JP3894959B2 - 一体型磁気弾性変換器を形成する方法 - Google Patents

Description

発明の背景
１．発明の分野
本発明は、トルク検出に関し、特に、ある部材内の捩り応力を測定するための変換器を形成する方法に関する。
２．関連技術の説明
トルク伝達部材に接触せずにその部材の捩り応力を検出するのが望ましい用途は多くある。こうして検出する装置の１つのタイプは、トルク伝達部材に密接に接合されている磁気弾性材料と、この磁気弾性材料に近接して配置されている１つまたは複数の磁界検出器であって、この材料を通る予め決められた磁界の変化を検出する検出器とを備えている。こうした変化は、トルク伝達部材内の捩り応力を表すものである。
これまで、このタイプの磁気弾性トルク検出器については、多くの変形が提案されてきた。
しかし、出願人が知る限り、どの変形も広く採用されなかった。
こうした先行技術の磁気弾性トルク検出器は失敗であるという主張は、米国特許第５，５２０，０５９号明細書に記載されており、この特許明細書は、ここに引用することにより本明細書に包含する。この特許明細書には、磁気歪材料の円周上に極性化されたリングの形の１つまたは複数のトルク変換器を使用するトルク検出器が提案されている。これらのリングはトルク伝達部材に取り付けられ、各々、部材が伝達するトルクの関数として変化する方向を有する磁界を生成する。このトルクは、１つまたは複数のリングが生成する可変の磁界を検出する磁界検出器手段を使用して間接的に測定される。
１９９６年１２月４日に出願された米国特許出願第０８／７６８，７３９号明細書（引用することにより本明細書に包含する）には、トルク検出能力を改善するために小型のシールドおよび磁束案内構造を備える磁気弾性トルク検出器が記載されている。こうした構造は、トルク検出器が、磁気弾性材料の公知のトルク変換リングによって生成される磁界より著しく強い可能性がある強力な周囲磁界にさらされている環境で特に有用である。
にも関わらず、より強力な磁界を生成する磁気弾性変換器を提供することがさらに望ましい。また、捩り応力を検出すべき部材に焼嵌めされる磁気弾性リングに関連した問題を避けることも望ましい。焼嵌めリングは、部材に取り付けることが難しく、大きい内部応力を本質的に有し、砕けやすい傾向があり、自動車および工業分野などの粗雑な使用に十分には適さない。
発明の開示
本発明の目的は、増大された磁界強度を有する磁気弾性トルク変換器を提供することである。
本発明のもう１つの目的は、捩り応力が検出される部材に一体結合され、粗雑な使用に十分に適するトルク変換器を提供することである。
本発明により、長手方向軸線を有する部材上に、内部保有磁界を生成する磁気弾性変換器が形成され、ここでこの磁界は、部材が静止状態にあるときに軸線の周囲に円周方向に配向されているが、軸線周囲で部材に実質的な捩り応力が加わったときに円周方向の配向から歪みかつこの応力を表す測定可能な外部磁界成分を生成する。この変換器は、軸線を囲む部材の表面領域に、磁気歪材料のキューリー温度を超える温度にある該磁気ひずみ材料から実質的に成る円周状のコーティングを被着することにより形成される。これは、磁気歪材料内に磁区を自由に形成することを容易にする。次に、このコーティングは、磁気歪材料のキューリー温度未満の温度まで冷却させる。コーティングの円周方向の幾何学的形状により、磁区は円周方向に優先的に生じる。各々の磁区は、２つの対向する円周方向の１つの配向されることになる。磁界がコーティングに加えられ、２つの円周方向の所望の一方における磁区を極性化する。磁界は、少なくとも、コーティング温度がキューリー温度未満にある間加えられる。本発明の好適な実施例では、磁界の極性化は、コーティングを施している間にも行われる。
