JP5081353B2 - トルク変換器 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明が属する技術分野】
監視および制御のためにシャフトを介して伝達されるトルクを測定する必要性がある。この測定は、複数の異なる製造業において、あるいは、装置や製品における他の目的に関して必要となる。本発明は、新しい形式の、固定シャフトおよび回転シャフトのトルクの非接触式磁気弾性トルク変換器である。
【０００２】
【従来の技術】
一般的に、トルクを受ける円筒形シャフトは均一の純剪断応力を受ける。この応力状態は、互いに直交し、大きさが等しい圧縮応力と引張応力からなる主応力によって表現することができる。主応力の方向は、円筒表面の母線方向に対して±４５°傾斜している。
【０００３】
最新の非接触型磁気弾性トルク変換器の、トルク測定は上記の原理に基づくものである。前記トルク変換器が受けるトルクは、変換器のシャフトを構成する物質内における特定方向の透磁率の変化を測定することによって測定される。
【０００４】
前記の方法に基づいて一般的に使用されるトルク測定は、シャフトの測定範囲内において、回転対称で均一磁界のＨ磁界のシャフトを取り囲む静的励磁コイルによって形成する。これは、負荷のかかっていない状態にあるシャフト内に、同じく均一な磁束密度を有するＢ磁界を発生させる。シャフトに負荷がかかると、Ｂ磁界の磁場状態はゆがめられ、この歪みが検出コイルによって検出される。
【０００５】
前記方法に準拠したトルク変換器の構造設計に関する最新情報は、複数の特許明細書に開示されている。当該解決法にてほぼ共通している点は、ある種の異方性によって磁性体中に２つのゾーンを形成し、磁束が変換シャフトの円筒面の母線と平行な元の方向からそれるように設計されていることである。
【０００６】
ＳＵ６６７８３６は、シャフトの表面に特定のパターンに従って切り込んだ溝によって各ゾーンに完全に幾何学的な異方性を形成する方法を述べている。このパターンは変換シャフトの円筒面の母線に対して４５°の角度をなす相互に平行な複数の線から構成される。
【０００７】
ＵＳ４，８２３，６２０は、幾何学的な異方性に関して上記と同じであるが、シャフトの表面が、変換器のヒステリシスを減じるために、硬化されるか、浸炭された実施例について記述している。前記方法は、どちらも限界がある。前記の方法は、完全な回転対称性を有する異方性が発生することを前提としている。所望の磁気異方性を実現するために、シャフトを機械加工する必要もある。
【０００８】
シャフトのトルクを測定する別の磁気弾性的方法はＥＰ０ ５２５ ５５１ Ａ２から明らかである。トルクを測定すべきシャフトには、圧入、縮径または接着によってシャフトに取り付けられた、周方向の極性を有する磁気弾性リングを備えている。変換シャフトにトルクを加えると、シャフトとリングに歪みが生じる。これは、元々は完全に方位方向を向いていた磁化の向きを、方位方向と軸方向の成分を共に有する螺旋方向に変化させる。シャフトとは別に設置され、磁化の軸方向の要素のみを感知するように方向付けられたホール素子によって、シャフトに加えられたトルクを測定することができる。
【０００９】
上記のような形でホール素子を使用することは複数の欠点を伴う。一方では、ホール素子はリングの円周に沿った一点において磁場を測定する。変換シャフトが回転する場合、それに伴って周方向に極性化した磁性リングも回転し、リングの磁界が完全な回転対称でなければ、ホール素子からの出力信号は変化する。別の欠点は、ホール素子の信号レベルは非常に小さいために、信号処理が困難で、信号が電気的な干渉を受けやすくなることである。さらに、ホール素子は本質的に温度ドリフトを有する。
【００１０】
特許出願ＷＯ９７２２８６６Ａ１には、周方向に極性化したリングを具備したシャフトを有するトルク変換器が記述されている。当該リングは、シャフトに対しては自由に動くことができるように固定された管状のシェルによって同心的に囲まれており、当該シェルは、所定の周波数の磁化を行うためのコイルを備えている。コイルに接続された位相検知器は、磁界の軸方向成分を測定するために、誘導によってコイルに発生した含まれる偶数調波を有する電圧成分に対応した信号を供給する。
