KR100744450B1 - 비-접촉식 변위 센서용 자심 - Google Patents

Abstract

본 발명은 감지코일과, 코일수납부재와, 터미널로 구성된 비-접촉식 변위 센서용 자심에 있어서, 상기 코일수납부재는 절연된 연자성 분말로 만들어진 압분체와, 이 압분체를 덮어주는 절연층과, 상기 코일수납부재의 밀폐공간에 충진된 유기수지로 구성된다.

비-접촉식 변위 센서, 자심, 코일수납부재, 압분체, 절연층, 유기수지

Description

비-접촉식 변위 센서용 자심{A magnetic core for a non-contact displacement sensor}

도 1a은 본 발명에 따른 비-접촉식 변위 센서용 자심의 제1구현예를 나타내는 평면도,

도 1b는 본 발명에 따른 비-접촉식 변위 센서용 자심의 제1구현예의 부분 단면도,

도 2는 도 1의 자심이 장착된 전동식 파워 스티어링 장치의 단면도,

도 3은 본 발명에 따른 자심의 제2구현예를 나타내는 단면도,

도 4는 본 발명에 따른 자심의 제3구현예를 나타내는 단면도,

도 5는 본 발명에 따른 자심의 제4구현예를 나타내는 단면도,

도 6a,6b,6c는 본 발명에 따른 자심의 제5구현예를 구성하는 부재들을 나타내는 분해 사시도,

도 6d는 부재들을 이용하여 제조된 자심의 부분 단면도,

도 7은 종래의 비-접촉식 토크 센서의 주구성품을 나타내는 사시도,

도 8은 종래의 비-접촉식 토크 센서의 자심을 나타내는 단면도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

1 : 자심(慈心) 2 : 감지코일

3 : 코일수납부재 4 : 터미널

5 : 입력축 6 : 출력축

7 : 토션바 8 : 제1감지링

9 : 제2감지링 10 : 압분체

11 : 절연층 12 : 유기수지

14a : 상부 개방구 14b : 하부 개방구

15 : 코일 하우징 케이스

본 발명은 비접촉식 변위 센서용 자심에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 자심(magnetic core)을 구성하는 코일수납부재의 골격으로서, 저가이면서 비교적 높은 고유저항값을 갖는 절연된 연자성 분말의 압분체, 즉 압분자심(壓粉慈心)을 이용함과 동시에 압분체의 사용시 문제점으로 발생된 기계적 특성을 유효하게 개선하고, 특히 자동차용 전동식 스티어링(steering) 장치에 적합하게 이용되는 비접촉식 변위 센서용 자심에 관한 것이다.

상기 파워 스티어링 장치는 자동차의 조향력을 보조하는 장치이다.

과거에는 유압식 파워 스티어링 장치가 주류를 이루었지만, 최근에는 전기 모터에 의하여 조향력을 보조받는 소위 전동식 파워 스티어링 장치가 널리 개발되어 왔다.

전동식 파워 스티어링 장치는 유압식 파워 스티어링 장치에 비하여 그 제어성능이 우수하고, 기계적인 구조도 간단하며, 연료소비가 양호하고, 필요한 경우에만 동력이 전기모터에 공급되는등의 장점이 있다.

상기 전동식 파워 스티어링 장치의 시스템에 있어서, 핸들(스티어링 휠)의 조작시 힘의 방향과 양을 토크 센서에서 감지하게 되고, 이 감지된 값과 관련하여 콘트롤 유니트에서 상기 조향력을 보조하는 전기 모터의 전류를 제어하게 된다.

도 7은 전동식 파워 스티어링 장치를 구성하는 대표적인 비-접촉식 토크 센서의 주요 부분을 나타낸다.

상기 토크 센서(101)는 주로 핸들(미도시됨)과 연결되는 입력축(102)과, 상기 스티어링 휠의 측면와 연결되는 출력축(103)과, 상기 축(102),(103)간을 연결하는 토션바(104)와, 상기 입력축(102)과 출력축(103)의 측면 위치에서 토션 바(104)의 외주면상에 서로 반대로 대응되게 배열된 제1 및 제2감지링(105),(106)과, 비-접촉 상태에서 인덕턴스(Inductance)의 변화로서 제2감지링(106)에 관하여 입력축(102)에 토크가 적용될 때, 토션 바(104)의 변위량에 따라 변위되는 제1감지링(105)의 상대적인 변위량을 감지하는 감지 코일(107)로 구성된다.

