KR100210323B1

KR100210323B1 - 토크센싱 및 비틀림 검출 장치

Info

Publication number: KR100210323B1
Application number: KR1019960003553A
Authority: KR
Inventors: 요우이치로우 가시와기; 야스하루 오다치; 가쯔후미 다나카
Original assignee: 이소가이 지세이; 가부시키가이샤 도요다지도숏키 세이사쿠쇼
Priority date: 1995-02-13
Filing date: 1996-02-09
Publication date: 1999-07-15
Also published as: DE19605096A1; DE19605096C2; KR960031978A; JPH08285706A; JP3099680B2; US5831180A

Abstract

부품 수가 적고 소형화가 도모해짐과 함께 설치가 간단하고 또한 고감도의 토크 검출을 할 수가 있는 토크 센서를 제공한다.

자기비틀림재(12)는 그 양단을 고정시키고 이 나사(14)로서 그 고정부(12a) 뒷면이 샤프트(11)에 밀착 고정된다. 자기 비틀림재(12)의 설치는 샤프트(11)의 중심축선에 대해서 45 도 경사지도록 설치 고정되어 있다. 자기비틀림재(12)는 자기비틀림 효과를 갖는 것으로서 자기비틀림재(12)에 응력이 가해지므로서 자기 특성이 변화한다. 자기비틀림재(12)의 고걱부(12a) 사이에는 검출용 코일(15) 및 검출용 코일(15)의 외주를 여자용 코일(16)이 감겨져 있다. 여자용 코일(16)에 전류가 부가되고 그 전류에 의해 자기비틀림재(12)샤프트(11)자기비틀림재(12)란 자기회로가 형성된다. 검출용 코일(15)의 출력 단자 사이에 유도기전력 V_out가 된다.

Description

토크 센싱 및 비틀림 검출 소자

제1도는 실시예를 설명하는 토크 센서의 측면도.

제2도는 실시예를 설명하기 위한 토크 센서의 정면도.

제3도는 실시예를 설명하기 위한 토크 센서의 요부 단면도.

제4도의 (a)는 토크 센서의 디른예를 설명하기 위한 요부 단면도, (b)는 자기비틀림재의 비틀림 방향을 설명하는 도면.

제5도는 자기비틀림재의 자속분포를 설명하기 위한 도면.

제6도는 토크 센서의 다른예를 설명하기 위한 요부 단면도.

제7도는 자기비틀림재의 자속분포를 설명하기 위한 도면.

제8도 내지 제10도는 토크 센서의 다른예를 설명하기 위한 정면도.

제11도는 토크 센서의 다른예를 설명하기 위한 측면도.

제12도 내지 제14도는 토크 센서의 다른예를 설명하기 위한 정면도.

제15도는 토크 센서의 다른예를 설명하기 위한 사시도.

제16도는 토크 센서의 다른예를 설명하기 위한 요부 사시도.

제17도와 제18도는 토크 센서의 유도기전력과 토크와의 관계 특성을 도시하는 도면.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

11 : 스티어링 샤프트 11a : 홈

12,24,26 : 자기 비틀림재 12a,24a,26a : 고정부

13 : 관통구멍 14 : 나사

15 : 검출용 코일 16 : 여자용 코일

21 : 실드판 22 : 자성재

[산업상의 이용분야]

본 발명은 토크 센싱 및 비틀림 검출 소자에 관한 것이다.

[종래의 기술]

일반적으로 회전축의 토크를 검출하는 토크 센서는 예를들면 일본 특허 공개소 59-77326 호, 특허 공개 소 61-162726 호 및 특허 공개 평 3-21747 호 등에 의해 각종 제안되고 있다.

일본 특허 공개 소 59-77326 호에 기재되어 있는 토크 센서는 자기비틀림 효과를 이용한 토크 센서이다. 상세히 기술하면, 철계 비결정(amorphous) 금속으로 이루어지는 자기비틀림 막을 회전축의 외주면에 형성함과 함께 그 자기비틀림막에 비스듬이 슬릿이 형성된다. 그래서 자기비틀림막이 형성된 회전축의 외측에 여자용 코일과 검출용 코일을 겉에서 끼운다. 다시 그 양 코일의 외측에는 요크가 겉에서 끼워진다. 요크의 양단에는 회전축에 형설한 자기비틀림 막에 대,해서 간극이 형성되어 있다.

여자용 코일에 전류를 통하면 자기비틀림막공극요크공극자기비틀림막이란 자기회로가 구성된다. 그래서 회전축에 주위 방향의 힘이 가해지면 그 힘에 상대해서 자기비틀림막의 비틀림 투자율이 변화한다. 그 변화에 의해 자속 밀도가 변화한다. 그 변화는 검출용 코일에서 출력되는 유도기전력의 변화로서 간주된다. 그래서 그 검출용 코일의 유도 기전력을 정류하고, 그 정류된 직류 전압의 크기로 검출해서 회전축에 가해진 토크의 크기를 검출한다. 이때 자기비틀림 막에 비스듬히 슬릿을 형성하므로서 회전축에 주위 방향의 힘이 정역 어느 방향의 것인가도 검출할 수가 있다.

또한, 슬릿의 방향을 서로 역으로 설치할 자기 비틀림막을 인접한 위치에 형성하고, 각각 여자용 코일, 검출용 코일 및 요크를 배치한다. 그래서 2 개의 양 검출 코일로부터의 유도기전력을 차동 국프에 입력하므로서 온도 등의 외란에 대해서 보상된 토크의 크기를 검출한다.

또한, 일본 특허 공개 소 61-162726 호에 기재된 토크 센서(응력 검출 센서)는 여자용 코일을 감은 ⊃자 형상의 여자 코어를 회전축과 평행하게 배치하여 검출용 코일을 감은 검출 코어를 여자 코어와 직교하는 방향으로 배치한 것이다. 그래서 여자 코어공극회전축공극여자코어인 자기회로와, 검출 코어공극회전축공극검출코어인 별도의 자기회로가 이루어지고 검출 코일로부터 회전축에 가해지는 토크의 크기에 상대한 유도기전력을 얻도록 하는 것이다.

