JP2005512081A

JP2005512081A - 磁気トルク／力変換器

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Publication number: JP2005512081A
Application number: JP2003551498A
Authority: JP
Inventors: アクセルマイルッツ
Original assignee: ファーストテクノロジーアーゲー
Priority date: 2001-12-10
Filing date: 2002-12-09
Publication date: 2005-04-28
Also published as: WO2003050493A1; GB0129510D0; EP1456617A1; US20100018328A1; AU2002358111A1

Abstract

トルク変換器は、トルク（T）の影響を受けるシャフトの強磁性領域２０を利用する。巻型３２が保持するコイルＬ_Ｄは領域２０に巻きつけられており、領域２０は巻型３２の内部で回転可能である。コイルＬ_Ｄは電流Ｉによって通電され、領域２０に磁場を発生させる。また、１つ以上のセンサ２３は領域２０およびコイルＬ_Ｄに隣接し、トルク依存の接線（円周）磁場成分を領域２０の外で検出する。電流Ｉは直流でも交流でもよく、周波数選択的な検出が可能である。コイルＬ_Ｄとセンサ２３とは不可欠である。センサ２３は、コイルＬ_Ｄ内の領域２０における軸の歪みまたは傾斜に敏感である。変換器は、軸や他の周辺部に加えられる力によって、歪み、傾斜、回転の軸となる動きを提供するよう構成してもよい。

Description

本発明は磁気トルク変換器および磁気力変換器に関する。また、本発明は変換器のアセンブリに関する。こうしたアセンブリはトルク変換器または力変換器に用いてもよい。本発明はさらに、センサデバイスにも関する。センサデバイスは例えばトルクの測定に用いられるが、これに限定されない。ある使用例において、このセンサデバイスは、歪みまたは傾斜を補償する一方でトルクを測定する。あるいは、トルクを測定する一方で歪みまたは傾斜を補償する。

磁気トルク変換器は非接触トルクセンサに用いられ、特に長手方向の中心軸について回転するシャフトに適用される。磁性領域が発生するのはシャフトの内部またはシャフト上である。シャフトは外部にトルク依存の磁場を作り出す。磁場を検出するセンサとシャフトとは接触しない。

トルク変換器において変換素子として用いられる磁性領域の１つは自励式である。この磁性領域は永久磁化領域、または強磁性体などを磁化した磁化領域の一部であり、外部トルク依存磁場を発生させる。変換領域は、「符号化」領域と称されることもある。これは、磁化の所定の設定がこの領域に格納されるためである。

格納された磁化は、強磁性シャフトの全体を円周方向に磁化する特許文献１に記載の装置と同様であってもよい。あるいは、特許文献２に記載されているように、円周方向に磁化されシャフトに固設されたリングであってもよい。円周方向の磁化はシャフトの周囲に閉じたループを形成する。また、印加されたトルクに応じて軸方向の外部磁場を生み出す。

格納された磁化は、シャフト全体において中心軸について環形をとる場合もある。このとき、磁化は長手方向、すなわちシャフトの中心線と同じ方向である。長手方向の磁化の一例として知られるのは、特許文献３に記載の円周（接線）検知である。また、別の例としては、特許文献４に記載のプロファイルシフト(profile-shift)がある。

自励式変換素子とともに用いられるセンサデバイスは、ホール効果型、磁気抵抗型、あるいは飽和磁心（飽和インダクタ）型であってもよい。これらのセンサデバイスは方位に敏感である。また、これらのセンサデバイスは最大感度の中心軸と最小感度の直交軸（面）とを有する。

別の種類の磁気変換領域は、通電したコイルを変換領域の周囲に巻きつけることによって外部で励磁される。外部励磁式変換器の一形態には変圧器型がある。変圧器型の場合、変換領域は通電コイルと検出器コイルとを連結する。連結した２つのコイルはトルク依存である。例えば、変換素子の透磁性はトルク依存であってもよい。変圧器型の変換器は交流通電される。変圧器型の変換器の一例は特許文献５に記載されており、同例における変換器領域は特に表面に磁気異方性を有する。

特許文献６には、外部励磁式変換領域の別の例が記載されている。ここでは、２つのコイルとシャフトとを同軸に設置し、印加されたトルクをシャフトで測定する。２つのコイルは軸方向に離隔し、間の変換領域を区画する。また、コイルは通電され、長手方向に所与の極性の磁場を誘発させる。

変換領域の長手方向の磁場はトルクの方向に歪められ、シャフトに印加されるトルクに依存して外部に円周（接線）磁場成分を発生する。磁場の中心軸方向の成分は個別に検出され、円周成分の測定基準となる。

