KR20090093422A - 토크 센서 및 이를 구비한 전동식 조향장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 토크 센서 및 이를 구비한 전동식 조향장치에 관한 것이다.

본 발명은 입력축과 출력축에 연결되어 조향력을 전달하는 토션바와, 상기 토션바와 일체로 형성되는 마그넷과, 중앙에 출력축 결합부가 형성되어 있고 상기 토션바의 마그넷이 형성된 부위에서 출력축과 결합되는 포지션 로터와, 상기 포지션 로터의 외주면 일측에 결합되는 컨센트레이터를 포함하여 구성되는 자기량 검출부와, 상기 자기량 검출부의 출력값을 연산하는 전자 제어장치 및 상기 포지션 로터와 상기 자기량 검출부를 감싸는 하우징을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 토크 센서를 제공한다.

또한, 본 발명은 상기 토크 센서가 구비된 전동식 조향장치를 제공한다.

본 발명에 의하면, 종래 토크 센서의 토크 로터에 삽입되는 마그넷을 토션바에 일체로 형성함으로써 토크 센서의 제작 오차 및 토크 센서의 조향축 조립 오차를 줄여 정밀하고 안정적으로 토크 측정값을 얻을 수 있고, 마그넷의 부피와 무게를 줄일 수 있게 된다.

Description

토크 센서 및 이를 구비한 전동식 조향장치{Torque Sensor and Electronic Power Steering Apparatus Having The Same}

본 발명은 토크 센서 및 이를 구비한 전동식 조향장치에 관한 것이다. 더욱 상세하게는 종래 토크 센서의 토크 로터에 삽입되는 마그넷을 토션바에 일체로 형성함으로써 토크 센서의 제작 오차 및 토크 센서의 조향축 조립 오차를 줄여 정밀하고 안정적으로 토크 측정값을 얻을 수 있고, 마그넷의 부피와 무게를 줄일 수 있는 토크 센서 및 이를 구비한 전동식 조향장치에 관한 것이다.

일반적으로 차량에는 스티어링 휠(핸들)의 조향력을 경감하여 조향 상태의 안정성을 보장하기 위한 수단으로서 동력보조 조향장치가 사용되는데, 이와 같은 동력보조 조향장치에는 기존에 유압을 이용한 유압식 조향장치(HPS; Hydraulic Power Steering System)가 차량에 널리 이용되었으나, 최근에는 유압을 사용하던 기존의 방식과는 달리 모터의 회전력을 이용하여 운전자의 조향력을 쉽게 해주며 환경친화적인 전동식 조향장치(EPS; Electronic Power Steering System)가 차량에 보편적으로 설치되고 있다.

이와 같은 전동식 조향장치(EPS)는, 차속센서 및 조향 토크 센서 등에서 감지한 차량의 운행조건에 따라 전자 제어장치(Electronic Control Unit)에서 모터를 구동시켜 저속 운행시에는 가볍고 편안한 조향감을 부여하고, 고속 운행시에는 무거운 조향감과 더불어 양호한 방향 안정성을 부여하며, 비상 상황에서는 급속한 조향이 이루어지도록 하여 운전자에게 최적의 조향 조건을 제공하게 된다.

한편, 상기와 같은 전동식 조향장치는 운전자의 조향휠 회전력을 하측으로 전달할 수 있도록 조향휠과 기어박스의 사이에 배치되는 조향컬럼의 외부에 모터가 설치되어 그 내부의 스티어링 샤프트를 회전시킬 수 있도록 구성되어 조향휠 조타에 따른 운전자의 조향력을 보조하게 된다.

도 1은 종래 전동식 조향장치의 구성도로서, 도 1에서 도시된 바와 같이 전동식 동력 보조 조향장치(100)는 조향휠(102)로부터 양측 바퀴(126)까지 이어지는 조향 계통(130) 및 조향 계통(130)에 조향 보조 동력을 제공하는 보조 동력 기구(140)를 포함하여 구성된다.

