KR102042134B1 - 축 회전식 토크 센서 - Google Patents

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KR102042134B1
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예양 후
치쳉 초우
멍젠 츄
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프로드라이브 앤 모션 컴퍼니 리미티드
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Abstract

본 발명은 축 회전식 토크 센서에 관한 것으로서, 더욱 자세하게는 유성기어세트를 중심축선에 따라 입력축과 출력축 사이에 설치하고, 상기 입력축은 접선 작용력을 형성하여 유성기어세트 중의 내접기어를 구동시켜서 중심축선을 따라 원주 회전을 하게 하고, 상기 내접기어에는 조각형태의 기둥부가 다수개 연결되고, 그 중 최소한 하나의 기둥부 상에는 최소한 하나의 스트레인 게이지가 설치되며, 상기 기둥부의 하나의 단부는 고정되고, 다른 하나의 단부는 각각 내접기어에서 로딩되는 접선 작용력을 흡수하여 원주회전의 방향으로 변형을 생성하는데 사용되며，상기 스트레인 게이지는 전술된 변형으로 생성되는 변화대응을 감지하여 입력축과 출력축 사이의 토크 감지 수치로 사용하고，이를 통해 전통의 토크 센서의 감지 정확도와 민첩도 부족 문제 및 지름방향이 효과적으로 수축하지 못하는 문제를 해결할 수 있다.

Description

축 회전식 토크 센서{AXIAL ROTATION TYPE TORQUE SENSOR}
본 발명은 회전구동기구 중에 스트레인 게이지의 토크 감지 기술을 적용하는 것에 관한 것이며, 특히 축 회전식 토크 센서에 관한 것이다.
전통 회전구동기구는 일반적으로 토크 감지 부품을 탑재하여 토크값의 크기와 변화를 감지하는데, 이러한 전통 회전구동기구가 토크를 전송하는 과정에서 어떤 방식으로 정확하게 토크값의 변화를 감지하고 효과적으로 토크 감지 부품의 수축 체적을 확인할 수 있는지에 관한 문제는 오랜 기간 동안 해결해야 할 과제로 남아 있다.
이미 알려진 미국 특허 공고 제5172774호, 미국 특허 공고 제8302702호, 미국 특허 공개 제20100139432호, 미국 특허 공개 제20150135856호, 대만 특허 공고 제M451316호 및 대만 특허 공고 제M417320호 등과 같은 특허 내에 모두 스트레인 게이지(strain gauge)를 감지 부품으로 사용하는 내용이 기술되어 있으며, 이를 통해 회전구동기구 중에서 생성되는 토크값의 변화를 감지하였다.
일반적으로 흔히 사용되는 스트레인 게이지는 금속선을 단방향으로 진열하는 방식으로 금속박편을 완성하게 되며, 그 양끝단에 각각 스트레인 게이지 신호를 처리하는 모듈과 연결하여 사용되는 접속핀이 설치되며, 이를 실제 응용 사용하는 경우를 보면 스트레인 게이지를 회전전동기의 대응 변화되는 기계부품상에 연결시킨 후, 스트레인 게이지가 대응 변화되는 기계 부품상에서 변형이 생일 때, 스트레인 게이지의 전기 저항값의 변화에 따라 해당 기계부품에서 대응 변화가 일어나게 되고, 더 나아가 회전구동기구 중의 토크값의 크기와 변화를 감지하게 된다.
그러나 상술된 특허에서 개시된 토크 감지 구조 및 그 스트레인 게이지의 탑재 위치에서 감지가 가능한 토크 대응 변화의 효과는 이상적이지 못했으며, 또한 토크 감지 구조 체적이 과도하게 커지는 문제가 존재하고 있다.
예를 들어 미국 공고 제5172774호 특허에서는 다수개의 스트레인 게이지를 직접 토크를 전달하는 기어 상에 다수개의 전단 웹(shear web) 상에 배치하고, 상기 전단 웹은 비록 기어의 지름 방향 웹면을 따라 부하로 인해 생성되는 웹의 대응 변화력을 업로드하게 되는데, 그 감지의 대응 변화는 정방향의 대응 변화 외에도 전단된 대응 변화까지도 포함되어 있어, 전단 웹에서 생성되는 대응 변화가 기어의 토크 변화값을 충분히 반영하지 못하는 문제점을 가지게 된다. 그로 인해 토크 감지의 진실성과 정확성을 상실하게 되거나 혹은 더욱 많은 방향의 스트레인 게이지를 설치하여 정방향의 대응 변화 및 전단 대응 변화를 감지해야 하기 때문에 그 단가와 복잡성이 상승할 수 밖에 없었다. 또한 전단 웹상에 스트레인 게이지를 탑재하는 위치와 기어 축 심 사이의 지름 사이의 공간이 충분히 확보되어야만 비교적 명확한 정방향의 대응 변화와 전단 대응 변화를 감지할 수 있으나 이로 인해 구조의 지름 체적을 쉽게 축소시키지 못하는 문제점을 가지게 된다.
또한 미국 특허 공개 제20100139432호에서는 하우징 상에 고정시켜 토크축과 피봇 연결을 하는 변환기에 관해 기술되어 있으며, 상기 변환기는 타원형의 판 형태로 구성되어 토크축과 피봇 연결을 하는 중심 허브(hub)를 갖추고 있고, 허브 주변은 뻗어 나와서 고리를 갖춘 판 면 형상의 웹(web)부를 갖추고 있다. 또한 상기 웹부를 상술된 캐리어 재료로 사용하여 최소한 하나의 스트레인 게이지를 탑재시킴으로써 감지토크 축의 토크 변화를 감지하게 된다. 그러나 상기 웹부는 고리 형태의 판 면으로 형성되어 있기 때문에 토크의 전환으로 생성되는 작용력을 집중적으로 전달시키지 못하는 문제가 있으며, 이를 바꿔 말하면 웹부가 토크에서 전달되어 오는 대응 변화를 고리 형태의 판 면 전체 구역에 분산시키기 때문에 스트레인 게이지에서 생성될 수 있는 변형량이 감소되고, 즉 그 결과 상대적으로 토크 감지의 진실성과 정확성은 떨어지게 된다. 또한 웹부에 스트레인 게이지를 탑재하는 구조는 여전히 지금 방향 체적을 축소시킬 수 없는 문제점을 가지고 있게 된다.
