KR20170115086A - 4개 이상의 자계 센서를 이용하여 힘 또는 토크를 측정하기 위한 배열체 - Google Patents

4개 이상의 자계 센서를 이용하여 힘 또는 토크를 측정하기 위한 배열체 Download PDF

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KR20170115086A
KR20170115086A KR1020177024993A KR20177024993A KR20170115086A KR 20170115086 A KR20170115086 A KR 20170115086A KR 1020177024993 A KR1020177024993 A KR 1020177024993A KR 20177024993 A KR20177024993 A KR 20177024993A KR 20170115086 A KR20170115086 A KR 20170115086A
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슈테판 노이섀퍼-루베
얀 마튀직
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섀플러 테크놀로지스 아게 운트 코. 카게
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Abstract

본 발명은 역자기 변형 효과의 사용하에, 축(03)에서 연장되는 기계 요소(01)에서 힘 및/또는 토크(Mt)를 측정하기 위한 배열체에 관한 것이다. 기계 요소(01)는 축(03)에서 연장되는 중공 챔버(04)와, 기계 요소(01)의 축방향 섹션 내에서 원주 방향으로 축(03)을 중심으로 연장되고 자화를 위한 하나 이상의 자화 영역(06, 07)을 포함한다. 상기 배열체는 하나 이상의 제1 자계 센서(11), 제2 자계 센서(12), 제3 자계 센서(13) 및 제4 자계 센서(14)를 더 포함하며, 각각 이들 센서는 자화에 의해 그리고 힘 및/또는 토크(Mt)에 의해 생성된 자기장의 축방향 방향 성분의 개별적인 측정을 위해 형성되어, 각각 자화 영역(06, 07)의 축방향 섹션 내에 위치한다. 본 발명에 따르면, 적어도 제1 자계 센서(11) 및 제2 자계 센서(12)는 기계 요소(01)의 중공 챔버(04) 내에 배열된다.

Description

4개 이상의 자계 센서를 이용하여 힘 또는 토크를 측정하기 위한 배열체
본 발명은 역자기 변형 효과(inverse-magnetostrictive effect)의 사용하에, 축에서 연장되는 기계 요소에서 4개 이상의 자계 센서에 의해 힘 및/또는 토크를 측정하기 위한 배열체에 관한 것이다.
US 2012/0296577 A1에는 원주 방향으로 자화된 요소에서 힘을 측정하기 위해 형성된 자기 탄성 힘 센서가 공지되어 있다.
US 5,321,985에는 자기 변형 층이 샤프트의 외측 표면에 제공되어 여기 코일 및 검출 코일에 대향하여 위치하는 자기 변형 토크 센서가 교시된다. 샤프트 상에 작용하는 토크가 자기 변형 층 내에 재료 응력을 야기함으로써, 자신의 상대적 자기 투과성이 방향에 따라 변경된다. 자기 변형 층으로부터 방출되는 자기장은 검출 코일에 의해 측정될 수 있다.
DE 699 36 138 T2는 자화 재료가 굽힘 모멘트에 노출되는 자기 힘 센서를 설명하며, 센서 배열체를 이용하여 자화 재료의 외부 자기장이 결정될 수 있다.
DE 603 09 678 T2에는 센서 배열체에 의해 측정되는 교번 극성에 의해 자기장이 생성되는, 샤프트 내의 토크를 검출하기 위한 방법이 공지되어 있다.
US 2007/0022809 A1은 샤프트 내에 자기 변형 재료로 이루어진 층이 형성되어 있는 토크 측정 장치를 설명한다.
US 5,052,232는 기계 요소에 2개의 원주 방향 자기 변형 코팅이 제공된 자기 탄성 토크 센서가 공지되어 있다.
DE 698 38 904 T2에는 원형 자화를 갖는 토크 센서가 공지되어 있다. 자화는 샤프트의 강자성 자기 변형 재료 내에 형성되어 샤프트를 중심으로 원형으로 연장된다.
DE 692 22 588 T2에는 환형 자화 토크 센서가 공지되어 있다.
WO 2007/048143 A2에는 자화 샤프트를 갖는 센서가 교시된다.
WO 01/27638 A1은 주연 방향 또는 종방향으로 자화된 샤프트를 갖는 가속도 센서를 설명한다.
WO 2006/053244 A2에는 회전 샤프트에 자화를 포함하는 토크 센서가 공지되어 있다. 자화는 원주 방향으로 형성된다.
US 8,191,431 B2는 자화 샤프트를 갖는 센서 배열체를 설명한다.
EP 2 365 927 B1은 2개의 페달 크랭크 및 체인링 캐리어를 갖는 저부 브래킷 베어링(bottom bracket bearing)을 설명하며, 체인링 캐리어는 저부 브래킷 베어링과 연결된다. 체인링 캐리어는 체인링 샤프트와 함께 회전하도록 고정 연결되며. 체인링 샤프트는 다시 샤프트와 함께 회전하도록 고정 연결된다. 체인링 샤프트는 부분적으로 자화를 포함한다. 자화 영역 내에 존재하는 토크에서 자화의 변형을 검출하는 센서가 제공된다.
