JP3958372B2 - シールド用磁束ガイドを具えた磁気弾性トルクセンサ - Google Patents

Description

発明の背景
1.発明の分野
本発明はトルク検出装置、特にトルク支持部材のねじり応力を検出する装置に関するものである。
2.関連技術の説明
トルク支持部材のねじり応力を無接触で検出するのが望ましい多くの用途がある。この検出を行う装置の一つのタイプではトルク支持部材に密着結合された磁気弾性材料と、磁気弾性材料の近くに配置された１以上の磁界検出器とを用いて材料を通過する所定の磁界の変化を検出する。これらの変化はトルク支持部材内のねじり応力を表す。
このタイプの磁気弾性トルクセンサの種々の例が提案されている。しかし、出願人の知るかぎり、どれも広く採用されていない。このような従来の磁気弾性トルクセンサの欠点が米国特許第５，５２０，０５９号に指摘されており、その内容が参考のためにここに含まれているものとする。この特許は、トルク支持部材に取り付けられ、該部材が支持するトルクの関数として変化する向きを有する磁界をそれぞれ発生する１以上の円周方向に磁気分極された磁気歪み材料のリングを用いるトルクセンサを提案している。このトルクは１以上のリングにより発生される可変磁界を検出する磁界センサ手段を用いて間接的に測定される。
この特許においては、実際の使用に際しては、トルクセンサが周囲磁界にさらされ、単一リング構成の実現が妨げられる。従って、単一リング構成は多くの場合サイズの増大をまねくシールド構造の使用、又は複雑度の著しい増大をまねくアクティブ補償方法の使用を必要とする。或いは又、トルクセンサを軸方向周囲磁界にさらす必要がある場合には、多数の反対方向に分極されたリングを用いて測定精度への悪影響を補償することも推奨される。トルクセンサ精度は半径方向の周囲磁界に比較的不感応である旨記載されている。
あいにく、実際の幾つかの用途においては、磁気弾性トルクセンサは磁気歪み材料のリングにより発生される磁界よりかなり強い周囲磁界にさらされる。一つの一般的な用途は自動車であり、自動車の用途ではトルクセンサを用いてエンジンシャフト又はステアリング部材のねじり応力を測定することができる。自動車自体の電気構成要素により発生されるタイプの強い周囲磁界及び鉄道線路と関連する電源のような自動車近傍の電源により発生されるタイプの強い周囲磁界は、シールドしなければ、米国特許５，５２０，０５９号に開示されたトルクセンサのマルチリング構成の場合でも悪影響を及ばすことが確かめられている。また、シールドを使用しても、前記特許に開示された磁界センサのどの構成も多くの一般的な環境においてトルクを有効に測定するのに十分な信号対雑音比は得られない。これは、自動車及び工業的用途において一般に経験される電磁的雑音の多い環境において特に真実である。
発明の要約
本発明の目的は、スペースの厳しい制限がある自動車のような用途に使用するために十分にコンパクトであるシールド形磁気弾性トルクンサを提供することにある。
本発明の他の目的は、十分に大きい信号対雑音比を有する電気信号を発生し、電磁的雑音の多い環境でも有効なトルク測定を可能にする磁気弾性トルクセンサを提供することにある。
本発明によるトルク支持部材の長手方向軸線を中心とするねじり応力を検出するトルクセンシング装置は磁界発生手段と、第１及び第２磁界案内手段と、磁界検出手段とを備える。これらの構成要素を、磁気弾性手段をシールドするとともに磁気弾性手段から検出手段によりピックアップされる磁気信号を最大にするよう構成配置する。これらの組合せ効果により装置の総合サイズを比較的小さく維持することができる。
磁界発生手段はトルク支持部材の各別の部分に密着結合された第１及び第２磁気弾性部分を含む。第１及び第２磁気弾性部分の各々は、軸線の周囲を取り巻いて、他方の磁気弾性部分に近い方の近接境界から他方の磁気弾性部分から遠い方の遠方境界まで延在する。これらの磁気弾性部分は互いに反対の第１及び第２の周方向に磁気的に分極されている。しかし、トルク支持部材がねじり応力を受けると、これらの磁気弾性部分がねじり応力の方向及び大きさを表す互いに反対向きの軸方向磁界成分を発生する。
