JP4357841B2 - 磁気弾性トルクセンサー - Google Patents

Description

本発明は、磁気的軸構造体に加えられる磁気センサーに関し、さらに特化して、回転軸に加えられるトルクを測定するための非接触型の磁気弾性トルク変換器に関する。

トルクの測定は、一般的に、回転駆動軸を利用したシステムにおいて主として考慮されるものである。回転軸に与えられるトルクを、正確に、高い信頼性で、低廉な方法で決定することは、基本的な目標である。例えば、トルクを決定することは、現代の自動車の、操舵倍力システムでは、重要なことである。そのようなシステムでは、電気モーターが、運転者が操舵ハンドルに加えるトルクに応じて、自動車の操舵システムを補助する。操舵倍力システムには進歩が見られるが、過酷な環境と動作条件の下で、連続した期間、連続的なトルクを測定することができる、低廉なトルク検知機器に対する切実な要求が依然として存在する。

従来技術のトルク測定は、軸に直接付けられた接触型のセンサーを用いることで行われてきた。そのようなセンサーの一つに、“ひずみ計”タイプのトルク検出装置があり、それは、一つあるいは二つ以上の歪み計が、軸の外周表面に直接取り付けられて、歪みによる抵抗の変化を、ブリッジ回路あるいは他の既知の方法で測定する。しかし、そのような接触型のセンサーは、回転する軸に直接接触するために、比較的不安定であり、信頼性に欠ける。加えて、高価であり、従って、乗り物の操舵システムで他と競って使用するには、商業的に実用的ではない。

Garshelis 他による２０００年１０月１４日の特許文献１は、ここに参考のために組み入れるが、磁気弾性トルクセンサーについて記載しており、磁気歪みのある、強磁性の物質に、残留性の外周磁化の軸領域が与えられる。そのような軸にトルクを与えることで、磁化された領域内に剪断応力を生じ、軸の外へ延びる正味の軸の磁気成分によって、磁化の方向が外周から螺旋へと移動する。軸の磁場は、与えられたトルクに比例し、周囲の熱による経時的な効果から大きく独立している。

Sobel による２０００年１０月１０日の特許文献２は、ここに参考のために組み入れるが、極性を与えられた磁気リングを持ったトルクセンサーについて記載している。軸にトルクが与えられると、極性の与えられたリングは、中心線の静的な磁場を生成する。非直線的な磁気物質の帯が、極性の与えられたリングを囲む。磁場に固定された、一つあるいは二つ以上のソレノイド巻きコイルが、非直線的な磁場を定期的に磁気的に飽和させるように、十分な振幅の交流を与えられた軸を囲む。軸からの磁場は、コイルからの周期的な磁場の上に重ねられ、飽和した帯の内に非対称を作り出す。磁場の飽和による、コイルのインダクタンスの変化によって、電圧が、コイル内に誘導される。コイル巻き線に接続される位相弁別検出器は、与えられたトルクを示す軸の磁場に対応する信号を提供する。トルクセンサーにより生成される磁場を、外部の非発散性のソレノイド磁場（すなわち地球）と区別することを希望するなら、二つあるいは三つ以上の反対の磁気活性領域を、トルクに反応する一つあるいは二つ以上の中心線の方向に発散する磁場を作り出すように構成することができる。

磁場センサーは、ソレノイド（非発散性）の干渉場（interfering field）を退けている間、これらの発散性磁場を検知するために、軸の近くに搭載されなくてはならない。従来技術において、そのような磁気グラジオメーターは、軸の活性境域の各々に置かれた、逆方向の磁場の二つあるいは三つ以上の組から成っている。もし、これら個々の磁場センサーの各々の中心線の向きが、磁気弾性軸の中心線に平行でないとすると、この磁場グラジオメーターのアレイは、作用性のソレノイド磁場に反応するであろう。もし、磁気センサーアレイの感度が、各中心線内で対称性がなければ、作用性のソレノイド磁場に反応するであろう。このように、アレイ内の個々の各磁気センサーの調和と方向を確かなものにするために、そのような磁場センサーアレイの製造には、特別な注意が必要である。

