KR20020039628A

KR20020039628A - 토크센싱 장치 및 방법

Info

Publication number: KR20020039628A
Application number: KR1020010072286A
Authority: KR
Inventors: 케쉬메흐듀스트압돌레자; 존슨브라이언
Original assignee: 브라이언 조우슨; 퍼스트 이너시아 스위치 리미티드
Priority date: 2000-11-21
Filing date: 2001-11-20
Publication date: 2002-05-27
Also published as: US20020059839A1; ES2239652T3; GB0028385D0; EP1211494B1; PT1211494E; JP2002168706A; ATE292276T1; DE60109715D1; DE60109715T2; EP1211494A1

Abstract

본 발명은 자기변형(magnetostrictive material)의 샤프트와, 상기 샤프트 둘레에 위치한 반대로 감지되는 극(11,13)을 갖고 극 사이의 상기 샤프트(shaft)에 국소 자기장을 유발하도록 한 쌍의 자석(10,12)을 구비한 토크 센서(8)에 관한 것이다. 상기 샤프트에 가해진 토크(38)는 상기 자극(11,13) 사이 주위로 위치된 자속검출기(18)에 의해 감지되어 상기 토크(38)에 의해 상기 샤프트로부터 이탈한 국소 자기장 성분을 검출할 수 있도록 한다. 이와 같은 구조로, 종래기술에서와 같이, 상기 샤프트 또는 상기 샤프트에 부착된 칼라(collar)를 영구적으로 자화시킬 필요가 없다. 그러므로 상기 칼라 또는 상기 칼라의 샤프트를 영구적으로 자기화시키는 종래기술 제조단계가 또한 제거되어 상기 제작공정을 크게 단순화 시킨다.

Description

토크센싱 장치 및 방법{Torque sensing apparatus and method}

본 발명은 토크센서에 관한 것으로, 더 상세하게는 자기변형 토크센서에 관한 것이다.

자기변형 효과는 자기장에 노출될 때 재료의 치수변화로 정의되며, 또는 역 자기변형 효과는 외부 스트레스에 의한 재료의 자화상태의 변화로 정의될 수도 있다. 이 역 자기변형 효과는 때때로 자기탄성 효과로서 인용되고 있으나, 상기 자기변형이라는 용어는 본 명세서에서만 단독으로 사용되고 있다. 일반적으로, 상기 자기변형 효과는 강자성 재료와 연관있다.

미국특허번호 제 US 5,351,555호는 회전 샤프트와 함께 사용될 수 있는 상기 자기변형 형태의 비-접촉 토크센서를 개시하고 있다. 첨부한 도면중 도 16에서 예시된 바와 같이, 상기 토크센서는 샤프트(116)상에 밀착되어 끼워진 칼라(collar) (120)를 구비하고 있다. 상기 칼라(120)는 도 16에서 화살표로 나타낸 바와 같이 상기 샤프트를 주위로 둘러싸고 자화되어 있다. 상기 샤프트(116)가 토크를 받는다면, 상기 토크는 상기 칼라(120)에 전해지고 상기 칼라에 나선형 자기장을 유발한다. 상기 나선형 자기장의 성분은 상기 토크의 크기가 추론될 수 있는 외부에 위치한 자속검출기(118)에 의해 감지된다.

비록 이와 같은 구조는 잘 작동되지만, 몇가지 이유 때문에 비판받고 있다. 한 가지 문제는 큰 토크 조건하에서 상기 샤프트 상에 있는 상기 칼라의 미끄러짐이 발생할 가능성이 있다는 것이다. 또 다른 문제는 상기 칼라를 제조하고 상기 샤프트에 끼우는 것과 관련한 제조 비용이 너무 높다는 것이다.

국제특허공개번호 제 WO99/21150호와, 제 WO99/21151호와, 그리고 제 WO99/56099호는 상기 칼라에 기반을 둔 구조의 단점을 표명하는 다양한 디자인의 토크센서를 개시하고 있다. 이들 더 최신 구조에서, 상기 샤프트 그 자체의 일부분이 자화되어, 별개의 자화된 칼라가 사용하지 않아도 된다. 첨부도면중 도 17은 이 칼라없는 구조의 예를 예시하고 있다. 샤프트(116)는 주위방향으로, 즉 상기 칼라에 기반을 둔 구조에서와 같이 상기 샤프트를 둘러싸고, 자기적으로 분극된 일체부분(122)을 갖는다. 두 영역이 도시된 상기 도 17에서 예시된 바와 같이, 자기적으로 반대로 분극된 인접영역을 갖는 다수의 분극 영역이 바람직하다. 상기 샤프트의 토크때문에 외부 자기장의 변화가 상기 칼라에 기반을 둔 구조와 유사한 적합한 자속검출기(118)에 의해 측정되는 상기 샤프트에 일어난다.

이 모든 구조의 한 가지 공통적인 문제는 상기 칼라 또는 샤프트의 영구 분극에 대한 구조의 의존성에 있다. 상기 자기 분극은 제작공정동안 유발되지만, 제작공정 변화때문에 분극세기에서 변화가 생기게 되며, 이후 다른 센서들 사이 민감도에서 변화를 유발하게 된다. 국제특허공개번호 제 WO99/56099호에서 비록 이 변화를 제어하는 수단들이 제시되고 있지만, 상기 수단은 매우 복잡하다. 보다 심각하게도, 위에서 설명한 모든 구조는 상기 센서의 자기적으로 분극된 부분의 장기간의 안정성에 의존적이며 가정하고 있다. 만일 상기 자기분극이 감쇠한다면, 상기 샤프트에 가해진 주어진 외부 토크는 상기 자속검출기로부터 낮은 출력을 얻게 될 것이다. 그러므로 만일 절대 민감도가 필요하다면 상기 센서의 주기적인 재교정이 필요하게 될 것이다. 만일 상기 감쇠가 더 심해진다면, 상기 토크센서의 자화된 부분의 재자화 또는 아마도 전체 센서의 교체가 필요하게 될 수도 있다.

그러므로 본 발명의 목적은 자기 분극세기에 대한 종래기술의 의존성을 감소시킨 토크센서를 제공하는 것이다.

