(57)【要約】  本発明は、逆磁歪効果を利用して、軸線（０３）上に延在する機械要素（０１）における力および／またはモーメント（Ｍｔ）を測定するためのシステムに関する。機械要素（０１）は、軸線（０３）上に延在する中空部（０４）と、機械要素（０１）の一軸方向区間において軸線（０３）まわりに周囲部に延在する少なくとも１つの磁化領域（０６，０７）とを、磁化のために有する。システムはさらに、少なくとも、第１の磁界センサ（１１）、第２の磁界センサ（１２）、第３の磁界センサ（１３）および第４の磁界センサ（１４）を備えており、各磁界センサ（１１，１２，１３，１４）はそれぞれ、磁化と力および／またはモーメント（Ｍｔ）とによって生じる磁界の軸方向成分を個別に測定するために構成されており、各磁界センサ（１１，１２，１３，１４）は磁化領域（０６，０７）の軸方向区間のうちそれぞれ１つに設けられている。本発明では、少なくとも第１の磁界センサ（１１）および第２の磁界センサ（１２）が機械要素（０１）の中空部（０４）に配置されている。
2018508776.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
軸線（０３）上に延在する機械要素（０１）における力および／またはモーメント（Ｍｔ）を測定するためのシステムであって、
前記機械要素（０１）は、前記軸線（０３）上に延在する中空部（０４）と、該機械要素（０１）の一軸方向区間において前記軸線（０３）まわりに周囲部に延在する少なくとも１つの磁化領域（０６，０７）とを、磁化のために有し、
前記システムはさらに、少なくとも、第１の磁界センサ（１１）、第２の磁界センサ（１２）、第３の磁界センサ（１３）および第４の磁界センサ（１４）を備えており、
前記各磁界センサ（１１，１２，１３，１４）はそれぞれ、前記磁化と前記力および／またはモーメント（Ｍｔ）とによって生じる磁界の軸方向成分を個別に測定するために構成されており、
前記磁界センサ（１１，１２，１３，１４）は１つの前記磁化領域（０６）の軸方向区間に設けられているか、または、前記各磁界センサ（１１，１２，１３，１４）は複数の前記磁化領域（０６，０７）の軸方向区間のうちそれぞれ１つに設けられており、
少なくとも前記第１の磁界センサ（１１）および前記第２の磁界センサ（１２）は、前記機械要素（０１）の前記中空部（０４）に配置されている
ことを特徴とするシステム。
【請求項２】
前記第１の磁界センサ（１１）と、前記第２の磁界センサ（１２）と、前記第３の磁界センサ（１３）と、前記第４の磁界センサ（１４）とは、前記軸線（０３）を含む同一平面内に配置されている、請求項１記載のシステム。
【請求項３】
前記第１の磁界センサ（１１）と前記第２の磁界センサ（１２）とは前記軸線（０３）を基準として反対側に配置されており、かつ、前記第１の磁界センサ（１１）および前記第２の磁界センサ（１２）から前記軸線（０３）までの各距離は等しい、請求項１または２記載のシステム。
【請求項４】
前記第１の磁界センサ（１１）および前記第２の磁界センサ（１２）は、前記軸線（０３）の両側の直ぐ隣に配置されている、請求項３記載のシステム。
【請求項５】
前記第３の磁界センサ（１３）と前記第４の磁界センサ（１４）とは前記軸線（０３）を基準として反対側に配置されており、かつ、前記第３の磁界センサ（１３）および前記第４の磁界センサ（１４）から前記軸線（０３）までの各距離は等しい、請求項１から４までのいずれか１項記載のシステム。
【請求項６】
前記第３の磁界センサ（１３）および前記第４の磁界センサ（１４）から前記軸線（０３）までの各距離は、前記第１の磁界センサ（１１）および前記第２の磁界センサ（１２）から前記軸線（０３）までの各距離より大きい、請求項１から５までのいずれか１項記載のシステム。
【請求項７】
前記第３の磁界センサ（１３）および前記第４の磁界センサ（１４）は、前記機械要素（０１）の内側表面または外側表面に配置されており、
前記第３の磁界センサ（１３）と前記機械要素（０１）の内側表面または外側表面との間にギャップが設けられており、かつ、前記第４の磁界センサ（１４）と前記機械要素（０１）の内側表面または外側表面との間にギャップが設けられている、
請求項１から６までのいずれか１項記載のシステム。
【請求項８】
前記機械要素（０１）は、周囲部において前記軸線（０３）まわりに延在する２つの前記磁化領域（０６，０７）を、磁化のために有し、
前記第１の磁界センサ（１１）および前記第３の磁界センサ（１３）は第２の磁化領域（０７）の軸方向位置に配置され、かつ、前記第２の磁界センサ（１２）および前記第４の磁界センサ（１４）は第１の磁化領域（０６）の軸方向位置に配置されている、
