KR101006151B1 - 조향장치용 비접촉식 토크센서 - Google Patents

Abstract

본 발명은 조향장치용 비접촉식 토크센서에 대한 것으로, 발명의 주된 목적은 비접촉식 토크센서를 구성하되, 입력축 출력축에 각각의 빗살 모양의 치형을 형성하고 그 외주연에 복층의 전극판으로 이루어진 정전용량 검출수단을 마련하여, 상기한 치형의 중첩정도에 따라 가변되는 정전용량의 변화로써 보다 정확하게 토크를 감지할 수 있도록 하는데 있으며, 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 하우징(110)과, 상기 하우징의 내부에서 핸들의 회전력을 전달받도록 하되, 원주면을 따라 다수의 절개홈(122)을 구비하는 내측 치형부(121)를 가지는 입력축(120)과, 상기 입력축과 내부 중앙에서 토션바(140)로써 연결되고 그 하단의 피니언(150)이 랙바(160)와 치합되게 하고, 상기 내측 치형부(121) 둘레를 감싸면서 역시 다수의 절결홈(132)을 가지는 외측 치형부(131)가 마련된 출력축(130)과, 상기 하우징(110)의 내주면에 고정하되, 상기 입력축의 내측 치형부(121)와 상기 출력축의 외측 치형부(131)가 마주하는 부분의 둘레에 마련한 정전용량 검출수단(200)을 포함하여 구성하는데 있다.

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 구성을 보인 평단면도

도 5는 본 발명의 실시예를 보인 검출수단의 구성도

도 6은 본 발명의 또 다른 실시예의 검출수단의 구성도

도 7은 본 발명의 내/외측 치형부의 또 다른 실시예를 보인 부분 사시도

도 8은 본 발명의 정전용량 검출 설명도

도 9는 본 발명의 정전용량 검출 실시 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 개구면적의 변화로 인한 정전용량의 변화를 하우징의 정전용량 검출수단에서 검출하도록 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 있 다.

상기와 같은 기능을 갖는 종래의 차량용 조향장치의 토크 센서는 도 1에 도시된 바와 같이, 일측단이 조향핸들(10)과 결합된 입력축(20)과 일측단이 바퀴(도시하지 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 제3 검출링(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 조향핸들(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 각각의 빗살 모양의 치형을 형성하고 그 외주연에 복층의 전극판으로 이루어진 정전용량 검출수단을 마련하여, 상기한 치형의 중첩정도에 따라 가변되는 정전용량의 변화로써 보다 정확하게 토크를 감지할 수 있도록 하는데 있으며, 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 전달받도록 하되, 원주면을 따라 다수의 절개홈을 구비하는 내측 치형부를 가지는 입력축과, 상기 입력축과 내부 중앙에서 토션바로써 연결되고 그 하단의 피니언이 랙바와 치합되게 하고, 상기 내측 치형부 둘레를 감싸면서 역시 다수의 절결홈을 가지는 외측 치형부가 마련된 출력축과, 상기 하우징의 내주면에 고정하되, 상기 입력축의 내측 치형부와 상기 출력축의 외측 치형부가 마주하는 부분의 둘레에 마련한 정전용량 검출수단을 포함하며, 상기한 정전용량 검출수단은 상기한 내측 치형부와 외측 치형부가 겹쳐지는 중첩폭과 대등한 폭치수의 전극폭을 가지는 제1전극과, 제2전극과, 이들 사이의 차폐물질과, 이들을 씌운 케이스로써 구성하여 상기한 제1 전극 및 제2 전극과 중첩되는 내, 외측 치형부의 정전용량 변화를 감지한다.

이때, 상기한 입력축의 내측 치형부와 출력축의 외측 치형부는 그 축들의 반경 방향으로 접촉 없이 중첩되도록 한다.

또는 입력축의 내측 치형부와 출력축의 외측 치형부는 그 축들의 길이 방향으로 근접되는 형태로 구성할 수도 있다.

삭제

이때의 상기한 제1전극과, 제2전극은 상기한 입력축 및 출력축의 반경 방향에 대하여 중첩되고 그 사이에 차폐물질을 개입시켜서 이루어진다.

또는, 상기한 제1전극과, 제2전극은 상기한 입력축 및 출력축의 길이방향에 대하여 중첩되고 그 사이에 차폐물질을 개입시켜서 구성할 수도 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 평단면도, 도 5는 본 발명의 실시예를 보인 검출수단의 구성도이다.

