JP4404763B2 - 軸トルク測定のための渦電流センサ装置 - Google Patents

Description

関連出願の相互参照

本出願は、本願において援用する、軸トルク測定のための渦電流センサという表題で、２００２年５月１５日に出願された、アメリカ合衆国特許仮特許出願シリアルＮｏ．６０／３８０，７２５及び、本願において援用する、インーベアリングトルクセンサ機器という表題で、２００２年５月２９日に出願されたアメリカ合衆国特許仮特許出願シリアルＮｏ．６０／３８３，９４５に対して、優先権を主張する。

従来において、強磁性物質の透磁率は、応力がその物質に負荷されるとき、変化することが知られている。このような物質の性質は、磁気ひずみと呼ばれている。それに加え、導体材料に付加された応力は、その物質の導電率を変化させる。これら２つの特徴を活かし、軸が受けるトルクを測定するための強磁性を有する軸の導電率及び透磁率の変化を検知するために、多くのデバイスが、作られている。しかしながら、これらに関するこれまでの発明の多くは、ある１点で軸に取り付けられるデバイスというよりは、完全に軸を取り囲む必要があるデバイスであるか、ある１点で、強磁性の軸に直接取り付ける必要があるデバイスであった。軸を完全に取り囲んだこれまでのセンサデバイスの問題点は、デバイスが大きく、取り付けや取り外しが非常に困難であるということにある。ある１点で軸に直接取り付けるこれまでのセンサデバイスの問題点は、これらは、強磁性の軸でしか動作せず、また、異なった軸に適用すると感度や再現性が悪くなることにある。本発明は、最初に、トルクが測定される軸上にプレスフィットした磁気弾性リングを設置し、次に、軸に負荷された応力による、リングの導電率及び透磁率の変化を検知するセンサを、磁気弾性リングの周辺のある１点において設置することで、これらの問題を解決した。

１つの特徴として、本発明は、軸に負荷されたトルクを検知するためのデバイスを、提供する。本デバイスは、トルクが測定される軸に、プレスフィットした磁気弾性リング及びそのリング外周に沿ったある１点で、そのリング近傍に配置される励磁コイルを含んでいる。コイルは、リング材料中に渦電流を誘起するために発振器によって動作する。検知コイルもまた、リングの中に誘起された渦電流によって発生した磁界を検知するため、リング外周に沿ったある１点で、そのリング近傍に配置される。電気回路が、リング中の導電率や透磁率の変化を、検知する。

本発明は、多くの異なった形態で実施することができるが、本発明の好ましい形態を詳細に、表示し、図面で示している。開示された実施形態は、本発明の原理の一例にすぎないと考えられることは、理解されるであろう。開示は、実施形態に記載したことにより、多くの特徴を持つ本発明を制限することを意図したものではない。保護範囲は、添付の請求項によってのみ制限されるべきである。

図１において、物質の導電率（σ）は、物質中における電流の流れやすさを示す値である。透磁率（μ）は、物質中における磁束線の透過しやすさを示す値である。これら２つのパラメータが、与えられた物質がどのように電界および磁界と相互作用するのかを、決める。物質１００が、発振器１０４によって差動した励磁コイル１０２に曝されると、磁束（磁束線１０６によって示された）が、コイル１０２の周りに発生し、磁界１０８が物質１００に作用する。磁界１０８は、反対である磁場１１２を発生する物質の中に渦電流１１０を誘起する。渦電流（Ｅｄｄｙ ｃｕｒｒｅｎｔ、以下「ＥＤ」と省略する場合がある。）は、導体材料の中の、渦状の電流であり、物質中を通過する磁界の時間変化の結果として、発生する。それ故に、ＥＣは、ＡＣ電流によって動作する電気コイル近傍にある導体材料中で、誘起される。ＥＣの発生は、物質の導電電子の相互作用及び物質を通過する電流によってコイルのまわりに発生するＡＣ磁場が起因であり、物質の導電率及び透磁率に依存する。図３のように、鉄鋼の軸のような強磁性物質がトルクを受けたとき、物質の導電率及び透磁率は、物質中のトルクの量に対応して、変化する。導電率と透磁率の変化を検知することによって、軸に負荷されているトルクの大きさを測定することができる。

