KR100403855B1 - 불감대가 없는 무한 회전 전위차계 - Google Patents

Abstract

기존 회전형 전위차계(포텐쇼미터, rotary potentiometer)는 선형적 출력특성을 보이기는 하지만, 일(一)회전식의 경우 접지점과 전원점 사이의 단락현상을 피하기 위해 회전각 범위가 360°이하로서 불감대(dead-band)가 존재하고, 다(多)회전식 전위차계의 경우에도 보통 3～10바퀴라는 제한된 각도범위 내에서만 사용이 가능한 실정이다.

이러한 제한사항을 극복하기 위하여 본 발명은 360°전 회전각도 구간에서 불감대 영역이 전혀 없는 전위차계에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 한 바퀴 이상 원형으로 배치된 균일 저항의 양 끝단이 접지점과 전원점이 되고 내부에 부가저항을 지닌 두 접촉자와 탐침자가 전위차계의 회전축과 함께 회전하면서 탐침자가 균일 저항과 두 점 또는 한 점에서 접촉하는 방식의 이중(二重) 접촉자(接觸子)형과, 일정 간격의 두 기준점 양측에 저항밀도가 다른 원형 폐곡선 형상으로 배치된 균일 저항과 기준점에 설치된 부가저항의 끝단이 접지점과 전원점이 되고 전위차계의 회전축과 함께 회전하는 탐침자가 균일 저항과 한 점에서 접촉하는 방식의 원형(圓形) 폐곡선(閉曲線)형, 두 가지 방식의 발명으로서 그 결과 불감대가 전혀 없고 360°이상 무한 회전이 가능하며 회전각도에 따라 선형적 출력 특성을 보이며 출력범위의 조절이 가능한 것을 특징으로 하는 회전형 전위차계이다. 본 발명은 그 구성이 매우 간단하고 소형이며 따라서 회전각도의 측정시 엔코더보다 기술적으로 간단하고 비용 또한 저렴하며, 간단한 멈춤 기구를 부착하면 기존 수동식 조절소자와 동일한 용도로도 사용할 수 있다.

Description

불감대가 없는 무한 회전 전위차계{Endlessly Rotatable Potentiometer With No Dead-Band}

본 발명은 불감대(dead-band) 영역이 전혀 없으며 무한 회전(endless rotation)이 가능한 전위차계(포텐쇼미터, potentiometer)에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 동일 평면상에 한 바퀴 이상으로 감은 균일 저항을 하나의 탐침자(probe, contact)로 한 점 이상을 동시에 접촉시킴으로서 불감대 영역을 제거하는 방식과, 원형 균일 저항의 임의의 두 지점을 기준점으로 하고 하나의 탐침자가 회전함으로서 불감대 영역을 제거하는 두 가지 방식의 회전형(rotary) 전위차계에 관한 것으로서, 360°이상 그리고 무한 회전이 가능하며 그 출력 특성이 선형적인 변화를 나타내도록 한 것이다.전위차계는 일종의 수동소자(passive element)로서 일반적으로 라디오 소리 크기를 조절하거나 방송국을 선택하는 등의 선택 조절기(tuner, adjusting device) 또는 로봇팔 등의 각도를 측정하기 위한 회전각도 센서(rotary position sensor)로서 다양한 분야에 사용된다.

기존의 회전형 전위차계에는 일(一)회전식 및 다(多)회전식 전위차계 두가지가 있다. 도 1에 표시한 바와 같이 일회전식 전위차계는 일반적으로 균일 저항이 1회전 이하의 각도범위(예를 들면 120°또는 345°)에 배치하여 저항의 양쪽 끝단에 적절한 수준의 직류 전원(Vs)을 연결하고, 하나의 탐침자가 이 각도 범위 내에서 회전하면서 기준점 즉 접지(ground, GND) 또는 전원점(voltage source, Vs)점과 탐침자 사이의 저항 값 또는 전압 차가 탐침자의 회전각도에 따라 선형적으로 변화하는 특성을 갖는다.

