JP3868495B2 - トルクトランスデューサ - Google Patents

Description

技術分野
軸を介して伝えられるトルクを測定する必要性は、複数個の異なるプロセス及び目的を監視し、且つ、制御することの双方に対して存在する。負荷の駆動源が電気モーターからなる場合、負荷に伝えられる駆動軸のトルクのより直接的な測定の必要性が、このような関係において、存在するかも知れないけれども、通常、関連したトルクは、モーターに供給される動力即ちパワーを介して間接的に得ることができる。別の応用例では、例えば、駆動源が内燃機関の場合、他の方法を用いて測定を行うことが必要とされている。例えば、自動車工業界では、クランク軸を介して駆動車輪に伝えられるトルクと、ステアリングコラムを介してステアリング装置に伝えられるトルクとの双方のトルク測定に対する必要性が長年にわたって存在していた。
本発明によるトルクトランスデューサは、磁気弾性非接触式トルクトランスデューサのカテゴリーに関する。
背景技術、問題点
一般に、トルクを受ける円形円筒状の軸は純粋な剪断軸応力により影響を受ける。この応力状態は、それの主要な応力によって、圧縮応力と、それの大きさの、それに対して直角に向けられた引張応力として表現することができる。主要な応力の方向はシリンダ面に対する直線母線に対して±４５°で傾けられている。
これを利用した、最も普通に用いられているトルク測定は、軸の測定範囲内で、回転対称をなす均質な磁化するフィールド、即ち、Ｈ−フィールドが囲繞する静的励磁用巻線の助けにより作り出されるように設計されている。この結果として、負荷されていない状態で軸において等しい均質な磁束密度となり、即ち、Ｂ−フィールドとなる。軸が負荷される際、Ｂ−フィールドのフィールドの形態は乱され、それは検出巻線の助けにより検出することができる。
上述した方法に基づくトルクトランスデューサの構造的設計に関して当業界の状態は多数の特許明細書及び技術文献に開示されている。これらの解決策の多くに共通していることは、ある形式の異方性を備えた２つの区域が磁気材料に作り出されることであり、それにより、磁束密度が、トランスデューサ軸のシリンダ面に対する直線母線に平行な自然な方向から遠去かる角度で偏向されてしまう。
当技術分野の状態によれば、磁化及び検出回路を設計し、また、上述した異方性を達成する複数個の異なるやり方が存在し、それらのいくつかを以下に記載する。
ソビエト連邦特許第６６７，９３６号は、特定のパターンに従って軸の表面に溝を切断することにより、各区域に、純粋に幾何学的に異方性を作り出す方法を記載している。このパターンは、直線母線に対して４５°の角度でトランスデューサ軸のシリンダ面に向けられた多数の相互に平行なラインからなっている。
米国特許第４，８２３，６２０号は、幾何学的異方性に関して上述したことと同じ実施例を記載している。しかしながら、トランスデューサでのヒステリシスを低減させる目的で、軸の表面を硬化し、あるいは、浸炭させることが加えられている。
軸のトルクを測定するための別の磁気弾性方法は欧州特許第０，５２５，５５１Ａ２号から明かである。トルクを測定するべき軸は円形に分極された磁気リングを備えており、該磁気リングは軸上に収縮させられ、あるいは接着されている。軸に負荷が掛かる際、リングも歪められる。このことは、周方向の磁化が周方向成分及び軸線方向成分の双方を備えた螺旋の向きに変えられることを意味している。
軸に相対して自由に装架され、またホール素子が軸線方向成分だけを検知するよう向けられた該ホール素子によって、軸に生ずるトルクの測定は得られる。
上記方法の双方にはある種の制限及び問題が必然的に伴う。最初に述べた方法は完全な回転対称を前提としており、また軸は所望の異方性を達成するために作動しなければならない。上述した第２の方法によるホール素子を用いた場合にもいくつかの欠点が必然的に伴う。一方で、ホール素子はリングの周囲に沿った一点だけでフィールドを測定している。トランスデューサ軸が回転すると、従って円形に分極された磁気リングも回転すると、ホール素子からの出力信号は、リングの磁界が完全な対称を有していなければ、変化してしまう。別の欠点は、ホール素子が非常に小さな信号レベルを有していることである。これにより、信号を電気的干渉に敏感にさせてしまう。加えて、ホール素子は不必要でない温度のドリフト、即ちふらつきを有してしまう。
発明の要約
本発明は、トルクを測定すべきである軸、即ちトランスデューサ軸に取り付けられている円形に分極された磁気リングを用いた最後に述べた方法の改良である。本発明により、ホール素子での関連したトルクの感知における上述した欠点を除去するのを可能にする。
