KR20200108881A - 토크 전달 샤프트에 인가되는 힘 및/또는 토크를 결정하기 위한 측정 시스템 및 방법 - Google Patents

토크 전달 샤프트에 인가되는 힘 및/또는 토크를 결정하기 위한 측정 시스템 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 토크 전달 샤프트(3)에 인가되는 힘 및/또는 토크를 결정하기 위한 측정 시스템(1)에 관한 것으로서, 측정 시스템(1)은 적어도 3개, 특히 적어도 4개의 압전 소자(4a, 4b, 4c, 4d)를 가지되, 압전 소자는 각각 바람직한 방향(Va, Vb, Vc, Vd)을 갖고 샤프트(3)를 통해 전달되는 힘 흐름 내에서 샤프트(3)의 회전축(D) 주위의 서로 다른 위치에 각각 배치되어 있으며, 상기 배치는 상기 힘 흐름의 힘이 압전 소자(4a, 4b, 4c, 4d)에 특히 전적으로 작용하도록 이루어지고; 상기 바람직한 방향은 각각 회전축이 통과하여 지나가는 단일 평면에 평행하거나 단일 평면 내에 있고; 압전 소자(4a, 4b, 4c, 4d) 중 2개, 특히 3개의 바람직한 방향(Va; Vb; Vc; Vd)은 서로 평행 또는 역평행하지 않게 배향되어 있다.

Description

토크 전달 샤프트에 인가되는 힘 및/또는 토크를 결정하기 위한 측정 시스템 및 방법
본 발명은 토크 전달 샤프트에 인가되는 힘 및/또는 토크를 결정하기 위한 측정 시스템에 관한 것으로서, 상기 측정 시스템은 적어도 3개, 특히 적어도 4개의 압전 소자를 가지되, 압전 소자는 각각 바람직한 방향을 갖고 샤프트를 통해 전달되는 힘 흐름 내에서 샤프트의 회전축 주위의 서로 다른 위치에 각각 배치되어 있으며, 상기 배치는 상기 힘 흐름의 힘이 압전 소자에 특히 전적으로 작용하도록 이루어진다.
엔진, 특히 내연기관 또는 전기 기계를 개발 및 제어할 때, 특히 테스트벤치 작동에 있어서 모터의 샤프트에 인가되는 토크를 최대한 정확하게 아는 것이 중요하다.
이를 위해 스트레인 게이지 또는 압전 센서를 구비한 측정 시스템을 사용하는 것이 종래 기술에 공지되어 있다.
스트레인 게이지 및 유사한 측정 소자는 일반적으로 정적 힘을 측정하는데 사용된다. 그러나 일반적으로 이러한 유형의 측정 소자를 구비한 측정 시스템은 너무 긴 반응 시간을 갖고 있어 동적 힘 변화를 측정할 수 없다. 이에 반해, 압전 측정 소자 또는 압전 소자는 동적 인장력, 압축력 및 전단력을 측정하기에 적합하다. 이들은 넓은 동적 범위를 갖고 있고, 강직하며, 높은 동적 힘을 동시에 높은 식별력으로 측정할 수 있다.
문헌 EP 0 266 452 A1은 힘 및 토크 측정용 압전 센서 소자로서, 적어도 2개의 압전 소자와 그 사이에 배치되고 절연 재료로 제조된 적어도 하나의 지지판으로 구성되어 있되, 상기 압전 소자는 지지판의 좌표계에 대해 결정학적으로 미리 배향되고 지지판에 견고하게 결합되어 있는 압전 센서 소자에 관한 것이다.
문헌 DE 195 25 22 A1은 다수 개의 힘 측정 셀과 증폭 장치로 구성된 힘 및 토크 측정 장치로서, 상기 다수 개의 힘 측정 셀은 조립판 사이의 측정부에 견고하게 나사 결합되어 있고 토크 형성이 가능하도록 좌표축에 대해 배치되어 있으며, 평가를 위해 힘 측정 셀의 신호를 일군의 증폭기로 안내하고 상기 신호의 출력을 또한 일군의 연산 증폭기로 안내하여 개개의 힘 성분과 힘 모멘트를 모두 측정할 수 있는 것을 특징으로 하는 측정 장치에 관한 것이다.
문헌 DE 10 2009 014284 B4는 축 방향으로 평행하게 대향 위치해 있고 반경 방향으로 내부에 위치해 있는 토크 전달 소자에 의해 서로 견고하게 결합되어 있는 제1 및 제2 디스크형 체결 플랜지로 구성되되, 상기 제2 체결 플랜지는 측정 플랜지로서 반경 방향 외측 체결 영역과 동축으로 내부에 위치해 있는 토크 전달 소자 사이의 동축으로 둘러싸고 있는 영역에 반경 방향의 보강 웹에 의해 서로 분리된 다수 개의 리세스 및 전단력 센서를 포함하도록 구성되어 있고, 상기 리세스는 일측에 축 방향 바깥쪽으로 개방된 적어도 3개의 측정 포켓에 의해 형성되고 상기 측정 포켓의 바닥면은 균일하게 얇고 스프링 탄성이 있는 변형체를 구성하는 균일한 폐쇄면으로서 형성되어 있고, 상기 전단력 센서가 바닥면 또는 상기 측정 포켓의 축방향으로 대향 위치해 있는 외면에 적용되는 토크 센서에 관한 것이다.
본 발명의 목적은 토크 전달 샤프트에 인가되는 토크 또는 힘의 결정을 향상시킬 수 있게 하는 것이다. 특히, 본 발명의 목적은 보정이 용이한 측정 시스템을 제공하는 것이다.
상기 목적은 독립항에 따른 힘 및/또는 토크를 결정하기 위한 측정 시스템, 토크 전달 샤프트에 인가되는 토크 및/또는 샤프트에 인가되는 힘을 결정하기 위한 방법 및 측정 시스템을 보정하기 위한 방법에 의해 달성된다. 유리한 실시형태들은 종속항에 청구되어 있다.
본 발명의 제1 양태는 토크 전달 샤프트에 인가되는 힘 및/또는 토크를 결정하기 위한 측정 시스템에 관한 것으로서, 상기 측정 시스템은 적어도 3개, 특히 적어도 4개의 압전 소자를 가지되, 압전 소자는 각각 바람직한 방향을 갖고 샤프트를 통해 전달되는 힘 흐름 내에서 샤프트의 회전축 주위의 서로 다른 위치에 각각 배치되어 있으며, 상기 배치는 상기 힘 흐름의 힘이 압전 소자에 특히 전적으로 작용하도록 이루어지고, 상기 바람직한 방향은 각각 회전축이 통과하여 지나가는 단일 평면에 평행하거나 단일 평면 내에 있고, 상기 압전 소자 중 2개, 특히 3개의 바람직한 방향은 서로 평행 또는 역평행하지 않게 배향되어 있다.
본 발명의 제1 양태에서 추가 기재된 특징 및 장점들은 본 발명의 다른 양태에도 적용되며 그 반대도 마찬가지이다.
본 발명에서 힘의 흐름은 기계 시스템에서 작용점, 특히 도입점으로부터 반력 및/또는 반력 모멘트(reaction moment)에 의해 힘 및/또는 토크가 측정되는 하나 이상의 지점에 이르는 힘 및/또는 토크의 경로를 의미한다. 상기 힘의 흐름은 바람직하게는 힘, 특히 샤프트의 회전 방향에 대한 횡방향 힘 및 특히 회전축 주위의 토크로 구성된다.
본 발명에서 동력 흐름은 기계 시스템에서 동력을 도입점으로부터 또는 상기 동력이 줄어드는 하나 이상의 지점에 이르는 동력의 전달 경로를 의미한다.
본 발명에서 고정부는 바람직하게는 특히 상기 압전 소자를 지지, 특히 체결하기 위해 사용된다. 더욱 바람직하게는 상기 고정부는 개개의 압전 소자를 연결하여 이들을 서로 상대적인 위치에 고정 유지시킨다. 상기 고정부는 어댑터 플레이트, 링 요소, 측정 플랜지 또는 체결 브래킷인 것이 바람직하다. 보다 바람직하게 상기 고정부는 기존 장치, 예를 들어 하우징, 변속기 또는 기계의 일부일 수 있다.
본 발명에서 압전 소자는 바람직하게는 압전 소자에 인접한 2개의 면에 작용하는 힘을 측정하도록 구성된 측정 소자를 의미한다. 바람직하게는 압전 소자는 압전 결정 및 전하 도체 또는 전기 회로로 구성된다.
본 발명에서 측정 시스템은 바람직하게는 압전 센서를 의미한다. 이 경우, 상기 측정 시스템은 압전 소자의 하우징 역할을 한다. 이와 달리, 상기 측정 시스템은 압전 소자가 별도의 하우징에 배치되어 있는 개개의 압전 센서를 포함할 수도 있다.