米国特許第６１４５３８７号公報 米国特許第６１２８９６４号公報

もし、軸が、磁気弾性軸内の物理的あるいは磁気的非均一性のために、磁場内で磁場センサーから独立して回転できれば、磁場内で角度をどのように変えても、結果として、磁場センサー上の角度基準点において表れる周期的な信号となる。従来は、たくさんのセンサーが、軸の周囲の等角に配置され、またその出力は、軸の回転によって生じた信号を平均化し、減衰させた。残りの回転信号の大きさは、通常、使用される個々の磁場センサーの数に反比例する。そのようなシステムの費用と複雑さは、磁場センサーの数と共に増加し、一方信頼性は、減少する。

従って、その外周に沿って感度の変化が無く、干渉する等方性の磁場に反応しない、軸を囲む単一の磁場センサーを提供することが望ましい。

さらに、各活性領域に対して、磁場から電気信号への変換機能の能率を上げるために、できるだけ広い軸周囲の角度範囲に渡って、トルクに関連した磁場を検知することが望ましい。多くの用途において、軸物質の選択は、機械的な性能、あるいは磁気弾性特性に関する費用を重視しがちで、そのために、所定の応力の強さおける、トルクに依存した磁場の大きさを少なくしがちである。従来技術の多くの解決法において、これは、たくさんの個々のセンサーを、対応する追加的費用と共に使用することを必要とした。

従って、多くの個別のセンサーを要せずに、回転軸の周囲の磁場を測定することのできる磁力計に対する要求がある。

以上の観点から、本発明の目的は、より正確さの増した磁気弾性トルクセンサーを提供することにある。
本発明の第２の目的は、磁気弾性トルクセンサーの製造費を減らすことである。
本発明の他の目的は、外部の周辺磁場への、磁気弾性トルクセンサーの感度を減じることである。
本発明のさらなる目的は、磁気弾性トルクセンサーの中で使用される、飽和可能な磁気弾性物質の、厳密に均一な磁気の必要性を減らすことである。

本発明によると、トルク力を加える回転可能な軸と、
磁気的に活性な領域を通って、軸の表面に張られる導体箔のスリーブ（sleeve）と、
回転可能な軸に搭載され、回転軸に平行な、複数の飽和可能な磁気ワイヤ（wire）あるいは磁気片（strip）と、
信号を生成するための発振器を含んだセンサー回路と、
信号を２つに分割するための、発振器に結合される分周器と、
回転可能な軸の異なる部分をそれぞれ囲む、第１及び第２コイルと、
第１コイルと第２コイルと発振器の出力に結合される入力を持った乗算器と、
乗算器の出力に結合される入力と、第１及び第２コイルの両出力に結合される出力とを持って、その出力電圧が、回転可能な軸に与えられるトルクに対応する積算器と
を持った、磁束磁力計トルクセンサーが提供される。

次に図面を参照すると、図１は、本発明の第１実施形態によって構成される、磁束磁力計のトルクセンサー１０のブロック図を示している。発振器１２は、分周器１６と、乗算器１８の第１入力とが受信する矩形波信号１４を生成する。矩形波信号１４の周波数は、分周器１６によって２つに分割される。分割された矩形波信号２０は、誘導コイル（inductor coil）２２と信号反転器２１へ入力され、信号反転器２１は、反転した信号２３を誘導コイル２２に出力する。誘導コイル２２と２４は、別々の２カ所で、回転可能な軸２６を囲む。

本発明によって、磁気的に飽和可能な物質の複数の片あるいはワイヤ２８が、回転可能な軸２６に搭載される。各片２８は、回転可能な軸２６の回転の中心線３０に平行に搭載される。片あるいは検知ワイヤ２８は、分周された信号２０の各サイクルに２回、飽和状態へと駆動される。

誘導コイル２２と２４は、電気的に共通ノード３２へ繋がれる。ノード３２は、また、アナログ乗算器１８の第２入力に接続される。アナログ乗算器１８の出力は、トルク積算器３４によって積算される。積算器３４の出力は、トルクセンサー１０の出力信号３６を提供する。出力信号３６は、また、電流を誘導コイル３２の共通端子に帰還させる共通のノード３２に接続される。

