KR100972336B1

KR100972336B1 - 조향장치용 비접촉식 토크센서

Info

Publication number: KR100972336B1
Application number: KR1020050050950A
Authority: KR
Inventors: 문형태; 최치권; 이진환
Original assignee: 주식회사 만도
Priority date: 2005-06-14
Filing date: 2005-06-14
Publication date: 2010-07-26
Also published as: KR20060130333A

Abstract

본 발명은 조향장치용 비접촉식 토크센서에 대한 것으로, 발명의 주된 목적은 입력축과 출력축에 상호 비접촉 상태로 끼워지면서 길이 방향으로 빗살부를 가지는 원통체를 마련하고, 이들의 원통체가 가지는 빗살들의 중첩 면적으로서 정전용량을 측정하도록 하여 보다 정확하게 토크를 감지할 수 있도록 하는데 있다.

이를 위한 본 발명의 특징적인 구성은 입력축(120)에는 원주면을 따라 다수의 등간격 빗살부(211)를 가지는 입력축측 원통체(210)를 마련하고, 출력축(130)에는 상기 입력축측 원통체의 둘레를 감싼체 비 접촉 상태로 끼우되, 역시 원주면을 따라 다수의 등간격 빗살부(221)를 가지는 출력축측 원통체(220)를 마련하며, 상기한 입력축측 원통체(210)의 둘레에서 상기 하우징 내부에 고정되는 입력축측 도체(230)와, 상기한 출력축측 원통체(220)의 둘레에서 상기 하우징 내부에 고정되는 출력축측 도체(240)를 마련한 후, 상기한 입력축측 원통체(210)와 입력축측 도체(230) 사이의 정전용량을 검출하는 제1캐패시터(C1)와, 상기한 출력축측 원통체(220)와 출력축측 도체(240) 사이의 정전용량을 검출하는 제2캐패시터(C2)와, 상기한 빗살부(211)와 빗살부(221) 사이의 정전용량을 검출하는 제3캐패시터(C3), 상기한 각각의 캐패시터들로부터 검출한 정전용량의 값으로 토크를 산출하기 위한 변환회로수단(260)으로 구성하는 것이다.

Description

조향장치용 비접촉식 토크센서{TORQUE SENSOR FOR STREEING SYSTEM}

도 1은 종래의 토크센서 구성을 보인 부분 절개 사시도

도 2는 본 발명의 전체 구성을 보인 구성도

도 3은 본 발명의 요부 구성을 보인 부분 분해 사시도

도 4는 본 발명의 요부 단면도

도 5는 본 발명의 작동원리 설명도

<도며의 주요 부분에 대한 부호설명>

110 : 하우징 120 : 입력축

121 : 내측 치형부 122 : 절개홈

130 : 출력축 131 : 외측 치형부

132 : 절결홈 140 : 토션바

150 : 피니언 160 : 랙바

200 : 정전용량 검출수단 210 : 제1전극

220 : 제2전극 230 : 차폐물질

240 : 케이스

본 발명은 조향장치용 비접촉식 토크센서에 대한 것으로, 더 상세하게는 입력축과 출력축의 상대 회전에 의해 발생하는 슬롯 원통체들의 중첩 면적의 변화로 인한 정전용량(Capacitance)의 변화를 검출하여 토크를 감지 하는데 특징이 있는 것이다.

일반적으로 자동차는 주행중 또는 정지시에 조향핸들을 회전시킴에 따라 노면과 접촉하고 있는 바퀴도 회전하여 조향되는데, 바퀴와 노면 사이에는 마찰력이 작용하고 있어 동력전달 과정중의 손실에 의해 조향핸들의 회전각도만큼 바퀴가 회전되지 않는다.

이에 따라, 상기 조향핸들과 바퀴의 회전각도 편차를 측정하여 이를 보상하기 위한 수단이 필요한데, 이러한 기능을 하는 것이 바로 토크 센서이다.