또한, 상기 자심(108)은 코일통 둘레면에 감겨진 감지 코일(107)과, 상기 감지 코일(107)이 수납되도록 한 밀폐공간(S)를 형성하면서 상기 감지링(105)(106)의 외주표면으로부터 일정거리로 분리된 위치에서 감지 코일(107)을 지탱시키도록 감 지 코일(107)의 수납공간을 갖는 환형코일수납부재(109)과, 일끝단이 상기 감지 코일(107)에 연결되고 타단은 코일수납부재(109)의 외부로 나오게 되는 리드 와이어(110)로 구성된다.

종래의 자심(108)은 도 8에 도시한 바와 같고, 코일수납부재(109)는 감지코일(107)이 수납되는 코일수납케이스(111)와, 이 케이스(111)의 개구에 장착되게 가압되는 캡(112)을 포함한다.

각각의 코일수납케이스(111)와 캡(112)은 전자기 스테인레스강계 또는 주철계의 연자성 재료의 압축성형분말을 압분체로 성형한 후, 소결한 연자성 소결체로 만들어진다.

또한, 상기 감지 코일(107)은 코일수납부재(109)의 내표면에 접착제(113)로 부착되어진다.

그러나, 상기 연자성 소결체는 페라이트(ferrite)와 센더스트 합금(sendust alloy)등과 비교하면 그 고유저항값이 낮고, 감지도가 좋지 않으며, 구동력의 주파수를 감지도의 향상을 위하여 높은 값으로 설정할 경우에는 와상전류(渦狀電流)의손실이 커지고 인덕턴스가 낮아지며, 그에따라 감지도가 보다 나빠지게 되며, 이에 고정밀의 감지를 유도하는데 어려움이 있다.

반면에, 페라이트와 센더스트 합금은 우수한 자성 특성을 보유하고 있기 때문에, 보다 높은 감지도를 실현할 수 있으나, 값이 비싸고, 그에따라 코일수납부재에 상기 페라이트와 센더스트 합금을 적용하는 것은 비용의 측면에서 바람직하지 못한 점이 있다.

또한, 상기 페라이트는 인덕턴스의 온도변화가 큰 단점이 있다.

비교적 높은 고유저항값을 가지면서 값이 싼 코일수납부재는 절연된 연자성 분말의 압분체로 구성되고 있다.

압분체로 구성된 상기 코일수납부재는 좋은 감지도를 보유하고 있는데, 그 이유는 높은 주파수 전류가 적용되는 경우에 와상전류손실이 작기 때문이다.

상기 압분체는 소결되지 않으면, 상기 코일수납부재는 강도에 약하고 충격을 받았을 때 쉽게 파손되기 때문에 종래의 압입 감합 구조로는 제조의 어려움이 있다. 더욱이, 이러한 적용은 한계가 있는 바, 전동식 파워 스터어링에 적용함은 현기술로서 어려움이 있다.

종래의 자심(도 8 참조)에 있어서, 감지코일(107), 보다 정확하게는 감지코일이 감겨진 코일통(114)이 단순하게 접착제로 코일수납부재(109)의 내표면에 고정되어 있는 바, 이는 코일수납부재(109)의 내표면에 코일통을 고정시키는 수단으로 불충분하다.

이러한 경우에, 강한 충격력이 코일통(114)에 의하여 코일수납부재(109)에 가해지면, 코일수납부재(109)가 깨지게 될 우려가 있다.

더욱이, 감지코일(107)이 상기 코일수납부재(109)에 수납된 후 형성된 밀폐공간(S)에는 아무것도 채워지지 않음에 따라, 감지코일(109)의 감김상태가 불안정하게 되어, 자기특성에 큰 악영향을 미치게 된다.

