KR102235970B1 - 정전용량형 토크센서 - Google Patents

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KR102235970B1
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장준현
홍경태
이승혁
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두산로보틱스 주식회사
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Abstract

본 발명은 토크 측정 구조의 탄성 회복력을 향상시켜 비선형성을 보상하고, 토크 측정 구조의 변위를 증폭하여 센싱 감도를 향상시킬 수 있는 정전용량형 토크센서에 관한 것으로, 허브와, 상기 허브의 외측에 배치된 림과, 상기 허브와 상기 림을 연결하는 복수의 스포크와, 복수의 스포크 중 이웃하여 배치된 제1 스포크와 제2 스포크를 연결하는 제1 연결바와, 상기 제1 스포크와 상기 제2 스포크를 연결하고 상기 제1 연결바와 마주보도록 배치된 제2 연결바와, 상기 제1 연결바에서 상기 제2 연결바 측으로 돌출 형성되고 센싱바 전극이 구비된 센싱바, 그리고 상기 제2 연결바에서 상기 제1 연결바 측으로 돌출 형성되고 상기 센싱바 전극과 마주보게 센서부 전극이 구비된 센서부를 포함한다. 이러한 구성으로, 상기 허브에 대한 상기 림의 상대 회전에 의해 상기 제1 연결바와 상기 제2 연결바가 변형되면 상기 센싱바와 상기 센서부 간의 간격이 변경되어 상기 센싱바 전극과 상기 센서부 전극 사이의 정전용량의 변화를 통해 토크를 측정한다.

Description

정전용량형 토크센서{CAPACITIVE TORQUE SENSOR}
본 발명은 정전용량형 토크센서에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 토크 측정 구조의 탄성 회복력을 향상시켜 비선형성을 보상하고, 토크 측정 구조의 변위를 증폭하여 센싱 감도를 향상시킬 수 있는 정전용량형 토크센서에 관한 것이다.
현재 다양한 산업 현장에서는 효율성 향상을 위해 공정 자동화가 활발히 수행되고 있으며, 이에 따라 여러 작업에 유연하게 사용될 수 있는 로봇 암의 중요성이 커지고 있다. 로봇 암은 중량물의 운반이나 조립, 용접, 도색 등 다양한 작업에 사용되고 있으며, 대상 작업에 따라 다양한 크기의 로봇 암이 개발되어 사용되고 있다.
이러한 로봇 암의 관절에는 토크센서가 필수적인 구성요소이다. 특히, 토크센서는 다축 다 관절로 이루어진 로봇 암에 있어서 로봇 암의 신뢰도와 정확성을 향상시켜 기존의 위치 제어만으로는 불가능했던 다양한 작업들을 수행 가능하게 한다.
하지만, 로봇 암의 관절에 사용되는 토크센서는 대부분 저항변화 원리기반의 스트레인게이지(strain gauge)를 이용하고 있다. 스트레인게이지를 이용한 토크센서는 스트레인게이지를 허브와 림을 연결하는 스포크에 본딩하는 공정을 거쳐야 하고, 기준 축 이외 다른 축에서의 간섭을 제거하기 위해 복잡한 구조와 알고리즘을 필요로 한다.
따라서, 위와 같은 스트레인게이지를 이용한 종래 토크센서는 제조 공정이 복잡하고, 제조 비용이 높아 로봇 분야에 보편적으로 사용되기에 어려움이 있는 실정이다.
한국등록특허 제1293984호 (2013.08.01)
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로서, 토크 측정 구조의 탄성 회복력을 향상시켜 비선형성을 보상하고, 토크 측정 구조의 변위를 증폭하여 센싱 감도를 향상시킬 수 있는 정전용량형 토크센서를 제공하는 데에 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 정전용량형 토크센서는, 허브; 상기 허브의 외측에 배치된 림; 상기 허브와 상기 림을 연결하는 복수의 스포크; 복수의 스포크 중 이웃하여 배치된 제1 스포크와 제2 스포크를 연결하는 제1 연결바; 상기 제1 스포크와 상기 제2 스포크를 연결하고, 상기 제1 연결바와 마주보도록 배치된 제2 연결바; 상기 제1 연결바에서 상기 제2 연결바 측으로 돌출 형성되고, 센싱바 전극이 구비된 센싱바; 및 상기 제2 연결바에서 상기 제1 연결바 측으로 돌출 형성되고, 상기 센싱바 전극과 마주보게 센서부 전극이 구비된 센서부;를 포함하고, 상기 허브에 대한 상기 림의 상대 회전에 의해 상기 제1 연결바와 상기 제2 연결바가 변형되면 상기 센싱바와 상기 센서부 간의 간격이 변경되어 상기 센싱바 전극과 상기 센서부 전극 사이의 정전용량의 변화를 통해 토크를 측정한다.
