JP2002168706A - トルクセンサ及びトルク感知方法 - Google Patents
トルクセンサ及びトルク感知方法Info
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- G01L3/02—Rotary-transmission dynamometers
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 シャフト又はシャフトに取り付けられたカラ
ーを永久的に磁化する必要がなく、その結果、カラー又
はそのシャフトを永久的に磁化する製造工程が必要がな
くなり、製造が大幅に簡単になるトルクセンサを提供す
る。 【解決手段】 トルクセンサ８は、磁歪材料製シャフト
１６と、一対の磁石１０、１２を備える。一対の磁石１
０、１２は、反対極性の磁極１１、１３の間でシャフト
１６に局所的磁界を誘導するようにシャフト１６の周囲
に配置される。シャフト１６に加えられたトルク３８
は、シャフトから漏れる局所的磁界の成分を検出するよ
うに磁極１１、１３間でシャフト１６の周囲に配置され
た磁束検出器１８によって検出される。
ーを永久的に磁化する必要がなく、その結果、カラー又
はそのシャフトを永久的に磁化する製造工程が必要がな
くなり、製造が大幅に簡単になるトルクセンサを提供す
る。 【解決手段】 トルクセンサ８は、磁歪材料製シャフト
１６と、一対の磁石１０、１２を備える。一対の磁石１
０、１２は、反対極性の磁極１１、１３の間でシャフト
１６に局所的磁界を誘導するようにシャフト１６の周囲
に配置される。シャフト１６に加えられたトルク３８
は、シャフトから漏れる局所的磁界の成分を検出するよ
うに磁極１１、１３間でシャフト１６の周囲に配置され
た磁束検出器１８によって検出される。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明はトルクセンサに関
し、更に詳細には磁歪トルクセンサに関する。
し、更に詳細には磁歪トルクセンサに関する。
【０００２】
【従来の技術】磁歪効果とは、磁界に露呈された場合の
寸法変化、又はその逆の作用、即ち外部応力による材料
の磁性の変化と言うことができる。この逆の磁歪作用
は、場合によっては、磁気弾性効果と呼ばれるが、本願
では専ら磁歪という用語を使用する。一般的には、磁歪
効果は強磁性体と関連する。
寸法変化、又はその逆の作用、即ち外部応力による材料
の磁性の変化と言うことができる。この逆の磁歪作用
は、場合によっては、磁気弾性効果と呼ばれるが、本願
では専ら磁歪という用語を使用する。一般的には、磁歪
効果は強磁性体と関連する。
【０００３】米国特許第５，３５１，５５５号には、回
転するシャフトに使用できる磁歪型非接触式トルクセン
サが開示されている。添付図面のうちの図１６を参照す
ると、トルクセンサは、シャフト１１６にぴったりと嵌
着したカラー１２０を含む。このカラー１２０は、図に
おいて矢印で示すようにシャフトの周りで周方向に磁化
される。シャフト１１６にトルク１３８が加えられる
と、トルクがカラー１２０に伝えられ、カラーに螺旋状
磁界を誘導する。外部に配置した磁束検出器１１８によ
って螺旋状磁界の成分を感知し、ここからトルクの大き
さを推定できる。
転するシャフトに使用できる磁歪型非接触式トルクセン
サが開示されている。添付図面のうちの図１６を参照す
ると、トルクセンサは、シャフト１１６にぴったりと嵌
着したカラー１２０を含む。このカラー１２０は、図に
おいて矢印で示すようにシャフトの周りで周方向に磁化
される。シャフト１１６にトルク１３８が加えられる
と、トルクがカラー１２０に伝えられ、カラーに螺旋状
磁界を誘導する。外部に配置した磁束検出器１１８によ
って螺旋状磁界の成分を感知し、ここからトルクの大き
さを推定できる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】これらの設計は良好に
作用するけれども、幾つかの理由により批判されてき
た。一つの問題点は、高トルク状態では、カラーがシャ
フト上で滑ってしまう場合があるということである。別
の問題点は、カラーを製造し、これをシャフトに嵌着す
ることと関連した製造費用である。この費用は高過ぎる
と言われてきた。
作用するけれども、幾つかの理由により批判されてき
た。一つの問題点は、高トルク状態では、カラーがシャ
フト上で滑ってしまう場合があるということである。別
の問題点は、カラーを製造し、これをシャフトに嵌着す
ることと関連した製造費用である。この費用は高過ぎる
と言われてきた。
【０００５】ＷＯ９９／２１１５０、ＷＯ９９／２１１
５１、及びＷＯ９９／５６０９９には、カラーを用いた
設計の欠点を解消しようとするトルクセンサの様々な設
計が開示されている。これらの比較的最近の設計では、
シャフトそれ自体の一部を磁化し、これによって別体の
磁化させたカラーを不要にする。添付図面のうちの図１
７は、これらのカラーなし設計の一例を示す。シャフト
１１６は、カラーを用いた設計におけるのと同様に周方
向に即ちシャフトの周囲で磁気的に分極させた部分１２
２を一体に有する。多数の分極領域を設け、隣接したド
メインは、二つのこのようなドメインが示してある図面
に示すように磁気的に反対の極性を備えていることが好
ましい。シャフトにトルクが加わると、シャフト外部の
磁界が変化する。これをカラーを用いた設計と同様に適
当な磁束検出器１１８で計測する。
５１、及びＷＯ９９／５６０９９には、カラーを用いた
設計の欠点を解消しようとするトルクセンサの様々な設
計が開示されている。これらの比較的最近の設計では、
シャフトそれ自体の一部を磁化し、これによって別体の
磁化させたカラーを不要にする。添付図面のうちの図１
７は、これらのカラーなし設計の一例を示す。シャフト
１１６は、カラーを用いた設計におけるのと同様に周方
向に即ちシャフトの周囲で磁気的に分極させた部分１２
２を一体に有する。多数の分極領域を設け、隣接したド
メインは、二つのこのようなドメインが示してある図面
に示すように磁気的に反対の極性を備えていることが好
ましい。シャフトにトルクが加わると、シャフト外部の
磁界が変化する。これをカラーを用いた設計と同様に適
当な磁束検出器１１８で計測する。
【０００６】これらの設計に共通した一つの問題点は、
これらの設計がカラー又はシャフトの永久的な分極に基
づいているということである。磁気分極は製造中に誘導
されるが、製造上の変化により分極の強さが変化してし
まい、これによりセンサ間で感度がばらついてしまう。
この変化を制御するための方法がＷＯ９９／５６０９９
で提案されている。しかしながら、この方法は非常に複
雑である。更に悪いことには、上述の設計は全て、セン
サの磁気分極部分の長期に亘る安定性に左右され、これ
を仮定している。磁気分極が減衰した場合には、シャフ
トに加えられた所与の外部トルクにより発生する磁束検
出器の出力が低下してしまう。従って、正確な感度を必
要とする場合には、定期的に再較正を行う必要がある。
減衰が更に進むと、トルクセンサの磁化部分の再磁化、
又はセンサ全体を交換することが必要になる。
これらの設計がカラー又はシャフトの永久的な分極に基
づいているということである。磁気分極は製造中に誘導
されるが、製造上の変化により分極の強さが変化してし
まい、これによりセンサ間で感度がばらついてしまう。
この変化を制御するための方法がＷＯ９９／５６０９９
で提案されている。しかしながら、この方法は非常に複
雑である。更に悪いことには、上述の設計は全て、セン
サの磁気分極部分の長期に亘る安定性に左右され、これ
を仮定している。磁気分極が減衰した場合には、シャフ
トに加えられた所与の外部トルクにより発生する磁束検
出器の出力が低下してしまう。従って、正確な感度を必
要とする場合には、定期的に再較正を行う必要がある。
減衰が更に進むと、トルクセンサの磁化部分の再磁化、
又はセンサ全体を交換することが必要になる。
【０００７】従って、本発明の目的は、従来技術におけ
るような磁気分極の強さに対する依存性を低くできるト
ルクセンサを提供することである。
るような磁気分極の強さに対する依存性を低くできるト
ルクセンサを提供することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】本発明の第１の特徴によ
れば、磁歪材料を含むシャフトと、互いに反対極性の磁
極の対であって、これら反対極性の磁極の間で前記磁歪
材料内に局所的磁界を誘導するように前記シャフトの周
囲に配置された磁極の対と、前記シャフトにトルクが加
わったときに前記磁歪材料から漏れる前記局所的磁界の