또한 미국 특허 공고 제8302702호에서는 스트레인 게이지를 테두리형 토크 전달 부품(torque transferring element)의 지름 방향으로 테두리 리브 평면상에 삽입 설치하는 내용이 기재되어 있으며, 상기 토크 전달 부품의 중심에는 고리 기어가 연결되며, 상기 스트레인 게이지를 이용해 고리 기어의 토크를 감지하는데, 스트레인 게이지의 토크 전달 부품(torque transferring element)이 설치된 리브 평면과 고리 기어의 축심 사이가 토크 전달 부품 주변의 테두리 리브에 의해 작용력을 전달하기 때문에, 상기 스트레인 게이지가 삽입된 위치가 만곡력의 작용력을 받게 되는데, 테두리 리브에서 생성되는 만곡력에 의거하여 토크 변화를 감지하는 것은 그 사실성과 정확성이 비교적 떨어지게 되며, 또한 토크 전달 부품의 테두리 리브 역시 구조 자체의 지름 체적을 더욱 커지게 할 수 밖에 없는 문제점이 있다.
또한 미국 공개 제20150135856호에서는 휠받침형 힘토크 감지기 센서(force torque sensor)에 대한 내용이 기재되어 있으며, 이를 이용해 시스템 운동 상에 장애물을 만났을 때 순간적으로 생성되는 힘 혹은 토크를 감지할 수 있게 되며, 일반적으로 안전 보호용으로 사용을 하게 된다. 상기 힘토크 감지기 중심에는 또한 축연결 전동부품용 허브가 설치되며, 힘토크 감지기의 지름 주변에는 림(rim)이 형성되고, 상기 허브의 네 주변과 림 사이의 지름 방향 위치에는 각각 다수개의 빔(beam)이 형성되며, 또한 각 지름 빔의 네 주변 단면상에는 각각 스트레인 게이지가 고정 설치되고, 각 빔을 이용해 받아들인 부하를 빔의 완곡 부하에 대해 신장 작용력 혹은 축소 작용력 혹은 전력으로 사용함으로써, 빔 상에 스트레인 게이지가 빔상에서 생성되는 대응 변화를 감지할 수 있게 하며, 더 나아가 힘, 토크값의 변화를 감지할 수 있게 된다. 그러나 이 특허는 빔이 어떠한 방법으로 받아들인 부하를 인장력 혹은 압력 혹은 전력으로 이끌어 변화시키는지에 대한 구체적인 기술이 명시되어 있지 않기 때문에 반드시 각 빔의 둘레 단면상에 스트레인 게이지를 고정 설치해야만 측정값의 정확도를 높일 수 있게 된다. 그러나 이로 인해 스트레인 게이지 응용 수량상의 낭비 및 응력 구조의 복잡도 상승이라는 문제점이 발생하고 있으며 또한 빔 역시 구조 자체의 지름 체적을 더욱 커지게 할 수 밖에 없는 문제점이 있다.
또한, 대만 특허 공고 제M451316호 및 대만 특허 공고 제M417320호에서는 각각 크랭크 축 상에 투관을 설치하고, 상기 투관의 표면에 스트레인 게이지를 부착 시켜 투관에서 토크 작용력을 받아들일 때 생성되는 대응 변화량을 감지하게 되며, 이렇게 감지된 대응 변화량을 대응 변화신호로 변환시켜 전동모터의 출력 동력을 제어하게 된다. 그 중 투관에 스트레인 게이지를 부착시키는 설계는 비록 기구의 지름 체적을 축소 시키는 효과를 가져올 수 있지만 스트레인 게이지를 운동부품(투관) 상에 부착해야 하는 상황이라 반드시 변압기 및 신호 무선 전송 부품 등과 같은 에너지 전송부품을 함께 설치해야 하는 문제점이 존재한다. 이러한 에너지 전송부품을 운동부품(투관)에 설치하게 되면 이 역시 배치 공간이 증가하게 되는 문제가 발생하여 역시 전체적은 구조가 커질 수 밖에 없게 된다.
상기 내용에 입각하여, 본 발명은 종전의 스트레인 게이지를 탑재한 토크 감지 구조를 개선하고, 그 감지 정확도와 민첩도가 부족했던 문제와 지름 체적을 효과적으로 축소시킬 수 없는 문제를 해결하고자 한다.
상기 목적 달성과 종전의 구조가 가진 문제점을 해결하기 위해, 본 발명은 토크 감지판을 그 축방향에 형성한 기둥부가 힘을 받을 때 변형이 생성되는 특성을 이용하고, 여기에 스트레인 게이지를 탑재하여 민첩하게 응용부품 혹은 설비의 토크 변화를 감지하고자 하며, 또한 상기 토크 감지판의 기둥부의 배치 위치를 이용하여 응용 부품 혹은 설비의 지름 체적이 효과적으로 축소되지 못하는 문제점을 해결하고자 한다.
이를 위해, 본 발명의 비교적 우수한 기술 방안은 축 회전식 토크 센서를 제공하게 되며, 상기 축 회전식 토크 센서는 입력축과 출력축을 포함하고 있으며, 이들 입력축과 출력축은 중심축선을 따라 간격 배치되며, 또한 유성기어세트를 포함하고 있으며, 상기 유성기어세트는 중심축선을 따라 입력축과 출력축 사이에 배치되며, 상기 입력축은 유성기어세트 중의 태양기어에 축 연결되며, 상기 출력축은 유성캐리어 디스크를 통과하여 유성기어세트 중의 다수개의 유성기어에 연결되며, 상기 유성기어세트 중의 내접기어는 토크 감지판과 연결되며, 상기 토크 감지판은 다수개의 중심축선과 평행을 이루는 막대형 기둥부를 갖추고 있고, 상기 기둥부의 서로 대응되는 측은 각각 중심축선의 지름의 단면과 평행을 이루게 되며, 상기 두 개의 단면 중 최소한 하나의 단면상에는 최소한 하나의 스트레인 게이지가 설치된다. 그 중 상기 입력축은 유성기어세트를 경유하여 출력축을 이끌어 회전시키게 되고, 이를 통해 접선 작용력을 형성하여 유성기어세트 중의 내접기어를 구동시켜서 상기 접선작용력으로 내접기어를 연동시켜 중심축선을 따라 원주 회전을 하게 한다. 상기 토크 감지판의 기둥부는 내접기어에서 로딩되는 접선 작용력을 흡수하여 상기 원주 회전의 방향을 따라 변형이 생성되며, 상기 스트레인 게이지는 또한 상기 변형을 감지하여 대응 변화를 생성하게 되며, 이를 입력축과 출력축 사이의 토크 감지 수치로 사용하게 된다.
