KR101342623B1 - 자기변형 토크 감지기 제조 - Google Patents

Abstract

자기탄성 토크 감지기를 제조하는 방법은 자기적 비활성 기판에 자기탄성 재료를 도금하는 단계, 및 트랜스듀서 엘리먼트내에 비등방성 스트레스를 생성하여 단축 자기 비등방성을 부가하는 단계를 포함한다. 자기 불활성 기판에 대한 자기변형 재료의 도금은 목표된 레벨의 정확성 및 신뢰성을 나타내는 덜 비싼 토크 엘리먼트를 제공한다.

Description

자기변형 토크 감지기 제조{FABRICATION OF A MAGNETOELASTIC TORQUE SENSOR}

도 1은 본 발명에 따른 예시적인 토크 엘리먼트의 투시도이다.

도 2는 본 발명에 따른 예시적인 토크 엘리먼트 도금 단계의 개략도이다.

도 3은 본 발명에 따른 예시적인 토크 엘리먼트에 대한 제조 단계의 개략도이다.

도 4는 본 발명에 따른 다른 제조 단계의 개략도이다.

도 5는 본 발명에 따른 토크 엘리먼트를 제조하는 다른 예시적인 방법의 개략도이다.

도 6은 본 발명에 따른 토크 엘리먼트를 제조하는 다른 예시적인 방법의 개략도이다.

도 7은 본 발명에 따른 예시적인 토크 감지기의 개략도이다.

*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*

10 : 토크 엘리먼트 12 : 샤프트

14 : 자기탄성 니켈 링 20 : 길이

28 : 자기 축

본 발명은 자기탄성 토크 감지기를 제조하는 방법에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 도금 처리로 기판에 부착되는 트랜스듀서 링을 가진 자기탄성 토크 센서의 제조에 관한 것이다.

종래 비접촉 토크 감지기들은 샤프트상에 지지되는 자기탄성 링을 포함한다. 단축, 원주 비등방성 스트레스는 원주형 자기 비등방성이 발생하도록 자기탄성 링에 생성되어, 트랜스듀서 엘리먼트의 성질을 자기탄성 링내에서 원주 자기장쪽으로 생성한다. 원주 자기장은 샤프트에 인가된 토크로부터 발생하는 표면 전단 스트레스에 응답하여 왜곡된다. 자기장 왜곡의 양 및 방향은 측정되고 목표된 토크 측정치들을 제공하기 위하여 사용되는 값을 제공한다.

토크 감지기를 제조하는 종래 방법들은 자기적으로 불활성 샤프트상에 포지티브 자기변형 재료의 링을 압축하는 단계를 포함한다. 샤프트는 샤프트상 링의 압축 접합부가 목표된 원주 스트레스 또는 "후프(hoop) 스트레스"를 생성하도록 테이퍼(taper)를 포함한다. 원주 스트레스는 자기적으로 완만한 축을 생성하여 원주 자기장의 안정성을 조장한다. 링과 샤프트 사이의 압축 접합부는 상기 토크 센서들의 능력 및 정확성을 제한하는 요소이다. 샤프트와 링 사이의 임의의 미끄러짐 또는 상대적 움직임은 토크의 진정한 판독을 왜곡하고 임의의 토크 측정치의 제로 포인트 이동을 유발한다.

샤프트상에 링크의 압축 접합에 비해 개선된 공지된 것은 자기탄성 재료, 특 히 니켈을 비강자성 스테인레스 스틸 기판에 제공하기 위한 열적 스프레이 또는 동역학적 금속화 같은 기술들을 포함한다. 자기탄성 재료에 대한 목표된 비등방성 스트레스는 자기탄성 재료의 제공 동안 축 로드 및 열을 기판에 인가함으로써 제공된다. 일단 제공되면, 기판은 냉각되고 축 로드는 해제된다. 이것은 자기탄성 재료들상에 축 인장 스트레스 및 압축 원주 후프 스트레스를 발생시켜, 목표된 자기장을 형성한다.

그러나, 상기 제조 방법은 제어하기 어렵고, 기판을 위해 값비싼 등급의 스테인레스 스틸의 사용을 요구하고, 열적 스프레이 처리 동안 많은 자기탄성 재료의 낭비를 초래한다.

따라서, 본 발명의 목적은 보다 신뢰적인 방식으로 덜 비싼 재료들을 사용하여 자기탄성 토크 엘리먼트를 제조하는 방법을 개발하는 것이다.

