KR101208178B1 - 토크 센서를 구비한 전동식 조향장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 토크 센서의 PCB 조립체와 컨센트레이터를 분리형으로 하고서 이들을 감속기의 기어박스에 장착함으로써, PCB 조립체의 불량시 교체가 가능하게 되어 보수유지에 따른 비용 및 시간이 절감됨과 더불어, 토크 센서 하우징의 움직임에 따른 영향이 없게 되어 토크 센서의 측정 성능의 변화도 작아져 토크 측정의 오류를 줄이고 정확한 측정치를 얻을 수 있도록 된 토크 센서를 구비한 전동식 조향장치에 관한 것이다.

Description

토크 센서를 구비한 전동식 조향장치{Electronic power steering apparatus having torque sensor}

본 발명은 토크 센서를 구비한 전동식 조향장치에 관한 것이다. 더욱 상세하게는 토크 센서의 PCB 조립체와 컨센트레이터를 분리형으로 하고서 이들을 기어박스 외부에 별도로 장착함으로써, PCB 조립체의 불량시 교체가 가능하게 되어 보수유지에 따른 비용 및 시간이 절감됨과 더불어, 토크 센서의 하우징의 움직임에 따른 영향이 없게 되어 토크 센서의 측정 성능의 변화도 작아져 토크 측정의 오류를 줄이고 정확한 측정치를 얻을 수 있는 토크 센서를 구비한 전동식 조향장치에 관한 것이다.

일반적으로 차량에는 조향휠(핸들)의 조향력을 경감하여 조향 상태의 안정성을 보장하기 위한 수단으로서 동력보조 조향장치가 사용되는데, 이와 같은 동력보조 조향장치에는 기존에 유압을 이용한 유압식 조향장치(HPS; Hydraulic Power Steering System)가 차량에 널리 이용되었으나, 최근에는 유압을 사용하던 기존의 방식과는 달리 모터의 회전력을 이용하여 운전자의 조향력을 쉽게 해주며 환경친화적인 전동식 조향장치(EPS; Electronic Power Steering System)가 차량에 보편적으 로 설치되고 있다.

이와 같은 전동식 조향장치는 차속센서, 조향 앵글 센서 및 조향 토크 센서 등에서 감지한 차량의 운행조건에 따라 전자 제어 장치(ECU; Electronic Control Unit)에서 모터를 구동시켜 저속 운행시에는 가볍고 편안한 조향감을 부여하고, 고속 운행시에는 무거운 조향감과 더불어 양호한 방향 안정성을 부여하며, 조향휠의 회전각에 따른 조속한 조향휠의 복원력을 제공하여 비상 상황에서 급속한 조향이 이루어지도록 하여 운전자에게 최적의 조향 조건을 제공하게 된다.

한편, 상기와 같은 전동식 조향장치는 운전자의 조향휠 회전력을 하측으로 전달할 수 있도록 조향휠과 기어박스의 사이에 배치되는 조향컬럼의 외부에 모터가 설치되어 그 내부의 조향축을 회전시킬 수 있도록 구성되어 조향휠 조타에 따른 운전자의 조향력을 보조하게 된다.

도 1은 종래의 전동식 조향장치의 개략적인 구성도로서, 도 1에서 도시된 바와 같이 전동식 조향장치(100)는 조향휠(102)로부터 양측 바퀴(126)까지 이어지는 조향 계통(130) 및 조향 계통(130)에 조향 보조 동력을 제공하는 보조 동력 기구(140)를 포함하여 구성된다.

조향 계통(130)은 일측이 조향휠(102)에 연결되어 조향휠(102)과 함께 회전하고 타측은 한 쌍의 유니버설 조인트(104)를 매개로 피니언축(108)에 연결되는 조향축(106)을 포함하여 구성된다. 또한, 피니언축(108)은 랙-피니언 기구부(110)를 통해 랙바(112)에 연결되고, 랙바(112)의 양단은 타이로드(122)와 너클암(124)을 통해 차량의 바퀴(126)에 연결된다.

보조 동력 기구(140)는 운전자가 조향휠(102)에 가하는 토크를 감지하고 감지된 토크에 비례하는 전기 신호를 출력하는 토크 센서(142), 조향휠의 회전각에 비례하는 전기 신호를 출력하는 앵글 센서(143), 토크 센서(142)와 앵글 센서(143)로부터 전해지는 전기신호에 기초하여 제어 신호를 발생하는 전자 제어 장치(144), 전자 제어 장치(144)로부터 전해지는 제어 신호에 기초하여 보조 동력을 발생시키는 모터(146) 및 모터(146)에서 발생한 보조 동력을 조향축(106)에 전달하기 위하여 웜 기어(152) 및 웜휠 기어(156)을 구비한 감속기(150)를 포함하여 구성된다.