조향 계통(130)은 일측이 조향휠(102)에 연결되어 조향휠(102)과 함께 회전하고 타측은 한 쌍의 유니버설 조인트(104)를 매개로 피니언축(108)에 연결되는 조향축(106)을 포함하여 구성된다. 또한, 피니언축(108)은 랙-피니언 기구부(110)를 통해 랙바(112)에 연결되고, 랙바(112)의 양단은 타이로드(122)와 너클암(124)을 통해 차량의 바퀴(126)에 연결된다.

보조 동력 기구(140)는 운전자가 조향휠(102)에 가하는 토크를 감지하고 감지된 토크에 비례하는 전기 신호를 출력하는 토크 센서(142), 토크 센서(142)로부터 전해지는 전기신호에 기초하여 제어 신호를 발생하는 전자 제어 장치(144), 전자 제어 장치(144)로부터 전해지는 제어 신호에 기초하여 보조 동력을 발생시키는 모터(146) 및 모터(146)에서 발생한 보조 동력을 조향축(106)에 전달하기 위하여 웜(152) 및 웜휠(156)을 구비한 감속기(150)를 포함하여 구성된다.

따라서, 전동식 동력 보조 조향장치는 조향휠(102)의 회전에 의해 발생한 토크가 랙-피니언 기구부(110)를 거쳐서 랙바(112)에 전달되고, 발생된 토크에 따라 모터(146)에서 발생한 보조 동력이 랙바(112)에 전달되도록 구성된다.

즉, 조향휠(102)의 회전에 의해 발생한 토크와 모터(146)에서 발생한 보조 동력이 합쳐져서 랙바(112)를 축 방향으로 운동하도록 하는 것이다.

도 2는 종래 토크 센서의 조립 사시도로서, 도 2에서 도시된 바와 같이 종래 토크 센서는 토크 로터, 포지션 로터, 자기량 검출부, 전자 제어장치, 하우징을 포함하여 구성된다.

토크 센서(142)는 조향축의 입력축(270)과 출력축(280)의 토크를 측정하여 전자 제어장치로 전송하고 이에 따라 전자 제어장치에서 구동 모터를 작동시켜 조향 보조력을 제공하게 되는데, 최근에는 자기장의 변화량을 측정하여 토크의 변화를 측정하는 비접촉식이 많이 사용된다.

토크 로터(220)는 마그넷(225)이 외주면을 따라 구비되어 있는 몸체부(224)와 몸체부(224)의 중앙에 형성되어 있는 입력축 삽입공(221)과 입력축 삽입공(221)의 둘레를 따라 돌출되어 수개 형성되는 압착부(222) 및 압착부(222)에 끼워지는 압착링(223)을 포함하여 구성된다.

몸체부(224)는 통상 환형 고리 형상의 요크(미도시)에 플라스틱 등을 사출 성형하여 만드는데, 그 외주면에는 둘레를 따라 N극과 S극이 교대로 반복되는 마그넷(225)이 구비되어 있다.

여기서 N극과 S극은 N극이 6회, S극이 6회 교대로 반복되거나 또는 N극이 8회, S극이 8회 교대로 반복되는 등의 구성으로 이루어져 있다.

포지션 로터(230)의 중앙에는 토크 로터(220)가 내주하는 토크 로터 삽입부(239)와 출력축(140)의 일단이 끼워지는 출력축 결합부(237)가 형성되어 있고 상부 스테이터(231)와 연결되는 상부자성체(236)와 하부 스테이터(232)와 연결되는 하부자성체(235)가 토크 로터 삽입부(239)의 둘레를 따라 교대로 반복하여 배열되어 있다.

여기서 상부 스테이터(231)와 이에 연결되어 있는 상부자성체(236)는 N극으로 자화된 철판이고 하부 스테이터(232)와 이에 연결되어 있는 하부자성체(235)는 S극으로 자화되어 있는 철판이다. 여기서 N극과 S극의 위치는 바뀔 수 있다.

