KR20070004377A - 토크 센서 및 이를 구비한 자동차의 전기식 동력 보조 조향장치 - Google Patents

토크 센서 및 이를 구비한 자동차의 전기식 동력 보조 조향장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 토크 센서 및 이를 구비한 자동차의 전기식 동력 보조 조향 장치에 관한 것이다.
본 발명은 일단의 외주면에 하나 이상의 안내핀이 형성되어 있는 입력축; 토션 바를 매개로 상기 입력축과 동축 상에 연결되는 출력축; 상기 입력축의 일단에서 상기 입력축의 외주면에 결합되고 내주면에 상기 안내핀에 끼워지는 하나 이상의 나선 홈이 형성되어 있으며, 외주면을 따라 가이드 홈이 형성되어 있는 회전자; 및 복수개의 자극을 가지며 회전 가능한 자성체와, 상기 자성체의 회전에 따른 자기장 변화를 측정하기 위한 측정 장치 및 일측이 상기 자성체의 회전축과 결합되고 타측이 두 방향으로 분리되어 타측 양단에는 상기 회전자의 상기 가이드 홈에 끼워지도록 돌기가 형성되어 있는 외팔보로 이루어진 검출부를 포함하는 것을 특징으로 하는 토크 센서를 제공한다.
본 발명에 의하면, 입력축의 회전시 직선운동을 하는 회전자의 운동거리가 짧아도 신호 증폭에 의한 소음 없이 토크를 측정할 수 있으며, 센싱부의 코일 가공이 필요 없으므로 제작 작업이 용이하게 되는 효과가 있다.
토크 센서, MR 센서, 전기식 동력 보조 조향 장치

Description

토크 센서 및 이를 구비한 자동차의 전기식 동력 보조 조향 장치{Torque Sensor and Electric Power Steering Apparatus Including the Same}
도 1은 자동차의 전기식 동력 보조 조향 장치의 구성도,
도 2는 자동차의 전기식 동력 보조 조향 장치의 부분 단면도,
도 3은 종래 기술에 의한 자기 저항 타입 토크 센서의 사시도,
도 4는 종래 기술에 의한 자기 변형 타입 토크 센서의 구성도,
도 5는 종래 기술에 의한 또 다른 토크 센서의 정면도,
도 6a, 6b 및 6c는 각각 본 발명에 따른 토크 센서의 요부 분해 사시도, 평면도 및 정면도,
도 7은 본 발명에 따른 토크 센서를 구비한 자동차의 전기식 동력 보조 조향 장치의 부분 종단면도이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
101: 입력축102: 출력축
106: ECU110: 토크 센서
515: 안내핀520: 나선 홈
525: 회전자530: 코일
601: 가이드 홈602: 스프링
610: 검출부611: 자성체
612: 측정 장치613: 외팔보
614: 회전축615: 돌기
본 발명은 토크 센서 및 자동차의 전기식 동력 보조 조향 장치에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 입력축의 회전에 수반되는 회전자의 축 방향 변위로부터 입력축의 토크를 측정할 수 있도록 한 토크 센서 및 상기 토크 센서를 구비한 자동차용 전기식 동력 보조 조향 장치에 관한 것이다.
일반적으로 자동차의 동력 보조 조향 장치는 유압 펌프의 유압을 이용한 유압식 동력 보조 조향 장치가 사용되고 있지만, 1990년대 이후 전기 모터를 이용한 전기식 동력 보조 조향(EPS : Electric Power Steering) 방식이 점차로 보편화되어 가고 있다.
이러한 기존의 유압식 동력 보조 조향 장치에서 동력을 보조해 주는 동력원인 유압 펌프가 엔진에 의해 구동되어 조향 휠의 회전과 관계없이 에너지 소모가 항시 발생하는 데 비해 전기식 동력 보조 조향 장치는 ECU(Electronic Control Unit)를 이용한 제어를 통해 전기적 에너지로 구동되는 모터를 돌려 조향 휠의 회전에 따라 조향 장치의 동력을 보조해 준다. 따라서 전기식 동력 보조 조향 장치를 장착하는 경우 기존의 유압식 동력 보조 조향 장치에 비해 차량의 에너지 효율을 향상시킬 수 있다.
