KR970003496B1 - 토크 작동 장치 및 오버슛(overshoot) 보상 회로 - Google Patents

토크 작동 장치 및 오버슛(overshoot) 보상 회로 Download PDF

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아아르 애니스 제프리
아아르 허어만 팀
티이 스트로벨 로널드
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Abstract

없음.

Description

토크 작동 장치 및 오버슛(overshoot) 보상 회로
제1도는 본 발명에 따라 구성된 오버슛 보상 회로를 포함하는 전자 토크 렌치의 평면도.
제2도는 제1도의 렌치의 오버슛 보상 회로를 도시하는 개략적인 회로도.
제3도는 제2도의 오버슛 보상 회로용 전력 공급 회로를 도시하는 개략적인 회로도.
제4도는 제2도의 회로 작동 상태를 나타내도록 상기 회로에서 발생된 여러가지 신호를 전압 대 시간의 그래프로 도시한 도면.
*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*
10 : 전자 토크 렌치17 : 토크 감지 조립체
18 : 스트레인 게이지20 : 핸들 조립체
25 : 신호 발생기27 : 모터
29 : 전지30 : 회로 판
31 : 제어 회로33,41,45,46 : 집적 회로 연산 증폭기
34,36,37,38,42 : 저항35 : 감산 회로
39 : 전위차계40 : 미분 회로
43,52,53 : 콘덴서47 : 전계 효과 트랜지스터
51 : 전압 변환기55 : 입력 신호
56 : 기준 신호57 : 편차 신호
58 : 보상 신호
발명의 분야
본 발명은 토크 공급 장치에 관한 것으로서,특히 전자식 토크 감지 회로와 출력 표시 수단을 갖는 형태의 전자 토크 렌치에 관한 것이다.
종래기술의 설명
표준형 오버슛 보상 회로는 소정의 토크가 가해질 부분에 회전가능하게 고정되도록 적용된 공구 단부 및 핸들 단부를 갖는 단단하고 긴 몸체를 포함한다. 공구 단부와 몸체 사이에 연결된 스트레인 게이지를 포함하는 변환기는 공구 단부에 회전가능하게 결합된 부분에 렌치에 의해 가해진 실제 토크에 대응하는 실제 값의 전기 토크 신호를 발생한다. 일반적으로, 사용자는 출력 회로에서 가해지고 있는 실제 토크 값에 대한 표시 및 가해진 토크가 소망하는 소정 토크 레벨에 도달했다는 표시를 제공받는다.
이러한 토크 렌치는 사용시 정확도가 떨어진다. 출력 표시가 실제 가해지고 있는 토크를 나타내는 경우, 사용자는 반드시 매우 주의깊게 그 표시를 주시하여, 부주의하게 소망하는 토크 레벨 이상으로 토크가 가해지지 않도록 해야 한다. 또한, 그 출력 표시가 소정 토크 레벨에 도달하였음을 나타내는 표시일 경우, 사용자는 반드시 더욱 주의를 기울여야 한다. 그렇지 않을 경우, 사용자가 일반적으로 렌치의 핸들에 상당한 힘을 가하고 있기 때문에, 사용자는 자신의 반응 시간으로 인해 소정 토크 레벨을 초과하지 않도록 지시하는 신호를 받은 후 핸들에 가하는 힘을 신속하게 해제할 수 없게 된다.
가해진 토크가 소망하는 소정 토크 레벨 이하의 고정된 한계 레벨에 도달되면, 사용자가 소정 레벨에 도달하기 전에 가하고 있는 힘을 감소시킬 수 있도록 경고 신호를 발생시키는 방법이 공지되어 있다. 그러나, 사용자들이 다르고 사용예들도 다르기 때문에, 토크가 가해지는 비율은 상당하게 변화될 수 있으며, 어떤 토크 사용 비율에 대해 적절한 경고를 발생시키기에 적합한 한계 레벨은 그 보다 빠른 토크 사용 비율에서는 부적합 할 수 있다.
