KR101537191B1

KR101537191B1 - 파워 스티어링 토크 센서 유니트

Info

Publication number: KR101537191B1
Application number: KR1020140058345A
Authority: KR
Inventors: 전창남; 이석우; 권민석
Original assignee: 대성전기공업 주식회사
Priority date: 2014-05-15
Filing date: 2014-05-15
Publication date: 2015-07-23

Abstract

본 발명은, 하우징과, 일단이 각각 하우징에 수용 배치되고 길이 방향으로 서로 이격 배치되는 입력 샤프트 및 출력 샤프트, 및 양단이 상기 입력 샤프트 및 상기 출력 샤프트에 각각 연결되고 상기 입력 샤프트 및 상기 출력 샤프트 간의 비틀림 동작을 가능하게 하는 토션바를 포함하는 샤프트부와, 상기 샤프트부에 배치되는 샤프트 마그네트, 상기 하우징에 상기 샤프트부의 길이 방향으로 배치되는 슬라이더 샤프트, 상기 슬라이더 샤프트를 따라 가동 가능한 슬라이더 블록, 상기 슬라이더 블록에 배치되고 상기 샤프트 마그네트와 대향 배치되는 슬라이더 마그네트를 구비하는 슬라이더부와, 상기 하우징에 대하여 위치 고정되어 배치되는 센싱 모듈과, 상기 슬라이더부에 배치되어 위치 이동 가능한 센싱 마그네트를 구비하는 센싱부를 구비하고, 상기 샤프트 마그네트 및 상기 슬라이더 마그네트 각각은 상이한 극성이 교번 배치되는 구조를 취하되, 상기 샤프트 마그네트 및 상기 슬라이더 마그네트 중 어느 하나의 상이한 극성 간의 경계선은 상기 샤프트부의 회동축에 사전 설정된 스큐 경사각을 구비하는 것을 특징으로 하는 파워 스티어링 토크 센서 유니트를 제공한다.

Description

파워 스티어링 토크 센서 유니트{POWERSTEERING TORQUE SENSOR UNIT FOR A VEHICLE}

본 발명은 전동식 파워 스티어링(EPS : Electric power steering) 장치용 토크센서에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 자동차 등의 전동식 파워 스티어링 장치에 장착되어 상기 스티어링 장치의 입력축과 출력축 사이에 발생하는 회전 변위를 측정하기 위한 토크 센서에 관한 것이다.

스티어링 장치는 스티어링 휠을 회전시켜 바퀴를 조향시키는 장치이다. 이와 같은 스티어링 장치를 이용하여 바퀴를 조향시킬 경우, 일반적으로 바퀴와 노면 사이에 작용하는 마찰력에 의해 스티어링 휠과 바퀴 사이의 회전비가 다르게 나타난다. 따라서, 상기 스티어링 장치에는 이를 측정하여 보상하기 위한 구성요소로서 토크 센서를 구비한다.

토크센서는 스티어링휠과 바퀴의 회전각도 편차를 측정하여 그 정보를 타 동력수단으로 전송하고, 상기 타 동력수단은 전달받은 편차 정보를 이용하여 바퀴를 회전시키게 된다. 이와 같이 EPS 시스템은 차량의 주행안정성을 높이는데 있어서 매우 중요한 역할을 수행한다.

주행안정성의 평가 항목 중 하나인 On-Center Steering Feel은 스티어링 휠의 중립구간에 있어서 약 30°이하의 작은 스티어링 각 입력(조타 입력각)에 대한 조타감을 나타내며, 특히 차량 속도가 60kph 이상의 중고속 주행 시 중요한 요소이다. Steering Feel의 계측평가는 조타입력에 대한 스티어링 토크 변화, 횡가속도 변화, 토크에 대한 횡가속도의 변화 등으로 표현되며 스티어링 토크와 스티어링 응답성에 의존한다. 스티어링 응답성은 EPS시스템의 여러 설계변수에 영향을 받지만, 이 중에서 토크센서의 응답성능 또한 중요한 설계 변수이다.

EPS용 토크센서에 대해서 다양한 연구가 진행되고 있다. 종래 기술로서, 토크센싱기술은 미국특허 제7,028,545호에 개시되고, 일본 특허 공개번호 6-281513에 개시된다.

하지만, 이러한 종래의 기술은, 영구자석에서 발생하는 자력을 자성구조체를 통하여 홀센서 위치까지 자력을 유도하여 센싱하는 방식이나 제2자성구조체를 이루는 연자성 재질 고유의 보자력 특성으로 인하여 토크센서의 히스테리시스 에러를 발생시켜 토크센서의 응답성능에 저하되는 문제점을 갖는다.

또한, 보자력 (히스테리시스 루프) 특성을 갖는 연자성 재질을 사용하지 않고 홀센서에 자력의 변화를 직접적으로 전달하여 재질특성에 초래하는 토크센서의 히스테리스 에러가 없는 경우라도, 영구자석이 축선 방향으로 선형적 이동 변위를 구현하기 위하여 여러 개의 기어가 맞물려 움직임으로서 이동변위를 발생하는 구조로 발생하는 물리적인 기어 백래쉬를 갖으며, 이 기어 백래쉬에 의하여 결국 토크센서의 히스테리시스 에러를 발생하게 되며, 기어 가공의 정밀도에 따라서 더 큰 히스테리시스 에러를 갖는 문제점을 갖는다.

