(57)【要約】磁化可能要素を磁化させて磁気的なエンコード領域を生成するための装置。該装置は、磁化可能要素における２つ以上の異なる部分と電気的に接触する電気接続要素と、該電気接続要素に接続されるとともに、磁化可能要素における２つ以上の異なる部分に、２つ以上の磁気的なエンコード領域を生成するために、２つ以上の電気信号を前記２つ以上の異なる部分に印加する電気信号供給部を備える。【選択図】図６８Ａ
2009500636.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁気的なエンコード領域を生成するために磁化可能要素を磁化させる装置であって、
前記磁化可能要素における２つ以上の異なる部分と電気的に結合させるための電気結合要素と、
前記電気結合要素に接続されるとともに、前記磁化可能要素における２つ以上の異なる部分に、２つ以上の磁気的なエンコード領域を生成するために、２つ以上の電気信号を前記２つ以上の異なる部分に接続させる電気信号供給部と、を備えた装置。
【請求項２】
前記電気結合要素が、前記２つ以上の異なる部分と接触する電気接続要素であり、
前記２つ以上の電気信号についての接続が、前記２つ以上の電気信号を前記２つ以上の異なる部分に印加することである、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記電気結合要素が、前記２つ以上の異なる部分に対して非オーミックで接続されるように形成した電気的非オーミック要素であり、
前記電気信号供給部が、２つ以上の異なる信号を前記２つ以上の異なる部分に非オーミックで生起させるように構成された、請求項１に記載の装置。
【請求項４】
前記電気結合要素が、前記磁化可能要素の軸に対して平行に配置した導線である、請求項３に記載の装置。
【請求項５】
前記電気結合要素が、前記磁化可能要素の軸に対して接線方向に配置した導線である、請求項３に記載の装置。
【請求項６】
前記２つ以上の異なる電気信号の強度がほぼ等しい、請求項５に記載の装置。
【請求項７】
前記電気結合要素が、電気結合要素の第一群及び第二群に配置され、予め決められた強度の電気信号が前記第一群の電気結合要素に印加され、予め決められた強度の電気信号が前記第二群の電気結合要素に印加されるとともに、前記第一群に印加される信号が、前記第二群に印加される信号とは逆の方向をもつ、請求項３から６のいずれか１項に記載の装置。
【請求項８】
前記第一群の２つの電気結合要素の各々の間に、前記第二群の電気結合要素の１つが配置された、請求項７に記載の装置。
【請求項９】
前記電気結合要素が、前記磁化可能要素の周囲において、等間隔又は不均等な間隔で配置され、又は対数的な間隔をもって配置された、請求項１から８のいずれか１項に記載の装置。
【請求項１０】
前記電気結合要素が、電気結合要素の群を形成するように接続され、電気結合要素の各群が前記２つ以上の異なる部分の１つにそれぞれ割り当てられ、
前記電気結合要素の群における電気接続要素の１つ以上は、それぞれの電気信号を前記電気信号供給部から各部分に導くように構成され、かつ、前記電気結合要素の群における電気接続要素の他の１つ以上は、それぞれの電気信号を前記各部分から前記電気信号供給部へと戻すように導く構成とされた、請求項１から９のいずれか１項に記載の装置。
【請求項１１】
可動物体の２つ以上の部分に、多様な磁気強度でもって磁気的なエンコード領域を形成するように構成した、請求項１から１０のいずれか１項に記載の装置。
【請求項１２】
可動物体の２つ以上の部分に、多様な極性配置で磁気的なエンコード領域を形成するように構成した、請求項１から１１のいずれか１項に記載の装置。
【請求項１３】
前記装置は、前記磁化可能要素の表面の平面投影において、磁気的なエンコード領域の磁気強度及び／又は極性がチェス盤状の構造をなすように、管状の磁化可能要素を磁化させる構成とされた、請求項１から１２のいずれか１項に記載の装置。
【請求項１４】
前記装置は、第一電流パルスを各部分に印加する製造工程に従って２つ以上の前記磁気的なエンコード領域を生成するように構成され、
前記装置は更に、前記各部分の長手方向の軸に沿う第一方向において第一電流が生じるように第一電流パルスを供給する構成とされ、
前記第一電流パルスの供給によって前記各部分に磁気的なエンコード領域を生成する、請求項１から１３のいずれか１項に記載の装置。
【請求項１５】
前記装置が更に、前記各部分に第二電流パルスを供給し、
前記第二電流パルスの供給によって、前記各部分の長手方向の軸に沿う第二方向において第二電流が生じるように構成された、請求項１４に記載の装置。
【請求項１６】
前記装置は、前記第一電流パルス及び第二電流パルスの各々が立ち上がりエッジ及び立ち下がりエッジをもつように構成され、立ち上がりエッジが立ち下がりエッジよりも急峻とされた、請求項１５に記載の装置。
【請求項１７】
前記第一方向が前記第二方向と反対である、請求項１５又は１６に記載の装置。
【請求項１８】
複数の電気信号供給部を更に備え、各電気信号供給部が電気信号を、前記部分の割り当てられた１つに印加するように構成された、請求項１から１７のいずれか１項に記載の装置。
【請求項１９】
電気信号を前記部分の全てに印加するように構成した、単一の電気信号供給部を備える、請求項１から１７のいずれか１項に記載の装置。
【請求項２０】
α＝２・ｎ、ｎ∈Ｎとされる、前記磁化可能要素におけるα個の異なる部分を結合させるための電気結合要素を更に備える、請求項１から１９のいずれか１項に記載の装置。
【請求項２１】
可動物体について１つ以上の物理変数情報を測定するためのセンサー装置であって、
前記可動物体に配置した２つ以上の磁気的なエンコード領域と、
２つ以上の磁場検出器と、
物理変数情報の測定部と、を備え、
前記２つ以上の磁場検出器は、前記可動物体とともに移動する前記２つ以上の磁気的なエンコード領域が前記２つ以上の磁場検出器の周辺域を通る際に、前記２つ以上の磁気的なエンコード領域によって生成される信号を検出するように構成され、
前記物理変数情報の測定部は、検出された信号に基づいて、前記可動物体の１つ以上の物理変数情報を測定するように構成された、センサー装置。
【請求項２２】
前記可動物体に配置され、かつα＝２・ｎ、ｎ∈Ｎとされるα個の磁気的なエンコード領域を備え、
β＝｛ｎ∈Ｎ｜γ＞０｝、γ＝（α／ｎ）−ｉｎｔ（α／ｎ）、ｎ∈Ｎとされる、β個の磁場検出器を更に備える請求項２１に記載のセンサー装置。
【請求項２３】
１つ以上の物理変数が、前記可動物体の位置、前記可動物体にかかるトルク、前記可動物体にかかる引張力、前記可動物体にかかる曲げ力、前記可動物体にかかるせん断力、前記可動物体にかかる動的な力、前記可動物体の速度、前記可動物体の角度位置、前記可動物体の速さ情報、及び前記可動物体の仕事率からなる群より選択される、請求項２１又は２２に記載のセンサー装置。
【請求項２４】
前記物理変数情報の測定部が信号調整及び信号処理部を備え、該信号調整及び信号処理部が１つ以上の前記磁場検出器と接続され、検出信号を処理して、処理済の検出信号を生成するように構成された、請求項２３に記載のセンサー装置。
【請求項２５】
前記物理変数情報の測定部が、
第一測定要素と、
フィルタ要素と、を更に備え
前記第一測定要素が、前記処理済の検出信号に基づいて指示信号を提供するように構成され、該指示信号が第一の物理変数情報を表すとともに前記フィルタ要素にフィルタ信号として伝送され、
前記フィルタ要素が、前記処理済の検出信号及び前記フィルタ信号に基づいて、第二の物理変数情報を表す出力信号を提供するように構成された、請求項２４に記載のセンサー装置。
【請求項２６】
前記第一の物理変数情報が前記可動物体の速さ情報であり、及び／又は、前記第二の物理変数が動的な力である、請求項２５に記載のセンサー装置。
【請求項２７】
前記物理変数情報の測定部が更に、前記フィルタ要素の出力信号を整流するように構成した整流部を備える、請求項２５又は２６に記載のセンサー装置。
【請求項２８】
磁気的なエンコード領域を生成するために磁化可能要素を磁化させる方法であって、
前記磁化可能要素の２つ以上の異なる部分を、電気信号供給部と電気的に接続する工程と、
前記磁化可能要素の前記２つ以上の異なる部分に、２つ以上の異なる磁気的なエンコード領域を生成するために、前記電気信号供給部を用いて、少なくとも２つの異なる電気信号を前記２つ以上の異なる部分に与える工程を有する方法。
【請求項２９】
可動物体の物理変数情報を測定する方法であって、
前記可動物体とともに移動する２つ以上の磁気的なエンコード領域が２つ以上の磁場検出器の周辺域を通る際に、前記２つ以上の磁気的なエンコード領域によって生成される信号を、前記２つ以上の磁場検出器で検出し、
検出された信号に基づいて前記可動物体の物理変数情報を測定することを含む方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は磁化可能要素を磁化させる装置、センサー装置、磁化可能要素を磁化させる方法、及び移動可能な物体の物理変数情報を測定する方法に関する。特に、本発明は、角度位置及び軸位置を測定するためのチェス盤状エンコーディング（符号化）と、機械的な力の測定に関する。
【背景技術】
【０００２】
磁気トランスデューサ技術は、トルク及び位置の測定に応用されている。それは特に、シャフトや、トルクを受け又は直線運動に従う、あらゆる他の部分におけるトルクを非接触で測定するために開発された。回転又は往復運動をする構成部分には、磁化された領域、即ち磁気的なエンコード領域が設けられ、そしてシャフトが回転し又は往復運動をする時、そのような磁気的にエンコードされた領域は、シャフトのトルク、力又は位置を測定できる（磁気コイルのような）磁場検出器に特徴的な信号を発生させる。
【０００３】
この種のセンサーは、例えば、国際公開第０２／０６３２６２号パンフレットに開示されている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明の目的は、磁化可能要素を磁化させる効率的な装置、効率的なセンサー装置、磁化可能要素を磁化させる効率的な方法、及び可動物体の物理変数情報を測定する効率的な方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
この目的は、独立請求項に従って、磁化可能要素を磁化させる装置、センサー装置、磁化可能要素を磁化させる方法、及び可動物体の物理変数情報を測定する方法を提供することで達成できる。
【０００６】
本発明の典型的な実施形態によれば、磁化可能要素を磁化させて磁気的なエンコード領域を生成するための装置であって、磁化可能要素における２つ以上の異なる部分と電気的に結合させるための電気結合要素と、該電気結合要素に接続されるとともに、磁化可能要素における２つ以上の異なる部分に２つ以上の磁気的なエンコード領域を生成するために、２つ以上の電気信号を前記２つ以上の異なる部分に接続させる電気信号供給部と、を備えた装置が提供される。
【０００７】
本発明の典型的な実施形態によれば、可動物体の１つ以上の物理変数情報を測定するためのセンサー装置が提供され、該センサー装置は、可動物体に配置した２つ以上の磁気的なエンコード領域と、２つ以上の磁場検出器と、物理変数情報の測定部と、を備え、２つ以上の磁場検出器は、可動物体とともに移動する２つ以上の磁気的なエンコード領域が２つ以上の磁場検出器の周辺域を通る際に、２つ以上の磁気的なエンコード領域によって生成される信号を検出するように構成される。そして物理変数情報の測定部は、検出された信号に基づいて、可動物体の１つ以上の物理変数情報を測定するように構成される。
【０００８】
本発明の別の典型的な実施形態によれば、磁気的なエンコード領域を生成するために磁化可能要素を磁化させる方法が提供され、該方法は、磁化可能要素の２つ以上の異なる部分を電気信号供給部と電気的に接続する工程と、磁化可能要素の前記２つ以上の異なる部分に、２つ以上の異なる磁気的なエンコード領域を生成するために、電気信号供給部を用いて、少なくとも２つの異なる電気信号を前記２つ以上の異なる部分に与える工程を有する。
【０００９】
本発明の別の典型的な実施形態によれば、可動物体の物理変数情報を測定する方法が提供され、該方法は、可動物体とともに移動する２つ以上の磁気的なエンコード領域が２つ以上の磁場検出器の周辺域を通る際に、前記２つ以上の磁気的なエンコード領域によって生成される信号を、前記２つ以上の磁場検出器で検出することを含む。そして、本方法は、検出された信号に基づいて可動物体の物理変数情報を測定することを含む。
【００１０】
本発明の一態様によると、磁化可能要素を磁化させて磁気的なエンコード領域を生成するスキーム（仕組み）を提供でき、複数の異なる電気結合要素が、磁化対象物の表面で異なる部分に結合される。そして、各部分に対して個別の磁化スキームが各別に、例えば電流又は電圧で適用される。その結果、磁化対象物の異なる表面領域には、磁気的なエンコード領域が与えられ、これらの領域は磁場の強さ、極性等が異なっている。これにより、磁化した対象物において使用者が規定する磁化表面構造が得られ、所望の磁場信号パターンを自在に生成できるようになる。
【００１１】
本発明の１つの特徴は、磁気的なエンコード領域によって規定される構造が、殆どあらゆる所望の形態を呈することである。特に、磁化可能要素に生じる磁場構造は一様でないこともあり、つまり、該構造は磁化可能要素に関して均一である必要はない。さらにまた、該構造は、磁化可能要素に関して半径方向、軸方向、又は接線方向に配置することができる。
【００１２】
次に、磁化可能要素を磁化させる装置について、別の典型的な実施形態を説明する。
但し、これらの実施形態は、センサー装置、磁化可能要素を磁化させる方法、及び可動物体の物理変数情報を測定する方法にも適用できる。
【００１３】
一実施形態によれば、電気結合要素が、接触要素、つまり、磁化可能要素に接続されてオーミック接触を形成するように構成した要素とされる。本発明のこの典型的な実施形態によると、磁化可能要素を磁化させて磁気的なエンコード領域を生成する装置が提供され、該装置は、磁化可能要素の２つ以上の異なる部分と電気的に接触する電気接続要素と、磁化可能要素の前記２つ以上の異なる部分に２つ以上の異なる磁気的なエンコード領域を生成するために、電気接続要素と接続されて２つ以上の異なる電気信号を前記２つ以上の異なる部分に印加するように構成した電気信号供給部を備える。
【００１４】
さらに別の実施形態によれば、電気結合要素が、非オーミック要素、つまり、直流的なオーミック接触ではなく、例えば磁化可能要素の近傍に配置したワイヤの形態で、信号を磁化可能要素に対して誘導的又は容量的に生起させるように構成した要素である。本実施形態によると、電気結合要素が、前記２つ以上の異なる部分に対して非オーミックで接続されるように形成した電気的な非オーミック要素とされ、電気信号供給部が、２つ以上の異なる信号を前記２つ以上の異なる部分に非オーミックで生起させるように構成される。この非オーミック結合は、誘導性結合及び／又は容量性結合とされる。容量性結合を用いる場合、磁化される使用可能な磁気的エンコード領域を増やすために、多数の電気信号を適用することが有利である。
【００１５】
装置のさらに別の典型的な実施形態によれば、電気結合要素が、磁化可能要素の軸に対して平行に配置した導線である。
【００１６】
装置のまた別の典型的な実施形態によれば、電気結合要素が、磁化可能要素の軸に対して接線方向に配置した導線である。
【００１７】
電気結合要素として導線を使用することにより、磁化可能要素を誘導的にエンコード処理する効率的な方法が与えられる。これらの導線は、磁化可能要素の長手方向の軸に関して、平行に、接線方向に、又は軸方向に配置できる。こうして、磁気的なエンコード領域について半径方向、軸方向、又は接線方向の配向を得ることができる。
【００１８】
装置の別の典型的な実施形態によれば、前記２つ以上の異なる信号の強度がほぼ等しくされ、つまりほぼ同じ電流値をもつ電気信号が使用される。この場合、２つの異なる信号は、電気結合要素に与える電流の方向が異なっていることが好ましい。
【００１９】
装置のさらに別の典型的な実施形態によれば、電気結合要素が、電気結合要素の第一群及び第二群に配置され、予め決められた強度の電気信号が前記第一群の電気結合要素に印加され、予め決められた強度の電気信号が前記第二群の電気結合要素に印加されるとともに、前記第一群に印加される信号が、前記第二群に印加される信号とは逆の方向をもつ。
【００２０】
装置のさらにまた別の典型的な実施形態によれば、前記第一群の２つの電気結合要素の各々の間に、前記第二群の１つの電気結合要素が配置され、即ち前記第一群の電気結合要素と前記第二群の電気結合要素が、磁化可能要素の周囲に沿って、又は磁化可能要素の長手方向の軸に沿って、交互に配置される。
【００２１】
装置のまた別の典型的な実施形態によれば、電気結合要素が、磁化可能要素の周囲において、等間隔又は不均等な間隔で配置され、又は対数的な間隔をもって配置される。これらは、磁化可能要素に導入される一様でない構造、つまり一様でない磁場コーディングの数例である。
【００２２】
前記電気結合要素は、電気結合要素の群を形成するように接続でき、電気結合要素の各群が前記２つ以上の異なる部分の１つにそれぞれ割り当てられ、電気結合要素の群における電気接続要素の１つ以上は、それぞれの電気信号を前記電気信号供給部から各部分に導くように構成され、かつ、電気結合要素の群における電気接続要素の他の１つ以上は、それぞれの電気信号を前記各部分から前記電気信号供給部へと導くように構成される。
【００２３】
この施策をとることで、磁化可能要素の異なる部分を、隣接部分の磁化特性と実質的に干渉することなく個別的に磁化させることができる。異なる部分の磁化については、同時に又は順次に行える。こうして、磁場特性のさらに複雑なパターンを磁化対象物の表面に形成できる。
【００２４】
特に、磁気的なエンコード領域については、可動物体の２つ以上の部分に、多様な磁気強度をもって、及び／又は、可動物体の２つ以上の部分に、多様な極性配置をもって形成することができる。
【００２５】
前記装置は、磁化可能要素の表面の平面投影において、磁気的なエンコード領域の磁気強度及び／又は極性がチェス盤状の構造をなすように、管状の磁化可能要素を磁化させる構成としてもよい。チェス盤状の構造は、磁化可能要素に導入される磁場の一様でない構造の一例であるが、殆どあらゆる所望のパターンを形成できる。
【００２６】
こうして、様々な極性配置及び強度をもつ異なった領域が互いに隣接して設けられる。例えば、チェス盤の「黒」領域は正の極性をもつ部分によって形成でき、チェス盤の「白」領域は負の極性をもつ部分によって形成できる。
【００２７】
