KR101398091B1 - 조향각 검출 장치 - Google Patents

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서정욱
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만도헬라일렉트로닉스(주)
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Abstract

본 발명의 기술적 사상은 조향각 검출 장치의 사이즈 및 무게를 최소화할 수 있고, 또한 측정 변수가 증가함으로써 설계의 자유도가 높은 조향각 검출 장치를 제공한다. 그 조향각 검출 장치는 핸들과 연결된 조향 축(steering shaft); 상기 조향 축과 동기화된 제1 기어; 상기 조향 축과 동기화되고 상기 제1 기어와 다른 톱니(gear tooth) 개수를 갖는 제2 기어; 상기 제1 기어에 물려 회전하며 상기 제1 기어에 대해 제1 기어비를 갖는 제3 기어; 상기 제2 기어에 물려 회전하며 상기 제2 기어에 대해 제2 기어비를 갖는 제4 기어; 및 상기 제3 기어 및 제4 기어 사이에 배치되어 상기 제3 기어와 제4 기어의 회전각을 감지하는 2개의 센서 IC(Integrated Circuit);를 포함한다.

Description

조향각 검출 장치{Apparatus for detecting steering angle}
본 발명의 기술적 사상은 자동차에 관한 것으로, 특히 자동차 핸들의 조향각을 검출하는 조향각 검출 장치에 관한 것이다.
일반적으로 차량의 핸들 회전을 조절하는 조향장치는 운전석에 배치되는 조향 핸들(steering wheel), 이에 연결된 조향 축(steering shaft), 조향 축으로부터 입력받은 회전력을 직선운동으로 변환하는 랙 기어와 피니어 기어, 그리고 랙 기어에 연결된 랙-바 등을 포함하여 구성될 수 있다.
조향 핸들의 회전각도를 측정하는 장치(이하, '조향각 검출 장치'라 함)는 차량의 운전자가 핸들을 회전시킴에 따라 변화하는 상기 조향장치의 움직임을 감지하여 조향장치의 회전각이나 회전 각속도에 관한 조향각 검출 신호를 통해 차량의 자세를 감지하여 ABS(Anti-lock Brake System), ESP(Electronics Stability Program), EPS(Electric Power Steering)의 제어신호로 사용할 수 있다. 또한, 차량의 운전자에게 가시적으로 바퀴 또는 핸들의 회전 방향과 회전 각도를 알려줄 수도 있다.
종래의 조향각 검출 장치는 회전변위센서(Rotary Position Sensor) 및 기어비가 서로 다른 두 개의 다른 기어를 이용하여 조향각을 검출한다. 예컨대, 조향 축에 연결된 샤프트 기어에 제1 기어가 결합되고, 제1 기어에 기어비가 다른 제2 기어가 연결되는 방식이 있다. 다른 방식으로 샤프트 기어에 직접 기어비가 다른 제1 기어 및 제2 기어가 함께 결합된 방식이 있다. 상기 제1 기어 및 제2 기어 하단에는 회전변위센서가 각각 구비되어 회전각도가 측정될 수 있다.
이러한 종래의 조향각 검출 장치는 제1 기어 및 제2 기어 각각이 자신의 사이즈에 해당하는 공간을 차지하고, 또한 각각에 기어에 대응하는 회전변위센서가 배치됨으로써, 조향각 검출 장치의 전체 사이즈를 줄이는데 한계가 있다.
본 발명의 기술적 사상이 해결하고자 하는 과제는 조향각 검출 장치의 사이즈 및 무게를 최소화할 수 있고, 또한 측정 변수가 증가함으로써 설계의 자유도가 높은 조향각 검출 장치를 제공하는 데에 있다.
상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 기술적 사상은 핸들과 연결된 조향 축(steering shaft); 상기 조향 축과 동기화된 제1 기어; 상기 조향 축과 동기화되고 상기 제1 기어와 다른 톱니(gear tooth) 개수를 갖는 제2 기어; 상기 제1 기어에 물려 회전하며 상기 제1 기어에 대해 제1 기어비를 갖는 제3 기어; 상기 제2 기어에 물려 회전하며 상기 제2 기어에 대해 제2 기어비를 갖는 제4 기어; 및 상기 제3 기어 및 제4 기어 사이에 배치되어 상기 제3 기어와 제4 기어의 회전각을 감지하는 2개의 센서 IC(Integrated Circuit);를 포함하는 조향각 검출 장치를 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 제1 및 제2 기어는 상기 조향 축을 둘러싸는 슬리브(sleeve)를 통해 상기 조향 축에 동기화될 수 있다. 예컨대, 상기 제1 및 제2 기어 각각의 두께, 또는 상기 제1 및 제2 기어가 결합하는 부분의 슬리브의 두께가 서로 다르거나, 상기 제1 및 제2 기어의 톱니의 간격이 서로 다름으로써, 상기 제1 및 제2 기어가 서로 다른 톱니 개수를 가질 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 제3 기어 및 제4 기어 각각에 자석이 배치되며, 상기 자석은 상기 제3 기어 및 제4 기어에 동기화되어 회전할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 제3 기어 및 제4 기어 사이에 인쇄회로기판(Printed Circuit Board: PCB)가 배치되며, 상기 2개의 센서 IC는 상기 PCB 상면에 배치되는 제1 센서 IC 및 상기 PCB 하면에 배치되는 제2 센서 IC를 포함할 수 있다.