磁力計トルクセンサー１０の動作中に、周期的で対称で相補的な電圧波形信号２０と２３が、それぞれ誘導コイル２２と２４に入力される。電気的な切り換え手段によって、正確にかつ効率的に生成することができるので、矩形波が望ましい。コイル２２，２４内で誘導された電流の結果としての、誘導コイル２２，２４内で生成される交流磁場の大きさが、励起波形信号２０の期間の表面上５０パーセントの期間の間、検知ワイヤあるいは検知片２８が周期的に飽和するようなものであるように、電圧波形あるいは矩形波信号１４の振幅と周波数は、選択される。

片あるいは検知ワイヤ２８が飽和する時、それらの透磁率は、一つのものへと急激に減少する。検知ワイヤ２８が飽和する時、コイル２２，２４のインダクタンスは、それによって減少する。検知ワイヤ２８が、励起中に対称的かつ同時に飽和する限り、コイル２２，２４のインダクタンスは等しく、コイルのセンタータップあるいは共通ノード３２における電圧は、原則的にゼロである。

しかし、検知ワイヤ２８によって見られる磁場は、誘導コイル２２，２４と回転可能な軸２６が生成する磁場と、他の外部磁場との和になる。回転可能な軸２６にトルクが加えられることによって、発散性の磁場が作られるとき、誘導コイル２２，２４内で励起電流によって作られた磁場上に重ねられた発散性の磁場は、検知ワイヤ２８の周期的な非対称的飽和に至る。従って、コイル２２，２４の両方のインダクタンスは、励起信号１４の励起サイクルに渡って等しくなる。コイル電圧の和は、励起信号２０の周波数の偶数次の高周波を含む周期的な波形を含んでいる。励起信号２０の第２次高調波要素の振幅と位相は、検知ワイヤ２８に加えられる発散性の磁場の大きさと方向に、そしてこれに対応して、回転可能な軸２６に加えられるトルクに表面上は比例する。

もしソレノイド磁場が検知ワイヤ２８に加えられると、これは、また検知ワイヤ２８が非対称に飽和する結果になる。しかし、誘導コイル２２，２４の電圧が増えた結果による飽和信号３５は、励起信号２０の周波数の奇数次の高調波のみから成るであろう。

もし、共通ノード３２における誘導コイル電圧の総和信号３５が励起信号２０の２倍の周波数を持つ信号で乗算されると、結果としての波形３８は、回転可能な軸２６上の検知ワイヤ２８に加えられる発散性の磁場に名目上、比例するＤＣ成分を持つであろう。図１に示すように、乗算器１８は、総和信号と発振器信号１４を乗算して、乗算済み信号３８を生成するものとして示される。乗算済み信号３８は、その後、積算器３４によって、積算されて、積算済み出力信号３６を作り出す。積算済み出力信号、あるいは結果としてのトルク信号３６は、また、ノード３２において、誘導コイル２２，２４の出力電流と結合する制御電流を提供するために、ノード３２において、帰還ループ４２を通して帰還される。

コイル２２，２４内の電流は，検知ワイヤ２８の近傍に発散性の磁場を作る。帰還ループ４２内の積算された出力信号３６は、検知ワイヤ２８に磁場の発散が見られないように、回転可能な軸２６によって生成された磁場とは正確に反対の、誘導コイル２２，２４によって作られる発散性の磁場を作り出す。従って、誘導コイル２２，２４の中に入れられる電流は、回転可能な軸２６に加えられるトルクに直接に比例する。検知ワイヤ２８が正味ゼロの磁場で動作するので、トルク信号３６上に、利得或いはオフセットの、温度に関係する効果は一切無い。

図２は、磁力計トルクセンサー１０の、図１に示したブロック図に対応する回路図である。図２に示した実施形態は，２コイルセンサーを利用している。しかし、本発明は，さらに多くの誘導コイルあるいは他の構成を利用した、他の実施形態にも応用可能である。

