JP3549539B2 - 磁気弾性的な非接触型のトルクトランスデューサ - Google Patents

Description

技術分野
本発明は静止あるいは回転しているシャフトに作用するトルクを、非接触的に、かつ広い温度範囲にわたって正確に計測するためのトランスデューサに関するものである。
背景技術
トルクのかかった円形円筒状のシャフトは純粋な剪断応力によって影響を受ける。この応力状態は、その主応力についていえば、同じ大きさの、面に対して直角に作用した圧縮応力および引張応力として表現することができる。該主応力の方向はシャフトの縦方向軸線に対してプラスマイナス45度傾斜している。
トルクトランスデューサの構造設計に関した技術の状態は、多数の特許明細書および技術論文に開示されている。これらの解決方法の大部分に共通していることは、磁性材料に幾つかの型の異方性を有した２つの領域が作り出され、磁束密度をトランスデューサシャフトの軸線に平行な自然方向からある角度だけ離れるように偏向させている点にある。１つの領域においては、異方性の主方向は引張応力のある主応力と一致する。他の領域においては、それは圧縮応力のかかる主応力と一致する。
（正の磁気歪みの場合における）磁気弾性の効果のために、該領域の磁気抵抗は、磁束密度が引張方向あるいは圧縮方向へ向かって偏向された場合に減少あるいは増加するであろう。
最後に、これらの領域間の磁気抵抗の差を計測することにより、磁性方向の力あるいは曲げ応力に対する感度のほとんどないトルクを計測することができる。
普通は、磁気抵抗は、シャフトと同心的な１次コイルを用いて、該シャフトに沿った方向の時間依存的な、両領域において同一の大きさのＨ−磁場を作り出すことによって計測される。各領域の周りで芯出しされた２つの同一の２次コイルによって、各領域間のＢ−磁場の差を計測することができる。このことは、２次コイルを反対に接続して、それぞれのコイルに誘導された電位差を互いに引き算することによって、簡単に達成することができる。このようにして得られた２次信号を位相検出的に整流することにより、さらに、異なった方向のねじりモーメントを区別することができる。
多くの場合、この磁気抵抗の計測部分はシャフトに対する一種の磁性ヨークを構成し、従って以下では“ヨーク”と呼ぶことにする。
ねじりモーメントに対する大きな感度を得るためには、異方性が十分大きく、領域間の差ができるだけ大きくなることが必要となる。異方性の計測は、異方性の影響によって、トランスデューサのシャフトの軸線に平行な自然方向から磁場が偏向される角度を計測することによって行なわれる。もしこの角度が前記領域において45度である場合には、ねじり荷重がかかった時にＢ−磁場がトランスデューサのシャフトの主応力方向に沿って向けられて、異方性の状態が最適となる。
最も重要なことは、トランスデューサを磁気抵抗の計測部分に関して単に回転させただけで信号が変化するのを防ぐために、機械的な応力の分布と磁場の分布の両者に対して完全な回転対称を実際に維持することである。
上述した一般的なことに関して各種のトルクトランスデューサを区別するのは、主として異方性を確認する方法によって行われる。
ソ連特許第667936は、シャフトの表面に特定のパターンの溝を切ることによって、各領域の中に異方性を純粋に幾何学的に作り出す方法を記載している。このパターンはトランスデューサのシャフトの軸線に対して45度の角度をなした多くの互いに平行な線からなっている。
しかしながら、この方法は、これらの溝が十分深く切られていなければ、磁場が比較的簡単にクリープ現象を起こすことがあるので、異方性が不十分となり、従って感度も低下することになる。しかしながら、溝を深く切ると、シャフトの表面における応力レベルと、従ってまた感度とが低下するであろう。
さらに、表面における溝は溝の底部において実効的な応力を大きく増加させ、従って、シャフトにはシャフト材料の持つ塑性降伏点の前ならばある程度の荷重をかけることができるが、このことによってトランスデューサの出力信号にヒステリシスが生じることになる。
米国特許第4823620は幾何学的な異方性に関して上と同じ実施例を記載しているが、トランスデューサのヒステリシスを減少させる目的で、シャフトの表面を硬化させたり、あるいは浸炭させたりしている。
この米国特許明細書においては、必ずしもシャフトの表面に溝を切る必要がないということも指摘されている。またシャフトの表面には、上述したパターンによる高くなった部分あるいは盛り上がり部分を作り出すことが可能である。
さらに、上述した盛り上がり部分あるいは片における材料は非磁性体であり、好ましくは銅に代表されるような導電率を有した材料でなければならない。
しかしながら、米国特許第4823620による片に関する１つの要求事項は、その巾と厚さがその下の材料の磁気の浸透深さ、即ち浸透厚を超えなければならないという点にある。
しかしながら、この要求事項は実際的にはかなりの制約を伴う。代表的なトランスデューサ材料は、以下に述べる許容された定義によると、相対透磁率が120、固有電気抵抗が60×10^-8Ωｍ、供給周波数が2000ヘルツの場合に、その浸透厚は0.8mmになるであろう。例えば、プリント回路基盤の電気分解メッキにおいては、最大沈積率は約0.04mm毎時である。従ってこの場合、浸透厚より厚い層を電気メッキするためには時間がかかり過ぎるので、その代わりに例えば、ほとんど実際的ではないが銅片を接着させることが必要である。