그리고, 상기 제1 연결바가 변형되는 경우 상기 센싱바가 회전하도록 상기 제1 연결바와 상기 센싱바가 연결되는 부분의 양측에 제1 힌지홈이 형성될 수 있다.
또한, 상기 제2 연결바가 변형되는 경우 상기 센서부가 회전하도록 상기 제2 연결바와 상기 센서부가 연결되는 부분의 양측에 제2 힌지홈이 형성될 수 있다.
여기서, 상기 센서부는, 한쌍으로 마련되어 상기 센싱바의 양측에 일정 간격 이격 배치되게 마련될 수도 있다.
이때, 상기 센싱바 전극은 한쌍으로 마련되어 상기 센싱바의 양측면에 구비되고, 상기 센서부 전극도 한쌍으로 마련되어 상기 센싱바 전극과 마주보도록 한쌍의 상기 센서부 각각에 구비될 수 있다.
또는, 상기 센서부는, ㄷ자 형태로 마련되고, 상기 제1 연결바 측으로 돌출 형성된 한쌍의 센서바 사이에 상기 센싱바가 삽입 위치하도록 구비된 센서브라켓; 및 상기 제2 연결바와 상기 센서브라켓을 연결하는 연결부;를 포함할 수도 있다.
이때, 상기 센싱바 전극은 한쌍으로 마련되어 상기 센싱바의 양측면에 구비되고, 상기 센서부 전극도 한쌍으로 마련되어 상기 센싱바 전극과 마주보도록 한쌍의 상기 센서바 각각에 구비될 수 있다.
나아가, 상기 제1 연결바는 상기 림 측에 인접하여 배치되고, 상기 제2 연결바는 상기 허브 측에 인접하여 배치될 수 있다.
그리고, 상기 센싱바는 상기 제1 연결바에서 상기 제1 스포크에 인접하여 배치되고, 상기 센서부는 상기 제2 연결바에서 상기 제2 스포크에 인접하여 배치될 수 있다.
또한, 상기 제1 스포크는 두 개로 마련되어 서로 직선 상에 위치하고, 상기 제2 스포크도 두 개로 마련되어 서로 직선 상에 위치하며, 구획된 4개의 영역 각각에 상기 센싱바와 상기 센서부가 각각 구비될 수도 있다.
본 발명에 의한 정전용량형 토크센서에 따르면, 이웃하는 스포크 간을 연결하는 연결바에 센싱바와 센서부를 구비하여 탄성 회복력을 향상시켜 비선형성을 보상할 수 있는 효과를 얻을 수 있다.
그리고, 본 발명에 따르면, 연결바와 센싱바 사이 및 연결바와 센서부 사이에 힌지홈을 형성하여 회전시 센싱바와 센서부의 변위를 증폭하여 센싱 감도를 향상시킬 수 있는 효과를 얻을 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 의한 정전용량형 토크센서를 개략적으로 도시해 보인 평면도,
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 의한 정전용량형 토크센서에서 센싱바와 센서부에 힌지홈이 형성된 상태를 개략적으로 도시해 보인 부분 평면도,
도 3은 본 발명의 제2 실시예에 의한 정전용량형 토크센서를 개략적으로 도시해 보인 평면도,
도 4는 본 발명의 제2 실시예에 의한 정전용량형 토크센서에서 센싱바와 센서부에 힌지홈이 형성된 상태를 개략적으로 도시해 보인 부분 평면도,
도 5는 본 발명의 제3 실시예에 의한 정전용량형 토크센서를 개략적으로 도시해 보인 평면도,
도 6은 본 발명의 제3 실시예에 의한 정전용량형 토크센서에서 센싱바와 센서부에 힌지홈이 형성된 상태를 개략적으로 도시해 보인 부분 평면도,
도 7은 본 발명의 실시예에 의한 정전용량형 토크센서에서 힌지홈의 형성 여부에 따른 센싱바의 변위 상태를 해석한 도면이다.
본 발명의 특징들에 대한 이해를 돕기 위하여, 이하 본 발명의 실시예와 관련된 정전용량형 토크센서에 대하여 보다 상세하게 설명하기로 한다.