US 6,490,934 B2에는 강자성 자기 변형 및 자기 탄성 활성 영역을 갖는 요소에 작용하는 토크를 측정하기 위한 자기 탄성 토크 센서가 교시된다. 이러한 영역은, 원통형 슬리브로서 예를 들어 샤프트 상에 위치하는 측정 변압기 내에 형성된다. 토크 센서는 측정 변압기에 대향한다.
EP 0 803 053 B1에는 자기 탄성 측정 변압기를 포함하는 토크 센서가 공지되어 있다. 측정 변압기는 원통형 슬리브로서 샤프트 상에 위치한다.
US 8,893,562 B2에는 자기 탄성 샤프트에서 토크 측정 시에 자기 간섭장을 검출하기 위한 방법이 교시된다. 2개의 신호가 측정되고, 이때 제2 신호는 자기 간섭장에 상응하고 제1 신호로부터 감산된다.
US 8,001,849 B2는 외부 자기장의 작용이 보상되어야 하는 자기 탄성식 토크 측정을 위한 배열체를 설명한다. 배열체는 샤프트의 자화 영역 및 하나 이상의 수동 및 능동 자계 센서를 포함한다. 능동 자계 센서는 자화 영역의 양측에 배열될 수 있다.
US 2011/0162464 A1은 균일 자기장 및 불균일 자기장의 작용이 보상되어야 하는 자기 탄성 토크 측정 배열체를 설명한다. 배열체는 샤프트의 자화 영역 및 3개 이상의 자계 센서를 포함한다. 제2 및 제3 자계 센서는 자화 영역 옆에 배열될 수 있다.
US 8,087,304 B2는 샤프트에 작용하는 토크의 측정을 위한 자기 탄성 토크 센서를 설명한다. 샤프트는 하나 또는 복수의 원주 방향 자화를 포함한다. US 8,087,304 B2의 도 12는 단지 하나의 원주 방향 자화를 갖는 실시예를 도시하는데, 이때 2개의 1차 자기장 센서가 자화의 영역 내에, 그리고 2개의 2차 자계 센서가 자화 영역 옆에 배열된다. US 8,087,304 B2의 도 18은 번갈아 분극되는 2개의 원주 방향 자화를 갖는 실시예를 도시하는데, 이때 복수의 자계 센서가 2개의 자화 영역 사이의 축방향 전환부에 배열된다. US 8,087,304 B2의 도 8은 번갈아 분극되는 원주 방향 자화를 갖는 실시예를 도시하며, 각각 하나의 자계 센서가 3개의 자화 영역 중 하나에 배열된다. 자계 센서의 특수한 배열에 의해, 자기 간섭장의 영향이 제거된다고 한다.
종래 기술로부터 출발하여, 본 발명의 과제는 역자기 변형 효과를 기초로 하는 힘 및/또는 토크의 측정 시에 자기 간섭장을 감소시키는 가능성을 확장하는 것이다.
상기 과제는 첨부된 청구항 제1항의 배열체를 통해 해결된다.
본 발명에 따른 배열체는 축에서 연장되는 기계 요소에서 힘 및/또는 토크를 측정하는데 사용된다. 힘 또는 토크가 기계 요소에 작용하면, 이에 의해 기계적 응력이 발생하여 기계 요소가 적어도 약간 변형된다. 바람직하게, 축은 기계 요소의 회전축을 형성한다.
기계 요소는 중공형인데, 그 이유는 적어도 부분적으로 축에서 연장된 중공 챔버를 갖기 때문이다. 중공 챔버는 특히 축의 영역에 형성된다. 바람직하게 중공 챔버는 기계 요소의 전체 축방향 길이에 걸쳐 연장된다. 중공 챔버는 바람직하게 축방향 단부에서 개방되어 있다. 바람직하게 중공 챔버는 실린더 형태를 갖는다.
기계 요소는, 기계 요소의 축방향 섹션에서 원주 방향으로 축을 중심으로 연장되고 기계 요소 내에 형성된 자화를 위한 하나 이상의 자화 영역을 포함한다. 따라서, 자화 영역은 축을 둘러싸는 하나 이상의 자화 영역이며, 축 자체는 바람직하게 자화 영역의 일 부분을 형성하지 않는다. 하나의 자화 영역 또는 복수의 자화 영역은, 축을 중심으로 연장되는 기계 요소의 표면에 대해 접선 정렬을 갖는다. 바람직하게, 하나의 자화 영역 또는 복수의 자화 영역은 축을 중심으로 연장되는 기계 요소의 표면에 대해 오로지 접선 정렬을 갖는다. 하나의 자화 영역 또는 복수의 자화 영역은 바람직하게, 폐쇄된 경로를 따라 축을 중심으로 연장되며, 하나의 자화 영역 또는 복수의 자화 영역은 짧은 갭을 포함해도 된다. 하나의 자화 영역 또는 복수의 자화 영역들은 각각, 힘 또는 토크의 결정을 위한 1차 센서를 형성한다. 바람직하게, 복수의 자화 영역이 형성되는 한, 자화 영역은 동일한 공간적 크기를 갖고 축방향으로 이격된다.
