JP4671259B2 - トルクまたは力センサ用磁気変換素子 - Google Patents

Description

【０００１】
発明の分野
本発明は、トルクまたは力センサにおいて好適に使用される変換素子と、その素子を組込んだ変換器組立体（アセンブリ）に関する。
【０００２】
発明の背景
軸を中心として回転するシャフトにおけるトルクの不接触検知に対する一つの手がかりは、磁気弾性に基づくトルクセンサである。磁気弾性変換素子は、トルクが測定されるべきシャフトに固着されるか、またはそれと一体であり、変換素子によって放散されるトルク依存磁界が、シャフトの外部にはあるが、シャフトとは接触しない、放散磁界に応答する検知素子によって検出される。検知素子の例は、ホール効果素子、飽和コイルセンサ、または当該技術において周知の種々の他の磁界感応性素子である。実際には、検知素子は素子の組立体であってもよいことは理解されよう。例えば、複数の検知素子が、シャフトの軸の回りに配設され、トルク依存磁界に対して加えられるが、地磁気のような外部磁界に対して打消すよう相互接続される。
【０００３】
従来提案されていた磁気弾性変換器素子は、円周方向に磁化されたリングすなわち環を形成する。磁界は、常時はエレメント内に包含される閉ループを形成する。変換素子の一形態は、全て Garshelis に付与され Magnetoelastic Devices, Inc. へ譲渡された、米国特許第５，３５１，５５５号、第５，４６５，６２７号および第５，５２０，０５９号に開示されるようなシャフトへ取付けられた別体の磁気弾性材料のリングである。リング変換素子では、リングは、リング内に閉じ込められている円周方向磁界を保持している。つまり、磁界はトルクの無い場合には外部から検出できない。シャフトのトルクが磁気弾性リングへ伝達される場合、外部磁界が放散され、センサ装置によって検出される。
【０００４】
円周方向に磁化された磁気弾性センサを提供することに対する別の手がかりは、国際特許出願ＰＣＴ／ＧＢ９９／００７３６（ＷＯ９９／５６０９９として１９９９年１１月４日に公開）に開示されており、ここでは、変換素子は、トルクが測定されるべきシャフトの一体部分である。これは、別体のリングをシャフトへ適正に固着する際の問題を回避する。一体の変換素子の手がかりは、公開された国際特許出願ＷＯ９９／２１１５０およびＷＯ９９／２１１５１にも開示されている。
【０００５】
磁気弾性は、今のところ依然として、明白に充分理解されて説明されてはいない現象である。従って、トルク検知に対して殊に適切な変換素子に用いられてもよい他の形態の磁化を探求することが一般的に望ましい。
【０００６】
円周方向に磁化されるトルク変換素子の不利点は、温度による短期間の磁界変動、または長期間の磁界変化に対してセンサシステムを較正することが困難であることにある。無トルクのもとで確実に検出できる磁界を作り出さない変換素子は、較正の問題を与える。
【０００７】
信頼性および長期の安定性は、ＰＣＴ／ＧＢ９９／００７３６（ＷＯ９９／５６０９９）に記載されている好ましいトルク変換システムにおいて高められてもいる。シャフトは、軸に沿った３つ以上の区域に直接磁化される。３区域の場合を取ると、内側区域が一方極性で円周方向に磁化され、反対極性の円周方向磁化で磁化されたそれぞれの外側区域で脇を固められる。内側区域は変換素子を提供し、２つの隣接する外側区域は、保護と守護区域(guard and keeper regions)として作用する。
【０００８】
発明の概要
本発明の第１の局面によると、一つ以上の磁気変換素子が、長手方向に磁化、すなわち、円周方向磁化と対照的に軸方向にある磁化を使用して、磁化可能な材料のシャフトに一体に設けられる。
【０００９】
より詳細には、内側区域に対して反対極性の２つの区域によって側面に位置される内側区域を有する３つ以上の長手方向磁化区域を備えることによって、内側区域が変換素子として使用されることを可能にするその一方で、２つの側面区域は素子のための保護つまりキーパー区域として作用する。３つ以上の交互極性の区域が設けられてもよく、内側区域は変換素子として、隣接する内側区域のためのキーパーおよび保護区域として作用する。キーパー、つまり保護区域としての追加区域の配置は、変換素子区域の磁化を維持することを助け、特に変換器が強い磁界のあるところで使用される場合、シャフトに誘導される他の磁界から素子を絶縁することを助ける。長手方向磁化変換器の安定性を高め、シャフトにおける他の磁界の素子への影響を緩和するこれらの処置は、保護区域目的のために長手方向磁化を用いる必要は必ずしもない。非変換素子の保護区域は、変換素子がその内部で動作する安定した磁気的環境を提供する意図で、円周方向に磁化されてもよい。