さらに、浸透厚より厚い片はトランスデューサの温度特性に関するようなかなりの欠点を有していることがわかっている。
そのような特性の１つは、荷重がかかっていない状態におけるトランスデューサの信号、即ちゼロ信号である。しかしながら、この信号は問題としている温度においてリセットすることが可能であり、その場合ゼロ信号の温度ドリフトは余り重要ではなくなる。
他のトランスデューサ特性は、ねじりモーメントに対するトランスデューサの感度の温度依存性、いわゆる感度のドリフトであり、これはなくすことが困難である。
上述した感度のドリフトを補償するための１つの既知の方法は、温度依存性のある抵抗あるいはサーミスタのネットワークによって、信号を電圧分割することである。それと同等な方法は単に２次コイルに抵抗を付けることであり、それによって、２次コイルにおける銅の抵抗と外部の抵抗との間に電圧分割が本質的に行われる。
感度ドリフトを補償するための上述した既知の方法に共通していえることは、それらが高価であり、信号を電圧分割することがその出力インピーダンスと信号レベルとの両方を低下させ、従って外乱に対する信号の感度を増加させるという点にある。
他の欠点およびもっと厳しい欠点は、トランスデューサのシャフトの温度による感度のドリフトが、磁気抵抗計測部分あるいは幾つかの他の位置における電気構成部品の温度ドリフトで補償されるが、温度がシャフトの温度とは完全に異なっているという点にある。
従って、感度の温度ドリフトに関して自己補償する計測領域を設計することが望ましい。
磁気弾性性なトランスデューサは、材料を準備する時に正確に制御するのが困難な材料特性を利用するので、そのようなトランスデューサの機械的な応力に対する感度は、トランスデューサを製作している材料のバッチに依存するであろう。このことは、応力のトランスデューサに関して、普通は２次信号を電圧分割することにより、即ちこの場合には上述した感度のドリフトを補償することにより感度をトリミングしなければならないが、費用が増加し、外乱に対する感度が増加することを意味している。
そのようにすることによって、シャフトの特性は磁気抵抗の計測ヨークの特性によって補償されるので、この方法によると各種のトランスデューサの間でトランスデューサのシャフトとヨークを交換することができなくなる。このことは１つの単位毎にトランスデューサとヨークとを貯蔵し、取り扱い、据え付け、多分交換までしなければならないことを意味し、このことによって費用がまたさらに高くなり、また結局、間違ったシャフトを間違ったヨークに組み合わせてしまう恐れがあり、その結果、トランスデューサのねじりモーメントに対する感度が不正確になる。
従って、計測領域の磁気弾性的な表面層を作製する材料バッチに応じて、ねじりモーメントに対する感度を簡単な方法でトリミングできるように計測領域を設計することが望ましいであろう。
上述した経済的な観点および実用的な観点は、大量生産および広範囲な産業合理化を必要とする適用例、例えば自動車におけるトルクを計測する場合にトルクトランスデューサを使用する時には決定的に重要なこととなる。
【図面の簡単な説明】
第１図は、板状になった銅の層における磁場の分布と誘導電流とを示す図である。
第２図は、シャフト全体の周りに銅片が分布された時に、銅片内に誘導された電流がどのようにして分布されるかを示す図である。
第３図は、与えられたトランスデューサの設計に関して、感度が板状の層の厚さとともにどのように変化するかを示す図である。
第４図は、同じトランスデューサの設計に対する感度のドリフトが板状の層の厚さとともにどのように変化するかを示す図である。
第５図は、本発明によるトランスデューサの設計図である。
第６図は、本発明による他のトランスデューサの設計図である。
発明の要約および利点
本発明によるトルクトランスデューサにおいては、米国特許第4923620に記載されたものよりもかなり薄い導電性材料をシャフト表面に設けることによって良好な磁気異方性が得られる。
本発明に関する重要な条件は、銅片がシャフト材料との間で非常に良好な電気接触度を有しているという点にある。
この方法は結果的に製造技術と経済性の観点から相当な利点を有しており、またねじりモーメントに対する計測領域の感度をトリミングするだけではなく、トランスデューサの感度ドリフトを補償することを可能にしている。
以下においては、本発明に係る磁場の整列における機構について定性的な説明をすることにする。
第１図から始めるが、以下のような推論が成り立つ。
シャフト材料より上方の空気中における外部Ｈ−磁場が、図で示したように、板状の銅の層／片に対して45度の方向に作用するものと考える。前記Ｈ−磁場は角周波数ωに応じて正弦曲線的に変化する。
最初に、誘導Ｈ−磁場は無視できるものとする。従って、シャフト材料内のＨ−磁場は外部Ｈ−磁場に等しくなる。ファラディの誘導の法則により、かたΦが正弦状になっているので、銅片における２つの点“A"と“B"との電位差は次のようになる。

