KR20100092243A

KR20100092243A - 토크센서

Info

Publication number: KR20100092243A
Application number: KR1020090011530A
Authority: KR
Inventors: 장문규; 안상민
Original assignee: 엘에스전선 주식회사
Priority date: 2009-02-12
Filing date: 2009-02-12
Publication date: 2010-08-20

Abstract

본 발명에 따른 토크센서는 제1,2 컬렉터 사이의 간격이 일정하게 유지되기 때문에 차량 조향에 필요한 보조 조작력을 정확하게 얻을 수 있도록 한다는 특징을 가진다.

환형 마그네틱, 스테이터, 컬렉터, 자기검출소자, 입력축, 출력축, 스티어링 휠

Description

토크센서{Torque sensor}

본 발명은 토크센서에 관한 것으로서, 더욱 구체적으로는 두 개의 컬렉터 사이의 간격이 일정하게 유지될 수 있는 토크센서에 관한 것이다.

일반적으로, EPS(electric power steering)용 토크센서는 스티어링 휠이 회전될 경우에 발생하는 토션바의 비틀림 양을 측정하는 센서이다.

도 1은 이러한 토크센서가 장착된 스티어링 장치를 도시한 단면도이고, 도 2는 상기 토크센서의 분해사시도이다. 상기 토크센서(4)와 스티어링 장치는 미국특허 제7,028,545호에 그 내용이 개시되어 있다.

상기 토크센서(4)는 입력축(3)에 연결되는 제1 자성구조체(5)와, 토션바(2)에 의해 입력축(3)과 결합하는 출력축(1)에 연결되는 제2 자성구조체를 포함한다. 제1자성구조체(5)는 입력축(3)이 삽입되기 위한 중공이 형성된 환형부재(10)와, 환형부재(10)의 외주면에 부착된 복수 개의 마그네트(9)를 포함한다.

제2 자성구조체는 제1 스테이터(6) 및 제2 스테이터(7)를 포함한다. 제1,2 스테이터(6)(7)에는 축방향으로 연장된 복수 개의 이(tooth)(11)(12)가 각각 형성되고, 그 외주면에는 반경방향으로 연장된 컬렉터(13)(14)가 각각 형성된다.

제1 자성구조체(5)와 제2 자성구조체의 결합이 완료되면, 복수 개의 이(11)(12)들이 서로 맞물리게 되고, 복수 개의 이(11)(12)들은 환형부재(10)의 외주면과 마주하게 되며, 컬렉터(13)(14) 사이에는 컬렉터(13)(14) 사이에 형성되는 자기장 세기의 변화를 감지한 후 이를 전기적 신호로 변환하는 자기검출소자(15)가 삽입되는 에어 갭이 형성된다. 자기검출소자(15)에 의하여 측정된 자기장의 세기 변화 신호는 상기 다른 동력수단으로 전달되어 바퀴를 회전시키도록 한다.

여기서, 상기 자기장 세기의 변화는 제2 자성구조체에 대한 제1 자성구조체(5)의 회전변위가 발생하였을 경우 컬렉터(13)(14) 사이에 형성되는 자기장의 세기와, 회전변위가 발생하기 전에 컬렉터(13)(14) 사이에 형성되었던 자기장의 세기와의 차이를 의미한다.

그러나, 상기 토크센서(4)는 두 개의 컬렉터(13)(14) 사이의 간격을 정확하게 조절하기가 어렵고 간격을 일정하게 유지하기도 어렵다는 문제점이 있다. 두 개의 컬렉터(13)(14) 사이의 간격이 정확하지 않은 경우에는 자기검출소자(15)에 의하여 측정된 상기 자기장 세기 변화값이 정확하지 않기 때문에 차량 조향에 필요한 보조 조작력을 정확하게 얻을 수 없다.

본 발명은 두 개의 컬렉터 사이의 간격이 일정하게 유지되기 때문에 차량 조향에 필요한 보조 조작력을 정확하게 얻을 수 있도록 하는 토크센서를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 토크센서는, N극과 S극이 번갈아 배열된 환형 마그네틱; 상기 환형 마그네틱에 의해 자화되는 제1,2 자성체 링을 포함하는 제1 스테이터; 상기 환형 마그네틱에 의해 자화되는 제3,4 자성체 링을 포함하는 제2 스테이터; 제1,2 자성체링 사이에 삽입되는 제1 컬렉터와, 제3,4 자성체링 사이에 삽입되는 제2 컬렉터를 포함하는 컬렉터부; 및, 상기 제1,2 컬렉터 사이의 자기장 세기의 변화량을 검출하는 자기검출소자;를 포함한다.

