(57)【要約】  磁化された部材によって経験されるトルクの変化率を示す信号を、上記部材によって経験されるトルクの変化に応じて、出力するためのセンサが記述される。そのようなセンサは少なくとも１つのセンス要素を含み、このセンス要素は、上記部材に加えられたトルクの変化に応じて、上記センス要素に接近して配置された上記部材の磁化領域の磁気パラメータの変化を検出することができる。また、これらのセンサの１つ以上を使用する、トルクにおける又はトルクの変化率を検出および／または測定するための装置が記述される（そのような装置のための様々な応用が存在するのに伴って）。
2010515885.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
トルクを伝達し得る部材によって経験されるトルクの変化率を検出するためのセンサであって、
ａ．  時間変化するトルクを伝え又は受ける部材によって経験されるトルクの変化率を示す信号を出力するように構成されたセンス要素を備え、上記センス要素は、上記部材によって経験されるトルクの変化に応じて、このセンス要素に接近して配置された上記部材の磁化領域の磁気パラメータの変化を検知することができ、さらに、下記部分（ｂ）に従うプロセッサの少なくとも１つまたは下記部分（ｃ）に従うメモリを備え、
ｂ．  上記センス要素と動作可能に関連し、かつ上記部材によって経験されるトルクの変化率を決定するために上記センス要素から出力された信号を処理するように構成されたプロセッサ、または、
ｃ．  上記センス要素と動作可能に関連し、かつ上記センス要素から出力された上記信号における情報を表すデータを蓄えるように構成されたメモリ、
であるセンサ。
【請求項２】
請求項１に記載のセンサにおいて、
上記磁気パラメータは磁束および磁化方向からなる群から選ばれることを特徴とするセンサ。
【請求項３】
請求項１に記載のセンサにおいて、
上記信号は電圧であることを特徴とするセンサ。
【請求項４】
請求項１に記載のセンサにおいて、
上記部材の上記磁化領域は磁化されたバンドを含み、選択的には環状に磁化されたバンドであることを特徴とするセンサ。
【請求項５】
請求項１に記載のセンサにおいて、
上記部材は複数の磁化領域を含み、それらの領域のうち少なくとも２つは選択的には反対の方向に磁化されていることを特徴とするセンサ。
【請求項６】
請求項１に記載のセンサにおいて、
上記部材は、間隔を空けて配置された複数の磁化されたバンドを含み、上記間隔を空けて配置された複数の磁化されたバンドのうち少なくとも１つは、環状に磁化されたバンドであることを特徴とするセンサ。
【請求項７】
請求項Ａ−１に記載のセンサにおいて、
上記センス要素は、導電体の複数のループを含み、選択的にソレノイドコイルを含むことを特徴とするセンサ。
【請求項８】
請求項１に記載のセンサにおいて、
さらに、上記センサと動作可能に関連した電源を含み、
上記電源は選択的に電池を含むことを特徴とするセンサ。
【請求項９】
請求項１に記載のセンサにおいて、
上記センス要素は、このセンス要素を、上記部材の上記磁化領域に対して間隔を空けてかつ接近して配置するように構成されたハウジング内に配置されていることを特徴とするセンサ。
【請求項１０】
少なくとも１つの磁化領域を含む部材に接近して配置された請求項１に記載のセンサを含み、その結果、上記センス要素が、上記部材によって経験されるトルクの変化に応じて上記部材の上記磁化領域の磁気パラメータの変化を感知できるようになっている組立品。
【請求項１１】
請求項１０に記載の組立品において、
上記部材は、間隔を空けて配置された複数の磁化領域を有するシャフトを含み、
上記間隔を空けて配置された複数の磁化領域の各々は、（ｉ）上記シャフトの或る磁化された部分と上記シャフトに固定された磁化されたリングとからなる群から独立に選択され、（ｉｉ）環状に磁化されていることを特徴とする組立品。
【請求項１２】
請求項１０に記載の組立品において、
上記センス要素は、このセンス要素を、上記部材の上記磁化領域に対して間隔を空けてかつ接近して配置するように構成されたハウジング内に配置されていることを特徴とする組立品。
【請求項１３】
請求項１０に記載の組立品において、
さらに、上記センサと動作可能に関連した電源を含むことを特徴とする組立品。
【請求項１４】
請求項１０に記載の組立品において、
さらに、上記部材の或る磁化領域から間隔を空けて配置され、かつ上記部材の上記磁化領域の磁化を維持するか又は高めるために配置された磁石を含むことを特徴とする組立品。
【請求項１５】
部材によって経験されるトルクの変化率を検出するための方法であって、
ａ．  磁化領域を持つ部材に時間変化するトルクを受けさせ、
ｂ．  上記部材によって経験されるトルクの変化率を検出するために、上記部材の上記磁化領域に接近して配置されている請求項１に記載のセンサを用いる方法。
【請求項１６】
請求項１５に記載の方法において、
上記部材によって経験されるトルクの変化率に関する情報は、
ａ．  上記部材に加えられまたは上記部材よって経験される絶対トルク、
ｂ．  上記部材によって経験されるトルクの変化率、
ｃ．  上記部材によって経験されるトルクの変化をもたらすパラメータ、および、
ｄ．  上記部材によって経験されるトルクの変化に機能的に依存するパラメータ
のうちの少なくとも１つを制御または監視するために用いられることを特徴とする方法。
【請求項１７】
エネルギ収穫を行う電気回路であって、
ａ．  センス要素を備え、このセンス要素は、上記センス要素に接近して配置された磁化領域を持ちかつ時間変化するトルクを伝え又は受けることができる部材によって経験されるトルクの変化率に応じて、上記センス要素に誘起電圧を出力するように構成され、および、選択的に
ｂ．  上記センス要素と動作可能に関連した電気エネルギ蓄積装置を備え、この電気エネルギ蓄積装置は選択的に電池を含む、エネルギ収穫を行う電気回路。
【請求項１８】
電気エネルギを収穫するためのシステムであって、
ａ．  磁化領域を持つ部材；
ｂ．  上記部材の上記磁化領域に接近して配置された請求項１７に記載のエネルギ収穫を行う電気回路、および、選択的に、
ｃ．  上記エネルギ収穫を行う電気回路と動作可能に関連した電気エネルギ蓄積装置を備え、上記電気エネルギ蓄積装置は選択的に電池を含む、電気エネルギを収穫するためのシステム。
【請求項１９】
発電のための方法であって、
ａ．  エネルギ収穫を行う電気回路を用い、この電気回路はセンス要素を備え、このセンス要素は、上記センス要素に接近して配置された磁化領域を持ちかつ時間変化するトルクを伝え又は受けることができる部材によって経験されるトルクの変化率に応じて、上記センス要素に誘起電圧を出力するように構成され、上記電気回路は、上記部材に加えられたトルクの変化に応じて電気を出力するように構成されており、
ｂ．  上記エネルギ収穫を行う電気回路の上記センス要素に接近した上記部材の上記磁化領域を位置決めし、さらに、
ｃ．  上記センス要素に電圧を誘起するように上記部材に時間変化するトルクを加え、これにより、発電を行う方法。
【請求項２０】
請求項１９に記載の方法において、
上記エネルギ収穫を行う電気回路は、さらに、上記センス要素と動作可能に関連した電気エネルギ蓄積装置を選択的に含み、
上記電気エネルギ蓄積装置は選択的に電池を含むことを特徴とする方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、各種機械の、磁化された構成要素または構成要素の部分によって経験されるトルクにおける又はトルクの変化率を検出することができるセンサに関する。
【背景技術】
【０００２】
１．  序
以下の説明は、本発明を理解するのに有用なことがある情報を含んでいる。それは、如何なるそのような情報も、現在クレームされた発明に対して、先行技術若しくは関連技術という承認ではなく、または、特に若しくは暗黙に参照された如何なる発表も先行技術であるという承認ではない。
【０００３】
２．  背景
現代の機械の動作に基礎的なのは、ソース場所から利用のポイントまでの回転軸伝達トルクによる力学的エネルギの伝達である。伝達されている公称トルクを超えて、トルク変動は機械の回転部分において至るところにある。機械（例えば衝撃レンチ、岩石破砕機など）の実際の機能を反映する変化に加えて、主なトルク偏位は、運動学の特徴（例えば振動部分または往復運動部分）、またはエネルギ入力若しくは使用（例えばピストンエンジン、エアコンプレッサなどにおけるような）の不定の速度からも生じる。回転位置でのトルク変動は、電気的な機械の中で、必要とされる巻き線スロットの存在（永久磁石ロータがある機械において「コギング」）およびコミュテーション（ブラシがないモータにおいて「リップル」）から発生する。船のプロペラおよびヘリコプタのロータ上で又はその回転から発生するような、変動的なトルクの幾つかのソースは、それらが単にブレードが船体または機体へ接近する回転位置での変化から発生するという点で、より微妙である。さらに、全てのそのような活発な変動のトルクは、個々の部品内の又は回転部分と相互に連結した慣性と弾性の動的な関係に依存した周波数で、トルク振動を刺激することができる。次の要因：（ｉ）トルク変動の振幅、（ii）トルク変動のスペクトル、（iii）トルク変動に影響するイベントのタイミング、および（iv）回転位置に相対的なトルク変動の位相、がそれらの原因を反映する。だから、変動トルクの成分だけの検知および測定は、しばしばトルク単独（それは、トルクのより大きく、より定常状態の成分によって、しばしば支配される。）の測定から明らかであるよりも、機械の機能に関するより詳細な情報を提供することができる、ということになる。この利益は、切迫した衝突を検出するためのエアバッグセンサシステムにおいて加速度計を用いることによって得られるものと類似している。対照的に、車速センサは、加速度計は検知できるが車速センサは検知できない急速な速度変化への不十分な感度のせいで、全くではないが時々、最初の場所で十分に迅速に衝突を検出できない。
【０００４】
類似した態様で、トルク変動は、その変化率（ＲＯＣ）によって完全に特徴付けられ得る。ＲＯＣ信号は、回転速度またはトルク大きさのいずれかを直接に反映するという特徴を持たない。トルクにおける又はトルクのＲＯＣの連続的な測定は、特定のトルク生成イベントを同定し、「兆候（signature）」の異常性を認識し、かつ作動を制御する必要を信号で伝えるために十分な情報を提供することができる。原理上、ＲＯＣ情報はトルク依存の信号を微分することによって得られるが、そのようなアプローチは、基本的に少なくとも２つの態様で、信号品質および周波数応答を制限するだろう。第１に、基本トルク信号の周波数応答は、用いられるトルクセンサシステムの周波数応答によって制限されるだろう。第２に、トルク信号において測定可能な変動トルクの振幅は、トルクセンサ信号の中にある電気的なノイズにより制限されるか、またはトルクセンサ信号の解像度内に隠されるだろう。周波数応答制限、およびトルク測定の全領域にわたって適切な解像度を得る難しさのような、既存のトルク検知技術の制限は、迅速なおよび／または小さいトルク変化を検出するためのそれらの実用性を妨げてきた。さらに、ＲＯＣの直接測定は、迅速な変化および／または小トルク変化に、より大きな感度を与えて、それによって、より複雑でより高価なトルクセンサの周波数応答かノイズ制限の中で失われることがある細部を露呈する。
【０００５】
