KR100631808B1 - 토크 센서 및 이를 구비한 자동차의 전기식 동력 보조 조향장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 토크 센서 및 이를 구비한 자동차의 전기식 동력 보조 조향 장치에 관한 것이다.
본 발명은, 직경이 일정하고 일단의 외주면에 축 방향으로 일정 길이의 돌출부가 하나 이상 형성되어 있는 입력축과, 토션 바를 매개로 상기 입력축과 동축 상에 연결되는 출력축 사이에서 발생하는 토크를 측정하기 위한 토크 센서로서, 상기 돌출부에 대응되는 오목부가 내주면에 형성되어 있고, 상기 입력축의 외주면과 결합하는 제 1 원통; 상부측은 상기 제 1 원통의 하단부와 결합되고 하부측은 제 2 원통의 상단부와 결합되는 링크 부재; 상단부는 상기 링크 부재와 결합되어 있으며, 하단부는 상기 출력축의 외주면과 결합하는 상기 제 2 원통; 및 상기 제 1 원통의 상기 축 방향 변위를 측정할 수 있는 변위 검출 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 토크 센서를 제공한다.
본 발명에 의하면, 입력축의 회전시 토션 바의 비틀림으로 인해 직선운동을 하는 제 1 원통의 운동거리가 짧아도 신호 증폭에 의한 소음 없이 토크를 측정할 수 있도록 하고, 토크 측정시 제 1 원통의 기울기에 의한 오차 발생을 방지하며, 센싱부의 코일 가공이 필요 없도록 하여 제작 작업을 용이하게 하는 효과가 있다.
토크 센서, 자기 저항 센서, 전기식 동력 보조 조향 장치
Description
도 1은 자동차의 전기식 동력 보조 조향 장치의 구성도,
도 2는 자동차의 전기식 동력 보조 조향 장치의 부분 단면도,
도 3은 종래 기술에 의한 자기 저항 타입 토크 센서의 사시도,
도 4는 종래 기술에 의한 자기 변형 타입 토크 센서의 구성도,
도 5는 종래 기술에 의한 또 다른 자기 저항 타입 토크 센서의 정면도,
도 6a, 6b 및 6c는 각각 본 발명의 제 1 실시예에 따른 토크 센서의 요부 분해 사시도, 평면도 및 정면도,
도 6d는 입력축과 제 1 원통의 결합 부분의 횡단면도,
도 6e는 입력축과 제 1 원통의 결합 부분의 정면도,
도 6f는 도 6c의 A-A 및 B-B 방향의 횡단면도,
도 6g는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 토크 센서의 작동을 나타내는 일부 단면도,
도 7a, 7b 및 7c는 각각 본 발명의 제 2 실시예에 따른 토크 센서의 요부 분해 사시도, 평면도 및 정면도,
도 7d는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 토크 센서의 작동을 나타내는 일부 단면도,
도 8은 본 발명의 제 3 실시예에 따른 자동차의 전기식 동력 보조 조향 장치의 부분 종단면도,
도 9는 본 발명의 제 4 실시예에 따른 자동차의 전기식 동력 보조 조향 장치의 부분 종단면도이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
101: 입력축102: 출력축
106: ECU(Electronic Control Unit)110: 토크 센서
515: 안내핀520: 나선 홈
525: 회전자530: 코일
601: 제 1 원통602: 제 2 원통
603: 링크 부재610: 돌출부
611: 오목부612: 가이드 홈
615: 토션 바620: 변위 검출 장치
623: 변위 검출용 핀625: 변위 검출용 베어링
630: 코일 스프링705: 돌기
710: 외팔보715: 회전축
본 발명은 토크 센서 및 자동차의 전기식 동력 보조 조향 장치에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 입력축의 회전에 수반되는 제 1 원통의 축 방향 변위로부터 입력축의 토크를 측정할 수 있도록 한 토크 센서 및 이 토크 센서를 구비한 자동차용 전기식 동력 보조 조향 장치에 관한 것이다.
일반적으로 자동차의 동력 보조 조향 장치는 유압 펌프의 유압을 이용한 유압식 동력 보조 조향 장치가 사용되고 있지만, 1990년대 이후 전기 모터를 이용한 전기식 동력 보조 조향(EPS : Electric Power Steering) 방식이 점차로 보편화되어 가고 있다.
이러한 기존의 유압식 동력 보조 조향 장치에서 동력을 보조해 주는 동력원인 유압 펌프가 엔진에 의해 구동되어 조향 휠의 회전과 관계없이 에너지 소모가 항시 발생하는 데 비해 전기식 동력 보조 조향 장치는 ECU(Electronic Control Unit)를 이용한 제어를 통해 전기적 에너지로 구동되는 모터를 돌려 조향 휠의 회전에 따라 조향 장치의 동력을 보조해 준다. 따라서 전기식 동력 보조 조향 장치를 장착하는 경우 기존의 유압식 동력 보조 조향 장치에 비해 차량의 에너지 효율을 향상시킬 수 있다.
도 1은 일반적인 자동차 전기식 동력 보조 조향 장치의 구성도이고, 도 2는 자동차의 전기식 동력 보조 조향 장치의 부분 단면도이다.
도 1 및 도 2에서 도시하는 바와 같이 전기식 동력 보조 조향 장치(100)는 토션 바(미도시)를 매개로 동축 상에 연결된 입력축(101)과 출력축(102)을 구비하며, 입력축(101)과 출력축(102)은 하우징(미도시) 내에 설치되는 베어링(미도시)을 통해 회전 가능한 상태로 지지된다. 또 입력축(101)은 통상적인 차량의 조향 휠(103)과 연결되어 조향 휠(103)과 함께 회전하도록 구성되고, 출력축(102)은 일측에 피니언 기어부(104)를 구비하고 이 피니언 기어부(104)가 랙 바(105)의 랙 기어부와 치합되도록 구성된다. 따라서 운전자가 조향 휠(103)을 회전시키는 동작에 의해 발생하는 조향력이 입력축(101)에 전달되고, 조향력이 입력축(101)에서 출력축(102)으로 전달되는 과정에서 그 중간에 매개된 토션 바(미도시)의 비틀림에 비례하는 토크를 감지하여 ECU(106)에 전달하고 ECU(106)에서는 감지된 값에 따라 조향 보조 동력을 공급하도록 지시한다.
