KR102234582B1 - 자기 변형 센서를 동작시키기 위한 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 자기 변형 소자(14, 40)와 상기 자기 변형 소자(14, 40)의 자기 저항을 검출하는 측정 센서(22)를 구비하는 자기 변형 센서(16, 18)를 동작시키기 위한 방법에 관한 것으로, 해당 방법은 교번하는 장(36, 50)을 상기 자기 변형 소자(14, 40)에 결합시키는 단계를 포함한다.

Description

자기 변형 센서를 동작시키기 위한 방법{METHOD FOR OPERATING A MAGNETOSTRICTIVE SENSOR}

본 발명은 자기 변형 센서를 동작시키기 위한 방법, 이 방법을 수행하기 위한 제어 디바이스, 및 이 제어 디바이스를 구비하는 자기 변형 센서에 관한 것이다.

DE 10 2006 018 480 A1은 자기 변형 센서로 기계적 압력을 측정하는 방법을 개시한다.

본 발명의 목적은 알려진 방법을 개선하는 것이다.

본 목적은 독립 청구항의 특징에 의해 달성된다. 바람직한 개선은 종속 청구항의 주제이다.

본 발명의 일 양상에 따르면, 자기 변형 소자와 상기 자기 변형 소자의 자기 저항을 검출하는 측정 센서를 구비하는 자기 변형 센서를 동작시키기 위한 방법은 교번하는 장(alternating field)을 상기 자기 변형 소자에 결합시키는 단계를 포함한다.

상기 제시된 방법은, 자기 변형 센서들의 출력 신호들이 상기 자기 변형 소자의 자기 히스테리시스(magnetic hysteresis)로 인해 고유하게 결함을 받아서, 입력 신호들이 부호가 변하여, 상기 자기 변형 소자에 인가되어 측정되는 경우 이 결함이 특히 명백히 나타난다는 개념에 기초한다. 그러나, 상기 제시된 방법의 범위에서 또한 히스테리시스 포화의 경우에 상기 자기 변형 소자에 또한 효과가 일어나는 것으로 인식된다.

다시 말해, 알려진 교번하는 신호가 상기 자기 변형 소자에 인가되는 경우, 이 교번하는 입력 신호에 영향을 미쳐 측정될 모든 신호에 대해 상기 히스테리시스 효과가 명확히 강하한다. 예를 들어 계산에 의하여 측정될 신호를 포함하는 자기 변형 센서의 출력 신호를 처리하는 동안 알려진 입력 신호만이 고려될 필요가 있다.

물리적 장은 자기 변형 센서로 측정되기 때문에, 교번하는 장은 전술한 알려진 교번하는 입력 신호로 선택된다. 알려진 바와 같이, 물리적 장은 상기 제시된 방법의 일 개선예에서, 예를 들어, 자기장의 세기 또는 예를 들어 압력과 같은 기계적인 장의 세기일 수 있는 물리적 변수의 공간적 분포를 나타낸다. 그리하여 상기 교번하는 장은 기계적으로 교번하는 장(mechanical alternating field) 또는 자기적으로 교번하는 장(magnetic alternating field)일 수 있다. 대안적으로, 두 유형의 장은 또한 동시에 사용될 수 있다.

