KR100460422B1 - 차량의 조향각 검출 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 최소 검출각을 작게 할 수 있고, 나아가 비록 전원이 차단되었다 복귀되더라도 현재의 조향각을 정확하게 검출할 수 있도록 한 차량의 조향각 검출 장치에 관한 것이다.

본 발명은 차량의 조향 샤프트에 축결합되며 소정의 이빨수를 갖는 샤프트 기어; 상기 샤프트 기어와 소정의 기어비로 치결합되는 하위 기어; 소정의 이빨수를 갖는 상위 기어; 상기 하위 기어와 동축 결합된 채로 상기 상위 기어와 치결합되는 변환 기어; 상기 하위 기어의 축 상에 설치되어 회전 자계를 발생시키는 하위용 영구자석; 상기 하위용 영구자석의 상부에 근접 설치되어 상기 회전 자계의 회전각을 검출하는 하위용 자기저항센서; 상기 상위 기어의 축 상에 설치되어 회전 자계를 발생시키는 상위용 영구자석; 상기 상위용 영구자석의 상부에 근접 설치되어 상기 회전 자계의 회전각을 검출하는 상위용 자기저항센서 및 상기 하위용 자기저항센서 및 상기 상위용 자기저항센서로부터 제공된 검출 신호를 미리 정해진 프로그램에 의해 연산 처리하여 조향 샤프트의 회전 방향 및 회전각을 연산하는 연산/제어 수단을 포함하여 이루어진다.

Description

차량의 조향각 검출 장치{detection apparatus for steering angle in vehicle}

본 발명은 차량의 조향각 검출 장치에 관한 것으로, 특히 자기저항센서를 사용하여 구현한 차량의 조향각 검출 장치에 관한 것이다.

회전체의 회전각을 검출할 수 있는 다양한 장치가 제안되어 있는 바, 이러한 회전각 검출 장치는, 예를 들어 차량의 조향각 검출 장치 등에 사용될 수 있다. 이를 보다 상세히 설명하면, 차량에서는 쇽업소버의 감쇠력 제어 등을 행함에 있어서 조향시의 롤 억제를 실행하기 위해 조향각 검출 장치를 채택하고 있는 바, 도 1은 종래의 차량의 조향각 검출 장치의 구조를 설명하기 위한 사시도이고, 도 2a 및 도 2b는 각각 도 1의 장치에서 우회전시 및 좌회전시의 검출 파형을 보인 도이다. 도 1에 도시한 바와 같이, 종래의 차량의 조향각 검출 장치는 조향 샤프트(11)의 외측에 슬릿 원판(14)이 삽입되어 있는데, 이러한 슬릿 원판(14) 가장자리의 동심원 상에는 다수의 슬릿(12)이 등간격으로 천공되어 있다. 한편, 슬릿 원판(14)을 사이에 두고 양측에 각각 배치된 수광 소자와 발광 소자로 이루어진 포토 인터럽트 2쌍(16),(17)이 조향 칼럼튜브(미도시)에 고정되어 되어 있다.

전술한 구성에서, 조향 샤프트(11)가 회전함에 따라 포토 인터럽트(16),(17)의 발광 소자와 수광 소자 사이에 슬릿(12)이 위치하게 되면 발광 소자에서 발생된 광이 수광 소자에 전달되고, 이와는 달리 슬릿 주위면이 위치하게 되면 발광 소자에서 발생된 광이 수광 소자에 전달되지 않는 원리에 의해 조향각이 9°가 될 때마다 수광 소자에서 온/오프 펄스가 발생된다. 더욱이, 2쌍의 포토 인터럽트(16),(17) 사이에 4.5°의 위상차를 만들어 조향 샤프트(11)의 회전 방향을 판별하고 있다. 즉, 도 2a에 도시한 바와 같이 하나의 포토 인터럽트(16)의 신호 상승시 다른 포토 인터럽트(17)의 신호 상태가 하이(H) 레벨이면 우회전으로 판별하고, 이와는 반대로 도 2b에 도시한 바와 같이 로우 레벨(L)이면 좌회전으로 판별하고 있다.

