(57)【要約】【課題】磁気弾性変換素子としてシャフト自身を使用する力センサー装置を提供する。【解決手段】この力センサー装置は、当該長尺状部材（以下シャフトと称する）の一端部に印加される力が、他端部に対して当該シャフトに曲げモーメントを誘起するように動作可能に設けられたシャフトを含み；該シャフトは周方向に残留磁化された一体的部分を有し；該一体的部分の外側の磁束は、該一体的部分内に誘起された曲げモーメントの関数であり；さらに該シャフト内の曲げモーメントを表す信号を発生するために該外部磁界に応答するセンサー手段を含む。【選択図】図１２ａ
2010243513.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
当該長尺状部材（以下シャフトと称する）の一端部に印加される力が、他端部に対して当該シャフトに曲げモーメントを誘起するように動作可能に設けられたシャフトを含み；該シャフトは周方向に残留磁化された一体的部分を有し；該一体的部分の外側の磁束は、該一体的部分内に誘起された曲げモーメントの関数であり；さらに該シャフト内の曲げモーメントを表す信号を発生するために該外部磁界に応答するセンサー手段を含む力センサー装置。
【請求項２】
該一体的部分が、軸方向に配置された少なくとも２つのゾーンからなり、各ゾーンはその内部に周方向磁界を有し、かつ隣接するゾーンの磁界の極性は反対である、請求項１に記載の力センサー装置。
【請求項３】
該シャフトが、消磁された該一体的部分により境界付けられた少なくとも１つの磁化しうる部分を有する、請求項１又は２に記載の力センサー装置。
【請求項４】
該シャフトが、軸方向の磁界で残留磁化された該一体的部分により境界付けられている少なくとも１つの磁化しうる部分を有する、請求項１又は２に記載の力センサー装置。
【請求項５】
該変換素子は周方向に磁化しうるものであり、かつ該変換の両側に軸方向の更なる各一体的部分を含み、該更なる各一体的部分は該変換素子の周方向磁界の極性とは反対の極性にかつ周方向に磁化されており、かつ該変換素子により発生する磁束を反発させるように動作するように該変換素子と隣接している、請求項１に記載の力センサー装置。
【請求項６】
該センサー手段が、該変換素子の残留磁化に起因する外部磁界にのみ応答するように配置されている、請求項５に記載の力センサー装置。
【請求項７】
該変換素子が該シャフトの軸方向に沿って設けられた該シャフトの４つの一体的部分のうちの１つであり、各一体的部分は周方向に残留磁化され、４つの一体的部分のうち軸方向の内側部分の第１及び第２の一体的部分は互いに反対極性の磁界を有し、４つの一体的部分のうち第３の一体的部分は該第１の一体的部分の軸方向外側であり、該第１の一体的部分の磁化と反対極性の磁化を有し、かつ該第１の一体的部分から発生する磁束に反発して動作するように該第１の一体的部分と隣接して設けられ、４つの一体的部分のうち第４の一体的部分は該第２の一体的部分の軸方向外側であり、該第２の一体的部分の磁化と反対極性の磁化を有し、かつ該第２の一体的部分から発生する磁束に反発して動作するように該第２の一体的部分と隣接して設けられている、請求項１に記載の力センサー装置。
【請求項８】
該第１及び該第２の一体的部分がそれぞれ、他方が発生する磁束に反発して動作するように隣接している、請求項７に記載の力センサー装置。
【請求項９】
該センサー手段が、該第１及び第２の変換素子部分のみから発生する外部磁束に応答する、請求項７又は８に記載の力センサー装置。
【請求項１０】
該シャフトが磁化しうる均一な材料からなる、請求項１〜９のいずれかに記載の力センサー装置。
【請求項１１】
該一体的部分から発生する外部磁束は、該一体的部分に曲げモーメントがない状態で本質的にゼロである、請求項１〜１０のいずれかに記載の力センサー装置。
【請求項１２】
請求項１に記載の力センサーに使用される磁気的に更正されたシャフトを製造する方法であって、次の各ステップからなる方法、
ａ．随意的に該シャフトに所定の磁気状態を形成するステップ、
ｂ．該シャフトの少なくとも一部に、既知の、残留した周方向に配向する磁界を導入するステップ、
ｃ．該シャフトの該部分に既知の曲げモーメントを作用させ、該部分から発生する磁束を測定し、測定値を該磁界からの期待値と比較するステップ、
ｄ．測定値と期待値との間の誤差を用い、導入した、残留した周方向に配向した磁界を、該シャフト部分が曲げモーメント値の範囲にわたる各曲げモーメントに対して既知の磁束を発生させる値まで増加させるステップ。
【請求項１３】
ステップａにおいて、該シャフトが消磁される、請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
ステップａにおいて、該シャフトが、残留した軸方向に配向した磁界を導入される、請求項１２に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、シャフトのトルク又は曲げ応力を検出するためのセンサー装置並びにセンサー装置による検出のためにシャフトに磁界を誘導する方法及び装置に関するものである。また、本発明は、変換素子を組み込んだシャフト及びトルクセンサーにおいて使用される磁気的に校正されたシャフトを製造する方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
磁気センサーは公知の技術である。これらは通常、磁気弾性と称されている現象に基づいている。公知のセンサーはシャフトに固定された帯磁リングを用い、該シャフトにおけるトルクが変換素子として動作する該リングに伝達するようになっている。また、センサーは１又は複数の磁界検出素子をリングの外側に含み、回転により生じるトルク又は非回転シャフトに作用するトルクによる磁界の乱れを検出する。あるシャフトの一端を回転させ、他端において負荷を駆動させると、駆動力が作用する点と負荷が駆動される点との間に差分的な角度変位（これは非常に小さいかもしれない）により、シャフトにトルクが発生する。同じことが、一端を固定し他端にトルクを作用させた場合に適用される。より詳細には、このトルクを測定するため、磁気トルクセンサーの磁気リングが、本質的に該リング内に閉じ込められる磁界をその中に形成している。
【０００３】
種々の形式の磁界検出素子が提案されている。一つの提案は、飽和状態に駆動された可飽和コイル（インダクタ）を使用することにより、作用するトルクに起因する磁界の小さな変化を検出するものであり、駆動電流に対するコイルの飽和点は磁化リングに関連するトルク誘導外部磁界に依存する。コイルにおける反対駆動極性に対する飽和点は外部磁界の存在によりアンバランスとなり、このアンバランスが検出される。飽和点に対応する回路が使用され、トルクを表す出力信号が形成される。
【０００４】
他の磁界検出素子も以下に述べるように提案されている。
【０００５】
そして一般に従来提案されたトルクセンサーは２つの部分から構成される。一つは、シャフトに取り付けられた変換素子である。もう一つは、１又は複数のセンサー素子と、必要の場合には該素子を駆動させ、かつ測定したトルクを表す出力を得るためにトルク依存信号の処理を行う関連回路である。センサーの後者の部分において、センサー素子は変換素子に近接するが非接触で静的状態で取り付けることができる。
【０００６】
例示すると、飽和インダクタと関連回路を用いた磁束計が米国特許第５１２４６４８号（Web and Brokaw)に記載されている。回転シャフトにトルクセンサーコイル（インダクタ）を取り付けるより詳細な情報は米国特許第５５２００５４号（Garshelis）において見いだされる。また、The Society of Automotive Engineers (SAE)により発行された技術論文 "Development of a Non Contact Torque Transducer for Electric Power Steering Systems", SAE Technical Paper Series, No. 920707, I. J. Garshelis, K. Whitney and L. May, reprinted from: Sensors and Actuators, l992 (SP-903), International Congress and Exposition, Detroit, Michigan, February 24- 28, 1992, PP. 173 -182を参照することができる。また、トルク変換器の詳しい説明は、 "A Single Transducer for Non-Contact Measurement of the Power, Torque and Speed of a Rotating Shaft", I. J. Garshelis, C. R. Conto and W. S. Fiegel, SAE Technical Paper Series, No. 9S0536, reprinted from: Sensors and Actuators (SP-l066), International Congress and Exposition, Detroit, Michigan, February 27-March 2, 1995, pp. 57-65, particularly pp. 58-59に見いだすことができる。
