KR900000660B1 - 비접촉 토오크 센서 - Google Patents

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KR900000660B1 KR1019850005056A KR850005056A KR900000660B1 KR 900000660 B1 KR900000660 B1 KR 900000660B1 KR 1019850005056 A KR1019850005056 A KR 1019850005056A KR 850005056 A KR850005056 A KR 850005056A KR 900000660 B1 KR900000660 B1 KR 900000660B1
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제이.플레밍 윌리암
레이슈 더미트루
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티 알 더블유 인코오포레이티드
씨.티.하아비
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Abstract

내용 없음.

Description

비접촉 토오크 센서
제1a도와 1b도와 1c도는 각각 종래기술의 비접촉 토오크 센서에 대한 평면도와 측면도와 단면도.
제2a도와 2b도와 2c도는 각각 본 발명에 따른 비접촉 토오크센서의 평면도와 측면도와 단면도.
제3도는 제2도의 토오크 센서에 사용되는 전류의 블록선도.
제4a도와 4b도와 4c도는 각각 본 발명에 따른 비접촉 토오크센서의 제2실시예에 대한 평면도와 측면도와 단면도.
제5도는 본 발명의 토오크센서를 결합시킨 동력조향 장치의 블록선도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
10 : 토오크센서 12 : 축
14, 16, 18, 20, 22 : 전극 25, 62 : 요우크
50 : 비접촉 토오크센서 52, 54, 56, 58, 60 : 전극
68, 70, 72 : 시그널 픽업코일 78, 80, 82 : 플랜지
202 : 조향핸들 204 : 조향축
본 발명은 축에 적용된 토오크를 감지하는 장치에 관한 것이다. 토오크는 종종 다른 형태의 구조 응력을 측정하는데 사용되는 것과 동일한 일반적인 기술에 의해 측정된다. 응력 측정의 가장 일반적인 전기적 방식은 측정하려는 변형을 받을 부재에 압전 변형 게이지와 같은 변형 감응 요소를 직접 결합시키는 것이다.
그러나 측정 또는 표시회로(언제나 고정되어 있을)와 변형게이지(움직일)를 전기적으로 연결시키거나 곤란하기 때문에 응력을 받은 부재가 회전하거나 그렇지 않으면 이동하는 경우에는 이 기술이 유리하지 못하다. 그러한 경우에 있어서 오히려 응력 센서가 고정되어야만하고 그러므로 가동 부재에 굳게 부착시키지 않고 응력을 측정할 수 있어야만 한다. 비접촉 응력 센서들이 이러한 요구를 만족시키기 위해 계발되어왔다.
비접촉 응력 센서류는 재료에 적용된 응력의 정도에 따라 어떤 강자성 재료에 관한 투자율의 알려진 종속함수를 이용한다. 일반적으로 그러한 센서는 응력상태가 측정될 강자성 부재 가까이에 장기장을 생성하고 그 부재에 귀착된 자력선속의 진폭을 결정하므로서 작동한다. 재로를 통하여 흐르는 자력선속의 레벨이 재료의 투자율과 직접적인 관련이 있으므로 재료에 적용된 응력의 정도에 따라서 측정된 자력선속의 레벨이 증가하거나 감소한다. 자력선속을 생성하고 측정하는 센서 요소는 강자성 부재가까이에 배치되지만 접촉하지는 않는다. 그러므로 센서는 부재 자체가 움직일때 조차 움직이지 않을 수 있다.
투자율과 응력사이의 함수관계를 이용하는 토오크센서는 자동차에 적용하기 위해 계발되어 왔다. 그러한 자력기지 비접촉 토오크센서의 여러 가지 형태의 측정은 SAE(자동차 기술자 학회) 논문 820904와 820206에서 발견된다. 이논문들에 기술된 자기 기지 토오크센서들은 가동축의 토오크를 측정할 수 있고 빠른 감응 속도와 양호한 안정도를 모두 나타낼 수 있다. 그러나 기술된 토오크센서에 있어서, 측정된 자력선속이 축의 투자율 이상으로 좌우된다. 그러므로 또한 측정된 자력선속이 토오크 측정장치의 자극과 배된 자극에 인접한 축사이의 공기 갭의 크기에 따라 좌우된다, 축의 평행이동, 예를 들면 진동 및 축의 위치에서 축방향 또는 가로이동은 공기갭폭의 증가나 감소를 야기할수 있고 그것에 의해서 축 내부의 실제 토오크 변화와 무관한 센서 출력의 허위 변화를 일으킨다. 여태까지, 그러한 문제들은 일정한 반경을 갖도록 축을 정밀하게 기계화하고 우선공기 갭 변화를 일으키는 축 이동과 진동을 최소화하므로서 처리되어 왔다.
본 발명은 센서와 관련있는 축의 방사 및 축 이동에 비교적 둔감한 비접촉 자기기지 토오크센서를 제공한다.
본 발명에 따라서, 장치가 축의 비틀림 부하를 감지하기 위해서 제공되고 투자율이 축의 비틀림 부하에 응하여 변화한다. 장치는 축을 통과하는 장기장을 생성하는 요소와 투자율 변화에 의해 야기되는 자기장의 변화를 검파하는 요소로 구성된다. 특히 자기장은 축의 외부나 내부에서 자력선속을 연결하기 위해서 축에 인접하게 배치된 적어도 하나의 자극에 의해 자기장이 생성되고 그곳에서 자극이 공기갭에 의해 축과 분리된다. 축은 배치된 자극에 인접하여 방사적으로 연장하여 설치한 표면을 가지며 그것에 의하여 공기갭이 축과 자극의 방사적 표면 사이의 축 간격으로 나타난다. 그러므로 공기갭은 축의 방사이동에 따라서 변하지 않는다.