이와 같은 동력 보조 조향 장치(100)의 경우 유압식 동력 보조 조향 장치와 달리 ECU(106)가 모터(107)의 회전을 제어하여 조향 보조 동력을 공급하므로 위와 같이 기계적인 방법으로 운전자의 조향력에 맞추어 적절한 조향 보조 동력을 공급할 수 없다. 따라서 운전자의 조향력, 즉 조향 휠(103)의 회전 정도를 측정하여 ECU(106)에 전기적 신호로 보내 주는 장치가 필요하며, 이러한 기능을 하는 장치가 바로 토크 센서(Torque Sensor: 110)이다.
전기식 동력 보조 조향 장치에 사용되는 토크 센서는 크게 두 가지로 분류되는데, 하나는 접촉식으로서 스트레인 게이지(Strain Gauge) 및 포텐쇼미터(Potentiometer)를 이용하여 토션 바의 변형을 직접적으로 측정하는 토크 센서이며, 다른 하나는 비접촉식으로서 자기 및 광학적인 방법으로 토션 바의 변형을 측정하는 토크 센서이다. 그런데, 접촉식 토크 센서는 소음 발생과 내구성의 문제가 있어서 현재는 비접촉식 토크 센서가 주로 사용되고 있다.
일반적으로 비접촉식 광학 토크 센서는 토션 바에 부착되어 천공된 두 디스크 또는 하나의 디스크를 가지고 이미터(Emitter)에서 발광된 빛이 디스크를 통과할 때 광량 또는 무늬 패턴이 변화하도록 유도하고 이 차이를 가지고 토크를 측정하며, 이와 함께 광 펄스(Optical Pulse)의 수를 가지고 회전각을 측정할 수 있도록 되어 있다.
그러나 광학식 토크 센서는 광량을 가지고 토크를 측정하게 되므로 빛의 진행을 방해할 수 있는 이물질이 침투하는 경우 오작동이 야기될 수 있다. 특히 자동차의 경우 운행 중 이물질이 침투할 가능성이 매우 높으며 또한 부식과 진동부의 마모에 의하여 이물질이 생성될 가능성이 높으므로 차량에서의 광학식 토크 센서의사용은 큰 문제점이 있다.
또 하나의 비접촉식 토크 센서로는 자기식이 있는 바, 이하에서는 자기식 토크 센서에 대해 첨부된 도면과 함께 설명하기로 한다.
자기식 토크 센서는 크게 자기 저항 타입(Magneto-Resistive Type) 및 자기 변형 타입(Magneto-Strictive Type)의 두 종류가 있다. 도 3은 종래의 자기 저항 타입 자기식 토크 센서(300)의 구성도이다.
어떤 물질이 외부 자기장의 영향에 따라 저항을 변화시키려는 정도를 자기 저항(Magnetoresistivity)이라 하는데, 20세기 초반부터 니켈과 철의 합금인 퍼멀로이(Permalloy)에서 일어나는 자기 저항 효과를 이용하여 퍼멀로이를 감지 물질로 사용한 자기 저항 센서(Magnetoresistive Sensor)가 사용되어 왔다. 자기 저항 센서는 기계적 응력(Mechanical Stress)에는 감도(Sensitivity)가 낮으나 자기장(Magnetic Field)에 대한 감도가 높아서 다양한 분야에서 센서로서 사용되고 있다.
또한, 자기 저항 센서는 감지 물질의 두께나 폭을 조정함으로써 감도를 조정할 수 있으며 N극과 S극을 가리지 않는 옴니폴라(Omnipolar)형이므로 회전 가능한 형태의 자성체의 회전수를 세는 데에도 유용하다.
여기서 도 3의 자기 저항 타입 토크 센서(300)는 1 ~ 3 개의 치차형 측정링(305) 또는 극성이 N극과 S극으로 연속적으로 배열된 측정링을 이용하여 토크에 의한 자계의 변화를 유도하고, 자계의 변화에 따라 변화하는 근접한 코일 뭉치(310)의 인덕턴스(Inductance)를 가지고 토크를 측정한다.
이러한 자기 저항 타입 토크 센서(300)는 토션 바(315)에 축설된 측정링(305)의 치형의 개수가 다수 형성되어 측정부의 가공 및 조립에서 정밀한 작업을 요하기 때문에 제작시 불량률이 높아지며, 생산된 제품의 조립 상태에 따라 제품들의 출력 신호 특성 간 편차가 크게 될 가능성이 높다.
도 4는 종래의 자기 변형 타입 자기식 토크 센서(400)의 구성도이다.
도 4의 자기 변형 타입 토크 센서(400)는 응력에 대해 자기 성질이 변화하는 물질을 이용하여 자기 성질 변화에 따른 자계의 변화를 유도한다. 그러나, 이러한 자기변형 타입 토크 센서에 사용되는 물질은 온도에 대해 민감하기 때문에 넓은 온도 범위의 환경이 조성되는 자동차용으로는 적용하기 힘들고, 또한 자기 변형 타입에서는 자기 투과율의 변화 특성이 좋지 못한 경우 토크 검출 성능 향상을 위해 센싱부의 코일 가공이 정밀해질 필요성이 있기 때문에 제작이 어렵다는 단점이 있다.
도 5는 종래 기술에 따른 또 다른 자기 저항 타입 자기식 토크 센서의 정면도이다.