본 발명의 의미에서 기계는 에너지, 바람직하게는 운동 에너지, 특히 회전 에너지를 전기 에너지로 변환시키거나 그 반대로 화학 에너지로부터 운동 에너지로 변환하도록 구성된다. 본 발명의 의미에서 기계는 바람직하게는 하우징을 포함한다.
본 발명에서 베어링 장치는 바람직하게는 샤프트, 특히 구름 베어링, 볼 베어링 또는 평 베어링을 회전 가능하게 지지하기 위한 장치를 의미한다. 상기 베어링 장치 또한 하우징을 포함하는 것이 바람직하다. 상기 베어링 장치 자체는 바람직하게는 자체 지지된다. 본 발명에 따른 베어링 장치는 기계 또는 기계의 일부인 것이 보다 바람직하다.
본 발명에서 지지 장치는 바람직하게는 소자에 작용하는 힘 및/또는 소자에 작용하는 토크에 대해 상기 소자를 지지하기 위한 장치를 의미한다. 지지 장치는 바람직하게는 소위 반력 또는 베어링 반력을 제공하도록 구성된다. 본 발명의 의미에서 지지 장치는 바람직하게는 상기 베어링 장치를 지지하기 위해 사용된다. 상기 지지 장치는 바람직하게는 변속기 커버, 구동 트레인의 하우징 또는 베이스 플레이트이다.
본 발명에서 용어 "장착 가능한"은 "장착될 수 있는" 또는 "장착되는"을 의미한다.
본 발명에서 용어 "연결 가능한"은 "연결될 수 있는" 또는 "연결되는"을 의미한다.
본 발명에서 용어 "도입 가능한"은 "도입될 수 있는" 또는 "도입되는"을 의미한다. 바람직하게는 하나의 물체에서 또 다른 물체로 힘이 전달되는 것을 의미한다.
본 발명에서 용어 "지지 가능한"은 "지지될 수 있는" 또는 "지지되는"을 의미한다.
본 발명에서 용어 "통과 가능한"은 "통과될 수 있는" 또는 "통과되는"을 의미한다.
본 발명에서 용어 "내응력성"은 "내응력성일 수 있는" 또는 "내응력성이 있는"을 의미한다.
본 발명에서 용어 "배치 가능한"은 "배치될 수 있는" 또는 "배치되는"을 의미한다.
본 발명은 특히 개별 측정 소자의 측정 신호를 토대로 힘 성분과 토크 성분에 대한 방정식계(equation system)에 의해 토크 전달 샤프트에 인가되는 힘 및/또는 토크를 측정하는 방식을 기반으로 한다.
이를 위해 적어도 3개의 바람직한 방향은 각각 샤프트의 회전축이 통과하여 지나가는 평면에 평행하거나 평면 내에 있어야 한다. 상기 평면은 바람직하게는 샤프트의 회전축에 거의 수직으로 배향된다. 또한 상기 3개의 바람직한 방향은 다양한 힘 성분이 다양한 지점에서 측정되도록 배향되어야 한다. 이에 따라 적어도 2개, 바람직하게는 3개의 바람직한 방향은 서로 평행 또는 역평행하지 않게 배향되어야 한다.
위에서 언급한 배치에 의해 적어도 2개의 압전 소자의 측정 신호는 선형의 독립적인 성분으로 분리될 수 있다. 특히 상기 샤프트에 작용하는 어떠한 힘 및 어떠한 토크도 상기 방식으로 배치된 압전 소자로부터의 측정 신호에 의해 평면에서 결정될 수 있다.
본 발명에 따른 측정 시스템에서는 다양한 힘 성분 및 토크 성분에 대한 개별 압전 소자의 기여를 고려함으로써 힘 또는 토크를 결정하기 위해 모든 압전 소자를 사용할 수 있다.
이로 인해 다양한 힘의 방향 및/또는 토크를 결정하기 위해 서로 다른 압전 소자 또는 압전 소자군을 제공할 필요는 없다. 이는 힘 성분 또는 토크의 측정에 기여하지 않는 압전 소자가 이들 힘 성분 또는 토크에 대해 측정 결과를 악화시키는 힘 분로(force shunt)를 형성하기 때문에 유리하다. 본 발명에 따른 측정 시스템에서 힘 분로는 필요에 따라 상기 압전 소자가 체결되는 체결 수단을 통해 발생한다.
본 발명에 따르면, 고려된 힘 성분 또는 토크에 기여하지 않는 압전 소자의 측정 신호 부분은 고려하지 않는다. 이에 따라 측정 신호의 바람직하지 않은 부분을 제거하기 위해 역평행 방향의 바람직한 방향을 가진 압전 소자의 쌍을 이루는 배치는 본 발명에 따른 측정 시스템에 의해 필요한 것은 아니다.
상기 측정 시스템은 바람직하게 샤프트의 회전 방향에 접선 방향으로 작용하고 토크에 기여하는 힘 뿐 아니라 샤프트의 회전 방향에 수직으로, 특히 평면에서 2개의 직교하는 방향으로 작용하고 샤프트의 요동에 기여할 수 있는 횡방향 힘을 측정하도록 구성된다.
또한 본 발명에 따르면, 개별적인 힘의 방향 또는 토크를 결정하기 위해 바람직하게는 적절한 개수의 압전 소자를 사용할 수 있다. 이로 인해, 측정 정확도가 크게 향상될 수 있다.
측정시 압전 소자를 사용하면 높은 동적 힘의 변화 또는 토크 변화를 기록할 수 있다.
측정을 위해 3개가 넘는 압전 소자를 사용하면 측정 정확도를 더욱 높일 수 있다. 압전 소자의 2개 이상의 바람직한 방향이 서로 평행 또는 역평행하지 않게 배향되어 있는 경우에도 마찬가지이다.
특히 3개가 넘는 압전 소자를 구비한 측정 시스템의 또 다른 유리한 실시형태에 있어서, 상기 압전 소자는 상기 평면에 투영시 서로에 대한 각각의 위치와 관련하여 대칭축 및/또는 대칭점이 존재하지 않도록 기하학적으로 배치된다.
본 발명에 따른 측정 시스템에 의하면, 특히 쌍을 이루는 거울 반전 방식으로 배치될 필요가 없는 압전 소자의 배치가 가능하다. 상기 압전 소자의 배치의 비대칭성은 힘 또는 토크의 특히 정확한 결정을 가능하게 한다.
적어도 하나의 압전 소자의 바람직한 방향은 샤프트의 회전 방향에 접선 방향이 아닌 것이 바람직하다.
상기 측정 시스템의 또 다른 유리한 실시형태에 있어서, 상기 압전 소자는 적어도 2개의 압전 소자가 회전축의 서로 다른 반경 방향 거리를 갖고 및/또는 2개의 원형 섹터가 각각의 2개의 압전 소자 사이의 회전축 주위에서 서로 다른 각도에 의해 한정되도록 기하학적으로 배치된다.
이로 인해 상기 압전 소자의 배치의 큰 비대칭성이 또한 가능해져 측정 정확도를 높인다.
또 다른 유리한 실시형태에 있어서, 본 발명에 따른 측정 시스템은, 특히 상기 압전 소자의 개개의 바람직한 방향 또는 개개의 압전 소자에 의해 측정된 힘을 적어도 2개의 성분으로 직교(orthogonal) 분리하는 것에 의해, 특히 상기 샤프트에 인가되는 힘 및/또는 토크를 측정하도록 구성된 신호 처리부를 더 포함하되 경우에 따라 평행한 성분들은 합산된다. 이때 제1 성분은 바람직하게는 상기 샤프트의 회전 방향에 적어도 실질적으로 접선 방향이고 제2 성분은 바람직하게는 상기 회전 방향에 적어도 실질적으로 수직이다.
상기 바람직한 방향 또는 힘을 분리함으로써 압전 소자로부터의 다수의 측정 신호를 고려할 수 있으며, 이들은 각각 측정 신호 또는 소정 방향의 힘에 기여한다.
본 발명에 따라 배치된 3개의 압전 소자에 대한 방정식계의 해가 확실하더라도 더 많은 압전 소자가 방정식계에서 고려될 때에는 시스템의 더 정확한 해를 얻을 수 있다. 이를 위해 상기 힘 성분 및/또는 토크는 바람직하게는 경우에 따라 3개의 측정 신호의 조합으로부터 계산되고 이어서 상기 조합의 수를 통해 평균화된다.
또한 상기 측정 신호를 바람직한 방향 또는 힘의 성분으로 분리하면 개별 압전 소자의 바람직한 방향에 대한 압전 소자의 정확한 설치 상황을 알 필요가 없다는 추가적인 장점이 있다. 상기 샤프트에 대한 압전 소자의 배치, 특히 그 반경 방향 거리를 알 필요가 없다. 이 경우, 2개의 파라미터를 보정 측정에 의해 결정할 수 있다.
바람직한 방향이 평면에 평행하거나 평면 내에 있는 모든 압전 소자로부터의 측정 신호를 이용하여 힘 및/또는 토크를 결정하는 것이 바람직하다. 이로 인해 측정에 관여하지 않는 센서의 힘 분로를 통해 힘 흐름의 일부가 손실되는 것이 방지된다.