더욱 자세한 실시 내용을 설명해 보면, 상술된 기술 방안은 다음과 같은 내용을 더 포함한다.
상기 토크 감지판은 고정받침 및 회전받침을 포함하고 있고, 상기 기둥부는 고정받침과 회전받침 사이에 위치하게 된다. 그 중 상기 토크 감지판은 고정받침, 기둥부 및 회전받침이 일체 성형 방식으로 구성된다.
상기 기둥부는 고정받침이 뻗어 나와 형성되며, 상기 기둥부 중 고정받침과 멀리 떨어진 한 끝은 회전받침 상에 조립 설치된다.
상기 고정받침 및 회전받침의 중심에는 각각 통공이 설치되며, 상기 입력축은 상기 통공을 관통하여 태양기어와 축 연결된다. 그 중 상기 입력축은 고정받침과 회전받침 중 최소한 하나에 피봇 연결되어진다.
상기 스트레인 게이지가 배치된 기둥부는 상기 스트레인 게이지의 배치 수량이 두 개이며, 상기 두 개의 스트레인 게이지는 기둥부의 두 개의 대응되는 단면상에 서로 대응되어 부착 설치된다.
상기 유성기어세트는 제1단 유성기어세트 및 제2단 유성기어세트가 포함되어 있고, 상기 입력축은 제1단 유성기어세트 중의 제1단 태양기어와 축 연결되며, 상기 제1단 유성기어세트 중의 제1단 유성캐리어 디스크 상에는 제1단 태양기어의 둘레에 맞물려 조합된 제1단 유성기어세트 중의 다수개의 제1단 유성기어가 피봇 연결 배치되며, 상기 제1단 유성기어세트 중의 제1단 내접기어는 토크 감지판과 연결 설치된다. 상기 제2단 유성기어세트 중의 제2단 태양기어가 제1단 유성캐리어 디스크 중심에 축 연결되며, 상기 출력축은 제2단 유성기어세트 중의 제2단 유성캐리어 디스크를 경유하여 제2단 태양기어의 둘레에 맞물려 조합된 제2단 유성기어세트 중의 다수개의 제2단 유성기어와 서로 연결되며, 상기 제1단 유성기어 및 제2단 유성기어는 각각 제1단 내접기어와 서로 맞물려 설치된다. 상기 제2단 유성캐리어 디스크는 출력축에서 뻗어나온 형태로 형성된다. 상기 입력축의 축 연결 대상과 출력축의 연결 대상은 서로 교환이 가능하다.
상기 유성캐리어 디스크는 출력축에서 뻗어나온 형태로 형성된다. 그 중 상기 입력축의 축 연결 대상과 출력축의 연결 대상은 서로 교환이 가능하다.
상기 기술 방법에 근거한 본 발명의 기술 효과는 다음과 같다.
1. 내접기어를 경유하여 입력축에서 전달되어 오는 접선 작용력을 부하하고, 또한 상기 부하를 충분히 전달하여 기둥부를 비틀며 변형의 작용력을 생산함으로써, 상기 기둥부에 변형이 생성되게 하고, 더 나아가 상기 스트레인 게이지가 따라서 변형이 생성되게 하여 스트레인 게이지 감지토크의 민첩도를 향상시킬 수 있게 된다.
2. 막대형의 기둥부를 사용하여 스트레인 게이지를 탑재함으로써 기둥부의 단부가 비틀림의 힘을 받을 때 비교적 민첩하게 변형이 생성되고, 더 나아가 스트레인 게이지 감지토크의 민첩도를 향상시킬 수 있게 된다.
3. 기둥부를 입력축의 지름 방향으로 배치한 것이 아니라 입력축을 따라 축방향으로 서로 평행하게 배치하였기 때문에, 효과적으로 응용부품 혹은 설비 혹은 토크 감지기의 지름 체적을 축소시킬 수 있게 된다.
본 발명인 축 회전식 토크 센서는 다음과 같은 효과를 얻을 수 있다.
1. 내접기어를 경유하여 입력축에서 전달되어 오는 접선 작용력을 부하하고, 또한 상기 부하를 충분히 전달하여 기둥부를 비틀며 변형의 작용력을 생산함으로써, 상기 기둥부에 변형이 생성되게 하고, 더 나아가 상기 스트레인 게이지가 따라서 변형이 생성되게 하여 스트레인 게이지 감지토크의 민첩도를 향상시킬 수 있게 된다.
2. 막대형의 기둥부를 사용하여 스트레인 게이지를 탑재함으로써 기둥부의 단부가 비틀림의 힘을 받을 때 비교적 민첩하게 변형이 생성되고, 더 나아가 스트레인 게이지 감지토크의 민첩도를 향상시킬 수 있게 된다.
3. 기둥부를 입력축의 지름 방향으로 배치하는 것이 아니라 입력축을 따라 축방향으로 서로 평행하게 배치하였기 때문에, 효과적으로 응용부품 혹은 설비 혹은 토크 감지기의 지름 체적을 축소시킬 수 있게 된다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예의 입체분해도이다.
도 2는 도 1을 조합한 후, 가로로 절단한 면의 단면도이다.
도 3은 도 2의 A-A단면 단면도이다.
도 4는 도 2의 B-B단면 단면도이다.
도 5는 도 1 중의 부분 구성부품의 입체조합도이다.
도 6은 도 3 중의 유성기어세트가 생성하는 작용력에 관한 설명도이다.
도 7은 기둥부가 회전받침의 영향을 받아 휘어져 변형된 모습을 나타낸 사시도이다.
도 8a 및 도 8b는 각각 기둥부의 정면도와 측면도이다.
도 9 및 도 10은 각각 토크 감지판의 서로 다른 구조를 나타낸 입체도이다.
