JP2013519882A - 磁気符号化を用いた変位測定システム及び方法 - Google Patents

Abstract

測定システムは、機械エネルギーを使用点まで伝達するよう較正された回転部材を含む。この部材は、その表面に磁化可能物質からなる円周方向に配向された1つまたは複数の帯を備える。それぞれの帯が、その帯の磁化可能物質に磁気記録された複数の転移からなる磁気パターンを備える。磁界センサが磁化可能物質からなる各帯の十分近くに配置され、上記部材の回転時にその帯に記録された磁気パターンを感知する。各磁界センサは、その磁界センサにより感知された磁気パターンに応答して信号を生成する。処理電子機器回路が各磁界センサと通信し、その部材の回転時に各磁界センサによって生成される信号を受け取ると共にその回転部材の動作に関連した測定値をそれら信号から動的に計算する。

Description

関連出願
本願は、2010年2月11日付けで提出された「ドライブライン感知のための磁気符号化(Magnetic Encoding for Drive Line
Sensing)」と題した米国仮特許出願第61/303,600号の優先権及び利益を主張し、その全体はここに引用して援用する。

本発明は、概して、回転部材上で磁気符号化を用いる変位測定システム及び方法に関する。

多くのそして様々な用途において、回転軸に掛けられる静トルク及び動トルクの測定が重要である。通常の静トルクは加速成分を含まない定常トルクと考えられ、動トルクは加速を含むものである。トルクは、典型的には、インライン及び反作用という2つの方法のうち一方を用いて測定される。トルクをインラインで測定するには、センサがトルク伝達ラインに、例えば、モータとそのモータに駆動される軸との間に取り付けられる。反作用トルクの測定には、センサが、従動軸へのねじり、変形、または歪みを測定することによって、従動軸に掛かるトルクの値を導き出す。今日、最も一般的な反作用トルクセンサは歪みゲージであり、このゲージでは、フォイルに基づく抵抗物質が軸の外側に固着され、歪みはこのフォイル物質にかかる力として測定される。これらセンサは、通常はスリップリングを使用することにより、回転トランスを介してしばしば供給される電力と、センサの値を読むための手段とを必要とする。

回転トランス、関連した電子機器回路、及びスリップリングが、これらの反作用トルクセンサを高価なものとし、信頼性及び保守の問題を引き起こし易くしてしまう。これ以外の反作用トルクセンサは正確で、非接触感知という利点がある。しかし、こうした反作用トルクセンサは、圧電石英ベースの表面の回転軸への取り付けと複雑な電子機器回路を必要とする場合があり、製造コストが高くなることがある。反作用トルクを測定するための誘導性及び磁気的アプローチは、歪みゲージ及びSAW(表面弾性波)センサに対して十分な競争力を勝ち得ていない。加速時計並びにモータ及び他のパワートレイン構成要素を支持する大型のひずみゲージを用いる他のアプローチも用いられている。これら多くのアプローチの多くは複雑で、物理的かつ/または電磁気的に脆弱であり、多くのセンサユニットを必要とし、製造コストが高価になることがある。

一様態では、本発明は、機械エネルギーを使用点まで伝達するよう較正された回転部材を含む測定システムを備える。
前記部材は、その表面に磁化可能物質からなる円周方向に配向された1つまたは複数の帯を備える。それぞれの帯が、その帯の磁化可能物質に磁気記録された複数の転移からなる磁気パターンを備える。磁界センサが磁化可能物質からなる各帯の十分近くに配置され、前記部材の回転時にその帯に記録された磁気パターンを感知する。各磁界センサは、その磁界センサにより感知された磁気パターンに応答して信号を生成する。処理電子機器回路が各磁界センサと通信し、前記部材の回転時にその磁界センサによって生成される信号を受け取ると共に前記回転部材の動作に関連した測定値を前記信号から動的に計算する。

別の様態では、本発明は、軸線を中心に回転する軸を含んだ測定システムを備える。前記軸は、その表面に磁化可能物質からなる空間的に離間した円周方向に配向された一対の帯を備える。それぞれの帯が、その帯の磁化可能物質に磁気記録された複数の転移からなる磁気パターンを備える。磁界センサが磁化可能物質からなる各帯の十分近くに配置され、前記軸の回転時にその帯に記録された磁気パターンを感知する。各磁界センサは、その磁界センサにより感知された磁気パターンに応答して信号を生成する。処理電子機器回路が各磁界センサと通信し、前記軸の回転時にその磁界センサによって生成される信号を受け取ると共に前記軸に発生する捻れをそれから計算する。

さらに別の様態では、本発明は、軸線を中心に回転する軸を含んだ測定システムを備える。前記軸は、その表面に磁化可能物質からなる円周方向に配向された帯を備える。前記帯が、前記磁化可能物質に磁気記録された複数の転移からなる磁気パターンを備える。磁界センサが磁化可能物質からなる前記帯の十分近くに配置され、前記軸の回転時に前記磁気パターンを感知する。前記磁界センサは、前記磁気パターンに応答して信号を生成する。処理電子機器回路が前記磁界センサと通信し、前記軸の回転時に前記生成された信号を受け取ると共に、前記回転する軸に発生する振動を前記信号に応答して測定する。

