KR20030077052A - 차량용 토크센서 - Google Patents

Abstract

본 발명은 차량의 파워 스티어링 시스템에 적용되는 토크센서에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 토션바에 작용하는 토크를 효과적으로 검출하면서도 토크센서의 구성을 간소화시켜 토크센서의 제작비가 절감되도록 하는 차량용 토크센서에 관한 것이다.

본 발명에 따른 토크센서는 전도성 비자성체로 마련되며 관통부가 형성된 제1검출링 및 전도성 자성체로 마련되며 돌출부가 형성된 제2검출링과 같이 두개의 검출링을 통해 토션바가 비틀림에 따라 자기저항 검출코일조립체의 인덕턴스값이 변화되도록 마련되므로 토션바에 작용하는 토크를 효과적으로 검출하면서도 검출링의 숫자가 줄어들게 된다. 또한, 상기 각 검출링은 각 검출코일조립체 사이로 연장되도록 형성되고, 이때 전도성 자성체로 형성되는 제2검출링에 의해 각 검출코일조립체 간의 간섭이 방지되므로, 각 검출코일조립체 사이에는 별도의 스페이서가 설치될 필요가 없게 된다. 이에 따라 상기 토크센서는 검출구조가 단순화되어 토크센서의 제작비용이 줄어들게 된다.

Description

차량용 토크센서{Torque sensor for vehicle}

본 발명은 차량의 파워 스티어링 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 검출링의 숫자를 줄여 제작비가 절감되도록 하는 차량용 토크센서에 관한 것이다.

일반적으로 자동차는 조향축을 통해 바퀴 측과 연결된 스티어링휠을 조작하여 운동방향을 조정하도록 되어 있다. 그러나 바퀴와 노면과의 접지저항이 큰 상태에서는 스티어링휠의 조작력이 약화되어 자동차를 신속하게 조향시킬 수 없게 되는데, 이를 해결하기 위한 것이 파워스티어링 장치이다. 이러한 파워스티어링 장치는 조향장치의 도중에 보조동력장치를 설치하여 스티어링휠의 조작력을 배력작용에 의해 경감시키게 한다.

파워스티어링 장치가 설치된 자동차의 조향축은 입력축과 출력축으로 이루어져 있고, 이중 입력축은 스티어링휠 측에 결합되고 출력축은 타이로드의 랙바와 이물림 결합된 피니언기어 측과 결합된다. 그리고 이러한 입력축과 출력축은 토션바에 의해 연결되는데, 이와 같은 구조에서 스티어링휠을 회전시키면 출력축이 회전하며 피니언기어와 랙바의 기어작용에 의해 타이로드에 결합된 바퀴의 방향이 변화된다. 이때, 바퀴와 노면과의 접지저항이 큰 경우에는 랙바와 피니언기어와의 기어작용도 원활하게 이루어지지 않게 되어 스티어링휠 측과 결합된 입력축에 비해 피니언기어 측과 결합된 출력축이 덜 회전하여 토션바가 비틀리게 된다. 이러한 토션바의 비틀림 정도는 전기적인 신호상태로 전자제어유닛에 입력되고, 전자제어유닛에서는 이 신호를 근거로 상기 랙바에 설치된 보조동력장치를 가동시켜 출력축의 회전을 보상하여 스티어링휠의 조작력이 향상되도록 하는데, 여기서 토션바의 비틀림 감지는 토크센서에 의해 이루어진다.

도 1은 이러한 종래 차량용 토크센서를 보인 단면도이다. 도 1에 도시한 바와 같이, 종래 차량용 토크센서는 입력축(1)의 하단과 출력축(2)의 상단을 동축상으로 연결하는 토션바(3)와, 자성체로 마련되며 입력축(1)과 출력축(2)의 연결부위 외주에 일정간격 이격되게 배치되는 3개의 검출링(4a,4b,4c)과, 검출링(4a,4b,4c)들이 끼워져 설치되는 통형상의 센서하우징(5)을 구비한다.

출력축(2)의 하단은 바퀴(미도시)측의 타이로드(미도시)에 형성된 랙바(미도시)와 이물림결합된 피니언기어(미도시)와 연결되고, 입력축(1)의 상단은 스티어링휠(미도시)과 결합되어 스티어링휠(미도시)의 회전에 따라 입력축(1)과 출력축(2)을 연결하는 토션바(3)가 비틀리면서 출력축(2)이 회전하게 된다.

