KR20230038414A - 반경 방향으로 탄성 재료 섹션을 구비하는 토크 센서 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 축방향과 원주방향으로 연장하는 토크 센서(10)로, 상기 토크 센서는 제1 힘 도입점(16)을 구비하는 환형 내부 플랜지(18)로부터 출력 신호를 생성하기 위한 측정 변환기가 제공되어 있는 기계적으로 약화된 센서 부분(20)을 거쳐 제2 힘 도입점(34)을 구비하는 환형 외부 플랜지(32)까지 본체의 반경 방향으로 연장하고, 제2 힘 도입점(34)은 반경방향 탄성 재료 부분(28)에 의해 센서 부분(20)에 연결되고, 반경방향 탄성 재료 부분(28)은 본체(12)의 원주에 걸쳐 분산 배치되어 있는 복수의 반경방향 탄성 벤딩 스트립(31)에 의해 형성되고, 반경방향 탄성 재료 부분(28)은 환형의, 반경방향 강성 디커플링 영역(27)에 의해 기계적으로 약화된 센서 부분(20)에 연결되는 것을 특징으로 하는 토크 센서에 관한 것이다.

Description

반경 방향으로 탄성 재료 섹션을 구비하는 토크 센서

본 발명은 축방향과 원주방향으로 연장하는 토크 센서로, 상기 토크 센서는 제1 힘 도입점을 구비하는 환형 내부 플랜지로부터 출력 신호를 생성하기 위한 측정 변환기가 제공되어 있는 기계적으로 약화된 센서 부분을 거쳐 제2 힘 도입점을 구비하는 환형 외부 플랜지까지 본체의 반경 방향으로 연장하고, 제2 힘 도입점은 반경방향 탄성 재료 부분에 의해 센서 부분에 연결되는, 토크 센서에 관한 것이다.

이러한 토크 센서는 WO 2018/041948에서 알려져 있다. 이 공지의 토크 센서를 사용하면, 반경방향으로 높은 수준의 디커플링(decoupling)을 달성할 수 있다. 즉, 토크 센서에 작용하는 방사상 방향의 힘이 측정 오류로 이어지는 것을 방지할 수 있다. 이러한 반경방향 힘은 예를 들어 제조 공차로 인해 발생하는 제2 힘 도입점의 진원도 편차로 인해 발생할 수 있다. 이러한 진원도 편차의 결과는 측정 변환기의 혼선(crosstalk)일 수 있다. 방사상으로 작용하는 힘에 의해 발생할 수 있는 측정 오류를 피하기 위해, 공지된 토크 센서의 방사상 탄성 재료 부분은 본체의 축 방향으로 연장되는 얇은 벽 재료 부분의 형태이다. 얇은 벽 형태로 인해, 이 방사상 탄성 재료 부분은 방사상 변형에 대해 낮은 강성을 갖지만, 비틀림 힘에 대해서는 사실상 강직, 즉 비틀림 힘에 대해 높은 강성을 가진다. 그러나, 공지된 토크 센서의 축방향으로 연장되는 얇은 벽 재료 부분은 전체적으로 토크 센서의 축방향 치수를 크게 한다.

본 발명의 목적은 기계적 간섭에 대한 공지된 토크 센서의 둔감(insensitivity), 특히 방사상으로 작용하는 힘에 대한 둔감을 유지하고, 추가로 보다 콤팩트한 구조 형태가 달성되도록 하는 토크 센서를 제공하는 것이다.

이 목적은 위에서 설명한 일반적인 유형의 토크 센서에서 시작하여, 반경방향 탄성 재료 부분이 본체의 원주에 걸쳐 분산 배치되어 있는 복수의 반경방향 탄성 벤딩 스트립에 의해 형성되고, 반경방향 탄성 재료 부분은 환형의, 반경방향 강성 디커플링 영역에 의해 기계적으로 약화된 센서 부분에 연결되는 것에 의해 달성된다.

방사상 탄성 벤딩 스트립은 이들이 본체의 나머지 영역 또는 부분보다 축 방향으로 더 적거나 더 많은 설치 공간을 필요로 하지 않도록 쉽게 설계될 수 있다. 예를 들어, 벤딩 스트립은 축 방향 또는 반경 방향으로 반경방향 탄성 재료 부분을 관통하는 일련의 슬롯에 의해 형성될 수 있다. 슬롯은 바람직하게는 적어도 실질적으로 원주방향으로 연장되지만, 슬롯이 선형 또는 선형으로 굽은 프로파일을 갖는 실시형태도 가능하다. 본 발명의 범위 내에서, "슬롯(slot)"이라는 용어는 특히 슬롯에 의해 형성된 개구의 폭이 개구의 종방향 크기보다 훨씬 더 작다는 것을 의미한다.

방사상 탄성 벤딩 스트립의 수는 비교적 자유롭게 선택할 수 있다. 전체 원주에 걸쳐 볼 때, 방사상으로 작용하는 힘에 대해 우수한 디커플링을 달성하기 위해 바람직하게는 적어도 3개의 굽힘 스트립이 본체의 원주에 걸쳐 분산 배열된다. 그러나, 특히 바람직하게는 3개 초과의 방사상 탄성 벤딩 스트립, 예를 들어 4개, 5개, 6개, 7개 또는 8개의 방사상 탄성 벤딩 스트립이 제공된다. 예를 들어 16개의 방사상 탄성 굽힘 스트립과 같이 훨씬 더 방사상 탄성 굽힘 스트립을 제공하는 것이 쉽게 가능하다. 실제로 사용되는 방사형 탄성 벤딩 스트립의 수는 본체의 구조적 형태와 크기, 특히 본체에서 사용 가능한 공간에 따라 달라질 수 있다. 원칙적으로 더 많은 수의 방사상 탄성 굽힘 스트립을 사용하면 방사상 작용력에 대한 디커플링을 균일하게 만들지만 3개 또는 4개의 방사상 탄성 벤딩 스트립으로도 방사상 작용력에 대한 우수한 디커플링을 달성하기에 충분하다.