즉, 토크 센서를 통해 조향핸들의 회전각도와 바퀴의 회전각도 사이의 회전각도 편차를 측정하고, 이 측정된 편차만큼 별개의 동력수단을 이용하여 바퀴를 회전시킴으로써 차량을 진행시키고자 하는 방향으로 안전하고 정확하게 조향할 수 있다.

상기와 같은 기능을 갖는 종래의 차량용 조향장치의 토크 센서는 도 1에 도시된 바와 같이, 일측단이 조향핸들(10)과 결합된 입력축(20)과 일측단이 바퀴(도 시하지 않음)측과 결합된 출력축(30)이 마련되고, 이 입력축(20)과 출력축(30)을 연결하며 상기 조향핸들(10)의 조향정도에 따라 비틀리는 토션바(Torsion Bar)(40)로 구성된다.

상기 토션바(40)의 일단부가 입력축(20)의 타단부와 결합되고 이의 타단부는 출력축(30)의 타단부와 결합되어 있다.

그리고, 상기 입력축(20)과 출력축(30)의 타단부 사이에는 자성체로 이루어진 3개의 검출링(50)이 일정간격만큼 이격되게 구성되어 있으며, 이때 제1검출링(51)은 조향핸들(10)측의 입력축(20) 외주면에 결합되어 조향핸들(10)과 동일한 각도로 회전운동하며, 제2검출링(52)은 토션바(40)의 중심부 외주면, 그리고 제3검출링(53)은 바퀴측에 연계된 출력축(30)의 타단부 외주면에 각각 결합되어 조향핸들과 동일한 각도로 회전운동한다.

이때, 상기 제1검출링(51)의 일면, 즉 제2검출링(52)의 일면과 대향하는 면에는 요철부(51a)가 형성되어 있고, 제2검출링(52)과 제3검출링(53)의 서로 대향하는 면에도 역시 요철부(52a,53a)가 각각 형성되어 있으며, 상기 제1검출링(51)과 제2검출링(52)의 간격은 상기 제2검출링(52)과 제3검출링(53) 사이에 설정된 간격의 2배의 간격으로 고정되어 있다.

또한, 제1검출링(51)과 제2검출링(52)사이의 외측면과 제2검출링(52)과 제3검출링(53) 사이의 외측면에는 제1검출코일(60)과 제2검출코일(70)이 각각 권선되어 있으며, 이는 차량의 적소에 마련된 신호변환기(80)와 접속된다.

상기와 같이 구성된 종래 차량용 조향장치의 토크 센서는, 운전자가 조향핸 들(10)을 회전시키면, 토션바(40) 및 입력축(20), 출력축(30)도 일체로 회전하는데, 이때 조향핸들(10)측과 결합된 토션바(40)의 일측이 바퀴측과 결합된 타측보다 더 비틀려져 많이 회전된다.

즉, 바퀴와 노면과의 마찰력에 의해 제1검출링(51), 제2검출링(52) 그리고 제3검출링(53)순으로 회전각도가 크게 된다.

이에 따라, 제1검출링(51)과 제2검출링(52)의 대향면적은 변하지 않는데, 각각의 요철부(52a,53a)가 서로 대향되게 형성된 제2검출링(52)과 제3검출링(53)의 대향면적은 변화되며, 따라서 제2검출링(52)과 제3검출링(53) 사이의 바깥측 자속의 변화로 제2검출코일(70)의 인덕턴스 값이 변화된다.

즉, 초기에는 제1검출코일(60)과 제2검출코일(70)의 인덕턴스 값이 동일하게 설정되어 있는데, 조향핸들(10)의 회전으로 인하여 제1검출코일(60)의 인덕턴스 값은 일정하고 제2검출코일(70)의 인덕턴스값만 변하게 됨으로써, 신호변환기(80)에서는 제1검출코일(60)의 인덕턴스값에 대한 제2검출코일(70)의 인덕턴스값의 변화를 측정하여 조향핸들(10)과 바퀴측의 회전편차를 측정하게 되는 것이다.

