KR20150133925A - 회전축의 토크 측정장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 회전축의 토크 측정장치에 관한 것으로, 회전축의 원주면 상에 네오듐 영구자석을 일정 간격으로 부착 고정시키되 이에 대응하여 이격 설치되는 자기저항센서를 통해 네오듐 영구자석의 위치를 감지함으로써 회전축의 토크(Torque) 측정에 따른 오차를 현저히 줄일 수 있도록 함에 그 목적이 있다. 이를 위해 구성되는 본 발명은 회전축의 원주면 둘레 동일 선상에 등간격으로 부착 고정되는 다수의 제 1 네오듐 영구자석; 제 1 네오듐 영구자석으로부터 일정 간격 이격된 회전축의 원주면 둘레에 부착 고정되는 다수의 제 2 네오듐 영구자석; 제 1 네오듐 영구자석에 대응하여 일정간격 이격 설치되어지되 회전축의 회전에 따른 제 1 네오듐 영구자석의 위치를 감지하여 회전축의 토크와 회전속도를 측정하는 제 1 자기저항센서가 구비된 제 1 토크 측정회로; 제 2 네오듐 영구자석에 대응하여 일정간격 이격 설치되어지되 회전축의 회전에 따른 제 2 네오듐 영구자석의 위치를 감지하여 회전축의 토크와 회전속도를 측정하는 제 2 자기저항센서가 구비된 제 2 토크 측정회로; 및 제 1 토크 측정회로와 제 2 토크 측정회로를 지지하여 제 1 자기저항센서와 제 2 자기저항센서가 제 1 네오듐 영구자석과 제 2 네오듐 영구자석의 배열 라인 상에 유지되도록 하는 측정회로 지지수단을 포함한 구성으로 이루어진다.

Description

회전축의 토크 측정장치{Axis of rotation of the torque measuring device}

본 발명은 회전축의 토크 측정장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 회전축의 원주면 상에 네오듐 영구자석을 일정 간격으로 부착 고정시키되 이에 대응하여 이격 설치되는 자기저항센서를 통해 네오듐 영구자석의 위치를 감지함으로써 회전축의 토크(Torque)와 회전속도를 측정하는 회전축의 토크 측정장치에 관한 것이다.

일반적으로, 토크를 제어하는 것은 연비를 향상시키고 승차감을 개선하기 위함이다. 그러나, 토크를 제어하기 위해 토크를 측정하는 기술에 있어서 특별한 표면처리와 기계가공 없이는 동적인 상태인 토크를 측정하기 힘들뿐만 아니라, 고가의 비용이 요구되고 있다. 현재 자동차 산업에서는 신뢰성 있는 데이터가 없어 동적인 상태의 토크 측정은 적합하지 않다.

한편, 현재 회전축의 토크를 측정하기 위한 수단으로 많은 기술들이 개발되고 있다. 이러한 회전축의 토크 측정 기술로는 실용신안등록 제20-264539호에서와 같은 출력축 베벨기어와 편심축을 갖는 센싱 베벨기어를 사용하는 기계식 토크센서를 이용하여 토크를 측정하는 기술이 개발되었다.

또한, 전술한 바와 같은 회전축의 토크 측정 기술로 특허등록 제10-210323호에서는 자기 비틀림재를 회전축의 양단에 고정시켜서 자기회로를 구성하여 검출코일로 토크가 발생할 때의 유도 기전력을 측정하는 방법이 제시되었고, 특허등록 제10-151747호에서는 자기변형 합금 박대를 사용하여 비접촉식으로 토크를 검출할 수 있는 방법이 제시되어 있다.

아울러, 전술한 바와 같은 종래 기술에 따른 회전축의 토크 측정 기술 이외에도 실용신안등록 제20-287954호의 온도보상 및 자기저항 검출코일 조립체를 이용한 토크센서, 특허등록 제10-355885호의 상호 역방향 인턱턴스 변화 감지를 통한 토크측정센서 및 특허등록 제10-184109호의 자기왜곡식 토크센서 등과 같은 기술이 제시되고 있다.

한편, 현재 가장 신뢰성 있고 사용 가능한 스트레인 게이지 타입 토크 측정장치는 자동차 산업에 적합하지 않다. 그 이유는 트렌스미션의 중간에 스트레인 게이지를 부착하기 어려우며 슬립링의 수명도 오래가지 못한다는 문제가 있음은 물론, 슬립링에 대한 청결상태 유지가 어렵고, 구조가 복잡하여 실제 응용되는 축에 장착하기가 상당히 불편한 문제점을 갖고 있다.