【図面の簡単な説明】
図１Ａおよび図１Ｂは、本発明に従って製造されるトルク変換器を使用するトルク検出装置の好適な実施例の部分断面正面図である。
図２Ａおよび図２Ｂは、本発明に従ってトルク変換器を製造する方法を示す。
図３は、図２Ｂに示した磁化装置を詳細に示す。
好適な実施例の説明
図１Ａは、本発明に従って製造される変換器を有するトルク検出装置の好適な実施例を示す。この具体的な実施例では、トルク伝達部材は、中心の長手方向軸線１２の周囲にトルクが加わる円筒シャフト１０の形態である。このシャフトは、ステンレス鋼またはアルミニウムなど、非導磁性材料から形成することが好ましい。トルク検出装置は、環体１４の形態の磁気弾性変換器と、磁界案内ハウジング１６と、磁界案内リング１８と、第１および第２磁界検出器２０および２２とをそれぞれ備える。検出器２０および２２並びにリング１８は、ナイロンなどの可塑性材料の成形された環状の位置決め部材２３により所定の位置に保持される。
磁気弾性環体１４は、シャフト１０の応力伝達部分に密接に接合されている磁気異方性材料の第１および第２環状部分１４１および１４２を備えている。これらの環状部分では各々、緩やかな軸線（easy axes）が長手方向軸線１２の周囲の円周方向に配向されている。「密接な接合」という用語は、これらの部分が十分に密接にシャフト１０に取り付けられていて、シャフト１０により伝達される捩り応力を受けることができるを意味する。環体１４の２つの部分１４１および１４２は、別個の環状要素でも良いし、または単一構成の要素の部分として形成しても良い。何れの場合にも、これらの部分は、図１Ａに矢印で示すように、軸線１２の周囲の対向する円周方向で磁気的に極性化される。磁気弾性環体１４の円形縁部は、各々環状部分１４１および１４２の離れている方の境界１４１_ｒおよび１４２_ｒを画定している。これらの境界は、互いに近接する境界１４１_ｐおよび１４２_ｐに対してそれぞれ離れている。部分１４１および１４２が単一構成要素の部分である場合、境界１４１_ｐおよび１４２_ｐは、構造を単純にするために連続していることが好ましい。あるいは、これらの境界は、別個の環状部分を形成するように離間配置しても良い。
図２Ａおよび図２Ｂは、シャフト部材１０の応力伝達部分上に磁気弾性環体１４を形成する好適な方法を示す。図２Ａに示すように、磁気歪材料Ｍは、噴霧装置のノズルＮからシャフト１０上に噴霧される。材料Ｍは、そのキューリー温度を超える温度でシャフトに塗布される。これは、たとえば熱噴霧または冷間噴霧工程により行うことができる。熱噴霧工程を使用する場合、材料Ｍは、可塑性状態になる温度まで予め加熱してからノズルＮに圧入する。冷間噴霧工程を使用する場合、材料Ｍの固体粒子は、粒子の融解温度より著しく低い温度でガスの超音波ジェットにより加速される。このような形式のいずれかの噴霧によって、粒子は、シャフトに衝突した後、キューリー温度を超える温度まで瞬時に加熱される。
磁気歪材料Ｍを噴霧する際、ノズルＮは軸線方向のｘ方向に移動し、シャフト１０は軸線１２の周囲で回転する。シャフトの回転速度に対するノズルの軸線方向の速度が、環体１４を形成するコーティングの厚さを決定する。あるいは、シャフトを所定の位置に保持してノズルを軸線方向に移動させ、材料のラインがシャフト上にデポジットされる都度、隣接する軸線方向に位置に指向される。
