JP2566709B2 - トルク検出装置及びそのトルク測定方法 - Google Patents
トルク検出装置及びそのトルク測定方法Info
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- JP2566709B2 JP2566709B2 JP4223448A JP22344892A JP2566709B2 JP 2566709 B2 JP2566709 B2 JP 2566709B2 JP 4223448 A JP4223448 A JP 4223448A JP 22344892 A JP22344892 A JP 22344892A JP 2566709 B2 JP2566709 B2 JP 2566709B2
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、トルク検出装置に関
し、特に、回転軸に加えられるトルクの測定値を提供す
る非接触磁気弾性トルク変換器に関するものである。
し、特に、回転軸に加えられるトルクの測定値を提供す
る非接触磁気弾性トルク変換器に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】回転する駆動軸を有する機構の制御にお
いては、基本的に、上記駆動軸のトルクと回転速度がパ
ラメータである。従って、正確で信頼性があり、廉価な
方法でトルクの検出及び測定を行うことが、数十年来、
当業者の主要な目的となっている。比較的最近には、車
両のハンドル操作に応じて駆動される電動モータがそこ
へ供給される電流を制御することにより発生トルクを制
御する、試作品としてのパワーステアリングシステムが
開発されたが、これとともに、ステアリングシャフトか
ら発生したトルクを正確に検出し得るトルク検出装置の
要望が高まっている。トルク検出装置は、長足の進歩を
遂げたが、厳しい環境や操作状況にもかかわらず、長期
間に渡ってトルク測定能力を有する廉価なトルク検出装
置が強く要望されている。
いては、基本的に、上記駆動軸のトルクと回転速度がパ
ラメータである。従って、正確で信頼性があり、廉価な
方法でトルクの検出及び測定を行うことが、数十年来、
当業者の主要な目的となっている。比較的最近には、車
両のハンドル操作に応じて駆動される電動モータがそこ
へ供給される電流を制御することにより発生トルクを制
御する、試作品としてのパワーステアリングシステムが
開発されたが、これとともに、ステアリングシャフトか
ら発生したトルクを正確に検出し得るトルク検出装置の
要望が高まっている。トルク検出装置は、長足の進歩を
遂げたが、厳しい環境や操作状況にもかかわらず、長期
間に渡ってトルク測定能力を有する廉価なトルク検出装
置が強く要望されている。
【０００３】従来、トルクの測定は、シャフトに直接取
り付けられた接触式のセンサを使って行われていた。そ
の種のセンサとしては、ひずみゲージ式トルク検出装置
がある。この装置は、１個以上のひずみゲージがシャフ
トの外周面に直接取り付けられており、ひずみにより生
じる抵抗の変化をブリッジ回路や既知の手段により測定
するようになっている。ところが、接触式センサは、回
転軸に直接接触しているため、相対的に不安定であり、
信頼性に欠ける。また、非常に高価であるため、車両の
ステアリングシステムに使用するには、実用的ではな
い。
り付けられた接触式のセンサを使って行われていた。そ
の種のセンサとしては、ひずみゲージ式トルク検出装置
がある。この装置は、１個以上のひずみゲージがシャフ
トの外周面に直接取り付けられており、ひずみにより生
じる抵抗の変化をブリッジ回路や既知の手段により測定
するようになっている。ところが、接触式センサは、回
転軸に直接接触しているため、相対的に不安定であり、
信頼性に欠ける。また、非常に高価であるため、車両の
ステアリングシステムに使用するには、実用的ではな
い。
【０００４】さらに最近では、回転軸とともに使用され
る磁気ひずみ式の非接触トルクセンサが開発されてい
る。例えば、ガーシェリス(Garshelis) の米国特許4,89
6,544号に開示されたセンサは、適切な強磁性と磁気ひ
ずみ性とを有する表面と、それぞれ左右対称で、螺旋状
に方向付けられた残留応力により誘発される磁気異方性
を有する２本の別個の周方向の帯体とを備えるトルク伝
達部材を有しており、また、トルクを受ける上記部材に
接触せずに、同じ軸方向の磁力に対する上記２本の帯体
の反応の相違を検出する磁気弁別装置を有している。最
も代表的な実施例では、磁化及び検出は、上記帯体を覆
って取り囲む一対の励磁コイルまたは磁性コイルを備え
ることにより行われており、上記コイルは、直列に接続
され、交流電流により作動されるようになっている。ト
ルクは、一対の互いに逆方向に接続された検出コイルを
用いて検出され、この検出コイルは、２本の帯体の磁束
から発生する異なる信号を測定するようになっている。
る磁気ひずみ式の非接触トルクセンサが開発されてい
る。例えば、ガーシェリス(Garshelis) の米国特許4,89
6,544号に開示されたセンサは、適切な強磁性と磁気ひ
ずみ性とを有する表面と、それぞれ左右対称で、螺旋状
に方向付けられた残留応力により誘発される磁気異方性
を有する２本の別個の周方向の帯体とを備えるトルク伝
達部材を有しており、また、トルクを受ける上記部材に
接触せずに、同じ軸方向の磁力に対する上記２本の帯体
の反応の相違を検出する磁気弁別装置を有している。最
も代表的な実施例では、磁化及び検出は、上記帯体を覆
って取り囲む一対の励磁コイルまたは磁性コイルを備え
ることにより行われており、上記コイルは、直列に接続
され、交流電流により作動されるようになっている。ト
ルクは、一対の互いに逆方向に接続された検出コイルを
用いて検出され、この検出コイルは、２本の帯体の磁束
から発生する異なる信号を測定するようになっている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記セ
ンサが使用される装置上及び装置回りに、上記必要な励
磁コイル及び検出コイルにとって十分なスペースを設け
た場合、スペースが限られた場所での適用にあたり様々
な問題を発生させる。また、その種のセンサは、車両の
ステアリングシステム等価格競合性の高い装置に使用す
るには、非実用的なほど高価である。
ンサが使用される装置上及び装置回りに、上記必要な励
磁コイル及び検出コイルにとって十分なスペースを設け
た場合、スペースが限られた場所での適用にあたり様々
な問題を発生させる。また、その種のセンサは、車両の
ステアリングシステム等価格競合性の高い装置に使用す
るには、非実用的なほど高価である。
【０００６】従来の非接触式磁気弾性トルク変換器の出
力信号は、対象となるトルクによって相関的に機械的な
応力を受けるように設置されている部材の磁気特性の変
化の結果として発生する。従来のこの種の全ての装置で
は、効果的に検出される磁気特性は何らかの種類の透磁
率μである。このことは、これら装置の出力信号が、Ｂ
＝μＨにより励磁磁場Ｈに応じて生じる磁束の磁束密度
Ｂから得られるという事実から分かる。μは、応力によ
り、従って伝達されたトルクにより明らかに変化する
が、そのいかなる特殊な応力に関するμの実数値も、温
度に依存すると同様に、上記部材を形成する磁気弾性的
に活性な材料に固有の特質及び構造的な特質に大いに依
存している。さらに、μは、Ｈに対して１次直線的でも
単調でもなく強く依存している。実際上の磁場Ｈは、そ
の関係する磁気回路のパーミアンス（透磁度）の分布に
敏感であるとともに、磁場が発生する電流の振幅及び周
波数に対して敏感である。コイルの抵抗に対する温度の
影響、エアギャップの程度、ヨーク及び磁気回路の他の
付随部分の透磁率に関連する漏れ磁束、巻線と他の導電
要素との間の寄生キャパシタンスの誘電率等の要因は、
全てトルクの変動とは関係なく、Ｂの検出値に重大な影
響を及ぼす。このような磁気弾性トルク変換器に対する
従来技術の取組み方の欠点は、検出されたＢの変動値が
トルクの変化を正確に示さないという望ましくない結果
により、検出量すなわちＢが、多くの変数に大きくかつ
複雑に依存しているのに比べて、ねじり応力にはあまり
依存していないと判断される点である。
力信号は、対象となるトルクによって相関的に機械的な
応力を受けるように設置されている部材の磁気特性の変
化の結果として発生する。従来のこの種の全ての装置で
は、効果的に検出される磁気特性は何らかの種類の透磁
率μである。このことは、これら装置の出力信号が、Ｂ
＝μＨにより励磁磁場Ｈに応じて生じる磁束の磁束密度
Ｂから得られるという事実から分かる。μは、応力によ
り、従って伝達されたトルクにより明らかに変化する
が、そのいかなる特殊な応力に関するμの実数値も、温
度に依存すると同様に、上記部材を形成する磁気弾性的
に活性な材料に固有の特質及び構造的な特質に大いに依
存している。さらに、μは、Ｈに対して１次直線的でも
単調でもなく強く依存している。実際上の磁場Ｈは、そ
の関係する磁気回路のパーミアンス（透磁度）の分布に
敏感であるとともに、磁場が発生する電流の振幅及び周
波数に対して敏感である。コイルの抵抗に対する温度の
影響、エアギャップの程度、ヨーク及び磁気回路の他の
付随部分の透磁率に関連する漏れ磁束、巻線と他の導電
要素との間の寄生キャパシタンスの誘電率等の要因は、
全てトルクの変動とは関係なく、Ｂの検出値に重大な影
響を及ぼす。このような磁気弾性トルク変換器に対する
従来技術の取組み方の欠点は、検出されたＢの変動値が
トルクの変化を正確に示さないという望ましくない結果
により、検出量すなわちＢが、多くの変数に大きくかつ
複雑に依存しているのに比べて、ねじり応力にはあまり
依存していないと判断される点である。
【０００７】従来技術において、上記の問題を克服する
試みでは、２種類の別々のＢに属する信号、すなわち、
等しい静止値を有するがトルクには互いに逆に反応する
信号を提供する構成を使用しており、また、上記２種類
の信号を区別して組み合わせる手段も備えている。この
手段の思想は、トルクに関連する変化に対する感度を増
幅させながら、Ｂにおける共通モードの変動を除去する
ということである。発生トルクが０である場合に０の出
力信号を要求するためには、２個のＢセンサ間に正確な
対称性を確保するとともに、検知される部材の２つの区
域における静止値μと励磁磁場におけるμとの厳密な一
致を確保するという多分な配慮が必要になる。励磁電流
及び信号条件を補正する温度を提供するのに必要な関連
の電気回路はもとより、センサ部分自体においても、上
記構造を実現するのに必要な複雑性のせいで、変換器全
体の費用とサイズが増大するとともに、その融通性、メ
インテナンス性及び信頼性が低下していた。
試みでは、２種類の別々のＢに属する信号、すなわち、
等しい静止値を有するがトルクには互いに逆に反応する
信号を提供する構成を使用しており、また、上記２種類
の信号を区別して組み合わせる手段も備えている。この
手段の思想は、トルクに関連する変化に対する感度を増
幅させながら、Ｂにおける共通モードの変動を除去する
ということである。発生トルクが０である場合に０の出
力信号を要求するためには、２個のＢセンサ間に正確な
対称性を確保するとともに、検知される部材の２つの区
域における静止値μと励磁磁場におけるμとの厳密な一
致を確保するという多分な配慮が必要になる。励磁電流
及び信号条件を補正する温度を提供するのに必要な関連
の電気回路はもとより、センサ部分自体においても、上
記構造を実現するのに必要な複雑性のせいで、変換器全
体の費用とサイズが増大するとともに、その融通性、メ
インテナンス性及び信頼性が低下していた。
【０００８】そこで、本発明は、測定されるトルクが０
のとき本質的に０である量を検出するよう作動するとと
もに、測定されるトルクと相関してトルクに応じてその
方向と大きさとを変える磁気弾性トルク変換器を提供す
ることを目的とする。
のとき本質的に０である量を検出するよう作動するとと
もに、測定されるトルクと相関してトルクに応じてその
方向と大きさとを変える磁気弾性トルク変換器を提供す
ることを目的とする。
【０００９】また、トルクが０の状態での検出量の数値
０が実質的に温度、回転するトルクを受けた部材の角
度、回転速度、及びトルク部材とそのトルク量検出手段
との間の径方向または長さ方向のエアギャップ（隙間）
によって影響されない磁気弾性トルク変換器を提供する
ことを目的とする。
０が実質的に温度、回転するトルクを受けた部材の角
度、回転速度、及びトルク部材とそのトルク量検出手段
との間の径方向または長さ方向のエアギャップ（隙間）
によって影響されない磁気弾性トルク変換器を提供する
ことを目的とする。
【００１０】さらに、励磁磁場を必要としない磁気弾性
トルク変換器を提供することを目的とする。
トルク変換器を提供することを目的とする。
【００１１】さらにまた、励磁電流もコイルも必要とし
ない磁気弾性トルク変換器を提供することを目的とす
る。
ない磁気弾性トルク変換器を提供することを目的とす
る。
【００１２】また、円周方向をほぼ軸線とする１軸磁気
異方性が付与されており、実質的に円周方向に磁気極性
が付与されている磁気弾性的に活性な部分を備えている
磁気弾性トルク変換器を提供することを目的とする。
異方性が付与されており、実質的に円周方向に磁気極性
が付与されている磁気弾性的に活性な部分を備えている
磁気弾性トルク変換器を提供することを目的とする。
【００１３】さらに、励磁電流もコイルも必要とせず、
検出量が固体式の装置で電気出力信号に変換される磁気
弾性トルク変換器を提供することを目的とする。
検出量が固体式の装置で電気出力信号に変換される磁気
弾性トルク変換器を提供することを目的とする。
【００１４】さらにまた、励磁電流もコイルも必要とせ
ず、集積回路装置が温度変化により生じる伝達の変動を
補正する手段を有している磁気弾性トルク変換器を提供
することを目的とする。
ず、集積回路装置が温度変化により生じる伝達の変動を
補正する手段を有している磁気弾性トルク変換器を提供
することを目的とする。
【００１５】また、励磁電流もコイルも必要とせず、集
積回路装置が、出力が１次直線である範囲を拡張する補
償作用を備えている磁気弾性トルク変換器を提供するこ
とを目的とする。
積回路装置が、出力が１次直線である範囲を拡張する補
償作用を備えている磁気弾性トルク変換器を提供するこ
とを目的とする。
【００１６】さらに、励磁電流もコイルも必要とせず、
構造が単純であり、低コストで製造可能で、極めて信頼
性を必要とする適用法、例えば、自動車のステアリング
システムに入力されるトルクを検出する場合に適した磁
気弾性トルク変換器を提供することを目的とする。
