JPH05196517A - トルク検出装置及びそのトルク測定方法 - Google Patents
トルク検出装置及びそのトルク測定方法Info
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- JPH05196517A JPH05196517A JP4223448A JP22344892A JPH05196517A JP H05196517 A JPH05196517 A JP H05196517A JP 4223448 A JP4223448 A JP 4223448A JP 22344892 A JP22344892 A JP 22344892A JP H05196517 A JPH05196517 A JP H05196517A
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- G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
- G01L3/00—Measuring torque, work, mechanical power, or mechanical efficiency, in general
- G01L3/02—Rotary-transmission dynamometers
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Abstract
(57)【要約】
【目的】 構造を単純化してコストを低減するととも
に、信頼性の高いトルク検出を行う。 【構成】 軸方向に伸びる軸線回りのシャフト８上に、
強磁性で磁気感応性を有する変換器４を設ける。変換器
４に、ほぼ軸線１０として円周方向を有する１軸の磁気
異方性と、円周方向の磁極とを付与する。変換器４を、
シャフト８に加えられるトルク１２によりねじり応力を
受けるとともに、トルク１２により変化する磁場を形成
するようにシャフト８に組み付ける。変換器４の近接位
置に、トルク１２により発生した磁場の振幅を検出しか
つトルク１２が示す電気信号を供給する磁場ベクトルセ
ンサ６を設ける。
に、信頼性の高いトルク検出を行う。 【構成】 軸方向に伸びる軸線回りのシャフト８上に、
強磁性で磁気感応性を有する変換器４を設ける。変換器
４に、ほぼ軸線１０として円周方向を有する１軸の磁気
異方性と、円周方向の磁極とを付与する。変換器４を、
シャフト８に加えられるトルク１２によりねじり応力を
受けるとともに、トルク１２により変化する磁場を形成
するようにシャフト８に組み付ける。変換器４の近接位
置に、トルク１２により発生した磁場の振幅を検出しか
つトルク１２が示す電気信号を供給する磁場ベクトルセ
ンサ６を設ける。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、トルク検出装置に関
し、特に、回転軸に加えられるトルクの測定値を供給す
る非接触磁気弾性トルク変換器に関するものである。
し、特に、回転軸に加えられるトルクの測定値を供給す
る非接触磁気弾性トルク変換器に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】回転する駆動軸を有する機構の制御にお
いては、基本的に、上記駆動軸のトルクと回転速度がパ
ラメータである。従って、正確で信頼性があり、廉価な
方法でトルクの検出及び測定を行うことが、数十年来、
当業者の主要な目的である。比較的最近には、車両のハ
ンドル操作に応じて駆動される電動モータがそこへ供給
される電流を制御することにより発生トルクを制御す
る、原型としてのパワーステアリングシステムが開発さ
れたが、これに関しては、ステアリングシャフトから発
生したトルクを正確に検出し得るトルク検出装置の要望
が高まっている。トルク検出装置は、長足の進歩を遂げ
たが、厳しい環境や操作状況にもかかわらず、長期間に
渡ってトルクの測定能力を有する廉価なトルク検出装置
が強く要望されている。
いては、基本的に、上記駆動軸のトルクと回転速度がパ
ラメータである。従って、正確で信頼性があり、廉価な
方法でトルクの検出及び測定を行うことが、数十年来、
当業者の主要な目的である。比較的最近には、車両のハ
ンドル操作に応じて駆動される電動モータがそこへ供給
される電流を制御することにより発生トルクを制御す
る、原型としてのパワーステアリングシステムが開発さ
れたが、これに関しては、ステアリングシャフトから発
生したトルクを正確に検出し得るトルク検出装置の要望
が高まっている。トルク検出装置は、長足の進歩を遂げ
たが、厳しい環境や操作状況にもかかわらず、長期間に
渡ってトルクの測定能力を有する廉価なトルク検出装置
が強く要望されている。
【０００３】従来、トルクの測定は、シャフトに直接取
り付けられた接触式のセンサを使って行われていた。そ
の種のセンサとしては、ひずみゲージ式トルク検出装置
がある。この装置は、１個以上のひずみゲージがシャフ
トの外周面に直接取り付けられており、ひずみにより生
じる抵抗の変化をブリッジ回路や既知の手段により測定
するようになっている。ところが、接触式センサは、回
転軸に直接接触しているため、相対的に不安定であり、
信頼性に欠ける。また、非常に高価であるため、車両の
ステアリングシステムに使用するには、実用的ではな
い。
り付けられた接触式のセンサを使って行われていた。そ
の種のセンサとしては、ひずみゲージ式トルク検出装置
がある。この装置は、１個以上のひずみゲージがシャフ
トの外周面に直接取り付けられており、ひずみにより生
じる抵抗の変化をブリッジ回路や既知の手段により測定
するようになっている。ところが、接触式センサは、回
転軸に直接接触しているため、相対的に不安定であり、
信頼性に欠ける。また、非常に高価であるため、車両の
ステアリングシステムに使用するには、実用的ではな
い。
【０００４】さらに最近では、回転軸とともに使用され
る磁気ひずみ式の非接触トルクセンサが開発されてい
る。例えば、Garshelis の米国特許4,896,544 号に開示
されたセンサは、適切な強磁性と磁気感応性とを有する
表面と、それぞれ左右対称で、螺旋状に方向付けられた
残留応力及び誘導された磁気異方向性が付与される２本
の別個の周方向の帯体とを備えるトルク伝達部材を有し
ており、また、トルクを受ける上記部材に接触せずに、
同じ軸方向の磁力に対する上記２本の帯体の反応の相違
を検出する磁気弁別装置を有している。最も典型的に
は、磁化及び検出は、上記帯体を覆って取り囲む一対の
励磁コイルまたは磁性コイルを備えることにより行われ
ており、上記コイルは、直列に接続され、交流電流によ
り作動されるようになっている。トルクは、一対の互い
に逆方向に接続された検出コイルを用いて検出され、こ
の検出コイルは、２本の帯体の磁束から発生する異なる
信号を測定するようになっている。
る磁気ひずみ式の非接触トルクセンサが開発されてい
る。例えば、Garshelis の米国特許4,896,544 号に開示
されたセンサは、適切な強磁性と磁気感応性とを有する
表面と、それぞれ左右対称で、螺旋状に方向付けられた
残留応力及び誘導された磁気異方向性が付与される２本
の別個の周方向の帯体とを備えるトルク伝達部材を有し
ており、また、トルクを受ける上記部材に接触せずに、
同じ軸方向の磁力に対する上記２本の帯体の反応の相違
を検出する磁気弁別装置を有している。最も典型的に
は、磁化及び検出は、上記帯体を覆って取り囲む一対の
励磁コイルまたは磁性コイルを備えることにより行われ
ており、上記コイルは、直列に接続され、交流電流によ
り作動されるようになっている。トルクは、一対の互い
に逆方向に接続された検出コイルを用いて検出され、こ
の検出コイルは、２本の帯体の磁束から発生する異なる
信号を測定するようになっている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記セ
ンサが使用される装置上及び装置回りに、上記必要な励
磁コイル及び検出コイルにとって十分なスペースを設け
ることは、スペースが割り増しされたことで、実用にあ
たり様々な問題を発生させる。また、その種のセンサ
は、車両のステアリングシステム等価格競合性の高い装
置に使用するには、非実用的なほど高価である。
ンサが使用される装置上及び装置回りに、上記必要な励
磁コイル及び検出コイルにとって十分なスペースを設け
ることは、スペースが割り増しされたことで、実用にあ
たり様々な問題を発生させる。また、その種のセンサ
は、車両のステアリングシステム等価格競合性の高い装
置に使用するには、非実用的なほど高価である。
【０００６】従来の非接触式磁気弾性トルク変換器の出
力信号は、大きなトルクによって相関的に機械的な応力
を受けるように設置されている部材の磁気特性の変化の
結果として発生する。従来のこの種の全ての装置では、
効果的に検出される磁気特性は、一種以上の透磁率μで
ある。このことは、これら装置の出力信号が、Ｂ＝μＨ
により励磁磁場Ｈに応じて生じる磁束の磁束密度から得
られるという事実から分かる。μは、応力であり、従っ
て伝達されたトルクにより明らかに変化するが、そのい
かなる特殊な応力の実数値も、温度に依存すると同様
に、上記部材を形成する磁気弾性的に活性な材料に固有
の特質及び構造的な特質に大いに依存している。さら
に、μは、Ｈに対して１次直線的でも単調でもなく強く
依存している。実際上の磁場Ｈは、通常、その関係する
磁気回路のパーミアンスの分布と同様に電流の振幅及び
周波数から発生し、これらに敏感である。コイルの抵抗
に対する温度の影響、エアギャップの程度、ヨーク及び
磁気回路の他の付随部分の透磁率に関連する漏れ磁束、
巻線と他の導電要素との間の寄生キャパシタンスの誘電
率等の要因は、全てトルクの変動とは関係なく、Ｂの検
出値に重大な影響を及ぼす。このような磁気弾性トルク
変換器に対する従来技術の取組み方の欠点は、Ｂに関す
る検出の偏差がトルクの偏差を正確に示さないという望
ましくない結果により、検出量すなわちＢが、多くの変
数に大きくかつ複雑に依存しているのに比べて、ねじり
応力にはあまり依存していないと判断される点である。
力信号は、大きなトルクによって相関的に機械的な応力
を受けるように設置されている部材の磁気特性の変化の
結果として発生する。従来のこの種の全ての装置では、
効果的に検出される磁気特性は、一種以上の透磁率μで
ある。このことは、これら装置の出力信号が、Ｂ＝μＨ
により励磁磁場Ｈに応じて生じる磁束の磁束密度から得
られるという事実から分かる。μは、応力であり、従っ
て伝達されたトルクにより明らかに変化するが、そのい
かなる特殊な応力の実数値も、温度に依存すると同様
に、上記部材を形成する磁気弾性的に活性な材料に固有
の特質及び構造的な特質に大いに依存している。さら
に、μは、Ｈに対して１次直線的でも単調でもなく強く
依存している。実際上の磁場Ｈは、通常、その関係する
磁気回路のパーミアンスの分布と同様に電流の振幅及び
周波数から発生し、これらに敏感である。コイルの抵抗
に対する温度の影響、エアギャップの程度、ヨーク及び
磁気回路の他の付随部分の透磁率に関連する漏れ磁束、
巻線と他の導電要素との間の寄生キャパシタンスの誘電
率等の要因は、全てトルクの変動とは関係なく、Ｂの検
出値に重大な影響を及ぼす。このような磁気弾性トルク
変換器に対する従来技術の取組み方の欠点は、Ｂに関す
る検出の偏差がトルクの偏差を正確に示さないという望
ましくない結果により、検出量すなわちＢが、多くの変
数に大きくかつ複雑に依存しているのに比べて、ねじり
応力にはあまり依存していないと判断される点である。
【０００７】従来技術において、上記の問題を克服する
試みでは、２種類の別々のＢに属する信号、すなわち、
等しい静止値を有するがトルクには互いに逆に反応する
信号を供給する構成を使用しており、また、上記２種類
の信号を区別して組み合わせる手段も備えている。この
手段の思想は、トルクに関連する変化に対する感度を増
幅させながら、Ｂにおける共通モードの偏差を除去する
ということである。発生トルクが０である場合に０の出
力信号を要求することは、２個のＢセンサに正確な対称
を確保するとともに、検知される部材の２つの区域にお
ける静止値μと励磁磁場におけるμの正確な一様性を確
保するという多分な配慮が必要になる。励磁電流及び信
号条件を補正するような温度を必要とする関連の電気回
路と同様に、センサ部分自体においても、上記構造を実
現するのに必要な複雑性は、変換器全体の費用とサイズ
とを増加させるとともに、その融通性、メインテナンス
性及び信頼性を低下させる。
試みでは、２種類の別々のＢに属する信号、すなわち、
等しい静止値を有するがトルクには互いに逆に反応する
信号を供給する構成を使用しており、また、上記２種類
の信号を区別して組み合わせる手段も備えている。この
手段の思想は、トルクに関連する変化に対する感度を増
幅させながら、Ｂにおける共通モードの偏差を除去する
ということである。発生トルクが０である場合に０の出
力信号を要求することは、２個のＢセンサに正確な対称
を確保するとともに、検知される部材の２つの区域にお
ける静止値μと励磁磁場におけるμの正確な一様性を確
保するという多分な配慮が必要になる。励磁電流及び信
号条件を補正するような温度を必要とする関連の電気回
路と同様に、センサ部分自体においても、上記構造を実
現するのに必要な複雑性は、変換器全体の費用とサイズ
とを増加させるとともに、その融通性、メインテナンス
性及び信頼性を低下させる。
【０００８】そこで、本発明は、測定されるトルクが０
のとき本質的に０である量を検出するよう作動するとと
もに、測定されるトルクと相関してトルクに応じてその
方向と振幅とを変える磁気弾性トルク変換器を提供する
ことを目的とする。
のとき本質的に０である量を検出するよう作動するとと
もに、測定されるトルクと相関してトルクに応じてその
方向と振幅とを変える磁気弾性トルク変換器を提供する
ことを目的とする。
【０００９】また、トルクが０の状態の検出量の数値０
が実質的に温度、回転するトルクを受けた部材の角度、
回転速度、及びトルク部材とそのトルク量検出手段との
間の径方向または長さ方向のエアギャップ（隙間）によ
って影響されない磁気弾性トルク変換器を提供すること
を目的とする。
が実質的に温度、回転するトルクを受けた部材の角度、
回転速度、及びトルク部材とそのトルク量検出手段との
間の径方向または長さ方向のエアギャップ（隙間）によ