다시 일본 특허 공개평 3-21747 호에 기재된 토크 센서는 반도체 장치로 구성되는 비틀림 계지로서 그 비틀림 계지를 기단부가 회전축에 고착된 1 쌍의 통체 사이에 연결된 연결판에 첨착시킨 것이다. 이것은 회전축에 가해지는 토크를 연결판에 증폭하고, 그 증폭된 토크를 비틀림 계지로 검출하도록 한 것이다.

[발명이 해결하려고 하는 과제]

그러나, 일본 특허 공개 소 59-77326 호에 기재된 토크 센서는 자기비틀림막, 여자용 코일 및 검출용 코일 외에 요크를 필요로 하였다. 따라서 부품 수가 많아져 비용뿐만 아니라 조립 공정수의 증가를 초래함과 함께 부품 관리의 효율화를 도모하는 문제가 되었다. 다시 회전축에 대해서 여자용 코일, 검출용 코일 및 요크라는 많은 부재를 조립하는 조립 작업은 정밀도 좋게 행하지 아니하면 아니되고 더욱이 다른 설치 부품과의 관계에서 직접 검출 대상물에 설치하는 것이 어려운 경우가 많았다. 그 때문에 직접 검출 대상물의 회전축과 연결하는 다른 회전축에 여자용 코일, 검출용 코일 및 요크를 조립한 것을 미리 준비하는 것이 일반적이기 때문에 더욱 비용이 많아짐과 동시에 대현화되는 문제가 있었다.

또한 이 토크 센서의 경우 요크와 자기비틀림막과의 사이에 자기회로를 구성하는 공극이 설치되어 있다. 이 공극은 감도의 저하를 초래함과 함에 S/N 이 적게되는 문제가 있었다.

또한 특허 공개 소 61-162726 호에 기재된 토크 센서는 토크 센서와 같이 공극이 형성되어 있기 때문에 감도의 저하를 초래함과 함께 S/N 이 적게 되는 문제가 있었다. 또한 여자 코어와 검출 코어인 2 종류의 코어를 필요로 하기 때문에 부품수가 증가해서 비용뿐만 아니라 조립 공정수가 증가됨과 함께 부품 관리의 효율화를 도모하는데 문제가 된다.

다시, 일본 특허 공개 평 3-21747 호에 기재된 비틀림 계지로 구성되는 토크센서는 부품 수가 적다. 그러나 비틀림 계지를 연결판에 점착하려면 특별한 고도의 기술이 요구되고 그것의 점착 작업은 매우 번거로웠다.

본 발명은 상기의 문제점을 해소하기 위해 행해진 것으로서 그것의 제 1 목적은 부품 수가 적고 소형화됨과 함께 조립이 간단하여 더욱 고감도의 토크 검출을 할 수가 있는 토크 센서를 제공함에 있다.

또한 제 2 목적은 간단한 구성으로 부품 수가 적고 더욱이 정밀도가 높은 비틀림을 검출할 수 있게 하는 비틀림 검출 소자를 제공하는데에 있다.

[과제를 해결하기 위한 수단]

상기 목적을 달성하기 위해 특허청구범위 제1항의 발명은 회전축에 적용된 토크를 검출하기 위한 회전축상의 토크 센싱 및 비틀림 검출 소자에 있어서, 상기 회전축의 종축선에 대하여 모나게 연장되는 세장형 회전축상의 자기 비틀림재를 설치하고 상기 회전축에 각각 부착된 한 쌍 이상의 이격진 고정부를 가지는 세장형 자기 비틀림재 및, 상기 고정부 사이의 자기 비틀림재를 따라 및 둘레로 환상으로 감겨진 여기 코일을 구비하는 코일 수단을 포함하고, 상기 고정부와 코일 수단 사이의 상기 자기 비틀림재는 상기 회전축과 접촉되지 않고, 상기 회전축에 적용된 토크는 토크의 적용으로부터 회전축에 발생되는 상기 자기 비틀림재의 비틀림에 의해 코일 수단에 유도된 기전력에 응하여 검출될 수 있는 토크 센싱 및 비틀림 검출소자를 그 요지로 한다.

특허청구범위 제2항의 발명은 제1항의 토크 센서에 있어서, 자기비틀림재의 고정부간에 잠긴 코일은 여자용 코일과 검출용 코일이다.

특허청구범위 제3항의 발명은 제2항의 토크 센서에 있어서, 회전축에 고정되는 자기비틀림재는 그 설치가 회전축의 중심축선에 대해서 경사지도록 고정된다.

특허청구범위 제4항의 발명은 제2항의 토크센서에 있어서, 회전축에 고정되는 자기비틀림재는 2개 준비되고 그 2 개의 설치가 회전축의 중심축선에 대해서 경사지도록 함과 함께 중심축선에 대해서 대칭이 되도록 고정되어 있다.

특허청구범위 제5항의 발명은 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 기재된 토크 센서에 있어서, 자기비틀림재는 회전축의 중심축선에 대해서 직교하는 방향으로 형성된 홈을 건너지르도록 고정되어 있다.

특허청구범위 제6항의 발명은 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 기재된 토크 센서에 있어서, 자기비틀림재는 그 표면측에 실드부재를 설치하였다.

특허청구범위 제7항의 발명은 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 기재된 토크 센서에 있어서, 자기비틀림재는 그 표면에 자성체를 부착하였다.

특허청구범위 제8항의 발명은 제1항에 기재된 토크 센서에 있어서, 자기 비틀림재는 코일이 감기는 고정부문을 회전축에서 이간하는 방향으로 만곡 형성되었다.

특허청구범위 제9항의 발명은 장치에 적용된 토크에 의해 기계 소자에 유도된 비틀림을 검출하기 위한 세장형 자기 비틀림재를 가지는 토크 센싱 및 비틀림 검출 소자에 있어서, 상기 소자상에 자기 비틀림재를 설치하는 자기 비틀림재의 한쌍 이상의 이격진 고정부와, 고정부 사이의 자기 비틀림재를 따라 및 둘레로 환상으로 감겨진 코일 수단을 포함하고, 상기 코일 수단 및 상기 고정부 사이의 자기 비틀림재는 기계 소자와 접촉되지 않고 그 둘레에 감겨지고, 상기 기계 소자에 적용된 토크는 토크의 적용으로부터 소자에 발생되는 자기 비틀림재의 비틀림에 의해 코일 수단에 유도된 기전력에 응하여 검출될 수 있는 토크 센싱 및 비틀림 검출 소자를 그 요지로 한다.

