(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半径方向に離れた位置間にトルクを伝達することを示す出力信号を知覚する磁気弾性トルクセンサであって、
対向する１以上の環状表面と中央回転軸とを有するほぼ円盤状の部材で、該部材は強磁性体で、かつ磁気歪を生ずる第１の磁気弾性域を含み、該磁気弾性域は一つの円周方向に分極され、さらに前記部材に前記一つの円周方向に対してトルクをかけた後、トルクがゼロになる場合は、前記磁気弾性域の磁気を解消するのに十分な磁化異方性を有し、それによって、トルクが前記部材にかかると前記磁気弾性効果域はかけられたトルクの変化により磁界が発生する前記ほぼ円盤状の部材と、
前記部材と第１のトルク伝達要素との間でトルクが比例的に伝達されるように、前記部材の前記回転中央軸において直接または間接的に取り付けられるか或いは部材の一部を形成する第１のトルク伝達要素と、
前記部材と第２のトルク伝達要素との間でトルクが比例的に伝達されるように前記部材の周縁において、直接または間接的に取り付けられるか或いは部材の一部を形成する第２のトルク伝達要素と、
一方の要素がそれを通して前記部材にトルクを伝達する要素であり、他の要素が自己を通しトルクを前記部材上を放射状に部材外に伝達する第１と第２の要素と、
前記磁気弾性効果域に近く搭載され、その位置において磁界の強度感知する方向性を有し、前記感知に伴って感知信号を出力する磁界センサ手段とを有し、
少なくとも前記部材の前記磁気弾性効果域が、トルク感知の目的で前記磁界センサの観点から感知すべき正味の磁界の必要な値を消滅するほど強い寄生磁界を前記部材に隣接する区域に発生させるような磁化をさせないだけの強さの保磁度を有する材料で形成される磁気弾性トルクセンサ。
【請求項２】
前記部材が多結晶材料からなり、前記一つの環状方向に沿って対象的に配置されてる９０°４分円内に地域的磁化率分布が少なくとも５０％で分布されている請求項１記載の磁気弾性トルクセンサ。
【請求項３】
前記部材は各結晶が立体対象である多結晶からなる請求項２記載の磁気弾性トルクセンサ。
【請求項４】
前記部材がマルテンサイトステインレススチール、クロームとニッケルを含む急冷硬化ステインレススチールおよび、急冷熱処理による合金スチール、工具鋼、高ニッケル含有マルエージ鋼、延性永久磁石鋼、磁石鋼、パーメンドル、アルファ、コバール硬引ニッケル、硬引パーマロイからなるグループから選出された材料からなる請求項１記載の磁気弾性トルクセンサ。
【請求項５】
前記部材の解磁力が１５エルステッド以上である請求項１記載の磁気弾性トルクセンサ。
【請求項６】
前記部材の解磁力が２０エルステッド以上である請求項１記載の磁気弾性トルクセンサ。
【請求項７】
前記部材の解磁力が３５エルステッド以上である請求項１記載の磁気弾性トルクセンサ。
【請求項８】
前記磁界センサ手段が固体センサである請求項１記載の磁気弾性トルクセンサ。
【請求項９】
前記磁界センサ手段が磁束ゲートインダクタである請求項１記載の磁気弾性トルクセンサ。
【請求項１０】
磁界センサ手段が磁気弾性効果域についてその磁界の極性を感知するように搭載され、方向付けられたセンサである請求項１記載の磁気弾性トルクセンサ。
【請求項１１】
前記前記磁界センサ手段が磁気弾性効果区域に近接して固定された請求項１０記載の磁気弾性トルクセンサ。
【請求項１２】
前記センサ手段が磁気弾性効果区域上の半径的中心に位置する請求項１０記載の磁気弾性トルクセンサ。
【請求項１３】
前記センサ手段が前記部材の一方の表面に近接して位置する少なくとも２つのセンサを有する請求項１２記載の磁気弾性トルクセンサ。
【請求項１４】
前記センサ手段が前記部材の両面にそれぞれ位置する１つづつのセンサを有する請求項１１記載の磁気弾性トルクセンサ。
【請求項１５】
前記部材が回転軸の厚い端部から薄い周辺部へ放射状にテーパーしている請求項１１記載の磁気弾性トルクセンサ。
【請求項１６】
前記センサ手段が前記部材の周辺部に位置する請求項１５記載の磁気弾性トルクセンサ。
【請求項１７】
