KR20030060576A - 광학식 토크 센서 - Google Patents

Abstract

본 발명의 목적은 발광 소자에서 발광된 빛을 이용하여 토션 바의 절대각과 회전각을 감지하는 광학식 토크 센서를 제공하는 데에 있다. 이와 같은 본 발명의 목적을 달성하기 위한 광학식 토크 센서는 소정의 광을 발광하는 발광 소자와; 반사식 그레이팅(grating)면을 갖고, 토션 바의 양단에 설치되는 디스크와; 상기 발광 소자에서 발광되어 상기 디스크의 반사식 그레이팅 면에서 반사된 광을 수광하여 토션 바의 절대각과 회전각을 감지하는 수광 소자를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

Description

광학식 토크 센서{OPTICAL TORQUE SENSOR}

본 발명은 광학식 토크 센서에 관한 것으로, 특히 발광 소자에서 발광된 광을 이용하여 토션 바의 절대각과 회전각을 감지하는 광학식 토크 센서에 관한 것이다.

일반적으로, 토크 센서(Torque sensor)는 회전 모우멘트의 작용에 의하여 발생되는 비트림 변형에 의한 탄성 변형 량을 감지하기 위한 센서로서, 이러한 탄성 변형 량의 감지 방식에 따라서, 스트레인 게인지식, 회전 가변형 트랜스식, 또는 차동 트랜스 포머식등으로 구분된다.

종래의 스트레인 게이지식 토크 센서는 주응력 방향의 축과 45° 방향에 스트레인 게이지를 부착시켜서 휘스톤 브리지를 형성시킴으로써 이루어지며, 이에 의해서 토크 바가 회전 모우멘트에 의하여 비트림 변형을 일으킬 때 토크 바의 전단 변형을 감지함으로써 토크를 검출시킨다.

그러나, 이러한 스트레인지 게이지식 토크 센서는 굽힘이나 인장 또는 압축과 같은 순수한 토크 이외의 응력 요소들을 완전히 배제시키는 것이 어렵다는 문제점이 있었다.

종래의 슬립링식 토크 센서 또는 회전 트랜스식 토크 센서는 회전축에 작용하는 토크를 측정하기 위하여 우선 토크 셀이 회전 속도에 무관하게 토크 값을 읽을 수 있고 회전 상태에 있는 토크 센서의 감지부에 입력 전압을 공급하고 감지된 출력 신호를 외부에서 측정한다.

먼저, 종래의 슬립링식 토크 센서가 도시되어 있는 도 1을 참조하면, 토크 센서(10)는 스트레인 게이지 브리지 회로(11)에 4개의 슬립링(12)이 부착되어 있는 회전부(A)와 복수개의 브러시(13)에 의하여 슬립링(12)에 입력 전압을 제공하고, 또한 슬립링(12)으로부터 출력 전압을 측정할 수 있는 고정부(B)로 이루어져 있다.

이때, 토크 센서(10)는 브리지 회로(11)에서 나오는 출력 신호가 수밀리 볼트에 불과하므로 슬립링(12)과 브리지 회로(11)를 항상 청결한 상태로 유지시켜야 하여 또한 구조가 복잡하다는 문제점이 있다.

또한, 종래의 회전 트랜스식 토크 센서(20)는, 도 2에 도시되어 있는 바와 같이, 도 1에 도시된 슬립링식 토크 센서(10)에 설치되어 있는 4개의 슬립링(12) 및 브러시(13)를 2개의 트랜스포머(21, 22)로 각각 대체시켜서 구성시켰으며, 이때 제1 트랜스포머(21)는 브리지 회로(11)에 입력 전압을 공급하기 위하여 사용되고, 제2 트랜스포머(22)는 브리지 회로(11)로부터의 출력 전압을 측정하기 위하여 사용되며, 제1 및 제2 트랜스포머중 한 개의 트랜스포머만이 회전 가능하다. 이는 앞서 언급한 문제점 이외에 많은 설치 공간을 필요로 하고 또한 측정되는 토크 값의 정확도가 떨어지는 문제점이 있다.

한편, 종래에도 이와 같은 문제점을 해소하기 위하여 자기저항소자를 이용한 토크 센서가 있다.

종래의 자기저항소자를 이용한 토크센서는 도 3에 도시된 바와 같이, 토션 바(32)의 양단에 N극 및 S극이 착자된 자기 드럼(34)이 구비되며, 자기 드럼(34)의 외주연과 일정 간격 유지된 위치에 자기저항 소자(36)가 마련되어 토션 바(32)가 비틀릴 때 양단의 자기 드럼(34)이 상대적으로 빗나가면서 발생된 자계의 변화량이 자기저항소자(36)에 감지될 수 있도록 구성되어 있다.