종래 기술에 따른 토크 센서(500)는 입력축(101)과 출력축(102) 사이의 토션 바가 비틀릴 때, 입력축(101)의 안내핀(515)에 대응되는 나선 홈(520)의 운동에 따라 회전자(525)가 입력축(101)의 축 방향으로 직선운동을 일으키고, 직선 운동을 하는 회전자(525)는 코일(530)에 자력을 미치므로 전압의 차이를 가져오고 그 전압의 차이를 통해 토크를 감지한다.
그런데, 종래 기술에 따른 토크 센서(500)는 회전자(525)의 직선 운동 거리가 매우 짧아서 전압 신호의 차이가 미세하기 때문에 이를 매우 크게 증폭하여야 하는데 그 경우 노이즈도 함께 증폭되므로 측정 오차가 커진다는 단점이 있을 뿐만 아니라, 정밀한 코일 가공 작업이 요구되는 문제가 있으며, 특히 회전자(525)의 나선홈(520)과 입력축(101)의 안내핀(515)의 마모때문에 회전자(525)가 입력축(101)의 축 방향과 비스듬하게 기울어져서 운동함에 따른 측정 오차가 발생하는 문제점이 있다.
따라서 본 발명은 위와 같은 문제점을 해결하기 위하여 발명된 것으로서, 입력축의 회전시 직선운동을 하는 나선형 회전자의 운동거리가 짧아도 신호 증폭에 의한 노이즈를 최소화시켜 토크를 측정할 수 있도록 하고, 토크 측정시 회전자의 기울기에 의한 오차 발생을 방지하며, 센싱부의 코일 가공이 필요 없도록 하여 제작 작업을 용이하게 하는 데 그 주된 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위해 본 발명은, 직경이 일정하고 일단의 외주면에 축 방향으로 일정 길이의 돌출부가 하나 이상 형성되어 있는 입력축과, 토션 바를 매개로 상기 입력축과 동축 상에 연결되는 출력축 사이에서 발생하는 토크를 측정하기 위한 토크 센서로서, 상기 돌출부에 대응되는 오목부가 내주면에 형성되어 있고, 상기 입력축의 외주면과 결합하는 제 1 원통; 상부측은 상기 제 1 원통의 하단부와 결합되고 하부측은 제 2 원통의 상단부와 결합되는 링크 부재; 상단부는 상기 링크 부재와 결합되어 있으며, 하단부는 상기 출력축의 외주면과 결합하는 상기 제 2 원통; 및 상기 제 1 원통의 상기 축 방향 변위를 측정할 수 있는 변위 검출 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 토크 센서를 제공한다.
또한, 상기한 목적을 달성하기 위해 본 발명은, 자동차의 조향 휠에 연결되는 조향 축; 유니버설 조인트를 매개로 일단이 상기 조향 축에 연결되는 입력축; 토션 바를 매개로 상기 입력축과 연결되는 출력축; 상기 조향 휠의 회전에 의해 상기 입력축으로부터 발생되는 토크를 감지하는 토크 센서; 상기 토크 센서로부터 전기적 신호를 전달받는 ECU(Electronic Control Unit); 및 상기 ECU의 제어에 따라 상기 토크에 비례하는 조향 보조 동력을 일으키는 모터를 포함하는 상기 자동차의 전기식 동력 보조 조향 장치에 있어서, 상기 입력축은 타단의 외주면에 축 방향으로 일정 길이의 돌출부가 하나 이상 형성되어 있고, 상기 토크 센서는, 상기 돌출부에 대응되는 오목부가 내주면에 형성되어 있고, 상기 입력축의 외주면과 결합하는 제 1 원통; 상부측은 상기 제 1 원통의 하단부와 결합되고 하부측은 제 2 원통의 상단부와 결합되는 링크 부재; 상단부는 상기 링크 부재와 결합되어 있으며, 하단부는 상기 출력축의 외주면과 결합하는 상기 제 2 원통; 및 상기 제 1 원통의 상기 축 방향 변위를 측정할 수 있는 변위 검출 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 자동차의 전기식 동력 보조 조향 장치를 제공한다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 우선 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.
도 6a, 6b 및 6c는 각각 본 발명의 제 1 실시예에 따른 토크 센서의 요부 분해 사시도, 평면도 및 정면도이다.
또한 도 6d, 6e 및 6f는 각각 입력축과 제 1 원통의 결합 부분의 횡단면도, 입력축과 제 1 원통의 결합 부분의 정면도 및 도 6c의 A-A 및 B-B 방향의 횡단면도이다.
본 발명에 따른 토크 센서는, 직경이 일정하고 일단의 외주면에 축 방향으로 일정 길이의 돌출부(610)가 하나 이상 형성되어 있는 입력축(101)과, 토션 바를 매개로 입력축(101)과 동축 상에 연결되는 출력축(102) 사이에서 발생하는 토크를 측정하기 위한 것으로서, 돌출부(610)에 대응되는 오목부(611)가 내주면에 형성되어 있고 입력축(101)의 외주면과 결합하는 제 1 원통(601), 상부측은 제 1 원통(601)의 하단부와 결합되고 하부측은 제 2 원통(602)의 상단부와 결합되는 세 개 이상의 링크 부재(603), 상단부는 링크 부재(603)와 결합되어 있으며 하단부는 출력축(102)의 외주면과 결합하는 제 2 원통(602) 및 제 1 원통(601)의 상기 축 방향 변위를 측정할 수 있는 변위 검출 장치(620)를 포함한다.
입력축(101)은 조향 휠(미도시)의 회전에 따른 토크를 입력 받으며, 직경이 일정한 원통 형상이고 일단의 외주면에 축 방향으로 일정 길이의 돌출부(610)가 하나 이상 형성되어 있다. 또한, 도 6d에서 도시하는 바와 같이 돌출부(610)의 단면의 형상은 직사각형이 될 수 있으나 이에 한정되지는 않고 다양한 형상으로 만들어질 수 있다.
