KR102264315B1 - 다회전 절대위치 검출 토크앵글센서 모듈 - Google Patents

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허용수
한춘수
박성상
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Abstract

본 발명에 따른 다회전 절대위치 검출 토크앵글센서 모듈은, 서로 다른 극성이 번갈아 배치된 자석 띠로 이루어진 마스터 트랙(master track)과 노니어스 트랙(nonius track)이 원주면부에 상하로 배치되고, 상기 마스터 트랙과 상기 노니어스 트랙의 극성분포는 1개 이상의 극성 차로 서로 어긋나도록 배치된 제 1 마그네트부를 구비하며, 메인기어가 상측에 설치되며 토크축의 일측에 연결되는 메인 기어 마그넷과; 상기 메인 기어에 연결되며, 기어수가 메인 기어보다 작은 피니언 기어 및 상기 피니언 기어에 설치된 자석에 의해 형성되는 제 2 마그네트부로 이루어진 피니언 기어 마그넷와; 상기 메인 기어 마그넷과 피니언 기어 마그넷의 하부에 배치되는 회로기판과; 상기 회로기판에 설치되어 상기 제 1,2 마그네트부의 자력을 각각 감지하는 제 1,2 센서부와; 상하로 결합되어 상기 메인 기어 마그넷, 피니언 기어 마그넷, 회로기판을 수용하는 수용공간을 구비하며, 토크축이 관통하는 케이스를; 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.

