KR20060044483A

KR20060044483A - 토크 센서

Info

Publication number: KR20060044483A
Application number: KR1020050023187A
Authority: KR
Inventors: 데루오 모리; 도시히로 스즈키; 시로 도미자와; 게사하루 다카토
Original assignee: 티디케이가부시기가이샤
Priority date: 2004-03-22
Filing date: 2005-03-21
Publication date: 2006-05-16
Also published as: CN1673700A; US20050204831A1; US7225686B2

Abstract

본 발명은 토크 센서에 관한 것으로서, 토크 센서(10)는 대략 통 형상의 초자왜(超磁歪) 부재(14)와, 상기 초자왜 부재(14)의 내측 공간을 관통하여 설치되고, 초자왜 부재(14)에 토크를 전달할 수 있는 샤프트(12)와, 초자왜 부재(14)의 투자율 또는 잔류 자화량의 변화를 검출하기 위한 검출 코일(22)을 구비하여 구성되며, 또 샤프트(12)의 토크 변화를 초자왜 부재(14)의 변형에 기초한 초자왜 부재(14)의 투자율 또는 잔류 자화량의 변화로서 검출하도록 하고, 부품 개수의 삭감, 저비용화 등이 실현 가능하면서 동시에 토크 변화의 검출을 고감도로 실시할 수 있는 것을 특징으로 한다.

Description

토크 센서{TORQUE SENSOR}

도 1은 본 발명의 실시예 1에 따른 토크 센서의 개략 사시도,

도 2는 도 1의 화살표 Ⅱ로부터 본 개략 측면도,

도 3은 실시예 1의 토크 센서에 있어서 샤프트의 토크와 검출 코일의 인덕턴스값과의 관계를 나타낸 그래프,

도 4는 본 발명의 실시예 2에 따른 토크 센서의 개략 사시도,

도 5는 도 4의 화살표 Ⅴ로부터 본 개략 측면도,

도 6은 실시예 2의 토크 센서에 있어서 샤프트의 토크와 검출 코일의 인덕턴스값과의 관계를 나타낸 그래프,

도 7은 본 발명의 실시예 3에 따른 토크 센서의 개략 사시도,

도 8은 도 7의 화살표 Ⅷ로부터 본 개략 측면도,

도 9는 실시예 3의 토크 센서에 있어서 샤프트의 토크와 검출 코일의 인덕턴스값과의 관계를 나타낸 그래프,

도 10은 토크 센서의 검출 수단으로서 홀 소자 또는 자기 저항 효과 소자를 적용한 예를 나타낸 개략 사시도,

도 11은 도 10의 화살표 ⅩⅠ로부터 본 개략 측면도,

도 12는 본 발명의 실시예 4에 따른 토크 센서의 개략 측단면도,

도 13은 도 12의 ⅩⅢ-ⅩⅢ선을 따르는 개략 단면도,

도 14는 본 발명의 실시예 4에 따른 토크 센서의 토크와 인덕턴스값의 측정 수단을 나타내는 측단면도,

도 15는 비교예 1에 따른 토크 센서의 토크와 인덕턴스값의 측정 수단을 나타내는 측단면도,

도 16은 비교예 1에 따른 토크 센서의 토크와 인덕턴스값의 관계를 나타내는 그래프,

도 17은 본 발명의 실시예 4에 따른 토크 센서에 60 kg/㎠의 예하중(豫荷重)을 인가한 경우의 토크와 인덕턴스값의 관계를 나타내는 그래프,

도 18은 상기 토크 센서에 예하중 80 kg/㎠의 예하중을 인가한 경우의 토크와 인덕턴스값의 관계를 나타내는 그래프,

도 19는 본 발명의 실시예 5에 따른 토크 센서의 개략 측단면도,

도 20은 본 발명의 실시예 4에 따른 토크 센서의 검출 수단으로서 자기 저항 효과 소자를 적용한 예를 나타내는 측단면도, 및

도 21은 종래의 토크 센서의 개략 측단면도이다.

*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

10 : 토크 센서 12 : 샤프트

14 : 초자왜 부재 16 : 자기 헤드

18 : 접착제 20 : 코어

22 : 검출 코일 24 : LCR 메타

본 발명은 자왜 부재를 이용한 토크 센서에 관한 것이다.

종래, 자왜부재의 응력 자기 효과를 이용하여 토크의 변화를 검출 가능하게 한 토크 센서가 널리 알려져 있다.