請求項１から７までのいずれか１項記載のシステム。
【請求項９】
前記磁界センサ（１１，１２，１３，１４）は、前記第１の磁界センサ（１１）および前記第２の磁界センサ（１２）によって測定され得る前記軸方向成分の和と、前記第３の磁界センサ（１３）および前記第４の磁界センサ（１４）によって測定され得る前記軸方向成分の和との差を求めることができるように、配置および接続されている、請求項１から８までのいずれか１項記載のシステム。
【請求項１０】
前記機械要素（０１）は、周囲部において前記軸線（０３）まわりに延在する２つの前記磁化領域（０６，０７）を、磁化のために有し、
前記システムは、第５の磁界センサ（１５）と、第６の磁界センサ（１６）と、第７の磁界センサ（１７）と、第８の磁界センサ（１８）とを備えており、
前記第１の磁界センサ（１１）と前記第２の磁界センサ（１２）と前記第３の磁界センサ（１３）と前記第４の磁界センサ（１４）とは、第１の磁化領域（０６）の軸方向位置に配置されており、
前記第５の磁界センサ（１５）と前記第６の磁界センサ（１６）と前記第７の磁界センサ（１７）と前記第８の磁界センサ（１８）とは、第２の磁化領域（０７）の軸方向位置に配置されており、
前記第５の磁界センサ（１５）の径方向位置および接線位置は、前記第１の磁界センサ（１１）の径方向位置および接線位置と同一であり、
前記第６の磁界センサ（１６）の径方向位置および接線位置は、前記第２の磁界センサ（１２）の径方向位置および接線位置と同一であり、
前記第７の磁界センサ（１７）の径方向位置および接線位置は、前記第３の磁界センサ（１３）の径方向位置および接線位置と同一であり、
前記第８の磁界センサ（１８）の径方向位置および接線位置は、前記第４の磁界センサ（１４）の径方向位置および接線位置と同一である、
請求項１から７までおよび９のいずれか１項記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、少なくとも４つの磁界センサを用いて、逆磁歪効果を利用して、軸線上に延在する機械要素における力および／またはモーメントを測定するためのシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
米国特許出願公開第２０１２／０２９６５７７号明細書から、周囲部が磁化された要素における力を測定するように構成された磁気弾性力センサが公知である。
【０００３】
米国特許第５３２１９８５号明細書には磁歪式トルクセンサが記載されており、このトルクセンサは、シャフトの外表面に磁歪層を設けて励磁コイルおよび検出コイルに対向するように位置決めしたものである。シャフトに作用するトルクは、磁歪層に材料応力を生じさせ、かかる材料応力によって磁歪層の比透磁率が方向に依存して変化する。磁歪層から生じる磁界を、検出コイルによって測定することができる。
【０００４】
ＤＥ  ６９９  ３６  １３８  Ｔ２は磁気式の力センサを記載しており、これは、磁化された材料に曲げモーメントが与えられ、センサシステムを用いてこの磁化された材料の外部磁界を検出できるものである。
【０００５】
ＤＥ  ６０３  ０９  ６７８  Ｔ２からは、シャフトにおけるトルクを検出する方法が公知であり、この方法は、極性が交番する磁界を生成し、センサシステムを用いてこれを測定する、というものである。
【０００６】
米国特許出願公開第２００７／００２２８０９号明細書は、磁歪材料から成る層をシャフトに設けたトルク測定装置を記載している。
【０００７】
米国特許第５０５２２３２号明細書からは、機械要素に２つの周囲磁歪コーティングを施した磁気弾性トルクセンサが公知である。
【０００８】
ＤＥ  ６９８  ３８  ９０４  Ｔ２から、円形磁化によるトルクセンサが公知である。この磁化は、シャフトの強磁性の磁歪材料にてなされ、シャフトまわりに円形に延在する。
【０００９】
ＤＥ  ６９２  ２２  ５８８  Ｔ２から、環状磁化型のトルクセンサが公知である。
【００１０】
国際公開第２００７／０４８１４３号は、磁化されたシャフトを用いるセンサを記載している。
【００１１】
国際公開第０１／２７６３８号には、周囲部または長手方向に磁化されたシャフトを用いる加速度センサが記載されている。
【００１２】
国際公開第２００６／０５３２４４号からは、回転シャフトにおける磁化を含むトルクセンサが公知である。この磁化は周囲部になされている。
【００１３】
