KR20010038550A - 각도변위 및 토오크 검출장치 - Google Patents

Abstract

산업용 차량의 전기식 조향장치용 센서(EPS sensor) 또는 중량물의 위치를 제어하는 조작부로서 사용할 수 있는 각도변위 및 토오크 검출장치에 관한 것이다.

본 발명은, 케이스와, 상기 케이스에 회전가능하게 내설되어 외부로 부터 동력 입력시 구동하는 제1기어와, 상기 제1기어와 치합하는 중간기어에 치합되어 상기 제1기어와 동일방향으로 구동하도록 상기 케이스에 회전가능하게 내설되는 제2기어와, 상기 케이스에 회전가능하게 고정지지되고, 자체의 일측이 구동부에 연결되며 타측이 상기 제2기어에 이와 동축구동하도록 연결되는 구동연결부와, 자체의 하측이 상기 구동연결부내부에 축방향으로 이동가능하게 결합되며 상측이 상기 제2기어내부에 소정각도범위내에서 회전가능하게 결합되어, 상기 제2기어에 대해 상기 구동연결부의 각도변위 발생시 선형적으로 유동되는 습동축 및 상기 습동축의 직선변위되는 것을 전기신호로 검출하여 상기 구동부를 구동시키는 보조토오크 발생부에 구동신호를 전달하는 포텐쇼메터를 구비한다.

이로 인해, 입출력축의 구동기어와 이들을 연결하는 연결기어를 각각 독립적으로 기계가공하여 조립함에 따라 이들 기어의 내마모성을 확보하여 사용수명을 크게 연장시킬 수 있게된다. 입출력축을 구동시키는 해당 기어를 조립하는 작업이 용이하여 조립성 및 작업성을 대폭적으로 향상시킬 수 있도록 한 이점을 갖는다.

Description

각도변위 및 토오크 검출장치{detection apparatus of angle displacement and torque}

본 발명은 각도변위 및 토오크 검출장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 산업용 차량의 전기식 조향장치용 센서(EPS sensor) 또는 중량물의 위치를 제어하는 조작부로서 사용할 수 있는 각도변위 및 토오크 검출장치에 관한 것이다.

일반적으로, 전기식 조향장치(EPS)는 EPS모터가 조향시에만 작동되므로 저소음을 유지하면서 에너지를 절약할 수 있으며, 협소한 장소 또는 장시간 사용시 작업성이 뛰어나며, 복잡한 배관라인이 불필요하여 누유되는 것이 방지되는 이점을 갖는다.

이와 같은 전기식 조향장치를 지게차에 장착하여 사용하는 경우, 운전자에 의해 핸들을 조작하면 토오크센서(EPS센서)에 의해 조작력을 검출하여 검출신호를 EPS컨트롤러에 보내며, EPS컨트롤러는 인가되는 소정신호에 의해 EPS모터에 회전방향, 속도, 힘 등을 결정하여 이에 상응하는 전류를 보낸다. 이로 인해 EPS모터는 구동하게되며 감속기어에 의해 토오크는 증대되며, 감속기어의 회전력은 액츄에이터에 의해 직선운동으로 변환되어 조향액슬을 작동시킴에 따라 부드러운 조향이 가능하게 된다.

도 1은 종래 기술에 의한 조향 토오크 검출장치의 개략도 이다.

도시된 바와 같이, 스티어링휠에 연결되어 선단외주부에 제1헬리컬기어(202)를 형성한 입력축(201)과 이 입력축(201)의 제1헬리컬기어(202)와 거의 동일한 피치원 직경을 가지는 제1스퍼어기어(204)를 선단외주부에 형성한 출력축(203)을 동축상에 대향시켜 지지하고, 상기 제1헬리컬기어(202)와 맞물리는 제2헬리컬기어(206)와 이 제2헬리컬기어(206)와 거의 동일한 피치원 직경을 가지고 상기 제1스퍼어기어(204)와 맞물리는 제2스퍼어기어(207)를 각각 동축일체로 형성하는 아이들기어(205)를 구비하고, 이 아이들기어(205)를 축방향으로 섭동가능한 섭동축(208)에 의하여 지지하고 이 섭동축의 축방향 변위량을 포텐쇼메터(220)에 의해 전기신호로 하여 검출하는 조타 토오크 검출장치에 있어서, 상기 제1헐리컬기어(202)와 제1스퍼어기어(204)를 탄성커플링(225,226,227)에 의하여 연결하는 것이다.