본 발명은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 발명한 것으로서, 본 발명의 목적은 입/출력축 사이의 비틀림 변위에 준하는 자력의 변화를 홀센서까지 전달하는 과정에서 재료와 물리적 구조에서 기인하는 히스테리시스 에러 특성을 제거된 구조로 낮은 히스테리시스 에러 특헝을 갖는 토크센서를 제공하고, 토크센서 히스트레시스 에러 특성을 절감함으로서 결과적으로 EPS 시스템의 Steering Feel을 향상함으로서 차량의 주행안정성을 향상시킬 수 있는 구조의 파워 스티어링 토크 센서 유니트를 제공하는 것이다.

상기 파워 스티어링 토크 센서 유니트에 있어서, 상기 샤프트 마그네트의 상이한 극성 간의 경계선은 상기 샤프트부의 회전 방향으로 사전 설정된 스큐 샤프트 마그네트 경사각을 구비할 수도 있다.

상기 파워 스티어링 토크 센서 유니트에 있어서, 상기 슬라이더 마그네트의 상이한 극성 간의 경계선은 상기 샤프트부의 회전 방향으로 사전 설정된 스큐 슬라이더 마그네트 경사각을 구비하도록 경사 배치될 수도 있다.

상기 파워 스티어링 토크 센서 유니트에 있어서, 상기 샤프트 마그네트의 상이한 극성 간의 경계선은 상기 샤프트부의 회전 방향으로 사전 설정된 스큐 샤프트 마그네트 경사각을 구비하도록 경사 배치되고, 상기 슬라이더 마그네트의 상이한 극성 간의 경계선은 상기 샤프트부의 회전 방향으로 사전 설정된 스큐 슬라이더 마그네트 경사각을 구비하도록 경사 배치되고, 상기 스큐 슬라이더 마그네트 경사각은 상기 스큐 샤프트 마그네트 경사각과 동일할 수도 있다.

상기 파워 스티어링 토크 센서 유니트에 있어서, 상기 샤프트 마그네트는: 상기 입력 샤프트에 배치되는 입력 샤프트 마그네트와, 상기 출력 샤프트에 배치되는 출력 샤프트 마그네트를 구비하고, 상기 슬라이더 마그네트는: 상기 입력 샤프트 마그네트와 대향 이격하여 상기 슬라이더 블록에 배치되는 입력 슬라이더 마그네트와, 상기 출력 샤프트 마그네트와 대향 이격하여 상기 슬라이더 블록에 배치되는 출력 슬라이더 마그네트를 구비할 수도 있다.

상기 파워 스티어링 토크 센서 유니트에 있어서, 상기 입력 샤프트 마그네트와 상기 출력 샤프트 마그네트는, 상기 샤프트부의 길이 방향에 수직한 평면에 대하여 거울 대칭 구조를 이룰 수도 있다.

상기 파워 스티어링 토크 센서 유니트에 있어서, 상기 입력 샤프트 마그네트 및 상기 출력 샤프트 마그네트는 각각 상기 입력 샤프트 및 상기 출력 샤프트의 외주에 배치되는 링 타입 마그네트인 것을 형성될 수도 있다.

상기 파워 스티어링 토크 센서 유니트에 있어서, 상기 입력 슬라이더 마그네트와 상기 출력 슬라이더 마그네트의 각 극성에 대한 너비는 상기 입력 샤프트 마그네트 및 상기 출력 샤프트 마그네트의 각 극성의 너비에 대응할 수도 있다.

상기 파워 스티어링 토크 센서 유니트에 있어서, 상기 입력 샤프트 및 상기 출력 샤프트의 서로를 마주하는 단부 외주에는 각각 입력 샤프트 슬리브 및 출력 샤프트 슬리브가 구비되고, 상기 입력 샤프트 마그네트 및 상기 출력 샤프트 마그네트는 각각 상기 입력 샤프트 슬리브 및 상기 출력 샤프트 슬리브에 장착될 수도 있다.

상기 파워 스티어링 토크 센서 유니트에 있어서, 상기 스큐 샤프트 마그네트 경사각은, 상기 입력 샤프트의 시계 방향 회동시 상기 슬라이더 블록이 상방향으로 이동하도록 형성될 수도 있다.

상기 파워 스티어링 토크 센서 유니트에 있어서, 상기 스큐 샤프트 마그네트 경사각은, 상기 입력 샤프트의 반시계 방향 회동시 상기 슬라이더 블록이 하방향으로 이동하도록 형성될 수도 있다.

상기 파워 스티어링 토크 센서 유니트에 있어서, 상기 슬라이더 샤프트의 외주에는 샤프트 가이드가 구비되고, 상기 슬라이더 블록의 상기 슬라이더 샤프트 관통구에는 상기 샤프트 가이드에 대응하는 슬라이더 샤프트 관통 가이드가 구비될 수도 있다.

상기 파워 스티어링 토크 센서 유니트에 있어서, 상기 슬라이더 샤프트는 복수 개가 배치될 수도 있다.

상기 파워 스티어링 토크 센서 유니트에 있어서, 상기 슬라이더 샤프트는 비원형 단면을 구비할 수도 있다.

본 발명에 의하면, 입/출력축 사이의 비틀림 변위에 준하는 자력의 변화를 홀센서까지 전달하는 과정에서 재료와 물리적 구조에서 기인하는 히스테리시스 에러 특성을 제거된 구조로 낮은 히스테리시스 에러 특헝을 갖는 파워 스티어링 토크 센서 유니트를 제공할 수 있다.