복수개의 검출링(4a,4b,4c)은 입력축(1) 외주에 결합되어 스티어링휠(미도시)과 동일한 각도로 회전 운동하는 제1검출링(4a)과 제2검출링(4b), 그리고 출력축(2) 외주에 결합되어 출력축(2)과 함께 회전 운동하는 제3검출링(4c)으로 구별된다. 또한, 제1검출링(4a)과 제2검출링(4b)의 하면 및 제3검출링(4c)의 상면에는 각각 요철이 반복된 톱니부(4d,4e,4f)가 형성된다.

또한, 센서하우징(5) 내부에는 검출링들(4a,4b,4c)의 톱니부(4d,4e,4f)를 감싸며 이들과 상호 작용하여 자기회로를 형성하도록 코일(6a,7a)이 권선된 온도보상 검출코일조립체(6)와 자기저항 검출코일조립체(7)가 배치된다. 온도보상 검출코일조립체(6)는 제1검출링(4a)과 제2검출링(4b) 사이를 감싸도록 배치되고, 자기저항 검출코일조립체(7)는 제2검출링(4b)과 제3검출링(4c) 사이를 감싸도록 배치되며,이들 사이에는 각 검출코일조립체(6,7) 간의 간섭을 방지하기 위한 스페이서(8)가 개재된다. 토션바(3)의 비틀림에 의해 제2검출링(4b)과 제3검출링(4c)의 각 톱니부(4e,4f)들은 그 대향면적이 변화되며, 대향면적의 변화에 의하여 자기저항 검출코일조립체(7)의 인덕턴스값이 변화되고, 입력축(1)과 출력축(2)의 회전편차는 이 인덕턴스 값의 변화를 측정하여 검출된다.

그러나 이와 같이 구성되는 종래의 토크센서에 있어서, 상기 검출링(4a,4b,4c)은 입력축(1)의 외면에 설치되는 두개의 검출링(4a,4b)과 출력축(2)에 설치되는 하나의 검출링(4c)을 합하여 모두 세 개의 검출링(4a,4b,4c)이 설치되어야만 하고, 상기 각 검출링(4a,4b,4c)의 대응면에는 모두 복잡한 치형구조의 톱니부(4d,4e,df)가 형성되어야 한다. 그리고 상기 온도보상 검출코일조립체(6)와 자기저항 검출코일조립체(7) 사이에는 각 검출코일조립체(6,7) 간의 간섭을 방지하기 위한 스페이서(8)가 필수적으로 개재되어야 하는데, 이러한 검출링(4a,4b,4c)의 숫자 및 각 검출링(4a,4b,4c)에 형성되는 톱니부(4d,4e,4f)의 가공작업과 스페이서(8)의 마련 등은 토크센서의 제작비를 증가시키는 요인이 된다.

본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 차량의 파워 스티어링 시스템에 있어서 토크 검출구조가 단순화되도록 검출링의 숫자를 줄여 토션바에 작용하는 토크를 용이하게 검출하면서도 제작비용이 절감되도록 하는 차량용 토크센서를 제공하는 것이다.

도 1은 종래 차량용 토크센서를 개략적으로 보인 단면도이다.

도 2는 본 발명에 따른 차량용 토크센서의 단면도이다

도 3은 본 발명에 따른 검출코일조립체와 검출링을 발췌하여 나타낸 분해사시도이다.

도 4는 본 발명에 따른 토크센서의 토션바가 비틀리지 않은 상태에서 제1검출링의 관통부와 제2검출링의 돌출부의 위치를 나타낸 단면도이다.

도 5는 본 발명에 따른 토크센서의 토션바가 비틀린 상태에서 제1검출링의 관통부와 제2검출링의 돌출부의 위치를 나타낸 단면도이다.

