(57)【要約】【課題】トルク・センサー用の改良型磁力計を提供する。【解決手段】磁力計はトルク・トランスジューサの軸部に沿って発生する別々の磁界を検知するための第１及び第２コイルを有する。第１及び第２コイルは互いに独立に調整可能な回路によって駆動される。第１及び第２コイルのそれぞれに配分される利得を調整するため、それぞれの回路を独立に調整できる。これにより第１及び第２コイルの発生磁界を調整し、正確に整合させて外部磁界を排除して精度を高め、ヒステリシスの影響を軽減することができる。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁力計組立体において、
共通軸を中心に配置された第１磁力計コイルと；
共通軸を中心に配置され、第１磁力計コイルから軸方向に間隔を保つ第２磁力計コイルと；
第１内側コイルおよび第１外側コイルを駆動する第１回路と第２内側コイルおよび第２外側コイルを駆動する第２回路とを含む磁力計回路から成ることを特徴とする磁力計組立体。
【請求項２】
第１磁力計コイルが第１内側コイルと同心関係に配置された第１外側コイルおよび共通軸と平行に第１内側コイルと第１外側コイルの間に配置された複数の第１磁気可飽素子を含み、第２磁力計コイルが第２内側コイルと同心関係に配置された第２外側コイルおよび共通軸と平行に第２内側コイルと第２外側コイルの間に配置された複数の第２磁気可飽素子を含む請求項１に記載の組立体。
【請求項３】
第１内側コイルおよび第２内側コイルが第１方向の磁界を発生させ、第１外側コイルおよび第２外側コイルが第１方向とは反対の第２方向の磁界を発生させる請求項２に記載の組立体。
【請求項４】
第１内側コイル、第１外側コイル、第２内側コイルおよび第２外側コイルが巻着されるボビンを含み、ボビンが第１内側および外側コイルを第２内側および外側コイルから分離させる明確な軸方向部分を含む請求項２に記載の組立体。
【請求項５】
複数の第１および第２磁気可飽素子が断面積に比較して極めて長いワイヤから成る請求項２に記載の組立体。
【請求項６】
第１および第２内側コイルと第１および第２外側コイルが同軸関係に磁気弾性部材の帯磁域を囲む請求項２に記載の組立体。
【請求項７】
第２内側コイルおよび第２外側コイルを駆動する第２回路とは独立に、第１回路が第１内側コイルおよび第１外側コイルを駆動する請求項２に記載の組立体。
【請求項８】
第１および第２回路のそれぞれが独立に調整可能なゲインを含む請求項７に記載の組立体。
【請求項９】
第１回路のゲインを第２回路のゲインとは独立に調整することによってコモンモード信号を排除できる請求項８に記載の組立体。
【請求項１０】
トルク・センサー組立体において、
共通軸を中心に配置された磁気弾性部材を含む力担持素子と；
第１内側コイルおよび共通軸を中心に且つ第１内側コイルから軸方向に間隔を保つように配置された第２内側コイルと、第１内側コイルの外側に同心関係に配置された第１外側コイルおよび第２内側コイルの外側に同心関係に配置された第２外側コイルと、共通軸と平行に第１内側コイルと第１外側コイルの間に配置された複数の第１磁気可飽素子と、共通軸と平行に第２内側コイルと第２外側コイルの間に配置された複数の第２磁気可飽素子を含むコイル組立体と；
第１内側コイルおよび第２内側コイルを駆動する第１回路と、第２内側コイルおよび第２外側コイルを駆動する第２回路から成るトルク・センサー組立体。
【請求項１１】
第１回路が第１内側および外側コイルを励磁して第１磁界を発生させることにより複数の第１磁気可飽素子を磁気飽和させ、第２回路が第２内側および外側コイルを励磁して第２磁界を発生させることにより複数の第２磁気可飽素子を磁気飽和させる請求項１０に記載の組立体。
【請求項１２】
第１内側コイルが第１外側コイルによって発生させられる磁界とほぼ同じく且つ方向が反対の磁界を発生させ、第２内側コイルが第２外側コイルによって発生させられる磁界とほぼ同じく且つ方向が反対の磁界を発生させる請求項１１に記載の組立体。