成分を検出するトルク感知用磁束検出器とを備えたトル
クセンサが提供される。
れば、磁歪材料を含むシャフトと、互いに反対極性の磁
極の対であって、これら反対極性の磁極の間で前記磁歪
材料内に局所的磁界を誘導するように前記シャフトの周
囲に配置された磁極の対と、前記シャフトにトルクが加
わったときに前記磁歪材料から漏れる前記局所的磁界の
成分を検出するトルク感知用磁束検出器とを備えたトル
クセンサが提供される。
【０００９】これにより、トルクが加えられる構成要素
即ちシャフト又はそのカラーに、上述した総ての従来技
術の設計では必須であった永久的に磁気分極した部分が
必要なくなる。その代わりに、トルクが加えられる構成
要素における磁界は、外部磁界によって誘導される。そ
のため、磁界の強さは、例えば外部磁極と接近して配置
された追加の磁束検出器によって容易に計量できる。提
案の設計の別の効果は、カラー又はシャフトを永久的に
磁化させる従来技術の製造工程が完全になくなり、その
結果、トルクセンサの製造が大幅に簡略化されることで
ある。
即ちシャフト又はそのカラーに、上述した総ての従来技
術の設計では必須であった永久的に磁気分極した部分が
必要なくなる。その代わりに、トルクが加えられる構成
要素における磁界は、外部磁界によって誘導される。そ
のため、磁界の強さは、例えば外部磁極と接近して配置
された追加の磁束検出器によって容易に計量できる。提
案の設計の別の効果は、カラー又はシャフトを永久的に
磁化させる従来技術の製造工程が完全になくなり、その
結果、トルクセンサの製造が大幅に簡略化されることで
ある。
【００１０】磁歪シャフトは、多くの種類のステンレス
鋼、工具鋼、及びＮｉ−Ｆｅ合金を含む様々な強磁性体
から製造できる。これにより、トルクが加えられるシャ
フトを含む構成要素に、磁歪トルクセンサを組み込むこ
とができる。なぜなら、シャフトは磁化させる必要がな
く、特別のコーティング又はカラーをシャフトに取り付
ける必要もないからである。
鋼、工具鋼、及びＮｉ−Ｆｅ合金を含む様々な強磁性体
から製造できる。これにより、トルクが加えられるシャ
フトを含む構成要素に、磁歪トルクセンサを組み込むこ
とができる。なぜなら、シャフトは磁化させる必要がな
く、特別のコーティング又はカラーをシャフトに取り付
ける必要もないからである。
【００１１】一実施形態では、磁歪トルクセンサは、磁
歪材料層で取り囲まれた非強磁性体製の主本体を持つ磁
歪シャフトを含む。この種のセンサは、シャフトの選択
において設計を自由にできるため、特に有利である。例
えば、シャフトは非強磁性体又は複合材料で形成でき
る。
歪材料層で取り囲まれた非強磁性体製の主本体を持つ磁
歪シャフトを含む。この種のセンサは、シャフトの選択
において設計を自由にできるため、特に有利である。例
えば、シャフトは非強磁性体又は複合材料で形成でき
る。
【００１２】磁石は永久磁石でも電磁石でもよい。磁石
の強さの独立した計測値を提供するため、磁石と隣接し
て配置された別の磁束検出器を設けることができる。別
の磁束検出器の出力は、トルクを計測するための磁束検
出器からの出力と組み合わせることができ、これによ
り、磁石の強さの変化を補償できる。この構成は、計測
中にシャフト又はそのカラーの何れかの永久的な周方向
磁界を計量できない従来技術よりも有利である。従来技
術のセンサは、較正のために周知のトルクをセンサに加
える必要があり、これは、例えば自動車のステアリング
コラムの場合のように、実際的でないか或いは困難であ
る場合がある。
の強さの独立した計測値を提供するため、磁石と隣接し
て配置された別の磁束検出器を設けることができる。別
の磁束検出器の出力は、トルクを計測するための磁束検
出器からの出力と組み合わせることができ、これによ
り、磁石の強さの変化を補償できる。この構成は、計測
中にシャフト又はそのカラーの何れかの永久的な周方向
磁界を計量できない従来技術よりも有利である。従来技
術のセンサは、較正のために周知のトルクをセンサに加
える必要があり、これは、例えば自動車のステアリング
コラムの場合のように、実際的でないか或いは困難であ
る場合がある。
【００１３】本発明には、広範に亘る用途がある。例え
ば、本発明を具体化したトルクセンサは、自動車のステ
アリングコラム又は自動車のギヤボックスに組み込むこ
とができる。ギヤボックスの場合には、ギヤボックスの
主シャフトのトルクを計測するためにトルクセンサを配
置でき、例えばギヤボックスケーシング内に配置され
る。
ば、本発明を具体化したトルクセンサは、自動車のステ
アリングコラム又は自動車のギヤボックスに組み込むこ
とができる。ギヤボックスの場合には、ギヤボックスの
主シャフトのトルクを計測するためにトルクセンサを配
置でき、例えばギヤボックスケーシング内に配置され
る。
【００１４】本発明の第２の特徴によれば、（ａ）磁歪
材料を含むシャフトを提供する工程と、（ｂ）互いに反
対極性の磁極間で前記磁歪材料内に局所的磁界を誘導す
るように前記シャフトの周囲に配置された互いに反対極
性の磁極の対を用いて、前記シャフトに外部磁界を加え
る工程と、（ｃ）内部磁界が前記磁歪材料から漏れ出る
ように前記シャフトにトルクを加える工程と、（ｄ）前
記内部磁界の漏れ出た成分を検出し、これに応じてトル
ク信号を提供する工程と、を備えたトルク感知方法が提
供される。
材料を含むシャフトを提供する工程と、（ｂ）互いに反
対極性の磁極間で前記磁歪材料内に局所的磁界を誘導す
るように前記シャフトの周囲に配置された互いに反対極
性の磁極の対を用いて、前記シャフトに外部磁界を加え
る工程と、（ｃ）内部磁界が前記磁歪材料から漏れ出る
ように前記シャフトにトルクを加える工程と、（ｄ）前
記内部磁界の漏れ出た成分を検出し、これに応じてトル
ク信号を提供する工程と、を備えたトルク感知方法が提
供される。
【００１５】一実施形態では、トルクセンサは、磁歪材
料を含むシャフトと、互いに反対極性の磁極の対であっ
て、これら反対極性の磁極の間で前記磁歪材料内に局所
的磁界を誘導するように前記シャフトの周面に対して接
線方向に整合した軸線を形成する磁極の対と、前記シャ
フトにトルクが加わったときに前記磁歪材料から漏れる
前記局所的磁界の成分を検出する少なくとも一つのトル
ク感知用磁束検出器と、を備える。この実施形態では、
少なくとも一つのトルク感知用磁束検出器は、好ましく
は、前記互いに反対極性の磁極の対から周方向にずらし
て前記シャフトの周囲に配置された一対のトルク感知用
磁束検出器を備える。
料を含むシャフトと、互いに反対極性の磁極の対であっ
て、これら反対極性の磁極の間で前記磁歪材料内に局所
的磁界を誘導するように前記シャフトの周面に対して接
線方向に整合した軸線を形成する磁極の対と、前記シャ
フトにトルクが加わったときに前記磁歪材料から漏れる
前記局所的磁界の成分を検出する少なくとも一つのトル
ク感知用磁束検出器と、を備える。この実施形態では、
少なくとも一つのトルク感知用磁束検出器は、好ましく
は、前記互いに反対極性の磁極の対から周方向にずらし
て前記シャフトの周囲に配置された一対のトルク感知用
磁束検出器を備える。
【００１６】別の実施形態では、トルクセンサは、磁歪
材料を含むシャフトと、互いに反対極性の磁極の第１の
対であって、第１の局所的磁界を前記磁歪材料内に第１
の周方向に向けて誘導するように前記シャフトの周面に
対して接線方向に整合した第１の軸線を形成する第１の
対と、互いに反対極性の磁極の第２の対であって、第２
の局所的磁界を前記磁歪材料内に前記第１の周方向とは
逆の第２の周方向に向けて誘導するように前記シャフト
の周面に対して接線方向に整合した第２の軸線を形成す
る第２の対と、前記シャフトにトルクが加わったときに
前記磁歪材料から漏れる前記第１及び第２の局所的磁界
の第１及び第２の成分を検出する第１及び第２のトルク
感知用磁束検出器と、を備える。
材料を含むシャフトと、互いに反対極性の磁極の第１の
対であって、第１の局所的磁界を前記磁歪材料内に第１
の周方向に向けて誘導するように前記シャフトの周面に
対して接線方向に整合した第１の軸線を形成する第１の
対と、互いに反対極性の磁極の第２の対であって、第２
の局所的磁界を前記磁歪材料内に前記第１の周方向とは
逆の第２の周方向に向けて誘導するように前記シャフト
の周面に対して接線方向に整合した第２の軸線を形成す
る第２の対と、前記シャフトにトルクが加わったときに
前記磁歪材料から漏れる前記第１及び第２の局所的磁界
の第１及び第２の成分を検出する第１及び第２のトルク
感知用磁束検出器と、を備える。
【００１７】別の実施形態では、トルクセンサは、磁歪
材料を含むシャフトと、このシャフトを通って延びる軸
