KR100471815B1 - 자동차의 비접촉식 토크 센싱장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 광픽업기술로 토션 바의 비틀림각도를 측정하여 토크를 정밀하게 검출할 수 있도록 한 자동차의 비접촉식 토크 센싱장치에 관한 것으로, 그 구성은 조향축과 동력 조향기어축이 각각 결합되며 양단 외주에 랜드와 피트가 인쇄된 표시부가 각각 형성된 토션 바와, 조향축의 회전시 발생되는 표시부의 비틀림각을 측정하여 토션 바의 회전 토크량을 검출하기 위한 토크 센서부와, 토크 센서부로부터 검출된 토크량을 비교하여 동력 조향 모터에 적합한 제어신호를 출력하여 제어하는 제어부를 구비하여 된 것이다.

이에 따르면, 본 발명은 비접촉식으로 토크 측정이 이루어지므로, 부품이 마모될 우려가 없게 되어 반영구적으로 사용가능하며, 측정 정밀도가 향상되어 토크 스탭을 낮추어 동력 조향모터의 제어가 부드러워지는 이점을 갖는다.

Description

자동차의 비접촉식 토크 센싱장치{turque sensing device of a vehicle}

본 발명은 자동차의 비접촉식 토크 센싱장치에 관한 것으로, 특히 모터 구동 파워 스티어링장치의 토크작동시 비접촉방식의 광픽업기술로 비틀림각을 측정하여 토크를 측정할 수 있도록 한 자동차의 비접촉식 토크 센싱장치에 관한 것이다.

일반적으로, 자동차의 스티어링장치는 스티어링 휠의 회전에 따라 타이로드등의 동력전달기구를 통해 타이어에 전달함으로써, 차량의 진행방향을 결정하게 된다.

이러한 스티어링 흴의 조향시 수동으로 조작되는 조향력보다 더 큰 조향력을 얻기 위해 파워 스티어링장치가 요구되며, 그 파워스티어링장치는 유압을 이용하여 조향력을 배가시키거나, 모터를 구동시켜 조향력을 보조하는 방식으로 대별된다.

그중 모터를 이용하는 방식은 스티어링 컬럼에 작용하는 토크를 측정하여 적절하게 모터의 토크를 제어해야 하므로, 정밀한 토크의 측정이 요구된다.

종래 모터 토크의 측정방식은 직접 접촉되는 직결식이므로, 3회전이 가능한 스티어링 샤프트에서는 와이어의 연결이 어려울 뿐만 아니라, 마모가 심하여 자주 교체해야 하는 단점이 있었다.

이를 극복하기 위한 종래 기술로는 도 7에 도시되고, 대한민국 특허 공개번호 제 2000-19312호 "조향축의 비접촉식 토크 센서 구조"에 나타낸 바와 같이, 조향축(10)의 두 부분에 일정한 간격으로 홈(11)을 형성하고, 그 홈에 빛을 조사하기 위한 LED(light emitting diode)등의 광소자(20)와, 그 빛이 반사되어 나오는 부분에 두개의 광전 속도 센서(30)를 설치한 것이다.

이러한 구성의 토크 센서 구조는 광소자(20)를 이용하여 조향축(10)에 형성된 홈(11)부분에 빛을 조사하면, 홈(11)이 형성된 원주부분에 반사된 빛이 광전 속도 센서(30)에서 검출되며, 이때 광전 속도 센서(30)에 검출되는 빛은 홈(11)에 반사될 때는 검출되지 않고, 홈(11)이 형성되지 않은 조향축의 원주부분에 반사될 때 검출되어 속도를 검출할 수 있게 된다.

이는 홈들간의 거리에 따른 조향축의 속도를 검출함에 따라 그 검출값이 조향축의 회전에 비례하므로, 그 회전을 측정하는 방식인 것이다.

그런데, 종래 동력조향시 조향축의 속도를 측정하여 그 회전을 측정하도록 한 것이나, 이는 대략적인 조향축의 회전을 감지할 수 있을 뿐이므로, 모터의 구동에 필요한 정밀한 토크를 검출하지 못한 단점이 있었다.