약화된 센서 영역과 방사상 탄성 재료 부분 사이의 환형, 방사상 강성 디커플링 영역의 제공은 방사상 탄성 재료 부분에 의해 흡수된 힘이 약화된 센서 영역에 영향을 미치는 것을 방지한다. 다시 말해, 환형, 방사상 강성 디커플링 영역은 약화된 센서 영역이 방사상 탄성 재료 영역에서 발생하는 것에 의해 영향을 받지 않거나 사실상 영향을 받지 않도록 보장한다.

전반적으로, 환형의 방사상 강성 디커플링 영역과 함께 방사상 탄성 재료 부분의 구성에서 방사상 탄성 벤딩 스트립의 사용은, 제2 힘 도입점, 방사상 탄성 재료 부분, 환형 디커플링 영역, 약화된 센서 부분 및 제1 힘 도입점이 공통 반경방향 단면 평면을 가지게 할 수 있다. 그러한 구성에서, 제1 힘 도입점, 센서 부분, 환형 디커플링 영역, 반경 방향 탄성 재료 부분 및 제2 힘 도입점은 반경 방향 내측에서 볼 때 반경 방향으로 서로를 따른다. 반경 방향으로의 범위에 더하여, 센서 부분과 반경 방향 탄성 재료 부분 및 환형 디커플링 영역뿐만 아니라 제1 및 제2 힘 도입점은 축 방향으로 범위를 가지며, 이는 어떤 경우에도 안정성의 이유로 필요하다. 제1 및 제2 힘 도입점, 환형 디커플링 영역, 방사상 탄성 재료 부분 및 센서 부분은 전체적으로 동일한 방사상 단면 평면에 배열될 수 있다(이 단면 평면의 두께는 제1 및 제2 힘 도입점, 환형 디커플링 영역, 반경방향 탄성 재료 부분 및 센서 부분의 축 방향 범위에 해당함). 그러나 개별 영역 또는 부분 사이에 높이 차이가 있을 수도 있다. 예를 들어, 안정성의 이유로, 제2 힘 도입점의 축방향 범위는 반경방향 탄성 재료 부분 및/또는 센서 부분의 축방향 범위보다 클 수 있다. 이러한 공통 방사상 단면 평면은 축 방향으로 토크 센서의 작은 치수에 유리하다.

본 발명에 따른 토크 센서의 바람직한 실시형태에서, 반경 방향 탄성 재료 부분은 적어도 실질적으로 원주 방향으로 연장되고, 축 방향으로 반경 방향 탄성 재료 부분을 관통하는 즉 축 방향으로 방사상 탄성 재료 부분을 완전히 통과하는 일련의 슬롯을 갖는다. 적어도 실질적으로 원주 방향으로 연장되는 이러한 슬롯은 반경 방향 탄성 재료 부분의 원주 범위의 일부 위에서만 연장되므로, 반경 방향에서 볼 때 토크 센서의 기계적 일관성을 보장하는 재료 브리지는 남아 있게 된다. 실질적으로 원주 방향으로 연장되는 개별 슬롯은 토크 센서 본체의 중간점으로부터 상이한 방사상 거리에 있을 수 있다.

원주 방향으로 각 슬롯의 범위는 예를 들어 25 내지 70°의 범위일 수 있고, 바람직한 예시적인 실시형태에서는 약 35 내지 약 55°이다. 각각의 슬롯의 원주방향 범위는 동일한 크기일 수 있지만, 반경방향 탄성 재료 부분 슬롯에서 다른 크기의 원주방향 범위와 결합하는 것도 마찬가지로 가능하다. 예를 들어, 서로 다른 크기의 원주 방향 범위를 갖는 적절하게 배열된 슬롯에 의해, 방사상 탄성 재료 부분의 방사상 컴플라이언스가 원하는 경우 특정 방사상 방향으로 증가되거나 감소될 수 있다. 기본 원리는 더 큰 원주 범위를 가진 슬롯은, 그러한 슬롯이 배열된 영역에서 더 높은 방사상 컴플라이언스를 가져온다는 것이다.

일 실시형태에서, 적어도 실질적으로 원주 방향으로 연장되는 슬롯은 각각 원형-(링)-세그먼트-형상이다. 원형-세그먼트-형상의 슬롯은 원주 범위의 크기에 관계없이 복수의 그룹으로 배열될 수도 있다. 본 발명에 따른 토크 센서의 일 실시형태에서, 원형-링-세그먼트-형상의 슬롯은 적어도 2개의 그룹으로 배열되며, 각 그룹은 본체의 중간점으로부터 다른 반경 방향 거리에 있고, 원형-링-세그먼트-형상의 슬롯의 범위는 같거나 다를 수 있다.