今日、回転軸上でトルクを測定するための様々な方法および装置が存在する。これらは、歪みゲージの使用によって歪みを測定し、または角度位置センサによって位相シフトを測定する弾性トルクセンサシステムを含んでいる。しかし、その周波数応答がせいぜい約１ｋＨｚにほぼ制限されており、トルク過渡現象を検出するための使用をむしろ制限している。トルク検知方法は、さらに、透磁率または磁化のような応力依存の磁気特性の変化を監視することによって応力を測定する磁気弾性トルクセンサシステムを含む。そのようなシステムは、小さいが迅速な変動トルク成分を検出するそれらのシステムの能力を制限しながら、周波数応答における制限または関連ある磁気特性の測定の感度／解像度における制限のいずれかを行っている。
【０００６】
本発明のＲＯＣシステムがそのような問題を克服することは、後の記述で明らかになるだろう。すなわち、
（１）  ＲＯＣシステムの周波数応答は、如何なる既存のトルクセンサシステムのそれよりずっと大きい。
（２）  ＲＯＣ信号における高い周波数にとって、与えられた変動トルクの検出可能な振幅が、微分されたトルクセンサ信号によって実際に得ることができるものよりも高い。
（３）  潜在的に非常に重要な診断または制御データを表すトルクにおける小さい迅速な変化は、トルクセンサ信号の中で観察されるとき、トルクを単独で測定することによって容易に観測できないか、全くできないかのどちらかであるが、トルクの中でＲＯＣを直接測定することにより検出できる。そして、
（４）  ＲＯＣセンサシステムにとって、時間変化するトルクを伝え又は受ける部材としての使用に有用な磁気弾性特性を持つトランスデューサ鋼のタイプに対する制限は、磁気弾性の極性化バンドトルクセンサシステムに対してよりも、はるかに厳しくない。それにより、ＲＯＣセンサに対して高い周波数応答、実施容易さ、およびより低いコストを提供する。
【０００７】
トルク変動を検知するためのＲＯＣセンサは、次の追加の利益および利点を提供する。すなわち、それらは励起パワーを必要としない。それらは高温に耐えることができ、また、それらは頑丈である。
【０００８】
３．  定義
発明を詳細に記述する前に、本発明との関連で用いられる幾つかの用語が定義されるだろう。これらの用語に加えて、他の用語が明細書のどこか他のところで、必要に応じて定義される。本願明細書で明示的に定義されないならば、この明細書の中で用いられる用語はそれらの分野で認識された意味を持つだろう。
【０００９】
「アレイ」は、２つ以上の同様か同一の構成要素の組織化されたグループを指す。
【００１０】
用語「測定する（measure）」、「測定している（measuring）」、「測定（measurement）」などは、特定の変量（例えばトルクにおける又はトルクの変化率）の定量的測定だけでなく、質的および半定量的測定をも指す。従って、「測定」は検出（detection）をも含み、定量化なしで単に変化を検出することが測定を構成することを意味する。
【００１１】
本発明に従う「特許可能な」プロセス、機械、または製品は、解析が行われる時に、主題事項が特許のための法的要件をすべて満たすことを意味する。例えば、新規性、非自明性などに関して、１つ以上の請求項が新規性、非自明性などを否定する１つ以上の実施形態を包含することを後の審査が明らかにする場合、それらの請求項（「特許可能な」実施形態への定義によって制限されている）は、特に特許され得ない実施形態を除外する。また、本明細書に添付された請求項は、それらの有効性を保持することだけでなく、最も広い合理的な範囲を提供することとの両方に解釈されるべきである。更に、特許のための法的要件の１つ以上が修正される場合、または、この出願が提出され又は特許発行された時から１つ以上の添付された請求項の有効性が問われる時までに、特許のための特定の法的要件が満たされているかどうか評価することに関して基準が変わる場合、請求項は、（１）それらの有効性を保持し、（２）上記状況の下で最も広い合理的な解釈を提供する、という仕方で解釈されるべきである。
【００１２】
用語「動作可能に関連した（operably associated）」は、２つ以上の構成要素または要素の間の動作可能な関連性を指す。例えば、電気回路、装置およびシステムの構成要素は動作可能に関連している。言いかえれば、動作可能な関連性は、特定された構成要素間の直接の物理的接続を必要としない。
【００１３】
「複数（plurality）」は、１つを超えるものを意味する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１４】
【特許文献１】米国特許出願公開第２００７／０２１０７８３号明細書
【発明の概要】
【００１５】
この発明の１つの目的は、機械の２つの部分の間（例えばエンジンとギヤボックスとの間、ギヤボックスとロータまたはプロペラとの間など）でトルク伝達を行うことができる、時間変化するトルクを伝え又は受ける部材（例えばシャフト）によって経験されるトルクにおける又はトルクの変化率を検知することができる特許可能なセンサおよび装置を提供することにある。一般に、本発明に従うセンサは、センス要素を含む。このセンス要素は、時間変化するトルクを伝え又は受ける機械的な構成要素（つまり「部材」）によって経験されるトルクの変化率を示す電気信号（例えば電圧）を出力するように構成されている。上記センス要素は、上記センス要素に接近して配置された上記部材の１つ以上の磁化領域の１つ以上の磁気パラメータの変化のお蔭で、トルクの時間によって変わる変化を検出、検知、またはさもなければそれに反応することができる。
【００１６】
上記部材に加えられまたはさもなければ上記部材によって経験されたトルクの変化の結果として、上記センス要素が、上記部材の上記磁化領域の磁気パラメータの変化を検出、検知、またはさもなければそれに反応することができるように、上記時間変化するトルクを伝え又は受ける部材およびセンス要素は、接近して配置されている。好ましい実施形態では、上記センサは、また、上記センス要素と動作可能に関連し、かつ上記部材によって経験されるトルクの変化率を決定するために上記センス要素から出力された信号を処理および／または解釈するように構成された少なくとも１つのプロセッサと、上記センス要素と動作可能に関連し、かつ上記センス要素から出力された上記信号における情報要素を表す１つ以上のデータを蓄えるように構成されたメモリとを含む。
【００１７】
上記時間変化するトルクを伝え又は受ける部材は、それ自体、１つ以上の領域で磁化されていても良い。それに代えて、またはさらに、上記部材は、堅くこの部材に取り付けられ、部分または長さ若しくは外周の全体にわたって磁化されている１つ以上のリングまたは他の部分を含んでいても良い。好ましくは、上記部材の上記磁化領域は、環状に磁化されている。好ましい実施形態では、上記時間変化するトルクを伝え又は受ける部材は、それ自体、１つ以上の領域（つまり、磁化領域）で磁化されており、本発明に従う少なくとも１つのセンス要素は、上記磁化領域に関して検知されるべき磁気パラメータの変化を感じるために配置されている。特に好ましい実施形態では、上記部材は複数の磁化領域を含む。それらは、好ましく互いから離間し、また、それらの少なくとも２つが反対方向に選択的に磁化されている。
【００１８】
センス要素は、導電体が配置されているところの磁束の変化に応じて電気信号を生成するように構成されたどのような導電体の構成でも良い。好ましい実施形態では、上記センス要素は、導電体の複数のループを含む。誘導およびソレノイドコイルは、本発明との関連で使用するのに適した、特に好ましいクラスのセンス要素である。
【００１９】
機能的なセンシング装置に組み立てられる場合、本発明に従うセンサは、特定の応用に適したハウジング内に配置される。上記ハウジングは、機械的なトルク伝達部材の上記磁化領域に対して、上記センス要素を間隔を空けて接近して配置するように構成されているのが、好ましい。十分に理解されるように、特定の応用に依存して、与えられた集合の特定の構成要素および形態は異なるだろうという理解の下で、配線、回路類、制御論理、およびエネルギ源（例えば、電池のような電源）は含まれるだろう。さらに、当業者が認識するように、センサはまた複数のセンス要素を含んでいても良い。また、幾つかの実施形態の中で、本発明に従う複数のセンサで構成されたアレイが配備されても良い。同様に、幾つかの応用では、複数の異なったタイプのセンサ（その１つ以上は本発明に従うセンサである）が、分離して、または一体化されたセンサアレイとして、配備されても良い。
【００２０】
本発明の別の目的は、トルクの変化率を検知するための方法に関する。そのような方法は、磁化領域を持つ部材に時間変化するトルクを経験させ、さらに、上記部材によって経験されるトルクの変化率を検出するために、上記部材の上記磁化領域に接近して配置されている本発明に従うセンス要素を用いることを含む。結果として得られるデータは、１つ以上の回転部分を含む（が、これに制限されるものではない）様々な機械の監視および／または制御に関連した多くの目的に用いられ得る。
【００２１】
さらに別の局面では、本発明は、エネルギ収穫を行うこと、および発電することに関する。それによって、誘導またはソレノイドコイルのような、本発明に従うセンス要素は、このセンス要素に接近して配置された磁化領域をもつ部材に加えられたトルクの変化に応じて、電気エネルギを出力するように構成される。好ましくは、電気エネルギ蓄積装置、例えば装置、キャパシタなど、またはそのようなエネルギ蓄積装置の組合せは、収穫された電気エネルギを蓄えるために、上記センス要素に電気的に接続され、またはさもなければ上記センス要素と動作可能に関連している。
【００２２】
本発明の他の特徴および利点は、次の図面、詳細な説明、および添付された請求の範囲から明白になる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
この出願は、カラーで実施された少なくとも１つの図を含んでいる。カラー図面を有するこの出願のコピーは、必要な料金の要求および支払いがあれば、提供されるだろう。
【図１】サブシステムと信号流れの様々な段階を同定する、本発明のＲＯＣセンサの測定連鎖を示すシステムブロック図である。
【図２（ａ）】時間変化するトルクを伝え又は受ける部材として働くシャフトと、センス要素として働くコイルとからなる本発明のＲＯＣセンサを示す図である。
【図２（ｂ）】時間変化するトルクを伝え又は受ける部材として働くシャフトと、センス要素として働くコイルとからなる本発明のＲＯＣセンサを示す図である。
【図２（ｃ）】時間変化するトルクを伝え又は受ける部材として働くシャフトと、センス要素として働くコイルとからなる本発明のＲＯＣセンサを示す図である。
【図３（ａ）】時間変化するトルクを伝え又は受ける部材として働くシャフトに取り付けられたリングと、センス要素として働くコイルとからなる本発明のＲＯＣセンサを示す組立図である。
【図３（ｂ）】時間変化するトルクを伝え又は受ける部材として働くシャフトに取り付けられたリングと、センス要素として働くコイルとからなる本発明のＲＯＣセンサを示す組立図である。
【図３（ｃ）】時間変化するトルクを伝え又は受ける部材として働くシャフトに取り付けられたリングと、センス要素として働くコイルとからなる本発明のＲＯＣセンサを示す組立図である。
【図４（ａ）】本発明のセンス要素として働く、シャフトに接近したコイルを持つ透磁性部材からなるセンサを示す図である。
【図４（ｂ）】本発明のセンス要素として働く、シャフトに接近したコイルを持つ透磁性部材からなるセンサを示す図である。
【図５（ａ）】時間変化するトルクを伝え又は受ける部材であるシャフト上に配置されたＲＯＣセンシング領域のアーチ形に限定された部分を磁化するように方向付けられた永久磁石（または電磁石）からなる本発明のＲＯＣセンサの図である。
【図５（ｂ）】時間変化するトルクを伝え又は受ける部材であるシャフト上に配置されたＲＯＣセンシング領域のアーチ形に限定された部分を磁化するように方向付けられた永久磁石（または電磁石）からなる本発明のＲＯＣセンサの図である。
