(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
間隔のあいた円形の対向面を有し、回転中心軸を形成するディスク状部材と、
前記ディスク状部材に印加されるトルクとともに変化する磁場を生成するための磁気弾性的アクティブ領域を形成する、前記ディスク状部材の少なくとも一部分の上または中に配置される放射状に延びる磁歪を示す磁気的調整領域であって、前記磁気弾性的アクティブ領域は、前記ディスク状部材に印加される前記トルクがゼロまで低下するとき、前記磁気弾性的アクティブ領域での磁化を初期状態に戻すのに十分な磁気異方性を保有する、磁気的調整領域と、
前記磁気的調整領域に近接して配置される複数の磁場センサーであって、前記磁場センサーのそれぞれは、前記磁気的調整領域の分極方向に垂直である感知方向を有する、複数の磁場センサーと、
を含み、
前記磁場センサーは、少なくとも１対の一次磁場センサーと、少なくとも１対の二次磁場センサーと、を備え、
複数対の一次磁場センサーがあるとき、前記複数対の一次磁場センサーは、前記ディスク状部材の軸周りに対称的に配置されるとともに、前記磁気弾性的アクティブ領域の周りに互いに均等に間隔をあけられ、
前記少なくとも１対の一次磁場センサーが感知するコモンモードノイズの影響を相殺するために、前記少なくとも１対の一次磁場センサーにおける磁場センサーの一方は第１の方向に向けられた感知方向を有し、前記磁場センサーの他方は前記第１の方向と反対の第２の方向に向けられた感知方向を有し、
前記少なくとも１対の一次磁場センサーのそれぞれについて、前記少なくとも１対の二次磁場センサーのそれぞれが、前記少なくとも１対の一次磁場センサーのそれぞれの両側に、前記磁気弾性的アクティブ領域から離れて位置決めされ、
前記対の二次磁場センサーにおける磁場センサーの一方は第１の方向に向けられた感知方向を有し、前記対の二次磁場センサーの他方は前記第１の方向と反対の第２の方向に向けられた感知方向を有し、
前記磁場センサーが前記ディスク状部材に印加される前記トルクを表す出力信号を提供し、前記出力信号の変化が前記ディスク状部材に印加される前記トルクの変化に関して実質的に線形である、磁気トルク感知デバイス。
【請求項２】
前記磁気的調整領域は、環状形状である、請求項１に記載の磁気トルク感知デバイス。
【請求項３】
前記磁場センサーの少なくともいくつかに磁気遮へいを提供するように構成される遮へい部材をさらに含む、請求項２に記載の磁気トルク感知デバイス。
【請求項４】
前記磁場センサーの少なくともいくつかに磁気遮へいを提供するように構成される第２の遮へい部材をさらに含み、
前記磁気的調整領域は、前記磁気弾性的アクティブ領域を画定する内側半径および外側半径によって境を限られ、
第１の遮へい部材は、前記磁気弾性的アクティブ領域の前記内側半径にほぼ等しい半径を有し、
前記第２の遮へい部材は、前記磁気弾性的アクティブ領域の前記外側半径にほぼ等しい半径を有する、請求項３に記載の磁気トルク感知デバイス。
【請求項５】
前記第１および第２の遮へい部材は、ミューメタルで形成される、請求項４に記載の磁気トルク感知デバイス。
【請求項６】
前記第１の遮へい部材、前記第２の遮へい部材、および前記磁場センサーがその上に配置されるボビンをさらに含む、請求項４に記載の磁気トルク感知デバイス。
【請求項７】
前記磁気的調整領域は、最初に円周方向に分極され、各磁場センサーの前記感知方向が、実質的に半径方向に向けられている、請求項２に記載の磁気トルク感知デバイス。
【請求項８】
前記磁気トルク感知デバイスは、互いに角度的にオフセットされる少なくとも４つの磁場センサーを含む、請求項７に記載の磁気トルク感知デバイス。
【請求項９】
前記磁気トルク感知デバイスは、互いに角度的にオフセットされる少なくとも８つの磁場センサーを含む、請求項７に記載の磁気トルク感知デバイス。
【請求項１０】
少なくとも１つの磁場センサーユニットは、フラックスゲートセンサーを含む、請求項７に記載の磁気トルク感知デバイス。
【請求項１１】
少なくとも１つの磁場センサーユニットは、ホール効果センサーを含む、請求項７に記載の磁気トルク感知デバイス。
【請求項１２】
前記ディスク状部材の少なくとも一部分は、少なくともＡＩＳＩ９３１０材料から作られる、請求項７に記載の磁気トルク感知デバイス。
【請求項１３】
前記ディスク状部材は、１５Ｏｅよりも大きい保磁力を有する材料で形成される、請求項７に記載の磁気トルク感知デバイス。
【請求項１４】
前記ディスク状部材は、２０Ｏｅよりも大きい保磁力を有する材料で形成される、請求項７に記載の磁気トルク感知デバイス。
【請求項１５】
前記ディスク状部材は、３５Ｏｅよりも大きい保磁力を有する材料で形成される、請求項７に記載の磁気トルク感知デバイス。
【請求項１６】
前記ディスク状部材は、駆動板を含む、請求項７に記載の磁気トルク感知デバイス。
【請求項１７】
トルク伝達要素に印加されるトルクが、前記トルク伝達要素と前記ディスク状部材との間で比例的に伝達されるように、前記回転中心軸において前記ディスク状部材に直接的にもしくは間接的に取り付けられるまたは前記ディスク状部材の一部を形成するトルク伝達要素をさらに含む、請求項７に記載の磁気トルク感知デバイス。
【請求項１８】
前記トルク伝達要素は、クランクシャフトを含む、請求項１７に記載の磁気トルク感知デバイス。
【請求項１９】
間隔のあいた円形の対向面を有し、回転中心軸を形成するディスク状部材と、
前記ディスク状部材に印加されるトルクとともに変化する磁場を生成するための磁気弾性的アクティブ領域を形成する、前記ディスク状部材の少なくとも一部分の上または中に配置される放射状に延びる磁歪を示す磁気的調整領域であって、前記磁気弾性的アクティブ領域は、前記ディスク状部材に印加される前記トルクがゼロまで低下するとき、前記磁気弾性的アクティブ領域での磁化を初期状態に戻すのに十分な磁気異方性を保有する、磁気的調整領域と、
前記磁気的調整領域に近接して配置される複数の磁場センサーであって、前記磁場センサーのそれぞれは、前記磁気的調整領域の分極方向に垂直に、実質的に半径方向に向けられた感知方向を有する、複数の磁場センサーと、
を含み、
前記磁場センサーは、少なくとも１対の一次磁場センサーと、少なくとも１対の二次磁場センサーと、を備え、
複数対の一次磁場センサーがあるとき、前記複数対の一次磁場センサーは、前記ディスク状部材の軸周りに対称的に配置されるとともに、前記磁気弾性的アクティブ領域の周りに互いに均等に間隔をあけられ、
前記少なくとも１対の一次磁場センサーが感知するコモンモードノイズの影響を相殺するために、前記少なくとも１対の一次磁場センサーにおける磁場センサーの一方は第１の方向に向けられた感知方向を有し、前記磁場センサーの他方は前記第１の方向と反対の第２の方向に向けられた感知方向を有し、
前記少なくとも１対の一次磁場センサーのそれぞれについて、前記少なくとも１対の二次磁場センサーのそれぞれが、前記少なくとも１対の一次磁場センサーのそれぞれの両側に、前記磁気弾性的アクティブ領域から離れて位置決めされ、
前記対の二次磁場センサーにおける磁場センサーの一方は第１の方向に向けられた感知方向を有し、前記対の二次磁場センサーの他方は前記第１の方向と反対の第２の方向に向けられた感知方向を有し、
前記磁場センサーは、前記ディスク状部材に印加される前記トルクを表す出力信号を提供し、前記出力信号の変化は、前記ディスク状部材に印加される前記トルクの変化に関して実質的に線形である、磁気トルク感知デバイス。
【請求項２０】
前記磁気的調整領域は、環状形状である、請求項１９に記載の磁気トルク感知デバイス。
【請求項２１】
前記磁場センサーの少なくともいくつかに磁気遮へいを提供するように構成される遮へい部材をさらに含む、請求項２０に記載の磁気トルク感知デバイス。
【請求項２２】
前記磁場センサーの少なくともいくつかに磁気遮へいを提供するように構成される第２の遮へい部材をさらに含み、
前記磁気的調整領域は、前記磁気弾性的アクティブ領域を画定する内側半径および外側半径によって境を限られ、
第１の遮へい部材は、前記磁気弾性的アクティブ領域の前記内側半径にほぼ等しい半径を有し、