構造が単純であり、低コストで製造可能で、極めて信頼
性を必要とする適用法、例えば、自動車のステアリング
システムに入力されるトルクを検出する場合に適した磁
気弾性トルク変換器を提供することを目的とする。
【００１７】さらにまた、１軸磁気異方性及び円周方向
に磁気極性が付与され、応力に応じて変化する磁場を作
る環状の変換器を回転トルク部材に対して取り付けた
後、回転トルク部材上のトルクの表示として、変換器の
磁場の出力の成分を測定する非接触式のトルク測定方法
を提供することを目的とする。
に磁気極性が付与され、応力に応じて変化する磁場を作
る環状の変換器を回転トルク部材に対して取り付けた
後、回転トルク部材上のトルクの表示として、変換器の
磁場の出力の成分を測定する非接触式のトルク測定方法
を提供することを目的とする。
【００１８】
【課題を解決するための手段】上記の諸目的を達成する
ため、本発明のトルク検出装置は、部材の軸線回りにト
ルクが加えられたとき、そのトルクにより変化する磁場
を生成する磁気弾性的に活性な要素と、この磁気弾性活
性要素の磁場に応じるホール効果センサ等の磁場センサ
手段とを備える。上記磁気弾性活性要素は、部材に加え
られたトルクが比例的に伝達されるように部材の表面の
一部に直接または間接に取り付けられるか部材の表面の
一部を形成するものであって、円周方向をほぼ軸線とす
る１軸の磁気異方性と、ほぼ円周方向の磁気極性とが付
与されたものであり、例えば、そのような１軸磁気異方
性と磁気極性とが付与された材料からなる環状の強磁性
の磁気ひずみ変換手段を備えている。磁場センサ手段
は、上記磁気弾性活性要素の近接位置に対向して設けら
れ、上記磁場の大きさを検出しこの磁場の大きさに応じ
て上記トルクが示す電気出力信号を提供するように構成
されている。
ため、本発明のトルク検出装置は、部材の軸線回りにト
ルクが加えられたとき、そのトルクにより変化する磁場
を生成する磁気弾性的に活性な要素と、この磁気弾性活
性要素の磁場に応じるホール効果センサ等の磁場センサ
手段とを備える。上記磁気弾性活性要素は、部材に加え
られたトルクが比例的に伝達されるように部材の表面の
一部に直接または間接に取り付けられるか部材の表面の
一部を形成するものであって、円周方向をほぼ軸線とす
る１軸の磁気異方性と、ほぼ円周方向の磁気極性とが付
与されたものであり、例えば、そのような１軸磁気異方
性と磁気極性とが付与された材料からなる環状の強磁性
の磁気ひずみ変換手段を備えている。磁場センサ手段
は、上記磁気弾性活性要素の近接位置に対向して設けら
れ、上記磁場の大きさを検出しこの磁場の大きさに応じ
て上記トルクが示す電気出力信号を提供するように構成
されている。
【００１９】また、本発明のトルク測定方法は、トルク
を受けた軸方向に延びる部材上でトルクを検出するにあ
たり、上記部材に加えられたトルクが比例的に伝達され
るように上記部材の表面の一部に直接または間接に取り
付けられるか上記部材の表面の一部を形成するものであ
って、円周方向をほぼ軸線とする１軸の磁気異方性と円
周方向の磁気極性とを備える磁気弾性活性要素を設ける
工程と、上記部材に対するトルクの作用に応じて磁場を
生成させる磁場生成工程と、上記部材に加えられるトル
クの大きさを表示するために、上記磁気弾性活性要素の
近接位置で磁場の大きさを検出する検出工程とを備える
ように構成されている。
を受けた軸方向に延びる部材上でトルクを検出するにあ
たり、上記部材に加えられたトルクが比例的に伝達され
るように上記部材の表面の一部に直接または間接に取り
付けられるか上記部材の表面の一部を形成するものであ
って、円周方向をほぼ軸線とする１軸の磁気異方性と円
周方向の磁気極性とを備える磁気弾性活性要素を設ける
工程と、上記部材に対するトルクの作用に応じて磁場を
生成させる磁場生成工程と、上記部材に加えられるトル
クの大きさを表示するために、上記磁気弾性活性要素の
近接位置で磁場の大きさを検出する検出工程とを備える
ように構成されている。
【００２０】
【作用】以上の構成により、本発明のトルク検出装置及
びトルク測定方法によれば、部材でのトルクの発生が磁
気弾性活性要素に伝えられ、伝達されたトルクが磁気弾
性活性要素の円周方向の磁気配向を偏向させ、円周方向
及び軸方向の両成分を有 する螺旋状の磁気配向を発生さ
せる。この発生した磁気配向のうちの軸方向の成分から
発生する磁場に応じて、磁気弾性活性要素の近接位置に
おいて、磁場の大きさが検出され、特に本発明のトルク
検出装置では、上記磁場の大きさは磁場センサ手段によ
り検出される。
びトルク測定方法によれば、部材でのトルクの発生が磁
気弾性活性要素に伝えられ、伝達されたトルクが磁気弾
性活性要素の円周方向の磁気配向を偏向させ、円周方向
及び軸方向の両成分を有 する螺旋状の磁気配向を発生さ
せる。この発生した磁気配向のうちの軸方向の成分から
発生する磁場に応じて、磁気弾性活性要素の近接位置に
おいて、磁場の大きさが検出され、特に本発明のトルク
検出装置では、上記磁場の大きさは磁場センサ手段によ
り検出される。
【００２１】上記磁場センサ手段がヨーク手段とともに
設けられた場合、センサの出力は、シャフトに生じて変
換手段に伝達されたトルクにより発生する変換手段内の
磁気の方向性の変化に比例するようになっている。
設けられた場合、センサの出力は、シャフトに生じて変
換手段に伝達されたトルクにより発生する変換手段内の
磁気の方向性の変化に比例するようになっている。
【００２２】
【実施例】以下、本発明を図面に基づいて説明する。
【００２３】まず、図１において、２は本発明にかかる
トルク検出装置としてのトルクセンサを示す。このトル
クセンサ２は、磁気弾性活性要素として変換器（変換手
段）４と、磁場センサ手段として磁場ベクトルセンサ６
とを備えている。トルクセンサ２は、機械（図示せず）
の一部であるシャフト８上に設けられており、長さ方向
の中心軸１０回りを回転するようになっている。トルク
１２は、上記シャフト８の一部に発生し、シャフト８の
他の部分へ伝達されるようになっており、シャフト８の
動きは、トルク１２に従って有益な作業を行うようにな
っている。トルク１２は、シャフト８の図１中の軸端に
見る時計回り方向の状態で示されているが、機械に直結
するシャフト８の性質次第で時計回り反時計回りいずれ
の方向にもまたその両方向にもシャフト８を回転させる
ようになっている。
トルク検出装置としてのトルクセンサを示す。このトル
クセンサ２は、磁気弾性活性要素として変換器（変換手
段）４と、磁場センサ手段として磁場ベクトルセンサ６
とを備えている。トルクセンサ２は、機械（図示せず）
の一部であるシャフト８上に設けられており、長さ方向
の中心軸１０回りを回転するようになっている。トルク
１２は、上記シャフト８の一部に発生し、シャフト８の
他の部分へ伝達されるようになっており、シャフト８の
動きは、トルク１２に従って有益な作業を行うようにな
っている。トルク１２は、シャフト８の図１中の軸端に
見る時計回り方向の状態で示されているが、機械に直結
するシャフト８の性質次第で時計回り反時計回りいずれ
の方向にもまたその両方向にもシャフト８を回転させる
ようになっている。
【００２４】上記変換器４は、後に詳述する多くの方法
の一つによりシャフト８に固設されており、シャフト８
上の軸方向あるいは径方向に識別し得る磁気弾性活性区
域を提供する手段として働くようになっている。実際に
は、変換器４は、円筒状のスリーブあるいはリングの形
状をしており、端面１８，２０、内周面２２、及び外周
面２４を有している。そして、シャフト８のねじり応力
を受ける区域内にある軸線１０に沿った適当な位置でシ
ャフト８に取り付けられている。変換器４には、予めあ
るいはシャフト８への取り付け手段に付随する効果とし
て、円周方向をほぼ軸線とする実効１軸の磁気異方性が
付与されている。さらに、変換器４は、後述のいくつか
の効果的な方法により、円周方向の一方向またはその逆
方向に磁気極性が付与されている。簡単に言えば、変換
器４は、シャフト８にトルク１２が存在しない状態（静
止状態）において、少なくとも軸線１０方向にも径方向
にも正味の磁化成分が存在しない程度まで、実質的に純
粋な円周方向１４に磁気極性が付与されている。これに
より、本来的に逆円周方向の磁化成分を有していた領域
が、実質的に排除される。円周方向の異方性が適当に支
配している状態であれば、すべての領域の磁気は、最大
限プラスマイナス４５°の範囲に存在し、しかも変換手
段のかなりの量的範囲に対称的に配分されることによ
り、補償範囲外のいかなる外部の磁束も磁場ベクトルセ
ンサ６に確実に検知されなくなる。
の一つによりシャフト８に固設されており、シャフト８
上の軸方向あるいは径方向に識別し得る磁気弾性活性区
域を提供する手段として働くようになっている。実際に
は、変換器４は、円筒状のスリーブあるいはリングの形
状をしており、端面１８，２０、内周面２２、及び外周
面２４を有している。そして、シャフト８のねじり応力
を受ける区域内にある軸線１０に沿った適当な位置でシ
ャフト８に取り付けられている。変換器４には、予めあ
るいはシャフト８への取り付け手段に付随する効果とし
て、円周方向をほぼ軸線とする実効１軸の磁気異方性が
付与されている。さらに、変換器４は、後述のいくつか
の効果的な方法により、円周方向の一方向またはその逆
方向に磁気極性が付与されている。簡単に言えば、変換
器４は、シャフト８にトルク１２が存在しない状態（静
止状態）において、少なくとも軸線１０方向にも径方向
にも正味の磁化成分が存在しない程度まで、実質的に純
粋な円周方向１４に磁気極性が付与されている。これに
より、本来的に逆円周方向の磁化成分を有していた領域
が、実質的に排除される。円周方向の異方性が適当に支
配している状態であれば、すべての領域の磁気は、最大
限プラスマイナス４５°の範囲に存在し、しかも変換手
段のかなりの量的範囲に対称的に配分されることによ
り、補償範囲外のいかなる外部の磁束も磁場ベクトルセ
ンサ６に確実に検知されなくなる。
【００２５】変換器４の構成及び作動により、シャフト
８へのねじり応力の付加及びそれによる変換器４でのね
じり応力の発生は、変換器４における極性化された磁気
を再度方向づけさせる。極性化された磁気は、ねじり応
力が増大するほど次第に螺旋状になる。変換器４におけ
る磁気の螺旋形状は、伝達されたトルク１２の大きさに
依存しており、そのカイラリティーは、伝達されたトル
クの方向性と変換器４の磁気弾性特性とに依存してい
る。変換器４のねじれに起因する螺旋状の磁気は、円周
方向１４の成分も軸線１０に沿う軸方向成分も有してい
る。特に重要なことは、軸方向成分の大きさが、完全に
変換器４のねじれに依存していることである。
８へのねじり応力の付加及びそれによる変換器４でのね
じり応力の発生は、変換器４における極性化された磁気
を再度方向づけさせる。極性化された磁気は、ねじり応
力が増大するほど次第に螺旋状になる。変換器４におけ
る磁気の螺旋形状は、伝達されたトルク１２の大きさに
依存しており、そのカイラリティーは、伝達されたトル
クの方向性と変換器４の磁気弾性特性とに依存してい
る。変換器４のねじれに起因する螺旋状の磁気は、円周
方向１４の成分も軸線１０に沿う軸方向成分も有してい
る。特に重要なことは、軸方向成分の大きさが、完全に
変換器４のねじれに依存していることである。
【００２６】磁場ベクトルセンサ６は、変換器４に対向
して設置された磁場ベクトルの検出装置であり、静止状
態の円周方向から勾配のより大きいあるいはより小さい
螺旋方向への磁気の再方向付けの結果として、変換器４
回りの空間に生じる磁場の大きさ及び極性を検出するよ
うになっている。磁場ベクトルセンサ６は、トルク１２
の大きさに応じた出力信号を提供するようになってお
り、好ましくは、集積回路ホール効果センサである。磁
場ベクトルセンサ６は、ワイヤ１６により、直流電源に
接続されており、ワイヤ１６は、磁場ベクトルセンサ６
の出力信号を、シャフト８に直結する機械または機構の
制御回路またはモニター回路等の受信装置（図示せず）
に伝達するようになっている。
して設置された磁場ベクトルの検出装置であり、静止状
態の円周方向から勾配のより大きいあるいはより小さい
螺旋方向への磁気の再方向付けの結果として、変換器４
回りの空間に生じる磁場の大きさ及び極性を検出するよ
うになっている。磁場ベクトルセンサ６は、トルク１２
の大きさに応じた出力信号を提供するようになってお
り、好ましくは、集積回路ホール効果センサである。磁
場ベクトルセンサ６は、ワイヤ１６により、直流電源に
接続されており、ワイヤ１６は、磁場ベクトルセンサ６
の出力信号を、シャフト８に直結する機械または機構の
制御回路またはモニター回路等の受信装置（図示せず）
に伝達するようになっている。
【００２７】変換器４の領域が円周方向に正確には極性
化されていない場合の対称性により、また、他の領域に
おける他の磁気方向の完全な円周性により、静止状態の
トルクを受けていない変換器４の外部空間においては、
検出可能な磁場は存在しない。実際には、変換器４が極
性化されていることを識別する外部手段は存在しない。
変換器４の材料に固有の磁気弾性的な相互作用を経てト
ルクの伝達に関連する両軸方向の主要な応力の作用によ
り、各領域の磁気の平衡な方向付けに対して更なる異方
性の影響が与えられるとともに、すべての領域の軸方向
が、最も近い積極的で主要な応力に向かって変化させら
れるようになっている。（上記主要応力は、積極的な磁
気ひずみに対する材料内の引張力であり、消極的な磁気
ひずみに対する材料内の圧縮力である）。トルクのない
状態では、付与された異方性及び円周方向の極性のせい
で、すべての領域が９０°の円弧の範囲内に広がる磁気
を有しているので、各領域の実質的な軸方向は、円周方
向へ変更される。磁気の本質的な左右対称性及び完全な
円周性は、トルクの発生により壊され、変換器４の磁気
に純粋な螺旋形が現れる。この螺旋形は、極性の唯一の
円周方向と結び付いて、２つの成分、すなわち、円周方
向成分と軸方向成分とに分解可能な磁気を生じる。この
円周方向成分は、すでに述べたように、変換器４の外部
空間で検出可能な磁場の発生源ではないが、軸方向の成
分は、容易に検出され得る。変換器４は、トルクを受け
たとき、管状の棒磁石の磁場と外部から区別不可能な磁
場を発生させ、上記棒磁石の軸方向の磁気は、各領域の
螺旋状に向かう磁気の量的に平均化された軸方向成分と
等しくなる。これにより、付加されたトルクの方向は、
変換器４の材料の実効磁気ひずみの表れとともに、同等
物たる棒磁石の極性を決定し、上記トルクの大きさは、
同等物たる棒磁石の強度を決定する。
化されていない場合の対称性により、また、他の領域に
おける他の磁気方向の完全な円周性により、静止状態の
トルクを受けていない変換器４の外部空間においては、
