KR101220881B1

KR101220881B1 - 무접점 자계센서를 이용한 토크측정장치

Info

Publication number: KR101220881B1
Application number: KR1020110000515A
Authority: KR
Inventors: 박영철; 박효상
Original assignee: (주)덴토스
Priority date: 2011-01-04
Filing date: 2011-01-04
Publication date: 2013-01-15
Also published as: KR20120079294A; WO2012093749A1

Abstract

본 발명은 무접점 자계센서를 이용한 토크측정장치에 관한 것으로서, 특히 토크측정장치를 소형화하면서 사용용도와 목적에 따라 적합한 토크를 미세범위까지 설정할 수 있게 하여 토크제어가 필요한 산업분야에 다양하게 적용할 수 있게 한 것이다.
상기 과제를 해결하기 위한 수단으로서, 본 발명은 자계의 선호를 검출할 수 있는 홀센서와, 원통형의 하우징 내에 회전가동체와 승강가동체를 조립하여 회전가동체와 승강가동체가 함께 회전될 수 있게 하고, 상기 회전가동체는 회전과정에서 외부저항에 의해 스프링의 탄성계수만큼 하우징 내에서 회전각이 변화되게 구성하고, 승강가동체에는 다수개의 자석을 등간격으로 설치하여 회전가동체의 회전각변화에 따라 하우징 내를 승강하면서 홀센서와 근접되게 하고, 상기 자석과 홀센서의 거리에 따라 토크값이 검출될 수 있게 구성한 것이다.

Description

무접점 자계센서를 이용한 토크측정장치{TORQUE MEASURING APPARATUS BY NON-CONTACT MAGNETIC FIELD SENSOR}

본 발명은 무접점 자계센서를 이용한 토크측정장치의 개량에 관한 것으로서, 특히 입력축과 출력축이 분리구성되게 토크측정장치를 구성하되, 출력축의 저항에 따라 자계가 승강하면서 홀센서와의 거리가 변화되게 하고, 상기 자계와 홀센서의 거리변화에 따라 토크값이 측정될 수 있게 하는 간단한 구성으로 토크측정장치를 구성케 함으로서, 장치를 소형, 경량화할 수 있게 할 뿐 아니라, 사용용도와 목적에 따라 미세범위까지 토크를 측정할 수 있게 하여, 모터의 회전동력을 전달받아 필요한 공구가 회전하는 각종 의료기구나 산업기계의 회전축 부분에 다양하게 적용사용할 수 있게 한 것이다.

일반적으로 토크(torque)는 어떤 중심축에 힘이 가해져 물체를 회전시키는 정도를 말하는 것으로서 비틀림 모멘트라고도 한다.

상기 토크를 제어하거나 측정하기 위한 수단으로서 널리 사용되고 있는 것은 로드셀이나 스트랭스 게이지와 같은 장치들이 제공되고 있다.

그러나 상기 로드셀이나 스트랭스 게이지의 경우 구조가 복잡할 뿐 아니라 부피가 크기 때문에 모터의 회전동력을 전달받아 필요한 공구가 회전하는 각종 의료기구나 산업기계의 회전축 부분에 직접 장착사용하기에는 많은 불편과 제약이 따르게 되며, 또한 설치비용이 많이 소요되는 등의 단점이 있는 것이었다.

본 발명은 이러한 종래의 단점을 시정하고자 자계와 자계를 감지하는 홀센서를 이용한 무접점방식으로 토크를 측정할 수 있도록 한 장치를 구성하되, 상기 토크측정장치를 이용하여 토크의 측정은 물론, 토크의 제어 및 설정이 가능케 하면서 상기 장치를 소형, 경량화하여 회전동력이 필요한 각종 의료기구나 산업기계 및 공구의 회전축에 직접 적용하여 편리하게 사용할 수 있도록 한 것이다.