다만, 웜휠 기어(156)의 일측에 마련되는 토크 센서(142)와 앵글 센서(143)는 경우에 따라서 각각 하나씩만 구비되거나, 양자 모두 구비되어 전동식 조향장치(100)를 구성할 수 있다.

도 2는 종래의 토크 센서의 분해 사시도이다.

도 2에서 도시된 바와 같이 종래의 토크 센서(142)는 제 1 자성체(225)가 외주면을 따라 구비되어 있는 몸체부(224)와 몸체부(224)의 중앙에 형성되어 있는 입력축(180)이 결합되는 입력축 삽입공(221)과, 입력축 삽입공(221)의 둘레를 따라 돌출되어 수개 형성되는 압착부(222) 및 압착부(222)에 끼워지는 압착링(223)을 포함하여 구성되는 토크 로터(220)와; 토크 로터(220)가 내주하는 토크 로터 삽입부(239)와 출력축(140)의 일단이 끼워지는 출력축 결합부(237)가 형성되어 있고 상부 스테이터(231)와 연결되는 제 2 자성체(236)와 하부 스테이터(232)와 연결되는 제 3 자성체(235)가 토크 로터 삽입부(239)의 둘레를 따라 교대로 반복하여 배열되어 있는 포지션 로터(230)와; 포지션 로터(230)의 외주면 일측에 끼워지고 포지션 로터(230)의 상부 및 하부 스테이터(231, 232) 사이에 상하로 마련되는 컨센트레이터(242)와, 컨센트레이터(242) 사이에 마련되는 PCB 조립체(241)에 제 1 홀 IC 칩(243)과 제 2 홀 IC 칩(245)이 구비되며 포지션 로터(230)와 상대회전이 가능한 자기량 검출부(240)와; 상부 하우징(210)과 하부 하우징(250)으로 분리되어 구성되어 포지션 로터(230)와 자기량 검출부(240)를 감싸는 하우징(255);을 포함하여 구성된다.

이러한 토크 센서(142)는 조향축의 입력축(180)과 출력축(140)의 토크를 측정하여 전자 제어 장치로 전송하고 이에 따라 전자 제어 장치에서 구동 모터를 작동시켜 조향 보조력을 제공하게 되는데, 최근에는 자기장의 변화량을 측정하여 토크의 변화를 측정하는 비접촉식이 많이 사용된다.

토크 로터(220)의 몸체부(224)는 통상 환형상의 요크(미도시)에 플라스틱 등을 사출 성형하여 만드는데, 그 외주면에는 둘레를 따라 N극과 S극이 교대로 반복되는 제 1 자성체(225)가 구비되어 있다.

여기서 N극과 S극은 N극이 6회, S극이 6회 교대로 반복되거나 N극이 8회, S극이 8회 교대로 반복되는 등의 구성으로 이루어져 있다.

포지션 로터(230)의 상부 스테이터(231)와 이에 연결되어 있는 제 2 자성체(236)는 N극으로 자화된 철판이고, 하부 스테이터(232)와 이에 연결되어 있는 제 3 자성체(235)는 S극으로 자화되어 있는 철판이다. 여기서 N극과 S극의 위치는 바뀔 수 있다.

전자 제어 장치는 자기량 검출부(240)에서 검출된 자속(Flux)의 변화량을 받 아 이를 근거로 모터(146:도 1 참조)를 제어하여 운전자의 조향력을 보조하게 된다.

토션바(205)는 입력축(180)과 출력축(140)에 압입된 후 핀에 의해 고정되고, 운전자가 조향휠을 회전시킴에 따라 조향휠과 연결되는 입력축(180)이 회전하게 되며, 입력축(180)과 토션바(205)를 매개로 연결되는 출력축(140)이 연동하여 회전하게 된다.

이때, 입력축(180)과 출력축(140) 사이에 비틀림이 발생하게 되면 출력축(140)에 압입되어 고정된 포지션 로터(230)와 입력축(180) 사이에 회전 각도의 차이가 발생하게 된다.

위와 같이 회전 각도의 차이가 발생하게 되면 포지션 로터(230)의 원주를 따라 교대로 반복하여 구비되어 있는 제 2 자성체(236) 및 제 3 자성체(235)와 제 1 자성체(225)의 사이에 형성되어 있던 자기장이 변화하게 되고, 그러면 토크 센서의 컨센트레이터(242)에서 모아진 자속이 두 개의 홀 IC 칩(243, 245)을 통과하는 양으로 토크를 측정하게 된다.

그러나, 이와 같은 종래의 토크 센서는 감속기(150)의 기어박스 내에 설치되어서, 예컨대 PCB 조립체가 불량인 경우에는 토크 센서만을 교체하지 못하여 전동식 조향장치 전체를 교체해야 하고, 이에 따라 보수유지에 불필요하게 많은 비용 및 시간이 소요된다고 하는 문제점이 있었다.