제 1 원통(601)은, 입력축(101)의 외주면을 둘러싸고, 입력축(101)의 회전시 토션 바(615)의 비틀림에 의하여 제 2 원통(602)과 회전 변위가 발생하고 그에 따라 상/하로 슬라이딩하며, 제 1 원통(601)의 내주면에는 입력축(101)의 돌출부(610)와 결합되는 오목부(611)가 하나 이상 형성되어 있다. 또한, 상기 제 1 원통(601)의 외주면에는 반경 방향을 따라 변위 검출을 위한 가이드 홈(612)이 형성되어 있다.
또한, 도 6e에서 도시하는 바와 같이 제 1 원통(601)의 상단부와 입력축(101)이 접하는 면 사이에는 일정한 간격의 틈(H)을 형성하는 것이 바람직하고 필요한 경우 제 1 원통(601)의 상단부와 입력축(101) 사이에는 코일 스프링(630)이 삽입되나, 코일 스프링(630)에 한정되지 않고 합성 고무 등을 비롯한 다양한 탄성 부재가 삽입될 수 있다. 자동차가 주행하는 노면의 불균일이나 기타 자동차 자체의 구조 때문에 발생하는 다양한 형태의 진동 때문에, 제 1 원통(601)이 상부 방향으로 슬라이딩하면서 제 1 원통(601)의 상단부가 입력축(101)과 접하는 면에서 서로 부딪히면서 소음이나 진동이 발생할 수 있으므로 이를 방지하기 위해 상기한 바와 같이 틈을 형성하고 더 나아가 탄성 부재를 삽입하는 것이다. 또한, 탄성 부재의 탄성력으로 인해 제 1 원통(601)의 상부 방향 슬라이딩이 보다 용이하게 일어날 수 있을 것이다.
링크 부재(603)는 입력축(101)이 회전할 때 입력축(101)과 출력축(102) 사이에 매개된 토션 바(615)가 비틀리면서 제 1 원통(601)과 제 2 원통(602)이 회전 방향으로 변위를 일으킬 때 제 1 원통(601)이 입력축(101)의 돌출부(610)를 따라 슬라이딩할 수 있게 하며, 특히 이 때 제 1 원통(601)의 수평 방향의 평형을 유지하여 줌으로써 제 1 원통(601)이 입력축(101)의 축 방향과 평행하게 슬라이딩하게 하여 제 1 원통(601)의 기울어짐에 따른 측정 오차가 발생하지 않도록 한다.
즉, 도 5에 도시된 종래 기술에 따른 토크 센서는 입력축(101)의 회전에 따라 회전자(525)가 상/하 운동을 할 때 안내핀(515)과 나선홈(520)이 직접 접촉하기 때문에 장기간 사용시 안내핀(515)과 나선홈(520)이 마모되게 되고 그에 따라 회전자(525)가 상/하 운동을 할 때 기울어지는 현상이 발생하는 데 반해 본 발명에서는 제 1 원통(601)이 링크 부재(603)의 개수(세 개 이상) 만큼의 지점에서 동일한 힘으로 지지되기 때문에 비록 돌출부(610)과 오목부(611)의 마모가 일어나더라도 제 1 원통은 기울어짐 없이 수평을 유지하면서 슬라이딩을 할 수 있게 되는 것이다.
또한, 도 6f에서 도시하는 바와 같이 링크 부재(603)의 개수는 세 개이고 제 1 원통(601) 및 제 2 원통(602)과 결합되는 부분의 횡단면에서 세 개의 결합 지점을 직선으로 연결한 형상이 각각 정삼각형을 이루게 할 수도 있으나 이에 한정되는 것은 아니고, 네 개 또는 다섯 개의 링크 부재(603)가 각각 사각형 또는 오각형을 이루는 등 복수 개의 링크 부재(603)로 이루어질 수 있다.
그리고, 링크 부재(603)와 제 1 원통(601) 및 제 2 원통(602)과의 연결 부위는 링크 부재(603)의 전체적인 폭보다 좁아서 제 1 원통(601)의 운동에 따른 링크 부재(603)의 움직임이 용이하도록 형성된다. 또한, 연결 부위의 내구성을 위하여 바람직하게는 플라스틱을 재료로 하여 제 1 원통(601), 제 2 원통(602) 및 링크 부재(603)가 일체형 사출물로 제작되도록 할 수도 있으며 일체형 사출물이 아니더라도 링크 부재(603)와 제 1 원통(601) 및 제 2 원통(602)과의 연결 부위에 볼 조인트를 설치할 수도 있다. 그러나 이러한 형태에 한정되는 것은 아니며 충분히 내구성을 유지하면서 제 2 원통(602)에 대해 제 1 원통(601)이 안정되게 상/하 운동을 할 수 있는 모든 링크 구조를 포함할 수 있다.
제 2 원통(602)은 출력축(102)의 외주면을 둘러싸고, 상단부가 링크 부재(603)와 결합되어 있다.
출력축(102)은 토션 바(615)를 매개로 입력축(101)과 동축 상에 연결되고, 외주면에는 제 2 원통(602)이 둘러싸는 구조로 고정결합되어 있다. 따라서, 입력축(101)이 회전하는 경우 출력축(102)은 관성에 의해 움직이지 않으려 하며, 그에 따라 토션 바(615)에 토크를 발생시키고, 결과적으로 토션 바(615)가 비틀리면서 제 1 원통(601)이 제 2 원통(602)에 대해 회전 변위를 일으키는데 제 2 원통(602)은 고정되어 있기 때문에 링크 부재(603)와 제 2 원통(602)과의 각도가 변화하면서(즉, 링크 부재(603)의 축 방향 길이 성분이 변화) 제 1 원통(601)이 슬라이딩을 하게 된다.
변위 검출 장치(620)는 제 1 원통(601)의 외주면에 반경 방향을 따라 형성된 가이드 홈(612)에 삽입되는 변위 검출용 베어링(625)과, 변위 검출용 베어링(625)을 지지하고 제 1 원통(601)이 움직인 변위 방향으로 회전하는 변위 검출용 핀(623)을 포함한다.