또한, 배열체는 하나 이상의 제1 자계 센서, 제2 자계 센서, 제3 자계 센서 및 제4 자계 센서를 포함하며, 이들은 각각 힘 또는 토크의 결정을 위한 2차 센서를 형성한다. 1차 센서, 즉, 하나 이상의 자화 영역은 측정될 힘 또는 측정될 토크를 상응하는 자기장으로 변환시키기 위해 이용되는 반면, 2차 센서는 이러한 자기장을 전기 신호로 변환시킬 수 있다. 제1 자계 센서, 제2 자계 센서, 제3 자계 센서 및 제4 자계 센서는 각각, 자화에 의해 그리고 힘 및/또는 토크에 의해 생성된 자기장의 축방향 방향 성분의 개별적 측정을 위해 형성된다. 언급된 자기장은 역자기 변형 효과로 인해 발생한다. 따라서, 본 발명에 따른 배열체를 이용하여 이루어질 수 있는 측정은 역자기 변형 효과를 기초로 하는 것이다. 언급된 축방향 방향 성분은 축에 대해 평행한 방향을 갖는다.
기계 요소가 단지 하나의 자화 영역을 포함하는 경우, 제1 자계 센서, 제2 자계 센서, 제3 자계 센서 및 제4 자계 센서는 자화 영역의 축방향 섹션 내에 공동으로 위치한다. 기계 요소가 복수의 자화 영역을 포함하는 경우, 제1 자계 센서, 제2 자계 센서, 제3 자계 센서 및 제4 자계 센서는 복수의 자화 영역의 축방향 섹션들 중 하나의 섹션 내에 공동으로 위치한다. 따라서, 제1 자계 센서, 제2 자계 센서, 제3 자계 센서 및 제4 자계 센서의 축방향 위치에는 기본적으로 자화 영역들 중 하나가 위치하고, 바람직하게 2개의 자계 센서는 자화 영역들 중 하나의 축방향 섹션 내에 위치한다.
본 발명에 따르면, 적어도 제1 자계 센서 및 제2 자계 센서는 기계 요소의 중공 챔버 내에 배열되고, 이로써 이들 센서는 귀속되는 자화 영역의 내부 표면에 대향하여 위치하고 자화에 의해 그리고 힘 및/또는 토크에 의해 생성된 자기장의 방향 성분이면서 기계 요소의 중공 챔버 내에 발생하는 축방향 방향 성분의 측정을 위해 형성된다.
본 발명에 따른 배열체의 특별한 장점은, 이러한 배열체가 상이한 구성에서 역자기 변형 효과에 기초하는 힘 및/또는 토크의 측정에 대한 자기 간섭장의 영향을 확실한 감소시키는 것을 허용한다는 것이다.
하나의 자화 영역 또는 복수의 자화 영역들은 영구적으로 또는 일시적으로 자화될 수 있다. 본 발명에 따른 배열체의 바람직한 실시예에서, 하나의 자화 영역 또는 복수의 자화 영역들이 영구적으로 자화됨으로써, 자화는 영구 자화를 통해 형성된다. 또한, 본 발명에 따른 배열체의 대안적인 바람직한 실시예에서, 배열체가 하나 이상의 자화 영역의 자화를 위한 하나 이상의 자석을 더 포함함으로써, 하나 이상의 자화 영역의 자화는 기본적으로 일시적인 것이다. 하나 이상의 자석은 영구 자석을 통해 또는 바람직하게는 전자석을 통해 형성될 수 있다.
영구적 또는 일시적으로 자화된 하나의 자화 영역 또는 복수의 자화 영역들은 힘 또는 토크에 의해 부하를 받지 않는 기계 요소의 상태에서 각각의 자화 영역 외부를 향해 바람직하게 자기 중성적이기 때문에, 기술적으로 중요한 자기장이 각각의 자화 영역 외부에서는 측정될 수 없다.
하나의 자화 영역 또는 복수의 자화 영역들은 각각 기계 요소의 부피의 일 부분을 나타낸다. 하나의 자화 영역 또는 복수의 자화 영역들은 바람직하게 각각 환형으로 형성되며, 기계 요소의 축 또한 각각의 환형 형상의 중앙 축을 형성한다. 특히 바람직하게는, 하나의 자화 영역 또는 복수의 자화 영역들이 각각 기계 요소의 축에 대해 동축인 중공 실린더의 형태를 갖는다.
또한 기계 요소는, 각각 축방향으로 기계 요소의 자화 영역들 사이에 그리고/또는 축방향으로 자화 영역들 옆에 배열되는 자기 중성 영역들을 포함한다. 자기 중성 영역은 영구 자화를 갖지도 않고, 배열체가 자기 중성 영역을 일시적으로 자화시키기 위해 형성되지도 않는다. 물론, 원하지 않는 자기 간섭장이 자기 중성 영역의 일시적인 자화를 유도할 수 있다. 바람직하게 자기 중성 영역은 자화되지 않는다.
바람직하게, 역자기 변형 효과에 기초하는 힘 및/또는 토크의 측정에 대한 자기 간섭장의 영향을 확실하게 감소시킬 수 있도록, 제1 자계 센서, 제2 자계 센서, 제3 자계 센서 및 제4 자계 센서는 축을 포함하는 평면에 공동으로 배열된다.
