KR102072492B1 - 토크 센서 - Google Patents

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KR102072492B1
KR102072492B1 KR1020180051813A KR20180051813A KR102072492B1 KR 102072492 B1 KR102072492 B1 KR 102072492B1 KR 1020180051813 A KR1020180051813 A KR 1020180051813A KR 20180051813 A KR20180051813 A KR 20180051813A KR 102072492 B1 KR102072492 B1 KR 102072492B1
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강대희
이형우
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주식회사 에이엘로봇
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    • G01L3/00—Measuring torque, work, mechanical power, or mechanical efficiency, in general
    • G01L3/02—Rotary-transmission dynamometers
    • G01L3/04—Rotary-transmission dynamometers wherein the torque-transmitting element comprises a torsionally-flexible shaft
    • G01L3/10—Rotary-transmission dynamometers wherein the torque-transmitting element comprises a torsionally-flexible shaft involving electric or magnetic means for indicating
    • G01L3/108—Rotary-transmission dynamometers wherein the torque-transmitting element comprises a torsionally-flexible shaft involving electric or magnetic means for indicating involving resistance strain gauges
    • G—PHYSICS
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    • G01L19/00—Details of, or accessories for, apparatus for measuring steady or quasi-steady pressure of a fluent medium insofar as such details or accessories are not special to particular types of pressure gauges
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Abstract

본 발명은 토크 센서에 관한 것이다.
본 실시예에 따른 토크 센서에는, 센서 보드가 설치되는 본체 중앙부; 상기 본체 중앙부의 외측을 둘러싸도록 배치되는 본체 외면부; 및 상기 본체 중앙부의 외면으로부터 상기 본체 외면부의 내면을 향하여 연장되는 다수의 브릿지가 포함되며, 상기 다수의 브릿지에는, 강도 보강을 위한 다수의 보강 브릿지; 및 상기 다수의 보강 브릿지에 교번하여 원주 방향으로 배열되며, 스트레인 게이지가 설치되는 다수의 감지 브릿지가 포함된다.

Description

토크 센서{Torque sensor}
본 발명은 토크 센서에 관한 것이다.
산업용 다관절 로봇 또는 액츄에이터에는, 토크 센서가 사용될 수 있다. 상기 토크 센서는 여러 방향의 힘에 의하여 발생하는 토크(회전 모멘트)를 측정하도록 구비될 수 있다. 일례로, 상기 토크에는 모터의 축방향에 대한 토크 (z축에 대한 회전방향 모멘트) 및 x,y축에 대한 벤딩(또는 비틀림) 모멘트가 포함될 수 있다.
상기 토크를 용이하게 감지하기 위하여, 상기 토크 센서에는 센서 바디 및 상기 센서 바디에 부착되는 스트레인 게이지가 포함될 수 있다.
종래의 토크 센서에 의하면, 토크 센서의 구조가 복잡하고 상대적으로 고가의 제조비용이 소요되는 문제점이 있었다.
또한, 여러 방향에서 작용하는 힘 또는 토크를 정확하게 감지하기 위하여 스트레인 게이지가 부착되는 센서 바디의 두께를 너무 작게 형성하면, 상기 토크 센서의 강성이 약화되어 감지하고자 하는 토크 이외의 힘에 의하여 센서 바디에 변형이 이루어지는 문제점이 있었다.
반대로, 토크 센서의 강성을 보강하기 위하여 상기 스트레인 게이지가 부착되는 센서 바디의 두께를 너무 크게 형성하면 상기 센서 바디의 변형률이 낮아져 토크 감지도가 저하되는 문제점이 있었다.
또한, 토크 센서를 제어하기 위한 제어장치, 일례로 센서 보드(Sensor board)가 복잡한 구조를 가지는 토크 센서의 본체 내부에 존재하지 못하고 상기 토크 센서의 본체로부터 이격된 위치, 일례로 토크 센서와 결합되는 동력장치 (모터 또는 감속모듈)의 일측에 배치됨으로써, 스트레인 게이지와 센서 보드간 통신 과정에서 노이즈가 많이 발생되는 문제점이 있었다.
1. 등록번호 (등록일) : 한국 등록특허공보 10-1135426 (2012년 4월 4일) 2. 발명의 명칭 : 사다리꼴 형상의 스포크를 구비한 1축 토크센서
상기한 문제점을 해결하기 위하여, 컴팩트한 구조를 가지는 토크 센서를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 토크 센서 중 센서의 강성을 보강하기 위한 보강 브릿지 및 스트레인 게이지가 부착되는 감지 브릿지를 분리시켜, 센서의 강성을 높이면서 토크 감지도를 높일 수 있는 토크 센서를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 센서 보드를 토크 센서의 본체에 위치시킬 수 있는 토크 센서를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 센서 본체의 가공성을 개선할 수 있는 토크 센서를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 실시예에 따른 토크 센서에는, 본체 중앙부; 상기 본체 중앙부의 전방에 배치되며, 보드 체결공이 형성되는 센서 보드; 상기 본체 중앙부의 외측을 둘러싸도록 배치되는 본체 외면부; 상기 본체 중앙부의 외면으로부터 상기 본체 외면부의 내면을 향하여 반경방향으로 연장되며, 강도 보강을 하기 위한 다수의 보강 브릿지; 상기 본체 중앙부의 외면으로부터 상기 본체 외면부의 내면을 향하여 반경방향으로 연장되며, 상기 다수의 보강 브릿지에 교번하여 원주 방향으로 배열되고, 스트레인 게이지가 설치되는 다수의 감지 브릿지; 및 상기 보강 브릿지의 반경방향 외측부에 위치되며, 상기 보강 브릿지의 전면으로부터 전방으로 돌출되고, 체결부재가 상기 보드 체결공을 관통하여 결합되는 본체 체결공이 형성되는 보드 안착부가 포함되고, 상기 센서 보드가 상기 체결부재에 의하여 상기 본체 중앙부의 전방에 설치되면, 상기 센서 보드의 후면은 상기 보드 안착부에 의해 지지되고, 상기 본체 중앙부 및 상기 감지 브릿지로부터 전방으로 이격된다.
