KR20100064502A - 압전 소자를 이용한 토크 센서 및 이를 구비한 전동식 조향장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 입력축에 결합되며 적어도 하나의 블레이드를 구비한 입력 로터와; 출력축과 결합되어 있으며, 상기 입력 로터의 블레이드를 수용하는 적어도 하나의 공간부와, 이 공간부의 양측에 장착된 적어도 한 쌍의 압전 소자를 구비한 출력 로터;를 포함하여서, 상기 입력축과 출력축의 회전시 상기 입력 로터의 블레이드가 상기 출력 로터의 압전 소자들 중 어느 하나와 접촉하여 압력을 가할 때 생성되는 전압의 변위를 감지하여 회전 방향과 토크를 측정하는 것을 특징으로 하는 토크 센서 및 이를 구비한 전동식 조향장치에 관한 것이다.
본 발명에 의하면, 구성 부품수를 줄이고 구성을 간단하게 하여 조립성이 향상되고 원가를 절감할 수 있으면서, 토크 측정의 오류를 줄이고 토크 측정의 신속한 응답성과 정밀한 측정치를 얻을 수 있는 효과가 있다.

Description

압전 소자를 이용한 토크 센서 및 이를 구비한 전동식 조향장치 {Torque sensor using piezoelectric element and electronic power steering apparatus having the same}
본 발명은 압전 소자를 이용한 토크 센서 및 이를 구비한 전동식 조향장치에 관한 것이다. 더욱 상세하게는 토크 센서의 구성 부품수가 적어지고 구성이 간단하게 되어 조립성이 향상되고 원가를 절감할 수 있으면서, 토크 측정의 신속한 응답성과 정밀한 측정치를 얻을 수 있도록 된, 압전 소자를 이용한 토크 센서 및 이를 구비한 전동식 조향장치에 관한 것이다.
일반적으로 차량에는 조향휠(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 조향장치는 차속 센서, 조향 앵글 센서 및 조향 토크 센서 등에서 감지한 차량의 운행조건에 따라 전자제어장치(ECU; Electronic Control Unit)에서 모터를 구동시켜 저속 운행시에는 가볍고 편안한 조향감을 부여하고, 고속 운행시에는 무거운 조향감과 더불어 양호한 방향 안정성을 부여하며, 조향휠의 회전각에 따른 조속한 조향휠의 복원력을 제공하여 비상 상황에서 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 조향축을 회전시킬 수 있도록 구성되어 조향휠 조타에 따른 운전자의 조향력을 보조하게 된다.
도 1은 종래의 전동식 조향장치의 개략적인 구성도로서, 도 1에서 도시된 바와 같이 전동식 조향장치(100)는 조향휠(102)로부터 양측 바퀴(126)까지 이어지는 조향계통(130) 및 조향계통(130)에 조향 보조동력을 제공하는 보조동력기구(140)를 포함하여 구성된다.
조향계통(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.
보조동력기구(140)는 운전자가 조향휠(102)에 가하는 토크를 감지하고 감지 된 토크에 비례하는 전기 신호를 출력하는 토크 센서(142), 조향휠의 회전각에 비례하는 전기 신호를 출력하는 앵글 센서(143), 토크 센서(142)와 앵글 센서(143)로부터 전해지는 전기신호에 기초하여 제어 신호를 발생하는 전자제어장치(144), 전자제어장치(144)로부터 전해지는 제어 신호에 기초하여 보조동력을 발생시키는 모터(146) 및 모터(146)에서 발생한 보조동력을 조향축(106)에 전달하기 위하여 웜기어(152) 및 웜휠기어(156)를 구비한 감속기(150)를 포함하여 구성된다.
다만, 웜휠기어(156)의 일측에 마련되는 토크 센서(142)와 앵글 센서(143)는 경우에 따라서 각각 하나씩만 구비되거나, 양자 모두 구비되어 전동식 조향장치(100)를 구성할 수 있다.
도 2는 종래의 토크 센서의 분해 사시도이다.
