KR0151747B1 - 토크센서 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 자기변형합금박대를 사용한 비접촉검출가능한 토크센서에 관한 것으로서, 자기변형합금박대의 슬릿형상을 개량하므로서 토크센서제작시에 있어서의 자기변형합금박대의 파손과 토크센서출력특성불균일을 저감할 수 있는 토크센서를 제공하는 것을 목적으로 한것이며, 그 구성에 있어서, 축(1)표면에, 축길이 방향에 대하여 소정의 각도를 이루는 방향으로 배열된 복수개의 구멍군을 복수줄 가진 자기변형합금박대(2)를 고착하고, 상기 자기변형합금박대(2)의 주변에 코일수단(3a),(3b)을 배치한 구조로 한것을 특징으로 한것이다.

Description

토크센서

제1도는 본 발명에 의한 토크센서(torque sensor)구성의 일부확대도.

제2도는 비정질(amorphous)의 열처리법의 설명도.

제3도는 종래의 슬릿을 형성한 자기변형금속박대(磁氣變形金屬薄帶)의 전개도.

제4도는 종래의 슬릿을 형성한 자기변형금속박대의 파손개소의 설명도.

제5도는 본 발명에 의한 가늘고긴구멍을 형성한 자기변형금속박대의 일부확대도.

제6도는 본 발명에의한 타원구멍을 형성한 자기변형금속박대의 일부확대도.

제7도는 본 발명에 의한 장방형구멍을 형성한 자기변형금속박대의 일부확대도.

제8도는 가늘고 긴 구멍을 사용한 토크센서의 최적출력예와 불균일범위를 표시한 도면.

제9도는 타원형구멍을 사용한 토크센서의 최적출력예와 불균일범위를 표시한 도면.

제10도는 장방형구멍을 사용한 토크센서의 최적출력예와 불균일범위를 표시한 도면.

제11도는 종래의 토크센서출력의 불균일과 최적출력예를 표시한 도면.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : 축 2 : 자기변형합금박대

2a, 2b : 타원형구성 3 : 자기변형합금박대

3a, 3b : 코일수단 4 : 내부구조체

5 : 외부구조체

본 발명은 자기변형합금박대를 사용한 비접촉검출가능한 토크센서에 관한 것이다. 자기변형을 가진 비정질자성합금이나 철계합금을 응용한 토크센서의 개발이 활발하다. 예를 들면 일본국 공고특허3-26339호 공보에서는, 금속제축의 표면에 응력에 민감한 비정질자기변형합금박대를 첩착한 구성의 토크센서가 제안되고 있다. 비정질자기변형합금박대에는, 축표면에 접착하였을때에 축길이 방향에 대해서 45°와 -45°방향으로 가늘고 긴 슬릿이 형성되어 있다. 슬릿은, 토크의 방향을 검출하기 위한 것이다. 비정질자성합금박대의 바깥쪽에 자기특성을 검출하기위한 코일수단이 배치되어 있다. 축에의 토크인가에 의해 축표면 축길이방향에 대해서 45°와 -45°방향의 인장과 압축응력이 발생한다. 이것에 기인해서, 상기 비정질자기변형합금박대의 45°와 -45°슬릿부분의 자기특성변화가 발생한다. 이 양자의 자기특성변화의 차를 코일수단에 의해 전기적으로 검출하므로서, 토크의 방향과 크기를 검출하고 있다.

이런 구성의 토크센서를 제작하는 경우, 평판형상의 비정질을 원기둥형상으로 강제적으로 말아서 접착고정하는 공법과 미리 열처리에 의해 축직경에 가까운 원기둥형상으로 가공한 후 접착하는 공법이 있다. 전자의 공법에서는, 평평한 금속박대를 말아서 원통형으로 접착하기 때문에, 금속박대에 형성한 복수줄의 슬릿이 구부러질때에 비틀림이 발생하거나 해서 특성불균일의 원인이나 금속박대의 파손의 원인으로 되어 있었다.

후자의 방법에서는, 금속박대를 열처리하기 위하여 원통형으로 가공하기 위해, 금속제원기둥지그(Jig)에 감아붙여 고정해서 열처리하는 등의 공법을 사용하나, 지그에의 장착공정에서 슬릿부분이 비틀리거나해서 박대가 파손되는 문제가 있었다. 또 슬릿에의한 자기이방성의 부여로는 넓은 토크범위에서의 양호한 직선성의 출력을 얻을 수 없었다.