본 발명의 제 1 형태에 따르면 자기변형 재료를 포함하는 샤프트와, 상기 반대 자극 사이로 자기변형 재료에 국소 자기장을 유발하도록 상기 샤프트 부근주위로 위치된 한 쌍의 반대 자극과, 그리고 상기 샤프트가 토크받을 때 상기 자기변형재료로부터 이탈되는 상기 국소 자기장의 성분을 검출하도록 위치된 토크센싱 자속장치를 구비하는 토크센서를 제공하고 있다.

이 방법에서, 상기 토크성분, 즉 위의-인용한 종래기술 디자인에 필수적인 상기 샤프트 또는 칼라는 영구자기적으로 분극된 부분이 필요없게 된다. 대신에 상기 토크성분에서 자기장은 외부 자기장과 함께 유발되어 진다. 그 결과로서, 상기 자기장의 세기는 예를 들면, 상기 외부 자극(magnet poles)에 가까이 정렬된 추가적인 자속검출기에 위해 쉽게 정량화된다. 또 다른 상기 계획한 디자인의 결과는 영구적으로 상기 칼라 또는 샤프트를 자화시키는 종래기술 제조단계가 완전히 제거됨으로써, 상기 토크센서의 제조를 크게 단순화시킨다는 것이다.

상기 자기변형 샤프트는 많은 형태의 스테인레스 강과, 공구 강(tool steel)과, 그리고 니켈-철 합금을 포함하는 광범위한 강자성 재료로부터 만들어질 수도 있다. 이는 상기 샤프트가 자화될 필요가 없거나 또는 샤프트에 부착되는 여분의 코팅 또는 칼라를 가질 필요가 없기 때문에, 상기 자기변형 토크센서는 토크받는 샤프트를 포함한 성분에 새로이 개선될 수 있는 잇점을 준다.

한 실시예에서, 상기 자기변형 토크센서는 몸체가 한 층의 자기변형 재료로 둘러싸인 비-강자성 재료를 갖는 자기변형 샤프트를 구비하고 있다. 이런 종류의 센서는 상기 샤프트의 선택에서 구조 자유도를 허용하기 때문에 특히 잇점이 있다. 예를 들면, 상기 샤프트는 비-강자성 금속 또는 합성재료로 만들어질 수 있다.

상기 자석은 영구자석 또는 전자석일 수도 있다.

또한 상기 자석에 인접해 위치한 자속검출기는 상기 자석세기의 독립적인 측정을 하도록 제공될 수 있다. 또한 상기 자속검출기의 출력은 자석 세기에서의 변화가 보상받을 수 있도록 토크를 측정하기 위해 배치된 상기 자속검출기로부터 상기 출력과 결합될 수 있다. 이 정렬은 상기 샤프트 또는 샤프트의 칼라중 하나에서 상기 영구 주위 자기장이 측정동안 정량화 될수 없는 종래기술을 능가하는 잇점을 가진다. 상기 종래기술 센서는 어떤 상황에서, 예를 들면 자동차에서의 조타컬럼 (steering column)에 대해, 달성하기 어렵거나 실행할 수 없는 상기 교정을 검사하기 위해서 센서들에 가해지는 알고있는 토크를 필요로 한다.

본 발명은 광범위한 적용을 찾을 수 있다. 예를 들면, 본 발명을 구현한 토크센서는 자동차 조타컬럼 또는 자동차 기어박스에 합체될 수 있다. 기어박스의 경우, 상기 토크센서는 예를 들면, 상기 기어박스의 주요 샤프트의 토크를 측정하도록 정렬될 수 있으며 상기 기어박스 케이스 내부에 정렬될 수도 있다.

본 발명의 제 2 형상에 따르면,

(a) 자기변형 재료를 구성하는 샤프트를 제공하고,

(b) 상기 반대 자극사이 상기 자기변형 재료에 국소 자기장을 유발하도록 상기 샤프트 부근주위로 위치한 한 쌍의 반대 자극을 이용하여 상기 샤프트에 외부 자기장을 가하고,

(c) 상기 내부 자기장의 성분이 상기 자기변형 재료로부터 이탈하도록 상기 샤프트를 토크시키고,

(d) 상기 내부 자기장의 이탈한 성분을 검출하고 거기에 응답하는 토크신호를 제공하는 것을 구비하는 토크를 감지하는 방법이 제공되고 있다.

한 실시예에서, 상기 토크센서는 자기변형 재료를 구비하는 샤프트와, 상기 반대 자극사이 상기 자기변형 재료에 국소 자기장을 유발하도록 상기 샤프트 주위표면에 접하게 정렬된 축을 정의하는 한 쌍의 반대 자극과, 상기 샤프트가 토크받을 때 상기 자기변형 재료로부터 이탈한 상기 국소 자기장의 성분을 검출하기 위해서 위치된 적어도 하나의 토크-센싱 자속검출기를 구비하고 있다. 이 실시예에서, 상기 적어도 하나의 토크-센싱 자속검출기는 바람직하게 상기 반대 자극의 쌍으로부터 주위로 이동된 상기 샤프트의 반대편에 위치된 한 쌍의 토크센싱 자속검출기를 구비하고 있다.

또한 실시예에서, 상기 토크센서는 자기변형 재료를 구비하는 샤프트와, 제 1 주위방향으로 상기 자기변형 재료에 제 1 국소 자기장을 유발하도록 상기 샤프트 주위표면에 접하게 정렬된 제 1 축을 정의하는 제 1 쌍의 반대 자극과, 상기 제 1 쌍의 반대 자극으로부터 상기 샤프트를 따라 축방향으로 이동되어 정렬되고 상기 제 1 주위방향에 반대되는 제 2 주위방향으로 상기 자기변형 재료에 제 2 국소 자기장을 유발하도록 상기 샤프트 주위표면에 접하여 정렬된 된 제 2 축을 정의하는 제 2 쌍의 반대 자극과, 상기 샤프트가 토크받을 때 상기 자기변형 재료로부터 이탈한 상기 제 1 및 제 2 국소 자기장의 제 1 및 제 2 성분을 검출하기 위해 위치된 제 1 및 제 2 토크-센싱 자속검출기를 구비하고 있다.

