KR102015824B1

KR102015824B1 - 자기 토크 감지기

Info

Publication number: KR102015824B1
Application number: KR1020130013932A
Authority: KR
Inventors: 성재 이
Original assignee: 메소드 일렉트로닉스 인코포레이티드
Priority date: 2012-02-07
Filing date: 2013-02-07
Publication date: 2019-08-29
Also published as: JP6420943B2; CA2804701C; EP2626678A3; EP2626678B1; AU2013200469B2; EP2626678A2; CA2804701A1; KR20130091279A; JP2013160770A; AU2013200469A1

Abstract

자기탄성적 활성 영역을 가진 디스크형 부재를 구비한 자기 토크 감지기가 개시된다. 자기탄성적 활성 영역은 자기 활성 영역과 근접하게 설치된 자계 센서 쌍의 감지 방향에 수직인 초기 자화 방향을 가진 자기 조절 영역을 가진다. 자계 센서는 향상된 RSU 성능을 제공하고 해로운 컴퍼싱 효과를 줄임과 동시에, 토크를 정확하게 측정하기 위해 디스크형 부재에 대하여 특별하게 배치된다.

Description

자기 토크 감지기{MAGNETIC TORQUE SENSING DEVICE}

본 발명은 자동차 트랜스미션용 감지 기기 및 방법에 관한 것이고, 더욱 상세하게는 트랜스미션 컨버터 구동판 또는 유사한 디스크형 부재 내에 방사상으로 전달되는 토크의 측정을 제공하기 위한 비접촉식 자기탄성(magnetoelastic) 토크 센서에 관한 것이다.

회전하는 구동축을 가진 시스템의 제어에 있어서, 토크와 속도는 기본적인 핵심 파라미터이다. 그러므로, 정밀하고 신뢰성 있으며 저비용인 방법으로 토크를 감지하고 측정하는 것이 오랫동안 이러한 제어 시스템 설계의 주된 목적이였다.

이전에는, 축에 직접 부착된 접촉식 센서를 사용하여 토크 측정이 이루어졌다. 하나의 이러한 센서는 하나 이상의 변형(strain) 게이지가 축의 외주면에 직접 부착되어 있고, 토크 유도된 변형에 의해 초래된 저항의 변화가 브릿지 회로 또는 다른 주지된 수단에 의해 측정되는, "스트레인 게이지"형 토크 탐지 장치이다. 그러나, 접촉식 센서는 회전하는 축과 직접 접촉함으로 인해 비교적 불안정하고, 제한된 신뢰도를 가진다. 또한, 접촉식 센서는 비싸고, 그러므로 토크 센서를 필요로 하는 자동차 조향(steering) 시스템과 같은 다양한 애플리케이션에 경쟁적인 사용을 위해 상업적으로 현실적이지 못하다.

그 뒤에, 자기변형식(magnetostrictive type) 비접촉 토크 센서가 회전하는 축과 함께 사용하기 위해 개발되었다. 예컨대, 가셀리스의 미국특허번호 제4,896,544호는 적절한 강자성(ferromagnetic) 및 자기변형적 표면을 가진 토크 전달 부재, 각각 대칭적인 나선 방향의 잔여 응력 유도 자기 이방성(magnetic anisotropy)이 부여된 토크 전달 부재 내의 2개의 축방향으로 구분된 원둘레방향의 밴드, 및 토크 전달 부재에 가해지는 힘에 대한 두 밴드의 응답차를 토크 부재와 접촉하지 않고 탐지하기 위한 자기 판별기(magnetic discriminator device)를 포함하는 센서를 개시한다. 가장 전형적으로, 자화 및 감지는 밴드와 겹쳐 놓이고 밴드를 둘러싸는 한 쌍의 여기 또는 자화 코일을 제공함으로써 달성되는데, 이 코일은 직렬로 연결되고, 교류 전류에 의해 구동된다. 토크는 두 밴드의 외부 자기 플럭스로부터 야기된 차이 신호를 측정하기 위한 한 쌍의 반대로 연결된 감지 코일을 사용하여 감지된다. 불행하게도, 이 센서를 사용하는 기기 상에 그리고 그 주변에 필수적인 여기 및 감지 코일을 위해 충분한 공간을 제공하는 것은 공간이 부족한 애플리케이션에서 현실적인 문제점을 만들 수 있다. 또한, 이러한 센서는 자동차 애플리케이션과 같은, 매우 비용 경쟁적인 기기에 사용하기에는 실행 불가능하게 비쌀 수 있다.

바람직하게는 자기장 생성 부재로서 역할하는 얇은 벽의 링("칼라(collar)")을 사용하는, 초기의 원둘레 방향의 잔여 자화의 토크 유도된 기울어짐으로 인해 발생하는 자기장을 측정하는 것을 기초로 하는 토크 변환기가 개발되었다. 예컨대, 가셀리스의 미국특허번호 제5,351,555호 및 제5,520,059호를 참조할 수 있다. 측정된 토크를 전달하는 축에 결합 수단을 통해 연결된 링 내의 인장 "후프(hoop)" 응력은 우세한(dominant) 원둘레 방향의 단축 이방성(uniaxial anisotropy)을 형성한다. 축에 비틀림 응력의 적용 시, 자화는 방향이 변하고 비틀림 응력이 증가할수록 점점 더 나선형이 된다. 비틀림으로 인해 야기된 나선형 자화는 방사상 성분과 축방향 성분을 모두 가지는데, 이 축방향 성분의 크기는 비틀림의 정도에 완전히 의존한다. 하나 이상의 자기장 벡터 센서는 축 상의 자기적으로 조절된 영역 위의 공간 내에, 적용된 토크의 결과로서, 발생하는 자기장의 크기 및 극성을 감지하기 위해 사용될 수 있고, 토크의 크기 및 방향을 반영한 신호 출력을 제공한다. 링 센서에서 최대 허용가능한 토크가 링/축 경계에서의 슬립피지(slippage)에 의해 제한된다는 점으로 인해, 토크 과부하 조건 하에서 링/축 경계에서의 슬립피지로 인해 발생하는 왜곡에 관한 우려가 제기되었다. 이것은 기생 자기장의 부작용을 최소화하기 위해 상이한 재료의 복수의 부분에 대한 필요성과 함께, 대안의 구성의 연구를 장려하였다.

활성 토크 감지 영역이 추후에 축에 부착되어야 하는 개별적인 강자성 부재 상이 아니라, 축 자체에 직접 형성된 자기탄성 토크 변환기가 개발되었다. 예를 들어, 가셀리스의 미국특허번호 제6,047,605호를 참조할 수 있다. 이러한 소위 "칼라없는" 변환기의 하나의 형태에서, 자기탄성적 활성 영역은 하나의 원둘레 방향으로 분극되고, 그 자체가 그 부재에 토크의 적용에 이어, 적용된 토크가 0으로 감소된 때 그 영역 내의 자화를 상기 하나의 원둘레 방향으로 복귀시키기에 충분한 자기 이방성(magnetic anisotropy)을 가진다. 토크를 받은 축은 적어도 50%의 국부적 자화 분포가 자기 분극의 방향 둘레에 대칭적으로 배치된 90도의 사분면(quadrant) 내에 놓여져 있고, 변환 영역의 자기장이 자계 센서에 의해 관측된 순 자기장의, 토크 감지 목적으로, 사용가능성을 손상시킬만큼 충분한 강도의 기생 자계를 축 부근 영역에 만들지 않는, 충분히 높은 보자력을 가진 다결정 재료로 형성되는 것이 바람직하다. 이러한 변환기의 특히 바람직한 형태로서, 이 축은 입방 대칭성을 가진 랜덤 방향의 다결정 재료로 형성되고, 그 보자력은 15 에르스텟(Oe) 초과, 바람직하게는 20 Oe 초과, 더 바람직하게는 35 Oe 초과이다.

더 최근에, 디스크형 부재의 방사상으로 떨어진 위치 사이로 전달되는 토크를 나타내는 신호를 제공하는 비접촉 자기탄성 토크 센서가 개발되었다. 조네스의 미국특허번호 제6,513,395호는 하나의 원둘레 방향으로 분극된 자기탄성 활성 영역을 가진 디스크형 부재를 포함하는 토크 센서를 서술한다. 이 특허에서, 자계 센서는 자기탄성 활성 영역 부근에 설치되고, 축으로부터 디스크형 부재로 전달되는 토크로 인해 발생된 자기장의 크기를 감지하고, 그에 응답하여 신호를 출력한다. 이러한 구성은 아래에 설명한 바와 같이 컴퍼싱(compassing)에 민감할 수 있다. 이 특허는 또한 두 개의 원둘레 방향으로 반대 극성의 영역들을 가진 디스크를 설명하는데, 두 센서는 동일한 방사상 라인을 따라 위치하고, 그들의 감지 방향은 방사상의 방향이고, 일반 모드 자기장 상쇄를 허용하기 위해 반대 방향이다. 그러나, 센서의 이러한 배치는 센서가 디스크에 가해지는 토크의 변화에 응답하여 선형적으로 변하지 않는 자기장 신호를 픽업한다는 바람직하지 않은 결과를 가진다.

