JP2003507700A - トルクまたは力センサ用磁気変換素子 - Google Patents
トルクまたは力センサ用磁気変換素子Info
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Abstract
Description
素子を組込んだ変換器組立体(アセンブリ)に関する。
手がかりは、磁気弾性に基づくトルクセンサである。磁気弾性変換素子は、トル
クが測定されるべきシャフトに固着されるか、またはそれと一体であり、変換素
子によって放散されるトルク依存磁界が、シャフトの外部にはあるが、シャフト
とは接触しない、放散磁界に応答する検知素子によって検出される。検知素子の
例は、ホール効果素子、飽和コイルセンサ、または当該技術において周知の種々
の他の磁界感応性素子である。実際には、検知素子は素子の組立体であってもよ
いことは理解されよう。例えば、複数の検知素子が、シャフトの軸の回りに配設
され、トルク依存磁界に対して加えられるが、地磁気のような外部磁界に対して
打消すよう相互接続される。
わち環を形成する。磁界は、常時はエレメント内に包含される閉ループを形成す
る。変換素子の一形態は、全て Garshelis に付与され Magnetoelastic Devices
, Inc. へ譲渡された、米国特許第5,351,555号、第5,465,62
7号および第5,520,059号に開示されるようなシャフトへ取付けられた
別体の磁気弾性材料のリングである。リング変換素子では、リングは、リング内
に閉じ込められている円周方向磁界を保持している。つまり、磁界はトルクの無
い場合には外部から検出できない。シャフトのトルクが磁気弾性リングへ伝達さ
れる場合、外部磁界が放散され、センサ装置によって検出される。
、国際特許出願PCT/GB99/00736(WO99/56099として1
999年11月4日に公開)に開示されており、ここでは、変換素子は、トルク
が測定されるべきシャフトの一体部分である。これは、別体のリングをシャフト
へ適正に固着する際の問題を回避する。一体の変換素子の手がかりは、公開され
た国際特許出願WO99/21150およびWO99/21151にも開示され
ている。
い現象である。従って、トルク検知に対して殊に適切な変換素子に用いられても
よい他の形態の磁化を探求することが一般的に望ましい。
動、または長期間の磁界変化に対してセンサシステムを較正することが困難であ
ることにある。無トルクのもとで確実に検出できる磁界を作り出さない変換素子
は、較正の問題を与える。
6099)に記載されている好ましいトルク変換システムにおいて高められても
いる。シャフトは、軸に沿った3つ以上の区域に直接磁化される。3区域の場合
を取ると、内側区域が一方極性で円周方向に磁化され、反対極性の円周方向磁化
で磁化されたそれぞれの外側区域で脇を固められる。内側区域は変換素子を提供
し、2つの隣接する外側区域は、保護と守護区域(guard and keeper regions)と
して作用する。
すなわち、円周方向磁化と対照的に軸方向にある磁化を使用して、磁化可能な材
料のシャフトに一体に設けられる。
れる内側区域を有する3つ以上の長手方向磁化区域を備えることによって、内側
区域が変換素子として使用されることを可能にするその一方で、2つの側面区域
は素子のための保護つまりキーパー区域として作用する。3つ以上の交互極性の
区域が設けられてもよく、内側区域は変換素子として、隣接する内側区域のため
のキーパーおよび保護区域として作用する。キーパー、つまり保護区域としての
追加区域の配置は、変換素子区域の磁化を維持することを助け、特に変換器が強
い磁界のあるところで使用される場合、シャフトに誘導される他の磁界から素子
を絶縁することを助ける。長手方向磁化変換器の安定性を高め、シャフトにおけ