検出可能な磁場は存在しない。実際には、変換器４が極
性化されていることを識別する外部手段は存在しない。
変換器４の材料に固有の磁気弾性的な相互作用を経てト
ルクの伝達に関連する両軸方向の主要な応力の作用によ
り、各領域の磁気の平衡な方向付けに対して更なる異方
性の影響が与えられるとともに、すべての領域の軸方向
が、最も近い積極的で主要な応力に向かって変化させら
れるようになっている。（上記主要応力は、積極的な磁
気ひずみに対する材料内の引張力であり、消極的な磁気
ひずみに対する材料内の圧縮力である）。トルクのない
状態では、付与された異方性及び円周方向の極性のせい
で、すべての領域が９０°の円弧の範囲内に広がる磁気
を有しているので、各領域の実質的な軸方向は、円周方
向へ変更される。磁気の本質的な左右対称性及び完全な
円周性は、トルクの発生により壊され、変換器４の磁気
に純粋な螺旋形が現れる。この螺旋形は、極性の唯一の
円周方向と結び付いて、２つの成分、すなわち、円周方
向成分と軸方向成分とに分解可能な磁気を生じる。この
円周方向成分は、すでに述べたように、変換器４の外部
空間で検出可能な磁場の発生源ではないが、軸方向の成
分は、容易に検出され得る。変換器４は、トルクを受け
たとき、管状の棒磁石の磁場と外部から区別不可能な磁
場を発生させ、上記棒磁石の軸方向の磁気は、各領域の
螺旋状に向かう磁気の量的に平均化された軸方向成分と
等しくなる。これにより、付加されたトルクの方向は、
変換器４の材料の実効磁気ひずみの表れとともに、同等
物たる棒磁石の極性を決定し、上記トルクの大きさは、
同等物たる棒磁石の強度を決定する。
【００２８】図３ないし図９に示すように、好ましい実
施例では、磁性的に弱い（低保磁力、高透磁率の）材料
からなるヨーク２６が、１つあるいは複数の磁気センサ
６とともに設けられている。ヨーク２６は、磁場ベクト
ルセンサ６を通過する磁束経路のパーミアンスを高める
手段であり、磁場ベクトルセンサ６から離れた変換器４
の周部から磁束を集束する手段でもある。ヨーク２６
は、特に、ホール効果集積回路とともに使用される。こ
の装置は、周波数の低下ととともに上昇する比較的高い
雑音レベルを有する傾向があるからである。これによ
り、Ｓ／Ｎ比を高めるためには、低い磁界強度よりはむ
しろ高い磁界強度を使用する上記の装置を操作すること
が好ましい。
施例では、磁性的に弱い（低保磁力、高透磁率の）材料
からなるヨーク２６が、１つあるいは複数の磁気センサ
６とともに設けられている。ヨーク２６は、磁場ベクト
ルセンサ６を通過する磁束経路のパーミアンスを高める
手段であり、磁場ベクトルセンサ６から離れた変換器４
の周部から磁束を集束する手段でもある。ヨーク２６
は、特に、ホール効果集積回路とともに使用される。こ
の装置は、周波数の低下ととともに上昇する比較的高い
雑音レベルを有する傾向があるからである。これによ
り、Ｓ／Ｎ比を高めるためには、低い磁界強度よりはむ
しろ高い磁界強度を使用する上記の装置を操作すること
が好ましい。
【００２９】図３に示すように、磁場ベクトルセンサ６
は、変換器４の端面１８あるいは端面２０の近くに位置
している。変換器４からの磁場の方向付けは、変換器４
に近接する他の区域よりも、変換器４の端面１８，２０
の近傍においてより大きな磁界強度が存在するからであ
る。本実施例では、ヨーク２６は、変換器４及びシャフ
ト８の一方の側に設けられた棒状の磁束集束器である。
ヨーク２６は、変換器４の両端面１８，２０に近い両端
に突出部２８，３０を有している。磁場ベクトルセンサ
６は、ヨーク２６と変換器４との間の一方の突出部３０
に設けられている。
は、変換器４の端面１８あるいは端面２０の近くに位置
している。変換器４からの磁場の方向付けは、変換器４
に近接する他の区域よりも、変換器４の端面１８，２０
の近傍においてより大きな磁界強度が存在するからであ
る。本実施例では、ヨーク２６は、変換器４及びシャフ
ト８の一方の側に設けられた棒状の磁束集束器である。
ヨーク２６は、変換器４の両端面１８，２０に近い両端
に突出部２８，３０を有している。磁場ベクトルセンサ
６は、ヨーク２６と変換器４との間の一方の突出部３０
に設けられている。
【００３０】図４は、２つの区域３２，３４からなるヨ
ーク２６を示し、両区域３２，３４はそれぞれ変換器４
の方向へ延びる突出部２８，３０を備えている。磁場ベ
クトルセンサ６は、ヨーク区域３２とヨーク区域３４と
の間で、シャフト８に対する軸方向に設置されており、
変換器４の一方の端面１８から隙間３６、ヨーク区域３
２、磁場ベクトルセンサ６、ヨーク区域３４、隙間３８
を経て変換器４の他方の端面２０へ至る磁気経路を形成
させている。
ーク２６を示し、両区域３２，３４はそれぞれ変換器４
の方向へ延びる突出部２８，３０を備えている。磁場ベ
クトルセンサ６は、ヨーク区域３２とヨーク区域３４と
の間で、シャフト８に対する軸方向に設置されており、
変換器４の一方の端面１８から隙間３６、ヨーク区域３
２、磁場ベクトルセンサ６、ヨーク区域３４、隙間３８
を経て変換器４の他方の端面２０へ至る磁気経路を形成
させている。
【００３１】図５は、ヨーク２６の別の実施例を示し、
ほぼ図４の実施例と同様の構成であるが、この実施例で
は、磁場ベクトルセンサ６は、両ヨーク区域３２，３４
間に径方向に設置されており、磁気経路は、ヨーク区域
３２からシャフト８の径方向に沿って外側へ向かい、磁
場ベクトルセンサ６を通ってさらに径方向の外側へ向か
い、ヨーク区域３４へ至っている。
ほぼ図４の実施例と同様の構成であるが、この実施例で
は、磁場ベクトルセンサ６は、両ヨーク区域３２，３４
間に径方向に設置されており、磁気経路は、ヨーク区域
３２からシャフト８の径方向に沿って外側へ向かい、磁
場ベクトルセンサ６を通ってさらに径方向の外側へ向か
い、ヨーク区域３４へ至っている。
【００３２】図６は、ヨーク２６のさらに別の実施例を
示す平面図である。この実施例は、図５の実施例とほぼ
同様の構成であるが、ヨーク区域３２，３４がそれぞれ
棒状に形成されているとともに、変換器４の外周面２４
の近くにおいて、それぞれシャフト８の軸線１０と平行
でそれぞれ異なる中心軸に沿って配設されている。磁場
ベクトルセンサ６は、両ヨーク区域３２，３４の端部間
に設置されている。従って、ヨーク区域３２から磁場ベ
クトルセンサ６を通過してヨーク区域３４に至る磁気経
路は、変換器４及びシャフト８回りに円周状であり、ヨ
ーク区域３２，３４の両中心軸を横切るようになってい
る。
示す平面図である。この実施例は、図５の実施例とほぼ
同様の構成であるが、ヨーク区域３２，３４がそれぞれ
棒状に形成されているとともに、変換器４の外周面２４
の近くにおいて、それぞれシャフト８の軸線１０と平行
でそれぞれ異なる中心軸に沿って配設されている。磁場
ベクトルセンサ６は、両ヨーク区域３２，３４の端部間
に設置されている。従って、ヨーク区域３２から磁場ベ
クトルセンサ６を通過してヨーク区域３４に至る磁気経
路は、変換器４及びシャフト８回りに円周状であり、ヨ
ーク区域３２，３４の両中心軸を横切るようになってい
る。
【００３３】図７は、本発明のさらにまた別の実施例を
示し、２個の磁場センサ手段としての磁気センサ６，６
が使用されている。上記両磁気センサ６，６は、それぞ
れ変換器４の端面１８，２０の近くで、変換器４の相対
する端部に配設されており、１本の棒状のヨーク２６に
より連結されている。複数のセンサの使用は装置のコス
トを上昇させることになるが、上記磁気センサ６は、温
度変化、電圧変化及び周辺の磁場の信号に対して共通の
拒絶作用を行うために、別々に接続させることができる
ので、望ましい。あるいは、周辺の磁場の影響を少なく
するため、磁気センサ６を、極めて低い透磁率を有する
材料からなるシールド３９によって覆うように構成して
も良い。上記シールド３９は、変換器４から受ける磁束
の方向以外のすべての方向で磁気センサ６を取り囲んで
いる。
示し、２個の磁場センサ手段としての磁気センサ６，６
が使用されている。上記両磁気センサ６，６は、それぞ
れ変換器４の端面１８，２０の近くで、変換器４の相対
する端部に配設されており、１本の棒状のヨーク２６に
より連結されている。複数のセンサの使用は装置のコス
トを上昇させることになるが、上記磁気センサ６は、温
度変化、電圧変化及び周辺の磁場の信号に対して共通の
拒絶作用を行うために、別々に接続させることができる
ので、望ましい。あるいは、周辺の磁場の影響を少なく
するため、磁気センサ６を、極めて低い透磁率を有する
材料からなるシールド３９によって覆うように構成して
も良い。上記シールド３９は、変換器４から受ける磁束
の方向以外のすべての方向で磁気センサ６を取り囲んで
いる。
【００３４】当然ながら、より多数の磁気センサ６が使
用されても良い。図８に示す実施例では、４個の磁気セ
ンサ６が使用されており、２個の磁気センサが、他の２
個に対して変換器４を挟んで正反対の位置に配設されて
いる。
用されても良い。図８に示す実施例では、４個の磁気セ
ンサ６が使用されており、２個の磁気センサが、他の２
個に対して変換器４を挟んで正反対の位置に配設されて
いる。
【００３５】図９及び図１０は、本発明のトルク検出装
置２のさらに別の実施例を示し、この実施例では、ヨー
ク２６は、２個の直角の棒状部分４０，４２から形成さ
れている。棒状部分４０，４２の脚部４４は、変換器４
の端面１８，２０の区域においてシャフト８の近くまで
達している。上記脚部４４は、その末端部にヨーク２６
の湾曲部４１を接合させている。湾曲部４１は、シャフ
ト８の全周あるいは一部を取り囲んでおり、変換器４の
周面域からの磁束を集めるようになっている。上記磁束
は、一方の脚部４４からテーパー状の小さな隙間４６に
導かれ、この隙間４６では、周辺部の磁束が磁場ベクト
ルセンサ６を経て他方の棒状部分４０，４２へ向けられ
るようになっている。隙間４６は、その最も狭い地点で
は、１０００分の１インチ以下の寸法であるので、その
地域に強い磁場を提供するようになっている。この隙間
は、軸方向に形成されているが、変換器４の径方向また
は円周方向に向かうように形成されても良い。
置２のさらに別の実施例を示し、この実施例では、ヨー
ク２６は、２個の直角の棒状部分４０，４２から形成さ
れている。棒状部分４０，４２の脚部４４は、変換器４
の端面１８，２０の区域においてシャフト８の近くまで
達している。上記脚部４４は、その末端部にヨーク２６
の湾曲部４１を接合させている。湾曲部４１は、シャフ
ト８の全周あるいは一部を取り囲んでおり、変換器４の
周面域からの磁束を集めるようになっている。上記磁束
は、一方の脚部４４からテーパー状の小さな隙間４６に
導かれ、この隙間４６では、周辺部の磁束が磁場ベクト
ルセンサ６を経て他方の棒状部分４０，４２へ向けられ
るようになっている。隙間４６は、その最も狭い地点で
は、１０００分の１インチ以下の寸法であるので、その
地域に強い磁場を提供するようになっている。この隙間
は、軸方向に形成されているが、変換器４の径方向また
は円周方向に向かうように形成されても良い。
【００３６】図３ないし図８に示すヨーク２６は、いく
つかの機能を実行するようになっている。より広い範囲
から集められた磁束を集中させる機能、及び、磁束を磁
場ベクトルセンサ６へ向かわせあるいは通過させる機能
以外に、ヨーク２６は、変換器４の回りのそれぞれ異な
る位置に存在する軸方向の磁気モーメントの不均衡性の
影響を削減するようになっている。このような不均衡性
やシャフト８の径方向への偏り（偏心）が甚だしい場合
には、変換器４を完全に取り囲むヨーク２６を設けるよ
うに構成しても良い。このようなヨークを、変換器４の
各端部の近くに、変換器４から径方向に離すようにし
て、弱い磁性材料からなる同軸のリングで構成しても良
い。この場合、ヨーク２６の磁束集束片は、集められた
磁束を磁場ベクトルセンサ６へ導くように形成された他
方の磁束集束片に、最小限の相互間の隙間を置いて固設
される。
つかの機能を実行するようになっている。より広い範囲
から集められた磁束を集中させる機能、及び、磁束を磁
場ベクトルセンサ６へ向かわせあるいは通過させる機能
以外に、ヨーク２６は、変換器４の回りのそれぞれ異な
る位置に存在する軸方向の磁気モーメントの不均衡性の
影響を削減するようになっている。このような不均衡性
やシャフト８の径方向への偏り（偏心）が甚だしい場合
には、変換器４を完全に取り囲むヨーク２６を設けるよ
うに構成しても良い。このようなヨークを、変換器４の
各端部の近くに、変換器４から径方向に離すようにし
て、弱い磁性材料からなる同軸のリングで構成しても良
い。この場合、ヨーク２６の磁束集束片は、集められた
磁束を磁場ベクトルセンサ６へ導くように形成された他
方の磁束集束片に、最小限の相互間の隙間を置いて固設
される。
【００３７】本発明の極性化された変換器４に関する実
験は、その磁気特性が、時間、温度超過、振動（様々な
応力）及び連続的なトルク回転に対して安定しているこ
とを示している。特に、閉じた環状を有する極性化され
た変換器４は、最低限の可能な活性状態にあり、それ
故、最も安定した状態である。消磁化された状態では、
非コヒーレントの自発的な磁気ひずみを有する領域の非
順応性による局部の応力や、局所の磁気が方向を変える
その区域の近くの微視的な磁場におけるのと同様に、領
域壁部においても潜在的な活性能力を有している。変換
器４により発生した磁場の長期間の安定性に問題が生じ
る場合には、図１１に示すように、固定された回復手段
としての回復磁石４７が、回転する変換器４の近くの機
械または機構に設けられる。この磁石要素の追加によ
り、変換器４の良好な極性を維持しようとする変換器４
上に、低レベルの連続的な磁力を提供することができ
る。磁石４７は、変換器４全体を極性化する程の強い磁
力を必要としないので、比較的弱い磁力で構成され得る
が、磁場内の装置の長期に渡る作動の間に広がった不安
定な領域を補正し得る程度でなければならない。
験は、その磁気特性が、時間、温度超過、振動（様々な
応力）及び連続的なトルク回転に対して安定しているこ
とを示している。特に、閉じた環状を有する極性化され
た変換器４は、最低限の可能な活性状態にあり、それ
故、最も安定した状態である。消磁化された状態では、
非コヒーレントの自発的な磁気ひずみを有する領域の非
順応性による局部の応力や、局所の磁気が方向を変える
その区域の近くの微視的な磁場におけるのと同様に、領
域壁部においても潜在的な活性能力を有している。変換
器４により発生した磁場の長期間の安定性に問題が生じ
る場合には、図１１に示すように、固定された回復手段
としての回復磁石４７が、回転する変換器４の近くの機
械または機構に設けられる。この磁石要素の追加によ
り、変換器４の良好な極性を維持しようとする変換器４
