JPH06317485A - 対象体に作用するトルクもしくは軸方向応力のいずれか一方あるいは双方を測定する感受器および方法ならびに磁気弾性材料の製造方法 - Google Patents
対象体に作用するトルクもしくは軸方向応力のいずれか一方あるいは双方を測定する感受器および方法ならびに磁気弾性材料の製造方法Info
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- JPH06317485A JPH06317485A JP4181089A JP18108992A JPH06317485A JP H06317485 A JPH06317485 A JP H06317485A JP 4181089 A JP4181089 A JP 4181089A JP 18108992 A JP18108992 A JP 18108992A JP H06317485 A JPH06317485 A JP H06317485A
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Abstract
(57)【要約】
【目的】 本発明は、対象体に作用されたトルクもしく
は軸方向応力のいずれか一方あるいは双方を測定するた
めの感受器および方法と、感受器に用いられる磁気弾性
材料の製造方法とを提供することである。 【構成】 感受器（２０）は、磁気弾性材料と感受装置
（２１０）とを具備し、前記感受装置（２１０）は、ト
ルクもしくは軸方向応力のいずれか一方あるいは双方に
よる磁気弾性材料の透磁率の変化を非接触で感受する。
前記感受装置（２１０）は、励振機能と変換機能とを行
うコイル装置を具備する。励振周波数は、磁気弾性材料
の支配的な工程が微小角磁化回転であるように選ばれ
る。励振周波数は、少なくとも３００kHz である。
は軸方向応力のいずれか一方あるいは双方を測定するた
めの感受器および方法と、感受器に用いられる磁気弾性
材料の製造方法とを提供することである。 【構成】 感受器（２０）は、磁気弾性材料と感受装置
（２１０）とを具備し、前記感受装置（２１０）は、ト
ルクもしくは軸方向応力のいずれか一方あるいは双方に
よる磁気弾性材料の透磁率の変化を非接触で感受する。
前記感受装置（２１０）は、励振機能と変換機能とを行
うコイル装置を具備する。励振周波数は、磁気弾性材料
の支配的な工程が微小角磁化回転であるように選ばれ
る。励振周波数は、少なくとも３００kHz である。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、シャフトなどの対象体
に作用するトルクもしくは軸方向応力のいずれか一方あ
るいは双方を測定する感受器に関し、前記感受器は、対
象体から成る、あるいは対象体に取り付けられている感
受手段を具備し、さらに前記感受手段は磁気弾性材料か
ら成り、感受装置は、トルクもしくは軸方向応力のいず
れか一方あるいは双方による磁気弾性材料の透磁率の変
化を非接触で感受し、前記感受装置は、励振および変換
機能を果たすコイル装置を具備する。さらに本発明は、
シャフトなどの対象体に作用するトルクもしくは軸方向
応力のいずれか一方あるいは双方を測定する方法に関
し、前記方法は、対象体に、対象体自体が磁気弾性材料
から作られていない限り、磁気弾性材料から成る感受手
段を設ける段階と、前記感受手段を初期応力のある状態
で対象体に接着する段階と、感受装置を、感受手段を部
分的あるいは完全に、囲むあるいは覆うよう配置する段
階であって、前記感受装置が、励振および変換機能を果
たすコイル装置を具備しする段階とから成る方法であ
り、さらに本発明は磁気弾性材料の製造方法にも関し、
前記方法は、いわゆる急冷法などの公知の方法による、
トルクもしくは軸方向応力のいずれか一方あるいは双方
の測定に用いられる磁気弾性材料の製造方法であって、
リボンは、急冷の結果である原料のエッチングによって
製造される。
に作用するトルクもしくは軸方向応力のいずれか一方あ
るいは双方を測定する感受器に関し、前記感受器は、対
象体から成る、あるいは対象体に取り付けられている感
受手段を具備し、さらに前記感受手段は磁気弾性材料か
ら成り、感受装置は、トルクもしくは軸方向応力のいず
れか一方あるいは双方による磁気弾性材料の透磁率の変
化を非接触で感受し、前記感受装置は、励振および変換
機能を果たすコイル装置を具備する。さらに本発明は、
シャフトなどの対象体に作用するトルクもしくは軸方向
応力のいずれか一方あるいは双方を測定する方法に関
し、前記方法は、対象体に、対象体自体が磁気弾性材料
から作られていない限り、磁気弾性材料から成る感受手
段を設ける段階と、前記感受手段を初期応力のある状態
で対象体に接着する段階と、感受装置を、感受手段を部
分的あるいは完全に、囲むあるいは覆うよう配置する段
階であって、前記感受装置が、励振および変換機能を果
たすコイル装置を具備しする段階とから成る方法であ
り、さらに本発明は磁気弾性材料の製造方法にも関し、
前記方法は、いわゆる急冷法などの公知の方法による、
トルクもしくは軸方向応力のいずれか一方あるいは双方
の測定に用いられる磁気弾性材料の製造方法であって、
リボンは、急冷の結果である原料のエッチングによって
製造される。
【０００２】
【従来の技術】作用する応力によって磁気材料の透磁率
が変化することが知られているので、シャフトの一部を
形成する、あるいはシャフト上に配置された磁気弾性材
料を用いることによって、回転あるいは固定シャフトに
作用するトルクを測定することは、公知である。磁気弾
性材料の透磁率は、引張りおよび圧縮応力が作用すると
きその磁気特性が変化することにより、変化する。した
がって、対象体に作用するトルクもしくは軸方向応力の
いずれか一方あるいは双方は、磁気弾性材料の引張りお
よび圧縮応力のいずれかに変換されなければならず、前
記磁気弾性材料は、対象体上に固定されているか、ある
いは磁気弾性材料を含む対象体それ自体（あるいは対象
体の一部）である。
が変化することが知られているので、シャフトの一部を
形成する、あるいはシャフト上に配置された磁気弾性材
料を用いることによって、回転あるいは固定シャフトに
作用するトルクを測定することは、公知である。磁気弾
性材料の透磁率は、引張りおよび圧縮応力が作用すると
きその磁気特性が変化することにより、変化する。した
がって、対象体に作用するトルクもしくは軸方向応力の
いずれか一方あるいは双方は、磁気弾性材料の引張りお
よび圧縮応力のいずれかに変換されなければならず、前
記磁気弾性材料は、対象体上に固定されているか、ある
いは磁気弾性材料を含む対象体それ自体（あるいは対象
体の一部）である。
【０００３】日本国公開特許第１６６８２７号には、非
接触のトルク変換器が開示され、前記変換器において、
薄い磁気弾性リボンが、シャフトの表面に取り付けら
れ、この位置で前記リボンは、ヘリンボーン模様を形成
し、２つの変換コイルと励振コイルとが、検知手段とし
て用いられる。励振コイルは、周波数２０kHz で励振す
る。
接触のトルク変換器が開示され、前記変換器において、
薄い磁気弾性リボンが、シャフトの表面に取り付けら
れ、この位置で前記リボンは、ヘリンボーン模様を形成
し、２つの変換コイルと励振コイルとが、検知手段とし
て用いられる。励振コイルは、周波数２０kHz で励振す
る。
【０００４】他の公知の非接触のトルク感受器は、三層
の原理に基づいている。最内の、すなわちシャフトに最
も近い層は、高い透磁率の非磁歪アモルファス層から成
り、この後非磁性材料から成る層が続く。最外の層は、
高い透磁率の磁歪アモルファス層から成る。約１００kH
z の励振周波数が用いられる。さらに特に、感受器は、
漂遊磁界に対する感受性を減少させるために、３つの層
から成る。
の原理に基づいている。最内の、すなわちシャフトに最
も近い層は、高い透磁率の非磁歪アモルファス層から成
り、この後非磁性材料から成る層が続く。最外の層は、
高い透磁率の磁歪アモルファス層から成る。約１００kH
z の励振周波数が用いられる。さらに特に、感受器は、
漂遊磁界に対する感受性を減少させるために、３つの層
から成る。
【０００５】欧州特許公開第０４２２７０２号で開示さ
れた磁気弾性トルク変換器では、１〜１００kHz 、また
好ましくは１０〜３０kHz の励振周波数が用いられ、す
なわち音がするのを防止するために、人間が聞こえる周
波数域をちょうど越えるようにする。
れた磁気弾性トルク変換器では、１〜１００kHz 、また
好ましくは１０〜３０kHz の励振周波数が用いられ、す
なわち音がするのを防止するために、人間が聞こえる周
波数域をちょうど越えるようにする。
【０００６】また米国特許第４８２３６２０号では、ね
じりトルクを測定するための磁歪装置が開示され、前記