*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*

40: 제1검출링41: 제1지지부

42: 관통부50: 제2검출링

51: 제2지지부52: 돌출부

60: 온도보상 검출코일조립체70: 자기저항 검출코일조립체

61,71: 코일

이러한 목적을 달성하기 위해 본 발명은 스티어링휠 측에 결합되는 입력축과 바퀴 측에 결합되는 출력축을 동축상으로 연결하는 토션바, 상기 입력축과 출력축에 고정되는 복수의 검출링, 상기 각 검출링과 대응하여 검출신호를 발생시키는 제1, 제2 검출코일조립체, 상기 검출코일조립체를 수용하도록 마련되는 센서하우징을 구비한 토크센서에 있어서, 상기 검출링은 전도성 비자성체로 형성되는 제1검출링과 전도성 자성체로 형성되는 제2검출링으로 마련되고, 상기 제1 및 제2검출링은 상기 입력축과 출력축에 각각 선택적으로 결합되며, 상기 각 검출링은 상기 입력축 및 출력축의 외면으로부터 상기 검출코일조립체 사이로 연장되도록 링형상으로 마련되되, 상기 제1검출링에는 상기 제1검출링을 관통하도록 형성되며 상기 제1검출링의 원주방향을 따라 서로 일정간격 이격되게 형성되는 다수개의 관통부가 마련되고, 상기 제1검출링과 대응하도록 마련된 상기 제2검출링의 대응면에는 상기 관통부의 위치 및 형상과 대응하도록 형성된 다수개의 돌출부가 상기 제1검출링 측으로 돌출연장된 것을 특징으로 한다.

그리고 상기 입력축에 마련되는 검출링과 상기 출력축에 마련되는 검출링의 내경 측에는 상기 검출링이 상기 입력축 및 출력축에 고정되도록 상기 입력축 및 출력축의 외면을 따라 각각 상측과 하측으로 연장되는 지지부가 마련된 것을 특징으로 한다.

다음에는 본 발명에 따른 바람직한 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

본 발명에 따른 차량용 토크센서의 구조는 도 2에 도시한 바와 같이, 입력축(10)의 하단과 출력축(20)의 상단을 동축상으로 연결하는 토션바(30)와, 입력축(10)과 출력축(20)의 외주에 각각 설치되는 검출링(40,50) 및 상기 각 검출링(40,50)과 대응하여 검출신호를 발생시키는 검출코일조립체(60,70), 그리고 상기 검출코일조립체를 내부에 수용하도록 마련된 센서하우징(80)을 구비한다.

출력축(20)은 바퀴(미도시)측의 조향기구(미도시)와 결합되는데 출력축(20)의 하단에는 바퀴(미도시)측의 타이로드(미도시)에 설치된 랙바(미도시)와 이물림결합되도록 피니언기어(21)가 가공되며, 입력축(10)의 상단은 스티어링휠(미도시)과 결합되어 있어, 바퀴(미도시)와 노면과의 마찰력이 클 경우 스티어링휠(미도시)의 회전에 따라 토션바(30)가 비틀리면서 출력축(20)이 회전하게 된다. 이때, 토션바(30)의 상단은 평행핀(10a)을 통해 입력축(10)에 고정되고, 하단은 센서하우징(50)의 하부로 연장된 출력축(20)에 압입 고정되며, 센서하우징(50)의 상부에는 입력축(10)이 회전 가능하게 설치되도록 하는 롤러베어링부재(10b)가 마련된다.

센서하우징(80)은 통형상으로 마련되고 상하부가 개방되어 있어 그 내주면이 각 검출링(40,50)을 감싸도록 결합되며, 센서하우징(80)의 내부에는 각 검출링(40,50)과 상호 작용하여 자기회로를 형성하는 검출코일조립체들(60,70)이 배치된다. 상기 검출코일조립체(60,70)는 입력축(10)의 하단 외측에 마련되는 자기저항 검출코일조립체(60)와 출력축(20)의 상단 외측에 마련되는 온도보상 검출코일조립체(70)로 구분되고, 각 검출코일조립체(60,70)는 내부에 코일(61,71)이 권선된동일한 구조의 링형으로 마련되어 센서하우징(80) 내면과 접하게 된다.

그리고 이러한 검출코일조립체(60,70)들을 통해 토션바(30)에 작용하는 토크를 정확히 검출하기 위해서 검출코일조립체(60,70)들은 상기 센서하우징(80)의 내부에서 그 위치가 변화되지 않도록 고정되어야 하는데, 검출코일조립체(60,70)들의 위치고정을 위해 온도보상 검출코일조립체(70) 하부의 센서하우징(80)에는 소정두께를 갖는 링형상의 스톱퍼스크류(90)가 결합되어 각 검출코일조립체(60,70)들을 종방향으로 지지하게 된다. 이 스톱퍼스크류(90)는 외주에 수나사가 가공되어 암나사가 가공된 센서하우징(80)의 하단 내주에 나사 결합된다.

