JP2009512856A - 磁化されたシャフトを含むセンサシステム - Google Patents

磁化されたシャフトを含むセンサシステム Download PDF

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Abstract

センサはシャフトと磁気センサとを含む。シャフトは少なくとも１つの磁化された活性領域をもつことができる。磁気センサは、シャフトのまわりの磁界を感知するように構成することができ、シャフトに適用されたトルクの出力代表値、シャフト回転速度、およびシャフト回転位置を提供することができる。

Description

本開示はセンサに関し、さらにとりわけ、磁化されたシャフトを含むセンサに関する。
［関連する出願の相互参照］
本出願は、「磁化されたシャフトを含むセンサシステム(SENSOR SYSTEM INCLUDING A MAGNETIZED SHAFT)」という発明の名称で２００５年１０月２１日に出願された米国仮出願第６０／７２９，３８３号明細書、および「楕円状に磁化されたシャフトを含むセンサシステム(SENSOR SYSTEM INCLUDING AN ELLIPTICALLY MAGNETIZED SHAFT)」という発明の名称で２００５年１１月９日に出願された米国一部継続出願第１１／２７０，０４９号明細書の出願日の利益を主張し、その出願の全部の教示がここに含まれる。
回転シャフトをもったシステムの制御において、トルクは問題となる基本的なパラメータである。それに応じて、回転シャフトに適用されたトルクを感知するためのセンサが開発された。回転シャフトに接触しないセンサが好ましい。非接触センサは、シャフトに適用されたトルクに比例する回転シャフトのまわりの磁界を生成、および／または監視することができる。
１つのよく知られた形態において、回転シャフト、またはそれの１つ以上の軸の部分は、周方向に磁化、すなわちシャフトの軸と同軸の円形の経路に沿った１つの方向に磁気的に分極される。シャフトがゼロトルク（トルクなしの状態）の下にある時、シャフトによって構築された磁界は、シャフト軸の方向に成分を含まない。トルクがシャフトに適用される時、円周磁界は増加するトルクによって次第にらせん形になる。適用されたトルクに起因するらせん形の磁化は、シャフトの軸の方向における軸成分と円周成分を含む。軸成分は適用されたトルクに直接比例しうる。シャフトに隣接して配置された磁気センサは、軸成分を検出し、シャフトに適用されたトルクのレベルを示す出力を提供することができる。
このような態様におけるシャフトの適切な磁化は操作にとって重要である。システムにおいてシャフトを磁化するか、またはシャフトを組み立てることにおける製造誤差は、センサシステムの完全な故障につながりうる。また、シャフト磁化は時間とともに弱まりうる。しかしながら、シャフトがゼロトルクにある時の検出可能な軸磁界成分の欠如は、シャフトが適切に磁化されているか、またはそもそも磁化されているのかを決定（測定）するための簡単で受動的な外部手段を許容しない。
ゼロトルクにおいて不活発な軸磁界をもったセンサを提供することに対する１つのよく知られたアプローチは、シャフトが所定のトルクの下にある間に周方向にシャフトを磁化することを含む。円周磁界が所定のトルクの存在下で誘導されるので、磁化の際に適用されるトルクにおいて測定可能でない軸磁界成分が生じ、そして、シャフト上のトルクが除去される時、円周磁界は歪曲して不活発な軸磁界成分をもたらす。このような形態はゼロトルクにおける診断を許容するが、それはいくつかの欠点にも悩まされる。例えば、所定のトルクの下でシャフトを磁化することは扱いにくく、容易に大量生産することを許容しないような費用のかかるプロセスである。
さらに、周方向に磁化された形態は、トルクの測定を許容するのみで、位置または速度の測定を許容しない。いくつかの用途においては、センサが、同じセットの電子回路によって位置および／または速度感知を、共に、あるいは二者択一的に提供することは、好ましくありうる。
米国特許第６，５５３，８４７号明細書
従って、効率的に、およびコスト効率よく生成でき、ゼロトルクにおいて測定可能な軸磁界成分を提供する磁化されたシャフトを含むセンサシステムの必要性がある。トルク、位置、および／または速度の感知を提供する、磁化されたシャフトを含んだセンサシステムの必要性もある。
開示された主題の実施の態様の特徴と利点は、以下の詳細な記載の進行に従って、また添付の図面の参照に基づいて、明白になるであろう。図中、同様の参照番号は同様の部材を示す。
説明的な実施形態に対してなされる参照と共に以下の詳細な記載を進めるが、それの多くの代案、修正、および変形が当技術分野の当業者には明白であろう。従って、請求された主題事項が広範囲に見なされる、ということが意図される。
ここに提供された記載は、種々の模範となる実施形態に対する参照を有する。ここに記載された実施形態が、例証として表現されており、決して限定的でない、ということが理解されるべきである。本発明の精神と範囲から逸脱することなく、本発明は広く多様なシステムに取り入れられうる。
さて図１を考慮すると、本発明と一致する、センサ１０４を含んだシステム１００の１つの模範的な実施形態が、ブロック図の形式で示されている。示されたように、システム１００は、コントローラ１０６、コントローラ１０６によって制御される１つ以上のシステム１０８と１１０を含むことができる。センサ１０４は、シャフト１０２に適用されるトルクを監視することができる。１つの典型的な実施形態において、シャフト１０２は、トラクターのパワーテイクオフシャフト(power take-off shaft)に結合させることができ、またはその一部として構成することができる。パワーテイクオフに適用されるトルクの出力代表値は、センサ１０４からコントローラ１０６に結合させることができる。このコントローラは、例えば適切にプログラムされたマイクロプロセッサ、および関連付けられたメモリを含み、センサ出力に応答してシステム１０８と１１０を制御するように構成されたマイクロコントローラとすることができる。
他の模範的な実施形態において、シャフト１０２は、車両ステアリングシステムのステアリングシャフトと結合させることができ、またはその一部として構成することができる。センサ１０４は、ステアリングホイールシャフトに適用されたトルクの出力代表値を、コントローラ１０６に提供することができる。コントローラ１０６は、センサ出力に応答して１つ以上の車両システム１０８、１１０を制御することができる。例えば、システム１０８は、ステアリングホイールシャフトに適用されたトルクによってブレーキングが影響を受けるような自動ブレーキングシステムを含むことができる。車両の運転者が回避的な行動をとる場合、センサ１０４は、ステアリングホイールシャフトに適用された、敷居値を超えたトルクを感知することができる。それに応答して、コントローラ１０６は、自動ブレーキングシステム１０８に制御信号を提供することができる。次にブレーキングシステム１０８は、車両を制御するための車両ブレーキを選択的に管理することができる。システム１１０は、エンジン反応性と他のパラメータがステアリングホイールシャフトに適用されたトルクによって影響されるような牽引制御システムを含むことができる。
図２は、本発明と一致する、センサ１０４ａの１つの模範的な実施形態を図式的に示す。示された模範的なセンサシステムは、楕円状に磁化された活性領域２０２を含んだ円筒状のシャフト１０２と、磁界センサ２０５とを含む。活性領域２０２は、２つの受動領域２０４と２０６との間の均質なシャフトの部分を磁化することによって、構築されうる。シャフト１０は、トルクの繰り返し適用に従って内部に誘導された磁化を保持し、トルクがゼロに減じられる場合に分極において構築される方向に磁化を戻すことができる磁気制限材料から形成されうる。これらの特性を呈する様々な材料は、当技術分野の当業者によく知られている。シャフトを形成するための幾つかの模範的な材料は、米国特許第６，５５３，８４７号明細書（特許文献１）で詳細に記載されており、その教示は参照としてここに含まれる。