【０００７】
市販の磁気弾性トルク変換器の例は、The Lebow Products division of Eaton Corporation, 1728 Maplelawn Road, Troy, Michigan, U.S.A. により登録商標TorqStarとして提供されているものがある。
【０００８】
磁気弾性に基づくトルク検出構成は、関連する米国特許第５３５１５５５号及び米国特許第５４６５６２７号（Garshelis、Magnetoelastic Devices, Inc.へ譲渡)及び米国特許第５５２００５９号（Garshelis、Magnetoelastic Devices, Inc.へ譲渡)に記載されている。
【０００９】
米国特許第５３５１５５５号及び米国特許第５４６５６２７号は、主としてトルク検出構成に関して記載され、これらの特許では、シャフトに固定された磁化リングあるいはトーラス、測定されるべきトルク、及びシャフトがトルクのもとに置かれたときシャフト内の応力から生じるリングの外側の磁界の変化に応答する非接触型センサーを利用している。この非接触型センサーはコイル・アセンブリであってもよいし、例えばホール効果素子、磁気抵抗装置等の磁界に感受性を有するその他の装置であってもよい。
【００１０】
これらの特許において、リング内に発生する単一の周方向磁界が存在し、これは無トルク状態でリング内に完全に含まれる。このような磁界を確立する条件はこれらの特許において述べられている。強調すべきことは次の２つの実際的要求である。
１）リングは、周方向の有効的一軸磁気異方性を容易軸として備えていること
２）リングはフープ（輪）状の応力を受けること、すなわち応力がリングに展開する傾向があること
【００１１】
また、これら２つの特許には次のような示唆がある。別個のリングをシャフトにスプレー又は爆発的溶接により、シャフト上に適当な材料をキャストしたリングの形状、あるいはイオン・インプランテーションによりシャフトに形成された表面が変更されたリングの形状でつくることができる。これらのいずれも詳細な教示はなく、本出願人の知識ではこれらは商業的使用におくことはできなかった。
【００１２】
また、米国特許第５３５１５５５号及び米国特許第５４６５６２７号は、リング内に周方向の磁界を閉じ込める必要性に着目している。リングが装着されるシャフトが低い透磁率（例えば常磁性）である場合、磁化された変換リングはシャフトに直接取り付けることができる。しかし、シャフトが高透磁率（例えば強磁性）である場合、リングとシャフトの間に低透磁率のスペーサを設けることが提案される。これらの提案の基礎となる考察は、周方向に磁化されたリングが大きな高透磁率の材料に直接取り付けられるとすると、トルク下でリングから発生する磁束はシャフトを通って分路し、リングから発生する有用な磁束は得られなくなるであろう、ということであるように思われる。
【００１３】
実際、リングは、薄い肉厚、典型的には２０ｍｍ径リングに対して１ｍｍで作られている。シャフト上にプレスされるため及びシャフト上で大きなトルク負荷を処理するためには、リングをできるだけ薄くすることが有利であるが、このことは、リングが薄くなるに従い磁界出力が弱くなるということに対してバランスをとる必要がある。考慮すべき別のコスト因子は、リングが機械加工により製造される必要性であり、トルク負荷のもとで滑りに対抗してリングを固定するためにシャフト及び／又はリングに対してとられる特別な手段はコストがかかる。
【００１４】
米国特許第５５２００５９号は、上述した２つの特許の開示に、２つの軸方向の隣接したゾーンを有するリング変換器の概念を付加する。２つのゾーンの各々は周方向磁界を有するが、各磁化は反対極性、つまり反対の周方向磁界となっている。２つのゾーンより多くのゾーンが磁化の極性を交互に変化させるために使用可能である。
【００１５】
また、米国特許第５５２００５９号における示唆は、管径に対して薄肉に示されている管状シャフトが管自身に磁化された部分を有し、管の変換器部を形成することである。特に、磁化された部分は、反対極性に磁化された２つのゾーンを有する。しかし、この場合、管状シャフトの該部分にフープ状応力を誘導するために、変換器を形成する該部分にプラグを挿入するという特別な方策が採られている。更に、磁化されたゾーンはプラグの両端の軸方向内側に存在しなければならない。この提案の実際的な実施には追加の部品、即ちプラグが必要となり、ダメージなしにかつ設置精度よく実施することは困難であり、組立時間とともに余分なコストが必要となる。
【００１６】
また、管の磁化された領域の位置を定めるために、おそらく磁化された領域に隣接する管部分に、隣接領域を低透磁率とするための熱処理の如き追加の処理が要求されるであろう。
【００１７】
実際、市場に提供されてきた変換リング型のトルクセンサー装置は、トルクを測定するシャフトに固定することが要求される別個の変換リングを有するタイプのものである。
【００１８】
シャフト内のトルク応力がリングに伝達されるように、シャフトに固定される別個のリングの形状としてトルクセンサー装置の磁気変換素子を利用することは、以下のような不具合を与える。
１．大きなトルク条件のもとで磁化されたリングのすべり。信頼性を損なう。
２．磁化されたリングのコスト。
３．高い工具費とリングに関連する高製造コスト ４．シャフトに磁化しない材料を用いることに関連する高コスト。ほとんどのトルク伝達適用のためのほとんどのシャフトは磁化しうる鋼で作られている。
５．シャフトに関連する高い工具費と高製造コスト。シャフトはスプラインを持つ必要があったり、テーパーをつける必要があったり、リングを受容するために容易すべきいくつかの特別な工具が必要となったりする。
６．シャフトの形状及び形式における制限。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【００１９】
本発明は新しい概念、すなわち、トルク検出装置の磁気弾性変換素子としてシャフト自身を使用することに基づいている。このため、少なくともシャフト自身の一部が磁化される。本発明は、より安価な製造コスト及び従来のリング変換器技術と比べて使用の容易性を可能とする。また、本発明は、曲げモーメントを受ける長尺状部材における曲げ応力を測定するという新しい概念を導入する。便宜上、トルク及び／又は曲げを受ける全てのこのような長尺状部材は、回転してもしなくても「シャフト」と称するものとする。
【００２０】
本発明の概念の特徴の一つは、従来の考えとは反対に、シャフトを磁界しうる材料から作り、磁化しれる部分においてシャフトは剛性又は実施的に剛性の断面を持つことである。実質的に剛性の断面は、例えばシャフト内に軸方向に延びる内腔を許容するが、内腔はシャフトの断面よりかなり小さく、内腔により占められる部分より、磁化された部分の断面における磁化しうる材料の厚みはかなり大きくなっている。これは、周方向に磁化されたシャフトの磁化がシャフトの中心領域をほとんど貫通しないため、受け入れられる。典型的には、円形のシャフト及び内腔では、内腔の直径はシャフトの直径の１／３を超えない。同様な割合が、非円形断面のシャフトの関連する寸法にも適用される。
【００２１】
本発明の範囲内において、「剛性」シャフト及び内腔は、本発明の目的を満足するに十分な程度に剛性であるシャフトを包含することと理解される。
【００２２】
以下に記載する本発明の実施では、シャフトの変換器部分が、なんら特別な処理、例えばフープ応力の誘導又は特別な表面処理を必要としない。磁化されたシャフト部分は、該磁化された部分の両側でシャフトの一体となっており、その部分はトルク測定に関連してシャフトの該部分に隣接する部分と同じ材料で作られている。すなわち、シャフトは材料に関する限り、均質である。このことは、材料中に特に高度の均一性を暗示するものではない。例えば、標準的なスチール材料で発生するような合金組成における通常の変化は十分受け入れられるものであることが判明した。実際の工学的適用においては多くの場合、トルク伝達シャフトは単一の物体であるが、材料に関して異なった特性を持ってもよい、もちろん本発明により処理された磁化しうる部分を含む、２又はそれ以上の部分を有する複合体である伝達シャフトを考慮することも可能であある。下記に述べる本発明の実施例の特徴は、磁化しうる材料のシャフトがその一部において周方向に磁化されることができ、該シャフトは隣接するゾーンが周方向の反対極性である２又はそれ以上のゾーンを含むことができる。
【００２３】
本発明が保護されるべきところの見地及び特徴は次の説明に続く請求の範囲に記載されている。
【００２４】