도 2에서 도시된 바와 같이 종래의 토크 센서는 토크 로터, 포지션 로터, 자기량 검출부, 전자제어장치, 하우징을 포함하여 구성된다.
토크 센서(142)는 조향축의 입력축(180)과 출력축(140)의 토크를 측정하여 전자제어장치(144:도 1 참조)로 전송하고 이에 따라 전자제어장치(144)에서 모터(146:도 1 참조)를 작동시켜 조향 보조동력을 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 6회 교대로 반복되거나, 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 상부 자성체(236)와, 하부 스테이터(232)와 연결되는 하부 자성체(235)가 토크 로터 삽입부(239)의 둘레를 따라 교대로 반복하여 배열되어 있다.
여기서 상부 스테이터(231)와 이에 연결되어 있는 상부 자성체(236)는 N극으로 자화된 철판이고 하부 스테이터(232)와 이에 연결되어 있는 하부 자성체(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 상부 및 하부 스테이터(231, 232) 사이에 상하로 구비되는 컨센트레이터(242)를 포함하여 구성되는데, 자기량 검출부(240)와 포지션 로터(230)는 상대회전이 가능하다.
전자제어장치(144)는 자기량 검출부(240)에서 검출된 자속의 변화량을 받아 이를 근거로 모터(146)를 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(180)과 출력축(140)에 압입된 후 핀에 의해 고정되고, 운전자가 조향휠(102:도 1 참조)을 회전시킴에 따라 조향휠(102)과 연결되는 입력축(180)이 회전하게 되며, 입력축(180)과 토션바(205)를 매개로 연결되는 출력축(140)이 연동하여 회전하게 된다.
이때, 입력축(180)과 출력축(140) 사이에서 비틀림이 발생하게 되면 출력축(140)에 압입되어 고정된 포지션 로터(230)와 입력축(180) 사이에 회전각도의 차이가 발생하게 된다.
위와 같이 회전각도의 차이가 발생하게 되면 포지션 로터(230)의 원주를 따라 교대로 반복하여 구비되어 있는 상부 자성체(236) 및 하부 자성체(235)와 마그넷(225)과의 사이에 형성되어 있던 자기장이 변화하게 되고, 그러면 토크 센서의 컨센트레이터(242)에서 모아진 자속(Flux)이 두 개의 홀 IC 칩(243, 245)을 통과하는 양으로 토크를 측정하게 된다.
그러나 이와 같은 종래의 토크 센서는 구성 부품이 많아 부피가 크고 조립성 및 생산성이 떨어지게 되고, 이에 따라 관련 비용이 증가하게 되는 문제점이 있었다.
또, 토크 센서 자체의 조립 오차로 인한 토크 변화의 측정에 오류가 발생하기 쉽다고 하는 문제점이 있었으며, 더구나 온도 변화에 따른 마그넷의 성능 변화가 심하여 정밀한 토크 측정이 어려운 문제점이 있었다.
이러한 문제점을 해결하기 위해 본 발명은 구성 부품수를 줄이고 구성을 간단하게 하여 조립성이 향상되고 원가를 절감할 수 있으면서, 토크 측정의 오류를 줄이고 토크 측정의 신속한 응답성과 정밀한 측정치를 얻을 수 있도록 된, 압전 소자를 이용한 토크 센서 및 이를 구비한 전동식 조향장치를 제공하는 데에 그 목적이 있다.