한편 높은 해상도(resolution)가 요구되는 곳에는 회전각도 범위가 360°이상인 다회전식 전위차계가 사용된다. 다회전식 전위차계는, 도 1에서 동일 평면상에 배치했던 균일 저항을 원통(圓筒)의 내측 표면에 나선형(screw type)으로 여러 바퀴(일반적으로 3～10 바퀴) 감고, 외부 회전축을 돌리면 탐침자가 원통 표면의 저항과 접촉하면서 균일 저항을 따라 나선형으로 회전함과 동시에 원통의 축(axial) 방향으로 이동되는 방식으로 구성함으로서, 외부 회전축의 각도에 따라 선형적인 출력 저항 또는 전압을 발생시키는 구조로 구성되어 있다.

그런데 일회전식 전위차계에서 탐침자의 접촉자가 균일 저항에 접촉하는 부분은 매우 작지만 일정한 폭을 갖기 마련이다. 만일 전위차계의 회전각도 범위를 360°에 근접하도록 증가시키면 접지점(ground)과 전원점 사이가 매우 가까워지게 되고, 이는 결과적으로 접지접과 전원점 사이를 탐침자가 단락(short-circuit)시키는 결과를 초래하게 되므로 완전한 360°회전범위를 갖는 전위차계가 불가능하며 따라서 일회전식 전위차계는 불가피하게 불감대가 존재하게 된다. 한편 다회전식 전위차계는 일회전식에 비해 해상도가 높고 360°이상 3～10 바퀴 정도의 회전각도 구현이 가능하기는 하지만 정해진 회전수에 도달하면 탐침자가 원통의 좌우 한쪽 끝에 도달하기 때문에 더 이상의 회전이 불가능하며, 결국 회전각도의 범위는 균일 저항을 원통 표면에 감은 횟수에 의해 제한되기 마련이다.전위차계의 여러 용도 중에서 회전운동기구의 회전각도를 측정하는 센서로 사용하는 특수한 경우를 가정할 때, 로봇 관절 부위와 같이 한바퀴 이하 예를 들어 80°정도의 제한된 회전범위를 갖는 경우도 있지만, 대부분 회전체의 회전각도 범위가 수 바퀴 이내로 제한되지 않고 거의 무한히 회전하도록 되어 있는 경우도 상당수 많다. 이러한 경우에 현재 사용 가능한 센서가 원형 엔코더(rotary encoder)로서, 이는 회전축이 회전함에 따라 발생하는 펄스의 개수를 세어서 각도를 측정한다. 따라서 이 방식은 반드시 디지털(digital)방식의 펄스카운터가 필요하고 또한 그 결과를 처리하기 위한 마이크로프로세서 등등이 필요하기 때문에, 가격이 비싸고 그 구성 또한 복잡해진다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해소하기 위해 일회전식 전위차계에 존재하는 불감대와 다회전식 전위차계의 회전각도 제한이라는 단점을 모두 극복하여 불감대가 전혀 없으며 360°이상 무한회전이 가능하면서 회전각도에 따라 선형적인 출력을 발생시키는 전위차계 방식을 제시함으로서, 다양한 회전운동기구에서 디지털 엔코더를 대체하여 단순하면서도 저렴한 아날로그(analog) 방식의 회전각도의 측정방법을 제공하는데 본 발명의 목적이 있다.