자기량 검출부(240)는 포지션 로터(230)의 외주면 일측에 끼워지고 포지션 로터(230)의 상, 하부 스테이터(231, 232) 사이에 상, 하로 구비되는 컨센트레이터(242)를 포함하여 구성되는데, 자기량 검출부(240)와 포지션 로터(230)는 상대회전이 가능하다.

전자 제어장치는 자기량 검출부에서 검출된 자속의 변화량을 받아 이를 근거로 구동 모터를 제어하여 운전자의 조향력을 보조하게 된다.

하우징(255)은 상부 하우징(210)과 하부 하우징(250)으로 분리되어 구성되어 포지션 로터(230)와 자기량 검출부(240)를 감싸게 된다.

토션바(205)는 입력축(270)과 출력축(280)에 압입된 후 핀(310)에 의해 고정되고, 운전자가 조향휠을 회전시킴에 따라 조향휠과 연결되는 입력축(270)이 회전하게 되며, 입력축(270)과 토션바(305)를 매개로 연결되는 출력축(280)이 연동하여 회전하게 된다.

이 때, 입력축(270)과 출력축(280) 사이에 비틀림이 발생하게 되면 출력축(280)에 압입되어 고정된 포지션 로터(230)와 입력축(270) 사이에 회전각도의 차이가 발생하게 된다.

위와 같이 회전 각도의 차이가 발생하게 되면 포지션 로터의 원주를 따라 교대로 반복하여 구비되어 있는 상부자성체(236) 및 하부자성체(235)와 마그넷(225)과의 사이에 형성되어 있던 자기장이 변화하게 된다.

그러면 토크 센서의 컨센트레이터(Concentrator, 242)에서 모아진 자속(Flux)이 두 개의 홀 IC 칩(243, 245)을 통과하는 양으로 토크를 측정하게 된다. 하지만, 토크 센서 자체의 조립 오차와 토크 센서를 조향축에 조립할 때 발생되는 조립 오차로 인하여 토크 변화의 측정에 오류가 발생하거나, 정밀한 토크의 측정이 어려운 문제점이 있었다.

이러한 문제점을 해결하기 위해 본 발명은 종래 토크 센서의 토크 로터에 삽입되는 마그넷을 토션바에 일체로 형성함으로써 토크 센서의 제작 오차 및 토크 센서의 조향축 조립 오차를 줄여 정밀하고 안정적으로 토크 측정값을 얻을 수 있고, 마그넷의 부피와 무게를 줄일 수 있는 토크 센서 및 이를 구비한 전동식 조향장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

이러한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 입력축과 출력축에 연결되어 조향력을 전달하는 토션바; 상기 토션바와 일체로 형성되는 마그넷; 중앙에 출력축 결합부가 형성되어 있고 상기 토션바의 마그넷이 형성된 부위에서 출력축과 결합되는 포지션 로터; 상기 포지션 로터의 외주면 일측에 결합되는 컨센트레이터를 포함하여 구성되는 자기량 검출부; 상기 자기량 검출부의 출력값을 연산하는 전자 제어장치; 및 상기 포지션 로터와 상기 자기량 검출부를 감싸는 하우징을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 토크 센서를 제공한다.

또한, 본 발명은 구동 모터와, 구동 모터에 형성된 웜 기어와, 웜 기어와 치합하는 웜휠 기어와, 웜휠 기어의 일측에 마련되는 토크 센서를 포함하여 구성되는 전동식 조향장치에 있어서, 상기 토크 센서는 입력축과 출력축에 연결되어 조향력을 전달하는 토션바; 상기 토션바와 일체로 형성되는 마그넷; 중앙에 출력축 결합부가 형성되어 있고 상기 토션바의 마그넷이 형성된 부위에서 출력축과 결합되는 포지션 로터; 상기 포지션 로터의 외주면 일측에 결합되는 컨센트레이터를 포함하여 구성되는 자기량 검출부; 상기 자기량 검출부의 출력값을 연산하는 전자 제어장치; 및 상기 포지션 로터와 상기 자기량 검출부를 감싸는 하우징을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 전동식 조향장치를 제공한다.