이하 설명되는 실시예의 이해를 돕기 위하여 첨부된 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
이하에서는 첨부된 도면을 참고하여 본 발명의 구체적인 실시예에 대하여 설명한다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 의한 정전용량형 토크센서를 개략적으로 도시해 보인 평면도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 제1 실시예에 의한 정전용량형 토크센서(100)는 허브(110)와, 상기 허브(110)의 외측에 배치된 림(120)과, 상기 허브(110)와 상기 림(120)을 연결하는 복수의 스포크(130)와, 복수의 스포크 중 이웃하여 배치된 제1 스포크(131)와 제2 스포크(132)를 연결하는 제1 연결바(140)와, 상기 제1 스포크(131)와 상기 제2 스포크(132) 간을 연결하고 상기 제1 연결바(140)와 마주보도록 배치된 제2 연결바(150)와, 상기 제1 연결바(140)에서 상기 제2 연결바(150) 측으로 돌출 형성되고 센싱바 전극(161)이 구비된 센싱바(160), 그리고 상기 제2 연결바(150)에서 상기 제1 연결바(140) 측으로 돌출 형성되고 상기 센싱바 전극(161)과 마주보게 센서부 전극(171)이 구비된 센서부(170)를 포함한다.
이러한 구성으로, 상기 허브(110)에 대한 상기 림(120)의 상대 회전에 의해 상기 제1 연결바(140)와 상기 제2 연결바(150)가 변형되면 상기 센싱바(160)와 상기 센서부(170) 간의 간격이 변경되어 상기 센싱바 전극(161)과 상기 센서부 전극(171) 사이의 정전용량의 변화를 통해 토크를 측정한다.
보다 구체적으로, 상기 허브(110)는 원통 형태로 마련되고, 서로 상대 회전하는 한쌍의 구성 중 어느 하나에 체결된다. 여기서, 상기 허브(110)는 회전 구성에 볼트로 체결되도록 볼트가 삽입되는 복수의 허브 체결홀(111)이 형성될 수 있다.
상기 림(120)은 상기 허브(110)보다 큰 직경을 가지는 원통 형태로 마련되어 상기 허브(110)의 외측에 배치되고, 서로 상대 회전하는 한쌍의 구성 중 상기 허브(110)가 체결되지 않은 다른 하나에 체결된다. 여기서, 상기 림(120)은 회전 구성에 볼트로 체결되도록 볼트가 삽입되는 복수의 림 체결홀(121)이 형성될 수 있다.
상기 스포크(130)는 바 형태로 마련되어 일측단이 상기 허브(110)의 외주면에 일체로 구비되고, 타측단이 상기 림(120)의 내주면에 일체로 구비되며, 상기 허브(110)와 상기 림(120)의 원주 방향을 따라 복수로 배치되어 상기 허브(110)와 상기 림(120)을 연결한다.
상기 제1 연결바(140)는 복수의 스포크 중 이웃하여 배치된 제1 스포크(131)와 제2 스포크(132)를 연결한다. 즉, 상기 제1 연결바(140)는 일측단이 상기 제1 스포크(131)에 일체로 구비되고, 타측단이 상기 제2 스포크(132)에 일체로 구비된다. 이러한 구성으로, 상기 허브(110)에 대한 상기 림(120)의 상대 회전에 의해 상기 제1 스포크(131)와 상기 제2 스포크(132)가 변형되면 그에 대응하여 상기 제1 연결바(140)도 변형하게 된다.
상기 제2 연결바(150)는 상기 제1 스포크(131)와 상기 제2 스포크(132)를 연결하고, 상기 제1 연결바(140)와 마주보도록 배치된다. 즉, 상기 제2 연결바(150)는 일측단이 상기 제1 스포크(131)에 일체로 구비되고, 타측단이 상기 제2 스포크(132)에 일체로 구비된다. 이러한 구성으로, 상기 허브(110)에 대한 상기 림(120)의 상대 회전에 의해 상기 제1 스포크(131)와 상기 제2 스포크(132)가 변형되면 그에 대응하여 상기 제2 연결바(150)도 변형하게 된다. 이때, 상기 제2 연결바(150)는 상기 제1 연결바(140)와 반대 방향으로 변형된다. 즉, 상기 제2 연결바(150)는 상기 제1 연결바(140)와 반대 방향으로 회전 이동하게 된다.
여기서, 상기 제1 연결바(140)는 상기 림(120) 측에 인접하여 배치되고, 상기 제2 연결바(150)는 상기 허브(110) 측에 인접하여 배치된다.
