KR20190039775A

KR20190039775A - 션트 스포크를 구비하는 토크 센서

Info

Publication number: KR20190039775A
Application number: KR1020197007537A
Authority: KR
Inventors: 마티아스 헨레; 노르베르트 스포러; 미카엘 그란들; 마티아스 사틀러
Original assignee: 센소드라이브 게엠베하
Priority date: 2016-08-31
Filing date: 2017-08-31
Publication date: 2019-04-15
Also published as: JP6979061B2; CN109642837B; KR102353857B1; EP3507581A1; DE102016010549A1; US20190204169A1; WO2018041974A1; CN109642837A; US11105695B2; EP3507581B1; JP2019526800A

Abstract

본 발명은, 기저체(601)를 구비하는 토크 센서로, 기저체가 제1 힘 작용점(105)들을 구비하는 환형 내부 플랜지(603)로부터 측정 트랜스듀서들(10, 20)이 설치되는 기계적으로 약화된 센서부(607)를 거쳐 제2 힘 작용점(611)들을 구비하는 환형 외부 플랜지(609)까지 기저체의 반경 방향(Y)으로 연장하도록 구성된, 토크 센서에 있어서, 기계적으로 약화된 센서부(607)가 반경 방향으로 연장하는 제1 연결 웹(619a)들 및 제2 연결 웹(619b)들을 포함하며, 제1 연결 웹들 및 제2 연결 웹들은 서로 상이한 기계적 성질을 가지며 원주 방향으로 번갈아서 배치되고, 제2 연결 웹(619b)들의 폭(w)은 반경 방향 외측이 반경 방향 내측보다 작도록 구성된 토크 센서에 관한 것이다.

Description

션트 스포크를 구비하는 토크 센서

본 발명은 특허청구범위 청구항 1의 전제부에 따른 토크 센서에 관한 것이다.

일체형 수신 컴포넌트의 형태로 된 토크 센서가 EP 1 353 159 A2에 공지되어 있다.

본 발명의 목적은 개선된 토크 측정을 허용하는 간단한 구조의 컴팩트한 토크 센서를 제공하는 데 있다.

이러한 목적은 특허청구범위 청구항 1에 언급된 피처들을 구비하는 토크 센서에 의해 본 발명에 따라서 달성된다.

이러한 토크 센서는 기저체를 구비하되, 기저체가 제1 작용점들을 구비하는 환형 내부 플랜지로부터 측정 트랜스듀서들이 설치되는 기계적으로 약화된 센서부를 거쳐 제2 힘 작용점들을 구비하는 환형 외부 플랜지까지 기저체의 반경 방향으로 연장하도록 구성되고, 기계적으로 약화된 센서부는 반경 방향으로 연장하는 제1 및 제2 연결 웹들을 포함하며, 제1 및 제2 연결 웹들은 동일하거나 혹은 서로 상이한 기계적 특성을 가지며 원주 방향으로 서로 번갈아서 배치된다. 여기서 "반경 방향으로 연장"하는 것은 적어도 하나의 반경 방향 컴포넌트를 포함하는 기계적으로 약화된 센서부의 임의의 프로파일을 의미한다. 반경 방향 프로파일은 전적으로 반경 방향일 수 있지만, 반경 방향 컴포넌트들을 구비하면서 그로부터 벗어나는 프로파일, 예를 들어 사행형 프로파일도 용이하게 생각할 수 있다. 특히, 제2 연결 웹들의 폭은 반경 방향 외측이 반경 방향 내측보다 작다.

본 발명에 따른 토크 센서에서, 제1 연결 웹들은 측정 스포크(measurement spoke)들이라고도 할 수 있고, 제2 연결 웹들은 이른바 션트 스포크(shunt spoke)들이라고도 할 수 있다. 달리 말하면, 토크 측정을 위해, 적당한 측정 트랜스듀서(예컨대 측정 스트립)들에 의해 측정 스포크들의 변형(특히 굽힘)이 주로 결정되는 반면, 션트 스포크들은 주로 토크에 의해 초래되는 환형 외부 플랜지의 반경 방향 변형을 감소시키거나 혹은 보상하는 역할을 한다. 제2 연결 웹들(션트 스포크들)의 반경 방향 외측의, 즉 환형 외부 플랜지로의 전이부에서의 폭이 감소됨으로 인해, 외부 플랜지의 반경 방향 변형이 최소화될 수 있다. 이러한 방식으로, 제2 힘 작용점들이, 예를 들어 컴포넌트들 토크 센서의 제2 힘 작용점들에 연결하는 데 사용될 수 있는 외부 플랜지에서의 스크루 연결부들의 미끄러짐(slippage)이 없도록 이완된다. 이에 의해 측정 정확도가 크게 증가되는데, 이는 일반적으로 약한 경향이 있는 스크루 연결부들의 미끄러짐이 토크 센서의 측정 정확도에 상당한 손상을 일으킬 수 있기 때문이다.

또한, 션트 스포크들이 측정 스포크들을 이완시키고, 이에 따라 예를 들어 측정 스포크들의 벽을 얇게 만드는 것에 의해 측정 스포크들이 얇아질 수 있다. 보다 얇은 측정 스포크들은 (통상적으로는 유한요소법에 의한) 보다 간단한 구조적 설계를 허용하고, 측정 트랜스듀서에서 보다 큰 스트레인을 초래하는데, 이는 높은 해상도를 유도함으로써 측정 정확도가 더욱 증가되게 한다.

본 발명에 따른 토크 센서의 바람직한 예시적인 실시예들에서, 제2 연결 웹들의 폭이 반경 방향 내측으로부터 반경 방향 외측까지 연속적으로 감소한다.

본 발명에 따른 토크 센서의 유리한 실시예들에서, 제1 연결 웹들의 축선 방향 높이 및 제2 연결 웹들의 축선 방향 높이가 동일하다. 이는 측정 정확도에 부정적인 영향을 미치지 않으면서 제조 비용을 절감시킨다.

