JP2002156296A - トルク変換器 - Google Patents

トルク変換器

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JP2002156296A JP2001298517A JP2001298517A JP2002156296A JP 2002156296 A JP2002156296 A JP 2002156296A JP 2001298517 A JP2001298517 A JP 2001298517A JP 2001298517 A JP2001298517 A JP 2001298517A JP 2002156296 A JP2002156296 A JP 2002156296A
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Abstract

(57)【要約】 (修正有) 【課題】変換シャフトの材料を、当該材料の磁気特性と
は独立に選択できるトルク変換器を実現する。 【解決手段】トルク変換器は、円筒に形成された磁気弾
性領域2が方位角方向に永久磁化され、変換シャフト1
の円筒の周辺で固定された円筒に形成された磁気弾性領
域2とともに配置された変換シャフト1を有する。変換
シャフト1は、円筒に形成された磁気弾性領域2を具備
した変換シャフト1が交流電流によって供給される巻き
線4によって取り囲まれる。さらに、巻き線4は位相検
知器5に接続される。本発明によれば、磁気および非線
形強磁性体材料3’は、円筒に形成された磁気弾性領域
2と物理的に接触する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明が属する技術分野】監視および制御のためにシャ
フトを介して伝達されるトルクを測定する必要性があ
る。この測定は、複数の異なる製造業において、あるい
は、装置や製品における他の目的に関して必要となる。
本発明は、新しい形式の、固定シャフトおよび回転シャ
フトのトルクの非接触式磁気弾性トルク変換器である。
【0002】
【従来の技術】一般的に、トルクを受ける円筒形シャフ
トは均一の純剪断応力を受ける。この応力状態は、互い
に直交し、大きさが等しい圧縮応力と引張応力からなる
主応力によって表現することができる。主応力の方向
は、円筒表面の母線方向に対して±45°傾斜してい
る。
【0003】最新の非接触型磁気弾性トルク変換器の、
トルク測定は上記の原理に基づくものである。前記トル
ク変換器が受けるトルクは、変換器のシャフトを構成す
る物質内における特定方向の透磁率の変化を測定するこ
とによって測定される。
【0004】前記の方法に基づいて一般的に使用される
トルク測定は、シャフトの測定範囲内において、回転対
称で均一磁界のH磁界のシャフトを取り囲む静的励磁コ
イルによって形成する。これは、負荷のかかっていない
状態にあるシャフト内に、同じく均一な磁束密度を有す
るB磁界を発生させる。シャフトに負荷がかかると、B
磁界の磁場状態はゆがめられ、この歪みが検出コイルに
よって検出される。
【0005】前記方法に準拠したトルク変換器の構造設
計に関する最新情報は、複数の特許明細書に開示されて
いる。当該解決法にてほぼ共通している点は、ある種の
異方性によって磁性体中に2つのゾーンを形成し、磁束
が変換シャフトの円筒面の母線と平行な元の方向からそ
れるように設計されていることである。
【0006】SU667836は、シャフトの表面に特
定のパターンに従って切り込んだ溝によって各ゾーンに
完全に幾何学的な異方性を形成する方法を述べている。
このパターンは変換シャフトの円筒面の母線に対して4
5°の角度をなす相互に平行な複数の線から構成され
る。
【0007】US4,823,620は、幾何学的な異
方性に関して上記と同じであるが、シャフトの表面が、
変換器のヒステリシスを減じるために、硬化されるか、
浸炭された実施例について記述している。前記方法は、
どちらも限界がある。前記の方法は、完全な回転対称性
を有する異方性が発生することを前提としている。所望
の磁気異方性を実現するために、シャフトを機械加工す
る必要もある。
【0008】シャフトのトルクを測定する別の磁気弾性
的方法はEP0 525 551A2から明らかであ
る。トルクを測定すべきシャフトには、圧入、縮径また
は接着によってシャフトに取り付けられた、周方向の極
性を有する磁気弾性リングを備えている。変換シャフト
にトルクを加えると、シャフトとリングに歪みが生じ
る。これは、元々は完全に方位方向を向いていた磁化の
向きを、方位方向と軸方向の成分を共に有する螺旋方向