図２において、絶対渦電流センサ１は、電源６により動作する発振器４によって動作する励磁コイル２からなり、電源が供給されたとき、励磁コイルは、その近傍にある導電性物質の内部に渦電流を誘起する。検知コイル８は、導体材料内で誘起された電流により発生した磁界を検知する。この検知された磁界によって検知コイル８に発生した電流は、ブリッジバランス回路１０、増幅器１２、復調器１４及びフィルター１６に送られ、センサ出力１７とされる。発生した磁界は、渦電流のパスと強さで決定され、言い換えれば、物質の形状、物質のσ及びμの局所値によって決まる。故に、単一励磁／検知エレメント対をともなう絶対ＥＣセンサ１は、導体材料の性質をうまく利用している。

図３において、差動ＥＣセンサは、２つの励磁／検知エレメント対を備えており、導体材料における微少で局所的な金属的、あるいは形状的な異常の検知のために主に使われる。図３は、センサは図２のセンサと類似しているが、第２の励磁エレメント２’及び第２の検地エレメント８’を追加したようなセンサを示している。差動ＥＣセンサの励磁エレメント２及び２’は、ほとんど同じ大きさと位相を有する、磁界を発生する。しかしながら、検知エレメント８及び８’はほぼ同じ大きさを有するが、反対の位相を有する信号を発生する。

図４において、軸１８を通して伝達されるトルクは、軸の中心において０から軸の外周において最大値となるように変化する、せん断応力を、軸１８全体に発生する。引張の線２０及び圧縮線２２が、負荷されたトルクの結果として、軸１８に沿って、形成される。引張り及び圧縮線２０、２２を発生させるこれらのトルクは、互いに直交し、対称軸からから±４５°で形成される。軸１８にプレスフィットされた磁気弾性リング２４にも、せん断応力が生じ、引張線２０及び圧縮線２２が、同様にリング２４に形成される。

磁気弾性リング２４の導電率（σ）と透磁率（μ）の値は、引張線に沿った値と圧縮線に沿った値とが異なるような、発生したせん断応力によって、変化する（例えばσ_引張≠σ_圧縮及びμ_引張≠μ_圧縮）。故に、磁気弾性リング２４の上に設置されている差分ＥＣセンサは、その励磁／検知エレメント対の１つが引張線に沿って焦点を合わせされており、他方の励磁／検知エレメント対が、圧縮線に沿って焦点を合わされているため（図５）、磁気弾性リングに沿った、σ及びμの局所値の差を検知し、負荷された軸トルクの測定値を提供する。

代わりに、使用形態の制限により、２つの磁気弾性リング２４が、軸１８にプレスフィットされても良い。この状況において、差動的につながれたＥＣセンサは、第１のリングの引張線に沿って焦点を合わせられている１つと、第２のリングの圧縮線に沿って焦点を合わせられている他方で、似たようなテスト結果を提供する（図６）。

図７において、高いトルク検知性が必要とされるある実施形態で、ギザギザな溝２８が、ＥＣセンサの反応性を増加させるために外周表面上にプレスフィットされた磁気弾性リングに、付けられることができる。この場合において、引張線に焦点を合わされている、励磁／検知エレメント対センサは、引張線の方向に平行に付けられているギザギザの溝を、有している。同様に、圧縮線に焦点を合わせられている、励磁／検知エレメント対センサのある磁気弾性リングは、圧縮線に平行に付けられているギザギザの溝を、有している。

本発明のＥＣセンサは、いくつもの用途がある。図８において、最もシンプルな実施形態は、回転する軸１８上にプレスされたリング２４に近接した、ある決まった位置に、電気回路関連とともに、単一励磁／検知エレメント対ＥＣセンサ３０を備えているものである。この場合、トルク伝達軸上に作用する負荷及びモーメントは、ＥＣセンサ出力に反映し、故に、このタイプの機器は、単なるトルクのみを伝達する軸の用途において推奨される。ここで、軸は、どのような形状、大きさ、合金組成でも良く、また、どのような製造過程で作られたものでも良い。図９において、ある用途で、ヒステリシス効果が、軸外周表面と磁気弾性リングの内周表面との間にプレスフィットされた、硬化された金属連結スリーブ３１の使用で、最小とすることができる。明確には記載していないが、本出願の中で後に示すどの実施形態に関しても、ヒステリシス効果を最小にするため、連結スリーブ３１を使用しても良い。それに加え、下の、それぞれの実施形態は、単一励磁／検知エレメント対センサに関して記述している。しかしながら、通常の当業者は、単一励磁／検知エレメント対センサあるいは電子部品と検知コイルが分離されているセンサが、同義的に使われることができることを、認識するであろう。