바람직하게, 상기 컬렉터부는, 제1,2 컬렉터와 일체로 형성되어 제1,2 컬렉터 사이의 간격이 일정하게 유지되도록 하는 간격부재를 더 포함한다.

여기에서, 제1 자성체링에는 축방향으로 연장된 복수 개의 제1 이(tooth)가 제1 자성체링의 원주방향을 따라 나열되고, 제2 자성체링에는 제1 이와 동일한 방향으로 연장된 복수 개의 제2 이(tooth)가 제1 이 사이에 위치하도록 제2 자성체링의 원주방향을 따라 나열되고, 제3 자성체링에는 제1 이와 반대 방향으로 연장된 복수 개의 제3 이(tooth)가 제1 이 및 제2 이 사이에 위치하도록 제3 자성체링의 원주방향을 따라 나열되고, 제4 자성체링에는 제3 이와 동일한 방향으로 연장된 복수 개의 제4 이(tooth)가 제3 이 사이에 위치함과 동시에 제1 이 및 제2 이 사이에 위치하도록 제4 자성체링의 원주방향을 따라 나열되는 것이 바람직하다.

또한, 제1 컬렉터는 제1,2 자성체링과 동일한 곡률을 가지는 원호(圓弧)이고, 제2 컬렉터는 제3,4 자성체링과 동일한 곡률을 가지는 원호(圓弧)인 것이 바람직하다.

바람직하게, 상기 자기검출소자는, 상기 제1,2 컬렉터 사이에 설치된다.

본 발명에 따른 토크센서는 두 개의 컬렉터 사이의 간격이 일정하게 유지되기 때문에 차량 조향에 필요한 보조 조작력을 정확하게 얻을 수 있도록 한다.

이하, 첨부된 도면들을 참조로 본 발명에 대해서 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 실시예들에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 토크센서를 보여주는 분해 사시도이고, 도 4는 상기 토크센서를 보여주는 결합 사시도이다.

도면을 참조하면, 토크센서(100)는 환형 마그네틱(20)과, 제1,2 스테이터(30)(40)와, 컬렉터부(60) 및, 자기검출소자(70)를 포함한다.

환형 마그네틱(20)은 중공이 형성된 링 형상을 가진다. 환형 마그네틱(20)에는 N극과 S극이 환형 마그네틱(20)의 원주방향을 따라 번갈아 배열된다. 상기 중공 에는 스티어링휠(미도시)과 연결되는 입력축(도 1의 3)이 결합되거나, 또는 바퀴측(미도시)에 연결되는 출력축(도 1의 1)이 결합된다. 즉, 환형 마그네틱(110)의 중공에는 입력축(3)과 출력축(1) 중 어느 하나가 결합된다.

제1 스테이터(30)는 자화가 가능한 제1 자성체링(32) 및 제2 자성체링(36)을 포함한다.

제1 자성체링(32)에는 복수 개의 제1 이(tooth)(33)가 형성되어 있는데, 제1 이(33)는 제1 자성체링(32)의 축 방향을 따라 환형 마그네틱(20)의 외주면과 마주하도록 연장된다. 또한, 제1 이(33)는 제1 자성체링(32)의 원주방향을 따라 등간격으로 나열된다.

제2 자성체링(36)에는 복수 개의 제2 이(tooth)(37)가 형성되어 있는데, 제2 이(37)는 제1 이(33)와 동일한 방향으로 환형 마그네틱(20)의 외주면과 마주하도록 연장된다. 또한, 제2 이(37)는 제1 이(33) 사이에 위치하도록 제2 자성체링(36)의 원주방향을 따라 등간격으로 나열된다.

제1 자성체링(32)과 제2 자성체링(36) 사이에는 에어 갭(air gap)(39)이 형성되어 있는데, 에어 갭(39)에는 제1 컬렉터(61)가 삽입된다.

제2 스테이터(40)는 자화가 가능한 제3 자성체링(42) 및 제4 자성체링(46)을 포함한다. 제3 자성체링(42)에는 복수 개의 제3 이(tooth)(43)가 형성되어 있는데, 제3 이(43)는 제3 자성체링(42)의 축 방향을 따라 환형 마그네틱(20)의 외주면과 마주하도록, 즉 제1 이(33)와 반대 방향으로 연장된다. 또한, 제3 이(43)는 제3 자성체링(42)의 원주방향을 따라 등간격으로 나열된다.