Description

다회전 절대위치 검출 토크앵글센서 모듈 {Multi-turn Absolute Torque Angle Sensor Module}
본 발명은 다회전 절대위치 검출 토크앵글센서에 관한 것으로, 회전각도 검출시에는 다회전에 따른 절대적 각도 위치를 정밀하게 검출할 수 있고, 토크 검출시에도 앵글 센서의 자기장에 의한 간섭을 최소화하면서 토크축의 비틀림 양을 이용하여 토크를 검출하는 토크앵글센서 모듈에 관한 것이다.
일반적으로 자동차의 조향의 안정성을 보장하기 위한 장치로 별도의 동력으로 보조하는 보조 조향장치가 사용된다. 기존에는 이와 같은 보조 조향장치를 유압구동 장치로 사용하였으나, 최근에는 동력의 손실이 적고 정확성이 우수한 전동식 조향장치(EPS, Electronic Power Steering System)가 사용된다.
전동식 조향장치는 차속센서, 토크센서 및 앵글센서 등에서 감지한 운행조건 및 운전자 조작정보를 바탕으로 전자제어장치(Electronic Control Unit)에서 모터를 구동하여 선회 안정성을 보장하고 신속한 복원력을 제공하도록 하며 운전자로 하여금 안전한 주행이 가능하도록 한다.
차속센서는 운행 중인 자동차의 운행 속도를 감지하고, 토크센서(Torque Sensor)는 토크축에 가해지는 토크를 감지하여 감지된 토크에 비례하는 전기신호를 출력하고, 앵글센서(Angle Sensor)는 조향 축의 회전각에 비례하는 전기신호를 출력하는 장치이다.
최근에는 이들 센서들 중, 운전자의 스티어링 휠 조작정보를 감지하는 토크센서와 앵글센서를 하나로 만든 토크 앵글 센서(TAS)가 제안되어 그 사용이 증가하고 있다.
도 1은 이와 같은 종래의 토크앵글센서를 나타내는 분해 사시도이다.
토크앵글센서는 상부로부터 상부케이스(100), 로터(500) 및 스테이터(600), PCB(400), 메인기어(410) 및 서브기어(420), 그리고 하부케이스(300)로 구성된다.
상기 PCB(400)를 기준으로 상측에서는 토크센서의 센싱역할을 하게 되는 로터(500)와 스테이터(600)가 배치되고, 하측에는 앵글센서 역할을 하는 기어(410, 420)가 배치된다.
토크센서의 경우 토크 축의 일측에 연결된 로터(500)의 외주면을 따라 마그네트가 배치되고, 그 외주면에 마그네트의 극성에 대응하는 돌출편을 가지며 토크 축의 다른 일측에 연결된 스테이터(600)가 배치됨으로써, 상호 회전량의 차이에 따라 자기량을 검출하여 토크축의 토크를 검출하여 전자 제어장치로 전송하게 된다.
앵글센서의 경우 운전자가 조향 휠을 회전함에 따라 구동샤프트에 부착된 메인기어(410)가 연동하여 회전하면서 회전각도의 차이가 발생하게 되고, 이 때 메인기어(410)에 부착된 서브기어(420)들에 부착된 마그네트의 자기장의 변화를 홀 아이씨(Hall IC; 401, 402)가 인식하여 전기적 신호를 연산하여 전자제어장치로 이송하게 된다.
그러나 종래기술은 상기 앵글센서가 메인기어와 서브 기어 간의 치합 구조에 따라 백래쉬(한 쌍의 기어 사이의 틈, backlash)가 발생하므로 정확한 조향각 측정이 어려운 문제가 있다.
또한 종래기술의 토크센서유닛은 외주면에 마그네트가 배치되는 로터와 토크센서가 배치되는 스테이터가 토크 축의 양측에 구성되고, 앵글센서유닛은 서브기어에 부착된 마그네트와 홀 아이씨로 구성되어 있다. 즉 종래기술의 경우에는 토크센서유닛과 앵글센서유닛은 별도의 구성되어 있어 부품수가 많아지고, 이에 의하여 제조원가의 상승하고, 부피가 커지는 문제점이 있었다.
KR 10-1681778 B, 2016.12.01., 도 3 KR 10-1427218 B, 2014.08.13., 도 1 KR 10-1468323 B, 2014.12.02., 도 11 KR 10-1772205 B, 2017.08.28., 도 1
본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 안출된 것으로,
다회전에 따른 절대 각도 위치를 측정할 수 있으며, 토크의 측정이 다른 센서의 자기장에 의해 영향을 받지 않도록 하여 각도 및 토크를 정밀하게 측정할 수 있도록 하며, 또한 토크앵글센서 모듈의 크기를 소형 경량화하는 것을 그 목적으로 한다.
본 발명에 따른 다회전 절대위치 검출 토크앵글센서 모듈은,
서로 다른 극성이 번갈아 배치된 자석 띠로 이루어진 마스터 트랙(master track)과 노니어스 트랙(nonius track)이 원주면부에 상하로 배치되고, 상기 마스터 트랙과 상기 노니어스 트랙의 극성분포는 1개 이상의 극성 차로 서로 어긋나도록 배치된 제 1 마그네트부를 구비하며, 메인기어가 상측에 설치되며 토크축의 일측에 연결되는 메인 기어 마그넷과;
상기 메인 기어에 연결되며, 기어수가 메인 기어보다 작은 피니언 기어 및 상기 피니언 기어에 설치된 자석에 의해 형성되는 제 2 마그네트부로 이루어진 피니언 기어 마그넷과;
상기 메인 기어 마그넷과 피니언 기어 마그넷의 하부에 배치되는 회로기판과;
상기 회로기판에 설치되어 상기 제 1,2 마그네트부의 자력을 각각 감지하는 제 1,2 센서부와;