발명의 개요
본 발명의 목적은 상술한 렌치의 단점들을 제거하고 구조 및 작동상의 장점들을 제공하는 개선된 전자식 토크 렌치를 제공하는 것이다.
본 발명의 중요한 특징은 시변 입력 신호(time-varying input signal)가 소정 레벨에 도달되기 전에 소정 리드 타임(lead time)에서 경고 신호(warning signal)를 제공할 수 있는 가변 보상 기능(variable compensation)을 갖춘 오버슛 보상 회로를 제공한다는 점이다.
본 발명의 다른 특징은 경고 신호가 발생되는 신호 레벨이 입력 신호 변화율의 함수로서 변화되는 상술한 형태의 보상 회로를 제공한다는 점이다.
본 발명의 또 다른 특징은 경고 신호가 발생되는 신호 레벨이 입력 신호 변화율에 정비례하는 상술한 형태의 보상 회로를 제공한다는 점이다.
본 발명의 또 다른 특징은 소정 토크 레벨에 도달되기 전인 소정 리드 타임에 경고 신호를 발생하는 상술한 타입의 보상 회로를 포함하는 토크 렌치를 제공하는 것이다.
본 발명의 상기 특징 및 다른 특징은 시변 입력 신호가 소정 레벨에 도달하기 전에 출력 신호를 발생하는 오버슛 보상 회로를 제공함으로써 성취되는데, 상기 보상 회로는 소정 레벨에 대응하는 기준 신호를 설정하는 수단과, 입력 신호 변화율의 함수로 보상 신호를 발생하기 위하여 입력 신호에 응답하는 수단과, 입력 신호가 소정 레벨에 도달되기 전의 소정 시간에 출력 신호를 발생시키기 위하여 입력 신호와 기준 신호와 보상 신호에 응답하는 수단을 포함한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 양호한 실시예를 더욱 상세하게 설명하면 다음과 같다.
양호한 실시예의 설명
제1도에는 미국 특허 제4,958,541호에 기재된 유형의 전자 토크 렌치(10)가 도시되어 있으며, 여기에서는 본 발명을 이해하는데 필요한 구성 부분만을 설명한다.
토크 렌치(10)는 횡방향 단면이 거의 장방형이고 긴 편향 빔(11)의 형태인 휨 부재를 포함한다. 편향 빔(11)의 한쪽 단부에는 선회 핀(13)에 의해 래칫 헤드(15)의 설부(tongue)(14)에 선회가능하게 결합된 요크(12)가 제공된다. 표준 구조의 래칫 헤드(15)는 그 전방측에서 돌출하는 회전가능한 구동 러그(도시않음)를 가진다. 래칫 드라이브가 도시되었지만, 상기 토크 렌치(10)에는 고정된 정방형 드라이브를 갖는 헤드가 제공될 수도 있다.
편향 빔(11)상에 설치된 토크 감지 조립체(17)는 소정 형태로 그 편향빔(11)에 확고하게 고정된 다수의 스트레인 게이지(18)를 포함한다. 또한, 토크 렌치(10)에는 횡방향 단면이 거의 장방형인 긴 중공형 튜브(21)를 포함하는 핸들 조립체(20)가 제공된다. 편향빔(11)의 한쪽 단부는 튜브(21)의 한쪽 단부내에 수용되며, 플라스틱으로 제조되는 장착 블록 또는 홀더(22)에 확고하게 고정되며, 상기 홀더는 적절한 수단에 의해 튜브(21)에 단단히 고정된다. 상기 튜브(21)에는 장착 블록(22)의 후방으로 중공형 공동(23)이 형성되며, 상기 공동(23)의 후방 단부를 밀폐시키는 제거가능한 단부 캡(24)이 제공된다.