본 발명에 따른 측정 시스템의 또 다른 바람직한 실시형태에 있어서, 상기 평면은 샤프트의 회전축에 적어도 실질적으로 수직으로 배향된다.
이러한 상기 평면의 배향 및 이와 관련한 압전 소자의 바람직한 방향의 배향을 통해 회전 방향에 대한 토크 및 횡방향 힘에 대해 특히 높은 측정 식별력이 구현될 수 있다. 상기 평면이 회전축에 수직이지 않은 경우에 측정 신호는 횡방향의 힘과 토크 결정에 비율로서만 고려된다. 상기 비율은 각각 회전축에 직각 또는 수직인 가상 평면에 압전 소자 각각의 바람직한 방향의 투영에 해당한다.
본 발명에 따른 측정 시스템의 또 다른 유리한 실시형태에 있어서, 상기 힘이 도입되는 압전 소자의 표면은 상기 평면과 적어도 실질적으로 평행하다. 그 결과, 특히 상기 압전 소자에 전단력이 잘 도입될 수 있다.
본 발명에 따른 측정 시스템의 또 다른 유리한 실시형태에 있어서, 상기 압전 소자는 힘 흐름에 대해 힘 분로를 형성하고, 특히 체결 수단에서 힘 분로는 힘 흐름의 힘의 10% 미만, 바람직하게는 5% 미만, 가장 바람직하게는 2% 미만을 차지한다. 이를 통해 힘 및/또는 토크를 특히 정확하게 결정할 수 있다.
본 발명에 따른 측정 시스템의 또 다른 유리한 실시형태에 있어서, 상기 샤프트의 회전축 방향으로 추가 압전 소자가 각각의 압전 소자 옆에 배치되고, 상기 추가 압전 소자는 바람직한 방향으로 상기 평면에 평행하지 않은 방향, 특히 적어도 실질적으로 수직으로 배향되며, 상기 압전 소자는 그 옆에 각각 배치된 추가 압전 소자와 쌍을 이루고, 상기 힘 흐름의 힘은 특히 실질적으로 상기 쌍에 인가된다.
상기 추가 압전 소자를 제공함으로써 상기 평면에서는 성분의 2차원 측정이 이루어질 뿐만 아니라, 모든 힘 성분을 3차원으로 측정할 수 있다. 이는 상기 샤프트의 회전축 방향의 압축력 또는 인장력을 결정할 때 특히 유용하다. 바람직한 방향이 평면에 평행하게 또는 평면 내에 있는 각각의 압전 소자와 쌍을 이루는 특히 유리한 배치를 통해 힘 분로는 가능한 한 낮게 유지되거나 완전히 중단된다.
또 다른 유리한 실시형태에 있어서, 상기 측정 시스템은 고정부, 특히 베어링 케이지를 포함하고, 상기 고정부는 압전 소자를 운반하고 서로를 향해 위치시킨다.
이러한 고정부 제공에 의해 상기 측정 시스템은 폐쇄형 유닛으로서 사용될 수 있고, 개개의 압전 소자는 서로에 대해 고정된 위치를 갖는다. 특히 이러한 측정 시스템은 미리 보정될 수 있고, 상기 압전 소자의 바람직한 방향 각각의 배향 및 개별 압전 소자의 위치는 고정부의 좌표계에 미리 한정된다. 상기 압전 소자는 고정부에 있는 리세스, 특히 블라인드 홀 내 적어도 50%, 보다 바람직하게는 적어도 70%, 더욱 더 바람직하게는 적어도 90% 수용되는 것이 더욱 바람직하다.
본 발명에 따른 측정 시스템의 또 다른 유리한 실시형태에 있어서, 상기 압전 소자는 회전축 주위에 불균일하게 분포된다. 그 결과, 설계를 이유로 회전축 주위의 모든 지점에서 토크를 결정할 수 있는 측정 장치를 구현할 수 있다.
또 다른 유리한 실시형태에 있어서, 모든 압전 소자 및/또는 쌍은 회전축 주위의 소정의 원형 섹터 내에서 α < 300°, 바람직하게는 α < 240°, 보다 바람직하게는 α < 180°, 가장 바람직하게는 α < 120°의 각도로 배치되되 바람직하게는 상기 각도 섹터를 덮도록 고정부가 구성된다.
본 발명에 따른 측정 시스템의 또 다른 유리한 실시형태에 있어서, 상기 샤프트는 출력 및/또는 입력 샤프트가 토크 전달 샤프트에 의해 형성되는 베어링 장치, 특히 기계에 의해 지지되되, 고정부가 상기 압전 소자 및/또는 쌍을 지지하고 상기 압전 소자에 의해 베어링 장치 및 베어링 장치를 지지하기 위한 지지 장치 사이에서 힘, 특히 전단력을 측정할 수 있다.
이러한 구성으로 인해 상기 토크 전달 샤프트에 인가되는 힘 및/또는 토크는 상기 샤프트에서 직접 측정할 필요가 없다.
특히 예를 들어 앞에서 인용한 DE 2009 014 284 B4에 기재되어 있는 바와 같이 상기 토크 전달 샤프트에 나사 결합되거나 다른 방식으로 체결되는 측정 장치를 사용할 필요가 없다. 이에 비해, 본 실시형태에서는 상기 샤프트의 베어링 장치에 반력으로서 인가되는 모든 힘을 측정하고 상기 힘으로부터 샤프트에 인가되는 힘 또는 샤프트에 인가되는 토크를 판단한다. 다시 말해, 본 발명에 따르면 상기 힘은 힘 흐름 내에서 그러나 동력 흐름 밖의 토크 전달 샤프트가 아닌 다른 지점에서 측정되며 상기 힘으로부터 토크 전달 샤프트에 인가되는 토크가 결정, 특히 계산된다.
한편, 측정 소자로서 사용되는 압전 소자의 강도와 강성으로 인해 상기 베어링 장치는 바람직하게는 압전 소자에 의해 완전히 지지될 수 있다. 이에 따라 상기 실시예에서도 전체 응력 또는 전체 힘의 흐름은 바람직하게는 압전 소자에 인가되며 - 힘 분로는 적어도 무시될 수 있다.
본 실시형태에 있어서, 상기 측정 시스템은 회전 샤프트의 구성부가 아니기 때문에 상기 측정 시스템은 측정 결과를 악화시키지 않는다. 특히, 측정할 토크 전달 시스템, 특히 테스트벤치에서 테스트할 시스템의 이동 질량 또는 회전 질량은 변경되지 않는다. 또한 상기 측정 장치에 의해 진동 댐퍼로 작용하거나 토크 전달 시스템의 고유 주파수에 영향을 줄 수 있는, 특히 변조할 수 있는 토크 전달 시스템에 탄성을 부가하지 않는다. 이는 특히 구성에 따라 압전 소자에 비해 상대적으로 부드럽고 이에 따라 테스트할 시스템에 영향을 주는 측정 소자로서 스트레인 게이지를 구비한 시스템 대비 압전 소자의 장점이다.
본 실시형태에 의하면, 상기 토크 전달 샤프트의 운동을 분석하고 샤프트 운동의 불연속성과 진동을 인식할 수도 있다. 특히 상기 샤프트의 요동이 인식되고 측정될 수 있다. 상기 샤프트에 배치된 측정 플랜지와 같은 측정 시스템에 의해서는 불가능하거나 어려울 수 있다. 특히 실제로 요동하는 샤프트의 지점에 위치하는 이러한 측정 플랜지로는 가능하지 않다. 상기 토크 전달 샤프트가 베어링 장치 또는 기계, 특히 모터에 가해지는 힘은 또한 본 발명에 의해 결정될 수 있다. 이러한 힘은 측정 플랜지로 측정할 수 없고 그로부터 임의로 측정할 수 없거나 적어도 정확하게 측정할 수 없다.
따라서 본 실시형태에 의하면 상기 샤프트에 인가되는 동적 토크 및 상기 샤프트의 수직 및 수평 방향의 진동을 결정할 수 있다.
또 다른 유리한 실시형태에 있어서, 상기 고정부는 또한 힘이 접합식 연결부에 의해 압전 소자 및/또는 쌍의 단부면에 평행하게 도입될 수 있도록 구성된다.
본 실시형태는 압전 전단 소자를 압전 소자로서 사용할 가능성을 제공한다. 특히 이로 인해 단일 압전 소자에 의해 2개의 반대 방향으로 상기 압전 소자의 단부면과 각각의 힘 인가 소자 사이의 접합식 연결부를 형성할 필요 없이 힘을 측정할 수 있다.
상기 압전 소자는 바람직하게는 고정부 및/또는 베어링 장치 및/또는 지지 장치와 접합에 의해 연결될 수 있다. 또한 상기 고정부는 더욱 바람직하게는 회전 방향에 적어도 실질적으로 접선 방향으로 및/또는 샤프트의 회전축에 평행하게 힘을 측정할 수 있도록 구성된다.
