JP2002542478A

JP2002542478A - 環状に磁化されたディスク型トランスデューサとそのトルク測定方法

Info

Publication number: JP2002542478A
Application number: JP2000612716A
Authority: JP
Inventors: クリスジョーンズ、
Original assignee: Magna Lastic Devices Inc
Current assignee: Magna Lastic Devices Inc
Priority date: 1999-04-16
Filing date: 2000-04-13
Publication date: 2002-12-10
Anticipated expiration: 2020-04-13
Also published as: EP1181515A4; AU4188400A; ATE368845T1; CA2381077A1; US6513395B1; DE60035777D1; CA2381077C; WO2000063663A1; JP3611523B2; EP1181515B1; DE60035777T2; DE1181515T1; EP1181515A1

Abstract

(57)【要約】ディスク形部材（１０）の半径方向に分かれた場所の間で伝達されるトルクを表す出力信号を供給するための磁気弾性トルクセンサ（２）は、周縁方向の一方向に磁気分極された磁気弾性的に活性で強磁性で磁歪性を有する領域を含み、さらに、この領域は与えられたトルクがゼロに減少したとき、周縁方向の一方向に部材に対してトルクが与えられたときに続いて、領域の磁化を復原させる十分な磁気的異方性を有している。第１および第２のトルク伝達要素は、トルクが部材と伝達要素間で比例的に伝達されるように、部材に直接または部材の回転中心軸と周縁部で部材と一体化して形成されている。磁界検出手段は部材の近く（２６、２８）に設置され、第１および第２の伝達要素間の部材を介して半径方向に伝達されるトルクに応じて、部材により生起される磁界の強度を検出する。部材は好ましくは多結晶材料から形成されており、ローカル磁化分布の少なくとも５０％は、単一の環方向に対象的に配置された９０°象限内にあり、強制的に十分に高いので部材から生起する磁界は部材の隣接する領域を磁化せず、したがって、磁界検出手段により見られる正味の磁界の力検出目的のための有用性を破壊する十分な力を持つ寄生的磁界を発生させない。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】発明の分野本発明はトルクセンサに関し、特にディスク型部材において半径方向に伝達さ
れるトルクを測定する非接触磁気弾性トルクセンサに関する。発明の背景回転する駆動軸をもつシステムの制御においては、トルクと速度とは重要な基
本的パラメータである。したがって、トルクを正確な、確実な、かつ安価な仕方
で感知し測定することは、数十年間の技術者の主要な目的であった。

【０００２】従来、トルクの測定はシャフトに直接取り付けられた接触型センサを用いて行
われていた。「ひずみ計」型トルク検出装置は、１つのそのようなセンサである
。このトルク検出装置においては、シャフトの外周面に直接に1つまたは複数の
ひずみ計が取り付けられ、ひずみによって生じる抵抗変化がブリッジ回路または
他の周知の手段によって測定される。しかし、接触型センサは、回転しているシ
ャフトに直接接触するので、比較的に不安定であって信頼性が制約される。さら
に、接触型センサは、非常に高価であり、したがって、自動車の操縦システムの
ような、トルクセンサが現在必要とされている用途の多くにおいて他のセンサと
競合しながら使用するには商業的に実用的ではない。

【０００３】次に、磁歪型の非接触型トルクセンサが、回転しているシャフトに使用するた
めに開発されている。例えば、Garshelisに与えられたU.S. Patent No. 4,896,5
44には、トルク保持部材と磁気弁別器を備えたセンサが開示されている。トルク
保持部材は、適度に強磁性と磁歪性をもつ表面と、２つの軸方向に別個の環状の
バンドとを有する。この２つのバンドには、それぞれ、磁気異方性によって誘起
された、対称な螺旋状に向く残留ひずみが与えられている。磁気弁別器は、等し
い軸方向磁化力に対する２つのバンドの応答の相違を、該トルク保持部材に接触
しないで検出する。最も典型的には、磁化と検出とは、前記２つのバンドの上に
重なって該バンドを取り巻いて1対の励起コイル、すなわち磁化コイルを設け、
該コイルを直列に接続して交流によって駆動することによって達成される。トル
クは２つのバンドの磁束から生じる差信号を測定するために逆方向に接続された
１対の感知コイルを使用することによって検出される。不幸なことに、このセン
サが使用される装置の上および周囲に、必要な励起コイルと感知コイルを設ける
ために充分な空間を設けることは、空間が不足している場合にはこの装置を使用
する上において実用上の問題を生じる。また、このようなセンサは、例えば、自
動車に使用する場合のように、費用競争が激しい装置に使用するためには、実用
に成らない程度に高価であると考えられる。

【０００４】最近、初期時に環状の残留磁化の傾きによって誘起されたトルクから起こる磁
界の測定に基づくトルクトランスデューサが開発されている。このトランスデュ
ーサの望ましい態様には、磁界発生素子として働く薄壁のリング（カラー）を使
用する。例えば、Garshelisに授与されたU.S.patent No. 5,351,555およびNo.5,
520,059を参照されたい。リングにおける「フープ(hoop)」引っ張り応力は、測
定しているトルクを保持しているシャフトへ当該リングを取り付ける手段と結合
して、円周方向にむく１軸性の主要異方性を形成する。ねじれ応力がシャフトに
印加されると、磁化が再配向し、ねじれ応力が増加するに従って、益々、螺旋状
になる。ねじれによって生じる螺旋状の磁化は、円周方向成分と軸方向成分との
両者を持ち、軸方向成分の大きさは、完全にねじれに依存する。１つまたは複数
の磁界センサが、トルクが印加された結果、当該トランスデューサの周りの空間
に生じた磁界の大きさと極性とを検出し、トルクの大きさを反映した信号を出力
する。リングセンサにおける最大許容トルクはリングとシャフトとの境界におけ
る滑り量によって制約されるので、従来、トルクの過剰負荷の条件の下でリング
とシャフト間の境界における滑り量から生じるひずみに関連して関心が表されて
きた。このことは、寄生磁界の逆効果を最小にするために異なる材料の多重部品
の必要と相俟って、代替の構成の研究を助長した。

【０００５】さらに最近、シャフトに取り付けられなければならない別体の強磁性素子上で
はなく、シャフトそれ自体の上に、直接に、活性のトルク感受区域が形成されて
いる磁気弾性トルクトランスデューサが開発されている。例えば、PCT Internat
ional Publication No. WO 99/21150およびNo. WO 99/21151を参照されたい。こ
れらの新たに開発されたトランスデューサの１つの形態においては、磁気弾性的
に活性な区域は、単一の周方向に極性を与えられ、かつ、当該部材にトルクを印
加した後に、印加トルクをゼロに減少したときに、その区域の磁化が前記単一の
周方向に戻る程度に充分な磁気異方性を持っている。トルクが与えられるシャフ
トは多結晶材料によって形成されることが望ましく、その場合には、局所磁化分
布の少なくとも５０％は、磁気分極の方向の周りに対称に配置されている９０°
の象限内に存在し、かつ、該シャフトは、トランスデュスする区域の磁界が、シ
ャフトの近傍の区域において磁界センサから見て正味の磁界の、トルク検出のた
めの有効性を消失させる程度の強さをもつ寄生磁界を生じないように充分に高い
保磁力を有する。特に、そのようなトランスデューサの望ましい態様においては
、シャフトは、立方晶対称性をもち、ランダムな方位の多結晶材料で形成され、
保磁力は１５より大きく，望ましくは２０より大きく、さらに望ましくは３５よ
り大きい。

