KR101849259B1 - 오토세팅 가능한 전동액추에이터 토크센싱장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전동액추에이터의 밸브 구동축(7)을 구동하는 웜휠(5)에 웜을 통하여 동력을 전달하는 웜샤프트(3)의 외측단에 설치한 토크센싱용 스트레인게이지부(30);
웜샤프트(3)의 외측단 단부에 홀센서(142)를 설치하고 웜샤프트(3) 지지용 액추에이터프레임(8)에 대향되게 자석(144) 일조를 설치하여, 홀센서(142)가 자석(144)과 연동하도록 구동하는 홀센서부(140);
모터(1)의 출력축 동력을 전달받는 웜샤프트(3) 부위에 부가한 절대위치 인식용 엡솔루트인코더부(150);
밸브의 오버토크를 제어부가 인식하도록 선택하는 토크스위치(111)와, 오토세팅스위치(112)를 가지는 스위치부(110);
스위치부(110)의 선택에 따라 스트레인게이지부(30)와 홀센서부(140) 작동으로 인한 오버토크를 인식하고, 엡솔루트 인코더부(150) 인식값을 기초로 오토세팅을 수행토록 모터구동부(130)를 제어하는 제어부(100)를 포함하여 구성한 것을 특징으로 하는 오토세팅 가능한 전동액추에이터 토크센싱장치 및 방법을 제공한다.

Description

오토세팅 가능한 전동액추에이터 토크센싱장치 및 방법{Torque sensing apparatus and method of electric power actuater with auto setting means}

본 발명은 오토세팅 가능한 전동액추에이터 토크센싱장치 및 방법에 관한 것이다.

액추에이터에 토크를 측정하는 기술은 국내특허등록 제 10-1004324호로 이는 측정지그를 하드디스크에 고정시켜 토크를 측정하는 것으로 이는 컴퓨터 하드디스크에 주로 사용되는 기술로 전동식 액추에이터를 이용하여 밸브를 개폐하는 분야에는 적용할 수 없는 문제점을 가진다.

토크자기유지 기능을 가지는 전동식 액추에이터가 국내특허등록 제10-0879534호로 알려졌으나, 이는 게이트의 개폐상태에서의 개도를 측정하는 시스템으로 이루어져, 밸브 구동용 전동식 액추에이터 분야에 적용하는데에는 어려움이 있다.

또한, 전동식 액추에이터에서 부하를 연속적으로 탐지하는 장치가 국내특허등록 제 10-0190354호로 알려졌으나, 이는 스트레인게이지가 수용판과 일치하도록 하고 수용판의 변형에 의하여 스트레인게이지의 저항 변화로 부하를 탐지하도록 이루어진 것이나, 이는 탐지수단을 별도로 부착하여야 하는 것이어서 하우징의 면적이 늘어나는 문제점을 가진다.

아울러 전동액추에이터의 토크를 인식하고, 오토센싱도 가능토록 하는 전동액추에이터는 개발된 바 없다.

본 발명은 이를 해결하고자 하는 것으로, 본 발명의 목적은 전동액추에이터 의 밸브를 구동하도록 종력을 전달하는 웜샤프트에 스트레인게이지부를 설치하고, 웜샤프트 단부에는 홀센서부를 두고, 웜샤프트 주변의 액추에이터프레임에는 엡솔루트 인코더부를 부가하여, 오버토크를 안정적으로 인식하고, 엡솔루트 인코더 값을 기초로 절대위치를 찾아갈 수 있도록 하는 오토세팅을 가능토록 하는 오토세팅 가능한 전동액추에이터 토크센싱장치를 제공하려는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 토크스위치 작동시 제어부의 스트레인게이지부와 홀센서부의 인식값을 기초로 오버토크를 인식하도록 하여 오버토크시 모터를 중단시켜 전동액추에이터를 보호하도록 하고, 정전시나 재작동시 오토세팅을 위하여 엡솔루트 인코더값을 저장하였다가 밸브의 개도 위치를 정확하게 찾아가 작동하는 오토세팅과정을 수행하는 오토세팅 가능한 전동액추에이터 토크센싱방법을 제공하려는 것이다.

