(57)【要約】【課題】回転可能なシャフトに加えられるトルクを測定し、また装置に影響する磁場ノイズを測定するためのトルク感知装置。【解決手段】回転可能なシャフトに加えられるトルクを測定し、また装置に影響する磁場ノイズを測定するためのトルク感知装置である。装置は、スイッチング機能を組込むことにより、共通信号検出モードおよび差動ノイズ検出モードで作動できる。装置は、共通信号検出モードおよび差動ノイズ検出モードの両方で作動する磁場センサから得た出力信号に基づき、回転可能なシャフトに加えられたトルクを決定できる。装置は、トルクにより誘発された磁場を正確に測定でき、ノイズにより誘発された磁場からの測定エラーを取り消すことができる。【選択図】図５
2013137302.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
トルク感知装置であって：
第１の磁気的に調整された領域と、第２の、反対に分極された、磁気的に調整された領域とを有する磁気弾性トルク‐磁場変換器と；
第１の磁気的に調整された領域に隣接して位置決めされた第１の磁場感知装置と；
第２の磁気的に調整された領域に隣接して位置決めされた第２の磁場感知装置と；
第１の電気接続状態および第２の電気接続状態の間のスイッチングのための手段と；
を具備し、
第１の接続状態では、第１の磁場感知装置および第２の磁場感知装置は、反対に分極され、第２の接続状態では、第１の磁場感知装置および第２の磁場感知装置は、同じ方向で分極されることを特徴とするトルク感知装置。
【請求項２】
円筒シャフトをさらに具備し、その上に、またはその中に、第１および第２の磁気的に調整された領域が配置されることを特徴とする請求項１に記載のトルク感知装置。
【請求項３】
トルク感知装置が休止状態の時、第１および第２の磁気的に調整された領域は、反対の円周方向で磁気的に分極されることを特徴とする請求項１に記載のトルク感知装置。
【請求項４】
第１および第２の磁場センサは、軸方向に整列し、磁場センサ対を定義することを特徴とする請求項１に記載のトルク感知装置。
【請求項５】
複数の円周上に間隔を置く磁場センサ対をさらに具備することを特徴とする請求項４に記載のトルク感知装置。
【請求項６】
第１および第２の接続状態の各々では、第１および第２の磁場センサは、第１および第２の磁場センサにより感知された磁場を示す出力信号を提供することを特徴とする請求項１に記載のトルク感知装置。
【請求項７】
第１および第２の磁場センサにより提供される出力信号を格納するための手段をさらに具備することを特徴とする請求項６に記載のトルク感知装置。
【請求項８】
第１および第２の磁場センサにより提供される出力信号を合計するための回路手段をさらに具備することを特徴とする請求項６に記載のトルク感知装置。
【請求項９】
第１の接続状態で第１および第２の磁場センサにより提供される出力信号と、第２の接続状態で第１および第２の磁場センサにより提供される出力信号とに基づき、トルク感知装置に加えられるトルクの値を計算するための回路手段をさらに具備することを特徴とする請求項６に記載のトルク感知装置。
【請求項１０】
トルク感知装置に加えられるトルクの値を計算するための回路手段は、磁場ノイズの効果を取り消すように設定されることを特徴とする請求項９に記載のトルク感知装置。
【請求項１１】
第２の磁気的に調整された領域が第１の磁気的に調整された領域および第３の磁気的に調整された領域の間にあるように配置される、第３の磁気的に調整された領域と；
第３の磁気的に調整された領域に隣接して位置決めされる第３の磁場感知装置と；
をさらに具備し、
第１の磁場感知装置および第３の磁場感知装置は、同じ方向で分極されることを特徴とする請求項１に記載のトルク感知装置。
【請求項１２】
円筒シャフト上に配置された第１、第２および第３の磁気的に調整された領域を有する円筒シャフトをさらに具備することを特徴とする請求項１１に記載のトルク感知装置。
【請求項１３】
トルク感知装置が休止状態の時、第１および第２の磁気的に調整された領域は、反対の円周方向で磁気的に分極され、トルク感知装置が休止状態の時、第１および第３の磁気的に調整された領域は、同じ円周方向で磁気的に分極されることを特徴とする請求項１１に記載のトルク感知装置。
【請求項１４】
第１、第２および第３の磁場センサは、軸方向に整列し、磁場センサユニットを定義することを特徴とする請求項１１に記載のトルク感知装置。
【請求項１５】
複数の円周上に間隔を置く磁場センサユニットをさらに具備することを特徴とする請求項１４に記載のトルク感知装置。
【請求項１６】
第１および第２の接続状態の各々では、第１、第２および第３の磁場センサは、第１、第２および第３の磁場センサにより感知される磁場を示す出力信号を提供することを特徴とする請求項１１に記載のトルク感知装置。
【請求項１７】
第１、第２および第３の磁場センサにより提供される出力信号を格納するための手段をさらに具備することを特徴とする請求項１６に記載のトルク感知装置。
【請求項１８】
第１、第２および第３の磁場センサにより提供される出力信号を合計するための回路手段をさらに具備することを特徴とする請求項１６に記載のトルク感知装置。
【請求項１９】
第１の接続状態で第１、第２および第３の磁場センサにより提供される出力信号と、第２の接続状態で第１、第２および第３の磁場センサにより提供される出力信号とに基づき、トルク感知装置に加えられるトルクの値を計算するための回路手段をさらに具備することを特徴とする請求項１６に記載のトルク感知装置。
【請求項２０】
トルク感知装置に加えられるトルクの量を決定するための方法であって：
第１の磁気的に調整された領域、および第２の、反対に分極された、磁気的に調整された領域を有する磁気弾性トルク‐磁場変換器を提供するステップと；
第１の磁気的に調整された領域に隣接して位置決めされた第１の磁場センサを提供するステップであって、第１の磁場センサは、感知方向を有する、ステップと；
第２の磁気的に調整された領域に隣接して位置決めされた第２の磁場センサを提供するステップであって、第２の磁場センサは、感知方向を有する、ステップと；
第１および第２の磁場センサの感知方向が互いに反対である第１の接続状態で、第１および第２の磁場センサを設定するステップと；
第１の接続状態で第１および第２の磁場センサの各々から第１の出力信号を得るステップと；
第１および第２の磁場センサの感知方向が一様である第２の接続状態で、第１および第２の磁場センサをスイッチング機能に再設定させるステップと；
第２の接続状態で第１および第２の磁場センサの各々から第２の出力信号を得るステップと；
第１および第２の出力信号に基づき、トルク感知装置に加えられるトルクを計算するステップと；
を具備することを特徴とする方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は一般に、磁場センサの使用を含むシステムおよび方法に関する。特に、本発明は、トルクにより誘発された磁場および磁場ノイズの測定を提供するセンサおよび回路を含む、システム、方法、および装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
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、興味のある基本的なパラメータである。従って、正確で、信頼でき、かつ安価な方法でのトルクの感知および測定は長い間、そのような制御システム設計の主目的だった。