한편, 상기 검출링(40,50)은 전도성 비자성체로 마련되는 제1검출링(40)과 전도성 자성체로 마련되는 제2검출링(50)으로 구분되는데, 이중 제1검출링(40)은 입력축(10)의 하단 외주에 결합되며, 제2검출링(50)은 출력축(20)의 상단 외주에 결합된다.

도 3에 상세히 도시한 바와 같이, 상기 각 검출링(40,50)은 소정간격 서로 이격된 상태에서 상기 입력축(10) 및 출력축(20)의 외면으로부터 각 검출코일조립체(60,70) 사이를 통해 상기 센서하우징(80)의 내면과 접하도록 연장된 링형상으로 마련되며, 제1검출링(40)의 내경부 측에는 입력축(10)을 따라 상측으로 연장되는 원통형상의 제1지지부(41)가 마련되고, 제2검출링(50)의 내경부 측에는 출력축(20)을 따라 하측으로 연장되는 원통형상의 제2지지부(51)가 형성된다. 이때, 상기 각 지지부(41,51)를 억지끼움방식이나 코킹가공을 통해 입력축(10) 및 출력축(20)의 외면에 결합시킴으로써, 각 검출링(40,50)은 입력축(10) 및 출력축(20)의 외면에고정된다.

또한, 상기 제1검출링(40)에는 일정간격 이격되도록 원주방향으로 형성되며 제1검출링(40)을 관통하도록 마련되는 다수개의 관통부(42)가 형성되고, 상기 제1검출링(40)과 대응하도록 마련된 상기 제2검출링(50)의 상면에는 상기 관통부(42)의 위치 및 형상과 대응하도록 형성된 다수개의 돌출부(52)가 상기 제1검출링 측으로 돌출연장 되게 형성된다.

따라서 토션바(30)의 비틀림이 발생하지 않을 경우 상기 관통부(42)와 돌출부(52)는 도 4에 도시한 바와 같이 서로 일치하게 되며, 토션바(30)의 비틀림이 발생할 경우에는 도 5에 도시된 바와 같이, 상기 관통부(42)와 돌출부(52)의 대향면적이 변화하게 된다. 이러한 관통부(42)와 돌출부(52)의 대향면적 변화에 따라 자기저항 검출코일조립체(60)의 인덕턴스값이 변화하게 된다. 그리고 상기 온도보상 검출코일조립체(70)의 인덕턴스값은 토션바(30)의 비틀림에 상관없이 온도의 변화에 따라서만 변화되므로, 상기 온도보상 검출코일조립체(70)의 인덕턴스값에 의해 자기저항 검출코일조립체(60)의 인던턴스값 중 온도의 영향에 따른 값을 보상하게 된다.

그리고 본 실시 예에 있어서는 관통부(42)가 형성되며 전도성 비자성체로 마련되는 제1검출링(40)을 입력축(10)에 결합시키고, 돌출부(52)가 형성되고 전도성 자성체로 마련되는 제2검출링(50)을 출력축(20)에 결합시키고 있지만, 이와는 달리 돌출부(52)가 아래를 향하도록 제2검출링(50)을 입력축(10)에 결합시키고, 관통부(42)가 상부 측에 배치되도록 제1검출링(40)을 출력축(20)에 결합시켜 자기저항 검출코일조립체(60)를 통해 온도보상을 하고, 관통부(42)와 돌출부(52)의 대향면적 변화에 따라 온도보상 검출코일조립체(70)의 인덕턴스값이 변화되도록 하여도 토션바(30)에 작용하는 토크는 동일하게 검출된다.

또한, 상기 각 검출코일조립체(60,70) 사이로 연장되도록 마련된 각 검출링(40,50) 중 전도성 자성체로 마련되는 상기 제2검출링(50)은 각 검출코일조립체(60,70) 사이에 발생되는 간섭현상이 방지되도록 하는 역할을 수행하는데, 이러한 각 검출코일조립체(60,70) 간의 간섭 방지가 보다 확실하게 이루어지도록 상기 제2검출링(50)은 상기 제1검출링(40)보다 다소 큰 두께를 같도록 형성되는 것이 바람직하다. 따라서 상기 제2검출링(50)에 의해 본 발명에 따른 토크센서에서는 각 검출코일조립체(60,70) 사이에 별도의 스페이서가 설치될 필요가 없게 된다.