이를 위하여 본원발명은 전동액추에이터의 밸브 구동축을 구동하는 웜휠에 웜을 통하여 동력을 전달하는 웜샤프트의 외측단에 설치한 토크센싱용 스트레인게이지부;

웜샤프트의 외측단 단부에 홀센서를 설치하고 웜샤프트 지지용 액추에이터프레임에 대향되게 자석 일조를 설치하여, 홀센서가 자석과 연동하도록 구동하는 홀센서부;

모터의 출력축 동력을 전달받는 웜샤프트 부위에 부가한 절대위치 인식용 엡솔루트인코더부;

밸브의 오버토크를 제어부가 인식하도록 선택하는 토크스위치와, 오토세팅스위치를 가지는 스위치부;

스위치부의 선택에 따라 스트레인게이지부와 홀센서부 작동으로 인한 오버토크를 인식하고, 엡솔루트 인코더부 인식값을 기초로 오토세팅을 수행토록 모터구동부를 제어하는 제어부를 포함하여 구성한 오토세팅 가능한 전동액추에이터 토크센싱장치를 제공한다.

본 발명은 또한 전동액추에이터의 밸브구동축 을 구동하는 웜휠에 동력을 웜을 통하여 전달하는 웜샤프트에 스트레인게이지부, 홀센서부, 엡솔루트 인코더부를 순차 부가하고, 별도의 토크스위치와 오토세팅스위치를 포함하여 제어부에서 이들을 제어하며,

제어부의 제어는 토크스위치 작동을 인식하는 토크인식과정;
토크인식과정에 이어 스트레인게이지부 값이 검출되는지 확인하는 스트레인게이지부 검출과정;

삭제

스트레인게이지부 검출과정에 이어 홀센서부가 작동하는지 확인하는 홀센서부검출과정;

홀센서부검출과정에 의한 검출값이 있을 때 엡솔루트 엔코더부 출력값을 오토세팅을 위해 저장하는 저장과정;

저장과정과 동시에 모터 작동을 중단하는 중단과정을 순차 수행하고;

상기 과정에서 토크스위치 작동이 없으면, 오토세팅 스위치가 작동되었는지 인식하는 오토세팅 선택과정, 및

오토세팅 선택과정이 수행되며 저장된 엡솔루트 인코더부 위치를 찾아가 오토세팅 수행과정을 더 수행하는 오토세팅 가능한 전동액추에이터 토크센싱방법을 제공한다.

본 발명은 전동액추에이터의 밸브를 구동하는 웜휠에 웜을 통하여 동력을 전달하는 웜샤프트의 외측단에 스트레인게이지부를 설치하고, 웜샤프트 단부에는 홀센서부를 두고, 웜샤프트 주변의 액추에이터프레임에는 엡솔루트 인코더부를 부가하여, 오버토크를 안정적으로 인식하고, 엡솔루트 인코더 값을 기초로 절대위치를 찾아갈 수 있도록 하는 오토세팅을 가능토록 한다.

본 발명은 토크스위치 작동시 제어부의 스트레인게이지부와 홀센서부의 인식값을 기초로 오버토크를 인식하도록 하여 오버토크시 모터를 중단시켜 전동액추에이터를 보호하도록 하고, 정전시나 재작동시 오토세팅을 위하여 엡솔루트 인코더값을 저장하였다가 밸브의 개도 위치를 정확하게 찾아가 작동한다.

도 1은 본 발명의 분해사시도,
도 2는 본 발명의 조립상태 요부사시도,
도 3은 본 발명의 조립상태 단면도,
도 4는 본 발명의 스트레인게이지부의 조립도,
도 5는본 발명의 웜샤프트가 우측으로 이동하는 경우를 설명하는 원리도,
도 6은 본 발명의 웜샤프트가 좌측으로 이동하는 경우를 설명하는 원리도,
도 7은 본 발명의 제어블럭도,
도 8은 본 발명의 흐름도이다.

이하 본원발명의 실시예를 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

본원발명은 전동액추에이터의 모터 회전력을 기어메카니즘(2)으로 감속하여 웜(4)를 가지는 웜샤프트(3)에 전달하고, 웜(4)의 회전력은 웜휠(5)을 통하여 밸브구동축(7)을 구동하는 전동액추에이터에,

웜샤프트(3)의 웜(4) 외측의 링기어(6) 인접부위의 외경에 고정되는 내경부를 가지는 제 1베어링(10);

제 1베어링(10)의 외경부에 지지되는 원통형 제 1스페이서(20);

웜샤프트(3)에 끼워지는 샤프트공(31)을 가지며 제 1스페이서(20)와 내측에서 면접촉하는 스트레인 게이지(35)를 가지는 고정판(32)에 제어보드(34)가 설치된 스트레인게이지부(30);