【０００３】
従来、トルク測定は、シャフトに直接取り付けられた接触タイプのセンサを使用して達成された。１つのそのようなセンサは、“歪みゲージ”タイプのトルク検出装置であり、１つまたは複数の歪みゲージは、シャフトの外側周囲面に直接取り付けられ、トルクにより誘発された歪みがもたらす抵抗変化は、ブリッジ回路または他の周知手段により測定される。しかし、接触タイプのセンサは、回転シャフトへの直接的な接触により、比較的不安定であり、信頼性が低い。また、それらは、高価であり、故にトルクセンサが求められる自動車のステアリングまたはトランスミッションシステム等の多数の用途で競合して使用するのに、商業上実用的ではない。
【０００４】
続いて、磁歪タイプの非接触トルクセンサは、回転シャフトで使用するために開発された。例えば、GarshelisのＵＳ特許４８９６５４４は、参照により本明細書中に組み込まれ、適当な強磁性体および磁歪表面を備えたトルク伝達部材と、各々対称で、らせん状に方向付けされた残留応力により誘発された磁気異方性を備える部材内の、２つの軸方向に区別された円周上のバンドと、トルク伝達部材に加えられる力に対する２つのバンドの応答における差を、トルクが加えられた部材に接触することなく検出するための磁気弁別装置とを含むセンサを開示する。トルクは、２つのバンドの外部磁束からの異なる信号を測定するために、一対の反対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、必要な励磁のための十分な空間と、センサが使用される装置の上および周りに感知コイルとを提供すると、空間が貴重な用途で実用的な問題をもたらすことがある。また、そのようなセンサは、自動車の用途等、コスト面で激しく競合する装置に使用するのに高価であり、実用的ではないことがある。
【０００５】
初期の円周上の残留磁化に対するトルクにより誘発された傾斜から発生するフィールドの測定に基づくトルク変換器が開発され、それは、フィールド生成要素の機能を果たす薄壁リング（環“collar”）を好ましく利用する。例えば、GarshelisのＵＳ特許５３５１５５５および５５２００５９を見ると、参照により本明細書中に組み込まれる。リングにおける張力の“フープ（hoop）”応力は、測定されているトルクを伝えるシャフトへの取り付け手段に関連付けられ、支配的で円周方向に向けられた、一軸性の異方性を確立する。シャフトへねじり応力を適用する際、磁化は、再配向し、ねじり応力が増えるにつれて、次第にらせん状になる。歪みによるらせん状の磁化は、半径成分および軸成分の両方を有し、軸成分の大きさは、歪みの程度に全体的に依存する。１つまたは複数の磁場ベクトルセンサを使用して、シャフト上の磁気的に調整された領域より上の空間で、加えられたトルクの結果として発生するフィールド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しうる。リングセンサのピーク許容トルクは、リング／シャフトの接合部分で滑ることにより制限されるので、トルクの過負荷状況の下で、リング／シャフトの接合部分で滑ることから発生する歪みに関する問題があった。これは、寄生フィールドの悪影響を最小化するための異なる材料の複数部分の必要性と共に、代替構成の研究を促した。
【０００６】
磁気弾性トルク変換器が開発され、活性トルク感知領域は、シャフトに添えられる必要がある別の強磁性体要素ではなく、シャフト自身の上に直接形成される。例えば、GarshelisのＵＳ特許６０４７６０５を見ると、参照により本明細書中に組み込まれる。これらいわゆる“環なし（collarless）”変換器の１形式では、磁気弾性活性領域は、単一の円周方向に分極され、加えたトルクが０に低減される時、単一の円周方向に対して、部材へトルクを加えた後、その領域の磁化を戻すのに十分な磁気異方性を有する。トルクが加えられるシャフトは、多結晶材料で形成され、局所磁化の分散の少なくとも５０％は、磁気分極の方向周りで対象に配置される９０度の四分円内にあり、変換領域フィールドが、磁場センサにより確認される正味の磁場の、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シャフトの隣接領域に寄生磁場を生まないように、十分高い保磁力を有するのが望ましい。そのような変換器の特に好ましい形式では、シャフトは、立法的対称性を有する不規則に配向された多結晶材料で形成され、飽和保磁力は、１５エールステッド（Oe）より大きく、好ましくは２０Oeより大きく、好ましくは、３５Oeより大きい。それらの特徴は、シャフトおよび活性領域に対して適当な強磁性体材料を選択することにより大部分が達成されうる。
【０００７】
磁場は、その測定値に関して代替可能なので、上記により教示されたセンサおよび他の従来技術は、外部起源の他の磁場に敏感なことがある。外部起源の磁場は、磁気ノイズとして言及される。特に、地球の磁場は、測定されたフィールドが、トルクにより誘発された磁場と地球の磁場との合計である、“コンパシング（compassing）”として知られる現象をもたらす。この開示との関連において、用語“コンパシング”は、地球の磁場による任意のエラーを説明するために使用されうる。
【０００８】
外部起源の磁場は、遠距離場および近距離場のソースの両方から発しうる。遠距離場のソース、例えば磁場を備えた地球は、多数の磁場センサを有するトルク感知装置の各磁場センサ上に同じ効果を通常有する。近距離場のソース、例えば永久磁石、磁化レンチ、モータ、ソレノイド等は、顕著な局所勾配を有する磁場を生むことがあり、故に多数の磁場センサを有するトルク感知装置の各種磁場センサ上で顕著に異なる効果を有する。また、強磁性体構造の近隣の存在は、地球の磁場の形および方向を歪めて、磁束が望ましくない方向に集中する局所エリアを生むことがある。これら例の各々は、発散磁場をもたらし、即ち磁場の強度およびフラックスの方向の両方で顕著な局所勾配がある。
【０００９】
GarshelisのＵＳ特許５５２００５９は、遠距離場のソースに関するコンパシング問題に取り組む。その特許では、シャフトは、２つの軸方向に別々の、磁気的に調整された領域を有し、反対の円周方向で等しく分極されることが開示される。この配置は、２つのトルク依存する磁場を生み、領域の従属的な磁化（acquiescent  magnetization）が反対方向であることにより、トルク依存する磁場は、等しいが、反対の磁気極性である。‘０５９特許で開示される２つの領域に対応するものとして、２つの磁場センサがあり、各々は、一方に対して反対の軸極性を備える（しかし、対応する磁気的に調整された領域の各々に関して同じ極性を備える）。故に、周囲の磁気の遠距離場は、等しいが反対の方法で磁場センサの各々に影響する。従って、磁場センサの出力を合計することにより、全ての共通モード外部磁場、即ち遠距離場からの測定値は、取り消される。そのような手法を採用する用途では、反対に分極されたセンサは、共通モード阻止スキームの効果を保つために、できるだけ互いに近接して設置される必要がある。互いに間隔を置くセンサは、地球の磁場がトルクセンサ内およびその周りの強磁性体部分の周りで顕著に歪められることがあるので、低減された共通モード阻止効果を示す。
【００１０】