또한, 본 발명은 토크센서 히스트레시스 에러 특성을 절감함으로서 결과적으로 EPS 시스템의 Steering Feel을 향상함으로서 차량의 주행안정성을 향상시킬 수도 있다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 파워 스티어링 토크 센서 유니트의 개략적인 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 파워 스티어링 토크 센서 유니트의 개략적인 부분 확대 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 파워 스티어링 토크 센서 유니트의 개략적인 사시 분해도이다
도 4 및 도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 파워 스티어링 토크 센서 유니트의 작동 원리를 나타내는 구성도이다.
도 6 및 도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 파워 스티어링 토크 센서 유니트의 작동 과정을 설명하는 상태도이다.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 파워 스티어링 토크 센서 유니트의 센싱 모듈에 대한 차량 스티어링 휠 측 입력 샤프트의 비틀림 각의 대비 선도이다.
도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 파워 스티어링 토크 센서 유니트의 다른 작동 과정을 설명하는 상태도이다.
도 10은 본 발명의 일실시예에 따른 파워 스티어링 토크 센서 유니트의 센싱 모듈에 대한 차량 스티어링 휠 측 입력 샤프트의 비틀림 각의 대비 선도이다.

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 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.

본 발명의 파워 스티어링 토크 센서 유니트(10)는 특히 차량의 각종 상태를 감지하기 위한 다양한 센서 장치나 차량의 각종 기능 선택을 위한 스위치 장치, 예를 들어, 차량에 사용되는 스위치 유니트로서 회전 조작을 통하여 다양한 차량 상태의 감지 가능하도록 하는 인히비터 스위치, 스티어링 휠 센서 등과 더불어, 다양한 조작 상태 구현을 가능하도록 하여 차량에 구비되는 오디오, 네비게이션, 공조 장치 등의 다양한 차량용 전장 장치 들의 작동 상태를 조정 제어하는 것과 같은 차량의 다양한 선택 기능을 구현하는데 사용될 수 있는데, 회전 동작을 감지하고 소정의 감지 신호를 생성하여 스위칭 동작을 이루는 과정에서 다양한 분야에 사용될 수도 있다.

본 발명의 파워 스티어링 토크 센서 유니트(10)는 하우징(14,15)과 샤프트부(11,12,13)와, 센싱부(44,52)와, 슬라이더부(40;22,24,30,43,44)를 포함하고, 센싱부의 센싱 모듈(52)이 배치되는 기판(51)이 더 구비된다.

하우징(14,15)는 하우징 어퍼바디(14)와 하우징 로워바디(15)를 구비하는데, 하우징 어퍼바디(14)와 하우징 로워바디(15)는 상하 대응 배치되는 구조를 취하고, 서로 맞물리어 내부 공간을 형성함으로써, 다른 구성요소, 특히 샤프트부(11,12,13)가 관통 배치 가능한 구조를 형성한다.

샤프트부(11,12,13)는 입력 샤프트(11) 및 출력 샤프트(12)와 토션바(13)를 포함하는데,

입력 샤프트(11)와 출력 샤프트(12)는 각각 일단이 하우징(14,15)의 하우징 어퍼바디(14) 및 하우징 로워바디(15)에 수용 배치되고 길이 방향으로 서로 이격 배치되고, 토션바(13)는 양단이 입력 샤프트(11)와 출력 샤프트(12)에 각각 연결되고 입력 샤프트(11) 및 출력 샤프트(12) 간의 비틀림 동작을 가능하게 하여 입력 샤프트(11)와 출력 샤프트(12) 간의 상대 회동을 가능하게 한다.

하우징 어퍼바디(14)와 하우징 로워바디(15)에는 각각 단부에 관통구가 형성되고, 입력 샤프트(11)와 출력 샤프트(12)는 이들 관통구를 관통하여 배치된다. 이때, 하우징 어퍼바디(14)와 하우징 로워바디(15)에 형성되는 관통구의 인근에는 입력 샤프트(11)와 출력 샤프트(12)가 원활한 회동을 이루도록 하는 샤프트 베어링(15a,b)이 각각 배치될 수 있다.

입력 샤프트(11)와 출력 샤프트(12)는 적어도 단부에서 중공 구조를 형성하고, 토션바(13)는 양단이 각각 입력 샤프트(11)와 출력 샤프트(12)에 배치되도록 입력 샤프트(11)와 출력 샤프트(12)의 내부에 위치한다. 입력 샤프트(11)와 출력 샤프트(12)의 서로 인접한 단부는 입력 샤프트(11)와 출력 샤프트(12)의 축 길이 방향에 대하여 적어도 일부가 중첩되는 구조를 취하여, 외부 이물의 내부 유입을 방지하는 구조를 취할 수도 있다. 입력 샤프트(11)와 출력 샤프트(12)의 축 길이 방향에 대하여 중첩되는 단부의 내경과 외경은 서로 근접 가능한 치수 구조를 취하여 축방향으로의 안정적인 상대 회동 내지 축길이 방향으로의 다소 간의 위치 변동 등에 원활한 안내 기능을 수행하도록 할 수도 있다.

토션바(13)는 토션바 어퍼부(13u)와 토션바 로워부(13l)와 토션바 미디엄부(13m)가 배치되는데, 토션바 어퍼부(13u)는 입력 샤프트(11) 측에 배치되고, 토션바 로워부(13l)는 출력 샤프트(12) 측에 배치되고, 토션바 미디엄부(13m)는 토션바 어퍼부(13u)와 토션바 로워부(13l)의 사이에 배치되는데, 토션바 미디엄부(13m)의 폭은 토션바 어퍼부(13u)와 토션바 로워부(13l)의 폭보다 작은 값을 갖는다.

