KR102035660B1 - 힘 및/또는 부하를 측정하기 위한 측정 기구를 구비한 장치 - Google Patents

힘 및/또는 부하를 측정하기 위한 측정 기구를 구비한 장치 Download PDF

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젯트에프 프리드리히스하펜 아게
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Abstract

본 발명은 힘을 측정하기 위한 측정 기구(1a) 및 하나 이상의 금속 자성 부분 영역(1b)을 포함하는, 장치의 부품(1)에 관한 것으로서, 상기 측정 기구(1a)는 교류 전자기장을 발생시키기 위한 하나 이상의 자기장 발생 수단(3; 3a, 3b) 및 발생한 자기장의 변동을 검출하기 위한 하나 이상의 검출 수단(5; 5a, 5b)을 포함하며, 상기 자기장 발생 수단(3; 3a, 3b) 및 검출 수단(5; 5a, 5b)은 측정 기구(1a)를 이용해서 검출 수단(5; 5a, 5b)의 측정 신호에 따라 상기 부품(1)에 작용하는 힘 및/또는 상기 부품(1)의 변형이 검출될 수 있도록 상기 부품(1)의 금속 자성 부분 영역(1b)에 배치되어 상기 부분 영역과 상호 작용하도록 형성되는 것을 특징으로 한다.

Description

힘 및/또는 부하를 측정하기 위한 측정 기구를 구비한 장치{DEVICE HAVING A MEASURING APPARATUS FOR MEASURING FORCES AND/OR LOADS}
본 발명은 힘을 측정하기 위한 측정 기구 및 하나 이상의 금속 자성 부분 영역을 구비하는, 특허 청구항 제1항의 전제부에 따른 장치의 부품, 예를 들어 차량(자동차)의 섀시 프레임 부품 또는 풍력 설비의 회전자 부품에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 특허 청구항 제13항의 전제부에 따른 자동차용 운전자 지원 시스템 그리고 특허 청구항 제14항의 전제부에 따른 장치 진단 시스템, 바람직하게는 차량 진단 시스템에 관한 것이다.
제조자들은 일반적으로 간단하게 그리고 그와 동시에 경제적으로 제조될 수 있으며 가급적 수명이 긴 구성 부재를 이용하고자 한다. 이를 위해, 구성 부재에서 발생하는, 힘 또는 토크 형태의 부하 및 그로 인해 야기되는 변형을 검출하고, 상기 측정된 부하 혹은 그에 상응하는 측정 신호를 후처리하며, 그리고/또는 진단의 목적으로 이용할 수 있는 측정 컨셉이 (계속해서) 개발되고 있다.
독일 공개 특허 출원 DE 10 2008 001 006 A1호로부터 공지되어 있는, 복수의 휠 서스펜션 부재를 포함하는 차량 휠 서스펜션에서는, 휠 서스펜션의 하나 이상의 부재 내에서 발생하는 변형이 특수한 측정 장치에 의해서 검출된다. 이를 위해서는 변형을 측정하고자 하는 구성 부재에 대한 특별한 사전 처리가 필요하다. 이와 같은 사전 처리는 예를 들어 소위 자기 부호화(magnetic encoding)의 유형에 따라 국부적으로 상이한 특징을 갖는 영구적 자화부를 제공함으로써 이루어진다.
전술된 선행 기술에서의 단점은, 특별히 상기 용례에 적합하며 사전 처리된 제작 재료가 사용되어야만 한다는 것이며, 이러한 재료는 측정할 구성 부재 자체이거나 추가 재료로서 구성 부재에 통합된다. 제작 재료의 특수한 자기 부호화는 경비가 매우 많이 소요되며, 제작 재료의 성질과 관련하여 임의의 제작 재료에서는 측정 방법의 사용을 불가능하게 한다. 게다가 자기 부호화의 또 다른 어려움 중 하나는, 장시간 사용에 대한 안정성을 보장하기가 어렵거나 전혀 불가능하다는 점이다. 또 다른 한 단점은, 정자기장(static magnetic field)의 검출 및 평가 과정이 주변의 간섭장에 대하여 민감하고, 그 역의 경우도 마찬가지이므로, 자동차 분야에서는 제조자가 정자기장을 피하기 위한 예방 조치를 취해야 한다는 것이다.
예를 들어 섀시 프레임과 같은 특수한 적용례에서는, 상응하는 부품을 제조하기 위해 제조 공정을 변경하지 않거나 적어도 적은 비용으로 유지할 수 있도록, 거의 모든 제작 재료를 사용할 수 있는 것이 바람직하다.
본 발명의 과제는, 전술된 선행 기술의 단점들을 극복하고, 사용되는 측정 기구와 관련하여 부품들의 간단하고 경제적인 구성을 가능케 하는, 서문에 언급된 유형의 장치의 부품을 제공하는 것이다.
상기 과제는 힘을 측정하기 위한 기구 및 하나 이상의 금속 자성 부분 영역을 구비한, 청구항 1에 따른 장치의 부품에 의해서 해결된다. 본 발명에 따른 부품은 청구항 13에 따른 차량 운전자 지원 시스템의 구성 부품이고, 청구항 14에 따른 장치, 특히 차량용 진단 시스템의 구성 부품이다. 본 발명에 따른 장치 부품의 바람직한 개선예들은 종속 청구항 2 내지 12에 기술되어 있다. 이로써, 상기 종속 청구항들의 텍스트는 텍스트 반복을 피하기 위하여 명시적인 인용에 의해서 본 명세서에 포함된다.
힘을 측정하기 위한 측정 기구 및 하나 이상의 금속 자성 부분 영역을 구비한 본 발명에 따른 장치의 부품은, 상기 측정 기구가 교류 전자기장(alternating electromagnetic field)을 발생시키기 위한 하나 이상의 자기장 발생 수단 및 발생한 자기장의 변동을 검출하기 위한 하나 이상의 검출 수단을 포함하며, 상기 자기장 발생 수단 및 검출 수단은 상기 측정 기구를 이용해서 검출 수단의 측정 신호에 따라 상기 부품에 작용하는 힘 및/또는 상기 부품의 변형이 검출될 수 있도록 상기 부품의 금속 자성 부분 영역에 배치되어 상기 부분 영역과 상호 작용하도록 형성된 것을 특징으로 한다.
부품의 힘 및/또는 변형을 검출하기 위한 물리적인 방법 및 그에 상응하는 센서는 독일 슈타른베르크에 소재하는 폴리리서치 아게(Polyresearch AG) 사(社)에 의해 개발되어 특허 출원되었다. 이 방법은 전술된 단점들을 방지하는데, 그 이유는 제작 재료의 영구적인 자기 부호화가 불필요하며, 이러한 방식으로 인해, 측정 범위 내에서 교류 전자기장이 인가되거나 발생하는 부품의 제조를 위해서 거의 대부분의 금속성 제작 재료를 사용하는 것이 가능하기 때문이다. 그 결과, 단지 적어도 단시간에 자화될 수만 있다면 어떤 금속성 제작 재료도 사용될 수 있다. 검출 수단은 자기장 발생 수단에 의해서 발생하는 교류 전자기장의 변동을 검출할 목적으로 이용되며, 상기 변동은 부품의 기계적인 부하 및 변형에 의해서 야기된다. 이와 같은 교류 전자기장은 이 교류 전자기장이 주변의 간섭 자계에 대하여 둔감하게 반응하고, 상기 장치의 추가 전자 장치와의 유해한 상호 작용을 전혀 야기하지 않는다는 장점을 제공한다. 측정 기구(센서)의 바람직한 구조적 형상 및 측정 방법은 전 범위에 걸쳐 인용되고 있는 본 출원서의 부록에 상세하게 기재되어 있다. 그에 상응하는 텍스트는 동일한 우선권을 주장하는 폴리리서치 악치엔게젤샤프트의 유사 특허 출원서를 토대로 하고 있다.
본 발명의 한 바람직한 실시예에 따르면, 장치로서 풍력 설비가 사용된다. 이와 관련하여 부품은 풍력 설비의 작동중에 가동되고 그리고/또는 부하를 받는 풍력 설비의 임의의 요소, 예를 들어 로터 블레이드, 로터 샤프트, 기어 요소 등일 수 있으나, 본 발명은 이러한 풍력 설비의 예로 언급된 부재들에 한정되지 않는다.
본 발명에 따른 부품의 매우 바람직한 한 실시예는, 장치가 차량의 섀시 프레임이라는 것과, 그에 상응하게 부품은 섀시 프레임의 부품으로서 형성된 것을 특징으로 한다. 특히 상기 부품은 제한 없이 다음과 같은 섀시 프레임 부품들 중 하나로 형성될 수 있다:
댐퍼 요소, 바람직하게는 댐퍼 요소의 피스톤 로드;
컨트롤 암, 바람직하게는 서스펜션 암, 2점 컨트롤 암, 다중점 컨트롤 암;
크로스 멤버;
스위블 써포트(swivel support);
스태빌라이저, 바람직하게는 롤링 스태빌라이저;
스티어링 요소, 바람직하게는 스티어링 로드, 스티어링 칼럼 또는 트랙 컨트롤 암.
특별히 섀시 프레임 분야에서는, 예를 들어 구성 부재를 고장 전에 적시에 교체하기 위하여 또는 섀시 프레임의 능동적 영향과 관련하여 현재의 주행 거동(driving behavior)을 인지하기 위하여 상응하는 부품에서 작용하는 힘 혹은 변형에 대한 정보가 요구될 수 있다. 예를 들어 스태빌라이저와 섀시 프레임 사이에서 힘을 가이드 하는 연결 요소로서 기능을 하는 스위블 써포트 형태의 섀시 프레임 부품에서는, 결정된 인장력 혹은 압축력 또는 발생하는 만곡 하중(bending load)도 주행 거동에 영향을 미치기 위한 섀시 프레임 상태로 자동으로 변환되는 기계전자 안정화 시스템(mechatronic stabilizing system)을 위한 측정 변수로서 이용될 수 있다.
이하에서는 단지 섀시 프레임 요소에 대해서만 언급된다 하더라도, 본 발명의 범주 내에 포함되는 이하의 실시예들은 앞에서 이미 언급된 풍력 설비에도 아무런 문제없이 연장 적용될 수 있다. 회전 샤프트의 경우에는 아래에서 인용되는 코일 어셈블리 혹은 센서 어셈블리를 보완하기 위해 추가의 측정 수단이 필요한데, 이 추가의 측정 수단은 회전하는 동안에 샤프트에 대한 간격을 측정함으로써 결과적으로 상기 간격이 검출될 수 있고 계산에 의해 산출될 수 있다.