って影響されない磁気弾性トルク変換器を提供すること
を目的とする。
【００１０】さらに、励磁磁場を必要としない磁気弾性
トルク変換器を提供することを目的とする。
トルク変換器を提供することを目的とする。
【００１１】さらにまた、励磁電流もコイルも必要とし
ない磁気弾性トルク変換器を提供することを目的とす
る。
ない磁気弾性トルク変換器を提供することを目的とす
る。
【００１２】また、ほぼ中心線上の円周方向を有する１
軸磁気異方性が付与されており、実質的に円周方向に磁
気極性が付与されている磁気弾性的に活性な部分を備え
ている磁気弾性トルク変換器を提供することを目的とす
る。
軸磁気異方性が付与されており、実質的に円周方向に磁
気極性が付与されている磁気弾性的に活性な部分を備え
ている磁気弾性トルク変換器を提供することを目的とす
る。
【００１３】さらに、励磁電流もコイルも必要とせず、
検出量が固体式の装置で電気出力信号に変換される磁気
弾性トルク変換器を提供することを目的とする。
検出量が固体式の装置で電気出力信号に変換される磁気
弾性トルク変換器を提供することを目的とする。
【００１４】さらにまた、励磁電流もコイルも必要とせ
ず、集積回路装置が温度変化により生じる伝達関数の変
数を補正する手段を有している磁気弾性トルク変換器を
提供することを目的とする。
ず、集積回路装置が温度変化により生じる伝達関数の変
数を補正する手段を有している磁気弾性トルク変換器を
提供することを目的とする。
【００１５】また、励磁電流もコイルも必要とせず、集
積回路装置が、出力が１次直線である領域を拡張する補
償作用を備えている磁気弾性トルク変換器を提供するこ
とを目的とする。
積回路装置が、出力が１次直線である領域を拡張する補
償作用を備えている磁気弾性トルク変換器を提供するこ
とを目的とする。
【００１６】さらに、励磁電流もコイルも必要とせず、
構造が単純であり、低コストで製造可能で、極めて信頼
性を必要とする適用法、例えば、自動車のステアリング
システムに入力されるトルクを検出する場合に適した磁
気弾性トルク変換器を提供することを目的とする。
構造が単純であり、低コストで製造可能で、極めて信頼
性を必要とする適用法、例えば、自動車のステアリング
システムに入力されるトルクを検出する場合に適した磁
気弾性トルク変換器を提供することを目的とする。
【００１７】さらにまた、回転するトルク部材に、１軸
異方性が付与されており、円周方向に磁気極性が付与さ
れ、応力に応じて変化する磁場を作る環状の変換器を取
り付けた後、回転するトルク部材上のトルクの表示とし
て、変換器の磁場の出力の成分を測定する非接触式のト
ルク測定方法を提供することを目的とする。
異方性が付与されており、円周方向に磁気極性が付与さ
れ、応力に応じて変化する磁場を作る環状の変換器を取
り付けた後、回転するトルク部材上のトルクの表示とし
て、変換器の磁場の出力の成分を測定する非接触式のト
ルク測定方法を提供することを目的とする。
【００１８】
【課題を解決するための手段】上記の諸目的を達成する
ため、本発明のトルク検出装置は、磁気弾性的に活性な
要素と、磁気弾性的に活性な部分の磁場に応じるホール
効果センサ等の磁気センサとを備える。好ましくは、磁
気弾性活性部分は、１軸異方性、例えば円周方向をほぼ
軸線とするような１軸の磁気異方性と、円周方向の磁気
極性とが付与された材料からなる環状の変換器手段と、
この変換器手段の近接位置に対向して設けられ上記磁場
の振幅を検出しかつ上記トルクが示す電気信号を供給す
る磁場センサ手段とを備えるように構成されている。
ため、本発明のトルク検出装置は、磁気弾性的に活性な
要素と、磁気弾性的に活性な部分の磁場に応じるホール
効果センサ等の磁気センサとを備える。好ましくは、磁
気弾性活性部分は、１軸異方性、例えば円周方向をほぼ
軸線とするような１軸の磁気異方性と、円周方向の磁気
極性とが付与された材料からなる環状の変換器手段と、
この変換器手段の近接位置に対向して設けられ上記磁場
の振幅を検出しかつ上記トルクが示す電気信号を供給す
る磁場センサ手段とを備えるように構成されている。
【００１９】また、本発明のトルク測定方法は、軸方向
に延びるトルクを受けた部材上でトルクを検出するにあ
たり、円周状に極性化された強磁性磁気感応性の変換器
手段を、部材に加わるトルクが適切な状態で上記変換器
手段にねじり応力を加えるように、かつ上記部材に加え
られるトルクが存在しない場合には磁場を発生させない
ように、トルクを受ける部材と接続させて、上記部材に
対するトルクの作用に応じて磁場を発生させ、上記部材
に加えられるトルクの大きさを表示するために、上記変
換器手段の近接位置で磁場の振幅を検出するように構成
されている。
に延びるトルクを受けた部材上でトルクを検出するにあ
たり、円周状に極性化された強磁性磁気感応性の変換器
手段を、部材に加わるトルクが適切な状態で上記変換器
手段にねじり応力を加えるように、かつ上記部材に加え
られるトルクが存在しない場合には磁場を発生させない
ように、トルクを受ける部材と接続させて、上記部材に
対するトルクの作用に応じて磁場を発生させ、上記部材
に加えられるトルクの大きさを表示するために、上記変
換器手段の近接位置で磁場の振幅を検出するように構成
されている。
【００２０】
【作用】以上の構成により、上記変換器手段は、回転軸
等のトルク部材に取り付けられ、シャフトへのトルクの
発生が上記変換器手段に伝えられるようになっている。
変換器手段上のトルクは、変換器手段の円周方向の磁気
方向性を偏向させ、円周方向及び軸方向の両成分を有す
る螺旋状の磁気方向性を発生させる。変換器手段と対向
する所定の位置には、磁場センサ手段が設けられてお
り、変換器手段内の磁気の軸方向の成分から発生する磁
場に答えるように方向付けられている。上記磁場センサ
手段がヨーク手段とともに設けられた場合、センサの出
力は、シャフトに生じて変換器手段に伝達されたトルク
により発生する変換器手段内の磁気の方向性の変化に比
例するようになっている。
等のトルク部材に取り付けられ、シャフトへのトルクの
発生が上記変換器手段に伝えられるようになっている。
変換器手段上のトルクは、変換器手段の円周方向の磁気
方向性を偏向させ、円周方向及び軸方向の両成分を有す
る螺旋状の磁気方向性を発生させる。変換器手段と対向
する所定の位置には、磁場センサ手段が設けられてお
り、変換器手段内の磁気の軸方向の成分から発生する磁
場に答えるように方向付けられている。上記磁場センサ
手段がヨーク手段とともに設けられた場合、センサの出
力は、シャフトに生じて変換器手段に伝達されたトルク
により発生する変換器手段内の磁気の方向性の変化に比
例するようになっている。
【００２１】
【実施例】以下、本発明を図面に基づいて説明する。
【００２２】まず、図１において、２は本発明にかかる
トルク検出装置を示す。このトルク検出装置センサ２
は、変換器手段として変換器４と、磁場センサ手段とし
て磁場ベクトルセンサ６とを備えている。トルク検出装
置２は、機械（図示せず）の一部であるシャフト８上に
設けられており、長さ方向の中心軸１０回りを回転する
ようになっている。トルク１２は、上記シャフト８の一
部に発生し、シャフト８の他の部分へ伝達されるように
なっており、シャフト８の動きは、トルク１２に従って
有益な作業を行うようになっている。トルク１２は、シ
ャフト８の図１中の軸端に見る時計回り方向の状態で示
されているが、機械に直結するシャフト８の性質次第で
時計反時計いずれの方向にもまたその両方向にもシャフ
ト８を回転させるようになっている。
トルク検出装置を示す。このトルク検出装置センサ２
は、変換器手段として変換器４と、磁場センサ手段とし
て磁場ベクトルセンサ６とを備えている。トルク検出装
置２は、機械（図示せず）の一部であるシャフト８上に
設けられており、長さ方向の中心軸１０回りを回転する
ようになっている。トルク１２は、上記シャフト８の一
部に発生し、シャフト８の他の部分へ伝達されるように
なっており、シャフト８の動きは、トルク１２に従って
有益な作業を行うようになっている。トルク１２は、シ
ャフト８の図１中の軸端に見る時計回り方向の状態で示
されているが、機械に直結するシャフト８の性質次第で
時計反時計いずれの方向にもまたその両方向にもシャフ
ト８を回転させるようになっている。
【００２３】上記変換器４は、後に詳述する多くの方法
の一つによりシャフト８に固設されており、シャフト８
上の軸方向あるいは径方向に確認し得る磁気弾性活性区
域を提供する手段として働くようになっている。実際に
は、変換器４は、円筒状のスリーブあるいは変換器手段
の形状をしており、端縁１８，２０、内周面２２、及び
外周面２４を有している。そして、シャフト８のねじり
応力を受ける区域内にある軸線１０に沿った適当な位置
でシャフト８に取り付けられている。変換器４には、予
めあるいはシャフト８への取り付け手段に付随する効果
として、ほぼ軸線として円周方向を有する実効１軸の磁
気異方性が付与されている。さらに、変換器４は、後述
のいくつかの効果的な方法により、円周方向の一方向ま
たはその逆方向に磁気極性が付与されている。簡単に言
えば、変換器４は、トルク１２が存在しない状態（静止
状態）において、少なくとも軸線１０方向にも径方向に
も正味の磁気成分が存在しない程度まで、実質的に純粋
な円周方向１４に磁気極性が付与されている。これによ
り、磁気が本質的に逆の円周方向をの成分を有する領域
が、実質的に排除される。円周方向の異方性が適当に支
配している状態であれば、すべての領域の磁気は、最大
限プラスマイナス４５°の範囲に存在し、しかも変換器
手段のかなりの量的範囲に対称的に配分されることによ
り、補償範囲外のいかなる外部の磁束も磁場ベクトルセ
ンサ６に検知され得ないことが確実になる。
の一つによりシャフト８に固設されており、シャフト８
上の軸方向あるいは径方向に確認し得る磁気弾性活性区
域を提供する手段として働くようになっている。実際に
は、変換器４は、円筒状のスリーブあるいは変換器手段
の形状をしており、端縁１８，２０、内周面２２、及び
外周面２４を有している。そして、シャフト８のねじり
応力を受ける区域内にある軸線１０に沿った適当な位置
でシャフト８に取り付けられている。変換器４には、予
めあるいはシャフト８への取り付け手段に付随する効果
として、ほぼ軸線として円周方向を有する実効１軸の磁
気異方性が付与されている。さらに、変換器４は、後述
のいくつかの効果的な方法により、円周方向の一方向ま
たはその逆方向に磁気極性が付与されている。簡単に言
えば、変換器４は、トルク１２が存在しない状態（静止
状態）において、少なくとも軸線１０方向にも径方向に
も正味の磁気成分が存在しない程度まで、実質的に純粋
な円周方向１４に磁気極性が付与されている。これによ
り、磁気が本質的に逆の円周方向をの成分を有する領域
が、実質的に排除される。円周方向の異方性が適当に支
配している状態であれば、すべての領域の磁気は、最大
限プラスマイナス４５°の範囲に存在し、しかも変換器
手段のかなりの量的範囲に対称的に配分されることによ
り、補償範囲外のいかなる外部の磁束も磁場ベクトルセ
ンサ６に検知され得ないことが確実になる。
【００２４】変換器４の構成及び動作過程により、シャ
フト８へのねじり応力の発生及びそれによる変換器４へ
のねじり応力の発生は、変換器４に極性化された磁気を
再度方向づけさせる。極性化された磁気は、ねじり応力
が増大するほど次第に螺旋状になる。変換器４に磁気の
螺旋は、伝達されたトルク１２の磁力に依存しており、
そのカイラリティーは、伝達されたトルクの方向性と変
換器４の磁気弾性特性とに依存している。変換器４のね
じれに起因する螺旋状の磁気は、円周方向１４の成分も
軸線１０に沿う軸方向成分も有している。特に重要なこ
とは、軸方向成分の振幅が、完全に変換器４のねじれに
依存していることである。
フト８へのねじり応力の発生及びそれによる変換器４へ
のねじり応力の発生は、変換器４に極性化された磁気を
再度方向づけさせる。極性化された磁気は、ねじり応力
が増大するほど次第に螺旋状になる。変換器４に磁気の
螺旋は、伝達されたトルク１２の磁力に依存しており、
そのカイラリティーは、伝達されたトルクの方向性と変
換器４の磁気弾性特性とに依存している。変換器４のね
じれに起因する螺旋状の磁気は、円周方向１４の成分も
軸線１０に沿う軸方向成分も有している。特に重要なこ
とは、軸方向成分の振幅が、完全に変換器４のねじれに
依存していることである。
【００２５】磁場ベクトルセンサ６は、変換器４に対向
して設置された磁場ベクトルの検出装置であり、静止状
態の円周方向から勾配のより大きいあるいはより小さい
螺旋方向への磁気極性の偏向の結果として、変換器４回
りの空間に生じる磁場の振幅及び極性を検出するように
なっている。磁場ベクトルセンサ６は、トルク１２の磁
力に反応して出力される信号を供給するようになってお
り、好ましくは、集積回路ホール効果センサである。磁
場ベクトルセンサ６は、ワイヤ１６により、直流電源に
接続されており、ワイヤ１６は、磁場ベクトルセンサ６
の出力信号を、シャフト８に直結する機械または機構の
制御回路またはモニター回路等の受信装置（図示せず）
に伝達するようになっている。
して設置された磁場ベクトルの検出装置であり、静止状
態の円周方向から勾配のより大きいあるいはより小さい
螺旋方向への磁気極性の偏向の結果として、変換器４回
りの空間に生じる磁場の振幅及び極性を検出するように
なっている。磁場ベクトルセンサ６は、トルク１２の磁
力に反応して出力される信号を供給するようになってお
り、好ましくは、集積回路ホール効果センサである。磁
場ベクトルセンサ６は、ワイヤ１６により、直流電源に
接続されており、ワイヤ１６は、磁場ベクトルセンサ６
の出力信号を、シャフト８に直結する機械または機構の
制御回路またはモニター回路等の受信装置（図示せず）
に伝達するようになっている。
【００２６】変換器４の領域が円周方向に正確には極性
化されていない場合の対称性により、また、他の領域に
おける他の磁気方向の完全な円周性により、静止状態の
トルクを受けていない変換器４の外部空間においては、
検出可能な磁場は存在しない。実際には、変換器４が極
性化されていることを識別する外部手段は存在しない。
変換器４の材料に固有の磁気弾性的な相互作用を経てト
ルクの伝達に関連する両軸方向の主要な応力の作用によ
り、各領域の磁気の平衡な方向付けに付加的な異方性の
影響が与えられるとともに、すべての領域に実効なほぼ