さらに別の様態では、本発明は、回転部材の動作を測定するための方法を特徴とする。磁化可能物質からなる1つまたは複数の帯が回転部材の表面に設けられている。前記1つまたは複数の帯のそれぞれが、その帯の磁化可能物質に磁気記録された複数の転移からなる磁気パターンを備える。前記部材は回転して機械エネルギーを使用点まで伝達する。前記部材が回転する際に、磁化可能物質からなる前記1つまたは複数の帯それぞれに記録された前記磁気パターンが感知される。感知されたそれぞれの磁気パターンに応答して信号が生成される。前記回転部材の動作に関連した測定値が、前記生成された信号に応答して動的に計算される。

本発明の上記及びその他の利点は、添付の図面と共に次の説明を参照すればより良く理解できるはずである。幾つかの図面では類似の参照番号は類似の要素及び特徴を示す。これら図面は必ずしも一定の縮尺ではなく、本発明の原理を図示することにむしろ重点が置かれている。
磁気記録可能材料製の1つまたは複数の帯を備えた円柱部材を含む測定システムの実施形態の図である。 1つまたは複数の帯からのデータ読み取りに基づいて回転部材の様々な性能パラメータを測定するための処理の一実施形態のフローチャートである。 部材が直線的に動く際に、その部材上の異なる2つの直線状トラックに符号化された磁気パターンからGMR検出素子が生成した2つの波形のグラフである。 前処理を実行した後の図3の2つの波形のグラフである。 対象領域にわたる前処理済み波形の相互相関のグラフである。 前処理済み波形の差相関の自乗の逆数和を示すグラフである。 図6のグラフのピーク領域の拡大図を示すグラフである。 図3の波形と比較して、増加した標本の大きさ及び増加したサンプル速度を用いて2つのセンサにより読み取られた2つの波形のグラフである。 図9は、図8におけるた2つの波形の従来の相互関係及びISSD相関の結果を示すグラフである。 図9のグラフのピーク領域の拡大図を示すグラフである。 空間的に離間した帯から得られる２つの波形間の変動する変位の一例を示すグラフである。 図11における2つの波形の従来の相互関係及びISSD相関の結果を示すグラフである。

本明細書で説明する測定システムは、回転部材に作用するトルクや回転平面で発生する振動などの定量的測定値を動的に導き出すために使用できる。概略的に述べると、こうした定量的測定値は、上記部材上の2つ以上の磁気符号化マーク間の直線または回転距離における変化を測定するか、時間の関数としての位置変化よって導き出すことができる。従って、これらの測定システムは、センサを使用するためのスリップリング、精密アセンブリ、または回転部材への電力供給を必要しないことにより従来の技法に比べ大きな利点をもたらしうる。

より具体的には、剛性部材のひねりまたは捻りを導き出すには、好適にはこの部材の対向端または側部においてこの部材に2つ以上の磁気パターンを符号化し、これら磁気パターン間の距離を測定し、この部材が回転する際のこれら2つの磁気パターン間の距離を監視すればよい。これら磁気パターンは、この部材の表面に取り付けられたまたは一体形成された磁気材料に磁気的に記録できる。較正目的では、無負荷または既知の負荷を掛けた状態で回転部材を測定する。

この部材が実際の負荷が掛けられた状態で捻れると、磁気パターンから感知される信号の同時性に変化が生じる。磁気パターン間の信号のこの差(これらパターンからの信号間の位相のずれ)は、その部材のひねり及び振動の発生を反映したものである。この変位情報と、その部材の形状、寸法、及び材質、温度、並びにその他のパラメータに関する既知事項とを代数的に組み合わせることで、この部材に掛かるトルクを導き出すことができる。

振動を感知する目的では、符号化された磁気パターンの1つまたは複数から発生する信号が、回転部材の回転速度を感知可能である。共振振動または一時的な振動がこの部材に与えられる場合は、例えば、FTT(高速フーリエ変換)アルゴリズムをこの部材の回転速度に適用するか、他の計算方法によって反復振動の周波数及び位相情報を計算できる。

トルク及び振動のこれら導出測定値並びに変位、速度、及び加速度の基本的測定値のいずれも、ローカルで計算してもよいし、有線または無線手段を介して計算、分析、及び表示のために遠隔処理位置に転送してもよい。

図1は、円柱軸12(本明細書では抽象的に長尺回転部材と呼ぶ)を含む測定システム10の一実施形態を示す。部材12は中実でも中空でもよく、強磁性物質(例えば鋼鉄)または非磁性体(例えば、プラスチック、アルミニウム、またはガラス)から製作すればよい。一般に、部材12は、動力を駆動源から作用点まで伝達する。代表的な例として、部材12はローターにより回転されるロッドで、駆動される機械にその他端で接続されたロッドとすればよく、或いは、部材12は風力タービンのブレードにより回転され、発電機に結合された軸でよい。主として長尺円柱部材に適用されたものとして示されているが、本明細書で記載された原理は、例えば板材など他の形状の物体にも適用できる。

部材12の表面14には、1つまたは複数の帯16-1及び16-2(概して16)が設けられている。図1では、帯16-2は破線で描かれていて、測定システム10の幾つかの実施形態は1つの帯しか必要としないこと、すなわち振動などの幾つかのパラメータは単一の帯を用いれば測定できることを表している。トルクなどの他のパラメータの測定値を導き出すには、空間的に離間した両方の帯16-1及び16-2からのデータが必要である。

それぞれの帯16は、部材12を部分的に周回していても完全に周回していてもよい。一般に、各帯16は不揮発性メモリの一種である磁気記憶媒体で、磁気的に記録されたデータを格納するための磁化可能な物質からなる。この磁化可能物質は磁気的に「硬質」であり、高い保磁力を備えている。 保磁力が高い磁化可能物質は、磁化(すなわちデータの記録)に多くのエネルギーを要するが、記録情報を消磁するにも多くのエネルギーを要する。