図６において、単一エレメント対センサ３０が、１つのセンサ３０は圧縮線上に焦点を合わせられ、他方のセンサ３０は引張線上に焦点を合わせられるように、軸１８上にプレスフィットされた、２つの磁気弾性リング２４のそれぞれの上の、決まった位置に取り付けられている。２つのセンサは、そのとき、センサ機器出力についての負荷及びモーメントの影響を相殺するために、差動的に互いに接続されている。図５においては、図６の構成が、２つのリング２４が、幅広の１つのリング２４に置き換えられた構成に変更されている。

図１０及び図１１において、単一エレメント対センサ３０は、回転軸１８近傍の決まった位置に設置されている。これらのセンサ３０は、ほぼ同一円周線で、該線について角度的に異なった位置において、設置されている。１つのセンサ３０が、圧縮線上に焦点を合わせられ、１つのセンサ３０が引張線上に焦点を合わせられている。センサ３０は、センサ機器出力についての負荷及びモーメントの影響を相殺するため、差動センサ対に取り付けられている。センサ対信号の和が、センサ機器出力を構成する。

図１２において、複合エレメント対差動センサ３２が使われている。複合エレメント対差動センサ３２は、前述した、２つの検知エレメント８、８’及びそれらに対応した電気回路を組み合わせた、一式のセンサである。複合エレメント対センサ３２は、トルク伝達軸１８上にプレスフィットされた２つの磁気弾性リング２４の上に、取り付けられ、それぞれの検知エレメント８、８’は、軸１８に沿って、リングの近傍において、軸方向に並べられている。代わりに、図１３のように、複合エレメント対センサ３２は、トルク伝達軸１８上にプレスフィットされた、１つの磁気弾性リング２４の上に、軸方向に設置されることができる。ここで、それぞれの複合エレメント対センサ３２に関して、１つの検知エレメント８は、引張線に沿って焦点を合わせられ、他方の検知エレメント８’は圧縮線に沿って焦点を合わせられている。この構成において、センサ出力に現れるトルク伝達軸１８に作用している負荷及びモーメントの影響は、互いのセンサの差動的性質によって、相殺される。

図１４及び図１５においては、図１２及び図１３に示したように、２つの複合エレメント対差動センサ３２は、トルク伝達軸１８上にプレスフィットされた磁気弾性リング２４上で近傍に、配置されており、センサ３２及びそれらに対応する検知エレメント８、８’は、円周上に軸に対して角度を変えて、配置されている。ここで、それぞれの複合エレメント対センサ３２に関し、１つの検知エレメント８は、引張線に沿って焦点を合わされ、他方の検知エレメント８’は圧縮線に沿って焦点を合わされている。この構成において、センサ出力に現れるトルク伝達軸１８に作用している負荷及びモーメントの影響は、互いのセンサの差動的性質によって、相殺される。それぞれのセンサ信号の和が、センサ機器の出力を構成する。

図１６において、複数の単一エレメント対ＥＣセンサ３０及びそれらに対応する電気回路が、トルク伝達軸１８上にプレスフィットされた磁気弾性リング２４上の近傍に、配置されており、センサ３０のいくつかは、軸１８に沿って、軸方向に配置され、いつくかは、軸の周りに円周に沿って配置されている。軸方向及び円周方向のセンサセットの両方において、隣接するセンサ３０は、引張線及び圧縮線に沿って交互に焦点を合わせられている。差動センサ対は、軸方向と円周方向の両方に配置されたセンサ３０において、センサ機器出力の負荷及びモーメントの影響を相殺するために、一つのセンサを引張線に焦点を合わせているものとして、他のセンサを圧縮線に焦点を合わせているのものとして選ぶことによって形成される。全てのセンサ信号の和が、センサ機器の出力を形成する。１組の単一エレメント対センサ３０が、１つの複合エレメント対センサ３２に置き換わっても良いということは、通常の当業者によって理解されるであろう。

