(57)【要約】トルク変換システムはディスクを備え、このディスクを通してトルクが半径方向に伝搬する。ディスクはトルク依存の磁界を発する磁化環状区域を有し、非接触磁界検知デバイスＬ１は、発生した磁界を検知する。環状区域はセグメントを備える。これによってディスクが回転するとパルス状の磁界が生まれる。セグメントは磁気的に単極性で空間的に分離しているか、または代替極性を有する。セグメントはディスクと一体であってもよい。あるいは、磁化された物質をディスクに取り付けるか、ディスクに内在する磁化を分割してもよい。本発明においては好適な磁化の方向は半径方向であり、半径領域に対する検知デバイスＬの方向付けの作用を説明する。検知デバイス配置は、半径領域に関して互いに角度方向の一組の検知デバイスを備える。本発明の教示は、トルク伝搬軸の積分変換領域の分割に適用できる。変換領域は軸方向に付加的な磁化の環状区域を有する。
2004537046.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半径方向にトルクが伝搬可能なディスクと、磁化された変換領域とを含み、
前記変換領域は、伝搬されたトルクに応じてトルク依存の磁界を発生させる少なくとも１つのトルク軸廻りの環状区域であって、角度方向にオフセットした複数のセグメントに磁化されていることを特徴とする磁気トルク検知素子。
【請求項２】
請求項１に記載の磁気トルク検知素子において、
前記セグメントが半径方向に磁化され、隣接セグメント同士は角度方向に分離されていることを特徴とする磁気トルク検知素子。
【請求項３】
請求項２に記載の磁気トルク検知素子において、
前記少なくとも１つの環状区域が半径方向に完全に磁化され、前記セグメントを画成する手段が設けられていることを特徴とする磁気トルク検知素子。
【請求項４】
請求項１に記載の磁気トルク検知素子において、
前記セグメントが軸方向に磁化され、隣接セグメント同士は角度方向に分離されていることを特徴とする磁気トルク検知素子。
【請求項５】
請求項１に記載の磁気トルク検知素子において、
前記セグメントが半径方向に磁化され、隣接セグメント同士が互いに反対方向に磁化されていることを特徴とする磁気トルク検知素子。
【請求項６】
請求項１に記載の磁気トルク検知素子において、
前記セグメントが軸方向に磁化され、隣接セグメント同士が互いに反対方向に磁化されていることを特徴とする磁気トルク検知素子。
【請求項７】
請求項１乃至６のいずれかに記載の磁気トルク検知素子において、
前記磁化された変換領域は、複数の磁化されたセグメントが最初の環状区域の半径方向の外側に少なくとも１つの環状区域をさらに形成するよう構成されることを特徴とする磁気トルク検知素子。
【請求項８】
請求項１乃至７のいずれかに記載の磁気トルク検知素子において、
前記環状区域は前記トルク軸廻りに円形であることを特徴とする磁気トルク検知素子。
【請求項９】
請求項１乃至８のいずれかに記載の磁気トルク検知素子と、前記環状区域に隣接して設置された少なくとも１つの検知デバイスとからなる変換装置であって、
前記検知デバイスと前記セグメントとは、前記検知デバイスが単一のセグメントによって発生させられた前記トルク依存の磁界を識別可能とするよう相対的に大きさを定められていることを特徴とするトルク検知変換装置。
【請求項１０】
請求項９に記載の変換装置において、
前記ディスクが前記トルク軸廻りに回転するよう設置されていることを特徴とする変換装置。
【請求項１１】
請求項９又は１０に記載の変換装置において、
前記検知デバイスの応答軸は半径方向に位置するか又は好ましくは直交又は斜めに半径方向に交差していることを特徴とする変換装置。
【請求項１２】
トルク軸方向にトルク軸廻りのトルクを伝搬させる部材と、トルク軸廻りに延在する軸方向に磁化した区域を有する前記部材内の変換領域と、軸方向に延在し角度方向にオフセットした磁化セグメントを画成する手段とからなる磁気トルク検知素子であって、前記区域は、角方向に分離され軸方向に延在する磁化セグメント又は少なくとも１つの磁化された環状の弓形区域から形成されることを特徴とする磁気トルク検知素子。
【請求項１３】
請求項１２に記載の素子と、前記変換領域により発生させられた磁界に応じる少なくとも１つの検知デバイスとからなることを特徴とするトルク検知変換装置。
【請求項１４】
請求項１３に記載の変換装置において、
前記検知デバイスと前記セグメントとは、前記検知デバイスが単一のセグメントによって発生させられた前記トルク依存の磁界を識別可能とするよう相対的に大きさを定められていることを特徴とする変換装置。
【請求項１５】
請求項１２乃至１４のいずれかに記載の変換装置において、
前記部材が前記トルク軸廻りに回転するよう設置されている軸であることを特徴とする変換装置。
【請求項１６】
請求項１２乃至１５のいずれかに記載の変換装置において、
前記区域は前記トルク軸廻りに円形であることを特徴とする変換装置。
【請求項１７】
磁気トルク検知素子を含む変換装置であって、
前記磁気トルク検知素子は、トルクをトルク軸に対し半径方向に伝搬可能なディスクと、少なくとも１つの半径方向に磁化された前記トルク軸廻りの環状の弓形区域と、前記少なくとも１つの弓形区域によって発生させられたトルク依存の磁界を検知する２つの検知デバイスとからなり、（ａ）前記各検知デバイスは、検知した局所磁界に対してある角度をなす応答軸を有する、および／または（ｂ）前記各検知デバイスは、検知した局所磁界に対して互いにある角度をなす応答方向を有することを特徴とする変換装置。
【請求項１８】
請求項１７に記載の変換装置において、
前記少なくとも１つの環状の弓形区域は、それぞれ角度方向に間隔をあけた磁化セグメントに磁化されるか、または永久磁化され、トルク依存の磁界を発生させる角度方向に間隔をあけたセグメントを画成する手段を備えることを特徴とする変換装置。