一実施形態では、本発明による装置が、第一電流パルスを磁化可能要素に印加する製造工程に従って２つ以上の磁気的なエンコード領域を生成するように構成される。第一電流パルスは、磁化可能要素の長手方向の軸に沿った第一方向において第一電流が生じるように与えられ、該第一電流パルスは、記電流パルスの供給によって磁化可能要素に２つ以上の磁気的なエンコード領域を生成するものである。
【００２８】
また別の典型的な実施形態によれば、装置が更に、各部分に第二電流パルスを供給し、この第二電流パルスの供給によって、前記各部分の長手方向の軸に沿った第二方向において第二電流が生じるように構成される。
【００２９】
さらに別の典型的な実施形態によれば、装置は、第一電流パルス及び第二電流パルスの各々が立ち上がりエッジ及び立ち下がりエッジをもつように構成され、立ち上がりエッジが立ち下がりエッジよりも急峻とされる（図３０、図３５参照）。
【００３０】
装置のさらに別の典型的な実施形態によれば、前記第一方向が前記第二方向と反対である。
【００３１】
装置のさらに別の典型的な実施形態によれば、装置が複数の電気信号供給部を更に備え、各電気信号供給部が電気信号を、割り当てられた部分の１つに印加するように構成される。
【００３２】
装置のまた別の典型的な実施形態によれば、装置は、電気信号を全ての部分に印加するように構成した、単一の電気信号供給部を更に備える。
【００３３】
装置のさらにまた別の典型的な実施形態によれば、装置は、α＝２・ｎ、ｎ∈Ｎ（つまりｎは正の整数）とされる、磁化可能要素の異なるα個の部分と接触する電気接続要素を更に備える。
【００３４】
次に、センサー装置の典型的な実施形態についてさらに説明する。但し、これらの実施形態は、磁化可能要素を磁化させる装置、磁化可能要素を磁化させる方法、及び可動物体の物理変数情報を測定する方法にも適用できる。
【００３５】
典型的な一実施形態によると、センサー装置は、可動物体に配置され、かつα＝２・ｎ、ｎ∈Ｎとされるα個の磁気的なエンコード領域を備え、β＝｛ｎ∈Ｎ｜γ＞０｝、γ＝（α／ｎ）−ｉｎｔ（α／ｎ）、ｎ∈Ｎとされる、β個の磁場検出器を更に備える。つまり、センサー装置は偶数個の磁気的なエンコード領域を有する。さらに、センサー装置は複数の磁場検出器を備え、該磁場検出器の数は磁気的なエンコード領域の数に依存する。
【００３６】
磁気的なエンコード領域の数に対して、磁場検出器の数を幾つか選択可能であり、磁場センサーの数は１と異なり、そして磁気的なエンコード領域の数と異なることを要する。さらには、磁気的なエンコード領域の数についてこれを「割り切る因数（ｕｎｂｒｏｋｅｎ  ｆａｃｔｏｒ）」と称する数は排除される。例えば、磁気的なエンコード領域が８つの場合、磁場検出器の可能な個数は、３、５、６、７、９、１０、１１等である。数２や４は排除されるが、その理由はこれらの数が８を割り切る因数（約数）であることによる。磁気的なエンコード領域の数と磁場検出器の数との関係をこのように選ぶことにより、曖昧な測定値、つまりその解釈が困難であるか又は不可能となる虞のある測定値を回避できる。上記事項は各磁場検出器が異なる信号を測定し又は信号の時間的に異なる挙動を測定し、また各磁場検出器が磁気的なエンコード領域の異なる部分に位置されることによるものである。こうして、各磁場検出器は信号変化を検出でき、該信号は、可動物体が回転する間、異なる時点で磁気的なエンコード領域によって磁場検出器に誘起される。
【００３７】
センサー装置の別の典型的な実施形態によれば、１つ以上の物理変数が、可動物体の位置、可動物体にかかるトルク、可動物体にかかる引張力、可動物体にかかる曲げ力、可動物体にかかるせん断力、可動物体にかかる動的な力、可動物体の速度、可動物体の角度位置、可動物体の速さ情報、及び可動物体の仕事率からなる群より選択される。
【００３８】
センサー装置のさらに別の典型的な実施形態によれば、物理変数情報の測定部が信号調整及び信号処理部を備え、該信号調整及び信号処理部が３つ以上の磁場検出器と接続され、検出信号を処理して、処理済の検出信号を生成するように構成される。
【００３９】
センサー装置の典型的な一実施形態によれば、物理変数情報の測定部が、第一測定要素とフィルタ要素を更に備え、第一測定要素が、前記処理済の検出信号に基づいて指示信号を提供するように構成され、該指示信号が第一の物理変数情報を表すとともにフィルタ要素にフィルタ信号として送信される。そしてフィルタ要素は、前記処理済の検出信号及び前記フィルタ信号に基づいて、第二の物理変数情報を表す出力信号を提供するように構成される。
【００４０】
第二の物理変数の検出用のフィルタ信号としての磁場検出器の信号から測定される第一の物理変数を用いることで、この第二の物理変数を測定する効率的な方法を提供できる。特に、第二の物理変数の値を高い信頼性で測定できる。
【００４１】
センサー装置のさらに別の典型的な実施形態によれば、前記第一の物理変数情報が、可動物体の速度情報であり、及び／又は、前記第二の物理変数が動的な力である。
【００４２】
可動物体についての速度情報の使用は、可動物体に加わる動的な力を測定する場合に、フィルタ要素への入力として使用できる好適な情報とされる。
【００４３】
センサー装置のまた別の典型的な実施形態によれば、物理変数情報の測定部が更に、前記フィルタ要素の出力信号を整流するように構成した整流部を備える。
【００４４】
本発明の上記態様及び他の態様、目的、特徴及び利点については、同一の部分又は要素を同一の参照符号で示した添付図面と併せて、以下の説明及び添付請求項から明らかとなる。
【００４５】
添付図面は、本発明をより深く理解するために含まれ、明細書の一部をなしており、本発明の実施形態を示す。しかし、それらの図面は、本発明の範囲を、図示の明確な実施例に制限するために設けられたものではない。特に、１つの例示的な実施形態と関連して記載されている特徴は、他の例示的な実施形態との関連において適用できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４６】
以下に、本発明の典型的な実施形態の幾つかを詳細に説明するが、ある実施形態に関連して説明した特徴はまた、別の実施形態にも適用できる。
【００４７】
一態様では、本発明がセンサー素子又は可動物体、例えばシャフト等を有するセンサーに関連し、該センサー素子は以下の製造工程に従って作られる。
第一電流パルスをセンサー素子に印加し、
第一電流パルスは、センサー素子の長手方向の軸に沿った第一方向に第一電流が流れるように加えられ、
第一電流パルスは、この電流パルスを加えることによって、センサー素子に磁気的なエンコード領域を生成する。
【００４８】
本発明の別の典型的な実施形態によると、さらに第二電流パルスがセンサー素子に与えられる。この第二電流パルスは、センサー素子の長手方向に沿う方向において第二電流が生じるように供給される。
【００４９】
本発明の別の典型的な実施形態によると、第一電流パルス及び第二電流パルスの方向が互いに反対である。また、本発明のさらに別の典型的な実施形態によると、第一電流パルス及び第二電流パルスはそれぞれに立ち上がりエッジ及び立ち下がりエッジをもつ。好ましくは、立ち上がりエッジが、立ち下がりエッジよりも急峻である。
【００５０】
本発明の典型的な実施形態に従う電流パルスを加えることにより、センサー素子内に磁場構造がもたらされ、該構造は、センサー素子の断面において、第一方向をもつ第一の環状磁気流と、第二の方向をもつ第二磁気流が存在するものとされる。第一磁気流の半径は、第二磁気流の半径より大きい。円形でない断面をもつシャフトにおいては、磁気流が必ずしも円形でなく、基本的に、それぞれのセンサー素子の横断面に対応し、そしてこれに適合する形状を有する。
【００５１】
本発明の典型的な実施形態に従ってエンコードが行われたセンサー素子にトルクを加えない場合、外部で検出できる磁場がないか、又は基本的に磁場が存在しないと考えられる。トルク又は力がセンサー素子にかかると、適切なコイルによって検出できる磁場がセンサー素子から発生する。これについて、以下に詳述する。
【００５２】
本発明の典型的な実施形態に従うトルクセンサーは、センサー素子のコア領域をとり囲む周面を有する。第一電流パルスは、センサー素子のコア領域内の第一方向に第一電流が流れるように、円周表面の第一位置でセンサー素子に導入される。第一電流パルスは円周表面の第二位置でセンサー素子から放出される。この第二位置は、第一方向において第一位置から離れている。本発明の典型的な実施形態に従う第二電流パルスは、センサー素子のコア領域内又は該コア領域の近傍で第二方向に第二電流が流れるように、周面の第二位置又は第二位置の近傍でセンサー素子に導入してもよい。第二電流パルスは、周面の第一位置又は第一位置の近傍でセンサー素子から放出される。
【００５３】
既述のように、本発明の典型的な実施形態によれば、センサー素子がシャフトとされる。そのようなシャフトのコア領域については、該コア領域がシャフトの中心を取り囲むように、長手方向に延びてシャフト内部に亘ってもよい。シャフトの周面はシャフトの外表面である。第一位置及び第二位置はそれぞれ、シャフトの外側の周領域にある。それらの領域を構成する限定された数の接触部分があってもよい。好ましくは、実際の接触領域が、例えば、電極としての、真鍮リングで形成された電極領域を設けることによって与えられる。また、導体のコアについては、絶縁なしのケーブルのような導体とシャフトとの間に良好な電気的接触を与えるために、シャフトの周りでループ状にされてもよい。
【００５４】
本発明の典型的な実施形態によると、第一電流パルス及び好ましくはまた第二電流パルスが、センサー素子の一端面でセンサー素子に加えられない。第一電流パルスは、４０から１４００アンペア、又は６０から８００アンペア、又は７５から６００アンペア、又は、８０から５００アンペアの間に最大値をもつ。電流パルスは、適切なエンコーディングがセンサー素子になされるように最大値を持ってもよい。但し、センサー素子についての各種使用材料及び各種形状及びセンサー素子の様々な大きさのために、電流パルスの最大値は、これらのパラメータに従って調節される。第二電流パルスは、同様の最大値を持ってもよいし、又は第一の最大値より約１０、２０、３０、４０、又は５０％小さい最大値を持ってもよい。しかし、第二電流パルスはまた、第一の最大値より約１０、２０、４０、５０、６０、又は８０％高くされた、高めの最大値を持ってもよい。
【００５５】
これらのパルスの持続時間は同じであってもよい。しかしながら、第一パルスが第二パルスより充分に長い持続時間を持つことは可能である。あるいは、第二パルスが第一パルスより長い持続時間を持つこともまた可能である。
【００５６】
第一電流パルス及び／又は第二電流パルスは、パルスの開始から最大値までの第一持続時間を持ち、そして最大値から基本的にパルスの終了までの第二持続時間を持つ。本発明の典型的な実施形態によれば、第一持続時間は第二持続時間よりも著しく長い。例えば、第一持続時間は３００ｍｓより短くてもよく、第二持続時間は３００ｍｓより長くてもよい。しかし、第一持続時間が２００ｍｓより短いのに対し、第二持続時間が４００ｍｓより長いこともまた可能である。また、本発明の別の典型的な実施形態による第一持続時間が２０ｍｓから１５０ｍｓの間にあってもよく、その場合、第二持続時間は１８０ｍｓから７００ｍｓの間にあってもよい。
【００５７】
既述のように、複数の第一電流パルスのみでなく複数の第二電流パルスを加えることも可能である。センサー素子を鋼鉄で作ってもよく、その鋼鉄がニッケルを含んでもよい。一次側センサー、つまり、センサー素子に使用するセンサー材料は、ＤＩＮ１．２７２１、又は１．４３１３、又は１．４５４２、又は１．２７８７、又は１．４０３４、又は１．４０２１、又は１．５７５２、又は１．６９２８に記載の、５０ＮｉＣｒ１３、又はＸ４ＣｒＮｉ１３−４、又はＸ５ＣｒＮｉＣｕＮｂ１６−４、又はＸ２０ＣｒＮｉ１７−４、又はＸ４６Ｃｒ１３、又はＸ２０Ｃｒ１３、又は１４ＮｉＣｒ１４、又はＳ１５５であってもよい。
【００５８】
第一電流パルスは、少なくとも第一電極及び第二電極を持つ電極システムによって、加えられる。第一電極は第一位置か又は第一位置の近傍に配置され、そして第二電極は第二位置か又は第二位置の近傍に配置される。
【００５９】
本発明の典型的な実施形態によると、第一電極及び第二電極の各々は複数の電極ピンを持ってもよい。第一電極及び第二電極の各々において、複数の電極ピンは、センサー素子の周りに円周方向に配置され、センサー素子が、第一位置及び第二位置でシャフトの外周面における複数の接触点で第一電極及び第二電極の電極ピンにより接触される。
【００６０】
上記したように、電極ピンの代わりに、層状又は２次元の電極表面を用いてもよい。好ましくは、電極表面は、電極とシャフト材料との間の良好な接触を保証するように、シャフトの表面に適用される。
【００６１】
本発明の別の典型的な実施形態によると、第一電流パルスの少なくとも１つ及び第二電流パルスの少なくとも１つをセンサー素子に加えてもよく、それによって、センサー素子が磁気的にエンコードされた領域を持ち、センサー素子の表面に対して基本的に垂直な方向において、センサー素子の磁気的にエンコードされた領域は、第一磁気流が第一方向で、第二磁気流が第二方向となるように磁場構造を持つ。本発明の別の典型的な実施形態によると、第一方向が第二方向と反対である。
【００６２】
本発明の典型的な実施形態によると、センサー素子の断面において、第一方向及び第一半径を持つ第一環状磁気流が生じ、そして第二方向及び第二半径を持つ第二環状磁気流が生じる。第一半径は第二半径より大きくてもよい。
【００６３】
更に、本発明の別の典型的な実施形態によると、センサー素子は、第一位置の近傍に第一ピン止め領域を持ち、そして第二位置の近傍に第二ピン止め領域を持ってもよい。
【００６４】
ピン止め領域は、本発明の典型的な実施形態に従う次の製造方法に従って形成できる。この方法によると、第一位置又は第一位置の近傍に第一ピン止め領域を形成するためには、第二方向に第三電流が流れるように、第三電流パルスをセンサー素子の周面に加える。この第三電流は、第二方向において、第一位置から離れた第三位置でセンサー素子から放出される。
【００６５】
本発明の別の典型的な実施形態によると、第二位置又は第二位置の近傍に第二ピン止め領域を形成するために、第一方向に第四電流が流れるように、第四電流パルスを周面でセンサー素子に加える。この第四電流は、第一方向において、第二位置から離れた第四位置で放出される。
【００６６】
本発明の別の典型的な実施形態によると、トルクセンサーは、磁気的にエンコードされた領域を持つ第一センサー素子を含んで提供され、この第一センサー素子は１つの表面を持つ。本発明によると、第一センサー素子の表面に対して基本的に垂直な方向において、第一センサー素子の磁気的にエンコードされた領域は、第一磁気流が第一方向とされ、そして第二磁気流が第二方向とされるように磁場構造を持つ。第一方向及び第二方向は互いに反対とされる。
【００６７】
本発明の別の典型的な実施形態によると、トルクセンサーは更に、１つ以上の磁場検出器を用いた第二センサー素子を含んでもよい。この第二センサー素子は、磁気的にエンコードされた領域における変動（変化量）を検出するように構成される。より正確には、第二センサー素子は、第一センサー素子の磁気的にエンコードされた領域から出る磁場の変動を検出するように構成される。
【００６８】
本発明の別の典型的な実施形態によると、磁気的にエンコードされた領域は、第一センサー素子の一部に沿って長手方向に延びるが、第一センサー素子の一端面から当該第一センサー素子の他端面にまで広がってはいない。換言すると、磁気的にエンコードされた領域は、第一センサー素子の全てに沿って延びるのではなく、その一部分に沿って延びるだけである。
【００６９】
本発明の別の典型的な実施形態によると、第一センサー素子は、第一センサー素子の材料における変化を持ち、これは、磁気的にエンコードされた領域を変えるために、又は磁気的にエンコードされた領域を生成するために、第一センサー素子に加えられる、少なくとも１つの電流パルス又はサージ電流によって、引き起こされる。そのような材料の変化は、例えば、電流パルスを加える電極システムと各センサー素子の表面との間の異なる接触抵抗によって、引き起こされる場合がある。そのような変化は、例えば、焦げ跡、色の違い、又は焼きなまし痕等である。
【００７０】
本発明の別の典型的な実施形態によると、上記の変化はセンサー素子の外表面にあり、第一センサー素子の端面にはないが、それは、電流パルスがセンサー素子の外表面に印加され、その端面には印加されないからである。
【００７１】
本発明の別の典型的な実施形態によると、磁気センサーのためのシャフトは、その横断面において、反対方向に走る少なくとも２つの環状磁気ループを持つように提供される。本発明の別の典型的な実施形態によると、そのようなシャフトは、上述の製造方法に従って製造される。
【００７２】
更に、シャフトは、同心円状に配置された少なくとも２つの環状磁気ループを持つように提供される。
【００７３】
本発明の別の典型的な実施形態によると、トルクセンサーのためのシャフトは、以下の製造工程に従って製造されて提供され、先ず、第一電流パルスがシャフトに印加される。この第一電流パルスは、シャフトの長手方向の軸に沿った第一方向に第一電流が流れるようにシャフトに印加される。第一電流パルスは、該電流パルスを加えることにより、シャフト内に磁気的にエンコードされた領域が生成されるように加えられる。これは、上述の電極システムを使用することによって、そして上述の電流パルスを加えることで行われる。
【００７４】
本発明の別の典型的な実施形態によると、電極システムは、トルクセンサーのためのセンサー素子に電流サージを加えるために提供でき、電極システムは少なくとも第一電極及び第二電極を持ち、第一電極はセンサー素子の外表面の第一位置に設置される。第二電極はセンサー素子の外表面の第二位置に設置される。第一電極及び第二電極は、第一及び第二位置において、少なくとも１つの電流パルスを印加し、そして放出するように構成され、それによりセンサー素子のコア領域内に電流が流れる。少なくとも１つの電流パルスによって、磁気的にエンコードされた領域がセンサー素子の一部分に生成される。
【００７５】
本発明の典型的な実施形態によると、電極システムは、少なくとも２つのグループの電極を含んでもよく、その各々が複数の電極ピンを含む。各電極の電極ピンは１つの円上に配置され、センサー素子は、該センサー素子の外面における複数の接触点で該電極の電極ピンと接触する。
【００７６】
尚、センサー素子の外表面にはセンサー素子の端面を含まない。
【００７７】
