KR100522739B1 - 와전류를 이용한 전자식 조향장치의 토크센서 - Google Patents

와전류를 이용한 전자식 조향장치의 토크센서 Download PDF

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Abstract

본 발명은 전자식 조향장치의 토션바에 다수개의 돌출편을 갖는 금속 디스크를 설치하고 상기 금속디스크의 돌출편 대응부에 와전류를 센싱하는 센싱소자를 더 설치하여 토션바의 회전을 측정토록 한 것을 특징으로 하는 와전류를 이용한 전자식 조향장치의 토크센서에 관한 것으로,
하우징 중심부에 내장하되, 조향축과 연결된 인풋 샤프트와, 외주면에 워엄기어가 결합된채, 내부의 토션바로써 상기 인풋 샤프트에 연결된 아웃풋 샤프트를 포함하는 전자식 조향장치에 있어서, 상기 토션바에 결합되는 원형의 링과 상기 링으로부터 돌출 연장되는 다수개의 편으로 이루어진 최소한 한개 이상의 금속 디스크와; 상기 토션바가 회전함으로써 이에 연동하여 금속디스크가 회전시 금속디스크의 편 회동을 감지하여 토션바의 회동 정도를 센싱하는 최소한 한개 이상의 와전류 유도센서를 포함하는 것이 특징이다.

Description

와전류를 이용한 전자식 조향장치의 토크센서{Torque Sensor for Electric Power Steering Using Eddy Current}
본 발명은 와전류를 이용한 전자식 조향장치에 관한 것으로, 특히 전자식 조향장치의 토션바에 다수개의 돌출편을 갖는 금속 디스크를 설치하고 상기 금속 디스크의 돌출편 대응부에 와전류를 센싱하는 센싱소자를 더 설치하여 토션바의 회전을 측정토록 한 것을 특징으로 하는 와전류를 이용한 전자식 조향장치의 토크센서에 관한 것이다.
자동차의 동력조향장치는 1960년대에 개발된 유압펌프의 오일압력을 이용한 유압식 동력조향장치가 1980년대에 대중화되어 현재까지 사용되고 있으며, 1988년에 일본에서 처음으로 상품화된 전기모터를 이용한 전기식 동력조향(E.P.S)방식이 1990년대 이후 점차로 보편화되어 가고 있다.
기존의 유압식 동력장치의 경우 조향휠을 돌리면 운전자의 조향력이 토션바에 전해지고 토션바(torsion bar)의 기계적 특성에 따라 운전자의 조향력(토크)에 따른 조향각을 발생시킨다.
그리고 이 조향각에 비례하는 로터리 스풀밸브(rotary spool valve)의 개폐를 통하여 유압펌프에서 발생된 유량 및 유압을 제어하여 유압 실린더로 공급한다.
즉, 유압식 동력조향장치는 로터리 스풀밸브의 개폐를 통하여 운전자의 조향력에 비례하여 적절한 조향 보조동력을 공급한다.
하지만, 전기식 동력조향장치의 경우 유압식 동력조향장치와 달리 엔진전자 제어장치로 모터의 회전을 제어하여 조향 보조동력을 공급하므로 위와 같이 기계적인 방법으로 운전자의 조향력에 맞추어 적절한 조향 보조동력을 공급할 수 없다.
즉, 운전자의 조향력과 조향휠의 회전을 측정하여 엔진전자 제어장치에 전기적 신호로 보내주는 장치가 필요하며, 이러한 역할을 하는 장치가 바로 E.P.S(Electric Power Steering)용 토크센서(torque sensor)이다.
도 1은 일반적인 전기식 동력조향장치의 스티어링 컬럼(steering column)의 구조 및 모양을 보여준다.
도 1에서 보는 바와 같이 조향축(1)의 조향 핸들(11)을 돌렸을 때, 그 힘이 하우징(7) 내부의 토션바(4)와 인풋 샤프트(2)에 전달되고, 인풋 샤프트(2)에서 아웃풋 샤프트(3)로 전달되는 과정에서 회전 토크를 토크센서(6)가 감지하여 ECU에 전달하고, ECU에서는 그 값에 따라 배력 구동장치(5)를 구동시키도록 지시한다.
