KR101584612B1 - 전동식 조향장치의 토크 앵글 센서 조립체 - Google Patents

전동식 조향장치의 토크 앵글 센서 조립체 Download PDF

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Abstract

전동식 조향장치의 토크 앵글 센서 조립체가 개시된다. 본 발명의 실시 예에 따른 전동식 조향장치의 토크 앵글 센서 조립체는 조향축에 마련되는 하우징과; 하우징에 회전 가능하도록 마련되어 조향축과 함께 회전하는 로터와; 로터에 마련되는 이니셜기어와; 하우징에 이니셜기어와 치합하도록 마련되는 센서기어와; 하우징과 결합하여 내부에 수용되는 이니셜기어와 센서기어가 치합하도록 지지하는 푸시부재를 갖는 하우징커버;를 포함한다.

Description

전동식 조향장치의 토크 앵글 센서 조립체{Torque Angle Sensor Module of Electronic Power Steering Apparatus}
본 발명은 전동식 조향장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 토크 앵글 센서 조립체의 이니셜기어와 센서기어 사이의 백래쉬(backlash)를 저감할 수 있는 전동식 조향장치의 토크 앵글 센서 조립체에 관한 것이다.
일반적으로 차량은 핸들의 조향력을 경감하여 조향 안정성을 확보하기 위한 수단으로서 보조 조향장치를 구비한다. 보조 조향장치로서 종래에는 유압을 이용한 유압식 조향장치(HPS;Hydraulic Power Steering System)가 널리 사용되었으나, 최근에는 모터를 이용하여 조향을 쉽게 하는 전동식 조향장치(Moter driven Power Steering System;MDPS 또는 Electronic Power Steering;EPS)가 보편적으로 설치되고 있다.
전동식 조향장치(MDPS)는 차속 센서, 앵글 센서, 및 토크 센서 등에서 감지한 차량의 운행조건에 따라 전자제어장치(ECU)에서 모터를 구동시켜 저속 운행시에는 가볍고 편안한 조향감을 부여하고, 고속 운행시에는 무거운 조향감과 더불어 양호한 방향 안정성을 부여한다. 또한, 고속에서는 핸들의 회전각에 따른 조속한 조향휠의 복원력을 제공하여 비상 상황에서 급속한 조향이 이루어지도록 하여 운전자에게 최적의 조향 조건을 제공한다.
최근에는 토크와 회전 각도를 하나의 센서에서 감지할 수 있는 토크 앵글 센서가 많이 사용된다.
한국 공개특허 제10-2012-0077037호(2012.07.10.)
본 발명의 실시 예에 따른 전동식 조향장치의 토크 앵글 센서 조립체는 이니셜기어와 센서기어의 치합 시 발생하는 백래쉬를 효과적으로 저감하고자 한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 조향축에 마련되는 하우징과; 하우징에 회전 가능하도록 마련되어 조향축과 함께 회전하는 로터와; 로터에 마련되는 이니셜기어와; 하우징에 이니셜기어와 치합하도록 마련되는 센서기어와; 하우징과 결합하여 내부에 수용되는 이니셜기어와 센서기어가 치합하도록 지지하는 푸시부재를 갖는 하우징커버;를 포함하는 전동식 조향장치의 토크 앵글 센서 조립체를 제공할 수 있다.
또한, 상기 푸시부재는 하우징커버의 일부를 절개하여 마련되며, 상기 하우징커버측에 마련되는 고정단과, 그 끝단에 마련되는 자유단과, 자유단의 단부에 마련되는 누름돌기를 포함할 수 있다.
또한, 상기 푸시부재의 고정단과 자유단은 원호 형태로 마련될 수 있다.
또한, 상기 푸시부재는 센서기어의 수직 방향 위치를 지지하기 위한 제1푸시부재와, 센서기어의 수평 방향 위치를 지지하기 위한 제2푸시부재를 포함할 수 있다.
또한, 상기 센서기어는 상면과 내측면을 포함하고, 상기 제1푸시부재는 센서기어의 상면을 탄성 지지하며, 상기 제2푸시부재는 이니셜기어에 근접하도록 센서기어의 내측면을 탄성 지지할 수 있다.
