KR20220153639A - 자왜식 토크 센서용 샤프트 및 그 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은, 가공 정밀도 및 품질 안정성이 우수한 자왜식 토크 센서용 샤프트 및 그 바람직한 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
레이저 조사에 의해 조면 가공 처리된 금속제 부재를 포함하는 기재 표면에, 용사에 의해 형성한 자왜 특성을 갖춘 비정질 용사 피막을 갖는 자왜식 토크 센서용 샤프트로서, 비정질 용사 전의 조면 가공 처리와 용사 후의 패턴 성형 처리를 레이저 조사에 의해 행하는 것을 특징으로 한다.
레이저 조사에 의해 조면 가공 처리된 금속제 부재를 포함하는 기재 표면에, 용사에 의해 형성한 자왜 특성을 갖춘 비정질 용사 피막을 갖는 자왜식 토크 센서용 샤프트로서, 비정질 용사 전의 조면 가공 처리와 용사 후의 패턴 성형 처리를 레이저 조사에 의해 행하는 것을 특징으로 한다.
Description
본 발명은, 샤프트(회전축) 표면에 토크 검출용 자왜부를 갖는 자왜식 토크 센서용 샤프트 및 그 자왜식 토크 센서용 샤프트의 제조 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 기재(알루미늄, 구리, 탄소강 및 스테인리스강 등의 금속재)의 표면에 자왜 특성이 우수한 비정질 용사 피막을 갖는 고품질의 자왜식 토크 센서용 샤프트를 얻을 수 있는 기술에 관한 것이다.
자왜부를 갖는 샤프트를 이용하여 토크를 검출하는 토크 센서는, 일반적인 구조를 도 4에 도시하는 바와 같이, 토크를 받는 샤프트(토크 센서 샤프트)(11)가 베어링(16)을 통해 하우징(17)에 지지되어 있고, 그 샤프트(11)의 일부 표면에 있어서 전체 둘레(360도)에 자왜부(11V·11W)가 형성되어 있다. 또한, 하우징(17)의 내측이며, 자왜부(11V·11W)의 각 외주와 가까운 위치에 코일(X·Y)이 배치되어 있다. 자왜부(11V·11W)로서는, 샤프트(11)의 둘레면에 자성 재료가, 도시된 바와 같이 축방향에 대하여 역방향으로 경사진 나선형(소위 쉐브론형)의 줄무늬 모양으로 형성되는(즉, 자성체의 피막이나 돌출부를 나선형의 복수의 선으로 형성되는) 것이 일반적이다. 하우징(17)에는, 도시와 같이 증폭기 기판(18)이나 신호선용 커넥터(19) 등도 부설된다.
즉, 도 4에 도시된 일반적인 토크 센서는, 샤프트(11)에 토크가 작용하면, 자왜부(11V·11W)에 인장 응력과 압축 응력이 각각 발생하고, 그 결과, 상반되는 자왜 효과에 의해 각 자왜부(11V·11W)의 투자율(透磁率)이 각각 증가·감소함으로써, 이 투자율의 변화에 기초하여 코일(X·Y)에 유도 기전력이 발생하고, 직류 변환이나 양자의 차동 증폭을 행함으로써, 토크의 크기에 비례한 전압 출력을 얻을 수 있는 구조로 되어 있다(특허문헌 1, 특허문헌 2 참조).
상기 구성의 토크 센서의 상기 샤프트 표면에 형성되는 자왜부(11V·11W)가 금속 유리(비정질 합금) 피막인 경우, 상기 피막은, 화염을 급속 냉각하는 방식의 용사에 의해 샤프트 표면에 형성된다. 화염을 급속 냉각하는 용사란, 금속 분말을 포함하는 화염을 분사하여 금속 분말을 용융시킴과 더불어, 상기 화염을 냉각 가스에 의해 냉각하는 방식의 용사이다. 그 비정질 용사 피막 성형의 주요 공정은, 용사 전의 조면 가공 처리(샷블라스트), 비정질 용사, 마스킹(시트 접착), 패턴 성형(샷블라스트), 마스킹 시트 박리 공정을 포함하고, 각 공정의 처리를 거쳐 상기 줄무늬 모양의 자왜부를 얻을 수 있다.
그러나, 상기한 특허문헌 1, 2에 개시되어 있는 토크 센서 및 그 제조 기술에는, 이하에 기재된 문제가 있다.
