシェルには正弦状の交流が 供給される。この電流の周波数は、トランスデューサが測定しようと意図してい る一番早いトルク変化の優れた測定を可能にするよう選定されるべきであり、一 方、同時に、発生された時変磁界がシェルに浸入するのを、充分な範囲、阻止し ないよう渦電流に対して選定されるべきである。 負荷されていない状態において、即ち円形に分極されたリングにより生じせし められるシェルにおける静的軸線方向磁界が存在しない場合、非線形の磁化曲線 での対称のために、時変Ｈ−フィールドはシェルに軸線方向時変Ｂ−フィールド を引き起こし、該軸線方向時変Ｂ−フィールドは、供給電流の周波数に対して奇 数調波を含んでいるだけである。トランスデューサ軸にトルクが負荷される際、 円形に分極されたリングからの重畳された静的軸線方向磁界はシェルにおいて加 えられる。この結果、磁気対称が破られ、Ｂ−フィールドでの均一な調波の発生 にも導かれる。 これらＢ−フィールドでの均一な調波の発生は、励磁する巻線に平行に巻かれ た検出用巻線に誘導される電圧として検出することができ、あるいは、それらは 供給電流を駆動する電圧に重畳される電圧として検出することができる。 均一な調波を備えた電圧を検出するための検出器は、これら均一な調波の内容 の測度即ち標準に対応する信号を供給するようにされている。次いで、この信号 は制御器に接続され、該制御器は均一な調波の内容に比例する直流を発生させる 。該直流は供給電流に重畳することができるか、あるいは、それは別個の巻線内 で作用することが許されるかのいずれかである。直流は、円形に分極されたリン グから軸線方向静的磁界に反作用するよう向けられていて検出器ではそれ以上何 等の均一な調波も検出されない。 このことは、円形に分極されたリングから起磁力を除去するために必要とされ る電流を、トランスデューサ軸で現在生じているトルクの標準として用いること ができることを意味している。位相感知式検出器を用いることにより、トルクの 方向に付いての情報も得ることができる。 図面の簡単な説明 図１は、本発明によるトルクトランスデューサの好適実施例を示している。 図２及び図３は、トルクトランスデューサの代替実施例を示している。 発明の要約、利点 発明の要約のところに示されているごとく、多数の多かれ少なければ同等の実 施例が存在する。好適実施例は図１に示されている。 伝えられるトルクを測定しようとするトランスデューサ軸は断面に１で示され ている。円形に分極されたリングも断面に２で示されている。該トランスデュー サ軸及び該リングと同心円をなして、シェル３が示されており、該シェル３は、 上記に従って、極めて透過性の、そして非線形の強磁性材料から作られる予定に なっている。このシェルには巻線４が巻き付けられており、該巻線４には上述し たごとく適宜の周波数の交流が供給される予定になっていてシェルを磁化し、そ れに時変の軸線方向フィールドを発生させている。軸に負荷を課す際、巻線に生 ずる、供給周波数の均一な調波を備えたこれら電圧の内容は位相感知式検出器５ の助けにより測定される。該位相感知式検出器は均一な調波を備えた検出電圧の 内容に対応する信号を発生させる。この信号は制御器６に接続され、該制御器６ は直流を移送するようにされており、該直流は同じ巻線４に供給されるとともに 、方向に関して、円形に分極されたリングからの静的軸線方向フィールドに反作 用 するようになっており、該静的軸線方向フィールドは、トランスデューサ軸がト ルクでもって負荷される際に生じ、また大きさに関して、静的軸線方向フィール ドを実際に除去する。このように、問題のトルクは、直流により横切る分極され た機器７上で、較正により読むことができる。 図２は代替実施例を示しており、該代替実施例において、図１に関連した違い は、発生された直流が別個の巻線８に供給されることだけである。 図３は別の実施例を示しており、該別の実施例では、均一な調波が個々の検出 巻線９により検出され、また、発生された直流が別個の巻線８に供給されるよう になっている。 記載された実施例の更なる組み合わせは本発明の範囲内である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．円形に分極された磁気リング（２）を周囲に固定させたトランスデューサ 軸（１）を有するトルクトランスデューサにおいて、前記円形に分極された磁気 リングは、前記軸に関連して自由に配備されており、かつ前記トランスデューサ 軸にトルクが負荷される際、円形に分極された磁気リングから生じる軸線方向の 静止した磁界が発生している筒状シェル（３）により同心円的に囲繞されている こと、該静止した磁界の大きさは問題のトルクの大きさにより決定されること、 前記シェルはその軸線方向時変磁化のための所与の周波数の交流を供給されてい る少なくとも１つの巻線（４、８、９）と、前記静止した磁界の故に、前記巻線 に誘導された、前記所与の磁化電流の周波数の規則正しい調波の電圧の内容に対 応する信号を検出し、かつ供給する位相感知式検出器（５）を備えていること、 前記信号は、前記巻線に接続された信号に比例し、前記軸にトルクを負荷する際 生ずる前記静的軸線方向フィールドに反作用するような極性の直流を供給するた めの制御器（６）に接続されていること、前記直流は前記軸に負荷される前記ト ルクの標準を構成していることを特徴とするトルクトランスデューサ。 ２．請求項１記載のトルクトランスデューサにおいて、前記筒状のシェルは、 高度に透過性の、そして非線形の強磁性材料で設計されていることを特徴とする トルクトランスデューサ。 ３．請求項１記載のトルクトランスデューサにおいて、前記シェルは、該シェ ルの軸線方向に時変磁化させるために、該時変磁化の周波数の均一な調波を備え た誘越された電圧を感知するために、また前記トルク負荷の結果として生ずる前 記シェルの静的軸線方向フィールドの逆の方向に向けられているフィールドを達 成するために意図された巻線（４）を備えていることを特徴とするトルクトラン スデューサ。 ４．請求項１記載のトルクトランスデューサにおいて、前記シェルは、該シェ ルの軸線方向に時変磁化させるため、また該時変磁化の周波数の均一な調波を備 えた誘越された電圧を感知するために意図された巻線（４）と、トルク負荷の結 果として生じる前記シェルの静的軸線方向フィールドの反対方向に向けられたフ ィールドを達成するための巻線(（８）備えていることを特徴とするトルクトラ ンスデューサ。 ５．請求項１記載のトルクトランスデューサにおいて、前記シェルは、該シェル の軸線方向時変磁化に意図された巻線（４）と、該時変磁化の周波数の均一な調 波を備えた誘越された電圧を感知するための巻線（９）と、前記トルク負荷の結 果として生ずる前記シェルの静的軸線方向フィールドの逆方向に向けられたフィ ールドを達成するための巻線（８）とを備えていることを特徴とするトルクトラ ンスデューサ。