상기 제시된 방법의 추가적인 개선예에서, 상기 교번하는 장은 일정한 성분(constant component)과 교번하는 성분(alternating component)으로 구성된 혼합된 장이다. 이 개선예는 상기 자기 변형 소자의 전술한 히스테리시스 곡선이 자화 곡선(magnetization curve)과 자화 소거 곡선(de-magnetization curve)을 가진다는 개념에 기초한다. 상기 자기 변형 소자에서 측정될 장을 제거한 후, 새로운 자기장이 상기 자기 변형 소자의 이제 노출된 극면(pole face)들 사이 상기 자기 변형 소자에 형성된다. 이 자기장에 대한 최종 값이 자기 동작점(magnetic working point)으로 제시된다. 일정한 성분과 교번하는 성분을 갖는 혼합된 장을 인가하는 것에 의해 상기 자기 변형 소자는 이 자기 동작점에서 연속적으로 자화될 수 있다. 이런 상황에서, 상기 일정한 성분은 상기 자기 동작점에서 자화를 상승시키고 상기 교번하는 성분은 상기 자화가 다시 상실되지 않는 것을 보장한다. 이런 방식으로, 상기 자기 변형 센서로 측정하는 것은 모두 상기 자기 변형 소자의 자화 소거 곡선에서 수행될 수 있고, 그 결과 심지어 측정될 입력 신호(장)의 부호가 변하는 경우에도, 위상 시프트(phase shift)가 거의 일어나지 않는다.

상기 측정 센서는 상기 자기 변형 소자의 자기 변형 효과를 검출할 수 있는 임의의 원하는 소자일 수 있다. 일 특정 개선예에서, 상기 측정 센서는 상기 자기 변형 소자 주위에 각각 권취된 제1차 코일과 제2차 코일을 갖는 변압기를 포함한다. 이런 방식으로, 상기 자기 변형 효과와 그리하여 측정될 장은 자기 변형 효과로 인해 변하는 상기 2개의 코일들 사이의 결합 계수(coupling factor)에 기초하여 용이하게 검출될 수 있다.

입력되는 교번하는 장은 임의의 원하는 점에서 상기 자기 변형 소자로 입력될 수 있다. 그러나, 상기 결합 계수는 상기 2개의 코일들 사이의 점에서 가장 강하게 영향을 받아서 상기 제시된 방법에 의해 조절되는 효과가 최대로 되기 때문에 상기 교번하는 장은 바람직하게는 상기 제1차 코일과 상기 제2차 코일 사이에서 상기 자기 변형 소자에 입력된다.

상기 제시된 방법의 다른 개선예에서, 상기 교번하는 장은 전기적인 여기자 신호(electrical exciter signal)에 기초하여 여기된다. 이런 상황에서, 상기 전기적인 여기자 신호는, 임의의 원하는 인버터(inverter) 원리에 기초하여, 입력되는 교번하는 장으로 변환될 수 있다. 그리하여, 예를 들어, 기계적 압전-소자와 자기 코일이 변환기로 고려될 수 있다.

일 바람직한 개선예에서, 상기 제시된 방법은 상기 전기적인 여기자 신호에 기초하여 상기 측정 센서로부터 출력 신호를 필터링하는 단계를 포함한다. 필터링하는 것은 여기서 상기 여기자 신호의 적어도 신호 성분을 상기 출력 신호로부터 제거하는 단계를 의미하는 것으로 이해된다. 이것은 예를 들어, 혼합하는 것과 같은 임의의 원하는 필터 기능에 의해 수행될 수 있다.

상기 제시된 방법의 하나의 특히 바람직한 개선예에서 상기 출력 신호를 필터링하는 것은 상기 교번하는 장의 주파수에 의존하는 차단 주파수(cutoff frequency)를 갖는 저역 통과 필터로 수행된다. 상기 저역 통과 필터는 상기 여기자 신호와 그리하여 상기 교번하는 장의 일반적으로 변치 않는 주파수만을 요구하여, 그 결과 상기 필터링하는 것이 특히 용이하게 수행될 수 있기 때문에 이러한 저역 통과 필터는 상기 여기자 신호가 직접 존재하지 않아도 동작될 수 있다.

본 발명의 추가적인 양상에 따르면, 제어 디바이스는 상기 제시된 방법들 중 하나의 방법을 수행하도록 구성된다.