토션바 어퍼부(13u)와 토션바 로워부(13l)에는 각각 토션바 연결 관통구가 형성되고, 토션바 연결 관통구의 대응되는 위치로 입력 샤프트(11)와 출력 샤프트(12)의 각각의 단부 측에는 샤프트 길이 방향에 수직한 방향으로 관통 형성되는 샤프트 연결 관통구(11a,12a)가 구비되는데, 샤프트 토션바 연결부(11b,12b)가 샤프트 연결 관통구(11a,12a) 및 토션바 연결 관통구를 관통하여 배치됨으로써 토션바(13)를 통한 입력 샤프트(11) 및 출력 샤프트(12) 간의 연결 구조가 형성된다.

센싱부(44,52)는 센싱 모듈(52)과 센싱 마그네트(44)를 포함하는데, 센싱 모듈(52)은 하우징(14,15)에 대하여 위치 고정되어 배치되고, 센싱 마그네트(44)는 센싱 모듈(52)의 대응되는 위치로 하기되는 슬라이더에 배치된다. 하우징(14,15)의 내부에는 기판(51)이 위치 고정되어 배치되는데, 기판(51)은 샤프트부(11,12,13)의 샤프트 길이 방향에 평행하게 배치되고, 센싱 모듈(52)은 기판(51)의 일면 상에 배치된다. 본 실시예에서 기판(51)의 일단은 하우징 어퍼바디(14)의 내측 저면에 위치 고정되어 배치되는 구조를 취하나, 경우에 따라 하우징 로워바디에 배치될 수도 있는 등 다양한 변형이 가능하다.

센싱 마그네트(44)는 슬라이더부에 배치되는데, 슬라이더부의 이동에 따라 함께 위치 이동 가능하다.

슬라이더부(40;22,24,30,43,44)는 샤프트 마그네트(22,24)와, 슬라이더 샤프트(30)와, 슬라이더 블록(43)과, 슬라이더 마그네트(41,42)를 포함한다.

샤프트 마그네트(22,24)는 샤프트부(11,12,13)에 배치되고, 슬라이더 샤프트(30)는 하우징(14,15)에 샤프트부(11,12,13)의 길이 방향으로 배치되고, 슬라이더 블록(43)은 슬라이더 샤프트(30)를 따라 가동 가능하게 하우징(14,15)에 배치되고, 슬라이더 마그네트(41,42)는 슬라이더 블록(43)에 배치되고 샤프트 마그네트(22,24)와 대향 배치된다.

샤프트 마그네트(22,24)는 샤프트부(11,12,13)에 배치되는데, 샤프트 마그네트(22,24)는 입력 샤프트 마그네트(22)와 출력 샤프트 마그네트(24)를 포함하고, 입력 샤프트 마그네트(22)는 입력 샤프트(11)에 배치되고, 출력 샤프트 마그네트(24)는 출력 샤프트(12)에 각각 배치된다. 입력 샤프트 마그네트(22)와 출력 샤프트 마그네트(24)는 각각 서로 상이한 극성이 교번 연속 배치되는 구조를 취하는데, 입력 샤프트 마그네트(22)와 출력 샤프트 마그네트(24)는 본 실시예에서 샤프트부(11,12,13)의 길이 방향에 수직한 평면에 대하여 거울 대칭 구조를 이루고, 입력 샤프트 마그네트(22)와 출력 샤프트 마그네트(24)는 각각 입력 샤프트(11) 및 출력 샤프트(12)의 외주에 배치되는 링 타입 마그네트로 형성된다.

입력 샤프트(11) 및 출력 샤프트(12)의 서로를 마주하는 단부 외주에는 각각 입력 샤프트 슬리브(21) 및 출력 샤프트 슬리브(23)가 배치된다. 입력 샤프트 슬리브(21) 및 출력 샤프트 슬리브(23)는 소정의 단차 구조를 형성하고, 각각의 일단은 입력 샤프트(11) 및 출력 샤프트(12)에 억지 끼움 구조를 형성하여 연결되거나 별도의 체결 부재(미도시)를 통하여 연결되는 구조를 취하고, 타단에는 링 타입 마그네트로 구현되는 입력 샤프트 마그네트(22)와 출력 샤프트 마그네트(24)가 위치 고정되어 장착된다. 이와 같은 구조를 통하여 입력 샤프트 마그네트(22)와 출력 샤프트 마그네트(24)는 입력 샤프트(11) 및 출력 샤프트(12)와 함께 축회동할 수 있다.

슬라이더 샤프트(30)는 하우징(14,15)에 샤프트부(11,12,13)의 길이 방향으로 배치되는데, 슬라이더 샤프트의 일단은 하우징 어퍼바디(14)에, 타단은 하우징 로워바디(15)에 배치되고, 슬라이더 블록(43)은 슬라이더 샤프트(30)를 따라 가동 가능하게 배치된다. 슬라이더 블록(43)에는 슬라이더 샤프트 관통구(43a)가 형성되고, 슬라이더 샤프트(30)는 슬라이더 샤프트 관통구(43a)를 관통하여 배치된다.