図２Ａにさらに示すように、シャフト１０は中空の電気導体Ｃの周囲に同軸状に配置することが好ましい。これは、コーティング１４内の磁気領域を円周上で極性化する単純かつ効果的な方法である。シャフトを回転させる１つの方法は、シャフトを保持するベルト駆動チャックを使用することである。導体Ｃは、透磁率が低い銅などの導電性材料から成る管材である。中空の導体Ｃは、軸線方向に離れている点Ｔ１およびＴ２で電流Ｉの源Ａに電気的に接続されている。導体Ｃに直流を通すことにより、円周上の磁界が導体周囲に生成される。シャフト１０および導体Ｃの材料に比べてコーティング材料の透磁率が高いため、円周上の磁界はコーティング１４内に集中する。導体Ｃは中空なので、冷却液が導体を通過して、高電流を使用することができる。あるいは、部材１４が中実であるか、または管を収納するのに十分な中空の内部がなく、良好な電気導体である場合、電流が部材１４を介して直接通すようにすることができる。
コーティング１４を円周上で極性化するには、噴霧が完了してコーティングが磁気歪材料Ｍのキューリー温度未満に冷却した後、導体Ｃに直流を通す。噴霧工程でも導体Ｃに直流を通すと有利である。電流Ｉを矢印で示した方向に使用することにより、コーティング１４は周囲の円周方向の磁界を通して噴霧され、コーティング上に矢印で示した方向に磁気的に極性付けられる（磁極化される）。
以下は、上述したように、水冷内部銅管を使って中空のシャフト上に形成される円周方向に極性化される磁気弾性変換器のコーティングのいくつかの具体的なデータである：
熱噴霧ガン＝ニューハンプシャー州、コンコードのTＡfＡ，Inc.が市販しているモデル５２２０
粒子速度＝３０００〜３４００×０．３０４８０ｍ（＝３０００〜３４００ｆｔ）／ｓ
Ｍ＝ニューハンプシャー州、コンコードのTＡfＡ，Inc.が市販している＃１１６６Ｆニッケル粉末
キューリー温度＝３６０℃
Ｘ方向におけるノズルＮの軸線方向速度＝１２０×２５．４ｍｍ（＝１２０ｉｎｃｈｅｓ）／ｍｉｎ
シャフトのｍｉｎ−１＝６００
コーティング１４の厚さ＝０．００１０×２５．４ｍｍ（＝０．００１０ｉｎｃｈｅｓ）
噴霧時に管Ｃを通る電流Ｉ＝直流５００Ａ
冷却後に管を通る電流Ｉ＝直流５００Ａ／２ｍｉｎ
図２Ｂは、コーティング１４（または各々境界１４１_ｐおよび１４２_ｐにおいて隣接する第１および第２の別個のコーティング）を磁化して、環状部分１４１および１４２を形成する別の方法を示す。これらの部分は、個々の部分に矢印で示す軸線１２の周囲の対向する円周方向に磁極化されている。これらの部分の反対方向の磁化は、第１および第２の磁束案内磁化装置Ｆ１およびＦ２を使用して実現される、これらの磁化装置の１つを拡大してさらに詳しく図３に示す。
これらの磁化装置は各々、端面図で、開放端部を有するほぼ台形の形状に曲げられた高透磁性材料のプレートを備えている。この開放端部は、磁化装置により生成された磁界が磁気弾性コーティング１４に結合される空隙ｇを形成する。磁界は、源Ａから直流を供給される巻線Ｗを介して磁化装置内に発生される。磁化装置Ｆ１およびＦ２の巻線には、互いに反対方向に流れる個々の直流が供給され、図２Ｂに矢印で示す反対極性の磁界を確立する。第１および第２環状部分１４１および１４２の円周上の磁化は、磁化装置Ｆ１およびＦ２の空隙ｇをこれらの環状部分に近接して配置して、軸線１２の周囲でシャフト１０を回転させて実現される。
図１Ａのトルク検出装置の動作は、図１Ａおよび図１Ｂを一緒に参照するとより良く理解することができる。図１Ａは、シャフト１０にトルクが加わらない場合の状況を示す。この状況では、磁気弾性環体１４は平衡状態にあり、第１および第２環状部分１４１および１４２で極性化された磁界は、長手方向軸線１２の周囲で円周方向に、しかし逆に、個々の矢印で示す方向に配向されている。
