KR20180130163A - 능동형 스태빌라이저용 토크센서 모듈 - Google Patents

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KR20180130163A
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Abstract

본 발명은 능동형 스태빌라이저용 토크센서 모듈에 관한 것으로, 측정 대상물에 비접촉 상태에서 자기장을 방출하거나 송신하는 송신부와 상기 측정 대상물에서 방출하는 자기장 값을 검출하거나 수신하는 수신부가 일체로 형성된 토크센서; 및 상기 토크센서를 제어하며, 상기 측정 대상물이 비틀리기 이전에 검출되어 저장된 오프셋 자기장 값과 새로이 검출된 자기장 값의 비교를 통해 변화된 자기장 값을 이용하여 토크를 측정하는 제어부;를 포함한다.

Description

능동형 스태빌라이저용 토크센서 모듈{TORQUE SENSOR MODULE FOR ACTIVE ROLL STABILIZER}
본 발명은 능동형 스태빌라이저용 토크센서 모듈에 관한 것으로, 보다 상세하게는 능동형 스태빌라이저(ARS : Active Roll Stabilizer)가 동작할 때 스태빌라이저(Stabilizer)가 움직이거나 비틀리는 힘을 측정하기 위한 능동형 스태빌라이저용 토크센서 모듈에 관한 것이다.
일반적으로 능동형 스태빌라이저(ARS : Active Roll Stabilizer)는 기존 차량에 장착되어 있는 스태빌라이저(Stabilizer)를 변경시켜 차량의 선회 주행 시에 롤링을 억제할 수 있는 방향으로 비틀림을 발생시키는 장치이며, 이때 전후의 롤 모멘트를 적절히 배분함으로써 선회주행 안정성 향상에도 기여 할 수 있도록 하는 장치이다. 또한 상기 능동형 스태빌라이저(ARS)는 직진 주행시에 좌우 바퀴가 완전히 독립적으로 운동할 수 있도록 스태빌라이저의 운동을 자유롭게 해줌으로써 주행 승차감의 향상에도 기여하는 특징이 있다.
이때 상기 능동형 스태빌라이저(ARS)가 안정적으로 동작하기 위해서는 스태빌라이저의 비틀림을 측정하기 위한 토크센서가 필요하며, 도 1에 도시된 바와 같이, 기존의 토크센서는 강자성체 물질로 구성된 제1 센서(송신부)가 자기 암호화(Magnetic Coded : 전류를 여러 방향으로 인가하면서 내부적으로는 자기장이 형성되지만 서로 반대 방향의 자기장을 갖게 하여 외부적으로는 자기장을 방출하지 않는 것처럼 보이게 하는 것) 되고, 외부에서 발생하는 힘(토크)에 의해서 스태빌라이저가 비틀리면(도 1의 (a)→(b) 참조), 그 비틀림에 의해서 상기 제1 센서(송신부)에서 발생하는 자기장의 변화(즉, 비틀림에 의해서 제1 센서의 내부 자기장이 평형상태를 유지하지 못하고 외부로 일부 자기장을 방사하는 것, 즉, 자왜현상)를 제2 센서(수신부)가 감지하는 구조로 되어 있다.
여기서 상기 도 1은 외부에서 스태빌라이저에 토크가 인가되었을 경우, 기존의 토크센서가 자기장을 감지하는 원리를 개념적으로 설명하기 위해 도시된 것이며, 실제 토크센서의 내부 구조를 도시한 것은 아님에 유의한다.
도 2는 기존의 토크센서의 개략적인 결합상태와 분리상태의 구조를 개략적으로 보인 예시도이다.
