JP5094101B2 - ソレノイド磁力計 - Google Patents

Description

本発明はトルクセンサー用の磁力計に係わり、より具体的には、トルクと関連する発散磁場を測定できるように相対配置された複数のコイルを含む磁力計に係わる。

従来のトルクセンサーはトルクが加わるとこれに応答して磁場を発生させるトルクトランスジューサ素子を含む。発生または変化する磁場を磁力計が検知する。トルクトランスジューサ素子は通常、トルクが加わるとこれに応答して磁場を発生させる磁気弾性材を含む。磁気弾性材にトルクが加わると、磁気弾性材は帯磁領域内にせん断応力を発生させ、このせん断応力はトルクとトランスジューサ素子が発生させた磁場の方向をほぼ円周方向から螺旋方向へとシフトさせる。磁場の螺旋方向へのシフト量は磁場の軸方向成分として検知される。磁場の軸方向成分は加わったトルクに比例し、トルク素子に加えられたトルクの正確且つ信頼するに足る値を提供する。

磁場、特にトルクに起因する磁場歪みの軸方向成分の感知は磁場センサーを使用することによって達成される。広く使用されている磁場センサーは磁気飽和可能な材料から成るコアに巻着され、交流を給電されるコイルとして構成されたフラックスゲートセンサーである。交流は磁気素子を周期的に磁気飽和させる。トルクトランスジューサシャフトによって発生させられる磁場はコイルが発生させる周期的な磁場に重ね合わせられる。トルクトランスジューサシャフトによって発生させられる磁場を重ね合わせることによってコイルの磁気飽和に非対称性が現れる。磁気飽和に起因するコイルのインダクタンス変化がコイルへの誘導電圧となる。トルクトランスジューサ素子に加わるトルクの大きさと方向を求めるために測定されるのがこの電圧である。

公知の磁場センサーは中央フランジによって区分される軸方向上方部分と下方部分を有するボビンを含む。上下のコイルは互いに隔離されており、交流を給電されて磁場を発生させる。磁気飽和可能な磁気片がコイルとトルクトランスジューサ素子との間に介在する。これらの磁気片はコイル内に発生する交流によって磁気飽和する。磁気片はシャフト及び回転軸と平行に配置されている。磁気片は極めて急激な磁気飽和特性を有し、磁場の存在において速やかに飽和し、磁場が不在になれば忽ち消磁する。

公知の磁場センサーの難点として、影響を及ぼす磁場に起因する歪みを解消するため、正確な調整が必要である。特殊な且つ正確な調整を必要とするから、その分だけコストが増大し、複雑さも増し、トルクセンサーの耐用性と信頼性を損ねることになる。

従って、耐久性に優れ、製造し易く、磁気弾性材を支持するシャフトを有するトルクトランスジューサ素子と適合する高精度の磁場センサーを開発・設計することが望ましい。

発明の概要

本発明によると、トルクトランスジューサ素子と併用される磁力計組立体であって、互いに電気的に接続され且つ軸を中心として同軸関係に配置された第１内側コイル及び第１外側コイルと、互いに電気的に接続され、前記軸を中心として同軸関係に且つ前記軸に沿って第１内側コイル及び第１外側コイルと並置関係に配置された第２内側コイル及び第２外側コイルと、各々が第１内側コイルと第１外側コイルとの間及び第２内側コイルと第２外側コイルとの間を前記軸と平行に延びるように前記軸に関して円周方向に離隔して配置された複数の磁気飽和可能な磁気片とより成り、第１内側コイルと第１外側コイルとは互いに反対方向で大きさの等しい磁場を発生するように構成されており、第２内側コイルと第２外側コイルとは互いに反対方向で大きさの等しい磁場を発生するように構成されており、第１内側コイルと第２内側コイルとは共通ノードに接続され、複数の磁気片は、第１外側コイルと第２外側コイルとの間に交流電源が接続されると交流電圧波形のピークにおいて磁気飽和状態となり、トルクトランスジューサ素子が印加トルクに応答して発生する発散磁場に起因する磁気飽和の非対称性に応じた電圧を共通ノードに発生させることを特徴とする磁力計組立体が提供される。
本発明の磁力計の実施例は共通のボビンに巻着され、それぞれ第１及び第２外側コイルに接続される第１及び第２内側コイルを含む。内側及び外側コイル間には複数の磁気片が介在する。磁気片は交互に帯磁、消磁を繰返して磁場を発生させ、この磁場を利用することにより、トルクトランスジューサ素子によって発生させられる歪みを測定する。