특허청구범위 제10항의 발명은 제9항에 기재된 비틀림 검출 소자에 있어서, 비틀림재에 감겨지는 코일은 여자용 코일과 검출용 코일이다.

특허청구범위 제11항의 발명은 제9항에 기재된 비틀림 검출 소자에 있어서, 자기비틀림재는 2 차 형상으로 분기한 판재로서 기단 및 기단으로부터 분기한 1 쌍의 선단을 각각 고정부로 하고 그 고정부 사이에 각각 여자용 코일과 검출용 코일이 감긴다.

특허청구범위 제12항의 발명은 제9항 내지 제11항 중 어느 한 항에 기재된 비틀림 검출 소자에 있어서, 자기비틀림재는 코일이 감기는 고정부 사이를 피검출체에서 이간하는 방향으로 만곡 형성하였다.

특허청구범위 제13항의 발명은 제9항 내지 제12항중 어느 한 항에 기재된 비틀림 검출 소자에 있어서, 자기비틀림재는 그 표면측에 실드부재를 설치하였다.

특허청구범위 제14항의 발명은 제9항 내지 제12항 중 어느 한 항에 기재된 비틀림 검출 소자에 있어서, 자기비틀림재는 그 표면에 즉성체를 부착시켰다.

[작용]

특허청구범위 제1항의 발명은 코일에 전류를 통하면 자기비틀림재회전축자기비틀림재인 자기회로가 구성되고 자기회로중에 공극이 존재하지 아니한다. 그래서 회전축에 가해지는 주위 방향의 토크에 의해 자기비를림재의 투자율이 변화한다. 그 변화는 그 자기비틀림재의 고정부 사이에 감긴 코일의 출력으로 나타난다.

특허청구범위 제2항의 발명은 여자용 코일에 전류를 통하면 자기이틀림재회전축자기비틀림재인 자기 회로가 구성된다. 그래서 회전축에 가해지는 주위방향의 토크에 의해 자기비틀림재의 투자율이 변화한다. 그 변화는 그 자기비틀림재에 감은 검출용 코일로부터 출력되는 유도기전력의 변화로서 나타난다.

특허청구범위 제3항의 발명은 자기비틀림재의 설치가 회전축의 중심축괸에 대해서 경사지도록 고정되어 있다. 그 결과 회전축에 가해지는 주위 방향의 토크가 정방향인 경우와 역방향인 경우로서 자기비틀림재는 끌어당겨지는 방향의 힘 또는 압축하는 방향의 힘을 받게 된다.

특허청구범위 제4항의 발명은 그 2 개의 검출 코일에서 출력되는 유도기전력은 각각 같은 양 만큼의 온도 등의 외부 소음을 포함하고 있다. 따라서 그 2 개의 유도기전력에 대해서 차를 취하면 소음이 소거된다.

특허청구범위 제5항의 발명은 자기비틀림재는 홈을 건너질러서 고정되기 때문에 자기비틀림재에 감기는 코일은 회전축에 거추장스럽지 않다.

특허청구범위 제6항의 발명은 자기비틀림재는 그 표면측에 실드부재를 설치하므로서 자기비틀림재내의 실드부재측부분을 통과하는 자속은 감소하고 실드부재를 설치하지 아니한 쪽의 부분에 자속이 존재한다. 그 결과 토크 검출에 대해서 방해가 되는 자기비틀림재내의 실드부재쪽의 부분의 자속은 발생되지 아니한다.

특허청구범위 제7항의 발명은 자기비틀림재는 그 표면에 자성체를 부착시키므로서 자기비틀림재내의 자성체쪽부분을 통과할 자속은 자성체를 통과하게 된다. 그 결과 토크 검출에 대해서 방해가 되는 자기비틀림재내의 실드부재쪽의 부분의 자속은 발생되지 아니한다.

특허청구범위 제8항의 발명은 자기비틀림재는 코일이 감기는 고정부 사이를 회전축에서 이간하는 방향으로 만곡 형성하였으므로 회전축의 표면에 홈을 형성할 필요는 없다

특허청구범위 제9항의 발명은 고정부를 거쳐서 자기비틀림재에 응력이 가해지면 자기비틀림재는 그 자기특성이 변화된다. 자기비틀림재를 피검출체에 고정하는 것만으로 피검출체에 가해지는 힘을 코일에서 검출할 수가 있다.

특허청구범위 제10항의 발명은 여자용 코일에 전류를 통하므로서 피검출체에 가해지는 응력에 따라 자기비틀림재의 자기특성이 변화된다. 그 변화는 그 자기비틀림재에 감긴 검출용 코일로부터 출력되는 유도기전력의 변화로서 나타난다.

특허청구범위 제11항의 발명은 2 개의 검출 코일에서 출력되는 유도기전력이 각각 같은 양 만큼의 온도 등의 외란 소음을 포함하고 있다. 따라서 그 2 개의 유도기전력에 대해서 차를 취하면 소음이 소거된다.

특허청구범위 제12항의 발명은 고정부간을 피검출체에서 이간하는 방향으로 만곡 형성하였으므로 코일이 거추장 거리는 면을 갖는 피검출체에서도 설치될 수가 있다.

특허청구범위 제13항의 발명은 자기비틀림재는 그 표면쪽에 실드부재를 설치하므로서 자기비틀림재내의 실드부재쪽 부분을 통과하는 자속은 감소하고 실드부재를 설치하지 아니한 쪽의 부분에 자속이 존재된다. 그 결과 토크 검출에 대해서 방해되는 자기비틀림재내의 실드부재쪽의 부분 자속이 발생되지 아니한다.

특허청구범위 제14항의 발명은 자기비틀림재를 그 표면에 자성체를 부착시키므로서 자기비틀림재내의 자성체쪽 부탈을 통과할 자속이 자성체를 통과하게 된다. 그 결과 토크 검출에 대해서 방해가 되는 자기비틀림재내의 실드부재의 부분의 자속은 발생되지 아니한다.