図５〜１６においては、それぞれの構成は、回転軸の近傍のある位置に固定されているセンサを、意図している。これは多くの状況下で適用可能であるが、この構成は、軸が真円でないこと、あるいは、軸を支えているベアリングのずれや磨耗によって軸とセンサの距離が変化することをも許容するものである。結果として、磁気弾性リング表面でのセンサ励磁場強さが、変化する距離にともない変動する傾向にあり、これはセンサ出力が変動することの原因ともなる。磁気弾性リングに対して、決まった距離でセンサを保持するために、図１７〜１９において、センサ３０がセンササポートブロック３８に保持されている配置を示している。センササポートブロック３８は、組み立てリング３９に取り付けられ、それぞれは、フランジ４４（図１９）により回転が制限され、基準点（不図示）に保持され、２つのベアリング４０、４２によって回転軸に取り付けられている。このようにして、センサ３０と回転する磁気弾性リング２４の距離は、実質的に一定に保持されている。図５〜１６（単一、複合エレメントセンサを組み入れている）の上記センサ構成のいずれも、図１７〜１９の配置にそれらを取り付けることによって、行うことができることは、通常の当業者によって理解される。

図２０及び図２１においては、図１７〜図１９の配置が、ベアリング４０、４２上に取り付けられたセンサ３０が、１つのユニットとして導入されてもよい、というように変更されたものである。これは、磁気弾性スリーブ２４及びベアリング４０、４２が、プレスされている、スリーブ４６を提供することによって達成される。このユニットは、そして軸１８上にプレスされる。

具体的な実施形態を示したが、本発明の精神から大きく逸脱することなしに、多くの改良、変形が考えられ、保護範囲は記載された請求項の範囲によってのみ制限されるものである。

導体材料中に発生した渦電流の概略を示している。 本発明の１つの実施形態における、絶対渦電流センサの電気的概略を示している。 本発明の他の１つの実施形態における、差動渦電流センサの電気的概略を示している。 トルク負荷時の軸内における圧縮線及び引張線を示した軸の側面図である。 本発明の１つの実施形態における、渦電流センサを取り付けた軸の側面図である。 本発明の他の１つの実施形態における、渦電流センサを取り付けた軸の側面図である。 本発明の他の１つの実施形態における、渦電流センサを取り付けた軸の側面図である。 本発明の他の１つの実施形態における、渦電流センサを取り付けた軸の側面図である。 本発明の他の１つの実施形態における、渦電流センサを取り付けた軸の側面図である。 本発明の他の１つの実施形態における、渦電流センサを取り付けた軸の側面図である。 図１０記載の実施形態における、渦電流センサーを取り付けた軸の端面図である。 本発明の他の１つの実施形態における、差動渦電流センサを取り付けた軸の側面図である。 本発明の他の１つの実施形態における、差動渦電流センサを取り付けた軸の側面図である。 本発明の他の１つの実施形態における、渦電流センサを取り付けた軸の側面図である。 図１４記載の実施形態における、渦電流センサを取り付けた軸の端面図である。 本発明の他の１つの実施形態における、渦電流センサを取り付けた軸の側面図である。 図１８記載の実施形態における、渦電流センサを取り付けた軸の端面図である。 本発明の他の１つの実施形態における、渦電流センサを取り付けた軸の側面からの断面図である。 本発明の他の１つの実施形態における、渦電流センサを取り付けた軸の側面図である。 本発明の他の１つの実施形態における、渦電流センサを取り付けた軸の側面図である。 図２０記載の実施形態における、渦電流センサを取り付けた軸の端面図である。

Claims (15)