본 발명의 다른 관점에 따라서 축은 축방향과 마주보는 면인 방사적으로 연장하여 설치한 첫째 및 둘째 면을 가진다. 적어도 두개의 자극이 제공되며 방사적으로 연장하여 설치한 첫째 및 둘째 면중에서 상응하는 것에 인접하게 제각기 배치된다. 자극의 자력 선속이 검파되고 제공된 출력시그널이 두 자극의 총자력 선속량을 나타낸다. 축의 방사이동이 표면과 자극사이의 공기갭을 변화시키지 않기 때문에 출력시그널이 축의 축방향 및 방사이동에 따라 변화지 않고 축의 축이동이 자극과 제각기 방사적으로 연장하여 설치하면 사이의 공기갭의 폭에 있어서 상쇄된 변화를 초래한다.
여전히 본 발명의 다른 관점에 따라서 축의 비틀림 부하의 변화에 따라 나선형응력선을 따라서 투자율이 변하는 장치가 축의 비틀림 부하를 감지하기 위해서 제공된다. 그장치는 자극과 축을 통하여 지나는 자기장을 생성하기 위해서 축 가까이에 배치된 여자 자극들을 포함한다. 네개의 다른 자극들이 축에 인접하여 가깝게 배치되지만 각각의 공기 갭에 의해 축과 분리된다. 이 자극들은 축으로부터 여자자극까지 자력선속의 복귀를 위해 통로를 제공한다. 자극중 두개는 배치된 자극에 인접한 축위의 점을 통하여 지나는 두개가 나선형 응력선중 하나를 따라 위치한 축에 인접하게 배치된다. 이 두개의 자극은 여러자극의 맞은편에 여자자극과 등거리에 배치된다. 네개의 자극중 나머지 두개의 자극은 배치된 여자자극에 인접한 축위의 점을 통하여 지나는 두개의 나선형 응력선의 다른 것을 따라 위치한 축에 인접하여 배치된다. 이 자극들은 또한 여자자극의 맞은편에 여자자극과 등거리에 배치된다. 자극들중 두개는 배치된 여자자극에 인접합 축위의 점을 통과하는 두개의 나선형 응력선중 하나를 따라 축 위치에 인접하게 배치된다. 그러므로 축의 방사이동이 두개의 공기갭폭에 있어서 상쇄된 변화를 일으킨다. 자극을 통하여 지나는 자력선속의 변화를 감지하고 감지된 변화에 따라서 축의 비틀림 부하를 나타내는 출력시그널을 제공하기위해서 감지코일이 구비된다.
본 발명의 전술한 그리고 다른 관점 및 장점들은 첨부된 도면과 관련하여 발명의 상세한 설명에 의해 더 쉽게 설명될 것이다.
제1a도와 1b도와 1c도는 비접촉 자기 기지 토오크센서의 종래의 기술을 도시한다. 제1a도와 1b도와 1c도에 있어서, 토오크센서(10)는 측정하려는 토오크를 축(12)에 인접하게 배치한다. 본래 토오크센서(10)는 다섯개의 자극(14,16,18,20,22)장치로 구성된다. 다섯개의 자극중 각각은 축에 인접하게 배치된 한단부와 요우크(25)를 통과하여 다른 네개의 자극단부에 결합된 다른 단부를 갖는다. 요우크와 다섯개의 자극들은 고투자율 재료로된 복박판으로 구성된다. 평면도(제1a도)에 도시된 것처럼 자극들중 네개(14,16,18,20)는 축(12)을 따라 직교하는 나선형 응력통로(S1,S2)위로 향한 정방형의 대각선을 가진 정방형에 배치된다. 다섯번째의 자극을 정방형의 중심에 있다. 다섯개의 자극 모두의 단부들은 축(12)에 인접하게 배치되고 단부 표면들이 축의 원통형 외면과 동심을 이루도록 기계제작된다.
여자코일(32)이 중심자극(22)의 둘레에 감기고 단일 픽업코일들(24,26,28,30)이 제각기 네개의 코오너 자극(14,16,18,20)중 상응하는 것의 둘레에 감긴다. 이 여자코일들은 종래의 것이며 에나멜 구리선을 여러번 감은 것으로 형성된다. 여자코일(32)이 AC신호 발생기(도시되지 않음)에 의해 구동되고 따라서 여자코일이 감겨진 중심 자극(22)에 자기장이 유도된다. 자기장은 중심자극(22)를 통과하여 축(12)을 통과하여 지나고 그리고나서 네개의 각각의 코오너 자극들(14,16,18,20)과 요우크(25)를 통과하여 중심자극(22)인 여자자극에 복귀한다.
네개의 코오너 자극들(14,16,18,20)은 서로 유사하고 중심자극(22)으로부터 등거리에 배치되며 같은 반경의 공기갭에 인하여 축(12)에 치환된다. 이 때문에, 축(12)의 투자율이 네개의 자력선속 통로 모두를 따라 동일하기만 하면 네개의 각각의 코오너 자극들을 통과하여 여자코일에 복귀하는 자력선속의 양이 같다.
토오크가 축에 적용되지 않는 한 축(12)의 투자율이 완전히 동일하다. 그러나 토오크 T가 축(12)에 적용될 때 축(12)은 한 나선형 응력방향(즉 코오너 자극들 (14,18)사이에 대각선을 따르는 S1을 따라서)으로 인장을, 첫째 나선형 방향과 직교하는 둘째의 나선형 응력방향(즉 코오너 자극(16,20) 사이에 대각선을 따르는 S2를 따라서)으로 압축을 받는다. 축(12)을 형성하는 강자성 재료의 투자율이 재료의 응력에 따라서, 인장하면 증가하고 압축이면 감소, 변한다. 따라서 축(12)의 투자율은 축(12)에 토오크를 적용할때 첫째 나선형 방향으로 증가하고 둘째 나선형 방향으로 감소한다.