【請求項１３】
第１回路および第２回路のそれぞれが外部磁界による干渉を補償するため独立に調整可能なゲインを含む請求項１２に記載の組立体。
【請求項１４】
第１回路と第２回路が直交位相関係で駆動される請求項１３に記載の組立体。
【請求項１５】
トルク・センサーでトルクを感知する方法において、
ａ）力が加えられるのに呼応して磁気弾性部材で第１磁界を発生させ；
ｂ）磁気弾性部材の周りにこれと同心関係に配置された第１コイル組立体に第１交流を給電することによって複数の第１磁気可飽素子を磁気飽和させ；
ｃ）磁気弾性部材の周りにこれと同心関係に且つ第１コイル組立体から軸方向に間隔を保つように配置された第２コイル組立体に第２交流を給電する複数の第２磁気可飽素子を磁気飽和させ；ことによって
ｄ）第１回路によって第１コイル組立体内に発生させた磁界の、加えられた力の大きさと方向を示す歪みを検出し；
ｅ）第１回路とは独立の第２回路によって第２コイル組立体内に発生させた磁界の、加えられた力の大きさと方向を示す歪みを検知するステップから成るトルク感知方法。
【請求項１６】
第１および第２内側コイルと電気的に接続する内側ノードおよび第１および第２外側コイルと電気的に接続する外側ノードにおける電圧を検知し、検知された電圧に基づく大きさおよび方向を判断するステップをも含む請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
内側および外側ノードのそれぞれにおいて検知された波形の大きさおよび方向を示す信号を第１および第２外側コイル巻線に対して返送することによって、磁気弾性部材によって発生させられた第１磁界とは方向が反対の磁界を第１および第２外側コイルによって発生させるステップをも含む請求項１６に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【関連出願相互参照】
【０００１】
本願は２００５年８月１２日付け米国仮出願第６０/７０７，６３５号に基づく優先権を主張する。
【背景技術】
【０００２】
本発明は広義においてトルク・センサー用の磁力計に係わる。より具体的には、本発明はトルクに関連する発散磁界を測定するように相対配置された幾つかのコイルを含む磁力計に係わる。
【０００３】
非接触式の磁気弾性型トルク・センサーはトルクがかかると磁界を発生させてこれに応答するトルク・トランスジューサ素子を含むのが典型である。発生した、または変化したこのような磁界は磁力計によって検知される。トルク・トランスジューサ素子は多くの場合、トルクがかかると対応する磁界を発生させて応答する磁気弾性部材を含む。磁気弾性部材にトルクが作用すると、帯磁域内にせん断応力が発生し、このせん断応力がトルク・トランスジューサによって発生させられた磁界の方向をほぼ円周方向から螺旋方向へと変位させる。磁界の螺旋方向変位は磁界の軸方向成分として検出される。磁界の軸方向成分は作用するトルクに比例し、トルク素子に作用するトルクを正確且つ信頼し得る値を示す。
【０００４】
トルクの作用下に発生する磁界、特に磁界歪みの軸方向成分の感知は磁界センサーを使用することによって達成される。広く使用されている磁界センサーはフラックス・ゲート・センサーであり、磁気可飽材料から成るコアを囲む細いワイヤのコイルとして製造され、これに交流が給電される。交流は磁気素子を周期的に磁気飽和させる。トルク・トランジューサ・シャフトによって発生させられた磁界はコイルによって発生させられた周期磁界に重ねられる。トルク・トランスジューサ・シャフトによる磁界が重なることで、コイルの磁気飽和に非対称性が生ずる。磁気飽和に起因するコイルのインダクタンス変化の結果、コイルに電圧が発生する。トルク・トランスジューサ素子に作用するトルクの大きさと方向を求めるために測定されるのがこの電圧である。
【０００５】
