KR20230001163A - 능동형 자기댐퍼를 내장한 직선형구동기를 갖는 자기평형방식 로드셀 모듈 및 그 제어방법 - Google Patents

능동형 자기댐퍼를 내장한 직선형구동기를 갖는 자기평형방식 로드셀 모듈 및 그 제어방법 Download PDF

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고각현
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노바센(주)
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Abstract

본 발명은 검사품의 중량을 측정하는 로드셀에 있어서 자기평형방식의 중량측정모듈내 직선형구동기에 능동형 자기댐퍼를 내장함으로써 중량측정시 발생되는 진동 등의 외란이 발생해도 고속 및 고감도의 중량 측정이 가능한 로드셀에 관한 기술로, 중량측정시 발생된 진동을 신속히 억제할 수 있는 능동형 댐퍼를 내장한 직선형구동기와, 외력(하중)에 의한 기계적 변형을 생성하는 로드셀 블록과, 로드셀 블록의 기계적 변위를 검출하는 변위검출센서와, 로드셀 블록의 기계적 변위(변위검출센서의 검출 값)를 없애는데 공급된 직선형구동기의 전류량을 기초하여 검사품의 중량을 산출하는 중량산출부를 포함하는 것이다.

Description

능동형 자기댐퍼를 내장한 직선형구동기를 갖는 자기평형방식 로드셀 모듈 및 그 제어방법{LoadCell including a Linear Actuator with a Built-in Active Damper and Control Method Thereof}
본 발명은 직선형구동기를 포함하는 로드셀에 관한 것으로, 구체적으로 고속 및 고감도로 중량을 측정하는 자기발란스 방식의 중량측정모듈 내 직선형구동기에 능동형 자기댐퍼를 내장하여 외란에 강인한 특성을 갖도록 한 능동형 자기댐퍼를 내장한 직선형구동기를 갖는 자기평형방식 로드셀 모듈 및 그 제어방법에 관한 것이다.
로드셀(LoedCell)은 산업용 기계장비의 요소부픔에서 계측센서로써 가장 기초가 되는 센서로 기술적으로 그 적용 분야가 방대하고 상업적으로 센서 품목에서 가장 큰 시장 규모를 갖는다.
각종 기기 및 장비내에서 생산 중 검사제품의 중량을 검사하여 포장의 정량여부, 가공/부속의 누락 등의 판별을 통한 불량품 선별 및 중량에 따른 제품의 등급 분류 등을 위하여 제약, 식품, 기계가공, 석유화학 등 자동화 생산 분야에 전방에 걸쳐 활용되고 있다.
주요 성능지표는 기기의 신뢰성을 확보하기 위한 측정 정도, 목표 측정 정도를 만족하는 범위 내에서 처리량의 증가를 통한 생산성의 향상을 위한 측정 속도, 진동 등 측정에 방해를 주는 외란에 대한 강인성 등이다.
특히, 생산성 향상을 위한 자동화 수준의 고도화 추세에 따라 제조설비 및 자동포장기 등의 고속화로 장비내 중량측정을 하는 로드셀의 단위 시간당 측정수량이 비약적으로 증대되고 있으나, 기존 스트레인게이지 방식의 경우 성능 수준이 기대에 부응하지 못하고 있는 실정이다.
중량측정기기의 측정 정확도 및 측정 속도를 결정하는 기기 내 핵심부품은 실시간으로 하중을 측정하는 로드셀(LoadCell)로써 외력(Load)을 받으면 물리적 변형을 일으키고 그 물리적 변형량에 비례한 전기적 신호를 발생시키는 포스(Force)센서이다.
로드셀에는 스트레인게이지(Strain Gauge)방식이 있다. 스트레인게이지 방식의 로드셀은 경제적 가격의 장점으로 산업 현장에서 가장 일반적으로 사용되고 있으나, 종래의 일반적인 스트레인게이지 방식 로드셀의 경우 외력을 받아 물리적 변형이 생긴 후 외력이 제거되어도 즉시 정상상태로 복귀하지 못하고 기계적 진동(Vibration)을 발생시켜 측정 정도에 외란으로 작용함은 물론 다음 측정까지 대기 시간이 길어 측정 속도의 저하를 유발한다.
또한, 외력의 크기에 비례한 물리적 변형을 일으키는 힌지(Hinge)구조에 주기적 외력인 진동이 장기간 가해지면 피로파괴(Fatigue Failure)가 일어나 로드셀이 파손된다.