이와 같이 구동장치(5)의 모터(51)에서 나오는 구동력은 워엄(52)을 통해 아웃풋 샤프트(3)의 워엄기어(31)를 회전시키게 되고, 워엄기어(31)에 의해 회전하는 아웃풋 샤프트(3)는 랙바를 작동시키게 된다.
전기식 동력조향장치에 사용되는 토크센서는 크게 두가지로 분류 가능하다.
하나는 접촉식 방법으로 스트레인 게이지(strain gauge) 및 포텐셔미터(potentiometer)를 이용하여 토션바(4)의 변형을 직접적으로 측정하는 토크센서이며, 다른 하나는 비접촉식 방법으로 자기 및 광학적 방법으로 토션바(4)의 변형을 간접적으로 측정하는 센서이다.
상기 접촉식 토크센서의 경우 소음, 내구성능 등으로 비접촉식에 비해 열세하므로 현재는 대체로 비접촉식 토크센서를 사용하고 있다.
도 2는 현재 차량에 장착되어 사용되고 있는 비접촉식 토크센서의 개략도이다.
현재까지 사용되는 비접촉식 토크센서의 측정 메커니즘은 다음과 같다.
도 2a의 광학식 토크센서는 일반적으로 토션바(4)에 부착된 천공된 두 디스크 또는 하나의 디스크를 가지고 이미터(120)에서 발광된 빛이 디스크를 통과할 때 광량이 변화하도록 유도하고, 이 차이를 가지고 검출부(121)에서 검출하여 토크를 측정하며 이와 함께 광 펄스(pulse)의 수를 가지고 회전각을 측정한다.
자기식 토크센서중 자기저항(magnetoresistive) 타입의 토크센서는 도 2b에 도시한 바와같이 1 - 3개의 치차형 자기 디스크 또는 극성이 N극에서 S극으로 연속적으로 배열된 자기 디스크(130)를 이용하여 토크에 의한 자계의 변화를 유도하고 자계의 변화에 따라 변화하는 근접한 코일의 인덕턴스(inductance, 140)를 가지고 토크를 측정한다. 이 경우에도 역시 인덕턴스 변화의 펄스 수를 가지고 회전각을 측정할 수 있다.
한편, magnetostrictive 타입의 토크센서는 도 2c에 도시한 바와 같이, 토션바(4)에 자기저항과 유사하나 응력에 대해 자기성질이 변화하는 물질(151)을 도포하고 자기성질변화에 따른 자계의 변화를 유도하여 검출센서(150)으로 검출한다. 이 경우 회전각의 측정은 되지 않는다.
이하에서 상술한 비접촉식 토크 센서가 적용된 동력조향장치의 문제점을 지적하면 다음과 같다.
종래에 사용되고 있는 비접촉식 동력조향 장치용 토크센서중 광학식 토크센서의 경우 광량을 가지고 토크를 측정하게 되므로 광의 진행을 방해할 수 있는 이물질이 침투하는 경우 오작동을 야기할 수 있다. 특히, 자동차의 경우 운행중 이물질이 침투할 가능성이 매우 높으며 또한 부식과 작동부의 마모에 의하여 이물질이 생성될 가능성이 높으므로 차량에서의 광학식 토크센서 사용은 큰 문제점을 가지고 있다.
자기식 토크센서는 자기저항 타입의 경우 자기물질의 자기특성이 열에 대한 변화가 큰 점이 약점으로 부각되고 있다. 특히, 자동차용 센서의 경우 그 장착 환경에 따라 약 -40℃ - 135℃의 온도변화에서도 정확한 측정이 요구된다. 하지만 자기저항 타입의 토크센서는 이 경우 오차가 크게 나타날 가능성이 높다. 또한, 사용중의 주변 금속물질에 대한 자화로 센싱 부위의 자계변화로 오차가 생길 가능성도 높다. magnetostrictive 타입의 경우에도 위와 동일한 단점을 가지고 있으며, 이에 덧붙여 회전각 측정이 불가능한 점이 단점으로 볼 수 있다.