特許文献６においては、離隔した２つのコイルが、ある周波数のとき交流通電される。この周波数は、例えば本線から取った電源周波数などのノイズ周波数と区別可能であるように選択された周波数である。また、センサ出力も周波数選択的な方法で検出される。センサ出力の検出と交流通電とは同時であってもよい。感知される外部磁場は、２つの離隔した磁性材料の環によって増強される。２つの環は変換領域に取り付けられ、間の凹部に長手方向の磁場の外部成分を確立するのを援助する。円周（接線）配列のトルク依存磁場に対応するセンサ装置は、この凹部に配置される。

前述した変換器の利点は、変換領域と格納された磁化とを一緒に符号化しなくてもよいという点である。しかし、変換領域は離隔した２つのコイルの間に区画されなければならない。したがって、符号化が不要で小型の変換器アセンブリを提供し、シャフトや他の回転する部品の便利な位置に設置するのがよい。
ＷＯ９９／５６０９９ＵＳ５，３５１，５５５ＷＯ０１／１３０８１ＷＯ０１／７９８０１ＥＰ−Ａ−０３２１６６２ＷＯ０１／２７５８４ＷＯ９８／５２０６３

本発明の態様の１つは、回転する強磁性シャフトの周囲にコイルが巻きつけられているとき、コイルに通電すると、少なくともシャフト表面に隣接する環状帯において磁場が発生するという点にある。この磁場は一般的に軸方向である。

シャフトのうちコイルを巻きつけた領域においては、磁場がトルクによって歪められ、円周（接線）方向の磁場成分を発生させる。磁場成分の規模および方向は、トルクの規模および方向によって決まる。磁場は主としてコイル内部のシャフト領域において発生するが、所望のトルク依存属性を示す外部磁場はコイルの両端に隣接しており、コイルの近傍に位置するセンサによって検知することができる。シャフトの外径とコイルの内径とはほぼ同一である。コイルは巻型に巻きつけられている。コイルが発生した磁場はシャフトを貫通する。シャフトはコイル内で回転可能である。

さらに、第２センサを設置してコイルが発生した磁場成分を検出する。磁場成分とは、長手方向成分または軸方向成分などである。このコイルはトルクの影響を受けない。第２センサからの信号を用いて、参照信号を発生することが可能である。この参照信号に対照してトルク依存磁場成分を測定する。

本発明の別の態様は、コイルが強磁性細長部材の周囲に巻きつけられ、細長部材が中心軸に対して横方向の力を受けるとともに、コイルが通電される場合、少なくともシャフト表面に隣接した環状帯において磁場が誘発される点に着想を得ている。この磁場は一般的に軸方向である。

部材のうちコイルを設置してある領域の磁場は、細長部材に加えられる横軸方向の力によって変形する。力は、コイルの軸に対して細長部材の軸を傾けたり歪めたりする。力は円周（接線）方向の磁場成分を発生させる。磁場成分の規模および方向は、傾斜や歪みの規模および方向によって決まる。すなわち、こうした傾斜や歪みを引き起こす力の規模および方向により決定される。

磁場は主としてコイル内部の細長部材の領域に発生するが、所望の力依存性を示す外部磁場はコイルの両端に隣接して発生する。コイルの近傍のセンサがこの外部磁場を検出する。細長部材の外部断面はコイルの内部断面に適合する。コイルは巻型に巻きつけられ、発生した磁場はシャフトを貫通する。また、細長部材はコイル内で傾いたり歪んだり（収縮したり）することが可能である。細長部材は力を加えられ、曲げモーメントの影響を受ける。あるいは回転可能に設置され、加えられる力に応じて軸について角度変位が可能であってもよい。

さらに、第２センサはコイルが発生した長手方向成分または軸方向成分などの磁場成分を検出するよう配置される。測定される力は磁場成分に影響を与えない。第２センサからの信号を用いて、参照信号を発生させることができる。この参照信号に対照して力依存磁場成分を測定する。
本発明の実施例および特徴は、明細書および特許請求の範囲に記述する。

トルク測定
図面の符号と文中の符号とは対応する。
図１に示すのはシャフト１０で、その断面は円形である。シャフト１０は長手方向の中心軸Ａ−Ａまわりに回転するよう設置してあり、連続的に回転してもよいし、限られた測定角度範囲について回転してもよい。あるいは、シャフトの一端にトルクが印加され、他端は固定されていてもよい。図１において、トルクＴはシャフトの一方の端部１２に印加され、その負荷（図示せず）は他方の端部１４にも伝達される。

コイルＬ_Ｄはシャフトの領域２０の周囲に設置される。領域２０は変換領域として機能し、シャフトにおけるトルクを測定する。シャフトのうち少なくとも変換領域は強磁性物質からなる。変換領域の軸方向の長さは、シャフトの材質の範囲内で所望の磁場を確立するのに十分でなければならない。また、実用化にあたっては、シャフトの中心軸をコイルに対して移動可能にする場合もある。

