KR102314288B1 - 차량 스티어링 샤프트를 위한 강자성 컴포넌트 및 토크 센서를 제조하기 위한 방법 - Google Patents

차량 스티어링 샤프트를 위한 강자성 컴포넌트 및 토크 센서를 제조하기 위한 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 강자성 재료로 구성된 금속 박판 요소를 제공함으로써, 그리고 강자성 컴포넌트(17, 33)를 형성하기 위해 금속 박판 요소를 변형시킴으로써, 자동차의 스티어링 샤프트에 가해지는 토크를 검출하기 위한 토크 센서용 강자성 컴포넌트(17, 33)를 제조하기 위한 방법에 관한 것으로서, 금속 박판 요소를 위한 강자성 재료로서 전기 강 박판이 사용된다.

Description

차량 스티어링 샤프트를 위한 강자성 컴포넌트 및 토크 센서를 제조하기 위한 방법{METHOD FOR PRODUCING A FERROMAGNETIC COMPONENT FOR A TORQUE SENSOR OF A VEHICLE STEERING SHAFT AND TORQUE SENSOR}
본 발명은 자동차의 스티어링 샤프트에 가해지는 토크를 검출하기 위한 토크 센서를 위한 강자성 컴포넌트를 제조하기 위한 방법에 관한 것이다. 강자성 재료로 구성되는 금속 박판 요소가 제공되고, 다음에 이 금속 박판 요소는 강자성 컴포넌트를 형성하도록 변형된다. 본 발명은 또한 자석으로부터의 자속을 토크 센서의 적어도 하나의 자속 전도체로, 그리고 이것을 통해 적어도 하나의 자기 센서로 전도하도록 설계되는 적어도 하나의 강자성 스테이터 부품을 갖는, 자동차의 스티어링 샤프트에 가해지는 토크를 검출하기 위한 토크 센서에 관한 것이다.
자동차의 스티어링 샤프트에 가해지는 토크를 검출하기 위한 토크 센서는 이미 종래의 기술이다. 이러한 토크 센서는, 예를 들면, 전기 스티어링 시스템에서 사용될 수 있다. 토크 센서는, 예를 들면, 문헌 US 2004/0194560 A1 및 문헌 DE 102 40 049 A1로부터 공지되어 있다. 이 경우에 토크 센서 장치는 축방향으로 상호 반대측에 위치되는, 그리고 토션 바를 통해 상호 연결되는 스티어링 샤프트의 2 개의 샤프트 부품 또는 서브-샤프트에 부착된다. 제 1 샤프트 부품 상에는 자석(예를 들면, 링 형상의 자석)이 배치되고, 반면에 다른 샤프트 부품에는 자기 스테이터를 구비하는 브래킷이 부착되고, 이 자기 스테이터는 작은 공극을 통해 반경 방향으로 영구 자석의 반대측에 위치된다. 일반적으로 2 개의 별개의 스테이터 부품으로 구성되는 스테이터를 통해, 자석의 자속은 제 1 자속 전도체 및 제 2 자속 전도체로 전도되고, 다음에 이것은 자속을 자기 센서(예를 들면, 홀 센서)로 방출한다. 이 경우에 이 자기 센서는 2 개의 자속 전도체 사이에 위치된다.
상기 유형의 토크 센서는 문헌 DE 10 2007 043 502 A1로부터 더욱 공지되어 있다.
종래 기술로부터 또한 공지된 것은 스티어링 샤프트의 현재의 스티어링 각도를 검출하는 작용을 스티어링 각도 센서이다. 이러한 장치는, 예를 들면, 문헌 DE 10 2008 011 448 A1로부터 출현되어 공지되어 있다. 이 경우에 스티어링 샤프트의 회전 운동은 전동장치를 통해 비교적 작은 기어 휠로 전달되고, 이 기어 휠은 자석을 지지하고 있다. 다음에 비교적 작은 이 기어 휠의 회전이 자기 센서를 통해 검출된다.
또한 공지된 것은 조합형 센서로서, 이 경우에 한편으로 토크 센서 장치 및 다른 한편으로 스티어링 각도 센서 장치가 공통의 구조적 유닛으로서 일체적으로 형성된다. 토크 센서 및 스티어링 각도 센서를 갖는 이러한 장치는, 예를 들면, 문헌 DE 10 2010 033 769 A1로부터 공지되어 있다.
따라서, 이 공지된 토크 센서는 링 형상의 자석, 각각의 경우에 포위하는 하나의 링 형상의 디스크를 구비하는 2 개의 스테이터 부품, 및 다수의 치형 요소로 구성되는, 또한 자기장 센서 상으로 자기장을 집속시키기 위한 2 개의 자속 전도체로 구성되는 자기 회로를 갖는다. 이 경우에 스테이터 부품 및 자속 전도체의 양자는 강자성 재료로 형성된다. 그러나, 이 특정 용도에서 강자성 재료 상에 자기 이력에 관한 매우 높은 요구가 부과된다. 정상적인 철 재료, 예를 들면, 표준 딥드로잉 품질 DC04의 사용은 가능하지 않고, 그 대신 토크 센서의 적절히 우수한 특성 곡선, 특히 낮은 레벨의 이력을 얻기 위해 자기적으로 연성인 특수 합금이 요구된다. 스테이터 부품 및 자속 전도체의 제조용으로 사용되는 공지된 합금은 통상적으로 30 % 내지 80 %의 니켈(Ni) 분율을 갖는다. 이것은 상기 합금이 고가의 니켈로 인해 상당한 비용 요인을 구성하고, 따라서 토크 센서의 제조는 다른 차량 컴포넌트에 비해 비싸다는 단점을 갖는다. 더욱이, 철-니켈 합금은 또한 제조 및 팽창 계수에 관하여 추가의 단점과 관련된다.