삭제
상기 다수의 보강 브릿지 및 상기 다수의 감지 브릿지는 바(bar) 형상을 가질 수 있다.
상기 스트레인 게이지는, 상기 감지 브릿지의 양 측면 중, 적어도 일 측면에 설치될 수 있다.
상기 본체 중앙부로부터 상기 본체 외면부를 향하는 방향을 기준으로, 상기 감지 브릿지의 원주방향 폭은 상기 보강 브릿지의 원주방향 폭보다 작게 형성될 수 있다.
상기 감지 브릿지에는, 감지 브릿지 본체; 상기 감지 브릿지 본체의 반경방향 외측부에 구비되며, 상기 본체 외면부에 결합되는 제 1 감지브릿지보강부; 및 상기 감지 브릿지 본체의 반경방향 내측부에 구비되며, 상기 본체 중앙부에 결합되는 제 2 감지브릿지보강부가 포함되며, 상기 제 1,2 감지브릿지보강부의 원주방향 폭은 상기 감지 브릿지 본체의 원부방향 폭보다 크게 형성될 수 있다.
상기 다수의 보강 브릿지와 상기 다수의 감지 브릿지의 사이에는, 관통홀이 형성될 수 있다.
상기 감지 브릿지에는, 상기 본체 중앙부의 외면에 결합되는 제 1 결합부; 상기 제 1 결합부로부터 반경방향 외측으로 연장되는 2개의 연장부; 및 상기 2개의 연장부로부터 반경방향 외측으로 연장되며 상기 본체 외면부에 결합되는 제 2 결합부가 포함될 수 있다.
상기 2개의 연장부는 원주 방향으로 서로 이격되며, 상기 2개의 연장부간의 이격된 거리는, 반경방향 외측으로 갈수록 점점 벌어지도록 형성될 수 있다.
상기 본체 중앙부로부터 상기 본체 외면부를 향하는 방향을 기준으로, 상기 제 1 결합부의 원주방향 폭은 제 1 폭(w7)을 형성하고, 상기 제 2 결합부의 원주방향 폭은 제 2 폭(w8)을 형성하며, 상기 제 2 폭(w8)은 상기 제 1 폭(w7)보다 크게 형성될 수 있다.
상기 본체 중앙부로부터 상기 본체 외면부를 향하는 방향을 기준으로, 상기 2개의 연장부의 원주방향 폭은 제 3 폭(w9)을 형성하며, 상기 제 3 폭(w9)은 상기 제 1 폭(w7) 또는 상기 제 2 폭(w8)보다 작게 형성될 수 있다.
삭제
상기 감지 브릿지에는, 상기 제 1 결합부와, 상기 2개의 연장부 및 상기 제 2 결합부에 의하여 정의되는 브릿지 관통홀이 더 포함될 수 있다.
삭제
상기한 해결수단에 의하면, 보강 브릿지 및 감지 브릿지가 서로 분리되어 센서 본체에 구비되므로, 토크 센서의 강성을 높이면서 토크 감지도를 개선할 수 있다는 장점이 있다.
특히, 상대적으로 큰 폭을 가지는 보강 브릿지에 의하여 센서 본체의 강성이 보강될 수 있으므로 감지하고자 하는 토크값 이외의 힘에 의하여 토크센서에 변형이 발생되는 것을 방지할 수 있다.
그리고, 상대적으로 작은 폭을 가지는 감지 브릿지에 부착되는 스트레인 게이지에 의하여, 3차원적인 변형에 따른 토크, 즉 z축을 기준으로 하는 회전 모멘트 및 x,y축을 기준으로 발생하는 벤딩 모멘트를 더욱 용이하게 감지할 수 있다.
또한, 센서 보드가 센서 본체의 내부에 배치시킬 수 있으므로, 센서 본체에 구비되는 스트레인 게이지가 상기 센서 보드에 인접하게 위치될 수 있다. 결국, 상기 센서 보드와 상기 스트레인 게이지를 연결하는 보드 케이블의 길이를 짧게 형성할 수 있고, 이에 따라 센서 보드와 스트레인 게이지의 통신간 발생되는 노이즈를 줄일 수 있다.
또한, 감지 브릿지에는, 적어도 일부분이 관통하여 형성되는 브릿지관통부가 형성되어, 상기 브릿지에서 발생되는 변위는 스트레인 게이지에 용이하게 전달될 수 있다.
도 1은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 토크 센서의 구성을 보여주는 전방 사시도이다.
도 2는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 토크 센서의 구성을 보여주는 후방 사시도이다.
도 3은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 토크 센서의 구성을 보여주는 분해 사시도이다.
도 4는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 센서 본체의 구성을 보여주는 사시도이다.
도 5는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 센서 본체의 구성을 보여주는 정면도이다.
도 6은 도 1의 VI-VI'를 따라 절개한 단면도이다.
도 7은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 토크 센서를 포함하는 동력 전달장치의 구성을 보여주는 단면도이다.
도 8은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 센서 본체의 구성을 보여주는 정면도이다.