領域２０を破線で示す。これは領域２０の名目上の境界である。コイルＬ_Ｄは、ヘリカルコイル、単層コイルまたは多層コイル、シャフトの軸Ａと同軸のコイル、あるいは巻型に巻きつけられた積層であってもよい。コイルは電源２２によって通電される。電源２２については後述する。

コイルＬ_Ｄおよび領域２０に隣接して、少なくとも１つのセンサデバイス２３を設置する。言い換えれば、センサデバイス２３はシャフト１０を支えるコイルの内部の軸方向の空洞に隣接する。センサデバイス２３の最大感度の軸は接線方向または円周方向である。少なくとも１つのセンサデバイス２４はコイルに隣接して設置され、軸方向すなわち長手方向に最大感度の軸を有する。

センサ２３および２４の機能は、特許文献６の図８ａに記載のセンサ２３および２４にそれぞれ対応する。これらのセンサはホール効果型センサまたは磁気抵抗型センサであってもよいが、特許文献７に記載のような、信号調整回路に接続した飽和磁心（飽和インダクタ）型であるのが望ましい。飽和磁心型のセンサの応答は８字形である。８字形応答の最大感度は磁心の中心軸に沿っており、最小感度は磁心の中心軸に対して垂直である。３次元的な８字形応答は最大感度の軸について８字形であり、この軸を回転することにより求められる。
電源２２はコイルＬ_Ｄに通電する。後に詳述するように、電源２２は直流でも交流でもよい。また、電源２２はコイルＬ_Ｄの通電の程度を制御できるよう調整可能であるのが望ましい。

特許文献６の図８ａは、シャフトに巻きつけた２つの離隔したコイルの間にどのように長手方向の磁場が発生するのかを説明している。変換領域は２つのコイルに挟まれた区域である。一方、本発明の図１に示す実施例においては、変換領域は励磁コイルＬ_Ｄの内外に広がる。

図２に示すのは、コイルＬ_Ｄに印加された電流Ｉによって発生する外部磁場３０の一般的な形状である。外部磁場３０は、軸Ａ−Ａのまわりに環形に広がる。その後、変換領域２０の範囲内で軸方向（長手方向）の磁化の環形に広がる。環形は、シャフトの表面から内側に向かって拡張する。図２には内部の磁場は図示しない。

最良の結果を得るためには、コイルＬ_Ｄを可能な限り強磁性変換領域２０に接近して設置しなければならない。シャフト１０に適合する巻型にコイルを巻きつけ、巻型の中でシャフトが回転できるようにしてもよい。コイルＬ_Ｄの近傍にあり領域２０に隣接する磁場３０はトルクを感知し、トルクの影響下では接線方向の成分を提供する。トルクの極性および規模は、軸Ａ−Ａの周囲に印加されるトルクの方向および規模によって決まる。

センサ２３は、この接線方向の成分に応答するように設置される。また、センサ２４はコイルＬ_Ｄが発生した磁場の全体的なレベルを表す信号を提供するように設置される。この信号は、実質的にトルクの影響を受けない軸成分であるのが好ましい。
センサ２４（または場合によっては複数のセンサ）の隣接の程度は正確に定義されたパラメータではない。センサ２４は、トルク依存の磁場成分が検出される場所であればどの地点にも設置可能である。これは、コイルにおける通電電流、変換領域の材質および磁気特性、センサの感度によって決まる。一般的に、センサは変換領域の表面とコイルとの近傍に設置される。しかし、発生した磁場が強力な場所においては、使用するセンサに過大な負荷がかかった場合の特性を考慮する必要がある。

図３ａに示すのは、シャフト１０の斜視図である。同図において、シャフト１０には適合する巻型３２が近接して設置されている。巻型３２にはコイルＬ_Ｄを巻きつけるとともに、側板３４ａおよび３４ｂを取り付けてある。また、これらの側板およびシャフト表面には、センサデバイス２３ａと２３ｂとを設置してある。センサデバイス２３ａおよび２３ｂの最大感度の軸はシャフトに対して接線方向である。この配置を図３ｂに概略的に示す。同図では、デバイス２３ａおよび２３ｂを、飽和磁心に巻きつけられたインダクタンスとして示す。

前述したように、センサデバイス２４は、コイルＬ_Ｄの近傍で軸方向の磁場成分が存在する場所であればどの地点に設置してもよい。この設置場所から参照信号が発生する。センサ２３ａおよび２３ｂからのトルク依存信号は参照信号に対照して測定される。すなわち、参照信号を用いて変換器の利得を制御する。