る他の磁界の素子への影響を緩和するこれらの処置は、保護区域目的のために長
手方向磁化を用いる必要は必ずしもない。非変換素子の保護区域は、変換素子が
その内部で動作する安定した磁気的環境を提供する意図で、円周方向に磁化され
てもよい。
は、材料が磁気弾性を示すか否かにかかわらず、実施できることが示された。そ
れは磁化区域が、方向はトルクの作用であり、較正目的のために基準として使用
され得るシャフト外部にあるフリンジ磁界を示すことが提案する長手方向磁化の
特徴である。本発明は、シャフトの環状表面帯域へ本質的に閉じ込められる磁化
で実施されてもよい。本明細書に開示し、下に検討する長手方向磁化は、接線方
向つまり円周方向成分を有するトルク依存磁界を発生させることによって検出さ
れる。この磁化の形態は、円周方向検知の長手方向磁化と称することができる。
ゼロトルクでも存在する外部磁界の軸方向つまり並行成分は、基準として利用さ
れてもよい。
は剪断力を測定する概念も含む。便宜上、トルク、曲げおよび/または剪断力を
受けるそのような細長い部材全てを、回転する意図の有無にかかわらず「シャフ
ト」と称することにする。本発明は、主として、シャフトの駆動端へ与えられる
トルクを他端に結合される負荷へ伝達する長手方向軸の回りに回転可能なシャフ
トに関連して検討し、説明する。しかし、トルク測定は、シャフトの負荷端が効
果的に固定され、トルクを発生する力が他端に与えられる幾つかの場合にも要求
され得ると理解されよう。
される。本発明の実施において、シャフトがその円周に対して他の断面形状であ
ってもよく、中実でない断面が使用できてもよいことは以下の記載から理解され
よう。例えば、中空のシャフトが、所望の長手磁化を保持するよう十分な壁厚を
有するという条件で、説明する様式で磁化されてもよい。
ている。
料の中実シャフト10を示し、シャフトは3つの近接するつまり密接に隣接する
区域20、22、24を有し、それらは矢印で示すように長手(軸)方向に磁化
される。区域は図示の明瞭さのために陰付されている。区域はシャフトの一体の
部分である。これらの区域は交互の極性で磁化され、それにより隣接する区域は
相互に同種の磁極、例えば、図示のようにNとNおよびSとSとなる。各区域で
は、磁化はシャフト円周の周りの環状帯域に広がる。区域は、磁極が相互反発効
果を及ぼし、それによって磁束が放散されるのに十分密接している。
つまり直径断面を示し、その区域での磁化およびそれによって生成される磁束を
図示する。内部磁化の特性は、図7aと図7bを参照して下に更に充分に検討す
る。図2aは、磁化がシャフトの表面で環状帯域26内に広く確立され、磁化が
円周の周りで同じ軸方向(図面の紙面に鉛直)にあることを図式的に示している
。磁化が広がる深さは、磁化に用いられる磁界の強度に依存する。従って、シャ
フトの全断面に対する環状磁化帯域の半径方向の広がりの関係は、シャフトの直
径に依存する。
て、シャフトが中実または実質的にそうであることを想定すると、大部分の磁束
がMiで示すように比較的高い透磁率のシャフト材料内に内部で閉じ込められる
ようになることを図示している。シャフトを通る中央の軸方向内径は、軸方向芯
材料がもし磁束があるとしてもほとんど保持しないので、それ程影響がない。図
2bは、幾らかの磁束Mfが帯域26の磁極をシャフト外側の外部フリンジ磁束
として連結することも示している。外部は低透磁率の空気経路であると想定され
る。フリンジ磁束Mfの接線方向成分は、トルクが与えられる場合にシャフト1
0の表面外部に載置される非接触のセンサ素子30aと30bによって検出可能
である。軸方向に向けられるつまり並行した成分は、個別にセンサ32によって
検出される。いずれの直径も横切る帯域26は、同じ軸方向に磁化されるが、下
に検討するように、結果として異なるセンサ出力となる2つの部分26aと26