線を形成する互いに反対極性の磁極の対と、シャフトに
トルクが加わった場合に磁歪材料から漏れる局所的磁界
の成分を検出する少なくとも一つのトルク感知用磁束検
出器を備える。
材料を含むシャフトと、このシャフトを通って延びる軸
線を形成する互いに反対極性の磁極の対と、シャフトに
トルクが加わった場合に磁歪材料から漏れる局所的磁界
の成分を検出する少なくとも一つのトルク感知用磁束検
出器を備える。
【００１８】
【発明の実施の形態】図１は、本発明の第１実施形態に
よる磁歪センサ８の概略図である。磁歪センサ８は、検
出されるべきトルク３８を図に矢印で示すように加える
ことができるシャフト１６を含む。シャフト１６は、磁
歪材料で形成されているが、それ自体が永久的に磁化さ
れることはない（冒頭で言及した従来技術の設計とは対
照的である）。シャフトを永久的に磁化する代わりに、
シャフト１６を一対の永久磁石１０及び１２が発生する
外部磁界によって原位置で磁化する。
よる磁歪センサ８の概略図である。磁歪センサ８は、検
出されるべきトルク３８を図に矢印で示すように加える
ことができるシャフト１６を含む。シャフト１６は、磁
歪材料で形成されているが、それ自体が永久的に磁化さ
れることはない（冒頭で言及した従来技術の設計とは対
照的である）。シャフトを永久的に磁化する代わりに、
シャフト１６を一対の永久磁石１０及び１２が発生する
外部磁界によって原位置で磁化する。
【００１９】シャフト１６は、磁歪材料である「テルフ
ェノール−Ｄ(Terfenol-D)」で形成されている。この材
料は、磁歪係数λ＝ΔＬ／Ｌが非常に高く、２０００×
１０ -6程度である。一般的には、磁歪係数が少なくとも
２０×１０-6の材料がシャフトに対して好ましいが、こ
れよりも低い磁歪係数の材料でできたシャフトもまた機
能する。
ェノール−Ｄ(Terfenol-D)」で形成されている。この材
料は、磁歪係数λ＝ΔＬ／Ｌが非常に高く、２０００×
１０ -6程度である。一般的には、磁歪係数が少なくとも
２０×１０-6の材料がシャフトに対して好ましいが、こ
れよりも低い磁歪係数の材料でできたシャフトもまた機
能する。
【００２０】シャフト用の他の適当な材料の幾つかの例
には、以下の材料が含まれる。 １．マレージングＮｉ−Ｆｅ合金 ２．１７−４ＰＨ、１７−７ＰＨ、及び１５−５ＰＨの
ステンレス鋼 ３．工具鋼 ４．Ｎｉ含有量が１４−２８％のＮｉ−Ｆｅ ５．Ｎｉ含有量が４２−６５％のＮｉ−Ｆｅ ６．Ｎｉ−Ｆｅ合金７１８（ＡＭＳ ５６６３Ｅ） ７．アロイ・スーパーメット６２５（Alloy Supermet 6
25） ８．パーメノーム５０００Ｈ２（Permenorm 5000 H2） ９．ディマグ１，２(Dimag 1,2)及びディマグＸ(Dimag
X) １０．Ｆｅ／Ｂ／Ｓｉ合金 永久磁石１０及び１２は、一対の互いに反対極性の磁極
１１及び１３（即ちＮ極及びＳ極）がシャフトの周囲に
配置されシャフトに向いている。これにより、互いに反
対極性の磁極１１と１３の間でシャフトの磁歪材料内に
局所的磁界が誘導されるようになっている。図では、永
久磁石１０及び１２は、磁歪シャフト１６を中心として
直径方向に向き合うように配置されており、これらの磁
石の一端面１１及び１３は、磁歪シャフト１６の表面に
対して接線方向に延びている。
には、以下の材料が含まれる。 １．マレージングＮｉ−Ｆｅ合金 ２．１７−４ＰＨ、１７−７ＰＨ、及び１５−５ＰＨの
ステンレス鋼 ３．工具鋼 ４．Ｎｉ含有量が１４−２８％のＮｉ−Ｆｅ ５．Ｎｉ含有量が４２−６５％のＮｉ−Ｆｅ ６．Ｎｉ−Ｆｅ合金７１８（ＡＭＳ ５６６３Ｅ） ７．アロイ・スーパーメット６２５（Alloy Supermet 6
25） ８．パーメノーム５０００Ｈ２（Permenorm 5000 H2） ９．ディマグ１，２(Dimag 1,2)及びディマグＸ(Dimag
X) １０．Ｆｅ／Ｂ／Ｓｉ合金 永久磁石１０及び１２は、一対の互いに反対極性の磁極
１１及び１３（即ちＮ極及びＳ極）がシャフトの周囲に
配置されシャフトに向いている。これにより、互いに反
対極性の磁極１１と１３の間でシャフトの磁歪材料内に
局所的磁界が誘導されるようになっている。図では、永
久磁石１０及び１２は、磁歪シャフト１６を中心として
直径方向に向き合うように配置されており、これらの磁
石の一端面１１及び１３は、磁歪シャフト１６の表面に
対して接線方向に延びている。
【００２１】変形例の構造（図示せず）では、一対の磁
石の代わりに一つの永久磁石を使用できる。この場合、
一つの永久磁石の個々の磁極を第１実施形態の二つの磁
石の磁極１１及び１３と同じ位置に配置する。例えば、
蹄鉄状磁石がこのような構造を可能にする。
石の代わりに一つの永久磁石を使用できる。この場合、
一つの永久磁石の個々の磁極を第１実施形態の二つの磁
石の磁極１１及び１３と同じ位置に配置する。例えば、
蹄鉄状磁石がこのような構造を可能にする。
【００２２】磁束検出器１８は、シャフトにトルク３８
が加わった場合に磁歪材料から漏れる局所的磁界の成分
を検出するように、永久磁石１０と１２の間のシャフト
周囲に配置されている。好ましい磁束検出器１８は、飽
和型コイル検出器である。しかしながら、様々な他の磁
束検出器、例えばホール検出器、磁気抵抗、マグネトト
ランジスター、ＭＡＧＦＥＴ（磁界効果トランジスタ
ー）を使用できる。
が加わった場合に磁歪材料から漏れる局所的磁界の成分
を検出するように、永久磁石１０と１２の間のシャフト
周囲に配置されている。好ましい磁束検出器１８は、飽
和型コイル検出器である。しかしながら、様々な他の磁
束検出器、例えばホール検出器、磁気抵抗、マグネトト
ランジスター、ＭＡＧＦＥＴ（磁界効果トランジスタ
ー）を使用できる。
【００２３】図２は、第１実施形態の磁歪センサ８の断
面図である。シャフト１６内の磁束通路を線２２で示
す。これらの磁束通路は、磁石１０のＮ極１１から空隙
を横切ってシャフト１６の表面に延びた後、シャフト１
６内をおおよそＮ極からＳ極への方向に延び、シャフト
１６の表面とＳ極１３との間の別の空隙を横切る。シャ
フト１６内部の磁界は、磁界の局部的方向への磁歪ドメ
インの整合を引き起こす。
面図である。シャフト１６内の磁束通路を線２２で示
す。これらの磁束通路は、磁石１０のＮ極１１から空隙
を横切ってシャフト１６の表面に延びた後、シャフト１
６内をおおよそＮ極からＳ極への方向に延び、シャフト
１６の表面とＳ極１３との間の別の空隙を横切る。シャ
フト１６内部の磁界は、磁界の局部的方向への磁歪ドメ
インの整合を引き起こす。
【００２４】永久磁石１０及び１２は、半円形の断面形
状を持つ磁気ループ部材２０によって連結されている。
ループ部材２０は、磁界２２が高度に閉じ込められるよ
うに永久磁石１０及び１２の先端に接合されており、こ
れによって、磁歪シャフト１６を透過する磁界が増大さ
れ、漂遊磁界が減少される。
状を持つ磁気ループ部材２０によって連結されている。
ループ部材２０は、磁界２２が高度に閉じ込められるよ
うに永久磁石１０及び１２の先端に接合されており、こ
れによって、磁歪シャフト１６を透過する磁界が増大さ
れ、漂遊磁界が減少される。
【００２５】本実施形態では、永久磁石１０及び１２は
焼結ＮｉＦｅＢｒ合金製であり、約３５０ｍＴの磁束密
度を発生する。しかしながら、強度が低い（又は高い）
磁石を使用できる。永久磁石が発生する磁束密度の固有
の値は、磁歪シャフトの組成及び寸法及び磁歪シャフト
に加わるトルク３８の範囲で決まる。
焼結ＮｉＦｅＢｒ合金製であり、約３５０ｍＴの磁束密
度を発生する。しかしながら、強度が低い（又は高い）
磁石を使用できる。永久磁石が発生する磁束密度の固有
の値は、磁歪シャフトの組成及び寸法及び磁歪シャフト
に加わるトルク３８の範囲で決まる。
【００２６】使用にあたっては、磁歪シャフト１６は、
この磁歪シャフト１６に加えられたトルクに応じて磁界
を発生し、この磁界によりシャフト内の磁歪ドメインを
再整合させる。トルク３８により発生する磁界は、永久
磁石１０及び１２が発生する磁界を摂動させる。磁束検
出器１８はこの摂動を検出する。磁束検出器１８からの
出力信号は、全体として、トルク３８の大きさを示す。
応答が完全には線型でない程度まで、これを出力信号の
較正と適当な演算処理によって補償できる。シャフト１
６は、例えば自動車又は他の車輛のステアリングコラム
であり、磁束検出器１８からの出力は、電動補力式ステ
アリング制御システムへのフィードバックとして使用さ
れる。
この磁歪シャフト１６に加えられたトルクに応じて磁界
を発生し、この磁界によりシャフト内の磁歪ドメインを
再整合させる。トルク３８により発生する磁界は、永久
