KR100365836B1 - 칼라가 없는 원주상으로 자화된 토오크 변환기 및 이를 이용하여 토오크를 측정하는 방법 - Google Patents

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Abstract

부재의 축방향으로 연장되는 축 둘레로 부재에 작용된 토오크를 표시하는 출력신호를 제공하기 위한 자기 탄성 토오크 센서는 부재에 제 1의 자기 탄성 능동구역을 포함하고, 이 구역은 단일 원주상 방향으로 자기적으로 성극되며 부재에 작용된 토오크 다음에 작용된 토오크가 0으로 감소될때 단일 원주상 방향으로 구역의 자화를 복귀시키도록 충분한 이방성을 가지며, 이에의해 자기탄성 능동구역은 토오크에 따라 변화하는 자계를 발생시킨다. 자계 센서들은 자기 탄성 능동구역에 인접 설치되고 자계센서들에서 자계의 크기를 감지하도록 그에 관하여 배향되며, 그에 응답하여 출력신호를 제공한다. 부재의 적어도 자기 탄성 능동 구역은 폴리결정 재료로 형성되어 국부적인 자화 분배의 적어도 50%가 단일 원형 방향 둘레에 대칭으로 배치된 90°사분원내에 위치되고, 토오크를 감지할 목적으로 자계 센서들 수단으로 보이는 순수 자계의 유용성을 파괴시키기에 충분한 강도로 이루어지는 와류자계를 일으키도록 자기 탄성 능동 구역에 인접한 부재의 구역들을 자기 탄성 능동 구역에서 생기는 자계가 자화시키지 못하도록 충분히 큰 보자력을 갖는다.

Description

칼라가 없는 원주상으로 자화된 토오크 변환기 및 이를 이용하여 토오크를 측정하는 방법{COLLARLESS CIRCULARLY MAGNETIZED TORQUE TRANSDUCER AND METHOD FOR MEASURING TORQUE USING SAME}
발명분야
회전하는 구동축들을 갖는 시스템의 조절에서, 토오크와 속도는 중대한 기본 배개변수(parameter)이다. 그러므로 정밀하고 신뢰성 있고 값싼 방식으로 토오크를 감지하고 측정하는 것은 수십년 동안 계속하여 작업자들의 주요목적이었다.
이전에, 토오크 측정은 축에 직접 부착된 접촉식 센서를 이용하여 달성됐다. 그와같은 한 센서가 "스트레인 게이지(strain gauge)"식 토오크 검출장치이고, 이 장치에서 하나 이상의 스트레인 게이지가 축의 외주면에 직접 부착되며 스트레인에의해 발생된 저항 변화는 브리지회로나 기타 널리 공지된 수단으로 측정된다. 그러나, 접촉식 센서들은 회전축과 직접 접촉하기 때문에 상대적으로 불안정하고 신뢰성이 제한된다. 이외에, 접촉식 센서들은 매우 값비싸고, 따라서 토오크 센서들이 오늘날 추구되고 있는 자동차 조향 시스템(steering system)과 같은 많은 응용품에 경쟁적으로 사용하기에 상업적으로 비실용적이다.
그 결과로서, 자기 변형식의 비접촉 토오크 센서들이 회전하는 축에 사용하기 위해 개발됐다. 예컨대, 가쉘리스(Garshelis)의 미국특허 제 4,896,544호는 토오크 전달 부재를 포함하며 적당히 강자성이고 자기변형인 표면을 갖는 센서, 각각 대칭이고, 나선으로 향한 잔류 응력 유도 자기 이방성이 부여되는 2개의 축방향으로 별개인 토오크 자기 부재 내의 원주 밴드, 및 동등한 축방향 자화력에 대한 2개의 원주 밴드의 응답차를 토오크 전달 부재와 접촉없이 검출하기 위한 자기 판별장치를 기술하고 있다. 가장 일반적으로 자화 및 감지는 2개의 원주 밴드와 겹치고 감싸는 한쌍의 여자코일 또는 자화코일을 직렬로 연결하고 교류로 구동시킴으로써달성된다. 토오크는 2개의 원주 밴드의 자속(flux)으로 인해 발생되는 신호차를 측정하기 위해 한쌍의 반대로 연결된 감지 코일을 사용하여 감지된다. 유감스럽게도 센서가 사용되는 장치 상에 그리고 장치 둘레에 필요한 여자 및 감지코일을 위해 충분한 공간을 제공하는 것은 값비싸다. 또한 이와같은 센서들은 자동차 적용에서와 같이 대단히 가격경쟁적인 장치에 사용하기에 비실용적으로 값비싸짐이 분명하다.
더욱 최근에 초기의 원주상 잔류자기 자화의 토오크 유도 틸팅(tilting)으로발생되는 자계 측정을 기초로 한 토오크 변환기가 개발되었고, 이는 바람직하게 자계 발생요소 역할을 하는 얇은 벽 링(칼라(collar))을 사용한다. 예컨대 가쉘리스의 미국특허 제 5,351,555호 및 제 5,520,059호를 참조하시오. 측정되는 토오크를 전달하는 축에 부착되는 부착수단과 관련된 얇은 벽링의 인장 "후프(hoop)" 응력은 주요한, 원주상으로 향한 단축 이방성을 형성한다. 비틀림 응력을 축에 적용할 때에 자화는 재배향되고 비틀림 응력이 증가될때 점점 더 나선형이 된다. 비틀림에 의해 발생되는 나선형 자화는 원주상 성분과 축방향 성분을 갖고, 축방향 성분의 크기는 완전히 비틀림에 좌우된다. 하나 이상의 자계(자장) 벡터 센서들은 작용된 토오크의 결과로서 토오크 변환기 둘레의 공간에 발생되는 자계의 크기 및 극성을 감지하고 토오크의 크기를 반영하는 신호출력을 제공한다. 가혹한 사용상태하에서 이 토오크 변환기의 "토오크 대 자계" 변환기능의 안정성은 단축 이방성 효능을 원형성극(polarization) 안정화에 반영한다. 정지 성극의 공간적으로 밀폐된 특성과 함께 이 이방성은 또한 비교적 큰 자계의 성극손실(polarization loss)에서 현저한 면제의 기본이 된다. 링 자체에서 발생되는 자계가 이방성에 대해 경축(hard axis) 성분만을 갖는 반면에, 링자계에 의해 자화되도록 충분히 밀접되는 투과성 물질의 "와류(parasitic)" 자계들은 그와같은 한계를 갖지 않는다. 이와같은 와류자계를 링으로부터의 토오크 의존 자계에 추가하는 것은 전달기능의 가장 이상적인 특징들을 상당히 변쇠시킬 수 있다. 그결과 그와같은 왜곡의 주요 공급원을 회피하기 위해 기본적인 축이나 축과 링 사이에 위치되는 슬리이브는 대체로 상자성(체) 물질로 제조된다. 이외에 링 센서에 허용가능한 토오크 최대치가 링/축 경계면(interface) 에서의 미끄러짐에 의해 제한되므로, 과부하 토오크 상태에서 링/축 경계면에서의 미끄러짐에 의해 발생되는 왜곡에 관한 관심이 계속 있어 왔다. 상이한 재료로 이루어진 복수개의 부품에 대한 이와같은 필요성은, 이들 부품의 조립방법과 상세한 것이 강성의 미끄럼이 없는 기계적인 장치(unit)와 소정의 자기 이방성을 형성하는데 필요한 조건과 함께 다른 구조들의 조사를 촉진하였다.
발명의 요약
그러므로, 본 발명의 목적은 활성의 토오크 감지 구역이 축에 고정되어야 하는 별개의 강자성 요소보다는 오히려 축 자체에 직접 형성되는 자기 탄성 토오크 변환기를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 허용가능한 토오크 최대치가 종래기술의 센서들처럼 활성 요소/축 경계면에서의 미끄러짐보다는 오히려 축재료 자체의 강도에 의해 결정되는 자기탄성 토오크 변환기를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 별개의 강자성 요소의 활성 토오크 감지 구역에서 단축자기 이방성을 주입하기 위한 기술에 의존하기 보다는 오히려 토오크가 0으로 감소될때 자화를 이전에 형성된 원주방향으로 복귀시키기 위한 이방성 주요 공급원으로서 축 자체의 자기결정 이방성(magnetocrystalline anisotropy)에 의존하는 자기 탄성 토오크 변환기를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 작동을 위해 측정되는 토오크가 0일때 본래 0인 양의 감지에 의존하고 토오크가 측정됨에 따라 상관적인 방식으로 방향과 크기가 변화하는 칼라가 없는(collarless) 자기 탄성 토오크 변환기를 제공하는 것이다.
본 발명의 더욱 다른 목적은 작동을 위해 외부 여자계(exciting field)가 필요없고 여자 전류나 여자 코일도 필요없는 자기탄성 토오크 변환기를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 각각의 기능에 적합한 자기 특성을 갖는 별개의 능동 및 수동구역(active and passive resions)을 포함하는 일반적으로 완전히 동종 화학 조성물로 이루어진 단일 축(unitary shaft)을 포함하는 자기탄성 토오크 변환기를 제공하는 것이다.
본 발명의 더욱 다른 목적은 변환구역을 갖는 토오크 부재를 제공하는 단계, 변환구역의 자화를 복귀시키도록 충분한 자기 이방성을 갖는 변환구역을 단일 원주방향으로 자기적으로 성극시키는 단계, 작용된 토오크가 0으로 감소될때 토오크 부재에 작용된 토오크가 단일 원주방향으로 일어나는 단계, 및 토오크 부재상에서 토오크 변환기의 자계출력성분을 토오크 표시로서 측정하는 단계로 구성된 비접촉식 토오크 측정 방법을 제공하는 것이며, 토오크 부재는 국부적인 자화 분배의 적어도 50%가 원형 잔류자기 방향 둘레로 대칭으로 배치된 90°사분원내에 위치하는 폴리 결정 재료로 형성되고, 토오크 감지를 위해 자계측정 장치에 의해 확인되는 순수 자계의 유용성을 파괴하기에 충분한 강도를 갖는 토오크 부재의 인접구역에 변환구역자계가 와류자계를 형성하지 않는 충분히 큰 보자력을 갖는다.
본 발명의 다른 목적은 각각의 기능에 적합한 자기 특성을 각각의 능동 및 수동 구역에 부여하도록 각각의 구역에 각각의 소정 야금 상(metallurgical phase)을 얻기 위해 단일 축의 적절한 구역을 열 상 변환처리(thermal phase transformprocess), 기계적인 상 변환처리, 또는 복합 열·기계상 변환 처리시킴으로써 각각의 기능에 적절한 자기 특성을 갖는 별개의 능동 및 수동구역을 포함하는 대체로 전체가 동질의 화학 조성물로 이루어진 단일 축을 포함하는 자기탄성 토오크 변환기를 제조하는 방법을 제공하는 것이다.
이들 목적 및 기타 목적은 자기탄성으로 능동인 토오크 축상의 능동구역과, 자기 탄성으로 능동인 능동구역에 토오크를 작용시킨 결과 발생되는 변환구역자계에 응답하여 홀 효과 센서와 같은 자계센서를 포함하는 토오크 센서를 제공하여 달성된다. 바람직한 실시예에서, 자기탄성으로 능동인 능동구역은 단일 원주 방향으로 성극되고 작용된 토오크가 0으로 감소될때 토오크 부재에 토오크가 작용된 다음에 능동 구역의 자화를 단일 원주 방향으로 복귀시키는 충분한 자기 이방성을 지니며, 토오크 축은 국부적인 자화 분배의 적어도 50%가 자기 성극 방향 둘레로 대칭으로 배치된 90°사분원내에 위치하는 폴리결정 재료로 형성되고, 토오크 감지를 위해 순수자계의 유용성을 피괴하기에 충분한 강도를 갖는 토오크 축의 인접 구역에 변환구역 자계가 와류 자계를 형성하지 않는 충분히 큰 보자력을 갖는다. 특히 바람직한 실시예에서, 토오크 축은 입방체 대칭을 갖는 무작위 배향의 폴리결정 재료로 형성되고 보자력은 15이상이고, 20이상이 좋으며, 35이상이 바람직하다.
본 발명의 다른 실시예에서, 이들 및 기타 목적들은 각각의 기능에 적합한 자기 특성을 갖는 별개의 능동 및 수동 구역을 포함하는 대체로 전체가 동질의 화학조성물로 이루어진 단일 축을 포함하는 토오크 센서를 제공하여 달성된다. 이와같은 토오크 센서는 각각의 기능에 적합한 자기 특성을 각각의 능동 및 수동 구역에 부여하도록 각각의 구역에 각각 소정의 상을 얻기 위해 축의 적절한 구역을 열 상 변환처리, 기계적인 상 변환처리, 또는 복합열 기계 상 변환 처리시킴으로써 제조된다.
관련출원참조
본 발명의 출원은 1997년 10월 21일 출원된 미국 가특허출원 제 60/064,831호의 우선권을 주장한다.
발명 배경
본 발명은 토오크센서에 관한 것으로서, 더욱 상세히 설명하면 축에 작용된 토오크의 측정값을 제공하기 위한 비접촉식 자기탄성 토오크 센서에 관한 것이다.
도 1(a)는 인접되고, 반대로 성극되며, 자기적으로 접촉하는 원주구역들을 중실축에 형성시킨 능동구역 ABC를 포함하는 본 발명의 토오크 센서를 보여주는 조립체 도면의 사시도.
도 1(b)는 중실축보다는 오히려 중공축을 이용하는 도 1(a)의 토오크 센서를 보여주는 사시도.
도 1(c)는 능동구역이 형성되는 증가된 직경의 축부분을 갖는 도 1(a)의 토오크 센서를 보여주는 사시도.
도 1(d)는 단일 성극방향만을 갖는 능동구역 AB를 포함하는 도 1(a)의 토오크 센서를 보여주는 사시도.
도 1(e)는 능동구역이 형성되는 감소된 직경의 축 부분을 갖는 도 1(a)의 토오크 센서를 보여주는 사시도.
도 1(f)는 감소된 직경의 능동구역이 별도의 축에 있는 것을 제외하고 도 1(e)의 토오크 센서와 동일한 토오크 센서를 보여주는 사시도.
도 1(g)는 3개의 인접하고, 반대극성의 자기적으로 접촉하는 원주구역을 갖는 능동 구역 ABCD를 포함하는 도 1(a)의 토오크 센서를 보여주는 사시도.
도 2(a)는 전형적인 "메이저(major)" 히스테리시스 루프의 그래프.
도 2(b)는 전형적인 "마이너(minor)" 히스테리시스 루프의 그래프.
도 3은 2개의 극성 구역을 동시에 발생시키기 위한 성극자기와 축의 전형적인 배치를 보여주는 정면도 및 측면도.
도 4는 성극 자기의 강도와 그 결과로 생기는 센서 감도 사이의 관계를 나타내는 그래프.
도 5는 토오크 작용에 따라 발생되는 상대적인 방사상 자계강도와 축의 능동구역을 따르는 축방향 위치사이의 관계를 나타내는 그래프.