상하로 결합되어 상기 메인 기어 마그넷, 피니언 기어 마그넷, 회로기판을 수용하는 수용공간을 구비하며, 토크축이 관통하는 케이스를; 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.
상기 메인 기어 마그넷이 설치되는 토크축의 일측과 반대 측에 설치되며, 상기 회로기판의 하측에 설치되는 도전성 재질의 스테이터와;
상기 스테이터의 회전 각도를 감지하기 위해 상기 회로기판의 상면 또는 하면에 인쇄되는 코일 회로와;
상기 코일회로에 여기되는 전자기력을 측정하는 제 3 센서부가 상기 케이스 내에 설치되는 것도 바람직하다.
상기 제 2 마그네트부는 회로기판을 마주보는 하면을 반분하여 N극과 S극이 배치된 것이 바람직하다.
상기 메인 기어와 피니언 기어의 기어비는 1: N (여기서, N>1)인 것이 바람직하며, 상기 N은 N의 배수 중 소수(Prime Number)를 포함하지 않는 것이 바람직하다.
본 발명에 의하면, 다회전에 따른 절대적 각도 위치를 측정할 수 있어 전원의 차단후 재기동시에도 절대 각도 위치의 검출이 가능할 뿐만 아니라 기어 백래쉬에 의한 오차를 제거하여 고정밀 절대 각도 위치의 검출이 가능하고, 토크 역시 자기장과 간섭을 일으키지 않아 정밀한 측정이 가능하며, 토크센서는 회로기판에 인쇄된 형태의 코일회로와 스테이터로 이루어져 구성이 간단하며, 토크앵글센서 모듈의 크기를 소형 경량화할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 종래 기술의 토크앵글 센서 모듈의 구조를 도시한 분해 사시도.
도 2 는 본 발명 일 실시예에 따른 토크앵글센서모듈을 나타내는 분해사시도.
도 3은 다회전에 따른 절대위치를 검출하는 방법을 설명하기 위한 도.
도 4는 본 발명 일 실시예의 피니언 기어 마그넷를 나타낸 사시도.
이하, 본 발명을 그 실시예에 따라 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명한다.
본 실시예는 자동차의 조향축에 설치되어 조향축의 회전각과 토크를 측정하기 위한 토크앵글센서 모듈을 예로 들어 설명한다.
본 실시예 다회전 절대위치 검출 토크앵글센서 모듈의 분해사시도인 도 2에 따라, 먼저 회전각을 검출하는 것에 대하여 설명한다.
회전각을 검출하기 위해서는 메인 기어 마그넷, 피니언 기어 마그넷, 각 마그넷에 설치된 제 1,2 마그네트부의 자력을 감지하는 제 1,2 센서부 및 연산부가 사용된다.
메인 기어 마그넷(10)은 제 1 마그네트부(11)와 메인 기어(12)로 이루어진다. 제 1 마그네트부(11)는 서로 다른 극성이 번갈아 배치된 자석 띠로 이루어진 마스터 트랙(master track)과 노니어스 트랙(nonius track)이 원주면부에 상하로 배치되어 있다. 상기 마스터 트랙과 상기 노니어스 트랙의 극성분포는 1개 극성 차로 서로 어긋나게 배치되어 있다. 메인 기어(12)는 메인 기어 마그넷(10)의 상측에 배치된다. 제 1 마그네트부(11) 및/또는 메인 기어(12)는 도시되지 않은 조향 축에 연결되며, 서로 결합되어 있는 제 1 마그네트부(11)와 메인 기어(12)는 조향 축의 회전에 따라 동일한 각도로 회전하는 것임은 당연하다 할 것이다.
마스터 트랙과 노니어스 트랙의 자력변화는 회로기판(30)에 설치된 제 1 센서부(31)에 의해 측정되며, 제 1 센서부(31)에 의해 측정된 값은 연산부(도시되지 않음)를 거쳐 회전각도로 환산될 수 있다. 예를 들어 도 3의 큰 삼각파형에 따라 제 1 마그네트부(11)에 의해 측정된 값으로 회전축의 회전각을 알 수 있다. 도 3의 좌측 Y축은 제 1 마그네트부에 따라 결정되어 연산부에서 출력되는 신호값이다. 도 3의 상단 X축은 조향축의 회전수 및 회전각도를 나타낸 것이다.
제 1 마그네트부는 마스터 트랙과 노니어스 트랙으로부터 발생하는 센싱시그널(Sensing Signal)을 노니어스(Nonius)연산을 통해 조향축의 회전각과 회전방향을 측정할 수 있지만, 제 1 마그네트부 만에 의해서는 자동차의 전원이 차단되어다가 다시 공급되는 경우 실제 스티어링 휠의 위치를 알 수 없게 된다. 왜냐하면 도 3에 도시된 청색 삼각파형과 같이, 180도를 회전하였을 때(A1)와 540도를 회전하였을 때(A1') 제 1 센서부 및 연산부에서 계산되는 신호값 A1, A1'는 같기 때문이다.
본 실시예에서는 조향 축이 1회전 이상 회전할 때에도 절대적인 회전 각도를 파악하기 위해서, 메인 기어 마그넷(10)에 연결되는 피니언 기어 마그넷(20)를 구비하였다.
피니언 기어 마그넷(20)는 상기 메인 기어(12)에 연결되는 피니언 기어(22)를 구비한다. 본 실시예에서는 메인 기어(12)와 피니언 기어(22)의 기어비를 1: 3.2로 설정하였다. 즉 메인 기어(12)가 한바퀴 회전하면 피니언 기어(22)는 3.2회 회전하게 된다.
피니언 기어(22)의 하측으로는 도 4와 같이 회로기판을 마주보는 하면을 반분하여 N극과 S극이 배치된 형태로 제 2 마그네트부(21)가 배치되어 있다.
제 2 마그네트부는 원주면에 형성되어도 무방하다.