に変化させる。シャフトとは別に設置され、磁化の軸方
向の要素のみを感知するように方向付けられたホール素
子によって、シャフトに加えられたトルクを測定するこ
とができる。
【0009】上記のような形でホール素子を使用するこ
とは複数の欠点を伴う。一方では、ホール素子はリング
の円周に沿った一点において磁場を測定する。変換シャ
フトが回転する場合、それに伴って周方向に極性化した
磁性リングも回転し、リングの磁界が完全な回転対称で
なければ、ホール素子からの出力信号は変化する。別の
欠点は、ホール素子の信号レベルは非常に小さいため
に、信号処理が困難で、信号が電気的な干渉を受けやす
くなることである。さらに、ホール素子は本質的に温度
ドリフトを有する。
【0010】特許出願WO9722866A1には、周
方向に極性化したリングを具備したシャフトを有するト
ルク変換器が記述されている。当該リングは、シャフト
に対しては自由に動くことができるように固定された管
状のシェルによって同心的に囲まれており、当該シェル
は、所定の周波数の磁化を行うためのコイルを備えてい
る。コイルに接続された位相検知器は、磁界の軸方向成
分を測定するために、誘導によってコイルに発生した含
まれる偶数調波を有する電圧成分に対応した信号を供給
する。
【0011】上記の解決法における一つの課題は、トル
ク変換器シャフトに負荷をかけているとき、リング内に
生じる軸方向の磁束の大部分が、変換シャフトが磁性体
からなる場合には、変換シャフトを介して回路を必然的
に完成させることである。これは、上部のシェルに時間
と共に変化する磁束の偶数調波を発生させるための、前
記静的磁束の大部分はシェルに到達しないことを意味す
る。
【0012】外側のシェルが十分に回転対称でなけれ
ば、測定の精度に影響があるので、回転シャフトの場合
に、伝達されたトルクを正確に測定することは困難であ
ろう。さらに、変換器シャフトの材料の選択は当該材料
の磁気的な特性に依存し、実際には常磁性体に制限され
る。
【0013】
【発明が解決しようとする課題】本発明の一つの目的
は、変換シャフトの材料を、当該材料の磁気特性とは独
立に選択することができるトルク変換器を実現すること
である。本発明の別の目的は、変換器のシャフトとして
強磁性体を使用することができるトルク変換器を提供す
ることである。
【0014】本発明の別の目的は、周方向に磁化したリ
ングに負荷をかけたときにリングに生じる軸方向のdc
場を、磁性体シェル内の磁束の偶数調波を発生させるた
めに、より効果的に利用することができるトルク変換器
を実現することである。
【0015】別の目的は、変換信号の角度依存性が最小
になるように、トルク変換器のシェルおよび変換シャフ
トを配置することである。本発明の更なる目的は、変換
器の励磁コイルの外部の高磁気抵抗空気経路による漏磁
を原因とする電力損失を低減したトルク変換器を実現す
ることである。
【0016】さらに本発明の別の実施例は、磁気弾性リ
ングの磁界の回転対称性が中程度であっても、常に正確
な測定を行うことができるトルク変換器を実現するこで
ある。例えば、回転シャフトに伝達されたトルクを測定
するとき、測定の正確性が前記磁界の回転対称性に依存
しないことが非常に重要である。
【0017】
【課題を解決するための手段】上記の目的およびその他
の目的は、請求項1に規定された、固定シャフトあるい
は回転シャフト内の伝達されたトルクを測定するトルク
変換器によって達成される。さらに、本発明の好適な実
施例は請求項2から14に記載される。本発明は、変換
シャフトを材料の磁気特性に無関係に、任意の材料で製
造されるトルク変換器に関するものである。
【0018】従来技術によると、変換シャフトにトルク
が加えられると、変換リングに軸方向の静的磁束が発生
する。軸方向の静的磁束はリング上部に空気を介し、リ
ングの下のシャフト物質を介して回路を完成させる。空
気を介して回路を完成させる磁束の割合は、空気中の透
磁率とシャフト物質中の透磁率との比率にほぼ比例す
る。
【0019】空気の透磁率とほぼ同程度の非磁性体の場
合には、空気とシャフトを介して前記と同じ部分を通っ
て実質的に回路を完成させるように戻る磁束が発生す
る。これは静的磁束dcの半分が、シェルにおいて、測
定用のac磁束の偶数調波を励起するための励磁コイル
からの時間的に変化する磁束、ac磁束と有効に相互作
用を行うことを意味する。従来技術によるトルク変換シ
ャフトが強磁性体で構成されていれば、偶数調波を含む
測定可能な電圧を励起するシェル内のdc磁束の割合は
顕著に減少する。
【0020】本発明は、変換シャフト上の円筒形に形成
された磁気弾性領域と物理的に接触する、高い透磁性を