図１は、本発明によるトルクセンサーの１つの典型的な実施形態を示す。トルクセンサーは、長方形の横断面をもつ第一センサー素子、つまりシャフト２を含む。第一センサー素子２は、基本的にＸで示した方向に沿って延びる。第一センサー素子２の中央部には、エンコードされた領域４が存在する。第一位置は参照符号１０で示され、エンコードされた領域の一端部を示し、そして第二位置は参照符号１２で示され、エンコード領域、つまり、磁気的にエンコードすべき領域４の他端部を示す。矢印１４及び１６は、電流パルスの印加を示している。図１に示すように、第一電流パルスは第一位置１０の隣又は近くの外側領域で第一センサー素子２に加えられる。好ましくは、後で詳述するように、第一位置の近くであって、好ましくは第一位置１０に沿って第一センサー素子２の外面を囲む複数の点又は領域で、電流が第一センサー素子２に導入される。矢印１６で示すように、電流パルスは、好ましくはエンコードされるべき領域４の端部に沿った複数の場所で第二位置１２の近く又は隣、又はその場で第一センサー素子２から放出される。既述のように、複数の電流パルスを、位置１０から位置１２へ、又は位置１２から位置１０へと交互に変わる方向をもって連続して加えてもよい。
【００７８】
参照符号６は、第二センサー素子を示しており、これは、好ましくは制御回路８に接続されたコイルである。この制御回路８は、第二センサー素子６による信号出力を更に処理するように構成され、出力信号は、第一センサー素子２に加えられるトルクに対応して制御回路から出力される。制御回路８はアナログ回路又はデジタル回路でもよい。第二センサー素子６は、第一センサー素子のエンコードされた領域４から出る磁場を検出するように構成される。
【００７９】
既述のように、第一センサー素子２に加えられる応力又は力が存在しない場合には、第二センサー素子６により検出される磁場は基本的に存在しない。しかしながら、応力又は力が第一センサー素子２に加えられる場合、エンコードされた領域から出る磁場に変化があり、殆ど磁場が存在しない状態からの磁場の増加が第二センサー素子６により検出されるようになる。
【００８０】
本発明の他の典型的な実施形態によると、たとえ第一センサー素子に加えられる応力が存在しない場合でも、第一センサー素子２のエンコードされた領域４の外部又は近傍で検出可能な磁場が存在し得ることに注意を要する。しかしながら、第一センサー素子２に加えられる応力が、エンコードされた領域４から出る磁場の変化を引き起こすことに注意すべきである。
【００８１】
次に、図２Ａ、２Ｂ、３Ａ、３Ｂ、及び４を参照して、本発明の１つの典型的な実施形態によるトルクセンサーの製造方法を説明する。特に、本方法は第一センサー素子２の磁気的にエンコードされた領域４の磁化に関する。
【００８２】
図２Ａから分るように、電流Ｉが磁気的にエンコードされる領域４の一端部に加えられる。既述したこの端部は参照符号１０で示され、そして第一センサー素子２の外表面の周面部であってもよい。電流Ｉは、磁気的なエンコード領域（つまり、磁気的にエンコードされるべき領域）の別の端部で第一センサー素子２から放出され、その端部は参照符号１２により示され、これは第二位置と呼ばれる。電流は、第一センサー素子からその外面で、好ましくは位置１２の近くか又は近傍の領域において、周方向に第一センサー素子から取り出される。位置１０と１２の間の破線で示すように、位置１０で又は位置１０に沿って第一センサー素子に導入された電流Ｉは、コア領域を通って又はコア領域に対して平行に位置１２へと流れる。換言すると、電流Ｉは第一センサー素子２内のエンコードされるべき領域４を通って流れる。
【００８３】
図２Ｂは、ＡＡ’に沿った断面図を示す。図２Ｂの概略図において、電流は×印で図２Ｂの平面内に示されている。ここで、電流は、第一センサー素子２の横断面の中心部に示される。上述の又は以下に記述される形状を持ち、そして上述の又は以下に記述される最大値を持つ電流パルスの導入によって、断面図における１つの方向、ここでは時計回り方向に、磁気流方向をもつ磁気流構造２０が生じる。図２Ｂに示す磁気流構造２０は、基本的に円形で描かれている。しかしながら、磁気流構造２０は、第一センサー素子２の実際の断面に適合し、例えば、より楕円的であってもよい。
【００８４】
図３Ａ及び３Ａは、本発明の典型的な実施形態による方法の工程を示し、図２Ａ及び２Ｂに示した工程の後で適用される。図３Ａは、第二電流パルスを印加した状態で本発明の典型的な実施形態による第一センサー素子を示し、図３Ｂは第一センサー素子２のＢＢ’に沿う断面図である。
【００８５】
図３Ａから分るように、図２Ａと比べて、図３Ａでは、矢印１６で示す電流Ｉが、位置１２又はその近傍でセンサー素子２に導入され、そして位置１０又はその近傍でセンサー素子２から放出され、つまり取り出される。換言すると、電流は図３Ａにおいて、図２Ａで導入された場所で放出され、その逆もまた成立する。このように、図３Ａにおける第一センサー素子２への電流Ｉの導入及び放出によって、図２Ａにおける各電流とは反対に、磁気的にエンコードされる領域４を通る電流が生じる。
【００８６】
電流は、図３Ｂにおいて、センサー素子２のコア領域に示されている。図２Ｂと図３Ｂとの比較から分るように、磁気流構造２２は、図２Ｂにおける磁気流構造２０とは反対の方向をもつ。
【００８７】
前記したように、図２Ａ、２Ｂ、３Ａ、及び３Ｂに示すステップを、個別に適用し、又は互いに継続的に適用してもよい。最初に図２Ａ及び２Ｂに示すステップが行われ、次に図３Ａ及び３Ｂに示すステップが行われる場合、図４に示すエンコードされた領域４での断面図に示す磁気流構造がもたらされる。図４から分るように、２つの磁気流構造２０及び２２はともに、エンコード領域内にエンコードされる。こうして、第一センサー素子２の表面に対して基本的に垂直な方向において、センサー素子２のコアに向かう方向に、第一磁気流が第一方向をもち、そしてその下層で第二磁気流が第二方向をもつことになる。図４に示すように、磁気流の方向は互いに反対とされる。
【００８８】
従って、第一トルクセンサー素子２にトルクが加わらない場合には、２つの磁気流構造２０及び２２が相殺し、エンコード領域の外部では基本的に磁場が存在しない。しかしながら、応力又は力が第一センサー素子２に加わる場合に、磁気流構造２０及び２２は相殺を止め、エンコード領域の外部に磁場が生じ、これが第二センサー素子６により検出される。これについて、以下に詳述する。
【００８９】
図５は、本発明の１つの典型的な実施形態による第一センサー素子２について別の典型例を示すが、これは、本発明の１つの典型的な実施形態に従った製造方法により製造される１つの典型的な実施形態によるトルクセンサーに使用してもよい。図５から分るように、第一センサー素子２は、エンコード領域４を有し、該領域は、好ましくは、図２Ａ、２Ｂ、３Ａ、３Ｂ、及び４に示すステップ及び配置に従ってエンコードされる。
【００９０】
位置１０及び１２の近傍に、ピン止め領域４２及び４４を配置する。これらの領域４２及び４４は、エンコード領域４の不安定化を回避するために設けられる。換言すれば、ピン止め領域４２及び４４によって、エンコード領域４の開始位置と終了位置を、より明確化できる。
【００９１】
要するに、第一ピン止め領域４２は、例えば、図２Ａを参照して記述されたのと同じ方法で、第一位置１０の近く又は近傍で電流３８を第一センサー素子２に導入することにより形成される。しかしながら、電流Ｉは、位置１０の近く、又はその位置でエンコード領域の端部から離れた第一位置３０において、第一センサー素子２から放出される。この追加の場所は参照符号３０により示される。この追加の電流パルスＩの導入は、矢印３８で示され、そして、その放出については矢印４０で示している。電流パルスは、上述したのと同じ形状で最大値を有するものとされる。
【００９２】
第二ピン止め領域４４を形成するために、電流は、位置１２の近く、つまりその近傍でエンコード領域４の端部から離れた位置３２で第一センサー素子２に導入される。それから、電流は、位置１２又はその近くで第一センサー素子２から放出される。電流パルスＩの導入については、矢印３４及び３６で示す。
【００９３】
ピン止め領域４２及び４４は、好ましくは、これらのピン止め領域４２及び４４の磁気流構造が、近接したエンコード領域４における、それぞれに近接する磁気流構造とは反対の方向をもつ。図５から分るように、ピン止め領域については、コーディング、つまりエンコード領域４の完全なコーディングの後で、第一センサー素子２にコード化される。
【００９４】
図６は、本発明の別の典型的な実施形態を示すが、この場合、エンコード領域４が存在しない。換言すれば、本発明の１つの典型的な実施形態によると、ピン止め領域については、磁気的にエンコードされる領域４を実際にエンコーディングする前に、第一センサー素子２にコード化される。
【００９５】
図７は、本発明の典型的な実施形態によるトルクセンサーのための第一センサー素子２を製造する方法について、単純化したフローチャートを示す。
【００９６】
ステップＳ１での開始後、方法はステップＳ２に続き、ここで図２Ａ及び２Ｂを参照して記載したように、第一パルスが加えられる。それから、ステップＳ２の後で、方法はステップＳ３に続き、図３Ａ及び３Ｂを参照して記載したように、第二パルスが加えられる。
【００９７】
そして方法はステップＳ４に続き、ピン止め領域を第一センサー素子２にコード化すべきか否かが判定される。ステップＳ４において、ピン止め領域がないと決定された場合に、方法はステップＳ７に続き、そこで終了する。
【００９８】
ステップＳ４において、ピン止め領域が第一センサー素子２に対してコードされるべきと決定された場合に、方法はステップＳ５へと続き、第三パルスが矢印３８及び４０で示す方向でピン止め領域４２に加えられるとともに、矢印３４及び３６で示す方向でピン止め領域４４に加えられる。それから、方法はステップＳ６へと続き、第四パルスがそれぞれのピン止め領域４２及び４４に加えられる。ピン止め領域４２に対して、第四パルスは、矢印３８及び４０で示した方向と反対の方向で加えられる。また、ピン止め領域４４に対して、第四パルスが、矢印３４及び３６と反対の方向をもつピン止め領域に加えられる。それから、方法はステップＳ７に続き、そこで終了する。
【００９９】
つまり、好ましくは、２つのパルスが磁気的にエンコードされる領域４のエンコードのために印加される。これらの電流パルスは、好ましくは反対の方向をもつ。更に、それぞれ対応する方向をもつ２つのパルスは、ピン止め領域４２に加えられ、そしてピン止め領域４４に加えられる。
【０１００】
図８は、磁気的にエンコードされる領域４及びピン止め領域に加えられるパルスの電流対時間図を示す。図８のｙ軸の正方向が、ｘ方向への電流を示し、そして図８のｙ軸の負方向が、ｙ方向への電流を示している。
【０１０１】
図８から分るように、磁気的なエンコード領域４のコーディングのために、最初にｘ方向への電流パルスを加える。図８から分るように、パルスの立ち上がりエッジが非常に鋭いのに対して、その立ち下りエッジは、立ち上がりエッジの持続時間に比較して比較的長い持続時間を持つ。図８に示すように、パルスは約７５アンペアの最大値を持ってもよい。他の応用では、パルスは図８に示すほど鋭くなくてもよい。しかしながら、立ち上がりエッジは、立ち下がりエッジよりも更に急傾斜であるか、又は短い持続時間を持つべきである。
【０１０２】
それから、第二パルスは反対の方向をもって、エンコード領域４に加えられる。該パルスは、第一パルスと同じ形状を持ってもよい。しかしながら、第二パルスの最大値はまた、第一パルスの最大値と異なってもよい。パルスの周辺形状は異なっていてもよい。
【０１０３】
それから、ピン止め領域のコーディングのために、第一及び第二パルスに類似したパルスが、図５及び６に関連して記述したように、ピン止め領域に加えられる。このようなパルスは、ピン止め領域に対して同時に印加され、あるいは各ピン止め領域に対して連続して印加される。図８に示すように、パルスは第一及び第二パルスと基本的に同じ形状を持ってもよい。但し、その最大値はさらに小さくてもよい。
【０１０４】
図９は、本発明の１つの典型的な実施形態によるトルクセンサーの第一センサー素子についての別の典型的な実施形態を示しており、磁気的なエンコード領域４をコード化するために、電流パルスを加える電極配置を示す。図９から分るように、絶縁されていない導体は第一センサー素子２の周りにループ状にされてもよく、その場合、この第一センサー素子２は、図９から分るように円形の横断面をもつ円形シャフトとされる。導体が第一センサー素子２の外表面に密着することを保証するためには、導体を矢印６４で示すようにクランプしてもよい。
【０１０５】
図１０Ａは、本発明の１つの典型的な実施形態による第一センサー素子の別の典型的な実施形態を示す。更に、図１０Ａは、本発明の１つの典型的な実施形態による電極システムの別の典型的な実施形態を示す。図１０Ａに示す電極システム８０及び８２は、第一センサー素子２に接触し、該素子は、２つの接触点を持つ三角形の横断面を有している。これらの接触点は、領域４、即ち、磁気的なエンコード領域としてエンコードされるべき領域の各側面において、三角形状の第一センサー素子の各面に付設される。よって、全体として、領域４の側面には６つの接触点がある。個々の接触点は互いに接続されてから１つの個々の接触点に接続される。
【０１０６】
電極システムと第一センサー素子２との間の接触点が限定された数のみであって、そして印加する電流パルスが非常に大きい場合には、電極システムの接点と第一センサー素子２との間の異なる接触抵抗によって、電極システムの接触点で第一センサー素子２に焦げ跡をもたらす場合がある。これらの焦げ跡９０は、変色であったり、溶接斑点であったり、焼きなまし箇所であったり、又は単なる焦げ跡である。本発明の１つの典型的な実施形態では、接触点の数を増やすか、又はそのような焦げ跡９０を回避するような接触表面が設けられる。
【０１０７】
図１１は、本発明の１つの典型的な実施形態による円形横断面をもつシャフトである第一センサー素子２について別の典型的な実施形態を示す。図１１から分るように、磁気的なエンコード領域は、第一センサー素子２の一端寄りの領域にある。本発明の１つの典型的な実施形態によると、磁気的なエンコード領域４は、第一センサー素子２の全長に及んではいない。図１１から分るように、それはその一端に設置してもよい。但し、本発明の１つの典型的な実施形態によると、電流パルスは第一センサー素子２の外周面から加えられるが、第一センサー素子２の端面１００から印加されないことに注意を要する。
【０１０８】
次に、所謂ＰＣＭＥ（「Ｐｕｌｓｅ−Ｃｕｒｒｅｎｔ−Ｍｏｄｕｌａｔｅｄ−Ｅｎｃｏｄｉｎｇ」、パルス電流変調エンコーディング）センシング技術について詳述する。それは、本発明の好ましい一実施形態によると、本発明によって、部分的に消磁される、磁化可能物体を磁化させるために実施できる。以下、ＰＣＭＥ技術は、トルク検出との関連で部分的に記述される。しかしながら、この概念は位置検出との関連でも同様に用いられる。
【０１０９】
この記述では、多数の頭字語が使用されるが、そうしないと多くの説明及び記述が読みにくくなるからである。頭字語「ＡＳＩＣ」、「ＩＣ」、及び「ＰＣＢ」が既に市場標準の定義である一方で、特に磁歪に基づくＮＣＴセンシング技術に関係する多くの用語がある。この記述で、ＮＣＴ技術、又はＰＣＭＥへの言及がある場合に、それは本発明の典型的な実施形態に参照されることに注意を要する。
【０１１０】
表１は、ＰＣＭＥ技術の以下の記述において、使用する略語のリストを示す。
【表１】
2009500636.tif 000003
表１：省略形のリスト
【０１１１】
磁気法則に基づく機械的応力の検出技術によって、強磁性材料が使用される場合に応用できる広範囲の「物理パラメータセンサー」（力センシング、トルクセンシング、及び材料診断解析等）を設計して、生産できる。「磁気法則に基づく」センサーを構築するために用いる最も一般的な技術は、誘導微分変位測定（捩じれシャフトを必要とする）、材料の透磁率変化の測定、そして磁歪効果の測定である。
【０１１２】
過去２０年以上、多数の様々な会社が、磁気的原理に基づくトルクセンサーをどのように設計し、そしてどのように生産するかに関して彼等自身の、そして非常に特殊な解決方法を開発してきた（即ち、ＡＢＢ、ＦＡＳＴ、Ｆｒａｕｅｎｈｏｆｅｒ  Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ、ＦＴ、Ｋｕｂｏｔａ、ＭＤＩ、ＮＣＴＥ、ＲＭ、Ｓｉｅｍｅｎｓ、その他）。これらの技術は、それぞれに開発段階にあり、そして「どのように働くか」、達成できる性能、システムの信頼性、そして製造価格及びシステム価格において、異なる。
【０１１３】
これらの技術のあるものは、トルクが測定されるべきシャフトに対して、機械的な変化を加えるか（シェブロン）、又は機械的な捩じれ効果（トルクで捩じれる長いシャフトを必要とする）に依存するか、又は何かがシャフト自身に付着すること（シャフト表面へのある特性を持つリングの圧入）、又は、特殊な物質でシャフト表面をコーティングすることを要求する。これまで誰も、厳しい性能許容値を達成して、（殆ど）あらゆるシャフトサイズに応用でき、そして既存の技術特許に基づかないところの大量生産工程を達成し得なかった。
【０１１４】
次に、磁歪原理に基づく非接触トルク（ＮＣＴ）センシング技術について説明する。これは以前に利用不可能であった非常に膨大な新しい特長及び改良された性能をユーザーに提供する。この技術は、充分に統合された（小さい空間で）、実時間（高い信号バンド幅）でのトルク測定を可能にし、それは信頼性があり、そして望まれる量が如何なる量であっても、手ごろな値段で生産できる。この技術は、ＰＣＭＥ（Ｐｕｌｓｅ−Ｃｕｒｒｅｎｔ−Ｍｏｄｕｌａｔｅｄ−Ｅｎｃｏｄｉｎｇ、パルス電流変調エンコーディング）、又は磁歪横方向トルクセンサーと呼ばれる。
【０１１５】
ＰＣＭＥ技術は、シャフトに機械的変化を与えずに、又はシャフトに何も付着しないでシャフトに適用できる。最も重要なことは、ＰＣＭＥ技術が任意のシャフト直径に応用でき（殆どの他の技術はこの点で限界を持つ）、そしてエンコーディング工程の間、シャフトを回転させ又はスピンさせる必要がなく（非常に簡単で低価格な製造工程）、これによって、この技術は大量生産の用途で大いに応用可能である。
【０１１６】
次に、磁場構造（センサー原理）について説明する。
【０１１７】
センサーの寿命は、「閉ループ」磁場設計に依存する。ＰＣＭＥ技術は、互いの上に蓄えられ、反対方向に走っている２つの磁場構造に基づく。トルク応力又は運動応力がシャフト（別名センサーホスト、又はＳＨ）に加わらない時、ＳＨは磁気的に中性に振舞う（ＳＨの外部で磁場は全く検出されない）。
【０１１８】
図１２は、２つの磁場がシャフト内に生じ、閉じた円内を走っている様子を示す。外側の磁場は１つの方向に走るのに対し、内側の磁場はその反対方向に走る。
【０１１９】
図１３は、ＰＣＭＥセンシング技術が、互いに接近してできる２つの逆方向円形磁場ループを使用することを示している（ピギーバックモード）。
【０１２０】
機械的応力（往復運動又はトルク等）が、ＰＣＭＥで磁化されたＳＨ（センサーホスト又はシャフト）の両端に加えられる場合に、両方の磁気構造の磁束線（つまりループ）は、加えられたトルクに比例して傾く。