米国特許第８１９１４３１号明細書は、磁化されたシャフトを用いるセンサシステムを記載している。
【００１４】
欧州特許第２３６５９２７号明細書は、２つのペダルクランクと１つのチェーンリングキャリアとを備えたボトムブラケットを記載しており、チェーンリングキャリアはボトムブラケットのシャフトに接続されている。チェーンリングキャリアはチェーンリングシャフトに相対回動不能に結合されており、チェーンリングシャフトはシャフトに相対回動不能に結合されている。チェーンリングシャフトは局所的に磁化を示すものである。磁化の領域にトルクが生じているときの磁化の変化を検出するセンサが設けられている。
【００１５】
米国特許第６４９０９３４号明細書は、磁気弾性で働く強磁性の磁歪領域を含む要素に加わったトルクを測定するための磁気弾性トルクセンサを記載している。かかる領域は、円柱形のスリーブとしてたとえばシャフトに嵌められる測定トランスデューサに設けられている。トルクセンサはこの測定トランスデューサに対向する。
【００１６】
欧州特許第０８０３０５３号明細書からは、磁気弾性測定トランスデューサを備えたトルクセンサが公知である。この測定トランスデューサは、円柱形のスリーブとしてシャフトに嵌められている。
【００１７】
米国特許第８８９３５６２号明細書は、磁気弾性シャフトにおいてトルクを測定するときのノイズ磁界を識別する方法を記載している。ここでは２つの信号を測定し、第２の信号はノイズ磁界に相当するものであり、第２の信号から第１の信号を減算する。
【００１８】
米国特許第８００１８４９号明細書には、磁気弾性トルク測定のためのシステムが記載されており、このシステムでは、外部磁界の作用を補償することを課題としている。このシステムは、シャフトの磁化領域と、少なくとも１つのパッシブ型の磁界センサと１つのアクティブ型の磁界センサとを備えている。パッシブ型磁界センサは、磁化領域の両側に配置することができる。
【００１９】
米国特許出願公開第２０１１／０１６２４６４号明細書には、磁気弾性トルク測定のためのシステムが記載されており、このシステムでは、一様磁界および非一様磁界の作用を補償することを課題としている。このシステムは、シャフトの磁化領域と、少なくとも３つの磁界センサとを備えている。第２の磁界センサおよび第３の磁界センサは、磁化領域の隣に配置することができる。
【００２０】
米国特許第８０８７３０４号明細書は、シャフトに作用するトルクを測定するための磁気弾性トルクセンサを記載しており、シャフトは周囲部に、１つまたは複数の磁化部を有する。米国特許第８０８７３０４号明細書の図１２には、周囲部に１つの磁化部のみを有する実施形態が示されており、２つの１次磁界センサは磁化部の領域内に、２つの２次磁界センサは磁化部の領域の隣に配置されている。米国特許第８０８７３０４号明細書の図１８には、極性の向きが交番している２つの磁化部を周囲部に有する実施形態であって、かつ、複数の磁界センサを軸方向における両磁化部間の接続部に配置している実施形態が示されている。米国特許第８０８７３０４号明細書の図８には、極性の向きが交番している３つの磁化部を周囲部に有する実施形態が示されており、各磁界センサはそれぞれ、これら３つの磁化部の領域のうちいずれか１つに配置されている。磁界センサのかかる特別な配置により、ノイズ磁界の影響が解消される。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２１】
本発明の課題は、上記従来技術に基づき、逆磁歪効果に基づく力および／またはモーメントの測定に及ぼされるノイズ磁界の影響を低減する手段を拡張することである。
【課題を解決するための手段】
【００２２】
上記課題は、添付の請求項１に記載のシステムによって解決される。
【００２３】
本発明のシステムは、軸線上に延在する機械要素における力および／またはモーメントを測定するために供されるものである。この力またはモーメントが機械要素に作用することによって機械的応力が生じ、機械要素は大抵は僅かに変形する。軸線は有利には、機械要素の回転軸線である。
【００２４】
機械要素は、少なくとも部分的に軸線上に延在する中空部を有するので、中空体である。中空部はとりわけ、軸線の領域に設けられる。有利には、中空部は機械要素の軸方向の全長にわたって延在する。中空部は有利には、軸方向端部において開放している。中空部は有利には、柱体の形状を有する。
【００２５】