본 발명에 따른 섀시 프레임 부품의 한 바람직한 실시예는, 자기장 발생 수단 및/또는 검출 수단이 코일로서 형성되거나 하나 이상의 코일을 포함하는 것을 제안하고 있다. 본 실시예에서 자기장 발생 수단의 코일은 여자 코일이라 명명되고, 검출 수단의 코일은 측정 코일이라 명명된다. 여자 코일은 교번 자장을 섀시 프레임 부품 내부로 유도하며, 상기 교번 자장은 측정 시간 동안에 상기 부품의 재료에 의해서 픽업되어 영향을 받는다. 섀시 프레임 부품에서 작용하는 인장력 혹은 압축력에 의해 발생하는 변형 및/또는 연장/압축의 경우에는 교류 전자기장이 변동된다. 이와 같은 변동은 측정 코일에 의해서 검출되고, 상기 측정 코일의 측정 신호는 적합한 방식에 의해 전자식으로 추후 평가될 수 있다. 자기장 발생 수단 및 검출 수단을 코일로서 형성하는 것은 간단하고도 경제적이며 다양한 치수로 얻을 수 있는 요소들의 사용을 가능케 한다. 여자 코일은 소위 코일 코어(철심)의 형태로 형성된 자기장 집속기(field concentrator)와 상호 작용할 수 있다. 이 자기장 집속기의 바람직한 형상에 대해서는 부록에서 상세하게 언급될 것이다.
바람직하게 자기장 발생 수단 및 검출 수단은 하나의 하우징 내에 고정 배치되며, 상기 하우징은 재차 섀시 프레임 부품에 고정 배치된다. 바람직하게 자기장 발생 수단 및 검출 수단은 경화된 실링 재료(예컨대 플라스틱 실링)에 의해서 하우징 내에 고정 배치된다. 이와 같은 형상은 자기장 발생 수단 및 검출 수단이 서로에 대하여 혹은 섀시 프레임 부품에 대하여 상대 이동을 하지 않도록 하며, 그렇지 않은 경우 이와 같은 상대 이동은 측정 혹은 측정치의 평가에 부정적인 영향을 미칠 수 있다. 이와 같은 배열의 장점은, 전술된 요소들이 서로에 대한 상대 이동 시 이와 같은 이동에 의해서 영향을 받은 측정 신호를 보정하기 위해 필요한 추가의 수단이 사용될 필요가 없음으로써 결과적으로 전체적인 구조가 경제적으로 설계상 간단하게 구현될 수 있다는 점이다.
본 발명에 따른 섀시 프레임 부품의 한 바람직한 실시예는 이 섀시 프레임 부품이 하우징을 위한 고정 구조물을 구비하는 것을 제안하고 있다. 이 고정 구조물은 바람직하게 섀시 프레임 부품과 일체형으로 형성되는데, 바람직하게는 섀시 프레임 부품의 국부적인 변형에 의해서 일체로 형성된다. 이때 섀시 프레임 부품의 국부적인 변형은 예를 들어 핀칭(pinching) 공정에 의해 돌출하는 견부가 섀시 프레임 부품에 일체로 형성되는 방식으로 이루어질 수 있거나, 또는 섀시 프레임 부품에 홈 또는 그루브가 형성되고, 이 홈 또는 그루브에 예를 들어 클립에 의해 하우징이 고정되는 방식으로 이루어질 수 있으며, 이러한 두 가지 경우의 목적을 위해 하우징은 바람직하게 상응하는 상보적인 형상을 갖는다. 섀시 프레임 부품과 고정 구조물의 일체형 형성에 의해서는, 섀시 프레임 혹은 하우징에 대하여 특별하게 설치되고 상보적으로 형성되어야만 하며 비용 및 조립 복잡성을 높일 수 있는 추가 고정 부재가 생략될 수 있다. 또한, 하우징을 (접착에 의한) 강제 결합방식 또는 재료 결합방식으로 섀시 프레임 부품에 고정하는 것도 본 발명의 범주에 포함된다. 하우징은 복수의 부재로 구성될 수 있으며, 이 경우에는 개별 부재들도 마찬가지로 (예를 들어 접착, 용접, 캐칭, 클립핑, 나사 결합등에 의한) 형상 결합방식, 강제 결합방식 또는 재료 결합방식으로 결합될 수 있다.
바람직하게 자기장 발생 수단 및/또는 검출 수단은 부록에 상세하게 기술된 바와 같이 섀시 프레임 부품으로부터 이격되어 배치된다. 이와 같은 구조적인 형상은 자기장 발생 수단 혹은 검출 수단이 섀시 프레임 부품에 접촉하지 않고 배열될 수 있게 한다. 그로 인해, 모니터링 할 구성 부재의 표면에 직접 배치되어야만 함으로써 주변에 있는 유해 영향들, 예를 들어 부식에 대한 저항력이 매우 약해진 이전에 사용된 스트레인 게이지(strain gauge)의 내재적 단점들이 확실하게 예방될 수 있다.
본 발명에 따른 섀시 프레임 부품의 일 개선예는, 섀시 프레임 부품이 하나 이상의 용접 시임을 가지며, 자기장 발생 수단 및/또는 검출 수단이 섀시 프레임 부품에서 상기 용접 시임으로부터 약 30mm 내지 약 40mm 떨어져서, 바람직하게는 약 34mm 내지 약 36mm 떨어져서, 가장 바람직하게는 약 35mm 떨어져서 배치되는 것을 특징으로 한다. 출원인의 연구에 따르면, 35mm의 이상적인 간격에서 특히 아무런 방해가 없는 측정이 가능하다는 결과가 나타났다. 섀시 프레임 부품의 용접 시임과 자기장 발생 수단/검출 수단의 간격이 훨씬 더 작은 경우에는, -용접 공정에 의해- 제작 재료의 조직이 변함으로써 허위 측정 신호 혹은 정상 경우에서 벗어나는 측정 신호가 발생할 위험이 존재한다. 상기 용접 시임은 섀시 프레임 부품을 제조할 때에 재료 결합방식의 결합을 위해서 이용된다. 따라서, 예컨대 볼 조인트는 용접 시임에 의해서 컨트롤 암의 단부 영역에 결합될 수 있다. 용접 과정에 의해서는, 섀시 프레임 부품을 제조할 때에 상호 결합될 구성 부재들 내부로 열 도입이 이루어진다. 그럼으로써, 결합구조물은 측정이 전혀 불가능하거나 단지 불리한 방식으로만 가능하도록 변경된다.
대안적으로, 볼 조인트는 부분적으로, 예컨대 그 하우징이 플라스틱으로 형성될 수도 있다. 이 경우, 볼 조인트와 컨트롤 암의 단부 영역의 결합은 접착에 의해 구현된다. 그러나 하우징은 컨트롤 암의 단부 영역에 직접 사출성형될 수도 있다. 이때 결합은 사출 성형 공정에 의해 이루어진다. 이 경우에는 접착 또는 용접에 의한 재료 결합방식의 결합은 전혀 불필요하다.
본 발명에 따른 섀시 프레임 부품의 또 다른 한 개선예에서는, 자기장 발생 수단 및/또는 검출 수단이 섀시 프레임 부품의 중립 섬유(neutral fiber) 영역에 배치된다. 또한, 본 개선예는 검출 수단 및 자기장 발생 수단이 실제로 하나의 평면에 배치될 수 있고, 이 평면은 또한 상기 섀시 프레임 부품의 중립 섬유가 배치되는 평면인 것을 특징으로 할 수 있다. 출원인의 연구 결과가 보여주듯이, 상기와 같은 방식으로는 특히 섀시 프레임 부품의 부하를 결정하거나 모니터링하기에 적합한 측정 결과들이 얻어진다. 섀시 프레임 부품의 "중립 섬유"라는 용어는, 구성 부재 영역 내에서 중립 섬유 외 영역의 경우에서처럼 구성 부재의 주(主) 휨 방향을 기준으로 실질적으로 연장 또는 수축이 일어나지 않는 섬유 혹은 평면으로 이해될 수 있다.
바람직하게 측정 기구는 2개 이상의 자기장 발생 수단 및 2개 이상의 검출 수단, 바람직하게는 정확히 2개의 자기장 발생 수단 및 정확히 2개의 검출 수단을 포함하며, 이 경우 가장 바람직하게는 2개의 자기장 발생 수단 및 2개의 검출 수단이 각각 섀시 프레임 부품의 마주 놓인 측에 배치된다. 이와 같은 배열은 인장력 및 압축력에 대한 검출을 가능하게 한다.
본 발명에 따른 섀시 프레임 부품의 또 다른 한 바람직한 실시예는, 자기장 발생 수단과 검출 수단의 상대 배열이 섀시 프레임 부품의 양측에서 동일한 것을 특징으로 한다. 이것이 의미하는 바는, 측정 기구의 구성 부품들이 모니터링된 부품들의 가상의 중심 평면을 기준으로 전체적으로 대칭으로 배열된다는 것이다. 이와 같은 자기장 발생 수단 혹은 검출 수단의 대칭적인 배열에 의해서는 특히 우수한 측정 결과들이 얻어질 수 있으며, 이와 같은 측정 결과들에 대해서는 부록에서 더 상세하게 설명될 것이다.
본 발명에 따른 섀시 프레임 부품을 포함하는 본 발명에 따른 차량 운전자 지원 시스템은 바람직하게 다음과 같은 시스템의 형태로 형성된다:
- ESP(전자 안정화 프로그램; ESC라고도 불림)
- ABS(Antilock break system)
- 트랙 지원 시스템,
- 특히 능동적으로 제어할 수 있는 섀시 프레임 스태빌라이저, 바람직하게는 전기식, 압축 공기식 또는 유압식 액추에이터를 포함하는, 가장 바람직하게는 차량의 롤링을 안정화하기 위한 섀시 프레임 안정화 시스템.