구체적으로, 상기 제3 기어는 상기 제4 기어보다 상부에 배치되고, 상기 제3 기어의 하면에 상기 제3 기어에 동기화되어 회전하는 제1 원형 자석이 배치되며, 상기 제4 기어의 상면에 상기 제4 기어에 동기화되어 회전하는 제2 원형 자석이 배치되며, 상기 제3 기어 및 제4 기어 사이에 PCB가 배치되며, 상기 2개의 센서 IC는 상기 제1 원형 자석에 대향하도록 상기 PCB 상면에 배치된 제1 센서 IC, 및 상기 제2 원형 자석에 대향하도록 상기 PCB 하면에 배치된 제2 센서 IC를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 제3 기어는 상기 제1 기어보다 작은 개수의 톱니를 가지며, 상기 제4 기어는 상기 제2 기어보다 작은 개수의 톱니를 가지며, 상기 제1 기어비와 제2 기어비는 동일하거나 또는 다를 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 제1 내지 제4 기어 및 상기 센서 IC를 수용하는 하우징을 포함하고, 상기 하우징에는 상기 제3 기어와 상기 제4 기어를 고정하는 보스(boss)가 형성될 수 있다. 또한, 상기 제3 기어 및 제4 기어 사이에 PCB가 배치되며, 상기 2개의 센서 IC는 상기 PCB 상면 및 하면 각각에 배치되며, 하부에 배치되는 상기 제4 기어는 원형의 상기 보스에 의해 고정되고, 상부에 배치되는 상기 제3 기어는 상기 PCB를 관통하는 핀 형의 상기 보스에 의해 고정될 수 있다.
또한, 본 발명의 기술적 사상은 상기 과제를 해결하기 위하여, 핸들과 연결된 조향 축; 상기 조향 축과 동기화된 제1 기어; 상기 조향 축과 동기화되고 상기 제1 기어와 동일한 톱니 개수를 갖는 제2 기어; 상기 제1 기어에 물려 회전하며 상기 제1 기어에 대해 제1 기어비를 갖는 제3 기어; 상기 제2 기어에 물려 회전하며 상기 제2 기어에 대해, 상기 제1 기어비와 다른 제2 기어비를 갖는 제4 기어; 및 상기 제3 기어 및 제4 기어 사이에 배치되어 상기 제3 기어와 제4 기어의 회전각을 감지하는 2개의 센서 IC;를 포함하는 조향각 검출 장치를 제공한다.
본 발명의 기술적 사상에 따른 조향각 검출 장치는 PCB 양면으로 센서 IC가 배치되고 대응되는 위치에 센서 기어들이 배치됨으로써, 구조적으로 기어와 센서 IC 사이의 간격이 매우 작게 되고, 또한 센서 기어들이 차지하는 면적이 줄어들게 되어, 조향 장치의 크기 및 무게가 감소할 수 있고, 또한 저가의 자석을 사용할 수 있다.
또한, 본 발명의 기술적 사상에 따른 조향각 검출 장치는 4개의 변수, 즉 4개의 기어를 이용하여 조향각에 대한 적절한 측정 범위를 설정함으로써, 3개의 변수를 사용하는 기존 방법에 비해 다양한 조합을 구현하기 용이하여 설계 자유도가 높다. 더 나아가, 센서 기어에 대응하는 센서 IC가 PCB를 기준으로 유사하게 배치됨으로써, 센서 IC들을 통한 회전변위 감지 성능이 유사하여 비교적 높은 정밀도의 조향각을 측정할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 조향각 검출 장치에 대한 사시도이다.
도 2는 도 1의 I-I'를 절단한 부분을 보여주는 단면도이다.
도 3은 도 1의 제1 축 기어 및 제2 축 기어의 상대적인 크기를 비교하여 보여주는 평면도들이다.
도 4는 도 1의 조향각 검출 장치에 대한 분해 사시도이다.
도 5는 도 1의 조향각 검출 장치에서 하부 하우징에 제1 센서 기어 및 제2 센서 기어가 고정되는 구조를 설명하기 위한 분해 사시도이다.
도 6a 및 6b는 도 1의 조향각 검출 장치에서 하부 하우징에 형성된 핀 형 보스를 통해 PCB 및 제1 센서 기어가 결합하는 모습을 보여주는 평면도들이다.
도 7a 및 7b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 조향각 검출 장치에 적용될 수 있는 슬리브와, 제1 축 기어 및 제2 축 기어 구조를 각각 보여주는 사시도 및 평면도이다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 조향각 검출 장치에 적용될 수 있는 제1 축 기어 및 제2 축 기어 구조를 보여주는 평면도이다.
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 조향각 검출 장치에 적용될 수 있는 슬리브 및 그에 결합한 제1 축 기어 및 제2 축 기어 구조를 보여주는 사시도이다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 본 발명의 실시예들은 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이며, 하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다. 오히려, 이들 실시예는 본 개시를 더욱 충실하고 완전하게 하고, 통상의 기술자에게 본 발명의 사상을 완전하게 전달하기 위하여 제공되는 것이다.
이하의 설명에서 어떤 구성 요소가 다른 구성 요소에 연결된다고 기술될 때, 이는 다른 구성 요소와 바로 연결될 수도 있지만, 그 사이에 제3의 구성 요소가 개재될 수도 있다. 유사하게, 어떤 구성 요소가 다른 구성 요소의 상부에 존재한다고 기술될 때, 이는 다른 구성 요소의 바로 위에 존재할 수도 있고, 그 사이에 제3의 구성 요소가 개재될 수도 있다. 또한, 도면에서 각 구성 요소의 구조나 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장되었고, 설명과 관계없는 부분은 생략되었다. 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다. 한편, 사용되는 용어들은 단지 본 발명을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이지 의미 한정이나 특허청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 조향각 검출 장치에 대한 사시도이다.
도 1을 참조하면, 본 실시예에 따른 조향각 검출 장치(100)는 조향 축(110), 슬리브(120, sleeve), 축 기어부(130), 센서 기어부(140), 센서 IC부(150), 자석부(160) 및 인쇄회로기판(170, Printed Circuit Board: PCB)을 포함할 수 있다.
조향 축(110)은 상부에서 조향 핸들(미도시)과 연결되고, 하부에서 랙 기어(rack gear, 미도시)와 피니언 기어(pinion gear,미도시) 등을 통해 랙-바(rack-bar, 미도시)에 연결될 수 있다. 운전자가 조향 핸들을 회전시킴에 따라 조향 축(110)이 회전되고, 그에 따라 랙-바가 좌우로 이동함으로써, 바퀴가 소정 각도로 회전하게 된다.