본 발명에 따른 배열체의 바람직한 실시예에서, 제1 자계 센서 및 제2 자계 센서는 축에 대해 대향하여 배열되고 축에 대해 동일한 간격을 갖는다. 따라서, 축들은 제1 자계 센서와 제2 자계 센서 사이의 중심에서 제1 자계 센서 및 제2 자계 센서를 연결하는 직선과 교차한다. 바람직하게, 축으로부터 제1 자계 센서의 간격 및 축으로부터 제2 자계 센서의 간격은 각각 작고; 특히 기계 요소의 외측 반경의 절반 보다 작다. 축으로부터 제1 자계 센서의 간격 및 축으로부터 제2 자계 센서의 간격은 0일 수도 있다.
본 발명에 따른 배열체의 특히 바람직한 실시예에서, 제1 자계 센서 및 제2 자계 센서는 양측에서 직접 인접하여 축에 배열됨으로써, 축으로부터 제1 자계 센서의 간격 및 축으로부터 제2 자계 센서의 간격은 최소가 된다. 바람직하게 제1 자계 센서 및 제2 자계 센서는 기판의 전면측 및 후면측에 배열된다.
본 발명에 따른 배열체의 특히 바람직한 실시예에서, 제3 자계 센서 및 제4 자계 센서는 축에 대해 대향하여 배열되고 축에 대해 동일한 간격을 갖는다. 따라서, 축들은 제3 자계 센서와 제4 자계 센서 사이의 중심에서 제3 자계 센서 및 제4 자계 센서를 연결하는 직선과 교차한다. 바람직하게, 축으로부터 제3 자계 센서의 간격 및 축으로부터 제4 자계 센서의 간격은 각각, 축으로부터 제1 자계 센서의 간격 및 축으로부터 제2 자계 센서의 간격보다 더 크다. 축으로부터 제3 자계 센서의 간격 및 축으로부터 제4 자계 센서의 간격은 각각, 축으로부터 제1 자계 센서의 간격 및 축으로부터 제2 자계 센서의 간격보다 2배 이상으로 크다. 따라서, 제1 자계 센서 및 제2 자계 센서는 바람직하게 반경 방향으로 내부에 위치하도록 배열된 자계 센서인 반면, 제3 자계 센서 및 제4 자계 센서는 바람직하게 반경 방향으로 외부에 위치하도록 배열된 자계 센서이며, 이때 "외부에 위치한다"는 수식어는 축에 대한 거에 관련된 표현이고 중공 챔버의 내부 또는 외부에 자계 센서가 배열되는 것을 말하는 것이 아니다. 자화 영역의 각각의 축방향 섹션 내에서 반경 방향으로 내부에 위치하도록 배열된 자계 센서의 개수는, 바람직하게 반경 방향으로 외부에 위치하도록 배열된 자계 센서의 개수와 동일하다.
바람직하게, 제3 자계 센서 및 제4 자계 센서는 기계 요소의 내측 표면 또는 외측 표면에 배열되고, 이때 제3 자계 센서와 기계 요소의 내측 표면 또는 외측 표면 사이에 에어갭이 형성되며, 제4 자계 센서와 기계 요소의 내측 표면 또는 외측 표면 사이에 에어갭이 형성된다. 기계 요소의 내측 표면은 기계 요소의 중공 챔버를 형성 내에 형성된다. 기계 요소의 외측 표면은 기계 요소의 외측 형태에 형성된다. 바람직하게 에어갭은 5mm 미만이고, 특히 바람직하게는 1mm 미만이다. 바람직하게 에어갭은 동일한 크기를 갖는다.
제3 자계 센서 및 제4 자계 센서는 기계 요소의 중공 챔버 내에뿐만 아니라 중공의 기계 요소 외부에 배열될 수 있다.
본 발명에 따른 배열체의 특히 바람직한 다른 실시예에서, 기계 요소는, 원주 방향으로 축을 중심으로 연장되고 자화를 위한 2개의 자화 영역을 갖는다. 이 경우, 제1 자계 센서 및 제3 자계 센서는 제2 자화 영역의 축방향 위치에 배열되는 반면, 제2 자계 센서 및 제4 자계 센서는 제1 자화 영역의 축방향 위치에 배열된다. 또한, 이러한 실시예에서 제1 자계 센서, 제2 자계 센서 제3 자계 센서 및 제4 자계 센서는 축을 포함하는 평면에 공동으로 배열된다. 본 실시예에서 제1 자화 영역 및 제2 자화 영역은 바람직하게 동일한 극성을 갖고, 즉 이들은 동일한 회전 방향을 갖는다. 평면은 축은 포함하는데, 축이 평면 내에 위치하기 때문이다.
