(57)【要約】【課題】本発明の目的は、効率的なセンサを提供することである。【解決手段】対象物の特性を測定するためのセンサデバイスであって、センサデバイスは、対象物の少なくとも一部に磁界を発生させるために構成される磁界発生器と、対象物の少なくとも一部に発生する磁界に応答して少なくとも１つの検出信号を検出するために構成される少なくとも１つの磁界検出器とを備え、少なくとも１つの検出信号は、対象物の特性を表し、直流電流または直流電圧は、対象物の少なくとも一部の磁界を発生させるために、磁界発生器に印加する。【選択図】図１４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
対象物の特性を測定するためのセンサデバイスであって、
前記対象物の少なくとも一部に磁界を発生させるために構成される磁界発生器と、
前記対象物の少なくとも一部に発生する前記磁界に応答して少なくとも１つの検出信号を検出するために構成される少なくとも１つの磁界検出器とを有し、
前記少なくとも１つの検出信号は、前記対象物の前記特性を表し、
直流電流または直流電圧は、前記対象物の少なくとも一部に前記磁界を発生させるために、前記磁界発生器に印加する、ことを特徴とするセンサデバイス。
【請求項２】
前記直流電流または前記直流電圧は、このような方法で構成されるそれほど、
前記直流電流または前記直流電圧を切断した後に、
前記対象物は、残留磁化が基本的にない、ことを特徴とする請求項１に記載のセンサデバイス。
【請求項３】
前記直流電流または前記直流電圧は、３０ガウス以下の振幅を有する前記磁界を前記対象物の少なくとも一部に発生させるために、前記磁界発生器に印加する、ことを特徴とする請求項１に記載のセンサデバイス。
【請求項４】
前記磁界発生器に印加できる前記直流電流は、５００ｍＡ以下の振幅を有する、ことを特徴とする請求項１に記載のセンサデバイス。
【請求項５】
前記直流電流または前記直流電圧は、少なくとも時間の間隔に対して定数値を有する、ことを特徴とする請求項１に記載のセンサデバイス。
【請求項６】
前記少なくとも１つの検出信号に基づいて前記対象物の前記特性を表す少なくとも１つのパラメータを測定するために構成される判定ユニットを有する、ことを特徴とする請求項１に記載のセンサデバイス。
【請求項７】
前記磁界発生器は、磁界発生コイルである、ことを特徴とする請求項１に記載のセンサデバイス。
【請求項８】
前記磁界発生器は、前記対象物を受入れるための収容部を有する、ことを特徴とする請求項１に記載のセンサデバイス。
【請求項９】
前記収容部は、前記磁界発生器において提供される中央の開口部である、ことを特徴とする請求項８に記載のセンサデバイス。
【請求項１０】
前記直流電流または前記直流電圧は、第１時間間隔の間に前記磁界発生器に印加される第１値を有し、前記磁界発生器に第２の時間間隔の間に印加される第２の値を有する、ことを特徴とする請求項１に記載のセンサデバイス。
【請求項１１】
前記第１値および前記第２の値は、異なる振幅を有する、ことを特徴とする請求項１０に記載のセンサデバイス。
【請求項１２】
前記第１値および前記第２の値は、反逆符号を有する、ことを特徴とする請求項１０に記載のセンサデバイス。
【請求項１３】
前記第１時間間隔および前記第２の時間間隔の少なくとも１つは、１ｍｓから５００ｍｓの間にある、ことを特徴とする請求項１０に記載のセンサデバイス。
【請求項１４】
前記第１時間間隔および前記第２の時間間隔の少なくとも１つは、２０ｍｓから１００ｍｓの間にある、ことを特徴とする請求項１０に記載のセンサデバイス。
【請求項１５】
前記少なくとも１つの磁界検出器は、前記磁界発生器の中に配置した、ことを特徴とする請求項１に記載のセンサデバイス。
【請求項１６】
前記少なくとも１つの磁界検出器は、前記磁界発生器の中に一体化される、ことを特徴とする請求項１に記載のセンサデバイス。
【請求項１７】
前記磁界発生器に対称的に配置した２つの磁界検出器を有する、ことを特徴とする請求項１に記載のセンサデバイス。
【請求項１８】
複数の磁界検出器を有する、ことを特徴とする請求項１に記載のセンサデバイス。
【請求項１９】
前記少なくとも１つの磁界検出器は、
前記対象物の拡張方向に対して平行方向を向いたコイル軸を有するコイルからなるグループの中の少なくとも１つと、
前記対象物の拡張方向に対して垂直方向を向いたコイル軸を有するコイルと、
ホール効果プローブと、
巨大磁気共鳴磁界センサと、
磁気共鳴磁界センサとを有する、ことを特徴とする請求項１に記載のセンサデバイス。
【請求項２０】
前記対象物の前記特性は、グループとして、回転する前記対象物の角度位置、往復運動する前記対象物の位置、前記対象物に印加されるトルク、前記対象物に印加される力、前記対象物に印加される剪断力、前記対象物の速度、前記対象物の加速、および前記対象物のパワーから選択される、ことを特徴とする請求項１に記載のセンサデバイス。
【請求項２１】
前記対象物の前記特性は、前記対象物に動作する外部影響である、ことを特徴とする請求項１に記載のセンサデバイス。
【請求項２２】
携帯型センサデバイスとして構成される、ことを特徴とする請求項１に記載のセンサデバイス。
【請求項２３】
複数の磁界発生器を有する、ことを特徴とする請求項１に記載のセンサデバイス。
【請求項２４】
前記複数の磁界発生器は、前記対象物の拡張に沿って配置可能である、ことを特徴とする請求項２３に記載のセンサデバイス。
【請求項２５】
前記少なくとも１つの磁界検出器は、前記対象物の拡張方向に沿って提供された可動部である、ことを特徴とする請求項１に記載のセンサデバイス。
【請求項２６】
前記磁界発生器は、一時的に前記磁界を発生させるのに適する、または前記対象物の少なくとも一部に永久に加わる、ことを特徴とする請求項１に記載のセンサデバイス。
【請求項２７】
前記対象物は、移動可能な物体または静的物体である、ことを特徴とする請求項１に記載のセンサデバイス。
【請求項２８】
前記対象物は、磁性材料または磁化可能な材料でできている、ことを特徴とする請求項１に記載のセンサデバイス。
【請求項２９】
対象物の特性を測定するためのセンサ配列装置であって、
請求項１乃至２８のいずれか１つに記載のセンサデバイスを備える、ことを特徴とするセンサ配列装置および対照物。
【請求項３０】
前記対象物は、軸、管、ディスク、リングからなるグループの中の少なくとも１つ、円形状とは異なる物体である、ことを特徴とする請求項２９に記載のセンサ配列装置。
【請求項３１】
前記対象物は、エンジンシャフト、往復運動シリンダおよびプッシュプルロッドからなるグループの中の１つである、ことを特徴とする請求項２９に記載のセンサ配列装置。
【請求項３２】
対象物の特性を測定する方法であって、
直流電流または直流電圧を磁界発生器に印加することによって前記対象物の少なくとも一部に磁界を発生させるステップと、
前記対象物の少なくとも一部に発生する前記磁界に応答して少なくとも１つの検出信号を検出するステップと、
前記少なくとも１つの検出信号は、前記対象物の前記特性を表す、ことを特徴とする方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本出願は、２００５年８月３０日に出願された欧州特許出願番号０５０１８７９４．７および２００５年８月３０日に出願された合衆国仮特許出願番号６０／７１２，９２６の出願日の特典を主張し、その開示をここに参照資料として組み込む。
【０００２】
本発明は、センサデバイスに関する。さらに本発明は、センサ装置に関する。本発明は、さらに対象物の特性測定の方法に関する。
【背景技術】
【０００３】
磁気変換器技術は、トルクおよび位置の測定に応用を見いだしている。
それは特にシャフトまたはその他のトルクまたは線形動作を受けている部品のトルクの非接触測定用に開発されてきた。
【０００４】
１つの回転または往復運動する構成要素は、磁気領域、すなわち、磁気エンコードされた領域を備えることができ、シャフトが回転または往復運動したとき、そのような磁気エンコードされた領域は（磁気コイルのような）磁界検出器の中に特徴のある信号を発生し、シャフトのトルクまたは位置を決定できる。
そのような種類のセンサは、例えば、国際公報ＷＯ０２／０６３２６２で開示されている。
国際公報ＷＯ０５／０６４３０１は、磁気センサの原理に基づき、立ち上がりが急峻で立ち下がりが緩やかな波形を備えた電流パルスを直接シャフトに印加することに基づく、もう１つ別のトルクセンサを開示している。
【０００５】
米国特許公報ＵＳ６，８１０，７５４は、変換器アセンブリを含み、その中に軸の周りに巻かれて活性化されて磁界を発生するコイルとそのコイルを挟んでコイルと軸方向にスペースを置いて配置された第１および第２磁界センサデバイスが存在し、各デバイスがコイルの近傍にあって活性化されたコイルによって発生された磁界成分に応答するような、変位測定用の変換器を開示している。
【０００６】
