KR102068187B1 - 토크앵글센서 - Google Patents

Abstract

본 발명은 조향 입력축과 출력축 사이에 배치되는 토크앵글센서에 관한 것으로서, 상기 입력축에 연결되는 로터부와, 상기 출력축에 연결되고 외주면에 메인기어가 일체로 형성되는 스테이터부와, 상기 메인기어에 치합되는 복수의 서브기어, 및 상기 서브기어에 결합되는 복수의 서브 마그네트를 포함하는 토크앵글센서를 포함한다.

Description

토크앵글센서{TORQUE AND ANGLE SENSOR}

본 발명은 스티어링 시스템의 토크 및 앵글을 측정할 수 있는 토크앵글센서에 관한 것이다.

일반적으로 자동차는 바퀴와 연결된 스티어링 휠(Steering wheel)을 조작하여 주행 방향을 조작한다. 그러나, 바퀴와 노면과의 저항이 크거나 스티어링의 장애요인 발생시 조작력이 약화되어 신속한 조작이 어려운 경우가 있고, 이를 해결하기 위해 파워 스티어링 시스템(EPS)이 사용된다. 이러한 파워스티어링 장치는 스티어링 휠의 조작에 동력장치를 개입하여 조작의 힘을 경감시키도록 하는 장치이다.

이러한 파워 스티어링 시스템(EPS)은 차속센서, 토크 앵글센서 및 토크센서 등에서 감지한 운행조건에 따라 전자제어장치(Electronic Control Unit)에서 모터를 구동하여 선회 안정성을 보장하고 신속한 복원력을 제공함으로써 운전자로 하여금 안전한 주행이 가능하도록 한다.

토크앵글센서는 기능상 토크센싱모듈과 앵글(조향각, steering angle) 센싱모듈로 구분될 수 있다. 이 중 앵글센싱모듈은 스테이터에 메인기어가 결합되어 스테이터의 회전을 감지함으로써 조향 핸들의 조향각도(절대각)을 측정한다.

그러나, 스테이터와 메인기어를 별도로 제작하여 이들을 결합하는 경우, 공차가 발생하거나 동심도 등이 맞지 않아 유격이 발생하는 경우 조향각도를 정확히 측정할 수 없는 문제가 있다.

본 발명은 메인기어가 스테이터 홀더와 일체로 형성되어 스테이터의 홀더의 회전력이 메인기어에 그대로 전달되는 토크앵글센서를 제공한다.

본 발명은 스테이터 홀더와 스테이터링 간의 결합력을 향상시킨 토크앵글센서를 제공한다.

본 발명에 일 특징에 따른 토크앵글센서는, 상기 입력축에 연결되는 로터부; 상기 출력축에 연결되고, 외주면에 메인기어가 일체로 형성되는 스테이터부; 상기 메인기어에 치합되는 복수의 서브기어; 및 상기 서브기어에 결합되는 복수의 서브 마그네트;를 포함한다.

본 발명에 일 특징에 따른 토크앵글센서에서, 상기 스테이터부는 서로 마주보고 이격 배치된 제1 스테이터링과 제2 스테이터링, 및 상기 제1 스테이터링과 제2 스테이터링에 형성된 돌출편이 내주면에 고정되는 스테이터 홀더를 포함하고, 상기 스테이터 홀더의 외주면에는 상기 메인기어가 일체로 형성된다.

본 발명에 일 특징에 따른 토크앵글센서에서, 상기 메인기어는 상기 제1 스테이터링과 제2 스테이터링 사이에 배치된다.

본 발명에 일 특징에 따른 토크앵글센서에서, 상기 제1 스테이터링과 제2 스테이터링은 원주방향으로 복수 개의 돌출 결합편이 형성되고, 상기 돌출 결합편은 상기 스테이터 홀더에 고정된다.

본 발명에 일 특징에 따른 토크앵글센서에서, 상기 돌출 결합편은 상기 스테이터 홀더에 형성된 돌기에 끼워져 융착된다.

본 발명에 일 특징에 따른 토크앵글센서에서, 상기 스테이터 홀더에는 상기 돌출 결합편이 수용되는 요홈이 형성되고, 상기 돌출 결합편은 상기 요홈에 삽입되어 고정된다.

본 발명에 일 특징에 따른 토크앵글센서에서, 상기 로터와 스테이터를 밀폐하는 제1커버와 제2커버를 포함한다.