公知の磁界センサーは中央フランジによって隔てられた上下軸部分を有するボビンを含む。上下のコイルは互いに隔離され、交流を給電されて磁界を発生させる。コイルとトルク・トランスジューサ素子の間には磁気可飽片が介在する。これらの磁気可飽片はコイル内に発生する交流によって磁気飽和させられる。磁気可飽片はシャフトおよび回転軸心と平行に配置される。磁気可飽片は極めて急激な磁気可飽性を有する材料から成るから、作用する磁界の僅かな変化にも応答して飽和し、磁界が消失すると忽ち消磁する。
【０００６】
しかし、個々のフラックス・ゲートの製造公差やトルク・トランスジューサおよび磁気弾性部材の磁気的非対称性が、外部磁界、例えば、地球磁界の影響を完全に排除することを不可能にする恐れがある。
【０００７】
従って、外部磁界の影響を正確に排除できるように個々のフラックス・ゲートの感度を個別に調整する装置および方法を設計、開発することが望ましい。
【発明の概要】
【０００８】
本発明の磁力計実施例は第１コイル組立体と、第１コイル組立体と同軸関係に且つ第１コイル組立体から軸方向に間隔を保つように配置された第２コイル組立体とを含む。第１コイルおよび第２コイルは磁力計回路によって駆動され、磁力計回路は第１コイルを駆動する第１回路と、第１回路とは独立に第２コイルを駆動する第２回路とを含む。
【０００９】
第１コイル組立体は内側コイルおよび外側コイルと、両コイル間に介在する複数の第１磁気可飽素子を含む。第２コイル組立体は第２内側コイルおよび第２外側コイルと、これら両コイル間に介在する複数の第２磁気可飽素子を含む。
【００１０】
第１回路および第２回路は互いに独立に駆動され、互いに独立に調整可能なゲインを含む。第１回路および第２回路を互いに独立に調整することによって、地球磁界によって発生させられるようなコモンモード信号または外部磁界の影響を排除する能力をトランスジューサに付与する。第１および第２回路は互いに９０°の間隔を保つそれぞれの第１コイルおよび第２コイルに対する駆動信号を発するように位相調整されている。９０°の間隔は互いに位相がずれている第１コイルおよび第２コイルのそれぞれにリップル電流を発生させる。この位相ずれリップル電流は回路電源におけるリップルを減衰させる。
【００１１】
従って、本発明の磁力計は、製造公差など外部的および内部的不整合に起因する差分を調整して外部磁界による影響を有効に排除するように個別に調整可能なフラックス・ゲートをトルク・トランスジューサの周りに設け、これを駆動する２つの全く同じ回路を提供する。
【００１２】
本発明の上記およびその他の特徴を添付の図面に沿って以下に説明する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
図１および図２に示すように、本発明のトルク・センサー組立体１０は軸線２４を中心とするシャフト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には磁気弾性材料から形成されたリング１６が固定されている。磁気弾性材料はトルク２６が加わるとこれに応答して磁界１８を発生させる。尚、トルク・トランスジューサを図示したが、磁気弾性材料を利用するその他の力センサーによって、加わるトルクに応答して磁界を発生させても、本発明の開示内容から得られる恩恵を受けることができる。
【００１４】
トルク・トランスジューサ１２と同心関係にボビン２８が配置されている。ボビン２８は上方域３０と下方域３２を含む。上方域３０と下方域３２は中央フランジ部材３４を介して軸方向に間隔を保っている。上方域３０および下方域３２のそれぞれはコイル組立体を含む。上方域３０は第１内側コイル４２の周りに配置された第１外側コイル４０から成る第１個いる組立体３１を含む。
【００１５】
第１外側コイル４０と第１内側コイル４２の間には複数の磁気可飽素子４４が配置されている。磁気可飽素子４４は磁気方向に延びる複数の細い磁気可飽材料片、例えば、第１内側コイル４２の周方向に等間隔に配分された複数のワイヤから成る。第１内側コイル４２と第１外側コイル４０は共通のグレードまたはサイズのワイヤから成る同数の巻線を含む。第１内側コイル４２は、第１方向性の磁界を発生させるように第１方向に巻かれている。第一外側コイル４０も同数の巻線を含み、第１内側コイル４２の方向とは反対の方向に巻かれていて、第１内側コイル組立体が発生させる磁界と強さが等しく、但し向きが逆の磁界を発生させる。