상기 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 기존의 토크센서는 별개로 분리된 상기 제1 센서(송신부)에 자기 암호화 작업을 해야 하는 번거로움과 공임비용이 발생하는 문제점이 있으며, 자기 암호화된 상기 제1 센서가 비틀림에 의해서 자기 암호화가 해제되어 외부로 방사되는 자기장을 검출하는 제2 센서, 즉, 기존의 토크센서는 별개로 분리된 두 개의 센서(제1센서, 제2센서)로 구성됨으로써, 결합을 위한 추가적인 공임이 필요하게 되어 토크센서의 단가가 상승하게 되고, 결과적으로 이 토크센서를 적용하는 차량의 단가 상승으로 연결되는 문제점이 있다.
본 발명의 배경기술은 대한민국 등록특허 10-0218792호(1999.06.11. 등록, 에이 알 에스용 롤각 측정장치 및 제어방법)에 개시되어 있다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 창작된 것으로서, 능동형 스태빌라이저(ARS : Active Roll Stabilizer)가 동작할 때 스태빌라이저(Stabilizer)가 움직이거나 비틀리는 힘을 측정하기 위한 능동형 스태빌라이저용 토크센서 모듈을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 능동형 스태빌라이저용 토크센서 모듈은, 측정 대상물에 비접촉 상태에서 자기장을 방출하거나 송신하는 송신부와 상기 측정 대상물에서 방출하는 자기장 값을 검출하거나 수신하는 수신부가 일체로 형성된 토크센서; 및 상기 토크센서를 제어하며, 상기 측정 대상물이 비틀리기 이전에 검출되어 저장된 오프셋 자기장 값과 새로이 검출된 자기장 값의 비교를 통해 변화된 자기장 값을 이용하여 토크를 측정하는 제어부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 측정 대상물은, 강자성체 재질의 동력 전달 샤프트나 드릴 샤프트를 포함하며, 상기 강자성체 재질은, 일시적으로 또는 영구적으로 자화될 수 있는 재질인 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 측정 대상물에 비접촉 상태를 유지하기 위하여, 상기 토크센서가 상기 측정 대상물 표면에서 지정된 간격으로 이격시켜 고정시키는 이격부재를 포함하거나, 상기 지정된 간격에 대응하는 두께를 갖는 비전도성 부재를 포함하여 형성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 토크센서는, 측정 대상물에 힘이 가해져 비틀리게 될 경우, 상기 자기장의 송신 후 상기 자기장에 의해 자화된 측정 대상물에서 방사되는 자기장 값을 검출하고, 상기 검출된 자기장 값과 이전에 측정 대상물이 비틀리기 전에 검출되어 저장된 오프셋 자기장 값의 비교를 통해 변형된 자기장 값에 의해 토크를 검출하는 것을 특징으로 한다.
본 발명은, 상기 제어부의 제어에 따라 상기 오프셋 자기장 값을 저장하는 오프셋 저장부;를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 오프셋 자기장 값은, 상기 측정 대상물이 움직이지 않는 정적인 상태로 유지될 때 그 순간의 잔류 자기장을 측정한 값인 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 제어부는, 상기 오프셋 자기장 값을 오프셋 저장부에 저장하되, 가장 최근에 측정된 오프셋 자기장 값만 저장하거나, 또는 시간 순으로 누적된 다수의 오프셋 자기장 값 중 가장 최근에 측정된 오프셋 자기장 값을 기준으로 과거의 지정된 특정 개수의 오프셋 값의 평균을 현재의 오프셋 자기장 값으로 저장하는 것을 특징으로 한다.
본 발명은, 상기 제어부의 제어에 따라, 상위 제어부와 통신하여 상기 토크센서를 통해 측정된 토크의 크기를 상기 상위 제어부에 전달하거나, 상기 상위 제어부로부터 기 지정된 정보를 수신하여 상기 제어부에 전달하는 통신부;를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 측정 대상물은, 스태빌라이저(Stabilizer)를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 본 발명은 능동형 스태빌라이저(ARS : Active Roll Stabilizer)가 동작할 때 스태빌라이저(Stabilizer)가 움직이거나 비틀리는 힘을 측정하기 위한 능동형 스태빌라이저용 토크센서 및 토크센서 모듈을 제공함에 있어서, 자기 암호화 공정을 거치지 않고도 토크 센싱이 가능하고, 하나의 토크센서를 이용하여 토크 센싱이 가능하며, 시간의 경과에 따라 변경될 수 있는 자기장 성분을 반영할 수 있도록 한다.