또 다른 실시예에서, 상기 토크센서는 자기변형 재료를 구비한 샤프트와, 상기 샤프트를 통해 확장한 축을 정의하는 한 쌍의 반대 자극과, 상기 샤프트가 토크받을 때 상기 자기변형 재료로부터 이탈한 상기 국소 자기장의 성분을 검출하기 위해 위치된 적어도 하나의 토크-센싱 자속검출기를 구비하고 있다.

도 1은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 자기변형 토크센서의 개략도이다.

도 2는 제 1 실시예의 자기변형 토크센서를 도시한 횡단면도이다.

도 3은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 자기변형 토크센서의 횡단면도이다.

도 4는 도 3의 두 자속검출기 사이의 상호연결을 도시하고 있다.

도 5는 본 발명의 제 3 실시예에 따른 자기변형 토크센서의 개략도이다.

도 6은 본 발명의 제 4 실시예에 따른 자기변형 토크센서의 개략도이다.

도 7은 본 발명의 제 5 실시예에 따른 자기변형 토크센서의 개략도이다.

도 8은 도 7의 네 개 자속검출기 사이의 상호연결을 도시하고 있다.

도 9는 본 발명의 제 6 실시예에 따른 자기변형 토크센서의 횡단면 개략도이다.

도 10은 제 6 실시예에서 자기장을 제어하기 위해 이용된 피드백 시스템의 개략도이다.

도 11은 제 7 실시예에 따른 자기변형 토크센서의 횡단면도이다.

도 12는 제 7 실시예를 위한 자속검출기 사이의 상호연결을 도시하고 있다.

도 13은 제 7 실시예의 자기변형 토크센서의 사시도이다.

도 14는 제 8 실시예에 따른 자기변형 토크센서의 사시도이다.

도 15는 본 발명을 구현한 토크센서를 갖는 자동기어박스의 단면이다.

도 16은 미국특허번호 제 US 5,351,555호에 따른 종래 자기변형 토크센서의 개략도와,

도 17은 국제특허공개번호 제 WO99/21150호에 따른 종래 자기변형 토크센서의 개략도이다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 자기변형 센서(8)의 개략도이다. 상기 자기변형 센서(8)는 도 1에서 화살표로 예시된 바와 같이, 감지된 토크(38)를 받는 샤프트(16)를 구비하고 있다. 상기 샤프트(16)는 자기변형 재료로 구성되어 있지만, 본 명세서의 도입부에 언급된 종래 구조와는 대조적으로 그 자체적으로는 영구자화되지 않는다. 상기 샤프트가 영구자화되는 대신에, 상기 샤프트(16)는 한 쌍의 영구자석(10,12)에 의해 발생되는 외부 자기장에 의해 자화되어야 할 본래 위치에서 자화되어 있다.

상기 샤프트(16)는 2000×10^-6차수의 매우 큰 자기변형 계수 λ=△L/L를 갖는 자기변형 재료 "Terfenol-D"로 만들어 진다. 일반적으로, 비록 낮은 자기변형 계수를 갖는 재료로 구성된 샤프트도 여전히 기능을 할 수 있지만, 적어도 20×10^-6자기변형 계수를 갖는 재료가 상기 샤프트용으로 바람직하다.

상기 샤프트용의 다른 적합한 재료의 일부 예들은;

1. 마레이징(maraging) 니켈-철(Ni-Fe) 합금;

2. 17-4PH, 17-7PH, 15-5PH 스테인레스 강;

3. 공구 강(tool steel);

4. 14-28% 사이의 니켈 함유량을 갖는 니켈-철;

5. 42-65% 사이의 니켈 함유량을 갖는 니켈-철;

6. 니켈-철 합금 718(AMS 5663E);

7. 합금 슈퍼먼트(Superment) 625;

8. 퍼메놈(Permenorm) 5000 H2;

9. 디매그(Dimag) 1,2 와 디매그(Dimag) X;

10. 철/바륨/실리콘(Fe/B/Si) 합금

이다.

상기 영구자석(10,12)은 한 쌍의 반대자극 (11,13)(즉, 북극과 남극)이 상기 샤프트 부근주위로 위치되도록 배열되고 국소 자기장이 상기 반대자극(11,13) 사이의 상기 샤프트의 자기변형 재료에 유발되도록 상기 샤프트를 마주보고 있다. 도 1 에서, 상기 영구자석(10,12)은 상기 자기변형 재료(16)에 대해 서로 반대방향에 배열되어 있고, 상기 영구자석의 일단면(11,13)은 상기 자기변형 샤프트 면에 접선 방향으로 놓여있다.

(도시되지 않은)다른 구조로서, 단일 영구자석이 한 쌍의 자석대신에 사용될 수 있는데, 상기 단일 영구자석의 개별 극은 상기 제 1 실시예의 상기 두 자극(11,13)과 동일한 위치에 정렬되어 있다. 예를 들면, 말굽형 자석이 이런한 구조를 가능하게 한다.

자속검출기(18)는 상기 샤프트가 상기 토크(38)를 받을 때 상기 자기변형 재료로부터 이탈된 상기 국소 자기장의 구성성분을 검출하기 위해서 상기 영구자석 (10,12) 사이 둘레에 위치되어 있다. 상기 바람직한 자속검출기(18)는 포화코일 (saturated coil) 검출기이다. 그러나, 다양한 다른 자속 검출기, 예를 들면 홀 검출기, 자기저항(magnetoresistance)과, 자기트랜지스터(magnetotransistor)와 MAG- FET(Magnetic Field Effect Transister))센서등을 이용할 수 있다.

도 2는 상기 제 1 실시예의 자기변형 센서(8)를 자른 횡단면도이다. 상기 샤프트(16) 내부의 자속경로는 선(22)으로 표시되어 있다. 상기 자속경로는 공극(air gap)을 가로지르는 상기 자석(10)의 북극(11)으로부터 상기 샤프트의 표면까지 이르고나서 일반적으로 북극에서 남극방향으로 상기 샤프트(16) 내부로 뻗어나가 상기 샤프트(16)의 표면과 상기 자석(12)의 남극(13) 사이의 공극을 가로지른다. 상기 샤프트(16) 내부 자기장은 상기 자기장의 국소 방향에 있는 자기변형 영역의 정렬을 일으킨다.