이러한 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 토크 센서는, 입력축에 결합되며, 측면에 수직하게 설치되고 방사상으로 뻗은 적어도 하나의 블레이드를 구비한 입력 로터와; 출력축과 결합되어 있으며, 상기 입력 로터와 서로 이격된 상태로 회전가능하면서, 상기 입력 로터의 블레이드를 수용하는 적어도 하나의 공간부와, 이 공간부의 양측에 장착된 적어도 한 쌍의 압전 소자를 구비한 출력 로터;를 포함하여서, 상기 입력축과 출력축의 회전시 상기 입력 로터의 블레이드가 상기 출력 로터의 압전 소자들 중 어느 하나와 접촉하여 압력을 가할 때 생성되는 전압의 변위를 감지하여 회전 방향과 토크를 측정하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 전동식 조향장치는, 모터와, 이 모터의 축에 연결된 웜기어 및 이 웜기어와 치합하는 웜휠기어를 구비한 감속기의 일측에 토크 센서를 포함하여 구성되는 전동식 조향장치에 있어서, 상기 토크 센서는, 입력축에 결합되며, 측면에 수직하게 설치되고서 방사상으로 뻗은 적어도 하나의 블레이드를 구비한 입력 로터와; 출력축과 결합되어 있으며, 상기 입력 로터와 서로 이격된 상태로 회전가능하면서, 상기 입력 로터의 블레이드를 수용하는 공간부와, 이 공간부의 양 측에 장착된 적어도 한 쌍의 압전 소자를 구비한 출력 로터;를 포함하여서, 상기 입력축과 출력축의 회전시 상기 입력 로터의 블레이드가 상기 출력 로터의 압전 소자들 중 어느 하나와 접촉하여 압력을 가할 때 생성되는 전압의 변위를 감지하여 회전 방향과 토크를 측정하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의하면, 토크 센서의 구성 부품수를 줄이고 구성을 간단하게 하여 조립성이 향상되고 원가를 절감할 수 있으면서, 토크 측정의 오류를 줄이고 토크 측정의 신속한 응답성과 정밀한 측정치를 얻을 수 있는 효과가 있다.
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 발명에 따른 토크 센서를 간략하게 나타낸 분해 사시도이고, 도 4는 본 발명에 따른 토크 센서의 압전 소자들이 작동하는 상태를 간략하게 나타낸 개략도이며, 도 5는 본 발명에 의한 토크 센서가 전동식 조향장치에 장착된 상태를 나타낸 단면도이다.
이들 도면에 도시된 바와 같이, 본 발명에 의한 토크 센서(300)는, 입력축(180)과 결합되어 있고 출력 로터(320)와 서로 이격된 상태로 회전하면서, 측면 에 수직하게 설치되고 방사상으로 뻗은 적어도 하나의 블레이드(315)를 구비한 입력 로터(310)와; 출력축(140)과 결합되어 있고 상기 입력 로터(310)와 서로 이격된 상태로 회전하면서, 상기 입력 로터(310)의 블레이드(315)를 수용하는 적어도 하나의 공간부(325)와, 이 공간부(325)의 양측에 장착된 적어도 한 쌍의 압전 소자(330)를 구비한 출력 로터(320);를 포함하여 구성된다.
입력 로터(310)는 대략 원통형 부재로 이루어지되, 그 측면에는 수직하게 설치되고 방사상으로 뻗은 적어도 하나의 블레이드(315)를 구비하고 있다. 또, 상기 입력 로터(310)의 상단에는 방사상으로 뻗은 플랜지(313)를 구비할 수도 있다.
출력 로터(320)는 외벽(321)과 이 외벽(321)과 소정의 간격을 두고 외벽(321)보다 작은 직경을 갖도록 안쪽에 위치한 내벽(322)을 갖추고서 상기 외벽(321)과 내벽(322)의 하단이 연결되어 대략 도넛형상을 이루는 부재로서, 상기 외벽(321) 내벽(322) 사이의 일부를 수직하게 절개하고 이 절개된 내벽(322)으로부터 외벽(321)으로 평행하게 뻗은 한 쌍의 측벽(323)을 구비하여, 이들 측벽(323) 사이에 상기 입력 로터(310)의 블레이드(315)를 수용할 수 있는 공간부(325)를 구획하게 된다.
또한, 서로 인접하여 마주보는 상기 양 측벽(323)에는 도 4에 더 상세히 도시된 바와 같이 압전 소자(330)가 장착되게 되는데, 초기에 상기 블레이드(315)가 소정의 압력으로 양쪽 압전 소자(330)를 압박하여 기본적으로 이들 압전 소자(330)가 소정의 전압을 출력할 수 있을 정도로 압전 소자(330)들이 블레이드(315) 및 측벽(323)에 대해 배치된다.