즉, 로드셀 사용 수명은 검사 획수(누적진동량)에 반비례하여 짧아진다. 이는 기기의 신뢰도 저하는 물론 기기의 수리/정비에 따른 생산차질 요소로 생산성 저하를 유발한다.
일부 로드셀의 경우 오일댐퍼를 적용한 스트레인게이지방식 로드셀(Vishay,美)을 적용하여 진동억제를 통해서 측정 정도(약 2배), 측정 속도(약 1.5배), 사용수명(약 10배)에서 일반 로드셀 대비 비교우위 성능 을 달성하였으나 오일댐퍼 적용에 따른 사용단계에서의 댐핑력 조절불가, 온도변화에 따른 댐핑력 변화, 오일누수에 따른 환경오염 등의 문제점이 있다.
최신기술이 적용된 고속,고정도 로드셀에는 자기평형방식의 로드셀(Magnetic Balancing type LoadCell)이 핵심장치로 적용되고 있으며 스트레인게이지(Strain Gauge)방식의 로드셀 대비 뛰어난 측정속도(3~5배) 및 측정정도(10배 이상)와 고내구성으로 기술적 우위를 점하고 있다.
자기평형방식 로드셀의 계측원리는 측정하고자 하는 대상 중량물에 의한 기구부(Lever mechanism)의 변형을 변위센서로 계측(Δd≠0)하고 장치내 제어기가 직선형구동기(VCA,Voice Coil Actuator)로 반대방향의 힘을 생성하여 평형(Δd=0)을 유지하게끔 한다. 이 때, VCA에 인가된 제어량(전류)의 신호 분석으로 측정 대상 질량을 산출하여 측정하게 된다.
실제 측정과정에서 자기평형방식 로드셀 힌지부의 기계적 변형량은 스트레인게이지 방식 로드셀(1mm이내 변형) 대비 약 1/100 이내(10μ 이내, 변위센서 및 제어기 성능에 반비례)로 기계적 진동(Vibration)량이 감소되어 그 측정속도 및 측정 정도에서 기술적 우위에 있다.
구체적으로, 자기평형방식 로드셀의 성능은 제어기 및 신호처리장치의 설계완성도 외에 직선형구동기(VCA)의 구동성능, 변위센서 성능, 제어기 성능, 기구부의 진동외란에 대한 강인성이 좌우하게 된다.
그러나, 기존 자기평형방식 중량선별기의 성능은 중량측정모듈 내 제어기 및 신호처리장치의 설계완성도 외에 VCA의 구동성능(최대출력, 응답성, 선형성 등), 변위센서 성능(최소분해능, 응답성 등) 등이 관계되나 주요 경쟁사별 해당 기술의 격차는 평준화되어 기술의 정체에 있다.
특히, 중량 측정물의 개량 시작시의 임펄스 충격 및 외란진동(컨베이어구동, 바닥진동, 바람 등)에 의한 이상 신호는 로드셀에 있어서 외란으로 작용하여 그 측정 정도 및 측정 속도의 한계로 작용되고 있다.
각 제조사들은 진동 저감화 대책으로 로드셀 블록의 최적 설계 및 컨베이어 등 기구부의 저진동 설계로 대응하고 있으나, 진동에 대한 적극적 기술 해결 방안이라 할 수 없다.
따라서, 외란에 강인한 특성을 갖도록 하여 고속 및 고감도로 중량을 효율적으로 측정할 수 있도록 하는 새로운 기술의 개발이 요구되고 있다.