제1 연결 웹들 중 하나 이상(또는 전부)에, 구멍을 구비하는 절결부가 있을 수 있고, 제1 웹의 구멍 반대쪽에는 측정 스포크 내의 얇은 멤브레인형 구역이 제1 연결 웹에 형성될 수 있다. 그러면 측정 트랜스듀서가 각각의 얇은 멤브레인형 구역에 부착되는 것이 바람직하다. 토크가 가해질 때, 가장 큰 재료 스트레스가 이러한 멤브레인형 구역에서 발생되는데, 이러한 멤브레인형 구역은 측정 트랜스듀서에서의 최고 스트레인을 유도하며 예를 들어 스트레인 게이지의 형태일 수 있다. 이는 측정 해상도 및 이에 따라 측정 정확도를 증가시킨다. 토크 센서의 바람직한 실시예들에서, 측정 트랜스듀서는 얇은 멤브레인형 구역의 구멍 반대편 측면에 부착된다. 상술한 제1 연결 웹들의 절결부들은 예를 들어 리밍(reaming)에 의해 만들어질 수 있다.

바람직하게는, 연결 웹들은 전단 스트레스 및/또는 굽힘 스트레스를 측정하기에 적합하다.

측정 트랜스듀서들의 역할을 하는 스트레인 게이지들이 제1 연결 웹들에만 부착되거나 혹은 연결 웹들 둘 다에 부착될 수 있다. 제2의 대안으로, 측정 범위가 확장될 수 있다. 원칙적으로, 제1 및 제2 연결 웹들을 기계적으로 상이하게 구성하는 것에 의해, 스트레인 게이지에 의해 측정되는 표면 스트레인이 기계적 부하가 동일함에도 불구하고, 즉 동일한 유효 토크를 갖는 경우에서 상이할 수 있다. 따라서, 기계적으로 상이한 제1 및 제2 연결 웹들이 존재할 때, 제1 연결 웹들은 예를 들어 제1 연결 웹들에 고정된 스트레인 게이지들이 낮은 유효 토크에서조차도 비교적 높은 소망 전기 신호를 발생시키는 형태일 수 있다. 이러한 형태의 연결 웹들에 의하면, 낮은 토크들이 더욱 우수한 해상도로 측정될 수 있지만, 그러면 측정 범위는 또한 대응되게 더욱 작아진다. 그러면, 선택된 실시예에서, 제2 연결 웹들이 제2 연결 웹들에 고정된 스트레인 게이지들이 보다 높은 토크에서만 양호한 소망 신호들을 전달하는 형태일 수 있고, 이는 보다 높은 토크를 측정하기에 유리하다. 그러면, 제2 연결 웹들에 부착된 스트레인 게이지들의 측정 범위는 대응되게 더욱 커진다.

내부 플랜지에만 회전 가능하게 고정되는 방식으로 연결되고 스트레스가 가해지지 않은 기본 상태에서 축선 방향 외부 플랜지 보어와 동심인 적어도 하나의 멈춤 플랜지 보어를 구비하는 멈춤 플랜지가 제2 힘 작용점들과 반대쪽에 있는 외부 플랜지의 측면에서 센서부와 평행하게 연장할 수 있다. 이러한 방식으로, 토크 센서의 과부하 시에 하나 이상의 멈춤 핀에 의한 보강 가능성이 필요에 따라 추가될 수 있다.

바람직하게는, 멈춤 플랜지 보어는 그 직경이 외부 플랜지 보어와 상이하고, 보다 적은 직경을 갖는 보어가 멈춤 핀을 고정시킬 수 있다. 이러한 방식으로, 위에서 이미 언급한 바와 같이, 멈춤 핀의 일정한 직경을 갖는 일 단부가 외부 플랜지 보어에 또는 멈춤 플랜지 보어에 고정될 수 있는 반면, 멈춤 핀의 타 단부는 스트레스가 가해지지 않은 토크 센서의 기본 상태에서 외부 플랜지 보어 또는 멈춤 플랜지 보어의 각각의 나머지에 의해 비접촉식으로 둘러싸인다.

바람직하게는, 멈춤 플랜지에 외부 플랜지의 원주 방향으로 등거리로 분포되는 다수의 멈춤 플랜지 보어가 존재하고, 다수의 멈춤 플랜지 보어는 과부하시에 원주 방향으로의 보다 우수한 부하 분산을 유도한다.

바람직하게는, 멈춤 플랜지가 내부 플랜지의 중심 축선을 통과하는 선에 대해 동일한 거리로 서로 반대쪽에 위치한 멈춤 플랜지 보어들을 구비하고, 이들은 과부하시에 반경 방향으로의 보다 우수한 부하 분산을 유도한다.

바람직하게는, 축선 방향으로 연장하는 멈춤 핀은 외부 플랜지 보어 또는 멈춤 플랜지 보어에 고정되고, 스트레스가 가해지지 않은 토크 센서의 기본 상태에서 외부 플랜지 보어 또는 멈춤 플랜지 보어 중 다른 것에 의해 비접촉식으로 원주상으로 둘러싸인다.

상술한 조치에 의해, 과부하에 의한 파손 보호가 토크 센서에서 간단하고 컴팩트하게 제공될 수 있고, 이에 따라 토크 센서의 소성 변형이 또한 방지될 수 있다. 여기세서 제공되는 축선 방향 보어들은 반경 방향 보어들보다 제조하기가 더욱 간단하다. 또한, 멈춤 핀과 대응하는 멈춤 플랜지 보어 또는 외부 플랜지 보어 사이의 갭은 멈춤 핀이 반경 방향으로 배치되는 경우보다 더 작게 선택될 수 있는데, 이에 대해서는 EP 1 353 159 A2의 도 6a, 도 6b 도 7a 및 7b를 참조하라. 또한, 반경 방향으로 연장하는 멈춤 핀이 토크 센서에서의 축선 방향 변형들 및 틸팅 모멘트들에 더욱 민감하다.

멈춤 플랜지는 내부 플랜지와 일체로 형성될 수 있고, 이는 간단하고 컴팩트한 구성을 허용할 수 있다.

대안적으로, 멈춤 플랜지는 내부 플랜지에 연결되는 컴포넌트, 바람직하게는 내부 플랜지에 분리 가능하게 연결되는 컴포넌트일 수 있다. 이러한 방식으로, 멈춤 플랜지에 대해 토크 센서의 기저체, 특히 센서부보다 강고한 재료가 선택될 수 있다.

바람직하게는, 멈춤 플랜지가 억지끼움에 의해 내부 플랜지에 연결되는 컴포넌트일 수 있다.

