KR20180030983A - 하중 및 토크 감지 장치 - Google Patents

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KR20180030983A
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프랑크 유세타
조슈아 사우트너
크리스토퍼 리스톤
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메소드 일렉트로닉스 인코포레이티드
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Abstract

강자성 엘리먼트를 자화시키는 시스템 및 방법이 개시된다. 전극은 강자성 엘리먼트의 양면에 배치되고, 전류가 전극에 인가되어, 강자성 엘리먼트 상에 자기 조절된 영역의 형성이 야기된다. 자계 센서는 자기 조절된 영역 부근에 배치될 수 있다. 자계 센서로부터의 출력 신호는 강자성 엘리먼트에 가해지는 부하 또는 토크를 나타낼 수 있다.

Description

하중 및 토크 감지 장치
본 발명은 하중 및 토크 감지 장치, 그것의 사용방법 및 그것을 형성하는 방법에 관한 것이다. 더욱 상세하게는, 본 발명은 자기탄성식(magnetoelastic) 감지 장치, 그것의 사용방법 및 장치 엘리먼트를 자화시키기 위해 전류를 이용하여 그러한 장치들을 만드는 방법에 관한 것이다.
힘, 장력, 압축, 또는 압력의 크기를 포함하는 하중의 크기를 판정할 수 있는 능력이 필요로 되는 다양한 애플리케이션이 존재한다. 스트레인 게이지(strain gauge)를 포함하는 종래의 하중 센서 및 로드셀(load cell)들은 그러한 능력을 제공하기 위해 개발되었다. 이러한 스트레인 게이지는 전기 도전성 재료를 포함할 수 있고, 그러한 재료가 장력 또는 압축력을 받을 때 그것의 저항이 변한다. 장력 또는 압축력의 크기는 도전성 재료의 저항 변화를 측정함으로써 판정될 수 있다.
앞서 언급한 종래의 하중 센서와 더불어, 그것에 하중이 가해질 때 센서를 형성하기 위해 사용되는 재료의 자기 특성의 결과적인 변화를 기초로 하중의 크기가 판정되는 것을 가능하게 하는 자기탄성식 하중 센서가 개발되었다. 가르쉘리스의 미국 특허 번호 제5,195,377호 및 크리프의 미국 특허 번호 제6,220,105호는 자기탄성식 하중 감지 장치를 서술한다.
모란 등의 미국 특허 출원 번호 제14/586,017호는 판, 및 판 위에 형성된 환형의 자화된 영역을 포함하는 자기탄성식 하중 센서를 서술한다. '017 출원에 따르면, 자화된 영역은 판의 표면 부근으로 자석을 가져가고 판을 회전시킴으로써 형성될 수 있다. 자화된 영역의 표면 부근에 한 쌍의 자계 센서가 놓여질 수 있고, 이러한 자계 센서는 판에 가해지는 장력 또는 압축력을 나타내는 출력을 만들어낸다.
회전하는 구동 축을 가지는 시스템의 제어에서, 토크 및 속도가 관심 있는 기본 파라미터이다. 그러므로, 정확하고 신뢰성 있고 값싼 방식으로 토크를 감지하고 측정하는 것은 오래동안 그러한 제어 시스템 설계의 주된 목적이었다.
몇몇 종래기술의 토크 감지 장치에서, 디스크 또는 디스크 형상의 부재가 토크 감지 엘리먼트로서 역할할 수 있다. 이러한 디스크는 적어도 하나의 자기탄성적으로 활성, 강자성, 자기제한(magnetorestrictive) 영역을 포함한다. 각각의 자기제한 영역은 일반적으로 단일 원둘레 방향 또는 축방향으로 자화된다. 하나 이상의 자계 센서는 이러한 영역 부근에 배치되고, 디스크에 토크를 적용함으로써 초래되는 그 영역의 자화 변화를 탐지하도록 배열된다. 자계 센서는 적용된 토크를 나타내는 출력을 제공한다. 이러한 영역은 그 내부의 자화를 무활동(quiescent) 상태로 복귀시키기 위해, 또는 적용된 토크가 0으로 감소한 때 초기 방향으로 복귀하기 위해 충분한 이방성(anisotropy)을 가져야 한다.
존스의 미국 특허 번호 제6,513,395호는 디스크상에 형성된 원둘레 방향으로 분극된(polarized) 자기 조절된 영역(magnetically conditioned region)을 가지는 디스크를 구비한 자기 토크 감지 장치를 서술한다. 플럭스-게이트 인덕터, 홀 이펙트(Hall Effect) 센서 등과 같은 자계 센서는 자기 조절된 영역 부근에 배치되고 디스크에 가해진 토크를 나타내는 전기 신호를 출력하도록 구성된다. '395 특허는 또한 그 위에 형성된 반대 원둘레 방향으로 분극된 2개의 자기 조절된 영역을 가지는 디스크를 서술한다. 자계 센서는 커먼 모드 필드 상쇄(common mode field cancellation)를 가능하게 하도록 그들의 감지 방향이 방사상이고 반대 방향이 되도록 그것의 자기 조절된 영역 부근에 배치될 수 있다.