‘０５９特許の教示は、遠距離場を扱う時に効果があるが、発散近距離場は、明らかに異なるフィールド強度および方向に２つの磁場センサの各々を曝しうる。この場面では、２つの磁場センサ出力は、互いを取り消す、等しいが反対のエラー成分を反映せず、むしろ測定値にエラーを導入する不均一で反対の成分を反映する。実際、‘０５９特許で開示される発明の設定は、２つの磁場センサが異なる大きさの発散磁場を受けるので、局所的な発散磁場の存在下で、エラーを起こしやすいことがある。近距離場ソースから起こる２つの磁場センサ間の磁場の差は、トルクにより誘発された磁場に不規則に結合し、誤ったトルク値をもたらす。故に、この近距離場の効果を消去することが重要である。
【００１１】
近距離場ソースまたは浮遊磁場の効果を取り消すための多数の方法がある。これらは、遮蔽（shielding）を採用すること、およびフラックス導波器（flux  director）を使用することを含む。これらのタイプの各構造は、高い透磁率を有する材料から作成され、それは例えば、空気よりもかなり低い、磁場に対する抵抗を示すことを意味する。実際に遮蔽は、無限長の管（tube）の形式でもよいが、比較的短い有限長が適切に機能しうる。遮蔽の外側から起こる磁場は、フィールドセンサを横切らないように、高い透過性の遮蔽材料を介して効果的に押しのけられる。
【００１２】
上記説明した遮蔽方法は、管の形式で遮蔽の軸方向に対して垂直な外部磁場に効果的な場合がある一方、この遮蔽は、両端部で開いている管の軸方向の外部磁場にとても弱い。任意の外部磁場は、開いている遮蔽の側面を介して遮蔽内のフィールドセンサに伝わることがある。
【００１３】
異なる手法を使用して、フラックス導波器は、ほとんどのトルク依存する磁場を“収集”し、磁場センサにそれを導く。この手法により、フラックス導波器は、興味のあるトルク依存する磁場を収集する有効性が、無関係でエラーの誘導磁場を収集する有効性よりもかなり高くなるようにする形状であり、故に磁場センサの効果を高め、かつその信号対ノイズ比を高める。
【００１４】
フラックス導波器の構造は通常、トルク依存する磁場の半径方向のフラックス成分を収集することにより動作し、従って外部起源の軸方向に導かれたフラックスを阻止するのに適しているが、フラックス導波器は、シャフトの軸に垂直な外部フィールドに弱い傾向がある。
【００１５】
管状の遮蔽およびフラックス導波器の結合は、フィールド感知装置上に直接作用する外部起源の軸方向および半径方向に導かれたフィールドの両方を効果的に軽減することにより称賛の方法で機能を果たす。しかし、そのような組み合わせは、設計におけるコストおよびパッケージ化を含む多数の用途で、その望ましさを制限するという他の欠点を有する。
【００１６】
外部磁場ソースが、電気パワーステアリングシステムのコラムの端部等、シャフトの端部に直接接触する場合、強い外部近距離場は、シャフトにおける直径の差異、または例えばベアリングまたは取り付けフランジのような近接して磁気的に結合された構造が原因で、シャフトを介してフィールドセンサに伝わることがある。また、コラムまたはシャフトに対する通常の製造過程は、コラム表面上の欠陥を視覚化するために欠陥部位に磁気粒子を導くための磁化過程と、検査終了後の消磁過程とを含む磁粉探傷検査（ＭＰＩ）過程を含む。しばしば、消磁は、完全ではなく、ＭＰＩ過程後にコラムまたはシャフトに残留磁場が残る。残留磁場の通常の値は、１０および１００ガウスの間である。この比較的大きな外部磁場は、遮蔽内のフィールドセンサに直接伝えられることがあり、トルクにより誘発された磁場と不均一に合計されることがあり、トルク測定に間違いを起こす。これは、現在の技術でシャフトを介して伝わる外部磁場を保護または遮蔽するための全体として効果的な方法がないことを意味する。
【００１７】
遮蔽方法のもう１つの不都合な点として、機械的衝撃または外部温度の変化がもたらす遮蔽装置の任意の変形は、フィールドセンサおよび遮蔽の相対的位置に影響することがあり、反対に配向された一対で作動する２つのセンサフィールド間の遠距離場の値に対する不均衡をもたらすことがある。これは、コンパシングによる不具合をもたらす。
【００１８】
また、ほとんどのトルクセンサの用途では、パッケージング空間が制限され、多くの場合、遮蔽またはフラックス導波器のためのスペースがない。また、それらの構成要素に対する追加の金銭コストは、高い透過性を備えた材料が価格の変動しやすいニッケルを高い確率で有する傾向があるので、重要でないとはいえない。
【００１９】
LeeのＵＳ特許出願公開２００９／０２３０９５３は、参照により本明細書中に組み込まれ、トルクにより誘発された磁場を取り消すことなく、外部ソースからの近距離場の磁気ノイズを取り消すように設計されたトルク感知装置を開示する。その参照では、シャフト上で磁気的に調整された領域に隣接して円周方向に間隔を置く、２つの一様で、軸方向に分極された一次磁場センサを有するシャフトを含むトルク感知装置であって、磁気的に調整された領域が円周方向に分極されることを開示する。トルク感知装置はまた、２つの二次磁場センサを含み、二次センサの各々は、シャフトに隣接して、反対の軸方向で一次センサから均一に間隔を置き、また磁気的に調整された領域から軸方向に間隔を置き、それにより二次センサは、トルクにより誘発された磁場の影響を受けない。二次センサは、一次センサの分極の方向とは反対の方向で分極される。近距離場のノイズソースは、ソースに最も近い二次センサ上でその最も高い効果を有し、ソースから最も遠い二次センサに対して最も低い効果を有することが推定される。また、一次センサの各々に対するノイズセンサの効果は、二次センサの各々に対するソースの効果の平均に等しいことが推定される。故に、２つの一次および二次磁場センサの出力を合計することにより、近距離場ノイズソースの効果が取り消され、結果としての合成信号は、トルクにより誘発された磁場のみを示す。
【００２０】
‘９５３公開で開示される本発明の設定は、その有効性が、ノイズソースからの距離が長くなるにつれ、ノイズにより誘発された磁場が線形的に減少するという推定に基づく点で、エラーの傾向がありうる。しかし実際、ノイズにより誘発された磁場勾配は通常、非線形である。また、‘９５３公開で開示されるトルク感知装置の設計は、一次センサが円周方向に間隔を置くことを要求するので、その公開で開示される一次および二次センサは、軸方向に整列していない。磁場センサの軸方向での整列は、そのような整列がトルク感知装置の有効性を高めるので好ましい。
【００２１】
従って、必要とされることは、非線形な磁気ノイズフィールドの勾配がある回転シャフトに加えられるトルクの問題に取り組むトルク感知装置であって、その装置が追加の磁気遮蔽要素を必要としないことである。さらに必要とされることは、トルクがシャフトに加えられる時に、トルクにより誘発された磁場とノイズにより誘発された磁場との両方を測定するように特に設計された装置である。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２２】
本発明は、個々の磁場センサを多数使用できるようにするスイッチング機能を組込むシステム、方法、および装置を提供することにより、上記説明した必要性に取り組み、即ち同じセンサが使用され、ノイズおよびトルクにより誘発された信号を検出し、故に、トルクを正確に測定するのに必要な磁場センサの全数を低減する一方、異なる機能を備えた多数のセンサと同じ不可欠な機能を提供する。
【００２３】