대한민국 등록특허 제10-1640544호 대한민국 등록특허 제10-199036호 대한민국 공개특허 제10-2009-0106260호
본 발명은 종래 기술의 로드셀 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 고속 및 고감도로 중량을 측정하는 자기발란스 방식의 중량측정모듈 내 직선형구동기에 능동형 자기댐퍼를 내장하여 외란에 강인한 특성을 갖도록 한 능동형 자기댐퍼를 내장한 직선형구동기를 갖는 자기평형방식 로드셀 모듈 및 그 제어방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 자기평형방식의 로드셀내 직선형구동기에 능동형 자기댐퍼를 내장함으로써 중량측정시 발생되는 진동 등의 외란이 발생해도 고감도의 중량 측정이 가능하도록 한 능동형 자기댐퍼를 내장한 직선형구동기를 갖는 자기평형방식 로드셀 모듈 및 그 제어방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 중량측정 환경에 따라 변화되는 고유진동수에 대응하여 직선형구동기내 댐핑력도 가변되므로 측정물의 중량 측정에 방해가 되는 진동을 신속히 감쇄시킬 수 있도록 한 능동형 자기댐퍼를 내장한 직선형구동기를 갖는 자기평형방식 로드셀 모듈 및 그 제어방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 진동이 신속히 감쇄됨에 따라 측정물의 중량을 측정할 수 있는 시간이 증가되어 측정물의 중량 측정 정확도가 향상되도록 한 능동형 자기댐퍼를 내장한 직선형구동기를 갖는 자기평형방식 로드셀 모듈 및 그 제어방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 진동이 신속히 감쇄됨에 따라 고속으로 측정물의 중량을 측정할 수 있도록 한 능동형 자기댐퍼를 내장한 직선형구동기를 갖는 자기평형방식 로드셀 모듈 및 그 제어방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 다른 목적들은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 능동형 자기댐퍼를 내장한 직선형구동기를 갖는 자기평형방식 로드셀 모듈은 중량측정시 발생된 진동을 억제할 수 있는 능동형 댐퍼를 내장한 직선형구동기;외력에 의한 기계적 변형을 생성하는 로드셀 블록;로드셀 블록의 기계적 변위를 검출하는 변위검출센서;로드셀 블록의 기계적 변위(변위검출센서의 검출 값)를 없애는데 공급된 직선형구동기의 전류량을 기초하여 검사품의 중량을 산출하는 중량산출부;를 포함하고, VCA에 자기댐퍼 코일부를 내장하여, VCA 영구자석을 초기 자기 댐핑력 생성에 활용하고, 임의로 가변 가능한 추가 댐핑력을 자기댐퍼 코일부에서 생성이 가능하며, VCA내 자기경로를 자기댐퍼 자기경로로 공유하여 누설 자속이 없어 VCA의 모터상수 변화에서 외란을 방지하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 자기댐퍼 코일부의 자화 방향을 VCA 영구자석 자화 방향과 반대로 제어 가능하여 VCA에서 생성된 초기 댐핑력 이하로의 댐핑력 제어가 가능하도록 하는 것을 특징으로 한다.
다른 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 능동형 자기댐퍼를 내장한 직선형구동기를 갖는 자기평형방식 로드셀 모듈은 전류(IV)를 입력받아 그에 비례한 직선 구동력을 생성하는 VCA 기능을 하는 VCA용 코일부;VCA용 코일부를 고정하는 지지부(Bobbin)로써 VCA용 코일부(61)의 구동력을 전달받아 동작부에 전달하는 VCA 댐퍼용 보빈;VCA용 코일부에서 생성된 직선구동력을 로드셀 블록의 지레(Lever)내 힘점에 전달하여 평형동작을 수행하는 동작부;VCA의 구동에 필요한 고정 자기장을 생성하고 자기댐퍼 최저 댐핑력 생성에 필요한 고정 자기장을 생성하는 영구자석;전류(ID)를 입력받아 그에 비례한 추가 댐핑력을 생성하는 댐퍼용 코일부;영구자석 및 댐퍼용 코일부에서 생성된 자기장의 흐름을 동작부내 코일부로 유도하는 자기경로;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 코일부의 온도상승 및 주변온도 영향에 의한 자기경로의 온도변화에 따른 투자율 변화에 따른 직선구동기(VCA)의 특성변화(모터상수) 및 자기댐퍼의 댐핑력 변화를 보정하기 위한 온도 정보를 제공하는 온도 센서를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
그리고 VCA 댐퍼용 보빈은 재질을 전기적 전도도가 높은 금속으로 하여 진동발생시 자기댐퍼판 역할을 하여 표면에 와전류(Eddy Current)가 생성되고 동작 방향의 반대방향으로 댐핑력이 생성되어 진동을 감쇠시키는 것을 특징으로 한다.
다른 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 능동형 자기댐퍼를 내장한 직선형구동기를 갖는 자기평형방식 로드셀 모듈의 제어방법은 자기평형방식 로드셀내 레버의 평형을 유지토록 PID 제어를 하는 단계;자기경로부 온도(T), 자기댐핑력 크기에 따른 최적 PID 제어 게인값 정보를 반영하는 단계;VCA 코일부의 입력 전류크기(IV),모터상수(MC),자기평형지레비율(A/B) 정보를 활용하여 현재 중량 측정물의 무게를 산출하는 단계;자기경로부 온도(T)에 따른 모터상수(MC)값 정보 반영을 하는 단계;VCA에서 생성되는 초기 댐핑력(FV), 자기댐퍼 코일부의 입력 전류크기(ID),댐핑계수(DC) 정보를 활용하여 목표 댐핑력 생성토록 제어하는 단계;자기경로부 온도(T)에 따른 댐핑계수(DC)값 정보 반영을 하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
여기서, VCA의 모터상수 변화를 초래하는 자기댐퍼 코일부 입력 전류 변화를 산출하여, 제어기에서는 정확한 무게 측정을 위하여 댐핑력 변화에 따른 VCA모터상수 값의 변화를 실시간으로 측정에 반영하는 것을 특징으로 한다.