【０１２１】
図１４に示すように、機械的応力がＳＨに全く加わらない時、磁束線はその本来の経路内で走る。機械的応力が加えられると、磁束線は加えられた応力（直線運動又はトルク等）に比例して傾く。
【０１２２】
加えられたトルクの方向に依存して（ＳＨに関して、時計回り又は反時計回り）、磁束線は、右に傾くか又は左に傾く。磁束線が磁気的なエンコード領域の境界に到達すると、上層からの磁束線が下層からの磁束線と繋がり、その逆もまた同様である。そして、これは、完全に制御されたトロイダル形状を形成する。
【０１２３】
そのような磁気構造の利点は、以下の通りである。
□機械的応力がＳＨに加えられる場合の、減少した（殆ど排除された）寄生磁場構造（これは、良好なＲＳＵ性能をもたらす）。
□より高いセンサー出力信号勾配。これは、機械的な応力に関係する信号を発生するときに、互いに補足し合う２つの「アクティブな」層があることによる。
説明：単層センサー設計を用いる場合、エンコーディング領域境界を出る「傾いた」磁束線は、１つの境界側から他の側への「帰り道」を作らなければならない。この労力は、どれだけの信号が二次側センサーユニットを用いてＳＨの外部で検出され、そして測定されるために使用できるかに影響する。
□ＰＣＭＥ技術が応用されるＳＨ（シャフト）の大きさには殆ど制限がない。２層磁場構造は、如何なる中実の又は中空のシャフトの大きさにも応用できる。
□物理的な大きさ及びセンサー性能が非常に広範囲にプログラム可能であり、従って対象となる用途に合わせられる。
□このセンサー設計によって、シャフトに加えられる直線方向の力を含む、全ての３次元軸に生じる機械的応力の測定が可能となる（負荷セルとして応用可能）。説明：初期の磁歪センサー設計（例えば、ＦＡＳＴテクノロジーによる設計）は、２次元軸のみに感度をもつように制限されており、直線上の力を測定できなかった。
【０１２４】
図１５を参照すると、トルクがＳＨに加わった場合、２つの逆方向の環状磁気ループの磁束線はセンサー領域の境界で互いに接続している。
【０１２５】
機械的トルク応力がＳＨに加わる時、磁場はもはや円の中で回らず、加えられたトルク応力に比例して幾分傾く。これは１つの層の磁場線を他の層の磁場線に接続させ、そしてこれによって、トロイダル形状を形成する。
【０１２６】
図１６を参照すると、これは、高レベルのトルクがＳＨに加わる場合、如何にして磁束線が角度を持ったトロイダル構造を形成するかについて誇張した表現で示している。
【０１２７】
次に、ＰＣＭエンコーディング（ＰＣＭＥ）工程の特長及び利点について説明する。
【０１２８】
本発明によるＮＣＴＥからの磁歪ＮＣＴセンシング技術は、以下に示す高性能センシング特性を提供する。
□センサーホストには、如何なる機械的な変化も要求されない（既存のシャフトをそのままで使用できる）。
□センサーホストに何も取り付ける必要がない（従って、シャフトが寿命になるまで、何も外れ落ちることがなく、変化することがない。即ち、ＭＴＢＦが長い。）。
□測定中、ＳＨは、あらゆる所望の速度で回転でき、往復運動ができ、又は動くことができる（ｒｐｍに制限なし）。
□非常に良好なＲＳＵ（Ｒｏｔａｔｉｏｎａｌ  Ｓｉｇｎａｌ  Ｕｎｉｆｏｒｍｉｔｙ回転信号一様性）性能。
□卓越した測定の線形性（ＦＳの０．０１％まで）。
□高い測定再現性
□非常に高い信号分解能（１４ビットより良い）。
□非常に広い信号帯域幅（１０ｋＨｚより良い）。
【０１２９】
選択した磁歪センシング技術のタイプ及び選択した物理的なセンサー設計に応じて、機械的パワー伝達シャフト（別名「センサーホスト」又はこれを短くした「ＳＨ」）は、それに如何なる機械的な変更をも加えることなく、また、シャフトに何ものをも付着せずに「そのままで」使用できる。これは、「真の」非接触トルク測定原理と呼ばれ、これによって、シャフトを自由に、任意の所望の速度で両方向において回転できる。
【０１３０】
本発明の１つの典型的な実施形態によって、ここで記述されるＰＣＭエンコーディング（ＰＣＭＥ）製造工程は、如何なる他の磁歪技術も提供できない追加的な特長を提供する（本技術のユニーク性）。
□別の磁歪エンコーディング工程（ＦＡＳＴの「ＲＳ」工程等）と比較して３倍より大きい信号強度。
□容易で、簡単なシャフト装填工程（高い製造処理量）。
□磁気エンコーディング工程中に動く構成部品がないこと（複雑でない製造装置、即ち長いＭＴＢＦ及び低価格）。
□工程は、１パーセント以下の目標精度を達成するために、ＮＣＴセンサーの「微調整」を可能にする。
□製造工程は、同一の工程サイクルにおいて、シャフトの「前処理」及び「後処理」を可能にする（高い製造処理量）。
□センシング技術及び製造工程はレシオメトリックであり、従って全てのシャフト径やチューブ径に応用可能である。
□ＰＣＭエンコーディング工程は、ＳＨが既に組み立てられていても適用できる（接近可能性に依存する）（保守のし易さ）。
□軸方向シャフト運動に敏感でない最終センサー（実際に許容される軸方向シャフト運動は磁気的なエンコード領域の物理的な「長さ」に依存する）。
□磁気的にエンコードされたＳＨは中性のままであり、力（トルク等）がＳＨに加えられないときには、殆ど無磁場である。
□全ての３次元軸において、機械力に敏感である。
【０１３１】
次に、ＳＨにおける磁束分布について説明する。
【０１３２】
ＰＣＭＥ処理技術は、強磁性材料の望ましい、永久的な磁気エンコーディングを達成するために、ＳＨ（センサーホスト又はシャフト）を通して流れる電流を使用することに基づいている。望ましいセンサー性能及び特性を得るためには、非常に特殊で良好に制御された電流が必要である。ＤＣ電流を使用した初期の実験は、どのようにして少量のＤＣ電流と大量のＤＣ電流が導体を流れるかについての理解に欠けていたために失敗した（この場合、「導体」は機械的パワーの伝達シャフトであり、別名センサーホスト又は短くして「ＳＨ」と呼ばれる）。
【０１３３】
図１７に、導体内の仮定された電流密度を示す。
【０１３４】
導体内の電流密度は、電流（ＤＣ）が導体を流れる時に、導体の全横断面に亘って一様に分布すると一般に仮定される。
【０１３５】
図１８には、導体内で電流経路を束ねる磁場を形成する小電流を示す。
【０１３６】
少量の電流（ＤＣ）が導体を流れる時、電流密度は導体の中心で最高であるというのが我々の経験である。このことに対する２つの主な原因は、導体を流れる電流が、導体の中心で電流路を一緒に束ねている磁場を発生させること、そしてインピーダンスが導体の中心で最低であることによる。
【０１３７】
図１９に、導体内の小電流の典型的な流れを示す。
【０１３８】
しかしながら、実際には電流は１つの接続極から他の接続極へと、「直」線で流れないこともある（天空の電気稲妻の形状のように）。
【０１３９】
あるレベルの電流では、発生した磁場が強磁性シャフト材料の永久磁化を引き起こすほど充分に大きい。電流がＳＨの中心又は中心近くを流れるとき、永久にもたらされる磁場が同じ場所、即ちＳＨの中心又は中心近くに存在することになる。今、シャフトに対して振動又は往復運動のために機械的なトルク又は線形力を加える時、シャフト内に形成された磁場は、加えられた機械力に従ってその磁束経路を傾けることによって応答する。永久にもたらされる磁場がシャフト表面の下深くにあるので、測定可能な効果は非常に小さく、一様でなく、従って信頼できるＮＣＴセンサーシステムを作るには十分でない。
【０１４０】
図２０には、飽和レベルでの導体内における一様な電流密度を示す。
【０１４１】
飽和レベルでのみ、電流密度（ＤＣを用いる場合）は導体全体の横断面に一様に分布する。この飽和レベルを達成する電流量は非常に多く、そして使用する導体の断面積及び導電率（インピーダンス）によって主に影響される。
【０１４２】
図２１には、導体の表面下又は表面を流れる電流を示す（表皮効果）。
【０１４３】
導体内に（ラジオ周波数信号のような）交流を流す時、信号が導体の表皮層を流れること（即ち、表皮効果と呼ばれる）は一般に広く仮定される。交流電流について選択する周波数は、表皮効果の「ロケーション／位置」及び「深さ」を規定する。高周波数において、電流は導体の表面又は表面の近くを流れ（Ａ）、他方、低周波数（直径２０ｍｍのＳＨの場合、５〜１０Ｈｚの領域）において、交流電流はシャフト横断面の更に中心を通過する（Ｅ）。また、相対電流密度については、非常に低いＡＣ周波数におけるシャフト中心付近の相対電流密度に比較して、より高いＡＣ周波数において、電流が占めている部分の方が高くなる（これは、低いＡＣ周波数において、電流が流れるために利用可能な、より大きなスペースがあることによる）。
【０１４４】
図２２には、異なる周波数で交流電流を導体に流す場合における導体の電流密度（電流に対して９０度の横断面）を示す。
【０１４５】
ＰＣＭＥセンサー技術の望ましい磁場設計は、２つの円形磁場構造であって、互いに近接する２つの層にもたらされ（「ピギーバック」）、そして互いに反対の方向に走っている（Ｃｏｕｎｔｅｒ−Ｃｉｒｃｕｌａｒ：逆環状）の構造である。
【０１４６】
再び図１３を参照すると、望ましい磁場センサー構造が示されている。つまり、互いに近接して位置し、互いに反対方向に走る、２つの閉じた磁気ループ、即ち、対抗した環状の「ピギーバック」磁場設計とされる。
【０１４７】
この磁場設計を、ＳＨ（シャフト）に加えられる機械的な応力に対して高感度にするため、そして最も大きなセンサー信号を可能にするために、望ましい磁場構造は、シャフト表面に最も近いところに置かなければならない。円形磁場をＳＨの中心近くに置くことは、ユーザーに利用可能なセンサー出力信号の勾配を減少させ（センサー信号の多くは、強磁性のシャフト材料を通して伝わり、これは該材料が空気に比して一層高い透磁率を持つためである）、そして、センサー信号の不均一性を増加させる（二次側センサーに対するシャフト回転及びシャフトの軸運動に関して）。
【０１４８】
図２３には、シャフト表面の近くにできる磁場構造と、シャフトの中心付近にできる磁場構造を示す。
【０１４９】
ＡＣ（交流）を使用する場合に、ＳＨの望ましい永久的な磁気エンコーディングを達成することは困難であり、これは、作られる磁場の極性が絶えず変化し、それ故にむしろ消磁システムとして働くことによる。
【０１５０】
ＰＣＭＥ技術では、強電流（望ましい磁場構造の消失を防ぐために、「単極性」又はＤＣ）がシャフト表面直下を流れることを要求する（センサー信号がシャフトの外側において、一様であり且つ測定可能であることを保証するため）。また、逆環状の「ピギーバック」磁場構造を形成する必要がある。
【０１５１】
シャフトに２つの逆環状磁場構造を置くことは、該シャフトにそれらを交互に備えることによって、可能である。最初、内側の層がＳＨにもたらされ、そしてその後に外側の層がより弱い磁気力（内側の層が偶然に中性化されて消去されることを防止する）を使用することによって生じる。これを達成するためには、ＦＡＳＴテクノロジーの特許に記述されているように、既知の「永久」磁石エンコーディング技術を適用することができ、又は、電流エンコーディングと「永久」磁石エンコーディングとの組み合わせを使用することにより行うことができる。
【０１５２】
遥かに単純で速いエンコーディング工程は、電流のみを用いて、望ましい逆環状の「ピギーバック」磁場構造を実現することである。ここで最も挑戦的な部分は、逆環状の磁場を作ることにある。
【０１５３】
一様な電流は、電流方向に対して９０度の角度において、導電体の周りを走る一様な磁場を生成する（Ａ）。２つの導体を並べて置くと（Ｂ）、その時、２つの導体の間において、磁場は互いの効果を打消し合うようになる（Ｃ）。尚、存在してはいるが、近接して置かれた２つ導体間に検出可能な（つまり測定可能な）磁場はない。多数の導電体を並べて置く時（Ｄ）、「測定可能な」磁場は、「平らな」形状をした導体表面の外側を周回するようになる。
【０１５４】
図２４には、一様な電流が流れる導体を横断面で見た時の磁気効果を示す。
【０１５５】
上記の「平らな」又は長方形の形状の導体を、「Ｕ」字型に曲げるものとする。「Ｕ」字型導体を通って電流を流すと、「Ｕ」字型の外形に沿った磁場は、「Ｕ」字の内半部における測定可能な効果を打消している。
【０１５６】
図２５を参照すると、「Ｕ」字状導体内の領域は、電流が導体を流れている場合、磁気的に「中性」に見える。
【０１５７】
機械的応力を「Ｕ」字状導体の横断面に全く加えない場合には、「Ｕ」字の内部に磁場が存在しないように見える（Ｆ）。しかし、「Ｕ」字型導体を曲げたり、又は捻ったりすると磁場はもはやその初めの経路（電流に対して９０度の角度）に従わなくなる。加える機械力に依存して、磁場は幾分その経路を変え始める。その時点で、機械的な応力によって生じる磁場ベクトルは、導体の表面で、「Ｕ」字型の内部及び外部において感知され、そして測定される。
注記：この現象は非常に特別な電流レベルでのみ適用される。
【０１５８】
同じことが「Ｏ」型導体の設計にも当てはまる。「Ｏ」型導体（チューブ）を通して一様な電流を流すと、「Ｏ」型導体（チューブ）の内部で測定可能な磁気効果が互いに打消されてしまう（Ｇ）。
【０１５９】
図２６を参照すると、「Ｏ」型導体内部の領域は、電流が導体を流れる時、磁気的に「中性」に見える。
【０１６０】
しかし、機械的な応力が「Ｏ」型導体（チューブ）に加えられる時、「Ｏ」型導体の内側に存在する磁場があったことが明白になる。内部の逆方向の磁場（外部磁場も同様）は、加えられるトルク応力に関連して傾き始める。この傾いた磁場が明瞭に感知され、そしてこれを測定できる。
【０１６１】
次に、エンコーディングパルス設計について説明する。
【０１６２】
ＳＨの内部に望ましい磁場構造（逆環状のピギーバック磁場設計）を実現するために、本発明の方法における１つの典型的な実施形態によると、単極性の電流パルスがシャフト（又はＳＨ）を通過する。「パルス」を使用することによって、望ましい「表皮効果」が得られる。「単極性」の電流方向（その電流の方向が変化しない）を使用することによって、生じる磁気効果が偶然に消されることはなくなる。
【０１６３】
使用する電流パルスの形状は、望ましいＰＣＭＥセンサー設計を達成するために最も重要である。各々のパラメータは正確に且つ再現可能に制御されなければならず、該パラメータには、電流立ち上がり時間、一定電流のオンタイム、最大電流振幅、そして電流立ち下がり時間がある。また、電流が全シャフト表面に亘って非常に一様に出入りすることが非常に重要である。
【０１６４】
次に、長方形の電流パルス形状について説明する。
【０１６５】
図２７には、長方形をした電流パルスを示す。
【０１６６】
長方形をした電流パルスは、速い立ち上がり正エッジ及び速い立ち下り電流エッジを持つ。ＳＨを通して長方形をした電流パルスを流す時、立ち上がりエッジはＰＣＭＥセンサーの目標磁場構造の形成に関与するのに対して、長方形をした電流パルスの平らな「オン」タイム及び立ち下がりエッジは逆効果を生じる。
【０１６７】
図２８には、長方形をした電流エンコーディングパルス幅（定電流オンタイム）とセンサー出力信号勾配との間の関係を示す。
【０１６８】
次の例では、長方形状の電流パルスを用いて、直径１５ｍｍの１４ＣｒＮｉ１４シャフト内に逆環状の「ピギーバック」場が生成されて蓄えられた。パルス電流は、約２７０アンペアで最大値を持つ。また、パルスの「オンタイム」は、電子回路で制御された。エンコーディングパルスの立ち上がりエッジ及び立ち下がりエッジにおける高周波成分のために、この実験は真のＤＣエンコーディングＳＨの効果を精確には示すことができない。従って、１０００ｍｓの定電流オンタイムパルスを流す時、センサー出力信号勾配曲線は２０ｍＶ／Ｎｍよりも上で最終的に平坦となる。
【０１６９】
速い立ち上がり電流パルスエッジを使用しない場合に（制御された一定のランプ勾配を使用する等）、センサー出力信号勾配は非常に悪化してしまう（１０ｍＶ／Ｎｍ未満）。
注記：この実験（１４ＣｒＮｉ１４を使用）では、信号のヒステリシスがＦＳ信号の約０．９５％であった（ＦＳ＝７５Ｎｍのトルク）。
【０１７０】
図２９には、いくつかの長方形の電流パルスを連続して使用することによるセンサー出力信号勾配の増加を示す。
【０１７１】
センサー出力信号勾配は、いくつかの長方形の電流エンコーディングパルスを連続して使用する場合に改善できる。他のエンコーディングパルス形状に比較すると、長方形の電流パルスにおける、速い立ち下がりの電流パルス信号勾配は、センサー出力信号勾配が最適な性能レベルに到達することを妨げる。これは、少数（２から１０）の電流パルスがＳＨ（又はシャフト）に加えられた後では、センサー出力信号勾配がそれ以上大きくならないことを意味する。
【０１７２】
次に、放電電流パルス形状について説明する。
【０１７３】
放電電流パルスは定電流オンタイムを持たないし、そして速い立ち下がりエッジを持たない。従って、ＳＨの磁気エンコーディングにおける主要で切実な作用は、この電流パルス型の速い立ち上がりエッジである。
【０１７４】
図３０に示すように、ＰＣＭＥセンサーを作るとき、急峻な立ち上がり電流エッジ及び典型的な放電曲線が最良の結果を与える。
【０１７５】
図３１に、適正なパルス電流を特定することによるＰＣＭＥセンサー出力信号勾配の最適化を示す。
【０１７６】
パルス電流スケール（直径１５ｍｍのシャフトで、１４ＣｒＮｉ１４シャフト材料の場合、０〜７５アンペア）の非常に低い端部において、放電電流パルス型は、強磁性シャフト内で持続する磁場を作り出すのに必要とされる磁場の閾値を超えるほどには強力でない。パルス電流振幅を増加すると、２重の円形磁場構造がシャフト表面下に形成され始める。パルス電流振幅を増加すると、二次側センサーシステムの達成出来るトルクセンサー出力信号振幅も増加する。約４００Ａ乃至４２５Ａにおいて、最適のＰＣＭＥセンサー設計が達成された（２つの逆方向を向いた磁場領域が、最良のセンサー性能に対する、互いの最適距離及び適正な磁束密度に達した。）。
【０１７７】
図３２には、エンコーディングパルスにおける最適なＰＣＭＥ電流密度及び位置をもつセンサーホスト（ＳＨ）の横断面を示す。
【０１７８】
更にパルス電流振幅を増加すると、トルク力に関するセンサー信号振幅の絶対値は更に、しばらくの間増加する（図３１の曲線２）が、一方で典型的なＰＣＭＥの全般的なセンサー性能は減退する（曲線１）。９００Ａのパルス電流振幅を過ぎると（直径１５ｍｍのシャフトの場合）、トルク力に関するセンサー信号振幅の絶対値が同様に降下し（曲線２）、ＰＣＭＥセンサー性能はその際、非常に悪くなる（曲線１）。
【０１７９】
図３３に、各種の増加するパルス電流レベルについて、センサーホスト（ＳＨ）の横断面及び電気パルス電流密度を示す。
【０１８０】
電流がＳＨにおいて、より大きな横断面を占めるようになると、内側の円形部分と、外側の（シャフト表面の近くでの）円形部分との間隔がより大きくなる。
【０１８１】
図３４を参照すると、より良好なＰＣＭＥセンサー性能が、逆環状の「ピギーバック」場の設計で間隔が狭い場合（Ａ）に達成される。
