KR100721100B1 - 차량용 토크센서 - Google Patents

Abstract

본 발명은 차량의 파워 스티어링 시스템에 적용되는 토크센서에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 검출링의 구조가 개선된 차량용 토크센서에 관한 것이다.

본 발명에 따른 토크센서에 있어서, 검출링의 자기차폐부가 코팅이나 도금과 같은 가공을 통해 형상되므로, 자기차폐부 및 비자기차폐부의 형성이 용이하게 되어 검출링 제작에 따른 작업성이 향상된다. 그리고 본 발명에 따른 토크센서는 종래의 토크센서와 달리, 제2검출링의 상면에도 제1검출링과 제2검출링의 하면 및 제3검출링의 상면과 동일하게 비자기차폐부와 자기차폐부가 각각 형성되어 있다. 따라서 각 검출링 사이를 흐르는 자속의 흐름이 동일하게 되기 때문에, 정확한 온도보상이 가능하게 된다. 또한, 상기 자기차폐부의 마련으로 비자기차폐부에서 형성된 자속은 전도성 비자성체로 마련되는 자기차폐부로는 흐르지 못하게 됨에 따라 각 검출링의 대향면적 변화시 코일전압의 선형성이 향상되어 토션바에 작용하는 토크를 보다 정확하게 검출할 수 있게 된다.

Description

차량용 토크센서{Torque sensor for vehicle}

도 1은 종래 차량용 토크센서를 개략적으로 보인 단면도이다.

도 2는 본 발명에 따른 차량용 토크센서의 단면도이다

도 3은 본 발명에 따른 차량용 토크센서의 입력축 및 출력축에 결합된 검출링의 구조를 나타낸 사시도이다.

도 4는 도 3을 절취선 A-B에 의해 절취한 후, 화살표 방향에서 바라본 제1검출링의 단면도이다.

*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*

10: 입력축 20: 출력축

41: 제1검출링 42: 제2검출링

43: 제3검출링 44: 자기차폐부

45: 비자기차폐부

본 발명은 차량의 파워 스티어링 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 검출링 제작에 따른 작업성이 향상되고, 토션바에 작용하는 토크를 보다 정확하게 검 출할 수 있도록 하는 토크센서에 관한 것이다.

일반적으로 자동차에 있어서, 대형차의 경우나 타이어의 공기압이 저압상태인 경우 또는 광폭타이어가 장착된 경우 등에는 바퀴와 노면과의 접지저항이 증가된다. 이렇게 접지저항이 증가된 상태에서는 스티어링휠의 조작력이 약화되어 자동차를 신속하게 조향할 수 없게 되는데 이를 해결하기 위한 것이 파워스티어링 장치이다. 이러한 파워스티어링 장치는 조향장치의 도중에 보조동력장치를 설치하여 스티어링휠의 조작력을 배력작용에 의해 경감시키게 한다.

파워스티어링 장치가 설치된 자동차의 조향축은 입력축과 출력축으로 이루어져 있고, 이중 입력축은 스티어링휠측에 결합되고 출력축은 타이로드의 랙바와 이물림 결합된 피니언기어측과 결합되며, 입력축과 출력축은 토션바에 의해 연결된다. 이와 같은 구조에서 스티어링휠을 회전시키면 출력축이 회전하며 피니언기어와 랙바의 기어작용에 의해 타이로드에 결합된 바퀴의 방향이 변화된다. 그러나 바퀴와 노면과의 접지저항이 큰 경우에는 랙바와 피니언기어와의 기어작용도 원활하게 이루어지지 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 보상하게 된다. 이로써 스티어링휠의 조작력이 향상되는데, 여기서 토션바의 비틀림 감지는 토크센서에 의해 이루어진다.

도 1은 이러한 종래 차량용 토크센서를 보인 단면도이다. 도 1에 도시한 바 와 같이, 종래 차량용 토크센서는 입력축(1)의 하단과 출력축(2)의 상단을 동축상으로 연결하는 토션바(3)와, 전도성 자성체로 마련되며 입력축(1)과 출력축(2)의 연결부위 외주에 일정간격 이격되게 배치되는 3개의 검출링(4a,4b,4c)과, 검출링들(4a,4b,4c)이 끼워져 설치되는 통형상의 센서하우징(5)을 구비한다.