투자율의 변화는 중심자극과 코오너 자극을 결합하는 직교하는 두개의 나선형 응력선(S1,S2)을 따라서 자력선속량 사이의 차이를 결정하므로서 검파된다. 자력 선속의 차이를 결정하기 위해서, 픽업코일(24,28)의 출력이 함께 더해지고 픽업코일(26,28)의 출력이 함께 더해진다. 그래서 픽업코일(26,30)의 연합된 출력이 픽업코일(24,28)의 연합된 출력에서 빼진다. 축(12)이 토오크를 받지 않는한 시그널 차이가 0이고 그러므로 이 경우에 있어서 나선형 응력선(S1,S2)을 따라서 축의 투자율이 같다. 그반면에 토오크가 축(12)에 적용될때 시그널 차이는 토오크의 방향에 따라서 양이거나 음이고 토오크의 크기를 직접 표시하는 크기를 갖는다.
불행하게도 제1도 장치의 코오너 자극을 통과하여 지나는 자력선속의 레벨이 나선형 응력선을 따라서 축(12)의 투자율 뿐만 아니라 자극들과 축(12)사이의 공기갭의 폭에도 좌우된다. 그러므로 공기갭의 변화가 비접촉 토오크센서에 의해 제공된 출력시그널에 영향을 미친다. 공기갭폭의 변화가 축(12)의 방시이동에 의해 야기될수 있다. 예를 들면 축의 방시진동이 센서에 의해 제공된 출력시그널이 허위 AC진동을 야기한다. 실질적인 시그널 필터링(filter-ing)을 추가하므로서 센서 출력의 허위 AC진동이 감소될 수 있다. 그러나 추가된 필터링은 장치의 반응율을 감소시키기 때문에 바람직하지 못하다. 축(12)의 위치는 다소 장기적인 관점에서볼때 방사적으로 이동하고 게다가 필터링을 통하여 제거될수 없는 허위센서 출력을 생성한다. 공기갭의 모든 진동에 의해 생성된 허위 출력시그널이 전혀 생성될수 없거나 제거될수 없는 것이 바람직하다.
제2a와 2b와 2c도는 본 발명의 설명에 따라서 비접촉 토오크센서의 한 실시예의 세가지 다른 도면이다. 제2도의 비접촉 토오크센서(50)는 다섯개의 자극(52,54,56,58,60)을 포함한다. 다섯개의 자극들은 정사각형판으로 구성되므로 제2도에서 보여준것처럼 요우크(62)에 의해 결합된다. 자극들과 요우크는 규소철과 같은 고투자율 재료의 복합층을 재구성된다. 제1도에서 처럼, 네개의 자극(54,56,58,60)은 정사각형 요우크(25)의 코오너에 배열되고 나머지 자극(52)은 요우크(25)의 중심에 위치한다. 가로흠(64)이 중심자극(52)을 두개의 자극편(52a,52b)으로 분리한다. 여자코일(66)이 전체 중심자극(52)둘레에 감기도 시그널 픽업코일들(68,70,72,74)이 네개의 코오너 자극들중 상응하는 것의 둘레에 제각기 감겨진다.
제2도의 실시예에 있어서, 축(76)은 세개의 환상형 강자성 플랜지(78,80,82)를 수반한다. 자력선속 통로들의 모든 공기갭들이 플랜지의 방사적으로 연장하여 설치한 표면과 자극들 사이에 있도록 자극들이 플랜지에 인접하게 배치된다. 특히 중앙플랜지(80)가 중심자극(52)의 가로홈(64)에 받아들여지도록 비접촉 토오크(50)가 축위에 위치한다. 그러므로 자극편중 하나(52A)는 중앙플랜지의 축한쪽 위에 있고 다른 자극편(52B)은 중앙플랜지(80)의 축 다른쪽위에 있다.
두개의 바깥쪽 플랜지들(78,82)은 중앙플랜지(80)로부터 축방향으로 축(76)위의 나선형 응력선 피치의 1/4과 같은 양 A1만큼 떨어져 있다.(바꾸어 말하면, 바깥쪽 플랜지들은 중앙플랜지(80)로부터 축원주의 1/4만큼 떨어져 있고 그러므로 축위의 주요한 나선형 응력선의 피치가 축원주와 같은 것으로 알려졌다) 그러므로 배치된 중심자극(52)에 인접한 축의 표면위의 점을 통과하는 나선형 응력선은 외부플랜지중(78,80)어느하나에 도착하기 전에 축둘레를 90°이동한다. 그러므로 최대 민감도 때문에 외부자극들(54,56,58,60)이 중심 자극(52)에 인접한 점에 대해 축둘레의 90°인 점들에서 외부플랜지(78,82)로부터 자력선속을 받아 들이기 위해 배치될수 있다. 그래서 자극들(58,60)이 축(76)에 인접한 점과 전혀 맞은편의 점에서 자극들(54,56)이 축(76)에 인접한다.
코오너 자극들(54,56,58,60)은 축(76)의 반경보다 더 큰 양 B1만큼 중심자극(52)의 중심에서 가로로 분리된다. 또한 네개의 코오너 자극(54,56,58,60)모두는 축위의 어느한쪽위에서 축의 중심반경을 지나서 연장하여 설치할 정도로 길다. 이것은 제2d도에 가장 잘 도시되어 있다. 대체로 코오너 자극들의 각각이 축의 원통형 표면에 있을때보다 그것과 연합된 플랜지의 방사상으로 연장하여 설치한 표면과 더 가깝도록 중심자극(52)에 대하여 코오너 자극들(54,56,58,60)의 축 간격이 선택된다.(즉 1밀리미터 대 10밀리미터) 그러므로 대부분의 자력선속이 코오너 자극들과 축자체 사이에 방사상 갭을 횡단하기 보다 오히려 코오너 자극들과 플랜지 사이의 축방향갭들을 횡단하여 지난다.
제2도에 도시된 장치는 전혀 맞은편의 시그널 픽업코일들의 출력이 서로 합해지는 한 축(76)의 축방향과 측면의 움직임에 매우 둔감하다. 그러므로 축(76)이 축방향의 왼쪽으로 이동하면 제2a도와 제2b도에 도시된것처럼 플랜지(78)가 코오너 자극(56,58)에 접근하고 그것에 의하여 이 자극들과 플랜지(78)사이의 공기갭이 축소된다. 그러나 동시에 다른 바깥쪽 플랜지(82)는 다른코오너 자극들 (54,60)에서 멀어지고 그것에 의해서 이 자극들과 플랜지(82)사이에 공기갭이 상쇄된 양만큼 증가된다. 따라서 자극들(54,58)을 통과하는 자력선속의 총량과 자극들(56,60)을 통과하는 자력선속의 총량은 변하지 않는다. 또한 중앙 플랜지(80)와 중심자극(52)사이의 실제적인 공기갭은 대체로 일정하고 그러므로 플랜지(80)가 자극편(52B)에 더 가까이 이동하나 자극편(52A)으로부터 더 멀어진다.