본 발명의 목적은 차량 스티어링 샤프트의 토크 센서용 강자성 컴포넌트를 제조하기 위한 종래 기술에 비해 개선된 방법 및 개선된 토크 센서를 제안하는 것이다.
상기 목적은 본 발명에 따라 각각의 독립 특허 청구항에 따른 특징을 갖는 방법 및 토크 센서를 통해 달성된다. 본 발명의 유리한 실시형태는 종속 특허 청구항, 상세한 설명 및 도면의 대상이다.
본 발명에 따른 방법은 자동차의 스티어링 샤프트에 가해지는 토크를 검출하기 위한 토크 센서용 강자성 컴포넌트를 제조하기 위한 것이다. 강자성 재료로 구성되는 금속 박판 요소가 제공되고, 이것은 강자성 컴포넌트를 형성하도록 변형된다. 본 발명에 따르면, 금속 박판 요소를 위한 강자성 재료로서 전기 강 박판이 사용되고, 따라서 이 금속 박판 요소는 전기 강 박판으로부터 제공된다.
본 발명에 따르면, 강자성 컴포넌트의 제조를 위해 철-니켈 합금을 사용하는 대신, 대안적 재료, 특히 전기 강 박판이 제안된다. 이러한 자기적으로 연성의 재료는 2 % 내지 4 %의 규소 분율을 갖는 철-규소 합금으로 구성된다. 여기서, 본 발명은 상기 유형의 전기 강 박판이 본 용도, 특히 스티어링 샤프트의 토크 센서에 특히 적합할 수 있고, 더욱이 철-니켈 합금에 비해 장점을 갖는다는 인식에 기초한다. 자기적으로 연성의 우수한 특성은 상기 유형의 전기 강 박판, 특히 무방향성의 반가공된 전기 강 박판을 이용하여 얻어질 수 있다. 전기 강 박판은 철-니켈 합금에 비해 특히 비용, 제조 경비 및 열팽창 계수에 관하여 장점을 갖는다.
본 용도를 위해 특히 적합한 것으로 입증된 것은 소위 압연 방향과 이것에 대한 횡방향의 양 방향에서 균일한 자기 특성을 나타내는 소위 무방향성(non-grain-oriented; NGO) 전기 강 박판이다. 이것은 토크 센서의 경우에 유리한데, 토크 센서는 회전 대칭이고, 따라서 균일한 자기 특성을 가져야 하는 것이 유리하기 때문이다. 이제 이것은 무방향성 전기 강 박판의 사용을 통해 확보된다.
기본적으로 소위 완전 가공된 전기 강 박판과 반제품으로서 반가공된 전기 강 박판으로 분류된다. 종래의 기술에서는 전기 모터 또는 변압기의 제조를 위해 통상적으로 완전 가공된 전기 강 박판이 사용되고, 이것은 요구되는 자기적으로 연성의 특성을 발생시키기 위한 추가의 열처리를 필요로 하지 않는다. 그러나, 스티어링 샤프트의 토크 센서에서 사용하기 위해서는 상기 자기적으로 연성의 특성은 적합하지 않다는 것이 밝혀졌다. 이러한 이유로, 하나의 실시형태에서, 강자성 컴포넌트를 형성하기 위해 성형 또는 변형 후에 열처리를 받을 수 있는 반가공된 전기 강 박판이 사용되는 것이 제안된다. 이것은 토크 센서의 자기적으로 연성의 특성에 관하여, 특히 비교적 낮은 레벨의 자기 이력에 관하여 매우 우수한 결과로 이어진다.
따라서, 하나의 실시형태에서, 강자성 컴포넌트를 형성하기 위해 금속 박판 요소의 변형 후에 컴포넌트의 어닐링 공정이 수행된다. 이러한 실시형태는 토크 센서에서의 사용의 경우에 전기 강 박판의 자기적으로 연성의 특성이 100 % 적합한 것은 아니라는 인식에 기초한다. 특히 우수한 자기 이력은 상기 컴포넌트의 열처리를 통해 처음으로 가능해 진다.
이러한 상황에서, 840 ℃ 미만의 온도에서의 표준 어닐링은 부적합한 것으로 밝혀졌다. 이 경우에 훨씬 더 우수한 자기적으로 연성의 특성은 850 ℃을 상당히 더 초과하는 온도, 특히 850 ℃ 내지 1250 ℃의 범위, 더 바람직하게는 1100 ℃ 내지 1150 ℃의 온도에서 컴포넌트의 어닐링을 통해 달성될 수 있다.
여기서, 더 나아가 만일 컴포넌트의 상기 어닐링 공정 또는 열처리가 2 시간을 초과하여, 특히 3 시간을 초과하여 수행된다면 유리하다는 것이 입증되었다. 어닐링 공정의 지속 시간은, 예를 들면, 4 시간 또는 5 시간일 수 있다. 이것은 토크 센서의 자기적으로 연성의 특성을 더욱 개선한다.
컴포넌트의 어닐링 공정이 탈탄 분위기, 특히 탈탄 수소 분위기 중에서 수행된다면 추가의 개선이 달성된다. 이러한 방식으로, 컴포넌트로부터 탄소가 추출될 수 있고, 이것은 자기적으로 연성의 특성, 특히 자기 이력을 더욱 개선한다.