슬리브(120)는 조향 축(110)에 끼워져 사용되는 원기둥 고리 구조를 갖는 구조물로서, 슬리브(120)가 조향 축(110)에 끼워져 고정되고 다시 슬리브(120)에 축 기어부(130)가 결합함으로써, 축 기어부(130)를 조향 축(110)에 연동하도록 하는 구조물이다. 본 실시예에서는 슬리브(120)가 축 기어부(130)와 별도로 구성되었으나 슬리브(120)는 축 기어부(130)와 일체로 구성될 수도 있다. 예컨대, 슬리브(120)는 축 기어부(130)의 제1 축 기어(132) 및 제2 축 기어(134) 중 적어도 하나와 일체형으로 구성될 수 있다.
축 기어부(130)는 적어도 2개의 축 기어를 포함할 수 있다. 여기서, 축 기어는 조향 축(110)에 연동하여 회전하는 기어를 의미할 수 있다. 예컨대, 본 실시예에의 조향각 검출 장치(100)에서, 축 기어부(130)는 상부의 제1 축 기어(132) 및 하부의 제2 축 기어(134)를 포함할 수 있다. 한편, 제1 축 기어(132)와 제2 축 기어(134)의 위치 관계는 바꿀 수 있다. 즉, 제1 축 기어(132)가 하부에 배치되고 제2 축 기어(134)가 상부에 배치될 수 있다.
제1 축 기어(132) 및 제2 축 기어(134)는 서로 다른 톱니(gear tooth) 개수를 가질 수 있다. 제1 축 기어(132) 및 제2 축 기어(134)가 서로 다른 톱니 개수를 가지기 위하여, 슬리브, 제1 축 기어, 및 제2 축 기어는 다양한 구조를 가질 수 있다. 그에 대해서는 도 3, 도 7a 내지 도 8에서 좀더 상세기 기술한다.
제1 축 기어(132) 및 제2 축 기어(134)가 서로 다른 톱니 개수를 갖는 이유는, 제1 축 기어(132)에 결합하는 제1 센서 기어(142) 및 제2 축 기어(134)에 결합하는 제2 센서 기어(144)의 기어비를 다르게 함으로써, 조향 축(110)의 조향각을 360°이상으로 측정하기 위함이다. 여기서, 기어비는 큰 기어, 즉 제1 축 기어 또는 제2 축 기어의 톱니 개수를 작은 기어, 즉 제1 센서 기어 또는 제2 센서 기어의 톱니 개수로 나눈 값을 의미할 수 있다.
조향 축(110)의 조향각을 360°이상으로 측정할 수 있는 원리를 간단히 설명하면, 제1 축 기어에 대한 제1 센서 기어의 기어비가 4이고, 제2 축 기어에 대한 제2 센서 기어의 기어비가 4.5라고 하면, 조향 축(110)이 반 바퀴, 즉 180°도 회전할 때, 제1 센서 기어는 2 바퀴를 돌고, 제2 센서 기어는 2.25바퀴를 회전한다. 그러나 제1 및 제2 센서 기어는 1 바퀴 이하로만 회전각이 측정될 수 있다. 그에 따라, 제1 센서 기어는 0 바퀴에 해당하는 회전각으로 측정되고 제2 센서 기어는 0.25 바퀴에 해당하는 회전각으로 측정될 수 있다. 조향 축(110)을 한 바퀴 회전할 때, 제1 센서 기어는 다시 0 바퀴, 그리고 제2 센서 기어도 0.5 바퀴에 해당하는 회전각이 측정될 것이다. 조향 축(110)이 1.5 바퀴 회전하는 경우에, 제1 센서는 다시 0 바퀴, 그리고 제2 센서 기어는 0.75 바퀴에 해당하는 회전각으로 측정될 수 있다. 조향 축(110)이 2 바퀴 회전하는 경우에, 제1 센서 기어는 다시 0 바퀴, 그리고 제2 센서 기어는 0 바퀴에 해당하는 회전각으로 측정되어 회전이 없는 것과 같은 결과가 얻어지게 된다.
따라서, 제1 센서 기어 및 제2 센서 기어의 회전각의 조합에 따라 조향각이 결정될 수 있고 360°이상의 조향각이 측정될 수 있다. 즉, (0, 0)일 때 0 또는 720°, (0, 0.25)일 때 180°, (0. 0.5)일 때 360°, 그리고 (0, 0.75)일 때 540°의 조향각이 결정될 수 있다.
앞서 제1 센서 기어가 0 바퀴에 해당하는 회전각의 경우들만 예시되고 있지만, 이는 설명의 편의를 위해 비교적 숫자가 간단한 회전각에 대해서만 설명하였기 때문이다. 예컨대, 만약, 조향 축이 45°회전하는 경우에 제1 센서 기어는 0.5 바퀴, 그리고 제2 센서 기어는 0.5625 바퀴에 해당되는 회전각이 측정되게 된다.
다른 기어비를 갖는 기어들을 이용하여 조향각을 360°이상으로 측정하는 원리는 이미 알려져 있고, 버니어 알고리즘(Vernier Algorithm)이라는 연산 프로그램이 일반적으로 이용되고 있다. 좀더 구체적으로, 제1 센서 기어 및 제2 센서 기어의 회전각이 센서 IC들을 통해 각각 검출되고, 해당 검출 신호가 연산/제어부(미도시)로 전달되어, 연산/제어부에 내장된 버니어 알고리즘을 통해 조향각이 계산되는 식으로 조향각 측정될 수 있다.