【０００６】現在開発されている非接触磁気弾性トルクトランスデューサの総てにおいて、
トランスデューサ素子はシャフト上の軸方向に離れた位置の間のトルクを伝達す
るために、使用シャフトの軸方向に沿って配置されている。しかし、多くの用途
において、軸方向の空間は厳しく制約され、または、トルクは、ギヤ、プーリ、
チェーンスプロケット等におけるように、本来、半径方向に分離した位置の間、
例えば、シャフトから外周部へ、またはその逆方向に伝達される（または、この
２つの場合が同時に起こる場合もある）。そのような装置において正確に、かつ
、非接触でトルクを検出する必要性は今まで対処されていない。

【０００７】好適な実施例の詳細な説明はじめに図１を参照すると、本発明によるトルクトランスデューサ２の全体が
示されている。トルクトランデューサ２は３個の基本的な、しかし必ずしも別個
のものではない要素を有する軸方向に薄いほぼディスク形のセンサよりなる。ト
ランスデューサはディスク形センサを軸８に強固に取り付けるための中心ハブ６
を有する。この取り付けは、ハブ６と軸８とが軸８に加えられたトルクをハブ６
に、またはその逆方向に比例的に伝達させるように、単位機械として動作させる
あらゆる公知の手段により直接的にまたは間接的に実施できる。この取付け手段
の例としては、ピン、スプライン、キー、溶接、接着剤、プレスばめまたは焼き
ばめなどがある。トランスデューサのディスク１０は磁気弾性的作用領域である
か、少なくともこの作用帯を含み、ディスク１０とハブ６とは単位機械として、
ハブ６から軸１０にまたはその逆方向に加えられたトルクが比例的に伝達される
ように作動させられる任意の適当な方法でハブ６に取り付けられる。取り付け手
段の例としては、リベット結合や溶接などかある。ディスク１０の周縁を囲んで
リム１２が有り、リム１２はディスク１０とリム１２とが単位機械として、ディ
スク１０に加えられたトルクがリム１２に、またはその逆方向に比例的に伝達さ
れるように動作する適当な手段でディスク１０の周縁に取り付けられている。リ
ム１２はほぼ周縁の外側に沿って支配的な接線方向の力を駆動あるいは被駆動部
材に伝達するための力伝達部材１４を備えている。このような部材は、例えば他
のギアの歯とかみ合うギア歯、Ｖ−ベルト用溝、リムが人の手でつかまれ得るた
めのリップル模様やその他のモールド部材（例えば自動車ハンドルのような）、
タイヤの取り付け手段、リンクに対するピン接続のようなものからなる。

【０００８】リム１２とハブ６とは、好ましくは非強磁性体より形成されあるいはハブ６と
ディスク１０との間とディスク１０とリム１２との間に挿入された低透磁率のリ
ングのような非強磁性スペーサによりディスク１０から磁気的に隔離されている
。ディスク１０はトランスデューサの磁気的な作用要素でありまたはこの作用要
素を含み、したがってディスク１０の形成に対する材料選択は極めて重要である
。選択された材料は磁気領域の存在を確実なものにするために強磁性でなければ
ならず、また磁化方位が加えられたトルクと関わるストレスにより変化させられ
るようにするために磁歪性でなければならない。例となる材料は米国特許第５，
５２０，０５９号明細書のコラム１２，１３に開示されており、本願明細書に参
照文献として取り入れられている。特にディスク１０は以下により十分に説明す
るように特に望ましい結晶構造を有する材料で形成され得る。

【０００９】ディスク１０は所定のトルクに対するストレスを極大化し、かつ有用な信号を
作り出すように、薄いのが好ましい。このことに関してディスク１０の設計寸法
は、半径方向に亘ってストレス分布が可能な限り均一であるものを作るような方
法で制御される。ディスク１０の厚さを変えることがストレス分布制御の最も蓋
然性の高い方法である。しかし、ストレスが以下の関係トルク／２π×（半径の自乗）×厚さにしたがって変動する限り、厚さの制御はストレスに限定された影響しか与えな
いことが分かる。厚さが半径の自乗で変化する限り、ストレスの均一性は半径の
減少とともに厚さを減少させることにより高められる。例えばディスク１０をハ
ブ６６での最大厚さからリム１２での最小厚さにまでテーパ付けすることは全半
径領域に亘ってせん断ストレスをより均一なものとすることを助けるだろう。デ
ィスク１０がこうむるストレスは第１例では材料とバランスの取れたもので、か
つ材料により限定されている。しかしながらディスク１０は好ましくは有用な信
号を作り出すために比較的高くストレスがかけられる。ストレスは最小で数千ポ
ンド／平方インチ(psi)で好ましくは数万ポンド／平方インチである。

【００１０】ディスク１０は、１以上の半径方向に区別され、磁気的に隣接し、センサー
の動作あるいはトランスデューサ領域を単独に決める反極性された円周帯または
領域から成っている。これは磁化されたディスク１０により、多大な真に円周方
向に、いくらか放射上の広がりを通して、トルクのない状態（静止状態）で、軸
あるいは放射方向に磁化組成網のない広がりによって形成される。ディスク１０
の円形形状は完全な回路を準備することで分極の安定を強める。トルクの応用に
より、初期磁化の方向は、正の応力方向、すなわち正の磁気弾性を持つ材料にお
ける張応力方向に転じ、磁化領域の放射極限における極形成をもたらす。分極さ
れた円周帯が中心部分から始まり放射状に広がるところでは、ハブ６から第１の
磁化領域に放射場を形成する。若し、ディスク１０が１以上の磁化領域からなっ
ているなら、隣接領域は反分極される。かくして、近接領域における放射場は第
１磁化領域の放射広がりから第２磁化領域の放射広がりへと拡張し、第2磁化領
域で作られた場は第１磁化領域の場の反対方向になる必要があるであろう。その
放射場はディスク１０の近傍に補助的に配置された磁場ベクトルセンサ手段によ
ってディスク１０材料の外側から検出できる。以下に詳細に説明する。

【００１１】ところで、ディスク１０自身、動作領域は適応されたトルクがゼロに減少する
ときに各領域の（分極過程の間）確定された円周方向へ磁化を戻すいくらかの異
方性の起源を有していなければならぬ。ＣＷとＣＣＷトルクへの対称的反応を確
実にするため、この静的異方性の分布は円周方向について対称でなければならな
い。トルクに伴う磁気弾性異方性がディスク１０のすべての残存して磁化された
部分を放射組成の生成に協働的に分布するよにすることを確実にするため、静的
異方性は、ここで、円周方向から４５度以上離れていなければならない。言い換
えれば、異方性の必要は円周残りを円周的に９０度象限向いた範囲に限定する必
要と表現される。若し、円周残存方向の回りに対称的に配置された９０度象限内
に少なくとも５０％程度の磁化があるならば、十分な実行が得られる。

【００１２】磁気異方性はディスク１０材料の物理的働きによって誘導される。磁気異方性
を誘導する説明的方法が米国特許番号５，５２０，０５９のコラム１３−１５に
、ここに引用により一緒にされた公告が開示されている。いかなる磁化異方性の
物理的起源であろうと、単独であれ結合であれ、静的ドメイン指向の希望する分
布が達せられる。異方性の１つの起源は方向次元であり、原子の種類、格子の欠
陥、含有物（排除）または他の化学あるいは一方向に見出された構造機能（また
は１以上もしくは全部ではない）。異方性の第２の起源は磁気弾性であり、それ
らの自然的な磁気モーメントに相互に関連した自然的な磁歪による歪を持つ材料
におけるストレスの方向性により得られる。異方性の第３の起源は、ディスク１
０の円形形状に特に顕著であり、材料の境界におけるＭの発散により結合する材
料の形である。特に、消磁場は磁化されたものの極から生じ、極が密接に置かれ
ていればより強烈になる。異方性の第４の起源は磁性結晶であり、結晶構造を決
める軸と関係する方向元素（強磁性元素）の磁気モーメント（スピン）の好まし
い方向に帰する。