검출 수단의 측정 신호는 본 발명에 따른 섀시 프레임 지원 시스템 내에서 개회로 제어 또는 폐회로 제어를 위해 전자식으로 계속 처리된다. 이는 스태빌라이저를 예로 들어 설명할 수 있다. 즉, 선행 기술에서 잘 알려진 기계식 스프링 바(spring bar) 혹은 유압식 액추에이터는 특히 지속적인 고압 거동을 방지하기 위하여 전기식 액추에이터로 대체된다. 검출 수단의 측정 신호는 액추에이터로 전달되고, 이 액추에이터는 예를 들어 사전에 결정된 한계값을 초과하는 차량 경사 상태에서 차량 자세의 안정화를 위하여(롤링 안정화) 차량의 섀시 프레임 제어부에 능동적으로 결합된다.
이러한 방식으로, 예를 들어 과부하 시 로터를 중지시키기 위하여 풍력 설비를 작동 중 모니터링하는 점도 가능하다.
본 발명에 따른 장치 진단 시스템, 특히 차량 진단 시스템은 본 발명에 따른 부품(섀시 프레임 부품)을 포함하며, 이 경우 상기 진단 시스템은 측정 기구에 의해 얻어진 부품의 부하 데이터를 추후 유지보수 또는 진단을 위해 판독 출력할 목적으로 저장하도록, 바람직하게는 전자식으로 저장하도록 형성된다. 이러한 진단 시스템에 본 발명에 따른 섀시 프레임 부품을 사용하는 경우, 예를 들어 상응하는 에러 메모리에 저장되는 부하 한계값이 검출될 수 있다. 정비소 방문 시 차량의 에러 메모리가 판독 출력될 수 있음으로써, 예를 들어 -비록 가시적인 결함이 전혀 존재하지 않을 수도 있겠지만- 어느 구성 부재가 과부하로 인해 교체되어야 하는지를 합목적적으로 확인할 수 있다. 이와 같은 내용은 풍력 설비의 유지보수를 위해서도 유사하게 적용된다.
본 발명의 추가의 장점 및 특성은 실시예들을 참조하여 이하에서 상세하게 설명된다.
도 1은 측정 기구 및 이 측정 기구를 포함하는 하우징을 구비한 본 발명에 따른 섀시 프레임 부품의 사시도이다.
도 2는 하우징이 없는 상태에서 도 1에 도시된 본 발명에 따른 섀시 프레임 부품을 보여주는 개략도이다.
도 3은 도 2에 도시된 측정 기구를 구비한 본 발명에 따른 섀시 프레임 부품의 평면도이다.
도 4는 도 3의 선 A-A를 따라 절단하여 도시한 단면도이다.
도 5는 측정 기구 및 하우징을 구비한 본 발명에 따른 섀시 프레임 부품의 분해도이다.
도 6은 도 5에 도시된 분해도를 약간 회전시킨 모습을 도시한 도면이다.
도 7은 도 5 및 도 6에 도시된 대상물의 조립된 상태를 도시한 도면이다.
도 1은 본 발명에 따른 섀시 프레임 부품(1)을 보여주고 있으며, 이 섀시 프레임 부품은 크로스 멤버(1c)의 형태로, 예컨대 스위블 써포트의 형태로 형성되었고, 자체 단부에 볼 베어링(1d, 1e) 혹은 상응하는 베어링 슬리브를 구비한다. 도면 부호 (1f)에서는 크로스 멤버(1c)가 용접 시임을 통해 볼 베어링(1d, 1e)과 재료 결합방식으로 결합되며, 이와 같은 결합 상황을 도면에서는 명확하게 알 수 없다. 섀시 프레임 부품(1)에는 바람직하게 플라스틱으로 형성된 하우징(2)이 배치되어 있다. 하우징(2) 내에는 도 1에서 볼 수 없고 본 출원서의 도입부 및 부록에 기술된 형태의 측정 기구가 배치되어 있으며, 이 측정 기구는 이하에서 추가 도면을 참조하여 더 상세하게 기술될 것이다. 하우징(2)은 측정 기구의 구성 부품을 지지하고, 이 구성 부품을 크로스 멤버(1c) 혹은 부품(1)에 대하여 고정한다. 케이블(4)은 결정된 측정 신호를 전송하기 위하여 하우징(2)으로부터 뻗어나간다. 케이블 단자의 목적지는 예를 들어 스태빌라이저의 제어 기구 또는 차량의 전자식 에러 메모리일 수 있다. 그밖에, 케이블(4)은 측정 기구에 전기 에너지를 공급하기 위한 그리고 측정 기구를 트리거링 하기 위한 라인을 구비한다.
하우징(2) 내에는 여러 번 언급된 측정 기구의 자기장 발생 수단 혹은 검출 수단(도시되지 않음)이 배치되어 있다. 상기 수단들의 배열은 이하의 도면들을 참조하여 설명될 것이다.
도 2는 도 1에 도시된 섀시 프레임 부품(1)을 보여주고 있지만, 하우징(2)이 없기 때문에 결과적으로 도 2에서 도면 부호 (1a)로 표기된 측정 기구를 볼 수 있다. 측정 기구(1a)는 자기장 발생 수단(3)을 포함하는데, 더 정확하게 말하자면: 제1 자기장 발생 수단(3a) 및 제2 자기장 발생 수단(3b), 검출 수단(5)(복수의 검출 수단 중에 단 하나의 검출 수단만 볼 수 있음) 및 측정 기구(1a)에 의해서 제공되는 측정 신호를 추가 처리하기 위한 전자 수단(7)을 포함한다. 상기 전자 수단(7)에는 앞에서 이미 언급된 케이블(4)이 연결되어 있다. 케이블(4)은 측정 신호 혹은 평가 신호를 전송하기 위해서뿐만 아니라 특히 고유한 센서(도면 부호 (3 및 5)) 및 관련 전자 장치(7)를 포함한 전체 측정 기구(1a)에 에너지를 공급하기 위해서도 이용된다.
자기장 발생 수단 및 검출 수단(3, 5)은 부품(1) 혹은 크로스 멤버(1c)의 자화 가능한 금속성 부분 영역(1b)에 있다. 하지만, 전체 크로스 멤버(1c)를 전술된 자화 가능한 금속성 재료 내에서 형성하는 것도 본 발명의 틀 안에 있다. 이 경우 부분 영역(1b)은 전체 크로스 멤버(1c)를 포함한다.
도 3은 도 2에 도시된 섀시 프레임 부품(1)의 평면도를 보여주고 있다. 2개의 자기장 발생 수단(3a, 3b) 및 (도면에서 볼 수 없는) 검출 수단은 크로스 멤버(1c)의 (우측) 단부를 기준으로 동일한 높이로 그리고 상기 크로스 멤버(1c)에 대하여 동일한 간격으로 상기 섀시 프레임 부품(1)에 배치되어 있다. 그럼으로써, 섀시 프레임 부품(1) 혹은 크로스 멤버(1c)의 중심 평면(M)을 기준으로 측정 기구(1a)의 대칭적인 형상이 나타나게 된다.
도 3에 따르면, 측정 기구(1a)는 볼 조인트(1e) 혹은 관련 베어링 슬리브의 영역에서 용접 시임(1f)으로부터 간격(x)을 두고 있다. 이 간격(x)은 특별히 용접 시임(1f)으로부터 검출 코일(예컨대 도 4 참조)의 중심점까지의 거리를 지시한다. x = 35mm ± 1mm의 값은 실제로 특히 유리한 것으로 입증되었다.
도 4는 본 발명에 따른 섀시 프레임 부품(1)을 도 3의 선 A-A를 따라 절단하여 도시한 단면도를 보여주고 있다. 크로스 멤버(1c)는 전체적으로 부분 링 형태인 2개의 자기장 발생 수단(3a, 3b)에 의해서 - 적어도 부분적으로 - 둘러싸여 있다. 각각의 부분 링 형태의 요소(3aa, 3ba)는 공지된 코일 코어의 형태로 작용을 하는 자기장 집속기이며, 이에 대해서는 부록에서 더 상세하게 논의될 것이다. 상기 자기장 집속기(3aa, 3ba) 둘레에 각각 배치된 고유의 자기장 발생 코일 및 여자 코일은 도면에 대한 개관을 명확히 할 목적으로 도 4에 도시되어 있지 않다. 자기장 발생 수단(3a, 3b)과 크로스 멤버(1c) 사이에는 2개의 검출 수단(5a, 5b)이 배치되어 있으며, 이 경우 하나의 검출 수단(측정 코일)(5a)은 제1 자기장 발생 수단(3a)의 측에 그리고 다른 검출 수단(측정 코일)(5b)은 제2 자기장 발생 수단(3b)의 측에 배치되어 있다. 또한, 도 4에는 명세서 도입부에 규정된 섀시 프레임 부품의 중립 섬유가 도면 부호 (NF)로 상징적으로 표기되어 있다. 본 실시예에서는, 크로스 멤버 내에서 이중 화살표(BR)에 따라 만곡 하중이 가해질 때 상기 중립 섬유(NF)의 상부 및 하부(도 4의 우측 및 좌측)에서의 경우와 같이 실질적으로 연장되거나 압축되지 않는 크로스 멤버의 가상 평면이 다루어지고 있다.
자기장 발생 수단 혹은 검출 수단(3a, 3b; 5a, 5b)은 크로스 멤버(1c)의 양측에 동일한 형태로 배치되어 있으며, 이 경우 개별 수단의 (가상의) 중심은 하나의 선상에 놓여 있다. 그럼으로써, 앞에서 이미 언급된 측정 기구(1a)의 대칭 형상이 나타나게 된다.
특히 도 4에서 더 잘 볼 수 있는 측정 기구(1a)의 구성 부재와 전자 장치(7) 간의 전기 접속부는 도면에 대한 개관의 이유에서 명확하게 지시되어 있지 않다.
자기장 발생 수단 혹은 검출 수단(3, 5)은 도 4에 따라 크로스 멤버(1c)의 주 휨 방향에 대하여 90°만큼 변위 배치되어 있으며, 상기 주 휨 방향은 화살표(BR)에 의해서 예로 표시되어 있다. 출원인의 연구에 따르면, 측정 기구(1a)의 상기와 같은 배열은 특히 바람직한 측정 결과를 산출한다.