一実施形態では、薄い合金ストリップが部材12の所定の場所に、接着剤、糊、ペースト、セメント、エポキシ樹脂、結合剤、または金物留め具のような他の適切な手段で取り付けられている。これらストリップは、コバルトをベースとする磁気材料でメッキした鋼鉄製とするのが好ましい。一般に、合金ストリップはほとんどの材料製の物体(部材)と相性がよい。標準的な磁気記録技法を使用して、磁気パターンまたは符号化がそれぞれの合金ストリップに記録される。好適には、それぞれの合金ストリップは、部材に取り付ける前に磁気的に記録されるのが好ましいが、部材に取り付けた後に磁気的に記録してもよい。

別の実施形態では、それぞれの帯16は、部材12の表面14において磁気的に硬い層に一体形成してもよい。この磁気的に硬い層は連続的として、磁気記録された帯の間を連続的に延伸させてもよいし、これら帯の間で非連続的とし、磁気記録された帯と同一の幅または僅かに幅広としてもよい。磁気的に硬い層を部材上に形成し、その磁気的に硬い層に磁気パターンを記録し、その磁気パターンを用いて変位を測定するための技法は、2006年1月24日に発行された米国特許第6,989,669号及び2007年8月21日に発行された米国特許第7,259,553号に記載されており、これら米国特許全体は本明細書に引用して援用する。一般に、これら磁気パターンは、当該部材の製造時にまたは当該部材が使用される現場で磁気的に硬い層に磁気的に記録できる。

この磁気パターンの磁気的記録は、(1)長手方向及び(2)垂直方向の2つの標準的方法の一方とすることができる。長手方向の媒体では、磁化はその媒体の平面に位置する。長手方向記録の磁気パターンは、「転移」すなわち一方の極性から他方の極性への面内磁化の頭-頭反転からなる。垂直方向の媒体では、磁化はその媒体の平面に垂直である。垂直に記録された磁気パターンに関しては、磁気マーキングは、上向き磁化した領域と下向きに磁化した領域との間の転移を形成することによって発生する。それぞれの帯における磁性記録は比較的粗くして、1mm毎に1つの転移を発生させることができる。
例えば、長さが20mmの帯は、20個のそうした転移を備えることになる。後に詳述するように、測定システム10の幾つかの実施形態は、1mm間隔の転移を備えた磁気パターンに基づいて部材の端部間におけるマイクロメートル未満の変位を検出できる。

2つの帯を備えた実施形態では、こうした帯16は互いから所定の距離に設けられ、好適には部材12の対向する端部に設ける。 一般に、帯16間の距離が大きくなるに従って、帯16によって示される角変位を生むために部材12に作用する捻り力を小さくできる。

磁気書き込みヘッドまたは符号化装置20-1及び20-2(概して20)は、対応する帯16-1及び16-2それぞれに磁気パターンを磁気的に記録する。2つの符号化装置20を示したが、場合によっては、両方の帯16に磁気パターンを連続的に記録するには1つの符号化装置20でよいこともある。さらに、用途によっては、部材12がいったん配置されれば符号化装置20は部材12に付属させないことがある(すなわち、その目的が磁気パターンを記録することであり、その後は使用されない)。

磁気読み取りセンサ24-1及び24-2(概して24)は、部材12が軸28を中心に回転する際に、それぞれ帯16-1及び16-2に記録された磁気パターンを読み取る。これらセンサは、例えば、GMRまたはホール効果センサでよい。矢印32は1つの回転方向の代表的な例を示す。

処理電子機器回路36は、読み取りセンサ24により生成される信号を収集しかつ処理するためにこれらセンサと通信する。処理電子機器回路36はこれら信号から、位置、線及び回転速度並びに加速度、角変位、静及び動トルク、並びに振動を含む様々なパラメータの測定値を計算できる。単一の帯(例えば、16-1)から読み取られた信号は、処理電子機器回路36が、例えば回転速度及び加速度、角変位、並びに振動などの幾つかのパラメータを計算するのに十分なものである。多数の帯からの読み取り値は、トルク及びここでも振動などのパラメータを計算するために使用される。

処理電子機器回路36はシステム較正も実現する。多数の帯を使用する実施形態では、システム較正により帯の磁気パターン間の初期同時性(すなわち関係)を確立する。好適には、帯に記録された磁気パターンは同一(同じ数及び順序の転移)であることが好ましい。にもかかわらず、合金ストリップの部材への物理的な取り付け及びそれぞれの帯近くへの磁界センサの物理的な配置は、本質的に不正確である。こうした配置は帯の同時性に影響を及ぼす。システム較正が、合金ストリップの部材12への取付の精度または磁気的に硬い層における磁気パターンの記録及びセンサ24の帯16近傍の配置における精度を不要とする。

図2は、回転部材の性能を測定するための処理50の一実施形態を示す。処理50の記述では、図1に示した特徴を参照する。ステップ52で、磁気パターンを磁気的に記録した1つまたは複数の帯が、回転部材に取り付けられる。較正を実行して(ステップ54)帯間の初期角変位(同時性)を確立する。これは、負荷が掛かった状態での部材の回転時に得られる角変位の後の測定値に対するオフセットとして作用する。こうした較正はゼロトルクまたは既知のトルクで行えばよい。

部材12が回転すると、それぞれの磁界センサが、そのセンサが近傍に配置された帯の転移の磁気パターンを読み取る(ステップ56)。処理電子機器回路36は、それぞれの磁界センサにより生成された信号を受け取って処理する(ステップ58)。