前記第２の遮へい部材は、前記磁気弾性的アクティブ領域の前記外側半径にほぼ等しい半径を有する、請求項２１に記載の磁気トルク感知デバイス。
【請求項２３】
前記第１および第２の遮へい部材は、ミューメタルで形成される、請求項２２に記載の磁気トルク感知デバイス。
【請求項２４】
前記第１の遮へい部材、前記第２の遮へい部材、および前記磁場センサーがその上に配置されるボビンをさらに含む、請求項２２に記載の磁気トルク感知デバイス。
【請求項２５】
前記磁気的調整領域は、最初に円周方向に分極される、請求項２０に記載の磁気トルク感知デバイス。
【請求項２６】
前記磁気的調整領域は、最初に軸方向に分極される、請求項２０に記載の磁気トルク感知デバイス。
【請求項２７】
少なくとも１つの磁場センサーユニットは、フラックスゲートセンサーを含む、請求項２０に記載の磁気トルク感知デバイス。
【請求項２８】
少なくとも１つの磁場センサーユニットは、ホール効果センサーを含む、請求項２０に記載の磁気トルク感知デバイス。
【請求項２９】
前記ディスク状部材の少なくとも一部分は、少なくともＡＩＳＩ９３１０材料から作られる、請求項２０に記載の磁気トルク感知デバイス。
【請求項３０】
前記ディスク状部材は、１５Ｏｅよりも大きい保磁力を有する材料で形成される、請求項２０に記載の磁気トルク感知デバイス。
【請求項３１】
前記ディスク状部材は、２０Ｏｅよりも大きい保磁力を有する材料で形成される、請求項２０に記載の磁気トルク感知デバイス。
【請求項３２】
前記ディスク状部材は、３５Ｏｅよりも大きい保磁力を有する材料で形成される、請求項２０に記載の磁気トルク感知デバイス。
【請求項３３】
前記ディスク状部材は、駆動板を含む、請求項２０に記載の磁気トルク感知デバイス。
【請求項３４】
トルク伝達要素に印加されるトルクが、前記トルク伝達要素と前記ディスク状部材との間で比例的に伝達されるように、前記回転中心軸において前記ディスク状部材に直接的にもしくは間接的に取り付けられるまたは前記ディスク状部材の一部を形成するトルク伝達要素をさらに含む、請求項２０に記載の磁気トルク感知デバイス。
【請求項３５】
前記トルク伝達要素は、クランクシャフトを含む、請求項３４に記載の磁気トルク感知デバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照
この特許出願は、2011年10月18日に出願された米国特許出願第13/275,693号の一部継続であり、その出願に関係し、その出願の優先権を主張するものである。
【０００２】
本発明は、自動車変速機のための方法および感知デバイスに関し、より詳しくは変速機コンバーター駆動板または同様のディスク状部材で放射状に伝達されるトルクの測定を可能にするための非接触磁気弾性トルクセンサーに関する。
【背景技術】
【０００３】
回転駆動シャフトを有するシステムの制御では、トルクおよび速度は、関心のある基本パラメーターである。従って、正確で、信頼性があり、安価な方法でトルクを感知し、測定することは、長い間そのような制御システム設計の主目的であった。
【０００４】
以前は、トルク測定は、シャフトに直接取り付けられた接触式センサーを使用して成し遂げられた。1つのそのようなセンサーは、「歪みゲージ」式トルク検出装置であり、その場合1つまたは複数の歪みゲージが、シャフトの外側周囲面に直接取り付けられ、トルク誘起歪みによって引き起こされる抵抗変化が、ブリッジ回路または他の十分に周知の手段によって測定される。しかしながら、接触式センサーは、回転シャフトとの直接接触に起因して比較的不安定であり、信頼性が制限される。加えて、それらは、高価であり、それ故にトルクセンサーが求められる自動車の操舵システムなどの多くの用途での競争の厳しい使用では、商業的に現実的でない。
【０００５】
その後、磁歪式非接触トルクセンサーが、回転シャフトとともに使用するために開発された。例えば、参照により本明細書に組み込まれるGarshelisへの特許文献１は、適度に強磁性および磁歪を示す表面を備えるトルク搬送部材、それぞれ対称的で、らせん方向の残留応力誘起磁気異方性を付与される部材内の2つの軸方向に分かれた円周バンド、およびトルクを与えられる部材と接触することなく、トルク搬送部材に印加される力に対する2つのバンドの応答の差を検出するための磁気弁別器デバイスを含むセンサーを開示する。最も典型的には、磁化および感知は、バンドを覆い、取り囲む一対の励起または励磁コイルを提供することによって成し遂げられ、そのコイルは、直列に接続され、交流電流によって駆動される。トルクは、2つのバンドの外部磁束から生じる差信号を測定するための一対の逆向きに接続された感知コイルを使用して感知される。あいにく、センサーが使用されるデバイスの上および周辺に必要な励起および感知コイルのための十分な空間を提供することは、空間が貴重な用途では現実的な問題を生み出す可能性がある。また、そのようなセンサーは、自動車用途などで、コスト競争の激しいデバイスに使用するには現実的でないほど高価なこともある。
【０００６】
最初は円周方向の残留磁化のトルク誘起傾斜から生じる磁場を測定することに基づくトルク変換器が、開発されており、それは好ましくは、磁場発生素子としての機能を果たす薄壁リング(「カラー」)を利用する。例えば、参照により本明細書に組み込まれるGarshelisへの特許文献２および第5,520,059号を参照されたい。測定されるトルクを搬送するシャフトにリングを取り付ける手段と関連する、リング中の引張り「フープ」応力は、支配的な円周方向の一軸異方性を確立する。ねじり応力をシャフトに印加すると、磁化は、向きを変え、ねじり応力が増加するにつれて次第にらせん状になる。ねじれから生じるらせん状磁化は、半径方向成分および軸方向成分の両方を有し、軸方向成分の大きさは、完全にねじれの程度に依存する。1つまたは複数の磁場ベクトルセンサーは、印加されるトルクの結果として、シャフト上の磁気的調整領域の上方の空間に生じる磁場の大きさおよび極性を感知し、トルクの大きさおよび方向を反映する信号出力を提供するために使用することができる。リングセンサーでのピーク許容トルクは、リング/シャフト界面での滑りによって制限されるので、トルク過負荷の条件下でリング/シャフト界面での滑りから生じるゆがみに関する懸念が、表明されている。このことが、寄生磁場の悪影響を最小限にするために異なる材料の多部品の必要性と一緒に、代替構成の調査を促した。
【０００７】
アクティブなトルク感知領域が、シャフトに付着しなければならない別個の強磁性要素上よりもむしろ、シャフト自体上に直接形成される磁気弾性トルク変換器が、開発されている。例えば、参照により本明細書に組み込まれるGarshelisへの特許文献４を参照されたい。これらのいわゆる「カラーなしの」変換器の一形態では、磁気弾性的アクティブ領域は、単一の円周方向に分極され、部材へのトルクの印加に続くその領域での磁化を、印加トルクがゼロまで低下するときに単一の円周方向に戻すのに十分な磁気異方性を磁気弾性的アクティブ領域自体が保有する。トルクを与えられるシャフトは望ましくは、多結晶材料で形成され、その場合、局所磁化の分布の少なくとも50%は、磁気分極方向の周りに対称的に配置される90度の四分円内にあり、磁場センサーが見る正味の磁場のトルク感知目的にとっての有用性を損なうのに十分な強さの寄生磁場を変換領域磁場がシャフトの近接領域に生み出さないほどに、十分高い保磁力を有する。そのような変換器の特に好ましい形態では、シャフトは、立方体対称を有するランダム配向の多結晶材料で形成され、保磁力は、15エルステッド(Oe)よりも大きく、望ましくは20Oeよりも大きく、好ましくは35Oeよりも大きい。
【０００８】
つい最近では、ディスク状部材の放射状に分離した場所間で伝達されるトルクを示す信号を提供する非接触磁気弾性トルクセンサーが、開発されている。参照により本明細書に組み込まれるJonesへの特許文献５は、単一の円周方向に分極される磁気弾性的アクティブ領域を有するディスク状部材を含むトルクセンサーを述べる。その特許では、磁場センサーは、アクティブ領域に近接して取り付けられ、センサーは、シャフトからディスク状部材に移送されたトルクから生じる磁場の大きさを感知し、センサーは、それに応答して信号を出力する。そのような構成は、以下で論じるようなコンパス現象(compassing)の影響を受けやすいこともある。その特許はまた、円周方向にかつ反対方向に分極される二重領域を有するディスクも述べ、2つのセンサーは、同じ放射状の直線に沿って位置決めされ、それらの感知方向は、コモンモード磁場の相殺を可能にするために放射状にかつ反対方向に向けられる。しかしながら、センサーのこの配置は、センサーが、ディスクに印加されるトルクの変化に応答して線形に変化しない磁場信号を拾うという望ましくない結果を有する。