상기 영구자석(10,12)은 단면에 반원형의 자기루프 부재(20)로 연결되어 있다. 상기 루프부재(20)는 상기 자기장(22)이 고도로 폐쇄되게 함으로써 상기 자기변형 샤프트(16)를 침투하는 자기장을 증가시키고 이탈 자기장을 감소시키도록 상기 영구자석(10,12)의 말단과 연결되어 있다.

본 발명에서, 상기 영구자석(10,12)은 소결한 니켈 철 바륨합금으로 만들어지며 근사적으로 350미리 테슬라의 자속밀도를 만들어낸다. 그러나, 더 낮은(또는 더 높은) 세기의 자석도 또한 사용될 수 있다. 상기 영구자석에 의해 만들어진 상기 자속밀도의 적정 값은 상기 자기변형 샤프트의 구성 성분과, 치수와, 상기 자기변형 샤프트에 가해지는 토크(38)의 범위에 의존한다.

사용시, 상기 자기변형 샤프트(16)는 상기 샤프트 내부에 상기 자기변형 영역을 재정렬하도록 상기 자기변형 샤프트(16)에 가해지는 토크(38)에 반응하는 자기장을 만들어낸다. 상기 토크(38)에 의해 발생된 상기 자기장은 상기 영구자석 (10,12)에 의해 만들어진 상기 자기장을 교란시킨다. 상기 자속검출기(18)로부터의 출력신호는 일반적으로 상기 토크(38)의 크기를 나타낸다. 상기 반응이 완전히 선형적이지 않은 정도까지는, 상기 출력신호의 적절한 처리와 연계한 교정으로써 보상받을 수 있다. 예를 들면 상기 샤프트(16)는 자동차 또는 다른 운송수단의 조타컬럼일 수도 있으며, 상기 자속검출기 (18)로부터의 출력은 전자 동력보조 조향제어 시스템의 피드백용으로 사용될 수도 있다.

도 3은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 토크센서를 도시하고 있다. 제 1 실시예에서 처럼, 상기 샤프트(16)는 자기변형 재료로 만들어 지고 상기 샤프트(16)로 침투하는 한 쌍의 영구자석(10,12)에 의해 발생되는 외부 자석에 의해 원래위치에서 자화되어 있다. 상기 영구자석(10,12)은 한 쌍의 반대자극(11,13)(즉, 북극과 남극)이 상기 샤프트를 마주보며 상기 샤프트 부근주위로 위치되도록 정렬되어 있다. 상기 반대자극은 상기 반대자극(11,13) 사이를 지나는 상기 샤프트의 자기변형 재료에 국소 자기장을 유도한다. 한 쌍의 자속검출기(18)는 상기 샤프트가 토크(38)를 받을 때 상기 자기변형 재료로부터 이탈된 상기 국소 자기장의 구성성분을 검출하기 위해서 상기 영구자석(10,12) 사이 주위로 반경방향 바깥에 위치되어 있다. 중공 샤프트 구성으로, 상기 샤프트의 중공부분 내부에 상기 자속검출기(18)를 또한 정렬할 수 있음에 주목하여야 한다. 자기재료의 링(30)은 또한 상기 자석(10,12)의 끝단에 연결되고 상기 자석(10,12)과 상기 자속검출기(18)를 유지하도록 제공되고 있다.

제 2 실시예의 상기 토크센서(8)는 상기 샤프트(16)가 중실형이라기보다는 중공형이라는 점에서 상기 제 1 실시예의 토크센서와 근본적으로 구별된다. 상기 중공 샤프트 내부에 있는 내부공간은 자속을 배제하도록 함으로써 상기 토크(38)에 의해 유도된 변형이 상기 자속검출기(18)에 더 크게 그리고 더 가까이 있는 상기 토크 축의 반경방향으로 외부에 상기 유도 자기장이 집중되도록 한다, 중공 샤프트는 또한 중실 샤프트보다 비틀림(torsion)에 의해 보다 더 균일한 스트레스를 받는다.

도 4는 상기 제 2 실시예의 두 개의 자속검출기(18)의 전기적 상호연결을 도시하고 있다. 더욱이, 상기 연결은 상기 두 개의 자속검출기내에 상기 자속에 의해 유도된 전류가 함께 합해지도록 되어있다. 이는 극과 같은 단자가 상기 샤프트(16)의 외부표면 주위로 도시된 바와 같이 서로 인접하게 주위로 배열되어 있을 때 가능하다. 이 연결구성은 주위에 인접한 검출기에서 반대 극의 단자가 함께 연결된 종래기술분야에서 행해지던 것과 기하학적으로 반대이다. 이는 왜냐하면 종래기술분야에서, 상기 자속은 일정방향으로, 예를 들면 일정방향의 영구자석 극의 결과 시계방향과 같이 상기 샤프트 주위를 둘러싸며 흐르기 때문이다. 반대로, 본 발명의 경우, 상기 자극에 의해 외부에 유도된 상기 자기장에 의해, 상기 샤프트 주위로 한 성분은 시계방향으로 다른 성분은 반시계방향으로 흐르는 두 개의 주위자기장이 있다.

도 5는 본 발명의 제 3 실시예에 따른 토크센서를 도시하고 있다. 배열은 일반적으로 상기 영구자석(10,12)과, 상기 자속검출기(18)과, 상기 샤프트(16)에 대해 제 1 실시예의 배열과 동일하다. 그러나, 상기 제 3 실시예에서, 상기 샤프트 (16)의 구조는 다르다. 자기변형 재료로 구성된 단순한 상기 샤프트 대신에, 상기 샤프트(16)의 몸체(40)는 자기변형이 아닌 재료로 만들어 진다. 상기 샤프트의 몸체(40)는 중실형으로 예시되고 있으나, 중공형 또는 어떤 다른 내부구성으로 될 수도 있다. 상기 샤프트의 몸체(40)는 자기변형 재료 층인 상기 영구자석(10,12)에 인접한 외부표면에 정렬되어 있다. 이 구성은 위에서 설명한 상기 중공 샤프트 정렬에서 처럼 유도된 자기장의 유사한 집중을 만들어낸다. 즉, 상기 유도된 자기장은 상기 토크(38)가 상기 자속검출기에 가장 크게 그리고 근접한 상기 샤프트의 외부에 집중되어 있다.