공동(23)내에 배치된 촉각 표시 발생기(25)는 플라스틱과 같은 적절한 재료로 제조되어 적절한 수단에 의해 튜브(21)의 내면에 단단히 고정되는 일반적으로 컵 모양의 홀더(26)를 포함한다. 홀더(26)의 개방 단부내에 수용된 전기 모터(27)에는 홀더(26)의 밀폐 단부를 향해 내향으로 돌출하며 매스(mass)(28)에 확고하게 고정된 출력 축이 제공된다. 상기 매스(28)는 고무로 제조될 수 있으며 모터 축에 동심으로 배치된다. 모터(27)는 직류 모터이고 Model No. 2805라는 상품명으로 마부찌 모터(주)(Mabuchi Motor Co. Ltd)에 의해 시판되는 정격전압이 18볼트인 모터를 이용할 수 있다. 상술한 바와 같은 동심형의 설치에 의해, 매스(28)는 모터 축 상에서 불안정하게 되며, 따라서 모터 축이 회전함에 따라 모터(27)와 홀더(26) 및 튜브(21)에 진동이 발생되는 경향이 있다.
공동(23)내의 홀더(26)의 후방으로 적절한 전지(29) 또는 적절한 전지팩이 배치된다. 공동(23)내의 홀더(26)의 전방에는 토크 렌치(10)의 전기 회로를 지지하는 회로판(30)이 배치된다. 상기 전자 회로는 안정적인 시각 판독 수단(도시안됨)을 포함하므로써 실제 토크 측정치 및/또는 기준 토크 레벨을 공지의 방식으로 시각적으로 표시한다. 전지(29), 모터(27), 회로판(30) 및 토크 감지 조립체(17) 사이에는 완전하게 나타내지는 않았지만 적절한 전기 접속부들이 형성된다.
제2도에는 회로판(30)상에 설치되어 모터(27)의 작동을 제어하는 제어 회로(31)가 도시되어 있다. 상기 제어 회로(31)에는 토크 감지 조립체(17)의 출력에 결합되어 그 토크 감지 조립체로부터 렌치(10)에 의해 가해지는 토크 레벨에 비례하는 아날로그 신호를 수신하는 입력 단자(32)가 제공된다. 상기 입력 토크 신호는 집적 회로(“IC”) 연산 증폭기(33) 및 관련 저항(34,36,37,38)들을 포함하는 감산 회로(35)에 공급된다. 입력 단자(32)는 저항(34)과 저항(36)을 통해 접지되는 연산 증폭기(33)의 반전 입력 단자 사이에 접속되며, 상기 반전 입력 단자는 +V 공급 전압과 접지부 사이에 접속된 전위치계(39)의 와이퍼에 저항(38)을 통해 접속되어 있다.
또한, 입력 단자(32)는 집적 회로 연산 증폭기(41), 저항(42) 및 콘덴서(43)를 포함하는 미분회로(40)에 접속된다. 상기 입력 단자(32)는 콘덴서(43)를 통해 연산 증폭기(41)의 반전 입력 단자에 접속되며, 상기 반전 입력 단자는 저항(42)를 통해 연산 증폭기(41)의 출력 단자에 접속된다. 연산 증폭기(41)의 비반전 입력 단자는 접지된다.
연산 증폭기(31,41)의 출력 단자들은 각기 집적 회로 연산 증폭기(45)의 비반전 및 반전 입력 단자들에 접속되며, 상기 연산 증폭기(45)의 출력은 반전 입력 단자가 접지되어 있는 집적 회로 연산 증폭기(46)의 비반전 입력 단자에 접속되며, 연산 증폭기(46)의 출력 단자는 전계 효과 트랜지스터(“FET”)(47)의 베이스에 접속되며, 상기 트랜지스터는 접지되어 있는 소스(source)와 모터(27)의 일 단자에 접속된 드레인(drain)을 포함하며, 상기 모터의 타단자는 +V 공급 전압에 접속된다.
제3도에는 제어 회로(31)용 전력 공급 회로(50)가 도시된다. 전력 공급 회로(50)는 집적 회로 전압 변환기(51)와 콘덴서(52,53)를 포함한다. 전압 변환기(51)는 전지(29)의 단자 양단에 접속되며, 이때 전지(29)의 양전하 단자가 +V 공급 전압을 제공한다. 변환기(51)는 전지 전압을 제어 회로(31)의 집적 회로 연산 증폭기(33)가 이용할 수 있도록 반대 극성의 -V 출력 전압으로 변환시키는 작용을 한다.