装置において、同様に１〜１００kHz の励振周波数が用
いられる。
じりトルクを測定するための磁歪装置が開示され、前記
装置において、同様に１〜１００kHz の励振周波数が用
いられる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】この種類の全ての公知
のトルク感受器は、外部漂遊磁界に対し感受するという
欠点を有する。このため、前記感受器の使用が厳しく制
限され、地磁気でさえ信号に影響を及ぼす。数１０kHz
の励振周波数を用いるとき、高度に進歩した遮蔽装置を
用いる必要がある。本発明の目的は、高い感受性を有
し、取り扱いと製造とが容易で、かつ速い応答時間を有
する感受器を提供することである。さらに前記感受器
は、漂遊磁界に対し感受せず、またさまざまな種類の、
例えば汚いあるいは油まみれの環境に耐え得る。さらに
前記感受器は、簡単なコイル装置で使用できる、すなわ
ち非常に複雑なコイル装置などを必要としない。
のトルク感受器は、外部漂遊磁界に対し感受するという
欠点を有する。このため、前記感受器の使用が厳しく制
限され、地磁気でさえ信号に影響を及ぼす。数１０kHz
の励振周波数を用いるとき、高度に進歩した遮蔽装置を
用いる必要がある。本発明の目的は、高い感受性を有
し、取り扱いと製造とが容易で、かつ速い応答時間を有
する感受器を提供することである。さらに前記感受器
は、漂遊磁界に対し感受せず、またさまざまな種類の、
例えば汚いあるいは油まみれの環境に耐え得る。さらに
前記感受器は、簡単なコイル装置で使用できる、すなわ
ち非常に複雑なコイル装置などを必要としない。
【０００８】さらなる問題は、感受器が温度に強く依存
するということである。温度によるドリフトのある程度
の減少は、接着剤などの層を注意深く維持することによ
って達成でき、これによって磁気弾性材料は、使用され
る区域全体に渡って、１つのかつ均一な厚さで対象体に
用いられる（例えば異なるリボンベルトの下の接着剤層
の異なる厚さのため、２つの出力信号が異なってドリフ
トし、１つの信号が他から差し引かれるとき、最終出力
はドリフトする）。さらに、温度依存性のある程度の減
少は、コイル巻わくを固定し、温度変化に依存するコイ
ル巻わくの動きを制限して、達成できる。通常コイル巻
わくは、高い熱膨張率を有する材料から作られるため、
コイルは、温度が変化すると、移動する。いくつかの試
みにおいて、しかしながら、前記測定は、この感受器の
温度依存性が受け入れられる程度まで減少する、ことを
含まない。
するということである。温度によるドリフトのある程度
の減少は、接着剤などの層を注意深く維持することによ
って達成でき、これによって磁気弾性材料は、使用され
る区域全体に渡って、１つのかつ均一な厚さで対象体に
用いられる（例えば異なるリボンベルトの下の接着剤層
の異なる厚さのため、２つの出力信号が異なってドリフ
トし、１つの信号が他から差し引かれるとき、最終出力
はドリフトする）。さらに、温度依存性のある程度の減
少は、コイル巻わくを固定し、温度変化に依存するコイ
ル巻わくの動きを制限して、達成できる。通常コイル巻
わくは、高い熱膨張率を有する材料から作られるため、
コイルは、温度が変化すると、移動する。いくつかの試
みにおいて、しかしながら、前記測定は、この感受器の
温度依存性が受け入れられる程度まで減少する、ことを
含まない。
【０００９】したがって本発明の目的は、作用されたト
ルクもしくは応力のいずれか一方あるいは双方に対し強
度に感受的で、また漂遊磁界に対し強度に非感受的な感
受器を提供することであり、前記感受器は、取り扱いが
容易で費用が少なく製造でき、かつ複雑な感受装置を必
要としない。
ルクもしくは応力のいずれか一方あるいは双方に対し強
度に感受的で、また漂遊磁界に対し強度に非感受的な感
受器を提供することであり、前記感受器は、取り扱いが
容易で費用が少なく製造でき、かつ複雑な感受装置を必
要としない。
【００１０】本発明の目的はまた、対象体に作用された
トルクもしくは力のいずれか一方あるいは双方を非接触
で測定する方法を提供することである。本発明の他の目
的は、いわゆる急冷法などの公知の方法による、トルク
もしくは応力のいずれか一方あるいは双方を測定するの
に用いられる磁気弾性材料の製造方法を提供することで
あり、前記方法において、リボンは、急冷の結果である
原料のエッチングによって製造される。本発明のさらな
る目的は、温度に依存せず高性能である感受器を提供す
ることである。
トルクもしくは力のいずれか一方あるいは双方を非接触
で測定する方法を提供することである。本発明の他の目
的は、いわゆる急冷法などの公知の方法による、トルク
もしくは応力のいずれか一方あるいは双方を測定するの
に用いられる磁気弾性材料の製造方法を提供することで
あり、前記方法において、リボンは、急冷の結果である
原料のエッチングによって製造される。本発明のさらな
る目的は、温度に依存せず高性能である感受器を提供す
ることである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】これらおよび他の目的
は、シャフトなどの対象体に作用するトルクもしくは軸
方向応力のいずれか一方あるいは双方を測定する感受器
であって、対象体から成る、あるいは対象体に取り付け
られている感受手段を具備し、さらに前記感受手段が磁
気弾性材料から成り、感受装置が、トルクもしくは軸方
向応力のいずれか一方あるいは双方による磁気弾性材料
の透磁率の変化を非接触で感受し、前記感受装置が、励
振および変換機能を果たすコイル装置を具備する感受器
において、励振周波数が、磁気弾性材料の支配的な磁化
工程が微小角磁化回転であり、励振周波数が少なくとも
３００kHz であるように選ばれることを特徴とする感受
器と、対象体に作用するトルクもしくは軸方向応力のい
ずれか一方あるいは双方を測定する方法であって、対象
体に、対象体自体が磁気弾性材料から作られていない限
り、磁気弾性材料から成る感受手段を設ける段階と、前
記感受手段を初期応力のある状態で対象体に接着する段
階と、感受装置を、感受手段を部分的あるいは完全に、
囲むあるいは覆うよう配置する段階であって、前記感受
装置が、励振および変換機能を果たすコイル装置を具備
する段階とから成るトルクもしくは軸方向応力のいずれ
か一方あるいは双方の測定方法において、少なくとも３
００kHz の励振周波数が、磁気弾性材料を励振するのに
用いられることを特徴とする測定方法と、いわゆる急冷
法などの公知の方法による、トルクもしくは軸方向応力
のいずれか一方あるいは双方の測定に用いられる磁気弾
性材料の製造方法であって、リボンが、急冷の結果であ
る原料のエッチングによって製造される磁気弾性材料の
製造方法において、エッチングが、材料の製造方向に対
し独立に行われることを特徴とする磁気弾性材料の製造
方法と、温度感受手段と温度補償手段とをさらに具備す
ることを特徴とする前記感受器とによって、達成され
る。
は、シャフトなどの対象体に作用するトルクもしくは軸
方向応力のいずれか一方あるいは双方を測定する感受器
であって、対象体から成る、あるいは対象体に取り付け
られている感受手段を具備し、さらに前記感受手段が磁
気弾性材料から成り、感受装置が、トルクもしくは軸方
向応力のいずれか一方あるいは双方による磁気弾性材料
の透磁率の変化を非接触で感受し、前記感受装置が、励
振および変換機能を果たすコイル装置を具備する感受器
において、励振周波数が、磁気弾性材料の支配的な磁化
工程が微小角磁化回転であり、励振周波数が少なくとも
３００kHz であるように選ばれることを特徴とする感受
器と、対象体に作用するトルクもしくは軸方向応力のい
ずれか一方あるいは双方を測定する方法であって、対象
体に、対象体自体が磁気弾性材料から作られていない限
り、磁気弾性材料から成る感受手段を設ける段階と、前
記感受手段を初期応力のある状態で対象体に接着する段
階と、感受装置を、感受手段を部分的あるいは完全に、
囲むあるいは覆うよう配置する段階であって、前記感受
装置が、励振および変換機能を果たすコイル装置を具備
する段階とから成るトルクもしくは軸方向応力のいずれ
か一方あるいは双方の測定方法において、少なくとも３
００kHz の励振周波数が、磁気弾性材料を励振するのに
用いられることを特徴とする測定方法と、いわゆる急冷
法などの公知の方法による、トルクもしくは軸方向応力
のいずれか一方あるいは双方の測定に用いられる磁気弾
性材料の製造方法であって、リボンが、急冷の結果であ
る原料のエッチングによって製造される磁気弾性材料の
製造方法において、エッチングが、材料の製造方向に対
し独立に行われることを特徴とする磁気弾性材料の製造
方法と、温度感受手段と温度補償手段とをさらに具備す