미 설명부호 221 및 222는, 전술한 바와 같은 각 구성부재가 원활하게 작동되도록 윤활유가 충전되며, 오일의 누설되는 것을 방지할 수 있도록 시일(229) 및 O링(230)이 장착되는 케이스 이다.

이와 같은 종래 기술에 의한 조향 토오크 검출장치는, 사용자의 조향에 따라 스티어링 휠(미도시됨)로 부터 전술한 입력축(201)에 조향 토오크가 가해지는 경우, 입출력축(201,203)에 장착되는 제1헬리컬기어(202)와 제1스퍼어기어(204)사이에 개재되는 탄성커플링(225,226,227)에 의해 출력축(203)에 전달되어 이를 구동시키는 것이다.

따라서, 입출력축(201,203)구동시 이들의 상대적인 미소한 어긋남각에 비례하여 전술한 섭동축(208)이 축방향으로 소정량 변위되며, 이는 섭동축(208)하단부에 접촉되는 검출축(228)에 의한 포텐쇼메터(potentio meter)(220)로서 검출되는 것이다.

이때, 구동시 마찰을 줄이기 위하여 섭동축(208)에 장착되는 제2헬리컬기어(206)와 제2스퍼어기어(207)의 두께를 줄이며, 제2헬리컬기어(206)와 제2스퍼어기어(207)를 동시에 기계가공 하기가 곤란하여 사출성형되는 플라스틱기어를 대체하여 사용함에 따라 이의 내마모성 부족으로 인해 위치변위가 발생될 수 있으며, 이들을 초기 조립시(제2헬리컬기어(206)와 제2스퍼어기어(207)를 동시에 조립함) 중립위치를 셋팅하기가 어려워 조립하는 작업성이 현저하게 떨어지는 문제점을 갖게된다.

또한, 전술한 입,출력축(201,203)에 토오크 변동이 급속하게 발생되는 경우, 전술한 입출력축(201,203)에 장착되는 제1헬리컬기어(202)와 제1스퍼어기어(204)가 동시에 고속회전을 하면서, 전술한 섭동축(208)을 따라 수직이동되는 제2헬리컬기어(206)와 제2스퍼어기어(207)가 파손될 수 있는 문제점을 갖게된다.

따라서, 본 발명의 목적은, 입출력축의 구동기어와 이들을 연결하는 연결기어를 각각 독립적으로 기계가공하여 조립함에 따라 이들 기어의 내마모성을 확보하여 사용수명을 크게 연장시킬 수 있도록 한 각도변위 및 토오크 검출장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은, 입출력축을 구동시키는 해당 기어를 조립하는 작업이 용이하여 조립성 및 작업성을 대폭적으로 향상시킬 수 있도록 한 각도변위 및 토오크 검출장치를 제공하는 것이다.

도 1은 종래 기술에 의한 조향 토오크 검출장치의 개략도,

도 2는 본 발명에 의한 각도변위 검출장치의 개략도,

도 3은 본 발명에 의한 입력 및 구동부의 연결기어의 개략도,

도 4는 본 발명에 의한 토오크 검출부의 개략도,

도 5는 도 4의 분리사시도,

도 6(a,b,c)는 본 발명에 의한 스프링 플레이트의 조립예를 나타내는 도면,

도 7(a,b,c,d)은 본 발명에 의한 각도변위와 직선변위의 상관관계를 나타내는 도면,

도 8은 본 발명에 의한 습동축의 결합된 상태를 나타내는 도면 이다.