또한, 상기 제1푸시부재는 적어도 한 쌍으로 마련되어 센서기어의 중심을 기준으로 대향 마련될 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 전동식 조향장치의 토크 앵글 센서 조립체는 센서기어의 수직 방향 위치를 지지하기 위한 제1푸시부재와, 센서기어의 수평 방향 위치를 지지하여 이니셜기어를 향해 근접하도록 하는 제2푸시부재를 구비하여 이니셜기어와 센서기어의 수평(Radial) 및 수직(Axial) 방향 치합이 안정적으로 이루어지도록 함으로써 백래쉬에 의한 센서의 측정 오차를 효과적으로 저감할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시 예에 따른 전동식 조향장치의 토크 앵글 센서 조립체는 제1푸시부재와 제2푸시부재를 하우징과 결합하여 이니셜기어와 센서기어를 내부에 수용하는 커버하우징에 일체로 마련함으로써 부품 절감 및 제조가 용이하도록 할 수 있다.
도 1은 일반적인 전동식 조향장치를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 전동식 조향장치의 토크 앵글 센서 조립체를 도시한 결합 사시도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 전동식 조향장치의 토크 앵글 센서 조립체를 도시한 분해 사시도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 전동식 조향장치의 토크 앵글 센서 조립체를 도시한 일부 절개 사시도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 전동식 조향장치의 토크 앵글 센서 조립체의 하우징커버 내부를 도시한 사시도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 전동식 조향장치의 토크 앵글 센서 조립체의 하우징커버를 도시한 저면도이다.
도 7은 도 6의 Ⅶ-Ⅶ 선에 따른 단면도이다.
도 8은 도 6의 Ⅷ-Ⅷ선에 따른 단면도이다.
이하에서는 본 발명의 실시 예들을 첨부 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 이하에 소개되는 실시 예들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되는 것이다. 본 발명은 이하 설명되는 실시 예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 본 발명을 명확하게 설명하기 위하여 설명과 관계없는 부분은 도면에서 생략하였으며 도면들에 있어서 구성요소의 폭, 길이, 두께 등은 편의를 위하여 과장되어 표현될 수 있다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.
도 1은 일반적인 전동식 조향장치를 개략적으로 도시한 도면이다. 도면을 참조하면, 전동식 조향장치는 핸들(1)로부터 양 바퀴(2)를 연결하는 메인조향유닛 및 메인조향유닛에 보조 동력을 제공하는 보조조향유닛(10)을 포함한다.
메인조향유닛의 일측은 핸들(1)에 연결되어 연동되며, 타측은 한 쌍의 유니버셜 조인트(3)를 통해 피니언축(4)에 연결되는 조향축(5)을 포함한다. 피니언축(4)은 랙-피니언 기구(6)를 통해 랙바(7)에 연결되고, 랙바(7)는 타이로드와 너클암을 통해 차량의 바퀴(2)와 연결된다.
보조조향유닛(10)은 운전자가 핸들(1)에 가하는 토크를 감지하고 이를 전기 신호로 출력하는 토크 센서(11)와, 핸들(1)의 회전각을 감지하여 전기 신호로 출력하는 앵글 센서(12)와, 토크 센서(11)와 앵글 센서(12)로부터 출력되는 전기 신호에 기초하여 제어 신호를 발생시키는 전자제어장치(ECU)(13)와, ECU(13)의 출력 신호에 기초하여 보조 동력을 발생시키는 모터(14) 및 모터(14)의 동력을 감속하여 조향축(5)에 전달하는 감속기(15)를 포함한다. 토크 센서(11)와 앵글 센서(12)는 모델에 따라 각각 별도로 마련되거나 하나의 유닛 형태로 마련될 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 전동식 조향장치의 보조조향유닛에 마련되는 토크 앵글 센서 조립체를 도시한 결합사시도이며, 도 3은 그 분해 사시도이고, 도 4는 일부 절개 사시도이다.
도면들을 참조하면, 본 실시 예의 토크 앵글 센서 조립체(100)는 하우징(110)과, 로터(120)와, 이니셜기어(130)와, 센서기어(140)와, 하우징커버(150)를 포함한다.
