KR100779492B1 - 차량용 토크센서 - Google Patents

Abstract

본 발명은 차량의 파워 스티어링 시스템에 적용되는 토크센서에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 검출링의 구조를 개선하여 각 검출링 간의 간극 조절이 용이하게 되도록 하는 차량용 토크센서에 관한 것이다.

본 발명에 따른 토크센서는 입력축 및 출력축의 외면에 차례로 끼워지도록 마련되는 각 검출링과, 상기 각 검출링의 대응부에 형성되어 토션바의 비틀림에 따라 대향면적이 변화되도록 마련되는 치형부를 구비하며, 상기 하나의 치형부는 다른 하나의 치형부 내측에 마련되고, 각 치형부는 토션바의 반경방향으로 소정간격 이격되도록 형성된다. 따라서 각 검출링의 간극은 상기 검출링의 내경과 외경을 가공하는 검출링의 제작과정에서 미리 결정되기 때문에, 입력축과 출력축의 외면에 각 검출링의 치형부가 서로 겹쳐지도록 검출링을 끼우기만 하면 각 검출링의 간극은 간단히 조절된다. 또한, 토션바의 반경반향으로 형성되는 각 치형부의 간극은 온도에 따라 토션바의 길이가 변화되더라도 일정한 상태를 유지할 수 있게 되어, 토션바에 작용하는 토크를 보다 정밀하게 측정할 수 있게 한다.

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 도 2 중 검출링의 구조를 발취하여 나타낸 분해 사시도이다.

도 4는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 차량용 토크센서의 단면도이다.

도 5는 도 4 중 검출링의 구조를 발취하여 나타낸 분해 사시도이다.

*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*

10: 입력축 11: 롤러베어링부재

20: 출력축 21: 피니언기어

30: 토션바 41: 제1검출링

41a: 제1치형부 42: 제2검출링

42a: 제2치형부 43: 제3검출링

43a: 제3치형부 50: 센서하우징

60: 온도보상 검출코일조립체 61: 코일

70: 자기저항 검출코일조립체 71: 코일

80: 스페이서 90: 스톱퍼스크류

본 발명은 차량의 파워 스티어링 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 검출링의 구조를 개선하여 각 검출링 사이의 간극을 용이하게 맞출 수 있도록 한 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 근 거로 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 바와 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 배치되는 3개의 검출링(4,5,6)과, 검출링(4,5,6)들이 끼워져 설치되는 통형상의 센서하우징(7)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(4,5,6)은 입력축(1) 외주에 결합되어 스티어링휠(미도시)과 동일한 각도로 회전 운동하는 제1검출링(4)과 제2검출링(5), 그리고 출력축(2) 외주에 결합되어 출력축(2)과 함께 회전 운동하는 제3검출링(6)으로 구별된다. 또한, 상기 각 검출링(4,5,6)들은 각 대향면 사이가 소정의 간극을 유지할 수 있도록 상기 토션바(3)의 길이방향을 따라 소정간격 이격되도록 설치되며, 제1검출링(4)과 제2검출링(5)의 하면 및 제3검출링(6)의 상면에는 각각 요철형상을 이루도록 형성되는 치형부(4a,5a,6a)가 형성된다.

또한, 센서하우징(7) 내부에는 검출링(4,5,6)들의 치형부(4a,5a,6a)를 감싸 며 이들과 상호 작용하여 자기회로를 형성하도록 코일(8a,9a)이 권선된 온도보상 검출코일조립체(8)와 자기저항 검출코일조립체(9)가 배치된다. 온도보상 검출코일조립체(8)는 제1검출링(4)과 제2검출링(5) 사이를 감싸도록 배치되며, 자기저항 검출코일조립체(9)는 제2검출링(5)과 제3검출링(6) 사이를 감싸도록 배치되고, 이들 사이에는 스페이서(7a)가 개재된다.

이와 같은 구조에서 상기 토션바(3)가 비틀리게 되면, 제2검출링(5)과 제3검출링(6)에 형성된 각 치형부(5a,6a)들의 대향면적이 변하게 되고, 이러한 치형부(5a,6a)의 대향면적 변화는 자기저항 검출코일조립체(9)의 인덕턴스값을 변화시키며, 이 인덕턴스값의 변화를 측정하여 입력축(1)과 출력축(2)의 회전편차가 검출된다.