処理電子機器回路36は、処理された信号から、例えば、振動、捻り、トルク、速度、及び加速度などの部材の回転に関連した1つまたは複数の様々な物理パラメータのうち任意の1つまたは複数を導き出すことができる。例えば、処理電子機器回路36は、処理された信号を高速フーリエ変換アルゴリズムに通してそれら信号から位相及び周波数情報を抽出することで振動を計算できる(ステップ60)。転移を経時的に計数すること及び転移間の間隔または回転毎の転移数が既知であることにより、処理電子機器回路36は、速度及び速度変化(加速及び減速)を計算できる（ステップ62）。さらに、転移の計測を既知の基準点ゼロ及び部材の直径と組み合わせて用いれば、部材の瞬間角位置を求めることもできる。

処理電子機器回路36は、それぞれが2つの空間的に離間した帯の一方からのデータを読み取る2つの空間的に離間した磁界センサから信号を受け取り、それら信号からそれら帯間の角変位(捻りまたはひねり)を計算できる（ステップ64）。処理電子機器回路は、当該部材の角変位及び他の物理特性からこの部材に掛かるトルクを計算できる（ステップ66）。こうしたトルク測定は、この部材の回転時に動的に行われる。

図3〜図7は、物理的に離間しかつ磁気的に記録された2つの直線状トラックであって部材の長手方向に記録されたトラックを用いて変位測定システム10の原理を説明する。これらトラックは部材に沿って20mmにわたり延伸させた。転移はトラック内で1mm離間していた（すなわち、それぞれのトラックは20の記録ビットを備えていた）。2つのGMR(巨大磁気抵抗効果)検出素子(ブリッジ)を備えたGMRセンサを使用して磁気転移を読み取った。 2つのGMR検出素子それぞれは、この部材が直線的に移動する際にこれらトラックの別々の1つを検出した。これら2つのGMR検出素子は互いから0.25mmで離間されていた。これら直線状トラックの変位測定に関する観察は、円周方向トラックの変位測定に直接的に適用できる。その理由は、これらトラックが独立しかつ空間的に離間しており、センサ素子が独立しかつ空間的に離間しており、それぞれのセンサ素子が異なるトラックからの磁気パターンを読み取るからである。

図3は、異なる2つの直線状トラックから異なる2つのGMR検出素子により感知されたデータに対応した波形80及び90のグラフである。このグラフのx軸は、検出素子のトラック上の相対位置に対応する。例えば、10mmの相対位置は、各トラックで10番目の転移に概ね対応する(転移の間隔が1mmなので)。y軸は、GMR検出素子により検出される電圧出力に対応する。感知された波形80及び90は正弦波の形状で、頂点と谷が最大信号強度の位置に対応する。

典型的には、異なるトラックの磁気記録は互いに完全に同一ではなく、これら磁気記録は転移の磁気パターンが記録される磁気層の厚さまたは構造のばらつきのために変動することがある。同じ変動の原因が、円周方向帯の磁気パターンにおける磁気記録に影響する。図示したように、波形80は感知がトラックに沿って進行するにつれてその振幅が減衰する一方、波形90は記録トラックに沿って安定している。ここでは、波形80及び90は振幅が異なる(物理的に離間した記録からのもの)。また、センサ80及び90は全体的なDCオフセットが異なり、DCオフセットのばらつきがある。

さらに、回転部材におけるトルクを測定するには、この部材のねじれはミリメートル単位でなくマイクロメートル単位で測定されるので、1mmを上回る計算分解能が必要である。高分解能測定に関する重要な要素は、部材の連続回転を利用して、粗く符号化された磁気パターンから数サイクルにわたって多くのデータ点を収集することである。これら多くのデータ点が部材の各端部から収集されると、部材の両端間の相対変位(すなわち捻れ)を正確かつ動的に求めるために処理される。

図4〜図7は、変位測定に関するマイクロメートルレベルの精度が、図3の波形80及び90を生成した粗い1mm転移からどのように得られるのかを示す。図4は、トラック間のばらつきを除去する前処理の後の2つの波形80’及び90’を示す。それぞれの波形80’及び90’からDCオフセットを除去するには、データ点の数学的平均を減算する。次に、このデータは、二乗平均平方根(RMS)振幅が1となるように調整される。こうした計算は生産時に自動化でき、磁界センサの配置及び磁界パターンを備えたストリップにおけるばらつきの影響を減少させる。

図5は、対象とする領域、例えば、変位(x軸)-1mmと1mmとの間における波形80’及び90’の相互相関を示す。相互相関(y軸)は、2つの前処理された波形80’及び90’の類似性の尺度である。得られたデータ100は0.25mmの変位においてピーク相関(1に尺度調整した(原語：scaled
to unity))を示し、これは、物理的に離間したトラックを独立して感知するために使用される2つのGMR検出素子間の0.25mmの離間に対応する。

回転部材に関して、理想変位はゼロトルクにおいてゼロの変位である。実際は、ゼロトルクにおける変位は、使用前に部材に対して行われる較正段階(calibration
phase)の一部として減算される任意の既知の値とすることができる。磁気符号化は高精度(マイクロメートル未満)で行うことができるが、符号化された帯及び読み取りセンサのこの部材の各端部における配置にはこのようなマイクロメートル未満の精度がもたらされない場合がある。従って、較正によって、まず部材の両端間の関係が確立される。この部材の線形捻り範囲では、線形捻り/トルク関係の傾きは部材の物理的パラメータ(例えば、寸法、材料、構造など)により決まる一方、y切片は部材の両端の相対変位である。ゼロトルクまたは既知のトルクで収集される較正データを用いてこのy切片の値を求める。