본 실시예에서 슬라이더 샤프트(30)는 단수 개가 배치되는 구조를 취하였으나, 슬라이더 샤프트(30)는 복수 개가 샤프트부(11,12,13)의 길이 방향을 따라 배치되는 구조를 취할 수도 있다. 또한, 본 실시예에서 슬라이더 샤프트(30)의 단면은 원형 단면 구조를 취하는 것으로 도시되었으나, 슬라이더 샤프트(30c)의 단면은 비원형 단면을 구비하여 슬라이더 샤프트가 단수 개가 배치되는 경우 슬라이더 샤프트를 중심으로 슬라이더의 회동을 방지할 수도 있다.

또한, 경우에 따라 슬라이더 샤프트의 외주에 샤프트 가이드(30a)가 더 구비되고, 슬라이더 블록(30a)의 슬라이더 샤프트 관통구(43a)에는 샤프트 가이드(30a)에 대응하여 샤프트 가이드(30a)와 상대 가동 가능하게 안내하는 슬라이더 샤프트 관통 가이드(43b)가 배치되는 구조를 취할 수도 있다.

이와 같은 슬라이더 샤프트의 부가적 구성을 통하여 슬라이더 블록의 원활한 가동 및 안정적인 가동 상태를 보증하는 구조를 취할 수도 있다.

슬라이더 마그네트(41,42)는 슬라이더 블록(43)에 배치되고 샤프트 마그네트(22,24)와 대향 배치되는데, 슬라이더 마그네트(41,42)는 입력 슬라이더 마그네트(41)와 출력 슬라이더 마그네트(42)를 포함하고, 입력 슬라이더 마그네트(41)는 입력 샤프트 마그네트(22)와 대향 이격하여 슬라이더 블록(43)에 배치되고, 출력 슬라이더 마그네트(42)는 출력 샤프트 마그네트(24)와 대향 이격하여 슬라이더 블록(43)에 배치된다. 이때, 보다 구체적으로 본 실시예에서는 샤프트 마그네트(22,24)는 각각 상이한 극성이 샤프트 마그네트(22,24)의 원주 방향에 대응하여 연속 교번 배치되는 구조, 즉 N극 및 S극 또는 S극 및 N극이 연속 배치되는 구조를 취하는데, 슬라이더 마그네트(41,42)의 입력 슬라이더 마그네트(41)와 출력 슬라이더 마그네트(42)의 각 극성에 대한 너비는 링 타입 마그네트로 구현되는 입력 샤프트 마그네트(22)와 출력 샤프트 마그네트(24)의 각 극성에 대한 너비에 대응하는 너비, 즉 실질적으로 동일한 너비를 갖는다.

본 발명의 샤프트 마그네트(22,24)는 앞서 기술된 바와 같이 입력 샤프트 마그네트(22)와 출력 샤프트 마그네트(24)를 포함하고, 입력 샤프트 마그네트(22)와 출력 샤프트 마그네트(24)는 각각 서로 상이한 극성이 교번 연속 배치되는 구조를 취하고, 슬라이더 마그네트(41,42)는 입력 슬라이더 마그네트(41)와 출력 슬라이더 마그네트(42)를 포함하고, 샤프트 마그네트(22,24)는 각각 상이한 극성이 샤프트 마그네트(22,24)의 원주 방향에 대응하여 연속 교번 배치되는 구조를 취하는데,

샤프트 마그네트(22,24) 및 슬라이더 마그네트(41,42) 중 어느 하나의 상이한 극성 간의 경계선은 샤프트부(11,121,31)의 회동축에 사전 설정된 스큐 경사각(θs)을 구비한다. 스큐 경사각(θs)은 샤프트 마그네트(22,24) 및 슬라이더 마그네트(41,42)은 하기되는 바와 같이 차량의 스티어링 휠의 좌우 회전에 대하여 슬라이더의 안정적이면서도 스티어링 휠과 차량의 차륜/지면 간의 마찰로 인하여 발생하는 토크에 대한 선형적 위치 변동을 가능하게 하는 범위에서 샤프트 마그네트(22,24) 및 슬라이더 마그네트(41,42)의 상호 작용에 의하여 힘의 평형 내지 정위치를 유지 가능하게 하는 범위에서 샤프트 마그네트(22,24) 및 슬라이더 마그네트(41,42) 중 어느 하나에 형성될 수 있으나, 본 실시예에서는 샤프트 마그네트(22,24) 및 슬라이더 마그네트(41,42)와 모두 동일한 스큐 경사각(θs)을 구비하는 구조를 취한다.

도 4 및 도 5에는 본 발명의 샤프트 마그네트 및 슬라이더 마그네트의 상호 작용 관계를 설명하는 개념도가 도시된다. 본 실시예에서는 샤프트 마그네트(22,24) 및 슬라이더 마그네트(41,42)의 사전 설정 스큐 경사각이 모두 도면 부호 θs로 지시되는 동일한 스큐 경사각을 갖는 경우로서, 샤프트 마그네트(22,24)는 입력 샤프트 및 출력 샤프트의 단부에 배치되어 원주 방향의 회동, 즉 도면 상에서 수평 화살표 방향으로의 이동만이 허용되고, 슬라이더 마그네트(41,42)는 슬라이더 블록에 장착되어 슬라이더 샤프트를 따른 수직 화살표 방향으로의 직선 이동만이 허용되며 다른 방향으로의 이동은 구속된다.

