JP4917662B2 - 力センサー装置 - Google Patents
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Description
1)リングは、周方向の有効的一軸磁気異方性を容易軸として備えていること
2)リングはフープ(輪)状の応力を受けること、すなわち応力がリングに展開する傾向があること
1.大きなトルク条件のもとで磁化されたリングのすべり。信頼性を損なう。
2.磁化されたリングのコスト。
3.高い工具費とリングに関連する高製造コスト 4.シャフトに磁化しない材料を用いることに関連する高コスト。ほとんどのトルク伝達適用のためのほとんどのシャフトは磁化しうる鋼で作られている。
5.シャフトに関連する高い工具費と高製造コスト。シャフトはスプラインを持つ必要があったり、テーパーをつける必要があったり、リングを受容するために容易すべきいくつかの特別な工具が必要となったりする。
6.シャフトの形状及び形式における制限。
i)外部磁界をキャンセルする助けをする。
ii)シャフトから発生する磁気信号の大きさを向上させる。
iii)「保護("guard", "keeper")」磁界となる。これは馬蹄形磁石の保護部材に類似している。馬蹄形磁石は、保護部材が設けられていれば長くその磁界を維持し、我々は信号磁界を「保護」するために余分に誘起された磁界を持つことができる。
iv)この保護磁界はシャフトに残る不要な磁界からの影響を減少させることもできる。変換磁界領域の両側の保護磁界は磁界ブロック手段として作用する。
a)外部磁界の方向
b)外部磁界の強度
c)シャフトの回転方向
d)シャフトが回転する速度
e)シャフトと磁界誘起手段(これは例えば永久磁石又は電流の流れるコイルであることができる)との間の距離
1.図5aに示すように、シャフト10の長手方向に直流電流60を通過させる。電流はシャフト全体又はその一部のいずれかに流すことができる。図5aは電流60をシャフト全体に流す場合を示し、図5bは電流60をシャフトの一部20に流す場合を示す。後者の場合、電流はシャフトに取り付けられたリング状電極60を介して流してもよい。得られた磁界24は周方向のものである。磁界の方向は電流の極性に依存する。
2.図6aに示すようにシャフトを回転させながら、シャフトの周囲に係合するブラシ又は歯車のごとき導電性接触部材70により、電流60をシャフト全体又はその一部に流す。これにより、図6bに示すように周方向の磁界24が形成される。
3.図4a及び4bに示すようにシャフトを回転させながら、複数の永久磁石をシャフト10のところまで持ってきた後、それらをシャフトから遠ざける。
4.図4gに示すようにシャフトを回転させながら、電磁石72をシャフトのところまで持ってきた後、電磁石72を遠ざけ、図4hに示す周方向の磁界を形成する。
5.図7a及び7bに示すように、中空のフェライトコア81の回りにトロイダル状に巻回した電線80に電流60を流し、シャフト10をその中に保持するか、又は磁化すべきシャフトの範囲に応じてシャフトにコアの中心を通過させる。図7aの磁化形態の実施において、フェライトコアは実質的に動径方向に肉厚を有していることが好ましく、そうするとシャフトを磁化させるために作用する磁界がシャフトに近接したコイル巻の部分から優勢的となり、特に各コイル巻きの動径方向の内側における磁界の部分が優勢的となる。コイル巻はできるだけ密接して巻く必要がある。この磁界はコイル巻に対して垂直であり、トロイドの回りの周方向と同じ向きである。
1.図8aに示すようなソレノイド90の中でシャフト1を磁化しうるコアとして使用し、図8bに示す平行な長手方向の磁界を形成する。図8a及び8bは磁化されたコアの一部を示すが、図8c及び8dは全シャフトの磁化を示す。ソレノイド90は直流電流60で励磁される。