메이의 미국 특허 번호 제6,910,391호는 디스크상에 2개의 방사상으로 이격되고 반대로 분극된 환형의 자기 조절된 영역을 가지는 디스크를 구비한 자기 토크 감지 장치를 서술한다. '391 특허는 이러한 영역들을 축방향으로 자화시키는 프로세스를 서술하는데, 이 프로세스는 디스크의 양면에 자석을 제공하는 것 및 그 자석 사이에서 디스크를 회전시키는 것을 포함한다. '391 특허에 따르면, 디스크의 자화는 디스크에 토크를 적용한 동안 수행될 수 있으므로, 디스크에 토크가 가해지지 않을 때 측정 가능한 0이 아닌 값이 자계 센서에 의해 출력될 것이다.
메이의 미국 특허 번호 제7,219,564호는 디스크 형상의 부재를 가지는 수 개의 자기 토크 감지 장치를 서술하고, 그러한 부재들을 자화시키는 프로세스를 서술한다. 각각의 이러한 프로세스들은 표면 또는 표면들 부근에 하나 이상의 자석의 배열을 배치하는 것 및 자석의 배열에 대하여 디스크를 회전시키는 것을 포함한다.
리의 미국 특허 번호 제8,635,917호는 2개의 환형의 자기 조절된 영역을 가지는 디스크 형상의 부재를 구비한 자기 토크 감지 장치를 서술한다. '917 특허에 따르면, 자기 조절된 영역들은 그 사이에 방사상 갭 없이 형성되어 있는데, 방사상 갭의 부재는 토크 감지 장치가 향상된 회전 신호 균일성(RSU: rotational signal uniformity) 성능을 나타내는 것을 가능하게 한다. '917 특허는 또한 그러한 디스크를 자화하는 방법으로서, 디스크의 표면 부근에 한 쌍의 영구 자석을 배치하는 단계 및 디스크 상에 자기 조절된 영역을 형성하기 위해 한 쌍의 영구 자석에 대하여 디스크를 회전시키는 단계를 포함하는 방법을 서술한다.
종래기술은 강자성 엘리먼트를 자화시키는 프로세스를 서술하는데, 이러한 프로세스들은 강자성 엘리먼트에 대하여 영구 자석의 배치를 필요로 한다. 따라서, 종래기술의 프로세스들은 자석, 자석 홀더, 및 강자성 엘리먼트 및 자석을 서로에 대하여 회전 또는 다르게 이동시킬 수 있는 장치를 포함하는 장비를 필요로 한다. 이러한 장비의 필요성 및 그러한 장비를 셋업하고 그러한 프로세스를 수행하는데 필요한 시간은 제조 비용 및 사이클 시간의 증가를 야기할 수 있다. 종래 기술의 자화 프로세스의 특징은 자기 조절된 영역의 잠재적 위치 및 기하학적 구조(geometries)가 제한된다는 것이다. 더 나아가, 종래기술의 프로세스는 부품들 간 불일치를 야기할 수 있다. 예를 들어, 자기 조절된 영역의 품질 변동은 강자성 엘리머트를 자화시키기 위해 사용되는 자석의 강도의 변동, 프로세스의 실행 동안 자석과 엘리먼트 사이의 거리 변동, 뿐만 아니라 프로세스 동안 자석에 대한 엘리먼트의 회전 또는 다른 운동의 속도 및/또는 지속시간의 변동 등으로부터 야기될 수 있다.
그러므로, 제조 시간, 비용 및 불편을 줄이는 것이 가능하면서도, 정확한 측정값을 제공하는 감지 장치로서 사용하기 위한 강자성 엘리먼트를 자화시키는 장치 및 방법이 필요하다.
본 발명은 여러 가지 중에서도 특히 강자성 엘리먼트, 더욱 상세하게는, 부하 또는 토크 감지 엘리먼트를 자화시키는 독창적인 시스템 및 방법을 제공한다. 특히, 본 발명은 엘리먼트와 물리적으로 접촉하도록 엘리먼트를 배치하고 전극 및 엘리먼트에 전류 밀도를 적용함으로써, 부하 또는 토크 감지 엘리먼트를 자화시키는 시스템 및 방법을 제공한다. 여기 서술된 모든 다양한 예시적인 실시예들은 부하 및 토크 감지 애플리케이션 둘 다에서 사용하기 위한 플레이트, 디스크, 및 다른 강자성 엘리먼트의 자화에 사용될 수 있다.
본 발명은 또한 영구 자석, 자석 홀더, 또는 강자성 엘리먼트 또는 자석을 서로에 대하여 회전 또는 다르게 이동시킬 수 있는 장치를 필요로 하지 않는, 강자성 엘리먼트를 자화시키는 시스템 및 방법을 제공한다.
본 발명은 자화가 종래기술의 시스템 및 방법에 비해, 제조 사이클 시간 감소, 자기 조절된 영역의 위치 및 기하학적 구조의 유연성 증가, 야금적 불균일(metallurgical inhomogeneities)의 국부적 보상, 및 부품간 일치성 증가를 나타내는, 강자성 엘리먼트를 자화시키는 시스템 및 방법을 제공한다.
본 발명은 또한, 자화가 종래기술에 서술된 자화보다 높은 민감도를 야기하는, 강자성 엘리먼트를 자화시키는 시스템 및 방법을 제공한다. 본 발명에 따라 제조된 감지 장치는 종래기술의 장치에 의해 제공되는 것보다 높은 출력 신호를 제공할 수 있다. 그러므로, 본 발명은 향상된 적용 가능성, 정확성, 및 신뢰도를 나타낸다.