어닐링 공정 후에 컴포넌트의 냉각 공정이 수행되는 것이 바람직하다. 냉각 공정 중에 컴포넌트의 산화 공정이 수행되는 것이 바람직하다. 특히, 전기 강 박판은 소량의 수분의 존재 하에서 부식되기 시작한다. 그러므로, 컴포넌트가 밀폐된 하우징 내에 설치된 경우에도 부식 방지 조치가 필요하다. 여기서, 예를 들면, 래커도장(lacquering) 또는 아연도금 보호층과 같은 종래의 코팅 방법은 단점과 관련되는 추가의 작업 단계를 수반하므로 불리한 것으로 밝혀졌다. 이러한 이유로, 이러한 실시형태에서, 냉각 공정 중에, 즉 어닐링 직후에 컴포넌트의 표적화 산화가 제안된다. 이러한 접근방법은 컴포넌트의 산화가 냉각 공정과 동시에 수행되고, 따라서 컴포넌트의 제조 기간이 영향을 받지 않는 장점을 갖는다. 그러므로, 부식 방지 조치를 위한 추가의 작업 단계가 필요하지 않다.
이 산화 공정은 600 ℃ 미만, 특히 550 ℃ 미만의 컴포넌트의 온도에서 수행되는 것이 바람직하고, 이 온도에서 컴포넌트의 최적의 자기적으로 연성의 특성은 이미 정착되어 있다.
산화 공정의 실제의 구현형태는 보호 기체 분위기의 이슬점이 수증기의 혼합을 통해 상당히 증가되는 것으로 이루어진다. 그러면, 컴포넌트 상에 마그네타이트로 구성된 고밀도의 산화물 층이 형성되고, 이것은 부식에 대한 적절한 보호를 보장한다. 이것을 위한 반응식은 다음과 같다.
3Fe + 4H2O(g) ↔ Fe3O4 + 4H2(g)
특히, 연속로의 경우, 이러한 산화 공정은 컴포넌트의 추가의 조작이 불필요해지도록 냉각 구역에서 매우 유리한 방식으로 통합될 수 있다. 더욱이, 여기서 잔열이 활용될 수 있으므로 이 컴포넌트는 재가열될 필요가 없다.
따라서 어닐링 공정이 연속로 내에서 수행될 수 있다. 연속로를 사용하면 위에서 언급된 잔열의 취급 및 존재의 장점에 더하여 적절한 기체 안내를 제공함으로써 낮은 이슬점을 갖는 어닐링 영역과 높은 이슬점을 갖는 산화 영역 사이의 분위기 분리가 큰 경비를 지출하지 않고도 형성될 수 있다는 장점을 갖는다.
토크 센서를 위한 컴포넌트로서, 자속을 전도하기 위한 스테이터 부품을 제조하는 것이 바람직하고, 이 스테이터 부품은 링 형상의 디스크를 갖고, 링 형상의 디스크의 원주 방향으로 분포되도록 배치되는 다수의 치형 요소를 갖고, 이것은 축방향으로 이 링 형상의 디스크로부터 멀어지는 방향으로 돌출되거나 굽힘된다.
이러한 스테이터 부품은 펀칭가공 및 굽힘가공을 통해 재료 스트립으로부터 제조된다. 따라서, 이 경우에 변형은 펀칭가공 및 굽힘가공을 통해 실현된다. 그러나, 대부분의 매우 적절한 전기 강 박판은 비교적 취성을 갖는다는 것이 밝혀졌다. 치형 요소의 굽힘가공 중의 인열(tearing)의 위험을 감소시키기 위해, 하나의 실시형태에서, 스테이터 부품을 형성하기 위한 금속 박판 요소의 변형 중에, 비교적 큰 굽힘 반경, 특히 0.8 ㎜ 내지 2 ㎜의 굽힘 반경을 갖는 치형 요소의 굽힘가공이 수행된다.
추가적으로 또는 대안적으로, 토크 센서용 컴포넌트로서, 스테이터 부품으로부터 자기 센서로 자속을 전도하는 작용을 하는 자속 전도체가 제조되는 것이 또한 가능하다. 따라서, 상기 자속 전도체를 통해, 자기장이 자기 센서 상에 집중된다.
본 발명은 또한 토크 센서 자체를 제조하기 위한 방법에 관한 것일 수 있고, 이 경우에 이 토크 센서를 위해 먼저 위에서 설명된 본 발명에 따른 방법에 따라 컴포넌트가 제조되고, 다음에 이 컴포넌트를 이용하여 토크 센서가 조립된다. 토크 센서는 자동차의 스티어링 샤프트에 가해지는 토크를 검출하기 위해 설계된다.
본 발명은 또한 자석으로부터의 자속을 토크 센서의 적어도 하나의 자속 전도체로, 그리고 이 자속 전도체를 통해 적어도 하나의 자기 센서로 전도하도록 설계되는 적어도 하나의 강자성 스테이터 부품을 갖는, 자동차의 스티어링 샤프트에 가해지는 토크를 검출하기 위한 토크 센서에 관한 것이다. 이 자속 전도체는 자기 센서 상에 자속을 집중시키는 작용을 한다. 본 발명에 따르면, 스테이터 부품 및/또는 자속 전도체는 전기 강 박판으로 형성된다.
본 발명에 따른 방법에 준거하여 제안되는 바람직한 실시형태 및 그 장점은 대응하여 본 발명에 따른 토크 센서에 적용된다.
본 발명의 추가의 특징은 청구항, 도면 및 도면의 설명으로부터 드러날 것이다. 모든 특징과 위에서 언급된 상세한 설명의 특징의 조합, 및 이 특징과 이하에서 언급되는 도면의 설명 내의 및/또는 도면 자체 내의 특징의 조합은 각각의 특정된 조합으로 뿐만 아니라 기타 조합으로 또는 개별적으로 사용될 수 있다.
이하에서 본 발명은 바람직한 예시적 실시형태에 기초하여 그리고 첨부된 도면을 참조하여 더 상세히 논의될 것이다.
