KR100706997B1 - 와전류형 토크센서 - Google Patents

Abstract

본 발명은 한쪽 끝단에 180°위상차를 두고 축방향으로 한쌍의 돌기를 가진 입력축과; 한쪽 끝단에 180°위상차를 두고 축방향으로 한쌍의 돌기를 가지며 상기 입력축의 돌기부와 상호 어긋나게 배치되는 출력축과; 상기 입력축과 출력축을 연결하는 토션바와; 비자성전도체로 구성되고 반경방향으로 기어형태의 톱니가 형성되어 상기 입력축의 외주에 고정되는 차폐링 1과; 상기 차폐링 1과 소정거리 이격되고 입력축의 축방향 돌기부 끝에 고정되며 차폐링 1과 180°의 위상차를 가지며 비자성전도체로 구성되고 반경방향으로 기어형태의 톱니가 형성된 차폐링 3과; 상기 차폐링1과 차폐링 3 사이에 배치되고 상기 출력축의 축방향 돌기부 끝에 고정되며 상기 차폐링1,3과 각각 90°의 위상각을 갖도록 설치된 비자성전도체로 이루어지고 반경방향으로 기어형태의 톱니가 형성된 차폐링 2와; 상기 차폐링1,2의 대향부를 감싸며 배치된 제1코일과; 상기 제1코일을 감싸는 자성체로 이루어진 제1보빈 하우징과; 상기 차폐링 2,3간의 대항부를 감싸며 배치된 제2코일과; 상기 제2코일을 감싸는 자성체로 이루어진 제2보빈 하우징을 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 와전류형 토크센서에 관한 것이다.

토크센서, 와전류, 비접촉식 토크센서

Description

와전류형 토크센서 {EDDY CURRENT TYPE TORQUE SENSOR}

도 1은 본 발명에 따른 토크센서의 입력축과 출력축의 사시도이다.

도 2는 본 발명에 따른 토크센서의 차폐링들이 배치된 상태의 사시도이다.

도 3은 도 2의 상태에서 추가로 코일이 배치된 상태를 나타낸 것이다.

도 4는 본 발명에 따른 토크센서가 중립상태일 때 차폐링들의 배치상태를 나타낸 사시도이다.

도 5는 본 발명에 따른 토크센서의 입력축이 회전됐을 때 차폐링 1,2간의 배치상태를 나타낸 사시도이다.

도 6은 본 발명에 따른 토크센서의 입력축이 회전됐을 때 차폐링 2,3간의 배치상태를 나타낸 사시도이다.

도 7은 본 발명에 따른 토크센서가 스티어링 시스템에 적용된 일 실시예의 단면도이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

110 : 입력축 120 : 출력축

130 : 토크센서 141,142,143 : 차폐링 1,2,3

150 : 센서하우징 160 : 검출코일 조립체

161,171 : 제1,2 코일 170 : 검출코일조립체

본 발명은 차량의 파워 스티어링 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 회전부에 부착된 두 부품간의 기계적인 마찰을 일으키지 않는 자기유도방식의 와전류형 토크센서에 관한 것이다.

일반적으로 자동차는 조향축을 통해 바퀴측과 연결된 스티어링휠을 조작하여 운동방향을 조정하도록 되어 있다. 그러나 바퀴와 노면과의 접지저항이 큰 상태에서는 스티어링휠의 조작력이 약화되어 자동차를 신속하게 조향시킬 수 없게 되는데, 이를 해결하기 위한 것이 파워스티어링 장치이다. 이러한 파워스티어링 장치는 조향장치의 도중에 보조동력장치를 설치하여 스티어링휠의 조작력을 배력작용에 의해 경감시키게 된다.

파워스티어링 장치가 설치된 자동차의 조향축은 입력축과 출력축으로 이루어져 있고, 이중 입력축은 스티어링휠측에 결합되고, 출력축을 타이로드의 랙바와 이물림 결합된 피니언기어측과 결합된다. 그리고 이러한 입력축과 출력축은 토션바에 연결되는데, 이와 같은 구조에서 스티어링휠을 회전시키면 출력축이 회전하며 피니언기어와 랙바의 기어작용에 의해 타이로드에 결합된 바퀴의 방향이 변화된다. 이때, 바퀴와 노면과의 접지저항이 큰 경우에는 랙바와 피니언기어와의 기어작용도 원활하게 이루지지 않게 되어 스티어링휠측과 결합된 입력축에 비해 피니언기어측과 결합된 출력축이 덜 회전하여 토션바가 비틀리게 된다. 이러한 토션바의 비틀림 정도는 전기적인 신호상태로 전자제어유닛에 입력되고, 전자제어유닛에서는 이 신호를 근거로 상기 랙바에 설치된 보조동력장치를 가동시켜 출력축의 회전을 보상하여 스티어링휠의 조작력이 향상되도록 하는데, 여기서 토션바의 비틀림 감지는 토크센서에 의해 이루어진다.