도 6g는 본 발명의 제1 실시예에 따른 토크 센서의 작동을 나타내는 일부 단면도이다.
도 6g에서 도시하는 바와 같이 입력축(101)의 회전시 제 1 원통(601)도 입력축(101)의 회전 방향으로 회전하지만 출력축(102)은 관성력에 의해 움직이지 않으려 하며 이때 순간적으로 토션 바(615)가 비틀리게 된다. 그에 따라 제 1 원통(601)이 제 2 원통(602)에 대해 회전 방향으로 상대 변위를 일으키고, 링크 부재(603)에 의해 1 원통(601)이 입력축(101)의 축 방향과 평행하게 하부 방향으로 슬라이딩을 일으킨다. 그리고, 링크 부재(603)는 길이 방향의 변형이 거의 일어나지 않는 재질로 만들어지고 적어도 세 지점에서 제 1 원통(601)과 제 2 원통(602)을 지지하므로 제 1 원통(601)이 기울어짐 없이 축 방향으로 슬라이딩하게 한다. 또한, 제 1 원통(601)이 하부 방향으로 이동하면 가이드 홈(612)에 끼워진 변위 검출용 베어링(625)이 회전하고, 변위 검출용 베어링(625)을 지지하는 변위 검출용 핀(623)이 제 1 원통(601)의 변위 방향으로 회전하며, 그 회전 변위를 검출함으로써 토크를 측정한다. 변위 검출 장치(620)는 변위 검출용 핀(623)의 회전 변위를 가변 저항이나 자성체, 또는 로드셀(Load Cell) 등을 이용하여 측정할 수 있다.
또한, 자성체를 이용하는 경우 자성체는 복수 개의 자극(Magnetic Pole)을 가지고 있으며 회전 가능한 구조이고, 변위 검출용 핀(623)의 일측은 제 1 원통(601)의 상/하 이동시 자성체를 회전시킬 수 있도록 자성체의 일부에 고정된다. 한편, 변위 검출용 핀(623)의 일측이 결합되는 자성체의 위치에는 제한이 없으나 자성체의 회전축에 결합되는 것이 바람직하다. 그리고, 복수 개의 자극(Magnetic Pole)을 가진 자성체가 회전 운동을 하기 때문에 그에 따른 자기장 변화 측정에는 자기 저항 센서(Magnetoresistive Sensor)를 사용하는 것이 바람직하나 이에 한정되는 것은 아니다.
도 7a, 7b 및 7c는 각각 본 발명의 제 2 실시예에 따른 토크 센서의 요부 분해 사시도, 평면도 및 정면도이다.
본 발명에 따른 또 다른 토크 센서는, 직경이 일정하고 일단의 외주면에 축 방향으로 일정 길이의 돌출부(610)가 하나 이상 형성되어 있는 입력축(101)과, 토션 바를 매개로 상기 입력축(101)과 동축 상에 연결되는 출력축(102) 사이에서 발생하는 토크를 측정하기 위한 토크 센서로서, 상기 돌출부(610)에 대응되는 오목부(611)가 내주면에 형성되어 있고 입력축(101)의 외주면과 결합하는 제 1 원통(601), 상부측은 제 1 원통(601)의 하단부와 결합되고 하부측은 제 2 원통(602)의 상단부와 결합되는 세 개 이상의 링크를 포함하는 링크 부재(603), 상단부는 링크 부재(603)와 결합되어 있으며 하단부는 출력축(102)의 외주면과 결합하는 제 2 원통(602) 및 변위 검출용 외팔보(710)를 포함하여 제 1 원통(601)의 상기 축 방향 변위를 측정할 수 있는 변위 검출 장치(620)를 포함한다.
변위 검출 장치(620)는, 일측이 바 형상으로 이루어져 있고 타측은 두 방향으로 분기되어 상기 타측의 분기된 양단은 입력축(101)의 축 방향과 직각으로 서로 마주 보는 위치에 있으며 상기 양단에는 제 1 원통(601)의 상기 가이드 홈(612)에 삽입되는 돌기(705)가 형성되어 있는 변위 검출용 외팔보(710)를 포함한다. 또한, 가이드 홈(612)과의 마찰을 줄이기 위해 돌기(705)에는 베어링이 설치될 수 있으며 바람직하게는 볼 베어링이 설치될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
외팔보(710)는 입력축(101)의 회전에 따라 제 1 원통(601)이 상/하 방향으로 슬라이딩할 때 제 1 원통(601)이 축 방향과 비스듬하게 기울어져서 축을 중심으로 양측 변위의 차이가 발생하는 경우 양측 변위의 평균값을 측정함으로써 측정 오차를 줄일 수 있도록 일측이 두 방향으로 분기되어 상기 일측의 분기된 양단은 입력축(101)의 축 방향과 직각으로 서로 마주 보는 위치에 있다. 또한, 외팔보(710)의 분기된 양단의 돌기(705)가 제 1 원통(601)의 가이드 홈(612)에 삽입되어 외팔보(710)가 서로 마주 보는 양측에서 제 1 원통(601)을 지지함으로써 제 1 원통(601)의 기울어짐을 방지할 수 있다.
도 7d는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 토크 센서의 작동을 나타내는 일부 단면도이다.
