KR100550227B1 - 자동차용 동력조향 토크감지장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 토크센서를 부착하여 토크량을 검출하는 자동차용 동력조향 토크감지장치에 관한 것으로, 일측부터 타측까지 직경이 일정한 토션바와, 상기 토션바의 양측에 상호 대칭을 이루도록 소정간격을 두고 축설되며, 상호 대면하는 단부에는 소정개수의 치형이 각각 형성되는 제 1측정링 및 제 2측정링과, 상기 각 측정링의 양측 자유단이 상기 토션바에 고정될 수 있도록 상기 토션바의 양측에 각각 고정되는 고정부재와, 상기 토션바에 축설되는 각 측정링의 외주연을 감싸 포함되도록 구비되는 센서하우징을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

토크, 토션바, 측정링, 센서, 코일, 출력축, 입력축

Description

자동차용 동력조향 토크감지장치{Torque Sensing Device Of Electric Power Steering For An Automobile}

도 1은 종래의 자기저항 타입의 자기식 토크감지장치의 구성도,

도 2는 종래의 자기변형 타입의 자기식 토크감지장치의 구성도,

도 3은 본 발명의 제 1실시예에 따른 토크감지장치의 구성도,

도 4는 도 3에 따른 토크감지장치의 사시도,

도 5는 도 4에 따른 측정링의 사시도,

삭제

도 7은 본 발명의 제 2실시예에 따른 토크감지장치의 구성도이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

1: 토션바 3: 측정링

5: 코일뭉치 9: 토크감지장치

10: 토션바 11: 고정부재

20: 제 1측정링 21: 치형

22: 관통구 30: 제 2측정링

40: 센서하우징 41: 제 1코일뭉치

42: 제 2코일뭉치 43: 제 3코일뭉치

100: 토크감지장치 200: 입력샤프트

300: 출력샤프트

본 발명은 차량 운전자의 핸들 조작에 따라 연결되는 조향휠의 회전에 따라 조향력이 토션바에 전해지고 상기 토션바에 축설되는 측정링의 변화에 따른 조향각을 발생시키는 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 상기 토션바의 양측에 각각 축설되는 측정링의 대면부위에는 2개의 직삼각형태의 치형이 각각 형성되어 상호 소정간격을 두고 맞물려 이루어지는 자동차용 동력조향 토크감지장치에 관한 것이다.

일반적으로 자동차의 동력조향장치는 1960年代에 개발된 유압 펌프의 오일압력을 이용한 유압식 동력조향 장치가 1980년대에 대중화되어 현재까지 사용되고 있지만, 1988년에 일본에서 처음으로 상품화된 전기모터를 이용한 전기식 동력조향(E.P.S; Electric Power Steering) 방식이 1990년대 이후 점차로 보편화 되어가고 있다.

이러한 기존의 유압식 동력조향장치에서 동력을 보조해 주는 동력원인 펌프가 엔진에 의해 구동 되어 조향휠의 회전과 관계없이 에너지 소모가 항시 발생하는데 비해 전기식 동력조향장치는 ECU를 이용한 제어를 통해 전기적 에너지로 구동되는 모터를 돌려 조향휠의 회전에 따라 조향 시스템의 동력을 보조해 준다. 따라서 전기식 동력조향장치를 장착하는 경우 기존의 유압식동력장치에 비해 차량의 에너지효율을 향상시킬 수 있다.

이러한 상기 동력조향장치는 조향휠을 돌리면 이에 따라 적절한 동력으로 운전자의 조향을 보조해 주어야만 한다. 이는 기존의 유압식동력장치의 경우 조향휠을 돌리면 운전자의 조향력이 토션 바(Torsion Bar)에 전해지고 토션바의 기계적 특성에 따라 운전자의 조향력(토크)에 따른 조향각을 발생시킨다. 그리고 이 조향각에 비례하는 로타리 스풀밸브(Rotary Spool Valve)의 개폐를 통하여 유압펌프에서 발생된 유량 및 유압을 제어하여 유압 실린더로 공급한다.

즉 유압식 동력조향장치는 로타리 스풀밸브의 개폐를 통하여 운전자의 조향력에 비례하여 적절한 조향보조동력을 공급한다. 하지만 전기식 동력조향장치의 경우 유압식 동력조향장치와 달리 ECU로 모터의 회전을 제어하여 조향 보조동력을 공급하므로 위와 같이 기계적인 방법으로 운전자의 조향력에 맞추어 적절한 조향 보조동력을 공급할 수 없다.

따라서 운전자의 조향력과 조향휠의 회전을 측정하여 ECU에 전기적 신호로 보내 주는 장치가 필요하며, 이러한 기능을 하는 장치가 바로 E.P.S용 토크센서(Torque Sensor)이다.