[실시예]

[제 1 실시예]

이하, 본 발명을 파워 스티어링 장치에 이용되는 토크 센서에 구체화한 제 1 실시예를 제1도∼제3도에 의거하여 설명한다. 제1도는 토크 센서의 측면도, 제2도는 토크 센서의 정면도, 제3도는 토크 센서의 요부 단면도이다.

회전축으로서의 스티어링 샤프트(11; 이하, 샤프트라 함)는 그 주위 방향으로 홈(11a)이 형성되어 있다. 판 형상의 자기비틀림재(12)는 홈(11a)을 가로지르도록 샤프트(11)에 고정되어 있다. 자기비틀림재(12)는 그 양단을 고정부(12a)로 하고 그 고정부(12a)에 관통 구멍(13)이 형성되어 있다. 그래서 나사(14)를 관통구멍(13)에 삽입하고 이 나사(14)를 샤프트(11)에 나사 부착하므로서 그 고정부(12a)의 뒷면은 샤프트(11)에 밀착 고정된다. 자기비틀림재(12)의 설치는 제2도에 도시하는 바와같이 샤프트(11)의 중심축선에 대해서 45 도 경사지도록 설치 고정되어 있다. 또한, 판 형상의 자기비틀림재(12)의 뒷면은 샤프트(11)의 외주면과 동일면으로 되도록 만곡 형성되어 있다.

자기비틀림재(12)는 자기비틀림 효과를 갖춘 것으로서 퍼멀로이(Permalloy), 철·니켈·크롬합금, 또는 Ni SpanC 등이 사용되고 있다. 또한, 자기비틀림재(12)에는 철-알루미늄계의 자기비틀림재, 비결정(amorphous) 자기비틀림재나 심재료에 자기비틀림막을 형성하는 자기비틀림재로 실시해도 좋다. 그래서 자기비틀림재(12)에 응력이 가해지므로서 그 자기비틀림재(12)의 자기특성 즉, 투자율이 변화한다. 따라서 제2도에 있어서 샤프트(11)의 우측에 A 화살표 방향으로 주위 방향의 토크가 발생하면 자기비틀림재(12)는 끌어당겨지는 방향의 힘이 가해져서 비틀어진다. 반대로 샤프트(11)의 우측에 A 화살표 반대 방향으로 주위 방향의 토크가 발생하면 자기비틀림재(12)는 압축되는 방향의 힘이 가해져서 비틀린다. 이끌어 당겨지는 힘의 크기 및 압축되는 힘의 크기에 상대해서 자기특성 즉, 투자율이 변화한다. 본 실시예에서는 끌어당겨지는 힘이 크면 클수록 투자율은 커지고 압축되는 방향의 힘이 크면 클수록 투자율은 적어진다. 즉 끌어당겨진 방향의 비틀림이 크면 클수록 투자율은 적어진다. 즉 끌어당기는 방향의 비틀림이 크면 클수록 투자율은 커져 압축하는 방향의 비틀림이 크면 클수록 투자율은 적어진다.

자기비틀림재(12)의 고정부(12a) 사이에는 검출용 코일(15)이 감겨 있다. 또한, 그 검출용 코일(15)의 외주를 여자용 코일(16)이 감겨져 있다. 본 실시예에서는 검출용 코일(15)의 감은수 Na 는 여자용 코일(16)의 감은 수 Nb 보다 크게 되어 있다. 여자용 코일(16)의 입력 단자에는 일정한 진폭 및 주파수의 교류 전류가 부가된다. 그 결과 그 전류에 의해 자기비틀림재(12)샤프트(11)자기비틀림재(12)인 자기회로가 형성된다. 그래서 자기비틀림재(12)에 감겨있는 검출용 코일(15)의 출력 단자 사이에는 유도기전력 V_out이 출력된다.

유도기전력 V_out은 다음식으로 나타내진다.

k 는 형상 등에 의한 비례정수, Na 는 검출용 코일 (15)의 감은수, φ 는 자속,는 히틀림, V0 는 비틀림이 영인 때의 유도기전력이다.

비틀림은 다음식으로 나타내어진다.

KO는 형상 등에 의한 비례정수, T는 샤프트(11)의 우측에 A 화살표 방향으로 주위 방향의 토크이다. 또한 A화살표 반대 방향의 토크는 부의 토크로 된다.

또 자속 φ 는 다음식으로 나타내어진다.

Nb 는 여자용 코일(16)의 감긴수, 1 는 여자용 코일 (16)에 흐르는 전류치, R 은 자기비틀림재(12)의 자기저항이다.

따라서 검출용 코일(15)에서 출력되는 유도기전력 V_out은 위식에서 자기비틀림재(12)의 비틀림, 즉 샤프트(11)의 주위 방향으로 발생하는 토크 T 의 크기에 비례되는 것을 알 수 있다.

즉, 제2도에 있어서, 샤프트(11)의 우측에 A 화살표 방향으로 주위 방향의 토크가 발생하면 자기비틀림재(12)는 끌어당겨지는 방향의 힘이 가해져서 비틀려진다. 이 비틀림은 토크의 크기에 비례한다. 따라서 검출용 코일(15)에서 출력되는 유도기전력 V_out도 비례해서 커진다.

반대로 샤프트(11)의 우측에 A 화살표 반대 방향으로 주위 방향의 토크가 발생하면 자기비틀림재(12)는 압축되는 방향의 힘이 가해져서 비틀려진다. 이 비틀림은 토크의 크기에 반비례해서 적어진다. 따라서 검출용 코일(15)에서 출력되는 유도기전력 V_out도 반비례해서 적어진다.

그래서 이 유도기전력 V_out는 공지의 처리 장치(19)에 출력되고 내부에 설치된 정류 회로 등으로 정류되어서 공지의 회로에서 토크의 값이 구해지게 된다. 덧붙여 말하자면 토크 T 에 대한 유도기전력 V_out의 출력 특성은 제17도에 도시된다. 또 종축의 유도기전력 V_out의 값은 정류 회로 등으로 정류되어 얻어진 직류의 값으로 하고 있다.