有する磁気非線形物質からなる透過性の高い磁性層を実
質的に配置することによって、変換シャフトを、物質の
磁気特性とは無関係に、任意の物質で構成することがで
きることが利点である。この結果、静的磁束、dc磁束
は、従来技術によるトルク変換器と比較して、空気を通
る必要がないので、磁性体層を介して効果的に回路を完
成させる。その結果、荷重が加えられたときに変換器の
シャフトの磁気的に周方向に極性化された円筒状の領域
に発生する静的な軸方向磁束の大部分が、励磁コイルに
よって発生する、時間的に変化する磁束ac磁束に制御
されることになる。このために、本発明でのdc領域
は、従来技術による方法に比較してより能率的に使用さ
れる。
【0021】好ましい実施例に示す、変換シャフトが強
磁性体をも有するトルク変換器は、複数の理由によりさ
らに好適である。
【0022】本発明の一つの長所は、変換シャフトが任
意の材料から製造することができることである。任意の
材料という用語は、ここでは、トルクが測定されるべき
シャフトは、ステアリングギアの心棒、ギアボックスで
のシャフト、ドライブシャフトまたは心棒などのよう
な、対象物を能率的に実行するための所望の材料特性お
よび性能を有する物質から製造されることを意味する。
強磁性体の変換シャフトは、本発明が、非常に広い適用
範囲を有することを意味する。ほとんどの場合におい
て、強磁性体の使用は、結果的に、変換器全体の低コス
ト化のための、材料の低コスト化を実現する。
【0023】本発明の好ましい実施例の別の長所は、変
換器シャフトの測定ゾーンは、特定の時期的特性を付与
するために、他とは別に機械工作または処理を行う必要
がないことである。本発明の別の実施例は、磁気的に周
方向に極性を付与したリングを、変換器シャフトに取り
付ける必要が無いことである。この実施例によれば、変
換シャフトを構成する材料の、実質上円筒状の磁気封じ
込め領域は、周方向の極性に対して高い透磁性を有する
ので従来技術で採用されているような別体のリングを使
用する必要がない。
【0024】本発明の最適な用途によると、本発明の実
施例では、巻き線は磁気回帰導体を有する。このような
構成は、従来技術によるトルク変換器に基づく構成と比
較してかなりの低消費電力化を実現することができ、こ
の点が大きな利点である。
【0025】発明の好ましい実施形態 本発明について説明するために、まず、従来技術による
変換器について説明する。図1は、シャフト1、リング
2、円筒形のシェル3および1つ以上のコイル4を有す
る、従来技術によるトルク変換器を示すものである。シ
ェル3は比較的大きな透磁率を有する非線形磁性体から
構成されている。コイル4はシェル3を取り囲んでい
る。リング2は比較的大きな透磁率を有する磁性材料か
らなり、静的磁界が方位角方向にリングを通って回路を
完成させる。変換器が非接触であることにより、磁気弾
性領域2(リング)とシェル3との間には必然的に微小
なエアギャップ9が存在する。従来技術によるトルク変
換器を示す図2は、リングに負荷がかかっているとき
に、リング2から静的磁力線8aを付加的に示す。
【0026】図1に示された位相検出器5は、測定用コ
イル4に交流電流を供給する送流回路に接続される。検
出器5は、負荷が加えられるとシェル3に生じる静的磁
界の影響を相殺するために、測定用コイル4に直流電流
を送る制御装置6に信号を発生させる。直流電流が流れ
る極性化された測定器具7は、適正な目盛り設定後に、
変換器のシャフトにかかるトルクの絶対値を示すために
使用される。これは上述の国際特許出願WO72286
6A1に詳細に記載されている。
【0027】従来技術によるトルク変換器は、変換シャ
フト1に取り付けられた、周方向に極性化させたリング
2を有する。磁力線8aは、巻き線4を通じて測定を行
うために、エアギャップ9の空気を通って円筒状のシェ
ル3に磁束を発生させる様子を示す。磁力線8aは、大
なり小なりシャフト1を通って循環する。点線8bは、
リングからの磁力線の特定の部分8bがシャフトを通っ
て回路を完成させる様子を示す。
【0028】図3は本発明による好ましい実施例を示す
ものである。強磁性体層3’が周方向に極性化したリン
グ2に固定されている。当該層3’は比較的大きな透磁
率、1000以上の透磁率、好ましくは10000を越
える程度の透磁率の磁気非線形物質を有する。当該層
3’は、接着、収縮、およびその他の方法で、リング2
の当該表面に固定される。
【0029】本発明は、シャフト1にトルクが加えられ
ると、軸方向の静的磁界が周方向に極性化させたリング
2によって発生する。リング2を取り囲む層3’の相対
的透磁率は、強磁性体から成る一般的なシャフト透磁率