본 발명에 따른 측정 시스템의 또 다른 바람직한 실시형태에 있어서, 상기 압전 소자는 각각 체결부, 특히 조임 나사가 안내될 수 있는 공동, 특히 원통형 공동을 갖는다.
본 발명에 따른 측정 시스템의 또 다른 유리한 실시형태에 있어서, 상기 고정부는 또한 압전 센서의 공동과 적어도 부분적으로 정렬되고 상기 조임 나사가 지지할 수 있는 공동을 갖는다.
상기 압전 소자 및/또는 고정부에 공동을 제공함으로써 특히 압축응력 또는 압축하중이 체결부에 의해 압전 소자에 가해질 수 있어 접합식 연결부가 그의 단부면과 또 다른 소자 사이에 형성될 수 있다.
본 발명의 제2 양태는 본 발명의 제1 양태에 따른 측정 시스템을 구비한 테스트벤치 또는 차량에 관한 것이다.
본 발명의 제3 양태는 토크 전달 샤프트에 인가되는 힘 및/또는 토크를 결정하기 위한 측정 장치로서, 압전 효과에 기반한 측정 시스템 및 샤프트를 포함하되 압전 소자가 상기 샤프트의 제1 부분과 상기 샤프트의 제2 부분 사이에 배치되어 상기 압전 소자에 의해 상기 제1 부분과 상기 제2 부분 사이에서 힘, 특히 전단력을 측정할 수 있는 측정 장치에 관한 것이다.
상기 측정 장치의 유리한 실시형태에 있어서, 상기 샤프트는 결합부를 통해 연결 가능한 2개의 부분으로 구성되며 상기 측정 시스템은 상기 2개의 부분 중 하나에 인가되는 힘 및/또는 토크를 결정한다.
본 발명의 제4 양태는 토크 전달 샤프트에 인가되는 힘 및/또는 토크를 결정하기 위한 측정 장치로서, 압전 효과에 기반한 측정 시스템, 샤프트, 베어링 장치 및 상기 베어링 장치의 지지 장치를 포함하되, 상기 베어링 장치는 상기 샤프트를 지지하고, 상기 측정 시스템은 상기 샤프트의 회전 질량 및/또는 상기 샤프트와 베어링 장치로 이루어진 어셈블리의 회전부의 회전 질량을 변경하지 않는 측정 장치에 관한 것이다. 이때 상기 샤프트의 베어링의 반력을 측정할 수 있는 측정 시스템을 사용하는 것이 바람직하다.
상기 베어링 장치는 바람직하게는 기계, 특히 하중- 및/또는 구동 기계, 바람직하게는 전기 또는 내연 기관이다.
본 발명의 제5 양태는 샤프트에 인가되는 토크 및/또는 샤프트에 인가되는 힘을 결정하기 위한 방법으로서, 압전 소자의 개개의 바람직한 방향 또는 상기 개개의 압전 소자에 의해 측정된 힘을 성분들로 직교 분리하는 것에 의해 상기 샤프트에 인가되는 힘 및/또는 토크를 측정하되, 각각의 병렬 성분들은 합산되는 방법에 관한 것이다.
유리한 실시형태에 있어서, 상기 방법은 다음 단계들을 포함한다:
제1 압전 센서의 적어도 하나의 제1 신호, 제2 압전 센서의 제2 신호 및 제3 압전 센서의 제3 신호를 검출하는 단계;
적어도 한 방향의 신호를 상기 방향의 압전 소자의 바람직한 방향의 성분 각각에 따라 비례하여 합산하는 단계; 및
상기 합산 신호로부터 토크 및/또는 힘을 도출하는 단계; 또는
적어도 한 방향의 각각의 개별 신호에 대해 토크 및/또는 힘을 상기 방향의 압전 소자의 바람직한 방향의 성분 각각에 따라 비례하여 도출하는 단계; 및
상기 토크 및/또는 힘을 합산하는 단계.
본 발명의 제6 양태는 다음 단계를 포함하는 측정 시스템을 보정하기 위한 방법에 관한 것이다:
평면에 평행한 제1 방향으로 소정의 힘을 인가하는 단계;
평면에 평행한 제2 방향으로 소정의 힘을 인가하는 단계;
제1 압전 소자의 제1 신호, 제2 압전 소자의 제2 신호 및 제3 압전 소자의 제3 신호를 검출하는 단계; 및
상기 검출 신호 및 상기 소정의 힘의 제1 및 제2 방향을 토대로 압전 소자의 바람직한 방향을 도출하는 단계.
본 발명의 제7 양태는 다음 단계를 포함하는 측정 시스템을 보정하기 위한 방법에 관한 것이다:
샤프트의 회전축 주위에 소정의 토크를 인가하는 단계;
제1 압전 센서의 적어도 하나의 제1 신호, 제2 압전 센서의 제2 신호 및 제3 압전 센서의 제3 신호를 검출하는 단계; 및
특히 상기 검출 신호 및 소정의 토크를 토대로 압전 소자의 샤프트의 회전축에 대한 압전 소자의 거리를 도출하는 단계.
본 발명의 다른 양태들은 컴퓨터에 의해 실행시 본 발명에 따른 방법의 단계를 수행하도록 구성된 컴퓨터 프로그램 및 대응하는 컴퓨터 판독 가능한 매체에 관한 것이다. 결과적으로 본 발명에 따른 방법은 컴퓨터를 이용하여 수행될 수 있다.
다른 장점과 특징들은 도면을 참조하여 바람직한 실시예의 후술하는 설명으로부터 알 수 있다. 도면은 적어도 부분적으로 개략적으로:
도 1은 토크 전달 샤프트에 인가되는 힘 및/또는 토크를 결정하기 위한 측정 장치의 제1 실시예를 도시하고 있고;
도 2는 측정 시스템의 제1 실시예의 압전 소자의 배치도이고;
도 3은 측정 시스템의 제2 실시예의 압전 소자의 배치도이고;
도 4는 측정 시스템의 제3 실시예의 압전 소자의 배치도이고;
도 5는 측정 시스템의 제4 실시예의 사시도이고;
도 6은 측정 장치의 제2 실시예를 도시하고 있고;
도 7은 측정 장치의 제3 실시예를 도시하고 있고;
도 8은 측정 장치의 제4 실시예를 도시하고 있고;
도 9는 도 8에 따른 제4 실시예에 따른 측정 장치를 구비한 측정 장치 구조의 부분 사시도이고;
도 10a 및 10b는 측정 시스템의 제5 실시예의 평면도와 단면도이고;
도 11a 및 11b는 측정 시스템의 제6 실시예의 사시도와 단면도이고;
도 12는 모든 실시예들에 따른 측정 시스템의 회로도이다.
도 1은 구동 테스트벤치(15) 상의 토크 전달 샤프트(3a, 3b)에 인가되는 힘 및/또는 토크를 결정하기 위한 측정 장치(9)의 제1 실시예의 평면도를 도시하고 있다. 여기서, 샤프트(3a, 3b)는 특히 샤프트(3a, 3b)에 대한 베어링 장치 역할을 하는 모터(2)를 구체적으로 축 부분을 통해 휠 동력계(14a, 14b)와 연결되어 있는 변속기와 차동기(13)와 연결한다.
상기 샤프트의 제1 부분(3a)과 상기 샤프트의 제2 부분(3b) 사이에는 2개의 부분으로 구성된 측정 플랜지(5a, 5b)를 구비한 측정 시스템(1)이 고정부로서 배치되어 있다. 상기 샤프트의 제1 부분(3a)은 상기 측정 플랜지의 제1 부분(5a)과 연결되고 상기 샤프트의 제2 부분(3b)은 상기 측정 플랜지의 제2 부분(5b)과 회전되지 않게 연결되어 있다. 상기 측정 플랜지의 2개의 부분(5a, 5b) 사이에는 3개의 압전 소자(4a, 4b, 4c)가 배치되어 있고, 특히 접합식 연결부에 의해 상기 측정 플랜지의 부분(5a, 5b)과 견고하게 연결되어 있다.
측정 장치(9)에 의하면, 모터(2), 샤프트(3a)의 제1 부분, 측정 플랜지의 제1 부분(5a), 3개의 압전 소자(4a, 4b, 4c), 측정 플랜지의 제2 부분(5b)과 샤프트의 제2 부분(3b), 변속기와 차동기(13) 및 차축 부품을 통해 지지 장치(10)로부터 적절한 수단에 의해 측부가 지지되는 휠 동력계(14a, 14b)까지의 힘 흐름이 구현될 수 있다. 이때, 가능한 동력 흐름은 샤프트(3a, 3b) 및 측정 플랜지(5a, 5b)를 통해 모터(2)로부터 변속기와 차동기(13)를 통해 휠 동력계(14a, 14b)로 이루어진다.
인가되는 힘은 측정 플랜지(5a, 5b)의 부분들을 통해, 특히 압전 소자(4a, 4b, 4c)의 단부면을 통해 압전 소자 내로 도입되거나 압전 소자(4a, 4b, 4c)에 인가된다. 측정 시스템(1)은 도시된 좌표계의 Y축과 Z축에 의해 한정된 평면에 평면도로 도 1에 도시되어 있다.