1. トルクの測定対象である軸にプレスフィットした、磁気弾性リング；
   前記リング内に渦電流を誘起するため、発振器により差動し、前記リングの外周上近傍に選択された一点で、長手方向励磁軸が前記軸の径方向に配置されている励磁コイル；
   前記磁気弾性リングに生じる前記軸のヒステリシス効果を最小限にするために、前記軸と前記磁気弾性リングとの間に配置される、連結スリーブ；
   前記リング内に生じる前記渦電流によって生じる磁界を検知するため、前記リングの外周上近傍で、且つ、前記励磁コイル近傍で、長手方向検知軸が前記軸の径方向に配置されている、検知コイル；
   前記リングの導電率及び透磁率の変化を検知するための、電気回路；を含む、
   軸を通じて負荷されるトルクを検知するためのデバイス。
2. 前記電気回路が、
   前記検知コイルの出力を受ける、ブリッジバランス回路；
   前記ブリッジバランス回路の出力を増幅させる増幅器；
   前記増幅器の出力を復調する復調器；および
   センサ出力をするために、前記復調器の出力をフィルタリングするフィルター
   を有する請求項１に記載のデバイス。
3. 前記励磁コイルは、第１の励磁コイルと第２の励磁コイルとに分かれており、
   前記検知コイルは、第１の検知コイルと第２の検知コイルとに分かれており、
   前記第１の励磁コイル及び第２の励磁コイルが、おおよそ同じ大きさの位相を有する磁界を発生させ、
   前記第１の検知コイル及び第２の検知コイルが、おおよそ同じ大きさで反対の位相を有する信号を発生させることを特徴とする、請求項１又は２に記載のデバイス。
4. 前記磁気弾性リングに生じる圧縮あるいは引張の線に焦点を合わせるため、前記軸の中心軸について＋４５°回転させてある、前記第１の励磁コイル及び前記第１の検知コイル；
   前記第１の励磁コイル及び前記第１の検知コイルによって焦点が合わせられた、前記圧縮あるいは前記引張の線と反対に焦点を合わせるように、前記軸の中心軸について−４５°回転させてある、前記第２の励磁コイル及び前記第２の検知コイル；をさらに含む、請求項３に記載のデバイス。
5. 前記磁気弾性リングが、第１の磁気弾性リングと第２の磁気弾性リングとに分かれており、この第１の磁気弾性リングが、焦点が合わされた前記第１の励磁コイル及び前記第１の検知コイルを有し、
   この第２の磁気弾性リングが、焦点を合わされた前記第２の励磁コイル及び前記第２の検知コイルを有している、
   請求項４に記載のデバイス。
6. 前記第１の励磁コイルと、前記第２の励磁コイルが、前記軸の中心軸に沿って隣り合って存在する、請求項４に記載のデバイス。
7. 前記第１の励磁コイルと、前記第２の励磁コイルが、前記軸の円周に沿って隣り合って存在する、請求項４に記載のデバイス。
8. 前記第１、前記第２の励磁コイル及び検知コイルが、単一の物理的パッケージに入れられている、請求項４に記載のデバイス。
9. 前記第１、前記第２の励磁コイル及び検知コイルが、別個の物理的パッケージに入れられている、請求項４に記載のデバイス。
10. 前記磁気弾性リングが、外周にギザギザの溝を有する、請求項４に記載のデバイス。
11. 前記ギザギザの溝が、前記磁気弾性リングの引張及び圧縮線に平行であり、前記第１の励磁コイル及び検知コイルに最も近い前記ギザギザの溝が、前記軸の中心軸から＋４５°で配置され、
    前記第２の励磁コイル及び検知コイルに最も近い前記ギザギザの溝が、前記軸の中心軸から−４５°で配置されている、請求項１０に記載のデバイス。
12. 第３、第４の励磁コイル及び第３、第４の検知コイルをさらに含み、
    この第３の検知コイル及び励磁コイルが、前記磁気弾性リングの前記圧縮あるいは引張の線の１つに焦点が合わせられ、
    この第４の検知コイル及び励磁コイルが、前記磁気弾性リングの前記圧縮あるいは引張の
    線の異なる１つに焦点が合わせられている、
    請求項４に記載のデバイス。
13. 第３、第４の励磁コイル及び第３、第４の検知コイルをさらに含み、
    前記第３の検知コイル及び励磁コイルが、磁気弾性リングの圧縮あるいは引張の線の１つに焦点が合わせられ、
    前記第４の検知コイル及び励磁コイルが、磁気弾性リングの圧縮あるいは引張の線の異なる１つに焦点が合わせられており、
    前記第３、前記第４の前記検知コイル及び励磁コイルが、磁気弾性リングの円周に沿って並べられており；
    第５、第６、第７及び第８の励磁コイル及び検知コイルが前記軸の中心軸に平行に配置されている、
    請求項４に記載のデバイス。
14. 前記検知コイル及び前記励磁コイルがセンササポートブロックに組み込まれており、
    このセンササポートブロックが、前記軸の近くに配置され、ベアリングによって前記軸に取り付けられている組立てリングに、取り付けられており、
    このセンササポートブロックが、前記軸に関してある決まった位置に取り付けられているフランジによって、回転しないようにされている、
    請求項１に記載のデバイス。
15. 前記検知コイル及び前記励磁コイルがセンササポートブロックに組み込まれており、
    このセンササポートブロックが、前記軸の近くに配置され、ベアリングによって、スリーブに取り付けられている組立てリングに取り付けられており、
    このスリーブがさらに軸にプレスされており、
    このサポートブロックが、前記軸に関してある決まった位置に取り付けられているフランジによって、回転しないようにされている、
    請求項１に記載のデバイス。

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