上に、低レベルの連続的な磁力を提供することができ
る。磁石４７は、変換器４全体を極性化する程の強い磁
力を必要としないので、比較的弱い磁力で構成され得る
が、磁場内の装置の長期に渡る作動の間に広がった不安
定な領域を補正し得る程度でなければならない。
【００３８】上記磁石４７として、軸線１０に沿う変換
器４の長さにほぼ等しい長さを有し、その厚みを横断す
るように（一方の面にＮ極を他方の面にＳ極をそれぞれ
有するように）磁化された積層型のフェライト磁石４７
が使用されている。
器４の長さにほぼ等しい長さを有し、その厚みを横断す
るように（一方の面にＮ極を他方の面にＳ極をそれぞれ
有するように）磁化された積層型のフェライト磁石４７
が使用されている。
【００３９】磁場センサ手段の構造について説明する。
【００４０】磁場ベクトルセンサ６は、ホール効果セン
サ、磁気抵抗センサ、磁気トランジスタセンサ（「マグ
ニスタ」）、磁気ダイオードセンサ、MAGFET（磁場効果
トランジスタセンサ）等の固体センサ装置を備えてい
る。これら以外のセンサとしては、Ｈとともに変化する
磁気特性を有する非線形コア、磁力計、フラックスゲー
ト磁力計、及び、環状にも近接位置にも設けられ、磁束
を遮り、ｄφ／ｄｔに比例する誘導起電力を有するコイ
ルがある。
サ、磁気抵抗センサ、磁気トランジスタセンサ（「マグ
ニスタ」）、磁気ダイオードセンサ、MAGFET（磁場効果
トランジスタセンサ）等の固体センサ装置を備えてい
る。これら以外のセンサとしては、Ｈとともに変化する
磁気特性を有する非線形コア、磁力計、フラックスゲー
ト磁力計、及び、環状にも近接位置にも設けられ、磁束
を遮り、ｄφ／ｄｔに比例する誘導起電力を有するコイ
ルがある。
【００４１】固体センサは、小型で低コストであり、集
積されたパッケージ内で、温度補正、信号調整、電圧調
整等の操作機能にとって良好な電子工学技術を合体させ
ることができるので、使用に適している。ホール効果セ
ンサは、図２に示すように、線形でも極性に敏感でもあ
る理想的な伝達特性を有しているので、特に適用に好ま
しい。磁場ベクトルセンサ６としての使用に適切な集積
回路ホール効果センサには、テキサス・インストルメン
ツ社(Texas Instruments) の製品番号(Model)TL173C,
アナログ・デバイシーズ社(Analog Devices)の製品番号
( Model No.)AD22150,アレグロ・マイクロシステムズ社
( Allegro MicroSystems, Inc.) の製品番号(Model)UGN
3503U や製品番号( Model)UGN3503UA などがある。同様
に、潜在的に適用可能な装置には、マイクロスイッチ社
(MicroSwitch) やシ−メンス社(Siemens) やウォルフ・
コントロールズ社(Wolff Controls Corporation)で製造
されたものがある。
積されたパッケージ内で、温度補正、信号調整、電圧調
整等の操作機能にとって良好な電子工学技術を合体させ
ることができるので、使用に適している。ホール効果セ
ンサは、図２に示すように、線形でも極性に敏感でもあ
る理想的な伝達特性を有しているので、特に適用に好ま
しい。磁場ベクトルセンサ６としての使用に適切な集積
回路ホール効果センサには、テキサス・インストルメン
ツ社(Texas Instruments) の製品番号(Model)TL173C,
アナログ・デバイシーズ社(Analog Devices)の製品番号
( Model No.)AD22150,アレグロ・マイクロシステムズ社
( Allegro MicroSystems, Inc.) の製品番号(Model)UGN
3503U や製品番号( Model)UGN3503UA などがある。同様
に、潜在的に適用可能な装置には、マイクロスイッチ社
(MicroSwitch) やシ−メンス社(Siemens) やウォルフ・
コントロールズ社(Wolff Controls Corporation)で製造
されたものがある。
【００４２】磁場ベクトルセンサ６は、トルクの伝達と
ともに生じる外部の磁場に対する最大限の反応を生み出
すように位置設定されるとともに、方向付けされてい
る。トルクを受けた変換器４の等価物及び軸方向に磁気
化された棒磁石によれば、最も強い磁場は、磁極の近
傍、すなわち、変換器４の両端面１８，２０の近くに見
出される。磁場ベクトルセンサ６は、シャフト８の近く
に固設され、回転しないようになっている。トルク変換
器の最も大きなトルクの発現により、シャフト８などの
回転するトルク部材に巻き込まれる恐れがあるので、磁
場ベクトルセンサ６は、シャフト８の回転時にシャフト
８と物理的な接触を避けるために、シャフト８から径方
向に離される必要がある。磁場ベクトルセンサ６の正し
い位置及び方向は、その特殊な操作原理、パッケージの
大きさ、磁気の活性区域、及び変換器４の幾何学的磁気
的特性（コーナー部分の鋭さ、径方向の厚み、軸方向の
長さ、直径など）や、必要な径方向の空間、及び構造上
の詳細部分に依存しているが、磁場ベクトルセンサ６の
ほぼ最適の設定位置は、普通、径方向の磁束を検出する
ために方向付けられた、端面１８，２０の一方から径方
向に外側の位置に見出だされる。
ともに生じる外部の磁場に対する最大限の反応を生み出
すように位置設定されるとともに、方向付けされてい
る。トルクを受けた変換器４の等価物及び軸方向に磁気
化された棒磁石によれば、最も強い磁場は、磁極の近
傍、すなわち、変換器４の両端面１８，２０の近くに見
出される。磁場ベクトルセンサ６は、シャフト８の近く
に固設され、回転しないようになっている。トルク変換
器の最も大きなトルクの発現により、シャフト８などの
回転するトルク部材に巻き込まれる恐れがあるので、磁
場ベクトルセンサ６は、シャフト８の回転時にシャフト
８と物理的な接触を避けるために、シャフト８から径方
向に離される必要がある。磁場ベクトルセンサ６の正し
い位置及び方向は、その特殊な操作原理、パッケージの
大きさ、磁気の活性区域、及び変換器４の幾何学的磁気
的特性（コーナー部分の鋭さ、径方向の厚み、軸方向の
長さ、直径など）や、必要な径方向の空間、及び構造上
の詳細部分に依存しているが、磁場ベクトルセンサ６の
ほぼ最適の設定位置は、普通、径方向の磁束を検出する
ために方向付けられた、端面１８，２０の一方から径方
向に外側の位置に見出だされる。
【００４３】本発明の大きな長所は、変換器４により生
じる円周方向の不均衡性が、例えば、局所にセンサを用
いた従来のトルク変換器における不均衡性と比べて、か
なり小さい点である。上記従来のセンサは、シャフト上
の小さな局所（１点）を検出するに過ぎないが、この磁
場ベクトルセンサ６は、変換器４の軸方向全長に延びる
区域から軸方向の磁場を検出する。従って、磁場ベクト
ルセンサ６は、線上のただ１点を検出するよりはむしろ
１線に沿う多くの領域から発現される複数の局所モーメ
ントを平均化するようになっている。本発明の検出にお
いて、もう一つの重要な長所は、磁場ベクトルセンサ６
により検出される磁場が、伝達されるトルクの方向と大
きさのみにより調節されるという点である。一様なトル
クの状態では、磁場において時間的な変動はないので、
検出された磁束が、変化する極性、高い周波数起磁力に
よって循環的に働く従来の大多数のトルク変換器とは異
なり、属する変換器からのトルクの情報は、瞬間的な磁
束強度に完全に依存しており、周期的搬送波あるいはそ
の変化の時間との比に依存していない。このことは、固
体磁気センサ６がμ（透磁率）＝１である隙間に位置す
ることにより、Ｂ（磁束密度）あるいはＨ（磁場強度）
に比例する電気出力を提供するような上記センサ６の使
用を可能にしている。
じる円周方向の不均衡性が、例えば、局所にセンサを用
いた従来のトルク変換器における不均衡性と比べて、か
なり小さい点である。上記従来のセンサは、シャフト上
の小さな局所（１点）を検出するに過ぎないが、この磁
場ベクトルセンサ６は、変換器４の軸方向全長に延びる
区域から軸方向の磁場を検出する。従って、磁場ベクト
ルセンサ６は、線上のただ１点を検出するよりはむしろ
１線に沿う多くの領域から発現される複数の局所モーメ
ントを平均化するようになっている。本発明の検出にお
いて、もう一つの重要な長所は、磁場ベクトルセンサ６
により検出される磁場が、伝達されるトルクの方向と大
きさのみにより調節されるという点である。一様なトル
クの状態では、磁場において時間的な変動はないので、
検出された磁束が、変化する極性、高い周波数起磁力に
よって循環的に働く従来の大多数のトルク変換器とは異
なり、属する変換器からのトルクの情報は、瞬間的な磁
束強度に完全に依存しており、周期的搬送波あるいはそ
の変化の時間との比に依存していない。このことは、固
体磁気センサ６がμ（透磁率）＝１である隙間に位置す
ることにより、Ｂ（磁束密度）あるいはＨ（磁場強度）
に比例する電気出力を提供するような上記センサ６の使
用を可能にしている。
【００４４】前述したように、コイルを必要としないこ
とが本発明の長所であるが、コイルを用いる磁気センサ
６が、適切な適用により、変換器４とともに用いられて
も良い。特に一般的に適用可能な固体センサ装置には環
境条件が厳しすぎる場合などに、小型で、フラックスゲ
ート（可飽和鉄心）あるいは同型の磁場センサを使用し
ても良い。磁束リンケージ式の磁場センサも使用可能で
あるが、これらは、ｄφ／ｄｔの信号をφに変換する積
分回路を必要とする。
とが本発明の長所であるが、コイルを用いる磁気センサ
６が、適切な適用により、変換器４とともに用いられて
も良い。特に一般的に適用可能な固体センサ装置には環
境条件が厳しすぎる場合などに、小型で、フラックスゲ
ート（可飽和鉄心）あるいは同型の磁場センサを使用し
ても良い。磁束リンケージ式の磁場センサも使用可能で
あるが、これらは、ｄφ／ｄｔの信号をφに変換する積
分回路を必要とする。
【００４５】変換器の構造について説明する。
【００４６】本発明にかかる変換器４の構造は、適確な
規格化、適確な材料選択、及び変換器４の適確な磁気方
向付けを必要とする。
規格化、適確な材料選択、及び変換器４の適確な磁気方
向付けを必要とする。
【００４７】まず、変換器４の典型的な規格化について
説明する。図示の好適な実施例では、直径２分の１イン
チのシャフトに対して、変換器４は１８％ニッケルマレ
ージング鋼（Ｔ−２５０）からなり、中心軸に沿って２
分の１インチの長さを有する。また、シャフト８にプレ
スばめするために０．４９９〜０．４９８インチの中心
孔を有し、０．０３０〜０．０５０インチの範囲の壁厚
を有する。ところが、変換器４の規格は、以下の一般的
な技術に従って特殊な適用により変化する。
説明する。図示の好適な実施例では、直径２分の１イン
チのシャフトに対して、変換器４は１８％ニッケルマレ
ージング鋼（Ｔ−２５０）からなり、中心軸に沿って２
分の１インチの長さを有する。また、シャフト８にプレ
スばめするために０．４９９〜０．４９８インチの中心
孔を有し、０．０３０〜０．０５０インチの範囲の壁厚
を有する。ところが、変換器４の規格は、以下の一般的
な技術に従って特殊な適用により変化する。
【００４８】変換器４は、壁厚が比較的薄いほうが良
い。変換器４の応力は、その中央部（変換器４が固い筒
体であれば）では、０から直線上に変化し、内周面２２
では幾らか大きな数値に変化し、外周面２４で最大値に
なる。変換器４を固い筒体に形成することは可能であ
り、それにより、シャフト８の裂け目に嵌まりこませる
ことができる。しかし、固い筒体は、機械的にも磁気的
にも非効果的な材料である。その材料では、中央部分で
あまりトルクが伝達されないばかりか、表面上で最も高
い値を示す軸方向の磁化成分中の勾配が、表面の磁束が
内側の材料をより軸方向に磁化する試みへと逸らされて
しまい磁場ベクトルセンサ６による測定に使用可能な磁
束量を減少させるということを意味する。
い。変換器４の応力は、その中央部（変換器４が固い筒
体であれば）では、０から直線上に変化し、内周面２２
では幾らか大きな数値に変化し、外周面２４で最大値に
なる。変換器４を固い筒体に形成することは可能であ
り、それにより、シャフト８の裂け目に嵌まりこませる
ことができる。しかし、固い筒体は、機械的にも磁気的
にも非効果的な材料である。その材料では、中央部分で
あまりトルクが伝達されないばかりか、表面上で最も高
い値を示す軸方向の磁化成分中の勾配が、表面の磁束が
内側の材料をより軸方向に磁化する試みへと逸らされて
しまい磁場ベクトルセンサ６による測定に使用可能な磁
束量を減少させるということを意味する。
【００４９】別の極端な例では、変換器４が薄すぎる
と、外部の磁場に寄与するような不十分な材料量にな
る。磁場は、これを発生させる磁気モーメントに比例
し、磁気モーメントは、ＭＶで表現される。Ｍは、軸方
向の磁化成分であり、Ｖは磁化される材料の量である。
と、外部の磁場に寄与するような不十分な材料量にな
る。磁場は、これを発生させる磁気モーメントに比例
し、磁気モーメントは、ＭＶで表現される。Ｍは、軸方
向の磁化成分であり、Ｖは磁化される材料の量である。
【００５０】変換器４の軸方向の長さは、シャフトの厚
みに一部依存している。直径に対して不均衡に小さい軸
方向の長さを有する筒体は、シャフト８と組み付けた
り、シャフト８に取り付けたりすることが難しい。例え
ば、変換器４が締まりばめでシャフト８に保持される場
合、そのはめ込みは、変換器４が厚く長いほど堅く締ま
るようになっている。
みに一部依存している。直径に対して不均衡に小さい軸
方向の長さを有する筒体は、シャフト８と組み付けた
り、シャフト８に取り付けたりすることが難しい。例え
ば、変換器４が締まりばめでシャフト８に保持される場
合、そのはめ込みは、変換器４が厚く長いほど堅く締ま
るようになっている。
【００５１】変換器４の軸方向の長さが短すぎると、磁
化は不安定になる。前述したように、ねじり応力を受け
た変換器４は、各端部に磁極を有する棒磁石の磁場と同
様の磁場を形成する。上記両磁極間が互いに近付くほ
ど、磁石内部の磁場の消磁化が甚だしくなる。変換器４
の磁化の方向付けに影響する３つの活性条件がある。そ
れは、材料の異方性が磁化を円周方向に保持する傾向を
有している点、磁気弾性力が磁化を４５°の螺旋状に調
整する傾向がある点、消磁磁場が磁場の軸方向成分を減
衰させる傾向がある点の３点である。
化は不安定になる。前述したように、ねじり応力を受け
た変換器４は、各端部に磁極を有する棒磁石の磁場と同
様の磁場を形成する。上記両磁極間が互いに近付くほ
ど、磁石内部の磁場の消磁化が甚だしくなる。変換器４
の磁化の方向付けに影響する３つの活性条件がある。そ
れは、材料の異方性が磁化を円周方向に保持する傾向を
有している点、磁気弾性力が磁化を４５°の螺旋状に調