機械要素は、この機械要素のいずれかの軸方向区間において軸線まわりに周囲部に延在する少なくとも１つの磁化領域であって、機械要素において磁化を発生させるための磁化領域を有する。よってこれは、軸線を包囲する少なくとも１つの磁化領域であり、その際に有利なのは、軸線自体は磁化領域の一部を構成しないことである。この１つの磁化領域または複数の磁化領域は、機械要素の、軸線まわりに延在する表面に対して接線方向の向きを示す。この１つの磁化領域または複数の磁化領域は、有利には、機械要素の、軸線まわりに延在する表面に対して接線方向の向きのみを示す。１つの磁化領域または複数の磁化領域は、有利にはそれぞれ、軸線まわりの閉じた経路に沿って延在する。その際には、１つの磁化領域または複数の磁化領域は短いギャップを有することができる。１つの磁化領域または複数の各磁化領域はそれぞれ、力またはモーメントを検出するための１次センサを構成する。複数の磁化領域が設けられている場合、これらは有利には等しい空間的広がりを有し、かつ軸方向に離隔している。
【００２６】
システムは、さらに少なくとも、第１の磁界センサと、第２の磁界センサと、第３の磁界センサと、第４の磁界センサとを備えており、これらはそれぞれ、力またはモーメントを検出するための２次センサを構成する。１次センサすなわち少なくとも１つの磁化領域は、測定対象の力または測定対象のモーメントを、対応する磁界に変換するためのものであるのに対し、２次センサはこの磁界を電気信号に変換するためのものである。第１の磁界センサ、第２の磁界センサ、第３の磁界センサおよび第４の磁界センサはそれぞれ、磁化と力および／またはモーメントとによって生じる磁界の軸方向成分を個別に測定するために構成されている。上記の磁界は、逆磁歪効果に基づいて生じるものである。よって、本発明のシステムによって実現される測定は、逆磁歪効果に基づく。上述の軸方向成分は、軸線に対して平行な方向を有する。
【００２７】
機械要素が有する磁化領域が１つのみである場合、第１の磁界センサと、第２の磁界センサと、第３の磁界センサと、第４の磁界センサとは、同一の磁化領域の軸方向区間に設けられている。機械要素が有する磁化領域が複数である場合、第１の磁界センサ、第２の磁界センサ、第３の磁界センサおよび第４の磁界センサはそれぞれ、これら複数の磁化領域の軸方向区間のいずれか１つに設けられている。よって、第１の磁界センサ、第２の磁界センサ、第３の磁界センサおよび第４の磁界センサの各軸方向位置には、基本的に１つの磁化領域が設けられ、その際に有利なのは、磁界センサのうち２つが、同一の磁化領域の軸方向区間に配置されることである。
【００２８】
本発明では、少なくとも第１の磁界センサおよび第２の磁界センサは、対応する機械要素の内側表面に対向して、磁化と力および／またはモーメントとによって生じる磁界の、機械要素の中空部内に生じた軸方向成分を測定すべく、機械要素の中空部内に配置される。
【００２９】
本発明のシステムの格別な利点は、種々の実施形態において、逆磁歪効果に基づく力および／またはモーメントの測定に及ぼされるノイズ磁界の影響の確実な低減を可能にすることである。
【００３０】
１つの磁化領域または複数の磁化領域は、永久磁化されたもの、または一時的に磁化されたものとすることができる。本発明の有利な一実施形態のシステムでは、１つの磁化領域または複数の磁化領域は永久磁化されており、磁化は永久磁化によってなされる。これに代わる本発明の他の有利な実施形態のシステムでは、システムはさらに、少なくとも１つの磁化領域を磁化するための少なくとも１つの磁石を備えており、少なくとも１つの磁化領域の磁化は基本的に一時的である。この少なくとも１つの磁石は、永久磁石により構成することができ、または有利には電磁石により構成することができる。
【００３１】
有利には、機械要素が各磁化領域外部に向かう方向に力またはモーメントにより荷重されていない状態では、各磁化領域外部において技術的に関連する磁界が測定されることがないように、この永久磁化もしくは一時的に磁化された１つの磁化領域、または、永久磁化もしくは一時的に磁化された複数の磁化領域は、磁気的に中性である。
【００３２】
１つの磁化領域または複数の磁化領域はそれぞれ、機械要素の体積の一部である。１つの磁化領域または複数の磁化領域は、有利にはそれぞれ環状に形成されており、機械要素の軸線は各環状形状の中心軸でもある。特に有利には、１つの磁化領域または複数の磁化領域はそれぞれ、機械要素の軸線と同軸の中空円柱の形状を有する。
【００３３】