바람직하게는, 멈춤 플랜지는 기저체의 축선 방향과 평행하게 연장하는 스크루들에 의해 내부 플랜지에 분리 가능하게 연결되는 컴포넌트일 수 있다. 대안적으로, 멈춤 플랜지는 접착 연결, 접착 연결 및 스크루들, 또는 억지끼움 및 스크루들, 또는 다른 방법에 의해 내부 플랜지에 연결될 수 있다.

외부 플랜지와 내부 플랜지 사이에 축선 방향으로 배치되는 고무 탄성 밀폐 멤브레인이 기계적으로 약화된 센서부를 유체 밀폐되게 가릴 수 있다. 이는 예를 들어 기계적 약화 때문에 축선 방향 관통 구멍들을 구비하는 센서부를 유체가 통과할 수 있는 것을 방지한다.

바람직하게는, 고무 탄성 밀폐 멤브레인이 제2 힘 작용점들과 기계적으로 약화된 센서부 사이에 축선 방향으로 위치된다. 이러한 방식으로, 측정 트랜스듀서들 또는 스트레인 게이지들이 유체와의 접촉으로부터 신뢰성 있게 보호될 수 있고, 기어가 존재하는 경우에는 기어가 밀폐될 수 있다.

밀폐 멤브레인은 토크 센서에 클램핑될 수 있거나 혹은 토크 센서에 접착 결합될 수 있다.

바람직하게는, 밀폐 멤브레인이 디스크 형상의 환형 멤브레인 형태이고, 이에 의해 외부 플랜지와 내부 플랜지 사이에 용이하게 도입될 수 있다.

바람직하게는, 밀폐 멤브레인이 외부 및/또는 내부 플랜지에 부착된다.

바람직하게는, 밀폐 멤브레인은 성형 고무 부품, 선삭 고무 부품(turned rubber part), 또는 워터젯(water-jet) 절단에 의해 제조되는 고무 부품이다.

바람직하게는, 밀폐 멤브레인이 기저체보다 적어도 10²배, 바람직하게는 10³배 내지 10⁵배, 바람직하게는 10⁴배 내지 10⁵배 낮은 탄성률을 갖는다. 밀폐 멤브레인의 낮은 탄성률 때문에, 센서부에 대한 밀폐 멤브레인의 영향이 더욱 더 감소된다.

측정 트랜스듀서들은 기저체에 연결되는 측정 그리드부 및 측정 그리드부에 인접하고 적어도 하나의 전기 접속점을 구비하는 자유 연결부를 구비하는 스트레인 게이지들일 수 있다. 이러한 방식으로 스트레인 게이지들이 일 단부에서는 표면에 그리고 타 단부에서는 전기 컴포넌트에 신속하고 용이하게 부착될 수 있다.

바람직하게는, 적어도 하나의 전기 접속점이 땜납 패드이다.

바람직하게는, 전기 접속점과 측정 그리드부 간의 최소 거리가 측정 그리드부의 종방향 길이에 대응하고, 이는 부착 목적을 위한 스트레인 게이지의 취급을 용이하게 한다.

바람직하게는, 접속부가 탄성이고 그리고/또는 띠 형상이다.

바람직하게는, 접속부가 스트레스가 가해지지 않은 기본 상태에서 선호하는 방향으로 굽혀지며, 예를 들어 U자 형상으로 굽혀진다.

접속부를 전기 컴포넌트 상에 일시적으로 유지하기 위해 설계된 유지부가 적어도 하나의 전기 접속점의 다른 측면에서 접속부에 인접할 수 있다. 이에 의해 스트레인 게이지의 타 단부의 전기 컴포넌트에 대한 부착이 용이해진다.

바람직하게는, 유지부가 중앙 관통 보어 또는 압입부를 구비한다. 이는 유지부를 전기 컴포넌트 상에 예를 들어 스크루 드라이버에 의해 일시적으로 유지하기 위한 역할을 할 수 있다.

바람직하게는, 유지부가 접착식(self-adhesive)이다. 이 경우, 유지부가 공구 없이 전기 컴포넌트 상에 일시적으로 유지될 수 있다.

바람직하게는, 유지부가 만곡되어 있고, 이는 유지부의 취급 중에 상해를 입는 것을 방지할 수 있다.

바람직하게는 제2 힘 작용점들이 반경 방향 탄성 재료부에 의해 센서부에 연결된다. 이러한 방식으로, 반경 방향으로 고도의 디커플링(decoupling)이 달성될 수 있어, 예를 들어 제2 힘 작용점들에서의 진원도 편차들에 대해 보상하는 것이 가능하다. 이러한 진원도 편차는 예를 들어 제조 공차에 의해 초래될 수 있다. 그 결과 측정 트랜스듀서들의 크로스토크가 발생된다. 이에 의해 초래되는 측정 오류들을 방지하기 위하여, 반경 방향 탄성 재료부는 축선 방향 힘들 및 틸팅 모멘트(tiling moment)에 대해 보상하기 위하여 반경 방향 변형에 대한 강성이 낮은 반면, 비틀림력에 대해서는 실질적으로 강고한데, 즉 강성이 높다. 반경 방향 탄성 재료부는 축선 방향 변형 및 틸팅 모멘트가 보상되도록 구성될 수 있다.

반경 방향 탄성 재료부가 기저체의 축선 방향으로 연장하는 박벽형 재료부일 수 있다. 재료부는 축선 방향으로만 연장해야 할 필요는 없지만, 오로지 축선 방향 컴포넌트만을 가질 수도 있다. 예를 들어, 이러한 축선 방향 재료부는 원뿔형 또는 사행형(meandering form)일 수 있다. 바람직하게는, 이러한 박벽형 재료부는 기저체의 축선 방향으로만 연장하는 부분, 즉 오로지 축선 방향으로 연장하는 재료부일 수 있다.

측정 트랜서듀서들로 적합한 것은 예를 들어 압력 또는 장력 감지형 측정 트랜서듀서들, 예를 들어 스트레인 게이지이지만, 인코더에 의해 토크 센서의 내부 플랜지와 외부 플랜지 사이의 각도 차이를 측정하는 것도 또한 가능하다. 자기변형 측정 방향을 사용하는 것도 또한 가능하다.

바람직하게는, 외부 플랜지가 일체형이거나 혹은 다-부분형이고, 반경 방향 탄성 재료부와 제2 힘 작용점들이 하나의 부품을 형성하는 것이 바람직하다.