軸方向を、積極的な主要応力に最も近い方向へ変化させ
るようになっている。（上記主要応力は、積極的な磁気
ひずみに対する材料内の引張力であり、消極的な磁気歪
みに対する材料内の圧縮力である）。トルクのない状態
では、付与された異方性及び円周方向の極性のせいで、
すべての領域が９０°の円弧の範囲内に広がる磁気を有
しているので、各領域の有効なほぼ軸方向は、円周方向
へ変更される。磁気の本質的な左右対称性及び完全な円
周性は、トルクの発生により壊され、変換器４の磁気に
純粋な螺旋形が現れる。この螺旋形は、極性の唯一の円
周方向と結び付いて、２つの成分、すなわち、円周方向
成分と軸方向成分とに分解可能な磁気を生じる。この円
周方向成分は、すでに述べたように、変換器４の外部空
間で検出可能な磁場の発生源ではないが、軸方向の成分
は、容易に検出され得る。変換器４は、トルクを受けた
とき、管状の棒磁石の磁場と外部から区別不可能な磁場
を発生させ、上記棒磁石の軸方向の磁気は、各領域の螺
旋状に向かう磁気の量的に平均化された軸方向成分と等
しくなる。これにより、発生したトルクの方向は、変換
器４の材料の実効磁気ひずみの表示とともに、同等の棒
磁石の極性を決定し、上記トルクの磁力は、同等の棒磁
石の強度を決定する。
化されていない場合の対称性により、また、他の領域に
おける他の磁気方向の完全な円周性により、静止状態の
トルクを受けていない変換器４の外部空間においては、
検出可能な磁場は存在しない。実際には、変換器４が極
性化されていることを識別する外部手段は存在しない。
変換器４の材料に固有の磁気弾性的な相互作用を経てト
ルクの伝達に関連する両軸方向の主要な応力の作用によ
り、各領域の磁気の平衡な方向付けに付加的な異方性の
影響が与えられるとともに、すべての領域に実効なほぼ
軸方向を、積極的な主要応力に最も近い方向へ変化させ
るようになっている。（上記主要応力は、積極的な磁気
ひずみに対する材料内の引張力であり、消極的な磁気歪
みに対する材料内の圧縮力である）。トルクのない状態
では、付与された異方性及び円周方向の極性のせいで、
すべての領域が９０°の円弧の範囲内に広がる磁気を有
しているので、各領域の有効なほぼ軸方向は、円周方向
へ変更される。磁気の本質的な左右対称性及び完全な円
周性は、トルクの発生により壊され、変換器４の磁気に
純粋な螺旋形が現れる。この螺旋形は、極性の唯一の円
周方向と結び付いて、２つの成分、すなわち、円周方向
成分と軸方向成分とに分解可能な磁気を生じる。この円
周方向成分は、すでに述べたように、変換器４の外部空
間で検出可能な磁場の発生源ではないが、軸方向の成分
は、容易に検出され得る。変換器４は、トルクを受けた
とき、管状の棒磁石の磁場と外部から区別不可能な磁場
を発生させ、上記棒磁石の軸方向の磁気は、各領域の螺
旋状に向かう磁気の量的に平均化された軸方向成分と等
しくなる。これにより、発生したトルクの方向は、変換
器４の材料の実効磁気ひずみの表示とともに、同等の棒
磁石の極性を決定し、上記トルクの磁力は、同等の棒磁
石の強度を決定する。
【００２７】図３ないし図９に示すように、好ましい実
施例では、磁性的に弱い（低保磁力、高透磁率の）材料
からなるヨーク２６が、１つあるいは複数の磁気センサ
６とともに設けられている。ヨーク２６は、磁場ベクト
ルセンサ６を通過する磁束経路のパーミアンスを高める
手段であり、磁場ベクトルセンサ６から離れた変換器４
の周部から磁束を集束する手段でもある。ヨーク２６
は、特に、ホール効果集積回路とともに使用される。こ
の装置は、周波数の低下ととともに上昇する比較的高い
雑音レベルを有する傾向があるからである。これによ
り、Ｓ／Ｎ比を高めるためには、低い電界強度よりはむ
しろ高い電界強度を使用する上記の装置を操作すること
が好ましい。
施例では、磁性的に弱い（低保磁力、高透磁率の）材料
からなるヨーク２６が、１つあるいは複数の磁気センサ
６とともに設けられている。ヨーク２６は、磁場ベクト
ルセンサ６を通過する磁束経路のパーミアンスを高める
手段であり、磁場ベクトルセンサ６から離れた変換器４
の周部から磁束を集束する手段でもある。ヨーク２６
は、特に、ホール効果集積回路とともに使用される。こ
の装置は、周波数の低下ととともに上昇する比較的高い
雑音レベルを有する傾向があるからである。これによ
り、Ｓ／Ｎ比を高めるためには、低い電界強度よりはむ
しろ高い電界強度を使用する上記の装置を操作すること
が好ましい。
【００２８】図３に示すように、磁場ベクトルセンサ６
は、変換器４の端部１８あるいは端部２０の近くに位置
している。変換器４からの磁場の方向付けは、変換器４
に近い区域よりも、変換器４の端部１８，２０の近くに
より大きな電界強度が存在するからである。本実施例で
は、ヨーク２６は、変換器４及びシャフト８の一方の側
に設けられた棒状の磁束集束器である。ヨーク２６は、
変換器４の両端部１８，２０に近い両端に突出部２８，
３０を有している。磁場ベクトルセンサ６は、ヨーク２
６と変換器４との間の一方の突出部３０に設けられてい
る。
は、変換器４の端部１８あるいは端部２０の近くに位置
している。変換器４からの磁場の方向付けは、変換器４
に近い区域よりも、変換器４の端部１８，２０の近くに
より大きな電界強度が存在するからである。本実施例で
は、ヨーク２６は、変換器４及びシャフト８の一方の側
に設けられた棒状の磁束集束器である。ヨーク２６は、
変換器４の両端部１８，２０に近い両端に突出部２８，
３０を有している。磁場ベクトルセンサ６は、ヨーク２
６と変換器４との間の一方の突出部３０に設けられてい
る。
【００２９】図４は、２つの区域３２，３４からなるヨ
ーク２６を示し、両区域３２，３４はそれぞれ変換機６
の方向へ延びる突出部２８，３０を備えている。磁場ベ
クトルセンサ６は、ヨーク区域３２とヨーク区域３４と
の間に、シャフト８に対する軸方向に設置されており、
変換器４の一方の端部１８から隙間３６、ヨーク区域３
２、磁場ベクトルセンサ６、ヨーク区域３４、隙間３８
を経て変換器４の他方の端部２０へ至る磁気路を形成さ
せている。
ーク２６を示し、両区域３２，３４はそれぞれ変換機６
の方向へ延びる突出部２８，３０を備えている。磁場ベ
クトルセンサ６は、ヨーク区域３２とヨーク区域３４と
の間に、シャフト８に対する軸方向に設置されており、
変換器４の一方の端部１８から隙間３６、ヨーク区域３
２、磁場ベクトルセンサ６、ヨーク区域３４、隙間３８
を経て変換器４の他方の端部２０へ至る磁気路を形成さ
せている。
【００３０】図５は、ヨーク２６の別の実施例を示し、
ほぼ図４の実施例と同様の構成であるが、この実施例で
は、磁場ベクトルセンサ６は、両ヨーク区域３２，３４
間に径方向に設置されており、磁気路は、ヨーク区域３
２からシャフト８の径方向に沿って外側へ向かい、磁場
ベクトルセンサ６を通ってさらに径方向の外側へ向か
い、ヨーク区域３４へ至っている。
ほぼ図４の実施例と同様の構成であるが、この実施例で
は、磁場ベクトルセンサ６は、両ヨーク区域３２，３４
間に径方向に設置されており、磁気路は、ヨーク区域３
２からシャフト８の径方向に沿って外側へ向かい、磁場
ベクトルセンサ６を通ってさらに径方向の外側へ向か
い、ヨーク区域３４へ至っている。
【００３１】図６は、ヨーク２６のさらに別の実施例を
示す平面図である。この実施例は、図５の実施例とほぼ
同様の構成であるが、ヨーク区域３２，３４がそれぞれ
棒状に形成されているとともに、変換器４の外周面２４
の近くに、それぞれシャフト８の軸線１０と平行で異な
る中心軸に沿って配設されている。磁場ベクトルセンサ
６は、両ヨーク区域３２，３４の端部間に設置されてい
る。従って、ヨーク区域３２から磁場ベクトルセンサ６
を通過してヨーク区域３４に至る磁気路は、変換器４及
びシャフト８回りに円周状であり、ヨーク区域３２，３
４の両中心軸を横切るようになっている。
示す平面図である。この実施例は、図５の実施例とほぼ
同様の構成であるが、ヨーク区域３２，３４がそれぞれ
棒状に形成されているとともに、変換器４の外周面２４
の近くに、それぞれシャフト８の軸線１０と平行で異な
る中心軸に沿って配設されている。磁場ベクトルセンサ
６は、両ヨーク区域３２，３４の端部間に設置されてい
る。従って、ヨーク区域３２から磁場ベクトルセンサ６
を通過してヨーク区域３４に至る磁気路は、変換器４及
びシャフト８回りに円周状であり、ヨーク区域３２，３
４の両中心軸を横切るようになっている。
【００３２】図７は、本発明のさらにまた別の実施例を
実施例を示し、２個の磁気センサ６，６が使用されてい
る。上記両磁気センサ６，６は、それぞれ変換器４の端
縁１８，２０の近くで、変換器４の相対する端部に配設
されており、１本の棒状のヨーク２６により連結されて
いる。多数のセンサの使用は装置のコストを上昇させる
ことになるが、上記磁気センサ６は、温度変化、電圧変
化及び周辺の磁場の信号に対して共通の拒絶作用を行う
ために、別々に接続させることができるので、望まし
い。あるいは、周辺の磁場の影響を少なくするため、磁
気センサ６を、極めて低い透磁率を有する材料からなる
シールド３９によって覆うように構成しても良い。上記
シールド３９は、変換器４から受ける磁束の方向以外の
すべての方向で磁気センサ６を取り囲んでいる。
実施例を示し、２個の磁気センサ６，６が使用されてい
る。上記両磁気センサ６，６は、それぞれ変換器４の端
縁１８，２０の近くで、変換器４の相対する端部に配設
されており、１本の棒状のヨーク２６により連結されて
いる。多数のセンサの使用は装置のコストを上昇させる
ことになるが、上記磁気センサ６は、温度変化、電圧変
化及び周辺の磁場の信号に対して共通の拒絶作用を行う
ために、別々に接続させることができるので、望まし
い。あるいは、周辺の磁場の影響を少なくするため、磁
気センサ６を、極めて低い透磁率を有する材料からなる
シールド３９によって覆うように構成しても良い。上記
シールド３９は、変換器４から受ける磁束の方向以外の
すべての方向で磁気センサ６を取り囲んでいる。
【００３３】当然ながら、多数の磁気センサ６が使用さ
れても良い。図８に示す実施例では、４個の磁気センサ
６が使用されており、２個の磁気センサが、他の２個に
対して変換器４を挟んで正反対の位置に配設されてい
る。
れても良い。図８に示す実施例では、４個の磁気センサ
６が使用されており、２個の磁気センサが、他の２個に
対して変換器４を挟んで正反対の位置に配設されてい
る。
【００３４】図９及び図１０は、本発明のトルク検出装
置２のさらに別の実施例を示し、この実施例では、ヨー
ク２６は、２個の直角の棒状部分４０，４２から形成さ
れている。棒状部分４０，４２の脚部４４は、変換器４
の端縁１８，２０の区域においてシャフト８の近くまで
達している。上記脚部４４は、その末端部にヨーク２６
の湾曲部４１を接合させている。湾曲部４１は、シャフ
ト８の全周あるいは一部を取り囲んでおり、変換器４の
周面域からの磁束を集めるようになっている。上記磁束
は、一方の脚部４４からテーパー状の小さな隙間４６に
導かれ、この隙間４６では、周辺部の磁束が磁場ベクト
ルセンサ６を経て他方の棒状部分４０，４２へ向けられ
るようになっている。隙間４６は、その最も狭い地点で
は、１０００分の１インチ以下の寸法であるので、その
地域に強い磁場を供給するようになっている。この隙間
は、軸方向に形成されているが、変換器４の径方向また
は円周方向に向かうように形成されても良い。
置２のさらに別の実施例を示し、この実施例では、ヨー
ク２６は、２個の直角の棒状部分４０，４２から形成さ
れている。棒状部分４０，４２の脚部４４は、変換器４
の端縁１８，２０の区域においてシャフト８の近くまで
達している。上記脚部４４は、その末端部にヨーク２６
の湾曲部４１を接合させている。湾曲部４１は、シャフ
ト８の全周あるいは一部を取り囲んでおり、変換器４の
周面域からの磁束を集めるようになっている。上記磁束
は、一方の脚部４４からテーパー状の小さな隙間４６に
導かれ、この隙間４６では、周辺部の磁束が磁場ベクト
ルセンサ６を経て他方の棒状部分４０，４２へ向けられ
るようになっている。隙間４６は、その最も狭い地点で
は、１０００分の１インチ以下の寸法であるので、その
地域に強い磁場を供給するようになっている。この隙間
は、軸方向に形成されているが、変換器４の径方向また
は円周方向に向かうように形成されても良い。
【００３５】図３ないし図８に示すヨーク２６は、いく
つかの機能を実行するようになっている。より広い範囲
から集められた磁束を集中させる機能、及び、磁場ベク
トルセンサ６へ向かうあるいはそこを通過する磁束を検
出する機能以外に、ヨーク２６は、変換器４の回りのそ
れぞれ異なる位置に存在する軸方向の磁気モーメントの
不均衡性の影響を削減するようになっている。このよう
な不均衡性やシャフトの径方向への偏り８（偏心）が甚
だしい場合には、変換器４を完全に取り囲むヨーク２６
を設けるように構成しても良い。このようなヨークを、
変換器４の各端部の近くに、変換器４から径方向に離す
ようにして、弱い磁性材料からなる同軸の変換器手段で
構成しても良い。ヨーク２６の磁束集束片は、集められ
た磁束を磁場ベクトルセンサ６へ導くように形成された
他方の磁束集束片に、最小限の相互間の隙間を置いて固
設されている。
つかの機能を実行するようになっている。より広い範囲
から集められた磁束を集中させる機能、及び、磁場ベク
トルセンサ６へ向かうあるいはそこを通過する磁束を検
出する機能以外に、ヨーク２６は、変換器４の回りのそ
れぞれ異なる位置に存在する軸方向の磁気モーメントの
不均衡性の影響を削減するようになっている。このよう
な不均衡性やシャフトの径方向への偏り８（偏心）が甚
だしい場合には、変換器４を完全に取り囲むヨーク２６
を設けるように構成しても良い。このようなヨークを、
変換器４の各端部の近くに、変換器４から径方向に離す
ようにして、弱い磁性材料からなる同軸の変換器手段で
構成しても良い。ヨーク２６の磁束集束片は、集められ
た磁束を磁場ベクトルセンサ６へ導くように形成された
他方の磁束集束片に、最小限の相互間の隙間を置いて固
設されている。
【００３６】本発明の極性化された変換器４４に関する
実験は、その磁気特性が、時間、温度超過、振動（様々
な応力）及び連続的なトルク回転に対して安定している
ことを示している。特に、閉じた環状を有する極性化さ
れた変換器４は、最低限の可能な活性状態にあり、それ
故、最も安定した状態である。消磁化された状態では、
非コヒーレントの自発的な磁気ひずみを有する領域の非