이하에서는 도면을 참조하여, 본 발명의 구체적인 실시예를 설명한다. 다만, 본 발명의 사상은 제시되는 실시예에 제한되지 아니하며, 본 발명의 사상을 이해하는 당업자는 동일한 사상의 범위 내에서 다른 실시예를 용이하게 제안할 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 토크 센서의 구성을 보여주는 전방 사시도이고, 도 2는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 토크 센서의 구성을 보여주는 후방 사시도이고, 도 3은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 토크 센서의 구성을 보여주는 분해 사시도이고, 도 4는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 센서 본체의 구성을 보여주는 사시도이다.
도 1 내지 도 4를 참조하면, 본 발명의 제 1 실시예에 따른 토크 센서(100)는 동력 장치(200, 도 7 참조)에 결합되어 상기 동력 장치(200)에서 발생되는 힘에 의한 토크를 감지할 수 있다.
방향을 정의한다. 상기 토크 센서(100)를 기준으로, 상기 동력장치(200)의 출력측, 즉 감속기(250)가 위치하는 방향을 "전방"이라 하고, 그 반대방향 즉 부하장치(미도시)가 결합되는 방향을 "후방"이라 이름한다. 그리고, 동력장치(200)의 축(212)이 연장되는 방향을 "축방향" 또는 "z축 방향"이라 이름하고, 도 7을 기준으로 상기 축방향에 수직한 방향을 "반경 방향"이라 이름한다. 그리고, 상기 반경 방향에는, "x축 방향" 및 "y축 방향"이 포함될 수 있다 (도 4 참조).
상기 토크 센서(100)에는, 센서 보드(150)가 설치되는 센서 본체(110)가 포함된다. 일례로, 상기 센서 본체(110)는 링 형상을 가질 수 있다.
상기 센서 본체(110)에는, 상기 센서 보드(150)가 설치되는 본체 중앙부(111)와, 상기 본체 중앙부(111)로부터 반경 방향으로 연장되는 다수의 브릿지(120,130) 및 상기 다수의 브릿지(120,130)의 반경방향 외측 단부를 연결하며 상기 센서 본체(110)의 외주면을 형성하는 본체 외면부(112)가 포함된다.
상기 다수의 브릿지(120,130)에는, 상기 센서 본체(110)의 강성을 보강하기 위한 보강 브릿지(120) 및 스트레인 게이지(140)가 설치되어 토크를 감지하는 감지 브릿지(130)가 포함된다.
상기 본체 외면부(112)는 링 형상을 가지며, 상기 본체 중앙부(111)의 외측을 둘러싸도록 배치될 수 있다. 그리고, 상기 본체 외면부(112)에는, 외부 부품, 일례로 동력장치(200)에 체결되는 제 1 외부체결부(118)가 포함될 수 있다. 상기 제 1 외부체결부(118)는 다수 개가 구비되어 원주 방향으로 배열될 수 있다.
상기 본체 중앙부(111)는 대략 원통 형상을 가질 수 있다. 상기 본체 중앙부(111)에는, 외부 부품, 일례로 부하장치(미도시)에 체결되는 제 2 외부체결부(119)가 포함될 수 있다. 상기 제 2 외부체결부(119)는 다수 개가 구비되어 원주 방향으로 배열될 수 있다.
상기 센서 보드(150)는 상기 센서 본체(110)의 함몰부(114)에 배치될 수 있다. 상기 함몰부(114)는 상기 본체 외면부(112)를 기준으로 볼 때, 상기 센서 본체(110)의 중앙부 내측에 함몰되는 공간부로서 이해되며, 상기 센서 보드(150)가 수용되는 공간을 제공할 수 있다.
그리고, 센서 보드(150)는 상기 본체 중앙부(111)의 전면부에 위치되며, 상기 다수의 브릿지(120,130)의 전방에 구비되는 보드 안착부(125)에 지지되도록 구성될 수 있다. 상세히, 상기 보드 안착부(125)는 상기 다수의 브릿지(120,130) 중, 보강 브릿지(120)의 전면으로부터 전방으로 돌출되며 상기 센서 보드(150)의 후면을 지지할 수 있다.
상기 센서 보드(150)가 상기 보드 안착부(125)에 지지됨으로서, 상기 센서 보드(150)의 후면은 상기 본체 중앙부(111)로부터 S1만큼 이격하도록 위치될 수 있다 (도 6 참조).
그리고, 상기 보드 안착부(125)에 의하여, 상기 센서 보드(150)는 다수의 브릿지(120,130) 중 감지 브릿지(130)로부터 전방으로 이격되도록 위치될 수 있다. 즉, 상기 보드 안착부(125)는 상기 센서 보드(150)가 상기 보강 브릿지(120)에 지지되도록 하고 상기 감지 브릿지(130)에는 지지되지 않도록 하는 "턱"을 형성할 수 있다.
이와 같은 배치에 의하여, 상기 센서 보드(150)로부터 전달되는 힘, 일례로 센서 보드(150)의 체결력이 상기 감지 브릿지(130)에 직접 작용하지 않으므로, 감지하고자 하는 토크 이외의 힘이 상기 감지 브릿지(130) 또는 스트레인 게이지(140)에 작용하는 것을 방지할 수 있다.
상기 보드 안착부(125)는 상기 보강 브릿지(120)의 반경방향 외측부에 위치되며, 상기 본체 외면부(112)의 내주면에 결합될 수 있다. 그리고, 상기 보드 안착부(125)는 다수 개가 구비되어, 원주 방향으로 이격하여 배치될 수 있다. 일례로, 상기 보드 안착부(125)는 3개가 구비될 수 있다.