ることを特徴とする前記感受器とによって、達成され
る。
【００１２】好ましい実施態様は、本発明の実施態様を
記載した請求項の記載によって達成される。本発明によ
れば、用いられる励振周波数は、少なくとも３００kHz
、好ましくは５００kHz から１０MHz の間、最も好ま
しくは１〜２MHz である。励振周波数の波形は、どんな
形状でもよいが、好ましい実施態様によれば、正弦波で
ある。公知の感受器全てにおいて、高々１００kHz の振
動数が用いられ、２０〜３０kHz の周波数は、この範囲
では、高周波とみなされる。このようなかなり高い周波
数によって良い結果が得られる理由は、磁化工程が変更
されるためである。このため、感受器信号が、通常生じ
るどんな漂遊磁界からも本質的に独立し、さらに感受器
信号の励振準位に対する依存性が、減少する。当該の磁
化工程に関し、磁化工程は２つの基本的機構から成り、
つまりいわゆる磁壁の移動と磁化回転（ＳＡＭＲモデ
ル、微小角磁化回転）とである。通常の励振周波数およ
び励振準位においては、磁壁の移動による磁化機構が支
配的であり、高周波あるいは低い励振準位においては、
ＳＡＭＲモデルが支配的である。これは、感受器が本質
的に異なる２つの領域、つまり磁壁の移動が支配的であ
る領域ＩＩとＳＡＭＲモデルが支配的である領域Ｉ、に
おいて作動する、ことを意味する。磁壁の移動による磁
化のとき、平行スピンの異なる区域は増加しかつ体積は
減少し、材料が磁化される。この工程で磁化された材料
は、かなり大きな励振準位を必要とするが、これは、壁
が材料の不規則性においてピン止めされ、しかし準位が
十分高いとき、準位が突然新しいピン止めサイトに移動
するためであり、前記サイトは、非常にノイズの多い磁
化挙動を示し、また応力の作用によって、材料に対しエ
ネルギのポンプ作用が可能である。さらに磁化は不可逆
であり、これは、材料が励振磁界がないときでさえ磁化
される、ことを意味する。磁壁は慣性力を有し、これ
は、磁壁が無限に速く移動できない、ことを意味する。
したがって、励振周波数が非常に増加すると、磁壁の動
きは鈍くなり、最終的には全く動けなくなる。励振準位
が非常に低いと、磁壁を移動させるのに十分なエネルギ
がなく、したがって回転磁化が支配的になる。
記載した請求項の記載によって達成される。本発明によ
れば、用いられる励振周波数は、少なくとも３００kHz
、好ましくは５００kHz から１０MHz の間、最も好ま
しくは１〜２MHz である。励振周波数の波形は、どんな
形状でもよいが、好ましい実施態様によれば、正弦波で
ある。公知の感受器全てにおいて、高々１００kHz の振
動数が用いられ、２０〜３０kHz の周波数は、この範囲
では、高周波とみなされる。このようなかなり高い周波
数によって良い結果が得られる理由は、磁化工程が変更
されるためである。このため、感受器信号が、通常生じ
るどんな漂遊磁界からも本質的に独立し、さらに感受器
信号の励振準位に対する依存性が、減少する。当該の磁
化工程に関し、磁化工程は２つの基本的機構から成り、
つまりいわゆる磁壁の移動と磁化回転（ＳＡＭＲモデ
ル、微小角磁化回転）とである。通常の励振周波数およ
び励振準位においては、磁壁の移動による磁化機構が支
配的であり、高周波あるいは低い励振準位においては、
ＳＡＭＲモデルが支配的である。これは、感受器が本質
的に異なる２つの領域、つまり磁壁の移動が支配的であ
る領域ＩＩとＳＡＭＲモデルが支配的である領域Ｉ、に
おいて作動する、ことを意味する。磁壁の移動による磁
化のとき、平行スピンの異なる区域は増加しかつ体積は
減少し、材料が磁化される。この工程で磁化された材料
は、かなり大きな励振準位を必要とするが、これは、壁
が材料の不規則性においてピン止めされ、しかし準位が
十分高いとき、準位が突然新しいピン止めサイトに移動
するためであり、前記サイトは、非常にノイズの多い磁
化挙動を示し、また応力の作用によって、材料に対しエ
ネルギのポンプ作用が可能である。さらに磁化は不可逆
であり、これは、材料が励振磁界がないときでさえ磁化
される、ことを意味する。磁壁は慣性力を有し、これ
は、磁壁が無限に速く移動できない、ことを意味する。
したがって、励振周波数が非常に増加すると、磁壁の動
きは鈍くなり、最終的には全く動けなくなる。励振準位
が非常に低いと、磁壁を移動させるのに十分なエネルギ
がなく、したがって回転磁化が支配的になる。
【００１３】つまり、励振周波数が十分高いとき、ある
いは励振準位が十分低いとき、回転磁化が支配的にな
る。この磁化は、個々のスピンを係止位置から微小角だ
け回転させるように作用する。この工程は可逆であり、
この結果励振磁界が取り除かれたとき、残余磁化は存在
しない。回転磁化が支配的な領域では、透磁率は励振準
位に対し本質的に独立であり、前記励振準位は簡単な関
係〔数１〕により、
いは励振準位が十分低いとき、回転磁化が支配的にな
る。この磁化は、個々のスピンを係止位置から微小角だ
け回転させるように作用する。この工程は可逆であり、
この結果励振磁界が取り除かれたとき、残余磁化は存在
しない。回転磁化が支配的な領域では、透磁率は励振準
位に対し本質的に独立であり、前記励振準位は簡単な関
係〔数１〕により、
【数１】 ここで、θはスピンの回転角、Ｈは励振磁界強度であ
る。
る。
【００１４】磁壁のピン止めは以下に記載され、
【数２】 ここで、βは減衰変数、αは弾性ばね係数、２ＨＩS は
磁壁単位面積当たりの力である。この式を解くと、
磁壁単位面積当たりの力である。この式を解くと、
【数３】 ここで〔数４〕であり、ＭS は飽和磁化である。
【数４】 さらにωは励振周波数であり、ω0 ＝α／βである。
【００１５】磁壁をそのピン止めサイトから分離させる
ために必要な初期振幅は、〔数５〕であり、
ために必要な初期振幅は、〔数５〕であり、
【数５】 ここで、ＨC1はω＝０のときの保磁力である。
【００１６】同日出願された係属出願中のスウェーデン
国特許出願第９１０２１２１−２号の『感受器装置』お
よびスウェーデン国特許出願第９１０２１２０−４号の
『監視装置』は、本質的に同じ原理に基づいた特別な実
施態様および応用に関する。本発明によれば、温度補償
は、リボンの温度測定中行われ、この後温度が、数学的
にあるいは電子的に補償される。温度補償が実現する特
別な方法は、応用に依存する。本発明によれば、リボン
ベルトを用いてリボンの温度を測定することは可能であ
る。リボンベルト上に用いられる分離リボンあるいはベ
ルトのいずれかが、トルクもしくは応力のいずれか一方
あるいは双方を測定するのに用いられる。この目的のた
め、１つあるいはそれ以上のリボンベルトが対象体に取
り付けられ、リボンベルトには、測定されるべき対象体
自体にかかる応力などと同じ応力などがかからないよう
にし、また同時に熱膨張による応力を差し引く。熱膨張
による応力は、このとき、アナログ式に測定される。こ
のように、熱膨張による応力は、他の応力と区別でき
る。応用に依って、これらのさらなるリボンベルトある
いはリボン帯は、異なる方法で取り付けられる。磁気弾
性材料の温度依存性のための補償は、いくつかの場合、
測定される対象体の材料の温度係数とほぼ同じ温度係数
を有する感受的（磁気弾性材料）を用いて説明される。
国特許出願第９１０２１２１−２号の『感受器装置』お
よびスウェーデン国特許出願第９１０２１２０−４号の
『監視装置』は、本質的に同じ原理に基づいた特別な実
施態様および応用に関する。本発明によれば、温度補償
は、リボンの温度測定中行われ、この後温度が、数学的
にあるいは電子的に補償される。温度補償が実現する特
別な方法は、応用に依存する。本発明によれば、リボン
ベルトを用いてリボンの温度を測定することは可能であ
る。リボンベルト上に用いられる分離リボンあるいはベ
ルトのいずれかが、トルクもしくは応力のいずれか一方
あるいは双方を測定するのに用いられる。この目的のた
め、１つあるいはそれ以上のリボンベルトが対象体に取
り付けられ、リボンベルトには、測定されるべき対象体
自体にかかる応力などと同じ応力などがかからないよう
にし、また同時に熱膨張による応力を差し引く。熱膨張
による応力は、このとき、アナログ式に測定される。こ
のように、熱膨張による応力は、他の応力と区別でき
る。応用に依って、これらのさらなるリボンベルトある
いはリボン帯は、異なる方法で取り付けられる。磁気弾
性材料の温度依存性のための補償は、いくつかの場合、
測定される対象体の材料の温度係数とほぼ同じ温度係数
を有する感受的（磁気弾性材料）を用いて説明される。
【００１７】
【実施例】本発明は、添付図面を参照して、以下にさら
に記載される。
に記載される。
【００１８】図１において、感受手段１０１は、対象体
（シャフト１）に取り付けられた磁気弾性リボンベルト
１０２から成り、前記リボンベルトはリボンベルト１０