도 11은 스트레인 게이지의 전자회로 배치를 나타낸 사시도이다.
도 12는 본 발명의 제2 실시예의 단면도이다.
본 발명의 목적, 효과 및 구조적 특징을 더욱 명확하게 설명하기 위해, 비교적 우수한 실시예와 도면을 예로 들어 설명하면 다음과 같다.
우선, 도 1에서 도 4의 내용을 함께 참조해 보면, 본 발명에서 제공하는 토크 감지 장치의 제1 실시예의 형태는 상기 토크 감지 장치는 입력축(20), 출력축(30), 유성기어세트, 토크 감지판(50), 스트레인 게이지(60)를 포함하고 있다.
그 중 도 1 및 도 2에 표시된 바와 같이, 상기 입력축(20)과 출력축(30)은 중심축선(C)을 따라 간격 배치되고, 상기 유성기어세트는 중심축선(C)을 따라 입력축(20)과 출력축(30) 사이에 배치되며, 상기 유성기어세트, 입력축(20) 및 출력축(30)은 하우징(10) 내에 설치되고, 상기 하우징(10)은 실제 사용상에서 전체 장치체의 고정단으로 사용할 수 있으며, 이를 상기 입력축(20)과 출력축(30)에 피봇 연결하는데 사용할 수 있다. 더 상세히 설명하면, 상기 입력축(20)과 출력축(30)은 각각 베어링(21,31)을 경유하여 하우징(10) 내에 피봇 설치되고, 입력축(20)과 출력축(30)의 단부(22, 32)는 각각 하우징(10) 밖으로 돌출되어 튀어나오게 된다. 상기 하우징(10) 세트에는 구동모터(80)가 설치되며, 상기 세트는 삽입, 걸림, 잠금 등의 기계적 배치 수단으로 일체형으로 구성되며, 더 나아가 구동모터(80)의 구동축(81)이 상기 입력축(20)에 축 연결이 되어 입력축(20)을 구동시켜 회전시킬 수 있게 된다. 상기 출력축(30)은 실제 사용상에서 도구 조인트(90)가 축 연결되며, 이를 통해 전동드라이버 등과 같은 도구의 회전, 즉 회전토크의 구동을 이어주고 출력하게 된다.
상술된 유성기어세트와 입력축(20), 출력축(30) 사이의 구체적인 배치와 관련해 도 3에 나타난 내용을 함께 참조하여 설명하면, 상기 입력축(20)과 출력축(30)은 유성기어세트를 통해 서로 연동된다. 전술된 유성기어세트를 실제 사용할 시 제1단 유성기어세트(41)와 제2단 유성기어세트(42)를 포함하고 있으며, 그 중 상기 입력축(20)의 단부(22)는 하우징(10) 밖으로 돌출되어 뻗어 나와 있으며, 또한 입력축(20)의 다른 하나의 단부는 하우징(10) 내로 뻗어 들어가 제1단 유성기어세트(41) 중의 제1단 태양기어(411)와 축 연결된다.
상기 제1단 태양기어(411)에는 맞물려 설치된 다수개의 제1단 유성기어세트(41) 중의 제1단 유성기어(412)가 있고, 전술된 다수개의 제1단 유성기어(412)는 제1단 유성기어세트(41) 중의 제1단 유성캐리어 디스크(414) 상에 피봇 설치되며, 상기 제1단 유성기어세트(41) 중의 제1단 내접기어(415)는 제1단 태양기어(411)와 제1단 유성기어(412)의 주위를 감싸는 형태가 되며, 상기 제1단 유성기어(412)는 각각 제1단 태양기어(411) 및 제1단 내접기어(415)와 서로 맞물림 연결된다.
더욱 자세히 설명하면, 상술된 제1단 유성기어(412)를 실제 사용하는 경우, 유성 기어축(413)을 경유하여 제1단 유성캐리어 디스크(414)의 한 측에 피봇 설치되고, 상기 제2단 유성기어세트(42) 중의 제2단 태양기어(421)는 상기 제1단 유성캐리어 디스크(414)의 다른 한 측 중심에 축 연결되며, 상기 출력축(30)은 제2단 유성기어세트(42) 중의 제2단 유성캐리어 디스크(424)를 경유하여 제2단 태양기어(421)의 둘레에 맞물려 조합된 제2단 유성기어세트(42) 중의 다수개의 제2단 유성기어(422)와 연결되며, 상기 제2단 유성기어(422)를 실제 사용하는 경우를 보면, 유성기어축(423)을 경유하여 제2단 유성캐리어 디스크(424) 상에 피봇 설치된다. 상기 제2단 유성기어(422)와 제1단 유성기어(412)를 실제 사용하는 경우 각각 제1단 내접기어(415)와 서로 맞물림 결합된다. 상기 제2단 유성캐리어 디스크(424)를 실제 사용하는 경우, 출력축(30)으로부터 뻗어 나와 형성되며, 즉 다시 말해 상기 출력축(30)과 제2단 유성캐리어 디스크(424)는 동일한 축에 일체형으로 뻗어 나와 제작 형성된다. 이 외에도, 입력축(20)과 출력축(30)의 축 연결 대상은 서로 호환이 가능하며, 이는 즉 입력축(20)이 제2단 유성캐리어 디스크(424)에 축 연결되고, 출력축(30)이 제1단 태양기어(411)에 축 연결이 되어도 본 발명의 사상과 응용 범주에 속한다고 할 수 있으며, 이것은 입력에서 출력까지의 구동 대상과 순서를 손쉽고 편리하게 변경시킬 수 있음을 의미한다.