磁石１０及び１２が発生する磁界を摂動させる。磁束検
出器１８はこの摂動を検出する。磁束検出器１８からの
出力信号は、全体として、トルク３８の大きさを示す。
応答が完全には線型でない程度まで、これを出力信号の
較正と適当な演算処理によって補償できる。シャフト１
６は、例えば自動車又は他の車輛のステアリングコラム
であり、磁束検出器１８からの出力は、電動補力式ステ
アリング制御システムへのフィードバックとして使用さ
れる。
【００２７】図３は、本発明の第２実施形態によるトル
クセンサを示す。第１実施形態と同様に、シャフト１６
は磁歪材料でできており、一対の永久磁石１０及び１２
が発生しシャフト１６に侵入する外部磁界によって原位
置で磁化される。永久磁石１０及び１２は、一対の互い
に反対極性の磁極１１及び１３（即ちＮ極及びＳ極）が
シャフトの周囲にシャフトを向いて配置されるように置
かれる。これらの互いに反対極性の磁極は、シャフトの
磁歪材料中に局所的磁界を誘導する。この磁界は、互い
に反対極性の磁極１１及び１３間を通過する。シャフト
にトルク３８が加わった場合に磁歪材料から漏れる局所
的磁界の成分を検出するように、一対の磁束検出器１８
がシャフトの半径方向外側に永久磁石１０と１２との間
に配置されている。中空シャフト構造では、磁束検出器
１８をシャフトの中空部分の内側に配置することもでき
る。磁石１０及び１２の先端を連結するため、及び両磁
石１０及び１２、及び両磁束検出器１８を保持するた
め、磁性体製リング３０もまた設けられている。
クセンサを示す。第１実施形態と同様に、シャフト１６
は磁歪材料でできており、一対の永久磁石１０及び１２
が発生しシャフト１６に侵入する外部磁界によって原位
置で磁化される。永久磁石１０及び１２は、一対の互い
に反対極性の磁極１１及び１３（即ちＮ極及びＳ極）が
シャフトの周囲にシャフトを向いて配置されるように置
かれる。これらの互いに反対極性の磁極は、シャフトの
磁歪材料中に局所的磁界を誘導する。この磁界は、互い
に反対極性の磁極１１及び１３間を通過する。シャフト
にトルク３８が加わった場合に磁歪材料から漏れる局所
的磁界の成分を検出するように、一対の磁束検出器１８
がシャフトの半径方向外側に永久磁石１０と１２との間
に配置されている。中空シャフト構造では、磁束検出器
１８をシャフトの中空部分の内側に配置することもでき
る。磁石１０及び１２の先端を連結するため、及び両磁
石１０及び１２、及び両磁束検出器１８を保持するた
め、磁性体製リング３０もまた設けられている。
【００２８】第２実施形態のトルクセンサ８は、主とし
てシャフト１６が中実でなく中空であるという点で、第
１実施形態のトルクセンサと異なっている。中空シャフ
ト内の内部空間は、磁束を除外するのに役立ち、これに
よって、トルク３８によって誘導された歪みが大きく且
つ磁束検出器１８に近い場所であるトルク軸線の半径方
向外方に、誘導磁界を集中する。更に、中空シャフトに
は、捩じり力による応力が中実シャフトよりも均等に加
わる。
てシャフト１６が中実でなく中空であるという点で、第
１実施形態のトルクセンサと異なっている。中空シャフ
ト内の内部空間は、磁束を除外するのに役立ち、これに
よって、トルク３８によって誘導された歪みが大きく且
つ磁束検出器１８に近い場所であるトルク軸線の半径方
向外方に、誘導磁界を集中する。更に、中空シャフトに
は、捩じり力による応力が中実シャフトよりも均等に加
わる。
【００２９】図４は、第２実施形態の二つの磁束検出器
１８の電気的相互接続を示す。ここに示すように、磁束
検出器１８は直列に接続されている。更に、接続は、磁
束によって二つの磁束検出器に誘導された電流が互いに
加算されるようになされる。これは、シャフト１６の外
面に沿って見たときに同じ極性の端子を互いに周方向に
隣接して配置したときに達成される。この接続方法は、
周方向で隣接した検出器の逆の極性の端子が互いに接続
される従来技術と幾何学的に逆である。これは、従来技
術では、永久磁界の方向が単一である結果、磁束がシャ
フトの周方向に亘って単一方向、例えば時計廻り方向、
に流れるためである。これとは対照的に、本実施形態で
は、磁界が磁極によって外部から誘導されるので、二つ
の周方向磁界成分があり、一方の磁界がシャフトを中心
として時計廻り方向に流れ、他方の磁界が反時計廻り方
向に流れている。
１８の電気的相互接続を示す。ここに示すように、磁束
検出器１８は直列に接続されている。更に、接続は、磁
束によって二つの磁束検出器に誘導された電流が互いに
加算されるようになされる。これは、シャフト１６の外
面に沿って見たときに同じ極性の端子を互いに周方向に
隣接して配置したときに達成される。この接続方法は、
周方向で隣接した検出器の逆の極性の端子が互いに接続
される従来技術と幾何学的に逆である。これは、従来技
術では、永久磁界の方向が単一である結果、磁束がシャ
フトの周方向に亘って単一方向、例えば時計廻り方向、
に流れるためである。これとは対照的に、本実施形態で
は、磁界が磁極によって外部から誘導されるので、二つ
の周方向磁界成分があり、一方の磁界がシャフトを中心
として時計廻り方向に流れ、他方の磁界が反時計廻り方
向に流れている。
【００３０】図５は、本発明の第３実施形態によるトル
クセンサを示す。構成は、永久磁石１０及び１２、磁束
検出器１８、及びシャフト１６に関して第１実施形態と
ほぼ同じである。しかしながら、第３実施形態ではシャ
フト１６の設計が異なる。磁歪材料のみからなるシャフ
トの代わりに、シャフト１６の主本体４０は磁歪材料で
ない材料でできている。主本体４０は、中実であるよう
に示してあるが、中空又は任意の他の内部構造であって
もよい。永久磁石１０及び１２と隣接してシャフトの主
本体４０の外面に、磁歪材料３６の層が設けられてい
る。この構造は、上述の中空シャフト構成と同様に、誘
導磁界の集中を引き起こす。即ち、トルク３８が最も高
く且つ磁束検出器と近接したシャフトの外部分に誘導磁
界を集中させる。
クセンサを示す。構成は、永久磁石１０及び１２、磁束
検出器１８、及びシャフト１６に関して第１実施形態と
ほぼ同じである。しかしながら、第３実施形態ではシャ
フト１６の設計が異なる。磁歪材料のみからなるシャフ
トの代わりに、シャフト１６の主本体４０は磁歪材料で
ない材料でできている。主本体４０は、中実であるよう
に示してあるが、中空又は任意の他の内部構造であって
もよい。永久磁石１０及び１２と隣接してシャフトの主
本体４０の外面に、磁歪材料３６の層が設けられてい
る。この構造は、上述の中空シャフト構成と同様に、誘
導磁界の集中を引き起こす。即ち、トルク３８が最も高
く且つ磁束検出器と近接したシャフトの外部分に誘導磁
界を集中させる。
【００３１】一例では、磁歪層３６の厚さは１．５ｍｍ
であり、従来の熱溶射プロセスによって付着させる。ワ
イヤフレーム溶射が適している。このプロセスには、純
金属又は合金ワイヤを酸素及び燃料でスパッタリングす
る工程が含まれる。最大５ｍｍまでの厚さの層ならば熱
溶射で困難なく形成できる。より薄い層が望ましい場合
には、従来の電気めっきが用いられる。最大０．１ｍｍ
までの厚さの層は、電気めっきによって問題なく提供で
きる。
であり、従来の熱溶射プロセスによって付着させる。ワ
イヤフレーム溶射が適している。このプロセスには、純
金属又は合金ワイヤを酸素及び燃料でスパッタリングす
る工程が含まれる。最大５ｍｍまでの厚さの層ならば熱
溶射で困難なく形成できる。より薄い層が望ましい場合
には、従来の電気めっきが用いられる。最大０．１ｍｍ
までの厚さの層は、電気めっきによって問題なく提供で
きる。
【００３２】図６は、本発明の第４実施形態によるトル
クセンサを示す。構成は、永久磁石１０及び１２、磁束
検出器１８、及びシャフト１６については、第１実施形
態とほぼ同じである。しかしながら、第４実施形態で
は、更に別のシャフト設計を使用する。シャフト１６
は、マレージングＮｉＦｅ合金等の磁歪材料でできた主
本体３２を含む。主本体３２の外面上には、シャフトの
実効領域に、低透磁率材料層３４が配置される。本例で
は、低透磁率層は、典型的には厚さが０．５ｍｍ乃至１
ｍｍのアルミニウムでできている。低透磁率層３４は、
熱溶射又は電気めっきによって形成できる。低透磁率層
３４上には、磁歪材料層３６が配置される。本例では、
磁歪層３６は、代表的な厚さが０．５ｍｍ乃至５ｍｍの
Ｎｉ−Ｆｅ合金でできている。磁歪層３６は、溶射又は
電気めっきによって付着できる。低透磁率層３４の目的
は、外部誘導磁界がシャフトの磁歪材料製主本体３２に
侵入しないようにすることである。換言すると、層３４
は活性外磁歪層３６をシャフトの主本体から絶縁する。