따라서, 본 발명은 상기한 제반문제점을 감안하여 이를 해결하고자 안출된 것으로, 그 목적은 모터의 구동에 의한 동력 조향시 토크변화에 따른 비틀림각을 측정하여 그 토크량을 정밀하게 측정할 수 있도록 한 자동차의 비접촉식 토크센싱장치를 제공하는 데 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 일측과 타측에 조향축과 동력 조향기어축이 각각 결합되며 양단 외주면에 랜드와 피트가 인쇄된 표시부가 각각 형성된 토션 바와, 조향축의 회전시 발생되는 상기 표시부의 비틀림각을 측정하여 상기 토션 바의 회전 토크량을 검출하기 위한 토크 센서부와, 그 토크 센서부로부터 검출된 토크량을 비교하여 동력 조향 모터에 적합한 제어신호를 출력하여 제어하는 제어부를 구비하여 된 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 다른 특징은 토크 센서부는 양측이 개구되고 내부에 상기 토션 바가 수용되는 케이스와, 그 케이스의 내주면 일측에 고정되도록 설치되고 동력 조향시 상기 토션 바의 비틀림각을 측정하기 위한 제 1,2,3광픽업센서 및 그 제 1,2,3광픽업센서로부터 입력된 신호를 상기 제어부로 처리하기 위한 회로기판이 설치된 센서 모듈을 구비한 것이다.

본 발명의 또 다른 특징은 토션 바의 내주면에 조향축과 동력 조향기어축이 연동되게 결합되도록 스플라인이 형성된 것이다.

이에 따르면, 본 발명은 작동원리를 나타낸 도 1에 도시된 바와 같이, 토션 바(57)에 토크를 가하면 토션 바(57)가 비틀리면서 점 p →p'로 점 9에 대해 상대운동을 하고, 이 미소변위를 측정하게 되면 토크를 측정할 수 있게 된다.

즉, 아래와 같이,

"토크(T) = 비틀림 강성 계수(G) * 단위 길이당 회전각(θ) * 극 관성 모멘트(Ip)"

의 공식에서 비틀림 강성 계수와 극 관성 모멘트 값은 미리 알고 있는 값이고, 토션 바(57)의 길이도 알고 있으므로, 단위 길이당 회전각만 측정하면 토크값을 알 수 있게 된다.

예를 들어 토션 바의 외경이 10mm일 때, 외주의 길이는 10 ×π가 되므로, 31.416mm가 된다. 이때, 하나의 디지털 신호의 폭이 500nm이므로, 토션 바의 외주에 62832개의 신호를 검출할 수 있으며, 이는 1°에 해당되는 외주에 174개의 신호를 검출할 수 있으므로, 토크 스탭(torque step)을 낮춰 정밀하고 부드러운 제어를 행할 수 있게 된다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.

본 발명에 따른 자동차의 비접촉식 토크 센싱장치는, 도 2 내지 도 6을 참조로 하여 설명하면 다음과 같다. 즉 일측과 타측에 조향축(미도시)과 동력 조향기어축(미도시)이 각각 결합되며 양단 외주면에 랜드(land)와 피트(pit)가 형성된 표시부(59,59')를 각각 갖춘 토션 바(57)와, 조향축의 회전시 발생되는 상기 표시부(59,59')의 상대 변위를 매개로 한 비틀림각을 측정하여 상기 토션 바(57)의 회전 토크량을 검출하기 위한 토크 센서부(55) 및, 상기 토크 센서부(55)로부터 검출된 토크량을 비교하여 동력 조향모터(54)에 적합한 제어신호를 출력하여 제어하는 제어부(60; E.C.U)를 구비하여 된 것이다.

더 상세히 설명하면, 상기 토션 바(57)는 그 표시부(59,59')가 양단부측에 랜드와 피트가 대략 500nm단위로 연속적으로 반복되는 띠형상을 갖도록 형성되고, 내주면에 조향축(steering shaft)과 동력 조향기어축이 결합되어 연동되도록 스플라인(57a)이 형성되어 있다.