도 6은 작용된 토오크와 방사상 자계강도 사이의 관계를 보여주는 고속도강 재질로 제조된 칼라가 없는 토오크 센서의 변환 기능을 나타내는 그래프.
도 7은 축상에 강자성 자기변형재료로 형성된 능동구역과 저 투과성 재료로 형성된 수동구역을 보여주는 본 발명의 토오크 센서 조립체 도면을 보여주는 사시도.
도 8은 도 7의 토오크 센서를 제조하는 한 방법을 보여주는 사시도.
도 9는 냉간 가공 로울과 그 결과로 생기는 센서 감도 사이의 관계를 나타내는 그래프.
도 10은 냉간 가공 지속기간과 그 결과로 생기는 센서 감도 사이의 관계를 나타내는 그래프.
과거 수년간 증가된 관심때문에 축, 속도가 느린 축으로서 원주 방향을 갖는 단축방향 자기 이방성이 부여되고 축 표면상의 원주방향에 자기적으로 성극화되는 자기탄성 능동 요소, 및 축에 작용되는 토오크 작용결과로 발생되는 자계의 크기를 감지하기 위한 자계센서(magnetic field sensor)를 포함하는 비접촉식 자기탄성 토오크 센서가 개발되어 왔다. 따라서, 능동 요소 기능을 수행하도록 예컨대 링 또는 "칼라(collar)"와 같이 물리적으로 분리된 부품을 이용하는 것이 지금까지 가장 바람직하였다. 그와같은 센서에서, 단일 축 자기 이방성은 전형적으로 축과 링 사이의 억지끼워맞춤(interference fit)으로 발생되는 "후프 응력(hoop stress)"의 결과로서 나타난다. 본 발명에 따라서, 링/축 경계면을 형성하는 대신에, 부수적인 문제로서 원형 잔류자기 방향 둘레로 대칭으로 배치된 90°사분원내에 위치되도록 국부적으로 우세한 자화분배가 제한되는 폴리 결정 축은 축의 토오크 적용시에 감지가능한 자계를 발생시키도록 원주 방향으로 충분한 자기 이방성을 나타냄이 발견됐다. 그러므로 강자성 축 재료의 신중한 선택에 의해 능동구역이 단지 적절한 원주방향 성극에 의해 축상에 직접 형성될 수 있다고 여겨진다. 그러나, 능동구역이 강자성 축에 충분히 형성될 수 없음은 분명하다. 이와관련하여 중요한 관심사들은 안정성, 선형성 및 히스테리시스이다.
안정성, 선형성 및 히스테리시스들은 토오크 변환기의 완전히 독립적인 특성이 아니다. 예컨대, 히스테리시스의 존재는 선형성에 명백히 제한을 가하는 요소이다. 더욱이, 히스테리시스의 존재는 비가역 자화 변경처리들이 작용되는 것을 의미하기 때문에 신규한 토오크 편위(novel torque excursion)와 관련된 전달기능이 동일 편위를 100번씩 정밀하게 반복하는지의 문제는 시행될때까지 알 수 없다. 일반적으로 하나의 안정된 히스테리시스 루프에서 다른 히스테리시스 루프로의 변화는 점진적인 처리 ("렙테이션(reptation)"이라 칭해짐)이다. 비가역 자화 처리를 회피하거나 적어도 최소화시키는 것은 분명히 바람직하다. 비가역 자화 변경이 2개의 처리, 즉 주 벽 운동(main wall motion) 및 속도가 느린 축에서 다른 축으로의 벡터 회전 중 어느 하나에 의해 대부분 발생된다. 실제적인 재료에 존재하는 이방성들이 충분히 크기때문에, 그리고 속도가 느린 축들이 정상적으로 받는 비틀림응력들로 발생되는 경사각 (예컨대, <10°와 비교되는 90°) 보다 더 큰 각 거리(angular separation)를 가지기 때문에 벡터 회전은 원주방향으로 거의 등거리인 속도가 느린 축 사이의 벡터 회전 초기 토오크 사이클 동안 작동될 수 있을지라도 전달 기능에서 비가역성의 전위 공급원으로서 상당한 위험이 될 것이라고 여겨지지 않는다. 따라서, 토오크 변환기의 변환 기능에 상당량의 히스테리시스 또는 렙테이션이 존재하는 경우, 침해물(culprit)이 영역 벽 운동(domain wallmotion)이 됨이 더 잘 발견될 것이다.
센서 작동에 미치는 영역 벽 운동의 영향과 그의 역효과를 방지하는 방법은 칼라가 없는 토오크 변환기의 작동시에 능동인 축의 이들 특성과 최종적으로 성능을 확인하고 검사한 후 명백해질 것이다. 이들 특성은 다양한 재료성질이외에 능동의 인접 구역들의 크기 및 형태를 포함한다. 알수 있는 바와같이 토오크 센서의 성능은 어느 특정 성질의 크기 뿐만 아니라 이들 특성중 여러개 사이의 상호관계에 달려있다. 도 1(a)에 도시된 칼라가 없는 토오크 센서의 기본 구조의 개략적인 예시는 다음의 설명과 함께 이를 명백히 하는 것을 돕는다.
먼저, 도 1(a)를 참조하면, 본 발명에 따른 토오크 센서는 대개 도면부호 2로 도시됐다. 토오크 센서(2)는 변환기(4)와 자계 벡터 센서(6)를 포함한다. 변환기(4)는 전적으로 축(12)의 능동 또는 변환 구역을 한정하는 하나 이상의 축방향으로 별개이고 자기적으로 접촉하며 반대 극성인 원주 밴드들 또는 구역(8)들을 포함한다. A왼쪽의 축의 구역(14)과 B우측의 축의 구역(16)은 상당한 잔류자기 자화가 없다는 것에 의해서만 능동 구역과 구별된다. 축(12)은 전형적으로 이후 상세히 기술되는 바와같이 특히 소정의 결정 구조를 갖는 강자성 자기 변형 재료로 형성되고, 능동 구역은 마찬가지로 소정 결정 구조를 갖는 강자성 자기 변형 재료로 형성된다. 토오크(20)가 축(12)의 일단부에 작용되어 축의 다른 부분으로 전달되어 토오크(20)로 인한 축(12)의 운동이 약간 유용한 작업을 수행한다. 토오크(20)는 축(12)의 보이는 단부에서 볼 때 시계방향으로 도시되나 기계 결합축(12)의 성질에 따라 어느 일방향 또는 양방향으로 축을 회전시키도록 명백히 적용될 수 있거나 회전시키기 쉽다.
변환기(4)는 토오크(20)가 없는 경우, (정지상태에서)축(11)방향에 순수 자화 성분이 없고 순수 반경방향 자화성분이 없는 최소한 그 정도로, 참고로 여기에 도입된 미국특허 제 5,351,555호 및 제 5,520,059호에서 알려진 바와같이 실질적으로 완전히 원주방향에서 자기적으로 성극된다. 변환기(4)의 폐쇄된 원통형태는 완전한 회로를 제공함으로써 성극 안정성(stability of polarization)을 향상시킨다.
알수 있는 바와같이 변환기(4)의 구조, 재료 선택 및 처리때문에 축(12)에 비틀림 응력을 가하는 것은 변환기(4)에서 성극자화의 재배향을 일으킨다. 성극 자화는 비틀림 응력이 증가함에 따라 더욱 더 나선형이 된다. 변환기(4)에서 자화의 헬리시티(helicity)는 전달된 토오크(20)의 크기에 좌우되고 키랠리티(chirality)는 전달된 토오크 방향성과 변환기(4)의 전자기탄성 특성에 의존한다. 변환기(4)의 비틀림으로 발생되는 나선형 자화는 원주방향 성분과 축(11)을 따르는 축방향 성분을 갖는다. 특히 중요한 것은 축방향 성분의 크기가 변환기(4)의 비틀림에 전적으로 의존하는 것이다.
자계 벡터 센서(6)는 정지 원주 방향에서 다소 가파른 나선 방향으로 성극 자화의 재배향(reorientation)결과로서 변환기(4)둘레의 공간에서 생기는 자계의 크기 및 극성을 감지하도록 변환기(4)와 관련되어 위치되고 배향된 자계 벡터 감지장치이다. 자계 벡터 센서(6)는 토오크(20)의 크기를 반영하는 신호 출력을 제공한다. 바람직한 실시예에서, 자계 벡터 센서(6)는 집적 회로 홀 효과 센서이다. 와이어(24)들은 자계 벡터 센서(6)를 직류전원에 연결하고, 자계 벡터 센서의 신호출력을 기계 또는 시스템 결합 축용 제어회로 또는 모니터 회로와 같은 수신장치(도시되지 않음)로 송신한다. 자계 벡터 센서의 형식, 특징, 위치조절 및 기능의 더욱 상세한 참조는 참고로 여기에 결합된 미국특허 제 5,351,555호 6-9단(column)및 제 5,520,059호 7-11단 및 25단에 나타난다.
2개의 원주상으로 성극된 구역(8,10)들은 함께 변환기의 능동구역(4)을 형성한다. 도시된 자계 센서는 2개의 반대로 성극된 구역들 사이의 "벽"의 중앙에 위치되고 이 위치에서 방사상 자계를 감지하도록 배치된다. 하나 이상의 자계 센서들이 이용될 수도 있다. 일반적으로 각각의 그와같은 센서는 능동 구역 근처에 위치되어서 축이 토오크를 전달하고 있을 때 발생되는 자계를 감지하는데 최대로 효율적이다. 이 변환기와 단축 원주방향 이방성이 부여되는 능동구역을 사용하는 미국특허 제 5,351,55호 및 제 5,520,059호의 더욱 종래의 디자인("링센서")사이의 유사성은 명백하다.
그럼에도 불구하고, 약간의 차이점들은 명백하며, 다음의 기타 차이점들은 구별하기 어렵다.
1. 기본적인 칼라가 없는 디자인에서 능동 구역은 표시된 잔류자기 자화의 존재에 의해서만 한정된다. A의 왼쪽 및 B의 오른쪽의 축의 부분들은 상당한 잔류자기 자화의 부존재에 의해서만 A와 B사이의 부분(그와 같은 부분들)과 구별된다. 따라서 기타 축 기능과 관련되고, 또는 시각적으로 능동 구역은 식별하기 위한, 또는 변환기 성능의 몇가지 특성을 최적화하기 위한 또 다른 이유를 제외하고, A와 B사이의 화학적 조성물, 야금학적 조건, 직경, 표면처리나 다듬질(finish)중 그 어느것도 A의 왼쪽 또는 C의 오른쪽 부분들과 상이하지 않다. 그중 능동 구역, 즉 2개의 자기적으로 접촉하고, 반대로 성극된 원주상 링은 본 발명과 관련하여 바람직한 배치이고(미국특허 제 5,351,555호에서와 같이 단일 성극 구역과 비교하여), 바람직한 이들들은 순회 자화된 것과 A와 C의 비잔류자기로 자화된 구역들 사이의 덜 급격히 한정된 경계(border)에서 주위의 축방향 자계의 모호한 효과를 방지하는 것보다 B에서 급격히 한정된 자화(그러므로 이들 자화가 비틀림하에서 경사질 때의 강력한 발산)를 얻는 것과 더욱 관련된다. 이와 관련하여, A와 C가 순환 잔류자기의 단일 방향을 갖는 능동 구역의 단부들을 나타내는 경우 축방향 자계에 의해 경사질 때 축방향 성분이 A의 왼쪽 및 C의 오른쪽의 비성극된 구역들 내에서 발생되는 축방향 성분에 의해 다소 어울림을 주목해야 한다. 따라서 능동구역이 축의 단부 근처에 없는 한 축방향 자계들은 축방향 자화에 전혀 발산을 일으키지 않으며, 그러므로 "신호"자계가 전혀 없다. 한편 비틀림 응력은 또한 순회 잔류자기가 축방향 성분을 발생시키게 할지라도 축의 비자화 구역내의 축방향 자화성분을 변경시키지 않는다. 그러므로 이 성분의 발산이 존재하고 그에 의해 외부 자계가 생긴다. 이 발산은 잔류자기의 극성이 B에서 전환되는 이유뿐만 아니라 성극처리가 A및 C에서 잔류자기의 더욱 확산된 변화(diffuse gradient)를 일으키기 때문에 2중 구역 형상의 B에서 발생되는 것으로부터 감소된다. 이와 관련하여 이들 구역에서 자계강도를 감소시키도록 A 및 C에서 순회 잔류자기의 "변부(edges)"들을 신중히 확산시켜서 그에 의해 인접 축재료상에서 이들 자계의 효과를 감소시키는 것이 실제 바람직할 수도 있다.
2. 능동(자계 발생)구역이 동질 축의 일체로 된 부분이므로, 축재료는 강자성체임이 틀림없다. 포화 자화가 크면 클수록 토오크에 좌우되는 자계발생 전위가 더욱 커진다. 평형 저합금 탄소장(plain and low carbon steels)들은 요소철(elenental iron)과 동일 범위에 포화 자화(4 Ms=21,600 Gauss=2.16 Tesla)를 갖는다. 합금화시키는 것은 통상적으로 비강자성 합금화 요소의 백분율에 대략 비례하여 Ms를 감소시킨다. 소량의 니켈은 거의 효과가 없고, 코발트는 Ms를 증가시킨다. 몇몇 고강도 강은 고도로 합금화되어 30%정도의 높은 복합 비철성분을 갖는다. 그럼에도 불구하고, 축으로 사용될 수도 있는 어떤 강자성체 강들은 확실히 철성분의 20%내에서 Ms를 갖는다. 그러므로 특정한 축 재료의 실제 Ms 값은 토오크 변환기의 성능에 제한된 독립적인 영향을 미친다.
