KR20100105015A - 조향장치용 비접촉식 토크센서 - Google Patents

Abstract

본 발명은 차량의 조향장치용 비접촉식 토크센서에 관한 것으로서, 복수의 N극 자석과 S극 자석이 원주방향으로 교대 배치되는 자력발생부와; 상기 자력발생부의 반경방향 외측에 배치되는 원통으로서 상기 N,S극 자석과 대응하는 위치에 형성된 복수의 상부 관통부와 상부 차폐부를 교대로 갖는 상부 차폐면과 상기 N,S극 자석과 대응하는 위치에 형성되되 상기 상부 차폐면과는 반대로 형성되는 복수의 하부 관통부와 하부 차폐부를 교대로 갖는 하부 차폐면으로 이루어진 자기차폐링을 구비하는 자기차폐부와; 상기 자기차폐부를 통과하는 자속을 수집하는 자기검출부; 및 상기 자기검출부로부터 수집된 자속의 세기를 검출하는 자기검출 센서부를 포함하되, 상기 자기차폐링은 서로 상하 대각선 방향으로 이웃하는 상부 차폐면과 하부 차폐면 사이에 이들과 이웃하는 상부 관통부와 하부 관통부 측으로 연장된 폭을 갖는 자속 이동 통로가 형성되는 것을 특징으로 한다. 이에 의해, 2차에 걸친 자기유도 과정을 거치지 않고 한 번의 자기유도만으로도 출력축의 비틀림 각을 측정할 수 있으며, 특히 자기유도 과정 중 감소되는 자속을 최소화하여 센서에 검출될 수 있도록 함으로써 정확한 비틀림 각을 측정할 수 있다.

조향장치, 비틀림 각도 검출, 토크센서

Description

조향장치용 비접촉식 토크센서{NON-CONTACTING TYPE TORQUE SENSOR FOR STEERING SYSTEM}

본 발명은 조향장치용 비접촉식 토크센서에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 조향핸들의 조작에 의해 입력축이 회전될 때, 바퀴와 연결된 출력축이 상기 입력축과 동일하게 회전될 수 있도록 하여 조향력을 향상시키는 조향장치용 비접촉식 토크센서에 관한 것이다.

일반적으로 차량의 주행 또는 정지시에 조향핸들을 회전시킴에 따라 노면과 접촉하고 있는 바퀴도 회전하게 된다. 즉, 상기 조향핸들을 좌측 방향 또는 우측 방향으로 회전시키게 되면 이와 동일한 방향으로 바퀴가 회전하게 된다. 그런데, 상기 바퀴는 노면과 접촉된 상태이기 때문에 상기 노면과의 사이에 발생하는 마찰력에 의해 상기 조향핸들과 상기 바퀴의 회전량이 서로 상이하게 된다는 문제가 발생할 수 있다.

이러한 문제에 대하여, 조향핸들과 바퀴의 회전각 편차를 측정 및 보상하기 위한 토크센서(Torque sensor)가 구비된다. 즉, 토크센서는 조향핸들과 바퀴의 회전각 편차를 측정하고, 이 측정된 편차만큼 별개의 동력수단을 이용하여 바퀴를 추 가로 회전시킴으로써 차량을 진행하고자 하는 방향으로 안전하고 정확하게 조향할 수 있도록 하여 조향 편의성을 높이고 있다.

토크센서는 크게 접촉방식과 비접촉식방식으로 구분되는데, 접촉방식은 소음과 내구성의 저하문제로 인해 최근에는 비접촉식방식의 토크센서가 채택되고 있다. 비접촉식방식의 토크센서는 크게 자기저항 검출방식, 자기변형 검출방식, 정전용량 검출방식 그리고 광학식 검출방식으로 구분된다.

전기식 동력 조향장치에 구비되는 종래의 자기저항 검출방식의 토크센서는, 운전자가 조작하게 되는 조향핸들이 입력축의 상단에 결합되고, 상기 입력축의 하단은 토션바(Torsion bar)에 의해 출력축의 상단과 연결된다. 그리고, 상기 출력축의 하단은 바퀴와 연결되고, 상기 토션바를 포함하는 상기 입력축의 하단과 상기 출력축의 상단은 그 외부가 하우징에 의해 보호된다. 이 하우징의 내부에는 앞서 언급한 토크센서 및 동력수단이 마련된다.

여기서, 상기 입력축에는 일정한 간격마다 극성이 교차하는 영구자석이 구비된다.

그리고, 상기 입력축에 구비된 영구자석에 의해 자기 유도 발생이 가능한 강자성체의 물질로 영구자석의 극수에 상응하는 치차 구조물의 검출링이 출력축에 설치된다. 그리고, 상기 검출링에는 자기를 검출하는 센서가 연결되는 구조로 이루어진다.

따라서, 운전자가 조향핸들을 조작할 때 상기 입력축에 회전력이 전달되고, 이 입력축의 회전에 의해 토션바가 회전하게 된다. 그리고, 이 토션바는 출력축과 도 연결되어 있기 때문에, 출력축으로 회전력을 전달하게 되어 바퀴가 조향핸들이 조작하는 방향으로 회전된다.