본 발명의 목적은, 자기변형합금박대의 슬릿형상을 개량하므로서 토크센서제작시에 있어서의 자기변형합금박대의 파손과 토크센서출력특성불균일을 저감하기 위한 것이다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 축길이방향에 대하여 소정의 각도를 이루는 방향으로 배열된 복수개의 구멍군을 복수줄을 가지는 형상의 자기변형박대를 사용하는 구성으로 하였다.

상기 구성에 의해 종래구성의 토크센서제작단계에서 발생하고 있던 슬릿비틀림의 발생이 없고, 결과적으로 파손으로 방지할 수 있는 외에, 토크센서출력재현성을 향상 시킬 수 있다.

이하, 본 발명의 실시에에 대하여 첨부도면을 참조하면서 설명한다.

제1도는 본 발명에 의한 일실시에의 토크센서의 구조이다. 도면중(1)은, 티탄제의 축이며 직경은 11.8㎜이다. 자기변형합금박대(2)는, 초급냉싱글롤법에 의해 제작한 비정질자기변형합금박대로서, 축길이방향에 대하여 45°와 -45°방향의 나선에 따른 복수의 타원형구멍(2a)와 (2b)의 구멍군을 복수줄에칭가공되어 있다. 비정질자기변형합금박대(2)의 조성은 Fe₇₅Cr₄Si_12.5B_8.5이고, 두께 32㎛, 결정화온도 460℃, 포화자기변형정수22ppm였다.

에칭가공한 비정질자기변형합금박대(2)를 축(1)의 둘레에 맞도록 열처리에 의해 감김성(감긴상태를 유지하는 성질)을 부여하였다. 제2도에, 비정질자기변형합금박대(2)에, 감김성을 부여하는 공정의 일예를 표시하고 있다. 도면중(4)는 외주가 축직경과 동일외경을 가진 내부구조체이다.

(5)는 내경이 내부구조체의 외주직경보다 130㎛정도 크게 가공된 외부구조체이다.

재질은 내열성에 뛰어난 티탄재료를 사용하고 있다. 제2도(b)에 표시한 바와 같이 자기변형합금박대를 내부구조체(4)와 외부구조체(5)의 틈새에 넣어서 원기둥형상으로 변형시키고, 이 상태에서 진공속, 결정화온도이하의 온도 440℃에서 40분실시하여 감김성을 부여하였다. 접착제를 축(1)에 소정 중량도포후, 자기변형합금박대를 장착하고, 250℃에서 10기압의 질소가스가압하에서 접착하였다. 접착고정한 자기변형합금박대의 바깥쪽에 코일수단(3a)와 (3b)를 배치헤ㅛ서 제1도에 표시한 토크센서를 제작하였다.

종래의 토크센서에서 사용한 슬릿형상을 가진 자기변형합급박대의 일예를 제3도에 표시하였다. 재질은 상기한 비정질합금이다. 도면중 슬릿폭a는 0.3㎜이고 반복피치b는 2.0㎜였다. 상기한 토크센서를 형성하는 공정에서, 열처리지그에 장착하고, 또 열처리후에 지그로부터 자기변형합금박대를 분리하여 축에 장착하는 동안의 공정에 있어서 빈번히 파손이 발생하였다. 특히 열처리후의 경우의 쪽이 파손확률은 높았다.

다수의 실험에 의해 정리한 파손패턴을 제4도에 표시하였다. 도면중, 원으로 둘러싼 부분에 표시한 바외 같이 슬릿의 중앙부나 슬릿의 귀퉁이 부근에 집중해서 파손이 발생하였다. 파손의 원인은, 명확하지는 않으나, 외력에 의한 슬릿의 비틀림등에 의해 귀퉁이부분에 응력집중하기 때문으로 생각된다.

제5도와 제6도와 제7도에 본 발명에 의한 자기변형합금박대의 에칭의 일예를 표시하였다. 제5도와 제6도와 제7도중에 표시한 치수a는 제3도의 슬릿폭과 동일한 0.3㎜로하고, 또 반복피치b는 2.0㎜로 하였다. C는 구멍의 길이로서 2㎜이고, d는 구멍과 구멍의 간격으로서 0.2㎜이다. 이와 같은 형상의 구멍을 가진 자기변형합금박대해서 상기한 파손의 평가를 하였다. 시료수는 각각 40장사용하였다. 제5도와 제6도에 표시한 바와 같이 구멍의 형상이 각지지않는 경우에 파손이 없었다. 제7도에 표시한 장방형의 구멍의 경우, 극히 약간이지만 파손된 시료가 있었다. 그러나, 어느구멍의 경우도 슬릿을 사용한 경우에 비교해서 현격하게 파손확률이 저하하였다.