図４は、各センサデバイス２３ａおよび２３ｂが半径方向に対向する２つのセンサ装置として提供される様を説明する。同図に示すのは、変換領域２０の断面図およびセンサデバイス２３ａである。センサデバイス２３ａは、２つのデバイス２３ａ１及び２３ａ２からなる。これらはそれぞれシャフト１０の変換領域２０をはさんで反対側に設置される。すなわち、軸Ａ−Ａについて対向して設置される。変換器アセンブリの他の部材は図示しない。

図４の断面図において、トルク依存の磁場成分はＭｓで表される。Ｍｓの方向性は、領域２０を挟んで反対側では逆となる。したがって、各デバイス（コイル）２３ａ１および２３ａ２は、トルク依存の成分Ｍｓに関しては直列に加算的に接続されるが、両センサデバイス２３ａ１および２３ａ２に共通して作用する外部磁場Ｅを相殺するためには減算的に接続される。センサデバイス２３ａ１および２３ａ２は信号調整回路３６に直列に接続される。信号調整回路の例は前述の特許文献７に記載されている。この回路からトルク表示出力信号Ｖ_Ｔが得られる。

シャフト１０は曲げモーメントの影響を受ける。曲げモーメントはシャフト１０の変換領域２０において軸Ａ−Ａから歪みを発生させる。また、シャフト１０は回転の際の軸のぐらつきの影響を受ける。シャフト１０が矢印Ｓに対して垂直の方向に歪む場合、すなわちセンサデバイスの一方に接近し他方から遠ざかる場合、前者の提供する信号出力は後者よりも大きい。出力が加算的に連結されるため、歪みはある程度補償される。

デバイス２３ａ１および２３ａ２が感知する磁場の強さはシャフト表面からの距離の二乗関数であるため、補償は正確ではない。しかし、こうした歪みは通常小さいので、高度の補償が可能である。

歪みが矢印Ｓの方向（またはその反対方向）である場合、その歪みが小さく、センサデバイスの横方向の感知範囲内であれば、すなわちこれらのデバイス２３ａ１および２３ａ２では解明できないのであれば、結合した信号出力は歪みの影響を受けない。歪みの増大に伴い、各センサデバイス２３ａ１および２３ａ２が発するトルク信号出力は減少する。

しかし、シャフトが回転していなくても、歪み自体に起因して各デバイス内に発生する信号もある。歪みはコモンモード効果であり、２つの装置を接続することにより解消される。この点については図７を参照して後述する。

コイルＬ_Ｄの一端に隣接して配置したセンサ装置はさらに拡張することが可能である。例えば、図５に２つの追加的なセンサデバイス２３ａ３および２３ａ４を示す。これらのセンサデバイスは、変換領域２０を挟んで半径方向にそれぞれ反対側に、そして装置２３ａ１および２３ａ２に対しては直角に設置されている。デバイス２３ａ１および２３ａ２は、トルク依存磁場成分に関しては加算的に接続される。しかし、磁場成分Ｅ′に対しては減算的に接続される。

図３ａおよび３ｂに示すセンサデバイス２３ｂにも同様に１組以上のセンサデバイスを用いることができる。センサデバイス２３ａおよび２３ｂ、あるいはさらに複雑なセンサ装置は、必ずしもシャフトの周囲に角度をなすように配置しなくてもよい。さらに、各センサデバイスは別々の検出回路に接続することが可能である。各回路の出力は必要に応じて結合される。

以上に説明した本発明の実施例は、コイルを直流通電することを前提としている。直流通電はいわゆる直流磁場をもたらす。直流磁場を用いる際に確実な応答を達成するには、シャフト１０が、前述の特許文献４に記載の磁界消去すなわち消磁処理を受けるのが望ましい。前述のセンサ装置においては、直流磁場を採用した場合、現在使用中の回路構成を用いて最速のトルク信号応答を行う。すなわち、回路構成全体が信号変更に対する最高帯域幅を表す。一方、このセンサ装置には交流磁化を用いてもよい。交流通電にはいくつかの利点があるが、他にも検討を必要とする要因が存在する。

交流変換器システム４０を図６に示す。この交流変換器システム４０は、特許文献６の図１２に示される交流変換器システムと比較してもよい。交流電源４２は周波数ｆのときコイルＬ_Ｄに通電する。電源は双極性パルス電源であってもよい。センサ装置２４に接続された信号調整回路４４はフィルタ機能４６を備える。フィルタ機能４６は周波数ｆのときセンサ装置２４が検出した磁場成分を抽出する。鎖線が示すように、フィルタ４６は電源４２から電源周波数ｆを確実に探知するよう駆動される。同期検波を行って電源４２からの信号が回路４４の検出器を駆動してもよい。