図5に示したように、得られたデータ100のピーク104の幅は広いが、マイクロメートルレベルの弁別には適していない。図5で採用されたもののような従来の相互相関に関しては、ピーク幅は、転移の粗い1mm分解能及びこの相関の2mm波長108という基となるデータにより決定される。この波長108は、磁気符号化の波長と正確に一致している。基となる依存性のため、サンプリング速度または標本の大きさを増大させてもピーク幅や小さな変位を弁別する能力に影響はない。

差の自乗の逆数和(原語：the inverse sum of squares of difference)(ISSD)と呼ばれる別の相関技法は、従来の相互相関に比べて高い精度を実現できる。ISSDは数学的に妥当で(曲線の当てはめに用いられる既知の技法に基づいている)、プロセッサが実現するのが容易で、実時間で計算上実行可能であり(代数的であるため)、満足できる結果を出す。実質的に、ISSD相関は、一方の波形の最小二乗あてはめ法を、第2波形の様々な遅れバージョン(varying
delay versions)の組に行うことで、2つの波形80’及び90’(図4)の間の差の自乗の和の逆数を計算する。遅れバージョン波形の何れかが最良適合もたらし、2つの波形80’及び90’間の遅れすなわち相対変位を示す。最良適合は最小の出力結果なので、この結果を逆にするとピークの検出が容易になる。

式(1)はISSD相関を数学的に表現している。

上記式で、ISSDは相関の結果、b1及びb2は2つの前処理されたGMRセンサ波形、Nはデータ点の数、dは遅れであり、整数インデックスにより正または負となりうる。

図6は、このISSD相関の結果110を示す(1に尺度調整した)。ISSDピーク114は、図5の相関データのピーク104よりも遥かにはっきりと画定されている。図7は、従来の相関100及びISSD相関110のピーク領域の拡大図を示し、ピーク付近の個々のデータ点を見ることができる。元々のセンサデータは概ね10，000のデータサンプルを含み、2
μm毎に１つのデータ点がある。どのデータ点が実際のピーク点であるかが多少曖昧であったとしても、図7の3つの頂点データ点118-1、118-2、及び118-3の何れかがピーク点に違いなく、曖昧さは±2
μmである。従って、このISSD相関は、磁気パターンにおける1mmの転移から±2 μmの分解能を生ずる。

例えば、転移間隔が1mmであるこの20mm長の磁気パターンを直径2インチロッドの円周に用いれば、記録はこのロッド周囲の約8分の1にわたって延伸する。従って、8つのこうした20mm磁気パターンを隙間無く使用すればロッドを完全に一周する。従って、ロッドが完全に一回転する毎に、1mmの転移間隔を備えた8つの20mm長の磁気パターンから得られるこの精度(±2
μm)の8つのトルク測定が得られることになる。例えば、このロッドが毎分一回転する場合を想定してみる。これは毎分8つのトルク測定値すなわち7．5秒毎に1つのトルク測定値を出力することになる(7.5
Hz)。

一実施形態では、1つのトルク測定値がデータ記録(例えば、20mm)から計算されると、収集されたデータは破棄される。他の実施形態では、収集されたデータは、例えば、トルク測定の更新が十分に速く行われない場合など、後の使用のため保存可能である。一般に、トルク測定の更新の頻度は、ロッドの回転速度、ロッドの直径、データ記録の長さ(例えば、20mm)、及びデータ記録における転移の数などの要素に依存することがある。最大トルク測定更新頻度は、数式2によって数学的に表現できる。

上記式で、w = 最大トルク測定頻度(Hz単位)、d = 軸の直径(mm単位)、r = RPM (毎分の軸回転数); N = 所望の回転を達成するための処理すべき磁気転移の数、及び
s = 磁気転移間隔 (mm単位)である。

例えば、1mmで離間した20個の磁気転移を備えた1 RPMで回転する直径2インチ(50.8 mm)の軸の最大更新頻度(w)は、0.133 Hzまたは7.5秒毎に1つのトルク読み取り値に等しい。 数式2は最大更新頻度を定義し、トルク測定はこの最大よりも少なくすることもできることを理解すべきである。

より多くのデータがサンプル速度または標本の大きさを増大させることによって処理されると、ISSD相関の結果の精度は向上する。一例として、より速いサンプル速度で収集された140mmのデータ(標本の大きさ)を調査すれば、概ね280,000のデータサンプル及び0.5
μm毎に1つのデータ点が得られる。回転部材に適用すると、このデータ収集は、直径2インチロッドの1回転(一回転の8分の1でなく)において、上述のデータのサンプリング速度に比べて4倍の速さのサンプリングに相当する。

図8は、粗い1mmの磁気転移を備えた140mm磁気パターンを読み取る2つのセンサにより発生された2つの波形120及び130を示し、センサは直径2インチのロッド一回転で280,000のデータ点を収集する。図9は、図8の2つの波形120及び130に関する従来の相互関係140の結果とISSD相関150の結果とを示す。ISSD相関150は対象領域で良好に振る舞い、ピーク154は相関140のものより僅かに狭い。

図10は、x軸の100分の2ミリメートルを表す大きく拡大された領域(図7のデータよりもかなり大きく拡大されている)を示す。ISSD相関150のピーク154は以前と同様に明確に区別可能だが、ここでは各方向のデータ点の不確定性は±0.5 μmとなる(データ点158-1、158-2、及び158-3で示したとおり)。よって、280,000個のデータ点を、1mmの粗い磁気転移を備えた直径2インチのロッドの1回転で収集すると、相対角変位を求めるためのマイクロメートル未満の分解能を生じる。