도 5는 하우징(2)을 구비하는 본 발명에 따른 섀시 프레임 부품(1)의 분해도를 보여주고 있으며, 상기 하우징(2)은 상부 하우징 반부(2a) 및 하부 하우징 반부(2b)으로 형성되었다. 이 하우징 반부(2a, 2b)을 크로스 멤버(1c) 둘레로 바람직하게는 나사 또는 스터드 볼트 형태의 고정 수단(6b)을 이용해서 상기 전체 하우징(2)에 연결할 수 있기 위하여, 상기 하우징 반부(2a, 2b)에는 대응하는 관통구(6a)가 제공되어 있다. 하우징 내부는 (플라스틱-)실링 재료(2c)로 채워져 있으며, 상기 실링 재료는 전자 장치를 포함한 측정 기구의 구성 부재를 보호하기 위해 둘러싸고 있고, 상기 구성 부재의 상대적인 위치 설정을 보증해준다.
도 6은 도 5에 도시된 본 발명에 따른 섀시 프레임 부품(1)을 약간 회전시킨 도면을 보여주고 있다. 보충해서 언급할 내용은, 고정 수단(6b)을 완전히 매립하기 위하여 하부 하우징 반부(2b)이 섹션에 따라 상부 하우징 반부(2a)보다 큰 리세스를 구비한다는 것이다. 섀시 프레임 부품(1) 혹은 크로스 멤버(1c)에는 또한 하우징(2)을 배열하기 위하여 홈 형태의 양면 고정 구조물(6c)이 제공되어 있다. 그에 상응하게 하우징(2)은 그의 상부 반부(2a) 및 하부 반부(2b)에 돌출부(2d)를 가지며, 이 돌출부는 하우징(2) 및 그와 더불어 측정 기구를 크로스 멤버(1c)에서 의도한 (측정-)위치에 고정할 수 있기 위하여 상기 커넥팅 브레이드(1c)에 있는 홈(6c)에 대해 상보적으로 형성된다.
도 7은 도 5 및 도 6에 도시된 2개 분해도의 요소들을 조립된 상태에서 보여주고 있으며, 이 경우 고정 수단(6b)은 리세스(6a) 내부에 매립되어 있다.
부록: 측정 기구 및 관련 측정 방법의 상세한 설명
이하에서는 바람직하게 측정 기구(센서)의 바람직한 구조적인 형상 및 측정 방법의 실시예가 기술된다. 본 설명은 동일한 우선권을 주장하는 폴리리서치 악치엔게젤샤프트의 유사 특허 출원을 토대로 하고 있다.
측정 기구는 이하에서 일반성의 제한 없이 센서 또는 휨 센서로서 명명된다. 또한, 자기장 발생 수단도 일반성의 제한 없이 인덕터, 자기장 제너레이터 코일 또는 1차 코일로서 명명되고, 검출 수단은 자기 센서 요소로서 명명된다.
모든 도면에서 동일한 부호는 동일하거나 동일한 작용을 하는 요소를 지시한다.
액티브 휨 센서
휨력(bending force)을 측정하기 위하여, 산업 현장에서 그리고 개발 및 연구소에서는 대부분의 경우에 팽창 측정 센서가 사용되고 있다. 적절한 휨 센서 측정 출력을 제공해줄 수 있고 상기 센서가 사용되어야 하는 주변 조건에 적합한 단지 소수의 대안적 센서 해결책만이 이용될 수 있다. 하지만, 일반적으로 이와 같은 해결책은 (자동차 산업, 공업 분야 및 소비재 분야에서 통상적인) 대량 생산을 위해서는 지나치게 많은 비용 소비를 야기한다.
(예컨대 기어 샤프트와 같은) 피검체가 사용 시 회전하는 적용례를 위해서는 경제적인 휨 센서 해결책이 사용될 수 없다. 이러한 적용 분야를 위해서는 저가의 비접촉 측정 기술이 필요하다. 다음의 설명은 자기 원리에 따라 동작하는 기계식 파워 센서의 구조에 관한 것으로, 이 기계식 파워 센서는 예컨대 기어 샤프트, 스크루 드라이버 샤프트, 토크 키(torque key) 및 드릴링 머신 샤프트와 같은 강자성 물체에서 발생하는 기계적인 힘을 검출하여 정량화할 수 있다.
상기 "액티브" 센서 해결책의 독특한 특징들은 다음과 같다:
Figure 112014057921519-pct00001
순수 비접촉 센서 원리
Figure 112014057921519-pct00002
자기 원리에 의한 동작
Figure 112014057921519-pct00003
피검체 내에 이미 존재하는/저장된 자기장에 대하여 둔감함
Figure 112014057921519-pct00004
피검체는 어떤 방식으로도 예비 처리될 필요가 없다("액티브" 휨 센서 모듈은 피검체에 고정되고, 추가의 예비 조치 없이 즉각적으로 기능을 한다).
Figure 112014057921519-pct00005
센서 출력은 시간에 걸쳐서 저하될 수 없는데, 그 이유는 액티브 센서 원리가 이용되기 때문이다.
Figure 112014057921519-pct00006
[차동 모드Ⅰ에서 측정할 때에는] 토크에 대하여 둔감함.
Figure 112014057921519-pct00007
단 하나의 축의 휨력에 대해서만 민감함[X-축-휨력과 Y-축-휨력 간에 누화(crosstalk)가 전혀 없음]
Figure 112014057921519-pct00008
정지해 있거나 임의의 회전수로 회전하는 피검체에서 기능을 한다.
Figure 112014057921519-pct00009
빛, 먼지, 모든 종류의 기계적인 충격, 물, 습기, 오일 등에 대하여 둔감함
Figure 112014057921519-pct00010
피검체-재료가 자석을 끌어당기는 한, 모든 임의의 금속성 피검체-재료에서 기능을 함
Figure 112014057921519-pct00011
피검체와 센서 모듈 사이에서 변경되는 공기 갭/간격을 허용할 수 있다.
Figure 112014057921519-pct00012
피검체-치수(예컨대 샤프트 직경)에 대한 상한치가 없음
Figure 112014057921519-pct00013
-50℃ 내지 +210℃의 온도 범위에서 작동될 수 있음.
다른 센서 기술들과의 차이점은 무엇인가?
1. 본 센서는 피검체와 물리적으로 결합될 필요가 없다. 심지어 (센서와 피검체 간에) 수 밀리미터의 갭이 존재하는 경우에도 상기 센서는 계속해서 정상적으로 기능을 한다. 그렇기 때문에, 상기 센서는 피검체-표면의 상태(코팅된 상태, 페인트가 칠해진 상태, 먼지가 있는 상태 등)과 완전히 무관하게 기능을 하며, 이와 같은 특징은 건축 현장, 교량, 크레인, 골조에서의 측정을 위해 이상적이다.
2. 금속성 재료의 자기 특성이 영구 자석을 끌어당기기에/유지하기에 충분하다면, 본 센서는 모든 금속성 재료로 기능을 한다(이와 같은 내용은 휨력이 인가될 때에 지나치게 깨지기 쉬운 소결된 제작 재료에는 적용되지 않음).
3. 피검체는 어떠한 방식으로든지 변경될 필요가 없다. 이 피검체는 어떤 방식으로도 가공되지 않는다.
센서 구조
본 센서는 2개의 메인 모듈로 이루어진다:
Figure 112014057921519-pct00014
고유한 센서 요소(패시브 전자 부품을 사용해서 구성됨), 및
Figure 112014057921519-pct00015
전자 센서 장치
2개의 모듈은 동일 하우징 내에 함께 배치될 수 있지만, 서로 분리된 상태로 배치되어 단지 소수의 케이블에 의해서만 서로 연결될 수도 있다. 케이블의 길이는 자연스러운 한계에 의해서 제한되었다(2미터 이상의 범위 안에서).
센서의 구조는 도 8에 예로 도시되어 있으며, 도 8은 도 8a의 측면도 및 도 8b의 정면도를 갖는다. 피검체(A1)이 도시되어 있다.
도 8의 도시 예에서는 여러 가지로 가능한 센서 요소의 구조 방식들 중에 단 한 가지 구조 방식만이 다루어지고 있다. 주요 부품들이 도면에 도시되어 있다. 그 주요 부품들은 다음과 같다:
Figure 112014057921519-pct00016
자속 집속기(A2)
Figure 112014057921519-pct00017
자기장-제너레이터-코일(인덕터) 혹은 1차 코일(A3)
Figure 112014057921519-pct00018
자기-센서 요소[임의의 종류의 자기장-센서 장치일 수 있음: 코일, 홀 효과(hall effect), MR, GMR 등](A4)
Figure 112014057921519-pct00019
선택적으로: 신호 반-결합(back coupling) 코일(인덕터), 혹은 2차 코일(A5)
완전하고 유일한 센서 요소는 바람직하게 도 9에 도시된 부품들로 이루어진다. 반-결합 코일(A5)(Ls-2차-인덕터)은 선택적으로 설치될 수 있고, 상황에 따라 (피검체와 센서 모듈의) 간격 변동이 자동으로 보상되어야 하는 경우에만 필요하다. 또한, 전력 공급부(A6) 및 전자 센서 장치(A7)도 도시되어 있다.
중요: 자기장 제너레이터 코일이 교류 전압- 트리거링 신호로 작동되는 경우에는, 반-결합 코일의 기능이 대체될 수 있음
"선택적인" 반-결합 코일(Ls)은 센서 요소와 피검체 표면의 간격(혹은 갭)을 검출하고 측정하기 위해서 사용된다. 이 코일에 의해 측정된 신호는 피검체와 센서 요소의 간격이 계속 변동되는 경우에 발생하는 원치 않는 신호 진폭 변조를 보상할 목적으로 사용된다. 간격이 변동되지 않는 적용례들에서는 반-결합 코일이 필요치 않다.
도 10에는 다음과 같은 상황이 도시되어 있다: 자기장 제너레이터 코일(LP - 1차 인덕터) 및 반-결합 코일(LS - 2차 인덕터)는 동일한 자속 집속기 상에 배치된다. 자기장 제너레이터 코일에 의해서 발생하는 신호는 반-결합 코일에 의해 검출되고 측정될 수 있다. 신호 전송 기능은 자속 집속기와 피검체 표면의 간격에 의해서 영향을 받는다. 자속 집속기-단부 및 피검체 표면의 2개 극 사이의 공기 갭이 작을수록, 1차 코일과 2차 코일 간의 자기 전사(magnetic transfer)는 그만큼 더 효율적이다. 이와 같은 관계는 엄격하게 비례하지 않으며, 전자 센서 장치에 의해 선형화되어야만 한다.