본 발명에 또 다른 특징에 따른 토크앵글센서는, 조향 입력축과 출력축 사이에 배치되는 토크앵글센서에 있어서, 토크센싱모듈과 앵글센싱모듈을 포함하되, 상기 토크센싱모듈과 앵글센싱모듈은 동일평면 상에 배치된다.

본 발명에 또 다른 특징에 따른 토크앵글센서에서, 상기 토크센싱모듈은 상기 입력축에 연결되는 로터부와, 상기 출력축에 연결되는 스테이터부를 포함하되, 상기 앵글센싱모듈의 메인기어는 상기 스테이터부의 외주면에 배치된다.

본 발명에 또 다른 특징에 따른 토크앵글센서에서, 상기 스테이터부는 스테이터링을 수용하는 스테이터 홀더를 포함하고, 상기 메인기어는 상기 스테이터 홀더의 외주면에 일체로 형성된다.

본 발명에 따르면, 메인기어가 스테이터 홀더에 일체로 형성되기 때문에, 스테이터의 홀더의 회전력이 메인기어에 그대로 전달되므로 센서의 성능이 향상된다.

또한, 메인기어가 스테이터 홀더와 일체로 형성되므로 제조가 용이하고, 미들 케이스를 생략할 수 있어 소형화가 가능해진다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 토크앵글센서의 분해 사시도이고,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 스테이터 홀더에 메인기어가 일체로 형성된 형상을 보여주는 도면이고,
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 스테이터부와 콜렉터의 결합 관계를 보여주는 도면이다.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다.

그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

본 발명에서, "포함한다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

또한 본 발명에서 첨부된 도면은 설명의 편의를 위하여 확대 또는 축소하여 도시된 것으로 이해되어야 한다.

이제 본 발명에 대하여 도면을 참고하여 상세하게 설명하고, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 토크앵글센서의 분해 사시도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 스테이터 홀더에 메인기어가 일체로 형성된 형상을 보여주는 도면이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 스테이터부와 콜렉터의 결합 관계를 보여주는 도면이다.

도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 토크앵글센서는, 입력축(도시되지 않음)에 연결되는 로터부(30)와, 출력축(도시되지 않음)에 연결되고 외주면에 메인기어(43a)가 일체로 형성되는 스테이터부(40)와, 메인기어(43a)에 치합되는 복수의 서브기어(50)와, 서브기어(50)에 결합되는 복수의 서브 마그네트(51a, 52a), 및 제1, 제2케이스(10, 20)를 포함한다.

이때, 입력축은 운전자의 스티어링 휠을 회전시키는 힘에 의해 회전하게 되고, 출력축은 차량의 전륜과 연결되어 상기 입력축으로부터 힘을 전달받아 회전하게 된다.

본 발명에서는 로터부가 입력축에 연결되고 스테이터부가 출력축에 연결되는 것으로 설명하나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니고 로터부가 출력축에 연결되고 스테이터부가 입력축에 연결될 수도 있다.

토크앵글센서는 기능상 토크센싱모듈과 앵글(조향각, steering angle) 센싱모듈로 구분될 수 있다. 토크센싱모듈은 로터부(30)와 스테이터부(40), 및 콜렉터(도 3의 70)로 구성되어, 조향 핸들을 원활하게 조작할 수 있도록 토션바에 걸리는 토크를 측정한다.

로터부(30)는 조향 입력축에 연결되는 원통형상의 로터(31)와, 로터(31)의 외주면에 부착된 로터 마그네트(32)를 포함한다.

로터부(30)는 조향 입력축과 연결되어 입력축의 회전에 따라 회전하게 된다. 도시되지는 않았지만 로터(31)에는 조향 입력축과 결합될 수 있는 결합구조(예: 돌기 또는 요홈)가 형성될 수 있다.

스테이터부(40)는 서로 마주보고 이격 배치된 제1 스테이터링(41)과 제2 스테이터링(42), 및 이들이 수용되는 스테이터 홀더(43)를 포함한다.

제1 스테이터링(41)과 제2 스테이터링(42)은 서로 마주보는 방향으로 절곡된 돌출편(41a, 42a)이 형성되고, 돌출편(41a, 42a)은 스테이터 홀더(43)의 내주면에 고정된다.

돌출편(41a, 42a)은 로터 마그네트(32)의 자력 변화를 감지할 수 있도록 로터 마그네트(32)에 대향되게 배치된다. 따라서, 입력축과 출력축 사이에 따라 비틀림이 발생하게 되면, 로터부(30)와 스테이터부(40) 사이의 회전 차이가 발생하게 되고 이는 자기력의 변화로 감지되어 콜렉터(70)에 배치된 자기소자(73)에 의해 검출된다.