bを含む。これも下に更に検討するように、区域22に関連する磁界は、回転の
軸A−Aと同軸であるトロイダル形状を有すると考えられ得る。
接する区域20と24によって側面に位置されることが好ましく、ここで、同種
磁極の相互反発効果が区域22からのフリンジ磁束Mfの提供を強制する補助を
する。区域20と24は、区域22の長期間磁化を安定化する助力もし、シャフ
トに沿った他の場所で誘導され得る磁界から区域22を防護する助けもする。区
域22を、以降、変換素子または区域と称する。区域20と24を、キーパーお
よび保護区域と称する。説明すべき別の実施の形態では、4つ以上の軸方向に配
設される交互極性の区域を用いることができ、ここで内側区域は、変換素子とし
て、そしてキーパー、つまり保護区域としての両方の役を果たすことができる。
既に述べたように、区域20と24の防護つまり保護機能は、これらの区域を円
周方向に磁化させることによっても実現化されてもよい。
は、右側端から見た際に時計廻りのトルク(矢印CW)のもとで、および、反時
計廻りのトルク(矢印CCW)のもとでの場合のシャフトを示す。シャフトは、
回転し、例えば、負荷を伝達していてもよいし、または、静止し、左側端で固定
されていてもよい。図3aと図3bと関連して、図4aと図4bは、図2bにお
ける26aと26bのような帯域部分からのフリンジ磁界Mfのベクトル図であ
る。シャフトにおけるトルクの欠如で、各帯域部分における磁界Mfは、同じ極
性で軸と平行にある。接線方向つまり円周方向における磁界の成分は無い。
、与えられたトルクのもとでシャフトの外部で検出可能な磁界に何が起るかであ
る。コバルト鋼シャフトについての実験では、シャフトがトルクのもとに置かれ
た際に、円周方向に向けられた磁界成分Msが、変換器区域、例えば、22で生
成され、与えられたトルクとその方向に依存する大きさと方向とを有することが
実証された。その上、この成分は測定可能であり、トルクセンサ構成の基礎を提
供する。トルクのもとで生成される外部磁界の現在の理解を以下に検討する。こ
の説明は、シャフトが示すであろう磁気弾性を考慮に入れない。この発明の実施
での良好な結果が、S155とS156航空電子用鋼および別の高性能鋼FV5
20bで、そして、14−Cr−Ni.14として知られる鋼合金で得られた。
5%までのNiを有する鋼が良好な結果を与え、より詳細には1.5%から5%
間のNi、好ましくは、2〜4%Niであった。
シャフトの表面に沿って引かれた回転軸A−Aに平行な線が偏向するであろう。
同じように、磁界は図3aと図3bに矢印で図示するように偏向される。
f'を示す。(傾斜は図示の明瞭さのために誇張されている。)現在の知識で最
良に説明され得るように、磁界ベクトルMfは、円周方向、即ち、シャフトに対
する接線方向の成分Ms、およびゼロトルクの磁界Mfの方向にある軸方向成分
の直交成分に分解可能である。成分Msは、トルク依存でもあり、測定可能でも
ある。同じベクトル図は、その部分の表面の垂直上の点から見た場合、帯域26
のいずれの小さい長手部分に対して適用される。図4bは、トルクが反対方向で
ある場合の相補的結果を示す。ここでは、成分Msは反対方向にある。しかし、
シャフトが、例えば帯域部分26aの垂直上の固定点から考えられる場合、図4
aのベクトル図はCWトルクに適用されるが、この観測点から図4bのベクトル
図は直径で対向する帯域部分26bに対して適用される。従って、図2aの断面
で見ると、直径で対向する部分で生成される成分Msは反対方向を有する。外部
磁界の影響を打消すことにこれを利用し得る有利点を、下に検討する。
クを表す信号出力を導くための適切な回路と共にセンサ素子構成とを必要とする
。磁界に応答する多くの種類の検知素子は、コイル、殊に飽和誘導子素子、ホー
ル効果素子および磁気抵抗素子を含んで知られている。本発明を実施する目的の