【図５（ｃ）】図５（ａ）および図５（ｂ）に示されたものと類似し、センス要素がコイル付きの透磁性部材からなるＲＯＣセンサの図である。
【図５（ｄ）】図５（ａ）および図５（ｂ）に示されたものと類似し、センス要素がコイル付きの透磁性部材からなるＲＯＣセンサの図である。
【図５（ｅ）】図５（ａ）および図５（ｂ）に示されたものと類似し、センス要素がコイル付きの透磁性部材からなるＲＯＣセンサの図である。
【図６（ａ）】時間変化するトルクを伝え又は受ける部材の環状の磁化を維持するように働く、またがり磁石と協働するように構成されたシャフトに接近しているが接触はしていない、センス要素として働くコイルを持つ透磁性部材からなる本発明のＲＯＣセンサを示す図である。
【図６（ｂ）】時間変化するトルクを伝え又は受ける部材の環状の磁化を維持するように働く、またがり磁石と協働するように構成されたシャフトに接近しているが接触はしていない、センス要素として働くコイルを持つ透磁性部材からなる本発明のＲＯＣセンサを示す図である。
【図６（ｃ）】時間変化するトルクを伝え又は受ける部材の環状の磁化を維持するように働く、またがり磁石と協働するように構成されたシャフトに接近しているが接触はしていない、センス要素として働くコイルを持つ透磁性部材からなる本発明のＲＯＣセンサを示す図である。
【図７（ａ）】時間変化するトルクを伝え又は受ける部材として働くシャフトに接近しているが接触はしていない、本発明のセンス要素として働くコイル付きのデュアル透磁性部材からなる本発明のＲＯＣセンサを示す図である。
【図７（ｂ）】時間変化するトルクを伝え又は受ける部材として働くシャフトに接近しているが接触はしていない、本発明のセンス要素として働くコイル付きのデュアル透磁性部材からなる本発明のＲＯＣセンサを示す図である。
【図７（ｃ）】時間変化するトルクを伝え又は受ける部材として働くシャフトに接近しているが接触はしていない、本発明のセンス要素として働くコイル付きのデュアル透磁性部材からなる本発明のＲＯＣセンサを示す図である。
【図８（ａ）】本発明のセンス要素として働くデュアルコイルと、時間変化するトルクを伝え又は受ける部材として働くシャフトとからなる本発明のＲＯＣセンサを示す図である。
【図８（ｂ）】本発明のセンス要素として働くデュアルコイルと、時間変化するトルクを伝え又は受ける部材として働くシャフトとからなる本発明のＲＯＣセンサを示す図である。
【図８（ｃ）】本発明のセンス要素として働くデュアルコイルと、時間変化するトルクを伝え又は受ける部材として働くシャフトとからなる本発明のＲＯＣセンサを示す図である。
【図９（ａ）】時間変化するトルクを伝え又は受ける部材として働くシャフトに関して内側に配置された、本発明のセンス要素として働くデュアルコイルからなる本発明のＲＯＣセンサを示す図である。
【図９（ｂ）】時間変化するトルクを伝え又は受ける部材として働くシャフトに関して内側に配置された、本発明のセンス要素として働くデュアルコイルからなる本発明のＲＯＣセンサを示す図である。
【図１０（ａ）】ボビン上に搭載され、時間変化するトルクを伝え又は受ける部材として働くシャフトに関して内側に配置された、本発明のセンス要素として働くコイル付きの透磁性部材からなる本発明のＲＯＣセンサを示す図である。
【図１０（ｂ）】ボビン上に搭載され、時間変化するトルクを伝え又は受ける部材として働くシャフトに関して内側に配置された、本発明のセンス要素として働くコイル付きの透磁性部材からなる本発明のＲＯＣセンサを示す図である。
【図１１（ａ）】ボビン上に搭載され、時間変化するトルクを伝え又は受ける部材として働くシャフトに対して接近して配置された、本発明のセンス要素として働くコイル付きの複数の透磁性部材からなる本発明のＲＯＣセンサを示す図である。
【図１１（ｂ）】ボビン上に搭載され、時間変化するトルクを伝え又は受ける部材として働くシャフトに対して接近して配置された、本発明のセンス要素として働くコイル付きの複数の透磁性部材からなる本発明のＲＯＣセンサを示す図である。
【図１１（ｃ）】ボビン上に搭載され、時間変化するトルクを伝え又は受ける部材として働くシャフトに対して接近して配置された、本発明のセンス要素として働くコイル付きの複数の透磁性部材からなる本発明のＲＯＣセンサを示す図である。
【図１２（ａ）】時間変化するトルクを伝え又は受ける部材として働くシャフトに対して接近して配置された、本発明のセンス要素として働く、コイルを持つ透磁性部材と隣接した磁極片とからなる本発明のＲＯＣセンサを示す図である。
【図１２（ｂ）】時間変化するトルクを伝え又は受ける部材として働くシャフトに対して接近して配置された、本発明のセンス要素として働く、コイルを持つ透磁性部材と隣接した磁極片とからなる本発明のＲＯＣセンサを示す図である。
【図１２（ｃ）】時間変化するトルクを伝え又は受ける部材として働くシャフトに対して接近して配置された、本発明のセンス要素として働く、コイルを持つ透磁性部材と隣接した磁極片とからなる本発明のＲＯＣセンサを示す図である。
【図１３（ａ）】結合されたＲＯＣセンサとトルクセンサを示す図である。そこでは、本発明のセンス要素として働くコイルが分極バンド型トルクセンサのセンス要素と同じ封止体に配置されている。
【図１３（ｂ）】結合されたＲＯＣセンサとトルクセンサを示す図である。そこでは、本発明のセンス要素として働くコイルが分極バンド型トルクセンサのセンス要素と同じ封止体に配置されている。
【図１４（ａ）】時間領域におけるトルクとトルクの変化率を示すグラフを示す図である。高い周波数、低い振幅のトルク変動に対する、トルク信号（上側のプロット）よりも、ＲＯＣ信号（下側のプロット）の増加した感度を示している。
【図１４（ｂ）】周波数領域におけるトルクとトルクの変化率を示すグラフを示す図である。高い周波数、低い振幅のトルク変動に対する、トルク信号（上側のプロット）よりも、ＲＯＣ信号（下側のプロット）の増加した感度を示している。
【図１５】１６ｍｓ（ミリ秒）の持続時間、２ｍｓの間隔で試験し、１５，０００ｒｐｍ（毎分回転数）で回転している自動車のエンジン出力シャフト上のトルク（上側のプロット）とトルクの変化率（下側のプロット）のプロットを示す図である。燃焼している個々のシリンダのトルクにおける個々の変化が明らかに識別され得ることを示している。
【図１６】１６ｍｓ（ミリ秒）の持続時間、２ｍｓの間隔で試験し、１８，０００ｒｐｍ（毎分回転数）で回転している自動車のエンジン出力シャフト上のトルク（上側のプロット）とトルクの変化率（下側のプロット）のプロットを示す図である。図１５に示された１５０００ｒｐｍのデータサンプルと比較したときの異常振動を示している。それにより、ねじり振動を検知し診断しているＲＯＣ信号の値を図示している。
【図１７】自動車のエンジン出力シャフト上で記録されたＲＯＣデータの周波数プロットを示す図である。記録されたデータセットのうちの１つについて１１ｋＨｚ以上、記録された別のデータセットについて１７ｋＨｚ以上においてもの周波数成分を示している。
【図１８（ａ）】自動車のギヤボックス内の個々のギヤの健康状態を示すＲＯＣに基づいた指標または兆候対上記ギヤに加えられた負荷サイクルの数のプロットを示す図である。このデータセットの中では、ギヤはすべて健康であると判断された。
【図１８（ｂ）】自動車のギヤボックス内の個々のギヤの健康状態を示すＲＯＣに基づいた指標対上記ギヤに加えられた負荷サイクルの数のプロットを示す図である。このデータセットの中では、第４および第６のギヤが、故障またはそれに続く物理的検査（検出のための）を要求したであろう測定可能な物理的損傷を受けた。
【図１９】モータが２０００ｒｐｍで無負荷で動作する電気モータ上で得られた、トルク（ＲＯＣ）信号の変化率（上側のトレース）および電流（ＲＯＣＣ）信号の変化率（下側のトレース）のプロットを示す図である。
【図２０】モータが２０００ｒｐｍで図示のように負荷が加えられて動作する電気モータ上で得られた、トルク（ＲＯＣ）信号の変化率（上側のトレース）および電流（ＲＯＣＣ）信号の変化率（下側のトレース）のプロットを示す図である。
【図２１】モータが２４００ｒｐｍで図示のように負荷が加えられて動作する電気モータ上で得られた、トルク（ＲＯＣ）信号の変化率（上側のトレース）および電流（ＲＯＣＣ）信号の変化率（下側のトレース）のプロットを示す図である。
【図２２】モータが２４４２ｒｐｍで図示のように負荷が加えられて動作する電気モータ上で得られた、トルク（ＲＯＣ）信号の変化率（上側のトレース）および電流（ＲＯＣＣ）信号の変化率（下側のトレース）のプロットを示す図である。ＲＯＣ信号の中に約４０Ｈｚの周波数でねじれ振動を示している。
【図２３】モータが２４００ｒｐｍで図示のように負荷が加えられて動作する電気モータ上で得られた、トルク（ＲＯＣ）信号の変化率（上側のトレース）および電流（ＲＯＣＣ）信号の変化率（下側のトレース）のプロットを示す図である。
【図２４（ａ）】時間変化するトルクを伝え又は受ける部材として働いている、またがり磁石からの連続的な環状の磁化に晒されたフライス盤カッタに接近して配置された、センス要素として働くコイルを持つ透磁性部材からなる本発明のＲＯＣセンサを示す図である。
【図２４（ｂ）】時間変化するトルクを伝え又は受ける部材として働いている、またがり磁石からの連続的な環状の磁化に晒されたフライス盤カッタに接近して配置された、センス要素として働くコイルを持つ透磁性部材からなる本発明のＲＯＣセンサを示す図である。
【図２５】（ａ）および（ｂ）は、切削形状と、加工対象物に対して心出しされた２フルート・カッタをシミュレートする解析モデルを考慮するとき、チップ負荷がチップ面積ｂ・ｈの関数であるという事実とを示す図である。ここで、θはカッタ角度である。（ｃ）は、チップ形状と、時間変化するトルクを伝え又は受ける部材として働くカッティング工具のシャンクに対して接近して配置された、本発明のセンス要素として働くコイルからなる本発明のＲＯＣセンサを示す図である。
【図２６】カッタ回転速度Ｓ＝１０ｒｐｓ、送り速度ｆ＝２．５４ｍｍ／秒で、幅１９ｍｍのアルミニウム加工対象物上でシミュレートされた６．３５ｍｍのカット深さを実行する、直径２５．４ｍｍの２フルート・カッタ上でのトルクおよびＲＯＣのための解析モデルの出力を示す図である。
【図２７】鋭い２フルート・カッタ上で記録されたＲＯＣ信号を示す図である。
【図２８】２フルート・カッタの１つの歯の次第により大きくなる意図的な鈍化を用いて生成された、変化するＲＯＣ信号を示す図である。
【図２９】２つ、４つおよび６つのフルートを持つカッタのＲＯＣ信号を示す図である。
【図３０】離散的信号プロセッサ（ＤＳＰ）によってどのようにＲＯＣ信号が測定され、また、或るイベントを同定するのに用いられるか、を説明するブロック図である。その後、この情報は、制御、診断および／または監視用のシステムによって用いられ得る。
【図３１（ａ）】上記プロセッサが、ＲＯＣ信号の中に存在する周波数成分を得て、上記情報を、図３１（ｂ）中に例示されたような低減された形で、システム制御、診断および／または監視に用いられる外部プロセッサへ渡すために用いられ得ることを実証するブロック図である。
【図３１（ｂ）】図３１（ａ）で用いられる上記情報を低減された形で例示する図である。
【図３２】センス要素からエネルギが収穫され、様々な目的に用いられるように、センス要素からの誘導電圧を調節するために用いられ得る電源調整システムを示すブロック図である。
【００２４】