전술한 바와 같은 문제점에 따른 산업의 요구를 만족시키기 위해 본 연구에서는 저럼한 가격과 높은 퍼포먼스의 토크 측정 개발을 위한 연구를 진행 중에 있다. 마그네틱 타입 토크 센서는 주기적으로 시간 변화의 반복을 측정하는 방법으로 연구가치가 있는 분야이다. 축의 표면에 추가적인 가공을 하지 않아도 되는 비접촉식 기술의 센서는 강성체 물질의 자기탄성체 효과를 이용하였다.

1. 대한민국 공개특허 제2012-0125901호(2012.11.19.자 공개) 2. 대한민국 공개특허 제2006-0072581호(2006.06.28.자 공개) 3. 대한민국 공개특허 제2004-0074671호(2004.08.25.자 공개) 4. 대한민국 공개특허 특2002-0065064호(2002.08.13.자 공개)

본 발명은 종래 기술의 제반 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 회전축의 원주면 상에 네오듐 영구자석을 일정 간격으로 부착 고정시키되 이에 대응하여 이격 설치되는 자기저항센서를 통해 네오듐 영구자석의 위치를 감지함으로써 회전축의 토크(Torque) 측정에 따른 오차를 현저히 줄일 수 있도록 한 회전축의 토크 측정장치를 제공함에 그 목적이 있다.

또한, 본 발명에 따른 기술의 다른 목적은 회전축의 원주면 상에 네오듐 영구자석을 일정 간격으로 부착 고정시키되 이에 대응하여 이격 설치되는 자기저항센서를 통해 네오듐 영구자석의 위치를 감지하는 구조의 측정장치를 제공함으로써 설치와 토크 측정을 용이하게 할 수 있도록 함에 그 목적이 있다.

아울러, 본 발명에 따른 기술은 회전축의 원주면 상에 네오듐 영구자석을 일정 간격으로 부착 고정시키되 이에 대응하여 이격 설치되는 자기저항센서를 통해 네오듐 영구자석의 위치를 감지하는 구조의 측정장치를 제공함으로써 회전축의 토크 측정과 함께 별도의 추가적인 장치 없이도 영구자석의 위치 신호를 이용하여 회전축의 회전속도를 측정할 수 있도록 함에 그 목적이 있다.

전술한 목적을 달성하기 위해 구성되는 본 발명은 다음과 같다. 즉, 본 발명에 따른 회전축의 토크 측정장치는 회전축의 부하토크를 측정하는 회전축의 토크 측정장치에 있어서, 회전축의 원주면 둘레 동일 선상에 등간격으로 부착 고정되는 다수의 제 1 네오듐 영구자석; 제 1 네오듐 영구자석으로부터 일정 간격 이격된 회전축의 원주면 둘레에 부착 고정되는 다수의 제 2 네오듐 영구자석; 제 1 네오듐 영구자석에 대응하여 일정간격 이격 설치되어지되 회전축의 회전에 따른 제 1 네오듐 영구자석의 위치를 감지하여 회전축의 토크와 회전속도를 측정하는 제 1 자기저항센서가 구비된 제 1 토크 측정회로; 제 2 네오듐 영구자석에 대응하여 일정간격 이격 설치되어지되 회전축의 회전에 따른 제 2 네오듐 영구자석의 위치를 감지하여 회전축의 토크와 회전속도를 측정하는 제 2 자기저항센서가 구비된 제 2 토크 측정회로; 및 제 1 토크 측정회로와 제 2 토크 측정회로를 지지하여 제 1 자기저항센서와 제 2 자기저항센서가 제 1 네오듐 영구자석과 제 2 네오듐 영구자석의 배열 라인 상에 유지되도록 하는 측정회로 지지수단을 포함한 구성으로 이루어진다.

전술한 바와 같은 본 발명에 따른 구성에서 제 1 네오듐 영구자석과 제 2 네오듐 영구자석 각각은 4∼16개의 네오듐 영구자석이 회전축의 원주면 둘레에 등간격으로 배열됨이 보다 양호하다.

그리고, 본 발명에 따른 구성에서 제 1 네오듐 영구자석과 제 2 네오듐 영구자석은 동일 개 수로 이루어짐이 보다 양호하다.

또한, 본 발명에 따른 구성에서 제 1 네오듐 영구자석과 제 2 네오듐 영구자석은 일정간격으로 이격된 상태로 회전축의 원주면 둘레 각각에 동일 배열로 부착 고정됨이 보다 양호하다.