本発明は添付の図面と関連して読まれるべき、以下の詳細な説明を参照することにより十分に理解される。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１ａ】図１ａ及び１ｂは、磁化されたシャフトを２次元及び３次元的に表示したものを示し、磁束がシャフトの周囲を流れ、シャフトは無トルク状態におけるものを示してある。
【図１ｂ】図１ａ及び１ｂは、磁化されたシャフトを２次元及び３次元的に表示したものを示し、磁束がシャフトの周囲を流れ、シャフトは無トルク状態におけるものを示してある。
【図２ａ】図２ａ及び２ｂは、図１ａのシャフトを示し、シャフトの右端でトルクが時計回り及び反時計回りにそれぞれ作用している。
【図２ｂ】図２ａ及び２ｂは、図１ａのシャフトを示し、シャフトの右端でトルクが時計回り及び反時計回りにそれぞれ作用している。
【図３ａ】図３ａは、曲げ応力を測定するための本発明の実施例を模式的に示すもので、図３ｂは、異なった断面のシャフトの使用を示す図である。
【図３ｂ】図３ａは、曲げ応力を測定するための本発明の実施例を模式的に示すもので、図３ｂは、異なった断面のシャフトの使用を示す図である。
【図４ａ】図４ａ及び４ｂは、外部磁石を使用して極性を交互に変化させて、シャフトの磁化されるべき部分に複数の周方向磁界を導入する方法を示す図である。
【図４ｂ】図４ａ及び４ｂは、外部磁石を使用して極性を交互に変化させて、シャフトの磁化されるべき部分に複数の周方向磁界を導入する方法を示す図である。
【図４ｃ】図４ｃ及び４ｄは、シャフトを回転させながら、シャフトのところまで、電流を流すコイル、例えば動径方向に設置された電磁石をもってくることにより、シャフト内に磁界を形成する方法を示す図である。
【図４ｄ】図４ｃ及び４ｄは、シャフトを回転させながら、シャフトのところまで、電流を流すコイル、例えば動径方向に設置された電磁石をもってくることにより、シャフト内に磁界を形成する方法を示す図である。
【図４ｅ】図４ｅ及び４ｆは、図４ａ及び４ｂとそれぞれ同様の図であるが、異なった配向の外部磁石を用いたものである 図４ｇ及び４ｈは、図４ｃ及び４ｄと同様な構成であるが、電磁石コイルを動径方向ではなく周方向に配置したものである。
【図４ｆ】図４ｅ及び４ｆは、図４ａ及び４ｂとそれぞれ同様の図であるが、異なった配向の外部磁石を用いたものである。
【図４ｇ】図４ｇ及び４ｈは、図４ｃ及び４ｄと同様な構成であるが、電磁石コイルを動径方向ではなく周方向に配置したものである。
【図４ｈ】図４ｇ及び４ｈは、図４ｃ及び４ｄと同様な構成であるが、電磁石コイルを動径方向ではなく周方向に配置したものである。
【図５ａ】図５ａは、シャフトの一部を介して直接電流を通過させることによりシャフトに磁化を導入する方法の基本原理を示す図である。
【図５ｂ】図５ｂは、シャフトを介して直接電流を通過させることによりシャフトに磁化を導入する方法の基本原理を示す図である。
【図６ａ】図６ａ及び６ｂは、例えば電流を通すブラシや剛性コネクタにより、シャフトを回転させながら、シャフトの一部に電流を導入すること、及びその結果形成されたシャフト内の磁界をそれぞれ示す。
【図６ｂ】図６ａ及び６ｂは、例えば電流を通すブラシや剛性コネクタにより、シャフトを回転させながら、シャフトの一部に電流を導入すること、及びその結果形成されたシャフト内の磁界をそれぞれ示す。
【図７ａ】図７ａ及び７ｂは、中空のリングコアの回りにトロイダル状に巻回された電線に電流を流し、次いでシャフトをコアの中心に保持するか、あるいはシャフトをコアの中心を通過させることにより、シャフト内に磁界（図８ｂ）を形成する方法を示す。
【図７ｂ】図７ａ及び７ｂは、中空のリングコアの回りにトロイダル状に巻回された電線に電流を流し、次いでシャフトをコアの中心に保持するか、あるいはシャフトをコアの中心を通過させることにより、シャフト内に磁界（図８ｂ）を形成する方法を示す。
【図８ａ】図８ａ及び８ｂは、ソレノイド中のコアとしてシャフトを用いることにより、シャフトの一部に長手方向の磁界（図８ｂ）を形成する方法を示す。
【図８ｂ】図８ａ及び８ｂは、ソレノイド中のコアとしてシャフトを用いることにより、シャフトの一部に長手方向の磁界（図８ｂ）を形成する方法を示す。
【図８ｃ】図８ｃ及び８ｄは、より拡張したソレノイド構成を用いた図８ａ及び８ｂと同様な図である。
【図８ｄ】図８ｃ及び８ｄは、より拡張したソレノイド構成を用いた図８ａ及び８ｂと同様な図である。
【図９ａ】図９ａ及び９ｂは、２つの離間した電流を流すコイルの間にシャフトを保持することによりシャフト内に均一に磁界（図９ｂ）を形成する方法を示す図である。
【図９ｂ】図９ａ及び９ｂは、２つの離間した電流を流すコイルの間にシャフトを保持することによりシャフト内に均一に磁界（図９ｂ）を形成する方法を示す図である。
【図１０ａ】図１０ａ及び１０ｂは、シャフトの磁化された部分と模式的に示したセンサー構成の断面図であり、センサー構成は、シャフトの動きや反りを補償するため直径方向に対抗するセンサー素子又はセンサー素子対を有する。
【図１０ｂ】図１０ａ及び１０ｂは、シャフトの磁化された部分と模式的に示したセンサー構成の断面図であり、センサー構成は、シャフトの動きや反りを補償するため直径方向に対抗するセンサー素子又はセンサー素子対を有する。
【図１１ａ】図１１ａ、１１ｂ及び１１ｃは、磁化されたシャフトからのトルク又は力信号を検出しながら、外部磁界の影響を打ち消すために使用される複数のコイルを利用した磁界検出センサーを模式的に示し、図１１ａ及び１１ｂは、使用される一対の磁界検出コイルを示し、図１１ｃは、シャフトの動きの影響を打ち消す２対のものを示す。
【図１１ｂ】図１１ａ、１１ｂ及び１１ｃは、磁化されたシャフトからのトルク又は力信号を検出しながら、外部磁界の影響を打ち消すために使用される複数のコイルを利用した磁界検出センサーを模式的に示し、図１１ａ及び１１ｂは、使用される一対の磁界検出コイルを示し、図１１ｃは、シャフトの動きの影響を打ち消す２対のものを示す。
【図１１ｃ】図１１ａ、１１ｂ及び１１ｃは、磁化されたシャフトからのトルク又は力信号を検出しながら、外部磁界の影響を打ち消すために使用される複数のコイルを利用した磁界検出センサーを模式的に示し、図１１ａ及び１１ｂは、使用される一対の磁界検出コイルを示し、図１１ｃは、シャフトの動きの影響を打ち消す２対のものを示す。
【図１２ａ】図１２ａは、センサーと協働する内側変換磁界が２つの保護磁化リングにより支援される好ましい実施例を示す。
【図１２ｂ】図１２ｂは、保護リングが、検出が行われる反対極性の一対の内側変換磁界に作用する、図１２の変形例を示す。
【図１３ａ】図１３ａは、変換素子として動作する一体の突出プロフィール部分を有するシャフトを用いた別の実施例を示す。
【図１３ｂ】図１３ｂは、図１３ａの実施例の変形例を示す。
【図１３ｃ】図１３ｃは、図１３ａの実施例のさらに別の変形例を示す。
【図１４ａ】図１４ａ及び１４ｂは、複数の周方向に磁化した領域を形成するシャフトを磁化させる別の構成を示す図である。
【図１４ｂ】図１４ａ及び１４ｂは、複数の周方向に磁化した領域を形成するシャフトを磁化させる別の構成を示す図である。
【図１５】図１５は、トルク測定の清楚を損なわせるかもしれないヒステリシス効果を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
図１ａ及び１ｂは、長手軸Ａ−Ａの周りを回転可能な剛性の円形断面を有する円柱状シャフト１０を示している。このシャフトは磁化しうる材料からなる。このシャフトは、固定されており、かつその回転軸の周りにはトルクが作用していない。このシャフトは、外側の非磁化部２２により境界付けされている、軸方向内側の磁化部２０を有している。そして図示の如く、シャフト１０は該シャフトの他の部分と一体となっている磁化部を持つ単一の均質物となっている。磁界２４は内側部分２０の周りに周方向に延び、その磁束は該シャフト内に閉じこめられている。すなわち、シャフトに応力が作用しなければ、シャフトの外側には発生磁束はない。剛性のシャフト内には、周方向の磁界が一連の同心円のように内側に向けて通っているように見られ、その磁界はシャフトの中心に向かうにつれて弱くなり、軸のところで消失する。そしてシャフトの軸コアを突き通る内腔の存在の実質的な磁気的影響はない。図１ａ及び１ｂはシャフト自身内に、磁界を形成する概念を示し、磁化部分は剛性断面を有する。トルクが作用していない図１ａ及び１ｂの静的状態においては、実質的な磁界はシャフトの外部には存在しない。シャフトを磁化させるための特別な機械的手段の用意は必要ではない。
【００２７】