종래의 자기유도방식의 토크센서는 토션바가 비틀린 정도를 검출하기 위해 히스테리시스가 작은 연자석재료를 사용하여 교류 전압으로 가진되는 코일을 감싸는 자기회로를 구성하며, 이때 비틀림각의 검출은 서로 대항한 치의 대향면적의 변화에 따른 자기회로의 인덕턴스의 변화를 전기신호로 바꾸어 얻는다.

다른 구조로서, 토션바의 비틀린 정도를 검출하기 위해 교류전압으로 가진되는 코일을 감싸는 가지회로를 구성하는데, 자기회로의 구성요소들은 공기와 같은 비투자율을 가지는 재료와 비자성전도성재료로 되어 있다. 비틀림강의 검출은 회전체내의 2부품이 캠구조로 서로 연동되어 토션바의 비틀림에 따라 2 부품간의 축방향 거리가 변하면서 그중 1부품에 부착되어 있는 비자성전도성재료(알루미늄)가 위에서 언급한 자기회로에 작용하는 정도가 달라지면서 발생하는 자기회로의 인덕턴스의 변화를 전기신호로 바꾸어서 얻는다.

또 다른 구조로서, 토션바가 비틀린 정도를 검출하기 위해 회전부의 자가부품을 한쪽은 돌기모양을 가진 자성재료부품을 사용하고 반대쪽은 창모양을 가진 비자성전도체를 사용하여 교류 전압으로 가진되는 코일을 감사는 가지 회로를 구성하며, 이때 비틀림각의 검출은 돌기모양에서 나오는 자기량을 창이 얼마나 통과시키느냐에 따라 자기회로의 인덕턴스를 변화시켜 그 인덕턴스의 변화를 전기신호로 바 꾸어 얻는 구조 등이 있다.

본 발명은 토션바의 비틀림각을 계측하기 위해 회전부의 자기회로를 구성하는 부품의 재료들을 비자성 전도체를 사용하며 토션바의 비틀림이 발생했을 때 토일에 발생하는 인덕턴스의 변화는 비자성전도체에 발생하는 발생하는 와전류에 의해 얻는 구조로써, 기계적인 접촉이 필요하지 않는 와전류형 토크센서를 제공하고자 한다.

본 발명은 상기한 목적을 달성하기 위하여 한쪽 끝단에 180°위상차를 두고 축방향으로 한쌍의 돌기를 가진 입력축과; 한쪽 끝단에 180°위상차를 두고 축방향으로 한쌍의 돌기를 가지며 상기 입력축의 돌기부와 상호 어긋나게 배치되는 출력축과; 상기 입력축과 출력축을 연결하는 토션바와; 비자성전도체로 구성되고 반경방향으로 기어형태의 톱니가 형성되어 상기 입력축의 외주에 고정되는 차폐링 1과; 상기 차폐링 1과 소정거리 이격되고 입력축의 축방향 돌기부 끝에 고정되며 차폐링 1과 180°의 위상차를 가지며 비자성전도체로 구성되고 반경방향으로 기어형태의 톱니가 형성된 차폐링 3과; 상기 차폐링1과 차폐링 3 사이에 배치되고 상기 출력축의 축방향 돌기부 끝에 고정되며 상기 차폐링1,3과 각각 90°의 위상각을 갖도록 설치된 비자성전도체로 이루어지고 반경방향으로 기어형태의 톱니가 형성된 차폐링 2와; 상기 차폐링1,2의 대향부를 감싸며 배치된 제1코일과; 상기 제1코일을 감싸는 자성체로 이루어진 제1보빈 하우징과; 상기 차폐링 2,3간의 대항부를 감싸며 배치 된 제2코일과; 상기 제2코일을 감싸는 자성체로 이루어진 제2보빈 하우징을 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 와전류형 토크센서를 제공한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 1에 도시된 바와 같이, 토크센서의 입력축(110)과 출력축(120)은 각각 실린더 형상이며, 한쪽 끝단이 180도 위상차를 두고 축방향으로 한 쌍의 돌기를 가진 구조이며 서로 어긋나게 배치되어 있다.

도 2에 도시된 바와 같이, 차폐링 1,2,3(141,142,143)은 알루미늄 같은 비자성전도체로 되어 있고, 차폐링 1(141)과 차폐링 3(143)은 서로 180도의 위상차를 가지며 입력축(110)에 고정되고, 차폐링 2(142)는 토크가 없을 때 차폐링 1(141), 차폐링 3(143)과 각각 90도의 위상차를 가지고 대항하며 출력축(120)에 고정되어 있다. 입력축(110)과 출력축(120)은 끝단이 토션바(130)의 양끝단에 고정되어 토션바(130)가 비틀렸을 때 두 축에 고정된 부품들의 회전위치가 변동되게 되어 있다.