故に、本発明の主目的は、非線形な勾配の磁気ノイズフィールドの存在下で回転するシャフトに加えられたトルクを、磁気遮蔽要素を必要とせずに正確に測定するトルク感知装置を提供することである。
【００２４】
本発明のもう１つの目的は、トルク感知装置に影響する磁気ノイズフィールドを測定するために、トルクにより誘発された測定値を効果的に取り消すトルク感知装置を提供することである。
【００２５】
また、本発明のもう１つの目的は、トルク感知装置の作動において多数の機能を果たす磁場センサの機能により、磁場センサに必要な、低減されたスペース量を有するトルク感知装置を提供することである。
【００２６】
簡潔に説明すると、本発明のそれらおよび他の目的および特徴は、トルク感知装置であって：第１の磁気的に調整された領域と、第２の、反対に分極された、磁気的に調整された領域とを有する磁気弾性トルク感知磁場変換器と；第１の磁気的に調整された領域に隣接して位置決めされた第１の磁場感知装置と；第２の磁気的に調整された領域に隣接して位置決めされた第２の磁場感知装置と；第１の接続状態および第２の接続状態の間のスイッチングのための手段と；を具備し、第１の接続状態では、第１の磁場感知装置および第２の磁場感知装置は、反対に分極され、第２の接続状態では、第１の磁場感知装置および第２の磁場感知装置は、同じ方向で分極されることを特徴とするトルク感知装置により、ここに具現化され、十分に説明されている通りに達成される。
【００２７】
本発明の上記目的および特徴は、トルク感知装置に加えられるトルクの量を決定するための方法であって：第１の磁気的に調整された領域、および第２の、反対に分極された、磁気的に調整された領域を有する磁気弾性トルク‐磁場変換器を提供するステップと；第１の磁気的に調整された領域に隣接して位置決めされた第１の磁場センサを提供するステップであって、第１の磁場センサは、感知方向を有する、ステップと；第２の磁気的に調整された領域に隣接して位置決めされた第２の磁場センサを提供するステップであって、第２の磁場センサは、感知方向を有する、ステップと；第１および第２の磁場センサの感知方向が互いに反対である第１の接続状態で、第１および第２の磁場センサを設定するステップと；第１の接続状態で第１および第２の磁場センサの各々から第１の出力信号を得るステップと；第１および第２の磁場センサの感知方向が一様である第２の接続状態で、第１および第２の磁場センサをスイッチング機能に再設定させるステップと；第２の接続状態で第１および第２の磁場センサの各々から第２の出力信号を得るステップと；第１および第２の出力信号に基づき、トルク感知装置に加えられるトルクを計算するステップと；を具備することを特徴とする方法により、ここに具現化され、十分に説明されている通りに達成される。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】図１は、本発明の実施形態によるトルク感知装置の側面図であり、トルク感知装置は、休止状態にある。
【図２】図２は、本発明の実施形態によるトルク感知装置の側面図であり、トルク感知装置は、加えられたトルクを受ける。
【図３】図３は、本発明の実施形態による磁場センサに関する共通モード設定を例示する図である。
【図４】図４は、本発明の実施形態による磁場センサに関する差動モード設定を例示する図である。
【図５】図５は、本発明の実施形態の作動を示すブロック図である。
【図６】図６は、本発明のもう１つの実施形態によるトルク感知装置の側面図であり、トルク感知装置は、休止状態にある。
【図７】図７は、本発明のもう１つの実施形態によるトルク感知装置の側面図であり、トルク感知装置は、加えられたトルクを受ける。
【図８】図８は、本発明のもう１つの実施形態による磁場センサに関する共通モード設定を例示する図である。
【図９】図９は、本発明のもう１つの実施形態による磁場センサに関する差動モード設定を例示する図である。
【図１０】図１０は、本発明のもう１つの実施形態の作動を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
本発明のいくつかの好ましい実施形態は、例示目的で説明され、本発明は、図に特に示されない他の形式で具現されうることが分かる。図は、本発明の１つまたは複数の目的を達成するために、システム構造およびシステムを使用するための方法に関して説明される。
【００３０】
図１を先ず見ると、ここで示されるのは、本発明のトルク感知装置１００の“デュアルバンド（dual-band）”実施形態に従う、円筒シャフト１１０の側面図である。シャフト１１０は、その中央縦軸に対して回転可能でもよく、または固定されてもよい。シャフト１１０の一部に加えられるトルクは故に、シャフト１１０の別の部分に伝えられ、トルクを加えることにより、いくつかの役立つ作業を実行することになる。シャフト１１０の動作、即ち加えられるトルク１１０は、シャフト１１０の端部を見て、時計回りかまたは反時計回りの方向でもよく、シャフト１１０を組込む機械の種類に依存して、何れか一方かまたは両方の方向でもよい。
【００３１】
シャフト１１０は、完全に中身が詰まっていてもよく、または部分的に中空でもよい。シャフト１１０は、均質材料で形成されてもよく、または材料の混合で形成されてもよい。シャフト１１０は、磁気弾性活性領域１４０であるか、または少なくとも含み、それによりシャフトは、磁気弾性トルク‐磁場変換器の機能を果たすことができる。磁気弾性活性領域１４０は、シャフト１１０の全体に均質な部分でもよく、またはシャフト１１０に堅固に取り付けられたリング若しくは環に含まれてもよい。Garshelis’605特許は、本発明に適用可能な、磁気弾性活性領域１４０をシャフトに提供する方法を開示する。
【００３２】
磁気弾性活性領域１４０を形成するために選択される材料は、磁気弾性活性領域１４０に残留磁化を少なくとも形成するための磁区の存在を保証するために、少なくとも強磁性体でなければならず、また磁気弾性活性領域１４０での磁力線の配向が、加えられたトルクに関連付けられる応力によって変化しうるように、磁気制限的（magnetorestictive）でなければならない。
【００３３】
磁気弾性活性領域１４０は、少なくとも２つの軸方向で区別される、反対方向に分極された、磁気的に調整された領域１４２、１４４を含み、トルク感知装置１００の磁気弾性活性領域１４０を定義する。磁気的に調整された領域１４２、１４４は、任意の効果的方法によって反対の円周方向で磁気的に分極され、その方法のいくつかは、Garshelis’059特許で開示される。好ましくは、磁気的に調整された領域１４２、１４４の円周上の分極により、シャフト１１０に加えられるトルクが無い場合（休止状態）、磁気的に調整された領域１４２、１４４は、軸方向または半径方向に正味の磁化成分を有さない。図１の矢印Ａ、Ｂは、トルク感知装置１００が休止状態の時、磁気的に調整された領域１４２、１４４の分極の例示的な方向を示す。
【００３４】