発振器１２は、公称１００ｋＨｚの矩形波信号１４を作るのが望ましく、発振器１２は、National Semiconductor社製の製品番号ＬＭ５５５であるのが望ましい。生成された矩形波１４は、分周器１６とアナログスイッチ１９とに入力される。分周器１６は、分周された矩形波信号２０を生成するために、生成済み矩形波信号１４の周波数を持っている。分周器１６は、入力された信号の周波数を持つために、フリップフロップ分周器であるのが望ましく、例としては、National Semiconductor社製の製品番号ＣＤ４０１３がある。

分周済み矩形波信号２０は、非反転型ディジタルバッファ５０と反転型ディジタルバッファ５２の両方に入力され、かつこれらを駆動する。非反転型ディジタルバッファ５０と反転型ディジタルバッファ５２の出力は、それぞれ、誘導コイル２２，２４の第一端部２１，２５に接続される。誘導コイル２２の第２端部２７は、共通ノード３２において、誘導コイル２４の第２端部２９に接続される。非反転型ディジタルバッファ５０の出力信号２０と反転型ディジタルバッファ５２の出力信号２３は、相補的な電圧矩形波である。

誘導コイル２２，２４は、ディジタルバッファ５０，５２へ、十分な誘導負荷を提供する。誘導負荷は、誘導コイル２２，２４の中の名目上の三角電流波形へと変換される、矩形波電圧信号２０，２３をもたらす。従って、誘導コイル２２，２４により作られる磁場は、また、回転可能な軸２６上の検知ワイヤ２８を飽和させるのに十分な最大振幅を持った、実質的に三角波形である。

誘導コイル２２，２４から生成される磁場は、検知ワイヤ２８内に回転可能な軸２６によって生成される準定常状態の磁場上に重ねられる。回転可能な軸２６によって生成される磁場は、事実上、発散性のものなので、検知ワイヤ２８の各半分に見られる磁場は等しいものではなく、従って、検知ワイヤ２８の各半分の飽和は同時である。その結果、２つの誘導コイル２２，２４の共通の接続あるいはノード３２において、誘導コイル２２，２４を駆動する信号２０の２倍の周波数を持ったパルス波形３５が現れる。信号３５の位相と振幅は、誘導コイル２２，２４の発散性の磁場の振幅と方向に、従って、回転可能な軸２６に与えられるトルクに関係がある。

第２次高調波信号を検出するために、双投アナログスイッチ１９のような、スイッチング復調器が提供される。アナログスイッチ１９は、National Semiconductor社製の製品番号ＣＤ４０５３であるのが望ましい。コンデンサ５８に直列に接続される抵抗５６は、アナログスイッチ１９の入力に与えられる。抵抗５６は、１Ｋオーム（Ω）であるのが望ましく、コンデンサ５８は、０．０１マイクロファラッド（μＦ）であるのが望ましい。抵抗５６とコンデンサ５８とアナログ１９とは、乗算器１８から直列に接続される。

アナログスイッチ１９は、演算増幅器６０の負入力と正入力とに接続される第１出力および第２出力を持っている。演算増幅器６０は、National Semiconductor社製の製品番号ＬＭＣ６６２であるのが望ましい。帰還コンデンサ６２は、演算増幅器６０の負入力と出力との間に接続される。帰還コンデンサ６２は、０．０１μＦであるのが望ましい。コンデンサ６４は、アナログスイッチ１９の第２出力と演算増幅器６０の正入力とに接続される入力と、接地電位（∇）に接続されるコンデンサ６４の出力とを持っている。演算増幅器６０とコンデンサ６２，６４は、組み合わされて、積算器あるいは誤り増幅器３４を作る。