출력축(2)의 하단은 바퀴(미도시)측의 타이로드(미도시)에 형성된 랙바(미도시)와 이물림 결합된 피니언기어(미도시)와 연결되고, 입력축(1)의 상단은 스티어링휠(미도시)과 결합되어 스티어링휠(미도시)의 회전에 따라 입력축(1)과 출력축(2)을 연결하는 토션바(3)가 비틀리면서 출력축(2)이 회전하게 된다.

복수개의 검출링(4a,4b,4c)은 입력축(1) 외주에 결합되어 스티어링휠(미도시)과 동일한 각도로 회전 운동하는 제1검출링(4a)과 제2검출링(4b), 그리고 출력축(2) 외주에 결합되어 출력축(2)과 함께 회전 운동하는 제3검출링(4c)으로 구별된다. 또한, 제1검출링(4a)과 제2검출링(4b)의 하면 및 제3검출링(4c)의 상면에는 각각 요철형상을 이루도록 볼록부(4d)와 오목부(4e)가 형성된다.

또한, 센서하우징(5) 내부에는 검출링들(4a,4b,4c)의 볼록부(4d)와 오목부(4e)를 감싸며 이들과 상호 작용하여 자기회로를 형성하도록 코일(6a,7a)이 권선된 온도보상 검출코일조립체(6)와 자기저항 검출코일조립체(7)가 배치된다. 온도보상 검출코일조립체(6)는 제1검출링(4a)과 제2검출링(4b) 사이를 감싸도록 배치되며, 자기저항 검출코일조립체(7)는 제2검출링(4b)과 제3검출링(4c) 사이를 감싸도록 배치되며, 이들 사이에는 스페이서(8)가 개재된다. 토션바(3)의 비틀림에 의해 제2검출링(4b)과 제3검출링(4c)의 각 볼록부(4d) 및 오목부(4e)들은 그 대향면 적이 변화되며, 대향면적의 변화에 의하여 자기저항 검출코일조립체(7)의 인덕턴스값이 변화되고, 이 인덕턴스값의 변화를 측정하여 입력축(1)과 출력축(2)의 회전편차는 검출된다.

또한, 온도보상 검출코일조립체(6)의 인덕턴스값은 대향면적이 변화되지 않게 마련된 제1검출링(4a)과 제2검출링(4b)에 의해 온도변화에 따라서만 변화되도록 마련되는데, 이는 자기저항 검출코일조립체(7)의 인덕턴스값의 변화 중 온도의 영향에 따른 변화량을 보상하기 위한 것이다.

그리고 자기저항 검출코일조립체(7) 하부에는 소정두께를 갖는 링형상의 스톱퍼스크류(9)가 결합되어 각 검출코일조립체(6,7)들을 종방향으로 지지하게 된다. 이 스톱퍼스크류(9)는 외주에 수나사가 가공되어 암나사가 가공된 센서하우징(5)의 하단 내주에 나사 결합된다.

그러나 상기 볼록부(4d) 및 오목부(4e)는 검출링(4a,4b,4c)과 같은 전도성 자성체로 마련되어 있어, 검출링(4a,4b,4c)의 대향면전 변화시 오목부(4e)로부터 발생된 자속의 흐름이 볼록부(4d) 간의 자속의 흐름에 영향을 미치기 때문에, 자기저항 검출코일조립체(7) 코일전압의 선형성이 떨어지게 되어, 토크센서가 토션바(3)에 작용하는 토크를 정확하게 검출할 수 없도록 한다.

또한, 상기 검출링(4a,4b,4c)에 마련된 볼록부(4d) 및 오목부(4e)의 형상은 상기 인덕턴스값에 직접적인 영향을 미치게 되기 때문에, 제조 과정에서 고도의 숙련도 및 정밀도가 요구되고, 절삭가공 등이 추가되어 작업속도를 떨어뜨리게 되는 요인으로 작용하게 된다.

또한, 종래의 토크센서에 있어서, 상기 제2검출링(4b)의 상면에는 제조 과정의 단축 및 제작비의 절감을 위해 볼록부(4d) 및 오목부(4e)가 마련되어 있지 않기 때문에, 제1검출링(4a)과 제2검출링(4b)의 상면 사이에서의 자속의 흐름과, 제2검출링(4b) 하면과 제3검출링(4c)의 하면 사이의 자속의 흐름 간에는 소정의 차가 발생되어, 정확한 온도보상이 제대로 이루이지지 않게 되는 문제점을 가지고 있었다.