제한하지 않는 예로서, 본 발명은 엘리먼트의 제1 면과 접촉하는 제1 접촉 단부를 가지고 전류를 전도시키기 위한 제1 전극 및 엘리먼트의 제2 면과 접촉하는 제2 접촉 단부를 가지고 전류를 전도시키기 위한 제2 전극을 가지는 시스템에서 실시될 수 있다. 제1 및 제2 접촉 단부는 필수적인 것은 아니지만 실린더 형상일 수 있고, 필수적인 것은 아니지만 속이 꽉 찬 것일 수 있다(예컨대, 속이 빈 것일 수도 있다).
제1 및 제2 접촉 단부가 속이 빈 경우에, 이 시스템은 각각 엘리먼트의 제1 및 제2 면과 접촉하는 제3 및 제4 전극을 포함할 수 있다. 제3 및 제4 접촉 단부는 제1 및 제2 접촉 단부의 직경보다 작은 직경을 가질 수 있다.
다른 제한하지 않는 예로서, 본 발명은 자화 가능한 엘리먼트를 자화시키는 방법으로 실시될 수 있다. 이 방법은 엘리먼트의 제1 면과 접촉하도록 제1 전극을 배치하는 단계, 엘리먼트의 제2 면과 접촉하도록 제2 전극을 배치하는 단계 및 제1 및 제2 전극으로부터 전류를 전도시켜 엘리먼트 내에 전기장을 유도하는 단계를 포함할 수 있다. 제1 및 제2 전극은 서로 동일선상에 있고 그 자신의 세로축을 가질 수 있는 엘리먼트의 제1 및 제2 표면에 수직인 세로축을 가질 수 있다. 제1 및 제2 전극은, 예컨대, 각각 원통 형상 또는 몇몇 다른 형상일 수 있고, 속이 꽉 찬 또는 속이 빈 것일 수 있는 제1 및 제2 접촉 단부를 포함할 수 있다.
제1 및 제2 접촉 단부가 속이 빈 경우에, 이 방법은 일레먼트의 제1 및 제2 면과 접촉하는 제3 및 제4 전극을 배치하는 단계 및 제4 전극에서 제3 전극으로 전류를 전도시켜 엘리먼트 내에 자기장을 유도하는 단계를 더 포함할 수 있다. 제3 및 제4 전극은 제1 및 제2 접촉 단부의 직경보다 작은 직경을 가지는 제3 및 제4 접촉 단부를 가질 수 있다.
본 발명 자체 뿐만 아니라, 본 발명의 상기 언급한 및 다른 장점 및 특징들은 아래의 도면과 함게 아래의 상세한 설명을 읽을 때 더 쉽게 명확해질 것이다.
도 1은 본 발명의 하나의 예시적인 실시예에 따른, 전류 밀도가 적용되는 전극 및 플레이트의 투시도를 보여주는 도면이다.
도 2는 본 발명의 하나의 예시적인 실시예에 따른 전극 내의 자기 프로파일의 평면도를 보여주는 도면이다.
도 3은 본 발명의 하나의 예시적인 실시예에 따른 전극 및 디스크의 투시도 및 부분 분해도를 보여주는 도면이다.
도 4는 본 발명의 하나의 예시적인 실시예에 따른, 전류 밀도가 적용되는, 도 3의 전극 및 디스크의 단면도 A-A를 보여주는 도면이다.
도 5는 본 발명의 하나의 예시적인 실시예에 따른 자화된 후의 도 3 및 도 4의 디스크의 평면도를 보여주는 도면이다.
도 6은 본 발명의 다른 예시적인 실시예에 따른 자화된 후의 도 3 및 도 4의 디스크의 평면도를 보여주는 도면이다.
도 7은 본 발명의 하나의 예시적인 실시예에 따른 하중 감지 플레이트의 한 예를 보여주는 도면이다.
도 8은 본 발명의 하나의 예시적인 실시예에 따른 토크 감지 디스크의 한 예를 보여주는 도면이다.
본 발명의 몇몇 바람직한 실시예들이 설명의 목적으로 설명되는데, 본 발명이 도면에 구체적으로 도시된 것과 다른 형태로 실시될 수도 있음을 이해해야 한다. 또한, 도면 및 여기의 도면의 설명에서, 어느 용어들은 단지 편리함을 위해 사용된 것일 뿐 본 발명의 실시예를 제한하도록 해석되어서는 안 된다. 더 나아가, 도면 및 아래의 설명 전체에서, 유사한 부재번호는 유사한 엘리먼트를 나타낸다. 도면은 본 발명의 시스템 구조 및 사용 방법에 관하여 설명될 것이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 예시적인 실시예에 따라 자화되는 것을 포함하여, 자화되도록 조절된 플레이트(110)가 도시되어 있다. 또한, 자화 프로세스 동안 사용되도록 조절된 전극이 도시되어 있다.
바람직하게는, 플레이트(110)는 철과 같은 강자성 재료로 이루어진다. 플레이트를 형성하기 위해 사용될 수 있는 재료의 예는 45NiCrMo16, 17-4PH, AISI 9310, AISI 4340 및 종래기술에 서술된 것을 포함하여, 다른 자화 가능한 재료를 포함한다. 자화될 플레이트(110)의 적어도 일부분은 강자성 재료로 이루어진다.
플레이트(110)는 크레인, 포크리프트 또는 다른 기계와 같은 하중 감지 애플리케이션에서 사용을 위해 플레이트(110)가 임의의 적절한 구조에 부착되는 것을 가능하게 할 수 있는 관통 구멍(116)을 포함할 수 있다.