도 2는 예를 들어 도 1에 따른 측정 장치(9)의 제1 실시예에서 사용 가능할 수 있는 바와 같이 측정 시스템(1)의 제1 실시예의 압전 소자(4a, 4b, 4c)의 배치도이다.
여기서, 압전 소자(4a, 4b, 4c)의 배치는 도 1에 따른 좌표계의 Y축 및 X축에 의해 한정된 평면으로 도시되어 있다. 이에 상기 압전 소자의 단부면(17a, 17b, 17c)을 볼 수 있다.
압전 소자(4a, 4b, 4c)의 중심점은 모두 샤프트(3, 미도시)의 회전축(D)이 지나가는 중심점으로부터 소정 거리(d)에 배치되어 있다. 여기서 압전 소자(4a, 4b, 4c)는 각각 회전축(D) 또는 중심점 주위에서 다양한 위치를 차지한다. 일점쇄선으로 표시된 원은 샤프트 또는 중심점을 중심으로 하고 샤프트(3, 미도시) 회전시 회전축(D) 또는 중심점 주위의 각각의 지점에서 압전 소자(4a, 4b, 4c)의 회전 방향을 나타낸다.
압전 소자(4a, 4b, 4c) 각각은 X축 및 Y축에 의해 한정된 평면에 있는 다른 바람직한 방향(Va, Vb, Vc)을 갖고 있다. 상기 3개의 바람직한 방향(Va, Vb, Vc)은 바람직하게는 서로 다른 방향을 나타내므로 평행 또는 역평행이 아니다. 그러나 3개의 바람직한 방향(Va, Vb) 중 2개만이 평행하거나 역평행이 아닌 것이 더 바람직하다. 이 경우, 제3의 바람직한 방향(Vc)은 다른 2개의 바람직한 방향(Va, Vb) 중 하나에 평행하게 배향될 수 있다.
개별 압전 소자(4a, 4b, 4c)의 위치 사이에서 각도 섹터(19a, 19b, 19c)는 회전축(D)에 대해 한정되어 있다. 이때 제1 압전 소자(4a)와 제2 압전 소자(4b) 사이의 각도 섹터(19a)는 각도(αab)를 가지며, 제2 압전 소자(4b)와 제3 압전 소자(4c) 사이의 각도 섹터(19b)는 각도(αbc)를 가지며, 제3 압전 소자(4c)와 제1 압전 소자(4a) 사이의 각도 섹터(19c)는 각도(αca)를 갖는다.
상기 각도 섹터의 각도(αab, αbc, αca) 중 적어도 2개는 서로 다른 값을 갖는 것이 바람직하다.
모든 압전 소자(4a, 4b, 4c)는 체결 수단, 특히 볼트 또는 나사(미도시)가 안내될 수 있는 보어(21a, 21b, 21c)를 갖고 있다. 단부면(17a, 17b, 17c)을 통해 전단력이 도입될 수 있다.
도 3은 측정 시스템(1)의 제2 실시예의 압전 소자(4a, 4b, 4c)의 배치도이다.
도 2에서와 같이, 상기 압전 소자는 단부면(17a, 17b, 17c, 17d)에 대해 평면도로 도시되어 있다. 도 3에서도 시선 방향은 좌표계의 X축과 Y축에 의해 한정된(αab, αbc, αca) 평면에 수직이고, 도 2에 따른 배치 또한 도 1의 측정 장치(9)에서 적용될 수 있다.
개별 압전 소자(4a, 4b, 4c, 4d)의 바람직한 방향(Va, Vb, Vc, Vd)은 압전 소자(4a, 4b, 4c, 4d)의 배치에서 다양한 방향으로 보여지고 일점쇄선의 원으로 표시되어 있는 회전 방향에 접선 방향은 아니지만, 도 2에서와 같이 좌표계의 X축과 Y축에 의해 한정된 평면 내에 있고 이에 따라서 회전축(D)은 도면의 지면으로부터 중심점을 통해 밖으로 나오는 샤프트(3, 미도시)에 대해 수직이다.
제2 압전 소자(4b)의 바람직한 방향(Vb)은 도시된 배치에서는 제4 압전 소자(4d)의 바람직한 방향(Vd)과 역평행으로 배향되어 있다.
모든 압전 소자(4a, 4b, 4c, 4d)는 도 2에서와 같이 체결 수단, 특히 볼트 또는 나사(미도시)가 안내될 수 있는 보어(21a, 21b, 21c, 21d)를 갖고 있다. 단부면(17a, 17b, 17c, 17d)을 통해 전단력이 도입될 수 있다.
도 4는 도 1에 따른 측정 장치(9)에 사용 가능한 측정 시스템의 제3 실시예를 위한 4개의 압전 소자(4a, 4b, 4c, 4d)의 제3 배치도이다.
도 2 및 도 3의 배치와 대조적으로, 압전 소자(4a, 4b, 4c, 4d)는 측정 시스템에서 샤프트(3, 미도시)가 지나가는 배치의 중심점(D)으로부터 서로 다른 거리(Ra, Rb, Rc, Rd)에 배치되어 있다. 구체적으로 회전축(D) 또는 중심점을 중심으로 압전 소자(4a, 4b, 4c, 4d)의 회전 방향은 일점쇄선으로 표시되어 있다.
압전 소자(4a, 4b, 4c, 4d)의 바람직한 방향(Va, Vb, Vc, Vd)은 각각 회전 방향에 접선 방향이다.
또한 압전 소자(4a, 4b, 4c, 4d)는 도 3과 대조적으로 회전축(D) 또는 중심점 주위에 불균칙하게 배치되어 있다.
도 5는 측정 시스템(1)의 제4 실시예의 센서의 또 다른 배치도이다.
도시된 측정 시스템(1)에서 개개의 압전 소자(4a, 4b, 4c, 4d)는 고정부(5)에 의해 지지되어 있다. 압전 소자(4a, 4b, 4c, 4d)의 바람직한 방향(Va, Vb, Vc, Vd)은 바람직하게는 고정부(5)의 경로에서 배향되어 있지만, 바람직한 방향(Va, Vb, Vc, Vd) 각각은 단일 평면, 특히 고정부(5)에 의해 한정된 평면에 평행하거나 평면 내에 있는 한 다른 방향을 나타낼 수도 있다.
힘 및/또는 토크가 인가되는(미도시) 샤프트(3, 미도시)의 회전축(D)은 도 5에 대해 고정부(5)로부터 좌측의 영역에 배치되어 있다. 이러한 가능한 회전축(D)은 일점쇄선으로 표시되어 있다.
여기서 회전축(D)은 압전 소자(4a, 4b, 4c, 4d) 각각으로부터 동일한 거리에 배치될 필요도 없고, 회전축(D)은 경우에 따라 고정부(5)의 곡률을 한정하는 중심점을 통과해야 할 필요도 없다.
도 6은 테스트벤치(15) 상의 측정 장치(9)의 제2 실시예를 도시하고 있다.
도 1에 따른 측정 장치(9)와 다르게, 도 6의 측정 장치(9)는 결합부(6a, 6b)를 더 포함하고 있다. 제1 결합부(6a)는 측정 플랜지의 제2 부분(5b)과 회전 가능하게 연결되어 있고, 제2 결합부(6b)와는 분리 가능하게 마찰 접촉 상태로 있다.
결합 디스크(6a, 6b)의 상호 위치 및 힘 흐름에 있어서 모터(2)로부터 휠 동력계(14a, 14b)까지 전달될 동력에 따라서 측정 플랜지(5a, 5b)에는 결정될 토크가 인가된다.
도 7은 테스트벤치(15) 상의 측정 장치(9)의 제3 실시예를 도시하고 있다.
도 1 및 6에 따른 측정 장치(9)와 다르게, 모터(2)와 휠 동력계(14a, 14b) 사이 또는 모터(2)와 변속기 및 차동기(13) 사이의 동력 흐름에서는 힘 및/또는 토크가 측정되지 않는다. 대신에, 토크 전달 샤프트(3)에 인가되는 토크 및/또는 힘은 지지 장치(10)에 의해 모터(2)를 테스트벤치에 지지하는 반력을 통해 동력 흐름 외부에서 결정된다.
따라서 상기 압전 소자는 지지 장치(10)와 모터(2) 사이의 힘 흐름 내에서 배치되어 있다.
샤프트(3) 내 측정 플랜지(5a, 5b)를 구비한 다른 실시예들에서와 같이, 여기에서도 압전 소자들(4a, 4b, 4c)과 모터(2) 및 지지 장치(10) 사이에는 토크 전달 연결부가 형성되어 있는 반면에 압전 소자들(4a, 4b, 4c) 또는 그의 단부면은 모터(2)의 대응 부분과 마찰 맞물림부를 형성한다.
도 8은 특히 차량에 사용 가능한 측정 장치(9)의 제4 실시예를 도시하고 있다.