이때, 입력축에 설치된 영구자석과 출력축에 설치된 치차 구조물의 검출링 사이에서 상대적인 비틀림에 의해 서로 대응하는 면적에 있어서 변화가 발생하게 된다. 따라서, 상기 검출링에는 자속의 변화가 발생되고, 이 자속의 변화를 상기 센서를 통해 검출함으로써 출력축의 입력축에 대한 비틀림 각을 감지하게 된다.

그러나, 이러한 방식의 종래 토크센서는 센서의 주변으로 검출링이 계속적으로 회전 운동하는 구조로서 영구자석으로부터 형성된 자기력의 변화가 심하고, 회전 시 검출링과 자기검출소자의 간섭을 피하기 위해 고정형 검출링을 추가로 설치하여야만 했다.

그런데, 이와 같이 고정형 검출링을 추가로 설치할 경우 영구자석에서 발생된 자속은 검출링을 통해 1차로 자기유도된 후, 고정형 검출링을 통해 2차로 자기유도되기 때문에 2번의 자기유도를 거치면서 자속이 감소 및 왜곡되어 입력축과 출력축의 정확한 비틀림을 검출할 수가 없다는 문제가 있다.

상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은, 2차에 걸친 자기유도 과정을 거치지 않고 한 번의 자기유도만으로도 출력축의 비틀림 각을 측정할 수 있도록 한 조향장치용 비접촉식 토크센서를 제공하는 데 있다.

또한, 본 발명의 목적은 자기유도 과정 중 감소되는 자속을 최소화하여 센서에 검출될 수 있도록 함으로써 정확한 비틀림 각을 측정할 수 있도록 한 조향장치용 비접촉식 토크센서를 제공하는 데 있다.

상기 목적을 달성하기 위해 본 발명은 차량의 핸들에 연결된 입력축과 차량의 바퀴에 연결된 출력축 사이에 설치되어 상기 핸들의 회전 조작 시 상기 입력축과 상기 출력축 사이에 발생되는 비틀림을 검출하기 위한 조향장치용 비접촉식 토크센서에 있어서, 상기 입력축에 결합되고, 중심에서 동일한 반경을 갖도록 외주면을 따라 복수의 N극 자석과 S극 자석이 원주방향으로 서로 이웃하도록 교대로 배치되는 자력발생부와; 상기 자력발생부의 반경방향 외측에 배치되는 원통으로서 상기 N극 자석과 상기 S극 자석 중 어느 하나와 대응하는 위치에 형성된 복수의 상부 관통부와 상기 복수의 상부 관통부 사이마다 형성된 복수의 상부 차폐부를 갖는 상부 차폐면과, 상기 N극 자석과 상기 S극 자석 중 다른 하나와 대응하는 위치에 형성된 복수의 하부 관통부와 상기 복수의 하부 관통부 사이마다 형성된 복수의 하부 차폐부를 갖는 하부 차폐면으로 이루어진 자기차폐링을 구비하고, 상기 출력축에 결합 되는 자기차폐부와; 상기 자기차폐부의 반경방향 외측에 배치되며, 상기 상부 차폐면을 통과하는 자속을 수집하는 상부 자속 수집링과 상기 상부 자속 수집링으로부터 연장 형성된 상부 집자 터미널을 구비하는 상부 집자 부재와, 상기 하부 차폐면을 통과하는 자속을 수집하는 하부 자속 수집링과 상기 하부 자속 수집링으로부터 형성되어 상기 상부 집자 터미널과 대면하는 하부 집자 터미널을 구비하는 하부 집자 부재를 포함하는 자기검출부; 및 상기 자기검출부의 상부 집자 터미널과 하부 집자 터미널 사이에 위치되어 자속의 세기를 검출하는 자기검출 센서부를 포함하고, 상기 자기차폐링의 상기 복수의 상부 차폐면과 복수의 하부 차폐면은 각각 서로 상하 대각선 방향으로 이웃하는 상부 차폐면과 하부 차폐면 사이에 이들과 이웃하는 상기 상부 관통부와 하부 관통부 측으로 연장된 폭을 갖는 자속 이동 통로가 형성되는 것을 특징으로 하는 조향장치용 비접촉식 토크센서를 제공한다.

여기서, 상기 자기차폐링은 상기 복수의 상부 관통부와 상기 복수의 하부 관통부가 각각 축 방향으로 연장되어 외부와 연통되게 형성될 수도 있다.

또는, 상기 자기차폐링은 상기 복수의 상부 관통부와 상기 복수의 하부 관통부가 각각 관통홀의 형상으로 형성되어 축 방향으로 외부로부터 분리될 수도 있다.

이상과 같은 특징을 갖는 본 발명에 따른 조향장치용 비접촉식 토크센서에 의하면, 입력축에 결합되는 자력발생부에 N극 및 S극의 자석이 배치되고 출력축에 결합되는 자기차폐부에 각각 복수 개의 상부 및 하부 관통부가 형성됨에 따라, 상기 출력축이 입력축에 대하여 비틀림이 발생할 경우 상기 자력발생부의 자속이 상 기 자기차폐부에 형성된 상기 복수의 상부 및 하부 관통부를 통과하여 외측의 자기검출부로 전달됨으로써 자기검출 센서부에서 비틀림의 신호로서 감지된다.