도 3에 도시된 바와 같이, 차페링 1,2(141,142)의 대항부를 감싸게 제1코일(161)이 배치되고, 차폐링 2,3(142,143)의 대향부를 감싸게 제2코일(171)이 배치된다. 토크센서(130)가 중립상태이면 도 4에 도시된 바와 같이, 토션바(130)는 비틀리지 않고 차폐링1,2(141,142)간과 차폐링2,3(142,143)간에는 90도의 위상을 유지하여 제1코일(161)과 제2코일(171)에 작용하는 인덕턴스가 증가하고 다른쪽은 도 6과 같이 차폐면적이 넓어져서 인덕턴스가 감소하여 제1코일(161)과 제2코일(171)에 작용하는 인덕턴스간에는 편차가 존재한다.

제1코일(161)과 제2코일(171)이 직렬로 이어지고 일정한 일정한 교류전류가 흐르게 회로를 유지하면 인덕턴스의 편차에 의해 제1코일(161)과 제2코일(171)을 잇는 중간 위치의 전압은 제1코일과 제2코일에 인가되는 전압의 1/2에 대해 일정한 전위차가 발생하게 된다. 이 전위차를 증폭하고 정류하여 토크센서에 인가된 토크값을 검출한다.

차량의 스티어링 장치에 적용된 본 발명에 따른 바람직한 일실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명의 일 실시예에 따른 와전류형 토크센서는 도 7에 도시된 바와 같이, 입력축(110)의 하단과 출력축(120)의 상단을 동축상으로 연결하는 토션바(130)와 입력축(110)과 출력축(120)의 외주에 설치되는 복수의 차폐링 1,2,3(141,142,143) 그리고 상기 각 차폐링 1,2,3(141,142,143) 을 내부에 수용하도록 마련된 센서하우징(150)이 구비된다. 여기서 입력축(110)과 출력축(120)은 각각 실린더 형상이며 한쪽 끝단이 180도 위상차를 두고 축방향으로 한 쌍의 돌기를 가진 구조이며 서로 어긋나게 배치되어 있다.

출력축(120)은 바퀴측의 조향기구와 결합되는데 출력축(120)의 하단에는 바퀴측의 타이로드에 설치된 랙바와 치합되도록 피니언기어(121)가 가공되며, 입력축(110)의 상단은 스티어링휠과 결합되어 있어, 바퀴와 노면과의 마찰력이 클 경우 스티어링휠의 회전에 따라 토션바(130)가 비틀리면서 출력축(120)이 회전하게 된다. 이때 토션바(130)의 상단은 평행핀(110a)을 통해 입력축(110)에 고정되고, 하단은 센서하우징(150)의 하부로 연장된 출력축(120)에 압입 고정되며, 센서하우징(150)의 상부에는 입력축(110)이 회전 가능하게 설치되도록 하는 롤러베어링 부 재(110b)가 구비된다.

차폐링은 차폐링 1(141)과 차폐링 2(142) 그리고 차폐링 3(143)이 있는데, 이들은 각각 알루미늄과 같은 비자성체로 이루어져 있으며, 차폐링 1(141)과 차폐링 3(143)은 서로 180도의 위상차를 가지며 입력축(110)에 고정되고, 차폐링 2(142)는 토크가 없을 때 차폐링 1(141), 차폐링 3(143)과 각각 90도의 위상차를 가지고 대항하며 출력축(120)의 연결부에 고정된다. 차폐링 1(141)과 차폐링 2(142)는 입력축(110)의 하단 외부에 마련되며, 차폐링 3(143)은 출력축(120)의 상단 외주에 마련된다.

센서하우징(150)은 통형상으로 마련되고 상하부가 개방되어 있어 그 내주면이 각 차폐링 1,2,3(141,142,143)을 감싸도록 결합되며, 센서하우징(150)의 내부에는 각 차폐링 1,2,3(141,142,143)을 감싸며 이들과 상호 작용하여 자기회로를 형성하는 검출코일조립체(160,170)들이 배치된다. 이중 차폐링 1(141)과 차폐링 2(142) 사이에서는 온도보상 검출코일조립체(160)가 마련되고, 차폐링 2(142)와 차폐링 3 (143)사이에는 자기저항 검출코일조립체(170)가 마련된다. 각 검출코일조립체 (160,170)는 동일한 구조의 링형상으로 형성되며 코일(161,171)이 권선된 보빈(162,172)과 보빈이 수용되는 보빈하우징(163,173)을 각각 구비한다. 또한, 각 검출코일조립체(160,170)는 그 사이에 개재된 스페이서(180)에 의해 일정간격을 유지하게 된다.