상기 보드 안착부(125)에는, 보드 체결부재(161)가 결합되는 본체 체결공(126)이 형성된다. 상기 보드 체결부재(161)는 프론트 커버(180)의 프론트커버 체결공(184)에 결합되어 센서 보드(150)의 보드 체결공(155)을 관통하며, 상기 본체 체결공(126)에 체결될 수 있다. 상기 본체 체결공(126)은 상기 보드 안착부(125)의 수에 대응하여 다수 개가 형성될 수 있다. 이러한 체결구조에 의하여, 상기 센서 보드(150)는 상기 센서 본체(110)에 안정적으로 체결될 수 있다.
상기 센서 본체(110)에는, 상기 본체 중앙부(111)로부터 전방으로 돌출되는 돌출부(113)가 더 포함된다. 상기 돌출부(113)는 중공의 실린더 형상을 가지며, 상기 돌출부(113)의 내부에는 동력장치(200)에 연결되는 장치 케이블이 위치하는 본체 관통부(117)가 형성될 수 있다. 상기 장치 케이블은 동력장치(200)에 연결되어 전기적 신호를 전달하는 케이블로서 이해될 수 있다. 그리고, 상기 함몰부(114)는 상기 돌출부(113)의 외측 공간으로 정의될 수 있다.
상기 본체 관통부(117)는 상기 본체 중앙부(111)의 내부로부터 상기 돌출부(113)의 내부까지 형성될 수 있다.
상기 센서 보드(150)는 원판 형상을 가지며, 다수의 센싱부품(151)이 설치될 수 있다. 상기 센서 보드(150)의 대략 중앙부에는, 상기 돌출부(113)가 삽입되는 보드 관통홀(156)이 형성된다. 상기 센서 본체(110)에 상기 센서 보드(150)가 결합되면, 상기 돌출부(113)는 상기 보드 관통홀(156)에 삽입되어 전방으로 돌출될 수 있다.
상기 센서 보드(150)에는, 커넥터(170)가 결합될 수 있는 커넥터 포트(158)가 더 포함된다. 상기 커넥터 포트(158)에는 보드 케이블(172)이 연결되어 상기 센서 보드(150)의 전기적 신호를 외부로 전달하거나, 외부의 전기적 신호를 상기 센서 보드(150)에 전달할 수 있다.
일례로, 상기 보드 케이블(172)은 스트레인 게이지(140)와 상기 센서 보드(150)를 연결할 수 있다. 도면에 도시되지는 않았으나, 센서 본체(110)에는 상기 보드 케이블(172)의 위치를 가이드 하는 홀이 형성될 수 있다. 이러한 케이블 가이드 구조에 의하여, 상기 스트레인 게이지(140)와 센서 보드(150) 사이에서 전달되는 신호에서 노이즈의 발생을 감소시킬 수 있다.
상기 토크 센서(100)에는, 상기 센서 본체(110)의 전방부에 결합되는 프론트 커버(180) 및 상기 센서 본체(110)의 후방부에 결합되는 리어 커버(190)가 포함된다.
상기 프론트 커버(180)에는, 대략 원판 형상을 가지는 프론트커버 본체(181) 및 상기 프론트커버 본체(181)의 중앙부에 형성되며 상기 보드 관통홀(156)에 정렬되는 프론트커버 관통부(182)가 포함된다. 상기 장치 케이블은 상기 본체 관통부(117), 및 프론트커버 관통부(182)를 통하여 전후 방향으로 연장되며, 동력장치(200)에 접속될 수 있다.
상기 프론트 커버(180)에는, 상기 커넥터 포트(158)가 삽입되는 포트 관통부(183)가 더 포함된다. 상기 커넥터 포트(158)는 상기 포트 관통부(183)를 통하여 외부에 노출될 수 있다.
상기 프론트커버 본체(181)에는, 상기 보드 체결공(155)에 정렬되는 프론트커버 체결공(184)이 포함된다. 상기 프론트커버 체결공(184)은 상기 보드 체결공(155)의 수에 대응하여 다수 개가 형성되며, 상기 보드 체결부재(161)가 결합될 수 있다.
상기 리어 커버(190)에는, 원판 형상의 리어커버 본체(191) 및 상기 리어커버 본체(191)의 대략 중앙부에 관통하도록 형성되어 상기 센서 본체(110)의 본체 중앙부(111)가 삽입되는 리어커버 관통부(192)가 포함된다. 그리고, 상기 리어커버 관통부(192)의 외측에는, 커버체결부재(162)가 결합되는 리어커버 체결공(194)이 형성된다. 상기 리어 커버(190)는 상기 커버체결부재(162)에 의하여 상기 센서본체(110)에 결합될 수 있다.
상기 프론트 커버(180)와 상기 리어 커버(190)는 동력장치(200) 또는 부하장치에 연결될 때, 제거될 수도 있다.
상기 보강 브릿지(120)는 바(bar) 형상을 가질 수 있다. 상세히, 상기 보강 브릿지(120)는 상기 본체 중앙부(111)로부터 반경방향 외측으로 연장되며, 상기 본체 외면부(112)의 내주면에 결합되도록 구성될 수 있다. 상기 보강 브릿지(120)는 상기 본체 중앙부(111)로부터 상기 본체 외면부(112)를 향하여, 그 단면적이 감소하도록 구성될 수 있다.
상기 보강 브릿지(120)는 다수 개가 구비되며, 상기 다수 개의 보강 브릿지(120)는 각각, 상기 본체 중앙부(111)의 서로 다른 지점으로부터 반경방향 외측으로 연장될 수 있다. 일례로, 상기 보강 브릿지(120)의 수는 적어도 3개 이상 구비될 수 있다. 도 4에는 3개의 보강 브릿지(120)가 구비되는 것으로 도시되나, 4개 이상의 보강 브릿지(120)가 구비될 수도 있다.