전술한 실시형태의 추가 개선에 따르면, 한 그룹의 원형-링-세그먼트-형상 슬롯은 다른 그룹의 원형-링-세그먼트-형상 슬롯에 대해 원주 방향으로 오프셋 배열된다. 이러한 실시형태의 추가 개선에 따르면, 모든 그룹의 원형-링-세그먼트-형상 슬롯은 서로에 대해 원주 방향으로 오프셋되어 배열된다. 반경 방향 탄성 재료 부분에 존재하는 다른 원형-링-세그먼트-형상의 슬롯에 대한 원주 방향의 원형-링-세그먼트-형상 슬롯의 오프셋은, 원주 방향에서 볼 때, 그 방사상 탄성 재료 부분이 전체에 걸쳐 적어도 실질적으로 동일한 방사상 컴플라이언스를 갖는 토크 센서의 형성을 용이하게 한다.

본 발명에 따른 토크 센서의 다른 바람직한 실시형태에서, 적어도 실질적으로 원주 방향으로 연장되는 슬롯은 본체의 중심점으로부터의 반경 방향 거리가 적어도 실질적으로 원주 방향으로 연장되는 슬롯의 다른 원주 부분의 본체 중심점으로부터의 반경 방향 거리와 상이한 원주 부분을 갖는다. 특히, 이에 의해 하나의 슬롯은 본체의 중심점으로부터의 방사상 거리가 각 경우에서 다른 원주 부분을 가질 수 있다. 원주 방향으로 개별 원주 부분의 범위를 적절하게 선택하고 본체의 중간점으로부터 반경 방향 거리를 적절하게 선택함으로써, 방사상 탄성 재료 부분의 방사상 컴플라이언스가 조정될 수 있고 특히 균일하게 될 수 있다.

본 발명에 따른 토크 센서의 또 다른 바람직한 실시형태에 따르면, 적어도 실질적으로 원주 방향으로 연장되는 슬롯의 본체의 중간점으로부터의 반경 방향 거리는 슬롯의 프로파일에 걸쳐 연속적으로 변화한다. 그러한 실시형태에서, 슬롯의 프로파일은 예를 들어 터빈 휠의 터빈 블레이드의 배열과 유사할 수 있다.

슬롯의 정확한 형태에 관계없이, 본 발명에 따른 토크 센서의 바람직한 실시형태에서, 슬롯의 적어도 일부는 원주 방향으로 중첩된다. 원주 방향으로의 이러한 슬롯의 겹침은 방사상 탄성 벤딩 스트립이 구조적으로 간단한 방식으로 생성되도록 한다.

위에서 언급한 많은 실시형태들이 서로 결합될 수 있음을 이해할 것이다. 따라서, 예를 들어, 그룹 내 슬롯의 배열은 슬롯의 원형-링-세그먼트-형상에 의존하지 않는다. 또한 슬롯은 그 형상과 그들이 그룹으로 배열되어 있는지 여부에 관계없이 원주 방향으로 중첩될 수 있다. 명백히 모순되지 않는 한, 위에서 설명된 실시형태들이 추가적으로 조합될 수 있다.

전술한 실시형태에 관계없이, 본 발명에 따른 토크 센서의 본체는 바람직하게는 원형-디스크-형상이다. 특정 설치 상황에 따라 원형 디스크 모양에서 벗어나야 할 수도 있다.

본 발명에 따른 토크 센서의 본체는, 본체가 원형-디스크-형상인지 여부에 상관없이 모놀리식, 즉 일체형인 것이 더욱 바람직하다. 방사상 탄성 재료 부분의 슬롯은 예를 들어 워터젯 커팅 또는 레이저 커팅에 의해 생성될 수 있다.

본 발명에 따른 토크 센서의 바람직한 실시형태에서, 스트레인 게이지가 측정 변환기로서 사용된다. 대안으로 또는 추가로, 예를 들어 섬유 브래그 격자 또는 피에조 요소가 있는 측정 변환기를 사용할 수 있다.

아래에서 첨부된 개략적인 도면을 참조하여 본 발명에 따른 토크 센서의 다수의 예시적인 실시형태를 보다 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 토크 센서의 제1 실시형태의 평면도이다.
도 2는 도 1에서 단면 II-II를 도시한다.
도 3은 제1 실시형태를 위에서 비스듬하게 공간적으로 표현한 도면이다.
도 4는 도 3을 부분적으로 절개한 형태로 도시한다.
도 5는 본 발명에 따른 토크 센서의 제2 실시형태의 평면도이다.
도 6은 도 5에서 단면 VI-VI를 도시한다.
도 7은 제2 실시형태를 위에서 비스듬하게 공간적으로 표현한 도면이다.
도 8은 도 7을 절개한 형태로 도시한다.
도 9는 본 발명에 따른 토크 센서의 제3 실시형태의 평면도이다.
도 10은 도 9에서 단면 X-X를 도시한다.
도 11은 제3 실시형태를 위에서 비스듬하게 공간적으로 표현한 도면이다.
도 12는 도 11을 절개한 형태로 도시한다.
도 13은 본 발명에 따른 토크 센서의 제4 실시형태의 평면도이다.
도 14는 도 13에서 단면 XIV-XIV를 도시한다.
도 15는 제4 실시형태를 위에서 비스듬하게 공간적으로 표현한 도면이다.
도 16은 도 15를 절개한 형태로 도시한다.
도 17은 본 발명에 따른 토크 센서의 제5 실시형태의 평면도이다.
도 18은 도 17에서 단면 XVIII-XVIII를 도시한다.
도 19는 제5 실시형태를 위에서 비스듬하게 공간적으로 표현한 도면이다.
도 20은 도 19를 절개한 형태로 도시한다.
도 21은 본 발명에 따른 토크 센서의 제6 실시형태의 평면도이다.
도 22는 도 21에서 단면 XXII-XXII를 보여준다.
도 23은 제6 실시형태를 위에서 비스듬하게 공간적으로 표현한 도면이다.
도 24는 도 23을 절개한 형태로 도시한다.
도 25는 본 발명에 따른 토크 센서의 제7 실시형태의 평면도이다.
도 26은 도 25에서 단면 XXVI-XXVI를 보여준다.
도 27은 제7 실시형태를 위에서 비스듬하게 공간적으로 표현한 도면이다.
도 28은 도 27을 절개한 형태로 도시한다.