유사한 결과가 축(76)의 방사이동때에도 발생한다. 예를 들어, 축(76)이 왼쪽으로 약간 움직이면 제2c도에 도시된 것처럼 플랜지들(78,82)이 약간 큰범위로 코오너 자극들(54,56)과 겹치고 그것에 의해서 이 자극들을 통과하는 자력선속의 더큰 결합이 제공된다.
그러나 동시에 바깥쪽 플랜지들(78,82)이 다른 코오너 자극들 (58,60)로부터 멀어지고 그것에 의하여 이 자극들이 가지는 자력선속 결합이 감소된다. 그러므로 제각기 코오너 자극들의 전연 마주보는 자극쌍을 통과하는 자력선속의 총량도 여전히 대체로 일정하다.
축(76)이 약간 위로 움직이면(다시 제2c도를 보면)바깥쪽 플랜지들과 코오너 자극편들 사이의 공기갭의 폭과 횡단면적이 여전히 일정하다. 중심자극(52)과 중앙플랜지(80)사이의 공기갭의 횡단면적이 증가하면 중심자극과 축(76)사이의 약간 더큰 자력선속 결합을 제공한다. 그러나 이 결과는 출력시그널에 크게 영향을 미치지 않으므로 네개의 코오너 자극들 모두를 통과하는 자력선속의 양을 증가시킨다. 결국 제3도에 도시된 시그널 처리회로(하기 기술)는 축(76)과 중심자극(52)사이의 결합에 있어서 진동과 같은 토오크센서출력 시그널을 자동적으로 보정하기 위해서 시그널 정규화를 포함한다.
제2a도와 2b도와 2c도의 장치에 의해 제공된 개선은 주로 장치의 두가지 특징 때문이다. 첫째, 축과 자극편들 사이의 공기갭들이 모두 축상의 공기갭들이므로 축(76)의 방사이동시에 공기 갭이 증가하거나 감소하지 않는다. 둘째로, 네개의 코오너 자극들이 축(76)에서 대칭되는 위치에 배치된다. 두개의 자극들(54,56)이 자극들(58,60)에 대하여 축의 전연반대편 쪽에 있으므로 어떤 또는 다른 공기갭의 횡단면적의 감소를 증가시킬 축의 방사변위가 상쇄된 양만큼 축의 반대쪽 공기갭의 횡단면적에 자동적으로 영향을 미친다. 유사하게 코오너 자극들이 플랜지(78,82)의 맞은편 쪽에 인접해 있다. 그러므로 어떤 플랜지와 관련된 공기갭의 폭을 증가시키는 축(76)의 축이동이 다른 플랜지와 관련된 공기갭의 폭에 있어서 상쇄된 감소를 야기한다. 그결과 토오크센서는 축(76)과 센서 조립체(50)의 상대위치에 영향을 미치는 진동 및 다른 기계적 방해에 매우 둔감하다.
제2도의 장치는 제1도인 종래 기술보다 여러개의 다른 장점들을 가지고 있다. 제2도에 있어서, 두개의 평행한 평면이 제각기 공기갭을 한정한다. 제1도인 종래 기술에 자극편 단부들안에서 굴곡진 표면들을 기계제작하는 것보다 대체로 그러한 평면들을 기계제작하기가 더쉽다. 더구나 중심자극과 코오너 자극들 사이의 자력선속 통로는 제1도와 근사한 종래 기술의 장치보다 제2도 장치에서 휠씬더 길다. 제2도 장치의 자력선속 통로에 대한 투자율의 변화는 제1도장치의 비교적 더 짧은 자력선속 통로에 대한 투자율의 변화보다 자력선속의 총량에 있어서 더큰 변화를 생성한다. 따라서 제2도의 장치는 토오크를 적용시키기 위해서 큰 민감도를 가지며 작은 직경축에서 토오크를 측정하는데 더욱 쉽게 사용될 수 있다.
제3도는 제2도의 장치와 병행하여 사용하는 시그널 처리회로의 블록선도이다. 제3도에 도시된 것처럼, 여자코일(66)이 발진기(90)에 의해 제공된 AC시그널에 의해 구동된다. 전류 전동기(92)는 여자코일(66)에 적용시키기 위해서 발진기(90)에 의해 제공된 AC전압 시그널을 AC전류시그널로 변환시킨다. AC전류시그널은 안정된 미리 확정된 피크 크기를 갖는다. 여자코일에 의해 생성된 자기장이 제2도에 관하여 위에서 기술된 것처럼 공기갭과 플랜지와 축과 자극편들을 통과하여 픽업코일(68,70,74)에 전달된다.
출력시그널들이 효과적으로 서로 더해지도록 비스듬하게 마주보는 시그널 픽업 코일들이 연속적으로 연결된다. 귀착된 출력 시그널들이 시그널 처리회로(93)에서 치리된다. 특히 일렬로 연결된 한쌍의 픽업코일들(68,72)의 한단부가 시그널 어어드와 연결되고 반면에 다른 단부는 전통적인 구조의 증폭기 및 검파기 회로(94)의 입력에 연결된다. 다른 한쌍의 일렬로 연결될 픽업코일(70,74)이 시그널 어어드와 증폭기 및 검파기회로(95) 사이에서 유사하게 연결된다. 증폭기 및 검파기회로(94,95)는 제각기 한쌍의 시그널픽업 코일에 의해 제공된 AC시그널을 증폭하고 나서 증폭된 AC시그널의 피크진폭을 검파한다. 증폭기 및 검파기 회로(94,95)의 출력에 제공된 피크시그널들은 그들의 입력에서 나타나는 AC시그널들의 피크 진폭의 변화에 따라서 변한다. 계차 시그널을 제공하기 위해서 피크 시그널들이 시그널 뺄셈 연사자 회로(96)에서 서로 빼진다.