より1桁以上大きいので、リング2を取り囲む当該層
3’は静的磁界の磁束線8に影響を与える。この結果、
円筒状の層3’の静的磁束密度がかなり大きくなる。結
果として、これは感知コイルに誘導された電圧に含まれ
る偶数調波の増大をもたらす。これは変換器の感度の増
加をもたらし、従って、測定精度を向上させる。言い換
えると、変換シャフトの物質が強磁性体であったとして
も、図2bに示した磁束線8bに対応する束線は、もし
存在したとしても、いずれも大きく減少することにな
る。
【0030】好ましい実施例において、変換シャフト
は、例えば、リン酸処理、亜鉛処理などのような従来の
表面処理を施されたか、あるいは施されていない、一般
的な鋼鉄と言った、強磁性体材料からなる。当該層3’
は、当該層が例えば、10000程度以上の相対的透磁
率を有するように選択された金属組成または合金を有す
る。好適な例は、相対透磁率およそ100000を有す
るVitrovac 6025X(商標)で知られる金
属箔である。実験によって有効であると証明された他の
合金材料の例として、 − 数種のアモルファス、一般的な名称Vitrova
c(標章)で知られている多種のコバルト合金、 − 結晶、例えばミューメタルと言った、大きな相対透
磁率の鉄ベースの合金、 − アモルファス、Metglas(標章)の名称で知
られる鉄ベースの合金を挙げることができる。
【0031】上記記載のような合金は、例えば、コバル
ト、鉄、ニッケルといった、遷移金属を有する。Vit
rovac 6025Xのようなコバルト合金は、さら
に、磁気歪を有さない長所を有する。これは測定信号が
層の機械的負荷に関係なく、あるいは、周囲の温度が変
化に対して安定していることを意味する。
【0032】好ましい実施例の開発に基づく、外部の静
的干渉領域の影響を相殺する方法を示す。十分に強い外
部の静的干渉場、または、低周波数で時間的に変化する
磁界は精度を狂わし、例えば、トルク変換器の軸方向を
外部干渉領域に関して方向付けるように感知させる可能
性がある。図4は二つのゾーンに配列された測定領域を
具備したトルク変換器を示す。二つのゾーンは、いつで
も静的領域8と時変化磁界11が二つのゾーンにて反対
方向に向けられるように配列される。この方法における
外部干渉領域の軸の要素は、ゼロに近似する合力を受け
る。
【0033】別の実施例において、リング2の機能は、
変換シャフトの物質の僅かな部分を構成する高透磁率の
非線形強磁性体領域によって実施される。この種の領域
は、リングに類似した磁気特性を具備したメッキあるい
は被覆のような適切な処理によって製造することができ
る。当該領域に合金層生物あるいは成分を吸収させる表
面処理によっても同様の領域を製造することができる。
さらに、領域でのミクロ構造の好適な変化を実現するた
めに熱処理を使用することもできる。この方法によっ
て、実質的に円筒状の、磁気歪領域は、周囲のシャフト
材料より大きな相対透磁率を有する変換シャフト上に形
成される。前記磁気歪領域は異なる物質から成る周方向
の極性を付与したリングと同様に作用する周方向に静的
極性を有する磁界を形成するために永久磁化される。
【0034】本発明の別の実施例において、変換シャフ
トは、常磁性体金属、または、常磁性体合金から成る。
【0035】本発明によるトルク変換器の最適な用途
は、図5に示されている。この図はさらに低消費電力で
ある長所を有する、本発明によるトルク変換器に特にう
まく適する。測定コイル4に交流電流を供給することに
よって、交流磁場は、領域線11に示すように層3’内
に形成される。最適な用途によると、追加層12は測定
コイル4の外側に固定される。層12は、磁気線形物質
から構成されている。この機能は、単純な方法で磁気回
路を完成させるために、さもなければ測定コイルの外側
の空気を流れる磁束を、束線11に導くことである。そ
の方法で、測定コイル内の低い電流密度によって磁界は
測定コイル4と層3’との間のエアギャップ9内に維持
され、変換器の電力要求を低減する。試験中に、測定コ
イルでの電力消費は、この方法にて大幅に低減されるこ
とが理解された。例えば、およそ1.4Wから120m
Wに消費供給電力の合計が低減された結果が示された
が、これは約12分の1への低減である。
【図面の簡単な説明】
本発明は添付した概要図に関してさらに詳細に述べられ
ている。
【図1】 従来技術によるトルク変換器の概観図であ
る。
【図2】 従来技術による変換器シャフトの縦軸に沿っ
たトルク変換器の断面図を示すものである。
【図3】 強磁性体シャフトを用いた本発明によるトル
ク変換器の好ましい1実施例の切断面を示すものであ
る。