アナログスイッチ１９の第２入力は、発振器１２からの信号１４に接続され、またこれによって駆動される。アナログスイッチ１９は、共通ノード３２からの信号３５の接続を、演算増幅器６０の負入力と正入力との間で交互に行う。演算増幅器６０の出力電圧のスルーレイトは、回転可能な軸２６に加えられるトルクに比例する。積算器３４が出力する出力信号３６は、帰還ループ４２に沿って直列に接続されるアナログバッファ６４に入力される。アナログバッファ６４は、National Semiconductor社製の製品番号ＬＭ３８６であるのが望ましい。アナログバッファ６４の出力は、６８オームの値を持つのが望ましい、抵抗６６を通り抜ける。出力信号３６は、その後、帰還ループ４２を経由して共通ノード３２へと戻って接続される。帰還ループ４２は、誘導コイル２２，２４の中で、回転可能な軸２６によって生成される磁場とは反対の、発散性の磁場を誘導する役割りをする。従って、出力信号３６は、検知ワイヤ２８内の正味の発散性の磁場がゼロであるような点に収束する。積算器３４からの出力信号３６の電圧は、回転可能な軸２６に与えられるトルクに比例する。

非反転型バッファ５０と反転型バッファ５２は、矩形波２０を取り、２つの相補的な信号２０，２３を生成する。バッファ５０，５２は、出力インピーダンスが非常に低く、その結果、矩形波電圧信号を歪ませること無く誘導負荷を駆動するTel-Com社製のＴＣ４４２３などのＭＯＳＦＥＴドライバが望ましい。信号１４の周波数は、信号１４と２０の間の位相関係を維持するために、分周されて、その結果、第２次高調波検出器１９の回路が正しく作動する。

アナログスイッチ１９は、スイッチング復調器として動作し、原則的に、コイル出力信号３５に２倍の周波数の信号を乗算する。結果としての信号には、コイル信号３５の中で第２高調波項に比例する直流項が含まれる。

演算増幅器６０と結合したコンデンサ６２，６４は、アナログスイッチ１９の出力からの直流成分を積算する積算器を構成する。

図３は、図１と２で示される、回転可能な軸２６と、誘導コイル２２，２４と、検知ワイヤあるいは検知片２８の詳細図を示している。ボビン７０の断面図もまた図示されている。誘導コイル２２，２４は、ロビン７０の回りに巻かれている。誘導コイル２２，２４の各コイルあるいは各ワイヤ７２は、回転可能な軸２６の各有効領域に渡って、軸方向に同一場所に置かれる。各誘導コイル２２，２４の軸方向の長さ７４は、通常、対応する回転可能な軸２６の有効領域の各部分と同じ長さである。各誘導コイル２２，２４の半径方向の深さは、軸方向の長さ７４に比すると小さい。各誘導コイル２２，２４の内部の直径部分と回転可能な軸２６との間の、半径方向の空隙は、各誘導コイル２２，２４の軸方向の長さ７４に比すると小さい。

各コイル組立部品、各巻き線の端子の接続に対して、電気端子が与えられる。本発明の実施形態において、非強磁性体のスペーサ（spacer）８０が回転可能な軸２６の有効領域の軸方向の長さ８２と等しいか長い長さに渡って、回転可能な軸２６の外部直径部分に結合される。回転可能な軸２６の有効領域とスペーサ８０の長さの間の軸方向の長さを持った、薄くて導電性のある非強磁性体のスリーブ８４が、また、磁気弾性の軸の強磁性体物質をコイルが作る交流磁場から遮蔽する目的で、提供される。複数の検知ワイヤあるいは検知片２８が、導電性のスリーブ８４の表面に結合される。検知ワイヤ２８は、回転可能な軸２６の有効領域の周囲に等角に配され、軸３０に平行である。検知ワイヤ２８は、非常に直径が小さく、典型的には０．１ミリメートルであり、回転可能な軸２６の有効領域の長さ８２で延びている。

検知ワイヤ２８は、矩形のＢ−Ｈ曲線に示される、非常に鋭い磁気飽和特性と低磁気保持力を持った物質から製造される。使用可能な物質としては、ワイヤ状態あるいは細い片状態の、アモルファス磁性合金がある。これらのワイヤあるいは片は、低い値の磁場で飽和するように、直径と長さの非が非常に小さい。

代わりに、導電性のスリーブ８４は、コイルロビン７０の内部直径部分に結合させ、導電性スリーブ８４とコイルボビン７０の内部直径部分の間で検知ワイヤ２８を覆うことができる。