센서 기어부(140)는 축 기어부(130)의 축 기어 수에 따라 적어도 2개의 센서 기어를 포함할 수 있다. 예컨대, 본 실시예에서 센서 기어부(140)는 제1 센서 기어(142) 및 제2 센서 기어(144)를 포함할 수 있다. 제1 센서 기어(142)는 제1 축 기어(132)에 맞물려 회전하며, 제2 센서 기어(144)는 제2 축 기어(134)에 맞물려 회전할 수 있다. 전술한 바와 같이 제1 축 기어(132)에 대한 제1 센서 기어(142)의 기어비, 즉 제1 기어비는 제2 축 기어(134)에 대한 제2 센서 기어(144)의 기어비인 제2 기어비와 서로 다를 수 있다.
한편, 제1 센서 기어(142)와 제2 센서 기어(144)의 톱니 개수는 동일하거나 다를 수 있다. 즉, 제1 축 기어(132)와 제2 축 기어(134)의 톱니 개수가 다르므로 제1 센서 기어(142)와 제2 센서 기어(144)의 톱니 개수가 동일하여도 제1 기어비와 제2 기어비는 달라지게 된다.
센서 IC부(150)는 제1 센서 IC(152)와 제2 센서 IC(154)를 포함할 수 있다. 여기서, IC는 집적 회로(Integrated Circuit)를 의미할 수 있다. 제1 센서 IC(152)와 제2 센서 IC(154) 각각은 자계의 회전각을 검출하는 자기 센서(magnetic sensor)를 포함할 수 있다. 제1 센서 IC(152)와 제2 센서 IC(154)는 예컨대, 홀(Hall) 센서 또는 AMR(Anisotropic Magnetoresistive)/GMR(Giant Magnetoresistive) 센서일 수 있다. 이러한 제1 센서 IC(152)와 제2 센서 IC(154)는 제1 센서 기어(142) 및 제2 센서 기어(144)의 회전각을 360°까지 측정할 수 있다.
자석부(160)는 제1 센서 기어(142) 및 제2 센서 기어(144)에 대응하여 제1 원형 자석(162) 및 제2 원형 자석(164)을 포함할 수 있다. 물론, 자석부(160)의 자석의 형태가 원형에 한정되는 것은 아니다.
제1 원형 자석(162)은 제1 센서 기어(142)에 장착되어 제1 센서 기어(142)의 회전에 연동하여 회전할 수 있다. 또한, 제2 원형 자석(164)도 제2 센서 기어(144)에 장착되어 제2 센서 기어(144)의 회전에 연동하여 회전할 수 있다. 제1 원형 자석(162) 및 제2 원형 자석(164)은 2극 전면 자화(dipole frontal magnetization) 자석일 수 있다. 또한, 제1 원형 자석(162) 및 제2 원형 자석(164)은 영구 자석 또는 전자석일 수 있다. 이러한 제1 원형 자석(162) 및 제2 원형 자석(164)은 각각 자계를 발생시키며, 제1 센서 IC(152) 및 제2 센서 IC(154)가 자계의 회전각을 검출함으로써, 제1 센서 기어(142) 및 제2 센서 기어(144)의 회전각을 검출하게 된다.
PCB(170)는 제1 센서 기어(142)와 제2 센서 기어(144) 사이에 배치되며, 상면으로 제1 센서 IC(152)가 탑재되고 하면에 제2 센서 IC(154)가 탑재될 수 있다. 즉, PCB(170)는 제1 센서 IC(152) 및 제2 센서 IC(154)를 지지하는 기능을 하며, 신호 검출 및 전달에 필요한 전기 회로들을 포함하여 제1 센서 IC(152) 및 제2 센서 IC(154)를 통해 검출된 신호를 외부로 전달하는 매개체 기능을 할 수 있다.
그에 따라, PCB(170)에는 외부로 신호 전달을 위한 커넥터(도 4, 5 등의 175 참조)가 배치될 수 있다.
본 발명의 기술적 사상에 따른 조향각 검출 장치는 4개의 변수, 즉 4개의 기어를 이용하여 조향각에 대한 적절한 측정 범위를 설정함으로써, 3개의 변수를 사용하는 기존 방법에 비해 다양한 조합의 구현이 용이하여 설계 자유도를 높일 수 있다. 즉, 제1 축 기어(132)와 제2 축 기어(134)의 톱니 개수를 서로 다르게 하고, 또한 제1 센서 기어(142)와 제2 센서 기어(144)의 톱니 개수를 서로 다르게 또는 동일하게 함으로써, 다양한 기어비를 설정할 수 있고, 그에 따라 다양한 조합이 가능하여 설계 자유도가 높아질 수 있다.
또한, 본 발명의 기술적 사상에 따른 조향각 검출 장치는 PCB 양면으로 센서 IC가 배치되고 대응되는 위치에 센서 기어들이 배치됨으로써, 구조적으로 기어와 센서 IC 사이의 간격이 매우 작게 되고, 또한 센서 기어들이 차지하는 면적이 줄어들게 되어, 조향 장치의 크기 및 무게가 감소할 수 있고, 또한 저가의 자석을 사용할 수 있다. 더 나아가, 센서 기어에 대응하는 센서 IC가 PCB를 기준으로 유사하게 배치됨으로써, 센서 IC들을 통한 회전변위 감지 성능이 유사하여 비교적 높은 정밀도의 조향각을 측정할 수 있다. 그에 대한 내용은 도 2에 대한 설명 부분에서 좀더 상세하게 기술한다.
도 2는 도 1의 I-I'를 절단한 부분을 보여주는 단면도이다.