한편, 센서하우징(150)과 검출코일조립체(160,170)들 사이에는 소정간격의 틈이 형성되는데, 이는 각기 다른 재질로 마련되어 있어 서로 다른 열팽창율을 갖 는 검출코일조립체(160,170)와 센서하우징(150)이 검출코일조립체(160,170)의 코일(161,171)에서 발생되는 열에 의해 각기 다른 정도로 열팽창을 하더라도 하기 소정간격의 틈이 이를 흡수하여 센서하우징(150)과 검출코일조립체(160,170)들이 파손되는 것을 방지하기 위한 것이다.

상기와 같이 구성된 본 발명에 따른 토크센서의 동작을 설명하면 다음과 같다.

본 발명에 따른 토크센서가 장착된 차량의 주행 중 운전자가 스티어링휠을 조향시키면, 입력축(110)과 토션바(130)로 연계된 출력축(120)을 통해 조향기구가 작동되며 바퀴의 방향이 변화된다. 이때, 일정크기 이상의 조향력이 작용하게 되면, 비퀴와 노면과의 마찰력에 의해 스티어링휠을 통해 직접적으로 회전하는 입력축(110)에 비해 토션바(130)로 연계된 출력축(120)의 회전각도가 작아 토션바(130)가 비틀린다. 토션바의 비틀림으로 도 5에 도시된 바와 같이 차폐링 1,2(141,142)간은 차폐면적이 좁아져서 인덕턴스가 증가하고 차폐링 2,3(142,143)간에는 도 6에 도시된 바와 같이 차폐면적이 넓어져서 인덕턴스가 감소하여 양코일에 작용하는 인적턴스간에는 편차가 존재한다. 양코일이 직렬로 이어지고 일정한 교류전류가 흐르게 회로를 유지하면 인덕턴스의 편차에 의해 양코일을 잇는 중간 위치의 전압은 양코일에 인가되는 전압의 1/2에 대해 일정한 전위차가 발생하게 된다. 이러한 전위차는 코일의 자기저항의 변화에 의한 것으로 신호처리장치(미도시)를 통해 제어부(미도시)에 입력된다. 제어부에서는 입력된 신호를 근거로 조향편차를 측정하고 동력수단을 가동시켜 이를 보상한다.

전술한 바와 같이 본 발명에 따르면 회전부에 부착된 두 부품간의 기계적인 마찰을 일으티지 않으며 회전부의 자기 부품을 비자성 전도체로 구성하여 회전부에 인가되는 토크에 의해 발생하는 위치변화에 따라 비자성전도체에 발생하는 완전류에 의한 자기회로의 작용에 의한 자기량 변화에 의한 코일의 인덕턴스 변화를 검출하는 토크센서에 있어, 토크가 작용하면 토크센서의 두 코일의 인덕턴스가 반대방향으로 변화하는 특성을 가진 토크센스를 제공하므로 설계의 다양성이 확보된다.

Claims (1)

1. 한쪽 끝단에 180°위상차를 두고 축방향으로 한쌍의 돌기를 가진 입력축과; 한쪽 끝단에 180°위상차를 두고 축방향으로 한쌍의 돌기를 가지며 상기 입력축의 돌기부와 상호 어긋나게 배치되는 출력축과; 상기 입력축과 출력축을 연결하는 토션바와; 비자성전도체로 구성되고 반경방향으로 기어형태의 톱니가 형성되어 상기 입력축의 외주에 고정되는 차폐링 1과; 상기 차폐링 1과 소정거리 이격되고 입력축의 축방향 돌기부 끝에 고정되며 차폐링 1과 180°의 위상차를 가지며 비자성전도체로 구성되고 반경방향으로 기어형태의 톱니가 형성된 차폐링 3과; 상기 차폐링1과 차폐링 3 사이에 배치되고 상기 출력축의 축방향 돌기부 끝에 고정되며 상기 차폐링1,3과 각각 90°의 위상각을 갖도록 설치된 비자성전도체로 이루어지고 반경방향으로 기어형태의 톱니가 형성된 차폐링 2와; 상기 차폐링1,2의 대향부를 감싸며 배치된 제1코일과; 상기 제1코일을 감싸는 자성체로 이루어진 제1보빈 하우징과; 상기 차폐링 2,3간의 대항부를 감싸며 배치된 제2코일과; 상기 제2코일을 감싸는 자성체로 이루어진 제2보빈 하우징을 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 와전류형 토크센서.

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