도 11에는 다음과 같은 상황이 도시되어 있다: 자속 집속기와 피검체의 간격 변동은 반-결합 코일(Ls)에 의해서 측정된 신호의 진폭 변동을 야기한다. 자기장 제너레이터 코일(LP) 및 반-결합 코일(LS)의 신호 진폭 정보는 가변적으로 증폭되는 증폭기로 하여금 그 밖의 경우에 변동되는 휨 신호 진폭을 보정하게 한다. 이때의 중요한 점: 반-결합 코일 신호가 가변적으로 증폭되는 증폭기로 전달되기 전에 우선 상기 신호를 선형화할 필요가 있을 수 있다. 도면에 도시된 부품/기능적인 구성 부품은 다음과 같다: 신호 제너레이터(A7), 필터 & 파워 드라이버(A8), 필터 & 이득(Gain)(A9) 및 가변 이득 증폭기(A10).
차동 - 모드에서의 측정
얻고자 하는 휨력과 다른 기계적인 힘(예컨대 토크)을 상호 구분하기 위하여 동일한 외관의 2개 센서 요소가 피검체의 양측에 대칭으로 배치된다. 측정된 신호들을 상호 감산시킴으로써 잠재적으로 존재하는 토크가 상쇄되고, 얻고자 하는 휨력이 남게 된다.
2개 신호(각각의 개별 센서 요소의 신호)의 수학적인 처리는 다양한 방식으로 이루어질 수 있다:
Figure 112014057921519-pct00020
자기장 센서 코일들을 서로 역순으로 접속한다(액티브 전자 장치를 사용하지 않고서, 측정된 신호들이 상호 감산되는 방식의 직렬 접속).
Figure 112014057921519-pct00021
아날로그 방식으로 동작하며 신호를 상호 감산하기 위한 합산 회로 내부에 개별적으로 처리된 측정 신호를 제공한다.
Figure 112014057921519-pct00022
수학적인 신호 처리를 실행하기 위하여 디지털 처리 시스템(예컨대 마이크로 프로세서)을 사용한다. 이것은 가장 융통성 있는 해결책이다.
여기서 중요한 점: 가장 먼저 제안된 해결책(패시브 자기장 센서 코일을 직렬로 접속하는 방식)을 선택하는 경우에는, 신호 진폭 및 서로에 대해 존재하는 신호-오프셋이 상호 양호하게 매칭 되도록 매우 세심한 주의를 기울여야만 한다. 그렇지 않으면, 결과적으로 나타나는 신호가 누화를 포함하게 되고 나중에는 (얻고자 하는 출력 신호에 대하여) 왜곡된다.
피검체에 대한 센서 정렬
기본적으로 상이한 2가지 방식의 센서 구성은 양호한 측정 결과들을 제공해주며, 본원에서 이 2가지 센서 구성은 [아래에 도시된 단면도를 관찰할 때 다른 목적물과의 유사성 때문에: "글라이더" 및 "몽키"] "디자인 1" 및 "디자인 2"로 명명된다.
도 12에는 다음과 같은 상황이 도시되어 있다: 피검체에 비례해서 두 가지로 가능한 센서 요소 정렬 방식. 어둡게 채색된 부분들은 코어를 구비한 인덕터, 홀 효과-센서, MR, GMR 또는 원하는 측정 영역에 적합한 임의의 다른 자기장 장치일 수 있는 자기장-센서 장치를 상징적으로 지시하고 있다. (자속 집속기의 2개 극 사이에서 이루어지는) 자기장 선속에 비례하는 자기장-센서 장치의 정렬은 임계적이고, 본 상세한 설명의 다른 장에 기재되어 있다.
차동 - 모드가 이용되지 않는 경우에는 무슨 일이 일어날까?
원하는 기계적인 힘을 측정하기 위하여 하나의 센서 셀(sensor cell)을 사용하는 것도 물론 가능하다. 단 하나의 센서 셀을 사용하는 것은 비용을 더욱 줄여주고, 센서의 크기를 훨씬 더 작게 한다. 하지만, 이 경우에는 인가된 휨력과 잠재적으로 존재하는 다른 기계적인 힘, 예컨대 토크 및 다른 축에서의 휨을 상호 구별하는 것이 더 이상 불가능해진다. 더 상세하게 말해서, 하나의 센서 셀을 구비하는 구성을 사용한다는 것은 센서 모듈이 복수의 상이한 기계적인 힘을 동시에 수용하며, 이때에는 상기 기계적인 힘들 간의 상호 구별이 가능하지 않다는 것을 의미한다.
하나의 셀을 구비하는 액티브 휨 센서가 적절하게 사용될 수 있는 유일한 방식은, 단지 원하는 힘만 피검체를 관통해서 작용할 수 있도록 상기 피검체를 구성하여 사용 장소에 설치하는 것이다. 더 상세하게 말해서, 이와 같은 방식이 의미하는 것은 예컨대 토크와 같은 방해를 일으키는 기계적인 힘이 전혀 존재하지 않는다는 것이다.
도 13에는 다음과 같은 상황이 도시되어 있다: 단 하나의 센서 요소를 사용하는 것은 얻고자 하는 휨력 이외에 기타의 기계적인 힘이 피검체에 전혀 인가되지 않는 경우에만 추천할만하다. 그렇지 않은 경우에는, 얻고자 하는 힘과 방해가 되는 기계적인 힘의 조합 혹은 혼합이 액티브 휨 센서 요소의 출력 신호로서 이용된다.
피검체 재료
서두에서는, 자기 변형 원리에 기초하는 휨 센서가 구성되는 경우에 요구되는 수준과 유사한 (자기 특성과 관련된) 품질 및 출력을 갖는 피검체 재료이어야만 한다는 내용이 가정되었다. 이와 같은 강자성 제작 재료는 "일반" 강철보다 약간 더 비싼데, 그 이유는 상기 제작 재료가 니켈, 크롬 또는 유사한 원소들을 단독으로 또는 조합된 형태로 함유해야만 하기 때문이다.
(액티브 휨 센서를 설계 및 구성할 때의) 테스트 결과는 예상했던 것보다 훨씬 더 큰 선택의 폭을 갖는 금속 재료들이 사용될 수 있다는 사실을 보여주었다. 영구 자석이 피검체에 고정될 수 있는 한, 액티브 휨 센서도 기능을 하게 된다. 가장 양호한 측정 신호 품질에 도달하기 위하여 피검체 재료를 적어도 센서 영역에서는 경화시키는 것이 추천된다. 여기에서 "센서 영역"은 액티브 휨 센서가 배치되는 바로 그 장소이다. 이와 같은 상황이 이루어지지 않으면, 상대적으로 큰 측정 히스테리시스가 야기될 것이다.
피검체 내에 남아 있는 자기장
직류 전압( 정전기장 )으로 작동되는 휨 센서:
강자성 특성을 지니고 있으면서 영구적으로 자화될 수 있는 피검체 재료를 사용하는 경우, 상기 재료는 직류 전압으로 작동되는 액티브 휨 센서에 사용되어서는 안 된다. 그 이유는, 상기 재료는 액티브 휨 센서가 배치된 장소에서는 느리지만 확실하게 하나의 막대 자석이 되기 때문이다(이와 같은 내용이 의미하는 바는, 액티브 휨 센서가 배치된 장소는 특정 시간 후에 심지어 자석이 된다는 것이다. 여기에서 "특정 시간"은 수 초 후 또는 수 분 후를 의미한다).
상기와 같은 상황이 이루어지면, 휨 센서-출력 신호의 신호 오프셋은 한 가지 방향으로 이동하다가 나중에는 불안정하게 된다. 그렇기 때문에, 상기 내용과 반대로, 직류 전압으로 작동되는 휨 센서는 피검체의 표면 아래에 저장된 자기장에 대하여 매우 민감하다는 내용만이 논리적이다. 그렇기 때문에 피검체의 재료는 사용 전에 우선 자기 소거(demagnetization) 되어야만 한다.
동력학적으로 (교류 전압으로) 작동되는 휨 센서:
액티브 휨 센서가 교류 전압 동작 모드로 작동되며(자기장 제너레이터 코일은 특정 주파수를 갖는 대칭의 교류에 의해서 트리거링 됨), 그리고 강자성 코어를 갖는 표준에 따른 인덕터가 사용되면, 액티브 휨 센서의 구성은 대부분의 경우에 피검체 내에 저장된 자기장에 대하여 둔감하다.
상기 "대부분의 경우에"라는 표현이 의미하는 바는, 교류 전압으로 작동되는 액티브 휨 센서가 피검체의 표면 아래에 저장된 자기장에 대하여 민감한 경우들도 가능하다는 것이다. 예를 들어 (센서 영역에 있는) 하나의 자기성 포인트(magnetic point)가 피검체 내에 저장되었다고 가정된 경우, 그리고 또한 2개의 센서 코일이 샤프트 둘레에 대칭으로 배치되었다고 가정된 경우에, 상기 자기성 포인트에 의해서 발생하는 신호는 [초당 300 회전의 회전수에서(18,000min-1과 등가인 경우에)] 센서 시스템의 내부적인 신호 디코딩 기능을 방해하게 된다.
전자 센서 장치
센서 코일( MFS )의 배열
(제너레이터 코일 및 자속 집속기에 의해서 발생하는 자기장 선속과 관련된) 센서 코일의 정렬은 어떤 기계적인 힘이 검출되고 측정될 것인지 그리고 측정 신호의 진폭이 얼마나 클 것인지(신호 품질)에 대하여 결정한다.
적용 분야
종래의 휨 센서 기술에서는, 얻고자 하는 기계적인 힘을 측정하기 위해 이와 같은 힘이 실제로 센서 요소를 관통해서 작용하도록 보증하기 위하여, 상기 센서 요소가 피검체 표면에 고정될 필요가 있었다. 필요한 케이블 접속(센서 요소로의 접속 및 센서 요소로부터의 접속), 주변 환경적인 제약(습기 및 주기적으로 변동되는 온도가 센서 요소의 수명을 제한함) 및 센서 기술과 연계된 비용은 이 센서 기술의 사용을 제한하고, 대용량 적용례를 위해서는 이와 같은 센서 기술을 아무런 소용이 없게 만든다.