예를 들면, 도 21에 도시된 종래 공지된 토크 센서(1)는 티탄 합금제의 토크 전달축(2)과, 상기 토크 전달축(2)의 주위에 동심원상으로 감겨진 코일(3A, 3B)을 구비하여 구성되어 있고, 토크 전달축(2)의 표면에는 열처리에 의해 내부 응력을 저감시킨 자왜을 갖는 니켈 철 자성 재료 박대(薄帶)(4A, 4B)가 평면 압축 응력을 인가시킨 상태로 접착되어 있다(일본 공개특허공보 5-5660호 참조).

상기 토크 센서(1)는 토크 전달축(2)으로부터의 비틀림 응력에 기초한 자성 박대(4A, 4B)의 자기 특성의 변화를 코일(3A, 3B)의 인덕턴스 변화로서 검출하고, 토크 전달축(2)의 토크 변화를 검출하도록 한 것이다.

그러나, 이 종래 공지된 토크 센서(1)는 자왜 박대(4A, 4B)의 자기 특성의 변화(자왜값의 변화)가 작으므로, 브릿지 회로 등을 이용하여 검출 감도를 향상시킬 필요가 있고, 비용 상승이 되는 문제점이 있을 뿐만 아니라 검출 감도의 향상에는 한계가 있었다.

본 발명은 이와 같은 문제점을 해결하기 위해 이루어진 것으로서, 부품 개수 의 삭감, 저비용화 등이 실현 가능하고, 동시에 토크 변화의 검출을 고감도로 실시할 수 있는 토크 센서를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 발명자는 예의 연구 결과, 부품 개수의 삭감, 저비용화 등이 실현 가능하면서, 동시에 토크 변화의 검출을 고감도로 실시할 수 있는 토크 센서를 발명하였다.

본 발명에 따는 토크 센서에 의하면 부품 개수의 삭감, 저비용화 등이 실현 가능하고, 이와 동시에 토크 변화의 검출을 고감도로 실시할 수 있다. 또, 장치의 파손 등을 미연에 방지할 수 있고, 토크에 대한 강도를 향상시킬 수 있다.

이하, 도면을 이용하여 본 발명의 실시예 1∼5에 따른 토크 센서에 대해 상세히 설명한다.

도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예 1에 따른 토크 센서(10)는 샤프트(12)에 끼워 맞춰지고, 또 이 샤프트(12)의 외주면에 고정된 대략 원통 형상의 초자왜 부재(14)와, 상기 초자왜 부재(14)의 근방에 설치된 자기 헤드(16)를 구비하여 구성되어 있다.

초자왜 부재(14)는 접착제(18)에 의해 샤프트(12)의 외주면에 접착 고정되어 있다. 또, 이 초자왜 부재(14)는 초자왜 소자를 재료로 하고 있다. 여기서, 「초자왜 소자」라는 것은 희토류 원소 및/또는 특정의 천이 금속 등을 주 성분(예를 들면, 테르븀, 디스프로슘, 철 등)으로 하는 분말 소결 합금 또는 단결정 합금으로 만들어진 자왜 소자를 말하며, 외부로부터의 응력에 의해 변형되면 큰 투자율 또는 잔류 자화량의 변화를 발생시키는 성질을 갖고 있다.

자기 헤드(16)는 개구부가 초자왜 부재(14)측을 향해 설치된 대략 コ자 형상의 코어(20)와, 상기 코어(20)의 주위에 감겨진 검출 코일(검출 수단)(22)에 의해 구성되어 있다.

검출 코일(22)은 초자왜 부재(14)의 변형에 기초한 초자왜 부재(14)의 투자율 또는 잔류 자화량의 변화를 인덕턴스값의 변화로서 검출 가능하게 되어 있다. 또, 이 예에서는 검출 코일(22)의 인덕턴스값은 LCR 메타(24)에 의해 검출이 가능하게 되어 있다.

계속해서, 본 발명의 실시예 1에 따른 토크 센서(10)의 작용에 대해 설명한다.

샤프트(12)가 축심 둘레로 비틀어지면 샤프트(12)의 외주면에 고정된 초자왜 부재(14)에 소정의 토크가 전달된다. 그리고, 이 토크에 의해 초자왜 부재(14)가 변형되고, 초자왜 부재(14)의 투자율 또는 잔류 자화량이 변화한다. 따라서, 이 초자왜 부재(14)의 투자율 또는 잔류 자화율의 변화를 검출 코일(22)의 인덕턴스값의 변화로서 검출하는 것으로 샤프트(12)의 토크 변화를 검출할 수 있다.