그리고 VCA에서 생성된 초기 댐핑력 이하로의 댐핑력 가용 범위를 확장하기 위해서, 자기댐퍼 코일부에의 입력전류 극성을 바꾸어 자화 방향을 VCA 영구자석 자화 방향과 반대로하는 댐핑력 제어를 하는 것을 특징으로 한다.
그리고 코일부의 온도상승 및 주변온도 영향에 따른 자기경로의 온도변화에 따른 투자율 변화에 따른 직선구동기(VCA)의 특성변화(모터상수) 및 자기댐퍼의 댐핑력 변화를 보정하기 위한 온도 정보를 중량 측정과정에 반영하는 것을 특징으로 한다.
이상에서 설명한 바와 같은 본 발명에 따른 능동형 자기댐퍼를 내장한 직선형구동기를 갖는 자기평형방식 로드셀 모듈 및 그 제어방법은 다음과 같은 효과가 있다.
첫째, 고속 및 고감도로 중량을 측정하는 자기발란스 방식의 중량측정모듈 내 직선형구동기에 능동형 자기댐퍼를 내장하여 외란에 강인한 특성을 갖도록 한다.
둘째, 자기평형방식의 로드셀내 직선형구동기에 능동형 자기댐퍼를 내장함으로써 중량측정시 발생되는 진동 등의 외란이 발생해도 고감도의 중량 측정이 가능하도록 한다.
셋째, 중량측정 환경에 따라 변화되는 고유진동수에 대응하여 직선형구동기내 댐핑력도 가변되므로 측정물의 중량 측정에 방해가 되는 진동을 신속히 감쇄시킬 수 있도록 한다.
넷째, 진동이 신속히 감쇄됨에 따라 측정물의 중량을 측정할 수 있는 시간이 증가되어 측정물의 중량 측정 정확도가 향상되도록 한다.
다섯째, 진동이 신속히 감쇄됨에 따라 고속으로 측정물의 중량을 측정할 수 있도록 한다.
도 1은 자기평형방식 로드셀의 계측 원리를 나타낸 구성도
도 2와 도 3은 VCA내 영구자석을 활용한 자기 댐퍼 구조를 나타낸 구성도
도 4는 능동형 자기 댐퍼를 추가한 VCA 구조를 나타낸 구성도
도 5는 코일 및 자기경로를 갖는 능동형 자기 댐퍼를 추가한 VCA 구조를 나타낸 구성도
도 6은 본 발명에 따른 능동형 자기댐퍼를 내장한 직선형구동기를 갖는 자기평형방식 로드셀 모듈 구성도
도 7 및 도 8은 본 발명에 따른 능동형 자기댐퍼를 내장한 직선형구동기를 갖는 자기평형방식 로드셀 모듈 제어 방법을 나타낸 구성도
이하, 본 발명에 따른 능동형 자기댐퍼를 내장한 직선형구동기를 갖는 자기평형방식 로드셀 모듈 및 그 제어방법의 바람직한 실시 예에 관하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
본 발명에 따른 능동형 자기댐퍼를 내장한 직선형구동기를 갖는 자기평형방식 로드셀 모듈 및 그 제어방법의 특징 및 이점들은 이하에서의 각 실시 예에 대한 상세한 설명을 통해 명백해질 것이다.
본 발명은 댐퍼 기능을 내장한 직선형구동기를 포함하는 로드셀과, 그것의 제어 방법에 관한 것으로, 고속 및 고감도로 중량을 측정하는 자기발란스 방식의 중량측정모듈 내 직선형구동기에 능동형 자기댐퍼가 내장됨으로써 중량측정에서 발생되는 진동 등의 외란이 발생해도 고속 및 고감도의 중량 측정이 가능한 로드셀(LoadCell)에 관한 기술이다.
도 1은 자기평형방식 로드셀의 계측 원리를 나타낸 구성도이다.
자기평형방식 로드셀의 계측원리는 측정하고자 하는 대상 중량물에 의한 기구부(Lever mechanism)의 변형을 변위센서로 계측(Δd≠0)하고 장치내 제어기가 직선형구동기(VCA,Voice Coil Actuator)로 반대방향의 힘을 생성하여 평형(Δd=0)을 유지하게끔 한다.