샤프트 마그네트(22,24) 및 슬라이더 마그네트(41,42)가 근접 배치되는 경우 자석 들 간의 인력과 척력에 의하여 자연스럽게 균형점을 찾아 가는데, 본 실시예에서는 교번 배치되는 상이한 극성 간의 경계선에 맞추어 이동 및 위치 조정된다(도 4 참조). 이때, 입력 샤프트 및 출력 샤프트 간의 비틀림에 의하여 샤프트 마그네트(22,24)에 수평 화살표 방향으로의 위치 변동이 발생하는 경우, 슬라이더 마그네트(41,42)도 상이한 극성이 이루는 마그네트의 경계선을 따라 수직 화살표 방향으로의 위치 변동이 발생한다. 슬라이더 마그네트(41,42)의 수직 화살표 방향으로의 위치 변동의 방향, 즉 상방향 내지 하방향 이동 여부는 대응되는 샤프트 마그네트(22,24)와 슬라이더 마그네트(41,42)가 이루는 사전 설정된 스큐 경사각과 샤프트 마그네트(22,24)의 좌우로의 수평 방향 이동(실제로는 입력 샤프트 내지 출력 샤프트의 시계 방향 회전 내지 반시계 방향으로의 회전에 대응)의 여부에 따라 결정된다.

이와 같이, 샤프트 마그네트(22,24)의 이동시 상이한 극성의 마그네트가 이루는 사전 설정 스큐 경사각을 구비하는 경계선을 따라 슬라이더 마그네트(41,42)도 이동하여 점유하는 새로운 위치점을 찾게 되고(도 5 참조), 슬라이더 마그네트가 장착되는 슬라이더 블록에 배치되는 센싱 마그네트의 위치 변동을 센싱 모듈이 감지하여 소정의 슬라이더 블록의 수직 위치 변동에 대응하는 입력 샤프트 및 출력 샤프트의 비틀림 각을 감지하게 된다. 여기서, 센싱 모듈이 감지하는 센싱 마그네트의 위치 변동과 입력 샤프트 및 출력 샤프트가 이루는 비틀림 각(θ)은 선형적 관계를 이루는 범위로 조정되어 보다 정확한 비틀림 각 감지를 이룰 수도 있다.

도 4 및 도 5에서 본 발명의 작동 원리에 대하여 살펴보았는데, 도 6 내지 도 10에는 본 발명의 실제 구현예가 도시된다. 본 발명의 파워 스티어링 토크 센서 유니트의 샤프트 마그네트(22,24)와 슬라이더 마그네트(41,42)는 입력 샤프트와 출력 샤프트의 길이 방향에 수직하는 평면에 대하여 거울 대칭 구조를 이루어 입력 샤프트 및 출력 샤프트 간의 비틀림 각이 발생하지 않는 경우 슬라이더 블록의 수직 방향으로의 위치 변동없이 안정적인 균형점을 유지하도록 할 수 있다.

본 발명의 파워 스티어링 토크 센서 유니트가 작동하는 상태는 대체적으로 3가지의 상태 조건으로 구현된다. 먼저, 도 6에 도시되 바와 같이, 운전자가 조향하는 스티어링 휠에 의하여 차륜과 노면 간의 마찰이 심하지 않는 경우, 예를 들어 차량이 고속 주행 상태를 이루거나 노면과 차륜 사이에 슬립이 발생하는 경우 운전자의 스티어링 휠의 조작에 의한 노면에서의 반력이 토션바(13)에 설계된 비틀림 하중보다 작은 경우로서, 입력 샤프트(11)와 출력 샤프트(12) 간에 비틀림이 발생하지 않고 실질적으로 동축 회동 상태를 이루는데, 이때 샤프트 마그네트(22,24)는 동축 회동을 이루고, 슬라이더 마그네트(41,42)도 상하 위치 변화없이 힘의 평형 상태를 유지하여, 센싱 마그네트(44)의 위치 유지로 인하여 센싱 모듈(52)에서는 출력 변화가 발생하지 않는다.

한편, 운전자가 조향하는 스티어링 휠에 의하여 차륜과 노면 간의 마찰이 어느 정도 존재하는 경우, 예를 들어 차량이 저속 주행 내지 주차 조작 상태를 이루거나 노면과 차륜 사이에 슬립이 거의 발생하지 않는 경우 운전자의 스티어링 휠의 조작에 의한 노면에서의 반력이 토션바(13)에 설계된 비틀림 하중보다 큰 경우로서, 입력 샤프트(11)와 출력 샤프트(12) 간에 비틀림이 발생하여 양자 사이에 비틀림 각이 형성된 상태로 회동 상태를 이루거나 유지된다.

이때, 차량의 스티어링 휠의 반시계 방향으로의 회동시 입력 샤프트가 출력 샤프트보다 좌측 방향(도 7 참조)으로 보다 큰 회전량으로 이동하게 되어 입력 샤프트(11)에 배치되는 입력 샤프트 마그네트(22)가 출력 샤프트(12)에 배치되는 출력 샤프트 마그네트(24)보다 좌측으로 비틀림 각에 대응하는 회전 비틀림 양이 증가하고, 대응하는 슬라이더 마그네트(41,42)는 사전 설정 스큐 경사각에 대응하는 경계면을 따라 이동하는데, 입력 슬라이더 마그네트(41) 측은 각각 다음과 같은 하방 이동량(L3)을 형성한다. 여기서, β는 사전 설정 스큐 경사각(θs)의 일예이다.