磁束の計算は電磁気学の基本的な書物の中で見られる既知の方法によって行われる。シャフトの半径は浸透厚よりも十分に大きく、従って長方形の座標系を用いることができる。
全磁束Φは磁束密度を材料の表面から内部まで積分することによって得られ、

この式はまた、材料が非線形の強磁性を示す場合の実効透磁率と実効浸透厚を定義するものとしても用いられる。この場合は、Φは時間的に変化する磁束の基本トーンの絶対値となる。
次に銅片における電流は次のようになる。

この電流から得られる結果的なＨ−磁場は、第２図に示したように、電流が全表面にわたって“拡がった”場合とほぼ同じになる。このように第２図の点線で示した表面において均質的に分布された電流がアンペアの法則に従ってＨ−磁場を誘導し、それは次の式によって計算される。

この式に電流と、片の抵抗と、電位差と、磁束の絶対値を代入すると、最終的に次の比が得られる。

これは次のように書かれる。

この比はいわゆる導電率比であり、銅層の導電率とシャフト表面の実効導電率との比である。
この比が大きければ、誘導磁場は適用された磁場より大きくなり、従って該誘導磁場はまた片に沿って良好に整列されるようになり、このことは、もちろん、ねじりモーメントに対する良好な感度を得るために必要なことである。
上述したようなこの数学的な推論を行う目的は、計測領域の感度をトランスデューサのパラメータの関数として厳密に誘導しようとするものではない。その代わりに、本発明による磁場の整列をさせるための基礎的な物理的な原理と機構とを説明するための試みがなされてきている。さらに、導電率比が計測領域の異方性を確認する無次元パラメータであることの理由が得られ、このことは、もちろん、計測領域の感度に関して基本的に重要なことであり、また以下の説明から明らかなように、感度の温度ドリフトに関しても重要なことである。
もちろん、実際には、銅片に誘導される電流を増加させるのはH₀−磁場ではなく、H₀とH₁との合計である結果的な磁場である。従って、銅片と結果的な磁場との間の角度は、H₁が増加するとより小さくなるであろう。このようにして、誘導磁場は制御され、結果的には導電率比が増加すると銅片に沿ってＨ−磁場が整列される。導電率比の関数としての感度は、従って、磁場の整列が漸増的に良好になるのと同時に飽和されるであろう。
この結果は、もちろん、結果的な磁場と銅片との間の角度を考慮に入れた厳密な理論的誘導によって得ることができる。
導電率比の大きさに関する要求は片の厚さに関する要求へと変換され、この場合には単純化のために無次元の要素、即ち、1/2の要素とa/（ａ＋ｂ）の要素とは無視される。もし結果的な導電率比を“k"で表し、この式を片の厚さ“h"に関して解くと、次の式が得られる。
ｈ＝ｋ×δ×ρ_Cu/ρ_Fe
純粋な経験的な観点からいうと、ねじりモーメントに対して良好な感度を得るためには、“k"は１でなければならないことがわかっている。ねじりモーメントに対する良好な感度を得るためには、片の厚さは、磁化のために使用される周波数と振幅におけるシャフト材料の浸透厚に、片における材料の固有電気抵抗とシャフト材料の固有電気抵抗との比率を掛けた値より大きくなければならないことが要求される。
第３図は層の厚さの関数としてのトランスデューサの感度を示しており、これは導電率比に比例する。この場合、問題にしている周波数における材料の実効的な浸透厚はほぼ500μｍである。第３図から明らかなように、感度は約70μｍにおいて最終値の90％に到達し、これは、さらにいうと、約４の導電率比に対応する。
第４図の同一のトランスデューサに関する層の厚さの関数としての感度のドリフトを示す。該感度ドリフトはここでは室温における感度のppmで表され、層の厚さが増加するのに応じて大きく増加している。層の厚さが浸透厚と同じ場合には、１度Ｃ当たり約1000ppmの変化となる。この場合、層の厚さが約70μｍの場合に、感度ドリフトがゼロとなる。