상기 제시된 제어 디바이스의 일 개선예에서, 상기 제시된 디바이스는 메모리와 프로세서를 구비한다. 이런 상황에서, 상기 제시된 방법들 중 하나의 방법은 컴퓨터 프로그램의 형태로 상기 메모리에 저장되고, 상기 프로세서는 상기 컴퓨터 프로그램이 상기 메모리로부터 상기 프로세서로 로딩될 때 상기 방법을 수행하도록 제공된다.

본 발명의 추가적인 양상에 따르면, 컴퓨터 프로그램은 상기 컴퓨터 프로그램이 컴퓨터에서 실행되거나 또는 상기 제시된 디바이스들 중 하나의 디바이스에서 실행될 때 상기 제시된 방법들 중 하나의 방법의 모든 단계를 수행하는 프로그램 코드 수단을 포함한다.

본 발명의 추가적인 양상에 따르면, 컴퓨터 프로그램 제품은 컴퓨터-판독가능한 데이터 매체에 저장된 프로그램 코드를 포함하고, 이 프로그램 코드는 데이터 처리 디바이스에서 실행될 때 상기 제시된 방법들 중 하나의 방법을 수행한다.

본 발명의 추가적인 양상에 따르면, 자기 변형 센서는 상기 제시된 제어 디바이스들 중 하나의 디바이스를 포함한다.

상기 자기 변형 센서는 임의의 원하는 응용에서, 예를 들어, 차량에서 조향 샤프트와 같은 토션 샤프트에 대한 토크를 검출하거나 또는 베어링의 접촉 힘을 검출하는데 사용될 수 있다.

본 발명의 추가적인 양상에 따르면, 차량은 그리하여 상기 제시된 자기 변형 센서들 중 하나의 센서를 포함한다.

전술한 본 발명의 특성, 특징과 장점, 및 본 발명이 달성되는 방식은 도면과 함께 보다 상세히 설명되는 예시적인 실시예의 이하의 상세한 설명과 함께 보다 더 명확히 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 차량의 개략도;
도 2는 조향 각도 센서의 개략도;
도 3은 휠 접촉 센서의 개략도;
도 4는 자기 변형 측정 센서의 히스테리시스 곡선을 도시하는 도면;
도 5는 도 4로부터 히스테리시스 곡선의 상세를 도시하는 도면; 및
도 6은 도 2로부터 조향 각도 센서 또는 도 3으로부터 휠 접촉 센서의 회로를 도시하는 도면.

도면에서, 동일한 기술적 소자에는 동일한 참조 부호가 제공되고 단 한번만 설명된다.

차량(2)의 개략도를 도시하는 도 1을 참조한다.

차량(2)은 전방 휠(6)과 후방 휠(8)에서 모바일 방식으로 지지되는 섀시(4)를 그 자체로 알려진 방식으로 포함한다. 전방 휠(6)의 휠 록(wheel lock)이 여기서 조향 휠(10)에 의해 설정될 수 있고, 도 2에서 참조되는 조향 각도(12)는 조향 휠(10)에 의해 설정되고, 조향 로드(14)에 의해 조향 각도 센서(16)에 송신되고, 이 조향 각도 센서는 조향 각도(12)를 전기 출력 신호(30)로 출력하고, 이 전기 출력 신호는 휠 록을 설정하는 작동체(미도시)를 작동시키는데 사용될 수 있다.

차량(2)은 도 3에 도시된 기계적 부하 상태(20)를 차량(2)의 기저 표면에 대하여 수직으로 측정할 수 있는 휠 접촉 센서(18)를 더 포함한다. 이 부하 상태(22)는, 예를 들어, 차량(2)의 과부하를 결정하는데 사용될 수 있다.

조향 각도 센서(16)의 개략도인 도 2를 참조한다.

조향 각도 센서(16)는 조향 로드(14) 주위에 서로 특정 거리에서 각각 권취된 제1차 코일(24)과 제2차 코일(26)을 갖는 변압기(22)를 포함한다. 본 실시예에서, 조향 로드(14)는 자기 변형 물질로 제조되고, 그 결과 제1차 코일(24)과 제2차 코일(26)은 조향 로드(14)를 통해 서로 결합된다.