4개의 자계 센서는 측정할 힘 또는 측정할 토크의 결정을 위해 바람직하게, 제1 자계 센서 및 제2 자계 센서에 의해 측정 가능한 축방향 방향 성분의 합과, 제3 자계 센서 및 제4 자계 센서에 의해 측정 가능한 축방향 방향 성분의 합의 편차가 결정될 수 있도록 배열되고 연결된다. 언급된 축방향 방향 성분은, 자화에 의해 그리고 힘 및/또는 토크에 의해 생성되고 자기 간섭장이 중첩될 수 있는 자기장의 축방향 방향 성분이다. 언급된 합 및 편차 형성은 예를 들어, 감수(subtrahend)를 형성하는 자계 센서가 피감수(minuend)를 형성하는 자계 센서에 반대로 배향됨으로써 구현될 수 있다. 그러나 언급된 합 및 편차 형성은, 자계 센서들이 동일하게 배향되고 센서들의 신호로부터 합이 형성됨으로써 구현될 수 있고, 이때 감수를 형성하는 자계 센서들은 반대로 분극된다.
본 발명에 따른 배열체의 특히 바람직한 다른 실시예는 2개 이상의 상술된 4중 자계 센서를 포함한다. 추가의 4중의 자계 센서들은 추가의 자화 영역의 축방향 위치에 위치하고, 바람직하게는 단지 제1 내지 제4 자계 센서의 축방향 위치에서만 차이가 있다.
이러한 다른 바람직한 실시예에서, 기계 요소는, 원주 방향으로 축을 중심으로 연장되고 자화를 위한 2개의 자화 영역을 포함한다. 또한, 배열체는 제5 자계 센서, 제6 자계 센서, 제7 자계 센서 및 제8 자계 센서를 포함하고, 이들 센서는 각각, 자화에 의해 그리고 힘 및/또는 토크에 의해 생성된 자기장의 축방향 방향 성분의 개별적 측정을 위해 형성된다. 제1 자계 센서, 제2 자계 센서, 제3 자계 센서 및 제4 자계 센서는 제1 자화 영역의 축방향 위치에 배열된다. 제5 자계 센서, 제6 자계 센서, 제7 자계 센서 및 제8 자계 센서는 제2 자화 영역의 축방향 위치에 배열된다. 제5 자계 센서는 제1 자계 센서와 동일한 반경 방향 위치 및 동일한 접선 위치를 갖는다. 제6 자계 센서는 제2 자계 센서와 동일한 반경 방향 위치 및 동일한 접선 위치를 갖는다. 제7 자계 센서는 제3 자계 센서와 동일한 반경 방향 위치 및 동일한 접선 위치를 갖는다. 제8 자계 센서는 제4 자계 센서와 동일한 반경 방향 위치 및 동일한 접선 위치를 갖는다.
이러한 실시예에서, 자계 센서들은 바람직하게, 제1 자계 센서 및 제2 자계 센서에 의해 측정 가능한 축방향 방향 성분의 합과, 제3 자계 센서 및 제4 자계 센서에 의해 측정 가능한 축방향 방향 성분의 합의 제1 편차가 결정될 수 있도록 배열되고 연결된다. 상응하게, 제5 자계 센서 및 제6 자계 센서에 의해 측정 가능한 축방향 방향 성분의 합과, 제7 자계 센서 및 제8 자계 센서에 의해 측정 가능한 축방향 방향 성분의 합의 제2 편차가 결정될 수 있다.
제1 자화 영역 및 제2 자화 영역이 동일한 극성을 갖고, 즉 동일한 회전 방향을 갖는다면, 측정할 힘 또는 측정할 토크를 결정하기 위해, 제1 편차와 제2 편차의 합이 바람직하게 결정될 수 있다.
제1 자화 영역 및 제2 자화 영역이 반대의 극성을 갖고, 즉 반대의 회전 방향을 갖는다면, 측정할 힘 또는 측정할 토크를 결정하기 위해, 제1 편차와 제2 편차의 편차가 바람직하게 결정될 수 있다.
제2 자화 영역 및 제2 4중 자계 센서에 상응하게, 본 발명에 따른 배열체는 추가의 자화 영역 및 추가의 4중 자계 센서를 포함한다. 따라서, 다른 바람직한 실시예에서 기계 요소는, 원주 방향으로 축을 중심으로 연장되고 자화를 위한 하나 또는 복수의 자화 영역을 갖고, 이들의 축방향 위치에 각각 추가의 4개의 자계 센서가 배열된다. 이러한 추가의 4개의 자계 센서의 접선 위치 및 반경 방향 위치는, 바람직하게 제1 내지 제4 자계 센서의 접선 위치 및 반경 방향 위치와 동일하다. 추가의 4개의 자계 센서는 바람직하게 제1 내지 제4 자계 센서에서와 같이 연결되고 배열됨으로써, 추가의 편차가 결정될 수 있다. 추가의 자화 영역의 극성은 임의로 선택될 수 있다.
하나의 자화 영역 또는 복수의 자화 영역은 바람직하게 각각 하나의 높은 자기 변형성을 갖는다.
복수의 자화 영역이 형성되면, 자화 영역은 바람직하게 서로에 대해 축방향으로 이격되어 배열되며, 인접하는 2개의 자화 영역들 사이에는 자기 중성 영역들 중 각각 하나가 배열된다. 2개 초과의 자화 영역이 존재하는 경우, 이들은 바람직하게 서로에 대해 각각 동일한 간격을 갖는다.