２の縦方向に対し４５゜の角度でエッチングされたリボ
ン１０３の模様を有し、リボン１０３は、シャフト１の
縦方向に対し４５゜の角度になっている模様を形成す
る。リボンベルト１０２は変換コイル３と励振コイル４
とに囲まれ、両方のコイルは１つのかつ同じコイル巻わ
く５に巻かれ、前記コイル巻わく５には、変換コイル３
を受け入れるための溝７が形成される。さらに図１にお
いて、変換コイル３の溝７の幅は、リボンベルト１０２
の幅に比べかなり小さい。
（シャフト１）に取り付けられた磁気弾性リボンベルト
１０２から成り、前記リボンベルトはリボンベルト１０
２の縦方向に対し４５゜の角度でエッチングされたリボ
ン１０３の模様を有し、リボン１０３は、シャフト１の
縦方向に対し４５゜の角度になっている模様を形成す
る。リボンベルト１０２は変換コイル３と励振コイル４
とに囲まれ、両方のコイルは１つのかつ同じコイル巻わ
く５に巻かれ、前記コイル巻わく５には、変換コイル３
を受け入れるための溝７が形成される。さらに図１にお
いて、変換コイル３の溝７の幅は、リボンベルト１０２
の幅に比べかなり小さい。
【００１９】一般にねじりトルクは、１つのコイル、あ
るいは１つのリボンベルトが用いられると、軸方向応力
と区別できない。一方、２つのリボンベルトあるいは変
換コイルを直列にかつ逆相で接続すればねじりトルクが
測定でき、また２つのリボンベルトあるいは変換コイル
を直列にかつ同相で接続すれば、軸方向応力と温度とが
測定できる。
るいは１つのリボンベルトが用いられると、軸方向応力
と区別できない。一方、２つのリボンベルトあるいは変
換コイルを直列にかつ逆相で接続すればねじりトルクが
測定でき、また２つのリボンベルトあるいは変換コイル
を直列にかつ同相で接続すれば、軸方向応力と温度とが
測定できる。
【００２０】図２に別の実施態様が示されるが、この実
施態様において、シャフト１は、２つの磁気弾性リボン
ベルト２０２を具備し、リボンベルト２０２の模様はエ
ッチングによって得られ、またリボン２０３は、他のリ
ボンベルト２０２のリボン２０３に対して約９０゜の角
度を形成し、リボン２０３は対象体１の縦方向の軸線に
対し約４５゜の角度を形成する。変換コイル３′と励振
コイル４′とは、別の巻わく６、９にそれぞれ巻かれ
る。
施態様において、シャフト１は、２つの磁気弾性リボン
ベルト２０２を具備し、リボンベルト２０２の模様はエ
ッチングによって得られ、またリボン２０３は、他のリ
ボンベルト２０２のリボン２０３に対して約９０゜の角
度を形成し、リボン２０３は対象体１の縦方向の軸線に
対し約４５゜の角度を形成する。変換コイル３′と励振
コイル４′とは、別の巻わく６、９にそれぞれ巻かれ
る。
【００２１】図３による第３の実施態様において、軸方
向応力を測定するのに、原理が用いられる。リボンベル
ト３０２は、したがって、リボン３０３がシャフト１の
縦方向に対し約０゜の角度を形成するように、シャフト
１に取り付けられる。
向応力を測定するのに、原理が用いられる。リボンベル
ト３０２は、したがって、リボン３０３がシャフト１の
縦方向に対し約０゜の角度を形成するように、シャフト
１に取り付けられる。
【００２２】図４において、２つのリボンベルト４０２
が示され、各リボンベルト４０２の模様は、他のリボン
ベルト４０２の模様に対し９０゜で形成される。各リボ
ンベルト４０２は変換コイル３′′′に囲まれ、変換コ
イル３′′′は励振コイル４′′′に囲まれる。この場
合、２つの変換コイル３′′′と励振コイル４′′′と
に共通のコイル巻わく８が用いられる。巻わく８自体
が、分離して図５に示され、巻わく８は、２つの変換コ
イル３′′′のための溝７′′′を有する。
が示され、各リボンベルト４０２の模様は、他のリボン
ベルト４０２の模様に対し９０゜で形成される。各リボ
ンベルト４０２は変換コイル３′′′に囲まれ、変換コ
イル３′′′は励振コイル４′′′に囲まれる。この場
合、２つの変換コイル３′′′と励振コイル４′′′と
に共通のコイル巻わく８が用いられる。巻わく８自体
が、分離して図５に示され、巻わく８は、２つの変換コ
イル３′′′のための溝７′′′を有する。
【００２３】トルクの測定に関し、以下の記載が図４の
みに対して行われるが、もちろん、以下の記載は、他の
感受器に対しても有効であり、図４において、リボンベ
ルト４０２は、シャフト１を囲むように取り付けられさ
らに変換コイル３′′′に囲まれる。励振コイル
４′′′は、２つの変換コイル３′′′の周りに巻かれ
る。このとき、交流が励振コイル４′′′に通電され、
励振コイル４′′′の周りに磁場が作られ、コイル装置
に連結されたいわゆる変換器が得られる。これは、励振
コイル４′′′に通電することによって、変換コイル
３′′′に電位が生じ、前記電位は、励振コイル
４′′′と変換コイル３′′′との間の結合因子に比例
する。励振コイルと変換コイルとの間の結合因子は、コ
イルの巻数とコイル間の距離と最終的に存在するコアの
磁気特性とで与えられる。本発明によれば、磁気弾性リ
ボンは、変換コイルのコアとして作用する。電位間の関
係は次の公式で示され、 Ｕ1 ＝（ｋ1 μ1 ＋ｍ1 ）Ｕ Ｕ2 ＝（ｋ2 μ2 ＋ｍ2 ）Ｕ
みに対して行われるが、もちろん、以下の記載は、他の
感受器に対しても有効であり、図４において、リボンベ
ルト４０２は、シャフト１を囲むように取り付けられさ
らに変換コイル３′′′に囲まれる。励振コイル
４′′′は、２つの変換コイル３′′′の周りに巻かれ
る。このとき、交流が励振コイル４′′′に通電され、
励振コイル４′′′の周りに磁場が作られ、コイル装置
に連結されたいわゆる変換器が得られる。これは、励振
コイル４′′′に通電することによって、変換コイル
３′′′に電位が生じ、前記電位は、励振コイル
４′′′と変換コイル３′′′との間の結合因子に比例
する。励振コイルと変換コイルとの間の結合因子は、コ
イルの巻数とコイル間の距離と最終的に存在するコアの
磁気特性とで与えられる。本発明によれば、磁気弾性リ
ボンは、変換コイルのコアとして作用する。電位間の関
係は次の公式で示され、 Ｕ1 ＝（ｋ1 μ1 ＋ｍ1 ）Ｕ Ｕ2 ＝（ｋ2 μ2 ＋ｍ2 ）Ｕ
【数６】 Ｕは励振コイルの電位、ｋ1 、ｋ2 は定数、Ｕ1 、Ｕ2
は変換コイルそれぞれの電位、μは材料の透磁率、Ｋお
よびλは材料による定数、σは材料に作用する機械的張
力、ｍ1 、ｍ2 は定数である。この結果、変換コイルか
らの電位は、材料に作用する機械的張力に依存する。リ
ボン４０３は、シャフト１の縦方向の軸線に対し４５゜
の角度でエッチングされ、リボン４０３の最大の張力お
よび圧縮力が得られるようにする。さらに非常に重要な
ことは、リボン４０３が仮想中心線に対し対称の角度で
形成されることである。リボン４０３が、４５゜でない
角度で形成されると、リボン４０３の張力および圧縮力
が減少し、感受器の感受性も減少する。感受器の感受性
はまた、リボン４０３に用いられる特別な材料に依存す
る。アモルファスの磁気弾性材料を用いることが確認さ
れている。これらの材料の感受性は、材料によって変化
する。
は変換コイルそれぞれの電位、μは材料の透磁率、Ｋお
よびλは材料による定数、σは材料に作用する機械的張
力、ｍ1 、ｍ2 は定数である。この結果、変換コイルか
らの電位は、材料に作用する機械的張力に依存する。リ
ボン４０３は、シャフト１の縦方向の軸線に対し４５゜
の角度でエッチングされ、リボン４０３の最大の張力お
よび圧縮力が得られるようにする。さらに非常に重要な
ことは、リボン４０３が仮想中心線に対し対称の角度で
形成されることである。リボン４０３が、４５゜でない
角度で形成されると、リボン４０３の張力および圧縮力
が減少し、感受器の感受性も減少する。感受器の感受性
はまた、リボン４０３に用いられる特別な材料に依存す
る。アモルファスの磁気弾性材料を用いることが確認さ
れている。これらの材料の感受性は、材料によって変化
する。
【００２４】励振コイル４′′′は、好ましくは、少な
い巻数（２０〜５０）から成る。さらに線材は、かなり
大きい直径であるか、あるいは比較的厚い絶縁層を有す
る。このため、巻線間の静電容量を低い水準に維持でき
る。高い励振周波数を用いるときに生じる静電容量の影
響を減らすため、コイルは、わずかに一層あるいは数層
である（本発明によれば、特に簡便な励振周波数は１〜
２MHz であることが示された）。また、変換コイル
３′′′も、少ない巻数（約５〜２０）であるが、しか
し幾何的理由のため、この線材の直径は、より小さい。
コイル巻わく５；６；８；９に関する限り、コイル巻わ
く５；６；８；９は、個々の巻わく５；６；８；９が用
いられる個々の環境の要求をできるだけ満たせる材料か
ら作られ、すなわち、例えば熱や耐油などの環境に適合