【請求項１９】
請求項１７に記載の変換装置において、
前記少なくとも１つの環状の弓形区域は、交互極性の磁化セグメントに磁化されていることを特徴とする変換装置。
【請求項２０】
請求項１７に記載の変換装置において、
前記少なくとも１つの環状の弓形区域は永久磁化されていることを特徴とする変換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は磁気トルク検知素子に係る。この磁気トルク検知素子は、半径方向にトルクを伝搬するディスクを備える。または、トルク軸方向にトルク軸廻りのトルクを伝搬する部材を備える。本発明は、こうしたトルク検知素子を備えた変換装置にも関する。
本発明はさらに、軸廻りを回転するよう設置され、半径方向にトルクを伝搬するディスクなどの磁気トルク検知デバイスに関する。特別な場合を除き、「ディスク」とは同様の構造のものすべてを指す。軸廻りを回転するディスクには、絶えず軸廻りを回転するディスクと、ある程度回転するディスクと、顕著な回転はしないもののトルクを発生するディスクと、がある。
【０００２】
また、本発明はトルクを伝搬する軸などの部材からなる磁気トルク検知デバイスにも関する。このトルク検知デバイスは磁気変換素子を有する。磁気変換素子において、磁化はトルク軸廻りに環状区域の軸方向に延在する。
【背景技術】
【０００３】
【特許文献１】
ＷＯ０１／１３０８２
【特許文献２】
ＷＯ０１／９０７１１
【特許文献３】
ＷＯ９８／５２０６３
【特許文献４】
ＷＯ０１／１３０８１
【特許文献５】
ＷＯ０１／７９８０１
【特許文献６】
ＷＯ９８／５８０３２
【特許文献７】
ＷＯ００／５７１５０
【０００４】
磁気変換装置を用いてディスクの半径方向に伝搬するトルクを測定する方法はさまざまである。磁気変換装置はディスク内に磁気変換素子を備え、伝搬するトルクに応じて磁界やトルク依存の磁界成分を発生させる。非接触検知デバイスは、特に一定程度回転するディスクの磁界を検知する。
特許文献１に記載されているのは、ディスクの磁化変換素子である。このディスクは中央軸に設置されており、トルクは中央軸とディスクの外周との間で伝搬する。大歯車や鎖歯車がその例である。トルクは軸から外周へ、あるいは逆に外周から軸へ伝搬する。
【０００５】
変換素子は、軸廻りに保存または追加された環状磁化区域である。この環状磁化区域は２つの同心円状の磁界を備え、２つの磁界の間では、磁化の性質によってトルク依存の磁界または磁界成分が発生する。また、磁化を保存した環状区域の一部を利用して磁界成分を提供することも可能である。特許文献１に記載の変換素子の場合は、磁化の発生源を保存した磁区を生み出す。磁化の発生源は磁化の後で除かれ、トルク測定には関係しない。
【０００６】
特許文献２に記載されているのは、継続的に回転するディスクのためのディスク変換装置である。この変換装置においては、磁化の発生源（例えば永久磁石など）をディスクに近接して設置し、ディスクの回転毎に新たに磁化を行う。こうした装置を用いる場合には、ディスクを事前に磁化しなくてもよい。ディスクが回転を開始すると磁化が始まる。検知デバイスは、磁化の発生源に付随して回転方向に配置される。
【０００７】
特許文献２には、スポーク付きディスクの再磁化技術も記載されている。この技術では、中央のハブ部材と外側の環状区域との間でトルクを伝搬する。環状区域は開放部を有する構造、すなわち回転方向に相対的に幅のあるスポークなどによって中央のハブに取り付けられている。このディスクは具体的には自転車の鎖歯車である。自転車のこぎ手がパルス状のトルクを発生させる。
特許文献２の実施例では、磁化の発生源はディスクのスポーク領域と近接している。また、磁化は完全な環状区域ではなく弓形区域を形成する。磁気検知デバイスは、鎖歯車が回転するとパルス状の出力を発生する。
【０００８】
鎖歯車の例においては、スポークが回転して検知デバイスを通過すると単極性のパルスが形成される。これは、単一直流パルスに等しい。直流パルスは検知回路が出力する信号の形である。したがって、検知された磁性パルス領域は直流磁界であると考えてよい。また、多くの場合、特定のスポークで測定するのは最高トルクである。これは、自転車のペダルをこいで鎖歯車を回転させることによってもたらされる。
磁界の検知には、飽和磁気コア誘導子検知デバイス、ホール効果装置、磁気抵抗装置などの検知デバイスを用いることができる。本発明では、特許文献３に記載の飽和磁気コア誘導子回路を使用する。１つの回路には、加算的あるいは減算的な方法で２つの検知デバイスを接続できる。本明細書および添付図面では、磁界検知デバイスをＭＦＳと略称する。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
ディスク、中でも薄型のディスクにおける磁気トルク検知にまつわる問題として挙げられるのは、磁気的に活性のディスクの表面がゆがめられたり、トルクの影響やその他の理由でディスクがゆがんだり、ディスクの表面が厳密なラジアル平面に設置されていなかったりするという点である。ディスクのゆがみは、例えば熱処理の際の機械的な変形に起因し、ディスクが回転する際に検知デバイスからのトルク出力信号に変調をきたす。ディスクは、固定的な検知デバイスに対してある程度の遊びがあるように、すなわち軸が可動であるように設置される。
【００１０】
ディスクに変換素子を形成するための磁化に先立って、脱磁あるいはディスクや関連部材の磁気による洗浄から起こる問題もある。特許文献１に記載のように、均一な測定を行うためには、事前の磁化が重要である。ディスクが大きくなると脱磁設備も大きくなるため、ディスクは大きな磁性圧力に耐えられなければならない。