도 1은 종래의 토크센서가 자기장을 감지하는 원리를 개념적으로 설명하기 위하여 보인 예시도.
도 2는 종래의 토크센서의 개략적인 결합상태와 분리상태의 구조를 개략적으로 보인 예시도.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 능동형 스태빌라이저용 토크센서의 동작 원리를 개념적으로 설명하기 위하여 보인 예시도.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 능동형 스태빌라이저용 토크센서 모듈의 구성을 개략적으로 보인 예시도.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 능동형 스태빌라이저용 토크센서 모듈의 일 실시예를 설명한다.
이 과정에서 도면에 도시된 선들의 두께나 구성요소의 크기 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시되어 있을 수 있다. 또한, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
일반적으로 능동형 스태빌라이저(ARS : Active Roll Stabilizer)가 동작할 경우, 액추에이터(예 : 모터)가 회전하게 되고, 그 힘이 감속기(미도시)를 거쳐 스탭 바(Stab bar)를 통해 링크(Link)(미도시)로 전달된다. 이때 능동형 스태빌라이저(ARS)는 전체적으로 비틀리게 되는데, 이때 발생하는 토크를 토크센서를 이용하여 측정하게 되며, 상기 토크센서를 통해 측정된 토크의 피드백을 통해 제어의 정확성 향상과 페일세이프(Fail Safe) 및 고장 감지를 수행할 수 있게 된다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 능동형 스태빌라이저용 토크센서의 동작 원리를 개념적으로 설명하기 위하여 보인 예시도이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 능동형 스태빌라이저용 토크센서(100)는, 측정 대상인 피검사체 또는 대상물(예 : 동력 전달 샤프트, 또는 드릴 샤프트 등)은 강자성체(즉, 일시적으로 또는 영구적으로 자화될 수 있는 재질인 것으로 가정한다)의 비틀림을 검출한다.
본 실시예에 따른 능동형 스태빌라이저용 토크센서(100)는, 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 피검사체 또는 대상물에 접촉되지 않은 상태(즉, 비접촉 상태)에서 자기장을 이용해 비틀림 토크를 검출한다. 이때 상기 피검사체 또는 대상물은 강자성체로서 자기 유지 특성을 갖는 재질인 경우, 본 실시예에 따른 능동형 스태빌라이저용 토크센서(100)에 의해 일시적 또는 영구적으로 자화될 수 있으며, 이에 따라 비접촉식으로 비틀림 토크를 검출할 수 있게 된다.
도 3에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 능동형 스태빌라이저용 토크센서(100)는, 피검사체 또는 대상물로의 자기장의 송신(즉, 방사)과 상기 피검사체 또는 대상물로 부터의 자기장의 수신(즉, 검출)을 수행한다.
아울러 상기 피검사체 또는 대상물은 강자성체 재질로서 잔류자기장이 발생할 수 있으며, 이에 따라 본 실시예에 따른 능동형 스태빌라이저용 토크센서(100)는 움직이지 않는 대상물, 특정 속도로 움직이는 대상물, 또는 특정 방향으로 움직이는 대상물의 자기장을 검출할 수 있다.
본 실시예에 따른 능동형 스태빌라이저용 토크센서(100)는 토크를 검출하기 위해 측정 대상물에 가까이 설치되되 비접촉 상태로 설치된다. 즉, 상기 토크센서(100)가 측정 대상물 표면에서 공간(즉, 공기 자체가 매질이 됨)을 두고 설치되거나, 일정한 두께를 갖는 비전도체를 통해 설치될 수 있다. 즉, 상기 토크센서(100)가 상기 측정 대상물 표면에서 지정된 간격으로 이격시켜 고정시키는 이격부재를 포함하거나, 상기 지정된 간격에 대응하는 두께를 갖는 비전도성 부재를 포함하여 형성될 수 있다.