本発明に関連して有用な磁界センサ２０５のための様々な形態もまた、当技術分野の当業者によく知られている。例えば一実施形態において、磁界センサは磁束磁力センサ(flux gate coil)として構成されうる。ホール効果センサは、感知された磁界のレベルに応じて共に、あるいは二者択一的に使うことができる。
継続して図２を参照すると、本発明と一致して、シャフトがゼロトルクの下にある場合に、活性領域２０２は楕円状に磁化されうる。ここで使われる「楕円状に磁化される」および「楕円形の磁化」とは、シャフトまわりの円でなく楕円形の経路で、シャフトの中心線軸に対して傾斜した角度で構築されたシャフトの磁気分極のことを言う。示されたように、例えば、活性領域２０２は、シャフトの中心線軸２１２に対して傾斜した角度２で矢印Ｂで指された方向に分極されうる。一実施形態において、楕円形の磁化は、約１０°から８０°の間の角度２における分極の方向が与えられうる。しかしながら、角度２は図２では９０度より小さく示されているが、楕円形の磁化の要求される方向に応じて角度２は９０度を超えることもできるし、ゼロトルクにおいて軸成分２５０の要求される大きさを構築するよう選ぶことができる、ということを理解するべきである。また、活性領域は、磁化Ｂの方向に実質的に平行である第１の端部２４０と第２の端部２４２との間のシャフトの軸の範囲を超えて拡張することができる。活性領域の軸の範囲は、用途、例えばシャフトの軸位置における製造上または操作上の許容誤差を適合させること、に応じて選択されうる。
楕円状に磁化された活性領域２０２は、シャフト１０２がゼロトルクにある場合に、磁界センサによって感知されうる非ゼロ軸成分２５０を含む磁界を構築する。これは、シャフト１０２の適切な磁化、設置、および／または、キャリブレーションを保証するための診断テストを可能にする。いずれかの方向においてトルクがシャフトに適用されるのに応じて、楕円形の磁化はゼロトルクでのその元の位置から歪曲しうる。そして、磁界の軸成分の大きさの変化をもたらす。磁界の軸成分の変化は適用されるトルクに比例しうる。磁界センサ２０５は軸成分の大きさを感知することができ、そしてシャフト１０２に適用されるトルクの出力信号代表値を提供する。
ゼロトルクにおいて磁界の非ゼロ軸成分２５０を感知するが、磁気センサ２０５に関連付けられた電子回路は、ゼロトルクにおいて要求される感知された出力を提供するためにキャリブレーションすることができる。一実施形態において、ゼロトルクにおいて感知された出力は、入力電圧の半分に設定することができる。電子回路は、例えば、シャフト１０２の適切な磁化、設置、および／または、キャリブレーションを保証するための診断テストを可能にする異なったレベルに、ゼロトルクの出力をリセットするようにも構成されうる。
図３は、シャフトの楕円形の磁化を示す図２のラインＡ−Ａに沿った図２のシャフトの断面図である。ラインＡ−Ａは、シャフトの中心線軸２１２に対して角度２で磁化Ｂの方向に沿ってとっている。そのようなものとして、シャフトの活性領域の断面は、矢印３０２によって示された活性領域の楕円形の磁化の方向を楕円状形状に示している。
本発明と一致するセンサシステムは、複数の磁化された活性領域をもったシャフトを含むことができる。図４は、例えば、第１の楕円状に磁化された活性領域２０２−１および第２の楕円状に磁化された活性領域２０２−２をもったシャフト１０２ｂと、第１の関連付けられた磁界センサ２０５−１および第２の関連付けられた磁界センサ２０５−２と、を含むセンサシステム１０４ｂの模範的な実施形態を図式的に示す。示された模範的な実施形態において、矢印Ｂ１によって示された活性領域２０２−１の分極の方向は、矢印Ｂ２によって示された活性領域２０２−２の分極の方向に対して反対方向である。反対の磁化方向によって活性領域を提供することは、ノイズ消去を容易にするためにセンサ２０５−１および２０５−２を使う差の感知を可能にしうる。示された実施形態は２つの活性領域を示しているが、幾つかの数の活性領域が提供されうる。さらに活性領域は、シャフトの中心線軸２１２に対して傾斜した同じ角度に、あるいは異なる角度に、楕円状に磁化されうる。
さて、図５〜図７を考慮すると、本発明と一致する、シャフト内に楕円形の磁化を誘導するための１つの模範的なシステムと方法が示されている。一般に、示された模範的な実施形態は、シャフトの中心線軸に対して傾斜した角度におけるシャフトの活性領域を通る電流を提供することによって、楕円形の磁化を構築する。図５は、シャフト１０２の１部と、第１の電極金具組立体５５０と第２の電極金具組立体５５２を示す。第１の電極金具組立体５５０は、上部金具５０２と下部金具５０４とを含む。上部金具５０２は、シャフト開口の第１の部分５１０を規定する部分を含むことができ、そして下部金具５０４は、シャフト開口の第２の部分５１２を規定する部分を含むことができる。上部金具５０２と下部金具５０４とが連結される時、例えば開口５１４、５１６、５１８、および５２０を通して拡張する留め具を使って、上下の金具によって規定されたシャフト開口の第１の部分５１０と第２の部分５１２は反対の関係に置くことができ、図７に示されるように、楕円形状断面をもったシャフト開口７００を規定する。第２の電極金具組立体５５２は、上部金具５０６と下部金具５０８を含む第１の電極金具組立体５５０に類似する方法で構築されうる。そして、それは楕円形状断面をもったシャフト開口を規定するように連結する。
図６に示されるように、第１の金具組立体５５０の上部金具５０２と下部金具５０４、および第２の金具組立体５５２の上部金具５０６と下部金具５０８は、シャフト１０２のまわりで連結され、第１の金具組立体５５０と第２の金具組立体５５２は、楕円形の磁化の傾斜した角度θに対応する、シャフトの中心線軸２１２に対して傾斜した角度で構築される。電流源６００は、第２の金具組立体から第１の金具組立体への矢印によって示されたシャフトを通る電流を構築するための、第１および第２の電極金具組立体に結合されうる。電流Ｉは、矢印Ｂによって示され、図６のラインＡ−Ａに沿う図７の断面図においてさらに示された活性領域２０２の楕円形の磁化をもたらす。楕円形の磁化はゼロトルクにおける非ゼロ軸成分を示す。
シャフト内に誘導された磁界の大きさは、意図される用途の要求に応じることができる。一実施形態においては、４００Ａの電流を、約３０００ガウスのシャフト表面における磁界の強さを達成するために、楕円状にシャフトを磁化するのに使うことができる。シャフト磁化はシャフト表面からシャフト中心へと減少しうる。他の実施形態においては、電流源は、楕円状にシャフトを磁化するために１，０００Ａの電流を提供することができる。
図８〜図９は、本発明と一致する、シャフト内に楕円形の磁化を誘導するための他の模範的なシステムと方法を示す。示された模範的な実施形態において、シャフト１０２は、シャフトの中心線２１２に対して傾斜した角度θに方向付けられた電磁石８０６を使って、活性領域２０２を含むように磁化される。図９は、図８のラインＡ−Ａに沿った図８のシャフトと電磁石８０６の断面図であり、さらに電磁石８０６によって誘導される活性領域２０２の楕円形の磁化を示す。
図１０〜図１１は、本発明と一致する、シャフトの楕円形の磁化を誘導する他の模範的なシステムと方法を示す。示された模範的な実施形態において、シャフト１０２は、シャフトの中心線２１２に対して傾斜した角度２に方向付けられた永久磁石１００６を使って、活性領域２０２を含むように磁化される。図１１は、図１０のラインＡ−Ａに沿った図１０のシャフトと電磁石の断面図であり、さらに永久磁石１００６によって誘導された活性領域２０２の楕円形の磁化を示す。