조향 샤프트(14)는, 예를 들어, 보다 상세히 도시되지 않은 방식으로 일 단부에 부착될 수 있다. 조향 샤프트(14)가 조향 휠(10)에 의해 조향 각도(12)만큼 회전되면, 조향 샤프트(14)의 자기 변형 물질은 자기장(미도시)을 형성하여 제1차 코일(24)과 제2차 코일(26) 사이의 결합도를 변화시킨다. 제1차 코일(24)에 공급되는 송신 신호(28)는 그리하여 조향 샤프트(14)에 인가되는 조향 각도(12)의 함수로서 상이하게 변하고, 상기 송신 신호(28)는 제2차 코일(26)에서 출력 신호(30)로 출력된다. 그리하여 조향 각도(12)에 대한 정보가 출력 신호(30)로부터 판독될 수 있다.

그러나, 전술한 자기장의 형성은 히스테리시스를 나타낸다. 다시 말해, 조향 각도(12)만큼 회전을 제거한 후에도, 형성된 자기장의 적어도 일부가 남아 있어서 출력 신호(30)에서 조향 각도(12)에 대한 정보가 왜곡된다. 출력 신호(30)에서 이 히스테리시스의 효과를 경감시켜 조향 각도를 검출하는 동안 측정 에러를 감소시키기 위하여, 본 예시적인 실시예의 범위에서 전기적인 여기자 신호(32)에 기초하여 압전-소자(34)에 의하여 기계적으로 교번하는 장(36)을 자기 변형 조향 샤프트(14)에 인가하는 것이 제안된다. 이 기계적으로 교번하는 장(36)에 의하여, 자기 변형 조향 샤프트(14)를 연속적으로 자화시켜 이 조향 샤프트를 부분적으로 자기 포화에 이르게 하는 자기 동작점(38)이 자기 변형 조향 샤프트(14)에 적용된다. 이 포화로부터 시작하여, 자기 변형 조향 샤프트(14)에 남아 있는 히스테리시스가 감소되어, 조향 각도(12)를 측정하는 동안 정밀도가 증가된다.

자기 동작점(38)이 자기 변형 조향 샤프트(14)에 적용되는 방식에 대한 상세는 도 4 및 도 5의 범위에서 차후에 제시된다.

그러나, 먼저 차량(2)의 휠 접촉 센서(18)가 도 3을 참조하여 보다 상세히 설명된다.

본 실시예에서, 휠 접촉 센서(18)는, 롤러 소자(44)에 의해 서로 롤링될 수 있는 외부 링(40)과 내부 링(42)을 갖는 휠 베어링(미도시)에 통합된다. 본 실시예에서, 제1차 코일(24)과 제2차 코일(26)은 외부 링(40) 주위로 권취되는 반면, 외부 링은 자기 변형 물질로 다시 제조된다. 외부 링(40)이 휠 접촉 힘(46)에 의해 변형되면, 휠 접촉 힘은 도 2에서 조향 각도(12)와 동일한 방식으로 결정될 수 있다.

그러나, 동일한 히스테리시스 효과가 자기 변형 조향 샤프트(14)에서와 같이 자기 변형 외부 링(40)에서 일어난다. 이 히스테리시스 효과를 감소시키거나 심지어 최소화하기 위해, 본 실시예에서 자기 동작점(38)은 제1차 코일(24)과 제2차 코일(26) 사이에 권취된 여기자 코일(48)을 통해 다시 여기자 신호(32)에 기초하여 자기 변형 외부 링(40)에 적용된다. 여기자 코일(48)에 의해, 자기적인 여기자 장(magnetic exciter field)(50)이 외부 링(40)에 인가되고, 이 자기적인 여기자 장(50)은, 기계적인 여기자 장(mechanical exciter field)(36)이 압전-소자(34)를 통해 자기 변형 조향 샤프트(14)에 인가되는 것과 같이, 동일한 방식으로 외부 링(40)을 자화시켜 이 외부 링을 부분적으로 포화시킬 수 있다.