【００１０】
本研究によれば、多くの材料がいずれにしろ磁気弾性を示すとはいえ、本発明は、材料が磁気弾性を示すか否かにかかわらず、実施できることが示された。それは磁化区域が、方向はトルクの作用であり、較正目的のために基準として使用され得るシャフト外部にあるフリンジ磁界を示すことが提案する長手方向磁化の特徴である。本発明は、シャフトの環状表面帯域へ本質的に閉じ込められる磁化で実施されてもよい。本明細書に開示し、下に検討する長手方向磁化は、接線方向つまり円周方向成分を有するトルク依存磁界を発生させることによって検出される。この磁化の形態は、円周方向検知の長手方向磁化と称することができる。ゼロトルクでも存在する外部磁界の軸方向つまり並行成分は、基準として利用されてもよい。
【００１１】
本発明は、曲げまたは剪断モーメントを受ける細長い部材における曲げ力または剪断力を測定する概念も含む。便宜上、トルク、曲げおよび／または剪断力を受けるそのような細長い部材全てを、回転する意図の有無にかかわらず「シャフト」と称することにする。本発明は、主として、シャフトの駆動端へ与えられるトルクを他端に結合される負荷へ伝達する長手方向軸の回りに回転可能なシャフトに関連して検討し、説明する。しかし、トルク測定は、シャフトの負荷端が効果的に固定され、トルクを発生する力が他端に与えられる幾つかの場合にも要求され得ると理解されよう。
【００１２】
本発明は、また、中実円形断面の強磁性体シャフトに関連して検討され、説明される。本発明の実施において、シャフトがその円周に対して他の断面形状であってもよく、中実でない断面が使用できてもよいことは以下の記載から理解されよう。例えば、中空のシャフトが、所望の長手磁化を保持するよう十分な壁厚を有するという条件で、説明する様式で磁化されてもよい。
【００１３】
保護を求める本発明の局面および特徴は、添付する特許請求の範囲に明示されている。
【００１４】
好ましい実施の形態の説明
図１は、長手方向軸Ａ−Ａの回りに回転可能であり、円形断面で、磁化可能材料の中実シャフト１０を示し、シャフトは３つの近接するつまり密接に隣接する区域２０、２２、２４を有し、それらは矢印で示すように長手（軸）方向に磁化される。区域は図示の明瞭さのために陰付されている。区域はシャフトの一体の部分である。これらの区域は交互の極性で磁化され、それにより隣接する区域は相互に同種の磁極、例えば、図示のようにＮとＮおよびＳとＳとなる。各区域では、磁化はシャフト円周の周りの環状帯域に広がる。区域は、磁極が相互反発効果を及ぼし、それによって磁束が放散されるのに十分密接している。
【００１５】
上述した磁化が得られる方法を以下に述べる。
図２ａは、区域２２の内側でシャフトを通る横断面を示し、図２ｂは、軸方向つまり直径断面を示し、その区域での磁化およびそれによって生成される磁束を図示する。内部磁化の特性は、図７ａと図７ｂを参照して下に更に充分に検討する。図２ａは、磁化がシャフトの表面で環状帯域２６内に広く確立され、磁化が円周の周りで同じ軸方向（図面の紙面に鉛直）にあることを図式的に示している。磁化が広がる深さは、磁化に用いられる磁界の強度に依存する。従って、シャフトの全断面に対する環状磁化帯域の半径方向の広がりの関係は、シャフトの直径に依存する。
【００１６】
図２ｂは、軸方向断面を示し、帯域２６に関連する磁束線を閉じることにおいて、シャフトが中実または実質的にそうであることを想定すると、大部分の磁束がＭｉで示すように比較的高い透磁率のシャフト材料内に内部で閉じ込められるようになることを図示している。シャフトを通る中央の軸方向内径は、軸方向芯材料がもし磁束があるとしてもほとんど保持しないので、それ程影響がない。図２ｂは、幾らかの磁束Ｍｆが帯域２６の磁極をシャフト外側の外部フリンジ磁束として連結することも示している。外部は低透磁率の空気経路であると想定される。フリンジ磁束Ｍｆの接線方向成分は、トルクが与えられる場合にシャフト１０の表面外部に載置される非接触のセンサ素子３０ａと３０ｂによって検出可能である。軸方向に向けられるつまり並行した成分は、個別にセンサ３２によって検出される。いずれの直径も横切る帯域２６は、同じ軸方向に磁化されるが、下に検討するように、結果として異なるセンサ出力となる２つの部分２６ａと２６ｂを含む。これも下に更に検討するように、区域２２に関連する磁界は、回転の軸Ａ−Ａと同軸であるトロイダル形状を有すると考えられ得る。
【００１７】