다른 종래기술은 환형의 자기 조절(magnetically conditioned) 영역이 서로 분리되어 있고, 방사 방향으로 이격되어 있는 부분을 가진 디스크형 부재를 포함하는 토크 센서를 서술한다. 그러나, 자기 조절 영역 사이에 갭을 가진 토크 센서가 2개의 환형의 자기 조절 영역 사이의 랜덤한 누설자장로 인해 큰 RSU(rotational signal uniformity) 신호를 나타낼 것으로 생각된다. 이상적으로, 토크 센서는 회전하는 부재에 토크가 가해지지 않거나 일정한 토크가 가해질 때, 부재의 회전 동안 신호 출력의 변화가 없음을 의미하는 0의 RSU 신호를 나타낼 것이다. 그러나, 실제 실행에서는, 표면 준비 및 자화 과정의 결함으로 인해, 인식가능한 정도의 RSU 신호가 탐지된다. 또한, 자기 조절 영역 사이에 갭을 가진 디스크형 부재를 포함하는 토크 센서는 추가적인 공간을 필요로 하는데, 이는 디스크가 자기 조절 영역을 위해 사용가능한 제한된 크기의 평평한 면을 가진 애플리케이션에서 바람직하지 않다.

그 측정 환경에서, 자기장이 대체가능한 것이기 때문에, 앞선 및 다른 종래기술에 의해 교시된 센서들은 외부에서 발생된 다른 자기장에 민감할 수 있다. 특히, 지구 자기장이 측정 자기장이 토크 유도된 자기장과 지구 자기장의 합이 되는 "컴퍼싱"으로 알려진 현상을 일으킬 것이다. 본 명세서에서, 용어 "컴퍼싱"은 지구 자기장으로 인해 발생되는 임의의 오차를 설명하기 위해서 사용될 것이다.

외부 발생 자기장은 원거리장(far field) 및 근거리장(near field) 소스 모두로부터 방출될 수 있다. 자기장을 가진 지구와 같은 원거리장 소스는 일반적으로 복수의 자기장 센서를 가진 토크 감지기 내의 각각의 자계 센서에 동일한 영향을 준다. 영구자석, 자화된 렌치(wrench), 모터, 솔레노이드 등과 같은 근거리장 소스는 상당한 국부적인 경사(gradient)를 가진 자기장을 만들 수 있고, 그로 인해 복수의 자계 센서를 가진 토크 감지기 내의 상이한 자계 센서에 매우 다른 영향을 줄 수 있다.

가셀리스의 미국특허번호 제5,520,059호는 원거리장 소스와 관련된 컴퍼싱 문제를 다룬다. 이 특허에서, 축은 원둘레 방향으로 반대 극성인, 2개의 축방향으로 구분된 자기탄성적 활성 영역을 포함하고, 자기탄성적 활성 영역과 가깝게 설치된 반대방향의 축 극성을 가지고, 축에 가해지는 토크에 응답하여 출력 신호를 제공하는 자계 센서를 구비한 축이 서술되어 있다. 자계 센서의 출력을 합산함으로써, 모든 일반 모드 외부 자계, 즉 원거리장은 상쇄된다. 이러한 스킴(scheme)을 채용한 애플리케이션에서, 반대 극성의 센서는 일반 모드 배제 스킴(common mode rejection scheme)의 효율을 유지하기 위해 가능한 서로 가깝게 설치되어야 한다. 서로 이격된 센서들은 지구 자기장이 토크 센서 내에 그리고 그 주변의 강자성 부분 주변에서 크게 왜곡될 수 있기 때문에 감소된 일반 모드 배제 효율을 나타낸다.

리(Lee)의 미국특허출원 공개번호 제2009/0230953호는 토크 유도된 자기장을 상쇄시키지 않고 외부 소스로부터의 근거리장 자기 잡음을 상쇄시키도록 설계된 토크 감지기를 서술한다. 이 참조문헌은 축 부근에서 축방향으로 이격된 3개의 자계 센서 세트를 포함하는 토크 센서를 서술하는데, 이 축은 원둘레 방향의 극성을 가진 자기탄성적 활성 영역을 가진다. 각각의 자계 센서에 의해 수신된 신호들은 근거리장 소스의 영향을 보상하기 위해 조절된다.

환형의 자기탄성적 활성 영역을 가진 강자성 부재를 구비한 토크 감지기에서, 자계 센서와 강자성 부재의 반경 사이의 각 거리와 무관하게, 강자성 부재에 가해지는 토크를 정확하게 나타내는 신호를 픽업하기 위해 자계 센서가 자기탄성적 활성 영역과 근접하게 설치되는 것이 바람직하다. 이러한 특징을 보여주는 토크 감지기는 향상된 RSU를 보여주기 위해 앞서 설명한 것이다. 환형의 자기탄성적 활성 영역에 대한, 깊이, 폭, 또는 자계 강도의 불균일함은 인식가능한 정도의 RSU 신호를 야기하여, 토크 측정을 부정확하게 할 수 있다. 또한, 자화 이전에 강자성 부재가 주지된 적절한 표면 강화 과정을 거침으로써, 향상된 RSU 성능 및 감소된 히스테리시스(hysteresis) 효과가 달성될 수 있다. 예컨대, 리는 회전가능한 축의 원둘레면과 근접하게 설치된, 각을 이루고 축방향으로 이격된 복수의 자계 센서를 통합함으로써, 향상된 RSU 성능을 나타내도록 설계된 토크 감지기를 서술한다.

종래기술에 서술된 토크 감지기는 향상된 RSU 성능을 나타내고, 컴퍼싱에 의해 발생되는 해로운 효과를 줄임과 동시에, 축과 디스크형 부재의 방사상으로 이격된 부분 사이로 전달되는 토크를 측정하도록, 특별하게 구성되지 않았다. 따라서, 그러한 기기에 대한 필요성이 존재한다.

본 명세서에서 서술된 본 발명은 일반적으로 도르래, 기어, 또는 스프로킷 등과 같은, 축을 중심으로 회전가능한 임의의 디스크형 부재에서의 토크 측정에 적용가능하다.

본 발명의 주된 목적은 디스크형 부재의 방사상으로 분리된 부분과 축 사이에서 전달되는 토크를 측정하기 위한, 디스크형 부재와 근접하게 설치된 비접촉식 자계 센서를 구비한 토크 감지기를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 적용된 토크를 나타내는 신호를 출력하는 자계 센서를 구비한 토크 감지기를 제공하는 것인데, 이 출력 신호는 적용된 토크의 변화에 대하여 선형적으로 변한다.

본 발명의 다른 목적은 짝을 이루어 설치된 자계 센서를 구비한 토크 감지기를 제공하는 것인데, 이 자계 센서는 컴퍼싱을 포함한 자기 잡음의 나쁜 영향을 최소화하기 위해 서로 반대의 감지 방향을 가진다.

본 발명의 다른 목적은 토크 감지기의 RSU 성능을 강화하기 위해 2개의, 분리되지 않은, 반대 극성의 자기 조절 영역을 가지는, 환형의 자기탄성적 활성 영역을 포함하는 토크 감지기를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 토크 감지기의 RSU 성능을 강화하기 위해 특별하게 배치된 복수의 각을 이루고 이격된 자계 센서를 구비한 토크 감지기를 제공하는 것이다.

간략하게 설명하자면, 본 발명의 이들 및 다른 목적, 장점, 및 특징은 본 명세서에 충분히 기재되고 포함된 바와 같이 자기 토크 감지기에 의해 달성되는데, 이 자기 토크 감지기는 대체로 원형인 대향하는 면 및 회전 중심축을 가지는 대체로 디스크 형상의 부재; 둘다 강자성이고 자기제한적인 자기탄성적 활성 영역을 형성하기 위해 디스크 형상의 부재 상에 배치된 제1 및 제2 자기 조절 영역; 및 서로 인접하게, 그리고 자기탄성적 활성 영역과 근접하게 배치된 적어도 한 쌍의 자계 센서를 포함하고, 여기서, 자기탄성적 활성 영역은 디스크 형상의 부재에 가해지는 토크에 따라 변하는 자기장을 산출하고, 자기탄성적 활성 영역은 디스크 형상의 부재에 가해지는 토크가 0으로 감소할 때 자기탄성적 활성 영역 내의 자화를 초기 상태로 복귀시키기 충분한 자기 이방성(magnetic anisotropy)을 가지고, 각각의 쌍의 자계 센서의 감지 방향은 서로 반대이고 제1 및 제2 자기 조절 영역의 극성 방향에 수직이고, 자계 센서는 디스크 형상의 부재에 가해지는 토크를 나타내는 출력 신호를 제공하고, 그리고 이 출력 신호의 변화는 디스크 형상의 부재에 가해지는 토크의 변화에 대하여 실질적으로 선형관계이다.

이 토크 감지기의 자기 조절 영역은 토크 감지기의 정확도를 증가시키기 위해, 그 사이에 갭이 없는 환형 형상일 수 있다. 이 토크 감지기는 정확도를 증가시키기 위해 복수의 쌍의 자계 센서를 포함할 수 있다. 자계 센서는 이 토크 감지기의 선형성을 강화하고 정확도를 증가시키기 위해, 자기 조절 영역이 축방향으로 분극되어 있을 때 원둘레 방향으로 향하고, 자기 조절 영역이 원둘레 방향으로 분극되어 있을 때 축방향으로 향한다.