먼저, 하우징(110)과, 그 내부의 입력축(120)과, 출력축(130)과, 이들의 회전력 전달용 토션바(140)로 구성하되, 상기 입력축(120)은 상기 하우징의 내부에서 핸들의 회전력을 전달받도록 하면서 그 원주면을 따라 다수의 절개홈(122)을 구비하는 내측 치형부(121)를 가지는 것으로 한다.

또 한, 상기한 출력축(130)은 상기 입력축과 내부 중앙에서 토션바(140)로써 연결되고 그 하단의 피니언(150)이 랙바(160)와 치합되게 하며, 상기 출력축의 내측 치형부(121) 둘레를 감싸면서 역시 다수의 절결홈(132)을 가지는 외측 치형부(131)가 마련된 것으로 한다.

이때의 상기 입력축의 내측 치형부(121)와 상기 출력축의 외측 치형부(131)는 그 축들의 반경 방향으로 접촉 없이 중첩되도록 하는 것이 중요하다.

때에 따라서는 상기한 입력축의 내측 치형부(121)와 출력축의 외측 치형부(131)는 도 7에서 보는 바와 같이 그 축들의 길이 방향으로 근접되도록 형성하여 구성할 수도 있다.

또 한, 상기 하우징(110)의 내주면에 정전용량 검출수단(200)을 고정하되, 상기 입력축의 내측 치형부(121)와 상기 출력축의 외측 치형부(131)가 마주하는 부분의 둘레에 마련한다.

이때의 정전용량 검출수단(200)은 도 3에서 보는 바와 같이 상기한 내측 치형부(121)와 외측 치형부(131)가 겹쳐지는 중첩폭(W1)과 대등한 폭치수(W2)의 전극폭을 가지는 제1전극(210)과, 제2전극(220)과, 이들 사이의 차폐물질(230)과, 이들을 씌운 케이스(240)로써 구성하여 상기한 제1 전극 및 제2 전극과 중첩되는 내, 외측 치형부의 정전용량 변화를 감지할 수 있도록 하는 것이다.

그리고 상기한 제1전극(210)과, 제2전극(220)은 도 5에서 보는 바와 같이 상기한 입력축 및 출력축의 반경방향에 대하여 중첩되고 그 사이에 차폐물질(230)을 개입시켜서 구성할 수도 있고, 도 6에서 보는 바와 같이 상기한 입력축 및 출력축의 길이방향에 대하여 중첩되고 그 사이에 차폐물질(230)을 개입시켜서 구성할 수도 있다.

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, 이때 검출된 토크센서의 검출 값에 의해서 어시스트장치(도시하지 않았음)는 상기 랙바(160)의 작동을 어시시트 하게 된다.

본 발명에서 상기와 같은 토크센서값을 얻는 과정을 보면 입력축(120)의 절개홈(122)과 출력축(130)의 절결홈(132)에 의한 중첩 정도에 따라 가변되는 정전용량을 그 둘레에 마련된 정전용량 검출수단(200)이 검출하는 것이다.

이와 같은 검출 과정의 원리적 작용을 도 8 및 도 9를 통해 설명한다.

먼저, 고립되어 있는 도체에 전위 Φ를 가하면 도체 표면에 전하량 Q가 모인다. 전하량은 전위에 비례하며 도체의 크기나 모양에만 의존하는 어떤 비례상수가 존재한다. 따라서 전하량 Q = C * Φ로 나타낼 수 있는데 이때 비례상수 C를 정전용량이라고 한다.

예컨대, 도 8에서 보는 바와 같이 마주보는 두 개의 금속면에 전하가 각각 Q, -Q가 모일 때 극판 사이의 정전용량은 C = ε0 * A / R(ε0:공기의 유전상수, A:극판의 면적, R: 두 극판 사이의 거리)이다.

두 극판 사이에 금속물체가 들어오면 이 금속 물체의 양면에는 마주보는 금속전극의 영향으로 각각 반대 부호의 전하가 유도되고 두 개의 축전기가 직렬로 연결되어 있는 것과 같다. 이때의 정전용량은,

1 / C = 1 / C1 + 1 / C2 = {(R - d) / 2} / (ε0 * A) + {(R - d) / 2} / (ε0 * A) = (R - d) / (ε0 * A)

C = (ε0 * A) / (R - d) 이다.