그러나, 상기와 같은 종래의 차량용 조향장치의 토크 센서의 기구적 장치에 있어서, 3개의 검출링을 설치하기 위해 별도의 기구적 구조가 필요하고 핀박음등의 작업이 필요하게 되며, 기구적 구조가 자성체이므로 별도의 비자성체링을 검출링에 삽입해야 하는 등의 번거로움이 있었다.

또한, 각 검출링(51∼53)간의 간격 설정도 상기 제2검출링(52)과 제3검출링(53)의 간격을 설정하고 나서 제1검출링(51)과 제2검출링(52)의 간격을 설정해야 하므로 두 번의 간격 설정 작업이 필요하게 되는 문제도 있었다.

특히, 검출링들이 갖는 치형의 이동에 따른 인덕턴스 변화가 작아 신호를 많이 증폭해야 하는 단점이 있고, 그에 따라 노이즈도 같이 증폭되는 등의 문제점이 있다.

또, 그 외에도 케이블이 풀리고 감기는데 따른 소음이 발생하며, 열온도에 민감하여 성능이 저하되는 등의 단점이 있었다.

상기와 같은 종래의 문제점을 감안하여 안출한 것으로, 발명의 주된 목적은 비접촉식 토크센서를 구성하되, 입력축과 출력축에 상호 비접촉 상태로 끼워지면서 길이 방향으로 빗살부를 가지는 원통체를 마련하고, 이들의 원통체가 가지는 빗살들의 중첩 면적으로서 정전용량을 측정하도록 하여 보다 정확하게 토크를 감지할 수 있도록 하는데 있다.

더 나가서 토크 센서의 전체적인 구성품을 간소화 시킬 수 있으면서 조립/생산성을 높일 수 있도록 하는데 목적이 있는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징적인 구성 수단은 하우징과, 상기 하우징의 내부에서 핸들의 회전력을 전달받는 입력축과, 상기 입력축과 토션바로써 연결된 출력축과, 상기 출력축 하단의 피니언에 치합된 랙바로 이루어진 조향장치 에 있어서, 상기한 입력축에는 원주면을 따라 다수의 등간격 빗살부을 가지는 입력축측 원통체를 마련하고, 상기 출력축에는 상기 입력축측 원통체의 둘레를 감싼체 비 접촉 상태로 끼우되, 역시 원주면을 따라 다수의 등간격 빗살부를 가지는 출력축측 원통체를 마련하며, 상기한 입력축측 원통체의 둘레에서 상기 하우징 내부에 고정되는 입력축측 도체와, 상기한 출력축측 원통체의 둘레에서 상기 하우징 내부에 고정되는 출력축측 도체를 마련한 후, 상기한 입력축측 원통체와 입력축측 도체 사이의 정전용량을 검출하는 제1캐패시터와, 상기한 출력축측 원통체와 출력축측 도체 사이의 정전용량을 검출하는 제2캐패시터와, 상기한 빗살부과 빗살부 사이의 정전용량을 검출하는 제3캐패시터, 상기한 각각의 캐패시터들로부터 검출한 정전용량의 값으로 토크를 산출하기 위한 변환회로수단을 포함하여 구성하는 것이다.

이때, 다수의 등간격 빗살부과 다수의 등간격 빗살부는 서로의 빗살 수가 동일하면서 축의 중심으로 부터 동일한 각도(θ)범위의 치수폭을 가지도록 하는 것이다.

또, 상기한 제1캐패시터와, 제2캐패시터와, 제3캐패시터들은 보다 더 정확한 측정을 위하여 각각 복수개를 사용할 수 있다.

이하 본 발명의 상세한 구성을 첨부 도면에 따라 차례로 설명한다.

도 2는 본 발명의 전체 구성을 보인 구성도, 도 3은 본 발명의 요부 구성을 보인 부분 분해 사시도, 도 4는 본 발명의 구성을 보인 평단면도이다.