第１磁界案内手段は透磁性ハウジングを備え、このハウジングは磁界発生手段の周囲を取り巻いて、第１磁気弾性部分の遠方境界において該部分に磁気的に密結合するハウジングの第１部分から第２磁気弾性部分の遠方境界において該部分に磁気的に密結合するハウジングの第２部分まで延在する。
第２磁界案内手段は磁界発生手段の周囲を取り巻いて延在するとともに第１及び第２磁気弾性部分のそれぞれの近接境界においてこれらの部分に磁気的に密結合する透磁性構造を備える。
磁界検出手段が第１磁界案内手段から第２磁界案内手段への低磁気抵抗通路に磁気的に結合され、トルク支持部材内のねじり応力を表す信号を発生する。
【図面の簡単な説明】
図１Ａ及び１Ｂは本発明による磁気弾性トルクセンシング装置の好適実施例の一部分を断面で示す正面図であり、
図２Ａ及び２Ｂは本発明による磁気弾性トルクセンシング装置に使用しうる代表的な磁界検出器の拡大正面図である。
好適実施例の説明
図１Ａは本発明トルクセンシング装置の好適実施例を示す。この実施例では、トルク支持部材は中心長手方向軸線１２を中心に印加されるトルクを有する円筒状シャフト１０の形をしている。しかし、シャフトはステンレススチール又はアルミニウムのような非透磁性材料からなるものとするのが好ましい。トルクセンシング装置は磁気弾性環状体１４と、磁界案内ハウジング１６と、磁界案内リング１８と、第１及び第２磁界検出器２０及び２２とを含む。
磁気弾性環状体１４はシャフト１０の応力支持部分に密着結合された磁気異方性材料の第１及び第２環状部分１４１及び１４２を含む。これらの環状部分の各々は長手軸線１２の中心に円周方向に向いた容易軸を有する。”密着結合”とは、これらの部分もシャフトがねじり応力を受けるようにこれらの部分をシャフト１０に十分に密着させて取り付けることを意味する。これは、例えば収縮嵌めにより、又はシャフト上に磁気異方性材料の被膜をプラズマスプレーすることにより行うことができる。環状体１４の２つの部分１４１及び１４２は別個の環状素子にすることができ、また単一の連続素子の部分として形成することもできる。いずれの場合にも、これらの部分は図１Ａに矢印で示すように軸線１２を中心に互いに反対の円周方向に磁気的に分極する。適切な異方性材料、円周方向容易軸を有するこのような材料をトルク支持部材に密着結合する方法、及びこれらの部分を互いに反対方向の円周方向に磁気的に分極する方法に関するもっと詳細な説明は前記米国特許第５，５２０，０５９号を参照されたい。
磁界案内ハウジング１６（断面で示す）は円筒状であり、変成器級スチール（例えば米国、カリフォルニア、エルカヨン所在のカーペンター テクノロジー コーポレーションから商品名ＨｙＭｕ”８０”で市販されている材料）のような高透磁性の軟磁性材料からなり、磁気弾性環状体１４をほぼ完全に取り囲む。このハウジングは両端に、ハウジングの円形端縁により限定された開口１６１及び１６２を有する。これらの円形端縁は磁気弾性環状体１４の環状部分１４１及び１４２の遠い方の境界１４１_r及び１４２_rを限定する対応する円形端縁に密接に磁気的に結合する。これらの境界は互いに近接する境界１４１_p及び１４２_pに対し遠く離れて位置する。部分１４１及び１４２が単一の連続素子の部分である場合には、境界面１４１_p及び１４２_pを連続させて構成を簡単化するのが好ましい。或いは又、これらの境界を離して別個の環状部分にすることもできる。
開口１６１、１６２の形状及びシャフト１０及び磁気弾性環状体１４の断面形状は本例では円形であり、シャフトがハウジング１６内で自由に回転しうる点に注意されたい。しかし、トルクセンシング装置を静的トルクの測定に使用する場合には、任意の形状を使用することができる。いずれの場合にも、ハウジング１６が磁気弾性材料と磁気的に密結合するように、開口と磁気弾性材料の隣接円周面を同一の形状にするとともに実際上小間隔に配置する必要がある。
磁界案内リング１８（断面で示す）はハウジング１６に使用するような高透磁性の軟磁性材料からなり、磁気弾性環状体１４の周囲を取り巻いて延在する。このリングの内面は磁気弾性環状体の外面から小間隔に位置するとともに、境界１４１_p及び１４２_pを横切って軸方向に延在して、このリングが磁気弾性材料のそれぞれの境界領域の上に横たわり、それぞれの境界領域に磁気的に密結合するようにする。