이와같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은 도 2와 같이 동일 평면상 또는 원통 표면 위에 원형으로 한 바퀴 이상 균일 저항을 감아 배치한 후, 내부에 자체 부가(附加) 저항을 가진 두 개의 접촉자(contact)로 구성된 탐침자(probe)가 회전하면서 균일 저항의 내, 외부를 동시에 접촉시킨 방식과, 도 3과 같이 균일 저항을 끊어짐이 없는 완전한 원형 폐곡선 형태로 동일 평면상 또는 원통 표면 위에 배치한 다음, 원형 폐곡선상의 임의의 두 지점을 기준점으로 즉 접지점(ground,GND)과 전원점(voltage source,Vs)으로 선정하여 각 기준점에 부가저항을 각각 연결하고, 하나의 탐침자가 회전하면서 원형 균일 저항의 한 점과 접촉되도록 구성된, 두 가지 방식의 회전형 전위차계 구성방법으로서 불감대 영역이 전혀 없고 360°이상 무한 회전이 가능하며 접지점과 탐침자 사이의 출력 특성이 회전각도에 선형적인 변화를 나타내도록 이루어 진 것에 특징이 있다.

도 1은 기존 일회전식 전위차계의 구조와 작동원리를 설명하는 도면

도 2는 한바퀴 이상의 균일 저항과 이중 접촉자를 가진 탐침자로 구성된 전위차계

도 3은 원형 폐곡선 균일 저항과 두 기준점에 부가저항으로 구성된 전위차계

도 4는 이중 접촉자형 전위차계의 작동원리를 설명하기 위한 도면

도 5는 이중 접촉자형 전위차계의 전형적인 톱니 파형 출력특성

도 6은 이중 접촉자형 전위차계의 전 구간 선형적 출력특성을 나타낸 도면

도 7은 원형 폐곡선형 전위차계의 기준점 위치변화에 따른 출력특성 변화

도 8은 원형 폐곡선형 전위차계의 부가저항에 따른 출력범위의 변화를 나타낸 도면

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

1 : 균일 저항 2 : 전위차계의 회전축

3 : 탐침자(probe), 접촉자(contact) 4 : 접촉자(contact)

GND: 접지점 (ground)Vs: 전원점 전압 (voltage source)

: 균일 저항의 내, 외부 중복 각도β: 원형 폐곡선 기준점 사이의 각도

θ : 회전축, 탐침자의 회전각도ρ: 균일 저항의 저항밀도 [Ω/mm]

R _a ,R _b : 부가저항R _TOT : 두 기준점 사이의 총 저항 [Ω]

r _o : 균일 저항의 반경L: 각 부분의 길이

이하 첨부된 도면에 의해 두 가지 방식의 회전형 전위차계 구성방법에 대하여 설명하면 다음과 같다.도 2는 한바퀴 이상 원형으로 배치된 균일 저항(1) 전위차계의 회전축(2) 회전축과 연결되어 회전하는 탐침자(3)와 내부에 부가저항을 지닌 두 개의 접촉자(4)로 구성된 방식의 회전형 전위차계의 구조도로서, 이하부터는 이 방식의 전위차계를 편의상 이중(二重) 접촉자(接觸子)형 전위차계로 부른다. 균일 저항(1)은 도 2에 표시된 것과 같이 평면상에 원형으로 배치될 수도 있고, 원통형의 내측 표면 위에 배치시킬 수도 있다. 저항(1)은 일부 각도구간 α에서는 내, 외측 저항이 중복되어 배치되고, 다른 각도 구간 2π-α에서는 단일 저항만 있도록 배치되어 있다. 탐침자(3)는 자체 부가저항을 지닌 이중 접촉자(4)와 일체(一體)로 형성되어 회전축(2)와 연결되어 있으며, 따라서 전위차계가 회전하면 탐침자(3)과 접촉자(4)도 동시에 회전하며, 각도구간 α에서는 두개의 접촉자 모두 균일 저항(1)과 접촉하고 각도 구간 2π-α에서는 하나의 접촉자만이 균일 저항(1)과 접촉하게 된다.