일예로, 상기 자기변형 층(36)은 1.5mm 두께를 가지며, 종래 열분사 공정에 의해 증착되어있다. 이와 같은 열분사공정으로는 와이어 플레임(Wire flame) 분사가 적합하다. 이 공정은 순수한 금속 또는 합금전선을 산소 및 연료와 함께 스펏터링(sputtering)하는 것을 수반한다. 5mm 두께까지의 층이 열분사를 이용하여 어려움 없이 증착될 수 있다. 더 얇은 층이 바람직한 경우, 종래 전기도금이 사용될 수도 있다. 0.1mm 두께까지의 층이 종래 전기도금으로 제공될 수 있다.

도 6은 본 발명의 제 4 실시예에 따른 토크센서를 도시하고 있다. 본 실시예의 정렬은 일반적으로 상기 영구자석(10,12)과, 상기 자속검출기(18)과, 상기 샤프트(16)에 대해 제 1 실시예의 정렬과 동일하다. 그러나, 상기 제 4 실시예에서, 또한 다른 샤프트 구조가 이용되고 있다. 상기 샤프트는 마레이징(maraging) 니켈철 합금과 같은 자기변형 재료의 몸체(32)를 구비하고 있다. 상기 샤프트의 작동 영역에서, 상기 몸체 (32)의 외부표면은 그 위에 저 침투성 재료 층(34)이 정렬되어 있다. 본 발명의 예에서, 상기 저 침투성 층(34)은 전형적인 두께 0.5mm에서 1mm까지의 알루미늄으로 만들어 진다. 상기 저 침투성 층(34)은 그 위에 자기변형 재료의 층(36)이 정렬되어 있다. 본 발명의 예에서, 상기 자기변형 층(36)은 전형적인 두께 0.5mm에서 5mm사이의 니켈-철 합금으로 만들어 진다. 상기 저 침투성 층(34)의 목적은 외부에 유도된 자기장의 침투가 상기 샤프트의 자기변형 몸체(32)로 들어오지 못하게 하는 것이다. 다시 말해, 상기 층(34)은 자기변형 성질때문에, 상기 유도된 자기장 패턴에 강한 영향을 미치는 상기 샤프트의 몸체로부터 상기 유효한 외부 자기변형 층(36)을 분리시킨다. 그러므로 상기 센서의 실행을 크게 변경하지 않고도 자기변형적인 상기 샤프트의 몸체용 재료를 선택할 수 있다. 상기 샤프트의 몸체는 중실형일 필요가 없으며, 중공형 또는 어떤 다른 내부구성을 이룰 수도 있음이 고려되어 질 것이다.

도 7은 본 발명의 제 5 실시예에 따른 토크센서를 횡단면으로 도시하고 있다. 상기 토크센서(8)는 영구자석에 의해 발생된 자기장(22)을 차폐시키기 위해 자기재료로 만들어진 링(30)에 의해 적소에 고정되고 내부에 반경방향으로 배열된 4개의 영구자석 (10,12,10',12')을 구성하고 있다. 상기 자석은 주위로 인접한 자석이 상기 샤프트(16)를 마주보며 차례로 반대극(11,13,11',13')을 가지도록 정렬되어 있다. 뿐만 아니라, 상기 자석은 동등한 90°의 각 간격으로 정렬되어 있지만, 이 간 간격은 결정적인 것이 아니며 변할 수 있다. 이와 같은 정렬로, 자속은 상기 샤프트의 반경방향으로 외부영역에서 현저하게 상기 샤프트(16)를 통과하므로, 비-자기층을 배제한 자속을 제공하거나 또는 중공 샤프트를 이용함으로써 자속이 중심 영역으로부터 배제되는 상술한 실시예와 유사한 이점을 얻게된다. 본 발명은 상기 샤프트의 반경방향으로 외부부분에 필요한 자속의 집중이 단순히 중실 샤프트로도 달성될 수 있다는 부가적인 잇점을 가진다.

상기 토크센서는 상기 샤프트(16)에서 토크에 기인하는 자속성분을 측정하기 위한 상기 영구자석(10,12,10',12') 사이에 주위로 정렬된 4개의 자속검출기(18)를갖도록 제공되어 있다. 상기 자속검출기(18)는 편의상 상기 링(30)에 의해 적소에고정되어 있다. 상기 자속검출기(18)의 수를 증가시킴으로써, 예를 들면 상기 샤프트의 편심 또는 샤르트의 장착에 기인한 상기 샤프트의 외부표면과 상기 자속검출기 사이 거리 변화에 의해 야기된 신호 변화 상기 샤프트의 더 작은 회전에 대해 보상받을 수 있게된다. 이는 상기 샤프트가 고속 회전하는 것이 아니라 단지 1회 보다 작은 각 회전 또는 1회 이상 완전한 회전에 의해 토크받는 적용에 대해 유익하다. 이러한 적용의 한가지 예는 완전한 로크-투-로크 (lock-to-lock) 회전만이 1회 완전한 회전일 수 있는 자동차의 조타컬럼이다. 상기 제 5 실시예의 또한 특징은 상기 샤프트를 마주한 상기 자극(13')과 상기 샤프트 사이 공극에서 상기 영구자석중 하나(12')와 인접 정렬된 추가적인 자속검출기(19)의 제공이다. 상기 자속검출기(18)와 혼동을 피하기 위해, 상기 자속검출기(19)는 하기에서 자속조사 검출기로서 언급되며 상기 자속검출기(18)는 토크센싱 자속검출기로서 언급된다. 상기 자속조사 검출기(19)는 상기 영구자석(12')에 의해 상기 샤프트(16)에 공급되는 여기 에너지의 독립적인 측정을 제공하는데 이용된다. 그러므로 상기 영구자석에 의해 공급된 자기장(22)의 세기에서, 예를 들면 상기 영구자석의 노화 또는 온도 요동때문에 야기된 교란은 상기 토크센싱 자속검출기(18)의 출력신호 중에서 분리될 수 있다. 상기 자속조사 검출기(19)는 어떠한 영구자석에도 인접하여 위치될 수 있음이 고려될 것이다. 더욱이, 다중 자속조사 검출기는, 예를 들면 각 작용자극에 하나씩 제공될 수 있음이 고려될 것이다.