그리고, 토크 센서부(55)는 양측으로 조향축과 동력 조향기어축이 삽입되도록 양단이 개구되고 내부에 토션 바(57)가 수용되어 설치되는 케이스(56)와, 상기 케이스(56)의 내주면 일측에 고정되도록 설치되고 양측에 표시부(59,59')로의 빛 조사시 토션 바(57)의 비틀림각을 측정하기 위한 제 1,2,3광픽업센서(58b,58c,58d)가 설치된 센서 모듈(58)을 구비한 것이다.

상기 센서 모듈(58)은 케이스(56)의 내주면 중앙에 나사 결합을 위한 결합공(58a')이 형성되는 모듈플레이트(58a)와, 상기 모듈 플레이트(58a)의 일단 하측에 상기 일측의 표시부(59)와 대응되는 위치에서 제 1,2광픽업센서(58b,58c)가 상기 표시부(59)의 원주 방향으로 이격되게 설치되고, 타단 하측에 상기 타측의 표시부(59')와 대응되는 위치에 제 3광픽업센서(58d)가 설치되며, 상기 제 1,2,3광픽업센서(58b,58c,58d)로부터 입력된 신호를 처리하여 제어부(60)로 출력하기 위한 회로기판(58e)을 갖춘 구조를 갖는다.

여기서, 상기 제 1,2,3광픽업센서(58b,58c,58d)는 상기 표시부(59,59')에 예컨대 판독 신호의 폭이 대략 500nm 정도로 미세하게 형성되는 랜드와 피트를 각각 검출가능하기 위한 정밀한 센서인 것이다. 이는 조향시 상기 토션 바(57)에서 발생하는 미세한 비틀림 각을 정밀하게 검출하기 위한 것이다.

또한, 상기 제 1,2광픽업센서(58b,58c)는 상기 표시부(59)의 랜드와 피트를 각각 판독할 때, 판독된 신호가 도 6에 도시된 바와 같이, 정확히 90°의 위상차를 가질 수 있는 위치에 설치된다. 즉, 상기 제 1,2광픽업센서(58b,58c)는 상기 표시부(59)의 동일한 원주 방향의 둘레로 설치되는 것이다. 아울러, 상기 제 3광픽업센서(58d)는 상기 제 1,2광픽업센서(58b,58c)로부터 기 설정된 거리 만큼 이격된 위치에 있어 상기 표시부(59')를 향해 설치된다.

미 설명부호 "56a"는 케이스(56)의 내주면 일정 위치에 모듈 플레이트(58a)의 고정을 위해 형성된 슬릿(slit)을 나타낸 것이고, "56b"는 케이스(56)의 중앙에 모듈 플레이트(58a)의 결합공(58a')과 대응되게 형성된 고정공을 나타낸 것이다.

이러한 구성을 갖는 본 발명의 작용은 다음과 같다.

스티어링 휠의 조작에 따라 토션 바(57)에 토크가 전달되면, 상기 토션 바(57)는 비틀리면서 상기 제 1,2,3광픽업센서(58b,58c,58d)에서는 도 6a와 도 6b에 도시된 바와 같은 신호를 얻을 수 있게 된다.

이때, 신호의 파장은 1개마다 토션바(57)가 1/62832 즉, 0,0000159°로 비틀렸음을 의미하게 되므로, 도면에서 표현된 것처럼 제 1광픽업센서(58b)로부터 측정된 신호의 수가 3개이고 제 3광픽업센서(58d)에서 측정된 신호의 수가 0이라면, 대략 토션 바(57)에서는 0.0000477°의 비틀림이 있었음을 알 수 있게 된다.

그리고, 도 6a와 도 6b에서와 같이, 제 1,2광픽업센서(58b,58c)의 위상차가 +90°, 혹은 -90°에 따라 토크의 방향, 즉 상기 토션 바(57)의 회전 방향을 알 수 있게 된다.

여기서, 제 3광픽업센서(58d)를 고정시키지 않더라도, 토션 바(57)가 토크를 받게 되면 그 토크량에 따라 토션 바(57)의 비틀림각이 달라진 상대변위를 갖게 되므로, 동일한 방법으로 토크가 측정되지만, 조향시 상기 토션 바(57)는 일단만 회전하는 것이 아니라 전체적으로 회전하는 것이므로, 상기 토션 바(57)에 대한 비틀림각의 측정을 위해서는 본 실시예에서와 같이, 일측에 회전의 방향을 판독하기 위한 적어도 두 개의 광픽업센서가 필요하고, 타측에 비틀림 정도의 판단 기준을 판독하기 위한 적어도 한 개의 광픽업센서가 동시에 필요한 것이다.따라서 앞서 설명한 공식에서와 같이 토션 바(57)의 비틀림 각도를 알게 되면, 정확한 토크를 측정할 수 있게 된다.