즉, 입력축과 출력축의 비틀림 각에 따라 N극과 S극의 자속이 복수개의 관통부를 통과하는 정도에 따라 그 세기가 달라지게 전달되고, 이를 자기검출부를 통해 자기검출 센서부에서 감지하게 되는 것이다.

따라서, 자기차폐부의 영구자석에서 발생된 자속은 자기차폐부의 자기차폐링을 통해 직접 자기검출부로 전달되므로 자속이 감소 내지 왜곡될 염려가 없으며, 이에 따라 입력축과 출력축의 정확한 비틀림을 검출할 수 있다.

특히, 본 발명에 따른 조향장치용 비접촉식 토크센서에 의하면, 내측의 영구자석에 의해 자기유도된 자기차폐부의 상부 차폐부와 하부 차폐부 사이에 폭이 연장된 자속 이동 통로를 가짐으로써 이를 지나는 자속의 포화를 방지할 수 있으며, 이에 따라 종래 자속이 포화되어 상,하부 관통부로 유입됨으로 인해 상기 관통부를 통과하여 센서부로 유도되는 자속의 양이 현저하게 줄어들어 상기 센서부의 검출 성능을 저하시키던 현상을 방지할 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 조향장치용 비접촉식 토크센서(100, 이하 줄여서 "토크센서"라 한다)는 도 1에 도시된 바와 같이 자동차의 핸들 축에 해당하는 입력축(10)과 차륜 구동축과 직접 연결되는 출력축(20)의 사이에 마련되어 상기 입력축(10)과 출력축(20) 사이의 비틀림 각도를 측정하는 기능을 담당한다.

입력축(10)과 출력축(20)은 서로 직접 연결되지 않고, 도 2에 도시된 바와 같이, 토션바(torsion bar, 30)를 매개로 하여 서로 연결된다. 즉, 토션바(30)는 상단부가 입력축(10)에 삽입되어 관통공(31)이 상기 입력축(10)의 체결공(12)에 일치되면 결합핀(도면 미도시)이 삽입됨으로서 입력축(10)과의 체결이 이루어진다. 또한, 토션바(30)의 하단부에도 마찬가지로 관통공(32)이 형성되어 출력축(20)에 삽입 시 체결공(22)에 일치되면 결합핀(도면 미도시)이 삽입됨으로서 체결이 이루어진다.

한편, 토크센서(100)는 상기 토션바(30)에 의해 삽입된 상태에서 상기 입력축(10)과 출력축(20)에 각각 결합된다.

토크센서(100)의 구성을 살펴보면, 도 3에 도시된 바와 같이, 크게 입력축(10)에 결합되는 자력발생부(110), 이 자력발생부(110)의 외측에 마련되어 출력축(20)에 결합되는 자기차폐부(120), 이 자기차폐부(120)의 외측에 고정되게 마련되는 자기검출부(130), 이 자기검출부(130)와 일정한 위치관계를 이루는 자기검출 센서부(140) 기타 상부커버(151)와 하부커버(152)가 포함된다.

자력발생부(110)는 N극 자석(111a)과 S극 자석(111b)이 원주방향으로 서로 이웃하도록 교대로 배치되어 이루어지는 마그넷 링(magnet ring, 111)을 구비한다.

이 마그넷 링(111)은 자성체인 링 형상의 백요크(back yoke, 112)의 외주면에 부착되고, 이 백요크(112)는 그 내주면이 마그넷 홀더(113)의 안착부(113a)에 고정 부착된다.

마그넷 홀더(113)는 엔지니어링 플라스틱과 같이 비자성체로 이루어지며, 상기한 바와 같이 외주면으로 마그넷 링(111)이 수용 및 고정되는 안착부(113a)가 형 성된다.

또한, 마그넷 홀더(113)는 상기 안착부(113a)의 상부 축방향으로는 원주 방향으로 복수의 제1 결합편(113b)이 소정 간격 이격되게 연장 형성된다.

이들 제1 결합편들(113b)의 내측으로는 상기한 입력축(10)이 수용 결합된다.

이를 위해, 각 제1 결합편(113b)의 상단부에는 내측으로 걸림단부(도 4 및 도 5의 113c)가 돌출 형성되어, 수용되는 입력축(10)에 원주방향으로 복수 개소에 함입 형성되는 요홈부(11)에 걸려 삽입된다.

이와 같이 복수의 제1 결합편(113b)이 입력축(10)에 결합되면, 그 공통되는 외주연으로는 제1 스냅링(114)이 끼워져 각 결합편(113b)이 외측으로 벌어지는 것을 방지하도록 한다.

제1 스냅링(114)이 끼워진 모습은 도 1, 도 4 및 도 5 등에서 확인할 수 있다.

자기차폐부(120)는 자기차폐링(121)과 차폐링 홀더(125)를 구비한다.

자기차폐링(121)은 자성체로 이루어진 단일의 원통으로서 상하로 1/2되는 지점을 기준으로 상부에 위치하는 상부 차폐면(122)과 하부에 위치하는 하부 차폐면(123)으로 나뉜다.