제 2 마그네트부(21)의 자력 측정은 회로기판(30)에 설치된 제 2 센서부(32)에 의해 이루어지며 연산부에 의해 그 값이 계산된다.
피니언 기어의 회전각은 도 3의 황색 삼각파형과 같이 구할 수 있다.
조향 축이 180도 회전하였을 때는 제 1 마그네트부의 신호값이 A1, 조향 축이 540도 회전하였을 때 제 1 마그네트부의 신호값은 A1'로 두 값이 서로 같지만, 이때 제 2 마그네트부에서의 신호값은 B1, B2로 각각 다르게 나타난다.
이에 따라 연산부는 제 1 마그네트부에서 신호값이 A1(A1')로 인지되었지만, 제 2 마그네트부의 신호값 B1, B2의 차이에 의해, B1인 경우에는 180도, B2인 경우 540도로 조향 축이 회전하였음을 알 수 있게 된다.
이와 같이 기어비를 사용하지 않고 제 1 마그네트부에서 발생하는 신호값만으로 회전각도를 직접센싱하고, 스티어링 휠의 다회전에 대한 회전수를 제 2 마그네트부의 신호값에 의해 센싱함으로써, 기어백래쉬나 장기간 사용 시 기어 마모에 의한 오차없이 조향 축의 절대 회전각을 정밀하게 검출할 수 있게 된다.
이를 위해서는 상기 메인 기어와 피니언 기어의 기어비는 1: N을 가지는 것이 바람직하며, 상기 N은 1보다 크며, N의 배수 중 소수(Prime Number)를 포함하지 않는 것이 보다 바람직하다. 예를 들어 기어비가 1 : 2.2 인 경우 N=2.2는 배수 중 11이라는 소수를 포함하고 있어, 노니어스 연산 내부 계산시 나누어 떨어지지 않아 일정 소수점이하 낮은 단위에서 반올림을 해야 하므로, 작기는 하지만 누적 Error가 발생할 수 있기 때문에 배수 중 소수를 포함하지 않는 것이 바람직하다.
도 3을 통하여 조향 축이 일방향으로만 회전하는 것으로 설명하였으나, 반대방향으로 회전하는 경우에 대해서도 제 1 마그네트부와 제 1 센서부가 회전방향을 감지할 수 있도록 이루어져 있어, 상기 설명에 따라 그 절대 각도 위치를 충분히 계산해 낼 수 있다.
다음으로 토크 측정에 대하여 설명한다.
스티어링 휠의 조향 축 중 일부는 토크 축(도시하지 않음)으로 가공되거나 기능하며, 토크 축의 일측에는 상기 메인 기어 마그넷이 연결되고, 다른 일측에는 스테이터가 연결된다.
본 실시예에서는 토크 축 일측의 회전각도와 다른 측의 회전각도의 차이가 발생하는 경우, 그 차이 각도에 따라 토크량을 계산하게 된다.
토크 축의 다른 측 회전각도를 측정하기 위한 구성은 다음과 같다.
상기 메인 기어 마그넷(10)가 설치되는 토크 축(도시하지 않음)의 일측과 반대 측에 스테이터(40)를 설치하며, 스테이터(40)는 상기 회로기판(30)의 하측에 위치한다. 또한 회로기판(30)의 상면 또는 하면에는 상기 스테이터(40)의 회전에 따라 전자기력이 유도되는 코일 회로(도시하지 않음)가 형성되어 있다. 상기 스테이터는 도전성을 가지는 소재로 바람직하게는 Al, Cu,등이 될 수 있다.
이에 따라 스테이터의 회전과 코일 회로에 의해 유도된 전자기력을 감지하는 제 3 센서부(도시하지 않음) 및 연산부에 의해 스테이터의 회전각도가 결정될 수 있다. 스테이터의 회전각도와 메인기어 조립체의 회전각도는 토크축의 비틀림에 의해 각도차이(Δd)가 발생하고, 각도 차이의 크기에 따라 룩업테이블(Look-up table)을 활용하여 조향축에 가해지는 토크를 구할 수 있다.
상기 메인 기어 마그넷, 피니언 기어 마그넷, 회로기판, 스테이터, 코일회로, 및 각종 센서와 연산부는 이를 수용하는 케이스 내에 수납된다.
또한, 연산부와 센서는 하나의 IC형태로 제작될 수도 있다.
본 실시예에서의 케이스는 상부 덮개(51), 하부 덮개(52), 본체부(53)로 구분되며, 본체부(53)에는 메인 기어 마그넷(10), 피니언 기어 마그넷(20)가 상측에 배치되며, 하측에는 회로기판(30)과 스테이터(40)가 배치되고, 상하측이 각각 상부 덮개(51) 및 하부 덮개(52)로 폐쇄된다.
본 토크앵글센서 모듈은 조향 축에 설치되는 것이므로, 당연히 케이스를 관통하는 통공이 구비되어 있으며, 조향 축에 결합되어야 하거나, 위치상 조향 축과 간섭이 일어나는 구성요소들은 모두 통공이 구비되어있음은 물론이다.
상기 설명에서는 연산부의 계산 방식 및 구체적인 센서의 종류에 대하여 설명하지 않았지만, 이 분야에 통상적인 지식을 가진 자라면 위 설명에 따라 본 발명을 용이하게 구현할 수 있을 것이다.
또한, 본 실시예에서는 연산부가 토크앵글센서 모듈 내에 포함되는 것으로 설명되었으나, 상기 연산부의 역할을 차량 내 ECU에서 수행할 수 있으므로 토크앵글센서 모듈에서는 이를 생략할 수 있다.
또한, 본 토그앵글센서 모듈은 측정된 회전각도 및 토크값을 외부로 전송하기 위한 커넥터, CAN통신 트랜시버 등이 구비되어 있음은 물론이다.
10 : 메인 기어 마그넷 11 : 제 1 마그네트부 12 : 메인 기어
20 : 피니언 기어 마그넷 21 : 제 2 마그네트부 22 : 피니언 기어
30 : 회로기판 31 : 제 1 센서부 32 : 제 2 센서부
40 : 스테이터
50 : 케이스 51: 상부 덮개 52 : 하부 덮개 53 : 본체부