노면의 마찰로 인한 저항과 운전자에 의하여 직접적인 회동 운동의 시작이 이루어지는 스티어링 휠의 배치 위치로 인하여, 노면 측의 차륜을 향하는 출력 샤프트(12)보다 입력 샤프트(11) 측의 회동이 발생하여 이들 사이에 배치되는 토션바(13)의 비틀림이 발생한다는 점에서, 입력 샤프트(11) 측의 비틀림 회동이 발생하여 출력 샤프트(12) 측 대비 반경과 비틀림 각에 의하여 형성되는 비틀림 변위가 형성되는 구조를 기준으로 삼을 경우, 출력 슬라이더 마그네트(42) 측은 비틀림 변위가 영이지만, 출력 슬라이더 마그네트(42)는 입력 슬라이더 마그네트(41)와 슬라이더에 위치 장착되는 구조를 취하므로 각 변위는 평형을 이루게 되어 출력 슬라이더 마그네트 측이 이루는 거리(L4) 및 슬라이더가 이동하는 전체적인 거리(Ls)는 다음과 같이 표현될 수 있다.

이러한 슬라이더의 하방 위치 이동에 따라 슬라이더에 장착되는 센싱 마그네트도 함께 하방 이동하여 소정의 수직 위치 변동을 감지하고, 이를 통하여 슬라이더의 하방 위치 이동에 대응하는 입력 샤프트 원주 상의 입력 샤프트 마그네트의 원주 방향 수평 변위에 상응하는 입력 샤프트 측의 비틀림 각을 역산하여 도출될 수 있다.

이 경우, 차량의 스티어링 휠의 비틀림 각과 본 발명의 파워 스티어링 토크 센서 유니트의 센싱 모듈에서 측정되는 출력값은 도 8의 선도와 같이 선형 범위에서의 조정을 이루어 파워 스티어링 토크 센서 유니트의 센싱 모듈에서의 출력값으로부터 차량 스티어링 휠과 연결되는 샤프트부에서의 비틀림 각을 산출할 수 있다.

반면, 차량의 스티어링 휠의 시계 방향으로의 회동시 입력 샤프트가 출력 샤프트보다 우측 방향(도 9 참조)으로 보다 큰 회전량으로 이동하게 되어 입력 샤프트(11)에 배치되는 입력 샤프트 마그네트(22)가 출력 샤프트(12)에 배치되는 출력 샤프트 마그네트(24)보다 우측으로 비틀림 각에 대응하는 회전 비틀림 양이 증가하고, 대응하는 슬라이더 마그네트(41,42)는 사전 설정 스큐 경사각에 대응하는 경계면을 따라 이동하는데, 입력 슬라이더 마그네트(41) 측은 각각 다음과 같은 상방 이동량(L3)을 형성한다.

출력 슬라이더 마그네트(42)는 입력 슬라이더 마그네트(41)와 슬라이더에 위치 장착되는 구조를 취하므로 각 변위는 평형을 이루게 되어 출력 슬라이더 마그네트 측이 이루는 거리(L4) 및 슬라이더가 이동하는 전체적인 거리(Ls)는 다음과 같이 표현될 수 있다.

이러한 슬라이더의 상방 위치 이동에 따라 슬라이더에 장착되는 센싱 마그네트도 함께 상방 이동하여 소정의 수직 위치 변동을 감지하고, 이를 통하여 슬라이더의 상방 위치 이동에 대응하는 입력 샤프트 원주 상의 입력 샤프트 마그네트의 원주 방향 수평 변위에 상응하는 입력 샤프트 측의 비틀림 각을 역산하여 도출될 수 있다.

이 경우, 차량의 스티어링 휠의 비틀림 각과 본 발명의 파워 스티어링 토크 센서 유니트의 센싱 모듈에서 측정되는 출력값은 도 10의 선도와 같이 선형 범위에서의 조정을 이루어 파워 스티어링 토크 센서 유니트의 센싱 모듈에서의 출력값으로부터 차량 스티어링 휠과 연결되는 샤프트부에서의 비틀림 각을 산출할 수 있다.

앞서 설명된 바와 같이 본 실시예에서의 파워 스티어링 토크 센서 유니트(10)의 하우징(14,15)은 차량에 배치되고, 기판(51)이 하우징에 수용 배치되며, 하우징(14,15)에 차량 운전자의 변속 조작에 의하여 회동 가능하게 관통 배치되는 샤프트부(11,12,13)와, 센싱부(44,52)를 구비하여, 샤프트 마그네트와 슬라이더 마그네트 중의 어느 하나에 사전 설정 스큐 경사각이 형성되어 소정의 회전 운동의 변위가 직선 가동 변위로 전환되어 감지 가능한 구조를 취하는 범위에서 다양한 구현이 가능하다.

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

10...파워 스티어링 토크 센서 유니트
14,15..하우징 11,12,13...샤프트부
11...입력 샤프트 12...출력 샤프트
13...토션바 44...센싱 마그네트
52...센싱 모듈