同様に、センサ装置２３は周波数選択的信号調整回路４８と接続する。信号調整回路４８はフィルタ機能５０を含み、トルク依存磁場成分を表す出力を提供する。この成分は、回路４４から得られた参照レベル成分とともに信号処理回路５２に印加される。信号処理回路５２からはトルク表示出力Ｖ_Ｔが得られる。

フィルタリングおよび信号処理機能はハードウェアまたはソフトウェアにおいて実施してもよい。また、フィルタリングは完全な信号経路においては様々な地点で実施されてもよい。電源／フィルタシステムの動作周波数ｆは、潜在的な干渉電源、例えば電源（本線から取った）周波数と容易に識別できるよう選択するのが望ましい。

飽和磁心型のセンサは、１０ｋＨｚあるいはそれ以上の動作が可能である。しかし、センサ応答に加えて電源周波数応答についても、コイルＬ_Ｄを駆動する性能の点から検討が必要である。また、特に変換領域がシャフトの主要部分である場合、もう1つ検討が必要な周波数依存の特性がある。

変換領域の材質へのコイル磁場の貫通の深さは周波数依存である。これはゼロ周波数のとき、すなわち直流のとき最も大きく、駆動周波数が増加するにつれて小さくなる。例えば、コイルに直流通電したとき、磁場は半径１８ｍｍのＦＶ２５ＯＢ鋼のシャフトを完全に貫通するが、同等の１００Ｈｚの交流電流でコイルに通電した場合には貫通しない。変換領域の断面全体を貫通する必要はない。これは、トルク依存応答が表面に近い環状区域に集中する傾向があるためである。しかし、周波数の増加につれて、利得すなわち伝達関数の傾斜――トルク依存信号出力に対して印加されるトルク――は減少する傾向にある。

前述した変換器および変換器アセンブリには、以下のような利点がある。
・コイルアセンブリ（巻型を有する）およびセンサ装置は、シャフトに設置可能な単一成分として製造する。この単一構造は、信号調整および処理回路を備えてもよい。
・製造工程において、永久磁化の確立のために変換領域を暗号化処理する必要がない。均質のシャフトにおいては変換領域の設置場所は自由である。シャフトの所定の領域を用いた変換器アセンブリには、決定的な配置は存在しない。
・変換領域の磁化では、永久磁化の場合に発生するような長期にわたる劣化は生じない。
・変換器の利得すなわち伝達関数の傾斜は、変換コイルに流す駆動電流の関数である。非線形応答を創出する通電電流レベルが低ければ、応答感度は前述の転位磁化によって得られる応答感度よりも大きくなる。
・変換器は、変換コイル／センサアセンブリに対する変換領域の軸変動は感知しない。
・選択された適切な周波数のとき交流で動作するので、ノイズが大きな環境であってもその影響を受けずに動作可能であるとともに、シャフトにおける漂遊磁気（stray magnetisms）に対してさらに耐性のある変換器を提供する。

本発明を直流・交流のどちらで実装する場合であっても考慮すべき別の要素を図７に示す。同図に示すのは、シャフト１０、通電コイルＬおよびセンサデバイス２３である。センサデバイス２３は接線トルク依存成分を検出する。センサデバイス２３の軸Ｂ−Ｂの最大感度は、軸Ａ−Ａに対する角度αに依存する。軸Ａ−Ａは図の平面に位置し、軸Ｂ−Ｂは平面の上部に平行に位置する。図示するように、角度αは９０度であるのが理想的である。

変換領域とシャフトとが同質で一体である場合と同様、変換領域が同質のシャフト物質に囲まれるとき、本発明を具現化する変換器アセンブリは、軸方向の変換領域の転位は感知しないが、アセンブリに対するシャフトの軸方向の歪みや傾斜は感知する。こうした歪みや傾斜は角度αに影響を及ぼす。

次に、軸方向の歪みに対する感度と、歪みを軽減する措置とに注目する。また反対に、本発明を具現化する変換器アセンブリは、軸方向の歪みを利用して力の測定を可能にすることも示す。
再び図７を参照する。シャフト１０にはトルクは存在しない。シャフトの中心軸がコイルＬ_Ｄの軸に対して傾いている場合、すなわち角度αが９０度ではない場合を考える。コイルは通電されている。

コイルＬ_Ｄによって発生した磁場の横軸成分が得られると、センサデバイス２３がこれを検出する。図４に示すようなセンサ装置を用いる場合、矢印Ｓによって示される歪みはセンサ２３ａ１および２３ａ２の両方に対して同方向になる。歪みは検出された磁場に対してコモンモード成分として作用し、両センサに共通の外部磁場Ｅと同様に、出力の際に相殺される。このコモンモード除去はシャフトがトルクの影響下にある場合と同じように行われる。

