KR101238594B1 - 스티어링 시스템의 토크 센서 - Google Patents

Abstract

본 발명은 마그네트와 스테이터의 돌출편을 경사지도록 배치하여 토크변화의 측정의 정확도를 향상시키면서도 출력값의 선형성이 증가되는 구조를 가진 스티어링 시스템의 토크센서에 관한 것으로, 입력축, 출력축 및 상기 입력축와 출력축를 연결하는 토션바를 포함하는 스티어링 시스템의 토크센서로서, 상기 입력축와 상기 출력축 중의 어느 하나에 연결되고 원주방향을 따라 서로 반대의 극성이 교차하여 배치된 마그네트 그리고, 상기 입력축과 상기 출력축 중의 다른 하나에 연결되고 링 형상의 몸체 및 상기 상기 마그네트의 배열에 대응하도록 링 형상의 몸체로부터 절곡되어 형성되고 일정한 간격으로 이격되어 배치된 돌출편으로 이루어진 스테이터를 포함하며, 상기 마그네트는 축방향에 대해 비스듬하게 경사지도록 배치된 스티어링 시스템의 토크센서를 제공한다.

Description

스티어링 시스템의 토크 센서{TORQUE SENSOR OF STEERING SYSTEM}

본 발명은 스티어링 시스템의 토크 센서에 관한 것으로, 마그네트와 스테이터의 돌출편을 경사지도록 배치하여 토크변화의 측정의 정확도를 향상시키면서도 출력값의 선형성이 증가되는 구조를 가진 스티어링 시스템의 토크센서에 관한 것이다.

일반적으로 자동차는 바퀴와 연결된 스티어링 휠을 조작하여 주행 방향을 조작할 수 있도록 되어 있다. 그러나, 바퀴와 노면과의 저항이 크거나 스티어링의 장애요인 발생시 조작력이 약화되어 신속한 조작이 어려운 경우가 있고, 이를 해결하기 위해 파워스티어링 장치가 사용된다. 이러한 파워스티어링 장치는 스티어링 휠의 조작에 동력장치를 개입하여 조작의 힘을 경감시키도록 하는 장치이다.

이러한 동력장치가 스티어링 휠을 조작하는 힘에 개입하기 위해서는 조향축에 걸리는 토크를 측정할 필요성이 있다. 따라서, 스티어링 휠의 토크를 측정하는 장치로 여러가지 방식의 장치가 사용되는데, 특히 조향축에 결합된 마그네트와의 상호 자기장을 측정하여 토크를 검출하는 방식이 경제성이 우수하여 많이 사용되고 있다.

일반적인 스티어링 구조는, 스티어링 휠이 결합되는 입력축, 바퀴측의 랙바와 치합되는 피니언에 결합되는 출력축 및 상기 입력축와 출력축를 연결하는 토션바(torshion bar)로 이루어진다.

스티어링 휠을 회전하면 출력축으로 회전력이 전달되고 피니언과 랙바의 작용에 의해 바퀴의 방향이 변화한다. 이 경우, 저항이 크게 작용하는 경우에 입력축이 더 많이 회전하게 되므로, 토션바가 비틀리게 되는데, 이러한 토션바의 비틀림 정도를 측정하는 것이 자기장 방식의 토크센서이다.

도 1은 종래기술에 따른 토크센서를 도시한 사시도이다. 입력축에는 마그네트(10)가 결합되고, 상기 마그네트(10)는 따라서 링 형상을 하게 된다. 출력축에는 스테이터(20, 30)가 배치되는데, 상기 스테이터(20, 30)는 마그네트(10)의 외주면에서 이격되어 배치되며 축방향으로 절곡된 수직돌출편(21, 31)을 포함한다.

마그네트(10)에 결합된 입력축과 스테이터(20, 30)에 결합된 출력축의 회전량 차이에 의하여 토션바에 비틀림이 발생하면, 마그네트(10)와 스테이터(20, 30)가 상대적으로 회전하게 되고, 이 때 마그네트(10)의 외주면과 수직돌출편(21, 31) 사이의 대향면이 변화하게 되어 자화값이 변화하게 되므로 이를 활용하면 토크를 측정할 수 있다.