본 발명의 발명자는 샤프트(12)에 인가되는 토크와 검출 코일(22)의 인덕턴스값의 관계에 대해 데이터를 채집하였다. 또, 본 실험에서는 축 직경 3mm의 스테인리스제의 샤프트(12)와, 외형 6mm, 내부 직경 3mm, 길이 10mm의 원통 형상의 초자왜 부재(14)를 에폭시계의 접착제(18)로 접착 고정하였다. 또, 검출 코일(22)은 선 종류 0.12 mm의 UEW, 감기 수 600회로 하였다. 그 결과, 도 3에 도시된 바와 같이, 데이터를 채집한 토크 0(cN·m)∼80(cN·m)의 범위에 있어서 샤프트(12)에 인가되는 토크의 변화에 따라서 검출 코일(22)의 인덕턴스값이 변화하는 것이 발견되었다.

본 실시예 1에 따른 토크 센서(10)에 의하면 샤프트(12)에 끼워 맞춰지고, 또 상기 샤프트(12)의 외주면에 고정된 대략 통형상체로 이루어진 초자왜 부재(14)와, 상기 초자왜 부재(14)의 투자율 또는 잔류 자화량의 변화를 검출하기 위한 검출 코일(검출 수단)(22)을 구비하여 이루어지고, 샤프트(12)의 토크 변화를 초자왜 부재(14)의 변형에 기초한 초자왜 부재(14)의 투자율 또는 잔류 자화량의 변화로서 검출하도록 하였으므로 초자왜 부재(14)의 자왜값의 변화를 크게 할 수 있고, 샤프트의 토크 변화의 검출을 고감도로 실시할 수 있다. 또, 검출 감도의 향상을 목적으로 한 브릿지 회로 등이 불필요하므로 종래의 토크 센서에 비해 부품 개수를 삭감할 수 있고, 저비용화를 용이하게 실현할 수 있다.

특히, 초자왜 소자를 재료로 하는 초자왜 부재(14)를 이용하고 있으므로 토크 변화의 검출 감도를 더 한층 높일 수 있다.

또, 초자왜 부재(14)는 접착제(18)에 의해 샤프트(12)의 외주면에 접착 고정되어 있으므로 샤프트(12)와 초자왜 부재(14)를 강하게 고정할 수 있을 뿐만 아니라 샤프트(12)로부터의 직경 방향의 압력을 접착제(18)로 흡수하면서 샤프트(12)의 토크 성분만을 효율적으로 초자왜 부재(14)에 전달할 수 있고, 이 점에서도 토크 변화의 검출 감도의 향상이 도모된다.

계속해서 도 4∼도 6을 이용하여 본 발명의 실시예 2에 따른 토크 센서에 대 해 설명한다.

도 4 및 도 5에 도시된, 본 발명의 실시예 2에 따른 토크 센서(30)는 초자왜 부재(14)를 압입에 의해 샤프트(12)의 외주면에 고정한 것이다. 또, 초자왜 부재(14)의 내주면과 샤프트(12)의 외주면 사이에는 탄성 필름인 PE(폴리에틸렌) 필름(32)이 개재되어 있다. 또, 다른 구조에 대해서는 상기 실시예 1에 따른 토크 센서(10)와 동일하므로, 동일한 부분에 대해서는 도면 중에서 동일한 부호를 붙이기로 하고, 그 설명은 생략한다.

본 발명의 발명자는 실시예 1의 토크 센서(10)와 동일한 샤프트(12), 초자왜 부재(14) 및 검출 코일(22)을 이용하고, 토크 센서(30)의 샤프트(12)에 인가되는 토크와 검출 코일(22)의 인덕턴스값의 관계에 대해 데이터를 채집하였다. 그 결과, 도 6에 도시된 바와 같이 데이터를 채집한 토크 0(cN·m)∼50(cN·m)의 범위에서 샤프트(12)의 토크 변화에 따라서 검출 코일(22)의 인덕턴스값이 변화하는 것이 발견되었다.

즉, 본 실시예 2에 따른 토크 센서(30)에 의해서도 샤프트(12)의 토크 변화를 초자왜 부재(14)의 변형에 기초한 초자왜 부재(14)의 투자율 또는 잔류 자화량의 변화로서 검출할 수 있다.