도 1은 자동차의 전기식 동력 보조 조향 장치의 구성도이고, 도 2는 자동차의 전기식 동력 보조 조향 장치의 부분 단면도이다. 도 1 및 도 2에서 도시하는 바와 같이 전기식 동력 보조 조향 장치(100)는 토션 바(미도시)를 매개로 동축 상에 연결된 입력축(101)과 출력축(102)을 구비하며, 입력축(101)과 출력축(102)은 하우징(미도시) 내에 설치되는 베어링(미도시)을 통해 회전 가능한 상태로 지지된다. 또 입력축(101)은 통상적인 차량의 조향 휠(103)과 연결되어 조향 휠(103)과 함께 회전하도록 구성되고, 출력축(102)은 일측의 피니언 기어부(104)가 통상적인 동력 보조 조향 장치의 랙 바(105)와 치합되도록 구성된다. 따라서 운전자가 조향 휠(103)을 회전시키는 동작에 의해 발생하는 조향력이 입력축(101)에 전달되고, 조향력이 입력축(101)에서 출력축(102)으로 전달되는 과정에서 토크를 감지하여 ECU(106)에 전달하고 ECU(106)에서는 그 값에 따라 조향 보조 동력을 공급하도록 지시한다.
이와 같은 전기식 동력 보조 조향 장치(100)의 경우 유압식 동력 보조 조향 장치와 달리 ECU(106)가 모터(107)의 회전을 제어하여 조향 보조 동력을 공급하므로 위와 같이 기계적인 방법으로 운전자의 조향력에 맞추어 적절한 조향 보조 동력을 공급할 수 없다. 따라서 운전자의 조향력과 조향 휠(103)의 회전을 측정하여 ECU(106)에 전기적 신호로 보내 주는 장치가 필요하며, 이러한 기능을 하는 장치가 바로 토크 센서(Torque Sensor: 110)이다.
전기식 동력 보조 조향 장치에 사용되는 토크 센서는 크게 두 가지로 분류되는데, 하나는 접촉식으로서 스트레인 게이지(Strain Gauge) 및 포텐쇼미터(Potentiometer)를 이용하여 토션 바의 변형을 직접적으로 측정하는 토크 센서이며, 다른 하나는 비접촉식으로서 자기 및 광학적인 방법으로 토션 바의 변형을 측정하는 토크 센서이다. 그런데, 접촉식 토크 센서는 소음 발생과 내구성의 문제가 있어서 현재는 비접촉식 토크 센서가 주로 사용되고 있다.
일반적으로 비접촉식 광학 토크 센서는 토션 바에 부착되어 천공된 두 디스크 또는 하나의 디스크를 가지고 이미터(Emitter)에서 발광된 빛이 디스크를 통과할 때 광량 또는 무늬 패턴이 변화하도록 유도하고 이 차이를 가지고 토크를 측정하며, 이와 함께 광 펄스(Optical Pulse)의 수를 가지고 회전각을 측정할 수 있도록 되어 있다.
그러나 광학식 토크 센서는 광량을 가지고 토크를 측정하게 되므로 빛의 진행을 방해할 수 있는 이물질이 침투하는 경우 오작동이 야기될 수 있다. 특히 자동차의 경우 운행 중 이물질이 침투할 가능성이 매우 높으며 또한 부식과 진동부의 마모에 의하여 이물질이 생성될 가능성이 높으므로 차량에서의 광학식 토크 센서의사용은 큰 문제점이 있다.