여기자 신호(32)에 기초하여 자기 동작점(38)을 적용하는 것은 자기 변형 외부 링(40) 주위에 권취된 여기자 코일(48)을 참조하여 아래에 예시된 방식으로 설명된다. 그러나, 동일한 방식으로, 자기 동작점(38)은 여기자 신호(32)에 기초하여 압전-소자(34)를 통해 자기 변형 조향 샤프트(14)에도 적용될 수 있고, 이 이유 때문에 이에 대한 별도의 설명이 간략화를 위해 생략된다.

본 실시예에서, 여기자 신호(32)는 직류 전압(52)과 이에 중첩된 순수 교류 전압(54)에 기초하여 생성된다. 그리하여 여기자 신호(32)는 일정한 성분과 교번하는 성분을 갖는 혼합된 전압이고, 이 일정한 성분과 교번하는 성분은 간략화를 위해 아래에서는 그 전압에 따라 대응하게 참조 부호(52)와 참조 부호(54)로 언급된다.

이 히스테리시스-경감 효과는 도 4 및 도 5를 참조하여 아래에서 보다 상세히 설명되고, 이 도 4 및 도 5는, 자기적인 여기자 장(50)에 대해 도시된 자기 변형 외부 링(40)에서의 선속 밀도(60)를 대응하게 나타내는, 자기 변형 측정 센서(14, 40)로서 외부 링(40)에서의 히스테리시스 곡선(56)과, 이 히스테리시스 곡선(56)의 상세(58)를 각각 도시한다.

처음에 일정한 성분(52)이 인가될 때, 자기 변형 외부 링(40)은 히스테리시스 곡선(56)의 새로운 곡선(62)으로 자화된다. 여기자 전압(32)이 교번하는 성분(54)이 이제 활성(active)인 것으로 인해 다시 강하하면, 새로운 자기장이 자기 변형 외부 링(40)의 이제 노출된 극면들 사이에 형성되고, 이 자기장은 자기 변형 외부 링(40)을 둘러싸는 투과가능한 공간으로 침투하고, 이 공정에서 자기 변형 외부 링(40)으로부터 에너지를 추출한다. 자기 변형 외부 링(40)의 개방된 자화와, 그리하여 그 자기 동작점(38)은, 그리하여 그 자체로 알려진 잔류 자기 선속 밀도(64)로부터 다소 아래에 놓여 있다.

그러나, 자기 변형 외부 링(40)은 새로운 곡선(62)에 있는 자기 동작점(38)을 취하지 않고, 히스테리시스 곡선(56)의 자화 소거 곡선(66)에 있는 자기 동작점을 취한다. 송신 신호(28)가 제1차 코일(24)에 인가되면, 도 5로부터, 이 송신 신호(28)로 인해 히스테리시스가 자기 동작점(38) 주위에서 일어나는데, 이 히스테리시스는 자기 변형 외부 링(40)의 실제 히스테리시스(56)보다 훨씬 더 작은 것이 명백하다. 나아가 외부 링(40)의 자기 선속 밀도(60)가 자기 동작점(38)을 통해 음이 되어서 제1차 코일(24)과 제2차 코일(26) 사이에 송신 시 위상 점프가 일어날 확률이 감소된다.