도 1 내지 도 4는 본 발명에 따른 토크 센서(10)의 제1 실시형태를 다양한 관점에서 도시한다. 토크 센서(10)는 본체(12)를 가진다. 여기서 본체는 종방향 중심축(A)(도 2 참조) 및 여기서 가상인 중간점(M)(도 1 참조)을 갖는 원형-디스크-형상이다. 본체(12)의 중앙에는 토크 센서(10)를 예를 들어 액슬 또는 샤프트(미도시)에 장착하는 역할을 할 수 있는 개구부(14)가 있다.

본체(12)의 중앙 개구부(14) 주위에는 복수의 제1 힘 도입점(16)(여기서는 8개의 제1 힘 도입점)이 배열되어 있고, 이들은 함께 환형 내부 플랜지(18)를 형성한다. 도시된 예시적인 실시형태에서, 각각의 제1 힘 도입점(16)은 본체(12)를 관통하여 축 방향으로 연장되는 보어이다. 환형 내부 플랜지(18)의 방사상 외부에는 기계적으로 약화된 센서 부분(20)이 있고, 이는 위와 마찬가지로 환형이다. 이 부분(20)의 기계적 약화는 본체(12)에 일련의 환형으로 배열된 개구(22)에 의해 달성되며, 이들 각각은 여기에 도시된 실시형태에서 파이 조각의 형상을 갖는다. 모서리가 둥근 구멍(22)은 축 방향으로 본체(12)를 완전히 관통한다. 원주 방향에서 볼 때, 개구(22)들 사이에는 방사상으로 연장되는 측정 스포크(24a)와 션트 스포크(24b)가 교대로 형성된다. 측정 스포크(24a)는 폭이 균일하며, 전기 출력 신호를 생성하도록 구성된 측정 변환기(26)(도 1, 5 및 9에만 도시됨)를 포함한다. 예를 들어, 이들 측정 변환기(26)는 공지된 방식으로 측정 스포크(24a)에 접착식으로 결합된 스트레인 게이지일 수 있다. 션트 스포크(24b)의 폭은 반경 방향 내측에서 반경 방향 외측으로 연속적으로 감소한다.

기계적으로 약화된 센서 부분(20)에 방사상 외측으로 인접하는 것은 방사상으로 강성이고, 여기서는 원형-링-형상인 본체(12)의 디커플링 영역(27)이다. 이는 반경방향으로 작용하는 힘이 본체(12)에 작용할 때, 방사상 탄성 재료 부분(28)에서 발생할 수 있는 힘에 대해 기계적으로 약화된 센서 부분(20)을 격리시키는 역할을 한다. 이에 대해서는 아래에서 더 자세히 설명한다.

위에서 이미 언급한 방사상 탄성 재료 부분(28)은 여기에서도 마찬가지로 원형-링-형상이며, 디커플링 영역(27)의 방사상 외부에 위치하고, 방사상 컴플라이언스로 인해 본체(12)에 도입되는 방사상 방향의 힘이 측정 결과를 왜곡시키지 않도록 한다. 방사상 탄성 재료 부분(28)의 예시적인 실시형태가 이하에서 더 상세히 설명될 것이다.

도 1 내지 도 4에 도시된 제1 예시적인 실시형태에서, 방사상 탄성 재료 부분(28)에는 원주 방향으로 연장되는 일련의 슬롯(30a, 30b)이 제공되며, 이들 슬롯은 방사상 탄성 재료 부분(28)을 완전히 통과하고 이에 따라 축 방향으로 본체(12)도 관통한다. 제1 실시형태에서, 각각의 슬롯(30a, 30b)은 원형-링-세그먼트-형상이고, 여기서 슬롯(30a, 30b)은 슬롯(30a)으로 구성된 제1 반경 방향 내부 그룹과 슬롯(30b)으로 구성된 제2 반경 방향 외부 그룹의 두 그룹으로 배열된다. 반경 방향 내부 그룹의 슬롯(30a) 각각은 원주 방향으로 약 55°범위를 갖는 반면, 반경 방향 외부 그룹의 각 슬롯(30b)의 범위는 약 45°에 불과한다. 다른 실시형태에서, 슬롯(30a, 30b)의 원주 범위는 더 작거나 더 클 수 있고, 슬롯(30a, 30b)의 원주 범위는 또한 동일할 수 있다. 제1 반경 방향 내부 그룹의 슬롯(30a)은 모두 본체(12)의 중간점(M)으로부터 동일한 거리에 있다. 마찬가지로, 제2 반경 방향 외부 그룹의 슬롯(30b)도 본체(12)의 중간점(M)으로부터 모두 동일한 거리에 있다. 그러나 이 방사상 거리 r2는 제1 그룹의 슬롯(30a)의 방사상 거리 r1보다 약간 더 크다. 도시된 바와 같이, 제1 그룹의 슬롯(30a)들은 원주 방향에서 보았을 때 제2 그룹의 슬롯(30b)들과 중첩되고, 이에 따라 각각의 중첩 영역은 방사상 탄성 벤딩 스트립(31)을 형성한다. 도 1 내지 도 4에 도시된 토크 센서(10)의 제1 실시형태에서, 방사상 탄성 재료 부분(28)은 8개의 방사상 탄성 벤딩 스트립(31)을 구비하며, 이는 방사상 탄성 재료 부분(28)에 소망하는 방사상 탄성을 제공한다.