앵글센서모듈은 스테이터부(40)에 고정되어 스테이터부(40)와 일체로 회전하는 메인기어(43a)와, 메인기어(43a)와 치합된 서브기어(50), 각 서브기어(50) 결합된 서브 마그네트(51a, 52a), 및 서브 마그네트(51a, 52a)의 자화를 센싱하는 자기소자(61, 62)를 포함한다.

따라서, 메인기어(43a)가 스테이터부(40)와 일체로 회전하면, 메인기어(43a)와 치합된 서브기어(50)가 회전하게 되고, 서브기어(50)에 삽입된 서브 마그네트(51a, 52a)가 회전하게 된다. 자기소자(61, 62)는 서브 마그네트(51a, 52a)의 자계변화를 센싱한다. 이러한 자기소자(61, 62)는 홀 소자(Hall IC)일 수 있다.

이때, 서브기어(50)는 효과적인 회전량 차이를 구현하기 위해 일반적으로 2개가 배치되나 경우에 따라 한 개가 배치될 수도 있고, 또는 3개 이상의 복수 개가 배치될 수도 있다.

제1서브기어(51)와 제2서브기어(52)에는 각각 제1마그네트(51a)와 제2마그네트(52a)가 배치되고 그와 대응되는 위치에 제1 자기소자(61)와 제2 자기소자(62)가 배치되어 회전량 및 회전속도를 감지한다.

이러한 앵글센서의 성능을 결정하는 요인 중에 하나는 히스테리시스 (Hysterisis)이다. 앵글센서모듈에서 히스테리시스는 메인기어(43a)가 서로 다른 방향으로 회전할 때의 출력, 즉 메인기어가 반시계 방향으로 회전할 때의 출력과, 시계 방향으로 회전할 때의 출력 차이로 정의될 수 있다.

이러한 자기소자의 출력 차이는 메인기어와 서브기어의 기어 백 래쉬(gear backlash), 및 메인기어와 스테이터 홀더 간의 유격 등에 영향을 받는다.

따라서, 각각 제조된 메인기어와 스테이터 홀더에 결합하는 경우, 그들 사이에서 유격이 발생하거나 동심도가 맞지 않는다면, 히스테리시스가 떨어지게 되어 센서의 성능이 저하되는 문제가 있다.

따라서, 이러한 문제가 발생하지 않도록 메인기어와 스테이터 홀더의 정확한 공차, 및 동심도를 맞추어야 하므로 금형 비용이 증가하고 조립 공정이 복잡해진다.

본 발명에서는 스테이터 홀더(43)의 외면에 직접 메인기어(43a)를 형성한다. 이러한 구조에 의하면 메인기어(43a)가 스테이터 홀더(43)에 일체로 형성되기 때문에, 스테이터 홀더(43)의 회전력이 메인기어(43a)에 그대로 전달되므로 센서의 성능이 향상된다.

또한, 메인기어(43a)를 스테이터 홀더(43)에 결합하는 구조에 비해 조립 공정이 간단해지고, 메인기어(43a)가 스테이터 홀더(43)의 선단부(43b)에 장착되지 않으므로 별도로 미들 케이스를 이용하여 메인기어(43a)가 동작할 수 있는 공간을 마련할 필요가 없다. 따라서, 센서의 소형화가 가능해진다.

구체적으로 메인기어(43a)는 제1 스테이터링(41)과 제2 스테이터링(42) 사이에 배치될 수 있다. 즉, 제1 스테이터링(41)과 제2 스테이터링(42)에서 절곡된 돌출편(41a, 42a)에 의해 내부에 공간부가 형성되고, 그 공간부의 외면에 메인기어(43a)가 형성될 수 있다.

따라서, 스테이터부와 메인기어(43a)는 동일평면에 형성되므로, 결과적으로 토크센싱모듈과 앵글센싱모듈이 동일 평면에 배치 된다.

기존에는 메인기어가 스테이터 홀더의 하부에 배치되기 때문에 토크센싱모듈과 앵글센싱모듈이 동일 평면에 배치지 않아 센서의 높이에 제약이 있었다. 그러나, 본 발명에 따르면 토크센싱모듈과 앵글센싱모듈이 동일 평면에 배치되므로, 미들 케이스가 생략될 수 있고 상대적으로 센서의 소형화가 가능해진다.