삭제

이상과 같이 설명한 본 발명은 토션 바의 비틀림각도를 측정하여 정밀한 토크를 검출할 수 있도록 한 것인 바, 이에 따르면 본 발명은 비접촉식으로 토크의 측정이 이루어지므로, 부품이 마모될 우려가 없게 되어 반영구적으로 사용가능하며, 측정 정밀도가 향상되어 토크 스탭을 낮추어 동력 조향모터의 제어가 부드러워지는 효과를 갖는다.

그외에도, 부수적으로 토크 측정시부터 디지털 신호화되어 노이즈의 영향을 적을 뿐만 아니라, V.D.C(Vehicle dynamics control)과 같은 차량 제어시스템에도 활용이 가능한 이점을 갖는다.

도 1은 본 발명의 작동원리를 개략적으로 표현한 설명도.

도 2는 본 발명에 따른 자동차의 비접촉식 토크센싱장치를 나타낸 사시도.

도 3은 본 발명 토크 센서부의 일부 절개 사시도.

도 4는 본 발명 케이스의 일부 단면도.

도 5는 본 발명 토크 센서 모듈을 나타낸 정면도.

도 6은 토크 센서부로부터 측정된 토션 바의 비틀림 각을 디지털 신호로 표현한 것으로,

도 6a는 제 1,2센서의 위상차가 -90°일때이고,

도 6b는 제 1,2센서의 위상차가 +90°일때를 표현한 것이다.

도 7은 종래 비접촉 토크센서를 나타낸 도면.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *

54 : 동력 조향 모터 55 : 토크 센서부

56 : 케이스 57 : 토션 바

57a : 스플라인 58 : 센서 모듈

58a : 모듈 플레이트 58e : 회로기판

58b,58c,58d : 제 1,2,3센서

59,59' : 표시부 60 : 제어부

Claims (3)

1. 양측에 조향축과 동력 조향기어축이 각각 결합되며 양단 외주면에 각각 랜드와 피트가 인쇄된 한 쌍의 표시부(59,59')를 갖춘 토션 바(57)와, 조향축의 회전시 발생되는 상기 표시부(59,59')의 상대 변위를 매개로 한 비틀림각을 측정하여 상기 토션 바(57)의 회전 토크량을 검출하기 위한 토크 센서부(55) 및, 상기 토크 센서부(55)로부터 검출된 토크량을 비교하여 동력 조향 모터(54)에 적합한 제어신호를 출력하여 제어하는 제어부(60)로 구성되고;

   상기 토크 센서부(55)는 상기 토션 바(57)를 내부에 수용하도록 양측이 개구된 형상의 케이스(56)와, 상기 케이스(56)의 내주면에 설치되어 조향시 상기 토션 바(57)의 비틀림각을 측정하는 제 1,2,3광픽업센서(58b,58c,58d) 및, 상기 제 1,2,3광픽업센서(58b,58c,58d)로부터 입력된 신호를 상기 제어부(60)로 처리하는 회로기판(58e)를 갖춘 센서 모듈(58)을 구비하되;

   상기 제 1,2광픽업센서(58b,58c)는 상기 토션 바(57)의 일측에 구비된 상기 표시부(59)와 대응되는 위치에서 상기 표시부(59)의 원주 방향으로 이격된 위치에 설치되고, 상기 제 3광픽업센서(58d)는 상기 제 1,2광픽업센서(58b,58c)와 이격된 위치인 상기 토션 바(57)의 타측에 구비된 상기 표시부(59')와 대응되는 위치에 설치되는 것을 특징으로 하는 자동차의 비접촉식 토크 센싱장치.
2. 삭제
3. 제 1항에 있어서, 상기 토션 바(57)는 그 내주면에 스플라인(57a)이 형성된 것을 특징으로 하는 자동차의 비접촉식 토크 센싱장치.