상기한 종래의 자왜식 토크 센서용 샤프트의 제조 방법에 있어서의 용사 전의 조면 가공 처리는, 알루미늄 분말에 의한 샷블라스트로 행해지는 것이 일반적이다. 이 알루미늄 분말을 이용한 샷블라스트 장치는, 지지 프레임 상에 부착된 승강용 모터에 의해 승강시키는 승강 로드의 선단부에 블라스트 건이 부착되고, 그 블라스트 건에 의해 축형 워크(샤프트)의 자왜부 형성 부분에 알루미늄 분말에 의한 샷블라스트를 가하는 방식이며, 비정질 용사에 앞서 축형 워크의 자왜부 형성 부분에 미세한 요철을 형성할 목적으로 사용된다.
그러나, 이 알루미늄 분말에 의한 샷블라스트에는, 이하에 기재된 (1)∼(3)의 문제점이 있다.
(1) 용사 전의 조면 가공 처리(전처리)의 경우, 기재 표면(샤프트 표면)을 조면으로 하는 데 상당한 시간을 필요로 한다.
(2) 샷블라스트에 의한 조면 가공 처리의 경우, 샷블라스트 건에 의한 샷블라스트의 조사 상태에서 기재 표면의 마무리에 편차가 생겨, 정밀도 좋고 안정된 표면 성상을 쉽게 얻을 수 없다.
(3) 알루미늄 분말은 반복 사용에 의해 마모되어 소정의 입경보다 작아지면, 샷블라스트 기능이 없어져 폐기 처리되게 되어, 비경제적이다.
또한, 특허문헌 1, 2에 개시되어 있는 기술은, 용사 전의 조면 가공 처리(전처리)뿐만 아니라 용사 후의 패턴 성형 처리(후처리)에 있어서도 샷블라스트를 행하는 것으로 하고 있고, 그 때 마스킹 시트 접착이 있기 때문에, 마스킹 시트의 박리 작업 및 박리 후의 폐기 시트의 처리 등에 상당한 시간을 필요로 하게 된다. 그것에 따라 샷블라스트 장치나 마스킹 시트의 접착 장치 및 박리 장치도 필요해지고, 또한 소모품인 알루미늄 분말 및 폐기물 처리 비용 등도 비싸게 치이게 된다. 이와 같이 자왜식 토크 센서용 샤프트의 제조 비용은 비싸게 치일 뿐만 아니라, 가공 정밀도 및 품질 안정성이 우수한 자왜식 토크 센서용 샤프트를 저비용으로 제조하는 것은 용이하지 않았다.
본 발명은, 상기한 종래 기술의 문제점을 감안하여 이루어진 것으로, 가공 정밀도 및 품질 안정성이 우수한 자왜식 토크 센서용 샤프트 및 이 자왜식 토크 센서용 샤프트를 저비용으로 제조할 수 있는 방법을 제안하고자 하는 것이다.
본 발명자들은 가공 정밀도 및 품질 안정성이 우수한 자왜식 토크 센서용 샤프트 및 이 자왜식 토크 센서용 샤프트를 저비용으로 제조할 수 있는 수단에 대해서 여러 가지 연구를 거듭한 결과, 비정질 용사 전의 조면 가공 처리(전처리) 및 비정질 용사 후의 패턴 성형 처리(후처리)로서, 종래의 샷블라스트 방식 대신에 레이저 조사 방식을 채용함으로써, 가공 정밀도 및 품질 안정성이 우수한 자왜식 토크 센서용 샤프트를 저비용으로 제조할 수 있는 것을 발견하였다.
즉, 본 발명에 따른 자왜식 토크 센서용 샤프트는, 샤프트(회전축) 표면에 토크 검출용 자왜부를 갖는 자왜식 토크 센서용 샤프트로서, 레이저 조사에 의해 조면 가공 처리된 금속제 부재를 포함하는 기재 표면에, 용사에 의해 형성한 자왜 특성을 갖춘 비정질 용사 피막을 갖는 것을 특징으로 하는 것이다.