3. 능동 구역, 이후 축 그 자체는 자기변형임에 틀림없다. 자기변형 λ와 비틀림 주 응력 σ의 적(product)은 변환기의 작동에 중요한 자기탄성 이방성 영향을 제공한다. 미국특허 제 5,351,555호의 토오크 센서에서와 같이, 한 축방향 또는 기타방향의 속도가 느린 축(easy axis)을 바이어스(bias)시켜서 신호자계의 공급원이 자화발산을 생성하는 것이 바로 이 이방성이다. 축이 제조되는 폴리결정 재료를 보충하는 각각의 정자(晶子)들은 좀처럼 등방성.변형을 갖지 않는다. 철에서, 자기변형λ는 특히 이방성이고, 결정이 자화되는 방향에 따라 신호가 변화되는 정도이다. 예컨대, 이상적으로 소자(消磁)된 철의 단결정이 입방체 변부에 나란히 자화될 때 변부 방향의 길이는 20ppm으로 증가되고, 입방체 대각선에 나란히 자화될 때 대각선 방향으로 21ppm씩 길이가 감소된다. 마그네티시안(magnetician)의 말을 빌면, λ100=20ppm이고 λ111=-21ppm이다. 몇몇 합금화 요소, 예컨대 니켈 및 규소의 소량 백분율(~3%)은 λ111의 절대값을 감소시킨다(더욱 등방성의 자기변형을 일으킨다). 여기에서 기억되어야 할 2개의 요점이 있다. 첫째로,잔류 자기 상태에서, 영역 벽(donain wall)이 존재하지 않으며, 또는 어느 90°벽들이 내부 자계의 결과로서 형성되는 경우 90°벽들이 효과적으로 고정되는 것을 알아야 한다. 둘째로, 정지 자화가 속도가 느린 축(예컨대, 전형적인 강철 축들에서<100>방향으로)을 따르므로 자기탄성 이방성λσ에 의해 이들 속도가 느린 축에서 멀리 회전됨이 틀림없다. 선형전달 함수(linear transfer function)의 관심사에서 자기탄성 에너지가 토오크(즉, σ)에 정비례로 유지되는 것이 바람직하다. 그러므로 λ는 자화벡터들이 λσ에 의해 정지한 속도가 느린 축에서 멀리 회전될 때 일정하게 유지되는 것이 바람직하다. 배향에 좌우되는 몇몇 결정에서,+σ방향의 회전은 벡터를 <111>방향에 더욱 인접하게 하고, 그러므로 λ111이 음수인 경우 <100>방향과 <111)방향사이에 보정점(compensation point)이 있으며, 여기에서 λσ=0이다(σ의 어느값에 대해서나). 초저합금 함량의 순수한 철 및 강에서, <110>방향도 음이어서 이들 재료로 어느 결정 배향에 대한 이와같은 바람직하지 않은 상태를 방지하는 것이 불가능하다. 이는 니켈 및 규소가 바람직한 합금화 요소이기 때문이다.
4. 능동구역, 이후 축 그자체는 토오크가 0으로 감소될 때(성극처리중에)형성된 원주방향으로 자화를 복귀시키도록 몇몇 이방성 공급원을 갖고 있어야 한다. CW(시계방향)및 CCW(반시계방향)토오크에 대칭인 응답을 보장하도록 이 정지 이방성의 분배는 원주 방향 둘레에 대칭이어야 한다. 토오크와 관련된 자기탄성 이방성 때문에 축의 잔류자기로 자화된 모든 부분들이 축방향 성분의 전개에서 협력하는데 기여하는 것을 보장하도록, 정지 이방성은 원주방향에서 45°이상 빗나는 것이 없다. 이와달리 설명하면, 이방성의 필요성은 원주상으로 배향된 90°사분원내의 순회 잔류자기를 한정하는 필요성의 표현이다. 국부적인 자화들의 적어도 50%가 순회 잔류자기의 방향 둘레에 대칭으로 배치되는 90°사분원내의 위치내는 경우 만족스러운 성능이 얻어질 수 있다. 정지 이방성이 주 공급원으로서 다축 대칭을 갖는 격자 구조의 원자 배열과 관련된 자기결정 이방성, 예컨대 각각의 정자(crystallite)가 <100>방향 또는 <111>방향의 속도가 느린축과 대칭(왜곡된 입방체, 예컨대 정방정계를 포함)인 임의적으로 배향된 다결정 재료를 갖는 경우 정자의 50%이상에서 정지 원주상 자류자기는 자동으로 이 "45°" 조건을 충족시킨다. 철 및 모든 통상의 강철에서 자기결정 이방성은 그와같은 입체 대칭을 갖고 따라서(이 조건만을 기초로) 모든 것이 칼라가 없는 토오크 변환기용 후보 재료이다. 순수한 이방성의 크기는 텅스텐과 더 감소된 망간이 이방성을 상승되게 함에도 불구하고 일반적으로 통상의 합금화 요소들에 의해 감소된다. 몰리브덴, 바나듐 및 주선은 상대적으로 작게 감소되는 변화를 일으키는 반면에, 크롬은 이방성이 순철에서 감소되게 하는데 조금 덜 작용한다. 니켈, 코발트, 규소 또는 알루미늄의 충분한 양들은 이방성을 0(및 그 이하)으로 만들 수 있다. 칼라가 없는 토오크 변환기에서, 우리는 너무 낮아지는(지가결정이 부족한) 결정 이방성의 절대 크기에 관심이 있는데 그 이유는 이것이 토오크가 제거될 때, 자화를 그의 정지 원주방향으로 복귀시키는 "원동력(spring)"이기 때문이다. 따라서, 예컨대 결정 이방성(K1)이 λσr보다 더 작은 경우, 여기에서 σr은 축의 사전 처리와 관련된 잔류응력의 크기이며, K1은 더 이상 주요 이방성이 아니고 정지 잔류자기의 50% 이상은 더 이상 45°분배 조건을 충족시키지 않는다. 여기에서 변환기의 작동에 개별적으로 중요한 다수의 재료 특성사이의 상호관계 중요성을 먼저 훑어 본다. K1과 λ가 구성적으로 종속의 (고유) 성질들이고, σr과 기타 구조의 종속 특성들(예컨대, 조직적, 화학적 또는 구조적 정렬)은 정지 이방성들의 크기, 배향 및 대칭을 결정하도록 고유 성질들과 협조하여 작용한다. 또한 소량의 니켈 또는 규소가 효과적으로 λ를 상승시킬지라도 이들은 또한 K1을 감소시키기 쉽다. 따라서 축용의 적당한 합금을 선택하는데에 있어서, 우리는 합금 함량을 조절해야 한다.
지금까지 본 발명에서 축 그 자체가 강자성체이고, 자기변형이어야 하며 자기 이방성의 필요한 크기 및 배향 분배를 제공하는 것으로 알려졌을 지라도, 자계에 대한 축 자화의 응답은 여태까지 고려되지 않았다. 강자성체 재료들은 자계에 의해 유도된 자화 변화의 크기 및 상당한 자화 변화를 유도하도록 필요한 자계의 크기가 특징이다. 이들 특징들은 한 변수의 단일 값 함수가 아니기때문에 이들 특징들은 자계 H가 대칭의 양 극 범위에 대해 주기적으로 변화될때 자화 M대 자계 H의 도면으로 편리하게 그려진다. 그와같은 메이저 히스테리시스 루프의 현저한 특징들은 도 2(a)에 표시되고, 이후 더 상세히 기술되며, 다양한 경사 및 교차점들은 한 재료에서 다른 재료로 가변되고, 이 경사들은 국부적인 영향을 나타내며, y축 상의 교차점등은 잔류자기 자화이고 x축상의 교차점들은 항자력이다.
히스테리시스 루프의 여러 부분에 대해 변화하는 경사들은 상이한 강도의 자계에서 발생하는 자화변화에 관련된 상이한 처리를 반영한다. 이들 상세한 것에 대한 우리의 관심사는 단지 학구적인 것만이 아니며, 그 이유는 칼라가 없는 토오크 변환기의 작동시에 자계는 능동 구역에서 발생되고 이들 자계는 자계센서가 위치되는 공간뿐만 아니라 축 그 자체에 의해 점유되는 공간을 확산시키기 때문이다.축의 비능동 부분내에서 발생되게 하는 자화 변화들은 다른 자계가 발생되게 하고 이들(와류) 자계들은 또한 우리의 자계 센서들이 위치되는 공간을 확산시킨다. 따라서, 능동구역의 전달기능의 퇴화시키지 않는 관심사에서, 와류 자계들이 능동구역 자계와 비교하여 매우 작고, 이상적으로 0이며, 또는 상당한 강도를 갖는 경우가 있으며, 이들이 작용된 토오크에 따라 선형적으로 그리고 반히스테리적으로 (또는 조금도 변화하지 않고, 그리고 이들은 축이 받기 쉬울 수 있는 어느 작동 및 환경상태하에서 및 시간에 따라 안정되는 것이 중요하다. 이와달리, 발생되는 어느 와류자계들은 자계로 보이는 순수자계가 토오크 감지 목적에 유용한 능동구역 자계에 비교하여 충분히 작아야 한다. 와류자계들은 축의 비능동부분내에 공급원으로 자화를 갖기때문에, 능동구역(및 기타 주위의 또는 우연히 부여된 자계)에 의해 발생된 자계의 작용하에서 거의 변화되지 않도록 그와 같은 자화가 작게 유지되거나 상당한 크기로 이루어지는 경우가 명백히 바람직하다. 작은 자화들은 Ms가 작거나 자화율(χ=ΔM/ΔH)또는 그의 인접하게 관련된 투자율(μ=χ+1)이 작은 경우 보장될 수 있다. 큰 Ms가 능동구역에 바람직하기 때문에 Ms가 작아지는 것은 명백히 불가능하다. 따라서, 와류자계들의 퇴보하는 영향을 최소화시키기 위해 노출될 수도 있는 자계의 어느 값에서 작은 χ를 갖는 축 재료를 이용하는 것이 중요하다. χ값은 자화 변화들이 주로 영역 벽들의 벡터 회전 또는 운동에 기인하는지에 좌우된다. 벡터 회전은 이방성에 의해 방해되고, 반면에 영역 벽 운동은 이질성분(heterogenity)에 의해 방해된다. 보자력은 자화 변경시에 자계가 받는 곤란함의 척도를 제공한다. 항자계(coercive field(Hc)는 잔류자기 자화(포화 자계에 노출된 후 잔존하는 자화)를 0으로 감소시키는 데 필요한 자계 강도(field intensity)로서 정의된다. 따라서, Hc에서 자화의 50%는 전환됐다. 자화 역전이 전적으로 벡터 회전에 의해 발생되는 경우, Hc에(그와 같은 처리에 대해 Hc는 또한 임계 자계(critical field)로 칭해짐)는 K10에 따라 입체 대칭을 갖는 임의적으로 배향된 정자(晶子)로 구성된 재료에서 2K1/Ms과 같다. 철에 대하여, K1=450,000ergs/Cm3이고 4πMs=21,600Gauss로 벡터 회전에 대한 Hc는 524 Oe이다. 평평한 탄소 저합금강(plain carbon and low alloy steel)에 대해 측정된 Hc값들은 합금 함량과 열 또는 기계적 처리에 좌우되는 전형적으로 5-50 Oe범위(어닐링 처리된 철에 대해서는 더욱 더 낮음)이다. 따라서, 이들 재료에서 자화가 변경되게 하는 주처리(principal process)는 벡터 회전이 아니라 오히려 영역 벽운동임이 명백하다. Hc=50 Oe인 재료는 Hc=50 Oe 보다 칼라가 없는 토오크 센서에 사용하기에 더욱 좋다는 것은 또한 분명하다. 마찬가지로 더욱 큰 Hc값을, 예컨데 524 Oe는 더욱 좋다. 어느 한 강철에서, Hc는 냉각 작업 또는 열처리에 의해 5 이상의 (전위(dislacations), 공극(voids), 함유물(inclusions), 응결물(precipitates), 침입형 원자들로 인한 격자 왜곡, 응력 등), HC는 기계적으로 최상의 경화(가장 강한)상태일때 대체로 더욱 크다. 이는 강도가 결정 내의 다른 원자층 위의 한 원자층의 유동(미끄러짐)(전위(dislocations), 공극(voids), 함유물(inclusions), 응결물(precipitates), 침입형 원자들로 인한 격자 왜곡, 응력 등)에 대한 방해물의 존재를 반영하고, Hc가 결정 구조에서 이들의 동일한 비동질성 영역 벽상에 작용하는 피닝 효과(pinning effect)를 반영하단다는 사실이 된다.
상기에 설명된 바와같이 다양한 재료의 모순되고, 종종 반대인 효과들과 자기 변수들은 칼라가 없는 토오크 변환기의 설계(design)에 또다른 딜레마(dilemma)를 제공한다. 경제적인 자계 감지 장치로 용이하게 감지되고, 통상적으로 접하는 주위 자계보다 실질적으로 더 크게 되는 충분한 크기의 토오크 전개 자계를 위하여 능동구역은 가능한 큰 자계(고 λ/K1, 고 Ms가 유리함)들을 발생하는 것이 바람직하다. 그럼에도 불구하고 이들 자계들이 능동 구역내에서 상당한 자화 변화를 일으키도록 충분한 강도로 이루어지는 경우, 전달기능은 고 토오크 레벨(고 K1/λ, 저 Ms가 유리함)에서 안정되지 않는다. 이들 자계들의 능동 구역에 인접한 축의 부분들에서 충분한 강도로 이루어지는 경우, 그 결과 발생되는 와류 자계들은 장치의 유용성(저 Ms, λ및 χ, 고 Hc및 K1이 유리함)을 감소 또는 파괴하는 변화기의 전달기능을 여러 방법(히스테리시스, 비안정성 및 비선형성)으로 퇴화시킬수 있다. 이 문제들은 영역 벽들이 실제 Hc를 이방성에 의해 형성된 한계에 인접되게 상승시키도록 충분히 고정되게 피닝(pinning)될 수 있는 경우 즉시 완화될 수 있다. 비록 주로 재료 문제일지라도, 축재료의 선택, 축을 제조하는데 사용되는 처리(공정)및 그 다음의 열ㆍ기계적처리들은 이들 요소들이 토오크 감지를 위한 선택물임을 충족시키는지 거의 관심이 없이 대체로 주요한 축 기능, 즉 토오크 전달을 가장 잘 수행할 수 있도록 제조된다.
상기에 기술된 모든 것이 도 1(a)에 예시된 기본 또는 가장 간단한 없는 설계물에 관련되는 것임이 강조되어야 한다. 이후 기술된 본 발명의 다른 실시예로부터 명백해지는 바와같이 축의 다른 부분에 존재하는 것보다 더 양호한 중요한 특성의 조합을 얻는
그와같은 방식에서 능동구역(또는 축의 비능동구역)의 변경을 금지하는 것이 칼라가 없는 설계의 개념에 없다. 따라서, 잔류자기의 존재가 능동구역과 축의 인접구역들을 구별하는 유일한 특징인 것은 칼라가 없는 변환기의 개념에 중요하지 않다. 다양한 국부적인 처리들 및 기타 변경들은 미국특허 제 5,391,555호 4-15단에 기술되고 참고로 여기에 도입된다.
칼라가 없는 기본 구조로부터의 다양한 변경들은 본 발명의 이해를 토대로 성능개선을 유도하는 것처럼 보인다. 예컨대 도 1(c)를 참조하면, 축이 제한된 축방향 범위에 대해 직경이 증가된 다음 원주상으로 자화(즉, 농동구역이 어깨부(shoulder)에 있음) 되는 경우, 도 1(a)의 단일 진경 기본 설계와 동일한 단위 토오크당 자계를 능동구역이 생성시킬지라도 축의 인접부분(지금은 그렇게 인접되니 않음)에서 신호자계의 강도는 감소된다. 더욱이, 자계센서는 와류자계의 공급원으로부터 멀이질 것이다.
이미 설명된 바와같이, 원주상 자화를 "테이퍼"시켜서 도 1(a)에 도시된 능동구역의 A 및 C변부들을 확신시키는 것이 이롭다고 밝혀질 수도 있다. 여기에서의 목적은 (이들 부분의 자화를 감소시키는) 이들 부분에서 신호자계를 감소시킴으로써 그리고 신호자계에 의해 자화될 때 이들 부분에서 발생되는 토오크 의존 자계의 강도를 감소시킴으로써 축의 비능동 부분으로부터 와류자계를 감소시키는 것이다. 이와같은 접근방식은 능동구역의 인접부를 테이퍼시킴으로써 또는 능동구역을 형성하는 성극을 형성하도록 사용되는 자석 강도(strength of magnet)에 의해 용이하게 수행될 수도 있다.
