KR20120035914A

KR20120035914A - 힘 센서를 갖는 전기기계적 결합 모듈

Info

Publication number: KR20120035914A
Application number: KR1020117029875A
Authority: KR
Inventors: 안드레아스 키르흐하임; 요헨 슈나이더; 다니엘 오터; 조지스 샤프너; 롤프 티에르
Original assignee: 키스틀러 홀딩 아게
Priority date: 2009-07-22
Filing date: 2010-07-07
Publication date: 2012-04-16
Also published as: KR101461705B1; EP2456594B1; WO2011009223A1; US8733181B2; CN102470496A; JP5738857B2; ES2661961T3; CH701524A1; JP2012533740A; EP2456594A1; US20120090168A1; CN102470496B

Abstract

선형 힘을 결합체에 부여하기 위한 전기기계적 결합 모듈로서, 결합 모듈의 고정부를 구성하는 스테이터(2)와, 상기 스테이터(2)로부터 선형적으로 신장될 수 있는 태핏(3)을 포함하고, 상기 태핏(3)은 외측 태핏 단부(4)와, 상기 태핏 단부(4)에 의해 작동 중에 상기 결합체에 부여된 힘을 검출하는 힘 센서(5)를 가지는 결합 모듈에 있어서, 상기 힘 센서(5)는 상기 태핏 단부(4)의 영역에 부착되는 동시에, 근거리 또는 원거리 원격측정에 의한 측정 데이터를 무선 전송하는 센서 전자소자(7)를 포함한다.

Description

힘 센서를 갖는 전기기계적 결합 모듈{ELECTROMECHANICAL JOINING MODULE HAVING A FORCE TRANSDUCER}

본 발명은 결합체에 선형 힘을 부여하는 전기기계적 결합모듈에 관한 것으로서, 이 결합 모듈은 스테이터와 태핏을 포함하며, 스테이터는 결합 모듈의 고정부를 구성하고, 태핏은 스테이터로부터 나와 선형적으로 신장할 수 있는 한편, 태핏 단부와, 이 태핏 단부에 의해 작동 중에 결합체에 부여되는 힘을 검출하는 힘 센서를 갖는다.

전기기계적 결합모듈은 선형적 방향을 갖는 힘을 태핏을 통해 결합체에 부여하는 전기모터이다. 적극적인 연결이 이루어지는 조립 공정을 위한 결합 모듈이 특별히 공지되어 있다. 이러한 종류의 결합모듈로는 예를들면, DE 19721072에 알려져 있다. 그러나, 이 문헌은 힘측정에 대해서는 설명을 하지 않고 있다.

이러한 타입의 결합 모듈은 종종 결합 모듈이 결합체에 부여하는 힘을 측정하는 힘 측정 장치를 가지고 있다. 이러한 방법으로 수집된 데이터는 공정제어 및/또는 품질 모니터링을 위해 사용된다.

공지된 종래 결합 모듈에 있어서, 힘은 대부분 결합 모듈의 하우징에서 검출된다. 이 경우, 베어링 마찰, 힘 션트(force shunt), 이동 부품의 중량이동지체로 인해 정밀성에는 제약이 있다. 이와는 달리, 힘 센서를 결합체에 일체화시킬 수도 있다. 그러나, 힘 센서에 대해 케이블을 접속하는 것은 기계적으로 복잡하고, 고장발생이 쉬우며, 케이블 접속의 수명이 매우 제한적이다.

성형, 스탬핑, 사출성형 기술을 위한 툴에서 그 함수적 표면(functional surface)에 힘 센서를 매립하는 기술이 EP 1057586에 공지되어 있다. 이것은 툴에서의 마모 파라메터를 판정하는데는 유용하지만, 전체적으로 결합할 때의 힘을 측정하는 것은 아니다. 이러한 목적을 위해서는 국부적 불균등성에 기인한 측정 오차를 방지할 수 있도록 특히 센서가 함수적 표면의 일부분이 되는 것은 피해야 한다. 또한, 이 문헌은 어느 툴이 이동하고 어느 힘이 툴에 부여되는가를 이용하는 액튜에이터 기술을 개시하지 않고 있다. 따라서, 어떻게 측정 데이터가 결합체로부터 선형적으로 이동하는 스테이터에 전달되는가에 대해서도 역시 기술하지 않고 있다.

DE 10251387 에는 토크 센서를 갖는 프레스 장치가 개시되어 있다. 이를 위해, 가동부와 고정부 사이의 이동은 회전이며, 그 결과 양쪽 부품 간의 거리가 실질적으로 거의 일정하다. 이것이 오랫동안 공지되어온 전형적인 결합 모듈이다. 툴에 대한 힘은 스핀들 피치를 통해 간접적으로 토크 센서를 이용하여 판정한다. 스핀들의 미지의 가변적 마찰력이 상대적으로 큰 측정 오차를 야기한다. 이 센서는 말그대로 이동을 하지 않기 때문에 측정 데이터의 원격측정 전송은 문제가 되지 않는다.