본 발명에 의하면, 종래 토크 센서의 토크 로터에 삽입되는 마그넷을 토션바에 일체로 형성함으로써 토크 센서의 제작 오차 및 토크 센서의 조향축 조립 오차를 줄여 정밀하고 안정적으로 토크 측정값을 얻을 수 있고, 마그넷의 부피와 무게를 줄일 수 있는 효과가 있다.

도 1은 종래 전동식 조향장치의 구성도;

도 2는 종래 토크 센서의 조립 사시도;

도 3은 본 발명의 실시예에 의한 토션바의 사시도;

도 4는 본 발명에 실시예에 의한 전동식 조향장치의 일부 단면도이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

100: 전동식 조향장치 102: 조향휠

106: 조향축 110: 랙피니언 기구부

112: 랙바 142: 종래의 토크 센서

144: 전자 제어장치 146: 모터

150: 감속기 152: 웜

156: 웜휠 205: 종래의 토션바

210: 상부 하부징 220: 토크 로터

230: 포지션 로터 240: 자기량 검출부

250: 하부 하우징 255: 하우징

305: 토션바 310: 핀

320: 마그넷 400: 본 발명의 토크 센서

405: 장착홈

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 있어서, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.

도 3은 본 발명의 실시예에 의한 토션바의 사시도이고, 도 4는 본 발명의 실시예에 의한 전동식 조향장치의 일부 단면도이다.

도 3과 도 4에 도시된 바와 같이 본 발명에 의한 전동식 조향장치의 토크 센서(400)는 마그넷(320)이 토션바(305)와 일체로 형성된다.

즉, 토션바(305)의 외주면에 마그넷(320)을 접착제나 융착 또는 야금 결합등의 방법으로 일체로 결합하여 형성하나, 이에 추가적으로 토션바(305)의 외주면에 마그넷(320)이 삽입되도록 직경이 축소되는 요홈 형상의 장착홈(405)을 형성하여 일체로 결합할 수 있다.

본 발명에 의한 토션바(305)는 입력축(270)과 출력축(280)에 압입 결합되어 조향휠의 회전과 동시에 회전하게 되는데 마그넷(320)과의 자속에 의한 오류가 발생되지 않도록 그 재질이 자성을 갖지 않는 금속이 사용되는데 주로 내열성과 기계적 성질이 우수한 인코넬(Inconel)을 사용하는 것이 좋다.

마그넷(320)은 수개로 쪼개져 있는 각각의 마그넷들이 N극과 S극이 교번으로 형성되도록 배열되어 토션바(305)의 장착홈(405)에 삽입되거나 외주면에서 이들 각각의 마그넷들 전체가 야금결합(Metallurgical Bonding) 방식으로 토션바(305)와 일체로 형성되게 된다.

따라서, 종래에 토크 센서의 토크 로터에 삽입되는 방식에 비하여 제작 및 조립 오차가 줄어들게 되는 것이다.

다만, 도 3에서는 마그넷(320)이 수개로 구성되어 토션바(305)의 장착홈(405)에서 야금결합된 상태를 도시하였으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니며 제작 여건에 따라서 수개의 마그넷을 접착제나 융착 등에 의한 본딩 방법으로 토션바(305)와 결합하는 방법을 사용하거나, 수개로 쪼개진 자성소재 금속을 토션바(305)의 장착홈(405)에 결합시킨 후 이들 자성소재 금속에 착자화를 통해 자성을 부여하는 등의 방법을 사용할 수 있다.

특히 본 발명은 종래 토크 센서의 토크 로터에 삽입되는 마그넷을 토션바에 일체로 형성함으로써 토크 센서의 제작 오차 및 토크 센서의 조향축 조립 오차를 줄여 정밀하고 안정적으로 토크 측정값을 얻고, 마그넷의 부피와 무게를 줄이는 것이므로, 토션바에 마그넷을 결합시키는 구조인 한 그 어떠한 방법도 사용될 수 있을 것이다.