한편, 본 발명에 따른 구성에서 제 1 토크 측정회로의 제 1 자기저항센서와 제 2 토크 측정회로의 제 2 자기저항센서 각각은 제 1 네오듐 영구자석과 제 2 네오듐 영구자석 각각의 동일선상에 일정 간격으로 이격 설치된다.

또한, 전술한 바와 같은 본 발명의 구성에서 제 1 토크 측정회로의 제 1 자기저항센서와 제 2 토크 측정회로의 제 2 자기저항센서는 동일 수평선상에 위치됨이 보다 양호하다.

아울러, 본 발명에 다른 구성에서 제 1 네오듐 영구자석 및 제 2 네오듐 영구자석 사이의 중심 간격과 제 1 자기저항센서 및 제 2 자기저항센서 사이의 중심 간격은 동일한 간격으로 이루어짐이 보다 양호하다.

한편, 전술한 바와 같은 본 발명에 따른 구성에서 측정회로 지지수단은 제 1 네오듐 영구자석과 제 2 네오듐 영구자석을 포함한 회전축의 일부가 내부에 위치되도록 함체의 형태로 형성되어 회전축이 좌우로 관통되어지되 내측 일측면에는 제 1 네오듐 영구자석과 제 2 네오듐 영구자석 각각에 대응하여 구성되는 제 1 토크 측정회로와 제 2 토크 측정회로를 지지하는 지지프레임; 및 회전축이 관통되는 지지프레임의 양측에 외륜을 통해 고정되어지되 내륜 상에 결합되는 회전축을 회전 지지하는 회전축 지지베어링의 구성으로 이루어질 수 있다.

본 발명의 기술에 따르면 회전축에 부착 고정된 복수의 네오듐 영구자석의 위치를 감지함에 따라 회전축에 발생하는 부하 토크와 회전속도를 동시에 측정 가능하게 함으로써 회전축의 토크 측정과 제어를 보다 효율적으로 수행할 수가 있다.

또한, 본 발명에 따른 기술은 자기저항센서 자체적으로 초기위치 보상이 가능하며, 2G 미만의 미약한 자기장의 세기도 감지가 가능하여 회전축의 미세한 비틀림 각도까지 측정할 수 있다.

아울러, 본 발명에 따른 기술은 네오듐 영구자석을 회전축에 부착 고정하여 자기저항센서를 통해 위치를 추적하는 방법을 사용함으로써 설치 및 구조가 간단하고 사용 제한이 상당히 적은 이점이 있다.

나아가, 본 발명에 따른 기술은 토크 측정과 동시에 회전속도의 측정이 가능하기 때문에 별도의 회전속도 측정센서가 없어도 출력을 측정해 낼 수 있는 등의 다양한 이점이 있다.

도 1 은 본 발명에 따른 회전축의 토크 측정장치를 보인 사시 구성도.
도 2 는 본 발명에 따른 회전축의 토크 측정장치를 보인 평면 구성도.
도 3 은 본 발명에 따른 회전축의 토크 측정장치를 보인 횡단면 구성도.
도 4 는 본 발명에 따른 회전축의 토크 측정장치를 보인 측단면 구성도.

이하에서는 본 발명의 실시 예에 따른 회전축의 토크 측정장치에 대해 첨부된 도면을 참조하여 구체적으로 설명하기로 한다.

도 1 은 본 발명에 따른 회전축의 토크 측정장치를 보인 사시 구성도, 도 2 는 본 발명에 따른 회전축의 토크 측정장치를 보인 평면 구성도, 도 3 은 본 발명에 따른 회전축의 토크 측정장치를 보인 횡단면 구성도, 도 4 는 본 발명에 따른 회전축의 토크 측정장치를 보인 측단면 구성도이다.

도 1 내지 도 4 에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 회전축의 토크 측정장치(100)는 제 1 네오듐 영구자석(110), 제 2 네오듐 영구자석(120), 제 1 자기저항센서(132)를 포함한 제 1 토크 측정회로(130), 제 2 자기저항센서(142)를 포함한 제 2 토크 측정회로(140) 및 측정회로 지지수단의 구성을 통해 회전축(10)의 부하토크와 회전속도를 측정할 수 있도록 한다.