바람직하게는, 박벽형 재료부가 외부 플랜지에서 원주 방향으로 연장하는 홈의 박벽형 저부의 형태이다. 바람직하게는, 홈이 외부 플랜지의 외주 또는 내주에 위치된다. 결국, 이에 의해 제조가 간단한 토크 센서의 컴팩트한 구조가 가능해진다.

힘 작용점들은 보어들 또는 치형 공간들 또는 이들의 조합일 수 있고, 보어들 및/또는 치형 공간을 형성하는 치형들은 기저체의 축선 방향으로 연장하는 것이 바람직하다. 여기서 그리고 아래에서, 보어들은 적어도 일측이 개방된 구멍들, 예를 들어 원형 또는 다각형 단면을 갖는 구멍들을 의미한다.

바람직하게는, 반경 방향 탄성 재료부가 각각이 보어의 형태로 된 제2 힘 작용점들을, 외부 플랜지에 위치되고 마찬가지로 각각이 보어의 형태로 되어 있으며 스트레스가 가해지지 않은 토크 센서의 기본 상태에서 동심인 제3 힘 작용점들과 연결시킨다. 이렇게 동심인 제2 및 제3 작용점들은 천공 공정에 의해 간단하게 제조될 수 있다.

센서의 외부 플랜지(비-반경 방향 탄성 재료부)에 위치된 보어의 형태로 된 제3 힘 작용점에, 바람직하게는 멈춤 핀의 형태로 된 멈춤 요소가 고정될 수 있는데, 이 멈춤 요소는 보어의 축선 방향으로 연장하고 그리고 스트레스가 가해지지 않은 토크 센서의 기본 상태에서 마찬가지로 보어의 형태로 된 제4 힘 작용점에 의해 비접촉식으로 원주상으로 둘러싸인다. 이에 의해 기계적으로 약화된 센서부의 과부하를 방지하는 것이 특히 가능한데, 이는 멈춤 요소가 보어의 형태로 된 제4 힘 작용점의 벽과 접촉하고 그리고 이러한 방식으로 지지되는 것에 의해 토크 센서에 추가적인 보강을 제공하기 때문이다.

바람직하게는, 멈춤 요소의 형상은 제3 힘 작용점의 형상과 상보적이고, 이에 의해 멈춤 요소가 또한 중공체의 형태일 수 있다.

바람직하게는, 보어들의 형태로 된 제3 힘 작용점들은 그 직경이 보어들의 형태로 된 제2 힘 작용점들과 다르다. 이는 예를 들어 일정한 직경을 갖는 멈춤 핀이 멈춤 요소로 사용될 수 있는 장점이 있는데, 보어들의 형태로 된 제2 및 제3 힘 작용점들 중 각각의 다른 힘 작용점들에 의해 비접촉식으로 둘러싸일 수 있기 위하여 멈춤 핀의 직경은 보어들의 형태로 된 제2 및 제3 힘 작용점들의 보다 작은 직경에 대응해야만 한다.

바람직하게는, 보어들의 형태로 된 제3 힘 작용점들은 그 직경이 마찬가지로 보어들의 형태로 된 제2 힘 작용점들보다 크다. 유리하게는, 이에 의해 제2 힘 작용점으로부터 멀리 있으며 제3 관통 보어의 형태로 된 제3 힘 작용점의 단부로부터, 멈춤 요소의 일 단부가 실제로 제3 힘 작용점에 의해 비접촉식으로 둘러싸여 있는지 여부를 체크하는 것이 가능하다. 한편, 멈춤 요소의 타 단부는 보어의 형태로 된 제2 작용점에 고정되어 토크 센서의 장착 상태에서는 보이지 않는다.

바람직하게는, 제2 힘 작용점들이 외부 플랜지로부터 반경 방향으로 돌출하는 부분의 일부이고, 이 부분으로부터 반경 방향 탄성 재료부가 센서부까지 기저부의 축선 방향으로 연장한다. 제2 힘 작용점들에 대한 간단한 장착 접근이 이에 의해 가능하다.

외부 플랜지는 일체형일 수 있고, 토크 센서는 강철, 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 이루어질 수 있다.

대안적으로, 외부 플랜지는 다-부분형일 수 있고, 반경 방향 탄성 재료부 및 제2 힘 작용점들이 바람직하게는 강철로 만들어지는 공통 부분을 형성하는 것이 바람직한 반면, 외부 플랜지의 다른 부분은 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 이루어질 수 있다. 이러한 다-부분형은 각각의 부분에 대해 적당한 재료를 선택하는 것을 가능하게 한다. 따라서 토크 센서의 반경 방향 탄성 부분을 강철로 제조하고 토크 센서의 나머지 부분을 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 제조하는 것이 유리한데, 이는 언급한 두 개의 재료가 이력 현상(hysteresis)을 가지지 않고, 높은 강도를 가지면서도 낮은 내부 감쇠를 가지기 때문이다. 따라서, 일체형으로 된 토크 센서의 경우도, 재료로 알루미늄 또는 알루미늄 합금을 선택하는 것이 마찬가지로 유리하다.

바람직하게는, 반경 방향 탄성 재료부 및 제2 힘 작용점들이 외부 플랜지의 나머지 부분에 바람직하게는 스크루들에 의해 분리 가능하게 연결되는 부분을 형성한다. 이러한 방식으로, 외부 플랜지부가 신속하고 저렴하게 교체될 수 있다.

바람직하게는, 제2 힘 작용점들이 하우징과 일체로 형성될 수 있고, 이는 생산을 단순화시킨다.

바람직하게는, 측정 트랜스듀서들이 스트레인 게이지들이고, 그 작동 원리는 전기적, 광학적 또는 압전 방식일 수 있다.

