JP3139714B2 - カラーのない円周方向磁化トルク変換器及びそれを用いたトルク測定方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 関連出願の参照 本出願は、1997年10月21日に出願された米国仮出願第
60/064,831号に基づく優先権を主張するものである。

発明の分野 本発明はトルクセンサ、特に、シャフトに加えられる
トルクを測定する非接触式トルクセンサに関する。

発明の背景 回転する駆動シャフトを有するシステムの制御におい
ては、基本的にトルクと回転速度とが重要なパラメータ
である。従って、正確で信頼性があり、安価な方法でト
ルクの検出及び測定を行うことが、数十年来、研究者の
主要な目標となってきた。

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用いて行われていた。その種のセン
サとして、“ストレインゲージ”式トルク検出装置があ
る。この検出装置は、１または２以上のストレインゲー
ジがシャフトの外周面に直接取り付けられ、歪みによっ
て生じる抵抗の変化をブリッジ回路や他の公知技術によ
って測定するようになっている。ところが、接触式セン
サは、回転シャフトと直接接触しているために、比較的
不安定であり、信頼性が低い。加えて、接触式センサは
非常に高価であるため、近年トルクセンサが必要とされ
ている自動車のステアリング装置など種々の用途におい
て競争力をもって使用するには商業上非実用的である。

その後、回転シャフトと共に使用される磁気歪み式の
非接触式トルクセンサが開発された。例えば、Garsheli
sの米国特許第4,896,544号に開示されたセンサは、適切
な強磁性と磁歪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及び誘導された磁
気異方性が付与される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。最も典型的には、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。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ることは、スペースが割り
増しされたことで、実用面で様々な問題を発生させる。
また、その種のセンサは、自動車用の用途などの価格競
争の激しい装置に使用するには、非実用的なほど高価で
ある。

さらに最近では、初期の円周方向の残留磁化をトルク
の誘導により傾斜させることによって生ずる磁界を測定
するようにしたトルク変換器が開発されている。このト
ルク変換器は、好ましくは、磁界生成要素として機能す
る薄い仕切リング（wall ring）（“カラー”）を利用
するものである。例えば、Garshelisの米国特許第5,35
1,555号や5,520,059号を参照のこと。上記リングの引っ
張り方向の“フープ”応力は、測定されるトルクを伝達
するシャフトへの取付手段と協働して、支配的な円周方
向の一軸異方性を形成している。シャフトにねじり応力
が作用すると、磁化は方向を変え、ねじり応力が増加す
るほど徐々に螺旋状になる。ねじりによって生じた螺旋
状の磁化は、周方向成分及び軸方向成分の双方を有し、
軸方向成分の大きさは、もっぱらねじりに依存してい
る。１個以上の磁界ベクトルセンサは、トルクが加えら
れることによって変換器のまわりの空間に生じる磁界の
大きさ及び極性を検知し、及びトルクの大きさに反映し
た信号出力を供給する。当該変換器のトルク／磁界伝達
関数（transfer function）が厳しい使用環境下で安定
していることは、円形成極を安定させる際の一軸異方性
の効力に反映する。この異方性は、また、空間的に閉ざ
された静止時の成極の性質と共に、比較的大きな磁界に
おいて成極損失を著しく削減することができる根拠とな
る。リング自体から生じる磁界は上記異方性に関して困
難軸（hard axis）成分のみを有する一方、磁化される
のに十分なほどリングに接近した透磁性材料によって生
じる“寄生的な”磁界には、そのような制限はない。ト
ルクに依存するリングからの磁界に対しそのような寄生
的な磁界を付加することは、伝達関数のほぼ理想的な特
徴を、ひどく低下させることがある。その結果、そのよ
うなひずみの主原因を避けるために、リング下に位置す
るシャフト、もしくはシャフトとリングとの間に位置す
るスリーブは、通常、常磁性材料によって形成されてい
る。さらに、リングとシャフトとの接触面における滑り
によってリングの許容ピークトルクは限られているの
で、過負荷条件でのリングとシャフトとの接触面におけ
る滑りによって生じるひずみが、著しく懸念される。こ
のように異なる材料からなる複数の部品が必要であり、
それとともにそれら部品の組立の方法及び詳細が固定さ
れて滑ることのない機構と所望の磁気異方性の両方を達
成しなければならないという要求もあるため、代替構造
の研究が促進されている。

発明の概要 従って、本発明の目的は、トルク検出用の作用（acti
ve）領域が、シャフトに取り付けられるべき別個の強磁
性要素にではなく、シャフト自体に直接形成される磁気
弾性トルク変換器を提供することである。

本発明の別の目的は、許容ピークトルクが、従来のセ
ンサにおけるような作用要素とシャフトとの接触面での
滑りによってではなく、シャフト材料自体の強度によっ
て決定される磁気弾性トルク変換器を提供することであ
る。

本発明の更に別の目的は、トルクが零になったときに
磁化を前もって設定された円周方向に戻すために、別個
の強磁性要素のトルク検出用作用領域に１軸磁気異方性
を注入する方法に依存するのではなく、異方性の一次発
生源であるシャフト自体の結晶磁気異方性に依存する磁
気弾性トルク変換器を提供することである。

本発明の更に別の目的は、測定されるトルクが零のと
き本質的に零である量を検出するよう作動するととも
に、測定されるトルクに応じてその方向と大きさとを変
える、カラー（collarless）磁気弾性トルク変換器を提
供することである。

本発明の更に別の目的は、動作のために外部の励磁磁
界を必要とせず、かつ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である。

本発明の更に別の目的は、それぞれの機能に適した磁
気特性を有する作用領域と非作用領域とを備え全体的に
ほぼ均質な化学組成の一体型シャフトを有する磁気弾性
トルク変換器を提供することである。

本発明の更に別の目的は、変換領域を有しトルクを受
けるトルク部材を提供する工程と、上記変換領域を単一
の円周方向に成極する工程と、上記トルク部材上のトル
クの指標として変換器の磁界出力成分を測定する工程と
を備え、上記変換領域は上記トルク部材に対してトルク
を印加した後にトルクが零になったときに上記変換領域
の磁化を上記単一の円周方向に戻すよう充分な磁気異方
性を有しており、それにより上記トルク部材上のトルク
に応じて変動する変換領域磁界が発生するとともに、上
記トルク部材は、局部的な磁化分布の少なくとも50％が
円形残留磁化方向を中心に対称的に配置された90度の四
分円の中に存在する多結晶材料から形成されているとと
もに、上記変換領域の磁界が磁界測定装置によって分か
る正味の磁界のトルク検出目的での有用性を損なうほど
の強さを有する寄生磁界をトルク部材に近接する領域に
発生させないだけの充分に高い保磁力を有している非接
触トルク測定方法を提供することである。

本発明の更に別の目的は、作用領域と非作用領域とを
備えた単体シャフトの上記各領域にそれぞれの機能に適
した磁気特性を付与するため、シャフトの該当領域に対
して熱的な相変態処理、機械的な相変態処理、またはそ
れらの組合せを行って上記各領域に所望の治金相を得る
ことにより、全体的にほぼ均質な化学組成の上記単体シ
ャフトを有する磁気弾性トルク変換器を作る方法を提供
することである。

上記の目的およびその他の目的は、トルクを受けたシ
ャフト上の磁気弾性作用領域と、この磁気弾性作用領域
に対してトルクを印加した結果生じる変換領域の磁界に
反応するホール効果センサ等の磁界センサとを備えたト
ルクセンサを提供することにより達成される。好ましい
実施の形態では、上記磁気弾性作用領域は単一円周方向
に極性が付与されるとともに、上記部材に対してトルク
を印加した後にトルクが零になったときに上記磁気弾性
作用領域の磁化を上記単一円周方向に戻すよう充分な磁
気異方性を有しており、上記トルクを受けたシャフト
は、局部的な磁化分布の少なくとも50％が磁極化方向を
中心に対称的に配置された90度の四分円の中に存在する
多結晶材料から形成されているとともに、上記変換領域
の磁界が磁界センサによって分かる正味の磁界のトルク
検出目的での有用性を損なうほどの強さを有する寄生磁
界を上記シャフトに近接する領域に発生させないだけの
充分に高い保磁力を有する。特に好ましい実施の形態で
は、シャフトは立方対称性（cubic symmetry）を有しか
つランダムな配向の多結晶材料から形成されており、上
記保磁力は15より大きく、望ましくは20より大きく、さ
らに好ましくは35より大きい。

本発明の別の実施の形態では、上記及びその他の目的
は、それぞれの機能に適した磁気特性を有する作用領域
と非作用領域とを備えた全体的に均質な化学組成の一体
型のシャフトを有するトルクセンサを提供することによ
って達成される。そのようなトルクセンサは、上記各領
域にそれぞれの機能に適した磁気特性を付与するため、
シャフトの該当領域に対して熱的な相変態処理、機械的
な相変態処理、またはそれらの組合せを行って上記各領
域に所望の治金相を得ることにより形成される。

図面の簡単な説明 図１（ａ）は中実シャフト上に形成された隣接して互
いに逆極性で磁気的に連続する円周方向領域を有する作
用領域ABCを備えた本発明のトルクセンサを示す組立図
である。

図１（ｂ）は中実シャフトではなく中空のシャフトを
使用した図１（ａ）のセンサを示す。

図１（ｃ）は作用領域が形成されるシャフトの拡径部
分を有する図１（ａ）のセンサを示す。

図１（ｄ）は単一の成極方向のみを有する作用領域AB
を備えた図１（ａ）のセンサを示す。

図１（ｅ）は作用領域が形成されるシャフトの減径部
分を有する図１（ａ）のセンサを示す。

図１（ｆ）は減径された作用領域が別のシャフト上に
あることを除けば図１（ｅ）と同様のセンサを示す。

図１（ｇ）は隣接して交互に逆極性で磁気的に連続す
る３つの円周方向領域を有する作用領域ABCDを備えた図
１（ａ）のセンサを示す。

図２（ａ）は代表的な“大”ヒステリシスループを示
すグラフである。

図２（ｂ）は代表的な“小”ヒステリシスループを示
すグラフである。

図３は２つの有極性領域を同時に生成するためのシャ
フトと成極磁石との代表的な構成を示す正面図及び側面
図である。

図４は成極磁石の強さと得られたセンサの感度との関
係を示すグラフである。

図５はシャフトの作用領域に沿った軸方向位置とトル
クを印加した結果発生する径方向の対応する磁界強度と
の関係を示すグラフである。

図６は印加トルクと径方向の磁界強度との関係を示
す、高速度鋼からなるカラーなしトルクセンサの伝達関
数を示すグラフである。

図７はシャフト上の強磁性磁歪性材料からなる中央作
用領域と低透磁率材料からなる両側非作用領域とを示す
本発明のトルクセンサの組立図である。

図８は図７のセンサを作る一方法を示す図である。

図９は冷間圧延ロールの間隔と得られたセンサの感度
との関係を示すグラフである。

図10は冷間圧延の期間と得られたセンサの感度との関
係を示すグラフである。

好ましい実施の形態の詳細な説明 この数年間、非接触式磁気弾性トルクセンサに対する
関心が高まっている。このセンサは、シャフトと、円周
方向を磁化容易軸（easy axis）とする１軸磁気異方性
が付与されかつ円周方向に極性が付与された上記シャフ
ト表面上の磁気弾性作用要素と、シャフトに対してトル
クを印加した結果発生する磁界の大きさを検出する磁界
センサとを備えている。これまで、作用要素が機能を発
揮するためには物理的に別個の部分、例えば、リングす
なわち“カラー”を使用することが最も望ましいとされ
てきた。そのようなセンサでは、１軸磁気異方性は通常
シャフトとリングとの干渉嵌めにより発生する“フープ
応力”の結果として発見される。本発明によれば、様々
な問題を伴うようなリングとシャフトとの接触面を作る
代わりに、局部的な磁化分布の主要部分が円形残留磁化
方向を中心に対称的に配置された90度の四分円の中に存
在するよう制限された多結晶性シャフトを使用すれば、
シャフトに対してトルクを印加した際に検出可能な磁界
を発生させるだけの充分な円周方向磁気異方性を示すこ
とが分かった。それ故、シャフト用の強磁性材料を慎重
に選択することにより、適宜に円周方向の成極を行うだ
けでシャフト上に直接作用領域を生成することができ
る。しかしながら、いかなる強磁性シャフト上に対して
も十分な作用領域が生成されるわけではないことは明ら
かである。この点に関して、重要な問題は安定性、線形
性及びヒステリシスである。