図１Ｂは、トルクがシャフト１０の軸線１２の周囲に加わり、その結果、磁気弾性環体１４に捩り応力が加わる２つの異なる状態を示す。トルクが時計方向にシャフトの両端に加わる場合、第１および第２環状部分１４１および１４２に結果として生じる応力により、極性化された個々の磁界は、実線の矢印で示す方向に螺旋状に配向される。これらの磁界は各々、近接境界１４１_ｐおよび１４２_ｐのそれぞれから遠隔境界１４１_ｒおよび１４２_ｒのそれぞれに向く軸線方向の成分を有する。これらの軸線方向成分は、遠隔の境界における環体１４からハウジング１６を介して半径方向で内側の検出器２０および２２に結合され、リング１８により近接する境における環体に逆結合される。逆に、トルクが反時計方向にシャフトの両端に加わる場合、第１および第２の環状部分１４１および１４２に結果として生じる応力により、極性化された個々の磁界は、破線の矢印で示す方向に螺旋状に配向される。これらの磁界は各々、遠隔の境界１４１_ｒおよび１４２_ｒのそれぞれから近接の境界１４１_ｐおよび１４２_ｐのそれぞれに向く軸線方向成分を有する。これらの軸線方向成分は、近接境界の環体１４からリング１８を介して半径方向外側に向かって検出器２０および２２に結合され、ハウジング１６により遠隔境界で環体に逆結合される。

Claims (30)

1. 長手方向軸線を有する部材上に、内部保有磁界を生成する磁気弾性変換器を形成する方法であって、前記磁界は、前記部材が静止状態にあるときに該軸線の周囲に円周方向に配向されているが、前記軸線周囲で前記部材に実質的な捩り応力が加わったときに前記円周方向の向きから歪みかつ該応力を表す測定可能な外部磁界成分を生成する形式の方法において、
   ａ．前記軸線を囲む前記部材の表面領域に、磁気歪材料のキューリー温度を超える温度にある該磁気歪み材料から実質的に成る円周状のコーティングを被着するステップと、
   ｂ．前記コーティングを前記キューリー温度未満の温度まで冷却させるステップと、
   ｃ．少なくとも、前記コーティング温度が前記キューリー温度未満である間、前記コーティングに磁界を加えて、前記軸線周囲の予め決められた円周方向において前記コーティングを磁極化するステップと、
   を含む方法。
2. 前記磁気歪材料がニッケルから成る、請求項１記載の方法。
3. 前記コーティングを、前記磁気歪材料のキューリー温度を超える温度で前記材料をデポジットさせて前記部材上に形成する、請求項１記載の方法。
4. 前記コーティングを噴霧工程により前記部材上に形成する、請求項１記載の方法。
5. 前記コーティングを熱噴霧工程により前記部材上に形成する、請求項４記載の方法。
6. 前記コーティングを冷間噴霧工程により前記部材上に形成する、請求項５記載の方法。
7. 前記噴霧工程を、少なくとも前記コーティングが形成される空間において、前記軸線を円周上で囲む磁界を介して前記磁気歪材料を噴霧することによって行う、請求項４記載の方法。
8. 前記コーティングが、少なくとも前記コーティングが占有する空間において、前記軸線を円周状に取り囲む磁界を生成することによって磁極化する、請求項１記載の方法。
9. 前記部材がシャフトから成る、請求項１記載の方法。
10. 前記コーティングの軸線方向に延在する第１および第２部分を、前記軸線の回りで反対の第１および第２の円周方向において磁極化する、請求項１記載の方法。
11. 長手方向軸線を有する部材上に、各部分が内部保有磁界を生成する第１および第２磁気弾性変換器部分を形成する方法であって、前記磁界は、前記部材が静止状態にあるときに前記軸線周囲に円周方向に配向されているが、前記軸線周囲で前記部材に実質的な捩り応力が加わったときに前記円周方向の配向から歪みかつ前記応力を表す測定可能な外部磁界成分を生成する形成式の方法において、
    ａ．前記部材に、前記軸線を囲む第１および第２表面領域において、磁気歪材料のキューリー温度を超える温度にある該磁気歪み材料から実質的に成っているそれぞれ第１および第２の円周状のコーティングを被着するステップと、