따라서 본 발명에서는 위와 같은 단점을 극복할 수 있도록 와전류(eddy current)를 이용한 동력조향장치용 토크센서의 메커니즘(mechanism)을 개발하는데 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 수단으로,
본 발명은 하우징 중심부에 내장하되, 조향축과 연결된 인풋 샤프트와, 외주면에 워엄기어가 결합된 채, 내부의 토션바로써 상기 인풋 샤프트에 연결된 아웃풋 샤프트를 포함하는 전자식 조향장치에 있어서, 상기 토션바에 결합되는 원형의 링과 상기 링으로부터 돌출 연장되는 다수개의 편으로 이루어진 최소한 한개 이상의 금속 디스크와; 상기 토션바가 회전함으로써 이에 연동하여 금속디스크가 회전시 금속디스크의 편 회동을 감지하여 토션바의 회동정도를 센싱하는 최소한 한개 이상의 와전류 유도센서를 포함하는 것이 특징이다.
또한, 상기 금속디스크는 토션바 일측에 고정되고 돌출편이 연장된 제 1 금속 디스크 소자와, 상기 제 1 금속 디스크 소자에 대응하여 토션바 타측에 고정되며 돌출편이 상기 제 1 금속 디스크 소자의 돌출편 사이로 연장된 제 2 금속디스크 소자로 이루어짐이 특징이다.
또한, 상기 금속 디스크는 토션바 일측에 고정되고 돌출편이 연장된 제 1 금속 디스크 소자와, 상기 제 1 금속 디스크 소자의 대응하여 토션바 타측에 고정되며 상기 제 1 금속 디스크 소자의 돌출편 방향으로 돌출편이 연장된 제 2 금속 디스크 소자로 이루어짐이 특징이다.
또한, 상기 와전류 유도센서는 금속 디스크 갯수에 상응하여 설치된 갯수만큼 설치되는 것이 특징이다.또한, 상기 와전류 유도센서와 금속 디스크 사이의 거리는 1mm 내지 10mm 인 것이 특징이다.
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또한, 상기 금속 디스크는 돌출편은 9 - 60개 설치되어 이루어진 것이 특징이다.
또한, 상기 금속 디스크 돌출편의 단면은 다각형 형태인 것이 특징이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 우선 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의하여야 한다. 또한, 하기에서 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.
먼저, 본 발명에 적용되는 와전류는 비파괴 검사에서 널리 이용되는 특성으로 원리는 다음과 같다.
코일에 교류를 통하면 그 주위에 정형적으로 변화하는 자장(교류자장)이 생기게 된다. 이 경우 이 교류자장 안에 도체가 존재하면 자장이 시간적으로 변화하므로 전자유도 법칙에 의해 기전력이 발생되고 도체에 전류가 흐르게 된다. 이 전류를 과전류 또는 유도전류라 한다. 이러한 원리는 발전설비나 화학장치 내 열교환기 튜브(tube)등의 부식 등 도체구조물의 각종 결함을 검출하는데 이미 사용되고 있다.
본 발명에서는 종래의 광학적 또는 자기적인 검출방식을 탈피하여 와전류를 이용하여 동력 조향장치의 토크 및 각도를 검출할 수 있는 센서 메커니즘을 개발하였다.
와전류를 이용한 토크센서의 기본 구성은 자기저항 타입의 토크센서와 유사하다.
도 3a, b, c는 그 원리를 보여준다.
도 3a는 한쪽면을 토션바(4)에 고정할 수 있고, 다른 한쪽 면으로는 치차형의 와전류 유도용 돌출편이 튀어나온 금속 디스크(160, 161)가 토션바(4)의 두 끝단 외주연에 고정되어 있고, 금속 디스크(160, 161)에서 튀어나온 와전류 유도용 돌출편은 서로 엇갈려 있다. 이때 금속 디스크(160, 161)로는 강철, 알루미늄 등의 모든 도체가 사용될 수 있다.
결국, 이 두 디스크(160, 161)로부터 튀어나온 와전류 유도용 돌출편이 서로 엇갈려 있는 부분에 도면에서와 같이 여자코일 센서(170)를 방사방향으로 위치시키고 교류전류를 흘려주면 자속이 발생되고 여자코일 센서(170)의 정면에 와전류 유도용 돌출편의 금속부분이 오는 경우에는 금속에 와전류가 생성되고 이는 다시 자속변화를 유도하여 여자코일 센서(170)에 근접한 측정코일의 인덕턴스를 변화시킨다.
