KR20110053289A - 토크센서 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 외부에서 인가되는 토크를 측정할 수 있는 토크센서에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 외부 토크를 인가받고, 상기 외부 토크에 의해 변형되는 하나 이상의 지지부; 상기 지지부와 연결되며, 상기 지지부의 변형을 전달하기 위한 변형 전달부; 상기 변형 전달부와 연결되며, 상기 변형 전달부를 통해 전달된 상기 지지부의 변형률을 증폭하기 위한 변형률 증폭부; 및 상기 변형률 증폭부의 일정 부분에 구비되고, 인가된 토크에 따른 상기 변형률 증폭부의 변형을 측정하기 위한 센서부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
토크(torque), 변형 전달부, 변형률 증폭부, 스트레인 게이지(strain gauge)
Description
본 발명은 외부에서 인가되는 토크를 측정할 수 있는 토크센서에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 외부 토크를 인가받고, 상기 외부 토크에 의해 변형되는 하나 이상의 지지부; 상기 지지부와 연결되며, 상기 지지부의 변형을 전달하기 위한 변형 전달부; 상기 변형 전달부와 연결되며, 상기 변형 전달부를 통해 전달된 상기 지지부의 변형률을 증폭하기 위한 변형률 증폭부; 및 상기 변형률 증폭부의 일정 부분에 구비되고, 인가된 토크에 따른 상기 변형률 증폭부의 변형을 측정하기 위한 센서부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
일반적으로 기존 토크센서는 토크가 전달되는 두 부품 사이에 설치되고, 전달되는 크기에 연동 된 부품의 변형을 이용하여 토크를 측정하는 방법이 사용되고 있었다.
하지만 종래의 토크센서에 있어서, 상기 토크센서의 민감도를 높이기 위해서는 외부에서 인가되는 토크에 의해 보다 많은 변형이 일어나야 한다.
따라서 종래의 토크센서의 보다 많은 변형을 일으키기 위하여 전체 시스템의 강성을 낮추어야 하나, 만약 강성을 낮추는 경우, 전체 시스템의 강성이 약해져서 진동을 야기하거나, 제어 특성을 악화시키는 등의 문제점이 있었다.
반대로, 상기 토크센서의 센서모듈 보호를 위해 강성을 높이는 경우에는 상술한 변형률의 감소로 인하여 센서의 민감도가 떨어지는 문제가 있었다.
즉, 종래의 토크센서의 경우, 강성과 센서의 민감도라는 상반된 요구조건을 동시에 만족하기 어려워 필요에 따라 두 가지 요소 중 어느 하나를 포기해야 하는 문제점이 있었다.
이를 해결하기 위하여 과도하게 인가되는 토크에도 내부 센서모듈을 보호하기 위한 방안으로 별도의 안전장치를 구비하여야 하나, 이는 결국 토크센서의 제조 단가의 상승이라는 문제점을 야기하였다.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위하여 창안된 것으로, 강성과 센서의 민감도를 동시에 증가시킬 수 있는 토크센서의 제공을 일 목적으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 토크센서의 경우, 상기 토크센서 내부의 센서모듈 보호를 위한 별도의 안전장치를 구비할 필요가 없고, 와이어컷 가공방법을 통해 일체형의 토크센서를 제작함으로써 제조 단가를 낮추고 대량 생산이 가능한 토크센서의 제공을 다른 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 외부 토크를 인가받고, 상기 외부 토크에 의해 변형되는 하나 이상의 지지부; 상기 지지부와 연결되며, 상기 지지부의 변형을 전달하기 위한 변형 전달부; 상기 변형 전달부와 연결되며, 상기 변형 전달부를 통해 전달된 상기 지지부의 변형률을 증폭하기 위한 변형률 증폭부; 및 상기 변형률 증폭부의 일정 부분에 구비되고, 인가된 토크에 따른 상기 변형률 증폭부의 변형을 측정하기 위한 센서부;를 포함한다.
바람직하게는 상기 지지부는 원형 프레임 내부에 3개로 형성되어 있는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는 상기 변형 전달부 및 상기 변형률 증폭부는 각각의 상기 지지부 일 측 또는 양측에 형성되는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는 상기 센서부는 적어도 하나 이상의 변위센서 또는 스트레인 게이지(strain gauge)로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는 상기 변위센서는 광센서 또는 자기센서를 이용하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는 상기 변형률 증폭부는 바(bar) 형태로 연장되어 있는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 다음과 같은 우수한 효과가 있다.