이와같이 본 실시예에 있어서 검출용 코일(15) 및 여자용 코일(16)을 감은 자기비틀림재(12)는 샤프트(11)에 대해시 그 양 고정부(12a)의 뒷면이 샤프트(11)에 밀착되도록 고정하였다. 따라서 여자용 코일(16)에 전류를 통하므로서 형성되는 자기회로는 자기비틀림재(12)샤프트(11)자기비틀림재(12)로 되고 종래와 같이 자기회로중에 공극이 거의 존재하지 않는다. 근 결과 본 실시예의 토크 센서는 공극에 의한 감도의 저하 및 S/N 가 적어지는 일이 없고 감도가 높고 S/N 가 큰 토크 센서로 된다.

더욱이 토크 센서는 판형상의 자기비틀림재(12)에 검출용 코일(15) 및 여자용 코일(16)을 감고 그 양단에 고정부(12a)를 형성한 것뿐이므로 그 구성은 간단하고 더욱이 부품수가 종래의 것에 비해 적다. 그 결과 센서로서 매우 소형으로 할 수 있음과 함께 부품 관리가 간단해진다.

또한 검출용 코일(15) 및 여자용 코일(16)을 감은 자기비틀림재(12)를 샤프트(11)에 대해서 나사(14)로서 고정하는 뿐이므로 조립 작업이 매우 간단해짐과 함께 기존의 샤프트(11)에도 간단히 설치할 수가 있다.

다시 본 실시예에서는 자기비틀림재(12)를 나사(14)로 고정하였으므로 간단히 벗어나는 일은 없다. 다시 본 실시예의 자기비틀림재(12)는 중심축선애 대해서 45도 경사져서 고정 설치하였으므로 정역의 주위 방향으로 발생하는 조크를 확실히 검출할 수가 있다.

더욱이 자기비틀림재(12)는 홈(11a)을 가로질러 고정하였으므로 각 코일(15,16)의 샤프트축은 홈(11a)내에 수용기는 형태로 되고 샤프트(11)에 거추장 거리는 일이 없고 자기비틀림재(12)를 고정시킬 수가 있다.

또 본 발명은 위 실시예에 한정되는 것은 아니고 다음의 상태에서 실시해도 좋다.

(1) 제4도(a)에 도시하는 바와같이 자기비틀림재(12)의 표면에 알루미늄 또는 철 등 실드판(21)을 설치해도 좋다. 이 실드판(21)을 설치하므로서 다시 토크 검출의 감도를 높일 수가 있다. 즉, 예를들면 제1도, 제2도에 도시하는 샤프트(11)에 A 화살표 반대 방향으로 토크가 발생하면 자기비틀림재(12)에는 압축되는 방향으로 힘을 받는다. 그러나 엄밀히 말하면 판형상의 자기비틀림재(12)는 제4도(b)에 도시하는 바와같이 샤프트(11)의 외주면과 동일면으로 되도록 만곡 형성되어 있다. 따라서 자기비틀림재(12)의 뒷면쪽은 압축되는 방향의 힘을 받으나 표면쪽은 끌어당겨지는 방향의 힘을 받는다. 즉 뒷면쪽은 압축되는 방향의 비틀림d 로 됨에 따라서 표면쪽은 끌어당겨지는 방향의 비틀림u 로 되어 자기비틀림재(12)의 표면쪽과 뒷면쪽에서는 정반대의 비틀림이 생기고 있다. 이것은 A 화살표 방향으로 토크가 발생하는 경우에도 꼭같이 정반대의 비틀림이 발생한다. 그래서 일반적으로 뒷면쪽의 끌어당김에 의한 비틀림쪽이 표면쪽의 압축에 의한 비틀림에 의해 훨씬 영향이 크다.

즉 검출용 코일(15)에서 출력되는 유도기전력 V_out는 뒷면쪽의 유도기전력을 V_outd표면쪽의 유도기전력을 V_outu라 하면,

로 된다. φd 는 자기비틀림재(12)의 뒷면쪽을 통과하는 자속, φu 는 자기비틀림재(12)의 표면쪽을 통과하는 자속,d 는 자기비틀림재(12)의 뒷면쪽의 비틀림,u 는 자기비틀림재 (12)의 뒷면쪽의 비틀림이다.

그래서 ψd ≒u, φdψu 로 된다.

이같은 사실은 유도기전력 V_out에 대해서 표면쪽의 유도기전력 V_outu(= K·Na ψu·∈u)이 역방향으로 작용하고 있기 때문에 그 몫만큼 감도가 저하되는 것을 의미한다.

거기에서 제4도에 도시하는 바와같이 실드판(21)을 설치하면 실드판(21)에서 자키비틀림재(12)의 표면쪽을 통과하는 자속이 감소하고 거의 제5도에 도시하는 자속 분포로 된다. 즉 자기비틀림재(12)의 표면쪽을 통과하는 자속 φu 는 거의 0 으로 된다. 그 결과 유도기전력 V_out은 마이너스로 작용하는 표면쪽의 유도기 전력 V_outu(= K·Na·φu·∈u)는 거의 0 으로 되기 때문에 감도가 상승한다. 따라서 실드판 (21)을 설치하므로서 보다 감도가 높은 토크 검출이 된다.

또 실드판(21)은 자기비틀림재(12)의 표면쪽에 있어서 검출용 코일(15)과 여자용 코일(16) 사이에 설치해도 좋다.

또한, 여자용 코일(16)에 통하는 전류가 주파수가 높을수록 와전류손을 고려해서 실드판(21)은 알루미늄재가 유리해진다.

또한 제6도에 도시하는 바와같이 자기비틀림재(12)의 표면에 예를들면 규소강, 연자성스텐레스 등의 자성재(22)출 밀착해도 좋다. 이경우에 자기비틀림재(12)의 표면쪽을 통과하는 자속 φu 를 거의 0 으로 하는 효과를 갖는다. 즉 표면에 설치한 자성재(12)에 의해 제7도에 도시하는 바와같이 자기비틀림재(12)의 표면쪽을 통과할 자속 φu는 자성재(22)를 경유해서 자기비틀림재(12)를 경유하지 아니한다. 그 결과 유도기전력 V_out는 마이너스로 작용하는 표면쪽의 유도기전력 V_outu(= K·Na·φu·∈u)는 거의 0 으로 되기 때문에 감도가 상승한다. 또한 자성재(22)는 자기비틀림율이 낮고 투자율이l 높은 것이면 좋고 예를들면 퍼멀로이(permally)라도 위 조건에 해당하는 것이 있으면 사용해도 좋다.

