JP2008145165A - 磁気弾性トルクセンサー及びヒステリシス排除方法 - Google Patents

Abstract

【課題】トルク・トランスジューサ素子におけるヒステリシスを軽減する。
【解決手段】コイルは、交流で励磁されて、トルク・トランスジューサ素子を飽和させる磁気を発生させる。トルク・トランスジューサ素子の磁気飽和は材料の保磁力を超える交番周波数によって付与される。交流をゆっくり減衰させることによって望ましくない磁気を実質的に減少させる。磁気の望ましくない成分だけを消去するような振幅及び周波数でコイル組立体を励磁する。
【選択図】図１

Description

本発明は、磁気弾性トルクセンサー及びかかるセンサーにおけるヒステリシス排除方法、特に、所要の磁束経路から残留磁気を消去する方法に係わる。

磁気弾性トルクセンサーは基材に支持された１つまたは２つ以上の磁気弾性帯を利用する。磁気弾性帯は材料の磁気結晶異方性に起因する周方向残留磁気を有する。基材にトルクが加わると、磁気弾性材に螺旋方向のせん断応力が発生し、これが磁束経路を周方向から螺旋方向へシフトさせる。磁気測定装置を利用して磁気の軸方向成分を測定し、これを利用してトルクを求める。

ところが、基材に作用するトルクが解除されても、磁気の一部が残留するという問題がある。磁気弾性帯内の軸方向残留磁気はトルクセンサーのゼロ点シフトの原因となる。このようなゼロ値シフトはヒステリシスと呼称される。帯磁体内の磁気を消去する公知の方法として、磁気弾性材の保磁力を超えるピーク振幅の交番磁界内に構造を配置するという方法がある。しかし、このような方法は稼働中には利用できない別の装置を必要とし、しかも、所要の周方向磁気に含まれる磁気成分をも残らず消去することになる。

従って、所要の周方向残留磁気はそのままにしながら、ヒステリシスを生む軸方向の残留磁気だけを選択的に消去する方法及び装置の開発が望まれる。

発明の概要

本発明による方法の一実施例はコイルからの交番磁界をトルク・トランスジューサ素子に作用させてトルク・トランスジューサ・シャフトの軸沿いの残留磁気を消去することによってヒステリシスの排除を可能にする。

本発明の方法では、トルク・トランスジューサを囲んで軸方向にコイルを支持する。コイルはトルク・トランスジューサを構成する材料の保磁力に匹敵する振幅の交番磁界を発生させるに充分な振幅の交流によって励磁される。トルク・トランスジューサが励磁されることによって、軸方向の残留磁気の消去が可能になる。コイルをトルク・トランスジューサの磁気弾性帯と適正に整合させることによって、トランスジューサの磁気弾性帯内に存在する所要の周方向磁気を混乱させることなく軸方向の残留磁気を消去することができる。

従って、本発明のトルクセンサーはトルク・トランスジューサ内の所要の磁気成分を混乱させることなく、交流によって励磁されて、望ましくない残留磁気を軽減または排除する磁気を発生させるコイル組立体を含む。

本発明の上記及びその他の特徴を添付の図面を参照して以下に詳細に説明する。

図１には、トルク・トランスジューサ・センサー組立体１０の一部を略示した。トルクセンサー１０は磁気弾性リング１６を支持する基材またはシャフト１２から成るトルク・トランスジューサ素子１５を含む。磁気弾性リング１６は、シャフト１２にトルク２６が作用すると、これを磁気弾性リング１６に伝達する。

磁気弾性リング材１６中に周方向磁気１８が存在する。磁気１８の周方向はトルク・トランスジューサ素子１５がニュートラル、即ち、トルクが作用していない状態である。トルク２６が作用している間、磁気１８の一部が軸方向成分の様相を呈し、周方向からずれる。磁気１８の軸方向成分を矢印２０で示した。磁気１８のこの軸方向成分２０を磁力計２２によって測定する。磁力計２２は磁気１８の軸方向成分２０を検出するようにトランスジューサ素子１５に対して配置されている。但し、シャフト１２に作用していたトルクが解除されても、磁気１８の軸方向成分２０の一部が残留する。磁気１８の残留軸方向成分２０がトルク・トランスジューサ素子１５のゼロ位置を歪め、その結果、望ましくないヒステリシスが発生する。