図２は、トルクがシャフト１１０に加えられている状態における、トルク感知装置１００を示す。トルク感知装置１００の構成および処理（process）により、特に磁気弾性活性領域１４０の磁気弾性的性質により、シャフト１１０に対してねじり応力を加えることで、磁気弾性活性領域１４０は、磁気的に調整された領域１４２、１４４で分極された磁化の再配向をもたらし、それにより磁区は、主応力軸に整列する。即ち、トルクがシャフト１１０に加えられる時、磁気的に調整された領域１４２、１４４は、半径方向または軸方向または両方でトルクにより誘発された磁化成分を示しうる。特に重要な点として、半径および軸の成分の両方の大きさは、シャフト１１０に加えられたトルクに完全に依存し、一方で半径および軸成分の両方のフラックス方向、即ち極性は、トルクがシャフト１１０に加えられる方向に依存する。磁気的に調整された領域１４２、１４４の各々から発する、トルクにより誘発された磁場は、等しい大きさであるが互いに反対の極性であるように、磁気弾性活性領域１４０が構成および処理される。図２の矢印Ａ、Ｂは、トルクがシャフト１１０に加えられる時、磁気的に調整された領域１４２、１４４における磁化の再配向を示す。図２はまた、シャフト１１０に加えられたトルクがもたらす外部磁束を示し、外部磁束は、半径成分２０６および軸成分２０８に関して説明されうる。
【００３５】
図１および２を続けて参照すると、磁場センサ１５２、１５４は、軸方向に整列し、磁気的に調整された領域１４２、１４４に各々隣接して位置付けられる。各個々の磁場センサ１５２、１５４は、個々の磁気的に調整された領域１４２、１４４に対応する。磁場センサ１５２、１５４は、休止時の円周方向から通常のらせん方向への分極された磁化の再配向の結果として、磁気的に調整された領域１４２、１４４周りの空間で発生する軸および／または半径のフィールド成分の大きさおよび極性を感知するように配向される。磁場センサ１５２、１５４は、シャフト１１０に加えられたトルクの大きさを反映する信号出力を提供する。磁場センサは好ましくは、ホール効果、磁気抵抗、磁気トランジスタ（magnistor）、磁気ダイオード、またはＭＡＧＦＥＴ（磁場効果トランジスタ）フィールドセンサ等、１つまたは複数の固体感知装置を含む。他の可能なフィールドセンサは、Ｈ（磁化力として定義される）によって異なる磁気的性質を有する非線形コア、磁気計、およびフラックスゲート磁気計、およびコイル（取り囲むかまたは隣接して、フラックスを遮断し、dΦ／dtに比例して誘発したＥＭＦを有し、時間の変化と共に磁束が変化する）を含む。１つまたは複数の導体は、直流または交流電流源若しくは励磁信号のソースに各磁場センサ１５２、１５４を接続し、シャフト１１０を組込む機械またはシステムのための制御または監視回路等、受信装置に磁場センサ１５２、１５４の信号出力を伝える。磁場センサ１５２、１５４が出力した代表的信号は、シャフト１１０に加えられたトルクの変動に対して線形的に変化するように、磁場センサ１５２、１５４が好ましく設定される。
【００３６】
各磁場センサ１５２、１５４は、アモルファス心線を有するように設定されうる。アモルファス心線は、磁場により完全に飽和した時、透磁率が１まで下降する性質を有する。磁場は、コイル巻線の励磁によって生成されたフィールドと、地球の磁場またはモータや通電導体のような近隣のソース等、外部ソースから起こる任意の磁場との合計である。興味のある用途では、磁場はまた、シャフト１１０に加えられたトルク量に比例する磁気弾性的に調整された領域１４０から起こる成分を有する。各磁場センサ１５２、１５４のアモルファスコアが飽和する時、結果としての透磁率における急峻な下降は、磁場センサ１５２、１５４のインダクタンスにおいて対応する変化をもたらす。磁場センサ１５２、１５４は各々、磁場センサ１５２、１５４を励磁するための、およびそのインダクタンスが励磁信号に関して変化する時を検出するための、２つの機能を果たす回路に接続される。磁場センサ１５２、１５４に接続される追加の回路は、感知された磁場の強度および極性を示すＤＣ電圧信号を出力できる。
【００３７】
図１および２は各々、１対の磁場センサ１５２、１５４のみを有するトルク感知装置１００を示す。しかし、トルク感知装置１００は、シャフト１１０周りの円周上で間隔を置き、磁気弾性活性領域１４０に隣接する、複数の磁場センサ対を含んでもよい。複数の磁場センサ対の使用により、多数の同時トルク測定値を分析できるようになり、いくつかある利点の中で、トルク感知装置１００の全体的な精度を上げることができる。
【００３８】
本発明は、共通モード（信号検出モード）および差動モード（ノイズ検出モード）の２つの接続状態の各々で作動する、磁場センサ１５２、１５４の性能によって特徴付けられる。本発明は、磁場センサの作動が共通モードから差動モードに切り替えられ、その逆も行われるスイッチング回路を含む。共通モードの接続状態では、磁場センサ１５２、１５４は、直列／並列設定で接続されるので、磁場センサ１５２、１５４の各々を通る同じ励磁正弦波は、反対に分極された磁場に一致する。差動モードの接続状態では、磁場センサ１５２、１５４は、直列／並列設定で接続されるので、磁場センサ１５２、１５４の各々を通る同じ励磁正弦波は、一様に分極された磁場に一致する。
【００３９】
図３を見ると、ここに示されるのは、上記共通モード状態で作動する本発明の磁場センサ１５２、１５４の図である。その状態では、磁場センサ１５２、１５４は、各々コイルＡおよびコイルＢとして言及される。ＮＡおよびＮＢは、各々コイルＡおよびコイルＢによって感知された磁気ノイズフィールドを示す。ＳＡおよびＳＢは、各々コイルＡおよびコイルＢによって感知されたトルクにより誘発された磁場を示す。磁気弾性活性領域１４０の構成および処理により、ＳＡおよびＳＢは、等しい大きさで反対の方向である。矢印ｍＡおよびｍＢは、各々コイルＡおよびコイルＢの感知方向、即ちフィールド測定の正方向を示す。共通モードでの作動時、磁場センサ１５２、１５４は、ｍＡおよびｍＢが互いに反対になるように配向される。図３に示す通り、共通モードでの作動時、コイルＡは、ＳＡ＋ＮＡに等しい信号を感知し、コイルＢは、ＳＢ−ＮＢに等しい信号を感知する。
【００４０】
磁気ノイズフィールド（magnetic  noise  field）は、遠距離場ノイズソース、近距離場ノイズソース、または両方によってもたらされることがある。磁気ノイズフィールドが専ら遠距離場ノイズソースの結果であり、磁気ノイズフィールドの歪みが生じない時、ＮＡおよびＮＢは、等しい大きさおよび方向である。そのような例では、トルク感知装置１００上の磁気ノイズの効果は、共通モードにおけるコイルＡおよびコイルＢから得られた出力信号を合計することによって取り消される。結果としての合成出力信号は、ＳＡ＋ＮＡ＋ＳＢ−ＮＢ＝ＳＡ＋ＳＢ＝２ＳＡ＝２ＳＢによって示される。合成出力信号は、完全にトルクにより誘発されるので、合成出力信号に基づきシャフト１１０に加えられたトルクの大きさを容易に判断できる。この技法は、上記説明の通り、共通モード阻止として通常言及される。
【００４１】
しかし、通常の実施では、近距離場ノイズソースの存在、遠距離場ソースがもたらすノイズフィールドの歪み、コイルＡおよびコイルＢが同じ物理空間を占めることができないこと、コイルＡおよびコイルＢの軸方向不整列の可能性、およびコイルＡおよびコイルＢの物的製造および部品の許容値により、コイルＡおよびコイルＢが感知する磁気ノイズフィールドは、等しい大きさではない。即ち、通常ＮＡ≠ＮＢである。そのような場合では、共通モードにおけるコイルＡおよびコイルＢの個々の出力信号の合計で得た合成出力信号は、ＳＡ＋ＮＡ＋ＳＢ−ＮＢ＝２ＳＡ＋ＮＡ−ＮＢ＝２ＳＢ＋ＮＡ−ＮＢに等しい。この場合では、磁場ノイズの効果が取り消されず、共通モード阻止の技法は、シャフト１１０に加えられたトルクの大きさを正確に反映する信号を得るのに不十分である。即ち、共通モード接続状態では、感知されたフィールド出力は、トルクにより誘発された磁場の合計から、共通モードの外部ノイズフィールドを引いた値に、磁場センサ１５２、１５４の１つまたは両方に局所的な外部ノイズフィールドを足す。これは、従来の作動モードであり、全ての共通モードの外部磁気ノイズフィールドを効果的に差し引くという利点があり、磁場センサ１５２、１５４の１つまたは両方に局所的な外部磁気ノイズフィールドを差し引くことができない不都合がある。