【０００９】
他の従来技術は、環状の磁気的調整領域がその中で互いに分離されかつ半径方向に間隔のあいた領域を有するディスク状部材を含むトルクセンサーを述べる。しかしながら、磁気的調整領域間にギャップを有するトルクセンサーは、2つの環状の磁気的調整領域間のランダムな漏えい磁場に起因して大きな回転信号均一性(RSU)信号を示すこともあると考えられている。理想的には、トルクセンサーは、ゼロRSU信号を示すことになり、それは、トルクが回転部材に印加されないまたは一定トルクが回転部材に印加されるとき、部材の回転中の信号出力に変化がないとして規定される。しかしながら実際には、表面処理および磁化プロセスの不足に起因して、顕著なRSU信号が検出される。さらに、磁気的調整領域間にギャップを持つディスク状部材を有するトルクセンサーは、追加の空間を必要とし、それは、ディスクが磁気的調整領域に利用可能な限られた量の平坦面を有する用途では望ましくない。
【００１０】
磁場は、それらの測定との関連では、代替可能であるので、上記および他の従来技術が教示するセンサーは、外部起源の他の磁場の影響を受けやすいこともある。特に、地球の磁場は、「コンパス現象」として周知の現象を引き起こすことになり、その場合測定される磁場は、トルク誘起磁場および地球の磁場の合計である。この開示の文脈内では、用語「コンパス現象」は、地球の磁場から生じる任意の誤差を述べるために使用されるものとする。
【００１１】
外部起源の磁場は、遠距離場源および近距離場源の両方から発する可能性がある。それの磁場を持つ地球などの遠距離場源は一般に、多重磁場センサーを有するトルク感知デバイスでの各磁場センサーに同じ影響を及ぼす。永久磁石、磁化されたレンチ、モーター、ソレノイド、その他などの近距離場源は、かなりの局所勾配を有する磁場を生み出すこともあり、それ故に多重磁場センサーを有するトルク感知デバイスでの異なる磁場センサーにかなり異なる影響を及ぼす。
【００１２】
Garshelisへの特許文献３は、遠距離場源に関するコンパス現象問題に対処する。その特許では、反対の円周方向に分極される2つの軸方向に分かれた磁気弾性的アクティブ領域を有するシャフトが述べられ、磁場センサーは、アクティブ領域に近接して位置決めされて反対の軸極性を有し、シャフトに印加されるトルクに応答して出力信号を提供する。磁場センサーの出力を合計することによって、すべてのコモンモード外部磁場、すなわち遠距離場は、相殺される。そのような方式を用いる用途では、反対方向に分極されるセンサーは、コモンモード除去方式の効率を保つためにできる限り互いの近くに置くべきである。地球の磁場は、トルクセンサーの中および周辺の強磁性部品の周辺でかなりゆがめられるので、互いに間隔のあいたセンサーは、コモンモード除去効率の低下を示す。
【００１３】
参照により本明細書に組み込まれるLeeへの特許文献６は、トルク誘起磁場を相殺することなく外部源からの近距離場磁気ノイズを相殺するように設計されるトルク感知デバイスを述べる。その参考文献は、シャフトに近接して軸方向に間隔のあいた3組の磁場センサーを含むトルクセンサーを述べ、そのシャフトは、円周方向に分極される磁気弾性的アクティブ領域を有する。磁場センサーのそれぞれが受け取る信号は、近距離場源の影響を補償するように調節される。
【００１４】
環状の磁気弾性的アクティブ領域を備える強磁性部材を有するトルク感知デバイスでは、磁気弾性的アクティブ領域に近接して置かれる磁場センサーが、磁場センサーと部材の半径との間の角距離にかかわらず、部材に印加されるトルクを正確に表す信号を拾うことが望ましい。この特性を実証するトルク感知デバイスは、回転信号均一性(RSU)の改善を実証すると言われている。環状の磁気弾性的アクティブ領域に関して、深さ、幅、または磁場強度の不均一性は、顕著なRSU信号に、それ故に不正確なトルク測定につながることもある。RSU性能の改善、およびヒステリシス効果の減少はまた、磁化する前に、当技術分野で周知であるように、強磁性部材に適切な表面硬化プロセスを受けさせることによって達成されることもある。Leeは、例えば回転シャフトの円周面に近接して置かれる複数の角度的にかつ軸方向に間隔のあいた磁場センサーを組み込むことによってRSU性能の改善を示すように設計されるトルク感知デバイスを述べる。
【００１５】
従来技術で述べられるトルク感知デバイスは、RSU性能の改善を実証し、コンパス現象によって引き起こされる有害な影響を低減しながら、シャフトとディスク状部材の放射状に分離した部分との間で伝達されるトルクを測定するために特別に構成されていない。それに応じて、そのようなデバイスの必要性が存在する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１６】
【特許文献１】米国特許第4,896,544号
【特許文献２】米国特許第5,351,555号
【特許文献３】米国特許第5,520,059号
【特許文献４】米国特許第6,047,605号
【特許文献５】米国特許第6,513,395号
【特許文献６】米国特許出願公開第2009/0230953号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１７】
本発明は、本明細書で述べるように、一般に滑車、歯車、鎖歯車、または同様のものなどの、軸の周りに回転可能な任意のディスク状部材でのトルクの測定に適用可能である。
【００１８】
シャフトとディスク状部材の放射状に分離した部分との間で伝達されるトルクを測定するための、ディスク状部材に近接して位置決めされる非接触磁場センサーを有するトルク感知デバイスを提供することが、本発明の主目的である。
【００１９】
印加されるトルクを表す信号を出力する磁場センサーを有するトルク感知デバイスを提供することが、本発明の別の目的であり、出力信号は、印加されるトルクの変化に関して線形に変化する。
【００２０】
コンパス現象を含む磁気ノイズの有害な影響を最小限にするために、対で置かれた磁場センサーを有するトルク感知デバイスを提供することが、本発明の別の目的であり、磁場センサーは、互いに反対のそれらの感知方向を有する。
【００２１】
トルク感知デバイスのRSU性能を高めるために非分離の反対方向に分極される二重磁気的調整領域を有する、環状の磁気弾性的アクティブ領域を備えるトルク感知デバイスを提供することが、本発明の別の目的である。
【００２２】
トルク感知デバイスのRSU性能を高めるために特別に位置決めされる、角度的に間隔のあいた多重磁場センサーを備えるトルク感知デバイスを提供することが、本発明の別の目的である。
【課題を解決するための手段】
【００２３】
簡潔に述べると、本発明のそれらのおよび他の目的、利点、ならびに特徴は、本明細書で具体化され、完全に述べられるように、磁気トルク感知デバイスによって成し遂げられ、それは、対向する一般に円形の表面および回転中心軸を有する一般にディスク状の部材と、強磁性および磁歪の両方を示す磁気弾性的アクティブ領域を形成するためにディスク状部材上に配置される第1および第2の磁気的調整領域であって、磁気弾性的アクティブ領域は、ディスク状部材に印加されるトルクとともに変化する磁場を生成し、磁気弾性的アクティブ領域は、ディスク状部材に印加されるトルクがゼロまで低下するとき、磁気弾性的アクティブ領域での磁化を初期状態に戻すのに十分な磁気異方性を保有する、第1および第2の磁気的調整領域と、互いに隣接しかつ磁気弾性的アクティブ領域に近接して配置される少なくとも一対の磁場センサーとを含み、各対の磁場センサーの感知方向は、互いに反対方向でありかつ第1および第2の磁気的調整領域の分極方向に垂直であり、磁場センサーは、ディスク状部材に印加されるトルクを表す出力信号を提供し、出力信号の変化は、ディスク状部材に印加されるトルクの変化に関して実質的に線形である。
