(57)【要約】【課題】トルクセンサーのヒステリシスを軽減する。【解決手段】トルクセンサーのヒステリシスを磁気弾性リングに互いに逆方向の第１残留磁場及び第２残留磁場を付与することによって軽減する。第１及び第２磁場は、磁気弾性リング内に第３磁場を形成できるように、互いに離隔した位置に形成される。第３磁場は方向性の曖昧な弱い磁気ドメインであり、磁気弾性リング内に負ヒステリシスを付与する。負ヒステリシスはトルクが加わることによって発生する正ヒステリシスを相殺する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
トルクセンサーの製法において、
ａ）磁気弾性帯内に第１の所要磁場方向を有する第１周方向磁場を付与し；
ｂ）磁気弾性体内に第１磁場方向とは反対の第２の所要磁場方向を有する第２周方向磁場を付与し；
ｃ）第１磁場を第２磁場から或る軸方向距離離隔させるステップを含むことを特徴とする前記方法。
【請求項２】
ステップａ）及びｂ）が、磁気弾性帯を飽和させることができる磁場強さを有するマグネットの存在下で磁気弾性材を回転させるステップを含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
第１磁場と第２磁場とを離隔させることによって第１磁場方向とも第２磁場方向とも異なる磁場方向を有する残留磁気を付与することを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項４】
第１及び第２磁場間の残留磁気が磁気弾性帯の該当部分を負ヒステリシスの方へ偏移させることを特徴とする請求項３に記載の方法。
【請求項５】
トルク・トランスジューサ内に発生する正ヒステリシスに、磁気弾性帯内に付与された負ヒステリシスで無効化するステップを含むことを特徴とする請求項４に記載の方法。
【請求項６】
交番磁場内にトルクセンサーを配置することによって磁気弾性対の軸方向域を消磁するステップを含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項７】
第１周方向磁場及び第２週方向磁場を磁気弾性帯の軸方向両端部分から離隔させるステップを含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項８】
磁気弾性トルクセンサーにおけるヒステリシスを軽減する方法において、
ａ）基材に支持された磁気弾性材リング内に第１周方向の第１残留磁場を付与し：
ｂ）磁気弾性材リング内に第１周方向とは逆の第２周方向の第２残留磁場を付与し；
ｃ）第１残留磁場を第２残留磁場に対して配向することによって磁気弾性材内の領域に第１磁場及び第２磁場のいずれよりも弱い第３磁場を付与する
ステップを含むことを特徴とする磁気弾性トルクセンサーにおけるヒステリシス軽減方法。
【請求項９】
第３磁場が第１周方向とも第２周方向とも異なる方向性を含むことを特徴とする請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
第１残留磁場を軸方向に第２残留磁場から離隔することによって両残留磁場間のスペース内に第３残留磁場を形成するステップを含むことを特徴とする請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
第１及び第２周方向磁場を軸方向に磁気弾性材リングの軸方向両端から離隔することによって磁気弾性材リングの軸方向両末端部分に第３磁場を付与するステップを含むことを特徴とする請求項９に記載の方法。
【請求項１２】
第１周方向磁場及び第２周方向磁場の発生に応答して第３磁場が発生することを特徴とする請求項８に記載の方法。
【請求項１３】
磁気弾性材を磁気飽和させることができる力の永久磁石で第１及び第２周方向磁場を付与することを特徴とする請求項８に記載の方法。
【請求項１４】
ヒステリシスを軽減されるトルクセンサー組立体において、
加えられるトルクを受ける基材と；
第１周方向を有する第１残留磁気域、第１周方向とは逆の第２周方向を有する第２残留磁気域、及び第１及び第２周方向とは異なる第３方向を有する第３残留磁気域を含み、基材に支持された磁気弾性リングから成ることを特徴とするトルクセンサー組立体。
【請求項１５】
第３残留磁気域が第１残留磁気域と第２残留磁気域の間に介在することを特徴とする請求項１４に記載の組立体。
