KR100936574B1 - 비틀림각 및 절대회전각의 측정이 가능한 비접촉식토크센서 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따른 토크센서는, 제1축 단부의 외주면에 장착되는 제1기어; 상기 제1기어와 맞물리도록 위치하는 두 개의 제1종동기어; 상기 두 개의 제1종동기어 각각의 중심에 부착되는 제1자석; 상기 제1자석의 회전시 발생하는 자기장의 변화를 감지하여 이를 상기 제1종동기어의 회전각 값으로 환산한 후, 그 값을 전기적 신호로 출력하는 제1센서; 상기 제1축과 마주하는 제2축 단부의 외주면에 장착되는 제2기어; 상기 제2기어와 맞물리도록 위치하는 두 개의 제2종동기어; 상기 두 개의 제2종동기어 각각의 중심에 부착되는 제2자석; 상기 제2자석의 회전시 발생하는 자기장의 변화를 감지하여 이를 상기 제2종동기어의 회전각 값으로 환산한 후, 그 값을 전기적 신호로 출력하는 제2센서; 및 상기 제1 및 제2센서로부터 출력된 신호를 이용하여 상기 제1축 및 제2축의 절대회전각, 상기 제1축과 제2축 간의 비틀림각을 산출하는 제어유닛;을 포함하되, 상기 제1센서 및 제2센서는 0도 이상 360도 이하의 값만을 출력할 수 있고, 상기 두 개의 제1종동기어의 회전비는 서로 상이하며, 상기 두 개의 제2종동기어의 회전비도 서로 상이한 것을 특징으로 한다.

기어, 종동기어, 자석, 센서, 절대회전각, 비틀림각, 토크센서

Description

비틀림각 및 절대회전각의 측정이 가능한 비접촉식 토크센서{Non-Contacting Torque Sensor For Measuring Twisting Angle and Absolute Angle}

본 발명은 비접촉식 토크센서에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 자기장의 변화를 이용하여 두 축의 비틀림각 및 절대각을 측정할 수 있는 토크센서에 관한 것이다.

토크센서는 두 축 간의 비틀림각을 이용하여 두 축 간에 작용하는 토크를 측정하기 위한 것으로, 산업자동화 및 품질검사 부문, 자동차 산업 부문, 중공업 부문, 화학 부문, 건설 토목 부문, 항공 우주 부문 등 현대의 다양한 산업에 응용되어 사용되고 있다.

일반적으로 상기 토크센서는 회전형과 비회전형으로 분류되고, 상기 회전형 토크센서는 다시 스트레인 게이지(Strain Gauge), 포텐쇼미터(Potentiometer) 등를 이용하여 두 축의 회전변위를 측정하는 접촉식 토크센서와, 자기적 방법 또는 광학적 방법으로 상기 두 축의 회전변위를 측정하는 비접촉식 토크센서로 분류된다.

이중 접촉식 토크센서의 경우 소음, 내구성능 등에서 비접촉식에 비해 열세이므로 현재는 그 사용예가 점차 줄어가고 있는 추세에 있다.

한편, 광학적 방법을 이용한 상기 비접촉식 토크센서는 천공된 두 디스크 또는 하나의 디스크를 가지고 이미터에서 발광된 빛이 디스크를 통과할 때 광량 또는 무늬패턴이 변화하도록 유도하고 이 차이를 가지고 토크를 측정하며, 이와 함께 광 펄스(Optical Pulse)의 수를 가지고 회전각을 측정할 수 있도록 이루어져 있다.

그러나, 상기 광학적 방법을 이용한 토크센서는 광량을 가지고 토크를 측정하게 되므로 광의 진행을 방해할 수 있는 이물질이 침투하는 경우 오작동을 야기할 수 있고, 장비의 구성 부품의 구입에 많은 비용이 소요되는 문제가 있다.

이와 같은 이유로 현재에는 자기적 방법을 이용하는 비접촉식 토크센서가 가장 많이 사용되고 있다. 그러나, 현재 주로 사용되고 있는 자기적 방법을 이용하는 비접촉식 토크센서의 경우, 두 축 간의 비틀림각의 측정만이 가능할 뿐, 각 축의 절대회전각의 측정은 이루어질 수 없도록 구성되어 있다.