아래에서 더욱 분명해질 본 발명의 이들 및 다른 목적, 장점, 및 특징과 함께, 본 발명의 본질은 아래의 본 발명의 상세한 설명, 첨부된 청구항, 및 본 명세서에 첨부된 수개의 도면을 참조함으로써 더 잘 이해될 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 디스크형 부재의 투시도이다.
도 2는 본 발명의 하나의 실시예에 따른, 자기탄성적 활성 영역의 자화를 도시하는, 도 1의 디스크형 부재의 측면도이다.
도 3은 본 발명의 하나의 실시예에 따른, 자기탄성적 활성 영역의 자화를 도시하는, 도 2의 디스크형 부재의 평면도이다.
도 4a는 본 발명의 토크 감지기가 휴지 상태에 있을 때, 자기 조절 영역 내의 자기장의 강도를 도시하는 그래프이다.
도 4b는 도 4a의 그래프와 디스크형 부재 간의 관계를 설명하는, 본 발명에 따른 디스크형 부재의 평면도이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른, 자계 센서의 예시적인 위치를 보여주는, 디스크형 부재의 평면도이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른, 자계 센서의 예시적인 위치를 보여주는, 디스크형 부재의 평면도이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른, 자계 센서의 예시적인 위치를 보여주는, 디스크형 부재의 평면도이다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른, 자계 센서의 예시적인 위치를 보여주는, 디스크형 부재의 평면도이다.
도 9a는 본 발명의 다른 실시예에 따른, 자계 센서의 예시적인 위치를 보여주는, 디스크형 부재의 평면도이다.
도 9b는 본 발명의 다른 실시예에 따른, 자계 센서의 예시적인 위치를 보여주는, 디스크형 부재의 평면도이다.
도 9c는 본 발명의 다른 실시예에 따른, 자계 센서의 예시적인 위치를 보여주는, 디스크형 부재의 평면도이다.
도 9d는 본 발명의 다른 실시예에 따른, 자계 센서의 예시적인 위치를 보여주는, 디스크형 부재의 평면도이다.
도 9e는 본 발명의 다른 실시예에 따른, 자계 센서의 예시적인 위치를 보여주는, 디스크형 부재의 평면도이다.
도 9f는 도 9c에 도시된 실시예에 수행된 실험으로부터 얻어진 실험적 데이터를 도시한다.
도 9g는 도 9c에 도시된 실시예에 수행된 실험으로부터 얻어진 실험적 데이터를 도시한다.
도 10은 디스크형 부재가 토크를 받을 때 자기탄성적 활성 영역의 자화의 변화를 도시하는, 본 발명에 따른 디스크형 부재의 투시도이다.
도 11은 자동차 구동 트레인에 사용하기 위한, 본 발명에 따른 예시적인 토크 감지기를 도시하는 분해도이다.
도 12는 본 발명에 따른 토크 감지기와 함께 사용하기 위한 차폐 부재를 가진 보빈을 도시하는 투시도이다.

본 발명의 몇가지 바람직한 실시예들이 설명의 목적으로 서술되지만, 본 발명이 도면에 특별하게 도시되지 않은 다른 형태로 실시될 수도 있음을 이해해야 한다. 본 명세서에서 도면은 예시의 목적으로 제공된 것이며, 축적에 따라 도시되지는 않았다.

먼저, 도 1을 참조하면, 본 발명의 토크 감지기에 따른 대체로 디스크형의 부재(110)의 투시도가 도시되어 있다. 디스크(110)는 강자성 재료로 형성되고, 자기탄성적 활성 영역(140)이거나 적어도 그것을 포함한다. 디스크(110)를 형성하기 위해 선택되는 재료는 적어도 자기탄성적 활성 영역(140) 내의 잔류 자화를 형성하기 위해 자기 도메인의 존재를 보장하기 위해 적어도 강자성이여야 하고, 자기탄성적 활성 영역(140) 내의 자기장 선의 방향이 적용된 토크와 연관된 응력에 의해 변경될 수 있도록 자기변형적(magnetostrictive)이어야 한다. 디스크(110)는 완전하게 고체일 수 있고, 또는 부분적으로 속이 빈 것일 수도 있다. 디스크(110)는 동질의 재료로 형성될 수 있고, 또는 재료의 혼합물로 형성될 수도 있다. 디스크(110)는 임의의 두께일 수 있고, 바람직하게는 대략 3mm 내지 1cm 두께이다.

자기탄성적 활성 영역(140)은 바람직하게는 평평하고, 그리고 토크 감지기의 자기탄성적 활성 영역(140)을 형성하는, 적어도 2개의 방사상으로 구분된 환형의, 반대 극성의 자기 조절 영역(142, 144)을 포함한다. 그러나, 도시된 바와 같이 상면 및 하면(112, 114)이 평평해야 하는 것은 아니며, 디스크(110)의 중심에서 바깥 가장자리까지 가변적인 단면 두께를 가질 수 있다. 토크 감지기가 필요한 애플리케이션에 따라, 디스크(110)의 양측에 자계 센서(152, 154)를 설치하는 것이 불가능할 수도 있다. 그러므로, 본 발명은 자기탄성적 활성 영역(140)이 디스크(110)의 하나의 면에만 존재하는 경우에도 기능하도록 설계된다. 그러나, 자기탄성적 활성 영역(140)은 디스크(110)의 양측에 존재할 수도 있다.

도 2는 디스크(110)의 측면도를 도시하고, 자기탄성적 활성 영역(140)을 디스크(110)의 환형 부분 상에 형성하는 과정을 설명한다. 도시된 바와 같이, 반대의 자화 방향을 가지는(그러므로, 반대 극성인) 2개의 영구자석(202, 204)은 거리, d1에서 디스크(110)의 표면과 근접하게 설치된다. 영구자석(202, 204)의 설치 후, 디스크(110)는 그 중심축(O)을 중심으로 회전할 수 있고, 이는 2개의 환형의 반대 극성의 자기 조절 영역(142, 144)의 형성을 야기한다. 대안으로서, 자기 조절 영역(142, 144)은 디스크(110)가 고정되어 있는 동안 중심축(O)을 중심으로 영구자석을 회전시킴으로써 형성될 수 있다. 자기탄성적 활성 영역(140)의 생성 동안, 중심 축(O)을 중심으로 하는 회전 속도, 및 영구자석(202, 204)과 디스크(110) 간의 거리, d1는 자기탄성적 활성 영역(140)의 균일함을 보장하고, 토크 감지기의 RSU 성능을 향상시키기 위해 일정하게 유지되어야 한다. 바람직하게는, 자기탄성적 활성 영역(140)의 생성 동안, 영구자석(202, 204)은 자기 조절 영역(142, 144)을 갭 없이 형성하기 위해, 그 사이에 갭 없이 서로 인접하게 설치된다. 자기 조절 영역(142, 144) 사이에 갭이 없다는 것이 향상된 RSU 성능을 가진 토크 감지기를 야기함이 이해될 것이다.

자기탄성적 활성 영역(140)을 형성함에 있어서, 영구자석(202, 204)의 강도, 및 영구자석(202, 204)과 디스크(110) 사이의 거리, d1은 토크 감지기의 성능을 최적화하기 위해 주의 깊게 선택되어야 한다. 더 강한 영구자석(202, 204)을 사용함으로써, 그리고 영구자석(202, 204)을 디스크(110)에 더 가깝게 위치시킴으로써, 일반적으로 토크 감지기에 의해 사용될 때, 더 강하고 더 쉽게 측정가능한 신호를 제공하는 자기탄성적 활성 영역(140)을 만들 수 있다. 그러나, 너무 강한 영구자석(202, 204)을 사용함으로써, 또는 영구자석(202, 204)을 디스크(110)와 너무 가깝게 설치함으로써, 적용된 토크에 응답하여 토크 감지기에 의해 산출되는 신호의 선형성에 부적적인 영향을 주는 히스테리시스를 나타내는 자기탄성적 활성 영역(140)을 만들 수 있다. 바람직하게는, 자기탄성적 활성 영역(140)은 디스크(110)의 표면으로부터 대략 0.1mm 내지 5mm 거리에 설치된 직방형의 N42 또는 N45 등급의 네오디뮴 아이론 보론(NdFeB)을 사용하여 만들어진다. 더욱 바람직하게는, 자석은 디스크(110)의 표면으로부터 대략 3mm의 거리에 설치된다. 바람직하게는, 자기탄성적 활성 영역(140)의 폭은 13mm를 초과하지 않는다. 더욱 바람직하게는, 자기탄성적 활성 영역(140)의 폭은 대략 10mm이다.

도 2는 디스크(110)의 평면에 수직인 자화 방향을 가진 영구자석(202, 204)을 가진 실시예를 도시한다. 이러한 구성은 초기에 축 방향으로(즉, 디스크면과 수직으로) 분극된 자기 조절 영역(142, 144)을 야기한다. 이러한 구성에서, 자기 조절 영역(142, 144)은 디스크(110)에 적용되는 토크가 없을 때(즉, 토크 감지기가 휴지 상태에 있을 때), 자기 조절 영역(142, 144)이 원둘레 또는 방사상 방향으로 순 자화 성분을 가지지 않도록 분극되는 것이 바람직하다.