본 발명에 따라 제조된 예시적인 자기탄성 토크 감지기는 비강자성 베이스 샤프트에 도금되는 자기탄성 재료의 링을 포함한다. 스테인레스 스틸, 황동, 또는 티타늄 같은 비자기 재료들로 제조되는 샤프트는 자기 트랜스듀서 재료에 대해 자기적으로 불활성인 기판을 제공한다. 기판 샤프트는 샤프트의 도금 동안 비 스트레스 조건에 놓여진다. 도금 처리는 매우 높은 세기의 샤프트 부착 링을 형성한다. 높은 링 샤프트 부착 세기는 토크 센서의 동작을 개선하고 센서 결함 및 품질 저하의 일반적인 원인들인 히스테리시스 및 다른 발생들을 감소시킨다.

만약 트랜스듀서를 위하여 선택된 자기탄성 재료가 최대 스틸 합금들 같은 포지티브 자기변형 재료이면, 목표된 비등방성 스트레스는 트랜스듀서 재료가 축 압축 스트레스, 및 원주 인장 스트레스를 가진다. 반대로, 니켈 또는 코발트 및 그 합금 같은 네가티브 자기변형 재료는 축 인장 스트레스 및 원주 압축 스트레스를 요구한다. 도금 처리의 완료후, 기판 샤프트는 샤프트의 축 크기의 영구적 변화를 유발하는 항복점까지 적당한 방향의 축 방향으로 스트레스를 받는다. 영구적 축 변형은 또한 샤프트 직경의 변화를 유발하고, 차례로 재료내에 필수적인 비등방성 스트레스를 형성하는 도금된 트랜스듀서 링상 원주 스트레스를 유발한다.

열적 애플리케이션 처리의 사용과 달리, 전기 도금 처리는 높은 균일도, 낮은 다공성, 및 높은 세기를 가진 표면을 형성하는 화학 도금 처리이다. 도금 처리는 실제로 링 재료를 낭비시키지 않는다. 게다가, 링 대 샤프트 부착 세기는 임의의 다른 공지된 토크 제조 기술에서 보다 크다.

따라서, 본 발명에 따른 방법은 저비용 및 보다 큰 내구성으로 기판 및 자기탄성 재료 링 사이의 개선된 부착을 가진 토크 감지기에 대한 자기탄성 엘리먼트를 형성한다.

본 발명의 이들 및 다른 특징들은 다음 상세한 설명 및 도면들, 그 다음 요약서로부터 가장 잘 이해될 수 있다.

도 1을 참조하여, 토크 엘리먼트(10)는 샤프트(12) 및 자기탄성 니켈 링(14)을 포함한다. 자기탄성 링(14)은 샤프트(12)에 가해진 토크가 자기탄성 링(14)에 비틀림 스트레스들을 유발하도록 샤프트(12)에 도금된다. 자기탄성 링(14)은 인장 스트레스가 축 방향으로 존재하고, 압축 스트레스가 샤프트(12)를 중심으로 원주에 배치되도록 비등방성 스트레스를 포함한다.

원주 스트레스 또는 후프 스트레스는 자속의 원주 라인들을 가진 자기장의 형성을 조장한다. 인식된 바와같이, 자속의 원주 라인들은 샤프트(12)에 인가된 토크에 응답하여 왜곡된다. 이 왜곡은 토크를 결정하기 위하여 측정된다. 자기탄성 링(14)은 샤프트(12)상에 도금된 니켈 재료를 포함한다. 샤프트(12)는 비자기 등급 스테인레스 스틸로 제조된다.

도 2 및 3을 참조하여, 본 발명의 방법은 샤프트(12)상에 자기탄성 링(14)을 도금하는 단계를 포함한다. 도금 단계 동안, 로드는 샤프트(12)에 놓여지지 않고 그러므로 자기탄성 링(14)내의 스트레스는 등방성이고 목표된 원주 방향으로 배치되지 않는다. 목표된 바와같이 동작시키기 위하여, 자기탄성 링(14)은 아래 놓인 기판보다 높은 항복 세기여야 한다. 예시적인 자기탄성 링(14)은 통상적으로 60,000 내지 80,000 psi 정도의 항복 세기를 포함하는 니켈 도금 재료를 포함한다. 도금 재료의 항복 세기 및 샤프트 재료의 항복 세기 사이의 관계는 샤프트 재료의 선택을 결정한다. 따라서, 니켈 도금 재료를 사용하는 것은 보다 낮은 항복 세기를 가진 샤프트(12)를 제공하고, 차례로 스테인레스 스틸 합금의 보다 경제적인 등급의 사용을 제공한다. 예시적인 샤프트는 어닐링된 조건에서 대략 35,000 psi의 항복 세기를 포함하는 316-등급 스테인레스 스틸 합금으로 제조된다. 이해될 바와같이, 다른 등급들 및 목표하는 특성들을 가진 재료들의 조합들은 사용될 수 있다.