도 1 및 도 2의 내용을 함께 참조하며, 상기 제1단 내접기어(415)를 실제 사용하는 경우를 설명하면, 상기 제1단 내접기어는 토크 감지판(50)와 서로 연결될 수 있으며, 상기 토크 감지판(50)은 중심축선(C)과 평행을 이루는 다수개의 기둥부(51), 고정받침(52) 및 회전받침(53)을 갖추고 있으며，상기 고정받침(52)과 회전받침(53)은 각각 독립적으로 중심축선(C)을 따라 간격을 두고 배치되며, 상기 기둥부(51)는 고정받침(52)과 회전받침(53) 사이에 위치하게 된다. 전술된 기둥부(51)는 모두 막대형태 혹은 판형태로 구성되며, 그 중 최소한 하나의 기둥부(51)의 조각체 상에는 반드시 최소한 하나의 스트레인 게이지(60)가 설치된다. 여기서 전술된 최소한 하나의 기둥부(51)가 뜻하는 것은 다수개의 기둥부(51) 중 하나 혹은 하나 이상의 기둥부(51)의 조각체 상에 스트레인 게이지(60)를 부착시키면 되는 것이며, 스트레인 게이지(60)가 부착된 기둥부(51)는 그 스트레인 게이지(60)의 부착 수량이 한 조각 혹은 두 조각일 수 있다. 단일 기둥부(51) 상에 접착된 스트레인 게이지(60) 수량이 두 개일 때, 상기 두 개의 스트레인 게이지(60)는 서로 대응되는 형태로 상기 기둥부(51)의 조각체와 서로 대응되는 측의 제1단면(51c) 및 제2단면(51d) 상에 설치될 수 있고, 상기 제1단면(51c) 및 제2단면(51d)은 중심축선(C)의 지름과 평행을 이룬다. 상기 기둥부(51)는 카본 등과 같은 금속을 이용해 막대형으로 제작될 수 있으며, 기둥부(51)의 각 구간에는 서로 동일한 단면을 형성하여 작용력을 전달함으로써 사용된 금속재료의 강도 허용 범위 내에서 대응 변화가 일어나도록 하며, 이러한 구조로 스트레인 게이지(60)의 탑재체로 사용하게 된다.
각 기둥부(51)는 모두 제1단부(51a) 및 제2단부(51b)를 포함하고 있으며, 그 중 상기 제1단부(51a)는 반드시 고정된 형태가 되어야 하고, 상기 제2단부(51b)는 제1단 내접기어(415)에서 로딩되는 접선 작용력을 흡수하는 데 사용된다. 더욱 자세하게 설명하면, 상기 기둥부(51) 중 고정되어 있는 제1단부(51a)는 고정받침(52) 상에 고정 설치되고, 상기 기둥부(51)를 실제 사용하는 경우, 고정받침(52)으로 부터 뻗어 나와 형성되며, 상기 고정받침(52)은 바닥받침(54) 상에 조립 설치되고, 상기 바닥받침(54)은 나사(11) 조임 방식으로 하우징(10) 내에 고정 설치되어 전체 장치체의 고정단으로 사용하기 편리하게 된다. 상기 기둥부(51)는 제1단 내접기어(415)에서 로딩되는 접선 작용력을 흡수하는 제2단부(51b)를 슬라이드 방식 혹은 고정 방식으로 회전받침(53) 상에 설치하는 데 사용된다.
도 1 및 도 2의 내용을 함께 참조하며, 상기 토크감지판을 설명하면, 상기 토크 감지판(50)은 회전받침(53)을 경유하여 제1단 내접기어(415)와 서로 연결되고, 제1단 내접기어(415)가 제1단 유성기어(412)와 제2단 유성기어(422)의 구동을 받을 때, 더 나아가 회전받침(53)을 이끌어 중심축선(C)을 따라 자전시키게 된다. 더욱 상세히 설명하면, 상기 회전받침(53)은 긴밀하게 함께 사용되는 방식으로 제1단 내접기어(415) 중간으로 삽입되고 이 두 개가 일체형으로 연결되어 구성될 수 있다(도 9에 나타난 바와 같이). 혹은 상기 회전받침(53)의 한 끝에는 다수개의 돌출부(532)가 뻗어 나와 설치될 수 있으며, 상기 제1단 내접기어(415)의 한 끝은 다수개의 돌출부(532)와 서로 대응되어지는 오목홈(416)이 함몰되어 설치될 수 있고, 상기 회전받침(53)과 제1단 내접기어(415)는 돌출부(532)와 오목홈(416)의 결합으로 일체형으로 구성될 수 있다(도 10에 나타난 바와 같이).
또한 상기 고정받침(52)과 회전받침(53)의 중심에는 각각 통공(521,531)이 설치되고, 입력축(20)이 이들 동공으로 관통되며, 고정받침(52)과 회전받침(53)이 각각 중심축선(C)을 따라 입력축(20) 상에 대칭 배치되고, 상기 입력축(20)은 고정받침(52)과 회전받침(53)의 통공(521,531)을 관통하여 제1단 태양기어(411)에 축 연결된다. 더 상세히 설명하면, 상술된 기둥부(51)는 각각 고정받침(52)과 회전받침(53) 사이에 설치되며, 상술된 기둥부(51)를 각각 중심축선(C)의 지름방향선(D) 상(도 4에 나타난 바와 같이)에 위치하도록 하는데 본 발명 중에서는 상기 기둥부(51)의 수량이 두 개이다. 또한 상기 고정받침(52)과 회전받침(53) 사이에는 베어링 고정받침(55)이 더 설치되고, 상술된 베어링(21) 중 하나는 베어링 고정받침(55) 내에 조립 설치되며, 이를 통해 입력축(20)이 회전할 때의 안정성을 유지시킨다.
도 5 및 도 6의 내용을 함께 참조하며 설명해 보면, 입력단으로 사용되는 제1단 태양기어(411)가 시계 바늘 방향으로 회전할 때, 제1단 유성기어(412)를 이끌어 시계 바늘 역방향으로 회전시키게 되고, 또한 제1단 유성캐리어 디스크(414)를 이끌어 시계 바늘 방향으로 회전시키며, 이어서 제2단 태양기어(421)는 제1단 유성캐리어 디스크(414)의 이끌림을 받아 시계 바늘 방향으로 회전을 하며, 제2단 유성기어(422)를 이끌어 시계 바늘 역방향으로 회전을 시키게 된다. 상술된 제2단 유성기어(422)가 이끌면서 출력단으로 사용하게 되는 제2단 유성캐리어 디스크(424)는 시계 바늘 방향으로 회전하면서 동력을 출력하게 된다.