이 인덕턴스의 변화는 브릿지 회로(bridge circuit)를 이용하여 전압으로 측정되며, 토션바(4)가 회전하는 경우 두 디스크(160, 161)에서 튀어나온 돌출편의 수가 같으므로 토션바(4)의 회전각에 비례하여 360도/(돌출편 수 ×2) ×전압변화수 = 회전각이 성립하므로 이를 이용하여 회전각을 측정할 수 있다.
또한, 토션바(4)에 토크로 인한 변형이 발생하는 경우 토션바(4)의 변형으로 두 디스크(160, 161)로부터 튀어나온 와전류 유도용 돌출편의 간격이 바뀌게 되며 이는 위와 마찬가지의 원리로 발생하는 전압의 변화가 두가지 시간 간격을 가지고 일어나게 한다. 즉, 이 시간 간격을 가지고 토크량을 결정할 수 있다.
본 발명의 원리를 이용하여 토크와 회전각을 함께 측정하는 센서(170)를 제작할 수 있으며, 또한 회전각만을 측정하는 센서도 제작할 수 있다.
그 실시예는 다음과 같다.
실시예 1) 도 3a: 와전류 유도원리를 이용하여 1쌍의 금속 디스크(160, 161)와 연결된 와전류 유도용 돌출편과 1개의 여자코일 센싱부(170)를 구성하여 동력조향장치용 토크 및 회전각 측정센서를 제조한 예.
실시예 2) 도 3b: 와전류 유도원리를 이용하여 1쌍의 금속 디스크(160, 161)와 연결된 와전류 유도용 돌출편과 2개의 여자코일 센싱부(170, 171)를 구성하여 동력조향장치용 토크 및 회전각 측정센서를 제조한 예.
실시예 3) 도 3c: 와전류 유도 원리를 이용하여 1개의 금속 디스크(160)와 연결된 와전류 유도용 돌출편과 1개의 여자코일 센싱부(170)를 구성하여 동력장치용 회전각 센서를 제조한 예.
본 발명은 종래의 자기저항 타입 토크 센서와 달리 사용 환경에 따른 온도변화에 대한 오차가 매우 작으므로 따로 보정이 필요없다. 즉, 본 발명을 적용하여 사용가능한 온도는 자동차의 일반부품에 요구되는 -40℃ - 135℃ 영역이다.
본 발명에서 센싱부는 자동차의 진동등 영향을 고려하여 와전류 유도용 돌출편과 1mm - 10㎜ 사이의 거리에 위치하는 것이 좋다.
한쌍의 코일과 브릿지 회로로 구성되는 센싱부(170)의 수는 최소 1개에서 측정 정확도를 높이기 위해 와전류 유도용 돌출편의 주위에 여러개를 사용할 수도 있으며, 와전류 유도용 돌출편의 수는 필요에 따라 다르게 할 수 있으나 대체로 9 - 60개 사이로 함이 바람직하다.
돌출편의 수를 60개 이상으로 늘리면 회전각의 측정은 바람직하나 토크의 측정이 나빠지며, 9개 이하로 줄이는 경우에는 반대로 회전각의 측정은 나빠지는 반면에 토크의 측정에는 좋다. 따라서 와전류 유도용 돌출편의 갯수는 9 - 60범위내가 적당하다.
토션바(4)에 대한 금속 디스크(160, 161)의 결합은 스페이서(spacer)를 이용하여 와전류 유도용 돌출편이 서로 등간격이 되도록 하며, 결합방법은 볼트, 핀, 접착의 방법이 모두 가능하다.
와전류 유도용 돌출편의 단면 형상은 사각형을 기본으로 삼각형, 사다리꼴등 다양한 형상이 가능하나, 센싱부 코일이 감긴 축에 대해 면이 수직이 되도록 하는 것이 바람직하다.