強磁性部材がコイルによって発生された磁界と相互作用するために配置され、強磁性部材と変換器アセンブリは、上記軸の方向に相対的に変位するために取り付けられ、第１および第２センサデバイスによって感知されたそれぞれの磁界成分のバランスが変換器アセンブリに対する強磁性部材の軸方向位置の関数である。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明の目的は、効率的なセンサを提供することである。
【０００８】
上記で定義された目的を達成するために、独立請求項に従ったセンサデバイス、センサ装置、および対象物の特性の測定方法が提供されている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の１つの好ましい実施例によれば、１つの（例えば可動または固定の）（磁化できる材料で作られてよい）対象物（の少なくとも１つの特性（すなわち１つの特性または複数の特性）を測定する１つのセンサデバイスが提供され、センサデバイスは、対象物の少なくとも一部の中に磁界を発生するのに適合された磁界ジェネレータ、および対象物の少なくとも一部に発生された磁界に応答して少なくとも１つの検出信号を検出するのに適合された少なくとも１つの磁界検出器を備え、少なくとも１つの検出信号は対象物の特性を示すものである。
【００１０】
本発明のもう１つの実施例によれば、対象物の特性を測定するためにセンサ装置が提供され、そのセンサ装置は上記の特徴を有するセンサデバイス、および対象物（対象物は任意に磁界ジェネレータに結合されていてよく、および／または対象物は少なくとも１つの磁界検出器に結合されていてよい）を備えている。
【００１１】
本発明のさらにもう１つの実施例によれば、対象物の特性を測定する方法が提供され、その発明は、磁界ジェネレータに直流電流または直流電圧を印加することによって対象物の少なくとも一部に磁界を発生すること、および対象物の少なくとも一部に発生された磁界に応答して検出信号を検出することを含み、少なくとも１つの検出信号が対象物の特性を示すものである。
【００１２】
本発明の実施例によれば、磁界ジェネレータおよび１つまたはそれ以上の磁界検出器を含む１つのセンサデバイスが提供される。
【００１３】
効率の良い磁界伝達のために対象物と磁界ジェネレータの間の間隔を小さくするべく、センサデバイスは、検査すべき固定または可能対象物を結合していてよく、その結果対象物の物理的（例えば運動に関連する）パラメータが高精度および高効率で測定できる。
【００１４】
そのようなパラメータは、例えば、回転対象物の角位置、回転対象物の角速度、回転対象物の角加速度、往復運動する対象物の位置、移動対象物の速度、移動対象物の加速度、対象物に印加されたトルク、対象物に印加された力、対象物に印加されたせん断力、などであってよい。
【００１５】
これらの、またはその他のパラメータの１つまたは複数のこれらの、またはその他のパラメータを順次または同時に測定することが可能である。
【００１６】
センサソリューションは、静的な状態であっても動的な状態であってもよい（移動中の対象物、ここで移動とは回転、曲げ、線形運動などを意味してよい）対象物に適用できる。
【００１７】
センシング技術は、少なくとも次の機械的な力の１つを測定するために使用できる。トルク、曲げ、反り付け、軸方向負荷、など。
【００１８】
既知の手法とは対照的に、本発明の実施例は電流パルスの印加（エラーなしで適切に動作しないセンサに結果としてなると考えられる）を頼りにしておらず、磁界ジェネレータに直流電流または直流電圧の印加を実施する。
【００１９】
本発明の実施例による技術は、静的および移動デバイスに適用できる。
本技術は、必ずしも対象物が磁化可能であることは要求しない（即ち、必ずしも磁界が対象物の中に永久に保存できることは要求しない）。
【００２０】
しかしながら、対象物として使用される材料が磁石とくっつくような磁気特性を持つことは有利な可能性がある。
もちろん、磁化できる対象物は、適切に動作するであろう。
【００２１】
さらに、対象物の材料が十分に硬いか、または硬化されて信号のヒステレシス特性が正確であれば有利であってよい。使用される材料によって、表面硬化およびケース硬化が適用できる。
【００２２】
センサデバイスは、調査すべき対象物に（固定または取り外し可能に）取り付けてよい。
対象物は、磁化可能な材料で作られてよい。即ち、少なくとも外部磁界の存在の下では磁気特性を備えていてよい。
【００２３】
そのような材料は、例えば、工業用鋼鉄、または強磁性鉄、またはその他のすべての常磁性または強磁性特性を有する材料（例えば、３ｄマグネットまたは４ｄマグネット）であってよい。
【００２４】
直流電流または直流電圧を（交流電流または交流電圧と対照的に）磁界ジェネレータコイル（電磁石またはそれと同様）の可能性のある磁界ジェネレータに印加してよい。その結果、磁界発生コイルの巻き線によって取り囲まれて配置されていてよい対象物の表面または内部に磁界が発生されてよい。
【００２５】
このようにして、そのような直流電流（ＤＣ）または直流電圧を印加することによって、基本的に一様で縦方向に向いた磁界を対象物の延長に沿って発生してよく、結果として対象物が磁化されてよい。
【００２６】
例えば、対象物はモータのシャフトであってよい。
磁界を発生する電流または電圧は十分に大きくて対象物中に十分強力な磁界を発生して測定可能な磁化をもたらしてよいが、しかし十分に小さくてシャフト内部の磁界分布が運動または対象物に印加されたその他の力によって感知し得るほどに変更可能でなければならない。
【００２７】
言い換えると、磁界ジェネレータによって対象物内部に適切な振幅の磁界が発生されたとき、移動対象物に同時に印加されたトルクまたはその他の力が移動対象物内部の磁界分布を独特に変更してよい。このようにして、磁気信号（例えば、コイルで実現されていてよい磁界検出器を使用して検出されてよい誘導電圧または同様のもの）は印加されたトルクまたは力を示してよい。
【００２８】
そして、そのような信号は印加されたトルクまたは力の定性的、定量的振幅および／または方向を決定する基礎として取得される。
【００２９】
対象物に及ぼされた外部の影響を使用して、磁化可能な対象物内部の磁化ベクトルの方向および／または振幅を特徴的に操作できると考えられている。
この効果は、本発明の実施例に従った検出原理の基礎として役立ってよい。
【００３０】
１つまたはそれ以上の磁界検出器を使用して１つまたはそれ以上の検出信号を測定した後で、活性化の直流（または一定時間定常的な）電気信号はスイッチオフされてよく、その結果移動対象物に基本的に磁化は残らなくてよい。言い換えると、直流電流によって発生された磁界を使用した移動対象物の磁化は可逆的であってよい。
【００３１】
検出信号は、決定ユニット（例えば、中央処理ユニット、マイクロプロセッサ、またはコンピュータなどの計算機）によって評価または解析されて、例えばそのとき移動対象物に印加されているトルクの値などの希望する結果を導いてよい。
【００３２】
そのような測定の後、センサデバイスは移動対象物から取り外されてよく、そして他の場所へ移送されてよい。
【００３３】
このようにして、製造が容易で使用に柔軟性があり、高速で安価であってよい、すべての種類の力またはトルクの測定用の携帯システムが提供されてよい。
【００３４】
ジェネレータコイルに印加される定常的な電気信号は移動対象物（例えばシャフト）の中に一時的に十分小さな値の磁界（例えば移動対象物の表面部で３０ガウス以下）を発生してよい。
移動対象物の中に誘導された磁界は、永久磁化の閾値以下でなければならない。
【００３５】
さらに、磁界ベクトルがシャフトへの外部の（特に運動によって誘導された）の影響に「従う」ことを保証するために、磁界は十分に小さくなければならない。
【００３６】
検出器を適切な方向に配置すると、移動対象物に力またはトルクが印加されないときは定常的な磁界を印加しても検出器コイルに信号を発生しないと考えられる。
【００３７】
磁化ベクトルに対するコイル軸の向きの配置は、そのような磁化を決定する検出器コイルの感度に強力な影響を持ってよいので、そのようなジェネレータコイルによって発生された磁界が存在しない「ゼロ」効果および対象物への同時外部衝撃は適切な方向を向けた検出器コイルの配置によって達成されてよい。
【００３８】
それ故、印加された力またはトルクの結果として磁界ベクトルの「傾き」または「ねじり」が発生したときのみに検出コイルが信号を検出するように方向が選択されてよい。
【００３９】
そのような「傾き」または「ねじり」効果は、磁界ジェネレータに対して直流電流または直流電圧、即ち時間によって変化しない電気信号を印加して得ることができるように思われる。
【００４０】
本発明の１つの実施例によれば、シャフトそのものは永久磁化される必要はない。
このようにして、本発明の１つの実施例によれば、磁界ジェネレータを活性化するために直流電流信号が印加される。
【００４１】
適切な電流値は、所定の範囲内で磁化ベクトルがトルクまたは力で変更可能なように十分に小さくなければならず、また検出可能な信号が得られるように十分大きくなければならない。
【００４２】
本発明の１つの実施例によれば、簡単に測定対象となるべき移動対象物にスライドまたは取り付けできてよい１つの携帯センサデバイスが提供されてよい。
【００４３】