방사상 탄성 재료 부분(28)의 반경방향 외측에는 제1 힘 도입점(16)과 마찬가지로 본체(12)를 축 방향으로 완전히 통과하는 보어 형태의 복수의 제2 힘 도입점(34)을 갖는 환형 외부 플랜지(32)가 있다. 도시된 예시적인 실시형태에서, 환형 외부 플랜지(32)는 동시에 본체(12)의 외주를 형성한다. 그러나 반드시 그럴 필요는 없다. 대신에, 토크 센서(10)의 의도된 적용 및 사용 분야에 따라, 환형 외부 플랜지(32)의 방사상 외부에 재료 영역(미도시)이 있을 수도 있다. 토크 센서(10)의 올바른 위치 설정을 위해, 외부 플랜지(32) 내에서 2개의 제2 힘 도입점(34)들 사이의 지점에 위치설정 개구(35)가 형성된다.

여기에 도시된 모든 실시형태에서, 토크 센서(10)의 본체(35)는 단편(one-piece) 즉 모놀리식(monolithic) 형태이고, 반경방향 전 범위에 걸쳐 축 방향으로 두께가 균일하다. 그러나 본체(12)를 여러 부분으로 구성하는 것도 가능하다. 본체(12)가 여러 부분으로 구성되어 있는 형태인지 여부에 관계없이, 축 방향으로 본체의 개별 부분의 두께가 다른 부분의 축 방향 두께와 다른 것도 마찬가지로 가능하다. 따라서, 예를 들어 환형 외부 플랜지(32)가 위치하는 영역은 안정성을 이유로 방사상 탄성 재료 부분(28) 및/또는 센서 부분(20)보다 축 방향으로 두께를 더 크게 설계할 수 있다. 환형 내부 플랜지(18) 및/또는 디커플링 영역(27)의 영역에 대해서도 동일한 사항이 적용된다. 본체(12)는 예를 들어 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 구성될 수 있지만, 다른 재료, 예를 들어 강으로도 제작될 수 있다.

방사상 탄성 벤딩 스트립(31)의 존재로 인해, 방사상 탄성 재료 부분(28)은반경 방향으로 탄성적으로 유연하고, 이에 따라 방사상 보상 영역으로 작용할 수 있으며, 축(A) 주위로 토크 센서(10)에 작용하는 틸팅 모멘트가 측정 변환기(26)가 위치하는 측정 스포크(24a)에 영향을 미치지 않게 한다. 외부 플랜지(32)에서 발생하는 변형, 예를 들어 타원형 또는 아치형 변형은 또한 측정 스포크(24a)에 영향을 미치지 않으며 이에 따라 측정 변환기(26)에 의해 생성되는 출력 신호의 오류(falsification)를 초래하지 않는다. 대신에, 그러한 타원형 또는 아치형 변형은 방사상 탄성 재료 부분(28)에 의해 효과적으로 흡수되고, 디커플링 영역(31)에 의해 측정 스포크(24a)로부터 멀어지게 된다. 한편으로 벤딩 스트립(31)은 그들이 반경 방향으로 쉽게 변형될 수 있음으로 인해 소망하는 방사상 탄성을 제공하지만, 다른 한편으로는, 원주 방향으로는 변형 저항이 크기 때문에, 반경 방향 탄성 재료 부분(28)에도 불구하고 토크 센서(10)는 원주 방향으로 높은 강성(stiffness)을 가지며 이에 따라 측정 스포크(24a)에 측정될 토크의 우수한 도입 및 전달을 위한 월등한 사양을 갖는다. 이러한 원주 방향의 높은 강성은 토크 센서(10)에 유입되는 토크를 정밀하게 감지할 수 있게 한다.