본 발명의 목적은 서두에 규정한 타입의 전기기계적 결합 모듈에서 태핏 힘의 힘측정이 향상된 정밀성을 가지고 수행되고, 이것에 의해 측정장치가 긴 수명을 갖도록 설계될 수 있고, 상당한 이동 싸이클을 손상없이 그리고 품질의 저하 없이 유지할 수 있는 전기기계적 결합 모듈을 제공하는 것이다. 또한, 단순한 구조와 저렴한 유지비를 가지며, 부가적인 비용없이도 주문자 맞춤이 가능한 결합모듈을 제공하는 것을 본 발명의 또 다른 목적으로 한다.

상기 목적은 힘 센서가 태핏 단부의 영역에 부착되는 한편, 근거리 또는 원거리 원격측정에 의한 측정 데이터를 무선전송하는 센서 전자소자를 포함하는 것에 의해 달성된다.

근거리 원격측정을 이용하여 전송을 하기 위해서는, 본 발명에 따르면, 센서 전자소자는 태핏 코일에 연결되며, 태핏코일은 태핏의 전체 신장가능한 영역에 걸쳐 존재한다. 태핏 코일에 근접하여, 스테이터는 스테이터 전자소자를 포함하며, 스테이터 전자소자는 무선으로 센서 전자소자에 전력을 공급할 뿐만 아니라 근거리 원격 측정에 의한 측정 데이터를 수신한다.

본 발명에 따른 결합 모듈의 장점 중 하나는 여기서 수행할 수 있는 힘 측정에 대해 높은 정밀성을 제공하는 것이며, 그 이유는 베어링 마찰, 힘 션트(force shunt), 중량이동지체(sluggish mass)에 의한 오차의 영향이 없기 때문이다. 힘측정 시스템은 유지보수가 필요없으며, 수명도 하중 싸이클의 수와 실질적으로 무관하다.

특히, 본 발명에 따른 구성은 구현하기가 단순하고, 환경 오염에 따른 원거리 측정의 문제점을 갖는 환경에서도 사용이 가능하며, 이러한 2가지 해법은 있을 경우 대부분 손상을 입는 거추장 스러운 케이블이 없다는 장점과, 힘 션트 없이 힘 전개 표면 가까이 있는 태핏 단부의 영역에서 원래의 방법으로 힘을 수용한다는 장점을 제공한다.

다음에, 첨부 도면을 참조하여 본 발명에 대하여 보다 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 결합 모듈의 개략적 측면도로서, (a)는 수축된 상태를 나타내고, (b)는 신장된 상태를 나타낸 도면.
도 2는 본 발명에 따른 결합모듈로서, 신장된 상태에서 태핏의 영역을 예시하는 개략도.
도 3은 본 발명에 따른 태핏를 예시한 도면으로서, (a)는 태핏 코일을 나타내고, (b)는 태핏 코일을 상세하게 나타낸 상세도.
도 4는 스테이터 전자소자의 영역에서 그 태핏을 나타낸 단면도.
도 5는 태핏 코일, 공급 코일 및 수신 코일의 영역을 나타낸 도 4의 상세도.

도 1은 스테이터(2) 및 태핏(3)을 포함하는 전기기계적 결합 모듈(1)을 도시한 것으로서, 스테이터(2)는 결합 모듈(1)의 고정부를 구성하고, 태핏(3)은 스테이터(2)로부터 선형방향으로 이동할 수 있다. 도 1a는 수축된 상태에서의 결합 모듈(1)을 도시하고, 도 1b는 신장된 태핏(3)의 상태를 도시한다.

태핏(3)은 툴 수용부(6)를 부착할 수 있는 외측단부(4)(이하 "태핏단부"라 함)를 가진다. 본 발명에 따르면, 사용중에 태핏단부(4)로부터 작용하는 힘을 측정할 수 있는 힘 센서(5)가 태핏단부(4) 영역에 위치한다. 이 힘 센서(5)는 근거리 또는 원거리 원격측정에 의한 측정 데이터를 무선전송하는 센서 전자소자(7)를 포함한다.

다음에, 근거리 원격측정에 의한 전송에 대해 도 2 내지 도 5를 참조하여 설명한다.

도 2는 힘센서(5)를 갖는 결합 모듈(1)의 스테이터(2)에서 신장된 태핏(3)를 나타내며, 예시한 바와 같이, 본 발명에 따라서, 힘 센서(5)는 툴 수용부(6)와 태핏(3) 사이에서 태핏 단부(4)에 부착되어 있다.