*도면중 주요 부분에 사용된 부호의 설명

1; 상부케이스 2; 하부케이스

3; 포텐쇼메터 4; 제2기어

7,15; 스냅링 8,13,17; 베어링

9; 습동축 10,19; 오일링

12; 스페이서 14; 중간기어

16; 제1기어 18; 탄성판

20; 스프로킷 22; 구동연결부

23; 직선변위보상용 핀 23a; 절개홈

전술한 본 발명의 목적은, 케이스와, 상기 케이스에 회전가능하게 내설되어 외부로 부터 동력 입력시 구동하는 제1기어와, 상기 제1기어와 치합하는 중간기어에 치합되어 상기 제1기어와 동일방향으로 구동하도록 상기 케이스에 회전가능하게 내설되는 제2기어와, 상기 케이스에 회전가능하게 고정지지되고, 자체의 일측이 구동부에 연결되며 타측이 상기 제2기어에 이와 동축구동하도록 연결되는 구동연결부와, 자체의 하측이 상기 구동연결부내부에 축방향으로 이동가능하게 결합되며 상측이 상기 제2기어내부에 소정각도범위내에서 회전가능하게 결합되어, 상기 제2기어에 대해 상기 구동연결부의 각도변위 발생시 선형적으로 유동되는 습동축 및 상기 습동축의 직선변위되는 것을 전기신호로 검출하여 상기 구동부를 구동시키는 보조토오크 발생부에 구동신호를 전달하는 포텐쇼메터를 구비하여 구성됨을 특징으로 하는 각도변위 및 토오크 검출장치를 제공함에 의해 달성된다.

바람직한 실시예에 의하면, 상기 습동축의 하측은 사각기둥형상으로 형성되며, 상기 습동축이 상기 구동연결부내부에서 회전되지않고 축방향으로 이동될 수 있도록 상기 사각기둥부 형상에 대응되는 홈이 상기 구동연결부내부에 형성된다.

바람직한 실시예에 의하면, 상기 습동축의 직선운동으로 상기 구동연결부내부에 압력발생으로 인해 상기 습동축의 토오크 추가되는 것을 방지할 수 있도록 상기 사각기둥부를 수용하는 홈에 외부와 연통되는 내부압력 제거용 홀이 형성된다.

바람직한 실시예에 의하면, 상기 습동축상부에 형성되는 결합공과, 상기 습동축이 결합되는 상기 제2기어 소정위치에 소정각도로 경사지게 형성되는 슬롯과, 자체의 양단부에 절개홈이 직각방향을 이루도록 형성되어 상기 슬롯내에 위치하는 상기 결합공에 삽입되며, 상기 제2기어에 대해 상기 구동연결부의 각도변위 발생시 상기 슬롯을 따라 이동하는 직선변위보상용 핀 및 상기 절개홈에 삽입되어 상기 제2기어의 슬롯에 직각방향으로 대향지게 형성된 결합홈에 안착지지되는 탄성판을 구비한다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면에 따라 설명하되, 이는 본원 기술내용의 이해를 돕기 위하여 동업종 분야에서 통상의 지식을 가진자가 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세하게 설명하기 위한 것이지, 이로 인해 본원의 기술적인 범주가 한정되는 것을 의미하지는 않는다.

도 2 내지 도 8에 도시된 바와 같이, 조립이 용이하도록 상,하부케이스(1,2)가 분리형성되며, 상측에 고정되는 스프로킷(20)에 장착되는 체인(미도시됨)을 통하여 동력전달시 회전할 수 있도록 제1기어(16)가 상,하부케이스(1,2)에 고정지지되며, 제1기어(16)와 치합하는 중간기어(14)에 치합되는 제2기어(4)가 제1기어(16)와 동일방향으로 구동할 수 있도록 상,하부케이스(1,2)에 회전가능하게 장착되며, 자체의 하측이 미도시된 구동부에 연결되는 구동연결부(22)의 상측이 제2기어(4)에 결합되는 부싱(6)을 통하여 제2기어(4)와 동축구동할 수 있도록 연결된다.

이때, 전술한 기어(4,14,16) 및 구동연결부(22)는 구동시 회전마찰을 줄이기위하여 베어링(8,13,17)에 의해 상,하부케이스(1,2)에 회전가능하게 장착된다. 전술한 제2기어(4) 및 구동연결부(22)구동시 이들의 유동되는 것을 방지할 수 있도록 제2기어(4)와 구동연결부(22)의 접촉부위에 와셔(5)가 게재되며 구동연결부(22) 및 하부케이스(2)의 소정위치에 스냅링(7,15)이 장착된다.

