KR102332079B1

KR102332079B1 - 전동 공구

Info

Publication number: KR102332079B1
Application number: KR1020167019718A
Authority: KR
Inventors: 칼 요한 랄스 엘스마르크; 안드리스 데인베르그스
Original assignee: 아틀라스 콥코 인더스트리얼 테크니크 에이비
Priority date: 2013-12-27
Filing date: 2014-12-19
Publication date: 2021-11-26
Also published as: KR20160101154A; JP6461164B2; CN105848833A; CN105848833B; US20160313198A1; EP3086906B1; BR112016015010B1; EP3086906A1; WO2015097093A1; BR112016015010A2; US10378979B2; JP2017500218A

Abstract

본 발명은 전동 공구(10)에 관한 것으로서, 상기 전동 공구(10)는: 모터(12), 기어(13), 결합부(joint)에 토크를 전달하기 위한 샤프트(11)를 포함하되, 상기 샤프트(11)는 상기 기어(13)를 거쳐 모터(12)에 구동 가능하게 연결되며, 그리고, 모터(12), 기어(13) 및 샤프트(11)를 적어도 부분적으로 수용하는 하우징(14)을 포함한다. 샤프트(11)는 샤프트(11)에 작용하는 토크를 측정하기 위해 토크 트랜스듀서(20)를 수용하도록 구성된 세로 공동(15)을 포함한다.

Description

전동 공구{POWER TOOL}

본 발명은 토크 전달 샤프트에서 토크 트랜스듀서를 포함하도록 구성된 전동 공구 토크 전달식 전동 공구, 및 이러한 전동 공구의 토크 전달 샤프트에 위치되는 토크 트랜스듀서에 관한 것이다.

최근의 토크 전달식 전동 공구에서, 예를 들어 공구에 의해 결합부(joint)에 전달되는 토크를 연속 측정하는 것이 바람직하다. 일반적으로, 토크는 모터로부터 출력 샤프트(output shaft)로의 구동 라인(drive line)을 따라 임의의 지점에서 측정될 수 있다.

토크 측정에 있어서 오류(error)를 최소화시키기 위하여, 토크 트랜스듀서를 가능한 최대한 출력 샤프트에 가까이 위치시키는 것이 바람직하다. 몇몇 경우에서, 토크 트랜스듀서는 심지어 출력 샤프트 상에도 위치된다. 이때, 공구의 작업장(workplace)에 가까운 위치에 또는 공구 내부에 수용된 컨트롤 유닛과 토크 전달 출력 샤프트 사이에는 무선 데이터 전송장치가 제공되어야 한다.

이에 관한 문제점으로는, 토크 트랜스듀서와 무선 데이터 전송장치는 수용될 공간이 필요하며, 이런 공간은 전동 공구 내에서, 특히, 출력 샤프트 주위에서는 매우 제한적이라는 사실이다.

WO 2010/144048 Al에는, 회로 기판(circuit board)이 출력 샤프트와 모터 사이에서 전송장치의 샤프트 내의 공동(cavity)에 배열되는 파워 랜치(power wrench)가 기술되어 있다. 상기 장치는 공구 하우징 내부에 필요한 공간이 작다. 하지만, 스트레인 게이지(strain gauge)로 구성된 토크 트랜스듀서는 특정 길이의 샤프트를 필요로 한다. 따라서, 전동 공구의 소형화(compactness)를 향상시키는 것이 바람직하다.

예를 들어, 출력 샤프트에 가까운 곳에서 토크를 측정할 수 있지만 공구의 하우징 내에서 많은 공간을 필요로 하지 않는 해결책이 요구된다.

본 발명의 목적은 전동 공구의 하우징 내에 큰 공간을 필요로 하지 않으면서도 출력 샤프트에 가깝게 위치된 전동 공구에 의해 전달되는 토크를 측정하는 장치를 제공하는 데 있다.