이러한 자화값을 집중하기 위해 컬렉터(40)가 배치되고, 자기소자(50)가 컬렉터(40)에 의해 집중된 자기값을 검출하게 되는 것이다.

한편, 도 2는 종래기술에 따른 마그네트(10)를 도시한 정면도이며, 도 3은 종래기술에 따른 스테이터(20)를 도시한 정면도이다. 종래기술의 토크센서에서는 도 2에 도시된 바와 같이 마그네트(10)가 원주방향으로 일정하게 배치되어 있고, 스테이터(20)의 수직돌출편(21)은 상기 마그네트(10)의 배열에 대응되도록 그 외주에 이격되어 배치된다. 따라서, 각각의 마그네트(10)와 수직돌출편(21, 31)은 모두 원주방향으로 일정하게 배열되어 있다.

그런데, 이러한 배치에 있어서 스테이터(20, 30)를 자화시킬 수 있는 면적 확보의 한계가 존재하고 이에 따라 토크신호 즉, 자기신호가 미약한 단점이 있다. 따라서, 자화할 수 있는 면적을 증대하여 토크검출의 효율성을 증대시키고 선형성(linearity)을 증가시킬 수 있는 구조적인 요청이 있어왔다.

이에 본 발명은 상기한 문제점을 해소하기 위하여 안출된 것으로, 자화할 수 있는 면적을 증대하여 조향축의 토크검출의 효율성을 증대시키고 선형성을 증가시킬 수 있는 구조를 가진 토크센서를 제공하는 데 목적이 있다.

상기한 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 스티어링 시스템의 토크센서는, 입력축, 출력축 및 상기 입력축와 출력축를 연결하는 토션바를 포함하는 스티어링 시스템의 토크센서로서, 상기 입력축와 상기 출력축 중의 어느 하나에 연결되고 원주방향을 따라 서로 반대의 극성이 교차하여 배치된 마그네트 그리고, 상기 입력축과 상기 출력축 중의 다른 하나에 연결되고 링 형상의 몸체 및 상기 상기 마그네트의 배열에 대응하도록 링 형상의 몸체로부터 절곡되어 형성되고 일정한 간격으로 이격되어 배치된 돌출편으로 이루어진 스테이터를 포함하며, 상기 마그네트는 축방향에 대해 비스듬하게 경사지도록 배치된 스티어링 시스템의 토크센서를 제공한다.

또한, 본 발명에 따른 스티어링 시스템의 토크센서는, 상기 스테이터는 상기 몸체가 각각 상기 마그네트의 상측과 하측에 인접하여 배치된 상부 스테이터 및 하부 스테이터로 이루어지며, 상기 상부 스테이터 및 상기 하부 스테이터의 돌출편의 개수는 상기 마그네트 극의 개수와 동일하고, 상기 상부 스테이터의 돌출편은 상기 마그네트와 동일한 경사를 가지도록 하측으로 절곡되어 일정한 간격으로 이격되어 형성되며, 상기 하부 스테이터의 돌출편은 상기 마그네트와 동일한 경사를 가지도록 상측으로 절곡되어 상기 상부 스테이터의 돌출편의 이격된 사이에 배치되는 스티어링 시스템의 토크센서를 제공한다.

또한, 본 발명에 따른 스티어링 시스템의 토크센서는, 상기 스테이터의 몸체의 일부에 결합하며 상기 스테이터의 자화량을 집중할 수 있도록 자성체로 이루어진 컬렉터를 더 포함하는 스티어링 시스템의 토크센서를 제공한다.

또한, 본 발명에 따른 스티어링 시스템의 토크센서는, 상기 컬렉터와 결합하고 상기 스테이터의 자화량을 검출하는 자기소자를 더 포함하는 스티어링 시스템의 토크센서를 제공한다.

또한, 본 발명에 따른 스티어링 시스템의 토크센서는, 상기 자기소자는 홀 소자(Hall IC)인 스티어링 시스템의 토크센서를 제공한다.