본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 차량의 파워 스티어링 시스템에 있어서 토크센서에 설치되는 검출링의 구조를 개선하여 검출링의 제작에 따른 작업성을 향상시키고, 온도보상의 정밀도를 향상시키며, 토션바에 작용하는 토크를 보다 정확하게 검출할 수 있도록 하는 차량용 토크센서를 제공하는 것이다.

이러한 목적을 달성하기 위해 본 발명은 스티어링휠이 결합되는 입력축과 조향기구와 결합되는 출력축을 동축상으로 연결하는 토션바, 상기 입력축과 출력축의 외면에 설치되며 전도성 자성체로 마련되는 복수의 검출링, 상기 검출링 사이를 감싸도록 마련되는 검출코일조립체, 상기 검출코일조립체를 수용하도록 마련되는 센서하우징을 구비한 토크센서에 있어서, 상기 각 검출링의 서로 대향하는 면에는 일정간격을 두고 서로 이격되도록 마련되며 자기적 차폐효과를 갖도록 형성되는 전도성 비자성체가 마련된 것을 특징으로 한다.

그리고 상기 전도성 비자성체는 상기 검출링에 코팅된 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 전도성 비자성체는 상기 검출링에 도금된 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 전도성 비자성체는 상기 검출링의 각 대응면 외각 측에 마련된 것을 특징으로 한다.

다음에는 본 발명에 따른 바람직한 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명하도록 한다.

본 발명에 따른 차량용 토크센서의 구조는 도 2에 도시한 바와 같이, 입력축(10)의 하단과 출력축(20)의 상단을 동축상으로 연결하는 토션바(30)와, 입력축(10)과 출력축(20)의 외주에 설치되는 복수의 검출링(41,42,43), 그리고 상기 각 검출링(41,42,43)을 내부에 수용하도록 마련된 센서하우징(50)을 구비한다.

출력축(20)은 바퀴(미도시)측의 조향기구(미도시)와 결합되는데 출력축(20)의 하단에는 바퀴(미도시)측의 타이로드(미도시)에 설치된 랙바(미도시)와 이물림결합되도록 피니언기어(21)가 가공되며, 입력축(10)의 상단은 스티어링휠(미도시)과 결합된다. 그리고 상기 토션바(30)의 상단은 평행핀(미도시)을 통해 입력축(10)에 고정되고, 하단은 센서하우징의 하부로 연장되는 출력축(20)에 압입 고정된다. 따라서 바퀴(미도시)와 노면과의 마찰력이 클 경우 스티어링휠(미도시)의 회전에 따라 토션바(30)가 비틀리면서 출력축(20)이 회전하게 된다.

검출링(41,42,43)은 제1검출링(41)과 제2검출링(42) 그리고 제3검출링(43)으로 마련되는데 이들은 각각 전도성 자성체로 마련되어 입력축(10)과 출력축(20)의 연결부에 일정한 틈을 갖도록 설치된다. 이때, 제1검출링(41)과 제2검출링(42)은 입력축(10)의 하단 외주에 마련되며, 제3검출링(43)은 출력축(20)의 상단 외주에 마련된다.

센서하우징(50)은 통형상으로 마련되고 상하부가 개방되어 있어 그 내주면이 각 검출링(41,42,43)을 감싸도록 결합되며, 상기 센서하우징(50)에는 입력축(10)이 롤러베어링부재(11)에 의해 회전 가능하도록 설치된다.

또한, 센서하우징(50)의 내부에는 각 검출링(41,42,43)을 감싸도록 마련되며, 이들과 상호 작용하여 자기회로를 형성하는 검출코일조립체들(60,70)이 배치되는데, 제1검출링(41)과 제2검출링(42) 사이에는 온도보상 검출코일조립체(60)가 마련되고, 제2검출링(42)과 제3검출링(43) 사이에는 자기저항 검출코일조립체(70)가 마련된다. 각 검출코일조립체(60,70)는 동일한 구조로 이루어지며 코일(61,71)이 권선된 보빈(62,72)과 보빈(62,72)이 수용되는 보빈하우징(63,73)을 각각 구비한다. 또한, 각 검출코일조립체(60,70)는 그 사이에 개재된 스페이서(80)에 의해 일정간격을 유지하게 되며, 상기 자기저항 검출코일조립체(70) 하부에는 소정두께를 갖는 링형상의 스톱퍼스크류(90)가 결합되어 각 검출코일조립체(60,70)들을 종방향으로 지지하게 된다. 이 스톱퍼스크류(90)는 외주에 수나사가 가공되어 암나사가 가공된 센서하우징(50)의 하단 내주에 나사 결합된다.