상기 목적은 본 발명의 독립항들에 따라 구현된다. 본 발명의 제1 양태에 따르면, 본 발명은, 모터, 결합부(joint)에 토크를 전달하기 위한 샤프트를 포함하되, 상기 샤프트는 모터에 구동 가능하게 연결되며(drivingly connected), 모터와 샤프트를 적어도 부분적으로 수용하는 하우징을 포함한다. 상기 샤프트는 샤프트의 한 부분에 작용하는 토크를 측정하기 위해 토크 트랜스듀서를 수용하도록 구성된 세로 공동(longitudinal cavity)을 포함한다.

내부에 토크 트랜스듀서가 배열될 수 있는 공동을 제공함으로써, 전동 공구 하우징 내에서는 실질적으로 공간이 절약된다(space saving). 이러한 공간 절약은, 베어링(bearing)들이 토크 트랜스듀서가 배열되는 샤프트 부분의 외측에 위치될 수 있을 때 구현될 수 있다. 또한, 이와 동시에, 출력 샤프트에 또는 출력 샤프트에 가까운 위치에서 토크를 모니터링(monitoring) 하는 바람직한 방법이 구현된다.

한 실시예에서, 샤프트는 출력 샤프트와 통합된 부분(integral part)이며 토크를 파스너(fastener)에 전달하기 위해 파스너에 연결되는 출력 단부(output end)를 포함한다.

또 다른 실시예에서, 세로 공동은 토크 트랜스듀서의 제1 단부 부분과 접촉하여 토크를 전달하기 위한 제1 접촉 표면, 및 상기 제1 접촉 표면으로부터 떨어져 있으며 토크 트랜스듀서의 제2 단부 부분과 접촉하여 토크를 전달하기 위한 제2 접촉 표면을 포함하며, 상기 접촉 표면들 사이에 토크가 측정되는 부분이 위치된다.

얼마나 많은 토크가 트랜스듀서에 걸쳐 통과할 것인 지를 결정하기 위하여, 토크가 측정되는 샤프트의 부분의 상대적 탄성(relative resilience) 및 토크 트랜스듀서의 탄성 부분을 알아야 한다. 이는 모든 타입의 샤프트-트랜스듀서 조합에 대해 일반적으로 계산되며 각각의 특정 타입의 조합에 대해 실험적으로 테스트될 수 있다.

또 다른 실시예에서, 세로 공동은 토크 트랜스듀서와 접촉하여 토크를 전달하기 위해 스플라인(spline)을 포함한다.

또 다른 실시예에서, 전동 공구는 샤프트의 세로 공동의 내부에서 접촉 표면과 접촉하여 토크를 전달하도록 배열되는 토크 트랜스듀서를 추가로 포함한다. 토크 트랜스듀서는 예를 들어 접착제(adhesive)에 의해 접촉 표면에 고정상태로 배열될 수 있다(fixedly arranged).

한 실시예에서, 샤프트는 베벨 기어(bevel gear)를 거쳐 모터에 연결된다. 또 다른 실시예에서, 샤프트는 유성 기어(planetary gear)를 거쳐 모터에 연결된다. 또한, 토크 트랜스듀서를 가진 샤프트가 모터에 직접 연결될 수도 있다.

본 발명의 제2 양태에 따르면, 본 발명은 전동 공구의 중공 샤프트(hollow shaft) 내에 배열하기 위한 토크 트랜스듀서에 관한 것으로서, 토크 트랜스듀서는 샤프트의 세로 공동의 내에서 접촉 표면과 접촉하여 토크를 전달하도록 배열된 2개의 단부 부분을 포함하며, 상기 두 단부 부분들 사이에 비틀림 탄성 부분(torsionally resilient portion)이 제공되며, 상기 탄성 부분에서 하나 이상의 토크 측정 요소에 의해 토크가 측정된다.

따라서, 토크 트랜스듀서는 내부에 토크 트랜스듀서가 배열되는 샤프트의 특정 부분에 걸쳐 토크를 측정하도록 구성된다.