스트레인게이지부(30)의 고정판(32) 테두리 내면이 접하며 액추에이터 프레임(8)에 외면이 고정되는 C 형상의 시링(40);

시링(40)의 내경공간에 안치되며 고정판(32) 외측에 접하며 샤프트공(51)을 가지는 링판(52)을 일측에 형성한 원통형 제 2스페이서(50);

제 2스페이서(50)의 내경 인접공간에 외경부가 안치되며 내경부는 웜샤프트(3)에 고정되는 제 2베어링(60); 및

제 2베어링(60)의 내경부에 접하며 웜샤프트(3)의 외경부에 형성한 고정홀(73)에 핀(71)을 고정시키도록 핀홀(72)을 가지는 핀고정링(70)을 포함하여 구성한다.

상기, 스트레인게이지부(30)의 제어보드(34)는 시링(40)의 개구공간(42)에 오도록 고정판(32)에 설치되며, 샤프트공(31) 기준으로 제어보드(34) 반대편 위치의 고정판(32)에는 액추에이터프레임(8)에 일단이 고정된 정위치핀(38)과 결합하는 정위치공(36)을 형성한다.

상기, 제 2스페이서(50)의 링판(52)의 샤프트공(51) 둘레 외측면에는 돌띠(54)가 돌출되도록 구성한다.

이에 더하여 본원발명은 전동액추에이터의 밸브 구동축(7)을 구동하는 웜휠(5)에 웜(4)을 통하여 동력을 전달하는 웜샤프트(3)의 외측단에 설치한 도 7에 보인 토크센싱용 스트레인게이지부(30);

웜샤프트(3)의 외측단 단부에 홀센서(142)를 설치하고 웜샤프트(3) 지지용 액추에이터프레임(8)에 대향되게 자석(144) 일조를 설치하여, 홀센서(142)가 자석(144)과 연동하도록 구동하는 홀센서부(140);

모터(1)의 출력축 동력을 전달받는 웜샤프트(3) 부위에 부가한 절대위치 인식용 엡솔루트인코더부(150);

밸브의 오버토크를 제어부(100)가 인식하도록 선택하는 토크스위치(111)와, 오토세팅스위치(112)를 가지는 스위치부(110);

스위치부(110)의 선택에 따라 스트레인게이지부(30)와 홀센서부(140) 작동으로 인한 오버토크를 인식하고, 엡솔루트 인코더부(150) 인식값을 기초로 오토세팅을 수행토록 모터구동부(130)를 제어하는 제어부(100)를 더 포함하여 구성한다.

이와 같이 구성한 본원발명에서, 샤프트공(31)을 가지는 고정판(32)에 스트레인게이지(35)를 고정하고, 스트레인게이지(35)의 휨성 등은 저항치 변화로 이를 인식하는 제어보드(34)를 고정판(32)에 고정시켜(고정수단은 본딩이나 나사 결합이나 후크 결합등으로 가능하므로 구체적으로 도시하지 않음) 사용 가능하고, 제어보드의 크기나 위치 등은 달리 구성 가능하다.

본 발명은 기존에 사용하지 않던 웜샤프트(3)의 일단에 제 1베어링(10), 제 1스페이서(20), 및 고정판(32)을 순차 결합하여 고정판(32)이 우측으로 휘는 지를 인식하도록 한다. 이는 예를 들어 웜샤프트(3)가 도 5의 화살표 방향으로 우측으로 이동한다면, 함께 이동하는 제 1베어링(10)의 외경부가 제 1스페이서(20)를 밀고 제 1스페이서(20)는 고정판(32)의 샤프트공(31) 둘레 부분을 밀어서 점선상태에서 실선 상태로 휘게 한다. 이 경우 고정판(32)의 정위치공(36)은 정위치핀(38)에 의하여 지지되므로 회전운동이 차단되어 정확한 휨성을 발휘하도록 한다. 즉, 도 4에 보인 스트레인게이지(35)에서 이를 인식하고 제어보드(34)에서 변한 저항값은 산출하여 휨 정도를 인식한다. 이는 정상치의 열림이나 닫힘 여부를 인식하도록 작용한다. 이 경우 시링(40)에는 개구공간(42)을 형성하였는바, 이는 제어보드(34)가 설치될 공간 제공과, 제어보드(34)의 변형을 방지하는 공간을 제공하기 위함이다.