또한, 온도보상 검출코일조립체(8)의 인덕턴스값은 대향면적이 변화되지 않게 마련된 제1검출링(4)과 제2검출링(5)에 의해 온도변화에 따라서만 변화되도록 마련되는데, 이는 자기저항 검출코일조립체(9)의 인덕턴스값의 변화 중 온도의 영향에 따른 변화량을 보상하기 위한 것이다.

이때, 상기 각 검출링(4,5,6)의 대향면 사이의 간극은 각 치형부(4a,5a,6a) 간의 대향면적이 변화됨에 따라, 검출코일조립체(8,9)의 코일전압이 선형적으로 변화될 수 있도록 일정하게 유지되어야 하는데, 이를 위해 종래에는 조립지그를 이용하여 상기 각 검출링(4,5,6)을 입력축(1)이나 출력축(2)의 외주에 설치하고 있다.

그러나 상기와 같이 조립지그를 이용할 경우에는 검출링(4,5,6) 간의 간극을 맞추는데 있어서, 고도의 숙련도 및 정밀도가 요구되기 때문에, 입력축(1) 및 출력 축(2)에 검출링(4,5,6)을 조립하는 작업속도가 느려져 전체 토크센서의 생산성이 떨어지게 되는 문제점이 발생하게 된다.

또한, 종래의 토크센서는 외부 온도의 영향으로 토션바(3)의 길이가 변화될 경우, 입력축(1)과 출력축(2)의 길이도 변화하게 되고, 이에 따라 각 검출링(4,5,6) 사이의 간극도 변화되기 때문에, 온도의 변화에 따라 토션바(3)에 작용하는 토크를 정확하게 검출할 수 없게 되는 문제점이 발생한다.

본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 차량의 파워 스티어링 시스템에 있어서 토크센서에 설치되는 검출링의 구조를 개선하여 각 검출링 사이의 간극을 용이하게 맞출 수 있도록 함은 물론, 온도의 변화에 의해 토션바의 길이가 변화되더라도 각 검출링의 간극이 변화되지 않도록 하여 생산성 및 정밀도가 향상되도록 하는 차량용 토크센서를 제공하는 것이다.

이러한 목적을 달성하기 위해 본 발명은 스티어링휠이 결합되는 입력축과 조향기구와 결합되는 출력축을 동축상으로 연결하는 토션바, 자성체로 마련되며 상기 입력축 및 출력축의 외면에 차례로 설치되는 복수의 검출링, 상기 각 검출링의 대응부에 형성되어 상기 토션바의 비틀림에 따라 대향면적이 변화되도록 마련되는 치형부, 상기 각 검출링 사이를 감싸도록 마련되는 검출코일조립체, 상기 검출코일조립체를 수용하도록 마련되는 센서하우징을 구비한 토크센서에 있어서, 상기 하나의 치형부는 이웃하는 상기 다른 하나의 치형부 내측에 마련되되, 각각의 치형부는 상 기 토션바의 반경방향으로 소정의 간극을 갖도록 마련된 것을 특징으로 한다.