도 1(b)에 도시된 바와같이, 중공의 경화처리된 축들은 여러가지 이유때문에 중실의 또는 표면 경화처리된 축들보다 더 양호하게 보인다. 중공축은 중실축보다 더 균일하게 비틀림 응력을 받고, 따라서 모든 횡당면은 신호자계의 도움이 될 수 있다. 중실축 전체에 원형 잔류자기를 형성하는 것은 불가능하다. 이를 대형 직경의 축에 적용시킬지라도 실행할 수 없게 곤란해진다. 비록 원형 자화가 얻어졌을지라도 축의 중앙 구역들은 아주 약하게 응력을 받기 때문에 신호자계에 거의 기여하지 못한다. 더욱이 이들 중앙 구역들은 "인접 투과성 재료(approximate permeable material)"가 되고 와류자계의 공급원일 수도 있어서 토오크 변환기의 성능에 기여하기 보다는 오히려 감소시킨다. 중실축의 이와같은 잠재적인 부정적 특성은 관통 경화처리된 축 (경도는 담금질에 의해 생김)일지라도 중앙구역들이 대체로 표면구역들과 같이 경질이지 않고 따라서 더 낮은 Hc를 가지기 때문에 일반적으로 악화된다. 이들 이유때문에 관통(through hardening)는 표면경화(case hardening)보다 더욱 바람직한 것으로 보인다. 이와달리, 질화에 의한 표면경화는 몇몇 강의경도를 더욱 증가시킬 수 있어서 또한 Hc를 증가시키므로 이로울 수 있다. 극저온 처리는 통상적으로 사용된(표면 경화된 축재료의 경도(예컨대 8620에대하여 로크웰 60에서 64로 그리고 4320에 대하여 로크웰 55 에서 62로)를 실질적으로 증가시키는 것으로 공지되어 있다. 이와같은 처리들은 또한 Hc를 증가시킬 수도 있다.
도 1(d)는 능동구역이 단일 방향으로만 성극되는 것을 제외하고 도 1(a)와 동일한 센서를 보여준다. 이와같은 구조는 중실축 또는 중공축에 적당하나 단부구역(A 및 B)들이 축방향 자계에 자극들을 생기게 하므로 어깨가 형성된 축(shouldered shaft)에 대하여 좋지 않다. 능동구역의 우측에 또 다른 센서(가상선으로 도시됨)를 배치하는 것은 직경 방향의 주위 자계에 대한 감도를 감소시키는 것을 돕는다는 것이 밝혀졌다.
도 1(e)는 능동구역에서 축의 직경이 주축의 직경에서 감소되는 것을 제외하고 도 1(a)와 동일한 센서를 보여준다. 이와같은 구조에서, 축이 토오크를 전달하고 있을때 A 및 C에서 형성되는 자기 "자극"들은 인접구역의 더 큰 용적의 재료를 자화하는데 덜 효과적이다. 이는 이들 구역에 의해 도움이 되는 와류자계의 강도를 감소시킬 것이다. 이 구조는 또한 더 큰 직경 부분들의 표면들로부터 와류자계의 강도가 감소되는 위치들로 자계센서(센서들)를 방사상 내측으로 위치되게 한다. 도 1(d)의 어깨가 형성된 설계에 대하여, 이 구조는 단일 성극 구역에 사용하기에 적당하지 않다.
도 1(f)는 능동구역이 별도의 축에 형성되는 것을 제외하고 도 1(e)와 동일한 센서를 보여준다. 전체 길이에 대해 감소된 직경을 갖는 것으로 도시됐을지라도 A와 C사이의 자기 탄성으로 능동인 축의 부분은 이 축이 부착되는 주축부분들(각 단부에서 동일 직경을 가질 필요가 없음)보다 더 크거나 동일한 직경을 실제 가질 수도 있다. 능동 축은 억지끼워 맞춤, 피닝(pinning), 용접, 나사산 등으로 주축(Main shaft)에 견고히 고정될 수도 있다. 주축은 비강자성 재료, 예컨대 스테인레스 강, 알루미늄 황동, 섬유유리, 플라스틱 등으로 제조되는 것이 바람직하나, 또한 저 자기변형을 갖는 저 투자율 강자성 재료, 예컨대 경화되고, 평평한 탄소강(plain carbon steel)으로 제조될 수도 있고, 상당한 와류자계를 생성할 수 없다. 능동 축은 중공 또는 중실일 수도 있고 AB와 BC 사이에서만 원주상으로 성극된다. AA' 와 BB'구역들은 토오크의 아주 작은 퍼센트만 전달하므로, 와류자계에 대한 이들의 기여는 최소이다. 또한 능동구역이 아닌 능동축의 이들 부분들은 자화된 공구(나사 드라이버, 렌치 등)들과 같은 잠재적으로 방해하는 자계의 국부적인 공급원에 용이하게 접근할 수 없다.
도 1(g)는 3개의 원주상으로 성극된 구역과 2개의 발산하는 "영역 벽"(B와 C)을 제외하고 도 1(a)와 동일한 센서를 예시한다. 이들 사이의 증가된 자계강도는 또한 각각의 영역 벽에 있는 2개의 자계센서 대신에 하나의 축방향으로 배향된 자계센서(가상선으로 도시됨)의 사용을 가능하게 한다.
도 2(a)는 전형적인 "메이저" 히스테리시스 루프의 형태 및 현저한 특징 즉 한계자계들이 접근하는 포화의 신호를 보여주도록 자화에 대해 충분한 것을 보여준다. 이는 루프 각값을 평평하게 하고 루프의 상승 및 하강 "둘레(limbs)" 사이의 자화 차이의 좁게함으로써 입증된다. 히스테리시스 루프들은 동적현상을 효과적으로 나타내고, 이 히스테리시스 루프들은 반시계 방향으로 상승 및 우측으로, 하향및 좌측으로 등으로 움직인다. 여기에 도시된 메이저 루프에 대하여, 자계에서 ±100 Oe을 넘는 또 다른 증가들은 최고 자화를 ±18KG 이상으로 상당히 증가시키지 못함이 명백하다. 자계가 이들의 "기술적인 포화(technical saturation)" 값들에 도달한 후 0으로 감소될때, 자화는 R(또는 반대 극성의 자계를 나타내는 R')로 표시된 값으로 감소된다. R과 R'는 잔류자기 자화를 나타낸다. 도시된 루프의 R값은 15.8KG이다. "잔류자기 비", 즉 잔류자기 자화 대 최고자화의 비는 이 루프에 대하여 (15.8/18)=0.878이다. 자계방향으로 단축 이방성을 갖는 재료에서, 잔류자기 비는 그의 최대 가능 값인 1.00과 같다. 자계방향이 그와같은 재료에서 이방성에 수직인 경우, 잔류자기 비는 최소가능 값인 0이 된다.
입방 변부를 따라 느린 축을 갖는 입방 정자(cubic crystallite)의 임의 배향을 갖는 재료에서, 잔류자기 비는 0.8312이다. 느린 축(easy axes)이 입방 대각선을 따르는 경우, 잔류자기 비는 0.866이다. 도 2(a)에 도시된 루프의 고 잔류자기 비는 정자들이 임의적으로 배향되지 않거나 몇몇 이방성 영향이 또한 존재하는 것을 표시한다. 어느 경우에서나, 기타 자계방향에 대한 히스테리시스 루프들은 일반적으로 더 크거나 더 작은(상이한) 잔류자기 비들은 나타낸다.
자화가 O(점C 및 C')으로 되는 자계의 값이 "항자계(coercive field)"이다. 항자계는 일반적으로 증가하는 최대 자계 진폭(field excursion)에 따라 증가하여 포화시에 최대값("항자력"이라 불림)에 도달된다. 도시된 루프에서 항자계는 30 Oe이고, 표시된 루프를 나타내는 가상 재료의 항자력보다 단지 최소한으로 더 작은값이다. R과 C' 사이의 반전 자화가 400,000ergs/cm3(저 합금강에 대한 일반적인 값)의 결정 이방성에 대하여 국부적인 모멘트의 간섭 회전(각 영역에서)에 의한 것인 경우 항자력은 2×400,000/(18,000/4π)=559 Oe이고, 이는 관측된 값의 거의 19배이다. 따라서, 도시된 루프가 이와같은 유형의 재료(예컨대, 저 합금강)인 경우, 반전자화는 간섭회전에 의한 것이라기 보다는 오히려 주로 영역 벽 변위에 의해 분명히 발생된다.
도 2(a)의 A 및 A'는 "마이너" 히스테리시스 루프의 극값, 즉 최대자계 진폭이 항자력보다 상당히 작은 것을 나타낸다. 마이너 히스테리시스 루프의 확대도가 도 2(b)에 도시됐다. 이 마이너 루프의 잔류자기와 항자계가 아주 작게 보일지라도 이들 잔류자기와 항자계는 0이 아니다. 그러므로 작용된 자계의 작은 진폭에 대해서 조차 결과적인 자화 변경들은 약간의 비가역성을 포함하는 것으로 보여진다. 항자력에 비하여 마이너 루프의 자계진폭이 더 작으면 작을수록 이들 비가역 특성들은 더 작아진다. 아주 작은 (상대적인) 자계 진폭에 대하여 "루프"는 AA'를 지나서 직선으로 좁아진다. 어느 경우에서나 마이너 루프들의 AA'를 지나서의 직선 기울기는 반전 자화율(reversible susceptibility)(Xrev)로 공지되어 있다. 자화된 견본에서, Xrev의 값은 항자계내에 있는 메이저 루프의 어느 지점에서나 전혀 변화하지 않는다(아마 ±15% 범위이상으로). 단축 재료에 대한 마이너 루프가 잔류자기도 보자력(coercivity)도 나타내지 않을 지라도 이들은 일반적으로 이방성 축에 평행한 자계에서(완전히 균일하고 간섭의 이방성에 대해) O Xrev 및 이방성에수직인 자계에서 유한 Xrev를 나타낸다.
대부분의 재료가 작은 자계에서도 유한 Xrev, 잔류자기 및 보자력을 나타내는 사실은 명백히 칼라가 없는 토오크 변환기의 작동과 관련된다. 이들의 유한 Xrev에 의해, 토오크가 작용될 때 능동구역에 의해 발생되는 자계들에 노출되는 축의 구역들은 자화를 일으킨다. 능동구역 그 자체 내에서, 이들 자계들은 정지 원형 자화의 경사를 방해하기 쉬운 방향으로 작용하므로 "탈자화(demagnetizing)" 자계로 불려진다. 그와같은 자계들은 원인이 되는 힘보다 더 강해질 수 없으므로 이들의 작용은 토오크의 효과를 단순히 감소시키며, 즉 이들은 변화기의 잠재적인 감도를 감소시킨다. 축재료의 유한 잔류자기 및 보자력에 의해, 비능동구역에서 반작용 자화는 작용된 토오크에 따라 히스테레시스의 형태가 변화된다. 원인이 되는 자계들이 또한 능동구역으로부터 거리에 따라 떨어지므로, 이들 반응성 자화들은 일정하지 않다. 이들 중 어느것도 원주상으로 향하지 않는다. 더욱이, 축재료가 자기 변형이므로 반응적으로 자화된 구역들 내의 자화는 작용된 토오크에 따라 변화될 것이다. 그 결과 이미 수동이고 새로이 자화된 이들 구역들 자체는 축 내 및 둘레의 공간에 있는 자계성분들에 기여한다. 자계센서들에 의해 보이는 순수자계(즉, 신호자계)는 따라서 능동구역으로부터의 중요한 자계 및 반작용 구역들로부터의 와류자계들의 결과이다. 변환기의 바람직한 선형 및 비히스테리시스의 전달기능이 칼라가 없는 설계에서 인접 자화가능한 재료의 필연적인 존재에 의해 퇴화될 수 있음은 놀라운 것이 아니다. 보자력을 크게 유지시키고자 하는 것은 이제 명백해진다.
변환기의 작동은 축 "표면"이 원주 방향으로 잔류자기로 자화되는 것을 필요로 한다. 원주상으로 자화되지 않은 재료는 반작용으로 자화될 수 있고 따라서 와류자계의 공급원이 된다. 그러므로, 자화 깊이에서 더 깊은 것이 더 좋은 것으로 나타날지라도, 2개의 요소들은 전체 축단면을 원주상으로 자화시키는 필요성을 완화시킨다. 첫째로, 표면으로부터의 거리가 증가함에 따라서 비틀림 전단 응력이 감소되기때문에 축단면의 더 많은 중앙 구역들로부터의 신호자계에 대한 상대적인 잠재적인 기여가 감소된다. 둘째로, 이들 더 깊은 구역들이 이들의 위치에 유용한 자계강도들을 생기게 할지라도, (축표면에서 방사상 외측으로 조금 떨어진) 자계 센서 위치에서 자계강도에 대한 이들의 기여는 실질적으로 감소될 것이다. 이들 동일 요소들은 "떨어져 있는 (distant)" 자계센서들에 상당히 문제가 되는 와류자계들을 발생하도록 깊게 내부에, 비원주상으로 자화된 구역의 능력을 감소시킨다. 첫번째 요소는 작은 축에 요구되는 원주상 자화의 깊이를 아마 반경의 50%로 제한한다. 두번째 요소는 매우 큰 축에서도 10-20mm 보다 더 깊은 원주상 자화가 이점을 거의 제공하지 못하는 것을 나타낸다. 많은 중공 축들에서, 그와같은 깊이로의 침투는 표면 내측으로 도달될 것이다. 이는 중공축에 대하여 특히 얇은 벽 중공축들에 대해 바람직한 상태이며, 이는 축들이 이용가능한 재료 강도를 더욱 효과적으로 사용하도록 그리고 중량을 감소시키도록 중공으로 제조됐기 때문이다. 모든 축 단면이 유용한 토오크를 전달하고 있는 경우 축단면은 몇몇 단면을 신호자계에서 감소시키기 보다는 오히려 모든 단면을 신호자계에 기여하게 한 다음 와류자계에 기여하도록 한다. 그러나, 실질적인 문제로서 더 큰 직경의 축들상에 약 1-2mm 보다 더 큰 깊이로 자화시키는 것이 대단히 어려운데, 그 이유는 자계 공급원으로부터 멀리 강한 자계를 발생시키는 것이 어렵기 때문이다.