さもなければ、シャフトの主本体は、その磁歪性によ
り、誘導磁界パターンの影響を強く受けてしまうであろ
う。これにより、磁歪性であるシャフトの主本体の材料
は、センサの性能を大幅に変えることなく選択できる。
シャフトの主本体は必ずしも中実でなくてもよく、中空
又は任意の他の内部構造を備えることができる。
クセンサを示す。構成は、永久磁石１０及び１２、磁束
検出器１８、及びシャフト１６については、第１実施形
態とほぼ同じである。しかしながら、第４実施形態で
は、更に別のシャフト設計を使用する。シャフト１６
は、マレージングＮｉＦｅ合金等の磁歪材料でできた主
本体３２を含む。主本体３２の外面上には、シャフトの
実効領域に、低透磁率材料層３４が配置される。本例で
は、低透磁率層は、典型的には厚さが０．５ｍｍ乃至１
ｍｍのアルミニウムでできている。低透磁率層３４は、
熱溶射又は電気めっきによって形成できる。低透磁率層
３４上には、磁歪材料層３６が配置される。本例では、
磁歪層３６は、代表的な厚さが０．５ｍｍ乃至５ｍｍの
Ｎｉ−Ｆｅ合金でできている。磁歪層３６は、溶射又は
電気めっきによって付着できる。低透磁率層３４の目的
は、外部誘導磁界がシャフトの磁歪材料製主本体３２に
侵入しないようにすることである。換言すると、層３４
は活性外磁歪層３６をシャフトの主本体から絶縁する。
さもなければ、シャフトの主本体は、その磁歪性によ
り、誘導磁界パターンの影響を強く受けてしまうであろ
う。これにより、磁歪性であるシャフトの主本体の材料
は、センサの性能を大幅に変えることなく選択できる。
シャフトの主本体は必ずしも中実でなくてもよく、中空
又は任意の他の内部構造を備えることができる。
【００３３】図７は、本発明の第５実施形態によるトル
クセンサの断面図である。トルクセンサ８は、磁性体製
リング３０の半径方向内側に配置されており且つこのリ
ングによって所定の場所に保持された四つの永久磁石１
０、１２、１０’、及び１２’を含む。これらの永久磁
石が発生する磁界２２は、リング３０によって閉じ込め
られる。磁石は、周方向で隣接した磁石がシャフト１６
に向いて並ぶ互いに反対極性の磁極１１、１３、１
１’、１３’を持つように、配置される。なお、これら
の磁石は９０°の等しい角度間隔で配置されているが、
この角度間隔は必然的なものではなく、変更できる。こ
の構成では、磁束は主にシャフト１６の半径方向外側領
域を透過する。これにより、中空シャフトを使用するこ
と又は磁束除外非磁性層を設けることのいずれかによっ
て中央領域から磁束を除外する上記実施形態と同様の効
果が得られる。本実施形態は、単純な中実シャフトで、
磁束をシャフトの半径方向外側部分に所望の通りに集中
させることができる点で更に有利である。
クセンサの断面図である。トルクセンサ８は、磁性体製
リング３０の半径方向内側に配置されており且つこのリ
ングによって所定の場所に保持された四つの永久磁石１
０、１２、１０’、及び１２’を含む。これらの永久磁
石が発生する磁界２２は、リング３０によって閉じ込め
られる。磁石は、周方向で隣接した磁石がシャフト１６
に向いて並ぶ互いに反対極性の磁極１１、１３、１
１’、１３’を持つように、配置される。なお、これら
の磁石は９０°の等しい角度間隔で配置されているが、
この角度間隔は必然的なものではなく、変更できる。こ
の構成では、磁束は主にシャフト１６の半径方向外側領
域を透過する。これにより、中空シャフトを使用するこ
と又は磁束除外非磁性層を設けることのいずれかによっ
て中央領域から磁束を除外する上記実施形態と同様の効
果が得られる。本実施形態は、単純な中実シャフトで、
磁束をシャフトの半径方向外側部分に所望の通りに集中
させることができる点で更に有利である。
【００３４】トルクセンサには、シャフト１６のトルク
に起因する磁束成分を計測するために、周方向で永久磁
石１０、１２、１０’、及び１２’間に配置された４つ
の磁束検出器１８が設けられている。これらの磁束検出
器１８は、リング３０によって所定の場所に便利に保持
される。磁束検出器１８の数を増やすことによって、例
えばシャフト又は取り付けの偏心によるシャフトの外面
と磁束検出器との間の距離の変化により生じる信号の変
動を、シャフトのより小さな回転によって補償できる。
これは、シャフトが迅速に回転することはなく一回転以
下の小さな角度回転によってのみトルクが加えられる用
途において有利である。このような用途の一例は、ロッ
ク状態からロック状態までの回転が約１回転である自動
車のステアリングコラムである。第５実施形態の別の特
徴は、一つの永久磁石１２’と隣接して、シャフトに向
いた磁極１３’とシャフトとの間の空隙に、追加の磁束
検出器１９を配置することである。磁束検出器１８との
混同を避けるため、以下、磁束検出器１９を磁力監視用
磁束検出器と呼び、磁束検出器１８をトルク感知用磁束
検出器と呼ぶ。磁力監視用磁束検出器は、永久磁石１
２’がシャフト１６に供給する励起エネルギの独立した
計測値を提供するのに役立つ。かくして、例えば温度変
動又は永久磁石の経時変化による、永久磁石により供給
された磁界２２の強さの摂動を、トルク感知用磁束検出
器１８の出力信号から除外できる。磁力監視用磁束検出
器１９は、任意の永久磁石と隣接して配置できる。更
に、多数の磁力監視用磁束検出器を設けてもよく、例え
ば各活性磁極について一つづつ設けてもよい。
に起因する磁束成分を計測するために、周方向で永久磁
石１０、１２、１０’、及び１２’間に配置された４つ
の磁束検出器１８が設けられている。これらの磁束検出
器１８は、リング３０によって所定の場所に便利に保持
される。磁束検出器１８の数を増やすことによって、例
えばシャフト又は取り付けの偏心によるシャフトの外面
と磁束検出器との間の距離の変化により生じる信号の変
動を、シャフトのより小さな回転によって補償できる。
これは、シャフトが迅速に回転することはなく一回転以
下の小さな角度回転によってのみトルクが加えられる用
途において有利である。このような用途の一例は、ロッ
ク状態からロック状態までの回転が約１回転である自動
車のステアリングコラムである。第５実施形態の別の特
徴は、一つの永久磁石１２’と隣接して、シャフトに向
いた磁極１３’とシャフトとの間の空隙に、追加の磁束
検出器１９を配置することである。磁束検出器１８との
混同を避けるため、以下、磁束検出器１９を磁力監視用
磁束検出器と呼び、磁束検出器１８をトルク感知用磁束
検出器と呼ぶ。磁力監視用磁束検出器は、永久磁石１
２’がシャフト１６に供給する励起エネルギの独立した
計測値を提供するのに役立つ。かくして、例えば温度変
動又は永久磁石の経時変化による、永久磁石により供給
された磁界２２の強さの摂動を、トルク感知用磁束検出
器１８の出力信号から除外できる。磁力監視用磁束検出
器１９は、任意の永久磁石と隣接して配置できる。更
に、多数の磁力監視用磁束検出器を設けてもよく、例え
ば各活性磁極について一つづつ設けてもよい。
【００３５】図８は、第５実施形態の四つの磁束検出器
１８の電気的相互接続を示す。図示のように、磁束検出
器１８は直列に接続されている。更に、接続は、磁束に
より四つの磁束検出器に誘導された電流を互いに加算す
るようになされている。これは、シャフト１６の外面に
亘って見たときに同じ極性の端子を互いに周方向で隣接
して配置した場合に得られる。この接続方法は、第２実
施形態と関連して上述した従来技術の接続とは幾何学的
に逆である。
１８の電気的相互接続を示す。図示のように、磁束検出
器１８は直列に接続されている。更に、接続は、磁束に
より四つの磁束検出器に誘導された電流を互いに加算す
るようになされている。これは、シャフト１６の外面に
亘って見たときに同じ極性の端子を互いに周方向で隣接
して配置した場合に得られる。この接続方法は、第２実
施形態と関連して上述した従来技術の接続とは幾何学的
に逆である。
【００３６】図９は、本発明の第６実施形態によるトル
クセンサの断面図である。この実施形態は、第１実施形
態と類似しているが、シャフト１６に磁界を誘導するた
めに永久磁石の代わりに電磁石６０及び６２を使用する
点で異なる。トルク感知用磁束検出器１８の他に磁界監
視磁束検出器１９が設けられている。この磁界監視磁束
検出器１９は、トルク感知用磁束検出器１８が発生する
信号を受動的に補償するため並びに又はその代わりに、
図１０に示すように、電磁石が発生する磁界を制御する
ために使用できる。
クセンサの断面図である。この実施形態は、第１実施形
態と類似しているが、シャフト１６に磁界を誘導するた
めに永久磁石の代わりに電磁石６０及び６２を使用する
点で異なる。トルク感知用磁束検出器１８の他に磁界監