디바이더(97)는 네개의 코오너 자극들 모두를 통과하는 총 자력선속을 표시하는 제2시그널에 의해 그것을 분리하므로서 계차시그널을 정규화한다. 제2시그널이 덧셈기 회로(99)에 의해 제공되고 덧셈기 회로는 증폭기 및 검파기 회로(94,95)에 의해 제공된 두개의 출력 시그널을 더한다. 이상적으로 총 자력선속이 일정하게되고 그러므로 또한 덧셈기 회로(99)의 출력이 일정하게 유지된다. 그러나 총 자력선속이 변하면 시그널 뺄셈 연산자 회로(96)의 출력에서 계차 시그널의 이득에 있어서 귀착되는 부수적 변화가 덧셈기회로(99)의 출력에 있어서 상응하는 변화에 기인하여 디바이더(97)에서 자동적으로 보충된다. 정규화된 계착시그널이 필터회로(98)에 의해 여과된다.
필터 회로(98)의 출력시그널(Ts)이 축(76)에 적용된 토오크에 따라서 표현되고 변화한다. 축(76)에 토오크가 없을 때, 자력선속이 동일한 범위에서 시그널 픽업코일들(68,70,72,74)에 연견된다. 그러므로 증폭기 및 검파기회로(94,96)의 출력들이 같고 출력시그널 Ts는 0이 된다. 그러나 토오크가 축(76)에 적용될 때 네개의 코오너 자극들(54,56,58,60)에 중심자극(52)을 결합하는 나선형 자력선속 통로를 따라서 축(76)의 투자율의 변화는 자기회로에 있어서 자력선속의 총량과 적용된 토오크의 크기에 정비례하는 범위만큼 서로 다른 증폭기 및 검파기 회로(94,95)를 야기한다. 총 자력선속의 종속성은 디바이더(97)에 의해 도입된 정규화에 의하여 제거될 수 있다. 그러므로 제3도의 출력 시그널 Ts회로는 축(76)에 적용된 토오크의 방향과 크기를 직접 나타내는 극성 및 크기를 갖는다. 이전의 상태에서처럼 제3도의 출력 Ts회로는 센서 조립체(50)에 대해 축(76)의 가로 및 다른 작은 축방향 변위와 진동에 매우 둔감하다.
제4a도와 4b도와 4c도는 본 발명의 설명에 따라서 비접촉 토오크센서의 제2실시예의 세개의 다른 도면이다. 제4도의 실시예에 있어서, 센서 조립체(100)는 제2도 장치의 센서 조립체(50)와 약간 유사하다. 그러나 축(102)은 제2도의 세개의 플랜지를 포함하지 않는다. 센서 조립체(100)는 다섯개의 자극(104,106,108,110,112)을 포함한다. 중심 자극이 여자코일(114)에 의해 둘러싸이고 시그널 픽업코일(116,118,120,122)이 네개의 코오너 자극들 둘레에 감긴다. 다섯개의 자극들이 제2도의 요우크(62)와 유사한 요우크(124)에 의해 결합된다.
제4도의 실시예에 있어서, 자극편 공기갭들이 축(102)의 원통형면과 유사한 자극편의 내면사이에 있다. 배치된 중심자극(104)의 중앙에 인접한 축(102)위의 점을 통과하는 나선 응력선을 따라서 공기갭이 제각이 존재한다. 코오너 자극들은 나선형 응력선을 따라서 총분히 멀리 떨어져 배치되지만 자극편(106,108)과 관련된 공기갭들은 자극편(110,112)과 관련된 공기갭의 원주상 위치와 전연반대편 원주상에 위치한다. 적당한 간격을 제공하기 위해서 자극편들(106,108,110,112)이 모두 축안의 나선형 응력선의 피치의 약 1/4과 똑같은 간격A2만큼 중심자극(104)으로부터 축방향으로 떨어져 있다. 중심자극(104)의 중앙과 코오너 자극의 내면사이의 간격 B2가 원하는 코오너 자극 공기갭을 더한 축(102)의 반경과 동일한 양만큼 코오너 전극편들이 중심자극편(104)의 중앙으로부터 가로로 배치된다. 각각의 코오너 자극들이 축(102)의 반경보다 약간 큰 양인 C2만큼 중심 자극보다 더 길고 그것에 의하여 다시 코오너 자극들이 축에 얹히게 된다.
이 간격들 때문에, 각각의 코오너 자극과 축(102)사이의 공기갭이 축(102)과 코오너 자극을 향한 내면사이의 방사상 공기갭과 일치한다. 공기갭들이 축(102)둘레의 전연 반대편에 배치되고 그것에 의해서 축의 방사 이동이 축의 반대쪽 위의 코오너 자극 공기갭의 크기에 상쇄변화를 일으킨다. 그러므로 축의 방사이동은 시그널 픽업코일들의 결합된 출력안으로 중요한 가상시그널 성분을 도입하지 않는다. 물론 제4도의 토오크 센서는 제3도의 시그널 처리회로도와 병행하여 사용될 수 있다.
어떤 경우에 제2도와 4도 실시예로부터 네개의 코오너 자극들 중 두개를 제거하는 것이 바람직할 수 있다. 관련된 축이 높은 속도로 회전하거나 회전할 수 있는 경우에 제2도와 4도에 도시된 네개의 코오너 자극이 유용하다. 축의 회전은 축의 와류를 일으키고 차례로 축의 자력선속을 중심자극의 한 축부를 향하여 모은다. 그러나 네개의 코오너 자극센서에 의해 제공된 출력 시그널들이 자력선속의 묶음에 의해 영향을 받지 않으므로 코오너 자극들중 대각선쌍을 통과하는 총 자력선속이 본질적으로 일정하게 유지된다.
