KR20110101279A - 조향장치용 비접촉식 토크센서 - Google Patents

Abstract

본 발명은 조향장치용 비접촉식 토크센서에 관한 것으로서, 외주면을 따라 복수의 N극 자석과 S극 자석이 원주방향으로 교대로 배치되는 상부 마그넷 링과 하부 마그넷 링이 구비된 자력발생부와; 상기 자력발생부의 외측 둘레에 상기 N극 자석 또는 상기 S극 자석 중 어느 하나와 대응하여 동일한 간격으로 배치되는 복수의 차폐로드가 구비된 자기차폐부와; 상기 자기차폐부의 반경방향 외측에 배치되며, 상기 복수의 차폐로드를 통과하는 자속을 수집하는 상부 및 하부 자속수집링과, 상부 및 하부 자속수집링으로부터 연장 형성된 상부 및 하부 집자터미널이 구비된 자기수집부; 및 상기 상부 및 하부 집자터미널 사이에 위치되는 자기검출 센서부를 포함하는 것을 특징으로 한다. 이에 의해 개선된 자기차폐부의 구조를 통해 상,하부의 자기차폐 효과가 동일할 뿐 아니라 제조과정에서 스크랩의 발생량을 최소화할 수 있다.

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.

도 1은 본 발명과 같은 종류의 조향장치용 비접촉식 토크센서(200)를 도시한 분해사시도로서, 이러한 토크센서(200)는 아직 공개된 기술은 아니나 본 명세서에서는 본원발명의 이해를 돕기 위한 대비자료로서 이를 인용하기로 한다.

토크센서(200)는, 외주면을 따라 복수의 N극 자석과 S극 자석이 원주방향으로 교대로 배치되는 상부 마그넷 링(211)과 하부 마그넷 링(212)이 구비된 자력발생부(210), 이 자력발생부(210)의 외측 둘레에 배치되는 자기차폐부(220), 이 자기차폐부(220)의 반경방향 외측에 배치되는 자기수집부(230), 자기수집부(230)로부터 수집된 자기력을 검출하기 위한 자기검출 센서부(240)를 포함한다.

자력발생부(210)를 구성하는 상부 마그넷 링(211)과 하부 마그넷 링(212)은 각각 N극 자석과 S극 자석이 교대로 이어져 링 형상을 이루고, 상,하부 마그넷 링(211, 212) 간에는 서로 다른 극의 자석이 배치된다(도 4a 참조).

자기차폐부(220)는 합성수지 몰드(223)와 일체로 성형되는 연자성 재료(221 등)를 구비한다.

이 연자성 재료는, 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 마그넷 링(211 또는 212)의 N극 자석 또는 S극 자석 중 어느 하나와 대응하여 동일한 간격으로 배치되는 복수의 차폐로드(221)와, 각각의 차폐로드(221)와 일체로 이루어지는 단일의 연결링(222)으로 형성된다.

도 2에서 233, 234는 상부 및 하부 집자 터미널로서 상기한 상부 및 하부 자속수집링(231, 232)으로부터 일체로 연장 형성된다.

연결링(222)은 복수의 차폐로드(221)의 각 하단부에 연결되어 일체로 이루어진다.

이러한 차폐로드(221)와 연결링(222)의 구조를 제작하기 위해서는, 먼저 연자성 재질의 금속판을 펀칭 가공함으로써 도 3에 도시된 바와 같이 중앙의 연결링(222)과 그 외측에 방사상으로 연장되는 복수의 차폐로드(221)를 성형하고, 이어서 각 차폐로드(221)의 내측 단부를 구부려, 도 2에 도시된 바와 같이 연결링(222)에 수직되게 성형함으로써 완성된다.

도 4a 및 도 4b는 상기와 같은 구조를 갖는 토크센서(200)의 센싱 동작 원리를 설명하기 위해 동작에 따른 주요 자기회로 부품의 위치를 모식화 해놓은 도면이다.