第３図において銅層の厚さの関数としての感度を示した前記曲線の傾斜が大きくなる程、補正が強くなることがわかるはずである。
非常に薄い層の場合には、過補正が生じて、第４図による感度ドリフトが負の値になってしまう。
上述した挙動の説明は、銅層の抵抗もまた温度とともに直線的に増加するという事実によっている。このようにして導電率比は比例的に減少し、磁場の整列も悪化する。このことによって感度は低下するが、完全に整列された磁場を有したトランスデューサに関する温度による感度の増加分を補正する。
シャフトにおける感度のドリフトと、導電率比における感度の依存度とは、複数個の要素、中でもトランスデューサ材料の特性、供給電流の周波数、供給電流の強さ、層の厚さ、および磁気抵抗計測部分と銅のパターンとの正確な幾何学的形状に依存する。
感度のドリフトをなくす作業は各々のトランスデューサの設計に対して特定的に行わなければならないが、一般的には同じタイプのトランスデューサの各種の試料について行わなければならない。しかしながら、上述の推論と第４図とによると、与えられた幾何学的形状と、与えられた供給電流の周波数と、供給電流の強さ等において、層の厚さを適当に選択することによって感度のドリフトをゼロにすることが可能である。
層の厚さを与えられた値だけ変化させることにより、第３図から明らかなように、ねじりモーメントに対する計測領域の感度を微細トリミングすることも可能である。このトリミングは、与えられた材料バッチの磁気弾性特性に応じて、このバッチのために用いられる厚さを正確に確定するようにして行われる。精度が非常に要求されるトランスデューサの場合には、幾分厚めの層を張りつけて、各各のトランスデューサのシャフトに関する個々の較正に関連して、層の厚さを機械的、電気分解的、あるいは化学的に減少させてもよい。このようにすると、材料の特性のある種の変化や他の製造法とは無関係に、完全な感度を得ることができる。
層の厚さは、もちろん、感度をトリミングしたり、また感度のドリフトをゼロに補正したりするために利用することはできない。しかしながら、感度のドリフトのある程度の変化は大部分の場合許容され、上述したことによって感度をトリミングするための空間を創造することができる。
シャフト材料と良好に電気接触した高導電率の材料の薄い個々の片によって必ずしも異方性が生じるとは限らない。導電率に大きな異方性を示す材料で全表面を覆うこともまた同様に良好に作用するであろう。そのような材料としてはとりわけ開発中の導電性のあるプラスチック材料が利用可能である。
この場合には、該材料は、最も大きな導電率を示す材料がシャフトに沿って各種の主応力方向へ向けられるように方向決めされ、これらの場合には、トランスデューサには２つの計測領域が設けられる。
本発明においてはトランスデューサにおける計測領域の数は本質的なものではない。
好的実施例の説明
本発明によるシャフトにおけるねじり応力の電気的な計測をするための磁気弾性的なトランスデューサの好的実施例が第５図に示されており、この図は回転対称的なシャフトの軸線方向断面図である。
該トランスデューサは円形円筒状のシャフト１を有し、その中でトルクが計測される。該トランスデューサはその一部分あるいはその全長に亘って強磁性体であり、また磁気弾性的であり、少なくとも表面の層においてはシャフトの周りで対称的に分布されている。
さらに、前記トランスデューサはシャフトの磁気弾性的な部分において時間とともに周期的に変化する、軸線方向に向けられた磁場を作り出すための装置を有している。該装置はトルク検出シャフト１と同心的になった２つのボビン４、５に巻きつけられた２つの１次コイル２、３を有している。該１次コイルは直列に連結され、信号発生器に結合されている。