検出コイルは直接取り付けられてもよいし、ジェネレータコイルの筐体の中に組み込まれてもよい。
【００４４】
このようにして、直流電流信号を印加している間、検出信号は常時測定可能なので、本発明の１つの実施例によれば、測定に十分な信号帯域幅が得られてよい。
【００４５】
このようにして、力および／またはトルクが時間とともに変化してよいシナリオで特にこの方法は力またはトルクの実時間測定に適していてよい。
【００４６】
例えば、点火の間中の自動車のシャフトのトルクの変化を測定できる。
【００４７】
例えば既知のトルクをセンサデバイスに印加し、それに対応する検出信号を測定することによって、センサデバイスを校正することもできる。そのような手段をとることによって結果の信頼性および再現性が改良されてよい。
ジェネレータコイルは最適な巻線数、例えば３００を有してよい。
【００４８】
検出信号のあり得るオフセットの寄与を減少させるために、２つの異なった電流または電圧値で測定を実行（または繰り返す）できてよい。
【００４９】
従って、２つの測定または測定部分が引続いて２つの異なった定常電流または電圧値で実行されてよい。
【００５０】
そのような間隔は、シャフトの厚みおよび直流電流値に従って選択されてよい。
例えば、１５ｍｍと１８ｍｍの間の直径を有するシャフトに対しては、１００ｍＡの電流が２０ｍｓ印加されてよい。
３０ｍｍの直径のシャフトに対しては１００ｍＡで時間１００ｍｓの印加が適切であってよい。
【００５１】
２つまたはそれ以上の直流フェーズの実行によって、数学的な方法で測定オフセットを取り除くことができてよい。
【００５２】
従属請求項を参照して、本発明のさらなる実施例を以下に説明する。
次に、センサデバイスの実施例を説明する。
【００５３】
しかしながら、これらの実施例はまたセンサ装置および対象物の特性測定の方法にも適用される。
【００５４】
直流電流または直流電圧を遮断した後では対象物は基本的に残留磁化がないように直流電流または直流電圧が適合されていてよい。
【００５５】
このことは、測定が終了した後で、固定または移動可能対象物は最早測定に影響されず、即ち、測定前の移動可能対象物の物理的特性と比較して測定後の移動可能対象物の物理的特性が同一であるという利点を持っていてよい。
【００５６】
直流電流または直流電圧は、磁界ジェネレータに印加されて少なくとも対象物の一部の中に３０ガウス以下（対象物の表面近傍で測定されて）の強度の磁界を発生してよい。
【００５７】
そのような十分に小さな磁界の発生によって、磁気センサがすべての運動、対象物に印加されたトルクまたは力に対して高度に敏感になってよく、その結果小さなトルクまたは力が一時的に磁化された対象物の応答を特徴的な方法で変更してよい。
【００５８】
例えば、磁界ジェネレータに印加できる直流電流は５００ｍＡ以下、特に３００ｍＡ以下、さらに特に２００ｍＡ以下の強度を有していてよい。
【００５９】
直流電流または直流電圧は、少なくとも一定の時間、定常値を持っていてよい。
ジェネレータコイルを活性化するために時間に無関係な定常的な電気信号を印加することは、電気回路を簡単化してよく、時間に無関係な方法で力またはトルクを測定してもよい。
【００６０】
センサデバイスは、さらに対象物の１つまたは、それ以上の特性（例えば、対象物に及ぼされた外部の影響）を示す少なくとも１つのパラメータを少なくとも１つの検出信号を基にして決定するために適合された決定ユニットを備えていてよい。
そのような決定ユニットは、マイククロプロセッサまたはコンピュータであってよい。
【００６１】
磁界ジェネレータは、磁界ジェネレータコイルであってよい。
【００６２】
そのような磁界ジェネレータコイルに対して、巻線の数および／または長さおよび／または断面積は要求される、または予め定められた仕様を達成するために選択（例えば、最適化）されてよい。
コイルの軸は、対象物がその内部に配置されてよい方法で構成または設計されてよい。
【００６３】
言い換えると、磁界ジェネレータコイルの巻線は対象物を取り囲んでいてよい。
この目的のために、磁界ジェネレータは、対象物を受入れる収容部を有していてよい。
このことがセンサデバイスを検査する対象物に可逆的または取り外し可能に接続されてよい、携帯センサデバイスとして動作できてよい。
収容部は、磁界ジェネレータの中央の開口部であってよい。
【００６４】
この幾何学的形状を基にして、大きな信号対雑音比の対称的な構成が達成されてよい。
直流電流または直流電圧（磁界発生信号として役立つ）は、第１時間間隔で印加された第１の値を持っていてよく、そして第２時間間隔で印加された第２の値を持っていてよい。
【００６５】
測定を各々が一定の電流または、一定の電圧信号によって特徴付けられる２つの分離された間隔に分割することによって、オフセット効果を補償して測定から人為結果を減少できてよい。
【００６６】
このことによってセンサデバイスの精度を改良してよい。寄与をオフセットする測定信号に含まれている一定のオフセットの寄与は測定すべき特性（例えばトルク）とは無関係であり、２つの測定間隔に関連する検出信号を数学的に評価（即ち、減算）することによって測定から取り除かれてよい。
【００６７】
この手段を実施することによって、すべての「特性に無関係な」寄与（即ち地磁気または浮遊磁気に起因する）は、抑制または消去されてよい。
【００６８】
第１の値および第２の値は、異なった振幅を持っていてよい。
例えば、第１の値が＋２０ｍＡであってよく、第２の値が＋１００ｍＡであってよい。
【００６９】
さらにまたは代わりに、第１の値と第２の値が反対の符号を持っていてよい。例えば、第１の値が＋１００ｍＡであってよく、第２の値が−１００ｍＡであってよい。
または、第１の値が＋５０ｍＡであってよく、第２の値が−１０ｍＡであってよい。
第１の間隔および第２の間隔の少なくとも１つが１ｍｓと５００ｍｓ、特に２０ｍｓと１００ｍｓの範囲の中にあってよい。
【００７０】
このようにして、センサデバイスは、検出すべきパラメータの高速および／または時間に依存した測定を実行できてよい。
少なくとも１つの磁界検出器が磁界ジェネレータの上に配置され（またはその上に取り付られ）てよい。
【００７１】
磁界検出器を磁界ジェネレータの上に取り付けることによって、コンパクトで安価な携帯型検出器ユニットが実現できてよい。
【００７２】
これに加えて、特に対応するコイル軸の方向に関して、検出信号がこの位置で比較的強くてよいので磁界ジェネレータの位置は、磁界検出器に対して有利であってよい。
また、少なくとも１つの磁界検出器は、磁界ジェネレータに組み込まれてよい。
この手段をとることによって、センサデバイスのサイズが小さくされてよい。
【００７３】
検出器をジェネレータの極く近傍に配置することによって、検出信号がここでは高い値を持ってよいので正確な測定ができてよい。
センサデバイスは、磁界ジェネレータ上に対称的に（および／またはに関して）配置された２つの磁界検出器を備えてよい。
【００７４】
そのような構成で、２つの磁界検出器の信号は、同時に解析または評価されてよく、擾乱効果および人為結果（地磁気または浮遊磁界）は数学的解析手段によって消去されてよい（例えば、差信号、重み付信号または平均信号の計算）。
センサデバイスは、複数の磁界検出器を備えてもよい。
【００７５】
例えば、精度を改良するために２、３、４、５、６個またはそれ以上の磁界検出器を使用することが可能である。
例えば、複数の磁界検出器は、それぞれが信号を検出し、その結果１つの少なくとも部分的に冗長度を備えた測定を実行してよい。
【００７６】
すべての磁界検出器は、基本的に対象物の延長方向に対して平行な方向を向いたコイル軸を有するコイルを備えていてよい。
代わりに、すべての磁界検出器は、基本的に対象物の延長方向に対して垂直な方向を向いたコイル軸を有するコイルとして実現されてよい。
【００７７】
コイル軸と対象物の延長方向の間が任意の他の角度を持ったコイルも可能である。
その中で移動する磁化領域が移動に依存する電気検出信号を発生してよいコイルの代わりに、ホール効果を利用した磁界検出器としてホール効果プローブが使用されてよい。
代わりに、巨大磁気共鳴磁界センサまたは磁気共鳴磁界センサが磁界センサとして使用されてよい。
【００７８】
しかしながら、すべての他の磁界センサが対象物内部の磁界の存在、不在および／または強度の検出（定性的または定量的）に使用されてよく、そこにおいては移動対象物に及ぼされたすべての外部の影響によって磁界が変更されてよい。
【００７９】
センサデバイスは、回転する対象物の角度位置、往復運動する対象物の位置、対象物に印加されたトルク、対象物に印加された力、対象物に印加されたせん断力、対象物の速度、対象物の加速度および対象物のパワーを測定できてよい。
【００８０】
しかしながら、これらの例は本発明の実施例によって感知される可能なパラメータだけではない。
【００８１】
さらに、複数の上記または他のパラメータを同時または順次測定することが可能である。
測定されたパラメータは、他のパラメータを導出するためにまた、さらに処理され得る。
例えば、推定速度および推定トルクの積は、回転する対象物に印加されたパワーを示してよい。
【００８２】