첨부 도면들을 참조하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다. 유사한 요소들은 유사한 도면 부호를 가지며, 도면의 가독성을 향상시키기 위하여 일부 경우에서는 도면 부호들이 생략되어 있다.
도 1의 좌측부는 제1 토크 센서의 평면 사시도이고, 우측부는 일체형인 제1 토크 센서의 단면도이다.
도 2의 우측부는 제2 토크 센서의 저면 사시도이고, 좌측부는 일체형인 제2 토크 센서의 단면도이다.
도 3의 우측부는 제3 토크 센서의 저면 사시도이고, 좌측부는 이(2)-부분형인 제3 토크 센서의 단면도이다.
도 4의 우측부는 제4 토크 센서의 저면 사시도이고, 좌측부는 이(2)-부분형인 제4 토크 센서의 단면도이다.
도 5는 동일한 연결 웹들을 구비하는 제5 토크 센서의 사시도이다.
도 6은 번갈아서 배치된 서로 다른 연결 웹들을 구비하는 제6 토크 센서의 사시도이다.
도 7은 멈춤 플랜지가 일체로 형성되어 있는 제7 토크 센서의 단면도이다.
도 8은 억지끼움에 의해 토크 센서에 별도로 연결되는 부품인 멈춤 플랜지를 구비하는 제8 토크 센서의 단면도이다.
도 9는 멈춤 플랜지가 스크루 연결에 의해 토크 센서에 연결되어 있는, 도 8의 제8 토크 센서와 유사한, 제9 토크 센서의 저면 분해 사시도이다.
도 10은 클램핑된 밀폐 부재를 구비하는 제10 토크 센서의 단면도이다.
도 11은 밀폐 부재가 접착 결합되어 있는 제11 토크 센서의 단면도이다.
도 12는 도 1의 제1 토크 센서가 하모닉 드라이브 기어와 함께 경량 장치에 설치되어 있는 모습을 도시한 단면도이다.
도 13은 도 12의 경량 장치의 분해도이다.
도 14는 반경 방향 외측으로 테이퍼진 제2 연결 웹을 구비하는 도 6과 유사한 토크 센서의 삼차원 평면 사시도이다.
도 15는 도 14의 토크 센서의 저면 사시도이다.
도 16의 상부는 통상의 스트레인 게이지를 도시하고, 하부는 스트레인 게이지의 통상적인 고정 방식을 도시한다.
도 17의 상부는 대안적인 스트레인 게이지를 도시하고, 하부는 대안적인 스트레인 게이지의 고정 방식을 도시한다.

도 1은 일체형으로 된 제1 토크 센서(100)를 도시하는데, 제1 토크 센서는 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 만들어지는 기저체를 구비하고, 기저체는 제1 힘 작용점(105)들을 구비하는 환형 내부 플랜지(103)로부터, 전기 출력 신호들을 발생시키는 스트레인 감지 측정 트랜스듀서들(예를 들어 도 14 및 도 15 참조)이 설치되는 기계적으로 약화된 센서부(107)를 거쳐서, 환형이고 일체형인 외부 플랜지(109)까지 기저체(105)의 반경 방향(Y)으로 연장한다. 외부 플랜지(109)로부터 반경 방향으로 돌출하는 부분에, 각각 보어의 형태로 된 제2 힘 작용점(111)들이 있고, 이 제2 작용점(111)들은 기저체의 축선 방향(X)으로 연장하는 박벽형 원주벽부의 형태로 된 반경 방향 탄성 재료부(113)를 거쳐 기저체(101)의 축선 방향(X)으로 센서부(107)에 연결된다.

도 2는 마찬가지로 일체형으로 된 제2 토크 센서(100)를 도시하는데, 반경 방향 탄성 재료부(213)가 외부 플랜지(209)의 외주 둘레로 이어지는 홈(215)의 박벽형 저부의 형태로 되어 있다. 반경 방향 탄성 재료부(213)는 제2 힘 작용점(211)들을 외부 플랜지(209)에 위치되고 각각이 보어의 형태로 된 제3 힘 작용점(211a)들에 연결하고, 마찬가지로 보어 형태이고 여기서는 접근 구멍들의 역할을 하는 제4 힘 작용점(211b)들에도 또한 연결한다. 접근 구멍(211b)들은, 스트레스가 가해지지 않은 토크 센서(200)의 기본 상태에서, 제2 힘 작용점(211)들과 동심으로 배치된다. 그러나, 도 7 내지 도 9를 참조하여 아래에서 설명하는 바와 같이, 접근 구멍(211b)이 또한 힘 작용점의 역할을 하는 것도 가능하다. 이러한 목적으로, 멈춤 요소가 힘 작용점(211, 211b)들 중 하나의 힘 작용점에 고정될 수 있는데, 이 멈춤 요소는 축선 방향(X)으로 연장하고, 스트레스가 가해지지 않은 토크 센서(200)의 기본 상태에서, 각각의 다른 힘 작용점(211b, 211)에 의해 비접촉식으로 원주상으로 둘러싸인다. 도시된 예시적인 실시예에서, 접근 구멍(211b)들은 그 직경이 제2 힘 작용점(211)들보다 크다. 물론, 접근 구멍(211b)들인 연결 요소들, 예를 들어 스크루들 또는 볼트들이 제2 힘 작용점(211)들로 지나가게 하기 위하여 부가적으로 또는 단독으로 사용될 수 있는데, 이는 이 연결 요소들이 컴포넌트들, 예를 들어 슬리브 또는 하우징을 제2 힘 작용점(211)들에 부착하는 것을 허용하기 위함이다.

도 3은 외부 플랜지(309)를 구비하는 제3 토크 센서(300)를 도시하는데, 도 3의 외부 플랜지는 도 1 및 도 2와 달리 다-부분 형으로 되어 있다. 다-부분 외부 플랜지(309)의 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 만들어지는 제1 부분(309a)은 센서부(307)의 연장으로서 일체로 연장하는 반면, 강철로 만들어지는 제2 부분(309b)은 반경 방향 탄성 재료부(313) 및 제2 힘 작용점(311)들을 포함한다. 제2 부분(309b)은 축선 방향(X)과 평행하게 연장하는 스크루(310)들에 의해 제1 부분(309a)에 해제 가능하게 연결된다.

도 4는 제4 토크 센서(400)를 도시하는데, 실제로 제4 토크 센서는 제2 힘 작용점(411)들이 토크 센서(400)의 중앙 축선과 대향하는 베어링 시트(419)를 구비하는 하우징(417)에 일체로 형성된다는 점에서 도 3에 도시된 제3 토크 센서(300)와 다르다.