例えば、直径50mmで厚さ2mmの壁を備えた長さ1メートルの鋼鉄製中空ロッドに100Nmのトルクを掛けるものとする。 このロッドの角変位は、ロッドの表面で0.364°すなわち159 μmとなる。この角変位量は、図7に関連して説明した測定システムの分解能の性能範囲である。ロッドに掛かるトルクが100 Nmから101 Nmまで増大すれば、付加的なたわみ(角変位)は0.00364°すなわち1.59
μmである。この付加的な角変位は、短い(20 mm)データ記録での分解能(図7の2 μm)よりもわずかに小さく、観察されない可能性もあるが、この付加的な角変位は、大きいデータ記録(140
mm)による分解能(図10の0.5 μm)の範囲であり、この測定変位システムにより検出される。

この角変位システムの性能は、測定間隔におけるねじり振動すなわち周期的往復により影響を受ける。振動すなわち周期的往復が十分に低い周波数であれば、その振動すなわち周期的往復は、トルク測定更新(例えば、図3〜7の例によれば一回転で8回)において当該部材の回転速度の変動として、すなわち変動トルクとして観察される。動すなわち周期的往復が高い周波数であれば、そうした振動すなわち周期的往復は各トルク測定のデータ収集ウィンドウに入り、観察された空間周波数を変動させる効果がある。

図11は、トルク測定に対する振動の影響の例を示す。2つのGMR検出素子が20 mm長のデータ記録を読み取る(一回転の8分の1)。部材の一端(例えば、モータ近くの軸端)は一定の回転を維持するが、他端は振動する。GMR検出素子による、一定回転を維持する部材の端部の読み取りは、波形170を出力し、他方のGMR検出素子による振動の感知は波形180を出力する。データ収集スパンにおいて、波形170と180との間の変位は最大変位(1mm相対位置において0.25mm)からほぼゼロの変位(概ね10mmの相対位置における変位)まで変動し、データ記録の終わりに最大変位に戻る。この例は、変位に対する振動の影響が激しい場合を示す。

図12は、それぞれ従来の相互相関及びISSD相関の結果190及び200を示す。これら相関に関するデータは、比較的粗い20 μm/データ点分解能で取られるので、約1000個のデータ点が得られる。これら相関は良好に振る舞い(すなわち、二重ピークや他のアーティファクトが存在しない)、0.16mm(図11における最大0.25mm変位未満)の分解能を持つ解を生じ、これは測定間隔における最良適合の平均ねじりを表す。特に合計変位が基となる記録の空間的波長を越えることが期待される場合は(上述の例では、空間波長±1
mmすなわち合計2 mmである)、他の磁気符号化パターンも使用可能である。変位が大きい場合、相関の適切な位相に関する曖昧さが存在することがあるが、これはより高度な符号化パターンによって解決可能である。図11に示した比較的小さな変位に関しては、1mmの転移間隔を備えた単純な磁気パターンで十分である。

当業者なら理解するように、本発明の幾つかの様態はシステム、方法、またはコンピュータプログラム製品として実施できる。従って、本発明の幾つかの様態は、完全なハードウェアの実施形態、完全にソフトウェアの実施形態(ファームウェア、常駐ソフトウェア、マイクロコードなどを含む)、または本明細書では一般的にすべて「回路」、「モジュール」、または「システム」と呼ぶソフトウェア及びハードウェアの様態を組み合わせた実施形態の形式を取ることができる。さらに、本発明の幾つかの様態は、コンピュータ可読プログラムコードが実装された1つまたは複数のコンピュータ可読媒体で実現されたコンピュータプログラム製品の形式を取ることもできる。

1つまたは複数のコンピュータ可読媒体の任意組合せを利用してもよい。このコンピュータ可読媒体は、コンピュータ可読信号媒体またはコンピュータ可読記憶媒体でよい。コンピュータ可読記憶媒体は、例えば、電子、磁気、光学、電磁、赤外線、若しくは半導体システム、装置、デバイス、または上記の任意適切な組合せを含むことができるが、それらに限定されない。このコンピュータ可読記憶媒体のより具体的な例(すべてを列挙するものではない)は、1つまたは複数の電線を含む電気接続、携帯型コンピュータディスケット、ハードディスク、RAM、ROM、消去可能なプログラム可能読取り専用記憶装置(EPROMまたはフラッシュメモリ)、光ファイバ、コンパクトディスク読出し専用記憶装置(CD-ROM)、光記憶装置、磁気記憶装置、または上記の任意適切な組合せを含む。本明細書の文脈では、コンピュータ可読記憶媒体は、命令実行システム、装置、若しくはデバイスによって使用される若しくはそれらと組み合わせて使用されるプログラムを保持または格納できる任意の有形媒体でよい。

コンピュータ可読信号媒体は、例えば、ベースバンドにおいてまたは搬送波の一部として実装されたコンピュータ可読プログラムコードを備えた伝搬データ信号を含むことができる。そうした伝搬信号は、電磁、光学、または任意適切なそれらの組合せを含むがそれには限定されない様々な形式のうち任意形式を取ることができる。コンピュータ可読信号媒体は、コンピュータ可読記憶媒体でない任意のコンピュータ可読媒体であって、命令実行システム、装置、若しくはデバイスによって使用される若しくはそれらと組み合わせて使用されるプログラムを伝達、伝搬、または伝送できる任意の有形媒体でよい。