本発明の磁力計組立体は軸方向上方部分と下方部分とに分割されたボビンを含む。軸方向上方部分と下方部分は中央フランジによって分割される。軸に沿って並置関係にある上下それぞれの部分は内側コイルと外側コイルを含む。内側コイルと外側コイルは電気的に接続されている。内側及び外側コイルは対応の互いに対向し、且つ等しい磁場を発生させる。

内側及び外側コイル間には複数の磁気片が介在する。磁気片のそれぞれは磁気飽和可能であり、極めて高い長さ：直径比を有し、上下両コイルの全長に亘って軸方向に延びている。中央フランジは磁気片の数に相当する数の切り込みを含み、磁気片がこの切り込みを貫通してボビンの全長に亘って延びる。

コイルに交流が給電されて磁気片を交流波形の正及び負のピークで磁気片を周期的に飽和させることによって磁場を発生させる。トルクトランスジューサ素子にトルクが加わると、発散磁場が発生する。発散磁場は磁力計組立体の上方部分と下方部分とでは異なる態様で磁気片に重ね合わされる。上下コイルのそれぞれは中央ノードと電気的に連通関係にあり、中央ノードにおける電圧が観察され、上下両コイルの磁場の大きさ及び振幅の差、即ち、シャフトに加わるトルクが求められる。

従って、本発明の磁力計は簡単な、コストに見合う有効なボビン組立体内のトルクトランスジューサ素子が発生させる磁場を簡単に、能率的に且つ低コストで感知することを可能にする。

本発明の上記及びその他の特徴を添付の図面を参照して以下に詳細を説明する。

図１に示す本発明のトルクセンサー組立体１０は磁気弾性リング１６を支持するトルクトランスジューサ素子１２を含む。トルクトランスジューサ素子１２は軸１８を中心に回転可能である。トルクトランスジューサ素子１２内のトルクは磁気弾性リング１６に伝達される。磁気弾性リング１６は初期設定無トルク状態において矢印２０で示す磁気容易方向に沿った磁場を有する。

トルクセンサー組立体１０は磁力計２２を含む。磁力計２２は中央フランジ２８によって分離される軸方向上方部分２１及び下方部分２３を有するボビン２４を含む。上下部分２１、２３のそれぞれは内側コイル及び外側コイルを含む。上方部分２１は内側コイル３４及び外側コイル３６を含む。下方部分２３は内側コイル３８及び外側コイル４０を含む。内側コイル３４及び３８は中央ノード５０（図３）において電気的に接続する。また、内側コイル３４、３８は外側コイル３６、４０と電気的に接続する。内側コイル３４、３８のそれぞれと外側コイル３６、４０のそれぞれとの間には複数の軸方向に向いた磁気片４２が介在する。

磁気片４２はボビン２４の全長に沿って軸方向に配置されている。磁気片４２は長さ：直径比が極めて大きいワイヤーまたは帯状片であることが好ましい。

内側コイル３４及び３８は交流の存在において、外側コイル３６、４０によって発生させられる磁場とは反対方向の磁場を発生させる。内側コイル３４、３８と外側コイル３６、４０とが互いに反対方向の磁場を発生させることで、個々のコイルでは発生させることができない所要の低いインダクタンスが可能になる。