図２ａ及び２ｂは、左端に連結された（図示しない）負荷を駆動させるために、右端にトルクを作用させた状態で回転するシャフト１０を示す。トルクは図３ａでは時計回り（ｃｗ）であるが、図３ｂでは反時計回り（ｃｃｗ）である。従来の磁気リングのプラクティスから分かるように、周方向の磁界２４は、トルクに誘起された応力の向きに従い、ある方向又は別の方向にねじれる。このシャフトは連続的な回転を必要としない。このシャフトは、左端が固定され、右端にトルクが作用していてもよい。磁界のねじれの結果、磁力線２６は、図示のケースでは、シャフトの磁化部分から発生したり逸脱したりし、シャフトの周りに磁気トーラス又は磁気ドーナツ形状をなす。シャフトの外側の磁束２６はトルクに比例し、その大きさ及び、必要ならばその方向は、１又は複数のセンサー素子４０により検出することができ、このセンサー素子４０は適切な駆動及び／又は処理回路４２によりその出力が引き出され、それはシャフト内のトルクの尺度となる。ある周方向磁界及びトルクに対して発生する磁界の向きは材料によって異なることに着目すべきである。ある物質からなるシャフトについて、ある方向のトルクに対して発生する磁界の方向は同じであり、発生磁界の大きさはトルクの関数として線形であり、弾性限度内で再現性がある。回転シャフトに対して非接触のセンサー素子と関連回路との使用を含む完成品のセンサー装置は、別個の変換リングと協働する上述の例の如き、任意のデザインのものとすることができる。磁界２４を変換磁界として用いる有効性は、以下に述べる保護磁界を隣接させて使用することにより大幅に高められる。
【００２８】
上記では、トルク応力がなく外部磁束がゼロの場合を仮定した。静止磁束がある場合には、それは外部センサーにおいて補償することができる。シャフト１０又は少なくとも磁化部分２０は磁気弾性を示す材料、好ましくは磁気弾性材料と称されるものからなることが好ましく、これによりシャフト内に所望の磁界を形成することができる。これを行う方法は以下に述べる。これまでの実験が、磁界の長期安定性に関し、既に述べた周方向の磁化の如き、閉じたループを物質内に形成する磁化の使用が好ましいことを示していることは記述しておくことに値する。このような閉ループ磁界の特性は、外部磁界を検出しないか、検出しても非常に小さいかである。
【００２９】
トルクが増加するにつれて、シャフト１０の閉じ込めから逸脱する磁束２６は変化する。作用するトルクとシャフトから発生する磁界の大きさとの間には予測しうる関係が存在する。実際のところ、その関係は線形とすることができる。図１ａ〜２ｂに示した例では、磁界が周方向であり、かつ無トルク条件でシャフトから発生する磁界が実質的にゼロの場合、シャフトから発生する磁界はトルクが増加するにつれて増加する。この特性は、シャフト物質がその弾性限界に達するまで継続する。従って、図２ａ及び２ｂに示した磁界検出装置４０により検出される磁界の大きさは、シャフトに作用するトルクの大きさに直接関係する。
【００３０】
磁界が材料内で閉ループであり、トルクのない条件下又は力の作用しない条件下ではそのままであることは本質的なことではない。応力の作用していないシャフト内の磁界は任意の配向又は向きをとることができる。機械的応力（例えば、トルク又は曲げ応力が作用し、かつ作用しているトルク又は力に応じた方向をとる場合、シャフトから発生する磁界は、その強度が変化する。曲げ応力のケースは後述する。シャフトがその弾性限度を超えると、シャフトから発生する磁界はもはや線形ではなく、シャフトに作用しているトルクの大きさとの関係が予期できなくなる。
【００３１】
全体的にもしくは部分的に磁気弾性であり、かつその磁気弾性部分が磁化されている任意のシャフトを、磁界検出装置と関連させて用いることにより、トルクセンサーを構成できることが示された。本発明を実施したトルクセンサー装置は、トルクセンサーシステムあるいはトルクセンサーを作製すべく、磁化シャフトを磁界検出装置とともに使用することに基づいている。
【００３２】
同様な原理が、シャフトの曲げ応力の場合に適用できることが判明した。シャフト１０の外側の磁界の変化もシャフトの曲げ応力に比例して起こる。この効果は、力又は曲げモーメントセンサーにおいてより一般的に利用することができる。図３ａ（左）は磁化しているシャフト１１を示す。磁界は図示していない。軸を横切る外力Ｆ１又はＦ２が、図３ａ（右）に誇張して示すように、シャフトに曲げ応力を作用すると、シャフトから発生する磁界はその力が作用していない状態から予測可能なように変化する。１の磁界検出装置（又は３２、３４の如き複数の磁界検出装置）が、この磁界の変化を検出するために使用することができ、またシャフトに作用する力の大きさを測定するために使用することができる。図３ｂは異なった断面を有するシャフト１１を力センサーとして使用した場合を示す。このように、シャフトはトルクが伝達したり作用したりするために使用する必要はなく、この技術は、磁化しうるものであるか、あるいは磁化しうる部分を有し、かつ曲げモーメントを発生させうる加わった力に応じた曲げ応力を受ける任意の長尺状部材に適用可能である。
【００３３】
図３ａの左側を参照すると、シャフト１１の一端には軸を横切る力Ｆ１又はＦ２が作用し、該シャフトをその他端に対して曲げを生じさせる。シャフト全体又はその一部は磁化されている。周方向の磁化も使用できるが、この場合、シャフト内の軸方向の磁界又はシャフトを横切る磁界を使用することが好ましい。シャフトに対して直角に、かつ磁化部分に隣接した適当な所に設けられたセンサー対３２ａ、３４ｂは、シャフトの外側に発生する磁束を曲げモーメントの関数として検出する。曲げられたシャフトを図示する（図３ａの右側にかなり誇張して示してある）。Ｆ１及びＦ２は直交するように示してあるが、任意の横断方向に作用する力の直交する分解成分でもよい。
【００３４】
関心が任意の方向における力から生じる曲げモーメント、例えばＦ１の曲げモーメントを測定することのみにある場合、センサー対、例えば３２ａはその方向に沿って配置される。
【００３５】
力又はトルク測定のための磁化の方向はここでは様々な特定な例を示してある。これまでの研究に関する限り、印加した力又はトルクが発生させる変形と、弾性材料内の磁界は完全に平行又は直角ではなく、該材料から発生する磁束は上記変形に従い、そして材料の限度範囲内において印加する力又はトルクに従い、予測的に変化することは、一般的に真実であると考えられる。ここで特に記載した例は、予測しうる変化が線形的であることを与える。
【００３６】
そして要約すると、トルク及び曲げ応力の両方の測定において、シャフトもしくはその関連部分は、磁気弾性を示す任意の材料から作ることができる。シャフトは、トルクが該シャフトに作用した場合に回転方向に変形するように（トルク検出への適用のケース）、あるいは力が該シャフトに作用した場合に線形的に変形するように（力センサーへの適用のケース）、任意の寸法、形状、規模とすることができる。シャフトは、熱処理が施されていてもよいし、施されていなくてもよく、その断面は円形、三角形、矩形あるは不規則な形状を含むその他の任意の形状であってもよい。シャフトはその全長に沿って同じ断面を有していなくてもよい。研究したところ、機械的強度が要求される場合には、磁化しうる鋼（０．２％〜１８％の範囲のニッケルと、所望によりコバルトを含有する）が良好な磁気弾性を示すように思われる。
【００３７】
トルクセンサーとして使用する場合、シャフトは固定されたままであってもよく、また回転してもよい。例えば、シャフトはトルクが付与された結果、１回転以上回転してもよく、また１回転以下回転してもよい。シャフトの一端が固定されている場合、該シャフトにトルクが作用した結果、角度的ずれによって誘起される回転は極めて小さい。トルクが作用する場合、シャフトから発生する磁界はトルクが作用しない状態から変化する。この特性は静的状態及び回転状態の両方において真実であり、従って、付帯する磁界検出装置は静的状態及び回転状態のいずれにおいても磁界の変動を検出することができる。
【００３８】
トルク測定の場合について述べると、トルクは図２ａ及び図２ｂに示すように時計方向又は反時計方向にシャフトに作用することができる。シャフト１０内の磁界２４は、時計方向のトルクが作用した場合（図２ａ参照）、シャフトの左端に向かって曲がる。シャフト１０内の磁界２４は、反時計方向のトルクが作用した場合（図２ｂ参照）、シャフトの右端に向かって曲がる。シャフトから発生する磁界２６の向きは、シャフトに作用するトルクの方向に依存することがわかる。
【００３９】
１又は複数の磁界検出装置を、磁束の方向（印加するトルクの方向の関数として−−図３ａ及び３ｂ）及び大きさ、つまり磁気信号ベクトルを検出するために設置することができる。磁界２６の方向は場合によっては検出する必要がない。磁束の方向を検出するために配置されなかった磁界検出装置は、磁束の大きさのみを検出する。
【００４０】
広範なトルク測定のために、シャフト内の磁界の配向を該シャフトの軸に関して実質的に任意の方向に設定することができることを特筆する。しかし、回転トルク測定に関しては、トルクのない条件における磁界がシャフト軸に平行であるか又はシャフト軸の回りに周方向に形成されている場合に、最も良好な結果が得られる。これまでは周方向の磁化のみ説明してきた。シャフトに磁化を誘起させる以下に示す例は、これら両方向の磁界配向に関わるものであり、その理論は異なった配向を持つ磁界に等しく適用される。
【００４１】
図１ａ〜３ｂを参照したトルク及び曲げ応力についての説明では、シャフトがある周方向の磁界を持つように磁化されているとしている。トルクセンサー及び力センサーが１つの周方向磁界で説明されている。より制御可能な測定では、１より多くの周方向磁界で行えることを示すことができる。１、２、３又は４の磁界が示されているが、より多くの磁界も使用可能である。複数の磁界は次の種々の理由により好ましい。