도 2를 참조하면, 도시된 바와 같이 슬리브(120)는 제1 축 기어(132)가 결합되는 부분과 제2 축 기어가 결합되는 부분의 외경이 동일할 수 있다. 즉, 제1 축 기어(132) 및 제2 축 기어(134)가 결합하는 부분의 슬리브(120)의 외경은 제1 길이(D1)를 가질 수 있다. 그에 따라, 슬리브(120)에 결합하는 제1 축 기어(132) 및 제2 축 기어(134)의 내경은 동일할 수 있다. 그러나 제1 축 기어(132) 및 제2 축 기어(134)의 외경은 서로 다를 수 있다. 예컨대, 제2 축 기어(134)의 외경이 제1 축 기어(132)보다 클 수 있다. 그에 대해서는 도 3에 대한 설명 부분에서 기술한다. 도시된 바와 같이, 제1 축 기어(132) 및 제2 축 기어(134) 사이의 슬리브(120) 부분이 돌출되는 구조를 가질 수 있다. 그러나 슬리브(120)의 구조가 그에 한정되는 것은 아니다. 예컨대, 돌출 구조 없이 외경이 모두 동일한 원기둥 구조로 슬리브가 형성될 수 있다.
한편, 전술한 바와 같이, PCB(170)은 제1 센서 기어(142)와 제2 센서 기어(144) 사이에 배치되며, 또한 PCB(170)의 상면에는 제1 센서 IC(152)가 탑재되며, 하면에는 제2 센서 IC(154)가 탑재될 수 있다. 또한, 제1 센서 기어(142) 및 제2 센서 기어(144)는 제1 센서 IC(152) 및 제2 센서 IC(154)에 대응하여 내부가 비어있는 공간 부분을 포함할 수 있다. 제1 원형 자석(162) 및 제2 원형 자석(164) 각각은 제1 센서 IC(152) 및 제2 센서 IC(154)에 대향하여 제1 센서 기어(142)와 제2 센서 기어(144)의 공간 부분에 배치될 수 있다.
제1 센서 기어(142) 및 제2 센서 기어(144) 사이에 PCB(170)가 배치되고 PCB(170)의 상면 및 하면으로 제1 센서 IC(152) 및 제2 센서 IC(154)가 배치됨으로써, 센서 기어들과 센서 IC들 사이의 간격을 매우 작게 할 수 있다. 그에 따라, 비교적 저가의 자석을 사용해도 정확한 회전각을 측정할 수 있다. 한편, PCB(170)를 기준으로 제1 센서 기어(142) 및 제2 센서 기어(144)가 상하에 배치되는 구조를 채용함으로써, 제1 센서 기어(142) 및 제2 센서 기어(144)가 수직 방향으로 일정 부분 서로 중첩되는 배치할 수 있고(도 1, 도 5 참조), 그에 따라 센서 기어들이 차지하는 면적을 축소할 수 있다. 더 나아가, 센서 기어들(142, 144)과 대응하는 센서 IC들(152, 154)이 PCB를 기준으로 유사한 구조로 배치됨으로써, 센서 IC들을 통한 회전변위 감지 성능이 유사하여 비교적 높은 정밀도의 조향각을 측정할 수 있다.
도 3은 도 1의 제1 축 기어 및 제2 축 기어의 상대적인 크기를 비교하여 보여주는 평면도들이다.
도 3을 참조하면, 제1 축 기어(132) 및 제2 축 기어(134)의 내경은 둘 다 제1 길이(D1)를 가질 수 있다. 그에 따라, 제1 축 기어(132) 및 제2 축 기어(134)가 결합하는 부분의 슬리브(120)의 외경은 동일할 수 있다. 또한, 제1 축 기어(132) 및 제2 축 기어(134)의 톱니 간격은 동일할 수 있다. 즉, 제1 축 기어(132) 및 제2 축 기어(134)의 톱니 간격은 둘 다 제1 호 길이(A1)를 가질 수 있다.
그러나 제1 축 기어(132) 및 제2 축 기어(134)의 두께는 서로 다를 수 있다. 예컨대, 제1 축 기어(132)의 두께는 제1 두께(GT1)를 가질 수 있고, 제2 축 기어(134)의 두께는 제2 두께(GT2)를 가질 수 있다. 두께가 서로 다름에 따라 제1 축 기어(132) 및 제2 축 기어(134)의 외경은 서로 달라 수 있다. 즉, 제2 축 기어(134)의 외경이 제1 축 기어(132)의 외경보다 더 클 수 있다. 이와 같이 제2 축 기어(134)의 외경이 제1 축 기어(132)의 외경보다 크기 때문에, 제2 축 기어(134)에 형성된 톱니의 개수가 제1 축 기어(132)에 형성된 톱니 개수보다 많을 수 있다.
이와 같이 제1 축 기어(132) 및 제2 축 기어(134)에 내경 및 톱니의 간격을 동일하게 형성하면서도 제1 축 기어(132) 및 제2 축 기어(134)의 두께를 서로 다르게 형성함으로써, 서로 다른 톱니 개수를 가지도록 할 수 있다.
도 4는 도 1의 조향각 검출 장치에 대한 분해 사시도이다. 설명의 편의를 위해 도 1에서 이미 설명한 내용을 간단히 설명하거나 생략한다.
도 4를 참조하면, 본 실시예의 조향각 검출 장치(100)에는 축 기어부(130), 센서 기어부(140), 센서 IC부(150), 및 PCB(170)를 수용하는 하우징(200, housing)이 더 도시되어 있다. 하우징(200)은 하부로 배치되고 수용 공간이 형성된 하부 하우징(210)과, 상부에 배치되고 하부 하우징(210)과 결합하는 상부 하우징(240)을 포함할 수 있다.
하부 하우징(210)에는 센서 기어들을 고정하기 위한 보스(220, boss)가 형성되어 있다. 보스(220)는 원형 보스(222) 및 핀 형 보스(224)를 포함할 수 있다.
원형 보스(222)는 PCB(170)의 하부로 배치되는 제2 센서 기어(144)를 고정하며, 핀 형 보스(224)는 PCB(170)의 상부로 배치되는 제1 센서 기어(142)를 고정할 수 있다. 핀 형 보스(224)는 PCB(170)에 형성된 관통 홀(도 5 내지 도 6b의 H1)을 관통하여 제1 센서 기어(142)와 결합함으로써, 제1 센서 기어(142)를 고정하게 된다. 그에 대해서는 도 5 내지 도 6b 설명 부분에서 좀더 상세하게 기술한다.