도 1에서 미설명 부호 13은 조향 샤프트(11)의 중립점 감지용 슬릿을 나타내고, 15는 중립점 감지용 슬릿(11)의 통과 여부를 감지하는 포토 인터럽트를 나타낸다.

그러나, 전술한 바와 같은 종래의 차량의 조향각 검출 장치에 따르면, 설치 공간상의 제약으로 인해 슬릿 원판을 무한정 크게 할 수가 없는 상태에서 포토 인터럽트의 검출 해상도를 고려하여 각 슬릿의 간격을 정하기 때문에 최소 검출각을 작게 할 수 없다는 문제점이 있다.

특히, 종래의 장치에서는 중립점 신호가 입력된 시점으로부터 카운트된 펼스 신호의 수에 의거하여 상대적인 방식으로 조향각을 계산하기 때문에, 어떤 이유로 인해 전원이 차단되게 되면 비록 짧은 시간 이내에 다시 전원이 투입되더라도 상기 카운트 값이 모두 지워지기 때문에 현재 차량의 조향각 상태를 전혀 파악할 수 없는 문제점이 있다.

본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 최소 검출각을작게 할 수 있고, 나아가 비록 전원이 차단되었다 복귀되더라도 현재의 조향각을 정확하게 검출할 수 있도록 한 차량의 조향각 검출 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 차량의 조향각 검출 장치는 차량의 조향 샤프트에 축결합되며 소정의 이빨수를 갖는 샤프트 기어; 상기 샤프트 기어와 소정의 기어비로 치결합되는 하위 기어; 소정의 이빨수를 갖는 상위 기어; 상기 하위 기어와 동축 결합된 채로 상기 상위 기어와 치결합되는 변환 기어; 상기 하위 기어의 축 상에 설치되어 회전 자계를 발생시키는 하위용 영구자석; 상기 하위용 영구자석의 상부에 근접 설치되어 상기 회전 자계의 회전각을 검출하는 하위용 자기저항센서; 상기 상위 기어의 축 상에 설치되어 회전 자계를 발생시키는 상위용 영구자석; 상기 상위용 영구자석의 상부에 근접 설치되어 상기 회전 자계의 회전각을 검출하는 상위용 자기저항센서 및 상기 하위용 자기저항센서 및 상기 상위용 자기저항센서로부터 제공된 검출 신호를 미리 정해진 프로그램에 의해 연산 처리하여 조향 샤프트의 회전 방향 및 회전각을 연산하는 연산/제어 수단을 포함하여 이루어진다.

도 1은 종래의 차량의 조향각 검출 장치의 구조를 설명하기 위한 사시도,

도 2a 및 도 2b는 각각 도 1의 장치에서 우회전시 및 좌회전시의 검출 파형을 보인 도,

도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 차량의 조향각 검출 장치에 사용되는 자기저항센서의 검출 원리를 설명하기 위한 도,

도 4는 자기저항센서의 검출 출력 파형도,

도 5는 본 발명의 차량의 조향각 검출 장치의 기구적인 구성을 개략적으로 보인 평면도,

도 6은 본 도 5에서 A-A 선을 절개하여 본 개략 단면도,

도 7은 본 발명의 차량의 조향각 검출 장치의 전기적인 블록 구성도,

도 8은 도 5에 도시한 구성에서 각 기어 간의 변위 관계를 보인 그래프이다.

*** 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 ***

20: 하위용 자기저항센서, 22, 24: 브릿지 소자,

30: 상위용 자기저항센서, 40: 조향 샤프트,

50: 샤프트 기어, 52: 하위 자리수 검출 기어,

54: 자리수 변환 기어, 56: 하위용 영구자석,

58: 상위 자리수 검출 기어, 60: 상위용 영구자석,

62: 푸시 부재, 70: 인쇄회로기판,

80: 하우징, 90, 92: A/D 변환기,

100: 연산/제어부

이하에는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 차량의 조향각 검출 장치에 대해 상세하게 설명하는데, 이에 앞서 자기저항센서의 검출 원리에 대해 설명한다.