상기 센싱바(160)는 바 형태로 마련되어 상기 제1 연결바(140)에서 상기 제2 연결바(150) 측으로 돌출 형성되고, 센싱바 전극(161)이 돌출된 단부 측에 구비된다.
그리고, 상기 센서부(170)는 바 형태로 마련되어 상기 제2 연결바(150)에서 상기 제1 연결바(140) 측으로 돌출 형성되고, 상기 센싱바 전극(161)과 마주보게 센서부 전극(171)이 돌출된 단부 측에 구비된다.
즉, 상기 센서부(170)는 상기 센싱바(160)와 원주 방향으로 일정 간격 이격 배치되고, 일정 면적은 서로 마주보게 배치되며, 서로 마주보는 면에 상기 센서부 전극(171)과 상기 센싱바 전극(161)이 각각 배치된다.
그리고, 상기 센싱바 전극(161)과 상기 센서부 전극(171)에 전원이 인가되면 상기 센싱바 전극(161)과 상기 센서부 전극(171) 사이에 정전용량이 발생하게 된다. 따라서, 상기 센싱바(160)와 상기 센서부(170)의 간격이 가변하게 되면 상기 센싱바 전극(161)과 상기 센서부 전극(171) 간의 간격이 함께 가변하게 되고, 그에 따라 정전용량이 가변하게 된다. 이렇게 가변되는 정전용량으로부터 회전되는 구성의 토크를 측정할 수 있다. 여기서, 정전용량을 측정하고 이로부터 토크를 측정하는 기술은 종래의 기술에 해당하고, 본 발명에서도 종래 기술을 사용하는 바 그 상세한 설명은 생략한다.
나아가, 도 1에 도시된 바와 같이, 상기 스포크(130)가 4개로 마련되어 90도 각도를 이루도록 배치되되, 두 개의 제1 스포크(131)가 서로 직선 상에 위치하고, 두 개의 제2 스포크(132)가 서로 직선 상에 위치할 수 있다. 즉, 상기 제1 스포크(131)와 상기 제2 스포크(132)는 90도 각도를 이루게 배치된다.
이 경우, 12시 방향에서 시계 방향을 따라 4개의 영역 즉 제1 영역(A1), 제2 영역(A2), 제3 영역(A3), 제4 영역(A4)으로 구획되고, 각각의 영역에 상기 센싱바(160)와 상기 센서부(170)가 각각 구비된다.
그리고, 상기 센싱바(160)는 상기 제1 연결바(140)에서 상기 제1 스포크(131)에 인접하여 배치되고, 상기 센서부(170)는 상기 제2 연결바(150)에서 상기 제2 스포크(132)에 인접하여 배치된다.
이러한 구성으로, 상기 허브(110)에 대하여 상기 림(120)이 시계 방향으로 회전하게 되면, 상기 제1 연결바(140)는 시계 방향으로 이동하게 되고 상기 제2 연결바(150)는 반시계 방향으로 이동하게 된다. 이에 따라, 제1 영역(A1)과 제3 영역(A3)에 구비되어 있는 센싱바(160)와 센서부(170)는 서로 가까워지는 방향으로 이동하게 되고, 제2 영역(A2)과 제4 영역(A4)에 구비되어 있는 센싱바(160)와 센서부(170)는 서로 멀어지는 방향으로 이동하게 된다.
반대로, 상기 허브(110)에 대하여 상기 림(120)이 반시계 방향으로 회전하게 되면, 상기 제1 연결바(140)는 반시계 방향으로 이동하게 되고 상기 제2 연결바(150)는 시계 방향으로 이동하게 된다. 이에 따라, 제1 영역(A1)과 제3 영역(A3)에 구비되어 있는 센싱바(160)와 센서부(170)는 서로 멀어지는 방향으로 이동하게 되고, 제2 영역(A2)과 제4 영역(A4)에 구비되어 있는 센싱바(160)와 센서부(170)는 서로 가까워지는 방향으로 이동하게 된다.
따라서, 회전 구조물이 시계 방향과 반시계 방향 중 어느 방향으로 회전하여도 센싱바(160)와 센서부(170)가 서로 가까워지거나 서로 멀어지는 영역이 발생하게 되므로, 회전 방향에 관계없이 균일하고 정밀한 토크를 측정할 수 있다.
도 2는 상기 제1 실시예에 의한 정전용량형 토크센서에서 센싱바와 센서부에 힌지홈이 형성된 상태를 개략적으로 도시해 보인 부분 평면도이다.