前記磁気弾性効果域が、少なくとも２つに円周上に分離されて磁気的に隣接し、円周方向に分極されて円周的に配置された領域からなる請求項１記載の磁気弾性トルクセンサ。
【請求項１８】
前記センサ手段が前記部材に隣接して置かれ、隣接した反対極性の周辺領域との接続部分に置かれている請求項１７記載の磁気弾性トルクセンサ。
【請求項１９】
前記磁気弾性的活性領域は二つの隣接した反対極性の環状領域から成り、前記センサ手段は同一の放射線に沿って置かれた二つのセンサから成り、それぞれのセンサは隣接した反対極性の領域の各々の半径的中心部位に位置している請求項１７記載の磁気弾性トルクセンサ。
【請求項２０】
前記磁気弾性的活性領域は、前記部材に適用されたトルクがないときは、前記部材の放射方向に正味の磁気コンポーネントを持たない周辺磁気方向性を持つ請求項１記載の磁気弾性トルクセンサ。
【請求項２１】
前記第１のトルク伝達要素が軸を前記部材に連結するためのハブ手段を有する請求項１記載の磁気弾性トルクセンサ。
【請求項２２】
前記第２のトルク伝達要素が力伝達手段を前記部材に連結するためのリム手段を有する請求項１記載の磁気弾性トルクセンサ。
【請求項２３】
前記第１および第２のトルク伝達要素が低い導磁性金属で形成される請求項１記載の磁気弾性トルクセンサ。
【請求項２４】
前記第１および第２のトルク伝達要素を前記磁気弾性活性領域から間隔を置くための低導磁性間隔手段を含む請求項１記載の磁気弾性トルクセンサ。
【請求項２５】
半径方向に隔てた位置の間を伝達されるトルクを検出する方法であって、
（ａ）対向する１以上の環状の表面と中央回転軸とを持つ強磁性体で磁歪性の円盤形の部材より成る磁気弾性活性領域を備え、前記領域は一つの円周方向に分極化され、さらに前記部材に前記一つの円周方向に対しトルクをかけた後、トルクがゼロになる場合は、前記磁気弾性域に磁気を解消するのに十分な磁化異方性を有し、前記磁気弾性活性領域は強力な保磁度を有する材料から構成され、その保磁度は該磁気弾性活性領域によって誘導された磁気弾性活性領域に隣接する前記部材のトルク誘導磁気領域を、トルク感知の目的で前記磁気感知手段によって感知される正味の磁界の有効性を破壊するのに十分な強度を有する寄生磁場を発生するような磁化をしない程の十分な保磁度である磁気弾性活性領域を備えるステップと、
（ｂ）直接或いは間接的に前記部材の中央回転軸と前記周辺部材とに取り付けられているか、若しくは部材に組み込まれているトルク伝達要素が前記部材と伝達要素間に比例的に伝達されるように第１と第２のトルク伝達要素を設備するステップと、
（ｃ）前記第１と第２の伝達要素のいずれかによって、前記部材の半径方向へ該伝達要素を通して伝達し、前記他の伝達要素を通して部材の外方に向けて伝達するようにトルクを伝達するステップと、
（ｄ）前記部材を半径方向にトルクを伝達することによって、磁気を発生するステップと、
（ｅ） 前記部材を通して伝達したトルクの大きさの表示として前記磁気弾性活性領域に隣接する位置の磁界強度を感知するステップとを有する、半径方向に隔てた位置間に伝達するトルクを感知するトルク検出方法。
【請求項２６】
前記部材は多結晶材料で形成され、少なくとも５０％の地域磁化の分布が一つの環状方向まわりの９０°４分円対象配列内にある請求項２５記載のトルク検出方法。
【請求項２７】
前記部材は、各結晶が立体的対称を有する多結晶材料から形成される請求項２５記載のトルク検出方法。
【請求項２８】
前記磁気弾性的活性領域の飽和保持度は１５よりも大きい請求項２５記載のトルク検出方法。
【請求項２９】
検査ステップは磁気センサを前記磁気弾性的活性領域の近くに間隔を置いて配置することによって、少なくとも一部分を完了する請求項２５記載のトルク検出方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
発明の分野
本発明はトルクセンサに関し、特にディスク型の部材において半径方向に伝達されるトルクを測定する非接触磁気弾性トルクセンサに関する。
発明の背景
回転する駆動軸をもつシステムの制御においては、トルクと速度とは重要な基本的パラメータである。したがって、トルクを正確な、確実な、かつ安価な仕方で感知し測定することは、数十年間の技術者の主要な目的であった。