磁化の単一区域２２が単独で使用可能であり得る一方で、それを反対極性の隣接する区域２０と２４によって側面に位置されることが好ましく、ここで、同種磁極の相互反発効果が区域２２からのフリンジ磁束Ｍｆの提供を強制する補助をする。区域２０と２４は、区域２２の長期間磁化を安定化する助力もし、シャフトに沿った他の場所で誘導され得る磁界から区域２２を防護する助けもする。区域２２を、以降、変換素子または区域と称する。区域２０と２４を、キーパーおよび保護区域と称する。説明すべき別の実施の形態では、４つ以上の軸方向に配設される交互極性の区域を用いることができ、ここで内側区域は、変換素子として、そしてキーパー、つまり保護区域としての両方の役を果たすことができる。既に述べたように、区域２０と２４の防護つまり保護機能は、これらの区域を円周方向に磁化させることによっても実現化されてもよい。
【００１８】
図１はゼロトルクのもとでのシャフト１０を示す一方で、図３ａおよび図３ｂは、右側端から見た際に時計廻りのトルク（矢印ＣＷ）のもとで、および、反時計廻りのトルク（矢印ＣＣＷ）のもとでの場合のシャフトを示す。シャフトは、回転し、例えば、負荷を伝達していてもよいし、または、静止し、左側端で固定されていてもよい。図３ａと図３ｂと関連して、図４ａと図４ｂは、図２ｂにおける２６ａと２６ｂのような帯域部分からのフリンジ磁界Ｍｆのベクトル図である。シャフトにおけるトルクの欠如で、各帯域部分における磁界Ｍｆは、同じ極性で軸と平行にある。接線方向つまり円周方向における磁界の成分は無い。
【００１９】
依然さらに興味深いことは、シャフトにおいて確立された磁界、より詳細には、与えられたトルクのもとでシャフトの外部で検出可能な磁界に何が起るかである。コバルト鋼シャフトについての実験では、シャフトがトルクのもとに置かれた際に、円周方向に向けられた磁界成分Ｍｓが、変換器区域、例えば、２２で生成され、与えられたトルクとその方向に依存する大きさと方向とを有することが実証された。その上、この成分は測定可能であり、トルクセンサ構成の基礎を提供する。トルクのもとで生成される外部磁界の現在の理解を以下に検討する。この説明は、シャフトが示すであろう磁気弾性を考慮に入れない。この発明の実施での良好な結果が、Ｓ１５５とＳ１５６航空電子用鋼および別の高性能鋼ＦＶ５２０ｂで、そして、１４−Ｃｒ−Ｎｉ．１４として知られる鋼合金で得られた。５％までのＮｉを有する鋼が良好な結果を与え、より詳細には１．５％から５％間のＮｉ、好ましくは、２〜４％Ｎｉであった。
【００２０】
トルクのもとで、シャフト自体はその軸の回りにねじれ、その結果、例えば、シャフトの表面に沿って引かれた回転軸Ａ−Ａに平行な線が偏向するであろう。同じように、磁界は図３ａと図３ｂに矢印で図示するように偏向される。
【００２１】
図４ａは、無トルク磁界Ｍｆに対して角度θに向けられた偏向磁界ベクトルＭｆ'を示す。（傾斜は図示の明瞭さのために誇張されている。）現在の知識で最良に説明され得るように、磁界ベクトルＭｆは、円周方向、即ち、シャフトに対する接線方向の成分Ｍｓ、およびゼロトルクの磁界Ｍｆの方向にある軸方向成分の直交成分に分解可能である。成分Ｍｓは、トルク依存でもあり、測定可能でもある。同じベクトル図は、その部分の表面の垂直上の点から見た場合、帯域２６のいずれの小さい長手部分に対して適用される。図４ｂは、トルクが反対方向である場合の相補的結果を示す。ここでは、成分Ｍｓは反対方向にある。しかし、シャフトが、例えば帯域部分２６ａの垂直上の固定点から考えられる場合、図４ａのベクトル図はＣＷトルクに適用されるが、この観測点から図４ｂのベクトル図は直径で対向する帯域部分２６ｂに対して適用される。従って、図２ａの断面で見ると、直径で対向する部分で生成される成分Ｍｓは反対方向を有する。外部磁界の影響を打消すことにこれを利用し得る有利点を、下に検討する。
【００２２】
実際のトルクセンサは、シャフトにおけるトルクに応答する変換素子と、トルクを表す信号出力を導くための適切な回路と共にセンサ素子構成とを必要とする。磁界に応答する多くの種類の検知素子は、コイル、殊に飽和誘導子素子、ホール効果素子および磁気抵抗素子を含んで知られている。本発明を実施する目的のために、測定されるべき磁界の方向つまり配向に敏感な素子を使用することが好ましい。より詳細には、飽和誘導子タイプの素子が使用されてもよい。そのような素子と、それと共に使用される信号調整および処理回路との例は、公開された国際出願ＷＯ９８／５２０６３に記載されている。
【００２３】