어떤 경우에, 축이 자력선속의 큰 축 묶음을 충분히 야기할 정도로 빨리 회전하지 않는다 . 이 경우에 있어서, 코오너 자극들중 두개(예를 들면 제2도의 자극(56,58)이나 제4도의 자극(108,110)이 제거될수 있다. 그러나 두개의 코오너 자극들이 제2도의 실시예에서 제거될때 나머지 두개의 자극의 축 공기갭의 이동이 중심자극과 대각선으로 마주보는 다른 공기갭의 필적할만한 이동에 의해 보충되지 않는다. 그러나 두개의 나머지 공기갭들은 그축의 축 위치에 상관없이 거의 같은 폭을 가진다. 따라서 축의 방향 이동은 단지 토오크시그널의 이득에 영향을 미친다. 이득 변화는 제3도에 도시된것처럼 시그널 정규화에 의해 제거될 수 있다.
제5도는 자동차동력 조향장치를 도시하고 거기에서 제2도와 4도의 비접촉 토오크 센서가 유리하게 사용될수 있다. 제5도의 동력 조향 장치(200)에 있어서, 운전수에 의해 조향 핸들(202)에 수동으로 적용된 토오크가 조향축(204)를 통하여 자동차의 동력바퀴(208)를 조향하는 랙 및 나사장치(206)까지 전달된다.
제공된 출력시그널 Ts가 조향축(204)에 제공되는 토오크의 크기와 방향을 나타내도록 비접촉 토오크센서(206)(제3도에 관하여 주로 기술한 실시예 포함)는 조향축(204)과 관련된다.
토오크 시그널 Ts이 예를 들어 자동차의 속도를 나타내는 다른 입력시그널과 함께 전자 조절 유닛(210)에 제공된다. 전자 조절 유닛(ECU)(210)은 랙 및 나사장치(206)에 연결된 전기모우터(212)를 조절한다. 전자 조절 유닛(210)은 조향축(204)에 적용된 토오크를 감소시키는 방향으로 전기모우터(212)를 작동시킨다. 이런 종류의 장치는 본 출원의 양수인에게 양도된 미합중국 특허 출원 제4,415,054에 기재되어 있다.
발명이 언급된 실시예에 관하여 기술되었을지라도 첨부된 특허청구범위에서 한정된 것처럼 본 발명의 정신 및 청구범위에서 벗어남이 없이 여러 가지 재배열과 부품의 교체가 이루어질 수 있다. 이를테면 제2도와 4도의 실시예에서 사용한 자극들은 도시된것과 대체로 다른 형태들을 가지며 시그널 픽업 코일들의 출력을 처리하고 결합하기 위해서 사용되는 전기회로가 제3도에 도시된 것과 다를수 있다. 어떤 경우에 있어서, 코일들(70,74)과 코일들(68,72)을 반 연속하여 연결시키고 그것에 의해서 분리시그널 뺄셈회로를 사용하는 것보다 오히려 코일들의 직접 연결에 의해 시그널 뺄셈 기능을 실행하는 것이 바람직할 수 있다.

Claims (22)

  1. 축(76)의 비틀림 부하를 감지하는 장치의 투자율은 상기 축에 대한 비틀림 부하의 변화에 응하여 변하고, 상기 장기는 상기축을 통과하는 장기장을 생성하는 수단(52,66)과 상기투자율 변화에 의해 야기되는 상기 장기장의 변화를 검파하는 수단으로 구성되고, 상기 생성수단은 상기축(76)의 내부나 외부에서 자력선속을 결합하기 위해서 상기축에 인접하게 배치된 자극수단(52,54,56,58,60)을 적어도 한개 포함하고, 상기 자극수단(52,54,56,58,60)이 공기갭에 의해 상기축(76)과 분리되고 상기 축은 배치된 상기 자극수단에 인접한 방사적으로 연장하여 설치한 면(78,80,82)을 가지고 그것에 의해서 상기 공기갭이 상기 방사적으로 연장하여 설치한 면(78,80,80)과 상기 자극수단(52,54,56,58,60)사이의 축 간격으로 나타나고 상기축의 방사이동에 따라 변하지 않는 것을 특징으로 하는 비접촉 토오크 센서.
  2. 제1항에 있어서, 상기축(76)이 반대편 축방향에 면하는 첫째와 둘째의 방사적으로 연장하여 설치한 면(80,82)을 가지며, 상기 생성 수단이 상기 첫째와 둘째의 방사적으로 연장하여 설치한면(80,82)중 상응하는 어느하나에 제각기 인접하게 배치된 최소한 두개의 자극(52,54,60)을 포함하고, 상기 검파수단이 상기 자극수단(52,54,56,58,60)의 자력선속을 검파하는 수단(68,70,72,74)과 상기 자극 수단들 모두의 자력선속의 총량을 나타내는 출력시그널을 제공하는 수단을 포함하고, 상기출력 시그널이 상기 축(76)의 축 및 방사 이동에 의해 영향을 받지 않는 것을 특징으로 하는 비접촉 토오크센서.
  3. 제2항에 있어서, 상기 자력선속을 검파하는 상기 수단이 상기 자극 수단들 중 어느것(54)의 둘레에 감긴 첫째 코일(68)과 상기 자극 수단들중 다른것(60)의 둘레에 감긴 둘째 코일(74)과 상기 첫째(68) 및 둘째 코일(74)에 의해 제공된 시그널부터 상기 출력시그널을 제공하는 수단(94,99,96,97)으로 구성되는 것을 특징으로 하는 비접촉 토오크 센서.
  4. 제3항에 있어서, 상기 출력 시그널을 제공하는 상기 수단이 연속적으로 상기 첫째와 둘째 코일(68,72; 70,74)을 결합하는 수단으로 구성되고 그것에 의해 총 시그널이 상기 두 자극편의 자력선속의 총량을 나타내는 상기 연속적으로 연결한 코일을 거쳐서 나타나는 것을 특징으로 하는 비접촉 토오크센서.