본 발명은 상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 두 축 각각에 대한 절대회전각과 두 축 간의 비틀림각 모두를 자기장의 변화를 이용하여 측정할 수 있는 비접촉식 토크센서를 제공하는 것을 목적으로 삼고 있다.

상술한 바와 같은 목적을 달성하기 위해 본 발명은, 제1축 단부의 외주면에 장착되는 제1기어; 상기 제1기어와 맞물리도록 위치하는 두 개의 제1종동기어; 상기 두 개의 제1종동기어 각각의 중심에 부착되는 제1자석; 상기 제1자석의 회전시 발생하는 자기장의 변화를 감지하여 이를 상기 제1종동기어의 회전각 값으로 환산한 후, 그 값을 전기적 신호로 출력하는 제1센서; 상기 제1축과 마주하는 제2축 단부의 외주면에 장착되는 제2기어; 상기 제2기어와 맞물리도록 위치하는 두 개의 제2종동기어; 상기 두 개의 제2종동기어 각각의 중심에 부착되는 제2자석; 상기 제2자석의 회전시 발생하는 자기장의 변화를 감지하여 이를 상기 제2종동기어의 회전각 값으로 환산한 후, 그 값을 전기적 신호로 출력하는 제2센서; 및 상기 제1 및 제2센서로부터 출력된 신호를 이용하여 상기 제1축 및 제2축의 절대회전각, 상기 제1축과 제2축 간의 비틀림각을 산출하는 제어유닛;을 포함하되, 상기 제1센서 및 제2센서는 0도 이상 360도 이하의 값만을 출력할 수 있고, 상기 제1기어와 제2기어의 회전비는 동일하며, 상기 두 개의 제1종동기어의 회전비는 서로 상이하고, 상기 두 개의 제2종동기어의 회전비도 서로 상이한 것을 특징으로 하는 비틀림각 및 절 대회전각의 측정이 가능한 비접촉식 토크센서를 제공한다.

바람직하게, 상기 제1축과 제2축간의 비틀림각은 상기 제1축의 절대회전각과 상기 제2축의 절대회전각의 차에 의해 산출된다.

바람직하게, 상기 제1축 및 제2축의 절대회전각은 아래 수학식 1(Output_1이 Output_2 보다 크거나 같은 경우) 및 수학식2(Output_1이 Output_2 보다 작은 경우)에 의해 산출된다.

Angle = (Output_1 - Output_2) * Unit_angle

Angle_110 = {360 - (Output_2 - Output_1)} * Unit_angle

( 단, Angle : 상기 제1축 또는 제2축의 절대회전각, Output_1 : 상기 두 개의 제1센서 중 어느 하나로부터의 출력각, 또는 상기 두 개의 제2센서 중 어느 하나로부터의 출력각, Output_2 : 상기 두 개의 제1센서 중 나머지 하나로부터의 출력각, 또는 상기 두 개의 제2센서 중 나머지 하나로부터의 출력각, Unit_angle : 상기 제1축 또는 제2축의 최대절대회전각을 360으로 나눈값 )

본 발명에 의하면, 두 축 각각에 대한 절대회전각과 두 축 간의 비틀림각 모두를 자기장의 변화를 이용하여 측정할 수 있는 효과가 발생한다.

이하, 본 발명에 따른 비틀림각 및 절대회전각의 측정이 가능한 비접촉식 토 크센서의 바람직한 실시예를 상기 토크센서가 차량용 스티어링 장치에 적용된 경우를 예로 들어 설명한다. 그러나, 이는 내용의 설명에 편의를 기하기 위함일 뿐, 상기 토크센서가 차량용 스티어링 장치의 적용에 한정되는 것을 의미하는 것은 아니며, 본 발명에 따른 토크센서는 산업자동화 및 품질검사 부문, 자동차 산업 부문, 중공업 부문, 화학 부문, 건설 토목 부문, 항공 우주 부문 등의 다양한 분야에 적용될 수 있음을 미리 밝히는 바이다.