본 실시예 2에 따른 토크 센서(30)에 의하면 초자왜 부재(14)는 압입에 의해 샤프트(12)의 외주면에 고정되어 있으므로 초자왜 부재(14)에 압입에 의한 소정의 예하중을 인가할 수 있고, 실시예 1에 따른 토크 센서(10)와 다른 특성을 얻을 수 있다. 구체적으로는 초자왜 부재(14)에 소정의 예하중을 인가하는 것에 의해 검출 코일(22)의 인덕턴스값의 변화의 상승을 토크 센서(10) 보다도 신속히 할 수 있다. 따라서, 실시예 1 및 2에 따른 토크 센서(10, 30)를 준비하면 사용자는 사용 용도에 따라서 토크 센서의 특성을 선택하는 것이 가능해진다.

또, 초자왜 부재(14)의 내주면과 샤프트(12)의 외주면 사이에는 PE 필름(탄성 필름)(32)이 개재되어 있으므로 샤프트(12)로부터의 직경 방향의 압력을 탄성 필름(32)으로 흡수하면서 샤프트(12)의 토크 성분만을 효율적으로 초자왜 부재(14)에 전달할 수 있고, 토크 변화의 검출 감도를 더 향상시킬 수 있다.

또, 본 실시예 2에서는 초자왜 부재(14)를 압입(press-fitting)에 의해 샤프트(12)의 외주면에 고정하였지만, 본 발명은 이에 한정되지 않고, 초자왜 부재(14)를 쉬링크 삽입(shrink-fitting)에 의해 샤프트(12)의 외주면에 고정해도 좋다.

또, 초자왜 부재(14)의 내주면과 샤프트(12)의 외주면과의 사이에 탄성 필름으로서 PE 필름(32)을 개재하였지만, 본 발명은 이에 한정되지 않고, 예를 들면, PS(폴리스티렌)필름, 고무 등의 탄성 필름을 개재시켜도 좋다.

계속해서 도 7∼도 9를 이용하여 본 발명의 실시예 3에 따른 토크 센서에 대해 설명한다.

도 7 및 도 8에 도시된, 본 발명의 실시예 3에 따른 토크 센서(40)는 직류 전원(42)에 의해 검출 코일(22)에 고정 전류를 입력하고, 초자왜 부재(14)에 소정의 바이어스 자계를 인가한 것이다. 또, 다른 구조에 대해서는 상기 실시예 2에 따른 토크 센서(30)와 동일하므로, 동일한 부분에 대해서는 도면 중에서 동일한 부호를 붙이기로 하고, 그 설명은 생략한다.

본 발명의 발명자는 실시예 1의 토크 센서(10)와 동일한 샤프트(12), 초자왜 부재(14) 및 검출 코일(22)을 이용하여, 토크 센서(40)의 샤프트(12)에 인가되는 토크와 검출 코일(22)의 인덕턴스값의 관계에 대해 데이터를 채집하였다. 그 결과, 도 9에 도시된 바와 같이 토크(cN·m)를 기준으로 하여 토크0(cN·m) ∼ 25(cN·m)의 범위에서는 검출 코일(22)의 인덕턴스값이 증가하고, 토크0(cN·m) ∼ -25(cN·m)의 범위에서는 검출 코일(22)의 인덕턴스값이 감소하는 것이 발견되었다. 즉, 샤프트(12)를 한 방향으로 비튼 경우에는 검출 코일(22)의 인덕턴스값이 증가하고, 샤프트(12)를 다른 방향으로 비튼 경우에는 검출 코일(22)의 인덕턴스값이 감소하게 된다.

본 실시예 3에 따른 토크 센서(40)에 의하면 초자왜 부재(14)에는 소정의 바이어스 자계가 인가되어 있으므로 샤프트(12)의 토크 변화 뿐만 아니라 샤프트(12)의 회전 방향도 검출할 수 있다.

또, 본 실시예 3에서는 직류 전원(42)으로 검출 코일(22)에 고정 전류를 입력함으로써 초자왜 부재(14)에 소정의 바이어스 자계를 인가하였지만, 본 발명은 이에 한정되지 않고, 예를 들면 바이어스 자석을 설치하고, 이에 의해 초자왜 부재(14)에 바이어스 자계를 인가해도 좋다.

본 발명에 따른 토크 센서는 상기 실시예 1∼3에 따른 토크 센서(10, 30, 40)의 형상이나 구조 등에 한정되지 않고, 예를 들면 초자왜 부재(14)는 원통 형상의 부재에 한정되지 않고, 각통 형상 등의 부재라도 좋다.