本発明によれば、円形に分極されたリングは筒状シェルにより同心円的に、且つ自由に囲繞させられる。トランスデューサ軸の負荷されていない状態においては、リングからの周辺磁界はシェルにおけるなんらの軸線方向磁界も生じさせない。シェルは極めて透過性の、そして非線形の強磁性材料で設計されている。
シェルは励磁巻線を備えるべきであり、また、そのシェルには正弦状の交流が供給される。この電流の周波数は、トランスデューサが測定しようと意図している一番早いトルク変化の優れた測定を可能にするよう選定されるべきであり、一方、同時に、発生された時変磁界がシェルに浸入するのを、充分な範囲、阻止しないよう渦電流に対して選定されるべきである。
負荷されていない状態において、即ち円形に分極されたリングにより生じせしめられるシェルにおける静的軸線方向磁界が存在しない場合、非線形の磁化曲線での対称のために、時変Ｈ−フィールドはシェルに軸線方向時変Ｂ−フィールドを引き起こし、該軸線方向時変Ｂ−フィールドは、供給電流の周波数に対して奇数調波を含んでいるだけである。トランスデューサ軸にトルクが負荷される際、円形に分極されたリングからの重畳された静的軸線方向磁界はシェルにおいて加えられる。この結果、磁気対称が破られ、Ｂ−フィールドでの均一な調波の発生にも導かれる。
これらＢ−フィールドでの均一な調波の発生は、励磁する巻線に平行に巻かれた検出用巻線に誘導される電圧として検出することができ、あるいは、それらは供給電流を駆動する電圧に重畳される電圧として検出することができる。
均一な調波を備えた電圧を検出するための検出器は、これら均一な調波の内容の測度即ち標準に対応する信号を供給するようにされている。次いで、この信号は制御器に接続され、該制御器は均一な調波の内容に比例する直流を発生させる。該直流は供給電流に重畳することができるか、あるいは、それは別個の巻線内で作用することが許されるかのいずれかである。直流は、円形に分極されたリングから軸線方向静的磁界に反作用するよう向けられていて検出器ではそれ以上何等の均一な調波も検出されない。
このことは、円形に分極されたリングから起磁力を除去するために必要とされる電流を、トランスデューサ軸で現在生じているトルクの標準として用いることができることを意味している。位相感知式検出器を用いることにより、トルクの方向に付いての情報も得ることができる。
【図面の簡単な説明】
図１は、本発明によるトルクトランスデューサの好適実施例を示している。
図２及び図３は、トルクトランスデューサの代替実施例を示している。
発明の要約、利点
発明の要約のところに示されているごとく、多数の多かれ少なければ同等の実施例が存在する。好適実施例は図１に示されている。
伝えられるトルクを測定しようとするトランスデューサ軸は断面に１で示されている。円形に分極された磁気リングも断面に２で示されている。該トランスデューサ軸及び該リングと同心円をなして、シェル３が示されており、該シェル３は、円形に分極された磁気リングから生じる軸線方向の静止した磁界が発生している筒状シェルであって、上記に従って、極めて透過性の、そして非線形の強磁性材料から作られる予定になっている。このシェルには巻線４が巻き付けられており、該巻線４には上述したごとく適宜の周波数の交流が供給される予定になっていてシェルを磁化し、それに時変の軸線方向フィールドを発生させている。軸に負荷を課す際、巻線に生ずる、供給周波数の均一な調波を備えたこれら電圧の内容は位相感知式検出器５の助けにより測定される。該位相感知式検出器が検出する信号は、前記巻線に接続された信号に比例し、該位相感知式検出器は均一な調波を備えた検出電圧の内容に対応する信号を発生させる。この信号は制御器６に接続され、該制御器６は直流を移送するようにされており、該直流は同じ巻線４に供給されるとともに、方向に関して、円形に分極されたリングからの静的軸線方向フィールドに反作用するようになっており、該静的軸線方向フィールドは、トランスデューサ軸がトルクでもって負荷される際に生じ、また大きさに関して、静的軸線方向フィールドを実際に除去する。このように、問題のトルクは、直流により横切る分極された機器７上で、較正により読むことができる。
図２は代替実施例を示しており、該代替実施例において、図１に関連した違いは、発生された直流が別個の巻線８に供給されることだけである。
図３は別の実施例を示しており、該別の実施例では、均一な調波が個々の検出巻線９により検出され、また、発生された直流が別個の巻線８に供給されるようになっている。
記載された実施例の更なる組み合わせは本発明の範囲内である。