보다 상세하게는, 본 발명에 따른 회전축의 토크 측정장치(100)는 회전축(10)의 원주면 둘레 부착 고정되는 다수의 제 1 네오듐 영구자석(110), 제 1 네오듐 영구자석(110)으로부터 일정 간격 이격된 회전축(10)의 원주면 둘레에 부착 고정되는 다수의 제 2 네오듐 영구자석(120), 제 1 네오듐 영구자석(110)의 위치 감지를 통해 회전축(10)의 토크와 회전속도를 측정하는 제 1 자기저항센서(132)가 구비된 제 1 토크 측정회로(130), 제 2 네오듐 영구자석(120)의 위치를 감지하여 회전축(10)의 토크와 회전속도를 측정하는 제 2 자기저항센서(142)가 구비된 제 2 토크 측정회로(140) 및 제 1 토크 측정회로(130)와 제 2 토크 측정회로(140)를 지지하는 측정회로 지지수단을 포함한 구성으로 이루어진다.

전술한 바와 같은 본 발명에 따른 회전축의 토크 측정장치(100)를 구성하는 제 1 네오듐 영구자석(110)과 제 2 네오듐 영구자석(120)은 도 1 내지 도 4 에 도시된 바와 같이 회전축(10)의 원주면 둘레에 다수가 등간격으로 부착 고정된다. 이때, 제 1 네오듐 영구자석(110)과 제 2 네오듐 영구자석(120)은 일정간격으로 이격된 상태로 회전축(10)의 원주면 둘레에 부착 고정되어진다.

아울러, 전술한 바와 같이 구성되는 제 1 네오듐 영구자석(110)과 제 2 네오듐 영구자석(120)은 각각 동일 개 수로 이루어지되 동일 개 수로 이루어진 제 1 네오듐 영구자석(110)과 제 2 네오듐 영구자석(120)은 회전축(10)의 길이 방향 동일선상에 위치되도록 배열된다. 즉, 도 1 및 도 2 에 도시된 바와 같이 회전축(10)의 원주면 둘레에 일정간격 이격되어 제 1 네오듐 영구자석(110)과 제 2 네오듐 영구자석(120)이 4개씩 90도의 간격으로 부착 고정되어 있다고 한다면 좌우 4쌍의 제 1 네오듐 영구자석(110)과 제 2 네오듐 영구자석(120)은 회전축(10)의 길이 방향 동일선상에 위치되어 배열된다는 것이다.

한편, 전술한 바와 같은 제 1 네오듐 영구자석(110)과 제 2 네오듐 영구자석(120)에 대응하여 설치되는 제 1 자기저항센서(132)를 포함한 제 1 토크 측정회로(130)와 제 2 자기저항센서(142)를 포함한 제 2 토크 측정회로(140)는 제 1 네오듐 영구자석(110)과 제 2 네오듐 영구자석(120) 각각에 일정간격 이격 설치되어 회전축(10)의 회전에 따른 제 1 네오듐 영구자석(110)과 제 2 네오듐 영구자석(120)의 위치를 감지함으로써 회전축(10)의 토크와 회전속도를 측정하게 된다.

전술한 바와 같이 구성되는 제 1 자기저항센서(132)를 포함한 제 1 토크 측정회로(130)와 제 2 자기저항센서(142)를 포함한 제 2 토크 측정회로(140) 각각은 제 1 네오듐 영구자석(110)과 제 2 네오듐 영구자석(120)에 대하여 동일선상에 배열되어진다. 즉, 제 1 자기저항센서(132)를 포함한 제 1 토크 측정회로(130)는 제 1 네오듐 영구자석(110)과 동일선상에 배열되고, 제 2 자기저항센서(142)를 포함한 제 2 토크 측정회로(140)는 제 2 네오듐 영구자석(120)과 동일선상에 배열되어진다.

아울러, 전술한 바와 같이 구성된 제 1 자기저항센서(132)를 포함한 제 1 토크 측정회로(130)와 제 2 자기저항센서(142)를 포함한 제 2 토크 측정회로(140) 상호는 도 2 및 도 3 에 도시된 바와 같이 회전축(10)과 평행한 길이방향의 동일선상에 배열되어진다. 이처럼 구성된 제 1 자기저항센서(132)를 포함한 제 1 토크 측정회로(130)와 제 2 자기저항센서(142)를 포함한 제 2 토크 측정회로(140)는 각각 회전축(10)의 회전에 따른 제 1 네오듐 영구자석(110)과 제 2 네오듐 영구자석(120)의 위치를 감지하여 회전축(10)의 부하토크와 회전속도를 측정하게 된다.

본 발명에 따른 회전축의 토크 측정장치(100)를 구성하는 각각의 구성요소를 보다 상세하게 설명하면 다음과 같다. 먼저, 본 발명을 구성하는 제 1 네오듐 영구자석(110)과 제 2 네오듐 영구자석(120)은 자석 간 자기장의 시간차를 이용하기 위한 것으로, 이러한 제 1 네오듐 영구자석(110)과 제 2 네오듐 영구자석(120) 각각은 도 1 내지 도 4 에 도시된 바와 같이 회전축(10)의 원주면 둘레 동일 선상에 일정 간격 이격된 상태로 등간격으로 다수 부착 고정된다.