여기서, 자기차폐링(121)은 도 3 등에 도시된 바와 같이 단일의 원통으로 형성될 수도 있으나 이에 한정되는 것은 아니며, 예를 들어 복수 개로 분할 성형된 부분들을 결합 내지 접합함으로써 완성되는 원통일 수도 있다.

상부 차폐면(122)과 하부 차폐면(123)에는 각각 원주 방향으로 일정 간격을 이루는 관통부(122a, 123a)와 차폐부(122b, 123b)가 교대로 다수개 형성된다. 즉, 상부 차폐면(122)에는 다수개의 상부 관통부(122a)의 각 사이마다 상부 차폐부(122b)가 형성되고, 하부 차폐면(123)에는 다수개의 하부 관통부(123a)의 각 사이마다 하부 차폐부(123b)가 형성된다.

이에 따라, 상부 관통부(122a)와 하부 관통부(123a) 간에 그리고 상부 차폐부(122b)와 하부 차폐부(123b) 간에는 서로 어긋나게 지그재그로 형성된다.

이를 구체적으로 살펴보면, 각 관통부(122a, 123a)와 차폐부(122b, 123b)는 내측으로 위치하게될 마그넷 링(111)을 이루는 하나의 자석(111a 또는 111b)과 대응하는 위치에 형성된다(도 8 참조).

따라서, 예를 들어, 어느 하나의 상부 관통부(122a)가 그 내측의 N극 자석(111a)과 대응하도록 위치하게 되는 경우에는 모든 상부 관통부들(122a)이 각각 N극 자석(111a)과 대응하도록 위치하게 되고, 이때 모든 하부 관통부들(123a)은 각각 S극 자석(111b)과 대응하도록 위치된다. 물론, 이때 모든 상부 차폐부(122b)는 그 내측의 S극 자석(111b)과 대응하도록 위치하게 되고, 모든 하부 차폐부(123b)는 내측의 N극 자석(111a)과 대응하도록 위치된다.

비자성체인 차폐링 홀더(125)는 원통 형상을 갖는 홀딩부(126)를 가지며, 이 홀딩부(126)의 하부로는 상기한 출력축(20)에 결합되는 제2 결합편(도 4의 128)을 갖는다.

홀딩부(126)는 내측면에 자기차폐링(121)을 수용 및 지지하되, 특히 내측면에 다수의 결합돌기(127)가 자기차폐링(121)의 상부 관통부(122h)와 하부 관통 부(123h)에 일치되게 돌출 형성되어 상기 자기차폐링(121)과의 결합 시 서로 일치하여 삽입된다.

또한, 차폐링 홀더(125)는 상기 홀딩부(126)의 하부 축방향으로 돌출 형성되되 서로 원주 방향으로 소정 간격 이격되게 형성되는 복수의 제2 결합편(128)을 구비한다(도 4 참조). 제2 결합편(128)의 구성 및 기능은 상기한 제1 결합편(113b)과 대동소이하다.

즉, 이들 제2 결합편들(128)의 내측으로는 상기한 출력축(20)이 수용 결합되며, 이를 위해 각각의 제2 결합편(128)의 내주면에는 하단부에 걸림단부(128a)가 돌출 형성되어 출력축(20)과의 결합 시 요홈부(도 2의 21)에 삽입 결합된다.

또한, 제2 결합편(128)의 결합 시 그 외주연으로는 제2 스냅링(129)이 끼워져 출력축(20)과 분리되는 것을 방지하도록 한다.

자기검출부(130)는, 도 3에 도시된 바와 같이, 자성체인 상부 집자 부재(131)와 하부 집자 부재(132), 그리고 이들 집자 부재(131, 132) 간의 간격을 일정하게 유지하기 위해 이들을 지지하는 비자성체인 집자 부재 홀더(133)를 포함한다.

도 3에는 상부 집자 부재(131)와 하부 집자 부재(132)가 집자 부재 홀더(133)와 독립적으로 존재하여 서로 결합되는 것처럼 보이나, 실제로는 도 4에 도시된 바와 같이 상부 집자 부재(131)와 하부 집자 부재(132)가 집자 부재 홀더(133) 내에 파묻힌 채로 존재한다. 따라서, 이를 위해서는 상부 집자 부재(131)와 하부 집자 부재(132)가 인서트 사출에 의해 집자 부재 홀더(133)와 일체로 성형 된다.

도 7은 이러한 상부 집자 부재(131)와 하부 집자 부재(132)의 위치관계를 설명하기 위해 해당 부분만을 도시한 사시도이다.

도시된 바와 같이, 상부 집자 부재(131)는 상하 폭이 좁은 원통 형상의 상부 자속 수집링(131a), 이 상부 자속 수집링(131a)의 상단 둘레로 소정 폭으로 연장 형성되는 상부 집자로 플랜지(131b), 이 상부 집자로 플랜지(131b)의 우측 단부로부터 하방향으로 굴곡 형성되는 상부 집자 터미널(131c)을 갖는다.

하부 집자 부재(132)는 상기 상부 집자 부재(131)와 상하 대칭을 이루도록 형성된다. 즉, 하부 집자 부재(132)는 상하 폭이 좁은 원통 형상의 하부 자속 수집링(132a), 이 하부 자속 수집링(132a)의 하단 둘레로 소정 폭으로 연장 형성되는 하부 집자로 플랜지(132b), 이 하부 집자로 플랜지(132b)의 우측 단부로부터 상방향으로 굴곡 형성되는 하부 집자 터미널(132c)을 갖는다.