順応性による局部の応力や、局所の磁気が方向を変える
その区域の近くの微視的な磁場におけるのと同様に、領
域壁部においても潜在的な能力を有している。変換器４
により発生した磁場の長期間の安定性に問題が生じる場
合には、図１１に示すように、固定された回復手段とし
ての回復磁石４７が、回転する変換器４の近くの機械ま
たは機構に設けられる。この磁石要素の追加により、変
換器４の良好な極性を維持しようとする変換機４上に、
低レベルの連続的な磁力を供給することができる。磁石
４７は、変換器４全体を極性化する程の強い磁力を必要
としないので、比較的弱い磁力で構成され得るが、磁場
内の装置の長期に渡る作動の間に広がった不安定な領域
を補正し得る程度でなければならない。
実験は、その磁気特性が、時間、温度超過、振動（様々
な応力）及び連続的なトルク回転に対して安定している
ことを示している。特に、閉じた環状を有する極性化さ
れた変換器４は、最低限の可能な活性状態にあり、それ
故、最も安定した状態である。消磁化された状態では、
非コヒーレントの自発的な磁気ひずみを有する領域の非
順応性による局部の応力や、局所の磁気が方向を変える
その区域の近くの微視的な磁場におけるのと同様に、領
域壁部においても潜在的な能力を有している。変換器４
により発生した磁場の長期間の安定性に問題が生じる場
合には、図１１に示すように、固定された回復手段とし
ての回復磁石４７が、回転する変換器４の近くの機械ま
たは機構に設けられる。この磁石要素の追加により、変
換器４の良好な極性を維持しようとする変換機４上に、
低レベルの連続的な磁力を供給することができる。磁石
４７は、変換器４全体を極性化する程の強い磁力を必要
としないので、比較的弱い磁力で構成され得るが、磁場
内の装置の長期に渡る作動の間に広がった不安定な領域
を補正し得る程度でなければならない。
【００３７】上記磁石４７として、軸線１０に沿う変換
器４の長さにほぼ等しい長さを有し、その厚みを横断す
るように（一方の面にＮ極を他方の面にＳ極をそれぞれ
有するように）磁化された積層型のフェライト磁石４７
が使用されている。
器４の長さにほぼ等しい長さを有し、その厚みを横断す
るように（一方の面にＮ極を他方の面にＳ極をそれぞれ
有するように）磁化された積層型のフェライト磁石４７
が使用されている。
【００３８】磁場センサ手段の構造について説明する。
【００３９】磁場ベクトルセンサ６は、ホール効果セン
サ、磁気抵抗センサ、磁気トランジスタセンサ（「マグ
ニスタ」）、磁気ダイオードセンサ、MAGFET（磁場効果
トランジスタセンサ）等の固体検出装置を備えている。
これら以外のセンサとしては、Ｈとともに変化する磁気
特性を有する非線形コア、磁力計、フラックスゲート磁
力計及びコイルを有し、環状にも近接位置にも設けら
れ、磁束を遮り、ｄφ／ｄｔに比例する誘導起電力を有
するものがある。
サ、磁気抵抗センサ、磁気トランジスタセンサ（「マグ
ニスタ」）、磁気ダイオードセンサ、MAGFET（磁場効果
トランジスタセンサ）等の固体検出装置を備えている。
これら以外のセンサとしては、Ｈとともに変化する磁気
特性を有する非線形コア、磁力計、フラックスゲート磁
力計及びコイルを有し、環状にも近接位置にも設けら
れ、磁束を遮り、ｄφ／ｄｔに比例する誘導起電力を有
するものがある。
【００４０】固体センサは、小型で低コストであり、集
積されたパッケージ内で、温度補正、信号調整、電圧調
整等の操作機能にとって良好な電子工学技術を合体させ
ることができるので、使用に適している。ホール効果セ
ンサは、図２に示すように、線形でも極性に敏感でもあ
る理想的な伝達特性を有しているので、特に適用に好ま
しい。磁界ベクトルセンサ６としての使用に適切な集積
回路ホール効果センサには、Texas Instruments 社の M
odel TL173C, Analog Devices 社の Model No.AD22150,
Allegro MicroSystems 社の Model UGN3505U や Mode
l UGN3503UAなどがある。同様に、潜在的に適用可能な
装置には、MicroSwitch 社や Siemens社や Wolff Contr
ols 社で製造されたものがある。
積されたパッケージ内で、温度補正、信号調整、電圧調
整等の操作機能にとって良好な電子工学技術を合体させ
ることができるので、使用に適している。ホール効果セ
ンサは、図２に示すように、線形でも極性に敏感でもあ
る理想的な伝達特性を有しているので、特に適用に好ま
しい。磁界ベクトルセンサ６としての使用に適切な集積
回路ホール効果センサには、Texas Instruments 社の M
odel TL173C, Analog Devices 社の Model No.AD22150,
Allegro MicroSystems 社の Model UGN3505U や Mode
l UGN3503UAなどがある。同様に、潜在的に適用可能な
装置には、MicroSwitch 社や Siemens社や Wolff Contr
ols 社で製造されたものがある。
【００４１】磁場ベクトルセンサ６は、トルクの伝達と
ともに生じる外部の磁場に対する最大限の反応を生み出
すように位置設定されるとともに、方向付けされてい
る。トルクを受けた変換器４の等価物及び軸方向に磁気
化された棒磁石によれば、最も強い磁場は、磁極の近
傍、すなわち、変換器４の両端縁１８，２０の近くに見
出される。磁場ベクトルセンサ６は、シャフト８の近く
に固設され、回転しないようになっている。トルク変換
器の最も大きなトルクの発現により、シャフト８などの
回転するトルク部材に巻き込まれる恐れがあるので、磁
場ベクトルセンサ６は、シャフト８の回転時にシャフト
８と物理的な接触を避けるために、シャフト８から径方
向に離される必要がある。磁場ベクトルセンサ６の正し
い位置及び方向は、その特殊な操作原理、パッケージの
大きさ、磁気の活性区域、及び変換器４の幾何学的磁気
的特性（コーナー部分の鋭さ、径方向の厚み、軸方向の
長さ、直径など）や、必要な径方向の空間と同様、構造
上の詳細部分に依存しているが、磁場ベクトルセンサ６
のほぼ最適の設定位置は、普通、径方向の磁束を検出す
るために方向付けられた、端縁１８，２９の一方から径
方向に外側の位置に見出だされる。
ともに生じる外部の磁場に対する最大限の反応を生み出
すように位置設定されるとともに、方向付けされてい
る。トルクを受けた変換器４の等価物及び軸方向に磁気
化された棒磁石によれば、最も強い磁場は、磁極の近
傍、すなわち、変換器４の両端縁１８，２０の近くに見
出される。磁場ベクトルセンサ６は、シャフト８の近く
に固設され、回転しないようになっている。トルク変換
器の最も大きなトルクの発現により、シャフト８などの
回転するトルク部材に巻き込まれる恐れがあるので、磁
場ベクトルセンサ６は、シャフト８の回転時にシャフト
８と物理的な接触を避けるために、シャフト８から径方
向に離される必要がある。磁場ベクトルセンサ６の正し
い位置及び方向は、その特殊な操作原理、パッケージの
大きさ、磁気の活性区域、及び変換器４の幾何学的磁気
的特性（コーナー部分の鋭さ、径方向の厚み、軸方向の
長さ、直径など）や、必要な径方向の空間と同様、構造
上の詳細部分に依存しているが、磁場ベクトルセンサ６
のほぼ最適の設定位置は、普通、径方向の磁束を検出す
るために方向付けられた、端縁１８，２９の一方から径
方向に外側の位置に見出だされる。
【００４２】本発明の大きな長所は、変換器４により生
じる円周方向の不均衡性が、例えば、局所にセンサを用
いた従来のトルク変換器における不均衡性と比べて、か
なり小さな振幅を有している点である。上記従来のセン
サは、シャフト上の小さな局所（１点）を検出するに過
ぎないが、この磁場ベクトルセンサ６は、変換器４の全
軸方向長に延びる区域から軸方向の磁場を検出する。従
って、磁場ベクトルセンサ６は、線上のただ１点を検出
するよりはむしろ１線に沿う多くの領域から発揮される
複数の局所モーメントを平均化するようになっている。
本発明の検出において、もう一つの重要な長所は、磁場
ベクトルセンサ６により検出される磁場が、伝達される
トルクの方向と大きさのみにより調節されるという点で
ある。一様なトルクの状態では、磁場において時間的な
変動はないので、検出された磁束が、変化する極性、高
い周波数起磁力によって循環的に働く従来の大多数のト
ルク変換器とは異なり、属する変換器からのトルクの情
報は、完全に瞬間的な磁束強度に完全に依存しており、
周期的搬送波あるいはその変化の時間との比に依存して
いない。このことは、固体磁気センサ６がμ（透磁率）
＝１である隙間に位置することにより、Ｂ（磁束密度）
あるいはＨ（磁束強度）に比例する電気出力を供給する
ような上記センサ６の使用を可能にしている。
じる円周方向の不均衡性が、例えば、局所にセンサを用
いた従来のトルク変換器における不均衡性と比べて、か
なり小さな振幅を有している点である。上記従来のセン
サは、シャフト上の小さな局所（１点）を検出するに過
ぎないが、この磁場ベクトルセンサ６は、変換器４の全
軸方向長に延びる区域から軸方向の磁場を検出する。従
って、磁場ベクトルセンサ６は、線上のただ１点を検出
するよりはむしろ１線に沿う多くの領域から発揮される
複数の局所モーメントを平均化するようになっている。
本発明の検出において、もう一つの重要な長所は、磁場
ベクトルセンサ６により検出される磁場が、伝達される
トルクの方向と大きさのみにより調節されるという点で
ある。一様なトルクの状態では、磁場において時間的な
変動はないので、検出された磁束が、変化する極性、高
い周波数起磁力によって循環的に働く従来の大多数のト
ルク変換器とは異なり、属する変換器からのトルクの情
報は、完全に瞬間的な磁束強度に完全に依存しており、
周期的搬送波あるいはその変化の時間との比に依存して
いない。このことは、固体磁気センサ６がμ（透磁率）
＝１である隙間に位置することにより、Ｂ（磁束密度）
あるいはＨ（磁束強度）に比例する電気出力を供給する
ような上記センサ６の使用を可能にしている。
【００４３】前述したように、コイルを必要としないこ
とが本発明の長所であるが、コイルを用いる磁気センサ
６が、適切な適用により、変換器４とともに用いられて
も良い。特に一般的に適用可能な固体センサ装置には環
境条件が厳しすぎる場合などに、小型で、フラックスゲ
ート（可飽和鉄心）あるいは同型の磁場センサを使用し
ても良い。磁束リンケージ式の磁場センサも使用可能で
あるが、これらは、ｄφ／ｄｔの信号をφに変換する積
分回路を必要とする。
とが本発明の長所であるが、コイルを用いる磁気センサ
６が、適切な適用により、変換器４とともに用いられて
も良い。特に一般的に適用可能な固体センサ装置には環
境条件が厳しすぎる場合などに、小型で、フラックスゲ
ート（可飽和鉄心）あるいは同型の磁場センサを使用し
ても良い。磁束リンケージ式の磁場センサも使用可能で
あるが、これらは、ｄφ／ｄｔの信号をφに変換する積
分回路を必要とする。
【００４４】変換器の構造について説明する。
【００４５】本発明にかかる変換器４の構造は、適確な
規格化、適確な材料選択、及び変換器４の適確な磁気方
向付けを必要とする。
規格化、適確な材料選択、及び変換器４の適確な磁気方
向付けを必要とする。
【００４６】まず、変換機４の典型的な規格化について
説明する。図示の好適な実施例では、直径２分の１イン
チのシャフトに対して、変換器４は１８％ニッケルマレ
ージング鋼（Ｔ−２５０）からなり、中心軸に沿って２
分の１インチの長さを有する。また、シャフト８にプレ
スばめするために０．４９９〜０．４９８インチの中心
孔を有し、０．０３０〜０．０５０インチの範囲の壁厚
を有する。ところが、変換器４の規格は、以下の一般的
な技術に従って特殊な適用により変化する。
説明する。図示の好適な実施例では、直径２分の１イン
チのシャフトに対して、変換器４は１８％ニッケルマレ
ージング鋼（Ｔ−２５０）からなり、中心軸に沿って２
分の１インチの長さを有する。また、シャフト８にプレ
スばめするために０．４９９〜０．４９８インチの中心
孔を有し、０．０３０〜０．０５０インチの範囲の壁厚
を有する。ところが、変換器４の規格は、以下の一般的
な技術に従って特殊な適用により変化する。
【００４７】変換器４は、壁厚が比較的薄いほうが良
い。変換器４の応力は、その中央部（変換機４が固い筒
体であれば）では、０から直線上に変化し、内周面２２
では幾らか大きな数値に変化し、外周面２４で最大値に
なる。変換器４が固い筒体であれば、シャフト８の裂け
目に嵌まりこませることができるので、そのようにして
変換器４を作ることはできる。しかし、固い筒体は、機
械的にも磁気的にも非効果的な材料である。その材料で
は、中央部分であまりトルクが伝達されないばかりか、
表面上で最も高い値を示す軸方向の磁化成分中の勾配
が、表面の磁束が内側の材料をより軸方向で磁化する試
みへと逸らされてしまうとともに、磁場ベクトルセンサ
６による測定に使用する磁束量を減少させるということ
を意味する。別の極端な例では、変換器４が薄すぎる
と、外部の磁場に寄与するような不十分な材料量にな
る。磁場は、これを発生させる磁気モーメントに比例
し、磁気モーメントは、ＭＶで表現される。Ｍは、軸方
向の磁化成分であり、Ｖは磁化される材料の量である。
い。変換器４の応力は、その中央部（変換機４が固い筒
体であれば）では、０から直線上に変化し、内周面２２
では幾らか大きな数値に変化し、外周面２４で最大値に
なる。変換器４が固い筒体であれば、シャフト８の裂け
目に嵌まりこませることができるので、そのようにして
変換器４を作ることはできる。しかし、固い筒体は、機
械的にも磁気的にも非効果的な材料である。その材料で
は、中央部分であまりトルクが伝達されないばかりか、
表面上で最も高い値を示す軸方向の磁化成分中の勾配
が、表面の磁束が内側の材料をより軸方向で磁化する試
みへと逸らされてしまうとともに、磁場ベクトルセンサ
６による測定に使用する磁束量を減少させるということ
を意味する。別の極端な例では、変換器４が薄すぎる
と、外部の磁場に寄与するような不十分な材料量にな
る。磁場は、これを発生させる磁気モーメントに比例
し、磁気モーメントは、ＭＶで表現される。Ｍは、軸方
向の磁化成分であり、Ｖは磁化される材料の量である。
【００４８】変換器４の軸方向の長さは、シャフトの厚
みに一部依存している。直径に対して不均衡に小さい軸