전술한 상,하부케이스(1,2)로 부터 누유되는 것을 방지하며, 외부로 부터 이물질의 침투되는 것을 방지할 수 있도록 오일링(10,19)이 상,하부케이스(1,2)의 소정위치에 장착된다.

자체의 하측에 사각기둥부(9a)가 형성되며 상측에 결합공(9b)이 형성되어 제2기어(4)에 대해 구동연결부(22)의 각도변위 발생시 선형적으로 유동되는 습동축(9)을 제2기어(4) 및 구동연결부(22)내부에 결합시키되, 습동축(9)이 구동연결부(22)내부에서 회전되지않고 축방향으로 이동될 수 있도록 사각기둥부(9a)의 형상에 대응되는 홈(22a)이 구동연결부(22)내부에 형성된다.

전술한 습동축(9)의 직선변위를 전기신호로 검출하여 구동부를 구동시키는 보조토오크 발생부(일 예로서, 컨트롤러에 해당됨)에 구동신호를 전달하는 포텐쇼메터(3)가 습동축(9)상방으로 장착된다. 이때 전술한 포텐쇼메터(3)는 미세한 전압조정을 위하여 상부케이스(1)와 포텐쇼메터(3)사이에 스페이서(12)가 게재되어 체결부재(11)로서 착탈가능하게 고정된다.

전술한 습동축(9)의 직선운동시 구동연결부(22)의 홈(22a)내부에 압력발생으로 인해 습동축(9)의 토오크(torque) 추가되는 것을 방지할 수 있도록 홈(22a)에 외부와 연통되는 내부압력 제거용 홀(22b)이 형성된다.

전술한 제2기어(4)의 소정위치에 슬롯(4a)(slot)이 소정각도로 경사지게 형성되며, 슬롯(4a)내에 위치하는 전술한 습동축(9)의 결합공(9b)에 삽입되어 제2기어(4)에 대해 구동연결부(22)의 각도변위 발생시 슬롯(4a)을 따라 이동하는 직선변위보상용 핀(23)의 좌우양단부에 절개홈(23a,23b)이 상호 직각방향을 이루도록 형성되며, 절개홈(23a,23b)에 삽입되어 습동축(9)의 회전운동시 탄성변형되는 탄성판(spring plate)(8)이 제2기어(4)의 슬롯(4a)에 직각방향으로 대향지게 형성된 결합홈(4b)에 안착지지된다.

미 설명부호 22c는 구동연결부(22)를 미도시된 구동부에 연결시 연결핀이 삽입되는 관통공 이다.

이하에서, 본 발명에 의한 각도변위 및 토오크 검출장치의 사용방법을 첨부도면에 따라 설명하면 아래와 같다.

도 2에 도시된 바와 같이, 전술한 제1기어(16)의 상측에 고정되는 스프로킷(20)에 장착되는 미도시된 체인을 통하여 동력이 전달되어 전술한 제1기어(16)가 소정방향(정방향(시계방향) 또는 역방향(반시계방향))으로 구동함에 따라, 제1기어(16)와 치합되는 중간기어(14)에 의해 제2기어(4)가 전술한 제1기어(16)와 동일한 방향으로 구동하게 된다.

이로 인해, 전술한 제2기어(4)에 부싱(6)을 통하여 연결되는 구동연결부(22)가 동시에 동축구동함에 따라, 제1기어(16)를 통하여 입력되는 소정의 동력에 의해 구동연결부(22)하측에 형성된 관통공(22c)에 삽입되는 고정핀을 통하여 연결되는 구동부를 구동하게되는 것이다.