当業者が評価するように、次の詳述は、本発明の或る好ましい実施形態を詳細に記述し、だから代表的なものに過ぎず、本発明の実際の範囲を描かない。本発明について詳細に記述する前に、本発明が特定の局面および記述される実施形態（これらは変わっても良いので）に制限されないことは理解される。また、本願明細書で用いられる専門用語は、特定の実施形態だけについて記述するためのものであり、添付された請求の範囲によって規定された本発明の範囲を制限するようには意図されていない、ということが理解されるべきである。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
Ａ．  序
本発明は、トルクデータの変化率は１つ以上の磁気パラメータにおける変化を監視することによって獲得され得るという発見に基づく。その後、そのデータは様々な目的に使用され得る。いずれかの特定の理論によって縛られたくない一方、本発明のＲＯＣセンサは、分極バンド型トルクセンサのために報告されたものと類似した磁気弾性的な動作上の基礎を持つと考えられる。上記信号の物理的なソースは同じ（つまり、トルクの伝達で発生する応力異方性に応じた螺旋形の配向への環状磁化の傾斜）であると考えられているが、ＲＯＣセンサは、取り囲む空間で発生する磁界の強度よりはむしろ、変化するトルクに伴った磁束の時間変化率に応答する。最初に図１を参照すると、加えられたトルクの変化率は、時間変化するトルクを伝え又は受ける環状に磁化された磁気弾性部材（図１中のサブシステム１）を通して、磁束の変化をもたらす。上記磁束の変化は、ファラデー効果に従って動作するセンス要素（図１中のサブシステム２）を通して、誘起された電気信号（例えば電圧）をもたらす。その後、オプションのＲＯＣプロセッサ（図１中のサブシステム３）が、出力信号を提供するためにこの電圧を解釈する。
【００２６】
時間変化するトルクを伝え又は受ける部材（図１中のサブシステム１）の幾つかの好ましい実施形態は、次のものを含む（これに限定されないが）：（ａ）上記部材が強磁性でないか、または磁気的に活性でない場合、適当な磁気特性をもつ材料のリング、および（ｂ）上記部材が適当な磁気弾性特性をもつ場合、シャフトまたはシャフトの部分。
【００２７】
本発明との関連で、少なくとも３つの好ましいセットのセンス要素（図１中のサブシステム２）がある：（ａ）時間変化するトルクを伝え又は受ける部材上の残留環状磁化を持つ領域に関連した軸方向磁束変化のソレノイドコイル型ピックアップ、（ｂ）時間変化するトルクを伝え又は受ける部材上の残留環状磁化を持つ領域に関連した軸方向磁束変化のヨーク型ピックアップ、および（ｃ）またがる磁石からの磁界によって、時間変化するトルクを伝え又は受ける部材上で確立され維持される局所的な環状磁化をもつ軸方向磁束変化のヨーク型ピックアップ。
【００２８】
時間変化するトルクを伝え又は受ける部材（図１中のサブシステム１）の実施形態は、センス要素（図１中のサブシステム２）の実施形態に、交換可能に適用され得る。
【００２９】
図２および図３に、残留環状磁化をもつシャフトの領域を取り囲むソレノイドコイルを備えた第１の好ましいセットの実施形態が示されている。図２において、シャフト８は、時間変化するトルクを伝え又は受ける部材を構成する。この場合、シャフトはそれ自体で、トルクの変化率を変化する磁束へ有効にＲＯＣ変換するための必要な特性を有する。上記時間変化するトルクを伝え又は受ける部材が必要な特性を持っていない場合、図３に示された実施形態は、磁気弾性リング５がシャフト８にしっかり取り付けられており、そしてリング５は、トルクの変化率の変化する磁束への変換を実行する実施形態で用いられる。図１中にサブシステム２として表示された上記センス要素は、図２および図３の両方で、導電体リード２９を持ち、かつボビン７に支持されたソレノイドコイル６によって構成されている。図２および図３に示されたＲＯＣセンサのこれらの実施形態において、静止した（０のトルク）磁化は通常残留していて、環状に均一である。
【００３０】
図４に、残留環状バンドを持つ軸方向磁束変化のヨーク型ピックアップを備えた第２の好ましいセットの実施形態が示されている。ここでは、センス要素（図１中に示されたサブシステム２）を構成するコイル１４（導電体リード２９を持つ）付きの透磁性部材１２は、上記時間変化するトルクを伝え又は受ける部材を構成するシャフト８（その中心軸１０の周り）に接近して配置されている。
【００３１】
図５に、第３の好ましいセットの実施形態が示されている。上記時間変化するトルクを伝え又は受ける部材（図１中のサブシステム１に対応する）は、またがり磁石９からの磁界によってシャフトのセンス領域に連続的に注入されている環状磁化が与えられたシャフト８によって構成されている。上記磁石は、上記シャフト上のセンス領域の制限された弓形の部分内の環状磁化を注入するために作用する。上記シャフトは、回転していても良く、回転していなくても良い。この配置は、上記時間変化するトルクを伝え又は受ける部材の他の実施形態にとって適するよりも、シャフト材料のより広い範囲からＲＯＣ信号が得られることを可能にする（安定した残留磁化を維持するために、異方性も保磁力も必要とされないから）。図５（ｃ）、（ｄ）および（ｅ）に例が示されており、それによってコイル１４付きの透磁性部材１２はセンス要素として働く。
【００３２】
所望のＲＯＣ情報が、イベントに影響するトルクの相対的なタイミング、または予期されて反復的なイベントの変動性の調査よりも、絶対的な信号の振幅の問題であることは少ないので、この構成は、サイズと、特徴に関連した他の実際的な応用において、魅力的な汎用性を提示する。
【００３３】
図６は、第２および第３のセットの組合せの実施形態を図示している。それによって、またがり磁石９は、センス要素として働く導電体リード２９を持つコイル１４付き透磁性部材１２との組合せで、回転するシャフトの環状磁化を維持するために用いられる。そのような構成は、長期間にわたって磁化を維持するためにはあまり適さないかも知れない材料に十分な環状磁化を与えるために用いられ得る。
【００３４】
図７および図８に、変化する磁束の同じかまたは異なったソースによって生成されたトルクの変化率を、１つを超えるセンス要素に検出するように意図された別の好ましいセットの実施形態が示されている。図７には、ＲＯＣ信号を拾い上げるために用いられる、コイル１４付きの２セットの透磁性部材１２がある。図８には、支持するボビン２０および２１にそれぞれ搭載された２つのソレノイドコイル２２および２３がある。そのような実施形態は、制限ではなく、コモンモードの磁界の拒絶、冗長または重ね合せの利点を得るために用いられ得る。
【００３５】
さらに別のセットの好ましい実施形態では、上記センス要素（図１中のサブシステム２）は、トルク搬送部材（図１中のサブシステム１）の内部に配置されている。図９および図１０に、そのような配置が示されている。図９では、上記センス要素は、シャフト８に関して内部に配置されたボビン２０および２１上に搭載されたデュアル・ソレノイドコイル２２および２３からなっている。図１０では、上記センス要素は、すべてシャフト８に内部に取り付けられた、ボビン３１上に搭載されたコイル３０付きの透磁性部材３２からなっている。
【００３６】
さらに別の好ましいセットの実施形態では、上記センス要素（図１中のサブシステム２）は、ボビン３０上に支持されたコイル１４付きの複数の透磁性部材１２からなっている。図１１に、そのような配置が示されている。
【００３７】
さらに別のセットの好ましい実施形態では、上記センス要素（図１中のサブシステム２）は、磁極片/磁束コンセントレータ（concentrator）３１と共に作用するコイル１４付きの１つ以上の透磁性部材１２からなっている。図１２に、そのような配置が示されている。
【００３８】
さらに別の実施形態では、上記ＲＯＣセンス要素は、磁気弾性分極バンド・トルクセンサのセンス要素が収容されているのと同じ封止体に収容されている。それによって、同じ物理的なパッケージ内で、トルクとトルクの変化率との同時測定が可能になる。図１３に、そのような配置が模式的に示されている。他の実施形態は、制限ではなく、トルク、ＲＯＣ、および／またはスピードセンサ若しくは速度検知能力のハウジングを、同じ封止体内に含んでいる。それによって、トルクと、トルクの変化率と、時間変化するトルクを伝え又は受ける部材の回転速度との同時測定が可能になる。
【００３９】
以前に記述されたように、ＲＯＣ情報は、通常のトルクセンサが一般に全く検出することができないか、または低減された信号品質で、したがってそのような情報内容で時々検出のみできるという、トルク変動のイベントの詳細を明らかにする。図１４は、基本的に異なった性質の２つの信号の単純な例を図示する。
【００４０】
上側のプロットは、図２に示された基礎的な構造を持つトルクセンサの変化率上のトルクの周期的な印加の、時間と周波数のプロットを表している。３００Ｍ合金鋼から造られ、雄スプライン端を持っている上記シャフトは、トルクを加えることができる電気機械式動力伝達系路に連結され、かつ加えられたトルクを測定することができる基準計器グレードのトルクセンサを含む２つの雌スプライン治具の間に挟まれた。１０００回巻きコイルがシャフトの周りに同軸に取り付けられた。図１４に参照すると、トルク信号のゼロ交差点の特定の解析は、関連するＲＯＣ信号の値を図示している。特に、トルクの方向が変わり、したがって加えられた負荷が０を通過するとき、トルクのＲＯＣは、雄雌スプラインの歯の瞬間的な非係合および再係合に関連したトルクの急変動のせいでスパイク（ｓｐｉｋｅ）を受ける。特に図１４（ａ）における湾曲点３３は、加えられたトルクの方向の変化の間の、スプライン歯の物理的な係合および非係合に伴ったＲＯＣ信号の顕著な特徴を示している。図１４（ｂ）は、トルク信号（１Ｈｚ未満）と対比するように、ＲＯＣ信号（１３Ｈｚ以内）内に存在するより高い周波数成分を図示している。
【００４１】
しばしば、まさに関心ある信号、つまり機械的構成要素の係合または非係合の間におけるトルクの変化が、トルクの０値近傍で、つまり解像度がトルク信号の正確さを制限する測定範囲内のそれらの部分で起こるということに注目することは興味深い。
【００４２】
Ｂ．  解析：  時間変化するトルクを伝え又は受ける部材およびセンス要素
単純であるが、適切に正確な解析は、図３に示されたもののような構造のため容易に行われ得る。そこでは、直径Ｄおよび壁厚ｗの、時間変化するトルクを伝え又は受ける部材を構成する薄い強磁性のリング（図１中のサブシステム１）が、常磁性か非磁性のシャフト上に堅く取り付けられている。
【００４３】
トルクＴを伝達するとき、外側表面での２軸主応力σは容易に
【数１】
2010515885.tif 000003
…（１）
から見いだされ、また、リング／シャフトの組合せ内で、軸線上で半径とともに０まで直線的に減少する。
【００４４】
Ｔを伝達するとき、リング内に、軸方向の磁化成分Ｍａが発生するだろう。リングは、軸方向の反磁界係数ＮＤ（寸法Ｄおよびｗによって決定される）を持ち、周方向の１軸異方性Ｋｕ、および等方性の磁気歪みλによって特徴づけられる材料からなり、かつ、その中に周方向の残留磁化Ｍｒが先立って注入されている。
【数２】
2010515885.tif 000004
…（２）
【００４５】
ｗ≪Ｄのとき、（１）から見いだされるσと（２）から見いだされるＭａとの両方が、リング断面積Ａ（今は〜πＤｗ）にわたって十分に一定であると考えられる。リング内での磁束の軸方向成分φａについては、
【数３】
2010515885.tif 000005
…（３ａ）
と良く近似される。（１）を（３ａ）内に代入することにより見いだされるＴに関して、また、寸法および材料関連のパラメータを分離すると、
【数４】
2010515885.tif 000006
…（３ｂ）
となる。
【００４６】
トルクが時間に応じて変わっている場合、Ｎ巻きの接近し取り囲むコイルは、φａのいくらかの割合ｆで結合し、
【数５】