자기탄성적 활성 영역(140)의 형성 동안, 영구자석(202, 204)은 도 2에 도시된 바와 같이, 가장 안쪽의 자기 조절 영역(142)이 위로 향하는 자기 북극을 가지고, 가장 바깥쪽의 자기 조절 영역(144)이 아래로 향하는 자기 북극을 가지도록 설치될 수 있다. 대안으로서, 자기탄성적 활성 영역(140)의 형성 동안, 영구 자석은 가장 안쪽의 자기 조절 영역(142)이 아래로 향하는 자기 북극을 가지고, 가장 바깥쪽의 자기 조절 영역(144)이 위로 향하는 자기 북극을 가지도록 설치될 수 있다.

도 3은 디스크(110)의 평면도를 도시하고, 자기탄성적 활성 영역(140)이 원둘레 방향으로 디스크(110)의 평면과 평행한 자화 방향을 가지는 영구 자석(302, 304)을 포함하도록 생성된 실시예를 보여준다. 이러한 구성은 초기에 디스크(110)의 원둘레 방향으로 분극된 자기 조절 영역(142, 144)을 야기한다. 이러한 구성에서, 자기 조절 영역(142, 144)은 디스크(110)에 적용된 토크가 없을 때 자기 조절 영역(142, 144)이 축방향 또는 방사상 방향으로 순 자화 성분을 가지지 않도록 분극되는 것이 바람직하다.

자기탄성적 활성 영역(140)의 형성 동안, 영구자석(302, 304)은 도 3에 도시된 바와 같이, 가장 안쪽의 자기 조절 영역(142)이 시계방향을 가진 자기 북극을 가지도록 생성되고, 가장 바깥쪽의 자기 조절 영역(144)이 시계반대방향을 가진 자기 북극을 가지도록 생성되도록 설치될 수 있다. 대안으로서, 자기탄성적 활성 영역(140)의 형성 동안, 영구자석(302, 304)은 가장 안쪽의 자기 조절 영역(142)이 시계반대방향을 가진 자기 북극을 가지도록 생성되고, 가장 바깥쪽의 자기 조절 영역(144)이 시계방향을 가진 자기 북극을 가지도록 생성되도록 설치될 수 있다.

도 4a 및 4b를 참조하면, 도 4a는 토크 감지기가 휴지 상태에 있을 때, 자기 조절 영역(142, 144) 내의 자기장의 강도를 보여주는 그래프이다. 수직 축을 따른 값은 자기탄성적 활성 영역(140)의 자계 강도를 나타낸다. 디스크(110)의 표면으로부터 나오는 자기장은 도 2의 디스크(110)에서는 축방향으로, 또는 도 3의 디스크(110)에서는 원둘레 방향으로 그 주된 성분을 가질 수 있다. 수평축을 따른 값은 중심선(O)으로부터 디스크(110)의 바깥 가장자리까지 디스크(110)의 반경을 따른 거리를 나타낸다. 점(A)은 디스크(110)의 중심과 가장 가까운 가장 안쪽의 자기 조절 영역(142)의 가장자리를 따른 점에 대응한다. 점(B)은 디스크(110)의 원둘레 가장자리와 가장 가까운 가장 바깥쪽의 자기 조절 영역(144)의 가장자리를 따른 점에 대응한다. 점(C)은 가장 안쪽 및 가장 바깥쪽의 자기 조절 영역(142, 144) 사이의 경계를 따른 점에 대응한다. 점(r1)은 자계 강도가 최대인, 가장 안쪽의 자기 조절 영역(142) 내의 점에 대응한다. 점(r2)은 자계 강도가 최대인, 가장 바깥쪽의 자기 조절 영역(144) 내의 점에 대응한다. 도 4b는 도 4a의 그래프에 도시된 이러한 점에 대응하는 점(A, B, C, r1, 및 r2)들을 가진 디스크(110)를 도시한다. 피크 자기장에 대응하는 점(r1 및 r2)은 외부 자기 플럭스의 방향을 최적화하고, 그로 인해 토크 감지기의 성능을 최대화하기 위해 자계 센서(152, 154)가 설치되어야 하는, 디스크(110)의 중심으로부터 거리를 나타낸다. 도 4에 제공된 유닛(unit)은 예시의 목적이며, 본 발명을 제한하지 않는다.

도 5를 참조하면, 도 2에 도시된 영구자석(202, 204)에 의해 생성된 자기탄성적 활성 영역(140)과 함께, 휴지 상태인 디스크(110)의 평면도가 도시되어 있다. 자기탄성적 활성 영역(140)은 각각 양 및 음의 축방향으로 반대 극성의 두 개의 자기 조절 영역(142, 144)을 포함한다. 도 5 내의 점은 자기장 선(546)이 페이지 밖을 향하도록, 디스크(110)의 표면에 수직인 방향의 자기장 선(546)을 나타낸다. 도 5 내의 'X'는 자기장 선(548)이 페이지 안을 향하도록, 디스크(110)의 표면에 수직인 방향의 자기장 선(548)을 나타낸다.

한 쌍의 자계 센서(552, 554)는 각각의 자계 센서(552, 554)가 자계 강도가 최대인 위치에서 자기 조절 영역(142, 144)의 일부분 위에 설치되도록, 자기탄성적 활성 영역(140)과 근접하게 설치된다. 자계 센서(552, 554)는 그 감지 방향이 자기탄성적 활성 영역(140) 내의 자화 방향과 수직이 되도록 방향조절된다. 도 5에서, 화살표는 자계 센서(552, 554)의 감지 방향을 나타낸다. 자계 센서(552, 554)는 디스크(110)의 표면과 평행한(즉, 원둘레 방향의) 감지 방향을 가지도록 방향조절되고, 자기 조절 영역(142, 144)은 디스크(110)의 표면에 수직으로(즉, 축 방향으로) 분극된다. 이러한 구성은 자계 센서(552, 554)에 의해 출력된 각각의 신호들이 디스크(110)에 가해진 토크의 변화에 대하여 선형적으로 변함을 보장한다.

자계 센서(552, 554)는 반대 극성이고, 짝을 지어 제공된다. 이러한 설치 기술은 일반 모드 배제 구성이라 불릴 수 있다. 한 쌍의 자계 센서(552, 554) 각각으로부터의 출력 신호는 디스크(110)에 가해지는 토크를 나타내는 신호를 제공하기 위해 합해질 수 있다. 외부 자계는 한 쌍의 자계 센서(552, 554) 각각에 동일한 영향을 미친다. 한 쌍의 자계 센서(552, 554)는 반대 극성이기 때문에, 자계 센서(552, 554)의 합해진 출력은 외부 자계에 대하여 0이다. 그러나, 자계 센서(552, 554)가 있을 때 자기 조절 영역(142, 144)이 반대 극성이기 때문에, 자계 센서(552, 554)의 합해진 출력은 디스크(110)에 가해지는 토크에 대하여 각각의 자계 센서(552, 554)의 출력의 두 배이다. 그러므로, 일반 모드 배제 구성에서 자계 센서(552, 554)를 설치하는 것은 토크 감지기 내에서의 컴퍼싱의 해로운 효과를 크게 감소시킨다.

도 6에 도시된 실시예를 참조하면, 디스크(110)는 휴지 상태에 있는 것으로 도시되어 있고, 도 3에 도시된 바와 같은 영구자석(302, 304)에 의해 생성된 자기탄성적 활성 영역(140)을 가진다. 자기탄성적 활성 영역(140)은 반대 극성의 두개의 자기 조절 영역(142, 144)을 포함하고, 자기장 선(646, 648)은 반대의 원둘레 방향이다. 한 쌍의 자계 센서(652, 654)는 각각의 자계 센서(652, 654)가 자기장 강도가 최대인 위치에서 자기 조절 영역(142, 144)의 일부분 위에 놓여지도록 자기탄성적 활성 영역(140)과 근접하게 설치될 수 있다. 자계 센서(652, 654)는 그 감지 방향이 자기탄성적 활성 영역(140) 내의 자화 방향과 수직이되도록 방향조절된다. 도 6에서, (페이지 바깥쪽 방향을 나타내는) 점, 및 (페이지 안쪽 방향을 나타내는) 'X'는 자계 센서(652, 654)의 감지 방향을 나타낸다. 자계 센서(652, 654)는 디스크(110)의 표면에 수직인 (즉, 축방향인) 감지 방향을 가지도록 방향조절되고, 자기 조절 영역(142, 144)은 자계 센서(652, 654)에 의해 각각 출력되는 신호가 디스크(110)에 가해지는 토크의 변화에 대하여 선형적으로 변함을 보장하기 위해, 디스크(110)의 표면과 평행하게(즉, 원둘레 방향으로) 분극된다. 자계 센서(652, 654)는 토크 감지기 내의 컴퍼싱의 영향을 줄이기 위해 일반 모드 배제 구성으로 설치된다.