図１２は、本発明と一致する、センサの他の実施形態１０４ｃを示す。示された模範的な実施形態は、楕円形の磁化をもった第１の活性領域１２８０と第２の活性領域１２８２とを含む。第１の活性領域１２８０は、金具１２１２と１２１４との間に矢印で示されたように、電極金具１２１２から電極金具１２１４へと電流を提供することによって構築されうる。同様に、第２の活性領域１２８２は、金具１２１０と１２０８との間に矢印で示されたように、電極金具１２１０から電極金具１２０８へと電流を提供することによって構築されうる。センサ１０４ｃは、フラックスゲートコイル１２０５と交流結合磁力計１２０６を含むことができる。
動作において、フラックスゲートコイル１２０５は、シャフトが回転するのに応じて、シャフトの活性領域の楕円形の磁化に起因して、交流磁気極性を感知することができる。適用された一定のトルクに対して、磁力計１２０６の出力は、適用されるトルクに比例する振幅をもった交流信号でありうる。交流信号の周波数は、トルク測定に加えてシャフト速度測定を提供するように、シャフト速度に比例しうる。磁力計１２０６を交流結合することによって、通常モード磁界信号のような何らかの望ましくない直流またはゆっくりと変化する磁界が拒否されうる。
従って、楕円形の磁化をもったセンサ１０４ｃは、フラックスゲートコイル１２０５によって感知された時間変化する磁界を作る。１つだけのフラックスゲートコイル１２０５が必要でありうる。センサ１０４ｃの交流処理は望ましくないゆっくりと変化する通常のモード磁界を拒否することができる。従って、信号処理の複雑さは、従来の直流処理と比較して著しく減少されうる。さらに、交流処理は、直流処理（１／ｆノイズ）に関連する直流オフセットとシステムノイズを排除することができる。出力での直流ドリフトも回避することができ、また出力信号の信号対ノイズ（Ｓ／Ｎ）レベルが従来の直流処理に比較して改善されうる。
図１３は、楕円形の磁化をもった第１の活性領域１３８０と第２の活性領域１３８２、および第１のフラックスゲートコイル１３０２と第２のフラックスゲートコイル１３０４を含んだセンサの実施形態１０４ｄを示す。第１のフラックスゲートコイル１３０２と第２のフラックスゲートコイル１３０４は、それぞれ、関連付けられた磁力計１３１６、１３１１に結合されうる。楕円形の磁化は、シャフトが回転するのに応じて、フラックスゲートコイルによって感知された時間変化する磁界を作ることができる。トルクの監視に加えて、図１３のセンサ１０４ｄは、このようなシャフト位置、シャフト速度、およびシャフトによって伝えられたパワー（仕事率）パラメータを監視することができる。
フラックスゲートコイル１３０２および１３０４は、関連付けられた磁力計１３１６と１３１１への信号が時間変化して互いに９０度の位相だけずれるように、シャフトのまわりに配置されうる。追加の回路１３１８、１３２０、１３２２、および１３１５は、トルク、シャフト位置、シャフト速度、および伝えられたパワーを監視するために、直接的または間接的に、磁力計１３１６と１３１１の出力の一方または両方を利用することができる。
図１３で示された模範的な実施形態において、フラックスゲートコイル１３０２と１３０４は活性領域１３８０、１３８２に対して軸方向に間隔を空けられ、互いに９０度の位相だけずれた時間変化する信号を作る。フラックスゲートコイル１３０２と１３０４は、共に、あるいは二者択一的に、シャフトに対して周方向に配置されうる。図１４は、例えば、互いに９０度の位相だけずれた時間変化する信号を提供するために、シャフトの周方向まわりに互いに９０度間隔を置かれたコイル１３０２と１３０４を示す。
動作において、０度磁力計１３１６の出力信号は、９０度磁力計１３１１からの時間変化する電圧信号出力によって９０度の位相だけずれるような時間変化する電圧信号でありうる。トルク回路１３１８は、磁力計１３１６と１３１１からの出力信号を受け取り、そして、シャフトに適用されたトルクのターミナル１３５０での出力信号代表値を提供することができる。トルク回路１３１８は、２つの磁力計出力信号の自乗の合計の平方根の大きさを計算することができ、適用されるトルクの出力信号代表値を提供する。
位置回路１３２０は、磁力計１３１６と１３１１の両方から出力信号を受け取ることができ、ターミナル１３５２でのシャフトの位置の出力信号代表値を提供する。位置回路１３２０は、９０度磁力計１３１１の、０度磁力計１３１６に対する出力信号の比の逆正接を計算し、シャフトの位置の出力信号代表値を提供することができる。
シャフト速度回路１３２２は、９０度磁力計１３１１または０度磁力計１３１６のいずれか１つからの出力信号を受け取り、ターミナル１３５４におけるシャフトの速度の出力信号代表値を提供することができる。シャフト速度回路１３２２は、シャフトの速度を確定するために、入力時間変化する信号の周波数を分析することができる。最終的に、プロダクト回路１３１５は、トルク回路１３１８の出力信号にシャフト速度回路１３２２の出力を乗じ、シャフトを通って伝えられるパワーを決定することができる。シャフトを通って伝えられたパワーの出力信号代表値が、次にターミナル１３５６において提供されうる。当業者は、回路１３１８、１３２０、１３２２、および１３１５の機能を提供する種々の回路形態を理解するであろう。
本発明と一致する、センサシステムは、他の、または追加の形態に提供された１つ以上の活性領域を含むシャフトを含むことができる。本発明と一致する、シャフト内に１つの磁化された活性領域は、シャフトが回転するのに応じて、活性領域に隣接して配置されたセンサに交流磁気分極を与えるための、少なくとも部分的に反対の磁気分極を含むことができる。１つの磁化された活性領域における反対の磁気分極が、ある軸範囲において、その軸範囲の半径方向断面において少なくとも部分的に反対方向にあるシャフトに電流を提供することによって構築されうる。このような形態にあるセンサに与えた交流磁気分極は、シャフト上のトルク、シャフトの回転位置および／または軸位置、および／またはシャフトの回転速度を感知するのに使うことができる正弦関数（シヌソイド）出力をセンサが提供するようにできる。
図１５を考慮すると、例えば、活性領域が、活性領域の第１の半径方向部分内のシャフト軸に一様に平行な矢印１５０８によって示された第１の電流、および、活性領域の第２の半径方向部分内の第１の電流とは反対方向の矢印１５１０によって示された第２の電流、を構築するよう構成された第１および第２のセットの電極金具組立体を使ってシャフト１０２に形成されうる。示された模範的な実施形態において、第１の金具組立体はシャフト上に配置された第１の金具１５００、および、第１の金具からシャフトの反対側において、間隔を空け反対の関係に配置された第２の金具１５０２を含む。第２の金具組立体は、シャフト上に配置された第１の金具１５０４、および、第１の金具からシャフトの反対側において、間隔を空け反対の関係に配置された第２の金具１５０６を含む。第１のおよび第２の電極金具組立体は、活性領域の軸長さを構築するためにシャフトの長さに沿って互いに間隔を置かれる。
隣接した金具のショートを避けるために、電流は、隔離された接地をもった２つの別個の電流源を使って示された方向に構築されうる。記載した種々の模範的な実施形態においては、簡単のために電流源は示さない。その代わり、電流源の正負のターミナル接続を、関連付けた電極金具上で「＋」と「−」の符号を使って示すことができる。図１５に示すように、別個の電流源の正のターミナルは金具１５００と１５０６に、それぞれ接続することができ、また電流源の負のターミナルは金具１５０２と１５０４に、それぞれ接続することができる。金具間距離が十分に大きい形態においては、示した電流を構築するのに１つの電流源を使うことができる。