図１、図２ａと図２ｂは、飽和誘導子タイプの一対の検知素子、３０ａと３０ｂを示し、一対の素子は、シャフト１０に隣接して相互に直径で対向して、変換器区域２２の境界によって確定される軸方向限界内に、そのフリンジ磁界内にあるように配設される。各検知素子３０ａと３０ｂの応答の軸は、円周方向磁界成分Ｍｓの方向に軸合わせされる。図１に示される同じ種類の更なるセンサ素子３２が、変換器区域２２に隣接して配設されるが、フリンジ磁界Ｍｆに応じるよう軸方向に軸合わせされる。センサは、シャフト１０に対して非接触である。
【００２４】
図２ａにおいて、シャフト１０の外部の所定方向から、例えば、図の左から見ると、２６ａと２６ｂのような２つの直径において対向する帯域部分でのそれぞれの磁界成分Ｍｓは、反対方向に向けられており、それに対して、地磁気のような周囲の外部磁界Ｅは両検知素子において同じ方向であることが分かる。直径で対向する成分Ｍｓのための一対の反対方向に向けられた検知素子の設置は、Ｅのような外部磁界を打消す一方でＭｓ成分を加算するように行われる。これを図２ｃの回路で図示し、ここでは、２つの検知素子３０ａと３０ｂがＭｓ成分と軸合わせするよう配向され、外部磁界を打消す一方でＭｓ成分を加算するよう処理回路３６へ接続される。検知素子の種類と、個々の素子がそれの信号出力に関して利用される方法とに依存して、各素子は、素子に関連する個々の駆動／検知回路を、所要出力を取得するための信号合成回路と共に有することが認識されよう。
【００２５】
長手方向に磁化された変換器区域の使用によって行われるトルク測定はまた、磁界がゼロトルクにおいて変換素子内に閉じ込められる円周方向磁化区域を使用する先に公開された磁気弾性トルクセンサと比較して、追加の恩恵も提供する。フリンジ磁界は、別体の軸方向に配向された検知素子３２によって検出できる。これは、３０ａまたは３０ｂのような素子であってよいが、それと直角に軸方向で配向される。検知素子３２は、無トルク状態のシャフト１０を表す信号を提供し、それに対するトルク依存Ｍｓ成分を比較する基準つまり較正値を処理回路３６へ提供する。区域２２における磁化が変化する場合、特に時間経過で劣化する場合、ＭｆおよびＭｓ値は等しい比率で影響され、Ｍｓ値はそれに応じて補正されるであろう。
【００２６】
図２ｃを参照して説明した外部磁界の補正は、図２ｄに示す構成によっていずれの方向からの磁界へも拡張することができる。
【００２７】
図２ｄでは、一対のセンサ３０ａおよび３０ｂは、これもシャフト１０の対向側に設けられるが、センサ３０ａおよび３０ｂに対して直交に配設される第２対のセンサ３０ｃおよび３０ｄと共に直列に接続されている。４つのセンサは、適切な処理電子機器３６への接続のために図示のように直列に接続される。図２ｃのように、センサ３０ａ、３０ｂでのＭｓ成分は加算し、その一方で外部磁界Ｅ_１は打消されることが分かる。同様に、センサ３０ｃ、３０ｄに作用するＭｓ成分は加算し、センサ３０ａ、３０ｂでのＭｓ成分に対しても直列回路で加算する。Ｅ_１に直交する磁界Ｅ_２は、センサ３０ｃ、３０ｄで打消される。いずれの方向からの外部磁界も、Ｅ_１およびＥ_２方向での直交成分を構成することが考慮できるので、打消す。
【００２８】
これまでに説明したセンサシステムの２つの更なる発展がある。一つは、４つ以上の隣接する磁化区域の使用である。図５は、隣り合う区域が密接に隣接するシャフト軸に沿った４つのそのような区域４０、４２、４４、４６を示す。４つの区域は、交互の極性で長手方向に磁化される。この実施の形態では、２つの内側区域４２、４４が変換素子として使用され、それぞれの区域の境界によって設定される軸方向限界内に設置されるそれぞれの検知素子４８ａと４８ｂ（これは、既に説明したような直径で対向する対であってもよい）を備える。外部区域４０と４６は保護／キーパー区域として作用する一方で、内側変換器区域４２、４４もまた相互に対してそれぞれのキーパー／保護区域として作用することが分かる。検知素子４８ａと４８ｂは、軸に対して横断的に、即ち、図２ａと同様に、Ｍｓ成分に応答するように配向される。
【００２９】
外部磁界の影響を打消すことにおける反対極性の２つの内側変換素子の一つの用途は、外部磁界Ｍ_ｆへのアクセスがシャフトの片側だけで実行可能であり得る場合である。この場合には、シャフトの同じ側面の素子４８ａ、４８ｂは、シャフトがトルクの下にあるときに、区域４２と４４から反対極性のＭｓ成分を受けるであろう。しかし、地磁気のような周囲磁界は、両方で同じ方向にある。従って、図２ａおよび２ｃとの類似性によって、Ｍｓ成分は、加算できる一方で周囲成分を打消す。余地がある場合、図２ｄのような直交配置を用いることができる。
ここで、シャフトが、上で検討した円周方向検知の長手方向磁化のために磁化される方法に注目する。
【００３０】