【０１８２】
望ましい２重で逆向きの環状磁場構造は、二次側センサーの信号振幅低下をもたらすトルク力の下で閉ループ構造を作り難くなる。
【０１８３】
図３５を参照すると、放電曲線を平らにすることはまた、センサー出力の信号勾配を増加させる。
【０１８４】
電流パルス放電時間を長くする（電流パルスの幅を広くする）（Ｂ）と、センサー出力信号勾配が増加する。しかしながら、電流パルスの立ち下がりエッジの勾配を減少させるために必要な電流量は非常に大きい。最高の実現可能なセンサー出力信号勾配を達成するためには、大きな電流振幅（最適の値で）と、可能な限り遅い放電時間とを組み合わせて使用することが、より実用的である。
【０１８５】
次に、一次側センサー処理に関連する電気接続装置について説明する。
【０１８６】
ＰＣＭＥ技術（「ＰＣＭＥ」技術という用語は、本発明の典型的な実施形態に関して使用されることに注意しなければならない）は、一次側センサーが生産される場所でシャフトを通して非常に大量のパルス変調電流を流すことに依存する。シャフトの表面が非常にきれいで、しかも導電性が高い場合に、多点の銅又は金の接続は、望ましいセンサー信号の一様性を達成するために充分である。重要なことはインピーダンスがシャフト表面への各々の接続点で同一であるということである。尚、このことは、ケーブルが主要な電流接続点（Ｉ）に接続する前に、ケーブル長（Ｌ）が同一であることを保証できる場合に、最良に達成出来る。
【０１８７】
図３６には、シャフト表面への単純な電気的多点接続を示す。
【０１８８】
但し、多くの場合、信頼性があって再現性のある多点電気接続は、各々の接続点でインピーダンスが同一で、一定であるように保証することによってのみ達成できる。バネで押圧される先鋭なコネクタを用いて、シャフトの表面で生じ得る酸化層又は絶縁層（多分、指紋によって引き起こされる）を突き通す。
【０１８９】
図３７には、バネ仕掛けの接触点を持つ多チャンネルの電気接続具を示す。
【０１９０】
シャフトを処理する時、出来るだけ一様な方法で電流をシャフトに注入し、そして取り出すことが最も重要である。上の図は、シャフトの周りに取り付け具により固定されている互いに絶縁された幾つかのコネクタを示す。この装置はシャフト処理保持クランプ（又は、ＳＰＨＣ）と呼ばれる。ＳＰＨＣに必要とされる電気コネクタの数は、シャフトの外径に依存する。外径が大きいほど多くのコネクタが必要である。導電体同士の間隔は、１つの接続点から次の接続点まで同じでなければならない。この方法は対称「スポット」接触と呼ばれる。
【０１９１】
図３８には、電気接続点の数を増やすことによって、パルス変調電流を出入りさせる取り組みを支援することが示されている。それは、要求される電子回路の制御システムの複雑さを増すことにもなる。
【０１９２】
図３９には、容易なシャフト取り付けのためにＳＰＨＣの開け方について一例を示す。
【０１９３】
次に、一次側センサー処理に関するエンコーディングの概要について説明する。
【０１９４】
一次側であるシャフトのエンコーディングは、回転シャフトに適用される永久磁石を使用するか、又はシャフトの所望の部分を通して流れる電流を使用することにより行える。永久磁石を使用する場合には、非常に複雑で連続する工程が、シャフト内で互いに接近した２層の閉ループ磁場を作るために必要となる。ＰＣＭＥ手順を使用する時は、所望の性能を達成するために可能な最も対称的な方法で、電流がシャフトに入り、そしてシャフトから出なければならない。
【０１９５】
図４０を参照すると、２つのＳＰＨＣ（Ｓｈａｆｔ  Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ  Ｈｏｌｄｉｎｇ  Ｃｌａｍｐｓ：シャフト処理保持クランプ）が、計画されたセンシングエンコーディング領域の境界に位置される。１つのＳＰＨＣを通してパルス電流（Ｉ）がシャフトに入るが、一方で第二ＳＰＨＣにおいて、パルス電流（Ｉ）がシャフトを出る。２つのＳＰＨＣ間の領域がそのとき一次側センサーに変わる。
【０１９６】
この特別なセンサー工程は、単一磁場（ＳＦ）エンコード領域を作る。この設計の１つの利点（以下に記述されるものに比較して）は、この設計が二次検出装置の場所に関して、あらゆる軸方向シャフト運動に対して敏感でないことである。この設計の不利な点は、軸方向（つまり一列に）に置かれたＭＦＳコイルを使用する時、（地球磁場のような）漂遊磁界に対してシステムが敏感になることである。
【０１９７】
図４１を参照すると、２重磁場（ＤＦ）エンコード領域（並んで反対の極性をもつ２つの独立に機能するセンサー領域を意味する）によって、軸方向（つまり線上に）に置かれたＭＦＳコイルを使用する場合に、一様な漂遊磁界の効果が消去可能となる。しかしながら、この一次側センサー設計はまた、軸方向における（ＭＦＳコイルの場所に関係して）シャフトの運動の許容範囲を狭くする。ＰＣＭＥ技術で２重磁場（ＤＦ）エンコード領域を作り出す２つの方法がある。それらは、磁気エンコード部分が１つからまた次へと作り出されるところの連続工程と、そして磁気エンコード部分が同時に作り出されるところの並行工程である。
【０１９８】
連続的な２重磁場設計の第一工程段階は、１つのセンサー部分を磁気的にエンコード化することであり（単一磁場工程と同一に）、それによって、２つのＳＰＨＣの間隔が一次側センサー領域の所望の最終長の半分でなければならない。この工程の説明を単純化するため、最終的な一次側センサー領域の中央に置かれるＳＰＨＣを中央ＳＰＨＣ（Ｃ−ＳＰＨＣ）と呼び、そして中央ＳＰＨＣの左側に置かれるＳＰＨＣをＬ−ＳＰＨＣと呼ぶことにする。
【０１９９】
図４２を参照すると、連続的な２重磁場エンコーディングの第二工程段階は、一次側センサー領域の中央に置かれるＳＰＨＣと（Ｃ−ＳＰＨＣと呼ばれる）、そして中央ＳＰＨＣの他の側（右側）に置かれる第二ＳＰＨＣ、Ｒ−ＳＰＨＣと呼ぶものを使用する。重要なことは、中央ＳＰＨＣ（Ｃ−ＳＰＨＣ）における電流方向が両方の工程段階で同じことである。
【０２００】
図４３を参照すると、最終的な一次側センサー領域の性能は、２つのエンコード領域を相互の関連において、如何に近くに置くことができるかに依存する。そしてこれは、使用する中央ＳＰＨＣの設計に依存する。Ｃ−ＳＰＨＣの軸方向における接触幅が狭いほど、２重磁場ＰＣＭＥセンサーの性能が良くなる。
【０２０１】
図４４は、本発明の別の典型的な実施形態によるパルスの加え方を示す。上の図から分るように、パルスはシャフトの３箇所で加えられる。電流Ｉがシャフトに入る場所の中央電極の両側への電流分布のために、横方向の電極でシャフトを去る電流は、中央電極に入る電流の半分だけ、即ち、Ｉ／２である。電極はリングで描かれ、その大きさはシャフトの外表面の大きさに適合される。しかしながら、本明細書において、後述する複数のピン電極を含む電極のように、他の電極が使用される場合もあることに注意されたい。
【０２０２】
図４５には、シャフトにトルク又は直線運動応力が加えられない時の２重磁場ＰＣＭＥセンサー設計における２つのセンサー部分の磁束方向を示す。互いに逆流方向の磁束ループ同士は相互作用しない。
【０２０３】
図４６を参照すると、トルク力又は線形応力が１つの特別な方向に加えられるとき、磁束ループは、シャフト内部において、増加する傾斜角度で走り始める。傾斜した磁束がＰＣＭＥ部分の境界に到達する時、図示のように磁束線は逆流方向の磁束線と相互作用する。
【０２０４】
図４７を参照すると、加えられたトルクの方向が（例えば、時計回り方向から反時計回り方向へと）変化している時、ＰＣＭエンコードシャフト内部における逆流の磁束構造についての傾斜角度も変化する。
【０２０５】
次に、シャフト処理のための多チャンネル電流駆動部を説明する。
【０２０６】
シャフト表面への電流路についての、完全に同一のインピーダンスを保証できない場合には、電流制御駆動ステージがこの問題を克服するために使用される。
【０２０７】
図４８に、小直径センサーホスト（ＳＨ）のための６チャンネル同期パルス電流駆動システムを示す。シャフト直径が大きくなると、電流駆動チャンネルの数も多くなる。
【０２０８】
次に、真鍮リング接触と対称「スポット」接触について説明する。
【０２０９】
シャフト直径が比較的小さく、所望の検出領域において、シャフト表面がきれいでそして如何なる酸化もない場合には、簡単な「真鍮」リング（又は銅リング）接触法を、一次側センサーの処理に選択できる。
【０２１０】
図４９では、シャフト表面に対して、しっかりと取り付けられた真鍮リング（又は銅リング）が、電線のはんだ接続とともに使用される。２つの真鍮リング（銅リング）の間の領域がエンコードされる領域である。
【０２１１】
しかしながら、達成できるＲＳＵ性能については、対称「スポット」接触法を使用する場合よりも、はるかに低くなってしまう。
【０２１２】
次に、ホット・スポット（Ｈｏｔ−Ｓｐｏｔｔｉｎｇ）の概念について説明する。
【０２１３】
標準的な単一磁場（ＳＦ）ＰＣＭＥセンサーは、ホット・スポット性能において、非常に劣る。ＳＦ  ＰＣＭＥセンサー部分の外部磁束プロファイル（トルクが加えられたとき）は、近傍の環境にて起こり得る変化（強磁性材料に関して）に非常に敏感である。ＳＦエンコードセンサー部分の磁気境界が明瞭でないので（「ピン止め（ｐｉｎｎｅｄ  ｄｏｗｎ）」されない）、それらは強磁性材料がＰＣＭＥ検出領域の近くに置かれる方向に向かって「拡がる（ｅｘｔｅｎｄ）」ことができる。
【０２１４】
図５０を参照すると、ＰＣＭＥ工程で磁化された検出領域は、検出領域の境界に接近する強磁性材料に対して非常に敏感である。
【０２１５】
ホット・スポット検出感度を低減するために、ＰＣＭＥセンサー部分の境界は、それらをピン止めすることによって、明確に規定する必要がある（それらはもう移動できない）。
【０２１６】
図５１に、２つの「ピン止め磁場領域」を持つＰＣＭＥ処理された検出領域を示すが、これは検出領域の各側にある。
【０２１７】
ピン止め領域を検出領域の両側の近くに置くことによって、検出領域の境界は非常に特定な場所に束縛される。強磁性材料が検出領域に近づいて来る時、それはピン止め領域の外部境界に影響を与えるが、しかしそれは検出領域の境界において、非常に限定的な影響を持つだけである。
【０２１８】
本発明の典型的な実施形態によると、ＳＨ（センサーホスト）が、どのように単一磁場（ＳＦ）検出領域及び２つのピン止め領域を、検出領域の各々の側に１つずつ得るように処理できるかについて多数の異なる方法がある。各領域が互いの後に処理されるか（順次処理）、あるいは２つ又は３つの領域が同時に処理される（並行処理）。並行処理では、より一様なセンサーを提供する（低減された寄生磁場）が、目標のセンサー信号勾配に達するために更により高いレベルの電流を必要とする。
【０２１９】
図５２には、ホット・スポットを低減する（又は更に除去する）ために、主要検出領域の各々の側にピン止め領域を持つ単一磁場（ＳＦ）ＰＣＭＥセンサーについて並行処理を例示する。
【０２２０】
２重磁場ＰＣＭＥセンサーは、センサーの中央領域が既にピン止めされているのでホット・スポットの影響に対してあまり敏感でない。しかしながら、残留するホット・スポット感度は、２重センサー領域の両側にピン止め領域を置くことによって、更に低減できる。
【０２２１】
図５３には、両側にピン止め領域を持つ２重磁場（ＤＦ）ＰＣＭＥセンサーを示す。
【０２２２】
ピン止め領域が許容されないか又は可能でない時（例えば、限られた軸方向の間隔しか利用できない場合）、検出領域は外部の強磁性材料の影響から磁気的に遮蔽されることを要する。
【０２２３】
次に、回転信号一様性（ＲＳＵ）について説明する。
【０２２４】
現段階の理解によると、ＲＳＵセンサー性能は主に、電流が如何に周縁部で一様にＳＨ表面に入って出るか、そして、電流が入る点と出る点との間の物理的な間隔に依存する。電流が入る点と出る点との間隔が大きいほど、ＲＳＵ性能が良くなる。
【０２２５】
図５４を参照すると、シャフト直径に対して、個々の円周面上に置かれた電流の流入点間の間隔が比較的に大きい時（そして、円周上に置かれた電流の出口点間の間隔が同じように大きい）、ＲＳＵ性能が非常に劣ることになる。そのような場合、ＰＣＭエンコーディング部の長さは極力長くすべきであり、そうでないと、生じた磁場が円周上で一様ではなくなる。
【０２２６】
図５５を参照すると、ＰＣＭエンコーディング部分を拡げることによって、円周上での磁場分布は、電流が入る点と電流が出る点との間の半分の距離のところで、より一様になる（そして最終的にはほぼ完全に）。従って、ＰＣＭＥセンサーのＲＳＵ性能は、電流入口点と電流出口点の半分の中間地点で最良である。
【０２２７】
次に、ＮＣＴセンサーシステムの基本的な設計結果について説明する。
【０２２８】
ＰＣＭエンコーディング技術の詳細に立ち入ることなく、このセンシング技術のエンドユーザーは、その適用において、該センシング概念を利用し及び使用することを可能にするための、いくつかの設計上の詳細を知る必要がある。次に続くページでは、磁歪に基づいたＮＣＴセンサーの基本要素（一次側センサー、二次側センサー、そしてＳＣＳＰ電子装置等）と、個々のコンポーネントがどのようなものであるか、そしてこの技術を既存の製品に組み込む時にどのような選択を行う必要があるかについて説明する。
【０２２９】
原則として、ＰＣＭＥセンシング技術は、スタンドアローンのセンサー製品を製造するために使用できる。しかし、既存の工業上の応用において、「スタンドアローン」製品のために利用できるスペースは殆どないか全く無い。ＰＣＭＥ技術は、最終の製品を再設計する必要なしに既存の製品に応用できる。
【０２３０】
スタンドアローンのトルク検出装置又は位置検出用センサー装置がモータ伝動システムに応用される場合、全システムは、大幅な設計変更を被ることを要求される。
【０２３１】
以下、図５６を参照して、エンジンのシャフトにおけるＰＣＭＥセンサーの可能な場所を示す。
【０２３２】
図５６は、本発明の１つの典型的な実施形態による、例えば、モータカーのギヤボックスにおけるトルクセンサーのための可能な配置場所を示す。図５６の上部には、本発明の１つの典型的な実施形態によるＰＣＭＥトルクセンサーの配置を示す。また、図５６の下部には、本発明の典型的な実施形態の場合に、ギヤボックスの入力シャフトに一体化されていないスタンドアローン検出装置の配置を示す。
【０２３３】
図５６の上部から分るように、本発明の１つの典型的な実施形態によるトルクセンサーは、ギヤボックスの入力シャフトに一体化できる。換言すると、一次側センサーが入力シャフトの一部である。即ち、入力シャフトは、一次側センサー又はセンサー素子それ自身となるように磁気的にエンコードできる。二次側センサー、即ちコイルは、例えば、入力シャフトのエンコード領域に近いベアリング部に収容できる。これにより、動力源とギヤボックスの間にトルクセンサーを配置する場合に、入力シャフトを分断する必要がなくなり、図５６の下部に示すように、モータにつながるシャフトとギヤボックスにつながる別のシャフトとの間に、別のトルクセンサーを配置する必要はない。
【０２３４】
入力シャフトにエンコード領域が一体化されることで、例えば、車の場合、その入力シャフトに如何なる変更をも施すことなく、トルクセンサーを設けることができる。このことは、例えば、航空機の部品では非常に重要であり、というのも、各部品が航空機での使用を許可される前に、多数の検査を受けなければならないからである。本発明による、そのようなトルクセンサーは多分、当面のシャフトが変更されないので、航空機やタービン内のシャフトに実施される多数の検査なしで済ませることすら可能である。また、重大な影響がシャフトの材料に引き起こされることはない。
【０２３５】
更には、図５６から分るように、本発明の１つの典型的な実施形態に従うトルクセンサーによって、ギヤボックスと動力源との間の距離を低減させることができる。これについては、動力源から出るシャフトとギヤボックスへの入力シャフトとの間に、別個のスタンドアローンのトルクセンサーを設けることから明白である。
【０２３６】
次に、センサーコンポーネントについて説明する。
【０２３７】
図５７に示すように、非接触磁歪センサー（ＮＣＴセンサー）は、本発明の１つの典型的な実施形態によると、３つの主要な機能要素、つまり、一次側センサー、二次側センサー、並びに信号調整及び信号処理（ＳＣＳＰ）電子装置から構成される。
【０２３８】
適用の種類（量及び品質の要求、目標製造コスト、製造工程の流れ）に応じて、顧客は、彼自身の管理下でセンサーシステムを製造するために個々のコンポーネントの購入を選択でき、又は個々のモジュールの生産を下請けに外注できる。
【０２３９】
図５８は、非接触式トルク検出装置のコンポーネントを概略的に示したものである。但し、これらのコンポーネントはまた、非接触式の位置検出装置にも用いることができる。
【０２４０】
年間の生産目標が数千ユニットである場合に、「一次側センサーの磁気エンコーディング工程」を顧客の製造工程に統合することは、より効率的である。そのような場合、顧客は特定用途向けの「磁気エンコーディング装置」を購入する必要がある。
【０２４１】
量産的な適用では、製造工程の価格及び統合化が重要であって、典型的には、ＮＣＴＥが非接触センサーの作成に必要な個々の基本コンポーネント及び装置のみを供給する。
□ＩＣ（表面実装パッケージ、特定用途向け電子回路）
□ＭＦＳコイル（二次側センサーの部品として）
□センサーホストのエンコーディング装置（シャフト（＝一次側センサー）に磁気エンコーディングを適用するための）
【０２４２】
要求量に応じて、ＭＦＳコイルは、フレーム上に既に組み立てられて提供することが可能であり、そして、必要であれば、コネクタをもったワイヤハーネスに電気的に接続されて提供される。同様に、ＳＣＳＰ（信号調整及び信号処理）電子装置は、プリント回路基板に組み込まれたＭＦＳコイルを持つか又は該コイルを持たないプリント回路基板構成で充分な機能をもって提供できる。
【０２４３】
図５９は、検出装置のコンポーネントを示す。
【０２４４】
図６０から分るように、要求されるＭＦＳコイルの数は、物理的なセンサー設計上で予想されるセンサー性能及び機械的な許容誤差に依存する。完全なセンサーホスト（ＳＨ又は磁気的にエンコードされたシャフト）を有し、望ましくない漂遊磁場からの干渉が最小限とされた、適切に設計されたセンサーシステムでは、２つのＭＦＳコイルのみが必要である。しかし、ＳＨが、二次側センサーの位置に関連して径方向又は軸方向に１ミリメートルの数十分の１よりも大きく動いている場合には、所望のセンサー性能を達成するため、そのときにはＭＦＳコイルの数を増やす必要がある。
【０２４５】
次に、制御及び／又は評価の回路構成について説明する。
【０２４６】
本発明の１つの典型的な実施形態によると、ＳＣＳＰ電子装置は、ＮＣＴＥ専用ＩＣ、多数の外部の受動的及び能動的電子回路、プリント回路基板（ＰＣＢ）、及びＳＣＳＰハウジング又はケースから構成される。尚、ＳＣＳＰユニットが使用される環境に応じて、ケースは適切に密封されることを要する。