2.図9a及び9bに示すように、シャフト1を、同じ軸上に配置し、互いに離間し、かつ一方のコイルのN極が他方のS極に対向するように接続された2つの電流を通すコイル94と95の間に保持する。2つのコイル間の磁束線は一方のコイルから他方のコイルに直接かつ均一に流れる。このようにして配置したコイルは一般にヘルムホルツコイルと称されている。
1.シャフトが置かれている状況
2.シャフトが作られている材料
3.シャフトがその弾性限度を超えない限りにおいて、シャフトに作用するトルクの大きさ及び向き
1.上述の方法の一つを用いてシャフトに周方向の磁界を導入する。この磁界はその適用において最終的に要求されるものより小さくなければならない。
2.シャフトへ既知のトルクを適用する。
3.シャフトから発生する磁界を測定し、次いでそのシャフトを、同じ既知の試験条件のもとで同じ材質、寸法の典型的なシャフトに対して期待される呼称磁界と比較する。
4.これらの試験結果を用い、特定の適用により要求される磁界の正確な大きさを適正に発生させるために必要な磁界の大きさがどのくらいの強度であるか決定する。そしてこの磁界の正確な大きさは、上述の方法の一つを用いて導入することができる。
1.一部又は全長にわたって磁化されているシャフトは、該シャフトの磁化された部分から発生する磁束の変化を検出することによりトルクセンサー又は力センサーにおいて使用することができる。これは、シャフトから発生する磁束の大きさが作用するトルク又は力に従って変化することによる。
2.トルクのない条件又は力が作用しない条件の下でシャフトから発生する磁束はゼロであってもよく、ゼロでなくてもよい。
a.外部磁化を打ち消すため(シャフト内で反対方向の磁界を使用することにより、これらの磁束は反対極性のセンサーにより検出される)
b.シャフトから発生する信号の大きさを改良するため
c.保護磁界とする
d.この保護磁界はシャフト内で磁気信号をそれ以外の信号から防ぐ役割も行う
a.任意の形状
b.実質的に剛性の断面
c.積層されているか、メッキされているか、そうでなくてもよい
d.熱処理されている、あるいは熱処理されていない
e.不規則な断面
f.回転するか、回転しない(トルクセンサー用):動くか、動かない(力センサー用)
6.1又は複数の磁界を以前消磁した、あるいは消磁していないシャフト内に導入することができる。従って、シャフトは磁化されたある部分又は磁化されていないある部分を持つことができる。トルク又は力のもとで磁束を発生する磁化された部分は磁化された、あるは磁化されていないシャフト部分により境界付けされることができる。
a.シャフトを流れる電流
b.電磁石
c.永久磁石
d.電流が流れるコイル。これは他の物体(例えばトロイド)の回りを巻回されていてもよいし、されていなくてもよい。
a.固体センサー
b.ホール効果素子
c.磁気抵抗装置
d.磁束計
e.コンパス
f.誘導コイル シャフトから発生する磁束の大きさ及び向きに依存する出力を与える検出素子の使用は、トルク又は力ベクトルの指標を提供することができる。磁束の大きさのみに依存する出力を与える素子の使用は、トルク又は力の大きさの指標を提供する。
a.(任意のステップ)シャフトを消磁するか又は磁化することによりシャフト内に既知の磁気的状態を確立する。
b.1又は複数の既知の磁界をトルク又は力センサーを作るためにシャフト内に導入する。この(あるいはこれらの)磁界は上述のように任意に配向していてよい。既知の磁界はトルク又は力センサーへの適用において要求される磁界より小さくなければならない。
c.既知のトルク又は力を印加し、シャフトから発生する磁束(又は磁束の変化)を測定し、それを期待値と比較する。
d.実際の値と期待値との間(又は実際の変化と期待変化との間)の差を、シャフト内の磁界の強度を増加させるために使用。これにより、全トルク又は力に対する磁束の「正確な」量を発生させることができる。
11.複数の検出素子を、シャフトの横方向の動きを補償するためシャフトの回りに設置することができる。
Claims (14)
- 長尺状部材(以下シャフトと称する)を含む力センサー装置であって、