상부와 하부의 마그넷 링(211, 212)은 각각 같은 수량의 극수(여기에서는 16극)로 착자되어 있으며, 상하 서로 대항하는 극성이 다르게 배치된다.

마그넷 링(211, 212)의 외주면으로는 일정한 간격(air gap)을 두고 다수의 차폐로드(221)가 배치된다.

차폐로드(221)는 마그넷 링(211, 212)의 자기력을 차폐하는 면으로서 기능하고, 이웃하는 차폐로드(221)의 사이마다 상기 자기력을 통과시키기 위한 공간이 형성된다.

차폐로드(221)는 마그넷 링(211, 212)의 N극과 S극의 폭보다 작은 폭으로 형성되며, 마그넷 링(211, 212)을 구성하는 극수의 절반으로 설치된다(여기에서는 8개).

차폐로드(221)의 외주면에 일정한 간극을 두고 상부와 하부의 마그넷 링(211, 212)에 대향하도록 상부 및 하부 자속수집링(도 2의 231, 232)이 축방향으로 일정한 간격을 두고 설치된다.

상기와 같은 자기회로를 갖는 토크센서(200)의 동작을 설명하면 다음과 같다.

먼저, 토크센서(200)는 입력축에 연결된 상,하부 마그넷 링(211, 212)과 출력측에 연결된 자기차폐부(221, 222) 간의 대향하는 위치의 변화에 따라서 그에 상응하는 출력값을 나타내주는 센서이다.

이러한 토크센서(200)에 비틀림이 발생하지 않을 때에는, 도 4a의 중립위치에서와 같이, 차폐로드(221)가 상부와 하부의 마그넷 링(211, 212)의 N극과 S극에 각각 50:50으로 위치한다.

그러므로, 상부와 하부에 설치된 마그넷 링(211, 212)에서 발생하는 자기력선은 바로 이웃한 극성으로 흐르게 되어(N극->S극), 차폐로드(221)의 외주면에 설치된 자속수집링(도 2의 231, 232)으로 흐르지 않는다(일부 미소량이 흐르기는 하지만 센서의 성능을 저하시키지 못하는 양이므로 본 설명에서는 무시하기로 한다).

이와 같은 중립상태로부터, 차량의 스티어링 휠의 조작 방향에 따라 비틀림이 발생한다.

한편, 좌측으로 비틀림이 발생하는 원리와 우측으로 비틀림이 발생하는 원리는 서로 같으며, 다면 대향하는 극성이 서로 달라 출력값의 부호(+, -)만 달라질 뿐이므로 여기서는 한쪽 방향으로 비틀림이 일어날 경우만 설명하기로 한다.

차량의 스티어링 휠의 조작시 마그넷 링(211, 212)과 차폐로드(221)의 대향하는 면적의 변화가 발생한다.

최대 비틀림이 발생하는 경우를 예로 들면, 도 4b에 도시된 바와 같이, 차폐로드(221)는 내측 마그넷 링(211, 212)의 극성을 최대로 가리게 됨으로써 결국 상부의 마그넷 링(211)은 N극만이 차폐로드(221) 사이의 공간을 통해 자속수집링(도 6의 231)로 전달되고, 이때 발생하는 N극의 자기력은 외부의 Hall 센서(도 1의 241)가 위치한 곳을 거쳐 하부의 자속수집링(도 2의 232)을 거쳐 하부의 마그넷 링(212)의 S극으로 흐르게 된다.

이와 같은 흐름으로 인하여 Hall 센서(241)의 주변에 자기력이 발생하게 되고 이때의 자기력의 크기에 대응하는 출력 전압값을 상기 Hall 센서(241)에서 출력하게 된다.

중립의 상태에서 최대 비틀림의 발생 시까지 마그넷 링(211, 212)과 차폐로드(221) 간의 위치변화에 따른 면적변화가 선형적으로 증가하므로 Hall 센서(241)의 주변에 형성되는 자기력값 또한 선형적으로 증가하며, 결과적으로 Hall 센서(241)에서 출력하는 전압값 또한 선형적으로 변화하는 구조를 갖는다.