【００１３】若し、静的異方性がその原理的起源として磁性結晶異方性を格子構造の原子配
列の結合として持つならば、すなわち、ばらばらな方向の多結晶材料それぞれの
結晶が対称立方体を持ち（歪んだ立方体を含み、すなわち４辺形）、＜１００＞
または＜１１１＞の易しい軸であるならば、結晶の５０％以上の静的円周残りは
自動的にこの４５度の要求になるであろう。鉄とすべての共通鋼における磁性結
晶異方性はかかる対称立方体とかかるもの（この要求に単独に基づく）は、本発
明のトルクトランスデューサに適する材料である。純鉄の異方性の量は一般的に
共通の合金部材により減少する。しかし、タングステンとより少ないマンガンの
合金は異方性の量をたかめる。モリブデニウム、バナジウム、錫は比較的小さい
変化となり、一方クロミウムは僅かに純鉄それから減ずる異方性が緩やかに変化
する。十分な量のニッケル、コバルト、シリコン、アルミニウムは異方性をゼロ
に駆動できる。トルクトランスデューサの使用にあたって重要なことは、結晶（
磁性結晶を略した）の異方性の絶対量によって余りにも低くなり、トルクが移動
したときにその静的円周方向に磁化を戻すスプリングとなるからである。

【００１４】このように例えば、異方性結晶（Ｋ₁）がλσ_r、ここでλσ_rはシャフトの事
前所有、Ｋ₁はもはや異方性結晶ではなく、静止残留磁気の５０％が４５°配分
要求が満たされない。トランスヂューサの実行に個々に重要な幾つかの材料間の
相互関連の重要性が一見される。Ｋ₁とλが構成上（本質的）に従属関係がある
資材であり、σとその他の構造上の従属的資材は(例えば織物、化学または構造
上の注文)振幅と、オリエンテーションと、本質的異方性を決める本質的資材と
協調させる。また、少量のＮｉまたはＳｉはλを有効に増量し、Ｋ₁を減少する
傾向行になる。このように、ディスク１０に適切な合金を選ぶためにわれわれは
注意深く合金の内容を加減しなければならない。

【００１５】本発明のトルクトランスジューサに適していると思われる材料のカテゴリの
例が以下に示される。各カテゴリにおける階級が指示される。１．マルテンサイトステンレス鋼（好ましくは空気硬化）ＡＩＳＩ／ＳＡＥＧｒａｄｅ：４０３，４１０，４１４，４１６，４２０
，４３１，４４０Ａ，４４０Ｂ，４４０Ｃ２．沈殿硬化ステンレス鋼（クロムおよびニッケル）ＡＩＳＩ／ＳＡＥＧｒａｄｅ：１５−５ＰＨ，１７−4ＰＨ，１７−７Ｐ
Ｈ，ＰＨ１３−８Ｍｏ３．合金鋼（焼入れと焼き戻し−時には、炭化または窒化）ＡＩＳＩ／ＳＡＥＧｒａｄｅ：４１４０，４３２０，４３３０，４３４０
，４８２０，９３１０典型的呼称：アーメット１００，９８ＢＶ４０，９−
４−２０，９−４−３０４．工具鋼（好ましくは焼入れと焼き戻し，冶金学的“純”高合金鋼）ＡＩＳＩＧｒａｄｅ：形式Ａ，Ｄ，Ｈ，Ｌ，Ｍ，Ｏ，Ｔ，Ｗおよび高コバ
ルト高速度工具鋼５．マルエージ鋼（高ニッケル，低炭素）典型的呼称：１８ニッケル２５０，炭素−２５０，ヴァスコマックスＴ−３
００，ニッケル印，マルヴァック７３６６．ダクタイル永久磁石材料型的呼称：ヴィック合金，リメンヂュア，クニッフェ，クニコ，ヴァコゼッ
ト７．磁石鋼型的呼称：ＫＳ鋼，ＭＴ鋼，３．６％クロム，１５％コバルト，タングステ
ン鋼８．特殊合金および他の材料型的呼称：パーメンヂュア，アルファー，アルフェノール，コヴァール，硬
質引き抜きニッケル，硬質引き抜きパー合金本トルクトランスジューサーの操作において、磁場は活性領域から生じ、これ
らの磁場は、磁場センサが配置されている空間のみならず、ディスク１０自身に
より占められている空間に広がる。ディスク１０の非活性部分内に起こる磁化変
化の結果、他の磁場も生じ、これらの（寄生的）磁場も磁場センサが占める空間
領域に広がる。これが、ハブ６とリム１２が非磁性材料で形成されるのが望まし
い第１の理由である。したがって、活性領域の移動機能を落さないために、重要
なことは、活性領域と比較してあるいは顕著な強度からなる場合、寄生的磁場は
非常に小さく理想的にはゼロであること、寄生的磁場は掛けられたトルクにより
直線的に、非ヒステリシスに（または全く非ヒステリシスに）変化すること、お
よび寄生的磁場はシャフトが受ける操作上、環境上の如何なる条件下でも時間と
ともに安定していることである。換言すれば、発生する如何なる磁場も、磁場セ
ンサにより判る正味の磁場がトルク探査目的に有用である活性領域に比較して十
分小さくなければならない。したがって、寄生的磁場の減衰影響を最小限にする
ためには、磁場弾性的活性領域から生ずる磁場が、トルク探査目的でその有用性
を破壊するほど十分な強度と磁場探査手段より判る正味磁場とを持った寄生的磁
場を生じさせるための磁場弾性的活性領域に比較してディスク１０を磁化しない
ことは、磁気弾性的活性領域から生ずる磁場が十分高い飽和保持力を有するディ
スク１０を利用するのに重要である。これは、ディスク１０の磁場保持力が１５
Ｏｅよりも大きく、好ましくは２０Ｏｅよりも大きく、最も好ましいのは３５Ｏ
ｅよりも大きいことを一般的に意味する。

【００１６】磁場ベクトルセンサ１６は、活動していない周面方向から極性を与えられた磁
化の再方向付けの結果、ディスク１０の活性領域の周りの空間に生ずる磁場の大
きさと極性を探査するための、ディスク１０に対し方向をもって配置付けられた
磁場ベクトル探査装置である。磁場ベクトルセンサ１６は、掛けられたトルクの
大きさを反映する信号出力を提供する。一つの好ましい実施例において、磁場ベ
クトルセンサ１６は、集積回路ホール効果センサである。本発明のトルクセンサ
に関連する使用にとって最も好ましいのは、各活性領域の半径方向範囲を半径方
向に補うソレノイド形態を有するフラックスゲートインダクタである。彼らの幾
何学により、彼らのコアの端から端まで磁場に対し敏感である。したがって、単
一の点において只単に探査するよりはむしろ、好ましいフラックスゲートインダ
クタが活性領域の半径方向の長さ一杯に沿って探査し、センサの半径方向範囲に
沿って発展する多くの領域から局部時間を平均化する。このセンサの特性は、そ
うでなければ、発展する捩り応力に基づいて生ずる磁場の半径方向不均一性に基
づいて発展したかもしれない如何なる負の効果も軽減する。ワイヤ１８は、磁場
ベクトルセンサ１６を直流電力の源に接続し、磁場ベクトルセンサの信号出力を
、ディスク１０を組み込む機械またはシステムのための制御または探査回路のよ
うな、受け取り装置（不図示）に伝達する。磁場ベクトルセンサの形式、特性、
配置および機能についての一層詳細な論議は、米国特許第５，３５１，５５５号
の６−９欄および第５，５２０，０５９号の７−１１欄と２５欄にある。そして
、これらの開示は、参照してここに組み込まれている。