図１５Ａは、第１および第２の金具組立体の間の、図１５の形態の半径方向の断面図であって、活性領域の半径方向の断面図の電流の方向を示す。紙面内への電流が「ｘ」によって示され、紙面からの電流が「●」によって示される。示すように、この形態は、シャフトの同じ軸の範囲で反対方向に電流を構築する。
シャフト内の反対の電流は、同じ活性領域に反対の磁界を構築することができる。トルクが適用される時、活性領域の１部は正の軸磁界成分を構築することができ、一方、活性領域の他の部分は負の軸磁界成分を作ることができる。シャフトが回転されるのに応じて、交互の正及び負の成分が、シャフトに隣接して置かれた１つ以上の磁気センサによって感知できる。センサは、シャフト上のトルク、シャフトの回転速度、および／またはシャフト位置を示す正弦関数出力を提供することができる。
図１６は、本発明と一致する、シャフト内の活性領域を形成するための、他の電極金具形態を示す。示すように、活性領域は、少なくとも部分的に楕円形の表面を提供するために、シャフト軸２１２に対して傾斜した角度θに結合された電極金具組立体の第１および第２セットを使ってシャフト１０２内に形成されうる。示された模範的な実施形態において、第１の電極金具組立体は、シャフト上に角度をつけて配置された第１の金具１６００、および、第１の金具からシャフトの反対側において、間隔を空け反対の関係に配置された第２の金具１６０２を含み、それによって、第１および第２の金具とシャフトとの間に部分的に楕円形の接触表面を提供する。第２の金具組立体は、シャフト上に配置された第１の金具１６０４、および、第１の金具からシャフトの反対側において、間隔を空け反対の関係に配置された第２の金具１６０６を含み、それによって、第１および第２の金具とシャフトとの間に部分的に楕円形の接触表面を提供する。第１および第２の電極金具組立体は、活性領域の軸長さを構築するためにシャフトの長さに沿って互いに間隔を置かれる。
金具１６００と１６０６を電流源の正のターミナルに連結し、そして、電流源の負のターミナルに金具１６０２と１６０４を連結することによって、活性領域を磁化するための電流が、金具間に延びる矢印によって示された方向に構築されうる。再び、シャフトが回転するのに応じて、交流の正負磁界が、シャフトに隣接して配置された磁界センサによって感知できる正弦関数磁界を作る。センサは、シャフト上のトルク、シャフト回転速度、および／またはシャフト位置を示す正弦関数出力を提供することができる。示された実施形態においては、センサオフセット値、すなわち、ゼロトルクにおけるセンサ出力、および、センサ正弦関数出力の位相および振幅は、角度θを調整することによって調整できる。
図１７は、本発明と一致する、シャフト内の第１および第２の活性領域を形成するための、他の電極金具形態を示す。示された模範的な実施形態においては、第１、第２、および第３のセットの電極金具組立体が、図１５に関連して示され、かつ記載されたように間隔を空け反対の関係にシャフトに結合できる。しかしながら、図１７の実施形態において、反対の磁化をもった第１および第２の活性領域は、二重の差分測定を容易にするよう構築されうる。特に、金具１７０２、１７０４、および１７０６は、金具間に示した矢印によって示された電流を構築するために、一つの電流源または別個の電流源の正のターミナルに連結することができ、金具１７００、１７０６、および１７０８は、負のターミナルに関連付けることができる。
１つの差分感知形態が、本発明と一致するシステムに関して有用でありうるが、いくつかの用途では、差分測定が、干渉する信号を正当な信号として解釈することができる。永久磁石は、例えば、差分測定が正当な信号として取得することのできる勾配を作る。永久磁石に関連する磁界は、磁石からの距離が増加するのに応じて、線形でない方法で減衰しうる。例えば機械工具の一部としての永久磁石が、１つの差分測定をもったセンサの近くに配置され、センサ出力信号における誤差が作られうる。二重の差分測定は、このような誤差を回避するために使うことができる。
図１８は、例えば図１７の形態、および関連付けられた二重の差分検出器／磁力計の形態を使って形成された第１および第２の領域を含んだシャフトを示す。示された、別個の磁束磁力センサ１８０２、１８０４、１８０６、および１８０８は、センサに隣接した矢印によって示された方向の磁界を感知するために、それぞれの活性領域に隣接するように配置することができる。センサ出力は、二重の差分検出器１８１０に提供されうる。そしてその差分検出器は、それぞれの金具組立体に関連するセンサ出力間の差分の間の差、すなわち微分の微分を決定することができる。この二重の差分アプローチは、一次の磁界勾配を削除することにおいて効果的でありうる。そして、伝統的な差分測定の場合における２倍の増加と対照した場合の、信号強さの４倍の増加をもたらす。
図１９は、本発明と一致する、シャフト内の第１、第２、および第３の活性領域を形成するための、他の電極金具形態を示す。示された模範的な実施形態において、第１、第２、第３、および第４のセットの金具組立体は、図１５に関連して示され、かつ記載されたのと同じように、間隔を置かれ、反対の関係で連結することができる。しかしながら、図１９の実施形態において、金具１９００、１９０６、１９０８、および１９１４は導電性の電極金具であり、金具１９０２、１９０４、１９１０、および１９１２は非導電性の金具でありうる。金具１９０６および１９０８は一つの電流源または別個の電流源の正のターミナルに連結することができ、また金具１９００および１９１４は負のターミナルに結合でき、金具の間に示された矢印によって示された電流を構築する。シャフトが回転するのに応じて、示された電流によって構築された磁化は、例えば中央活性領域の中心に軸方向に配置された、トルク、速度、および／または位置を示す正弦関数出力を提供することのできる、１つ以上のセンサによって感知されうる。
図２０は、本発明と一致する、シャフト内に磁化された活性領域を形成するための電極金具形態の模範的な他の実施形態を示す。示された実施形態において、第１の電極金具２００２と第２の電極金具２００４は、シャフト１０２の軸に一様に平行となように配置される。第１の電極はシャフトの上面に配置され、そして第２の電極は第１の電極から約１８０度でシャフトの底面上に配置される。
第１の金具２００２を電流源の正のターミナルに、そして第２の金具２００４を電流源の負のターミナルに接続することによって、シャフトの活性領域を磁化するための電流が構築されうる。図２０Ａは、活性領域の半径方向断面における電流の結果としての方向を示す矢印によって、第１および第２の電極金具を通して見た図２０の形態の半径方向の断面図である。示すように、この形態は、シャフトの同じ軸の範囲の反対方向の電流、従って磁気極性を構築する。シャフトが回転するのに応じて、交流の正負の磁界成分が、シャフトに隣接して配置された1つ以上の磁気センサによって感知できる。このセンサは、シャフト上のトルク、シャフト回転速度、および／またはシャフト位置を示す正弦関数出力を提供することができる。
図２１は、本発明と一致する、シャフト内の磁化された活性領域を形成するための電極金具形態の他の模範的な実施形態を示す。図２１の実施形態は、電極がシャフト軸に対して角θで配置されることを除いては、図２０の形態に類似する第１および第２の電極金具を含む。第１の金具２１０２を電流源の正のターミナルに、また第２の金具２１０４を電流源の負のターミナルに接続することによって、シャフトの活性領域を磁化するための電流が構築されうる。この形態は、シャフトの同じ軸の範囲の少なくとも部分的に反対方向の、シャフトの表面上を流れ、およびツイストする電流、従って磁気極性を構築する。シャフトが回転するのに応じて、交流磁気分極が、シャフトに隣接して配置された磁界センサによって感知することができる正弦関数磁界を作る。このセンサは、シャフト上のトルク、シャフト回転速度、および／またはシャフト位置を示す正弦関数出力を提供することができる。示された実施形態において、センサオフセット、すなわちゼロトルクにおけるセンサ出力、および正弦関数出力のセンサの位相と振幅は、角度θを調整することにより調整されうる。