제3도, 제5도, 제6도, 제7도에 표시한 4종류의 형상의 비정질박대를 접착하여 토크센서의 구성으로 하고, 검출회로를 짜넣어서 출력특서와 특성을 평가하였다.

검출부는 코일수단(3a)와 (3b)에 저항을 결선하여 브리지회로구성으로하고 코일수단(3a)와 (3b)의 양단부전압의 피크치의 차를 출력으로 하였다. 자기변형합금의 접착불균일이 발생하였을 경우에 코일수단(3a), (3b)의 임피던스에 차가 발생한다. 이결과, 토크를 인가하지 않는 경우(토크=0㎏f㎝)에도 외견상(apparent)의 출력이 발생한다.

따라서, 횡축을 토크, 종축을 센서출력으로 하였을 경우에, 토크0㎏f㎝인때의 출력전압은 0(V)에 가까울수록 이상적 접착이 이루어진 상태가 된다.

제5도, 제6도와 제7도의 구멍을 형성하였을 경우와 제3도에 표시한 종래으 슬릿을 형성한 자기변형박대를 사용해서 제작한 토크센서에 대해서, 출력불균일을 평가하였다. 각각의 경우의 토크센서출력결과를 제8도, 제9도, 제10도와 제11도에 각각 표시하였다. 측정은 모두 실온(室溫)에서 실시하였다. 도면중 사선부분은, 제작한 센서의 특성불균일의 범위를 표시하고 있다. 또 실선은 가장 접착불균일이 작은 이상적 접착이 되었다고 생각되는 경우의 출력을 표시하고 있다. 측정은 토크범위100㎏f㎝의 범위에서 측정하였다, 제8도, 제9도, 제10도와 제11도를 비교해서, 동일한 토크에서의 출력전압은 슬릿을 사용한 종래구성의 토크센서가 가장 컸다.

그러나, 출력의 재현성, 좌우대칭성에 대해서는 본 발명에 의한 구멍군을 형성한 토크센서의 쪽이 훨씬 양호하였다. 구멍의 형상에 의한 차는 비교적 적었다. 또 원인은 명확하지 않으나 제6도에 표시한 타원구멍의 경우가 직선성은 가장 좋았다. 이유는, 형상에 의한 자기이방성의 효과와 제작공정에서의 박대가 받는 각종굽힘응력이 구멍의 배치에 따라 복잡하게 변화하는 등의 영향을 생각할 수 있다. 원인의 해명에 의해 구멍의 형상이나 배치에 의해 출력직선성을 개선할 수 있는 가능성이 있다.

제5도, 제6도와 제7도에 표시한 구멍과 구멍의 간격d에 관하여 파손과의 관련을 상세하게 검토하였던바 간격d가 작을수록 출력이 상승하나, d가 0.1㎜이하로 되면 제작공정에서의 파손의 발생확률이 커지는 것을 알았다. 또, d를 0.2㎜로 고정하였을때, 구멍의 길이C는 길수록 토크센서출력이 커지나 4㎜이상으로되면 차차로 파손확률이 높아지는 것을 알았다. 또, 어느경우도 장방형의 구멍의 파손이 약간 발생하였다.

이상은 45°의 방향으로 일련의 구멍군이 배열된 경우에 대해서 설명하였으나, 다른 각도의 경우에도 마찬가지의 효과가 있는 것은 용이하게 유추할 수 있다.

상기한 이외에, 구멍의 긴축방향, 구멍의 형상에는 여러 가지 변형이 가능한 것은 자명하다.

Claims (4)

1. 축표면에 자기변형합금박대를 접착고정하고, 그 바깥쪽에 코일을 배치한 구성의 토크센서로서, 자기변형합금박대가 축길이 방향에 대하여 소정의 각도를 이루는 방향으로 배열된 복수개의 구멍군을 복수줄 가진 것을 특징으로 하는 토크센서.
2. 제1항에 있어서, 상기 구멍군이, 상기 소정방향으로 길이 4㎜이하의 구멍으로 형성되고, 또한, 상기 소정방향에대하여 간격 0.2㎜이상으로 형성되는 것을 특징으로 하는 토크센서.
3. 제1항에 있어서, 상기 구멍의 형상이 각을 가지지 않는 곡선으로 형성되는 것을 특징으로 하는 토크센서.
4. 제1항에 있어서, 자기변형금속박대가 비정질자기변형합금인 것을 특징으로 하는 토크센서.