또한, 본 발명에 따른 자왜식 토크 센서용 샤프트의 제조 방법은, 샤프트(회전축) 표면에 토크 검출용 자왜부를 갖는 자왜식 토크 센서용 샤프트의 제조 방법으로서, 비정질 용사 전의 조면 가공 처리를 레이저 조사에 의해 행하고, 상기 레이저 조사에 의해 조면 가공 처리된 금속제 부재를 포함하는 기재 표면에 비정질 용사를 행하며, 상기 비정질 용사 후의 패턴 성형 처리를 상기 레이저 조사와 동일한 레이저 조사에 의해 행하는 것을 특징으로 하는 것이다.
또한, 본 발명에 있어서의 기재로서는, 예컨대 알루미늄, 구리, 탄소강 및 스테인리스강 등의 금속재를 이용할 수 있다.
본 발명에 있어서, 비정질 용사 전의 조면 가공 처리(전처리) 및 비정질 용사 후의 패턴 성형 처리(후처리)로서, 종래의 알루미늄 분말에 의한 샷블라스트 방식 대신에 레이저 조사 방식을 채용한 것은, 이하에 기재된 이유에 따른다.
즉, 종래의 알루미늄 분말에 의한 샷블라스트에서는 용사 전의 조면 가공 처리(전처리), 즉, 기재 표면에 대한 비정질 용사 피막의 형성에 필요한 밀착성(앵커 효과)을 향상시키기 위한 표면 처리에 상당한 시간을 필요로 할 뿐만 아니라, 샷블라스트 건에 의한 샷블라스트의 조사 상태에서 기재 표면의 마무리에 편차가 생겨, 정밀도 좋고 안정된 표면 성상을 쉽게 얻을 수 없는 데 반해, 레이저 조사 방식의 경우는, 레이저 출력이나 이동 속도 등을 조절하는 것만으로 기재 표면에 적절한 조면을 단시간에 형성할 수 있는 데다가, 기재 표면의 마무리가 양호하여 정밀도 좋고 안정된 표면 성상을 얻을 수 있다고 하는 이점이 있는 것, 또한, 알루미늄 분말에 의한 샷블라스트에서는, 비정질 용사 후의 패턴 성형 처리(후처리)에 있어서, 마스킹 시트의 접착, 박리 작업 및 박리 후의 폐기 시트의 처리에 많은 수고와 시간을 필요로 하기 때문에, 알루미늄 분말은 반복 사용에 의해 마모되어 소정의 입경보다 작아지면 샷블라스트 기능이 없어져서 폐기 처리되게 되고, 상기 시트와 함께 폐기물이 발생하여 비경제적인 것, 샷블라스트 장치나 마스킹 시트 접착 장치 및 박리 장치가 필요하여, 설비비가 비싸게 치이는 등의 문제점이 있는 것에 반해, 레이저 조사 방식은 마스킹 시트가 불필요해짐으로써, 마스킹 시트비의 삭감, 샷블라스트 장치나 마스킹 시트 접착 장치 및 박리 장치가 불필요함에 따른 설비의 간편화, 마스킹 시트의 접착 및 박리 작업의 생략, 후처리 시간의 단축과 폐기물 삭감 등이 도모되어, 가공 정밀도 및 품질 안정성이 우수한 자왜식 토크 센서용 샤프트를 저비용으로 제조할 수 있기 때문이다. 또한, 상기한 많은 효과를 발휘하는 본 발명은, UN이 주도하는 지속 가능한 개발 목표(SDGs)의 목표 12 「지속 가능한 생산 소비 형태를 확보한다」에도 공헌할 수 있게 된다.
본 발명의 자왜식 토크 센서용 샤프트는, 용사 전의 레이저 조사 방식에 의한 조면 가공 처리에 의해 정밀도 좋고 안정된 표면 성상을 갖는 기재의 표면에 자왜 특성이 우수한 비정질 용사 피막을 갖기 때문에, 샷블라스트에 의해 조면 가공 처리된 종래의 자왜식 토크 센서용 샤프트에 비해 품질의 안정성이 우수한 특징을 갖는다. 또한, 본 발명의 자왜식 토크 센서용 샤프트의 제조 방법에 따르면, 용사 전의 조면 가공 처리에 레이저 조사 방식을 채용함으로써 마스킹 시트비의 삭감, 샷블라스트 장치나 마스킹 시트 접착 장치 및 박리 장치가 불필요함에 따른 설비의 간편화, 마스킹 시트의 접착 및 박리 작업의 생략, 후처리 시간의 단축 등이 도모됨으로써, 가공 정밀도 및 품질 안정성이 우수한 자왜식 토크 센서용 샤프트를 저비용으로 제조할 수 있다고 하는 우수한 효과를 발휘한다.