【００１１】
上記の解決法における一つの課題は、トルク変換器シャフトに負荷をかけているとき、リング内に生じる軸方向の磁束の大部分が、変換シャフトが磁性体からなる場合には、変換シャフトを介して回路を必然的に完成させることである。これは、上部のシェルに時間と共に変化する磁束の偶数調波を発生させるための、前記静的磁束の大部分はシェルに到達しないことを意味する。
【００１２】
外側のシェルが十分に回転対称でなければ、測定の精度に影響があるので、回転シャフトの場合に、伝達されたトルクを正確に測定することは困難であろう。さらに、変換器シャフトの材料の選択は当該材料の磁気的な特性に依存し、実際には常磁性体に制限される。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の一つの目的は、変換シャフトの材料を、当該材料の磁気特性とは独立に選択することができるトルク変換器を実現することである。本発明の別の目的は、変換器のシャフトとして強磁性体を使用することができるトルク変換器を提供することである。
【００１４】
本発明の別の目的は、周方向に磁化したリングに負荷をかけたときにリングに生じる軸方向のｄｃ場を、磁性体シェル内の磁束の偶数調波を発生させるために、より効果的に利用することができるトルク変換器を実現することである。
【００１５】
別の目的は、変換信号の角度依存性が最小になるように、トルク変換器のシェルおよび変換シャフトを配置することである。本発明の更なる目的は、変換器の励磁コイルの外部の高磁気抵抗空気経路による漏磁を原因とする電力損失を低減したトルク変換器を実現することである。
【００１６】
さらに本発明の別の実施例は、磁気弾性リングの磁界の回転対称性が中程度であっても、常に正確な測定を行うことができるトルク変換器を実現するこである。例えば、回転シャフトに伝達されたトルクを測定するとき、測定の正確性が前記磁界の回転対称性に依存しないことが非常に重要である。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
上記の目的およびその他の目的は、請求項１に規定された、固定シャフトあるいは回転シャフト内の伝達されたトルクを測定するトルク変換器によって達成される。さらに、本発明の好適な実施例は請求項２から１４に記載される。本発明は、変換シャフトを材料の磁気特性に無関係に、任意の材料で製造されるトルク変換器に関するものである。
【００１８】
従来技術によると、変換シャフトにトルクが加えられると、変換リングに軸方向の静的磁束が発生する。軸方向の静的磁束はリング上部に空気を介し、リングの下のシャフト物質を介して回路を完成させる。空気を介して回路を完成させる磁束の割合は、空気中の透磁率とシャフト物質中の透磁率との比率にほぼ比例する。
【００１９】
空気の透磁率とほぼ同程度の非磁性体の場合には、空気とシャフトを介して前記と同じ部分を通って実質的に回路を完成させるように戻る磁束が発生する。これは静的磁束ｄｃの半分が、シェルにおいて、測定用のａｃ磁束の偶数調波を励起するための励磁コイルからの時間的に変化する磁束、ａｃ磁束と有効に相互作用を行うことを意味する。従来技術によるトルク変換シャフトが強磁性体で構成されていれば、偶数調波を含む測定可能な電圧を励起するシェル内のｄｃ磁束の割合は顕著に減少する。
【００２０】
本発明は、変換シャフト上の円筒形に形成された磁気弾性領域と物理的に接触する、高い透磁性を有する磁気非線形物質からなる透過性の高い磁性層を実質的に配置することによって、変換シャフトを、物質の磁気特性とは無関係に、任意の物質で構成することができることが利点である。この結果、静的磁束、ｄｃ磁束は、従来技術によるトルク変換器と比較して、空気を通る必要がないので、磁性体層を介して効果的に回路を完成させる。その結果、荷重が加えられたときに変換器のシャフトの磁気的に周方向に極性化された円筒状の領域に発生する静的な軸方向磁束の大部分が、励磁コイルによって発生する、時間的に変化する磁束ａｃ磁束に制御されることになる。このために、本発明でのｄｃ領域は、従来技術による方法に比較してより能率的に使用される。