이때, VCA에 인가된 제어량(전류)의 신호 분석으로 측정 대상 질량을 산출하여 측정하게 된다.
도 2와 도 3은 VCA내 영구자석을 활용한 자기 댐퍼 구조를 나타낸 구성도이다.
도 2에서와 같이, VCA 구조에서 코일 지지부(동작부,보빈)의 재질을 전기적 전도도가 높은 금속(Cu,Al 등)으로 대체하면 동작부의 동작(진동발생)시 코일부 밑 보빈(Bobbin,(자기댐퍼판 역할을 함))에서 와전류가 생성되고 동작부 이동 방향의 반대방향으로 댐핑력이 생성되어 진동을 감쇠 시키는데 활용 될 수 있다. 이는 VCA 구조에서 간단히 동작부(보빈)의 소재 교체만으로 진동 억제에 필요한 댐핑력을 생성할 수 있는 장점이 있다.
하지만, 생성할 수 있는 최대 댐핑력이 크기는 VCA 구조에 따라 제한되고, 측정시 최적의 댐핑력으로 가변할 수 없다.
도 3에서와 같이, 자기장 변화영역의 증대를 위한 홈이 있는 구조의 자기경로를 직렬하여 추가한 구조의 자기 댐퍼를 내장한 VCA로써 댐핑력의 조정은 추가된 자기댐퍼 용 자기경로만의 교체로써 가능하다.
이는 도 2의 구조에 비하여 향상된 댐핑력을 생성할 수 있는 장점이 있으나, 측정시 최적의 댐핑력으로 가변할 수 없다.
도 4는 능동형 자기 댐퍼를 추가한 VCA 구조를 나타낸 구성도이다.
장치 사용중에 댐핑력 임의 제어를 가능하기 위해 코일(Solenoid) 및 원통형 자기경로로 이루어진 능동형 자기댐퍼를 추가한 VCA 구조로써 코일에 인가된 전류량의 제어로 댐핑력의 실시간 제어가 가능하다.
댐퍼용 자기경로와 VCA용 자기경로를 상호 연결 고정하는 고정부는 재질을 비자성체(비철금속, 플라스틱 등)로 하여 상호(자기댐퍼,VCA) 자기 간섭을 배제한다. 이는 도 3의 구조에 비하여 필요로 하는 임의의 댐핑력을 생성할 수 있는 장점이 있으나, 자기 댐핑에 필요한 전체 자기력을 코일(Solenoid)에서 생성하기에 일정 이상의 댐핑력 생성을 위해서는 코일부의 크기가 커지며 소비 전류량이 커져 효율이 저하된다.
또한, 댐퍼 동작시 댐퍼용 자기경로에서 자속이 누설되어 근접한 VCA용 자기경로에 유도되어 VCA의 모터상수 변화를 초래하여 중량측정 정도를 저하시키고, VCA에서 생성된 댐핑력 이하로의 댐핑력 제어가 불가능하다.
도 5는 코일 및 자기경로를 갖는 능동형 자기 댐퍼를 추가한 VCA 구조를 나타낸 구성도이다.
VCA 구조에서 코일 지지부(동작부,보빈)의 재질을 전기적 전도도가 높은 금속(Cu,Al 등)으로 대체하여 가용용역의 최소 댐핑력으로 활용하며 가용용역의 최대 댐핑력까지의 추가 댐핑력만을 능동형 자기댐퍼에서 생성한다.
그러나 댐퍼 동작시 댐퍼용 자기경로에서 자속이 누설되어 근접한 VCA용 자기경로에 유도되어 VCA의 모터상수 변화를 초래하여 중량측정 정도를 저하시키고, VCA에서 생성된 댐핑력 이하로의 댐핑력 제어가 불가능하다.
도 6은 본 발명에 따른 능동형 자기댐퍼를 내장한 직선형구동기를 갖는 자기평형방식 로드셀 모듈 구성도이다.
본 발명은 검사품의 중량을 측정하는 로드셀에 있어서 자기평형방식의 중량측정모듈내 직선형구동기에 능동형 자기댐퍼를 내장함으로써 중량측정시 발생되는 진동 등의 외란이 발생해도 고속 및 고감도의 중량 측정이 가능한 로드셀에 관한 것이다.