도 7d에서 도시하는 바와 같이 입력축(101)의 회전시 제 1 원통(601)도 입력축(101)의 회전 방향으로 회전하지만 출력축(102)은 관성에 의해 움직이지 않으려 하며 이때 순간적으로 토션 바(615)가 비틀리게 된다. 그에 따라 제 1 원통(601)이 제 2 원통(602)에 대해 회전 방향으로 상대 변위를 일으키고, 링크 부재(603)에 의해 제 1 원통(601)이 입력축(101)의 축 방향과 평행하게 하부 방향으로 슬라이딩을 일으킨다. 그리고, 링크 부재(603)는 길이 방향의 변형이 거의 일어나지 않는 재질로 만들어지고 적어도 세 지점에서 제 1 원통(601)과 제 2 원통(602)을 지지하므로 제 1 원통(601)이 기울어짐 없이 축 방향으로 슬라이딩하게 한다. 또한, 제 1 원통(601)이 하부 방향으로 이동하면, 가이드 홈(612)에 외팔보(710) 양단의 돌기(705)가 삽입되어 있으므로 바 형상으로 된 외팔보(710)의 일측이 회전축(715)에 고정되어 있는 경우 제 1 원통(601)의 상/하 직선운동에 따라 외팔보(710)는 상기 회전축(715)을 중심으로 회전 운동을 하여 변위를 검출하게 된다. 변위 검출 장치는 외팔보(710)가 검출한 변위를 가변 저항이나 자성체, 또는 로드셀(Load Cell) 등을 이용하여 출력할 수 있다.
또한, 자성체를 이용하는 경우 자성체는 복수 개의 자극(Magnetic Pole)을 가지고 있으며 회전 가능한 구조이고, 바 형상으로 된 외팔보(710)의 일측은 제 1 원통(601)의 상/하 이동시 자성체를 회전시킬 수 있도록 자성체의 일부에 고정된다. 한편, 외팔보(710)의 일측이 결합되는 자성체의 위치에는 제한이 없으나 자성체의 회전축에 결합되는 것이 바람직하다. 그리고, 복수 개의 자극(Magnetic Pole)을 가진 자성체가 회전 운동을 하기 때문에 그에 따른 자기장 변화 측정에는 자기 저항 센서(Magnetoresistive Sensor)를 사용하는 것이 바람직하나 이에 한정되는 것은 아니다.
도 8은 본 발명의 제 3 실시예에 따른 자동차의 전기식 동력 보조 조향 장치의 부분 종단면도이다.
도 8에서 도시하는 바와 같이 본 발명에 따른 토크 센서의 제 1 원통(601)은 일단이 조향 휠(미도시)에 연결되고 타단은 토션 바(801)를 매개로 출력축(102)에 연결되는 입력축(101)의 외주면에 결합되어 있고, 링크 부재(603)의 상부측은 제 1 원통(601)의 하단부와 결합되고 링크 부재(603)의 하부측은 제 2 원통(602)의 상단부와 결합된다. 또한, 제 2 원통(602)의 상단부는 링크 부재(603)와 결합되어 있고 제 2 원통(602)의 하단부는 출력축(102)의 외주면과 결합한다. 또한, 변위 검출 장치(620)은 제 1 원통(601)의 외주면에 형성된 가이드 홈(612)에 삽입되는 변위 검출용 베어링(625)과, 변위 검출용 베어링(625)을 지지하고 제 1 원통(601)이 움직인 변위 방향으로 회전하는 변위 검출용 핀(623)을 포함한다.
따라서, 입력축(101)의 회전시 제 1 원통(601)도 입력축(101)의 회전 방향으로 회전하지만 출력축(102)은 관성에 의해 움직이지 않으려 하며 이때 순간적으로 토션 바(615)가 비틀리게 된다. 그에 따라 제 1 원통(601)이 제 2 원통(602)에 대해 회전 방향으로 상대 변위를 일으키고, 링크 부재(603)에 의해 제 1 원통(601)이 입력축(101)의 축 방향과 평행하게 하부 방향으로 슬라이딩을 일으킨다. 그리고, 링크 부재(603)는 길이 방향의 변형이 거의 일어나지 않는 재질로 만들어지고 적어도 세 지점에서 제 1 원통(601)과 제 2 원통(602)을 지지하므로 제 1 원통(601)이 기울어짐 없이 축 방향으로 슬라이딩하게 한다. 또한, 제 1 원통(601)이 하부 방향으로 이동하면 가이드 홈(612)에 끼워진 변위 검출용 베어링(625)이 회전하고, 변위 검출용 베어링(625)을 지지하는 변위 검출용 핀(623)이 제 1 원통(601)의 변위 방향으로 회전하여 변위를 검출하게 된다.
즉, 운전자의 조향에 따른 조향 휠(미도시)의 회전시 발생한 입력축(101)의 토크는 본 발명에 따른 토크 센서에서 감지되고 전기적 신호로 변환되어 ECU(미도시)에 전달되며, ECU(미도시)는 모터(107)를 구동하여 조향 보조 동력을 공급하게 된다. 또한, 본 발명에 따른 토크 센서의 변위 검출 장치(620)는 자동차의 전기식 동력 보조 조향 장치의 하우징(805) 내에 설치되어 있어서 자동차의 운행시에 발생하는 다양한 형태의 진동 및 먼지 등으로부터 토크 센서를 보호하고 정확한 토크를 측정할 수 있게 한다.
도 9는 본 발명의 제 4 실시예에 따른 자동차의 전기식 동력 보조 조향 장치의 부분 종단면도를 나타낸다.
도 9에서 도시하는 바와 같이 본 발명에 따른 토크 센서의 제 1 원통(601)은, 일단이 조향 휠(미도시)에 연결되고 타단은 토션 바(801)를 매개로 출력축(102)에 연결되는 입력축(101)의 외주면에 결합되어 있고, 링크 부재(603)의 상부측은 제 1 원통(601)의 하단부와 결합되고 링크 부재(603)의 하부측은 제 2 원통(602)의 상단부와 결합된다. 또한, 제 2 원통(602)의 상단부는 링크 부재(603)와 결합되어 있고 제 2 원통(602)의 하단부는 출력축(102)의 외주면과 결합한다. 또한, 변위 검출 장치는 일측이 바 형상으로 이루어져 있고, 타측은 두 방향으로 분기되어 상기 타측의 분기된 양단은 입력축(101)의 축 방향과 직각으로 서로 마주 보는 위치에 있고, 상기 양단에는 제 1 원통(601)의 상기 가이드 홈(612)에 삽입되는 돌기(715)가 형성되어 있는 변위 검출용 외팔보(710)를 포함한다.