상기 실시예 1에서는 초자왜 부재(14)를 접착제(18)에 의해 샤프트(12)의 외 주면에 접착 고정하고, 또 실시예 2 및 3에서는 초자왜 부재(14)의 내주면과 샤프트(12)의 외주면과의 사이에 PE 필름(32)을 개재하고, 초자왜 부재(14)를 압입에 의해 샤프트(12)에 고정하였지만, 본 발명은 이것들에 한정되지 않고, 초자왜 부재(14)와 샤프트(12)를 직접 고정해도 좋다.

또, 본 발명의 검출 수단은 검출 코일에 한정되지 않고, 예를 들면 도 10 및 도 11에 도시된 토크 센서(50)와 같이 검출 수단으로서 홀소자(52)(또는 MR, GMR 등의 자기 저항 효과 소자)를 적용하고, 초자왜 부재(14)의 투자율 또는 잔류 자화량의 변화를 홀소자(52)(또는 자기 저항 효과 소자)의 기전력(起電力) 변화로서 검출하도록 해도 좋다.

또, 토크 센서의 검출 감도를 그만큼 높일 필요가 없는 경우 등에는 초자왜 부재(14) 대신에 자왜 소자로 이루어진 자왜 부재를 적용해도 좋다.

계속해서, 도 12∼도 18을 이용하여 본 발명의 실시예 4에 따른 토크 센서에 대해 설명한다.

도 12 및 도 13에 도시된 바와 같이, 본 실시예 4에 따른 토크 센서(110)는 베이스(고정부)(112)에 하단(114A)이 고정된 대략 원통 형상의 초자왜 로드(rod)(114)와, 상기 초자왜 로드(114)의 내측 공간 내를 관통하여 설치되고, 또 초자왜 로드의 상단(114B)측에 상측 플레이트(돌출부)(116)를 구비한 샤프트(118)와, 상기 샤프트(118)의 상측 플레이트(116)를 초자왜 로드(114)의 상단(114B)측에 힘을 가하기 위한 스프링(탄성 부재)(120)과, 초자왜 로드(114)의 변형에 기초한 초자왜 로드(114)의 투자율 또는 잔류 자화량의 변화를 검출할 수 있는 검출 코일(검 출 수단)(122)을 구비하여 구성되어 있다.

초자왜 로드(114)는 초자왜 소자를 재료로 하고 있다.

샤프트(118)의 상방에 설치된 상측 플레이트(116)은 이 예에서는 대략 원판 형상의 부재로 이루어지고, 그 외부 직경은 초자왜 로드(114)의 상단(114B)측의 외부 직경 보다도 큰 직경으로 되어 있다. 또, 샤프트(118)의 상측 플레이트(116)와 초자왜 로드(114)의 상단(114B)의 사이에는 탄성 시트(124)가 개재되어 있다.

한편, 샤프트(118)의 하방에는 상측 플레이트(116)와 대략 동등한 형상의 하측 플레이트(126)가 설치되어 있고, 이 하측 플레이트(126)는 너트(128)에 의해 샤프트(118)를 따라서 상하 이동 가능한 구조로 되어 있다. 또, 이 하측 플레이트(126)와 베이스(112)와의 사이에는 스프링(120)이 수축된 상태로 설치되어 있고, 스프링(120)의 부세력(biasing fore)은 하측 플레이트(126)를 상하 이동시킴으로써 조정 가능하게 되어 있다.

검출 코일(122)은 초자왜 로드(114)의 외부 둘레를 둘러싸도록 설치되어 있고, 초자왜 로드(114)의 투자율 또는 잔류 자화량의 변화를 검출할 수 있다.

계속해서, 본 실시예 4에 따른 토크 센서(110)의 작용에 대해 설명한다.

샤프트(118)에 토크가 가해지면 샤프트(118)에 고정된 상측 플레이트(116)가 샤프트(118)의 비틀림에 따라 회전한다. 상기 상측 플레이트(116)는 스프링(120)에 의해 초자왜 로드(114)의 상단(114B)측으로 힘이 가해져 있으므로 샤프트(118)의 토크는 상측 플레이트(116)와 초자왜 로드(114)와의 사이에 작용하는 마찰력에 의해 초자왜 로드(114)에 전달된다. 그 결과, 초자왜 부재(114)에 비틀림(변형)이 생기고, 이 변형에 기초하여 초자왜 부재(114)의 투자율 또는 잔류 자화량이 변화한다. 따라서, 이 초자왜 부재(114)의 투자율 또는 잔류 자화율의 변화를 검출 코일(122)의 인덕턴스값의 변화로서 검출하면 샤프트(118)의 토크 변화를 검출할 수 있다.