2010515885.tif 000007
…（４）
から見いだされるｅｍｆ（起電力）をそこに誘起させるだろう。
【００４７】
Ｃ．  解析：  プロセッサ
Ｄ．
多くの実施形態および特定の応用について、上記プロセッサ（図１中のサブシステム３）は、センス要素（図１中のサブシステム２）によって得られた情報を、トルクの変化に関するイベントと情報を認識するのに役立てるために必要とされる。大多数の応用について、さらなる解釈および／または処理なしで、時間変化するトルクを伝え又は受ける部材およびセンス要素だけがシステムコントロール、診断または監視に用いられることは十分でない。想定され得るようなプロセッサの様々な実施形態がある。例えば、図３０に示されるように、上記センス要素によって引き起こされた信号（好ましくは電圧）は、まず標準アナログデジタル変換器によってサンプリングされるべく増幅される。もし特定の周波数レンジのみが注目されていれば、フィルタ濾過がこの段階で同様に発生することがある。この段階で、上記プロセッサは、データ解釈および／またはパターン認識の機能を実行することもできる。
【００４８】
多くのタイプのセンサ、例えば圧力、温度、またはトルクセンサと異なり、ＲＯＣセンサからの顕著な情報は、ほとんど測定されたパラメータを定量化する単一の数ではなく、むしろ一連の数（サンプル取得された不連続なものとアナログ形態にある連続なものとのいずれも）である。それは、概ね、特定の応用（例えば、クランクシャフトの２つの連続した回転、カムシャフトまたはモータの１回転）を反映したグループに取られる。それは、単一の顕著な特徴（例えば最大、最小、単一の周波数成分）を含むことがある一方、より可能には、細部（その変化が情報用に求められるものである）の重要な配置を含んでいても良い。このように、上記信号は、例えば図３０に示されたような検査状態に関して、サンプル取得され得る。例えば、デジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）は、上記信号内の或る特徴またはパターンを捜し、それから、フィードバックループの一部、システム監視、または診断システムとして用いられるべき、一連の出力フラグまたは他の記述データを提供するために用いられることがある。どのようにこの情報が用いられ得るかの例は、制限ではなく、上記信号における第１の周波数成分に基づいて、クラッチが係合されているか否かを示し、または、機械工具上に容認できない程度のがたつき（ｃｈａｔｔｅｒ）があるか否かを示すことを含んでいる。それに代わって、そのがたつきは、その工具によって製造されている部分での表面仕上げが或る仕様に合わないことを示しても良い。より一般に、上記プロセッサは、上記電気信号から、上記ＲＯＣ装置が組み込まれた機械または装置が、期待、必要または要望にしたがって動作しているか否かを確証するために使用され得るまたは必要とされる情報を引き出す、パターンまたは特徴のファインダとして働いても良い。
【００４９】
別の実施形態では、適切に形成されたプロセッサがデータ圧縮スキームを実行するために用いられ得る。上記関連した情報は上記ＲＯＣセンサ信号を記録する責任があるシステムのサンプリングレートを超えた周波数にあることがあるので、上記プロセッサは、例えば図３１（ａ），（ｂ）中に示されるようにＦＦＴを通して、又は別の適当な技術で、データを圧縮するのにも用いられ得る。周波数成分に関する基本的な情報は、そうでなければ必要とされるより著しく低いデータ転送速度で通過されることがあり、それによって、本発明の実際的な応用可能性の範囲を増加させる。
【００５０】
Ｄ．  解析および応用：  エネルギ収穫
本発明のセンス要素は、エネルギ収穫装置としてさらに用いることができる。利用可能なエネルギの決定は、トルクセンサの変化率の動作について記述するために用いられる解析モデルから見積もられることがある。幾つかの既知のモデルは同じ一般的なアプローチに従い、かつ同じ基礎をなす物理学に基づくので、それらの結果は本質的に同等である。続く例では、上記モデルは、ヘルプストとピンカートンの方法（J. Herbst and F. Pinkerton, Journal of Magnetism and Magnetic Materials, Vol. 176, No. 183 (1997)）に従って計算された。
【００５１】
このモデルの由来が常磁性のシャフトに取り付けられた磁気弾性的活性物質の薄いリングに基づく一方、ここでの管状の強磁性のシャフトとして解析のためのその使用は適切である。その理由は、機械的強度のための加熱処理されている強磁性材料は、思いがけず磁気的に固まり、従って比較的低い透磁性を示すけれども、残留的に磁化されたバンドがリングの幾何学的な特徴および軸方向に隣接した非磁化領域を持つからである。上記モデルは、軸方向の磁化Ｍａの振動成分の予期された振幅のための値を提供すべき実験データと併せて用いられる。この計算の中で用いられるねじり振動の大きさと周波数は、ターボシャフトエンジンの出力シャフトの動力計テストの間に得られたデータのＦＦＴ解析から得られた。寸法的と材料的との両方に依存し、それらのテストの中で用いられる実際のシャフトのものに近い他のパラメータは、次の表１に記載されている。
【００５２】
表１：  計算用パラメータ値
シャフト素材              ３００Ｍ航空機グレード・ウルトラ高強度合金鋼
（〜５％合金元素−主にＮｉおよびＳｉ）
飽和保磁力                ４０Ｏｅ（シャフトの隣接領域が、トルクで発生する磁界に                          よって影響されるのを妨げるのに十分に高い）
容易軸磁気歪みλ          ２１ｐｐｍ
飽和磁化Ｍｓ              １，５００ｅｍｕ／ｃｍ３
結晶異方性Ｋ１（est.）     ３８０，０００ｅｒｇ／ｃｍ３（ＮｉとＳｉの存在による
１００％Ｆｅについての４５０，０００に比べて）
シャフト外径              ５７．３ｍｍ
シャフト内径              ５０．３
壁厚                      ３．５ｍｍ
（磁化領域の径方向の厚さであるとも仮定される）
磁化領域の幅              ５７．３ｍｍ（ＯＤと一致するように選択された）
ピーク動作トルク          ３０００Ｎ・ｍ
ピークトルクでの
表面剪断応力      ２００ＭＰａ
ピーク・トゥ・ピーク
振動トルク      定格トルクの１０％
振動応力ピーク振幅＊      ０．０５×２００＝１０ＭＰａ
（＝１×１０８ｄｙｎｅｓ／ｃｍ２）
振動トルクの周波数＊      ２００Ｈｚ  ω＝２π・２００＝１２５７ｒａｄ／ｓ
＊（実際の状況下にある振動は様々な周波数および振幅からなる複合波形態を持つ一方、それらのスペクトル分布は応用に依存する。潜在的に誘起されたｅｍｆが周波数と振幅の積に比例し、共通に観測される振幅／周波数スペクトルがこれらの２つの要因の間で逆比例の関係を示すので、単一の振幅および周波数の使用はこの計算に用いられ得る。だから、後の記述では、振動応力は１０ＭＰａの振幅を持ち２００Ｈｚで正弦関数的であると仮定される。）
【００５３】
また、応力下で磁化がチルトするプロセスは専ら異方性と反磁界に対するベクトル回転によっていると仮定されるから、上記モデルの予測が保守的でもあることは注目されるべきである。このことは、９０°ドメイン壁の変位によるチルトへの可能な寄与を無視する。そのような壁は、多くの容易軸をもつ立方結晶の等方性分布を持っている残留的に磁化された材料に、ほとんど確かに存在する。上記残留磁化は、１１０°（つまり、＞９０°）の頂角を持つ固体の円錐にわたって分配される。典型的な鋼における壁の運動は、モーメントベクトルの回転よりはるかに活動的でないプロセスである。
【００５４】
（ＩＤ／ＯＤ＝５０．３／５７．３＝０．８８、Ｌ／ＯＤ＝１）で示された寸法を持つ磁化領域用の減磁率Ｎｄは、Ｎｄ＝０．０５（４π）であると分かる。上記表面での軸方向の磁化成分は、表面応力σおよび上記同定されたパラメータの関数として、解析モデル中で、
【数６】
2010515885.tif 000008
…（５）
と示される。振動する応力σｓｉｎωｔについては、Ｍａｏの振動成分は、式（５）から
【数７】
2010515885.tif 000009
…（６）
であると分かる。
【００５５】
ヘルプストとピンカートン（上記）は、多くの容易軸を持つｂｃｃ微結晶の等方性分布からなるシャフトについて、ａ＝０．８９８６、およびｂ＝０．２１２６であることを示した。これは、この例の中で用いられるシャフトの仮定された構造である。これらおよび上記適切な作表された値を（６）に挿入すると、ｃｇｓ単位を用いて、
【数８】
2010515885.tif 000010
…（７）
となる。応力（従ってＭａも）は明らかにシャフト半径に逆比例して変化し、従って、外部よりも内径でより少ない。一方、上記壁厚が比較的薄いので、ここでの目的にとって、それをシャフト断面にわたって一定である、と考えるのに十分である。
【００５６】
反磁界Ｈに関連したＭａは−ＮｄＭａに等しく、かつ軸方向の磁束密度Ｂ＝Ｈ＋４πＭａ＝（４πＭａ−ＮｄＭａ）＝（１−０．０５）４πＭａであるから、振動する磁束密度は、
【数９】
2010515885.tif 000011
…（８）
である。
【００５７】
断面積（Ａ）＝（５７．３２−５０．３２）・φ／４＝５９２ｍｍ２＝５．９２ｃｍ２であるから、振動する磁束φ□＝ＢｏＡ＝２９４ｓｉｎωｔである。この振動する磁束の変化率は、ｄφ~／ｄｔ＝ｄ（ＢｏＡ）／ｄｔ＝２９４ωｃｏｓωｔである。２００Ｈｚ、ω＝２π×２００＝１２５７であるから、
【数１０】
2010515885.tif 000012
…（９）
【００５８】
上記シャフトの上記磁化領域を取り囲むソレノイドコイルは、Ｍａの振動成分に関連したエネルギを電気エネルギへ変換する最も単純な電磁気の構成である。例えば、上記シャフトの上記磁化領域を取り囲む１０００回巻きコイルを連結する式（４）の変化する磁束は、次のように開放回路ｅｍｆとしてｅを誘起するだろう。
【数１１】
2010515885.tif 000013
…（１０）
【００５９】
上記磁気回路が上記コイルを取り囲む強磁性のトロイダル「ヨーク（ｙｏｋｅ）」を、コイルの端を上記シャフトから分離する最小の径方向の空隙をもって含んでいる場合、（１０）のｅｍｆは著しく上げられ得る。このことは、上記モデルから容易に分かる。その理由は、上記ヨークは有効にＮｄを縮小し、それにより、（７）の分母における第２項を減少し、その結果として、Ｍａのより高い値、および（Ｈの低下からの適度のさらなる改善をもって）上記時間変化する磁束の振幅の増大をもたらすからである。利用可能なエネルギは、構想を描かれた測定およびデータ伝送関数を実行するのに十分であるのが好ましい。
【００６０】
上記利用可能なエネルギは、磁化されたバンドは、実質的に、シャフトの直径寸法および磁化領域の幅に等しい軸方向長さを持っている管状の「永久」磁石であることを理解することにより、容易に決定される。しかしながら、本物の永久磁石におけるのとは異なり、上記軸方向の磁化（Ｍａ）の強度は応力（トルク）によって調整される。ヨークまたは他の接近して取り付けられた外部強磁性部材が存在しなければ、上記磁気回路の透磁性は上記バンドの寸法によって固定され、Ｎｄによって決定される。トルクの振動成分は、平均トルクに関連した如何なる定常状態成分の上方、下方へも立ち上がり、立ち下がる磁化を、その反磁界と一緒に、もたらす。これは次の図中に示されている。ここで、ＭａｓはＭａの定常状態成分であり、Ｍａｏは振動成分である。
【数１２】
2010515885.tif 000014
【００６１】