도 3을 참고하면, 콜렉터(70)는 스테이터부(40)에 인접 배치되어 플럭스(flux)를 수집함으로써 스테이터의 자화량을 검출한다. 본 발명에 따르면 스테이터 홀더(43)의 외면에 메인기어(43)가 형성되나 콜렉터(70)와 메인기어(43a)는 소정 간격으로 이격되므로 스테이터의 회전에 영향을 미치지 않는다.

오히려, 제1 스테이터링(41)에 인접 배치된 제1콜렉터 부재(71)와 제2 스테이터링(42)에 인접 배치된 제2 콜렉터 부재(72) 사이에 메인기어(43a)가 배치되므로, 제1 콜렉터 부재(71)와 제2 콜렉터 부재(72) 사이에서 플럭스가 누수되는 것을 효과적으로 차단할 수 있다. 따라서, 센서의 성능이 개선된다.

또한, 메인기어(43a)가 돌출된 만큼 플럭스 차폐 역할도 수행할 수 있으므로, 자기소자(73)를 메인기어(43a) 측으로 더 가까이 배치할 수 있어 센서의 소형화도 가능해진다.

제1 스테이터링(41)과 제2 스테이터링(42)은 원주방향으로 복수 개의 돌출 결합편(41b, 42b)이 형성되고, 이러한 돌출 결합편(41b, 42b)은 스테이터 홀더(43)에 융착되어 고정된다. 따라서, 제1 및 제2 스테이터링(41, 42)이 스테이터 홀더(43)에 견고히 결합되어 일체로 회전하게 된다.

도 3을 참고하면, 돌출결합편(42b)이 스테이터 홀더(43)의 일면에 돌출된 돌기(43c)에 끼워져 융착될 수도 있다. 그러나 반드시 이에 한정되는 것은 아니고 제1, 2 스테이터링(41, 42)이 스테이터 홀더(43)와 일체로 회전할 수 있도록 고정하는 구성이면 제한 없이 모두 적용 가능하다.

예를 들면, 돌출 결합편이 수용되는 요홈(도시되지 않음)이 형성되고, 상기 돌출 결합편이 상기 요홈에 삽입된 후 융착되어 고정될 수도 있다.

이상에서 본 발명의 실시 예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.

일 예로, 메인기어(43a)는 제1 스테이터링(41)과 제2 스테이터링(42) 사이에 배치되지 않고 스테이터 홀더(43)의 선단부(43b)에 일체로 형성될 수도 있는 것이다.

10: 제1커버
20: 제2커버
30: 로터부
32: 로터 마그네트
40: 스테이터부
43: 메인기어
50: 서브기어

Claims (10)

1. 조향 입력축과 출력축 사이에 배치되는 토크앵글센서에 있어서,
   상기 입력축에 연결되는 로터부;
   상기 출력축에 연결되고, 외주면에 메인기어가 일체로 형성되는 스테이터부;
   상기 메인기어에 치합되는 복수의 서브기어; 및
   상기 서브기어에 결합되는 복수의 서브 마그네트;를 포함하고,
   상기 스테이터부는 서로 마주보고 이격 배치된 제1 스테이터링과 제2 스테이터링, 및 상기 제1 스테이터링과 제2 스테이터링이 고정되는 스테이터 홀더를 포함하고,
   상기 스테이터 홀더의 외주면에는 상기 메인기어가 일체로 형성되고,
   상기 메인기어는 상기 제1 스테이터링과 제2 스테이터링 사이에 배치되는 토크앵글센서.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 제1 스테이터링과 제2 스테이터링에 형성된 돌출편은 상기 스테이터 홀더의 내주면에에 고정되는 토크앵글센서.
   
3. 삭제
4. 제1항에 있어서,
   상기 제1 스테이터링과 제2 스테이터링은 원주방향으로 복수 개의 돌출 결합편이 형성되고, 상기 돌출 결합편은 상기 스테이터 홀더에 고정되는 토크앵글센서.
   
5. 제4항에 있어서,
   상기 돌출 결합편은 상기 스테이터 홀더에 형성된 돌기에 끼워져 융착된 토크앵글센서.
   
6. 제4항에 있어서,
   상기 스테이터 홀더에는 상기 돌출 결합편이 수용되는 요홈이 형성되고, 상기 돌출 결합편은 상기 요홈에 삽입되어 고정되는 토크앵글센서.
   
7. 제1항에 있어서,
   상기 로터와 스테이터를 밀폐하는 제1커버와 제2커버를 포함하는 토크앵글센서.
   
8. 삭제
9. 삭제
10. 삭제

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