토크센서

토크센서(torque sensor)는 토크를 측정하는 센서이다. 토크가 걸릴 때 발생하는 비틀림을 측정하여 토크를 측정할 수 있다. 토크의 단위는 일반적으로 N-cm, N-m, in-lbf, kgf.cm /m 로 표시한다.

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개요

토크센서는 연속적으로 회전하는 축의 토크를 측정하는 센서이다. 회전 토크미터라고도 한다. 토크센서는 EPS 시스템의 핵심부품으로 조향축에 걸리는 토크를 측정하여 EPS 제어기에 전달하는 역할을 한다. 토크(torque)란 어떤 것을 어떤 점 주위에 회전시키는 효과를 나타내는 양으로서, 회전 모멘트 또는 비틀림 모멘트라고도 부르며 회전체의 접선방향 힘의 크기와 힘이 걸리는 점에서 회전 중심점까지의 길이를 곱한 N·m 또는 kgf m 단위로 나타낸다. 토크 측정방식은 크게 접촉식과 비접촉식으로 구분된다. 접촉식 토크센서에는 슬라이딩 방식의 저항형 포텐션미터(potentiometer), 접촉식 스트레인 게이지, SAW 토크센서 등이 있으나 내구성이 떨어지고, 2바퀴 반 이상 회전하는 자동차 조향축에 실장하는데 부적합하기 때문에 자동차 토크센서로는 주로 비접촉식 토크센서를 사용한다. 비접촉식으로 자동차 분야에서 많이 사용되는 있는 기술은 자기식으로 자기장 형성 구조물과 고감도 자기센서를 사용한다. 자기식 토크센서는 샤프트 주위에 정해진 패턴의 자장을 형성시킨 상태에서 토크에 의해 회전 변위가 발생될 때 이에 따른 자기장의 변화가 발생하게 되고, 이를 자기센서로 측정하는 방식이다. 샤프트로부터 수 mm 이격하여 토크를 측정하며, 먼지나 액체 등 기타 비자성 물질이나 높은 회전 속도에서도 매우 잘 동작을 한다. 단점으로는 샤프트가 자화될 수 있으며, 강력한 자계 환경에 노출되어서는 안 된다. 장점을 보면 다른 비접촉식 회전센서에 비해 저가격으로 제작이 가능하고, 장착이 용이하면서도 자동보정 및 추가조정이 최소화될 수 있다. 에너지 소모가 적고, 내구성이 뛰어나며, 토크 측정은 물론 각도와 위치측정도 가능하다. 비접촉식으로 감지 샤프트, 신호감지부, 전자신호 처리부가 하우징에 내장되어 콤팩트한 자기식 토크센서의 개발이 가능하다. 자기식 토크센서 중 자동차용 조향 토크 측정에 적용되는 센서의 일례로, 스티어링휠 축에 부착되는 마그넷로터에서 발생하는 자기력에 의해 휠타이어 측 축에 연동한 고정자 치(stator tooth)에 1차 자기 유도되고, 회전하는 고정자 치에 유도된 자기력이 외부의 고정형 콜렉터(collector)로 2차 자기 유도되어 홀 IC 센서로 변화를 감지한다. 비틀림이 발생하면 로터와 고정자가 어긋나게 되어 자기장의 세기 변화가 발생하게 되는데, 일정범위 내에서 토크에 비례하는 자기장 변화가 발생한다.

토크의 측정방법

- 로드셀과 비슷하게 Strain Gauge 사용한 방법 (변형게이지식 토크 센서)

- 자기장을 이용한 방법 (자기변형 토크 센서)

- 음파를 이용한 방법

- 회전각 측정 센서를 이용한 방법 (위상차 검출형 토크 센서)

- 앵글 타입 기어를 사용할 때 베어링 하우징에서 받는 힘을 측정하는 방법

토크를 측정하는 데는 동력전달축을 제동장치와 결합하여 그 일을 열 또는 전기 에너지의 형태로 방산시켜 그 때의 제동량으로부터 구하는 것과 동력전달축의 비틀림 각이나 변형 등으로부터 측정하는 방법이 있다. 전자는 흡수동력계라 불리고, 전기, 물, 공기, 고체마찰 동력계로 분류된다. 후자는 토크미터라 하여, 실제로 움직일 때의 전달 토크가 계측 가능한 특징이 있다.