Claims

하우징과,
일단이 각각 하우징에 수용 배치되고 길이 방향으로 서로 이격 배치되는 입력 샤프트 및 출력 샤프트, 및 양단이 상기 입력 샤프트 및 상기 출력 샤프트에 각각 연결되고 상기 입력 샤프트 및 상기 출력 샤프트 간의 비틀림 동작을 가능하게 하는 토션바를 포함하는 샤프트부와,
상기 샤프트부에 배치되는 샤프트 마그네트, 상기 하우징에 상기 샤프트부의 길이 방향으로 배치되는 슬라이더 샤프트, 상기 슬라이더 샤프트를 따라 가동 가능한 슬라이더 블록, 상기 슬라이더 블록에 배치되고 상기 샤프트 마그네트와 대향 배치되는 슬라이더 마그네트를 구비하는 슬라이더부와,
상기 하우징에 대하여 위치 고정되어 배치되는 센싱 모듈과, 상기 슬라이더부에 배치되어 위치 이동 가능한 센싱 마그네트를 구비하는 센싱부를 구비하고,
상기 샤프트 마그네트 및 상기 슬라이더 마그네트 각각은 상이한 극성이 교번 배치되는 구조를 취하되,
상기 샤프트 마그네트 및 상기 슬라이더 마그네트 중 어느 하나의 상이한 극성 간의 경계선은 상기 샤프트부의 회동축에 사전 설정된 스큐 경사각을 구비하는 것을 특징으로 하는 파워 스티어링 토크 센서 유니트.
제 1항에 있어서,
상기 샤프트 마그네트의 상이한 극성 간의 경계선은 상기 샤프트부의 회전 방향으로 사전 설정된 스큐 샤프트 마그네트 경사각을 구비하는 것을 특징으로 하는 파워 스티어링 토크 센서 유니트.
제 1항에 있어서,
상기 슬라이더 마그네트의 상이한 극성 간의 경계선은 상기 샤프트부의 회전 방향으로 사전 설정된 스큐 슬라이더 마그네트 경사각을 구비하도록 경사 배치되는 것을 특징으로 하는 파워 스티어링 토크 센서 유니트.
제 1항에 있어서,
상기 샤프트 마그네트의 상이한 극성 간의 경계선은 상기 샤프트부의 회전 방향으로 사전 설정된 스큐 샤프트 마그네트 경사각을 구비하도록 경사 배치되고,
상기 슬라이더 마그네트의 상이한 극성 간의 경계선은 상기 샤프트부의 회전 방향으로 사전 설정된 스큐 슬라이더 마그네트 경사각을 구비하도록 경사 배치되고,
상기 스큐 슬라이더 마그네트 경사각은 상기 스큐 샤프트 마그네트 경사각과 동일한 것을 특징으로 하는 파워 스티어링 토크 센서 유니트.
제 1항에 있어서,
상기 샤프트 마그네트는:
상기 입력 샤프트에 배치되는 입력 샤프트 마그네트와,
상기 출력 샤프트에 배치되는 출력 샤프트 마그네트를 구비하고,
상기 슬라이더 마그네트는:
상기 입력 샤프트 마그네트와 대향 이격하여 상기 슬라이더 블록에 배치되는 입력 슬라이더 마그네트와,
상기 출력 샤프트 마그네트와 대향 이격하여 상기 슬라이더 블록에 배치되는 출력 슬라이더 마그네트를 구비하는 것을 특징으로 하는 파워 스티어링 토크 센서 유니트.
제 5항에 있어서,
상기 입력 샤프트 마그네트와 상기 출력 샤프트 마그네트는, 상기 샤프트부의 길이 방향에 수직한 평면에 대하여 거울 대칭 구조를 이루는 것을 특징으로 하는 파워 스티어링 토크 센서 유니트.
제 6항에 있어서,
상기 입력 샤프트 마그네트 및 상기 출력 샤프트 마그네트는 각각 상기 입력 샤프트 및 상기 출력 샤프트의 외주에 배치되는 링 타입 마그네트인 것을 형성되는 것을 특징으로 하는 파워 스티어링 토크 센서 유니트.
제 7항에 있어서,
상기 입력 슬라이더 마그네트와 상기 출력 슬라이더 마그네트의 각 극성에 대한 너비는 상기 입력 샤프트 마그네트 및 상기 출력 샤프트 마그네트의 각 극성의 너비에 대응하는 것을 특징으로 하는 파워 스티어링 토크 센서 유니트.
제 7항에 있어서,
상기 입력 샤프트 및 상기 출력 샤프트의 서로를 마주하는 단부 외주에는 각각 입력 샤프트 슬리브 및 출력 샤프트 슬리브가 구비되고,
상기 입력 샤프트 마그네트 및 상기 출력 샤프트 마그네트는 각각 상기 입력 샤프트 슬리브 및 상기 출력 샤프트 슬리브에 장착되는 것을 특징으로 하는 파워 스티어링 토크 센서 유니트.
제 2항 또는 제 4항에 있어서,
상기 스큐 샤프트 마그네트 경사각은, 상기 입력 샤프트의 시계 방향 회동시 상기 슬라이더 블록이 상방향으로 이동하도록 형성되는 것을 특징으로 하는 파워 스티어링 토크 센서 유니트.
제 2항 또는 제 4항에 있어서,
상기 스큐 샤프트 마그네트 경사각은, 상기 입력 샤프트의 반시계 방향 회동시 상기 슬라이더 블록이 하방향으로 이동하도록 형성되는 것을 특징으로 하는 파워 스티어링 토크 센서 유니트.
제 1항에 있어서,
상기 슬라이더 샤프트의 외주에는 샤프트 가이드가 구비되고,
상기 슬라이더 블록의 상기 슬라이더 샤프트 관통구에는 상기 샤프트 가이드에 대응하는 슬라이더 샤프트 관통 가이드가 구비되는 것을 특징으로 하는 파워 스티어링 토크 센서 유니트.
제 1항에 있어서,
상기 슬라이더 샤프트는 복수 개가 배치되는 것을 특징으로 하는 파워 스티어링 토크 센서 유니트.
제 1항에 있어서,
상기 슬라이더 샤프트는 비원형 단면을 구비하는 것을 특징으로 하는 파워 스티어링 토크 센서 유니트.