するように作られる。図４および図５に示されるよう
に、巻わく８の溝７′′′は、対応する磁気弾性リボン
ベルトよりかなり薄い（例えば溝の幅が約１mmであるの
に対し、リボンベルトの幅は約８mmである）。軸方向の
ねじれに対する感受性はかなり減少し、コイル装置は、
信号が影響されずにほぼ中心位置の周りに移動できる。
い巻数（２０〜５０）から成る。さらに線材は、かなり
大きい直径であるか、あるいは比較的厚い絶縁層を有す
る。このため、巻線間の静電容量を低い水準に維持でき
る。高い励振周波数を用いるときに生じる静電容量の影
響を減らすため、コイルは、わずかに一層あるいは数層
である（本発明によれば、特に簡便な励振周波数は１〜
２MHz であることが示された）。また、変換コイル
３′′′も、少ない巻数（約５〜２０）であるが、しか
し幾何的理由のため、この線材の直径は、より小さい。
コイル巻わく５；６；８；９に関する限り、コイル巻わ
く５；６；８；９は、個々の巻わく５；６；８；９が用
いられる個々の環境の要求をできるだけ満たせる材料か
ら作られ、すなわち、例えば熱や耐油などの環境に適合
するように作られる。図４および図５に示されるよう
に、巻わく８の溝７′′′は、対応する磁気弾性リボン
ベルトよりかなり薄い（例えば溝の幅が約１mmであるの
に対し、リボンベルトの幅は約８mmである）。軸方向の
ねじれに対する感受性はかなり減少し、コイル装置は、
信号が影響されずにほぼ中心位置の周りに移動できる。
【００２５】図６は、トルクを測定するための実質的に
完全な装置を示し、図中、３２は軸受、３３は調節電子
回路である。必要であれば、通常の温度プローブ３１を
使用することができ、前記プローブ３１は、巻わく内の
軸線の近くに取り付けられる。
完全な装置を示し、図中、３２は軸受、３３は調節電子
回路である。必要であれば、通常の温度プローブ３１を
使用することができ、前記プローブ３１は、巻わく内の
軸線の近くに取り付けられる。
【００２６】図７（ａ）は、トルク測定をするためのリ
ボンベルト３０２Ａを示し、前記リボンベルト３０２Ａ
は、同一の形状でなければならないリボン３０３Ａの同
一の接着によって得られる補償以外にはどんな温度補償
も必要としない。もしこのようにすると、温度変化（勾
配０）と軸方向応力とは、リボンベルト３０２Ａ両方に
同じ影響を及ぼすようになる。これは、前記記載のよう
に、逆相に直列接続することによって出力信号が０にな
る、ことを意味する。
ボンベルト３０２Ａを示し、前記リボンベルト３０２Ａ
は、同一の形状でなければならないリボン３０３Ａの同
一の接着によって得られる補償以外にはどんな温度補償
も必要としない。もしこのようにすると、温度変化（勾
配０）と軸方向応力とは、リボンベルト３０２Ａ両方に
同じ影響を及ぼすようになる。これは、前記記載のよう
に、逆相に直列接続することによって出力信号が０にな
る、ことを意味する。
【００２７】図７（ｂ）は、アモルファスの磁気弾性材
料（さらに軸方向のリボンを具備し、図示しない）の特
別なリボンあるいは帯４１を、トルクもしくは軸方向応
力のいずれか一方あるいは双方を測定するための２つの
リボンベルト３０２Ｂの間にどのように配置するか、を
示している。この場合、温度は連続的に測定できるが、
リボンベルト３０２Ｂの温度勾配は測定できない。もし
温度勾配が必要であれば、図７（ｃ）に示すように、ア
モルファスの磁気弾性材料の２つの特別な帯４２（軸方
向のリボンを有するあるいは有さない）を、２つのリボ
ンベルト３０２Ｃの対向側にそれぞれ配置できる。これ
によって、リボンベルト３０２Ｃで変化する温度を説明
できるようになり、この温度変化は、例えば電気的フィ
ードバック、あるいはコンピュータによる純粋に計算的
な補償によって補償される。
料（さらに軸方向のリボンを具備し、図示しない）の特
別なリボンあるいは帯４１を、トルクもしくは軸方向応
力のいずれか一方あるいは双方を測定するための２つの
リボンベルト３０２Ｂの間にどのように配置するか、を
示している。この場合、温度は連続的に測定できるが、
リボンベルト３０２Ｂの温度勾配は測定できない。もし
温度勾配が必要であれば、図７（ｃ）に示すように、ア
モルファスの磁気弾性材料の２つの特別な帯４２（軸方
向のリボンを有するあるいは有さない）を、２つのリボ
ンベルト３０２Ｃの対向側にそれぞれ配置できる。これ
によって、リボンベルト３０２Ｃで変化する温度を説明
できるようになり、この温度変化は、例えば電気的フィ
ードバック、あるいはコンピュータによる純粋に計算的
な補償によって補償される。
【００２８】磁気弾性材料、好ましくはアモルファスの
磁気弾性材料、あるいは単に高い励振周波数を有する磁
気ひずみ材料の複合材によって、なぜこのような良い結
果が得られるか、が以下に記載される。
磁気弾性材料、あるいは単に高い励振周波数を有する磁
気ひずみ材料の複合材によって、なぜこのような良い結
果が得られるか、が以下に記載される。
【００２９】以下の記載において、アモルファス材料に
ついて記載され、前記材料が、アモルファスでなくても
また磁気弾性材料であることが、理解されるべきであ
る。アモルファス材料の磁気特性は、材料に励振される
周波数に依存する。図８は、磁化工程で生じる２つの異
なる機構を示し、領域Ｉは、磁化回転（ＳＡＭＲモデ
ル）が支配的である領域を示し、一方領域ＩＩは、磁壁
の移動が支配的である領域を示す。Ｘ軸の励振周波数
は、材料に依存する定数で割ることによって無次元化さ
れ、また『無次元化された』励振磁界、Ｈは、〔数７〕
で表される。
ついて記載され、前記材料が、アモルファスでなくても
また磁気弾性材料であることが、理解されるべきであ
る。アモルファス材料の磁気特性は、材料に励振される
周波数に依存する。図８は、磁化工程で生じる２つの異
なる機構を示し、領域Ｉは、磁化回転（ＳＡＭＲモデ
ル）が支配的である領域を示し、一方領域ＩＩは、磁壁
の移動が支配的である領域を示す。Ｘ軸の励振周波数
は、材料に依存する定数で割ることによって無次元化さ
れ、また『無次元化された』励振磁界、Ｈは、〔数７〕
で表される。
【数７】 ここで、ωは励振周波数、ω0 は初期周波数であって、
ω0 ＝α／β、ＨC1はω＝０のときの保磁力、Ｈt は初
期駆動磁界強度である。
ω0 ＝α／β、ＨC1はω＝０のときの保磁力、Ｈt は初
期駆動磁界強度である。
【００３０】引用した従来技術の感受器全ては、領域Ｉ
Ｉ、すなわち磁壁の移動が支配的である領域（非常に高
い準位と低い周波数とを使用してもよい、すなわちたと
えこの場合でも領域Ｉに含まれるものもあるが、これは
実際の問題ではない）で作動する。磁壁の磁化の基礎
が、簡単に前記に記載され、また図９に簡単な図が示さ
れる。左上図に不規則になっている系が示され、すなわ
ち磁化は０であり、これに対し左中図では通常の周波数
の磁場が印加され、壁は磁場の方向に整列し始めてお
り、最終的には全ての磁壁が磁場の方向に整列する、あ
るいは材料は飽和する。右図において材料は、図中短い
矢印で示される回転磁化が支配的である領域Ｉに含ま
れ、磁場の方向に対し角度を有する。前記に説明したよ
うに、磁壁は無限に速くは移動できず、したがって励振
周波数が非常に高いと、磁壁の移動は減衰され、最終的
には全く動けなくなる。励振準位が低いと、磁壁が移動
するのに十分なエネルギがなく、したがって回転磁化が
支配的になり、このため、励振周波数が十分高いとき
（あるいは励振準位が十分低いとき）、回転磁化が支配
的になり、これによって、図９に示されるように、個々
のスピンがそれぞれの係止位置から微小角だけ回転さ
れ、またこれは前記記載のように可逆であり、したがっ
て不可逆な工程である磁壁の移動とは異なり、励振磁場
が取り除かれた後では、磁化されていないままである。
Ｉ、すなわち磁壁の移動が支配的である領域（非常に高
い準位と低い周波数とを使用してもよい、すなわちたと
えこの場合でも領域Ｉに含まれるものもあるが、これは
実際の問題ではない）で作動する。磁壁の磁化の基礎
が、簡単に前記に記載され、また図９に簡単な図が示さ
れる。左上図に不規則になっている系が示され、すなわ
ち磁化は０であり、これに対し左中図では通常の周波数
の磁場が印加され、壁は磁場の方向に整列し始めてお
り、最終的には全ての磁壁が磁場の方向に整列する、あ
るいは材料は飽和する。右図において材料は、図中短い
矢印で示される回転磁化が支配的である領域Ｉに含ま
れ、磁場の方向に対し角度を有する。前記に説明したよ
うに、磁壁は無限に速くは移動できず、したがって励振
周波数が非常に高いと、磁壁の移動は減衰され、最終的
には全く動けなくなる。励振準位が低いと、磁壁が移動
するのに十分なエネルギがなく、したがって回転磁化が
支配的になり、このため、励振周波数が十分高いとき
（あるいは励振準位が十分低いとき）、回転磁化が支配