機械要素は、有利にはさらに、軸方向において機械要素の複数の各磁化領域間に、および／または、軸方向において機械要素の少なくとも１つの磁化領域の隣にそれぞれ位置する磁気的に中性の領域も有する。磁気的に中性の領域は永久磁化を示さず、また、システムはこの磁気的に中性の領域を一時的に磁化するようにも構成されていない。もちろん、不所望のノイズ磁界によって、磁気的に中性の領域に一時的な磁化が生じることはあり得る。磁気的に中性の領域は、有利には磁化されていない。
【００３４】
第１の磁界センサ、第２の磁界センサ、第３の磁界センサおよび第４の磁界センサは、有利には、逆磁歪効果に基づく力および／またはモーメントの測定に及ぼされるノイズ磁界の影響を確実に最小限にできるようにするため、軸線を含む同一の平面内に配置される。
【００３５】
本発明のシステムの有利な実施形態では、第１の磁界センサと第２の磁界センサとは軸線を基準として反対側に配置されており、かつ、第１の磁界センサおよび第２の磁界センサから軸線までの各距離は等しい。それゆえ軸線は、第１の磁界センサと第２の磁界センサとの間の中間において、第１の磁界センサと第２の磁界センサとを繋ぐ直線と交差する。有利には、第１の磁界センサから軸線までの距離、および、第２の磁界センサから軸線までの距離はそれぞれ僅かであり、とりわけ、機械要素の外半径の半分より小さい。第１の磁界センサから軸線までの距離、および、第２の磁界センサから軸線までの距離を、０とすることもできる。
【００３６】
本発明のシステムの特に有利な実施形態では、第１の磁界センサから軸線までの距離、および、第２の磁界センサから軸線までの距離が、技術的に最小となるように、第１の磁界センサおよび第２の磁界センサは軸線の両側の直ぐ隣に配置される。有利には、第１の磁界センサと第２の磁界センサとは１つの基板の表側面と裏側面とに配置される。
【００３７】
本発明のシステムの有利な実施形態では、第３の磁界センサと第４の磁界センサとは軸線を基準として反対側に配置されており、かつ、第３の磁界センサおよび第４の磁界センサから軸線までの各距離は等しい。それゆえ軸線は、第３の磁界センサと第４の磁界センサとの間の中間において、第３の磁界センサと第４の磁界センサとを繋ぐ直線と交差する。有利には、第３の磁界センサから軸線までの距離、および、第４の磁界センサから軸線までの距離はそれぞれ、第１の磁界センサから軸線までの距離、および、第２の磁界センサから軸線までの距離より大きい。有利には、第３の磁界センサから軸線までの距離、および、第４の磁界センサから軸線までの距離はそれぞれ、第１の磁界センサから軸線までの距離の２倍、および、第２の磁界センサから軸線までの距離の２倍より大きい。よって、第１の磁界センサおよび第２の磁界センサは有利には、径方向内側に配置される磁界センサであり、かつ、第３の磁界センサおよび第４の磁界センサは有利には、径方向外側に配置される磁界センサである。ここで「外側」との形容詞は、軸線までの距離に関する用語であり、磁界センサが中空部の内部に配置されているかまたは外部に配置されているかを特定するものではない。有利には、磁化領域のどの軸方向区間においても、径方向内側に配置される磁界センサの数は、径方向外側に配置される磁界センサの数と等しい。
【００３８】
第３の磁界センサおよび第４の磁界センサは、有利には、機械要素の内側表面または外側表面に配置され、第３の磁界センサと機械要素の内側表面または外側表面との間にギャップが設けられ、かつ、第４の磁界センサと機械要素の内側表面または外側表面との間にギャップが設けられる。機械要素の内側表面は、機械要素の中空部にある。機械要素の外側表面は、機械要素の外形にある。ギャップは有利には５ｍｍ未満であり、特に有利には１ｍｍ未満である。ギャップは有利には等しい大きさである。
【００３９】
第３の磁界センサおよび第４の磁界センサは、機械要素の中空部と、中空の機械要素の外部との双方に配置することができる。
【００４０】
本発明のシステムの他の有利な一実施形態では、機械要素は磁化のために、周囲部において軸線まわりに延在する２つの磁化領域を有する。その際には、第１の磁界センサおよび第３の磁界センサは第２の磁化領域の軸方向位置に配置され、かつ、第２の磁界センサおよび第４の磁界センサは第１の磁化領域の軸方向位置に配置されている。本実施形態においても、軸線を含む同一平面内に、第１の磁界センサと第２の磁界センサと第３の磁界センサと第４の磁界センサとを配置するのが有利である。本実施形態では有利には、第１の磁化領域の極性と第２の磁化領域の極性とは同一である。すなわち、両磁化領域の回転方向は同一である。軸線は上述の平面内にあるので、この平面は軸線を含む。
【００４１】