さらに別の問題として挙げられるのは、ディスクのいわゆるトルク入力点とトルク出力点との間でトルクの分配が均一ではないということである。ソリッドディスクであっても、非常に薄型のディスクの場合は、トルク圧力は検知領域の３６０度すべてに均等には分配されない。そのため、トルク伝搬経路の設計と、ディスクが回転する際の信号の安定性に重要な役割を果たす検知デバイスの配置とについて再検討する必要がある。
【００１１】
問題は他にもある。検知された磁界は機械的なトルク圧力に依存する。ディスクの直径が大きくなると、トルク圧力は小さくなる。その結果出力信号が小さくなり、信号対雑音比（ＳＮＲ）が低下してしまう。
こうした問題の１つを解決しようとすると、別の１つが拡大してしまう。したがって、これらの問題を解決するべく、トルクの測定に幅広く用いることができる新しい磁化技術が開発されてきた。
【００１２】
本発明が提供するのは、パルス変調磁化（ＰＭＭ）と呼ばれる概念に基づいた新しい技術である。ＰＭＭはパルス変調されたトルク表示信号を発する。ＰＭＭは単極形式で適用されてもよいし、または交互極性の双極パルスとして適用されてもよい。ＰＭＭからトルク依存の磁界成分を検知すると、交流（Ａ．Ｃ．）形式の信号出力が発生する。こうしたことから、保存された磁界との関連においては、「交流（Ａ．Ｃ．）」とは交互極性の磁界または交流信号出力の発生を表すものとする。ＰＭＭ技術は、特許文献４および５に記載の軸におけるトルク測定にも適用することが可能である。以下に、前述のディスク構造に関連して本発明およびその実施例を詳述する。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
ＰＭＭを用いて本発明の実施例を説明する。ＰＭＭにおいては、ディスクの軸廻りの磁化は半径方向である。こうした磁化に関する検知技術は、磁化が半径方向磁化の単一の環状区域である場合にも適用できる。
本発明は、半径方向にトルクが伝搬可能なディスクと、磁化された変換領域とを含み、変換領域が、伝搬されたトルクに応じてトルク依存の磁界を発生させる少なくとも１つのトルク軸廻りの環状区域であって、角度方向にオフセットした複数のセグメントに磁化されている磁気トルク検知素子を提供する。
【００１４】
また、本発明は、トルク軸方向にトルク軸廻りのトルクを伝搬させる部材と、この部材内のトルク軸廻りに延在する軸方向に磁化した区域を有する変換領域と、軸方向に延在し角度方向にオフセットした磁化セグメントを画成する手段とからなる磁気トルク検知素子を提供する。
【００１５】
本発明によるトルク検知素子は、変換素子により発生させられたトルク依存の磁界に応じる少なくとも１つの磁界検知デバイスを備えた変換装置に内蔵されていてもよい。
本発明はさらに、トルク検知半径方向磁化を検知する検知デバイスに関する。そのため、本発明は、磁気トルク検知素子を含む変換装置も提供する。この磁気トルク検知素子は、トルクをトルク軸に対し半径方向に伝搬可能なディスクと、少なくとも１つの半径方向に磁化されたトルク軸廻りの環状の弓形区域と、この弓形区域によって発生させられたトルク依存の磁界を検知する２つの検知デバイスとからなり、（ａ）各検知デバイスは、検知した局所磁界に対してある角度をなす応答軸を有する、および／または（ｂ）各検知デバイスは、検知した局所磁界に対して互いにある角度をなす応答方向を有する。
【００１６】
本発明のこれらの特徴は、前述のＰＭＭ技術や、継続的に磁化された環状区域または環状の弓形区域を用いて実施することができる。継続的な磁化とは、空間的に継続的であることを意味している。例えば、任意の極性の単一半径方向磁化を有する環状区域またはその一部がこれにあたる。
本発明の特徴は、特許請求の範囲に記す。
本発明とその実施例は添付図面を参照して以下に詳述する。
【発明の効果】
【００１７】
本発明が提供する技術は、半径磁化の間隔のあいていない環状区域におけるトルク検知にも適用できる。この技術はＰＭＭに限られない。ＰＭＭとともに適用される場合には、環状区域廻りのＭＦＳ  Ｌ１およびＬ２の間隔は、セグメント間隔（角度周期）を考慮して選択しなければならない。Ｌ１とＬ２とが同一のセグメントまたは同じ極性のセグメントに位置している場合には、Ｌ１とＬ２とが反対極性のセグメントに位置している場合とは異なる相互接続が必要となる。ここでもＬ１とＬ２とはそれぞれ単一のセグメントあるいはそれ以下に分解する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
図１にトルク伝搬システムを示す。このトルク伝搬システムにおいては、軸４に設置した大歯車２が、入力トルクＴｉｎによって軸廻りで回転する。大歯車２は、軸８に設置した歯車６とかみ合う（簡略化のため歯は図示しない）。負荷（図示せず）が軸８に伝わり、出力トルクＴｏｕｔが伝搬する。大歯車２はディスク構造を有する。
半径方向の矢印１０は、軸４から伝搬したトルクの入力点と、２つの歯車がかみ合うトルク出力点との間でのトルクの方向を示す。大歯車２のトルク圧力は半径方向で外周に向かって小さくなる。圧力は外周よりもディスクの中央の方がはるかに強い。これを矢印の大きさで表す。トルクは反対方向に伝搬してもよい。
【００１９】
本発明は、大歯車２におけるトルクの測定を目的としている。この目的を達するために、大歯車２は本発明によるパルス変調磁化（ＰＭＭ）を備える。図２に示すのは、円形ディスク２０の表面である。大歯車２と同様、ディスク２０は中央の軸Ａ廻りで回転する。また、トルクはディスク中央のハブ２２と外周２４との間で伝搬する。軸Ａ廻りには２つの環状区域２６および２８があり、以下に説明する方法で磁化される。後述する磁化可能な物質を用いて、磁化不可能な物質を磁化することもできる。トルク依存の磁界を発生させるトルク検知磁化は、しばしば符号化と同一視される。