기계 요소는 바람직하게, 각기둥 또는 실린더의 외부 형태를 갖고, 각기둥 또는 실린더는 축에 대해 동축으로 배열된다. 바람직하게 각기둥 또는 실린더는 직선이다. 특히 바람직하게, 기계 요소는 직선 원형 실린더의 외부 형태를 갖고, 원형 실린더는 축에 대해 동축으로 배열된다. 특수한 실시예에서, 각기둥 또는 실린더는 원추형으로 형성된다. 중공 챔버가 기계 요소의 전체 축방향 길이에 걸쳐 연장되면, 기계 요소는 중공 실린더의 형태를 갖는다.
기계 요소는 바람직하게, 부분적으로 중공인 샤프트에 의해, 중공 샤프트에 의해, 적어도 부분적으로 중공인 시프팅 포크에 의해 또는 중공 플랜지에 의해 형성된다. 부분적으로 중공인 샤프트, 중공 샤프트, 부분적으로 중공인 시프팅 포크 또는 중공 플랜지는 상이한 힘 및 토크에 의한 부하를 위해 설계될 수 있으며, 예를 들어 센서 저부 브래킷 베어링, 롤 스테빌라이저 또는 거름 분배기의 구성 부품일 수 있다. 기본적으로, 기계 요소는 완전히 다른 기계 요소 유형에 의해서도 형성될 수 있다.
4개 이상의 자계 센서는 바람직하게, 각각 반도체 센서에 의해 형성된다. 대안적으로 바람직하게는, 4개 이상의 자계 센서가 홀 센서, 코일, 플럭스 게이트 자력계에 의해 형성된다. 기본적으로, 역자기 변형 효과에 의해 야기되는 자기장의 축방향 방향 성분의 측정을 위해 적합하다면, 다른 센서 유형들도 사용될 수 있다.
본 발명의 다른 세부 사항, 장점 및 개선은 도면을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예의 이하의 상세한 설명으로부터 제시된다.
도 1은 4개의 자계 센서를 구비한 본 발명에 따른 배열체의 바람직한 제1 실시예를 도시하고;
도 2는 4개의 자계 센서를 구비한 본 발명에 따른 배열체의 바람직한 제2 실시예를 도시하며;
도 3은 4개의 자계 센서 및 2개의 자화 영역을 구비한 본 발명에 따른 배열체의 바람직한 제3 실시예를 도시하고;
도 4는 8개의 자계 센서 및 2개의 자화 영역을 구비한 본 발명에 따른 배열체의 바람직한 제4 실시예를 도시하며;
도 5는 8개의 자계 센서 및 2개의 자화 영역을 구비한 본 발명에 따른 배열체의 바람직한 제5 실시예를 도시한다.
도 1 내지 도 5는 본 발명에 따른 배열체를 각각 2개의 관점에서 도시한다. 도면의 좌측 부분은 각각 단면도를 포함하는 반면, 도면의 우측 부분은 본 발명에 따른 배열체의 각각 실시예의 평면도를 포함한다.
도 1은 본 발명에 따른 배열체의 바람직한 제1 실시예를 도시한다. 배열체는 먼저, 본체(02)에 고정된 중공 플랜지(01) 형태의 기계 요소를 포함한다. 힘 또는 토크, 특히 토크(Mt)가 플랜지(01)에 작용한다. 중공 플랜지(01)는 중공 원형 실린더 형태를 갖는다. 중공 플랜지(01)는 중공 플랜지(01)의 중공 실린더 형태의 중심축을 형성하는 축(03)에서 연장된다. 중공 플랜지(01)의 내부에는 실린더형 중공 챔버(04)가 형성된다. 중공 플랜지(01)는 자기 변형 효과를 갖는 자기 탄성 재료로 형성된다.
중공 플랜지(01)의 축방향 섹션 내에는 제1 영구 자화 영역(06)이 형성되는데, 이는 원주 방향으로 축(03)을 중심으로 연장되고, 즉, 이는 환형 영구 자화이다.
또한, 본 발명에 따른 배열체의 이러한 실시예는 제1 자계 센서(11), 제2 자계 센서(12), 제3 자계 센서(13) 및 제4 자계 센서(14)를 포함한다. 각각 자계 센서(11, 12, 13, 14)는 영구 자화 영역(06)의 자화를 통해 그리고 힘 및/또는 토크에 의해 생성되는 자기장의 축방향 방향 성분의 개별적인 측정을 위해 형성된다. 자계 센서(11, 12, 13, 14)는 축(03)을 포함하는 하나의 평면에 배열된다. 자계 센서(11, 12, 13, 14)는, 내부에 영구 자화 영역(06)이 형성되어 있는 중공 플랜지(01)의 축방향 섹션 내에 위치하는 동일한 축방향 위치를 갖는다. 자계 센서(11, 12, 13, 14)는 중공 챔버(04) 내에 위치한다.
제1 자계 센서(11) 및 제2 자계 센서(12)는 축(03)에 배치되어 축(03)의 상부 및 하부에 직접 위치한다. 제1 자계 센서(11) 및 제2 자계 센서(12)는 특히 (미도시된) 기판의 상부측 및 하부측에 배열된다. 제1 자계 센서(11) 및 제2 자계 센서(12)는 축(03)에 대해 기술적으로 최소 간격을 갖고, 이 간격은 이들 두 자계 센서(11, 12)에서 동일하다.