제4도에는 제어 회로(31)의 동작이 도시된다. 통상적으로, 토크 렌치(10)의 사용자는 가해진 토크 레벨이 설정치 또는 기준 레벨에 도달했을 때 더 이상 토크를 가하지 않도록 주의해야 한다. 그러나, 토크가 가해지고 있는 비율에 따라, 실제 가해진 최대 토크는 작동자의 반응 시간으로 인해 토크 설정치를 초과할 수도 있다. 본 발명에서는 이러한 과도한 토크가 가해지는 상태를 정정하는 기능을 한다.
토크 감지 조립체(17)에서의 입력 토크 신호는 감산 회로(35) 및, 특히 연산 증폭 회로(33)의 비반전 입력 단자에 공급된다. 전위차계(39)는 렌치(10)에 의해 가해진 소망의 토크인 토크 설정 레벨을 작동자가 지정할 수 있게 한다. 전위차계(39)의 와이퍼에서 발생된 설정 또는 기준 신호는 감산 회로(35)의 연산 증폭기(33)의 반전 입력 단자에 공급된다. 감산 회로(35)는 입력 토크 신호에서 설정 신호를 감산하여 연산 증폭 회로(33)의 출력에 편차 신호를 발생시키도록 작용한다. 제4도는 간단한 경우의 전압 대 시간 그래프로, 렌치(10)에 의해 가해지는 토크 변화율이 일정하게 나타나고 있다. 따라서, 입력 토크 신호는 직선(55)으로 나타내지며, 상기 입력 토크 신호 값은 선(55)의 기울기에 의해 형성되는 일정한 비율로 시간에 따라 증가한다. 설정 또는 기준 신호 레벨은 선(56)으로 나타낸다. 가해진 토크는 시간(t2)에서 설정 토크 레벨에 도달하게 됨을 알 수 있다. 입력 신호(55)와 설정 또는 기준 신호(56) 사이의 차인 연산 증폭기(33)의 출력에서의 편차 신호는 선(57)으로 도시되며, 이것은 입력 신호(55)가 설정 또는 기준 레벨(56)에 도달될 때, 즉 시간(t2)에서 영이 된다. 이때가 본 발명에 의해 제공되는 보상기능이 없을 경우 표시 신호가 발생되는 순간이다.
입력 토크 신호는 또한, 연산 증폭기(41)의 출력에 입력 토크 신호(55)의 변화율에 정비례하는 보상 신호를 발생하도록 상기 입력 토크 신호를 미분하는 미분 회로(40)에 공급된다. 저항(42)과 콘덴서(43)의 값은, 편차 신호가 입력 토크 신호(ft-1bs/sec)의 변화율×0.1초와 거의 동일하도록 정해지며, 이러한 보상 계수는 일반적인 작동자 반응 시간을 기초로 해서 정해진다. 이러한 보상 신호는 제4도의 선(58)으로 도시된다. 보상 신호 레벨은 저항(42)과 콘덴서(43)의 값을 적절히 변경시킴으로써 변경될 수 있음을 인식해야 한다.
편차 신호(57)와 보상 신호(58)는 연산 증폭기(45) 비반전 및 반전 입력 단자에 각각 공급된다. 연산 증폭기(45)의 반전 단자가 접지 전위라면, 연산 증폭기(33)의 출력이 양으로 되는 순간에, 즉 입력 토크 신호가 시간(t2)에서 설정 또는 기준 신호(56)를 초과하는 순간에 상기 연산 증폭기(45)의 출력은 즉시 양으로 된다. 그러나, 미분 회로(40)의 출력이 연산 증폭기(45)의 반전 입력 단자에 접속되면, 감산 회로(35)의 출력에서의 편차 신호(57)가 미분 회로(40)의 출력에서의 보상 신호(58)를 초과할 때, 즉 시간(t2)전의 시간(t1)에서 상기 연산 증폭기(45)의 출력이 양으로 된다.