第１及び第２磁界検出器２０及び２２は磁界案内ハウジング１６から低磁気抵抗路を経て磁界案内リング１８に磁気的に結合する。これらの同一の検出器の一つ、即ち検出器２０を図２Ａに明瞭に示す。この図は検出器及び磁界案内ハウジング１６及び磁界案内リング１８の隣接部分の拡大図である。図２Ａに示すように、検出器は第１及び第２の円錐状磁束集中部分２０１及び２０２と、円筒磁心２０３、及び磁心の周囲に巻かれた第１及び第２電気端子２０５及び２０６を有するコイル２０４とを含む。コイル２０４は熱硬化性プラスチックのようなプラスチック材料のボビン２０７の周囲に巻き付ける。低磁気抵抗路は互いに接触するとともにハウジング１６及びリング１８と接触する磁束集中部分と磁心とからなる。磁束集中部分はハウジング１６及びリング１８の一体部分として形成するのが好ましい。磁心は、日本国京都所在の株式会社ユニチカから商品名ＳＥＮＳＹで市販されているアモルファスメタルファイバのような、極めて高い透磁性で軟磁性で高Ｂ−Ｈ方形比の材料からなる。
検出器２０及び２２及びリング１８はナイロンのようなプラスチック材料の成形環状位置決め部材２３により所定の位置に保持する。これらの検出器は位置決め部材に予め形成したキャビティ（図示せず）内に挿入することができ、或いは又位置決め部材をこれらの検出器の周囲にモールド成形することもできる。リング１８はリングの外径にほぼ一致する内径を有する環状位置決め部材内に単にはめ込む。組立てを更に容易にするために、ハウジング１６を例えば軸線１２を含む平面に位置する接合面を有する２つの別々の部分からなるものとすることもできる。
トルクセンシング装置の有効動作のためには一つの磁界検出器が必要とされるのみである。磁界案内ハウジング１６により与えられるシールドは外部発生周囲磁界の大部分を検出器から遠くへ案内する。更に、磁気弾性環状体１４とハウジング１６の円形端縁及びリング１８との完全な円周方向の磁気結合のために、環状体１４の磁気弾性材料又はその下のシャフト材料の任意の局部的不規則変化により生ずる対応する局部的磁束不規則変化が磁界検出器により検出される磁束の総合的な大きさに小さな影響を及ぼすだけとなる。
ハウジング１６とリング１８との間に、軸線１２の周囲に種々の角度位置に配置された複数の検出器を用いることにより、トルクセンシング装置の有効性が更に向上する。これは、一対以上の等角度配置の検出器を用い、各対の検出器を軸線１２を中心に直径方向に対向配置する場合に特に真実である。このような構成では、外部発生周囲磁界が各対の一方の検出器では磁気弾性環状体からのトルクを表す磁界を減ずるが、他方の検出器ではこれに加わる傾向がある。これにより、各対の２つの検出器からの信号を合成して外部発生周囲磁界成分を相殺することができる。
図１Ａのトルクセンシング装置の動作は図１Ａ及び１Ｂを参照することにより良く理解することができる。図１Ａはシャフト１０に何のトルクも印加されていないときに存在する状態を示す。この状態では、磁気弾性環状体１４が平衡状態にあり、第１及び第２部分１４１及び１４２内の分極磁界は長手軸線１２を中心にそれぞれの矢印で示すように円周方向に互いに反対方向に向いている。
図１Ｂはシャフト１０に軸線１２を中心にトルクが印加されたとき存在しうる２つの異なる状態を示す。トルクがシャフトのいずれか一端に時計回りに印加されると、第１及び第２部分１４１及び１４２に生ずる応力によってそれぞれの分極磁界が実線の矢印で示すらせん方向に向けられる。これらの磁界の各々はそれぞれの近接境界１４１_p及び１４２_pからそれぞれの遠方境界１４１_r及び１４２_rに向いた軸線方向成分を有する。これらの軸線方向成分はその遠方境界において環状体１４から出て、ハウジング１６を通り、次に半径方向に内方に検出器２０及び２２を通り、近接境界においてリング１８により環状体１４に戻される。逆に、トルクがシャフトのいずれか一端に反時計回りに印加されると、第１及び第２部分１４１及び１４２に生ずる応力によってそれぞれの分極磁界が破線の矢印で示すらせん方向に向けられる。これらの磁界の各々はそれぞれの遠方境界１４１_r及び１４２_rからそれぞれの近接境界１４１_p及び１４２_pに向いた軸線方向成分を有する。これらの軸線方向成分はその近接境界において環状体１４から出て、リング１８を通り、次に半径方向に外方に検出器２０及び２２を通り、遠方境界においてハウジング１６により環状体１４に戻される。