상기 과제를 해결하기 위한 수단으로서, 본 발명은 출력축을 갖는 원통형의 하우징 내에, 입력축이 형성되면서 출력축의 저항에 의해 스프링을 압축시켜 일정각도 범위 내에서 회전각을 변화시키는 회전가동체와, 상기 회전가동체의 회전작동에 의해 자계를 갖는 승강가동체를 승강가능케 조립하여, 하우징과 회전가동체 및 승강가동체가 함께 회전될 수 있게 하고, 자계를 갖는 승강가동체 아랫쪽에는 자계를 감지하는 홀센서를 설치한 것으로서, 외부회전동력이 회전가동체의 입력축에 전달되어 하우징이 회전하는 과정에서 하우징의 출력축에 결합된 가상의 공구에 저항이 발생하게 되면, 저항값만큼 스프링을 압축시키면서 회전가동체가 일정각도로 회전하게 되고, 상기 회전가동체의 각도변화에 따라 자계를 갖는 승강가동체가 승강하면서 홀센서와 근접되게 하고, 상기 자계와 홀센서의 거리에 따라 토크값이 검출될 수 있게 한 것이다.

본 발명은 자계와, 자계를 감지하는 홀센서로 구성된 토크측정장치를 구성하되, 출력축에 전가되는 토크의 변화에 따라 자계와 홀센서의 간격이 변화되게 하는 원리로 토크값이 검출될 수 있게 함으로서, 토크측정장치의 구성을 간단히 할 수 있을 뿐 아니라, 소형, 경량화할 수 있어 회전전동력이 필요한 각종 의료기구나 산업기계 및 공구의 회전축에 직접 설치사용가능토록 함은 물론 토크의 측정과 제어 및 설정이 가능케 하여 각종 공구의 안전하고 편리한 사용을 기대할 수 있게 되는 등의 효과가 있는 것이다.

도 1 : 본 발명 토크측정장치의 분해사시도
도 2 : 본 발명 토크측정장치의 분해사시도
도 3 : 본 발명 토크측정장치의 조립상태 단면도
도 4 : 본 발명 토크측정장치의 조립상태 단면도로서 승강가동체가 하강한 상태도
도 5 : 본 발명에서 하우징과 회전가동체 사이에 스프링이 설치된 상태도
도 6 : 도 5의 상태에서 회전력에 저항이 발생하여 스프링이 압축된 상태도
도 7 : 본 발명 장치의 요부사시도
도 8 : 도 7의 상태에서 하우징을 제거한 상태도
도 9 : 도 7의 상태에서 하우징을 제거한 상태도
도 10 : 본 발명의 사용상태 예시도
도 11 : 본 발명의 홀센서에서 토크의 신호를 파형으로 검출표시한 상태도

이하 본 발명의 실시예를 첨부도면에 따라 상세히 설명한다.

도 1 및 도 2는 본 발명에서 제공하고자 하는 토크측정장치(20)의 분해사시도이고, 도 3 내지 도 9는 본 발명 장치를 좀더 구체적으로 도시한 도면(모터(M)는 가상으로 도시한 것임)으로서, 본 발명의 기술요지는 자계와 , 자계를 감지하는 홀센서로 구성되게 하되, 출력축에 전가되는 토크의 변화에 따라 자계와 홀센서의 간격이 변화되게 하는 원리로 토크값이 검출될 수 있게 한다는 것이다.

상기 토크측정장치(20)는 출력축(44)을 갖는 하우징(40) 내에 입력축(61)을 갖는 회전가동체(60)와, 자계, 즉 자석(76)이 형성된 승강가동체(70)가 조립되는 구조이고, 승강가동체(70) 아랫쪽에는 자계감지를 위한 홀센서(33)가 구성되게 한 것으로, 이들의 구성 및 조립구조를 좀더 상세히 설명한다.

하우징(40)은 회전가동체(40)와 승강가동체(70)가 수납되어 함께 회전되게 하는 것으로서, 원통형의 하우징(40)의 본체(41) 내면에 수납실(42)이 구성되어 있고, 전면에는 출력축(44)이 돌출구성되어 있으며, 양측에는 체결공(45)이 뚫려 있다.

상기 하우징(40)의 본체(41) 내면에 구성된 수납실(42) 내저면에는 스토퍼(50)를 끼워 체결고정되게 하되, 상기 스토퍼(50)는 다음과 같이 구성된다.