연산 증폭기(45)의 출력이 양으로 되면, 양의 포지티브 출력은 연산 증폭기(46)의 비반전 입력 단자에 공급되고, 그 포지티브 출력으로 하여금 FET(47)를 게이트온시키고 모터(27)를 작동시켜서 렌치(10)의 사용자에게 진동성의 촉각 표시를 발생시키게 한다. 따라서, 사용자는 가해진 토크가 설정 또는 기준 레벨에 도달되기 전, 즉 작동자의 반응시간을 고려하여 사용자가 렌치(10)에서 토크 작용력을 해제함으로써 설정 또는 기준 토크 레벨 이상으로 토크가 가해지는 것을 충분히 방지할 수 있도록 미리 설정된 시간 간격으로 경고 신호를 수신하게 된다.
보상 신호는 항상 입력 토크 신호의 변화율의 설정 배수(0.1이 바람직함)이기 때문에, 소정 토크 레벨과 변경 표시가 트리거되는 토크 레벨, 즉 보상 토크 레벨 사이의 편차는 입력 토크 신호의 변화율과 정비례하므로 따라서 토크가 신속하게 가해질수록, 경고 신호가 트리거되는 토크 레벨은 낮아지게 된다. 따라서, 제4도의 입력 토크 신호(55')를 참조하면, 편차 신호는 (57')로 되고, 보상 토크 레벨에 대응하는 보상 신호는 보상 신호(58)의 크기보다 상당히 큰 보상 신호(58')로 된다. 보상 신호선(58,58')사이의 편차는 입력 신호선(55,55')의 기울기 편차에 정비례함을 알 수 있다.
그러나, 소정 경고 시간 또는 리드 타임(lead time), 즉 시간(t1,t2) 사이의 편차는 입력 토크 신호의 변화율에 대해 독립적이며 일정하다는 것을 알 수 있다. 상술한 실시예에서, 리드 타임은 0.1초이다. 따라서, 제4도를 참조하면, 입력 토크 신호(55')는 시간(t2)에서 기준 또는 설정 레벨에 도달하고 편차 신호는 시간(t1')에서 보상 신호를 초과하므로 시간 (t1')에서 시간(t2')까지의 기간은 시간(t1)에서 사간(t2)까지의 기간과 동일한 것임을 알 수 있다.
본 발명에 있어서, 연산 증폭기(33,41,45,46)는 모두 LM124A와 같은 조합 연산 증폭기 집적 회로의 부분일 수 있으며, FET는 IRFD 113일 수 있고, 집적 회로 전압 변환기는 인터실 캄파니에서 제조한 ICL7660일 수 있다.

Claims (20)

  1. 시변 입력 신호가 소정 레벨에 도달하기 전에 출력 신호를 제공하기 위한 오버슛 보상 회로에 있어서, 소정 레벨에 대응하는 기준 신호를 설정하는 수단과, 입력 신호에 응답하여 그 입력 신호 변화율의 함수로 보상 신호를 발생하는 수단과, 상기 입력 신호가 소정 레벨에 도달하기 전에 소정시간 동안 출력 신호를 발생하기 위하여 상기 입력 신호와 기준 신호 및 보상 신호에 응답하는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 오버슛 보상 회로.
  2. 제1항에 있어서, 상기 보상 신호 발생 수단은 그 보상 신호의 값을 상기 입력 신호의 변화율에 정비례하게 하는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 오버슛 보상 회로.
  3. 제2항에 있어서, 출력 신호가 발생될 때의 입력 신호의 레벨과 상기 소정 레벨 사이의 편차는 입력 신호의 변화율에 정비례하는 것을 특징으로 하는 오버슛 보상 회로.
  4. 제1항에 있어서, 상기 보상 신호 발생 수단은 입력 신호의 값을 미분하는 미분 회로를 포함하는 것을 특징으로 하는 오버슛 보상 회로.
  5. 제1항에 있어서, 상기 출력 신호를 관련 회로에 결합시키기 위한 결합 수단을 부가로 포함하는 것을 특징으로 하는 오버슛 보상 회로.