이를 위하여, 중량측정시 발생된 진동을 신속히 억제할 수 있는 능동형 댐퍼를 내장한 직선형구동기와, 외력(하중)에 의한 기계적 변형을 생성하는 로드셀 블록과, 로드셀 블록의 기계적 변위를 검출하는 변위검출센서와, 로드셀 블록의 기계적 변위(변위검출센서의 검출 값)를 없애는데 공급된 직선형구동기의 전류량을 기초하여 검사품의 중량을 산출하는 중량산출부를 포함하는 것이다.
본 발명에 따른 능동형 자기댐퍼를 내장한 직선형구동기를 갖는 자기평형방식 로드셀 모듈은 VCA에 자기댐퍼 코일부를 내장하여, 기존 VCA 영구자석을 초기 자기 댐핑력 생성에 활용함은 물론, 임의로 가변 가능한 추가 댐핑력을 자기댐퍼 코일부에서 생성이 가능하며, 기존 VCA내 자기경로를 자기댐퍼 자기경로로 공유함으로써 누설 자속이 없어 VCA의 모터상수 변화에서 산출 불가능한 불확실성(외란)을 방지하여, 중량측정 속도 및 정확도를 향상시킬 수 있다.
자기댐퍼 코일부의 자화 방향을 VCA 영구자석 자화 방향과 반대로 제어 가능하여 VCA에서 생성된 초기 댐핑력 이하로의 댐핑력 제어가 가능하다.
본 발명에 따른 능동형 자기댐퍼를 내장한 직선형구동기를 갖는 자기평형방식 로드셀 모듈의 세부 구성은 도 6에서와 같이, 전류(IV)를 입력받아 그에 비례한 직선 구동력을 생성하는 역할(VCA 기능)을 하는 VCA용 코일부(61)와, VCA용 코일부(61)를 고정하는 지지부(Bobbin)로써 VCA용 코일부(61)의 구동력을 전달받아 동작부(63)에 전달하는 역할(VCA내 기능)을 하는 VCA 댐퍼용 보빈(62)과, VCA용 코일부(61)에서 생성된 직선구동력을 로드셀 블록의 지레(Lever)내 힘점에 전달하여 평형동작을 수행하는 역할(VCA내 기능)을 하는 동작부(63)와, VCA의 구동에 필요한 고정 자기장 생성(VCA내 기능)하고 자기댐퍼 최저 댐핑력 생성에 필요한 고정 자기장 생성(자기댐퍼내 기능)하는 영구자석(64)과, 전류(ID)를 입력받아 그에 비례한 추가 댐핑력을 생성하는 역할(자기댐퍼내 기능)을 하는 댐퍼용 코일부(65)와, 영구자석(64) 및 댐퍼용 코일부(65)에서 생성된 자기장의 흐름을 동작부(63)내 코일부로 유도하는 자기경로(66)와, 자기경로(66)의 온도변화(코일부의 온도상승 및 주변온도 영향)에 따른 투자율 변화에 따른 직선구동기(VCA)의 특성변화(모터상수) 및 자기댐퍼의 댐핑력 변화를 보정하기 위한 온도 정보를 제공하는 온도 센서(67)를 포함한다.
여기서, VCA 댐퍼용 보빈(62)은 재질을 전기적 전도도가 높은 금속(Cu,Al 등)으로 하여 동작(진동발생)시 자기댐퍼판 역할을 하여 표면에 와전류(Eddy Current)가 생성되고 동작 방향의 반대방향으로 댐핑력이 생성되어 진동을 감쇠 시키는 역할(자기댐퍼내 기능)을 한다.
도 7 및 도 8은 본 발명에 따른 능동형 자기댐퍼를 내장한 직선형구동기를 갖는 자기평형방식 로드셀 모듈 제어 방법을 나타낸 구성도이다.
본 발명에 따른 능동형 자기댐퍼를 내장한 직선형구동기를 갖는 자기평형방식 로드셀 모듈 제어 방법은 크게, 자기평형방식 로드셀내 레버의 평형을 유지토록 PID 제어를 하는 단계(S801)와, 자기경로부 온도(T), 자기댐핑력 크기에 따른 최적 PID 제어 게인값 정보를 반영하는 단계(S802)와, VCA 코일부의 입력 전류크기(IV),모터상수(MC),자기평형지레비율(A/B) 정보를 활용하여 현재 중량 측정물의 무게를 산출하는 단계(S803)와, 자기경로부 온도(T)에 따른 모터상수(MC)값 정보 반영을 하는 단계(S804)와, VCA에서 생성되는 초기 댐핑력(FV), 자기댐퍼 코일부의 입력 전류크기(ID),댐핑계수(DC) 정보를 활용하여 목표 댐핑력 생성토록 제어하는 단계(S805)와, 자기경로부 온도(T)에 따른 댐핑계수(DC)값 정보 반영을 하는 단계(S806)를 포함한다.