【請求項１６】
第１及び第２残留磁気域が磁気弾性リングを形成する材料を磁気飽和させる大きさの磁場が作用することによって形成され、第３残留磁気域が第１と第２の残留磁気域間の相互作用によって形成されることを特徴とする請求項１５に記載の組立体。
【請求項１７】
第１及び第２残留磁気域が磁気弾性リングの軸方向両端から離隔され、第３残留磁気域が第１及び第２残留磁気域のそれぞれと、それぞれの軸方向端部との間に介在することを特徴とする請求項１４に記載の組立体。
【発明の詳細な説明】
【背景技術】
【０００１】
本発明は磁気弾性トルクセンサーを製造する方法及びその装置、特に、磁気弾性トルクセンサーにおける磁気ヒステリシスの軽減方法及び装置に係わる。
【０００２】
磁気弾性トルクセンサーはトルクが加わるとこれに応答して磁気弾性材中に磁場を発生させる逆ウィーデマン効果を利用する。磁気弾性トルクセンサーは作用するトルクに耐えるとともに磁気弾性材から成る帯状体を支持する基材を含む。磁気弾性帯は磁気容易軸を提供する周方向応力を付与され、周方向応力を付与され、磁気容易軸は磁気弾性帯内に所要の周方向磁場を発生させる。基材に作用するトルクは常態では周方向である磁場を歪ませ、その結果、磁場が螺旋形となる。周方向からのひずみが磁場検知デバイスによって測定される。歪の大きさ及び振幅は基材に作用するトルクに対応する。
【０００３】
しかし、時としてトルクが除かれた後に磁場が所要の円周方向に戻らないという不都合が起こる。磁場の残留軸方向成分がゼロ点のずれ、即ちヒステリシスを生じさせる可能性がある。磁気弾性帯中の周方向応力が所要のレベル以下であること及び磁気弾性材中の時期結晶異方性が必要以上に高いことがゼロ点シフトの原因の少なくとも一部である。磁気弾性材の物性は特定の用途に合わせて選択され、場合によってはヒステリシスを制限しない材料が選択され、利用されることがある。
【０００４】
従って、磁気弾性材における望ましくないヒステリシスを克服するとともに材料の経済的な利用を可能にする方法及びデバイスの開発が望まれる。
【発明の概要】
【０００５】
本発明によるトルクセンサーの製法の一実施例は磁気弾性材を基材で支持し、磁気弾性材内に第１の所要方向に第１周方向磁場を付与するステップを含む。磁気弾性材に第１の方向とは反対の第２の方向に第２周方向磁場が付与される。
【０００６】
本発明の方法のこの実施例は磁気弾性材内に隣接する負のヒステリシス構造を付与することを可能にする。磁気弾性材内に形成される負のヒステリシス構造はトルクがくわわることで磁気弾性材内に発生する正のヒステリシスを相殺する。
【０００７】
本発明によるトルク・トランスジューサには、永久磁石の近傍で磁気弾性体を回転させることによって周方向残留磁場が付与される。それぞれが互いに反対方向の磁場を付与する２個の永久磁石を利用する。磁気弾性材内に方向が反対の磁場を付与することによって磁気双極構造が形成され、これがトルクに起因する磁場をトルクセンサー近傍の非発散磁場から弁別することを可能にする。
【０００８】
磁気弾性材内に好ましい周方向磁場を付与するのに利用される第１及び第２永久磁石を互いに或る軸方向距離離隔される。永久磁石を或る軸方向距離互いに離隔することによって、第１及び第２残留磁場も互いに所要軸方向距離離隔される。第１及び第２磁場間のスペースには特定の方向を持たない弱い磁場が付与される。第１及び第２磁場間の弱い地場は第１磁場の方向でも第２磁場の方向でもない方向性を有し、極めて弱い。このスペースが磁気弾性材内に、トルクが加わることで付与される正のヒステリシスと相殺する固有の負ヒステリシスを付与する。
【０００９】
従って、本発明の方法及びデバイスは磁気弾性材内に付与されるヒステリシスを利用することによって、トルクの作用に起因するトルク・トランスジューサ内に付与される望ましくないヒステリシスを対応し、相殺する。
【００１０】
本発明の上記及びその他の特徴を添付の図面を参照して以下に詳細に説明する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
図１に示すトルクセンサー組立体１０は磁気弾性リング１６を支持するシャフト１４から成るトルク・トランスジューサ１２を含む。シャフト１４は軸１８を含み、作用するトルク２０を受ける。トルク・トランスジューサ１２は磁気弾性リング１６を含む。磁気弾性リング１６内に好ましい方向の残留磁場が発生する。これらの優先残留磁場は周方向の方向性を有する。トルクが加わっている間、好ましい周方向磁場は螺旋方向に歪み、軸方向磁気成分を付与された状態となる。