整する傾向がある点、消磁磁場が磁場の軸方向成分を減
衰させる傾向がある点の３点である。
【００５２】消磁磁場は、磁化の軸方向成分ととともに
増大する。これにより、消磁磁場は、磁気弾性力が異方
性の力に優るほど大きくなる。消磁率（一般に０と４と
の間で別れる比例−積分値）は、軸方向の長さが小さく
なるにつれ、また、急激にではなく厚みが増すにつれて
大きくなる。さらに別の極端な例では、変換器４が長す
ぎると、極めて大きな磁石の外部構造は、局所の磁場セ
ンサを通して磁気回路を接続することが必要になる。小
さなシャフトにとっては、シャフトの径にほぼ等しい幅
を有することがデザインにとって好ましい出発点にな
る。
増大する。これにより、消磁磁場は、磁気弾性力が異方
性の力に優るほど大きくなる。消磁率（一般に０と４と
の間で別れる比例−積分値）は、軸方向の長さが小さく
なるにつれ、また、急激にではなく厚みが増すにつれて
大きくなる。さらに別の極端な例では、変換器４が長す
ぎると、極めて大きな磁石の外部構造は、局所の磁場セ
ンサを通して磁気回路を接続することが必要になる。小
さなシャフトにとっては、シャフトの径にほぼ等しい幅
を有することがデザインにとって好ましい出発点にな
る。
【００５３】変換器４を作るに当たり、材料の選択は決
定的である。材料は、採用し得る材料の特性を変換器の
性能要求に合わせるとともに、シャフト８の材料選択と
も一致させることにより、選択される。最適の実施例で
は、変換器４は、１８％ニッケルマレージング鋼等のニ
ッケルマレージング鋼から構成されている。
定的である。材料は、採用し得る材料の特性を変換器の
性能要求に合わせるとともに、シャフト８の材料選択と
も一致させることにより、選択される。最適の実施例で
は、変換器４は、１８％ニッケルマレージング鋼等のニ
ッケルマレージング鋼から構成されている。
【００５４】選択される材料は、磁気領域の存在を確保
するために強磁性を有している必要があり、磁化の方位
が付与されるトルクに関連する応力により変更されるよ
うに、磁気ひずみ性を有している必要がある。
するために強磁性を有している必要があり、磁化の方位
が付与されるトルクに関連する応力により変更されるよ
うに、磁気ひずみ性を有している必要がある。
【００５５】ニッケルマレージング鋼以外の材料も、そ
の特性次第で変換器に適用させることができる。材料
は、以下の一般的な規準を考慮して選択される。
の特性次第で変換器に適用させることができる。材料
は、以下の一般的な規準を考慮して選択される。
【００５６】変換器の作動において、トルクとともに生
じる磁場は、活性区域の両端部で磁化の軸方向成分の非
連続性に起因する。これら両端部は、実際上、棒磁石の
磁極になる。磁場は、活性材料からなる可飽和磁化Ｍｓ
とともに増大する。Ｍｓが大きくなるほど、非連続性も
大きくなる。公式では、ｄｉｖＨ＝−ｄｉｖＭ＝（極限
で）−０．７０７１ｄｉｖＭｓである。ここで、０．７
０７１はｓｉｎ４５°である。
じる磁場は、活性区域の両端部で磁化の軸方向成分の非
連続性に起因する。これら両端部は、実際上、棒磁石の
磁極になる。磁場は、活性材料からなる可飽和磁化Ｍｓ
とともに増大する。Ｍｓが大きくなるほど、非連続性も
大きくなる。公式では、ｄｉｖＨ＝−ｄｉｖＭ＝（極限
で）−０．７０７１ｄｉｖＭｓである。ここで、０．７
０７１はｓｉｎ４５°である。
【００５７】極性は、静止時異方性Ｋｕにより乱れる磁
場に抗して維持される。従って、Ｋｕが大きいほど良
い。しかし、磁化は、λｓ／Ｋｕが大きい場合、より緩
やかな応力（トルクをあまり要求しない）によって、再
び方向付けられる。ここで、λｓは可飽和磁気ひずみで
ある。従って、高い感度が要求される時は、λｓはＫｕ
に比べて大きい必要がある。広い活性領域が要求される
場合は、λｓ／Ｋｕは３λｓΣ／Ｋｕが最高必要トルク
時の線形領域内でとどまるのに十分に小さい値である必
要がある。
場に抗して維持される。従って、Ｋｕが大きいほど良
い。しかし、磁化は、λｓ／Ｋｕが大きい場合、より緩
やかな応力（トルクをあまり要求しない）によって、再
び方向付けられる。ここで、λｓは可飽和磁気ひずみで
ある。従って、高い感度が要求される時は、λｓはＫｕ
に比べて大きい必要がある。広い活性領域が要求される
場合は、λｓ／Ｋｕは３λｓΣ／Ｋｕが最高必要トルク
時の線形領域内でとどまるのに十分に小さい値である必
要がある。
【００５８】実質的に上記の規準を満たし、それにより
変換器４の構造に用いられる他の材料は以下の通りであ
る。
変換器４の構造に用いられる他の材料は以下の通りであ
る。
【００５９】他のニッケルマレージング鋼。 二元合金および鋼の双方を含む他のニッケル−鉄合金。
二元合金は、鋼が９−４−２０あるいはＡＩＳＩ９３１
０を含むのに対し、４０％〜５０％のより高い割合のニ
ッケル合金を含む必要がある。代表的なものとして、 Ａｌｆｅｒ（13% Al-Bal Fe ）等
１３％アルミニウムを含むアルミニウムマレージング
鋼。 ニッケルマレージング鋼ほど高価ではないという利点を
有するマンガンマレージング鋼。 非常に高い磁気ひずみを有する４９Ｃｏ、４９Ｆｅ、２
Ｖ等のパーメンジュールタイプの合金。パナディウム
は、共に働きやすい材料を作るため、及び強度を高める
ために加えられる。より低い磁気ひずみのコバルト成分
を有する同様の合金も使用され得る。 ４１０，４１６あるいは４４０等のクロムタイプを含む
マルテンサイト系ステンレス鋼。 ＡＩＳＩ３０等のフェライトステンレス鋼。 １５−５ＰＨあるいは１７−４ＰＨ等の降水硬化鋼。 アモルファス材料及びナノ結晶材料。
二元合金は、鋼が９−４−２０あるいはＡＩＳＩ９３１
０を含むのに対し、４０％〜５０％のより高い割合のニ
ッケル合金を含む必要がある。代表的なものとして、 Ａｌｆｅｒ（13% Al-Bal Fe ）等
１３％アルミニウムを含むアルミニウムマレージング
鋼。 ニッケルマレージング鋼ほど高価ではないという利点を
有するマンガンマレージング鋼。 非常に高い磁気ひずみを有する４９Ｃｏ、４９Ｆｅ、２
Ｖ等のパーメンジュールタイプの合金。パナディウム
は、共に働きやすい材料を作るため、及び強度を高める
ために加えられる。より低い磁気ひずみのコバルト成分
を有する同様の合金も使用され得る。 ４１０，４１６あるいは４４０等のクロムタイプを含む
マルテンサイト系ステンレス鋼。 ＡＩＳＩ３０等のフェライトステンレス鋼。 １５−５ＰＨあるいは１７−４ＰＨ等の降水硬化鋼。 アモルファス材料及びナノ結晶材料。
【００６０】変換器４は、適切な材料製作工程により、
選択された材料から基本的な形状に製造される。変換器
４の製作に続いて、変換器４に所望の円周方向の磁場方
向付けを行うために、２つの工程が実行される。まず、
変換器４は、予備工程であるいはシャフト８への取付に
付随する効果として、円周方向をほぼ軸線とする実効１
軸の異方性が付与される。次に、変換器４は、一方のあ
るいは他方の円周方向に極性が付与される。
選択された材料から基本的な形状に製造される。変換器
４の製作に続いて、変換器４に所望の円周方向の磁場方
向付けを行うために、２つの工程が実行される。まず、
変換器４は、予備工程であるいはシャフト８への取付に
付随する効果として、円周方向をほぼ軸線とする実効１
軸の異方性が付与される。次に、変換器４は、一方のあ
るいは他方の円周方向に極性が付与される。
【００６１】所望の磁場方向付けを設定する第１の工程
は、変換器４の構造に円周方向の静止磁気異方性を付与
するものである。変換器４の全体量などすべての磁気領
域を有効に使用するためには、各領域の静止異方性が円
周方向から４５度以上離れていない必要がある。全ての
磁気領域が時計回り、半時計回りの両トルクに対称で等
しい効果を働かせるためには、静止異方性は全て、純粋
な円周状、正確には円周方向である。ところが、この点
に関して絶対的に完全であることは、良い作用結果を得
るためには必要ではなく、各領域の磁場方向付けは理想
の４５度の範囲内であれば良い。
は、変換器４の構造に円周方向の静止磁気異方性を付与
するものである。変換器４の全体量などすべての磁気領
域を有効に使用するためには、各領域の静止異方性が円
周方向から４５度以上離れていない必要がある。全ての
磁気領域が時計回り、半時計回りの両トルクに対称で等
しい効果を働かせるためには、静止異方性は全て、純粋
な円周状、正確には円周方向である。ところが、この点
に関して絶対的に完全であることは、良い作用結果を得
るためには必要ではなく、各領域の磁場方向付けは理想
の４５度の範囲内であれば良い。
【００６２】磁気異方性は、変換器４の材料の物理的加
工によって生成される。磁気異方性のいかなる物理的な
発生源も、静止領域に対して所望の配分で磁場方向付け
を行うために、すなわち、異方性が±４５度の範囲内の
円周方向であるように、単独であるいは組合せにより使
用される。磁気異方性の一つの発生源として、磁気結晶
体、すなわち結晶を利用した異方性がある。これは、結
晶構造を決定する軸と相互に関係する様々な方向の原子
（強磁性原子）の磁気モーメント（スピン）の好適な方
向付けに関している。磁気異方性の第２の発生源とし
て、方向上の配列がある。それは、原子部分の配列、結
晶格子欠陥、含有物（除外物）あるいは１方向（または
２方向以上だが全方向ではない）に見出される他の化学
的構造的特徴に関している。磁気異方性の第３の発生源
は、磁気弾性であり、それは、自発性磁気モーメント
（強磁性磁気ひずみ）と互いに関連する自発性磁気ひず
みを有する材料中の応力の方向性に関している。磁気異
方性の第４の発生源は、材料形状であり、それは、材料
境界におけるＭ（軸方向の磁化成分）の発散に関してい
る。特に、消磁磁場は、磁化された本体の磁極から生
じ、磁極間の間隔が近い場合に、より甚だしくなる。球
形以外の形状は、磁気的に他の形状よりも緩やかな複数
の軸を本来的に有している。
工によって生成される。磁気異方性のいかなる物理的な
発生源も、静止領域に対して所望の配分で磁場方向付け
を行うために、すなわち、異方性が±４５度の範囲内の
円周方向であるように、単独であるいは組合せにより使
用される。磁気異方性の一つの発生源として、磁気結晶
体、すなわち結晶を利用した異方性がある。これは、結
晶構造を決定する軸と相互に関係する様々な方向の原子
（強磁性原子）の磁気モーメント（スピン）の好適な方
向付けに関している。磁気異方性の第２の発生源とし
て、方向上の配列がある。それは、原子部分の配列、結
晶格子欠陥、含有物（除外物）あるいは１方向（または
２方向以上だが全方向ではない）に見出される他の化学
的構造的特徴に関している。磁気異方性の第３の発生源
は、磁気弾性であり、それは、自発性磁気モーメント
（強磁性磁気ひずみ）と互いに関連する自発性磁気ひず
みを有する材料中の応力の方向性に関している。磁気異
方性の第４の発生源は、材料形状であり、それは、材料
境界におけるＭ（軸方向の磁化成分）の発散に関してい
る。特に、消磁磁場は、磁化された本体の磁極から生
じ、磁極間の間隔が近い場合に、より甚だしくなる。球
形以外の形状は、磁気的に他の形状よりも緩やかな複数
の軸を本来的に有している。
【００６３】上記異方性の物理的な発生源の内のいずれ
かあるいはその全てが、変換器４を構成する際に使用さ
れ得る。１例として、結晶構造は、機械的加工及び熱処
理の様々な組み合わせにより生じる。結晶は、異方性の
強度と堅固さを有しているので、ローリングなどの機械
的加工により結晶を整える傾向がある。これにより、磁
気異方性は、変換器４の中心軸に平行な複数の軸回りに
回転し間隔を置いて近接する２個の作動ローラ間で冷間
ローリング変換器４により導かれる。
かあるいはその全てが、変換器４を構成する際に使用さ
れ得る。１例として、結晶構造は、機械的加工及び熱処
理の様々な組み合わせにより生じる。結晶は、異方性の
強度と堅固さを有しているので、ローリングなどの機械
的加工により結晶を整える傾向がある。これにより、磁
気異方性は、変換器４の中心軸に平行な複数の軸回りに
回転し間隔を置いて近接する２個の作動ローラ間で冷間
ローリング変換器４により導かれる。
【００６４】所望の異方性を達成する別の方法では、変
換器４の長さ方向に変換器４の材料の連続的な細かい片
を機械的にローリングすることにより変換器４を構成
し、その片を保持する接着剤を用いてシャフト８回りで
螺旋状に包むことにより変換器４を形成する。先にロー
リングされた材料に対して、引き続いて熱処理を行う
と、上記材料は、ローリング方向に応じた方向で結晶を
発展させながら再結晶化する。その結果、磁気異方性が
高められる。別の例としては、変換器４の外周面２４
が、（応力異方性を有し、あるいは有さずに）形状異方
性を発揮させるために、一連の円周方向の隆起部と窪み
（円周方向の凹凸）を持つように、ローリングされてい
る（あるいは機械製作されている）。
換器４の長さ方向に変換器４の材料の連続的な細かい片
を機械的にローリングすることにより変換器４を構成
し、その片を保持する接着剤を用いてシャフト８回りで
螺旋状に包むことにより変換器４を形成する。先にロー
リングされた材料に対して、引き続いて熱処理を行う
と、上記材料は、ローリング方向に応じた方向で結晶を
発展させながら再結晶化する。その結果、磁気異方性が
高められる。別の例としては、変換器４の外周面２４
が、（応力異方性を有し、あるいは有さずに）形状異方
性を発揮させるために、一連の円周方向の隆起部と窪み
（円周方向の凹凸）を持つように、ローリングされてい
る（あるいは機械製作されている）。
【００６５】前述の方法は、特にある種の適用に有効で
あるが、本発明の好適な実施例では、変換器４が、プレ
スばめ、圧縮ばめあるいはその他の締まりばめによって
シャフトに組み付けられている。そこでは、変換器４の
内径は、接触面でシャフト外径よりも小さく形成されて
いる。この構成は、変換器４を円周方向の張力（フープ
応力と称する）の作用の中に置いている。変換器４が活
発な磁気ひずみを有する材料からなっていれば、この張
力は、本来、円周状の異方性を備えている。この方法
は、磁気異方性を機械装置の本来の機能として発生さ
せ、変換器４に磁気異方性を確保させるための事前の工
程の必要を省くので、特に有利である。
あるが、本発明の好適な実施例では、変換器４が、プレ
スばめ、圧縮ばめあるいはその他の締まりばめによって
シャフトに組み付けられている。そこでは、変換器４の
内径は、接触面でシャフト外径よりも小さく形成されて
いる。この構成は、変換器４を円周方向の張力（フープ
応力と称する）の作用の中に置いている。変換器４が活
発な磁気ひずみを有する材料からなっていれば、この張
力は、本来、円周状の異方性を備えている。この方法
は、磁気異方性を機械装置の本来の機能として発生さ