(2) 제8도에 도시하는 바와같이 2 차 형상으로 자기비틀림재(24)를 형성해도 좋다. 이 겅우 기단과 그 기단에서 비스듬하게 반대 방향으로 분기한 2 개의 선단을 각각 고정부(24a,24b,24c)로서 나사(14)로 샤프트(11)에 고정시키고 있다. 분기한 각 부분(24d,24e)은 각각 샤프트(11)의 중심축선에 대해서 서로 반대 방향으로 45 도 경사져 있다. 그래서 그 각 부분(24d,24c)에 각각 검출용 코일(15)과 여자용 코일(16)이 감겨져 있다. 또한 여자용 코일(16)에 전류를 통했을 때 고정부(24a)와 고정부(24c)가 다른 자극으로 되도록 각 여자용 코일(16)을 배선한다.

이 경우에도 위 실시예와 같은 작용효과를 기대할 수 있다. 더욱이 이 경우에는 A 화살표 방향의 토크가 발생하였을 때 자기 비틀림재(24)의 한편 부분(24d)은 끌어당기는 방향의 힘에 의거해서 비틀려지고 다른편 부분(24e)은 압축 방향의 힘에 의거해서 비틀려진다. 따라서 자기비틀림재(24)는 동시에 끌어당기는 방향의 힘에 의거해서 비틀림과 압축 방향의 힘에 의거해서 비틀림이 발생한다.

자기비틀림재(24)의 한편 부분(24d)에 감겨진 검출 코일(15)의 유도기전력 V_outA 와 다른편 부분(24e)에 감겨진 검출 코일(15)의 유도기전력 V_outB 는 토크 T 에 대해서 제18도에 도시하는 특성을 표시한다. 그 결과 종래와 같이 이 2 개의 유도기전력 V_outA, V_outB 를 차동 회로로 감산하면 제18도의 실선으로 표시하는 토크 T 에 대한 유도기전력 V_out의 특성을 얻을 수가 있다. 더욱이 차동 회로로 감산하므로서 온도 변화 등에 의한 외란 소음이 상쇄되어서 보상되기 때문에 보다 정밀도가 높은 토크 검출을 할 수가 있다. 또 제18도에 있어서 종축의 값은 정류 회로등으로 정류된 후의 직류값으로 변환한 값이다.

또 제9도는 상기 실시예의 자기비틀림재(12)를 2 개 사용하여 각각 샤프트(11)의 중심축선에 대해서 서로 반대 방향으로 경사지도록 설치 고정한 것이다. 이 경우에도 제8도에 도시한 토크 센서와 같은 작용 효과를 기대할 수가 있다. 물론 제8도 및 제9도에 도시하는 자기비틀림재의 표면에 실드판(21)이나 자성재(22)를 설치해서 실시해도 좋다. 이 경우에는 보다 정밀도가 높은 토크 센서를 얻을 수가 있다.

(3) 제10도에 도시하는 바와같이 X 형상으로 자기 비틀림재(26)를 형성해도 좋다. 이 경우 제8도 및 제9도에 도시하는 토크 센서와 같은 작용 효과를 기대할 수 있다. 물론 이 경우에도 자기비틀림재(26)의 표면에 실드판(21)이나 자성재(22)를 설치해서 실시해도 좋다.

(4) 제11도 및 제12도에 도시하는 바와같이 판형상의 자기비틀림재(31)는 양단의 고정부(31a)를 나사(14)로서 샤프트(11)에 고정되어 있다. 그래서 코일이 감겨지는 고정부(31a) 사이를 샤프트(11)에서 이간하는 방향으로 원호 형상으로 만곡 형성하고 그 만곡부에 검출용 코일(15) 및 여자용 코일(16)을 감도록 한 것이다. 이 경우 홈(11a)이 형성되어 있지 아니한 샤프트(11)에 대해서도 감긴 코일(15,16)이 샤프트(11)의 표면에 맞대여 조립되고 샤프트(11)의 형상에 관계없이 조립할 수가 있다.

또한 제13도에 도시하는 바와같이 이 원호 형상으로 만곡 형성한 자기비틀림재(31)를 2 개 준비해서 서로 교차되도록 샤프트(11)에 고정한다. 그래서 그 교차부분에 공통의 여자용 코일(16)을 감는다. 그래서 각 자기비틀림재(31)에는 검출용 코일(15)을 감는다. 이 경우 제8도 및 제9도에 도시한 토크 센서와 같은 작용 효과를 기대할 수 있다.

다시 제14도에 도시한 바와 같이 x 형상의 자기비틀림재 (32)를 형성해도 좋다. 이 경우 그 4 방향 끝을 고정부(32a)로 한다. 4 개의 고정부(32a) 사이를 샤프트(11)에서 이간하는 방향에 만곡 형성함과 함에 분기한 2 곳에 검출용 코일(15)을 감고 중앙 교차 부분에 여자용 코일(16)을 감는다. 따라서 샤프트(11)의 형상에 관계없이 조립할 수가 있는 것과 동시에 제8도 및 제9도에서 도시한 토크 센서와 같은 작용 효과를 기대할 수 있다. 물론 자기비틀림재(32)의 표면에 실드판 (21)이나 자성재(22)를 설치해서 실시해도 좋다.

또 제15도 및 제16도에 도시하는 바와같이 평판 형상의 자기비틀림재(42)로 실시해도 좋다. 즉 자기비틀림재 (42)는 수평의 판형상으로서 그 양단을 고정부(42a)로 하고 고정부(42a) 사이에 검출용 코일(15) 및 여자용 코일(76)이 감겨 있다. 그래서 침탄 소입 강철 또는 고주파 소입 강철로 형성되는 샤프트(11)에 1 쌍의 플랜지(43,44)를 형성한다. 그 플랜지(43,44)에는 각각 마주하는 위치에 서로 고른면을 이루는 평면이 형성되어진 대좌부(43a,44a)를 형성한다. 또한 대좌부(43a,44a)와 180 도 어긋난 위치에는 같은 대좌부(43a,44a)와 같은 형상의 대좌부(43b,44b)를 형성한다.