４つの磁界センサは測定対象の力または測定対象のモーメントを求めるために、有利には、第１の磁界センサおよび第２の磁界センサによって測定され得る軸方向成分の和と、第３の磁界センサおよび第４の磁界センサによって測定され得る軸方向成分の和との差を求めることができるように、配置および接続されている。上述の軸方向成分は、磁化と力および／またはモーメントとによって生じる磁界の軸方向成分であり、これにノイズ磁界が重畳され得る。上述の和形成および差形成はたとえば、減数を形成する磁界センサの向きが、被減数を形成する磁界センサと逆向きであることにより実現することができる。また、磁界センサを同一の向きとし、減数を形成する磁界センサの極性を逆にして、これらの磁界センサの信号から和を形成することによっても、上述の和形成および差形成を実現することができる。
【００４２】
本発明のシステムの他の有利な実施形態は、磁界センサの上述の４個セットを２つ以上備えている。この更なる４個セットの磁界センサは、他の磁化領域の軸方向位置に設けられ、かかる磁界センサが第１乃至第４の磁界センサと相違する点は、有利にはその軸方向位置のみである。
【００４３】
他の有利な実施形態のうち１つでは、機械要素は磁化のために、周囲部において軸線まわりに延在する２つの磁化領域を有する。システムはさらに、第５の磁界センサ、第６の磁界センサ、第７の磁界センサおよび第８の磁界センサを備えており、これらの磁界センサはそれぞれ、磁化と力および／またはモーメントとによって生じる磁界の軸方向成分を個別に測定するために構成されている。第１の磁界センサと第２の磁界センサと第３の磁界センサと第４の磁界センサとは、第１の磁化領域の軸方向位置に配置され、第５の磁界センサと第６の磁界センサと第７の磁界センサと第８の磁界センサとは、第２の磁化領域の軸方向位置に配置される。第５の磁界センサの径方向位置および接線位置は、第１の磁界センサの径方向位置および接線位置と同一である。第６の磁界センサの径方向位置および接線位置は、第２の磁界センサの径方向位置および接線位置と同一である。第７の磁界センサの径方向位置および接線位置は、第３の磁界センサの径方向位置および接線位置と同一である。第８の磁界センサの径方向位置および接線位置は、第４の磁界センサの径方向位置および接線位置と同一である。
【００４４】
本実施形態では、磁界センサは有利には、第１の磁界センサおよび第２の磁界センサによって測定され得る軸方向成分の和と、第３の磁界センサおよび第４の磁界センサによって測定され得る軸方向成分の和との第１の差を求めることができるように、配置および接続されている。このことに対応して、第５の磁界センサおよび第６の磁界センサによって測定され得る軸方向成分の和と、第７の磁界センサおよび第８の磁界センサによって測定され得る軸方向成分の和との第２の差を求めることができるように構成されている。
【００４５】
第１の磁化領域の極性と第２の磁化領域の極性とが同一である場合、すなわち両磁化領域の回転方向が同一である場合、有利には、測定対象の力または測定対象のモーメントを求めるために上述の第１の差と第２の差との和を求めることができる。
【００４６】
第１の磁化領域の極性と第２の磁化領域の極性とが逆向きである場合、すなわち両磁化領域の回転方向が逆である場合、有利には、測定対象の力または測定対象のモーメントを求めるために上述の第１の差と第２の差との差を求めることができる。
【００４７】
第２の磁化領域および磁界センサの第２の４個セットに対応して、本発明のシステムは、他の磁化領域と磁界センサの他の４個セットとを備えることができる。たとえば他の有利な実施形態では、機械要素は磁化のために、周囲部において軸線まわりに延在する１つまたは複数の他の磁化領域を有し、他の磁化領域の各軸方向位置にそれぞれ、他の４つの磁界センサが配置される。これらの他の４つの磁界センサの接線位置および径方向位置は、有利には、第１乃至第４の磁界センサの接線位置および径方向位置と同一である。他の４つの磁界センサは、有利には、第１乃至第４の磁界センサと同様に接続および配置され、これにより、更なる差を求めることができる。かかる他の磁化領域の極性は、任意に選択することができる。
【００４８】
１つの磁化領域または複数の各磁化領域は、有利には高い磁歪性を有する。
【００４９】
複数の磁化領域が設けられている場合、有利には、各磁化領域は軸方向に互いに離隔されており、２つの隣り合う磁化領域間にそれぞれ、磁気的に中性の領域のうち１つが位置する。２つより多くの磁化領域が設けられている場合、有利には、磁化領域相互間の各距離は等しい。
【００５０】