따라서, 전술한 제2기어(4)에 대해 구동연결부(22)사이에 각도변위가 발생되는 경우, 전술한 제2기어(4)와 구동연결부(22)내부에 축방향으로 이동가능하게 결합되는 습동축(9)이 도 2의 도면상, 상방향으로 이동하게 된다. 즉 전술한 습동축(9)은 이의 하측에 형성된 사각기둥부(9a)가 이와 대응되게 구동연결부(22)내부에 형성된 홈(22a)에 결합하게 되므로 습동축(9)의 회전되는 것이 방지되는 것이다. 이때 전술한 홈(22a)내부에 충진되는 오일 또는 그리스에 의하여 습동축(9)의 구동시 마찰력을 최소화할 수 있게되는 것이다.

전술한 습동축(9)이 구동연결부(22)내부에서 직선운동시, 구동연결부(22)의 홈(22a)내부에 불필요하게 생성되는 압력은 홈(22a)에 외부와 연통되게 형성되는 내부압력 제거용 홀(22b)을 통하여 배출되므로, 습동축(9)의 구동으로 인해 토오크의 추가 발생되는 것이 방지되어 포텐쇼메터(3)에 의한 습동축(9)의 직선변위를 정확하게 검출할 수 있게되는 것이다.

즉, 도 7에 도시된 바와 같이, 전술한 제2기어(4)에 각도변위가 발생되는 경우, 전술한 제2기어(4)에 소정각도로 경사지게 형성된 슬롯(4a)에 위치하는 전술한 습동축(9)의 결합공(9b)에 삽입되는 직선변위보상용 핀(23)이 슬롯(4a)내부에서 이동하게 된다. 이와 같은 제2기어(4)의 각도변위는 습동축(9)의 직선변위로 변환되며, 제2기어(4)의 각도변위는 제2기어(4)에 전달되는 토오크와 직선변위보상용 핀(23)의 절개부(23a,23b)에 끼워지는 탄성판(18)의 탄성력으로 결정된다.

따라서, 전술한 습동축(9)상방으로 장착되는 포텬쇼메터(3)에 의해 습동축(9)의 직선변위를 전압 변경분으로 검출하여 구동부를 구동시키는 보조토오크 발생부에 이의 구동신호를 출력하게되는 것이다.

도 7(a)에 도시된 바와 같이, 전술한 제2기어(4)에 형성되는 슬롯(4a)면이 수평면에 대하여 소정의 각도(φ)를 유지하며, 경사면 이동거리를 S라고 가정하면, 전술한 습동축(9)의 수직방향의 직선변위는 V = S × tan φ인 것이다.

도 7(b) 및 도 7(d)에 도시된 바와 같이, 전술한 제2기어(4)의 각도변위가 정방향(시계방향)(A°)으로 발생되는 경우, 즉 전술한 제2기어(4)의 경사지는 슬롯(4a)내부에 위치하는 직선변위보상용 핀(23)이 제1분사면 방향으로 이동함에 따라, 이에 상응되는 직선변위보상용 핀(23)의 직선변위는 중심위치(0)를 기준으로 소정량(D1)만큼 발생되는 것이다.

도 7(c) 및 도 7(d)에 도시된 바와 같이, 전술한 제2기어(4)의 각도변위가 역방향(반시계방향)(B°)으로 발생되는 경우, 즉 전술한 제2기어(4)의 경사지는 슬롯(4a)내부에 위치하는 직선변위보상용 핀(23)이 제3분사면 방향으로 이동함에 따라, 이에 상응되는 직선변위보상용 핀(23)의 직선변위는 중심위치(0)를 기준으로 소정량(D2)만큼 발생되는 것이다.

이때, 전술한 제2기어(4)의 각도변위는 제2기어(4)의 슬롯(4a)의 경사면의 길이에 따라 측정하고자하는 최대값이 제한되며, 이로 인해 직선변위도 제한된다.

한편, 도 6은 본 발명에 의한 제2기어에 형성되는 슬롯 및 결합홈의 다른 실시예의 도면 이다.

도 6(b)에 도시된 바와 같이, 전술한 제2기어(4)보다 토오크 발생량이 상대적으로 작은 경우, 전술한 제2기어(4)에 형성되는 슬롯(4a)의 길이를 줄이며, 슬롯(4a)에 직각방향으로 제2기어(4)에 형성되는 결합홈(4b)의 형상을 구형상으로 형성할 수 있다.

