KR100198310B1 - 축에 작용하는 비틀림 우력측정장치 - Google Patents

Abstract

2개의 다중극 자석(40, 41) 양쪽에 직각 방향으로 대칭 장착하도록 된 동체(10, 11, 12)에 작용하는 비틀림 우력 측정장치, 2개의 자석 중간에 포착 장치(31)가 삽입되며, 이 포착 장치는 자석(40, 41)에서 나오는 유도 전자계를 탐지하도록 중심(C₁, C₂)이 유도자기장의 1/4주기(d)만큼 각도차를 갖는 탐지부품(301, 302)이 부착되어 있는 자력 감지용 및 비틀림 우력신호 방출용 고정식 포착 장치이다.

Description

축에 작용하는 비틀림 우력(torsinal couple) 측정장치

본 발명은 축에 축 방향으로 일정한 간격을 둔 2개의 단면에 고정되며 2개의 다극 자석이 장착된 축 또는 아버(arbor)에 대한 우력(couple : 偶力) 또는 토오크 측정장치에 관한 것이며, 이 장치는 우력 또는 토오크에 비례하는 처리 신호를 전송하며 센서 경로에 감지적인 고정된 측정 수단을 포함한다.

또한, 본 발명은 상기한 축에 전달되는힘 및 회전 속도를 측정하는 장치에 관한 것이다.

프랑스 특허 공개정보 제2,626,368호는, 각 자석의 각위치(angular position)가 감지 또는 불감지식(all or nothing) 신호 출력 센서에 의해 판독되고, 이에 의해서 축 비틀림 우력이 양 센서에 의해 전송된 처리 신호 프론트(fronts)의 상변위에 의해 측정되는 장치가 기재되어 있다.

본 발명의 목적은, 축의 회전 속도가 변화되는 경우 또는 축이 블록킹되어 있는 경우에 있어서 조차, 축에 대한 비틀림 우력의 측정을 가능케 하고자 하는 것이다.

본 발명의 또다른 목적은 작은 비틀림 각도의 측정도 가능케하는 단순하고도 경제성있는 구조의 장치를 제공하는 것이다.

본 발명에 따르면, 축을 따라 축 방향으로 이격되어 있는 2개의 단면상에 고정되는 2개의 다극(multipolar) 자석 및, 비틀림 우력(tortional couple)에 비례하는 처리 신호를 제공하며 상기한 자석으로부터의 자기장의 통과를 감지하여 아웃풋 신호를 발생시키는 고정된 센서 수단을 포함하고, 여기서 상기한 센서 수단이 상기한 2개의 자석 사이에 위치하며 상기한 자석에 의해 생성되는 사인파형(sinusoidal:正弦) 유도 자기장을 검출하는 2개의 유니트를 갖고 그 중심이 유도 자기장의 1/4주기에 상응하는 거리(d)만큼 각도상으로 옵셋(offset)되어 있는, 축에 작용하는 비틀림 우력을 측정하는 장치가 제공된다.

제1도는 비틀림 바(bar)로 된 가요성(flexible) 연결부를 갖는 본 발명에 따른 회전축의 단면도.

제2a도는 본 발명에 따른 장치의 측정 구성 요소의 개략도.

제2b도는 센서 수단에 대향하는 자기장(유도)의 재분배(reparition)를 나타내는 도면.

제3도는 자석에 의해 생성되는 자기장(유도) 및 그 결과적인 자기장의 변화 곡선도.

제4a도는 위상이 일치하는 두 자기장 및 그 결과로서 생성되는 자기장의 변화 곡선도.

제4b도는 위상이 정반대인 두 자기장 및 그 결과로서 생성되는 자기장의 변화 곡선도.

제5도는 상이한 비틀림 우력값에 의해 영향받는 결과적인 자기장의 변화 곡선도.

제6도는 결과로서 생성되는 자기장내의 센서 수단을 나타내는 개략도.

제7도는 축의 각변위에 대한 출력 신호의 변화 곡선도.

제8도 및 제9도는 자기장의 재분배를 위한 2가지의 제어된 값에 대한 우력 변화와 관련된 출력 신호의 변화 곡선도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

10 : 입력축(incoming shaft) 11 : 비틀림 바(torsion bar)

12 : 출력축(outgoing shaft 13 : 구름 베어링

14 : 슬리이브 피팅 20 : 볼 베어링

25 : 조절 슬리이브 31 : 센서

40, 41 : 다극(multipolar) 자석

본 발명의 다른 특징 및 장점은 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 장치의 일구체예에 관한 설명으로부터 명확하게 될 것이다.