【００２０】
間隔をあけた磁化セグメント３０および３２は、環状区域２６および２８に適用するのと同じ方法で磁化される。セグメント同士の間には、磁化はわずかにしか存在しないか、または全く存在しない。セグメントは軸Ａの廻りに、具体的には角度方向に一定の間隔をあけて設置されており、一定の回転速度で定期的に出力信号を発する。
環状区域２６および２８に近接して、しかし接触はしないように磁界検知デバイス（ＭＦＳ）Ｌ１およびＬ２を設置した場合、検知デバイスはパルス状の磁界に影響を受け、ディスク２０の回転に合わせてパルス状の出力を行う。セグメント同士の間隔は検知デバイスＬ１およびＬ２の大きさに関係する。各検知デバイスは各磁気セグメントを変化させ、セグメントが検知デバイスを通過するのに伴ってパルス状の出力を行う。
【００２１】
図２において、内側の環状区域２６はトルクの検知に用いられる。外側の環状区域２８は無くてもよいが、ＭＦＳ  Ｌ１からの信号を処理し、正確なトルク表示信号を発するには都合がよい。ＭＦＳ  Ｌ２は参照信号を発生させるのに用いることができる。参照信号については後述する。図１に示すディスク１０と比較すると、セグメント３０が占める内側の磁気的符号化領域２６は、セグメント３２が占める外側の磁気的符号化領域２８よりも高いトルク圧力に対応する。
【００２２】
図示するように、外側の環状区域２８のセグメント３２は、内側の環状区域２６のセグメント３０からの（角度方向の）セグメントピッチの半分で相殺される。これは絶対的ではなく、セグメント３０および３２は半径方向に設置されてもよい。しかし、オフセットはセグメントの検知の相互干渉を避ける一助となる。環状区域２６と２８とは、半径方向で分離するのが望ましい。セグメントは半径方向に磁化される。
【００２３】
この例においては、セグメント３０およびセグメント３２の有する極性はすべて同一であるが、実際には同一でなくてもよい。代替的には、これらのセグメントはディスクの軸Ａの方向に磁化されてもよい。これは、ディスクが２つの面でそれぞれ反対の極性を持つ場合、あるいは非磁性ディスクのセグメントの各主要面が反対の極性を持つ場合には一般的である。
【００２４】
セグメント３０および３２が形成するのは完全な環状区域でなくともよく、それぞれ複数のセグメントを有する複数の弓形区域であってもよい。例えば、ディスク２０が前述の鎖歯車のようにスポークを備えた開放的な構造である場合には、スポークはＭＦＳを通過する際にパルス列を発生する複数のセグメントを備える。パルス出力は中断されたパルス列となる。ディスク２０が一定範囲の角度でしか動かないのであれば、完全な環状区域よりも環状区域の一部のほうが好適である。
【００２５】
環状の磁気セグメント区域を提供してディスク２０の磁化すなわち符号化を行う方法は多数ある。磁化処理には、永久磁石や電磁石など磁気の発生源が必要である。磁化を行う方法の１つは、ＰＭＭを直接刻み込むようなやり方で磁気の発生源に対してディスクを回転するというものである（一般的に、固定発生源に対してディスクを回転させるほうが容易である）。この方法は、即座にスイッチを入れたり切ったりできる電磁石を用いることにより容易に実施できる。強磁性物質は相対的に硬い磁性物質で、継続的（永久）に磁化され、磁性を保持すなわち蓄積する。磁化された磁界は磁性物質を飽和状態まで磁化するのが望ましい。
【００２６】
環状区域に対する磁気の発生源をパルス化する代わりに、一定の刻み目あるいは隆起を有する環状区域を提供することによって、発生した磁界を変調することも可能である。刻み目はディスク２０を貫通する穴であってもよい。発生した磁界は、こうした刻み目や隆起などが提供するセグメント同士の間ではゼロであってはならない。
【００２７】
図３にはさらに別の方法を示す。ここではディスク４０が片面に磁化セグメント４２を備えている。明瞭化のために、弓形区域４４のみを図示する。この技術は、アルミニウムやプラスチックなどの磁化不可能なディスクに用いられる。
例えば、ニッケルやニッケル合金などの磁化可能な物質を、真空蒸着やメッキによってディスク表面に取り付けることが可能である。ニッケルは亜鉛メッキでアルミニウムに焼き付けることができるが、アルミニウムの表面は先に酸化物で洗浄しておかなければならない。選択的に真空蒸着やメッキによって取り付けるか、またはその後に選択エッチングを行ってもよい。また、ホイルや磁性物質のセグメントを先に成形し、ディスク表面に接着するという代替的な方法もある。これは、セグメントの１例として図３の４６に示す。
【００２８】
以上説明した磁化は単極で行われる。これは直流磁化として前述した。双極磁化は以下のように行われる。
図２の２つの環状区域２６および２８の使用について考える。検知デバイスＬ１を有するセグメント３０と検知デバイスＬ２を有するセグメント３２とはそれぞれ変換装置を形成している。これらの変換装置は適切な検知回路に接続されている。環状区域２６はトルク表示信号を発する（後述する）。一方、環状区域２８のトルク感度が低いセグメントは参照信号を発する。
【００２９】
図４に示すのは、トルク表示出力信号を発する回路の一形態である。この出力信号は、飽和磁気コア誘導子型の検知デバイスＬ１およびＬ２が発する各信号から得られる。検知デバイスＬ１およびＬ２は、それぞれ複数のＭＦＳを備えていてもよい。ＭＦＳは共有の検知回路と接続している。図４においては、Ｌ１およびＬ２の飽和磁気コア誘導子をそれぞれ６０および６２で示す。各誘導子は特許文献６に記載の回路と同様の回路に接続され、信号Ｖ１およびＶ２を発する。
【００３０】
図４に示す回路は、特許文献７に記載の回路に基づいている。検知デバイスＬ１またはＬ２は、例えば２つの飽和磁気コア誘導子を備えていてもよい。これらの飽和磁気コア誘導子は直列で設置および接続され、トルク依存の磁界に関しては付加的に協働するが、地球磁場などのコモンモード領域に関しては対立する。環状区域のまわりには、平均を取るために複数のＭＦＳを配置してもよい。