액티브 휨 센서는 상기와 같은 모든 문제점을 극복하기 때문에 매우 많은 다양한 분야에 사용될 수 있다: 자동차 산업, 항공 전자 기기(avionic), 제조 장비, 소비재, 측정- 및 조절 장비에 다음과 같은 용도로 사용될 수 있다:
Figure 112014057921519-pct00023
대형 건축물(교량, 고층 건물 등)의 진단 및 예방 조치
Figure 112014057921519-pct00024
액티브 휠 서스펜션 또는 액티브 안정 컨트롤을 위한 자동차-/대형 수송차-휠 서스펜션에서의 실시간 측정.
Figure 112014057921519-pct00025
항공 전자 기기: 악천후 상황에서 날개가 받는 하중; 프레임 구조물의 진단.
Figure 112014057921519-pct00026
아마추어- 및 프로페셔널 공구: (휨력에 의한) 토크 키의 구성; 및 공구 과부하 검출.
Figure 112014057921519-pct00027
풍력: 허리케인 돌풍 상황에서의 터빈 구조물 및 프로펠러 구조물.
Figure 112014057921519-pct00028
제지기(paper mill)와 같은 공업용 압축 설비, 강철 제조 및 공구 장비(공구 및 제작 재료의 손상을 피하기 위한 힘 한계의 검출).
기능 원리
제너레이터 코일은 직류 전압 신호 또는 특정의 교류 전압 신호에 의해서 트리거링 되며, 그로 인해 피검체의 표면 아래에서 자속을 발생한다. 피검체를 관통하는 기계적인 힘은 자기장 선속이 자속 집속기의 일 극으로부터 다른 극으로 이동할 때에 상기 자기장 선속의 방향에 영향을 미친다. 자기장 선속의 이동 방향 변경은 피검체의 표면에 배치된 자기장-센서 장치에 의해서 검출될 수 있다. 자기장-센서 장치에 의해서 기록되는 신호 변동은 피검체에 인가되는 얻고자 하는 기계적인 힘에 비례한다.
자기장 제너레이터 코일을 트리거링 하기 위하여 전기 직류 전압을 사용하는 경우에는, 피검체의 작은 섹션이 (제작 재료에 따라) 영구적으로 자화될 위험이 존재한다. 이와 같은 상황은 기계적인 힘에 의해서 야기되는 실제 신호와 같이 보일 수 있는 신호 오프셋을 추후에 야기하게 될 것이다. 이러한 문제점은 전기 교류 전압-트리거링 신호가 자기장 제너레이터를 작동시키기 위해 사용됨으로써 피해질 수 있다.
하지만, 단지 특정 주파수만이 피검체에서의 기계적인 힘을 검출하고 측정하기에 적합하다.
센서의 물리적 치수
도 14에는 다음과 같은 상황이 하나의 측면도(14a)로 그리고 2개의 정면도(14b 및 14c)로 도시되어 있다: 각도MPS는 어떤 기계적인 힘이 측정될 것인지 그리고 측정 신호의 품질은 어떠해야 하는지를 결정한다. 상기 각은 또한 상황에 따라 피검체에 인가되는 다양한 기계적인 힘에 의해서 야기될 수 있는 측정 신호 내에서의 잠재적인 "누화"에 대해서도 결정한다.
연구- 및 개발 프로젝트:
기계적인 힘( 휨력 )을 위한 액티브 센서
기계적인 힘을 위한 패시브 센서와 액티브 센서의 주요 차이점들 중에 한 가지 차이점은, 제대로 기능을 하는 센서를 얻기 위하여 피검체를 "영구적으로" 자화할 필요가 없다는 것이다. 기계적인 힘(휨력)을 위한 액티브 센서는 센서 하드웨어를 피검체에 가장 가까운 곳에 적합하게 배치한 직후에 작동될 수 있다.
아래의 과제 리스트 기재 사항은, 원하는 센서 출력을 야기하는 기계적인 힘(휨력)을 위한 액티브 센서의 "실현 가능성이 가장 높은" 구성 방식들 중에 한 가지 또는 두 가지의 구성 방식에 집중하고 있다. 센서를 위한 물리적인 하드웨어 구현 예들 중에 지금까지 가장 우수한 결과를 산출했던 두 가지 물리적인 하드웨어 구현 예는 본원에서 글라이더(Glider) 및 몽키(Monkey)로 명명된다. 제1의 결과는 "몽키"가 "글라이더"보다 약간 더 우수한 결과에 도달한다는 것을 알 수 있게 해준다. 하지만, 제조 측면에 있어서는 "글라이더"가 약간 더 간단하다.
기계적인 힘( 휨력 )을 위한 액티브 센서
정의
액티브 센서 시스템은 다음과 같은 복수의 모듈로 이루어진다:
Figure 112014057921519-pct00029
센서 하드웨어(자속 집속기, 제너레이터 코일, 반-결합 코일, MFS-코일)
Figure 112014057921519-pct00030
전자 회로
Figure 112014057921519-pct00031
센서 하드웨어와 전자 장치 사이에 있는 6-코어 접속 케이블
Figure 112014057921519-pct00032
전기 전력 공급부
Figure 112014057921519-pct00033
전자 장치와 전력 공급부 사이에 있는 2-코어 접속 케이블
상기 내용은 도 15에 개략적으로 도시되어 있다.
센서 하드웨어는 피검체(예컨대 구동 샤프트) 측면에 근접 배치된다.
상기와 같은 상황은 도 16에 개략적으로 도시되어 있는데, 여기서 도 16a는 측면도이고, 도 16b는 정면도이다.
우선 40가지의 다양한 센서 구성 방식이 규정되었으며, 그 중에 거의 절반이 테스트 되었다. 구성 방식 27번은 사용 가능한 제1 테스트 결과를 보여주었다. 상부에 있는 도면은 상당히 개선된 구성 방식 27번을 보여주고 있다.
시장의 현재 요구 조건을 충족시키기 위한 목표 특성값
본원에서는 완전한 새로운 센서 기술이 다루어지고 있기 때문에, 어느 것이 목표 특성값인지를 규정하기는 어렵다. 원리적으로 볼 때, 목표 특성값은 센서가 사용되는 적용례에 의해서 규정된다. 하지만, 최근 10년에 걸쳐서 얻어진 시장 지식으로부터 출발하면, 액티브 휨 센서를 시장에서 성공할 수 있게 하는 "최소"-요구 조건이 무엇인지에 대한 한 가지 가정이 만들어질 수 있다. 그밖에, 본원에서 "표준"으로 명명되는 "평균적인" 사양이 어떠해야 하는지 그리고 액티브 휨 센서의 "우수한" 출력이 어떠한 결과를 야기할지에 대해서도 규정될 수 있다.
최소 표준 우수
사양 설명 전형적으로 전형적으로 전형적으로 단위
사용 가능한 최소 샤프트 직경 20 12 10 mm
사용 가능한 최대 샤프트 직경 50 100 무제한 mm
신호 선명도 디지털 등가 8 10 12 비트
반복 가능성 완전 제어의
백분율		 +/- 1 0.5+/- +/- 0.1 %VA
신호 대역폭 아날로그 Hz 100 1.000 10.000 Hz
신호
히스테리시스		 강자성 재료를 사용했을 경우 +/- 2 +/- 0.5 +/- 0.2 %VA
출력 신호
범위		 최대 (-) 토크 내지 최대 (+) 토크 1.5 2 4 V
신호/잡음 비 10 5 < 2.5 mV
에어 갭 변동 센서와 샤프트 사이 간격의 변동 없음 1.5 4 mm
센서 하드웨어 높이 25mm 두께의 샤프트에 필요한 반경방향 간격 25 20 < 15 mm
전력 소비 < 250 < 125 < 75 mA
작동 온도
범위		 센서
하드웨어만		 0 내지 +70 -20 내지 +85 -40 내지 +150 ℃
액티브 휨 센서의 치수 설계
액티브 휨 센서 하드웨어의 치수의 보고 및 문서화 시 기술적인 "커뮤니케이션"을 지원하기 위해, 아래와 같은 치수 파라미터가 결정되었다.
아래 표의 각각의 파라미터는 추가로 도 17에 할당되며, 여기서 도 17a는 측면도이고, 도 17b 및 도 17c는 정면도이다.
아래에 기재된 특성값은 단지 (지금까지 제조된 네 가지 또는 다섯 가지 모델 중에) 한 가지 특정 액티브 센서 모델에 대한 예에 불과하다. 이들 사양은 계속 최적화되어야 하고, 센서 출력과 관련된 이들의 작용을 더 잘 이해해야 한다.
사양 심볼 설명 분 타입 최대 단위
자속 집속기의 길이 FC L 22 mm
자속 집속기의 높이 FC H 20 mm
자속 집속기의 두께 FC T 4 mm
자속 집속기 링의 폭 FC A 2.5 mm
자속 집속기의 경사 각도 T -1 +1 °
자속 집속기-극 각도 각도 FC 60 °
제너레이터 자기장 축에 대한 MFS-축의 각도 각도 MFS 88 °
자속 집속기의 재료 강철판
자속 집속기 내에 사용된 금속 요소의 개수 1 3
자속 집속기의 극과 피검체의 간격 간격 0.1 1.1 mm
MFS-코일의 중심과 피검체 사이의 거리 MFS H 2 mm
피검체의 직경 TO D 15 mm
제너레이터 코일의 권선 수 100 권수(turn)
코일 와이어의 두께 0.28 mm
자속 집속기에서 축 방향 코일 길이 10 mm
자속 집속기를 기준으로 한 위치 중앙
특수화된 MFS-코일 권선 400 권수(turn)
MFS-코일-와이어 두께 80 ㎛
코일 몸체의 길이 6 mm
MFS-코일 몸체 직경 2 mm
MFS-코일 저항 직류 10 Ohm
MFS-코일
제조자		 KUK
피검체의 직경 (예: 구동 샤프트)
피검체(혹은 구동 샤프트)의 직경은 (또 한 쌍의 추가 파라미터 이외에) 휨력과 관련된 신호 증폭을 규정한다. 샤프트의 직경이 클수록, 신호 증폭은 (샤프트에 인가되는 일정한 휨력을 기준으로) 그만큼 더 작아진다.