상기 감지 브릿지(130)는 바(bar) 형상을 가질 수 있다. 상세히, 상기 감지 브릿지(120)는 상기 본체 중앙부(111)로부터 반경방향 외측으로 연장되며, 상기 본체 외면부(112)의 내주면에 결합되도록 구성될 수 있다. 상기 보강 브릿지(120)는 상기 본체 중앙부(111)로부터 상기 본체 외면부(112)를 향하여, 그 단면적이 일정하도록 구성될 수 있다.
반경 방향을 기준으로, 상기 감지 브릿지(130)의 양측면 중, 적어도 하나의 측면에는 스트레인 게이지(140)가 부착될 수 있다. 상기 스트레인 게이지(140)는 동력장치(200)와 부하장치(미도시)의 사이에서 발생되는 비틀림의 크기를 감지하도록 구성될 수 있다. 상기 부하장치는 도 7에서 토크 센서(100)를 기준으로, 상기 동력장치(200)의 반대편에 위치되는 장치로서 이해될 수 있다.
일례로, 상기 스트레인 게이지(140)는 상기 감지 브릿지(130)의 양측면에 배치될 수 있다. 이러한 스트레인 게이지(140)의 배치에 의하여, 상기 스트레인 게이지(140)는 상기 감지 브릿지(130)의 3차원 변형, 즉 3축(x,y,z축)에서의 변형을 용이하게 감지할 수 있다.
상기 감지 브릿지(130)는 다수 개가 구비되며, 상기 다수 개의 감지 브릿지(130)는 각각, 상기 본체 중앙부(111)의 서로 다른 지점으로부터 반경방향 외측으로 연장될 수 있다. 일례로, 상기 감지 브릿지(120)의 수는 적어도 3개 이상 구비될 수 있다. 도 4에는 3개의 감지 브릿지(120)가 구비되는 것으로 도시되나, 4개 이상의 감지 브릿지(130)가 구비될 수도 있다.
상기 다수 개의 보강 브릿지(120)와, 상기 다수 개의 감지 브릿지(130)는 서로 교번하여 원주 방향으로 배치될 수 있다. 즉, 상기 다수 개의 보강 브릿지(120) 중 어느 하나의 보강 브릿지(120)는 2개의 가장 인접한 감지 브릿지(130)의 사이 공간에 위치될 수 있다.
도 5는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 센서 본체의 구성을 보여주는 정면도이고, 도 6은 도 1의 VI-VI'를 따라 절개한 단면도이고, 도 7은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 토크 센서를 포함하는 동력 전달장치의 구성을 보여주는 단면도이다.
도 5 내지 도 7을 참조하면, 본 발명의 제 1 실시예에 따른 센서 본체(110)에는, 대략 원통형상을 가지는 본체 중앙부(111)와, 상기 본체 중앙부(111)를 둘러싸도록 배치되며 대략 링 형상을 가지는 본체 외면부(112) 및 상기 본체 중앙부(111)의 외주면으로부터 상기 본체 외면부(112)의 내주면으로 향하여 연장되는 다수의 브릿지(120,130)가 포함된다.
상기 다수의 브릿지(120,130)에는, 상기 센서 본체(110)의 강성을 보강하는 다수의 보강 브릿지(120)가 포함될 수 있다. 상기 다수의 보강 브릿지(120)는 감지대상이 되는 토크이외의 외력에 의하여, 센서 본체(110)가 쉽게 변형되는 것을 방지할 수 있다.
상기 다수의 보강 브릿지(120)는 등간격으로 배열될 수 있다. 일례로, 도 5에 도시되는 바와 같이, 상기 보강 브릿지(120)가 3개 구비되는 경우, 상기 다수의 보강 브릿지(120)간에 이루는 중심 각도는 120도일 수 있다.
상기 본체 중앙부(111)로부터 상기 본체 외면부(112)를 향하는 방향을 기준으로, 상기 보강 브릿지(120)의 가로(원주방향) 폭 또는 그 단면적은 감소하도록 구성될 수 있다. 일례로, 상기 보강 브릿지(120) 중, 상기 본체 외면부(112)보다 상기 본체 중앙부(111)에 가까운 부분의 제 1 폭(w1)은, 상기 본체 중앙부(111)보다 상기 본체 외면부(112)에 가까운 부분의 제 2 폭(w2)보다 크게 형성될 수 있다.
상기 보강 브릿지(120)에는, 상기 본체 외면부(112)에 결합되는 브릿지보강부(126)가 포함된다. 상기 브릿지보강부(126)는, 상기 제 2 폭(w2)이 형성되는 보강 브릿지(120)의 일부분보다 더 외측에 위치될 수 있다. 상기 보강 브릿지(120)와 상기 본체 외면부(112)의 결합력을 높이기 위하여, 상기 브릿지보강부(126)의 제 3 폭(w3)은 상기 제 2 폭(w2)보다 크게 형성될 수 있다.
상기 다수의 브릿지(120,130)에는, 토크를 감지하기 위한 스트레인 게이지(140)가 설치되는 다수의 감지 브릿지(130)가 포함될 수 있다. 상기 스트레인 게이지(140)는 3차원 방향에서 발생되는 토크, 즉 동력장치(200)의 축(212, 도 7 참조) 방향을 기준으로 하는 회전 모멘트, 반경방향(x,y축 방향)을 기준으로 발생되는 벤딩 모멘트를 감지하도록 구성될 수 있다.