安定性、線形性及びヒステリシスはトルク変換器にお
いて他の影響を全く受けない特性ではない。例えば、ヒ
ステリシスの存在は線形性に対して明らかに制約要因で
ある。さらに、ヒステリシスの存在は非可逆的な磁化変
化過程が進行中であることを意味するので、新規なトル
クの振幅（excursion）に対応する伝達関数（transfer
function）が同じトルクの振幅を100回繰り返したとき
にそれに対応して正確に繰り返されるか否かは実際に試
してみるまで分からない。一般に、ある安定したヒステ
リシスループから別のヒステリシスループへの変化は漸
進的である（“匍匐（reptation）”と呼ばれる過
程）。非可逆的な磁化過程を回避するか少なくとも最低
限に抑えることが望ましいことは明らかである。非可逆
的な磁化の変化は、たいていの場合、以下の２つの過
程、すなわち、磁壁移動（domain wall motion）とある
容易軸から別の容易軸へのベクトル回転との一方あるい
は両方により起こる。実際の材料内に存在する異方性は
十分に大きいので、また、容易軸同士は通常受けるねじ
り応力により発生する傾斜角度よりもかなり大きな角度
間隔を有する（例えば、10度以下に対して90度）ので、
円周方向からほぼ等距離で離れた容易軸間のベクトル回
転が初期のトルク循環中に作用するとしても、ベクトル
回転が伝達関数（transfer function）の非可逆性の潜
在的な源として重大な脅威になるとは思えない。したが
って、変換器の伝達関数に多くのヒステリシスや匍匐が
ある場合は、その犯人は恐らく磁壁移動であることが分
かるであろう。

センサの動作に対する磁壁移動の影響及びその悪影響
を回避する方法はセンサの動作時に作用している上記シ
ャフト特性、最終的にはカラーなしトルクセンサの性能
を特性し検査することで明らかになるであろう。これら
の特性には、様々な材料特性に加えて、作用領域及び隣
接領域の寸法的及び形状的特徴も含まれる。明らかに、
トルクセンサの性能は、ある特定の特性の大きさだけで
なく上記特性の一部同士間の相互関係にも依存してい
る。この点については、図１（ａ）に示すカラーなしト
ルクセンサの基本構造の概略図及び以下の説明が明らか
にしてくれるであろう。

図１（ａ）において、本発明にかかるトルクセンサを
符号２で示す。このトルクセンサ２は変換器４と磁界ベ
クトルセンサ６を備えている。変換器４は、シャフト12
の作用領域、すなわち、変換器領域を単に画定するにす
ぎない、１個のあるいは軸方向に分かれて磁気的に連続
し相互に逆極性の２個以上の円周方向帯域、すなわち、
領域8,10を備えている。図のＡ点の左側のシャフト領域
14及びＢ点の右側のシャフト領域16は、大きな残留磁化
が存在しないことだけで作用領域と区別され得る。シャ
フト12は通常、後にさらに詳しく述べるが、作用領域も
同様の結晶構造を有する同じ強磁性磁歪性材料から形成
されるように、特に望ましい結晶構造を有する強磁性磁
歪性材料から形成される。トルク20がシャフト12の一部
に加わると、シャフトの他の部分にも伝達され、そこで
はトルク20に起因するシャフト12の運動が何らかの有用
な働きを行うようになっている。トルク20は図のシャフ
ト12の一端側で時計方向に表現されているが、シャフト
12を内蔵する機械の性質次第で時計回り反時計回りのい
ずれか一方向にも両方向にもシャフトを回転させるよう
あるいはシャフトに回転を付勢するよう印加され得るこ
とは言うまでもない。

変換器４は、その開示を本文に引用の形で盛り込んだ
米国特許第5,315,555及び5,520,059号に教示されている
ように、トルク20が存在しない状態（静止状態）では少
なくとも軸11の方向にも径方向にも正味の磁化成分が全
く存在しない程度まで、ほぼ純粋な円周方向に磁極化さ
れている。変換器４の閉じた円筒形状により完全な回路
が実現され、それにより成極の安定性を高めることがで
きる。

変換器４の構造、材料選択及び処理により、シャフト
12に対してねじり応力が印加されると、変換器４の極性
を有する磁化の方向が変化する。極性を有する磁化はね
じり応力が増大するにつれて螺旋形状を強めてゆく。変
換器４の磁化のヘリシティは伝達されたトルク20の大き
さに依存し、キラリティは伝達されたトルクの方向性と
変換器４の磁気弾性特性に依存する。変換器４のねじれ
に起因する螺旋状の磁化は円周方向成分と軸11に沿う軸
方向成分の両成分を有している。特に重要なことは、軸
方向成分の大きさが変換器４のねじれに完全に依存して
いることである。

磁界ベクトルセンサ６は変換器４に対向して配置され
た磁界ベクトル検出装置であり、磁極を有する磁化が静
止状態の（quiescent）円周方向からより勾配の大きい
あるいは小さい螺旋方向へと方向を変えた結果として変
換器４回りの空間に発生する磁界の大きさと極性を検出
するようになっている。磁界ベクトルセンサ６はトルク
20の大きさに応じた信号出力を発生する。好ましくは、
磁界ベクトルセンサ６は集積回路ホール効果センサであ
る。磁界ベクトルセンサ６は配線24により直流電源に接
続されており、配線24は磁界ベクトルセンサ６の信号出
力を、シャフト12を内蔵する機械またはシステムの制御
回路や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。磁界ベクトルセンサの種類、特
性、配置及び機能に関するより詳しい説明は、その開示
が本文に引用の形で盛り込まれている米国特許第5,351,
555号の第６ないし第９欄及び同じく米国特許第5,520,0
59号の第７ないし第11欄及び第25欄に明示されている。

円周方向の極性を有する２つの領域8,10はともに変換
器４の作用領域４を構成する。図示の磁界センサは上記
互いに逆極性の２つの領域間の“磁壁”を中心に配置さ
れ、その位置で径方向の磁界を検出するよう方向付けら
れている。磁界センサは１個であってもそれ以上使用さ
れてもよい。一般に、そのような各センサは、作用領域
の近くに配置され、シャフトがトルクを伝達している際
に発生する磁界を検出するのにできる限り有効であるよ
うに方向付けられることになる。この変換器と円周方向
の１軸異方性を付与された作用領域を採用した米国特許
5,351,555及び5,520,059号（“リングセンサ”）の従来
構造とが類似していることは明らかである。以下のよう
に、一部の相違点は明白であるが、それ以外はもっと微
妙な相違である。

1.上記の基本的なカラーなし構造における作用領域は計
器上の残留磁化の存在によってのみ画定される。Ａ点の
左側のシャフト部分及びＢ点の右側のシャフト部分は感
知可能な残留磁化が（その部分に）存在しないことによ
ってのみAB間の部分と区別される。したがって、他のシ
ャフト機能に関連する、あるいは作用領域を視覚的に特
定するための、あるいは変換器の性能の何らかの特徴を
最適化するための二次的な理由を除けば、AC間のシャフ
トの化学組成も治金条件も径も表面処理も仕上げもＡ点
の左側部分及びＣ点の右側部分と異ならない。２部構成
の作用領域、すなわち、磁気的に連続し互いに逆極性の
２個の円周方向リングは、本発明に関して（米国特許5,
351,555号におけるような単一極性の領域に比べて）好
ましい構成であるが、その好ましい理由は、Ａ点及びＣ
点という円形に磁化された領域と非残留磁化領域との間
のそれ程はっきりとは画定されていない境界における周
囲の軸方向磁界の曖昧な効果を回避するためというより
は、むしろＢ点ではっきりと画定された磁化の勾配（し
たがって、磁化がねじりを受けて傾斜する際の大きな発
散（divergence））を得ることにより関係が深い。な
お、この点に関して、Ａ点及びＣ点が単一の円形残留磁
化方向を有する作用領域の終端を示すとすると、軸方向
の磁界により傾斜させられる時の軸方向成分は、Ａ点の
左側及びＣ点の右側の非極性領域内部に発生する軸方向
成分によって多かれ少なかれ整合（matched）させられ
る。したがって、作用領域がシャフトの一端の近くにな
い限り、軸方向の磁界は軸方向の磁化にあまり発散を引
き起こすことはなく、それ故“信号”磁界も殆ど発生さ
せない。一方、ねじり応力は、それにより円形の残留磁
化が軸方向成分を発生するが、シャフトの非磁化領域内
で軸方向磁化成分を変化させることはない。したがっ
て、この軸方向成分の発散があるので、外部磁界が発生
する。この発散は２つの部分からなる領域構成のＢ点で
発生するものから減少しており、その理由はＢ点で残留
磁化の極性が反転するからのみならず、成極過程が結果
的にＡ点とＣ点での残留磁化の勾配をさらに広げるから
である。この点に関して、上記非極性領域の磁界強度を
低下させて近くのシャフト材料に対する磁界の効果を弱
めるためには、実際には、Ａ点とＣ点における円形残留
磁化の“両端”を故意に広げることが望ましい。

2.作用（磁界生成）領域は均質なシャフトの一構成部分
であるので、シャフト材料は強磁性でなければならな
い。飽和磁化が高いほど、トルク依存性の磁界を発生さ
せる磁位（potential）は高くなる。低合金の炭素鋼は
元素状態の鉄と同じ飽和磁化（４πMs＝21,600 Gauss＝
2.16Tesla）を有する。合金化は普通非強磁性合金元素
の割合にほぼ比例してMsを減少させる。少量のニッケル
は殆ど効果を及ぼさず、コバルトはMsを上昇させる。一
部の高張力鋼は30％もの高い割合で非鉄構成物質の混合
物を含む高合金である。それにもかかわらず、シャフト
に使用される強磁性鋼はすべて鉄の場合の20％以内でMs
を必ず有することになる。したがって、特定のシャフト
材料のMsの実際の値はトルク変換器の性能に対して他と
無関係の若干の影響を及ぼす。

3.作用領域ひいてはシャフト自体が磁歪性を有している
必要がある。磁気歪みλとねじり主応力σとの積は変換
器の動作に基本的な磁気弾性的異方性の影響を示す。米
国特許5,351,555号のトルクセンサと同様、この異方性
は、容易軸を一方の軸方向あるいは他方の軸方向に偏向
させ信号磁界の発生源である磁化発散を生成するもので
ある。シャフトの原料である多結晶材料を構成する個々
の晶子（crystallite）が等方磁歪を有することは稀で
ある。鉄の場合、磁気歪みλは、結晶の磁化方向に応じ
てその正負（sign）を変える程度にまで特に異方性であ
る。例えば、理想的に消磁された鉄の単結晶が立方縁
（cube edge）に平行に磁化されている場合、その磁化
方向の長さは20ppm増加し、立方対角線（cube diagona
l）に平行に磁化されている場合は、その磁化方向の長
さは21ppmだけ減少する。磁気学者の表現を借りれば、
λ100＝20ppm及びλ111＝−21ppmである。一部の合金元
素、例えば、ニッケルや珪素の含有率が低い（３％）
と、λ111の全体値が減少する（結果的に、等方磁歪が
増大する）。ここで、記憶すべきことが２点ある。その
１点は、磁化残留状態では磁壁はなく、たとえ内部磁界
の結果90度の磁壁が形成されたとしても、その位置に効
果的にピン止めされる（pinned）ということである。２
点目は、静止時の磁化が容易軸に沿っている（例えば、
一般的な鋼製シャフトでは＜100＞軸方向である）の
で、磁化は磁気弾性的異方性λσにより容易軸から回転
させられる。線形伝達関数のために、磁気歪みエネルギ
ーはトルク（すなわちσ）と正比例の関係にあることが
望ましい。したがって、磁化のベクトルが静止時の容易
軸からλσだけ回転する際にλが一定であることが望ま
しい。一部の結晶では、その方位次第で、容易軸の＋σ
方向の回転によりベクトルが＜111＞軸方向に近づくの
で、λ111が負であれば、＜100＞軸方向と＜111＞軸方
向との間に、σがいかなる値であってもλσ＝０が成立
する補償点が存在する。純鉄や合金含有率が非常に低い
鋼の場合には、＜110＞軸方向でさえも負であるので、
いかなる結晶方位にとっても望ましくないこのような状
態を回避するのは不可能である。この理由により、ニッ
ケルや珪素が望ましい合金元素である。