하부 하우징(210)에는 하우징(200)을 외부 구조물에 고정하기 위한 외부 결합부(230)가 형성될 수 있다. 그에 따라, 나사나 볼트 등을 이용하여 외부 결합부(230)를 통해 하우징(200)이 외부 구조물에 견고하게 고정될 수 있다. 또한, 하부 하우징(210)에는 상부 하우징(240)과 결합하기 위한 하부 나사 홈들(SH1)이 형성되어 있을 수 있다.
상부 하우징(240)은 하부 하우징(210)을 덮을 수 있는 평판 형태를 가지며, 하부 하우징(210)과 나사 결합을 위한 상부 나사 홈들(SH2)이 형성되어 있다. 상부 나사 홈들(SH2)은 하부 나사 홈들(SH1)에 대응되는 부분에 형성됨은 물론이다. 그에 따라, 상부 하우징(240)과 하부 하우징(210)은 나사(250)를 이용하여 나사 결합할 수 있다.
한편, 상부 하우징(240)에는 커넥터(175)를 통과시키기 위한 커넥터 홀(CH)도 형성되어 있다. 도시된 바와 같이 커넥터(175)는 PCB(170) 상에 배치되며, 외부로 신호 전달을 위한 전기 회로를 포함하는 접속 장치일 수 있다.
도 5는 도 1의 조향각 검출 장치에서 하부 하우징에 제1 센서 기어 및 제2 센서 기어가 고정되는 구조를 설명하기 위한 분해 사시도이다.
도 5를 참조하면, 원형 보스(222)는 돌출된 원형 고리와 같은 구조를 가지며, 이러한 원형 보스(222)에 제2 센서 기어(144)가 장착되어 고정되게 된다. 한편, 핀 형 보스(224)는 2개의 핀이 수직 방향으로 돌출된 구조를 가질 수 있다. 또한, PCB(170)에는 2개의 관통 홀(H1)이 형성되는데, 이러한 관통 홀(H1)은 핀 형 보스(224)의 2개의 핀이 통과할 수 있는 위치에 형성될 수 있다. 그에 따라, 핀 형 보스(224)의 2개의 핀이 관통 홀(H1)을 관통하여 제1 센서 기어(142)에 결합하여 제1 센서 기어(142)를 고정하게 된다.
참고로, 여기서 고정한다는 것은 수평 방향으로 직선 움직임이 고정된다는 의미이지, 기어 회전에 의한 회전 움직임까지 고정한다는 의미는 아니다. 예컨대, 제2 센서 기어(144)의 내주 면으로 원형 보스(222)가 결합하여, 제2 센서 기어(144)가 원형 보스(222)를 축으로 하여 회전하게 된다. 또한, 제1 센서 기어(142)의 내주 면의 임의의 부분에 핀 형 보스(224)의 2개의 핀이 결합하고, 2개의 핀을 고정축으로 하여 제1 센서 기어(142)가 회전하게 된다.
도 6a 및 6b는 도 1의 조향각 검출 장치에서 하부 하우징에 형성된 핀 형 보스를 통해 PCB 및 제1 센서 기어가 결합하는 모습을 보여주는 평면도들이다.
도 6a는 핀 형 보스(224)에 PCB(170)가 결합한 모습을 보여주고 있다. 전술한 바와 같이 핀 형 보스(224)의 2개의 핀이 PCB(170)에 형성된 관통 홀(H1)을 통과하고 있음을 알 수 있다. 한편, 도시된 바와 같이 2개의 관통 홀(H1) 사이에 제1 센서 IC(152)가 배치될 수 있다. 물론, 제1 센서 IC(152) 다른 부분에 배치될 수도 있지만, 제1 센서 기어(142)의 구조 및 핀 형 보스(224)의 구조상 정확한 회전각을 측정하기 위하여 2개의 관통 홀(H1) 사이에 제1 센서 IC(152)가 배치되는 것이 바람직할 수 있다.
도 6b는 핀 형 보스(224)에 PCB(170) 및 제1 센서 기어(142)까지 결합한 모습을 보여주고 있고, 이해의 편의를 위해 제1 원형 자석(162)은 생략하여 도시되고 있다. 핀 형 보스(224)의 2개의 핀은 PCB(170)의 관통 홀(H1)을 관통하여 제1 센서 기어(142)의 내주 면(ID)에 끼워지게 된다. 내주 면(ID)에 끼워진 핀 형 보스(224)의 2개의 핀이 고정축이 되어 제1 센서 기어(142)가 회전하게 된다. 즉, 여기서, 2개의 핀은 제1 센서 기어(142)가 다른 곳으로 벗어나지 못하게 고정하며, 또한 제1 센서 기어(142)의 내주 면(ID)이 접하여 회전하는 가이드와 같은 기능을 한다.
도 7a 및 7b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 조향각 검출 장치에 적용될 수 있는 슬리브와, 제1 축 기어 및 제2 축 기어 구조를 각각 보여주는 사시도 및 평면도이다.
도 7a 및 7b를 참조하면, 본 실시예의 조향각 검출 장치에는 적용되는 슬리브(120a)는 외주 면에 단차를 가질 수 있다. 즉, 슬리브(120a) 상부 부분의 외경은 제1 길이(D1)를 가질 수 있고, 슬리브(120a) 하부 부분의 외경은 제2 길이(D2)를 가질 수 있다. 제1 길이(D1)를 갖는 상부 부분에는 제1 축 기어(132)가 결합하고 제2 길이(D2)를 갖는 하부 부분에는 제2 축 기어(134a)가 결합할 수 있다.