    ｂ．前記第１および第２コーティングを前記キューリー温度未満の温度まで冷却させるステップと、
    ｃ．少なくとも前記コーティング温度が前記キューリー温度未満である間、前記第１および第２コーティングにそれぞれ磁界を加えて、前記コーティングを前記軸線周囲にそれぞれ反対の第１および第２の円周方向において磁極化するステップと、
    を含む方法。
12. 前記第１および第２コーティングが連続して形成する、請求項１１記載の方法。
13. 前記磁気歪材料がニッケルから成る、請求項１１記載の方法。
14. 前記コーティングを、前記磁気歪材料のキューリー温度を超える温度で前記材料をデポジットさせて前記部材上に形成する、請求項１１記載の方法。
15. 前記コーティングを、噴霧工程により前記部材上に形成する、請求項１１記載の方法。
16. 前記コーティングを、熱噴霧工程により前記部材上に形成する、請求項１５記載の方法。
17. 前記コーティングを、冷間噴霧工程により前記部材上に形成する、請求項１５記載の方法。
18. 前記噴霧工程を、少なくとも前記コーティングが形成される空間において、前記軸線を円周状に取り囲む磁界を介して前記磁気歪材料を噴霧することによって行なう、請求項１５記載の方法。
19. 前記コーティングを、少なくとも前記コーティングが占有する空間において、軸線を円周状に取り囲む磁界を生成することによって磁極化する、請求項１１記載の方法。
20. 前記部材がシャフトから成る、請求項１１記載の方法。
21. 長手方向軸線を有する部材上に、各部分が個々の内部保有磁界を生成する第１および第２磁気弾性変換器部分を形成する方法であって、前記磁界は、前記部材が静止状態にあるときに前記軸線の周囲に円周方向に配向されているが、前記軸線の周囲に前記部材に実質的な捩り応力が加わったときに前記円周方向の配向から歪みかつ前記応力を表す測定可能な外部磁界成分を生成する形式の方法において、
    ａ．前記軸線を囲む前記部材の表面領域に、磁気歪材料のキューリー温度を超える温度である該磁気ひずみ材料から実質的に成る円周状のコーティングを被着するステップと、
    ｂ．前記コーティングを前記キューリー温度未満の温度まで冷却させるステップと、
    ｃ．少なくとも前記コーティング温度が前記キューリー温度未満である間、前記コーティングの軸線方向に隣接する第１および第２部分にそれぞれ第１および第２の磁界を加えて、前記第１および第２部分を、前記軸線の周囲のそれぞれ反対の第１および第２の円周方向において磁極化するステップと、
    を含む方法。
22. 前記第１および第２コーティングを連続して形成する、請求項２１記載の方法。
23. 前記磁気歪材料がニッケルから成る、請求項２１記載の方法。
24. 前記コーティングを、前記材料のキューリー温度を超える温度で前記磁気歪材料をデポジットすることによって前記部材上に形成する、請求項２１記載の方法。
25. 前記コーティングを噴霧工程により前記部材上に形成する、請求項２１記載の方法。
26. 前記コーティングを熱噴霧工程により前記部材上に形成する、請求項２５記載の方法。
27. 前記コーティングを冷間噴霧工程により前記部材上に形成する、請求項２５記載の方法。
28. 前記噴霧工程を、少なくとも前記コーティングが形成される空間において、前記軸線を円周状に取り囲む磁界を介して磁気歪材料を噴霧することによって行なう、請求項２５記載の方法。
29. 前記コーティングを、少なくとも前記コーティングが占有する空間において、前記軸線を円周状に取り囲む磁界を生成するこによって磁極化する、請求項２１記載の方法。
30. 前記部材がシャフトから成る、請求項２１記載の方法。

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