【００２４】
デバイスの磁気的調整領域は、トルク感知デバイスの精度を増すためにそれらの間にギャップのない環状形状であってもよい。デバイスは、精度を増すために多重対の磁場センサーを含んでもよい。磁場センサーは、デバイスの線形性能を高め、精度を増すために、磁気的調整領域が軸方向に分極されるときは円周方向に向けられてもよく、磁気的調整領域が円周方向に分極されるときは軸方向に向けられてもよい。
【００２５】
以下で明らかになることもある本発明のそれらのおよび他の目的、利点、ならびに特徴に関して、本発明の本質は、本発明の次の詳細な説明、添付の特許請求の範囲、および本明細書に添付されるいくつかの図面を参照することによってより明確に理解できる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明によるディスク状部材の斜視図である。
【図２】本発明の実施形態による、磁気弾性的アクティブ領域の磁化を描写する、図1のディスク状部材の側面図である。
【図３】本発明の実施形態による、磁気弾性的アクティブ領域の磁化を描写する、図2のディスク状部材の上面図である。
【図４Ａ】本発明のトルク感知デバイスが休止状態であるときの磁気的調整領域での磁場の強度を例示するグラフである。
【図４Ｂ】ディスク状部材と図4Aのグラフとの間の関係を例示する、本発明によるディスク状部材の上面図である。
【図５】本発明の別の実施形態による、磁場センサーの実例となる位置決めを示す、ディスク状部材の上面図である。
【図６】本発明の別の実施形態による、磁場センサーの実例となる位置決めを示す、ディスク状部材の上面図である。
【図７】本発明の別の実施形態による、磁場センサーの実例となる位置決めを示す、ディスク状部材の上面図である。
【図８】本発明の別の実施形態による、磁場センサーの実例となる位置決めを示す、ディスク状部材の上面図である。
【図９Ａ】本発明の別の実施形態による、磁場センサーの実例となる位置決めを示す、ディスク状部材の上面図である。
【図９Ｂ】本発明の別の実施形態による、磁場センサーの実例となる位置決めを示す、ディスク状部材の上面図である。
【図９Ｃ】本発明の別の実施形態による、磁場センサーの実例となる位置決めを示す、ディスク状部材の上面図である。
【図９Ｄ】本発明の別の実施形態による、磁場センサーの実例となる位置決めを示す、ディスク状部材の上面図である。
【図９Ｅ】本発明の別の実施形態による、磁場センサーの実例となる位置決めを示す、ディスク状部材の上面図である。
【図９Ｆ】図9Cで示す実施形態について行われる試験から得られる実験データを示す図である。
【図９Ｇ】図9Cで示す実施形態について行われる試験から得られる実験データを示す図である。
【図１０】ディスク状部材がトルクを受けるときの磁気弾性的アクティブ領域の磁化の変化を例示する本発明によるディスク状部材の斜視図である。
【図１１】自動車駆動系で使用するための本発明による例となるトルク感知デバイスを示す分解図である。
【図１２】本発明によるトルク感知デバイスとともに使用するための遮へい部材を備えるボビンを示す斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
本発明のいくつかの好ましい実施形態は、実例となる目的のために述べられ、本発明は、図面で具体的に示さない他の形態で具体化されてもよいと理解される。本明細書の図は、例となる目的のために提供され、一定の縮尺で描かれない。
【００２８】
最初に図1を参照すると、そこで示されるのは、本発明のトルク感知デバイスに合致する一般にディスク状の部材110の斜視図である。ディスク110は、強磁性材料で形成され、磁気弾性的アクティブ領域140であり、または少なくとも磁気弾性的アクティブ領域140を含む。ディスク110を形成するために選択される材料は、磁気弾性的アクティブ領域140に少なくとも残留磁化を形成するための磁区の存在を確実にするために少なくとも強磁性でなければならず、磁気弾性的アクティブ領域140での磁力線の向きが、印加されるトルクと関連する応力によって変更されてもよいように磁歪を示さなければならない。ディスク110は、完全に固体であってもよく、または部分的に中空であってもよい。ディスク110は、均質材料で形成されてもよく、または材料の混合物で形成されてもよい。ディスク110は、任意の厚さであってもよく、好ましくは約3mmから約1cmの間の厚さである。
【００２９】
磁気弾性的アクティブ領域140は、好ましくは平坦であり、トルク感知デバイスの磁気弾性的アクティブ領域140を画定する、少なくとも2つの放射状に分かれた環状の反対方向に分極される磁気的調整領域142、144を含む。しかしながら、上面および底面112、114は、図示するように、平坦である必要はなく、ディスク110の中心から外側エッジにかけて変化する断面の厚さを有することもあり得る。トルク感知デバイスが所望される用途に応じて、ディスク110の両面に磁場センサー152、154を位置決めすることは、現実的でないこともある。従って、本発明は、磁気弾性的アクティブ領域140がディスク110の片面だけに存在している場合に機能するように設計される。しかしながら、磁気弾性的アクティブ領域140は、ディスク110の両面に存在していてもよい。
【００３０】
図2は、ディスク110の側面図を示し、磁気弾性的アクティブ領域140がディスク110の環状部分に形成されてもよいプロセスを例示する。図示するように、反対の磁化方向(それ故に反対の極性)を有する2つの永久磁石202、204は、ディスク110の表面に近接して距離d1に位置決めされる。永久磁石202、204の位置決めに続いて、ディスク110は、それの中心軸Oの周りに回転されてもよく、2つの環状の反対方向に分極される磁気的調整領域142、144の形成をもたらす。別法として、磁気的調整領域142、144は、ディスク110が静止している間に、永久磁石を中心軸Oの周りに回転させることによって形成されてもよい。磁気弾性的アクティブ領域140の作成中は、中心軸Oの周りの回転速度、および永久磁石202、204とディスク110の表面との間の距離d1は、磁気弾性的アクティブ領域140の均一性を確実にしかつトルク感知デバイスのRSU性能を改善するために一定に保つべきである。好ましくは、磁気弾性的アクティブ領域140の作成中は、永久磁石202、204は、磁気的調整領域142、144をそれらの間にギャップのない状態で形成するために、互いに隣接してそれらの間にギャップのない状態で位置決めされる。磁気的調整領域142、144間にギャップがないことは、RSU性能が改善されたトルク感知デバイスをもたらすと理解される。
【００３１】
磁気弾性的アクティブ領域140を形成するときには、永久磁石202、204の強度、および永久磁石202、204とディスク110との間の距離d1は、トルク感知デバイスの性能を最適化するために注意深く選択されなければならない。より強い永久磁石202、204を使用し、永久磁石202、204をディスク110のより近くに位置決めすることによって、トルク感知デバイスによって用いられるときに、より強く、より容易に測定できる信号を提供することになる磁気弾性的アクティブ領域140が、一般に作成可能である。しかしながら、過度に強い永久磁石202、204を使用することによって、または永久磁石202、204をディスク110の過度に近くに置くことによって、ヒステリシスを示す磁気弾性的アクティブ領域140が、作成される可能性があり、それは、印加されるトルクに応答してトルク感知デバイスが生成する信号の線形性に悪影響を及ぼす。好ましくは、磁気弾性的アクティブ領域140は、ディスク110の表面から約0.1mmから5mmの間の距離に置かれた長方形のN42またはN45グレードのネオジム鉄ホウ素(NdFeB)磁石を使用して作成される。より好ましくは、磁石は、ディスク110の表面から約3mmの距離に置かれる。好ましくは、磁気弾性的アクティブ領域140の幅は、13mm以下である。より好ましくは、磁気弾性的アクティブ領域140の幅は、約10mmである。