【０００２】
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型センサを用いて行われていた。「ひずみ計」型トルク検出装置は、１つのそのようなセンサである。このトルク検出装置においては、シャフトの外周面に直接に１つまたは複数のひずみ計が取り付けられ、ひずみによって生じる抵抗変化がブリッジ回路または他の周知の手段によって測定される。しかし、接触型センサは、回転しているシャフトに直接接触するので、比較的に不安定であって信頼性が制約される。さらに、接触型センサは、非常に高価であり、したがって、自動車の操縦システムのような、トルクセンサが現在必要とされている用途の多くにおいて他のセンサと競合しながら使用するには商業的に実用的ではない。
【０００３】
次に、磁歪型の非接触型トルクセンサが、回転しているシャフトに使用するために開発されている。例えば、ガルシェリス（Ｇａｒｓｈｅｌｉｓ）に与えられたＵ．Ｓ． Ｐａｔｅｎｔ Ｎｏ． ４，８９６，５４４には、トルク保持部材と磁気弁別器を備えたセンサが開示されている。トルク保持部材は、適度に強磁性と磁歪性をもつ表面と、２つの軸方向に別個の環状のバンドとを有する。この２つのバンドには、それぞれ、磁気異方性によって誘起された、対称な螺旋状に向く残留ひずみが与えられている。磁気弁別器は、等しい軸方向磁化力に対する２つのバンドの応答の相違を、該トルク保持部材に接触しないで検出する。最も典型的には、磁化と検出とは、前記２つのバンドの上に重ねて該バンドを取り巻いた１対の励起コイル、すなわち磁化コイルを設け、該コイルを直列に接続して交流によって駆動することによって達成される。トルクは２つのバンドの磁束から生じる差信号を測定するために逆方向に接続された１対の感知コイルを使用することによって検出される。不幸なことに、このセンサが使用される装置の上および周囲に、必要な励起コイルと感知コイルを設けるために充分な空間を設けることは、空間が不足している場合にはこの装置を使用する上において実用上の問題を生じる。また、このようなセンサは、例えば、自動車に使用する場合のように、費用競争が激しい装置に使用するためには、実用に成らない程度に高価であると考えられる。
【０００４】
最近、初期時に環状の残留磁化の傾きによって誘起されたトルクから起こる磁界の測定に基づくトルクトランスデューサが開発されている。このトランスデューサの望ましい態様には、磁界発生素子として働く薄壁のリング（カラー）を使用する。例えば、ガルシェリス（Ｇａｒｓｈｅｌｉｓ）に授与されたＵ．Ｓ．ｐａｔｅｎｔ Ｎｏ． ５，３５１，５５５およびＮｏ．５，５２０，０５９を参照されたい。リングにおける「フープ（ｈｏｏｐ）」引っ張り応力は、測定しているトルクを保持しているシャフトへ当該リングを取り付ける手段と結合して、円周方向に向く強い１軸性の主要異方性を形成する。ねじれ応力がシャフトに印加されると、磁化が再配向し、ねじれ応力が増加するに従って、益々、螺旋状になる。ねじれによって生じる螺旋状の磁化は、円周方向成分と軸方向成分との両者を持ち、軸方向成分の大きさは、完全にねじれに依存する。１つまたは複数の磁界センサが、トルクが印加された結果、当該トランスデューサの周りの空間に生じた磁界の大きさと極性とを検出し、トルクの大きさを反映した信号を出力する。リングセンサにおける最大許容トルクはリングとシャフトとの境界における滑り量によって制約されるので、従来、トルクの過剰負荷の条件の下でリングとシャフト間の境界における滑り量から生じるひずみに関連して関心が表されてきた。このことは、寄生磁界の逆効果を最小にするために異なる材料の多重部品の必要と相俟って、代替の構成の研究を助長した。
【０００５】