그리고 상기 하나의 치형부에는 상기 토션바의 반경반향을 따라 이웃하는 상기 다른 하나의 치형부 측으로 돌출되도록 연장되는 돌출연장부가 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 자성체로 마련되어 입력축(10)과 출력축(20)의 연결부에 차례로 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 내부에는 각각 코일(61,71)이 권선되도록 마련된다. 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 3에는 본 발명에 따른 차량용 토크센서의 입력축 및 출력축에 결합된 검출링(41,42,43)의 구조가 도시된다. 도 3에 도시한 바와 같이, 상기 각 검출링(41,42,43)의 대응면에 해당하는 제1검출링(41)과 제2검출링(42)의 하면 및 제3검출링(43)의 상면에는 각각 상기 토션바(30)의 비틀림에 따라 대향면적이 변화되도록 형성되는 제1, 제2, 제3치형부(41a,42a,43a)가 마련되는데, 상기 제1치형부(41a)와 제3치형부(43)는 각각 제2검출링(42)의 상단 및 제2치형부(42a) 내측으로 삽입되도록 마련되며, 제1치형부(41a)와 제2검출링(42)의 내면 및 제2치형부(42a)와 제3치형부(43a) 사이는 상기 토션바(30)의 반경반향으로 일정간격 이격된 상태를 유지하도록 마련된다. 이러한 구조에서 토션바(30)의 비틀림에 의해 상기 제2치형부(42a)와 제3치형부(43a)의 대향면적이 변화되면, 자기저항 검출코일조립체(70)의 인덕턴스값이 변화되고, 이 인덕턴스값의 변화를 측정하여 입력축(10)과 출력축(20)의 회전편차가 검출된다. 그리고 이때, 제1치형부(41a) 및 제1치형부(41a)와 대응하는 제2검출링(42)의 대향면적은 변화되지 않기 때문에, 온도보상 검출코일조립체(60)의 인덕턴스값은 온도변화에 따라서만 변화된다. 따라서 온도보상 검출코일조립체(60)의 인덕턴스값으로 자기저항 검출코일조립체(70)의 인덕턴스값의 변화 중 온도의 영향에 따른 변화량을 보상하게 된다.

이와 같이, 본 발명에 따른 토크센서에 있어서, 상기 제1치형부(41a)와 제3치형부(43a)는 각각 제2검출링(42)의 상단과 제2치형부(42a) 내측으로 삽입되도록 마련되기 때문에, 각 검출링(41,42,43) 사이의 간극은 제1치형부(41a)와 제3치형부(43a)의 외경이 각각 제2검출링(42)의 내경 및 제2치형부(42a)의 내경보다 작도록 가공한 상태에서 제1치형부(41a)는 제2검출링(42)의 상단 내측으로 삽입되도록 하고, 제3치형부(43a)는 제2치형부(42a) 내측으로 삽입되도록 각 검출링(41,42,43)을 상기 입력축(10)과 출력축(20)에 끼우기만 하면 일정하게 유지된다. 따라서 본 발명에 따른 토크센서에 있어서, 각 검출링(41,42,43)은 종래에 사용되던 조립지그를 사용할 필요 없이, 입력축(10)과 출력축(20)의 외면에 단순히 압입만 시키게 되면 각 검출링(41,42,43) 사이의 간극이 정확하고 용이하게 조절된다.

또한, 상기 제1치형부(41a)와 제2검출링(42)의 내면 사이 및 상기 제2치형부(42a)와 제3치형부(43a) 사이의 간극은 상기 토션바(30)의 반경방향으로 마련되기 때문에, 외부 온도의 영향으로 상기 토션바(30)의 길이가 다소 변화되더라도 상기 검출링(41,42,43) 사이의 간극은 일정한 상태를 유지할 수 있게 된다. 그리고 이렇게 외부 온도의 영향에도 일정한 상태를 유지할 수 있게 되는 검출링(41,42,43) 간의 간극은 검출코일조립체(60,70)의 코일전압이 선형적으로 변하도록 하여 토션바(30)에 작용하는 토크를 보다 정확하게 검출할 수 있게 한다.

그러나 상기 실시 예에 있어서, 토션바(30)의 길이방향에 따른 상기 제2치형부(42a)와 제3치형부(43a)의 상대위치는 온도의 영향에 의해 토션바(30)의 길이가 변화됨에 따라 입력축(10) 및 출력축(20)의 길이와 함께 변화하게 되는데, 이럴 경우에는 상기 제2치형부(42a)와 제3치형부(43a)의 대향면적이 변화되기 때문에, 토션바(30)의 길이변화 전후 자기저항 검출코일조립체(70)의 인덕턴스값은 불안정하게 변화될 우려가 있다.