도 5는 제5 토크 센서(500)를 도시하는데, 연결 웹(519)들에 의해 환형이고 기계적으로 약화된 센서부(507)가 형성되어 있으며, 연결 웹들은 전부 동일한 기계적 성질을 가지며 절결부(521)들에 의해 원주 방향으로 서로 이격되어 있다. 연결 웹(519)들은 전단 스트레스 및/또는 굽힘 스트레스를 측정하기에 적합하고, 스트레인 게이지의 형태로 된 측정 트랜스듀서들이 모든 연결 웹(519)들에 부착된다. 이에 의해 제1 감도의 측정 트랜스듀서들 및 제2 감도의 측정 트랜스듀서들이 원주 방향으로 번갈아서 부착될 수 있다. 마찬가지로, 측정 트랜스듀서들은 연결 웹(519)들의 각기 다른 지점들에 번갈아서 부착될 수 있다.

도 6은 제6 토크 센서(600)를 도시하는데, 도 5에 도시된 제5 토크 센서(500)와 달리 환형이고 기계적으로 약화된 센서부(607)가 반경 방향으로 연장하는 제1 및 제2 연결 웹들(619a, 619b)을 구비하며, 제1 연결 웹(619a)들은 제2 연결 웹(619b)에 비해 다른 기계적 성질을 가지며 절결부(621)들에 의해 원주 방향으로 번갈아서 배치되어 있다. 여기서 측정 트랜스듀서들은 연결 웹들(619a, 619b) 둘 다에 부착된다. 대안적으로, 측정 트랜스듀서들은 제1 또는 제2 연결 웹(619a, 619b)에만 부착될 수 있다. 제1 연결 웹(619a)에 부착되는 제1 측정 트랜스듀서들은 제1 측정 범위의 신호들만을 전달하고, 제2 연결 웹(619b)에 부착되는 제2 측정 트랜스듀서들은 제2 측정 범위의 신호들만을 전달하는데, 측정 범위들은 서로 다르다. 하나의 측정 범위가 다른 측정 범위 내에 있을 수 있다.

연결 웹들(519, 619a)은, EP 1 353 159 A2의 단락 [0043] 내지 [0052]에 기재된 바와 같이, 측정 트랜스듀서(61)들이 부착되어 있는 연결 웹(14)들에 대응하게 형성될 수 있다. 마찬가지로, 연결 웹(619b)들은 중실형일 수 있거나, 혹은 EP 1 353 159 A2의 단락 [0043] 내지 [0052]에 기재된 바와 같이, 측정 트랜스듀서(61)들이 부착되어 있는 연결 웹(24 또는 24')들에 대응하게 형성될 수 있다. 이는 여기서 설명하는 연결 웹들을 구비하는 다른 모든 토크 센서들에 대해서도 마찬가지다.

도 7은 제7 토크 센서(700)를 도시하는데, 실제로 제7 토크 센서는 외부 플랜지(709)의 제2 힘 작용점(711)들 반대쪽 측면에 센서부(707)와 평행하게 연장하는 멈춤 플랜지(723)가 일체로 형성되어 있다는 점에서 도 2에 도시된 제2 토크 센서(200)와 다르다. 멈춤 플랜지(723)는 내부 플랜지(703)에만 회전 가능하게 고정되는 방식으로 연결되고, 스트레스가 가해지지 않은 토크 센서(700)의 기본 상태에서 축선 방향 외부 플랜지 보어(711)들 및 제33 외부 플랜지 보어(711a)들과 동심인 다수의 멈춤 플랜지 보어(725)(제4 힘 작용점들)를 구비한다. 멈춤 플랜지 보어(725)들은 외부 플랜지 보어들(711, 711a)보다 직경이 크고, 원주 방향으로 등거리에 그리고 내부 플랜지(703)의 중앙 축선을 통과하는 반경 방향(Y)의 선에 대해 동일한 거리로 서로 대향하게 위치된다. 멈춤 핀들의 형태로 된 멈춤 요소(727들이 제3 외부 플랜지 보어(711a)들에 고정되고 축선 방향(X)으로 연장하는데, 스트레스가 가해지지 않은 토크 센서(700)의 기본 상태에서 멈춤 플랜지 보어(725)들에 의해 비접촉식으로 원주상으로 둘러싸인다. 멈춤 플랜지 보어(725)들 또는 제3 외부 플랜지 보어(711a)가 여기에 도시된 바와 같이 관통 보어들의 형태이거나 혹은 대안적으로 막힌 구멍들의 형태인 것이 가능하다. 센서부(707) 과부하의 경우에, 센서부(707) 과부하를 완화하기 위하여 멈춤 핀(727)이 대응하는 멈춤 플랜지 보어(725)의 내부에 접촉되어 지지된다.

도 8은 제8 토크 센서(800)를 도시하는데, 실제로 제8 토크 센서는 멈춤 플랜지(823)가 내부 플랜지(803)와 일체로 형성되지 않고 내부 플랜지(803)에 분리 가능하게 연결되는 별도의 컴포넌트라는 점에서 도 7에 도시된 제7 토크 센서(700)와 다르다. 멈춤 플랜지(823)는 억지끼움에 의해 내부 플랜지(803)에 연결된다.

도 9는 제9 토크 센서(900)를 도시하는데, 제9 토크 센서는 실제로 멈춤 플랜지(903)가 억지끼움이 아니라 축선 방향(X)과 평행하게 연장하는 스크루들(미도시)에 의해 내부 플랜지(903)에 연결된다는 점에서 도 8에 도시된 제8 토크 센서(800)와 다르다. 이러한 목적으로, 이에 대응하는 상보적인 보어들(929a, 929b)이 내부 프랜지(903) 및 멈춤 플랜지(923)에 존재한다.

도 10은 제10 토크 센서(1000)를 도시하는데, 토크 센서는 토크 센서(1000)의 기계적으로 약화된 센서부(1007)의 한 측부에서 이 센서부를 유체 밀폐되게 가리는 고무-탄성 밀폐 멤브레인(1031)을 구비한다. 밀폐 멤브레인(1031)은 내부 플랜지(1003)와 외부 플랜지(1009) 사이에서 스크루(1033)에 의해 환형으로 클램핑된다. 내부 플랜지(1003)와 외부 플랜지(1009) 중 단 하나의 플랜지에 클램핑하면 충분할 수 있다. 여기에 도시된 예시는 밀폐 멤브레인(1031) 만을 예를 들어 EP 1 353 159 A2에 공지된 통상의 토크 센서들에 부착하는 것이 또한 가능하다는 것을 나타내고자 의도된 것이다. 이에 대응하게 외부 플랜지(1009)를 축선 방향(X)으로 스크루(1033)들을 지나서 연장시키는 것에 의해, 상술한 반경 방향 탄성 재료부(1013)가 용이하게 제공될 수 있고, 제2 힘 작용점(1011)들은 이렇게 연장된 부분의 단부에 위치된다.