이하에서는 자기식 토크 센서에 대해 첨부된 도면과 함께 설명하기로 한다. 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이 자기식 토크 센서는 크게 자기 저항 타입(Magneto-Resistive Type) 및 자기 변형 타입(Magneto-Strictive Type)의 두 종류가 있다. 도 3은 종래의 자기 저항 타입 자기식 토크 센서(300)의 구성도이며, 도 4는 종래의 자기 변형 타입 자기식 토크 센서(400)의 구성도이다.
여기서 도 3의 자기 저항 타입 토크 센서(300)는 1 ~ 3 개의 치차형 측정링(305) 또는 극성이 N극과 S극으로 연속적으로 배열된 측정링을 이용하여 토크에 의한 자계의 변화를 유도하고, 자계의 변화에 따라 변화하는 근접한 코일 뭉치(310)의 인덕턴스(Inductance)를 가지고 토크를 측정한다.
이러한 자기 저항 타입 토크 센서(300)는 토션 바(315)에 축설된 측정링(305)의 치형의 개수가 다수 형성되어 측정부의 가공 및 조립에서 정밀한 작업을 요하며 제작시 불량률이 높아지며, 생산된 제품의 조립 상태에 따라 제품들의 출력 신호 특성 간 편차가 크게 될 가능성이 높다.
한편 도 4의 자기 변형 타입 토크 센서(400)는 응력에 대해 자기 성질이 변화하는 물질을 이용하여 자기 성질 변화에 따른 자계의 변화를 유도한다. 이 경우 회전각의 측정은 되지 않는다. 또한, 온도에 대해 민감하며, 넓은 온도 범위에서 사용되는 자동차용으로는 적용에 어려움이 있으며, 또한 자기 변형 타입에서는 자기 투과율의 변화 특성이 좋지 못한 경우 토크 검출 성능 향상을 위해 센싱부의 코일 가공이 정밀해질 필요성이 있다.
도 5는 종래 기술에 따른 토크 센서의 정면도이다.
종래 기술에 따른 토크 센서(500)는 입력축(101)과 출력축(102)이 상대적으로 비틀릴 때, 입력축(101)의 안내핀(515)에 대응되는 나선 홈(520)의 운동에 따라 회전자(525)가 입력축(101)의 축 방향으로 직선운동을 일으키고, 직선 운동을 하는 회전자(525)는 코일(530)에 자력을 미치므로 전압의 차이를 가져 오고 그 전압의 차이를 통해 토크를 감지한다.
그런데, 종래 기술에 따른 토크 센서(500)는 회전자(525)의 직선 운동 거리가 매우 짧아서 신호의 차이가 미세하기 때문에 이를 매우 크게 증폭하여야 하는데 그 경우 소음도 함께 증폭되는 문제가 있다. 또한 정밀한 코일 가공 작업이 요구되는 문제가 있다.
따라서 본 발명은 위와 같은 문제점을 해결하기 위하여 발명된 것으로서, 입력축의 회전시 직선운동을 하는 회전자의 운동거리가 짧아도 신호 증폭에 의한 소음 없이 토크를 측정할 수 있도록 하고, 센싱부의 코일 가공이 필요 없도록 하여 제작 작업을 용이하게 하는 데 그 주된 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위해 본 발명은, 직경이 일정하고 일단의 외주면에 하나 이상의 안내핀이 형성되어 있는 입력축; 토션 바를 매개로 상기 입력축과 동축 상에 연결되는 출력축; 상기 입력축의 일단에서 상기 입력축의 외주면에 결합되고 내주면에 상기 안내핀에 끼워지는 하나 이상의 나선 홈이 형성되어 있으며, 외주면을 따라 가이드 홈이 형성되어 있는 회전자; 및 복수개의 자극을 가지며 회전 가능한 자성체와, 상기 자성체의 회전에 따른 자기장 변화를 측정하기 위한 측정 장치 및 일측이 상기 자성체의 회전축과 결합되고 타측이 두 방향으로 분리되어 타 측 양단에는 상기 회전자의 상기 가이드 홈에 끼워지도록 돌기가 형성되어 있는 외팔보로 이루어진 검출부를 포함하는 것을 특징으로 하는 토크 센서를 제공한다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 우선 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.