한편, 도 3 및 도 4에는 본 발명에 따른 차량용 토크센서의 입력축 및 출력축에 결합된 검출링의 구조 및 제1검출링 하면의 구조가 각각 도시된다. 제2검출링(42)의 상하면 및 제3검출링(43) 상면의 구조는 제1검출링(41) 하면의 구조와 동일하므로 생략한다. 도 3 및 도 4에 도시한 바와 같이, 상기 각 검출링(41,42,43)의 대응면에 해당하는 제1검출링(41)의 하면과 제3검출링(43)의 상면 및 제2검출링(42)의 상하면에는 외각측에 검출링(41,42,43)의 반경방향으로 형성되는 복수의 자기차폐부(44)가 서로 일정간격 이격된 상태로 마련되며, 상기 각 자기차폐부(44) 사이에는 비자기차폐부(45)가 형성된다. 이때, 상기 비차기차폐부(45)는 검출링(41,42,43)과 같은 전도성 자성체로 마련되며, 상기 자기차폐부(44)는 전도성 비자성체로 마련된다. 따라서 각 검출링(41,42,43)의 대응면 외각 측에 검출링(41,42,43)의 반경방향을 따라 전도성 비자성체로 마련되는 자기차폐부(44)를 형성하기만 하면, 각 검출링(41,42,43)의 대응면은 전도성 자성체로 마련되는 비자기차폐부(45)와 전도성 비자성체로 마련되는 자기자폐부(44)로 구분된다.

이러한 구조에서 토션바(30)의 비틀림에 의해 상기 제2검출링(42)과 제3검출링(43)의 각 비자기차폐부(45) 및 자기차폐부(44)들은 그 대향면적이 변화되며, 이러한 대향면적의 변화에 의하여 자기저항 검출코일조립체(70)의 인덕턴스값이 변화되고, 이 인덕턴스값의 변화를 측정하여 입력축(10)과 출력축(20)의 회전편차가 검출된다. 그리고 이때, 대향면적의 변화가 없는 제1검출링(41)과 제2검출링(42)의 각 비자기차폐부(45) 및 자기차폐부(44)에 의해 온도보상 검출코일조립체(60)의 인덕턴스값은 온도변화에 따라서만 변화되므로, 자기저항 검출코일조립체(70)의 인덕턴스값의 변화 중 온도의 영향에 따른 변화량을 보상하게 된다. 또한, 본 발명에 따른 토크센서에서는 종래의 토크센서와 달리, 제2검출링(42)의 상면에도 제1검출링(41)과 제2검출링(42)의 하면 및 제3검출링(43)의 상면과 동일하게 비자기차폐부(45)와 자기자폐부(44)가 각각 형성되어 있다. 따라서 각 검출링(41,42,43) 사이를 흐르는 자속의 흐름이 동일하게 되기 때문에, 정확한 온도보상이 가능하게 되어 온도보상의 정밀도가 향상된다.

그리고 상기 자기차폐부(44)는 각 검출링(41,42,43)의 외형이 마련된 다음, 각 검출링(41,42,43)의 대향면 외각측에 코팅이나 도금과 같은 가공을 통해 마련되는데, 상기 코팅이나 도금가공은 종래 검출링의 볼록부나 오목부를 형성하기 위한 절삭가공에 비해 그 공정이 용이하고 단순하다. 따라서 상기 코팅이나 도금과 같은 가공을 통해 형성되는 자기차폐부(44) 및 비자기차폐부(45)의 마련으로 감출링(41,42,43) 제작에 따른 작업성이 향상된다.

또한, 상기 자기차폐부(44)와 비자기차폐부(45)의 마련으로 인해 각 검출링(41,42,43)에서 형성된 자속은 자기차폐부(44)로는 흐르지 못하고 비자기차폐부(45)로만 흐르도록 되어, 검출링(41,42,43)의 대향면 변화에 따른 코일전압의 선형성이 향상되어 토션바(30)에 작용하는 토크의 정확한 검출이 가능하게 된다.

다음은 이와 같이 구성된 본 발명에 따른 토크센서의 동작을 설명한다.