이상에서 상세히 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 토크센서는 두개의 검출링(40,50) 만을 사용하며 토션바(30)에 작용하는 토크를 검출할 수 있게 됨은 물론, 별도의 스페이서가 필요 없게 됨에 따라 토크센서의 구조가 단순화되므로 제작비가 절감된다.

다음은 이와 같이 구성된 본 발명에 따른 토크센서의 동작을 설명한다.

본 발명에 따른 토크센서가 장착된 차량의 주행 중 운전자가 스티어링휠(미도시)을 조향시키면, 입력축(10)과 토션바(30)로 연계된 출력축(20)을 통해 조향기구(미도시)가 작동되며 바퀴(미도시)의 방향이 변화된다. 이때, 일정크기 이상의 조향력이 작용하게 되면, 바퀴(미도시)와 노면과의 마찰력에 의해 스티어링휠(미도시)을 통해 직접적으로 회전하는 입력축(10)에 비해 토션바(30)로 연계된출력축(20)의 회전각도가 작아 토션바(30)가 비틀린다. 토션바(30)의 비틀림으로 제1검출링(40)의 각 관통부(42)와 제2검출링(50)의 각 돌출부(52)는 그 대향면적이 변화되고, 이에 따라 자기저항 검출코일조립체(70)의 인덕턴스 값이 변화됨과 동시에 코일(61,71)에 흐르는 유기전압이 변화된다. 이러한 유기전압의 변화는 코일(61,71)의 자기저항의 변화에 의한 것으로 신호처리장치(미도시)를 통해 제어부(미도시)에 입력된다. 제어부(미도시)에서는 입력된 신호를 근거로 조향편차를 측정하고, 동력수단(미도시)을 가동시켜 이를 보상한다.

이상에서 상세히 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 토크센서는 전도성 비자성체로 마련되며 관통부가 형성된 제1검출링 및 전도성 자성체로 마련되며 돌출부가 형성된 제2검출링과 같이 두개의 검출링을 통해 토션바가 비틀림에 따라 자기저항 검출코일조립체의 인덕턴스값이 변화되도록 마련되므로 토션바에 작용하는 토크를 효과적으로 검출하면서도 검출링의 숫자가 줄어들게 된다. 또한, 본 발명에 따른 토크센서의 각 검출링은 각 검출코일조립체 사이로 연장되고, 이때 전도성 자성체로 형성되는 제2검출링에 의해 각 검출코일조립체 간의 간섭이 방지되므로, 각 검출코일조립체 사이에는 각 검출코일조립체 간의 간섭을 방지하기 위해 별도로 마련되는 스페이서의 설치가 필요 없게 된다. 이에 따라 본 발명에 따른 토크센서는 검출구조가 단순화되어 토크센서의 제작비용이 줄어들도록 하는 이점을 갖는다.

Claims (2)

1. 스티어링휠 측에 결합되는 입력축과 바퀴 측에 결합되는 출력축을 동축상으로 연결하는 토션바, 상기 입력축과 출력축에 고정되는 복수의 검출링, 상기 각 검출링 대응하여 검출신호를 발생시키는 제1, 제2 검출코일조립체, 상기 검출코일조립체를 수용하도록 마련되는 센서하우징을 구비한 토크센서에 있어서,

   상기 검출링은 전도성 비자성체로 형성되는 제1검출링과 전도성 자성체로 형성되는 제2검출링으로 마련되고, 상기 제1 및 제2검출링은 상기 입력축과 출력축에 각각 선택적으로 결합되며, 상기 각 검출링은 상기 입력축 및 출력축의 외면으로부터 상기 검출코일조립체 사이로 연장되도록 링형상으로 마련되되, 상기 제1검출링에는 상기 제1검출링을 관통하도록 형성되며 상기 제1검출링의 원주방향을 따라 서로 일정간격 이격되게 형성되는 다수개의 관통부가 마련되고, 상기 제1검출링과 대응하도록 마련된 상기 제2검출링의 대응면에는 상기 관통부의 위치 및 형상과 대응하도록 형성된 다수개의 돌출부가 상기 제1검출링 측으로 돌출연장된 것을 특징으로 하는 차량용 토크센서.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 입력축에 마련되는 검출링과 상기 출력축에 마련되는 검출링의 내경 측에는 상기 검출링이 상기 입력축 및 출력축에 고정되도록 상기 입력축 및 출력축의 외면을 따라 각각 상측과 하측으로 연장되는 지지부가 마련된 것을 특징으로 하는차량용 토크센서.