도 6a, 6b 및 6c는 각각 본 발명에 따른 토크 센서의 사시도, 평면도 및 정면도를 나타낸다.
본 발명의 실시예에 따른 토크 센서(600)는 입력축(101), 회전자(525), 출력축(102) 및 검출부(610)를 포함하여 구성된다.
입력축(101)은 일단이 조향 휠(미도시)과 연결되고 외주면에 하나 이상의 안내핀(515)이 형성되어 있다.
회전자(525)는 입력축(101)에 의해 관통되는 원통 형상이고, 외주면에는 안내핀(515)에 끼워지며 안내핀(515)의 개수와 같은 개수의 나선 홈(520)을 구비하는 구조로 되어 있어서 입력축(101)의 회전시 축 방향으로 상하운동을 한다. 또한, 회전자(525)의 외주면 상단부에는 외주면을 따라 가이드 홈(601)이 형성되어 있으며 하단부에는 유격 보상용 스프링(602)이 설치되어 있다.
출력축(102)은 일단이 입력축(101)과 토션 바(미도시)를 매개로 동축 상에 연결되며 타단의 피니언기어부(미도시)가 랙 바(미도시)와 치합되도록 구성되어 입력축(101)의 회전시 토크를 발생시키게 한다.
검출부(610)는 자성체(611), 측정 장치(612) 및 외팔보(613)를 포함하여 구성된다.
자성체(611)는 N극과 S극이 교대로 반복되는 복수 개의 자극을 가지며 회전축(614)을 중심으로 회전하는 구조로 되어 있다.
측정 장치(612)는 자성체(611)의 회전에 따른 자성체(611)의 자기장 변화를 측정하기 위한 장치이다. 이와 같은 측정 장치로는 MR 센서(Magnetoreistive Sensor)가 사용될 수 있다.
외팔보(613)는 일측이 자성체(611)의 회전축(614)과 결합되고 타측은 두 방향으로 분리되어 타측 양 단에는 돌기(615)가 형성되어 회전자(525)의 가이드 홈(601)에 끼워지도록 형성되어 있다. 이러한 외팔보(613)는 가이드 홈(601)에서 이탈되지 않도록 회전자(525)의 외주면에 수직인 방향으로 탄성을 가지도록 조립되는 것이 바람직하다. 또한, 가이드 홈(601)과의 접촉면에서의 마찰을 줄이기 위해 외팔보(613)의 돌기(615)에는 베어링이 설치될 수도 있으며, 보다 바람직하게는 볼 베어링이 설치될 수 있다.
도 7은 본 발명에 따른 토크 센서를 포함하는 자동차의 전기식 동력 보조 조향 장치(700)의 단면도를 나타낸다.
도 7에서 도시하는 바와 같이 본 발명에 따른 토크 센서의 회전자(525)는, 일단이 조향 휠(미도시)에 연결되고 타단은 토션 바를 매개로 출력축(102)에 연결되는 입력축(101)의 외주면에 결합되어 있고, 회전자(525)의 하단부에는 유격 보상용 스프링(602)이 설치되어 있다. 따라서 운전자의 조향에 따른 조향 휠(미도시)의회전시 발생한 입력축(101)의 토크는 본 발명에 따른 토크 센서에서 감지되고 전기적 신호로 변환되어 ECU(미도시)에 전달되며, ECU(미도시)는 모터(107)를 구동하여 조향 보조 동력을 공급하게 된다.
또한, 본 발명에 따른 토크 센서의 자성체(611)와 측정 장치(612)는 자동차의 전기식 동력 보조 조향 장치의 하우징(705) 내에 설치되어 있어서 자동차의 운행시에 발생하는 다양한 형태의 진동 및 먼지 등으로부터 토크 센서를 보호하고 정확한 토크를 측정할 수 있게 한다.