測定されるべき対象物の特性は、対象物に及ぼされた外部の影響であってよい。そのような外部の影響はすべての力、特に回転力および／または線形力であってよい。そのような力は、対象物に運動をもたらし、例えば線形または各加速をもたらしてよい。
【００８３】
さらに、センサデバイスは、携帯型センサデバイスとして構成してよい。
例えば、センサデバイスは、対象物の特性が測定されるべき場所へ搬送されてよい。
センサデバイスは、対象物が配置されているサイトへ設置されてよく、例えば、検査すべき対象物と結合または組立てられてよい。そして測定が実行されてよい。
【００８４】
その後、センサデバイスは、検査対象の対象物から取り外されてよく、もう１つ他の測定のために他の場所へ運ばれてよい。
【００８５】
それ故、対象物は、エンジニアによってすべての希望の場所へ搬送されてよい携帯型デバイスとして実現されてよく、その結果柔軟な操作性が得られてよい。
【００８６】
センサデバイスは、複数の磁界ジェネレータを備えていてよい。このようにして、測定の精度が向上されてよい。特に、複数の磁界ジェネレータは対象物の延長方向に沿って配置されてよい。
【００８７】
磁界ジェネレータが、磁界ジェネレータコイルとして実現された場合に、複数の磁界ジェネレータコイルのコイル軸は互いに平行な方向を向いてよい。
【００８８】
少なくとも１つの磁界検出器が対象物の延長方向に沿って移動可能または平行移動可能に提供されてよい。
【００８９】
この手段をとることによって、測定を改良するために、単一または複数の磁界検出器で対象物および／または磁界ジェネレータの延長方向に沿って検出信号をサンプリングまたは走査することが可能である。
【００９０】
磁界ジェネレータは、少なくとも対象物の一部の中で一時的または永久に磁界を発生するように適合されてよい。
【００９１】
言い換えると、磁界ジェネレータの中で磁界を発生する活性化信号をスイッチオフした後で、対象物の材料および／または活性化信号を指定するパラメータに関連して、対象物の中に磁化が残留してもまたは残留しなくてもよい。
【００９２】
対象物は、移動可能な対象物（例えば、トルク、速度、加速度測定用）であってもよく、または静的対象物（例えば、重量またはせん断力測定用）であってもよい。
【００９３】
静的対象物は、移動されないまたは移動できない、即ち空間的に固定された対象物であってよい。対象物は、磁性体（たとえば常磁性体または強磁性体）材料または磁化可能な材料（即ち、外部磁界の存在によって磁化を持つ）で作られてよい。
【００９４】
以下では、センサ装置の実施例が説明される。
【００９５】
しかしながら、これらの実施例は、またセンサデバイスおよび対象物の特性測定の方法にも適用される。
【００９６】
対象物は、丸いシャフト、管、円板、リングおよび例えば矩形断面を有する丸くない対象物から構成されたグループの少なくとも１つであってよい。
【００９７】
しかしながら、これらの幾何学的構成は、単に例として挙げるのみである。
対象物は、エンジンシャフト、往復運動シリンダおよびプッシュプルロッドを構成するグループの１つであってよい。
【００９８】
これらの応用のすべてにおいて、そのような位置、トルク、せん断力および／または角度センサの磁界誘導磁化は有利であってよい。何故ならば、それは高精度で高信頼性の力、位置、トルク、せん断力および／または角度位置センサを低コストで製造することを可能にしてよいからである。特に、採掘機、および穴あけ機は本発明のシステムを備えてよく、穴あけ角度、穴あけ方向および／または穴あけ力をモニタすることに使用されてよい。
【００９９】
本発明のもう１つの応用例は、エンジントルクおよび／またはエンジンノッキングの認識および解析である。
【０１００】
さらに、本発明の１つの実施例によれば洗濯機において、センサデバイスを使用して布の負荷を推定することができる。
【０１０１】
本発明の上記で定義された側面およびさらなる側面は、以下に説明される実施例およびこれらの実施例を参照した説明から明らかである。
本発明は、以下により詳細が実施例を参照して説明されるが本発明はそれに限られるものではない。
【発明を実施するための最良の形態】
【０１０２】
図の中の実例は、模式図的である。異なった図の中では、類似または同一の要素は同じ参照記号が付けられている。
【０１０３】
以下では、図１を参照して本発明の実施例に従って、工業用鉄鋼（磁化可能な）で構成されたエンジンシャフト１０２に加えられたトルクを測定するためのトルクセンサ装置１００が説明される。
【０１０４】
トルクセンサ装置１００は、トルクセンサデバイス１０１およびエンジンシャフト１０２を備えている。エンジンシャフト１０２は、ジェネレータコイル１０３で取り巻かれており、トルクセンサデバイス１０１の第１検出コイル１０４および第２検出コイル１０５の近傍に配置されている。
【０１０５】
トルクセンサデバイス１０１は、回転するエンジンシャフト１０２に印加されたトルクを測定するために適合されている。
トルクセンサデバイス１０１は、ジェネレータコイル１０３に取り囲まれたエンジンシャフト１０２の一部内に磁界を発生するように適合されたジェネレータコイル１０３を備えている。
【０１０６】
さらに、２つの検出器コイル１０４、１０５は、ジェネレータコイル１０３によって回転シャフト１０２の中に発生された磁界に対応する２つの検出信号を検出するように適合されている。
【０１０７】
検出信号は、エンジンシャフト１０２にそのとき及ぼされているトルクを示している。
特に、直流電流（ＤＣ）がジェネレータコイル１０３に印加され、回転シャフト１０２の中央部の中に磁界が発生される。
上記の実施例によれば、１００ｍＡの直流電流が回転シャフト１０２に２０ｍｓの間印加される。
【０１０８】
この強度および時間は、測定中に発生された磁化が、直流の活性化信号をスイッチオフした後でエンジンシャフト１０２の中に永久に残留しないために適当な値であってよい。
【０１０９】
このようにして、実験の後、シャフト１０２は、再度残留磁化がなくなり、基本的に消磁されている。
【０１１０】
ジェネレータコイル１０３に印加される活性化電流は、時間に対して一定である。
【０１１１】
パルス測定とは、対照的に、エンジンシャフト１０２に印加されるトルクを擬似連続的に検出できてよく、接続された制御電子回路１０７の構成を簡単にできてよい。
【０１１２】
制御電子回路１０７は、集積回路（例えばシリコン技術で製造されていてよく）または通常の配線された回路（例えばプリント回路基板、ＰＣＢ）であってよい。
【０１１３】
制御電子回路１０７は、ジェネレータコイル１０３に制御信号を提供し、回転シャフト１０２を磁化するためにジェネレータコイル１０３へ印加される直流電流信号を発生するためのエネルギー供給の役目をする。
【０１１４】
さらに、制御電子回路１０７は、検出器コイル１０４、１０５にも結合されており、検出器コイル１０４、１０５によって取得された検出信号を受け取って評価し、それによって回転シャフト１０２へ印加されたトルクを決定する。
【０１１５】
この検出結果は、制御電子回路１０７を使用して表示されてよく、または他の制御主体、例えばコンピュータ、へ送信されて結果をさらに処理したり、および／またはユーザインタフェース（グラフィカル）を提供したりしてよい。
【０１１６】
図１からさらにわかるように、蝶番継手１０６が提供されてセンサデバイス１０１を移動対象物１０２に取り外し可能に設置してよい。言い換えると、蝶番継手１０６が開放されるとエンジンシャフト１０２を取り外すことができるようにセンサデバイス１０１が開放されてよい。
【０１１７】
これによってトルクセンサデバイス１０１を携帯型センサデバイスとして使用することが可能となり、そこでトルクを測定するために他の場所へ搬送されてよい。
【０１１８】
ジェネレータコイル１０３の中央の穴は、エンジンシャフト１０２の収容部の役目をし、センサシャフト１０２を取り囲んでいてよい。
【０１１９】
エンジンシャフト１０２がセンサデバイス１０１で取り囲まれたとき、エンジンシャフト１０２は、それでもなおセンサデバイス１０１を回転しない固定位置に留めたままで自由に回転できてよい。
【０１２０】
代わりに、エンジンシャフト１０２は、センサデバイス１０１によって固く結合されてよく、その結果エンジンシャフト１０２は、エンジンシャフト１０２の回転に従うセンサデバイス１０１と一緒に回転してもよい。
【０１２１】
図１を参照して理解できるように、２つの検出器コイル１０４、１０５は、ジェネレータコイル１０３の上に対称的に配置されている。
このようにして、コンパクトで正確なセンサが得られてよい。
【０１２２】
次に、図２を参照して、本発明の１つの実施例に従って、センサデバイス２００について説明する。
図２を参照して理解できるように、図１で示された複数の要素に加えて、これもまた制御電子回路１０７に接続された第３検出コイル２０１が提供されている。
【０１２３】
さらに、検出コイル１０４、１０５、２０１は、ジェネレータコイル１０３の筐体の中に組み込まれている。
これによって非常にコンパクトな幾何学構成ができてよい。
【０１２４】
次に、図３から図６を参照しながら、図を使用して例示的な方法で、本発明の実施例に従ってセンサの原理がどのように考えられるかを説明する。