참조: 액티브 휨 센서의 신호 증폭은 몇몇의 특정한 특성값에 의해서 결정된다. 센서의 특성을 검사하기 위한 시험에서, 직경(또는 횡단면)이 변동되면, 아래와 같은 다른 모든 센서 파라미터는 일정하게 유지되어야만 한다:
Figure 112014057921519-pct00034
동일한 샤프트 재료
Figure 112014057921519-pct00035
동일한 경화- 및 어닐링 특성
Figure 112014057921519-pct00036
피검체와 센서 하드웨어의 간격/그 사이의 갭
Figure 112014057921519-pct00037
센서 하드웨어에 의해서 발생하는 자속의 밀도
Figure 112014057921519-pct00038
인덕터 및 구동 회로
Figure 112014057921519-pct00039
센서 하드웨어-치수
Figure 112014057921519-pct00040
2개 자극(magnetic pole)의 표면 크기
Figure 112014057921519-pct00041
적응됨: 샤프트 직경(A11)에 적응시키기 위해 극으로 절단된 반경
도 18에는 아래와 같은 상황이 측면도(18a, 18b 및 18c)로 도시되어 있다: 센서 하드웨어의 동일한 구성 방식은 본 테스트를 실행하기 위해서 사용된다. 하지만, 피검체 쪽을 향하고 있는 2개의 자극 표면은 각각의 샤프트 직경을 위해 특별히 적응되어야만 한다. 결정적으로 중요한 것은, MFS-코일을 위해 동일한 "공간"을 남겨 놓기 위하여 자극들 사이의 "갭"(간격)이 일정하게 유지되는 것이다.
휨 센서의 신호 증폭은 센서 하드웨어의 아크(arc) 특성값에 의해서도 최고 확률적으로 규정된다. 본원에서 아크 특성값이 의미하는 바는: "피검체의 센서 하드웨어가 그 위를 덮고 있는 각도"이며, 이와 관련해서는 측면도(19a, 19b 및 19c)를 갖는 도 19가 참조 된다.
센서 아크의 각도(A12)는 위에서 언급된 세 가지 모든 예에서 상이하다. 두 개로 구성되어 소정의 정도까지 상쇄될 수 있는 두 가지 반대되는 가정이 존재한다:
Figure 112014057921519-pct00042
아크 각이 클수록, 신호 증폭은 그만큼 더 커진다
Figure 112014057921519-pct00043
아크 각이 커짐에 따라 센서 표면의 더 큰 면적이 덮이게 되고, 자기 신호를 왜곡하는 음(-)의 토크를 검출하는 것은 그만큼 더 수월해진다.
Figure 112014057921519-pct00044
일 층의 자극이 샤프트의 대향 측에 가까울수록, 센서 신호는 그만큼 더 작아진다.
Figure 112014057921519-pct00045
이 경우(극들이 샤프트의 대향 측에 배치되는 경우)에 자기장은 샤프트 재료를 거의 100% 곧바로 통과하게 되고, (센서 코일이 배치된) 샤프트 표면에 전혀 작용을 미치지 않는다.
도 20에서는 샤프트 직경이 변동되고, 아크(센서 하드웨어)의 각도(A12)는 일정하게 유지되었다. 이와 같은 상황이 의미하는 바는, 센서 하드웨어의 구성 방식이 각각의 샤프트 직경마다 실제로 변경된다는 것이다.
샤프트와 센서의 간격
센서와 샤프트 표면의 간격이 변동될 때에 신호 증폭 변동을 자동으로 보상하기 위해서 테스트 된 여러 가지 구성 가능성이 존재한다. 가장 간단한 구성 가능성은 반-결합 코일을 사용하는 것이다.
반-결합 코일의 구조:
도 21에는 아래와 같은 상황이 도시되어 있다: 반-결합 코일(A5)은 센서 효율에 대한 정확한 정보를 전달하거나, 또는 센서 하드웨어와 샤프트 표면의 간격이 변동되는 경우에 센서 효율에 대한 정확한 정보를 전달한다.
자속 집속기의 재료
액티브 휨 센서에서 실시된 지금까지의 모든 테스트에서는 "표준" 디스크 및 클램핑 링이 자속 집속기로서 사용되었다. 본원에서 "표준"이라는 용어는, 큰 선택의 폭으로 이용할 수 있는 디스크가 전문 공급 경로(Hoffman Tools) 및 소비자 시장(독일에 있는 Obi)을 통해서 추가로 판매되었고, 센서를 구성하기 위해 사용되었다는 것을 의미한다.
어떤 디스크 재료 또는 클램핑 링 재료가 사용될 수 있는지를 결정하기 위해서 이용된 한 가지 기준은, 이 재료가 자신 가까이에 고정된 영구 자석에 대하여 강한 반응을 보인다는 것이었다. 예컨대 트랜스포머 강철과 같은 비교적 고가의 재료가 사용되는 경우에는 어떠한 센서 출력 차이에 도달할 수 있는지를 결정하기 위한 테스트는 지금까지도 전혀 계획되거나 실시되지 않았다.
자속 집속기 재료의 고유한 최적화가 수행되지 못했던 이유는 아래와 같다:
Figure 112014057921519-pct00046
센서 출력은 가장 먼저 주목을 받은 다른 인자(factor)에 의해서 강하게 영향을 받는다.
Figure 112014057921519-pct00047
디스크 및 클램핑 링은 최초의 센서 구성을 단순하게 했고 시간을 절약했던 완벽한 구조적 형상이다. 디스크는 완벽하게 대칭이고, 거의 모든 원하는 크기 및 두께로 얻을 수 있다.
Figure 112014057921519-pct00048
매우 적은 비용 및 큰 이용 가능성.
재료 종류(예컨대 경화된 스프링 강, 경화되지 않은 디스크), 코팅(무코팅, 크롬 코팅, 아연 코팅 등) 측면에서 서로 상이한 다섯 가지 이상의 다양한 디스크 및 클램핑 링이 지금까지 사용되었다. 이들 모두 양호한 출력을 나타냈다. 어떤 재료가 최상의 결과에 도달하고 "어디에서 출력 차이가 나타나는지"를 결정하기 위해서는, "동일하게" 치수 설정되고 "동일하게" 형성된 자속 집속기를 구매하거나 심지어 제조함으로써 테스트 결과들이 서로 비교될 수 있도록 하는 방안이 필요할 것이다.
요약: 자속 집속기 재료의 선택이 센서 출력에 영향을 미친다는 것은 명백하다. 액티브 휨 센서가 직류 전압 작동 모드 또는 교류 전압 작동 모드로 작동될 수 있기 때문에, 상기 두 가지 작동 모드 각각에 대해서 제기되는 상이한 재료 특성값 요구 조건도 존재한다. 선택된 재료가 높은 자기 보유성(remanence)을 가지면, 이와 같은 상황은 직류 전압 작동을 위해서는 적합하지 않은데, 그 이유는 자속 집속기가 영구적으로 자화된 후에는 이 자속 집속기가 이전과는 다른 반응을 나타내기 때문이다. 이와 같은 사실로부터 출발한다면, 트랜스포머 강철이 제작 재료의 훌륭한 선택이 될 수 있다. 트랜스포머 강철은 다방면으로 이용할 수 있지만 가격이 비싸다.
피검체의 재료
처음에 가정된 내용은, 피검체의 재료는 자기 변형-휨 센서가 구성될 때에 필요한 것과 유사한 품질 및 (자기 특성 측면에서) 유사한 특성을 지녀야만 한다는 것이었다. 강자성 제작 재료는 "일반" 강철보다 약간 더 비싼데, 그 이유는 상기 강자성 제작 재료가 니켈, 크롬 또는 유사한 원소를 단독으로 또는 조합된 형태로 함유해야만 하기 때문이다.
놀랍게도, 원래 가정했던 것보다 훨씬 더 큰 선택의 폭을 갖는 금속성 제작 재료가 사용될 수 있다는 결과가 나타났다. 영구 자석이 피검체에 단단히 고정되는 한, 액티브 휨 센서도 제 기능을 한다.
피검체 내에 남아 있는 자기장
직류 전압( 정전기장 )으로 작동되는 액티브 센서를 사용한 경우:
강자성 특성을 지니고 있으면서 영구적으로 자화될 수 있는 피검체 재료를 사용하는 경우, 상기 재료는 직류 전압으로 작동되는 액티브 휨 센서에 사용되어서는 안 된다. 그 이유는, 상기 재료는 액티브 휨 센서가 배치된 장소에서는 느리지만 확실하게 하나의 막대 자석이 되기 때문이다(이와 같은 내용이 의미하는 바는, 액티브 휨 센서가 배치된 장소는 특정 시간 후에 심지어 자석이 된다는 것이다. 여기에서 "특정 시간"은 수 초 후 또는 수 분 후를 의미한다).
상기와 같은 상황이 이루어지면, 휨 센서-출력 신호의 신호 오프셋은 한 가지 방향으로 이동하다가 나중에는 불안정하게 된다. 그렇기 때문에, 상기 내용과 반대로, 직류 전압으로 작동되는 휨 센서는 피검체의 표면 아래에 저장된 자기장에 대하여 매우 민감하다는 내용만이 논리적이다. 그렇기 때문에 피검체의 재료는 사용 전에 우선 자기 소거(demagnetization) 되어야 한다.
동력학적으로(교류 전압으로) 작동되는 액티브 센서:
액티브 휨 센서가 교류 전압 동작 모드로 작동되며(자기장 제너레이터 코일은 특정 주파수를 갖는 대칭의 교류에 의해서 트리거링 됨), 그리고 강자성 코어를 갖는 표준에 따른 인덕터가 사용되면, 액티브 휨 센서의 구성은 대부분의 경우에 피검체 내에 저장된 자기장에 대하여 둔감하다.
상기 "대부분의 경우에"라는 표현이 의미하는 바는, 교류 전압으로 작동되는 액티브 휨 센서가 피검체의 표면 아래에 저장된 자기장에 대하여 민감한 경우들도 가능하다는 것이다. 예를 들어 (센서 영역에 있는) 하나의 자기성 포인트(magnetic point)가 피검체 내에 저장되었다고 가정된 경우, 그리고 또한 2개의 센서 코일이 샤프트 둘레에 대칭으로 배치되었다고 가정된 경우에, 상기 자기성 포인트에 의해서 발생하는 신호는 [초당 300 회전의 회전수에서(18,000min-1과 등가인 경우에)] 센서 시스템의 내부적인 신호 디코딩 기능을 방해하게 된다.