ｉ）外部磁界をキャンセルする助けをする。
ii）シャフトから発生する磁気信号の大きさを向上させる。
iii）「保護("guard", "keeper")」磁界となる。これは馬蹄形磁石の保護部材に類似している。馬蹄形磁石は、保護部材が設けられていれば長くその磁界を維持し、我々は信号磁界を「保護」するために余分に誘起された磁界を持つことができる。
iv）この保護磁界はシャフトに残る不要な磁界からの影響を減少させることもできる。変換磁界領域の両側の保護磁界は磁界ブロック手段として作用する。
【００４２】
シャフトをその全長にわたって、或いはその一部にわたって磁化させる方法に注目したい。シャフトは上述したように剛性であるか又は実質的に剛性であるものとする。もちろん、シャフトの外側に、該シャフトの磁気弾性効果に影響を及ぼさないようなメッキあるいは被覆を施すことも可能である。説明のため、周方向の磁化の例のものは、交互の極性を持つ複数の磁界とした。前述した単一の極性の磁界は記載する例の内の最もシンプルなものである。
【００４３】
図４ａ及び４ｂは複数の磁界がシャフト内にどのようにして誘起され、配置されるかを表す例を示す。図４ａでは、３つの磁界がシャフト１内に誘起されており、図４ｂでは４つの磁界がシャフト１内に誘起されている。３つ又は４つの磁界を実際に使用する例を、図１２ａ及び１２ｂを参照して以下に説明する。シャフトは、図４ａと４ｂにおいて、それぞれ小部分２１ａ、２１ｂ、２１ｃ、及び小部分２１ａ、２１ｂ、２１ｃ、２１ｄに分割された部分２１にわたって磁化されているように示されている。隣接する小部分は反対の極性を持つ。小部分を表す線は概念的なものである。
【００４４】
各小部分は、各永久磁石３８、又は同等な効果を与えるように配置された磁極を持つ電磁石装置３９（図４ｃ及び４ｄ）に対して、シャフトをその軸Ａ−Ａの回りに回転させることにより磁化される。各磁石のＮ−Ｓ方向はシャフトの周方向であり、磁石はシャフトに近接して配置される。周方向における磁石の極性はシャフトに誘起される磁界の必要極性に従い選択される。図４ｅ及び４ｆは同様な構成を示すが、周方向ではなく動径方向の磁極の場合である。採用した方法では、シャフトを回転させ、磁石又は励磁した電磁石をシャフト回転が続いている間はシャフトのところまでもっていき、次いで静止した回転シャフトから磁石又は電磁石を遠ざけるようにしてきた。このようにして、シャフトは、該シャフト内に磁界を形成すべく印加磁界の影響のもとで多数の回転を行う。
【００４５】
シャフト内に誘起される磁界の性質は以下のものを含むいくつかのファクターに依存する。
ａ）外部磁界の方向
ｂ）外部磁界の強度
ｃ）シャフトの回転方向
ｄ）シャフトが回転する速度
ｅ）シャフトと磁界誘起手段（これは例えば永久磁石又は電流の流れるコイルであることができる）との間の距離
【００４６】
シャフト１０又は１１（図３ａ）の全長が磁化されてもよく、シャフトの全長の内のより短い部分が磁化されてもよい。また先ずシャフトの全長を磁化した後、シャフトのより短い部分を磁化させることも可能である。ある場合には、シャフトの消磁を磁化の前に行い、別の場合には消磁を行わなくてもよい。
【００４７】
１又は複数の周方向の磁界２０、２１が下記の方法を含む多くの別の方法で導入された。
１．図５ａに示すように、シャフト１０の長手方向に直流電流６０を通過させる。電流はシャフト全体又はその一部のいずれかに流すことができる。図５ａは電流６０をシャフト全体に流す場合を示し、図５ｂは電流６０をシャフトの一部２０に流す場合を示す。後者の場合、電流はシャフトに取り付けられたリング状電極６０を介して流してもよい。得られた磁界２４は周方向のものである。磁界の方向は電流の極性に依存する。
２．図６ａに示すようにシャフトを回転させながら、シャフトの周囲に係合するブラシ又は歯車のごとき導電性接触部材７０により、電流６０をシャフト全体又はその一部に流す。これにより、図６ｂに示すように周方向の磁界２４が形成される。
３．図４ａ及び４ｂに示すようにシャフトを回転させながら、複数の永久磁石をシャフト１０のところまで持ってきた後、それらをシャフトから遠ざける。
４．図４ｇに示すようにシャフトを回転させながら、電磁石７２をシャフトのところまで持ってきた後、電磁石７２を遠ざけ、図４ｈに示す周方向の磁界を形成する。
５．図７ａ及び７ｂに示すように、中空のフェライトコア８１の回りにトロイダル状に巻回した電線８０に電流６０を流し、シャフト１０をその中に保持するか、又は磁化すべきシャフトの範囲に応じてシャフトにコアの中心を通過させる。図７ａの磁化形態の実施において、フェライトコアは実質的に動径方向に肉厚を有していることが好ましく、そうするとシャフトを磁化させるために作用する磁界がシャフトに近接したコイル巻の部分から優勢的となり、特に各コイル巻きの動径方向の内側における磁界の部分が優勢的となる。コイル巻はできるだけ密接して巻く必要がある。この磁界はコイル巻に対して垂直であり、トロイドの回りの周方向と同じ向きである。
【００４８】
図１４ａ及び１４ｂはシャフト１０のための別の磁化形態を示し、これはシャフトと磁石間の相対的な移動を含む。図１４ａは、磁化すべきシャフトの部分を軸方向に覆うように配置された１又は複数の磁石対２０１、２０２、２０３、２０４を示す。１つの磁石対、例えば２０１を図１４ｂに示す。２つの磁石２０５，２０６はシャフトに近接した端部が反対の極性を持ち、これら磁石の間のシャフトに磁界を付与すべく、これらの磁石の隣接する端部同士はわずかの間隔を保っており、該磁界は回転シャフトの一部において本質的に周方向となる。磁石は永久磁石か電磁石のタイプのものとすることが望ましい。
【００４９】
また、図１４aは、軸方向に沿った選択された極性を持つ２以上の周方向の磁界を形成する方法を示している。図１４ａの例では、交互の磁石対で、シャフトに対して反対の極性となっており、これにより図示の４つの磁石対の構成では交互の向きを有する周方向磁化を持つ４つの磁化領域を形成する。
【００５０】
上記１、２、５は、シャフトの関係する磁化可能な部分が少なくとも導電性であるとしている。
【００５１】
軸方向に配向する磁界１２は次のようにして導入することができる。
１．図８ａに示すようなソレノイド９０の中でシャフト１を磁化しうるコアとして使用し、図８ｂに示す平行な長手方向の磁界を形成する。図８ａ及び８ｂは磁化されたコアの一部を示すが、図８ｃ及び８ｄは全シャフトの磁化を示す。ソレノイド９０は直流電流６０で励磁される。
２．図９ａ及び９ｂに示すように、シャフト１を、同じ軸上に配置し、互いに離間し、かつ一方のコイルのＮ極が他方のＳ極に対向するように接続された２つの電流を通すコイル９４と９５の間に保持する。２つのコイル間の磁束線は一方のコイルから他方のコイルに直接かつ均一に流れる。このようにして配置したコイルは一般にヘルムホルツコイルと称されている。
【００５２】
図８ａ〜８ｄと９ａ〜９ｄに示す方法は、シャフト１に既知の軸方向に配向した磁界２５を導入するために使用することができ、その結果シャフトの磁気的状態を知ることができる。既に述べたように、軸方向の磁界はトルクセンサー又は力センサーにおいて直接使用することができる。また、それは周方向磁界を形成する先駆手段として使用してもよい。軸方向の磁化は、未知の磁気的状態のシャフトをトルクセンサー装置における使用のために磁化させる場合に有効に用いることができる。シャフトは未知の磁気的状態であってもよい。何故ならば、シャフトの製造に使用される方法、シャフトが保存される環境は、これらのシャフトの中に未知で、予測できない不均一な磁界を誘起しうるからである。シャフトに作用するトルクを検出するため磁気弾性的に使用される周方向の磁界を導入する前に、シャフトに軸方向に配向した既知の磁界を導入する別の方法は、シャフトを消磁することである。トルク測定のためには周方向の磁界を使用することが好ましい。このような磁界は適切に形成されれば、トルクのない状態で外部磁界をゼロとし、トルクが存在する状態で発生した磁界の極性をトルクの方向に依存させることができる。
【００５３】
シャフトに導入される１又は複数の磁界は自動的に校正することが可能である。この技術は、磁界検出装置とともに使用される校正されたシャフトにより、大量生産において一貫性がありかつ繰り返し性のよいトルクセンサーの提供を可能とする。また、この技術は、標準的な検出システムのセットの設計、製造及び使用を可能とする。検出システムはセンサー回路とともにコイルから構成することができ、これにより一つの検出システムのセットを、種々の異なるシャフトとともに使用することができる。シャフトは、最終的な適用において該シャフトに作用するトルクに依存して該シャフトに導入される磁界を有する。つまり、各シャフトは下記の事項にかかわらず、その適用において同じ磁界の大きさ又はベクトルを発生するようにプログラムされる。
１．シャフトが置かれている状況
２．シャフトが作られている材料