또한, 전술한 바와 같이 PCB 조립체 및 컨센트레이터를 포함하는 자기량 검출부(240)는 토크 센서의 하우징(255)에 직접 조립되는데, 이 하우징이 입력축 또 는 출력축 상에서 움직이게 됨에 따라 마모가 발생하고 불량이 증대되며, 특히 이러한 하우징의 움직임으로 인하여 토크 변화의 측정에 오류가 발생되는 문제점이 있었다.

이에 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 토크 센서의 PCB 조립체와 컨센트레이터를 분리형으로 하고서 이들을 감속기의 기어박스 외부에 별도로 장착함으로써, PCB 조립체의 불량시 교체가 가능하게 되어 보수유지에 따른 비용 및 시간이 절감됨과 더불어, 토크 센서의 하우징의 움직임에 따른 영향이 없게 되어 토크 센서의 측정 성능의 변화도 작아져 토크 측정의 오류를 줄이고 정확한 측정치를 얻을 수 있는 토크 센서를 구비한 전동식 조향장치를 제공하는 데에 그 목적이 있다.

이러한 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 토크 센서를 구비한 전동식 조향장치는, 제 1 자성체가 외주면을 따라 구비되어 있는 몸체부와, 몸체부의 중앙에 형성되어 있는 입력축이 결합되는 입력축 삽입공과, 입력축 삽입공의 둘레를 따라 돌출되어 수개 형성되는 압착부 및, 압착부에 끼워지는 압착링을 포함하여 구성되는 토크 로터와; 이 토크 로터가 내주하는 토크 로터 삽입부와 출력축의 일단이 끼워지는 출력축 결합부가 형성되어 있고, 상부 스테이터와 연결되는 제 2 자성체와 하부 스테이터와 연결되는 제 3 자성체가 토크 로터 삽입부의 둘레를 따라 교대로 반복하여 배열되어 있는 포지션 로터와; 이 포지션 로터의 외주면 일측에 간격을 두고 위치되고서 포지션 로터의 상부 및 하부 스테이터 사이에 상하로 마련되는 컨센트레이터와, 이 컨센트레이터 사이에 마련되고 제 1 홀 IC 칩과 제 2 홀 IC 칩을 갖춘 PCB 조립체를 구비하며, 포지션 로터와 상대회전이 가능하되, 감속기의 기어박스에 장착되는 자기량 검출부와; 상부 하우징과 하부 하우징으로 구성되어 상기 포지션 로터를 감싸는 하우징;을 포함하여 구성된다.

본 발명에 의하면, PCB 조립체의 불량시 교체가 가능하게 되어 보수유지에 따른 비용 및 시간이 대폭 절감됨과 더불어, 토크 센서의 하우징의 움직임에 따른 영향이 없게 되어 토크 센서의 측정 성능의 변화도 작아져 토크 측정의 오류를 줄이고 정확한 측정치를 얻을 수 있는 효과가 있게 된다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 우선 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.

본 발명에 따른 토크 센서를 구비한 전동식 조향장치는, 도 2에 도시된 토크 센서의 구성 중, 포지션 로터(230)의 외주면 일측에 소정의 간격을 두고 위치되고서 포지션 로터(230)의 상부 및 하부 스테이터(231, 232) 사이에 상하로 마련되는 컨센트레이터(242)와, 이 컨센트레이터(242) 사이에 마련되고 제 1 홀 IC 칩(243)과 제 2 홀 IC 칩(245)을 갖춘 PCB 조립체(241)를 구비하면서, 상기 포지션 로터(230)와 상대회전이 가능한 자기량 검출부(240)가, 도 3에 도시된 바와 같이 감속기(150)의 기어박스에 별도로 장착되는 것을 특징으로 한다.

즉, 다시 도 2를 참조해서 설명하면, 본 발명에 따른 토크 센서를 구비한 전 동식 조향장치에서, 제 1 자성체(225)가 외주면을 따라 구비되어 있는 몸체부(224)와, 이 몸체부(224)의 중앙에 형성되어 있는 입력축(180)이 결합되는 입력축 삽입공(221)과, 이 입력축 삽입공(221)의 둘레를 따라 돌출되어 수개 형성되는 압착부(222) 및, 이 압착부(222)에 끼워지는 압착링(223)을 포함하여 구성되는 토크 로터(220)와; 이 토크 로터(220)가 내주하는 토크 로터 삽입부(239)와 출력축(140)의 일단이 끼워지는 출력축 결합부(237)가 형성되어 있고, 상부 스테이터(231)와 연결되는 제 2 자성체(236)와 하부 스테이터(232)와 연결되는 제 3 자성체(235)가 토크 로터 삽입부(239)의 둘레를 따라 교대로 반복하여 배열되어 있는 포지션 로터(230)와; 상부 하우징(210)과 하부 하우징(250)으로 분리되어 구성되어 포지션 로터(230)를 감싸는 하우징(255);은 감속기(150)의 기어박스 내부에 설치된다.