4.作用領域ひいてはシャフト自体が、トルクが零になっ
た時に磁化を（成極過程で）設定された円周方向に復帰
させる異方性発生源を所有していなければならない。時
計方向及び反時計方向のトルクに対する対称的な反応を
確保するために、静止時の異方性は円周方向を中心に対
称である必要がある。トルクに伴う磁気弾性的異方性に
よりシャフトの全ての残留磁化部分を確実に軸方向成分
の発現に協働的に寄与させるためには、静止時の異方性
は円周方向から45度を越えて離れたどの場所に存在して
いてもいけない。言い換えれば、異方性が必要であると
いうのは、円周方向に向けられた90度の四分円内に円形
の残留磁化を閉じこめる必要があるということである。
局部の磁化の少なくとも50％が円形残留磁化方向を中心
に対称的に配置された90度四分円内に存在するならば、
充分な性能を得ることができる。静止時の異方性がその
主要な発生源として、多軸対称性を有する格子構造の原
子配列、例えば、各晶子が＜100＞軸方向あるいは＜111
＞軸方向の磁化容易軸に関して（四辺形等の歪んだ立方
晶を含む）立方対称性（cubic symmetry）を有するラン
ダムな配向の多結晶材料、に伴う結晶磁気異方性を有し
ているならば、50％を越える晶子の静止時円周方向残留
磁化は上記“45度”の要件を自動的に満たすことにな
る。鉄及び一般的な鋼の全てはそのような立方対称性を
備えているので、（この要件にのみ基づけば）それら全
てがカラーなしトルク変換器用材料の候補である。純鉄
の異方性の大きさは通常一般的な合金元素によって低減
されるが、それはタングステン及びマンガンによって、
マンガンの方がより控えめではあるが、引き起こされ
る。モリブデン、バナジウム及びスズは低減方向の比較
的小さな変化をもたらし、クロムの場合は純鉄の場合に
比べて異方性が低下する際の反応がわずかに速くなる。
ニッケル、コバルト、珪素あるいはアルミニウムの量が
十分であれば、異方性を零またはそれ以下まで低下させ
ることができる。カラーなしトルク変換器においては、
結晶（結晶磁気の略）異方性の大きさの絶対値が低すぎ
ることが懸念される。なぜなら、それはトルクが除去さ
れた時に磁化をその静止時円周方向に復帰させる“ば
ね”の働きをするからである。従って、例えば、σｒを
シャフトの前処理に伴う残留応力の大きさであるとする
と、結晶異方性（K1）がλσｒより小さい場合、K1はも
はや主要な異方性ではなく、50％を越える静止時残留磁
化はもはや45度の配分要件を満たさなくともよい。この
ことから、変換器の動作にとってそれぞれ重要ないくつ
かの材料特性間の相互関係の重要性を初めてかいま見る
ことができる。K1とλが組成に依存する（固有の）特性
である一方、σｒ及びその他の構造依存特性（例えば、
組織（textures）、化学的または構造的配列（orderin
g））は上記固有の特性と協力して静止時異方性の大き
さ、方向及び対称性を測定するよう作用する。さらに、
小量のニッケルまたは珪素は、λを効果的に増大させる
一方でK1を低下させる。したがって、シャフト用に適切
な合金を選択する際には、合金の含有率を慎重に加減す
る必要がある。

5.今ではもう、本発明では、シャフト自体が強磁性かつ
磁歪性を有し、磁気異方性の必要な大きさ及び方位の分
布を与える必要があると理解されるが、磁界に対するシ
ャフトの磁化の反応はこれまで考慮されていない。強磁
性材料は磁界により誘導された磁化の変化の大きさと、
大きな磁化の変化を誘導するために必要な磁界の大きさ
とによって容易に特徴づけることができる。これらの特
徴は、１個の変数に対してただ１個の値を有する関数で
はないので、磁界Ｈが対称的な両極間の範囲にわたって
循環的に変動するような磁化Ｍ対磁界Ｈ線図によって適
宜表現される。このような大ヒステリシスループの顕著
な特徴点は、後にさらに詳しく説明する図２（ａ）に示
されており、この図において、様々な傾きと線分が材料
ごとに可変であり、傾きは局部的な磁化率を示し、ｙ軸
上の線分は残留磁化であり、ｘ軸上の線分は保磁力であ
る。

ヒステリシスループの様々な部分にわたって変化する
傾きは、それぞれ異なる強さの磁界で起こる磁化の変化
に起因する異なる過程を表している。カラーなしトルク
変換器の動作時には、磁界が作用領域を発生させ、これ
ら磁界が磁界センサが位置する空間のみならずシャフト
自体が占める空間にも広がることから、上記ヒステリシ
スループの細部に対しては単に学術的にのみ関心がある
わけではない。シャフトの非作用領域内で起こされた磁
化の変化は別の磁界を発生させることになり、このよう
な（寄生的な）磁界も磁界センサが位置する空間領域に
広がる。したがって、作用領域の伝達関数（transfer f
unction）を損なわないためには、作用領域の磁界に比
べて寄生磁界が非常に小さく、理想的には零であるこ
と、もし強さが大きい場合には、印加トルクに対して線
形かつ無履歴的に（anhysteretically）変化する（ある
いは全く変化しない）こと、さらに、シャフトが受ける
いかなる動作条件下及び環境条件下においても時の経過
とともに安定化することが重要である。言い換えれば、
いかなる寄生磁界が発生しても、その磁界は、磁界セン
サによって分かる正味の磁界がトルク検出目的にとって
有用であるような作用領域磁界に比べて十分に小さい磁
界でなければならない。寄生磁界はシャフトの非作用領
域内の磁化を発生源としているので、そのような磁化は
小さく維持されることが望ましく、もしそれが大きい場
合には、作用領域により生成された磁界（及びその他の
周辺磁界あるいは偶発的に印加された磁界）の作用の下
でほとんど変化しないことが望ましいことは明らかであ
る。Ms値が低ければ、あるいは磁化率（χ＝ΔM/ΔＨ）
またはそれに密接に関連する透磁率（μ＝χ＋１）が低
ければ、磁化が小さいことを保証することができる。Ms
値が高いことは作用領域にとって好ましいので、Ms値が
低い値であることはこの基本的なカラーなし構造におい
てはあり得ない。したがって、寄生磁界によって伝達関
数を損なう影響をできる限り少なくするためには、シャ
フト材料が曝される磁界の値が何であっても、χ値が低
いシャフト材料を使用することが重要である。χ値は、
磁化の変化が主としてベクトル回転に因るのかあるいは
磁壁移動に因るのかに依存する。ベクトルの回転は異方
性によって阻害される一方、磁壁移動は異質性によって
阻害される。保磁力は磁界が磁化を変化させるのを難し
くする手段となる。保磁磁界Hcは残留磁化（飽和磁界に
曝された後に残留する磁化）を零に低下させるのに必要
な磁界強度として定義される。したがって、保磁磁界Hc
では、50％の磁化が反転されている。磁化の反転がベク
トル回転によってのみ起こっているならば、Hcの値（こ
のような過程ではHcは臨界磁界（critical field）とも
呼ばれる）は、K1＞０の立方対称性を有するランダムに
配向された晶子からなる材料内では、2K1/Msに等しい。
鉄の場合、K1＝450,000ergs/cm³でかつ４πMs＝21,600G
aussであれば、ベクトル回転に必要なHc値は524Oeであ
る。炭素鋼及び低合金鋼の場合のHcの測定値は、一般的
には、合金含有率及び熱的または機械的処理に依存し、
５ないし50Oe（焼き鈍しされた鉄の場合はさらに低い）
範囲内にある。したがって、明らかに、これらの材料内
で磁化が変化される主要な過程は、ベクトル回転ではな
く、むしろ磁壁移動である。さらに、Hc＝50Oeの材料は
Hc＝5Oeの材料に比べてカラーなしトルクセンサでの使
用により適していることがわかる。したがって、Hc値が
さらに高ければ、さらに適していることになる。いかな
る鋼においても、Hc値は冷間加工や熱処理によって５以
上の係数分だけ増加する。Hc値は一般に機械的に最も硬
い（最も強度が高い）状態の時により高くなる。このこ
とは、強度とは結晶内のある層の原子群が別の層にまで
流れる（滑る）こと（格子間原子や応力等による転位、
空隙、包装（inclusion）、凝結物（prcipitates）、格
子歪み）に対して妨害が存在することを示しており、Hc
値は結晶構造内部にこれら同じ不均質性を有する磁壁に
対するピンニング効果（pinning effect）を示すという
事実からもたらされる。

上記に示すように、様々な材料及び磁気パラメータの
矛盾する、時には正反対の影響は、カラーなしトルク変
換器の設計にジレンマをもたらす。経済的な磁界検出装
置で容易に検出されるくらいに、かつ通常出会う周辺磁
界よりもかなり大きくなるくらいに十分な振幅を有する
トルク発生磁界を得るためには、作用領域ができる限り
大きな磁界を生成することが望ましい（高λ/K1値、高M
s値に有利）。しかし、このような磁界が作用領域内で
磁化の大きな変化を引き起こすほどの十分な強さを有し
ているなら、伝達関数（transfer function）はトルク
レベルが高い時に安定しないであろう（高λ/K1値、低M
s値に有利）。上記磁界が作用領域に近接するシャフト
部分に十分な強さを有しているなら、結果的に発生する
寄生磁界は変換器の有用性を減殺させたり失わせる（ヒ
ステリシス、不安定、非線形）ようにして変換器の伝達
関数を損なう可能性がある（低Ms値、低λ値、低χ値、
高Hc値、高K1値に有利）。これらの問題は、実際のHc値
を異方性により設定された限界値の近くまで上昇させる
くらいに十分に確実に磁壁をピン止めすることができれ
ば、直ちに緩和され得る。主として、原材料の問題、シ
ャフト材料の選択、シャフトを製造するために使用する
工程及びその後の熱的機械的処理が通常は本来のシャフ
ト機能、すなわちトルクの伝達を最適に満たすようにな
されている一方で、これらの要因がトルクの検出にとっ
て好ましい選択になるかどうかについてはあまり問題に
されていない。

なお、上記の説明は全て図１（ａ）に示す基本的かつ
最も単純なカラーなし構造に関するものである。後述す
る本発明の他の実施の形態から分かるように、カラーな
し構造の概念の中には、シャフトの他の部分に存在する
よりも優れた重要な特性の組み合わせを得るようにして
作用領域（あるいはシャフトの非作用部分の）の変化を
禁じるものは何も存在しない。したがって、残留磁化の
存在が作用領域とシャフトの隣接領域とを区別する唯一
の特徴であることはカラーなし変換器の概念にとって重
要ではない。様々な局部処理や他の変形例が米国特許5,
391,555号第４ないし第15欄に説明されており、本文中
にも引用されている。

基本的なカラーなし構造のその他の変形によっても、
現在の理解に基づいて、性能の改善に通じることが分か
るであろう。例えば、図１（ｃ）に示すように、シャフ
トが軸方向のある限度を超えて拡径され、その後円周方
向に磁化された（すなわち、作用領域が段部に存在す
る）場合には、たとえ作用領域が図１（ａ）の単一径の
基本構造と同じ単位トルクあたりの磁界を発生させたと
しても、シャフトの近接部分（今はそれほど近くはな
い）の信号磁界の強さは低下することになる。その上、
磁界センサは寄生磁界の発生源からさらに遠ざかること
になる。

先に述べたように、円周方向の磁化をテーパ状にして
図１（ａ）に示す作用領域のＡ端及びＣ端を広げること
は有利である。この場合の目的は、シャフトの非作用部
分の信号磁界の強さを低下させる（それによりその部分
の磁化が低下する）とともに信号磁界により磁化された
時にその部分から発生するトルク依存性の磁界の強さを
低下させることにより、シャフトの非作用部分から寄生
磁界を減少させることである。この取り組みは作用領域
を構成する分極を生成するために使用される磁石の作用
領域への接近距離あるいは強さにテーパを設けることに
より容易に実現され得る。

例えば、図１（ｂ）のような中空の無心焼入れシャフ
トは、いくつかの理由から中実シャフトや肌焼きシャフ
トよりすぐれているのが分かる。中空シャフトは中実シ
ャフトに比べてねじり応力をより均一に受け、したがっ
て、断面全体が信号磁界に寄与することができる。中実
シャフトの全体を通して円形の残留磁化を発生させるこ
とは不可能である。これを大径シャフトに近いものにす
ることは非実用的で困難である。たとえ円形磁化が得ら
れても、シャフトの中心領域は、応力が小さいので、信
号磁界にあまり寄与しない。さらに、そのような中心領
域は“近透磁性材料”となり、寄生磁界の発生源に十分
なりうるかもしれず、その場合、トルク変換器の性能に
寄与するのではなくむしろ性能を減殺させることにな
る。中実シャフトのこのような潜在的にマイナスの特性
は一般に悪化することになる。その理由は、（硬度が焼
入れ（quenching）によって得られた）無心焼入れシャ
フトにおいても、中心領域は一般に表面領域ほど固くは
ないので、Hc値がより低くなるからである。これらの理
由から、無心焼入れは肌焼きより好ましいことが分か
る。他方、窒化による表面硬化は、一部の鋼の硬度をさ
らに上昇させおそらくはHc値も上昇させることができる
ので、有利である。極低温処理も一般に使用される（肌
焼き）シャフト材料の硬度をかなり上昇させることが知
られている（例えば、8620の場合はロックウェル硬度60
〜64,4320の場合はロックウェル硬度55〜62）。このよ
うな処理もHc値を上昇させることができる。