따라서, 입력축(101)의 회전시 제 1 원통(601)도 입력축(101)의 회전 방향으로 회전하지만 출력축(102)은 관성에 의해 움직이지 않으려 하며 이때 순간적으로 토션 바(615)가 비틀리게 된다. 그에 따라 제 1 원통(601)이 제 2 원통(602)에 대해 회전 방향으로 상대 변위를 일으키고, 링크 부재(603)에 의해 제 1 원통(601)이 입력축(101)의 축 방향과 평행하게 하부 방향으로 슬라이딩을 일으킨다. 그리고, 링크 부재(603)는 길이 방향의 변형이 거의 일어나지 않는 재질로 만들어지고 적어도 세 지점에서 제 1 원통(601)과 제 2 원통(602)을 지지하므로 제 1 원통(601)이 기울어짐 없이 축 방향으로 슬라이딩하게 한다. 또한, 제 1 원통(601)이 하부 방향으로 이동하면, 가이드 홈(612)에 외팔보 양단의 돌기(715)가 삽입되어 있으므로 바 형상으로 된 외팔보(710)의 일측이 회전축(715)에 고정되어 있는 경우 제 1 원통(601)의 상/하 직선운동에 따라 외팔보(710)는 상기 회전축(715)을 중심으로 회전 운동을 하여 변위를 검출하게 된다.
즉, 운전자의 조향에 따른 조향 휠(미도시)의 회전시 발생한 입력축(101)의 토크는 본 발명에 따른 토크 센서에서 감지되고 전기적 신호로 변환되어 ECU(미도시)에 전달되며, ECU(미도시)는 모터(107)를 구동하여 조향 보조 동력을 공급하게 된다. 또한, 본 발명에 따른 토크 센서의 변위 검출 장치(620)는 자동차의 전기식 동력 보조 조향 장치의 하우징(805) 내에 설치되어 있어서 자동차의 운행시에 발생하는 다양한 형태의 진동 및 먼지 등으로부터 토크 센서를 보호하고 정확한 토크를 측정할 수 있게 한다.
이상의 설명은 본 발명을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가지는 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서 본 명세서에 개시된 실시예들은 본 발명을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 의하면, 입력축의 회전시 직선운동을 하는 회전자의 운동거리가 짧아도 신호 증폭에 의한 노이즈 없이 토크를 측정할 수 있도록 하고, 토크 측정시 회전자의 기울기에 의한 오차 발생을 방지하며, 센싱부의 코일 가공이 필요 없도록 하여 제작 작업을 용이하게 하는 효과가 있다.
Claims (20)
- 직경이 일정하고 일단의 외주면에 축 방향으로 일정 길이의 돌출부가 하나 이상 형성되어 있는 입력축과, 토션 바를 매개로 상기 입력축과 동축 상에 연결되는 출력축 사이에서 발생하는 토크를 측정하기 위한 토크 센서로서,상기 돌출부에 대응되는 오목부가 내주면에 형성되어 있고, 상기 입력축의 외주면과 결합하는 제 1 원통;상부측은 상기 제 1 원통의 하단부와 결합되고 하부측은 제 2 원통의 상단부와 결합되는 링크 부재;상단부는 상기 링크 부재와 결합되어 있으며, 하단부는 상기 출력축의 외주면과 결합하는 상기 제 2 원통; 및상기 제 1 원통의 상기 가이드 홈에 삽입되는 변위 검출용 베어링; 및 상기변위 검출용 베어링과 연결되는 변위 검출용 핀을 포함하되 상기 제 1 원통의 상기 축 방향 변위를 측정할 수 있는 변위 검출 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 토크 센서.
- 제 1 항에 있어서,상기 제 1 원통의 상단부와 상기 입력축 사이에는 탄성 부재가 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 토크 센서.
- 제 2 항에 있어서,상기 탄성 부재는 코일 스프링인 것을 특징으로 하는 토크 센서.
- 제 2 항에 있어서,상기 탄성 부재는 합성 고무인 것을 특징으로 하는 토크 센서.
- 제 1 항에 있어서,상기 링크 부재가 상기 제 1 원통 및 상기 제 2 원통과 결합되는 부분은 볼 조인트로 이루어진 것을 특징으로 하는 토크 센서.
- 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,상기 링크 부재의 개수는 세 개이고 상기 제 1 원통 및 상기 제 2 원통과 결합되는 부분의 횡단면에서 세 개의 결합 지점을 연결한 형상이 각각 정삼각형을 이루는 것을 특징으로 하는 토크 센서.
- 삭제
- 직경이 일정하고 일단의 외주면에 축 방향으로 일정 길이의 돌출부가 하나 이상 형성되어 있는 입력축과, 토션 바를 매개로 상기 입력축과 동축 상에 연결되는 출력축 사이에서 발생하는 토크를 측정하기 위한 토크 센서로서,상기 돌출부에 대응되는 오목부가 내주면에 형성되어 있고, 상기 입력축의 외주면과 결합하며, 외주면에는 상기 축 방향과 직각으로 상기 외주면을 따라 가이드 홈이 형성되어 있는 제 1 원통;상부측은 상기 제 1 원통의 하단부와 결합되고 하부측은 제 2 원통의 상단부와 결합되는 링크 부재;상단부는 상기 링크 부재와 결합되어 있으며, 하단부는 상기 출력축의 외주면과 결합하는 상기 제 2 원통; 및일측이 바 형상으로 이루어져 있고, 타측은 두 방향으로 분기되어 상기 타측의 분기된 양단은 상기 입력축의 상기 축 방향과 직각으로 서로 마주 보는 위치에 있고, 상기 양단에는 상기 제 1 원통의 상기 가이드 홈에 삽입되는 돌기가 형성되어 있는 변위 검출용 외팔보를 포함하는 상기 제 1 원통의 상기 축 방향 변위를 측정할 수 있는 변위 검출 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 토크 센서.