이상의 설명은 본 발명을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가지는 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 명세서에 개시된 실시예들은 본 발명을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 의하면, 입력축의 회전시 직선운동을 하는 회전자의 운동거리가 짧아도 신호 증폭에 의한 소음 없이 토크를 측정할 수 있으며, 센싱부의 코일 가공이 필요 없으므로 제작 작업이 용이하게 되는 효과가 있다.

Claims (10)

  1. 직경이 일정하고 일단의 외주면에 하나 이상의 안내핀이 형성되어 있는 입력축;
    토션 바를 매개로 상기 입력축과 동축 상에 연결되는 출력축;
    상기 입력축의 일단에서 상기 입력축의 외주면에 결합되고 내주면에 상기 안내핀에 끼워지는 하나 이상의 나선 홈이 형성되어 있으며, 외주면을 따라 가이드 홈이 형성되어 있는 회전자; 및
    복수개의 자극을 가지며 회전 가능한 자성체와, 상기 자성체의 회전에 따른 자기장 변화를 측정하기 위한 측정 장치 및 일측이 상기 자성체의 회전축과 결합되고 타측이 두 방향으로 분리되어 타측 양단에는 상기 회전자의 상기 가이드 홈에 끼워지도록 돌기가 형성되어 있는 외팔보로 이루어진 검출부를 포함하는 것을 특징으로 하는 토크 센서.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 외팔보는 상기 회전자의 외주면에 수직인 방향으로 탄성을 가지도록 조립된 것을 특징으로 하는 토크 센서.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 외팔보의 상기 돌기에는 상기 가이드 홈과의 마찰력을 줄이도록 베어링이 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 토크 센서.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 베어링은 볼 베어링인 것을 특징으로 하는 토크 센서.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 측정 장치는 MR(Magnetoresistive) 센서인 것을 특징으로 하는 토크 센서.
  6. 조향 휠에 연결되는 조향 축;
    유니버설 조인트를 매개로 일단이 상기 조향 축에 연결되는 입력축;
    토션 바를 매개로 상기 입력축과 연결되는 출력축;
    상기 조향 휠의 회전에 의해 상기 입력축으로부터 발생되는 토크를 감지하는 토크 센서;
    상기 토크 센서로부터 전기적 신호를 전달되는 ECU; 및
    상기 ECU의 제어에 따라 상기 토크에 비례하는 조향 보조 동력을 일으키는 모터
    를 포함하여 구성되는 자동차의 전기식 동력 보조 조향 장치에 있어서,
    상기 토크 센서는,
    상기 입력축의 일단에서 상기 입력축의 외주면에 결합되고 내주면에 상기 안내핀에 끼워지는 하나 이상의 나선 홈이 형성되어 있으며, 외주면을 따라 가이드 홈이 형성되어 있는 회전자; 및
    복수개의 자극을 가지며 회전 가능한 자성체와, 상기 자성체의 회전에 따른 자기장 변화를 측정하기 위한 측정 장치 및 일 측이 상기 자성체의 회전축과 결합되고 타 측이 두 방향으로 분리되어 타 측 양 단에는 상기 회전자의 상기 가이드 홈에 끼워지도록 돌기가 형성되어 있는 외팔보로 이루어진 검출부
    를 포함하여 형성되는 것을 특징으로 하는 자동차의 전기식 동력 보조 조향 장치.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 외팔보는 상기 회전자의 외주면에 수직인 방향으로 탄성을 가지도록 조립된 것을 특징으로 하는 자동차의 전기식 동력 보조 조향 장치.
  8. 제 6 항에 있어서,
    상기 외팔보의 상기 돌기에는 운동시 상기 가이드 홈과의 마찰력을 줄이도록 베어링이 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 자동차의 전기식 동력 보조 조향 장치.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 베어링은 볼 베어링인 것을 특징으로 하는 자동차의 전기식 동력 보조 조향 장치.
  10. 제 6 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 측정 장치는 MR 센서인 것을 특징으로 하는 자동차의 전기식 동력 보조 조향 장치.
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