전술한 바와 같이 회전축(10)의 원주면 둘레에 등간격으로 다수 부착 고정되는 제 1 네오듐 영구자석(110)과 제 2 네오듐 영구자석(120)을 구성하는 네오듐 자석은 희토륨 자석 중에서 가장 많이 사용되고 있으며, Nd₂Fe₁₄B 구조를 형성하는 붕소의 합금으로 만든 자석이다. 이러한 네오듐 자석의 가장 중요한 특징은 고무자석에 비해 고온에 강하다는 점으로, 네오듐 자석의 최대 작동온도는 80∼200도이며, 퀴리온도는 370도이다. 밀도는 7.4∼7.6G/㎤이고, 시험에서 자석이 축의 불균형 질량에 무시될 수 있는 밀도는 단지 7.4mg이다.

한편, 전술한 바와 같은 제 1 네오듐 영구자석(110)과 제 2 네오듐 영구자석(120) 각각은 4∼16개가 회전축(10)의 원주면 둘레에 등간격으로 배열된다. 이때, 이러한 제 1 네오듐 영구자석(110)과 제 2 네오듐 영구자석(120)은 동일 개 수로 구성됨이 보다 양호하다.

다시 말해서, 전술한 제 1 네오듐 영구자석(110)이 회전축(10)의 원주 둘레에 90도 간격으로 4개가 설치된다면 제 2 내오듐 영구자석(120) 또한 회전축(10)의 원주 둘레에 90도 간격으로 4개가 설치된다. 이때, 제 1 네오듐 영구자석(110)과 제 2 네오듐 영구자석(120)은 회전축(10)의 길이 방향으로 각각이 돌일 선상에 위치되도록 설치되어진다.

전술한 바와 같이 구성되는 제 1 네오듐 영구자석(110)과 제 2 네오듐 영구자석(120)은 회전축(10)에 물리적인 변화없이 원주면의 표면에 접착제를 이용하여 부착시키는 것이 가장 바람직하지만, 회전축(10)을 자화시키는 방식으로 제 1 및 제 2 네오듐 영구자석(110, 120)을 형성하여도 무방하다.

다음으로, 본 발명을 구성하는 제 1 토크 측정회로(130)와 제 2 토크 측정회로(140)는 영구자석(110, 120)의 위치를 감지하여 회전축(10)의 토크와 회전속도를 측정하기 위한 것으로, 이러한 제 1 토크 측정회로(130)와 제 2 토크 측정회로(140)는 도 1 내지 도 4 에 도시된 바와 같이 제 1 네오듐 영구자석(110)과 제 2 네오듐 영구자석(120) 각각에 대응하여 일정간격 이격 설치되어지되 회전축(10)의 회전에 따른 제 1 네오듐 영구자석(110)과 제 2 네오듐 영구자석(120)의 위치를 감지하여 회전축(10)의 토크와 회전속도를 측정하게 된다.

한편, 전술한 바와 같은 제 1 토크 측정회로(130)와 제 2 토크 측정회로(140) 각각에는 회전축(10)의 회전에 따른 제 1 네오듐 영구자석(110)과 제 2 네오듐 영구자석(120) 각각의 위치를 감지하여 회전축(10)의 토크와 회전속도를 측정하기 위한 제 1 자기저항센서(132)와 제 2 자기저항센서(142)가 각각 구비된다.

전술한 바와 같이 구성된 제 1 토크 측정회로(130)의 제 1 자기저항센서(132)와 제 2 토크 측정회로(140)의 제 2 자기저항센서(142) 각각은 제 1 네오듐 영구자석(110)과 제 2 네오듐 영구자석(120) 각각의 동일선상에 일정 간격으로 이격 설치된다. 이때, 제 1 토크 측정회로(130)의 제 1 자기저항센서(132)와 제 2 토크 측정회로(140)의 제 2 자기저항센서(142)는 동일 수평선상에 위치되도록 설치된다.

다시 말해서, 전술한 바와 같은 제 1 토크 측정회로(130)의 제 1 자기저항센서(132)는 제 1 네오듐 영구자석(110)에 대응하여 동일선 상에 일정 간격 이격되어 설치되고, 제 2 토크 측정회로(140)의 제 2 자기저항센서(142)는 제 2 네오듐 영구자석(120)에 대응하여 동일선 상에 일정 간격 이격되어 설치된다. 이때, 제 1 토크 측정회로(130)와 제 2 토크 측정회로(140)는 회전축(10)의 길이 방향과 평행한 동일 선상에 일정 간격 이격된 상태로 설치된다.