上記磁石の磁気エネルギ密度Ｅは、振動する応力によって周期的に変化されている。Ｅは、Ｅ０→Ｅ１→Ｅ０→Ｅ２→Ｅ０と各振動するトルクサイクルにわたって変化する。
【００６２】
如何なる磁化物体のエネルギ密度も、
【数１３】
2010515885.tif 000015
から分かる。ここで、Ｈ＝ＮｄＭａであるから、この式は単に、
【数１４】
2010515885.tif 000016
となる。
【００６３】
合計のエネルギＷは、Ｅ×Ｖ（Ｖは磁石の体積であり、この場合は、シャフト上で磁化されたバンドの体積である。利用可能な電力は合計のエネルギの変化率から得られる。
【００６４】
現在の例については、エネルギ密度におけるピーク・トゥ・ピーク変化は、
ΔＥ＝２（０．５×０．０５×４π×４．１６２）＝１０．８７ｅｒｇｓ／ｃｍ３
から分かる。これから、エネルギにおける合計の振動する変化は、
Ｗ＝１０．８７×５．９２×５．７３＝３６９ｅｒｇｓ
と分かる。これから、上記電力Ｐは、
Ｐ＝ｄＷ／ｄｔ＝ωＷ＝１２５７×３６９＝４６３，８３３ｅｒｇｓ／ｓ
＝４６．４ｍＷ
として容易に決定される。
【００６５】
上記計算は、実際的で有用な実施形態としてのエネルギ収穫装置としての本発明のセンス要素の使用を示すために、大きさで十分に重要である蓄積電力の値をもたらす。変動トルク成分によって生成されたセンス要素に誘起されたＥＭＦを用いるエネルギ収穫は、完全に無線の自己動力源で動作するトルクセンサ、トルクセンサの変化率、またはケーブルやハーネス配線の必要によってそうでなければ制限されるかも知れない他のシステムのためのエネルギ源を可能にするシステムを構築するために用いられ得る。
【００６６】
そのような完全に無線の自己動力源で動作するセンサは、次の構成に役立つ。その構成では、磁化されたシャフト上でのトルクの自然変動に関連したエネルギは、測定機能（例えばトルクの変化率を検知すること、トルクデータ中の変化率からトルクレベルへ積分すること、など）を実行すること、および、近隣の受信器へ測定データを含んでいる信号を無線で伝達することとの両方のために要求される電力を提供するために収穫され得る。このタイプの検知する構成を実現することは、ケーブル、付随したハーネス、およびコネクタの必要を無くし、検査および／またはそのような部品の修理のためにシステムへのアクセスを提供する必要を減じる。
【００６７】
Ｅ．  応用：エンジン
トルク変動を予想することによって、リアルタイムのＲＯＣ信号は、閉ループ制御において、その最小化に影響するか又はＲＯＣプロセッサによって切迫した故障または過負荷を受けるとみなされた成分を中断または停止するために働くことができる。そのような小さく迅速な変化は、変動トルクの兆候のまさに細部を構成する。その細部は、これらの変動の根本的な原因を最も伝えており、したがって制御に恐らく最も有用である。
【００６８】
上記信号のそのような使用は、特に、停止または他のトルクを緩和する制御動作のために有用な、非常に制限された時系列を人が考えるとき、興味深い。数ミリ秒以内の或る場合には、上記コントロールシステムは、比較的遅れた、かつ制限された情報を提供する非理想的なセットのセンサ入力で作動しなければならない。上記ＲＯＣセンサは、そのような状況で時間内に作動する新しい可能性を開く。
【００６９】
ＲＯＣセンサは自動車のパワートレイン動力計上で成功裏にテストされた。それらの信号は、各エンジンの点火イベントを明らかに示し、テストが故意の点火失敗を含んだときはそのようなものの欠如を示した。この情報は、エンジン運転の細部、例えば、空燃比、点火タイミングの時間測定（chronometrics）、エンジン速度とスロットル位置のマッピングおよび個々のシリンダ内圧）などを診断および／またはチューニングするとき、特に有用である。上記ＲＯＣセンサは、様々な実施形態の上記センス要素の簡単な構造および高温の能力のおかげで、火花点火（内燃）および／またはガスタービンエンジンで見られるような、比較的高温に耐えることができるという利益を有する。
【００７０】
図１５を参照すると、図１４に関する同じシステムは、自動車の内燃機関による動的トルク負荷を受けた。図１４は、２ミリ秒の間隔で、１６ミリ秒の持続期間に１５，０００ｒｐｍで回るエンジン出力シャフト（クラッチシャフト）上のトルク（上側のプロット）とトルク変化率（下側のプロット）を示している。上側のトルクプロットはＲＯＣ信号を積分することによって得られた。個々のシリンダの点火に伴ったトルクの個々の変化が容易に識別され得ることが、このデータから理解され得る。上に述べられた機能を越えて、そのようなＲＯＣ信号は、既存のシリンダ圧力測定を補完し、または有効にするのを助けることができる。
【００７１】
図１６を参照すると、図１６は、２ミリ秒の間隔で、１６ミリ秒の持続期間に１８，０００ｒｐｍで回る図１５に関する同じエンジン出力シャフト上のトルク（上側のプロット）とトルク変化率（下側のプロット）を示している。ＲＯＣ信号の兆候は、図１５に示された１５，０００ｒｐｍのデータサンプルと比較されると、異常振動を示唆している。
【００７２】
図１７に、ＲＯＣ信号の興味深い特徴のさらなる例が示されている。図１７では、２つの別個のエンジンデータ取得中に得られたＲＯＣ信号の周波数成分が表示されている。異なった速度および異なったギアにあるけれども、異なった色は等加速度領域にある２つの別個の部分を表示する。このグラフにおいては１７ｋＨｚもの高い周波数まで、情報の内容が重要であることに注目されたい。従来のトルクセンサは高々５ｋＨｚの周波数応答を有するので、明らかに、上記ＲＯＣセンサの非常に高い周波数応答は価値がある。
【００７３】
自動車のエンジン制御応用への本発明のＲＯＣセンサの応用は、制限ではなく、
Ａ．シリンダ内圧力センサとの比較および可能な除去、
Ｂ．トラクション制御アルゴリズムを最適化するために、周波数領域における車輪スリップの関数としてのＲＯＣの解析、および、
Ｃ．シリンダ内圧力または他の信号の排斥と併せて、またはその排斥に対する、個々のシリンダの点火イベントの解析（点火失敗またはノッキングの診断を含む。）
を含む。
【００７４】
Ｆ．  応用：クラッチとトランスミッション
本発明に従うＲＯＣセンサは自動車のパワートレイン動力計上で成功裏にテストされた。そこでは、それらの信号は、エンジンからクラッチを通したトランスミッションへの連結、クラッチの係合非係合の詳細、ギヤシフトの時間測定および品質、並びにギヤの健康状態、転動体軸受、シフト機構、および他のパワートレイン構成要素に関して、明らかに豊富な情報を示した。この情報は、特に、トランスミッションの細部およびそれらの関連するコントロールシステムを診断および／またはチューニングするとき、有用である。そのコントロールシステムは、セミオートマティックトランスミッション（それによって運転者がギヤシフトを要求するが、ボード上のコントロールシステムが上記シフトを実行する）を持つ現代の自動車の中で用いられるもののようなものである。
【００７５】
クラッチの監視および／または制御の応用への本発明のＲＯＣセンサの応用は、制限ではなく、
Ａ．  より正確にクラッチ噛みポイントを決定し、かつ、クラッチを介したトルク伝達をより正確に監視し、究極的にはより迅速に制御するために、開始の際にＲＯＣを監視すること、および、
Ｂ．  切迫した損害および／またはクラッチに対する摩耗の程度を検出するか、またはクラッチポッピング（popping）を診断する作動中に、ＲＯＣの兆候を監視すること
を含む。
【００７６】
トランスミッションの監視および／または制御の応用への本発明に従うＲＯＣセンサの応用は、制限ではなく、
Ａ．  シフトアップとシフトダウンとの間にギヤ引き出しおよび再挿入のための最適ポイントを検出するために、ギヤシフトの際にＲＯＣを監視すること、
Ｂ．  動力伝達系路の共振周波数を回避するのを支援するための追加データを提供するために、ＲＯＣを監視すること、および、
Ｃ．  個々のギヤ歯のかみ合いおよび非かみ合いを評価するために、ＲＯＣを監視すること、
Ｄ．  「アナログ」トラクションコントロールシステムをチューニングすることの補助として、車輪スリップエラーを予測するＲＯＣ信号の使用、
Ｅ．  ギヤの健康状態、転動体軸受、シフト機構、シャフトおよびトランスミッションにおける他の構成要素を評価するためのＲＯＣの監視
を含む。
【００７７】
上にリストされた最後の応用に関して、図１８を参照されたい。図１８は、本発明にしたがって構築され、自動車のトランスミッションに組み込まれたＲＯＣセンサによって、トランスミッション動力計テストの間になされたＲＯＣ測定から導き出されたギヤ健康状態指標のプロットを表示している。図１８（ａ）では、個々のギヤ用の指標は、低い指標振幅に特徴付けられた一貫した兆候を表示している。上記テストに続く物理的なギヤの後の検査は、構成要素の良い健康を確認した。反対に、図１８（ｂ）では、個々ギヤのうち２つのギヤ（第４のギヤおよび第６のギヤ）の指標は、徐々に増加する指標振幅に特徴付けられた一貫しない兆候を表示している。上記テストに続く物理的なギヤの後の検査は、これらの特定の個々のギヤへの機械的損傷を確認した。これらの結果は、トランスミッション健康および使用の監視応用のＲＯＣ信号の有用性を正当であると確認する。
【００７８】
Ｇ．  応用：電気モータ
本発明のＲＯＣセンサは、電気モータ上で成功裏にテストされた。
【００７９】
図３で示されたようなＲＯＣセンサシステムの実施形態から、定量的予測を試験し、信号のサイズおよび情報の内容を観察する両方のために、リング、シャフトおよびコイルの組合せが構築された。１．５馬力、２極複巻モータと渦電流動力計との間に、ステンレス鋼シャフトが組み込まれた。上記リングは、Ｔ−２５０、１８％のＮｉマルエージング鋼から造られた。リング内径およびシャフト外径は、機械的な単一性を達成し、かつリングに環状の磁気容易軸を生成する圧入組み立てを簡単にするように、１：４８テーパをぴったり合わせていた。１０００回巻きソレノイドコイルが、リング／シャフトの周りに同軸に取り付けられ、リングに対して軸方向に中心に配置された。上記モータの銘板定格回転速度は２３００ｒｐｍだったが、実速はモータのアーマチャ電圧を可変することにより０−４０００ｒｐｍの範囲にわたって制御された。アーマチャ電圧は、２０８Ｖ、６０Ｈｚのライン上の可変単巻変圧器を通してブリッジ整流器から来た。従って、アーマチャ電流は、定常状態と単極の１２０Ｈｚの成分との両方を含んでいた。ｒｐｍでの速度は、伸長された動力計シャフト上に６０枚歯のギヤに接近して取り付けられた誘導ピックアップで生成されたパルス列の周波数として、決定された。トルクは、渦電流ブレーキに供給された電流の調整によって制御され、歪みゲージロードセルによって測定された（動力計ケーシング上での反力トルクとして）。
【００８０】
他の器具類は、シャントフィールドとアーマチャＤＣ電流・電圧との両方のメータを含んでいた。上記ＲＯＣコイル（本発明のセンス要素として作動する）に誘起されたｅｍｆ（起電力）は、記録するオシロスコープの１つのチャネルに表示された。また、アーマチャ電流（ＲＯＣＣ）の変化率に比例した信号は、第２のチャネルに表示された。
【００８１】
図１９−図２３は、示された条件の下で得られたオシログラフを示す。２つのチャネルの独立した較正を反映するために、縦軸はｍＶ／区画から変更される。ＤＣアーマチャ電流は各ＲＯＣＣプロットに示されている。しかし、動力計ロードセルから読む定常状態トルクは、各ＲＯＣプロットに示されている。ＲＯＣ信号の振幅は、対応するＲＯＣＣ信号の振幅が増加するにつれて増加するということは、直ちに明白である。
【００８２】