통상, 압전 소자는 인장되거나 압축되면 전하를 발생하도록 된 소자로서, 압력을 가하면 한쪽 면은 외력에 비례하는 양의 전하가 나타나게 되고, 반대쪽 면에는 음의 전하가 나타나서, 양쪽 면 사이에 전위차가 생기게 된다. 각 표면에서, 총 전하량(q)은 전하의 이동변위(x)에 비례하고, 이 이동변위(x)는 가해진 힘(F)에 비례하여서, 이들 사이의 관계는 다음 식으로 나타낼 수 있다.
q = kx = SF
여기서, S는 전하감도인데, 이 전하감도는 물질에 따라 다르고, 결정의 방향에 따라 달라질 수 있다. 따라서, 압전소자에서 발생한 전압은 인가된 압력에 비례하게 되어서, 전압의 측정에 의해 압력이나 힘, 가속도 등을 계측할 수 있게 되는 것이다.
도 4의 (a)에서처럼 토크의 입력이 없는 경우에는 각 압전 소자(330)의 출력, 즉 전압은 소정값으로 동일(V1 = V2)하다.
하지만, 도 4의 (b)에서와 같이 시계방향 또는 반시계방향 중 어느 한 방향으로 토크가 입력되면, 각 압전 소자(330)의 출력, 즉 전압은 상이하게 됨(예컨대 V1 < V2)과 동시에 전자제어장치(도 1의 144 참조)로 보내어지는 각각의 전기 신호도 다르게 된다. 이에 따라, 전자제어장치(144)에서는 상기 전기 신호의 차이로 인해 조향휠 내지 조향축 및 입력축의 회전방향을 인식할 수 있게 된다. 더불어, 전자제어장치(144)는 입력의 변화에 따라 각 압전 소자(330)에서의 전압의 평균을 취 하여 토크를 계산할 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 토크 센서(300)는 상기 압전 소자(330)에서 발생된 신호를 증폭할 수 있는 증폭기(Amplifier:미도시)를 추가로 포함할 수 있다. 각각의 압전 소자(330)에서 발생된 신호는 상기 증폭기에서 증폭되어 전자제어장치(144)에 제공되게 된다.
또한, 본 발명에 의한 토크 센서(300)를 구비한 전동식 조향장치는, 모터(146)와, 이 모터(146)의 축에 연결어 형성된 웜기어(152) 및 이 웜기어(152)와 치합하는 웜휠기어(156)를 구비한 감속기(150:도 1 참조)의 일측에다 상기 토크 센서(300)를 포함하여 구성된다.
이와 같이 입력 로터와 출력 로터의 회전으로 토크를 측정하는 본 발명에 의한 토크 센서와 이를 구비한 전동식 조향장치의 작동 원리에 대해 간략히 설명하면 다음과 같다.
입력 로터(310)는 입력축(180)과 연결되어 있고, 입력축(180)과 출력축(140)의 내부에는 토션바(205)가 압입되어 핀(410)으로 결합되어 있어서, 운전자의 조향휠(102:도 1 참조) 조작시 조향휠(102)과 연결된 입력축(180)이 회전하게 되며, 토션바(205)를 매개로 입력축(180)과 연결된 출력축(140)이 연동하여 회전하게 된다.
이때 입력축(180)과 출력축(140)의 사이에 비틀림이 발생하게 되면, 입력축(180)과 출력축(140) 사이에 회전 각도의 차이가 발생하게 되고, 각각 입력축(180) 및 출력축(140)과 결합되어 있는 입력 로터(310)와 출력 로터(320)도 회전 각도의 차이로 인해 입력 로터(310)의 블레이드(313)가 출력 로터(320)의 공간 부(325)에 장착된 압전 소자(330)들 중 어느 하나를 눌러서 압력을 가하게 된다. 이로 인해 해당 압전 소자(330)에서 전압이 발생되며, 상기 압력의 변화에 따른 전압의 크기도 변하게 된다.
