(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
軸のねじり応力を電気的に測定する磁気弾性トルクトランスジューサであって、トランスジューサが、軸（１）に、時間的に周期的変化を示す軸方向磁界を発生させる第１部材（２，３）を有しており、前記軸には、異方性を有する少なくとも１つの帯域（６，７）が設けられ、この異方性の効果が、磁束密度を軸に沿った本来の方向から外れた方向に偏向させることであり、更に前記トランスジューサが、磁界が偏向する帯域と磁界が偏向しない区域との間の、また、磁界が異なる方向に偏向する帯域間の、ねじり応力により生じる磁気抵抗の差を測定する第２の部材（１０，１１）を有している形式のものにおいて、
前記軸（１）が少なくとも２相を備えた幾何的に異方性の微細組織を有する材料から成り、前記相の１つが、相対的に軟磁性の連続的な、磁気弾性特性を有する複数の筋から成り、かつまた少なくとも１つの相が、他の相よりかなり低い透磁率を有しており、かつまた、単数又は複数の帯域での幾何学的に異方性の微細組織の所望の優先方向が前記帯域内でのねじりモーメントによる軸の機械的ひずみにより生じたことを特徴とする、磁気弾性トルクトランスジューサ。
【発明の詳細な説明】
技術分野
本発明は、固定軸又は回転軸に作用するトルクを非接触式に測定するトランスジューサに関するものである。これと関連して重要な点は、トランスジューサ軸が異方性特性を示す点である。軸の目標異方性を得るため、本発明により用いられる材料は、異方分布の少なくとも２つの相を備えた微細（顕微鏡）組織を有している。
背景技術、問題
トルクの加わる円筒軸は純せん断応力の影響を受ける。この応力状態は、等しいマグニチュードで軸に対し直角方向に作用する圧縮応力と引張応力とから成る主応力の語で表わされる。主応力の方向は、円筒面の母線に対し＋／−４５度の傾斜を有している。
軸の測定範囲内に、回転対称的な、均等な磁界、すなわちＨ磁界が周囲の固定巻線によって生じる場合、同じように均等の磁束密度、すなわちＢ磁界が、非負荷状態の軸に生じる。軸に負荷が加わると、Ｂ磁界の磁界プロット（分布）が乱される。この乱れは、検出巻線によって検出される。
トルクトランスジューサの構造設計面での公知技術は、多くの特許明細書や技術論文に開示されている。それらの解決策の大半に共通する点は、ある形式の異方性を有する磁性材料に２つの帯域を設ける点である。この異方性により、磁束密度が、トランスジューサ軸円筒面の母線と平行な、その本来の方向から、ある角度で偏向せしめられる。一方の帯域では、異方性の主方向が、引張応力の加わる主応力方向と合致するようにする。他方の帯域では、主方向が、圧縮応力の加わる方向と合致するようにされる。
したがって、磁気弾性効果のため、帯域の磁気抵抗が減少又は増大する。そのさい、磁束密度は、正の磁気ひずみ（磁歪）の場合には、引張方向又は圧縮方向へ偏向する。これら帯域間の磁気抵抗を最終的に測定することにより、軸方向力又は曲げ応力にほとんど不感のトルクが測定される。
これら帯域間の磁気抵抗差は、通常、軸と同心的な１次コイルを介して、両帯域に等しい振幅を有する、時間に依存する軸方向Ｈ磁界を発生させることにより測定される。また、これら帯域間のＢ磁界の差は、一方のコイルが各帯域と交差する等しい２個の２次コイルによって測定される。この測定は、きわめて簡単である。すなわち、２次コイルを逆に接続して、各コイルの誘導電圧が互いに減じ合うようにするのである。加えて、このようにして得られた２次信号の整流により相を検出することによって、異なる方向のねじりモーメントを区別することができる。
ねじりモーメントに対する高感度を得るには、異方性が十分に存在して、帯域間の差が出来るだけ大きい値となるようにせねばならない。異方性は、磁界が、異方性の影響により、トランスジューサ軸円筒面の母量（generatrix）と平行な本来の方向から偏向する角度で測定される。この角度が各帯域で４５度であれば、異方性は、磁界が、ねじり負荷を受けるトランスジューサ軸の主応力方向に向けられる場合に最大となる。