도 1은 본 발명에 따른 자왜식 토크 센서용 샤프트 제조 방법의 일 실시예의 주요 처리 공정을 나타낸 흐름도이다.
도 2는 본 발명과 종래의 자왜식 토크 센서용 샤프트의 제조 방법에 있어서의 기재 표면의 조면 가공 처리(전처리 공정) 후의 표면 상태를 나타낸 가공 샘플의 사진이며, (A)는 본 발명의 레이저 조사에 의한 기재 표면의 조면 가공 처리 후의 표면 상태를, (B)는 종래의 샷블라스트에 의한 조면 가공 처리 후의 표면 상태를 각각 나타낸다.
도 3은 본 발명의 레이저 조사에 의한 피막 제거 실시 후(후처리 공정 후)의 자왜식 토크 센서용 샤프트의 외관의 일부를 확대하여 나타낸 개략도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예인 자왜식 토크 센서용 샤프트의 일반적인 구조를 나타낸 종단면도이다.
도 2는 본 발명과 종래의 자왜식 토크 센서용 샤프트의 제조 방법에 있어서의 기재 표면의 조면 가공 처리(전처리 공정) 후의 표면 상태를 나타낸 가공 샘플의 사진이며, (A)는 본 발명의 레이저 조사에 의한 기재 표면의 조면 가공 처리 후의 표면 상태를, (B)는 종래의 샷블라스트에 의한 조면 가공 처리 후의 표면 상태를 각각 나타낸다.
도 3은 본 발명의 레이저 조사에 의한 피막 제거 실시 후(후처리 공정 후)의 자왜식 토크 센서용 샤프트의 외관의 일부를 확대하여 나타낸 개략도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예인 자왜식 토크 센서용 샤프트의 일반적인 구조를 나타낸 종단면도이다.
본 발명의 자왜식 토크 센서용 샤프트의 제조 방법은, 도 1에 본 발명의 적합한 실시형태에 따른 자왜식 토크 센서용 샤프트의 제조 방법의 흐름도에서 나타낸 바와 같이, 기재(알루미늄, 구리, 탄소강 및 스테인리스강 등의 금속재)의 표면에 행하는 비정질 용사 전의 조면 가공 처리(전처리 공정)를 종래의 알루미늄 분말에 의한 샷블라스트 방식 대신에 레이저 조사 방식을 채용하여 기재 표면에 대한 비정질 용사 피막의 형성에 필요한 밀착성(앵커 효과)을 향상시키는 용사 전의 조면 가공 처리와, 상기 조면 가공 처리를 마친 기재의 표면에 자성 재료인 비정질을 용사하여 자왜부를 형성하는 비정질 용사 공정과, 상기 비정질 용사 공정에서 형성한 비정질 용사 피막을 레이저 조사에 의해 기재로부터 제거하고, 원하는 피막 패턴을 형성하는 패턴 성형 처리 공정(후처리 공정)을 포함하고 있다.
즉, 본 발명의 자왜식 토크 센서용 샤프트의 제조 방법은, 가공 정밀도 및 품질 안정성이 우수한 자왜식 토크 센서용 샤프트와, 이 자왜식 토크 센서용 샤프트를 저비용으로 제조하기 위해, 비정질 용사 전의 조면 가공 처리(전처리) 및 비정질 용사 후의 패턴 성형 처리(후처리)로서, 종래의 알루미늄 분말에 의한 샷블라스트 방식 대신에 레이저 조사 방식을 채용한 것이다. 이 레이저 조사 방식에 따르면, 비정질 용사 전의 조면 가공 처리(전처리)에서는, 기재 표면에 대한 비정질 용사 피막의 형성에 필요한 밀착성(앵커 효과)을 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라, 레이저 출력이나 이동 속도 등을 조절하는 것만으로 기재 표면에 적절한 조면을 단시간에 형성할 수 있는 데다가, 기재 표면의 마무리가 양호하여 정밀도 좋고 안정된 표면 성상을 얻을 수 있다. 특히, 기재 표면의 마무리 상태(거칠기)는 도 2에 도시된 가공 샘플 사진 (A) (B)에서 밝혀진 바와 같이, 본 발명의 레이저 조사에 따른 조면 가공 처리 후의 표면 상태(사진 A)는, 종래의 샷블라스트에 의한 조면 가공 처리 후의 표면 상태(사진 B)에 비해 기재 표면의 마무리가 양호하여 재현성 및 균일성이 매우 높은 표면 성상임을 알 수 있다.