제1도에 따르면, 축 섹션(10)은 비틀림 바(bar)(11)로 형성되는 변형 가능한 탄성 연결부에 의하여 제2축 섹션(12)에 연결된다. 입력축이라 관례상 지칭되는 축 섹션(10)은 구동 유니트(도시하지 않음)에 연결된다. 출력축이라 관례상 지칭되는 축 섹션(12)은 종동 유니트(도시하지 않음)에 연결된다. 상기한 축들에 대해 공통축상으로 및 동심원상으로 위치되는 비틀림 바(bar)는, 구동 유니트에 의해 가해지는 회전력에 대한 종동 유니트의 기계적 저항력이 발생되는 경우에, 바(11)의 비틀림 응력 및 상기한 축 섹션의 회전 운동을 전달할 수 있다.

축(10)은 비틀림 바(11)의 베어링 표면상의 구름 베어링(13)에 의해 회전하면서 안내된다.

홈이 있는 슬라이브 핏팅(14)은 입력축(10)과 출력축(12) 사이에 각도상 여유를 갖게 수용되어, 상기한 핏팅의 여유 각도 만큼 축(11)의 자유로운 변위를 가능케 해 준다. 각도가 이보다 더 커질 경우 축(10)과 축(12)이 홈의 플랭크(flank)에 의해 접촉하게 되어 회전적으로 연결된다.

볼 베어링(20)은 출력축(12)상에 단단히 장착되며 내부링(21)과 외부링(22)을 갖는다. 내부링(21)의 내측면(23)은, 상기한 축(12)의 단면에 일체적으로 만들어진, 예컨대, 내부링(21)의 내측면(23)과 상기한 축(12)의 베어링(24)상에 동시적으로 용접하는 것에 의해 일체적으로 만들어진 다극 자석(40)을 지지한다.

입력축(10)에 장착되는 각도 조절 가능한 슬리이브(25), 즉 각도 제어 수단에는 일체적으로 만들어진 다극 자석(41)을 휴지(rest) 위치내에 유지하기 위한 쇼올더(26)가 설치되어 있으며, 상기한 다극 자석(41)은, 예컨대, 상기한 축(10) 단면상의 상기한 슬라이브(25)상에 만들어진 쇼올더(26) 및 베어링(27)을 동시에 용접하는 것에 의해서 상기한 다극 자석(41)과 일체로 형성될 수 있다.

다극 자석(40) 및 (41) 사이의 거리는 종동축(12)의 베어링(24) 면(24)과 미끄럼 운동 가능하게 접촉되는 면(28)을 갖는 슬리이브(25)의 베어링 길이(27)에 의해 부분적으로 결정된다.

또한, 슬리이브(25)는 구동축(10)상의 나사(30) 장착 고정 수단을 포함한다.

홀 효과(Hall effect)식 또는 자기 저항(magnetoresistance)식 센서는 전기 접점 및 출력부(33)를 갖는 지지판(32)상에 장착된다.

지지판(32)은 상기한 케이싱의 쇼올도(36) 사이에 고정된 케이싱(35)내에 끼워져 있으며, 또한 베어링(20)의 외부링(22) 면에 접하는 환형 스페이서 튜브(38) 및 도체(37)의 경로가 되는 개구가 설치되어 있다.

따라서, 케이싱(35)은 자석 세트(40, 41), 센서(31) 및 베어링(20)을 수납하고 있으며, 그 단부는 베어링(20)을 축 방향으로 보유하는 차단(cut off) 단부(43)로 구성된다.

또한, 본 발명에 따른 장치는, 구름 베어링의 링(21)과 링(22) 사이 및 케이싱(35)을 밀폐시키는 슬리이브(25)와 케이싱(33) 사이에 각각 장착되는 불침투성 조인트(44) 및 (45)를 포함한다.

제2a도는 측정 구성 요소의 분해도이다. 자석(40) 및 (41)은 강자성체입자 및 플라스틱 바인더로 형성되는 가소성 자석(plastoferrite)과 같은 강자성체 소재로 만들어진다. 자석들은 그 일표면(401) 및 (411)이 종래의 다극 자화 방법에 의해서 자화된다.

자석면(401) 및 (411)은 상호 대향한다. 홀 효과식 또는 자기 저항식 센서(31)는 자석면(40) 및 (411) 사이에 위치하며 어떤 자석면과도 접촉되어 있지 않다.