도 2를 참조하면, 상기 제1 연결바(140)와 상기 센싱바(160)가 연결되는 부분의 양측에 제1 힌지홈(180)이 형성되고, 상기 제2 연결바(150)와 상기 센서부(170)가 연결되는 부분의 양측에 제2 힌지홈(190)이 형성된다. 여기서, 상기 제1 힌지홈(180)과 상기 제2 힌지홈(190)은 응력집중에 의한 피로 파손을 최소화하기 위하여 반원 형태로 마련되는 것이 바람직하다.
이러한 구성으로, 상기 제1 연결바(140)와 상기 제2 연결바(150)가 변형하게 되면 즉, 어느 일 방향으로 이동하게 되면 상기 제1 힌지홈(180)과 상기 제2 힌지홈(190)에 의해 상기 센싱바(160)와 상기 센서부(170)는 상기 제1 연결바(140)와 상기 제2 연결바(150)가 이동하는 방향에 대하여 반대 방향으로 회전하게 된다.
예를 들어, 상기 제1 연결바(140)가 시계 방향으로 이동하게 되면 상기 센싱바(160)는 상기 제1 연결바(140)와 연결되는 부분을 중심으로 반시계 방향으로 회전하게 된다.
그리고, 상기 제1 연결바(140)가 시계 방향으로 이동하게 되면 상기 제2 연결바(150)는 반시계 방향으로 이동하게 되므로, 상기 센서부(170)는 상기 제2 연결바(150)와 연결되는 부분을 중심으로 시계 방향으로 회전하게 된다.
따라서, 상기 제1 힌지홈(180)과 상기 제2 힌지홈(190)에 의해 상기 센싱바(160)와 상기 센서부(170)의 변위가 증폭되므로 그에 따라 정전용량 변화 또한 증폭되므로 보다 정밀하게 토크를 측정할 수 있다.
여기서, 도 2에는 제1 힌지홈(180)과 제2 힌지홈(190) 모두를 형성하였지만, 필요에 따라 제1 힌지홈(180)만 형성하거나, 제2 힌지홈(190)만을 형성할 수도 있다.
힌지홈에 의해 변위가 증폭되는 사항은 구조 해석을 통하여 확인하였고, 도 7에 나타내었다.
도 7의 (a)는 상기 정전용량형 토크센서에서 제1 연결바에 제1 힌지홈이 형성되지 않은 센싱바의 변위 상태를 해석한 도면이고, 도 7의 (b)는 상기 제1 연결바에 제1 힌지홈이 형성된 센싱바의 변위 상태를 해석한 도면이다.
여기서, 해석 조건은 허브를 고정한 상태에서 림을 시계 방향으로 400Nm의 토크를 인가한 상태이다.
도 7의 (a)에 도시된 바와 같이, 제1 힌지홈이 형성되지 않은 센싱바(160)는 기준 위치(R)에서 시계 방향으로 D1만큼 회전 이동하게 되므로, 상기 센싱바(160)의 단부의 변위는 상기 기준 위치(R)에서 0.025mm만큼 이동하게 된다.
이와 비교하여, 도 7의 (b)에 도시된 바와 같이, 제1 힌지홈(180)이 형성된 센싱바(160)는 기준 위치(R)에서 시계 방향으로 D1만큼 회전 이동하면서, 상기 센싱바(160)와 상기 제1 연결바(140)가 연결되는 부분의 중심(C)을 기준으로 반시계 방향으로 D2만큼 회전하게 되므로, 상기 센싱바(160)의 단부의 변위는 상기 기준 위치(R)에서 0.15mm만큼 이동하게 된다.
따라서, 힌지홈을 형성함에 따라 기준 위치에 대한 센싱바 단부의 변위를 약 6배 증폭할 수 있어 정전용량의 변화를 증폭할 수 있어 토크의 측정 정밀도를 향상시킬 수 있다.
도 3은 본 발명의 제2 실시예에 의한 정전용량형 토크센서를 개략적으로 도시해 보인 평면도이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 제2 실시예에 의한 정전용량형 토크센서(200)는 제1 연결바(240)에 구비되는 센싱바(260)와 제2 연결바(250)에 구비되는 센서부(270)에서 상기에서 설명한 제1 실시예에 의한 정전용량형 토크센서(100)와 차이가 있다. 그리고, 허브(210), 림(220), 스포크(230), 제1 연결바(240), 제2 연결바(250)는 상기 제1 실시예에 의한 정전용량형 토크센서(100)와 동일하게 형성되므로 그 상세한 설명은 생략한다.