トルクの影響下においては、歪みは矢印Ｓに直交し、例えばセンサデバイス２３ａ１において成分Ｍｓを増加させ、センサデバイス２３ａ２において成分Ｍｓを減少させる。その際、結合された出力信号Ｖ_Ｔにはほとんど影響を及ぼさない。これは、シャフト１０が回転する際の揺れに関して一般的に該当する。前述した論理は、矢印Ｓの方向に直交する歪みに関して図５のセンサ装置に拡張することが可能である。

図７のセンサデバイス２３のように歪みへの感度が低いセンサの作成には別の方法を採ることも可能である。図８にこれを示す。ここでは１つのセンサデバイス２３をセンサユニット６０に置き換えている。センサユニット６０は、１組のデバイス６２および６４を備える。シャフトは図示しないが、軸Ａ−Ａを示す。Ｂ−Ｂはセンサ６０の応答の軸であり、軸Ａ−Ａに対して角度α＝９０度であるのが望ましい。２つのセンサデバイス６２および６４は、角度θのとき軸Ｂ−Ｂについて対称である。すなわち、最大感度の各軸Ｂ１、Ｂ２は角度２θによってＶ字形に分けられる。

トルク依存磁場成分の測定は、両センサデバイスに等しく影響を及ぼす。αが９０度から変動して傾斜が生じると、一方の装置が検知する磁場が増加し、他方の装置が感知する磁場が減少する。２つの装置が直行配置で図１に示すようなタイプの信号調整・処理回路３６に加算的に接続されるとき、生じる信号は、特にαが９０度から多少変動した場合に、単一の装置よりも角度の歪みや傾斜の影響をはるかに受けにくい。これは一般的な事実である。偏差の角度はθを超えてはならない。

力測定
変換器コイルアセンブリおよびこれに関連したセンサに対するシャフトの角度傾斜や歪みが存在する場合のトルク測定について前述した。こうした歪みまたは傾斜が生じる状況の１つは、トルクの測定対象となっているシャフトが変換領域の位置で曲げモーメントにつながる横方向の力を受ける場合である。その結果生じる任意の軸方向の傾斜または歪みに対する感度は、補償を行わないときには、加えられる力の測定に利用することが可能である。

さらに、この力測定は、トルクを伝達するシャフトに加えられる力の測定に限らず、曲げモーメントの影響を受けるどんな細長部材にも適用することができる。あるいは、加えられた力に応じて回転軸について回転可能に設置された細長部材（または同様の方法で効果的に回転するように設置された細長部材）にも適用可能である。別仕様のセンサ装置に関して前述したが、これと同様に、細長部材は変換器アセンブリを備えた変換領域を支えるか、あるいはこの変換領域を内蔵することが可能である。

図９に示すのは細長部材７０である。この細長部材７０は一端７２が固定されている。他端７４は、軸Ａ−Ａに対して横向きの力Ｆが部材７０に加えられるとき、自由に動くことができる。部材７０は弾力性と剛性とを備えているので、力Ｆによって加えられる曲げモーメントに従い、中間領域７６においてある程度偏向することが可能である。偏向は加えられる力の関数である。中間領域７６は少なくとも強磁性物質からなり、変換器アセンブリ７８に変換領域を提供する。

変換器アセンブリ７８は中間領域７６の周囲に励磁コイルとセンサ装置とを備える。センサ装置は、変換器アセンブリのコイルの軸に対する部材７０の歪みに応じて設定される。変換器アセンブリのコイルの軸は、力Ｆを加えられていない部材７０の軸Ａ−Ａと整合する。変換器アセンブリの構成は前述したとおりで、傾斜や歪みの検出に特に関係する。細長部材の歪みの影響は、既に説明した角度傾斜または歪みの影響である。このとき、シャフト１０はトルク伝達部材ではなく、偏向可能な細長部材７０に取って代わられる。

例として、図９のアセンブリ７８におけるセンサ装置が、図４に示す２つの対向するセンサデバイスを用いる場合を考える。センサデバイス２３ａ１および２３ａ２と回路３６とが接続されている。ここではデバイスの１つが逆に、すなわち両デバイスの極性が回路３６に対して同方向を向くように接続されている。この接続は図９の力Ｆに起因する歪みまたは傾斜Ｓを相殺せず、Ｓに起因してセンサデバイスがＶ_Ｆを作り出すよう機能する。これにより、図９の力表示信号Ｖ_Ｆを供給する。

シャフト１０の歪みまたは傾斜Ｓを測定するとき、トルクの干渉を受けないのが望ましいのであれば、図４のセンサ装置２３ａ１および２３ａ２の接続を転換する。これにより、歪みや傾斜に対する付加的な応答を提供するばかりでなく、トルク成分Ｍｓを相殺する。