자속 집속기의 경사
자속 집속기의 경사가 신호 증폭의 감소를 야기할 가능성은 최고로 높으며, 이와 관련된 내용은 측면도(22a) 및 정면도(22b 및 22c)를 갖는 도 22를 참조할 수 있으며, 이때 도 22c에서는 자속 집속기(A2)가 기울어져 있다.
자속 집속기의 재료 두께
자속 집속기 장치의 두께는 의도한 바대로 식별 및 측정될 수 있는 특정의 기계적인 힘의 정확도를 규정한다. 중요한 것은, 자기장-센서 장치에 의해서 발생하는 충분한 신호 진폭을 보증하기 위해서는, 발생하는 자기장 선속이 피검체의 표면을 통과해야 한다는 것이다. 자속 집속기가 지나치게 얇게 만들어지면, 자기장 제너레이터 코일에 의해서 발생하는 자기장은 원치 않는 표유 자기장을 발생하게 된다.
자속 집속기(A2) 및 대안적인 실시예(A2', A2" 및 A2"')가 도 23에 도시되어 있다.
자속 집속기의 두께가 줄어드는 경우에는 센서 출력이 어떻게 변동되는지, 또는 (양쪽 극의) 전방 부분의 형상이 어떠한 작용을 미치는지에 대해서도 계속해서 테스트 및 평가가 이루어져야만 한다. 극 표면을 매우 가늘고 길게 만들기 위하여, 극 단부는 "뾰족하게" 될 수 있다. 이 경우의 잠재적인 장점은, 상기와 같은 구성 방식이 자속 집속기의 경사에 대하여 덜 민감하다는 것이다.
자속 집속기 프로필
"로 프로필(low profile)"을 갖는 기계 구성 방식은 대부분의 적용례를 위해서 바람직하다. 하지만, 자속 집속기에 날카로운 "에지"가 남지 않도록 세심한 주의를 기울여야 하는데, 그 이유는 이러한 경우에는 그곳에서 자기장이 방출되어 원치 않는 표유 자장이 발생하기 때문이다.
그밖에, 상단부에서는 자속 집속기가 피검체의 표면에 지나치게 근접하지 않도록 보증하는 것도 중요한데, 그 이유는 그렇지 않으면 상기 자속 집속기의 상단부가 측정 신호를 방해하기 때문이다(MFS-장치에 의해서 검출되고 수집되어야만 하는 자기 신호를 "훔치기" 때문이다).
도 24에는 아래와 같은 상황이 측면도로 도시되어 있다: 액티브 토크 센서를 작은 설치 공간 안에 배치하기 위해서는, 상기 액티브 토크 센서에 의해 요구되는 방사 방향 공간을 가급적 작게 유지하는 것이 중요하다. 하지만, 방사 방향 치수를 줄이게 되면, 제너레이터 코일이 센서 코일에 근접하게 되고, 또한 테스트 표면에도 근접하게 되며, 이는 그렇지 않은 경우에 도달할 수 있는 센서 출력이 방해를 받게 되는 결과를 초래할 수 있다. 자속 집속기(A2) 및 또 다른 한 대안적 구조 형상(A2"")이 도시되어 있다.
1: 섀시 프레임 부품
1a: 측정 기구
1b: 금속 자성 부분 영역
1c: 크로스 멤버
1d: 볼 베어링
1e: 볼 베어링
1f: 용접 시임
2: 하우징
2a: 상부 하우징 반부
2b: 하부 하우징 반부
2c: 실링 재료
2d: 돌출부
3: 자기장 발생 수단
3a: 제1 자기장 발생 수단
3aa: 자기장 집속기
3b: 제2 자기장 발생 수단
3ba: 자기장 집속기
4: 케이블
5: 검출 수단
5a: 제1 검출 수단
5b: 제2 검출 수단
6a: 리세스
6b: 고정 수단
6c: 고정 구조물
7: 전자 수단
x: 간격
M: 중심 평면
NF: 중립 섬유
A1: 피검체
A2: 자속 집속기
A3: 자기장 제너레이터 코일
A4: 자기 센서 요소
A5: 신호 반-결합 코일
A6: 전력 공급부
A7: 신호 제너레이터
A8: 필터 & 파워 드라이버
A9: 필터 & 이득
A10: 가변 이득 증폭기
A11: 샤프트 직경
A12: 센서 아크의 각도

Claims (15)

  1. 만곡된 외부 표면을 가지고, 힘을 측정하기 위한 측정 기구(1a) 및 하나 이상의 금속 자성 부분 영역(1b)을 포함하는, 장치의 부품(1)에 있어서,
    상기 측정 기구(1a)는, 각각 제1 및 제2 단부를 가지고 부분 링 형태인, 교류 전자기장을 발생시키기 위한 한 쌍의 자기장 발생 수단(3; 3a, 3b) 및 발생한 자기장의 변동을 검출하기 위한 한 쌍의 검출 수단(5; 5a, 5b)을 포함하며,
    부분 링 형태인 상기 한 쌍의 자기장 발생 수단(3; 3a, 3b)의 각각의 제1 단부는 상기 부품의 만곡된 외부 표면으로부터 제1 갭에 의해 이격되고, 부분 링 형태인 상기 한 쌍의 자기장 발생 수단(3; 3a, 3b)의 각각의 제2 단부는 상기 부품의 만곡된 외부 표면으로부터 제2 갭에 의해 이격되고, 부분 링 형태인 상기 한 쌍의 자기장 발생 수단(3; 3a, 3b)의 각각과, 상기 제1 갭, 상기 제2 갭, 및 상기 부품의 만곡된 표면은 내부 공간을 규정하고, 상기 한 쌍의 검출 수단(5; 5a, 5b)의 각각은 상기 각각의 내부 공간에 완전히 위치하고,
    상기 한 쌍의 자기장 발생 수단(3; 3a, 3b) 및 상기 각각의 한 쌍의 검출 수단(5; 5a, 5b)은 측정 기구(1a)를 이용해서 상기 한 쌍의 검출 수단(5; 5a, 5b)의 측정 신호에 따라 상기 부품(1)에 작용하는 힘 및/또는 상기 부품(1)의 변형이 검출될 수 있도록 상기 금속 자성 부분 영역(1b)의 만곡된 표면과 인접 배치되어 상기 금속 자성 부분 영역(1b)과 상호 작용하도록 형성되는 것을 특징으로 하는, 장치의 부품(1).
  2. 제1항에 있어서, 상기 장치는 풍력 설비이며, 상기 부품은 작동 중에 이동되고 그리고/또는 하중을 받는, 상기 풍력 설비의 요소인 것을 특징으로 하는, 장치의 부품(1).
  3. 제1항에 있어서, 상기 장치는 차량의 섀시 프레임으로서 형성되고, 부품(1)은 섀시 프레임 부품(1)으로서 형성되며, 상기 섀시 프레임 부품(1)은 아래와 같은 부품들:
    - 댐퍼 요소;
    - 컨트롤 암;
    - 크로스 멤버(1c);
    - 스위블 써포트;
    - 스태빌라이저;
    - 스티어링 요소;
    중 하나의 부품으로서 형성되는 것을 특징으로 하는, 장치의 부품(1).
  4. 제3항에 따른 섀시 프레임 부품(1)에 있어서, 상기 한 쌍의 자기장 발생 수단(3; 3a, 3b) 및/또는 상기 한 쌍의 검출 수단(5; 5a, 5b)이 코일로서 형성되는 것을 특징으로 하는, 섀시 프레임 부품(1).
  5. 제3항 또는 제4항에 있어서, 상기 한 쌍의 자기장 발생 수단(3; 3a, 3b) 및/또는 상기 한 쌍의 검출 수단(5; 5a, 5b)은 하나의 하우징(2) 내에 고정 배치되며, 상기 하우징(2)은 섀시 프레임 부품(1)에 고정 배치되는 것을 특징으로 하는, 섀시 프레임 부품(1).
  6. 제5항에 있어서, 섀시 프레임 부품(1)은 하우징(2)을 위한 고정 구조물(6c)을 구비하며, 고정 구조물(6c)이 섀시 프레임 부품(1)과 일체형으로 형성되며, 상기 고정 구조물(6c)은 섀시 프레임 부품(1)의 국부적 변형에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는, 섀시 프레임 부품(1).
  7. 삭제
  8. 제3항 또는 제4항에 있어서, 섀시 프레임 부품(1)이 하나 이상의 용접 시임(1f)을 가지며, 상기 한 쌍의 자기장 발생 수단(3; 3a, 3b) 및/또는 상기 한 쌍의 검출 수단(5; 5a, 5b)은 섀시 프레임 부품(1)에서 상기 용접 시임(1f)으로부터 30mm 내지 40mm 떨어진 간격(x)으로 배치되는 것을 특징으로 하는, 섀시 프레임 부품(1).
  9. 삭제
  10. 제3항 또는 제4항에 있어서, 상기 한 쌍의 검출 수단(5; 5a, 5b) 및/또는 상기 한 쌍의 자기장 발생 수단(3; 3a, 3b)이 실질적으로 하나의 평면에 배치되며, 상기 평면에 섀시 프레임 부품의 중립 섬유(NF)가 놓이는 것을 특징으로 하는, 섀시 프레임 부품(1).
  11. 제10항에 있어서, 상기 평면은 섀시 프레임 부품의 주(主) 휨 방향에 대해 수직으로 배치되는 것을 특징으로 하는, 섀시 프레임 부품(1).
  12. 삭제
  13. 제3항 또는 제4항에 있어서, 상기 한 쌍의 자기장 발생 수단(3; 3a, 3b)과 상기 한 쌍의 검출 수단(5; 5a, 5b)의 상대 배열은 섀시 프레임 부품(1)의 양측에서 동일한 것을 특징으로 하는, 섀시 프레임 부품(1).
  14. 제3항 또는 제4항에 따른 섀시 프레임 부품(1)을 포함하는 차량 운전자 지원 시스템이며,
    상기 운전자 지원 시스템은 아래와 같은 시스템들:
    - ESP,
    - ABS,
    - 트랙 지원 시스템,
    - 롤링 안정화 시스템 중 한 가지 시스템의 형태로 형성되는, 차량 운전자 지원 시스템.
  15. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 따른 부품(1)을 포함하는 장치용 진단 시스템이며,
    상기 진단 시스템은 측정 기구(1a)에 의해 획득된 부품(1)의 부하 데이터를 저장 및/또는 평가하도록 형성되는, 장치용 진단 시스템.
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