한 실시예에서, 비틀림 탄성 부분은 허리부분(waist)을 포함하는데, 상기 허리부분을 따라 하나 이상의 토크 측정 요소가 배열된다.

또 다른 실시예에서, 단부 부분은 샤프트의 세로 공동의 내부에서 개별 스플라인 부분들과 접촉하여 토크를 전달하기 위한 스플라인을 포함한다.

본 발명의 그 외의 다른 특징 및 이점들은 첨부도면들과 하기에서 실시예를 상세하게 기술한 설명으로부터 자명해질 것이다.

하기 상세한 설명은 첨부도면을 참조하여 기술되는데, 도면에서:
도 1은 본 발명의 한 양태에 따른 전동 공구;
도 2는 토크 트랜스듀서가 출력 샤프트 내에 배열된 전동 공구의 헤드 부분의 단면도;
도 3은 토크 트랜스듀서가 내부에 배열된 샤프트의 부분 횡단면도;
도 4는 본 발명의 특정 실시예에 따른 토크 트랜스듀서;
도 5는 도 4에 도시된 토크 트랜스듀서의 횡단면도;
도 6은 내부에 토크 트랜스듀서가 위치되는 샤프트의 횡단면도이다.

도 1에서, 전동 공구(10)가 도시된다. 상기 전동 공구는 모터(12)를 수용하는 하우징(14)을 가진다.

도 2에서, 전동 공구(10)의 헤드 부분이 도시된다. 모터(도면에서는 도시되지 않음)에 의해 구동되는 모터 샤프트(12')는 베벨 기어(13)를 거쳐 샤프트(11)에 연결된다. 샤프트(11)는 기어(13)를 거쳐 모터(12)에 구동 가능하게 연결된다(drivingly connected). 하우징(14)은 모터 샤프트(12'), 기어(13) 및 샤프트(11)의 한 부분을 수용하도록 배열된다. 도 1 및 2에 도시된 실시예에서, 전동 공구는 베벨 기어(13)를 포함한다. 하지만, 본 발명은 이러한 공구에만 제한되는 것이 아니라, 예를 들어, 피스톨(pistol) 타입의 직선형 공구(straight tool)를 포함할 수도 있다. 샤프트(11)는 유성 기어를 거쳐 모터에 연결될 수 있다. 또한, 샤프트는 모터에 직접 연결될 수도 있다.

도 3에 도시된 것과 같이, 샤프트(11)는 샤프트(11)에 작동하는 토크를 측정하기 위해 토크 트랜스듀서(20)를 수용하도록 구성된 세로 공동(15)을 포함한다. 상기 도시된 실시예에서, 샤프트는 출력 샤프트와 통합된 부분이며 파스너(fastener)와 상호작용하기 위해 소켓(socket)이 결부될 수 있는 출력 단부(19)를 포함한다. 이는, 토크 트랜스듀서(20)가 실제의 결합부(joint)에 가능한 최대한 가까이 위치되어, 측정된 토크가 결합부에 전달되는 토크와 가능한 최대한 가깝도록 상응하다는 것을 의미한다.

샤프트(11)로부터 컨트롤 유닛(도시되지 않음)에 신호를 전송하기 위해 신호 전송기 쌍(16)이 배열된다. 컨트롤 유닛은 공구 하우징(14) 내에 위치될 수 있거나 혹은 전동 공구로부터 일정 거리에 떨어져 있는 개별 컨트롤 스테이션(control station)에 위치될 수 있다. 신호 전송 기술은 그 자체적으로 당업자에게 잘 알려져 있으며 본 명세서에서는 상세하게 기술되지 않을 것이다. 공구 내부에서 신호를 처리하는 방법은 WO 2010/144048 Al를 참조하라. 또한, 토크 트랜스듀서는 샤프트(11)의 공동(15) 내에 있는 회로 기판(circuit board) 옆에 배열될 수 있는 것이 바람직하다는 것을 유의해야 한다. 도 5에 도시된 토크 트랜스듀서의 실시예에서, 회로 기판(25)은 토크 트랜스듀서 내부에 배열된다.