【００２１】
好ましい実施例に示す、変換シャフトが強磁性体をも有するトルク変換器は、複数の理由によりさらに好適である。
【００２２】
本発明の一つの長所は、変換シャフトが任意の材料から製造することができることである。任意の材料という用語は、ここでは、トルクが測定されるべきシャフトは、ステアリングギアの心棒、ギアボックスでのシャフト、ドライブシャフトまたは心棒などのような、対象物を能率的に実行するための所望の材料特性および性能を有する物質から製造されることを意味する。強磁性体の変換シャフトは、本発明が、非常に広い適用範囲を有することを意味する。ほとんどの場合において、強磁性体の使用は、結果的に、変換器全体の低コスト化のための、材料の低コスト化を実現する。
【００２３】
本発明の好ましい実施例の別の長所は、変換器シャフトの測定ゾーンは、特定の時期的特性を付与するために、他とは別に機械工作または処理を行う必要がないことである。本発明の別の実施例は、磁気的に周方向に極性を付与したリングを、変換器シャフトに取り付ける必要が無いことである。この実施例によれば、変換シャフトを構成する材料の、実質上円筒状の磁気封じ込め領域は、周方向の極性に対して高い透磁性を有するので従来技術で採用されているような別体のリングを使用する必要がない。
【００２４】
本発明の最適な用途によると、本発明の実施例では、巻き線は磁気回帰導体を有する。このような構成は、従来技術によるトルク変換器に基づく構成と比較してかなりの低消費電力化を実現することができ、この点が大きな利点である。
【００２５】
発明の好ましい実施形態
本発明について説明するために、まず、従来技術による変換器について説明する。図１は、シャフト１、リング２、円筒形のシェル３および１つ以上のコイル４を有する、従来技術によるトルク変換器を示すものである。シェル３は比較的大きな透磁率を有する非線形磁性体から構成されている。コイル４はシェル３を取り囲んでいる。リング２は比較的大きな透磁率を有する磁性材料からなり、静的磁界が方位角方向にリングを通って回路を完成させる。変換器が非接触であることにより、磁気弾性領域２（リング）とシェル３との間には必然的に微小なエアギャップ９が存在する。従来技術によるトルク変換器を示す図２は、リングに負荷がかかっているときに、リング２から静的磁力線８ａを付加的に示す。
【００２６】
図１に示された位相検出器５は、測定用コイル４に交流電流を供給する送流回路に接続される。検出器５は、負荷が加えられるとシェル３に生じる静的磁界の影響を相殺するために、測定用コイル４に直流電流を送る制御装置６に信号を発生させる。直流電流が流れる極性化された測定器具７は、適正な目盛り設定後に、変換器のシャフトにかかるトルクの絶対値を示すために使用される。これは上述の国際特許出願ＷＯ７２２８６６Ａ１に詳細に記載されている。
【００２７】
従来技術によるトルク変換器は、変換シャフト１に取り付けられた、周方向に極性化させたリング２を有する。磁力線８ａは、巻き線４を通じて測定を行うために、エアギャップ９の空気を通って円筒状のシェル３に磁束を発生させる様子を示す。磁力線８ａは、大なり小なりシャフト１を通って循環する。点線８ｂは、リングからの磁力線の特定の部分８ｂがシャフトを通って回路を完成させる様子を示す。
【００２８】
図３は本発明による好ましい実施例を示すものである。強磁性体層３’が周方向に極性化したリング２に固定されている。当該層３’は比較的大きな透磁率、１０００以上の透磁率、好ましくは１００００を越える程度の透磁率の磁気非線形物質を有する。当該層３’は、接着、収縮、およびその他の方法で、リング２の当該表面に固定される。
【００２９】