回転可能な軸の製造時の不完全さから、回転可能な軸２６の磁気特性の中に、角度の不正確さがあり得る。これらの角度の不正確さが、回転角に関して、回転可能な軸２６の磁気信号内のばらつきに繋がることがある。もし磁気検知手段に、さらに角度の不正確さがあれば、回転可能な軸２６の不正確さが、軸２６が回転することによるトルクセンサーの出力上に重ねされる周期的な信号として現れる。

回転可能な軸２６に検知ワイヤ２８が結合されて、軸２６と共に回転させられる、本発明の実施形態において、センサーと軸の不正確さの間の相対的な角度関係は、一定に保たれ、従って、出力信号には回転に関する不自然な結果は無くなるだろう。

多くの磁束センサーから出来ている、従来技術における磁場センサーアレイにおいて、これらの磁束は、システムの他の費用に比して高価である。これは、本発明で使用される検知ワイヤの物質に類似した、磁束センサーのコア物質上に直接にセンサーのコイルを巻くのに必要な高度に精密な作業のせいである。これらの小さな磁束センサーをアレイの中に組み立てることは、また、時間が掛かることであり、精密さを要求される。本発明のコイルは、従来の巻き上げ機械が使うようなボビンの大きさで巻き上げるので、センサー組立部品を組み立てるのに必要な作業と精密さは、従来技術に対して大幅に減少した。

ボビン７８の中で、一つあるいは二つあるいは三つのコイルが、回転可能な軸２６の各有効領域に対応するボビンウィンドウ（bobbin window）内で巻かれるといった、他の実施形態も存在する点に気を付けられたい。これによって、磁場の適用範囲と飽和検知と電流の期間の機能を、軸の各有効領域に渡って、別々のコイル内で独立して実行することができる。

図３Ａには、図３で示されるボビン７０の第２実施形態が示されている。この実施形態において、検知ワイヤあるいはワイヤの片は、ボビン７０の内部直径部分の表面７１に結合される。この実施形態は、結果としての求心力がセンサーを軸の表面に載せるのを妨げるような非常な高速（high RPM）で、軸が回転するような用途で実施することができる。この実施形態において、軸に固有のいかなる回転信号を抑えるものもないが、代わりに、出力信号の低域通過フィルタリングを、全ての回転信号を減衰させるのに使用することができる。導電性スリーブ８４が、ボビン７０の内部表面直径部分７１に載せられ、検知ワイヤ２８を、導電性スリーブ８４とボビンの内部表面７１の間に挟む。

図４は、磁気弾性軸２６と組み合わされた磁場センサーのブロック図である。磁気弾性２６が、磁気弾性軸２６が、非直線性の変圧器のコアとして示される検知ワイヤ２８と共に、左側に示されている。コイル９０が、検知ワイヤ２８に結合されて示される。励起波形の電流の正及び負の最大値で検知ワイヤ２８を定期的に時期的に飽和させるために、交流源９２が、任意のインピーダンス９４を通してコイル９０に電流を送る電圧源として示されている。軸２６が作り出す磁場によって、検知ワイヤ２８に見られる磁場内の不安定が生まれ、その結果、飽和は非対称となる。これによって、検知ワイヤ２８に加えられる磁場に関連する振幅と位相を持った、コイル９０への励起信号の偶数次の高調波が誘導される。位相弁別検出器９６が、励起信号に関する偶数次高調波の振幅問いそうを検出するために提供される。この信号は、軸２６によって作られる磁場を正確に打ち消すような磁場をコイル９０が生成するために、コイル９０に電流を送る制御器９８に接続される。電流センサー１００は、軸２６の磁場に名目上比例する、制御器９８に依ってコイル９０に送られる電流を測定する。

図５，６，７は、回転可能な軸の有効領域に近接する２個あるいは３個の並列のコイルを持った、異なったコイル構成の、この種の磁束計を示している。

図８は、反対の極性の２つの有効領域の軸受けを持った用途向けの構成で、トルク信号を地球のような非発散性のソレノイド場から区別する目的のために、軸方向に発散性の場を生成するものを示している。検知ワイヤは、両方の有効領域の軸方向の延長方向に向かって延び、２つの同じコイルが与えられる。軸からトルクが発生する磁場は、２つのコイルの共通の端子における偶数次の高調波の軸受け信号となる。回路の残りの部分は、図４と同じように動作する。他の構成は、図５〜８に表された回路と同じように動作するコイルの多数の組を含んで存在している。