さらに最近、シャフトに取り付けられなければならない別体の強磁性素子上ではなく、シャフトそれ自体の上に、直接に、活性のトルク感受区域が形成されている磁気弾性トルクトランスデューサが開発されている。例えば、ＰＣＴ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｐｕｂｌｉｃａｔｉｏｎ Ｎｏ． ＷＯ ９９／２１１５０およびＮｏ． ＷＯ ９９／２１１５１を参照されたい。これらの新たに開発されたトランスデューサの１つの形態においては、磁気弾性的に活性な区域は、一つの周方向に極性を与えられ、かつ、当該部材にトルクを印加した後に、印加トルクをゼロに減少したときに、その区域の磁化が前記単一の周方向に戻る程度に充分な磁気異方性を持っている。トルクが与えられるシャフトは多結晶材料によって形成されることが望ましく、その場合には、局所磁化分布の少なくとも５０％は、磁気分極の方向の周りに対称に配置されている９０°の象限内に存在し、かつ、該シャフトは、トランスデュスする区域の磁界が、シャフトの近傍の区域において磁界センサから見て正味の磁界の、トルク検出のための有効性を消失させる程度の強さをもつ寄生磁界を生じないように充分に高い保磁力を有する。特に、そのようなトランスデューサの望ましい態様においては、シャフトは、立方晶対称性をもち、ランダムな方位の多結晶材料で形成され、保磁力は１５より大きく，望ましくは２０より大きく、さらに望ましくは３５より大きいことである。
【０００６】
現在開発されている非接触磁気弾性トルクトランスデューサの総てにおいて、トランスデューサ素子はシャフト上の軸方向に離れた位置の間のトルクを伝達するために、使用シャフトの軸方向に沿って配置されている。しかし、多くの用途において、軸方向の空間は厳しく制約され、または、トルクは、ギヤ、プーリ、チェーンスプロケット等におけるように、本来、半径方向に分離した位置の間、例えば、シャフトから外周部へ、またはその逆方向に伝達される（または、この２つの場合が同時に起こる場合もある）。そのような装置において正確に、かつ、非接触でトルクを検出する必要性は今まで対処されていない。
【０００７】
好適な実施例の詳細な説明
はじめに図１を参照すると、本発明によるトルクトランスデューサ２の全体が示されている。トルクトランデューサ２は３個の基本的な、しかし必ずしも別個のものではない要素を有する軸方向に薄いほぼディスク形のセンサよりなる。トランスデューサはディスク形センサを軸８に強固に取り付けるための中心ハブ６を有する。この取り付けは、ハブ６と軸８とが軸８に加えられたトルクをハブ６に、またはその逆方向に比例的に伝達させるように、一体化した単位機械として動作させるあらゆる公知の手段により直接的にまたは間接的に実施されたものでよい。この取付け手段の例としては、ピン、スプライン、キー、溶接、接着剤、プレスばめまたは焼きばめなどがある。トランスデューサのディスク１０は磁気弾性的作用領域であるか、少なくともこの作用帯を含み、ディスク１０とハブ６とは単位機械として、ハブ６から軸１０にまたはその逆方向に加えられたトルクが比例的に伝達されるように作動させられる任意の適当な方法でハブ６に取り付けられる。取り付け手段の例としては、リベット結合や溶接などかある。ディスク１０の周縁を囲んでリム１２が有り、リム１２はディスク１０とリム１２とが単位機械として、ディスク１０に加えられたトルクがリム１２に、またはその逆方向に比例的に伝達されるように動作する適当な手段でディスク１０の周縁に取り付けられている。リム１２はほぼ周縁の外側に沿って支配的な接線方向の力を駆動あるいは被駆動部材に伝達するための力伝達部材１４を備えている。このような部材は、例えば他のギアの歯とかみ合うギア歯、Ｖ−ベルト用溝、リムが人の手でつかまれ得るためのリップル模様やその他のモールド部材（例えば自動車ハンドルのような）、タイヤの取り付け手段、リンクに対するピン接続のようなものからなる。
【０００８】
リム１２とハブ６とは、好ましくは非強磁性体より形成されあるいはハブ６とディスク１０との間とディスク１０とリム１２との間に挿入された低透磁率のリングのような非強磁性スペーサによりディスク１０から磁気的に隔離されている。ディスク１０はトランスデューサの磁気的な作用要素でありまたはこの作用要素を含み、したがってディスク１０の形成に対する材料選択は極めて重要である。選択された材料は磁気領域の存在を確実なものにするために強磁性でなければならず、また磁化方位が加えられたトルクと関わるストレスにより変化させられるようにするために磁歪性でなければならない。例となる材料は米国特許第５，５２０，０５９号明細書のコラム１２，１３に開示されており、本願明細書に参照文献として取り入れられている。特にディスク１０は以下により十分に説明するように特に望ましい結晶構造を有する材料で形成され得る。