また、きわめて重要なことは、機械的な応力形態、磁界の形態の双方ともが、実際に完全な回転対称性を維持できるようにして、信号の変動を防止することである。このような信号変動は、磁気抵抗測定部品に対して回転するトランスジューサのために発生する。
従来の技術により異方性を得る形式は少なくないが、以下では、そのうちの数例を説明する。
ＳＵ第６６７８３６号に記載の方法によれば、特殊なパターンに従い軸表面にスリットを切除することにより、各帯域にもっぱら幾何形状によって異方性が形成される。前記パターンは、トランスジューサ軸円筒面の母線に対して４５度の角度の、相互に平行な多くの線から成っている。しかし、この解決策で得られる異方性には制限があるため、感度も低い。これは、スリットが深くカットされていない場合には、磁界が、スリットの“下にクリープ”することがあるからである。他方、スリットが深ければ、軸表面の応力レベルが低くなり、したがって感度も低下する。加えて、表面に設けられたスリットは、スリット底部の有効応力を著しく増大させる結果となり、このため、軸材料の塑性降伏前には、軸に中程度の負荷以外は与え得ない。このことによって、また、トランスジューサの出力信号にヒステリシスが生じる結果となる。
ＵＳ第４８２３６２０号に記載の実施例は、幾何的な異方性の点では同じだが、トランスジューサにヒステリシスが生じるのを防止するため、表面を硬化又は浸炭する処理が加わっている。
ＳＵ第８３８４４８号に記載の方法の場合には、感度を高めるために、スリットを設ける代りに、軸表面に類似のパターンをローレット切りしておく。これにより、スリットに最も近い材料の塑性変形によって、異方性が高められる。しかし、このため残留応力が大となり、スリット底部に沿って透磁率が低下し、したがって磁気的性質の異方性は低下する。この解決策の場合、塑性機械加工自体は降伏点を高めはしても、軸材料の疲労の問題は逆に大きくならざるをえない。
更に、ＵＳ第４５６５５４号によるトルクトランスジューサの場合は、主応力方向で切除したスリットを設けた磁気弾性材料製スリープを用いることで、異方性が得られている。この形式の場合には、先述のスリットの“下へのクリープ”は防止でき、スリーブ材料とは異なる磁気特性を有する軸材料を選んだことで、一定の自由が得られている。スリーブ材料は、第一に磁気特性の見地から選定する必要がある。
同種の別の解決策が、ＩＥＥＥ  Trans Magn, Vol. ＭＡＧ−２２, No. 5, pp. ４０３−４０５に、モーリ（Mohri）ほかにより説明されている。この解決策の場合、溶融磁気弾性合金小滴をマスクを介して軸上にスプレーすることにより、ステンレス軸上に連続スリットを有する１００マイクロメータ厚の“スリーブ”が得られる。
この種の方法の、その他の変化形では、アモルファスの磁気弾性材料製ストリップが、磁性又は非磁性トランスジューサ軸に、主応力方向で接着又は他の形式で張付けられる。この設計の場合、残留応力、温度ドリフト等々の点で不都合なことが多い。
常に同一方向のトルクの測定に用いるトランスジューサの場合、原則として、トランスジューサ軸に１つの測定帯域を設ければ十分である。別の場合や特殊目的の場合には、２つ以上の測定帯域を設けることもできる。
ヨーロッパ特許第０２７０１２２号明細書に開示されている“磁気弾性トルクトランスジューサ”の場合も、磁気弾性原理にもとづいており、通常の形式で励磁巻線及び検出巻線を有している。この場合、トランスジューサ軸は強磁性磁気弾性区域を有している。この区域は、鉄・ニッケルのマルテンサイト、焼入可能の鋼、焼入鋼から成る材料群から選択される。焼入鋼は、最低５ppmの絶対総量の、事実上等方性の磁気ひずみを示し、０．０５〜０．７５重量％の炭素と、ニッケル、クロム、コバルト、チタン、アルミニウム、マンガン、モリブデン、銅、臭素、これらの材料の混合物のなかから選択した十分な量の成分を含有することにより、磁気ひずみが少なくとも５ppmの絶対総量に増大せしめられる。異方性の一形式が、この場合には、冷間加工、たとえば回転又は圧延により材料内に残留応力を生じさせることで得られる。