전술한 내용과 같이 구성된 본 발명에 따른 토크센서는 마그네트와 스테이터의 돌출편이 축방향에 대해 경사지도록 형성되고 배열되므로 자화량을 검출할 수 있는 면적이 더욱 넓어지고 자화량의 측정이 보다 정확하면서도 용이해질 수 있다.

따라서, 자화량의 변화로 검출되는 토크의 변화를 더욱 정확하게 선형적으로 감지할 수 있고, 이러한 정보를 기초로 보조동력장치에 의한 출력샤프트의 회전보상이 정확하게 이루어질 수 있는 이점이 있다.

도 1은 종래기술에 따른 토크센서를 나타내는 사시도.
도 2는 종래기술에 따른 토크센서의 마그네트를 나타내는 정면도.
도 3은 종래기술에 따른 토크센서의 스테이터를 나타내는 정면도.
도 4는 본 발명에 따른 토크센서를 나타내는 사시도.
도 5는 본 발명에 따른 토크센서의 마그네트를 나타내는 정면도.
도 6은 본 발명에 따른 토크센서의 스테이터를 나타내는 정면도.
도 7은 본 발명에 따른 토크센서에서 검출한 자화량을 회전량의 변화에 따라 나타낸 그래프.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 스티어링 시스템의 토크센서를 상세히 설명한다.

도 4는 본 발명에 따른 스티어링 시스템의 토크센서를 나타내는 사시도이다. 로터(100)는 링 형상으로 형성되는데, 일반적으로 입력축의 외주면에 배치되어 함께 회전하도록 결합된다. 또한, 스테이터(200, 300)는 출력축에 연결되어 함께 회전하도록 결합된다. 바퀴의 저항으로 인해 입력축과 출력축의 회전량이 다른 경우 토션이 발생한 것으로 이해할 수 있고, 이 차이를 자기장으로 측정하게 됨은 상기한 바와 같다. 다만, 로터(100)가 출력축에 연결되고 스테이터(200, 300)가 입력축에 연결될 수 있음은 물론이다.

이하, 입력축 또는 출력축과 연결되는 방향을 축방향이라고 하며, 축방향에서 상부 및 하부 방향을 상측 및 하측으로 정의하여 사용한다.

상기 로터(100)는 링 형상으로 형성되며, 일반적으로 절연 재질의 요크(yoke) 외주면에 마그네트가 배열되는 형상으로 이루어진다. 다만, 상기 로터(100)는 마그네트(110)만으로 배열될 수도 있음은 물론이다. 상기 마그네트(110)는 바람직하게는 2개 이상의 마그네트 조각이 연결된다. 따라서, 복수개의 단면상 호 형상의 마그네트 조각들이 링 형상의 마그네트(110)를 이루게 되는 것이다. 이 경우, 각각의 마그네트 조각들은 원주방향으로 착자된고, 상호 반대극성으로 교차하여 배열된다.

상기 스테이터는 마그네트(110)의 상측과 하측에 인접하여 각각 상부 스테이터(200)와 하부 스테이터(300)로 구성된다. 각각의 스테이터(200, 300)는 판재의 링 형상의 몸체(210, 310)와 대략 축방향으로 절곡된 돌출편(220, 320)으로 구성된다.

상기 상부 스테이터(200) 및 하부 스테이터(300)는 링 형상의 상부 몸체(210) 및 하부 몸체(310)가 출력축과 연결되고, 각각 상하부로 마그네트(110)의 양단부로부터 이격되어 배치된다. 다만, 상기 몸체(210, 310)는 로터(100)의 상하측 단부에 비슷한 높이로 배치될 수도 있다. 이 경우 돌출편(220, 320)들은 몸체(210, 310)의 내주면으로부터 각각 상하방으로 절곡되어 이루어지게 된다.

한편, 도 5는 본 발명에 따른 토크센서의 마그네트가 배치된 모습을 확대하여 나타낸 정면도이며, 도 6은 본 발명에 따른 토크센서의 상부스테이터를 확대하여 나타낸 정면도이다.