前記シャフトにはその強磁性体部分において、前記１次コイルと同心的になって２つの計測領域６、７が作り出される。そのうちの１つの計測領域においては、軸線方向に向けられた磁場は、トランスデューサシャフトにねじり荷重がかけられた時に張力のかかる主応力に沿って偏向される。また他の計測領域においては、該磁場は圧縮力のかかる主応力方向に沿って偏向される。
前記磁場の偏向作用は板状になった銅片８、９によって行われ、これらは強磁性体シャフトにおける浸透厚よりかなり薄く、銅片とその下におけるシャフト材料との間に電気分解メッキで表されるような完全な電気接触を与える方法によって付加される。該層の厚さは感度のドリフトを最小にし、トランスデューサシャフト内のねじりモーメントに対する感度を、この計測領域を構成している材料の磁気弾性特性に応じて修正することができるような厚さになっている。
好的実施例における銅片の巾は２つの隣接する片の中心距離の2/3になるように選択される。好的実施例においては、片とトランスデューサシャフトの円筒表面に対する母面との間の角度は45度になるように選択されているが、本発明の範囲内においては該角度は最小で20度、最大で75度になるように選択してもよい。
本発明の要約のところで述べたように、異方性は必ずしも、シャフト材料と良好に電気接触した大きな導電率を有する薄い個々の材料片によって生じるとは限らない。導電率が大きな異方性を示す材料で全表面を環状に覆うことによっても同様の結果が得られるであろう。本発明の範囲内においては、そのような実施例が第６図に示されており、これは環状層18、19以外は第５図に示した実施例と同一である。
該トランスデューサもまたねじり応力によって誘導された領域間の磁気抵抗の差を電気的に計測するための装置を有している。
上述したことを実行する１つの簡単な方法は、計測領域６、７における磁束の微分係数を、１次コイルと同じボビン上に巻きつけられた２つの２次コイルを反対に連結することによって、磁束の差に対応する電位差が発生することを利用している。この電位差は供給用の信号発生器の位相によって制御された位相検出用整流器に接続される。出力信号の高位相の周波数は低域フィルターによってろ過され、従ってシャフトに荷重をかけるトルクに比例した直流電圧が得られる。
このトルクトランスデューサがその近傍における磁性体、あるいは導電性物体によって影響されるのを防ぎ、トルクに対する感度を増加させ、またトランスデューサの必要電力を減らすためには、磁場を制限し、制御して、その範囲をトルク計測領域６、７とそれに関連する磁気抵抗計測装置10、11付近の領域に限定することが望ましい。
このことはボビンを軟磁性体のヨークで取り囲むことによって行われる。該ヨークはシェル12と、該ヨークの端部における空気ギャップへ磁束を集中させる２つの磁極13、14とからなっている。該シェルと磁極の設計は、選択した材料や幾何学的寸法とその中に含まれる部品の数とに応じて変化してもよい。しかしながら、重要なことは、磁場を回転対称的に分布維持させるために、磁極がシャフトの周りでうまく芯出しされていることである。前記空気ギャップの大きさは0.5ないし1mmが適当である。領域間の磁束の再分布を簡単にし、また感度を増加させるためには、前記ヨークにはボビンの間にも磁極15が設けられる。このヨークは省略してもよく、その場合にはボビン４、５は単一のボビンに置き換えてもよい。さらに、前記ヨークにはその軸線方向端部において、非磁性体であるが良好な導電体、例えばアルミニウムでできた環状ワッシャー16、17を設けてもよく、これは磁束が軸線方向へ漏洩するのを防いでいる。