コンピュータ可読媒体上に実装されたプログラムコードは、ワイヤレス、電線、光ファイバケーブル、無線周波数等または上記の任意適切な組合せを含むことができるが、それらに限定されない任意適切な媒体を用いて伝送できる。

本発明の諸様態を実行するためのコンピュータ・プログラムコードは、Java（登録商標）、Smalltalk、C++などのオブジェクト指向プログラミング言語及び「C」プログラミング言語または類似のプログラミング言語のような従来の手続き型プログラミング言語を含む1つまたは複数のプログラミング言語の任意組合せで書けばよい。

本発明の諸様態は、本発明の実施形態による方法、装置(システム)、及びコンピュータプログラム製品のフローチャート及び/またはブロックダイヤグラムを参照して後述する。これらフローチャート及び/またはブロックダイヤグラムの各ブロック並びにフローチャート及び/またはブロックダイヤグラムのブロックの組合せは、コンピュータプログラム命令によって実装できることは理解されるはずである。これらコンピュータプログラム命令は、汎用コンピュータ若しくは専用コンピュータまたは他のプログラム可能データ処理装置のプロセッサに与えて、こうしたコンピュータまたはプログラム可能データ処理装置を介して実行されるこれら命令が、フローチャート及び/またはブロックダイヤグラムの単数若しくは複数のブロックで指定されている機能/動作を実現する手段をもたらす。

これらコンピュータプログラム命令は、コンピュータ、他のプログラム可能データ処理装置、または他の装置に特定の様態で機能するよう指示できるコンピュータ可読媒体に格納してもよく、このコンピュータ可読媒体に格納された命令は、フローチャート及び/またはブロックダイヤグラムの単数若しくは複数のブロックで指定されている機能/動作を実現する命令を含む製品をもたらす。

これらコンピュータプログラム命令は、コンピュータ、他のプログラム可能データ処理装置、または他の装置にロードして、こうしたコンピュータ、他のプログラム可能データ処理装置、または他の装置で一連の動作ステップを実行させてコンピュータ実装処理を実現し、コンピュータまたは他のプログラム可能データ処理装置上で実行するこれら命令が、フローチャート及び/またはブロックダイヤグラムの単数若しくは複数のブロックで指定されている機能/動作を実現する処理をもたらす。

図中のフローチャート及びブロックダイヤグラムは、本発明の様々な実施形態によるシステム、方法、及びコンピュータプログラム製品の可能な実装のアーキテクチャ、機能、動作を示す。この意味では、このフローチャートまたはブロックダイヤグラムの各ブロックは、コードのモジュール、セグメント、または一部を表し、これは指定された論理機能を実装する1つまたは複数の実行可能命令を含む。さらに、代替的な実装例では、ブロックに示された機能は、図に示された順番で実行されない場合があることにも注意すべきである。例えば、それに関わる機能によっては、連続して示した2つのブロックは概ね同時に実行してもよいし、これらブロックを反対の順番で実行してもよい。これらブロックダイヤグラム及び/またはフローチャートの各ブロック並びにブロックダイヤグラム及び/またはフローチャートのブロックの組合せは、指定された機能若しくは動作または専用ハードウェア及びコンピュータ命令を実行するハードウェアに基づく専用システムによって実装できることは理解されるはずである。

特定の好適な実施形態を参照しつつ本発明を図示し且つ説明してきたが、通常の技能を備えた当業者であれば、形式及び細部は、次の特許請求の範囲に定義された本発明の精神及び範囲から逸脱することなく様々に変更できることは理解するはずである。例えば、本明細書においてISSDは、ロッドの両端間における変位を発見するための好適な相関技法として説明されているが、他の相関技法を本発明の原理から逸脱することなく採用できる。

特許請求の範囲は次の通りである。

Claims (24)