도 11은 제11 토크 센서(1100)를 도시하는데, 실제로 제11 토크 센서는 밀폐 멤브레인(1131)이 내부 플랜지(1103)와 외부 플랜지(1100) 사이에서 환형으로 토크 센서(1000)에 접착 결합된다는 점에서 도 10에 도시된 제10 토크 센서와 다르다.

제10 또는 제11 토크 센서(1000, 1100)의 밀폐 멤브레인(1031, 1131)은 성형 고무 부품, 선삭 고무 부품(turned rubber part), 또는 워터젯(water-jet) 절단에 의해 제조되는 고무 부품일 수 있고, 고정을 위해 클램핑 및 접착 결합의 조합이 마찬가지로 가능하다. 밀폐 멤브레인(1031, 1131)은 기저체(1001, 1101)보다 적어도 10²배, 바람직하게는 10²배 내지 10⁴배, 바람직하게는 10⁴배 내지 10⁵배 낮은 탄성률을 갖는다. 기저체와 비교한 밀폐 멤브레인의 탄성률이 낮을수록 밀폐 멤브레인이 토크 센서의 측정 결과를 덜 왜곡한다.

도 12 및 도 13은 도 1의 제1 토크 센서(100)가, 내부로부터 외부를 향해 파동 발생기(139), 플렉스스플라인(flexspline)(141) 및 원형 스플라인(143)을 구비하는 하모닉 드라이브 기어(Harmonic Drive gear)(137)를 구비하는 경량 장치(lightweight arrangement)에 설치되어 있는 모습을 도시한다. 원형 스플라인(143)은 하우징(145)에 스크루 결합되며, 하우징은 다시 크로스 롤러 베어링(cross roller bearing)(147)을 거쳐 출력 하우징(149)에 장착된다. 토크 센서(100)의 외부 플랜지(109)는 출력 플랜지(151)에 의해 출력 하우징에 스크루 결합된다. 토크 센서(100)의 내부 플랜지(103)는 다시 나사 링(153)을 거쳐 플렉스스플라인(141)에 스크루 결합된다.

도 14 및 도 15는 도 6에 도시된 토크 센서와 구조가 유사한 토크 센서(600a)를 도시한다. 따라서 토크 센서(600a)는 반경 방향(Y)으로, 즉 중앙 종축선(X)과 직교하게 제1 힘 작용 점(605)들을 구비하는 환형 내부 플랜지(603)로부터 제2 힘 작용점(611)들을 구비하는 환형 외부 플랜지(609)까지 연장하는 기저체(601)를 구비한다. 반경 방향으로 환형 내부 플랜지(603)와 환형 외부 플랜지(609) 사이에는 주로 607로 지시되는 기계적으로 약화된 센서부가 있고, 기계적으로 약화된 센서부에는 토크 센서(600a)에 가해지는 토크가 결정되게 하는 출력 신호들을 발생시키는 측정 트랜스듀서들이 설치된다. 센서부(607)는 반경 방향으로 연장하며 측정 스포크들이라고도 하는 제1 연결 웹(619a)들 및 반경 방향으로 연장하며 션트 스포크들이라고도 하는 제2 연결 웹(619b)을 포함한다. 제2 연결 웹(619b)들은 그 폭(w)이 반경 방향 외측이 반경 방향 내측보다 작다. 도 14 및 도 15에 도시된 예시적인 실시예에서, 제2 연결 웹(619b)들은 반경 방향 내측으로부터 반경 방향 외측까지 연속적으로 테이퍼진다. 따라서, 도 6에 도시된 토크 센서의 경우와 같이, 제1 연결 웹(619a)들은 명확하게 제2 연결 웹(619b)들과 상이한 기계적 성질을 갖는다. 토크 센서(600)에서와 같이, 제1 연결 웹(619a)들 및 제2 연결 웹(619b)들도 또한 원주 방향으로 번갈아서 배치되고, 이에 의해 센서부(607)를 축선 방향으로 꿰뚫는 절결부(621)가 각각의 경우에 두 연결 웹들 사이에 위치된다.

도 14 및 도 15에 도시된 토크 센서(600a)의 예시적인 실시예에서, 제1 연결 웹(619a)들의 축선 방향 높이(h1)는 제2 연결 웹(619b)들의 축선 방향 높이(h2)와 동일하다. 이러한 방식으로, 센서부(607) 및 이에 따라 토크 센서(600a)가 전체로서 제조가 간단해진다.

제1 연결 웹(619a)들(측정 스포크들)에 절결부(622)들이 형성되는데, 절결부들은 또한 측정 포켓이라고도 할 수 있으며, 제1 연결 웹(619a)의 축선 방향 높이를 얇은 멤브레인형 구역(626)(도 15 참조)만이 절결부(622)의 구멍(624) 반대쪽에 남게 되는 정도까지 국부적으로 감소시킨다. 이러한 멤브레인형 부분(626)은 토크에 의해 유도되는 재료 스트레인을 검출하기에 특히 적합하고, 이 이유 때문에 도시된 예시적인 실시예에서 스트레인 게이지(628)가 멤브레인형 구역(626)들 각각에 부착된다(도 15 참조).

도 16은 통상의 스트레인 게이지를 도시하는데, 이는 위에서 언급한 측정 트랜스듀서로 이해되어야 한다. 스트레인 게이지(10)는 띠 형상의 기저체(11)를 구비하며, 이 기저체는 일측 단부에 측정 그리드부(13)를 구비하고 반대쪽에 있는 타측 단부에는 땜납 패드(solder pad)의 형태로 된 전기접속점을 구비한다. 컴포넌트(1)에 전체적으로 고정될 수 있는 이 스트레인 게이지(10)를 전기 컴포넌트(3)에 전기적으로 접속시키기 위하여, 라인(5)들이 우선 땜납 패드(15)에 납땜되고 나서 전기 컴포넌트(3)에 납땜되어야 한다.