그에 따라, 도 7b에 도시된 바와 같이 제1 축 기어(132)의 내경은 제1 길이(D1)를 가질 수 있고, 제2 축 기어(134a)의 내경은 제2 길이(D2)를 가질 수 있다. 한편, 제1 축 기어(132)와 제2 축 기어(134a)의 두께는 동일할 수 있다. 즉, 제1 축 기어(132)와 제2 축 기어(134a)의 두께는 둘 다 제1 두께(GT1)를 가질 수 있다. 또한, 제1 축 기어(132)와 제2 축 기어(134a)의 톱니 간격은 동일할 수 있다. 즉, 제1 축 기어(132)와 제2 축 기어(134a)의 톱니 간격은 제1 호 길이(A1)일 수 있다.
제1 축 기어(132) 및 제2 축 기어(134a)의 내경이 다르고 두께가 동일하므로, 제1 축 기어(132) 및 제2 축 기어(134a)의 외경이 달라질 수 있다. 즉, 제2 축 기어(134a)의 외경이 제1 축 기어(132)의 외경보다 더 클 수 있다. 따라서, 제2 축 기어(134a)에 형성된 톱니의 개수가 제1 축 기어(132)에 형성된 톱니 개수보다 많을 수 있다. 이와 같이 제1 축 기어(132) 및 제2 축 기어(134a)의 두께 및 톱니의 간격을 동일하게 형성하면서도, 제1 축 기어(132) 및 제2 축 기어(134a)의 내경을 서로 다르게 형성하고, 그에 대응하는 슬리브(120a)의 외주 면에 단차를 형성함으로써, 서로 다른 톱니 개수를 가지도록 할 수 있다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 조향각 검출 장치에 적용될 수 있는 제1 축 기어 및 제2 축 기어 구조를 보여주는 평면도이다.
도 8을 참조하면, 본 실시예에 따른 조향각 검출 장치에는 도 1 또는 도 2에 도시된 바와 같은 동일 외경을 갖는 슬리브가 적용될 수 있다. 그에 따라 제1 축 기어(132) 및 제2 축 기어(134b)의 내경은 동일 할 수 있다. 예컨대, 제1 축 기어(132) 및 제2 축 기어(134b)의 내경은 둘 다 제1 길이(D1)를 가질 수 있다. 또한, 제1 축 기어(132) 및 제2 축 기어(134b)의 두께도 동일할 수 있다. 즉, 제1 축 기어(132) 및 제2 축 기어(134b)의 두께는 제1 두께(GT1)를 가질 수 있다.
그러나 제1 축 기어(132) 및 제2 축 기어(134b)의 톱니 간격은 서로 다를 수 있다. 예컨대, 제1 축 기어(132)의 톱니 간격은 제1 호 길이(A1)일 수 있고, 제2 축 기어(134b)의 톱니 간격은 제2 호 길이(A2)일 수 있다. 물론, 제2 축 기어(134b)에 맞물리는 제2 센서 기어(144)의 톱니 간격은 제2 호 길이(A2)를 가질 수 있다.
이와 같이 제1 축 기어(132) 및 제2 축 기어(134b)의 내경 및 두께를 동일하게 형성하면서도, 제1 축 기어(132) 및 제2 축 기어(134)의 톱니 간격을 서로 다르게 형성함으로써, 서로 다른 톱니 개수를 가지도록 할 수 있다.
지금까지 몇 가지 제1 축 기어 및 제2 축 기어의 톱니 개수를 다르게 하는 구조를 예시하였다. 그러나 본 실시예의 조향각 검출 장치가 상기 구조들에 한정되는 것은 아니다. 즉, 조향 축에 대하여 적어도 2개의 축 기어가 결합하고, 그러한 적어도 2개의 축 기어가 서로 다른 톱니 개수를 가짐으로써, 각각의 축 기어에 맞물리는 센서 기어들이 서로 다른 기어비를 가지면서, 센서 기어들 사이에 센서 IC를 구비한 PCB가 배치되는 모든 구조는 본 발명의 기술적 사상에 속한다고 할 것이다.
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 조향각 검출 장치에 적용될 수 있는 슬리브 및 그에 결합한 제1 축 기어 및 제2 축 기어 구조를 보여주는 사시도이다.
도 9를 참조하면, 본 실시예에 따른 조향각 검출 장치는 지금까지의 조향각 검출 장치와 달리 제1 축 기어(132)와 제2 축 기어(134c)가 동일 구조를 가질 수 있다. 즉, 슬리브(120)는 도 1의 슬리브와 동일한 구조를 가지며, 제2 축 기어(134c)의 내경, 두께, 외경 및 톱니의 간격은 제1 축 기어(132)의 내경, 두께, 외경 및 톱니의 간격과 각각 동일할 수 있다. 그에 따라, 제1 축 기어(132)와 제2 축 기어(134c)는 동일한 개수의 톱니 개수를 가질 수 있다.
이와 같이, 제1 축 기어(132)와 제2 축 기어(134c)가 동일 구조를 갖는 경우에 각각에 맞물리는 제1 센서 기어(142) 및 제2 센서 기어(144)의 톱니 개수는 필수적으로 달라야 한다. 즉, 앞서의 실시예들에서는 제1 축 기어(132)와 제2 축 기어(134c)의 톱니 개수가 다르기 때문에, 각각에 맞물리는 제1 센서 기어(142) 및 제2 센서 기어(144)의 톱니 개수가 동일해도 기어비가 달라지기 때문에 문제가 없다. 그러나 본 실시예의 경우는 제1 축 기어(132)와 제2 축 기어(134c)의 톱니 개수가 다르므로 제1 센서 기어(142) 및 제2 센서 기어(144)의 톱니 개수가 달라야 기어비가 달라질 수 있다. 예컨대, 제1 센서 기어(142) 및 제2 센서 기어(144)의 톱니 개수를 다르게 하는 방법으로, 톱니 간격은 동일하게 유지하면서 외경을 서로 다르게 하는 방법을 들 수 있다.
이와 같이 제1 축 기어(132) 및 제2 축 기어(134c)의 구조는 동일하게, 즉 동일한 톱니 개수를 가지게 형성하면서, 맞물리는 센서 기어들의 톱니 개수를 다르게 형성하여 기어비를 다르게 하는 구조도 본 발명의 기술적 사상에 속한다고 할 수 있다. 물론, 본 실시예의 조향각 검출 장치에서도 센서 기어들 사이에 센서 IC를 구비한 PCB가 배치될 수 있다.