따라서, 전술한 제 1 토크 측정회로(130)에 구비되는 제 1 자기저항센서(132)와 제 2 토크 측정회로(140)에 구비되는 제 2 자기저항센서(142) 역시 회전축(10)의 길이 방향과 평행한 동일 선상에 일정 간격 이격된 상태로 배열된다. 이때, 제 1 네오듐 영구자석(110) 및 제 2 네오듐 영구자석(120) 사이의 중심 간격과 제 1 자기저항센서(132) 및 제 2 자기저항센서(142) 사이의 중심 간격은 동일한 간격으로 이루어진다.

다음으로, 본 발명을 구성하는 측정회로 지지수단은 제 1 토크 측정회로(130)와 제 2 토크 측정회로(140)를 지지하여 회전축(10)의 비틀림이 발생하더라도 제 1 네오듐 영구자석(110)과 제 2 네오듐 영구자석(120)의 배열 라인과 유지되도록 하기 위한 것으로, 이러한 측정회로 지지수단은 도 1 내지 도 4 에 도시된 바와 같이 제 1 토크 측정회로(120)와 제 2 토크 측정회로(140)를 지지하여 제 1 자기저항센서(132)와 제 2 자기저항센서(142)가 제 1 네오듐 영구자석(110)과 제 2 네오듐 영구자석(120)의 배열 라인 상에 유지되도록 하는 구성으로 이루어진다.

일반적으로 회전축(10)은 도로나 기타의 여건에 따라 유동이 발생하게 되고, 이에 따른 회전축(10)은 비틀림이 발생하게 된다. 따라서, 회전축(10) 상에 비틀림이 발생하게 되면 회전축(10)의 원주면 둘레에 일정 간격으로 설치된 제 1 네오듐 영구자석(110)과 제 2 네오듐 영구자석(120) 각각에 대응하는 제 1 자기저항센서(132)와 제 2 자기저항센서(142)의 동일 배열라인이 틀어져 영구자석(110, 120)의 위치를 감지하는데 문제가 발생할 수 있다.

전술한 바와 같이 제 1 네오듐 영구자석(110)과 제 2 네오듐 영구자석(120) 각각에 대응하는 제 1 자기저항센서(132)와 제 2 자기저항센서(142)의 동일 배열 라인이 틀어져 영구자석(110, 120)의 위치를 감지하는데 문제가 발생하게 되면 회전축(10)의 토크와 회전속도를 측정하는데도 문제가 있게 되므로 회전축(10)의 비틀림이 발생하더라도 제 1 네오듐 영구자석(110)과 제 2 네오듐 영구자석(120) 각각에 대응하는 제 1 자기저항센서(132)와 제 2 자기저항센서(142)가 동일 배열 라인 상에서 움직임이 있도록 할 필요성이 있다.

한편, 전술한 바와 같은 측정회로 지지수단은 제 1 네오듐 영구자석(110)과 제 2 네오듐 영구자석(120) 각각에 대응하는 제 1 자기저항센서(132)와 제 2 자기저항센서(142)가 동일 배열 라인이 틀어지지 않도록 하는 것으로, 이러한 측정회로 지지수단은 도 1 내지 도 4 에 도시된 바와 같다.

즉, 전술한 측정회로 지지수단은 제 1 네오듐 영구자석(110)과 제 2 네오듐 영구자석(120)을 포함한 회전축(10)의 일부가 내부에 위치되도록 함체의 형태로 형성되어 회전축(10)이 좌우로 관통되어지되 내측 일측면에는 제 1 네오듐 영구자석(110)과 제 2 네오듐 영구자석(120) 각각에 대응하여 구성되는 제 1 토크 측정회로(130)와 제 2 토크 측정회로(140)를 지지하는 지지프레임(150) 및 회전축(10)이 관통되는 지지프레임(150)의 양측에 외륜을 통해 고정되어지되 내륜 상에 결합되는 회전축(10)을 회전 지지하는 회전축 지지베어링(152)의 구성으로 이루어진다.

전술한 바와 같은 측정회로 지지수단의 구성에서 지지프레임(150)은 회전축(10)과 평행하게 배열되어 회전축(10)의 원주면에 대향되는 면상에 제 1 네오듐 영구자석(110)과 제 2 네오듐 영구자석(120) 각각에 대응하여 제 1 토크 측정회로(130)와 제 2 토크 측정회로(140)가 설치 고정되는 배면 프레임(150a) 및 배면 프레임(150a)의 양단으로부터 회전축(10) 방향으로 일체 형성되어 회전축(10)이 회전 가능하게 관통되는 측면 프레임(150b)의 구성으로 이루어진다.