【０１２５】
図３は、非回転状態および動作状態で、磁化可能なシャフト１０２へ磁界が印加されていない状態のシャフト１０２を示している。
【０１２６】
図４に示すように、まだ非回転状態の磁化可能なシャフト１０２に磁界が印加された後、シャフト１０２の中に磁化ベクトル４００で示される磁化（ｍａｇｎｅｔｉｚａｔｉｏｎ）が発生されている。
【０１２７】
そのような縦方向の磁化４００は、図１のコイル構成によって達成できる。
【０１２８】
図５に示すように、シャフト１０２にトルクが印加されたとき、このトルクもまたシャフト１０２の磁化特性に影響を与える。
【０１２９】
従って、トルクによって変更された磁化ベックトル５００が得られ、これは磁化ベックトル４００に対して方向が変化している。
【０１３０】
言い換えると、磁化ベクトルは、シャフト１０２に加えられたトルクの影響下で傾けられている。
【０１３１】
その結果、検出コイル１０４、１０５は、変更された検出信号を測定してよい。
【０１３２】
図６に示すように、外部印加磁界を取り除いた後、即ち、ジェネレータコイル１０３へ印加する直流電流をスイッチオフした後、可逆的に発生された磁化は取り除かれてよい。
【０１３３】
次に、図７を参照して、トルクセンサ装置１００を使用して実験中に印加されてよい１つの信号シーケンスを説明する。
図７は、時間を横軸７０１にとってプロットしたダイアグラム７００を示している。
【０１３４】
ダイアグラム７００の縦軸７０２に沿ってジェネレータコイル１０３を活性化するために印加されてよい電流値がプロットされている。
【０１３５】
図７に示す第１信号７０３からわかるように、ジェネレータコイル１０３へ振幅＋１００ｍＡを持つ第１の直流電流信号が２０ｍｓ間印加されている。
【０１３６】
次に、ジェネレータコイル１０３へ電流値−１００ｍＡを持つ第２の直流電流信号７０４が２０ｍｓ間印加されてよい。
信号７０３、７０４に関連する２つの異なった測定によって、数学的に測定のオフセットを取り除くことができる。
【０１３７】
同様の方法で図８は、時間がプロットされている横軸８０１、および電流がプロットされている縦軸８０２を備えたダイアグラム８００を示している。
第１の直流電流８０３および第２の直流電流８０４が図８にさらにプロットされている。
【０１３８】
第１の直流電流８０３は、２０ｍｓ間印加された＋１００ｍＡの電流に対応している。
第２の直流電流８０４は、３０ｍｓ間印加された＋３０ｍＡの電流に対応している。
さらに、２つの測定８０３，８０４が組み合わされて解析または評価され、対応する計算アルゴリズムによってオフセットが除去または減少されてよい。
【０１３９】
以下では、図９を参照しながらセンサ装置９００について説明する。
【０１４０】
センサ装置９００は、図１で断面を見ることができるが、その中にジェネレータコイル１０３の磁界によって発生されたシャフト１０２の縦方向磁化９０１が示されている。
【０１４１】
以下に、図１０から図１２を参照しながら、対応する検出器コイル１０４に対するシャフト１０２の相対的な向きの例を説明するためのいくつかの簡略化された概要を示す。
図１０に示す配置をシャフト１０２に対する検出器コイル１０４の「軸方向」整列と名づけてよい。
【０１４２】
そのような構成では、検出器コイル１０４をジェネレータコイル１０３の位置の近傍に配置することが有利であってよい（例えば、検出器コイル１０４を図１０には、示されていないジェネレータコイル１０３に取り付ける）。
【０１４３】
図１１に示すような検出器コイル１０４がシャフト１０２の延長に対して垂直な方向を向いている「接線方向」配置では、検出器コイル１０４を（図１１には示されていない）ジェネレータコイル１０３に対して間隔をあけて横に配置すると有利な可能性がある。
【０１４４】
図１２に示すような検出器コイル１０４は、シャフト１０２の方向とは垂直な方向で図１１の検出器コイル１０４の方向とは垂直な方向である「半径方向」配置では、検出器コイル１０４を（図１２には示されていない）ジェネレータコイル１０３の位置の近傍に配置するか、またはジェネレータコイル１０３に対して横に間隔をあけて配置できてよい。
【０１４５】
以下に、図１３を参照して、本発明の１つの実施例に従って、センサ装置１３００について説明する。
図１３は、鋼鉄から作られても、そうでなくてもよく、またはその他の磁化可能なまたは永久磁石（例えば、強磁性）材料で作られた管１３０１（円周方向に閉じていてよい）の中の縦断面を示す。
【０１４６】
管１３０１は、例えば、管１３０１の軸に沿って伸びているギアシャフト１０２（図示されていない）を収納することができる。磁気変換器アセンブリ１０４、１０５が管１３０１の中に取り付けられる。
【０１４７】
装置１３００を機械的に支持するためにオプションとして部材１３０２が提供されてよい。
装置１３００は、管１３０１の内部壁表面またはそれに近接して取り付けられた、螺旋コイルのような、ジェネレータコイル１０３を備えており、ジェネレータコイル１０３は、管１３０１の軸に対して巻かれている。
【０１４８】
ジェネレータコイル１０３の各先端に近接して磁気センサデバイス１０４および１０５が取り付けられている。
【０１４９】
適切なセンサデバイスは、磁気抵抗ホール効果または飽和コアタイプを含んでいる。
【０１５０】
信号調整および処理回路１０７を使用してよい（例えば、ジェネレータコイル１０３に直流電流を印加できる制御電子回路）。
【０１５１】
センサ装置１３００は、移動対象物、例えばシャフト１０２に取り付けられてよい。
シャフト１０２は、ジェネレータコイル１０３を作動することによって磁化されてよい。
シャフト１０２が回転したとき、その磁化特性は回転に応じて変化してよく、その結果検出器コイル１０４、１０５で測定できる磁気検出信号も変化してよい。
【０１５２】
それ故、計算リソース１０７を使用して、そのときシャフト１０２に印加されているトルクが検出器コイル１０４、１０５によって検出された信号を基にして検出されてよい。
【０１５３】
以下に、図１４を参照して本発明の実施例に従って、エンジンシャフト１０２に加えられたトルクを測定するためのトルクセンサ装置１４００について説明する。
トルクセンサ装置１４００はまた直流電流駆動全力センサと呼ばれてよい。
【０１５４】
トルクセンサ装置１４００の機械的トルクのセンシング原理を使用すると機械的パワー伝達シャフト１０２のいかなる磁気的前処理もなしで完全なセンシングモジュールを製造してもよい。
このことは、センシングモジュールの製造、校正、出荷がより一層簡単になるのでユーザにとって利点がある。
【０１５５】
機械的パワー伝達シャフト１０２が磁気的に前処理されなければならない技術では、シャフト１０２はセンサシステム出荷の一部となり、そのことはより高価になり得る。
【０１５６】
本発明の１つの実施例による機械力センシング技術は、トルク、曲げ、軸負荷、半径方向負荷、およびせん断力を含み（しかしこれに限定されることなく）機械的パワー伝達シャフト１０２に印加された機械力の大半を検出し、測定できてよい。
【０１５７】
本説明は、説明を適切に短くするために基本的にトルク測定に焦点を当てている。
【０１５８】
機械力を測定するための説明された本技術は、非常に小さな磁界の絶対値を広い動作温度範囲に渡って正確にそして信頼性高く測定することを可能にしてよい。
【０１５９】
磁界の変化を検出し、測定する従来の方法は（ホール効果センサのような）、「ゼロ」点またはその近傍（磁界強度が＋／−０．００００１Ｔ＝＋／−０．０１ｍＴ＝＋／−０．１Ｇ未満）で測定が困難な可能性がある。
【０１６０】
本発明の１つの実施例によるセンシング技術に関連して、信号解像度が１ｍＧ（０．０００１ｍＴ＝１＊１０７Ｔ）より良い、極性に敏感な差分モード動作磁界センシングシステムを使用すると良好な結果が得られる。
【０１６１】
多くの場合、工業用鉄鋼の使用にためには、この技術の実施のための最大の印加可能な磁界強度は、＋／−３０Ｇ  （＋／−０．００３Ｔ＝＋／−３ｍＴ）未満の可能性がある。
図１４を参照して理解できるように、センサ装置１４００の要素は、ギアボックス入力シャフトのようなセンシングシャフト１０２（機械的パワー伝達シャフト）、磁束ジェネレータコイル１０３および磁界センサ１０４である。
【０１６２】
説明されているセンシング技術の有利な要件は、ジェネレータコイル１０３の中で使用される電気的直流電流が値の「ウインドウ」の中にあるときにそれが適切に動作することである。直流電流が大きすぎるとセンシング信号が消滅する可能性がある。直流電流が小さすぎると、センシング信号が非常に小さい可能性があり、センシング信号を信号オフセットから分離することがより一層困難になるであろう。信号のオフセットは、磁束ジェネレータコイル１０３によって発生された直流磁界に起因する可能性がある。
【０１６３】
各直流駆動の測定サイクルの間隔が十分長い限り、センシングシャフト１０２の中で磁束が完全に展開（静定）されるために磁束ジェネレータコイル１０３の直流電流を長い時間掛けて変化させることが可能である。
【０１６４】