機械要素は有利には角柱または円柱の外形を有し、角柱または円柱は軸線と同軸に配置されている。角柱または円柱は、有利には直柱体である。特に有利には、機械要素は直柱の正円柱の外形を有し、この正円柱は軸線と同軸に配置されている。特定の実施形態では、角柱または円柱は錐体状に形成されている。中空部が機械要素の軸方向全長にわたって延在している場合、有利には機械要素は中空柱体の形状を有する。
【００５１】
機械要素は有利には、一部中空のシャフト、中空シャフト、少なくとも一部中空のシフトフォークまたは中空フランジにより構成される。一部中空シャフト、中空シャフト、一部中空シフトフォークまたは中空フランジは、種々の力やモーメントによる荷重に対応する構成とすることができ、たとえば、センサボトムブラケット、ロールスタビライザまたは肥料散布器の一構成要素とすることができる。基本的に機械要素は、完全に異なる種類の機械要素によって構成することもできる。
【００５２】
少なくとも４つの各磁界センサは有利には、それぞれ半導体センサにより構成される。またこれに代えて、少なくとも４つの磁界センサを、ホールセンサ、コイル、フェルスタープローブまたはフラックスゲート磁力計により構成することも有利である。基本的に、逆磁歪効果により生じる磁界の軸方向成分を測定するために適したものであれば、他の種類のセンサを用いることも可能である。
【００５３】
図面を参照して以下の本発明の有利な実施形態の記載を読めば、本発明の他の詳細、利点および実施形態を導き出すことができる。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】４つの磁界センサを備えた本発明のシステムの第１の有利な実施形態を示す図である。
【図２】４つの磁界センサを備えた本発明のシステムの第２の有利な実施形態を示す図である。
【図３】４つの磁界センサと２つの磁化領域とを備えた本発明のシステムの第３の有利な実施形態を示す図である。
【図４】８つの磁界センサと２つの磁化領域とを備えた本発明のシステムの第４の有利な実施形態を示す図である。
【図５】８つの磁界センサと２つの磁化領域とを備えた本発明のシステムの第５の有利な実施形態を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００５５】
図１から図５までの各図は、本発明のシステムをそれぞれ２つの観察面で示す図である。各図の左側部分は、本発明の各実施形態のシステムの横断面図を含み、各図の右側部分は、本発明の各実施形態のシステムの平面図を含む。
【００５６】
図１は、本発明のシステムの第１の有利な実施形態を示す図である。システムはまず、中空フランジ０１の形態の機械要素を備えており、これはベース０２に固定されている。中空フランジ０１に力またはトルクが、とりわけトルクＭｔが作用する。中空フランジ０１は中空円柱形状を有する。中空フランジ０１は軸線０３上に延在し、この軸線０３は、中空フランジ０１の中空円柱形状の中心軸でもある。中空フランジ０１の内側には、柱体形の中空部０４が形成されている。中空フランジ０１は、磁歪効果を示す磁気弾性材料から成る。
【００５７】
中空フランジ０１の軸方向の一区間に、第１の永久磁化領域０６が設けられており、この第１の永久磁化領域０６は軸線０３まわりに延在する。すなわち、これは円形の永久磁化部である。
【００５８】
本発明の本実施形態のシステムはさらに、第１の磁界センサ１１と、第２の磁界センサ１２と、第３の磁界センサ１３と、第４の磁界センサ１４とを備えている。各磁界センサ１１，１２，１３，１４はそれぞれ、永久磁化領域０６の磁化と力および／またはトルクによって生じる磁界の軸方向成分を個別に測定するために構成されている。磁界センサ１１，１２，１３，１４は同一平面内に配置されており、この平面は軸線０３も含む。磁界センサ１１，１２，１３，１４の軸方向位置は同一であり、これらの軸方向位置は、中空フランジ０１のうち永久磁化領域０６が設けられている軸方向区間内に位置する。磁界センサ１１，１２，１３，１４は中空部０４内に位置する。
【００５９】
第１の磁界センサ１１および第２の磁界センサ１２は、軸線０３に配置されており、かつ、軸線０３の直ぐ上と直ぐ下とに位置する。第１の磁界センサ１１および第２の磁界センサ１２は、特に１つの基板（図示されていない）の上面と下面とに配置されている。第１の磁界センサ１１および第２の磁界センサ１２から軸線０３までの距離は技術的に最小となっており、この距離は両磁界センサ１１，１２において等しい。
【００６０】