的になり、これによって、図９に示されるように、個々
のスピンがそれぞれの係止位置から微小角だけ回転さ
れ、またこれは前記記載のように可逆であり、したがっ
て不可逆な工程である磁壁の移動とは異なり、励振磁場
が取り除かれた後では、磁化されていないままである。
【００３１】図１０は、約２０kHz から７０MHz の範囲
の周波数で作動するときの応力および漂遊磁界に対する
感受性を示す図であり、周波数に対し透磁率の絶対値が
示される。図から、約３００kHz 以降では挙動の変化が
徐々に生じ、漂遊磁界による差はほとんど完全になくな
るが、これは漂遊磁界なしのときの曲線（点線）と弱い
漂遊磁界のときの曲線とがほとんど一致するためであ
り、これに対し低い周波数ではこれらの曲線は分離して
いる。さらに、応力に対する感受性が増加するが、これ
は、応力なしのときの曲線（□）と応力１０MPa のとき
の曲線（＋）とが、低周波においてより高周波におい
て、より異なっており、この差が感受性の尺度となる、
という事実からわかる。
の周波数で作動するときの応力および漂遊磁界に対する
感受性を示す図であり、周波数に対し透磁率の絶対値が
示される。図から、約３００kHz 以降では挙動の変化が
徐々に生じ、漂遊磁界による差はほとんど完全になくな
るが、これは漂遊磁界なしのときの曲線（点線）と弱い
漂遊磁界のときの曲線とがほとんど一致するためであ
り、これに対し低い周波数ではこれらの曲線は分離して
いる。さらに、応力に対する感受性が増加するが、これ
は、応力なしのときの曲線（□）と応力１０MPa のとき
の曲線（＋）とが、低周波においてより高周波におい
て、より異なっており、この差が感受性の尺度となる、
という事実からわかる。
【００３２】図１１には、２つの異なる励振周波数、１
kHz および１MHz おける透磁率の励振準位依存性が示さ
れ、両方の周波数について、実線は応力なし、点線は応
力１０MPa を示し、△は１kHz 、×は１MHz にそれぞれ
関する。図から、１MHz の励振周波数を用いるとき、す
なわち領域Ｉに対応するとき、透磁率は、励振準位から
本質的に独立している。一方、約１kHz の励振周波数を
用いるとき、したがって磁壁の移動の領域では、透磁率
は励振準位、すなわち励振磁界に強く依存する。
kHz および１MHz おける透磁率の励振準位依存性が示さ
れ、両方の周波数について、実線は応力なし、点線は応
力１０MPa を示し、△は１kHz 、×は１MHz にそれぞれ
関する。図から、１MHz の励振周波数を用いるとき、す
なわち領域Ｉに対応するとき、透磁率は、励振準位から
本質的に独立している。一方、約１kHz の励振周波数を
用いるとき、したがって磁壁の移動の領域では、透磁率
は励振準位、すなわち励振磁界に強く依存する。
【００３３】さらに、磁壁の移動が支配的である領域で
の信号は、克服するのにある程度のエネルギを必要とす
る割り込みのため、通常非常に雑音が多い。これは、Ｓ
ＡＭＲモデルの領域ではない。
の信号は、克服するのにある程度のエネルギを必要とす
る割り込みのため、通常非常に雑音が多い。これは、Ｓ
ＡＭＲモデルの領域ではない。
【００３４】本発明に関するさらなる問題は、感受器の
温度依存性に関する。アモルファス材料が高い温度で対
象体に接着されるため、また温度係数の違いのため、ア
モルファス材料は、初期応力のある状態で対象体、例え
ばシャフトに取り付けられ、初期応力は、作動温度が上
昇するにつれ、透磁率に影響を及ぼす。差の代わりに変
換信号の合計を測定することにより、温度に対する直線
的な依存性を示す信号を得ることができる。この信号
は、温度プローブとして用いることができ、またこの後
補償電子回路として用いることができる。変換信号の変
化のため、微分された信号（トルク信号）によって、温
度上昇と共に上昇する感受性が得られ、これが図１２に
示されるが、図中、トルクに対する感受器の出力（単位
はボルト）が、異なる温度に対して示される。温度係数
の変化が、指数関数でありかつ良い再現性を有するの
で、電子補償回路を作ることができる。図１３に、温度
補償された出力信号が示される。
温度依存性に関する。アモルファス材料が高い温度で対
象体に接着されるため、また温度係数の違いのため、ア
モルファス材料は、初期応力のある状態で対象体、例え
ばシャフトに取り付けられ、初期応力は、作動温度が上
昇するにつれ、透磁率に影響を及ぼす。差の代わりに変
換信号の合計を測定することにより、温度に対する直線
的な依存性を示す信号を得ることができる。この信号
は、温度プローブとして用いることができ、またこの後
補償電子回路として用いることができる。変換信号の変
化のため、微分された信号（トルク信号）によって、温
度上昇と共に上昇する感受性が得られ、これが図１２に
示されるが、図中、トルクに対する感受器の出力（単位
はボルト）が、異なる温度に対して示される。温度係数
の変化が、指数関数でありかつ良い再現性を有するの
で、電子補償回路を作ることができる。図１３に、温度
補償された出力信号が示される。
【００３５】しかしながら、通常のように鉄を基材とす
る磁気弾性リボンを用いる代わりに、例えばニッケルを
基材とする磁気弾性リボンを用いることもできる。例と
して、ニッケルを基材とする材料（２８２６ＭＢ、ある
いは登録商標メトグラス(Metglas）２８２６）は、鋼材
と同じような温度係数を有し、つまりこの材料は、温度
変化に対しほんのわずかにしか影響を受けない。一方こ
れは、材料が１つの方向、すなわち圧縮あるいは引張り
応力のいずれかの測定だけに用いられる、ことを意味す
る。しかしながら、ニッケルを基材とする材料は鋼材よ
りわずかに高い温度係数を有するので、高温で接着され
ていれば、ニッケルを基材とする材料に初期応力を与え
ることができ、また引張りおよび圧縮モードの両方に用
いることができる。しかしながら、対象体にニッケルを
基材とする材料を接着するのに必要な温度は非常に高
く、２００℃あるいはそれ以上にもなる。
る磁気弾性リボンを用いる代わりに、例えばニッケルを
基材とする磁気弾性リボンを用いることもできる。例と
して、ニッケルを基材とする材料（２８２６ＭＢ、ある
いは登録商標メトグラス(Metglas）２８２６）は、鋼材
と同じような温度係数を有し、つまりこの材料は、温度
変化に対しほんのわずかにしか影響を受けない。一方こ
れは、材料が１つの方向、すなわち圧縮あるいは引張り
応力のいずれかの測定だけに用いられる、ことを意味す
る。しかしながら、ニッケルを基材とする材料は鋼材よ
りわずかに高い温度係数を有するので、高温で接着され
ていれば、ニッケルを基材とする材料に初期応力を与え
ることができ、また引張りおよび圧縮モードの両方に用
いることができる。しかしながら、対象体にニッケルを
基材とする材料を接着するのに必要な温度は非常に高
く、２００℃あるいはそれ以上にもなる。
【００３６】アモルファス材料の温度測定方法が、以下
に記載される。トルク感受器において、２つの変換コイ
ルは、アモルファス材料のひずみに比例した信号を発生
し、１つの変換コイルからの信号が増加すると、他のコ
イルからの信号は減少する。２つの変換信号の差を求め
ることによって、感受器の感受性を高めることができ
る。
に記載される。トルク感受器において、２つの変換コイ
ルは、アモルファス材料のひずみに比例した信号を発生
し、１つの変換コイルからの信号が増加すると、他のコ
イルからの信号は減少する。２つの変換信号の差を求め
ることによって、感受器の感受性を高めることができ
る。
【００３７】もしひずみの軸方向成分があれば、前記軸
方向成分が２つの変換コイルに同じ信号の変化を生じる
ので、信号の差を求めることによって、ひずみの軸方向
成分は削除される。さらに、信号の差を求めることによ
って、変換コイルにあるゼロドリフトの信号は削除され
るが、これは、ゼロドリフトによって両方の変換コイル
でドリフトが同じ方向になるためである。
方向成分が２つの変換コイルに同じ信号の変化を生じる
ので、信号の差を求めることによって、ひずみの軸方向
成分は削除される。さらに、信号の差を求めることによ
って、変換コイルにあるゼロドリフトの信号は削除され
るが、これは、ゼロドリフトによって両方の変換コイル
でドリフトが同じ方向になるためである。
【００３８】しかしながら、感受性の環境温度依存性
は、同じように説明できない。説明できるようにするた
め、温度を測定しなければならず、この後コンピュータ
による数学的な補償、あるいは電子的な補償が行わなけ
ればならない。したがって、１つの実施態様によれば、
温度を測定するために、温度プローブが必要であり、例
えば１００個の白金要素が用いられる通常のプローブ、
あるいはリボンおよびコイル装置それら自体のいずれか
が用いられる。リボンおよびコイル装置それら自体を用