아울러, 전술한 바와 같은 측정회로 지지수단의 구성에서 지지 프레임(150)은 차체나 기체에 고정된다. 이처럼 구성된 지지 프레임(150)에는 회전축 지지베어링(152)을 통해 회전축(10)이 관통 설치되는 구조이기 때문에 회전축(10)의 비틀림이 발생하더라도 지지 프레임(150)도 함께 회전축(10)의 비틀림 방향으로 비틀리게 되어 제 1 네오듐 영구자석(110)과 제 2 네오듐 영구자석(120) 각각에 대응하는 제 1 토크 측정회로(130)와 제 2 토크 측정회로(140)는 상시 동일 배열에 있게 된다.

따라서, 전술한 바와 같이 측정회로 지지수단을 통해 제 1 네오듐 영구자석(110)과 제 2 네오듐 영구자석(120) 각각에 대응하는 제 1 토크 측정회로(130)와 제 2 토크 측정회로(140)가 상시 동일 배열에 있게 됨으로써 회전축(10)의 회전에 따른 제 1 네오듐 영구자석(110)과 제 2 네오듐 영구자석(120)의 위치를 감지하여 회전축(10)의 토크와 회전속도 측정이 원활하게 이루어질 수 있게 된다.

전술한 바와 같은 발명에 따른 구성으로 이루어진 회전축 토크 측정장치(100)를 통해 실험한 경과를 표 1 에 도시하였다. 표 1 은 본 발명에 따른 기술을 통해 300∼500rpm 영역에서 토크를 측정한 것으로, 위 영역에서는 토크 측정이 가능하다는 것을 보여주고 있다. 300∼500rpm 영역에서는 선형 그래프의 2% 미만으로 반복데이터가 측정되었다. 영구자석(110, 120)을 각각 90도 간격의 4개로 하여 회저축(10)이 1회전 할 때 4개의 신호주기가 획득되어 마치 변형된 Sine 함수와 같이 되자 데이터가 정확성을 가지게 되었다.

한편, 전술한 표 1 에서와 같이 본 발명에 따른 기술은 각각 4개의 네오듐 영구자석(110, 120)을 이용한 값의 평균을 사용하는 방법으로 반복성도 많이 향상되었음을 알 수 있다. 표 1 은 400rpm의 실제 측정데이터와 평균을 보여주고 있으며, 실선으로 표시된 것은 선형 추세선을 표시하고 있다.

전술한 표 1 의 그래프를 보면 개별 제 1 자기저항센서(132)와 제 2 자기저항센서(142)에 의해 측정된 데이터의 평균치는 비교군으로 설치된 토크센서와 비교하여 작은 오차와 선형성을 보여주고 있다. 이러한, 400rpm의 데이터로 이론과 실험 결과를 비교해 보았다. 비교를 위해서 이론적 값인 수학식 1 의 상수 값과 실험 값인 표 1 의 기울기를 비교해 보면 같은 값임을 확인할 수 있다.

수학식 2 에서 L=0.06m, R=0.0125m, G=70Gpa 이다.

전술한 바와 같은 수학식 2를 통해 실험 값을 계산한 결과 표 1 에서와 같이 기울기가 99.1% 일치하는 것을 알 수 있다. 이 실험의 결과는 상용 중인 토크메타의 값과 비교하여 실험 값이 실험이 가능하다는 것을 알 수 있게 해준다.

이상에서와 같이 본 발명에 따른 기술은 비접촉식 토크센서인 제 1 자기저항센서(132)와 제 2 자기저항센서(142)를 이용하여 회전축(10)의 토크를 측정하였으며, 토크 측정을 위해 제 1 및 제 2 네오듐 영구자석(110, 120)을 회전축(10)의 원주면 둘레에 4쌍으로 부착하여 자석 간의 시간차를 이용하였다.

전술한 표 1 에서와 같이 실험은 300∼500rpm까지 50rpm씩 증가시켜 측정을 하였으며, 측정한 결과 상용중인 스트레인 게이지 타입의 토크센서와 오차는 0.5%정도 나는 것을 알 수 있었다. 이에 따라 본 발명에서와 같은 비접촉식 토크센서 기술은 스트레인 게이지 타입의 센서를 대체할 수 있을 것을 기대된다.