도 1은 토크 센서 및 스티어링 각도 센서를 갖는 자동차용의 통합된 장치의 개략 분해도이고;
도 2는 도 1에 따른 장치의 하나의 영역의 확대도이고;
도 3은 도 1에 따른 장치의 추가의 영역의 확대도이고;
도 4는 본 발명의 일 실시형태에 따른 방법의 흐름도를 도시한다.
도 1에 도시된 전체적으로 1로 표시된 본 발명의 일 실시형태에 따른 장치는 토크 센서 및 스티어링 각도 센서의 양자 모두를 포함한다. 토크 센서는 자동차의 스티어링 샤프트에 가해지는 토크를 측정하는 작용을 한다. 스티어링 각도 센서는 스티어링 샤프트의 현재의 스티어링 각도를 검출하는 작용을 한다. 본 장치(1)는 토크를 검출하도록, 그리고 스티어링 각도를 측정하도록 설계된 통합식 센서 장치가 형성되는 통합식 구조 유닛의 형태이다.
차량의 스티어링 샤프트는 토션 바(도면에 도시되지 않음)를 통해 상호 연결되는 2 개의 샤프트 부품을 포함한다. 샤프트 부품 중 하나에 브래킷(2)이 회전가능하게 결합하여 부착되고, 반면에 자석(도면에 도시되지 않음), 예를 들면, 링 형상의 자석의 형태의 특히 영구 자석은 다른 샤프트 부품 상에 회전가능하게 결합하여 유지된다. 브래킷(2)은 일체형 플라스틱 부품 및/또는 주조 컴포넌트일 수 있다. 선택적으로, 브래킷(2)은, 예를 들면, 금속으로 구성되는 슬리브(47)를 구비할 수 있고, 또는 아니면 관련된 샤프트 부품에 브래킷(2)을 체결하기 위한 러그, 후크, 클립 등과 같은 기타 체결 요소를 구비할 수 있다.
토크 센서의 컴포넌트는 실질적으로 다음과 같다. 즉, 언급된 영구 자석, 2 개의 동일한 스테이터 부품(10, 17)을 구비하는 자기 스테이터(11), 2 개의 자속 전도체(32, 33), 및 인쇄 회로 보드(28) 상에 위치되는 자기 센서(27)이다. 이에 반대, 스티어링 각도 센서는 다음을 포함한다. 즉, 2 개의 자기장 검출기 또는 자기 센서(29, 30), 기어 휠(38, 39, 40)의 형태의 회전 전동 요소를 구비하는 기어링(gearing; 37), 및 브래킷(2) 상에 주조형성된 로터(15)이다.
특히, 도 2로부터 볼 수 있는 바와 같이, 브래킷(2)은 먼저 상호 인접하여 축방향으로 배치되는 2 개의 원통형 영역, 특히 먼저 원통형의 제 1 축방향 영역(3) 및 제 2 축방향 영역(4)을 포함하고, 후자는 축방향으로 오프셋 상태로 배치되고, 제 1 축방향 영역(3)에 대해 동심으로 위치되고, 다소 더 작은 직경을 갖는다. 제 1 축방향 영역(3)은 원주 방향으로 분포되도록 배치되는 다수의 스트럿형 또는 스포크형 연결 요소(5)를 통해 제 2 축방향 영역(4)에 연결된다. 연결 요소(5)들 사이에는 반경방향 컷아웃(6)이 형성되어 있고, 이것은 통과 개구이다.
제 1 축방향 영역(3)은 2 개의 축방향 림 연부(rim edge), 특히 일측의 제 1 외부 부림 연부(7) 및 타측의 제 2 축방향 림 연부(8)를 갖고, 이것은 제 2 축방향 영역(4)을 향해 대면하다.
제 1 축방향 림 연부(7) 상에는, 다수의 축방향 핀 또는 스터드(9)가 형성되어 있고, 이것은 축방향 돌출부로서 연부(7)로부터 축방향으로 상호 평행하게 돌출한다. 상기 핀(9)을 통해, 브래킷(2)은 스테이터의 제 1 스테이터 부품(10)에 연결되고, 이것은 전체적으로 11로 표시되어 있다.
이 장치(1)는 하우징(12)을 더 포함하고, 이것은 슬라이딩 피스(sliding piece)의 기능을 추가로 갖는다. 이 하우징(12)은 내부 슬리브(13)를 갖고, 이것은 링 형상의 환형 형태이고, 여기에 브래킷(2)의 제 1 축방향 영역(3)이 수용되므로 브래킷(2)의 제 1 축방향 영역(3)의 외부 원주는 슬리브(13)의 내부 원주 상에서 슬라이딩할 수 있다. 여기서, 브래킷(2)의 제 1 축방향 영역(3)은 브래킷(2)의 플랜지(14)까지 슬리브(13) 내에 삽입되고, 상기 플랜지는 치형 구조(16)를 구비하는 로터(15)에 의해 형성된다. 이 경우에 치형 구조(16)를 구비하는 로터(15)는 제 1 축방향 영역(3) 상에 주조성형된다.
스테이터(11)는 제 1 스테이터 부품(10) 외에 제 2 스테이터 부품(17)을 더 갖는다. 각각의 스테이터 부품(10, 17)은 각각의 경우에 일체형이고, 반경방향 외측으로 연장되는 각각 링 형상의 플랜지형 림 요소(18, 19) 및 각각의 다수의 치형 요소(20, 21)를 갖는다. 치형 요소(20, 21)는 축방향으로, 특히 브래킷(2)의 제 1 축방향 영역(3)의 방향으로 각각의 림 요소(18, 19)로부터 돌출한다. 따라서, 치형 요소(20, 21)는 스티어링 샤프트의 회전 축선에 대량 평행한 축방향으로 연장된다. 여기서, 2 개의 스테이터 부품(10, 17)은 동일한 형태이므로 제 1 스테이터 부품(10)의 치형 요소(20)의 수는 또한 제 2 스테이터 부품(17)의 치형 요소(21)의 수와 동일하다.