ために、測定されるべき磁界の方向つまり配向に敏感な素子を使用することが好
ましい。より詳細には、飽和誘導子タイプの素子が使用されてもよい。そのよう
な素子と、それと共に使用される信号調整および処理回路との例は、公開された
国際出願WO98/52063に記載されている。
bを示し、一対の素子は、シャフト10に隣接して相互に直径で対向して、変換
器区域22の境界によって確定される軸方向限界内に、そのフリンジ磁界内にあ
るように配設される。各検知素子30aと30bの応答の軸は、円周方向磁界成
分Msの方向に軸合わせされる。図1に示される同じ種類の更なるセンサ素子3
2が、変換器区域22に隣接して配設されるが、フリンジ磁界Mfに応じるよう
軸方向に軸合わせされる。センサは、シャフト10に対して非接触である。
ると、26aと26bのような2つの直径において対向する帯域部分でのそれぞ
れの磁界成分Msは、反対方向に向けられており、それに対して、地磁気のよう
な周囲の外部磁界Eは両検知素子において同じ方向であることが分かる。直径で
対向する成分Msのための一対の反対方向に向けられた検知素子の設置は、Eの
ような外部磁界を打消す一方でMs成分を加算するように行われる。これを図2
cの回路で図示し、ここでは、2つの検知素子30aと30bがMs成分と軸合
わせするよう配向され、外部磁界を打消す一方でMs成分を加算するよう処理回
路36へ接続される。検知素子の種類と、個々の素子がそれの信号出力に関して
利用される方法とに依存して、各素子は、素子に関連する個々の駆動/検知回路
を、所要出力を取得するための信号合成回路と共に有することが認識されよう。
磁界がゼロトルクにおいて変換素子内に閉じ込められる円周方向磁化区域を使用
する先に公開された磁気弾性トルクセンサと比較して、追加の恩恵も提供する。
フリンジ磁界は、別体の軸方向に配向された検知素子32によって検出できる。
これは、30aまたは30bのような素子であってよいが、それと直角に軸方向
で配向される。検知素子32は、無トルク状態のシャフト10を表す信号を提供
し、それに対するトルク依存Ms成分を比較する基準つまり較正値を処理回路3
6へ提供する。区域22における磁化が変化する場合、特に時間経過で劣化する
場合、MfおよびMs値は等しい比率で影響され、Ms値はそれに応じて補正さ
れるであろう。
れの方向からの磁界へも拡張することができる。
側に設けられるが、センサ30aおよび30bに対して直交に配設される第2対
のセンサ30cおよび30dと共に直列に接続されている。4つのセンサは、適
切な処理電子機器36への接続のために図示のように直列に接続される。図2c
のように、センサ30a、30bでのMs成分は加算し、その一方で外部磁界E 1 は打消されることが分かる。同様に、センサ30c、30dに作用するMs成
分は加算し、センサ30a、30bでのMs成分に対しても直列回路で加算する
。E1に直交する磁界E2は、センサ30c、30dで打消される。いずれの方
向からの外部磁界も、E1およびE2方向での直交成分を構成することが考慮で
きるので、打消す。
以上の隣接する磁化区域の使用である。図5は、隣り合う区域が密接に隣接する
シャフト軸に沿った4つのそのような区域40、42、44、46を示す。4つ
の区域は、交互の極性で長手方向に磁化される。この実施の形態では、2つの内
側区域42、44が変換素子として使用され、それぞれの区域の境界によって設
定される軸方向限界内に設置されるそれぞれの検知素子48aと48b(これは
、既に説明したような直径で対向する対であってもよい)を備える。外部区域4
0と46は保護/キーパー区域として作用する一方で、内側変換器区域42、4
4もまた相互に対してそれぞれのキーパー/保護区域として作用することが分か
る。検知素子48aと48bは、軸に対して横断的に、即ち、図2aと同様に、