Claims (4)

  1. 서로 다른 극성이 번갈아 배치된 자석 띠로 이루어진 마스터 트랙(master track)과 노니어스 트랙(nonius track)이 원주면부에 상하로 배치되고, 상기 마스터 트랙과 상기 노니어스 트랙의 극성분포는 1개 이상의 극성 차로 서로 어긋나도록 배치된 제 1 마그네트부를 구비하며, 메인기어가 상측에 설치되며 토크축의 일측에 연결되는 메인 기어 마그넷과;

    상기 메인 기어에 연결되며, 기어수가 메인 기어보다 작은 피니언 기어 및 상기 피니언 기어에 설치된 자석에 의해 형성되는 제 2 마그네트부로 이루어진 피니언 기어 마그넷과;

    상기 메인 기어 마그넷과 피니언 기어 마그넷의 하부에 배치되는 회로기판과;

    상기 회로기판에 설치되어 상기 제 1,2 마그네트부의 자력을 각각 감지하는 제 1,2 센서부와;

    상하로 결합되어 상기 메인 기어 마그넷, 피니언 기어 마그넷, 회로기판을 수용하는 수용공간을 구비하며, 토크축이 관통하는 케이스를; 포함하며,

    상기 메인 기어 마그넷이 설치되는 토크축의 일측과 반대 측에 설치되며, 상기 회로기판의 하측에 설치되는 도전성 재질의 스테이터와;
    상기 스테이터의 회전 각도를 감지하기 위해 상기 회로기판의 상면 또는 하면에 인쇄되는 코일 회로와;
    상기 코일회로에 여기되는 전자기력을 측정하는 제 3 센서부가 상기 케이스 내에 설치되는 것을 특징으로 하는 다회전 절대위치 검출 토크앵글센서 모듈.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 마그네트부는 회로기판을 마주보는 하면을 반분하여 N극과 S극이 배치된 것을 특징으로 하는 다회전 절대위치 검출 토크앵글센서 모듈.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 메인 기어와 피니언 기어의 기어비는 1: N (여기서 N>1, N의 배수 중 소수(Prime Number)를 포함하지 않는 수)인 것을 특징으로 하는 다회전 절대위치 검출 토크앵글센서 모듈.
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