본 발명은 전술한 실시 예에 국한되지 않고 본 발명의 기술사상이 허용하는 범위 내에서 다양하게 변형하여 실시할 수가 있다.

10. 회전축
100. 토크 측정장치
110. 제 1 네오듐 영구자석
120. 제 2 네오듐 영구자석
130. 제 1 토크 측정회로
132. 제 1 자기저항센서
140. 제 2 토크 측정회로
142. 제 2 자기저항센서
150. 지지프레임
152. 회전축 지지베어링

Claims (8)

1. 회전축의 부하토크를 측정하는 회전축의 토크 측정장치에 있어서,
   상기 회전축의 원주면 둘레 동일 선상에 등간격으로 부착 고정되는 다수의 제 1 네오듐 영구자석;
   상기 제 1 네오듐 영구자석으로부터 일정 간격 이격된 상기 회전축의 원주면 둘레에 부착 고정되는 다수의 제 2 네오듐 영구자석;
   상기 제 1 네오듐 영구자석에 대응하여 일정간격 이격 설치되어지되 상기 회전축의 회전에 따른 제 1 네오듐 영구자석의 위치를 감지하여 회전축의 토크와 회전속도를 측정하는 제 1 자기저항센서가 구비된 제 1 토크 측정회로;
   상기 제 2 네오듐 영구자석에 대응하여 일정간격 이격 설치되어지되 상기 회전축의 회전에 따른 제 2 네오듐 영구자석의 위치를 감지하여 회전축의 토크와 회전속도를 측정하는 제 2 자기저항센서가 구비된 제 2 토크 측정회로; 및
   상기 제 1 토크 측정회로와 제 2 토크 측정회로를 지지하여 상기 제 1 자기저항센서와 제 2 자기저항센서가 상기 제 1 네오듐 영구자석과 제 2 네오듐 영구자석의 배열 라인 상에 유지되도록 하는 측정회로 지지수단을 포함한 구성으로 이루어진 것을 특징으로 하는 회전축의 토크 측정장치.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 네오듐 영구자석과 제 2 네오듐 영구자석 각각은 4∼16개의 네오듐 영구자석이 상기 회전축의 원주면 둘레에 등간격으로 배열되는 것을 특징으로 하는 특징으로 하는 회전축의 토크 측정장치.
3. 제 2 항에 있어서, 상기 제 1 네오듐 영구자석과 제 2 네오듐 영구자석은 동일 개 수로 이루어진 것을 특징으로 하는 회전축의 토크 측정장치.
4. 제 3 항에 있어서, 상기 제 1 네오듐 영구자석과 제 2 네오듐 영구자석은 일정간격으로 이격된 상태로 상기 회전축의 원주면 둘레 각각에 동일 배열로 부착 고정된 것을 특징으로 하는 회전축의 토크 측정장치.
5. 제 4 항에 있어서, 상기 제 1 토크 측정회로의 제 1 자기저항센서와 상기 제 2 토크 측정회로의 제 2 자기저항센서 각각은 상기 제 1 네오듐 영구자석과 제 2 네오듐 영구자석 각각의 동일선상에 일정 간격으로 이격 설치된 것을 특징으로 하는 회전축의 토크 측정장치.
6. 제 5 항에 있어서, 상기 제 1 토크 측정회로의 제 1 자기저항센서와 상기 제 2 토크 측정회로의 제 2 자기저항센서는 동일 수평선상에 위치된 것을 특징으로 하는 회전축의 토크 측정장치.
7. 제 6 항에 있어서, 상기 제 1 네오듐 영구자석 및 제 2 네오듐 영구자석 사이의 중심 간격과 제 1 자기저항센서 및 제 2 자기저항센서 사이의 중심 간격은 동일한 간격으로 이루어진 것을 특징으로 하는 회전축의 토크 측정장치.
8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 측정회로 지지수단은 상기 제 1 네오듐 영구자석과 제 2 네오듐 영구자석을 포함한 상기 회전축의 일부가 내부에 위치되도록 함체의 형태로 형성되어 회전축이 좌우로 관통되어지되 내측 일측면에는 상기 제 1 네오듐 영구자석과 제 2 네오듐 영구자석 각각에 대응하여 구성되는 상기 제 1 토크 측정회로와 제 2 토크 측정회로를 지지하는 지지프레임; 및
   상기 회전축이 관통되는 상기 지지프레임의 양측에 외륜을 통해 고정되어지되 내륜 상에 결합되는 회전축을 회전 지지하는 회전축 지지베어링의 구성으로 이루어진 것을 특징으로 하는 회전축의 토크 측정장치.

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