そこで、本発明のトルク・トランスジューサ組立体１０はトルク・トランスジューサ素子１５と同軸関係に巻着された複数のマグネット・ワイヤー２４から成る磁力計コイル２２を含む。コイル２２は交流２５を給電する電源２８と接続している。交流２５はコイル２２を励磁し、交番磁界を発生させる。交流２５の振幅及び周波数は、周方向成分１８をそのままの状態に保ちながらヒステリシス誘発磁気成分２０を除去するように選択する。

交番磁界２５はトルク・トランスジューサ素子１５に利用される特定の材料に基づく振幅及び周波数を有するように選択される。９３１０鋼合金から成るトルク・トランスジューサ素子１５の実施例では、５０エルステッドのピーク磁界を有する６０ヘルツの周波数が利用される。このような大きい交流はトランスジューサ素子１５を励磁することによって磁気１８の軸方向成分２０を消去する。ヒステリシスを誘発する磁気１８の軸方向成分２０を消去することによって、ゼロ点シフトを大幅に軽減することができる。

トルクが解除され、ヒステリシスを誘発する磁気２０の軸方向成分が消去されると、トルクセンサーはヒステリシスが殆どまたは全く存在しない状態で動作し、より高い精度を可能にする。

大きい交流によるコイル２２の励磁が磁気検出装置または磁力計による磁気１８の検出を妨げる恐れがあることは周知の通りである。但し、本発明の方法では、交流の振幅及び周波数を交代させることによって磁気検出機能を提供すると共にヒステリシスを誘発する磁気を排除する機能をも提供する。

図３に示すトルク・トランスジューサの他の実施例６０は磁気６８のヒステリシス誘発軸方向成分を選択的に消去する消磁機能だけのために動作するコイル組立体６５を含む。コイル組立体６５には公知のマグネット・ベクトル検出装置６２が埋め込まれている。これらのマグネット・ベクトル検出装置は磁気の測定値を公知の制御装置６４に伝達する。コイル組立体６５は磁気の軸方向成分６６を選択的に消去するように動作する。このトルクセンサー実施例６０のコイル組立体６５は交流７０を給電されてコイル６５を励磁し、トルク２６の影響下に生ずる磁気の望ましくないヒステリシス成分を消去するように設定された振幅及び周波数の周期的励磁を発生させる。

図４には、磁気を部分的に消去する方法８０をステップ順にフローチャートで示した。方法は基材シャフト１２に初めてトルクが作用することで始まる（８２）。シャフト１２に作用する捻れまたはトルクはシャフト１２だけでなく磁気弾性帯１６にもねじれを発生させる。磁気弾性帯１６の捻れは磁気検出装置によって検出される（８４）。トルクが解除されると（８６）、トルクが発生させた磁気の一部が残留する。磁気ヒステリシスの軸方向成分はトルク・トランスジューサ素子１５が読む磁気にシフトを発生させる原因となる。ヒステリシスを誘発する磁気の軸方向成分によって生ずるこのシフトを排除することによって、トルク・トランスジューサ組立体の精度を高めることができる。トルク・トランスジューサ素子１５を囲むコイルは交流で励磁される（８８）。材料の保磁力の実質的な部分を超えるピーク振幅の交番磁界を発生させるのに必要な振幅及び周波数を提供するように設定される。コイルが発生させる磁気の振幅はフラックスゲート装置６２のコア材を飽和させるのに充分な振幅である。フラックスゲート装置の飽和は公知の製法でこれらのフラックスゲート装置を直接囲んでいるコイルによって判断することができる。フラックスゲートコイルにおける電圧波形の非対称性はトランスジューサ素子に磁気が存在することを示唆する。