이러한 상부 집자 부재(131)와 하부 집자 부재(132)는 서로 상하로 배치되되 각각 상기한 자기차폐링(121)의 외측으로 소정 간격 이격되게 배치된다.

이때, 상부 집자 부재(131)의 상부 자속 수집링(131a)은 상기한 자기차폐링(121)의 상부 차폐면(122)과 마주 보게 위치되며, 내측의 마그넷 링(111)으로부터 발생되어 상부 차폐면(122)의 관통부(122a)를 통과하여 나오는 자속을 수집하는 기능을 담당한다.

이와 같이 수집된 자속은 상부 자속 수집링(131a)의 상단 둘레로 위치하는 상부 집자 플랜지(131b)로 전달되고, 다시 상부 집자 플랜지(131b)의 우측 일단부 에 위치한 상부 집자 터미널(131c)로 집중된다.

마찬가지로, 하부 집자 부재(132)의 하부 자속 수집링(132a)은 상기한 자기차폐링(121)의 하부 차폐면(123)과 마주 보게 위치되며, 내측의 마그넷 링(111)으로부터 발생되어 하부 차폐면(123)의 관통부(123a)를 통과하여 나오는 자속을 수집하는 기능을 담당한다.

수집된 자속은 하부 자속 수집링(132a)의 하단 둘레로 위치하는 하부 집자 플랜지(132b)로 전달되고, 다시 하부 집자 플랜지(132b)의 우측 일단부에 위치한 하부 집자 터미널(132c)로 집중된다.

자기검출부(130)는 이상과 같이 수집된 자속을 일 개소에 집중시키는 기능을 담당한다. 즉, 자기 검출부(130)에서 수집되는 자속은 상부 집자 터미널(131c)과 하부 집자 터미널(132c)로 집중된다.

이를 위해, 상부 집자 터미널(131c)은 상부 집자로 플랜지(131b)로부터 하방향으로 연장되어 상부 자속 수집링(131a)의 하단을 지나 반경 방향으로 굴곡되어 우측으로 연장되며, 하부 집자 터미널(132c)은 하부 집자로 플랜지(132b)로부터 상방향으로 연장되어 하부 자속 수집링(132a)의 상단을 지나 상부 집자 터미널(131c)에 대응하여 반경 방향으로 굴곡되어 우측으로 연장된다.

집자 부재 홀더(133)는, 도 4에 도시된 바와 같이, 내측 상하 부분에 각각 상부 집자 부재(131)와 하부 집자 부재(132)를 각각 인서트 성형에 의해 수용한다.

나아가, 집자 부재 홀더(133)는, 도 3에 도시된 바와 같이, 상,하단부에 각각 상부 홀더 플랜지(133a)와 하부 홀더 플랜지(133b)가 형성된다.

상부 홀더 플랜지(133a)는, 도 4에 도시된 바와 같이, 내측에 상부 집자 부재(131)의 상부 집자 플랜지(131a)가 인서트 결합되며, 하부 홀더 플랜지(133b)는 내측에 하부 집자 부재(132)의 하부 집자 플랜지(132a)가 인서트 결합된다.

상부 집자 터미널(131c)과 하부 집자 터미널(132c) 사이에는 자기검출 센서부(도 3의 140)가 개재되어 양 터미널(131c, 132c) 간에 발생하는 자속의 세기를 검출한다.

한편, 도 3에 도시된 바와 같이, 토크센서(100)는 상부커버(151)와 하부커버(152)를 상하로 구비하여 그 내측으로 자력발생부(110), 자기차폐부(120), 자기검출부(130) 및 자기검출 센서부(140)를 수용 및 지지한다.

도 3의 분해된 상태의 토크센서(100)에 대하여, 도 5는 상기 토크센서(100)의 조립된 상태를 도시한 사시도이고, 도 6은 조립된 토크센서(100)의 평면도이다.

도 3, 도 5 및 도 6에 도시된 바와 같이, 자력발생부(110)는 외형상 집자 부재 홀더(133)로 대표되는 자기검출부(130)의 내측에 위치하며, 자력발생부(110)와 자기검출부(130)의 사이에는 외형상 차폐링 홀더(125)로 대표되는 자기차폐부(120)가 위치한다.

이하에서는 이상과 같은 구성을 갖는 조향장치용 비접촉식 토크센서(100)의 작용에 대하여 설명하기로 한다.

도 8은 본 발명의 실시예에 따른 토크센서(100)의 주요부의 구조 관계를 설명하기 위한 가상의 개략도로서, 원형의 구성을 평면적으로 펼쳐서 나타낸 것이다.

자기 차폐링(121)의 상부 관통부(122a)와 하부 관통부(123a)는 각각 마그넷 링(111)의 해당 자극의 자석 내측에 대응되게 위치한다.

마그넷 링(111)으로부터 발생되는 자속은 자기 차폐링(121)의 관통부(122a, 123a)를 지나 반대측 상부 집자 부재(131)와 하부 집자 부재(132)에 각각 도달한다.