또한, 이 기어박스는 도 1에 도시된 바와 같이 모터(146)와, 이 모터(146)에 형성된 웜 기어(152) 및, 이 웜 기어(152)와 치합하는 웜휠 기어(156)를 포함하여 구성된다.

상기 자기량 검출부(240)는 감속기(150)의 기어박스 외부에서 이 기어박스를 관통하여 형성된 구멍에 그로밋 결합되는 것이 바람직하나 이에 한정되지 않고 임의의 결합방식으로 장착될 수 있음은 물론이다.

따라서, 본 발명에 따른 토크 센서를 구비한 전동식 조향장치는, 운전자가 조향휠을 회전시킴에 따라 조향휠과 연결되는 입력축(180)이 회전하게 되며, 입력축(180)과 토션바를 매개로 연결되는 출력축(140)이 연동하여 회전하게 된다.

이때, 입력축(180)과 출력축(140) 사이에 비틀림이 발생하게 되면 출력 축(140)에 압입되어 고정된 포지션 로터(230)와 입력축(180) 사이에 회전 각도의 차이가 발생하게 된다.

이와 같이 회전 각도의 차이가 발생하게 되면 포지션 로터(230)의 원주를 따라 교대로 반복하여 구비되어 있는 제 2 자성체(236) 및 제 3 자성체(235)와 제 1 자성체(225)의 사이에 형성되어 있던 자기장이 변화하게 되고, 그러면 컨센트레이터(242)에서 모아진 자속이 두 개의 홀 IC 칩(243, 245)을 통과하는 양으로 토크를 측정하게 된다.

이와 같은 구조와 형상을 갖는 본 발명에 의하면, 만일 예컨대 PCB 조립체가 불량인 경우에 감속기(150)의 기어박스로부터 자기량 검출부(240)만을 분리하면 되므로, 종래와 같이 전동식 조향장치 전체를 교체할 필요가 없게 되고, 보수유지의 절차가 간소하고 용이하게 되는 장점이 있게 되는 것이다.

또, PCB 조립체 및 컨센트레이터를 포함하는 자기량 검출부(240)가 감속기(150)의 기어박스에 장착되어 있기 때문에, 입력축 또는 출력축의 유동에 영향을 받지 않고 일정하게 토크를 측정할 수 있게 되어서, 성능의 변화도 작아져 토크 측정의 오류를 줄이고 정확한 측정치를 얻을 수 있다.

이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예는 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아 니다. 본 발명의 보호범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

도 1은 종래의 전동식 조향장치의 개략적인 구성도이다.

도 2는 종래의 토크 센서의 분해 사시도이다.

도 3은 본 발명에 의한 토크 센서를 구비한 전동식 조향장치를 간략하게 나타낸 사시도이다.

Claims (2)

1. 제 1 자성체가 외주면을 따라 구비되어 있는 몸체부와, 몸체부의 중앙에 형성되어 있는 입력축이 결합되는 입력축 삽입공과, 입력축 삽입공의 둘레를 따라 돌출되어 수개 형성되는 압착부 및, 압착부에 끼워지는 압착링을 포함하여 구성되는 토크 로터와; 이 토크 로터가 내주하는 토크 로터 삽입부와 출력축의 일단이 끼워지는 출력축 결합부가 형성되어 있고, 상부 스테이터와 연결되는 제 2 자성체와 하부 스테이터와 연결되는 제 3 자성체가 토크 로터 삽입부의 둘레를 따라 교대로 반복하여 배열되어 있는 포지션 로터와; 이 포지션 로터의 외주면 일측에 간격을 두고 위치되고서 포지션 로터의 상부 및 하부 스테이터 사이에 상하로 마련되는 컨센트레이터와, 이 컨센트레이터 사이에 마련되고 제 1 홀 IC 칩과 제 2 홀 IC 칩을 갖춘 PCB 조립체를 구비하며, 포지션 로터와 상대회전이 가능하되, 감속기의 기어박스에 장착되는 자기량 검출부와; 상부 하우징과 하부 하우징으로 구성되어 상기 포지션 로터를 감싸는 하우징;을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 토크 센서를 구비한 전동식 조향장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 자기량 검출부는 상기 기어박스에 형성된 관통구멍에 그로밋 결합되는 것을 특징으로 하는 토크 센서를 구비한 전동식 조향장치.

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