따라서, 코일수납부재가 상기 압분체로 만들어지면, 코일수납부재(109)에 감지코일(107)을 확실하게 고정시켜야 하고, 감지코일의 감김상태를 유지시키는 수단 을 필요로 한다.

또한, 통상의 변위 센서가 알루미늄 합금등으로 만들어진 하우징에 외부로부터 전자파에 의한 영향을 피하기 위하여 내접촉 배열된다.

그러나, 코일수납부재가 하우징과 내접하는 절연 코팅재를 갖는 외경면상에 부착되지 않으면, 하우징에 와전류가 발생하고, 감지코일의 감지도가 떨어지는 문제점을 일으킨다.

또한, 하우징이 알루미늄 합금으로 만들어지면, 하우징과 코일수납부재간의 열팽창계수의 차이로 인하여, 특히 낮은 온도에서 하우징의 큰 열수축에 의하여 코일수납부재에 물림현상이 발생하기 쉽고, 이러한 현상은 인덕턴스의 편차를 발생시키는 자심의 뒤틀림을 초래하게 된다.

따라서, 본 발명의 목적은 자심(magnetic core)을 구성하는 코일수납부재의 골격으로서, 저가이면서 비교적 높은 고유저항값을 갖는 절연된 연자성 분말의 압분체를 이용함과 동시에 압분체의 사용시 문제점으로 발생된 기계적 특성을 유효하게 개선하고, 특히 자동차용 전동식 스티어링 장치에 적합하게 이용되는 비접촉식 변위 센서용 자심을 제공하는데 있다.

이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 비-접촉식 변위 센서용 자심은

입력축과 출력축을 동축으로 연결하는 토션바(torsion bar)의 외주면상에 서로 반대로 배열된 제1 및 제2감지링(detecting coil)과, 이 제1및 제2감지링의 비- 접촉상태에서 인덕턴스(inductance)의 변화로서 제2감지링에 대한 제1감지링의 상대적인 변위량을 측정하는 감지코일과, 입력축에 토크가 적용될 때 토션 바의 변위량에 따라 변위되는 상기 제1감지링과,

감지코일(detecting coil) 수납용 공간을 갖고, 수납된 감지코일과 함께 밀폐공간을 형성하며, 상기 감지코일의 외주면으로부터 일정거리로 떨어져 분리된 위치에서 감지코일을 지탱해주는 환형의 코일수납부재와,

상기 감지코일에 일끝단이 연결되고 타단은 상기 코일수납부재의 외부로 도출되는 리드 와이어를 포함하는 비-접촉식 변위 센서용 자심에 있어서,

상기 코일수납부재를 절연된 연자성 분말을 주어진 형상으로 압축 성형하여 얻어진 압분체와; 상기 압분체의 외표면을 덮어주는 절연층과; 상기 감지코일이 수납된 코일수납부재의 밀폐공간에 충진되어, 코일수납부재내의 감지코일을 견고하게 고정시켜주는 유기수지로 구성한 것을 특징으로 한다.

본 발명의 바람직한 구현예로서, 상기 코일수납부재에는 밀폐공간으로 유기수지를 충진할 수 있도록 적어도 하나의 관통홀이 형성됨을 특징으로 하고, 또한 상기 코일수납부재는 양끝 위치에 상부 및 하부 개방구를 갖는 코일 하우징 케이스와, 상부 개방구로부터 삽입함과 동시에 하부 개방구상에 놓이게 되는 감지코일과, 밀폐공간을 형성하도록 상기 감지코일이 수납된 코일 하우징 케이스의 상부 개방구에 부착되는 캡으로 구성된 것을 특징으로 한다.

부가적으로, 상기 절연층을 구성하는 재료와 상기 밀폐공간에 충진되는 유기수지는 열가소성 또는 열경화성 수지를 사용하는 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 비-접촉식 변위 센서용 자심은 도 1A와 1B에 도시한 바와 같고, 도 1A는 평면도를, 도 1B는 부분 단면된 측면도이다.

도 2에는 도 1A와 도 1B의 자심이 장착된 자동차용 전동식 파워 스티어링 장치의 구현예가 도시되어 있다.