도 7을 참조하면, 반대의 축방향으로 분극되어 있는 자기 조절 영역(142, 144)을 가진 자기탄성적 활성 영역(140)을 포함하는 디스크(110)가 도시되어 있다. 4쌍의 자계 센서(552, 554)가 자기 조절 영역(142, 144)의 자화에 수직인 감지 방향을 가지는 자기탄성적 활성 영역(140)과 인접하게 설치된다. 4쌍의 자계 센서(552, 554)는 각각의 쌍 사이에 대략 90도로 자기탄성적 활성 영역(140)에 대하여 균등하게 이격되어 있다. 이러한 구성은 그것이 복수의 자계 센서(552, 554)에 의해 출력된 각각의 신호들의 평균을 구할 수 있고, 그로 인해 디스크(110)에 가해지는 토크의 더욱 정확한 측정을 야기하기 때문에, 향상된 RSU 성능을 제공한다. 자기탄성적 활성 영역(140) 내의 불균일성으로 인한, 하나의 자계 센서 쌍에 기인하는 임의의 부정확성은 복수의 자계 센서(552, 554)로부터의 각각의 신호의 평균을 구할 때 그 영향이 감소된다. 높은 정도의 균일성을 나타내는(즉, RSU 신호가 실질적으로 0인) 자기탄성적 활성 영역(140)을 가진 토크 감지기에서, 한 쌍의 자계 센서(552, 554)가 충분한 RSU 성능을 달성하기 위해 사용될 수 있다. 그러나, 재료 준비 및 자화 과정에서의 제한사항으로 인해, 유의미하게 0이 아닌 RSU 신호를 피하는 것은 어려울 수 있다. 증가된 RSU 성능이 요구되는 경우에, 자계 센서 쌍의 개수는 증가될 수 있다. 예를 들어, 45도로 이격된 8쌍의 자계 센서(552, 554)가 사용될 수 있다.

도 8을 참조하면, 기본적으로 하나의 자기 조절 영역을 형성하기 위해, 하나의 축방향으로 분극된 자기 조절 영역(142, 144)을 가진 자기탄성적 활성 영역(140)을 포함하는 디스크(110)가 도시되어 있다. 자계 센서 유닛(850)은 4개의 개별적인 자계 센서(852, 854, 856, 858)를 포함한다. 주 자계 센서(852, 854)는 자기탄성적 활성 영역(140)과 인접하게 위치되고, 방사상 방향으로 정렬되고, 자기탄성적 활성 영역(140)의 자화와 수직인 방향으로 유사하게 분극된다. 보조 자계 센서(856, 858)는 디스크(110)와는 인접하지만 자기탄성적 활성 영역(140)으로부터는 떨어져 있도록, 주 자계 센서(852, 854)의 반대측에 위치하여, 보조 자계 센서(856, 858)는 토크 유도된 신호를 픽업하지 않는다. 보조 자계 센서(856, 858)는 주 자계 센서(852, 854)와 반대 방향으로 유사하게 분극된다. 이러한 구성은 리의 미국특허출원 공개번호 제2009/0230953에 서술된 바와 같이, 잡음원(도시되지 않음)이 주 자계 센서(852, 854) 각각에 상이한 영향을 주는 국부적인 자기장 경사를 만드는 경우에 유리할 수 있다. 이러한 경우에, 잡음원과 가장 가까운 보조 자계 센서(956, 858)에 최대 영향을 주고, 잡음원으로부터 가장 먼 보조 자계 센서(858, 868)에 최소 영향을 주는 것으로 가정될 수 있다. 또한, 주 자계 센서(852, 854)에 대한 잡음원의 영향은 각각의 보조 자계 센서(856, 858)에 대한 영향 사이에 있는 것으로 가정된다. 마지막으로, 보조 자계 센서(856, 858)에 의해 픽업된 잡음 유도된 신호의 합은 주 자계 센서(852, 854)에 의해 픽업된 잡음 유도된 신호의 합과 동일한 값인 것으로 가정된다. 그러므로, 4개의 자계 센서(852, 854, 856, 858) 각각에 의해 픽업된 신호를 합산함으로써, 자계 센서 유닛(850)에 대한 자기 잡음의 영향을 상쇄되고, 자계 센서 유닛(850)에 의해 픽업된 합성 신호는 전적으로 토크 유도된 것이다.

도 9a는 디스크(110) 상의 방사상의 공간이 제한되어 있는 경우에 유리할 수 있는 디스크(110)의 구성을 도시한다. 디스크(110)는 하나의 축 방향으로 분극된 하나의 자기 조절 영역(143)을 가진 자기탄성적 활성 영역(140)을 포함한다. 도 9a에서 점은 자기장 선(946)이 페이지 바깥쪽을 향하도록 디스크(110)의 표면에 수직인 방향의 자기장 선(946)을 나타낸다. 자계 센서 유닛(950)은 4개의 자계 센서(952, 954, 956, 958)를 포함한다. 주 자계 센서(952, 954)는 자기탄성적 활성 영역(140)과 근접하게 위치하고, 원둘레 방향으로 정렬되고, 자기탄성적 활성 영역(140)의 자화와 수직인 방향으로 유사하게 분극된다. 보조 자계 센서(956, 958)는 자기탄성적 활성 영역(140)으로부터 떨어져 있으나, 디스크(110)와 근접하게 주 자계 센서(952, 954)의 반대측에 위치하여, 보조 자계 센서(956, 958)는 토크 유도된 신호를 픽업하지 않는다. 보조 자계 센서(956, 958)는 주 자계 센서(952, 954)의 극성과 반대 방향으로 유사하게 분극된다. 이러한 구성은 잡음원(도시되지 않음)이 리의 미국특허출원 공개번호 제2009/0230953호에 서술된 바와 같이, 주 자계 센서(952, 954) 각각에 대하여 상이한 영향을 미치는 국부적인 자계 경도를 만드는 경우에 유리할 수 있다. 이러한 경우에, 잡음원은 잡음원과 가장 가까운 보조 자계 센서(956, 958)에 가장 큰 영향을 미치고, 잡음원으로부터 가장 먼 보조 자계 센서(958, 956)에 가장 작은 영향을 미치는 것으로 가정된다. 또한, 주 자계 센서(952, 954)에 대한 잡음원의 영향은 보조 자계 센서(956, 958) 각각에 대한 영향 사이인 것으로 가정될 수 있다. 마지막으로, 보조 자계 센서(956, 958)에 의해 픽업된 잡음 유도된 신호의 합은 주 자계 센서(952, 954)에 의해 픽업된 잡음 유도된 신호의 합과 값이 동일한 것으로 가정될 수 있다. 그러므로, 4개의 자계 센서(952, 954, 956, 958) 각각에 의해 픽업된 신호를 합산함으로써, 자계 센서 유닛(950)에 대한 자기 잡음의 영향을 상쇄되고, 자계 센서 유닛(950)에 의해 픽업된 합성 신호는 전적으로 토크 유도된 것이다.

도 9b는 도 9a에 도시된 것과 유사한 예시적인 실시예를 도시한다. 도 9b에서, 디스크(110)는 하나의 원둘레 방향으로 분극된 하나의 자기 조절 영역(145)을 가진 자기탄성적 활성 영역(140)을 포함한다. 도 9b에서의 화살표는 원둘레 방향의 자기장 선(948)을 나타낸다. 자계 센서 유닛(960)은 4개의 개별적인 자계 센서(962, 964, 966, 968)를 포함한다. 주 자계 센서(962, 964)는 자기탄성적 활성 영역(140)과 근접하게 위치하고, 방사상 방향으로 정렬되고, 자기탄성적 활성 영역(140)의 자화와 수직인 방향으로 유사하게 분극된다. 보조 자계 센서(966, 968)는 자기탄성적 활성 영역(140)으로부터 떨어져 있으나 디스크(110)와 인접하게, 주 자계 센서(962, 964)의 반대측에 위치하여, 보조 자계 센서(966, 968)는 토크 유도된 신호를 픽업하지 않는다. 보조 자계 센서(966, 968)는 주 자계 센서(962, 964)의 극성과 반대 방향으로 유사하게 분극된다. 도 9a에 관하여 서술한 것과 유사한 방식으로, 4개의 자계 센서(962, 964, 966, 968) 각각에 의해 픽업된 신호를 합산함으로써, 자계 센서 유닛(960)에 대한 자기 잡음의 영향이 상쇄되고, 자계 센서 유닛(960)에 의해 픽업되는 합성 신호는 전적으로 토크 유도된 것이다.

도 9c는 디스크(110) 상의 방사상 공간이 제한된 경우에 유리할 수 있는, 디스크(110)의 다른 구성을 도시한다. 디스크(110)는 하나의 원둘레 방향으로 분극된 하나의 자기 조절 영역(145)을 가진 자기탄성적 활성 영역(140)을 포함한다.도 9c 내의 화살표는 원둘레 방향의 자기장 선(948)을 나타낸다. 자계 센서(972)는 자기탄성적 활성 영역(140)과 근접하게 비접촉식으로 설치되고, 그 감지 방향이 자기탄성적 활성 영역(140) 내의 자화 방향에 수직이도록 방향조절된다. 바람직하게는, 각각의 자계 센서(972) 간의 거리는 대략 5mm를 초과하지 않는다.

도 9c에 도시된 구성에서, 8개의 자계 센서(972)는 비접촉식으로 각각 자기탄성적 활성 영역(140)에 대하여 균등한 간격이다. 자계 센서(972)는 디스크(110)의 중심을 향하는, 방사상의 방향을(즉, 자화 방향에 수직으로) 향하는 감지 방향을 가지도록 설치된다.