상세히, 상기 스트레인 게이지(140)는 z축 방향을 기준으로 발생되는 토크(Tr)와, x축 방향으로의 제 1 벤딩모멘트(M1) 및 y축 방향으로의 제 2 벤딩모멘트(M2)를 용이하게 감지할 수 있다 (도 4,5 참조).
상기 다수의 감지 브릿지(130)는 등간격으로 배열될 수 있다. 일례로, 도 5에 도시되는 바와 같이, 상기 감지 브릿지(130)가 3개 구비되는 경우, 상기 다수의 감지 브릿지(130)간에 이루는 중심 각도는 120도일 수 있다. 그리고, 상기 다수의 보강 브릿지(120) 및 상기 다수의 감지 브릿지(130)는 서로 교번하여 원주 방향으로 배열될 수 있다. 이와 같은 배치구조에 의하여, 상기 토크 센서(100)의 강도를 보강함과 함께, 토크 감지도를 용이하게 개선할 수 있다.
상기 본체 중앙부(111)로부터 상기 본체 외면부(112)를 향하는 방향을 기준으로, 상기 감지 브릿지(130)의 가로(원주방향) 폭 또는 그 단면적은 일정하도록 구성될 수 있다. 일례로, 상기 감지 브릿지(130)의 폭은 제 1 폭(w4)으로 구성될 수 있다. 상기 제 1 폭(w4)은 상기 보강 브릿지(120)의 제 1~3 폭(w1,w2,w3)보다 각각 작게 형성될 수 있다.
상기 감지 브릿지(130)에는, 상기 본체 외면부(112)에 결합되는 제 1 감지브릿지보강부(136)가 포함된다. 상기 제 1 감지브릿지보강부(136)는, 상기 제 1 폭(w4)이 형성되는 감지 브릿지(130)의 일부분("감지브릿지 본체"라 이름함)보다 더 반경방향 외측에 위치될 수 있다. 상기 감지 브릿지(130)와 상기 본체 외면부(112)의 결합력을 높이기 위하여, 상기 제 2 브릿지보강부(136)의 제 2 폭(w5)은 상기 제 1 폭(w4)보다 크게 형성될 수 있다.
상기 감지 브릿지(130)에는, 상기 본체 중앙부(111)에 결합되는 제 2 감지브릿지보강부(137)가 포함된다. 상기 제 2 감지브릿지보강부(137)는, 상기 제 1 폭(w4)이 형성되는 감지브릿지 본체보다 더 반경방향 내측에 위치될 수 있다. 상기 감지 브릿지(130)와 상기 본체 중앙부(111)의 결합력을 높이기 위하여, 상기 제 2 감지브릿지보강부(137)의 제 3 폭(w6)은 상기 제 1 폭(w4)보다 크게 형성될 수 있다.
상기 스트레인 게이지(140)에는, 상기 감지 브릿지(130)의 일 측면에 배치되는 제 1 스트레인게이지(140a) 및 상기 감지 브릿지(130)의 타 측면에 배치되는 제 2 스트레인게이지(140b)가 포함된다. 상기 일 측면과 상기 타 측면은 서로 마주보는 측면을 형성할 수 있다. 이와 같이, 각 감지 브릿지(130)에 다수 개의 스트레인 게이지(140)가 구비되어, 상기 토크 센서(100)에서 발생되는 토크를 용이하게 감지할 수 있다.
상기 센서 본체(110)에는, 상기 보강 브릿지(120)와 상기 감지 브릿지(130)의 사이에 형성되는 관통홀(114)이 포함된다. 상기 관통홀(114)에 의하여, 상기 보강 브릿지(120)와 상기 감지 브릿지(130)는 직접 결합되지 않으므로 상기 보강 브릿지(120)에 전달되는 힘이 상기 감지 브릿지(130)에 전달되는 것을 방지할 수 있다.
상기 토크 센서(100)는 구동력을 발생시키는 동력장치(200)에 결합될 수 있다. 상세히, 상기 토크 센서(100)의 일측에는, 상기 동력장치(200)가 결합되고 그 반대측에는 부하장치(미도시)가 결합될 수 있다. 이 때, 상기 토크 센서(100)에 구비되는 프론트 커버(180) 또는 리어 커버(190)는 결합된 상태 또는 분리된 상태에서 상기 동력장치(200) 및 부하장치에 결합될 수 있다.
상기 동력장치(200) 및 토크 센서(100)는 하우징(201)의 내부에 배치될 수 있다.
상기 동력장치(200)에는, 모터 구동부(215, 메인보드)에 의하여 회전하는 모터(210) 및 상기 모터(210)의 구동에 의하여 회전하는 축(212)이 포함된다. 상기 축(212)의 외주면에는 상기 축(212)에 접촉 가능하게 구비되어 상기 축(212)의 회전을 가이드 하는 베어링(230)이 더 포함된다. 그리고, 상기 동력장치(200)에는, 상기 모터(210)의 회전량을 감지하는 엔코더(220)가 더 포함될 수 있다.
상기 축(212)의 내부에는, 상기 모터 구동부(215)에 연결되는 장치 케이블이 삽입되는 케이블삽입부(213)가 형성된다.
상기 동력장치(200)에는, 상기 모터(210)와 상기 토크 센서(100)의 사이에 배치되어 모터(210)의 회전속도를 감소시키는 감속기(250)가 더 포함된다. 상기 감속기(250)는 상기 토크 센서(100)의 전방부에 결합될 수 있다.