한편, 예를 들어 웜샤프트(3)가 도 6의 화살표 방향으로 예를 들어 좌측으로 이동한다면, 웜샤프트(3)의 우측 단부에 고정핀(71)으로 고정된 핀고정링(70)이 제 2베어링(60)의 내경부를 밀어주고, 제 2베어링(60)의 외경부는 제 2스페이서(50)의 링판(52)을 좌측으로 밀어준다. 따라서 도 6과 같이 링판(52)에 돌출된 돌띠(54)의 좌측으로의 미는 힘에 의하여 고정판(32)이 저면에서 점선에서 실선상태로 휘게 된다. 역시 이러한 휨 형상에 의하여 변하는 내부저항 변동치를 도 4 에 보인 스트레인게이지부(30)의 스트레인게이지(35) 변동치로 제어보드(34)에서 인식하고, 제어보드(34)는 도 7에 보인 제어부(100)의 입력단(I1)으로 인가하여 제어부(100)가 이를 인식하도록 한다.

따라서 본원발명은 웜샤프트(3)의 사용하지 않는 단부 부근에 고정판(32)을 설치하고 고정판(32)은 시링(40)에 의하여 외측(도 5의 좌측)이 지지되도록 하였으므로, 제 2스페이서(20)의 미는 힘으로 휨 상태를 인식도록 하고,

웜샤프트(3)의 단부에는 핀고정링(70)에 의하여 제 2베어링(60)이 함께 이동하도록 하고, 제 2베어링(60)은 스페이서 기능의 제 2스페이서(50)의 링판(52)을 밀고, 이는 링판에 돌출된 돌띠(54)가 고정판(32)을 밀어서 반대로 휘도록 하여 반대로의 휨도 인식도록 함으로써, 정확한 인식을 가능토록 한다.

아울러 본원발명은 도 5내지 도 7과 같이 이루어지고, 도 8과 같은 흐름도를 겸하여 작동원리를 더 설명한다.

전동액추에이터의 밸브구동축(7) 으로 웜(4)을 통하여 모터의 동력을 전달하는 웜샤프트(3)에 스트레인게이지부(30), 홀센서부(140), 엡솔루트 인코더부(150)를 순차 부가하여 그 인식값을 제어부(100)가 입력단(I1, I2, I3)을 통해 차례로 인식하고, 토크스위치(111)와 오토세팅스위치(112)로된 스위칭부(110)의 작동 여부를 제어부(100)에서 인식한다. 토크스위치(111)가 턴온 상태로 작동된 경우,

제어부(100)는 토크스위치(111) 작동을 인식하는 토크인식과정(S11)을 수행한다.

토크인식과정(S11)에 이어 제어부(100)는 입력단(I1)을 통하여 스트레인게이지부(30) 값이 입력되는지 확인하는 스트레인게이지부 검출과정(S12)을 수행한다.

스트레인게이지부 검출과정(S12)에 이어 제어부(100)는 홀센서부(140)가 작동하는지 입력단(I2)을 통하여 확인하는 홀센서부검출과정(S13)을 수행한다. 홀센서부(140)는 예를들어 도 5와 같이 웜샤프트(3)의 단부에 홀센서(142)를 설치하여 전류를 공급하고(전류공급수단의 도시는 생략함), 액추에이터프레임(8)의 홀센서(142) 대향면에 자석(144)을 대향되게 설치하면, 홀센서(142)의 위치 이동에 따라 상대적으로 고정된 자석(144)의 자계가 강해지거나 약해지고, 이는 홀센서의 검출 전압에 차이가 발생하고, 이를 제어부(100)는 입력단(I2)을 통하여 인식하는 것이다.

홀센서부검출과정(S13)에 의한 검출값이 있을 때 엡솔루트 엔코더부(150) 출력 인식값은 입력단(I3)을 통하여 인식하고 오토세팅을 위해 메모리부(102)에 저장하는 저장과정(S14)을 수행한다. 예를 들어 8bit분해능의 출력을 갖는 엔코더라고 가정한다면 아래와 같이 8가닥의 신호출력선이 나오는 것을 예시할 수 있다.

즉, 인크리먼트 인코더는 그냥 A와 B상이 위상차를 갖고 펄스만을 출력하는데 반해, 엡솔루트 인코더는 비트의 자리수 처럼 여러 가닥의 선에서 현재 엔코더의 절대 위치값들을 알 수 있도록 기능한다.

상기 저장과정(S14)과 동시에 오버토크로 인식되면 액추에이터 구동용 모터(1) 작동을 중단하도록 출력단(P1)을 통하여 모터구동부(130)에 중단 지령을 내려 모터(1)의 작동을 중단토록 하는 중단과정(S15)을 순차 수행한다.