  5. 제1항에 있어서, 상기 자기장을 생성하는 상기 수단이 둘레에 여자코일(66)이 감겨지고 자력선속이 상기 축(76)안에서 결합된 상기 여자코일에 의해 생성되도록 상기축에 인접하게 배치된 요소를 가지는 첫째 자극(52)과 상기축으로부터 자력선속을 받아들이기 위해 제각기 상기 축에 인접하게 배치된 요소를 가지는 둘째(54) 및 셋째 자극(60)과 상기축으로부터 상기 둘째(54) 및 셋째 자극(60)들에 의해 받아들여진 자력선속이 요우크 수단(62)을 통하여 상기 첫째 자극에 복귀 되도록 상기첫째(52)와 둘째(54)와 셋째 자극(60)들을 자석으로 연결하는 요우크 수단(62)으로 구성되고, 또한 상기 검파수단이 상기 둘째 코일 둘레에 감겨진 출력시그널을 제공하는 시그널 픽업코일인 첫째 시그널 픽업 코일(68)과 상기 셋째 코일 둘레에 감겨진 둘째 시그널 픽업코일(74)로 구성되는 것을 특징으로 하는 비접촉 토오크센서.
  6. 제5항에 있어서, 상기 방사적으로 연장하여 설치한 면(82)이 상기 축(76)둘레의 나선형 응력선의 피치의 1/4과 거의 같은 간격(A)만큼 상기 첫째 자극(52)과 축 방향으로 분리된 위치에서 상기축의 원주 둘레에 연장하여 설치하고, 상기 둘째(54) 및 셋째 자극(60)들이 상기 방사적으로 연장하여 설치한 면(82)으로부터 상기 둘째 및 셋째 자극들을 분리하는 축방향 갭들을 가로질러 대체로 상기축으로부터 자력선속을 받아들이도록 상기 둘째 및 셋째 자극들이 상기 방사면에 인접하게 배치되는 것을 특징으로 하는 비접촉 토오크센서.
  7. 제6항에 있어서, 상기 둘째(54) 및 셋째 자극(60)들과 관련된 상기 축(76) 방향 공기갭이 약 90°정도 상기 첫째자극(52)에서 원주상에 일정하게 제각기 배치되지만 상기 첫째 자극(52)의 반대편 원주부위에 있고, 그것에 의해서 상기 공기갭들이 상기축의 전연 반대쪽 위에 있는 것을 특징으로 하는 비접촉 토오크센서.
  8. 제7항에 있어서, 상기 장치가 또한 상기 둘째 시그널 픽업 코일(70,74)에 의해 제공된 출력시그널로부터 상기 첫째 시그널 픽업코일(68,72)에 의해 제공된 출력시그널을 빼는 수단(96)으로 구성되고 그것에 의해서 상기축(76)에 제공된 토오크의 방향과 크기를 나타내는 다른 시그널을 제공하는 것을 특징으로 하는 비접촉 토오크센서.
  9. 제1항에 있어서, 상기축(76)이 플랜지의 두 축부위에 방사적으로 연장하여 설치한 면을 한정하는 환상형 플랜지(80)를 가지며, 또한 상기 장치에 있어서 적어도 한 개의 상기 자극 수단(52)이 상기 플랜지(80)를 받아들이기 위해 부착된 가로홈(64)을 가지는 첫째 자극(52)으로 구성되고, 그것에 의해서 상기 첫째 자극(52)이 상기 플랜지(80)를 얹히게 하기 위해서 배치될수 있고 배치했을 때, 상기 자력선속이 대체로 상기 축방향의 공기갭들을 통과하여 상기축의 내부나 외부에서 연결될 정도로 충분히 작은 축방향의 공기갭에 의해 상기 플랜지의 각각의 축부와 분리되는 것을 특징으로 하는 비접촉 토오크센서.
  10. 제9항에 있어서, 상기 생성수단이 상기 첫째 자극(52)을 포함하고 또한 상기 자극에 자기장을 생성하기 위해서 상기 첫째자극 둘레에 감겨진 여자코일(66)로 구성되고, 상기 자기장이 상기 축방향 공기갭과 상기 플랜지(80)를 통과하여 상기축(76)안에서 연결되는 것을 특징으로 하는 비접촉 토오크센서.
  11. 제10항에 있어서, 상기 생성수단이 또한 제각기 공기갭들에 의해 상기축(76)으로 분리 되었으나 모두 인접하게 배치된 코오너 자극들중 첫째와 둘째쌍(54,58; 56,60)으로 구성되고 상기 첫째상의 두개의 코오너 자극들(54,58)이 상기 첫째 자극(52)에 인접한 상기 축위의 한점을 통과하는 두개의 나선형 응력선중 어느한개를 따라 일반적으로 상기 첫째 자극으로부터 등거리에 그리고 맞은편 측부위에 간격진 위치에 배치되고, 상기 두번째 쌍의 두개의 코오너 자극들(56,60)이 일반적으로 두개의 나선형 응력선중 다른 것을 따라서 간격진 위치에 배치되고 상기 첫째 자극(52)으로부터 등거리에 그리고 맞은편 측부위에 배치되고, 코오너 자극들의 상기 각각의 쌍들과 관련된 두개의 공기갭들이 상기축 둘레의 전연 반대편 원주상 위치에 있도록 각각의 코오너 자극쌍들의 상기 자극들이 서로 충분히 떨어져 있고 그것에 의해서 상기축의 방사이동이 상기 두개의 공기갭의 크기에 있어 상쇄된 변화를 야기하는 것을 특징으로 하는 비접촉 토오크센서.
  12. 제11항에 있어서, 또한 둘째 및 셋째 환상형 플랜지들(78,82)이 상기 나선형 응력선 피치의 약 1/4만큼 첫째 환상형 플랜지의 양쪽에 축방향으로 간격져 상기축(76)에 부착되어 있고, 각각의 상기 코오너 자극(54,56,58,60)이 상기 둘째 및 셋째 환상형 플랜지들(78,82)위의 방사적으로 연장하여 설치한 면에 인접하게 배치되어 있고, 그것에 의해서 자력선속이 주로 상기 환상형 플랜지들(78,80,82)로부터 상기코오너 자극들을 분리하는 축방향 갭들을 가로질러 상기 코오너 자극들과 상기축 사이에서 연결되는 것을 특징으로 하는 비접촉 토오크센서.