지금까지, 본 발명을 도면에 표시된 실시예를 참고로 설명하였으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
100: 조향각 검출 장치, 110: 조향 축, 120, 120a: 슬리브, 130: 축 기어부 132: 제1 축 기어, 134, 134a, 134b, 134c: 제2 축 기어, 140: 센서 기어부, 142: 제1 센서 기어, 144: 제2 센서 기어, 150: 센서 IC부, 152: 제1 센서 IC, 154: 제2 센서 IC, 160: 자석부, 162: 제1 원형 자석, 164: 제2 원형 자석, 170: PCB, 175: 커넥터, 200: 하우징, 210: 하부 하우징, 220: 보스, 222: 원형 보스, 224: 핀 형 보스, 230: 외부 결합부, 240: 상부 하우징, 250: 나사

Claims (10)

  1. 핸들과 연결된 하나의 조향 축(steering shaft);
    상기 조향 축을 둘러싸는 구조로 결합하고 상기 조향 축과 동기화된 제1 기어;
    상기 제1 기어에 인접하여 상기 조향 축을 둘러싸는 구조로 결합하고 상기 조향 축과 동기화되며 상기 제1 기어와 다른 톱니(gear tooth) 개수를 갖는 제2 기어;
    상기 제1 기어에 물려 회전하며 상기 제1 기어에 대해 제1 기어비를 갖는 제3 기어;
    상기 제2 기어에 물려 회전하며 상기 제2 기어에 대해 제2 기어비를 갖는 제4 기어; 및
    상기 제3 기어 및 제4 기어 사이에 배치되어 상기 제3 기어와 제4 기어의 회전각을 감지하는 2개의 센서 IC(Integrated Circuit);를 포함하는 조향각 검출 장치.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 기어는 상기 조향 축을 둘러싸는 슬리브(sleeve)를 통해 상기 조향 축에 동기화되는 것을 특징으로 하는 조향각 검출 장치.
  3. 제2 항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 기어 각각의 두께, 또는 상기 제1 및 제2 기어가 결합하는 부분의 슬리브의 두께가 서로 다르거나, 상기 제1 및 제2 기어의 톱니의 간격이 서로 다름으로써, 상기 제1 및 제2 기어가 서로 다른 톱니 개수를 갖는 것을 특징으로 하는 조향각 검출 장치.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 제3 기어 및 제4 기어 각각에 자석이 배치되며,
    상기 자석은 상기 제3 기어 및 제4 기어에 동기화되어 회전하는 것을 특징으로 하는 조향각 검출 장치.
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 제3 기어 및 제4 기어 사이에 인쇄회로기판(Printed Circuit Board: PCB)가 배치되며,
    상기 2개의 센서 IC는 상기 PCB 상면에 배치되는 제1 센서 IC 및 상기 PCB 하면에 배치되는 제2 센서 IC를 포함하는 것을 특징으로 하는 조향각 검출 장치.
  6. 제1 항에 있어서,
    상기 제3 기어는 상기 제4 기어보다 상부에 배치되고,
    상기 제3 기어의 하면에 상기 제3 기어에 동기화되어 회전하는 제1 원형 자석이 배치되며,
    상기 제4 기어의 상면에 상기 제4 기어에 동기화되어 회전하는 제2 원형 자석이 배치되며,
    상기 제3 기어 및 제4 기어 사이에 PCB가 배치되며,
    상기 2개의 센서 IC는 상기 제1 원형 자석에 대향하도록 상기 PCB 상면에 배치된 제1 센서 IC, 및 상기 제2 원형 자석에 대향하도록 상기 PCB 하면에 배치된 제2 센서 IC를 포함하는 것을 특징으로 하는 조향각 검출 장치.
  7. 제1 항에 있어서,
    상기 제3 기어는 상기 제1 기어보다 작은 개수의 톱니를 가지며,
    상기 제4 기어는 상기 제2 기어보다 작은 개수의 톱니를 가지며,
    상기 제1 기어비와 제2 기어비는 동일하거나 또는 다른 것을 특징으로 하는 조향각 검출 장치.
  8. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 내지 제4 기어 및 상기 센서 IC를 수용하는 하우징을 포함하고,
    상기 하우징에는 상기 제3 기어와 상기 제4 기어를 고정하는 보스(boss)가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 조향각 검출 장치.
  9. 제8 항에 있어서,
    상기 제3 기어 및 제4 기어 사이에 PCB가 배치되며,
    상기 2개의 센서 IC는 상기 PCB 상면 및 하면 각각에 배치되며,
    하부에 배치되는 상기 제4 기어는 원형의 상기 보스에 의해 고정되고, 상부에 배치되는 상기 제3 기어는 상기 PCB를 관통하는 핀 형의 상기 보스에 의해 고정되는 것을 특징으로 하는 조향각 검출 장치.
  10. 핸들과 연결된 하나의 조향 축;
    상기 조향 축을 둘러싸는 구조로 결합하고 상기 조향 축과 동기화된 제1 기어;
    상기 제1 기어에 인접하여 상기 조향 축을 둘러싸는 구조로 결합하고 상기 조향 축과 동기화되며 상기 제1 기어와 동일한 톱니 개수를 갖는 제2 기어;
    상기 제1 기어에 물려 회전하며 상기 제1 기어에 대해 제1 기어비를 갖는 제3 기어;
    상기 제2 기어에 물려 회전하며 상기 제2 기어에 대해, 상기 제1 기어비와 다른 제2 기어비를 갖는 제4 기어; 및
    상기 제3 기어 및 제4 기어 사이에 배치되어 상기 제3 기어와 제4 기어의 회전각을 감지하는 2개의 센서 IC;를 포함하는 조향각 검출 장치.
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