  6. 제1항에 있어서, 상기 입력 신호, 기준 신호, 보상 신호와 출력 신호는 모두 전기 신호들이고, 상기 수단은 각기 전자 회로 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 오버슛 보상 회로.
  7. 제1항에 있어서, 상기 기준 신호 설정 수단은 그 기준 신호의 값을 선택적으로 변경시키기 위한 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 오버슛 보상 회로.
  8. 시변 입력 신호가 소정 레벨에 도달하기 전에 출력 신호를 제공하기 위한 오버슛 보상 회로에 있어서, 소정 레벨에 대응하는 기준 신호를 설정하는 수단과, 입력 신호에서 기준 신호를 감산하여 편차 신호를 발생하는 수단과, 상기 입력 신호에 응답하여 그 입력 신호 변화율의 함수로 보상 신호를 발생하는 수단과, 상기 편차 신호를 보상 신호와 비교하여 상기 편차 신호의 값이 상기 보상 신호의 값을 초과할 때 출력 신호를 발생하는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 오버슛 보상 회로.
  9. 제8항에 있어서, 상기 비교 수단은 편차 신호와 보상 신호의 절대값을 비교하는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 오버슛 보상 회로.
  10. 제8항에 있어서, 상기 보상 신호 발생 수단과 상기 비교 수단은 연산 증폭기를 포함하는 것을 특징으로 하는 오버슛 보상 회로.
  11. 가해진 토크에 비례하는 시변 토크 신호를 발생하는 감지 수단과 이에 대한 표시를 발생시키는 표시 수단을 포함하는 토크 작동 장치에 있어서, 소정 토크 레벨에 대응하는 기준값을 갖는 기준 신호를 설정하는 수단과, 토크 신호에 응답하여 상기 토크 신호의 변화율의 함수로 보상 신호를 발생하는 수단과, 상기 표시 수단에 결합되며, 상기 토크 신호가 기준값에 도달하기 전에 소정 시간동안 상기 표시 수단을 작동시키는 출력 신호를 발생시키기 위하여 상기 토크 신호와 기준 신호와 보상 신호에 응답하는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 토크 작동 장치.
  12. 제11항에 있어서, 상기 표시 수단은 촉각 표시를 발생하는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 토크 작동 장치.
  13. 제12항에 있어서, 상기 표시 수단은 진동 모터를 포함하는 것을 특징으로 하는 토크 작동 장치.
  14. 제13항에 있어서, 상기 모터를 작동시키는 트리거 수단을 부가로 포함하는 것을 특징으로 하는 토크 작동 장치.
  15. 제11항에 있어서, 상기 토크 신호와 기준 신호와 보상 신호와 출력 신호는 모두 전기 신호이며, 상기 각각의 수단은 전자 회로 수단인 것을 특징으로 하는 토크 작동 장치.
  16. 제15항에 있어서, 상기 각 수단에 결합되어 그 수단에 작동 전력을 공급하는 전력 공급원을 부가로 포함하는 것을 특징으로 하는 토크 작동 장치.
  17. 제11항에 있어서, 상기 기준 신호 설정 수단은 그 기준 신호를 선택적으로 변경시키기 위한 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 토크 작동 장치.
  18. 제11항에 있어서, 상기 출력 신호 발생 수단은 상기 토크 신호의 값에서 기준 값을 감산하여 편차 신호를 발생하는 수단과, 상기 편차 신호를 상기 보상 신호와 비교하여 그 편차 신호의 값이 보상 신호의 값을 초과할 때 출력 신호를 발생하는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 토크 작동 장치.
  19. 제11항에 있어서, 상기 보상 신호 발생 수단은 미분회로를 포함하는 것을 특징으로 하는 토크 작동 장치.
  20. 제11항에 있어서, 소정 토크 레벨과 출력 신호가 발생될 때의 토크 레벨 사이의 편차는 상기 토크 신호 값의 변화율에 정비례하는 것을 특징으로 하는 토크 작동 장치.
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