도 7에 도시된 구성과 마찬가지로, 예컨대, 도 9c의 구성은 복수의 자계 센서(972)에 의해 출력된 각각의 신호의 평균을 구할 수 있게 하여, 디스크(110)에 가해지는 토크의 더욱 정밀한 측정을 야기하기 때문에, 향상된 RSU 성능을 제공한다.

또한, 도 9c의 구성은 인접한 자계 센서 쌍을 필요로 하지 않으면서, 일반 모드 배제를 제공한다. 일반 모드 배제는 디스크(110)에 대하여 자계 센서(972)의 대칭적 배열로 인해 달성된다. 자계 센서(972)는 각각의 자계 센서(972)가 반대의 정렬을 가지는 다른 자계 센서(972)에 대응하도록 대칭적으로 배열된다. 그러므로, 대응하는 자계 센서(972)는 반대 극성이고, 180도 간격이다. 그로 인해, 두 대응하는 자계 센서(972)에 의해 감시된 일반 모드 신호는 상쇄된다. 도 9c에서, 자계 센서(972)는 각각 디스크(110)의 중심을 향하도록 방사상으로 향하는 감지 방향을 가지는 것으로 도시되어 있다. 대안으로서, 예컨대, 자계 센서(972)는 각각 디스크(110)의 중심으로부터 멀어지게 방사상으로 방향조절된 감지 방향을 가질 수 있다.

도 9c는 8개의 자계 센서(972)를 가진 디스크(110)를 도시하지만, 그러나 유사한 결과가 임의의 짝수개의 대칭 배열된 자계 센서(972)를 통해 달성될 수 있다. 도 9d는 4개의 대칭 배열된 자계 센서(972)를 가진 디스크(110)의 하나의 예를 도시한다. 자계 센서(972)의 정확한 설치는 그것을 필요로 하는 애플리케이션에 맞게 조절될 수 있다. 예를 들어, 대응하는 대칭 배열된 자계 센서(972) 사이의 환형 간격은 디스크(110) 및/또는 자계 센서(972)의 기하학적 구조로 인해 그러한 설치가 필요할 때, 180도 보다 약간 작을 수 있다.

도 9e를 참조하면, 유사한 결과가 자기탄성적 활성 영역(140)에 대하여 자계 센서(972)를 균등한 간격으로 배치함으로써, 각각 자기탄성적 활성 영역(140) 내의 자화 방향에 수직인, 방사상 방향인 감지 방향을 가지는, 임의의 개수의, 하나 이상의, 자계 센서(972)를 사용하여 얻어질 수 있다. 예를 들어, 3개의 자계 센서(972)가 방사상으로 정렬되고, 자기 활성 영역에 대하여 120도로 균등한 간격으로 배치된다면, 각각의 자계 센서(972)로부터의 출력 신호가 합해질 때 각각의 자계 센서(972)에 의해 감지된 일반 모드 신호는 상쇄된다.

도 9f 및 9g는 도 9c에 도시된 구성을 가진, AISI 9310 재료로 형성된 디스크에 수행된 실험을 통해 얻어진 실험 데이터를 도시한다. 도 9f에 도시된 실험 데이터는 자계 센서(972)의 출력이 디스크(110)에 가해진 토크에 대하여 선형적으로 변함을 나타낸다. 도 9g에 도시된 실험 데이터는 동작 동안 토크 감지기에 의해 나타난 히스테리시스가 낮음을, 대략 ±1%임을 나타낸다.

도 10은 디스크(110)에 가해진 토크가 토크 감지기에 의해 측정되는 원리의 설명을 제공한다. 상술된 바와 같이, 휴지 상태에서, 자기탄성적 활성 영역(140) 내의 자기장은 도 5에 도시된 바와 같이 축방향으로 실질적으로 배타적으로 정렬되거나, 또는 도 6에 도시된 바와 같이 원둘레 방향으로 실질적으로 배타적으로 정렬된다. 토크가 디스크(110)에 가해진 때, 자기탄성적 활성 영역(140) 내의 자기 모멘트(moment)는 도 10의 화살표(A)에 의해 지시된 바와 같이 디스크(110)의 표면에 대하여 대략 45도 각도를 형성하는 전단 응력(shear stress) 방향을 따라 기울어지려는 경향이 있다. 이러한 기울어짐은 자기탄성적 활성 영역(140)의 자화가 초기 방향에서 감소된 성분, 및 전단 응력 방향에서 증가된 성분을 나타내게 만든다. 기울기의 정도는 디스크(110)에 가해지는 토크의 강도에 비례한다. 자계 센서(152, 154)는 자계 센서(152, 154)의 감지 방향을 따른 자기장 성분의 강도 변화를 감지할 수 있다. 그러므로, 토크가 디스크(110)에 가해질 때, 자계 센서(152, 154)는 적용된 토크에 비례하는 대표 신호들을 출력한다.

자계 센서(152, 154)는 주지되어 있고, 플럭스 게이트(flux-gate) 인덕터, 홀 효과(Hall Effect) 센서 등과 같은 자기장 벡터 센서 기기를 포함한다. 바람직하게는, 본 발명에 따른 자기장 센서는 솔레노이드 형태를 가진 플럭스 게이트 인덕터이다. 다른 실시예에서, 자계 센서(152, 154)는 집적회로 홀 효과 센서일 수 있다. 도 10에 도시된 바와 같이, 도체(156)는 자계 센서를 직류 전원에 연결하고, 제어 또는 감시 회로와 같은 (도시되지 않은) 수신하는 기기로 자계 센서(152, 154)의 신호 출력을 전송한다.

도 11을 참조하면, 본 발명에 따른 토크 변환기(1100)의 분해 투시도가 도시되어 있다. 도시된 예시적인 실시예에서, 토크 변환기(1100)는 디스크(1110), 허브(1120), 및 축(1130)을 포함한다. 디스크(1110), 허브(1120), 및 축(1130)은, 필수적인 것은 아니지만, 분리된 구성요소일 수 있다. 디스크(1110)는 완전히 평평하거나, 윤곽(contour)을 가질 수 있는, 축방향의 얇은, 대체로 디스크 형상의 부재일 수 있다. 허브(1120)는 디스크(1110)를 축(1130)에 단단히 부착하는 기능을 한다. 이러한 결합은, 예컨대, 허브(1120) 및 축(1130)이 축(1130)에 가해진 토크가 허브(1120)로 그리고 그 반대로 비례하게 전달되도록 하는 기계적 유닛으로서 역할하게 하는 임의의 주지된 수단에 의해 직접적으로 또는 간접적으로 달성될 수 있다. 결합 수단의 예는 핀, 스플라인(spline), 키, 용접, 접착제, 압축 또는 수축 핏(fit) 등을 포함한다. 디스크(1110)는 디스크(1110) 및 허브(1120)가 허브(1120)에 가해지는 토크가 디스크(1110)로, 그리고 그 반대로 비례하게 전달되도록 하는 기계적 유닛으로 역할하게 하는 임의의 적합한 방법에 의해 허브(1120)에 부착될 수 있다. 바람직하게는, 홀(1112, 1122)이 디스크(1110) 및 허브(1120)에 제공되고, 디스크(1110) 내의 홀(1112)은 허브(1120) 내의 홀(1122)에 대응한다. 볼트와 같은, (도시되지 않은) 파스너(fastener)가 디스크(1110)와 허브(1120) 사이에 단단한 결합이 형성되도록, 디스크(1110) 내의 홀(1112) 및 대응하는 허브(1120) 내의 홀(1122)을 통해 삽입될 수 있다. 대안의 결합 수단의 예는 리베팅(riveting), 용접 등을 포함한다.

디스크(1110)는 림(1160)에 부착된 디스크(1110)의 일부가 허브(1120)에 부착된 디스크(1110)의 일부분으로부터 방사상으로 분리되도록, 림(1160)에 부착될 수 있다. 림(1160)은 디스크(1110)의 외연(periphery)을 둘러싸거나, 디스크(1110)의 표면에 부착될 수 있다. 림(1160)은 디스크(1110)의 통합된 부분일 수 있다. 디스크(1110) 및 림(1160)은 디스크(1110)에 가해지는 토크가 림(1160)으로, 그리고 그 반대로 비례하게 전달될 수 있도록 하는 기계적 유닛으로 역할한다. 림(1160)은 구동하는 또는 구동되는 부재에 지배적인 접선력의 전달을 위한 힘 전달부(1162)를 포함할 수 있다.

본 발명의 예시적인 실시예는 디스크(1110)가 구동판을 포함하고, 축(1130)이 클랭크 축을 포함하고, 림(1160)이 토크 변환기를 포함하는 자동차 엔진과 결합하여 사용하기 위한 토크 감지기이다. 그러나, 본 발명은 임의의 타입의 자동차 구성으로 제한되지 않으며, 본 발명이 일반적으로 자동차 애플리케이션으로 제한되지 않음을, 본 발명이 속하는 당업자들에게 명백할 것이다.