【０００９】
ディスク１０は所定のトルクに対するストレスを極大化し、かつ有用な信号を作り出すように、薄いのが好ましい。このことに関してディスク１０の設計寸法は、半径方向に亘ってストレス分布が可能な限り均一であるものを作るような方法で制御される。ディスク１０の厚さを変えることがストレス分布制御の最も蓋然性の高い方法である。しかし、ストレスが以下の関係
トルク／２π×（半径の自乗）×厚さ
にしたがって変動する限り、厚さの制御はストレスに限定された影響しか与えないことが分かる。厚さが半径の自乗で変化する限り、ストレスの均一性は半径の増大とともに厚さを減少させることにより高められる。例えばディスク１０をハブ６での最大厚さからリム１２での最小厚さにまでテーパ付けすることは全半径領域に亘ってせん断ストレスをより均一なものとすることを助けるだろう。ディスク１０がこうむるストレスは第１例では材料とバランスの取れたもので、かつ材料により限定されている。しかしながらディスク１０は好ましくは有用な信号を作り出すために比較的高くストレスがかけられる。ストレスは最小で数千ポンド／平方インチ（ｐｓｉ）で好ましくは数万ポンド／平方インチである。
【００１０】
ディスク１０は、１つ以上の半径方向に区別され、磁気的に隣接し、センサーの動作あるいはトランスデューサ領域を単独に決める反対に分極された円周磁化帯または領域から成っている。これはある半径の広がりのバンドの円周方向に、トルクのない状態（不活性状態）で、少なくともその広がり上には軸方向或いは半径方向に正味の磁性成分のない状態において、ディスク１０を磁気化することによって形成される。ディスク１０の円形形状は完全な回路を準備することで分極の安定を強める。トルクを与えることによりの応用により、初期磁化の方向は、正のストレス方向、すなわち正の磁気弾性を持つ材料における張応力方向に転じ、その結果磁化領域の半径方向端における極の成極をもたらす。分極された円周帯が中心部分から始まり放射状に広がるところでは、ハブ６から第１の磁化領域に放射場磁界を形成する。若し、ディスク１０が１以上の磁化領域からなっているなら、隣接領域は反対に分極される。かくして、近接領域における放射場磁場は第１磁化領域の放射状広がりから第２磁化領域の放射状磁場へと拡張し、第２磁化領域で作られた磁場は第１磁化領域の磁場の反対方向になる必要がある。その放射状磁場はディスク１０の軸方向近傍に配置された磁場ベクトルセンサ手段によってディスク１０の材料の外側から検出できる。以下に詳細に説明する。
【００１１】
ところで、ディスク１０自身、動作領域は加えられたトルクがゼロに減少するときに、各領域の（分極過程の間）構成された円周方向へ磁化を戻す異方性の発生源を有していなければならない。ＣＷとＣＣＷトルクへの対称的反応を確実にするため、この不活性状態の異方性成分の分布は円周方向について対称でなければならない。トルクに伴う磁気弾性異方性がディスク１０の全ての残留磁気を放射状成分の生成に寄与させることを確実にするため、不活性中の異方性は、ここで、円周方向から４５°以上離れてはならない。言い換えれば、異方性の必要は円周状の残留磁気を円周的に９０度象限範囲に限定する必要性の表現である。若し、円周状の残留磁気方向に対称的に配置された９０度象限内に少なくとも５０％程度の磁化があるならば、十分な実行が得られる。
【００１２】
磁気異方性はディスク１０材料の物理的働きによって誘導される。磁気異方性誘導の説明的方法が米国特許番号５，５２０，０５９のコラム１３−１５に開示され、ここに引用されている。いかなる磁化異方性の物理的発生源であろうと、単独であれ結合であれ、不活性領域の希望する分布達成のために用いられる。異方性の１つの発生源は方向性であり、原子の種類、格子の欠如、含有物（排除）または他の化学あるいは一方向性（またはそれらの１つ以上の方向性で、しかし全方向ではない）構造機能である。磁気異方性の第２の発生源は磁気弾性であり、それらの自然的な磁気モーメントに相互に関連した自然的な磁歪による歪を持つ材料におけるストレスの方向性により得られる。異方性の第３の発生源は、ディスク１０の円形形状に特に顕著であり、材料の境界におけるＭの発散により結合する材料の形である。特に、消磁場は磁化されたものの極から生じ、極が密接に置かれていればより強烈になる。異方性の第４の発生源は磁性結晶であり、結晶構造を決める軸と関係する原子（強磁性原子）の磁気モーメント（スピン）の好ましい方向に帰する。