전기식동력조향장치에 사용되는 토크센서는 크게 두 가지로 분류 가능하는데, 이중 하나는 접촉식 방법으로 스트레인 게이지(Strain Gauge) 및 포텐쇼미터(Potentiometer)를 이용하여 토션바의 변형을 직접적으로 측정하는 토크센서이며, 다른 하나는 비접촉식 방법으로 자기 및 광학적 방법으로 토션바의 변형 을 간접적으로 측정하는 센서로 크게 나뉠 수 있다. 이중 접촉식 토크센서의 경우 소음, 내구성능 등에서 비접촉식에 비해 열세이므로 현재는 비접촉식 토크센서를 주로 사용하고 있다.

일반적으로 비접촉식 광학식 토크센서는 토션 바에 부착되어 천공된 두 디스크 또는 하나의 디스크를 가지고 이미터에서 발광된 빛이 디스크를 통과할 때 광량 또는 무늬패턴이 변화하도록 유도하고 이 차이를 가지고 토크를 측정하며, 이와 함께 광 펄스(Optical Pulse)의 수를 가지고 회전각을 측정할 수 있도록 이루어져 있다.

그러나 광학식 토크센서는 광량을 가지고 토크를 측정하게 되므로 광의 진행을 방해할 수 있는 이물질이 침투하는 경우 오작동을 야기할 수 있다. 특히, 자동차의 경우 운행 중 이물질이 침투할 가능성이 매우 높으며 또한 부식과 작동부의 마모에 의하여 이물질이 생성될 가능성이 높으므로 차량에서의 광학식 토크센서 사용은 큰 문제점을 가지고 있다.

이하에서는 자기식 토크센서에 대해 첨부된 도면과 함께 설명하기로 한다. 도 1은 종래의 자기저항(Magneto-Resistive) 타입의 자기식 토크감지장치의 구성도이며, 도 2는 종래의 자기변형(Magneto-Strictive) 타입의 자기식 토크감지장치의 구성도이다. 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이 자기식 토크감지장치(9)는 크게 자기 저항(Magneto-Resistive) 및 자기변형(Magneto-Strictive)의 두 타입이 있다.

여기서 도 1의 자기저항(MR) 타입의 토크감지장치(9)는 1~3개의 치차형 측정링(3) 또는 극성이 N극 S극으로 연속적으로 배열된 측정링(3)을 이용하여 토크에 의한 자계의 변화를 유도하고 자계의 변화에 따라 변화하는 근접한 코일뭉치(5)의 인덕턴스(Inductance)를 가지고 토크를 측정한다.

이러한 자기저항 타입의 구조는 토션바(1)에 축설된 측정링(3)의 치형의 갯수가 다수 형성되어 측정부의 가공 및 조립에서 정밀한 작업을 요하여 제작시 불량률이 높아지며, 생산된 제품의 조립상태에 따라 제품들의 출력 신호특성간 편차가 크게 될 가능성이 높다.

그리고 도 2의 자기변형 타입의 토크감지장치(9)는 상기 자기 저항식 토크감지장치(9)와 유사하나 응력에 대해 자기성질이 변화하는 물질을 이용하여 자기성질변화에 따른 자계의 변화를 유도한다. 이 경우, 회전각의 측정은 되지 않는다.

또한, 온도변화에 대해 민감하여, 넓은 온도 범위에서 사용되는 자동차용으로는 적용에 어려움이 있으며, 또한 자기 변형의 타입에서는 자기 투과율의 변화특성이 좋지 못한 경우 토크검출성능 향상을 위해 센싱부의 코일 가공이 정밀해 질 필요성이 있다.

따라서 본 발명은 상기와 같은 문제점을 감안하여 안출된 것으로써, 본 발명의 제 1 목적은, 차량 운전자의 핸들 조작에 따라 연결되는 조향휠의 회전에 따라 조향력이 토션바에 전해지고 상기 토션바에 축설되는 측정링의 변화에 따른 조향각이 발생되는 자동차용 동력조향 토크감지장치를 제공하는 것이다.

그리고 본 발명의 제 2목적은, 토션바의 양측에 축설되는 각 측정링의 대면부위에는 2개의 치형이 소정간격으로 두고 상호 맞물려 이루어지는 자동차용 동력 조향 토크감지장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 그 밖의 목적들은, 일측부터 타측까지 직경이 일정한 토션바와, 상기 토션바의 양측에 상호 대칭을 이루도록 소정간격을 두고 축설되며, 상호 대면하는 단부에는 소정개수의 치형이 각각 형성되는 제 1측정링 및 제 2측정링과, 상기 각 측정링의 양측 자유단이 상기 토션바에 고정될 수 있도록 상기 토션바의 양측에 각각 고정되는 고정부재와, 상기 각 측정링 및 상기 토션바의 외주연을 감싸 포함되도록 구비되는 센서하우징을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 자동차용 동력조향 토크감지장치에 의해서 달성된다.