회전하지 않는 Static 토크는 쉽게 측정할 수 있다. 하지만, 회전하면서 발생하는 Dynamic 토크는 측정하기가 어렵다. 측정 대상이 회전하기 때문에 토크를 측정하는 장비도 회전하고 여기서 측정된 토크를 정지된 장비로 전송하는 것이 까다롭다. Static 토크 센서를 비회전식 토크 센서라고 하고 Dynamic 토크 센서를 회전식 토크 센서라고 한다.

토크의 특성

전기적 특성

수동토크센서의 출력 신호는 보통 mV/V 로 표시되며 입력전원은 5V 또는 10V 가 인가된다. 이에 따라 센서별로 2.5 ~ 22mV 가 출력신호로 나온다. 비회전형 토크센서와 접촉식 회전센서의 경우가 해당된다. 또한 제조 사에 따라 센서 하우징에 앰프를 내장하여 ±5V, ±10V 또는 12± mA 의 출력신호를 옵션으로 뽑을 수 있다. 이러한 장점은 특히 고객이 직접 신호를 처리함에 있어 인터페이스나 SPS 에 연결하여 사용하기 편리하다.

물리적 특성

기본 토크의 측정은 역학적인 기본관계를 이용하여 상기와 같이 수동식으로 설정하여 할 수 있으나 현재는 스트레인 게이지를 이용하여 전자.기계식으로 측정하는 방식을 채택하고 있으며 측정시스템의 자체 공명이 낮은 주파수를 가지므로 이 또한 동적측정(회전식, 다이나모등)에 있어서는 1 도까지의 큰 비틀림으로 인하여 적합치 않다.

스트레인 게이지를 이용한 토크센서는 0.1 에서 100,000Nm 의 측정범위 및 0.05%까지의 정확도를 가질 수 있으며 일반적으로 내부회로는 full bridge 가 이용된다. 즉 4 개의 스트레인게이지가 장착된다. 이때 굽힘력과 횡력이 함께 측정 되지 않기 때문에 최소한이 되도록 토크센서를 장착한다. 이러한 힘의 분산과 발란스가 될 수 있도록 적합한 커플링을 선택하는 것이 권장된다.

토크센서의 적용분야

정밀 측정.시험기, 자동차, 공구, 산업. 자동화, 중공업, 항공 및 우주공학, 의약.식품 및 화학, 건설.토목,레져,스포츠, 소재가공 및 연구 개발 등 산업전반에 응용.

자동차 부문

• 엔진 : 켐샤프트, 모터 테스터( 엔진 다이나모), 클러치온도 분포 및 토크력 측정, 크랭크 샤프트의 회전토크측정, 클러치의 마찰력에 따른 토크 및 각도변화율, 엔진베어일 조립검사시 토크.각도, 엔진 냉각수 펌프 성능검사, 워터펌프 풀리의 구동토크, 센서.밸브.스위치 토크체결.조립시
• 섀시 : 조향기어장치의 토크 및 각도 측정, 기어박스의 2 영역토크 및 속도 측정, 차동장치 내.외부샤프트 토크 측정, 자동차와이퍼로드토크.거리.각도, 녹센서의 조임토크 측정 및 감시,휠드라이브 브레이킹/부하/스피드, 윈도우 레굴레이터의 토크 측정, 와이퍼 모터
• 파워트레인 : 자동차용 TRANSMISSION, Axle Drive , 엑슬샤프트와 휠조립후 토크.속도측정, V- 및 다이밍 밸트. 체인 구동 토크, 정밀베어링의 조립검사 토크 측정 , 변속기부문의 스핀들 작업공정