자기댐퍼 코일부 입력 전류 변화는 VCA의 모터상수 변화를 초래하나, 그 값은 산출 가능하므로 제어기에서는 정확한 무게 측정을 위하여 댐핑력 변화에 따른 VCA모터상수 값의 변화를 실시간으로 측정에 반영한다.
VCA에서 생성된 초기 댐핑력 이하로의 댐핑력 가용 범위를 확장하기 위해서, 자기댐퍼 코일부에의 입력전류 극성을 바꾸어 자화 방향을 VCA 영구자석 자화 방향과 반대로하는 댐핑력 제어 가능하다.
또한, 제어기에서는 자기경로의 온도변화(코일부의 온도상승 및 주변온도 영향)에 따른 투자율 변화에 따른 직선구동기(VCA)의 특성변화(모터상수) 및 자기댐퍼의 댐핑력 변화를 보정하기 위한 온도 정보를 중량 측정과정에 반영한다.
Position Controller에서 자기평형방식 로드셀내 레버의 평형을 유지토록 PID 제어한다.
PID-Gain Database에서 자기경로부 온도(T), 자기댐핑력 크기에 따른 최적 PID 제어 게인값 정보를 제공한다.
Mass Calculator에서 VCA 코일부의 입력 전류크기(IV),모터상수(MC),자기평형지레비율(A/B) 정보를 활용하여 현재 중량 측정물의 무게를 산출한다.
Motor Constance(MC) Database에서 자기경로부 온도(T)에 따른 모터상수(MC)값 정보를 제공한다.
Damper Controller가 VCA에서 생성되는 초기 댐핑력(FV), 자기댐퍼 코일부의 입력 전류크기(ID),댐핑계수(DC) 정보를 활용하여 목표 댐핑력 생성토록 제어한다.
그리고 Damping coefficient(DC) Database에서 자기경로부 온도(T)에 따른 댐핑계수(DC)값 정보를 제공한다.
이상에서 설명한 본 발명에 따른 능동형 자기댐퍼를 내장한 직선형구동기를 갖는 자기평형방식 로드셀 모듈 및 그 제어방법은 고속 및 고감도로 중량을 측정하는 자기발란스 방식의 중량측정모듈 내 직선형구동기에 능동형 자기댐퍼가 내장됨으로써 중량측정에서 발생되는 진동 등의 외란이 발생해도 고속 및 고감도의 중량 측정이 가능한 로드셀(LoadCell)에 관한 기술이다.
이상에서의 설명에서와 같이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 본 발명이 구현되어 있음을 이해할 수 있을 것이다.
그러므로 명시된 실시 예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 하고, 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구 범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.
61. VCA용 코일부 62. VCA 댐퍼용 보빈
63. 동작부 64. 영구자석
65. 댐퍼용 코일부 66. 자기경로
67. 온도 센서

Claims (9)

  1. 중량측정시 발생된 진동을 억제할 수 있는 능동형 댐퍼를 내장한 직선형구동기;
    외력에 의한 기계적 변형을 생성하는 로드셀 블록;
    로드셀 블록의 기계적 변위를 검출하는 변위검출센서;
    로드셀 블록의 기계적 변위(변위검출센서의 검출 값)를 없애는데 공급된 직선형구동기의 전류량을 기초하여 검사품의 중량을 산출하는 중량산출부;를 포함하고,
    VCA에 자기댐퍼 코일부를 내장하여, VCA 영구자석을 초기 자기 댐핑력 생성에 활용하고, 임의로 가변 가능한 추가 댐핑력을 자기댐퍼 코일부에서 생성이 가능하며, VCA내 자기경로를 자기댐퍼 자기경로로 공유하여 누설 자속이 없어 VCA의 모터상수 변화에서 외란을 방지하는 것을 특징으로 하는 능동형 자기댐퍼를 내장한 직선형구동기를 갖는 자기평형방식 로드셀 모듈.
  2. 제 1 항에 있어서, 자기댐퍼 코일부의 자화 방향을 VCA 영구자석 자화 방향과 반대로 제어 가능하여 VCA에서 생성된 초기 댐핑력 이하로의 댐핑력 제어가 가능하도록 하는 것을 특징으로 하는 능동형 자기댐퍼를 내장한 직선형구동기를 갖는 자기평형방식 로드셀 모듈.