도 2에 보인 이중 접촉자형 전위차계의 작동원리를 알기 쉽게 도식화하면 도 4와 같다. 균일저항(1)의 반경을r _o , 단위 길이 당 저항밀도를이라고 하면 안쪽 저항의 길이는, 바깥쪽 저항의 길이는이고 이 두 부분의 저항은 각각,이다. 그리고 도 2에서 알 수 있듯이 탐침자의 위치θ에 관계없이 두 접촉자 사이 균일 저항(1)의 길이는 항상 길이L ₁이 유지됨에 주목하라. 이중접촉자의 내부 부가저항,과 두 접촉자 사이의 저항이 병렬로 배치되어 있고, 회전각도인 경우에는 하나의 접촉자만이 저항과 접촉상태에 있음을 감안하면, 각도θ에 해당하는 저항을라 할 때 접지점과 전원점 사이의 총 저항은 다음과 같다.

그리고 전원점에 전압 Vs를 연결한 상태에서, 두점 접촉의 경우와 한점 접촉의 경우에 대해 접지점과 탐침자 사이의 접압을 구하면 각각 다음과 같다.

이 두 식을 이용하여 이중 접촉자형 전위차계의 전형적인 출력 전압의 특성을 그려보면 도 5와 같다. 여기서 일점쇄선은 식(3)에, 점선은 식(4)에 각각 해당하고 굵은 실선은 접지점과 탐침자 사이 전위차계의 출력전압을 표시한다. 도 5로부터 두 직선의 기울기가 다르며에서 불연속 점이 있음을 볼 수 있다. 그런데, 식(1)과 식(3)에서즉이면및이 되므로 두 점선의 기울기가 거의 같아짐을 알 수 있다. 한편경우, 회전각도θ=0일 때의 전압은 임을 식(3)으로부터 알 수 있고,θ= 2π에서의 전압은임을 식(4)로부터 알 수 있다. 이는 이중 접촉자형 전위차계의 출력전압의 범위를 접촉자의 부가저항 비R _a /R _b 와 균일 저항의 중복각도 비로 적절히 조절할 수 있음을 뜻한다.

예를 들어그리고 균일 저항의 중복각도를 10°로 작게 선정한 경우의 출력전압을 보면 도 6과 같다. 이상의 분석에 준하여 예상할 수 있듯이, 도 6의 출력전압은 V(0)은 거의 0에 접근하고 탐침자 회전각도θ=α=10°지점에서의 전압 차이가 매우 작아 불연속 현상은 거의 보이지 않으며,θ=2π에서 출력은 전원점의 인가전압에 근접한 이상적인 출력특성을 보임을 알 수 있다.

두 번째 방식의 회전형 전위차계 구성방법을 설명하면 다음과 같다. 도 3은 원형의 폐곡선으로 배치된 균일 저항(1) 전위차계의 회전축(2) 회전축과 연결되어 회전하는 탐침자(3) 그리고 각도β만큼 사이를 둔 두 지점 즉 기준점에 부가저항R _A 와R _B 를 각각 추가하고, 그 끝점들을 각각 접지점과 전원점으로 구성한 방식의 회전형 전위차계의 구조도로서, 이하부터는 이 방식의 전위차계를 편의상 원형(圓形) 폐곡선(閉曲線)형 전위차계로 부른다. 균일 저항(1)은 도 3에 표시 된 것과 같이 평면상의 원형으로 배치될 수도 있고, 원통형의 내측 표면 위에 배치시킬 수도 있다. 탐침자(3)은 회전축(2)에 연결되어 회전하면서 항상 균일 저항(1)과 점(點)접촉을 하고 있다.균일 저항(1)의 반경을r ₀ , 두 기준점을 중심으로 원형 균일 저항의 우측과 좌측부분의 단위 길이 당 저항밀도를 각각이라고 하면 우측과 좌측부분 저항의 길이는및, 두 부분의 저항은 각각이 된다. 균일 저항(1)은 두 기준점을 중심으로 좌우 병렬회로를 구성하고 있으므로 두 기준점 사이의 병렬저항은이고, 두 기준점에 추가 설치된 부가저항과 원형 균일 저항(1)은 직렬로 연결되므로 접지점과 전원점 사이의 총 저항은이 된다. 따라서 전원점에 전압를 연결한 상태에서, 탐침자(3)이 원형저항의 우측과 좌측에 놓일 경우에 대하여 접지점과 탐침자 사이의 전압을 구하면 각각 다음과 같다.

