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
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
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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、
る。
磁壁単位面積当たりの力である。この式を解くと、
ために必要な初期振幅は、〔数5〕であり、
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。
に記載される。
(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。
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。
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。
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。
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。
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
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
とを有するシャフトを示す図である。
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。
図である。
する感受性を示す図である。
励振準位に対する依存性の一例を示す図である。
での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。
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。
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