통상적인 조향장치는 도 2에서 보는 바와 같이 하우징(110)과, 상기 하우징 의 내부에서 핸들의 회전력을 전달받는 입력축(120)과, 상기 입력축과 토션바(140)로써 연결된 출력축(130)과, 상기 출력축 하단의 피니언(150)에 치합된 랙바(160)로 이루어진다.

본 발명에서는 먼저, 상기한 입력축(120)에 원주면을 따라 다수의 등간격 빗살부(211)를 가지는 입력축측 원통체(210)를 마련하고, 상기 출력축(130)에는 상기 입력축측 원통체의 둘레를 감싼체 비 접촉 상태로 끼우되, 역시 원주면을 따라 다수의 등간격 빗살부(221)를 가지는 출력축측 원통체(220)를 마련한다.

또, 상기한 입력축측 원통체(210)의 둘레에서 상기 하우징 내부에 고정되는 입력축측 도체(230)와, 상기한 출력축측 원통체(220)의 둘레에서 상기 하우징 내부에 고정되는 출력축측 도체(240)를 마련한다.

그리고 상기한 입력축측 원통체(210)와 입력축측 도체(230) 사이의 정전용량을 검출하는 제1캐패시터(C1)와, 상기한 출력축측 원통체(220)와 출력축측 도체(240) 사이의 정전용량을 검출하는 제2캐패시터(C2)와, 상기한 빗살부(211)와 빗살부(221) 사이의 정전용량을 검출하는 제3캐패시터(C3)를 마련하고, 상기한 각각의 캐패시터들로부터 검출한 정전용량의 값으로 토크를 산출하기 위한 변환회로수단(260)으로 구성한다.

이때의 상기한 다수의 등간격 빗살부(211)와 다수의 등간격 빗살부(221)는 도 4에서 보는 바와 같이 서로의 빗살 수가 동일하면서 축의 중심(O)으로 부터 동일한 각도(θ)범위의 치수폭을 가지도록 하는 것이 바람직하다.

다음은 상기와 같이 구성된 본 발명의 작동 상태를 설명한다.

운전자가 스티어링 휠을 돌리면 입력축(120)이 회전하고, 입력축에서 출력축(130)으로 연결된 토션바(140)에 회전력이 전달되면 출력축(130)이 회전하며, 이와같이 검출된 토크센서의 검출 값에 의해서 어시스트장치(도시하지 않았음)는 상기 랙바(160)의 작동을 어시시트 하게 될 것이다.

본 발명에서 상기와 같은 토크센서의 검출값을 얻는 과정을 보면, 상기 입력축(120)의 회전에 따라 입력축측 원통체(210)가 회전할 때, 이 입력축측 원통체(210)의 빗살부(211)와 상기 출력축(130)의 출력축측 원통체(220)가 갖는 빗살부(221)의 중첩이 발생한다.

즉 도 4의 상태로부터 내측 입력축측 원통체(210)의 빗살부(211)가 회전하면 서로 겹쳐지는 부분이 발생하며 이 부분에 의해서 각각의 캐패시터(C1)(C2)(C3)들이 감지하는 정전용량이 달라진다.

이와 같이 정전용량의 검출 과정은 도 5를 통해 자세히 설명한다.

일반적으로 캐패시터의 용량은 다음과 같은 식으로 표현된다.

C = ε* S/d

이때, S는 대향하는 도체의 중첩 면적, d는 두 도체간의 거리, ε는 두 도체사이에 존재하는 물질의 유전율을 나태낸다.

도 5는 4장의 도체를 빗살부가 겹치도록 배치한 것으로 각각은 거리 d만큼 상대적으로 떨어져 있고, 입력축측 도체(230)와 입력축측 원통체(210)의 사이에 캐패시터1(C1)이 있으며, 출력축측 도체(240)와 출력축측 원통체(220)의 사이에 캐패 시터2(C2)가 있고, 빗살부(211)와 빗살부(221)의 사이에 캐패시터3(C3)이 있다.