【００１２】
トルク・トランスジューサ１２に付与された軸方向磁気成分は磁場ベクトル・センサー３０によって測定される。磁場の軸方向成分の大きさ及び方向が測定され、コントローラ３２に提供される。コントローラ３２は測定された磁場のベクトル量を翻訳し、公知の関係式に従って加わったトルクを求める。
【００１３】
加わったトルク２０が除かれると、トルク・トランスジューサ１２は初期状態の時と同じゼロ位置に戻ることが好ましい。しかし、トルク２０が加わる毎に、トルク・トランスジューサ１２及び特にシャフト１４と磁気弾性リング１６ある程度可塑変形する。この可塑変形が磁気弾性材内の不充分な周方向応力または過度に高い時期結晶異方性と相俟ってヒステリシス効果を惹起する。このヒステリシス効果がゼロ点シフトの原因となる。ゼロ点シフトは誤ったトルク示度値を示すことになる。測定後、トルク測定値が元のゼロ位置に戻らないからである。
【００１４】
加わったトルク２０と同じ方向にトルク・トランスジューサ１２のセロ点がシフトする場合が正のヒステリシスである。正のヒステリシスはセンサーを元のゼロ値よりも大きい値に戻す。本発明のトルクセンサー１０は磁気弾性リング１６内に負のヒステリシスを付与されるトルク・トランスジューサ１２を含む。負のヒステリシスはトルクが加わることで付与される正のヒステリシスによる結果及び効果を相殺する大きさで付与される。
【００１５】
磁気弾性材リング１６内に周方向残留磁場が付与されている間、この周方向残留磁場によって所要の負ヒステリシスが付与される。トランスジューサ１２は周方向磁場２２、２４を付与された磁気弾性リング１６を含む。第１残留磁場２２は第１方向に、第２残留磁場２４は第１方向とは反対の第２方向に形成される。第１及び第２磁場２２、２４の互いに反対方向の周方向残留磁気はトルクに起因する磁場と近傍に位置するその他の磁場との弁別を可能にする。
【００１６】
第１磁場残留２２と第２磁場残留２４は軸方向距離２８離隔されている。第１磁場残留２２と第２磁場残留２４の間の軸方向距離２８は第１方向とも第２方向とも異なる方向の弱い磁場を発生させる。この弱い磁場は負ヒステリシス信号源として作用し、この信号はトルクが加わっている間発生する正ヒステリシス効果を相殺するのに利用される。第１磁場残留２２と第２磁場残留２４との間の具体的な軸方向距離２８は用途に応じて異なり、トルク・トランスジューサ１２を構成する具体的な物性を考慮して決定される。また、所要の負ヒステリシス効果の大きさまたは量は第１磁場残留２２と第２磁場残留２４の間の軸方向距離２８を変化させることによって適応させる。
【００１７】
図２に示す本発明によるトルクセンサー３５の他の実施例はシャフト１４及び磁気弾性リング１６を含む。磁気弾性リング１６は軸方向両端４６を含む。トルク・トランスジューサ１６において、第１残留磁場４０と第２残留磁場４２は磁気弾性リング１６の軸方向両端４６から離隔されている。第１残留磁場４０及び第２残留磁場４２と軸方向両端４６との間の軸方向距離４８には、第１残留磁場４０および第２残留磁場４２の方向性と関連する方向性の磁場は存在しない。即ち、第１及び第２残留磁場４０、４２のそれぞれと軸方向両端部４６との間の軸方向距離４８には第３磁場４４が発生する。この第３磁場４４はトルク２０の作用によって発生する正ヒステリシスを相殺するのに必要な負ヒステリシスを発生させる弱い磁場である。
【００１８】
図３には本発明のトルク・トランスジューサ６０の製法を示す。本発明の製法は磁気弾性リング１６内に第１周方向残留磁場２２を付与する第１ステップを含む。次いで、磁気弾性リング１６内に、第１残留磁場２２とは逆方向の第２周方向残留磁場２４を付与する。第１及び第２残留磁場２２、２４は互いに軸方向距離２８離隔されている。
【００１９】
磁場を付与する過程で、第１永久磁石６２及び第２永久磁石６４の存在においてトルク・トランスジューサ１２を回転させる。永久磁石６２、６４のそれぞれは磁気弾性リング１６を磁気飽和させるとともに好ましい周方向残留磁場２２、２４を付与するに充分な強度の磁場７０、７２を発生する。永久磁石６２と永久磁石６４との間の距離６６は第１磁場２２と第２磁場２４との間の軸方向距離以内に位置する第３磁場２６の所要強度に基づいて求める。永久磁石６２、６４間の軸方向距離６６を調整することで磁気弾性リング１６内に位置する周方向残留磁場２２、２４の軸方向距離２８を変化させることができる。この軸方向距離２８を調整することによって、トルクセンサー１０にトルクが加わることで発生する正ヒステリシスを相殺するのに必要な所要の強度を得ることができる。