視磁束検出器１９が設けられている。この磁界監視磁束
検出器１９は、トルク感知用磁束検出器１８が発生する
信号を受動的に補償するため並びに又はその代わりに、
図１０に示すように、電磁石が発生する磁界を制御する
ために使用できる。
【００３７】図１０は、第６実施形態のトルクセンサ
を、関連した電磁石制御システムとともに示すブロック
概略図である。電磁石６０が発生した磁界２２の強さの
変化を磁力監視用磁束検出器１９によって検出する。磁
力監視用磁束検出器１９は、電磁石６０の瞬間的磁界の
大きさを示す出力信号を制御回路４２に供給する。次い
で、制御回路４２は、電磁石の電源４４を制御すること
によって電磁石６０及び６２のコイルに供給される出力
を制御する。従って、電磁石に供給される電力をフィー
ドバックループで安定化させることができる。
を、関連した電磁石制御システムとともに示すブロック
概略図である。電磁石６０が発生した磁界２２の強さの
変化を磁力監視用磁束検出器１９によって検出する。磁
力監視用磁束検出器１９は、電磁石６０の瞬間的磁界の
大きさを示す出力信号を制御回路４２に供給する。次い
で、制御回路４２は、電磁石の電源４４を制御すること
によって電磁石６０及び６２のコイルに供給される出力
を制御する。従って、電磁石に供給される電力をフィー
ドバックループで安定化させることができる。
【００３８】上述の実施形態のうちの任意の実施形態に
おいて、磁束検出器１８の数を他の実施形態と関連して
説明されているように変えて別の変形例を提供してもよ
い。更に、上述の実施形態のうちの任意の実施形態にお
いて、一つ又はそれ以上の磁力監視用磁束検出器を設け
てもよく、例えば磁力監視用磁束検出器を一つだけ設け
てもよく、又は磁力監視用磁束検出器を各活性磁極につ
いて一つづつ設けてもよい。
おいて、磁束検出器１８の数を他の実施形態と関連して
説明されているように変えて別の変形例を提供してもよ
い。更に、上述の実施形態のうちの任意の実施形態にお
いて、一つ又はそれ以上の磁力監視用磁束検出器を設け
てもよく、例えば磁力監視用磁束検出器を一つだけ設け
てもよく、又は磁力監視用磁束検出器を各活性磁極につ
いて一つづつ設けてもよい。
【００３９】図１１は、本発明の第７実施形態による磁
歪トルクセンサの断面図である。磁歪センサ８は磁歪材
料製のシャフトを含むが、このシャフト自体が永久的に
磁化されることはない。シャフトは中実シャフトとして
示してあるが、上述の実施形態において述べられた任意
のシャフト設計を使用できる。例えば長さ２０ｍｍの一
つの永久磁石１１０が、そのＮ極−Ｓ極軸線がシャフト
１６の周囲に対して接線方向に延び且つシャフト１６の
主回転軸線に対して垂直方向に延びるようにシャフト１
６の表面と隣接して配置されている。（接線方向及び垂
直方向に正確に整合している必要はないが、整合はこの
ような基準にほぼ倣ってなされるべきである。例えば、
接線方向角度は、１０°、２０°又はそれ以上変化して
いてもよく、垂直方向整合は、１０°、２０°、３０
°、４０°又はそれ以上変化していてもよい。）この構
成は、シャフト１６の周囲に一対の互いに反対極性の磁
極が配置された点で上述の実施形態で共通しているが、
磁石のシャフトに関する整合に関し、上述の実施形態と
異なる。永久磁石１１０は、アルミニウム等の非磁性体
製の磁石ホルダ１１２によって磁束リング３０に保持さ
れる。磁束リング３０は、鋼又は他の磁性体製であるの
がよい。磁束リング装置は、第２実施形態の磁性体製リ
ングと同様である。
歪トルクセンサの断面図である。磁歪センサ８は磁歪材
料製のシャフトを含むが、このシャフト自体が永久的に
磁化されることはない。シャフトは中実シャフトとして
示してあるが、上述の実施形態において述べられた任意
のシャフト設計を使用できる。例えば長さ２０ｍｍの一
つの永久磁石１１０が、そのＮ極−Ｓ極軸線がシャフト
１６の周囲に対して接線方向に延び且つシャフト１６の
主回転軸線に対して垂直方向に延びるようにシャフト１
６の表面と隣接して配置されている。（接線方向及び垂
直方向に正確に整合している必要はないが、整合はこの
ような基準にほぼ倣ってなされるべきである。例えば、
接線方向角度は、１０°、２０°又はそれ以上変化して
いてもよく、垂直方向整合は、１０°、２０°、３０
°、４０°又はそれ以上変化していてもよい。）この構
成は、シャフト１６の周囲に一対の互いに反対極性の磁
極が配置された点で上述の実施形態で共通しているが、
磁石のシャフトに関する整合に関し、上述の実施形態と
異なる。永久磁石１１０は、アルミニウム等の非磁性体
製の磁石ホルダ１１２によって磁束リング３０に保持さ
れる。磁束リング３０は、鋼又は他の磁性体製であるの
がよい。磁束リング装置は、第２実施形態の磁性体製リ
ングと同様である。
【００４０】センサ８には、永久磁石１１０に対して±
９０°で配置された一対の磁束検出器１８が設けられて
いる。これらの検出器は、シャフトの回転軸線に沿って
見た断面で１８０°離間している。換言すると、これら
の磁束検出器１８は、シャフト１６の両側で互いに半径
方向で向き合って配置されている。磁束検出器１８は、
好ましくは、飽和コイル検出器であるが、上述の実施形
態に関して論じたように、他の検出器を使用してもよ
い。
９０°で配置された一対の磁束検出器１８が設けられて
いる。これらの検出器は、シャフトの回転軸線に沿って
見た断面で１８０°離間している。換言すると、これら
の磁束検出器１８は、シャフト１６の両側で互いに半径
方向で向き合って配置されている。磁束検出器１８は、
好ましくは、飽和コイル検出器であるが、上述の実施形
態に関して論じたように、他の検出器を使用してもよ
い。
【００４１】磁束リング３０は、磁束検出器１８用の磁
気シールドとして作用する。従って、外部磁石又は磁界
が装置の性能に及ぼす影響を無視できる。図１２は、コ
イル検出器を直列に接続する方法を示す。この接続方法
を図４に示す第２実施形態の接続方法と比較する。本接
続方法は、シャフト１６の表面に誘導された磁界が図１
１に示すようにシャフト表面の大部分に亘って単一方向
性で流れ、永久磁石１１０の直近のシャフト表面のほん
の小さな部分だけで磁束が周方向逆方向に流れるため、
第２実施形態の接続方法と異なる。
気シールドとして作用する。従って、外部磁石又は磁界
が装置の性能に及ぼす影響を無視できる。図１２は、コ
イル検出器を直列に接続する方法を示す。この接続方法
を図４に示す第２実施形態の接続方法と比較する。本接
続方法は、シャフト１６の表面に誘導された磁界が図１
１に示すようにシャフト表面の大部分に亘って単一方向
性で流れ、永久磁石１１０の直近のシャフト表面のほん
の小さな部分だけで磁束が周方向逆方向に流れるため、
第２実施形態の接続方法と異なる。
【００４２】シャフト１６の軸線に対して垂直な軸線に
沿ってシャフト表面に対して接線方向に整合した互いに
反対極性の磁極によって磁界を誘導する第７実施形態の
構成には幾つかの利点がある。単純な一つの棒磁石でト
ルクセンサを形成でき、これによってコストを削減でき
る。誘導磁界をシャフト１６の外部分に集中することに
よって、おおきな周方向磁化が得られる。これは、上掲
の実施形態で説明した多数の磁石を備えた構成と比較し
て差界（ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ ｆｉｅｌｄ）の量
を減少する。一つの磁石が誘導する磁束を計測するため
に多数の磁束検出器を使用することにより、回転による
信号の摂動を減少でき、感度に対する摂動の比が増大す
る。一対のコイルが互いに直径方向に向き合って、即ち
互いに対して１８０°で配置された例示の構成は、摂動
を最大に減少する。（勿論、検出器対は、大きな範囲に
亘って互いに異なる角度で配置できるが、それらの角度
位置が１８０度から離れると摂動の相殺が小さくなるも
のと考えられる。勿論、一つの磁束検出器だけ使用する
こともできるが、その場合には摂動の相殺がなされな
い。） 第７実施形態の一例では、磁束検出器回路からの出力
を、ゼロトルク状態で２．５Ｖに設定する。トルクがシ
ャフト１６に加わると、周方向で整合した結晶のイージ
ードメイン（ｅａｓｙ ｄｏｍａｉｎｓ）が強制的に回
転される。次いで、これによりコイルの磁束が変化す
る。そして、磁束検出器回路からの出力が変化し、加え
られたトルクと正比例して電圧が変化する。
沿ってシャフト表面に対して接線方向に整合した互いに
反対極性の磁極によって磁界を誘導する第７実施形態の
構成には幾つかの利点がある。単純な一つの棒磁石でト
ルクセンサを形成でき、これによってコストを削減でき
る。誘導磁界をシャフト１６の外部分に集中することに