제4 자성체링(46)에는 복수 개의 제4 이(tooth)(47)가 형성되어 있는데, 제4 이(47)는 제3 이(43)와 동일한 방향으로 환형 마그네틱(20)의 외주면과 마주하도록 연장된다. 또한, 제4 이(47)는 제3 이(43) 사이에 위치하도록 제4 자성체링(46)의 원주방향을 따라 등간격으로 나열된다.

제3 자성체링(42)과 제4 자성체링(46) 사이에는 에어 갭(air gap)(49)이 형성되어 있는데, 에어 갭(49)에는 제2 컬렉터(63)가 삽입된다.

제1 스테이터(30) 및 제2 스테이터(40)는 환형 마그네틱(20)이 연결된 축과 상이한 축에 연결된다. 예컨대, 환형 마그네틱(20)이 입력축(3)에 연결된 경우에 제1,2 스테이터(30)(40)는 출력축(1)에 연결되고, 환형 마그네틱(20)이 출력축(1)에 연결된 경우에는 제1,2 스테이터(30)(40)가 입력축(3)에 연결된다.

또한, 제1,2 스테이터(30)(40)는 제1 이(33), 제2 이(37), 제3이(43) 및, 제4 이(47)가 서로 맞물리도록 결합된다. 구체적으로, 제1 스테이터(30)와 제2 스테이터(40)의 결합이 완료되면, 제1 이(33), 제3 이(43), 제2 이(37) 및 제4 이(47)가 시계방향을 따라 순서대로 나열되고, 이와 같은 제1,3,2,4 이(33)(43)(37)(47)의 나열이 반복된다.

컬렉터부(60)는 제1,2 자성체링(32)(36) 사이에 삽입되는 제1 컬렉터(61)와, 제3,4 자성체링(42)(46) 사이에 삽입되는 제2 컬렉터(63)와, 제1,2 컬렉터(61)(63)와 일체로 형성되어 제1,2 컬렉터(61)(63) 사이의 간격이 일정하게 유지되도록 하는 간격부재(65)를 포함한다. 컬렉터부(60)는 토크센서(100)의 케이스(미도시)에 설치된다.

제1,2 컬렉터(61)(63)는 자화 가능한 자성체로 이루어진다. 제1,2 컬렉터(61)(63)는 이들(33)(43)(37)(47)에 걸리지 않고 에어 갭(39)(49)에 삽입될 수 있도록 원호(圓弧) 형상으로 형성되는 것이 바람직하다. 더욱 바람직하게, 제1 컬렉터(61)는 제1,2 자성체링(32)(36)과 동일한 곡률의 원호(圓弧) 형상을 가지고, 제2 컬렉터(63)는 제3,4 자성체링(42)(46)과 동일한 곡률의 원호(圓弧)형상을 가진다.

제1,2 컬렉터(61)(63)는 간격부재(65)와 일체로 형성된다. 따라서, 제1,2 컬렉터(61)(63) 사이의 간격은 간격부재(65)에 의하여 일정하게 유지된다.

바람직하게, 제1,2 컬렉터(61)(63)와 간격부재(65)는 인서트 몰딩(insert molding)으로 일체로 형성된다. 즉, 금속성인 제1,2 컬렉터(61)(63)를 몰드 내부에 설치한 후 합성수지를 주입하여 간격부재(65)를 형성함으로써 제1,2 컬렉터(61)(63)와 간격부재(65)를 일체로 형성한다.

간격부재(65)에 의하여 제1,2 컬렉터(61)(63) 사이의 간격이 일정하게 유지될 수 있기 때문에 자기장 세기 변화값을 정확하게 측정할 수 있다.

자기검출소자(70)는 제1,2 컬렉터(61)(63) 사이(67)에 삽입되어 제1,2 컬렉터(61)(63) 사이에 형성된 자기장의 변화를 감지하고 이를 전기적 신호로 변환한다. 자기검출소자(70)는 토크센서(100)의 케이스(미도시)에 설치된다.

이하, 본 발명에 따른 토크센서(100)의 작동과정에 대하여 설명한다.