위 두 식으로부터 원형 폐곡선형 전위차계의 출력전압은 사용된 저항의 밀도,와는 전혀 무관하며 세부분의 저항R _a ,R _b ,R _c 과 두 기준점 사이 각도β에 의해 결정됨을 알 수 있다. 또한θ=0과θ=2π에서의 출력전압V(0)와V(2π)는로 동일하며, θ=β에서의 출력전압은로서 이 각도에서의 출력전압이 최대가 됨을 알 수 있다. 이는 원형 폐곡선형 전위차계의 출력전압의 범위를 두 기준점에 설치된 부가저항R _a ,R _b 으로 적절히 조절할 수 있음을 뜻한다.예를들어 두 기준점에 부가저항이 없는경우,β=180°일 때와β=340°일 때의 출력특성을 그린 도 7을 보면, 두 기준점 사이의 선형적 출력특성을 보여주고 있으며 기준점 사이의 각도β를 조절함에 따라 출력파형 특성을 변경시킬 수 있다. 그리고 부가저항이=0.1인 경우의 출력특성을 그림 도 8를 보면, 탐침자의 출력 전압은 전원전압의 10～90％임을 볼 수 있으며 따라서 전위차계의 출력범위를 임의로 설정할 수 있다.

만일 도 7의 우측β=340°인 경우와 같이 톱니형(saw-tooth)의 출력전압을 원하는 경우, 원형 균일 저항(1)의 병렬저항은R _c 는 상당히 작아지고 각도β가 360°에 근접하면 저항 크기는이 되어 접지점과 전원점 사이에 과도한 전류가 흐를수가 있다. 하지만 원형 폐곡선형 전위차계의 출력특성이 원형 균일 저항(1)의 저항밀도와 무관하다는 특징을 감안하여, 기준점 좌측과 우측의 저항밀도를 서로 다르게 선정하면 이러한 단점은 해결 가능하다. 예를들어 밀도를로 선정하면, 기준점 좌우측 저항은로서 동일하고 따라서 병렬저항은 이 된다. 결과적으로 저항밀도를 적절히 조절함으로서, 톱니형 출력 전압특성을 얻으면서 동시에 총 저항의 크기를 원하는 수준으로 선정할 수가 있다.

이상에서 상술한 바와 같이 본 발명은, 동일한 면에 한바퀴 이상의 균일 저항을 배치하고 이를 내부 저항을 갖는 두 개의 접촉자로 구성된 탐침자로 한 점 이상의 접촉을 유지시키는 이중 접촉자 방식과 원형 폐곡선의 균일 저항에서 임의의 두 지점을 기준점으로 양쪽의 저항밀도를 다르게 설정하고 하나의 탐침자로 점 접촉을 유지시키는 원형 폐곡선 방식, 두 가지 방식의 전위차계를 제시함으로서 단락현상과 불감대 영역을 제거함과 동시에, 회전각도의 제한을 제거함으로서 무한회전이 가능하며, 선형적 출력특성을 타나낼 수 있는 것이다.

본 발명은 무엇보다 기존에 회전각도 및 속도를 측정하는데 사용하던 엔코더(encoder)를 대체할 수 있다. 엔코더는 디지털 방식의 카운터와 이를 처리하기 위한 마이크로프로세서 등이 반드시 필요하기 때문에 그 구성이 상당히 복잡해 지는데 반해, 본 발명은 아날로그 선형출력을 생성하기 때문에 별도의 신호처리가 필요치 않으며 손쉽게 주변 회로와의 합성이 가능하며, 디지털 프로세서로 처리하는 경우에도 A/D(Analog-to-Digital) 컨버터를 사용하면 손쉽게 고정밀해상도(resolution)을 확보할 수 있다.