그리고 도 9에서 보는 바와 같이 두 극판 사이의 금속물체가 밖에서 들어올 때를 생각해 보면, 평행판의 면적을 A, 높이가 h, 폭이 b라고 하면 A = b * h 이고, 사이의 금속물체가 y만큼 들어왔을 때 마주보는 면적은

A' = b * y = A * y / h가 된다.

이 때의 정전용량은,

C = (ε0 * A * y / h) / (R - d) + {ε0 * A (1- y * h)}/ R

= (ε0 * A * d) / {R * (R - d) * h} * y + ε0 * A / R

따라서 정전용량의 변화는 면적의 변화와 선형관계임을 알 수 있다.

상기 검출 원리에서 보는 바와 같이 입력축에서 회전하는 내측 치형부(121)의 절개홈(122)과 상기 외측 치형부(131)의 절결홈(132)이 겹쳐질 때, 정전용량은 금속재질의 제1전극과 제2전극에서 검출부의 안쪽 극판에서 나오는 전기장선은 직선으로 검출수단(200)을 향하고, 극판에 가까운 부분으로는 반대전하, 먼 쪽으로는 같은 전하가 모여 검출한다.

상기 차폐물질(230)은 상기와 같은 전하의 작용에 상호 방해가 되지 않도록 차단한다.

이와 같은 검출을 하는데 있어서, 도 5 및 도 6에서 보는 바와 같이 검출수단(200)을 실시할 수 있으며, 또 입력축의 절개홈(122)과 출력축의 절결홈(132)은 도 7에서 보는 바와 같이 달리하여 측정할 수도 있다.

위에서 상세히 설명한 바와 같은 본 발명은 비접촉식 토크센서를 구성하되, 입력축과 출력축에 각각의 빗살 모양의 치형을 형성하고 그 외주연에 복층의 전극판으로 이루어진 정전용량 검출수단을 마련하여, 상기한 치형의 중첩정도에 따라 가변되는 정전용량의 별화로써 감지하도록 하였기 때문에 보다 정확하게 토크를 감지할 수 있다.

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

Claims (6)

1. 하우징(110)과,

   상기 하우징의 내부에서 핸들의 회전력을 전달받도록 하되, 원주면을 따라 다수의 절개홈(122)을 구비하는 내측 치형부(121)를 가지는 입력축(120)과,

   상기 입력축과 내부 중앙에서 토션바(140)로써 연결되고 그 하단의 피니언(150)이 랙바(160)와 치합되게 하고, 상기 내측 치형부(121) 둘레를 감싸면서 역시 다수의 절결홈(132)을 가지는 외측 치형부(131)가 마련된 출력축(130)과,

   상기 하우징(110)의 내주면에 고정하되, 상기 입력축의 내측 치형부(121)와 상기 출력축의 외측 치형부(131)가 마주하는 부분의 둘레에 마련한 정전용량 검출수단(200)을 포함하며,

   상기한 정전용량 검출수단(200)은

   상기한 내측 치형부(121)와 외측 치형부(131)가 겹쳐지는 중첩폭(W1)과 대등한 폭치수(W2)의 전극폭을 가지는 제1전극(210)과, 제2전극(220)과, 이들 사이의 차폐물질(230)과, 이들을 씌운 케이스(240)로써 구성하여 상기한 제1 전극 및 제2 전극과 중첩되는 내, 외측 치형부의 정전용량 변화를 감지할 수 있도록 하여서 된 것을 특징으로 하는 조향장치용 비접촉식 토크센서.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기한 입력축의 내측 치형부(121)와 출력축의 외측 치형부(131)는 그 축들의 반경 방향으로 접촉 없이 중첩되도록 하여서 된 것을 특징으로하는 조향장치용 비접촉식 토크센서.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기한 입력축의 내측 치형부(121)와 출력축의 외측 치형부(131)는 그 축들의 길이 방향으로 근접되도록 하여서 된 것을 특징으로하는 조향장치용 비접촉식 토크센서.
4. 삭제
5. 제 1 항에 있어서,

   상기한 제1전극(210)과, 제2전극(220)은 상기한 입력축 및 출력축의 반경방향에 대하여 중첩되고 그 사이에 상기 차폐물질(230)을 개입시켜서 된 것을 특징으로 하는 조향장치용 비접촉식 토크센서.
6. 제 1 항에 있어서,

   상기한 제1전극(210)과, 제2전극(220)은 상기한 입력축 및 출력축의 길이방향에 대하여 중첩되고 그 사이에 상기 차폐물질(230)을 개입시켜서 된 것을 특징으로 하는 조향장치용 비접촉식 토크센서.

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