초기상태, 즉 입력축(3)의 출력축(1)에 대한 회전변위가 없는 상태에는 도 5에 도시된 바와 같이 환형 마그네틱(20)의 N극과 S극의 경계선이 제1,2,3,4 이(33)(43)(37)(47)의 중심에 각각 위치한다. 이와 같은 상태에서 스티어링휠(미도시)에 시계방향의 회전력이 가해지면, 스티어링휠과 바퀴(미도시) 사이의 상이한 회전비에 의해 출력축(1)에 대한 입력축(3)의 회전변위가 발생하게 된다. 이때, 도 6에 도시된 바와 같이, 제1 이(33) 및 제2 이(37)는 환형 마그네틱(20)의 N극과 마주하게 되고, 제3 이(43) 및 제4 이(47)는 환형 마그네틱(20)의 S극과 마주하게 된다.

제1,2 이(33)(37)가 환형 마그네틱(20)의 N극과 마주하게 되면 제1,2 자성체링(32)(36)이 N극에 의해 자화되고 제1 컬렉터(61)도 N극으로 자화된다. 제3,4 이(42)(46)가 환형 마그네틱(20)의 S극과 마주하게 되면 제3,4 자성체링(42)(46)이 S극에 의해 자화되고 제2 컬렉터(63)도 S극으로 자화된다.

이와 같이 자화된 제1,2 컬렉터(61)(63) 사이에 형성되는 자기장의 세기는 초기상태에서 제1,2 컬렉터(61)(63) 사이에 형성되어 있던 자기장의 세기와 상이하고, 이와 같은 자기장 세기의 변화량을 자기검출소자(70)가 감지하여 전기적 신호로 변환한다. 상기 전기적 신호는 다른 동력수단으로 전송되고, 상기 다른 동력수단은 스티어링휠과 바퀴 사이의 상이한 회전비를 보상하기 위해 바퀴를 회전시킨다.

도 1은 종래기술에 따른 토크센서가 장착된 스티어링 장치를 도시한 단면도.

도 2는 도 1의 토크센서의 분해사시도.

도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 토크센서를 보여주는 분해 사시도.

도 4는 도 3의 토크센서를 보여주는 결합 사시도.

도 5와 도 6은 각각 도 3의 토크센서가 작동되는 것을 보여주는 평면도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

20 : 환형 마그네틱 30 : 제1 스테이터

40 : 제2 스테이터 60 : 컬렉터부

70 : 자기검출소자 100 : 토크센서

Claims

N극과 S극이 번갈아 배열된 환형 마그네틱;

상기 환형 마그네틱에 의해 자화되는 제1,2 자성체 링을 포함하는 제1 스테이터;

상기 환형 마그네틱에 의해 자화되는 제3,4 자성체 링을 포함하는 제2 스테이터;

제1,2 자성체링 사이에 삽입되는 제1 컬렉터와, 제3,4 자성체링 사이에 삽입되는 제2 컬렉터를 포함하는 컬렉터부; 및

상기 제1,2 컬렉터 사이의 자기장 세기의 변화량을 검출하는 자기검출소자;를 포함하는 것을 특징으로 하는 토크센서.
제1항에 있어서,

상기 컬렉터부는, 제1,2 컬렉터와 일체로 형성되어 제1,2 컬렉터 사이의 간격이 일정하게 유지되도록 하는 간격부재를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 토크센서.
제1항 또는 제2항에 있어서,

제1 자성체링에는 축방향으로 연장된 복수 개의 제1 이(tooth)가 제1 자성체링의 원주방향을 따라 나열되고, 제2 자성체링에는 제1 이와 동일한 방향으로 연장 된 복수 개의 제2 이(tooth)가 제1 이 사이에 위치하도록 제2 자성체링의 원주방향을 따라 나열되고,

제3 자성체링에는 제1 이와 반대 방향으로 연장된 복수 개의 제3 이(tooth)가 제1 이 및 제2 이 사이에 위치하도록 제3 자성체링의 원주방향을 따라 나열되고, 제4 자성체링에는 제3 이와 동일한 방향으로 연장된 복수 개의 제4 이(tooth)가 제3 이 사이에 위치함과 동시에 제1 이 및 제2 이 사이에 위치하도록 제4 자성체링의 원주방향을 따라 나열되는 것을 특징으로 하는 토크센서.
제1항 또는 제2항에 있어서,

제1 컬렉터는 제1,2 자성체링과 동일한 곡률을 가지는 원호(圓弧)이고, 제2 컬렉터는 제3,4 자성체링과 동일한 곡률을 가지는 원호(圓弧)인 것을 특징으로 하는 토크센서.
제1항에 있어서,

상기 자기검출소자는, 상기 제1,2 컬렉터 사이에 설치되는 것을 특징으로 하는 토크센서.