Ms成分に応答するように配向される。
用途は、外部磁界Mfへのアクセスがシャフトの片側だけで実行可能であり得る
場合である。この場合には、シャフトの同じ側面の素子48a、48bは、シャ
フトがトルクの下にあるときに、区域42と44から反対極性のMs成分を受け
るであろう。しかし、地磁気のような周囲磁界は、両方で同じ方向にある。従っ
て、図2aおよび2cとの類似性によって、Ms成分は、加算できる一方で周囲
成分を打消す。余地がある場合、図2dのような直交配置を用いることができる
。 ここで、シャフトが、上で検討した円周方向検知の長手方向磁化のために磁化
される方法に注目する。
、先ず望ましいのは、シャフト、または磁化される区域または複数の区域に関係
するシャフトの少なくともその一部に、前磁化処理(pre-magnetisation process
)を施し、それによってシャフトが磁気的に浄化されることである。磁気的浄化(
magnetic cleansing)に好適な素子の一形態を図12に示す。該前磁化処理は、
所要の磁化区域の形成が必要なシャフトまたは他のセンサーホストへ適用可能で
ある。この処理により、不明の磁界パターンが形成されているシャフトを脱磁つ
まり消磁する。
械的および/または熱処理の操作を受けたものであるかもしれない。シャフトは
、不確定な磁界にさらされて、それを捕捉したかもしれない。そのような未知な
点は、変換器性能に有害である。従って、ほとんどの場合、シャフトは前磁化処
置を通されて、上で磁気的浄化と称し磁気的に確定した状態にされる。
素子を作り出すための磁気的過程が比較的低いレベルの磁界強度を使用する場合
、センサの対象を完全に脱磁することがますます重要になる。こうした中で、磁
気的浄化が意味することは、消磁つまり脱磁の処置の結果、シャフト材料の個々
の粒子の磁気的方向が不規則であり、それにより何れの特定方向における磁気ド
メインのグループ化も存在しない。磁区グループ化があって、個々の粒子の幾ら
かの組織化された磁気的配向を提供すると、それは磁化変換素子の不具合に通じ
る。例えば、測定磁気的信号のオフセットの増加;シャフト回転角の関数として
の信号の不均一性;および、変換素子の時間経過で安定性の低下;などである。
はならず、例えば、好ましくはセンサの対象には不確定な局所磁石系が無いよう
にシャフト全体が脱磁されるべきである。とりわけ、シャフト軸に平行な「棒磁
石」の形成は、時間経過でシャフト内を移行して、現在進行形ベースでセンサ仕
様に影響を及ぼすことがある。磁気的浄化にもかかわらずそのような磁界が残存
する場合、保護磁界が、この可能性を緩和する方策となる。
巻かれた脱磁コイル80、主電力供給された変圧装置82、および電流制限器8
4を備える。18mm直径のシャフトにとって好適なコイルは、強電流搬送容量
ケーブルを巻数300で約30cmの直径にしたコイルであった。ソレノイドコ
イルに巻かれた外側導体の重装同軸ケーブルが好適であることが立証された。変
圧装置82は、110または240VACの主AC電源へ接続された可変変圧器
86を備える。これは、次にその2次巻線で、およそ48Vまでの電圧で10ア
ンペア以上を安全に送出する能力のある絶縁変圧器88へ接続される。コイル8
0は、電流制限器84を通し変圧器88の2次巻線へ接続され、電流制限器84
は、抵抗器、例えば、電力レオスタット、またはさらに精巧な電子素子であって
もよい。コイルを通る電流を監視する措置が取られる場合、電流制限器は省略さ
れてもよい。普通のコイル抵抗は、約100ミリオームであろう。変圧装置を変
更することによって、電流を望み通りに制御することができる。
の全長がコイルを通過する。これは、約1kガウスの消磁磁界を作り出す。普通
には、500〜1200ガウス範囲の磁界を達成することが期待される。このシ