본 발명의 발명자는 도 14에 도시된 토크 측정기(130) 및 LCR 메타(132)를 이용하여 토크 센서(110)의 샤프트(118)에 인가되는 토크와, 검출 코일(122)의 인덕턴스값의 관계에 대해 데이터를 채집하였다. 또, 본 실험에서는 외형 8 mm, 내부 직경 5 mm, 길이 20 mm의 원통 형상의 초자왜 로드(114), 선 직경 0.2 mm, 선 종류 UEW, 감기수 200회, 코일 길이 0.13 ㎝의 검출 코일(122)을 이용하였다. 또, 초자왜 로드(114)와 상측 플레이트(116)와의 사이에는 탄성 시트(124)로서 테프론(등록 상표) 시트를 개재시켰다.

또, 본 실시예 4에 따른 토크 센서(110)와의 비교를 실시하기 위해, 도 15에 도시된 비교예 1에 따른 토크 센서(140)에 대해서도 동일한 데이터를 채취하였다. 또, 이 비교예 1에 따른 토크 센서(140)는 샤프트(142)에 고정된 대략 원판 형상의 플레이트(144)를 초자왜 로드(114)의 상단(114B)에 접착 고정한 것이다.

그 결과, 비교예 1에 따른 토크 센서(140)는 도 16에 도시된 바와 같이, 토크를 0(cN·m)에서 서서히 증가시키고 있는 바, 토크가 80(cN·m) 초과할 때 초자왜 로드(114)가 파손에 이르렀다.

한편, 본 실시예 4에 따른 토크 센서(110)는 도 17 및 도 18에 도시된 바와 같이, 80(cN·m)을 초과하는 토크를 가한 경우에도 토크의 최대값은 50(cN·m) 정 도로 억제되어, 초자왜 로드(114)가 파손에 이르는 일은 없었다. 이는 샤프트(118)에는 80(cN·m)을 초과하는 토크가 가해졌지만, 상측 플레이트(116)와 초자왜 로드(114)와의 사이에 작용하는 마찰력 보다도 초자왜 로드(114)가 원래의 형상으로 복귀하고자 하는 힘이 커진 결과, 상측 플레이트(116)와 초자왜 로드(114)와의 사이에 슬라이딩이 발생하여, 초자왜 로드(114)에는 50(cN·m)을 초과하는 토크가 전달되지 않는 것을 의미한다. 또, 도 17은 초자왜 로드(114)에 60 kg/㎠의 예하중을 인가한 경우, 도 18은 80 kg/㎠의 예하중을 인가한 경우의 데이터를 각각 도시한 것이다.

본 실시예 4에 따른 토크 센서(110)에 의하면 초자왜 부재를 구비하고, 또 한단(114A)이 베이스(고정부)(112)에 고정된 대략 통 형상의 초자왜 로드(114)와, 상기 초자왜 로드(114)의 내측 공간내를 관통하여 설치되고, 또 초자왜 로드의 타단(114B)측에 상기 초자왜 로드(114)의 내부 직경 보다도 큰 직경의 상측 플레이트(돌출부)(116)를 구비한 샤프트(118)와, 이 샤프트(118)의 상측 플레이트(116)를 초자왜 로드(114)의 타단(114B)측으로 힘을 가하기 위한 스프링(탄성 부재)(120)과, 초자왜 로드(114)의 변형에 기초한 초자왜 로드(114)의 투자율 또는 잔류 자화량의 변화를 검출할 수 있는 검출 코일(검출 수단)(122)을 구비하여 이루어지고, 샤프트(118)의 토크는 샤프트(118)의 상측 플레이트(116)와 초자왜 로드(114)와의 사이에 작용하는 마찰력에 의해 초자왜 로드(114)에 전달 가능하게 되어 있으므로, 샤프트(118)로부터 초자왜 로드(114)에 소정 이상의 토크가 전달된 경우, 샤프트(118)로부터의 토크 전달을 차단할 수 있다. 따라서, 초자왜 로드(114)에 샤프트 (118)로부터 과대한 토크가 가해지는 것을 방지할 수 있고, 초자왜 로드(114)의 파손 등을 미연에 방지하여, 강도를 향상시킬 수 있다. 또, 종래의 토크 센서에 비해 가공이 용이하고 저비용화가 가능할뿐만 아니라 대략 통 형상의 초자왜 로드(114)를 이용하고 있으므로, 토크 변화의 검출 감도를 향상시킬 수 있다.

특히, 초자왜 소자를 재료로 하는 초자왜 로드(114)를 이용하고 있으므로 토크 변화의 검출 감도를 더 높일 수 있다.