인가전압의 주파수 크기는 돌출편의 수, 금속 디스크의 지름, 센싱부와 와전류 유도용 돌출편의 간격, 두 금속 디스크의 간격 등의 설계조건에 따라 최적값이 달리지므로 이를 고려하여 선택한다.
상술한 바와 같이 본 발명을 이용하면 온도변화에 따른 측정오차가 적은 토크 센서를 제공할 수 있다.
또한, 먼지 등의 이물질의 영향을 적게 받아 측정의 정확성을 높임은 물론 수명 연장을 기대할 수 있다.
도 1은 종래 전동식 파워 스티어링의 구성을 보인 단면도.
도 2a는 종래의 비접촉식 광학 토크센서의 구성을 나타낸 단면도.
도 2b는 종래의 비접촉식 자기저항 토크 센서의 구성도.
도 2c는 종래의 비접촉식 Magnetstrictive 토크 센서의 구성도.
도 3a는 2개의 금속 디스크와 1개의 센서를 이용한 본 발명의 제 1 실시예도.
도 3b는 2개의 금속 디스크와 2개의 센서를 이용한 본 발명의 제 2 실시예도.
도 3c는 1개의 금속 디스크와 1개의 센서를 이용한 본 발명의 제 3 실시예도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *
1: 조향축 2: 인풋 샤프트
3: 아웃풋 샤프트 4: 토션바
5: 구동장치 6: 토크센서
7: 하우징 11: 핸들
31: 워엄기어 51: 모터
52: 워엄기어 120: 광 이미터
121: 광 검출부 130: 자기 디스크
140: 코일 인덕턴스 150: 자기 검출센서
160, 161: 금속 디스크 170, 171: 여자코일 센서

Claims (7)

  1. 하우징 중심부에 내장하되, 조향축과 연결된 인풋 샤프트와, 외주면에 워엄기어가 결합된채, 내부의 토션바로써 상기 인풋 샤프트에 연결된 아웃풋 샤프트를 포함하는 전자식 조향장치에 있어서,
    상기 토션바에 결합되는 원형의 링과 상기 링으로부터 돌출 연장되는 다수개의 편으로 이루어진 최소한 한개 이상의 금속 디스크와;
    상기 토션바가 회전함으로써 이에 연동하여 금속디스크가 회전시 금속디스크의 편 회동을 감지하여 토션바의 회동정도를 센싱하는 최소한 한개 이상의 와전류 유도센서를 포함하는 것을 특징으로 하는 와전류를 이용한 전자식 조향장치의 토크센서.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 금속디스크는 토션바 일측에 고정되고 돌출편이 연장된 제 1 금속 디스크 소자와,
    상기 제 1 금속 디스크 소자에 대응하여 토션바 타측에 고정되며 돌출편이 상기 제 1 금속 디스크 소자의 돌출편 사이로 연장된 제 2 금속디스크 소자로 이루어짐을 특징으로 하는 와전류를 이용한 전자식 조향장치의 토크센서.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 금속 디스크는 토션바 일측에 고정되고 돌출편이 연장된 제 1 금속 디스크 소자와,
    상기 제 1 금속 디스크 소자의 대응하여 토션바 타측에 고정되며 상기 제 1 금속 디스크 소자의 돌출편 방향으로 돌출편이 연장된 제 2 금속 디스크 소자로 이루어짐을 특징으로 하는 와전류를 이용한 전자식 조향장치의 토크센서.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 와전류 유도센서는 금속 디스크 갯수에 상응하여 설치된 갯수만큼 설치되는 것을 특징으로 하는 와전류를 이용한 전자식 조향장치의 토크센서.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 와전류 유도센서와 금속 디스크 사이의 거리는 1mm 내지 10mm 인 것을 특징으로 하는 와전류를 이용한 전자식 조향장치의 토크센서.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 금속 디스크는 돌출편은 9 - 60개 설치되어 이루어진 것을 특징으로 하는 와전류를 이용한 전자식 조향장치의 토크센서.
  7. 제 1 항 또는 제 6 항에 있어서,
    상기 금속 디스크 돌출편의 단면은 다각형 형태인 것을 특징으로 하는 와전류를 이용한 전자식 조향장치의 토크센서.
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