また、図２２のＲＯＣプロットを除いて、２つの信号のゼロ交差はよく同期されている。これは、モータトルクの直接のソースがアーマチャ電流であるので、期待通りである。この電流が変化するとき、トルクが変化する。ＲＯＣＣが０であることは、モータトルクが一定であることを示す。また、他の妨げる影響が無ければ、動力計に伝達されるトルクも一定であり、したがって、ＲＯＣ信号は０であることが、予期された結果である。図１９と図２０におけるＲＯＣ信号の間の形状差は、明らかに、それぞれのＲＯＣＣ信号の形状における差を反映している。しかしながら、はるかに重要なのは、図２２と図２３においてＲＯＣ信号に見られる差である。これらの２つの図においてＲＯＣ信号は主として振幅において異なっているが、図２２のＲＯＣ信号は大きな振幅の揺れを示している。これらは、上記動作速度と電流の１２０Ｈｚ成分との間の共振によって刺激される。これらの振動は、２４００ｒｐｍ（図２３）の単にわずかに低い速度で、ほとんど全く弱まっている。そのような振動を診断することにおけるＲＯＣ信号の有用性は、この実験によって図示されている。そのような情報は、様々な応用のための閉ループ制御において用いられ得る。そのような応用は、制限ではなく、ブラシレスモータにおいてトルクリップルを最小限にすること、ステッパモータにおいてコギングトルクを減衰すること、または他のタイプの電気モータにおいて転流を容易にすることを含む。
【００８３】
Ｈ．  応用：工具（状態）監視
本発明に従うＲＯＣセンサは、フライス盤カッタ上で成功裏にテストされた。そこでは、それらの信号は、明らかにフライスカッタの状態とフライス動作に関連した動作パラメータに関して、豊富な情報を示した。カッティング工具は、当然ながら、摩耗、チッピング（chipping）、または破断によって使用により劣化する。また、機械加工されている効率および製品の質は、工具の状態に大きく依存する。理論的解析は、各カッティングイベントの際にトルクの変化を検出することにおいて、実験データと比較された。また、ＲＯＣ信号は様々なカッティング工具の状態について研究された。
【００８４】
Ｈ１．  序
製造された製品の質における一貫性は、それらの製造の効率と同様に、動作パラメータ（例えば速度、送り速度、カットの深さ、冷却液など）とカッティング工具の状態との両方に、強く依存する。全てのカッティング工具は、摩耗による鋭利さの喪失および寸法変化の両方によって連続的に、および／またはチッピングまたは破断によって急激に、使用で劣化する。鈍いまたは破断された工具の最適状態に及ばない性能は、機械仕上げ面の寸法の完全性と組織の両方に、否定的に影響を与える。マシン操作者が工具状態を監視し、適切な動作パラメータがあることを確実にする以外の手段の強い必要性が、よく認識される。
【００８５】
多くのタイプのカッティング動作が、１つ以上（ｎ）のカッティングエッジ（「フルート」または「歯」）を持つ、連続的に回転する工具によって行われる。幾つかのタイプのカッティング動作では、フライス加工におけるように、そのような各エッジはしばしば加工対象物と連続的に接触しているけれども（例えば、掘削、孔ぐり、タップ立て）、各エッジはそれぞれ断続的に切断する。連続接触タイプの動作でさえ、スピンドル慣性の相互作用、カッティング工具の弾性、およびチップ構成の変遷は、工具エッジに作用する力へ変動成分を導入する。だから、回転工具を用いる機械加工動作における自然な状態は、工具を駆動する、時間変化するトルクである。後の記述で明白になるように、ＲＯＣセンサによって生成された信号は、トルク自体に応答する信号よりも、より明らかにかつ感度良く、工具の状態および動作の状態を示す特徴を表示する。
【００８６】
回転する工具は、典型的には、軸方向に区別された２つの領域、つまり、ワーキング（カッティング）領域と、同心の「シャンク」領域とを備える。このシャンク領域によって、工具が保持され駆動される。フライス動作を行うためにシャンクで駆動される工具は、「エンドミル」として知られている。円筒状で、かつ、飛ぶチップ（多くの場合鋭く、熱い）と跳ね散る冷却液が厳しい環境を提供する工具の作業エンドから最も遠いこととの両方から、このシャンク領域は当然好ましいセンサ位置である。
【００８７】
既に述べたように、時間変化するトルクを伝え又は受ける磁気弾性的に活性な部材の環状の磁化領域を取り囲むコイルに誘起された比例するｅｍｆとして、ＲＯＣは容易に感知される。機械スピンドルと工具のカッティング領域との間のエンドミルシャンクの小さな軸部分上に組み付けられた、この基礎的な構造を持つセンサに関する解析的および実験的な結果は、次に続いて記載される。
【００８８】
Ｈ２．  理論
Ａ．  フライスカッタ上での力
図２５（ａ）に示されるように、切断作用に関連した接線力Ｆｔが、ここで２つのフルート（ｎ＝２）で示されたエンドミルのカッティングエッジ上に発生する（ここで、現在の焦点は切断作用に関連したねじりモーメント上にあるから、軸方向および径方向の力は考慮されない。）。Ｆｔは３つの基礎的なソースを持っている。それは、加工対象物からの材料をせん断するのに必要される力（それによって、「チップ」を形成する。）、チップを変形する（カールする）のに必要とされる力、およびチップとカッタの表面との間の摩擦力である。ここで用いられる最も単純なモデルでは、上記カッタ、加工対象物および機械は、すべて剛体であると考えられる。つまり、切断力によって変形されない。
【００８９】
このモデルでは、各活性なカッティングエッジに作用するＦｔは、非常に簡単な等式から見つかる。
Ｆｔ＝Ｋｂｈ                                                  …（１１）
ここで、図２５（ｃ）に示されるように、ｈはチップ幅であり、また、ｂはチップ厚である。Ｋは「定数」であり、応力の単位を持ち、加工対象物のせん断強度に応じて増加し、工具形状に応じて、かつ平均のｈに応じて変化する。上記加工対象物は、回転するカッタ（速度Ｓ）へ向かって連続的な「送り速度」ｆで移動する。
【００９０】
これらの組み合わされた動作の結果として、上記フルートのらせん構造とともに、ｂとｈの両方は切断角θに応じて変化する（だから、ＦｔおよびトルクＴ＝Ｆｔｒｃは、時間ｔに応じて連続的に変化する。）。さらに、ｎ＞２については、カッタ直径に対する加工対象物の幅に依存して、また１つの歯以上が同時に切断してもよい。トルスティら（ＣＩＲＰの年報、ｖｏｌ．２４、ｎｏ．２１（１９７５））によって発表された非常に詳細な解析に従うと、θの関数としてＴの数値が導き出され得る。これは、図示された状態について、図２６の上側部分にプロットされている。Ｔの変化率、（ＲＯＣ＝ｄＴ／ｄｔ）が、図２６の下側部分にプロットされている。
【００９１】
θの目立った（凸の）値で発生するイベントは、プロット中にＡ−Ｊとして記されている。これらのイベントのシーケンスに従うことによって、なぜそれらの効果がＴプロットにおいてよりもＲＯＣプロットにおいてより顕著であるかが、明白になるだろう。解析された例については、加工対象物はカッタ直径（２５．４ｍｍ）より薄い（１９ｍｍ）ので、カッタの先行するポイントは、最初にＡ（θｅｎｔｒｙ＝ｃｏｓ−１（１９／２５．４）＝４２°）で加工対象物と接触する。上記ポイントが加工対象物を完全に貫通するのに要求される回転の数度（最大で）の間（Ａ−Ｂ）に、ｂはゼロから迅速に大きくなる（当業者が認識するように、これは、「すくい（ｒａｋｅ）」角として知られているカッティングエッジの形状の特徴に依存する。）。フルートのらせん構造のせいで、ｈもまた、この小さな回転の間にゼロから僅かに大きくなる。チップの形成が始まるとき、Ｔはゼロから知覚されない値までのみ大きくなるけれども、ＲＯＣは、ｄｂ／ｄｔを反映して、性急にジャンプする。θが増加するにつれてｈが（直線的よりも幾分速く）大きくなる間、ｂ〜ｆｓｉｎθ／Ｓｎであるから、ｂは今までよりゆっくり大きくなる。それにもかかわらず、ｂ・ｈの成長率（つまり「チップ負荷」）は、Ｂ−Ｃから大きくなり続ける。Ｃで、ｈは切断の完全な深さに達する（そこで、それはＧまで留まる。）。ｄｈ／ｄｔ→０になるとき、ＲＯＣは性急に落ちる（Ｃ−Ｄ）。ＲＯＣは、ｂの低成長によってＥまで落ち続ける。そこでは、Ｔと同様に、ｂはその最大値に達する。ＲＯＣは今やゼロである。ｂが減少する（ｄｂ／ｄｔ＜０）につれて（Ｅ−Ｆ）、ＲＯＣは負になる。Ｆ（θ＝１８０°−４２°＝１３８°）で、カッタの先行するポイントは加工対象物の縁を通過する。再び、まさに非常に小さなさらなる回転で、チップの底縁部はせん断され、その結果、ＲＯＣの突然の低下が起こる（Ｆ−Ｇ）。さらなる回転で、ｈは、線形よりも幾分小さい率で、Ｈで０に達するまで減少する（ｄｈ／ｄｔ＜０）。そこでは、チップは切断されて加工対象物から離れる。ＲＯＣのゼロへの突然の低下（Ｈ−Ｉ）は、ｄｈ／ｄｔの消失を反映する。θ＝２２２°のとき（Ｊ）、第２の歯のポイントが加工対象物に接触し、同じ一連のイベントが繰り返される。
【００９２】
Ｂ．  センサ動作
ここで、磁気弾性的に活発で、時間変化するトルクを伝え又は受ける磁気弾性部材の環状に磁化された部分は、高速度鋼（ＨＳＳ）で作られたエンドミルの固いシャンクである。１つの人気がある高速度鋼はＭ４２：９．５重量％Ｍｏ、８．０Ｃｏ、３．７５Ｃｒ、１．６Ｗ、１．１５Ｖ、１．０８Ｃである。意図的に注入された残留環状磁化Ｍの長期間安定性を保証するために、バランスＦｅは十分に高い保磁力（４０−６０Ｏｅ）を得るための熱処理後の十分に高い合金成分および強度を持つ。上記ＣｒおよびＣｏ成分は、磁気歪みλ≒１５ｐｐｍ（この応用に適しているように見られる値）への期待を正当化する。
【００９３】
上記ヘルプストとピンカートンによって開発された磁化チルト用のモデルを用い、かつ＜１００＞容易軸、４００，０００ｅｒｇｓ／ｃｍ３の結晶異方性Ｋ、残留誘導４πＭ＝１０ｋＧ、および減磁率ＮＤ＝０．０３を持つ立方微結晶のランダムな分布を持つ合金を仮定すると、Ｔによってもたらされた半径（Ｒ）での応力σＲによる、シャンク表面での磁化の軸方向成分は、
【数１５】
2010515885.tif 000017
…（１２）
から分かる。σはｒに反比例して変化することから、ｒでのＭａｒは、
【数１６】
2010515885.tif 000018
…（１３）
から分かる。
【００９４】
カッタシャンク内でのトータルの軸方向の磁束φＡは、各半径に寄与した磁束の積分として見つかる。
【数１７】
2010515885.tif 000019
…（１４）
これは、σＲ＝２Ｔ／πＲ３だから、Ｔの観点から、
【数１８】
2010515885.tif 000020
…（１５）
であると分かる。（１５）をｔに関して微分すると、
【数１９】
2010515885.tif 000021
…（１６）
となる。ここで、ｄＴ／ｄｔはＲＯＣであると認められる。ＲＯＣおよびＲをｃｇｓ単位で表すと、上記シャンクを取り囲むＮ回巻きのコイルは、そこに誘起されたｅｍｆとして
【数２０】
2010515885.tif 000022
…（１７）
を有する。図２６（ｂ）に見られる１３５０Ｎｍ／ｓ（＝１．３５０×１０１０ｄｙｎｅ・ｃｍ／ｓ）の正負の等しいピークＲＯＣ値、Ｒ＝０．６３５ｃｍ、およびＮ＝１０００回巻きを（１７）へ挿入すると、予測されたピーク±電圧は、各々０．０９４６ボルトであると分かる。
【００９５】
Ｈ３．  実験
実験は、直径１２．７ｍｍのシャンクを持つ、２つ、４つおよび６つのフルートの、直径２５．４ｍｍのエンドミルを用いて行われた。各々は、５５０Ａ、２ミリ秒の期間、軸方向に導かれた電流パルスで環状に磁化された。９．５ｍｍ長のナイロンボビン上の１０００回巻きコイルに誘起されたｅｍｆは、３だけ増幅され、および５００Ｈｚの遮断周波数でローパスフィルタを通された。１９ｍｍの広い片の２０２４−Ｔ４アルミニウムが、６００ｒｐｍの回転速度、６．３５ｍｍのカットの深さ、２．５４ｍｍ／ｓの送り速度で、霧状の冷却液を用いて、フライス加工された。
【００９６】