제2단 유성캐리어 디스크(424)는 반드시 외부의 토크 부하 T1을 극복해야 하기 때문에, 제1단 태양기어(411)에서 토크 T2가 입력되고, T2에 감속비를 곱하여 얻는 토크는 반드시 T1를 극복하고 평형을 이뤄야 하며, 또한 제1단 내접기어(415) 상 토크 부하 T3이 형성된다. 이에 의거하여 아래 식을 얻을 수 있다:
T3=T1×(λ/(1+λ)) 식(1)
T2=T3×(λ/(1+λ)) 식(2)
그 중, λ는 제1단 태양기어(411)와 제1단 내접기어(415) 기어수 비율(제1단 태양기어(411)의 기어수/제1단 내접기어(415)의 기어수)이다.
도 5 및 도 6을 다시 참조해 보면, 상기 제1단 태양기어(411)와 제1단 유성기어(412), 그리고 제2단 태양기어(421)와 제2단 유성기어(422)의 맞물림 접촉점에는 각각 접속 작용력 F2가 형성되고, 또한 상기 제1단 내접기어(415)와 제1단 유성기어(412) 및 제2단 유성기어(422)가 서로 맞물리는 접촉점에는 각각 접선 작용력 F1이 형성되며, 전술된 접선 작용력 F1와 F2는 서로 평행을 이룬다. 전동력 토크 평형 정리
Figure 112017116527149-pat00001
에 의하여 M=0=F1×r-F2×r，F=F1+F2를 알 수 있으며, 즉 F1=F2=F/2가 된다. 그러므로 전술된 접선 작용력의 총합(F1+F2)은 반작용력 F를 생성하게 되고, 상기 반작용력 F는 유성기어축(413, 423)을 경유하여 각각 제1단 유성캐리어 디스크(414)와 제2단 유성캐리어 디스크(424)를 구동시켜 회전하게 한다.
도 7의 내용을 참조해 보면, 상술된 기둥부(51)의 제1단부(51a)는 모두 각각 고정받침(52) 상에 고정되고, 또한 상술된 기둥부(51)의 제2단부(51b)는 모두 슬라이드 이동 방식으로 회전받침(53) 상에 유동 접촉된다. 이러한 구성 하에서, 회전받침(53)이 제1단 내접기어(415)에서 전송된 접선 작용력 F1으로 인해 미량으로 자전하며 기둥부(51)를 이끌 때, 각 기둥부(51)의 제1단부(51a)가 이미 고정되어 움직이지 않기 때문에 이와 상대적으로 각 기둥부(51)의 제2단부(51b)가 회전받침(53)을 경유하여 형성된 미량의 자전 현상의 영향을 받아 미량으로 이동을 하면 각 기둥부(51)에서 모두 변형이 생성되면서 각 기둥부(51)의 제1단면(51c)이 인장력의 영향을 받고 제2단면(51d)이 압력을 받게 된다. 이때 접착 방식으로 최소한 하나의 기둥부(51) 상에 탑재된 최소한 하나의 스트레인 게이지(60)는 동시에 만곡 변형의 힘을 받아 대응 변화가 발생되어 입력축(20)과 출력축(30) 사이의 토크 감지수치로 사용될 수 있다. 또한 여기서 반드시 설명해야 될 사항은 상술된 기둥부(51)의 제2단부(51b)가 만약 고정방식으로 회전받침(53) 상에 결합되었다면 상기 제2단부(51b)는 이미 비유동적으로 회전받침(53) 상에 접촉되고, 그로 인해 회전받침(53)이 미량으로 회전하여 제2단부(51b)가 따라서 이동하게 될 때, 이러한 상황 하에서도 스트레인 게이지(60)는 역시 동일하게 변형 작용의 힘을 받아 대응 변형이 발생하게 된다.
도 8a, 도 8b, 도 11을 함께 참조해 보면, 회전받침(53)이 제1단 내접기어(415)에서 전송되는 접선 작용력 F1을 받아 기둥부(51)를 이끌게 되며, 기둥부(51)의 제1단부(51a)가 고정받침(52)을 통해 하우징(10) 내에 고정되기 때문에, 기둥부(51)가 회전받침(53)의 회전으로 만곡 변형이 발생되고, 그 결과 기둥부(51)의 한 측이 압력을 받고 다른 한 측이 인장력을 받게 된다. 스트레인 게이지(60)가 기둥부(51)의 양측에 접착 설치되어 브릿지 회로(70) 공식을 통해 정확하고 민첩하게 전기저항값의 변화량을 감지할 수 있게 된다.
두 개 기둥부(51)의 상대 거리가 a이고, 수량은 N이고, 넓이는 b이고, 두께가 h일 때, 단일 기둥부(51)가 받는 힘 F'는：
F'=2×T3/(a×N) 식(3)
스트레인 게이지(60)의 중심과 힘을 받는 지점(즉 제2단부(51b))의 거리가 L일 때, 스트레인 게이지(60)가 감지하는 응력값은 σ=6×F'×L/(b×h2)이고, 대응 변화 ε는：
ε=6×F'×L/(E×bh2) 식(4)
그 중, 스트레인 게이지(60)의 L위치는 조립 상의 편의성과 최대 생산 변형량을 고려하여 결정하며, 예를 들어 스트레인 게이지(60)가 기둥부(51) 상에 접합되는 위치는 고정받침(52)과는 상대적으로 가까운 위치, 회전받침(53)과는 상대적으로 먼 거리가 될 수 있으며, 이를 통해 비교적 큰 대응 변화를 생성하기에 편리하고 더욱 민첩하게 정확한 토크 측량값을 얻을 수 있게 된다.