３．シャフトがその弾性限度を超えない限りにおいて、シャフトに作用するトルクの大きさ及び向き
【００５４】
また、シャフトを自動的に校正することは、トルクが作用するときシャフトから発生する磁界が磁化領域の周囲の３６０度全体にわたって同じとなることを保証する。このことは重要である。何故ならば、シャフトはその組成に欠陥を有しているかもしれず、それはシャフトの回りの異なった場所から発生する磁界の強度に変化を生じさせるかもしれないからである。
【００５５】
大量生産の環境において特に重要となると思われるシャフトのこの自動的校正は、次のことにより実現する。
１．上述の方法の一つを用いてシャフトに周方向の磁界を導入する。この磁界はその適用において最終的に要求されるものより小さくなければならない。
２．シャフトへ既知のトルクを適用する。
３．シャフトから発生する磁界を測定し、次いでそのシャフトを、同じ既知の試験条件のもとで同じ材質、寸法の典型的なシャフトに対して期待される呼称磁界と比較する。
４．これらの試験結果を用い、特定の適用により要求される磁界の正確な大きさを適正に発生させるために必要な磁界の大きさがどのくらいの強度であるか決定する。そしてこの磁界の正確な大きさは、上述の方法の一つを用いて導入することができる。
【００５６】
この技術は、以前消磁されたシャフトもしくは消磁されなかったシャフト、あるいは既知の軸方向の磁界で磁化されたシャフトもしくは磁化されなかったシャフトにおいて使用することができる。
【００５７】
任意の適用において、全てのシャフトは同じ条件下で同じ磁界を発生させなければならない。しかし、その適用における全てのシャフトは同一ではなく、同じ磁界をこれらシャフトに導入する必要はない。
【００５８】
（呼称シャフトと称することができる）あるシャフトを採用し、それにある磁界を導入することが可能である。そして既知の大きさのトルクを付与することができ、発生する磁界を検出することができる。そしてより大きな磁界を、その適用のために最適な磁界が形成されるまで、導入することができる。
【００５９】
その適用のためのある特定のシャフトにどのような（大きさの）磁界を導入するかを決定するために、呼称シャフトに導入したものと同じ初期磁界を製造されたシャフトに導入すべきである。既知のトルク条件のもとで製造されたシャフトから発生する磁界を呼称磁界と比較すると、どのような最終磁界が製造シャフトに導入されるべきか決定することができる。このようにして、全ての製造シャフトは、それらが同じ磁界を導入される必要がない場合であっても、同じ条件下で同じ磁界を発生させる。
【００６０】
完成したトルクセンサー装置は、例えばホール効果装置、磁束計、磁気抵抗装置、コンパス等を利用することができる。前述した米国特許第５１２４６４８号に記載されているような飽和コイル装置を使用することが望ましい。
【００６１】
コイルセンサーは、磁化されたシャフトから発生する磁界を検出するために１又は複数の誘導コイルを使用することができる。１、２、４及び８個のコイルが提案されている。１又は複数のコイルは、発振駆動回路により極性が交互に変化する飽和まで駆動される。１又は複数のコイルが飽和する正確な点は、該コイルに作用する磁界に依存する。センサー回路は該飽和点を検出し、それに応じた信号を出力する。好ましい信号調整回路は公開された国際特許出願ＷＯ９８／５２０６３（ＰＣＴ／ＧＢ９８／０１３５７）に記載されている。
【００６２】
回転シャフトの反り又は横方向の動きを補償すること。図１０ａ及び１０ｂは直径方向において対向した一対の、もしくは一セットのセンサー３２ａ、３２ｂを示し、これらのセンサーの全磁束測定の結果は一方のセンサー（図１０ａ）又は他方のセンサー（図１０ｂ）に向かうシャフト１０の動きを補償する。同様な構成を、図示のものに対して直角な方向において適用することができる。２以上、あるいは２対以上のセンサー素子を使用することができる。図３ａの力検出の適用においては、４つのセンサー素子がシャフトの回りに配置されているが、これは素子又は素子対がシャフトの回りに等間隔で配置される限り、より多くの数のものに拡張することができる。
【００６３】
複数の磁界センサーの使用は、シャフトがトルク適用に必要な誘起を生じさせる回転運動以外の動きを示しても、シャフトに作用するトルクをシステムが正確に測定することを可能とする。これらのシャフトの動きは、シャフトの軸の横断方向であっても、軸方向であってもよく、またシャフトの反りであってもよく、さらにこれらの任意の組み合わせであってもよい。
【００６４】
また、複数の磁界検出装置は、システムが地磁気のような外部磁界の影響を打ち消すことを可能とする。これらの外部磁界は一定であっても、時間とともに変動していてもよい。外部磁界は、効果的に、ある１つの検出装置あるいは検出装置のセットに正のオフセットを与え、別の１つの検出装置あるいは検出装置のセットに負のオフセットを与える。そしてこれら２つのオフセットは互いに打ち消し合う。図１１ａは２つのコイルタイプセンサー素子３５ａ、３５ｂの構成の仕方を示し、これら素子は、シャフトから発生する磁気信号を検出することができ、またこれら素子は、任意の外部磁界がこれら素子に等しくかつ互いに反対に影響を与えるように並置される。この構成は、通常、シャフトが２以上の磁界で磁化され、各磁界が各コイルと協働することを要求する。トルク又は力がシャフトに作用すると、作用する力又はトルクに直接比例する発生磁界は互いに反対の極性を持つ必要がある。図１１ｂは２つの反対極性の磁界、すなわち２１ａ、２１ｂ及び２つのコイル磁界検出装置の配置の仕方の例を示す。図１１ｃは同様な２つの磁界を示し、この場合は２対のコイルタイプ磁界検出装置３５ｃ、３５ｄにより検出される。この構成は、外部磁界と、シャフトの動きから生じる任意の影響を打ち消し合わせ、その理論は上述した多くの対の検出装置の使用にも拡張できる。図１１ｂ及び１１ｃの検出コイルの直列相互接続は、検出されたトルクによる電圧（コイル中のこれら電圧は図示のように反対極性である）を加え、通常の外部磁界（これらは図示のように同じ極性である）を打ち消しあうようにすることに着目されたい。
【００６５】
シャフトに導入される磁界の数及びシャフトから発生する１又は複数の磁界を検出するための磁界検出装置の数は適用に依存し、ケースバイケースに選択される。
【００６６】
シャフトに沿って軸方向に配置された複数の周方向磁界の使用は、トルク変換素子としての内部ゾーンのパフォーマンスを高めるべく内部磁界の両側に対する保護磁界を利用する新しい方法において利用される。図１２ａは３つの磁界、つまり１つの変換磁界及び２つの保護磁界を用いた状況を図式的に示したものである。
【００６７】
図１２ａには、磁気弾性を示すことのできる材料からなる剛性のシャフト１５０が示されている。シャフトの１５２の部分は印加磁界を受け、３つの隣接ゾーン１５４，１５６、１５８を形成し、これらは矢印で示すように周方向の磁化を持ち、外側のゾーン１５４と１５８は内側のゾーン１５６と反対極性の磁化を持つ。ゾーン間に示された境界は説明の簡潔性のための純粋に概念的なものである。この構成は、一般に図４ａに示すものに従い、上述したように適当な外部磁化手段を用いることにより得られる。シャフトに何らトルクがない場合、周方向磁界はシャフト内に含まれるとする。磁界センサー１６０はゾーン１５６に近接して配置され、シャフトがトルク下にあるときこのゾーンから発生する磁界を検出する。センサー１６０はゾーン１５６にのみ対応する。ゾーン１５４及び１５８から発生するいかなる磁界にも影響されない。センサー１６０は単一の検出装置もしくは所望の複数の検出装置の配列からなり、信号処理回路１６２に接続される。となりのゾーン１５４及び１５８は、シャフト１５０がトルクを受けたとき、外部検出のための磁界の自己発生に直接加わるものではない。これらは内側ゾーン１５６からの外部磁界の発生を高める保護ゾーンとして作用するものである。この効果の説明は以下のものであると考えられる。
【００６８】
ゾーン１５４、１５６及び１５８の各々における各周方向磁界は、シャフトにできるだけ深く広がるように印加される。研究したところ、実際には磁化はシャフトの中心コアを貫通していないことがわかった。このことは、既に述べたように、コアの体積が実際の動作の何の役割もしていないので、剛性のシャフトが中心の内腔を組み込むことができることを意味する。しかし、シャフト材料の実質的な動径方向の厚みは、例えば円形シャフトとしたときにシャフトの半径の７０％以上となる。
【００６９】
保護ゾーン１５４及び１５８内の磁界の効果は、内側ゾーン１５６に反対極性の磁界をはね返すことである。これは、シャフトがゾーン１５６内の周方向の磁界をゆがめさせようとするトルクのもとにある場合に特に適用でき、その結果、磁極はゾーンの軸方向の両端に形成され、両端をリンクする磁束を発生させる。保護ゾーンの効果は、シャフトの材料内に自身が形成するこのリンク磁束に対抗するように動作することであり、この効果はセンサー１６０に対しては得られず、リンク磁束に外側のエアパスをとらせ、これによりセンサー１６０による検出のためにゾーン１５６から発生する。