【００４２】
図４を見ると、差動モードで作動する本発明の磁場センサ１５２、１５４の図が示される。磁場センサ１５２、１５４は、各々コイルＡおよびコイルＢとして再び言及される。ＮＡおよびＮＢは、各々コイルＡおよびコイルＢによって感知された磁気ノイズフィールドを示す。ＳＡおよびＳＢは、各々コイルＡおよびコイルＢによって感知されたトルクにより誘発された磁場を示す。磁気弾性活性領域１４０の構成および処理により、ＳＡおよびＳＢは、等しい大きさであって、反対の方向である。矢印ｍＡおよびｍＢは、各々コイルＡおよびコイルＢの感知方向、即ちフィールド測定の正方向を示す。差動モードでの作動時、磁場センサ１５２、１５４は、ｍＡおよびｍＢが一様になるように配向される。図４に示す通り、差動モードでの作動時、コイルＡは、ＳＡ＋ＮＡに等しい信号を感知し、コイルＢは、−ＳＢ＋ＮＢに等しい信号を感知する。
【００４３】
ＮＡ≠ＮＢである通常の状況では、トルク感知装置１００上のトルクにより誘発された磁場の効果は、差動モードにおけるコイルＡおよびコイルＢから得られた出力信号を合計することによって取り消される。結果としての合成出力信号は、ＳＡ＋ＮＡ−ＳＢ＋ＮＢ＝ＮＡ＋ＮＢに等しい。感知されたフィールド出力は、他の磁気的に調整された領域１４２、１４４からのトルクにより誘発された磁場から差し引かれ、磁場センサ１５２、１５４の両方で感知された外部磁気ノイズフィールドの合計を足した、磁気的に調整された領域１４４、１４２の１つからのトルクにより誘発された磁場に等しい。従って、差動モードでの作動時、本発明は、磁場センサ１５２、１５４対に影響する望ましくない磁場ノイズを測定できる。
【００４４】
図５を見ると、本発明の作動を示すブロック図が示される。ブロック１１に言及すると、フィールドセンサ１５２のコイルＡおよびフィールドセンサ１５４のコイルＢは、軸方向に整列して示され、導体１６６に直列接続される。ブロック１１は、共通モード（信号検出モード）で設定されたコイルＡおよびコイルＢを示し、それらの感知方向ｍＡおよびｍＢは、互いに反対である。コイルＡおよびコイルＢは、共通モードでブロック１３により示される、フィールドコイル回路に出力信号を提供し、磁場センサ１５２、１５４から得られた出力信号を処理する。コイルＡおよびコイルＢから得られた個々の出力信号が合計され、ブロック１５により示される合成共通モード出力信号をもたらす。本発明は、共通モードの作動中に得られた出力信号の各々を格納するためのメモリまたは他の格納装置（図示せず）を含む。
【００４５】
続けて図５を参照すると、ブロック１２は、差動モード（ノイズ検出モード）で設定されたコイルＡおよびコイルＢを示す。コイルＡおよびコイルＢは、軸方向に整列して示され、上記説明した共通モードと同様に、導体１６６によって直列接続される。しかし、共通モードと異なり、差動モードでは、コイルＡおよびコイルＢの感知方向ｍＡおよびｍＢは、一様（identical）である。コイルＡおよびコイルＢは、差動モードでブロック１４により示される、フィールドコイル回路に出力信号を提供し、磁場センサ１５２、１５４から得られた出力信号を処理する。コイルＡおよびコイルＢから得られた個々の出力信号が合計され、ブロック１６により示される合成差動モード出力信号をもたらす。本発明は、差動モードの作動中に得られた出力信号の各々を格納するためのメモリまたは他の格納装置（図示せず）を含む。
【００４６】
共通モードから差動モードへの推移は、共通モードから差動モードの配向へのコイルＢの感知方向ｍＢを切り替えることによって達成される。切り替えは、任意の適当な電気または機械手段によって実行されうる。図５では、共通モードから差動モードへの推移は、スイッチ１６８によって容易にされ、活性化される時、コイルＢの感知方向ｍＢを効果的に反転する。トルク感知装置１００の適切な機能性を保証するために、磁場センサ１５２、１５４を組込む回路の切り替え頻度は、回路帯域幅より大きいことが必要である。
【００４７】
続けて図５を参照すると、合成差動モード出力信号（ブロック１６）は、ブロック１７によって示される積を得るために、残留ノイズ比率（ＲＮＲ）に掛け合わされる。その積（ブロック１７）は、減算回路（ブロック１８）を介して処理されるので、合成共通モード出力信号（ブロック１５）から差し引かれる。結果としての差（ブロック１９）は、トルクにより誘発された磁場の測定値であり、全てのノイズにより誘発された磁場の効果が除去される。本発明の作動のために要求される数学演算は、個別部品、マイクロコントローラ、または従来技術である状態マシンを含む任意の適当な手段によって実行されてもよい。
【００４８】
残留ノイズ比率は、以下の手順によって決定されてもよい。最初の試作品の開発および評価の過程の一部として、本発明の各例のために以下の手順を一度だけ実行するのが必要なだけである。残留ノイズ比率の決定では、制御された発散磁場ソースが使用される。
１）制御された発散磁場ソースがＯＦＦになると、トルク感知装置１００に定常状態のトルクを加え、
a.  共通モードでは、基準共通モード出力信号測定値を得る：（ＳＡ＋ＳＢ＋ＮＡ−ＮＢ）off。
b.  差動モードでは、基準差動モード出力信号測定値を得る：（ＳＡ−ＳＢ＋ＮＡ＋ＮＢ）off。
２）制御された発散磁場ソースがＯＮになると、ステップ１からの定常状態のトルクを加え続け、
a.  共通モードでは、第２共通モード出力信号測定値を得る：（ＳＡ＋ＳＢ＋ＮＡ−ＮＢ）on。
b.  共通モード出力信号で示される任意の反復波形の頂点間振幅を測定する。
c.  差動モードでは、第２差動モード出力信号測定値を得る：（ＳＡ−ＳＢ＋ＮＡ＋ＮＢ）on。
d.  差動モード出力信号で示される任意の反復波形の頂点間振幅を測定する。
３）ステップ２（ａ）および１（ａ）で得られた共通モード値の間の差を計算する：［（ＳＡ＋ＳＢ＋ＮＡ−ＮＢ）on−（ＳＡ＋ＳＢ＋ＮＡ−ＮＢ）off］＝Δ（ＮＡ−ＮＢ）。
４）ステップ２（ｃ）および１（ｂ）で得られた差動モード値の間の差を計算する：［（ＳＡ−ＳＢ＋ＮＡ＋ＮＢ）on−（ＳＡ−ＳＢ＋ＮＡ＋ＮＢ）off］＝Δ（ＮＡ＋ＮＢ）。
５）ステップ４で得られた測定値で割ったステップ３で得られた測定値；およびステップ２（ｄ）で得られた測定値で割ったステップ２（ｂ）で得られた測定値：よりも大きい残留ノイズ比率を決定する。残留ノイズ比率は、（ＮＡ−ＮＢ）／（ＮＡ＋ＮＢ）として表すことができる。
【００４９】
図６を見ると、ここに示されるのは、本発明のトルク感知装置１００の“トリバンド（tri-band）”実施形態に従う、円筒シャフト１１０の側面図である。図６が図１と異なる点として、図６は、３つの軸方向に区別される、磁気的に調整された領域１４２、１４４、１４６によって定義される磁気弾性活性領域１４０を有するシャフト１１０を示す。最外部の磁気的に調整された領域１４２、１４６は、実質的に円周方向で一様に、磁気的に分極される。中央の磁気的に調整された領域１４４は、最外部の磁気的に調整された領域１４２、１４６のそれとは反対の実質的に円周方向で磁気的に分極される。好ましくは、磁気的に調整された領域１４２、１４４、１４６の円周上の分極により、休止状態では、磁気的に調整された領域１４２、１４４、１４６は、軸方向または半径方向に正味の磁化を有していない。図６の矢印Ａ、Ｂ、Ｃは、トルク感知装置１００が休止状態の時、磁気的に調整された領域１４２、１４４、１４６の分極の例示的方向を示す。