도 7에 따른 실시예와 달리, 본 실시예에서 지지 장치(10)는 변속기 커버의 형태로 구성되어 있다. 따라서 모터(2)는 변속기 및 차동기(13)의 하우징(8)에 지지된다.
이에 따라 본 실시예에서 동력 흐름은 변속기 커버(10)를 통해 변속기 하우징(13)으로부터 모터(2)로 그리고 그로부터 토크 전달 샤프트, 변속기 및 차동기(13)를 통해 휠 동력계(14a, 14b)로 이루어진다.
여기에서 압전 소자(4a, 4b, 4c)는 또한 모터(2)와 변속기 커버(10) 사이의 동력 흐름 외부에 배치되어 반력 및/또는 반력 토크를 전달한다. 여기에서도 모터(2)와 변속기 커버(10)의 대응 표면과 압전 소자(4a, 4b, 4c) 사이에 마찰 맞물림부가 형성되어 있다.
측정 장치(9)에 대해 도 6 내지 도 8에 도시된 실시예에서는 도 2 내지 도 5에 도시된 측정 시스템(1)의 다양한 실시예의 압전 소자(4a, 4b, 4c, 4d)의 배치를 사용할 수 있다.
도 8에 따른 측정 장치(9)의 제4 실시예에서 도 5에 따른 측정 시스템의 사용이 도 9에 예시되어 있다. 상기 평면도에서는 고정부(5)와 압전 소자(4a, 4b, 4c, 4d)를 구비한 측정 시스템(1)이 변속기 커버(10)에 배치되어 있다.
측정 시스템(1)은 체결 수단(16a, 16b, 16c, 16d)에 의해 변속기 커버(10)에 지지되는 것이 바람직하다. 또한 체결 수단(16a, 16b, 16c, 16d)은 모터(2, 미도시)와 변속기 커버(10) 사이에 압축응력을 생성하여 압전 소자(4a, 4b, 4c, 4d) 각각의 단부면이 변속기 커버(10)의 표면과 모터(2)의 표면과 접촉함으로써 마찰 맞물림 연결부를 형성하는데 사용된다.
압전 소자(4a, 4b, 4c, 4d)와 모터(2)와 지지 장치(10) 사이의 마찰 맞물림부에 의해 압전 소자(4a, 4b, 4c, 4d)의 단부면을 통해 압전 소자에 전단력이 도입되어 압전 소자(4a, 4b, 4c, 4d)에서 전하 분리를 가능하게 할 수 있다. 그 결과, 전하 리드 또는 전선(22)에 전단력에 따른 전위가 가해진다.
샤프트(3, 미도시)는 변속기 커버(10)의 개구부(11)를 통해 변속기와 차동기(13)의 방향으로 변속기 커버(10)를 통해 연장될 수 있다.
도 10a 및 10b는 고정부(5)에 의해 지지되는 압전 소자 쌍(18a, 18b, 18c, 18d)을 포함하는 측정 시스템(1)의 제5 실시예를 도시하고 있다.
도 10a는 측정 시스템(1)의 평면도이고 도 10b는 Y-Y선에 따른 단면도이다. 압전 소자 쌍(18a, 18b, 18c, 18d)은 각각 토크 전달 샤프트(3, 미도시)의 회전축(D)의 방향으로 나란히 배치되어 있는 2개의 압전 소자(4b, 4e)로 구성되어 있고, 상기 토크 전달 샤프트에 인가되는 힘 및/또는 인가되는 토크가 결정된다.
여기서 압전 소자 쌍(18a, 18b, 18c, 18d) 각각의 제1 압전 소자(4b, 4d)는 샤프트(3)의 회전축(D)이 통과하여 지나가고 도 10b에 도시되어 있는 바와 같이 바람직하게는 회전축(D)에 수직으로 배향되어 있는 단일 평면에 평행하거나 단일 평면 내에 있는 바람직한 방향을 갖는다. 상기 평면에서 작용하는 힘 및/또는 토크는 바람직하게는 제1 센서(4b, 4d)에 의해 결정될 수 있다.
압전 소자 쌍(18a, 18b, 18c, 18d)의 추가 압전 소자(4e, 4f)는 바람직하게는 상기 평면에 평행하지 않고 바람직하게는 상기 평면에 수직인 바람직한 방향을 갖고 있다. 이에 따라 추가 압전 소자(4e, 4f)는 바람직하게는 회전 방향(D)에 실질적으로 수직 방향인 압축력 또는 인장력을 측정하는데 사용될 수 있다.
도 10b에 도시되어 있는 바와 같이, 각각의 압전 소자 쌍은 2개의 단부면(17b, 20b)을 가지며, 상기 단부면 각각은 압전 소자들(4b, 4e; 4d, 4f) 중 하나로부터 형성된다.
여기서 단부면(20b, 20d) 각각은 고정부(5) 내 지지되어 있다. 다른 단부면(17b, 17d)은 힘을 측정할 구성 부품과 접촉할 수 있다. 여기서 단부면(17b, 17d)과 제2 단부면(20b, 20d)은 모두 바람직하게는 고정부 및 다른 구성 부품과 접합식, 특히 마찰 맞물림 연결부를 형성한다.
상술한 바와 같이, 이를 위해 상기 압전 소자 내 보어에서는 체결 수단, 특히 조임 나사가 보어(21a, 21b, 21c, 21d)를 통해 압전 소자 쌍(18a, 18b, 18c, 18d)으로 안내될 수 있고, 이에 의해 고정부 및 다른 구성 부품 각각을 고정할 수 있고 이에 따라 압전 소자 쌍(18a, 18b, 18c, 18d) 또한 고정할 수 있다. 고정부(5)는 또한 상기 체결 수단을 수용하기 위한 공동(12)을 갖는 것이 바람직하다.
압전 소자(4a, 4b, 4c, 4d, 4e, 4f) 각각은 전하 리드(22)를 통해 제거할 수 있는 측정 신호(S1, S2, S3, S4, S5, S6)를 생성한다.
도 11a 및 11b는 본 발명에 따른 측정 시스템(1)의 제6 실시예를 도시하고 있다. 여기서 도 11a는 사시도이고 도 11b는 단면도이다.
본 실시예에서 측정 시스템(1)은 압전 소자(4a, 4b, 4c, 4d)가 플랜지(5a)의 제1 부분과 측정 플랜지(5b)의 제2 부분 사이에 배치되되, 압축응력이 반경 방향으로 회전축(D)에 인가되는 것을 특징으로 한다. 이는 압축응력과 이에 따라 회전축(D)의 방향으로 접합식 연결부가 생성되는 도 1 내지 5 및 10a/10b의 실시예와 대조적이다.
압전 소자(4a, 4b, 4c, 4d) 각각은 전하 도입부를 통해 제거될 수 있는 측정 신호(S1, S2, S3, S4)를 생성한다.
측정 플랜지(5a, 5b) 대신에, 압전 소자(4a, 4b, 4c, 4d)와 각각 연결되어 있는 도시된 구성 부품은 샤프트(3, 미도시)의 베어링 장치(2) 및 지지 장치(10)일 수도 있다.
도 12에 도시되어 있는 바와 같이, 측정 시스템(1)은 바람직하게는 제1 압전 소자(4a)의 측정 신호(S1), 제2 압전 소자(4b)의 S2, 제3 압전 소자(4c)의 S3 및 제4 압전 소자(4d)의 S4를 가공하기 위한 신호 처리부(7)를 포함하는 것이 바람직하다.
상기 샤프트의 토크(Mz) 및 횡방향 힘(Fx, Fy)을 계산할 수 있도록 하기 위해서 신호 처리부(7)는 바람직하게는 압전 소자(4a, 4b, 4c, 4d), 측정 신호(S1, S2, S3) 및/또는 측정된 힘의 바람직한 방향(Va, Vb, Vc, Vd) 각각의 직교 분리를 수행한다.
여기서 결정할 파라미터(Mz, Fx, Fy)는 각각의 측정 신호에 대해 다음과 같은 방정식이 적용되는 방정식계의 해이다.
Figure pct00001
상기 식에서 계수 a 각각은 예를 들어 센서 각각의 위치 및 좌표계에서 바람직한 방향(Va, Vb, Vc, Vd)의 배향, 압전 소자(4a, 4b, 4c, 4d) 각각의 감도 및 체결 수단을 통한 힘 분로에 의해 가능한 신호 손실과 같은 다수의 인자에 따라 달라진다.
토크 성분(Mz), 제1 전단력 성분(Fx) 및 제2 전단력 성분(Fy)에 대한 이러한 방정식계를 풀기 위해서는 바람직한 방향(Va, Vb, Vc)이 단일 평면 내에 있도록 배향되는 적어도 3개의 압전 소자(4a, 4b, 4c)의 측정 신호가 필요하다. 나아가 바람직한 방향(Va, Vb, Vc) 중 적어도 2개는 평행 또는 역평행하지 않게 배향되어야 한다.