いることによって、非接触でかつどんな特別なリボンも
付け足さずに、対象体の温度を測定できる。信号の差を
求めずに足し合わせることによって、信号はトルクに依
存しなくなるが、しかし温度とひずみの軸方向成分との
みに依存するようになる。さらに、ひずみの軸方向成分
がなければ、足し合わせた信号を温度プローブとして用
いることができる。これは、変換信号のゼロドリフトの
ため、できる。感受器に作用するトルクは、したがっ
て、それぞれの変換コイルからのトルク信号が打ち消し
合うので、無意味である。これは、トルクが対象体に作
用するとき、異なる変換コイルの信号が異なる方向であ
る、ことによる。
は、同じように説明できない。説明できるようにするた
め、温度を測定しなければならず、この後コンピュータ
による数学的な補償、あるいは電子的な補償が行わなけ
ればならない。したがって、１つの実施態様によれば、
温度を測定するために、温度プローブが必要であり、例
えば１００個の白金要素が用いられる通常のプローブ、
あるいはリボンおよびコイル装置それら自体のいずれか
が用いられる。リボンおよびコイル装置それら自体を用
いることによって、非接触でかつどんな特別なリボンも
付け足さずに、対象体の温度を測定できる。信号の差を
求めずに足し合わせることによって、信号はトルクに依
存しなくなるが、しかし温度とひずみの軸方向成分との
みに依存するようになる。さらに、ひずみの軸方向成分
がなければ、足し合わせた信号を温度プローブとして用
いることができる。これは、変換信号のゼロドリフトの
ため、できる。感受器に作用するトルクは、したがっ
て、それぞれの変換コイルからのトルク信号が打ち消し
合うので、無意味である。これは、トルクが対象体に作
用するとき、異なる変換コイルの信号が異なる方向であ
る、ことによる。
【００３９】温度信号は、トルク信号それ自体のよう
に、同じトルクの間隔内で直線的であり、この結果、可
変増幅器を制御して感受性の変化を説明できる。
に、同じトルクの間隔内で直線的であり、この結果、可
変増幅器を制御して感受性の変化を説明できる。
【００４０】温度補償は、さらに、係属出願中のスウェ
ーデン国特許出願第９１０２１２０−４号の『監視装
置』に記載され、前記特許出願において、それぞれ（同
じ）ダイオードを含む２つの分圧器を用いた特別な電子
的補償が開示され、分圧器からの各出力信号は異なるゲ
インで２つの増幅器に送られ、また差動増幅器に送ら
れ、各信号が適当な因子によって増幅されるようにし、
２つの信号が互いに打ち消し合うようにする。
ーデン国特許出願第９１０２１２０−４号の『監視装
置』に記載され、前記特許出願において、それぞれ（同
じ）ダイオードを含む２つの分圧器を用いた特別な電子
的補償が開示され、分圧器からの各出力信号は異なるゲ
インで２つの増幅器に送られ、また差動増幅器に送ら
れ、各信号が適当な因子によって増幅されるようにし、
２つの信号が互いに打ち消し合うようにする。
【００４１】本発明は、さらに、磁気弾性材料の製造方
法にも関する。約２０kHz の励振周波数である従来技術
の感受器を用いるとき、エッチングされた模様がどのよ
うに位置するか、ということは非常に重要であったが、
これは、磁壁の『容易磁化軸』の向きを得ることが最も
重要であったためである。磁壁の向きは、製造するとき
の向きに依存する。励振周波数が高く、また磁化工程が
いわゆる磁化回転、すなわち領域Ｉである本発明に関す
る限り、どんな特別な方向にも磁壁が整列する必要はな
く、この結果、製造するときの向きは重要でない。これ
は、原料を非常により経済的に、かつより効果的な方
法、例えばシャフトなどにリボンを載置するためのオン
ライン工程、によって用いることができる、ことを意味
する。
法にも関する。約２０kHz の励振周波数である従来技術
の感受器を用いるとき、エッチングされた模様がどのよ
うに位置するか、ということは非常に重要であったが、
これは、磁壁の『容易磁化軸』の向きを得ることが最も
重要であったためである。磁壁の向きは、製造するとき
の向きに依存する。励振周波数が高く、また磁化工程が
いわゆる磁化回転、すなわち領域Ｉである本発明に関す
る限り、どんな特別な方向にも磁壁が整列する必要はな
く、この結果、製造するときの向きは重要でない。これ
は、原料を非常により経済的に、かつより効果的な方
法、例えばシャフトなどにリボンを載置するためのオン
ライン工程、によって用いることができる、ことを意味
する。
【００４２】本発明は、いくつかの異なる分野で用いる
ことができ、例えば、ボルトなどのトルクと軸方向ひず
みあるいは応力とを測定することによって、ドリルなど
の回転シャフトのねじりトルクを測定したとき、本発明
を用いることができる。
ことができ、例えば、ボルトなどのトルクと軸方向ひず
みあるいは応力とを測定することによって、ドリルなど
の回転シャフトのねじりトルクを測定したとき、本発明
を用いることができる。
【００４３】本発明は、しかしながら、示された実施態
様に限定されず、しかし特許請求の範囲を逸脱すること
なく、いくつかの態様に変更できる。
様に限定されず、しかし特許請求の範囲を逸脱すること
なく、いくつかの態様に変更できる。
【図１】磁気弾性リボンベルトが取り付けられたシャフ
トと、共通の巻わく上の変換コイルと励振コイルとを示
す図である。
トと、共通の巻わく上の変換コイルと励振コイルとを示
す図である。
【図２】２つの磁気弾性リボンベルトが取り付けられた
シャフトと、異なる巻わく上の２つの変換コイルと励振
コイルとを示す図である。
シャフトと、異なる巻わく上の２つの変換コイルと励振
コイルとを示す図である。
【図３】シャフトなどの対象体の縦方向の軸線に対し約
０゜の角度でエッチングされたリボンを含むリボンベル
トを有するシャフトの図である。
０゜の角度でエッチングされたリボンを含むリボンベル
トを有するシャフトの図である。
【図４】２つの磁気弾性リボンベルトを有するシャフト
と、共通のコイル巻わく上の２つの変換コイルと励振コ
イルとを示す図である。
と、共通のコイル巻わく上の２つの変換コイルと励振コ
イルとを示す図である。
【図５】励振コイルと２つの変換コイルとを受け入れ、
変換コイルのための溝が形成されたコイル巻わくを示す
図である。
変換コイルのための溝が形成されたコイル巻わくを示す
図である。
【図６】２つのリボンベルトとコイル装置と２つの軸受
とを有するシャフトを示す図である。
とを有するシャフトを示す図である。
【図７】リボンベルトの異なる実施態様を示す図であ
り、（ａ）は２つのリボンベルトを示し、（ｂ）は温度
補償のための中間帯を有する２つのリボンベルトを示
し、（ｃ）は２つの帯あるいはリボンで囲まれた２つの
リボンベルトを示す。
り、（ａ）は２つのリボンベルトを示し、（ｂ）は温度
補償のための中間帯を有する２つのリボンベルトを示
し、（ｃ）は２つの帯あるいはリボンで囲まれた２つの
リボンベルトを示す。
【図８】磁壁の移動の領域と磁化回転とをそれぞれ示す
図である。
図である。
【図９】磁壁の移動と回転磁化とを示す図である。
【図１０】異なる周波数での、応力および漂遊磁界に対
する感受性を示す図である。
する感受性を示す図である。
【図１１】異なる２つの励振周波数における、透磁率の
励振準位に対する依存性の一例を示す図である。
励振準位に対する依存性の一例を示す図である。
【図１２】トルクを変化させたときの、いくつかの温度
での出力信号を示す図である。
での出力信号を示す図である。
【図１３】トルクを変化させたときの、いくつかの温度
に対し補償された出力信号を示す図である。
に対し補償された出力信号を示す図である。
１…対象体 ３…変換コイル ４…励振コイル ５、６、８、９…コイル巻わく ７…溝 １０；２０；３０；４０…感受器 ４１；４２…磁気弾性帯 １０１；２０１；３０１；４０１…感受手段 １０２；２０２；３０２；４０２…リボンベルト １０３；２０３；３０３；４０３…リボン １１０；２１０；３１０；４１０；５１０…感受装置
Claims (25)
- 【請求項１】 シャフトなどの対象体（１）に作用する
トルクもしくは軸方向応力のいずれか一方あるいは双方
を測定する感受器（１０；２０；３０；４０）であっ
て、対象体（１）から成る、あるいは対象体（１）に取
り付けられている感受手段（１０１；２０１；３０１；
４０１）を具備し、さらに前記感受手段（１０１；２０
１；３０１；４０１）が磁気弾性材料から成り、感受装
置（１１０；２１０；３１０；４１０；５１０）が、ト
ルクもしくは軸方向応力のいずれか一方あるいは双方に
よる磁気弾性材料の透磁率の変化を非接触で感受し、前
記感受装置（１１０；２１０；３１０；４１０；５１
０）が、励振および変換機能を果たすコイル装置を具備
する感受器（１０；２０；３０；４０）において、 励振周波数が、磁気弾性材料の支配的な磁化工程が微小