Claims (6)

1. シャフト全体の周りの少なくとも表面の層において強磁性体であり、かつ磁気弾性体である円筒状部分を有した該シャフト（１）におけるねじり応力を電気的に計測するための磁気弾性的なトルクトランスデューサにおいて、可変磁場の大きさだけではなく周波数を考慮に入れることによって確定された浸透厚を有した前記シャフトの磁気弾性体部分において、軸線方向に向かった、時間とともに周期的に変化する磁場を作り出すための第１の装置（２、３）と、異方性を有した前記シャフトの磁気弾性体部分において、前記シャフトに沿った自然磁束方向から離れた方向へ磁束密度を偏向させる効果を発揮する少なくとも１つの領域（６、７）と、異方性を有した各々の領域内において、ねじり応力によって誘導される磁気抵抗の変化を電気的に計測するための第２の装置（10、11）とを具備し、前記異方性が前記表面における磁気弾性材料と良好に電気接触した多数の平行な片（８、９）を設けることによって得られ、該片が固有電気抵抗の小さな材料でできていて、かつトランスデューサシャフトの縦方向軸線に対してある角度をなして配置されており、該片の厚さが磁場の周波数と大きさとにおけるシャフト材料の浸透厚より小さいが、該浸透厚に、シャフト材料の固有電気抵抗に対する片材料の固有電気抵抗の比率を掛けた値より大きいことを特徴とする磁気弾性的なトルクトランスデューサ。
2. 請求の範囲第１項に記載した装置において、前記片の厚さが前記浸透厚の半分より小さい磁気弾性的なトルクトランスデューサ。
3. 請求の範囲第１項に記載した装置において、前記片材料の固有電気抵抗が正の温度係数を示し、与えられた幾何学的形状、供給周波数、供給電流における該片の厚さが、ねじりモーメントに対するトランスデューサの温度に関する感度の増加が、片の固有電気抵抗が増加することによって、シャフトに沿った自然磁束方向から離れる方向への磁束密度の偏向度が減少するという事実によって、感度の減少により補正されるような厚さになっている磁気弾性的なトルクトランスデューサ。
4. 請求の範囲第１項に記載した装置において、前記片の厚さが前記磁性部分の磁気弾性特性に依存するようになっていて、従って該部分のねじりモーメントに対する感度が、小さな感度を示す材料よりも薄い層の状態でねじりモーメントに対して大きな感度を示す材料を設けることにより、各種のトランスデューサのシャフトの間で前記磁気特性の普通の変化には無関係になっている磁気弾性的なトルクトランスデューサ。
5. 請求の範囲第１項に記載した装置において、該片が電気分解メッキによって前記表面に取り付けられたトルクトランスデューサ。
6. 請求の範囲第１項に記載した装置において、前記片と前記円筒表面に対する母面との間の角度が20度より大きく、75度より小さい磁気弾性的なトルクトランスデューサ。

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