먼저, 본 발명은 종래의 토크센서가 필요에 따라 선택해야 했던 강성과 센서의 민감도를 동시에 증가시킬 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따른 토크센서의 경우, 상기 토크센서 내부의 센서모듈 보호를 위한 별도의 안전장치를 구비할 필요가 없고, 와이어컷 가공방법을 통해 일체형의 토크센서를 제작함으로써 제조 단가를 낮추고 대량 생산이 가능한 우수한 효과가 있다.
본 발명에서 사용되는 용어는 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어를 선택하였으나, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있는데 이 경우에는 단순한 용어의 명칭이 아닌 발명의 상세한 설명 부분에 기재되거나 사용된 의미를 고려하여 그 의미가 파악되어야 할 것이다.
이하, 첨부한 도면에 도시된 바람직한 실시 예들을 참조하여 본 발명의 기술적 구성을 상세하게 설명한다.
먼저, 도 1 은 본 발명의 제 1 실시 예에 따른 토크센서(100)의 전체 구성도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 제 1 실시 예에 따른 상기 토크센서(100)는 지지부(110), 변형 전달부(120), 변형률 증폭부(130) 및 센서부(140)로 이루어져 있다.
상기 지지부(110)는 외부에서 인가되는 토크에 의해 변형이 이루어진다.
한편, 상기 지지부(110)의 일 측은 상기 토크센서(100)의 중심축과 연결되며, 상기 지지부(110)의 타 측은 원형 프레임(150)과 연결되어 있다.
본 발명의 제 1 실시 예에 있어서, 상기 지지부(110)는 상기 중심축과 상기 원형 프레임(150)상 적어도 1 개 이상으로 형성될 수 있으나, 바람직한 실시 예에 있어서, 상기 지지부(110)는 서로 동일한 각도(120°)를 이루도록 3개로 형성하였다.
물론, 상기 지지부(110)의 개수는 3개 이상으로도 구비될 수 있음은 물론이다.
한편, 상기 지지부(110)의 폭은 본 발명인 토크센서(100)의 강성을 조절하는 기능을 수행한다.
즉, 상기 지지부(110)의 폭을 넒히는 경우, 강한 외부 토크에 대해서도 상기 토크센서(100)가 안전하게 작동될 수 있으며, 반대로 상기 지지부(110)의 폭을 얇게 형성하는 경우, 상기 토크센서(100)의 민감도를 높일 수 있다.
한편, 상기 변형 전달부(120)는 상기 지지부(110)와 연결되며, 상기 지지부(110)의 변형을 후술할 변형률 증폭부(130)에 전달하는 역할을 수행한다.
상기 변형 전달부(120)의 형상에 대해서는 다양한 형상으로 이루어질 수 있으나, 본 발명의 바람직한 실시 예에 있어서는 도 1 에 도시된 바와 같이, 일부 면이 다소 연장된 직육면체로 형성되어 있다.
도 1 에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제 1 실시 예에 있어서는 상기 변형 전달부(120)는 상기 지지부(110)의 양 측에 구비되어 있다.
한편, 상기 변형률 증폭부(130)는 일 측이 상기 중심축과 연결되어 있으며, 타 측은 상기 변형 전달부(120)의 일정 부분과 연결되어 있다.
이를 통해, 외부 토크가 인가되는 경우, 먼저 1 차적으로 상기 지지부(110)가 변형을 일으키게 되며, 상기 지지분(110)의 변형을 상기 변형 전달부(120)는 통해 상기 변형률 증폭부(130)에 전달된다.
이때, 변형률 증폭부(130)의 변형은 상기 지지부(110)의 변형보다 더 크게 변형이 이루어진다.
이는 상기 변형률 증폭부(130)가 구조적으로 상기 지지부(110) 보다 유연한 구조로 이루어져 있고, 상기 지지부(110), 변형 전달부(120), 변형률 증폭부(130) 및 원형 프레임이 4절 기구와 유사하게 구성되어 동일한 외력이 가해지는 경우에도 상기 변형률 증폭부(130)가 상기 지지부(110) 보다는 더 큰 변형률을 발생시킬 수 있다.
한편, 상기 변형률 증폭부(130)는 도 1 에 도시된 바와 같이, 상기 변형 전달부(120)와 동일한 수로 구비된다.
한편, 상기 센서부(140)는 상기 변형률 증폭부(130)의 일정 부분에 구비되고, 외부에서 인가된 토크에 따른 상기 변형률 증폭부(130)의 변형을 측정하는 역할을 수행한다.