도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 차량의 조향각 검출 장치에 사용되는 자기저항센서(Magneto Resistive sensor)의 검출 원리를 설명하기 위한 도이고, 도 4는 자기저항센서의 검출 출력 파형도이다. 도 3에 도시한 바와 같이, 서로 45°만큼 틀어진 채로 배치된 2개의 자기저항 브릿지 소자(22),(24)를 갖는 자기저항센서(20)에 외부의 회전 자계(B)가 인가될 때 각 브릿지 소자(22),(24)의 출력단(U1),(U2)에서는 도 4에 도시한 바와 같이 주기가 180°이고 위상이 45°만큼 차이나는 2개의 정현파 신호(VU1),(VU2)가 얻어지게 된다. 이 때 각 정현파 신호(VU1),(VU2)의 진폭을 동일하게 하면, 아래의 수학식 1에 의해 외부 회전 자계(B)의 현재 각도(θ)를 산출할 수 있게 된다.

전술한, 자기저항센서로는 철과 니켈 합금의 일종인 퍼멀로이(등록상표임) 박막으로 제조된 이방성 자기저항센서(Anistropic Magneto Resistive sensor)가 양호하게 사용될 수 있다. 도 3에서, 부호 Vcc1과 Vcc2는 각각 브릿지 소자(22),(24)에 인가되는 전원 전압을 나타내고, +Vo1과 -Vo1은 각각 브릿지 소자(22)의 양의 출력 전압 및 음의 출력 전압을 나타내며, +Vo2와 -Vo1은 각각 브릿지 소자(24)의 양의 출력 전압 및 음의 출력 전압을 나타낸다.

도 5는 본 발명의 차량의 조향각 검출 장치의 기구적인 구성을 개략적으로 보인 평면도이고, 도 6은 본 도 5에서 A-A 선을 절개하여 본 개략 단면도이다.

도 5 및 도 6에 도시한 바와 같이, 본 발명의 차량의 조향각 검출 장치의 기구적인 구성은 장치가 수납되는 하우징(80), 차량의 조향 샤프트(40)의 외측에 삽입된 샤프트 기어(50), 샤프트 기어(50)와 소정의 기어비로 치결합되며 조향각의 하위 자리수를 나타내는 하위 자리수 기어(이하, '하위 기어'라 한다)(52), 조향 샤프트(40) 회전각의 상위 자리수를 나타내는 상위 자리수 기어(이하, '상위 기어'라 한다)(58), 하위 기어(52)와 동축 결합된 채로 상위 기어(58)와 치결합되어 하위 기어(52)의 미리 정해진 각도만큼의 회전을 상위 기어(58)에 전달하는 자리 변환 기어(이하, '변환 기어'라 한다)(54), 하위 기어(52)의 축 상에 설치되어 회전 자계를 발생시키는 하위용 영구자석(56), 하위용 영구자석(56)의 상부에 근접 설치된 하위 자리수 검출용 자기저항센서(이하, '하위용 자기저항센서'라 한다)(20), 상위 기어(58)의 축 상에 설치되어 회전 자계를 발생시키는 상위용 영구자석(60), 상위용 영구자석(60)의 상부에 근접 설치된 상위 자리수 검출용 자기저항센서(이하, '상위용 자기저항센서'라 한다)(30), 하위용 및 상위용 자기저항센서(20),(30)를 지지하며 이외에도 검출 장치에 필요한 전기 회로들이 탑재된 인쇄회로기판(70)을 포함하여 이루어질 수 있다.

전술한 구성에서, 사프트 기어(50), 하위 기어(52), 변환 기어(54) 및 상위 기어(58)는 모두 평기어로 구현될 수 있다. 또한, 샤프트 기어(50)의 이빨수는 하위 기어(52)의 이빨수보다 많게 하는 것이 바람직한 바, 둘 사이의 기어비는 예를 들어 1.5로 할 수 있을 것이다. 즉, 샤프트 기어(50)의 이빨수를 42개로 하는 경우에, 하위 기어(52)의 이빨수를 28개로 할 수 있을 것인데, 이 경우에 샤프트 기어(50)가 1회전할 때 하위 기어(52)는 1.5회전을 하게 되며, 하위 기어(52)와 동축 결합된 변환 기어(54)도 1.5회전을 하게 된다. 물론 요구되는 정밀도에 따라 샤프트 기어(50)의 이빨수와 샤프트 기어(50)와 하위 기어(52)의 기어비를 변경시킬 수도 있다.