보다 구체적으로, 상기 센싱바(260)는 바 형태로 마련되어 상기 제1 연결바(240)에서 상기 제2 연결바(250) 측으로 돌출 형성되고, 센싱바 전극(261)이 돌출된 단부의 양측면에 구비된다. 그리고, 상기 센싱바(260)는 상기 제1 연결바(240)에서 중심에 위치한다.
그리고, 상기 센서부(270)는 상기 제2 연결바(250)에서 상기 제1 연결바(240) 측으로 돌출 형성되되, 한쌍으로 마련되어 상기 센싱바(260)의 양측에 일정 간격 이격 배치된다. 그리고 상기 센서부(270)는 상기 센싱바(260)의 양측면에 구비된 센싱바 전극(261)과 마주보게 센서부 전극(271)이 한쌍의 센서부(270) 각각에 구비된다.
즉, 한쌍의 상기 센서부(270)는 상기 센싱바(260)의 양측에서 원주 방향으로 일정 간격 이격 배치되고, 일정 면적은 서로 마주보게 배치되며, 서로 마주보는 면에 상기 센서부 전극(271)과 상기 센싱바 전극(261)이 각각 배치된다.
그리고, 상기 센싱바 전극(261)과 상기 센서부 전극(271)에 전원이 인가되면 상기 센싱바 전극(261)과 상기 센서부 전극(271) 사이에 정전용량이 발생하게 된다. 따라서, 상기 센싱바(260)와 상기 센서부(270)의 간격이 가변하게 되면 상기 센싱바 전극(261)과 상기 센서부 전극(271) 간의 간격이 함께 가변하게 되고, 그에 따라 정전용량이 가변하게 된다.
따라서, 회전 구조물이 시계 방향과 반시계 방향 중 어느 방향으로 회전하여도 센싱바(260)의 양측에 센서부(270)가 각각 배치되므로, 상기 센싱바(260)는 어느 하나의 센서부와는 가까워지고 다른 하나의 센서부와는 멀어지므로, 회전 방향에 관계없이 균일하고 정밀한 토크를 측정할 수 있다.
나아가, 도 3에 도시된 바와 같이, 제2 실시예에 의한 정전용량형 토크센서(200)도, 12시 방향에서 시계 방향을 따라 4개의 영역 즉 제1 영역(A1), 제2 영역(A2), 제3 영역(A3), 제4 영역(A4)으로 구획되고, 각각의 영역에 상기 센싱바(260)와 상기 센서부(270)가 각각 구비될 수 있다.
물론, 각각의 영역에서 동일하게 정전용량을 측정하게 되므로, 필요에 따라 4개 미만의 영역 또는 5개 이상의 영역으로 구획하여 측정할 수도 있다.
도 4는 상기 제2 실시예에 의한 정전용량형 토크센서에서 센싱바와 센서부에 힌지홈이 형성된 상태를 개략적으로 도시해 보인 부분 평면도이다.
도 4를 참조하면, 상기 제1 연결바(240)와 상기 센싱바(260)가 연결되는 부분의 양측에 제1 힌지홈(280)이 형성되고, 상기 제2 연결바(250)와 상기 센서부(270)가 연결되는 부분의 양측에 제2 힌지홈(290)이 형성된다. 여기서, 상기 제1 힌지홈(280)과 상기 제2 힌지홈(290)은 응력집중에 의한 피로 파손을 최소화하기 위하여 반원 형태로 마련되는 것이 바람직하다.
상기에서 설명한 바와 같이, 상기 제1 힌지홈(280)과 상기 제2 힌지홈(290)에 의해 상기 센싱바(260)와 상기 센서부(270)의 변위가 증폭되므로 그에 따라 정전용량 변화 또한 증폭되어 보다 정밀하게 토크를 측정할 수 있다.
여기서, 도 4에는 제1 힌지홈(280)과 제2 힌지홈(290) 모두를 형성하였지만, 필요에 따라 제1 힌지홈(280)만 형성하거나, 제2 힌지홈(290)만을 형성할 수도 있다.
도 5는 본 발명의 제3 실시예에 의한 정전용량형 토크센서를 개략적으로 도시해 보인 평면도 및 사시도이다.
도 5를 참조하면, 본 발명의 제3 실시예에 의한 정전용량형 토크센서(300)는 제1 연결바(340)에 구비되는 센싱바(360)와 제2 연결바(350)에 구비되는 센서부(370)에서 상기에서 설명한 제1 실시예에 의한 정전용량형 토크센서(100)와 차이가 있다. 그리고, 허브(310), 림(320), 스포크(330), 제1 연결바(340), 제2 연결바(350)는 상기 제1 실시예에 의한 정전용량형 토크센서(100)와 동일하게 형성되므로 그 상세한 설명은 생략한다.