본 실시예에 따른 능동형 스태빌라이저용 토크센서(100)는 내부 송신부를 통해 측정 대상물의 표면을 관통할 수 있는 자기장을 방출하고, 내부 수신부를 통해 측정 대상물로부터 복귀하는(즉, 측정 대상물에서 방출되는) 자기장을 수신(즉, 검출)한다.
한편 본 실시예에 따른 능동형 스태빌라이저용 토크센서(100)의 동작을 위한 기본적인 배경이론은 "강자성체를 통과하는 자력선의 물리적 경로는 대상물에 작용하는 기계적 힘에 영향을 받는다"는 것이다. 이에 따라 상기 측정 대상물의 표면을 통과하는 자기장(또는 교류 자기장)은 측정 대상물에 적용되는 기계적인 힘의 영향을 받는다.
여기서 상기 기계적인 힘은 상기 토크센서(100)의 송신부가 초기에 송신했던 자기장의 특성을 변화시키고, 이러한 특성 변화는 상기 토크센서(100)의 수신부에 의해 감지된다.
본 실시예에서 상기 토크센서(100)에 의해 자기장이 검출되는 측정 대상물(예 : Shaft)은 제조 공정상에 어떠한 자기 암호화(Magnetic Coded)를 수행하지 않는다. 따라서 강자성체 재질인 측정 대상물은 제조될 때 마다 초기의 고유한 자기장 성분을 갖게 된다. 이러한 측정 대상물의 자기장 성분은 매 번(즉, ARS 시스템이 동작할 때 마다) 바뀔 수 있다. 따라서 도 3의 (a)에 도시된 바와 같이, 토크센서(100)를 통한 측정 대상물의 토크 검출 초기에 상기 자기장의 크기(초기의 자기장의 크기)를 오프셋으로 설정하며, 상기 초기 자기장의 크기는 시간이 경과함에 따라 변경될 수 있어서 한 번 이상 교정할 수 있다.
도 3의 (b)를 참조하면, 토크센서(100)를 통한 토크 검출 초기에 측정 대상물의 오프셋 자기장 값을 가진 상태에서 상기 측정 대상물에 자기장을 방사(즉, 송신)하고, 상기 자기장의 방사(즉, 송신) 후 돌아오는 자기장(즉, 자화된 측정 대상물에서 방사되는 자기장)의 크기와 형태를 검출하여 대상 측정물에 얼마의 힘(토크)이 가해졌는지를 판단한다.
도 3의 (c)를 참조하면, 측정 대상물에 힘(토크)이 가해져 비틀리게 될 경우, 상기 토크센서(100)는 상기 자기장의 방사(즉, 송신) 후 돌아오는 자기장(즉, 자화된 측정 대상물에서 방사되는 자기장)의 크기와 형태를 검출하였을 때 오프셋 자기장 값 대비 자기장의 크기와 형태가 변경된 것을 검출하게 된다.
이상으로 본 실시예에 따른 토크센서(100)의 동작 원리에 대해서 설명하였으며, 이하 상기 토크센서(100)를 포함하는 토크센서 모듈(200)에 대해서 설명한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 능동형 스태빌라이저용 토크센서 모듈의 구성을 개략적으로 보인 예시도이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 능동형 스태빌라이저용 토크센서 모듈(200)은, 토크센서(100), 제어부(110), 오프셋 저장부(120), 및 통신부(130)를 포함한다.
상기 제어부(110)는 측정 대상물이 움직이지 않는 정적인 상태로 유지되면, 그 순간의 잔류 자기장을 측정하여 오프셋(일종의 기준 자기장) 값으로 설정한다.