【０２４７】
特定用途の必要条件に応じて、（本発明の１つの典型的な実施形態によると）ＮＣＴＥは、多数の異なる特定用途向け回路を提供する。
□基本回路。
□集積化された電圧調節器を有する基本回路。
□高帯域信号バンド幅回路。
□オプションでの高電圧及びショート保護装置。
□オプションでの故障検出回路。
【０２４８】
図６１は、単一チャンネルとされる、低コストのセンサー電子装置の解決策を示す。
【０２４９】
図６１から分るように、例えば、コイルを含む二次側センサーユニットが提供される。これらのコイルは、例えば図６０に示すように配置され、一次側センサーユニット、即ちセンサーシャフト又はセンサー素子から、トルクがそれに加えられるときに出る磁場の変化を検出する。二次側センサーユニットはＳＣＳＴ内の基本ＩＣに接続される。基本ＩＣは、電圧調節器を介して正電源電圧に繋がる。また、基本ＩＣは接地される。基本ＩＣは、ＳＣＳＴの外部にアナログ出力を与えるように構成され、その出力がセンサー素子に加えられる応力によって引き起こされる磁場の変動に対応する。
【０２５０】
図６２は、一体化された故障検出部を有する２チャンネルの、ショート保護システム設計を示す。本設計は５個のＡＳＩＣデバイスからなり、高度のシステム安全性を提供する。故障検出ＩＣは、センサーシステムのどこかにワイヤの断線が起きたことや、ＭＦＳコイルの故障、又は「基本ＩＣ」の電子的な駆動ステージの故障を識別する。
【０２５１】
次に、二次側センサーユニットについて説明する。
【０２５２】
図６３に示す１つの実施形態によると、二次側センサーは、次の要素、つまり、１乃至８個のＭＦＳ（磁場センサー）コイル、位置決め及び接続用プレート、コネクタを有するワイヤハーネス、及び二次側センサーハウジングから構成される。
【０２５３】
ＭＦＳコイルは、位置決めプレートに取り付けられる。位置決めプレートを使用することにより、通常、各ＭＦＳコイルの２つの接続ワイヤを適切な方法で、はんだ付けし、接続できる。そして、ワイヤハーネスは位置決めプレートに接続される。該プレートは、ＭＦＳコイルとワイヤハーネスとともに完全に組み立てられて、それから二次側センサーのハウジングによって、組み込まれるか又は保持される。
【０２５４】
ＭＦＳコイルの主要な要素は、アモルファス（非晶質）のような材料で形成されることを要する心線である。
【０２５５】
二次側センサーユニットが使用される場所の環境に応じて、組み立てられた位置決めプレートを保護材料で覆う必要がある。該材料は、周囲温度の変化時にＭＦＳコイルに機械的な応力又は圧力を引き起こすものであってはならない。
【０２５６】
動作温度が＋１１０℃を超えない場所での適用において、顧客は二次側センサーユニット（ＳＳＵ）の内部にＳＣＳＰ電子装置（ＡＳＩＣ）を置くという選択肢を持つ。ＡＳＩＣデバイスが＋１２５℃より高い温度で動作する場合、温度に関連した信号オフセット及び信号利得の変化を補償することが更に困難になる。
【０２５７】
ＭＦＳコイルとＳＣＳＰ電子装置の間の推奨される最大ケーブル長は２メートルである。適切な接続ケーブルを使用する場合に、１０メートルまでの距離については達成可能である。多チャンネルの適用において（同一の一次側センサーの場所で動作している２つの独立なＳＳＵ＝冗長なセンサー機能）、信号のクロストークを避けるためには、ＳＳＵとＳＣＳＰ電子装置との間で特別に遮蔽されたケーブルを考慮すべきである。
【０２５８】
二次側センサーユニット（ＳＳＵ）の生産を計画する場合に、生産者は、ＳＳＵのどの部品又は複数の部品を下請けから購入すべきであり、そして、どの製造ステップを社内で行うのかを決定しなければならない。
【０２５９】
次に、二次側センサーユニット製造の選択肢について説明する。
【０２６０】
ＮＣＴセンサーを、特別注文のツール又は標準的な伝動システムに一体化する場合に、システムの生産者は、次の項目から選択する、いくつかの選択肢を持つ。
□カスタムメイドのＳＳＵ（ワイヤハーネス及びコネクタを含む）。
□選択されたモジュール又はコンポーネント、最終のＳＳＵ組み立て及びシステム試験は顧客の管理で行ってもよい。
□重要なコンポーネントのみ（ＭＦＳコイル又はＭＦＳ心線、特定用途向けＩＣ）、そしてＳＳＵを自社で生産する。
【０２６１】
図６４は、二次側センサーユニット組み立ての１つの典型的な実施形態を示す。
【０２６２】
次に、一次側センサー設計について説明する。
【０２６３】
ＳＳＵ（二次側センサーユニット）は、磁気的にエンコードされたＳＨ（センサーホスト）の外側に置くことができ、また、ＳＨが中空である場合にはＳＨの内側に置くこともできる。ＳＳＵが中空シャフトの内側に置かれる場合に、達成できるセンサー信号振幅は同じ強さであるが、一段と良好な信号対ノイズ性能を持つ。
【０２６４】
図６５は、一次側センサー及び二次側センサーの幾何学的配置について２つの形態を示す。
【０２６５】
改善されたセンサー性能は、磁気的エンコーディング工程を、ＳＨ（シャフト）の真っ直ぐで平行な部分に適用する場合に達成される。１５ｍｍ〜２５ｍｍの直径を持つシャフトでは、磁気的なエンコード領域の最適な最短長が２５ｍｍである。センサー性能は、その領域が４５ｍｍの長さで作成できる場合（ガード領域を加えて）、更に向上する。複雑で高度に統合された伝動（ギヤボックス）システムでは、そのような間隔を見い出すのは困難である。更に理想的な状況では、磁気的にエンコードされた領域を１４ｍｍに短くすることができるが、これでは、所望のセンサー性能の全てを達成できない虞がある。
【０２６６】
図６６に示すように、ＳＳＵ（二次側センサーユニット）とセンサーホスト表面との間隔については、本発明の１つの典型的な実施形態によると、実現し得る最良の信号品質を達成するために、できるだけ小さく抑えるべきである。
【０２６７】
次に、一次側センサーエンコーディング装置について説明する。
【０２６８】
図６７に一例を示す。
【０２６９】
どの磁歪センシング技術を選択するかに応じて、センサーホスト（ＳＨ）は、それに従って加工され、且つ処理される必要がある。その技術は、互いに非常に多様で（ＡＢＢ、ＦＡＳＴ、ＦＴ、Ｋｕｂｏｔａ、ＭＤＩ、ＮＣＴＥ、ＲＭ、Ｓｉｅｍｅｎｓ等）、そして必要な処理装置もまた同様である。使用できる磁歪センシング技術のいくつかでは、ＳＨになされる如何なる物理的変更も必要とせず、磁気的な処理のみに依る（ＭＤＩ、ＦＡＳＴ、ＮＣＴＥ）。
【０２７０】
ＭＤＩ技術は２段階工程であるが、ＦＡＳＴ技術は３段階工程であり、そしてＮＣＴＥ技術は１段階工程であって、ＰＣＭエンコーディングと呼ばれる。
【０２７１】
磁気処理の後、センサーホスト（ＳＨ又はシャフト）は「精密測定」装置となり、それ相応に取り扱うべきであることに注意を要する。磁気処理は、処理されたＳＨがその最終場所に注意深く置かれる前の、まさに最終ステップとすべきである。
【０２７２】
磁気処理は、次のような状況下において、顧客の製造工程（社内での磁気処理）の不可欠な部分であるべきものとされる。
□高生産量（何千の単位のように）。
□重いＳＨ又は取り扱いが困難なＳＨ（例えば、高い輸送費）。
□非常に特別な品質及び検査要求（例えば、国防用途）。
【０２７３】
他の全ての場合には、ＮＣＴＥのような資格を持った公認の下請業者によって、磁気的に処理されたＳＨを得ることは、更にコスト効率が良い。というのも、「社内」の磁気処理のためには、専用の製造装置が要求されるからである。そのような装置は、完全に手動運転され、又は半自動化され、あるいは完全に自動化することもできる。複雑さ及び自動化のレベルに応じて、装置はＥＵＲ２０ｋ（２万ユーロ）からＥＵＲ５００ｋ（５０万ユーロ）より上の価格とされる。
【０２７４】
次に、図６８Ａ、図６８Ｂを参照して、磁気的なエンコード領域を生成するために磁化可能な対象物６８０３を磁化させる装置６８００について記載する。
【０２７５】
装置６８００は、磁化可能対象物６８０３の異なる部分と電気的に接触させるための電気接続要素６８０１を具備する。更に、電気信号供給部６８０２が設けられており、これは電気接続要素６８０１に接続されていて、異なる電気信号を前記異なる部分に印加するように構成されるが、その目的は磁化可能対象物６８０３の異なる部分に、異なる磁気的なエンコード領域を生成することである。
【０２７６】
詳しくは、２つの電気接続要素６８０１が、磁化可能対象物６８０３の周面の左側部分に接続され、電流Ｉ１がこの部分に投入される。磁化可能対象物６８０３の右側部分は２つの別の電気接続要素６８０１によって接続され、これは電流Ｉ１をこの部分に投入するためであるが、例えば、電流方向が上記とは逆方向とされる。磁化可能対象物６８０３の周面の上部は、２つの別の電気接続要素６８０１で接触され、これは電流Ｉ２を磁化可能対象物６８０３の表面における対応部分に投入するためである。更にまた、電流Ｉ２は２つの別の電気接続要素６８０１によって磁化可能対象物６８０３の周面の下部において更に投入され、これは表面の当該部分において、別々に測定可能及び定義可能な磁化を得るためである。
【０２７７】
電流Ｉ１、Ｉ２は、方向、極性、振幅に関して異なっており、これらの電流は別々に調整でき、同時に又は順次に、磁化可能対象物６８０３の表面の異なる部分に与えることができる。
【０２７８】
この処置をとることによって、電気接続要素６８０１の接触に関連した異なる磁気表面部分は、磁化可能対象物６８０３の表面上で定義できる。これは、図６８Ｂに示す磁化可能対象物６８０３の表面上の磁化パターンをもたらす。
【０２７９】
図６８Ｂは、磁化可能対象物６８０３の表面の磁化部分について表面投影を示す。
【０２８０】
図６８Ｂから分かるように、チェス盤状のパターンが表面に生成される。隣接部分は、割り当てられた部分において生成される磁場、つまり磁化の極性及び／又は強度に関して異なる。
【０２８１】
図６８Ａ、図６８Ｂに示す構成は、表面の磁化パターンをもたらし、該パターンは、磁化可能対象物６８０３の周面近傍に配置した磁場検出器によってサンプリング又はスキャンが行われる場合に、多数の正弦関数の寄与分をもつ。
【０２８２】
換言すれば、図６８Ａ、図６８Ｂは、「アナログ／デジタル信号、マルチサイクルパターン」を示す。
【０２８３】
この「アナログ／デジタル信号、マルチサイクルパターン」の回転角センサーは、磁気的にエンコードされたセンサーホストが３６０°の角度で回転する場合に、略正弦波状又は疑似正弦波状の出力信号についての２つ以上の完全なサイクルを提供する。
【０２８４】
マルチサイクル及び磁気パターンを得るために、ＰＣＭＥエンコード信号は、２つ以上の交番するパターンでセンサーホストを通ることを要する。図６８Ａ、図６８Ｂに示す解決策は、強磁性シャフトの磁気的な処理によって実現できる。（パワーステアリングシャフトの伝動軸のような）回転装置６８０３が強磁性もつ場合に、磁気的な処理をこのシャフトに施すことができる。
【０２８５】
図６８Ａ、図６８Ｂに示す磁化法によれば、異なる電流Ｉ１、Ｉ２を、順次に、又は同時に与えることができる。
【０２８６】
特に、図６８Ａに示さないが、電気接続要素６８０１の各対に、個々の電気信号供給部６８０２を用いることが有利とされる。
【０２８７】
例えば、電流源Ｉ２とＩ１は、互いに離すことができる。これは、Ｉ１とＩ２との間の電流クロストークがないことを保証するために、２つの独立した電流供給源を使用する必要があることを意味する。
【０２８８】
図６８Ｂを参照すると、図示のチェス盤は、図６８Ａに示す方法を用いて生成される。これは、４つの電流路だけを磁気的エンコーディングに使う場合であっても、４×４の磁場構造が自動的に形成されることを意味する。その理由は、内側の２つのチェス盤構造（列）だけが、１つのコネクタから他の電気的接点へと流れる電流によって直接生じるからであると考えられる。外側の２つのチェス盤列は、それらの領域を通って流れる電流なしで、それ自身によって生成される。これは、シャフト端部（直接的な磁気的エンコード領域の外側部分）とケーブル布線との間の誘導性と関係がある。
【０２８９】
図９１を参照すると、本発明の典型的な一実施形態によるセンサー装置６９００が概略的に示されている。センサー装置６９００は、特に動的な力（例えばトルク）を測定するように構成され、複数の磁気的なエンコード領域を有する可動物体６９０１を含む。特に、磁気的なエンコード領域の数は偶数であり、該領域はチェス盤状のパターンで配置されることが好ましく、図６９では該パターンを、点線で示すとともに、「＋」と「−」を付した異なる領域で模式的に示している。この磁気的なエンコード領域は、可動物体に関して周方向に配置される。センサー装置６９００は更に、複数の磁場検出器６９０２を備え、図６９にはその１つだけを図式的に示す。磁場検出器の数はβであり、β＝｛ｎ∈Ｎ｜γ＞０｝であって、
【数１】
2009500636.tif 000004
「ｎ∈Ｎ」である。即ち、「ｎ」は正の整数であり、「α」は磁気的なエンコード領域の数である。
磁気的なエンコード領域に対して、磁場検出器は、可動物体の周方向に配置され、これを図７０に示すが、後で説明する。また本発明によると、２組以上の磁気的なエンコード領域が可動物体上に配置され、つまり２列、３列等の、周方向の磁気領域が、図示した磁気的なエンコード領域に隣接して配置され、これは図６８Ｂで概略的に示すような、実在のチェス盤状をした構造を形成するためである。この場合、各組の磁気的なエンコード領域に対して、複数の磁場検出器が設けられ、これら複数の磁場検出器は上記した制約を受ける。
【０２９０】
磁場検出器６９０２は、物理変数情報の測定部６９０３に接続される。物理変数情報の測定部６９０３は、いくつかの構成要素を具備する。これらの構成要素のうちの１つは、信号調整及び信号処理部６９０４であり、複数の磁場検出器に接続され、検出信号を処理して、処理済みの検出信号を生成するように構成される。
【０２９１】
処理された信号は、速度検出部６９０６及びプログラム可能フィルタ６９０５に供給される。速度検出部６９０６はまた、プログラム可能フィルタ６９０５に接続されており、可動物体６９０１の速度を測定して、プログラム可能フィルタ６９０５に対し、測定された速度に対応する速度信号を供給するように構成される。この速度信号は、プログラム可能フィルタ６９０５に対してフィルタ信号として使用される。
【０２９２】
プログラム可能フィルタ６９０５は、ＳＣＳＰ部６９０４の処理信号及び速度検出部６９０６の速度信号から出力信号を生成するように構成される。そしてフィルタ部６９０５のこの信号は、整流部６９０７に供給され、該整流部は、物理変数情報の測定部６９０３の一部でもある。整流部６９０７の出力信号は、可動物体６９０１にかかるトルクに対応する信号を表す。
【０２９３】
図７０を参照すると、可動物体７０００の横断面が概略的に示されている。図７０に示す可動物体は、８つの磁気的なエンコード領域を備え、これらは、「＋」又は「−」のいずれかを付して概念的に示している。更に、図７０の４つの部分には、異なる数の磁場検出器７００１〜７００９を示している。左上には、３つの磁場検出器７００１〜７００３を示す。右上には、５つの磁場検出器７００１〜７００５を示す。左下には、７つの磁場検出器７００１〜７００７を示す。右下には、９つの磁場検出器７００１〜７００９を示す。磁場検出器は、可動物体の周方向に沿って等間隔とされるか又は等しくない間隔で置かれる。
【０２９４】
以下では、図７１を参照して、エンコード技法の例示的な実施形態について説明する。この技術では、磁気的に処理されることになる、磁化可能な対象物、例えばシャフトを、強磁性材料で製造する必要がある。図７１Ａにはシャフト７１００が概略的に示され、その周囲には、複数の導線７１０１、７１０２、７１０３及び７１０４が配置されている。本実施例によれば、総計６本の導線が、シャフト７１００と接触することなく、シャフト７１００の周囲に配置される。磁気的なエンコード領域のエンコーディングが実行される間、電流Ｉ１が導線を通して送られる。図７１Ｂには、シャフト７１００及び導線の断面を示す。
【０２９５】
上記磁気エンコード技法では、磁気的にエンコードされたシャフトが３６０°回転する場合、即ちシャフトが１回転する際に検出可能とされる、６サイクルの永久的な正弦波状磁気パターンが生成される。この正弦波状パターンの振幅及び正弦波の対称性については、シャフトと平行に走る電線がエンコーディング処理中、該シャフトのできるだけ近くに配置される場合に、振幅が大きくなり、対称性が高まる。しかし、導線は、シャフト表面と電気的な接続をもってはならない。
【０２９６】
最良の結果は、磁気的エンコーディングにＰＣＭＥパルス信号を使用する場合に得られる。磁気的エンコーディングの完了後に電線は不要となり、除去される。各正弦波について同一の信号振幅を得るには、シャフトの軸と平行に流れる電流が各導線において同じ値、つまり同一の電流値をもつことが重要である。
【０２９７】
エンコーディングを行う「ワイヤ−ケージ」への正確な導線経路及び「ワイヤ−ケージ」からの正確な導線経路は重要である。なお、図７１には、最良の導線経路を示しておらず、より象徴的な性質をもつ。
【０２９８】
図７２は、ＭＦＳ装置によって検出される信号のグラフを概略的に示しており、ＭＦＳ装置は図７１に概略的に示したシャフトを感知する。グラフは、シャフトを３６０°回転させて、接線方向に配置したＭＦＳ装置で信号を検出する場合における、正弦波の６サイクルを示す。図７２のＸ軸には、３で割った回転位置を示しており、例えば、値５５が１６５°に相当する。Ｙ軸には、相対的な出力信号を、任意単位で示している。
【０２９９】
図７１と関連して記載した磁気的なエンコーディングの原理は、速度センサー又は角度位置センサーを作製するのに理想的であるが、同様に機械の力を測定することが可能である。しかし、信号を検出して処理する方法は、ＲＳＵ（回転信号一様性）及び信号極性変化の問題を解決するために比較的複雑である。好ましくは、信号の整流が機械的な力の測定に用いられ、これは図６９で概略的に示されている。例えば、１つのＭＦＳ装置だけを使用し、シャフトが全く移動しない場合、即ち静トルク測定の場合には、統計学的に、ＭＦＳ装置が間違った場所、即ち「ゼロ」信号値の位置でロックする可能性があり、従って、いかなる機械的な力も検出できなくなってしまう。あるいは、シャフトが特定の速度で回転しており、信号整流部を用いない場合、交番する正トルク及び負トルクが互いに相殺する虞がある。
【０３００】