하우징(110)은 보조조향유닛(10)의 하부 케이싱을 지칭한다. 보조조향유닛은 상술한 바와 같이 본 실시 예의 토크 앵글 센서 조립체에서 출력되는 전기 신호에 기초하여 제어 신호를 발생시키는 전자제어장치(ECU)와, ECU의 출력 신호에 기초하여 보조 동력을 발생시키는 모터와, 모터의 동력을 감속하여 조향축에 전달하는 감속기 등을 상호 조립되는 상부 케이싱과 하부 케이싱 내부에 포함할 수 있다. 이하 도면은 하우징(110)을 저면도 형태로 도시한 것이다.
하우징(110)은 서로 인접 마련되는 원형의 관통홀(111) 및 원형의 기어홈(113)과, 두 원형 설치공(111,113)을 감싸도록 마련되는 커버돌기(115)를 포함한다. 관통홀(111)에는 이니셜기어(130)가 조립된 로터(120)를 설치하기 위한 걸림턱(114)이 내주면에 마련되며, 기어홈(113)에는 센서기어(140)가 회전 가능하도록 수용된다. 커버돌기(115)는 하우징커버(150)와 결합하기 위한 다수의 결합돌기(117)들을 포함한다.
또한, 하우징(110)의 내부(도면에서 하측)에는 로터(120)의 회전을 통해 조향축의 토크와 회전각을 감지할 수 있도록 각종 전자 부품들이 장착되는 인쇄회로기판(118)이 설치될 수 있다.
인쇄회로기판(118)은 조향축(5)의 토크를 감지하기 위한 자속을 생성 및 수신하기 위한 발진 코일 및 수신 코일과, 자속의 변화량을 감지하는 자기소자를 포함할 수 있으며, 이때 자기소자는 일반적으로 한 쌍의 리니어 홀 소자(Linear Hall IC)를 사용할 수 있다. 또한, 인쇄회로기판(118)은 조향축(5)의 회전각을 감지하기 위해 센서기어(140)와 함께 함께 회전하는 마그넷(142)의 자기장과 회전방향을 감지하기 위한 홀 IC(144) 및 홀 IC(144)로부터 신호를 받아 회전각을 연산하는 마이콤(미도시)을 포함할 수 있다. 마이콤에서 연산된 값은 CAN(Controller Area Network)을 통해 전자제어장치(ECU)로 송출된다.
로터(120)는 조향축(5)(steering shaft)과 함께 축회전되도록 조향축에 고정되며, 하우징(110)의 관통홀(111)에 회전 가능하게 설치된다.
본 실시 예의 로터(120)는 휠측과 연결되는 출력측 샤프트가 결합되는 것으로, 인쇄회로기판(118)을 중심으로 반대측에는 핸들과 연결되는 입력측 샤프트가 결합된다. 출력측 샤프트와 입력측 샤프트를 본 실시 예에서는 하나의 조향축(5)으로 도시하였다. 출력측 샤프트에 마련되는 하부 로터(120)에는 금속재의 제1커플러(미도시)가 마련되고, 입력측 샤프트에 마련되는 상부 로터(미도시)에는 금속재의 제2커플러가 마련되어 조향 동작 시 두 로터의 비틀림에 의해 발생하는 자속 변화를 인쇄회로기판(118)에서 감지하고, 이를 통해 조향 제어에 필요한 토크 신호가 얻어진다.
로터(120)는 일측에 적어도 하나 이상의 체결홈(121)을 조향축(두께) 방향으로 구비하여 이니셜기어(130)의 체결돌기(131)와 결합되며, 체결홈(121)과 이격하여 원주면을 따라 마련되는 적어도 하나 이상의 체결링(125)을 구비하여 하우징(110)의 걸림턱(114)에 회전 가능하도록 결합된다. 즉, 로터(120)와 이니셜기어(130)는 조향 시 같이 회전하도록 결합되며, 로터(120)와 하우징(110)은 상대적으로 회전 가능하도록 결합된다.