본 발명의 개념에 따라 상기 마그네트(110)는 축방향으로부터 비스듬하게 경사지도록 형성된다. 이에 따라, 종래기술에서는 각각의 마그네트들이 단면상은 호 형상으로 이루어지지만 정면에서는 대략 직사각형 형상으로 이루어지지만, 본 발명에 따른 토크센서의 마그네트(110)들은 각각 대략 평행사변형 내지는 마름모 형상을 하게 된다.

상기와 같은 마그네트(110)들이 원주방향을 따라 연속적으로 반대의 극성으로 배치되므로, 각각의 접촉부위가 축방향에 대해 사선을 이루게 된다.

상기와 같은 마그네트(110)의 배치에 따라, 상부 스테이터(200)의 돌출편 즉, 상부 돌출편(220)도 축방향에 대해 비스듬히 경사지도록 배치된다. 보다 구체적으로는, 상기 상부 돌출편(220)은 마그네트(110)의 경사각과 동일한 경사각을 가지고, 상호간에 소정 간격 이격되어 원주를 따라 배치된다. 따라서, 상부 돌출편(220)은 각각의 마그네트(110)로 부터 외주방향으로 소정간격 이격되어 배치되며 동일한 경사각을 가지고 하나의 극을 덮을 수 있도록 반대의 극성에 대응되는 면은 이격된 공간을 가지게 배치되는 것이다.

한편, 하부 스테이터(300)는 상부 스테이터(200)와 마찬가지로, 상측으로 절곡된 하부 돌출편(320)을 가지는데, 하부 돌출편(320)도 상부 돌출편(220)과 같은 경사각을 가지고 배열된다. 따라서, 스테이터(200, 300)와 마그네트(110)가 완전히 조립되어 배치되면, 상부 돌출편(220)과 하부 돌출편(320)은 각각의 이빨 사이로 소정 거리 이격되어 배치되고, 마그네트(110)의 외주에서 소정 거리 이격되어 감싸는 형상을 하게 된다.이 경우, 마그네트(110)의 연결부위 및 상부 돌출편(220)과 하부 돌출편(320)간의 치합되는 좌우측 부위는 모두 같은 경사각을 가지게 된다.

이러한 배치에 따라, 각각의 돌출편(220, 320)이 자화량을 검출할 수 있는 면적이 넓어지게 되는데, 마그네트(110)와 돌출편(220, 320)의 면적이 넓어지게 되면 그만큼 하나의 돌출편(220, 320)을 통과하는 자속이 많아짐을 의미하고 이는 동일한 크기의 토크센서에서 종래기술에 비해 자화량을 검출할 수 있는 능력이 향상됨을 의미한다.

또한, 상기 스테이터(200, 300)의 일부분에는 컬렉터(400)가 배치된다. 상기 컬렉터(400)는 상부 몸체(210)와 하부 몸체(310)로 유도된 자화량을 검출할 수 있도록 집중하는 역할을 하게 되는데, 이에 따라 상부 몸체(210)와 하부 몸체(310)의 일측에 각각 하나씩 컬렉터(400)가 전기적/자기적으로 연결된다. 상기 컬렉터(400)는 자화량을 집중하여야 하기 때문에 자성체로 이루어진다.

또한, 상기 컬렉터(400)에 집중된 자화량을 검출하기 위해 상기 컬렉터(400)에는 자기소자(500)가 연결된다. 상기 자기소자(500)는 스테이터(200, 300)에 전기적으로 접촉되고 마그네트(110)와 상하부 돌출편(220, 320)의 자기 상호 작용에 의해 자화된 스테이터(200, 300)의 자화량을 검출한다.

상기 자기소자(500)는 상부 몸체(210)와 하부 몸체(310)에 각각 결합한 컬렉터(400)에 연결된다. 다만, 상기 경우에 따라 상기 컬렉터(400)가 제외되고 자기소자(500)가 스테이터(200, 300)과 직접 연결될 수도 있음은 물론이다.

상기 자기소자(500)는 바람직하게는 자기장의 세기를 감지할 수 있도록 홀소자(Hall IC)로 이루어진다.