【００５０】
図７は、図６のトルク感知装置１００を示し、トルクがシャフト１００に加えられている状態にある。図２に関して上記説明した通り、シャフト１１０にトルクを加えると、磁気的に調整された領域１４２、１４４、１４６の分極された磁化の再配向をもたらすので、磁気的に調整された領域１４２，１４４、１４６は、半径方向および軸方向でトルクにより誘発された磁化成分を示す。最外部の磁気的に調整された領域１４２、１４６の各々から発するトルクにより誘発された磁場は、互いに大きさおよび極性が等しく、中央の磁気的に調整された領域１４４から発するトルクに誘発された磁場に対して、大きさは同じであるが、反対の極性である。図７では、矢印Ａ、Ｂ、Ｃは、トルクがシャフトに加えられる時、磁気的に調整された領域１４２、１４４、１４６の磁化の再配向を示す。図７はまた、シャフト１１０に加えられたトルクがもたらす外部磁束を示し、外部磁束は、半径成分７０６および軸成分７０８に関して説明されうる。
【００５１】
続けて図６および図７を参照すると、磁場センサ１５２、１５４，１５６は、軸方向に整列し、各々磁気的に調整された領域１４２、１４４、１４６に隣接して位置決めされる。各個々の磁場センサ１５２、１５４、１５６は、個々の磁気的に調整された領域１４２、１４４、１４６に対応する。磁場センサ１５２、１５４、１５６は、休止時の円周方向から通常のらせん方向への分極された磁化の再配向の結果として、磁気的に調整された領域１４２、１４４、１４６周りの空間で発生する軸および／または半径成分の大きさおよび極性を感知するように配向される。磁場センサ１５２，１５４、１５６は、シャフト１１０に加えられたトルクの大きさを反映する信号出力を提供する。
【００５２】
図６および図７は各々、３つの磁場センサ１５２、１５４、１５６の１組のみを有するトルク感知装置１００を示すが、トルク感知装置は、トルク感知装置１００全体の精度を上げるために、シャフト１１０周りの円周上に間隔を置き、磁気弾性活性領域１４０に隣接する、３つの磁場センサの複数組を含んでもよい。
【００５３】
図８を見ると、ここに示されるのは、共通モードで作動する本発明のトリバンド実施形態の磁場センサ１５２、１５４、１５６の図である。磁場センサ１５２、１５４、１５６は、各々コイルＡ、コイルＢおよびコイルＣを含む。ＮＡ、ＮＢおよびＮＣは、各々コイルＡ、コイルＢおよびコイルＣにより感知される磁気ノイズフィールドを示す。ＳＡ、ＳＢおよびＳＣは、各々コイルＡ、コイルＢおよびコイルＣにより感知されるトルクにより誘発された磁場を示す。磁気弾性活性領域１４０の構成および処理により、ＳＡ、ＳＢおよびＳＣは、同じ大きさであり、ＳＡおよびＳＢは、反対の方向であり、ＳＢおよびＳＣは、反対の方向であり、ＳＡおよびＳＣは、同じ方向である。矢印ｍＡ、ｍＢおよびｍＣは、各々コイルＡ，コイルＢおよびコイルＣの感知方向、即ちフィールド測定の正方向を示す。共通モードでの作動時、磁場センサ１５２、１５４、１５６は、ｍＡおよびｍＣが互いに一様であり、ｍＢが反対であるように配向される。図８に示す通り、共通モードでの作動時、コイルＡは、ＳＡ＋ＮＡに等しい信号を感知し、コイルＢは、ＳＢ−ＮＢに等しい信号を感知し、コイルＣは、ＳＣ＋ＮＣに等しい信号を感知する。
【００５４】
ＮＡ、ＮＢおよびＮＣが等しい大きさおよび方向である例では、トルク感知装置１００上の磁気ノイズの効果は、共通モードでコイルＡ、コイルＢおよびコイルＣから得た出力信号を合計することにより取り消され、コイルＢから得た出力が２度使用される。結果としての合成出力信号は、ＳＡ＋ＮＡ＋２ＳＢ−２ＮＢ＋ＳＣ＋ＮＣ＝ＳＡ＋２ＳＢ＋ＳＣ＝４ＳＡ＝４ＳＢ＝４ＳＣに等しい。合成出力信号は、全体的にトルクにより誘発されるので、合成出力信号に基づきシャフト１１０に加えられたトルクの大きさを容易に決定できる。
【００５５】
ＮＡ、ＮＢおよびＮＣが等しい大きさおよび方向ではない例では、共通モードでコイルＡ、コイルＢおよびコイルＣの個々の出力信号を合計することにより得られた合成出力信号は、ＳＡ＋ＮＡ＋２ＳＢ−２ＮＢ＋ＳＣ＋ＮＣ＝４ＳＡ＋ＮＡ−２ＮＢ＋ＮＣ＝４ＳＢ＋ＮＡ−２ＮＢ＋ＮＣ＝４ＳＣ＋ＮＡ−２ＮＢ＋ＮＣに等しく、コイルＢから得た出力が２度使用される。
【００５６】
図９は、差動モードで作動する本発明のトリバンド実施形態の磁場センサ１５２、１５４、１５６の図を示す。磁場センサ１５２、１５４、１５６は、各々コイルＡ、コイルＢおよびコイルＣを含む。ＮＡ、ＮＢおよびＮＣは、各々コイルＡ、コイルＢおよびコイルＣにより感知される磁気ノイズフィールドを示す。ＳＡ、ＳＢおよびＳＣは、各々コイルＡ，コイルＢおよびコイルＣにより感知されるトルクにより誘発された磁場を示す。磁気弾性活性領域１４０の構成および処理により、ＳＡ、ＳＢおよびＳＣは、等しい大きさであり、ＳＡおよびＳＢは、反対方向であり、ＳＢおよびＳＣは、反対方向であり、ＳＡおよびＳＣは、同じ方向である。矢印ｍＡ、ｍＢおよびｍＣは、各々コイルＡ、コイルＢおよびコイルＣの感知方向、即ちフィールド測定の正方向を示す。差動モードでの作動時、磁場センサ１５２、１５４、１５６は、ｍＡ、ｍＢおよびｍＣが一様であるように配向される。図９に示す通り、差動モードでの作動時、コイルＡは、ＳＡ＋ＮＡに等しい信号を感知し、コイルＢは、−ＳＢ＋ＮＢに等しい信号を感知し、コイルＣは、ＳＣ＋ＮＣに等しい信号を感知する。
【００５７】
ＮＡ、ＮＢおよびＮＣが等しい大きさおよび方向ではない例では、合成出力信号は、差動モードでコイルＡ、コイルＢおよびコイルＣの個々の出力信号を合計することにより得られ、コイルＢから得た出力信号は、２度使用される。合成出力信号は、ＳＡ＋ＮＡ−２ＳＢ＋２ＮＢ＋ＳＣ＋ＮＣ＝ＮＡ＋２ＮＢ＋ＮＣに等しい。従って、差動モードでの作動時、本発明は、磁場センサ１５２、１５４、１５６の組に影響する好ましくない磁場ノイズを測定できる。
【００５８】
図１０は、本発明のトリバンド実施形態の作動を示すブロック図である。ブロック２１を参照すると、コイルＡ、コイルＢおよびコイルＣは、軸方向に整列して示され、導体１６６により直列接続される。ブロック２１は、共通モード（信号検出モード）で設定されたコイルＡ、コイルＢおよびコイルＣを示し、コイルＡおよびコイルＣの感知方向ｍＡ、ｍＣは、互いに一様であり、コイルＢの感知方向ｍＢと反対である。コイルＡ、コイルＢおよびコイルＣは、共通モードでブロック２３により示されるフィールドコイル回路に出力信号を提供し、磁場センサ１５２、１５４、１５６から得た出力信号を処理する。コイルＡ、コイルＢおよびコイルＣから得た個々の出力信号が合計され、コイルＢから得た出力は、２度使用され、ブロック２５により示される合成共通モード出力信号をもたらす。本発明は、共通モードの作動中に得られた出力信号の各々を格納する手段を含む。
【００５９】