제1 전극(120)은 플레이트(110)의 제1 면(112) 부근에 위치하고, 제2 전극(130)은 제1 면(112)의 반대편, 플레이트(110)의 제2 면(114) 부근에 위치한다. 제1 전극(120) 및 제2 전극(130)은 전기 도전성 재료로 이루어진다. 바람직한 실시예에서, 제1 전극(120) 및 제2 전극(130)은 적어도 구리로 이루어진다.
제1 전극(120)은 제1 접촉 단부(122) 및 제1 말단부(124)를 포함한다. 제2 전극(130)은 제2 접촉 단부(132) 및 제2 말단부(134)를 포함한다. 도 1에 도시된 실시예에서는, 각각의 접촉 단부(122, 132)가 속이 꽉 찬(즉, 빈 공간이 없는) 원통 형상이지만, 속이 빈 원통이 아닌 형상의 접촉 단부 또한 고려된다. 예를 들어, 다른 실시예에서, 접촉 단부(122, 132)는 직방형 또는 육방형과 같이 원통형이 아닐 수도 있다. 접촉 단부(122, 132) 다른 형상일 수도 있다. 한 접촉 단부에서 다른 접촉 단부로의 전류 흐름을 향상시키기 위해, 제1 접촉 단부(122)의 형상과 제2 접촉 단부(132)의 형상은 동일한 것이 바람직하다.
각각의 접촉 단부(122, 132)는 플레이트(110)의 면(112, 114)과 접촉하는 면을 가지는데, 이 접촉면은 전극(120, 130)의 중심 세로축(A1, A2)과 대체로 수직인 평면 내에 실질적으로 포함된다.
제1 전극(120)은 제1 중심 세로축(A1)을 포함하고, 제2 전극(130)은 제2 중심 세로축(A2)을 포함한다. 도 1에 도시된 실시예에서, 전극(120, 130)은 그들의 세로축(A1, A2)이 실질적으로 동일 선상에 놓이도록(즉, 전극(120, 130)이 동심이 되도록) 배치된다. 더불어, 세로축(A1, A2)은 플레이트(110)의 제1 및 제2 면(112, 114)과 거의 수직이다. 자화 프로세스의 효율을 향상시키기 위해 축(A1, A2)의 정렬이 바람직하다.
플레이트(110)의 면(112, 114)과 접촉 단부(122, 132)가 접촉하지만, 플레이트(110)의 면(112, 114)과 접촉 단부(122, 132)의 면 전체에서 불균일한 부분이 존재할 가능성으로 인해, 접촉 단부(122, 132)가 플레이트(110)의 면(112, 114)과 접촉하는 단면 풋프린트 전체의 모든 지점에서 반드시 접촉이 이루어지지는 않음이 이해될 것이다.
플레이트(110)는 아래와 같이 자화될 수 있다. 제1 전극(120)의 제1 접촉 단부(122)는 플레이트(110)의 제1 면(112)와 물리적으로 접촉하도록 배치된다. 제2 전극(130)의 제2 접촉 단부(132)는 플레이트(110)의 제2 면(114)과 물리적으로 접촉하도록 배치된다. 이것은 먼저 플레이트(110) 및 제1 및 제2 전극(120, 130)을 당업자들에게 공지된 종류의 적절하게 구성된 지그 또는 서포트 내에 배치함으로써 달성될 수 있다. 배치된 후, 각각의 접촉 단부(122, 132)는 도 1에 가장 잘 도시된 바와 같이, 플레이트(110)의 양면(112, 114) 각각에 단면 풋프린트(cross-section footprint)를 남긴다.
전극(120, 130)의 말단 단부(124, 134)는 막스 제너레이터(Marx generator)와 같은 전류 증폭기 또는 고전류 파워 서플라이와 같은 (도시되지 않은) 전류원에 전기적으로 연결된다. 전류 밀도(J)가 전류원에 의해 생성되고, 전극(120, 130)과 플레이트(110)를 통해 지나가는 것이 허용된다. 전류 밀도(J)는 플레이트(110)와 수직으로 보내진다. 암페어의 법칙에 따라, 전류 밀도(J)의 생성은 전극(120, 130)의 세로축(A1, A2) 둘레 방향의 원형 자기장(B)의 존재를 야기한다. 자기장(B)은 또한 플레이트(110) 내부에도 존재한다. 뿐만 아니라, 플레이트(110)의 투자율로 인해, 자기장(B)의 크기는 플레이트(110)의 외부보다 플레이트(110) 내부에서 더 크다.
전극(120, 130) 및 플레이트(110)에 전류 밀도(J)를 적용하는 동안, 자기장(B)의 크기는 전류 밀도(J)의 중심에서(즉, 전극(120, 130)의 세로축(A1, A2)을 따라) 0에 근접할 것이다. 플레이트(110) 내에서, 자기장(B)의 크기는 전극(120, 130)의 세로축(A1, A2)으로부터의 거리, r에서의 그 최대 값을 나타내는데, 여기서, r은 접촉 단부(122, 132)의 반경과 같다. 자기장(B)은 또한 전류 밀도(J)의 중심으로부터 R보다 큰 거리에도 존재한다. 거리가 r을 넘어 증가할 때, 자기장은 1/r 만큼 감소한다.