図２２は、本発明と一致する、シャフト内の磁化された活性領域を形成するための、電極金具形態の他の模範的な実施形態を示す。図２２の図の実施形態は、第１の電極金具２２０２、第２の電極金具２２０４、第３の電極金具２２０６、第４の電極金具２２０８がシャフトの表面に一様に平行に提供され、互いに約９０度であることを除いては、図２０の形態に類似する。金具２２０４と２２０８を１つ以上の電流源の正のターミナルに、また金具２２０２と２２０６を電流源の負のターミナルに連結することによって、シャフトの活性領域を磁化するための電流が構築されうる。
図２２Ａは、活性領域の半径方向断面における電流の結果としての方向を示す矢印によって、電極金具を通して見た図２２の形態の半径方向の断面図である。示すように、この形態は、シャフトの同じ軸の範囲の反対方向の電流、従って磁気極性を構築する。シャフトが１回転だけ回転するのに応じて、磁気分極の４つの変化が、シャフトに隣接して配置された１つ以上の磁気センサによって感知できる。このセンサは、シャフト上のトルク、シャフト回転速度、および／またはシャフト位置を示す正弦関数出力を提供することができる。磁気分極の変化に起因して、正弦関数出力が、例えば図２０の実施形態よりも高い周波数をもつことができる。
図２３は、本発明と一致する、シャフト内の磁化された活性領域を形成するための、電極金具形態の他の模範的な実施形態を示す。図２３の実施形態は、第１の活性領域が第１の電極金具２３０２と第２の電極金具２３０４電極金具によって構築され、また第２の活性領域が第３の電極金具２３０６と第４の電極金具２３０８電極金具によって構築されることを除いては、図２０の形態に類似する。金具２３０２と２３０８を１つ以上の電流源の正のターミナルに、また金具２３０４と２３０６を電流源の負のターミナルに連結することによって、シャフト１０２の活性領域を磁化するための電流が構築されうる。図２３Ａは、金具２３０６と２３０８を通して見た図２３の形態の半径方向の断面図であり、図２３Ｂは、金具２３０２と２３０４を通して見た図２３の形態の半径方向の断面図である。
図２３Ａおよび図２３Ｂの矢印は、活性領域の半径方向の断面の電流方向を示す。示すように、この形態は、シャフトの第１の活性領域の反対方向の電流、従って磁気極性と、第１の活性領域のそれとは反対方向にある第２の活性領域の反対方向の電流、を構築する。この形態は、シャフト上のトルクに起因する磁束の変化の二重の差分測定を容易にする。
図２４および図２４Ａは、本発明と一致する、シャフト内の磁化された活性領域を形成するための、電極金具形態の他の模範的な実施形態を示す。図２４の実施形態は、第１の金具２４００と第２の金具２４０２を含んだ第１の電極金具組立体と、第１の金具２４０６と第２の金具２４０８を含んだ第２の電極組立体を含む。シャフトの活性領域を磁化するための電流が、図示のように金具を１つ以上の電流源に連結することによって、図２４の矢印の方向に構築されうる。示された実施形態において、電流は、らせん状の経路をとったシャフト表面において９０度流れることができる。
図２５と図２５Ａは、本発明と一致する、電極金具形態の他の模範的な実施形態を示す。図２５の実施形態は、第１および第２の活性領域が、第１の電極金具組立体２５０２、第２の電極金具組立体２５０３、第３の電極金具組立体２５０８を使って構築されることを除いては、図２４の形態に類似する。シャフトの活性領域を磁化するための電流が、図示のように電極金具を１つ以上の電流源に連結することによって、図２５の矢印の方向に構築されうる。この形態は、上述のように二重の差分測定を許容する。
図２６と図２６Ａは、本発明と一致する、シャフト内の磁化された活性領域を形成するための、電極金具形態の他の模範的な実施形態を示す。図２６の実施形態は、シャフトのまわりに６０度間隔で配置された３つの電極の２つのセットを含む。示すように、３つの電極の第１セット２６０２は、電流源の正のターミナルに接続することができ、そして３つの電極の第２セット２６０４は、３つの電極の第２のセットに接続することができ、図２６の矢印の方向に電流を構築する。この形態においては、電流が、１つの電極から他の電極までシャフト表面において６０度流れることができ、それによってさらに多くの磁極と、さらに高周波数の正弦関数出力を構築することができる。
図２７は、本発明と一致する、第１の活性領域２７０２と第２の活性領域２７０４を含んだシャフトを示す。そこでは、１つの領域がトルクを測定するのに使うことができる一方で、他の領域が位置を測定するのに使うことができる。トルク領域２７０２は、ここで記載した構想のいずれかによって磁化されうる。位置感知領域２７０４は、２つの極を作るだけのためにコイルまたは永久磁石内で磁化されうる。シャフト１０２が回転するのに応じて、トルクによって変化しない正弦関数信号が生成され、シャフト回転位置を測定するのに使うことができる。
本発明と一致する、１つ以上の磁化された活性領域を構築するための形態は、活性領域の反対側上に飽和領域をも構築する。知られるように、飽和領域は、活性領域のための強い磁気境界を構築するよう提供されうる。そして、さらに安定し、近くの鉄物体によって影響を受けない活性領域をもたらす。一実施形態において、例えば上述のような電極金具組立体を使って、磁化された活性領域を構築するのに先立って、電流がシャフトを軸方向に通過しうる。シャフトを通る軸電流は、後に構築される活性領域のいずれかの側に強い飽和領域を構築することができる。図２７Ａは、当初の飽和電流をシャフトの中央を通じてタップする、すなわち矢印で示す方向に飽和電流を構築する他の実施形態を示す。この形態は、後に形成される活性領域の反対側に反対分極の飽和領域を構築するのに使うことができる。
飽和領域も電極金具形態を使って形成されうる。図２８は、例えば図１５の実施形態に類似する形態に対する活性領域の反対側に飽和領域を構築するために電極金具組立体を使う、模範的な形態を示す。図２９は、図２０の実施形態に類似する形態に対する活性領域の反対側上に飽和領域を構築するための、電極金具組立体を使う模範的な形態を示す。
さて、図３０〜図３２を考慮すると、電極金具の代わりに、接触ピンを、本発明と一致するいずれかの実施形態と一致する、１つ以上の活性領域を構築する電流を構築するのに使うことができる。接触ピンは、シャフト内のいずれかの要求される磁化を構築するのに使うことができる。図３０は、シャフトを通して電流を流す導電性の接触ポイントを提供するのに利用されうる、接触ピン３０００の１つの模範的な実施形態を示す。ピン３０００は非導電性固定プレート３００６と導電性の接触ピン３０１０を含むことができる。スプリング３００４は、接触ピン３０１０にシャフト１０２に対するバイアスをかけるために、非導電性固定プレート３００６の部分と導電性の接触ピン３０１０の部分３０２０との間に提供されうる。