이하에서는, 본 발명의 제 2 실시예에 대하여 설명한다. 본 실시예는 제 1 실시예와 비교하여 다수의 브릿지의 구성에 있어서만 차이가 있으므로 차이점을 위주로 설명하며, 제 1 실시예와 동일한 부분에 대하여는 상기 제 1 실시예의 설명과 도면부호를 원용한다.
도 8은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 센서 본체의 구성을 보여주는 정면도이다.
도 8을 참조하면, 본 발명의 제 2 실시예에 따른 센서 본체(510)에는, 본체 중앙부(511)와, 상기 본체 중앙부(511)의 외측을 둘러싸도록 배치되며 대략 링 형상을 가지는 본체 외면부(512) 및 상기 본체 중앙부(511)의 외주면으로부터 상기 본체 외면부(512)의 내주면으로 향하여 연장되는 다수의 브릿지(520,530)가 포함된다.
상기 다수의 브릿지(520,530)에는, 상기 센서 본체(510)의 강성을 보강하는 다수의 보강 브릿지(520)가 포함될 수 있다. 상기 다수의 보강 브릿지(520)는 감지대상이 되는 토크이외의 외력에 의하여, 센서 본체(510)가 쉽게 변형되는 것을 방지할 수 있다. 상기 다수의 보강 브릿지(520)에 관한 설명은, 제 1 실시예의 보강 브릿지(120)의 설명을 원용한다.
상기 다수의 브릿지(520,530)에는, 토크를 감지하기 위한 스트레인 게이지(540)가 설치되는 다수의 감지 브릿지(530)가 포함될 수 있다. 상기 스트레인 게이지(540)는 3차원 방향에서 발생되는 토크, 즉 동력장치(200)의 축(212, 도 7 참조) 방향을 기준으로 하는 회전 모멘트, 반경방향(x,y축 방향)을 기준으로 발생되는 벤딩 모멘트를 감지하도록 구성될 수 있다.
상세히, 상기 스트레인 게이지(540)는 z축 방향을 기준으로 발생되는 토크(Tr)와, x축 방향으로의 제 1 벤딩모멘트(M1) 및 y축 방향으로의 제 2 벤딩모멘트(M2)를 용이하게 감지할 수 있다 (도 4,8 참조).
상기 다수의 감지 브릿지(530)는 등간격으로 배열될 수 있다. 일례로, 도 5에 도시되는 바와 같이, 상기 감지 브릿지(530)가 3개 구비되는 경우, 상기 다수의 감지 브릿지(530)간에 이루는 중심 각도는 120도일 수 있다. 그리고, 상기 다수의 보강 브릿지(120) 및 상기 다수의 감지 브릿지(130)는 서로 교번하여 원주 방향으로 배열될 수 있다. 이와 같은 배치구조에 의하여, 상기 토크 센서(100)의 강도를 보강함과 함께, 토크 감지도를 용이하게 개선할 수 있다.
상기 센서 본체(510)에는, 상기 보강 브릿지(520)와 상기 감지 브릿지(530)의 사이에 형성되는 제 1 관통홀(514)이 포함된다. 상기 제 1 관통홀(514)에 의하여, 상기 보강 브릿지(520)와 상기 감지 브릿지(530)는 직접 결합되지 않으므로 상기 보강 브릿지(520)에 전달되는 힘이 상기 감지 브릿지(530)에 전달되는 것을 방지할 수 있다.
상기 감지 브릿지(530)에는 제 2 관통홀(535)이 형성된다. 상기 제 2 관통홀(535)은 상기 감지 브릿지(530)의 변형을 위한 자유도를 확보하는 점에서, "브릿지관통홀"이라 이름할 수 있다. 상세히, 상기 감지 브릿지(530)에는, 상기 본체 중앙부(511)의 외면에 결합되는 제 1 결합부(531) 및 상기 제 1 결합부(531)로부터 반경방향 외측으로 연장되는 2개의 연장부(533,534)가 포함된다.
상기 2개의 연장부(533,534)에는 원주 방향으로 서로 이격되는 제 1 연장부(533) 및 제 2 연장부(534)가 포함될 수 있다. 상기 제 1,2 연장부(533,534)간의 이격된 거리는, 반경방향 외측으로 갈수록 점점 벌어지도록 형성될 수 있다.
상기 감지 브릿지(530)에는 상기 2개의 연장부(533,534)로부터 반경방향 외측으로 연장되며 상기 본체 외면부(512)에 결합되는 제 2 결합부(532)가 더 포함된다.
상기 본체 중앙부(511)로부터 상기 본체 외면부(512)를 향하는 방향을 기준으로, 상기 제 1 결합부(531)의 원주방향 폭은 제 1 폭(w7)을 형성하며, 상기 제 2 결합부(532)의 원주방향 폭은 제 2 폭(w8)을 형성할 수 있다. 상기 제 2 폭(w8)은 상기 제 1 폭(w7)보다 크게 형성될 수 있다.
그리고, 상기 본체 중앙부(511)로부터 상기 본체 외면부(512)를 향하는 방향을 기준으로, 상기 제 1,2 연장부(533,534)의 원주방향 폭은 제 3 폭(w9)을 형성할 수 있다. 상기 제 3 폭(w9)은 상기 제 1 폭(w7) 또는 상기 제 2 폭(w8)보다 작게 형성될 수 있다.