이제, 도 2를 참조하면, 도 2의 페이지 바깥 방향으로 전류 밀도(J)가 적용되는 동안, 도 1에도 도시되어 있는 전극(120)의 접촉 단부(122) 내의 자기 프로파일이 도시되어 있다. 도 2에 도시된 바와 같이, 자기장(B)의 크기는 전류 밀도(J)의 중심에서 0에 근접한다. 자기장(B)의 크기는 접촉 단부(122)의 원둘레에서, 즉, 전류 밀도(J)의 중심으로부터의 거리 r에서 최대가 된다. 도 2의 전극(120)의 접촉 단부(122)에 도시된 자기장은 플레이트(110)의 제2 면(114)에서 보았을 때 플레이트(110) 내에서 생성된 자기장에 비례한다.
플레이트(110)에 전류 밀도(J)를 적용하는 것은 플레이트(110)의 영구적 자화를 야기하는데, 여기서, 플레이트(110)의 이 부분은 자화 가능한 재료로 이루어진다. 상술되고 도 1 및 2에 도시된 프로세스는 플레이트(110)상에 원형의 자기-조절된 영역의 형성을 야기한다. 자기장(B)의 방향으로 인해, 상기 프로세스에 응답하는 플레이트(110)의 자화는 축(A1, A2)을 중심으로 하는 원둘레 방향이고, 폐자로(closed magnetic path)를 형성한다.
바람직하게는, 전류 밀도(J)의 크기는 플레이트(110) 상의 결과적인 잔여 자화가 자기탄성식 부하 감지 목적으로 사용되기에 충분하도록 되어야 한다. 17-4PH 스테인리스 강 부하 센서를 포함하는 예시적인 실시예에서, 500 A 초과의 피크 전류에 노출되는 것이 좋은 결과를 산출한다는 것을 발견하였다. 예를 들어, 여기 개시된 프로세스에 따라 제조된 장치들은 종래기술의 감지 장치보다 우수한 민감도를 나타낼 수 있다.
본 발명의 실시예에서, 부하 센서는 대략 2인치의 폭 × 5인치 길이 × 0.145인치 두께의 치수를 가질 수 있다. 1인치 직경의 접촉 단부(122, 132)에 대하여, 전류는 1.0 × 106 A/m2 정도의 전류 밀도에 대응하지만, 다른 전류 밀도가 사용될 수도 있다. 이러한 전류 밀도는, 예컨대, 상술한 바와 같은 고전류 파워 서플라이 또는 전류 증폭기를 이용하여 달성될 수 있다. 바람직하게는, 이러한 전류는 비교적 짧은 시간 기간 동안 인가될 필요가 있다. 그러나, 엘리먼트의 과도한 과열이 발생하지 않는다면, 긴 시간 동안 전류를 인가하는 것이 해롭지 않을 수도 있다.
여기 개시된 자화 프로세스는 자기탄성식 토그 감지 애플리케이션에 사용하기 위한 플렉스 플레이트(flex plate) 또는 디스크를 자화시키기 위해 사용될 수 있다. 예를 들어, 하나 이상의 자기-조절된 영역을 가지는 플렉스 플레이트는 자동차 엔진 및 트랜스미션에 연결된 것과 같은, 구동열(drivetrain) 엘리먼트에 부착될 수 있다. 자계 센서는 자기 조절된 영역 부근에 배치될 수 있고, 플렉스 플레이트에 가해지는 토그를 나타내는 전기 신호를 출력하도록 구성될 수 있다.
이제 도 3을 참조하면, 자화되어야 할 디스크(310)가 도시되어 있다. 바람직하게는, 디스크(310) 또는 그 일부분은 철과 같은 강자성 재료로 이루어진다. 적어도, 자화되어야 할 디스크(310)의 일부분은 강자성 재료로 이루어진다. 적절한 재료의 예는 도 1의 플레이트(110)와 관련지어 앞서 서술하였다.
디스크(310)는 제한하는 것은 아니지만 자동차 엔진 및 트랜스미션에 연결된 것과 같은, 구동렬 엘리먼트에 디스크(310)가 부착되는 것을 가능하게 하는 외측 관통 구멍(316) 및 내측 관통 구명(도시되지 않음)을 포함할 수 있다.
제1 전극(320)은 디스크(310)의 제1 면(312) 부근에 위치하고, 제2 전극(330)은 제1 면(312)의 반대편에, 디스크(310)의 제2 면(314) 부근에 위치한다. 제1 전극(320) 및 제2 전극(330)은 전기 도전성 재료로 이루어진다. 바람직한 실시예에서, 제1 전극(320) 및 제2 전극(330)은 적어도 구리, 알루미늄 또는 은으로 이루어진다. 다른 실시예에서, 제1 전극(320) 및 제2 전극(330)은 다른 적절한 도전성 재료로 이루어질 수도 있다.
제1 전극(320)은 제1 접촉 단부(322) 및 제1 말단 단부(324)을 포함한다. 제2 전극(330)은 제2 접촉 단부(332) 및 제2 말단 단부(334)를 포함한다. 도 3에 도시된 실시예에서, 접촉 단부(322, 332)는 속이 빈 원통(즉, 튜브) 형상이다. 더욱 상세하게는, 각각의 접촉 단부(322, 332)는 내측면, 외측면, 외측면의 반경과 내측면의 반경 간의 차이와 같은 고정 두께를 가지는 원통형 벽 및 디스크(310)의 면(312, 314)과 접촉하는 원통형 베이스를 포함하고, 이 베이스는 전극(320, 330)의 중심 세로축(A3, A4)과 거의 수직인 평면 내에 포함된다.