内側コイル３４、３８及び外側コイル３６、４０のそれぞれは約２００巻き数の磁気ワイヤーを利用して巻着する。コイル形成に利用される磁気ワイヤーの具体的なサイズ及び巻き数は特定の用途に応じて異なり、特定の用途に必要な磁気特性が得られるようにこの種のコイルを寸法設定することは当業者が良く知るところである。内側コイル３４、３８は半径方向にトランスジューサ素子１２のシャフト１４に近接する位置を占める。トルクトランスジューサ素子１２に加わるトルクが発生させる磁場歪みを所要の精度で感知するためには、内側コイル３４、３８をトルクトランスジューサ素子１２に近接させて配置することが望ましい。

内側コイル３４、３８及び外側コイル３６、４０のそれぞれを形成するために要する巻き数に関係なく、それぞれのコイルの巻き数は一律である。巻き数を一律にし、これらのコイルを支持するのに単一のボビンを使用することの利点は複雑化を軽減し、耐用性を高めることにある。

トルクトランスジューサ１２を省いて図２に斜視図で示す磁力計組立体２２はボビン２４の周りに等間隔に配置した複数の磁気片４２を含む。磁気片を等間隔に配置することで、それぞれの磁気片４２を均一に磁気飽和させることができる。このような等間隔配置は中央フランジ２８に磁気片と同数の切り込み３２を等間隔に形成することによって容易になる。磁気片４２の具体的な個数や配置間隔が用途に応じて異なることは云うまでもない。磁気片４２の個数は所要の感度を調整する手段であり、磁気片４２の個数と間隔を変えることによって感度を調整することができる。

図２は磁気片４２が円周方向に等間隔に配置されている状態を示す。磁気片４２間の間隔は、それぞれの磁気片４２が軸１８と平行に配置されているから、円弧の長さ４４で示してある。

図３はコイル間の種々の電気的接続とコイル間に介在する磁気片４２とコイルの関係を示すための簡略化した断面図である。ボビン２６の上方部分２１に関しては、内側コイル組立体３４は外側コイル組立体３６と電気的に接続している。但し、内側コイル組立体３４及び外側コイル組立体３６のそれぞれは、互いに反対方向の磁場を発生させるように巻着されている。また、上方コイル組立体３４、３６は大きさの等しい磁場を発生させるように全く同じ巻き数で製造されている。

磁力計組立体２２の下方部分２３に関しては、下方内側コイル組立体３８は外側コイル組立体４０と電気的に接続している。ここでもまた、内側コイル３８と外側コイル４０は同じサイズ、同じ等級のワイヤー、同じ巻き数を採用して製造されている。

磁力計組立体２２の上下両部分２１、２３の内側及び外側コイル組立体３４、３８、３６、４０の間には磁気片４２が介在している。

コイル３４、３６、３８、４０は交流電源５２と接続している。交流電源５２からの交流は磁気片４２を周期的に飽和させるのに利用される。交流は方形電圧波形によって正及び負のピークを発生させ、このピークにおいて磁気片４２が磁気飽和状態となる。

図１及び３を参照して動作を説明すると、コイル３４、３６、３８、４０が磁場を発生させ、トルクトランスジューサ素子１２が発生させる磁場がこれに重ね合わされる。トルクトランスジューサ素子１２が発生させる磁場は発散性であり、磁気片４２により感知されるが、その磁場は磁気片の軸方向位置により異なる。磁力計２２の上下両部分２１、２３内の磁場は等しいので、磁力計組立体２２の上下両部分２１、２３内の磁気片４２の飽和状態に差があれば、このような飽和状態の差は共通ノード５０における電圧として検知される。

従って、磁力計組立体２２の上下両部分２１、２３間の共通ノードまたは接続点５０において、コイルを駆動するのに利用されるのとは異なる周波数を有するパルス電圧波形が検知される。ノード５０において発生し、検知される電圧の位相及び振幅は発散磁場の大きさ及び方向を、従って、トルクトランスジューサ素子１２に加わるトルクを示す。