도 8은 상기 제 5 실시예의 4개의 자속검출기(18)의 전기적 상호연결을 도시하고 있다. 예시된 바와 같이, 상기 자속검출기(18)는 직렬로 배선되어 있다. 더욱이, 상기 연결은 상기 4개의 자속검출기에서 상기 자속에 의해 유도된 전류가 함께 합해지게 되어있다. 이는 극과 같은 단자가 상기 샤프트(16)의 외부표면 주위로 도시된 바와 같이 서로 주위로 인접하게 정렬되어 있을 때 가능하다. 이 연결구성은 제 2 실시예와 관련하여 위해서 또한 설명한 바와 같이, 종래기술분야로 행해지던 것과 기하학적으로 반대이다.

도 9 는 본 발명의 제 6 실시예에 따른 토크센서를 횡단면으로 도시하고 있다. 이 실시예는 제 1 실시예와 유사하나, 상기 샤프트(16)에 자기장을 유도하기 위한 영구자석 대신에 전자석(60,62)을 사용하고 있다. 자속조사 검출기(19)가 토크센싱 자속검출기(18)에 인접하여 제공되고 있다. 상기 자속조사 검출기(19)는 도 10에서 예시된 바와 같이 상기 전자석에 의해 발생된 자기장을 제어하는데 사용될 뿐만 아니라, 상기 토크센싱 자속검출기(18)에 의해 발생된 신호를 수동으로 보상하기위해 사용될 수 있다.

도 10은 전자석 제어시스템과 연관된 상기 제 6 실시예의 토크센서의 블록 개략도이다. 상기 전자석(60)에 의해 만들어진 자기장(22) 세기의 변화는 상기 자속조사 검출기(19)에 의해 검출된다. 상기 자속조사 검출기(19)는 출력신호를 제어회로(42)에 제공하며, 상기 출력신호는 상기 전자석(60)의 순간자기장의 크기를 나타낸다. 그리고나서 상기 제어회로(42)는 전자석 전력공급장치(44)의 제어를 통해 전자석(60,62) 코일에 공급되는 전력을 제어한다. 따라서, 상기 전자석에 공급되는 전력은 피드백 루프에서 안정화될 수 있다.

위의 실시예중 어떤 실시예에서, 상기 자속검출기(18)의 수는 또한 변화를 주기위해 다른 실시예와 연관하여 설명된 바와 같이 변화될 수도 있다는 것을 이해하게 될 것이다.

위의 실시예중 어떤 실시예에서, 하나 또는 그 이상의 자속검출기는. 예를 들면 각 작용자극에 하나 씩 제공될 수도 있다는 것을 이해하게 될 것이다.

도 11은 본 발명의 제 7 실시예에 따른 자기변형 토크센서의 횡단면도이다. 상기 자기변형센서(8)는 자기변형재료로 만들어진 샤프트(16)를 구비하고 있지만, 그 자체로 영구자화된 것은 아니다. 상기 샤프트(16)는 속이 찬 샤프트(16)로 예시되고 있지만, 앞선 실시예와 관련하여 논의된 상기 샤프트 구조의 어떠한 것도 사용될 수 있다. 한 실시예에서 길이 20mm인 단일 영구자석(110)은 상기 샤프트(16)의 주위에 접하여 확장된 북극-남극을 가진 상기 샤프트(16)의 표면에 인접하게 정렬되어 있고, 상기 샤프트(16)의 회전주축에 수직이다(정확한 접선방향과 수직배열이 필수적이지는 않으나, 상기 정렬은 이 기준에 거의 따르고 있어야 함을 알게 될 것이다. 예를 들면, 상기 접선 각은 10°,20°정도, 또는 그 이상으로 변할 수도 있으며, 상기 수직정렬은 10°,20°,30°,40°정도, 또는 그 이상으로 변할 수도 있다.). 이 정렬은 한 쌍의 반대자극이 상기 샤프트 주위로 위치되어 있는 종래 실시예와는 공통되지만 상기 샤프트와 관련한 상기 자석의 정렬에 대해 종래 실시예와는 다르다. 상기 영구자석(110)은 바람직하게 알루미늄과 같은 비-자기 재료로 만들어진 자석 지지체(112)에 의해 자속링(30)에 고정되어 있다. 상기 자속링(30)은 강 또는 다른 자기재료로 구성될 수도 있다. 상기 자속링 정렬은 상기 제 2 실시예의 정렬과 유사하다.

상기 센서(8)는 상기 영구자석(110)에 대해 ±90°로 정렬되고 상기 샤프트 (16)의 회전축을 따라 도시된 바와 같이 횡단면에 180°로 떨어진 한 쌍의 자속검출기(18)가 제공되고 있다. 다시 말해, 상기 자속검출기(18)는 상기 샤프트 (16)의 어느 한쪽 면에 서로 반경방향 반대로 위치되어 있다. 상기 자속검출기(18)는 바람직하게 포화코일 검출기이지만, 다른 검출기도 종래 실시예와 관련하여 논의된 것처럼 사용될 수 있다.

상기 자속링(30)은 상기 자속검출기(18)용 자기실드로서 작용한다. 결론적으로, 외부 자석 또는 자기장은 상기 장치수행에 거의 영향을 끼치지 않을 것이다.

도 12는 상기 코일 검출기가 어떻게 직렬로 연결되는가를 도시하고 있다. 상기 연결구성은 도 4에서 예시된 상기 제 2 실시예의 연결구성과 비교되어 진다. 상기 연결구성은 상기 샤프트(16)의 표면에 유도된 자기장이 도 11에서 예시된 바와같이, 주위방향 반대로 흐르는 자속을 갖는 영구자석(110)에 직접적으로 인접하여 놓여진 상기 샤프트 표면의 단지 작은 부분을 갖는 상기 샤프트 표면의 더 큰 부분주위로 일정방향으로 흐른다는 사실 때문에 상기 제 2 실시예의 연결구성과는 다르다.