角磁化回転であり、励振周波数が少なくとも３００kHz
であるように選ばれることを特徴とする感受器（１０；
２０；３０；４０）。 - 【請求項２】 励振周波数が５００kHz から１０MHz の
間であることを特徴とする請求項１に記載の感受器（１
０；２０；３０；４０）。 - 【請求項３】 励振周波数が１〜２MHz の範囲にあるこ
とを特徴とする請求項１に記載の感受器（１０；２０；
３０；４０）。 - 【請求項４】 励振周波数が、磁化工程が本質的に微小
角磁化回転のみによって行われ、これに対し磁壁の移動
による磁化が本質的に全く行われない、ような周波数で
あることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか
一項に記載の感受器（１０；２０；３０；４０）。 - 【請求項５】 磁気弾性材料が、少なくとも１つのリボ
ンベルト（１０２；２０２；３０２；４０２）を形成す
るいくつかのリボン（１０３；２０３；３０３；４０
３）を具備し、前記リボンベルト（１０２；２０２；３
０２；４０２）が平行に配置されたリボンから成ること
と、リボン（１０３；２０３；３０３；４０３）が、対
象体（１）の主応力軸線に対し０〜±４５゜の間の角度
を形成することとを特徴とする請求項１から請求項４の
いずれか一項に記載の感受器。 - 【請求項６】 リボン（１０３；２０３；３０３；４０
３）が、対象体の主応力の方向に対し本質的に平行に適
用されることを特徴とする請求項５に記載の感受器（１
０；２０；３０；４０）。 - 【請求項７】 ２つのリボンベルトが対象体（１）に適
用され、ベルト（２０２；４０２）内のリボン（２０
３；４０３）が、リボンベルト（２０２；４０２）の間
の仮想中心線に対し対称であることを特徴とする請求項
５に記載の感受器（２０；４０）。 - 【請求項８】 １つのリボンベルト（２０２；４０２）
のリボン（２０３；４０３）が、他のリボンベルト（２
０２；４０２）のリボン（２０３；４０３）と共に約９
０゜の角度を形成することを特徴とする請求項６に記載
の感受器。 - 【請求項９】 リボン（１０３；２０３；３０３；４０
３）が、磁気弾性材料のエッチングによって形成される
ことを特徴とする請求項１から請求項８のいずれか一項
に記載の感受器。 - 【請求項１０】 １つあるいは複数の変換コイルおよび
励振コイルそれぞれのための分離コイル巻わく（６、
９）が設けられることを特徴とする請求項１から請求項
９のいずれか一項に記載の感受器。 - 【請求項１１】 １つのコイル巻わく（５、８）が、１
つあるいは複数の変換コイルおよび励振コイルに対し共
通に用いられ、前記コイル巻わく（５、８）が、１つあ
るいは複数の変換コイルを巻き取る溝（７）を有する１
つの部材から作られることを特徴とする請求項１から請
求項９のいずれか一項に記載の感受器。 - 【請求項１２】 巻わく（５、８）内の変換コイルのた
めの溝（７）の幅が、磁気弾性リボンベルトの幅よりか
なり小さいことを特徴とする請求項１１に記載の感受
器。 - 【請求項１３】 磁気弾性材料が、アモルファス材料か
ら成ることを特徴とする請求項１から請求項１２のいず
れかに記載の感受器。 - 【請求項１４】 磁気弾性材料が、磁気ひずみ材料から
成ることを特徴とする請求項１から請求項１３のいずれ
かに記載の感受器。 - 【請求項１５】 温度感受手段と温度補償手段とをさら
に具備することを特徴とする請求項１から請求項１３の
いずれか一項に記載の感受器。 - 【請求項１６】 対象体（１）に、１つあるいは複数の
リボンベルト（３０２Ｂ）に本質的に平行に配置された
少なくとも１つの磁気弾性帯（４１）から成る温度感受
手段が設けられ、前記磁気弾性帯（４１）によってわず
かな温度依存も感受されることを特徴とする請求項１５
に記載の感受器。 - 【請求項１７】 対象体（１）に、２つの磁気弾性帯
（４２）から成る温度感受手段が設けられ、前記磁気弾
性帯（４２）が、リボンベルト（３０２Ｃ）の対向側に
かつリボンベルト（３０２Ｃ）を囲むように、さらに前
記ベルト（３０２Ｃ）に本質的に平行に配置されること
を特徴とする請求項１５に記載の感受器。 - 【請求項１８】 対象体（１）に作用するトルクもしく
は軸方向応力のいずれか一方あるいは双方の非接触の測
定のために用いられる請求項１から請求項１７のいずれ
か一項に記載の感受器。 - 【請求項１９】 対象体（１）に作用するトルクもしく
は軸方向応力のいずれか一方あるいは双方を測定する方
法であって、 対象体に、対象体自体が磁気弾性材料から作られていな
い限り、磁気弾性材料から成る感受手段を設ける段階
と、 前記感受手段を初期応力のある状態で対象体に接着する
段階と、 感受装置を、感受手段を部分的あるいは完全に、囲むあ
るいは覆うよう配置する段階であって、前記感受装置
が、励振および変換機能を果たすコイル装置を具備する
段階とから成るトルクもしくは軸方向応力のいずれか一
方あるいは双方の測定方法において、少なくとも３００
kHz の励振周波数が、磁気弾性材料を励振するのに用い
られることを特徴とする測定方法。 - 【請求項２０】 ５００kHz から１０MHz の間の励振周
波数が用いられることを特徴とする請求項１９に記載の
測定方法。 - 【請求項２１】 １〜２MHz の間の励振周波数が用いら
れることを特徴とする請求項１９に記載の測定方法。 - 【請求項２２】 磁気弾性材料が、スパッタリングある
いは化学堆積法により直接対象体（１）上に適用され、
この後リボンがエッチングによって材料に得られること
を特徴とする請求項１９あるいは請求項２０のいずれか
に記載の測定方法。 - 【請求項２３】 磁気弾性材料が、マスキングおよびそ
の結果生じるスパッタリングを用いることにより直接対
象体（１）上に適用され、したがってリボンベルトが、
いかなるエッチングあるいは同様な操作なしで磁気弾性
材料に直接作られることを特徴とする請求項１９から請
求項２１のいずれか一項に記載の測定方法。 - 【請求項２４】 磁気弾性材料が、いわゆる急冷法から
作られ、磁気弾性リボンが、エッチングによってリボン
ベルトに互いに保持するよう形成され、前記エッチング
が、材料の製造方向に対し任意の方向に行われ、前記リ
ボンあるいはリボンベルトが、例えば接着などによって
対象体（１）に取り付けられることを特徴とする請求項
１９から請求項２２のいずれか一項に記載の測定方法。 - 【請求項２５】 いわゆる急冷法などの公知の方法によ
る、トルクもしくは軸方向応力のいずれか一方あるいは
双方の測定に用いられる磁気弾性材料の製造方法であっ
て、リボンが、急冷の結果である原料のエッチングによ
って製造される磁気弾性材料の製造方法において、エッ
チングが、材料の製造方向に対し独立に行われることを
特徴とする磁気弾性材料の製造方法。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| SE9102122-0 | 1991-07-08 | ||
| SE9102122A SE9102122D0 (sv) | 1991-07-08 | 1991-07-08 | Sensor respektive foerfarande foer maetning av vridmoment och/eller krafter |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH06317485A true JPH06317485A (ja) | 1994-11-15 |
| JP2818522B2 JP2818522B2 (ja) | 1998-10-30 |
Family
ID=20383286
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP4181089A Expired - Fee Related JP2818522B2 (ja) | 1991-07-08 | 1992-07-08 | 対象体に作用するトルクまたは軸方向応力を測定する方法 |
Country Status (5)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US5386733A (ja) |
| EP (1) | EP0523025B1 (ja) |
| JP (1) | JP2818522B2 (ja) |
| DE (1) | DE69216489T2 (ja) |
| SE (1) | SE9102122D0 (ja) |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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