도 7은 본 발명에 따른 토크센서의 회전량에 대한 자화량을 나타내는 그래프이다.

그래프상에서 사각형을 연결한 실선은 종래기술의 토크센서의 자화량의 변화를 나타낸 데이터이고, 삼각형을 연결한 실선은 본 발명에 따른 토크센서의 자화량의 변화를 나타낸 데이터를 의미한다. 그래프상에서 세로축은 자속밀도를 나타내며 가로축은 마그네트(110)에 대한 각각의 돌출편(220, 320)의 상대적인 회전각도를 나타낸다.

그래프의 실선이 직선에 가깝고 경사가 클 수록 자화량의 측정 즉, 토크변화의 측정이 더욱 민감하고 정확하게 이루어질 수 있음을 의미하는데, 그래프에서는 종래기술에 비해 본 발명에 따른 토크센서의 선형성이 우수하며 회전차이의 감지에 대한 민감도도 더욱 우수함을 확인할 수 있다. 이는 회전 편차에 대한 정보가 선형적으로 감지될 수 있고 이러한 정보를 기초로 보조동력장치에 의한 출력샤프트의 회전보상이 정확하게 이루어질 수 있음을 의미한다.

이상에서, 본 발명은 실시예 및 첨부도면에 기초하여 상세히 설명되었다. 그러나, 이상의 실시예들 및 도면에 의해 본 발명의 범위가 제한되지는 않으며, 본 발명의 범위는 후술한 특허청구범위에 기재된 내용에 의해서만 제한될 것이다.

100...로터 110...마그네트
200...상부 스테이터 210...상부 몸체
220...상부 돌출편 300...하부 스테이터
310...하부 몸체 320...하부 돌출편
400...컬렉터 500...자기소자

Claims (5)

1. 입력축, 출력축 및 상기 입력축와 출력축를 연결하는 토션바를 포함하는 스티어링 시스템의 토크센서로서,
   상기 입력축와 상기 출력축 중의 어느 하나에 연결되고 원주방향을 따라 서로 반대의 극성으로 교차되어 배치된 마그네트; 그리고,
   상기 입력축과 상기 출력축 중의 다른 하나에 연결되고 링 형상의 몸체 및 상기 상기 마그네트의 배열에 대응하도록 링 형상의 몸체로부터 절곡되어 형성되고 원주방향으로 일정한 간격으로 이격되어 배치된 돌출편으로 이루어진 스테이터;를 포함하며,
   상기 스테이터의 돌출편과 마그네트는 상기 입력축과 출력축의 축 방향과 평행하게 배치되면서, 이들 각각은 상기 마그네트의 회전방향으로 비스듬하게 경사지도록 배치되는 스티어링 시스템의 토크센서.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 스테이터는 상기 몸체가 각각 상기 마그네트의 상측과 하측 단부에 인접하여 배치된 상부 스테이터 및 하부 스테이터로 이루어지며,
   상기 상부 스테이터 및 상기 하부 스테이터의 돌출편의 개수는 상기 마그네트 극의 개수와 동일하고, 상기 상부 스테이터의 돌출편은 상기 마그네트와 동일한 경사를 가지도록 하측으로 절곡되어 일정한 간격으로 이격되어 형성되며, 상기 하부 스테이터의 돌출편은 상기 마그네트와 동일한 경사를 가지도록 상측으로 절곡되어 상기 상부 스테이터의 돌출편의 이격된 사이에 배치되는 스티어링 시스템의 토크센서.
   
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상기 스테이터의 몸체의 일부에 결합하며 상기 스테이터의 자화량을 집중할 수 있도록 자성체로 이루어진 컬렉터;를 더 포함하는 스티어링 시스템의 토크센서.
   
4. 제3항에 있어서,
   상기 컬렉터와 결합하고 상기 스테이터의 자화량을 검출하는 자기소자;를 더 포함하는 스티어링 시스템의 토크센서.
   
5. 제4항에 있어서,
   상기 자기소자는 홀 소자(Hall IC)인 스티어링 시스템의 토크센서.

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