【００３１】
図４には、検知デバイスＬ１およびＬ２が発した信号の処理を行うためのアナログ処理回路４０を示す。ここでは、検知装置Ｌ１およびＬ２はそれぞれ検知コイル６０および６２として描かれている。これらは別々のドライバと、制御回路と、バッファアンプとをまとめた回路６４および６６にそれぞれ接続している。回路６４および６６の各バッファアンプは、名目上単一のアンプゲインを調節する手段Ｒ２と、アンプのオフセットを調節する手段Ｒ１とを有する。
【００３２】
検知デバイスの電圧Ｖ１およびＶ２の相対的な極性は、セグメント３０および３２におけるＶ１およびＶ２の方向と、２つの環状区域２６および２８での磁化の方向とによって決まる。図４の回路中の検知デバイスＬ１およびＬ２は、同方向の電圧Ｖ１およびＶ２と、地球磁場または他の外部磁場に起因する同方向の任意の信号とを有する。このように、Ｖ１およびＶ２は、検知されたトルク依存の磁束と外部からの任意の不要な磁束との合力である。
【００３３】
検知デバイス信号処理回路の１つ、例えばＬ２においては、入力信号が変換され、各バッファアンプはさらに処理を行うための出力信号Ｖ１および−Ｖ２を発する。回路４０は、主信号経路７０と自動ゲイン制御（ＡＧＣ）ループ８０とを備える。回路４０は信号Ｖ１とＶ２とを結合するように設計されており、出力電圧Ｖ０を発する。Ｖ０は次式から求められる。
Ｖ０＝Ｖ１−Ｖ２
【００３４】
主信号経路７０では、電圧Ｖ１および−Ｖ２は等しい（単一）ゲインの加算アンプ７２および７４の入力にそれぞれ印加される。各アンプは信号を受信する第２入力を有する。信号の起源については後述する。アンプ７２および７４の出力は出力加算アンプ７６に印加され、出力Ｖ０を提供する。アンプ７６はゲイン制御されたアンプで、ＡＧＣループ８０からゲイン制御信号を受信するための入力７８を有する。
【００３５】
ＡＧＣループ８０は、差動アンプ８２を含む。電圧Ｖ１および−Ｖ２はアンプ８２に印加され、その結果参照信号（Ｖ１＋Ｖ２）が得られる。参照信号はブロック８４に印加され、初期化手順（後述する）に従って加算アンプ７６のゲインを制御するのに適切なレベルの信号を発する。このフォワードゲイン制御ループの動きを以下に説明する。
差動アンプ８２の出力は８６で２つに分割される。この出力のうち１つはアンプ７２の第２入力に直接移動し、別の１つは変換器８８を経由してアンプ７４の第２入力に移動した後、再び主信号経路７０に入る。
【００３６】
回路４０の動作は以下のとおりである。
アンプ７２の２つの入力に印加される信号は、Ｖ１と、ＡＧＣループ８０でＶ１とＶ２とを加算して得られた第２信号とである。アンプ７４の２つの入力に印加される信号は、−Ｖ２と、アンプ７２に印加されたものと同じ第２信号であるが、変換されている。アンプ７２および７４からアンプ７６の入力に印加された信号はゲイン制御を前提として加算され、出力
Ｖ０＝ｋ（Ｖ１−Ｖ２）
を提供する。ｋはゲイン係数である。
【００３７】
地球磁場などからの信号成分はＶ１およびＶ２と同じ方向であるため、検知デバイス６０および６２は、これらの信号成分と最終出力とを相殺するよう配置してある。したがって、ここで得られる解は０である。
前述の補償技術はソフトウェアに実装されてもよい。例えば、検知出力信号Ｖ１およびＶ２はデジタル化してもよい。また、ＡＧＣ処理を含む信号処理回路４０の機能は、ソフトウェアルーチンを用いて、デジタル化した信号に実装してもよい。
前述の回路は、直流信号Ｖ１およびＶ２の回路として特許文献７に記載されている。Ｖ１およびＶ２がパルス状の信号である場合、補整、積算あるいは平均技術を用いて回路をアナログ方式またはデジタル方式に適応させなければならない。
【００３８】
図２のディスクの変換領域においても、外側の環状区域２８からのトルク依存の信号レベルは内側の環状区域２６からのそれよりも小さい。ＭＦＳ  Ｌ１からの信号は主要トルク信号である。しかし、このトルク信号はさまざまな要因の影響を受ける。要因とは例えば、ゆがみ、検知デバイスとディスク表面との間における軸方向の間隔の変化、あるいは磁化の強度の低下などである。外側の環状デバイスが提供する参照信号も同様の要因に影響を受ける。所望のトルク出力信号を得るには、これらの要因に対抗しなければならない。
【００３９】
パルス変調磁化の概念は、軸様の部品における縦方向の環状区域磁化、すなわち軸方向の磁化にも適用できる。特に、軸および表面においては、表面に隣接した環状の磁化区域が生み出され、発生した磁界を軸廻りの角度に応じて修正する方法で処理される。縦方向の磁化の形式は、特許文献４および５に記載されている。
前述の実施例において、ＰＭＭはディスクまたは軸に取り付けることによって実施された。ここでは当然、ディスクまたは軸のトルクがその取り付け方法におけるトルクに正確に反映されているということを裏付ける必要がある。
【００４０】
次に、一定周期で極性を交代する双極磁化を備えた環状の変換領域の符号化に着目する。この一例として図５に示すのは、円形の、磁気的に符号化された環状変換領域９０である。変換領域９０は、ディスク（図示せず）とともに軸Ａ廻りで回転可能である。前述したように、ディスクはディスクを通じて半径方向に伝搬されるトルクを有し、領域９０で半径方向のトルク圧力を生み出す。
領域９０は軸Ａ廻りに半径方向の極性のセグメント９２を備え、セグメント９２は反対方向の極性のセグメント９４と交互に入れ替わる。こうした交互極性のセグメントは、電磁石の切り替えによって創出できる。円９６および９８の位置に設置されたＭＦＳは、１つのセグメントにしか対応しない。変換領域９０の磁化は概略的に示してある。
【００４１】