一貫性と再現性のある測定という観点で、最適の変換器性能を達成するために、先ず望ましいのは、シャフト、または磁化される区域または複数の区域に関係するシャフトの少なくともその一部に、前磁化処理(pre-magnetisation process)を施し、それによってシャフトが磁気的に浄化されることである。磁気的浄化(magnetic cleansing)に好適な素子の一形態を図１２に示す。該前磁化処理は、所要の磁化区域の形成が必要なシャフトまたは他のセンサーホストへ適用可能である。この処理により、不明の磁界パターンが形成されているシャフトを脱磁つまり消磁する。
【００３１】
受け入れたシャフトは、材料内の磁気ドメインに異なる影響を及ぼす種々の機械的および／または熱処理の操作を受けたものであるかもしれない。シャフトは、不確定な磁界にさらされて、それを捕捉したかもしれない。そのような未知な点は、変換器性能に有害である。従って、ほとんどの場合、シャフトは前磁化処置を通されて、上で磁気的浄化と称し磁気的に確定した状態にされる。
【００３２】
必要な脱磁の程度は、その後に成される磁化に部分的依存する。例えば、変換素子を作り出すための磁気的過程が比較的低いレベルの磁界強度を使用する場合、センサの対象を完全に脱磁することがますます重要になる。こうした中で、磁気的浄化が意味することは、消磁つまり脱磁の処置の結果、シャフト材料の個々の粒子の磁気的方向が不規則であり、それにより何れの特定方向における磁気ドメインのグループ化も存在しない。磁区グループ化があって、個々の粒子の幾らかの組織化された磁気的配向を提供すると、それは磁化変換素子の不具合に通じる。例えば、測定磁気的信号のオフセットの増加；シャフト回転角の関数としての信号の不均一性；および、変換素子の時間経過で安定性の低下；などである。
【００３３】
磁気的浄化は、磁化変換素子が形成される区域を十分に越えて広げられなくてはならず、例えば、好ましくはセンサの対象には不確定な局所磁石系が無いようにシャフト全体が脱磁されるべきである。とりわけ、シャフト軸に平行な「棒磁石」の形成は、時間経過でシャフト内を移行して、現在進行形ベースでセンサ仕様に影響を及ぼすことがある。磁気的浄化にもかかわらずそのような磁界が残存する場合、保護磁界が、この可能性を緩和する方策となる。
【００３４】
図１２は、磁気的浄化のための素子を図示する。素子は、中空ソレノイド式に巻かれた脱磁コイル８０、主電力供給された変圧装置８２、および電流制限器８４を備える。１８ｍｍ直径のシャフトにとって好適なコイルは、強電流搬送容量ケーブルを巻数３００で約３０ｃｍの直径にしたコイルであった。ソレノイドコイルに巻かれた外側導体の重装同軸ケーブルが好適であることが立証された。変圧装置８２は、１１０または２４０ＶＡＣの主ＡＣ電源へ接続された可変変圧器８６を備える。これは、次にその２次巻線で、およそ４８Ｖまでの電圧で１０アンペア以上を安全に送出する能力のある絶縁変圧器８８へ接続される。コイル８０は、電流制限器８４を通し変圧器８８の２次巻線へ接続され、電流制限器８４は、抵抗器、例えば、電力レオスタット、またはさらに精巧な電子素子であってもよい。コイルを通る電流を監視する措置が取られる場合、電流制限器は省略されてもよい。普通のコイル抵抗は、約１００ミリオームであろう。変圧装置を変更することによって、電流を望み通りに制御することができる。
【００３５】
コイル８０が通電され、コイルが８〜１０Ａで通電されている間に、シャフトの全長がコイルを通過する。これは、約１ｋガウスの消磁磁界を作り出す。普通には、５００〜１２００ガウス範囲の磁界を達成することが期待される。このシャフトは、コイルの軸に沿い移動する可動冶具上に搭載でき、移動はシャフトの遠い端がコイルを離れるまで続き、それによりシャフトが受ける磁界は次第に減少する。消磁処置を達成する他の方式もあり、それはコイルに対するシャフトの軸方向位置の関数とするコイル電流の制御を含む。
【００３６】
この前磁化は、広範なセンサ対象の形状（シャフト、ディスク等々）への、および円周方向磁化を含む、広範な磁気変換器種類へのさらに一般的な適用可能性をもたらすと考えられる。
【００３７】
上述の磁化処置に続き、後磁化ステップが、前磁化処置と同じ様式で、しかしより低いレベルの磁界で行うことができる。この措置はまた、上で明示されたような他の方式で磁化されたセンサの対象を安定化するためにさらに一般的に適用されてもよい。
【００３８】