정상상태, 즉 중립상태에서의 위치관계는, 도 9에 도시된 바와 같이, 자기 차폐링(121)의 상부 관통부(122a) 및 하부 관통부(123a)가 모두 N극 자석과 S극 자석의 경계에 1/2씩 걸쳐져 있다.

따라서, 각 관통부(122a, 123a)를 통과하여 나오는 자속은 N극과 S극이 절반씩 차지하게 되므로 상부 집자 부재(131)와 하부 집자 부재(132)에 수집 및 집자되는 자속은 각각 0이 된다.

결과적으로, 검출되는 자속은 0으로서, 이는 입력축(10)가 출력축(20)의 회전 각도가 서로 일치함을 의미한다.

이에 비해, 도 10a는 입력축(10)이 출력축(20)에 비해 좌측 방향으로 비틀림이 발생한 경우를 나타내며, 도 10b는 입력축(10)이 출력축(20)에 비해 좌측 방향으로 최대의 비틀림이 발생한 경우를 나타낸다.

도시된 바와 같이, 도 10a의 상태에서는 상기 입력축(10)에 고정되는 마그넷 링(111)이 상기 출력축(20)에 고정되는 자기 차폐링(121)에 비해 다소 좌측으로 치우치게 되므로, 상부 관통부(122a)를 통과하는 자속은 S극이 더 많이 차지하게 되고, 하부 관통부(123a)를 통과하는 자속은 반대로 N극 자속이 더 많아지게 된다.

따라서, 상부 집자 부재(131)와 하부 집자 부재(132)에는 각각 서로 다른 자 속이 일정한 크기로 수집 및 집자되므로, 검출되는 자속 또한 그에 상응하는 값으로 나타나게 된다.

최대의 비틀림을 도시한 도 10b의 상태에서는, 모든 상부 관통부(122a)로는 S극의 자속만이 통과하고, 모든 하부 관통부(123a)로는 N극의 자속만이 통과함으로써 검출되는 자속 또한 최대값으로 나타나게 된다.

이때 유의할 점은, 도 9의 중립상태의 경우에나 도 10a 또는 도 10b의 비틀림 상태의 경우에나, 자기차폐링(121)에 유도되는 자속은 항상 0이라는 점이다.

즉, 자기차폐링(121)은 상부 차폐면(122)에 유도되는 자속은 하부 차폐면(123)에 유도되는 자속과 항상 정반대로 같은 크기를 가지며, 이들 상부 차폐면(122)과 하부 차폐면(123)은 서로 일체로 이루어져 있으므로 자속의 합은 항상 0이 되는 것이다.

그러므로, 상부 집자 부재(131)와 하부 집자 부재(132)는 상기 자기차폐링(121)에 의한 2차 자기유도 현상이 발생하지 않게 된다.

도 11a는 입력축(10)이 출력축(20)에 비해 우측 방향으로 비틀림이 발생한 경우를 나타내며, 도 11b는 입력축(10)이 출력축(20)에 비해 우측 방향으로 최대의 비틀림이 발생한 경우를 나타낸다.

도 11a 및 도 11b의 상황은 상기한 도 10a와 도 10b의 상황과는 정반대로서 이에 대한 설명은 상기한 바로부터 충분히 유추되어지므로 생략하기로 한다.

한편, 도 12는 상기한 자기차폐부(도 3의 120)를 구성하는 일 요소인 자기차폐링(121)을 확대하여 도시한 것으로서, 본 발명의 실시예에 따른 자기차폐링(121) 에 의하면 상부 관통부(122a)와 상부 차폐부(122b)는 원주방향으로 서로 교대로 배치되어 있으며, 하부 관통부(123a)와 하부 차폐부(123b) 또한 원주방향으로 서로 교대로 배치되되 각기 대응하는 상부 관통부(122a) 및 상부 차폐부(122b)와는 서로 엇갈리게 대각선 방향으로 이웃하도록 배치된다.

이때, 대각선 방향으로 이웃하는 상부 차폐부(122b)와 하부 차폐부(123b)는 자속 이동 통로(124)를 통해 서로 연결된다.

이 자속 이동 통로(124)는 상,하부 차폐부(122b, 123b) 사이에 자속이 흐르는 통로로서 기능하는데, 그 폭(W)은 상기 자속의 흐름이 원활하게 이루어질 수 있도록 상기 상,하부 차폐부(122b, 123b)와 이웃하는 상부 관통부(122a)와 하부 관통부(123a) 측으로 연장 형성된다.

도 13은 상기와 같은 자속 이동 통로(124)에 의할 때 자기차폐링(121) 내에 흐르는 자속의 분포를 컴퓨터 프로그램을 통해 시각화한 그림이고, 도 14는 도 13의 주요부를 확대하여 도시한 그림으로서 컴퓨터 프로그램을 통해 자속이 흐르는 방향과 밀도를 화살표로 도시한 것이다.