측정 및 시험기

각종 모터(AC/DC/SERVO...)테스터, 다양한 스프링 테스터 , 모터테스트 밴치의 토크.속도 및 전류.전압측정, 내구 시험기 ( 힌지. 스프링. 브레이크, 클러치등) , 골프채의 파단시 토크 및 각도, 변환스위치, 코일스프링, 스태링모터, 레블기어등의 토크 및 각도, 볼트나 스크류 체결기술로서 토크나 압축또는 인장력 측정, 볼펜의 토크 측정기, 각종 용기캡( 마개) 토크 검사기 , 와이퍼 로드의 토크.장력.각도.속도 , 토크렌치 검사 및 보정기, 토크센서 테스터 , 냉각수 펌프의 성능 및 신뢰성평가시험기

산업.자동화 부문

공작기계의 토크나 각도측정, 절단기.프레스. 성형기등 , 컨베이어 Pulley belt 장력 측정등 특수용, 유.공압설비 , 토크 렌치용 , 설비나 플랜트설치용 스핀들 , 운동기구.기타 설비의 조정 및 제어등 , 발전기의 권선 및 간격확인을 위한 토크측정 , 프레스공정의 Solidity 측정 , 압연.압출기의 토크측정 및 제어 , 가정용 : 세척기.건조기. 냉장고 , 유체이용한 터빈가동시 토크 측정 , 엔진.트랜스미션 자동조립라인 , 휠베어링 조립 및 검사 , 컨로드 의 볼트체결 , 압연 및 롤로의 회전 토크 , 로보틱관절의 토크센서 적용 , 각자동차 조립라인의 볼트체결공정

중공업 부문

엔진의 다이나모 테스터 , 광산용 드릴.진공파쇄기 , 선박용 터어빈의 토크 측정 , 해상.선박용 터빈 및 블레이드 토크 , 펌프.터빈등 기어나 감속기의 토크 , 컴퓨레셔내 펌프의 볼트체결시 , 펌프 조립후 베어링 마찰 검사 , 철도.전동차량등의 ABS 토크 , 풍력.수력 발전시 회전구동 토크 , 철강산업의 스핀들 기어 , 트랙터의 체인드라이브

화학.섬유 부문

펄프.제지나 의약 및 화학 산업의 교반기 , 병.케이스.플라스틱마개의 토크 측정 , Rheometer / viscosity 측정, 시멘트의 유동력 측정 , 섬유.화학.식품공정제어 , 각종 원재료 제조시 점도측정 , 화학물질의 유동력 측정, 제지산업의 파쇄기 및 건조기 , 관.파이프등의 조절밸브엑츄에이터 , 유화산업의 소재의 고온비틀림 측정.제어 공구 부문 토크렌치용 , 유.공압스핀들 , 스크류체결기 , 파쇄기.분쇄기등

식품.화학.의약 부문

우유나 가공식품의 응고키위한 점도 측정 , 쵸콜릿의 응력 및 저음성 검사 , 병마개 시험 또는 공정용 , Viscometer 용 , Rheometer , 반응기 (Reactor)-공정 및 Lab 용

항공.우주공학부문

헬기의 추진동력측의 토크 측정 , 모터의 토크 측정 , 크랭크위치에 따른 마찰측정:토크 및 각도 , 헬리콥터의 기어박스 , 항공기 프로펠러 , 가스터빈

엔진.모터를 이용한 동력장비 등

모터사이클, 자전거등 , 튜닝업. 스포츠 및 경주용 엔진

건설.토목 부문

각종 건설.토목의 핵심부품의 토크측정 , 건설용 자재의 파단력.비틀림 측정 , 교량.교각의 지지대의 하중 및 토크 검사 , 시멘트 교반기내 교반력 감시 및 제어 , 교반기 유성기어 토크 측정

레져.스포츠 산업

Running machine 의 롤러조임 조정시 , 골프채의 스윙시 토크 측정 , 낚시.릴의 베어링의 토크 측정 , 운동 페달기

참고자료

• 〈토크센서〉, 《자동차용어사전》
• 〈토크센서란? / 적용분야〉, 《카스스케일코리아》
• 라디안이엔지, 〈(토크센서란?) 회전 토크미터 란?_라디안이엔지〉, 《네이버 블로그》, 2020-04-24
• 이대성 수석연구원, 〈자동차 조향토크센서의 기술 및 동향〉, 《전자부품연구원 스마트센서사업단》, 2014

같이 보기

• 토크
• 회전

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