【００１７】ここで、ディスク１０は、一つの磁化された領域を備え、ハブ６とその領域の
放射状の範囲との間に生成して広がっている放射状の範囲（ディスクの半径方向
の全範囲が分極したときには外側の周辺１１）は、活性領域２３上の半径方向に
向かって中心を有しセンサの感知方向が半径方向を向いているセンサによって図
２に示されるように都合よく感知される。或いは、さらに加えて、放射状の範囲
は、最もせん断応力の高いディスク１０のハブの端部に位置するセンサ２２によ
り、或いはディスク１０のリム側の端部に位置するセンサ２４により感知するこ
とができる。センサ２４に対するリムの位置は、ディスク１０のハブ６の厚い端
部からリム１２の薄い端部に向けてリムにおけるせん断応力が増加するようにテ
ーパーがついているときのみ特に都合がよい。デイスクにテーパーが付いていな
い場合にはリム位置における信号は、都合よく検知するには小さ過ぎる。

【００１８】ここで、ディスク１０はハブ６とリム１２との間に広がる反対方向に分極した
二重の領域２６，２８を備えており、磁極は二つの領域の間の「領域壁」３０と
二つの領域の半径方向先端に形成されている。その結果としての放射状の範囲は
ディスクの軸線方向に近接し、「領域壁」上に配置された図３のセンサ３２によ
り感知することができる。或いは、さらに加えて、共通モードの範囲を相殺する
ために、同一の半径方向の線上に沿って配置され、各活性領域上に半径方向に中
心線を持ち、感知方向が半径方向で且つ互いに反対である二つのセンサ３４，３
６を用いることがまた都合がよい。

【００１９】取り囲む範囲からの独立性を保ち、ディスクの揺れを計算するために、例えば
図４に示すセンサ２０，２０’のようにディスクの軸線方向の両側にそれぞれが
あるように二つのセンサを用いる場合は各センサの位置は慎重に決めなければな
らない。更に、外側のリム上における接触の位置に関して、センサの円周上の位
置は、リム上の軸線方向又は半径方向の影響を最小化し或いは除去するために選
択されなければならない。換言すれば、センサを、例えば歯車によって発生する
ような、リム上の軸線方向或いは半径方向の負荷に近接する、大きな力のかかる
半径位置に配置しないことが望ましい。更に、センサは接触の位置から１８０°
離れた半径位置に配置すべきである。

【００２０】ディスク１０のハブとリムへの取り付け方法が何であっても、発生する問題は
、ディスク１０内のねじれ応力が取り付けの部分で不均一であることである。そ
のために、もしディスク１０の全ての半径方向の広がりが分極化されるならば、
「磁極」の強度はハブ６及びリム１２における周辺方向に向かって均一ではない
。この厄介な影響は、これらの関連する応力の集中を感じないために、分極領域
をディスク１０の取り付け位置から十分離れた位置に制限することによって減少
させることができる。例えば、図１に見られるように。トルクトランスジューサ
ーは、ハブ６とリム１２に固定されたディスク１０を備え、半径方向に別々に配
置されて反対方向の分極の極性を有する領域２６，２８と、非分極の周端領域３
８，４０を有する。更に、領域壁３０に均質なリングを用いることが都合がよく
、材料の不均一性に起因する零入力の信号における周囲の変化からの独立を行う
ために、このリングはパーマロイのような磁化されやすい材料で形成される。「
ランアウト」問題を除去するために、半径方向位置対感度の「フラットトップ」
な伝達機能を得るために、二つの反対に分極された領域２６，２８の間の半径方
向の小さな「デッドスペース」を残すことがまた役に立つ。

【００２１】本発明のディスク型のトランスジューサはトルクのような出力或いはエネルギ
ーを計測することが可能であり、このことは、例えば、ディスク１０がエクササ
イズ用自転車のチェーンスプロケットであった場合に、ディスク１０が回転した
ときに磁場ベクトルセンサを通る流路の導磁度を調整するために、例えばその中
の開口であるようなディスク１０上にいくつかの均等に間隔をおいて配置された
突出形状の配置が特に役に立つ。その結果として、ディスク１０に近い空間内の
磁場強度は、均等に間隔をおいて配置された突出形状に代表されるような周辺の
パターンによって強度が変化し、それにより、その結果としての信号はディスク
の回転の速度を表示する。ディスク１０の開口以外の形態はセンサを通る流路の
導磁度を調整するために用いることができる。例えば、磁場調整部はディスク１
０の面の周辺の周りに均等に配置された点状のパーマロイの列であってもよい。
その結果としての信号は、引例として引用しているＵ．Ｓ特許５、５９１、９２
５号で開示されていると同様な、トルクのような出力を表示している。

【図面の簡単な説明】

図１は本発明のトルクセンサを示す分解透視図である。図２は単一の環状磁化帯を有する本発明のトルクセンサの平面図であり、磁界
ベクトルセンサの位置設定を説明している。図３はそれぞれ反対極性に磁化された２重の磁化帯を有する本発明のトルクセ
ンサの平面図であり、磁界ベクトルセンサの位置設定を説明している。図４は本発明のトルクセンサのディスクとハブとの立面図で、磁界ベクトルセ
ンサの位置設定を説明している。

【手続補正書】

【提出日】平成１３年１１月２９日（２００１．１１．２９）

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】全文

【補正方法】変更

【補正の内容】

【発明の名称】環状に磁化されたディスク型トランスデューサとそのトルク測
定方法

【特許請求の範囲】

【発明の詳細な説明】

【０００１】発明の分野本発明はトルクセンサに関し、特にディスク型の部材において半径方向に伝達
されるトルクを測定する非接触磁気弾性トルクセンサに関する。発明の背景回転する駆動軸をもつシステムの制御においては、トルクと速度とは重要な基
本的パラメータである。したがって、トルクを正確な、確実な、かつ安価な仕方
で感知し測定することは、数十年間の技術者の主要な目的であった。

【０００３】次に、磁歪型の非接触型トルクセンサが、回転しているシャフトに使用するた
めに開発されている。例えば、ガルシェリス（Garshelis）に与えられたU.S. Pa
tent No. 4,896,544には、トルク保持部材と磁気弁別器を備えたセンサが開示さ
れている。トルク保持部材は、適度に強磁性と磁歪性をもつ表面と、２つの軸方
向に別個の環状のバンドとを有する。この２つのバンドには、それぞれ、磁気異
方性によって誘起された、対称な螺旋状に向く残留ひずみが与えられている。磁
気弁別器は、等しい軸方向磁化力に対する２つのバンドの応答の相違を、該トル
ク保持部材に接触しないで検出する。最も典型的には、磁化と検出とは、前記２
つのバンドの上に重ねて該バンドを取り巻いた1対の励起コイル、すなわち磁化
コイルを設け、該コイルを直列に接続して交流によって駆動することによって達
成される。トルクは２つのバンドの磁束から生じる差信号を測定するために逆方
向に接続された１対の感知コイルを使用することによって検出される。不幸なこ
とに、このセンサが使用される装置の上および周囲に、必要な励起コイルと感知
コイルを設けるために充分な空間を設けることは、空間が不足している場合には
この装置を使用する上において実用上の問題を生じる。また、このようなセンサ
は、例えば、自動車に使用する場合のように、費用競争が激しい装置に使用する
ためには、実用に成らない程度に高価であると考えられる。