【００２０】
図４に示すトルク・トランジューサの製法の他の実施例７６は磁気弾性リング１６の軸方向端部４７Ａから軸方向距離４８離隔した位置に第１残留磁場４０を付与するステップを含む。この製法はまた、第２軸方向端部４７Ｂから軸方向距離４８離隔した位置に第２周方向残留磁場４２を付与するステップをも含む。但し、互いに逆方向のこれら２つの周方向残留磁場４０、４２は磁気弾性リング１６の軸方向端部４７Ａ、４７Ｂにまでは達していない。第１及び第２残留磁場４０、４２のそれぞれと対応の軸方向端部４７Ａ、４７Ｂとの間に第３磁場４４が形成される。
【００２１】
磁場を付与する過程で、永久磁石６２、６４は軸方向端部４７Ａ、４７Ｂから軸方向距離７８離隔した位置にある。永久磁石６２、６４は互いに逆方向の所要の残留磁場４０、４２を付与する。第１及び第２残留磁場４０、４２間に第３磁場４４が形成されるから、磁気弾性リング１６ないに所要の負ヒステリシスが発生する。
【００２２】
図５に示す本発明による製法の他の実施例８５は磁気弾性リング１６内に好ましい周方向残留磁場９４、９６を付与する第１ステップを含む。第１周方向残留磁場９４は第１周方向に、第２周方向残留磁場９６は第１周方向とは逆の第２周方向に発生する。好ましい周方向残留磁場９４、９６が磁気弾性リング１６内に形成されたら、トランスジューサ３８全体を交番磁場８８に対して露出させる。
【００２３】
交番磁場８８は交流９０を供給される磁場発生器８６によって発生させる。交番磁場８８を発生させる交番磁場発生器８８を利用することに拠ってトルク・トランスジューサ素子３８の一部を消磁する。トルク・トランスジューサ素子３８を部分的に消磁することによって磁気弾性リング１６の一部における周方向残留磁気が排除される。本発明の製法においては、磁気弾性リング１６の軸方向両端部９２における交番磁場８８によって周方向残留磁気を排除する。
【００２４】
その結果、トルク・トランスジューサ素子３８は第１及び第２次場９４、９６と軸方向両端部のそれぞれとの間に発生する第３残留磁気９８を含む。残留磁気９８は周方向磁場ではなく、磁気弾性リング１６内に負のヒステリシスを発生させる弱い磁気ドメインである。従って、交番磁場８８に対する露出の持続時間及び強度に応じて磁気弾性リング１６内の第３残留磁気の量と大きさに差が生ずる。第３磁場の大きさを調整することによって磁気弾性リング１６内に付与される所要の負ヒステリシスが得られる。磁気弾性リング１６内の負ヒステリシスの量を調整することによって正ヒステリシスの量を相殺し、より正確なセンサーとして調整することができる。
【００２５】
従って、本発明の製法で製造され、磁気弾性リング内に周方向磁場を含むトルクセンサーは磁化の過程において負ヒステリシスを付与することによって正ヒステリシスを相殺することができる。正ヒステリシスを負ヒステリシスで相殺することによって、従来よりもはるかに正確な且つ信頼性の高い測定値を提供する高精度のトルクセンサーが得られる。
【００２６】
本発明の好ましい実施例を以上に説明したが、当業者ならば、本発明の範囲内で種々の変更を案出できるであろう。従って、本発明の真の範囲及び内容を判断するには後記する特許請求の範囲を検討すべきである。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明のトルク・トランスジューサを示す説明図である。
【図２】本発明のトルク・トランスジューサの実施例を示す説明図である。
【図３】本発明のトルク・トランスジューサ内に好ましい磁場を付与する方法を示す説明図である。
【図４】本発明のトルク・トランスジューサ内に好ましい磁場を付与する方法の実施例を示す説明図である。
【図５】本発明のトルク・トランスジューサに優先的且つ望ましい磁場を付与する方法の他の実施例を示す説明図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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