원주상 자화를 발생하기 위해 이용가능한 수단을 고려해보면, 전체 단면을 성극화시킬 필요성이 없는 것은 뜻밖이다. 성극화시키는 방법 및 절차는 J. Appl. Phys. 79(8), 4756, 1996 뿐만 아니라 미국특허 제 5,351,555호 13-14단 및 제 5,520,059호 15-16단과 26-28단에 기술됐고, 이들의 설명이 여기에 참조됐다. 칼라가 없는 토오크 변환기에 능동구역을 형성하는 것은 두개의 추가적인 고려를 요구한다. 첫째로, 능동구역이 일반적으로 제한된 축방향 범위로 이루어지고 축을 따라서 몇개의 바람직한 축방향 위치에 위치되어야 하므로, 중공축들을 통과하는 공축 전도체를 통하여 또는 전체 축을 통하여 전류의 전도를 포함하는 방법들은 부적당하다. 전류를 제한되고 잘 한정된 축길이를 통과시키기 위해 다양한 형태들이 가능할지라도, 이들은 제한된 적용성을 가지며 인식할 수 있는 장점을 제공하지 않는다. 인접한 영구자석 또는 전자석의 강한 경사 자계를 통한 회전에 의한 성극은 대단히 바람직한 방법인데, 그 이유는 동일한 성극 장비 및 공정이 광범위한 축 직경 및 재료에 대해 사용될 수 있기 때문이다. 능동구역의 축길이 및 그의 축방향 위치는 이 방법에 의해 정밀하게 제어될 수 있다. 둘째로, 칼라가 없는 토오크 변환기의 성극은 종래의 "축상의 링(ring on shaft)" 설계의 성극보다 훨씬 강력한 자화 자계를 필요로 할 것이다. 이는 각각의 설계에 대해 각각 적절한 재료들의 메이저 히스테리시스 루프의 비교로부터 그리고 칼라가 없는 설계에서 자화시키는 자계의 침투가 동일 크기의 축에 대해 얇게 링 설계보다 일반적으로 더 크고 칼라가 없는 설계에 사용되는 축들의 내부구역들이 본래 링 설계에 사용된 축들보다 더 큰 투자율을 갖는 것을 고려할 때 직접 알 수 있다. 인접한 투자가능한 재료는 성극자석으로부터의 자속(flux)을 단락시키기 쉬워서, 효과적으로 이용가능한 자계강도를 감소시킨다. 그러나, 기술된 바와같이 결과는 동일하고, 소스자석과 목표물(target) 사이의 투자가능한 재료는 자계로부터 목표물을 보호한다. 이경우 표면구역들은 내부구역들을 보호하여서 성극 깊이를 제한한다. IEEE Trans. Mag 28(5), 2202, 1992(도 2)에 그리고 J. Appl. Phys. paper의 도 5에 도시된 바와같이, 후프응력을 받는 링의 메이저 루프들은 정사각형(단축 이방성)이고 전형적으로 수 에르스텟(Oe)의 항자계를 보인다. 이와달리, 칼라가 없는 토오크 변환기 축재료의 메이저 루프들은 더욱 둥근 특징(임의적으로 입방 이방성)을 보이고 약 15 Oe 보다 큰 보자력을 나타낼 것이다. 성극하는 자화 자석으로부터 자계의 반전자계 "로우브(lobe)"들이기 때문에, 이들 로우브들의 강도가 직접 자계 로우브의 약 20%에 불과하기 때문에, 그리고 또한 (잔류자기를 최대화하는데 필요한) "기술적인 포화"가 축재료의 항자력보다 적어도 2배의 자계를 필요로 하기 때문에, 그리고 최종적으로 큰 항자력이 와류자계들을 최소화하고 안정성을 최대화시키는데 더 좋기 때문에 칼라가 없는 설계를 위해 큰 성극 자석에 대한 필요성이 명백하다. 충분히 큰 직경의 중공축으로 능동구역의 균일하고 완전히 깊은 성극을 얻는 점에서 내부 및 외부 성극 자석을 협동하게 사용하는 것이 이로울 수도 있다. 축 및 성극자석의 전형적인 배치는 도 3에 예시됐고, 이 도 3은 도 1(a)에 예시된 칼라가 없는 설계에서와 같이, 2개의 자기적으로 접촉하는 극성 구역을 동시에 형성하기위한 성극 자석과 축의 배열을 도시한다. 성극자계의 공급원 수는 일반적으로 생성되는 극성 구역의 수와 동일해질 것이다.
가장 간단한 실시예에서, 성극 자석들은 축이 양방향으로 축을 중심으로 회전하는 동안 축 표면에 인접하게 유지된 고에너지(예컨대, 사마륨-코발트 또는 네오디뮴-철-붕소) 영구자석으로 전형적으로 구성된다. 고 보자력 축들과 더불어 연질 자기 "자극 부품"들이 각각의 영구자석에 바람직하게 끼워맞춤될 수 있고(자기 플럭스를 축을 통해 구동시키도록) 이용가능한 자기 mmf를 가장 효과적으로 이용하게 적절히 형상화되고 이격될 수 있다. 도 3은 각각 반대 극성들을 갖고 약간 작은 거리로 축방향으로 이격된 그와같은 2개의 성극자석("1" 및 "2")을 보여준다. 축상의 굵은 화살표는 그 결과 생기는 원주상 잔류자기 자화, 즉 극성구역의 방향을 표시하며, 이는 변환기의 능동구역을 함께 형성한다. 축 중심선에 수직인 선들은 이들 극성구역들 경계부들의 방사물들이다. 이들 구역들의 폭(축방향 범위)은 성극 자석의 폭을 조금 초과함이 주목된다. 두개의 정반대의 극성 구역들 사이의 음영부분은 잔류자기 자화가 한 원형방향에서 다른 원형 방향까지 변화를 받는 서브구역(sub-region)을 나타낸다. 이 변환구역의 폭은 두개의 성극자석의 분리를 단순히 증가시킴으로써 원하는 만큼 크게 제조될 수 있다. 변환구역의 폭이 이 분리거리를 감소시킴으로써 감소될 수 있을지라도 변환구역이 더 작아지지 않도록 최소한의 분리거리가 있다. 성극 자석(1,2)이 서로 가까워질 때 그들 각각의 자계들이 각각 다른 것을 약화시킴이 명백하다. 이들 성극 자석의 접촉하기에 충분히 인접될 때 그들의 경계면에 더 이상 N극 및 S극이 존재하지 않으며, 그러므로 축을성극시키기 위해 원주방향으로 적절한 자계강도가 존재하기 전에 성극 자석들 자체를 따라서 약간의 거리가 있을 것이다. 이 변환구역의 최소 폭은 성극 자석의 유효강도 및 축재료의 항자력에 좌우되고, 성극자석의 유효강도가 증가함에 따라 감소되고 항자력의 증가에 따라 증가된다. 변환구역의 최적 폭은 토오크에 좌우되는 자계를 좌우되는 자계를 감지하도록 사용되는 자계센서(들)의 유형, 크기 및 배향에 좌우될 것이다. 변환구역을 얻는 것이 바람직한 경우에 더 작은 것은 나란한 성극 자석 위치에서 축 중심선 둘레의 각 변환이 다른 성극 자석에 대한 한 성극자석에서 상호 약화시키는 상호작용을 감소시키는데 필요한 분리를 제공할 때 성극자석(1,2)로 얻어질 수 있다. 도 3에서, 180°의 극단 분리는 편리성을 위해 예시되었다. 성극자석(2)이 성극자석(1)쪽에 존재하는 대신에, 성극자석은 가상선으로 예시되고 성극자석(2')으로 표시된 위치로 회전된다. 또한 한번에 한 구역을 자화시키는 것이 가능하며, 즉 축을 제자리의 단지 한 성극자석(1)으로 회전시킨 다음 성극자석(1)을 제거하고 제자리의 성극자석(2)으로 축을 회전시킨다. 영구자석을 사용하는 모든 계획에서, 영구자석들은 축회전을 중단하기 전에 축에 인접한 위치에서 제거될 필요가 있다(이와달리 "키퍼(keeper)"가 각각의 자극들 사이로 이동될 수도 있다) 전자기의 "강도"가 조정될 수 있고 각각의 자석 또는 키퍼의 물리적인 이동없이 효과적으로 차단될 수 있기 때문에 전자석들이 성극을 위해 사용되는 것이 이로울 수도 있다.
성극자석의 "강도" (기자력(mmf)과 자기회로 자기저항으로 측정됨)에 의존하는 토오크 변환기 성능(감도, 즉 단위 토오크당 자계로 측정됨)의 의존관계가 도 4에 표시됐다. 이 도면에서 즉시 명백한 것은 1.5A 이하의 자화전류에 대하여 토오크 의존 자계가 완전히 없다는 것이다. 이는 축재료가 어느 상당한 원주상 자기잔류를 생기게 하기 전에 약간의 임계강도에 도달하도록 유효자계에 대한 필요성을 나타낸다. 이 임계강도는 반전 자계 로우브들의 강도가 상당한 잔류자기를 발생하도록 축재료의 보자력, 이 경우 44 Oe에 접근하여야 하기 때문에 축 재료의 항자력과 관련된다. 기술된 바와달리, 자계는 영역 벽들의 대규모 "디피닝(dipinning)"에 대해 충분한 강도를 가져야 한다. 자화전류가 임계값이상(이 경우 1.5A 이상) 증가될 때, 감도는 계속 증가하는 것으로 보여진다. 증가하는 전류에 따라 감도가 증가하는 것이 처음에 급속할지라도, 곧 감소되며, 결국 최대값에 도달하는 신호를 보인다. 자석과 축사의 간격이 없이 2개의 데이타 지점(12,15A)에서의 시험은 0.25mm 간극으로 얻을 수 있는 감도의 예상 포화가 축 잔류자기의 진짜 포화에서 보다 장치에서 더 많은 결과(artifact)임을 보여준다. 이들 2개의 데이타 지점은 감도의 포화값에 도달하는데 어려움 및 자화 회로에서의 자기저항을 최소화시키는 중요성을 보여준다. 여기에 서술된 전달기능은 다음의 상호작용 성질 및 현상의 복합결과이다.
1. 최대 자화에 따른 항자계의 발달 ;
2. 축재료의 항자력 ;
3. 기자력에 따른 임계자계 진폭의 방사상 내측 침투 ;
4. 표면으로부터의 소정거리에 따라 감소하는 전단응력 ;
5. 표면으로부터의 소정 거리에 따라 감소하는 축방향 자화 ;
6. 이들 내부 구역으로부터 단위 토오크당 감소하는 자계 ;
7. 더욱 더 내측의 자계 공급원으로부터 자계센서의 증가하는 거리 ;
8. 증가하는 성극 자계 강도에 따라 변환 구역 폭의 감소 ;
9. 증가하는 전류에 따른 성극자계의 비선형성(포화).
일단 능동구역이 국부적인 성극(들)에 의해 발생되면, 축은 토오크 변화기로서 적절히 특징지어질 수 있다. 능동구역은 2중 성극으로 구성되는 것이 좋다. 통상적인 실시예에서, 토오크 작용에 의해 생기는 잔류자기 자화의 경사(tilting)가 그와같은 자화 경사로부터 생기는 자계의 몇몇 성분의 강도에 응답되는 인접 장치에 의해 감지될지라도, 그와같은 경사에 관련된 잔류자기 자화의 축방향 성분은 또한 축을 감싸고 원주상으로 성극된 구역 위의 중심에 위치한 코일에 유도된 전압(emf)에 의해 감지될 수 있다. (토오크에 비례하는) 자화의 축방향 성분은 시간에 따라 유도된 enf를 합침으로써 회복될 수 있다. 현재의 전자기술 상태에서 수 초 내지 수분정도의 짧은 기간동안의 저 드리프트(drift)가 달성될 수 있을지라도 완전히 드리프트가 없는 집적수단은 존재하지 않는다. 그럼에도 불구하고 중요한 토오크가 짧은 기간동안, 존재하는 응용품에서 예컨대 펄스 및 임펄스공구에서, 이는 능동구역에 단지 단일 성극을 갖는 특별한 구조에서 존재가능한 감지장치이다.
도 5는 도 4에 도시된 최고의 얻을 수 있는 감도에서 성극에 따른 극성축의 능동구역을 따라서 상대적인 방사상 자계강도(토오크의 적용으로 발생됨)가 축방향 위치에 따라 변화되는 방식을 보여준다. 이 자계 분포의 일반적인 형태는 정반대로 향한 축방향 자화를 갖는 2개의 인접 구역들로부터 예상되는 대략 4극자계와 일치된다. 예컨대, 이는 인접하는 비슷한 자극과 위치된 2개의 공축 막대자석둘레의 공간에서 보여지는 자계분포의 형태이다. 이 도면의 상세한 시험은 성극장치의 물리적 배열과 축재료의 자기 특성을 반영하는 특성들을 보여준다. 예컨대 중앙의 최대치는 그 사이에 작은 계곡을 갖는 실제 2개의 최대치임이 관찰될 것이다. 이는 비슷한 자극이 약간 분리되어 있는 경우, 2개의 막대자석으로부터 예상할 수 있는 자계분포의 종류이다. 그러므로 중요한 폭을 갖는 변환구역 존재의 명백한 표시이다. 2개의 최대치의 높이 불일치는 아마도 2개의 성극자석의 약간의 차이를 나타낸다. 도 4에서 알았던 바와같이, 자기 자극 부품과 축 사이의 거리의 작은 차이는 감도에 상당히 영향을 준다. 자기 표면과 축 사이의 작은 비평형은 이 데이타를 얻도록 사용된 양 자석이 축에서 정밀하게 동일거리에 있는 것을 방지하고 또는 축에 대해 각각의 전 폭이 실제 마찰되게 하는 것을 방지한다. 이 데이타를 얻도록 사용된 자석사이의 공간 폭이 최대치의 축방향 분리와 대략 동일한 2.5mm였기 때문에, 도 3에 표시된 변환구역과 자석분리의 상대적인 폭(변환구역은 자석 분리보다 더 좁다)은 명백히 일반적인 결과가 아니다. 이미 기술된 것으로부터 변환구역은 이 간격보다 더 넓어질 수 있음이 명백하다. 이와달리 ±15mm이하에서 더 작은 (반전 극성) 최대치 사이의 거리가 27.5mm의 전체 자석치수 밖으로 나와있을때 멀리 분리된 자석(극성 구역이 양단에서 자석 폭 밖으로 나올 것임)에 대하여 변환구역이 자석 간극보다 더 좁아질 수 있음이 명백하다. 이와같은 성극과정의 이해로, 상기의 관측된 낮은 접근대 감도의 포화값에 대한 8항의 기여는 인식될 수도 있다. 자석들 사이의 공간의 기하학적 중앙에 위치된 자계 센서는 최대치 사이의 계곡 깊이가 감소될 때 감도의 증가를 표시할 것이다.