図１（ｄ）は作用領域が一方向にのみ成極されている
点を除けば図１（ａ）と同じセンサを示している。この
構成は、端部領域（Ａ及びＢ）が軸方向の磁界に両極を
発生させるので、段部を有するシャフトには不向きだ
が、中実あるいは中空のシャフトには適している。（仮
想線で示す）作用領域右端の第２センサの配置は周辺磁
界に対する径方向の感度を低下させるのを助長すること
が分かっている。

図１（ｅ）は作用領域のシャフト径が主シャフトの径
より小さいことを除けば図１（ａ）と同じセンサを示し
ている。この構成では、シャフトがトルクを伝達してい
る際にＡ点及びＣ点で形成する磁極が、隣接領域のより
量的に大きい材料を磁化する際にそれほど効果的でな
い。これにより、隣接領域によりもたらされる寄生磁界
の強さが低減される。さらに、この構造により、磁界セ
ンサを、拡径部分の表面位置から半径方向内側の、寄生
磁界の強さが低減される個所に配置させることができ
る。図１（ｄ）の段部付き構成の場合、一つの有極性領
域に対してのみ使用することには適さない。

図１（ｆ）は作用領域が別個のシャフト上に形成され
ていることを除けば図１（ｅ）と同じセンサを示してい
る。この磁気弾性的作用シャフトのAC間の部分は、その
全長にわたって減径されているように表現されている
が、実際には、それが取り付けられる主シャフト部分と
同じかそれより大きな径を有していてもよい（各端部が
同じ径である必要はない）。作用シャフトは、干渉嵌
め、ピン留め、溶接、螺着等により主シャフトに固定さ
れていてもよい。主シャフトは、ステンレス鋼、アルミ
真鍮、ファイバーグラス、プラスチック等非強磁性材料
からなることが好ましいが、好ましくは硬化された炭素
鋼等の磁気歪みの小さい低透磁率強磁性材料からなって
いてもよく、また、大きな磁界を生成できないことが好
ましい。作用シャフトは、中空または中実であってもよ
く、AB間及びBC間においてのみ円周方向に成極されてい
る。AA′領域及びBB′領域はトルクを伝達する割合が比
較的低いので、寄生磁界に対する貢献度は非常に低い。
また、作用領域でない作用シャフトのこれらの部分は磁
化された工具（ねじ回し、レンチなど）のような磁界を
乱す恐れのある局部磁界発生源に容易には接近できな
い。

図１（ｇ）は３つの円周方向有極性領域と（Ｂ点及び
Ｃ点に）発散の大きい２つの“磁壁”を有していること
を除けば図１（ａ）と同じセンサを示している。両磁壁
間の磁界強度を大きくすることにより、各磁壁に１個づ
つ計２個の磁界センサを使用する代わりに、仮想線で示
すような軸方向に向けられた磁界センサを１個のみ使用
することが可能になる。

図２（ａ）は典型的な“大”ヒステリシスループの形
状と特徴を示しており、その限定的な磁界は磁化が飽和
状態に近づく形跡を示すのに十分である。このことは、
ループ極値を平坦化して上昇または下降するループの両
縁間の磁化の差を狭めることにより証明される。ヒステ
リシスループは動的な現象を効果的に表現しており、反
時計回り、すなわち、上昇して右へ、下降して左へ等に
旋回される。ここで示された大ループは、磁界が±100O
eを越えてさらに増加してもそのピーク磁化が±18kGを
大きく越えて上昇することはない。磁界がこのような
“技術的飽和”値に到達した後零まで低下すると、磁化
はＲ（または逆磁性の磁界の場合にはＲ′）で示す値ま
で“戻る”。Ｒ及びＲ′は“残留”磁化を示す。図示の
ループにおいてＲの値は15.8kGである。“残留比”、す
なわちピーク磁化に対する残留磁化の比は、この場合、
（15.8/18）＝0.878である。磁界方向に一軸異方性を有
する材料では、残留比は最大可能値である1.00に等しく
なる。磁界方向がそのような材料の異方性に対して直角
であれば、残留比は最小可能値である零になる。各立方
縁に沿って磁化容易軸を有するランダムな配向の立方晶
を有する材料内では、その比は0.8312である。それら容
易軸が各立方対角線に沿っている場合は、残留比は0.86
6となる。図２（ａ）に示すループにおいて残留比が比
較的高いのは、晶子がランダムな配向でないかあるいは
他の何らかの異方性の影響が存在することを示してい
る。このような場合には、他の磁界方向のヒステリシス
ループが一般により高いあるいはより低い（それぞれ異
なる）残留比を示すことになる。

磁化が零（Ｃ点及びＣ′点）に低下する磁界の値は
“保磁磁界”である。保磁磁界は一般に磁界のピーク振
幅の増加とともに増加し、飽和状態で（“保磁力”と呼
ばれる）最大値に到達する。図示のループの保磁磁界
は、このループを発現する仮想の材料の保磁力より最小
限にわずかに小さい値である30Oeである。ＲとＣ′との
間の磁化反転が、400,000erg/cm³（低合金鋼の代表値）
の結晶異方性に対する局部モーメントの（各磁区内で
の）コヒーレント回転によるものであれば、保磁力は観
測値のほぼ19倍の２×400,000/（18,000/4π）＝559Oe
となる。したがって、図示のループがこのタイプの材料
（例えば、低合金鋼）によるものであれば、磁化反転は
干渉性の回転によってではなく磁壁の移動によって主と
して発生することは明らかである。

図２（ａ）のＡ及びＡ′は、“小”ヒステリシスルー
プの極値を示し、このループでは、磁界のピーク振幅が
保磁力より非常に小さい。この小ループの拡大図を図２
（ｂ）に示す。このループの残留磁化及び保磁磁界の両
方が非常に小さいことが分かるが、それらは零ではな
い。したがって、印加磁界の振幅が小さい場合でさえ、
その結果生じる磁化の変化はいくらかの非可逆性を含ん
でいることが分かる。保磁力に比べて小ループの磁界振
幅が小さいほど、その非可逆的特徴が小さくなる。磁界
の振幅が（相対的に）非常に小さいために、ループはA
A′間を通じて直線にまで狭まっている。いずれにせ
よ、小ループのAA′間の直線の傾きは可逆磁化率（χre
v）として公知である。磁気された試料において、χrev
値は大ループ上の保磁磁界内のいかなる点においてもほ
んの少しだけ（おそらくは±15％の範囲にわたって）変
化する。一軸方向の材料の小ループは、残留磁化も保磁
力も示さないが、一般に、異方性に対して直角な磁界で
は有限のχrev値を、異方性に平行な磁界では（完全に
一様でコヒーレントな異方性のために）零χrev値をそ
れぞれ示す。

大部分の材料が小さな磁界においてさえ有限のχrev
値と残留磁化と保磁力を示すという事実は、明らかにカ
ラーなしトルク変換器の動作に関係がある。その有限の
χrev値のおかげで、トルクがシャフトに印加された時
に作用領域により生成された磁界にさらされるシャフト
領域が磁化を発生させる。作用領域自体の範囲内では、
磁界は静止時の円形磁化の傾斜に逆らおうとする方向に
作用するので、そのような磁界は“反磁”界と呼ばれ
る。そのような磁界はその原因物質よりも決して強くは
ないので、その作用は単にトルクの影響を低減させるに
すぎず、したがって、反磁界は変換器の感度の潜在能力
を低下させる。シャフト材料の有限の残留磁化と保磁力
のおかげで、非作用領域の反作用磁化が印加トルクに応
じて履歴的に変動する。その原因となる磁界は作用領域
から離れるにつれて減衰するので、その反作用磁化は一
様でない。そのような磁化はいずれも円周方向に向いて
いない。さらに、シャフト材料は磁歪性であるので、反
作用的に磁化された領域内の磁化は印加トルクに応じて
変動することになる。その結果、このような初めは非作
用的で新たに磁化された領域自体がシャフト内及びその
周辺の空間に磁界成分を付与する。磁界センサにより見
える正味の磁界（すなわち、信号磁界）は、したがっ
て、作用領域からの目的の磁界と反作用領域からの寄生
磁界との結果物である。当然ながら、望ましくは線形で
非履歴的な変換器の伝達関数は、カラーなし構成の場合
には、磁化可能材料が必ず近接して存在するために、損
なわれる恐れがある。保磁力を高く保つことが望ましい
ことは明らかであろう。

変換器の動作は、シャフト“表面”が残留磁化で円周
方向に磁化されることを必要とする。円周方向に磁化さ
れていない材料は、反作用的に磁化されて寄生磁界の発
生源になるかもしれない。磁化の深さの点でより深いシ
ャフト領域はそれ故より優れているように見えるが、２
つの要因がシャフトの断面全体を円周方向に磁化する必
要を緩和している。すなわち、第１に、表面から距離が
離れるにつれてねじり剪断応力が減少するので、信号磁
界への関係磁位の付与がシャフト断面のより中心に近い
領域から次第に減少する。第２に、たとえそのようなよ
り深い領域がその個所に有益な磁界強度を発生させたと
しても、その領域の（シャフト表面から半径方向外側に
いくらか離れた）磁界センサ位置における磁界強度に対
する貢献度はかなり低下することになる。これら同じ要
因により、極めて問題の多い寄生磁界を“遠い”磁界セ
ンサで発生させる内奥の非円周方向磁化領域の能力が低
下する。上記第１の要因は、小さなシャフト内において
必要な円周方向磁化の深さをおそらく半径の50％に限定
する。第２の要因は、非常に大きなシャフトでさえ、10
〜20mmを越える深さの円周方向磁化が殆ど役に立たない
ことを示している。多くの中空シャフトにおいては、そ
のような深さまで浸み込めば内周面に届いてしまう。こ
のことは。中空シャフトが利用可能な材料強度をより効
率的に利用しかつ重量を減らすために中空にされている
ことから、中空シャフトにとって、特に肉薄の中空シャ
フトにとって望ましい状態であるということになる。シ
ャフト断面全体が有用なトルクを伝達しているならば、
その断面の一部に信号磁界を損なわせた後その部分を寄
生磁界に寄与させるのではなく、その断面の全体を信号
磁界に寄与させることが道理に適っている。しかしなが
ら、実用的な問題として、大径のシャフトでさえ約１〜
2mmを越える深さまで磁化することは極めて困難であ
る。なぜなら、磁界発生源からそれほど遠く離れて十分
に強い磁界を発生させることは困難だからである。