今までの説明は、単に特定の実施形態の開示に過ぎず、発明の範囲を制限する意図は全く無いことを理解されたい。いくつかの変更と修正が可能であるのは、当業者には明らかであろう。全てが特許請求の範囲に定義される、他の修正が可能であるのは、当業者には明らかであろう。

本発明によって構成された、磁束磁力計トルクセンサーのブロック図である。 図１に示されるトルクセンサーの回路図である。 図１と２に示される、回転可能な軸と検知コイルと磁気片の図である。 図３で示されるボビンの第２実施形態の図である。 本発明の磁気弾性軸に加えることのできる、磁場センサーの第２実施形態のブロック図である。 本発明の磁気弾性軸に加えることのできる、磁場センサーの第３実施形態のブロック図である。 本発明の磁気弾性軸に加えることのできる、磁場センサーの第４実施形態のブロック図である。 本発明の磁気弾性軸に加えることのできる、磁場センサーの第５実施形態のブロック図である。 本発明の磁気弾性軸に加えることのできる、磁場センサーの第６実施形態のブロック図である。

符号の説明

１２：発振器
１６：分周器
２１：反転器
２２，２４：コイル
２６：回転可能な軸
２８：飽和可能な検知ワイヤ
３６：信号出力
５２：ディジタルバッファ
６２：０．０１μＦ誤り増幅器／積算器
６４：アナログバッファＬＭ３８６
９０：コイル
９２：交流源
９６：位相検知ＤＥＴ
９８：制御器
１００：電流センサー

Claims (21)