方向の長さを有する筒体は、シャフト８と組み付けた
り、シャフト８に組み付けたりすることが難しい。例え
ば、変換器４が締まりばめでシャフト８に保持される場
合、そのはめ込みは、変換器４が厚く長いほど堅く締ま
るようになっている。
みに一部依存している。直径に対して不均衡に小さい軸
方向の長さを有する筒体は、シャフト８と組み付けた
り、シャフト８に組み付けたりすることが難しい。例え
ば、変換器４が締まりばめでシャフト８に保持される場
合、そのはめ込みは、変換器４が厚く長いほど堅く締ま
るようになっている。
【００４９】変換器４の軸方向の長さが短すぎると、磁
化は不安定になる。前述したように、ねじり応力を受け
た変換器４は、各端部に磁極を有する棒磁石の磁場と同
様の磁場を形成する。上記両磁極間が互いに近付くほ
ど、磁石内部の磁場の消磁化が甚だしくなる。変換器４
の磁化の方向付けに影響する３つの活性条件がある。そ
れは、材料の異方性が磁化を円周方向に保持する傾向を
有している点、磁気弾性力が磁化を４５°の螺旋状に調
整する傾向がある点、消磁磁場が磁場の軸方向成分を減
衰させる傾向がある点の３点である。
化は不安定になる。前述したように、ねじり応力を受け
た変換器４は、各端部に磁極を有する棒磁石の磁場と同
様の磁場を形成する。上記両磁極間が互いに近付くほ
ど、磁石内部の磁場の消磁化が甚だしくなる。変換器４
の磁化の方向付けに影響する３つの活性条件がある。そ
れは、材料の異方性が磁化を円周方向に保持する傾向を
有している点、磁気弾性力が磁化を４５°の螺旋状に調
整する傾向がある点、消磁磁場が磁場の軸方向成分を減
衰させる傾向がある点の３点である。
【００５０】消磁磁場は、磁化の軸方向成分ととともに
増大する。これにより、消磁磁場は、磁気弾性力が異方
性の力に優るほど大きくなる。消磁率（一般に０と４と
の間で別れる比例−積分値）は、軸方向の長さが小さく
なるにつれ、また、急激にではなく厚みが増すにつれて
大きくなる。さらに別の極端な例では、変換器４が長す
ぎると、極めて大きな磁石の外部構造は、局所の磁場セ
ンサを通して磁気回路を接続することが必要になる。小
さなシャフトにとっては、シャフトの径にほぼ等しい幅
を有することがデザインにとって好ましい出発点にな
る。
増大する。これにより、消磁磁場は、磁気弾性力が異方
性の力に優るほど大きくなる。消磁率（一般に０と４と
の間で別れる比例−積分値）は、軸方向の長さが小さく
なるにつれ、また、急激にではなく厚みが増すにつれて
大きくなる。さらに別の極端な例では、変換器４が長す
ぎると、極めて大きな磁石の外部構造は、局所の磁場セ
ンサを通して磁気回路を接続することが必要になる。小
さなシャフトにとっては、シャフトの径にほぼ等しい幅
を有することがデザインにとって好ましい出発点にな
る。
【００５１】変換器４を作るに当たり、材料の選択は決
定的である。材料は、採用し得る材料の特性を変換器の
作動の性能要求に合わせるとともに、シャフト８の材料
選択とも一致させることにより、選択される。最適の実
施例では、変換器４は、１８％ニッケルマレージング鋼
等のニッケルマレージング鋼から構成されている。
定的である。材料は、採用し得る材料の特性を変換器の
作動の性能要求に合わせるとともに、シャフト８の材料
選択とも一致させることにより、選択される。最適の実
施例では、変換器４は、１８％ニッケルマレージング鋼
等のニッケルマレージング鋼から構成されている。
【００５２】選択される材料は、磁気領域の存在を確保
するために強磁性を有している必要があり、磁化の方位
が作動トルクに関連する応力により変更されるように、
磁気感応性を有している必要がある。
するために強磁性を有している必要があり、磁化の方位
が作動トルクに関連する応力により変更されるように、
磁気感応性を有している必要がある。
【００５３】ニッケルマレージング鋼以外の材料も、そ
の特性次第で変換器に適用させることができる。材料
は、以下の一般的な規準を考慮して選択される。
の特性次第で変換器に適用させることができる。材料
は、以下の一般的な規準を考慮して選択される。
【００５４】変換器の作動において、トルクとともに生
じる磁場は、活性区域の両端部で磁化の軸方向成分の非
連続性に起因する。これら両端部は、実際上、棒磁石に
磁極になる。磁場は、活性材料からなる可飽和磁化Ｍｓ
とともに増大する。Ｍｓが大きくなるほど、非連続性も
大きくなる。公式では、ｄｉｖＨ＝−ｄｉｖＭ＝（極限
で）−０．７０７１ｄｉｖＭｓである。ここで、０．７
０７１はｓｉｎ４５°である。
じる磁場は、活性区域の両端部で磁化の軸方向成分の非
連続性に起因する。これら両端部は、実際上、棒磁石に
磁極になる。磁場は、活性材料からなる可飽和磁化Ｍｓ
とともに増大する。Ｍｓが大きくなるほど、非連続性も
大きくなる。公式では、ｄｉｖＨ＝−ｄｉｖＭ＝（極限
で）−０．７０７１ｄｉｖＭｓである。ここで、０．７
０７１はｓｉｎ４５°である。
【００５５】極性は、静止時異方性Ｋｕのより乱れる磁
場に抗して維持される。従って、Ｋｕが大きいほど良
い。しかし、磁化は、λｓ／Ｋｕが大きい場合、より緩
やかな応力（トルクをあまり要求しない）によって、再
び方向付けられる。ここで、λｓは可飽和磁気ひずみで
ある。従って、高い感度が要求される時は、λｓはＫｕ
に比べて大きい必要がある。広い機能領域が要求される
場合は、λｓ／Ｋｕは３λｓΣ／Ｋｕが最高必要トルク
時の線形領域内でとどまるのに十分に小さい値である必
要がある。
場に抗して維持される。従って、Ｋｕが大きいほど良
い。しかし、磁化は、λｓ／Ｋｕが大きい場合、より緩
やかな応力（トルクをあまり要求しない）によって、再
び方向付けられる。ここで、λｓは可飽和磁気ひずみで
ある。従って、高い感度が要求される時は、λｓはＫｕ
に比べて大きい必要がある。広い機能領域が要求される
場合は、λｓ／Ｋｕは３λｓΣ／Ｋｕが最高必要トルク
時の線形領域内でとどまるのに十分に小さい値である必
要がある。
【００５６】実質的に上記の規準を満たし、それにより
変換器４の構造に用いられる他の材料は以下の通りであ
る。
変換器４の構造に用いられる他の材料は以下の通りであ
る。
【００５７】他のニッケルマレージング鋼◎ 二元合金および鋼の双方を含む他のニッケル−鉄合金。
二元合金は、鋼が９−４−２０あるいはＡＩＳＩ９３１
０を含むのに対し、４０％〜５０％のより高い割合のニ
ッケル合金を含む必要がある。 典型的には、Ａｌｆｅｒ（13% Al-Bal Fe ）等１３％ア
ルミニウムを含むアルミニウムマレージング鋼◎ ニッケルマレージング鋼ほど高価ではないという利点を
有するマンガンマレージング鋼◎ 非常に高い磁気ひずみを有する４９Ｃｏ、４９Ｆｅ、２
Ｖ等のパーメンジュールタイプの合金。パナディウム
は、共に働きやすい材料を作るため、及び強度を高める
ために加えられる。より低い磁気ひずみのコバルト成分
を有する同様の合金も使用され得る。 ４１０，４１６あるいは４４０等のクロムタイプを含む
マルテンサイト系ステンレス鋼◎ ＡＩＳＩ３０等のフェライトステンレス鋼◎ １５−５ＰＨあるいは１７−４ＰＨ等の降水硬化鋼◎ アモルファス材料及びナノ結晶材料。
二元合金は、鋼が９−４−２０あるいはＡＩＳＩ９３１
０を含むのに対し、４０％〜５０％のより高い割合のニ
ッケル合金を含む必要がある。 典型的には、Ａｌｆｅｒ（13% Al-Bal Fe ）等１３％ア
ルミニウムを含むアルミニウムマレージング鋼◎ ニッケルマレージング鋼ほど高価ではないという利点を
有するマンガンマレージング鋼◎ 非常に高い磁気ひずみを有する４９Ｃｏ、４９Ｆｅ、２
Ｖ等のパーメンジュールタイプの合金。パナディウム
は、共に働きやすい材料を作るため、及び強度を高める
ために加えられる。より低い磁気ひずみのコバルト成分
を有する同様の合金も使用され得る。 ４１０，４１６あるいは４４０等のクロムタイプを含む
マルテンサイト系ステンレス鋼◎ ＡＩＳＩ３０等のフェライトステンレス鋼◎ １５−５ＰＨあるいは１７−４ＰＨ等の降水硬化鋼◎ アモルファス材料及びナノ結晶材料。
【００５８】変換器４は、適切な材料製作工程により選
択された材料から基本的な形状で製造される。変換器４
の構造に従って、変換器４に必要な円周方向の磁場方向
付けを行うために、２つの工程が実行される。まず、変
換器４は、予備工程であるいはシャフト８への取付に付
随する効果として、ほぼ磁軸に等しい円周方向を有する
実効１軸の異方性が付与される。次に、変換器４は、一
方のあるいは他方の円周方向に極性が付与される。
択された材料から基本的な形状で製造される。変換器４
の構造に従って、変換器４に必要な円周方向の磁場方向
付けを行うために、２つの工程が実行される。まず、変
換器４は、予備工程であるいはシャフト８への取付に付
随する効果として、ほぼ磁軸に等しい円周方向を有する
実効１軸の異方性が付与される。次に、変換器４は、一
方のあるいは他方の円周方向に極性が付与される。
【００５９】必要な磁場方向付けを設定する第１の工程
は、変換器４の構造に、円周方向の静止磁気異方性を付
与するようになっている。変換器４の全体量などすべて
の磁気領域の有効な使用にするため、各領域の静止異方
性は、円周方向から４５度以上離れている必要がある。
時計回り、半時計回りの両トルクに対称で等しい効果を
働かせるためにすべての磁気領域にとって、静止異方性
は、純粋な円弧状、正確には円周方向である。ところ
が、この点に関して絶対的に完全であることは、良い作
用結果を得るためには必要ではなく、各領域の磁気方向
付けが理想の４５度の範囲内であれば良い。
は、変換器４の構造に、円周方向の静止磁気異方性を付
与するようになっている。変換器４の全体量などすべて
の磁気領域の有効な使用にするため、各領域の静止異方
性は、円周方向から４５度以上離れている必要がある。
時計回り、半時計回りの両トルクに対称で等しい効果を
働かせるためにすべての磁気領域にとって、静止異方性
は、純粋な円弧状、正確には円周方向である。ところ
が、この点に関して絶対的に完全であることは、良い作
用結果を得るためには必要ではなく、各領域の磁気方向
付けが理想の４５度の範囲内であれば良い。
【００６０】磁気異方性は、変換器４の物理的作用によ
って、形成される。磁気異方性のいかなる物理的な発生
源も、単独であるか、あるいは連合して静止領域の磁気
方向付けの必要な配分を得るように、すなわち、異方性
が±４５度の範囲内の円周方向であるように、使用され
る。磁気異方性の一つの発生源として磁気結晶性、すな
わち結晶を利用した異方性がある。これは、結晶構造を
決定する軸と相互に関係する様々な方向の原子（強磁性
原子）の磁気モーメント（スピン）の好適な方向付けに
関している。磁気異方性の第２の発生源として、方向の
配列がある。それは、原子部分の配列、結晶欠陥、含有
物（除外物）あるいは１方向（または２方向以上だが全
方向ではない）に乱される他の化学的構造的特徴に関し
ている。磁気異方性の第３の発生源は、磁気弾性であ
り、それは、自発性磁気モーメント（強磁性磁気ひず
み）と互いに関連する自発性磁気ひずみを有する材料中
の応力の方向性に関している。磁気異方性の第４の発生
源は、材料形状であり、それは、材料境界におけるＭ
（軸方向の磁化成分）の発散に関している。特に、消磁
磁場は、磁化された本体の磁極から生じ、磁極間の間隔
が近い場合に、より甚だしくなる。球形以外の形状は、
磁気的に他の形状よりも緩やかな複数の軸を本来的に有
している。
って、形成される。磁気異方性のいかなる物理的な発生
源も、単独であるか、あるいは連合して静止領域の磁気
方向付けの必要な配分を得るように、すなわち、異方性
が±４５度の範囲内の円周方向であるように、使用され
る。磁気異方性の一つの発生源として磁気結晶性、すな
わち結晶を利用した異方性がある。これは、結晶構造を
決定する軸と相互に関係する様々な方向の原子（強磁性
原子）の磁気モーメント（スピン）の好適な方向付けに
関している。磁気異方性の第２の発生源として、方向の
配列がある。それは、原子部分の配列、結晶欠陥、含有
物（除外物）あるいは１方向（または２方向以上だが全
方向ではない）に乱される他の化学的構造的特徴に関し
ている。磁気異方性の第３の発生源は、磁気弾性であ
り、それは、自発性磁気モーメント（強磁性磁気ひず
み）と互いに関連する自発性磁気ひずみを有する材料中
の応力の方向性に関している。磁気異方性の第４の発生
源は、材料形状であり、それは、材料境界におけるＭ
（軸方向の磁化成分）の発散に関している。特に、消磁
磁場は、磁化された本体の磁極から生じ、磁極間の間隔
が近い場合に、より甚だしくなる。球形以外の形状は、
磁気的に他の形状よりも緩やかな複数の軸を本来的に有
している。
【００６１】上記異方性の物理的な発生源の内のいずれ
も、あるいはその全てが、変換器４を構成するために使
用され得る。１例として、結晶構造は、機械的作用及び
熱処理の様々な組み合わせにより生じる。結晶は、異方
性の強度と堅固さを有しているので、転動などの機械的
作用により、結晶構造を１列にする傾向がある。これに
より、磁気異方性は、変換器４の中心軸に平行な複数の
軸回りに回転し、間隔を置いて近接する２個の作動ロー
ラ間で回転する冷間転動変換器４により、導かれる。
も、あるいはその全てが、変換器４を構成するために使
用され得る。１例として、結晶構造は、機械的作用及び
熱処理の様々な組み合わせにより生じる。結晶は、異方
性の強度と堅固さを有しているので、転動などの機械的
作用により、結晶構造を１列にする傾向がある。これに
より、磁気異方性は、変換器４の中心軸に平行な複数の
軸回りに回転し、間隔を置いて近接する２個の作動ロー
ラ間で回転する冷間転動変換器４により、導かれる。
【００６２】必要な異方性を達成する別の方法では、変
換器４の長さ方向に変換器４の材料の連続的な細かい片
を機械的に回転させるように構成し、その片を保持する
接着剤を用いてシャフト８回りで螺旋状に包むことによ
り変換器４を形成する。先に転動された材料に対して、
引き続いて熱処理を行うと、上記材料は、転動方向に応
じた方向で結晶を発展させながら再結晶化する。その結
果、磁気異方性が高められる。別の例としては、変換器
４の外周面２４が、（応力異方性を有し、あるいは有さ
ずに）形状異方性を発揮させるために、一連の円周方向
の隆起部と窪み（円周方向の凹凸）を持つように、巻か
れている（あるいは機械製作されている）。
換器４の長さ方向に変換器４の材料の連続的な細かい片
を機械的に回転させるように構成し、その片を保持する