領域９０が軸Ａ廻りで回転するとき、９６または９８に位置する検知デバイスは正確な交流出力信号を発する。反対極性のセグメントに対応する検知デバイスを用いることにより、これらの検知デバイスは、トルク依存の領域成分は加算するが、地球磁場などの外部領域の直流成分は相殺されるように接続および設置される。前述のとおり、特許文献３に記載されているような回路においては、２つの飽和磁気コア誘導子検知デバイスは同一の検知回路に直列に接続することができる。
【００４２】
図５の環状区域９０は、反対極性の隣接するセグメントとともに軸廻りで（空間的に）継続的に磁化される。図２に示すように、セグメントは互いに分離した別々の構成要素として提供される。変換領域９０もセグメントの外側の環状区域（単極性または双極性）によって補足され、前述の基準を提供する。
次に、飽和磁気コア誘導子すなわちコイルと関連して、ＭＦＳの別の動作を説明する。コイルは総括的に記号Ｌで表す。図５から明らかなように、環状磁化領域の支援ディスク構造は示していない。
【００４３】
図６を参照して、検知デバイスコイルまたは半径方向の磁化領域に関係するコイルの設置を説明する。図を簡略化するために、検知コイルＬに影響を及ぼす弓形セグメント１００を直線的に示すとともに、半径方向に保存された磁界を平行な矢印１０２で表す。弓形セグメントの回転は、軸Ｂ−Ｂに沿った磁化の動き１０２になる。セグメント１００は、例えば図５に示すセグメント９２または９４であってもよい。なお、以下は図５に示す双極磁化符号化の例である。
【００４４】
図６に、縦軸方向すなわち軸Ｂ−Ｂに平行になるよう半径領域に設置したＭＦＳ  Ｌを示す。ＭＦＳの分離度は、検知されるセグメントの幅よりも小さいか、少なくともその幅より大きくない。セグメント上のトルクは、トルク圧力およびその結果起こるゆがみの規模に応じて、半径方向からの磁気ベクトルの向きをある程度相殺するという効果をもつ。図１４ａ乃至図１４ｃおよび図１５に示すのは、トルクによって屈折した領域の概略図である。
【００４５】
すなわち、磁気ベクトルは、ある角度においてはある方向に屈折し、別の角度においては印加されたトルクの極性（時計回りか反時計回りか）に応じて屈折する。以下の説明においては、２方向のトルクを陰性トルクおよび陽性トルクと称す。
検知される磁界に対する検知デバイスの３つの方向について説明する。３つの方向とは、垂直方向（図６）、角度方向（図８）および整列すなわち１列に並んだ方向（図１０）である。飽和磁気コア誘導子型の検知デバイスは、コイルの軸に沿って最高検知感度の軸を有するが、その軸に対して垂直な面では検知感度はゼロである。図６、８および１０では、領域１００の矢印１０２で表される磁界が（図５の弓形区域の軸に対して垂直な半径領域ではなく）直線の軸Ｂ−Ｂに対する垂線として示され、コイル検知デバイスＬに対し軸Ｂ−Ｂの方向に動いている。これは図５における軸Ａ廻りの変換領域９０の回転に等しい。
【００４６】
図７ａ乃至図７ｃに示すのは、３つのトルク状態に対するトルクを表す信号出力ＶＴである。図７ａはゼロトルク状態に、図７ｂおよび図７ｃは別々の太い矢印（＋Ｔおよび−Ｔ）で示した陽性トルクおよび陰性トルクにそれぞれ関する。さらに、図７ｂおよび図７ｃの波形の軸（角度および時間）が太い矢印の方向にある場合には、トルクの増加値にも関する。
【００４７】
図６を参照すると、トルクが無い場合に磁界がＭＦＳを通過して軸Ｂ−Ｂの方向に移動するとき、ＭＦＳ  Ｌは力線１０２に対して垂直である。図７ａのゼロ値線１０４から明らかなように、検知デバイスからの出力は図示していない。ＭＦＳ  Ｌが図５の領域９０の反対極性のセグメントを検知するとき、出力はゼロのままである。
トルクの効果で磁界が垂直から軸Ｂ−Ｂへ屈折すると、出力信号ＶＴが発生する。この信号は、図５に示すような双極性磁界の場合、双極すなわち交流出力信号となる。図７ｂおよび図７ｃにこれを示す。
【００４８】
図７ｂおよび図７ｃは、増加トルクとして増加する信号ＶＴが領域１００で陽性方向および陰性方向にそれぞれ印加されることを表している。実際、印加されたトルクが変化する場合には、任意の特定のトルクレベルで実質的に同じ振幅の出力信号ＶＴが何サイクルか存在すると考えられる。
出力信号ＶＴはシヌソイド状ではなくパルス状（単極パルスまたは双極パルス）であってもよい。再び図５を参照すると、２つの検知コイルを用いてそれぞれ損失角１８０度の出力信号を発する反対極性のセグメントから磁界を検知する場合、２つの検知デバイスを逆方向に接続して各交流磁界成分を加算することができる。特許文献３に記載されているような信号処理回路であれば、２つのデバイスを１つの回路に接続することが可能である。
【００４９】
図５の領域９０における２つのデバイスの配置によっては、逆向き接続は所望の交流領域の追加（加算）接続を提供するだけではなく、共有の外部の直流領域成分を相殺することもできる。例えば地球磁場は、検知デバイスが外部領域成分と協調する程度まで出力信号から削除される。
【００５０】
図８は図６に類似しているが、図８に示すのは、一定の角度（例えば４５度）で磁界１０２に、したがって図５の領域９０の半径領域に設置した検知デバイスＬである。このため、図５の変換領域９０がゼロトルクで回転するとき、図９ａの出力信号ＶＴに見られるように、検知デバイスＬはゼロトルク成分を検知する。
陽性トルクを持続的に印加するとトルク依存の出力信号の振幅は増大する。図９ｂにこれを示す。陽性トルクは磁界矢印を屈折させるとともに、検知デバイス軸と一致させる。逆に、陰性トルクを持続的に印加するとトルク依存の出力信号の振幅は小さくなる。これを図９ｃに示す。陰性トルクは、磁界矢印１０２を検知デバイス軸にほぼ垂直にする。
【００５１】