그리고 상기 센서하우징의 내주연에는 축선방향으로 내재되는 상기 각 측정링에 대해 폭방향을 따라 소정간격을 두고 설치되는 제 1코일뭉치 및 제 2코일뭉치를 더 포함하여 이루어지는 것이 바람직하다.

아울러 상기 센서하우징의 내주연에는 축선방향으로 내재되는 상기 각 측정링의 대면부위에 대해 원주방향을 따라 소정간격을 두고 설치되는 단일의 제 3코일뭉치를 더 포함하여 이루어지는 것이 바람직하다.

또한 상기 각 측정링의 대면부위에 형성되는 치형은 직삼각형, 정삼각형, 사다리꼴형, 정사각형 및 곡면형 중 선택되는 어느 하나인 것이 바람직하다.

그리고 상기 측정링은 상기 측정링은 원형, 반원형 및 원형에 대해 복수 등분되어진 호형 중 선택되는 어느 하나인 것이 바람직하다. 그 밖의 특정한 장점들 및 신규한 특징들은 첨부된 도면들과 연관되어지는 이하의 상세한 설명과 바람직한 실시예들로부터 더욱 분명해질 것이다.

이하에서는 본 발명에 따른 자동차용 동력조향 토크감지장치의 구성에 관하여 첨부되어진 도면과 함께 설명하기로 한다.

도 3은 본 발명의 제 1실시예에 따른 토크감지장치의 구성도이고, 도 4는 도 3에 따른 토크감지장치의 사시도이며, 도 5는 도 4에 따른 측정링의 사시도이다. 도 3, 도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명은 차량의 조향휠 회전 샤프트에서 발생하는 조향토크를 비접촉으로 검출하는 자동차용 동력조향 토크감지장치(100)이다.

이러한 상기 토크감지장치(100)의 하우징(40)은 토션바(10)를 통해 상호 접속되는 입력샤프트(200)와 출력샤프트(300)의 단부를 수용할 수 있도록 이루어져 있으며, 아울러 상기 입력샤프트(200) 및 출력샤프트(300)는 토션바(10)를 사이에 두고 동일 축선상에 연결된다.

여기서 상기 토션바(10)는 일측부터 타측까지 직경이 일정하며, 양단부로는 각각 출력샤프트(300)와 입력샤프트(200)가 동축으로 연결되고, 양측으로는 소정간격을 두고 상호 대칭을 이루도록 대면하는 제 1측정링(20) 및 제 2측정링(30)이 축설된다.

이 때 상기 각 측정링(20,30)의 대면하는 원형의 단부가 상호 맞물린 형태로 구성될 수 있도록 직삼각형태의 2개의 치형(21)이 소정간격을 두고 각각 형성되어 있으며, 그 대면하는 원형단부는 개방된 형태를 취하고 있다. 이 때 상기 측정링(20,30)의 최소 치형(21) 개수는 2개 이상을 형성하여 사용하는 것이 바람직 하며, 그 효과는 일치한다.

그리고 상기 각 측정링(20,30)의 각 자유단에는 상기 토션바(10)가 축선방향으로 관통 가능하도록 상기 토션바(10)의 직경과 동일한 관통구(22)가 각각 형성되어 있으며, 이러한 상기 각각의 관통구(22)를 통하여 축설되는 토션바(10)에 대해 상기 각 측정링(20.30)을 고정될 수 있도록 상기 측정링과 토션바(10)의 관통부위에는 고정부재(11)가 체결되어 진다.

이렇게 구성된 상기 토션바(10) 및 측정링(20,30)은 센서하우징(40)의 내측에 축선방향을 따라 내재된다. 이 때 상기 센서하우징(40)의 내주연에는 내재되는 각각의 측정링(20,30)에 대해 원주방향을 따라 소정이격되는 제 1코일뭉치(41) 및 제 2코일뭉치(42)가 결합되어 있다.

이러한 상기 각 코일뭉치(41,42)는 각각의 기능을 달리하는데, 선택되는 어느 하나는 전압을 공급하는 전압코일뭉치이며, 다른 하나는 상기 각 측정링(20,30)의 변화에 따른 측정치를 측정하는 측정코일뭉치이다.

상기에서 설명된 측정링(20,30)의 단면 형상은 원형이지만 다른 실시예로써, 반원형 또는 원형에서 복수등분된 호형 등과 같은 비대칭의 형상도 선택적으로 사용할 수 있으며, 이 때 상기 측정링(20,30)의 치형(21) 개수는 최소 1개 이상인 것이 보다 바람직하다.