1. 回転可能な軸と組み合わされて動作する磁力計装置において、該磁力計装置は、
   軸に加えられるトルクに応じて磁場を生成する磁気領域を備える軸と、
   軸に同軸であり、磁気領域に近接するソレノイドコイルと、
   磁場の存在下でコイルのインダクタンスを変えるために軸とコイルの間に散らして置かれた、磁気的に飽和可能な物質のワイヤ片と
   を備えることを特徴とする磁力計装置。
2. 軸に搭載された導電性の物質のスリーブをさらに備え、
   前記ワイヤ片は、スリーブに搭載されて、自由に軸と共に回転することを特徴とする請求項１記載の磁力計装置。
3. 軸に搭載される導電性の物質のスリーブと、
   スリーブに搭載された磁気的に飽和可能な物質であり、自由に軸と共に回転する、複数のワイヤ片と
   を、さらに備えることを特徴とする請求項１記載の磁力計装置。
4. 複数のワイヤ片は、等しい間隔で置かれ、軸の回転の中心線に平行であることを特徴とする請求項３記載の磁力計装置。
5. 複数のワイヤ片は、少なくとも軸の磁気領域の長さだけ延びていることを特徴とする請求項４記載の磁力計装置。
6. 軸の表面と導電性スリーブの間に散らして置かれた非強磁性体のスペーサをさらに備えることを特徴とする請求項３記載の磁力計装置。
7. コイルボビンをさらに備え、
   軸と同軸で、磁気領域に近接するソレノイドコイルが、コイルボビンに搭載されることを特徴とする請求項１記載の磁力計装置。
8. 複数のワイヤ片が、コイルボビンの内部直径部分に結合されることを特徴とする請求項７記載の磁力計装置。
9. 導電性スリーブは、コイルボビンの内部直径部分に搭載され、導電性スリーブとコイルボビンの間に複数のワイヤ片を挟むことを特徴とする請求項８記載の磁力計装置。
10. 乗り物のステアリングコラム用の磁気弾性トルクセンサーにおいて、該磁気弾性トルクセンサーは、
    回転可能な軸に与えられたトルクに応じて磁場を生成する磁気領域を持つ、ステアリングコラム内の回転可能な軸と、
    回転可能な軸と同軸であり、磁気領域に近接するソレノイドコイルと、
    磁場の存在下でコイルのインダクタンスを変えるために軸とコイルの間に散らして置かれた、磁気的に飽和可能な物質の複数のワイヤ片と
    を備えた磁気弾性トルクセンサー。
11. 複数のワイヤ片が、回転可能な軸の中心線の周囲に等間隔で置かれることを特徴とする請求項１０記載の磁気弾性トルクセンサー。
12. ワイヤ片は、軸上をソレノイドコイルに等しい長さだけ延びていることを特徴とする請求項１０記載の磁気弾性トルクセンサー。
13. ソレノイドコイルを支えているコイルボビンをさらに具備することを特徴とする請求項１０記載の磁気弾性トルクセンサー。
14. 複数のワイヤ片は、少なくとも軸の磁気領域の長さで止まることを特徴とする請求項１０記載の磁気弾性トルクセンサー。
15. 自動車内の操舵ハンドル用のトルクセンサーにおいて、該トルクセンサーは、
    回転可能な軸に加えられたトルクに応じて磁場を生成する磁気領域を含む回転可能な軸と、
    少なくとも回転可能な軸の磁気領域を囲むボビンと、
    回転可能な軸と同軸で、磁気領域に近接する、ボビン上に搭載されるソレノイドコイルと、
    回転可能な軸に搭載される非強磁性体物質の、導電性スリーブと、
    磁場の存在下でコイルのインダクタンスを変えるために回転可能な軸の回転の中心線に平行なスリーブの表面上の、磁気的に飽和可能な物質の複数の検知ワイヤと
    を備えることを特徴とするトルクセンサー。
16. 回転可能な軸とスリーブとの間に置かれて、少なくともスリーブの長さだけ延びる、非強磁性体物質の円筒状スペーサをさらに備えることを特徴とする請求項１５記載のトルクセンサー。
17. 自動車内の操舵ハンドル用のトルクセンサーにおいて、該トルクセンサーは、
    回転可能な軸に加えられたトルクに応じて磁場を生成する磁気領域を含む回転可能な軸と、
    少なくとも回転可能な軸の磁気領域を囲むボビンと、
    回転可能な軸と同軸で、磁気領域に近接する、ボビン上に搭載されるソレノイドコイルと、
    磁場の存在下でコイルのインダクタンスを変えるためにボビンの内部表面に搭載されて、回転可能な軸の回転の中心線に平行な、磁気的に飽和可能な物質の複数の検知ワイヤと
    ボビンの内部表面に搭載されて、ボビンの内部表面とスリーブの間に検知ワイヤを挟む、導電性の非強磁性体物質のスリーブと
    を備えることを特徴とするトルクセンサー。
18. 複数の検知ワイヤは、ボビンの内部表面の周囲に等間隔で置かれることを特徴とする請求項１７記載のトルクセンサー。
19. 軸方向に延びるトルクの与えられた軸に加えられたトルクを検知する方法において、該方法は、
    （ａ）軸に加えられるトルクに応じて磁場を生成することのできる、軸内の磁気領域と、磁気領域を同軸に囲み、かつ磁気領域に近接するソレノイドコイルと、磁場の存在下でコイルのインダクタンスを変えるために軸とソレノイドコイルの間に散らして置かれる磁気的に飽和可能な物質の少なくとも一つのワイヤ片とを提供する段階と、
    （ｂ）軸に加えられるトルクが加えられた結果として、磁場を作り出す段階と、
    （ｃ）軸に加えられるトルクを示す前記磁場領域に近接する位置において、磁場の特性を検知する段階とを備え、
    前記磁気領域は、外周に誘導された残留磁気を与えられることを特徴とする方法。
20. 複数のワイヤ片が、電流が流れる各サイクルの間、定期的に飽和へと駆動されるように、ソレノイドコイルを通して、交流電流が印加されることを特徴とする請求項１９記載の方法。
21. トルクの加わっている軸によって生成される磁場は、励起信号の偶数次高調波の複数のワイヤ片特性の、飽和に至る非対称パターンを観察することで検出することを特徴とする請求項２０記載の方法。

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