림(1160) 및 허브(1120)는 바람직하게는 비강자성(non-ferromagnetic) 재료로 형성되거나, 허브(1120)와 디스크(1110) 사이로, 그리고 디스크(1110)와 림(1160) 사이로 삽입되는 (도시되지 않은) 낮은 투자율의 링과 같은, 비강자성 스페이서(spacer)에 의해 디스크(1110)로부터 자기적으로 격리된다.

자기탄성적 활성 영역(1140)은 적용된 토크가 0으로 감소한 때 자화가 휴지상태로 또는 초기 방향으로 복귀할만큼 충분한 이방성을 가져야 한다. 자기 이방성은 디스크(1110)의 재료의 물리적 작용에 의해 또는 다른 방법에 의해 유도될 수 있다. 자기 이방성을 유도하는 예시적인 방법은 미국특허번호 제5,520,059호에 개시되어 있다.

바람직하게는, 디스크(1110)는 AISI 9310 재료로 형성된다. 디스크를 형성할 수 있는 대안의 재료의 예는 미국특허번호 제5,520,059호 및 제6,513,395호에 서술되어 있다. 디스크(1110)는 특별하게 바람직한 결정 구조를 가진 재료로 형성될 수도 있다.

본 발명의 다른 실시예에서, 자기탄성적 활성 영역(1140)은 디스크(1110)로부터 개별적으로 형성된 다음, 디스크(1110) 내에 유도된 토크가 전달되고, 자기탄성적 활성 영역(1140) 내에 유도된 토크에 비례하도록 접착제, 용접, 또는 파스너 등과 같은 수단에 의해 디스크(1110)에 부착될 수 있다.

본 발명의 동작에 있어서, 자기장은 자기탄성적 활성 영역(1140)에서 발생하고, 이러한 자기장은 자계 센서(1152, 1154)가 위치하는 공간은 물론, 디스크(1110)가 차지하는 공간 자체에도 스며든다. 디스크(1110)의 비활성 부분 내에서 발생하는 자화 변화는 자계 센서(1152, 1154)가 위치하는 공간 영역으로 스며들 수 있는 기생 자기장의 형성을 야기할 수 있다. 허브(1120) 및 림(1160)은 기생 자기장을 제거하거나 줄이기 위해 비강자성 재료로 형성될 수 있다. 그러므로, 자기탄성적 활성 영역(1140)의 전달 기능을 나쁘게 하지 않기 위해서는, 기생 자기장이 자기탄성적 활성 영역에서 발생한 자계와 비교하여, 매우 작거나, 이상적으로 0이거나, 또는 유의미한 강도라면, 그들이 적용된 토크에 따라 선형적으로 그리고 비자기이력적으로(anhysteretically) 변하는 것(또는 전혀 변하지 않는 것), 그리고 그들이 축(1130), 디스크(1110), 및 자기탄성적 활성 영역(1140)이 속하게 되는 임의의 동작 및 환경적 조건 하에서 시간에 따라 안정적인 것이 중요하다. 달리 말하자면, 발생하는 임의의 기생 자기장은 자계 센서(1152, 1154)에 의해 본 순 자기장이 토크 감지 목적으로 유용하도록, 자기탄성적 활성 영역과 비교할 때 충분히 작아야 한다. 그러므로, 기생 자기장의 나쁜 영향을 최소화하기 위해, 자기탄성적 활성 영역(1140)에서 발생한 자기장이 자계 센서(1152, 1154)에 의해 본 순 자기장의, 토크 감지 목적의, 유용성을 파괴할 만큼 충분한 강도의 기생 자기장을 발생하게끔 자기탄성적 활성 영역(1140)과 근접한 디스크(1110)의 영역을 자화시키지 않도록, 충분히 높은 보자력을 가진 디스크 재료를 사용하는 것이 중요하다. 예컨대, 이는 디스크(1110)의 보자력이 15 Oe 초과, 바람직하게는 20 Oe 초과, 및 가장 바람직하게는 35 Oe 초과인 재료를 사용함으로써 달성될 수 있다.

도 12를 참조하면, 본 발명과 함께 사용하기 위한 예시적인 보빈(1210)이 도시되어 있다. 바람직하게는, 예컨대, 도 11에 도시된 토크 변환기(1100)와 함께 사용될 때, 보빈(1210)은 자기탄성적 활성 영역(1140)과 상응하고, 보빈(1210) 전체가 자기탄성적 활성 영역(1140)과 근접하도록, 디스크(1110)와 근접하게 위치한다. 따라서, 보빈(1210)은 자기탄성적 활성 영역(1140)의 폭과 대략 동일한 폭을 가진 환형 형상이다. 보빈(1210)은 임의의 적합한 결합 수단에 의해 디스크(1110)에 부착될 수 있다.

보빈(1210)은 본 발명의 임의의 실시예에 따라 설치될 수 있는 자계 센서(1152, 1154)를 위한 하우징을 제공한다. 바람직하게는, 보빈(1210)은 비자성 플라스틱 재료로 형성된다. 보빈(1210)은 자계 센서(1152, 1154)가 설치될 수 있는 수개의 구획(1212)을 포함할 수 있다. 분리자(1214)가 각각의 구획(1212) 사이에 제공될 수 있다. 도 12의 예시적인 보빈은 자기탄성적 활성 영역(1140)의 중심에 대응하는 환형 홈(1216), 및 자계 센서(1152, 1154)가 설치되는 위치에 대응하는 방사상으로 뻗은 홈(1218)을 포함한다. 자계 센서(1152, 1154)는 임의의 적절한 결합 수단에 의해 보빈(1210)에 부착될 수 있다.

기생 자기장의 부정적인 영향을 더 줄이기 위해, 보빈(1210)은 보빈 상에 배치된 차폐 부재(1222, 1224)를 포함할 수 있다. 바람직하게는, 보빈(1210)은 각각 자기탄성적 활성 영역(1140)의 내경 및 외경에 대응하는 반경을 가진 환형 형상인 내부 차폐 부재(1222) 및 외부 차폐 부재(1224)를 모두 포함한다. 보빈(1210)은 차폐 부재(1222, 1224)가 수용될 수 있는 환형 채널을 포함할 수 있다. 바람직하게는, 차폐 부재(1222, 1224)는 (축 방향으로 측정되는) 대략 6mm의 높이, 및 (반경 방향으로 측정되는) 1mm의 두께를 가진다. 적절한 자기 차폐를 제공하기 위해(즉, 자계 센서(1152, 1154)가 자기탄성적 활성 영역(1140) 내에서 발생하는 자기장만 감지함을 보장하기 위해), 차폐 부재(1222, 1224)는 뮤 메탈(mu-metal)과 같은 고투자율을 나타내는 재료로 형성되는 것이 바람직하다.

토크 변환기(1100)의 동작 동안, 자기장 선은 매우 상이한 투자율을 가지는 재료 간의 경계 부근에서, 특히, 디스크 재료가 공기와 경계를 형성하는 위치인 홀(1112) 부근에서 축적되기 쉽다. 차폐 부재(1222, 1224)는 이러한 축적이 자계 센서(1152, 1154)에 영향을 주지 않음을 보장한다.

토크와 더불어, 본 발명은 파워, 에너지, 또는 회전 속도를 측정할 수 있는데,

파워 = 토크 × 2 π×회전 속도

이고,

에너지 = 파워/시간

이다.

개시된 본 발명의 특정한 현재의 바람직한 실시예들이 본 명세서에서 특별하게 서술되었으나, 본 명세서에 도시되고 서술된 다양한 실시예의 수정 및 변형이 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않고 이루어질 수 있음이 본 발명이 속하는 당업자들에게 명백할 것이다. 따라서, 본 발명은 첨부된 청구항과 적용가능한 법률에 의해 요구되는 정도에만 제한될 수 있다.