도 6(c)에 도시된 바와 같이, 전술한 제2기어(4)보다 토오크 발생량이 상대적으로 큰 경우, 전술한 슬롯(4a)의 길이를 줄이면서, 전술한 직선변위보상용 핀(23)의 좌우 양측에 형성되는 절개홈(23a,23b)에 삽입되는 탄성판(18)의 수량(일예로서, 4장이 장착됨)을 증가시켜 장착할 수 있다.

이와 같이, 본 발명에 의한 각도변위 및 토오크 검출장치는, 사용자에 의해 조작되는 토오크가 구동부의 부하의 제동력(마찰력)과 어느정도 차이가 발생되는지를 검출할 수 있게되는 것이다. 또한 보조동력(모터)에 의해서 구동부의 부하의 마찰력이나 제동력이 해제된 경우에도 기계적으로 피이드백(feed back)이 가능하게 되므로 실제구동을 위한 작동력의 기준신호로 사용할 수 있는 것이다.

이상에서와 같이, 바람직한 실시예에 의하면, 입출력축의 구동기어와 이들을 연결하는 연결기어를 각각 독립적으로 기계가공하여 조립함에 따라 이들 기어의 내마모성을 확보하여 사용수명을 크게 연장시킬 수 있도록 한 것이다.

또한, 입출력축을 구동시키는 해당 기어를 조립하는 작업이 용이하여 조립성 및 작업성을 대폭적으로 향상시킬 수 있도록 한 이점을 갖는다.

Claims (4)

1. 케이스;

   상기 케이스에 회전가능하게 내설되어 외부로 부터 동력 입력시 구동하는 제1기어;

   상기 제1기어와 치합하는 중간기어에 치합되어 상기 제1기어와 동일방향으로 구동하도록 상기 케이스에 회전가능하게 내설되는 제2기어;

   상기 케이스에 회전가능하게 고정지지되고, 자체의 일측이 구동부에 연결되며 타측이 상기 제2기어에 이와 동축구동하도록 연결되는 구동연결부;

   자체의 하측이 상기 구동연결부내부에 축방향으로 이동가능하게 결합되며 상측이 상기 제2기어내부에 소정각도범위내에서 회전가능하게 결합되어, 상기 제2기어에 대해 상기 구동연결부의 각도변위 발생시 선형적으로 유동되는 습동축; 및

   상기 습동축의 직선변위되는 것을 전기신호로 검출하여 상기 구동부를 구동시키는 보조토오크 발생부에 구동신호를 전달하는 포텐쇼메터를 구비하여 구성됨을 특징으로 하는 각도변위 및 토오크 검출장치.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 습동축의 하측은 사각기둥형상으로 형성되며, 상기 습동축이 상기 구동연결부내부에서 회전되지않고 축방향으로 이동될 수 있도록 상기 사각기둥부 형상에 대응되는 홈이 상기 구동연결부내부에 형성된 것을 특징으로 하는 각도변위 및 토오크 검출장치.
3. 제 2 항에 있어서, 상기 습동축의 직선운동으로 상기 구동연결부내부에 압력발생으로 인해 상기 습동축의 토오크 추가되는 것을 방지할 수 있도록 상기 사각기둥부를 수용하는 홈에 외부와 연통되는 내부압력 제거용 홀이 형성된 것을 특징으로 하는 각도변위 및 토오크 검출장치.
4. 제 1 항에 있어서, 상기 습동축상부에 형성되는 결합공;

   상기 습동축이 결합되는 상기 제2기어 소정위치에 소정각도로 경사지게 형성되는 슬롯;

   자체의 양단부에 절개홈이 직각방향을 이루도록 형성되어 상기 슬롯내에 위치하는 상기 결합공에 삽입되며, 상기 제2기어에 대해 상기 구동연결부의 각도변위 발생시 상기 슬롯을 따라 이동하는 직선변위보상용 핀; 및

   상기 절개홈에 삽입되어 상기 제2기어의 슬롯에 직각방향으로 대향지게 형성된 결합홈에 안착지지되는 탄성판을 구비하는 것을 특징으로 하는 각도변위 및 토오크 검출장치.