円周方向の磁化を発生させるのに利用可能な手段を考
えると、断面全体を成極する必要が無いことは幸いであ
る。成極の方法及び過程は、その開示が引用の形成で本
文に盛り込まれているJ.Appl.Phys.79（８）,4756,1996
及び米国特許5,351,555号の第13〜14欄及び同5,520,059
号の第15〜16欄及び第26〜28欄で説明されている。カラ
ーなしトルク変換器に作用領域を形成するには、さらに
２つの考慮が必要である。第１に、作用領域は一般に軸
方向に一定の広がりをもち、シャフトに沿った所望の軸
方向位置に位置づけられるので、シャフト全体を通して
あるいは中空シャフトを貫通する同軸の導体を通して電
流を導く方法は適さない。一定のはっきり限定された軸
方向の長さに電流を流すために様々な構成が可能である
が、これらの構成は適用可能性を制限するとともに、認
め得る長所がない。近接する勾配の大きな磁界、永久磁
石または電磁石を回転させて成極する方法は、同じ成極
装置や成極過程がシャフトの径及び材料の広い範囲で利
用可能であるため、最も好ましい方法である。作用領域
の軸方向長及び軸方向位置は、この方法により、精確に
制御可能である。第２に、カラーなしトルク変換器の成
極は従来の“リング付きシャフト”構造の成極よりもは
るかに強い励磁磁界を必要とする。このことは、各構造
にそれぞれ適した材料の大ヒステリシスループの比較か
ら直接に導き出されるし、一般に、カラーなし構造の方
が同じサイズのシャフトに薄肉のリングを適用した構造
よりも励磁磁界の浸み込みがいいこと、及びカラーなし
構造で使用されるシャフトの内部領域がリングを付けて
使用するシャフトよりも高い透磁率を本来備えているこ
とを考慮することによっても導き出される。近接する透
磁性の材料は成極磁石からの磁束を“短絡させ”、効果
的に利用可能な磁界強度を減少させる傾向がある。しか
しながら、結果は同じであり、磁界発生源である磁石と
対象物との間の透磁性材料は磁石の磁界から対象物を遮
蔽する。この場合、その表面領域が内部領域を遮蔽して
成極深度を制限する。IEEE Trans.Mag28（５）,2202,19
92の図５及びすでに引用した文献J.Appl.Phys.の図５に
示すように、フープ応力を受けたリングの大ループは、
角形（一軸異方性）で、一般にわずか数エルステッドの
保磁磁界を示す。他方、カラーなしトルク変換器のシャ
フト材料の大ループは、もっと丸みのある形状（ランダ
ムな立方異方性）を有し、約15エルステッドを越える保
磁力を示す。保磁力は35以上であることが好ましい。成
極を行うのは磁化を発生させる磁石からの磁界のうち逆
方向の磁界“ローブ（lobes）”であるので、また、こ
れらローブの強さは正方向の磁界ローブの約25％にすぎ
ないので、さらに、（残留磁化を最大化するのに必要
な）“技術的飽和状態”はシャフト材料の保磁力の少な
くとも２倍の保磁力を有する磁界を必要とするので、そ
してさらに、寄生磁界を極力小さくして安定性をできる
限り高めるためには保磁力が大きい方がよいので、カラ
ーなし構造にとって強い成極磁石が必要であることは明
らかである。十分に大径の中空シャフトの場合、均一で
最深部まですっかり成極された作用領域を得るために
は、シャフトの内面側と外面側で協働的に作用する成極
磁石を採用することが有利である。シャフトと成極磁石
の代表的な構成を図３に示す。この図では、図１（ａ）
に示すカラーなし構造のように、磁気的に連続する２つ
の有極性領域を同時に形成する成極磁石とシャフトの構
成が示されている。磁界を成極する源の数は一般に形成
される有極性領域の数と等しい。

最も単純な実施の形態では、成極磁石は、シャフトが
軸線周りのどちらかの方向に回転している間シャフト表
面に接近した状態に維持された主として高エネルギーの
（例えば、サマリウム−コバルト製あるいはネオジミウ
ム−鉄−ボロン製の）永久磁石からなる。より高い保磁
力を有するシャフトを使用する場合は、軟らかい磁性の
“磁極片”がそれぞれ永久磁石に嵌め込まれ、適宜成形
され、（シャフトに磁束を通すために）利用可能な磁石
の起磁力を最大限効率的に利用するよう間隔を置いて配
置されていることが望ましい。図３は互いに逆極性で一
定の小さな問題を置いて軸方向に配置されたそのような
２個の成極磁石1,2を示す。シャフト上の太い矢印は、
結果的に発生する円周方向残留磁化方向、すなわち、共
に変換器の作用領域を構成する有極性領域を示す。シャ
フトの軸に対して垂直な線は有極性領域の境界部分の予
測位置である。なお、これらの領域の幅（軸方向範囲）
は成極磁石の幅より幾分長い。これら互いに逆極性の２
個の領域間のハッチングで示す部分は残留磁化が一方の
円周方向から他方の円周方向へ遷移する副領域（sub−r
egion）である。この遷移領域の幅は、上記２個の成極
磁石の間隔を大きくするだけで望み通りに広げることが
できる。遷移領域の幅は上記間隔を小さくすることで狭
めることができるが、遷移領域がそれ以上小さくならな
い最小限の間隔がある。両磁石1,2が互いに近づくほ
ど、そのそれぞれの磁界は他方の磁界を弱めてゆく。両
磁石が接触するほど近くなると、その界面にはもはやＮ
極もＳ極も存在しない。したがって、シャフトを成極す
るために円周方向に適切な磁界強度が存在する以前に、
磁石自体に沿って一定の間隔が存在することになる。遷
移領域の最小限の幅は、成極磁石の実効強さ（effectiv
e strength）とシャフト材料の保磁力とに依存し、前者
の増加に応じて減少し、後者の増加に応じて増大する。
遷移領域の最適な幅はトルク依存性の磁界を検出するた
めに使用される磁界センサの種類、サイズ及び向きに依
存する。並行に配置された成極磁石1,2を使用した場合
に得られるよりもさらに狭い遷移領域を得ることが必要
な場合には、一方の磁石に対する他方の磁石のシャフト
軸線周りの角度をずらすことにより、両磁石を互いに弱
める相互作用を低減させるのに必要な間隔をもたらされ
る。図３では、便宜上、180度の最大間隔を示す。磁石
２を磁石１と並行にする代わりに、磁石２′として仮想
線で示す位置まで回転させている。一度に一つの領域を
磁化し、すなわち、１個の磁石１のみを所定の位置に配
置した状態でシャフトを回転させた後、磁石１を外し、
磁石２を所定の位置に配置してシャフトを回転させるこ
とも可能である。永久磁石を用いる仕組み上、磁石は、
シャフトの回転が停止する前にシャフトに接近した状態
から遠ざけられる必要がある（あるいは、各仕組みにお
ける磁極間に“保磁子”が滑り込まされてもよい）。電
磁石の場合、その“強さ”が調節可能であり、磁石自体
も保磁子も物理的に移動させることなく、電磁石を効果
的に“遮断”させることができるので、成極用に使用す
ると有利かもしれない。

図４は、（感度、すなわち単位トルクあたりの磁界で
測定された場合の）トルク変換器の性能の（起磁力及び
磁気回路抵抗で測定された場合の）成極磁石の“強さ”
に対する依存性の一例を示す。この図からすぐに分かる
ように、ほぼ1.5Aより小さい磁化電流の場合には、トル
ク依存性磁界は全く存在しない。このことは、シャフト
材料が大きな円周方向残留磁化を発現する前に有効磁界
（effective field）が一定の臨界強度に達する必要が
あることを証明している。この臨界強度は、大きな残留
磁化を発現するためには、逆方向の磁界ローブの強さが
シャフト材料の保磁力に、この場合は44Oeに近づく必要
があるので、シャフト材料の保磁力に関係がある。言い
換えれば、磁界は磁壁の“ピン止め解除”を大規模に行
うために十分な強さを得る必要がある。磁化電流が閾値
（この場合、1.5A）を越えて増加するにつれて、感度が
連続的に上昇することがわかる。電流の増加に応じた感
度の上昇率は最初は急激であるが、まもなく減少し、最
終的には最大値に達する兆候を示している。磁石とシャ
フトとの間隔を零の状態にして12Aと15Aの二個所のデー
タ点で試験した結果、両者間に0.25mmの間隔を置いた場
合に得られる感度の予想飽和値が、シャフトの残留磁化
の真の飽和値よりも装置の影響をより大きく受けること
が示された。この二つのデータ点は、感度飽和値に達す
ることの困難さと磁化回路の抵抗を極力小さくすること
の重要性とを表している。ここに示す伝達関数は以下の
相互作用的な特性と現象が組み合わされた結果である。

1.ピーク磁化に応じた保磁磁界の成長 2.シャフト材料の保磁力 3.起磁力に応じた臨界磁界振幅の半径方向内側への浸み
込み 4.表面からの距離に応じて次第に減少する剪断応力 5.表面からの距離に応じて次第に減少する軸方向磁化 6.より内側の領域から次第に減少する単位トルク当たり
の磁界 7.より内側の磁界発生源から次第に増大する磁界センサ
との距離 8.成極用磁界強度の増加に応じた遷移領域幅の減少 9.電流の増加に応じた成極用磁界の非線形性（飽和状
態） 局部的な円周方向磁化により作用領域がいったん形成
されると、シャフトはトルク変換器としての適切な特徴
を与えられ得る。作用領域は二つの分極から構成される
ことが好ましい。通常の実施の形態では、印加トルクか
ら発生する残留磁化の傾斜はそのような磁化の傾斜から
発生する磁界の一部の成分の強さに反応する近接する装
置により検出されるが、そのような傾斜に伴う残留磁化
の軸方向成分と変化は、シャフトを取り巻きかつ円周方
向の極性を有する領域上の中央に配置されたコイルに誘
導された電圧（起電力）で検出されてもよい。（トルク
に比例する）磁化の軸方向成分は上記誘導起電力を時間
で積分することにより復元し得る。現状の電子技術で
は、数秒ないし数分程度の短時間にわたって低ドリフト
（low drift）を達成することは可能であるが、全くド
リフトのない積分手段は存在しない。にもかかわらず、
当該トルクが短時間存在するだけの用途において、例え
ば、パルス手段やインパルス手段において、この構成
は、特に作用領域に単一の成極しか有さない構造におい
て実行可能な検出構成である。

図５は、（トルクの印加に伴って発生する）半径方向
磁界の関係強度が図４に示す最高到達可能感度での成極
により成極されたシャフトの作用領域に沿う軸方向位置
に応じて変動する様子を示す。この磁界分布の一般的な
形状は、互いに逆方向に向かう軸方向磁化を有する隣接
する２つの領域から予測されるほぼ４極性の磁界と一致
する。例えば、この形状は同磁性の磁極が隣接した状態
で配置された同軸の２個の棒磁石の周辺の空間で見られ
る磁界分布の形状である。この図を詳細に吟味すれば、
成極装置の物理的な構成とシャフト材料の磁気特性とを
ともに反映する特徴が分かる。例えば、中央のピークは
実際には中間に小さな谷を有する２個のピークであるこ
とが分かるだろう。これは、同極性の磁極が幾らか離れ
ている場合の２個の棒磁石から予測される種類の磁界分
布である。それ故、それは、大きな幅を有する遷移領域
が存在することを明示している。２個のピークの高さが
等しくないのは、おそらく２個の成極磁石がわずかに異
なることを示している。図４から分かるように、両磁極
片とシャフトとの間隔の小さな変化が感度に著しい悪影
響をもたらす可能性がある。磁石表面とシャフトとの間
が少しでも平行でなければ、このデータを得るために使
用する両磁石がシャフトから精確に同じ間隔で位置する
ことがなくなり、また、それぞれその幅全体をシャフト
に対して実際に摩擦させることができなくなる。このデ
ータを得るために使用される両磁石間のスペースの幅は
両ピーク間の軸方向の間隔とほぼ同じ2.5mmだったの
で、（遷移領域が磁石間隔より狭い）図３に示す遷移領
域の幅と磁石間隔との関係は明らかに一般的な結果では
ない。すでに述べたことから分かるように、遷移領域は
上記の間隔より広くてもよい。他方、±15mmより少しだ
け内側の両位置にある小さい方の（逆極性の）ピーク間
の間隔が27.5mmの磁石全体のサイズを越える時には、
（有極性領域が両端で磁石の幅を超えることになる）広
い間隔を有する両磁石のために、遷移領域が磁石間隔よ
り十分に狭くなっていてもよい。成極過程をこのように
理解すると、感度飽和値に対するよく見られるゆっくり
とした取り組みに対して上記項目8.が寄与していること
がこれで理解できる。両磁石間の空間の幾何学的中心位
置にある磁界センサは、両ピーク間の谷の深さが減少す
るにつれて感度の上昇を示す。

図５に示す曲線の二重のピークの不完全な対称性は一
つの実験結果にすぎない。一部の用途では、中央にただ
一つの鋭いピークを有していることが望ましいかもしれ
ないが、別の用途では、（例えば、シャフトの軸方向の
“遊び”に対する感度の変動を少なくするために）中央
に幅広で比較的平坦なピークを有することがより望まし
い場合もある。一般に、そして装置の説明を簡単にする
ためにも、中央にただ一つピークを有する対称曲線の方
が好ましい。その一方で、二つ、数個または多数の単一
極性領域がシャフトに沿って配分されることが有利な特
定の用途もあり得る。実際には、そのようなシャフト
は、様々な特別の目的のために、同じあるいは逆向き円
周方向の分極を有する一つ以上の作用領域を備えること
になる。このような多数領域構成の際だった特徴は、各
領域から発生する磁界が近接空間で互いに依存していな
いことである。図５に示すような線図は、したがって、
各有極性領域の端部であるいはその近傍で（同じ振幅を
有する）対称的な正と負のピークを示すことになる。明
らかに、一つ以上の有極性領域を有する変換器において
は、１個で複数方向のあるいは複数個で一方向の有極性
領域など作用領域の特徴に差異を設定するのは遷移領域
の幅である。