従って、本発明の方法及び装置はトルク測定におけるゼロ点シフトの原因となる磁気の軸方向成分を消去することによってトルクセンサーの精度を高める。

本発明の好ましい実施例を以上に説明したが、当業者ならば、本発明の範囲内で種々の変更を案出できるであろう。従って、本発明の真の範囲及び内容を判断するには後記する特許請求の範囲を検討すべきである。

本発明のトルク・トランスジューサの実施例を一部断面で示す斜視図である。 本発明のトルク・トランスジューサの他の実施例を一部断面で示す斜視図である。 本発明のトルク・トランスジューサのさらに他の実施例を一部断面で示す斜視図である。 本発明の方法をステップ順に示すフローチャートである。

Claims (17)

1. 磁気弾性トルク・トランスジューサからヒステリシスを誘発する磁気を除去する方法において、
   ａ）トルク・トランスジューサの磁気弾性部分と同心関係にコイルを支持し；
   ｂ）所要の周波数及び振幅の交流でコイルを励磁することによってヒステリシスを誘発する残留磁気を選択的に消去するステップを含むことを特徴とする前記方法。
2. 前記ステップｂ）が残留磁気の軸方向成分だけを除くステップであることを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 前記ステップｂ）がトルク・トランスジューサの磁気分極の周方向成分に影響を及ぼさないステップであることを特徴とする請求項１に記載の方法。
4. トルク・トランスジューサを構成する材料の保磁力の実質的な部分を超える磁気ピーク振幅を含むように周波数及び振幅を選択することを特徴とする請求項１に記載の方法。
5. トルク・トランスジューサの周りに支持された磁力計を含み、磁力計とコイルを交互に動作させることによってヒステリシスを誘発する軸方向磁気を消去するステップを含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
6. コイルが磁力計を含み、トルク・トランスジューサの磁気中の歪みを検出する検出用交流周波数及び振幅と、望ましくないヒステリシス誘発磁気成分を選択的に消去する消去用交流周波数及び振幅とで交互に励磁されることを特徴とする請求項５に記載の方法。
7. 磁気コアを周期的に飽和させることによって、励磁気とトルク・トランスジューサが発生させる磁気との重ね合わせに基づく歪み信号を発生させるステップをも含むことを特徴とする請求項６に記載の方法。
8. 前記コイル内に配置された磁気センサーで、トルク・トランスジューサ内の磁気を検出するステップを含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
9. トルクセンサーにおいて、
   トルク荷重を受ける基材と；
   前記基材に支持され、基材にトルク荷重が作用するとこれに応答してトルク荷重を反映する磁気を発生させる帯状磁気弾性材と；
   磁気を測定する磁気センサーと；
   帯状磁気弾性材の周りに配置され、帯状磁気弾性材内に残留する磁気の少なくとも一部を消去する交番磁界を発生させるコイルを含むことを特徴とする前記トルクセンサー。
10. コイルが励磁されると、帯状磁気弾性材内に残留する磁気の軸方向部分を消去する磁気を発生させることを特徴とする請求項９に記載の組立体。
11. 基材に作用するトルクが解除されると、磁気の軸方向部分が消去されることを特徴とする請求項１０に記載の組立体。
12. 前記コイルが前記基材の周りに同軸関係に配置されていることを特徴とする請求項１０に記載の組立体。
13. 前記コイルが帯状磁気弾性材の軸方向長さよりも長いか、またはこれと等しい軸長を有することを特徴とする請求項１０に記載の組立体。
14. 交番磁界を発生させるコイルに交流を供給するための電源を含むことを特徴とする請求項１０に記載の組立体。
15. 電源がトルクセンサー中に周期的な磁気飽和状態を発生させる第１交流及び残留磁気の好ましくない部分を選択的に消去する第２交流を供給することを特徴とする請求項１４に記載の方法。
16. 第１交流及び第２交流を選択的に供給されてコイルを励磁することを特徴とする請求項１５に記載の方法。
17. コイルが帯状磁気弾性材内の磁気を検出するための第１コイル及び第２コイルを含むことを特徴とする請求項９に記載の方法。

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