이니셜기어(130)는 로터(120)의 체결홈(121)에 삽입 체결되도록 일측에 두께 방향으로 체결홈(121)과 대응되는 형상으로 돌출 형성되는 체결돌기(131)를 갖는 로터결합부와, 치형(133)이 외주에 형성된 기어형성부를 포함한다. 이니셜기어(130)는 조향축(5)이 관통할 수 있도록 전체적으로 링 형상을 갖는다. 미설명된 참조부호 135는 이니셜기어(130)를 하우징(110)에 회전 가능하게 지지하는 서포트돌기이다.
센서기어(140)는 하우징(110)의 기어홈(113)에 수직 방향으로 회전 가능하게 결합되는 한편, 수평 방향으로 이니셜기어(130)와 치합하도록 마련된다. 또한 센서기어(140)는 센서기어와 함께 회전하는 마그넷(142)을 포함한다. 마그넷(142)은 인쇄회로기판(118)에 마련되는 홀 IC(144)와 함께 조향 제어에 필요한 회전각(앵글) 신호를 취득하는데 사용된다.
하우징커버(150)는 하우징(110)에 설치된 이니셜기어(130)와 센서기어(140)를 커버하여 보호할 수 있도록 마련된다. 하우징커버(150)는 이니셀기어(130)를 커버하는 제1커버부(152)와, 센서기어(140)를 커버하는 제2커버부(154)를 포함한다.
제1커버부(152)는 중공(153)을 구비하여 조향축(5)이 관통될 수 있도록 되어 있다.
제2커버부(154)는 센서기어(140)를 내부에 수용하며, 제1커버부(152)에 수용되는 이니셜기어(130)와 센서기어(140)의 치합 시 발생하는 백래쉬(backlash)가 최소화하도록 하는 푸시부재(155,157)를 포함한다.
도 5는 하우징커버(150)의 배면을 도시한 도면으로, 도시한 바와 같이 푸시부재는 하우징커버(150)의 내측으로 돌출 마련되는 제1푸시부재(155)와 제2푸시부재(157)를 포함한다.
제1푸시부재(155)는 하우징커버(150)의 일부를 슬릿 형태로 절개하여 마련되며, 하우징커버(150)측에 마련되는 고정단(155a)과 그 끝단에 마련되는 자유단(155b)과, 자유단(155b)의 단부에 마련되는 누름돌기(155c)를 포함한다.
제2푸시부재(157)도 하우징커버(150)의 일부를 슬릿 형태로 절개하여 마련되며, 하우징커버(150)측에 마련되는 고정단(157a)과 그 끝단에 마련되는 자유단(157b)과, 자유단(157b)의 단부에 마련되는 누름돌기(157c)를 포함한다.
제1,2푸시부재(155,157)는 자유단(155b, 157b)의 탄성 복원력이 원활히 작용할 수 있도록 원호 형태로 마련될 수 있다.
도 6은 하우징커버의 저면도이며, 도 7은 도 6의 Ⅶ-Ⅶ 선에 따른 단면도, 도 8은 도 6의 Ⅷ-Ⅷ선에 따른 단면도이다.
도면들을 참조하면, 제1푸시부재(155)는 센서기어(140)를 수직(Axial) 방향으로 지지하여 이니셜기어(130)와 치합이 안정적으로 이루어지도록 하며, 제2푸시부재(157)는 센서기어(140)를 수평(Radial) 방향으로 이니셜기어(130)를 향해 근접하도록 지지하여 이니셜기어(130)와 치합이 안정적으로 이루어지도록 한다.
즉, 제1푸시부재(155)는 하우징커버(150)와 하우징(110)의 결합 시 내측으로 돌출된 자유단(155b)의 누름돌기(155c)가 도 7에 도시된 바와 같이 센서기어(140)의 상면을 화살표 방향으로 탄성적으로 누르게 된다. 이때, 센서기어(140)가 가압력에 의해 편심 회전 하지 않도록 제1푸시부재(155)는 적어도 두 개가 센서기어의 중심을 기준으로 대향 설치된다.
제2푸시부재(155)는 하우징커버(150)와 하우징(110)의 결합 시 내측으로 돌출된 자유단(157b)의 누름돌기(157c)가 도 8에 도시된 바와 같이 센서기어(140)의 내측면(146)을 화살표 방향으로 탄성적으로 누르게 된다. 이때, 과도한 가압력이 인가되지 않도록 누름돌기(157c)의 내측면(146)과 대향하면 면은 경사면(157d)으로 마련될 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 토크 앵글 센서의 토크 및 회전각 측정에 대해 간략히 설명하면 다음과 같다.