따라서 도 4 및 도 5에는 온도변화에 따른 토션바(30)의 길이변화에도 토션바(30)의 길이방향에 따른 상기 제2치형부(42a)와 제3치형부(43a)의 대향면적이 변화되지 않도록 하는 본 발명의 다른 실시 예가 도시된다. 도 4와 도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 다른 실시 예에 있어서, 상기 제2치형부(42a)에는 토션바(30)의 반경방향을 따라 상기 제3치형부(43a) 측으로 돌출되도록 연장되는 돌출연장부(42b)가 마련된다. 이러한 돌출연장부(42b)는 온도변화에 따라 토션바(30)의 길이가 변화될 경우를 대비한 것으로, 상기 돌출연장부(42b)에 의해 토션바(30)의 길이가 변화되어 토션바(30)의 길이방향에 따른 제2치형부(42a)와 제3치형부(43a)의 상대위치가 다소 변화되더라도 제3치형부(43a)에 대한 상기 돌출연장부(42b)의 대향면적은 변화되지 않게 된다. 따라서 토션바(30)의 길이변화 전후 자기저항 검출코일조립체(70)의 인덕턴스값은 안정적으로 변화하게 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) 간에는 상대적 회전이 발생되어, 제2치형부(42a)와 제2치형부(42a) 내측에 마련된 제3치형부(43a)의 대향면적은 변화되고, 이에 따라 상기 자기저항 검출코일조립체(70)의 인덕턴스 값이 변화됨과 동시에 코일(61,71)에 흐르는 유기전압이 변화된다. 이러한 유기전압의 변화는 코일(61,71)의 자기저항의 변화에 의한 것으로 신호처리장치(미도시)를 통해 제어부(미도시)에 입력되며, 제어부(미도시)에서는 입력된 신호를 근거로 조향편차를 측정하고, 동력수단(미도시)을 가동시켜 이를 보상한다. 그리고 이때, 상 기 제2치형부(42a)와 제3치형부(43a) 사이의 간극은 상기 토션바(30)의 반경반향으로 형성되기 때문에, 주위 온도의 영향으로 토션바(30)의 길이가 다소 변화되더라도 일정한 상태를 유지하게 된다.

또한, 상기 토션바(30)가 비틀리게 되더라도 입력축(10)에 함께 결합되어 있는 상기 제1검출링(41)의 제1치형부(41a)와 제2검출링(42) 사이의 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 토크센서는 입력축 및 출력축의 외면에 차례로 끼워지도록 마련되는 각 검출링의 치형부가 서로 겹쳐지도록 마련되며, 각 치형부는 토션바의 반경방향으로 소정간격 이격되도록 형성된다. 따라서 각 검출링의 간극은 상기 검출링의 내경과 외경을 가공하는 검출링의 제작과정에서 미리 결정되기 때문에, 입력축과 출력축의 외면에 각 검출링의 치형부가 서로 겹쳐지도록 검출링을 끼우기만 하면 각 검출링의 간극은 간단히 조절된다. 또한, 토션바의 반경반향으로 형성되는 각 치형부의 간극은 온도에 따라 토션바의 길이가 변화되더라도 일정한 상태를 유지할 수 있게 되어, 토션바에 작용하는 토크를 보다 정밀하게 측정할 수 있게 한다.

Claims (2)

1. 스티어링휠이 결합되는 입력축과 조향기구와 결합되는 출력축을 동축상으로 연결하는 토션바, 자성체로 마련되며 상기 입력축 및 출력축의 외면에 차례로 설치되는 복수의 검출링, 상기 각 검출링의 대응부에 형성되어 상기 토션바의 비틀림에 따라 대향면적이 변화되도록 마련되는 치형부, 상기 각 검출링 사이를 감싸도록 마련되는 검출코일조립체, 상기 검출코일조립체를 수용하도록 마련되는 센서하우징을 구비한 토크센서에 있어서,

   상기 하나의 치형부는 이웃하는 상기 다른 하나의 치형부 내측에 마련되되, 각각의 치형부는 상기 토션바의 반경방향으로 소정의 간극을 갖도록 마련되고,

   상기 하나의 치형부에는 상기 토션바의 반경반향을 따라 이웃하는 상기 다른 하나의 치형부 측으로 돌출되도록 연장되는 돌출연장부가 마련된 것을 특징으로 하는 차량용 토크센서.
2. 삭제

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