도 5 내지 도 8에 도시된 토크 센서(10)의 제2 실시형태는 도 1 내지 도 4에 도시된 제1 실시형태와 비교하여 반경 방향 탄성 재료 부분(28)의 구성만이 상이하다. 제1 실시형태의 원형-링-세그먼트-형상 슬롯들(30a, 30b) 대신, 제2 실시형태에서는 이와 마찬가지로 적어도 실질적으로 원주 방향으로 연장하는 슬롯들(30c, 30d)이 존재하는데, 이들 슬롯(30c, 30d) 각각은 적어도 하나의 원주 단부 부분(36a, 36b)을 가지는데, 본체(12)의 중간점(M)으로부터 이들의 반경 방향 거리는 동일한 슬롯(30c, 30d)의 다른 원주 부분(38a, 38b)의 본체(12)의 중간점(M)으로부터의 반경 방향 거리와 다르다. 도 5로부터 명확하게 알 수 있는 바와 같이, 각각의 슬롯(30c)은 방사상으로 더 안쪽에 위치된 2개의 원주방향 단부 부분(36a)과 전이 영역(37)에 의해 2개의 원주방향 단부 부분(36a)에 연결되는 중간 원주 부분(38a)을 갖는다. 여기서, 전이 영역(37)은 계단 형태이고, 원주 단부 부분(36a)보다 반경 방향으로 더 외측에 위치된다. 유사하게, 각각의 슬롯(30d)은 2개의 원주방향 단부 부분(36b) 및 중간 원주 부분(38b)을 갖지만, 여기서 원주방향 단부 부분(36b)은 중간 원주 부분(38b)보다 방사상으로 더 바깥쪽에 배열된다. 마찬가지로 도 5로부터 명백히 알 수 있는 바와 같이, 도시된 예시적인 실시형태에서 슬롯(30d)의 원주방향 단부 부분(36b)은 본체(12)의 중간점(M)으로부터 반경 방향 거리 떨어져 있으며, 이는 슬롯(30c)의 중간 원주방향 부분(38a)의 반경방향 거리에 대응한다. 반면, 각 슬롯(30d)의 중간 원주 부분(38b)의, 본체(12)의 중간점(M)으로부터 반경 방향 거리는 원주방향 단부 부분(36a, 36b)들의 반경 방향 거리 사이에 있다.

도 5로부터 슬롯(30c, 30d)들이 그 원주 단부 부분(36a, 36b)들의 영역에서 원주 방향으로 중첩되고 이에 의해 다시 총 8개의 반경방향 탄성 벤딩 스트립(31)을 형성한다는 것이 명백하다.

제1 실시형태와 관련하여 설명한 반경방향 탄성 재료 부분(28)의 장점은 제2 실시형태에도 마찬가지로 적용된다.

도 9 내지 도 12는 토크 센서(10)의 제3 실시형태를 도시한다. 이는 반경 방향 탄성 재료 부분(28)의 구성에 의해서만 위에서 설명한 두 실시형태와 다르다. 처음 두 실시형태와 달리, 제3 실시형태에는 2개 그룹의 슬롯(30a, 30b 또는 30c, 30d)이 없고, 단지 균일한 디자인의 복수의 슬롯(30e)이 존재한다. 이들은 적어도 실질적으로 원주 방향으로 연장된다는 점에서 처음 두 실시형태에 부합한다. 각각의 슬롯(30e)은 계단형 전이 영역(37)에 의해 함께 연결되는 원주방향 단부 부분(36a) 및 원주방향 단부 부분(36b)을 갖는다. 원주방향 단부 부분(36a)은 원주방향 단부 부분(36b)보다 더 안쪽으로 방사상으로 배열된다. 원주 방향 단부 부분(36a, 36b)의 영역에서. 슬롯(30e)은 원주 방향으로 중첩되어 총 16개의 방사상 탄성 벤딩 스트립(31)을 형성한다.

제3 실시형태의 이점은 처음 두 실시형태의 이점에 대응한다.

도 13 내지 도 16은 전체적으로 제1 실시형태와 매우 유사한 토크 센서(10)의 제4 실시형태를 도시한다. 제1 실시형태에서와 같이, 반경 방향 탄성 재료 부분(28)은 원형-링-세그먼트-형상 슬롯의 두 그룹 즉 슬롯(30a)으로 구성된 반경 방향 내부 그룹 및 슬롯(30b)으로 구성된 반경 방향 외부 그룹을 갖는다. 도 1 내지 도 4에 도시된 제1 실시형태와 달리, 제4 실시형태에서 각 슬롯(30a, 30b)의 원주방향 크기는 제1 실시형태보다 더 작고, 각 그룹은 더 많은 슬롯을 포함한다. 제1 실시형태에서 반경 방향 내부 그룹 및 반경 방향 외부 그룹은 각각 4개의 슬롯(30a 또는 30b)을 포함하지만, 제4 실시형태에서는 반경 방향 내부 그룹에 8개의 슬롯(30a)이 있고 반경 방향 외부 그룹에 8개의 슬롯(30b)이 있다. 이에 따라 방사상 탄성 재료 부분(28)의 슬롯들(30a, 30b)의 중첩 영역에는 총 16개의 방사상 탄성 벤딩 스트립(31)이 형성된다.

제4 실시형태의 구조는 제1 실시형태에 대응하고, 제1 실시형태와 관련하여 설명된 이점은 제4 실시형태에도 적용된다.

도 17 내지 도 20은 토크 센서(10)의 제5 실시형태를 도시하는데, 그 구조는 지금까지 설명된 실시형태들과는 약간 다르다. 지금까지 설명된 실시형태와 달리, 제5 실시형태에서 제2 힘 도입점(34)을 갖는 환형 외부 플랜지(32)는 반경 방향 강성 디커플링 영역(27), 기계적으로 약화된 센서 부분(20) 및 제1 힘 도입 지점(16)을 갖는 환형 내부 플랜지(18)가 위치하는 단면 평면에 대해 약간 오프셋된 단면 평면에 위치된다. 환형 외부 플랜지(32)를 환형 디커플링 영역(27)에 연결하는 반경방향 탄성 재료 부분(28)은 환형 디커플링 영역(27)의 평면에서 시작하며, 여기에서 이것은 원형-링-세그먼트-형상 슬롯(30f)의 제1 그룹을 가지며, 여기에서는 8개의 슬롯(30f)으로 구성된다. 각각의 슬롯(30f)은 지금까지 설명한 실시형태에서와 같이 축 방향으로 본체(12)를 완전히 관통한다.