이렇게 마그넷(305)과 일체로 형성된 토션바(305)는 종래와 같이 입력축(270)과 출력축(280)에 압입된 후 핀(310)에 의해 고정되고, 운전자가 조향휠을 회전시킴에 따라 조향휠과 연결되는 입력축(270)이 회전하게 되며, 입력축(270)과 토션바(305)를 매개로 연결되는 출력축(280)이 연동하여 회전하게 된다.

이 때, 입력축(270)과 출력축(280) 사이에 비틀림이 발생하게 되면 출력축(280)에 압입되어 고정된 포지션 로터(도 2의 230)와 입력축(270) 사이에 회전각도의 차이가 발생하게 된다.

위와 같이 회전 각도의 차이가 발생하게 되면 포지션 로터(도 2의 230)의 원주를 따라 교대로 반복하여 구비되어 있는 상부자성체 및 하부자성체와 마그넷(320)과의 사이에 형성되어 있던 자기장이 변화하게 된다.

이러한 자기장의 변화를 출력신호로 생성하여 전자 제어장치에 보내어 모터의 구동으로 조향력의 보조를 받는 것은 종래와 동일하므로 이하 생략하기로 한다.

본 발명은 전동식 조향장치뿐만 아니라 두 축 사이에 구비되어 두 축에 작용하는 토크의 크기를 측정하는 토크 센서에도 유용하게 적용될 수 있을 것이다.

따라서, 위와 같은 구성을 갖는 본 발명에 의하면 종래에 토크 센서 자체의 조립시 발생하는 조립 오차와 토크 센서를 조향축에 장착할 때 발생되는 조립 오차를 없앨 수 있고, 마그넷의 부피와 무게를 줄일 수 있어서, 정밀하고 안정적으로 토크 측정값을 얻을 수 있는 효과가 있다.

이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예는 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (5)

1. 입력축과 출력축에 연결되어 조향력을 전달하는 토션바;

   상기 토션바와 일체로 형성되는 마그넷;

   중앙에 출력축 결합부가 형성되어 있고 상기 토션바의 마그넷이 형성된 부위에서 출력축과 결합되는 포지션 로터;

   상기 포지션 로터의 외주면 일측에 결합되는 컨센트레이터를 포함하여 구성되는 자기량 검출부;

   상기 자기량 검출부의 출력값을 연산하는 전자 제어장치; 및

   상기 포지션 로터와 상기 자기량 검출부를 감싸는 하우징;

   을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 토크 센서.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 토션바의 외주면에는 직경이 축소되어 형성되는 요홈 형상의 장착홈이 형성되어 있어서, 상기 마그넷이 장착홈에 일체로 결합되는 것을 특징으로 하는 토크 센서.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 마그넷은 수개로 구성되어 이들이 야금결합에 의해 토션바와 일체로 형성되는 것을 특징으로 하는 토크 센서.
4. 제 1 항에 있어서,

   상기 마그넷은 수개로 구성된 자성소재 금속을 토션바와 일체로 형성시킨 후 착자화되는 것을 특징으로 하는 토크 센서.
5. 구동 모터와, 구동 모터에 형성된 웜 기어와, 웜 기어와 치합하는 웜휠 기어와, 웜휠 기어의 일측에 마련되는 토크 센서를 포함하여 구성되는 전동식 조향장치에 있어서,

   상기 토크 센서는,

   조향축의 입력축과 출력축에 연결되어 조향력을 전달하는 토션바;

   상기 토션바와 일체로 형성되는 마그넷;

   중앙에 출력축 결합부가 형성되어 있고 상기 토션바의 마그넷이 형성된 부위에서 출력축과 결합되는 포지션 로터;

   상기 포지션 로터의 외주면 일측에 결합되는 컨센트레이터를 포함하여 구성되는 자기량 검출부;

   상기 자기량 검출부의 출력값을 연산하는 전자 제어장치; 및

   상기 포지션 로터와 상기 자기량 검출부를 감싸는 하우징;

   을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 전동식 조향장치.