【図4】 強磁性体シャフトと二つの測定ゾーンを有す
る本発明によるトルク変換器の別の実施例を示すもので
ある。
【図5】 低消費電力用に開発された測定コイルを用い
た発明によるトルク変換器の別の実施例を示すものであ
る。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ケント ブロムクビスト スウェーデン国 エスイー−724 77 ヴ ェステロス, タックヤーンスガタン 48 (72)発明者 ハンス リング スウェーデン国 エスイー−163 65 ス ポンガ, ユルスタ トルグ 1

Claims (16)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 変換シャフトの円筒状の周囲に設けられ
    た円筒状の磁気弾性領域(2)を有する変換シャフト
    (1)であって、該円筒状の磁気弾性領域が方位角方向
    に永久磁化されて、交流電流を供給される少なくとも1
    つの巻き線に囲まれ、該巻き線が偶数調波を発生させる
    ために透磁性が高く非線形強磁性材料からなるシェル
    (3)の形状の円筒状の層を取り囲むトルク変換器であ
    って、当該高透磁率で非線形強磁性体材料からなる層
    (3’)は円筒状の磁気弾性領域(2)と物理的に接触
    していることを特徴とするトルク変換器。
  2. 【請求項2】 変換シャフト(1)は実質的に強磁性体
    物質からなることを特徴とする請求項1に記載のトルク
    変換器。
  3. 【請求項3】 前記層(3’)は、一緒に回転するよう
    に、円筒に形成された磁気弾性領域に対して配置される
    ことを特徴とする請求項2に記載のトルク変換器。
  4. 【請求項4】 前記層(3’)は円筒に形成された磁気
    弾性領域(2)の相対透磁率より大きい相対透磁率を有
    する材料からなることを特徴とする請求項3に記載のト
    ルク変換器。
  5. 【請求項5】 前記層(3’)は1000以上の大きさ
    の相対透磁率、好ましくは10000以上の相対透磁率
    を有する物質からなる請求項4に記載のトルク変換器。
  6. 【請求項6】 当該層はアモルファスコバルト合金、ア
    モルファス鉄製合金、結晶鉄合金のいずれか1つからな
    ることを特徴とする請求項5に記載のトルク変換器。
  7. 【請求項7】 円筒状の磁気弾性領域(2)が変換シャ
    フト材料の一部を構成することを特徴とする請求項1に
    記載のトルク変換器。
  8. 【請求項8】 円筒に形成された磁気弾性領域(2)
    は、シャフトを取り囲む物質の透磁率より大きな透磁率
    を有することを特徴とする請求項7に記載のトルク変換
    器。
  9. 【請求項9】 変換シャフトの円筒状の磁気弾性領域
    (2)は、メッキによって形成されることを特徴とする
    請求項8に記載のトルク変換器。
  10. 【請求項10】 変換シャフトの円筒状の磁気弾性領域
    (2)は、熱処理によって形成されたことを特徴とする
    請求項8に記載のトルク変換器。
  11. 【請求項11】 巻き線(4)が、変換シャフトの物質
    の透磁率より大きく、好ましくは層(3’)の透磁率と
    同等の透磁率を有する線形磁性体からなる外側の層(1
    2)によって取り囲まれることを特徴とする請求項1に
    記載のトルク変換器。
  12. 【請求項12】 前記高透磁率および非線形強磁性体の
    層(3’)は、層(3’)内に磁束に偶数調波巻き線
    (4)に誘導電圧を発生させる手段であることを特徴と
    する請求項1に記載のトルク変換器。
  13. 【請求項13】 変換シャフト(1)が、少なくとも1
    つの測定ゾーンでの磁界はその他の測定ゾーンに磁界の
    方向と対向するように少なくとも2つの測定ゾーンに配
    列された測定領域を有することを特徴とする請求項1に
    記載のトルク変換器。
  14. 【請求項14】 変換シャフト(1)は常磁性体物質を
    実質的に有することを特徴とする請求項1に記載のトル
    ク変換器。
  15. 【請求項15】 固定シャフトに伝えられたトルクを測
    定する請求項1ないし14のうちいずれか1つに記載の
    トルク変換器。
  16. 【請求項16】 回転シャフトに伝えられたトルクを測
    定する請求項1ないし14のうちいずれか1つに記載の
    トルク変換器。
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