図１０に、検知デバイス軸と図１１ａに示す最大出力のゼロトルク領域とが一致している場合を示す。図１１ｂおよび図１１ｃは、陽性トルクと陰性トルクとをそれぞれ減少させるためのトルク依存の出力を表す。
図６乃至図１１ｃにおけるトルク検知の１つの特徴は、トルク依存の出力ＶＴの振幅は、図５の領域９０の回転速度や図２の変換装置とは無関係であるということである。一定のトルクに対して、および電子機器の周波数特性に従い、回転速度が低下するにつれて持続的な振幅出力信号が得られる。また、パルスすなわち交流信号出力周波数も同様に低下し、速度および周波数がゼロとなる。
後者は、固定トルク、固定軸または固定トルクに支配される部品におけるトルクの検知である。実際の測定可能なパルスレートは電子機器の反応に左右される。飽和磁気コア検知デバイスは高い応答速度で作動でき、０乃至４０ｋｒｐｍの回転速度での検知が予期される。
【００５２】
本発明のＰＭＭ技術を用いた信号処理に話を戻す。図１２は簡略化した検知および処理回路１１０である。ＭＦＳ誘導子Ｌは特許文献３に記載のものと同様の回路１１２に接続しており、この回路が交流出力１１４を生み出す。交流出力１１４はパルスであってもよいし、正弦波ではない他の周期的な波形であってもよい。出力１１４は、漏れ磁界のために直流成分を含んでもよい。そうでなければ相殺されるか、他のゆっくりとしたパルスを含んでもよい。このパルスに所望の信号が重ね合わされる。
【００５３】
信号１１４はハイパスフィルタ（ＨＰＦ）１０６に印加され、ＨＰＦは直流成分と低周波変動とを取り除く。ＨＰＦはＣＲ回路に代表される。信号はシュミットトリガ１１８や整形回路に印加され、パルス１２０のように波形を鋭くする。この波形を一定の回転速度とみなす。あるいは、累積的に一定の角度とみなす。信号１１４は検知デバイス／積算器１２２にも印加される、この検知デバイス／積算器１２２は、必要があれば双極交流信号を調整し、適切な時間定数を用いて結果を積算し、トルク表示出力信号ＶＴを得る。
【００５４】
ＨＰＦ１０６の特性は、ディスクの回転毎の磁性信号パルスの数と、最小ｒｐｍと最大ｒｐｍとの間で予測されるディスクの回転速度と、予測される障害の変化の度合いすなわち強い磁界の変化の度合いとに関係する。最小ｒｐｍが６０の場合（例えばディスクが１秒に１回転する場合）、環状変換領域は、ＨＰＦ設計の直線的な少なくとも４０のセグメント、すなわち４０組の双極性のセグメントを有しているのが好ましい。
【００５５】
最小ｒｐｍが６００の場合には、セグメントの数は減少する。ただし、回転の最高速度には注意する必要がある。回転の最高速度は電子機器の高周波数応答に影響する。６０００ｒｐｍのディスクで４０組の双極性セグメントを有する場合には、２ｋＨｚの出力信号が発生する。電子機器はこれを処理できなければならない。
【００５６】
磁化セグメントの環状区域が中心から離れるにつれて信号出力は小さくなることは既に述べた。これは、間隔のあいていない環状区域にも等しく当てはまる。こうした特性を図１３ａおよび図１３ｂに示す。図１３ａに示すのは、厚さ２ｍｍのディスク１２０である。ディスク１２０は単一の環状区域である変換領域１２２を有する。変換領域１２２は、間隔のあいていない環状区域として半径方向に磁化され、半径ＴＲＲ（変換領域半径）に配置される。ＴＲＲはディスクの中心Ａから変換領域の中心までの半径である。
【００５７】
図１３ｂに示すのは、フルスケール（ＦＳ）でＴＲＲの機能として参照される最大トルクでの出力信号の振幅を表す曲線１２４と、雑音対信号比（ＮＳＲ）の曲線１２６である。ＮＳＲは従来のＳＮＲと対照をなすものである。ＴＲＲが増大するにつれ、ＮＳＲは使用不能なレベルにまで上昇する。
ここまで、トルク測定に影響を及ぼすゆがみや軸の動きといった要因の補償について、間隔をあけたセグメントからなる２つの同心円を有する変換領域を例として説明してきた。内側の環状区域は主要トルク測定信号を発するのに用いるのが好ましく、外側の環状区域は参照信号を提供するのに用いるのが適当である。前述したように、補償の効果が無い場合には、環状区域は単一でもよい。
【００５８】
次に、図１３ａの領域１２２のような変換領域を有するトルク変換装置を説明する。この変換装置は、互いにある角度を成す２つの検知デバイスを有する単一の磁化の環状区域を用い、差動信号計測（ＤＳＭ）と称される技術によって互いに出力信号を提供する。
図１４ａ乃至図１４ｃが示すのは、環状変換領域１３０の一部である。変換領域１３０は、矢印１３２が示すように、間隔のあいていない環状区域として半径方向に磁化される。図１４ａの矢印は、ゼロトルクで半径方向に向けられている。図１４ｂおよび図１４ｃの矢印１３２′および１３２′′は、環状区域の軸（図示せず）廻りのトルクの反対方向に屈折している。既に図６、８および１０を参照して説明したのと同様、環状区域とその半径方向の磁化を直線で表す。これらの図は、それぞれ横軸方向（垂直）、角度方向、一列（半径方向）の方向性を持つ検知デバイスＬの設置を示す。
【００５９】
図１５ａが示すのは、ゼロトルクでの環状区域１３０における磁化１３２である。環状区域はここでは直線的に表示してある。矢印１３２に対して角度方向の２つの検知デバイスＬ１およびＬ２があり、各検知デバイスは反対方向に角度付けされている。検知デバイスＬ１およびＬ２は、角度αで半径領域に対して互いに別々の飽和磁気コアの方向軸を有する。ただし、この角度は物理的な角度とは限らない。この点について述べる。
【００６０】
２つの検知デバイスを磁束矢印１３２に対して同じ角度で設置する場合、すなわちα／２の場合、２つの装置を回路内で反対向きに接続するとゼロ出力が得られる。これは特許文献３に記載されているとともに、図中の鎖線接続１３４に示される。この結果は次式のように表せる。
Ｌ１＋Ｌ２＝０
ここで、Ｌ１およびＬ２は２つの誘導子からの信号の分配を表す。
【００６１】