이때, 상기 센서부(140)는 하나 이상의 변위센서 또는 하나 이상의 스트레인 게이지(strain gauge)로 이루어진다.
먼저, 상기 변위센서를 통해 토크를 측정하는 방법으로는, 상기 변형률 증폭부(130)가 변형될 때, 상기 변형률 증폭부(130)의 각 변위나 위치 변위를 직접 측정하고, 각 변위나 위치변위 사이의 관계를 이용하여 토크를 측정할 수 있다.
또한, 상기 스트레인 게이지를 통해 토크를 측정하는 방법으로는, 상기 스트레인 게이지를 통해 상기 변형률 증폭부(130)의 변형률을 직접 측정하고, 변형률과 본 발명의 제 1 실시 예에 따른 토크센서(100) 재질의 영(Young)계수를 곱하여 토크를 측정할 수 있다.
이때, 상기 변위센서와 상기 스트레인 게이지는 선택적으로 상기 변형률 증폭부(130)에 구비될 수 있으며, 좀더 정확한 토크의 측정을 위해 상기 변형률 증폭부(130)에 상기 변위센서 및 상기 스트레인 게이지를 모두 구비할 수도 있으며, 상기 센서부(140)는 변형률 증폭부(130) 마다 구비된다.
한편, 본 발명의 제 1 실시 예에 따른 토크센서(100)는 와이어컷 가공법을 이용하여 상기 센서부(140)를 제외한 구성들을 모두 일체형으로 제작할 수 있다.
상기 와이컷 가공이라 함은 정확하게는 와이어 컷 방전 가공을 의미하며, 와이어 컷 방전가공이란 강한 장력을 준 와이어와 가공물 사이에 방전(放電)을 일으켜 가공하는 것을 말하며 컴퓨터 수치제어(CNC)가 필수적이며 가공 정밀도는 최대 0.1(=1/1000 mm)이다.
와이어는 일반적으로 0.05mm~0.33mm 의 직경을 가진 비철 금속류이며, 직경이 0.1mm미만일 경우 보통 텅스텐몰리브덴 재질을 사용하고 0.1mm 이상일 경우 황동재질을 사용하는 방법으로,
(1) 일반 공작기계로 가공이 불가능한 미세가공, 복잡한 형상 가공時.
(2) 열처리되었거나 또는 일반절삭가공이 어려운 높은 경도 재료 가공時.
(3) 고정밀 가공을 필요로 하는 금형 가공時.
(4) LASER 가공과 같은 열변형이나 물리적인 힘(절삭,절단)이 없으므로 고정밀에 적합한 방법이다.
한편, 본 발명의 제 1 실시 예에 따른 토크센서(100)는 다양한 재질로 이루어질 수 있으나, 바람직한 실시 예에 있어서는 알루미늄을 이용하였다.
이하, 도 2 를 참조하여 본 발명의 제 2 실시 예에 따른 토크센서(100)에 대해 상세히 설명한다.
도 2 에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제 2 실시 예에 따른 토크센서(100)는 상기 변형률 증폭부(130)에 바(bar)(160) 형태의 변형률 증폭부(130)가 연장된 형태로 이루어져 있다.
한편, 상기 바(bar)(160)의 말단 및 상기 원형 프레임(150) 상에는 변위센서(140b)가 구비되어있어 상기 토크센서(100)의 변위를 측정할 수 있다.
이때, 상기 변위센서(140b)는 다양한 센서를 이용하여 구비될 수 있으나, 본 발명의 제 2 실시 예에 있어서 상기 변위센서(140b)는 광센서 또는 자기센서를 이용하였다.
또한, 제 2 실시 예에 있어서는 상기 변형률 증폭부(130)의 일정 부분에 스트레인 게이지(140a)를 구비하여 상기 변위센서(140b)에 의한 변위뿐만 아니라, 응력도 동시에 측정할 수 있다.
이하, 상술한 바를 제외하고는 상기 제 1 실시 예와 모두 동일하다 할 것이므로 이하에서는 생략토록 한다.
이하, 도 3 을 참조하여 본 발명의 제 3 실시 예에 대해 상세히 설명한다.
도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제 3 실시 예에 있어서는 총 3 개로 이루어진 상기 지지부(110)의 양측에 각각 상기 변형률 전달부(120)(6개), 상기 변형률 증폭부(130)(6개) 및 상기 변형률 증폭부(130)에 구비되는 상기 센서부(140)(6개)로 이루어져 있다.