【００１３】
若し、不活性異方性がその原理的発生源として磁性結晶異方性を格子構造の原子配列の結合すなわち、ばらばらな方向の多結晶材料として持つならば、それぞれの結晶が立体対称で（歪んだ立方体を含み、すなわち正方晶系）、＜１００＞または＜１１１＞の緩い軸であるならば、結晶粒の５０％以上の不活性円周残留磁気は自動的にこの４５°の要求に合うであろう。鉄とすべての一般の鋼における磁性結晶異方性はかかる立体対称を有し、かつこのようなもの（この要求に基づく）は、本発明のトルクトランスデューサに適する材料である。純鉄の異方性の量は一般的に一般の合金部材により減少される。しかし、タングステンと、少量であるがマンガンの合金は異方性の量を高める。モリブデン、バナジウム、錫は比較的小さい減少変化となり、一方クロミウムは僅かに純鉄よりも異方性の減少が緩やかに変化する。十分な量のニッケル、コバルト、シリコン、アルミニウムは異方性をゼロ（或いは低く）できる。トルクトランスデューサの使用にあたって重要なことは、トルクを除去したときにその不活性の円周方向に磁化を戻すスプリングとなるので結晶（磁性結晶の少ない）の異方性の絶対量が余りにも低いということである。
【００１４】
このように例えば、異方性結晶（Ｋ１）がλσｒより少ないならば、（ここでλσｒはシャフトの事前所有の残留磁歪）、Ｋ１はもはや主たる異方性結晶ではなく、不活性残留磁気の５０％以上であることによる４５°の配分要求が満たされない。トランスヂューサの動作に対して個々に重要な幾つかの材料特性間の相互関連の重要性が一見される。Ｋ１とλが構成上（本質的）に従属関係がある資材特性を有し、σｒとその他の構造上の従属的資材（例えば織物、化学または構造上の注文）は、量と、方向性と、不活性的異方性を決める本質的資材と協調する。また、少量のＮｉまたはＳｉはλを有効に増量し、Ｋ１を減少する傾向になる。このように、ディスク１０に適切な合金を選ぶためにわれわれは注意深く合金の内容を加減しなければならない。
【００１５】
本発明のトルクトランスジューサに適していると思われる材料のカテゴリの例が以下に示される。各カテゴリにおける階級が示されている。
１．  マルテンサイトステンレス鋼（好ましくは空気硬化）
ＡＩＳＩ／ＳＡＥ  Ｇｒａｄｅ：４０３，４１０，４１４，４１６，４２０，４３１，４４０Ａ，４４０Ｂ，４４０Ｃ
２．  沈殿硬化ステンレス鋼（クロムおよびニッケル）
ＡＩＳＩ／ＳＡＥ  Ｇｒａｄｅ：１５−５ＰＨ，１７−４ＰＨ，１７−７ＰＨ，ＰＨ１３−８Ｍｏ
３．  合金鋼（焼入れと焼き戻し−時には、炭化または窒化）
ＡＩＳＩ／ＳＡＥ  Ｇｒａｄｅ：４１４０，４３２０，４３３０，４３４０，４８２０，９３１０    典型的呼称：アーメット１００，９８ＢＶ４０，９−４−２０，９−４−３０
４．  工具鋼（好ましくは焼入れと焼き戻し，冶金学的“純”高合金鋼）
ＡＩＳＩ  Ｇｒａｄｅ：形式Ａ，Ｄ，Ｈ，Ｌ，Ｍ，Ｏ，Ｔ，Ｗおよび高コバルト高速度工具鋼
５．  マルエージ鋼（高ニッケル，低炭素）
典型的呼称：１８ニッケル２５０，炭素−２５０，ヴァスコマックスＴ−３００，ニッケル印，マルヴァック７３６
６．  ダクタイル永久磁石材料
型的呼称：ヴィック合金，リメンヂュア，クニッフェ，クニコ，ヴァコゼット
７．  磁石鋼
型的呼称：ＫＳ鋼，ＭＴ鋼，３．６％クロム，１５％コバルト，タングステン鋼
８．  特殊合金および他の材料
型的呼称：パーメンヂュア，アルファー，アルフェノール，コヴァール，硬質引き抜きニッケル，硬質引き抜きパーマロイ