디커플링 영역(27), 센서 부분(20) 및 내부 플랜지(18)가 위치하는 제1 단면 평면의 외주 가장자리(40)에서, 방사상 탄성 재료 부분(28)은 제1 단면 평면 외측으로 L자형으로 구불어지고, 원형-링-형상의 축방향 연장 원주 벽(42)에 의해 환형 외부 플랜지(32)가 배치되는 제2 단면 평면과 연결된다. 환형 외부 플랜지(32)는 원형-링-형상의 원주 벽(42)으로부터 반경방향 외측으로 연장된다.

반경방향 탄성 벤딩 스트립(31)을 형성하기 위해, 원형-링-형상의 원주 벽(42)에는 여기서 마찬가지로 8개의 슬롯(30g)으로 구성되는 원형-링-세그먼트-형상 슬롯(30g)의 제2 그룹이 제공된다. 각 슬롯(30g)은 반경 방향으로 원주 벽(42)을 통과하고, 원주 방향으로 제1 그룹의 2개의 슬롯(30f)과 겹치도록 배열된다. 도시된 예시적인 실시형태에서, 원주 벽(42)의 슬롯(30g)은 환형 외부 플랜지(32) 바로 아래 및 제1 단면 평면을 정의하는 본체(12) 부분 위에 위치된다. 그러나, 슬롯(30g)을 슬롯(30f)에 축방향으로 더 가깝게 이동시키는 것도 마찬가지로 생각할 수 있지만, 이는 제조 면에서 더 큰 지출을 수반한다.

슬롯(30f, 30g)이 원주 방향으로 겹침으로써 반경방향 탄성 재료 부분28)에, 보다 구체적으로는 원형-링-형상의 원주 벽(42)에 반경방향 탄성 벤딩 스트립(31)이 형성되며, 벤딩 스트립의 개수는 슬롯 수와 겹치는 영역 수에 따라 다르다. 여기에 도시된 예시적인 실시형태에서, 반경방향 탄성 재료 부분(28)은 슬롯(30f, 30g)이 상호 겹치는 결과로서 각각 8개의 총 16개의 반경방향 탄성 벤딩 스트립(31)을 갖는다.

기능적 관점에서, 제5 실시형태는 전술한 처음 4개의 실시형태들과 정확히 동일하게 동작한다.

도 21 내지 도 24는 토크 센서(10)의 제6 실시형태를 도시하며, 그 구조는 전술한 제5 실시형태와 유사하다. 그러나, 제5실시형태와 달리 환형 외부 플랜지(32)는 원형-링-형상의 원주 벽(42)으로부터 반경방향 내측으로 연장되어 제2 힘 도입점(34)도 제5 실시형태보다 반경방향 내측에 위치하지만, 토크 센서의 치수는 동일하게 유지된다. 반경방향 탄성 재료 부분(28)의 구조는 제5 실시형태의 구조에 대응한다.

도 25 내지 도 28은 토크 센서(10)의 제7 실시형태를 도시하며, 그 구조는 제4 실시형태와 원리적으로 유사하다. 제7실시형태의 본체(12)는 제4 실시형태와 마찬가지로 디스크-형이고, 모놀리식이지만 외형은 팔각형이다. 따라서 외부 플랜지(32)는 환형이지만 원형-링-형상은 아니다. 이는 방사상 탄성 재료 부분(28) 및 방사상 강성 디커플링 영역(27)의 형상에도 적용된다.

반경 방향 탄성 재료 부분(28)도 그 구조가 지금까지 설명한 실시형태와 약간 다르다. 예를 들어 제4 실시형태와 일치하게 반경 방향 내부 슬롯 그룹과 반경 방향 외부 슬롯 그룹이 있으며, 제7 실시형태에서는 8개의 반경 방향 내부 슬롯(30h)과 8개의 반경 방향 외부 슬롯(30i)으로 구성되지만, 슬롯(30h, 30i) 중 어느 것도 원형-링-세그먼트-형상이 아니다. 대신, 각각의 반경 방향 내부 슬롯(30h)은 굽힘부와 함께 연결된 2개의 선형 부분으로 구성되며, 여기서 굽힘 지점은 각 경우 팔각형의 코너에서 본체(12)의 중간점까지 연장되는 반경 라인에 위치한다. 각각의 반경 방향 외부 슬롯(30i)은 전체적으로 선형으로 연장되며 8각형의 코너에서 본체(12)의 중간점까지 연장되는 반경 라인을 가로지르지 않는다. 도시된 바와 같이, 원주 방향에서 슬롯들(30h, 30i)이 중첩되어, 방사상 탄성 벤딩 스트립(31), 여기서는 총 16개의 벤딩 스트립(31)이 그 중첩 영역에 형성된다.

슬롯(30h, 30i)의 형상이 약간 다르지만, 반경방향 탄성 재료 부분(28)에 형성된 반경방향 탄성 벤딩 스트립(31)의 기능은 전술한 실시형태의 반경방향 탄성 벤딩 스트립(31)의 기능에 대응한다. 따라서 동일한 장점도 얻을 수 있다.