이해된 바와같이, 자기탄성 링(14)내의 원주 스트레스는 링(14)내에 비등방 성 자기 특성들을 제공한다. 후프 스트레스에 의해 생성된 자기 특성들은 자기장에 대해 보다 작은 저항이 원주 방향으로 제공될 수 있도록 한다. 도금된 니켈 재료는 균일한 두께 및 다공성을 가지며 목표된 원주 스트레스를 포함하지 않는다. 원주 스트레스는 비등방성 스트레스를 포함하도록 링(14)에 유도되어야 한다.

일단 도금되면, 32로 표시된 축 인장 로드는 소성 변형이 발생할 때까지 샤프트(12)상에 가해진다. 도금후 샤프트(12)는 길이(20)이고, 길이(22)로 소성 변형된다. 연장된 길이(22)는 본래 직경(24)에서 감소된 직경(26)으로 직경의 감소에 의해 달성된다. 샤프트(12)의 직경(26) 감소는 축(12)을 중심으로 원주상에 목표된 자기 비등방성을 형성하는 자기탄성 링(14)상에 30으로 표시된 압축 스트레스를 유도한다.

샤프트(12)를 중심으로 링(14)내에서 원주상에 놓여지는 목표된 비등방성은 원주 방향으로 목표된 완만한 자기 축(28)을 형성하여, 원주 자화를 촉진한다. 샤프트(12)에 토크의 인가는 원주 방향으로부터 보다 축 방향쪽으로 나선형 방향으로 자기장(28)을 왜곡시킨다. 자기장속에서 이 샤프트의 측정은 샤프트(12)에 가해진 토크의 정확한 결정을 제공한다. 인식된 바와같이, 축 방향의 소성 변형은 직경(26)의 변형 및 감소에 의해 달성된다. 직경의 이런 감소는 도금된 니켈 재료상 목표된 압축 스트레스를 형성한다.

도 4를 참조하여, 본 발명에 따른 다른 방법은 샤프트(42)에 대한 초기 단계의 도금 자기 재료(44)를 포함한다. 샤프트(42)는 링(44)을 형성하는 자기탄성 재료에 대한 기판으로서 사용된다. 이런 예시적인 방법에서, 링(44)은 샤프트(42)의 스텝 또는 감소된 직경 영역(45) 내에 도금된 것으로 도시된다. 비록, 몇몇 실시예들에서, 감소된 단면을 제공하는 감소된 직경 영역(45)이 바람직할 수 있지만, 이것은 요구되지 않고, 링(44)은 샤프트(42)의 가장 큰 직경상에 도금될 수 있다. 샤프트(42)는 하나의 공통적인 연속 균일 직경을 가지며 링(44)은 목표된 위치의 직경상에 도금될 수 있다.

게다가, 링(44)은 애플리케이션 특정 요구를 위하여 요구된 임의의 축 폭을 가질 수 있다. 통상적으로, 링(44)의 폭은 링(44)의 자기탄성 재료내 자기장의 변화들을 감지하기 위하여 사용되는 픽업 장치에 대응할 것이다.

기판에 대한 도금 재료의 전기분해 처리로 인해 도금된 재료가 그 자체적으로 상당한 스트레스를 형성하는 자연적인 상태가 발생한다는 것은 전기도금 분야에서 이해된다. 이런 상당한 스트레스는 많은 경우들에서 이 유도된 스트레스를 감소시키기 위하여 맞추어지는 특정 애플리케이션 및 처리 파라미터들에 의해 극복된다. 그러나, 상기 인장 스트레스 같은 자기탄성 토크 엘리먼트에 대한 도금의 예시적인 방법 및 애플리케이션은 목표된 비등방성 스트레스 성분으로서 바람직하다. 따라서, 도금 처리들을 통하여 간단히 링 재료(44)에 요구된 인장 후프 스트레스들을 제공하기 위하여 기판 및 자기탄성 재료의 적당한 선택이 가능하다.

바람직하게, 도 4에 도시된 처리들에서 아래 놓인 샤프트(42)는 스테인레스 시틸 합금(316) 같은 자기적으로 불활성 스틸 재료이다. 이 재료상에 도금되는 자기탄성 재료는 도금 처리의 제어 조건들에 의해 목표된 인장 스트레스들을 제공하는 니켈 철 합금이다. 몇몇 예들에서, 감소된 인장 스트레스는 100,000psi 정도일 수 있다.