한편, 변환 기어(54)와 상위 기어(58) 사이의 기어비는, 예를 들어 12로 할 수 있을 것이며, 이 경우에 변환 기어(54)의 이빨수를 2개로 하고, 상위 기어(58)의 이빨수를 24개로 할 수 있을 것이다. 물론, 변환 기어(54)의 이빨수와 상위 기어(58)와 변환 기어(54) 사이의 기어비를 적절하게 변경시킬 수 있을 것이다. 이러한 기어 구조에 의해 조향 샤프트(40), 즉 샤프트 기어(50)가 중립점에서 좌측 및 우측 방향으로 각각 2회전한다고 가정할 때, 하위 기어(52) 및 변환 기어(54)는 그 중립점에서 좌측 및 우측 방향으로 각각 3회전을 하게 되고, 상위 기어(58)는 그 중립점에서 좌측 및 우측 방향으로 각각 1/4바퀴만큼 회전, 즉 전체적으로 1/2바퀴(180°)의 범위에서 회전하게 되므로 추가의 상위 기어(58)가 필요치 않게 된다. 도면에서 미설명 부호 62는 상위 기어(58)와 변환 기어(54) 사이에 긴밀한 치결합이 유지되도록 상위 기어(58)를 변환 기어(54) 측으로 밀어대는 푸시 부재를 나타낸다.

도 7은 본 발명의 차량의 조향각 검출 장치의 전기적인 블록 구성도이다. 도 7에 도시한 바와 같이, 본 발명의 차량의 조향각 검출 장치의 전기적인 구성은 하위용 및 상위용 자기저항센서(20),(30), 하위용 및 상위용 자기저항센서(20),(30)로부터 아날로그 형태로 출력된 검출 신호를 각각 대응하는 크기의 디지털 신호로 변환하는 하위용 및 상위용 아날로그-디지털(A/D) 변환기(90),(92)와 하위용 및 상위용 A/D 변환기(90),(92)로부터 출력된 디지털 형태의 검출 신호를 상기한 수학식1로 처리한 후 미리 정해진 변환 공식이나 테이블에 대입시켜 최종적으로 조향 샤프트(40)의 회전 방향 및 회전각을 연산해 내는 연산/제어부(100)를 포함하여 이루어질 수 있다.

전술한 구성에서, 연산/제어부(100)는 마이크로 프로세서 유닛으로 구현되거나 전용의 제어 로직으로 구현될 수 있다. 하위용 및 상위용 A/D 변환기(90),(92)는 마이크로 프로세서 유닛에 일체로 구비되거나 별개의 소자로 구현될 수도 있다.

도 8은 도 5에 도시한 구성에서 각 기어 간의 변위 관계를 보인 그래프이다. 도 8에 도시한 바와 같이, 샤프트 기어(50)가 360°만큼 회전하는 동안 하위 기어(52) 및 변환 기어(54)는 540°만큼 회전하게 되고, 하위용 자기저항센서(20)는 하위 기어(52)가 180°만큼 회전할 때마다 이에 비례하여 0-180°범위 내의 각도 변이값을 반복하여 출력하게 된다. 한편, 상위 기어(58)는 하위 기어(52)가 180°만큼 회전할 때마다 이빨 하나에 해당하는 각도, 본 실시예에서는 15°만큼 회전하게 되는데, 이에 따라 상위 기어(58)의 회전각을 알게 되면 조향 샤프트(40)의 회전수를 알 수 있게 된다. 본 실시예에서는 상위 기어(58)가 45°만큼 회전할 때 조향 사프트(40)가 1회전하게 된다.

그리고, 이와 같은 관계에 따라, 연산/제어부(100)에서는 아래의 수학식 2 또는 아래의 수학식 2에 기초한 변환 테이블에 상위 기어(58)와 하위 기어(52)의 회전각과 기어들 사이의 기어비를 대입함으로써 조향 샤프트(40)의 미지의 회전 방향과 회전각을 알 수가 있다.