ャフトは、コイルの軸に沿い移動する可動冶具上に搭載でき、移動はシャフトの
遠い端がコイルを離れるまで続き、それによりシャフトが受ける磁界は次第に減
少する。消磁処置を達成する他の方式もあり、それはコイルに対するシャフトの
軸方向位置の関数とするコイル電流の制御を含む。
よび円周方向磁化を含む、広範な磁気変換器種類へのさらに一般的な適用可能性
をもたらすと考えられる。
より低いレベルの磁界で行うことができる。この措置はまた、上で明示されたよ
うな他の方式で磁化されたセンサの対象を安定化するためにさらに一般的に適用
されてもよい。
、再び、通電されたソレノイドコイル80を軸方向に通過する。しかし、コイル
を通るAC電流は、前磁化処置の場合より一桁低い。上記前磁化の例で、前磁化
で用いた8〜10Aの電流は、後磁化用におよそ0.5〜1Aへ低減される。こ
の電流値は、確立されることを求められた基本磁気パターンを変化させない値で
あるが、最良に推量され得るように、磁化処置後に存在し得る寄生磁界を低減す
るか、または拒絶する。後磁化ステップは、シャフト回転に伴う出力信号の均一
性、時間経過によるオフセット、および最終センサ安定性を一般的に改善するこ
とが判明した。
る磁化処置に戻り、これをここで非常に詳細に検討する。 それぞれの長手方向磁化区域の磁化は、図6に示すように、十分なパワーの馬
蹄形つまりU字形磁石50に相当するもので行うことができる。シャフトに向き
合う磁石の磁極面は凹面を、シャフトに対して良好に一致させることができる。
磁石50は、永久磁石または電磁石で実現化できる。後者は、磁化磁界の強度に
わたって大幅な制御を提供する利点を有する。シャフト10の周りの環状帯域に
わたる長手方向磁化を得るために、磁石およびシャフトは、シャフトの軸A−A
の回りで相互に対して回転される。磁化は、52で示された材料の少なくとも表
面帯域を飽和するに十分な磁界強度で行われ、その結果、材料はその残留磁気値
に等しい磁化を残される。磁化は、シャフト外部へのフリンジ磁束は大部分が表
面近くから生成されるので、あまり深くまで広がる必要はない。しかし、より深
い磁化は、最小限のノイズを持つ出力信号を取得することに役立ち得る。
すると判明した。磁石構造は、2つの強力に磁化された磁極片54aと54bを
備えることができ、磁極片は、シャフトに密接に隣接して配置されるそれぞれの
端部と、U字形の基部を形成する低い磁気抵抗部材56によって磁気的に接合さ
れるその遠端部とを有する。部材56は、磁束エンハンサとして作用して、シャ
フト10に入る磁極端部間の磁束を増大させる。磁極片54aと54bは、それ
ぞれがシャフトの軸方向における幅である軸方向幅wと、幅wより実質的に大き
い磁極間の軸方向間隙gとを有する同じ寸法を持つ。例えば、満足できる性能は
、g/w≒3で達成された。試験した実施の形態では、磁極片それぞれは、10
×3mmの断面を有し、3mm寸法を軸(w)方向で有し、10mm寸法が接線
方向にあるように配向される。間隙gは10mmであった。この構成によってシ
ャフトに誘導された環状磁化は、磁石50の磁極に隣接する優勢磁化を生成する
。磁極によって生成される磁束は、間隙区域ではあまり効果的でないが、それで
も、図7と8を参照して更に検討するように、磁束経路は帯域52全体にわたっ
て軸方向に確立される。
磁化で磁化されることを許容する。図6aに示すように、磁石構造は、共通の磁
石脚部が2つの隣接する磁石に対して連帯して使用されることを可能にする。図
6aは、特に3区域を同時に磁化するための構造を示す。
において、図2aに示した22のような表面の隣接する環状帯域を図示している
。図7aは、いずれの直径の軸方向断面でも磁石NSとして表される環状帯域を
示し、ここでは、帯域22でS−Nに生成される磁束は、材料の内部内の経路で
大部分は閉じられる。外部のフリンジ磁束はここでは示されていない。この解釈