従って、動作に際しては、それぞれのコイル３４、３６、３８、４０が、磁気片４２を飽和させる振幅で、交流によって励磁される。磁気片４２のそれぞれは交流電圧波形の正及び負のピークにおいて磁気飽和状態となる。トルクトランスジューサ素子１２にトルクが加わると、磁気弾性リング１６による発散磁場が磁気片４２中に発生する磁場に重ね合わされる。磁気飽和状態の磁気片４２に磁場が重ね合わされることによって、磁力計２２の上下両部分２１、２３間に磁気飽和の非対称性が現れる。非対称性に起因する電圧波形を共通ノード５０において観察することができ、この電圧波形は偶数調波から成る。電圧波形の偶数調波は磁場の大きさ、従って、トルクトランスジューサ素子１２に加わるトルクを測定するのに利用される特性とともに周波数及び位相を含む。

従って、本発明が開発し、開示する磁力計は単一のボビンと一律のコイル巻き数という技術を採用することによって、トルクトランスジューサ素子１２が発生させる磁場を正確且つ長期に亘って測定することを可能にする。

本発明の好ましい実施例を以上に説明したが、当業者ならば、本発明の範囲内で種々の変更を案出できるであろう。従って、本発明の真の範囲及び内容を判断するには後記する特許請求の範囲を検討すべきである。

本発明のトルクセンサーの実施例を一部切欠いて示す斜視図である。 本発明の磁力計の実施例を示す斜視図である。 本発明の磁力計の実施例を略示す断面図である。

Claims (7)

1. トルクトランスジューサ素子と併用される磁力計組立体であって、
   互いに電気的に接続され且つ軸を中心として同軸関係に配置された第１内側コイル及び第１外側コイルと、
   互いに電気的に接続され、前記軸を中心として同軸関係に且つ前記軸に沿って第１内側コイル及び第１外側コイルと並置関係に配置された第２内側コイル及び第２外側コイルと、
   各々が第１内側コイルと第１外側コイルとの間及び第２内側コイルと第２外側コイルとの間を前記軸と平行に延びるように前記軸に関して円周方向に離隔して配置された複数の磁気飽和可能な磁気片とより成り、
   第１内側コイルと第１外側コイルとは互いに反対方向で大きさの等しい磁場を発生するように構成されており、
   第２内側コイルと第２外側コイルとは互いに反対方向で大きさの等しい磁場を発生するように構成されており、
   第１内側コイルと第２内側コイルとは共通ノードに接続され、
   複数の磁気片は、第１外側コイルと第２外側コイルとの間に交流電源が接続されると交流電圧波形のピークにおいて磁気飽和状態となり、トルクトランスジューサ素子が印加トルクに応答して発生する発散磁場に起因する磁気飽和の非対称性に応じた電圧を共通ノードに発生させることを特徴とする磁力計組立体。
2. 第１内側コイル、第１外側コイル、第２内側コイル及び第２外側コイルはボビンに巻着されることを特徴とする請求項１に記載の磁力計組立体。
3. 第１内側コイル及び第１外側コイルは第２内側コイル及び第２外側コイルから中央フランジにより分離され、中央フランジは円周方向に等間隔の複数の切り込みを有し、複数の磁気片はそれぞれこれらの切り込みを軸方向に貫通することを特徴とする請求項２に記載の磁力計組立体。
4. 複数の磁気片はそれぞれその断面積より長さの方が大きいワイヤーから成ることを特徴とする請求項１に記載の磁力計組立体。
5. 第１及び第２内側コイル及び第１及び第２外側コイルはトルクトランスジューサ素子の磁気弾性リングを同軸関係に囲むことを特徴とする請求項１に記載の磁力計組立体。
6. 複数の磁気片はそれぞれ第１内側コイル及び第１外側コイルと第２内側コイル及び第２外側コイルの軸方向の全長を延びることを特徴とする請求項１に記載の磁力計組立体。
7. 複数の磁気片は前記軸に関して円周方向に等間隔で配置されていることを特徴とする請求項１に記載の磁力計組立体。

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