상기 제 1,2 결합부(531,532) 및 상기 제 1,2 연장부(533,534)에 의하여, 상기 제 2 관통홀(535)이 정의될 수 있다. 즉, 상기 제 2 관통홀(535)은 상기 상기 제 1,2 결합부(531,532) 및 상기 제 1,2 연장부(533,534)의 내부 공간으로서 이해될 수 있다. 상기 제 2 관통홀(535)이 형성됨으로써, 상기 감지 브릿지(530)는 상기 감지 브릿지(530)에 전달되는 힘 또는 토크에 의하여 변형이 용이하게 이루어질 수 있으며, 이에 따라 스트레인 게이지(540)의 토크 감지도가 향상될 수 있다.
상기 스트레인 게이지(540)에는, 상기 제 1 연장부(533)의 외면에 배치되는 제 1 스트레인게이지(540a) 및 상기 제 2 연장부(534)의 외면에 배치되는 제 2 스트레인게이지(540b)가 포함된다. 상기 제 1 연장부(533)의 외면과 상기 제 2 연장부(534)의 외면은 서로 마주보는 측면을 형성할 수 있다. 이와 같이, 각 감지 브릿지(530)에 다수 개의 스트레인 게이지(540)가 구비되어, 상기 토크 센서(100)에서 발생되는 토크를 용이하게 감지할 수 있다.
100 : 토크 센서 110 : 센서 본체
111 : 본체 중앙부 112 : 제 1 바디
120 : 보강 브릿지 130 : 감지 브릿지
140 : 스트레인 게이지 150 : 센서 보드
180 : 프론트 커버 190 : 리어 커버
200 : 동력장치

Claims (14)

  1. 본체 중앙부;
    상기 본체 중앙부의 전방에 배치되며, 보드 체결공이 형성되는 센서 보드;
    상기 본체 중앙부의 외측을 둘러싸도록 배치되는 본체 외면부;
    상기 본체 중앙부의 외면으로부터 상기 본체 외면부의 내면을 향하여 반경방향으로 연장되며, 강도 보강을 하기 위한 다수의 보강 브릿지;
    상기 본체 중앙부의 외면으로부터 상기 본체 외면부의 내면을 향하여 반경방향으로 연장되며, 상기 다수의 보강 브릿지에 교번하여 원주 방향으로 배열되고, 스트레인 게이지가 설치되는 다수의 감지 브릿지; 및
    상기 보강 브릿지의 반경방향 외측부에 위치되며, 상기 보강 브릿지의 전면으로부터 전방으로 돌출되고, 체결부재가 상기 보드 체결공을 관통하여 결합되는 본체 체결공이 형성되는 보드 안착부가 포함되고,
    상기 센서 보드가 상기 체결부재에 의하여 상기 본체 중앙부의 전방에 설치되면, 상기 센서 보드의 후면은 상기 보드 안착부에 의해 지지되고, 상기 본체 중앙부 및 상기 감지 브릿지로부터 전방으로 이격되는 토크 센서.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 다수의 보강 브릿지 및 상기 다수의 감지 브릿지는 바(bar) 형상을 가지는 토크 센서.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 스트레인 게이지는,
    상기 감지 브릿지의 양 측면 중, 적어도 일 측면에 설치되는 토크 센서.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 본체 중앙부로부터 상기 본체 외면부를 향하는 방향을 기준으로,
    상기 감지 브릿지의 원주방향 폭은 상기 보강 브릿지의 원주방향 폭보다 작게 형성되는 토크 센서.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 감지 브릿지에는,
    감지 브릿지 본체;
    상기 감지 브릿지 본체의 반경방향 외측부에 구비되며, 상기 본체 외면부에 결합되는 제 1 감지브릿지보강부; 및
    상기 감지 브릿지 본체의 반경방향 내측부에 구비되며, 상기 본체 중앙부에 결합되는 제 2 감지브릿지보강부가 포함되며,
    상기 제 1,2 감지브릿지보강부의 원주방향 폭은 상기 감지 브릿지 본체의 원부방향 폭보다 크게 형성되는 것을 특징으로 하는 토크 센서.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 다수의 보강 브릿지와 상기 다수의 감지 브릿지의 사이에는, 관통홀이 형성되는 토크 센서.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 감지 브릿지에는,
    상기 본체 중앙부의 외면에 결합되는 제 1 결합부;
    상기 제 1 결합부로부터 반경방향 외측으로 연장되는 2개의 연장부; 및
    상기 2개의 연장부로부터 반경방향 외측으로 연장되며 상기 본체 외면부에 결합되는 제 2 결합부가 포함되는 토크 센서.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 2개의 연장부는 원주 방향으로 서로 이격되며,
    상기 2개의 연장부간의 이격된 거리는, 반경방향 외측으로 갈수록 점점 벌어지도록 형성되는 토크 센서.
  10. 제 8 항에 있어서,
    상기 본체 중앙부로부터 상기 본체 외면부를 향하는 방향을 기준으로, 상기 제 1 결합부의 원주방향 폭은 제 1 폭(w7)을 형성하고, 상기 제 2 결합부의 원주방향 폭은 제 2 폭(w8)을 형성하며,
    상기 제 2 폭(w8)은 상기 제 1 폭(w7)보다 크게 형성되는 토크 센서.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 본체 중앙부로부터 상기 본체 외면부를 향하는 방향을 기준으로, 상기 2개의 연장부의 원주방향 폭은 제 3 폭(w9)을 형성하며,
    상기 제 3 폭(w9)은 상기 제 1 폭(w7) 또는 상기 제 2 폭(w8)보다 작게 형성되는 토크 센서.
  12. 삭제
  13. 제 8 항에 있어서,
    상기 감지 브릿지에는,
    상기 제 1 결합부와, 상기 2개의 연장부 및 상기 제 2 결합부에 의하여 정의되는 브릿지 관통홀이 더 포함되는 토크 센서.
  14. 삭제
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