상기 자기장이 상기 샤프트 표면에 접선방향으로 상기 샤프트(16)의 축에 수직한 축을 따라 정렬된 반대자극에 의해 유도된 상기 제 7 실시예의 정렬은 몇가지 이점을 가진다. 토크센서가 단순한 단일 막대자석으로 구성되도록 함으로써 비용을 절감한다. 상기 샤프트(16)의 외부부분에 유도된 자기장을 집중시킴으로써 더큰 양의 주위자화를 제공한다. 종래 실시예에서 설명된 다중 자석정렬과 비교하여 차등자기장의 양을 감소시킨다. 단일 자석에 의해 유도된 자속을 측정하기 위한 다중 자속검출기를 사용함으로써 상기 신호의 회전 교란이 감소하고 민감도 대 교란비를 증가시킨다. 서로 대각선으로 반대로, 예를 들면 서로 180°로 정렬된 한 쌍의 코일을 갖는 예시된 배열은 교란에 최대감소를 제공한다. 물론 상기 검출기 쌍은 넓은 범위에 걸쳐 서로 다른 각으로 정렬될 수 있으머, 비록 검출기의 각 위치가 서로에 대해 180°를 벗어나지만, 더 작은 교란 소거가 기대된다, 물론 단일 자속검출기만을 또한 이용할 수도 있지만, 어떤 교란 소거효과도 달성되지 않는다).

상기 제 7 실시예의 예에서, 상기 자속검출기 회로로부터의 출력은 0 토크조건 하에서 2.5볼트로 설정되어 있다. 토크가 상기 샤프트(16)에 가해질 때, 주위로 정렬된 크리스탈의 느슨한 영역은 회전을 받는다. 결국, 이는 상기 코일에서 자속변화를 야기시킨다. 그리고나서 상기 자속검출기 회로로부터의 출력은 상기 가해진 토크에 선형적으로 비례하여 변하는 전압으로 변환된다.

도 13은 개략사시도에서 제 7 실시예의 자기변형 토크센서를 도시하고 있다. 앞선 논의에서와 같이, 상기 단일 영구자석(110)은 상기 샤프트 축을 따라 도시된 바와 같이 영구자석(110)으로부터 90°로 이동된 정렬에서 명백한 상기 자속검출기 (18)중 하나를 갖는 상기 자기변형 샤프트(16)에 인접하여 정렬된 것을 알 수 있다. 상기 영구자석(110)에 의해 유도된 상기 주위자기장 선(22)도 또한 예시되어 있다.

상기 제 1 실시예에서 제 6 실시예까지와 관련하여 논의된 많은 변화들이 제7 실시예의 구조에 제공될 수 있음을 알게될 것이다. 특히, 상기 영구자석은 전자석으로 대치될 수도 있으며, 다양한 다른 형태의 자속검출기가 사용될 수도 있고, 추가적인 자속조사 검출기가 포함될 수도 있다. 이들 변형이외에도, 단일 영구자석의 사용이 제 7 실시예서 선호되지만, 다중 영구자석이 상기 샤프트 축과 상기 영구자석의 북극-남극 축 사이에 추천된 수직정렬로 사용될 수도 있음을 알게 될 것이다.

도 14는 본 발명의 제 8 실시예에 따른 자기변형 토크센서의 사시도이다. 상기 자기변형 센서(8)는 자기변형 재료로 만들어진 샤프트(16)를 구비하고 있지만, 그 자체로 영구자화된 것이 아니다. 상기 샤프트(16)는 중공형 샤프트로서 예시되고 있지만, 종래 실시예와 관련하여 논의된 어떠한 상기 샤프트도 사용될 수 있다. 도 14에서 영역 A로서 표시된 상기 샤프트를 따르는 영역 또는 제 1 길이부분에서, 한 실시예에서 20mm의 길이를 갖는 제 1 영구자석(110A)은 상기 샤프트(16) 주위에 접하고 상기 샤프트(16)의 회전 주축에 수직하게 뻗은 북극-남극 축을 갖는 상기 샤프트 (16)의 표면에 인접 정렬되어 있다. 상기 샤프트는 도 11에서 제 2 영구자석 (18B)이 정렬된 상기 제 1 길이부분 A에 축상으로 인접한 제 2 길이부분 또는 영역 B로 표시된 영역을 구비하고 있다. 하지만, 상기 제 2 영구자석(110B)은 상기 두 개의 영구자석이 각각의 반대방향, 즉, 시계방향 및 반시계방향의 주위자기장을 유도하도록 상기제 1 영구자석(110A)의 극에 반대 정렬된 극을 갖고있다. 영역 A 및 영역 B는 상기 영구자석(110A,110B)에 대해 ±90°로 정렬되고, 상기 샤프트 (16)의 회전축을 따라 도시된 바와 같이 횡단면에 180°로 떨어진 각 쌍의 자속검출기(18A,18B)가 제공되고 있다. 다만 각 쌍의 각 자속검출기중 하나는 도 14에서 보여지고 있으나, 상기 정렬은 상기 제 7 실시예와 관련하여 생각되어 질 것이다. 그러므로 각 영역은 상기 제 7 실시예와 연계하여 설명된 바와 같이, 자속링(도시되지 않은)에 고정된 자체 자석과 자속검출기를 가지고 있다. 또한 영역들이 필요하다면 추가될 수도 있다.

제 8 실시예의 다중 영역 정렬은 다른 경우 상기 샤프트(16)의 각 끝단에 영역재할 수도 있는 어떤 가상의 자기장을 상쇄하는 경향을 띤다는 점에서 이점이 있다.

도 15는 그안에서 정렬된 본 발명을 구현한 토크센서(8)를 갖는 기어박스의 단면이다. 상기 토크센서(8)는 주 샤프트(80) 주위로 정렬되어 있다. 클러치(82)가 또한 분명하게 되시되어 있다.