Claims (5)

1. 円形に分極された磁気リング（２）を周囲に固定させたトランスデューサ軸（１）を有するトルクトランスデューサにおいて、前記円形に分極された磁気リングは、前記軸に関連して自由に配備されており、かつ前記トランスデューサ軸にトルクが負荷される際、円形に分極された磁気リングから生じる軸線方向の静止した磁界が発生している筒状シェル（３）により同心円的に囲繞されていること、前記シェルは該シェルの軸線方向時変磁化のための所与の周波数の交流を供給されている少なくとも１つの巻線（４、８、９）を備えていること、前記巻線に誘導された、前記所与の磁化電流の周波数の規則正しい調波の電圧の内容に対応する信号を検出し、かつ供給する位相感知式検出器（５）を備えていること、前記信号は、前記巻線の信号に比例する直流を供給するための制御器（６）に伝えられ、該制御器は、前記軸にトルクを負荷する際に生ずる静的軸線方向フィールドに反作用するような極性の直流を供給すること、該直流で前記軸に負荷される前記トルクを測定することを特徴とするトルクトランスデューサ。
2. 請求項１記載のトルクトランスデューサにおいて、前記筒状のシェルは、高度に透過性の、そして非線形の強磁性材料で設計されていることを特徴とするトルクトランスデューサ。
3. 請求項１記載のトルクトランスデューサにおいて、前記シェルは、該シェルの軸線方向に時変磁化させるために、該時変磁化の周波数の均一な調波を備えた誘導電圧を感知するために、また前記トルク負荷の結果として生ずる前記シェルの静的軸線方向フィールドの逆の方向に向けられているフィールドを達成するために意図された巻線（４）を備えていることを特徴とするトルクトランスデューサ。
4. 請求項１記載のトルクトランスデューサにおいて、前記シェルは、該シェルの軸線方向に時変磁化させるため、また該時変磁化の周波数の均一な調波を備えた誘導電圧を感知するために意図された巻線（４）と、トルク負荷の結果として生じる前記シェルの静的軸線方向フィールドの反対方向に向けられたフィールドを達成するための巻線（８）を備えていることを特徴とするトルクトランスデューサ。
5. 請求項１記載のトルクトランスデューサにおいて、前記シェルは、該シェルの軸線方向時変磁化に意図された巻線（４）と、該時変磁化の周波数の均一な調波を備えた誘導電圧を感知するための巻線（９）と、前記トルク負荷の結果として生ずる前記シェルの静的軸線方向フィールドの逆方向に向けられたフィールドを達成するための巻線（８）とを備えていることを特徴とするトルクトランスデューサ。

Images