도 1은 본 발명에 따른 비틀림각 및 절대회전각의 측정이 가능한 비접촉식 토크센서의 일실시예가 장착된 차량용 스티어링 장치를 도시한 사시도이고, 도 2는 도 1에 도시된 토크센서의 개념도이며, 도 3은 도 1에 도시된 토크센서의 제1 및 제2자석을 도시한 평면도이다.

본 발명에 따른 토크센서는 제1기어(110), 제1종동기어(112, 114), 제1자석(116, 118), 제1센서(120, 122), 제2기어(130), 제2종동기어(132, 134), 제2자석(136, 138), 제2센서(140, 142) 및 제어유닛(미도시)을 포함한다.

상기 제1기어(110)는 자동차의 스티어링 휠과 연결된 입력축(102) 일단의 외주면에 장착되고, 상기 제1종동기어(112, 114)는 상기 제1기어(110)의 회전시 함께 회전할 수 있도록 상기 제1기어(110)와 맞물려 설치된다. 상기 제1종동기어(112, 114)는 상기 토크센서를 수용하기 위한 케이스(106)에 의해 회전 가능하도록 지지된다. 상기 두 개의 제1종동기어(112, 114)는 서로 그 회전비를 달리하는데, 이로 인해 상기 제어유닛이 상기 입력축(102)의 절대회전각을 산출할 수 있게 된다. 상기 입력축(102)의 절대회전각의 산출과정은 아래에서 상세하게 설명한다.

상기 제1자석(116, 118)은 상기 제1종동기어(112, 114)의 일측면 중앙부에 부착되어 상기 제1종동기어(112, 114)의 회전시 상기 제1종동기어(112, 114)와 함께 회전한다. 상기 제1자석(116, 118)은 도 3에 도시된 바와 같이 N극과 S극이 균등하게 양분되어 위치하는 원 형태로 형성된다.

상기 제1센서(120, 122)는 상기 제1자석(116, 118)과 마주하도록 상기 케이스(106)에 의해 지지된다. 상기 제1센서(120, 122)는 상기 제1자석(116, 118)의 회전시 발생하는 자기장의 변화를 감지하여 이를 상기 제1종동기어(112, 114)의 회전각 값으로 환산한 후, 상기 회전각 값을 전기적 신호로 출력한다. 상기 제1자석(116, 118)은 앞서 설명한 바와 같이, 도 3에 도시된 형태를 하고 있는데, 이와 같은 경우 상기 제1자석(116, 118)의 회전에 의한 자기장의 변화는 360도를 주기로하여 동일한 형태로 이루어진다. 따라서, 상기 제1센서(120, 122)는 0도 내지 360도 범위 내의 값만을 출력하게 된다. 상기 제1센서(120, 122)로부터 출력된 신호는 상기 제어유닛(미도시)으로 전송된다.

상기 제2기어(130)는 상기 제1기어(110)와 마주하도록 자동차의 바퀴와 연결된 출력축(104) 일단의 외주면에 장착되고, 상기 제2종동기어(132, 134)는 상기 제2기어(130)의 회전시 함께 회전할 수 있도록 상기 제2기어(130)와 맞물려 설치된다. 상기 제2종동기어(132, 134)는 상기 케이스(106)에 의해 회전 가능하도록 지지된다. 상기 제2종동기어(132, 134)는 서로 그 회전비를 달리하는데, 이는 제1종동기어(112, 114)가 서로 그 회전비를 달리하는 이유와 동일하다.

상기 제2자석(136, 138)은 상기 제2종동기어(132, 134)의 일측면 중앙부에 부착되어 상기 제2종동기어(132, 134)의 회전시 상기 제2종동기어(132, 134)와 함께 회전한다. 상기 제2자석(136, 137)의 형태는 제1자석(116, 118)의 형태와 동일하다.

상기 제2센서(140, 142)는 상기 제2자석(136, 138)과 마주하도록 상기 케이스(106)에 의해 지지된다. 상기 제2센서(140, 142)는 상기 제2자석(136, 138)의 회전시 발생하는 자기장의 변화를 감지하여 이를 상기 제2종동기어(132, 134)의 회전각 값으로 환산한 후, 상기 회전각 값을 전기적 신호로 출력한다. 상기 제2센서(140, 142)는 앞서 설명한 바와 동일한 이유로 0도 내지 360도 범위 내의 값만을 출력하게 된다. 상기 제2센서(140, 142)로부터 출력된 신호는 상기 제어유닛(미도시)으로 전송된다.