【０００４】最近、初期時に環状の残留磁化の傾きによって誘起されたトルクから起こる磁
界の測定に基づくトルクトランスデューサが開発されている。このトランスデュ
ーサの望ましい態様には、磁界発生素子として働く薄壁のリング（カラー）を使
用する。例えば、ガルシェリス（Garshelis）に授与されたU.S.patent No. 5,35
1,555およびNo.5,520,059を参照されたい。リングにおける「フープ(hoop)」引
っ張り応力は、測定しているトルクを保持しているシャフトへ当該リングを取り
付ける手段と結合して、円周方向に向く強い１軸性の主要異方性を形成する。ね
じれ応力がシャフトに印加されると、磁化が再配向し、ねじれ応力が増加するに
従って、益々、螺旋状になる。ねじれによって生じる螺旋状の磁化は、円周方向
成分と軸方向成分との両者を持ち、軸方向成分の大きさは、完全にねじれに依存
する。１つまたは複数の磁界センサが、トルクが印加された結果、当該トランス
デューサの周りの空間に生じた磁界の大きさと極性とを検出し、トルクの大きさ
を反映した信号を出力する。リングセンサにおける最大許容トルクはリングとシ
ャフトとの境界における滑り量によって制約されるので、従来、トルクの過剰負
荷の条件の下でリングとシャフト間の境界における滑り量から生じるひずみに関
連して関心が表されてきた。このことは、寄生磁界の逆効果を最小にするために
異なる材料の多重部品の必要と相俟って、代替の構成の研究を助長した。

【０００５】さらに最近、シャフトに取り付けられなければならない別体の強磁性素子上で
はなく、シャフトそれ自体の上に、直接に、活性のトルク感受区域が形成されて
いる磁気弾性トルクトランスデューサが開発されている。例えば、PCT Internat
ional Publication No. WO 99/21150およびNo. WO 99/21151を参照されたい。こ
れらの新たに開発されたトランスデューサの１つの形態においては、磁気弾性的
に活性な区域は、一つの周方向に極性を与えられ、かつ、当該部材にトルクを印
加した後に、印加トルクをゼロに減少したときに、その区域の磁化が前記単一の
周方向に戻る程度に充分な磁気異方性を持っている。トルクが与えられるシャフ
トは多結晶材料によって形成されることが望ましく、その場合には、局所磁化分
布の少なくとも５０％は、磁気分極の方向の周りに対称に配置されている９０°
の象限内に存在し、かつ、該シャフトは、トランスデュスする区域の磁界が、シ
ャフトの近傍の区域において磁界センサから見て正味の磁界の、トルク検出のた
めの有効性を消失させる程度の強さをもつ寄生磁界を生じないように充分に高い
保磁力を有する。特に、そのようなトランスデューサの望ましい態様においては
、シャフトは、立方晶対称性をもち、ランダムな方位の多結晶材料で形成され、
保磁力は１５より大きく，望ましくは２０より大きく、さらに望ましくは３５よ
り大きいことである。

【０００７】好適な実施例の詳細な説明はじめに図１を参照すると、本発明によるトルクトランスデューサ２の全体が
示されている。トルクトランデューサ２は３個の基本的な、しかし必ずしも別個
のものではない要素を有する軸方向に薄いほぼディスク形のセンサよりなる。ト
ランスデューサはディスク形センサを軸８に強固に取り付けるための中心ハブ６
を有する。この取り付けは、ハブ６と軸８とが軸８に加えられたトルクをハブ６
に、またはその逆方向に比例的に伝達させるように、一体化した単位機械として
動作させるあらゆる公知の手段により直接的にまたは間接的に実施されたもので
よい。この取付け手段の例としては、ピン、スプライン、キー、溶接、接着剤、
プレスばめまたは焼きばめなどがある。トランスデューサのディスク１０は磁気
弾性的作用領域であるか、少なくともこの作用帯を含み、ディスク１０とハブ６
とは単位機械として、ハブ６から軸１０にまたはその逆方向に加えられたトルク
が比例的に伝達されるように作動させられる任意の適当な方法でハブ６に取り付
けられる。取り付け手段の例としては、リベット結合や溶接などかある。ディス
ク１０の周縁を囲んでリム１２が有り、リム１２はディスク１０とリム１２とが
単位機械として、ディスク１０に加えられたトルクがリム１２に、またはその逆
方向に比例的に伝達されるように動作する適当な手段でディスク１０の周縁に取
り付けられている。リム１２はほぼ周縁の外側に沿って支配的な接線方向の力を
駆動あるいは被駆動部材に伝達するための力伝達部材１４を備えている。このよ
うな部材は、例えば他のギアの歯とかみ合うギア歯、Ｖ−ベルト用溝、リムが人
の手でつかまれ得るためのリップル模様やその他のモールド部材（例えば自動車
ハンドルのような）、タイヤの取り付け手段、リンクに対するピン接続のような
ものからなる。

【０００９】ディスク１０は所定のトルクに対するストレスを極大化し、かつ有用な信号を
作り出すように、薄いのが好ましい。このことに関してディスク１０の設計寸法
は、半径方向に亘ってストレス分布が可能な限り均一であるものを作るような方
法で制御される。ディスク１０の厚さを変えることがストレス分布制御の最も蓋
然性の高い方法である。しかし、ストレスが以下の関係トルク／２π×（半径の自乗）×厚さにしたがって変動する限り、厚さの制御はストレスに限定された影響しか与えな
いことが分かる。厚さが半径の自乗で変化する限り、ストレスの均一性は半径の
増大とともに厚さを減少させることにより高められる。例えばディスク１０をハ
ブ６での最大厚さからリム１２での最小厚さにまでテーパ付けすることは全半径
領域に亘ってせん断ストレスをより均一なものとすることを助けるだろう。ディ
スク１０がこうむるストレスは第１例では材料とバランスの取れたもので、かつ
材料により限定されている。しかしながらディスク１０は好ましくは有用な信号
を作り出すために比較的高くストレスがかけられる。ストレスは最小で数千ポン
ド／平方インチ(psi)で好ましくは数万ポンド／平方インチである。

【００１０】ディスク１０は、１つ以上の半径方向に区別され、磁気的に隣接し、センサー
の動作あるいはトランスデューサ領域を単独に決める反対に分極された円周磁化
帯または領域から成っている。これはある半径の広がりのバンドの円周方向に、
トルクのない状態(不活性状態）で、少なくともその広がり上には軸方向或いは
半径方向に正味の磁性成分のない状態において、ディスク１０を磁気化すること
によって形成される。ディスク１０の円形形状は完全な回路を準備することで分
極の安定を強める。トルクを与えることによりの応用により、初期磁化の方向は
、正のストレス方向、すなわち正の磁気弾性を持つ材料における張応力方向に転
じ、その結果磁化領域の半径方向端における極の成極をもたらす。分極された円
周帯が中心部分から始まり放射状に広がるところでは、ハブ６から第１の磁化領
域に放射場磁界を形成する。若し、ディスク１０が１以上の磁化領域からなって
いるなら、隣接領域は反対に分極される。かくして、近接領域における放射場磁
場は第１磁化領域の放射状広がりから第２磁化領域の放射状磁場へと拡張し、第
2磁化領域で作られた磁場は第１磁化領域の磁場の反対方向になる必要がある。
その放射状磁場はディスク１０の軸方向近傍に配置された磁場ベクトルセンサ手
段によってディスク１０の材料の外側から検出できる。以下に詳細に説明する。

【００１１】ところで、ディスク１０自身、動作領域は加えられたトルクがゼロに減少する
ときに、各領域の（分極過程の間）構成された円周方向へ磁化を戻す異方性の発
生源を有していなければならない。ＣＷとＣＣＷトルクへの対称的反応を確実に
するため、この不活性状態の異方性成分の分布は円周方向について対称でなけれ
ばならない。トルクに伴う磁気弾性異方性がディスク１０の全ての残留磁気を放
射状成分の生成に寄与させることを確実にするため、不活性中の異方性は、ここ
で、円周方向から４５°以上離れてはならない。言い換えれば、異方性の必要は
円周状の残留磁気を円周的に９０度象限範囲に限定する必要性の表現である。若
し、円周状の残留磁気方向に対称的に配置された９０度象限内に少なくとも５０
％程度の磁化があるならば、十分な実行が得られる。