토크 트랜스듀서(20)를 전동 공구(10)의 출력 단부에 가능한 최대한 가까이 배열함으로써, 결합부에 전달된 토크 측정값은 최대한 정확해질 것이다. 토크 트랜스듀서(20)가 모터(12)에 가까이 배열되면 될수록, 출력 샤프트 기어와 토크 트랜스듀서(20) 사이에 위치된 기어는 측정값들에 대해 오류(fault)를 제공할 수 있다.

샤프트(11)는 토크 트랜스듀서(20)와 밀접하게 접촉하기 위해 2개의 분리된 접촉 표면(17, 18)을 포함하는 세로 공동(15)을 가지며, 토크 트랜스듀서(20)는 샤프트(11)의 세로 공동(15) 내부에 분리 가능하게 배열될 수 있다(releasably arranged). 접촉 표면(17, 18)은 서로로부터 적어도 일정의 짧은 거리만큼 떨어져 위치되어야 하며, 상기 거리에 걸쳐 토크의 일부분이 토크 트랜스듀서를 거쳐 이동할 수 있다. 접촉 표면(17, 18)은 스플라인(spline)을 포함할 수 있는데, 상기 스플라인은 토크 트랜스듀서(20) 상에서 상응하는 스플라인과 상호작용한다(interact). 사실, 토크 트랜스듀서(20)는 다양한 크기의 샤프트 내에 배열될 수 있도록 모듈(module)로서 배열될 수 있다. 토크 트랜스듀서 허리부분(waist)과 샤프트 벽의 상대적 두께(relative thickness)는, 얼마나 많은 토크가 샤프트를 통해 이동하며 토크 트랜스듀서를 거쳐 얼마나 이동될 것인지를 조절할 것이다(govern).

따라서, 전동 공구의 크기에 거의 무관하게, 표준 크기의 모듈이 사용될 수 있다. 샤프트가 상대적으로 큰 몇몇 경우에서, 총 토크의 오직 약 1% 또는 그 미만의 토크만이 토크 트랜스듀서(20)를 통과할 것이다. 샤프트가 상대적으로 작은 그 외의 다른 경우에서는, 총 토크의 최대 50%까지 토크 트랜스듀서(20)를 통과할 수도 있다. 도 2에 도시된 실시예에서, 토크 트랜스듀서(20)는 중실 부분(solid piece)으로 구성된다. 하지만, 도 4-6에 도시된 것과 같이, 측정을 위해 토크에 알맞은(adapted) 두께를 가진 중공 형태로(hollow) 구성되는 것이 바람직하다.

도 3에 도시된 것과 같이, 세로 공동(15)은 토크 트랜스듀서(20)의 제1 단부 부분(21)과 밀접하게 접촉하기 위한 제1 접촉 표면(17), 및 상기 제1 접촉 표면(17)으로부터 떨어져 있으며 토크 트랜스듀서(20)의 제2 단부 부분(22)과 밀접하게 접촉하기 위한 제2 접촉 표면(18)을 포함한다. 또한, 접촉 표면(17, 18)과 토크 트랜스듀서(20) 사이의 접촉력을 향상시키기 위하여, 토크 트랜스듀서(20)는 접착제(adhesive)에 의해 접촉 표면(17, 18)에 고정상태로 배열될 수 있다(fixedly arranged). 샤프트의 세로 공동(15) 내에 토크 트랜스듀서(20)를 끼워맞춤(fitting) 하는 또 다른 가능한 방법은, 토크 트랜스듀서(20)가 샤프트(11) 내에 삽입될 수 있도록 충분히 팽창되게 하기 위하여, 예를 들어 샤프트(11)의 온도를 높임으로써(warming), 토크 트랜스듀서(20)를 샤프트(11) 내에 수축 끼워맞추는(shrink fit) 방법이다.