簡単に処理すべき関連の問題として、トルク変換器の
性能に対する作用領域の軸方向範囲による影響がある。
作用領域の寸法は二つの観点から考慮する必要がある。
第一点は、当然ながら、トルク検出機能の実現のために
シャフト上で利用できるスペースはどの程度かという問
題である。特定の用途において、あるいは無関係の磁化
可能材料、例えば、玉軸受けや歯車などに近接している
せいで、このスペースが厳しく制限されているならば、
それが最優先の問題になる。所望の大きさのスペースが
利用可能であれば、作用領域の寸法は一般に所望の感度
（すなわち、単位トルクあたりの信号磁界）を達成する
ように選択される。ここでの目標は、単に印加トルクの
ピーク値における磁界強度を最大化することではなく、
むしろ磁界センサ（あるいは軸方向磁化成分センサ）の
好ましいタイプと向きに調和する磁界強度を達成するこ
とである。高すぎる信号磁界は一部のタイプの磁界セン
サを飽和させるばかりか、トルク検出に無関係の機能を
果たす機械部分の隣接強磁性材料を磁化してしまう恐れ
がある。信号磁界強度は（作用領域の長さに応じて減少
する）減磁率と（作用領域の長さに応じて増加する）軸
方向磁化成分との積であるので、作用領域の長さは磁界
強度を左右する決定因子ではない。したがって、トルク
範囲が大幅に変動する（すなわち、様々なシャフト径を
有する）トルク変換器系が構成される場合には、同じ磁
界センサ構造が全てのトルク変換器に対して作用される
ようにするために、全て同じ寸法の作用領域を使用する
ことが有利である。シャフト径に対して作用領域寸法の
有効範囲は整数倍であり、たとえば、3mm径の範囲の小
さなシャフトの場合にはその径の４倍、20mm径の範囲の
シャフトの場合にはその等倍、100mm径のシャフトの場
合にはその径の0.3倍にしてもよい。１〜1000mm径のシ
ャフトに対して作用領域の長さを５〜100mmに設定する
ことは考慮すべき有用な意見である。作用領域の軸方向
範囲は、大部分は、作用領域が実用的な磁界を発現させ
るのに十分な長さがあって、なおかつ市販の実用的な磁
界ベクトルセンサで検出可能な適切なサイズを有すると
いうような実用的な動機から決定される。このような領
域の有効な端部が故意に広げられている場合には、作用
領域の“寸法”はそれほど問題にはならない。設計上の
都合は、作用領域の寸法と軸方向位置を決定する際の重
要な考慮点である。一般に、周辺の付随的なあるいは偶
発的な磁界源から発生する磁化の悪影響を避けるようシ
ャフト両端から十分な間隔を置いたシャフト領域に作用
領域を配置することが好ましい。

すでに述べたように、シャフトが有用なカラーなしト
ルク変換器として作用するためには、適切に組み合わさ
れた機械的、磁気的及び磁気弾性的特性を有している必
要がある。普通に手に入る多数の鋼において、適切な特
性の組み合わせが分かっている。強度と延性の適度な組
み合わせを有するいくつかの“永久磁石”合金も、その
商業的な入手に制限があること及び相対的にコストが高
いことによって特定の用途に使用が制約されているが、
適切な材料である。必要な機械的磁気的特性の組み合わ
せを得ることは、化学組成の役割と同じくらい冶金条件
の役割が大きい。したがって、選択されたシャフト材料
はほぼ確実に何らかの形の熱（及び／または機械的）処
理を受ける。この処理は、適切な温度への加熱、制御さ
れた速度での冷却（例えば、風焼き、油焼入れ、水焼入
れ）、及び低い温度への再加熱とさらにゆっくりとした
冷却（焼戻しと金属間化合物を析出するための“時
効”）からなることが多い。極低温処理も得られた特性
を最適化しかつ／または安定化するために適切である。
いずれにせよ、このような処理の全ては、材料の機械強
度を高める（耐力強度を上昇させる）ことと同時に磁気
的に“硬質にする”（保磁力を上昇させる）ことが目標
である。一般に、最終状態の材料が好ましくは15Oeより
高い、より好ましくは20Oeより高い、さらに好ましくは
35Oeより高い、そして理想的には（磁界方向に測定され
た場合に）最大予想トルクの印加で発生する最大磁界強
度よりも高い保磁力（ＨC）を有する必要がある。

カラーなしトルク変換器に適することが分かっている
材料の分類例を以下に示す。各部類の代表的な等級も示
す。

1.マルテンサイト系ステンレス鋼（好ましくは自硬鋼） AISI/SAE等級:403,410,414,416,420,431,440A,440B,440
C 2.析出硬化系ステンレス鋼（クロム及びニッケル） AISI/SAE等級:15−5PH,17−4PH,17−7PH,PH13−8Mo 3.合金鋼（焼入れ及び焼戻し処理、時には浸炭または窒
化処理される） AISI/SAE等級:4140,4320,4330,4340,4820,9310 代表的な呼称:300M,Aermet100,98BV40,9−４−20,9−４
−30 4.工具鋼（好ましくは焼入れ及び焼戻し処理される冶金
的に“純な”高合金鋼） AISI等級：タイプA,D,H,L,M,O,T,W及び高コバルト高速
度工具鋼 5.マルエイジング鋼（高ニッケル、低炭素） 代表的な呼称:18Ni250,C−250,Vascomax T−300,NiMar
k,Marvac736 6.延性永久磁石材料 代表的な呼称:Vicalloy,remendur,cunife,Cunico,Vacoz
et 7.磁石鋼 代表的な呼称:KS鋼、MT鋼、3.6％Cr鋼、15％Co鋼、タン
グステン鋼 8.特殊合金及びその他材料 代表的な呼称：パーメンジュール、アルフェル、アルフ
ェノール、コバー、硬引抜ニッケル、硬引抜パーマロイ カラーなしトルク変換器の現在達成可能な性能はリン
グ付きシャフト構造で実現可能な性能に達していない。
伝達関数のヒステリシスが不完全な性能の主な原因であ
る。にもかかわらず、現在達成可能な性能は多くの用途
において十分満足のいくものである。さらに、正及び負
の両方の値を含む広い範囲のヒステリシスが（様々な材
料や熱処理の場合に）観察されているので、その性能が
さらなる開発につれて向上することは明らかである。図
６は、図４及び図５に示すデータを得るために使用した
ものと同じ種類とサイズの高速度鋼材料からなる実験用
のカラーなしトルク変換器の伝達関数を示す。ヒステリ
シスがはっきりと存在する点以外は、この変換器の伝達
関数は優れた線形性を示していることが分かる。負荷が
±50N.mまで増加すると、回帰線に大きな変化が見られ
なくなった。（一般に低保磁力の材料からなる）他の実
験用変換器の伝達関数はさらに高いヒステリシス値と
（最高トルクレベルで傾きを減少させる）飽和の兆候を
示した。

本発明の説明を通して明らかになったように、変換器
の作用領域に近い磁化可能な透磁性材料の存在を完全に
排除するかあるいは少なくとも最小限にすることが望ま
しい。米国特許5,351,555号のリング付きシャフトセン
サの場合、それは通常、低透磁率材料のシャフトを使用
すること、あるいは例えば低透磁率のスリーブを介在さ
せることで所望の透磁率より高い透磁率を有するシャフ
トから“リング”を空間的に分離することによって達成
される。カラーなし構造の場合、近接材料の望ましい低
透磁率は、時には作用領域を隣接するシャフト部分から
幾何学的に分離することも行いながら、比較的高保磁力
のシャフト材料を使用することにより実現される。功を
奏するカラーなし構造にとって必要不可欠な特徴は、ト
ルクにより形成された磁界の大きさが小さすぎるために
作用領域に近接するシャフト領域に磁化の大きな非可逆
的変化を起こさせないことである。

円形に磁化されたトルク変換器のさらにもう一つの実
用的要件は、一つ以上の作用領域がそれぞれ、シャフト
の端から端までの長さより短い有効軸方向範囲とシャフ
ト上で識別可能な所在を有していることである。米国特
許5.351,555のリング付きセンサの場合、リングの寸法
が作用領域の軸方向範囲を制限している。そして、作用
領域が明らかにリング寸法の範囲内に限定されているの
で、シャフト上の作用領域の位置はリングの位置によっ
て自動的に設定される。カラーなし構造の場合、作用領
域の軸方向範囲も軸方向位置も、協力関係にある幾何学
的特徴の存否にかかわらず、注入された円周方向残留磁
化の細部として設定される。

カラーなしトルクセンサのさらに別の構造は、作用領
域に近接するシャフト材料内に寄生磁界が発現すること
を事実上避けるものである。この構造に因れば、作用領
域の近くに磁化可能材料が存在しないようにするととも
に、選択されたシャフト材料の独自の特性を利用するこ
とにより作用領域の一定のサイズと位置とが設定され
る。適切な材料であれば、それぞれ異なる（変換器の必
要動作温度範囲にわたって）安定した二つ以上の冶金相
で存在することができる。そのような相の一つは作用領
域の要件を満たすのに十分な強磁性と磁歪性を有し、も
う一方の相は効果的な磁化不可能性を有する、すなわち
実質的に非作用の領域の要件を満たすのに十分な低透磁
率を有する。ここで使用した“実質的に非作用”とは、
磁界に曝されたときに、磁界センサによって分かる正味
の磁界のトルク検出目的での有用性を損なうほどの強さ
を有する寄生磁界を生じるほどには磁化されない領域を
意味する。これらの相を適切な処理によって任意に作る
ことが可能ならば、それぞれ所望のサイズと位置を有す
る作用及び実質的非作用領域を同じシャフト状に共存さ
せることができる。その後、作用領域の該当部分に所望
の円形の向きで円周方向残留磁化を注入させる（すなわ
ち、成極する）だけで、トルク変換器が作られる。当然
ながら、分極を維持する異方性が残留磁化を円周方向の
45度以内に制限することが望ましい。明らかに最も望ま
しいのは、リング付きシャフトセンサのリングに注入さ
れているようなこの方向の一軸異方性である。さらにま
た望ましいのは、カラーなしセンサ構造用に選択された
シャフト材料を特徴づける、例えばbcc（体心立方）結
晶構造を有する立方構造等、多軸対称性を有する格子構
造の原子配列に伴う結晶磁気異方性である。作用領域が
望ましくは実質的に非作用の領域の横側に接しているに
もかかわらず、作用領域の保磁力が高いままであること
は重要である。これにより、印加トルクの結果として生
じる磁界が作用領域内の円周方向成極の大きさを非可逆
的に損失させることが防止される。本発明の先に述べた
実施の形態におけるように、保磁力は、15より高いこと
が望ましく、20より高いことが特に望ましく、35より高
いことが好ましい。トルク変換器として使用するために
冶金処理されたシャフトの基本構造を、所望の軸方向寸
法及び位置を有する孤立した強磁性磁歪性領域（磁化可
能作用領域）を有するよう処理された一区域を示す図７
のセンサに関連して表す。シャフトは、物理的には一片
からなり、一般的には全体的に均質な化学組成を有して
いるが、それぞれの機能に適した磁気特性を有する作用
領域と実質的に非作用の領域とから構成されている。

多くの固体材料が多形と呼ばれる特徴である１以上の
構造的形態で存在することができる。それぞれ異なる多
形の（すなわち同質異像の）形態は相を構成する。ある
相から別の相への変態は金属材料ではありふれた出来事
である。冷却時あるいは加熱時の固有の温度で、多くの
純金属や合金に相変化が起こることが分かっている。相
の変態が起こる臨界温度範囲は、融点に近い温度から絶
対零度に近い温度までの範囲で金属の組成に応じて異な
る。一部の相変態は、その最終相は臨界温度範囲を通し
て冷却（または加熱）速度に依存することがいっそう多
いけれども、ある期間にわたって等温的に起こる。一部
の合金の場合、冷却時に通常起こる相変態が、冷却のみ
に必要な温度を遙かに超えた温度で起こるよう機械的手
段により引き起こされてもよい。有効な処理としては、
塑性変形、衝撃波、そして時にはもっと単純な水圧プレ
スなどが含まれる。冷却時に絶対零度に近い温度であっ
ても全く起こらない相変態が、このような機械的手段に
よってより高い温度で起こることもよくある。そのよう
な冷間加工により引き起こされ得る相変態の程度は、組
成、変形温度（degree of deformation）及び変形速度
（rate of deformation）に応じて異なる。冷間加工さ
れた材料の熱に起因する相変態は、同じ組成を有する変
形されていない材料の場合とは異なる温度で発生するこ
とが多い。多くの鉄リッチ合金（フェロアロイ）（iron
rich（ferrous）alloys）の場合、大部分の機械装置の
動作温度範囲（−50度から＋150度）にわたって安定し
た様々な相が非常に幅広い磁気的な特徴を含んでいる。
したがって、単一の合金は、その熱処理及び機械的処理
の履歴に対して強磁性依存、常磁性依存（あるいは反強
磁性依存）している相において安定的に存在することが
できる。共存するそれぞれ別の強磁性相がその磁気的及
び磁気弾性的特性において著しく異なることも可能であ
る。一つの材料の異なる相が、異なる密度、異なる電気
抵抗、異なる弾性係数及びその他異なる物理的特性を持
つことも非常に多い。