接着剤を用いてシャフト８回りで螺旋状に包むことによ
り変換器４を形成する。先に転動された材料に対して、
引き続いて熱処理を行うと、上記材料は、転動方向に応
じた方向で結晶を発展させながら再結晶化する。その結
果、磁気異方性が高められる。別の例としては、変換器
４の外周面２４が、（応力異方性を有し、あるいは有さ
ずに）形状異方性を発揮させるために、一連の円周方向
の隆起部と窪み（円周方向の凹凸）を持つように、巻か
れている（あるいは機械製作されている）。
【００６３】前述の方法は、特にある種の適用に有効で
あるが、本発明の好適な実施例は、変換器４が、プレス
ばめ、圧縮ばめあるいはその他の締まりばめによってシ
ャフトに組み付けられている。そこでは、変換器４の内
径は、接触面でシャフト外径よりも小さく形成されてい
る。この構成は、変換器４を円周方向の張力（フープ応
力と称する）の作用の中に置いている。変換器４が活発
な磁気ひずみを有する材料からなっていれば、この張力
は、本来、円周状の異方性を備えている。この方法は、
磁気異方性を機械装置の本来の機能として発生させ、磁
気異方性を確保するための事前の工程の必要を省くの
で、特に有利である。
あるが、本発明の好適な実施例は、変換器４が、プレス
ばめ、圧縮ばめあるいはその他の締まりばめによってシ
ャフトに組み付けられている。そこでは、変換器４の内
径は、接触面でシャフト外径よりも小さく形成されてい
る。この構成は、変換器４を円周方向の張力（フープ応
力と称する）の作用の中に置いている。変換器４が活発
な磁気ひずみを有する材料からなっていれば、この張力
は、本来、円周状の異方性を備えている。この方法は、
磁気異方性を機械装置の本来の機能として発生させ、磁
気異方性を確保するための事前の工程の必要を省くの
で、特に有利である。
【００６４】特に好適な工程では、変換器４の内径およ
び／またはシャフト８の外径は、変換器４および／また
はシャフト８に適切な材料が選択される限り、フープ応
力状態を得るための組み付けの後に、調整される。も
し、変換器４がマレージング鋼からなっていれば、エー
ジング工程の間に圧縮する。同じく、シャフト８がマル
テンサイト変成で作られていれば、シャフト８は膨脹す
る。もし、マルテンサイトが適度に練られているだけな
らば、磁気的に堅いままであるので、シャフト８に必要
な低い透磁率を有する。この変換器４のシャフト８への
圧縮ばめは、活発な磁気ひずみに伴う磁気異方性を備え
ている変換器４に、円周方向のフープ応力を本来的に発
生させる。
び／またはシャフト８の外径は、変換器４および／また
はシャフト８に適切な材料が選択される限り、フープ応
力状態を得るための組み付けの後に、調整される。も
し、変換器４がマレージング鋼からなっていれば、エー
ジング工程の間に圧縮する。同じく、シャフト８がマル
テンサイト変成で作られていれば、シャフト８は膨脹す
る。もし、マルテンサイトが適度に練られているだけな
らば、磁気的に堅いままであるので、シャフト８に必要
な低い透磁率を有する。この変換器４のシャフト８への
圧縮ばめは、活発な磁気ひずみに伴う磁気異方性を備え
ている変換器４に、円周方向のフープ応力を本来的に発
生させる。
【００６５】変換器４への磁気異方性の導入に続いて、
変換器４は、変換器４の円周の時計回りあるいは反時計
回りのどちらかの方向に極性化される。変換器４（ある
いはより一般には、活性要素）への極性付与は、円周方
向に十分に広い磁場に、全ての部分をさらすことを必要
とする。極性化される磁場に必要な大きさは、可飽和効
果の実際上の達成により制限される。より広い磁場を使
用することにより、適当に（正確に）極性化された装置
の動作は、顕著には変化しない。変換器４は、磁場に必
要な極性効果を起こすため、渦電流を抑止するため、そ
して磁場が長期間維持された場合でも何事も起こらない
ようにするために、十分な期間、磁場にさらされる。図
１２は、Ａ点からＢ点、Ｃ点、Ｄ点まで極性磁場が広が
る効果と、Ａ点からＢ点、Ｃ点、Ｄ点までの残存磁性Ｍ
Ｒの結果的な増加を示す。図１３に示すように、あるレ
ベルＨ＝ＨＳＡＴでは、ＭＲは実際上可飽和になり、さ
らにＨが増加しても、ＭＲ内にさらなる増加は起こらな
い。
変換器４は、変換器４の円周の時計回りあるいは反時計
回りのどちらかの方向に極性化される。変換器４（ある
いはより一般には、活性要素）への極性付与は、円周方
向に十分に広い磁場に、全ての部分をさらすことを必要
とする。極性化される磁場に必要な大きさは、可飽和効
果の実際上の達成により制限される。より広い磁場を使
用することにより、適当に（正確に）極性化された装置
の動作は、顕著には変化しない。変換器４は、磁場に必
要な極性効果を起こすため、渦電流を抑止するため、そ
して磁場が長期間維持された場合でも何事も起こらない
ようにするために、十分な期間、磁場にさらされる。図
１２は、Ａ点からＢ点、Ｃ点、Ｄ点まで極性磁場が広が
る効果と、Ａ点からＢ点、Ｃ点、Ｄ点までの残存磁性Ｍ
Ｒの結果的な増加を示す。図１３に示すように、あるレ
ベルＨ＝ＨＳＡＴでは、ＭＲは実際上可飽和になり、さ
らにＨが増加しても、ＭＲ内にさらなる増加は起こらな
い。
【００６６】変換器４を極性化する好適な方法を図１４
に示す。この方法では、変換器４は、馬蹄形磁石５０が
設けられたとき、２つの相反する磁極４８，４９の近く
の磁場で、変換器４を回転させることで極性化される。
変換器４の回転中、磁石５０は、変換器４に近い径方向
の内側へ移動する（変換器４は、磁石５０の接近中、連
続して回転している）。磁石５０は、その効果を安定さ
せるため、２，３度回転させられた後、変換器４の直に
影響を及ぼさない程離れた位置へゆっくりと移動させら
れる。この方法に置いて磁石５０により与えられた極性
は、磁石５０の両極の方向付けに依存し、変換器４の回
転方向には依存しない。
に示す。この方法では、変換器４は、馬蹄形磁石５０が
設けられたとき、２つの相反する磁極４８，４９の近く
の磁場で、変換器４を回転させることで極性化される。
変換器４の回転中、磁石５０は、変換器４に近い径方向
の内側へ移動する（変換器４は、磁石５０の接近中、連
続して回転している）。磁石５０は、その効果を安定さ
せるため、２，３度回転させられた後、変換器４の直に
影響を及ぼさない程離れた位置へゆっくりと移動させら
れる。この方法に置いて磁石５０により与えられた極性
は、磁石５０の両極の方向付けに依存し、変換器４の回
転方向には依存しない。
【００６７】円周方向に指向された磁場を発生させる別
の方法は、変換器４の近くに軸方向の電流を供給するこ
とである。例えば、好適な大きな１方向の電流が、変換
器４が組み付けられたシャフト８を通じて直接に変換器
４に導入されるようになっている。この構成に代わり、
上記のような電流が、シャフト８への組み付けよりも以
前に、変換器４の中心孔を通過して同軸上の導体を通じ
て導かれる。さらに、図１５に示すように、１方向のみ
の電流５４を通過させる導線５２が、変換器４の内周面
２２及び外周面２４の各面の近くに、１列の導線を形成
させるために、変換器４の内側と外側の回りに螺旋状に
巻回されている。変換器４の内側と外側とで相反する軸
方向に流れる電流は、同じ円周方向へ付加された磁場を
作る。この螺旋状の様式で曲り、その後この様式から離
れることは、変換器４を極性化するにはあまり好ましく
ない。しかし、大きなリングとして、磁気性の固定物を
形成しても良い。図１５では、導線５２は２つの部分で
構成されている。この実施例では、導線部分は、変換器
４の挿通を可能にするよう破線５６の位置で変換器４の
中心軸に沿って移動により軸方向に分割可能になってお
り、上記挿通の後、螺旋状の回路を完成させるために互
いに方向へ移動するようになっている。極性化工程の終
了後、導線部分は、変換器４を移動させるために変換器
４の中心軸に沿うそれぞれ反対方向へ再び移動させられ
る。
の方法は、変換器４の近くに軸方向の電流を供給するこ
とである。例えば、好適な大きな１方向の電流が、変換
器４が組み付けられたシャフト８を通じて直接に変換器
４に導入されるようになっている。この構成に代わり、
上記のような電流が、シャフト８への組み付けよりも以
前に、変換器４の中心孔を通過して同軸上の導体を通じ
て導かれる。さらに、図１５に示すように、１方向のみ
の電流５４を通過させる導線５２が、変換器４の内周面
２２及び外周面２４の各面の近くに、１列の導線を形成
させるために、変換器４の内側と外側の回りに螺旋状に
巻回されている。変換器４の内側と外側とで相反する軸
方向に流れる電流は、同じ円周方向へ付加された磁場を
作る。この螺旋状の様式で曲り、その後この様式から離
れることは、変換器４を極性化するにはあまり好ましく
ない。しかし、大きなリングとして、磁気性の固定物を
形成しても良い。図１５では、導線５２は２つの部分で
構成されている。この実施例では、導線部分は、変換器
４の挿通を可能にするよう破線５６の位置で変換器４の
中心軸に沿って移動により軸方向に分割可能になってお
り、上記挿通の後、螺旋状の回路を完成させるために互
いに方向へ移動するようになっている。極性化工程の終
了後、導線部分は、変換器４を移動させるために変換器
４の中心軸に沿うそれぞれ反対方向へ再び移動させられ
る。
【００６８】もし、導線を１本のみ使用する場合には、
比較的大きな電流が必要であり、特に大径の変換器４に
とっては、アンペアＩを伝運ぶ長く丸い導線の表面の磁
場は、Ｈ＝２Ｉ／１０ｒ（Ｈはエルステッド、ｒはセン
チメートル単位の導線の半径）である。直径２センチメ
ートル（約０．８インチ）の変換器４にとっては、◎ Ｈ＝２Ｉ／（１０×１ｃｍ）＝０．２Ｉ◎ であり、２００エステルドの磁場を得るには、１０００
アンペアの電流を必要とする。この方法において導線５
２を使って磁化する（極性を付与する）方法は、６０ヘ
ルツの２分の１周波の交流、すなわち、スイッチが閉じ
た後の最初の２分の１周波を通過させるワンショット回
路を使って電流５４を制御するようになっている。大き
な電流パルスは、コンデンサの蓄積を放出することか
ら、あるいは、フリーホイール発電機の慣性から、ある
いはこの技術分野の良く知られた方法によって、得られ
る。
比較的大きな電流が必要であり、特に大径の変換器４に
とっては、アンペアＩを伝運ぶ長く丸い導線の表面の磁
場は、Ｈ＝２Ｉ／１０ｒ（Ｈはエルステッド、ｒはセン
チメートル単位の導線の半径）である。直径２センチメ
ートル（約０．８インチ）の変換器４にとっては、◎ Ｈ＝２Ｉ／（１０×１ｃｍ）＝０．２Ｉ◎ であり、２００エステルドの磁場を得るには、１０００
アンペアの電流を必要とする。この方法において導線５
２を使って磁化する（極性を付与する）方法は、６０ヘ
ルツの２分の１周波の交流、すなわち、スイッチが閉じ
た後の最初の２分の１周波を通過させるワンショット回
路を使って電流５４を制御するようになっている。大き
な電流パルスは、コンデンサの蓄積を放出することか
ら、あるいは、フリーホイール発電機の慣性から、ある
いはこの技術分野の良く知られた方法によって、得られ
る。
【００６９】図１６に示すように、連続的に変換器４を
回転させる一方で、経路５５に沿って変換器４とすれ違
って軸方向に電流を供給することにより、変換器４より
幅の広くない磁石５３を使って変換器４を磁化すること
も可能である。この方法は、特に、かなり大きな変換器
４を極性化するために使用されるようになっている。シ
ャフトの構造について説明する。
回転させる一方で、経路５５に沿って変換器４とすれ違
って軸方向に電流を供給することにより、変換器４より
幅の広くない磁石５３を使って変換器４を磁化すること
も可能である。この方法は、特に、かなり大きな変換器
４を極性化するために使用されるようになっている。シ
ャフトの構造について説明する。
【００７０】シャフト８の構造は、シャフト８がセンサ
２の操作を妨げないという点で重要である。磁場ベクト
ルセンサ６を用いてトルクから発生しているできるだけ
多くの軸方向の磁束を方向付けすることは、センサの感
度のために有利である。シャフト８と変換器４とは、全
ての平行な経路のパーミアンスを最小限にする一方で、
磁束閉回路のパーミアンスをセンサを用いて最大限にす
るために、ともに働くように設定されている。これによ
り、変換器４の両端縁１８，２０の近くに軸方向にも径
方向にも高い透磁率を有する材料を設けることを避ける
ことが重要である。一般に、シャフト８の透磁性を有す
る材料は、変換器４に磁気経路を作り出させないように
なっている。この制限は、いくつかの方法で実現可能で
ある。図１に示すように、この実施例では、シャフト８
は、低い透磁率の（すなわち常磁性の）材料で構成され
ており、変換器４は、シャフト８に直接に取り付けられ
ている。別の実施例では、図１７に示すように、シャフ
ト８は、強磁性であり、低透磁率のスペーサ６０がシャ
フト８と変換器４との間に設けられている。図１８に示
すさらに別の実施例では、シャフト８は、変換器４の近
接位置にある区域６２が、実質的により小径に形成され
ており、あるいは、シャフト８は、区域６２内で、完全
に切りとられている。このどちらの場合でも、低透磁率
の材料からなる接続スリーブ６４がシャフト８の切り取
りによって形成された隙間を掛け渡すようにして設けら
れている。変換器４は、接続スリーブ６４の上に取り付
けられている。
２の操作を妨げないという点で重要である。磁場ベクト
ルセンサ６を用いてトルクから発生しているできるだけ
多くの軸方向の磁束を方向付けすることは、センサの感
度のために有利である。シャフト８と変換器４とは、全
ての平行な経路のパーミアンスを最小限にする一方で、
磁束閉回路のパーミアンスをセンサを用いて最大限にす
るために、ともに働くように設定されている。これによ
り、変換器４の両端縁１８，２０の近くに軸方向にも径
方向にも高い透磁率を有する材料を設けることを避ける
ことが重要である。一般に、シャフト８の透磁性を有す
る材料は、変換器４に磁気経路を作り出させないように
なっている。この制限は、いくつかの方法で実現可能で
ある。図１に示すように、この実施例では、シャフト８
は、低い透磁率の（すなわち常磁性の）材料で構成され
ており、変換器４は、シャフト８に直接に取り付けられ
ている。別の実施例では、図１７に示すように、シャフ
ト８は、強磁性であり、低透磁率のスペーサ６０がシャ
フト８と変換器４との間に設けられている。図１８に示
すさらに別の実施例では、シャフト８は、変換器４の近
接位置にある区域６２が、実質的により小径に形成され