추가적인 실시예에서, 오직 외측 제2 단부 부분(22)이 제2 접촉 표면(18)에 수축 끼워맞춤되며, 제1 단부 부분(21)은 스플라인과 접착제 둘 모두에 의해 제1 접촉 표면(17)에 결부될 수 있다(attached). 특히, 열 경화 접착제(heat cured adhesive)가 바람직하다.

토크 트랜스듀서(20)는 도 4 및 5에 상세하게 도시된다. 위에서 언급한 토크 트랜스듀서는 샤프트(11)의 세로 공동(15)의 내부와 밀접하게 접촉할 수 있도록 배열된 2개의 단부 부분(21, 22)을 포함한다. 상기 두 단부 부분(21, 22) 사이에는 탄성 부분(23)이 제공되는데, 상기 탄성 부분(23)의 토크가 측정된다. 도시된 실시예에서, 상기 탄성 부분(23)은 허리부분으로 구성된다. 상기 허리부분의 중간에, 토크 측정 요소(24), 가령, 스트레인 게이지(strain gauge)가 위치된다. 특정 실시예에서, 복수의 토크 측정 요소(24)는 토크 트랜스듀서의 주변(periphery)을 따라 위치된다.

토크 측정 요소(24)가 중복되어 배열되어도(redundancy) 유용할 수 있는데, 그 이유는 하나의 오류 있는 측정에 대한 영향을 최소화할 수 있기 때문이다. 게다가, 샤프트에 스트레인(strain)이 제공되면, 이러한 스트레인은 토크 측정에 부정적인 영향을 끼칠 수 있다. 토크 측정 요소(24)를 샤프트(11)의 맞은편 쪽에 배열함으로써, 측정값들의 평균값이 여전히 상대적으로 정확할 수 있는데, 이는 이 측정값들이 서로 상쇄되기 때문이다(compensate). 하지만, 주변 표면(peripheral surface)에 측정 요소들을 제공하는 방법은 당업자에게 잘 알려져 있으며 본 명세서에서는 상세하게 기술되지 않을 것이다.

도 6에는, 대안의 샤프트(11)의 세로방향 단면도가 도시된다. 2차원(quadratic) 출력 단부(19) 대신에, 샤프트(11)는 관형의(tubular), 바람직하게는, 스플라인형(splined) 또는 기어형(geared) 연결 단부(19')를 가진다. 따라서, 상기 샤프트는 출력 샤프트로서 배열되는 것이 아니다. 그 대신, 공구 내에서, 토크를 한 지점, 예를 들어, 모터로부터 또 다른 지점, 예를 들어, 베벨 기어로 제공하기 위해 사용된다.

상기 도시된 실시예에서, 샤프트는 전체 길이에 걸쳐 관형의 형태이다. 하지만, 관형의 형태에만 제한되는 것은 아니다. 본 발명의 토크 트랜스듀서와 함께, 그 외의 다른 형태의 샤프트도 사용될 수 있다. 도 6에서, 도시된 실시예의 샤프트(11)는 내측 직경과 외측 직경을 가지는 것을 볼 수 있다. 토크 트랜스듀서(20)의 단부 부분(21, 22)은 샤프트(11)의 중공 부분(19)의 내측 직경에 매우 근접하게 상응하는 외측 직경을 가진다. 물론, 토크 트랜스듀서(20)는 샤프트(11) 내에 매우 타이트하게 끼워맞춤되며, 샤프트(11)로부터 토크 트랜스듀서(20)로의 지연(delay) 없이, 이에 대한 영향이 정확하게 전달되는 것은 중요하다. 따라서, 토크 트랜스듀서(20)가 샤프트(11)에 대해 회전될 가능성이 아예 없거나 거의 없어야 한다.