도 5에 도시된 2중 최대치 및 불완전한 곡선 대칭은 단지 하나의 실험결과를 나타낸다. 몇가지 적용에서 단일의 급격한 중앙 최대치를 갖는 것이 바람직한 반면에, 기타 적용에서, 광범위하고 상대적으로 평평한 중앙최대치가 더욱 바람직한 것이다(예컨대, 축의 축방향 "유극(play)"에 대한 감도의 변화를 감소시키기 위해) 일반적으로 그리고 또한 장치의 간단한 설명을 위하여, 단일 중앙 최대치를 갖는 대칭 곡선이 바람직할 것이다. 이와달리, 2개 여러개 또는 많은 수의, 단일 극성 구역들이 축을 따라서 이롭게 분배될 수도 있는 특정 응용품들이 있을 수도 있다. 그와같은 실행에서 축은 다양한 특별한 목적을 위해 동일하거나 반대 방향의 원주상 성극을 갖는 하나 이상의 능동구역을 포함한다. 그와같은 복수 구열 배열의 구별되는 특징은 각각의 그와같은 구역에서 생기는 자계들이 인접공간에서 서로 돌깁된다는 것이다. 도 5에 도시된 것과 같은 플롯(plot)은 각각의 극성 구역의 단부에서 또는 근처에서 (동일진폭의) 대칭의 포지티브 또는 네거티브 최대치를 보여준다. 하나 이상의 극성 구역을 갖는 변환기에서 단일 다중 또는 다중 단일의 극성 구역으로서 능동 구역의 특징에 차이를 발생시키는 것은 변환구역 폭임이 명백하다.
간략히 언급되어야 할 필요가 있는 관련 결과는 토오크 변환기 성능에 대한 능동구역의 축방향 범위의 영향이다. 능동구역의 치수는 2개의 관점 고려를 필요로 한다. 물론, 첫째는 토오크 감지 기능의 수행을 위하여 얼마나 많은 공간이축상에서 이용가능한지에 관한 문제이다. 특정 적용에서 이 공간이 비관련된 자와 가능한 재료, 예컨대 볼베어링, 기어 등의 인접성에 의해 심각히 제한된다면, 이는 과잉 고려가 된다. 소정의 많은 공간이 이용가능한 경우, 능동구역의 치수는 일반적으로 소정의 감도(즉, 단위 토오크당 신호자계)를 얻도록 선택될 것이다. 여기서의 목적은 작용된 토오크의 최대값에서 자계강도를 최대화 시키는 것이 아니라 오히려 자계(또는 축방향 자화성분) 센서(들)의 바람직한 유형 및 배향에 적합한 자계강도를 얻는 것이다. 너무 큰 신호자계는 자계센서들의 몇몇 유형을 포화시킬 뿐만 아니라 또한 토오크 감지와 관련없는 기능을 하는 기계부품의 강자성 재료 근처를 자화시킨다. 신호자계 강도가 비자화요소(능동구역의 길이를 감소시킴)와 자화의 축방향 성분(능동구역의 길이를 증가시킴)의 적(적(積)이기 때문에, 능동구역의 길이는 자계강도의 감도결장자가 아니다. 따라서, 광범위로 변화되는 토오크 범위(즉, 다양한 축 직경)를 갖는 토오크 변환기의 전체 집합체가 제조되는 경우 동일자계센서 설계가 모두 함께 사용가능하도록 모두에 대해 동일 치수를 갖는 능동구역을 사용하는 것이 이로울 수도 있다. 축직경에 관하여, 치수의 유용한 범위는 예컨대 3mm직경 범위의 작은 축 직경에 4배, 20mm직경 범위의 축 직경의 1배, 100mm 직경 범위의 축직경의 0.3배로 몇몇 정수 곱일 수도 있다. 능동 구역의 길이가 1-1000mm 직경 사이의 축에 대하여 5-100mm일 것이라고 생각하는 것은 대개 유용한 추정치이다. 능동구역의 축방향 범위는 대부분 실제적인 고려에 의해 결정되어서 능동구역은 상업적으로 이용가능하고 실제적으로 유용한 자기 벡터 센서들에 의해 감지되도록 적절한 트기로 이루어지고 실제적으로 유용한 자계가 생기도록충분히 길어야 한다. 그와같은 구역드의 유효단부들이 확산되게 신중히 제조되는 경우, 능동구역의 "치수"는 결과ㅗ다 더욱 나빠진다. 설계추구는 능동구역(들)의 치수 및 축방향 위치를 결정하는데 주요 고려사항이다. 일반적으로, 주위의, 치명적인 또는 우연한 자계 공급원으로부터 발생되는 자화에 의해 영향을 받지 않도록 충분히 떨어져 있는 축의 구역에 능동구역들을 위치시키는 것이 바람직할 것이다.
이미 표시된 바와같이, 축이 유용한 칼라가 없는 토오크 변환기로서 작용할 수 있도록 축이 기계적, 자기적 및 자기탄성적 성질의 적당한 복합체를 갖는 것이 필요하다. 적당한 성질의 복합체들은 많은 통상적으로 이용가능한 강철에서 발견된다. 강도 및 연성의 적절한 복합체를 또한 갖는 다수의 "영구" 자석 합금들은 이들의 제한된 상업적 이용가능성과 상대적으로 고가인 점이 특별한 적용에 사용하는 것을 제한함에도 불구하고 또한 적당하다. 기계적 및 자기적 특성의 요구된 복합체를 얻는 것은 화학적 조성물과 같이 야금학적 상태의 기능이므로 선택된 축 재료는 몇가지 형태의 열(및/또는 기계적) 처리를 거의 확실히 받게 될 것이다. 이는 적절한 온도로 가열하고, 더 낮은 온도로 재가열하고 더욱 천천히 냉각(템퍼링-또한 중간야금 조성물을 석출시키는 "시효") 되는 것을 수반하는 조절된 비율로 냉각(예컨대, 공기, 오일 또는 물로 담금질)하는 것으로 종종 구성된다. 저온처리는 얻어진 특성을 최적화하고 그리고/또는 안정화시키는데 적합하다고 알려질 수도 있다. 어느 경우에서나, 모든 그와 같은 처리의 목적은 동시에 재료를 기계적으로 강화(항복 강도를 상승시킴)하고 재료를 자기적으로 "경화"(항자력을 상승시킴)시키는 것이다. 대개 최종 상태의 재료는 15 Oe이상의 항자력(Hc)이 바람직하고, 20Oe이상의 더욱 좋으며, 35 Oe 이상이 더욱 바람직하며, 이상적으로 최대 예상 토오크의 적용으로 발생되는 최대자계 강도보다 더 큰(자계 방향으로 측정될 때) 항자력을 가져야 함을 알게 될 것이다.
칼라가 없는 토오크 변환기의 적당하다고 발견된 재료 종류의 예가 아래에 도시됐다. 각 종류의 전형적인 등급이 표시됐다.
1. 미르텐사이트 스테인리스 강 (공기 경화가 바람직 함)
AISI/SAE 등급 : 403, 410, 414, 416, 420, 431, 440A, 440B, 440C
2. 석출 경화 스테인리스 강 (크롬 및 니켈)
AISI/SAE 등급 : 15-5PH, 17-4PH, 17-7PH, PH13-8MO
3. 합금강 (담금질 및 템퍼링 됨 - 때때로 침탄처리 또는 질화처리 됨)
AISI/SAE 등급 : 4140, 4320, 4330, 4340, 4820, 9310
전형적인 명칭 : 300M, Aermet +100, 98BV40, 9-4-20, 9-4-30
4. 공구강 (담금질 및 템퍼링 되는 것이 바람직함, 야금학적으로 "클린(clean)" 고합금강)
AISI 등급 : A, D, H, L, M, O, T, W형 및 고 코발트 고속도강
5. 마라징 강 (고니켈, 저탄소)
전형적인 명칭 : 18Ni 250, C-250, Vascomax T-300, NiMark, Marvac 736
6. 연성 영구자석재료
전형적인 명칭 : Vicalloy, Remendur, Cunife, Cunico, Vacozet
7. 자석강
전형적인 명칭 : KS강, MT강, 3.6%Cr, 15%Co, 텅스텐 강
8. 특정 합금 및 기타 재료
전형적인 명칭 : Parmendur, Alfer, Alfenol, Kovar, 경화인발니켈, 경화인발 퍼멀로디
현재 칼라가 없는 토오크 변환기의 얻을 수 있는 성능은 축 구조상의 링으로 얻을 수 있는 것보다 부족하다. 전달기능의 히스테리시스는 불완전한 성능의 주요 공급원이다. 그럼에도 불구하고, 현재 얻을 수 있는 성능은 많은 적용에 대해 완전히 만족스럽다. 더욱이 광범위한 히스테리시스가 포지티브 및 네거티브 값들을 포함하여 관찰됐지만(상이한 재료, 변화하는 열처리) ; 성능이 더욱 개발됨에 따라 향상될 것은 분명하다. 도 4 및 도 5에 도시된 데이타를 얻도록 사용됐던 고속도강재료의 동일 유형 및 크기로 제조된 실험적인 칼라가 없는 토오크 변환기의 전달기능은 도 6에 도시됐다. 히스테리시스의 명백한 존재에 대한 것 이외에 이 변환기의 전달기능은 우수한 선형성을 나타내는 것으로 보인다. 부하가 ±50N.m로 증가됐을 때 후퇴선(regression line)에 중요한 변화가 보이지 않았다. 기타 실험의 변환기(일반적으로 저 보자력을 갖는 재료로 제조됨)로 부터의 전달기능은 히스테리시스의 더 큰 값과 포화신호(최고의 토오크레벨에서 감소하는 기울기)를 보였다.
변환기의 능동구역 근처에 존재하는 투자가능하고 자화가능한 재료·전체를 방지하거나 적어도 최소화하는 것이 바람직하다는 것은 본 발명의 설명을 통해 명백해진다. 미국 특허 제 5,351,555호의 축상의 링 센서(ring on shaft sensors)들에서, 이는 저 투자율재료의 축을 사용하여 또는 소정 투자율보다 더 큰 축으로부터 예컨대 저 투자율 슬리이브를 삽입시키는 것에 의해 "링"을 공간 분리시키는 것에 의해 통상적으로 달성된다. 칼라가 없는 설계에 따라, 인접한 재료의 소정의 저 투자율은 비교적 큰 보자력을 갖는 축재료를 인접 축 부분으로 부터 능동 구역의 기하학적 격리와 함께 때때로 사용함으로써 실현된다. 성공적인 칼라가 없는 구조의 중요한 특징은 토오크에 의해 생긴 자계의 크기가 너무 작아서 능동구역에 인접한 축의 구역들에서 중요한 비가역 자화 변화를 일으킬 수 없다는 것이다.
원형으로 자화된 토오크 변환기의 또 다른 실용적인 필요조건은 하나 이상의 능동 구역 각각이 축의 단부 대 단부 길이보다 더 짧은 유효 축 방향 범위뿐만 아니라 축상에 식별가능한 위치들을 갖는다는 것이다. 미국특허 제 5,351,555호의 축상의 링 센서에서, 링의 물리적인 치수들은 능동 구역의 축 방향 범위를 제한하고, 그리고 능동구역(들)이 링 치수내에 놓여지도록 명백히 제한되기 때문에 축상의 이들 위치가 링 위치에 의해 자동으로 형성된다. 칼라가 없는 설계에서, 능동구역(들)의 축방향 범위 및 축방향 위치는 협력하는 기하학적 특성과 함께 또는 특성이 없이 서서히 주입되는 원주상 잔류자기 자화의 상세한 것으로서 형성된다.
능동 구역에 인접한 축재료에 와류자계의 발달을 실질적으로 방지하는 칼라가 없는 토오크 센서의 또 다른 구조가 있다. 이 구조에 따르면, 능동구역(들)의 근처에 자화가능한 재료의 존재는 방지되고 고정된 능동구역크기(들)과 위치(들)는 특정의 선택된 축재료의 특이한 성질을 이용하여 형성된다. 적절한 재료들은 2개의 (2이상의) 상이하고, (변환기의 필요한 작동온도범위 이상에서) 안정된 야금학적 상 중 어느 하나에 존재할 수 있다. 그와같은 하나의 상은 능동구역 요구조건을 달성하도록 충분히 강자성체이고 자기 변형되어야 할 것이고 또 다른 상은 효과적으로 비자화되는 충분히 낮은 투자율을 가질 것이므로, 실질적으로 수동 구역 요구조건을 달성한다. 여기에 사용된 "실질적으로 수동"이라는 용어는 자계가 작용될 때 토오크를 감지할 목적으로 자계센서에 의해 보이는 순수한 자계의 유용성을 파괴하는 충분한 강도로 이루어지는 와류자계를 일으키도록 충분히 자화되지 않는 구역들을 의미한다. 이들 상이 적절한 처리에 의해 마음대로 형성될수 있다면, 소정 크기 및 위치로 이루어진 각각의 상은 동일축상에 공존하도록 제조될 수 있다. 그 다음 토오크 변환기는 소정 원형 방향에 능동구역 부분들에 적당한 원형 잔류자기 자화를 단순히 주입함으로써(즉, 성극시킴으로써)생긴다. 물론 이들 성극을 유지하는 이방성은 원주 방향의 45˚내에 놓이도록 잔류자기 자화를 제한하는 것이 좋다. 축상의 링 센서들의 링들에 주입되는 바와같은, 이와같은 방향의 단축이방성은 분명히 가장 바람직하다. 또한 다축 대칭을 갖는 격자구조, 예컨데 bcc결정구조를 갖는 입방체 구조의 원자 배열과 관련된 전자기결정 이방성이 바람직하고, 이는 칼라가 없는 센서 구조를 위해 선택된 축재료의 특징이다. 능동구역이 실질적으로 수동 구역에 의해 바람직하게 있음에도 불구하고, 능동 구역의 보자력이 크게 유지되는 것이 중요하다. 이는 작용된 토오크의 결과로 생기는 자계가 능동 구역의 원주상 성극 크기의 비가역 손실을 일으키는 것을 방지하는 것이다. 본 발명의 이미 기술된 실시예에 따라, 15이상의 보자력이 바람직하고, 20이상의 보자력이 더욱 바람직하고, 35이상의 보자력이 바람직하다. 토오크 변환기로 사용하기 위해야금학적으로 처리된 축의 기본 구조는 소정의 축방향 치수 및 위치의 절연된 강자성, 자기변형구역(자화가능한 능동구역)을 갖도록 처리된 단일 부품축을 예시하는 도 7의 센서와 관련하여 도시됐다. 축이 물리적으로 단일 부품이고, 전체가 동질의 화학적 조성물로 일반적으로 이루어졌을지라도, 축은 각각의 기능에 적합한 자기특성을 각각 갖는 별도의 능동구역과 실질적으로 수동구역으로 구성된다.