図１５ｂは、矢印１３２′′で表すように、環状区域１３０において、トルクが一方向に磁界矢印を屈折させる状況を示す（図１４ｃ参照）。磁界はＬ２よりもＬ１と協調するため、差動信号はゼロではなく、印加されたトルクを表す値となる。すなわち次式のようになる。
Ｌ１＋Ｌ２＝トルク信号
【００６２】
Ｌ１からの信号とＬ２からの信号とが別々に得られる場合、前述のように、これらは区別して組み合わされるとともに、加算的に組み合わされる。特に、信号の絶対値の合計は、変換器における信号ゲインの尺度、すなわち変換機能に付加されたゲインである。したがって、差分値はゲイン値にしたがって修正できる。既に用いた語で表すならば、次のようになる。
Ａｂｓ（Ｌ１）＋Ａｂｓ（Ｌ２）＝信号ゲイン
【００６３】
図１５ａおよび図１５ｂのように弓形区域を直線表示するとき、角度αは必ずしも検知デバイスＬ１とＬ２との間の実際の物理的角度とはならない。図１６は図１５ａに対応しているが、円形で示してある。検知デバイスＬ１およびＬ２は平行だが、半径領域の局所方向に対して互いに角を形成する。
【図面の簡単な説明】
【００６４】
【図１】本発明を適用可能な歯車のつながりを通じたトルクの伝搬を示す概略図。
【図２】パルス変調磁化（ＰＭＭ）により符号化されたディスクの表面を示す図。
【図３】磁化の一例を示す図。
【図４】ＰＭＭを用いてトルク出力信号を発生する回路を示す図。
【図５】双極磁化によって半径方向に磁化されたセグメントの環状変換領域を示す図。
【図６】半径方向の磁化の直線表示に対して検知デバイスを垂直に設置した図。
【図７】ゼロトルクで検知した信号のレベルと、図６の検知デバイスにおいて変化するトルクのそれぞれ反対方向の方向性を示す図。
【図８】半径方向の磁界に対して検知デバイスを角度方向（斜め）に設置した図。
【図９】ゼロトルクで検知された信号レベルと、図８の検知デバイスにおいて変化するトルクのそれぞれ反対方向の方向性を示す図。
【図１０】半径方向の磁界と検知デバイスとを一直線に配置した図。
【図１１】ゼロトルクで検知された信号レベルと、図１０の検知デバイスにおいて変化するトルクのそれぞれ反対方向の方向性を示す図。
【図１２】トルク、速度および位置出力を得るために双極磁化されたセグメントを検知する検知デバイスの簡略化したブロック図。
【図１３】（ａ）は、変換領域半径（ＴＲＲ）への信号出力の関係を示す概略図、（ｂ）は、トルク出力と、ＴＲＲに対する雑音対信号比との関係を示す図。
【図１４】ゼロトルクおよび反対方向のトルクの下での半径方向の磁化変換領域を示す曲線形の図。
【図１５】（ａ）は、半径方向の磁界に対する角度方向の２つの検知デバイスを示し、弓形の変換領域を直線形で表す図、（ｂ）は、トルク条件下での磁界を用いた検知デバイスの配置の配置の度合いを示し、差動反応の検知デバイスの相互接続を示す図。
【図１６】互いに間隔を空けて平行に設置され、ある角度で局所磁界に対して間隔を空けて平行に設置される２つの検知デバイスを曲線形で示す図。
【図１】
2004537046.tif 000003
【図２】
2004537046.tif 000004
【図３】
2004537046.tif 000005
【図４】
2004537046.tif 000006
【図５】
2004537046.tif 000007
【図６】
2004537046.tif 000008
【図７】
2004537046.tif 000009
【図８】
2004537046.tif 000010
【図９】
2004537046.tif 000011
【図１０】
2004537046.tif 000012
【図１１】
2004537046.tif 000013
【図１２】
2004537046.tif 000014
【図１３】
2004537046.tif 000015
【図１４】
2004537046.tif 000016
【図１５】
2004537046.tif 000017
【図１６】
2004537046.tif 000018
【国際公開パンフレット】
2004537046.tif 000019
2004537046.tif 000020
2004537046.tif 000021
2004537046.tif 000022
2004537046.tif 000023
2004537046.tif 000024
2004537046.tif 000025
2004537046.tif 000026
2004537046.tif 000027
2004537046.tif 000028
2004537046.tif 000029
2004537046.tif 000030
2004537046.tif 000031
2004537046.tif 000032
2004537046.tif 000033
2004537046.tif 000034
2004537046.tif 000035
2004537046.tif 000036
2004537046.tif 000037
2004537046.tif 000038
2004537046.tif 000039
2004537046.tif 000040
2004537046.tif 000041
2004537046.tif 000042
2004537046.tif 000043
2004537046.tif 000044
2004537046.tif 000045
2004537046.tif 000046
2004537046.tif 000047
2004537046.tif 000048
2004537046.tif 000049
2004537046.tif 000050
2004537046.tif 000051
【国際調査報告】
2004537046.tif 000052
2004537046.tif 000053