Claims

원형인 대향하는 이격된 면을 가지고, 회전 중심축을 형성하는 디스크 형상의 부재;
상기 디스크 형상의 부재에 가해지는 토크에 따라 변하는 자기장을 산출하기 위한 자기탄성적 활성 영역을 형성하고, 상기 디스크 형상의 부재의 적어도 일부 상에, 또는 적어도 일부 내에 배치된 방사상으로 뻗어 있는 자기제한적 자기 조절 영역; 및
상기 자기 조절 영역과 근접하게 배치된 복수의 자계 센서;를 포함하고,
상기 자기탄성적 활성 영역은 상기 디스크 형상의 부재에 가해지는 토크가 0으로 감소한 때 상기 자기탄성적 활성 영역 내의 자화를 초기 상태로 복귀시키기 충분한 자기 이방성(magnetic anisotropy)을 가지고,
상기 자계 센서는 각각 상기 자기 조절 영역의 분극 방향에 수직인 감지 방향을 가지고,
상기 자계 센서는 제1 및 제2 자계 센서에 의해 감지된 일반 모드 잡음의 영향을 상쇄시키기 위해, 제1 자계 센서가 제1 방향을 향하는 감지 방향을 가지고, 제2의 대응하는 자계 센서가 상기 제1 방향과 반대인 제2 방향을 향하는 감지 방향을 가지도록 대칭적으로 배열되어 있고,
상기 자계 센서는 상기 디스크 형상의 부재에 가해지는 토크를 나타내는 출력 신호를 제공하고, 상기 출력 신호의 변화는 상기 디스크 형상의 부재에 가해지는 토크의 변화에 대하여 선형관계인 것을 특징으로 하는 자기 토크 감지기.
제 1 항에 있어서, 상기 자기 조절 영역은 환형 형상인 것을 특징으로 하는 자기 토크 감지기.
제 2 항에 있어서, 상기 자계 센서 중 적어도 일부에 자기 차폐를 제공하도록 구성된 제1 차폐 부재를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 자기 토크 감지기.
제 3 항에 있어서, 상기 자계 센서 중 적어도 일부에 자기 차폐를 제공하도록 구성된 제2 차폐 부재를 더 포함하고,
상기 자기 조절 영역은 상기 자기탄성적 활성 영역을 형성하는 내경 및 외경에 의해 경계지어지고,
상기 제1 차폐 부재는 상기 자기탄성적 활성 영역의 상기 내경과 동일한 반경을 가지고,
상기 제2 차폐 부재는 상기 자기탄성적 활성 영역의 상기 외경과 동일한 반경을 가지는 것을 특징으로 하는 자기 토크 감지기.
제 4 항에 있어서, 상기 제1 및 제2 차폐 부재는 뮤 메탈(mu-metal)로 형성된 것을 특징으로 하는 자기 토크 감지기.
제 4 항에 있어서, 보빈을 더 포함하고, 상기 제1 차폐 부재, 상기 제2 차폐 부재, 및 상기 자계 센서는 상기 보빈 상에 배치된 것을 특징으로 하는 자기 토크 감지기.
제 2 항에 있어서, 상기 자기 조절 영역은 초기에 원둘레 방향으로 분극되어 있고, 상기 자계 센서 각각의 감지 방향은 방사상의 방향으로 향하는 것을 특징으로 하는 자기 토크 감지기.
제 7 항에 있어서, 상기 자기 토크 감지기는 서로 각을 이루어 오프셋되어 있는 적어도 4개의 자계 센서를 포함하는 것을 특징으로 하는 자기 토크 감지기.
제 7 항에 있어서, 상기 자기 토크 감지기는 서로 각을 이루어 오프셋되어 있는 적어도 8개의 자계 센서를 포함하는 것을 특징으로 하는 자기 토크 감지기.
제 7 항에 있어서, 상기 복수의 자계 센서 중 적어도 하나는 플럭스 게이트 센서를 포함하는 것을 특징으로 하는 자기 토크 감지기.
제 7 항에 있어서, 상기 복수의 자계 센서 중 적어도 하나는 홀 효과 센서를 포함하는 것을 특징으로 하는 자기 토크 감지기.
제 7 항에 있어서, 상기 디스크 형상의 부재의 적어도 일부는 적어도 AISI 9310 재료로 만들어진 것을 특징으로 하는 자기 토크 감지기.
제 7 항에 있어서, 상기 디스크 형상의 부재는 15 Oe 초과의 보자력을 가진 재료로 형성되는 것을 특징으로 하는 자기 토크 감지기.
제 7 항에 있어서, 상기 디스크 형상의 부재는 20 Oe 초과의 보자력을 가진 재료로 형성되는 것을 특징으로 하는 자기 토크 감지기.
제 7 항에 있어서, 상기 디스크 형상의 부재는 35 Oe 초과의 보자력을 가진 재료로 형성되는 것을 특징으로 하는 자기 토크 감지기.
제 7 항에 있어서, 상기 디스크 형상의 부재는 구동판을 포함하는 것을 특징으로 하는 자기 토크 감지기.
제 7 항에 있어서, 토크 전달 부재를 더 포함하고, 상기 토크 전달 부재는 상기 토크 전달 부재에 가해지는 토크가 상기 토크 전달 부재와 상기 디스크 형상의 부재 사이에서 비례하게 전달되도록 하는 방식으로 상기 회전 중심축에서 상기 디스크형 부재의 일부분에 직접적으로 또는 간접적으로 부착되거나 또는 상기 디스크형 부재의 일부분을 형성하는 것을 특징으로 하는 자기 토크 감지기.
제 17 항에 있어서, 상기 토크 전달 부재는 클랭크 축을 포함하는 것을 특징으로 하는 자기 토크 감지기.
원형인 대향하는 이격된 면을 가지고, 회전 중심축을 형성하는 디스크 형상의 부재;
상기 디스크 형상의 부재에 가해지는 토크에 따라 변하는 자기장을 산출하기 위한 자기탄성적 활성 영역을 형성하고, 상기 디스크 형상의 부재의 적어도 일부 상에 배치된 또는 적어도 일부 내에 배치된 방사상으로 뻗어 있는 자기제한적 자기 조절 영역; 및
상기 자기 조절 영역과 근접하게 배치된 복수의 자계 센서;를 포함하고,
상기 자기탄성적 활성 영역은 상기 디스크 형상의 부재에 가해지는 토크가 0으로 감소될 때 상기 자기탄성적 활성 영역 내의 자화를 초기 상태로 복귀시키기 충분한 자기 이방성(magnetic anisotropy)을 가지고,
상기 자계 센서는 각각 상기 자기 조절 영역의 분극 방향에 수직이며 방사상의 방향을 향하는 감지 방향을 가지고,
상기 자계 센서는 상기 복수의 자계 센서에 의해 감지된 일반 모드 잡음의 영향을 상쇄시키기 위해 서로 균등하게 이격되어 있고,
상기 자계 센서는 상기 디스크 형상의 부재에 가해진 토크를 나타내는 출력 신호를 제공하고, 상기 출력 신호의 변화는 상기 디스크 형상의 부재에 가해진 토크의 변화에 대하여 선형관계인 것을 특징으로 하는 자기 토크 감지기.
제 19 항에 있어서, 상기 자기 조절 영역은 환형 형상인 것을 특징으로 하는 자기 토크 감지기.
제 20 항에 있어서, 상기 자계 센서 중 적어도 일부에 자기 차폐를 제공하도록 구성된 제1 차폐 부재를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 자기 토크 감지기.
제 21 항에 있어서, 상기 자계 센서 중 적어도 일부에 자기 차폐를 제공하도록 구성된 제2 차폐 부재를 더 포함하고,
상기 자기 조절 영역은 상기 자기탄성적 활성 영역을 형성하는 내경 및 외경에 의해 경계 지어지고,
상기 제1 차폐 부재는 상기 자기탄성적 활성 영역의 상기 내경과 대략 동일한 반경을 가지고,
상기 제2 차폐 부재는 상기 자기탄성적 활성 영역의 상기 외경과 대략 동일한 반경을 가지는 것을 특징으로 하는 자기 토크 감지기.
제 22 항에 있어서, 상기 제1 및 제2 차폐 부재는 뮤 메탈(mu-metal)로 형성되는 것을 특징으로 하는 자기 토크 감지기.
제 22 항에 있어서, 보빈을 더 포함하고, 상기 제1 차폐 부재, 상기 제2 차폐 부재, 및 상기 자계 센서는 상기 보빈 상에 배치된 것을 특징으로 하는 자기 토크 감지기.
제 20 항에 있어서, 상기 자기 조절 영역은 초기에 원둘레 방향으로 분극되어 있는 것을 특징으로 하는 자기 토크 감지기.
제 20 항에 있어서, 상기 자기 조절 영역은 초기에 축방향으로 분극되어 있는 것을 특징으로 하는 자기 토크 감지기.
제 20 항에 있어서, 상기 복수의 자계 센서 중 적어도 하나는 플럭스 게이트 센서를 포함하는 것을 특징으로 하는 자기 토크 감지기.
제 20 항에 있어서, 상기 복수의 자계 센서 중 적어도 하나는 홀 효과 센서를 포함하는 것을 특징으로 하는 자기 토크 감지기.
제 20 항에 있어서, 상기 디스크 형상의 부재의 적어도 일부분은 적어도 AISI 9310 재료로 만들어진 것을 특징으로 하는 자기 토크 감지기.
제 20 항에 있어서, 상기 디스크 형상의 부재는 15 Oe 초과의 보자력을 가진 재료로 형성된 것을 특징으로 하는 자기 토크 감지기.
제 20 항에 있어서, 상기 디스크 형상의 부재는 20 Oe 초과의 보자력을 가진 재료로 형성된 것을 특징으로 하는 자기 토크 감지기.
제 20 항에 있어서, 상기 디스크 형상의 부재는 35 Oe 초과의 보자력을 가진 재료로 형성된 것을 특징으로 하는 자기 토크 감지기.
제 20 항에 있어서, 상기 디스크 형상의 부재는 구동판을 포함하는 것을 특징으로 하는 자기 토크 감지기.
제 20 항에 있어서, 토크 전달 부재를 더 포함하고, 상기 토크 전달 부재는 상기 토크 전달 부재에 가해지는 토크가 상기 토크 전달 부재와 상기 디스크 형상의 부재 사이에서 비례하게 전달되도록 하는 방식으로 상기 회전 중심축에서 상기 디스크형 부재의 일부분에 직접적으로 또는 간접적으로 부착되거나 또는 상기 디스크형 부재의 일부분을 형성하는 것을 특징으로 하는 자기 토크 감지기.
제 34 항에 있어서, 상기 토크 전달 부재는 클랭크 축을 포함하는 것을 특징으로 하는 자기 토크 감지기.