次に、図７３を参照して、エンコード技法について他の例示的な実施形態を説明する。この技術は、図７１に示したものと同様であるが、２群の導線を備える。磁気的に処理されるシャフトは、同様に強磁性材料で製造する必要がある。図７３Ａではシャフト７３００が概略的に示されており、その周囲には、複数の導線７３０１、７３０２、７３０３、及び７３０４が配置される。本実施例によれば、総計６本の導線が、シャフト７３００と接触することなく、シャフト７３００の周囲に配置されており、６本のうちの４本だけを図示している。これらの導線は、導線の第一群、つまり第一のワイヤ−ケージを形成し、これによって電流Ｉ１が流れるとともに、磁気的なエンコード領域のエンコーディングが実行される。図７１Ａに示した実施形態とは異なり、導線の第二群、つまり第二のワイヤ−ケージは、シャフト７３００の周囲に配置される。これらの導線７３０５、７３０６、及び７３０７を通って電流Ｉ２がエンコーディング中に流れ、該電流は、Ｉ１と同じ大きさであるが、その方向が反対である。第一群の導線及び第二群の導線は交互に配置され、即ち第一群に属する２本の導線の間に、第二群に属する１本の導線が置かれる。第一のワイヤ−ケージの導線間に導線を幾何学的に置いて、これらの導線に同じエンコード電流（但し、方向が反対）を流すことより、シャフトの磁気的なエンコーディングに１つのワイヤ−ケージを用いる場合に比して、達成可能なセンサー信号利得は、磁気的エンコーディング後に、２倍以上となり得る。２つの逆方向の電流路は、２つのワイヤ−ケージにおいて、又はその近辺のいずれの場所でもショートしてはならない。
【０３０１】
各ワイヤ−ケージに使用する導線の数は、いくつの信号サイクル（サイン波）が検出シャフト表面に亘って置かれるかを決定する。基本的には、どれ程多くの電流路又は少ない電流路がシャフトと平行して配置されるかについて制限はない。しかし、その数があまりに多くなると、得られる信号の振幅が小さくなり、これは結果として、角度位置信号の検出及び測定に用いるＭＦＳ装置を、シャフト表面に対して更に近づける必要があることを意味する。電線経路の数が多くなり過ぎると、結局は、磁気的な極性変化のサイクルの間隔が非常に狭くなるので、その結果得られる信号利得が非常に小さくなり、使用するＭＦＳ装置の物理的な配置サイズについて、信号の極性変化を区別するために大きくすることを要し、即ち、そうしないと全てが「灰色」（中間的）となってしまい、電気的に区別がつかなくなる。
【０３０２】
図７４は、磁気的にエンコード可能な領域のエンコーディング中、１本の導線を使用して得られる磁化について概略的に示す。図７４Ａには、導線７４０１を配置したシャフト７４００の断面が示され、導線７４０１はシャフト７４００に直接接触していない。更に、導線７４０１を通って流れる電流によって誘起される磁場の等ポテンシャル線７４０２、７４０３を、図７４Ａに概略的に示す。磁気的なエンコーディングの後に、導線７４０１が除去され、誘起された磁場ラインはシャフト内で閉じ、即ちシャフト７４００の表面下で再結合する。この状況を図７４Ｂに示す。即ち、ＰＣＭＥエンコードパルスは、シャフト表面の上層を磁化させる。右図、図７４Ｃは、予想される磁束効果７４０５を示し、これはシャフト表面で、それらの方向にて検出される。この初期磁化の深さは、電線がシャフト表面に対してどれくらい近くに配置されたか、そして最適に均衡のとれたＰＣＭＥパルスの最大電流値がどれ程であったかに依存するが、この「最適に均衡のとれた」とは、短いパルス立ち上がり時間及び長いパルス立ち下がり時間を用いることを意味する。ＰＣＭＥパルスを加えた後で、磁化したシャフト表面は、即座にそれ自身の磁気ループを形成し、これを、図７４Ｃ及び図７４Ｃの下方の拡大図に示す。これをし損じることは、シャフト表面の内部に形成される永久的な磁場がなくなってしまうことを意味する。このシャフト内部の磁気ループ、つまりシャフト表面の直下にある磁気ループの影響は、半径方向に感度をもつＭＦＳ装置及び接線方向に感度をもつＭＦＳ装置によって測定できる。
【０３０３】
図７５は、図７３に示す構成に対応する磁気的なエンコード領域のエンコーディング中に、それぞれ４本の導線から成る２つのワイヤ−ケージを使用して得られる磁化について概略的に示す。この状況は図７４に示され、これに関連して説明した状況と同様である。図７５Ａには、シャフト７５００の横断面を示しており、その周囲に第一群の導線７５０１、７５０２、７５０３、及び７５０４が配置されている。また、第二群の導線７５０５、７５０６、７５０７、及び７５０８は、シャフト７５００の周囲に配置され、導線はいずれもシャフト７５００に対して直接接触していない。更に、導線７５０１及び７５０２を通って流れる電流Ｉ１によってそれぞれに誘起される磁場の等ポテンシャル線７５０９及び７５１０が、図７５Ａに概略的に示されている。第二群の導線を通って、反対方向で同じ振幅の電流Ｉ２が、シャフト７５００のエンコーディング中に流れる。このことはまた、等ポテンシャル線７５１１及び７５１２によって概略的に示されている。
【０３０４】
つまり、図７５は、シャフトの周囲の９０°毎に、該シャフトと平行に置かれた４本の導線を使った場合に、シャフト表面及びその表面下の効果を示しており、これらの４本の導線の電気的なエンコード電流は等しく、同じ方向に流れ、そして、これらの各導線の間に、同一の電流が上記と反対方向に流れる導線を配置した場合を示す。
【０３０５】
更に、図７５Ａは、主要なＰＣＭＥエンコードの時点で、角度及び機械的な力の検出領域の中央部におけるシャフト断面を示す。図７５Ｂでは、ＰＣＭＥエンコーディングを行った後に、安定で永久的な磁束磁気ループ構造７５１３、７５１４、７５１６、及び７５１７がシャフト表面下に形成された後で得られたままである。これに対し、図７５Ｃ及び図７５Ｄは予想される磁束効果を示しており、シャフト表面においてそれらの方向で検出される。
【０３０６】
図７６は、導線の他の配置例を概略的に示しており、シャフト軸７６００の磁気的なエンコード可能領域を、磁気的にコード化するために用いることができる。図７６Ａにおいて、エンコード用の導線７６０１、７６０２、７６０３、７６０４、及び７６０５が、シャフト表面の周囲において等間隔で置かれる。エンコード前に、１本の導線、例えば、７６０５をとり除くことで、この失った導線により、残った導線同士の間隔が広がる。この広がった間隔は、ＭＦＳ装置によって検出されてデジタル化されるアナログ信号が、明らかに失ったパルスを目立たせるという事実につながる。このデジタル化されたアナログ信号はまた、図７６にも示されている。これは、「絶対的な」角度位置を識別するのに役立つ、１つの使用可能なエンコード技法である。
【０３０７】
１つのＭＦＳ装置だけを使用する場合、失った「パルス」が位置していたことを保証するために、シャフトは、ほぼ３６０度の角度で回転させる必要がある。その時点以来、角度センサーは、回転するシャフトの絶対位置にロックされる。２つ以上のＭＦＳ装置を使用する場合には、シャフトの必要な回転運動をこれに応じて低減できる。つまり、２つのＭＦＳ装置を用いる場合、シャフトは、３６０°／２＝１８０°の角度で回転する必要がある。３つ以上のＭＦＳ装置を用いる場合には、シャフトの絶対的な回転位置を、直ちに特定できる。即ち、失ったパルスを特定するために、シャフトを回転させる必要はなくなる。
【０３０８】
１つの欠歯に代わって、他の任意の考慮すべき信号パターンについても、エンコード用導線を正確な間隔で配置することにより繰り返すことができる。例えば、対数関数的な間隔の場合には、２つの連続した導線間の距離が対数的に増加する。
【０３０９】
図７７は、検出シャフトが管７７００とされた、例示的な実施形態を概略的に示す。図７７Ａは検出シャフト７７００を概略的に示し、４つの導線７７０１、７７０２、７７０３、及び７７０４を用いて、磁気的なエンコード領域を誘起する。管状シャフトの場合には、シャフトがコード化される間、導線をシャフト内に置くことが好ましい。エンコーディング中に導線が管状シャフト内に置かれる場合、磁場センサー７７０５、７７０６、７７０７、及び７７０８もまた、測定中、管内に置くことが好ましい。これを、図７７Ｂにおいて概略的に示す。
【０３１０】
つまり、検出シャフトが管である場合、磁気的エンコードは管の内部又は管の外部で生じる。磁気的エンコードが管の内部で起こる場合、管の内部にＭＦＳ装置を配置すると、最良の信号検出結果が得られる。磁束パターンは、エンコードプロセスが起きたのと同じ側において、最も正確な間隔で定義される。よって、電気結合要素、例えば導線を、管状シャフトのエンコード中、該管状シャフトの一方の側に配置し、測定中は、電気結合要素と同様に、磁場検出センサーを同じ側に配置することが好ましい。
【０３１１】
図７８は、シャフト７８００に対するエンコード技法について別の例示的な実施形態を概略的に示しており、導線７８０１、７８０２、７８０３、７８０４、７８０５、及び７８０６が、シャフト７８００の一端部の周りで折り曲げられる。この技術は、ワイヤ−ケージの電気的インピーダンスがＰＣＭＥパルスの効率を制限しないうちは適用でき、電線がシャフトに対して平行な軌道をとることを要する。つまり、シャフトと平行な軌道をもつことを要する電線は、一端部の周辺で曲げられて、シャフトと平行な状態に戻るが、所望の角度量だけずれる。しかし、導線のインピーダンスが、他の外形をもつワイヤ−ケージの設計に比して大きいので、達成可能な角度センサーの信号振幅は低くなる。
【０３１２】
図７９は、シャフト７９００のエンコーディング中に２つのワイヤ−ケージを配置した、別の例示的な実施形態を示す。複数の導線７９０１、７９０２、７９０３、及び７９０４を備える第一のワイヤ−ケージは、導線７９０５、７９０６、７９０７、及び７９０７を備える第二のワイヤ−ケージに隣接して配置されており、第一のワイヤ−ケージの導線における電流の方向は、第二のワイヤ−ケージの導線における電流の方向とは反対であり、これを導線に配置した矢印で概略的に示している。
【０３１３】
即ち、「ディファレンシャルモード」の信号処理を行うためには、いくつかの選択肢を使用できる。図７９に示すものは、反対の出力信号極性で、２つのエンコード領域を並べて配置している。同じ方向で検出し、かつ２つのエンコードされたセンサー領域の上方に配置される、２つのＭＦＳ装置を使用することにより、出力信号を互いに減算すると、如何なる不要な干渉磁気信号をも除去できる。つまり、出力信号は次の通りである。
出力信号＝ＭＦＳ１−ＭＦＳ２
【０３１４】
図８０は、シャフト８０００に関する磁場センサーについて例示的な配置を示す。図８０Ａには、所謂タンジェンシャル（接線方向）配置を示し、磁場検出器８００１及び８００２の長手方向の軸が、シャフト８０００の長手方向の軸に対して直交し、シャフト８０００の周方向に接する。図８０Ｂには、所謂ラジアル（半径方向）配置を示し、ＭＦＳ８００１及び８００２の長手方向の軸が、シャフトの長手方向の軸に直交し、シャフトの半径方向とされる。２つのＭＦＳ装置についてのタンジェンシャル配置及びラジアル配置によって、シャフトの角度情報を検出することができる。図８０Ｃには、所謂アキシャル（軸方向）配置を示し、シャフトの長手方向の軸と、ＭＦＳ８００１及び８００２の長手方向の軸が平行である。軸方向に差動的ＭＦＳ装置を配置することが、磁気的にエンコードされたシャフトにかかる機械的応力を測定するために、最も理想的とされる。
【０３１５】
図８１には、出力信号のグラフを概略的に示す。複数のＭＦＳ装置を、最適パターンで磁気的にエンコードされたシャフトの表面周辺に配置し、使用するＭＦＳ装置の絶対信号出力の平均値を生成する場合に、殆ど一定した出力信号が保証され、これは相対的なシャフトの回転から独立している。この最適パターンは、シャフト表面の３６０°に亘って配置される磁気信号サイクルの数に依存し、更には、用いるＭＦＳ装置の数に依存する。
【０３１６】
この例では、４つのＭＦＳ装置が、シャフトの周囲で２２．５度の回転角毎に位置され、２つの完全な磁気信号サイクルがシャフト表面にコード化される。ＭＦＳ装置の角度位置は、図８１に垂直線８１０１、８１０２、８１０３及び８１０４として示されている。Ｘ軸が係数４．５で圧縮されていることに注意を要し、例えば、値４０が１８０°の位置に対応する。Ｙ軸には、個々のＭＦＳで測定される出力信号が、任意単位を用いて示されている。使用するＭＦＳ装置の物理的寸法が、それらの装置を互いの近くに配置させることを許さない場合に、該装置は同じ相対的な位置ではなく、別の磁気信号サイクルにおいて配置できる。例えば、線８１０２で表されるＭＦＳは、値１０に対応する位置に代わって、値５０のところに配置することができる。
【０３１７】
図８２には、別の出力信号のグラフを概略的に示す。既述のように、使用するＭＦＳ装置の絶対的な信号出力の平均値を生成する場合、殆ど一定の出力信号が保証され、これは相対的なシャフトの回転から独立している。図８２の上図では、４つのＭＦＳが、８２０１、８２０２、８２０３、及び８２０４を付した場所に配置されるのに対し、下図では、４つのＭＦＳが、８２０５、８２０６、８２０７、及び８２０８を付した場所に配置される。図８２において、Ｘ軸は係数４．５で圧縮されており、Ｙ軸は出力信号を任意単位で示している。ＭＦＳの位置は、図８１と図８２とで異なるものの、図８１及び図８２の３つのグラフに示す角度位置に、４つのＭＦＳを置くことによって得られる、計算後の出力信号は同一である。つまり、加えられたトルクは、下式により決定できる。
【０３１８】
【数２】
2009500636.tif 000005
ここで、ＭＦＳ１、ＭＦＳ２、ＭＦＳ３及びＭＦＳ４は、対応する磁場センサー装置によって測定される信号であり、即ち、トルクは、磁場センサー装置の信号の算術平均を計算することによって測定できる。
【０３１９】
図８３では、４つの磁場センサー装置の配置について、２つの異なる選択肢を、シャフト８３００に関して概略的に示す。原則として、４つの磁場センサー８３０１、８３０２、８３０３、及び８３０４は、あらゆる所望の配置をとることができる。
【０３２０】
即ち、図８３は、上述の式をトルク測定に用いる場合に、同じ出力信号結果を得るために、４つのＭＦＳ装置を（同じシャフト断面で）シャフト表面の周囲に配置させる仕方について、２つの選択肢を示す。これらのＭＦＳ装置は、軸方向に感度をもち、トルク応力を測定する。この場合、シャフトは自由に回転でき、トルク信号振幅は僅かに変化するだけである。より安定な出力信号を得るためには、ＭＦＳ装置の数を増やすことが好ましい。
【０３２１】
図８４は、エンコード技法について別の例示的な実施形態を概略的に示す。これまでに示した磁気的エンコードは、検出シャフト８４００に対して導線を「平行に」配置することで生成されたが、エンコード用導線はまた、接線方向においてシャフトの周囲で、完全に又は部分的に巻き付けることができる。図８４Ａに示す実施例では、２本の導線８４０１及び８４０２が、各々にほぼ１８０度の角度でシャフト表面の周囲に巻き付けられ、これらは、シャフト８４００に対して直接接触していない。シャフトの周囲に巻き付けられた２本の導線の電流は、シャフト表面に関して反対方向に流れている。
【０３２２】
図８４Ａは断面図を示し、図８４Ｂはシャフト８４００の斜視図を示す。図８４Ｂでは、数ｍｍ（ミリメートル）毎に別の導線がシャフト８４００の周囲に巻き付けられ、これによって、導線の電流方向は、１つの導線から次の導線へと反対方向を向き、即ち、電流の方向が、ある導線と隣り合った次の導線とで変化する。図８４Ｂでは、６対の導線が概略的に示され、それらのうちのいくつかの導線だけに８４０１、８４０２、８４０３、８４０４、８４０５、８４０６を付している。当然ではあるが、対の数は、更に多くしても構わない。シャフト表面に生成される磁気パターンは、チェス盤状のパターンに対応する。
【０３２３】
図８４の実施形態による磁気的エンコードは、（固定ＭＦＳ装置に対する）シャフトの軸方向移動と、（エンコード用導線が３６０度でなく、１８０度だけ巻き付けられる場合の）回転角度、そしてシャフトにかかる機械的な力について、非常に正確な測定を行うために最適化される。
【０３２４】
但し、エンコードパターンがより複雑になるほど、信号検出及び信号処理が、より複雑化する。
【０３２５】
本発明の１つの特徴は、磁気的なエンコード領域によって定義される構造が、実質的にあらゆる所望の形態を呈示できることにある。特に、磁化可能要素に生じる磁場構造は、不均一でもよく、即ち、当該構造は、磁化可能要素に関して一様である必要はない。更にまた、この構造は、磁化可能要素に対して、半径方向、軸方向、又は接線方向に配置できる。特に、ＰＣＭＥ技術により、磁化可能要素において、本質的に所望のパターンを如何様にも生成することが可能となる。
【０３２６】
「備える」という用語は、他の要素又はステップを除外せず、また「１つの」は複数を除外しないことに留意されたい。また、各種実施形態に関連して記載した要素を結合してもよい。
【０３２７】
請求項の参照符号が請求項の範囲を制限するものとして解釈されないことにも注意を要する。
【図面の簡単な説明】
【０３２８】
【図１】本発明の１つの典型的な実施形態によるトルクセンサーを製造する方法を説明するために、本発明の１つの典型的な実施形態によるセンサー素子を持つトルクセンサーを示す図である。
【図２Ａ】本発明の原理及び本発明の製造方法における１つの典型的な実施形態を更に説明するために、本発明によるトルクセンサーのセンサー素子における１つの典型的な実施形態を示す図である。
【図２Ｂ】図２ＡのＡＡ’線に沿った断面図を示す。
【図３Ａ】本発明の原理及び本発明によるトルクセンサーの製造方法の典型的な実施形態を更に説明するために、本発明によるトルクセンサーのセンサー素子について別の典型的な実施形態を示す図である。
【図３Ｂ】図３ＡのＢＢ’線に沿った断面図である。
【図４】本発明の１つの典型的な実施形態による方法に従って製造された図２Ａ及び３Ａのトルクセンサーにおけるセンサー素子の断面を示す図である。
【図５】本発明によるトルクセンサーを製造するための製造方法について典型的な実施形態を更に説明するために、本発明によるトルクセンサーのセンサー素子における別の典型的な実施形態を示す図である。
【図６】本発明によるトルクセンサーの製造方法の典型的な実施形態を更に説明するために、本発明によるトルクセンサーのセンサー素子における別の典型的な実施形態を示す図である。
【図７】本発明によるトルクセンサーを製造する方法の、ある典型的な実施形態を更に説明するためのフローチャート図である。
【図８】本発明の１つの典型的な実施形態による方法を更に説明するための電流対時間を示すグラフである。
【図９】本発明の１つの典型的な実施形態による電極システムを持った、本発明によるトルクセンサーのセンサー素子における別の典型的な実施形態を示す図である。
【図１０Ａ】本発明の典型的な実施形態による電極システムを用いた、本発明によるトルクセンサーについて別の典型的な実施形態を示す図である。
【図１０Ｂ】図１０Ａの電極システムを用いて電流サージを加えた後の図１０Ａのセンサー素子を示す図である。
【図１１】本発明によるトルクセンサーのためのトルクセンサー素子における、別の典型的な実施形態を示す図である。
【図１２】２つの磁場がシャフトに生じて、閉じた円内を走っている様子を示す図であり、本発明の別の典型的な実施形態によるトルクセンサーのセンサー素子の概略図を示す。