그래서 각각 마주하는 대좌부(43a,44a,43b,44b) 사이에는 평판 형상의 자기비틀림재(42)가 샤프트(11)의 중심축선에 대해서 경사져서 설치 고정된다. 이때 대좌부(43a,44a) 사이에 설치되는 자기비틀림재(42)와 대좌부(43b,44b) 사이에는 설치되는 자기비틀림재(42)와의 경사 방향은 같게 되어 있다.

설치 고정은 대좌부(43a,44a,43b,44b)에 형성한 오목홈(45)에 자기비틀림재(42)의 양단의 고정부(42a)를 끼워 맞춘다. 그래서 그 오목홈(45)에 끼워맞춘 고정부(42a)를 레이저, 전자비임 등의 비임 용접으로 대좌부(43a,44a,43b,44b)에 대해서 각각 고착시킨다. 또 용접은 스폿용접, 저항용접, TIG, MIG 등이라도 좋다. 또한 고착 방법으로서는 납땜, 압접, 또는 나사 등으로 고착해도 좋다.

샤프트(11)에는 스파이럴 유니트(47)가 설치되어 있다. 스파이럴 유니트(47)는 샤프트(11)와 함께 회전하는 회전부(47a)와 도시하지 아니한 프레임에 고정되어 있는 고정부(47b)로 구성되고 회전부(47a)에 설치된 하니스(48: harness)에는 검출용 코일(15) 및 여자용 코일(16)이 접속되어 있다. 또한 고정부(47b)에 설치된 하니스(49)에는 처리 장치(19; 제1도 참조)에 접속되어 있다. 스파이럴 유니트(47)는 내부에 릴을 내장한 것으로서 샤프트(11)와 함께 회전부(47a)가 회전된 경우에 하니스(49)의 감기, 되감기를 가능하게 해서 샤프트(11)의 회전을 허용하고 있다.

따라서 이 경우에도 각 실시예와 같이 고출력으로 제18도에 도시하는 바와 같은 직선성이 뛰어난 특성이 얻어진다. 또한 자기비틀림재(42)는 샤프트(11)에서 길게 돌출된 플랜지(43,44)에 고정하므로서 샤프트(11)의 강도가 저하하는 일이 없고 용접 등에 의한 샤프트(11)의 강도가 저하되는 우려도 없다.

다음으로 자기비틀림재(42)는 수편의 판형상으로 만곡되어 있지 아니하므로서 다음의 뛰어난 효과를 갖는다. ① 자기비틀림재(42)는 각 실시예의 자기비틀림재와 같이 프레스나 자기소둔시에 발생하는 구브림 가공에 의한 스프링백의 양 및 내부 응력의 분산이 적다. ② 자기비틀림재(42)는 취급이 용이하고 예를들면 검출용 코일(15) 및 여자용 코일(16) 또는 보빈 코일(bobbin coil)의 삽입 등이 용이해진다. ③ 자기비틀림재(42)는 고정부(42a)의 고정시의 셋팅도 용이하여 설치 착오를 적게할 수가 있다. ④ 자기비틀림재가 형상 자기 이방성을 갖기 때문에 자기비틀림재(42)는 상기 실시예의 만곡된 각 자기비틀림재에 비해 자기비틀림재(42)의 길이를 조절하는 것만으로 용이하게 센서 출력 특성을 조절할 수가 있다.

또 대좌부(43a,44a) 사이 및 대좌부(43b,44b)사이에 자기비틀림재(42)를 각각 설치하였으나 어느 한편만으로 실시해도 좋다. 또 자기비틀림재(42)를 오목홈(45)에 끼워맞추었으나 오목홈(45)을 형성하지 아니하고 대좌부(43a,44a,43b,44b)의 면에 직접 고정시켜도 좋다 다시 평판형상의 자기비틀림재(42)에 대신해서 자기비틀림재를 직선 형상의 봉으로 실시해도 좋다. 이 경우에도 꼭같은 효과를 갖는다.

(5) 제1도∼제16도에 도시한 검출용 코일(15) 및 여자용 코일(16)을 감은 각 자기비틀림재(12,24,26,31.32,42)는 스티어링 샤프트(11)의 토크 검출로서 이용하였으나 예를들면 토크 렌치 등의 회전축에 설치해서 이 축의 토크를 검출하도록 하여도 좋고, 그밖의 각종 기기에 설치되는 회전축의 토크 검출에 사용해도 좋다.

(6) 제1도∼제16도에 도시한 검출용 코일(15) 및 여자용 코일(16)을 감은 각 자기비틀림재(12,24,26,31,32,42)는 토크 검출로서 이용하였으나 각 자기비틀림재(12,24,26,31,32, 42)를 그밖의 응력을 검출하기 위한 비틀림 검출 소자로서 사용해도 좋다. 이 경우에도 상기 작용 효과를 꼭같이 기대할 수가 있다.

(7) 제1도∼제16도에 도시한 각 자기비틀림재 (12,24,26,31,32,42)는 검출용 코일(15) 및 여자용 코일(16)의 2 개의 코일을 감았으나 여자용 코일(16)만이 감은 것으로 실시해도 좋다. 이경우 각 자기비틀림재(12,24,26,31,32,42)의 비틀림에 의한 자기특성의 변동은 여자용 코일(16)에 흐르는 전류 또는 코일(16)의 단자간 전압의 변동으로 파악된다. 이 전류 또는 전압의 변화에 의거해서 토크 검출하도록 하여도 좋다.

(8) 제1도∼제16도에 도시한 각 자기비틀림재 (12,24,26,31,32,42)는 샤프트(11)의 중심축선에 대해서 45 도 경사지게 설치하였으나 적당히 변경해서 실시해도 좋다. 물론 샤프트(11)의 중심축전에 대해서 평헹하게 설치해도 좋다. 이 경우 어느편으로 토크가 발생되는가의 판별은 할 수 없게 된다. 그러나 항상 일정한 방향으로 토크가 발생하는 회전축의 토크를 검출하는 경우에는 설치가 간단하여 유리해진다.