운전자가 조향축을 회전하면 인쇄회로기판(118)을 중심으로 상하로 이격 배치되어 있는 하부 로터(120)의 제1커플러와 상부 로터의 제2커플러가 서로 비틀리며, 이때 발생하는 자속 변화를 인쇄회로기판(118)에서 감지하고, 이를 통해 조향 제어에 필요한 토크 신호를 취득할 수 있다.
또한, 조향축의 회전 시 이니셜기어(130)가 회전하면 치합되어 있는 센서기어(140)가 회전하고, 센서기어(140)와 함께 마그넷(142)이 회전하며 변화되는 자기장의 변화를 인쇄회로기판(118)에 마련되어 있는 홀 IC(144)가 감지하여 회전각(앵글) 신호를 취득할 수 있다.
토크 및 회전각 신호는 전자제어장치에 보내지며, 이를 기초로 전자제어장치가 모터 구동으로 조향력을 보조하는 것은 종래와 동일하므로 이하 상세한 설명은 생략한다.
한편, 본 실시 예에서는 토크 측정을 인덕턴스 방식으로 예시하였으나, 본 발명은 이에 한정되지 않고 마그넷과 홀 IC를 이용한 마그넷 방식도 통상의 기술자가 용이하게 수정 및 변형을 통해 적용할 수 있음은 물론이다.
5..조향축 10..보조조향유닛
100..토크 앵글 센서 조립체 110..하우징
118..인쇄회로기판 120..로터
130..이니셜기어 140..센서기어
150..하우징커버 155..제1푸시부재
157..제2푸시부재

Claims (6)

  1. 삭제
  2. 조향축에 마련되는 하우징과;
    상기 하우징에 회전 가능하도록 마련되어 조향축과 함께 회전하는 로터와;
    상기 로터에 마련되는 이니셜기어와;
    상기 하우징에 이니셜기어와 치합하도록 마련되는 센서기어와;
    상기 하우징과 결합하여 내부에 수용되는 상기 이니셜기어와 센서기어가 치합하도록 지지하는 푸시부재를 갖는 하우징커버;를 포함하되,
    상기 푸시부재는 하우징커버의 일부를 절개하여 마련되며,
    상기 하우징커버측에 마련되는 고정단과, 그 끝단에 마련되는 자유단과, 자유단의 단부에 마련되는 누름돌기를 포함하는 전동식 조향장치의 토크 앵글 센서 조립체.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 푸시부재의 고정단과 자유단은 원호 형태로 마련되는 전동식 조향장치의 토크 앵글 센서 조립체.
  4. 조향축에 마련되는 하우징과;
    상기 하우징에 회전 가능하도록 마련되어 조향축과 함께 회전하는 로터와;
    상기 로터에 마련되는 이니셜기어와;
    상기 하우징에 이니셜기어와 치합하도록 마련되는 센서기어와;
    상기 하우징과 결합하여 내부에 수용되는 상기 이니셜기어와 센서기어가 치합하도록 지지하는 푸시부재를 갖는 하우징커버;를 포함하되,
    상기 푸시부재는 센서기어의 수직 방향 위치를 지지하기 위한 제1푸시부재와, 센서기어의 수평 방향 위치를 지지하기 위한 제2푸시부재를 포함하는 전동식 조향장치의 토크 앵글 센서 조립체.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 센서기어는 상면과 내측면을 포함하고,
    상기 제1푸시부재는 센서기어의 상면을 탄성 지지하고,
    상기 제2푸시부재는 이니셜기어에 근접하도록 센서기어의 내측면을 탄성 지지하는 전동식 조향장치의 토크 앵글 센서 조립체.
  6. 제 4항에 있어서,
    상기 제1푸시부재는 적어도 한 쌍으로 마련되어 센서기어의 중심을 기준으로 대향 마련되는 전동식 조향장치의 토크 앵글 센서 조립체.
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