該シャフトは、該シャフトの一端部に印加される力が、他端部に対して該シャフトに曲げモーメントを誘起するように動作可能に設けられ、
該シャフトは、周方向に残留磁化された一体的部分で構成された変換素子を有し、
該一体的部分の外側の磁束は、該一体的部分内に誘起された曲げモーメントの関数であり、
該力センサー装置は、さらに、該シャフト内の曲げモーメントを表す信号を発生するために該外部磁界に応答するセンサー手段を含む、
力センサー装置。 - 該一体的部分が、軸方向に配置された少なくとも2つのゾーンからなり、各ゾーンはその内部に周方向磁界を有し、かつ隣接するゾーンの磁界の極性は反対である、請求項1に記載の力センサー装置。
- 該シャフトが、消磁された該一体的部分により境界付けられた少なくとも1つの磁化しうる部分を有する、請求項1又は2に記載の力センサー装置。
- 該シャフトが、軸方向の磁界で残留磁化された該一体的部分により境界付けられている少なくとも1つの磁化しうる部分を有する、請求項1又は2に記載の力センサー装置。
- 該変換素子は周方向に磁化しうるものであり、かつ該変換素子の両側に軸方向の更なる各一体的部分を含み、該更なる各一体的部分は該変換素子の周方向磁界の極性とは反対の極性にかつ周方向に磁化されており、かつ該変換素子により発生する磁束を反発させるように動作するように該変換素子と隣接している、請求項1に記載の力センサー装置。
- 該センサー手段が、該変換素子の残留磁化に起因する外部磁界にのみ応答するように配置されている、請求項5に記載の力センサー装置。
- 該変換素子が該シャフトの軸方向に沿って設けられた該シャフトの4つの一体的部分のうちの1つであり、各一体的部分は周方向に残留磁化され、4つの一体的部分のうち軸方向の内側部分の第1及び第2の一体的部分は互いに反対極性の磁界を有し、4つの一体的部分のうち第3の一体的部分は該第1の一体的部分の軸方向外側であり、該第1の一体的部分の磁化と反対極性の磁化を有し、かつ該第1の一体的部分から発生する磁束に反発して動作するように該第1の一体的部分と隣接して設けられ、4つの一体的部分のうち第4の一体的部分は該第2の一体的部分の軸方向外側であり、該第2の一体的部分の磁化と反対極性の磁化を有し、かつ該第2の一体的部分から発生する磁束に反発して動作するように該第2の一体的部分と隣接して設けられている、請求項1に記載の力センサー装置。
- 該第1及び該第2の一体的部分がそれぞれ、他方が発生する磁束に反発して動作するように隣接している、請求項7に記載の力センサー装置。
- 該センサー手段が、該第1及び第2の一体的部分のみから発生する外部磁束に応答する、請求項7又は8に記載の力センサー装置。
- 該シャフトが磁化しうる均一な材料からなる、請求項1〜9のいずれかに記載の力センサー装置。
- 該一体的部分から発生する外部磁束は、該一体的部分に曲げモーメントがない状態で本質的にゼロである、請求項1〜10のいずれかに記載の力センサー装置。
- 請求項1に記載の力センサーに使用される磁気的に校正されたシャフトを製造する方法であって、次の各ステップからなる方法、
a.随意的に該シャフトに所定の磁気状態を形成するステップ、
b.該シャフトの少なくとも一部に、既知の、残留した周方向に配向する磁界を導入するステップ、
c.該シャフトの該部分に既知の曲げモーメントを作用させ、該部分から発生する磁束を測定し、測定値を該磁界からの期待値と比較するステップ、
d.測定値と期待値との間の誤差を用い、導入した、残留した周方向に配向した磁界を、該シャフト部分が曲げモーメント値の範囲にわたる各曲げモーメントに対して既知の磁束を発生させる値まで増加させるステップ。 - ステップaにおいて、該シャフトが消磁される、請求項12に記載の方法。
- ステップaにおいて、該シャフトが、残留した軸方向に配向した磁界を導入される、請求項12に記載の方法。
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