よって、おおきな周方向磁化が得られる。これは、上掲
の実施形態で説明した多数の磁石を備えた構成と比較し
て差界（ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ ｆｉｅｌｄ）の量
を減少する。一つの磁石が誘導する磁束を計測するため
に多数の磁束検出器を使用することにより、回転による
信号の摂動を減少でき、感度に対する摂動の比が増大す
る。一対のコイルが互いに直径方向に向き合って、即ち
互いに対して１８０°で配置された例示の構成は、摂動
を最大に減少する。（勿論、検出器対は、大きな範囲に
亘って互いに異なる角度で配置できるが、それらの角度
位置が１８０度から離れると摂動の相殺が小さくなるも
のと考えられる。勿論、一つの磁束検出器だけ使用する
こともできるが、その場合には摂動の相殺がなされな
い。） 第７実施形態の一例では、磁束検出器回路からの出力
を、ゼロトルク状態で２．５Ｖに設定する。トルクがシ
ャフト１６に加わると、周方向で整合した結晶のイージ
ードメイン（ｅａｓｙ ｄｏｍａｉｎｓ）が強制的に回
転される。次いで、これによりコイルの磁束が変化す
る。そして、磁束検出器回路からの出力が変化し、加え
られたトルクと正比例して電圧が変化する。
【００４３】図１３は、第７実施形態の磁歪トルクセン
サの概略斜視図である。前述したように、単一の永久磁
石１１０が磁歪シャフト１６と隣接して配置されてお
り、一方の磁束検出器１８は、シャフト軸線に沿って永
久磁石１０から９０°ずらしてシャフトの軸線に沿って
配置されていることがわかる。永久磁石１１０によって
誘導された周方向磁界線２２もまた示してある。
サの概略斜視図である。前述したように、単一の永久磁
石１１０が磁歪シャフト１６と隣接して配置されてお
り、一方の磁束検出器１８は、シャフト軸線に沿って永
久磁石１０から９０°ずらしてシャフトの軸線に沿って
配置されていることがわかる。永久磁石１１０によって
誘導された周方向磁界線２２もまた示してある。
【００４４】第１乃至第６実施形態と関連して論じた変
形例の多くを第７実施形態の設計に合わせることができ
る。詳細には、永久磁石に代えて電磁石を使用でき、種
々の様々な種類の磁束検出器を使用でき、追加の磁力監
視用磁束検出器を設けることができる。このような変更
に加え、第７実施形態では一つの永久磁石を使用するの
が好ましいけれども、シャフト軸線と永久磁石のＮ−Ｓ
軸線との間で主に垂直方向に整合した状態の多数の永久
磁石を使用できる。
形例の多くを第７実施形態の設計に合わせることができ
る。詳細には、永久磁石に代えて電磁石を使用でき、種
々の様々な種類の磁束検出器を使用でき、追加の磁力監
視用磁束検出器を設けることができる。このような変更
に加え、第７実施形態では一つの永久磁石を使用するの
が好ましいけれども、シャフト軸線と永久磁石のＮ−Ｓ
軸線との間で主に垂直方向に整合した状態の多数の永久
磁石を使用できる。
【００４５】図１４は、本発明の第８実施形態による磁
歪トルクセンサの斜視図である。磁歪センサ８のシャフ
ト１６は、磁歪材料製であるがそれ自体が永久的に磁化
されることはない。このシャフト１６は中実シャフトと
して示してあるが、上掲の実施形態を参照して論じた任
意のシャフト設計を使用できる。図中にゾーンＡとして
示すシャフトに沿った第１長部分即ち第１ゾーンには、
例えば長さ２０ｍｍの第１永久磁石１１０Ａが、そのＮ
−Ｓ軸線がシャフト１６の周囲に対して接線方向に延び
且つシャフト１６の主回転軸線に対して垂直方向に延び
るように、シャフト１６の表面と隣接して配置されてい
る。シャフトは、図中にゾーンＢとして示す、第１長部
分Ａと軸線方向に隣接したシャフトに沿った第２長部分
即ち第２ゾーンを有し、このゾーンには、第２永久磁石
１１０Ｂが配置されている。第２永久磁石１１０Ｂは、
そのＮ−Ｓ軸線がシャフト１６の周囲に対して接線方向
に延び且つシャフト１６の主回転軸線に対して垂直方向
に延びるように、シャフト１６の表面と隣接して配置さ
れている。しかしながら、第２永久磁石１１０Ｂの磁極
は、第１永久磁石１１０Ａとは逆に配置されており、そ
のため、二つの永久磁石は、逆方向、即ち時計廻り方向
及び反時計廻り方向、の周方向磁界をゾーンＡ及びＢの
夫々に誘導する。ゾーンＡ及びＢには、永久磁石１１０
Ａ及び１１０Ｂに対して±９０°離間して配置されシャ
フト１６の回転軸線に沿って見た断面で１８０°離間し
て配置された磁束検出器１８Ａ及び１８Ｂからなる対が
夫々設けられている。各対の磁束検出器の一方だけが図
中に示してあるが、構成は、第７実施形態を参照して理
解されよう。かくして、各ゾーンは、第７実施形態と関
連して説明したように、磁束リング（図示せず）に固定
されたそれ自体の磁石及び磁束検出器を有する。所望で
あれば、別の装置も加えることができる。
歪トルクセンサの斜視図である。磁歪センサ８のシャフ
ト１６は、磁歪材料製であるがそれ自体が永久的に磁化
されることはない。このシャフト１６は中実シャフトと
して示してあるが、上掲の実施形態を参照して論じた任
意のシャフト設計を使用できる。図中にゾーンＡとして
示すシャフトに沿った第１長部分即ち第１ゾーンには、
例えば長さ２０ｍｍの第１永久磁石１１０Ａが、そのＮ
−Ｓ軸線がシャフト１６の周囲に対して接線方向に延び
且つシャフト１６の主回転軸線に対して垂直方向に延び
るように、シャフト１６の表面と隣接して配置されてい
る。シャフトは、図中にゾーンＢとして示す、第１長部
分Ａと軸線方向に隣接したシャフトに沿った第２長部分
即ち第２ゾーンを有し、このゾーンには、第２永久磁石
１１０Ｂが配置されている。第２永久磁石１１０Ｂは、
そのＮ−Ｓ軸線がシャフト１６の周囲に対して接線方向
に延び且つシャフト１６の主回転軸線に対して垂直方向
に延びるように、シャフト１６の表面と隣接して配置さ
れている。しかしながら、第２永久磁石１１０Ｂの磁極
は、第１永久磁石１１０Ａとは逆に配置されており、そ
のため、二つの永久磁石は、逆方向、即ち時計廻り方向
及び反時計廻り方向、の周方向磁界をゾーンＡ及びＢの
夫々に誘導する。ゾーンＡ及びＢには、永久磁石１１０
Ａ及び１１０Ｂに対して±９０°離間して配置されシャ
フト１６の回転軸線に沿って見た断面で１８０°離間し
て配置された磁束検出器１８Ａ及び１８Ｂからなる対が
夫々設けられている。各対の磁束検出器の一方だけが図
中に示してあるが、構成は、第７実施形態を参照して理
解されよう。かくして、各ゾーンは、第７実施形態と関
連して説明したように、磁束リング（図示せず）に固定
されたそれ自体の磁石及び磁束検出器を有する。所望で
あれば、別の装置も加えることができる。
【００４６】第８実施形態の複数ゾーン構成は、スプリ
アス磁界を相殺するのに役立つ点で有利である。このよ
うな構成でない場合には、スプリアス磁界は、シャフト
１６の端部に存在する。
アス磁界を相殺するのに役立つ点で有利である。このよ
うな構成でない場合には、スプリアス磁界は、シャフト
１６の端部に存在する。
【００４７】図１５は、本発明を具体化したトルクセン
サ８が内部に配置された自動車のギヤボックスの断面図
である。トルクセンサ８は、主シャフト８０の周囲に配
置される。クラッチ８２もまた示してある。
サ８が内部に配置された自動車のギヤボックスの断面図
である。トルクセンサ８は、主シャフト８０の周囲に配
置される。クラッチ８２もまた示してある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態による磁歪トルクセンサ
の概略図である。
の概略図である。
【図２】第１実施形態の磁歪トルクセンサを示す断面図
である。
である。
【図３】本発明の第２実施形態による磁歪トルクセンサ
の断面図である。
の断面図である。
【図４】図３の二つの磁束検出器間の相互接続を示す図
である。
である。
【図５】本発明の第３実施形態による磁歪トルクセンサ
の概略図である。
の概略図である。
【図６】本発明の第４実施形態による磁歪トルクセンサ
の概略図である。
の概略図である。
【図７】本発明の第５実施形態による磁歪トルクセンサ
の概略断面図である。
の概略断面図である。
【図８】図７の四つの磁束検出器間の相互接続を示す図
である。
である。
【図９】本発明の第６実施形態による磁歪トルクセンサ
の概略断面図である。
の概略断面図である。
【図１０】第６実施形態で磁界を制御するために使用さ
れるフィードバックシステムの概略ダイヤグラムであ
る。
れるフィードバックシステムの概略ダイヤグラムであ
る。
【図１１】第７実施形態による磁歪トルクセンサの断面
図である。
図である。
【図１２】第７実施形態による磁束検出器間の相互接続