각각의 자석은 자석면(401) 및 (411)에 수직한 방향으로 자기장 H40 및 H41을 만든다.

상기한 자석면에 수직인 방향으로 자석면(401) 및 (411)로부터 동일한 거리에서 측정한 유도 자기장 H40 및 H41은 사인파형의 주기적 함수 구조를 갖는다. 센서(31)는 유도 자기장 H40과 H41의 조합에 의하여 생성되는 유도 자기력 값을 측정한다.

제3도는 유도 자기장 H40과 H41에 대한 전개도이며, 자기장 H40과 H41은 자석면(401) 및 (411)에 평행한 준선(準線:directrix)상의 위치에 대하여 자석(40)과 자석(41) 사이의 동일 거리상에 위치하는 측정점에서 상변위값 S를 갖는다.

자기 상변위값 S는 입력축(10)상의 슬리이브(25)의 회전에 의해 우선적으로 제어된다. 블록킹 나사(30)는 이러한 최초의 조절 기능을 확실하게 유지해 준다.

제4a도는 상변위 S가 0인 경우의 위상 일치시 두 유도 자기장 H40과 H41에 대한 전개도이다. 이 경우, 결과로서 얻어지는 자기장 HR은 임의의 측 정점에서의 2개의 구성 자기장의 어느 하나의 값의 2배에 해당하는 값을 갖는다.

제4b도는 상변위 S가 두 자기장 H40과 H41의 어느 하나의 1/2에 해당하는 위상이 정반대일 경우의 두 유도 자기장 H40과 H41의 전개도이다. 이 경우, 결과로서 얻어지는 유도 자기장은 임의의 모든 측정점에서 일정한 값 0을 가진다.

자기 상변위를 초기에 0으로 조절한 다음, 초기의 입력축(10)과 출력축(12) 사이에 비틀림 우력이 작용하면 비틀림 바(11)에 의해 자석(40)과 자석(41)이 각변위를 일으킨다. 이 각변위 결과, 유도 자기장 H40과 H41 사이에 자기 상변위에 있어서의 변화가 일어난다.

결과로서 얻어지는 유도 자기장 HR은 제4a도에 나타낸 초기값보다 낮은 값을 갖게 된다. 비틀림 상변위가 반 주기(S=P/2)의 상 변위에 해당하는 경우, 자기장 HR은 0이 된다.

우력이 0인 경우, 비틀림 바(11)는 축 섹션(10)과 (12)를 탄성적으로 끌어 당겨서 초기의 위치로 되돌리고 결과적으로 유도 자기장은 초기값으로 회귀한다.

제5도는 우력이 작용하지 않은 상태의 S=0인 초기의 제어 상태 및 비틀림 우력이 가해지는 상태의 세 값에서의 결과로서 생성되는 유도 자기장 HR의 변동을 나타낸다.

우력이 작용하지 않은 경우의 유도 자기장 HR은, 제4a도에 나타낸 바와 같이, 정점값 +2b를 유지한다. 중간 정도의 우력이 작용하면 자석(40)과 자석(41)이 상대적인 회전을 일으키고, 결과로서 생성되는 자기장 HR은 (+2b)보다 낮은 정점값(+a)를 갖는다. 본 발명의 장치의 측정 한계값으로 우력이 작용하면 자석(40)과 (41)이 상대적인 회전을 일으키고 자기장 H40과 H41의 상 변위 S=P/2이 된다. 결과적으로 자기장은 0의 값을 갖는다.

(a)는, 0SP/2와 같이, S에 비례하는 +2b와 0 사이의 값을 갖는다. S값은 입력축(10)과 출력축(12)에 의해 비틀림 바(11)에 작용하는 비틀림 우력에 의존적이다. 작용하는 우력값과 상변위 S 사이의 관계는 비틀림(11)의 물리적 특성 및 비틀림 강도에만 의존적이다.

비틀림 우력에 비례하는 유도 자기장 HR의 변동을 전기적 신호로 변환시키는 것은 센서(31)에 의해 이루어진다. 센서(31)는 2개의 동일한 홀 효과식 혹은 자기 저항식 감지 구성 요소(301)과 (302)로 형성되며 이를 통과하는 유도 자기장 HR에 비례하는 아웃풋 전위를 생성한다.