直径２０ｍｍのシャフトに対して、ジェネレータコイル１０３の中の直流の向きが反転される前の、測定サイクルは２０ｍｓまたはそれ以上であってよい。
【０１６５】
直流駆動信号を変化させることは地磁気のキャンセルを含む信号オフセットおよび／または他の擾乱効果を消去できる利点を持っていてよい。
【０１６６】
しかしながら、同一の効果が達成できる他のソリューションが利用できる。
【０１６７】
以下では、本発明の１つの実施例による（例えば機械的な力の）センシング原理を使用して得られてよい、いくつかの利点について概要を説明する。このシステムは「連続的に」測定できる可能性があるので、高いセンシング信号帯域幅がこのセンサ設計を使用して達成できてよい。
【０１６８】
センサホスト（シャフト１０２）の処理が不要である。測定に必要な磁界がアクティブに発生されるので、センサのエージング（センサ信号の望ましくない減少または損失）が発生しない。
【０１６９】
磁界ジェネレータコイルおよび磁界センサデバイスがセンサの製造者によって１つの完全なユニットとして出荷でき、カスタマ自身によって対象物の周辺に組立できるので、非常に簡単化されたセンサ設計が得られてよい。
さらに、本発明の１つの実施例によるセンサデバイスは、残留磁気が非常に少ないかまたはゼロの工業用鉄鋼と一緒に使用できる。
【０１７０】
このようにして、対象物の材料が磁化できること（即ち、磁界が対象物内部で永久に保存される）は絶対的に必要ことではなくなる。
この特徴は（このことは本発明の実施には不必要であってよいが）、非常に特殊な工業用鉄鋼、例えばいくつかのニッケル含有の鉄鋼を必要とする。
【０１７１】
本発明の１つの実施例による技術は、対象物内部に永久的な磁界を保存することには依存せず、それ故、要求される対象物材料の仕様を大いに緩和する。
【０１７２】
以下に、さらにセンサ設計および機能について説明する。
図１５は、「軸方向」（または「インライン」）磁束スキャンの原理に従って動作するセンサ装置１５００を示している。
【０１７３】
センサ装置１５００は、運動方向１５０１に沿ってシフトされてよい移動可能な検出器コイル１０４を備え、その結果、シャフト１０２の全体の長さに沿って単一の検出コイル１０４で信号が検出されてよい。
【０１７４】
図１６および図１７は、図１５のセンサ装置１５００およびこのセンサ装置で検出された測定信号の空間依存性を表わしている。
【０１７５】
図１７は（移動可能な検出コイル１０４の）、シャフト１０２の延長方向の位置に沿って横軸１７０１を持ったダイアグラム１７００がプロットされているのを示している。
【０１７６】
ダイアグラム１７００の縦軸１７０２に沿って移動可能な検出器コイル１０４によって検出された信号の強度がプロットされている。測定曲線１７０３は、検出可能な特性を示している。
【０１７７】
図１７は（軸方向磁束スキャニング法を使用して）、１軸方向を向いた磁界センシングコイル１０４をセンシングシャフト１０２の側面に沿って動かしたときのトルク信号振幅を示している。
【０１７８】
使用可能なトルク信号は、磁界ジェネレータコイル１０３の中心に最も高い振幅を持っていてよい。
【０１７９】
以下では、図１８を参照して本発明の実施例に従って、エンジンシャフト１０２に加えられたトルクを測定するためのトルクセンサ装置１８００が説明される。
【０１８０】
図１８を参照して理解できるように、信号オフセットおよび／または望ましくない一様な浮遊磁界の干渉を消去または抑制するために、２つの直流駆動センサを並べて配置することができる。
【０１８１】
特に、１つの追加の磁界ジェネレータコイル１８０１が提供されてよい。各磁界ジェネレータコイル１０３、１８０１（Ｉ１およびＩ２）の電気駆動電流は、同一でよく（磁界ジェネレータコイル１０３および磁界ジェネレータコイル１８０１のコイルの仕様が同一でセンシングシャフト１０２の直径が磁界ジェネレータコイル１０３と１８０１の位置で同一であると仮定して）、そして反対方向に流れてよい。
【０１８２】
２つの磁界検出器コイル１０４，１０４（各々の１つずつがそれぞれ磁界ジェネレータコイル１０３、１８０１に割当てられている）からの差動出力信号は、高い共通モード除去仕様に合致できてよい。
【０１８３】
図１９は、シャフト１０２の延長方向に沿った固定検出コイル１０４，１０５の位置がプロットされた横軸１９０１を持ったダイアグラム１９００を太字の点線で示す。
ダイアグラム１９００の縦軸１９０２に沿って検出器コイル１０４，１０５によって検出された検出信号の強度がプロットされている。
【０１８４】
測定曲線１９０３は、検出可能な特性を示す。
２つの矢印で高い共通モード除去の差動信号が示されている。
【０１８５】
信号調整および信号処理電子回路２０００を示す図２０から推論できるように各検出器コイル１０４，１０５の信号を個別に処理したとき、適切な結果が達成できる。
そのようにして、非整合コイルの効果を補償または、抑制できる可能性がある。
【０１８６】
検出器コイル１０４，１０５が整合しないとき、各信号調整および信号処理電子回路からの出力信号は、利得が変化してよく、そしてまた異なったオフセットを持っていてよい。
【０１８７】
これは、差信号出力を（信号計算電子モジュール２００３の中で）構成する前に、２つの信号調整および信号処理電子モジュール２００１，２００２の中で個別に調整し、修正できる。
【０１８８】
図２１は、適切なモード除去回路付きの差動モード出力信号２１０１を備えた信号調整および信号処理電子回路２１００を示している。
【０１８９】
使用されている検出器コイル１０４，１０５の「整合」仕様が十分な場合、各々の信号は、互いに「直接」減算され、その後に結果がさらに信号調整および信号処理電子回路２１００段で処理される。
コストの観点からは、これは有利な解決策である。
【０１９０】
図２２は、「軸方向」磁束スキャンの原理に従って動作するセンサ装置２２００を示す。
センサ装置２２００は、運動方向１５０１に沿って平行移動されてよい移動可能な検出器コイル１０４を備え、その結果、シャフト１０２の全体の長さに沿って単一の検出コイル１０４で信号が検出されてよい。
【０１９１】
図２３および図２４は、図２２のセンサ装置２２００およびこのセンサ装置で検出された測定信号の空間依存性を表わしている。
図２４は（移動可能な検出コイル１０４の）、シャフト１０２の延長方向の位置がプロットされた横軸２４０１を持ったダイアグラム２４００が示されている。
【０１９２】
ダイアグラム２４００の縦軸２４０２に沿って移動可能な検出器コイル１０４によって検出された信号の強度がプロットされている。測定曲線２４０３は、検出可能な特性を示している。
【０１９３】
このように、図２２から図２４は、軸方向磁束スキャンの原理を示す。
図２４は、１つの軸方向に向いた検出器コイル１０４を取り、（軸方向磁束スキャン法を使用して）それをセンシングシャフト１０２の側面に沿って移動したときのトルク信号の振幅２４０３を示している。使用可能なトルク信号は、磁界ジェネレータコイル１０３のエッジでわずかに離れた位置で高い振幅を持っていてよい。
【０１９４】
以下に、図２５を参照して本発明の実施例に従って、エンジンシャフト１０２に加えられたトルクを測定するためのトルクセンサ装置２５００について説明する。
【０１９５】
図２６は、シャフト１０２の延長方向に沿った固定検出コイル１０４，１０５の位置がプロットされた横軸２６０１を持ったダイアグラム２６００が太字の点線で示す。
【０１９６】
ダイアグラム２６００の縦軸２６０２に沿って検出器コイル１０４，１０５によって検出された検出信号の強度がプロットされている。測定曲線２６０３は、検出可能な特性を示している。２つの矢印で全体の直流駆動センサ信号を示す。
【０１９７】
２つの半径方向を向いた検出器コイル１０４，１０５をセンシングシャフト１０２上で検出器コイル１０４，１０５の１つが磁界ジェネレータコイル１０３の各端部にあるように配置し、互いの値から信号を減算したとき、結果としての出力信号は、適切な共通モード除去標準に合致するであろう。
【０１９８】
即ち、この直流駆動センサ設計は、地磁気のような一様な浮遊磁界に起因する望ましくない効果を除去するであろう。
【０１９９】
以下では、図２７を参照して本発明の実施例に従って、エンジンシャフト１０２に加えられたトルクを測定するためのトルクセンサ装置２７００が説明される。
【０２００】
この実施例では、ジェネレータコイル２７０１はシャフト１０２の第１長さＬ１に沿って伸びている第１部２７０２とシャフト１０２の第２長さＬ１（第２長さは第１長さと異なっていてよい）に沿って伸びている第２部分２７０３とに分割され、第１部２７０２は、第２部２７０３から間隔Ｌ２離れている。
【０２０１】
軸方向の信号を一様に引き伸ばすために、２つのジェネレータコイル（または図２７のように２つの部分２７０２，２７０３を持つ１つの磁界ジェネレータコイル２７０１）はそれらのギャップまたは間隔Ｌ２で並置される必要がある。
【０２０２】
両方の磁界ジェネレータコイルが同一であり、電流Ｉ１が同一であると仮定すると、要求される間隔Ｌ２は、磁界ジェネレータコイルＬ１の関数である。
【０２０３】
軸方向の信号の一様な断面が大きいほど、磁界ジェネレータコイルは、センサ信号の品質を損なわずに磁界検出器コイルに対して軸方向に大きく移動できる。