본 발명에 따르면, 힘 센서(5)는 근거리 원격측정에 의한 측정 데이터를 무선 전송하기 위한 센서 전자소자(7)를 가진다. 이들 센서 전자소자(7)는 태핏 코일(8)에 접속되며, 이 태핏 코일(8)은 태핏(3)의 전체 신장가능한 영역에 걸쳐서 배치된다. 바람직하게는, 이 태핏 코일(8)은 태핏(3)의 홈(10)에 배열된다. 태핏 코일(8)과 근접한 곳에서, 스테이터(2)는 스테이터 전자소자(9)를 포함하며, 이 스테이터 전자소자(9)는 무선으로 센서 전자소자(7)에게 전력을 공급할 뿐만 아니라 근거리 측정에 의한 측정 데이터를 수신한다.

본 발명에 따른 이와 같은 구성에 있어서, 이들 스테이터 전자소자(9)는 교류 자기장을 생성할 수 있는 하나 또는 다수의 공급 코일(11)을 포함한다. 따라서, 태핏 코일(8)에는 전압이 유도되고, 그 결과 센서 전자소자(7)에 전력이 공급된다. 또한, 이러한 방법으로, 센서 관련 데이터 또한 센서 전자소자(7)에 송신될 수 있으며, 센서 전자소자(7)는 힘 센서(5)에 의해 예를들면 센서 민감도와 같은 것을 측정하기 위해 사용된다. 이러한 맥락에서 센서 전자소자(7)가 그 측정관련 데이터를 저장하기 위한 데이터 메모리(14)를 포함한다면 이점이 있다.

또한, 스테이터 전자소자(9)는 수집한 측정값 및/또는 추가정보, 이를테면 센서 전자소자의 상태, 측정범위, 스케일 정보 및/또는 캘리브레이션 데이터를 수신하기 위한 수신 코일 또는 수신 안테나(12)를 가진다.

도 3a는 본 발명에 따라서 태핏 코일(8)을 갖는 태핏(3)을 나타내며, 도 3b는 보다 상세한 예시도로서, 홈(10)에 배열된 태핏 코일(8)을 나타낸다. 도 3b에 예시한 바와 같이, 스테이터 전자소자(9)는 태핏 코일(8)에 중첩된 태핏(3)의 중앙 영역에 나타나 있다.

도 4는 스테이터 전자소자(9)의 영역에서 그 태핏(3)의 단면을 나타낸다. 본 예시도에서는 스테이터 공급 코일(11)을 갖는 스테이터 전자소자(9)가 태핏 위치와 관련없이 독자적으로 태핏 코일(8)에 근접하게 배열된 것을 보여준다. 도 5는 코일 영역에서의 도 4의 상세도이며, 이 도면에서는 근접하면서 대향하고, 접촉하지 않도록 배열된 1차권선과 2차권선, 즉, 1차권선으로서의 스테이터 공급코일(11) 및 스테이터 수신코일(12)과, 2차권선으로서의 태핏(3)상에서의 태핏 코일(8)을 나타낸다.

상(相) 변조(PSK 변조: Phase Shift Keying Modulation)에 의해 변조된 캐리어를 통해 전자기 커플링에 의해 태핏 코일(8)로부터 수신 코일(12)로 측정값을 전송하는 것이 유리하다는 점이 입증되어 있으며, 여기서 사용하는 캐리어는 약 13.56M 또는 약 27.1MHz이다. 측정값 외에도 또한 추가로 상태정보가 센서 전자소자(9)로부터 스테이터(2)로 전송될 수 있으며, 여기서의 추가 정보로는 힘센서에 관한 정보, 측정 범위, 스케일 정보, 캘리브레이션 데이터 등을 들 수 있다. 데이터는 디지탈 방식으로 전송하는 것이 바람직하다.

전력 전송을 위해서는 119 내지 135 KHz의 캐리어 주파수가 사용된다. 에너지 전송을 위한 신호도 역시 제어 정보를 센서 전자소자(9)로 전송하기 위해 변조될 수 잇있다. 상변조(PSK 변조)가 역시 변조 방법으로 사용된다. 전송된 전력에 적응하기 위해 캐리어 주파수는 스테이터에서 119 내지 135 KHz 범위에서 변경된다.

바람직하게는, 힘 센서(5)는 압전식 힘 센서이다.

특히, 본 발명에 따른 결합 모듈(1)은 추가로 태핏 경로 또는 태핏 위치를 검출하기 위한 경로 센서(15)를 포함한다. 사용중에 이 경로 센서는 예를들면 결합 모듈에 의해 힘을 부여받는 결합체에 대해 거리를 판정할 수 있다. 경로 센서(15)는 증분센서(incremental sensor), 유도센서(inductive sensor) 또는 광학센서(optical sensor)가 바람직하다.