- 제 8 항에 있어서,상기 제 1 원통의 상단부와 상기 입력축 사이에는 탄성 부재가 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 토크 센서.
- 제 9 항에 있어서,상기 탄성 부재는 코일 스프링인 것을 특징으로 하는 토크 센서.
- 제 9 항에 있어서,상기 탄성 부재는 합성 고무인 것을 특징으로 하는 토크 센서.
- 제 8 항에 있어서,상기 링크 부재가 상기 제 1 원통 및 상기 제 2 원통과 결합되는 부분은 볼 조인트로 이루어진 것을 특징으로 하는 토크 센서.
- 제 8 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서,상기 링크 부재의 개수는 세 개이고 상기 제 1 원통 및 상기 제 2 원통과 결합되는 부분의 횡단면에서 세 개의 결합 지점을 연결한 형상이 각각 정삼각형을 이루는 것을 특징으로 하는 토크 센서.
- 제 8 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서,상기 외팔보의 상기 일측은 복수개의 자극을 가지며 회전 가능한 자성체에 연결되고, 상기 자성체의 회전에 따른 자기장 변화를 측정하기 위한 측정 장치를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 토크 센서.
- 제 14 항에 있어서,상기 측정 장치는 자기 저항 센서(Magnetoresistive Sensor)인 것을 특징으로 하는 토크 센서.
- 제 8 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서,상기 외팔보의 상기 돌기에는 베어링이 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 토크 센서.
- 제 16 항에 있어서,상기 베어링은 볼 베어링인 것을 특징으로 하는 토크 센서.
- 자동차의 조향 휠에 연결되는 조향 축; 유니버설 조인트를 매개로 일단이 상기 조향 축에 연결되는 입력축; 토션 바를 매개로 상기 입력축과 연결되는 출력축; 상기 조향 휠의 회전에 의해 상기 입력축으로부터 발생되는 토크를 감지하는 토크 센서; 상기 토크 센서로부터 전기적 신호를 전달받는 ECU(Electronic Control Unit); 및 상기 ECU의 제어에 따라 상기 토크에 비례하는 조향 보조 동력을 일으키는 모터를 포함하는 상기 자동차의 전기식 동력 보조 조향 장치에 있어서,상기 입력축은 타단의 외주면에 축 방향으로 일정 길이의 돌출부가 하나 이상 형성되어 있고,상기 토크 센서는,상기 돌출부에 대응되는 오목부가 내주면에 형성되어 있고, 상기 입력축의 외주면과 결합하는 제 1 원통;상부측은 상기 제 1 원통의 하단부와 결합되고 하부측은 제 2 원통의 상단부와 결합되는 링크 부재;상단부는 상기 링크 부재와 결합되어 있으며, 하단부는 상기 출력축의 외주면과 결합하는 상기 제 2 원통; 및상기 제 1 원통의 상기 가이드 홈에 삽입되는 변위 검출용 베어링; 및 상기변위 검출용 베어링과 연결되는 변위 검출용 핀을 포함하되 상기 제 1 원통의 상기 축 방향 변위를 측정할 수 있는 변위 검출 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 자동차의 전기식 동력 보조 조향 장치.
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- 자동차의 조향 휠에 연결되는 조향 축; 유니버설 조인트를 매개로 일단이 상기 조향 축에 연결되는 입력축; 토션 바를 매개로 상기 입력축과 연결되는 출력축; 상기 조향 휠의 회전에 의해 상기 입력축으로부터 발생되는 토크를 감지하는 토크 센서; 상기 토크 센서로부터 전기적 신호를 전달받는 ECU(Electronic Control Unit); 및 상기 ECU의 제어에 따라 상기 토크에 비례하는 조향 보조 동력을 일으키는 모터를 포함하는 상기 자동차의 전기식 동력 보조 조향 장치에 있어서,상기 입력축은 타단의 외주면에 축 방향으로 일정 길이의 돌출부가 하나 이상 형성되어 있고,상기 토크 센서는,상기 돌출부에 대응되는 오목부가 내주면에 형성되어 있고, 상기 입력축의 외주면과 결합하는 제 1 원통;상부측은 상기 제 1 원통의 하단부와 결합되고 하부측은 제 2 원통의 상단부와 결합되는 링크 부재;상단부는 상기 링크 부재와 결합되어 있으며, 하단부는 상기 출력축의 외주면과 결합하는 상기 제 2 원통; 및일측이 바 형상으로 이루어져 있고, 타측은 두 방향으로 분기되어 상기 타측의 분기된 양단은 상기 입력축의 상기 축 방향과 직각으로 서로 마주 보는 위치에 있고, 상기 양단에는 상기 제 1 원통의 상기 가이드 홈에 삽입되는 돌기가 형성되어 있는 변위 검출용 외팔보를 포함하는 상기 제 1 원통의 상기 축 방향 변위를 측정할 수 있는 변위 검출 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 자동차의 전기식 동력 보조 조향 장치.
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Cited By (5)
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|---|---|---|---|---|
| KR101033958B1 (ko) * | 2009-06-11 | 2011-05-11 | 엘지이노텍 주식회사 | 토크 센서의 고정방법 |
| KR101229968B1 (ko) | 2010-07-23 | 2013-02-06 | 김광식 | 차량의 비접촉식 조향토오크 감지장치 |
| US9329093B2 (en) | 2011-08-10 | 2016-05-03 | Isis Innovation Limited | Determining torque in a shaft |
| CN110296780A (zh) * | 2019-07-26 | 2019-10-01 | 玉环普天单向器有限公司 | 单向器超越扭矩检测装置 |
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2005
- 2005-07-04 KR KR1020050059914A patent/KR100631808B1/ko not_active Expired - Fee Related
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