브래킷(2)에 스테이터(11)의 체결을 위해, 치형 요소(21)가 연결 요소(5)들 사이에서 컷아웃(6)을 통해 축방향으로 연장되도록, 그리고 브래킷(2)의 제 1 축방향 영역(3)의 내부 원주 상에 지지되도록 먼저 브래킷(2)의 제 2 축방향 영역(4) 상에 스테이터 부품(17)이 장착된다. 브래킷(2)의 제 2 축방향 영역(4) 상에 스테이터 부품(17)을 장착한 후에, 치형 요소(21)는 브래킷(2)의 제 1 축방향 영역(3)의 내부에 배치되므로 오로지 림 요소(19)만이 반경방향 외측으로 돌출되고, 브래킷(2)의 제 1 축방향 영역(3)의 축방향 림 연부(8) 상에 축방향으로 지지된다.
브래킷(2)의 제 2 축방향 영역(4) 상에 스테이터 부품(17)을 장착하는 중에, 림 연부(8)의 영역 내에서 연결 요소(5) 상에 형성된, 제 1 축방향 영역(3)의 핀(22)은 대응하는 통과 개구(23) 내에 수용되고, 스테이터 부품(17)의 림 요소(19) 내에 형성된 상기 통과 개구(23)를 통과한다. 상기 통과 개구(23)는 스테이터(11)의 중심 방향으로 반경방향 내측으로 돌출되거나 그 중심을 향하는 각각의 러그(24) 내에 형성된다. 여기서, 각각의 경우에 통과 개구(23)를 구비하는 하나의 이러한 러그(24)는 각각의 경우에 2 개의 인접하는 치형 요소(21)들 사이에 제공된다.
스테이터 부품(17)이 브래킷(2)의 제 2 축방향 영역(4) 상에 장착된 후에, 그리고 이에 따라 핀(22)이 통과 개구(23) 내에 수용된 후에, 핀(22)의 자유 단부는 변형될 수 있고, 따라서 브래킷(2) 상에 스테이터 부품(17)의 더욱 확실한 안착을 보장하기 위한 리벳 헤드를 형성하도록 가공될 수 있다.
다른 스테이터 부품(10)은, 치형 요소(20)가 스테이터 부품(17)의 반대측에 위치되는 브래킷(2)의 축방향 면측으로부터, 또는 림 연부(7)의 측면으로부터 브래킷(2)의 제 1 축방향 영역(3)의 내부 내로 삽입되도록, 브래킷(2)에 고정된다. 여기서, 치형 요소(20)는 원통형 영역(3)의 내부 원주 상에서 슬라이딩된다. 조립된 상태에서, 치형 요소(20)는 각각의 경우에 다른 스테이터 부품(17)의 2 개의 인접하는 치형 요소(21) 사이에 위치되고, 영역(3)의 내부 원주에 대해 지지된다. 이 스테이터 부품(10)은 또한 다수의 러그(25)를 갖고, 이 러그 내에는 각각의 경우에 하나의 통과 개구(26)가 형성되어 있다. 브래킷(2)의 림 연부(7) 상에 형성된 대응하는 핀(9)은 상기 통과 개구(26)를 통과한다. 상기 핀(9)의 자유 단부는 리벳 헤드를 형성하도록 변형되고, 따라서 브래킷(2)에 스테이터 부품의 확실한 체결이 보장된다.
기본적으로 2 개의 스테이터 부품(10, 17)은 다양한 방식으로 브래킷(2)에 고정될 수 있다. 핀(9, 22)과 통과 개구(26, 24)의 조합은 단지 하나의 예시적 실시형태를 나타낸다. 예를 들면, 스테이터 부품(10, 17)은 레이저 용접이나 아니면 초음파 용접을 통해 브래킷(2)에 고정되는 홀딩 링(holding ring)을 통해 브래킷(2)에 고정될 수도 있다.
토크 센서는 인쇄 회로 보드(28) 상에 배치되는 자기 센서(27)를 갖는다. 자기 센서(27)는, 예를 들면, 연납땜될 수 있는 부착 표면을 통해 인쇄 회로 보드(28)에 직접 연납땜되는 전자 SMD 컴포넌트의 형태이다. 대응하는 기술은 "표면 장착 기술"이라고 지칭된다. 인쇄 회로 보드(28)는 토크 센서의 자기 센서(27) 및 스티어링 각도 센서의 컴포넌트의 양자 모두를 위한 공통의 인쇄 회로 보드이다. 특히, 스티어링 각도 센서의 자기장 검출기 또는 센서 요소(29, 30)도 SMD 컴포넌트의 형태이고, 또한 이 인쇄 회로 보드(28) 상에 배치된다.
본 장치(1)는 하우징(2)을 폐쇄하기 위한 커버(31)를 포함한다.
본 장치(1)는, 예시적 실시형태에서, 토크 센서에 부속되는 2 개의 자속 전도체(32, 33)를 더 포함한다. 이 2 개의 자속 전도체(32, 33)는 한편으로 커버(31)에, 그리고 다른 한편으로 하우징(12)에 체결된다. 이 목적을 위해, 커버(31)는 자속 전도체(32) 내의 대응하는 통과 개구(35)를 통과하는 2 개의 핀(34)을 갖는다. 제 2 자속 전도체(33)를 위해 하우징(12)의 일측 상에 대응하는 핀이 또한 제공된다. 핀(34)의 변형에 의해 리벳 헤드는 변형될 수 있고, 이것은 커버(31) 및 하우징(12)에 자속 전도체(32, 33)의 효과적인 그리고 작동상 신뢰할 수 있는 고정을 보장해준다.