본 발명의 간단한 원리를 감안하면, 가격은 엔코더보다는 훨씬 저렴하며 기존 전위차계의 제작비용과 거의 비슷할 것으로 예상된다. 본 발명을 라디오의 볼륨과 같은 수동형 조절소자로 사용할 경우, 본 제안에 간단한 멈춤 기구(stopper)를 부착하면 기존의 전위차계와 동일한 작동을 하게 된다. 멈춤 기구가 없이 본 발명을 그대로 적용하면 톱니파형의 출력특성으로 인해 어느 방향이던지 연속회전시켜도 끝없이 볼륨조절 기능이 반복되는 효과를 나타낼 수 있다.

본 발명에 사용되는 균일 저항은 일반적으로 사용되는 저항선(wire), 도성합금(cermet) 또는 전도성 플라스틱(conductive plastic) 어느 재질이나 관계없이 적용이 가능하다. 그리고 실제 적용 시 선형화 회로나 변환 회로(linearizing /decoding circuit) 등과 같은 별도의 주변장치가 전혀 필요치 않으며, 그 결과 인가전압에 특별한 제한이 없이 동일한 출력특성을 나타낸다.

이와 같이 본 발명은 그 구성이 매우 간단하고 따라서 소형으로 구성할 수 있으며, 엔코더를 사용한 디지털 방식 또는 전자식 논리회로로 구성하는 것보다 기술적으로도 간단하고 비용 또한 저렴하다. 그리고 간단한 멈춤 기구를 부착하면 기존의 수동식 조절소자와 동일한 용도로도 사용할 수 있다.

Claims (2)

1. 회전축에 연결된 탐침자의 회전각도에 비례하여 출력 저항 및 전압특성을 나타내는 회전형 전위차계에 있어서,

   평면 또는 원형의 내면에, 한 바퀴 이상 원형으로 균일 저항을 배치하여 균일 저항의 양 끝단이 접지점과 전원점이 되고, 탐침자와 내부에 부가저항을 지닌 두 개의 접촉자가 일체로 구성되어 전위차계의 회전축과 연결되어 회전하면서, 일부 각도구간에서는 균일 저항과 두 점에서 접촉하다가 그 외 다른 각도구간에서는 균일 저항과 한점에서 접촉하는 방식으로 전위차계를 구성함으로서,

   전위차계의 회전축 즉 탐침자의 회전각도 구간의 제한이 없이 무한 회전이 가능하고 전체 회전구간에서 단락현상과 불감대가 없으며, 출력 저항 및 전압특성이 선형적이고, 출력범위를 접촉자 내부의 부가저항 비R _a /R _b 과 균일 저항의 중복각도의 비α/(2π)로서 조절할 수 있는 것을 특징으로 하는 회전형 전위차계.
2. 회전축에 연결된 탐침자의 회전각도에 비례하여 출력 저항 및 전압특성을 나타내는 회전형 전위차계에 있어서,

   평면 또는 원통의 내면에, 일정각도β를 사이에 둔 두 기준점의 양측에 저항밀도가 서로 다른 균일 저항을 원형 폐곡선 형상으로 배치하고, 두 기준점에 부가저항을 설치하여 각 부가저항의 끝단이 접지점과 전원점이 되고, 전위차계의 회전축과 연결되어 회전하는 하나의 탐침자가 항상 한 점에서 균일 저항과 접촉하는 방식으로 전위차계를 구성함으로서,

   전위차계의 회전축 즉 탐침자의 회전각도 구간의 제한이 없이 무한 회전이 가능하고 전체 회전구간에서 단락현상과 불감대가 없으며, 출력 저항 및 전압특성이 선형적이고 출력범위를 두 기준점에 설치된 부가저항의 크기R _a ,R _b 로 조절할 수 있으며, 회전각도에 따라 변화하는 출력파형의 형태를 기준점 사이 각도β로 변경시킬 수 있는 것을 특징으로 하는 회전형 전위차계.