第３の磁界センサ１３および第４の磁界センサ１４は、中空フランジ０１の内側表面に配置されている。第３の磁界センサ１３および第４の磁界センサ１４から軸線０３までの各距離は等しい。第１の磁界センサ１１および第２の磁界センサ１２の各極性の向きは、第３の磁界センサ１３および第４の磁界センサ１４の極性の向きと逆である。
【００６１】
図２は、本発明のシステムの第２の有利な実施形態を示す図である。第２の実施形態が、図１に示された実施形態と相違する点は、第１の磁界センサ１１および第２の磁界センサ１２が軸線０３に直に配置されてはおらず、軸線０３から僅かな距離をおいていることのみである。
【００６２】
図３は、本発明のシステムの第３の有利な実施形態を示す図である。第３の実施形態が、図１に示された実施形態と相違する点は、永久磁化領域の数と、軸方向における磁界センサの配置のみである。図３に示された実施形態では、中空フランジ０１は第１の永久磁化領域０６の他にさらに第２の永久磁化領域０７も有し、この第２の永久磁化領域０７は中空フランジ０１の他の軸方向区間内に位置し、かつ、第１の永久磁化領域０６から軸方向に離隔されて配置されている。その他の点においては、第１の永久磁化領域０６と第２の永久磁化領域０７とは同一である。とりわけ、両永久磁化領域０６，０７は同一の極性を有する。図１に示された実施形態との相違点として、第１の磁界センサ１１および第３の磁界センサ１３は第２の永久磁化領域０７の軸方向位置に配置されているので、第１の磁界センサ１１の軸方向位置と第３の磁界センサ１３の軸方向位置とは異なっている。
【００６３】
図４は、本発明のシステムの第４の有利な実施形態を示す図である。第４の実施形態が、図１に示された実施形態と相違する点は、永久磁化領域の数および磁界センサの数のみである。図４に示された実施形態では、中空フランジ０１は第１の永久磁化領域０６の他にさらに第２の永久磁化領域０７も有し、この第２の永久磁化領域０７は中空フランジ０１の他の軸方向区間内に位置し、かつ、第１の永久磁化領域０６から軸方向に離隔されて配置されている。その他の点においては、第１の永久磁化領域０６と第２の永久磁化領域０７とは同一であるが、両永久磁化領域０６，０７の極性は異なる。
【００６４】
図４に示された実施形態はさらに、第５の磁界センサ１５、第６の磁界センサ１６、第７の磁界センサ１７および第８の磁界センサ１８を備えており、これらの磁界センサの構成、径方向位置および接線位置は、第１の磁界センサ１１、第２の磁界センサ１２、第３の磁界センサ１３および第４の磁界センサ１４の構成、径方向位置および接線位置と同一である。しかし、第５の磁界センサ１５、第６の磁界センサ１６、第７の磁界センサ１７および第８の磁界センサ１８の軸方向位置は、第２の永久磁化領域０７の軸方向位置である。
【００６５】
両永久磁化領域０６，０７の極性は異なるので、第５の磁界センサ１５および第６の磁界センサ１６の各極性は第１の磁界センサ１１および第２の磁界センサ１２の各極性と逆向きである。また、第７の磁界センサ１７および第８の磁界センサ１８の各極性も、第３の磁界センサ１３および第４の磁界センサ１４の各極性と逆向きである。
【００６６】
図５は、本発明のシステムの第５の有利な実施形態を示す図である。第５の実施形態が、図４に示された実施形態と相違する点は、永久磁化領域の極性と、磁界センサの極性の向きのみである。図５に示された実施形態では、第１の永久磁化領域０６と第２の永久磁化領域０７とは同一の極性を有する。それゆえ、第５の磁界センサ１５および第６の磁界センサ１６の極性は第１の磁界センサ１１および第２の磁界センサ１２の極性と同一の向きである。また、第７の磁界センサ１７および第８の磁界センサ１８の極性も、第３の磁界センサ１３および第４の磁界センサ１４の極性と同一の向きである。
【符号の説明】
【００６７】
０１  中空フランジ
０２  ベース
０３  軸線
０４  中空部
０６  第１の永久磁化領域
０７  第２の永久磁化領域
１１  第１の磁界センサ
１２  第２の磁界センサ
１３  第３の磁界センサ
１４  第４の磁界センサ
１５  第５の磁界センサ
１６  第６の磁界センサ
１７  第７の磁界センサ
１８  第８の磁界センサ
【図１】
2018508776.tif 000003
【図２】
2018508776.tif 000004
【図３】
2018508776.tif 000005
【図４】
2018508776.tif 000006
【図５】
2018508776.tif 000007
【国際調査報告】
2018508776.tif 000008
2018508776.tif 000009
2018508776.tif 000010
2018508776.tif 000011