使用される合金に関係なく、そして、位相変態が引き
起こされるのが熱処理のみによってか機械的処理のみに
よってかあるいはその両方の組合せによってかに関係な
く、シャフトを処理する一般的な方法は、作用及び実質
的に非作用の各領域をそれぞれ所望の相を得るのに必要
な別々の処理状態に置くことになる。従って、少なくと
も一つの処理工程はこれらシャフト領域の一方には局在
されるが他方には局在されない。

局部領域をいくつかの種類の機械変形にかけることは
容易に達成される。鍛造、すえ込み、ローレット切り、
表面圧延などの処理において、処理すべき領域のシャフ
ト上の位置及び軸方向範囲を、関係工具類のサイズ及び
位置により容易に制御することができる。衝撃波の集中
は、シャフトの所望の領域を適切な爆薬で包むことによ
り容易に起こすことができる。軸方向の引張り及び圧縮
も適切な締結装置を用いて局在させることができる。

様々な温度の偏位を局部領域に限定するためには、収
束されたエネルギー源の注意深い使用、断熱、及び加熱
または冷却された表面との部分接触が必要である。これ
らの技術は、１以上の処理工程の間に単独でもしくは組
み合わせて利用されてもよい。その基本的な考えを、電
流の通過によって加熱されたシャフトを表す図８の具体
例で示す。中央の“冷却”ブロック領域のシャフト温度
は冷却されない端部領域よりも低く維持される。

図示の“冷却”ブロックのサイズ、形状及び複雑性は
シャフトのサイズ、冷却・非冷却領域間の必要温度勾配
及びその勾配が維持されるべき時間に依存する。小径の
シャフトの場合、すなわち熱循環時間が急速な場合、締
まり嵌め銅リング（恐らくさらに電気メッキされた）で
十分であるかもしれない。銅の高い導電性により、密閉
されたシャフト領域のオーミック加熱が低減される。処
理時間が長く、大きなシャフト及び／または大きな温度
勾配の場合には、フィン付きブロックによる強制空冷や
水冷もしくは冷媒冷却ブロック等など積極的な熱の吸い
込みが必要になるかもしれない。更に一様で制御が容易
な温度を維持すると同時に必要電力を削減するために、
冷却されないシャフト領域を低熱伝導率を有するファイ
バガラス、アスベストまたはその他の材料で断熱するこ
とも望ましい。断熱及び熱吸い込みの使用及び位置は、
それより高温の熱処理を必要とするシャフト領域が作用
領域なのか非作用領域なのかに依存する。図８に示す方
法以外に、その他多数の選択的加熱（あるいは冷却）手
段があり得る。誘導加熱、放射加熱、加熱または冷却さ
れた液体への部分浸せき、及びエネルギーを局限された
シャフト領域に伝達するその他の手段も潜在的に利用可
能である。

相変態を引き起こす際の塑性変形の効果は温度に依存
するので、局部領域の変態は、シャフト全体に多かれ少
なかれ一様な塑性歪みを印加しつつシャフトのそれぞれ
異なる部分を異なる温度に維持するだけで発生する。歪
みに起因する相変態を受ける材料には、それを越えると
もはや歪みに起因する変態が起こらない温度（一般にMd
で示す）が存在する。トルク変換器の動作温度範囲が歪
みを受けた材料が熱に起因する相変態（Msで示す）を受
ける温度より高い場合は、このような加工熱処理により
形成された二つの位相は安定する。相変態を引き起こす
様々な熱的、機械的及び加工熱手段の中からの処理の選
択は、各合金系の特性に左右される。

トルク変換器として有用であるためには、候補材料
は、適度の磁気残留成分と磁気歪みと保磁力を有する一
つの安定した相と、（曝される磁界の範囲内で）磁気歪
みの小さい弱い強磁性しか有さないもう一つの相とを備
えている必要がある。幸運なことに、当該温度範囲内で
そのような磁気的に異なる安定した相を有する公知の合
金系は多数存在する。例えば、18％ニッケルマルエージ
ング鋼は熱処理により格段の相違がある磁気特性及び磁
気弾性特性を有する様々な冶金状態にできることが分か
っている。一般に、高合金化された、鉄分を多く含む多
数の材料が、１片からなるトルク変換器を構成するのに
将来的に有用となるのに十分な異なる磁気特性及び磁気
弾性特性を有する状態になるまで熱処理及び／または機
械的処理可能である。有用な公知の合金系の例は以下の
通りである。

1. 低温で存在し得る（通常は高温で存在する）オース
テナイトγ相を安定させるために炭素鋼に多量のマンガ
ン（あるいは他の元素または元素の組み合わせ）を加え
ることに依るハッドフィールド鋼及びその変形物。オー
ステナイトは通常常磁性である。極低温で、一部のオー
ステナイトは反強磁性を示す。古典的なハッドフィール
ド鋼は12％Mnと1.2％Ｃで合金された鉄からなる。オー
ステナイトの強磁性マルテンサイトへの変態は室温での
冷間加工により実現される。局部変形を発生させる表面
圧延またはその他の処理は、磁化不可能な非作用領域と
軸方向（及び内部方向）に連続する（処理に依存する深
さを有する）作用領域を形成するために使用することが
できる。この点に関して、注目すべきなのは、ハッドフ
ィールド鋼は鉄道のレールとして100年以上も使用され
ており、その硬く耐摩耗性のあるマルテンサイトが列車
の車輪の圧延作用から生まれたということである。

2. TRIP鋼。この鋼は一般に高密度の転位を発生させる
ために温間加工される（温度Md以上で塑性変形され
る）。そのオーステナイト構造は室温で（及びそれ以下
で）維持される。温度Mdより低い温度でさらに塑性変形
された場合は全てマルテンサイトに変態する。TRIP鋼は
一般に複合合金であり、鉄以外の元素を30％以上含むこ
とが多い。これらの元素（代表的なものは、Cr、Co、N
i、Mo）は一般に磁気歪みに寄与する（そしてしばしば
結晶異方性を低下させる）ので、この合金は磁気弾性的
に作用する。さらに、戦車の床板を破る地雷のような厳
しい役務のために開発されたので、群を抜く強度を有し
ている。

3. 18−８（18％Cr、８％Ni）の多様な普通ステンレス
鋼はその溶液が焼き鈍しされた状態でオーステナイト結
晶構造を有する。正確な合金含有率に依存して、この系
の鋼の多くの結晶構造は、極低温処理、冷間加工または
それらの組み合わせにより強磁性マルテンサイトに変態
される。一般に、さらに低い合金含有率を有する合金
（例えば、AISI302）はより高い合金含有率を有する合
金（例えば、AISI316）よりも容易にマルテンサイトに
変態する。この種の合金の一部は表面加工により硬く耐
摩耗性を有するマルテンサイトを成長させるように処方
されている。これらは建設機械や農機具での用途があ
る。

4. 室温でオーステナイト構造を保持するのに十分なク
ロムのニッケルを含む析出硬化系ステンレス鋼は時効処
理によりマルテンサイトに変態される。時効の間、“オ
ーステナイト状態の”元素の濃度を低下させる析出物が
形成される。

5. ハッドフィールド鋼に似た特性を有する鉄、ニッケ
ル、炭素合金（ニッケルはマンガンより高価である
が）。

本方法によるカラーなしトルクセンサの製造を示すた
め、1/4″（6.35mm）の外径を有するステンレス鋼継ぎ
目なし管（約18％クロムと８％ニッケルを含むAISI−30
4）から試験シャフトを製造した。焼き鈍しされたまま
の状態で、このシャフトは本質的に非強磁性（1.1にす
ぎない透磁率）を有していた。各シャフトを回転させな
がら、適当な時間公知のロール間隔を有する２個の硬化
鋼ローラ間に圧入させた。この処理により、表面材料が
その降伏強度を超える周期的な逆方向の曲げ応力を受け
た。この塑性変形は、オーステナイトを強磁性マルテン
サイト（10〜100の範囲の透磁率）に変態させた。この
結果、変換器の作用領域が生じる。ローラ対に対して軸
方向にシャフトを移動させることにより、ローラの表面
幅よりも広い軸方向範囲を有する作用領域を生成するこ
とができる。その後、シャフトはそれぞれ、二重構造の
領域を有する変換器を作るために、互いに逆極性の一対
の磁石の近接位置で回転させられて円周方向に磁化され
た。変換器は、トルクがシャフトに印加された冷間加工
領域から発現する半径方向の磁界を測定することにより
試験された。試験結果は、図９に示すように、感度がロ
ール間隔の減少に応じて上昇することを（ロール間隔が
小さいほど冷間加工量が増大することを）示し、図10に
示すように、感度が圧延時間に応じて上昇する（圧延時
間が長いほど冷間加工量が増大する）ことを示してい
る。冷間加工が多いほどマルテンサイトの形成が増える
ので、これらの結果は驚くべきことではない。

産業上の利用分野 トルク変換器のための通常の全用途に加えて、カラー
なし構造は、シャフトの一片からなる構造および／また
は作用及び非作用部分の一般的な化学組成が望ましいあ
るいは必要な多数の分野及び具体的な用途に特に適して
いる。その一部を以下で説明する。

1. 腐食性環境にさらされるシャフト。

18％Niマルエージング鋼等の高張力鋼は、引張り応力
を受け塩水、特に熱い酸性の塩水にさらされたときに、
応力腐食亀裂を起こしやすい。従来の“リング付きシャ
フト”変換器の場合、装着されたリングが干渉嵌めによ
るシャフトへの取り付けの結果としてかなりの引っ張り
応力を受けることが多い。カラーなし構造はリングを持
たないので、目的があって引張り応力を受けるシャフト
領域はない。実際には、疲労強度を高める目的で、残留
圧縮応力を付与するために高負荷のシャフト表面をショ
ットピーニングしたり、圧延したり、その他の処理を加
えることは一般的でないことはない。作用領域及び非作
用領域の両方が単一の化学組成であれば、電気的に接触
した非類似の金属が電解質にさらされたときに存在する
電流腐食の機会を避けることができる。

2. 非常に大きなトルクを伝達するシャフト。

リング付きシャフト構造の限界トルクはリングとその
下のシャフトとの間の界面の滑りの開始によって決定さ
れることが多い。一片からなる高張力鋼シャフトを使用
すれば、そのような滑りの恐れをなくすことができる。

3. 極高温または極低温で、あるいは極端な温度変化の
状態で動作するシャフト。

一片からなるシャフトを使用すれば、非常に低温の際
にリングとその下のシャフトとの熱膨張（収縮）に差が
あるせいで接触圧（及び関連するフープ応力）が弛緩す
ることへの気遣いをなくすことができる。同様に、非常
に高温の際にクリープ（シャフト及びリング両方の降伏
強度の低下及び熱膨張の相違に起因する干渉の増大に伴
う非弾性歪み）のせいで接触圧が弛緩することへの気遣
いをなくすことができる。

4. 繰り返し取り外されたり交換されるシャフト（使い
捨てシャフト）。

ねじりはドリル、タップ、リーマ、エンドミル、中繰
り棒などの切削工具上での主要な負荷の態様である。こ
の種の工具は以下の２つの形式、すなわち工具を回転さ
せるか加工物を回転させるかどちらかの形式で使用され
る。どちらの場合でも、工具を通じて伝達されたトルク
は、工具の状態（鋭さ、健全性など）だけでなく、加工
物の関係特性と操作環境（加工物の硬さ、その存在、冷
却水の存在と効力、潤滑剤、溝を詰まらせるくずの存在
など）を表す。多くの切削工具は、カラーなしトルク変
換器シャフト用に申し分のない材料である高速度鋼から
製造される。作用領域が（チャック手段またはその他の
駆動手段または保持手段と切削領域との間の）利用可能
な（露出した）シャンク部分に形成されるともに、相応
した磁界検出手段が適切に取り付けられるだけでよい。
個々の工具が機械に装着される前に専用の取り付け具に
おいて成極されるシステムも予想される。成極はそのよ
うな工具の装着の直前であっても製造中、研磨中または
研磨直し中の都合のいいどの時点であっても行うことが
できる。工具が回転する用途においては、磁界検出用の
組立体内に成極磁石を組み込むことで前もって磁気状態
の調整がなされない工具の使用を考慮することも可能で
ある。これら工具の使用中にくずが発生するので、その
検出組立体への侵入を防ぐ構成が作られる必要がある。
リング付きシャフト構造はこのタイプの大部分の用途に
殆ど適合せず、工作機械の主軸（または他の部分）に装
着される変換器にもっと適している。トルク変換器の機
能を切削工具に直接持たせる長所は、機械上で使用され
る最大の工具に寸法をあわせるのではなく実際のツール
で使用されるトルクの範囲に自動的に寸法をあわせると
いう点である。