【００１２】磁気異方性はディスク１０材料の物理的働きによって誘導される。磁気異方性誘導の説明的方法が米国特許番号５，５２０，０５９のコラム１３−１５に開示され、ここに引用されている。いかなる磁化異方性の物理的発生源であろうと、
単独であれ結合であれ、不活性領域の希望する分布達成のために用いられる。異
方性の１つの発生源は方向性であり、原子の種類、格子の欠如、含有物（排除）
または他の化学あるいは一方向性(またはそれらの１つ以上の方向性で、しかし
全方向ではない）構造機能である。磁気異方性の第２の発生源は磁気弾性であり
、それらの自然的な磁気モーメントに相互に関連した自然的な磁歪による歪を持
つ材料におけるストレスの方向性により得られる。異方性の第３の発生源は、デ
ィスク１０の円形形状に特に顕著であり、材料の境界におけるＭの発散により結
合する材料の形である。特に、消磁場は磁化されたものの極から生じ、極が密接
に置かれていればより強烈になる。異方性の第４の発生源は磁性結晶であり、結
晶構造を決める軸と関係する原子（強磁性原子）の磁気モーメント（スピン）の
好ましい方向に帰する。

【００１３】若し、不活性異方性がその原理的発生源として磁性結晶異方性を格子構造の原
子配列の結合すなわち、ばらばらな方向の多結晶材料として持つならば、それぞ
れの結晶が立体対称で（歪んだ立方体を含み、すなわち正方晶系）、＜１００＞
または＜１１１＞の緩い軸であるならば、結晶粒の５０％以上の不活性円周残留
磁気は自動的にこの４５°の要求に合うであろう。鉄とすべての一般の鋼におけ
る磁性結晶異方性はかかる立体対称を有し、かつこのようなもの（この要求に基
づく）は、本発明のトルクトランスデューサに適する材料である。純鉄の異方性
の量は一般的に一般の合金部材により減少される。しかし、タングステンと、少量であるがマンガンの合金は異方性の量を高める。モリブデン、バナジウム、錫
は比較的小さい減少変化となり、一方クロミウムは僅かに純鉄よりも異方性の減少が緩やかに変化する。十分な量のニッケル、コバルト、シリコン、アルミニウ
ムは異方性をゼロ(或いは低く）できる。トルクトランスデューサの使用にあた
って重要なことは、トルクを除去したときにその不活性の円周方向に磁化を戻す
スプリングとなるので結晶（磁性結晶の少ない）の異方性の絶対量が余りにも低
いということである。

【００１４】このように例えば、異方性結晶（Ｋ₁）がλσ_rより少ないならば、（ここでλ
σ_rはシャフトの事前所有の残留磁歪）、Ｋ₁はもはや主たる異方性結晶ではなく
、不活性残留磁気の５０％以上であることによる４５°の配分要求が満たされな
い。トランスヂューサの動作に対して個々に重要な幾つかの材料特性間の相互関
連の重要性が一見される。Ｋ₁とλが構成上（本質的）に従属関係がある資材特
性を有し、σ_r とその他の構造上の従属的資材(例えば織物、化学または構造上の
注文)は、量と、方向性と、不活性的異方性を決める本質的資材と協調する。ま
た、少量のＮｉまたはＳｉはλを有効に増量し、Ｋ₁を減少する傾向になる。こ
のように、ディスク１０に適切な合金を選ぶためにわれわれは注意深く合金の内
容を加減しなければならない。

【００１５】本発明のトルクトランスジューサに適していると思われる材料のカテゴリの
例が以下に示される。各カテゴリにおける階級が示されている。１．マルテンサイトステンレス鋼（好ましくは空気硬化）ＡＩＳＩ／ＳＡＥＧｒａｄｅ：４０３，４１０，４１４，４１６，４２０
，４３１，４４０Ａ，４４０Ｂ，４４０Ｃ２．沈殿硬化ステンレス鋼（クロムおよびニッケル）ＡＩＳＩ／ＳＡＥＧｒａｄｅ：１５−５ＰＨ，１７−4ＰＨ，１７−７Ｐ
Ｈ，ＰＨ１３−８Ｍｏ３．合金鋼（焼入れと焼き戻し−時には、炭化または窒化）ＡＩＳＩ／ＳＡＥＧｒａｄｅ：４１４０，４３２０，４３３０，４３４０
，４８２０，９３１０典型的呼称：アーメット１００，９８ＢＶ４０，９−
４−２０，９−４−３０４．工具鋼（好ましくは焼入れと焼き戻し，冶金学的“純”高合金鋼）ＡＩＳＩＧｒａｄｅ：形式Ａ，Ｄ，Ｈ，Ｌ，Ｍ，Ｏ，Ｔ，Ｗおよび高コバ
ルト高速度工具鋼５．マルエージ鋼（高ニッケル，低炭素）典型的呼称：１８ニッケル２５０，炭素−２５０，ヴァスコマックスＴ−３
００，ニッケル印，マルヴァック７３６６．ダクタイル永久磁石材料型的呼称：ヴィック合金，リメンヂュア，クニッフェ，クニコ，ヴァコゼッ
ト７．磁石鋼型的呼称：ＫＳ鋼，ＭＴ鋼，３．６％クロム，１５％コバルト，タングステ
ン鋼８．特殊合金および他の材料型的呼称：パーメンヂュア，アルファー，アルフェノール，コヴァール，硬
質引き抜きニッケル，硬質引き抜きパーマロイ本トルクトランスジューサーの操作において、磁場は活性領域から生じ、これ
らの磁場は、磁場センサが配置されている空間のみならず、ディスク１０自身に
より占められている空間に広がる。ディスク１０の非活性部分内に食い込む磁化
変化の結果、他の磁場も生じ、これらの（寄生的）磁場も磁場センサが占める空
間領域に広がる。これが、ハブ６とリム１２が非磁性材料で形成されるのが望ま
しい第１の理由である。したがって、活性領域の移動機能を落さないために、重
要なことは、活性領域と比較してあるいは顕著な強度からなる場合、寄生的磁場
は非常に小さく理想的にはゼロであること、掛けられたトルクにより直線的に、
非ヒステリシス的に（または全く非ヒステリシス的に）変化すること、およびシ
ャフトが受ける操作上、環境上の如何なる条件下でも時間とともに安定している
ことである。換言すれば、発生する如何なる磁場も、磁場センサにより判る正味
の磁場がトルク探査目的に有用である活性領域に比較して十分小さくなければな
らない。したがって、寄生的磁場の悪影響を最小限にするためには、磁場弾性活
性領域から生ずる磁場が、トルク感知目的でその有用性を破壊するほど十分な強
度と磁場感知手段より判る正味磁場の有用性を破壊するほど十分な強度とを持っ
た寄生的磁場を生じさせる磁場弾性活性領域に隣接するディスク１０の磁化領域
を磁化しない磁気弾性的活性領域から生ずる磁場が十分高い保磁度を有するディ
スク１０を利用することが重要である。これは、ディスク１０の保磁度が１５エルステッドよりも大きく、好ましくは２０エルステッドよりも大きく、最も好ま
しいのは３５エルステッドよりも大きいことを一般的に意味する。