본 발명에 따른 토크 센서(10)는 도시되고 설명된 실시형태에 제한되지 않는다는 것을 이해할 것이다. 오히려, 방사상 탄성 재료 부분(28)에는 원주 방향으로 높은 강성을 제공하는 동시에 방사상 방향으로 원하는 탄성을 생성하는 다수의 추가 가능한 슬롯 구성이 있다. 따라서, 예를 들어, 제7 실시형태에서, 구부러진 슬롯들이 방사상 외부에 배열되고 선형 슬롯이 내부에 배열될 수 있거나, 반경방향 내부 및 반경방향 외부 슬롯 모두 구부러진 형태를 가질 수 있다. 또한, 방사상 탄성 재료 부분(28)에는 터빈 블레이드 방식으로 방사상 탄성 재료 부분(28)에서 연장되는 일련의 슬롯이 제공될 수 있다. 많은 추가 슬롯 구성 및 가능한 조합은 본 발명의 기본 개념에서 벗어나지 않고 당업자에게 명백할 것이다.

Claims (15)

1. 축방향과 원주방향으로 연장하는 토크 센서(10)로, 상기 토크 센서는 제1 힘 도입점(16)을 구비하는 환형 내부 플랜지(18)로부터 출력 신호를 생성하기 위한 측정 변환기가 제공되어 있는 기계적으로 약화된 센서 부분(20)을 거쳐 제2 힘 도입점(34)을 구비하는 환형 외부 플랜지(32)까지 본체의 반경 방향으로 연장하고, 제2 힘 도입점(34)은 반경방향 탄성 재료 부분(28)에 의해 센서 부분(20)에 연결되고,
   - 반경방향 탄성 재료 부분(28)은 본체(12)의 원주에 걸쳐 분산 배치되어 있는 복수의 반경방향 탄성 벤딩 스트립(31)에 의해 형성되고,
   - 반경방향 탄성 재료 부분(28)은 환형의, 반경방향 강성 디커플링 영역(27)에 의해 기계적으로 약화된 센서 부분(20)에 연결되는 것을 특징으로 하는 토크 센서.
2. 제1항에 있어서, 반경방향 탄성 벤딩 스트립(31)은 축방향 또는 반경방향으로 반경방향 탄성 재료 부분(28)을 관통하는 일련의 슬롯들(30a, 30b; 30c, 30d; 30e)에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 토크 센서.
3. 제2항에 있어서, 슬롯들(30a, 30b; 30c, 30d; 30e)은 적어도 실질적으로 원주방향으로 연장하는 것을 특징으로 하는 토크 센서.
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 적어도 3개의 벤딩 스트립(31)이 본체(12)의 원주에 걸쳐 분산 배치되는 것을 특징으로 하는 토크 센서.
5. 제3항에 있어서, 적어도 실질적으로 원주방향으로 연장하는 슬롯들(30a, 30b) 각각이 원형-링-세그먼트-형상인 것을 특징으로 하는 토크 센서.
6. 제5항에 있어서, 원형-링-세그먼트-형상의 슬롯들(30a, 30b)이 적어도 2개의 그룹으로 배치되되, 각 그룹은 본체(12)의 중간점(M)으로부터 다른 반경방향 거리에 있는 것을 특징으로 하는 토크 센서.
7. 제6항에 있어서, 한 그룹의 원형-링-세그먼트-형상의 슬롯(30a)이 다른 그룹의 원형-링-세그먼트-형상의 슬롯(30b)에 대해 원주방향으로 오프셋 되어 배치되는 것을 특징으로 하는 토크 센서.
8. 제6항에 있어서, 모든 그룹의 원형-링-세그먼트-형상의 슬롯들(30a, 30b)이 서로에 대해 원주방향으로 오프셋 되어 배치되는 것을 특징으로 하는 토크 센서.
9. 제3항에 있어서, 적어도 실질적으로 원주방향으로 연장하는 슬롯들(30c, 30d; 30e)은 본체(12)의 중간점(M)으로부터의 반경방향 거리를 갖는 원주 부분(36a; 36b)을 구비하되, 그 반경방향 거리는 적어도 실질적으로 원주방향으로 연장하는 슬롯들(30c, 30d; 30e)의 다른 원주 부분(38a; 38b)의 본체(12)의 중간점(M)으로부터의 반경방향 거리와 다른 것을 특징으로 하는 토크 센서.
10. 제3항에 있어서, 적어도 실질적으로 원주방향으로 연장하는 슬롯들의 다른 본체(12)의 중간점(M)으로부터의 반경방향 거리가 슬롯 프로파일에 걸쳐 연속적으로 변화하는 것을 특징으로 하는 토크 센서.
11. 제2항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 슬롯들(30a, 30b; 30c, 30d; 30e) 중 적어도 일부는 원주방향으로 중첩하는 것을 특징으로 하는 토크 센서.
12. 선행하는 청구항들 중 어느 한 항에 있어서, 본체(12)가 원형-디스크-형상인 것을 특징으로 하는 토크 센서.
13. 선행하는 청구항들 중 어느 한 항에 있어서, 본체(12)가 모놀리식인 것을 특징으로 하는 토크 센서.
14. 선행하는 청구항들 중 어느 한 항에 있어서, 측정 변환기가 스트레인 게이지(26)인 것을 특징으로 하는 토크 센서.
15. 선행하는 청구항들 중 어느 한 항에 있어서, 제2 힘 도입점(34), 반경방향 탄성 재료 부분(28), 환형 디커플링 영역(27), 센서 부분(20) 및 제1 힘 도입점(16)은 공통 반경방향 단면 평면을 갖는 것을 특징으로 하는 토크 센서.

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