5. トルクが軸方向の位置に応じて変動する“列”シャ
フト。

１本の軸の複数部分に沿って伝達されているトルクを
測定可能であることが望ましい場合もある。このような
用途は、１本の軸が多数の荷重を駆動するために使用さ
れる場合やねじり荷重がシャフト長に沿って連続的に配
分される場合に存在する。前者の例は、１個所でシャフ
トに印加された駆動トルクが空間的に離れた多数の個所
で多数の歯車、プーリ、スプロケット等を駆動する包装
用機械類及び織機類で見られる。織物・シート製造取り
扱い機械はトルク印加の連続的な（長さ方向の）分布を
有するローラ（すなわちシャフト）を利用する。作用領
域が１本の軸の多数個所で容易に作られるようにするこ
とによって、カラーなし構造はこのシャフトに沿ったト
ルクの配分を監視し、均一化するなどの制御を行う調法
な手段を実現する。１本の軸に多数のリングを装着する
ことは、特に全て同じサイズである場合には、少なくと
も難しい仕事である。

6. 極小または極大シャフト。端部が大きいシャフト。
改造された機械類。

極小シャフト（例えば、直径1mm）上で使用される極
小のリングは取り扱いが難しく、圧入により装着するの
も困難である。極端な速度で小さいシャフト群を作動さ
せるには精確な釣り合いが必要である。極大シャフト
（形も長さも）は、リングがシャフト端部から離れた位
置で軸方向に沿って装着される場合、取り扱い用の大き
な機械類を必要とし、かつ大きい（そして高価な）工具
の使用を必要とする可能性がある。所望の変換器位置と
シャフト端部との間に存在するフランジ、軸受けジャー
ナルまたは他の拡径部分は、シャフト構造にリングを使
用するのを困難にあるいは不可能にする。リング（及び
おそらくは絶縁用の常磁性スリーブも）の装着が非常に
複雑で、高価であり及び／または時間のかかる現場設置
の機械類は、磁界センサを適切な位置に取り付け、シャ
フトが普通に回転するのに必要な位置に磁石が一時的ま
たは永久的に支持された状態で所望の領域を成極するだ
けで、トルク変換器機能を使用して仕事が修正されても
よい。その例として、船のプロペラシャフト、圧延機の
シャフト、大きなモータ、発電機、ポンプ及びギヤボッ
クスのシャフトがある。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平６−26949（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−196517（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−283476（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−213734（ＪＰ，Ａ) 特表 平10−513267（ＪＰ，Ａ) 特表 平９−511832（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G01L 3/10

Claims (30)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】部材の軸方向に延びる軸線周りに印加され
   たトルクを示す出力信号を出力する磁気弾性トルクセン
   サであって、 上記部材内で単一の円周方向に成極されるとともに、上
   記部材に対してトルクを印加した後にトルクが零になっ
   たときに磁化を上記単一の円周方向に戻すよう充分な磁
   気異方性を有しており、それにより上記トルクに応じて
   変動する磁界を生成する第一磁気弾性作用領域と、 上記磁気弾性作用領域に近接しかつこれに対向する位置
   に取り付けられ、上記磁界の大きさを検出してこの大き
   さに応じた出力信号を出力する磁界センサ手段とを備
   え、 上記部材の少なくとも上記磁気弾性作用領域は、局部的
   な磁化分布の少なくとも50％が上記単一円周方向を中心
   に対称的に配置された90度の四分円の中に存在する多結
   晶材料から形成されているとともに、上記磁気弾性作用
   領域から生じた磁界が上記磁気弾性作用領域に近接する
   部材領域を磁化することにより上記磁界センサ手段によ
   って検出される正味の磁界のトルク検出にとっての有用
   性を損なうほどの強さの寄生磁界を発生させないだけの
   充分に高い保磁力を有している磁気弾性トルクセンサ。
2. 【請求項２】上記第一の磁気弾性作用領域と軸方向に区
   分され磁気的に連続するとともに上記第一の作用領域の
   成極方向と逆の円周方向に成極された少なくとも一つの
   磁気弾性作用領域をさらに備えている請求項１に記載の
   磁気弾性トルクセンサ。
3. 【請求項３】上記部材は立方対称性を有する多結晶材料
   から形成されている請求項１記載の磁気弾性トルクセン
   サ。
4. 【請求項４】上記部材はマルテンサイト系ステンレス
   鋼、クロムとニッケルを含む析出硬化系ステンレス鋼、
   焼入れ及び焼戻し処理合金鋼、工具鋼、高ニッケル含有
   マルエイジング鋼、延性永久磁石材料、磁石鋼、パーメ
   ンジュール、アルフェル、コバー、硬引抜ニッケルおよ
   び硬引抜パーマロイからなる集まりから選択された材料
   から形成されている請求項３記載の磁気弾性トルクセン
   サ。
5. 【請求項５】上記部材は、上記多結晶材料から形成され
   ているとともに、上記磁気弾性作用領域から生じた磁界
   が上記磁気弾性作用領域に近接する部材領域を磁化する
   ことにより上記磁界センサ手段によって検出される正味
   の磁界のトルク検出にとっての有用性を損なうほどの強
   さの寄生磁界を発生させないだけの充分に高い保磁力を
   有している請求項１記載の磁気弾性トルクセンサ。
6. 【請求項６】上記部材が中実の細長いシャフトである請
   求項１記載の磁気弾性トルクセンサ。
7. 【請求項７】上記部材が中空の細長いシャフトである請
   求項１記載の磁気弾性トルクセンサ。
8. 【請求項８】上記部材はその両端間に軸方向に延びる拡
   径部を有する細長いシャフトであって、上記磁気弾性作
   用領域は上記拡径部に形成されている請求項１記載の磁
   気弾性トルクセンサ。
9. 【請求項９】上記部材はその両端間に軸方向に延びる減
   径部を有する細長いシャフトであって、上記磁気弾性作
   用領域は上記減径部に形成されている請求項１記載の磁
   気弾性トルクセンサ。
10. 【請求項１０】上記減径部は大径の両端部分に一体に取
    り付けられた別個のシャフトである請求項９記載の磁気
    弾性トルクセンサ。
11. 【請求項１１】上記部材の保磁力が15Oeより大きい請求
    項１記載の磁気弾性トルクセンサ。
12. 【請求項１２】上記部材の保磁力が20Oeより大きい請求
    項１記載の磁気弾性トルクセンサ。
13. 【請求項１３】上記部材の保磁力が35Oeより大きい請求
    項１記載の磁気弾性トルクセンサ。
14. 【請求項１４】上記磁界センサ手段がソリッドステート
    センサを備えている請求項１記載の磁気弾性トルクセン
    サ。
15. 【請求項１５】上記磁界センサ手段がホール効果センサ
    を備えている請求項14記載の磁気弾性トルクセンサ。
16. 【請求項１６】上記磁界センサ手段がフラックスゲート
    磁力計を備えている請求項１記載の磁気弾性トルクセン
    サ。
17. 【請求項１７】上記磁界センサ手段は上記磁界の極性を
    検出するよう上記磁気弾性作用領域に対して対向して設
    けられている請求項１記載の磁気弾性トルクセンサ。
18. 【請求項１８】上記磁界センサ手段は上記磁気弾性作用
    領域に近接する定位置に設けられている請求項17記載の
    磁気弾性トルクセンサ。
19. 【請求項１９】上記センサ手段は上記領域の端部近くに
    位置している請求項17記載の磁気弾性トルクセンサ。
20. 【請求項２０】上記センサ手段が少なくとも２個のセン
    サを備え、少なくとも１個のセンサが上記領域の各端部
    近くに位置している請求項17記載の磁気弾性トルクセン
    サ。
21. 【請求項２１】上記磁気弾性作用領域は、上記部材にト
    ルクが印加されていないとき、磁化の正味の軸方向成分
    がない円周方向の磁気配向を有している請求項１記載の
    磁気弾性トルクセンサ。
22. 【請求項２２】上記磁気弾性作用領域は、上記部材にト
    ルクが印加されたとき、円周方向及び軸方向の両方向の
    成分を含む螺旋状の磁気配向を有しており、上記磁界セ
    ンサ手段は上記磁化の軸方向成分から生じた磁界を検出
    するように配置されかつ方向付けられている請求項21記
    載の磁気弾性トルクセンサ。
23. 【請求項２３】軸方向に延びるトルク部材に印加される
    トルクを検出する方法であって、 上記部材内で単一の円周方向に成極されるとともに、上
    記部材に対してトルクを印加した後にトルクが零になっ
    たときに磁化を上記単一の円周方向に戻すよう充分な磁
    気異方性を有する第一磁気弾性作用領域を上記部材に設
    ける工程と、 上記部材にトルクを印加して磁界を発生させる工程と、 上記磁気弾性作用領域の近接位置で、上記部材に印加さ
    れたトルクの大きさの指標として磁界の大きさを検出す
    る工程とを備え、 上記部材の少なくとも上記磁気弾性作用領域は、局部的
    な磁化分布の少なくとも50％が上記単一円周方向を中心
    に対称的に配置された90度の四分円の中に存在する多結
    晶材料から形成されているとともに、上記磁気弾性作用
    領域から生じた磁界が上記磁気弾性作用領域に近接する
    部材領域を磁化することにより上記磁界センサ手段によ
    って検出される正味の磁界のトルク検出にとっての有用
    性を損なうほどの強さの寄生磁界を発生させないだけの
    充分に高い保磁力を有しているトルク検出方法。
24. 【請求項２４】上記部材に対するトルクの印加は上記磁
    気弾性作用領域に円周方向及び軸方向の両方向の磁化成
    分を含む螺旋状の磁気配向をもたらし、上記検出工程は
    上記磁化の軸方向成分から生じた磁界の検出を含む請求
    項23記載の方法。
25. 【請求項２５】上記第一の磁気弾性作用領域と軸方向に
    区分され磁気的に連続するとともに上記第一の作用領域
    の成極方向と逆の円周方向に成極された少なくとも一つ
    の磁気弾性作用領域をさらに設ける工程を含む請求項23
    記載の方法。
26. 【請求項２６】上記部材は立方対称性を有する多結晶材
    料から形成されている請求項23記載の方法。
27. 【請求項２７】上記磁気弾性作用領域の保磁力が15より
    大きい請求項23記載の方法。
28. 【請求項２８】上記検出工程は、上記磁界検出装置を少
    なくともその一部が上記磁気弾性作用領域に近接しかつ
    該領域から離間するように配置することにより行われる
    請求項23記載の方法。
29. 【請求項２９】軸方向のトルクに応じて変動する磁界を
    作るためにトルクが印加される部材を利用して、上記磁
    界の大きさを検出して印加トルクを示す出力信号を出力
    する磁気弾性トルク変換器を作る方法であって、 上記部材に第一磁気弾性作用領域を有する強磁性かつ磁
    歪性の部材を設ける工程と、 励磁磁界内の上記領域の一定の軸方向範囲に対し単一の
    円周方向の成極を行う工程とを備え、 上記領域は上記部材に対してトルクを印加した後にトル
    クが零になったときに上記領域の磁化を上記単一の円周
    方向に戻すよう充分な磁気異方性を有しており、 上記部材は、局部的な磁化分布の少なくとも50％が上記
    単一の円周方向を中心に対称的に配置された90度の四分
    円の中に存在する多結晶材料から形成されているととも
    に、上記磁気弾性作用領域から生じた磁界が上記磁気弾
    性作用領域に近接する部材領域を磁化することにより上
    記磁界センサによって検出される正味の磁界のトルク検
    出にとっての有用性を損なうほどの強さの寄生磁界を発
    生させないだけの充分に高い保磁力を有しているトルク
    検出方法。
30. 【請求項３０】上記部材は長手方向の軸を有し、上記成
    極は上記変換器を互いに逆極性の２個の磁極の近傍の励
    磁磁界にさらした状態で上記部材の軸回りに回転させる
    ことにより行われる請求項29記載の方法。