後磁化処置(post-magnetisation process)では、ここで磁化されたシャフトが、再び、通電されたソレノイドコイル８０を軸方向に通過する。しかし、コイルを通るＡＣ電流は、前磁化処置の場合より一桁低い。上記前磁化の例で、前磁化で用いた８〜１０Ａの電流は、後磁化用におよそ０．５〜１Ａへ低減される。この電流値は、確立されることを求められた基本磁気パターンを変化させない値であるが、最良に推量され得るように、磁化処置後に存在し得る寄生磁界を低減するか、または拒絶する。後磁化ステップは、シャフト回転に伴う出力信号の均一性、時間経過によるオフセット、および最終センサ安定性を一般的に改善することが判明した。
【００３９】
シャフト１０において長手方向に磁化される区域（単数または複数）を確立する磁化処置に戻り、これをここで非常に詳細に検討する。
それぞれの長手方向磁化区域の磁化は、図６に示すように、十分なパワーの馬蹄形つまりＵ字形磁石５０に相当するもので行うことができる。シャフトに向き合う磁石の磁極面は凹面を、シャフトに対して良好に一致させることができる。磁石５０は、永久磁石または電磁石で実現化できる。後者は、磁化磁界の強度にわたって大幅な制御を提供する利点を有する。シャフト１０の周りの環状帯域にわたる長手方向磁化を得るために、磁石およびシャフトは、シャフトの軸Ａ−Ａの回りで相互に対して回転される。磁化は、５２で示された材料の少なくとも表面帯域を飽和するに十分な磁界強度で行われ、その結果、材料はその残留磁気値に等しい磁化を残される。磁化は、シャフト外部へのフリンジ磁束は大部分が表面近くから生成されるので、あまり深くまで広がる必要はない。しかし、より深い磁化は、最小限のノイズを持つ出力信号を取得することに役立ち得る。
【００４０】
上記で検討した円周方向検知の長手方向磁化の取得は、磁石５０の寸法に依存すると判明した。磁石構造は、２つの強力に磁化された磁極片５４ａと５４ｂを備えることができ、磁極片は、シャフトに密接に隣接して配置されるそれぞれの端部と、Ｕ字形の基部を形成する低い磁気抵抗部材５６によって磁気的に接合されるその遠端部とを有する。部材５６は、磁束エンハンサとして作用して、シャフト１０に入る磁極端部間の磁束を増大させる。磁極片５４ａと５４ｂは、それぞれがシャフトの軸方向における幅である軸方向幅ｗと、幅ｗより実質的に大きい磁極間の軸方向間隙ｇとを有する同じ寸法を持つ。例えば、満足できる性能は、ｇ／ｗ≒３で達成された。試験した実施の形態では、磁極片それぞれは、１０×３ｍｍの断面を有し、３ｍｍ寸法を軸（ｗ）方向で有し、１０ｍｍ寸法が接線方向にあるように配向される。間隙ｇは１０ｍｍであった。この構成によってシャフトに誘導された環状磁化は、磁石５０の磁極に隣接する優勢磁化を生成する。磁極によって生成される磁束は、間隙区域ではあまり効果的でないが、それでも、図７と８を参照して更に検討するように、磁束経路は帯域５２全体にわたって軸方向に確立される。
【００４１】
図６ａは、磁石６をさらに展開したもので、数多くの区域が同時に交互極性の磁化で磁化されることを許容する。図６ａに示すように、磁石構造は、共通の磁石脚部が２つの隣接する磁石に対して連帯して使用されることを可能にする。図６ａは、特に３区域を同時に磁化するための構造を示す。
【００４２】
図７ａは、図６を参照して既に説明したように長手方向に磁化される区域５２において、図２ａに示した２２のような表面の隣接する環状帯域を図示している。図７ａは、いずれの直径の軸方向断面でも磁石ＮＳとして表される環状帯域を示し、ここでは、帯域２２でＳ−Ｎに生成される磁束は、材料の内部内の経路で大部分は閉じられる。外部のフリンジ磁束はここでは示されていない。この解釈によると、左の断面図が反対方向の磁束を異なるシューディングで示す図７ｂに示すように、磁束は磁束線のトロイドとして存在するであろうことが論考される。
【００４３】
図７ａに図示する磁束パターンは、ひとつつまり単一段階磁化と称されてもよい。測定の大幅な確実性と制御のために、シャフトの断面の磁化の状態がよりよく確定される２段階磁化処置を行うことが望ましいであろう。これを図８ａは、所定の軸方向極性の磁化を作り出すようシャフトのさらに深い磁化の第１段階を示す図８ａに図示する。
【００４４】
さらに深い磁化は、材料のより大きな深さに残留磁気の磁化を残すためにさらに強い印加磁界を必要とする。次に、磁化の第２段階は、第１段階の極性と反対の極性であり、図８ｂに図解するように、一方極性の外側環状帯域と外側帯域の半径方向内方に配置される反対極性の内側環状帯域とを残すようにその強度が選択される磁界を印加することによって行われる。２つの環状帯域は、互いを介する磁束経路を閉じて、安定した明確に確定された磁気的状態を達成する援助をする。再び、磁束線はシャフト内のトロイドを画成する。安定した明確に確定された外部フリンジ磁束が確立されよう。