하우징(12)은 리셉터클(36)을 갖고, 리셉터클 내에는 컴포넌트(27, 29, 30)를 구비하는 인쇄 회로 보드(28) 및 기어 휠 메커니즘(37)의 양자 모두가 수용될 수 있다. 이 기어 휠 기구(37)는 2 개의 기어 휠(38, 39)을 갖고, 기어 휠의 치는 로터(14)의 치 내에 맞물림되고, 그 결과 로터(15)와 브래킷(2)에 회전가능하게 결합된다. 기어 휠(38) 내에는 영구 자석이 배치되어 있다. 이 경우에, 기어 휠(38)의 회전 축선은 스티어링 샤프트의 회전 축선에 평행하다. 스티어링 각도 센서의 제 2 부분 센서 시스템은 기어 휠(39)을 포함하고, 이것은 중간 기어 휠로서 구동 기어 휠 또는 피니언(40)에 회전가능하게 결합된다. 다음에 구동 기어 휠(40)은 영구 자석을 포함한다. 기어 휠(38, 39, 40)은 하우징(12)의 리셉터클(36) 내에 수용되어 회전가능하게 장착된다. 리셉터클(36) 내에는 내치가 제공되어 있고, 이 내치 상에서 구동 기어 휠(40)이 사이클로이드(cycloid)를 따라 롤링될 수 있다. 이 목적을 위해, 기어 휠(39)의 보어는 편심 형태이다. 인쇄 회로 보드(28) 및 커버(31)는 리셉터클(36)의 카운터파트로서 형성되고, 상측으로부터 기어링(37)을 폐쇄한다. 자기장 검출기(29, 30)는, 예시적 실시형태에서, 홀 센서이다. 자기장 검출기(29, 30)는 각각의 기어 휠(40, 38)의 영구 자석의 반대측에 위치된다. 여기서, 상기 자기장 검출기는 기어 휠(38, 39)의 회전 축선에 수직이다. 자기장 검출기(29)는 기어 휠(38, 39)의 회전 축선 상에 위치되고, 반면에 자기장 검출기(30)는 기어 휠(38, 39)의 회전 축선에 수직으로 설치된다.
전형적인 차량 스티어링 시스템에서, 스티어링 샤프트의 5회 내지 7회 범위의 완전 회전이 독자적으로 검출된다. 스티어링 샤프트의 1회를 초과하는 완전 회전의 경우에도 절대 회전 각도를 독자적으로 결정하기 위해, 2 개의 어셈블리가 사용된다. 하나의 어셈블리는 회전 센서(회전운동 센서)를 형성하고, 기어 휠(39, 40) 및 자기장 검출기(29)를 포함한다. 예를 들면, 6:1의 로터(15) 대 기어 휠(40)의 변속비가 선택된다. 다른 어셈블리(각도 센서)는 회전 각도를 미세하게 결정하는 작용을 하고, 실질적으로 자체의 영구 자석을 구비하는 기어 휠(38) 및 자기장 검출기(29)를 포함한다. 예를 들면, 로터(15) 대 기어 휠(38)의 변속비의 경우에 1의 값이 선택된다. 자기장 검출기(29, 30)를 통해 측정된 2 개의 기어 휠 각도로부터, 스티어링 샤프트의 회전 각도는 노니우스(Nonius) 원리를 통해 공지된 방식으로 직접적으로 계산될 수 있다. 이러한 목적을 위한 적절한 계산 방법은 종래 기술로부터 공지되어 있고, 예를 들면, DE 195 06 938 A1 및 DE 199 62 241 A1에 개시되어 있다.
대안적으로, 현재의 스티어링 각도를 결정할 수 있도록 하기 위해 "작은 노니우스"가 변속비를 위해 선택되는 것이 또한 가능하다. 여기서, 기어 휠(40)이 생략될 수 있고, 2 개의 기어 휠(38, 39)은 각각 하나의 자석을 구비할 수 있다. 그러면, 기어 휠(38, 39)은 상이한 수의 치를 가지므로, 스티어링 컬럼의 5 내지 7 회전의 스티어링 각도 범위에 걸쳐, 기어 휠(39)은 기어 휠(38)보다 1 회전 더 회전하게 된다. 이러한 방식으로, 또한 실제의 스티어링 각도를 추측하는 것이 가능하다.
커버(31)에는 플러그 커넥터(41)가 통합될 수 있고, 이것을 통해 컴포넌트(27, 29, 30)는 외부의 제어 유닛에 전기적으로 접속될 수 있다. 이 플러그 커넥터(41)를 통해, 한편으로 장치(1)와 다른 한편으로 제어 유닛 사이에 전기적 접속이 형성된다.
만일 자속 전도체(32, 33)가 커버(31) 및 하우징(12)의 각각에 체결된다면, 자속 전도체(32, 33)는 반경방향으로, 따라서 림 요소(18, 19)에 평행하게 연장된다. 이 경우에 2 개의 자속 전도체(32, 33)는 인쇄 회로 보드(28)의 상호 반대측의 축방향 상에 배치되고, 여기서 자속 전도체(32, 33) 중 적어도 하나는 또한 림 요소(18, 19) 사이에서 축방향으로 위치된다. 여기서, 자속 전도체(32)는 림 요소(18)에 대해 작은 간격을 두고 위치되고, 반면에 제 2 자속 전도체(33)는 림 요소(19)에 대해 작은 간격을 두고 배치된다.