例えば図３１に示すように、接触ピン、例えばピン３１０２、３１０４、３１０６、３１０８、３１１０、および３１１２を、図１５の実施形態に類似する、矢印の方向に電流を構築するようにシャフトのまわりに結合させることができる。図３１の実施形態は、互いにある角度にピンの対を調整し、関連付けられた対の間のシャフトを通じて連続的に電流を通すことによって、楕円形の磁化を構築するのに使うこともできる。接触ピンは、シャフト内のいずれかの符号の磁化を構築するのに使うことができる。図３２は、１つの模範的な実施形態を示す。唯一つの磁気の符号を構築するように、シャフト表面に、接触ポイント３２０２、３２０４、３２０６、３２０８、３２１０、および３２１２をそれぞれ提供する６つの導電性のピンを含む。電流源は、例えば矢印で示す方向に、シャフト内の磁気の符号を作るための接触ピンの選択された対を通じて連続的に電流を通すようプログラムされうる。磁気の符号は、回転速度測定のような追加の非トルク測定をなすために利用されうる。磁気の符号は、シャフトの１回転で数個の極を提供することができ、速度感知における追加の解決策を提供することができる。磁気の符号は、正弦信号／余弦信号とは異なりうるし、また正弦関数ノイズから一意的に分化されうるような、時間変化する信号をも作ることができる。
やはり、本発明と一致する実施形態は、シャフト内の１つ以上の活性領域を磁化するために単一または多数の電流源を使うことができる。本発明と一致するいずれかの実施形態において、別個の源を、例えば調整センサ利得とオフセット（ゼロトルクにおける出力）のために、磁化電流をバランスするか、または故意にアンバランスにするのに使うことができる。例えば図３３に示されるように、別個の源３３０２と３３０４が、図１２に記載のように、シャフト内の磁化領域を構築するために適用されうる。次に、トルクが、構築されたオフセットおよび利得を決定するために測定されうる。要求されるオフセットと利得が構築されなければ、源の出力、例えばＶ１および／またはＶ２は修正され、そしてオフセットと利得が測定できる。このプロセスは、要求されるオフセットと利得が得られるまで繰り返されうる。このアプローチは、特定のシャフトを特定の関連するセンサにマッチさせる必要性を排除するのに使うことができる。
本発明と一致してシャフトが磁化されると、シャフトは、シャフトを安定させるために、および／または利得とオフセットを調整するために、機械的に調整することができる。一実施形態においては、振動インパクトデバイスによってシャフトに与えられた制御された機械的ショックパルスを、シャフトを安定させるのに使うことができる。他の実施形態において、区分された消磁ソレノイドコイルを、磁化後にシャフトを調整するために使うことができる。
本発明と一致するいずれかの実施形態においては、１つ以上の活性領域に関連する磁界成分が、シャフトに隣接して配置された１つ以上の磁界センサによって感知できる。センサが磁束磁力センサとして構成される実施形態において、フラックスゲートコイルは、シャフトとの、半径、軸、および／または接線の関係に配置されうる。図３４は、半径方向に方向付けられたフラックスゲートコイル３４０２と接線方向に方向付けられたフラックスゲートコイル３４０４を示し、図３５は、軸方向に方向付けられたフラックスゲートコイル３５０２を示す。それぞれのコイルは、シャフト上のトルク、シャフトの回転速度、および／またはシャフト位置を示す別個の正弦関数出力を提供することができる。
３つの半径方向コイルの使用はトルク測定を許容することができる一方で、通常モードを拒否する。例えば、図３６に示すように、３つの半径方向コイル３６０４、３６０６、および３６０８が、シャフト１０２上を滑らせるハウジング３６０２内に配置でき、シャフトが回転するのに応じて、活性領域に生成される磁界を感知するために、シャフトに近接するコイルを配置することができる。３つのコイル３６０４、３６０６、および３６０８からの出力の合計は、トルクを示すものとして解釈できる一方、コイルに対する一定の磁界の混合された効果が、何らかの共通モード磁界成分の相殺をもたらす。他の実施形態において、４つのコイル３７０４、３７０６、３７０８、および３７１０は、例えば図３７に示されるように、シャフト１０２上を滑らせるハウジング内に配置されうる。図３７の実施形態におけるコイルの間隔を修正することは、利得とオフセットの調整を許容する。
本発明と一致するセンサは正弦関数出力を作ることができ、そこでは、正弦関数出力の振幅がトルクに比例する。磁気センサ素子、例えばフラックスゲートコイルは、シャフトが回転するのに応じて、正弦信号と余弦信号を提供するように調整されうる。ＤＣ磁界は、磁力計における出力をＡＣ結合することによって、測定値から拒否されうる。また、三角関数関係は、正弦と余弦出力に対して磁力計に実装でき、トルクと位置を決定する。特に、トルクは以下で決定できる。
トルク＝√（ｓｉｎ２＋ｃｏｓ２）
そして、位置は以下で決定できる
位置＝ａｒｃｔａｎ（ｓｉｎ／ｃｏｓ）
√（ｓｉｎ２＋ｃｏｓ２）が正の数のみを与えるので、本発明と一致するシステムは、負のトルクが測定される時に負の出力を作る方法を含むことができる。一実施形態においては、位置センサは瞬間的な回転角変更の方向を決定するのに使うことができる。瞬間的な角度の変化が正の方向にあるならば、トルクは第１の所定の分極をもつことになる。瞬間的な角度の変化が負の方向にあるならば、トルクは第１の分極とは反対の分極をもつことになる。本発明と一致するシステムは、共に、あるいは二者択一的に、特定のコイル配置によって取得した信号のＤＣ平均をも使うことができる。（トルクに依存する）正弦関数のＤＣ平均が正であるならば、トルクが正であると考えられる。ＤＣ平均が負であるならば、トルクが負であると考えられる。
正弦／余弦の関係は、位置とトルクを得るための、１つのセットの電子回路の使用を許容することができる（例えば１つのＡＳＩＣ）。回転速度は、例えばピーク振幅の発生の速度を計算することによって、正弦関数の１つから得ることができる。正弦／余弦の関係は、診断のために使うこともできる。感知された正弦／余弦の関係から出発して、何らかの診断信号のトリガーを与えることができる。
本発明と一致するセンサは、対老朽化のアルゴリズムも含むことができる。磁石（軟質または硬質の材料）は、時間と温度によって老朽化しうる。この変化は、多くの用途において小さく受容しうるが、特定の重要な用途では、それは受容しえない。本発明と一致するセンサは、トルクにより変化しない正弦関数出力を提供する１つ以上のコイルからの参照信号に基づいた正弦関数振幅（または結果として計算されたトルク）を修正することができる。例えば、図２７の実施形態における測定位置に使われる磁化された領域２７０４は、適用されるトルクにより変化しないが老朽化で変化するような振幅をもつ正弦波（シヌソイド）を作ることができる。老朽化によるこの振幅の変化は、老朽化によるセンサトルク出力を修正する参照（リファレンス）信号として使用されうる。例えば、センサトルク出力の振幅は、参照信号に対する一定の比で維持されうる。本発明と一致するいずれかの実施形態は、トルクにより変化しないセンサ出力を使う、対老朽化のアルゴリズムを含むことができる。
さて、図３８〜図４０を考慮すると、センサ出力、対、トルクのプロット、および図２０に示されるように磁化された１つの磁化された活性領域を含み、また、活性領域の反対側における第１および第２の半径方向磁界コイルと、活性領域の反対側における第１および第２の接線方向コイルとを含んだ実施形態に対する回転角が提供されている。コイルのそれぞれは、活性領域においてシャフト表面から約６ｍｍに配置されたコイル中心線とセンタリングされうる。半径方向および接線方向のコイル出力の差分測定は、通常のモード磁界を拒否するのに使うことができる。
図３８におけるプロット３８０２は、半径方向コイルから得られる正弦関数出力に対して適用された、ピーク・トゥ・ピーク(peak to peak)出力振幅、対、トルクを示し、プロット３８０４は、ピーク・トゥ・ピーク出力振幅、対、接線方向コイルから得られた正弦関数出力に対して適用されたトルクを示す。示すように、出力は、半径方向および接線方向の両方のコイルに対して適用されたトルクにより、実質的に線形に変化する。