せ、変換器４に磁気異方性を確保させるための事前の工
程の必要を省くので、特に有利である。
【００６６】特に好適な工程では、変換器４の内径およ
び／またはシャフト８の外径は、変換器４および／また
はシャフト８に適切な材料が選択される限り、フープ応
力状態を得るための組み付けの後に、調整される。も
し、変換器４がマレージング鋼からなっていれば、エー
ジング工程の間に圧縮する。同じく、シャフト８が（上
昇された温度から急冷されることにより）マルテンサイ
ト転化処理がなされていれば、シャフト８は膨脹する。
もし、マルテンサイトが適度に練られているだけなら
ば、磁気を通しにくいままであるので、シャフト８に必
要な低い透磁率を有する。この変換器４のシャフト８へ
の圧縮ばめは、活発な磁気ひずみとともに所望の磁気異
方性を提供する変換器４に、円周方向のフープ応力を本
来的に発生させる。
び／またはシャフト８の外径は、変換器４および／また
はシャフト８に適切な材料が選択される限り、フープ応
力状態を得るための組み付けの後に、調整される。も
し、変換器４がマレージング鋼からなっていれば、エー
ジング工程の間に圧縮する。同じく、シャフト８が（上
昇された温度から急冷されることにより）マルテンサイ
ト転化処理がなされていれば、シャフト８は膨脹する。
もし、マルテンサイトが適度に練られているだけなら
ば、磁気を通しにくいままであるので、シャフト８に必
要な低い透磁率を有する。この変換器４のシャフト８へ
の圧縮ばめは、活発な磁気ひずみとともに所望の磁気異
方性を提供する変換器４に、円周方向のフープ応力を本
来的に発生させる。
【００６７】変換器４への磁気異方性の導入に続いて、
変換器４は、変換器４の円周の時計回りあるいは反時計
回りのどちらかの方向に極性化される。変換器４（ある
いはより包括的には、活性要素）への極性付与は、円周
方向に十分に広い磁場に、全ての部分をさらすことを必
要とする。極性化用の磁場に必要な大きさは、飽和効果
の実際上の達成により制限される。より広い磁場を使用
することによって、適切に極性化された装置の動作が顕
著に変化することはない。変換器４は、磁場に必要な極
性効果を起こすため、渦電流を抑止するため、そして磁
場が長期間維持された場合でも何事も起こらないように
するために、十分な期間、磁場にさらされる。図１２
は、Ａ点からＢ点、Ｃ点、Ｄ点まで極性磁場が広がる効
果と、Ａ点からＢ点、Ｃ点、Ｄ点までの残存磁性ＭＲの
結果的な増加を示す。図１３に示すように、あるレベル
Ｈ＝ＨＳＡＴでは、ＭＲは実際上飽和状態になり、さら
にＨが増加しても、ＭＲにさらなる増加は起こらない。
変換器４は、変換器４の円周の時計回りあるいは反時計
回りのどちらかの方向に極性化される。変換器４（ある
いはより包括的には、活性要素）への極性付与は、円周
方向に十分に広い磁場に、全ての部分をさらすことを必
要とする。極性化用の磁場に必要な大きさは、飽和効果
の実際上の達成により制限される。より広い磁場を使用
することによって、適切に極性化された装置の動作が顕
著に変化することはない。変換器４は、磁場に必要な極
性効果を起こすため、渦電流を抑止するため、そして磁
場が長期間維持された場合でも何事も起こらないように
するために、十分な期間、磁場にさらされる。図１２
は、Ａ点からＢ点、Ｃ点、Ｄ点まで極性磁場が広がる効
果と、Ａ点からＢ点、Ｃ点、Ｄ点までの残存磁性ＭＲの
結果的な増加を示す。図１３に示すように、あるレベル
Ｈ＝ＨＳＡＴでは、ＭＲは実際上飽和状態になり、さら
にＨが増加しても、ＭＲにさらなる増加は起こらない。
【００６８】変換器４を極性化する好適な方法を図１４
に示す。この方法では、変換器４は、馬蹄形磁石５０が
設けられたとき、２つの相反する磁極４８，４９の近く
の磁場で、変換器４を回転させることで極性化される。
変換器４の回転中、磁石５０は、変換器４に対して径方
向の内側へ接近移動する（変換器４は、磁石５０の接近
中、連続して回転している）。磁石５０は、その効果を
安定させるため、変換器４が２，３度回転させられた
後、変換器４の磁化に影響を及ぼさない程離れた位置へ
ゆっくりと移動させられる。この方法において磁石５０
により与えられた極性は、磁石５０の両極の方向性に依
存し、変換器４の回転方向には依存しない。
に示す。この方法では、変換器４は、馬蹄形磁石５０が
設けられたとき、２つの相反する磁極４８，４９の近く
の磁場で、変換器４を回転させることで極性化される。
変換器４の回転中、磁石５０は、変換器４に対して径方
向の内側へ接近移動する（変換器４は、磁石５０の接近
中、連続して回転している）。磁石５０は、その効果を
安定させるため、変換器４が２，３度回転させられた
後、変換器４の磁化に影響を及ぼさない程離れた位置へ
ゆっくりと移動させられる。この方法において磁石５０
により与えられた極性は、磁石５０の両極の方向性に依
存し、変換器４の回転方向には依存しない。
【００６９】円周方向に指向された磁場を発生させる別
の方法は、変換器４の近くに軸方向の電流を供給するこ
とである。例えば、好適な大きな１方向の電流が、変換
器４が組み付けられたシャフト８を通じて直接に変換器
４に導入されるようになっている。あるいは、上記のよ
うな電流が、変換器４のシャフト８への組み付けよりも
以前に、変換器４の中心孔に挿通された同軸の導体を通
じて導かれてもよい。さらに、図１５に示すように、１
方向のみの電流５４を通過させる導線５２が変換器４の
内側と外側の回りに螺旋状に巻回され、変換器４の内周
面２２及び外周面２４の各面に近接して１列の導線を形
成させるようにしてもよい。変換器４の内側と外側とで
相反する軸方向に流れる電流は、同じ円周方向へ付加さ
れた磁場を作る。この螺旋状の様式で曲り、その後この
様式から離れることは、変換器４を極性化するにはあま
り好ましくない。しかしながら、大きなリングの場合、
図１５に示す導線５２が２つの部分で構成された磁性化
器具が形成されてもよい。この実施例では、導線部分
は、変換器４の挿通を可能にするよう破線５６の位置で
変換器４の中心軸に沿う移動により軸方向に分離可能に
なっており、上記挿通の後、螺旋状の回路を完成させる
ために互いに近づく方向へ移動させられる。極性化工程
終了後、導線部分は、変換器４を取り外すために変換器
４の中心軸に沿ってそれぞれ反対方向へ再び移動させら
れる。
の方法は、変換器４の近くに軸方向の電流を供給するこ
とである。例えば、好適な大きな１方向の電流が、変換
器４が組み付けられたシャフト８を通じて直接に変換器
４に導入されるようになっている。あるいは、上記のよ
うな電流が、変換器４のシャフト８への組み付けよりも
以前に、変換器４の中心孔に挿通された同軸の導体を通
じて導かれてもよい。さらに、図１５に示すように、１
方向のみの電流５４を通過させる導線５２が変換器４の
内側と外側の回りに螺旋状に巻回され、変換器４の内周
面２２及び外周面２４の各面に近接して１列の導線を形
成させるようにしてもよい。変換器４の内側と外側とで
相反する軸方向に流れる電流は、同じ円周方向へ付加さ
れた磁場を作る。この螺旋状の様式で曲り、その後この
様式から離れることは、変換器４を極性化するにはあま
り好ましくない。しかしながら、大きなリングの場合、
図１５に示す導線５２が２つの部分で構成された磁性化
器具が形成されてもよい。この実施例では、導線部分
は、変換器４の挿通を可能にするよう破線５６の位置で
変換器４の中心軸に沿う移動により軸方向に分離可能に
なっており、上記挿通の後、螺旋状の回路を完成させる
ために互いに近づく方向へ移動させられる。極性化工程
終了後、導線部分は、変換器４を取り外すために変換器
４の中心軸に沿ってそれぞれ反対方向へ再び移動させら
れる。
【００７０】上記１本の導線を使用する方法において
は、比較的大きな電流が必要であり、特に大径の変換器
４にとっては、アンペアＩを運ぶ長く丸い導線の表面の
磁場は、Ｈ＝２Ｉ／１０ｒ（Ｈはエルステッド、ｒはセ
ンチメートル単位の導線の半径）である。直径２センチ
メートル（約０．８インチ）の変換器４の場合、 Ｈ＝２Ｉ／（１０×１ｃｍ）＝０．２Ｉ であり、２００エルステルドの磁場を得るには、１００
０アンペアの電流を必要とする。この方法において導線
５２を使って磁化する（極性を付与する）方法は、６０
ヘルツの２分の１周波の交流、すなわち、スイッチが閉
じた後の最初の２分の１周波を通過させるワンショット
回路を使って電流５４を制御するようになっている。大
きな電流パルスは、コンデンサの蓄積を放出することか
ら、あるいは、フリーホイール発電機の慣性から、ある
いはこの技術分野の良く知られた方法によって、得られ
る。
は、比較的大きな電流が必要であり、特に大径の変換器
４にとっては、アンペアＩを運ぶ長く丸い導線の表面の
磁場は、Ｈ＝２Ｉ／１０ｒ（Ｈはエルステッド、ｒはセ
ンチメートル単位の導線の半径）である。直径２センチ
メートル（約０．８インチ）の変換器４の場合、 Ｈ＝２Ｉ／（１０×１ｃｍ）＝０．２Ｉ であり、２００エルステルドの磁場を得るには、１００
０アンペアの電流を必要とする。この方法において導線
５２を使って磁化する（極性を付与する）方法は、６０
ヘルツの２分の１周波の交流、すなわち、スイッチが閉
じた後の最初の２分の１周波を通過させるワンショット
回路を使って電流５４を制御するようになっている。大
きな電流パルスは、コンデンサの蓄積を放出することか
ら、あるいは、フリーホイール発電機の慣性から、ある
いはこの技術分野の良く知られた方法によって、得られ
る。
【００７１】図１６に示すように、連続的に変換器４を
回転させる一方で、変換器４より幅の広くない磁石５３
を使って経路５５に沿って変換器４と軸方向にすれ違う
ように給送することにより、変換器４を磁化させること
も可能である。この方法は、特に、かなり大きな変換器
４を極性化するために有利である。
回転させる一方で、変換器４より幅の広くない磁石５３
を使って経路５５に沿って変換器４と軸方向にすれ違う
ように給送することにより、変換器４を磁化させること
も可能である。この方法は、特に、かなり大きな変換器
４を極性化するために有利である。
【００７２】シャフトの構造について説明する。
【００７３】シャフト８の構造は、シャフト８がセンサ
２の作動を妨げないという点で重要である。磁場ベクト
ルセンサ６を通過しトルクから発生している可能なかぎ
り多くの軸方向の磁束を方向付けすることは、センサの
感度のために有利である。シャフト８と変換器４とは、
全ての平行な経路のパーミアンスを最小限にする一方
で、センサを通過する閉じた磁束経路のパーミアンスを
最大限にするために、ともに働くように設定されてい
る。これにより、変換器４の両端面１８，２０に軸方向
または径方向に近接する高透磁率の材料を設けることを
避けることが重要である。一般に、シャフト８の透磁性
を有する材料は、変換器４に磁気経路を作り出させない
ようになっている。この制限は、いくつかの方法で実現
可能である。図１に示すように、この実施例では、シャ
フト８は、低透磁率の（すなわち常磁性の）材料で構成
されており、変換器４は、シャフト８に直接に取り付け
られている。別の実施例では、図１７に示すように、シ
ャフト８は、強磁性であり、低透磁率のスペーサ６０が
シャフト８と変換器４との間に設けられている。図１８
に示すさらに別の実施例では、シャフト８は、変換器４
の近接位置にある区域６２が、実質的により小径に形成
されており、あるいは、シャフト８は、区域６２内で完
全に切りとられている。このどちらの場合でも、低透磁
率の材料からなるスペーサ手段としての接続スリーブ６
４がシャフト８の切り取りによって形成された隙間を掛
け渡すようにして設けられている。変換器４は、接続ス
リーブ６４の上に取り付けられている。
２の作動を妨げないという点で重要である。磁場ベクト
ルセンサ６を通過しトルクから発生している可能なかぎ
り多くの軸方向の磁束を方向付けすることは、センサの
感度のために有利である。シャフト８と変換器４とは、
全ての平行な経路のパーミアンスを最小限にする一方
で、センサを通過する閉じた磁束経路のパーミアンスを
最大限にするために、ともに働くように設定されてい
る。これにより、変換器４の両端面１８，２０に軸方向
または径方向に近接する高透磁率の材料を設けることを
避けることが重要である。一般に、シャフト８の透磁性
を有する材料は、変換器４に磁気経路を作り出させない
ようになっている。この制限は、いくつかの方法で実現
可能である。図１に示すように、この実施例では、シャ
フト８は、低透磁率の（すなわち常磁性の）材料で構成
されており、変換器４は、シャフト８に直接に取り付け
られている。別の実施例では、図１７に示すように、シ
ャフト８は、強磁性であり、低透磁率のスペーサ６０が
シャフト８と変換器４との間に設けられている。図１８
に示すさらに別の実施例では、シャフト８は、変換器４
の近接位置にある区域６２が、実質的により小径に形成
されており、あるいは、シャフト８は、区域６２内で完
全に切りとられている。このどちらの場合でも、低透磁
率の材料からなるスペーサ手段としての接続スリーブ６
４がシャフト８の切り取りによって形成された隙間を掛
け渡すようにして設けられている。変換器４は、接続ス
リーブ６４の上に取り付けられている。
【００７４】図１６及び図１７の方法を用いて設けられ
た装置の適切な作動は、その相互接触部分のいかなる要
素間においても、すべり状態でないことが必要である。
それぞれの組立て品は、ほぼトルク領域の全体を覆う一
体物として働くようになっている。すなわち、変換器４
は、その相互接触部分の表面の剪断張力が、両者間で同
じに、すなわち、滑らない状態であるようにして、トル
ク部材に取り付けられている。
た装置の適切な作動は、その相互接触部分のいかなる要
素間においても、すべり状態でないことが必要である。
それぞれの組立て品は、ほぼトルク領域の全体を覆う一
体物として働くようになっている。すなわち、変換器４
は、その相互接触部分の表面の剪断張力が、両者間で同
じに、すなわち、滑らない状態であるようにして、トル
ク部材に取り付けられている。
【００７５】図中の変換器４を有する断面部分では、シ
ャフト８内には、非弾性張力が存在しないことが必要で
ある。それにより、トルクの伝達に協動する全ての張力
が、トルクが収まったときには完全に回復されるように
なっている。原子段階あるいは同様の状況では、すべり
のために敏感な張力が発生しているので、要素間のすべ
りをより正確に抑制することが必要である。変換器４が
どのようなサイズであっても、すべりが発生するのであ
れば、変換器４内の応力は、シャフトに加えられたトル
クを実現しない。さらに、トルクが０に落ち着き、変換
器４やその各部分が逆に応力のある状態になったとき
は、断面部分に広がる残余応力の分散状態になる。滑り