【００１６】
第２コイル組立体３３は第１の内側および外側コイル４０、４２から軸方向に間隔を保って配置された第２内側コイル３８および第２外側コイル３６を含む。第２内側および外側コイル組立体３８、３６はまた、強さがほぼ同じく、但し方向が逆の構成を有し、方向が逆の、但し強さが等しい磁界を発生させる。第２の内側および外側コイル３６、３８は複数の第２の等間隔磁気可飽素子４６を含む。尚、この構成は、全く同じ第１および第２コイル組立体がトルク・トランスジューサ１２の第１部分２０および第２部分２２に発生する変化または磁界を検知することを可能にする。
【００１７】
第１の内側および外側コイル４０、４２と第２の内側および外側コイル３６、２８は地球磁界の影響によるコモンモード効果が差引かれるように示差加算された出力を発生させる。磁気可飽素子が発生させる磁界および第１、第２コイル組立体３１、３３が発生させる出力は強さが等しく且つ方向が逆であり、例えば、地球磁界の影響によって生ずるような外部磁界を相殺することが望ましい。
【００１８】
但し、製造公差およびその他の不整合が望ましからぬ非対称磁気飽和の原因となり、これがトルク・トランスジューサ１２にトルクが作用しているとして誤測定され、誤読される恐れがある。従って、トルク・トランスジューサ１２の軸方向上下域３０、３２に均等にトルクが作用し、トルクの作用が存在しない状態において、互いに方向が反対の磁界が外部磁界を相殺するように第１コイル組立体３１と第２コイル組立体３３を互いに独立に調整して両組立体の相対的な不整合を補償するシステムまたは手段を含むことが望ましい。
【００１９】
図２において、第１、第２コイル組立体３１、３２は磁力計回路５０によって駆動される。磁力計回路５０は互いに独立の第１回路５２と第２回路を含む。第１回路５２は第１コイル組立体３１を駆動すると共に第１コイル組立体からの信号を受信し、第２回路５４は第２回路組立体３３と交信し、且つこれを駆動する。
【００２０】
第１回路５２は第１および第２回路５０、５２のための時間軸基準を提供するシュミット・トリガＲＣクロック発振器５１を含む。クロック発振器５１からの周波数はｄ-フリップ-フロップ５６によって分割されて周波数が基準クロック周波数の１/２に相当する１対の補完関係の方形波出力を提供する。ｄ-フリップ-フロップ５６からのこの周波数は入力フリップ-フロップ５８、６０に供給される。入力フリップ-フロップ５８、６０は単一の周波数をさらに分割することにより、これら２つのフリップ-フロップ５８、６０から直角位相出力を発生する。補完関係にある方形波出力はＭＯＳＦＥＴＳ６２，６４を駆動するのに利用される。ＭＯＳＦＥＴＳ６２、６４は第１コイル組立体３０を駆動する低インピーダンス補完電圧方形波を提供する。
【００２１】
端子６６、６８、７０、７２は第１コイル組立体３１を構成する巻線の起点に相当する。複数の磁気可飽部材４４を流れる電流をモニターするため、端子７０、７２と直列に抵抗器７４、７７を配置する。大容量のコンデンサ７８が外側および内側コイル４０、４２それぞれの両端子６６、６８を接続することにより、励起電圧交流のための低インピーダンス・パスを提供する。
【００２２】
内側コイル４０および外側コイル４２は、交流励起の結果として発生する磁界が複数の磁気可飽部材４４に集中するような極性を有する。その結果、正負の電流が供給されるのに呼応して周期的な磁気飽和が起こる。磁気可飽部材４４が飽和すると、インダクタンスが変化し、これがインピーダンスに影響する。磁気可飽部材４４の飽和はインダクターおよびセンス抵抗器７４の共通ノードにおける電圧を歪ませる結果をももたらす。
【００２３】