즉 도 1 및 도 2에서와 같이 통공(52)이 뚫린 단관(51) 양측에 나사공(53)과 요입홈(54)이 형성된 고정편(55)이 돌출구성되게 함으로서, 그 사이에 공간부(56)가 구성되게 하고, 상기한 구성의 스토퍼(50)를 하우징(40)의 수납실(42) 내저면에 끼워 스토퍼(50)에 구성된 나사공(53)이 하우징(40)의 체결공(45)과 나란히 일치되게 하고, 상기한 상태에서 체결공(45)을 통하여 나사공(53)에 체결피스(46)를 조립하여 이들이 조립구성되게 한다.

이때 단관(51) 양측에 돌출구성되는 고정편(55)은 단관(51)의 두께보다 두껍게 구성되어 있어 고정편(55)의 하단부가 단관(51) 아랫쪽으로 돌출되어 단턱(57)이 구성되게 한다.

상기에서와 같이 하우징(40)의 수납실(42) 내저면에 스토퍼(50)의 조립이 완료되면, 스토퍼(50) 양측에 구성된 각 공간부(56)에 도 5에서와 같이 각각 2개의 스프링(58)을 끼워 스프링(58)의 일측 단부가 스토퍼(50)의 요홈(54)에 위치되게 한다.

상기한 상태에서 하우징(40)의 수납실(42) 내에 회전가동체(60)를 결합하게 되며, 회전가동체(60)의 구성은 다음과 같다.

축공(66)이 뚫린 입력축(61) 상단에 요홈(62)이 형성된 탄지편(63)을 양측에 돌출구성되게 하고, 상기 탄지편(63) 아랫쪽에는 평판(64)이 구성되어 있고, 평판(64) 아랫쪽에는 4개의 슬라이드봉체(65)가 구성되어 있다.

따라서 상기한 구성의 회전가동체(60)를 하우징(40)의 수납실(42)에 끼워 회전가동체(60)에 구성된 탄지편(63)이 스토퍼(50)의 공간부(56)에 끼워진 스프링(58) 사이에 위치되게 하고, 이때 스프링(58)의 단부는 도 5에서와 같이 탄지편(63)의 요홈(62) 내에 위치되게 한다.

상기에서와 같이 하우징(40)의 수납실(42) 내에 회전가동체(60)가 조립되면 자계를 갖는 승강가동체(70)를 끼워 회전가동체(60)와 조립되게 하며, 승강가동체(70)는 다음과 같이 구성된다.

관통공(71)이 뚫린 원판(72) 외주면에 경사면(73)이 형성된 4개의 돌편(74)을 돌출구성하여, 돌편(74) 사이에 경사홈(75)이 구성되게 하고, 각 돌편(74) 하단에는 자계, 즉 자석(76)이 하향돌출구성되게 하여 승강가동체(70)를 구성한다.

따라서 상기한 구성의 승강가동체(70)를 하우징(40)의 수납실(42)에 끼워지게 하면 원판(72)에 뚫린 관통공(71)에 회전가동체(60)의 입력축(61) 하단부가 끼워지게 되고, 동시에 승강가동체(70)의 경사홈(75)에 회전가동체(60)의 봉체(65)가 위치하게 되고, 자석(76)의 상단부는 회전가동체(60)의 평판(64) 저면에 근접구성된다.

이때 하우징(40)의 수납실(42)에 끼워지는 회전가동체(60)는 스프링(58)을 압축시키면서 회전가능케 끼워지게 되고, 승강가동체(70)는 회전없이 승강가능케 끼워지게 된다.

승강가동체(70) 아랫쪽에는 4개의 안내공(81)이 뚫린 안내판(80)을 결합하되, 안내판(80)이 하우징(40)의 수납실(42) 하단에 억지끼움형태로 고정되게 하고, 안내판(80)에 뚫린 안내공(81)에 도 7에서와 같이 승강가동체(70)의 자석(76)이 끼워져 조립되게 하며, 이때 안내판(80)은 비자성체로 구성된다.