많은 중실재료는 하나이상의 구조형태, 동질이상(polymorphism)으로 불리는 특징으로 존재할 수 있다. 한 상태에서 다른 상태로의 변환은 금속재료에서 공통 발생된다. 냉각이나 가열중에 특징적인 온도에서의 상태 변화들은 많은 순수한 금속들 및 또한 합금들에서 발생되는 것이 알려졌다. 상태 변환이 일어나는 동안의 임계온도범위는 금속 조성물에 따라 용융점 근처의 온도에서 절대 0˚근처의 온도로 변환된다. 몇몇 상태 변화들은 정확한 최종 상태가 임계온도범위를 지나서 냉각율(가열율)에 종종 좌우될지라도 일정시간동안 등온으로 발생된다. 몇몇 합금에서, 냉각중에 정상적으로 발생되는 상태 변환은 또한 냉각 단독으로 필요한 것 훨씬 이상의 온도에서 발생되도록 기계적인 수단에 의해 유도될 수 있다. 효과있는 처리들은 소성변형, 충격파 및 때때로 심지어 단순 유체정압을 포함한다. 냉각중에, 심지어 거의절대 0도로의 냉각중에 전혀 발생되지 않는 변형들이 종종 그와같은 기계적 수단에 의해 더 높은 온도에서 발생되도록 제조될 수 있다. 그와 같은 냉간 작업에 의해 유도될 수 있는 변환범위는 조성물, 변형온도 및 변형율에 따라 변환된다. 냉간 작업됐던 재료의 열적으로 유도된 상태 변화들은 종종 동일 조성물의 비 변형된 재료에서 보다 상이한 온도에서 발생된다. 철이 풍부한 많은(제1철)합금에서 대부분의 기계의 작동범위(-50℃에서 +150℃까지)에 걸쳐 안정되는 다양한 상태들은 자기 특징의 완전한 스펙트럼을 포함한다. 따라서, 단일 합금은 열기계처리의 내력에 좌우되는 강자성체, 상자성체(또는 반강자성체)인 상태로 안정되게 존재할 수 있다. 별개의 공존하는 강자성체 상태가 각각의 자기 및 자기탄성 성질을 의미있게 구분하는 것은 가능하다. 어느 한 재료의 상이한 상태들은 상이한 밀도, 전기저항, 탄성 계수 및 기타 물리적인 성질을 또한 종종 갖는다.
사용된 특정합금에 관계없이 그리고 상태변환이 열처리에 의해, 단기 기계처리에 의해, 또는 열기계처리의 복합에 의해 유도되는지에 관계없이, 축을 처리하는 일반적인 방법은 능동구역과 실질적으로 수동구역을 각각의 그와같은 구역에 각각의 소정 상태를 얻는데 필요한 상이한 처리 상태로 처리하는 것을 포함한다. 따라서 처리단계들 중 적어도 하나는 이들 축구역들 중 하나에 국지화되나 다른 것에 국지화되지 않는다.
국지구역을 기계적인 변형의 몇몇 형태로 처리하는 것은 용이하게 달성된다. 단조, 스웨이징(swaging), 널링(knurling), 표면 압연등과 같은 몇몇 처리를 위해 축상의 위치 및 처리된 구역의 축 방향 범위가 관련 공구의 크기 및 위치로 용이하게 제어된다. 국부적인 충격파는 축의 소정 구역(들)을 적당한 폭약으로 감싸서 용이하게 시작된다. 축방향 인장 또는 압축도 적절한 클램프 장치에 의해 국부화될 수 있다.
국부구역들에 다양한 온도변화를 제한하는 것은 집중 에너지 공급원, 열전열 및 가열 또는 냉각 표면과의 국부적인 접촉의 현명한 사용을 필요로 한다. 이들기술들은 하나이상의 처리단계 중에 독립적으로 또는 복합으로 사용될 수도 있다. 기본 아이디어는 전류 통과에 의해 가열된 축을 예시하는 도 8에 도시된 특정 실시예로 도시됐다. 중앙의 "냉경(chill)" 블록구역의 축온도는 비냉경된 단부 구역들 더 낮게 유지된다.
도 8에 도시된 "냉경" 블록의 크기, 형태 및 복잡성은 축의 크기, 냉각된 구역과 비냉각 구역사이의 필요한 온도변화, 및 이 온도변화가 유지되어야 하는 시간에 좌우될 것이다. 작은 직경의 축, 또는 급속 열 사이클 시간에 따라, 억지끼워 맞춤하는 (아마도 전기도금된)구리링이 충분할 수도 있다. 장기간 처리, 대형 축 및/또는 큰 온도변화가 능동 히트 싱크(heat sink), 예컨대 냉각핀(fin)블록의 강제공기 냉각, 또는 물 또는 냉매 냉각 블록을 필요로 할 수도 모른다. 비냉경된 축부분을 유리섬유, 석면, 또는 기타 저열전도성을 갖는 재료로 절연시키는 것이 더욱 균일하고 용이하게 제어된 온도를 유지시킬 뿐만 아니라 필요한 전기전원을 감소시키기 위해 또한 바람직할 수도 있다. 단열재와 히트 싱크의 사용 및 위치는 더 높은 온도처리를 요하는 것이 축의 능동구역인지 또는 수동 구역인지에 명백히 좌우된다. 도 8에 도시된 방법 이외에, 기타 많은 선택가열(또는 냉각)수단이 가능하다. 유도가열, 복사가열 가열된 또는 냉각된 액체에 부분 담금 및 기타 에너지를 국지화된 축으로 전달하는 수단들이 모두 잠재적으로 적용가능하다.
유도상태 변환에서 소성 가공의 효율이 온도에 의존하기 때문에, 국부적인 변환 구역들은 전체 축이 다소 균일한 소성 변형을 받는 동안 축의 상이한 부분들을 상이한 온도에서 단순히 유지시킴으로써 발생될 것이다. 변형 유도 상태변환을받는 재료에서 변형 유도 변환이 발생되지 않는 온도(일반적으로 Md로 표시됨)가 존재한다. 토오크 변환기의 작동 온도 범위는 변형된 재료가 열적으로 유도된 상태변환(Ms로 불림)을 받는 온도이상인 경우, 그왁 같은 열기계처리에 의해 생긴 2개의 상태는 안정될 것이다. 상태 변환을 유도하기 위해 다양한 열, 기계적 및 열기계 수단중에서 처리의 선택은 각각의 합금 시스템의 특성에 명백히 좌우될 것이다.
토오크 변환기로서 유용하도록 후보재료는 적절한 자기 잔류자기, 자기 변형과 보자력, 및 저 자기변형, 및 (노출되는 자계의 범위내의) 저 자기 변형으로 약화된 강자성체에 불과한 또다른 안정된 상태를 갖는 하나의 안정상태를 가져야 한다. 다행스럽게, 그와같이 자기적으로 별개이고 중요한 온도범위에서 안정상태를 갖는 다수의 잘 공지된 공지 합금 시스템이 존재한다. 예컨대, 18%니켈 마레이징 강이 대단히 상이한 자기 및 자기탄성 특성을 갖는 다양한 금속 상태로 열처리될 수 있음이 알려졌다. 일반적으로, 고도로 합금된 철이 풍부한 많은 재료들은 단일 부품 토오크 변환기를 제조하는데 잠재적으로 유용한 별개의 자기 및 자기탄성 특성을 적절히 갖는 상태로 열 및/또는 기계적으로 처리됨이 알려질 것이다. 공지의 유용한 합금시스템의 몇몇 실시예들은 다음과 같다.
1. 저온에서 존재 가능하도록 오스테나이트(γ)상(정상적으로 고온에서 존재함)을 안정화시키기 위해 탄소강에 Mn(또는 약간의 기타요소 또는 요소들의 복합)의 대량 첨가에 의존하는 고망간장 및 이의 변형강, 오스테나이트는 정상적으로 상자성체이다. 극저온 온도에서 몇몇 오스테나이트는 반강자성체이다. 전통적인 고망간장 12%Mn, 1.2% C로 합금된 철로 구성된다. 강자성체 마르텐사이트로의 오스테나이트 변태는 실온에서 냉간 가공으로 달성된다. 국부적인 변형을 일으키는 표면 압연 또는 기타 처리들은 비자화가능한 수동 구역과 축방향으로(그리고 내부적으로)접촉하는 능동표면구역(깊이에 의존하는 처리)을 생성하도록 사용될 수 있다. 이와 관련하여, 경질이고 내마모성이 있는 마르텐사이트가 기차바퀴의 압연 작용으로 생기는 철로 레일용으로 1세기 이상 고망간 탄소강이 사용되어 왔음은 흥미있게 주목된다.
2. TRIP강, 이들 TRIP강은 고밀도 전위(dislocation)를 생성하도록 대체로 온간 가공(warm work)(Md온도이상으로 소성적으로 변형됨)된다. 오스테나이트 구조는 실온으로(그리고 이하로)유지된다. Md온도이하의 어느 또다른 소성변형은 마르텐사이트로의 변태를 일으킨다. TRIP강은 일반적으로 복잡한 합금강이며, 종종 철 이외의 요소를 30%이상 함유한다. 이들 요소(전형적으로 Cr, Co, Ni, Mo)들은 대체로 자기변형에 기여하기(그리고 종종 결정 이방성을 낮추기)때문에 이들 합금은 자기탄성적으로 능동이다. 더욱이, 지뢰에 견디는 탱크 바닥판과 같은 군용 수요를 위해 개발되어온 것은 TRIP강이 예외적으로 강하기 때문이다.
3. 18-8종(18%Cr, 8%Ni)의 통상의 스테인리스강은 고용화 어닐링 상태에서 오스테나이트 결정 구조를 갖는다. 정확한 합금함량에 좌우되는 이 계열의 많은 강철의 결정구조는 극저온 열처리, 냉간가공 또는 이들 처리의 조합에 의해 강자성체 마르텐사이트로 변환될 것이다. 일반적으로 적은 전체 합금 함량(예컨대, AISI302)을 갖는 이들 합금들은 더 많은 전체 합금 함량의 합금보다 더욱 용이하게마르텐사이트로 변화될 것이다. 이와같은 종류의 몇몇 합금들은 표면가공에 의해 경질의, 내마모성 마르텐사이트로 발달하도록 신중히 제조된다. 이들은 건설 장비 및 농업용 공구의 적용에서 발견된다.
4. 실온에서 오스테나이트 구조를 유지하도록 충분히 크롬과 니켈을 갖는 석출 경화 스테인리스 강은 시효처리에 의해 마르텐사이트로 변환될 수 있다. 시효중에 "오스테나이트를 만드는" 요소의 농도를 감소시키는 석출이 형성된다.
5. (비록 니켈이 망간보다 더 값비쌀지라도) 고망간 강과 유사한 성질을 갖는 철, 니켈, 탄소 합금.
이 방법에 의해 칼라가 없는 토오크 센서의 제조를 설명하기 위해, 시험축들이 1/4"(6.35mm)외경을 갖는 스테인리스 강 시임리스 튜브(AISI-304는 대량 18%크롬과 8%니켈을 가짐)로 제조됐다. 어닐링되어 수용된 상태에서, 이들 축들은 근본적으로 비강자성체(겨우 1.1의 투과율)였다. 각각의 축을 회전시키는 동안 각각의 축은 측정 시간 기간동안 공지된 로울 분리를 갖는 2개의 경화 강 로울러 사이에 강제로 눌려 있었다. 이 처리는 표면 재료가 내력강도 이상의 주기적인 역전 굽힘 응력을 받게 하였다. 그와 같은 소성 변형은 오스테나이트를 강자성체 마르텐사이트(10-100범위의 투자율)로 변화되게 하였다. 이는 변환기의 능동 구역을 형성한다. 로울러 쌍에 대한 축의 축방향 이동에 의해 로울러들의 정면 폭(face width)보다 더 큰 축방향 범위를 갖는 능동 구역이 생성될 수 있다. 이후 축들은 2중 구역 변환기를 생성하도록 한 쌍의 반대로 성극된 자석에 인접한 회전에 의해 각각 원주상으로 자화됐다. 변환기는 토오크가 축에 작용됐을 때 냉간 가공 구역에서나오는 방사상 자계를 측정하여 시험됐다. 시험 결과들은 감도가 감소되는 로울분리(로울 분리가 작으면 작을수록 냉간 가공량이 더 커짐)(도9참조)에 따라, 그리고 증가된 롤링기간(롤링 시간이 크면 클수록 냉간 가공량이 더 커짐)(도10참조)에 따라 증가됨을 나타낸다. 이들 결과들은 더 많은 냉간 가공이 더 많은 마르텐사이트를 형성하므로 놀라운 일이 아니다.
토오크 변환기용의 모든 통상의 적용이외에, 칼라가 없는 설계는 단일 부품 구조와 관련된 유연성 및 경제성 및/또는 축의 능동 부분과 비능동 부분의 공통 화학적 성질이 바람직하거나 필요한 다수의 적용 구역들 및 특정 응용품들에 특히 적합하다. 이들 중 몇 가지가 이하 기술된다.
1. 부식환경에 노출된 축
18%Ni 마레이징강과 같은 고강도 강들은 인장 응력을 받을 때 그리고 염수, 특히 뜨거운, 산성화된 염수에 노출될 때 응력 부식 균열을 받는다. 종래의 "축상의 링"변환기에서, 설치된 링은 억지끼워맞춤에 의해 축에 부착된 결과 중요한 인장 후프 응력을 종종 받는다. 칼라가 없는 설계들이 링을 갖고 있지 않으므로 의도적으로 인장 응력 받는 축의 부분들이 존재하지 않는다. 실제로, 피로 강도를 증가시키기 위해 잔류 압축 응력을 주입시키도록 고부하 축의 표면을 쇼트피닝, 압연 또는 기타 처리를 하는 것은 흔한 일이다. 능동 및 비능동 구역의 한가지 화학적성질은 전기 접촉이 비슷하지 않은 금속들이 전해질에 노출될 때 존재하는 갈바니 전기의 부식 기회를 또한 방지한다.
2. 극도의 토오크를 지지하는 축
축상의 링 구조의 한계 토오크는 종종 링과 밑의 축 사이의 계면 미끄럼개시(onset of interfacial slip)에 의해 결정된다. 단일 부품의 고강도 강축의 사용으로 인해 그와 같은 미끄러짐 가능성이 있다.
3. 고온 또는 저온, 또는 극단적인 온도변화에서 작동되는 축
단일 축의 사용은 링과 밑의 축 사이의 열팽창(수축)차 때문에 초저온에서 접촉 압력(및 관련 후프 응력)의 완화문제가 방지된다. 마찬가지로, 단일 축은 크리프 때문에 초고온에서의 접촉압력(축과 링의 내력강도 감소와 관련된 비탄성 변형 및 이들의 열팽창 차로 인한 간섭 증가)완화문제가 방지된다.
4. 정기적인 제거 또는 교체를 필요로 하는 축(폐기가능한 축).