상술된 브릿지 회로(70)의 공식은 아래 식(5)와 같다.：
Figure 112017116527149-pat00002
식(5)
그 중, Vin는 전원 공급단의 입력 전압이고，Vab는 b점 전압 Vb에서 a점 전압 Va사이의 전압차이고, R1, R2, R3, R4는 각각 기둥부(51)상에 고정된 전기저항이고, 스트레인 게이지(60)가 수축력 혹은 인장력을 받을 때, 그 전기저항값 R1, R2, R3, R4에 변화가 발생되며, 전기저항 R2와 R3가 힘을 받을 때 저항값의 변화량은 -ΔR이고, 전기저항 R1과 R4이 힘을 받을 때 저항값의 변화량은 ΔR이다. 그러므로 전기저항값은
Figure 112017116527149-pat00003
와
Figure 112017116527149-pat00004
이고 상기 식(5)를 대입하여 아래 식(6)을 얻을 수 있다：
Figure 112017116527149-pat00005
식(6)
Vab를 계량기 증폭기(71)를 통해 G배 확대한 후, 아래 공식(7)으로 계산한 출력 전압 Vo을 구할 수 있다.：
Figure 112017116527149-pat00006
식(7)
기둥부(51)에서 토크 작용력을 받은 후 생성되는 대응 변화의 관계는
Figure 112017116527149-pat00007
이고 대응 변화와 출력 전압의 관계를 획득할 수 있다：
Figure 112017116527149-pat00008
식(8)
그 중 GF는 대응 변화 계수이다. 상술된 출력 전압 Vo은 정류기(72)를 거쳐 정류된 후, 수치제어유닛(MCU)(73)에 공급되기 때문에 상기 출력 전압 Vo의 변화 수치에 근거하여 상술된 기둥부(51)가 토크 작용력을 받은 후 생성된 대응 변화 ε로 사용하기 편리하고, 더 나아가 입력축(20)과 제1내접기어(415) 사이의 정확한 토크 감지 수치로 전환하여 계산해 낼 수 있다.
스트레인 게이지(60)의 사용 수량으로 볼 때, 네 조각의 스트레인 게이지를 사용하면 두 조각의 스트레인 게이지 변화량의 두 배가 되며, 또한 한 조각의 스트레인 게이지 변화량의 네 배가 된다. 그러므로 본 발명 중에서 스트레인 게이지(60)의 배치 수량이 많을수록 전환되어 얻어지는 토크 감지 수치는 더욱 민첩하게 된다. 그러나 스트레인 게이지(60)의 배치 수량이 이로 인해 네 조각으로 국한되는 것은 아니다.
도 9 및 도 10의 내용을 참조해 보면, 상술된 내용으로 알 수 있듯이, 상기 토크 감지판(50) 중의 기둥부(51)는 고정받침(52)에서 뻗어 나와 형성되며, 상술된 기둥부(51)는 제1단 내접기어(415)의 접선 작용력 F1을 흡수하는 제2단부(51b)를 슬라이드 방식 혹은 고정 방식으로 회전받침(53) 상에 연결하는 데 사용된다. 도 9에서 나타난 바와 같이, 상기 회전받침(53)에는 다수개의 차단기둥(533)이 설치되고, 전술된 차단기둥(533)의 수량은 전술된 기둥부(51)의 배치 수량의 두 배이고, 전술된 차단기둥(533)은 각각 기둥부(51)의 양측에 위치하게 되며, 기둥부(51)는 슬라이드 방식으로 두 개의 차단기둥(533) 사이로 들어가게 되며, 상기 회전받침(53)은 차단기둥(533)을 경유하여 기둥부(51)를 고정시키고，회전받침(53)이 회전할 때 기둥부(51)를 이끌어 회전시키게 되며, 그 결과 기둥부(51)에 만곡 변형이 생성된다. 도 10에 나타난 바와 같이, 상기 토크 감지판(50)은 고정받침(52), 회전받침(53), 기둥부(51)가 일체형으로 제작되어 완성될 수 있으며, 이를 통해 회전받침(53)을 회전시킬 때 기둥부(51)를 이끌어 회전시킬 수 있게 되며, 기둥부(51)에서 변형이 생성된다.
도 12의 내용을 참조해 보면, 본 발명에서 제공하는 제2 실시예에서도 회전식 토크 센서에 관한 내용을 기재하였으며, 제1 실시예와 차이점은 다음과 같다. 본 실시예 중의 유성기어세트는 단일 유성기어세트(40)이며, 그 중 상기 하우징(10) 내로 뻗어 들어온 입력축(20)의 한 끝은 유성기어세트(40) 중의 태양기어(401)에 축 연결되며, 상기 출력축(30)은 유성기어세트(40) 중의 유성캐리어 디스크(404)를 경유하여 태양기어(401)의 둘레에 맞물려 조합된 유성기어세트(40) 중의 다수개의 유성기어(402)와 연결되며, 상기 유성기어세트(40) 중의 내접기어(405)는 태양기어(401) 및 유성기어(402)의 주위를 감싸고 있고, 상기 태양기어(401) 및 내접기어(405)는 각각 유성기어(402)와 서로 맞물려 설치된다. 더 자세히 설명하면, 상기 유성기어(402)를 실제 사용하는 경우, 유성기어축(403)을 경유하여 유성캐리어 디스크(404) 상에 피봇 설치된다. 상기 유성캐리어 디스크(404)를 실제 사용하는 경우, 출력축(30)에서 뻗어 나와 형성이 되며, 즉 다시 말해 상기 출력축(30)과 유성캐리어 디스크(404)는 동일 축의 일체형으로 제작된다. 이 외에도, 입력축(20)과 출력축(30)의 축 연결 대상은 서로 호환이 가능하며, 즉 입력축(20)이 유성캐리어 디스크(404)에 축 연결되고, 출력축(30)이 태양기어(401)에 축 연결되어도 본 발명의 사상과 응용 범주에 속한다고 할 수 있으며, 이것은 입력에서 출력까지의 구동 대상과 순서를 손쉽고 편리하게 변경시킬 수 있음을 의미한다.
이상 실시예의 설명에 근거해 보면, 본 발명은 막대형태의 기둥부(51) 단부가 힘을 받아 비틀림이 발생하는 상황하에서 비교적 민첩하게 변형이 발생하게 되고, 이를 통해 상술된 스트레인 게이지(60)도 이에 따라 변형이 발생하기 때문에 구체적으로 응용 사용이 가능하며, 이뿐만 아니라 감지토크의 정확도를 향상시킬 수 있게 된다. 또한 상술된 기둥부(51)를 각각 입력축(20)의 지름 방향을 따라 배치하는 것이 아니라 입력축(20) 축 방향과 서로 평행이 되도록 배치하여 응용 부품 혹은 설비 혹은 토크 감지기의 지름 체적을 확실하고 효과적으로 축소시킬 수 있어 기존의 기술 개선에 공헌을 한다고 볼 수 있다.
상술한 내용은 또한 본 발명의 구체적인 실시예로 결코 이에 본 발명의 범위를 제한하는 것은 아니다. 본 발명의 신청범위 내에서 가한 어떠한 첨가나 수정도 본 발명의 범위에 속함을 밝혀둔다.