によると、左の断面図が反対方向の磁束を異なるシューディングで示す図7bに
示すように、磁束は磁束線のトロイドとして存在するであろうことが論考される
。
い。測定の大幅な確実性と制御のために、シャフトの断面の磁化の状態がよりよ
く確定される2段階磁化処置を行うことが望ましいであろう。これを図8aは、
所定の軸方向極性の磁化を作り出すようシャフトのさらに深い磁化の第1段階を
示す図8aに図示する。
に強い印加磁界を必要とする。次に、磁化の第2段階は、第1段階の極性と反対
の極性であり、図8bに図解するように、一方極性の外側環状帯域と外側帯域の
半径方向内方に配置される反対極性の内側環状帯域とを残すようにその強度が選
択される磁界を印加することによって行われる。2つの環状帯域は、互いを介す
る磁束経路を閉じて、安定した明確に確定された磁気的状態を達成する援助をす
る。再び、磁束線はシャフト内のトロイドを画成する。安定した明確に確定され
た外部フリンジ磁束が確立されよう。
果を達成する磁気材料の性能は多様であろうことが認知されよう。
関連している。満足できる実験結果が、ある割合のニッケル、および可能な場合
にはコバルトも含有する鋼で達成された。実際の状況では、トルク伝達シャフト
用の材料の設計および選択は、多分に、他の機械的工学的動作環境上の配慮に依
存するであろう。
磁化配置を図示している。図9では、シャフト10は、シャフトと同軸であるコ
イル60によってソレノイドコイルの様式で取囲まれる。コイルは、磁化される
べき区域の軸方向長さに適切な軸方向寸法を有するであろう。コイルを電流ソー
ス(I)から電流供給することにより、長手磁界が生成されてコイル内の区域を
長手方向に磁化し、コイルにおける電流の極性が磁化の極性を決定する。
御は、2段階磁化を行うことに行使できる。例えば、図8aに合致する鋼シャフ
トを磁化するためのコイルは、第1段階に対して20Aの直流で、第2段階に対
して5Aの反対極性の電流で電流供給された。
図10の線図からさらに良好に認識され得る。シャフト10は、コイルが巻かれ
る、すなわち、コイル内径がシャフト直径に密接して一致する。密接に嵌合する
巻型62内に受容される、磁化されるべきシャフトの一部分22'を有する。図
10は、個々のコイル巻数64(幾つかの巻数だけを示す)に関連する磁界66
を図示する。個々の磁界成分は、矢印68で示すような部分22'の表面でおよ
び隣接して合成して表面帯域の長手方向磁化を作り出す。この帯域が広がる深さ
は、コイル60へ印加される電流に依存する。従って、図8aの磁化を達成する
ことにおいて、一極性の大きな電流パルスは、最初に印加され、図8bにおける
ような磁化の第2段階を達成するため、反対極性のより小さな電流パルスが印加
される。電流パルスは、短い持続時間だけ必要であることに注意されたい。
場合には、コイルはシャフトを磁化することに使用されるコイルと同じであって
もよいが、しかし磁化電流を搬送することに必要とされるよりも細い太さの線の
一つが好ましい。
のような、他の力を測定することにも用いられてもよい。曲げまたは剪断力のよ
うな力は、結果としてシャフトを中心とした磁界の歪になるであろう。
する部材70を示す。部材70は、長手方向に磁化され、上記で説明した区域2
2の様式で変換器区域76を提供する。区域76は、剪断力に応答するように配
置される。区域22で生成された剪断力は、磁界Mfの方向の偏向を引起すこと
に寄与し、部材70に作用する力の測度として横断成分Msを生成するであろう
。
の下側部を圧縮するように作用し、結果として、例えば、図14aと図14bに
示すように不均一なフリンジ磁束になってもよい。適切に位置決めされたセンサ
の使用によって、磁界の変化が測定でき、これから与えられた力の決定を行うこ
とができる。例えば、一つの方向の曲げ力が決定されることになる場合、2つの