본 발명에 따른 토크센서가 장착된 차량의 주행 중 운전자가 스티어링휠(미도시)을 조향시키면, 입력축(10)과 토션바(30)로 연계된 출력축(20)을 통해 조향기구(미도시)가 작동되며 바퀴(미도시)의 방향이 변화된다. 이때, 일정크기 이상의 조향력이 작용하게 되면, 바퀴(미도시)와 노면과의 마찰력에 의해 스티어링휠(미도시)을 통해 직접적으로 회전하는 입력축(10)에 비해 토션바(30)로 연계된 출력축(20)의 회전각도가 작아 토션바(30)가 비틀린다. 토션바(30)의 비틀림으로 제2검출링(42)과 제3검출링(43)의 각 비자기차폐부(45) 및 자기차폐부(44)의 대향 면적은 변화되고, 이에 따라 상기 자기저항 검출코일조립체(70)의 인덕턴스 값이 변화됨과 동시에 코일(61,71)에 흐르는 유기전압이 변화된다. 또한, 이때 상기 자기저항 검출코일조립체(70)의 인덕턴스 값은 온도의 영향도 받게 된다.

이러한 유기전압의 변화는 코일(61,71)의 자기저항의 변화에 의한 것으로 신호처리장치(미도시)를 통해 제어부(미도시)에 입력된다. 제어부(미도시)에서는 입력된 신호를 근거로 조향편차를 측정하고, 동력수단(미도시)을 가동시켜 이를 보상한다.

또한, 상기 토션바(30)가 비틀리게 되더라도 입력축(10)에 함께 결합되어 있는 상기 제1검출링(41)과 제2검출링(42)의 각 비자기차폐부(45) 및 자기차폐부(44)의 대향면적은 변화되지 않기 때문에, 온도보상 검출코일조립체(60)의 인덕턴스 값은 온도변화에 따라서만 변화하게 된다. 그리고 제어부(미도시)에서는 온도보상 검출코일조립체(60)의 인덕턴스 값에 의해 온도변화를 감지하고 자기저항 검출코일조립체(70)의 인덕턴스 값 중 온도에 따른 변화량을 보상하게 된다.

이상에서 상세히 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 토크센서에 있어서, 검출링의 자기차폐부가 코팅이나 도금과 같은 가공을 통해 형상되므로, 자기차폐부 및 비자기차폐부의 형성이 용이하게 되어 검출링 제작에 따른 작업성이 향상된다. 또한, 본 발명에 따른 토크센서는 종래의 토크센서와 달리, 제2검출링의 상면에도 제1검출링과 제2검출링의 하면 및 제3검출링의 상면과 동일하게 비자기차폐부와 자기자폐부가 각각 형성되어 있다. 따라서 각 검출링 사이를 흐르는 자속의 흐름이 동일하게 되기 때문에, 정확한 온도보상이 가능하게 되며, 비자기차폐부에서 형성된 자속이 전도성 비자성체로 마련된 자기차폐부로는 흐르지 못하도록 되어 검출링의 대향면적 변화에 따른 코일전압의 선형성이 향상되어 토션바에 작용하는 토크를 보다 정확하게 검출할 수 있게 되는 이점을 갖는다.

Claims (4)

1. 스티어링휠이 결합되는 입력축과 조향기구와 결합되는 출력축을 동축상으로 연결하는 토션바, 상기 입력축과 출력축의 외면에 설치되며 전도성 자성체로 마련되는 복수의 검출링, 상기 검출링 사이를 감싸도록 마련되는 검출코일조립체, 상기 검출코일조립체를 수용하도록 마련되는 센서하우징을 구비한 토크센서에 있어서,

   상기 각 검출링의 서로 대향하는 면에는 일정간격을 두고 서로 이격되도록 마련되며 자기적 차폐효과를 갖도록 형성되는 전도성 비자성체가 마련된 것을 특징으로 하는 차량용 토크센서.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 전도성 비자성체는 상기 검출링에 코팅된 것을 특징으로 하는 차량용 토크센서.
3. 제 1항에 있어서,

   상기 전도성 비자성체는 상기 검출링에 도금된 것을 특징으로 하는 차량용 토크센서.
4. 제 1항에 있어서,

   상기 전도성 비자성체는 상기 검출링의 각 대응면 외각 측에 마련된 것을 특 징으로 하는 차량용 토크센서.

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