상기 과정(S11)에서 토크스위치(111) 작동이 없고, 스위치부(110)의 오토세팅 스위치(112)를 누른 경우, 제어부(100)는 이를 인식하는 오토세팅 선택과정(S21)을 수행한다.

오토세팅 선택과정(S21)이 수행되면, 메모리부(102)에 저장된 엡솔루트 인코더부 저장값에 해당하는 위치를 찾아가(모터(1)의 구동과 엡솔루트 인코더부(150)의 작동을 연게하여) 오토세팅 위치를 재현하는 오토세팅 수행과정(S22)을 더 수행한다.

1;모터 2;기어메카니즘 3;웜샤프트 4;웜 5;웜휠 6;링기어 7;밸브구동축 8;액추에이터프레임 10;제 1베어링 20;제 1스페이서 30;스트레인게이지부 31;샤프트공 32;고정판 34;제어보드 35;스트레인게이지 36;정위치공 37;정위치핀 40;시링 41;시링공 42;개구공간 50;제 2스페이서 51;샤프트공 52;링판 54;돌띠 60;제 2베어링 70;핀고정링 71;고정핀 72;핀홀 73;고정홀 100;제어부 102;메모리부 110;스위치부 111;토크스위치 112;오토세팅스위치 120;디스플레이부 130;모터구동부 140;홀센서부 142;홀센서 144;자석 150;엡솔루트 인코더부

Claims (3)

1. 전동액추에이터의 밸브 구동축(7)을 구동하는 웜휠(5)에 웜(4)을 통하여 동력을 전달하는 웜샤프트(3)의 외측단에 설치한 토크센싱용 스트레인게이지부(30);
   웜샤프트(3)의 외측단 단부에 홀센서(142)를 설치하고 웜샤프트(3) 지지용 액추에이터프레임(8)에 대향되게 자석(144) 일조를 설치하여, 홀센서(142)가 자석(144)과 연동하도록 구동하는 홀센서부(140);
   모터(1)의 출력축 동력을 전달받는 웜샤프트(3) 부위에 부가한 절대위치 인식용 엡솔루트인코더부(150);
   밸브의 오버토크를 제어부가 인식하도록 선택하는 토크스위치(111)와, 오토세팅스위치(112)를 가지는 스위치부(110);
   스위치부(110)의 선택에 따라 스트레인게이지부(30)와 홀센서부(140) 작동으로 인한 오버토크를 인식하고, 엡솔루트 인코더부(150) 인식값을 기초로 오토세팅을 수행토록 모터구동부(130)를 제어하는 제어부(100)를 포함하여 구성한 것을 특징으로 하는 오토세팅 가능한 전동액추에이터 토크센싱장치.
   
2. 전동액추에이터의 밸브구동축을 구동하는 웜휠에 동력을 웜을 통하여 전달하는 웜샤프트 주위에 스트레인게이지부(30), 홀센서부(140), 엡솔루트 인코더부(150)를 순차 부가하고, 별도의 토크스위치(111)와 오토세팅스위치(112)를 포함하여 제어부(100)에서 이들을 제어하며,
   제어부(100)의 제어는 토크스위치(111) 작동을 인식하는 토크인식과정(S11);
   토크인식과정(S11)에 이어 스트레인게이지부(30) 값이 검출되는지 확인하는 스트레인게이지부 검출과정(S12);
   스트레인게이지부 검출과정(S12)에 이어 홀센서부가 작동하는지 확인하는 홀센서부검출과정(S13);
   홀센서부검출과정(S13)에 의한 검출값이 있을 때 엡솔루트 엔코더부 출력값을 오토세팅을 위해 저장하는 저장과정(S14);
   저장과정(S14)과 동시에 모터 작동을 중단하는 중단과정(S15)을 순차 수행하는 것을 특징으로 하는 오토세팅 가능한 전동액추에이터 토크센싱방법.
   
3. 제 2항에 있어서, 상기 과정(S11)에서 토크스위치 작동이 없으면, 오토세팅 스위치가 작동되었는지 인식하는 오토세팅 선택과정(S21), 및
   오토세팅 선택과정(S21)이 수행되며 저장된 엡솔루트 인코더부 위치를 찾아가는 오토세팅 수행과정(S22)을 더 수행하는 오토세팅 가능한 전동액추에이터 토크센싱방법.

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