センサ設計が大きな許容値に対処できるので、このことはセンサアセンブリを簡単化してよい。
【０２０４】
図２８は、シャフト１０２の延長方向に沿った検出コイル１０４の位置がプロットされた横軸２８０１を持ったダイアグラム２８００を示している。
【０２０５】
ダイアグラム２８００の縦軸２８０２に沿ってデバイス２７００の検出器コイル１０４によって検出された検出信号（センサ出力）の強度がプロットされている。
測定曲線２８０３は、検出可能な特性を示す。
【０２０６】
図２８において、磁界ジェネレータコイル部２７０２、２７０３の間の間隔Ｌ２は、大きすぎるので信号利得が中央部で低下している（磁界検出器コイル１０４の軸方向位置：１７ｍｍから２８ｍｍ）。
【０２０７】
図２９は、シャフト１０２の延長方向に沿った検出コイル１０４の位置がプロットされた横軸２９０１を持ったダイアグラム２９００を示す。
【０２０８】
ダイアグラム２９００の縦軸２９０２に沿って変更された距離Ｌ２を持つデバイス２７００の検出器コイル１０４によって検出された検出信号（センサ出力）の強度がプロットされている。
測定曲線２９０３は、検出可能な特性を示す。
【０２０９】
図２９から理解できるように、２つの磁界ジェネレータコイル部２７０２，２７０３の間の間隔Ｌ２を減少することによって軸方向信号の一様性は、全体に渡ってほぼ一定である（この特定の例では１０ｍｍから３２ｍｍ）。
ここに示された例は、約±４％の信号振幅脈動率を持っている。
【０２１０】
以下に、図３０を参照して本発明の実施例に従って、エンジンシャフト１０２の１軸方向の曲げの力を測定するためのセンサ装置３０００について説明する。
【０２１１】
１軸方向（例えばＸ軸方向）の曲げの力を検出し、測定できるためには、少なくとも２つの磁界センサ（ＭＦＳ）デバイス１０４，１０５が実装される。
【０２１２】
これら２つの磁界センサ１０４，１０５は、曲げの力を測定すべき面（軸）内で互いに反対方向に配置される（この特定の例では対象物１０２に対して「０」位置および「１８０」位置）。
【０２１３】
「曲げ」信号は、測定信号間の差である。（ＭＦＳ−０°−  ＭＦＳ−１８０°）＊Ｃｏｎｓｔａｎｔ＝曲げの力。ここで結果を直接ニュートンの曲げの力に変換するための修正定数（”ｃｏｎｓｔａｎｔ”）が有利であってよい。
【０２１４】
以下に、図３１を参照して本発明の実施例に従って、エンジンシャフト１０２の２軸ＸおよびＹ方向の曲げの力を測定するためのセンサ装置３１００について説明する。
ここで４つの磁界センサ（ＭＦＳ）デバイス１０４，１０５，３１０１，３１０２が実装される。
【０２１５】
第２軸、Ｙ、方向の曲げの力を検出して測定するために、Ｙ曲げの力面内に互いに反対方向に配置された、さらに２つのＭＦＳデバイス３１０１，３１０２が備えられる（ＭＦＳ−９０°およびＭＦＳ−２７０°）。
【０２１６】
以下に、図３２を参照して本発明のもう１つの実施例に従って、エンジンシャフト１０２の２軸ＸおよびＹ方向の曲げの力を測定するためのセンサ装置３２００について説明する。
【０２１７】
Ｘ方向およびＹ方向の曲げの力を検出し、測定するために４つのＭＦＳデバイスを使用する代わりに、３つのＭＦＳデバイス１０４，１０５，３１０１だけを互いに１２０°の角度で配置して使用できる（ＭＦＳ−０°、ＭＦＳ−１２０°およびＭＦＳ−２４０°）。
【０２１８】
以下に説明するように、本発明の実施例による技術は、材料解析（品質チェック）にも使用してもよい。
【０２１９】
磁界ジェネレータコイルの内部でシャフト（この場合強磁性体が有利であってよい）を回転し、１つの磁界センサデバイスの出力信号をモニタするとき、磁界センサデバイスの処理出力信号は、シャフトの硬化の深さの変化に関連して振幅が変化するであろう。
【０２２０】
このソリューションを使用すると硬化されたシャフトの硬化の深さが希望する値以内に収まっているか否かをチェックできてよい。
【０２２１】
以下に説明するように、本発明の実施例による技術は、強磁性体シャフト表面のひび割れの検出にも使用してよい。
【０２２２】
活性化された磁界ジェネレータコイルの内部でシャフトを回転するとき、磁界センサデバイスの出力信号は、シャフト表面のひび割れを検出できる。
【０２２３】
シャフト表面のひび割れが磁界センサコイルの直下にあるときに処理された出力信号は、振幅が急峻に変化するであろう。
【０２２４】
この方法によって検出できる金属ひび割れの物理的な大きさは、次の仕様に依存していてよい。
【０２２５】
磁界センサデバイスの物理的な大きさ（コイルが小さければ小さいほどシャフト表面で検出できるひび割れは小さい）。
【０２２６】
磁界センサデバイスとシャフトの間の間隔（空気ギャップが小さければ小さいほど信号はより詳細に、そしてより正確になる）。
【０２２７】
以下に説明されるように、本発明の実施例による技術は、表面粗さまたは歯の計数にも使用されてよい。
【０２２８】
シャフトの直径またはシャフトの表面構造が変化すると、１つの磁界センサデバイスの出力信号は大きな振幅の変化を示してよい。
【０２２９】
これによってこの技術を材料品質のチェック（注意：さらに磁界センサコイルを配置し、信号計算、フィルタリングしないと信号の変化が硬化の深さの変化によるものか、またはシャフト表面の特徴の変化によるものかの区別は困難である可能性がある）およびシャフトの回転速度の測定に使用できる（速度／ｒｐｍセンサ）。
【０２３０】
図３３は、基本的には図１４のセンサ装置と同一である、本発明の１つの実施例によるセンサ装置を示す。
【０２３１】
図３４は、本発明の１つの実施例によるもう１つのセンサ装置で励起コイル１０３に対する検出器コイル１０４のコイル軸の方向に関して図３３のセンサ装置とは異なるセンサ装置を示す。
【０２３２】
図３３では、両方の軸は基本的に互いに平行である。図３４では、２つの軸は基本的に互いに垂直である。両方の構成とも動作するセンサをもたらす。
【０２３３】
次に、アクティブな電気的にパワーを供給されたトルクセンシングシステムに関するいくつかのさらなる側面が説明される。
【０２３４】
アクティブなパワーを供給されたトルクセンシングモジュール（ＡＴＳ）は、磁束線がどのようにして機械的ストレス下（駆動シャフトにトルクが印加されたときのように）の強磁性対象物（駆動シャフト）を通過するかについての収集された理解を基本としている。
【０２３５】
従来の磁歪トルクセンシング技術に対してＡＴＳセンシング原理の主要な相違点は、ソースの磁界が駆動シャフトの中に永久に保存される必要がないということである。
【０２３６】
要求されるソース磁界は印加されたトルク力を測定する間、駆動シャフトの近傍に配置されたソース磁界によってアクティブに発生される。
結果として、ＡＴＳトルクセンサを他の技術と比較するといくつかの性能および特徴が異なる。
【０２３７】
シャフト材料中に保磁性がもはや必要ないので、磁性シャフト材料に関する要求はより緩和される。
駆動シャフトの磁気的「処理」が不要である。
【０２３８】
センサの「ハイエンド」アプリケーションで磁気的にエンコードされた駆動シャフトと（第２センサとも呼ばれてよい）電子センシングモジュールとの間で「整合」させる必要がない。
【０２３９】
駆動シャフトの磁気エンコードは、実際のトルク測定の間に「アクティブに」「ライフ」を発生されるので、もはや破壊されることはない。
【０２４０】
このセンシング技術は（交流モードで動作するときは）、妨害する浮遊磁界の存在をより正確に検出できるので希望しない信号オフセットを補償する。
【０２４１】
要求されるソース磁界がアクティブに発生されなければならないので全体のセンサシステムの電流消費は、大きいであろう（＋５Ｖ電源で１００ｍＡの領域およびそれ以下と推定される）。
【０２４２】
ＡＴＳトルクセンシングモジュールは、１つの自立センサデバイスとして製造できる（「１つの」ユニットのみ）。このことは物流管理を簡単化し、製品のメンテナンスおよび修理状況の管理が容易になる（例えば、乗用車の駆動シャフトを交換するとき）。
【０２４３】
以下で、上記の技術のセンサ性能が説明される。
ＡＴＳセンシング技術で作業する１つの主要な目的は（１次センサと呼ばれてよい）、駆動シャフトを磁気的に処理する必要性を除去することである。
【０２４４】
このことがセンサモジュール製造プロセスを大いに簡単化してよく、そして必要とされる駆動シャフト（１次センサ）材料への影響力もあり、コスト低減になる。
【０２４５】
「完全な」トルクＡＴＳトルクモジュールは、完全に生産され、テストされ、商標が付けられ、そしてずっと後になって実際のトルク測定が実行される場所で駆動シャフト（１次センサ）と対にされる。
【０２４６】
従来のセンシング技術と比較して、同じトルク信号感度が達成可能で、そして同じ高い信号大域幅が得られる。
【０２４７】
妨害する浮遊磁界に対する感度が改良される可能性があるので（従来のセンシング技術と比較して）、全体のセンサ電流消費は、常により高い可能性がある。
【０２４８】
センサ設計に関しては、ＡＴＳセンシング技術の鍵となる設計問題点は特定の駆動シャフト（１次センサ）に対して発生される必要がある非常に特殊な磁界強度である。