위의 수학식 2에서,는 샤프트 기어(50), 즉 조향휠의 회전각을 나타내고,는 상위 기어(58)의 회전각을 나타내고,는 하위 기어(52)의 회전각을 나타내고,은 샤프트 기어(50)와 하위 기어(52) 사이의 기어비를 나타내고,는 상위 기어(58)와 변환 기어(54) 사이의 기어비를 나타낸다.

도 8에서 미지의 샤프트 기어의 변위를이라고 가정할 때, 위의 수학식 2에 이미 알고 있는 기어비와 상위용 및 하위용 자기저항센서(20),(30)에서 검출된 값을 대입함으로써이 450°임을 알 수가 있다.

한편, 본 발명에서는 차량의 제조 시에 조향 샤프트, 각 기어들 사이의 위상, 상위용 및 하위용 영구자석과 상위용 및 하위용 자기저항센서의 위상을 적절하게 고정시키면 별도의 중립점 감지 수단이 필요치 않게 되나, 차량의 경년 변화 등에 따른 검출 오차를 고려하여 도 1에 도시한 바와 같은 중립점 감지 수단을 추가로 구비시켜 중립점을 감지하도록 할 수도 있을 것이다.

본 발명의 차량의 조향각 검출 장치는 전술한 실시예에 국한되지 않고 본 발명의 기술 사상이 허용하는 범위 내에서 다양하게 변환하여 실시할 수가 있다. 예를 들어, 전술한 실시예에서는 자기저항센서의 내부에 2개의 브릿지 소자가 포함된 것으로 설명하였지만, 이에 국한되는 것은 아니고 공지의 단일 브릿지 소자로 된 것이나 저항 분할형의 것이 사용될 수도 있을 것이다.

이상에서 설명한 바와 같은 본 발명의 차량의 조향각 검출 장치에 따르면, 포토 인터럽트에 비해 높은 분해능을 갖는 자기저항센서를 사용하여 장치를 구현하고 있기 때문에 조향각을 보다 정밀하게 검출할 수 있으며, 이외에도 차량 전원이 제거되었다 복귀되더라도 조향 샤프트의 현재의 회전 각도를 정확하게 검출할 수 있는 효과가 있다.

Claims (4)

1. 차량의 조향 샤프트에 축결합되며 소정의 이빨수를 갖는 샤프트 기어;

   상기 샤프트 기어와 소정의 기어비로 치결합되는 하위 기어;

   소정의 이빨수를 갖는 상위 기어;

   상기 하위 기어와 동축 결합된 채로 상기 상위 기어와 치결합되는 변환 기어;

   상기 하위 기어의 축 상에 설치되어 회전 자계를 발생시키는 하위용 영구자석;

   상기 하위용 영구자석의 상부에 근접 설치되어 상기 회전 자계의 회전각을 검출하는 하위용 자기저항센서;

   상기 상위 기어의 축 상에 설치되어 회전 자계를 발생시키는 상위용 영구자석;

   상기 상위용 영구자석의 상부에 근접 설치되어 상기 회전 자계의 회전각을 검출하는 상위용 자기저항센서 및

   상기 하위용 자기저항센서 및 상기 상위용 자기저항센서로부터 제공된 검출 신호를 미리 정해진 프로그램에 의해 연산 처리하여 조향 샤프트의 회전 방향 및 회전각을 연산하는 연산/제어 수단을 포함하여 이루어진 차량의 조향각 검출 장치.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 하위용 자기저항센서 및 상기 상위용 자기저항센서는 이방성 자기저항센서로 이루어진 것을 특징으로 하는 차량의 조향각 검출 장치.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 각각의 자기저항센서는 상호 45°의 위상차를 갖는 2개의 브릿지 소자를 포함하여 이루어지며;

   상기 샤프트 기어, 상기 하위 기어, 상기 변환 기어 및 상기 상위 기어는 이빨수가 각각 42개, 28개, 2개 및 24개인 평기어인 것을 특징으로 하는 차량의 조향각 검출 장치.
4. 제 3 항에 있어서, 상기 상위 기어를 상기 변환 기어 측으로 밀어대는 푸시 부재를 더 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 차량의 조향각 검출 장치.