따라서, 도 4에 도시된 처리는 링 도금 재료와 호환할 수 있는 기판 재료를 선택하는 단계를 포함한다. 링 도금 재료는 니켈 철 혼합물을 포함한다. 니켈 철 혼합물은 도금 처리 자체가 링(44)에 목표된 레벨의 인장 스트레스를 형성할 조합으로 공식화된다. 일단 도금이 링(44)을 형성하기 위하여 완료되면, 링(44)에 요구된 인장 스트레스들은 샤프트(42) 주변 링(44)내에 원주형으로 목표된 자기장 방향을 형성한다. 상기 처리는 일단 링 재료(44)가 샤프트(42)에 도금되고, 재료 선택들이 부가적인 처리를 요구하지 않는 애플리케이션 특정 파라미터들 내에서 이루어 진다면 바람직하다.

도 5를 참조하여, 본 발명에 따른 다른 예시적인 방법은 도시되고 샤프트(62)상에 초기 단계의 도금 링 재료(64)를 포함한다. 링 재료(64)는 샤프트(62)상에 66으로 표시된 니켈 철 또는 니켈 재료를 제공하여 도금된다. 도금 처리 동안, 샤프트(62)는 화살표(68)로 표시된 축 로드하에 놓여진다. 축 로드(68)는 소성 변형을 생성하지 않는 인장 스트레스를 샤프트(62)상에 제공한다.

일단 도금 처리가 완료되면, 축 로드(68)는 해제되고 샤프트(62)는 실질적으로 본래 길이 및 폭을 회복할 것이다. 늘려진 길이(74)는 실질적으로 자연적인 길이(75)로 감소될 것이다. 인식된 바와같이, 축 인장 로드가 샤프트(62)에 놓여질 때, 직경(76)은 스트레스 받지 않은 직경(77)에 비해 감소된다. 축 로드(68)의 해제는 직경이 늘려진 상태(76)에서 늘려짐이 해제된 상태(77)로 이동되게 한다. 해제 상태(77)는 인장 스트레스들(72)이 목표된 방식으로 링(64)에 놓여지도록 늘려 진 상태보다 크다. 이들 인장 스트레스들은 니켈 철 링에 생성된 자기장의 목표된 방향을 제공하기 위하여 요구된 목표된 완만한 원주 자기 액세스를 생성한다.

도 6을 참조하여, 토크 센서에 대한 자기탄성 엘리먼트를 제조하는 다른 예시적인 방법은 도시되고 링(84)을 형성하기 위하여 샤프트(82)상에 니켈 철 재료(86)를 도금하는 초기 단계를 포함한다. 이런 예시적인 방법에서 샤프트(82)는 니켈 철 도금 처리 동안 임의의 로드하에 놓여지지 않는다. 니켈 철 도금 처리는 목표된 방향의 자기장에 도움이 되는 링(84)의 목표된 방향의 비등방성을 제공하지 못할 수 있는 어느 정도의 스트레스들을 링(84) 및 샤프트(82)내에 유도한다.

따라서, 아래 놓인 샤프트(82)의 변형은 도금된 링(84)상에 스트레스를 유도하기 위하여 사용되고 목표된 원주 자기장 방향을 형성한다. 이런 처리에서, 축 방향 로드(96)는 샤프트(82)에 놓여진다. 축 방향 로드는 길이(88)에서 길이(90)로 감소된 형태 및 직경(92)에서 직경(94)의 증가 형태를 발생시키는 압축 로드이다. 압축 스트레스들은 로드(96)가 제거된 후 링 재료(84)상 목표된 스트레스들이 남아있도록 소성 변형이 발생할 때까지 인가된다.

토크 엘리먼트에 의해 생성된 자기장은 링 재료의 자기변형 특성들에 비례한다. 부가적으로, 자기결정 특성들은 토크하에서 감지기내에서 관측될 히스테리시스 양에 영향을 준다. 니켈 철 재료를 도금하는 것은 필수적으로 나노결정 형태학을 가지며 따라서 극히 작은 자기변형 비등방성을 가진다. 재료의 자기변형은 링의 합금 퍼센트들에 의해 결정된다. 자기탄성 재료의 바람직한 재료 구조는 45-55% 니켈을 포함한다. 장점들은 본 발명의 방법에 의해 사용된 도금 처리에 의해 제공되고 바람직하게 신뢰적이고 정확한 토크 감지기의 제조를 제공한다.