以上、“技術分野”の見出しのもとに述べたように、本発明は、異方的に配分される少なくとも２つの相を有する顕微鏡組織のトランスジューサ軸の材料に関するものである。一般に知られている点は、その種の材料の一例がフェライト／オーステナイト系ステンレス鋼のバーである点である。このバーの製造は、十分に方向を考慮した成形処理により行なわれる。これらの処理により、バーには、フェライトとオーステナイトとによる平行で長い軸方向筋形式の幾何的異方性を有する顕微鏡組織が得られる。
発明の要約
本発明による磁気弾性トルクトランスジューサは、トランスジューサ軸の材料選定と、選定材料の異方性顕微鏡組織を利用して磁束密度の既述の目標偏向を生じさせることとの双方に関わるものである。
きわめてよく用いられる軸ブランクは、フェライト／オーステナイト系ステンレス鋼製バーの先述の例である。より一般的な言葉でいえば、軸のブランクは、少なくとも２相の微細（顕微鏡）組織を有し、そのうちの１つの相は磁気弾性特性を備え、相対的に軟磁性であり、かつまた少なくとも１つの相は、他方の相よりかなり低い透磁率を有するものである。この組織の場合、より軟磁性の組織部分が、できるだけ連続的な、細い筋を有するようにすることで幾何的異方性が得られている。筋の方向と交差方向で、軟磁性の筋は、より低い透磁率の単数又は複数の相によって分離され、それにより材料の合成透磁率が異方性となる。そのような幾何学的異方性を備える微細組織を得るには、いくつかの形式がある。方向付けされた鋳造／凝固及び帯域溶融の両方、圧延、押出、引張により、方向付けされた筋を有する前記組織が得られる。単一方向の連続的な筋を有するバーブランクは、また、たとえば、かなり異なる透磁率を有する材料製ワイヤ束をＨＩＰ処理することによっても製造できる。
トルク測定装置のトランスジューサ軸として機能し得る軸ブランクの場合には、既述のように、次のことが要求される。すなわち、何らかの形式で、好ましくは、負荷時に軸内に引張応力と圧縮応力が生じる主応力方向と合致する異方性を備えた帯域形式で、目標磁気偏向が得られることである。能動測定帯域は、包絡面から磁界深度に相応する中心に向って、一定の深さを有している。磁界深度は、部分的に強磁性の材料の場合、類似の電気抵抗を有する単相材料の場合より大である。母線（generatrix）に対する筋の角度は、軸半径に応じて変化し、軸中心ではゼロとなるので、最適偏向の場合には、包絡面母線と筋の角度は、包絡面のところで４５度を幾分上回る値にすることによって、磁場深度内の、包絡面より幾分下の位置で４５度となるようにされる。
部分的に強磁性の材料の表面下には磁界がより深くに達する。これにより、それと同じ程度に、表面の性質が磁気特性に与える影響が低減される。
所望の優先方向を生じさせる作業、すなわち、幾何学的異方性を備える微細組織を回転させる作業は、当該の軸ブランクを製造の間に、多くの異なる形式で、かつまた異なる回数で実施できる。
最も簡単な形式は、帯域の１つに対応させる予定の軸区域に一方方向のねじりモーメントを加え、次いで、他方の帯域に対応させる予定の隣接軸区域には、逆方向に等しい大きさのねじりモーメントを加える形式である。このようにして得られる残留応力は、先述のヨーロッパ特許の場合に必要な残留応力と異なり、応力除去焼きなましによって除去できる。切削された異方性組織は、したがって回復できる。これらの処置によって透磁率は増大し、したがってまたトランスジューサの感度も高くなる。