상기 제어유닛(미도시)은 상기 제1센서(120, 122)및 제2센서(140, 142)로부터 출력된 신호를 이용하여 상기 입력축(102) 및 출력축(104)의 절대회전각, 상기 입력축(102)과 출력축(104) 간의 비틀림각을 산출한다. 이하, 그 산출과정을 구체적으로 설명하되, 상기 제1센서(120, 122)로부터 출력된 신호를 이용하여 상기 입력축(102)의 절대회전각을 산출하는 방법과 상기 제2센서(140, 142)로부터 출력된 신호를 이용하여 상기 출력축(104)의 절대회전각을 산출하는 방법은 동일하므로 절대회전각 산출방법은 상기 입력축(102)에 대하여만 설명한다.

상기 입력축(102)의 절대회전각은 아래 수학식 1 및 수학식 2로부터 산출될 수 있다. 수학식 1과 수학식 2에서 Angle_110은 상기 제1기어(110)의 절대회전각을 나타내고, Output_112는 제1종동기어(112)의 출력각을 나타내고, Output_114는 제1 종동기어(114)의 출력각을 나타내고, Unit_angle은 상기 제1기어(110)의 최대절대회전각을 360으로 나눈 값을 나타낸다. 그리고, 수학식 1은 Output_112가 Output_114보다 크거나 같은 경우에 적용되고, 수학식 2는 Output_112가 Output_114보다 작은 경우에 적용된다. 수학식 1 및 수학식 2에서 산출한 제1기어(110)의 절대회전각은 상기 입력축(102)의 절대회전각과 동일하다.

[수학식 1]

Angle_110 = (Output_112 - Output_114) * Unit_angle

[수학식 2]

Angle_110 = {360 - (Output_114 - Output_112)} * Unit_angle

이하에서는 좀 더 명확한 이해를 위해 2가지 예를 들어 상기 입력축(102)의 절대회전각의 산출과정을 설명한다. 아래의 예에서 상기 제1기어(110)와 상기 제1종동기어(112)와 제1종동기어(114)의 회전비는 9:18:16으로 설정되었고, 상기 제1기어(110)의 최대절대회전각은 1622도로 설정되었다. 이와 같은 경우, 상기 Unit_angle은 4.5의 값을 갖게 된다.

상기 제1종동기어(112)가 1바퀴 회전하였을 경우 상기 제1종동기어(114)는 16/18바퀴를 회전하게 된다. 이와 같은 경우, Output_112의 값은 360이고, Output_114의 값은 320이 되므로 수학식 1이 적용되는바, 상기 Output_112, Output_114 및 Unit_angle의 값들을 수학식 1에 대입하면 Angle_110은 180의 값을 갖게 된다. 한편, 상기 제1종동기어(112)가 1바퀴 회전하였을 경우 상기 제1기어(110)는 9/18바퀴를 회전하므로 실제 상기 제1기어(110)는 180도만큼 회전하게 되는데 이 값은 앞서 수학식 1에서 산출된 Angle_110과 정확히 일치한다.

또한, 상기 제1종동기어(112)가 18/4바퀴 회전하였을 경우 상기 제1종동기어(114)는 4바퀴를 회전하게 된다. 이와 같은 경우, Output_112의 값은 180이고, Output_114의 값은 360이 되므로 수학식 2가 적용되는바, 상기 Output_112, Output_114 및 Unit_angle의 값들을 수학식 2에 대입하면 Angle_110은 810의 값을 갖게 된다. 한편, 상기 제1종동기어(112)가 18/4바퀴 회전하였을 경우 상기 제1기어(110)는 9/4바퀴를 회전하므로 실제 상기 제1기어(110)는 810도만큼 회전하게 되는데 이 값은 앞서 수학식 2에서 산출된 Angle_110과 정확히 일치한다.