N=3인 상술한 일반적인 경우, 즉 3개의 압전 소자(4a, 4b, 4c)가 구비되는 경우에 위에 나타낸 방정식계의 해는 명확해진다. 추가 압전 소자가 측정 시스템(1)에 추가되면, 측정할 3개의 파라미터(Mz, Fx, Fy)를 가진 방정식계가 지나치게 제약되지만, 측정 정확도는 더욱 향상될 수 있다.
N=4인 경우에 4개의 다양한 방정식 F(S1, S2, S3), F(S1, S2, S4), F(S1, S3, S4), F(S2, S3, S4)를 세울 수 있다. 결정할 개개의 파라미터(Mz, Fx, Fy)에 대해 결정된 값은 합산하여 평균화할 수 있는바, 즉 4개의 압전 소자(4a, 4b, 4c, 4d)의 경우에 4로 나눈다. 유사한 방식으로, 지나치게 제약된 방정식계 F(S1, S2 ..., SN)를 세울 수 있으며, 이는 최소화된 작업으로 풀 수 있다.
상기 방정식계에 대한 일반해를 찾으면, 결정할 성분(Fx, Fy, Mz)의 계산은 행렬곱으로 줄일 수 있다. 상기 행렬곱은 3개의 행과 임의의 측정 신호(S1, S2, S3, ... SN)의 수만큼 많은 열을 갖는다. 상기 행렬 요소 또는 계수는 결정할 파라미터(Fx, Fy, Mz)에 대한 개별 센서 각각의 기여도를 나타낸다.
Figure pct00002
측정 신호(S1, S2, S3, S4)를 측정할 각각의 파라미터(Mz, Fx, Fy)에 기여하는 성분들로 분리하기 위해서는 압전 소자(4a, 4b, 4c)의 위치 및 바람직한 방향(Va, Vb, Vc, Vd)의 배향을 알 필요가 있다.
상기 기하학적 파라미터는 측정 시스템(1)의 구성도 및 압전 소자(4a, 4b, 4d)의 바람직한 방향에 대한 지식으로부터 결정할 수 있다.
그러나 압전 소자(4a, 4b, 4c, 4d)의 바람직한 방향(Va, Vb, Vc, Vd)의 배향은 또한 보정 측정에 의해 바람직한 방향(Va, Vb, Vc, Vd)을 측정함으로써 결정할 수 있다. 이를 위해, 측정 시스템(1)을 바람직하게는 2개의 평판 사이에 고정시킨다. 다음 단계에서, 방향이 알려진 외부의 횡방향 힘을 인가한다. 도입된 횡방향 힘의 양과 방향 대비 개별 측정 신호(S1, S2, S3, S4)의 크기로부터 압전 소자(4a, 4b, 4c, 4d)의 바람직한 방향(Va, Vb, Vc, Vd)은 압전 소자(4a, 4b, 4c, 4d)의 바람직한 방향(Va, Vb, Vc, Vd)에 의해 한정된 평면에서 압전 소자(4a, 4b, 4c, 4d)의 바람직한 방향(Va, Vb, Vc, Vd)이 결정된다.
유사한 방식으로, 개별 압전 소자(4a, 4b, 4c, 4d)의 바람직한 방향(Va, Vb, Vc, Vd)을 알고 있을 때 소정의 토크(Mz)를 가하고 개별 측정 신호(S1, S2, S3, S4)를 측정함으로써 회전축(D)으로부터의 압전 소자(4a, 4b, 4c, 4d)의 거리(ra, rb, rc, rd)를 결정할 수 있다.
상술한 실시예들은 보호범위, 용도 및 구성을 어떤 식으로든 한정하려는 의도가 아닌 단지 일례일 뿐임을 명심해야 한다. 오히려, 당업자라면 상술한 설명을 통해 적어도 하나의 실시예를 구현하기 위한 가이드라인을 제공받으며, 특히 청구범위와 이와 동등한 기능 조합으로부터 알 수 있는 바와 같이 보호범위를 벗어나지 않는 한 설명된 구성요소의 기능 및 배치와 관련하여 다양한 변경이 가능하다. 특히, 개별 실시예들은 서로 조합 가능하다.
측정 시스템 1
베어링 장치/모터 2
샤프트 3
압전 소자 4a, 4b, 4c, 4d, 4e, 4f
고정부 5, 5a, 5b, 5c, 5d
결합부 6a, 6b
신호 처리부 7
하우징 8
측정 장치 9
지지 장치 10
개구부 11
공동 12
변속기 및 차동기 13
휠 동력계 14a, 14b
테스트벤치 15
체결 수단 16a, 16b, 16c, 16d
제1 단부면 17a, 17b, 17c, 17d
압전 소자 쌍 18a, 18b
각도 섹터 19a, 19b, 19c
제2 단부면 20b, 20d
보어 21a, 21b, 21c, 21d
전하 리드 또는 전선 22, 22a, 22b, 22c, 22d
바람직한 방향 Va, Vb, Vc, Vd
측정 신호 S1, S2, S3, S4
회전축 D

Claims (25)

  1. 토크 전달 샤프트(3)에 인가되는 힘 및/또는 토크를 결정하기 위한 측정 시스템(1)으로서, 측정 시스템(1)은 적어도 3개, 특히 적어도 4개의 압전 소자(4a, 4b, 4c, 4d)를 가지되, 압전 소자는 각각 바람직한 방향(Va, Vb, Vc, Vd)을 갖고 샤프트(3)를 통해 전달되는 힘 흐름 내에서 샤프트(3)의 회전축(D) 주위의 서로 다른 위치에 각각 배치되어 있으며, 상기 배치는 상기 힘 흐름의 힘이 압전 소자(4a, 4b, 4c, 4d)에 특히 전적으로 작용하도록 이루어지고, 상기 바람직한 방향은 각각 회전축이 통과하여 지나가는 단일 평면에 평행하거나 단일 평면 내에 있고, 압전 소자(4a, 4b, 4c, 4d) 중 2개, 특히 3개의 바람직한 방향(Va; Vb; Vc; Vd)은 서로 평행 또는 역평행하지 않게 배향되어 있고, 측정 시스템(1)은 개별 압전 소자(4a, 4b, 4c, 4d)의 측정 신호(S1, S2, S3, S4)를 토대로 힘 성분 및 토크 성분에 대한 방정식계에 의해 힘 및/또는 토크를 결정하도록 구성된 신호 처리부(7)를 더 포함하는 측정 시스템(1).
  2. 제1항에 있어서, 압전 소자(4a, 4b, 4c, 4d)는 상기 평면에 투영시 서로에 대한 각각의 위치와 관련하여 대칭축 및/또는 대칭점이 존재하지 않도록 기하학적으로 배치되는 측정 시스템(1).
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 압전 소자(4a, 4b, 4c, 4d)는 적어도 2개의 압전 소자가 회전축(D)의 서로 다른 반경 방향 거리를 갖고 및/또는 2개의 원형 섹터(αab, αbc, αca)가 각각의 2개의 압전 소자 사이의 회전축(D) 주위에서 서로 다른 각도에 의해 한정되도록 기하학적으로 배치되어 있는 측정 시스템(1).
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 신호 처리부는 측정 신호(S1, S2, S3, S4)를 결정될 각각의 파라미터에 기여하는 성분으로 분리하도록 추가 구성되는 측정 시스템(1).
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 신호 처리부는 다양한 힘 성분과 토크 성분에 대한 개별 압전 소자의 기여를 고려하도록 추가 구성되는 측정 시스템(1).
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 압전 소자(4a, 4b, 4c, 4d)의 개개의 바람직한 방향, 측정 신호(S1, S2, S3, S4) 또는 개별 압전 소자(4a, 4b, 4c, 4d)에 의해 측정된 힘을 적어도 2개의 성분으로 특히 직교 분리하는 것에 의해, 샤프트(3)에 인가되는 힘 및/또는 토크를 측정하도록 구성된 신호 처리부(7)를 더 포함하되, 각각의 병렬 성분들은 합산되는 측정 시스템(1).
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 바람직한 방향이 평면에 평행하거나 평면 내에 있는 모든 압전 소자로부터의 측정 신호를 이용하여 힘 및/또는 토크를 결정하는 측정 시스템(1).
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 평면은 샤프트(3)의 회전축(D)에 적어도 실질적으로 수직으로 배향되는 측정 시스템(1).
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 힘이 도입되는 압전 소자의 표면(17a, 17b, 17c, 17d, 20b, 20d)은 상기 평면과 적어도 실질적으로 평행한 측정 시스템(1).
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 압전 소자(4a, 4b, 4c, 4d)는 힘 흐름에 대해 힘 분로를 형성하고, 특히 체결 수단에서 힘 분로는 힘 흐름의 10% 미만, 바람직하게는 5% 미만, 가장 바람직하게는 2% 미만을 차지하는 측정 시스템(1).