또한, 도 2에 도시된 표면 상태를 나타낸 가공 샘플 사진 (A) (B)의 각각의 표면 거칠기(규정의 거칠기 측정 방법에 따른)는, 이하에 나타낸 바와 같다.
기(記)
(1) 레이저 조사 처리에 의한 가공 샘플 사진 (A)
Ra(폭 방향의 거칠기): 9.611 ㎛
Ra(길이 방향의 거칠기): 9.426 ㎛
(2) 샷블라스트에 의한 가공 샘플 사진 (B)
Ra(폭 방향의 거칠기): 2.467 ㎛
Ra(길이 방향의 거칠기): 2.683 ㎛
또한, 본 발명의 자왜식 토크 센서용 샤프트의 제조 방법의 후처리 공정에서는, 패턴 성형 처리 공정에 있어서 상기 비정질 용사 피막을 레이저 조사에 의해 기재로부터 제거하고, 원하는 피막 패턴(모양)을 형성한다. 그 때는, 레이저 조사에 의한 패턴 형성의 진행에 따라, 상기 기재의 주각도(周角度)의 상당량을 컨트롤하면서 패턴 형성을 진행시켜 나간다. 이 처리에 의해 원하는 피막 패턴(모양)이 형성된 자왜식 토크 센서용 샤프트를 얻을 수 있다. 도 3은 그 원하는 피막 패턴(모양)이 형성된 자왜식 토크 센서용 샤프트의 외관의 일부를 예시한 것으로, 1은 자왜식 토크 센서용 샤프트, 2는 슬릿, 3은 자왜부를 각각 나타낸다.
상기한 바와 같이, 본 발명의 자왜식 토크 센서용 샤프트의 제조 방법에 따르면, 용사 전의 조면 가공 처리(전처리) 및 비정질 용사 후의 패턴 성형 처리(후처리)에 레이저 조사 방식을 채용함으로써, 레이저 출력이나 이동 속도 등을 조절하는 것만으로 기재 표면에 적절한 조면을 단시간에 형성할 수 있는 데다가, 기재 표면의 마무리가 양호하여 정밀도 좋고 안정된 표면 성상을 얻을 수 있고, 또한, 패턴 성형 처리(후처리)에 있어서도, 마스킹 시트가 불필요해짐으로써 마스킹 시트비의 삭감, 마스킹 시트 접착 장치 및 박리 장치가 불필요함에 따른 설비의 간편화, 마스킹 시트의 접착 및 박리 작업의 생략, 후처리 시간의 단축 등이 도모되어, 가공 정밀도 및 품질 안정성이 우수한 자왜식 토크 센서용 샤프트를 저비용으로 제조할 수 있는 등의 우수한 효과를 발휘한다.
또한, 본 발명의 전처리 레이저 가공은 용사에 의해 자왜부를 기재 표면에 형성하는 경우에 한정되지 않고, 용사 이외의 다른 자왜부 형성 방법에 의한 경우에도 적합 가능한 것은 말할 필요도 없다.
1 : 자왜식 토크 센서용 샤프트
2 : 슬릿
3 : 자왜부
3 : 자왜부
Claims (2)
- 샤프트 표면에 토크 검출용 자왜부를 갖는 자왜식 토크 센서용 샤프트로서, 레이저 조사에 의해 조면 가공 처리된 금속제 부재를 포함하는 기재 표면에, 용사에 의해 형성한 자왜 특성을 갖춘 비정질 용사 피막을 갖는 것을 특징으로 하는 자왜식 토크 센서용 샤프트.
- 샤프트 표면에 토크 검출용 자왜부를 갖는 자왜식 토크 센서용 샤프트의 제조 방법으로서, 비정질 용사 전의 조면 가공 처리를 레이저 조사에 의해 행하고, 상기 레이저 조사에 의해 조면 가공 처리된 금속제 부재를 포함하는 기재 표면에 비정질 용사를 행하며, 상기 비정질 용사 후의 패턴 성형 처리를 상기 레이저 조사와 동일한 레이저 조사에 의해 행하는 것을 특징으로 하는 자왜식 토크 센서용 샤프트의 제조 방법.
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