ており、あるいは、シャフト８は、区域６２内で、完全
に切りとられている。このどちらの場合でも、低透磁率
の材料からなる接続スリーブ６４がシャフト８の切り取
りによって形成された隙間を掛け渡すようにして設けら
れている。変換器４は、接続スリーブ６４の上に取り付
けられている。
【００７１】図１６及び図１７の方法を用いて設けられ
た装置の適切な操作は、その相互接触部分のいかなる要
素間においても、すべり状態でないことが必要である。
それぞれの組立て品は、ほぼトルク領域の全体を覆う一
体物として働くようになっている。すなわち、変換器４
は、その相互接触部分の表面の剪断張力が、両者間で同
じに、すなわち、滑らない状態であるようにして、トル
ク部材に取り付けられている。
た装置の適切な操作は、その相互接触部分のいかなる要
素間においても、すべり状態でないことが必要である。
それぞれの組立て品は、ほぼトルク領域の全体を覆う一
体物として働くようになっている。すなわち、変換器４
は、その相互接触部分の表面の剪断張力が、両者間で同
じに、すなわち、滑らない状態であるようにして、トル
ク部材に取り付けられている。
【００７２】図中の変換器４を有する断面部分では、シ
ャフト８内には、非弾性張力が存在しないことが必要で
ある。それにより、トルクの伝達に協動する全ての張力
が、トルクが収まったときには完全に回復されるように
なっている。原子段階あるいは同様の状況では、すべり
のために敏感な張力が発生しているので、要素間のすべ
りをより正確に抑制することが必要である。変換器４が
どのようなサイズであっても、すべりが発生するのであ
れば、変換器４内の応力は、シャフトに加えられたトル
クを実現しない。さらに、トルクが０に落ち着き、変換
器４やその各部分が逆に応力のある状態になったとき
は、断面部分に広がる残余応力の分散状態になる。滑り
は、変換器の変換機能にとって負のヒステリシスとして
維持される。これらの各構成は、変換器４を、すぐに下
部の要素に押圧させたり圧縮させたりする。引張りフー
プ応力により円周方向に支配的な異方性が得られる場合
には、上記の特徴は重要である。円周方向の張力以外の
原因で、例えば、磁場内に残されたあるいは磁場内で処
理された熱のせいで、あるいは円周方向の張力によっ
て、あるいは軸方向の圧縮力によって、変換器４の異方
性が得られる場合には、あるいは上記の支配的な異方性
が存在せずとも装置の作動が十分可能である場合には、
他の構造も可能である。
ャフト８内には、非弾性張力が存在しないことが必要で
ある。それにより、トルクの伝達に協動する全ての張力
が、トルクが収まったときには完全に回復されるように
なっている。原子段階あるいは同様の状況では、すべり
のために敏感な張力が発生しているので、要素間のすべ
りをより正確に抑制することが必要である。変換器４が
どのようなサイズであっても、すべりが発生するのであ
れば、変換器４内の応力は、シャフトに加えられたトル
クを実現しない。さらに、トルクが０に落ち着き、変換
器４やその各部分が逆に応力のある状態になったとき
は、断面部分に広がる残余応力の分散状態になる。滑り
は、変換器の変換機能にとって負のヒステリシスとして
維持される。これらの各構成は、変換器４を、すぐに下
部の要素に押圧させたり圧縮させたりする。引張りフー
プ応力により円周方向に支配的な異方性が得られる場合
には、上記の特徴は重要である。円周方向の張力以外の
原因で、例えば、磁場内に残されたあるいは磁場内で処
理された熱のせいで、あるいは円周方向の張力によっ
て、あるいは軸方向の圧縮力によって、変換器４の異方
性が得られる場合には、あるいは上記の支配的な異方性
が存在せずとも装置の作動が十分可能である場合には、
他の構造も可能である。
【００７３】低透磁率のシャフトが使用される場合に
は、変換器４に対する熱膨脹率と同様に強度特性につい
ても注意が必要である。一般のオーステナイト鋼（ステ
ンレス鋼）は、通常、マルテンサイト鋼よりも強度的に
弱い。さらに、上記オーステナイト鋼は、単相材料であ
るので、熱処理で強度を高めることはできない。降伏強
度を高めることは、ロール加工、絞り加工等の冷間加工
によってのみ可能である。広範囲にわたる冷間加工は、
強磁性であるマルテンサイトに転化を引き起こす。
は、変換器４に対する熱膨脹率と同様に強度特性につい
ても注意が必要である。一般のオーステナイト鋼（ステ
ンレス鋼）は、通常、マルテンサイト鋼よりも強度的に
弱い。さらに、上記オーステナイト鋼は、単相材料であ
るので、熱処理で強度を高めることはできない。降伏強
度を高めることは、ロール加工、絞り加工等の冷間加工
によってのみ可能である。広範囲にわたる冷間加工は、
強磁性であるマルテンサイトに転化を引き起こす。
【００７４】低透磁率のシャフトに好ましい材料は、ニ
トロニック系であり、一般に、クロムと少量のニッケル
とマンガンとを含んでいる。
トロニック系であり、一般に、クロムと少量のニッケル
とマンガンとを含んでいる。
【００７５】これらの鋼は、厳しい冷間加工の下でも完
全にオーステナイトを維持し、焼きなましされた状態で
さえ、一般のオーステナイト鋼の２倍の降伏強度を有し
ている。特に、好ましい材料は、Armco 製の Nitronic
32 あるいは33である。他に使用可能な好ましい材料と
しては、International Nickel 社のInconel 、ベリリ
ウム銅、オーバーレージド（overaged）マレージング鋼
等の様々なニッケル合金である。この鋼のオーバーレー
ジング（overaging ）は、オーステナイトに転換（reve
rsion ）を引き起こす。オーバーレージドマレージング
鋼の特別な利点は、変換器４内に使用される材料と化学
的に同質であるという点である。この同質性は、相互接
触面の腐食を防ぐ傾向がある。
全にオーステナイトを維持し、焼きなましされた状態で
さえ、一般のオーステナイト鋼の２倍の降伏強度を有し
ている。特に、好ましい材料は、Armco 製の Nitronic
32 あるいは33である。他に使用可能な好ましい材料と
しては、International Nickel 社のInconel 、ベリリ
ウム銅、オーバーレージド（overaged）マレージング鋼
等の様々なニッケル合金である。この鋼のオーバーレー
ジング（overaging ）は、オーステナイトに転換（reve
rsion ）を引き起こす。オーバーレージドマレージング
鋼の特別な利点は、変換器４内に使用される材料と化学
的に同質であるという点である。この同質性は、相互接
触面の腐食を防ぐ傾向がある。
【００７６】全体が硬化された、あるいは、表面硬化さ
れた炭素鋼シャフトあるいは合金と炭素鋼シャフトを使
用しても良い。このような機械的に硬化された鋼は、低
透磁性も備えている。
れた炭素鋼シャフトあるいは合金と炭素鋼シャフトを使
用しても良い。このような機械的に硬化された鋼は、低
透磁性も備えている。
【００７７】シャフトへの変換器の組み付けについて説
明する。
明する。
【００７８】すでに述べたように、変換器４と下部のシ
ャフトとは、一つの機械ユニットとして働くようになっ
ている。変換器４をシャフト８に直接あるいは間接に堅
く取り付けることは、変換器４の正確な作動にとって決
定的である。主に、変換器４は、両端部が一体になるた
めに両端部で取り付けられる必要がある。
ャフトとは、一つの機械ユニットとして働くようになっ
ている。変換器４をシャフト８に直接あるいは間接に堅
く取り付けることは、変換器４の正確な作動にとって決
定的である。主に、変換器４は、両端部が一体になるた
めに両端部で取り付けられる必要がある。
【００７９】取付方法は、シャフトに沿ったトルクの伝
達のために力を配給する点に従って分類される。力配給
の点は、突出点、拡充点、拡散点である。
達のために力を配給する点に従って分類される。力配給
の点は、突出点、拡充点、拡散点である。
【００８０】突出した力による配給は、変換器４に適合
する多角形状のまたは楕円形状の孔に嵌合する非円形状
のシャフト等、相互に嵌め合う輪郭を有する変換器４及
びシャフト８の噛合する表面を設けることにより達成さ
れる。図１９に示すように、噛合する内外周面のスプラ
イン、凸部、あるいは歯６６が、変換器４の内周面２２
に刻設されており、シャフト８に刻設された同様の構造
と噛合するようになっている。図２０は、別の実施例を
示し、ここでは、歯６８は、変換器４の両端縁１８，２
０に設けられている。嵌合歯７０が、シャフト８の２か
所の端部（１つのみ図示）に設けられている。また、突
出部７２が、シャフト８上に設けられて変換器４の中心
孔と嵌合するようになっている。変換器４がシャフト８
の上記２か所に組み付けられる際、歯７０は、歯６８と
噛合してシャフト８と変換器４とを不動の位置で相対的
に回転可能にする。他の実施例では、キー、ピン、止め
ネジ等が使用されるが、これらの締結方法は、堅固な構
造を要求する適用物にはあまり好ましくない。
する多角形状のまたは楕円形状の孔に嵌合する非円形状
のシャフト等、相互に嵌め合う輪郭を有する変換器４及
びシャフト８の噛合する表面を設けることにより達成さ
れる。図１９に示すように、噛合する内外周面のスプラ
イン、凸部、あるいは歯６６が、変換器４の内周面２２
に刻設されており、シャフト８に刻設された同様の構造
と噛合するようになっている。図２０は、別の実施例を
示し、ここでは、歯６８は、変換器４の両端縁１８，２
０に設けられている。嵌合歯７０が、シャフト８の２か
所の端部（１つのみ図示）に設けられている。また、突
出部７２が、シャフト８上に設けられて変換器４の中心
孔と嵌合するようになっている。変換器４がシャフト８
の上記２か所に組み付けられる際、歯７０は、歯６８と
噛合してシャフト８と変換器４とを不動の位置で相対的
に回転可能にする。他の実施例では、キー、ピン、止め
ネジ等が使用されるが、これらの締結方法は、堅固な構
造を要求する適用物にはあまり好ましくない。
【００８１】拡充された力による伝達は、シャフト８の
変換器４に対する摩擦あるいは接着結合により行われ
る。結合は、伝達されるのと同じ剪断応力を受ける。こ
の結合は、シャフト８単独であるいは変換器４単独で扱
われるよりは低い量に、最大検出可能トルクを限定す
る。しかし、前に述べたような理由で利点がある。プレ
スばめあるいは圧縮ばめが使用され、好ましい円周方向
に異方性を得ることができるとともに、実用上の問題と
して、シャフト８上の望ましいトルクによって壊れるこ
とのない実質的に大きな保持力を備えることができる。
クリーンでガスぬきされた（脱酸化された）表面を有し
ているので、有効な摩擦係数がいつまでも発生し得る。
また、多少溶接のように作用することができる。嫌気性
の接着剤を使用することもできる。この接着剤は、硬化
した状態で微視的な隙間の中まで浸透することにより、
堅い嵌め合わせをさらに堅くすることができるようにな
っている。温度及び環境条件が接着剤の使用を妨げない
場合は、接着剤は、変換器４の設置に使用できる。これ
により、変換器４あるいはその結合部材のどちらの断面
域と比較しても、接着領域が大きくなる。このことは、
変換器４が、前述のように、相互間に広がる接着剤を使
用した螺旋状に巻かれた細片でできていることで実現さ
れる。
変換器４に対する摩擦あるいは接着結合により行われ
る。結合は、伝達されるのと同じ剪断応力を受ける。こ
の結合は、シャフト８単独であるいは変換器４単独で扱
われるよりは低い量に、最大検出可能トルクを限定す
る。しかし、前に述べたような理由で利点がある。プレ
スばめあるいは圧縮ばめが使用され、好ましい円周方向
に異方性を得ることができるとともに、実用上の問題と
して、シャフト８上の望ましいトルクによって壊れるこ
とのない実質的に大きな保持力を備えることができる。
クリーンでガスぬきされた（脱酸化された）表面を有し
ているので、有効な摩擦係数がいつまでも発生し得る。
また、多少溶接のように作用することができる。嫌気性
の接着剤を使用することもできる。この接着剤は、硬化
した状態で微視的な隙間の中まで浸透することにより、
堅い嵌め合わせをさらに堅くすることができるようにな
っている。温度及び環境条件が接着剤の使用を妨げない
場合は、接着剤は、変換器４の設置に使用できる。これ
により、変換器４あるいはその結合部材のどちらの断面
域と比較しても、接着領域が大きくなる。このことは、
変換器４が、前述のように、相互間に広がる接着剤を使
用した螺旋状に巻かれた細片でできていることで実現さ
れる。
【００８２】図２１は、その径を貫く複数の孔７４を有
する変換器４の実施例を示す。上記孔７４は、接着剤で
満たされており、変換器４をシャフト８に接合させるよ
うになっている。
する変換器４の実施例を示す。上記孔７４は、接着剤で
満たされており、変換器４をシャフト８に接合させるよ
うになっている。
【００８３】さらに、図１８の実施例の特殊な場合とし
て、図２２に示すように、シャフト８が中空であれば、
変換器４は、孔４７を貫くサイズ超過のマンドレルを押
し込むことにより、あるいは油圧やロール加工により、
内側から膨脹することができる。その他の適切な膨脹方
法としては、管状のシートにボイラーの管を取り付ける
内容で良く知られた方法がある。図２３は、マンドレル
７６が孔７８に押し通された後の図２２の組み付け状態
を示す。この組み付け方法は、変換器４を径方向の外側
へ膨脹させ、変換器４に望ましいフープ応力を生じさせ
る。フープ応力が望ましくない場合には、膨脹ばめは、
図２４に示すようなシャフト８の構造を用いることによ
って、変換器４の両端部にのみ行われる。
て、図２２に示すように、シャフト８が中空であれば、
変換器４は、孔４７を貫くサイズ超過のマンドレルを押
し込むことにより、あるいは油圧やロール加工により、
内側から膨脹することができる。その他の適切な膨脹方
法としては、管状のシートにボイラーの管を取り付ける
内容で良く知られた方法がある。図２３は、マンドレル
７６が孔７８に押し通された後の図２２の組み付け状態
を示す。この組み付け方法は、変換器４を径方向の外側
へ膨脹させ、変換器４に望ましいフープ応力を生じさせ
る。フープ応力が望ましくない場合には、膨脹ばめは、
図２４に示すようなシャフト８の構造を用いることによ
って、変換器４の両端部にのみ行われる。
【００８４】図２２における結合部材のトルク伝達能力
は、シャフト８が膨脹する間に、変換器４の内径に局部
的に干渉するか、あるいはこれを変形するような軸方向
の凸部を有している場合に、高められる。