【００３２】
図2は、ディスク110の面に垂直な磁化方向を持つ永久磁石202、204を有する実施形態を示す。この構成は、最初に軸方向に(すなわち、ディスク面に垂直に)分極される磁気的調整領域142、144をもたらす。この構成では、磁気的調整領域142、144は好ましくは、ディスク110に印加されるトルクがないときは(すなわち、トルク感知デバイスが休止状態であるときは)、磁気的調整領域142、144が円周方向または半径方向に正味の磁化成分を有さないように分極される。
【００３３】
磁気弾性的アクティブ領域140の形成中は、永久磁石202、204は、図2で示すように、最も内側の磁気的調整領域142がそれの磁北極を上方へ向けた状態で作成され、最も外側の磁気的調整領域144がそれの磁北極を下方へ向けた状態で作成されるように位置決めされてもよい。別法として、磁気弾性的アクティブ領域140の形成中は、永久磁石は、最も内側の磁気的調整領域142がそれの磁北極を下方へ向けた状態で作成され、最も外側の磁気的調整領域144がそれの磁北極を上方へ向けた状態で作成されるように位置決めされてもよい。
【００３４】
図3は、ディスク110の上面図を示し、磁気弾性的アクティブ領域140が、ディスク110の面に平行な磁化方向を円周方向に有する永久磁石302、304を使って作成される実施形態を例示する。この構成は、最初にディスク110の円周方向に分極される磁気的調整領域142、144をもたらす。この構成では、磁気的調整領域142、144は好ましくは、ディスク110に印加されるトルクがないときは、磁気的調整領域142、144が軸方向または半径方向に正味の磁化成分を有さないように分極される。
【００３５】
磁気弾性的アクティブ領域140の形成中は、永久磁石302、304は、図3で示すように、最も内側の磁気的調整領域142が、それの磁北極が時計回りの向きを有する状態で作成され、最も外側の磁気的調整領域144が、それの磁北極が反時計回りの向きを有する状態で作成されるように位置決めされてもよい。別法として、磁気弾性的アクティブ領域の形成中は、永久磁石302、304は、最も内側の磁気的調整領域142が、それの磁北極が反時計回りの向きを有する状態で作成され、最も外側の磁気的調整領域144が、それの磁北極が時計回りの向きを有する状態で作成されるように位置決めされてもよい。
【００３６】
図4Aおよび図4Bを参照すると、図4Aは、トルク感知デバイスが休止状態であるときの磁気的調整領域142、144での磁場の強度を例示するグラフである。縦軸に沿った値は、磁気弾性的アクティブ領域140の磁場強度を表す。ディスク110の表面から発する磁場は、図2のディスク110と同様に軸方向に、または図3のディスク110と同様に円周方向にそれらの主成分を有してもよい。横軸に沿った値は、ディスク110の中心線Oから外側エッジまでのディスク110の半径に沿った距離を表す。点Aは、ディスク110の中心に最も近い最も内側の磁気的調整領域142のエッジに沿った点に対応する。点Bは、ディスク110の周縁エッジに最も近い最も外側の磁気的調整領域144のエッジに沿った点に対応する。点Cは、最も内側および最も外側の磁気的調整領域142、144間の境界に沿った点に対応する。点r1は、磁場強度が最大である、最も内側の磁気的調整領域142内の点に対応する。点r2は、磁場強度が最大である、最も外側の磁気的調整領域144内の点に対応する。図4Bは、点A、B、C、r1、およびr2が図4Aのグラフで示すそれらの点に対応している状態のディスク110を示す。ピーク磁場に対応する点r1およびr2は、外部磁束の方向を最適化し、それ故にトルク感知デバイスの性能を最大にするために磁場センサー152、154を置くべき、ディスク110の中心からの距離を示す。図4で提供されるユニットは、例となる目的のためであり、本発明への限定でない。
【００３７】
図5を参照すると、そこで示されるのは、休止状態でのディスク110の上面図であり、磁気弾性的アクティブ領域140は、図2で示すような永久磁石202、204によって作成される。磁気弾性的アクティブ領域140は、正および負の軸方向にそれぞれ反対方向に分極される二重磁気的調整領域142、144を含む。図5でのドットは、磁力線546が頁から外へ向けられるように、ディスク110の表面に垂直に向けられた磁力線546を示す。図5でのXは、磁力線548が頁の中へ向けられるように、ディスク110の表面に垂直に向けられた磁力線548を示す。
【００３８】
一対の磁場センサー552、554は、各磁場センサー552、554が、磁場強度が最大である場所における磁気的調整領域142、144の部分の上に置かれるように、磁気弾性的アクティブ領域140に近接して位置決めされる。磁場センサー552、554は、それらの感知方向が磁気弾性的アクティブ領域140での磁化方向に垂直であるように向けられる。図5では、矢印は、磁場センサー552、554の感知方向を示す。磁場センサー552、554は、それらの感知方向をディスク110の表面に平行にして(すなわち、円周方向に)向けられ、磁気的調整領域142、144は、ディスク110の表面に垂直に(すなわち、軸方向に)分極される。この構成によって、磁場センサー552、554が出力する表現信号が、ディスク110に印加されるトルクの変化に関して、確実に線形に変化することになる。
【００３９】
磁場センサー552、554は、反対方向に分極され、対で提供される。この配置技術は、コモンモード除去構成と呼ばれることもある。対の磁場センサー552、554のそれぞれからの出力信号は、ディスク110に印加されるトルクを表す信号を提供するために合計されてもよい。外部磁場は、対の磁場センサー552、554のそれぞれに等しい影響を及ぼす。対の磁場センサー552、554は、反対方向に分極されるので、磁場センサー552、554の合計出力は、外部磁場に関してゼロである。しかしながら、磁気的調整領域142、144は、磁場センサー552、554と同じように、反対方向に分極されるので、磁場センサー552、554の合計出力は、ディスク110に印加されるトルクに関して各個別磁場センサー552、554の出力の二倍である。従って、磁場センサー552、554をコモンモード除去構成に置くことで、トルク感知デバイスでのコンパス現象の有害な影響は、著しく低減する。
【００４０】
図6で示す実施形態を参照すると、ディスク110は、休止状態で示され、図3で示すような永久磁石302、304によって作成される磁気弾性的アクティブ領域140を有する。磁気弾性的アクティブ領域140は、反対方向に分極され、反対の円周方向に磁力線646、648を持つ二重磁気的調整領域142、144を含む。一対の磁場センサー652、654は、各磁場センサー652、654が、磁場強度が最大である場所における磁気的調整領域142、144の部分の上に置かれるように、磁気弾性的アクティブ領域140に近接して位置決めされてもよい。磁場センサー652、654は、それらの感知方向が磁気弾性的アクティブ領域140での磁化方向に垂直であるように向けられる。図6では、ドット(頁から外への方向を示す)およびX(頁の中への方向を示す)は、磁場センサー652、654の感知方向を示す。磁場センサー652、654は、それらの感知方向をディスク110の表面に垂直に(すなわち、軸方向に)向けられ、磁気的調整領域142、144は、磁場センサー652、654が出力する表現信号が、ディスク110に印加されるトルクの変化に関して線形に変化することを確実にするために、ディスク110の表面に平行に(すなわち、円周方向に)分極される。磁場センサー652、654は、トルク感知デバイスでのコンパス現象の影響を低減するためにコモンモード除去構成に置かれる。
【００４１】