도 17은 대안적인 스트레인 게이지(20)를 도시하는데, 실제로 이 스트레인 게이지는 측증 그리드부(23)에 의해서만 컴포넌트(10)에 고정될 수 있다는 점에서 그리고 별도의 라인(5)들 대신, 스트레인 게이지(20)가 측정 그리드부(23)에 인접해 있는 접속부(24)를 구비하되, 접속부가 측정 그리드부(23)의 반대쪽에 있는 단부에 납땜 패드(25)를 구비하고 그 길이가 적어도 측정 그리드부(23)에 대응한다는 점에서 도 16에 도시된 통상의 스트레인 게이지(10)와 다르다. 접속부(24)는 띠 형상이고 가요성이 있으며, 이에 의해 스트레스가 가해지지 않은 기본 상태에서도 선호하는 방향으로 굽혀질 수 있어서 예를 들어 U자 형상을 가질 수 있다. 추가로 도시된 스트레인 게이지(20)는 납땜 패드(25)의 다른 측면에서 접속부(24)에 인접하고 접속부(24)를 전기 컴포넌트(3) 상에 일시적으로 유지하도록 설계된 만곡형 유지부(27)를 구비한다. 이러한 목적으로, 여기에 도시된 유지부(25)는 중앙 관통 보어(29) 또는 대안적으로 압입부를 구비할 수 있고, 이러한 중앙 관통 보어 또는 압입부 내로 스트레인 게이지(20)를 전기 컴포넌트(3) 상에 유지하기 위한 기구가 도입될 수 있다. 이러한 목적으로, 유지부(27)는 접착식일 수도 있거나 혹은 접착식이기만 할 수도 있다.

Claims

기저체(601)를 구비하는 토크 센서로, 기저체가 제1 힘 작용점(105)들을 구비하는 환형 내부 플랜지(603)로부터 측정 트랜스듀서들(10, 20)이 설치되는 기계적으로 약화된 센서부(607)를 거쳐 제2 힘 작용점(611)들을 구비하는 환형 외부 플랜지(609)까지 기저체의 반경 방향(Y)으로 연장하도록 구성된, 토크 센서에 있어서,
기계적으로 약화된 센서부(607)가 반경 방향으로 연장하는 제1 연결 웹(619a)들 및 제2 연결 웹(619b)들을 포함하며, 제1 연결 웹들 및 제2 연결 웹들은 서로 상이한 기계적 성질을 가지며 원주 방향으로 번갈아서 배치되고, 제2 연결 웹(619b)들의 폭(w)은 반경 방향 외측이 반경 방향 내측보다 작은 것을 특징으로 하는 토크 센서.
청구항 1에 따른 토크 센서에 있어서,
제2 연결 웹(619b)들의 폭(w)이 반경 방향 내측으로부터 반경 방향 외측까지 연속적으로 감소하는 것을 특징으로 하는 토크 센서
청구항 1 또는 청구항 2에 따른 토크 센서에 있어서,
제1 연결 웹(619a)들의 축선 방향 높이(h1)와 제2 연결 웹(619b)들의 축선 방향 높이(h2)가 동일한 것을 특징으로 하는 토크 센서.
청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 청구항에 따른 토크 센서에 있어서,
제1 연결 웹(619a)들 중 하나 이상에, 구멍(624)을 갖는 절결부(622)가 있고, 제1 연결 웹(619a)의 구멍(624) 반대쪽에 얇은 멤브레인형 구역(626)이 형성되는 것을 특징으로 하는 토크 센서.
청구항 4에 따른 토크 센서에 있어서,
측정 트랜스듀서(10, 20)가 각각의 경우에 얇은 멤브레인형 구역(626)에 부착되는 것을 특징으로 하는 토크 센서.
청구항 5에 따른 토크 센서에 있어서,
측정 트랜스듀서(10, 20)가 얇은 멤브레인형 구역(626)의 구멍(624) 반대쪽 측면에 부착되는 것을 특징으로 하는 토크 센서.
선행하는 청구항들 중 어느 한 청구항에 따른 토크 센서에 있어서,
측정 트랜스듀서(들)(10, 20)가 스트레인 게이지(들)인 것을 특징으로 하는 토크 센서.
청구항 1에 따른 토크 센서에 있어서,
스트레인 게이지들(10; 20)이 바람직하게는 제1 연결 웹들(519; 619a) 및/또는 제2 연결 웹들(519, 619b)에 부착되므로, 연결 웹들(519, 619a, 619b)이 전단 및/또는 굽힘 스트레스를 측정하기에 적합한 것을 특징으로 하는 토크 센서.
청구항 8에 따른 토크 센서에 있어서,
제2 연결 웹(619b)들이 제1 연결 웹(619a)들보다 기계적으로 약하고, 제2 연결 웹(619b)들만이 전단 및/또는 굽힘 스트레스를 측정하기에 적합하고, 스트레인 게이지들(10; 20)이 바람직하게는 제2 연결 웹들(519, 619b)에만 부착되는 것을 특징으로 하는 토크 센서.
선행하는 청구항들 중 어느 한 청구항에 따른 토크 센서에 있어서,
제1 측정 범위의 신호들만을 전달하는 제1 스트레인 게이지(10; 20)들이 제1 연결 웹들(519; 619a)에 부착되고 제2 측정 범위의 신호들만을 전달하는 제2 스트레인 게이지(10; 20)들이 제2 연결 웹들(519; 619b)에 부착되며, 측정 범위들은 서로 상이하고, 측정 범위들 중 하나의 측정 범위가 바람직하게는 다른 측정 범위에 포함되는 것을 특징으로 하는 토크 센서.
선행하는 청구항들 중 어느 한 청구항에 따른 토크 센서에 있어서,
측정 트랜스듀서들이 기저체(501; 601)에 연결되는 측정 그리드부(23) 및 측정 그리드부(23)에 인접하고 적어도 하나의 전기접속점(25)을 구비하는 자유 연결부(24)를 구비하는 스트레인 게이지(20)들인 것을 특징으로 하는 토크 센서.
청구항 11에 따른 토크 센서에 있어서,
유지부(27)가 적어도 하나의 접속점(25)의 반대측에서 연결부(24)에 인접하고, 유지부는 연결부(24)를 전기 컴포넌트(3) 상에 일시적으로 유지하도록 설계되는 것을 특징으로 하는 토크 센서.