이를 제외한 모든 구성 및 각 구성에 대한 상세한 설명은 상술한 제 1 실시 예와 모두 동일하다 할 것이므로 이하에서는 이에 대한 상세한 설명은 생략토록 한 다.
이하, 도 4 를 참조하여 본 발명의 제 4 실시 예에 대해서 상세하게 설명하도록 한다.
먼저, 도 4를 참조하면, 상기 제 4 실시 예에 따른 토크센서(100)는 중심축을 기준으로 90°각도를 이루는 총 4개의 지지부(110), 상기 지지부(110)의 일 측에 형성되는 변형 전달부(120) 및 상기 변형 전달부(120)와 연결되는 변형률 증폭부(130)로 이루어진 제 1 토크센서 및 상기 제 1 토크센서와 동일한 구성을 갖는 제 2 토크센서의 결합으로 이루어진다.
이때, 상기 제 1 토크센서의 변형 전달부(120) 및 상기 변형률 증폭부(130)는 상기 지지부(110)의 우측에 각각 형성되며, 상기 제 2 토크센서에서는 상기 변형 전달부(120) 및 상기 변형률 증폭부(130)는 상기 제 1 토크센서와는 반대로 상기 지지부(110)의 좌측에 구비된다.
물론 상기 각각의 변형률 증폭부(130)에는 센서부(140)가 각각 구비되어 있다.
이와 같이 구비됨으로써, 하나의 자유도뿐만 아니라, 3 자유도의 측정이 가능한 토크센서(100)를 이룰 수 있다.
이하, 상기 구성을 제외하고는 모든 구성에 대한 설명은 제 1 실시 예와 동일하므로 이하에서는 생략토록 한다.
이와 같이 상술한 본 발명의 제 1 실시 예 내지 제 4 실시 예를 통해 먼저, 본 발명은 종래의 토크센서가 필요에 따라 선택해야 했던 강성과 센서의 민감도를 동시에 증가시킬 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따른 토크센서(100)의 경우, 상기 토크센서(100) 내부의 센서모듈 보호를 위한 별도의 안전장치를 구비할 필요가 없고, 와이어컷 가공방법을 통해 일체형의 토크센서(100)를 제작함으로써 제조 단가를 낮추고 대량 생산이 가능한 우수한 효과가 있다.
이상에서 살펴본 바와 같이 본 발명은 바람직한 실시 예를 들어 도시하고 설명하였으나, 상기한 실시 예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변경과 수정이 가능하다 할 것이다.
도 1 은 본 발명의 제 1 실시 예에 따른 토크센서의 전체 구성도이다.
도 2 는 본 발명의 제 2 실시 예에 따른 토크센서의 전체 구성도이다.
도 3 은 본 발명의 제 3 실시 예에 따른 토크센서의 전체 구성도이다.
도 4 는 본 발명의 제 4 실시 예에 따른 토크센서의 전체 구성도이다.
Claims (6)
- 외부 토크를 인가받고, 상기 외부 토크에 의해 변형되는 하나 이상의 지지부;상기 지지부와 연결되며, 상기 지지부의 변형을 전달하기 위한 변형 전달부;상기 변형 전달부와 연결되며, 상기 변형 전달부를 통해 전달된 상기 지지부의 변형을 증폭하기 위한 변형률 증폭부; 및상기 변형률 증폭부의 일정 부분에 구비되고, 인가된 토크에 따른 상기 변형률 증폭부의 변형을 측정하기 위한 센서부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 토크센서.
- 제 1 항에 있어서,상기 지지부는 원형 프레임 내부에 3개로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 토크센서.
- 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,상기 변형 전달부 및 상기 변형률 증폭부는 각각의 상기 지지부 일 측 또는 양측에 형성되는 것을 특징으로 하는 토크센서.
- 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,상기 센서부는 적어도 하나 이상의 변위센서 또는 스트레인 게이지(strain gauge)로 이루어지는 것을 특징으로 하는 토크센서.
- 제 4 항에 있어서,상기 변위센서는 광센서 또는 자기센서를 이용하는 것을 특징으로 하는 토크센서.
- 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,상기 변형률 증폭부는 바(bar) 형태로 연장되어 있는 것을 특징으로 하는 토크센서.
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2009
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| A201 | Request for examination | ||
| A302 | Request for accelerated examination | ||
| E902 | Notification of reason for refusal | ||
| AMND | Amendment | ||
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| AMND | Amendment |