도 13 및 도 14를 참조하면, 상부 차폐부(122b)는 내측의 N극 자석(111a)에 의해 N극으로 유도되고 하부 차폐부(123b)는 내측의 S극 자석(111b)에 의해 S극으로 유도되며, 이들 사이에 형성된 자속 이동 통로(124)를 통해서는 상기 상부 차폐부(122b)로부터 상기 하부 차폐부(123b) 방향으로 자속이 흐르게 된다. 결과적으로, N극으로 유도된 상부 차폐부(122b)의 자속은 자속 이동 통로(124)를 통해 하부 차폐부(123b)로 흐른 후 다시 그 내측의 S극 자석(111b)으로 흘러 들어간다.

이때, 자속 이동 통로(124)가 상기한 바와 같이 충분한 폭(W)을 갖는 관계로 상기 자속은 무리없이 흐를 수 있게 되는 것이다.

도 15와 도 16은 상기한 자기차폐링(121)의 구조와 대비하기 위하여 충분한 폭(W)의 자속 이동 통로(124)를 갖지 않는 자기차폐링(121')의 구조에 대하여 자속의 분포 및 방향을 시각화한 그림이다.

도 15 및 도 16을 참조하면, 자속은 N극으로 유도된 상부 차폐부(122b')로부터 대각선 방향의 하부 차폐부(123b')로 이동하며, 이때 상기 자속은 자속 이동 통로(124')를 통과하게 된다.

그러나, 이때의 자속 이동 통로(124')는 상기한 본 발명의 실시예에 따른 자속 이동 통로(124)와 달리 충분한 폭(W)을 갖지 않은 관계로 이 영역에서 자속이 포화되는 현상이 발생하게 되고, 포화된 자속은 하부 차폐부(123b')로 유입되지 않고 상부 관통부(122a')를 통해 직접 내측의 S극 자석(111b')으로 유입된다.

이로 인해, S극 자석(111b')으로부터 상기 상부 관통부(122a')를 통과하여 자기차폐링(121')의 외측으로 흐르던 원래의 자속의 양은 상기와 같이 포화되어 유입되는 자속으로 인해 감소하게 되며, 결과적으로 자기검출부(도 3의 130 참조)로 유도되는 자속량, 나아가 자기검출 센서부(140)에 유도되는 자속량이 현저하게 줄어들게 됨으로써 토크센서(100)의 성능저하로 이어지게 되는 것이다.

도 17은 본 발명의 실시예에 따른 자기차폐링(121)과 상기한 도 15의 자기차폐링(121')의 성능을 비교한 그래프이다.

도 17에서 알 수 있듯이, 본 발명의 실시예에 따른 자기차폐링(121)에 의할 때 자기검출 센서부(140)에 쇄교하는 자속량(A)은 상기 도 15의 자기차폐링(121')의 경우(B)에 비해 대략 5배 이상 증가함을 알 수 있다. 이는 곧 자기검출 센서부(140)의 검출 감도(Sensitivity)를 5배 이상 증가시키는 것으로 이해할 수 있다.

한편, 이상에서 설명된 자기차폐링(121)은 상부 관통부(122a)와 하부 관통부(123a)가 각각 상하 축방향으로 연장되어 외부와 연통되게 형성되는 것으로 설명되었으나 본 발명에 따른 자기차폐링의 구조는 이에 한정되는 것은 아니며, 예를 들어 도 18에 도시된 바와 같이, 각 관통부(222a, 223a)가 축 방향으로 외부와 분리된 관통홀의 형상으로 형성될 수도 있다.

물론, 이 경우에도 대각선 방향으로 이웃하는 상부 차폐부(222b)와 하부 차폐부(223b) 간에 형성된 자속 이동 통로(224)는 상기 차폐부들(222b, 223b)과 이웃하는 상부 관통부(222a)와 하부 관통부(223a) 측으로 연장되는 폭(W)을 갖는다.

이상에서 설명된 조향장치용 비접촉식 토크센서는 본 발명의 이해를 돕기 위한 실시예에 불과하므로 본 발명의 권리범위 내지 기술적 범위가 이에 한정되는 것으로 이해되어서는 안 된다.

본 발명의 권리범위 내지 기술적 범위는 후술하는 특허청구범위 및 그 균등범위에 의해 정의된다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 조향장치용 비접촉식 토크센서의 설치 상태를 도시한 사시도,

도 2는 도 1의 설치 상태를 분해하여 도시한 분해 사시도,

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 조향장치용 비접촉식 토크센서를 나타내는 분해 사시도,

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 조향장치용 비접촉식 토크센서의 결합 상태를 도시한 측단면도,

도 5는 본 발명의 실시예에 따른 조향장치용 비접촉식 토크센서의 결합 상태를 도시한 사시도,

도 6은 도 5의 조향장치용 비접촉식 토크센서의 평면도(도 4의 측단면도는 도 6의 A-A선을 따라 절단한 단면임),

도 7은 본 발명의 실시예에 따른 조향장치용 비접촉식 토크센서를 구성하는 상,하부 집자부재를 도시한 확대 사시도,

도 8은 본 발명의 실시예에 따른 조향장치용 비접촉식 토크센서의 주요 구성을 설명하기 위한 개략 분해도,

도 9는 본 발명의 실시예에 따른 조향장치용 비접촉식 토크센서가 중립 위치일 때의 주요 구성 관계를 도시한 개략도,

도 10a와 도 10b 그리고 도 11a와 도 11b는 각각 본 발명의 실시예에 따른 조향장치용 비접촉식 토크센서가 비틀림 상태일 때의 주요 구성 관계를 도시한 개 략도,