図１Ａ及び１Ｂに示すコイル型の検出器２０及び２２は磁気弾性環状体１４からこれらの検出器を通過する軸方向磁界成分を受動的に検出し得ない点に注意されたい。しかし、これらの磁界成分は磁束ゲート磁力計に使用されているような公知の技術に従ってコイルをアクティブに附勢することにより検出することができる。これは、例えば交流信号をコイルに流すことにより行うことができる。磁気弾性環状体１４からの瞬時軸方向磁界成分はコイルにより発生される磁界を交互に増減し、印加交流信号の位相シフトとして検出することができる。
図２Ｂは磁気弾性環状体１４内の軸方向磁界成分の方向及び大きさを受動的に測定するためにコイル型の検出器の代わりに使用する半導体検出器を示す。この検出器２４はホール効果デバイス又はジャイアント磁気抵抗デバイスであり、どちらのデバイスもデバイス内の予め決められた磁路に沿って流れるいずれの方向の磁界も検出することができる。この磁路は図２Ｂに示すように円錐状の磁束集中部２４３及び２４４間に配置する。このデバイスは磁気弾性環状体１４が受けたねじり応力の瞬時方向及び大きさを表す変化するＤＣ信号を電気端子２４３及び２４４に発生する。

Claims (7)

1. トルク支持部材の長手方向軸線を中心とするねじり応力を検出するトルクセンシング装置であって、当該装置は、
   (a)トルク支持部材の各別の部分に密着結合された第１及び第２磁気弾性部分を備える磁界発生手段であって、前記第１及び第２磁気弾性部分の各々は前記軸線の周囲を取り巻いて、他方の磁気弾性部分に近い方の近接境界から他方の磁気弾性部分から遠い方の遠方境界まで延在し、
   前記第１及び第２磁気弾性部分は前記トルク支持部材がねじり応力を受けない第１の状態とトルク支持部材がねじり応力を受ける第２の状態を有し、
   前記第１の状態では、前記第１及び第２磁気弾性部分はそれぞれ互いに反対の第１及び第２の周方向に磁気的に分極され、
   前記第２の状態では、前記第１及び第２磁気弾性部分が前記ねじり応力の方向及び大きさを表すそれぞれ互いに反対向きの軸方向磁界成分を発生する磁界発生手段と、
   (b)前記磁界発生手段の周囲を取り巻いて、前記第１磁気弾性部分の遠方境界において該部分に磁気的に密結合するハウジングの第１部分から前記第２磁気弾性部分の遠方境界において該部分に磁気的に密結合するハウジングの第２部分まで延在する透磁性ハウジングを備える第１磁界案内手段と、
   (c)前記磁界発生手段の周囲を取り巻いて延在するとともに前記第１及び第２磁気弾性部分のそれぞれの近接境界においてこれらの部分に磁気的に密結合する透磁性部材を備える第２磁界案内手段と、
   (d)第１磁界案内手段から第２磁界案内手段への低磁気抵抗通路に磁気的に結合され、前記ねじり応力を表す信号を発生する磁界検出手段と、
   を備えたことを特徴とするトルクセンシング装置。
2. 前記磁気弾性部分の各々は前記長手方向軸線を中心とする周方向に磁化容易軸を有する異方性材料からなることを特徴とする請求項１記載のトルクセンシング装置。
3. 前記第１及び第２磁気弾性部分は相まって環状体を構成し、
   前記第１磁界案内手段はほぼ円筒状であり、
   前記第２磁界案内手段は透磁性リングであることを特徴とする請求項１又は２記載のトルクセンシング装置。
4. 前記第１及び第２磁気弾性部分はトルク支持部材に一体に取り付けられていることを特徴とする請求項１−３の何れかに記載のトルクセンシング装置。
5. 前記磁界検出手段は、前記第１磁界案内手段から第２磁界案内手段への各別の低磁気抵抗通路に磁気的に結合された第１及び第２磁界検出器を備えることを特徴とする請求項１−４の何れかに記載のトルクセンシング装置。
6. 前記第１及び第２検出器は長手軸線に対し直径方向に対向する位置に配置されていることを特徴とする請求項５記載のトルクセンシング装置。
7. 前記透磁性部材はハウジング内に配置されていることを特徴とする請求項１−６の何れかに記載のトルクセンシング装置。

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