상기 제1기어(110)의 최대절대회전각, 상기 제1기어(110)와 상기 제1종동기어(112)와 제1종동기어(114)의 회전비는 앞서 설명한 바와 상이하게 설정될 수 있음은 당연하다. 이때 상기 제1기어(110)와 상기 제1종동기어(112)와 제1종동기어(114)의 회전비는 상기 제1기어(110)의 최대절대회전각에 따라 변하게 되므로 초기설계시 상기 제1기어(110)의 최대절대회전각이 설정되면 별도의 프로그램을 구동하여 상기 제1기어(110)와 상기 제1종동기어(112)와 제1종동기어(114)의 회전비를 산출하여야 한다.

상기 제2기어(130)의 절대회전각은 앞서 설명한 방법과 동일한 방법으로 산출될 수 있다. 상기 제1기어(110)와 제2기어(130)의 절대회전각이 산출되면 이들의 차를 이용하여 상기 제1기어(110)와 제2기어(130)의 비틀림각을 산출할 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 비틀림각 및 절대회전각의 측정이 가능한 비접촉식 토크센서의 일실시예가 장착된 차량용 스티어링 장치를 도시한 사시도이다.

도 2는 도 1에 도시된 토크센서의 개념도이다.

도 3은 도 1에 도시된 토크센서의 제1 및 제2자석을 도시한 평면도이다.

Claims (3)

1. 제1축 단부의 외주면에 장착되는 제1기어;

   상기 제1기어와 맞물리도록 위치하는 두 개의 제1종동기어;

   상기 두 개의 제1종동기어 각각의 중심에 부착되는 제1자석;

   상기 제1자석의 회전시 발생하는 자기장의 변화를 감지하여 이를 상기 제1종동기어의 회전각 값으로 환산한 후, 그 값을 전기적 신호로 출력하는 제1센서;

   상기 제1축과 마주하는 제2축 단부의 외주면에 장착되는 제2기어;

   상기 제2기어와 맞물리도록 위치하는 두 개의 제2종동기어;

   상기 두 개의 제2종동기어 각각의 중심에 부착되는 제2자석;

   상기 제2자석의 회전시 발생하는 자기장의 변화를 감지하여 이를 상기 제2종동기어의 회전각 값으로 환산한 후, 그 값을 전기적 신호로 출력하는 제2센서; 및

   상기 제1 및 제2센서로부터 출력된 신호를 이용하여 상기 제1축 및 제2축의 절대회전각, 상기 제1축과 제2축 간의 비틀림각을 산출하는 제어유닛;을 포함하되,

   상기 제1센서 및 제2센서는 0도 이상 360도 이하의 값만을 출력할 수 있고, 상기 두 개의 제1종동기어의 회전비는 서로 상이하며, 상기 두 개의 제2종동기어의 회전비도 서로 상이한 것을 특징으로 하는 비틀림각 및 절대회전각의 측정이 가능한 비접촉식 토크센서.
2. 제1항에 있어서,

   상기 제1축과 제2축간의 비틀림각은 상기 제1축의 절대회전각과 상기 제2축의 절대회전각의 차에 의해 산출되는 것을 특징으로 하는 비틀림각 및 절대회전각의 측정이 가능한 비접촉식 토크센서.
3. 제1항에 있어서,

   상기 제1축 및 제2축의 절대회전각은 아래 수학식 1(Output_1이 Output_2 보다 크거나 같은 경우) 및 수학식2(Output_1이 Output_2 보다 작은 경우)에 의해 산출되는 것을 특징으로 하는 비틀림각 및 절대회전각의 측정이 가능한 비접촉식 토크센서.

   [수학식 1

   Angle = (Output_1 - Output_2) * Unit_angle

   [수학식 2]

   Angle = {360 - (Output_2 - Output_1)} * Unit_angle

   ( 단, Angle : 상기 제1축 또는 제2축의 절대회전각, Output_1 : 상기 두 개의 제1센서 중 어느 하나로부터의 출력각, 또는 상기 두 개의 제2센서 중 어느 하나로부터의 출력각, Output_2 : 상기 두 개의 제1센서 중 나머지 하나로부터의 출력각, 또는 상기 두 개의 제2센서 중 나머지 하나로부터의 출력각, Unit_angle : 상기 제1축 또는 제2축의 최대절대회전각을 360으로 나눈 값 )

Images