보다 구체적으로, 상기 센싱바(360)는 바 형태로 마련되어 상기 제1 연결바(340)에서 상기 제2 연결바(350) 측으로 돌출 형성되고, 센싱바 전극(361)이 돌출된 단부의 양측면에 구비된다. 그리고, 상기 센싱바(360)는 상기 제1 연결바(340)에서 중심에 위치한다.
그리고, 상기 센서부(370)는 ㄷ자 형태로 마련되고 상기 제1 연결바(340) 측으로 돌출 형성된 한쌍의 센서바(373) 사이에 상기 센싱바(360)가 삽입 위치하도록 구비된 센서브라켓(372)과, 상기 제2 연결바(350)와 상기 센서브라켓(372)을 연결하는 연결부(374)로 구성된다. 그리고, 센서부 전극(371)은 한쌍으로 마련되어 상기 센싱바 전극과 마주보도록 한쌍의 상기 센서바(373) 각각에 구비된다.
즉, 한쌍의 상기 센서바(373)는 상기 센싱바(360)의 양측에서 원주 방향으로 일정 간격 이격 배치되고, 일정 면적은 서로 마주보게 배치되며, 서로 마주보는 면에 상기 센서부 전극(371)과 상기 센싱바 전극(361)이 각각 배치된다.
그리고, 상기 센싱바 전극(361)과 상기 센서부 전극(371)에 전원이 인가되면 상기 센싱바 전극(361)과 상기 센서부 전극(371) 사이에 정전용량이 발생하게 된다. 따라서, 상기 센싱바(360)와 상기 센서부(370)의 간격이 가변하게 되면 상기 센싱바 전극(361)과 상기 센서부 전극(371) 간의 간격이 함께 가변하게 되고, 그에 따라 정전용량이 가변하게 된다.
따라서, 회전 구조물이 시계 방향과 반시계 방향 중 어느 방향으로 회전하여도 센싱바(360)의 양측에 센서바(373)가 각각 배치되므로, 상기 센싱바(360)는 어느 하나의 센서바와는 가까워지고 다른 하나의 센서바와는 멀어지므로, 회전 방향에 관계없이 균일하고 정밀한 토크를 측정할 수 있다.
나아가, 도 5에 도시된 바와 같이, 제2 실시예에 의한 정전용량형 토크센서(300)도, 12시 방향에서 시계 방향을 따라 4개의 영역 즉 제1 영역(A1), 제2 영역(A2), 제3 영역(A3), 제4 영역(A4)으로 구획되고, 각각의 영역에 상기 센싱바(360)와 상기 센서부(370)가 각각 구비될 수 있다.
물론, 각각의 영역에서 동일하게 정전용량을 측정하게 되므로, 필요에 따라 4개 미만의 영역 또는 5개 이상의 영역으로 구획하여 측정할 수도 있다.
도 6은 상기 제3 실시예에 의한 정전용량형 토크센서에서 센싱바와 센서부에 힌지홈이 형성된 상태를 개략적으로 도시해 보인 부분 평면도이다.
도 6을 참조하면, 상기 제1 연결바(340)와 상기 센싱바(360)가 연결되는 부분의 양측에 제1 힌지홈(380)이 형성되고, 상기 제2 연결바(350)와 상기 연결부(374)가 연결되는 부분의 양측에 제2 힌지홈(390)이 형성된다. 여기서, 상기 제1 힌지홈(380)과 상기 제2 힌지홈(390)은 응력집중에 의한 피로 파손을 최소화하기 위하여 반원 형태로 마련되는 것이 바람직하다.
상기에서 설명한 바와 같이, 상기 제1 힌지홈(380)과 상기 제2 힌지홈(390)에 의해 상기 센싱바(360)와 상기 센서부(370)의 변위가 증폭되므로 그에 따라 정전용량 변화 또한 증폭되어 보다 정밀하게 토크를 측정할 수 있다.
여기서, 도 6에는 제1 힌지홈(380)과 제2 힌지홈(390) 모두를 형성하였지만, 필요에 따라 제1 힌지홈(380)만 형성하거나, 제2 힌지홈(390)만을 형성할 수도 있다.
이러한 구성으로, 본 발명에 의한 정전용량형 토크센서는 이웃하는 스포크 간을 연결하는 연결바에 센싱바와 센서부를 구비하여 탄성 회복력을 향상시켜 비선형성을 보상할 수 있다.