【００４５】
上記で述べた説明は、磁化可能材料へ一般的に適用される。しかし、所望の結果を達成する磁気材料の性能は多様であろうことが認知されよう。
【００４６】
材料の透磁率、残留磁気、および、殊に２段階磁化に対しての保磁力は、全て関連している。満足できる実験結果が、ある割合のニッケル、および可能な場合にはコバルトも含有する鋼で達成された。実際の状況では、トルク伝達シャフト用の材料の設計および選択は、多分に、他の機械的工学的動作環境上の配慮に依存するであろう。
【００４７】
図９は、シャフトを単一または２段階様式で磁化することに使用され得る別の磁化配置を図示している。図９では、シャフト１０は、シャフトと同軸であるコイル６０によってソレノイドコイルの様式で取囲まれる。コイルは、磁化されるべき区域の軸方向長さに適切な軸方向寸法を有するであろう。コイルを電流ソース（Ｉ）から電流供給することにより、長手磁界が生成されてコイル内の区域を長手方向に磁化し、コイルにおける電流の極性が磁化の極性を決定する。
【００４８】
磁化の深さは、電流Ｉの強さを制御することによって制御可能である。この制御は、２段階磁化を行うことに行使できる。例えば、図８ａに合致する鋼シャフトを磁化するためのコイルは、第１段階に対して２０Ａの直流で、第２段階に対して５Ａの反対極性の電流で電流供給された。
【００４９】
コイル６０によりシャフト材料で生成される磁界の作用は、軸方向断面を示す図１０の線図からさらに良好に認識され得る。シャフト１０は、コイルが巻かれる、すなわち、コイル内径がシャフト直径に密接して一致する。密接に嵌合する巻型６２内に受容される、磁化されるべきシャフトの一部分２２'を有する。図１０は、個々のコイル巻数６４（幾つかの巻数だけを示す）に関連する磁界６６を図示する。個々の磁界成分は、矢印６８で示すような部分２２'の表面でおよび隣接して合成して表面帯域の長手方向磁化を作り出す。この帯域が広がる深さは、コイル６０へ印加される電流に依存する。従って、図８ａの磁化を達成することにおいて、一極性の大きな電流パルスは、最初に印加され、図８ｂにおけるような磁化の第２段階を達成するため、反対極性のより小さな電流パルスが印加される。電流パルスは、短い持続時間だけ必要であることに注意されたい。
【００５０】
シャフトを中心とした同軸コイルも、センサコイルとしても使用できる。この場合には、コイルはシャフトを磁化することに使用されるコイルと同じであってもよいが、しかし磁化電流を搬送することに必要とされるよりも細い太さの線の一つが好ましい。
【００５１】
本発明はまた、曲げ力の測定、または荷重負担構造に課せられる剪断力の測定のような、他の力を測定することにも用いられてもよい。曲げまたは剪断力のような力は、結果としてシャフトを中心とした磁界の歪になるであろう。
【００５２】
図１１は、部材の長さに沿った点７２で固着され、別の点７４で荷重Ｌを支持する部材７０を示す。部材７０は、長手方向に磁化され、上記で説明した区域２２の様式で変換器区域７６を提供する。区域７６は、剪断力に応答するように配置される。区域２２で生成された剪断力は、磁界Ｍｆの方向の偏向を引起すことに寄与し、部材７０に作用する力の測度として横断成分Ｍｓを生成するであろう。
【００５３】
別の例は図１３に示され、曲げ力は、シャフトの上側部を引伸ばし、シャフトの下側部を圧縮するように作用し、結果として、例えば、図１４ａと図１４ｂに示すように不均一なフリンジ磁束になってもよい。適切に位置決めされたセンサの使用によって、磁界の変化が測定でき、これから与えられた力の決定を行うことができる。例えば、一つの方向の曲げ力が決定されることになる場合、２つのセンサがこの方向において必要とされよう。３つ以上のセンサが２方向での曲げ力を決定するために必要とされよう。
【００５４】
図１４に示すように、４つの磁界センサ１６０ａ、１６０ｂ、１６１ａ、１６１ｂが使用される場合、４つのセンサによって測定された磁束を平均することによって、与えられたトルクが決定され、センサ１６０ａと１６０ｂとの間、およびセンサ１６１ａと１６１ｂとの間の測定された磁束の差が、それぞれ垂直および水平の曲げ力を決定することに使用できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 図１は、３つの長手方向に磁化された区域を有するシャフトのためのトルクセンサーシステムを図式的に示す。
【図２】 図２ａおよび図２ｂは、内側区域を通る横断面および軸方向断面それぞれを示し、図２ｃおよび図２ｄは、周囲の外部磁界の影響を打消すための回路を示す。