따라서

C _total = (1/C1 + 1/C2 + 1/C3) ^-1 의 식으로 산출된다.

즉, 상기와 같은 캐패시터(C1)(C2)(C3)들이 검출한 검출값을 볼테이지 변환회로를 포함하는 변환회로수단(260)에서 전기적인 신호로 바꾸면 토크값을 얻게 되는 것이다.

따라서 상기와 같은 본 발명의 토크센서에 의해서 감지된 토크 값으로 어시스트장치(유압, 전기모터 등이나 도시하지 않았음)에 필요한 어시스트를 명령하여 스티어링 시스템을 구성할 수 있게 되는 것이다.

그리고 상기한 제1캐패시터(C1)와, 제2캐패시터(C2)와, 제3캐패시터(C3)들은 보다 더 정확한 측정을 위하여 원통체의 반대쪽 위치에서 추가 설치하여 각각 복수개를 사용할 수 있다.

위에서 상세히 설명한 바와 같은 본 발명은 비접촉식 토크센서를 구성하되, 입력축과 출력축에 상호 비접촉 상태로 끼워진 원통체들의 빗살부, 빗살부의 중첩 면적을 가지고 정전용량을 검출하고, 이 정전용량을 신호로 변환하여 토크를 감지하도록 하였기 때문에 종래의 토크센서에 비하여 매우 정확하게 토크를 감지할 수 있는 장점이 있다.

아울러 토크 센서의 전체적인 구성품을 간소화 시킬 수 있으면서 조립/생산성을 높일 수 있는 것이다.

Claims

하우징(110)과, 상기 하우징의 내부에서 핸들의 회전력을 전달받는 입력축(120)과, 상기 입력축과 토션바(140)로써 연결된 출력축(130)과, 상기 출력축 하단의 피니언(150)에 치합된 랙바(160)로 이루어진 조향장치에 있어서,

상기한 입력축(120)에는 원주면을 따라 다수의 등간격 빗살부(211)를 가지는 입력축측 원통체(210)를 마련하고, 상기 출력축(130)에는 상기 입력축측 원통체의 둘레를 감싼체 비 접촉 상태로 끼우되, 역시 원주면을 따라 다수의 등간격 빗살부(221)를 가지는 출력축측 원통체(220)를 마련하며,

상기한 입력축측 원통체(210)의 둘레에서 상기 하우징 내부에 고정되는 입력축측 도체(230)와, 상기한 출력축측 원통체(220)의 둘레에서 상기 하우징 내부에 고정되는 출력축측 도체(240)를 마련한 후,

상기한 입력축측 원통체(210)와 입력축측 도체(230) 사이의 정전용량을 검출하는 제1캐패시터(C1)와, 상기한 출력축측 원통체(220)와 출력축측 도체(240) 사이의 정전용량을 검출하는 제2캐패시터(C2)와, 상기한 빗살부(211)와 빗살부(221) 사이의 정전용량을 검출하는 제3캐패시터(C3), 그리고

상기한 각각의 캐패시터들로부터 검출한 정전용량의 값으로 토크를 산출하기 위한 변환회로수단(260)으로 구성하여서 된 것을 특징으로 하는 조향장치용 비접촉식 토크센서.
제 1 항에 있어서,

상기한 다수의 등간격 빗살부(211)와 다수의 등간격 빗살부(221)는 서로의 빗살 수가 동일하면서 축의 중심(O)으로 부터 동일한 각도(θ)범위의 치수폭을 가지도록 하여서 된 것을 특징으로 하는 조향장치용 비접촉식 토크센서.
제 1 항에 있어서,

상기한 제1캐패시터(C1)와, 제2캐패시터(C2)와, 제3캐패시터(C3)들은 보다 더 정확한 측정을 위하여 각각 복수개를 사용하는 것을 특징으로 하는 조향장치용 비접촉식 토크센서.