本トルクトランスジューサーの操作において、磁場は活性領域から生じ、これらの磁場は、磁場センサが配置されている空間のみならず、ディスク１０自身により占められている空間に広がる。ディスク１０の非活性部分内に食い込む磁化変化の結果、他の磁場も生じ、これらの（寄生的）磁場も磁場センサが占める空間領域に広がる。これが、ハブ６とリム１２が非磁性材料で形成されるのが望ましい第１の理由である。したがって、活性領域の移動機能を落さないために、重要なことは、活性領域と比較してあるいは顕著な強度からなる場合、寄生的磁場は非常に小さく理想的にはゼロであること、掛けられたトルクにより直線的に、非ヒステリシス的に（または全く非ヒステリシス的に）変化すること、およびシャフトが受ける操作上、環境上の如何なる条件下でも時間とともに安定していることである。換言すれば、発生する如何なる磁場も、磁場センサにより判る正味の磁場がトルク探査目的に有用である活性領域に比較して十分小さくなければならない。したがって、寄生的磁場の悪影響を最小限にするためには、磁場弾性活性領域から生ずる磁場が、トルク感知目的でその有用性を破壊するほど十分な強度と磁場感知手段より判る正味磁場の有用性を破壊するほど十分な強度とを持った寄生的磁場を生じさせる磁場弾性活性領域に隣接するディスク１０の磁化領域を磁化しない磁気弾性的活性領域から生ずる磁場が十分高い保磁度を有するディスク１０を利用することが重要である。これは、ディスク１０の保磁度が１５エルステッドよりも大きく、好ましくは２０エルステッドよりも大きく、最も好ましいのは３５エルステッドよりも大きいことを一般的に意味する。
【００１６】
磁場ベクトルセンサ１６は、活動していない周面方向から極性を与えられた磁化の再方向付けの結果、ディスク１０の活性領域の周りの空間に生ずる磁場の大きさと極性を感知するための、ディスク１０に対し方向をもって配置付けられた磁場ベクトル感知装置である。磁場ベクトルセンサ１６は、掛けられたトルクの大きさを反映する信号出力を提供する。一つの好ましい実施例において、磁場ベクトルセンサ１６は、集積回路ホール効果センサである。本発明のトルクセンサに関連する使用にとって最も好ましいのは、各活性領域の半径方向範囲を半径方向に区切るソレノイド形態を有するフラックスゲートインダクタである。その構成により、そのコアの端から端までの磁場が感知される。したがって、単一の点において只単に感知するよりはむしろ、好ましいフラックスゲートインダクタが活性領域の半径方向の長さ一杯に沿って感知し、センサの半径方向範囲に沿って延びる多くの領域から局部モーメントを平均化することである。このセンサの特性は、そうでなければ、発展する捩り応力に基づいて生ずる磁場の半径方向不均一性に基づいて発展したかもしれない如何なる不都合な効果をも軽減する。ワイヤ１８は、磁場ベクトルセンサ１６を直流電源に接続し、磁場ベクトルセンサの信号出力を、ディスク１０を組み込む機械またはシステムのための制御または監視回路のような、受信装置（不図示）に伝達する。磁場ベクトルセンサの形式、特性、配置および機能についての一層詳細な論議は、米国特許第５，３５１，５５５号の６−９欄および第５，５２０，０５９号の７−１１欄と２５欄にある。そして、これらの開示は、参照してここに組み込まれている。
【００１７】
ここで、ディスク１０は、一つの磁化された領域を備え、ハブ６とその領域の放射状の範囲との間に生成して広がっている放射状の範囲（ディスクの半径方向の全範囲が分極したときには外側の周辺１１）は、活性領域２３上の半径方向に向かって中心を有しセンサの感知方向が半径方向を向いているセンサによって図２に示されるように都合よく感知される。それに代わって或いは、さらに加えて、放射状の範囲は、最もせん断応力の高いディスク１０のハブの端部に位置するセンサ２２により、或いはディスク１０のリム側の端部に位置するセンサ２４により感知される。センサ２４に対するリムの位置は、ディスク１０のハブ６の厚い端部からリム１２の薄い端部に向けてリムにおけるせん断応力が増加するようにテーパーがついているときのみ特に都合がよい。デイスクにテーパーが付いていない場合にはリム位置における信号は、都合よく検知するには小さ過ぎる。
【００１８】