【００１６】磁場ベクトルセンサ１６は、活動していない周面方向から極性を与えられた磁
化の再方向付けの結果、ディスク１０の活性領域の周りの空間に生ずる磁場の大
きさと極性を感知するための、ディスク１０に対し方向をもって配置付けられた
磁場ベクトル感知装置である。磁場ベクトルセンサ１６は、掛けられたトルクの
大きさを反映する信号出力を提供する。一つの好ましい実施例において、磁場ベ
クトルセンサ１６は、集積回路ホール効果センサである。本発明のトルクセンサ
に関連する使用にとって最も好ましいのは、各活性領域の半径方向範囲を半径方
向に区切るソレノイド形態を有するフラックスゲートインダクタである。その構成により、そのコアの端から端までの磁場が感知される。したがって、単一の点
において只単に感知するよりはむしろ、好ましいフラックスゲートインダクタが
活性領域の半径方向の長さ一杯に沿って感知し、センサの半径方向範囲に沿って
延びる多くの領域から局部モーメントを平均化することである。このセンサの特
性は、そうでなければ、発展する捩り応力に基づいて生ずる磁場の半径方向不均
一性に基づいて発展したかもしれない如何なる不都合な効果をも軽減する。ワイ
ヤ１８は、磁場ベクトルセンサ１６を直流電源に接続し、磁場ベクトルセンサの
信号出力を、ディスク１０を組み込む機械またはシステムのための制御または監視回路のような、受信装置（不図示）に伝達する。磁場ベクトルセンサの形式、
特性、配置および機能についての一層詳細な論議は、米国特許第５，３５１，５
５５号の６−９欄および第５，５２０，０５９号の７−１１欄と２５欄にある。
そして、これらの開示は、参照してここに組み込まれている。

【００１７】ここで、ディスク１０は、一つの磁化された領域を備え、ハブ６とその領域の
放射状の範囲との間に生成して広がっている放射状の範囲（ディスクの半径方向
の全範囲が分極したときには外側の周辺１１）は、活性領域２３上の半径方向に
向かって中心を有しセンサの感知方向が半径方向を向いているセンサによって図
２に示されるように都合よく感知される。それに代わって或いは、さらに加えて
、放射状の範囲は、最もせん断応力の高いディスク１０のハブの端部に位置する
センサ２２により、或いはディスク１０のリム側の端部に位置するセンサ２４に
より感知される。センサ２４に対するリムの位置は、ディスク１０のハブ６の厚
い端部からリム１２の薄い端部に向けてリムにおけるせん断応力が増加するよう
にテーパーがついているときのみ特に都合がよい。デイスクにテーパーが付いて
いない場合にはリム位置における信号は、都合よく検知するには小さ過ぎる。

【００１８】ここで、ディスク１０はハブ６とリム１２との間に広がる反対方向に分極した
二重の領域２６，２８を備えており、磁極は二つの領域の間の「領域壁」３０と
二つの領域の半径方向先端に形成されている。その結果としての放射状の範囲は
ディスクの軸線方向に近接し、「領域壁」の上方に配置された図３のセンサ３２
により感知することができる。それに代わって或いは、さらに加えて、共通モー
ドの範囲を相殺するために、同一の半径方向の線上に沿って配置され、各活性領
域上に半径方向に中心線を持ち、感知方向が半径方向で且つ互いに反対である二
つのセンサ３４，３６を用いることがまた都合がよい。

【００１９】取り囲む範囲からの独立性を保ち、ディスクの揺れを考慮して、二つのセンサ
を用いる場合は例えば図４に示すセンサ２０，２０’のようにディスクの軸線方
向の両側にそれぞれがあるように各センサの位置を決めるのがよい。更に、外側
のリム上における接触を考慮して、センサの円周上の位置は、リム上の軸線方向又は半径方向の負荷の影響を最小化し或いは除去するために選択されなければな
らない。換言すれば、センサを、例えば歯車によって発生するような、リム上の
軸線方向或いは半径方向の負荷に近接する、大きな力のかかる半径位置に配置し
ないことが望ましい。更に、センサは接触の位置から１８０°離れた半径位置に
配置すべきである。

【００２０】ディスク１０のハブとリムへの取り付け方法が何であっても、発生する問題は
、ディスク１０内のねじれ応力が取り付けの部分で不均一であることである。そ
のために、もしディスク１０の全ての半径方向の広がりが分極化されるならば、ハブ６及びリム１２における磁極の強度は周辺において均一ではない。この厄介
な影響は、関連する応力の集中を感じないために分極領域をディスク１０の取り
付け位置から十分離れた位置に制限することによって減少させることができる。
例えば、図１に見られるように。トルクトランスジューサーは、ハブ６とリム１
２に固定されたディスク１０を備え、半径方向に別々に配置されて反対方向の分
極の極性を有する領域２６，２８と、非分極の周端領域３８，４０を有する。更
に、領域壁３０に均質なリングを用いることが都合がよく、材料の不均一性に起因する不活性信号の円周領域差による変動回避のために、このリングはパーマロ
イのような磁化されやすい材料で形成される。「ランアウト」問題を除去するた
めに、半径方向位置対感度の「フラットトップ」伝達機能を得るために、二つの
反対に分極された領域２６，２８の間の半径方向の小さな「デッドスペース」を
残すことがまた役に立つ。

【００２１】本発明のディスク型のトランスジューサはトルクおよび出力或いはエネルギー
を計測することが可能であり、このことは、例えば、ディスク１０がエクササイ
ズ用自転車のチェーンスプロケットだとすると、ディスク１０が回転したときに
磁場ベクトルセンサを通る流路の導磁率を調節するために、例えばその中の開口
であるようなディスク１０上にいくつかの均等に間隔をおいて配置された突出形
状物の配置のように役に立つ。その結果として、ディスク１０に近い空間内の磁
場強度は、等間隔に配置された突出形状に代表されるような外周辺のパターンに
よって強度が変化し、それにより、その結果としての信号はディスクの回転の速
度を表示する。ディスク１０の開口以外の形態はセンサを通る流路の導磁率を低
減するために用いることができる。例えば、磁場調整部はディスク１０の面の周
辺に均等に配置された点状のパーマロイの列であってもよい。その結果としての
信号は、引例として引用しているＵ．Ｓ特許５、５９１、９２５号で開示されて
いると同様な、トルクと同様出力を表示している。