図９の変換器アセンブリ７８は図８のコイル配列を有する。変換器アセンブリ７８を用いて、１つのセンサデバイスの接続を逆にすることにより部材７０の力依存の歪みを測定する。したがって、例えばデバイス６２と６４とは同方向を向くように接続される。ここで得られる出力は傾斜の角度θを表す。

図９は、加えられる力Ｆに抵抗する弾力性を有する細長部材の使用を示す。この細長部材において、結果として引き起こされる曲げモーメントがもたらす歪みまたは傾斜は測定可能である。その一方で、図１０に示す別仕様の場合でも同等の結果を得ることができる。図１０の位置９２にはアーム９０が平面に回転可能なように設置され、自由端９４で加えられる測定すべき力Ｆを有する。

力は、ばねや磁気力復元手段などの弾性手段９６によって阻止される。弾性手段９６はアーム９０全体が強磁性物質からなる場合に特に便利である。加えられる力Ｆがゼロのとき、アーム９０の軸Ａ−Ａは、前述したように力表示信号Ｖ_Ｆを提供するよう構成された変換器アセンブリの軸と整合する。

本発明を力または曲げモーメントの測定に用いた場合の例を図１１に示す。同図は製織や繊維機械などに見られる走行中の糸の張力を測定するためのシステムを表している。このシステムには図９または図１０に示す力測定変換器が用いられる。

図１１において、糸１１０は滑車１１２および１１４を経由した経路で動く。この滑車１１２と１１４との間の経路は、図９（１０）の細長部材７０（９０）の端部７４（９４）によって導入されたオフセットによってＶ字型に角度をつけられている。細長部材７０（９０）は、軸Ａ−Ａが少なくとも図面の平面に対して実質的に標準的であるように設置される。部材７４（９４）によって糸の経路に導入された角度の結果、力Ｆは部材７４（９４）に影響を与える。この影響は、前述したように、図９（１０）の変換器によって測定される。

図１２は、前述した本発明の実施例の別仕様である。変換領域が組み込まれているシャフトや細長部材の内部に棒磁石を設置する必要が無くなる。これは特に直流励磁変換器に適用されるが、交流励磁変換器において生じる残留磁化などの軽減に用いられてもよい。

図１２が示すのは、シャフトまたは細長部材である。このシャフトまたは細長部材には、変換領域１２２の周囲に励磁コイルＬ_Ｄが設置される。センサ装置は図示しない。コイルＬ_Ｄの両側には個別のコイルＬ_ＣＬおよびＬ_ＣＲが設置される。コイルＬ_ＣＬおよびＬ_ＣＲはコイルＬ_Ｄと同時に通電される。その際、図１２に示すように直列に接続され、コイルＬ_Ｄが発生させた磁場の極性とは反対の極性の磁場を発生させる。コイルＬ_ＣＬおよびＬ_ＣＲはコイルＬ_Ｄから十分に離隔しており、コイルＬ_Ｄの周辺に発生する所望の変換領域磁場を前述の方法で感知することが可能となっている。

より詳細には、図２に示すように、３つのコイルがそれぞれ個別に磁場を発生させる。コイルＬ_ＣＬを例にとる。コイルＬ_Ｄに向かうコイルＬ_ＣＬの磁場の極性は、コイルＬ_ＣＬに向かうコイルＬ_Ｄの磁場の極性と同一である。すなわち、磁場は互いに反発しあう。同じ状況は、コイルＬ_ＤとＬ_ＣＲとの間でも発生する。

コイルＬ_ＣＬおよびコイルＬ_ＣＲは、コイルＬ_Ｄとあまり接近してはならない。これは、測定しようとするトルク依存または力依存の磁場に逆の影響を与えてしまうためである。シャフトまたは細長部材１２０に棒磁石を設置しないことに対してコイルＬ_ＣＬおよびＬ_ＣＲがもたらす効果はセンサによって判断される。センサはコイルＬ_ＣＬまたはＬ_ＣＲの外部に広がる軸方向の磁場を検出するよう設置される。この磁場は実質的にゼロまで削減されなければならない。実験によれば、磁場がゼロになるのはコイルＬ_ＣＬおよびＬ_ＣＲがコイルＬ_Ｄの半分のアンペアターンを発生するときである。したがって、共有の電流が流れる直列接続のコイルＬ_ＣＬおよびＬ_ＣＲの巻数はコイルＬ_Ｄの巻数の半分となる。

シャフトまたは細長部材は内部に変換領域を創設される。こうしたシャフトまたは細長部材は、使用に先立って磁界消去処理される。この処理については特許文献４に記載されている。