図３９は、−５．０ＮＭ、−２．５ＮＭ、０ＮＭ、２．５ＮＭ、および５．０ＮＭで適用されたトルクに対する、半径方向コイル出力、対、シャフト回転角度のプロット３９００を含む。このプロットは、増加するトルクによってピーク・トゥ・ピーク振幅が増加することを示す。図４０は、−５．０ＮＭ、−２．５ＮＭ、０ＮＭ、２．５ＮＭ、および５．０ＮＭで適用されたトルクに対する、接線方向コイル出力、対、シャフト回転角度のプロット４０００を含む。このプロットは、増加するトルクによってピーク・トゥ・ピーク振幅が増加することと、さらに異なったトルク値の間の位相シフトを示す。例えば、プロット４００４は５．０ＮＭとプロット４００４で適用されたトルクに関連し、それはプロット４００２から位相がシフトし、５．０ＮＭで適用されたトルクに関連する。
本発明の１つの局面によれば、少なくとも部分的に反対の磁気分極をもつ少なくとも１つの磁化された活性領域を有するシャフトを含むセンサ；および活性領域に隣接して配置された磁気センサ、が提供される。このセンサは、シャフトが回転するのに応じて、反対の磁気分極に応答して正弦関数出力を提供するよう構成されうる。この正弦関数出力はシャフトに適用されたトルクを表現することができる。
本発明の他の局面によれば、１つの軸方向ではない方向におけるシャフトの軸の範囲を通じて電流を方向付けることを含む方法を含んだ、シャフトに適用されるトルクを監視するためのセンサシステムで使われる磁気制限シャフトの磁化を誘導する方法、が提供される。
本発明のさらに他の局面によれば、楕円形の磁化をもつ少なくとも１つの活性領域をもったシャフトを含むセンサ；およびシャフトまわりの磁界を感知するよう構成された磁気センサ、を提供することができる。その磁界はシャフトに適用されるトルクを表現することができる。
本発明のさらに他の局面によれば、少なくとも１つの磁化された活性領域をもったシャフトを含むセンサ；シャフトのまわりに配置され、第１の磁力計と結合され、シャフトが回転するのに応じて第１の正弦関数信号を提供するよう構成された第１のフラックスゲートコイル；シャフトのまわりに配置され、シャフトが回転するのに応じて第２の正弦関数信号を提供するよう構成された第２のフラックスゲートコイルであって、該第２の正弦関数信号が第１の正弦関数信号と９０度の位相だけずれているもの；および第１および第２の正弦関数信号を受け取り、シャフトに適用されるトルクの出力信号代表値を提供するよう構成されたトルク回路、が提供される。
他の局面は、先行する記載と関連する図面によって説明される。ここで使用された用語および表現は、説明の用語として使用され、制限するものとして使用されない。そしてそのような用語と表現の使用においては、示され記載された特徴（あるいはそれの部分）のいかなる均等物を排除することをも意図していない。また、種々の変更が特許請求の範囲の範囲において可能である、ということが理解される。同じく、ここで開示された種々の特徴および局面は互いに組み合わせることができる。そのようなすべての変形と組み合わせは、本発明の範囲の中にあると考えられる。その他の変更、変形、および選択も可能である。従って、特許請求の範囲は、そのようなすべての均等物を包括することが意図される。
本発明と一致する模範的なシステムのブロック図である。 本発明と一致する模範的なセンサを図式的に示す。 シャフトの楕円形の磁化を示す図２のラインＡ−Ａに沿った図２のシャフトの断面図である。 本発明と一致する他の模範的なセンサを図式的に示す。 本発明と一致する、シャフトの楕円形の磁化を誘導する１つの方法を示すための、シャフトと電極金具の対の斜視図である。 図５のシャフトと電極金具の平面図である。 図６のラインＡ−Ａに沿った図６のシャフトと電極金具の断面図である。 本発明と一致する、シャフトの楕円形の磁化を誘導する他の方法を示すための、シャフトと、該シャフトに対して傾斜された電磁石の図である。 図８のラインＡ−Ａに沿った図８のシャフトと電磁石の断面図である。 本発明と一致する、シャフトの楕円形の磁化を誘導する他の方法を示すための、シャフトと、該シャフトに対して傾斜された永久磁石の図である。 図１０のラインＡ−Ａに沿った図１０のシャフトと電磁石の断面図である。 シャフトが回転するのに応じて時間変化する磁界のＡＣ分析を有する、２つの楕円状に磁化された領域をもったセンサの他の実施形態を図式的に示す。 トルクに加えてシャフトパラメータを同時に監視するための、シャフトが回転するのに応じて時間変化する磁界のＡＣ分析を有する、２つの楕円状に磁化された領域をもったセンサの他の実施形態を図式的に示す。 図１３の２つのフラックスゲートコイルの半径方向変位の例を示す、図１３のシャフトの活性領域の横断断面図である。 本発明と一致する、シャフトを磁化する他のシステムと方法を示す、シャフトと電極金具の側面図である。 図１５の実施形態の、電極金具組立体の間の半径方向の断面図である。 本発明と一致する、シャフトを磁化する他のシステムと方法を示す、シャフトと電極金具の側面図である。 本発明と一致する、シャフトを磁化する他のシステムと方法を示す、シャフトと電極金具の側面図である。 図１７に示すような形態を使って磁化されるシャフトの側面図であって、二重の差分検出器の形態を含む。 本発明と一致する、シャフトを磁化する他のシステムと方法を示す、シャフトと電極金具の側面図である。 本発明と一致する、シャフトを磁化する他のシステムと方法を示す、シャフトと電極金具の側面図である。 図２０の実施形態の、電極金具組立体を通してみた半径方向の断面図である。 本発明と一致する、シャフトを磁化する他のシステムと方法を示す、シャフトと電極金具の平面図である。 図２１の実施形態の、電極金具組立体を通してみた半径方向の断面図である。 本発明と一致する、シャフトを磁化する他のシステムと方法を示す、シャフトと電極金具の側面図である。 図２２の実施形態の、電極金具組立体を通してみた半径方向の断面図である。 本発明と一致する、シャフトを磁化する他のシステムと方法を示す、シャフトと電極金具の平面図である。 図２３の実施形態の、第１の対の電極金具組立体を通してみた半径方向の断面図である。 図２３の実施形態の、第２の対の電極金具組立体を通してみた半径方向の断面図である。 本発明と一致する、シャフトを磁化する他のシステムと方法を示す、シャフトと電極金具の平面図である。 図２４の実施形態の斜視図である。 本発明と一致する、シャフトを磁化する他のシステムと方法を示す、シャフトと電極金具の平面図である。 図２５の実施形態の斜視図である。 本発明と一致する、シャフトを磁化する他のシステムと方法を示す、シャフトと電極金具の平面図である。 図２６の実施形態の斜視図である。 本発明と一致する、第１および第２の活性領域を含むシャフトの側面図である。 本発明と一致する、シャフトの中心を通して軸電流を測定することにより飽和領域を構築することを示すシャフトの側面図である。 本発明と一致する、シャフトを磁化する他のシステムと方法を示す、シャフトと電極金具の側面図である。 本発明と一致する、シャフトを磁化する他のシステムと方法を示す、シャフトと電極金具の側面図である。 接触ピンの一実施形態を図式的に示す。 シャフトにおける磁化された活性領域を構築するための第１の模範的な形態における、シャフトと、該シャフトに接触する複数の接触ピンの図である。 シャフトにおける磁化された活性領域を構築するための第２の模範的な形態における、シャフトと、該シャフトに接触する複数の接触ピンの図である。 本発明と一致する、シャフトにおける第１および第２の活性領域を構築するためのアンバランスな電流を提供するための１つの模範的なシステムと方法を図式的に示す。 本発明と一致する、半径方向および接線方向に方向付けられたフラックスゲートコイルを図式的に示す。 本発明と一致する、軸方向に方向付けられたフラックスゲートコイルを図式的に示す。 本発明と一致する、シャフトのまわりの３つのフラックスゲートコイルを位置付けるための、模範的なハウジングを図式的に示す。 本発明と一致する、シャフトのまわりの４つのフラックスゲートコイルを位置付けるための、模範的なハウジングを図式的に示す。 本発明と一致する、模範的なセンサに対するセンサ出力、対、トルクのプロットである。 本発明と一致する、模範的なセンサに対するセンサ出力、対、シャフト回転角のプロットである。 本発明と一致する、模範的なセンサに対するセンサ出力、対、シャフト回転角のプロットである。