磁気可飽部材４４に存在する磁界はコイル組立体３１が発生させる交番磁界に重なる。その結果、励起波形の正負それぞれ半サイクルにおける磁気可飽部材の飽和持続時間が互いに非対称になる。抵抗器７４における標準波形は励起波形の全く奇数調波のみから成るが、非ゼロ磁界に起因する非対称飽和はその結果として偶数調波を存在させることになる。この偶数調波は励起周波数の２倍の周波数で動作するスイッチング復調器を使用することによって検出される。復調器の出力はサンプルとしての抵抗器電圧の偶数調波含有量に比例するＤＣ項を含んでいる。この出力は演算増幅器８６によって積分され、第２の演算増幅器８８によって所要のゲインにまでバッファされる。
【００２４】
２つの演算増幅器８６、８８は２．５ボルトを中心とする互いに補完的な出力を有する。これらの出力は限流抵抗器７５、７６を介して両端子６６、６８に駆動信号を供給する。抵抗器７５、７６およびそれぞれの巻線を流れる電流はフラックスゲート・コンダクター中に磁束アンバランスを発生させる無限磁界とは正反対の定常状態の磁界を発生させる。従って、無限磁界を平衡させるのに必要な電流に比例する演算増幅器８６における電圧はトランスジューサ１２に作用するトルクにも比例する。飽和のアンバランスに起因する偶数調波成分は主として奇数調波成分から成るサンプル信号の小部分である。
【００２５】
従って、演算増幅器８８を介して、大部分が奇数調波から成る入力電流が供給される。本発明においては、コンデンサ９０、９２および抵抗器７７から成る回路が、抵抗器７４、フラックス・ゲート巻線のインダクタンスおよびフラックスゲート・コイルの直列抵抗から成る回路と共にブリッジ回路を形成し、このブリッジ回路において、サンプルとしてのフラックス・ゲート電圧がほぼそのままコンデンサ９０および抵抗器７７の共通ノードに現れる。これらの回路成分は線形であるから、コンデンサ９０および抵抗器７７の値を然るべく選択すれば、駆動波形の奇数成分をフラックス・ゲート電圧のそれとほぼ同じにすることができる。微積分回路を採用することによって、フラックス・ゲートに存在する奇数調波成分の影響は大幅に除かれる。
【００２６】
第２回路５４は第１回路５２と同じであり、トルク・トランスジューサ１２の第２半体に作用する磁界およびトルクを測定することができる。２つの回路５２、５４のゲインを別々に調整すれば、例えば地球磁界によるコモンモード信号などの影響をトランスジューサによって排除することができる。
【００２７】
従って、本発明の第１回路および第２回路を採用すれば、外部磁界の影響を排除できるようにトルク・トランスジューサ各部のゲインを調整することができる。さらにまた、トルク・トランスジューサと共に個々の回路を調整することによって、磁力計部品の組み立てに伴う不整合に対処することができる。
【００２８】
本発明の好ましい実施例を以上に説明したが、当業者には明らかなように、本発明の範囲を逸脱することなく、種々の変更を加えることができる。従って、本発明の厳密な範囲と内容を定義するのはあくまでも後記する特許請求項である。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明のコイル組立体の簡略図である。
【図２】本発明の磁力計の一部簡略図を含む回路図である。
【図１】
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【図２】
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【外国語明細書】
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1. Abstract
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2. Representative drawing
FIG. 2
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