도 1에 도시된 자심(1)은 주로 코일통(17) 주변에 감겨진 감지코일(2)과, 이 감지코일(2)을 수납하고 있는 코일수납부재(3)와, 상기 감지코일(2)로부터 코일수납부재(3)의 외측을 향하여 연장된 터미널(리드 와이어(lead wire)를 포함)을 구성되어 있다.

도 2에 도시한 바와 같이, 상기 감지코일(2)은 비-접촉상태에서 인덕턴스의 변화에 따라 제2감지링(9)에 관한 제1감지링(8)의 상대적인 변위를 측정하는 부재로서, 제1및 제2감지링(8,9)은 제1입력축과 제2입력축의 측면에 위치하면서, 입력축(5)과 출력축(6)을 동축으로 연결하는 토션바(7)의 외주측에 서로 반대로 배열되고, 이때 토크는 토션바(7)의 변위에 따라 제1감지링(8)을 변위시킬 수 있도록 입력축(5)에 적용되어진다.

상기 코일수납부재(3)는 감지코일(3)을 수용할 수 있는 공간을 갖고, 감지코일(2)이 수납됨과 함께 밀폐공간(S)이 형성되며, 감지링(8,9)의 외원주면으로부터 일정거리 떨어진 위치에서 상기 감지코일을 지탱하고 있다.

상기 터미널은 외부전원(도시되지 않음)으로부터 감지코일(2)에 높은 주파수 전류를 공급하는 역할을 하도록 일측단은 감지코일(2)에 반대쪽단은 외부전원에 연 결된다.

도 6a,6b,6c는 본 발명에 따른 자심의 구성을 나타내는 분해 사시도를 나타내는 바, 도 6a는 캡(16)을, 도 6b는 코일통 주변에 감지코일(2)이 감겨진 상태를 나타내며, 도 6c는 코일 하우징 케이스(15)를 나타낸다.

본 발명은 자심(1)을 구성하는 코일수납부재(3)의 골격으로서 비교적 높은 고유저항값을 갖으며 값이 싼 압분체(10)가 사용된 점, 그리고 유기수지(12)가 감지코일(2)이 수납된 코일수납부재(3)의 밀폐된 공간에 채워진 점에서 그 특징이 있다.

좀 더 상세하게는, 상기 코일수납부재(3)가 절연된 연자성 분말을 주어진 형상으로 압축 성형하여 얻어진 압분체(10)로 구성되고, 절연층(11)이 압분체(10)의 외표면을 덮게 되며, 상기 유기수지(12)가 코일수납부재(3)에 감지코일(2)이 확실하게 부착되도록 감지코일(2)이 수납된 코일수납부재(3)의 밀폐공간에 채워지게 된다.

이와 같은 구성을 채택함으로써, 높은 주파수 전류가 상기 감지코일(2)에 적용되더라도, 와상전류손실이 감지도를 향상시킬 수 있도록 크게 감소된다.

또한, 자심의 강도가 상당히 증가하게 되고, 그에따라 충격이 자심에 가해지더라도 자심의 파손이 좀처럼 일어나지 않게 된다. 또한, 상기 자심의 제조 비용은 적게 든다.

그 결과, 본 발명에 따른 자심은 비-접촉식 변위 센서용 자심으로서의 성능을 충분히 보유하고, 그에따라 자동차용 전동식 파워 스티어링 장치에 상기 자심을 용이하게 적용 가능하게 된다.

상기 압분체(10)는 절연된 연자성 분말을 주어진 형상으로 압축 성형하여 얻어진 것이다.

절연된 연자성 분말로서, 인산염(phosphate)처리 또는 약 1질량% 이하의 유기결합제를 갖는 무기물 코팅 처리가 가해진 주철재 분말을 혼합하여 얻어진 혼합분말을 사용하는 것이 바람직하다.

또한, 압축 성형은 압분체의 밀도가 7.2g/cm³이하가 되는 조건하에서 실행함이 바람직하다.