접촉 단부(322, 332)는 말단 단부(324, 334)로부터 세로로 뻗어 있다. 도 3에 도시된 바와 같이, 각각의 말단 단부(324, 334)는 속이 빈 원통 형상으로 제공될 수 있고, 대응하는 접촉 단부(322, 332)의 내경(즉, 내측면의 직경)보다 작은 외경을 가질 수 있다. 그러나, 말단 단부(324, 334)의 대안의 형상이 사용될 수도 있음을 고려하였다. 예를 들어, 각각의 말단 단부(324, 334)는 속이 꽉찰 수 있고, 대응하는 접촉 단부(322, 332)의 내경 또는 외경(즉, 외측면의 직경) 보다 작거나, 같거나, 큰 외경 또는 폭을 가질 수도 있다.
바람직하게는, 제1 접촉 단부(322)의 형상은 제2 접촉 단부(332)의 형상과 동일하다. 제1 전극(320)은 제1 중심 세로축(A3)을 포함하고, 제2 전극(330)은 제2 중심 세로축(A4)을 포함한다. 도 3에 도시된 실시예에서, 전극(320, 330)은 그들의 세로축(A3, A4)이 거의 동일선상에 있도록(즉, 전극(320, 330)이 동심이 되도록) 배치된다. 또한, 세로축(A3, A4)은 디스크(310)의 제1 및 제2 면(312, 314)에 거의 수직이다. 축(A3, A4)의 정렬이 자화 프로세스의 효율을 향상시킬 수 있다.
도 3의 양방향 화살표(D)는 제2 전극(330)이 디스크(310)의 제2 면(314)을 향하는 방향 및 멀어지는 방향으로 이동할 수 있음을 나타내기 위해 도시된 것이다. 이와 유사하게, 제1 전극(320)은 디스크(310)의 제1 면(312)을 향하는 방향 및 멀어지는 방향으로 이동할 수 있다(다만, 도3에서는 전극이 제1 면(312)과 접촉된 것만 도시되어 있다).
이제 도 4를 참조하면, 자화 프로세스 동안 디스크(310) 및 전극(320, 330)의 단면도가 도시되어 있는 이 단면도는 도 3에 도시된 평면 A-A을 따라 얻어진 것이다. 도 4에 도시된 바와 같이, 제1 전극(320)의 제1 접촉 단부(322)는 디스크(310)의 제1 면(312)과 물리적으로 접촉하도록 배치된다. 제2 전극(330)의 제2 접촉 단부(332)는 디스크(310)의 제2 면(314)과 물리적으로 접촉하도록 배치된다. 도 4에 도시된 실시예에서, 각각의 접촉 단부(322, 332)는 디스크(310)의 각각의 면(312, 314)에 단면 풋프린트를 남긴다.
상술한 바와 같이, 디스크(310)의 면(312, 314) 및 접촉 단부(322, 332)가 접촉하지만, 디스크(310)의 면(312, 314)과 접촉 단부(322, 332)의 면 전체에서 불균일한 부분이 존재할 가능성으로 인해, 접촉 단부(322, 332)가 디스크(310)의 면(312, 314)과 접촉하는 단면 풋프린트 전체의 모든 지점에서 반드시 접촉이 이루어지지는 않음이 이해될 것이다.
전극(320, 330)의 말단 단부(324, 334)는 막스 제너레이터와 같은 전류 증폭기 또는 고전류 파워 서플라이와 같은 (도시되지 않은) 전류원에 전기적으로 연결된다. 전류 밀도(J)는 생성되어 전극(320, 330) 및 디스크(310)를 통해 지나가는 것이 허용된다. 전류 밀도(J)는 디스크(310)과 수직인 방향이다. 전류 밀도(J)는 디스크(310)의 중심을 통과하지 않지만, 접촉 단부(322, 332)와 물리적으로 접촉하고 있는 디스크(310)의 환형 부분을 통과한다. 암페어의 법칙에 따라, 전류 밀도(J)의 생성은 전극(320, 330)의 세로축(A3, A4)의 둘레 방향의 원형 자기장(B)을 야기한다. 디스크(310)에 전류 밀도(J)을 적용하는 것은 디스크(310) 내에 환형의 자기장의 형성을 야기한다.
디스크(310)에 전류 밀도(J)를 적용하는 것은 디스크(310)의 영구적 자화를 야기한다. 도 5에 도시된 바와 같이, 상술되고 도 3 및 4에 3도시된 프로세스는 디스크(310) 상에 환형의, (축(A3 및 A4)에 대하여) 원둘레 방향으로 분극된, 자기 조절된 영역(340)의 형성을 야기한다.
바람직하게는, 전류 밀도(J)의 크기는 디스크(310) 상의 결과적인 잔여 자화가 자기탄성식 부하(토크) 감지 목적에 사용되기 충분하도록 되어야 한다. 1.0 × 106 A/m2 정도의 전류 밀도가 충분한 잔여 자화를 산출함을 알게 되었다.
복수의 자기 조절된 영역이 바람직한 경우에, 복수의 전극 쌍이 플레이트 또는 디스크의 양면에 배치될 수 있고, 적절한 전류 밀도가 이러한 전극들에 적용될 수 있다.