【００７０】
このようにシャフト自身の一部により構成される変換素子の回りに保護磁界を設けることは、上記で詳述した別個の変換素子を形成する従来技術の複雑さを避けることができる利点を組み入れるだけでなく、これは、外部センサーにより検出可能な外部トルク依存磁界を形成させる有効的手段とともに、到達すべき磁化の深さレベルを材料の実質的な深さにまで到達可能とする。保護磁界はまた付加的な機能も果たす。保護磁界は変換磁界又は保護磁界間の磁界（図１２ｂ）が漏洩したり、使用中に劣化したりすることを防止する助けをする。これは安定化の機能である。また、保護磁界は変換磁界又は保護磁界間の磁界を、シャフトのどこかに誘起される磁界により妨害されることから保護する助けをする。これはブロック機能である。
【００７１】
検討の結果、今述べた技術は、使用中に、変換装置を磁気的な妨害に対する感度を小さくする傾向があることが示された。従来技術の別個の薄いリング変換装置は、特別な遮蔽手段が採用されなければ、このような部分による妨害をむしろ受け入れやすくする。保護リングを有するシャフトの一部として上記で提案した変換素子は、この問題を非常に減少させるように思われる。
【００７２】
図１２ｂは、図１２ａの保護磁界の原理を、変換磁界として作用する２つの内側の互いに反対極性の周方向磁界１５６ａ、１５６ｂの補助により検出を行うケースに適用したものである。２つのゾーン１５６ａ及び１５６ｂにより発生した磁界はセンサー装置１６０ａ、１６０ｂにより検出され、これらセンサー装置は、変換システムが、地磁気の如き外部磁界の影響を補償することを可能にする。図１２ｂにおいて、２つの保護リング磁界１５４及び１５８は反対極性であり、その結果、各保護リング１５４及び１５８は、隣接する内側変換磁界１５６ａ及び１５６ｂに対してそれぞれ反対極性となる。そして各内側変換磁界１５６ａ及び１５６ｂは反対極性の２つの磁界に境界付けられる。
【００７３】
各々の側で反対極性を持つ各磁界を有する一方の極性の変換磁界の効果について、隣接する磁界が保護磁界であるか、変換磁界であるかにかかわらず、具体例により図１２ａを参照して以下のように考慮することができる。トルクが図示の如く、領域１５６の左右両側にそれぞれＮ極とＳ極となるように形成されるようにトルクが作用するものとする。保護磁界１５４及び１５８には同じトルクが存在するが、領域１５６に対して反対極性の周方向磁界のため、これら保護磁界はそれぞれ右及び左にＮ極及びＳ極を持つようになる。そしてゾーン１５４及び１５６の間の境界で、隣接する極（Ｎ極）のようなものが存在し、ゾーン１５６及び１５８の間に隣接する極（Ｓ極）のようなものが存在する。隣接したゾーンからトルクが発生させる磁界は互いに反発しあう。その結果、材料内の磁束により閉塞される傾向にある単一のゾーンにおいてトルクが形成する磁界というよりむしろ、該磁束は、該領域の外側にある閉ループから外側に発生し、１６０の如きセンサーにより検出可能となる。
【００７４】
前述のパラグラフより、境界領域における磁界の反発が有効のままであれば、隣接する領域をある程度分離させることができることがわかる。
【００７５】
本発明の別の実施例を図１３ａ及び１３ｂに示す。この実施例も、トルク検出の効率を向上させるために剛性シャフトからの磁束の発生を高めることに関するものである。
【００７６】
既に述べたように、シャフト内の変換素子の周方向磁界により、無トルク状態の磁束は本質的にシャフト内に含まれ、外部磁界センサーはゼロ出力を形成する。変換素子がトルクを受けたとき、周方向磁界はゆがみ、変換素子の軸方向の両端は２つの極をリンクする磁束を発生する反対極性磁極として動作する。この磁束はセンサー構成により検出可能な、外部のトルク依存性磁界を与える。
【００７７】
ここでシャフトの外側にリンク磁束を発生させる補助をする変換素子を与えるシャフトのゾーンの両端に設ける手段を提案する。
【００７８】
図１３ａを参照すると、剛性のシャフト１７０が示され、このシャフト１７０は外側に突出した一体の環状部分１７２を有している。すなわち、環状部分１７２の材料はシャフトのそれ以外の材料と同様均質であり、該リングはキャスティング又はシャフトを機械加工することにより作られている。この部分１７２は変換素子を提供するために周方向に磁化されている。これは部分１７２の露出端１７４及び１７６の間を延びる一つの周方向磁界となる。この部分１７２は露出端１７４及び１７６を有しており、これらはセンサーによる検出のために両端の間の外部ループにリンクする部分１７２から逸脱する磁束の能力を向上させる。両端１７４及び１７６は傾斜を有していてもよく、実際にはその角部が丸みを帯びていることが好ましい。この環状部分は正多角形、平坦、円筒形以外の外部表面プロフィールを有することができる。
【００７９】
環状部分１７２は２以上の周方向磁界をサポートすることもできる。例えば、２つの反対極性の磁界をサポートすることができ、その一方は端部１７４から延び、他方は端部１７６から延びる。２つの磁界の境界において、外部磁束の発生は、図１２ａ及び１２ｂに関連して既に述べた相互反発により支援される。一方、各周方向磁界の別の境界においては、磁束発生は２つの露出端の各々により支援される。このようにして２つの変換素子が提供される。
【００８０】
図１３ｂはシャフト１７０の変形例を示すもので、これは変換リング部分が他のシャフト本体のプロフィールから突出することを避けたものである。この場合、変換リング部分１７２は一対の環状溝１７８及び１８０を機械加工することによりシャフト本体のプロフィール内に制限される。環状溝１７８及び１８０は磁束発生を高めるために露出端１７４’及び１７６’を形成する。
【００８１】
突出プロフィール技術の別の変形例を図１３ｃに示す。この図は独立に適用された２つの特徴を持つ。
【００８２】
第１の特徴は、例えば、反対極性の周方向磁化を持つ別個の変換素子を形成する、軸方向に離間した部分１７２ａ及び１７２ｂの如き２以上の一体部分を設けたことである。この場合、各部分１７２ａ及び１７２ｂは各々に関連する単一の磁化方向を有する。各部分は図１３ａを参照して述べたトルク依存磁界を発生する両端部を与える。
【００８３】
また、図１３ｃに示す第２の特徴は、ベース部分から段々狭くなっている階段状の環状部分を形成していることである。この構成は、部分１７２ａ、１７２ｂが比較的小径のシャフトからかなり動径方向の外側に突出している場合において機械的強度の面から好ましい。このケースの場合、各部分もしくは単一の部分における変換磁界は、本質的に上段部１７３の横方向の制限内に含まれ（かつシャフト本体の内部に広がる）、磁界の発生は上側の側面１７４ａ、１７６ａから主として行われる。
【００８４】
図１３ａ、１３ｂ、１３ｃの一体的変換素子構造はシャフトに作用するトルクに固有に応答し、別個の変換リングを設置する問題を避けることができる。また、これら実施例は１又は複数の変換素子内においてある極性の単一の周方向磁界を用いる場合に特に適用される。
【００８５】
また、図１３ａ及び１３ｃの突起プロフィールの実施例は、別の問題の解答を与えるか、あるいは少なくとも実質的な軽減策を与えることにおいて価値がある。
【００８６】
機械的力を伝達する全てのシャフトは、機械的損傷が発生する前に耐えうることができるトルク／力サイクルにつき限界を有する。これは降伏点として工業上定義されている。
【００８７】
ここで述べているトルク／力センサー技術は、シャフトがある点（通常降伏点に対するある割合の点として定義されている）を超えてトルク／力を受けるような機械的過負荷に対して敏感である。シャフトがトルクを受けている場合、作用する任意のトルクに対してシャフト径が小さいほど、内部応力は大きくなる。結局、使用において、測定精度に影響を与えるシャフト材料の弾性に履歴現象が発生する。図１２ａの例を図１５とともにとってみる。変換領域１５６により発生する磁界と、センサー装置１６０により出力される対応信号は、通常、図１５に示すように直線１９０となる。図１５では、出力磁界強度ＭをトルクＴに対してプロットしてある（負のＴ軸は回転の方向が反対であることを示す）。しかし、１９２におけるように、トルクがある限界を超えたとき、カーブは非線形となり、応答は異なったライン１９４に沿って戻る。図示のように機械的な履歴ループが変換素子のサイクルに形成される。
【００８８】
この不都合の可能性は、トルク測定を行う領域においてシャフト径を増加させることにより除去できるか、あるいは少なくとも軽減させることができる。これは図１３ａ及び１３ｃの突出プロフィール部分によって行うことができ、これらは既に述べたように変換素子を提供するだけではなく、増加したシャフト径を与え、これによりトルク測定ゾーンにおける材料中の応力を低減させる。
【００８９】
作用するトルクが非常に大きい場合に永久的に変形したり或いはその弾性限度を超えて応力が加わるシャフト自身の物理的限界以外に、トルクセンサーの形状に対して過負荷限界を存在させないように応力を加えることが重要である。
【００９０】
要約すると、本発明の実施例を以上述べてきたが、次の点が特に着目されるべきである。