図7を参照すると、そこで示されるのは、反対の軸方向に分極される二重磁気的調整領域142、144を備える磁気弾性的アクティブ領域140を有するディスク110である。4対の磁場センサー552、554は、それらの感知方向を磁気的調整領域142、144の磁化に垂直にして磁気弾性的アクティブ領域140に近接して位置決めされる。4対の磁場センサー552、554は、各対間を約90度にして磁気弾性的アクティブ領域140の周りに均等に間隔をあけられる。この構成は、多重磁場センサー552、554が出力する表現信号を平均化することを可能にし、それによってディスク110に印加されるトルクのより正確な測定をもたらすので、改善されたRSU性能を提供する。磁気弾性的アクティブ領域140での不均一性に起因して単一の磁場センサー対に帰せられるどんな不正確さも、多重磁場センサー552、554からの表現信号が平均化されると、重要性が低下する。高度な均一性を示す(すなわち、RSU信号が実質的にゼロである)磁気弾性的アクティブ領域140を有するトルク感知デバイスでは、わずか一対の磁場センサー552、554が、十分なRSU性能を達成するために使用されてもよい。しかしながら、材料処理および磁化プロセスでの制限に起因して、かなりの非ゼロRSU信号が、避け難いこともある。RSU性能の増加が望まれる場合には、磁場センサー対の数は、増やされてもよい。例えば、45度で間隔のあいた、8対の磁場センサー552、554が、使用されてもよい。
【００４２】
図8を参照すると、そこで示されるのは、基本的に単一の磁気的調整領域を形成するために単一の軸方向に分極される磁気的調整領域142、144を備える磁気弾性的アクティブ領域140を有するディスク110である。磁場センサーユニット850は、4つの個別磁場センサー852、854、856、858を含む。一次磁場センサー852、854は、磁気弾性的アクティブ領域140に近接して位置決めされ、半径方向に並べられ、磁気弾性的アクティブ領域140の磁化に垂直な方向に同様に分極される。二次磁場センサー856、858は、一次磁場センサー852、854の両側に、ディスク110に近接して、しかし二次磁場センサー856、858がトルク誘起信号を拾わないように磁気弾性的アクティブ領域140から離れて位置決めされる。二次磁場センサー856、858は、一次磁場センサー852、854のそれと反対の方向に同様に分極される。この構成は、参照により本明細書に組み込まれるLeeへの特許文献６で論じられるように、ノイズ源(図示せず)が一次磁場センサー852、854のそれぞれに異なる影響を及ぼす局所磁場勾配を生み出す場合に有利なこともある。そのような場合には、ノイズ源は、ノイズ源に最も近い二次磁場センサー856、858に最も大きい影響を及ぼし、ノイズ源から最も遠い二次磁場センサー858、856に最も小さい影響を及ぼすと仮定されてもよい。また、一次磁場センサー852、854へのノイズ源の影響は、二次磁場センサー856、858のそれぞれへのそれの影響の間であると仮定されてもよい。最後に、二次磁場センサー856、858が拾うノイズ誘起信号の合計は、一次磁場センサー852、854が拾うノイズ誘起信号の合計と値が等しいと仮定されてもよい。従って、4つの磁場センサー852、854、856、858のそれぞれが拾う信号を合計することによって、磁場センサーユニット850への磁気ノイズの影響は、相殺され、磁場センサーユニット850が拾う複合信号は、完全にトルク誘起である。
【００４３】
図9Aは、ディスク110上の放射状空間が制限される場合に有利なこともあるディスク110の構成を示す。ディスク110は、単一の軸方向に分極される単一の磁気的調整領域143を備える磁気弾性的アクティブ領域140を有する。図9Aでのドットは、磁力線946が頁から外へ向けられるように、ディスク110の表面に垂直に向けられた磁力線946を示す。磁場センサーユニット950は、4つの個別磁場センサー952、954、956、958を含む。一次磁場センサー952、954は、磁気弾性的アクティブ領域140に近接して位置決めされ、円周方向に並べられ、磁気弾性的アクティブ領域140の磁化に垂直な方向に同様に分極される。二次磁場センサー956、958は、一次磁場センサー952、954の両側に、ディスク110に近接して、しかし二次磁場センサー956、958がトルク誘起信号を拾わないように磁気弾性的アクティブ領域140から離れて位置決めされる。二次磁場センサー956、958は、一次磁場センサー952、954のそれと反対の方向に同様に分極される。この構成は、参照により本明細書に組み込まれるLeeへの特許文献６で論じられるように、ノイズ源(図示せず)が一次磁場センサー952、954のそれぞれに異なる影響を及ぼす局所磁場勾配を生みだす場合に有利なこともある。そのような場合には、ノイズ源は、ノイズ源に最も近い二次磁場センサー956、958に最も大きい影響を及ぼし、ノイズ源から最も遠い二次磁場センサー958、956に最も小さい影響を及ぼすと仮定されてもよい。また、一次磁場センサー952、954へのノイズ源の影響は、二次磁場センサー956、958のそれぞれへのそれの影響の間であると仮定されてもよい。最後に、二次磁場センサー956、958が拾うノイズ誘起信号の合計は、一次磁場センサー952、954が拾うノイズ誘起信号の合計と値が等しいと仮定されてもよい。従って、4つの磁場センサー952、954、956、958のそれぞれが拾う信号を合計することによって、磁場センサーユニット950への磁気ノイズの影響は、相殺され、磁場センサーユニット950が拾う複合信号は、完全にトルク誘起である。
【００４４】
図9Bは、図9Aで示すそれに似た例となる実施形態を示す。図9Bでは、ディスク110は、単一の円周方向に分極される単一の磁気的調整領域145を備える磁気弾性的アクティブ領域140を有する。図9Bでの矢印は、円周方向に向けられた磁力線948を示す。磁場センサーユニット960は、4つの個別磁場センサー962、964、966、968を含む。一次磁場センサー962、964は、磁気弾性的アクティブ領域140に近接して位置決めされ、半径方向に並べられ、磁気弾性的アクティブ領域140の磁化に垂直な方向に同様に分極される。二次磁場センサー966、968は、一次磁場センサー962、964の両側に、ディスク110に近接して、しかし二次磁場センサー966、968がトルク誘起信号を拾わないように磁気弾性的アクティブ領域140から離れて位置決めされる。二次磁場センサー966、968は、一次磁場センサー962、964のそれと反対の方向に同様に分極される。図9Aに関して説明したものと同様な方法でに、4つの磁場センサー962、964、966、968のそれぞれが拾う信号を合計することによって、磁場センサーユニット960への磁気ノイズの影響は、相殺され、磁場センサーユニット960が拾う複合信号は、完全にトルク誘起である。
【００４５】
図9Cは、ディスク110上の放射状空間が制限される場合に有利なこともあるディスク110の別の構成を示す。ディスク110は、単一の円周方向に分極される単一の磁気的調整領域145を備える磁気弾性的アクティブ領域140を有する。図9Cでの矢印は、円周方向に向けられた磁力線948を示す。磁場センサー972は、磁気弾性的アクティブ領域140に近接して非接触様式で位置決めされ、それらの感知方向が磁気弾性的アクティブ領域140での磁化方向に垂直であるように向けられる。好ましくは、磁場センサー972のそれぞれとディスクとの間の距離は、約5mm以下である。
【００４６】
図9Cで示す構成では、8つの磁場センサー972は、それぞれが非接触様式で、磁気弾性的アクティブ領域140の周りに均等に間隔をあけられる。磁場センサー972は、それらの感知方向を半径方向に(すなわち、磁化方向に垂直に)、ディスク110の中心の方に向けられて位置決めされる。
【００４７】
図7で示す構成と同様に、例えば、図9Cの構成は、多重磁場センサー972が出力する表現信号を平均化することを可能にし、それによってディスク110に印加されるトルクのより正確な測定をもたらすので、改善されたRSU性能を提供する。
【００４８】
さらに、図9Cの構成は、隣接する磁場センサーの対を必要とすることなく、コモンモード除去を提供する。コモンモード除去は、ディスク110の周りの磁場センサー972の対称配置のために達成される。磁場センサー972は、各磁場センサー972が反対の配列を有する別の磁場センサー972に対応するように、対称的に配置される。従って、対応する磁場センサー972は、反対方向に分極され、180度だけ間隔をあけられる。対応する磁場センサー972の両方が感知するコモンモード信号は、その結果相殺される。図9Cでは、それぞれ放射状に、ディスク110の中心の方に向けられた感知方向を有する磁場センサー972が、示される。別法として、例えば、磁場センサー972は、それぞれ放射状に、ディスク110の中心から離れる方に向けられた感知方向を有してもよい。