또, 스프링(탄성 부재)(120)의 부세력은 조정 가능하게 되어 있으므로 상측 플레이트(116)와 초자왜 로드(114)와의 사이에 작용하는 마찰력을 변화시킬 수 있고, 샤프트(118)로부터 초자왜 로드(114)로 전달할 수 있는 토크의 크기를 용이하게 조정할 수 있다.

또, 샤프트(118)의 상측 플레이트(돌출부)(116)는 초자왜 로드(114)의 타단(114B)측의 외부 직경 보다도 큰 직경으로 되어 있으므로, 상측 플레이트(116)와 초자왜 로드(114)와의 접촉 면적을 크게 할 수 있다. 따라서, 샤프트(118)의 토크를 더 확실히 초자왜 로드(114)에 전달할 수 있고, 토크의 변화의 검출 감도를 더 향상시킬 수 있다.

또, 초자왜 로드(114)와 상측 플레이트(116)와의 사이에 탄성 시트(124)를 개재시켰으므로 샤프트(118)의 축 방향의 압력을 탄성 시트(124)로 흡수하면서 샤프트(118)의 토크만을 초자왜 로드(114)에 효율적으로 전달할 수 있다.

계속해서, 도 19를 이용하여 본 발명의 실시예 5에 따른 토크 센서(150)에 대해 상세히 설명한다.

도면에 도시된 바와 같이, 본 실시예 5에 따른 토크 센서(150)는 상기 실시예 4에 따른 토크 센서(110)의 초자왜 로드(114)의 축방향 양단에 자석(152)을 각각 설치하고, 초자왜 로드(114)에 소정의 바이어스 자계를 인가한 것이다. 또, 실시예 4에 따른 토크 센서(110)와 동일한 부분에 대해서는 도면 중에서 동일한 번호를 붙이기로 하고, 그 설명은 생략한다.

본 실시예 5에 따른 토크 센서(150)에 의하면 초자왜 부재(114)에는 소정의 바이어스 자계가 인가되어 있으므로, 샤프트(118)의 토크 변화뿐만 아니라 샤프트(118)의 회전 방향을 검출할 수 있다.

또, 본 발명에 따른 토크 센서는 상기 실시예 4 및 5에 따른 토크 센서(110, 150)의 형상이나 구조 등에 한정되지 않고, 예를 들면 초자왜 로드(114)는 원통 형상의 부재에 한정되지 않고, 각통 형상 등의 부재라도 좋다.

또, 샤프트(118)의 돌출부를 대략 원판 형상의 상측 플레이트(116)에 의해 구성하였지만, 본 발명은 이에 한정되지 않고, 예를 들면 돌출부를 샤프트(118)와 일체적으로 형성해도 좋고, 또 다각형 형상 등이라도 좋다. 또, 본 발명에 따른 탄성 부재는 스프링(120)에 한정되지 않는다.

또, 스프링(120)의 부세력을 조정 가능하게 하였지만, 본 발명은 이에 한정되지 않고, 스프링(120)의 부세력은 일정해도 좋고, 초자왜 로드(114)가 견딜 수 있는 토크의 값에 기초하여 최적으로 설정하면 좋다.

또, 본 발명의 검출 수단은 검출 코일에 한정되지 않고, 예를 들면 도 20에 도시된 토크 센서(160)와 같이 검출 수단으로서 홀소자(hole element)(162)(또는 MR, GMR 등의 자기 저항 효과 소자)를 적용하고, 초자왜 로드(114)의 투자율 또는 잔류 자화량의 변화를 홀소자(162)(또는 자기 저항 효과 소자)의 기전력 변화로서 검출하도록 해도 좋다.

또, 토크 센서의 검출 감도를 충분히 얻을 수 있는 경우 등에는 초자왜 부재 대신에 자왜 소자로 이루어진 자왜 부재를 적용해도 좋다.

본 발명은 이상 살펴본 바와 같이, 부품 개수의 삭감, 저비용화 등이 실현 가능하고, 또 토크 변화의 검출을 고감도로 실시할 수 있다.