또한, 자심의 특성을 향상시키기 위하여, 압축 성형후, 500℃ 이하의 온도로 압분체를 가열하는 것이 바람직하다.

절연층(11)은 알루미늄 합금으로 만들어진 하우징과 내접촉하며 배열되어, 상기 압분체(10)를 보호하고, 와상전류의 발생을 방지하며, 낮은 온도에서 자심에 대한 하우징의 물림 현상을 완화시킨다.

또한, 하우징에 대한 전도가 차단됨에 따라, 차체로부터 전위의 변화를 받게됨 없이 안정된 응답성을 얻을 수 있게 된다.

상기 절연층(11)을 구성하는 재료로는 폴리페니렌 설파이드(polyphenylene sulfide)와 같은 열가소성 수지, 폴리에스터(polyester), 폴리아미드(polyamide) 또는 유리섬유(glass fiber)가 혼합된 동종의 수지, 또는 페놀 수지와 같은 열경화성 수지와 유리섬유가 혼합된 동종의 수지등을 사용하는 것이 바람직하다.

상기 절연층(11)의 두께는 적어도 0.3mm가 되도록 함이 바람직하다.

상기 두께가 0.3mm 이하이면, 압분체가 충분하게 보호받지 못한다.

또한, 상기 절연층(11)을 형성하는 방법으로는 인서트 몰딩(insert molding) 방법을 사용하는 것이 바람직하다.

코일수납부재(3)의 밀폐된 공간에 채워진 유기수지(12)로서는 절연층(11)을 구성하는 재료와 다른 재료를 사용할 수 있지만, 절연층과 동종의 재료를 사용하는 것이 바람직하다. 이렇게 함으로써, 밀폐공간내에 유기수지(12)를 충진하는 것과 절연층(11)의 형성을 동시에 얻어낼 수 있는 인서트 몰딩 방법을 사용하는 것이 바람직하다.

상기 코일수납부재(3)에는 상기 밀폐공간에 유기수지를 채우기 위하여 적어도 하나의 관통홀(13)(도 1의 나타낸 하나의 관통홀)이 형성된다.

특히, 상기 밀폐공간내에 유기수지를 빠르게 충진시키려면, 도 6C에 도시한 바와 같이 코일수납부재의 외표면에 다수개의 관통홀(13)을 등간격으로 배열되게 형성하는 것이 바람직하다.

도 6C에 도시한 바와 같이, 상기 코일수납부재(3)는 양쪽 끝에 상부와 하부 개방구(14a,14b)를 갖는 코일 하우징 케이스(15)로 구성되어, 상부 개방구(14a)로부터 감지코일(2)을 삽입함으로써, 하부 개방구(14b)상에 감지코일(2)이 놓여지게 되고, 이렇게 감지코일(2)이 수납된 코일 하우징 케이스(15)의 상부 개방구(14a)에 캡(16)을 부착함으로써, 밀폐공간이 형성된다.

이러한 경우에, 상기 관통홀(13)이 코일 하우징 케이스(15)와 캡(16)중 하나 에 형성될 수 있다.

다른 구현예로서, 도 3에 도시한 바와 같이 압분체(10a,10b)의 밀폐공간에 유기수지(12)를 충진하는 인서트 몰딩(insert molding) 방법을 사용함으로써, 두 개의 압분체(10a,10b)가 상기 감지코일(3)과 함께 수납된 후, 두 개의 캡(16a,16b)이 서로 겹쳐지도록 하고, 동시에 절연층(11)으로 압분체의 전체 외표면이 덮혀지도록 한다. 따라서, 생산성이 크게 향상된다.

도 4에 도시한 바와 같이, 상기 압분체(10a,10b)의 상부 개방구는 보통의 캡(16)에 의하여 닫혀지게 되고, 그에따라 자심의 제조비용이 감소되면서 생산성이 크게 향상된다.

본 발명의 구현예가 상술한 바와 같지만, 본 발명의 범주내에서 다양한 변형이 가능하다.

예를들어, 도 5에 도시한 바와 같이, 3개 또는 그 이상의 돌출부(18)(도면에는 4개로 도시됨)를 변위센서용 자심의 외주면에 배열시킴으로써, 자심이 하우징의 내부 원주면에 견고하게 고정될 수 있다.