근거리 원격측정과 달리, 본 발명에 따른 결합 모듈(1)에는 원거리 원격측정에 의한 측정 데이터를 전송하는 전송모듈을 갖는 센서 전자소자(7)를 배치할 수도 있다. 이 경우, 센서 전자소자(7)는 재충전 배터리를 포함할 수 있다. 예를들면 태핏(3)이 완전히 수축되면 여기에 부착된 접점들에 의해 이 재충전 배터리도 마찬가지로 예를들면 스테이터로부터 충전될 수 있다. 재충전 배터리의 규칙적인 교환 역시 가능하다. 이러한 구성의 장점은 측정 데이터를 원하는 어떠한 장소에 있는 분석 장치에라도 직접 보내어 결합모듈(1)을 추가 처리하거나 제어할 수 있다는 점이며, 이 경우 측정 데이터를 분석장치로부터 제어장치로 전송할 필요가 없어진다.

1. 결합 모듈
2. 스테이터
3. 태핏
4. 태핏 단부
5. 힘 센서
6. 툴 수용부
7. 센서 전자소자
8. 태핏 코일
9. 스테이터 전자 소자
10. 홈
11. 공급 코일
12. 수신 코일 또는 수신 안테나
14. 데이터 메모리
15. 경로 센서

Claims

선형 힘을 결합체에 부여하기 위한 전기기계적 결합 모듈로서, 결합 모듈의 고정부를 구성하는 스테이터(2)와, 상기 스테이터(2)로부터 선형적으로 신장될 수 있는 태핏(3)을 포함하고, 상기 태핏(3)은 외측 태핏 단부(4)와, 상기 태핏 단부(4)에 의해 작동 중에 상기 결합체에 부여된 힘을 검출하는 힘 센서(5)를 가지는 결합 모듈에 있어서,
상기 힘 센서(5)는 상기 태핏 단부(4)의 영역에 부착되는 동시에, 근거리 또는 원거리 원격측정에 의한 측정 데이터를 무선 전송하는 센서 전자소자(7)를 포함하는 것을 특징으로 하는 결합 모듈.
제1항에 있어서,
상기 힘 센서(5)는 압전식 힘 센서이거나 스트레인 게이지를 포함하는 것을 특징으로 하는 결합 모듈.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 센서 전자소자(7)는 측정 관련 데이터를 저장하기 위한 데이터 메모리(14)를 포함하는 것을 특징으로 하는 결합 모듈.
상기 선행항 중 어느 한 항에 있어서,
태핏 경로 또는 태핏 위치를 검출하기 위한 경로 센서(15)를 포함하는 것을 특징으로 하는 결합 모듈.
제4항에 있어서,
사용중에 상기 경로 센서(15)는 결합 모듈에 의해 힘을 부여받는 결합체에 대해 거리를 판정할 수 있는 것을 특징으로 하는 결합 모듈.
제4항 또는 제5항에 있어서,
상기 경로 센서(15)는 증분센서(incremental sensor), 유도센서(inductive sensor) 또는 광학센서(optical sensor)인 것을 특징으로 하는 결합 모듈.
상기 선행항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 센서 전자소자(7)는 태핏 코일(8)에 연결되며, 상기 태핏코일(8)은 상기 태핏(3)의 전체 신장가능한 영역에 걸쳐 배치되며, 상기 태핏 코일(8)에 근접한 곳에서, 상기 스테이터(2)는 스테이터 전자소자(9)를 포함하며, 상기 스테이터 전자소자(9)는 무선으로 센서 전자소자(7)에 전력을 공급할 뿐만 아니라 근거리 원격측정에 의한 측정 데이터를 수신하는 것을 특징으로 하는 결합 모듈.
제7항에 있어서,
상기 태핏 코일(8)은 상기 태핏(3)의 홈(10)에 배열된 것을 특징으로 하는 결합 모듈.
제7항 및 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 스테이터 전자소자(9)는 하나 또는 다수의 공급 코일(11)을 포함하며, 상기 공급 코일(11)은 상기 센서 전자소자(7)에 전력을 공급하기 위해 상기 태핏 코일(8)에 전압을 유도하기 위한 교류 자장을 생성할 수 있는 것을 특징으로 하는 결합 모듈.
제7항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 스테이터 전자소자(9)는 수집된 측정값 및/또는 추가 정보를 수신하기 위한 수신 코일 또는 수신 안테나(12)를 포함하며, 상기 추가 정보는 상기 센서 전자 소자의 상태, 측정범위, 스케일 정보 및/또는 캘리브레이션 데이터를 포함하는 것을 특징으로 하는 결합 모듈.
제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 센서 전자소자(7)는 원거리 원격측정에 의한 측정 데이터를 전송하는 전송 모듈을 포함하는 것을 특징으로 하는 결합 모듈.
제11항에 있어서,
상기 센서 전자소자(7)는 재충전 배터리를 포함하는 것을 특징으로 하는 결합 모듈.