好適実施例の説明
添付図面には、本発明による、軸のねじり応力の電気測定用磁気弾性トランスジューサの一好適実施例が示されている。図面には、励磁・検出巻線と外側継鉄とを有するトランスジューサの固定部分の軸方向断面と、回転対称的なトランスジューサの軸表面の異方性微細組織とが示されている。
トランスジューサは、トルクを測定できる円筒形軸１を有している。既述のことから明らかなように、トランスジューサ軸は、異方性微細組織を有する材料から成っている。すなわち、軸のブランクは、少なくとも２相を有する微細組織を備えており、そのうちの１つの相は、比較的軟磁性的で磁気弾性特性を有し、かつまた少なくとも１つの相は、他方の相よりかなり低い透磁率を有している。この顕微鏡組織の場合、より軟磁性の組織構成部分が、できるだけ連続的な細い筋を有するようにすることで、幾何的異方性が得られている。筋方向と交差方向に、軟磁性の筋は、より低い透磁率を有する単数又は複数の相により分離されている。これにより材料の合成透磁率が異方性となる。
更に、トランスジューサは、当該測定範囲内に、時間的に周期的変化を生じる軸方向磁界を発生させる装置を有している。この装置は、２個のボビン４，５に巻付けられた２個の１次コイル２，３を有している。コイル２，３はトルク検出軸１と同心的である。これら１次コイルは、また直列接続され、信号発生器に接続されている。
測定範囲内には、２つの測定帯域６，７が軸に設けられる。これは、たとえば、既述の形式で帯域区域に機械的にひずみを与えることで実現される。一方の帯域では、軸方向の磁束が、トランスジューサ軸へのトルク負荷時に引張応力負荷を生じる主応力方向の一方の方向に沿って偏向する。他方の帯域では、圧縮応力を生じる他方の主応力方向に沿って、対応する形式で磁界が偏向する。異方性微細組織の偏向筋は、図面には破線により示されている。これらの筋は、軸材料がフェライト／オーステナイト系ステンレス鋼から成る場合には、フェライトの筋８の間に、より透磁率の低いオーステナイトの筋９が位置するように配分される。
“発明の要約”で説明した磁束の最適偏向を実現するには、帯域に機械的ひずみを生じさせる間、軸寸法、機械的諸特性その他にもとづいて、比較的正確な、平衡のとれたトルクが要求される。
通常、トランスジューサは、また、ねじり応力によって生じる帯域間の磁気抵抗差を電気測定する装置を有している。
この測定の最も簡単な一形式は、測定帯域６，７内の磁束の微分値を、１次巻線と同じボビンに巻付けられた２次コイル１０，１１を介して測定することである。２次コイルを逆に接続することで、磁束差に相応する電圧が発生する。この電圧を相検出整流器へ接続する。整流器は、また、供給信号発生器の相により制御される。出力信号の比較的高い周波数は、低域フィルタで濾別される。これにより得られる直流電圧は軸に負荷されたトルクに比例する。
トルクトランスジューサが近辺の導磁性又は導電性の物品による作用を受けないようにするため、また、トルクに対する感度を高めるため、磁界を限定かつ制御して、その範囲が、トルク測定帯域６，７及び磁気抵抗測定部材１０，１１の周囲の区域に局限されるようにすることが望ましい。また、軸のひずみ発生後の単数又は複数の帯域内での磁気優先方向と、軸円筒面の母線との角度は、２０〜７０度であることが好適である。
こうした限定は、軟磁性材料の継鉄（ヨーク）を有する巻線でボビンを取囲むことによって達成される。継鉄は、シェル１２と２個の磁極１３，１４とから成り、磁極は、継鉄両端のエアギャップへ磁束を集中させる。帯域間への磁束再分配を容易にし、かつ感度を高めるため、継鉄もボビン間に磁極１５を有するようにする。加えて、継鉄は、軸方向両端に環状ワッシャ１６，１７を備えており、これらワッシャにより軸方向での磁束の“漏出”が防止される。
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