이제 여기서 관심의 대상은 자기적으로 연성의 컴포넌트 또는 강자성 컴포넌트, 특히 한편으로 스테이터 부품(10, 17) 및 다른 한편으로 자속 전도체(32, 33)의 제조에 관한 것이다. 이하에서 상기 컴포넌트(10, 17, 32, 33)의 제조 방법이 도 4에 따른 흐름도를 참조하여 더 상세히 논의된다. 단계 S1에서, 재료 스트립의 형태로 전기 강 박판이 반가공된 부품으로서 제공된다. 이 전기 강 박판은 반가공된 무방향성 전기 강 박판이다. 추가의 단계 S2에서, 적절한 분리 방법, 예를 들면, 절단(cutting)을 통해 재료 스트립으로부터 분리된다. 추가의 단계 S3에서, 변형 공정이 수행되고, 이 금속 박판 요소는 변형되어 컴포넌트(10, 17, 32, 33)를 형성한다. 이 변형은, 예를 들면, 펀칭 및 굽힘가공을 통해 수행된다. 여기서, 특히 스테이터 부품(10, 17)의 경우, 치형 요소(20, 21)의 굽힘가공 중에 대응하는 굽힘가공 반경은 특히 0.8 ㎜ 내지 2 ㎜로 설정된다. 이것은 2 개의 자속 전도체(32, 33)에도 적용될 수 있다.
다음에 추가의 단계 S4에서, 컴포넌트(10, 17, 32, 33)가 연속로에 공급된다. 단계 S5에서, 예를 들면, 1150 ℃의 온도에서, 최대 수 시간의 대응하는 긴 지속시간 동안, 및 동시에 탈탄 수소 분위기 중에서 어닐링 공정이 수행된다. 상기 컴포넌트(10, 17, 32, 33)의 어닐링 공정은, 예를 들면, 4 시간 또는 5 시간 지속될 수 있다. 추가의 단계 S6에서, 이 어닐링 후에 컴포넌트(10, 17, 32, 33)가 냉각된다. 이 냉각 공정 중에, 예를 들면, 공급되는 수증기에 의해 산화 공정이 수행된다. 여기서, 다음의 반응이 일어난다.
3Fe + 4H2O(g) ↔ Fe3O4 + 4H2(g)
여기서, 이 산화 공정은, 컴포넌트(10, 17, 32, 33)의 온도가, 예를 들면, 550 ℃ 미만으로 강하되었을 때, 처음으로 개시되는 것이 바람직하다. 다음에 이 방법은 단계 S7에서 종료된다.
본 방법은 종합적으로 다음과 같이 요약될 수 있다.
고가의 니켈 재료 대신에 스테이터용의 전기 강 박판 분야로부터 더 저렴한 FeSi 재료를 사용하는 것을 모색한다. 소위 무방향성(NGO) 전기 강 박판이 적합하고, 이것은 압연 방향 및 이것에 대해 횡방향의 양 방향에서 균일한 자기 특성을 나타낸다. 이것은 스테이터가 회전 대칭이므로 유리하다.
이러한 NGO 전기 강 박판은 전기 모터 또는 변압기의 제조를 위해 상이한 두께 및 자기 품질로 광범위하게 사용된다. 여기서, 통상적으로 사용은 소위 완전 가공된 품질로 이루어지고, 이것은 요구되는 자기적으로 연성의 특성의 생성을 위한 추가의 열처리를 필요로 하지 않는다. 그럼에도 불구하고, 토크 센서에서의 사용을 위해 상기 특성은 적합하지 않다. 하나의 대안은 반가공된 전기 강 박판을 사용하는 것으로, 이것은 성형 공정 후에 열처리된다. 전형적으로 상기 열처리는 840 ℃ 미만의 온도에서 수행된다. 그러나, 이러한 표준 어닐링의 경우에 달성될 수 있는 자기적으로 연성의 특성은 여전히 적합하지 않다. 훨씬 더 우수한 자기적으로 연성의 특성은 최대 1150 ℃에 이르는 상당히 더 높은 온도에서, 최대 수 시간에 이르는 대응하는 긴 지속시간 동안에, 그리고 동시에 매우 낮은 이슬점을 갖는 탈탄 수소 분위기 중에서의 어닐링을 통해 달성될 수 있다. 이 어닐링 공정은 후드형 어닐링로에서 배취식으로 또는 연속로에서 연속적으로 수행될 수 있다. 최상의 자기적으로 연성의 특성은 낮은 전력 손실을 갖는 반제품의 선택을 통해 달성된다. 토크 센서의 이력을 위해 중요한 포화보자력의 파라미터는 표준 용도를 위한 종래의 값보다 상당히 낮은 25 A/m보다 훨씬 아래에 위치될 수 있다.
통상적으로 이 스테이터는 펀칭 및 굽힘가공을 통해 재료 스트립으로부터 제조된다. 그러나, 가장 적합한 전기 강 박판은 다소 취성을 갖는다. 핑거의 굽힘가공 중에 인열의 위험을 감소시키기 위해 대응하여 큰 굽힘가공 반경이 요구된다. 이것은 또한 스테이터의 림의 크랭크형 굽힘가공 또는 프로파일링을 곤란하게 한다. 따라서 스테이터의 평평한 림이 바람직하다.
전기 강 박판은 소량의 수분의 존재 중에서도 부식되기 시작한다. 그러므로, 밀폐된 하우징 내에 설치된 경우에도 부식 방지 조치가 필요하다. 래커도장 또는 아연도금 보호층과 같은 종래의 코팅 방법은 대응하는 비용을 갖는 추가의 작업 단계이므로 배제된다. 제안되는 것은 냉각 단계 중에, 즉 전형적으로 550 ℃ 미만의 온도 범위에서 최적의 자기적으로 연성의 특성으로의 어닐링 후에 컴포넌트의 표적화 산화이다. 이 목적을 위해, 보호 기체 분위기의 이슬점은 (수증기의 혼합을 통해) 상당히 증대된다. 철 금속 박판 상에 마그네타이트로 구성된 두꺼운 산화물 층 또는 부동태화 층이 형성되고, 이것은 부식에 대한 컴포넌트의 적절한 보호를 제공한다.