図２７に見られるように、新しく鋭くされた２フルート・カッタからのＲＯＣ信号は、数値モデルの中で予測されたものと類似した特徴である「兆候」を示す。点Ａでの鋭い立ち上がりは、第１の歯の上記ポイントの接触を示す。予測されるように、ＲＯＣ信号はＢへ急速に立ち上がり、それから傾きが減少しながらＣへ立ち上がる。驚くほどのことではないが、実際の材料および実際のカッタの弾性および塑性変形は、最初の立ち上がりの突然さを減らし、傾斜の変化を混合する。同じことは、最大のチップ負荷でゼロまでの、正のＲＯＣの落下Ｃ−Ｄ−Ｅ、それに続く減少（ＲＯＣ＜０）Ｅ−Ｆ−Ｇ（そこでは、カッタポイントが加工対象物端を突き破る。）、およびチップの剥がしＧ−Ｈ、および最終の分離（Ｈ−Ｉ）の場合にも同様である。エッジが加工対象物の既に切断された表面を「こする」ので、カットが終了した後、Ｉ−Ｊは全くゼロではない。同じＲＯＣ兆候の特徴が第２の歯について繰り返されることが見られる。この鋭いカッタでのピーク±信号は平均されて０．１１７Ｖ、またはコイルに誘起されて０．０３９９Ｖとなった。
【００９７】
図２８で見られるように、２フルート・カッタの１つのフルート上でカッティングエッジを鈍くすることは、ＲＯＣ信号の近い均等を覆した。少しの鈍化（プロット２）で、関連するＲＯＣ信号は、ピーク値で増加した。さらなる鈍化（プロット３および４）で、これらの信号部分は減少した。一方、次の歯に関連した信号のピーク振幅が増大された。少しの鈍化は、単に切断効率を減少させるように見える。しかし、より厳しい鈍化は、有効な工具半径の減少によって、チップ厚を減少させる。結果として、第２の（鋭い）歯のピーク・チップ負荷は増加され、ＲＯＣ信号のそれらの部分のより大きなピーク振幅に証拠づけられた。また、聞こえるがたつきも、鈍化で発生した。これは、プロット２−４の高いチップ負荷部分の高周波成分によって、明らかに示されている。図２９におけるプロットは、ｎを反映する特徴の反復を示す。ｎ＝４，６の顕著に異なった兆候の特徴は、第１の歯が終了してしまう前の、第２の歯のカットの開始を反映している。工具状態の小さな変化に対するＲＯＣ信号の感度は、フルート別のフルート信号変動（ｎ＝４プロットにおいて特に気づくことができる）によって図示されている。これらは、工具偏心における小さな（＜０．０２５ｍｍ）変化に応じてさえ変わることが分かった。
【００９８】
Ｈ４．  議論
上記トルクのＲＯＣは、単純であるが正確な解析を通じてモデル化され、そして、異なった運転状態下にある様々な工具について実験的に測定された。各場合において、ＲＯＣ信号中に観察された兆候の特徴は、上記モデルによって予測された特徴のように反映した。さらに、工具状態が変わると、それに応じてＲＯＣ信号が、個々の歯によって行われる作業およびがたつきのような非理想的な切削状態の存在を示す特徴を表示しながら、変化したことが観測された。全体として、上記ＲＯＣ信号が工具およびカッティング動作の状態に関して明瞭な指標を提供することができることが観測された。
＊      ＊      ＊
【００９９】
ここで開示されクレームされた製品および方法の全ては、現在の開示に照らして過度の実験なしで作られ、かつ実施され得る。この発明の製品および方法は好ましい実施形態の観点から記述されてきたが、変形例が、本発明の精神および範囲から逸脱せずに、製品と方法に応用されることがあることは、当業者にとって明白だろう。当業者に明白な全てのそのような変形例および等価物は、今存在していても後に開発されても、添付のクレームによって規定された通りの本発明の精神および範囲内にあるとみなされる。また、本発明のコンピュータに基づいた実施形態が、如何なる適切なハードウェアおよびソフトウェアを用いても実施され得ることは認識されるだろう。
【０１００】
特許、特許出願、および明細書の中で述べられた刊行物は全て、本発明が関係する当業者のレベルを示す。あたかも個々の刊行物が特別にかつ個々に参照によって全体として如何なる及び全ての目的のために組み入れられるべきであるかのように、特許、特許出願、および刊行物は全て、参照によって、全体として、全ての目的のため、および同じ程度まで、本願明細書に組み入れられる。
【０１０１】
本明細書で適切に図示しながら説明された発明は、本明細書で特に開示されなかったいずれかの要素が無い状態で実行されるかも知れない。だから、例えば、本願明細書における各例において、「含む（comprising）」こと、「本質的に含む（consisting essentially of）」、および「からなる（consisting of）」の用語のいずれかは、他の２つの用語のどちらかと取り替えられてもよい。使用された用語および表現は、説明の用語として用いられ、制限のものではない。また、用語および表現の使用に、図示され説明された特徴またはその部分の如何なる等価物も除外する意図はない。しかし、クレームされた本発明の範囲内で様々な修正が可能であることが認識される。
【０１０２】
だから、本発明は好ましい実施形態および選択的な特徴によって特別に開示されたけれども、本願明細書に示された概念の修正および変形は、当業者によって頼られてよいこと、しかも、そのような修正および変形は、添付されたクレームによって規定される通りのこの発明の範囲内であると考えられることが理解されるべきである。
【図１】
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【図２（ａ）】
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【図２（ｂ）】
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【図２（ｃ）】
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【図３（ａ）】
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【図３（ｂ）】
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【図３（ｃ）】
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【図４（ａ）】
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【図４（ｂ）】
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【図５（ａ）】
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【図５（ｂ）】
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【図５（ｃ）】
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【図５（ｄ）】
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【図５（ｅ）】
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【図６（ａ）】
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【図６（ｂ）】
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【図６（ｃ）】
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【図７（ａ）】
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【図７（ｂ）】
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【図７（ｃ）】
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【図８（ａ）】
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【図８（ｂ）】
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【図８（ｃ）】
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【図９（ａ）】
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【図９（ｂ）】
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【図１０（ａ）】
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【図１０（ｂ）】
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【図１１（ａ）】
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【図１１（ｂ）】
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【図１１（ｃ）】
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【図１２（ａ）】
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【図１２（ｂ）】
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【図１２（ｃ）】
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【図１３（ａ）】
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【図１３（ｂ）】
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【図１４（ａ）】
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【図１４（ｂ）】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８（ａ）】
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【図１８（ｂ）】
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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（ａ）】
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【図２４（ｂ）】
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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（ａ）】
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【図３１（ｂ）】
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【図３２】
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【国際調査報告】
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