제3 자계 센서(13) 및 제4 자계 센서(14)는 중공 플랜지(01)의 내측 표면에 배열된다. 제3 자계 센서(13) 및 제4 자계 센서(14)는 축(03)에 대해 동일한 간격을 갖는다. 제1 자계 센서(11) 및 제2 자계 센서(12)는 각각 제3 자계 센서(13) 및 제4 자계 센서(14)에 대해 반대로 분극된다.
도 2는 본 발명에 따른 배열체의 바람직한 제2 실시예를 도시한다. 제2 실시예는 단지, 제1 자계 센서(11) 및 제2 자계 센서(12)가 축(03)에 직접 배열되는 것이 아니라 축(03)에 대해 약간 간격을 갖는 것으로, 도 1에 도시된 실시예와 구별된다.
도 3은 본 발명에 따른 배열체의 바람직한 제3 실시예를 도시한다. 제3 실시예는 단지 영구 자화 영역의 개수 및 자계 센서의 축방향 배열에 있어서 도 1에 도시된 실시예와 구별된다. 도 3에 도시된 실시예의 경우, 중공 플랜지(01)는 제1 영구 자화 영역(06) 옆에 제2 영구 자화 영역(07)을 갖고, 이 제2 영구 자화 영역은 중공 플랜지(01)의 다른 축방향 섹션 내에 위치하고 제1 영구 자화 영역(06)으로부터 축방향으로 이격되어 배열된다. 한편, 제1 영구 자화 영역(06) 및 제2 영구 자화 영역(07)은 동일하다. 특히, 이들 두 영구 자화 영역(06, 07)은 동일한 극성을 갖는다. 도 1에 도시된 실시예와는 대조적으로, 제1 자계 센서(11) 및 제3 자계 센서(13)는 번갈아서 축방향 위치를 갖는데, 제1 자계 센서(11) 및 제3 자계 센서(13)가 제2 영구 자화 영역(07)의 축방향 위치에 배열되기 때문이다.
도 4은 본 발명에 따른 배열체의 바람직한 제4 실시예를 도시한다. 제4 실시예는 단지 영구 자화 영역의 개수 및 자계 센서의 개수에 있어서 도 1에 도시된 실시예와 구별된다. 도 4에 도시된 실시예의 경우, 중공 플랜지(01)는 제1 영구 자화 영역(06) 옆에 제2 영구 자화 영역(07)을 갖고, 이 제2 영구 자화 영역은 중공 플랜지(01)의 다른 축방향 섹션 내에 위치하고 제1 영구 자화 영역(06)으로부터 축방향으로 이격되어 배열된다. 한편, 제1 영구 자화 영역(06) 및 제2 영구 자화 영역(07)은 동일하지만, 이들 두 영구 자화 영역(06, 07)은 상이한 극성을 갖는다.
도 4에 도시된 실시예는 제5 자계 센서(15), 제6 자계 센서(16), 제7 자계 센서(17) 및 제8 자계 센서(18)를 더 포함하고, 이들 센서는 자신의 구현예 및 반경 방향 위치와 접선 위치와 관련하여 제1 자계 센서(11), 제2 자계 센서(12), 제3 자계 센서(13) 및 제4 자계 센서(14)와 동일한다. 그러나, 제5 자계 센서(15), 제6 자계 센서(16), 제7 자계 센서(17) 및 제8 자계 센서(18)는 제2 영구 자화 영역(07)의 축방향 위치를 갖는다.
두 개의 영구 자화 영역(06, 07)이 상이한 극성을 갖기 때문에, 제5 자계 센서(15) 및 제6 자계 센서(16)는 각각 제1 자계 센서(11) 및 제2 자계 센서(12)에 대해 반대로 분극된다. 마찬가지로 제7 자계 센서(17) 및 제8 자계 센서(18)는 각각 제3 자계 센서(13) 및 제4 자계 센서(14)에 대해 반대로 분극된다.
도 5는 본 발명에 따른 배열체의 바람직한 제5 실시예를 도시한다. 제5 실시예는 단지 영구 자화 영역의 극성 및 자계 센서의 분극에 있어서 도 4에 도시된 실시예와 구별된다. 도 5에 도시된 실시예의 경우, 제1 영구 자화 영역(06) 및 제2 영구 자화 영역(07)은 동일한 극성을 갖는다. 이러한 이유로 인해, 제5 자계 센서(15) 및 제6 자계 센서(16)는 제1 자계 센서(11) 및 제2 자계 센서(12)와 같이 분극된다. 마찬가지로 제7 자계 센서(17) 및 제8 자계 센서(18)는 제3 자계 센서(13) 및 제4 자계 센서(14)와 같이 분극된다.