を示す図である。
を示す図である。
【図１３】第７実施形態の磁歪トルクセンサの概略斜視
図である。
図である。
【図１４】第８実施形態による磁歪トルクセンサの概略
斜視図である。
斜視図である。
【図１５】本発明を具体化したトルクセンサを持つ自動
車のギヤボックスの断面図である。
車のギヤボックスの断面図である。
【図１６】米国特許第５，３５１，５５５号による従来
技術の磁歪トルクセンサの概略図である。
技術の磁歪トルクセンサの概略図である。
【図１７】ＷＯ９９／２１１５０による従来技術の磁歪
トルクセンサの概略図である。
トルクセンサの概略図である。
８ 磁歪センサ １０ 永久磁石 １１ 磁極 １２ 永久磁石 １３ 磁極 １６ 磁歪シャフ
ト １８ 磁束検出器 ２０ 磁気ループ
部材 ２２ 磁束通路 ３８ トルク
ト １８ 磁束検出器 ２０ 磁気ループ
部材 ２２ 磁束通路 ３８ トルク
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 アブドルレザ・チェシュメドゥースト イギリス国ミドルセックス エイチエイ ４・６エイチジー，ルイスリップ，クロー ジャー・ウェイ １ (72)発明者 ブライアン・ジョンソン イギリス国コーンウォール ピーエル12・ ４ディーアール，サルタシュ，カルバー・ ロード 28，グリーンバンク・ハウス Ｆターム(参考） 3D030 DC27
Claims (21)
- 【請求項１】 磁歪材料を含むシャフトと、 互いに反対極性の磁極の対であって、これら反対極性の
磁極の間で前記磁歪材料内に局所的磁界を誘導するよう
に前記シャフトの周囲に配置された磁極の対と、 前記シャフトにトルクが加わったときに前記磁歪材料か
ら漏れる前記局所的磁界の成分を検出するトルク感知用
磁束検出器と、 を備えたトルクセンサ。 - 【請求項２】 前記磁極の一つが発生させた磁界を前記
シャフトに透過する前に検出する磁力監視用磁束検出器
を更に備えた請求項１に記載のトルクセンサ。 - 【請求項３】 前記磁極は永久磁石の磁極である請求項
１又は請求項２に記載のトルクセンサ。 - 【請求項４】 前記磁極は電磁石の磁極である請求項１
又は請求項２に記載のトルクセンサ。 - 【請求項５】 前記シャフトは中空である請求項１から
請求項４のいずれか一つに記載のトルクセンサ。 - 【請求項６】 前記シャフトは、実質的に前記磁歪材料
だけから形成されている請求項１から請求項５のいずれ
か一つに記載のトルクセンサ。 - 【請求項７】 前記シャフトは、非磁歪材料製の主本体
と、磁歪材料製の外層を備えた請求項１から請求項５の
いずれか一つに記載のトルクセンサ。 - 【請求項８】 前記シャフトは、低透磁率材料層によっ
て取り囲まれた磁歪材料製又は非磁歪材料製の主本体を
備え、前記低透磁率材料層は、磁歪材料製の外層によっ
て取り囲まれている請求項１から請求項５のいずれか一
つに記載のトルクセンサ。 - 【請求項９】 前記シャフトの周囲に配置された互いに
反対極性の磁極の対であって、前記シャフトの半径方向
外側部分での局所的磁界を高めるように前記反対極性の
磁極が前記シャフトに面する磁極の対を、更に備えたこ
とを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか一つに
記載のトルクセンサ。 - 【請求項１０】 前記トルク感知用磁束検出器から前記
シャフトの周方向にずらして前記シャフトの周囲に配置
された少なくとも一つの別のトルク感知用磁束検出器を
備えた請求項１から請求項９のいずれか一つに記載のト
ルクセンサ。 - 【請求項１１】 前記互いに反対極性の磁極の対は、前
記シャフトを貫いて延びる軸線を形成する第１及び第２
の磁極を備えた請求項１から請求項１０のいずれか一つ
に記載のトルクセンサ。 - 【請求項１２】 前記互いに反対極性の磁極の対は、前
記シャフトの周面の接線方向に整合する軸線を形成する
第１及び第２の磁極を備えた請求項１から請求項９のい
ずれか一つに記載のトルクセンサ。 - 【請求項１３】 前記互いに反対極性の磁極の対は、単
一の磁石の磁極である請求項１２に記載のトルクセン
サ。 - 【請求項１４】 前記トルク感知用磁束検出器から周方
向にずらして前記シャフトの周囲に配置された別のトル
ク感知用磁束検出器を更に備えた請求項１２又は請求項
１３に記載のトルクセンサ。 - 【請求項１５】 前記トルク感知用磁束検出器及び前記
別のトルク感知用磁束検出器は、前記互いに反対極性の
磁極の対から周方向にずらして前記シャフトの両側に配
置された請求項１４に記載のトルクセンサ。 - 【請求項１６】 磁歪材料を含むシャフトと、 互いに反対極性の磁極の対であって、これら反対極性の
磁極の間で前記磁歪材料内に局所的磁界を誘導するよう
に前記シャフトの周面に対して接線方向に整合した軸線
を形成する磁極の対と、 前記シャフトにトルクが加わったときに前記磁歪材料か
ら漏れる前記局所的磁界の成分を検出する少なくとも一
つのトルク感知用磁束検出器と、 を備えたトルクセンサ。 - 【請求項１７】 前記少なくとも一つのトルク感知用磁
束検出器は、前記互いに反対極性の磁極の対から周方向
にずらして前記シャフトの周囲に配置された一対のトル
ク感知用磁束検出器を備えた請求項１６に記載のトルク
センサ。 - 【請求項１８】 磁歪材料を含むシャフトと、 互いに反対極性の磁極の第１の対であって、第１の局所
的磁界を前記磁歪材料内に第１の周方向に向けて誘導す
るように前記シャフトの周面に対して接線方向に整合し
た第１の軸線を形成する第１の対と、 互いに反対極性の磁極の第２の対であって、第２の局所
的磁界を前記磁歪材料内に前記第１の周方向とは逆の第
２の周方向に向けて誘導するように前記シャフトの周面
に対して接線方向に整合した第２の軸線を形成する第２
の対と、 前記シャフトにトルクが加わったときに前記磁歪材料か
ら漏れる前記第１及び第２の局所的磁界の第１及び第２
の成分を検出する第１及び第２のトルク感知用磁束検出
器と、 を備えたトルクセンサ。 - 【請求項１９】 請求項１から請求項１８のいずれか一
項に記載のトルクセンサを備えたステアリングコラム。 - 【請求項２０】 請求項１から請求項１８のいずれか一
項に記載のトルクセンサを備えたギヤボックス。 - 【請求項２１】 （ａ）磁歪材料を含むシャフトを提供
する工程と、（ｂ）互いに反対極性の磁極間で前記磁歪
材料内に局所的磁界を誘導するように前記シャフトの周
囲に配置された互いに反対極性の磁極の対を用いて、前
記シャフトに外部磁界を加える工程と、（ｃ）内部磁界
が前記磁歪材料から漏れ出るように前記シャフトにトル
クを加える工程と、（ｄ）前記内部磁界の漏れ出た成分
を検出し、これに応じてトルク信号を提供する工程と、 を備えたトルク感知方法。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| GB0028385.3 | 2000-11-21 | ||
| GBGB0028385.3A GB0028385D0 (en) | 2000-11-21 | 2000-11-21 | Torque sensing apparatus and method |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2002168706A true JP2002168706A (ja) | 2002-06-14 |
Family
ID=9903596
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2001355694A Pending JP2002168706A (ja) | 2000-11-21 | 2001-11-21 | トルクセンサ及びトルク感知方法 |
Country Status (9)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US20020059839A1 (ja) |
| EP (1) | EP1211494B1 (ja) |
| JP (1) | JP2002168706A (ja) |
| KR (1) | KR20020039628A (ja) |
| AT (1) | ATE292276T1 (ja) |
| DE (1) | DE60109715T2 (ja) |
| ES (1) | ES2239652T3 (ja) |
| GB (1) | GB0028385D0 (ja) |
| PT (1) | PT1211494E (ja) |
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