또한 하우징(40) 하단에 결합된 안내판(80) 아랫쪽에는 고정판(36)을 구성하고, 상기 고정판(36)에 홀센서(33)가 고정설치되게 하여 안내판(80)의 안내공(81)에 끼워진 자석(76)과 근접되게 하여 자계신호를 검출할 수 있게 구성한다.

상기에서와 같이 하우징(40)의 수납실(42) 내에 스토퍼(50), 회전가동체(60), 승강가동체(70) 및 안내판(80)이 차례로 조립된 토크측정장치(20)를 가상의 회전축봉(32)에 끼워 조립하게 되면, 도 3 및 도 4에서와 같이 회전축봉(32)이 회전가동체(60)의 입력축(61) 하단에 구성된 축공(66)에 끼워져 조립되므로 회전축봉(32)이 회전하면 승강가동체(70)와 회전가동체(60) 및 하우징(40)이 회전하게 된다.

따라서 가상의 회전축봉(32)이 회전하게 되면, 상기 회전축봉(32)의 회전에 의해 홀센서(33)를 제외한 토크측정장치(20), 즉 하우징(40)이 회전하게 된다.

이때 토크측정장치(20)를 구성하는 하우징(40)의 출력축(44)에 의료기구나 산업기계의 필요한 공구를 결합하여 사용하게 되며, 상기 출력축(44)에 부하가 걸리면 입력축(61)을 통하여 회전축봉(32)과 연결된 회전가동체(60)의 탄지편(63)이 스프링(58)을 압축시키면서 일정각도 회전되게 하고, 따라서 회전가동체(60) 하단에 위치하는 승강가동체(70)는 회전가동체(60)의 봉체(65)와 접하는 경사면(73)에 의해 하강하게 되므로, 안내판(80)의 안내공(81)에 위치하는 자석(76)이 하강하면서 홀센서(33)와 근접하게 되고, 상기 홀센서(33)와 자석(76)의 거리에 따라 홀센서(33)의 출력값이 감지될 수 있게 하여서 된 것이다.

미설명부호 (100)은 콘트라앵글, (110)은 콘트롤박스, (120)은 케이블, (130)은 핸드피스, (140)은 연결소켓이다.

이와 같이 구성된 토크측정장치(20)를 통한 토크감지는 다음과 같이 이루어지게 된다.

즉 가상의 모터(M)에 전원을 인가하면 회전축봉(32)이 회전하고, 따라서 회전축봉(32)에 입력축(61)이 끼워진 회전가동체(60)가 회전하게 되고, 상기 회전가동체(60)의 회전에 의해 하우징(40)이 회전하여 출력축(44)을 회전시키게 되며, 이때 출력축(44)에 필요한 공구가 결합되어 회전하게 된다.

이때 회전작동중 출력축(44)에 끼워진 공구의 회전력에 부하, 즉 토크가 가해지게 되면 출력축(44)과 직접 연결된 하우징(40)에 전달되며, 이때 하우징(40)과, 하우징(40) 내에 끼워진 회전가동체(60)는 회전축봉(32)에 의해 회전이 되므로, 이들 사이에는 회전력 차이가 발생하게 되고, 따라서 이들 사이에 위치하는 스프링(58)은 도 6에서와 같이 출력축(44)에 전달되는 저항만큼 스프링(58)을 압축시키게 된다.

상기에서와 같이 하우징(40)의 출력축(44)에 토크가 가해지게 되면, 회전가동체(60)의 탄지편(63)과 스토퍼(50)의 고정편(55) 사이에 위치하는 스프링(58)은도 6에서와 같이 탄성계수만큼 압축되고, 따라서 회전가동체(60)는 하우징(40)을 기준으로 화살표(A)방향으로 조금 더 회전이동하게 된다.

이때 회전가동체(60) 아랫쪽에 위치하는 승강가동체(70)는, 승강가동체(70)의 자석(76)이 하우징(40) 하단에 고정설치된 안내판(80)의 안내공(81)에 끼워져 있어 회전하지 않게 된다.