【図１３】本発明による製造方法に従って生成される２つの逆方向サイクル、つまり磁場ループを使用するＰＣＭＥセンシング技術を図示するための別の概略図を示す。
【図１４】機械的応力が本発明の１つの典型的な実施形態によるセンサー素子に加わらない時、磁束線がその初めの経路を走ることを図示するための別の概略図を示す。
【図１５】本発明の１つの典型的な実施形態の原理を更に説明するための別の概略図である。
【図１６】本発明の１つの典型的な実施形態の原理を更に説明するための別の概略図である。
【図１７】本発明の１つの典型的な実施形態の原理を更に説明するための概略図である。
【図１８】本発明の１つの典型的な実施形態の原理を更に説明するための概略図である。
【図１９】本発明の１つの典型的な実施形態の原理を更に説明するための概略図である。
【図２０】本発明の１つの典型的な実施形態の原理を更に説明するための概略図である。
【図２１】本発明の１つの典型的な実施形態の原理を更に説明するための概略図である。
【図２２】本発明の１つの典型的な実施形態の原理を更に説明するための概略図である。
【図２３】本発明の１つの典型的な実施形態の原理を更に説明するための別の概略図を示す。
【図２４】本発明の１つの典型的な実施形態の原理を更に説明するための概略図を示す。
【図２５】本発明の１つの典型的な実施形態の原理を更に説明するための概略図を示す。
【図２６】本発明の１つの典型的な実施形態の原理を更に説明するための概略図を示す。
【図２７】本発明の１つの典型的な実施形態の製造方法によるセンサー素子に加えられる電流パルスを図示するための電流対時間図である。
【図２８】本発明の１つの典型的な実施形態による出力信号対電流パルス長を示す図である。
【図２９】本発明の方法によるセンサー素子に加えられる本発明の１つの典型的な実施形態による電流パルスとともに電流対時間を示す図である。
【図３０】本発明の１つの典型的な実施形態の方法によるシャフトのようなセンサー素子に加えられる電流パルスについて、１つの典型的な実施形態を示す別の電流対時間図である。
【図３１】本発明の１つの典型的な実施形態に従う信号及び信号効率対電流図である。
【図３２】本発明の１つの典型的な実施形態による望ましいＰＣＭＥ電流密度を持つセンサー素子の断面図である。
【図３３】本発明の１つの典型的な実施形態による、各種の増加するパルス電流レベルでのセンサー素子及びパルス電流密度を示す断面図である。
【図３４Ａ】本発明によるセンサー素子において、異なる電流パルスの磁気流により達成される間隔を示す図である。
【図３４Ｂ】本発明によるセンサー素子において、異なる電流パルスの磁気流により達成される間隔を示す図である。
【図３５】本発明の１つの典型的な実施形態によるセンサー素子に加えられる電流パルスの電流対時間図を示す。
【図３６】本発明の１つの典型的な実施形態によるセンサー素子への電気的な多点接続を示す図である。
【図３７】本発明の１つの典型的な実施形態によるセンサー素子に対して、電流パルスを加えるバネ装填の接触点を有する多チャンネルの電気接続具を示す図である。
【図３８】本発明の１つの典型的な実施形態による増加された数の電気接続点を持つ電極システムを示す図である。
【図３９】図３７の電極システムにおける１つの典型的な実施形態を示す。
【図４０】本発明の１つの典型的な実施形態による方法で使用するシャフト処理保持クランプを示す図である。
【図４１】本発明によるセンサー素子の２重磁場エンコード領域を示す図である。
【図４２】本発明の１つの典型的な実施形態による、順次の２重磁場エンコーディングの工程段階を示す図である。
【図４３】本発明の別の典型的な実施形態による２重磁場エンコーディングについて別の工程段階を示す図である。
【図４４】本発明の別の典型的な実施形態に従って、電流パルスの印加の説明を含む、センサー素子について別の典型的な実施形態を示す図である。
【図４５】応力を加えない時の本発明によるセンサー素子内の磁束方向を示す概略図である。
【図４６】応力を加えた時に図４５のセンサー素子内における磁束方向を示す図である。
【図４７】加えたトルクの方向が変化している時に図４５のＰＣＭエンコードされたシャフト内部の磁束を示す図である。
【図４８】本発明の１つの典型的な実施形態による６チャンネル同期パルス電流駆動システムを示す図である。
【図４９】本発明の別の典型的な実施形態による電極システムを簡略化して示す図である。
【図５０】本発明の１つの典型的な実施形態によるセンサー素子を示す図である。
【図５１】２つのピン止め磁場領域とともにＰＣＭＥ処理検出領域を有する、本発明によるセンサー素子の別の典型的な実施形態を示す図である。
【図５２】１つのエンコードされた領域及びピン止め領域を持つセンサー素子の製造のために、本発明の１つの典型的な実施形態による製造方法を説明するための概略図である。
【図５３】本発明の１つの典型的な実施形態による製造方法に従って本発明の１つの典型的な実施形態によるセンサー素子を示す別の概略図である。
【図５４】本発明の１つの典型的な実施形態を更に説明するための簡略化された概略図である。
【図５５】本発明の１つの典型的な実施形態を更に説明するための簡略化された別の概略図である。
【図５６】モータのギヤボックスにおける本発明の１つの典型的な実施形態によるトルクセンサーの適用を示す図である。
【図５７】本発明の１つの典型的な実施形態によるトルクセンサーを示す図である。
【図５８】本発明の１つの典型的な実施形態による非接触トルク検出装置における構成要素の概略図である。
【図５９】本発明の１つの典型的な実施形態による検出装置の構成要素を示す図である。
【図６０】本発明の１つの典型的な実施形態によるセンサー素子のコイル配置を示す図である。
【図６１】本発明の１つの典型的な実施形態による単一チャンネルセンサー機器を示す図である。
【図６２】本発明の１つの典型的な実施形態による２チャンネルの短絡保護システムを示す図である。
【図６３】本発明の別の典型的な実施形態によるセンサーを示す図である。
【図６４】本発明の１つの典型的な実施形態による二次側センサーユニットの組み立てについて、１つの典型的な実施形態を示す図である。
【図６５】本発明の１つの典型的な実施形態による一次側センサー及び二次側センサーの幾何学的な配置の２形態を示す図である。
【図６６】二次側センサーとセンサーホストとの間隔が出来るだけ小さい方が望ましいことを説明するための概略図である。
【図６７】一次側センサーのエンコーディング装置について一実施形態を示す図である。
【図６８Ａ】本発明の典型的な実施形態による磁化可能対象物を磁化させる装置を示す図である。
【図６８Ｂ】図６８Ａに従って磁化された磁化可能対象物の表面のチェス盤状構造を示す図である。
【図６９】本発明の典型的な実施形態によるセンサー装置を概略的に示す図である。
【図７０】可動物体を概略的に示す断面図である。
【図７１Ａ】エンコード技法の典型的な実施形態を概略的に示す図である。
【図７１Ｂ】エンコード技法の典型的な実施形態を概略的に示す図である。
【図７２】ＭＦＳ装置によって検出される信号を概略的に示すグラフである。
【図７３Ａ】エンコード技法の典型的な実施形態を概略的に示す図である。
【図７３Ｂ】エンコード技法の典型的な実施形態を概略的に示す図である。
【図７４Ａ】エンコードに１本の導線を使った磁化を概略的に示す図である。
【図７４Ｂ】エンコードに１本の導線を使った磁化を概略的に示す図である。
【図７４Ｃ】エンコードに１本の導線を使った磁化を概略的に示す図である。
【図７５Ａ】エンコードに４本の導線を使った磁化を概略的に示す図である。
【図７５Ｂ】エンコードに４本の導線を使った磁化を概略的に示す図である。
【図７５Ｃ】エンコードに４本の導線を使った磁化を概略的に示す図である。
【図７５Ｄ】エンコードに４本の導線を使った磁化を概略的に示す図である。
【図７６Ａ】導線配置の別例を概略的に示す図である。
【図７６Ｂ】導線配置の別例を概略的に示す図である。
【図７７Ａ】磁場センサーの典型的な実施形態を概略的に示す図である。
【図７７Ｂ】磁場センサーの典型的な実施形態を概略的に示す図である。
【図７８Ａ】エンコード技法の典型的な実施形態を概略的に示す図である。
【図７８Ｂ】エンコード技法の典型的な実施形態を概略的に示す図である。
【図７９】エンコード技法の別の典型的な実施形態を概略的に示す図である。
【図８０Ａ】磁場センサーの典型的な配置例を概略的に示す図である。
【図８０Ｂ】磁場センサーの典型的な配置例を概略的に示す図である。
【図８０Ｃ】磁場センサーの典型的な配置例を概略的に示す図である。
【図８１】磁場検出器の典型的な配置例について出力信号を概略的に示すグラフである。
【図８２】磁場検出器の別の典型的な配置例について出力信号を概略的に示すグラフである。
【図８３Ａ】４個の磁場検出器の配置について選択肢を概略的に示す図である。
【図８３Ｂ】４個の磁場検出器の配置について選択肢を概略的に示す図である。
【図８４Ａ】エンコード技法の典型的な実施形態を概略的に示す図である。
【図８４Ｂ】エンコード技法の典型的な実施形態を概略的に示す図である。
【図１】
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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４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０Ａ】
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【図１０Ｂ】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４Ａ】
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【図３４Ｂ】
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【図３５】
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【図３６】
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【図３７】
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【図３８】
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【図３９】
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【図４０】
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【図４１】
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【図４２】
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【図４３】
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【図４４】
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【図４５】
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【図４６】
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【図４７】
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【図４８】
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【図４９】
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【図５０】
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【図５１】
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【図５２】
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【図５３】
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【図５４】
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【図５５】
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【図５６】
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【図５７】
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【図５８】
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【図５９】
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【図６０】
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【図６１】
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【図６２】
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【図６３】
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【図６４】
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【図６５】
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【図６６】
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【図６７】
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【図６８Ａ】
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【図６８Ｂ】
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【図６９】
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【図７０】
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【図７１Ａ】
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【図７１Ｂ】
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【図７２】
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【図７３Ａ】
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【図７３Ｂ】
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【図７４Ａ】
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【図７４Ｂ】
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【図７４Ｃ】
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【図７５Ａ】
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【図７５Ｂ】
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【図７５Ｃ】
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【図７５Ｄ】
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【図７６Ａ】
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【図７６Ｂ】
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【図７７Ａ】
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【図７７Ｂ】
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【図７８Ａ】
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【図７８Ｂ】
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【図７９】
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【図８０Ａ】
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【図８０Ｂ】
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【図８０Ｃ】
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【図８１】
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【図８２】
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【図８３Ａ】
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【図８３Ｂ】
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【図８４Ａ】
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【図８４Ｂ】
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【国際調査報告】
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