비틀림은 드릴, 탭, 리머, 엔드밀, 보링바 등과 같은 절삭 공구에 종종 작용하는 주요 부하모드이다. 이와같은 종류의 공구들은 회전하는 공구 또는 회전하는 공작물의 2가지 모드중 어느 하나로 이용된다. 어느 경우에서나, 그와같은 공구를 통하는 토오크 전달은 공작물과 작동상태(경도, 냉각재의 존재 및 효율, 윤활유의 존재 및 효율, 홈에 끼인 칩의 존재, 등)의 상대적인 특성 뿐만 아니라 그들의 상태(날카로움, 흠 없음 등)의 표시를 제공한다. 많은 절삭 공구들은 칼라가 없는 토오크 변환기 축으로 대단히 만족스러운 재질인 고속도 공구강으로 제조된다. 능동 구역이 몇가지 이용가능한 (노출된) (척 또는 기타 구동 또는 유지수단과 절삭 구역 사이의) 섕크부분(shank portion)에 형성되고 적당한 자계 감지 수단이 적절히 장착되는 것만이 필요하다. 시스템은 개개의 공구가 기계에 설치되기 전에 몇가지 임시 고정구에서 성극되게 계획될 수도 있다. 성극은 이와같은 설치 바로 직전에, 또는 이의 제조, 날카롭게 하거나 다시 날카롭게 하는 동안의 기타 편리한 시간에 발생될 수도 있다. 공구가 회전되는 적용품에서 공구는 또한 자계감지 조립체내에 성극 자석들을 포함하는 것이 가능하며, 이에 의해 미리 자계 조절을 하지 않는 공구들의 사용을 가능하게 한다. 이들 공구의 사용중에 칩들이 발생되므로 이들 칩이 감지조립체 속으로 침입하는 것을 방지하도록 몇가지 장치가 제조되어야 한다. 축상의 링 구조들은 기계 공구의 스핀들(또는 기타 부분)에 설치된 변환기에 더욱 적당한 대부분의 이와같은 유형의 적용품들과 거의 호환되지 않는다. 절삭공구에 직접 토오크 변환기 기능을 갖는 장점은 기계에서 사용될 수도 있는 최대 공구에 대해 크기가 만들어지는 것보다 오히려 실제 공구에 사용되는 토오크 범위에 대해 자동으로 크기가 만들어지는 것이다.
5. 토오크가 축방향 위치에 따라 가변되는 "라인(line)" 축 한 축의 여러 부분을 따라 전달되는 토오크를 측정할 수 있는 것이 때때로 바람직하다. 이와같은 적용품들은 하나의 축이 다중 부하를 구동시키도록 사용되는 경우, 또는 비틀림 부하가 축길이를 따라서 계속 분배되는 경우에 존재한다. 전자의 예들은 한 위치에서 축에 적용된 구동 토오크가 다수의 공간적으로 이격된 위치에 있는 다수의 기어, 풀리, 스프로켓등을 구동시키는 포장 및 섬유기계에서 발견된다. 웨브와 시트를 생산 및 제어하는 기계들은 토오크 적용을 연속 분배(로울러(축)의 길이를 따라서)하는 로울러(즉, 축) 들을 이용한다. 단일 축 상의 많은 상이한 구역에 능동 구역들이 용이하게 주입가능하게 함으로써, 칼라가 없는 설계는 토오크의 분배를그와같은 축을 따라서 모니터하고, 균등하게 하거나 이와달리 제어하는 준비된 수단을 제공한다. 단일 축상에 다수의 링을 설치하는 것은 특히 링이 모두 동일 크기이어야 하는 경우, 적어도 곤란한 일이다.
6. 초소형 또는 초대형 축. 대단부(large end)가 있는 축. 장비가 개량된 기계. 초소형 축(예컨대, 1mm 직경)에 사용되는 초소형 링들은 압입끼워 맞춤을 이용하여 설치하고 제어하기가 어렵다. 최고속도에서 작은 축들의 작동은 또한 정확한 균형을 필요로 한다. 초대형 축(직경이나 길이에서)은 링이 축 단부에서 축방향으로 멀리 설치되는 경우 대형(그리고 값비싼) 공구들의 가능한 사용 및 제어를 위해 대형 기계가 필요하다. 소정 변환기 위치와 축 단부를 사이에 존재할 수도 있는 플랜지, 베어링 저널 또는 기타 대형 부분품들은 축상의 링 구조물을 이용하는 것을 어렵게 하거나 불가능하게 한다. 링의 설치(및 아미도 상자성 슬리이브를 또한 절연 하는 것)가 너무 힘들고, 값비싸고 그리고/또는 일하는 시간이 많이 걸리는 적소의 기계는 적절한 위치에 자계 센서들을 단순히 설치하고 축이 수직 형태로 회전될때 필요한 위치에 일시적으로 또는 영구적으로 유지된 자석으로 소정 구역을 성극시킴으로써 토오크를 변환하는 기능을 갖춘 장비로 개량될 수도 있다. 선박 프로펠러 축, 압연 공장 축, 대형 자동차 대형 발전기, 대형 펌프 및 대형 기어박스상의 축들이 표본이다.

Claims (30)

  1. 부재의 축방향으로 연장되는 축 둘레로 부재에 작용된 토오크를 나타내는 출력신호를 제공하기 위한 자기탄성 토오크 센서에 있어서,
    상기 부재에 있는 제 1의 자기탄성 능동구역이 단일 원주상 방향으로 자기적으로 성극되고, 상기 부재에 토오크를 작용시킨 후, 작용된 토오크가 0으로 감소될 때 상기 단일 원주상 방향으로 상기 능동구역에 자화를 복귀시키도록 충분한 자기 이방성을 가지며, 그에 의해 상기 자기 탄성 능동구역이 상기 토오크에 따라 변화되는 자계를 발생하며 ;
    자계 센서 수단이 상기 자기 탄성 능동구역에 인접 설치되고 능동구역에 대해 배향되어서 상기 자계 센서 수단에서 자계의 크기를 감지하고 이에 응답하여 상기 출력신호를 제공하며 ;
    상기 부재의 적어도 상기 자기 탄성 능동 구역이 국부적인 자화 분배의 적어도 50%가 상기 단일 원형 방향 둘레에 대칭으로 배치된 90도의 사분원내에 존재하는 폴리 결정 재료로 형성되고, 상기 자기 탄성 능동 구역에서 발생한 자계가 상기 자기 탄성 능동 구역에 인접하는 상기 부재의 구역들을 자화함으로서 상기 자계 센서수단에 의해 검출되는 순수 자계의 토크검출로서의 유용성을 잃을 정도의 강한 와류자계를 발생시키지 않을 만큼의 충분히 높은 보자력을 갖는 자기탄성토크센서.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 제 1구역과 자기적으로 접촉하는 적어도 하나의 추가적인 축방향으로 별개인, 원주상 자기 탄성 능동 구역을 포함하고, 각각의 추가 구역은 자기적으로 접촉하는 자기 탄성 능동구역의 성극 방향에 반대인 원주상 방향으로 성극되는 자기탄성 토오크 센서.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 부재는 입방체 대칭을 갖는 폴리결정 재료로 형성되는 자기탄성 토오크 센서.
  4. 재 3항에 있어서, 상기 부재는 마르텐사이트 스테인리스 강, 크롬과 니켈을 함유하는 석출 경화 스테인리스 강, 담금질되고 템퍼링된 합금강, 공구강, 고니켈 함유 마레이징 강, 연신 영구자석 재료, 자석강, Permendur, Alfer, Kovar, 경질 인발 니켈 및 경질 인발 퍼멀로이로 구성되는 그룹에서 선택된 재료로 이루어진 자기탄성 토오크 센서.
  5. 제 1항에 있어서, 상기 부재는 상기 폴리결정 재료로 형성되고, 토오크를 감지할 목적으로 상기 자계 센서 수단에 의해 보인 순수자계의 유용성을 파괴하기에 충분한 와류 자계를 일으키도록 상기 자기 탄성 능동구역에 인접한 상기 부재의 구역들을 상기 자기탄성 능동구역에서 생긴 자계가 자화시키지 않도록 충분히 큰 보자력을 갖는 자기탄성 토오크 센서.
  6. 제 1항에 있어서, 상기 부재는 중실의 연장된 축인 자기탄성 토오크 센서.
  7. 제 1항에 있어서, 상기 부재는 중공의 연장된 축인 자기탄성 토오크 센서.
  8. 제 1항에 있어서, 상기 부재는 그의 단부들에 인접한 축방향으로 연장되는 확대된 직경부분을 갖는 연장된 축이고, 상기 자기탄성 능동 구역은 상기 확대된 직경 부분상에 형성되는 자기탄성 토오크 센서.
  9. 제 1항에 있어서, 상기 부재는 그의 단부 부분들에 인접한 축방향으로 연장되는 감소된 직경부분분을 갖는 연장된 축이고, 상기 자기탄성 능동구역은 상기 감소된 직경부분상에 형성되는 자기탄성 토오크 센서.
  10. 제 9항에 있어서, 상기 감소된 직경 부분은 더 큰 직경의 단부 부분들에 견고하게 부착되는 별개의 축인 자기탄성 토오크 센서.
  11. 제 1항에 있어서, 상기 부재의 보자력은 15 Oe 이상인 자기탄성 토오크 센서.
  12. 제 1항에 있어서, 상기 부재의 보자력은 20 Oe 이상인 자기탄성 토오크 센서.
  13. 제 1항에 있어서, 상기 부재의 보자력은 35 Oe 이상인 자기탄성 토오크 센서.
  14. 제 1항에 있어서, 상기 자계 센서 수단은 고체 상태 센서를 포함하는 자기탄성 토오크 센서.
  15. 제 14항에 있어서, 상기 자계 센서 수단은 홀-효과 센서를 포함하는 자기탄성 토오크 센서.
  16. 제 1항에 있어서, 상기 자계 센서 수단은 플럭스 게이트 자기계를 포함하는 자기탄성 토오크 센서.
  17. 제 1항에 있어서, 상기 자계 센서 수단은 상기 자계의 극성을 감지하도록 상기 자기 탄성 능동 구역에 관하여 설치되고 배향되는 자기탄성 토오크 센서.
  18. 제 17항에 있어서, 상기 자계 센서 수단은 상기 자기탄성 능동구역에 인접한고정 위치에 설치되는 자기탄성 토오크 센서.
  19. 제 17항에 있어서, 상기 자계 센서 수단은 상기 구역의 단부에 인접 위치되는 자기탄성 토오크 센서.
  20. 제 17항에 있어서, 상기 자계 센서 수단은 적어도 2개의 센서를 포함하고, 적어도 하나의 센서는 상기 구역의 각 단부에 인접 위치되는 자기탄성 토오크 센서.
  21. 제 1항에 있어서, 상기 자기 탄성 능동 구역은 상기 부재에 작용된 토오크가 없을 때, 축방향으로 순수 자화 성분이 없는 원주상 자기 배향을 갖는 자기탄성 토오크 센서.
  22. 제 21항에 있어서, 상기 자기 탄성 능동 구역은 토오크가 상기 부재에 작용될 때, 원주상 및 축방향 성분을 갖는 나선 자기 배향을 갖고, 상기 자계 센서 수단은 상기 자화의 축방향 성분에서 발생되는 자계를 감지하기 위해 위치되고 배향되는 자기탄성 토오크 센서.
  23. 축방향으로 연장되는 토오크 부재에 작용된 토오크를 감지하는 방법에 있어서,
    (a) 상기 부재에 제 1의 자기탄성 능동 구역을 제공하고, 상기 능동구역이 단일 원주상 방향으로 자기적으로 성극되며, 상기 부재에 토오크가 작용된 후 작용된 토오크가 0으로 감소될 때 상기 단일 원주상 방향으로 상기 능동구역에 자화를 복귀시키도록 충분한 자기 이방성을 갖고, 상기 부재의 적어도 상기 자기 탄성 능동 구역이 국부적인 자화 분배의 적어도 50%가 상기 단일 원형 방향 둘레에 대칭으로 배치된 90도의 사분원내에 존재하는 폴리 결정 재료로 형성되고, 상기 자기 탄성 능동 구역에서 발생한 자계가 상기 자기 탄성 능동 구역에 인접하는 상기 부재의 구역들을 자화함으로서 상기 자계 센서수단에 의해 검출되는 순수 자계의 토크검출로서의 유용성을 잃을 정도의 강한 와류자계를 발생시키지 않을 만큼의 충분히 높은 보자력을 갖는 단계 ;
    (b) 상기 부재에 작용된 토오크 결과로서 자계를 발생하는 단계 ; 및
    (c) 상기 부재에 작용된 토오크의 크기 표시로서 상기 자기 탄성 능동 구역에 인접한 위치에서 자계의 크기를 감지하는 단계를 포함하는 토오크 부재에 작용된 토오크 감지 방법.
  24. 제 23항에 있어서, 상기 부재에 작용된 토오크는 상기 자기 탄성 능동 구역이 원주상 및 축방향 자화성분을 갖는 나선 자기 방향을 갖게 하고, 상기 감지 단계는 상기 자화의 상기 축방향 성분에서 생기는 자계를 감지하는 것을 포함하는 토오크 부재에 작용된 토오크 감지 방법.
  25. 제 23항에 있어서, 상기 제 1구역과 자기적으로 접촉하는 적어도 하나의 추가적인, 축방향으로 별개의, 원주상 자기 탄성 능동구역을 제공하는 단계를 포함하고, 각각의 추가 구역은 자기적으로 접촉하는 자기 탄성 능동 구역들의 성극 방향 반대인 원주상 방향으로 성극되는 토오크 부재에 작용된 토오크 감지 방법.
  26. 제 23항에 있어서, 상기 부재는 입방체 대칭을 갖는 폴리 결정 재료로 형성되는 토오크 부재에 작용된 토오크 감지 방법.
  27. 제 23항에 있어서, 상기 자기 탄성 능동 구역의 보자력은 15이상인 토오크 부재에 작용된 토오크 감지 방법.
  28. 제 23항에 있어서, 감지단계는 상기 자기탄성 능동 구역에 인접하고 이로부터 이격되게 자계 감지 장치를 위치시킴으로써 적어도 일부가 달성되는 토오크 부재에 작용된 토오크 감지 방법.
  29. 축 방향 토오크에 따라 변화되는 자계를 발생하기 위해 축방향 토오크가 작용되는 부재로부터 자기탄성 토오크 변환기를 생성하고, 상기 자계의 크기가 작용된 토오크를 표시하는 출력신호를 제공하기 위해 자계 센서들로 감지되는 자기 탄성 토오크 변환기 생성방법에 있어서,
    (a) 상기 부재에 제 1의 자기 탄성 능동 구역을 갖는 강자성체, 자기 변형 부재를 제공하는 단계 ; 및
    (b) 자화계의 상기 구역의 유한 축방향 범위를 단일 원주상 방향으로 성극시키고, 상기 구역은 상기 부재에 토오크가 작용된 다음 작용된 토오크가 0으로 감소될 때, 상기 원주상 방향으로 상기 구역의 자화를 복귀시키도록 충분한 자기 이방성을 가지는 단계 ;
    (c) 상기 부재가 국부적인 자화 분배의 적어도 50%가 상기 단일 원형 방향 둘레에 대칭으로 배치된 90도의 사분원내에 존재하는 폴리 결정 재료로 형성되고, 상기 자기 탄성 능동 구역에서 발생한 자계가 상기 자기 탄성 능동 구역에 인접하는 상기 부재의 구역들을 자화함으로서 상기 자계 센서수단에 의해 검출되는 순수 자계의 토크검출로서의 유용성을 잃을 정도의 강한 와류자계를 발생시키지 않을 만큼의 충분히 높은 보자력을 갖는 단계
    를 포함하는 자기 탄성 토오크 변환기 생성방법.
  30. 제 29항에 있어서, 상기 부재는 종축을 갖고 상기 자계 성극은 2개의 반대 자극 근처의 자화계에 영향을 받는 동안 그들 주위로 상기 변환기를 회전시킴으로써 달성되는 포함하는 자기 탄성 토오크 변환기 생성방법.
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