따라서 회전가동체(60)가 하우징(40) 내에서 스프링(58)을 압축시키면서 하우징(40) 및 승강가동체(70)를 기준으로 화살표(A)방향으로 회전이동하면, 승강가동체(70)의 경사홈(75)에 위치하고 있던 회전가동체(60)의 봉체(65)는 경사면(73)을 따라 이동하게 되므로, 승강가동체(70)는 도 4에서와 같이 하강하게 되고, 승강가동체(70) 하단에 위치한 자석(76)은 안내공(81)을 따라 하강하면서 홀센서(33)와의 간격이 가까워지게 된다.

자석(76)이 홀센서(33)와 근접하게 되면 홀센서(33)에서 감지하는 출력값이 거리에 따라 달라지게 되고, 홀센서(33)의 출력값은 신호처리하여 콘트롤박스(110)의 표시부에 지시하게 되며, 이때 홀센서(33) 신호는 도 11에서와 같이 파형으로 검출되는데 이 파형은 회전토크의 크기에 따라 진폭이 변하게 되고, 회전수에 따라 단위시간 동안의 파형수가 변하게 된다.

상기에서 파형의 수는 증폭과 트리거 신호처리하여 회전수의 검출신호로 사용되며, 진폭의 신호는 증폭, 평활처리하여 토크값으로 사용된다.

본 발명에서 토크측정장치(20)에 가해지는 토크값이 클수록 화살표(A)방향으로 이동하는 회전가동체(60)의 이동각이 커지면서 스프링(58)의 압축거리가 길어지게 되고, 따라서 승강가동체(70)의 하강거리가 길어지면서 자석(76)과 홀센서(33)의 간격이 가까워지게 되므로 홀센서(33)에서 감지하는 토크값이 커지게 된다.

이때 하강한 승강가동체(70)의 상승, 즉 원복은 승강가동체(70)에 끼워진 자석(76)이 회전가동체(60)에 밀착하려 자성에 의해 상승하게 되며, 승강가동체(70) 하단에 위치하는 안내판(80)은 비자성체로 구성되어 있어 승강가동체(70)의 상승을 방해하지 않는다.

상기 원리를 이용하여 스프링(58)의 압축거리와, 그에 따른 자석(76)과 홀센서(33)의 거리에 따라 토크값이 측정되게 함으로서, 기계나 공구에 가해지는 토크값이 설정치에 오면 콘트롤박스(110)로 신호를 보내고, 콘트롤박스(110)에서 이를 인식하여 구동모터의 동작을 정지시켜 안전성을 확보할 수 있게 된다.

본 발명의 토크측정장치(20)를 마이크로 임플란트 식립을 위한 치과용 핸드피스(130)에 적용한 일실시예를 설명한다.

참고로 마이크로 임플란트는 치열교정을 위하여 구강 내의 치조골에 나사식으로 결합되는 나사못형태의 부품으로서 크기가 작고 가늘어 종래에 제공되고 있는 보철용 핸드피스를 이용할 경우에는 토크가 강하기 때문에 쉽게 부러지게 되므로 시술할 수가 없었으며, 주로 수동으로 미세조정이 가능한 핸드드라이버를 이용, 식립하였으나, 본 발명의 토크측정장치(20)를 적용한 핸드피스(130)는 소형이면서 경량화되었을 뿐만 아니라 원하는 토크로 설정이 가능하고, 또한 미세한 토크까지 조정이 가능하여 마이크로 임플란트 식립과 같은 시술도 무리없이 편리하게 할 수 있게 된다.

치열교정을 위한 마이크로 임플란트를 치조골에 식립하기 위한 안정적인 토크값이 15Ncm라고 가정한다면 콘트롤박스(110)에 토크값을 15Ncm로 설정하여 두면, 핸드피스(130)를 이용하여 마이크로 임플란트 식립중 핸드피스(130)의 토크값이 15Ncm에 도달하게 되면 구동모터의 작동이 정지하여 핸드피스(130)의 동작이 정지되므로 마이크로 임플란트의 식립작업 중 과다한 토크가 전달되어 마이크로 임플란트가 절단되는 현상을 방지할 수 있게 된다.

따라서 핸드피스(130)를 이용한 치과적 치료시 치료, 목적과 용도에 맞는 토크값을 콘트롤박스(110)에 입력후 사용토록 함으로서, 핸드피스(130)의 사용중 핸드피스(130)에 가해지는 토크값이 설정치에 오면 구동모터의 동작을 정지시켜 안정성을 확보할 수 있게 되므로 보다 효과적인 시술을 시행할 수 있게 된다.