그리고, 연결바와 센싱바 사이 및 연결바와 센서부 사이에 힌지홈을 형성하여 회전시 센싱바와 센서부의 변위를 증폭할 수 있어 센싱 감도를 향상시킬 수 있다.
이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형 가능함은 물론이다.
100, 200, 300: 정전용량형 토크센서
110, 210, 310 : 허브
120, 220, 320 : 림
130, 230, 330 : 스포크
131, 231, 331 : 제1 스포크
132, 232, 332 : 제2 스포크
140, 240, 340 : 제1 연결바
150, 250, 350 : 제2 연결바
160, 260, 360 : 센싱바
161, 261, 361 : 센싱바 전극
170, 270, 370 : 센서부
171, 271, 371 : 센서부 전극
180, 280, 380 : 제1 힌지홈
190, 290, 390 : 제2 힌지홈
372 : 센서 브라켓
373 : 센서바
374 : 연결부

Claims (10)

  1. 허브;
    상기 허브의 외측에 배치된 림;
    상기 허브와 상기 림을 연결하는 복수의 스포크;
    복수의 스포크 중 이웃하여 배치된 제1 스포크와 제2 스포크를 연결하고, 상기 림 측에 인접하여 배치된 제1 연결바;
    상기 제1 스포크와 상기 제2 스포크를 연결하고, 상기 제1 연결바와 마주보도록 배치되며, 상기 허브 측에 인접하여 배치된 제2 연결바;
    상기 제1 연결바에서 상기 제2 연결바 측으로 돌출 형성되고, 센싱바 전극이 구비된 센싱바; 및
    상기 제2 연결바에서 상기 제1 연결바 측으로 돌출 형성되고, 상기 센싱바 전극과 마주보게 센서부 전극이 구비된 센서부;를 포함하고,
    상기 허브에 대한 상기 림의 상대 회전에 의해 상기 제1 연결바와 상기 제2 연결바가 변형되면 상기 센싱바와 상기 센서부 간의 간격이 변경되어 상기 센싱바 전극과 상기 센서부 전극 사이의 정전용량의 변화를 통해 토크를 측정하는 정전용량형 토크센서.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 연결바가 변형되는 경우 상기 센싱바가 회전하도록 상기 제1 연결바와 상기 센싱바가 연결되는 부분의 양측에 제1 힌지홈이 형성된 것을 특징으로 하는 정전용량형 토크센서.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제2 연결바가 변형되는 경우 상기 센서부가 회전하도록 상기 제2 연결바와 상기 센서부가 연결되는 부분의 양측에 제2 힌지홈이 형성된 것을 특징으로 하는 정전용량형 토크센서.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 센서부는,
    한쌍으로 마련되어 상기 센싱바의 양측에 일정 간격 이격 배치되는 것을 특징으로 하는 정전용량형 토크센서.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 센싱바 전극은 한쌍으로 마련되어 상기 센싱바의 양측면에 구비되고,
    상기 센서부 전극도 한쌍으로 마련되어 상기 센싱바 전극과 마주보도록 한쌍의 상기 센서부 각각에 구비된 것을 특징으로 하는 정전용량형 토크센서.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 센서부는,
    ㄷ자 형태로 마련되고, 상기 제1 연결바 측으로 돌출 형성된 한쌍의 센서바 사이에 상기 센싱바가 삽입 위치하도록 구비된 센서브라켓; 및
    상기 제2 연결바와 상기 센서브라켓을 연결하는 연결부;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 정전용량형 토크센서.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 센싱바 전극은 한쌍으로 마련되어 상기 센싱바의 양측면에 구비되고,
    상기 센서부 전극도 한쌍으로 마련되어 상기 센싱바 전극과 마주보도록 한쌍의 상기 센서바 각각에 구비된 것을 특징으로 하는 정전용량형 토크센서.
  8. 삭제
  9. 제1항에 있어서,
    상기 센싱바는 상기 제1 연결바에서 상기 제1 스포크에 인접하여 배치되고,
    상기 센서부는 상기 제2 연결바에서 상기 제2 스포크에 인접하여 배치되는 것을 특징으로 하는 정전용량형 토크센서.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 제1 스포크는 두 개로 마련되어 서로 직선 상에 위치하고, 상기 제2 스포크도 두 개로 마련되어 서로 직선 상에 위치하며,
    구획된 4개의 영역 각각에 상기 센싱바와 상기 센서부가 각각 구비되는 것을 특징으로 하는 정전용량형 토크센서.
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