Claims

대략 원통 형상의 자왜 부재와, 상기 자왜부재의 내측 공간 내를 관통하여 설치되고 상기 자왜 부재에 토크를 전달할 수 있는 샤프트와, 상기 자왜 부재의 투자율 또는 잔류 자화량의 변화를 검출하기 위한 검출 수단을 구비하고,

상기 샤프트의 토크 변화는 상기 자왜 부재의 변형에 기초한 상기 자왜 부재의 투자율 또는 잔류 자화량의 변화로서 검출되는 것을 특징으로 하는 토크 센서.
제 1 항에 있어서,

상기 자왜 부재는 상기 샤프트에 끼워 맞춰지고, 또 상기 샤프트의 외주면에 고정되는 것을 특징으로 하는 토크 센서.
제 2 항에 있어서,

상기 자왜 부재는 접착제에 의해 상기 샤프트의 외주면에 접착 고정되는 것을 특징으로 하는 토크 센서.
제 2 항에 있어서,

상기 자왜 부재는 압입(press-fitting) 및 쉬링크(shrink-fitting) 삽입 중 어느 한쪽에 의해 상기 샤프트의 외주면에 고정되는 것을 특징으로 하는 토크 센서.
제 4 항에 있어서,

상기 자왜 부재의 내주면과 상기 샤프트의 외주면과의 사이에 탄성 필름을 삽입시킨 것을 특징으로 하는 토크 센서.
제 1 항에 있어서,

상기 자왜 부재를 가지며, 한단이 고정부에 고정된 대략 통 형상의 자왜 로드(rod)와, 상기 자왜 로드의 타단측에 상기 자왜 로드의 내직경 보다 큰 직경을 가지는 돌출부를 구비한 상기 샤프트와, 상기 샤프트의 상기 돌출부를 상기 자왜 로드의 타단측에 힘을 가하기 위한 탄성 부재를 구비하고,

상기 샤프트의 토크는 상기 샤프트의 돌출부와 상기 자왜 로드와의 사이에 작용하는 마찰력에 의해 상기 자왜 로드에 전달되는 것을 특징으로 하는 토크 센서.
제 6 항에 있어서,

상기 탄성 부재의 부세력(biasing force)은 조정 가능한 것을 특징으로 하는 토크 센서.
제 6 항에 있어서,

상기 샤프트의 돌출부는 상기 자왜 로드의 타단측의 외부 직경 보다 큰 직경 으로 되어 있는 것을 특징으로 하는 토크 센서.
제 6 항에 있어서,

상기 샤프트의 돌출부와 상기 자왜 로드와의 사이에 탄성 시트를 삽입시킨 것을 특징으로 하는 토크 센서.
제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 자왜 부재에는 소정의 바이어스 자계가 인가되어 있는 것을 특징으로 하는 토크 센서.
제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 검출 수단은 검출 코일을 포함하고, 상기 자왜 부재의 투자율 또는 잔류 자화량의 변화는 상기 검출 코일의 인덕턴스값의 변화로서 검출되는 것을 특징으로 하는 토크 센서.
제 10 항에 있어서,

상기 검출 수단은 검출 코일을 포함하며, 상기 자왜 부재의 투자율 또는 잔류 자화량의 변화는 상기 검출 코일의 인덕턴스값의 변화로서 검출되는 것을 특징으로 하는 토크 센서.
제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 검출 수단은 홀 소자를 포함하고, 상기 자왜 부재의 투자율 또는 잔류 자화량의 변화는 상기 홀 소자의 기전력 변화로서 검출되는 것을 특징으로 하는 토크 센서.
제 10 항에 있어서,

상기 검출 수단은 홀 소자를 포함하고, 상기 자왜 부재의 투자율 또는 잔류 자화량의 변화는 상기 홀소자의 기전력 변화로서 검출되는 것을 특징으로 하는 토크 센서.
제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 검출 수단은 자기 저항 효과 소자를 포함하고, 상기 자왜 부재의 투자율 또는 잔류 자화량의 변화는 상기 자기 저항 효과 소자의 기전력 변화로서 검출되는 것을 특징으로 하는 토크 센서.
제 10 항에 있어서,

상기 검출 수단은 자기 저항 효과 소자를 포함하고, 상기 자왜 부재의 투자율 또는 잔류 자화량의 변화는 상기 자기 저항 효과 소자의 기전력 변화로서 검출되는 것을 특징으로 하는 토크 센서.
제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 자왜 부재는 초자왜 소자를 재료로 하는 초자왜 부재로 이루어진 것을 특징으로 하는 토크 센서.
제 10 항에 있어서,

상기 자왜 부재는 초자왜 소자를 재료로 하는 초자왜 부재로 이루어진 것을 특징으로 하는 토크 센서.
제 11 항에 있어서,

상기 자왜 부재는 초자왜 소자를 재료로 하는 초자왜 부재로 이루어진 것을 특징으로 하는 토크 센서.