제6도에 나타낸 바와 같이, 감지 구성 요소(301)과 (302)의 중심 C₁, C₂는 사인파형 유도 자기장 HR의 1/4주기 만큼 떨어져 위치하며, 즉 거리 d=(2N+1)P/4만큼 이격되게 위치하고, 여기서 n은 양의 정수 혹은 0이다.

제7도는 회전축에 대해 측정된 우력을 나타내는 신호 변화를 나타낸 것이다. 입력축(10), 비틀림 바(11) 및 출력축(12)의 각 세타(θ)가 수반되는 일정한 우력이 비틀림 막대(11)에 작용하면, 감지 구성 요소(301)와 (302)는 각각 전압 신호 V301과 V302를 발생시킨다. 전압 상수 V₀에 대한 상기한 신호들의 진폭은 각각의 이들 감지 구성 요소를 통과하는 유도 자기장 HR값에 비례한다. 이 신호들은 서로 동일한 진폭을 가지며 이 신호들 각각은 사인파형 함수 HR과 동일한 주기 P를 가지며, 서로 상변위 P/4만큼 차이가 있다.

이 신호들의 중앙값 V₀는 자기장 부존재시 두 감지 구성 요소중 어느 하나에 의해 생성된 전압에 해당된다.

θ의 모든 값에 대해 신호 V301은 값 V₁을, 신호 V302는 값 V₂를 갖는다. 관계식 V_q=[(V₁-V₀)²-(V₂-V₀)²]^1/2로 정의되는 2차 방정식 평균값은 회전축(10, 12) 및 비틀림 바(11)의 동시 회전각 θ에 대해 독립적이다.

그러나, 2차 방정식 평균값 V_q는 신호 진폭 V301과 V302에만 의존적이며, 따라서 유도 자기장 HR의 정점값과, 입력축(10) 및 출력축(12) 사이에 가해지는 우력값에 종속적이다.

전압 V₁과 V₂를 직접 측정하고 알려진 V₀를 이용하여, 공지의 전자 계산기나 데이터 프로세스를 사용하는 것에 의해 V_q값을 얻을 수 있음을 주목할 필요가 있다.

V₀를 원점으로 한 R값 V_q를 제7도에 나타낸다.

초기의 자기 상변위가 0으로 설정되어 있는 경우의 V_q와 축 섹션(11)에 작용하는 비틀림 우력 C_t사이의 관계를 도 8에 나타낸다. V_q는 가해진 우력에 반비례한다.

초기의 자기 상변위가 S=P/2로 고정되는 경우, 제9도에 나타낸 바와 같이, V_q는 가해진 우력에 비례한다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 장치는 축의 회전 속도가 변화되거나 또는 축이 블록킹되어 있는 경우에 있어서도 축에 작용하는 비틀림 우력의 측정이 가능하고, 작은 비틀림 각도의 측정도 가능하며, 또한 단순하고도 경제성있는 구조로 되어 있다.

Claims (4)

1. 축을 따라 축 방향으로 이격되어 있는 2개의 단면상에 고정되는 2개의 다극(multipolar) 자석 및, 비틀림 우력(tortional couple)에 비례하는 처리 신호를 제공하며 상기한 자석으로부터의 자기장의 통과를 감지하여 아웃풋 신호를 발생시키는 고정된 센서 수단을 포함하고, 여기서 상기한 센서 수단이 상기한 2개의 자석 사이에 위치하며 상기한 자석에 의해 생성되는 사인파형(sinumsolidal:正弦) 유도 자기장을 검출하는 2개의 유니트를 갖고 그 중심이 유도 자기장의 1/4주기에 상응하는 거리(d)만큼 각도상으로 옵셋(offset)되어 있는, 축에 작용하는 비틀림 우력 측정 장치.
2. 제1항에 있어서, 상기한 두 개의 다극 자석중 하나가 각도 제어수단에 의해 지지되는 비틀림 우력 측정 장치.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기한 축이 변형 가능한 가요성(deformable flexible) 비틀림 바(torsion bar)에 의해 결합된 두 개의 축 섹션으로 구성되며, 상기한 센서 수단을 지지하는 조립 케이싱내에 장착되는 베어링에 의해 지지되는 비틀림 우력 측정 장치.
4. 제3항에 있어서, 상기한 조립 케이싱이 자석 세트를 포함하며, 상기한 센서 수단이 상기한 조립 케이싱 양단의 불침투성 조인트에 의해 밀폐되어 비틀림 우력 측정 장치.