상술한 본 발명에 따르면, 상기 절연된 연자성 분말로 만들어진 압분체가 코일수납부재의 골격으로 이용됨으로써, 높은 주파수 전류의 적용에도 와상전류손실이 감소하게 되고, 높은 인덕턴스 특성을 얻을 수 있으며, 그에따라 감지도가 크게 향상되어진다.

감지코일이 수납된 코일수납부재의 밀폐공간에 유기수지를 충진함으로써, 코일수납부재에 감지코일이 견고하게 고정되고, 그에따라 자심의 강도가 현격하게 증가하게 된다.

또한, 자심이 하우징과 내접촉할 때 발생의 우려가 있는 와상전류손실이 절연층으로 압분체의 외표면을 덮어줌으로써, 용이하게 제어된다.

또한, 하우징은 알루미늄 합금으로 만들어짐에 따라, 낮은 온도에서 발생될 우려가 있는 자심에 대한 하우징의 물림 현상이 절연층에 의하여 경감되고, 그에따라 자심이 뒤틀리지 않고, 안정된 인덕턴스 특성을 얻을 수 있게 된다.

Claims (4)

1. 입력축(5)과 출력축(6)을 동축으로 연결하는 토션바(7)의 외주면상에 서로 반대로 배열된 제1 및 제2감지링(8,9)과, 이 제1및 제2감지링(8,9)의 비-접촉상태에서 인덕턴스의 변화로서 제2감지링(9)에 대한 제1감지링(1)의 상대적인 변위량을 측정하는 감지코일(2)과, 입력축(5)에 토크가 적용될 때 토션바(7)의 변위량에 따라 변위되는 상기 제1감지링(8)과, 감지코일(2) 수납용 공간을 갖고, 수납된 감지코일과 함께 밀폐공간을 형성하며, 상기 감지링(8,9)의 외주면으로부터 일정거리로 떨어져 분리된 위치에서 감지코일(2)을 지탱해주는 환형의 코일수납부재(3)와, 상기 감지코일(2)에 일끝단이 연결되고 타단은 상기 코일수납부재(3)의 외부로 도출되는 리드 와이어를 포함하여 이루어진 자심(1)을 갖는 비-접촉식 변위 센서용 자심에 있어서,

   상기 코일수납부재(3)를 절연된 연자성 분말을 주어진 형상으로 압축 성형하여 얻어진 압분체(10)와;

   상기 압분체(10)의 외표면을 덮어주는 절연층(11)과;

   상기 감지코일이 수납된 코일수납부재(3)의 밀폐공간에 충진되는 유기수지(12)로 구성되며.

   상기 코일수납부재(3)는 상기 감지코일(3)을 수용하기 위하여 채택되고,

   상기 유지수지(12)는 상기 코일수납부재(3)내의 감지코일(2)을 견고하게 고정시켜주기 위하여 충진된 것을 특징으로 하는 비-접촉식 변위 센서용 자심.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 코일수납부재(3)에는 상기 밀폐공간에 유기수지(12)를 충진할 수 있도록 적어도 한 개의 관통홀(13)이 형성된 것을 특징으로 하는 비-접촉식 변위 센서용 자심.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 코일수납부재(3)는 양끝 위치에 상부 및 하부 개방구(14a,14b)를 갖는 코일 하우징 케이스(15)와, 상부 개방구(14a)로부터 삽입함과 동시에 하부 개방구(14b)상에 놓이게 되는 감지코일(2)과, 밀폐공간을 형성하도록 상기 감지코일(2)이 수납된 코일 하우징 케이스(15)의 상부 개방구(14a)에 부착되는 캡(16)으로 구성된 것을 특징으로 하는 비-접촉식 변위 센서용 자심.
4. 제 1 항에 있어서, 상기 절연층(11)을 구성하는 재료와 상기 밀폐공간에 충진되는 유기수지(12)는 열가소성 또는 열경화성 수지인 것을 특징으로 하는 비-접촉식 변위 센서용 자심.

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