は、シャフト８が膨脹する間に、変換器４の内径に局部
的に干渉するか、あるいはこれを変形するような軸方向
の凸部を有している場合に、高められる。
【００８５】分散力によるトルクの配給は、溶接あるい
はブレージングにより行われる。溶接は、図２１に示す
ような変換器４の両端部に対して、あるいは貫通孔を通
して行われる。スポット溶接、連続ライン（シーム）溶
接、あるいは変換器４領域の一部または全部を覆う溶接
（鍛接）も使用され得る。変換器４は、型内でシャフト
回りに成形されてもよいし、溶けた状態にスプレー溶接
されても良いし、爆発溶接（explosively weided）、電
気メッキ、イオン注入による接続、あるいは他のシャフ
ト表面の表面変形などによっても組み付け可能である。
これらの方法の組み合わせも可能である。
はブレージングにより行われる。溶接は、図２１に示す
ような変換器４の両端部に対して、あるいは貫通孔を通
して行われる。スポット溶接、連続ライン（シーム）溶
接、あるいは変換器４領域の一部または全部を覆う溶接
（鍛接）も使用され得る。変換器４は、型内でシャフト
回りに成形されてもよいし、溶けた状態にスプレー溶接
されても良いし、爆発溶接（explosively weided）、電
気メッキ、イオン注入による接続、あるいは他のシャフ
ト表面の表面変形などによっても組み付け可能である。
これらの方法の組み合わせも可能である。
【００８６】回転シャフト上のトルクを検出する新規な
改良方法について述べる。本発明にかかる上記方法の第
１工程は、変換器４が組み立てられ、前述の方法の１つ
により、機械のシャフト８の周面に取り付けられる。取
り付け前でも、取り付け工程中でも、変換器４は、必要
な異方性の磁気特性が付与され、その後、いつでも、極
性化される。その後、シャフト８−変換器４のユニット
は、機械に装着される。本発明にかかる磁場ベクトルセ
ンサ６は、変換器４の近くに設けられ、変換器４の応力
誘発磁場を受け入れるように、方向付けられる。機械の
作動時には、磁場ベクトルセンサ６は、シャフト８上の
トルクが線形に表示する信号を発し、その信号は、フィ
ードバック制御や磁場ベクトルセンサ６を磁化するため
に接続された他のモニター回路によってモニターされる
ようになっている。
改良方法について述べる。本発明にかかる上記方法の第
１工程は、変換器４が組み立てられ、前述の方法の１つ
により、機械のシャフト８の周面に取り付けられる。取
り付け前でも、取り付け工程中でも、変換器４は、必要
な異方性の磁気特性が付与され、その後、いつでも、極
性化される。その後、シャフト８−変換器４のユニット
は、機械に装着される。本発明にかかる磁場ベクトルセ
ンサ６は、変換器４の近くに設けられ、変換器４の応力
誘発磁場を受け入れるように、方向付けられる。機械の
作動時には、磁場ベクトルセンサ６は、シャフト８上の
トルクが線形に表示する信号を発し、その信号は、フィ
ードバック制御や磁場ベクトルセンサ６を磁化するため
に接続された他のモニター回路によってモニターされる
ようになっている。
【００８７】
【発明の効果】以上のように、本発明のトルク検出装置
及びそのトルク測定方法によれば、円周方向の一方向ま
たはその逆方向に磁気極性が付与されており、変換器手
段は、トルクが存在しない状態（静止状態）において、
少なくとも軸線方向にも径方向にも磁気成分が存在しな
い程度まで、ほぼ円周方向のみに磁気極性が付与されて
いるので、磁気が本質的に逆の円周方向の成分を有する
領域が、実質的に排除される。円周方向の異方性が適当
に支配している状態であれば、すべての領域の磁気は、
最大限プラスマイナス４５°の範囲に存在し、しかもリ
ングのかなりの量的範囲に対称的に配分されることによ
り、補償範囲外のいかなる外部の磁束も磁場ベクトルセ
ンサに検知され得ないことが確実になる。従って、信頼
性の高いトルク検出を行うことができる。
及びそのトルク測定方法によれば、円周方向の一方向ま
たはその逆方向に磁気極性が付与されており、変換器手
段は、トルクが存在しない状態（静止状態）において、
少なくとも軸線方向にも径方向にも磁気成分が存在しな
い程度まで、ほぼ円周方向のみに磁気極性が付与されて
いるので、磁気が本質的に逆の円周方向の成分を有する
領域が、実質的に排除される。円周方向の異方性が適当
に支配している状態であれば、すべての領域の磁気は、
最大限プラスマイナス４５°の範囲に存在し、しかもリ
ングのかなりの量的範囲に対称的に配分されることによ
り、補償範囲外のいかなる外部の磁束も磁場ベクトルセ
ンサに検知され得ないことが確実になる。従って、信頼
性の高いトルク検出を行うことができる。
【００８８】また、励磁電流もコイルも必要としないの
で、構造が単純であり、低コストで製造が可能になる。
で、構造が単純であり、低コストで製造が可能になる。
【図１】本発明のトルク検出装置の一実施例を示す組み
付け状態図である。
付け状態図である。
【図２】本発明で使用されるホール効果センサの線形変
換機能を示すグラフである。
換機能を示すグラフである。
【図３】磁束集束ヨークが設けられた本発明の別の実施
例を示す斜視図である。
例を示す斜視図である。
【図４】磁束集束ヨークが設けられた本発明のさらに別
の実施例を示す一部断面図である。
の実施例を示す一部断面図である。
【図５】磁束集束ヨークが設けられた本発明のさらにま
た別の実施例を示す一部断面図である。
た別の実施例を示す一部断面図である。
【図６】磁束集束ヨークが設けられた本発明のさらに別
の実施例を示す一部断面図である。
の実施例を示す一部断面図である。
【図７】磁束集束ヨークが設けられた本発明のさらにま
た別の実施例を示す一部断面図である。
た別の実施例を示す一部断面図である。
【図８】磁束集束ヨークが設けられた本発明のさらに別
の実施例を示す一部断面図である。
の実施例を示す一部断面図である。
【図９】磁束集束ヨークが設けられた本発明のさらにま
た別の実施例を示す側面図である。
た別の実施例を示す側面図である。
【図１０】同正面図である。
【図１１】回復磁石を有する本発明のトルク検出装置の
さらに別の実施例を示す斜視図である。
さらに別の実施例を示す斜視図である。
【図１２】本発明の変換器の残存磁性による極性化され
た磁場を増大させる効果を示すグラフである。
た磁場を増大させる効果を示すグラフである。
【図１３】同じく変換器の残存磁性による極性化された
磁場を増大させる効果を示すグラフである。
磁場を増大させる効果を示すグラフである。
【図１４】磁石の磁場を通って循環する本発明の変換器
の極性化を示す概略図である。
の極性化を示す概略図である。
【図１５】トロイド状に巻かれた導線に電流を流すこと
により変換器を極性化する本発明の実施例を示す概略図
である。
により変換器を極性化する本発明の実施例を示す概略図
である。
【図１６】変換器の外側に沿って磁石を並進させること
により変換器を極性化する本発明の実施例を示す概略図
である。
により変換器を極性化する本発明の実施例を示す概略図
である。
【図１７】変換器とシャフトとの間に低透磁性のスペー
サが設けられた本発明のさらに別の実施例を示す断面図
である。
サが設けられた本発明のさらに別の実施例を示す断面図
である。
【図１８】機械のシャフトの切り取り部を覆うように設
けられた接続スリーブと、その後に装着された変換器と
を示す断面図である。
けられた接続スリーブと、その後に装着された変換器と
を示す断面図である。
【図１９】シャフト上面の同様の構造と噛合させるた
め、内周面に軸方向に形成された溝を有する変換器を示
す斜視図である。
め、内周面に軸方向に形成された溝を有する変換器を示
す斜視図である。
【図２０】シャフトと噛合するように、端縁に形成され
た溝を有する変換器を示す側面図である。
た溝を有する変換器を示す側面図である。
【図２１】変換器とシャフトとを結合させる接着剤を受
け入れる周面上の貫通孔を有する変換器の平面図であ
る。
け入れる周面上の貫通孔を有する変換器の平面図であ
る。
【図２２】マンドレルを使って、変換器をシャフト内部
から膨脹ばめさせる状態を示す断面図である。
から膨脹ばめさせる状態を示す断面図である。
【図２３】同シャフト膨脹後の断面図である。
【図２４】変換器の軸方向中心部の膨脹を減少させるた
めに、この中心部が切削されたシャフトの構造を示す断
面図である。
めに、この中心部が切削されたシャフトの構造を示す断
面図である。
２ トルク検出装置 ４ 変換器（変換器手段） ６ 磁場ベクトルセンサ（磁場センサ手段） ８ シャフト １０ 軸線 １２ トルク １４ 変換器の円周方向 １８，２０ 変換器の端縁 ２２ 変換器の内周面 ２４ 変換器の外周面 ２６ ヨーク（ヨーク手段） ３６，３８ 隙間 ３９ シールド（シールド手段） ４７，５０ 磁石（回復手段）
Claims (16)
- 【請求項１】 軸方向に延びる軸線回りの部材に加えら
れるトルクが示す電気信号を供給する磁気弾性トルク検
出装置であって、 上記部材上でこの部材に加えられるトルクによりねじり
応力を受けるとともに、ほぼ軸線として円周方向を有す
る１軸の磁気異方性を備え、かつ円周方向に磁極が付与
されており、上記トルクにより変化する磁場を作る強磁
性磁気感応性の変換器手段と、 上記変換器手段の近接位置に対向して設けられ上記磁場
の振幅を検出しかつ上記トルクが示す電気信号を供給す
る磁場センサ手段とを備えるトルク検出装置。 - 【請求項２】 磁場センサ手段は、固体センサを備えて
いる請求項１記載のトルク検出装置。 - 【請求項３】 磁場センサ手段は、ホール効果センサを
備えている請求項１記載のトルク検出装置。 - 【請求項４】 変換器手段は、上記部材にその形状に沿
って取り付けられたリングを備えている請求項１ないし
３のいずれかに記載のトルク検出装置。 - 【請求項５】 上記リングは、上記部材の周面の回りに
第１周縁と第２周縁との間で延びる円周部を有している
請求項４記載のトルク検出装置。 - 【請求項６】 上記リングは、締まりばめにより上記部
材に取り付けられている請求項５記載のトルク検出装
置。 - 【請求項７】 上記磁場センサ手段を通過する磁束経路
のパーミアンスを高めるパーミアンス増加手段を有する
請求項１ないし６のいずれかに記載のトルク検出装置。 - 【請求項８】 上記パーミアンス増加手段は、上記変換
器手段及び上記磁場センサ手段に近接して固設され、上
記変換器手段からの磁束を集めるとともに、上記磁場セ
ンサ手段へ上記磁束を導くヨーク手段を備えている請求
項７記載のトルク検出装置。 - 【請求項９】 上記磁場センサ手段を、上記変換器手段
により形成された磁場以外の磁場から保護するシールド
手段を有する請求項１ないし８のいずれかに記載のトル
ク検出装置。 - 【請求項１０】 上記磁場センサ手段は、複数の磁場検
出装置を備えている請求項１ないし９のいずれかに記載
のトルク検出装置。 - 【請求項１１】 上記磁場検出装置のうちの少なくとも
２つは、別々に接続されている請求項１０記載のトルク
検出装置。 - 【請求項１２】 上記変換器手段の消極を防ぐ回復手段
を有する請求項１ないし１１のいずれかに記載のトルク
検出装置。 - 【請求項１３】 上記回復手段は、上記変換器手段に近
接して設けられた永久磁石を備えている請求項１２記載
のトルク検出装置。 - 【請求項１４】 機械の一部により伝えられるトルク
を、軸方向に延びる軸線回りのねじれと回転に基づいて
非接触状態で測定するトルク検出装置であって、 上記機械部分の周面に取り付けられ、この機械部分とと
もに回転しそのねじれによりねじり応力を受け、上記ね
じれが存在しないときに軸方向の磁気を発生させない円
周方向磁化成分と、シャフトのねじれにより軸方向の磁
気を発生させ、磁場に、シャフトのねじれの大きさに比
例した振幅を発生させる軸方向磁化成分とを有する変換
器手段と、 上記変換器手段の近接位置に間隔を置いて対向し、上記
磁場の振幅を検出するとともに、上記磁場の振幅が示す
出力信号を供給する磁場センサ手段とを備えるトルク検
出装置。 - 【請求項１５】 軸方向に延びるトルクを受けた部材上
でトルクを検出する方法であって、 円周状に極性化された強磁性磁気感応性の変換器手段
を、部材に加わるトルクが適切な状態で上記変換器手段
にねじり応力を加えるように、かつ上記部材に加えられ
るトルクが存在しない場合には磁場を発生させないよう
に、トルクを受ける部材と接続させて、 上記部材に対するトルクの作用に応じて磁場を発生さ
せ、 上記部材に加えられるトルクの大きさを表示するため
に、上記変換器手段の近接位置で磁場の振幅を検出する
トルク測定方法。 - 【請求項１６】 上記検出された磁場の大きさを表示す
る電気信号を発生させる請求項１６記載のトルク測定方
法。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US07/736,299 US5351555A (en) | 1991-07-29 | 1991-07-29 | Circularly magnetized non-contact torque sensor and method for measuring torque using same |
| US07/736299 | 1991-07-29 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH05196517A true JPH05196517A (ja) | 1993-08-06 |
| JP2566709B2 JP2566709B2 (ja) | 1996-12-25 |
Family
ID=24959334
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP4223448A Expired - Lifetime JP2566709B2 (ja) | 1991-07-29 | 1992-07-29 | トルク検出装置及びそのトルク測定方法 |
Country Status (5)
| Country | Link |
|---|---|
| US (5) | US5351555A (ja) |
| EP (1) | EP0525551B1 (ja) |
| JP (1) | JP2566709B2 (ja) |
| CA (1) | CA2073293C (ja) |
| DE (1) | DE69222588T2 (ja) |
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