01: 중공 플랜지
02: 본체
03: 축
04: 중공 챔버
05: -
06: 제1 영구 자화 영역
07: 제2 영구 자화 영역
08: -
09: -
11: 제1 자계 센서
12: 제2 자계 센서
13: 제3 자계 센서
14: 제4 자계 센서
15: 제5 자계 센서
16: 제6 자계 센서
17: 제7 자계 센서
18: 제8 자계 센서

Claims (10)

  1. 축(03)에서 연장되는 기계 요소(01)에서 힘 및/또는 토크(Mt)를 측정하기 위한 배열체이며, 기계 요소는 축(03)에서 연장되는 중공 챔버(04)와, 기계 요소(01)의 축방향 섹션 내에서 원주 방향으로 축(03)을 중심으로 연장되고 자화를 위한 하나 이상의 자화 영역(06, 07)을 포함하며; 상기 배열체는 하나 이상의 제1 자계 센서(11), 제2 자계 센서(12), 제3 자계 센서(13) 및 제4 자계 센서(14)를 더 포함하며, 각각 이들 센서는 자화에 의해 그리고 힘 및/또는 토크(Mt)에 의해 생성된 자기장의 축방향 방향 성분의 개별적인 측정을 위해 형성되어, 각각 하나의 제1 자화 영역(06)의 축방향 섹션 내에 또는 복수의 자화 영역(06, 07)의 축방향 섹션들 중 하나의 섹션 내에 위치하며; 적어도 제1 자계 센서(11) 및 제2 자계 센서(12)는 기계 요소(01)의 중공 챔버(04) 내에 배열되는, 배열체.
  2. 제1항에 있어서, 제1 자계 센서(11), 제2 자계 센서(12), 제3 자계 센서(13) 및 제4 자계 센서(14)는 축(03)을 포함하는 평면에 배열되는 것을 특징으로 하는, 배열체.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 제1 자계 센서(11) 및 제2 자계 센서(12)는 축(03)에 대해 대향하여 배열되고 축(03)에 대해 동일한 간격을 갖는 것을 특징으로 하는, 배열체.
  4. 제3항에 있어서, 제1 자계 센서(11) 및 제2 자계 센서(12)는 양측에서 직접 인접하여 축(03)에 배열되는 것을 특징으로 하는, 배열체.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 제3 자계 센서(13) 및 제4 자계 센서(14)는 축(03)에 대해 대향하여 배열되고 축(03)에 대해 동일한 간격을 갖는 것을 특징으로 하는, 배열체.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 제3 자계 센서(13) 및 제4 자계 센서(14)는 제1 자계 센서(11) 및 제2 자계 센서(12)보다 축(03)에 대해 더 큰 간격을 갖는 것을 특징으로 하는, 배열체.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 제3 자계 센서(13) 및 제4 자계 센서(14)는 기계 요소(01)의 내측 표면 또는 외측 표면에 배열되고, 이때 제3 자계 센서(13)와 기계 요소(01)의 내측 표면 또는 외측 표면 사이에 에어갭이 형성되며, 제4 자계 센서(14)와 기계 요소(01)의 내측 표면 또는 외측 표면 사이에 에어갭이 형성되는 것을 특징으로 하는, 배열체.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 기계 요소(01)는, 원주 방향으로 축(03)을 중심으로 연장되고 자화를 위한 2개의 자화 영역(06, 07)을 갖고, 이때 제1 자계 센서(11) 및 제3 자계 센서(13)는 제2 자화 영역(07)의 축방향 위치에 배열되며, 제2 자계 센서(12) 및 제4 자계 센서(14)는 제1 자화 영역(06)의 축방향 위치에 배열되는 것을 특징으로 하는, 배열체.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 자계 센서들(11, 12, 13, 14)은, 제1 자계 센서(11) 및 제2 자계 센서(12)에 의해 측정 가능한 축방향 방향 성분의 합과, 제3 자계 센서(13) 및 제4 자계 센서(14)에 의해 측정 가능한 축방향 방향 성분의 합의 편차가 결정될 수 있도록 배열되고 연결되는 것을 특징으로 하는, 배열체.
  10. 제1항 내지 제7항 및 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 기계 요소(01)는, 원주 방향으로 축(03)을 중심으로 연장되고 자화를 위한 2개의 자화 영역(06, 07)을 갖고; 배열체는 제5 자계 센서(15), 제6 자계 센서(16), 제7 자계 센서(17) 및 제8 자계 센서(18)를 포함하며; 제1 자계 센서(11), 제2 자계 센서(12), 제3 자계 센서(13) 및 제4 자계 센서(14)는 제1 자화 영역(06)의 축방향 위치에 배열되고; 제5 자계 센서(15), 제6 자계 센서(16), 제7 자계 센서(17) 및 제8 자계 센서(18)는 제2 자화 영역(07)의 축방향 위치에 배열되며; 제5 자계 센서(15)는 제1 자계 센서(11)와 동일한 반경 방향 위치 및 동일한 접선 위치를 갖고; 제6 자계 센서(16)는 제2 자계 센서(12)와 동일한 반경 방향 위치 및 동일한 접선 위치를 갖고; 제7 자계 센서(17)는 제3 자계 센서(13)와 동일한 반경 방향 위치 및 동일한 접선 위치를 갖고; 제8 자계 센서(18)는 제4 자계 센서(14)와 동일한 반경 방향 위치 및 동일한 접선 위치를 갖는 것을 특징으로 하는, 배열체.
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