그러나, 이와 같은 종래의 자기저항소자(36)를 이용한 토크센서(30)는 자계의 변화량이 미세한 경우 미세 각도의 비트림을 감지하지 못하는 단점이 있었다.

따라서, 본 발명의 목적은 발광 소자에서 발광된 빛을 이용하여 토션 바의 절대각과 회전각을 감지하는 광학식 토크 센서를 제공하는 데에 있다.

이와 같은 본 발명의 목적을 달성하기 위한 광학식 토크 센서는 소정의 광을 발광하는 발광 소자와; 반사식 그레이팅(grating)면을 갖고, 토션 바의 양단에 설치되는 디스크와; 상기 발광 소자에서 발광되어 상기 디스크의 반사식 그레이팅 면에서 반사된 광을 수광하여 토션 바의 절대각과 회전각을 감지하는 수광 소자를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

도 1은 종래의 슬립링식 토크 센서의 회로도.

도 2는 종래의 트랜스식 토크 센서의 회로도.

도 3은 종래의 자기저항 소자를 이용한 토크 센서의 회로도.

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 광학식 토크 센서의 구성도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

100 : 발광 소자200 : 반사식 그레이팅 면

201 : 바코드부202 : 증분부

300 : 수광소자

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 광학식 토크 센서의 구성을 도시한 것이다.

도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 광학식 토크 센서는 소정의 광을 발광하는 발광 소자(100)와, 상기 발광 소자(100)에서 발광된 소정의 광의 일정 구간을 결정하는 바코드부(201)와 상기 일정 구간내의 절대 위치를 결정하는 증분부로 구성되는 반사식 그레이팅(grating)면(200)을 갖고, 토션 바의 양단에 설치되는 디스크(미도시)와, 상기 발광 소자(100)에서 발광되어 상기 디스크의 반사식 그레이팅 면(200)에서 반사된 광을 수광하여 토션 바의 절대각과 회전각을 감지하는 수광 소자(300)로 구성된다.

이와 같이 구성된 본 발명의 실시예에 따른 광학식 토크 센서의 동작을 상세히 설명하면 다음과 같다.

먼저, 반사식 그레이팅 면(200)을 갖는 디스크에서 발광 소자(100)로부터 발광된 소정의 광을 반사시킨다. 이때, 반사식 그레이팅 면(200)을 구성하는 바코드부(201)에 의해서 상기 발광 소자(100)에서 발광된 소정의 광의 일정 구간이 결정되고, 그 증분부(202)에 의해서 상기 일정 구간내의 절대 위치가 결정된다. 또한, 상기 그레이팅 면(200)에 의해서 상기 발광 소자(100)에서 발광된 광의 반사 정도가 달라지고, 그 그레이팅 면(200)에 각인된 형태로 반사되어 수광 소자(300)에 수광된다.

상기 수광 소자(300)는 상기 그레이팅 면(200)에 의해서 반사된 형태를 변환하여 토션 바의 절대각과 회전각을 감지하게 된다.

그러므로, ECU(미도시)는 상기 수광 소자(200)에서 감지된 토션 바의 절대각과 회전각을 비교하여 상기 토션 바에 작용하는 토크를 결정하게 되는 것이다.

이와 같은 본 발명은 발광 소자에서 발광된 빛을 이용하여 토션 바의 절대각과 회전각을 감지하여 토션 바에 작용하는 토크를 결정함으로써, 위치 센서의 구조가 간단해지고, 많은 설치 공간이 불필요로 함과 아울러 측정되는 토크 값을 정확하게 감지할 수 있으며, 토션 바의 미세 각도의 비트림을 감지할 수 있는 효과가 있다.

Claims (2)

1. 소정의 광을 발광하는 발광 소자와;

   반사식 그레이팅(grating)면을 갖고, 토션 바의 양단에 설치되는 디스크와;

   상기 발광 소자에서 발광되어 상기 디스크의 반사식 그레이팅 면에서 반사된 광을 수광하여 토션 바의 절대각과 회전각을 감지하는 수광 소자를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 광학식 토크 센서.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 반사식 그레이팅 면은 상기 발광 소자에서 발광된 소정의 광의 일정 구간을 결정하는 바코드부와;

   상기 바코드부에서 결정된 일정 구간내의 절대 위치를 결정하는 증분부로 구성되는 것을 특징으로 하는 광학식 토크 센서.