1. 測定システムであって、
   機械エネルギーを使用点まで伝達するよう構成されると共にその表面に磁化可能物質からなる1つまたは複数の円周方向に配向された帯を備えた回転部材であって、それぞれの帯がその帯の前記磁化可能物質に磁気記録された複数の転移からなる磁気パターンを備えた回転部材と、
   磁化可能物質からなる各帯の十分近くに配置され、前記部材の回転時にその帯に記録された前記磁気パターンを感知する磁界センサであって、各磁界センサが、その磁界センサによって感知された前記磁気パターンに応答して信号を生成する磁気センサと、
   各磁界センサと通信する処理電子機器回路であって、前記部材の回転時にその磁界センサによって生成される信号を受け取ると共に前記回転部材の動作に関連した測定値を前記信号から動的に計算する処理電子機器回路とを含む、測定システム。
2. 前記1つまたは複数の帯は一対の空間的に離間した帯を含み、前記処理電子機器回路は、前記磁界センサによる前記空間的に離間した帯に記録された磁気パターンの感知により生成された信号に応答して、前記空間的に離間した帯の一方の前記空間的に離間した帯の他方に対する角変位を測定する、請求項1に記載の測定システム。
3. 前記回転部材の回転時に、前記処理電子機器回路は、前記測定された角変位と前記回転部材に関連した他のパラメータとに応答してトルク測定値を動的に測定する、請求項2に記載の測定システム。
4. 前記処理電子機器回路は、前記部材が完全に一回転する間に複数のトルク測定値を計算する、請求項2に記載の測定システム。
5. 前記処理電子機器回路は、前記空間的に離間した帯を感知することにより生成された異なる信号間の差の自乗の逆数和を計算することによって、前記空間的に離間した帯の間の前記角変位を測定する、請求項2に記載の測定システム。
6. 前記空間的に離間した帯の間の初期相対変位を、前記部材に掛かる所定のトルクを用いて求める較正システムをさらに含む、請求項2に記載の測定システム。
7. 前記初期トルクがゼロ負荷である、請求項6に記載の測定システム。
8. 前記転移は概ね1mmの間隔を備え、前記角変位を計算するための分解能はマイクロメートル未満レベルである、請求項2に記載の測定システム。
9. 各帯の前記磁化可能物質は、前記部材の前記表面に一体形成された磁気的に硬い層である、請求項1に記載の測定システム。
10. 各帯の前記磁化可能物質は、前記部材の前記表面に取り付けられた磁化可能な合金ストリップを含む、請求項1に記載の測定システム。
11. 前記処理電子機器回路は、前記1つまたは複数の帯の一方の前記磁気パターンを感知することで生成された信号から前記回転部材の回転速度を測定し、さらに、前記回転速度に応答して、前記回転部材に掛かる任意振動の周波数及び位相情報を計算する、請求項1に記載に記載の測定システム。
12. 測定システムであって、
    軸線を中心に回転すると共に磁化可能物質からなる空間的に離間した円周方向に配向された一対の帯をその表面に備えた軸であって、それぞれの帯が、その帯の前記磁化可能物質に磁気記録された複数の転移からなる磁気パターンを備えた軸と、
    磁化可能物質からなる各帯の十分近くに配置され、前記軸の回転時にその帯に記録された前記磁気パターンを感知する磁界センサであって、各磁界センサが、その磁界センサによって感知された前記磁気パターンに応答して信号を生成する磁気センサと、
    各磁界センサと通信する処理電子機器回路であって、前記軸の回転時にその磁界センサによって生成される信号を受け取ると共に前記軸に発生する捻れをそれから計算する処理電子機器回路とを含む、測定システム。
13. 測定システムであって、
    軸線を中心に回転すると共に磁化可能物質からなる円周方向に配向された1つの帯をその表面に備えた軸であって、前記帯が前記磁化可能物質に磁気記録された複数の転移からなる磁気パターンを備えた軸と、
    磁化可能物質からなる前記帯の十分近くに配置され、前記軸の回転時に前記磁気パターンを感知する磁界センサであって、前記磁気パターンに応答して信号を生成する磁気センサと、
    前記磁界センサと通信する処理電子機器回路であって、前記軸の回転時に前記生成された信号を受け取ると共に、前記回転する軸に発生する振動を前記信号に応答して測定する処理電子機器回路とを含む、測定システム。
14. 回転部材の動作を測定するための方法であって、
    回転部材の表面に磁化可能物質からなる1つまたは複数の帯を準備する段階であって、前記1つまたは複数の帯のそれぞれが、その帯の前記磁化可能物質に磁気記録された複数の転移からなる磁気パターンを備えた、準備する段階と、
    機械エネルギーを使用点まで伝達するよう前記部材を回転する段階と、
    前記部材が回転する際に、磁化可能物質からなる前記1つまたは複数の帯それぞれに記録された前記磁気パターンを感知する段階と、
    感知されたそれぞれの磁気パターンに応答して信号を生成する段階と、
    前記生成された信号に応答して、前記回転部材の動作に関連した測定値を動的に計算する段階とを含む、方法。
15. 前記1つまたは複数の帯は一対の空間的に離間した帯を含み、前記生成された信号に応答して、前記回転部材の動作に関連した測定値を動的に計算する前記段階が、前記空間的に離間した帯の一方の前記空間的に離間した帯の他方に対する角変位を測定する段階を含む、請求項14に記載の方法。
16. 前記回転部材の回転時に、前記測定された角変位と前記回転部材に関連した他のパラメータとに応答してトルク測定値を動的に測定する段階をさらに含む、請求項15に記載の方法。
17. 前記部材が回転する際に、複数のトルク測定値を前記部材が完全に一回転する毎に動的に計算する段階をさらに含む、請求項15に記載の方法。
18. 前記空間的に離間した帯間の角変位を測定する前記段階が、前記帯のそれぞれから生成された信号間の差の自乗の逆数和を計算する段階をさらに含む、請求項15に記載の方法。
19. 所定のトルクが前記部材に掛けられている間に、前記空間的に離間した帯の間の初期相対変位を較正する段階をさらに含む、請求項15に記載の方法。
20. 前記初期トルクがゼロ負荷である、請求項19に記載の方法。
21. 前記転移は概ね1mmの間隔を備え、前記角変位を計算するための分解能はマイクロメートル未満レベルである、請求項14に記載の方法。
22. 回転部材の表面に磁化可能物質からなる前記1つまたは複数の帯を準備する前記段階が、前記部材の前記表面に磁気的に硬い層を一体形成しかつ前記磁気的に硬い層の各帯に磁気パターンを磁気的に記録する段階を含む、請求項14に記載の方法。
23. 回転部材の表面に磁化可能物質からなる前記1つまたは複数の帯を準備する前記段階が、磁気パターンを1つまたは複数の合金ストリップに磁気記録しかつ各磁化可能合金ストリップを前記部材の前記表面に取り付ける段階を含む、請求項14に記載の方法。
24. 前記1つまたは複数の帯の一方の前記磁気パターンを感知することで生成された信号から、前記回転部材に掛かる任意振動の周波数及び位相情報を計算する、請求項14に記載に記載の方法。

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