続けて図１０を参照すると、ブロック２２は、差動モード（ノイズ検出モード）で設定されたコイルＡ、コイルＢおよびコイルＣを示す。コイルＡ，コイルＢおよびコイルＣは、軸方向に整列して示され、共通モードと同様に、導体１６６により直列接続される。共通モードと異なり、差動モードでは、コイルＡ，コイルＢおよびコイルＣの感知方向ｍＡ、ｍＢおよびｍＣは、一様である。コイルＡ，コイルＢおよびコイルＣは、差動モードでブロック２４により示されるフィールドコイル回路に出力信号を提供し、磁場センサ１５２、１５４、１５６から得た出力信号を処理する。コイルＡ、コイルＢおよびコイルＣから得た個々の出力信号は、合計されてもよく、コイルＢから得た出力は、２度使用され、ブロック２６により示される合成差動モード出力信号をもたらす。本発明は、差動モードでの作動中に得た出力信号の各々を格納するための手段を含む。例えば、合成差動モード出力信号の成分は、別に格納されてもよく、１つの成分は、ＳＡ＋ＮＡ−ＳＢ＋ＮＢ＝ＮＡ＋ＮＢに等しく、もう１つの成分は、ＳＣ＋ＮＣ−ＳＢ＋ＮＢ＝ＮＣ＋ＮＢに等しい。
【００６０】
共通モードから差動モードへの推移は、共通モードから差動モードの配向にコイルＢの感知方向ｍＢを切り替えることにより達成される。切り替えは、任意の適当な電気または機械手段により実行されうる。図５では、共通モードから差動モードへの推移は、スイッチ１６８により容易にされ、活性化される時、コイルＢの感知方向ｍＢを効果的に反転する。トルク感知装置１００の適切な機能性を保証するために、磁場センサ１５２、１５４、１５６を組込む回路の切り替え頻度は、回路帯域幅より大きいことが必要である。
【００６１】
続けて図１０を参照すると、合成差動モード出力信号（ブロック２６）の成分は、ブロック２７および２８により示される積を得るためにその各残留ノイズ比率に掛け合わされる。特に、ＮＡ＋ＮＢを示す成分は、ＲＮＲＡＢに掛け合わされ、ＮＣ＋ＮＢを示す成分は、ＲＮＲＣＢに掛け合わされる。結果としての積（ブロック２７および２８）は、合計され（ブロック２９）、合計の結果は、減算回路（ブロック３０）を介して処理されるので、合成共通モード出力信号（ブロック２５）から差し引かれる。結果としての差（ブロック３１）は、トルクにより誘発された磁場の測定値であり、全てのノイズにより誘発された磁場の効果が除去される。本発明の作動に必要な数学演算は、個別部品、マイクロコントローラ、または状態マシンを含む任意の適当な手段により実行されてもよい。
【００６２】
トリバンド設定に関する残留ノイズ比率は、デュアルバンド設定における残留ノイズ比率を決定するために上記説明した同じ手順により決定されてもよい。トリバンド設定に関して、先に、コイルＡおよびコイルＢからの出力に基づきＲＮＲＡＢを決定する手順のステップが実行される。次に、コイルＣおよびコイルＢからの出力に基づきＲＮＲＣＢを決定するステップが実行される。最初の試作品の開発および評価の過程の一部として、本発明の各例のために単にＲＮＲＡＢおよびＲＮＲＣＢを決定するのが必要なだけである。ＲＮＲＡＢは、（ＮＡ−ＮＢ）／（ＮＡ＋ＮＢ）として表され、ＲＮＲＣＢは、（ＮＣ−ＮＢ）／（ＮＣ＋ＮＢ）として表すことができる。
【００６３】
‘953公開明細書に記載の通り、トリバンド設定を使用する従来の方法は、中央の位置（コイルＢの位置）に２つの物理的な磁場センサ１５４を使用し、全部で４つの磁場センサ１５２、１５４、１５６をもたらす。２つの中央磁場センサ１５４は、シャフト１１０周りに同じ物理空間を占めることができず、磁場勾配で同じ軸方向のフィールドも測定できない。これは、ＳＢを示す測定値を得るために使用される２つの磁場センサ１５４がある一方で、それら２つの磁場センサ１５４が一様な磁場を測定しないという事実に起因して、数学的な磁場ノイズ取り消しエラーをもたらす。従って、従来の方法は、磁場ノイズが軸方向で全ての磁場センサ１５２、１５４、１５６を介して直線的な傾斜を有する時でさえ、磁場ノイズを完全に取り消すことができない。
【００６４】
本発明のトリバンド設定は、中央の位置（コイルＢの位置）で単一の磁場センサ１５４を採用することにより、従来の方法で不可能だったことを解決する。単一の中央磁場センサ１５４からの出力は、合成共通モード出力信号を得る際に２度使用され、合成差動モード出力信号を得る際に２度使用される。本発明は、この機能を達成するために追加のマルチプレクサ（図示せず）を含んでもよい。４つではなく３つの磁場センサ１５２、１５４、１５６のみを採用することにより、本発明は、背景技術で説明された従来の方法よりも一層効果的にノイズを取り消す。
【００６５】
従来の４つの検出器の実装と比較して、本発明のトリバンドトポロジーは、不都合な外部磁場ノイズがトルク感知装置１００の環境に存在する時、信号出力に現れる残留ノイズ（ＮＡ−２ＮＢ＋ＮＣ）の改善を示す。この改善は、多数の中央磁場センサ１５４の間の物理的な差が除去されること、コイルＢの空間上の磁場ノイズ測定値が両方の対（コイルＡおよびＢ、またコイルＢおよびＣ）に関して一様であって、それが線形磁場勾配を消去するのに重要であること、および非線形磁場ノイズ環境で線形磁場ノイズ勾配を近似するために軸方向の測定距離が顕著に低減されることにより達成される。しかし、３つの磁場センサ１５２、１５４、１５６により測定された非線形磁場勾配の重大性に依存して、信号の残留ノイズは、重要なままである。従って、トリバンド設定のための残留ノイズ比率は、測定される必要がある。
【００６６】
本発明のもう１つのトリバンド実施形態が存在し、図６〜１０で中央の磁気的に調整された領域１４４は、磁気的に調整されない領域によって置換される。この実施形態は、図６〜１０に関して説明されたものと同様に作動するが、コイルＢは、任意のトルクにより誘発された磁場を感知しない点で異なる。この実施形態により、互いに近接して位置決めされた一層小さな磁場センサ１５２、１５４，１５６の使用が可能になり、最外部の磁気的に調整された領域１４２、１４６を互いに近接して位置決め可能になり、故にトルク感知装置の有効性を改善する。
【００６７】
本発明のいくつかの直接的な産業上の用途は、トランスミッション上の入力および出力トルクの測定、パワーアシストステアリング、自転車のパワーアシストペダル、農業用コンバイン（切断されている材料の剛性を感知する）、トラックの動力取出装置（tracker  PTO）、織機、パイロン訓練（pylon  drilling）等を含むが、それに限定されない。
【００６８】
開示された本発明の特定の現在の好ましい実施形態がここに特に説明されたが、当業者であれば、本発明は、ここに示され説明された各種実施形態の変形および修正が本発明の精神および範囲から逸脱しないで行えることに関連することが分かる。従って、本発明は、添付の請求の範囲および適用可能な法律により要求される内容のみに限定されることが意図される。
【符号の説明】
【００６９】
１１  共通モード
１２  差動モード
１３  フィールドコイル回路
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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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９】
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【図１０】
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【外国語明細書】
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