【００４９】
図9Cは、8つの磁場センサー972を有するディスク110を示すが、同様の結果は、任意の偶数の対称的に配置された磁場センサー972を使って達成されてもよい。図9Dは、4つの対称的に配置された磁場センサー972を有するディスク110の例を示す。磁場センサー972の正確な配置は、それらが所望される用途に合うように適合されてもよい。例えば、対応する対称的に配置された磁場センサー972間の角度間隔は、そのような配置が、ディスク110および/または磁場センサー972の幾何学的構造に起因して必要なときには、180度よりわずかに小さくてもよい。
【００５０】
図9Eを参照すると、同様の結果はまた、磁気弾性的アクティブ領域140の周りに磁場センサー972に均等に間隔をあけることによって、それぞれ放射状に磁気弾性的アクティブ領域140での磁化方向に垂直に向けられた感知方向を有する、1よりも大きい任意の数の磁場センサー972を使用して達成されてもよい。例えば、もし3つの磁場センサー972が、放射状に並べられ、磁気弾性的アクティブ領域の周りに120度だけ均等に間隔をあけられるならば、磁場センサー972のそれぞれが感知するコモンモード信号は、磁場センサー972のそれぞれからの出力信号が合計されると相殺される。
【００５１】
図9Fおよび図9Gは、図9Cで示すような構成を有する、AISI9310材料で形成されるディスクについて行われる試験から得られる実験データを示す。図9Fで示す実験データは、磁場センサー972の出力が、ディスク110に印加されるトルクに関して線形に変化することを示す。図9Gで示す実験データは、動作中にトルク感知デバイスが提示するヒステリシスが、少なく、約±1%であることを示す。
【００５２】
図10は、ディスク110に印加されるトルクがトルク感知デバイスによって測定される原理の説明図を提供する。上で論じたように、休止状態では、磁気弾性的アクティブ領域140での磁場は、図5で示すように実質的にもっぱら軸方向か、または図6で示すように実質的にもっぱら円周方向に整列している。トルクがディスク110に印加されると、磁気弾性的アクティブ領域140での磁気モーメントは、図10で矢印Aによって示されるように、ディスク110の表面に関して約45度の角度を形成するせん断応力方向に沿って傾く傾向がある。この傾きは、磁気弾性的アクティブ領域140の磁化が、初期方向では減少した成分を示し、せん断応力方向では増加した成分を示す原因となる。傾きの程度は、ディスク110に印加されるトルクの強度に比例する。磁場センサー152、154は、磁場センサー152、154の感知方向に沿った磁場成分の強度の変化を感知する能力がある。従って、トルクがディスク110に印加されると、磁場センサー152、154は、印加されるトルクに比例する表現信号を出力する。
【００５３】
磁場センサー152、154は、当技術分野で周知であり、フラックスゲートインダクタ、ホール効果センサー、および同様のものなどの磁場ベクトルセンサーデバイスを含む。好ましくは、本発明による磁場センサーは、ソレノイドの形態を有するフラックスゲートインダクタである。別の実施形態では、磁場センサー152、154は、集積回路ホール効果センサーであってもよい。導体156は、図10で示すように、磁場センサーを直流電源に接続し、磁場センサー152、154の信号出力を制御回路または監視回路などの受信デバイス(図示せず)に送る。
【００５４】
図11を参照すると、そこで示されるのは、本発明によるトルク変換器1100の分解斜視図である。図示する例となる実施形態では、トルク変換器1100は、ディスク1110、ハブ1120、およびシャフト1130を含む。ディスク1110、ハブ1120、およびシャフト1130は、個別要素であってもよいが、必ずしもそうでない。ディスク1110は、軸方向に薄い、一般にディスク状部材であってもよく、それは、完全に平坦であってもよく、または等高線を含んでもよい。ハブ1120は、ディスク1110をシャフト1130に堅く取り付けることによって機能する。取付けは、例えば、シャフト1130に印加されるトルクがハブ1120に比例的に伝達され、逆の場合も同じであるように、ハブ1120およびシャフト1130が機械的ユニットとして働くことを可能にする任意の周知の手段によって直接的にまたは間接的に成し遂げられてもよい。取付け手段の例は、ピン、キー溝、キー、溶接、接着剤、圧入または収縮はめ合い、および同様のものを含む。ディスク1110は、ハブ1120に印加されるトルクがディスク1110に比例的に伝達され、逆の場合も同じであるように、ディスク1110およびハブ1120が機械的ユニットとして働くことを可能にする任意の適切な方法によってハブ1120に取り付けられてもよい。好ましくは、穴1112、1122は、ディスク1110での穴1112がハブ1120での穴1122に対応するようにディスク1110およびハブ1120に提供される。堅固な取付けが、ディスク1110とハブ1120との間で形成されるように、ボルトなどの締め具(図示せず)が、ディスク1110での穴1112およびハブ1120での対応する穴1122を通って挿入されてもよい。取付けの代替手段の例は、リベット打ち、溶接、および同様のものを含む。
【００５５】
ディスク1110は、リム1160に取り付けられたディクス1110の部分が、ハブ1120に取り付けられたディスク1110の部分から放射状に分かれているように、リム1160に取り付けられてもよい。リム1160は、ディスク1110の周囲を取り囲んでもよく、またはディスク1110の表面に取り付けられてもよい。リム1160は、ディスク1110の一体部分であってもよい。ディスク1110およびリム1160は、ディスク1110に印加されるトルクがリム1160に比例的に伝達され、逆の場合も同じであるように、機械的ユニットとして働く。リム1160は、主に接線分力を駆動部材または被駆動部材へ移送するための力移送特徴1162を含んでもよい。
【００５６】
本発明の例となる実施形態は、自動車エンジンに関連して使用するためのトルク感知デバイスであり、ディスク1110は、駆動板を含み、シャフト1130は、クランクシャフトを含み、リム1160は、トルクコンバーターを含む。しかしながら、本発明は、任意の特定型式の自動車構成に限定されず、本発明はまた、一般に自動車用途にも限定されないことが、本発明が関連する当業者には明らかであろう。
【００５７】
リム1160およびハブ1120は好ましくは、非強磁性材料で形成され、またはハブ1120とディスク1110との間、およびディスク1110とリム1160との間に挿入される低透磁率リング(図示せず)などの非強磁性スペーサーによってディスク1110から磁気的に分離される。
【００５８】
磁気弾性的アクティブ領域1140は、印加されるトルクがゼロまで低下するとき、磁化を休止または初期方向に戻すのに十分な異方性を保有しなければならない。磁気異方性は、ディスク1110の材料の物理的働きによってまたは他の方法によって誘起されてもよい。磁気異方性を誘起するための実例となる方法は、参照により本明細書に組み込まれる特許文献３で開示される。
【００５９】
好ましくは、ディスク1110は、AISI9310材料から形成される。ディスクがそれから形成されてもよい代替材料の例は、参照により本明細書に組み込まれる特許文献３および特許文献５で述べられる。ディスク1110は、特に望ましい結晶構造を有する材料で形成されてもよい。
【００６０】
本発明の別の実施形態では、磁気弾性的アクティブ領域1140は、ディスク1110に誘起されるトルクが、磁気弾性的アクティブ領域1140に誘起されるトルクに伝達されかつ比例するように、ディスク1110から切り離して形成され、次いで接着剤、溶接、締め具、または同様のものなどの手段によってディスク1110に適用されてもよい。
【００６１】