(9) 여자용 코일(16)에 통하는 전류의 주파수는 적절하게 변경해도 좋다. 예를들면 10KHz∼10MHz 사이에서 행하면 보다 효과가 현저하게 나타난다. 물론 직류 전류를 통해도 좋다.

(10) 상기 각 자기비틀림재(12,24,26,31,32)는 나사(14)로서 샤프트(11)에 고정시켰으나 용접 등으로 고정시켜도 좋다.

또 각 실시예에서 파악되는 특허천구범위의 발명 이외의 기술사상에 대해서 다음에 그들의 효과와 함에 기재한다.

① 특허청구범위 제2항의 토크 센서에 있어서, 회전축에 고정되는 자기비틀림재는 그것의 설치가 회전축의 중심축선에 평행해지도록 고정시킨 토크 센서이고, 항상 일정한 방향으로 토크가 발생하는 회전축의 토크를 검출하는 경우에는 설치가 간단하여 유리하다.

② 특허청구범위 제1항∼제7항의 토크 센서에 있어서, 회전축은 자동차용 스티어링 샤프트인 토크 센서이고, 프라이버의 스티어링 조작력을 스티어링 샤프트에 발생하는 토크에 의해 검출할 수가 있다.

[발명의 효과]

이상으로 상세히 기술한 바와같이 본 발명의 토크 센서에 의하면 부품 수가 적고 소형화가 도모해짐과 동시에 설치가 간단하여 더욱이 고감도의 토크 검출을 행할 수가 있는 효과를 갖는다.

또 본 발명의 비틀림 검출 소자에 의하면 간단한 구성으로 부품 수가 적고 더욱이 정밀도가 높은 비틀림을 검출할 수 있게 되는 효과를 갖는다.

Claims

회전축에 적용된 토크를 걸출하기 위한 회전축상의 토크 센싱 및 비틀림 검출 소자에 있어서, 상기 회전축의 종축선에 대하여 모나게 연장되는 세장형 회전축상의 자기 비틀림재를 설치하고 상기 회전축에 각각 부착된 한 쌍 이상의 이격진 고정부를 가지는 세장형 자기 비틀림재 및, 상기 고정부 사이의 자기 비틀림재를 따라 및 둘레로 환상으로 감걱진 여기코일을 구비하는 코일 수단을 포함하고, 상기 고정부와 코일 수단 사이의 상기 자기 비틀림재는 상기 회전축과 접촉되지 않고, 상기 회전축에 적용된 토크는 토크의 적용으로부터 회전축에 발생되는 상기 자기 비틀림재의 비틀림에 의해 코일 수단에 유도된 기전력에 응하여 검출될 수 있는 토크 센싱 및 비틀림 검출 소자.
제1항에 있어서, 자기비틀림재의 고정부 사이에 감긴 코일 수단은 여자용 코일과 검출용 코일인 것을 특징으로 하는 토크 센싱 및 비틀림 검출 소자.
제2항에 있어서, 회전축에 고정되는 자기비틀림재는 그 배치가 회전축의 중심축선에 대해서 경사지도록 고정되는 것을 특징으로 하는 토크 셀싱 및 비틀림 검출 소자.
제2항에 있어서, 회전축에 고정되는 자기비틀림재는 2 개가 준비되고, 그 2 개의 배치가 회전축의 중심축선에 대해서 경사됨과 함께 중심축선에 대해서 대칭을 이루도록 고정되어 있는 것을 특징으로 하는 토크 센싱 덴 비틀림 검출 소자.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 자기비틀림재는 회전축의 중심축선에 대해서 직교하는 방향으로 형성된 홈을 건너지르도록 고정된 것을 특징으로 하는 토크 센싱 및 비틀림 검출 소자.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 자기비틀림재는 그 표면측에 실드부재를 설치한 것을 특징으로 하는 토크 센싱 및 비틀림 검출 소자.
제1항 내지 제4항중 어느 한 항에 있어서, 자기비틀림재는 그 표면에 자성체를 부착시킨 것을 특징으로 하는 토크 센싱 및 비틀림 검출 소자.
제1항에 있어서, 자기비틀림재는 코일이 감겨지는 고정부 사이를 회전축에서 이간되는 방향으로 만곡 형성한 것을 특징으로 하는 토크 센싱 및 비틀림 검출 소자.
장치에 적용된 토크에 의해 기계 소자에 유도된 비틀림을 검출하기 위한 세장형 자기 비틀림재를 가지는 토크 센씽 및 비틀림 검출 소자에 있어서, 상기 소자상에 자기 비틀림재를 설치하는 자기 비틀림재의 한 쌍 이샹의 이격진 고정부와, 고정부 사이의 자기 비틀림재를 따라 및 둘레로 환상으로 감겨진 코일 수단을 포함하고, 상기 코일 수단 및 상기 고정부 사이의 자기 비틀림재는 기계 소자와 접촉되지 않고 그 둘레에 감겨지고, 상기 기계 소자에 적용된 토크는 토크의 적용으로부터 소자에 발생되는 자기 비틀림재의 비틀림에 의해 코일 수단에 유도된 기전력에 응하여 검출될 수 있는 토크 센싱 및 비폰림 검출 소자.
제9항에 있어서, 자기비틀림재에 감기는 코일 수단은 여자용 코일과 검출용 코일인 것을 특징으로 하는 토크 센싱 및 비틀림 검출 소자.
제9항에 있어서, 자기비틀림재는 2 갈래 형상으로 분기한 판재로서 기단 및 그 기단에서 분기한 1 쌍의 선단을 각각 고정부로 하고, 그 고정부 사이에 각각 여자용 코일과 검출용 코일이 감겨진 것을 특징으로 하는 토크 센싱 및 비틀림 검출 소자.
제9항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 자기비틀림재는 코일이 감기는 고정부 사이를 피검출체에서 이간하는 방향으로 만곡 형성한 것을 특징으로 하는 토크 센싱 및 비틀림 검출 소자.
제9항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 자기비틀림차는 그 표면측에 실드부재를 설치한 것을 특징으로 하는 토크 센싱 및 비틀림 검출 소자.
제9항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 자기비틀림재는 그 표면에 자성체를 설치한 것을 특징으로 하는 토크 센싱 및 비틀림 검출 소자.