は、変換器の変換機能にとって負のヒステリシスとして
維持される。これらの各構成は、変換器４を、すぐに下
部の要素に押圧させたり圧縮させたりする。引張りフー
プ応力により円周方向に支配的な異方性が得られる場合
には、上記の特徴は重要である。円周方向の張力以外の
手段、例えば、磁場内、あるいは円周方向の張力の下す
なわち軸方向の圧縮力の下でエージングされるか、熱処
理されることにより変換器４の異方性が得られる場合に
は、あるいは上記の支配的な異方性が存在せずとも装置
の作動が十分可能である場合には、他の構造も可能であ
る。
ャフト８内には、非弾性張力が存在しないことが必要で
ある。それにより、トルクの伝達に協動する全ての張力
が、トルクが収まったときには完全に回復されるように
なっている。原子段階あるいは同様の状況では、すべり
のために敏感な張力が発生しているので、要素間のすべ
りをより正確に抑制することが必要である。変換器４が
どのようなサイズであっても、すべりが発生するのであ
れば、変換器４内の応力は、シャフトに加えられたトル
クを実現しない。さらに、トルクが０に落ち着き、変換
器４やその各部分が逆に応力のある状態になったとき
は、断面部分に広がる残余応力の分散状態になる。滑り
は、変換器の変換機能にとって負のヒステリシスとして
維持される。これらの各構成は、変換器４を、すぐに下
部の要素に押圧させたり圧縮させたりする。引張りフー
プ応力により円周方向に支配的な異方性が得られる場合
には、上記の特徴は重要である。円周方向の張力以外の
手段、例えば、磁場内、あるいは円周方向の張力の下す
なわち軸方向の圧縮力の下でエージングされるか、熱処
理されることにより変換器４の異方性が得られる場合に
は、あるいは上記の支配的な異方性が存在せずとも装置
の作動が十分可能である場合には、他の構造も可能であ
る。
【００７６】低透磁率のシャフトが使用される場合に
は、変換器４に対する熱膨脹率と同様に強度特性につい
ても注意が必要である。一般のオーステナイト鋼（ステ
ンレス鋼）は、通常、マルテンサイト鋼よりも強度的に
弱い。さらに、上記オーステナイト鋼は、単相材料であ
るので、熱処理で強度を高めることはできない。降伏強
度を高めることは、ロール加工（ローリング）、絞り加
工等の冷間加工によってのみ可能である。広範囲にわた
る冷間加工は、オーステナイトを強磁性のマルテンサイ
トへ転化させる。
は、変換器４に対する熱膨脹率と同様に強度特性につい
ても注意が必要である。一般のオーステナイト鋼（ステ
ンレス鋼）は、通常、マルテンサイト鋼よりも強度的に
弱い。さらに、上記オーステナイト鋼は、単相材料であ
るので、熱処理で強度を高めることはできない。降伏強
度を高めることは、ロール加工（ローリング）、絞り加
工等の冷間加工によってのみ可能である。広範囲にわた
る冷間加工は、オーステナイトを強磁性のマルテンサイ
トへ転化させる。
【００７７】低透磁率のシャフトに好ましい材料は、ニ
トロニック系であり、一般に、クロムと少量のニッケル
とマンガンとを含んでいる。
トロニック系であり、一般に、クロムと少量のニッケル
とマンガンとを含んでいる。
【００７８】これらの鋼は、厳しい冷間加工の下でも完
全にオーステナイトを維持し、焼きなましされた状態で
さえ、一般のオーステナイト鋼の２倍の降伏強度を有し
ている。特に好ましい材料は、アルムコ社(Armco) 製の
ニトロニック( Nitronic)32あるいは33である。他に使
用可能な好ましい材料としては、インターナショナル・
ニッケル社(International Nickel Co.)のインコネル(I
nconel) 等の様々なニッケル合金、ベリリウム銅、オー
バーレージド（overaged）マレージング鋼である。この
鋼のオーバーレージング（overaging ）は、オーステナ
イトへの再転換（reversion ）を引き起こす。オーバー
レージドマレージング鋼の特別な利点は、変換器４内に
使用される材料と化学的に同質であるという点である。
この同質性は、相互接触面の腐食を防ぐ傾向がある。
全にオーステナイトを維持し、焼きなましされた状態で
さえ、一般のオーステナイト鋼の２倍の降伏強度を有し
ている。特に好ましい材料は、アルムコ社(Armco) 製の
ニトロニック( Nitronic)32あるいは33である。他に使
用可能な好ましい材料としては、インターナショナル・
ニッケル社(International Nickel Co.)のインコネル(I
nconel) 等の様々なニッケル合金、ベリリウム銅、オー
バーレージド（overaged）マレージング鋼である。この
鋼のオーバーレージング（overaging ）は、オーステナ
イトへの再転換（reversion ）を引き起こす。オーバー
レージドマレージング鋼の特別な利点は、変換器４内に
使用される材料と化学的に同質であるという点である。
この同質性は、相互接触面の腐食を防ぐ傾向がある。
【００７９】全体が硬化された、あるいは、表面硬化さ
れた炭素鋼シャフトあるいは合金入り炭素鋼シャフトを
使用しても良い。このような機械的に硬化された鋼は、
低透磁性も備えている。
れた炭素鋼シャフトあるいは合金入り炭素鋼シャフトを
使用しても良い。このような機械的に硬化された鋼は、
低透磁性も備えている。
【００８０】シャフトへの変換器の組み付けについて説
明する。
明する。
【００８１】すでに述べたように、変換器４と下部のシ
ャフトとは、一つの機械ユニットとして働くようになっ
ている。変換器４をシャフト８に直接あるいは間接に堅
く取り付けることは、変換器４の正確な作動にとって決
定的である。主に、変換器４は、その両端部で取り付け
られる必要がある。
ャフトとは、一つの機械ユニットとして働くようになっ
ている。変換器４をシャフト８に直接あるいは間接に堅
く取り付けることは、変換器４の正確な作動にとって決
定的である。主に、変換器４は、その両端部で取り付け
られる必要がある。
【００８２】取付方法は、シャフトに沿ったトルク伝達
のための力配給点に従って分類される。力配給の点は、
突出しているか、広く分布しているか、あるいは拡散し
ている。
のための力配給点に従って分類される。力配給の点は、
突出しているか、広く分布しているか、あるいは拡散し
ている。
【００８３】まず、突出による力配給は、変換器４の多
角形状または楕円形状の孔と嵌合する非円形状のシャフ
ト等、相互に嵌め合う外形を有する変換器４及びシャフ
ト８に噛合表面を設けることにより達成される。図１９
に示すように、噛合する内外周面のスプライン、凸部、
あるいは歯６６が、変換器４の内周面２２に刻設されて
おり、シャフト８に刻設された同様の構造と噛合するよ
うになっている。図２０は、別の実施例を示し、ここで
は、歯６８は、変換器４の両端面１８，２０に設けられ
ている。嵌合歯７０が、シャフト８の２か所の端部（１
つのみ図示）に設けられている。また、突出部７２が、
シャフト８上に設けられて変換器４の中心孔と嵌合する
ようになっている。変換器４がシャフト８の上記２か所
に組み付けられる際、歯７０は、歯６８と噛合してシャ
フト８と変換器４とを不動の位置で相対的に回転可能に
する。他の実施例では、キー、ピン、止めネジ等が使用
されるが、これらの締結方法は、堅固な構造を要求する
適用物にはあまり好ましくない。
角形状または楕円形状の孔と嵌合する非円形状のシャフ
ト等、相互に嵌め合う外形を有する変換器４及びシャフ
ト８に噛合表面を設けることにより達成される。図１９
に示すように、噛合する内外周面のスプライン、凸部、
あるいは歯６６が、変換器４の内周面２２に刻設されて
おり、シャフト８に刻設された同様の構造と噛合するよ
うになっている。図２０は、別の実施例を示し、ここで
は、歯６８は、変換器４の両端面１８，２０に設けられ
ている。嵌合歯７０が、シャフト８の２か所の端部（１
つのみ図示）に設けられている。また、突出部７２が、
シャフト８上に設けられて変換器４の中心孔と嵌合する
ようになっている。変換器４がシャフト８の上記２か所
に組み付けられる際、歯７０は、歯６８と噛合してシャ
フト８と変換器４とを不動の位置で相対的に回転可能に
する。他の実施例では、キー、ピン、止めネジ等が使用
されるが、これらの締結方法は、堅固な構造を要求する
適用物にはあまり好ましくない。
【００８４】第２に、力が分配されて伝達される場合
は、シャフト８に対する変換器４の摩擦あるいは接着結
合により行われる。結合部は、伝達されるのと同じ剪断
応力を受ける。この結合は、シャフト８単独であるいは
変換器４単独で扱われるよりは低い量に、最大検出可能
トルクを限定する。しかし、前に述べたような理由で利
点がある。プレスばめあるいは圧縮ばめが使用され、好
ましい円周方向異方性を得ることができるとともに、実
用上の問題として、シャフト８上の予想されるトルクに
よって壊れることのない充分に大きなグリップ力を備え
ることができる。クリーンでガスぬきされた（脱酸化さ
れた）表面を有しているので、有効な摩擦係数がいつま
でも発生し得る。また、多少溶接のように作用すること
ができる。嫌気性の接着剤を使用することもできる。こ
の接着剤は、硬化した状態で微視的な隙間の中まで浸透
することにより、堅い嵌め合わせをさらに堅くすること
ができるようになっている。温度及び環境条件が接着剤
の使用を妨げない場合は、接着剤は、変換器４の設置に
使用できる。これにより、変換器４あるいはその結合部
のどちらの断面域と比較しても、接着領域が大きくな
る。このことは、変換器４が、前述のように、相互間に
広がる接着剤を使用した螺旋状に巻かれた細片から製作
されることにより実現される。
は、シャフト８に対する変換器４の摩擦あるいは接着結
合により行われる。結合部は、伝達されるのと同じ剪断
応力を受ける。この結合は、シャフト８単独であるいは
変換器４単独で扱われるよりは低い量に、最大検出可能
トルクを限定する。しかし、前に述べたような理由で利
点がある。プレスばめあるいは圧縮ばめが使用され、好
ましい円周方向異方性を得ることができるとともに、実
用上の問題として、シャフト８上の予想されるトルクに
よって壊れることのない充分に大きなグリップ力を備え
ることができる。クリーンでガスぬきされた（脱酸化さ
れた）表面を有しているので、有効な摩擦係数がいつま
でも発生し得る。また、多少溶接のように作用すること
ができる。嫌気性の接着剤を使用することもできる。こ
の接着剤は、硬化した状態で微視的な隙間の中まで浸透
することにより、堅い嵌め合わせをさらに堅くすること
ができるようになっている。温度及び環境条件が接着剤
の使用を妨げない場合は、接着剤は、変換器４の設置に
使用できる。これにより、変換器４あるいはその結合部
のどちらの断面域と比較しても、接着領域が大きくな
る。このことは、変換器４が、前述のように、相互間に
広がる接着剤を使用した螺旋状に巻かれた細片から製作
されることにより実現される。
【００８５】図２１は、その径を貫く複数の孔７４を有
する変換器４の実施例を示す。上記孔７４は、接着剤で
満たされており、変換器４をシャフト８に接合させるよ
うになっている。
する変換器４の実施例を示す。上記孔７４は、接着剤で
満たされており、変換器４をシャフト８に接合させるよ
うになっている。
【００８６】さらに、図１８の実施例の特殊な場合とし
て、図２２に示すように、シャフト８が中空であれば、
変換器４は、孔７８を貫くサイズ超過のマンドレル７６
を押し込むことにより、あるいは油圧やロール加工（ロ
ーリング）により、内側から膨脹することができる。そ
の他の適切な膨脹方法としては、管状のシートにボイラ
ーの管を取り付けるという内容で良く知られた方法があ
る。図２３は、マンドレル７６が孔７８に押し通された
後の図２２の組み付け状態を示す。この組み付け方法
は、変換器４を径方向の外側へ膨脹させ、変換器４に望
ましいフープ応力を生じさせる。フープ応力が望ましく
ない場合には、膨脹ばめは、図２４に示すようなシャフ
ト８の構造を用いることによって、変換器４の両端部に
のみ設けられる。
て、図２２に示すように、シャフト８が中空であれば、
変換器４は、孔７８を貫くサイズ超過のマンドレル７６
を押し込むことにより、あるいは油圧やロール加工（ロ
ーリング）により、内側から膨脹することができる。そ
の他の適切な膨脹方法としては、管状のシートにボイラ
ーの管を取り付けるという内容で良く知られた方法があ
る。図２３は、マンドレル７６が孔７８に押し通された
後の図２２の組み付け状態を示す。この組み付け方法
は、変換器４を径方向の外側へ膨脹させ、変換器４に望
ましいフープ応力を生じさせる。フープ応力が望ましく
ない場合には、膨脹ばめは、図２４に示すようなシャフ
ト８の構造を用いることによって、変換器４の両端部に
のみ設けられる。
【００８７】図２２ないし図２４における結合部のトル
ク伝達能力は、シャフト８が、その膨脹の間に、変換器
４の内径に局部的に切れ込むかあるいはこれを変形させ
るような軸方向の凸部を有している場合に、高められ
る。
ク伝達能力は、シャフト８が、その膨脹の間に、変換器
４の内径に局部的に切れ込むかあるいはこれを変形させ
るような軸方向の凸部を有している場合に、高められ
る。
【００８８】第３に、拡散によるトルク（力）の配給
は、溶接あるいはブレージングにより行われる。溶接
は、図２１に示すような変換器４の両端部に対して、あ
るいは貫通孔を通して行われる。スポット溶接、連続ラ
イン（シーム）溶接、あるいは変換器４領域の一部また
は全部を覆う溶接（鍛接）も使用され得る。変換器４
は、型内でシャフト回りに成形されてもよいし、溶けた
状態にスプレー溶接されても良いし、爆発溶接（explos
ively welded）、電気メッキ、イオン注入による接続、
あるいはその他のシャフト表面の表面変形などによって
も組み付け可能である。これらの方法の組み合わせも可
能である。
は、溶接あるいはブレージングにより行われる。溶接
は、図２１に示すような変換器４の両端部に対して、あ
るいは貫通孔を通して行われる。スポット溶接、連続ラ
イン（シーム）溶接、あるいは変換器４領域の一部また
は全部を覆う溶接（鍛接）も使用され得る。変換器４
は、型内でシャフト回りに成形されてもよいし、溶けた
状態にスプレー溶接されても良いし、爆発溶接（explos
ively welded）、電気メッキ、イオン注入による接続、
あるいはその他のシャフト表面の表面変形などによって
も組み付け可能である。これらの方法の組み合わせも可
能である。
【００８９】回転シャフト上のトルクを検出する新規な
改良方法について述べる。本発明にかかる上記方法の第
１工程は、変換器４が組み立てられ、前述の方法の１つ
により、機械のシャフト８の周面に取り付けられる。取
り付け前でも、取り付け工程中でも、変換器４は、必要
な異方性の磁気特性が付与され、その後、いつでも、極
性化される。その後、シャフト８−変換器４のユニット