【０２４９】
磁歪センシング原理は、測定中にシャフトを貫通しなければならない磁束の量に関して非常に敏感である。
【０２５０】
回転する駆動シャフトからトルク力を測定しなければならない大抵のアプリケーションでは、対象とするセンシング領域の周辺に配置された（巻かれた）電気的にパワーを供給された磁界発生コイル（ジェネレータ磁界）を使用することが最も容易であろう。
【０２５１】
このセンシング原理では、駆動シャフト表面と磁界発生コイルの間にギャップ（例えば、空気ギャップ）が許容される。
【０２５２】
磁界発生コイルが駆動シャフトを完全に取り巻かず、センシング領域の近くで１つまたはそれ以上の側面に配置されることも考えられる。
【０２５３】
そのような可能性のある機械的設計ソリューションは、駆動シャフトが不均一、または非常に大きなシャフト終端をもっている場合に利点がある（通常の「円形」コイルはそのような設計のシャフトの終端まで容易に押せない）。
【０２５４】
同様に重要なことは、トルクセンシング信号が検出され、測定される場所での（ジェネレータ磁界に対する）位置と向きである。
【０２５５】
現在のところ、駆動シャフトに対して印加されたトルク力に起因する磁界変化を検出するために、改良された磁気「フラックスゲート」センシング原理が最適な感度と特徴を提供すると考えられる。
【０２５６】
「含む」という用語は、他の要素またはステップを除外せず、そして「１つの」という用語は複数を除外しないことにご注意いただきたい。
また、異なった実施例と関連して説明された要素は、組み合わせてよい。
【０２５７】
請求項の中の参照記号は、請求項を制限していると解釈されてはならないこともご注意されたい。
【図面の簡単な説明】
【０２５８】
【図１】本発明の実施例に従ったセンサ装置を示す図である。
【図２】本発明の実施例に従ったセンサデバイスを示す図である。
【図３】異なった動作状態での移動対象物の磁化および消磁のプロセスを示す図である。
【図４】異なった動作状態での移動対象物の磁化および消磁のプロセスを示す図である。
【図５】異なった動作状態での移動対象物の磁化および消磁のプロセスを示す図である。
【図６】異なった動作状態での移動対象物の磁化および消磁のプロセスを示す図である。
【図７】各々本発明の実施例に従ったセンサデバイスの動作用の直流電流信号のシーケンスを表わすグラフを示す図である。
【図８】各々本発明の実施例に従ったセンサデバイスの動作用の直流電流信号のシーケンスを表わすグラフを示す図である。
【図９】本発明の実施例に従ったセンサ装置を示す図である。
【図１０】本発明の実施例に従ったセンサデバイスの異なったコイルの向きを示す図である。
【図１１】本発明の実施例に従ったセンサデバイスの異なったコイルの向きを示す図である。
【図１２】本発明の実施例に従ったセンサデバイスの異なったコイルの向きを示す図である。
【図１３】本発明の実施例に従ったセンサ装置を示す図である。
【図１４】本発明の実施例に従ったセンサ装置を示す図である。
【図１５】本発明の実施例に従ったセンサ装置を示す図である。
【図１６】図１５のセンサ装置およびこのセンサ装置で検出された測定信号の空間依存性を表わす図である。
【図１７】図１５のセンサ装置およびこのセンサ装置で検出された測定信号の空間依存性を表わす図である。
【図１８】本発明の実施例に従ったセンサ装置を示す図である。
【図１９】図１８のセンサ装置で検出された測定信号の空間依存性を示す図である。
【図２０】図１８のセンサの配置で取得された評価用信号を検出する決定ユニットを示す図である。
【図２１】本発明の実施例に従ったセンサ装置を表す図である。
【図２２】本発明の実施例に従ったセンサ装置を示す図である。
【図２３】図２２のセンサ装置およびこのセンサ装置で検出された測定信号の空間依存性を表す図である。
【図２４】図２２のセンサ装置およびこのセンサ装置で検出された測定信号の空間依存性を表す図である。
【図２５】本発明の実施例に従ったセンサ装置を示している。
【図２６】図２５のセンサ装置で検出された測定信号の空間依存性を示す図である。
【図２７】本発明の実施例に従ったセンサ装置を示す図である。
【図２８】図２７のセンサ装置で検出された測定信号の空間依存性を示す図である。
【図２９】図２７のそれと類似のセンサ装置で磁界ジェネレータコイル間の間隔が減少された場合の検出された測定信号の空間依存性を表す図である。
【図３０】本発明の実施例に従ったセンサ装置を示す図である。
【図３１】本発明の実施例に従ったセンサ装置を示す図である。
【図３２】本発明の実施例に従ったセンサ装置を示す図である。
【図３３】本発明の実施例に従ったセンサ装置を示す図である。
【図３４】本発明の実施例に従ったセンサ装置を示す図である。
【符号の説明】
【０２５９】
１００…トルクセンサ装置、１０１…トルクセンサデバイス、１０２…エンジンシャフト、１０３…ジェネレータコイル、１０４…第１検出器コイル、１０５…第２検出器コイル、１０６…蝶番継手、１０７…制御電子回路、２００…センサデバイス、２０１…第３検出器コイル、４００…磁化ベクトル、５００…トルクによって変更された磁化ベクトル、７００…ダイアグラム、７０１…横軸、７０２…縦軸、７０３…第１直流電流信号、７０４…第２直流電流信号、８００…ダイアグラム、８０１…横軸、８０２…縦軸、８０３…第１直流電流信号、８０４…第２直流電流信号、９００…センサ装置、９０１…縦方向磁化、１３００…センサ装置、１３０１…管、１３０２…支持部材、１４００…トルクセンサ装置、１５００…センサ装置、１５０１…移動方向、１７００…ダイアグラム、１７０１…横軸、１７０２…縦軸、１７０３…測定曲線、１８００…センサ装置、１８０１…追加ジェネレータコイル、１９００…ダイアグラム、１９０１…横軸、１９０２…縦軸、１９０３…測定曲線、２０００…センサ調整およびセンサ処理電子回路、２００１…第１センサ調整およびセンサ処理電子チャンネル（モジュール）、２００２…第２センサ調整およびセンサ処理電子チャンネル（モジュール）、２００３…信号計算ユニット、２００４…共通モード除去付きの作動モード出力信号、２１００…センサ調整およびセンサ処理電子回路、２１０１…共通モード除去付きの作動モード出力信号、２２００…センサ装置、２４００…ダイアグラム、２４０１…横軸、２４０２…縦軸、２４０３…測定曲線、２５００…センサ装置、２６００…ダイアグラム、２６０１…横軸、２６０２…縦軸、２６０３…測定曲線、２７００…トルクセンサ装置、２７０１…ジェネレータコイル、２７０２…第１部、２７０３…第２部、２８００…ダイアグラム、２８０１…横軸、２８０２…縦軸、２８０３…測定曲線、２９００…ダイアグラム、２９０１…横軸、２９０２…縦軸、２９０３…測定曲線、３０００…センサ装置、３１００…センサ装置、３１０１…ＭＦＳデバイス、３１０２…ＭＦＳデバイス、３２００…センサ装置
【図１】
2009506334.tif 000003
【図２】
2009506334.tif 000004
【図３】
2009506334.tif 000005
【図４】
2009506334.tif 000006
【図５】
2009506334.tif 000007
【図６】
2009506334.tif 000008
【図７】
2009506334.tif 000009
【図８】
2009506334.tif 000010
【図９】
2009506334.tif 000011
【図１０】
2009506334.tif 000012
【図１１】
2009506334.tif 000013
【図１２】
2009506334.tif 000014
【図１３】
2009506334.tif 000015
【図１４】
2009506334.tif 000016
【図１５】
2009506334.tif 000017
【図１６】
2009506334.tif 000018
【図１７】
2009506334.tif 000019
【図１８】
2009506334.tif 000020
【図１９】
2009506334.tif 000021
【図２０】
2009506334.tif 000022
【図２１】
2009506334.tif 000023
【図２２】
2009506334.tif 000024
【図２３】
2009506334.tif 000025
【図２４】
2009506334.tif 000026
【図２５】
2009506334.tif 000027
【図２６】
2009506334.tif 000028
【図２７】
2009506334.tif 000029
【図２８】
2009506334.tif 000030
【図２９】
2009506334.tif 000031
【図３０】
2009506334.tif 000032
【図３１】
2009506334.tif 000033
【図３２】
2009506334.tif 000034
【図３３】
2009506334.tif 000035
【図３４】
2009506334.tif 000036
【国際調査報告】
2009506334.tif 000037
2009506334.tif 000038
2009506334.tif 000039