이제 도 6을 참조하면, 제1의 원둘레 방향으로 분극된, 자기 조절된 영역(640) 및 제2의 반대의 원둘레 방향으로 분극된, 자기 조절된 영역(650)을 가지는 디스크(610)가 도시되어 있다. 자기 조절된 영역(640, 650)의 분극은 원둘레 방향의 화살표로 표시되어 있다. 이러한 자화 프로파일은 디스크(610)의 양면에, 속이 빈 원통형 접촉 단부를 가지는, 제1 쌍의 전극을 하나씩 배치하고, 디스크(610)의 양면에, 더 좁은 속이 빈 원통형 접촉 단부를 가지는, 제2 쌍의 전극을 하나씩 배치함으로써 형성될 수 있다. 복수의 자기 조절된 영역들은 제1 및 제2 쌍의 전극에, 반대 방향으로, 전류 밀도를 적용함으로써 형성될 수 있다. 복수의 자기 조절된 영역은 순차적으로 형성되는 것이 바람직하지만, 몇몇 경우에 동시에 형성될 수도 있다. 복수의 자기 조절된 영역들은 연속적일 수도 있고, 또는 대안으로서 이격되어 있을 수도 있다. 반대로 분극된 자기 조절된 영역의 존재는 그것이 적어도 커먼 모드 필드 상쇄를 제공하기 때문에 토그 감지 애플리케이션에서 유용하다.
자화되어야 할 플레이트가 도 7에 도시되어 있다. 이러한 플레이트는, 예컨대, 자기탄성식 부하 감지 장치(700)로서 사용될 수 있다. 도 7에서, 플레이트(710)는 그 위에 형성된 자기 조절된 영역(740)을 가진다. 화살표는 자기 조절된 영역(740)이 플레이트(710)의 축에 대하여 원둘레 방향으로 자화되어 있음을 나타낸다. 감지 장치(700)는 감지 장치(700)를 고정시키거나 감지 장치에 부하를 부착시키기 위한 구멍(712)을 포함하는 스트레인 분산 바(720)를 포함한다. 센서 플랫폼(750)상에 장착되고 플레이트(710)의 표면 부근에 배치된 자계 센서(752)는, 예컨대, 적어도 플레이트(710)에 부가되는 힘 또는 텐셩의 크기의 표시를 제공할 수 있다.
자화되어야 할 디스크가 도 8에 도시되어 있다. 이러한 디스크는, 예컨대, 자동차 엔진 또는 트랜스미션 내의 자기 토크 감지 장치(800)로서 사용될 수 있다. 도 8에 도시된 예에서, 강자성 엘리먼트는 하나 이상의 자기 조절된 영역(840)이 그 위에 형성되어 있는 디스크 형상의 구동판(810)에 포함된다. 볼트와 같은 (도시되지 않은) 파스너가 디스크(810) 내의 관통 구멍(812) 및 허브(820) 내의 대응 구멍(822)을 통해 삽입되어, 디스크(810)와 허브(820) 사이에 단단한 고정이 이루어진다. 허브(820)는 구동판(810)이 크랭크축으로서 기능하는 샤프트(830)에 동축으로 부착되는 것을 가능하게 한다. 구동판(810)은 또한 구동판(810)의 표면 또는 외주에 배치되고 토크 컨버터로서 역할하는 림(860)에 부착된다. 샤프트(830)에 가해지는 토크는 구동판(810) 및 림(860)으로 전달될 수 있다. 이와 유사하게, 림(860)에 가해지는 토크는 구동판(810) 및 샤프트(830)로 전달될 수 있다. 구동판(810)의 표면 부근에 배치된 자계 센서(852, 854)는, 예컨대, 적어도 자동차 엔진에 의해 생성된 토크의 크기와 관련될 수 있는, 샤프트(830)에 가해지는 토크의 크기의 지표를 제공할 수 있다.
개시된 본 발명의 어떤 현재 바람직한 실시예가 구체적으로 서술되었으나, 여기 도시되고 서술된 다양한 실시예의 변형 및 수정이 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않고 만들어질 수 있음이 본 발명의 당업자들에게는 명백할 것이다. 본 발명은 본 발명의 우선권을 주장하는 임의의 특허 출원 또는 그것으로부터 등록된 임의의 특허에 첨부된 청구항에 의해서만 한정되도록 해석되어야 한다.