이상에서와 같이, 본 발명에 의해 위의-인용 종래기술 디자인에 필수적인 상기 샤프트 또는 칼라는 영구자기적으로 분극된 부분이 필요없게 된다. 대신에 상기 토크성분에서 자기장은 외부 자기장과 함께 유발되어 진다. 그 결과로서, 상기 자기장의 세기는 예를 들면, 상기 외부자극(magnet poles)에 가까이 정렬된 추가적인 자속검출기에 위해 쉽게 정량화된다. 또 다른 상기 계획한 디자인의 결과는 영구적으로 상기 칼라 또는 샤프트를 자화시키는 종래기술 제조단계가 완전히 제거됨으로써, 상기 토크센서의 제조를 크게 단순화시킨다는 것이다.

또한 상기 샤프트는 자화될 필요가 없거나 또는 샤프트에 부착되는 여분의코팅 또는 칼라를 가질 필요가 없기 때문에, 상기 자기변형 토크센서는 토크받는 샤프트를 포함한 성분에 새로이 개선될 수 있는 잇점을 준다.

일 실시예에서, 상기 자기변형 토크센서는 몸체가 한 층의 자기변형 재료로 둘러싸인 비-강자성 재료를 갖는 자기변형 샤프트를 구비하고 있다. 이런 종류의 센서는 상기 샤프트의 선택에서 구조의 자유도를 허용하기 때문에 특히 잇점이 있다.

Claims

자기변형 재료를 포함하는 샤프트;

반대 자극 사이 상기 자기변형 재료에 국소 자기장을 유발하도록 상기 샤프트 부근주위로 위치된 한 쌍의 반대 자극; 그리고

상기 샤프트가 토크 받을때 상기 자기변형 재료로부터 이탈되는 상기 국소 자기장 성분을 검출하기 위해 위치된 토크-센싱 자속 검출기를 구비한 토크센서.
제 1 항에 있어서,

상기 자극중 한 극에서 만들어진 자기장을 상기 샤프트로 침투하기 전에 검출하기 위해 위치된 자속-조사 검출기를 더 구비한 토크센서.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

상기 자극이 영구자극인 토크센서.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

상기 자극이 전자석 자극인 토크센서.
제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 샤프트가 중공형인 토크센서.
제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 샤프트는 거의 상기 자기변형 재료만으로 만들어지는 토크센서.
제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 샤프트는 비 자기변형 재료의 몸체와 상기 자기변형 재료의 외부 층을 구비한 토크센서.
제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 샤프트는 차례로 상기 자기변형 재료의 외부 층으로 둘러싸인 자기변형 재료 또는 비 자기변형 재료의 몸체를 구비한 토크센서.
제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 샤프트의 원주방향 바깥부분에 국소 자기장을 강화시키기도록 상기 샤프트에 마주보는 반대 극과 함께 상기 샤프트 부근주위로 위치된 한 쌍의 자극을 더 구비한 토크센서.
제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 토크센싱 자속검출기로부터 상기 샤프트 부근주위로 이동되어 배치된 적어도 하나의 토크센싱 자속검출기를 더 구비한 토크센서.
제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 한 쌍의 반대 자극은 상기 샤프트를 통하여 확장된 축을 정의하는 제 1 및 제 2 자극을 구비하는 토크센서.
제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 한 쌍의 반대 자극은 상기 샤프트의 주위 표면에 접하여 정렬된 축을 정의 하는 제 1 및 제 2 자극을 구비하는 토크센서.
제 12 항에 있어서,

상기 한 쌍의 반대 자극은 단일 자석의 극인 토크센서.
제 12 항 또는 제 13 항에 있어서,

상기 토크센싱 자속검출기로부터 상기 샤프트 부근주위로 이동하여 위치된 토크센싱 자속검출기를 더 구비한 토크센서.
제 14 항에 있어서,

상기 토크센싱 자속검출기와 더 토크센싱 자속검출기가 한 쌍의 반대자극으로부터 주위로 이동된 상기 샤프트의 반대 면에 위치된 토크센서.
자기변형 재료를 포함하는 샤프트;

반대 자극 사이 상기 자기변형 재료에 국소 자기장을 유발하도록 상기 샤프트 주위 표면에 접하여 정렬된 축을 정의하는 한 쌍의 반대 자극; 그리고

상기 샤프트가 토크 받을때 상기 자기변형 재료로부터 이탈한 상기 국소 자기장 성분을 검출하기 위해 위치된 적어도 하나의 토크-센싱 자속 검출기를 구비한 토크센서.
제 16 항에 있어서,

상기 적어도 하나의 토크센싱 자속검출기는 한 쌍의 반대자극으로부터 주위로 이동된 상기 샤프트의 반대 면상에 위치된 한 쌍의 토크센싱 자속검출기를 구비한 토크센서.
자기변형 재료를 포함하는 샤프트;

제 1 주위 방향으로 상기 자기변행 재료내 제 1 국소 자기장을 유발하도록 상기 샤프트의 주위 표면에 접하여 정렬되는 제 1 축을 정의하는 제 1 쌍의 반대 자극;

제 1 주위 방향에 반대되는 제 2 주위방향으로 상기 자기변행 재료내 제 2 국소 자기장을 유발하도록 상기 샤프트의 주위 표면에 접하여 정렬되는 제 2 축을 정의하는 제 1 쌍의 반대 자극; 그리고

상기 샤프트가 토크 받을때 상기 자기변형 재료로부터 이탈한 상기 제 1 및제 2 국소 자기장의 제 1 및 제 2 성분을 검출하기 위해 위치된 제 1 및 제 2 토크-센싱 자속 검출기를 구비한 토크센서.
제 1 항 내지 제 18 항 중 어느 한 항에 있어서,

토크센서를 구비한 조타컬럼.
제 1 항 내지 제 18 항 중 어느 한 항에 있어서,

토크센서를 구비한 기어박스.
(a) 자기변형 재료를 포함하는 샤프트를 제공하는 단계;

(b) 반대 자극 사이 상기 자기변형 재료에 국소 자기장을 유발하도록 상기 샤프트 부근주위로 위치된 한 쌍의 반대 자극을 이용하여 외부 자기장을 상기 샤프트에 가하는 단계;

(c) 내부 자기자의 성분이 상기 자기변형 재료로부터 이탈하도록 상기 샤프트를 토크시키는 단계; 그리고

(d) 상기 내부자기장의 이탈된 성분을 검출하는 단계와 거기에 응답하는 토크신호를 제공하는 단계를 구비한 토크센싱 방법.