本発明は、シャフト１にトルクが加えられると、軸方向の静的磁界が周方向に極性化させたリング２によって発生する。リング２を取り囲む層３’の相対的透磁率は、強磁性体から成る一般的なシャフト透磁率より１桁以上大きいので、リング２を取り囲む当該層３’は静的磁界の磁束線８に影響を与える。この結果、円筒状の層３’の静的磁束密度がかなり大きくなる。結果として、これは感知コイルに誘導された電圧に含まれる偶数調波の増大をもたらす。これは変換器の感度の増加をもたらし、従って、測定精度を向上させる。言い換えると、変換シャフトの物質が強磁性体であったとしても、図２ｂに示した磁束線８ｂに対応する束線は、もし存在したとしても、いずれも大きく減少することになる。
【００３０】
好ましい実施例において、変換シャフトは、例えば、リン酸処理、亜鉛処理などのような従来の表面処理を施されたか、あるいは施されていない、一般的な鋼鉄と言った、強磁性体材料からなる。当該層３’は、当該層が例えば、１００００程度以上の相対的透磁率を有するように選択された金属組成または合金を有する。好適な例は、相対透磁率およそ１０００００を有するＶｉｔｒｏｖａｃ ６０２５Ｘ（商標）で知られる金属箔である。実験によって有効であると証明された他の合金材料の例として、
− 数種のアモルファス、一般的な名称Ｖｉｔｒｏｖａｃ（標章）で知られている多種のコバルト合金、
− 結晶、例えばミューメタルと言った、大きな相対透磁率の鉄ベースの合金、− アモルファス、Ｍｅｔｇｌａｓ（標章）の名称で知られる鉄ベースの合金を挙げることができる。
【００３１】
上記記載のような合金は、例えば、コバルト、鉄、ニッケルといった、遷移金属を有する。Ｖｉｔｒｏｖａｃ ６０２５Ｘのようなコバルト合金は、さらに、磁気歪を有さない長所を有する。これは測定信号が層の機械的負荷に関係なく、あるいは、周囲の温度が変化に対して安定していることを意味する。
【００３２】
好ましい実施例の開発に基づく、外部の静的干渉領域の影響を相殺する方法を示す。十分に強い外部の静的干渉場、または、低周波数で時間的に変化する磁界は精度を狂わし、例えば、トルク変換器の軸方向を外部干渉領域に関して方向付けるように感知させる可能性がある。図４は二つのゾーンに配列された測定領域を具備したトルク変換器を示す。二つのゾーンは、いつでも静的領域８と時変化磁界１１が二つのゾーンにて反対方向に向けられるように配列される。この方法における外部干渉領域の軸の要素は、ゼロに近似する合力を受ける。
【００３３】
別の実施例において、リング２の機能は、変換シャフトの物質の僅かな部分を構成する高透磁率の非線形強磁性体領域によって実施される。この種の領域は、リングに類似した磁気特性を具備したメッキあるいは被覆のような適切な処理によって製造することができる。当該領域に合金層生物あるいは成分を吸収させる表面処理によっても同様の領域を製造することができる。さらに、領域でのミクロ構造の好適な変化を実現するために熱処理を使用することもできる。この方法によって、実質的に円筒状の、磁気歪領域は、周囲のシャフト材料より大きな相対透磁率を有する変換シャフト上に形成される。前記磁気歪領域は異なる物質から成る周方向の極性を付与したリングと同様に作用する周方向に静的極性を有する磁界を形成するために永久磁化される。
【００３４】
本発明の別の実施例において、変換シャフトは、常磁性体金属、または、常磁性体合金から成る。
【００３５】
本発明によるトルク変換器の最適な用途は、図５に示されている。この図はさらに低消費電力である長所を有する、本発明によるトルク変換器に特にうまく適する。測定コイル４に交流電流を供給することによって、交流磁場は、領域線１１に示すように層３’内に形成される。最適な用途によると、追加層１２は測定コイル４の外側に固定される。層１２は、磁気線形物質から構成されている。この機能は、単純な方法で磁気回路を完成させるために、さもなければ測定コイルの外側の空気を流れる磁束を、束線１１に導くことである。その方法で、測定コイル内の低い電流密度によって磁界は測定コイル４と層３’との間のエアギャップ９内に維持され、変換器の電力要求を低減する。試験中に、測定コイルでの電力消費は、この方法にて大幅に低減されることが理解された。例えば、およそ１．４Ｗから１２０ｍＷに消費供給電力の合計が低減された結果が示されたが、これは約１２分の１への低減である。