상기 오프셋(일종의 기준 자기장) 값은 상기 오프셋 저장부(120)에 시간에 따라 순차로 저장된다.
이때 상기 제어부(110)는 가장 최근에 측정된 오프셋(일종의 기준 자기장) 값만 저장하거나, 일시적인 오프셋 값 측정 오류를 방지하기 위하여 시간 순으로 누적된 다수의 오프셋 값 중 가장 최근에 측정된 오프셋 값을 기준으로 과거의 지정된 특정 개수(예 : 5개)의 오프셋 값의 평균을 현재의 오프셋(일종의 기준 자기장) 값으로 저장할 수도 있다.
이때 상기 측정 대상물의 내부에 저장되어 있을 수 있는 자기장의 세기는 시간이 경과함에 따라 약해질 수 있으므로, 오프셋(측정 대상물이 움익이지 않을 때 측정된 순간의 잔류 자기장으로서, 일종의 기준 자기장) 값은 시간의 경과에 따라 한 번 이상 교정될 수 있다.
상기 제어부(110)는 상기 오프셋 저장부(120)에 저장된 오프셋 자기장 값과 차량의 주행 중 실시간으로 측정된 자기장 값(예 : 자기장의 세기, 자기장의 형태 등)의 차이를 통해 측정 대상물에 가해지는 힘(토크)의 크기를 측정할 수 있다.
상기 통신부(130)는, 상기 제어부(110)의 제어에 따라, 상위 제어부(예 : 차량 ECU)(미도시)와 통신하여 상기 토크센서(100)를 통해 측정된 토크의 크기를 상기 상위 제어부(예 : 차량 ECU)(미도시)에 전달하거나, 상기 상위 제어부(예 : 차량 ECU)(미도시)로부터 기 지정된 정보(예 : 차량 주행 정보, 시동 정보 등)를 수신하여 상기 제어부(110)에 전달한다.
상기 제어부(110)는 실시간으로 측정 대상물에 가해지는 힘(토크)의 크기를 측정하여 상기 통신부(130)를 통해 상위 제어부(예 : 차량 ECU)(미도시)로 전달하되, 상기 측정된 토크의 크기 값을 안정적으로 전달하기 위하여 내부 메모리(미도시)를 통해 버퍼링할 수도 있다.
한편 상기 제어부(110)는 상기 토크센서(100)의 송신부와 수신부를 각기 제어할 수 있다. 가령 상기 제어부(110)는 상기 토크센서(100)의 송신부를 전자석 형태로 필요시에만 전원을 인가하여 자기장을 송신하게 할 수 있고, 마찬가지로 상기 제어부(110)는 상기 토크센서(100)의 수신부에 필요시에만 전원을 인가하여 측정 대상물에서 방사되는 자기장을 검출할 수 있다.
이때 상기 제어부(110)는 필요에 따라 상기 토크센서(100)의 송신부와 수신부를 동시에 구동하거나 번갈아가며 구동할 수 있다.
상기와 같이 본 실시예는 토크센서(100) 단독으로 측정 대상물에 대하여 비접촉 상태에서 토크의 측정이 가능하므로, 자기 암호화(Magnetic Coded) 공정을 수행하지 않아도 되는 장점이 있다. 또한 본 실시예는 토크센서(100) 혹은 토크센서 모듈(200)에 의해 단독으로 측정 대상물에 대하여 비접촉 상태에서 토크의 측정이 가능하므로, 구조가 간단하고 결합(기존 토크센서는 하우징을 이용해 제1센서와 제2센서를 결합)을 위한 하우징이 추가로 필요하지 않은 장점이 있다. 또한 손 실시예는 토크센서(100)를 통해 필요에 따라 측정 대상물을 자화시켜 잔류 자기장을 측정하여 토크를 검출하는 방식이므로, 측정 대상물에 대하여 별도의 특수 처리나 재질을 제한하지 않아도 되는 장점이 있다. 상기와 같이 본 실시예는 제작 공정이 단순화되고 차량에 설치하는 부품의 수를 감소시킬 수 있도록 하는 효과가 있다.