도 7을 참조하여, 본 방법에 따라 제조된 토크 감지기(100)는 링 재료(108)로 도금된 자기탄성 토크 엘리먼트(102)를 포함한다. 링 재료(108)는 자기장(110)이 링(108)내의 샤프트(102)를 중심으로 원주에 배치되도록 완만한 원주 자기 액세스를 제공한다. 자기측정기(104)는 샤프트(102) 주변에 배치되고 특히 링(108)을 중심으로 배치된다. 샤프트(102)에 인가된 토크(112)는 자기장(110)을 왜곡하여 차례로 자기측정기(104)에 의해 검출될 것이다. 자기장의 변화들은 제어기(106)에 의해 검출되고 샤프트(102)에 인가된 토크(112)의 측정치를 제공하기 위하여 공지된 방식으로 전환되는 자기측정기(104)에 의해 생성된 전압 변화를 생성한다.

여기에 개시된 예시적인 방법들은 링 재료의 제공 비용에서 큰 감소를 제공하고 토크 감지기 자체의 성능을 증가를 제공하여 종래 기술 애플리케이션에 공지된 장점들을 제공한다. 샤프트에 대한 트랜스듀서 재료의 도금은 샤프트에 대한 도금 부착이 종래 기술 방법들에 사용된 다른 방법들에 비해 우수하기 때문에 감지기가 이용할 수 있는 최대 토크를 증가시킨다.

비록 본 발명의 바람직한 실시예가 개시되었지만, 당업자는 특정 변형들이 본 발명의 범위내에서 이루어진다는 것을 인식한다. 이런 이유로, 다음 청구항들은 본 발명의 범위 및 내용을 결정하기 위하여 고찰되어야 한다.

본 발명은 저비용 및 보다 큰 내구성으로 기판 및 자기탄성 재료 링 사이의 개선된 부착을 가진 토크 감지기에 대한 자기탄성 엘리먼트를 형성하는 효과를 가 진다.

Claims (19)

1. 토크 감지기 어셈블리로서,

   토크 로드를 겪기 위한 기판;

   상기 기판에 직접 도금된 자기탄성 재료로 제조된 링 ― 상기 링은 상기 기판의 감소된 직경 영역 내에 도금되고 상기 자기탄성 재료는 상기 기판의 중심보다 원주 방향에서 더 낮은 자기 저항을 포함함 ―; 및

   상기 기판으로의 토크의 인가에 의해 유도된 자기장의 왜곡을 검출하기 위한 자기 감지 장치

   를 포함하는,

   토크 감지기 어셈블리.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 자기탄성 재료는 상기 기판상에 원주상으로 도금된 니켈을 포함하는,

   토크 감지기 어셈블리.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 기판은 상기 링내에 목표된 스트레스 방향을 제공하기 위하여 소성 변형되는,

   토크 감지기 어셈블리.
4. 제 3 항에 있어서,

   상기 기판은 상기 자기탄성 재료 내에 목표된 비등방성 스트레스를 제공하기 위하여 상기 링에 근접한 단면 영역을 변화시키도록 소성 변형되는,

   토크 감지기 어셈블리.
5. 제 1 항에 있어서,

   상기 링은 상기 자기탄성 재료를 상기 기판상에 직접 증착시키기 위해 전기도금 처리에 의해 형성되는,

   토크 감지기 어셈블리.
6. 제 1 항에 있어서,

   상기 기판은 노치된 부분을 포함하고 상기 링은 상기 노치된 부분 내에서 상기 기판에 직접 도금되는,

   토크 감지기 어셈블리.
7. 제 6 항에 있어서,

   상기 노치된 부분은 상기 노치된 부분을 둘러싸는 제 2 직경보다 작은 제 1 직경을 포함하는,

   토크 감지기 어셈블리.
8. 토크 감지기 어셈블리로서,

   비-자기 재료를 포함하는 기판;

   상기 기판에 직접 도금된 자기탄성 재료 ― 상기 자기탄성 재료는 상기 기판 상에 형성된 링을 형성하고 상기 링은 상기 기판의 감소된 직경 영역 내에 도금됨 ―; 및

   상기 기판으로의 토크의 인가에 의해 유도된 자기장의 방향 변화를 검출하기 위한 자기 감지 장치

   를 포함하는,

   토크 감지기 어셈블리.
9. 제 8 항에 있어서,

   상기 기판은 노치를 포함하고, 상기 노치 내에 상기 자기탄성 재료의 링이 배치되는,

   토크 감지기 어셈블리.
10. 제 9 항에 있어서,

    상기 자기탄성 재료의 링은 원주형으로 지향되는 스트레스를 포함하는,

    토크 감지기 어셈블리.
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