【図面の簡単な説明】
本発明は添付した概要図に関してさらに詳細に述べられている。
【図１】 従来技術によるトルク変換器の概観図である。
【図２】 従来技術による変換器シャフトの縦軸に沿ったトルク変換器の断面図を示すものである。
【図３】 強磁性体シャフトを用いた本発明によるトルク変換器の好ましい１実施例の切断面を示すものである。
【図４】 強磁性体シャフトと二つの測定ゾーンを有する本発明によるトルク変換器の別の実施例を示すものである。
【図５】 低消費電力用に開発された測定コイルを用いた発明によるトルク変換器の別の実施例を示すものである。

Claims (14)

1. 変換シャフトの円筒状の周囲に設けられ、周方向に磁性的に極性化されたリングである、円筒状の磁気弾性領域（２）を有する変換シャフト（１）を備え、
   前記磁気弾性領域（２）は、方位角方向に永久磁化され、且つ交流電流が供給される少なくとも１つの巻き線（４）に囲まれ、
   前記少なくとも１つの巻き線（４）は、偶数次高調波を発生させるために透磁性が高く非線形強磁性材料からなる円筒状の層（３’）を取り囲んでおり、
   前記層（３’）は、前記リングの外側表面と物理的に接触しており、前記円筒状の磁気弾性領域（２）の比透磁率より大きい比透磁率を有する材料からなり、
   前記巻き線（４）は、変換シャフトの材料の比透磁率より大きな比透磁率を有する磁気線形磁性材料からなる外側の層（１２）によって取り囲まれる
   ことを特徴とするトルク変換器。
2. 前記変換シャフト（１）は実質的に強磁性材料からなることを特徴とする請求項１に記載のトルク変換器。
3. 前記層（３’）は、一緒に回転するように、前記円筒状の磁気弾性領域（２）に対して配置されることを特徴とする請求項２に記載のトルク変換器。
4. 前記層（３’）は１０００以上の大きさの比透磁率を有する材料からなる請求項１ないし３のいずれか１つに記載のトルク変換器。
5. 当該層はアモルファスコバルト合金、アモルファス鉄製合金、結晶鉄合金のいずれか１つからなることを特徴とする請求項４に記載のトルク変換器。
6. 前記円筒状の磁気弾性領域（２）が変換シャフト材料の一部を構成することを特徴とする請求項１に記載のトルク変換器。
7. 前記円筒状の磁気弾性領域（２）は、シャフトを取り囲む材料の比透磁率より大きな比透磁率を有することを特徴とする請求項６に記載のトルク変換器。
8. 前記変換シャフトの前記円筒状の磁気弾性領域（２）は、メッキによって形成されることを特徴とする請求項７に記載のトルク変換器。
9. 前記変換シャフトの前記円筒状の磁気弾性領域（２）は、熱処理によって形成されたことを特徴とする請求項７に記載のトルク変換器。
10. 前記層（３’）は、当該層（３’）を貫通する磁束に偶数次高調波を発生させ、これにより前記巻き線（４）に誘導された電圧に偶数次高調波を発生させる手段であることを特徴とする請求項１に記載のトルク変換器。
11. 前記変換シャフト（１）が、少なくとも１つの測定ゾーンでの磁界はその他の測定ゾーンに磁界の方向と対向するように少なくとも２つの測定ゾーンに配列された測定領域を有することを特徴とする請求項１に記載のトルク変換器。
12. 前記変換シャフト（１）は常磁性体材料を実質的に有することを特徴とする請求項１に記載のトルク変換器。
13. 固定シャフトに伝えられたトルクを測定する請求項１ないし１２のうちいずれか１つに記載のトルク変換器。
14. 回転シャフトに伝えられたトルクを測定する請求項１ないし１２のうちいずれか１つに記載のトルク変換器。

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