특히, 연속로의 경우에, 상기 단계는 냉각 구역에서 편리하게 통합될 수 있으므로 컴포넌트의 추가적인 조작이 불필요하다. 더욱이, 잔열이 활용될 수 있으므로 재가열이 불필요하다. 여기서, 적절한 기체 안내는 낮은 이슬점을 갖는 어닐링 영역과 높은 이슬점을 갖는 산화 영역 사이의 분위기 분리를 보장한다.

Claims (15)

  1. 자동차의 스티어링 샤프트에 가해지는 토크를 검출하기 위한 토크 센서용 강자성 컴포넌트(10, 17, 32, 33)를 제조하기 위한 방법으로서,
    강자성 재료로 구성된 금속 박판 요소를 제공하는 단계, 및
    상기 강자성 컴포넌트(10, 17, 32, 33)를 형성하기 위해 상기 금속 박판 요소를 변형시키는 단계를 포함하고,
    상기 금속 박판 요소용 상기 강자성 재료로서 전기 강 박판이 사용되며,
    상기 변형 후에 상기 컴포넌트(10, 17, 32, 33)의 어닐링 공정이 수행되는 것을 특징으로 하는
    토크 센서용 강자성 컴포넌트를 제조하기 위한 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 금속 박판 요소는 무방향성(non-grain-oriented) 전기 강 박판으로부터 제공되는 것을 특징으로 하는
    토크 센서용 강자성 컴포넌트를 제조하기 위한 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 금속 박판 요소는 반가공된 전기 강 박판으로부터 제공되고,
    상기 반가공된 전기 강 박판은, 상기 강자성 컴포넌트를 형성하기 위해 상기 변형 후에 열처리를 받을 전기 강 박판인 것을 특징으로 하는
    토크 센서용 강자성 컴포넌트를 제조하기 위한 방법.
  4. 삭제
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 어닐링 공정 중에, 상기 컴포넌트(10, 17, 32, 33)는 850 ℃를 초과하는 온도에 노출되는 것을 특징으로 하는
    토크 센서용 강자성 컴포넌트를 제조하기 위한 방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 컴포넌트(10, 17, 32, 33)의 상기 어닐링 공정은 2 시간을 초과하여 수행되는 것을 특징으로 하는
    토크 센서용 강자성 컴포넌트를 제조하기 위한 방법.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 컴포넌트(10, 17, 32, 33)의 상기 어닐링 공정은 탈탄 분위기에서 수행되는 것을 특징으로 하는
    토크 센서용 강자성 컴포넌트를 제조하기 위한 방법.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 어닐링 공정 후의 냉각 공정 중에, 상기 컴포넌트(10, 17, 32, 33)의 산화 공정 또는 부동태화 공정이 수행되는 것을 특징으로 하는
    토크 센서용 강자성 컴포넌트를 제조하기 위한 방법.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 산화 공정 또는 부동태화 공정은 600 ℃ 미만의 상기 컴포넌트(10, 17, 32, 33)의 온도에서 수행되는 것을 특징으로 하는
    토크 센서용 강자성 컴포넌트를 제조하기 위한 방법.
  10. 제 8 항에 있어서,
    상기 산화 공정 또는 부동태화 공정은 수증기의 공급을 통해 수행되는 것을 특징으로 하는
    토크 센서용 강자성 컴포넌트를 제조하기 위한 방법.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 어닐링 공정은 연속로 내에서 수행되는 것을 특징으로 하는
    토크 센서용 강자성 컴포넌트를 제조하기 위한 방법.
  12. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 토크 센서용 컴포넌트(10, 17, 32, 33)로서, 자속을 전도하기 위한 스테이터 부품(10, 17)이 제조되고, 상기 스테이터 부품은 링 형상의 디스크(18, 19) 및 다수의 치형 요소(20, 21)를 갖고, 상기 치형 요소는 상기 링 형상의 디스크(18, 19)의 원주 방향으로 분포되도록 배치되고, 상기 치형 요소는 축방향으로 상기 링 형상의 디스크(18, 19)로부터 돌출되는 것을 특징으로 하는
    토크 센서용 강자성 컴포넌트를 제조하기 위한 방법.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 스테이터 부품(10, 17)을 형성하기 위해 상기 금속 박판 요소를 변형시키는 중에, 0.8 ㎜ 내지 2 ㎜의 굽힘 반경을 갖는 치형 요소(20, 21)의 굽힘가공이 수행되는 것을 특징으로 하는
    토크 센서용 강자성 컴포넌트를 제조하기 위한 방법.
  14. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    토크 센서용 컴포넌트(10, 17, 32, 33)로서, 스테이터 부품(10, 17)으로부터 자기 센서(27)로 자속을 전도하기 위한 자속 전도체(32, 33)가 제조되는 것을 특징으로 하는
    토크 센서용 강자성 컴포넌트를 제조하기 위한 방법.
  15. 자석으로부터의 자속을 토크 센서의 적어도 하나의 자속 전도체(32, 33)로, 그리고 이것을 통해 적어도 하나의 자기 센서(27)로 전도하도록 설계되는 적어도 하나의 강자성 스테이터 부품(10, 17)을 갖는, 자동차의 스티어링 샤프트에 가해지는 토크를 검출하기 위한 토크 센서에 있어서,
    상기 스테이터 부품(10, 17) 및/또는 상기 자속 전도체(32, 33)는 전기 강 박판으로 형성되고,
    상기 스테이터 부품(10, 17) 및/또는 상기 자속 전도체(32, 33)는, 상기 전기 강 박판이 변형되고 상기 변형 후에 어닐링되어 형성되는 것을 특징으로 하는
    자동차의 스티어링 샤프트에 가해지는 토크를 검출하기 위한 토크 센서.
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