10 하우징
11 나사
20 입력축
21, 31 베어링
22, 32 단부
30 출력축
40 유성기어세트
401 태양기어
402 유성기어
403, 413, 423 유성기어축
404 유성캐리어 디스크
405 내접기어
41 제1단 유성기어세트
411 제1단 태양기어
412 제1단 유성기어
414 제1단 유성캐리어 디스크
415 제1단 내접기어
416 오목홈
42 제2단 유성기어세트
421 제2단 태양기어
422 제2단 유성기어
424 제2단 유성캐리어 디스크
50 토크 감지판
51 기둥부
51a 제1단부
51b 제2단부
51c 제1단면
51d 제2단면
52 고정받침
521, 531 통공
53 회전받침
532 돌출부
533 차단기둥
54 바닥받침
55 베어링고정받침
60 스트레인 게이지
70 브릿지 회로
71 계량기 증폭기
72 정류기
73 수치제어유닛
80 구동모터
81 구동축
90 도구 조인트
C 중심축선
D 지름방향선

Claims (12)

  1. 축 회전식 토크 센서에 관한 것으로서,
    입력축과 출력축을 포함하고 있으며, 상기 입력축과 상기 출력축은 중심축선을 따라 간격을 두고 배치되고, 유성기어세트를 더 포함하고 있으며,
    상기 유성기어세트는 중심축선을 따라 상기 입력축과 상기 출력축 사이에 배치되며, 상기 입력축은 상기 유성기어세트 중의 태양기어에 축 연결되며, 상기 출력축은 유성캐리어 디스크를 통과하여 상기 유성기어세트 중의 다수개의 유성기어에 연결되며, 상기 유성기어세트 중의 내접기어는 토크 감지판과 연결되며, 상기 토크 감지판은 상기 중심축선과 평행을 이루는 다수개의 막대형 기둥부를 갖추고 있고, 상기 기둥부의 서로 대응되는 측은 각각 중심축선의 지름의 단면과 평행을 이루게 되며, 두 개의 상기 단면 중 최소한 하나의 단면상에는 최소한 하나의 스트레인 게이지가 설치되고,
    그 중 상기 입력축은 유성기어세트를 경유하여 상기 출력축을 이끌어 회전시키게 되고, 이를 통해 접선 작용력을 형성하여 상기 유성기어세트 중의 상기 내접기어를 구동시켜서, 상기 접선 작용력으로 상기 내접기어를 연동시켜 중심축선을 따라 원주 회전을 하게 하고, 상기 토크 감지판의 상기 기둥부는 상기 내접기어에서 로딩되는 접선 작용력을 흡수하여 원주 회전의 방향을 따라 변형이 생성되며, 상기 스트레인 게이지는 또한 상기 변형을 감지하여 대응 변화를 생성하게 되며, 이를 상기 입력축과 상기 출력축 사이의 토크 감지 수치로 사용하게 되는 것을 특징으로 하는 축 회전식 토크 센서.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 토크 감지판은 고정받침 및 회전받침을 포함하고 있고, 상기 기둥부는 상기 고정받침과 상기 회전받침 사이에 위치하게 되는 것을 특징으로 하는 축 회전식 토크 센서.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 토크 감지판은 상기 고정받침, 상기 기둥부 및 상기 회전받침이 일체 성형 방식으로 구성되는 것을 특징으로 하는 축 회전식 토크 센서.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 기둥부는 상기 고정받침이 뻗어 나와 형성되며, 상기 기둥부 중 상기 고정받침과 멀리 떨어진 한 끝은 상기 회전받침 상에 조립 설치되는 것을 특징으로 하는 축 회전식 토크 센서.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 고정받침 및 상기 회전받침의 중심에는 각각 통공이 설치되며, 상기 입력축은 상기 통공을 관통하여 상기 태양기어와 축 연결되는 것을 특징으로 하는 축 회전식 토크 센서.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 입력축은 상기 고정받침과 상기 회전받침 중 최소한 하나에 피봇 연결되어지는 것을 특징으로 하는 축 회전식 토크 센서.
  7. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 스트레인 게이지가 배치된 상기 기둥부는 상기 스트레인 게이지의 배치 수량이 두 개이며, 두 개의 상기 스트레인 게이지는 상기 기둥부의 두 개의 대응되는 단면상에 서로 대응되어 부착 설치되는 것을 특징으로 하는 축 회전식 토크 센서.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 유성기어세트는 제1단 유성기어세트 및 제2단 유성기어세트를 포함하고,
    상기 입력축은 상기 제1단 유성기어세트 중의 제1단 태양기어와 축 연결되며, 상기 제1단 유성기어세트 중의 제1단 유성캐리어 디스크 상에는 제1단 태양기어의 둘레에 맞물려 조합된 상기 제1단 유성기어세트 중의 다수개의 제1단 유성기어가 피봇 연결 배치되며, 상기 제1단 유성기어세트 중의 제1단 내접기어는 상기 토크 감지판과 연결 설치되고, 상기 제2단 유성기어세트 중의 제2단 태양기어가 상기 제1단 유성캐리어 디스크 중심에 축 연결되며,
    상기 출력축은 상기 제2단 유성기어세트 중의 제2단 유성캐리어 디스크를 경유하여 제2단 태양기어의 둘레에 맞물려 조합된 상기 제2단 유성기어세트 중의 다수개의 제2단 유성기어와 서로 연결되며, 상기 제1단 유성기어 및 상기 제2단 유성기어는 각각 상기 제1단 내접기어와 서로 맞물려 설치되는 것을 특징으로 하는 축 회전식 토크 센서.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 유성캐리어 디스크는 상기 출력축에서 뻗어나온 형태로 형성되는 것을 특징으로 하는 축 회전식 토크 센서.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 입력축의 축 연결 대상과 상기 출력축의 연결 대상은 서로 교환이 가능한 것을 특징으로 하는 축 회전식 토크 센서.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 유성캐리어 디스크는 상기 출력축에서 뻗어나온 형태로 형성되는 것을 특징으로 하는 축 회전식 토크 센서.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 입력축의 축 연결 대상과 상기 출력축의 연결 대상은 서로 교환이 가능한 것을 특징으로 하는 축 회전식 토크 센서.
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