이상으로 본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 하여 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 기술적 보호범위는 아래의 특허청구범위에 의해서 정하여져야 할 것이다.
100 : 토크센서
110 : 제어부
120 : 오프셋 저장부
130 : 통신부
200 : 토크센서 모듈

Claims (9)

  1. 측정 대상물에 비접촉 상태에서 자기장을 방출하거나 송신하는 송신부와 상기 측정 대상물에서 방출하는 자기장 값을 검출하거나 수신하는 수신부가 일체로 형성된 토크센서; 및
    상기 토크센서를 제어하며, 상기 측정 대상물이 비틀리기 이전에 검출되어 저장된 오프셋 자기장 값과 새로이 검출된 자기장 값의 비교를 통해 변화된 자기장 값을 이용하여 토크를 측정하는 제어부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 능동형 스태빌라이저용 토크센서 모듈.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 측정 대상물은,
    강자성체 재질의 동력 전달 샤프트나 드릴 샤프트를 포함하며,
    상기 강자성체 재질은, 일시적으로 또는 영구적으로 자화될 수 있는 재질인 것을 특징으로 하는 능동형 스태빌라이저용 토크센서 모듈.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 측정 대상물에 비접촉 상태를 유지하기 위하여,
    상기 토크센서가 상기 측정 대상물 표면에서 지정된 간격으로 이격시켜 고정시키는 이격부재를 포함하거나, 상기 지정된 간격에 대응하는 두께를 갖는 비전도성 부재를 포함하여 형성되는 것을 특징으로 하는 능동형 스태빌라이저용 토크센서 모듈.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 토크센서는,
    측정 대상물에 힘이 가해져 비틀리게 될 경우,
    상기 자기장의 송신 후 상기 자기장에 의해 자화된 측정 대상물에서 방사되는 자기장 값을 검출하고,
    상기 검출된 자기장 값과 이전에 측정 대상물이 비틀리기 전에 검출되어 저장된 오프셋 자기장 값의 비교를 통해 변형된 자기장 값에 의해 토크를 검출하는 것을 특징으로 하는 능동형 스태빌라이저용 토크센서 모듈.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 제어부의 제어에 따라 상기 오프셋 자기장 값을 저장하는 오프셋 저장부;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 능동형 스태빌라이저용 토크센서 모듈.
  6. 제 1항에 있어서, 상기 오프셋 자기장 값은,
    상기 측정 대상물이 움직이지 않는 정적인 상태로 유지될 때 그 순간의 잔류 자기장을 측정한 값인 것을 특징으로 하는 능동형 스태빌라이저용 토크센서 모듈.
  7. 제 1항에 있어서, 상기 제어부는,
    상기 오프셋 자기장 값을 오프셋 저장부에 저장하되,
    가장 최근에 측정된 오프셋 자기장 값만 저장하거나, 또는
    시간 순으로 누적된 다수의 오프셋 자기장 값 중 가장 최근에 측정된 오프셋 자기장 값을 기준으로 과거의 지정된 특정 개수의 오프셋 값의 평균을 현재의 오프셋 자기장 값으로 저장하는 것을 특징으로 하는 능동형 스태빌라이저용 토크센서 모듈.
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 제어부의 제어에 따라, 상위 제어부와 통신하여 상기 토크센서를 통해 측정된 토크의 크기를 상기 상위 제어부에 전달하거나, 상기 상위 제어부로부터 기 지정된 정보를 수신하여 상기 제어부에 전달하는 통신부;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 능동형 스태빌라이저용 토크센서 모듈.
  9. 제 1항에 있어서, 상기 측정 대상물은,
    스태빌라이저(Stabilizer)를 포함하는 것을 특징으로 하는 능동형 스태빌라이저용 토크센서 모듈.
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