本発明の動作時には、磁場が、磁気弾性的アクティブ領域1140から生じ、これらの磁場は、磁場センサー1152、1154が位置する空間だけでなく、またディスク1110それ自体が占有する空間にも広がる。ディスク1110の非アクティブ部分内で起こる磁化変化は、寄生磁場の形成をもたらすこともあり、それは、磁場センサー1152、1154が位置する空間の領域に広がることもある。ハブ1120およびリム1160は、寄生磁場を低減するまたは除去するために非強磁性材料で形成できる。それ故に、磁気弾性的アクティブ領域1140の移送機能を駄目にしないためには、寄生磁場が、磁気弾性的アクティブ領域から生じる磁場と比較して非常に小さく、理想的にはゼロであること、またはもしかなりの強度があるならば、寄生磁場が、印加されるトルクに関して線形にかつ非ヒステリシス的に変化する(またはまったく変化しない)こと、ならびに寄生磁場が、時間に関してかつシャフト1130、ディスク1110、および磁気弾性的アクティブ領域1140が受ける可能性のある動作条件および環境条件のいずれかの下で安定であることが、重要である。別の言い方をすると、生じるどんな寄生磁場も、磁場センサー1152、1154が見る正味の磁場がトルク感知目的に有用であるように、磁気弾性的アクティブ領域磁場と比較して十分に小さくなければならない。それ故に、寄生磁場の有害な影響を最小限にするためには、磁気弾性的アクティブ領域1140から生じる磁場が、磁気弾性的アクティブ領域1140に近接するディスク1110の領域を磁化しないで、磁場センサー1152、1154が見る正味の磁場のトルク感知目的のための有用性を損なうのに十分な強度のそのような寄生磁場を生じさせることのないほど十分に高い保磁力を有するディスク材料を利用することが重要である。これは、例えば、ディスク1110の保磁力が15Oeよりも大きい、好ましくは20Oeよりも大きい、最も望ましくは35Oeよりも大きい材料を使用することによって成し遂げられてもよい。
【００６２】
図12を参照すると、そこで示されるのは、本発明とともに使用するための例となるボビン1210である。好ましくは、例えば図11で示すようなトルク変換器1100とともに使用されるとき、ボビン1210は、磁気弾性的アクティブ領域1140に相応し、ボビン1210の全体が磁気弾性的アクティブ領域1140に近接するようにディスク1110に近接して位置決めされる。それに応じて、ボビン1210は、幅が磁気弾性的アクティブ領域1140の幅にほぼ等しい環状形状である。ボビン1210は、任意の適切な取付け手段によってディスク1110に取り付けられてもよい。
【００６３】
ボビン1210は、本発明の実施形態のいずれかに従って位置決めされてもよい磁場センサー1152、1154のための筐体を提供する。好ましくは、ボビン1210は、非磁性プラスチック材料で形成される。ボビン1210は、磁場センサー1152、1154がそこに位置決めされてもよいいくつかの区画1212を含有してもよい。セパレーター1214は、区画1212のそれぞれの間に提供されてもよい。図12の例となるボビンは、磁気弾性的アクティブ領域1140の中心に対応する環状溝1216、および磁場センサー1152、1154が置かれてもよい場所に対応する、放射状に延びる溝1218を含む。磁場センサー1152、1154は、任意の適切な取付け手段によってボビン1210に取り付けられてもよい。
【００６４】
寄生磁場の悪影響をさらに低減するために、ボビン1210は、その上に配置される遮へい部材1222、1224を含んでもよい。好ましくは、ボビン1210は、磁気弾性的アクティブ領域1140の内側半径および外側半径にそれぞれ対応する半径を持つ環状形状である内側遮へい部材1222および外側遮へい部材1224の両方を含む。ボビン1210は、遮へい部材1222、1224がその中に受け入れられてもよい環状チャネルを含んでもよい。好ましくは、遮へい部材1222、1224は、約6mmの高さ(軸方向に測定される)および1mmの厚さ(半径方向に測定される)を有する。適切な磁気遮へいを提供するために(すなわち、磁場センサー1152、1154が磁気弾性的アクティブ領域1140内で生成される磁場だけを感知することを確実にするために)、遮へい部材1122、1124は好ましくは、ミューメタルなどの、高透磁率を示す材料で形成される。
【００６５】
トルク変換器1100の動作中は、磁力線は、ディスク材料が空気との境界を形成するところ、特に穴1112において、著しく異なる透磁率を有する材料間の境界の周りに蓄積する可能性が高い。遮へい部材1122、1124は、そのような蓄積が磁場センサー1152、1154に影響を及ぼさないことを確実にする。
【００６６】
トルクに加えて、本発明は、パワー、エネルギー、または回転速度を測定する能力があり、
パワー  =  トルク×2π×回転速度、
および
エネルギー  =  パワー/時間
である。
【００６７】
開示される本発明のある現在好ましい実施形態が、本明細書で具体的に述べられたけれども、本明細書で図示され、述べられた様々な実施形態の変形および変更が、本発明の趣旨および範囲から逸脱することなく行われてもよいことは、本発明が関連する当業者には明らかであろう。それに応じて、本発明は、添付の特許請求の範囲および適用可能な法の原則によって要求される範囲だけに限定されることを意図している。
【符号の説明】
【００６８】
110  ディスク状部材、ディスク
112  上面
114  底面
140  磁気弾性的アクティブ領域
142  磁気的調整領域
143  磁気的調整領域
144  磁気的調整領域
145  磁気的調整領域
152  磁場センサー
154  磁場センサー
156  導体
202  永久磁石
204  永久磁石
302  永久磁石
304  永久磁石
546  磁力線
548  磁力線
552  磁場センサー
554  磁場センサー
646  磁力線
648  磁力線
652  磁場センサー
654  磁場センサー
850  磁場センサーユニット
852  一次磁場センサー
854  一次磁場センサー
856  二次磁場センサー
858  二次磁場センサー
946  磁力線
948  磁力線
950  磁場センサーユニット
952  一次磁場センサー
954  一次磁場センサー
956  二次磁場センサー
958  二次磁場センサー
960  磁場センサーユニット
962  一次磁場センサー
964  一次磁場センサー
966  二次磁場センサー
968  二次磁場センサー
972  磁場センサー
1100  トルク変換器
1110  ディスク
1112  穴
1120  ハブ
1122  穴
1130  シャフト
1140  磁気弾性的アクティブ領域
1152  磁場センサー
1154  磁場センサー
1160  リム
1162  力移送特徴
1210  ボビン
1212  区画
1214  セパレーター
1216  環状溝
1218  放射状に延びる溝
1222  遮へい部材
1224  遮へい部材
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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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９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図９Ｃ】
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【図９Ｄ】
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【図９Ｅ】
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【図９Ｆ】
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【図９Ｇ】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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