１．一部又は全長にわたって磁化されているシャフトは、該シャフトの磁化された部分から発生する磁束の変化を検出することによりトルクセンサー又は力センサーにおいて使用することができる。これは、シャフトから発生する磁束の大きさが作用するトルク又は力に従って変化することによる。
２．トルクのない条件又は力が作用しない条件の下でシャフトから発生する磁束はゼロであってもよく、ゼロでなくてもよい。
【００９１】
３．シャフト内に誘起される磁界は周方向、軸方向又はその他の方向であることができる。１又は複数の任意の磁界が存在していてよい。複数の磁界を、以下の１又はそれ以上の理由により利用することができる。
ａ．外部磁化を打ち消すため（シャフト内で反対方向の磁界を使用することにより、これらの磁束は反対極性のセンサーにより検出される）
ｂ．シャフトから発生する信号の大きさを改良するため
ｃ．保護磁界とする
ｄ．この保護磁界はシャフト内で磁気信号をそれ以外の信号から防ぐ役割も行う
【００９２】
４．シャフトは次のものであることができる。
ａ．任意の形状
ｂ．実質的に剛性の断面
ｃ．積層されているか、メッキされているか、そうでなくてもよい
ｄ．熱処理されている、あるいは熱処理されていない
ｅ．不規則な断面
ｆ．回転するか、回転しない（トルクセンサー用）：動くか、動かない（力センサー用）
【００９３】
５．これらの磁界から発生する磁束は１又はそれより多くの磁界検出素子により検出することができる。
６．１又は複数の磁界を以前消磁した、あるいは消磁していないシャフト内に導入することができる。従って、シャフトは磁化されたある部分又は磁化されていないある部分を持つことができる。トルク又は力のもとで磁束を発生する磁化された部分は磁化された、あるは磁化されていないシャフト部分により境界付けされることができる。
【００９４】
７．シャフトに磁界を導入する方法は多数あり、これらは磁化中に回転していてもよく、回転していなくてもよい。下記のものを用いることができる。
ａ．シャフトを流れる電流
ｂ．電磁石
ｃ．永久磁石
ｄ．電流が流れるコイル。これは他の物体（例えばトロイド）の回りを巻回されていてもよいし、されていなくてもよい。
【００９５】
８．シャフトから発生する磁束を検出する多くの方法があり、１又は複数の検出素子がシャフトに導入された１又は複数の磁界と関連して使用することができる。
ａ．固体センサー
ｂ．ホール効果素子
ｃ．磁気抵抗装置
ｄ．磁束計
ｅ．コンパス
ｆ．誘導コイル シャフトから発生する磁束の大きさ及び向きに依存する出力を与える検出素子の使用は、トルク又は力ベクトルの指標を提供することができる。磁束の大きさのみに依存する出力を与える素子の使用は、トルク又は力の大きさの指標を提供する。
【００９６】
９．トルク又は力センサー内において変換器として動作しうるシャフトを製造する方法
ａ．（任意のステップ）シャフトを消磁するか又は磁化することによりシャフト内に既知の磁気的状態を確立する。
ｂ．１又は複数の既知の磁界をトルク又は力センサーを作るためにシャフト内に導入する。この（あるいはこれらの）磁界は上述のように任意に配向していてよい。既知の磁界はトルク又は力センサーへの適用において要求される磁界より小さくなければならない。
ｃ．既知のトルク又は力を印加し、シャフトから発生する磁束（又は磁束の変化）を測定し、それを期待値と比較する。
ｄ．実際の値と期待値との間（又は実際の変化と期待変化との間）の差を、シャフト内の磁界の強度を増加させるために使用。これにより、全トルク又は力に対する磁束の「正確な」量を発生させることができる。
【００９７】
１０．複数の検出素子を、外部磁界の影響を打つ消すために設置することができる。
１１．複数の検出素子を、シャフトの横方向の動きを補償するためシャフトの回りに設置することができる。
【図１ａ】
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【図１ｂ】
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【図２ａ】
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【図２ｂ】
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【図３ａ】
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【図３ｂ】
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【図４ａ】
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【図４ｂ】
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【図４ｃ】
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【図４ｄ】
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【図４ｅ】
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【図４ｆ】
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【図４ｇ】
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【図４ｈ】
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【図５ａ】
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【図５ｂ】
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【図６ａ】
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【図６ｂ】
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【図７ａ】
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【図７ｂ】
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【図８ａ】
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【図８ｂ】
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【図８ｃ】
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【図８ｄ】
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【図９ａ】
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【図９ｂ】
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【図１０ａ】
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【図１０ｂ】
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【図１１ａ】
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【図１１ｂ】
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【図１１ｃ】
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【図１２ａ】
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【図１２ｂ】
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【図１３ａ】
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【図１３ｂ】
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【図１３ｃ】
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【図１４ａ】
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【図１４ｂ】
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【図１５】
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