ここで、ディスク１０はハブ６とリム１２との間に広がる反対方向に分極した二重の領域２６，２８を備えており、磁極は二つの領域の間の「領域壁」３０と二つの領域の半径方向先端に形成されている。その結果としての放射状の範囲はディスクの軸線方向に近接し、「領域壁」の上方に配置された図３のセンサ３２により感知することができる。それに代わって或いは、さらに加えて、共通モードの範囲を相殺するために、同一の半径方向の線上に沿って配置され、各活性領域上に半径方向に中心線を持ち、感知方向が半径方向で且つ互いに反対である二つのセンサ３４，３６を用いることがまた都合がよい。
【００１９】
取り囲む範囲からの独立性を保ち、ディスクの揺れを考慮して、二つのセンサを用いる場合は例えば図４に示すセンサ２０，２０’のようにディスクの軸線方向の両側にそれぞれがあるように各センサの位置を決めるのがよい。更に、外側のリム上における接触を考慮して、センサの円周上の位置は、リム上の軸線方向又は半径方向の負荷の影響を最小化し或いは除去するために選択されなければならない。換言すれば、センサを、例えば歯車によって発生するような、リム上の軸線方向或いは半径方向の負荷に近接する、大きな力のかかる半径位置に配置しないことが望ましい。更に、センサは接触の位置から１８０°離れた半径位置に配置すべきである。
【００２０】
ディスク１０のハブとリムへの取り付け方法が何であっても、発生する問題は、ディスク１０内のねじれ応力が取り付けの部分で不均一であることである。そのために、もしディスク１０の全ての半径方向の広がりが分極化されるならば、ハブ６及びリム１２における磁極の強度は周辺において均一ではない。この厄介な影響は、関連する応力の集中を感じないために分極領域をディスク１０の取り付け位置から十分離れた位置に制限することによって減少させることができる。例えば、図１に見られるように。トルクトランスジューサーは、ハブ６とリム１２に固定されたディスク１０を備え、半径方向に別々に配置されて反対方向の分極の極性を有する領域２６，２８と、非分極の周端領域３８，４０を有する。更に、領域壁３０に均質なリングを用いることが都合がよく、材料の不均一性に起因する不活性信号の円周領域差による変動回避のために、このリングはパーマロイのような磁化されやすい材料で形成される。「ランアウト」問題を除去するために、半径方向位置対感度の「フラットトップ」伝達機能を得るために、二つの反対に分極された領域２６，２８の間の半径方向の小さな「デッドスペース」を残すことがまた役に立つ。
【００２１】
本発明のディスク型のトランスジューサはトルクおよび出力或いはエネルギーを計測することが可能であり、このことは、例えば、ディスク１０がエクササイズ用自転車のチェーンスプロケットだとすると、ディスク１０が回転したときに磁場ベクトルセンサを通る流路の導磁率を調節するために、例えばその中の開口であるようなディスク１０上にいくつかの均等に間隔をおいて配置された突出形状物の配置のように役に立つ。その結果として、ディスク１０に近い空間内の磁場強度は、等間隔に配置された突出形状に代表されるような外周辺のパターンによって強度が変化し、それにより、その結果としての信号はディスクの回転の速度を表示する。ディスク１０の開口以外の形態はセンサを通る流路の導磁率を低減するために用いることができる。例えば、磁場調整部はディスク１０の面の周辺に均等に配置された点状のパーマロイの列であってもよい。その結果としての信号は、引例として引用しているＵ．Ｓ特許５、５９１、９２５号で開示されていると同様な、トルクと同様出力を表示している。
【図面の簡単な説明】
図１は本発明のトルクセンサを示す分解斜視図である。
図２は一つの環状磁化帯を有する本発明のトルクセンサの平面図であり、磁界ベクトルセンサの位置設定の説明図である。
図３はそれぞれ反対極性に磁化された２つの磁化帯を有する本発明のトルクセンサの平面図であり、磁界ベクトルセンサの位置設定の説明図である。
図４は本発明のトルクセンサのディスクとハブとの立面図で、磁界ベクトルセンサの位置設定の説明図である。
【図１】
0003611523.tif 000002
【図２】
0003611523.tif 000003
【図３】
0003611523.tif 000004
【図４】
0003611523.tif 000005