휠 접촉 힘(46)이 자기 변형 외부 링(40)에 인가되면, 외부 링(40)의 히스테리시스 곡선(56)은, 참조 부호(56')로 지시된, 외부 링(40)의 자기 변형 특성으로 인해 자기 선속 밀도(60)의 축에 대해 연장된다. 이 연장 결과, 자화 소거 곡선(66)의 구배와, 그리하여 외부 링(40)의 상대 투자율이 인식가능하게 변화된다. 외부 링(40)의 상대 투자율의 변화는 그 자기 저항의 변화를 동반하고, 이 때문에 휠 접촉 힘(46)이 인가됨이 없이 송신 신호(28)가 인가되는 휠 접촉 힘에 의해서가 아니라 상이한 댐핑(damping)에 의해 변압기(22)를 통해 송신된다. 송신 신호(28)의 이 댐핑은 탭핑(tapped)될 수 있는 출력 신호(30)로부터 그 자체로 알려진 방식으로 판독될 수 있다.

그러나, 이 목적을 위하여, 여기자 신호(32)에 의해 야기되는 신호 성분이 먼저 출력 신호(30)로부터 제거되어야 한다. 이것은, 일정한 성분은 여기자 코일(48)로부터 변압기(22)를 통해 제2차 코일(26)로 송신될 수 없으므로, 예를 들어, 도 6에 도시되고 제어 디바이스로 사용될 수 있는 회로(67)로 도시된 바와 같이 저역 통과 필터(68)로 수행될 수 있다. 저역 통과 필터(68)가 적절히 크기 정해지면, 여기자 신호(32)의 교번하는 성분(54)은 출력 신호(30)로부터 필터링될 수 있어서, 그 결과 휠 접촉 힘(46)이 저역 통과 필터(68)의 출력에 존재하는 저역 통과 신호(70)로부터 알려진 방식으로 획득될 수 있다.

Claims (10)

1. 자기 변형 소자(14, 40)와, 상기 자기 변형 소자(14, 40)의 자기 저항을 검출하는 측정 센서(22)를 구비하는 자기 변형 센서(16, 18)를 동작시키기 위한 방법으로서, 교번하는 장(alternating field)(36, 50)을 상기 자기 변형 소자(14, 40)에 결합시키는 단계를 포함하는, 자기 변형 센서를 동작시키기 위한 방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 교번하는 장(36, 50)은 기계적으로 교번하는 장(36) 및/또는 자기적으로 교번하는 장(50)을 포함하는, 자기 변형 센서를 동작시키기 위한 방법.
3. 제1항에 있어서, 상기 교번하는 장(36, 50)은 일정한 성분(52)과 교번하는 성분(54)으로 구성된 혼합된 장을 포함하는, 자기 변형 센서를 동작시키기 위한 방법.
4. 제1항에 있어서, 상기 측정 센서(22)는 상기 자기 변형 소자(14, 40) 주위에 각각 권취된 제1차 코일(24)과 제2차 코일(26)을 갖는 변압기(22)를 포함하는, 자기 변형 센서를 동작시키기 위한 방법.
5. 제4항에 있어서, 상기 교번하는 장(36, 50)은 상기 제1차 코일(24)과 상기 제2차 코일(26) 사이에 상기 자기 변형 소자(14, 40)에 입력되는, 자기 변형 센서를 동작시키기 위한 방법.
6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 전기적인 여기자 신호(electrical exciter signal)(32)에 기초하여 상기 교번하는 장(36, 60)을 여기시키는 단계를 포함하는, 자기 변형 센서를 동작시키기 위한 방법.
7. 제6항에 있어서, 상기 전기적인 여기자 신호(32)에 기초하여 상기 측정 센서(22)로부터 출력 신호(30)를 필터링하는 단계를 포함하는, 자기 변형 센서를 동작시키기 위한 방법.
8. 제7항에 있어서, 상기 출력 신호(30)를 필터링하는 단계는 상기 교번하는 장(36, 50)의 주파수에 의존하는 차단 주파수를 갖는 저역 통과 필터(68)로 수행되는, 자기 변형 센서를 동작시키기 위한 방법.
9. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항의 방법을 수행하도록 구성된 제어 디바이스(67).
10. 제9항의 제어 디바이스(67)를 포함하는 자기 변형 센서(16, 18).

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