は、機械に装着される。本発明にかかる磁場ベクトルセ
ンサ６は、変換器４に近接して設けられ、変換器４の応
力誘発磁場を受け入れるように、方向付けられる。機械
の作動時には、磁場ベクトルセンサ６は、シャフト８上
のトルクを線形に表示する信号を発し、その信号は、磁
場ベクトルセンサ６に接続されたフィードバック制御回
路や他のモニター回路によってモニターされるようにな
っている。
改良方法について述べる。本発明にかかる上記方法の第
１工程は、変換器４が組み立てられ、前述の方法の１つ
により、機械のシャフト８の周面に取り付けられる。取
り付け前でも、取り付け工程中でも、変換器４は、必要
な異方性の磁気特性が付与され、その後、いつでも、極
性化される。その後、シャフト８−変換器４のユニット
は、機械に装着される。本発明にかかる磁場ベクトルセ
ンサ６は、変換器４に近接して設けられ、変換器４の応
力誘発磁場を受け入れるように、方向付けられる。機械
の作動時には、磁場ベクトルセンサ６は、シャフト８上
のトルクを線形に表示する信号を発し、その信号は、磁
場ベクトルセンサ６に接続されたフィードバック制御回
路や他のモニター回路によってモニターされるようにな
っている。
【００９０】
【発明の効果】以上のように、本発明のトルク検出装置
及びそのトルク測定方法によれば、円周方向の一方向ま
たはその逆方向に磁気極性が付与されており、変換手段
は、トルクが存在しない状態（静止状態）において、少
なくとも軸線方向にも径方向にも磁気成分が存在しない
程度まで、ほぼ円周方向のみに磁気極性が付与されてい
るので、本来的に逆円周方向の磁化成分を有していた領
域が、実質的に排除される。円周方向の異方性が適当に
支配している状態であれば、すべての領域の磁気は、最
大限プラスマイナス４５°の範囲に存在し、しかも変換
手段のかなりの量的範囲に対称的に配分されることによ
り、補償範囲外のいかなる外部の磁束も磁場ベクトルセ
ンサに確実に検知されなくなる。従って、信頼性の高い
トルク検出を行うことができる。
及びそのトルク測定方法によれば、円周方向の一方向ま
たはその逆方向に磁気極性が付与されており、変換手段
は、トルクが存在しない状態（静止状態）において、少
なくとも軸線方向にも径方向にも磁気成分が存在しない
程度まで、ほぼ円周方向のみに磁気極性が付与されてい
るので、本来的に逆円周方向の磁化成分を有していた領
域が、実質的に排除される。円周方向の異方性が適当に
支配している状態であれば、すべての領域の磁気は、最
大限プラスマイナス４５°の範囲に存在し、しかも変換
手段のかなりの量的範囲に対称的に配分されることによ
り、補償範囲外のいかなる外部の磁束も磁場ベクトルセ
ンサに確実に検知されなくなる。従って、信頼性の高い
トルク検出を行うことができる。
【００９１】また、磁場センサ手段として固体センサを
使用する場合には、励磁電流もコイルも必要としないの
で、構造が単純であり、低コストで製造が可能になる。
使用する場合には、励磁電流もコイルも必要としないの
で、構造が単純であり、低コストで製造が可能になる。
【図１】本発明のトルク検出装置の一実施例を示す組み
付け状態図である。
付け状態図である。
【図２】本発明で使用されるホール効果センサの線形変
換機能を示すグラフである。
換機能を示すグラフである。
【図３】磁束集束ヨークが設けられた本発明の別の実施
例を示す斜視図である。
例を示す斜視図である。
【図４】磁束集束ヨークが設けられた本発明のさらに別
の実施例を示す一部断面図である。
の実施例を示す一部断面図である。
【図５】磁束集束ヨークが設けられた本発明のさらにま
た別の実施例を示す一部断面図である。
た別の実施例を示す一部断面図である。
【図６】磁束集束ヨークが設けられた本発明のさらに別
の実施例を示す一部断面図である。
の実施例を示す一部断面図である。
【図７】磁束集束ヨークが設けられた本発明のさらにま
た別の実施例を示す一部断面図である。
た別の実施例を示す一部断面図である。
【図８】磁束集束ヨークが設けられた本発明のさらに別
の実施例を示す一部断面図である。
の実施例を示す一部断面図である。
【図９】磁束集束ヨークが設けられた本発明のさらにま
た別の実施例を示す側面図である。
た別の実施例を示す側面図である。
【図１０】同正面図である。
【図１１】回復磁石を有する本発明のトルク検出装置の
さらに別の実施例を示す斜視図である。
さらに別の実施例を示す斜視図である。
【図１２】本発明の変換器の残存磁性による極性化され
た磁場を増大させる効果を示すグラフである。
た磁場を増大させる効果を示すグラフである。
【図１３】同じく変換器の残存磁性による極性化された
磁場を増大させる効果を示すグラフである。
磁場を増大させる効果を示すグラフである。
【図１４】磁石の磁場を通って循環する本発明の変換器
の極性化を示す概略図である。
の極性化を示す概略図である。
【図１５】トロイド状に巻かれた導線に電流を流すこと
により変換器を極性化する本発明の実施例を示す概略図
である。
により変換器を極性化する本発明の実施例を示す概略図
である。
【図１６】変換器の外側に沿って磁石を並進させること
により変換器を極性化する本発明の実施例を示す概略図
である。
により変換器を極性化する本発明の実施例を示す概略図
である。
【図１７】変換器とシャフトとの間に低透磁性のスペー
サが設けられた本発明のさらに別の実施例を示す断面図
である。
サが設けられた本発明のさらに別の実施例を示す断面図
である。
【図１８】機械のシャフトの切り取り部を覆うように設
けられた接続スリーブと、その後に装着された変換器と
を示す断面図である。
けられた接続スリーブと、その後に装着された変換器と
を示す断面図である。
【図１９】シャフト上面の同様の構造と噛合させるた
め、内周面に軸方向に形成された溝を有する変換器を示
す斜視図である。
め、内周面に軸方向に形成された溝を有する変換器を示
す斜視図である。
【図２０】シャフトと噛合するように、端面に形成され
た溝を有する変換器を示す側面図である。
た溝を有する変換器を示す側面図である。
【図２１】変換器とシャフトとを結合させる接着剤を受
け入れる周面上の貫通孔を有する変換器の平面図であ
る。
け入れる周面上の貫通孔を有する変換器の平面図であ
る。
【図２２】マンドレルを使って、変換器をシャフト内部
から膨脹ばめさせる状態を示す断面図である。
から膨脹ばめさせる状態を示す断面図である。
【図２３】同シャフト膨脹後の断面図である。
【図２４】変換器の軸方向中心部の膨脹を減少させるた
めに、この中心部が切削されたシャフトの構造を示す断
面図である。
めに、この中心部が切削されたシャフトの構造を示す断
面図である。
【符号の説明】 ２ トルクセンサ（トルク検出装置） ４ 変換器（変換手段） ６ 磁場ベクトルセンサ（磁場センサ手段） ８ シャフト（部材） １０ 軸線 １２ トルク １４ 変換器の円周方向 １８，２０ 変換器の端面 ２２ 変換器の内周面 ２４ 変換器の外周面 ２６ ヨーク（ヨーク手段） ３６，３８ 隙間 ３９ シールド（シールド手段） ４７，５０ 磁石（回復手段）６０ スペーサ（スペーサ手段） ６４ 接続スリーブ（スペーサ手段）
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平３−44529（ＪＰ，Ａ) 特開 昭64−86030（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−252487（ＪＰ，Ａ) 特開 昭59−9528（ＪＰ，Ａ) 米国特許4882936（ＵＳ，Ａ)
Claims (27)
- 【請求項１】 部材の軸線回りに加えられるトルクを示
す出力信号を提供する磁気弾性トルク検出装置であっ
て、 上記部材に加えられたトルクが比例的に伝達されるよう
に上記部材の表面の一部に直接または間接に取り付けら
れるか上記部材の表面の一部を形成するものであって、
円周方向をほぼ軸線とする１軸の磁気異方性を備えかつ
円周方向に磁極が付与されていることにより、トルクが
上記部材に加えられたとき、上記トルクにより変化する
磁場を生成する磁気弾性活性要素と、 上記磁気弾性活性要素に近接しかつ対向して設けられ、
上記磁場の大きさを検出しこの磁場の大きさに応じて上
記出力信号を提供する磁場センサ手段とを備えるトルク
検出装置。 - 【請求項２】 上記磁気弾性活性要素は、トルクが上記
部材に加えられないとき、軸方向に磁化成分がない円周
方向の磁気方向性を有している請求項１記載のトルク検
出装置。 - 【請求項３】 上記磁気弾性活性要素は、トルクが上記
部材に加えられたとき、円周方向及び軸方向の両方向の
成分を有する螺旋状の磁気方向性を有し、上記磁化の軸
方向成分から励起された磁場を検出するよう位置及び向
きが設定されている請求項２記載のトルク検出装置。 - 【請求項４】 上記磁場センサ手段は、固体センサを備
えている請求項１記載のトルク検出装置。 - 【請求項５】 上記磁場センサ手段は、ホール効果セン
サを備えている請求項４記載のトルク検出装置。 - 【請求項６】 上記磁場センサ手段は、磁気抵抗器を備
えている請求項４記載のトルク検出装置。 - 【請求項７】 上記磁場センサ手段は、磁力計を備えて
いる請求項１記載のトルク検出装置。 - 【請求項８】 上記磁場センサ手段は、コイルを備えて
いる請求項１記載のトルク検出装置。 - 【請求項９】 上記磁気弾性活性要素は、強磁性の磁気
ひずみ変換手段を備えている請求項１記載のトルク検出
装置。 - 【請求項１０】 上記変換手段は、上記部材の表面に強
磁性の磁気ひずみ変換層を備えている請求項９記載のト
ルク検出装置。 - 【請求項１１】 上記変換手段は、上記部材に直接また
は間接に取り付けられたリングを備えている請求項９記
載のトルク検出装置。 - 【請求項１２】 上記リングは、両端面とこの両端面間
で軸方向に延びる円周部とを有する管状である請求項１
１記載のトルク検出装置。 - 【請求項１３】 上記磁場センサ手段は、少なくとも上
記リングの一方の端面に近接して設けられている請求項
１２記載のトルク検出装置。 - 【請求項１４】 上記リングは、上記部材の表面回りに
その部材と同軸上に取り付けられている請求項１２記載
のトルク検出装置。 - 【請求項１５】 上記リングは、このリングの内径と上
記部材の外径との間での締まりばめにより上記部材に取
り付けられている請求項１４記載のトルク検出装置。 - 【請求項１６】 上記磁場センサ手段を通過する磁束経
路のパーミアンス（透磁度）を高めるパーミアンス増加
手段を有する請求項１記載のトルク検出装置。 - 【請求項１７】 上記磁気弾性活性要素及び上記磁場セ
ンサ手段に近接して固設され、上記磁気弾性活性要素か
らの磁束を集めるとともに、上記磁場センサ手段へ上記
磁束を導くヨーク手段を有する請求項１記載のトルク検
出装置。 - 【請求項１８】 上記磁場センサ手段を、上記磁気弾性
活性要素により生起された磁場以外の磁場から保護する
シールド手段を有する請求項１記載のトルク検出装置。 - 【請求項１９】 上記磁場センサ手段は、複数の磁場検
出装置を備えている請求項１記載のトルク検出装置。 - 【請求項２０】 上記磁気弾性活性要素の消極を防ぐ回
復手段を有する請求項１記載のトルク検出装置。 - 【請求項２１】 上記部材は低透磁性の材料から形成さ
れている請求項１記載のトルク検出装置。 - 【請求項２２】 上記部材を上記磁気弾性活性要素から
間隔を置いて配置する低透磁性のスペーサ手段を有する
請求項１記載のトルク検出装置。 - 【請求項２３】 トルクを受けた軸方向に延びる部材の
トルクを検出する方法であって、 上記部材に加えられたトルクが比例的に伝達されるよう
に上記部材の表面の一部に直接または間接に取り付けら
れるか上記部材の表面の一部を形成するものであって、
円周方向をほぼ軸線とする１軸の磁気異方性を備えかつ
円周方向に磁極が付与されている磁気弾性活性要素を設
ける工程と、 上記部材に対するトルクの付与の結果として磁場を生成
する磁場生成工程と、 上記部材に加えられるトルクの大きさを表示するため
に、上記磁気弾性活性要素の近接位置で磁場の大きさを
検出する検出工程とを備えるトルク測定方法。 - 【請求項２４】 上記磁気弾性活性要素は、上記部材の
周面回りに取り付けられている請求項２３記載のトルク
測定方法。 - 【請求項２５】 上記磁気弾性活性要素は、上記部材に
締まりばめを介して取り付けられている請求項２４記載
のトルク測定方法。 - 【請求項２６】 上記検出工程は、磁場検出装置を上記
磁気弾性活性要素に間隔を置いて近接配置することによ
り少なくとも部分的に達成される請求項２３記載のトル
ク測定方法。 - 【請求項２７】 上記部材に対するトルクの付与により
磁気弾性活性要素が円周方向及び軸方向の両方向の磁化
成分を備えた螺旋状の磁気方向性を有するとともに、上
記検出工程は上記軸方向の磁化成分から励起された磁場
を検出する工程を備えている請求項２３記載のトルク測
定方法。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US07/736,299 US5351555A (en) | 1991-07-29 | 1991-07-29 | Circularly magnetized non-contact torque sensor and method for measuring torque using same |
| US07/736299 | 1991-07-29 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH05196517A JPH05196517A (ja) | 1993-08-06 |
| JP2566709B2 true JP2566709B2 (ja) | 1996-12-25 |
Family
ID=24959334
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP4223448A Expired - Lifetime JP2566709B2 (ja) | 1991-07-29 | 1992-07-29 | トルク検出装置及びそのトルク測定方法 |
Country Status (5)
| Country | Link |
|---|---|
| US (5) | US5351555A (ja) |
| EP (1) | EP0525551B1 (ja) |
| JP (1) | JP2566709B2 (ja) |
| CA (1) | CA2073293C (ja) |
| DE (1) | DE69222588T2 (ja) |
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