符号の説明
１００ システム
１０２ シャフト
１０２ｂ シャフト
１０４ センサ
１０４ａ、１０４ｂ、１０４ｃ、１０４ｄ センサ
１０６ コントローラ
１０８ ブレーキングシステム
１１０ システム
２０２ 活性領域
２０２−１ 活性領域
２０２−２ 活性領域
２０４ 受動領域
２０５ 磁界センサ
２０５−１ 磁界センサ
２０５−２ 磁界センサ
２０６ 受動領域
２１２ シャフトの中心線軸
２５０ 非ゼロ軸成分
５０２ 上部金具
５０４ 下部金具
５０６ 上部金具
５０８ 下部金具
５１４ 開口
６００ 電流源
７００ シャフト開口
８０６ 電磁石
１００６ 永久磁石
１２０５ フラックスゲートコイル
１２０６ 交流結合磁力計
１２０８、１２１０、１２１２、１２１４ 電極金具
１３０２ フラックスゲートコイル
１３１１ 磁力計
１３１５ プロダクト回路
１３１６ 磁力計
１３１８ トルク回路
１３２０ 位置回路
１３２２ シャフト速度回路
１３５０、１３５２、１３５４、１３５６ ターミナル
１３８０ 活性領域
１５００、１５０２、１５０４、１５０６ 金具
１６００、１６０２、１６０４、１６０６ 金具
１７００、１７０２、１７０４、１７０６、１７０８ 金具
１８０２ フラックスゲートセンサ
１８１０ 差分検出器
１９００、１９０２、１９０４、１９０６、１９０８、１９１０、１９１２、１９１４ 金具
２２０２、２２０４ 金具
２３０２、２３０４、２３０６ 金具
２７０２ トルク領域
２７０４ 位置感知領域
３０００ 接触ピン
３００４ スプリング
３００６ 非導電性固定プレート
３０１０ 接触ピン
３１０２ ピン
３２０２ 接触ポイント
３３０２ 源
３４０２、３４０４ フラックスゲートコイル
３５０２ フラックスゲートコイル
３６０２ ハウジング
３６０４ コイル
３６０４ 半径方向コイル
３７０４ コイル

Claims (20)

  1. 少なくとも１つの磁化された活性領域をもつシャフトであって、前記少なくとも１つの活性領域が反対の磁気分極をもつシャフトと、
    前記活性領域のまわりに置かれ、前記反対の磁気分極に応答して正弦関数出力を提供するように構成された磁気センサであって、該正弦関数出力が前記シャフトに適用されたトルクを表現する磁気センサと、
    を有することを特徴とするセンサ。
  2. 前記正弦関数信号の振幅は前記シャフトの回転位置を表現することを特徴とする請求項１に記載のセンサ。
  3. 前記正弦関数信号の周波数は前記シャフトの速度を表現することを特徴とする請求項１に記載センサ。
  4. 前記シャフトは、前記活性領域の対向する側に磁化された飽和領域を有することを特徴とする請求項１に記載のセンサ。
  5. シャフトに適用されたトルクを監視するためのセンサシステムにおいて使われる磁気制限シャフトの磁化を誘導する方法であって、
    １つの軸の方向でない方向に、前記シャフトの軸の或る範囲を通して電流を方向付ける段階
    を有することを特徴とする方法。
  6. 前記シャフトの軸に対して傾斜した角度に、前記シャフトを通る電流を方向付ける段階を有することを特徴とする請求項５に記載の方法。
  7. 前記傾斜した角度は約１０度から８０度の間であることを特徴とする請求項６に記載の方法。
  8. 前記方法は、少なくとも部分的に反対方向に前記シャフトの前記軸の範囲を通して第１および第２の電流を方向付ける段階を有することを特徴とする請求項５に記載の方法。
  9. 前記方法は、少なくとも部分的に反対の円周方向に、前記軸の範囲を通して第１および第２の電流を方向付ける段階を有することを特徴とする請求項５に記載の方法。
  10. 前記方法は、少なくとも部分的に反対の軸方向に前記軸の範囲を通して第１および第２の電流を方向付ける段階を有することを特徴とする請求項５に記載の方法。
  11. 少なくとも１つの活性領域をもつシャフトであって、前記少なくとも１つの活性領域が楕円形の磁化をもつシャフトと、
    前記シャフトのまわりの磁界を感知するよう構成された磁気センサであって、前記磁界が前記シャフトに適用されたトルクを表現する磁気センサと、
    を有することを特徴とするセンサ。
  12. 前記楕円形の磁化は、前記シャフトに適用されたゼロトルクにおいて前記シャフトの中心線軸に沿って方向付けられた非ゼロ軸成分を有し、その状況で、前記磁気センサはゼロトルクにおける前記非ゼロ軸成分を感知するよう構成されることを特徴とする請求項１１に記載のセンサ。
  13. 前記楕円形の磁化は、１対の電極金具の間に駆動された電流によって誘導され、前記１対の電極金具は互いに平行に方向付けられ、さらに前記シャフトの中心線軸に対して傾斜した角度に方向付けられ、その状況で、前記楕円形の磁化はゼロトルクにおいて前記シャフトの中心線軸に沿って非ゼロ軸成分を持ち、さらに、ゼロトルクにおける前記非ゼロ軸成分が、前記傾斜した角度の値に少なくとも部分的に依存していることを特徴とする請求項１１に記載のセンサ。
  14. 前記楕円形の磁化は、ゼロトルクにおいて前記シャフトの中心線軸に沿って非ゼロ軸成分を持ち、その状況で、非ゼロ軸成分は、前記トルクが前記シャフトに適用されるのに応じて変化することを特徴とする請求項１１に記載のセンサ。
  15. 前記磁気センサによって感知された前記磁界は、前記シャフトが回転させられ、前記磁気センサが前記シャフトに適用された前記トルクの振幅代表値をもった正弦関数信号を提供するのに応じた、交流磁気極性を有することを特徴とする請求項１１のセンサ。
  16. 前記正弦関数信号の周波数は前記シャフトの速度を表現することを特徴とする請求項１５に記載のセンサ。
  17. 少なくとも１つの磁化された活性領域をもつシャフトと、
    前記シャフトのまわりに置かれ、第１の磁力計に結合され、前記シャフトが回転させられるのに応じて第１の正弦関数信号を提供するよう構成された、第１のフラックスゲートコイルと、
    前記シャフトのまわりに置かれ、前記シャフトが回転させられるのに応じて第２の正弦関数信号を提供するよう構成された第２のフラックスゲートコイルであって、前記第２の正弦関数信号が、前記第１の正弦関数信号と９０度の位相だけずれているような第２のフラックスゲートコイルと、
    前記第１および第２の正弦関数信号を受け取るよう構成され、前記シャフトに適用されたトルクの出力信号代表値を提供するトルク回路と、
    を有することを特徴とする有するセンサ。
  18. 前記トルク回路は、自乗した前記第１の正弦関数信号と自乗した前記第２の正弦関数信号との合計の平方根を計算するよう構成され、前記シャフトに適用されたトルクの前記出力信号代表値を提供することを特徴とする請求項１７のセンサ。
  19. 前記第１および前記第２の正弦関数信号の少なくとも１つを受け取り、そして前記シャフトの速度の出力信号代表値を提供するように構成されたシャフト速度回路をさらに有し、その状況で、前記第１および第２の正弦関数信号の前記少なくとも１つの周波数が前記シャフトの前記速度を表現することを特徴とする請求項１７のセンサ。
  20. 前記第１の正弦関数信号に対する前記第２の正弦関数信号の比の逆正接を計算するための回路を配置する段階をさらに有し、前記逆正接操作の結果は前記シャフトの位置を表現することを特徴とする請求項１７に記載のセンサ。
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