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 샤프트(3)의 회전축(D) 방향으로 추가 압전 소자(4e, 4f)가 각각의 압전 소자(4a, 4b, 4c, 4d) 옆에 배치되고, 상기 추가 압전 소자는 바람직한 방향(Ve, Vf, Vg, Vh)으로 상기 평면에 평행하지 않은 방향, 특히 적어도 실질적으로 수직으로 배향되며, 압전 소자(4a; 4b; 4c; 4d)는 그 옆에 각각 배치된 추가 압전 소자(4e; 4f)와 쌍(18a, 18b, 18c, 18d)을 이루고, 상기 힘 흐름의 힘은 특히 실질적으로 쌍(18a, 18b, 18c, 18d)에 인가되는 측정 시스템(1).
  12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 고정부(5), 특히 베어링 케이지를 포함하고, 고정부(5)는 압전 소자(4a, 4b, 4c, 4d, 4e, 4f)를 운반하고 서로를 향해 위치시키는 측정 시스템(1).
  13. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 압전 소자는 회전축(D) 주위에 불균일하게 분포되는 측정 시스템(1).
  14. 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서, 모든 압전 소자(4a, 4b, 4c, 4d) 및/또는 쌍(11a, 11b, 11c, 11d)은 회전축 주위의 소정의 원형 섹터 내에서 α < 300°, 바람직하게는 α < 240°, 보다 바람직하게는 α < 180°, 가장 바람직하게는 α < 120°의 각도로 배치되며, 바람직하게는 이러한 각도 섹터를 덮도록 고정부(5)가 구성되는 측정 시스템(1).
  15. 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서, 샤프트(3)는 출력 및/또는 입력 샤프트가 토크 전달 샤프트(3)에 의해 형성되는 베어링 장치(2), 특히 기계에 의해 지지되되, 고정부(5)는 압전 소자(4a, 4b, 4c, 4d) 및/또는 쌍(11a, 11b, 11c, 11d)을 지지하고 상기 압전 소자에 의해 베어링 장치(2) 및 베어링 장치(2)를 지지하기 위한 지지 장치 사이에서 힘, 특히 전단력을 측정할 수 있는 측정 시스템(1).
  16. 제12항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서, 고정부(5)는 상기 힘이 접합식 연결부에 의해 압전 소자(4a, 4b, 4c, 4d) 및/또는 쌍(11a, 11b, 11c, 11d)의 단부면(17a, 17b)에 평행하게 도입될 수 있도록 구성된 측정 시스템(1).
  17. 제1항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 샤프트의 회전 방향에 접선 방향으로 작용하고 토크에 기여하는 힘 뿐 아니라 상기 샤프트의 회전 방향에 수직으로, 특히 평면에서 2개의 직교하는 방향으로 작용하는 횡방향 힘을 측정하도록 구성된 측정 시스템(1).
  18. 토크 전달 샤프트(3)에 인가되는 힘 및/또는 토크를 결정하기 위한 측정 장치(9)로서, 제1항 내지 제17항 중 어느 한 항에 따른 압전 효과에 기반한 측정 시스템 및 샤프트(3)를 포함하되 압전 소자(4a, 4b, 4c, 4d)가 샤프트(3)의 제1 부분과 샤프트(3)의 제2 부분 사이에 배치되어 압전 소자(4a, 4b, 4c, 4d)에 의해 상기 제1 부분과 제2 부분 사이에서 힘, 특히 전단력을 측정할 수 있는 측정 장치(9).
  19. 제18항에 있어서, 샤프트(3)는 결합부를 통해 연결 가능한 2개의 부분으로 구성되며, 측정 시스템(1)은 상기 2개의 부분 중 하나에 인가되는 힘 및/또는 토크를 결정하는 측정 장치(9).
  20. 토크 전달 샤프트(3)에 인가되는 힘 및/또는 토크를 결정하기 위한 측정 장치(9)로서, 제1항 내지 제17항 중 어느 한 항에 따른 압전 효과에 기반한 측정 시스템(1), 샤프트(3), 베어링 장치(3) 및 베어링 장치(3)의 지지 장치(10)를 포함하되, 베어링 장치(2)는 샤프트(3)를 지지하고 측정 시스템(1)은 샤프트(3)의 회전 질량 및/또는 샤프트(3)와 베어링 장치(2)로 이루어진 어셈블리의 회전부의 회전 질량을 변경하지 않는 측정 장치(9).
  21. 적어도 3개, 특히 적어도 4개의 압전 소자(4a, 4b, 4c, 4d)를 가지되, 압전 소자는 각각 바람직한 방향(Va, Vb, Vc, Vd)을 갖고 샤프트(3)를 통해 전달되는 힘 흐름 내에서 샤프트(3)의 회전축(D) 주위의 서로 다른 위치에 각각 배치되어 있으며, 상기 배치는 상기 힘 흐름의 힘이 압전 소자(4a, 4b, 4c, 4d)에 전적으로 작용하도록 이루어지는 측정 시스템(1), 특히 제1항 내지 제17항 중 어느 한 항에 따른 측정 시스템(1)에 의해, 특히 샤프트(3)에 인가되는 토크 및/또는 샤프트(3)에 인가되는 힘을 결정하기 위한 방법으로서, 압전 소자의 개개의 바람직한 방향, 측정 신호(S1, S2, S3, S4) 또는 상기 개개의 압전 소자에 의해 측정된 힘을 성분들로 직교 분리하는 것에 의해 상기 샤프트에 인가되는 힘 및/또는 토크를 측정하되, 각각의 병렬 성분들은 합산되는 방법.
  22. 제21항에 있어서, 다음 단계를 포함하는 방법:
    - 제 1 압전 센서(4a; 4e)의 적어도 하나의 제1 신호(S1), 제2 압전 센서(4b; 4f)의 제2 신호(S2) 및 제3 압전 센서(4c; 4g)의 제3 신호(S3)를 검출하는 단계;
    - 적어도 한 방향의 신호(S1, S2, S3)를 상기 방향의 압전 소자(4a, 4b, 4c; 4e, 4g, 4h)의 바람직한 방향(Va, Vb, Vc; Ve, Vf, Vg)의 성분 각각에 따라 비례하여 합산하는 단계; 및
    - 상기 합산 신호로부터 토크 및/또는 힘을 도출하는 단계; 또는
    - 적어도 한 방향의 각각의 개별 신호(S1, S2, S3)에 대해 토크 및/또는 힘을 상기 방향의 압전 소자(4a, 4b, 4c)의 바람직한 방향(Va, Vb, Vc; Ve, Vf, Vg)의 성분 각각에 따라 비례하여 도출하는 단계; 및
    - 상기 토크 및/또는 힘을 합산하는 단계.
  23. 적어도 3개, 특히 적어도 4개의 압전 소자(4a, 4b, 4c, 4d)를 가지되, 각각의 압전 소자는 각각 바람직한 방향(Va, Vb, Vc, Vd)을 갖고 샤프트(3)를 통해 전달되는 힘 흐름 내에서 샤프트(3)의 회전축(D) 주위의 서로 다른 위치에 각각 배치되어 있으며, 상기 배치는 상기 힘 흐름의 힘이 압전 소자(4a, 4b, 4c, 4d)에 전적으로 작용하도록 이루어지는 측정 시스템(1), 특히 제1항 내지 제17항 중 어느 한 항에 따른 측정 시스템(1)에 의해, 샤프트(3)에 인가되는 토크 및/또는 샤프트(3)에 인가되는 힘을 결정하기 위한 방법으로서, 상기 개별 압전 소자의 측정 신호를 토대로 힘 성분 및 토크 성분에 대한 방정식계에 의해 토크 및/또는 힘을 결정하는 방법.
  24. 제1항 내지 제17항 중 어느 한 항에 따른 측정 시스템(1)을 보정하기 위한 방법으로서, 다음 단계를 포함하는 방법:
    - 평면에 평행한 제1 방향으로 소정의 힘을 인가하는 단계;
    - 평면에 평행한 제2 방향으로 소정의 힘을 인가하는 단계;
    - 상기 소정의 힘을 인가하는 동안 제1 압전 센서(4a; 4e)의 제1 신호(S1), 제2 압전 센서(4b; 4f)의 제2 신호(S2) 및 제3 압전 센서(4c)의 제3 신호(S3)를 검출하는 단계; 및
    - 상기 검출 신호(S1, S2, S3) 및 상기 소정의 힘의 제1 및 제2 방향을 토대로 압전 소자(4a, 4b, 4c)의 바람직한 방향(Va, Vb, Vc)을 도출하는 단계.
  25. 제1항 내지 제17항 중 어느 한 항에 따른 측정 시스템(1)을 보정하기 위한 방법으로서, 다음 단계를 포함하는 방법:
    - 샤프트(3)의 회전축 주위에 소정의 토크를 인가하는 단계;
    - 제1 압전 소자(4a)의 적어도 하나의 제1 신호(S1), 제2 압전 소자(4b)의 제2 신호(S2) 및 제3 압전 소자(4c)의 제3 신호(S3)를 검출하는 단계; 및
    - 상기 검출 신호(S1, S2, S3) 및 소정의 토크를 토대로 회전축(D)으로부터 압전 소자(4a, 4b, 4c)의 거리(ra, rb, rc)를 도출하는 단계.
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