도 12는 도 3의 조향장치용 비접촉식 토크센서의 일 구성요소인 자기차폐링을 도시한 확대 사시도,

도 13 및 도 14는 도 12의 자기차폐링의 기능을 설명하기 위한 부분도 및 부분 확대도,

도 15 및 도 16은 도 12의 자기차폐링과 비교 설명하기 위하여 이와 대비되는 형상을 갖는 자기차폐링의 설명을 위한 부분도 및 부분 확대도,

도 17은 도 12의 자기차폐링과 이와 대비되는 도 15의 자기차폐링 간 성능을 비교하여 도시한 그래프,

도 18은 도 12의 자기차폐링의 변형례를 도시한 확대 사시도이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10: 입력축 11, 21: 요홈부

12, 22: 체결공 20: 출력축

30: 토션바 100: 토크센서

110: 자력발생부 111: 마그넷 링

111a: N극 자석 111b: S극 자석

112: 백요크 113: 마그넷 홀더

113a: 안착부 113b: 제1 결합편

113c: 걸림단부 114: 제1 스냅링

120: 자기차폐부 121: 자기차폐링

122: 상부 차폐면 122a: 상부 관통부

122b: 상부 차폐부 123: 하부 차폐면

123a: 하부 관통부 123b: 하부 차폐부

124: 자속 이동 통로 125: 차폐링 홀더

126: 홀딩부 127: 결합돌기

128: 제2 결합편 129: 제2 스냅링

130: 자기검출부 131: 상부 집자 부재

131a: 상부 자속 수집링 131b: 상부 집자로 플랜지

131c: 상부 집자 터미널 132: 하부 집자 부재

132a: 하부 자속 수집링 132b: 하부 집자로 플랜지

132c: 하부 집자 터미널 133: 집자 부재 홀더

133a: 상부 홀더 플랜지 133b: 하부 홀더 플랜지

140: 자기검출 센서부 151: 상부커버

152: 하부커버

Claims (3)

1. 차량의 핸들에 연결된 입력축과 차량의 바퀴에 연결된 출력축 사이에 설치되어 상기 핸들의 회전 조작 시 상기 입력축과 상기 출력축 사이에 발생되는 비틀림을 검출하기 위한 조향장치용 비접촉식 토크센서에 있어서,

   상기 입력축에 결합되고, 중심에서 동일한 반경을 갖도록 외주면을 따라 복수의 N극 자석과 S극 자석이 원주방향으로 서로 이웃하도록 교대로 배치되는 자력발생부와;

   상기 자력발생부의 반경방향 외측에 배치되는 원통으로서 상기 N극 자석과 상기 S극 자석 중 어느 하나와 대응하는 위치에 형성된 복수의 상부 관통부와 상기 복수의 상부 관통부 사이마다 형성된 복수의 상부 차폐부를 갖는 상부 차폐면과, 상기 N극 자석과 상기 S극 자석 중 다른 하나와 대응하는 위치에 형성된 복수의 하부 관통부와 상기 복수의 하부 관통부 사이마다 형성된 복수의 하부 차폐부를 갖는 하부 차폐면으로 이루어진 자기차폐링을 구비하고, 상기 출력축에 결합되는 자기차폐부와;

   상기 자기차폐부의 반경방향 외측에 배치되며, 상기 상부 차폐면을 통과하는 자속을 수집하는 상부 자속 수집링과 상기 상부 자속 수집링으로부터 연장 형성된 상부 집자 터미널을 구비하는 상부 집자 부재와, 상기 하부 차폐면을 통과하는 자속을 수집하는 하부 자속 수집링과 상기 하부 자속 수집링으로부터 형성되어 상기 상부 집자 터미널과 대면하는 하부 집자 터미널을 구비하는 하부 집자 부재를 포함 하는 자기검출부; 및

   상기 자기검출부의 상부 집자 터미널과 하부 집자 터미널 사이에 위치되어 자속의 세기를 검출하는 자기검출 센서부를 포함하고,

   상기 자기차폐링의 상기 복수의 상부 차폐면과 복수의 하부 차폐면은 각각 서로 상하 대각선 방향으로 이웃하는 상부 차폐면과 하부 차폐면 사이에 이들과 이웃하는 상기 상부 관통부와 하부 관통부 측으로 연장된 폭을 갖는 자속 이동 통로가 형성되는 것을 특징으로 하는 조향장치용 비접촉식 토크센서.
2. 제1항에 있어서,

   상기 자기차폐링은 상기 복수의 상부 관통부와 상기 복수의 하부 관통부가 각각 축 방향으로 연장되어 외부와 연통되게 형성된 것을 특징으로 하는 조향장치용 비접촉식 토크센서.
3. 제1항에 있어서,

   상기 자기차폐링은 상기 복수의 상부 관통부와 상기 복수의 하부 관통부가 각각 관통홀의 형상으로 형성되어 축 방향으로 외부로부터 분리된 것을 특징으로 하는 조향장치용 비접촉식 토크센서.

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