本発明の変換器アセンブリを設置したシャフトを示す概略図。図１のアセンブリのコイルを通電することによって発生する検出可能な外部磁場を説明する図。ａはコイルの両端にセンサを備えたシャフトに単一の変換器アセンブリを含む変換器を設置した様子を示す斜視図、ｂは、図３ａに示す変換器に参照センサデバイスを加えた概略図。外部磁場を取り消すよう配置された２つの誘導型センサデバイス（飽和磁心型センサ）を備えたセンサ装置を示す図。外部磁場を取り消す４つのセンサのセンサデバイスを示す図。本発明による交流通電された変換器システムを示す概略図。変換器アセンブリに対するシャフトの動きに関して考慮すべき要素を説明する図。変換領域の軸に対する変換器アセンブリの軸方向の歪みまたは傾きに対する感度を低くするためのセンサ装置を示す図。本発明による変換器を用いて、傾斜や歪みに対する感度を利用して力測定を行う実施例を説明する図。力測定の第２の実施例を説明する図。図９または１０に示す力測定の実施例を用いて、糸やその他の長く柔軟な物質の走行中の張力を測定する様子を示す図。さらにコイルを備えることにより、変換領域に残留磁化を創出する可能性を低くする変換器アセンブリの別の仕様を示す図。

Claims

長手方向の軸まわりにトルクを印加するために設置され、少なくとも一部の領域が強磁性物質からなるシャフトと、
前記領域に巻きつけられ、通電により前記領域に軸方向の磁化を誘発するコイルと、
前記コイルおよび前記領域に隣接して設置され、前記領域の外部で接線方向（円周方向）の磁場成分を検出する少なくとも１つのセンサデバイスと、を備えることを特徴とする変換器。
長手方向の軸について角度傾斜または歪みを引き起こす力を加えるために設置された細長部材と、
傾斜や歪みを示す強磁性物質の領域を有する細長部材と、
前記領域に巻きつけられ、通電により前記領域に軸方向の磁化を誘発するコイルと、
前記コイルおよび前記領域に隣接して設置され、前記領域の外部で接線方向（円周方向）の磁場成分を検出する少なくとも１つのセンサデバイスと、を備えることを特徴とする変換器。
請求項２に記載の変換器において、
前記細長部材は前記領域の外部の一点に回転可能に設置され、前記部材の前記コイルの内部における回転運動が可能であることを特徴とする変換器。
請求項１乃至３のいずれかに記載の変換器において、
前記コイルと前記少なくとも１つのセンサデバイスとは単一の変換器アセンブリに含まれることを特徴とする変換器。
請求項１乃至４のいずれかに記載の変換器において、
前記コイルは軸方向の両側にそれぞれさらに別のコイルを備え、
前記別のコイルは接続および通電により、前記変換領域に巻きつけられた前記コイルの極性とは逆の極性の磁場を発生することを特徴とする変換器。
軸に巻きつけられ内部に軸方向の空洞を有するとともに、通電により前記空洞に設置可能なシャフトあるいは他の細長部材の強磁性部分に軸方向の磁場を発生させることが可能なコイルと、
前記コイルの一端と前記空洞とに隣接して設置され、強磁性物質からなる部分と一体の磁場成分を検出する少なくとも１つの前記センサデバイスであって、前記軸に対して接線方向（円周方向）に磁場成分を検出するセンサデバイスと、を備えることを特徴とする変換器アセンブリ。
請求項６に記載の変換器アセンブリにおいて、
前記コイルおよび前記少なくとも１つのセンサが単一のアセンブリであることを特徴とする変換器アセンブリ。
請求項４に記載の変換器アセンブリにおいて、
第１および第２コイルを備え、前記第1および第2コイルはは前記コイルと同軸に巻きつけられ、内部に軸方向の空洞を有するとともに、前記コイルと共有の軸に沿って互いに離隔して設置され、シャフトや他の細長部材の強磁性部材は、前記３つのコイルすべてを通って延在することを特徴とする変換器アセンブリ。
請求項８に記載の変換器アセンブリにおいて、
前記３つのコイルはすべて直列に接続されるとともに、前記第１および第２コイルが通電され、前記コイルにより発生した磁場の極性とは反対の極性の磁場を発生させることを特徴とする変換器アセンブリ。
第１および第２センサデバイスを備えた磁場を検出するためのセンサユニットであって、
前記第１および第２センサデバイスはそれぞれ磁場を検出するための最大感度の軸を有するとともに、
前記第１および第２センサデバイスは、ある角度のとき互いに対してそれぞれ最大感度の軸を有するよう配置され、前記角度の範囲内に、好ましくは前記角度を二等分して、結合した最大感度の軸を提供することを特徴とするセンサユニット。