Claims (17)

  1. 제1 세로축을 가지며, 자화 가능한 엘리먼트의 제1 면과 접촉하는 제1 전극을 통해 전류를 전도하는 단계; 및
    제2 세로축을 가지며, 상기 제1 면과 실질적으로 반대편인 상기 자화 가능한 엘리먼트의 제2 면과 접촉하는 제2 전극을 통해 전류를 전도하는 단계를 포함하고,
    상기 제1 전극을 통해 상기 제2 전극으로 그리고 상기 제2 전극을 통해 전류를 전도하는 것은 자기장을 유도하고, 상기 자기장은 상기 자화 가능한 엘리먼트의 일부분을 상기 제1 및 제2 세로축을 중심으로 실질적으로 원둘레 방향으로 자화시킬만큼 충분한 강도인 것을 특징으로 하는 방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 제1 및 제2 세로축은 실질적으로 동일선상에 있고, 상기 제1 및 제2 세로축은 상기 제1 및 제2 면과 실질적으로 수직인 것을 특징으로 하는 방법.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 제1 전극은 상기 자화 가능한 엘리먼트와 접촉하는 제1 접촉 단부를 포함하고, 상기 제2 전극은 상기 자화 가능한 엘리먼트와 접촉하는 제2 접촉 단부를 포함하고, 상기 제1 및 제2 접촉 단부는 속이 꽉 찬 원통 형상인 것을 특징으로 하는 방법.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 자화 가능한 엘리먼트 부근에 자계 센서를 배치하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 자계 센서로부터의 출력 신호를 기초로 하중의 크기를 판정하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  6. 제 4 항에 있어서, 상기 자계 센서로부터의 출력 신호를 기초로 토크의 크기를 판정하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 제1 전극은 상기 자화 가능한 엘리먼트와 접촉하는 제1 접촉 단부를 포함하고, 상기 제2 전극은 상기 자화 가능한 엘리먼트와 접촉하는 제2 접촉 단부를 포함하고, 상기 제1 접촉 단부 및 제2 접촉 단부는 각각 속이 빈 원통 형상인 것을 특징으로 하는 방법.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 자화 가능한 엘리먼트의 상기 제1 면과 접촉하는 제3 전극을 통해 제2 전류를 전도하는 단계로서, 상기 제3 전극은 제3 세로축을 가지고 상기 자화 가능한 엘리먼트와 접촉하는 제3 접촉 단부를 가지는 것인, 상기 제3 전극을 통해 제2 전류를 전도하는 단계; 및
    상기 자화 가능한 엘리먼트의 상기 제2 면과 접촉하는 제4 전극을 통해 제2 전류를 전도하는 단계로서, 상기 제4 전극은 제4 세로축을 가지고 상기 자화 가능한 엘리먼트와 접촉하는 제4 접촉 단부를 가지는 것인, 상기 제4 전극을 통해 제2 전류를 전도하는 단계를 더 포함하고,
    상기 제3 전극을 통해 상기 제4 전극으로 그리고 상기 제4 전극을 통해 상기 제2 전류를 전도하는 것은 자기장을 유도하고, 상기 자기장은 상기 제3 및 제4 세로축을 중심으로 실질적으로 원둘레 방향으로 상기 자화 가능한 엘리먼트의 일부분을 자화시키기에 충분한 강도이고,
    상기 제3 접촉 단부 및 제4 접촉 단부는 각각 속이 빈 원통 형상이고, 상기 제3 접촉 단부의 외경은 상기 제1 접촉 단부의 내경보다 작고, 상기 제4 접촉 단부의 외경은 상기 제2 접촉 단부의 내경보다 작은 것을 특징으로 하는 방법.
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 자화 가능한 엘리먼트 부근에 자계 센서를 배치하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  10. 제 9 항에 있어서, 상기 자계 센서로부터의 출력 신호를 기초로 하중의 크기를 판정하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  11. 제 9 항에 있어서, 상기 자계 센서로부터의 출력 신호를 기초로 토크의 크기를 판정하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  12. 제 1 항에 있어서, 상기 자화 가능한 엘리먼트를 통과하는 전류 밀도는 대략 1.0 × 106 A/m2인 것을 특징으로 하는 방법.
  13. 제 1 항에 있어서, 상기 자화 가능한 엘리먼트를 제공하는 단계를 더 포함하고, 상기 자화 가능한 엘리먼트는 17-4PH 스테인리스 강, 45NiCrMo16, AISI 9310, 및 AISI 4340 중 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  14. 플레이트 또는 디스크 형상의 부재인 자화 가능한 엘리먼트의 제1 면과 접촉하는 제1 접촉 단부를 가지고 제1 전류를 전도하도록 조절된 제1 전극;
    상기 제1 면의 반대측인, 상기 자화 가능한 엘리먼트의 제2 면과 접촉하는 제2 접촉 단부를 가지고, 상기 제1 전류를 전도하도록 조절된 제2 전극을 포함하고,
    상기 제1 및 제2 전극은 상기 제1 전극의 세로축이 상기 제2 전극의 세로축과 실질적으로 동심이 되도록, 상기 자화 가능한 엘리먼트 부근에 배치되도록 구성되어 있고,
    상기 제1 전극의 세로축 및 상기 제2 전극의 세로축은 상기 자화 가능한 엘리먼트의 상기 제1 및 제2 면과 실질적으로 수직이되도록 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 시스템.
  15. 제 14 항에 있어서, 상기 제1 접촉 단부 및 상기 제2 접촉 단부는 각각 속이 꽉 찬 원통 형상인 것을 특징으로 하는 시스템.
  16. 제 14 항에 있어서, 상기 제1 접촉 단부 및 상기 제2 접촉 단부는 각각 속이 빈 원통 형상인 것을 특징으로 하는 시스템.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 자화 가능한 엘리먼트의 상기 제1 면과 접촉하는 제3 접촉 단부를 가지고, 제2 전류를 전도하도록 조절된 제3 전극; 및
    상기 자화 가능한 엘리먼트의 상기 제2 면과 접촉하는 제4 접촉 단부를 가지고, 상기 제2 전류를 전도하도록 조절된 제4 전극을 더 포함하고,
    상기 제3 접촉 단부 및 상기 제4 접촉 단부는 각각 속이 빈 원통 형상이고, 상기 제3 접촉 단부의 외경은 상기 제1 접촉 단부의 내경보다 작고, 상기 제4 접촉 단부의 외경은 상기 제2 접촉 단부의 내경보다 작은 것을 특징으로 하는 시스템.
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