【図面の簡単な説明】図１は本発明のトルクセンサを示す分解斜視図である。図２は一つの環状磁化帯を有する本発明のトルクセンサの平面図であり、磁界
ベクトルセンサの位置設定の説明図である。図３はそれぞれ反対極性に磁化された２つの磁化帯を有する本発明のトルクセ
ンサの平面図であり、磁界ベクトルセンサの位置設定の説明図である。図４は本発明のトルクセンサのディスクとハブとの立面図で、磁界ベクトルセ
ンサの位置設定の説明図である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＣＹ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＧＷ，ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，ＧＭ，ＫＥ，ＬＳ，ＭＷ，ＳＤ，ＳＬ，ＳＺ，ＴＺ，ＵＧ，ＺＷ )，ＥＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ，ＭＤ，ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ)，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ，ＡＺ，ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＵ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＥ，ＧＨ，ＧＭ，ＨＲ，ＨＵ，ＩＤ，ＩＬ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＳＬ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＲ，ＴＴ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＺ，ＶＮ，ＹＵ，ＺＷ【要約の続き】り見られる正味の磁界の力検出目的のための有用性を破壊する十分な力を持つ寄生的磁界を発生させない。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】放射状に離れた位置間にトルクを伝達することを示す信号を
知覚する磁気弾性トルクセンサであって、対面的にほぼ円形の表面と中央回転軸とを有するほぼ円盤状の部材で、強磁性
体で、かつ磁気歪を生ずる第１の磁気弾性域を含み、該磁気弾性域は単独の円周
方向時期的に分極され、さらに前記磁気弾性域に磁気化を戻す十分な磁化非等方
性を有し、前記部材に対するトルクの行使にしたがって、トルクの行使がゼロに
なる場合は前記単独の円周方向であり、それによって、トルクが前記部材に行使
されると前記磁気弾性効果域は行使させたトルクの変化により磁界が発生し、前記部材と第１のトルク送出要素との間でトルクが比例的に送出されるよ
うに、前記部材の前記回転中央軸において直接または間接的に付随するか或いは
部材の一部を形成する第１のトルク送出要素と、前記部材と第２のトルク送出要素との間でトルクが比例的に送出されるよ
うに前記部材の周囲において、直接または間接的に付随するか或いは部材の一部
を形成する第２のトルク送出要素と、前記第１と第２の送出要素の一方がそれを通して前記部材にトルクを送出
する要素であり、他の要素が自己を通しトルクを前記部材上を放射状に部材外送
出する両要素と、前記磁気弾性効果域に近く搭載され、その位置において磁界の強度感知す
る方向性を有し、前記感知に伴って感知信号を出力する磁界センサ手段と、少なくとも前記部材の前記磁気弾性効果域が部材からの磁界で磁化されな
い前記部材の域を磁化する前記部材に近く、有効性を相殺する十分に強い寄生磁
界をトルク感知の目的で前記磁界センサの観点から正味の磁界の有効性を消磁す
る圧倒的強さを有する材料を形成する磁気弾性トルクセンサ。
【請求項２】前記部材が９０°以内に前期単独円周方向に沿って4分円対
象配列の少なくとも５０％の地域的磁化配分された多結晶材料で形成された請求
項１記載の磁気弾性トルクセンサ。
【請求項３】前記部材が各結晶が立体対象である多結晶からなる請求項２
記載の磁気弾性トルクセンサ。
【請求項４】前記部材がマルテンサイトステインレススチール、クローム
とニッケルを含む急冷硬化ステインレススチールおよび、急冷熱処理による合金
スチール、工具鋼、高ニッケル含有マルエージ鋼、延性永久磁石鋼、磁石鋼、パ
ーメンドル、アルファ、コバール硬引ニッケル、硬引パーマロイからなるグルー
プから選出された材料からなる請求項1記載の磁気弾性トルクセンサ。
【請求項5】前記部材の解磁力が15エルステッド以上である請求項1記載の
磁気弾性トルクセンサ。
【請求項６】前記部材の解磁力が２０エルステッド以上である請求項1記
載の磁気弾性トルクセンサ。
【請求項７】前記部材の解磁力が３５エルステッド以上である請求項1記
載の磁気弾性トルクセンサ。
【請求項８】前記磁界センサ手段が固形センサである請求項1記載の磁気
弾性トルクセンサ。
【請求項９】前記磁界センサ手段が磁束ゲートインダクタである請求項1
記載の磁気弾性トルクセンサ。
【請求項１０】磁界センサ手段がその磁界の極性を感知する磁気弾性効果
域において感知するように搭載され、方向付けられたセンサである請求項1記載
の磁気弾性トルクセンサ。
【請求項１１】前記前記磁界センサ手段が磁気弾性効果区域に近接して固
定された請求項1０記載の磁気弾性トルクセンサ。
【請求項１２】前記センサ手段が磁気弾性効果区域上の放射中心に位置す
る請求項1０記載の磁気弾性トルクセンサ。
【請求項１３】前記センサ手段が前記部材の対面する一方の表面に近接し
て位置する少なくとも２つのセンサを有する請求項1２記載の磁気弾性トルクセ
ンサ。
【請求項１４】前記センサ手段が対面する前記部材の両面にそれぞれ位置
する１つづつのセンサを有する請求項1１記載の磁気弾性トルクセンサ。
【請求項１５】前記部材が回転軸の厚い端部から薄い周辺部へ放射状にテ
ーパーしている請求項１１記載の磁気男性トルクセンサ。
【請求項１６】前記センサ手段が前記部材の周辺部に位置する請求項１５
記載の磁気弾性トルクセンサ。
【請求項１７】前記磁気弾性効果域が、少なくとも２つに円周上に分離さ
れて磁気的に隣接し、円周方向に逆に分極された円周的に配置された領域からな
る請求項１記載の時期弾性トルクセンサ。
【請求項１８】前記センサ手段が前記部材に隣接して置かれ、隣接した反
対極性の周辺領域の交差点に置かれている請求項１７記載の磁気弾性トルクセン
サ。
【請求項１９】前記磁気弾性的活性領域は二つの隣接した反対極性の周辺
領域から成り、前記センサ手段は同一の放射線に沿って置かれた二つのセンサか
ら成り、一つのセンサは隣接した反対極性の領域の各々を越えて放射状に中心付
けられている請求項１７記載の磁気弾性トルクセンサ。
【請求項２０】前記磁気弾性的活性領域は、前記部材に適用されたトルク
がないときは、前記部材の放射方向に正味の磁気コンポーネントを持たない周辺
磁気方向性を持つ請求項１記載の磁気弾性トルクセンサ。
【請求項２１】前記第１のトルク送出要素が軸を前記部材に連結するため
のハブ手段より成る請求項１記載の磁気弾性トルクセンサ。
【請求項２２】前記第２のトルク送出要素が力伝達手段を前記部材に連結
するためのリム手段より成る請求項１記載の磁気弾性トルクセンサ。
【請求項２３】前記第１および第２のトルク送出要素が低い導磁性金属で
形成される請求項１記載の磁気弾性トルクセンサ。
【請求項２４】前記第１および第２のトルク送出要素を前記磁気弾性的活
性領域から間隔を置くための低導磁性間隔手段を含む請求項１記載の磁気弾性ト
ルクセンサ。
【請求項２５】放射方向に隔てた位置の間を伝達されるトルクを検出する
方法であって、 (a)対応の通例円形表面と回転の中心軸を持つ鉄磁化の磁気ひづみの円盤形部
材より成る磁気弾性的活性領域を供給する段階であって、前記領域は一つの周
辺方向に磁気極性化され、前記領域に磁化を帰すのに十分な磁気不等性を所有し
、したがって、前記部材へトルクの提供は与えられたトルクがゼロに減少すると
き、前記一つの周辺方向に与えられ、前記磁気弾性的活性領域は、該磁気弾性的
活性領域から生じたトルク誘導磁界が該磁気弾性的活性領域に最も近い前記部材
を有効性を破壊するのに十分な強さの斜交する磁界に昇るまで磁化させない十分
な高さの飽和保磁力を持つ材料で形成され、前記磁界検知手段によって見られる
正味磁界のトルク検知目的のための段階と、 (b)第１および第２のトルク送出要素を提供する段階であって、トルクが前記
部材と前記トルク送出要素の間を目的どうりに送出するように、第１および第
２のトルク送出要素を前記部材に直接または非直接に取り付け、または前記部材
の前記回転中心軸と前記周辺の一部を形成させる段階と、 (c)トルクを前記第１および第２のトルク送出要素を通じて前記部材に送出し
、前記部材を放射方向に送出し、他の前記送出要素を通じて前記部材から送出
させる段階とを有するトルク検出方法。
【請求項２６】前記部材は、４分対象配列の少なくとも５０％の地域磁化
の分布が前記一つの周辺方向まわりの９０°内にある請求項２５記載のトルク検
出方法。
【請求項２７】前記部材は、各結晶が立体的対称を有する多結晶材料から
形成される請求項２５記載のトルク検出方法。
【請求項２８】前記磁気弾性的活性領域の飽和保持力は１５よりも大きい
請求項２５記載のトルク検出方法。
【請求項２９】検査段階は前記磁気弾性的活性領域の近くに間隔を置いて
配置することによって、少なくとも一部分を完了する請求項２５記載のトルク検
出方法。