따라서, 본 발명에 의한 토크 센서(300)가 압전 소자(330)에서 변화된 전압을 측정하여 전자제어장치(144)로 보내면, 전자제어장치(144)는 각각의 압전 소자(330)에서 발생된 전압의 평균을 취하여 토크를 계산하게 되고, 이 전자제어장치(144)가 상기 계산된 토크에 상응하는 제어 신호를 발생시켜 모터(146)에 보내게 되며, 모터(146)가 웜기어(152) 및 웜휠기어(156)를 작동시켜 운전자의 조향력을 보조하게 된다.
이와 같은 구조와 형상을 갖는 본 발명에 의하면, 토크 센서의 구성 부품수가 훨씬 적어지고 구성이 간단하게 되어 조립성이 향상되고 원가가 절감되는 효과가 있으며, 온도 변화에 따른 토크 측정의 성능 변화도 작아져 토크 측정의 오류를 줄이고 정확한 토크 측정치를 얻을 수 있는 효과가 있다. 더구나, 압력의 변화에 민감한 압전 소자를 이용함으로써, 토크 측정의 응답성이 훨씬 신속하게 나타나는 장점이 있게 된다.
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.
예를 들면, 입력 로터에 공간부를 형성하고서 그 내부에 압전 소자를 장착하는 한편, 출력 로터에 블레이드를 구비할 수도 있다.
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.
도 1은 종래의 전동식 조향장치의 개략적인 구성도이다.
도 2는 종래의 토크 센서의 분해 사시도이다.
도 3은 본 발명에 따른 토크 센서를 간략하게 나타낸 분해 사시도이다.
도 4는 본 발명에 따른 토크 센서의 압전 소자들이 작동하는 상태를 간략하게 나타낸 개략도이다.
도 5는 본 발명에 의한 토크 센서가 전동식 조향장치에 장착된 상태를 나타낸 단면도이다.

Claims (3)

  1. 입력축에 결합되며, 측면에 수직하게 설치되고 방사상으로 뻗은 적어도 하나의 블레이드를 구비한 입력 로터와;
    출력축과 결합되어 있으며, 상기 입력 로터와 서로 이격된 상태로 회전가능하면서, 상기 입력 로터의 블레이드를 수용하는 적어도 하나의 공간부와, 이 공간부의 양측에 장착된 적어도 한 쌍의 압전 소자를 구비한 출력 로터;를 포함하여서,
    상기 입력축과 출력축의 회전시 상기 입력 로터의 블레이드가 상기 출력 로터의 압전 소자들 중 어느 하나와 접촉하여 압력을 가할 때 생성되는 전압의 변위를 감지하여 회전 방향과 토크를 측정하는 것을 특징으로 하는 토크 센서.
  2. 제1항에 있어서, 상기 압전 소자에서 발생된 신호를 증폭할 수 있는 증폭기를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 토크 센서.
  3. 모터와, 이 모터의 축에 연결된 웜기어 및 이 웜기어와 치합하는 웜휠기어를 구비한 감속기의 일측에 토크 센서를 포함하여 구성되는 전동식 조향장치에 있어서,
    상기 토크 센서는,
    입력축에 결합되며, 측면에 수직하게 설치되고서 방사상으로 뻗은 적어도 하나의 블레이드를 구비한 입력 로터와;
    출력축과 결합되어 있으며, 상기 입력 로터와 서로 이격된 상태로 회전가능하면서, 상기 입력 로터의 블레이드를 수용하는 적어도 하나의 공간부와, 이 공간부의 양측에 장착된 적어도 한 쌍의 압전 소자를 구비한 출력 로터;를 포함하여서,
    상기 입력축과 출력축의 회전시 상기 입력 로터의 블레이드가 상기 출력 로터의 압전 소자들 중 어느 하나와 접촉하여 압력을 가할 때 생성되는 전압의 변위를 감지하여 회전 방향과 토크를 측정하는 것을 특징으로 하는 전동식 조향장치.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110291711A (zh) * 2017-02-14 2019-09-27 阿斯普雷股份公司 具有振动壳体的旋转式压电马达

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