위에서, 본 발명은 특정 실시예들을 참조하여 기술되었다. 하지만, 본 발명은 이 실시예들에만 제한되는 것이 아니다. 당업자들에게는, 본 발명이 권리 보호 범위를 벗어나지 않고 하기 청구항들에 정의된 추가적인 실시예들을 포함한다는 것이 자명할 것이다.

Claims

- 모터(12),
- 결합부(joint)에 토크를 전달하기 위한 샤프트(11)를 포함하되, 상기 샤프트(11)는 모터(12)에 구동 가능하게 연결되며,
- 모터(12)와 샤프트(11)를 적어도 부분적으로 수용하는 하우징(14)을 포함하는 전동 공구(10)에 있어서,
샤프트(11)는 샤프트(11)의 한 부분에 작용하는 토크를 측정하기 위해 토크 트랜스듀서(20)가 배열되는 세로 공동(15)을 포함하며, 세로 공동(15)은 토크 트랜스듀서(20)의 제1 단부 부분(21)과 접촉하여 토크를 전달하기 위한 제1 접촉 표면(17), 및 상기 제1 접촉 표면(17)으로부터 떨어져 있으며 토크 트랜스듀서(20)의 제2 단부 부분(22)과 접촉하여 토크를 전달하기 위한 제2 접촉 표면(18)을 포함하고, 상기 접촉 표면(17, 18)들 사이에 토크가 측정되는 부분이 위치되는 것을 특징으로 하는 전동 공구(10).
제1항에 있어서, 샤프트(11)는 출력 샤프트와 통합된 부분이며 토크를 파스너에 전달하기 위해 파스너에 연결되는 출력 단부(19)를 포함하는 것을 특징으로 하는 전동 공구(10).
제1항 또는 제2항에 있어서, 세로 공동(15)은 토크 트랜스듀서(20)와 접촉하여 토크를 전달하기 위해 스플라인(spline)을 포함하는 것을 특징으로 하는 전동 공구(10).
제3항에 있어서, 전동 공구(10)는 샤프트(11)의 세로 공동(15)의 내부에서 접촉 표면(17, 18)과 접촉하여 토크를 전달하도록 배열되는 토크 트랜스듀서(20)를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 전동 공구(10).
제4항에 있어서, 토크 트랜스듀서(20)는 접착제에 의해 접촉 표면(17, 18)에 고정상태로 배열되는(fixedly arranged) 것을 특징으로 하는 전동 공구(10).
전동 공구(10)의 중공 샤프트(11) 내에 배열하기 위한 토크 트랜스듀서(20)로서, 토크 트랜스듀서(20)는 샤프트(11)의 세로 공동(15)의 내에서 접촉 표면(17, 18)과 접촉하여 토크를 전달하도록 배열된 2개의 단부 부분(21, 22)을 포함하며, 상기 두 단부 부분(21, 22) 사이에 비틀림 탄성 부분(23)이 제공되며, 상기 탄성 부분(23)에서 하나 이상의 토크 측정 요소(24)에 의해 토크가 측정되는 토크 트랜스듀서(20)에 있어서,
토크 트랜스듀서(20)는 토크 트랜스듀서(20)의 중공 부분 내부에 배열된 회로 기판(25)을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 토크 트랜스듀서(20).
제6항에 있어서, 비틀림 탄성 부분(23)은 허리부분(waist)을 포함하는데, 상기 허리부분을 따라 하나 이상의 토크 측정 요소(24)가 배열되는 것을 특징으로 하는 토크 트랜스듀서(20).
제6항 또는 제7항에 있어서, 단부 부분(21, 22)은 샤프트(11)의 세로 공동(15)의 내부에서 접촉 표면(17, 18) 위에 개별 스플라인 부분들과 접촉하여 토크를 전달하기 위한 스플라인을 포함하는 것을 특징으로 하는 토크 트랜스듀서(20).
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