センサがこの方向において必要とされよう。3つ以上のセンサが2方向での曲げ
力を決定するために必要とされよう。
1bが使用される場合、4つのセンサによって測定された磁束を平均することに
よって、与えられたトルクが決定され、センサ160aと160bとの間、およ
びセンサ161aと161bとの間の測定された磁束の差が、それぞれ垂直およ
び水平の曲げ力を決定することに使用できる。
ンサーシステムを図式的に示す。
し、図2cおよび図2dは、周囲の外部磁界の影響を打消すための回路を示す。
域を同時に磁化するための構成を示す。
は、図7aに示す区域内に確立される磁束のトロイドを横断面および軸方向断面
で示す。
2段階磁化手順を図示する。
を使用する、シャフトのための別の磁化配置を示す。
生成される磁界を示す。
す。
を示す。
Claims (12)
- 【請求項1】 トルクまたは力変換器のための変換素子であって: 部材の環状表面へ延びる磁化可能材料の環状区域を有する前記部材を備え、 前記環状区域は、前記変換素子へ伝達される、与えられた応力のもとでの磁界
の偏向が、前記与えられた応力の作用である円周方向磁界成分を生成するように
長手方向に磁化される変換素子。 - 【請求項2】 前記部材は、前記円周方向磁界成分がトルクの作用であるよ
うに前記環状区域が回りに延びる軸を中心としてそこへ与えられるトルクを有す
るように成される、請求項1に記載の変換素子。 - 【請求項3】 前記円周方向成分は、与えられた応力がゼロの時にはゼロで
ある、請求項1または2に記載の変換素子。 - 【請求項4】 更に、前記最初に記載した環状区域の内方に配置され、前記
最初に記載した環状区域の極性と反対の磁気極性で長手方向に磁化される環状区
域を備える、請求項1、2または3に記載の変換素子。 - 【請求項5】 前記部材は、前記最初に記載した環状区域に隣接し、環状表
面へ延びる磁気材料の少なくともひとつの更なる環状区域を備え、前記少なくと
もひとつの更なる環状区域は、前記最初に記載した環状区域の極性と反対の極性
で長手方向に磁化される、請求項1、2または3に記載の変換素子。 - 【請求項6】 前記最初に記載した環状区域の反対側に2つの更なる環状区
域がある、請求項5に記載の変換素子。 - 【請求項7】 前記部材は、前記変換素子に隣接する磁気材料の少なくとも
一部分を備え、各保護部分は、前記部材の環状表面へ延びる環状の外側区域と、
前記外側区域の内方に設置される環状の内側区域とを備え、前記環状の外側およ
び内側区域は、長手方向に磁化され、互いに、および前記変換素子の前記最初に
記載したものと更なる環状区域のそれぞれと反対の極性の磁化を有する、請求項
4に記載の変換素子。 - 【請求項8】 前記変換素子に隣接する2つの部分がある、請求項7に記載
の変換素子。 - 【請求項9】 前記部材は、その軸を中心として与えられるトルクを有する
ために取り付けられるシリンダー状の、好ましくは断面円形のシリンダー状の本
体である、請求項1〜8のいずれかに記載の変換素子。 - 【請求項10】 請求項1〜9のいずれかに記載の変換素子と、前記円周方
向磁界成分を検出し、それを表す信号を提供するよう配設および配向される磁界
センサ素子とを備える変換器。 - 【請求項11】 更に、前記変換素子の前記環状表面の外部にある長手方向
フリンジ磁界を検出し、それを表す信号を提供するよう配設されて配向される磁
界センサ素子を備える、請求項10に記載の変換器。 - 【請求項12】 前記円周方向磁界成分および前記長手方向フリンジ磁界を
表す信号に応答して、前記長手方向フリンジ磁界成分を基準とする前記円周方向
磁界成分を表す出力信号を生成する信号処理回路を備える、請求項11に記載の
変換器。
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