(20)--토크측정장치 (32)--회전축봉
(33)--홀센서 (36)--고정판
(40)--하우징 (41)--본체
(42)--수납실 (43)--베어링
(44)--출력축 (45)--체결공
(46)--체결피스 (50)--스토퍼
(51)--단관 (52)--통공
(53)--나사공 (54)--요홈
(55)--고정편 (56)--공간부
(57)--단관 (58)--스프링
(60)--회전가동체 (61)--입력축
(62)--요홈 (63)--탄지편
(64)--평판 (65)--봉체
(66)--축공 (70)--승강가동체
(71)--관통공 (72)--원판
(73)--경사면 (74)--돌편
(75)--경사홈 (76)--자석
(80)--안내판 (81)--안내공

Claims

회전하는 출력축(63)에 전가되는 토크의 변화에 따라 토크측정장치(20)에 구성된 자계, 즉 자석(76)이 승강하면서, 홀센서(33)와 근접되게 하고, 상기 자석(76)이 홀센서(33)에 근접하는 거리에 따라 홀센서(33)가 이를 감지하여 토크값을 측정할 수 있게 구성한 무접점 자계센서를 이용한 토크측정장치를 구성함에 있어서, 토크측정장치(20)는 출력축(63)을 갖는 원통형의 하우징(40) 내에 입력축(61)을 갖는 회전가동체(60)와, 자석(76)이 설치된 승강가동체(70)를 결합하여 하우징(40)과 함께 회전가동체(60) 및 승강가동체(70)가 회전되게 하고, 상기 하우징(40)과 회전가동체(60) 사이에는 스프링(58)을 탄력설치하여, 출력축(44)에 전가되는 토크의 변화에 따라 스프링(58)이 압축되면서 회전가동체(60)의 회전각이 변화되게 하고, 상기 회전가동체(60)의 회전각 변화에 따라 승강가동체(70)가 승강하면서 자석(76)이 홀센서(33)와 근접되게 하고, 자석(76)이 홀센서(33)에 근접하는 거리에 따라 홀센서(33)가 이를 감지하여 토크값을 측정할 수 있게 구성함을 특징으로 하는 무접점 자계센서를 이용한 토크측정장치.
삭제
제1항에 있어서, 하우징(40) 내저면에는 스토퍼(50)를 끼운 다음 체결용 피스(46)로 체결고정되게 하되, 상기 스토퍼(50)는 통공(52)이 형성된 단관(51) 양측에 고정편(55)을 구성하여, 그 사이에 공간부(56)가 구성되게 하고, 상기 공간부(56) 내에 스프링(58)이 설치되게 하고, 회전가동체(60)는 입력축(61) 상단 양측에 탄지편(63)을 돌출구성하되, 상기 탄지편(63)이 스토퍼(50)의 공간부(56) 내에 설치된 스프링(58) 사이에 위치되게 하고, 탄지편(63) 아랫쪽에는 평판(64)을 구성하고, 평판(64) 아랫쪽에는 다수개의 봉체(65)가 구성되게 하고, 회전가동체(60) 아랫쪽에 위치하는 승강가동체(70) 상면에는 경사면(73)이 형성된 경사홈(75)을 구성하고, 상기 경사홈(75)에 회전가동체(60) 하단에 구성된 봉체(65)가 끼워져 결합구성되게 함으로서, 회전가동체(60)의 회전각 변화에 따라 승강가동체(70)가 승강되게 구성함을 특징으로 하는 무접점 자계센서를 이용한 토크측정장치.
제1항 또는 제3항에 있어서, 하우징(40) 하단에 안내공(81)이 뚫린 안내판(80)을 억지끼움방식으로 고정설치되게 하고, 상기 안내판(80)의 안내공(81)에 승강가동체(70) 하단에 구성된 자석(76)이 승강가능케 끼워져 조립구성되게 하여서 됨을 특징으로 하는 무접점 자계센서를 이용한 토크측정장치.