  3. 전류(IV)를 입력받아 그에 비례한 직선 구동력을 생성하는 VCA 기능을 하는 VCA용 코일부;
    VCA용 코일부를 고정하는 지지부(Bobbin)로써 VCA용 코일부(61)의 구동력을 전달받아 동작부에 전달하는 VCA 댐퍼용 보빈;
    VCA용 코일부에서 생성된 직선구동력을 로드셀 블록의 지레(Lever)내 힘점에 전달하여 평형동작을 수행하는 동작부;
    VCA의 구동에 필요한 고정 자기장을 생성하고 자기댐퍼 최저 댐핑력 생성에 필요한 고정 자기장을 생성하는 영구자석;
    전류(ID)를 입력받아 그에 비례한 추가 댐핑력을 생성하는 댐퍼용 코일부;
    영구자석 및 댐퍼용 코일부에서 생성된 자기장의 흐름을 동작부내 코일부로 유도하는 자기경로;를 포함하는 것을 특징으로 하는 능동형 자기댐퍼를 내장한 직선형구동기를 갖는 자기평형방식 로드셀 모듈.
  4. 제 3 항에 있어서, 코일부의 온도상승 및 주변온도 영향에 의한 자기경로의 온도변화에 따른 투자율 변화에 따른 직선구동기(VCA)의 특성변화(모터상수) 및 자기댐퍼의 댐핑력 변화를 보정하기 위한 온도 정보를 제공하는 온도 센서를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 능동형 자기댐퍼를 내장한 직선형구동기를 갖는 자기평형방식 로드셀 모듈.
  5. 제 3 항에 있어서, VCA 댐퍼용 보빈은 재질을 전기적 전도도가 높은 금속으로 하여 진동발생시 자기댐퍼판 역할을 하여 표면에 와전류(Eddy Current)가 생성되고 동작 방향의 반대방향으로 댐핑력이 생성되어 진동을 감쇠시키는 것을 특징으로 하는 능동형 자기댐퍼를 내장한 직선형구동기를 갖는 자기평형방식 로드셀 모듈.
  6. 자기평형방식 로드셀내 레버의 평형을 유지토록 PID 제어를 하는 단계;
    자기경로부 온도(T), 자기댐핑력 크기에 따른 최적 PID 제어 게인값 정보를 반영하는 단계;
    VCA 코일부의 입력 전류크기(IV),모터상수(MC),자기평형지레비율(A/B) 정보를 활용하여 현재 중량 측정물의 무게를 산출하는 단계;
    자기경로부 온도(T)에 따른 모터상수(MC)값 정보 반영을 하는 단계;
    VCA에서 생성되는 초기 댐핑력(FV), 자기댐퍼 코일부의 입력 전류크기(ID),댐핑계수(DC) 정보를 활용하여 목표 댐핑력 생성토록 제어하는 단계;
    자기경로부 온도(T)에 따른 댐핑계수(DC)값 정보 반영을 하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 능동형 자기댐퍼를 내장한 직선형구동기를 갖는 자기평형방식 로드셀 모듈의 제어 방법.
  7. 제 6 항에 있어서, VCA의 모터상수 변화를 초래하는 자기댐퍼 코일부 입력 전류 변화를 산출하여,
    제어기에서는 정확한 무게 측정을 위하여 댐핑력 변화에 따른 VCA모터상수 값의 변화를 실시간으로 측정에 반영하는 것을 특징으로 하는 능동형 자기댐퍼를 내장한 직선형구동기를 갖는 자기평형방식 로드셀 모듈의 제어 방법.
  8. 제 6 항에 있어서, VCA에서 생성된 초기 댐핑력 이하로의 댐핑력 가용 범위를 확장하기 위해서, 자기댐퍼 코일부에의 입력전류 극성을 바꾸어 자화 방향을 VCA 영구자석 자화 방향과 반대로하는 댐핑력 제어를 하는 것을 특징으로 하는 능동형 자기댐퍼를 내장한 직선형구동기를 갖는 자기평형방식 로드셀 모듈의 제어 방법.
  9. 제 6 항에 있어서, 코일부의 온도상승 및 주변온도 영향에 따른 자기경로의 온도변화에 따른 투자율 변화에 따른 직선구동기(VCA)의 특성변화(모터상수) 및 자기댐퍼의 댐핑력 변화를 보정하기 위한 온도 정보를 중량 측정과정에 반영하는 것을 특징으로 하는 능동형 자기댐퍼를 내장한 직선형구동기를 갖는 자기평형방식 로드셀 모듈의 제어 방법.
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