아울러 상기 각 측정링(20,30)의 치형(21)의 형상이 직삼각형태인 것 이외에, 사다리꼴형, 정삼각형, 사각형 및 sin 함수와 같은 곡면형 등 다향한 형상이 가능하며, 이러한 측정링의 재질은 철, 알루미늄과 같은 자성재료로 이루어져 있 다.

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결국 전압코일뭉치에 교류전압이 인가되는 경우 두 측정링(20,30) 사이의 간격이 토크에 따라 가변하면 자기재료로 이루어진 측정링(20,30) 사이를 통과하는 자속이 더불어 가변하게 되므로 측정코일뭉치의 인덕턴스도 따라서 가변한다. 이와 같이 토크에 따른 측정코일뭉치에서의 인덕턴스 변화를 가지고 토크의 방향 및 토크의 크기를 감지할 수 있는 것이다.

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도 7은 본 발명의 제 2실시예에 따른 토크감지장치의 구성도이다. 도 7에 도시된 바와 같이, 상기 센서하우징(40)의 내주연에는 축선방향으로 내재되는 상기 각 측정링(20,30)의 대면부위에 대해 원주방향을 따라 소정간격을 두고 설치되는 단일의 제 3코일뭉치(43)가 결합되어 있다.

여기서 상기 제 3코일뭉치(43)는 전압을 공급하는 전압코일뭉치와 상기 각 측정링(20,30)의 변화에 따른 측정치를 측정하는 측정코일뭉치가 집속되어 이루어져 있다. 이러한 상기 제 3코일뭉치(43)는 선택적으로 측정코일뭉치와 전압코일뭉치가 양측으로 나란하게 측면이 집속되어 설치될 수 있으며, 또한 각각의 코일뭉치를 상/하로 적층시켜 하나로 설치할 수 있다. 이러한 상기 제 3코일뭉치(43)는 구성이 간편하다는 특징이 있다.

이상에서와 설명된 상기 토션바(10)에 축설되는 측정링(20,30)의 치형(21) 개수가 2개인 것 이외에. 3개, 4개, 5개, 6개, 7개, 8개, 9개, 10개로 이루어진 것도 본 발명에 포함될 수 있다.

이상에서와 같은 본 발명에 따른 자동차용 동력조향 토크감지장치에 의하면, 토션바에 축설되는 측정링의 치형의 개수가 2개로 이루어져 있어, 조립 및 분해가 간편하며, 이에 따른 제작비의 절감효과가 있다. 그리고 상호 맞물린 치형의 개수가 간단하여 먼지 등의 이물질의 영향에 대해 간섭을 받지 않는 특징이 있다.

비록 본 발명이 상기 언급된 바람직한 실시예와 관련하여 설명되어졌지만, 발명의 요지와 범위로부터 벗어남이 없이 다양한 수정이나 변형을 하는 것이 가능하다. 따라서 첨부된 특허청구의 범위는 본 발명의 요지에서 속하는 이러한 수정이나 변형을 포함할 것이다.

Claims (5)

1. 일측부터 타측까지 직경이 일정한 토션바(10)와,

   상기 토션바(10)의 양측에 상호 대칭되도록 소정간격(t)을 두고 축설되며, 상호 대면하는 단부에는 전개형태가 직각 삼각형 형태인 나선형 치형(21)이 각각 형성되는 제 1 측정링(20) 및 제 2 측정링(30)과,

   상기 각 측정링(20, 30)의 양측 자유단이 상기 토션바(10)에 고정될 수 있도록 상기 토션바(10)의 양측에 각각 고정되는 고정부재(11)와,

   상기 각 측정링(20, 30) 및 상기 토션바(10)의 외주연을 감싸 포함되도록 구비되는 센서 하우징(40)으로 이루어지고,

   상기 센서 하우징(40)의 내주연에는 전압을 공급하는 전압코일뭉치(41)와, 상기 측정링(20, 30)의 변화에 따른 측정치를 측정하는 측정코일뭉치(42)를 포함하여 이루어짐을 특징으로 하는 자동차용 동력조향 토크감지장치.
2. 삭제
3. 제 1항에 있어서,

   상기 센서하우징(40)의 내주연에는 축선방향으로 내재되는 상기 각 측정링(20,30)의 대면부위에 대해 원주방향을 따라 소정간격을 두고 설치되는 단일의 제 3코일뭉치(43)를 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 자동차용 전기식 동력조향 토크감지장치.
4. 삭제
5. 제 1항에 있어서,

   상기 측정링(20,30)은 원형, 반원형 및 원형에 대해 복수등분되어진 호형 중 선택되는 어느 하나인 것을 특징으로 하는 자동차용 전기식 동력조향 토크감지장치.

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