  13. 제1항에 있어서, 상기 생성 수단이 직사각형의 코오너에 배치된 네개의 자극들(54,56,58,60)과, 상기 직사각형의 중앙에 배치된 자극(52)과 상기 코오너 자극들과 상기 중심자극을 자기적으로 연결하는 요우크(62)와 상기 중심 자극에 자기장을 생성하기 위해서 상기 중심 자극(52)둘레에 감겨진 여자코일(66)로 구성되고, 상기 자기장이 상기 중심자극을 통과하고 상기축(76) 내부의 축방향 공기갭을 가로질러 두개의 직교하는 나선형 응력선을 따라 상기축을 통과하여 상기 코오너 자극들(54,56,58,60) 내부의 축방향 공기갭들을 가로질러 상기 코오너 자극들과 상기 요우크(62)를 통과하여 다시 상기중심 자극(52)으로 돌아가도록 상기 자극들이 상기축에 인접하게 배치되는 것을 특징으로 하는 비접촉 토오크센서.
  14. 축(102)의 비틀림 부하가 변함에 따라 투자율이 나선형 응력선을 따라 변하는 축의 비틀림 부하를 감지하는 장치에 있어서, 상기 장치가 상기 여자수단과 상기축(102)을 통과하여 자력선속을 제공하는 자기장을 생성하기 위해서 상기축에 인접하게 배치된 여자수단(104,114); 각각의 공기갭에 의해 상기축으로 분리되지만 인접하게 배치된 다수개의 자극들(106,108,110,112), 상기 자극들은 상기축(102)으로부터 상기 여자수단(104,114)까지 상기자력선속을 복귀시키기 위해서 통로를 제공하고 상기 자극들(106,108)중의 하나는 상기 여자수단에 인접한 상기 축위의 점을 통과하는 두개의 나선형 응력선 중 어느하나를 따라서 한점에 배치되고 다른 자극(110,112)은 상기 두개의 나선형 응력선중 다른 것을 따라서 한점에 배치되고; 상기 자극들과 관련된 두개의 공기갭들이 상기축 둘레의 전연 반대의 원주상 위치에 있도록 상기 나선형 응력선을 따라서 상기 여자수단(104,114)과 90°정도로 제각기 분리되고 상기 여자수단의 동일한 축부위에 있으며 그것에 의해서 상기축의 방사이동이 상기 두개의 공기갭에 있어 상쇄된 변화를 야기시키게 하는 자극(106,108) 및 다른 자극들(110,112); 상기 자극을 통과하여 자력선속의 변화를 감지하고 상기 변화에 따라서 출력시그널을 제공하는 수단(116,118,120,122); 으로 구성되는 것을 특징으로 하는 비접촉 토오크센서.
  15. 제14항에 있어서, 상기 자극들(106,108,110,112)과 상기축(102) 사이의 상기갭중 적어도 한개가 축방향인 것을 특징으로 하는 비접촉 토오크센서.
  16. 제14항에 있어서, 상기 자극과 상기 축 사이의 상기갭이 모두 축방향 갭인것을 특징으로 하는 비접촉 토오크센서.
  17. 제14항에 있어서, 다수개의 환상형 플랜지(78,80,82)가 상기축(76)에 부착되고 상기자력선속이 상기 자극으로부터 주로 상기플랜지들을 분리시키는 축방향 갭을 가로질러 상기 자극들과 상기 축 사이에서 연결되도록 상기 각각의 자극들(52,54,56,58,60)이 상기 플랜지들(78,80,82)중 방사적으로 연장하여 설치한 어느한면에 인접하게 배치되는 것을 특징으로 하는 비접촉 토오크센서.
  18. 제14항에 있어서, 변화를 감지하는 상기 수단이 상기 자극득(54,56,58,60)중 다른 것의 둘레에 제각기 감겨진 다수개의 감지코일(68,70,72,74)로 구성되는 것을 특징으로 하는 비접촉 토오크센서.
  19. 제18항에 있어서, 상기 장치가 또한 상기축(76)의 비틀림 부하의 크기 및 방향을 나타내는 출력시그널을 제공하는 상기 감지코일(68,70,72,74)에 의해 제공된 시그널에 민감한 시그널처리 수단(93)으로 구성되는 것을 특징으로 하는 비접촉 토오크센서.
  20. 제14항에 있어서, 또한 상기 다수개의 자극들(106,108,110,112)이 상기 두개의 나선형 응력선을 따라 그러나 상기 어떤 그리고 다른 자극들에 대하여 상기 여자 수단(104,114)의 맞은편 축 부위에 배치된 두개의 다른 자극들을 포함하고 상기 감지수단(116,118,120,122)이 상기 네개의 자극들 모두의 자력선속의 변화를 감지하는 수단으로 구성되는 것을 특징으로 하는 비접촉 토오크센서.
  21. 제20항에 있어서, 상기 감지수단(116,118,120,122)이 (A) 상기 두개의 나선현 응력선 중 어느하나를 따라서 두개의 자극들의 총 자력선속. (B) 상기 두개의 나선형 응력선중 다른것을 따라서 두개의 자극들의 총 자력선속, 사이의 차이를 감지하고 나타내는 수단으로 구성되는 것을 특징으로 하는 비접촉 토오크센서.
  22. 제20항에 있어서, 다수개의 환상형 플랜지들(78,80,82)이 상기축(76)에 부착되고, 상기 자력선속이 상기 자극들로부터 주로 상기플랜지들을 분리하는 축방향의 갭을 가로질러 상기축과 상기자극들 사이에서 연결 되도록 상기 자극들기 제각기 상기 플랜지중 방사적으로 연장하여 설치한 어느한면에 인접하게 배치되는 것을 특징으로 하는 비접촉 토오크센서.
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