【図３】 図３ａおよび３図ｂは、トルク下の図１のシャフトを示す。
【図４】 図４ａおよび図４ｂは、内側区域の外部磁界に関連するベクトル図である。
【図５】 図５は、シャフトが４つの長手方向磁化区域を有する変形を示す。
【図６】 図６は、シャフト区域を磁化するための磁石配置を示し、図６ａは、３つの区域を同時に磁化するための構成を示す。
【図７】 図７ａは、説明のために、長手方向磁化区域に関連する磁束を図示し、図７ｂは、図７ａに示す区域内に確立される磁束のトロイドを横断面および軸方向断面で示す。
【図８】 図８ａおよび図８ｂは、より深い磁化の区域内で環状帯域の磁化を得るための２段階磁化手順を図示する。
【図９】 図９は、磁化されるべきシャフトがその中に設置される軸方向に延びるコイルを使用する、シャフトのための別の磁化配置を示す。
【図１０】 図１０は、図８ａおよび図８ｂの２段階磁化を得るよう図９のコイルによって生成される磁界を示す。
【図１１】 図１１は、本発明が剪断力測定にどのように適用可能であるかを示す。
【図１２】 図１２は、磁化前および磁化後手順の実行に適した素子の回路図である。
【図１３】 図１３、図１３ａおよび図１３ｂは、シャフトへ与えられる曲げ力の影響を示す。
【図１４】 図１４は、与えられたトルクおよび曲げ力の両方を検出するためのセンサ構成を示す。

Claims (12)

1. トルクまたは力変換器のための変換素子であって、
   トルクまたは力のために与えられる応力を受けることになる帯磁化可能材料の区域を有する部材を備え、
   前記区域は、軸の回りに環状である第１および第２のゾーンを含み、前記第２のゾーンは前記第１のゾーンの半径方向内方に配置され、
   前記ゾーンのひとつは、前記軸方向で長手方向に配向される永久帯磁化を有し、他のゾーンは、前記ひとつのゾーンによって生成される磁束のための戻り磁束経路を備え、
   前記ひとつのゾーンは、前記与えられた応力の作用である、前記軸に対して円周方向における磁界成分を有する、前記区域の外部の磁界を生成し、
   前記他のゾーンは、前記軸方向に長手方向に配向され、前記ひとつのゾーンの前記長手方向磁化に対して反対極性である永久磁化を有する、
   変換素子。
2. 前記ひとつのゾーンによって生成される前記外部磁界は、基準として使用可能な前記軸方向における成分を有する、請求項１に記載の変換素子。
3. 前記ひとつのゾーンは、前記部材の環状表面に延びる、請求項１または２に記載の変換素子。
4. 前記第１および第２のゾーンは、それぞれ前記ひとつおよび他のゾーンを構成する、請求項１〜３のいずれかに記載の変換素子。
5. 更に、前記最初に記載の区域に隣接する磁気材料の少なくともひとつの更なる区域を備え、前記または各更なる区域は永久帯磁化の環状ゾーンを含む、請求項１〜４のいずれかに記載の変換素子。
6. 前記または各更なる区域の前記環状ゾーンは、前記ひとつのゾーンに対して反対極性の帯磁化で長手方向磁化される、請求項５に記載の変換素子。
7. 前記部材は、前記円周方向磁界成分がトルクの作用であるように、前記軸の回りにそれに与えられるトルクを有するように成される、請求項１〜６のいずれかに記載の変換素子。
8. 前記部材は、その長手方向軸を中心として印加されるトルクを有するために取り付けられる円筒形の、好ましくは円形円筒形の本体である、請求項７に記載の変換素子。
9. 請求項１〜８のいずれかに記載の変換素子と、前記円周方向磁界成分を検出し、それを表す信号を提供するよう配設して配向される少なくともひとつの磁界センサ素子と、を備える変換器。
10. 更に、前記ひとつのゾーンによって生成される外部長手方向磁界成分を検出するよう配設、配向される少なくともひとつの更なる磁界センサ素子を備え、前記少なくともひとつの更なる磁界センサ素子は、前記長手方向磁界成分を表す信号を供給する、請求項９に記載の変換器。
11. 前記円周方向磁界成分および前記長手方向磁界成分を表すそれぞれの信号に応答して、前記長手方向磁界成分を基準とする前記円周方向磁界成分を表す出力信号を生成する信号処理回路を備える、請求項１０に記載の変換器。
12. 請求項２に記載の変換素子を備える変換器であって、更に、前記円周方向磁界成分に応答して前記印加応力を表す第１の信号を提供する第１の磁界センサ構成と、前記軸方向外部成分に応答して第２の基準の信号を提供する第２の磁界センサ構成と、前記第１および第２の信号に応答して、前記第２の信号を基準として、前記印加応力を表す出力信号を生成する信号処理手段と、を備える変換器。

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