그러나, 이상의 토크센서(200)에 의하면, 도 3에서와 같이 차폐로드(221)와 차폐링(222)을 성형하는 과정에서 상기 차폐로드(221)이 사이공간(S1) 및 차폐링(222)의 내부공간(S2)으로 인해 많은 양의 불필요한 부산물, 즉 스크랩(scrap)이 발생한다는 문제가 있었다.

또한, 각 차폐로드(221)의 하단부가 차폐링(222)에 의해 연결된 구조에 의할 때, 실제로는 상기 차폐링(222)으로 인해 상부 측보다 하부 측에서 더 큰 자기 차폐 효과를 일으킨다는 문제가 있었다.

본 발명의 목적은 자기차폐부의 구조를 개선하여 상,하부의 자기차폐 효과가 동일할 뿐 아니라 제조과정에서 스크랩의 발생량을 최소화할 수 있는 조향장치용 비접촉식 토크센서를 제공하는 데 있다.

상기 목적을 달성하기 위해 본 발명은, 조향장치용 비접촉식 토크센서에 있어서, 외주면을 따라 복수의 N극 자석과 S극 자석이 원주방향으로 교대로 배치되는 상부 마그넷 링과 하부 마그넷 링이 구비된 자력발생부와; 상기 자력발생부의 외측 둘레에 상기 N극 자석 또는 상기 S극 자석 중 어느 하나와 대응하여 동일한 간격으로 배치되는 복수의 차폐로드가 구비된 자기차폐부와; 상기 자기차폐부의 반경방향 외측에 배치되며, 상기 복수의 차폐로드를 통과하는 자속을 수집하는 상부 및 하부 자속수집링과, 상부 및 하부 자속수집링으로부터 연장 형성된 상부 및 하부 집자터미널이 구비된 자기수집부; 및 상기 상부 및 하부 집자터미널 사이에 위치되는 자기검출 센서부를 포함하는 것을 특징으로 하는 조향장치용 비접촉식 토크센서를 제공한다.

여기서, 상기 복수의 차폐로드는 각각 상기 상부 마그넷 링과 상기 하부 마그넷 링의 중간 지점에 위치하는 가상의 수평면을 중심으로 상하 대칭되게 형성될 수도 있다.

또한, 상기 복수의 차폐로드는 상기 자력발생부의 외측 둘레에 배치되는 원통형 수지몰드에 일체로 인서트 성형됨으로써 위치 고정되도록 할 수도 있다.

이상의 본 발명에 따른 조향장치용 비접촉식 토크센서에 의하면, 자기차폐부의 차폐기능을 수행하는 구성을 복수의 차폐로드만으로 구비함으로써 상,하부의 자기차폐 효과가 동일하도록 할 뿐 아니라 이들 차폐로드의 제조 시 스크랩의 발생량을 최소화할 수 있다.

도 1은 본 발명과 대비되는 조향장치용 비접촉식 토크센서를 도시한 분해사시도,
도 2는 도 1의 조향장치용 비접촉식 토크센서의 주요부를 도시한 부분 분해사시도,
도 3은 도 1의 조향장치용 비접촉식 토크센서를 구성하는 자기차폐부를 제조하는 과정을 설명하기 위한 평면도 및 사시도,
도 4a 및 도 4b는 도 1의 조향장치용 비접촉식 토크센서의 작동을 설명하기 위한 부분 결합 사시도,
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 조향장치용 비접촉식 토크센서를 도시한 사시도,
도 6은 도 5의 조향장치용 비접촉식 토크센서의 분해사시도,
도 7은 도 5의 조향장치용 비접촉식 토크센서의 주요부를 도시한 부분 평면도, 정면도 및 A-A선에 따른 가상 단면도,
도 8은 도 5의 조향장치용 비접촉식 토크센서의 주요부의 배치관계를 도시한 부분 정면도이다.

본 발명의 실시예에 따른 조향장치용 비접촉식 토크센서(100)는, 도 5 및 도 6에 도시된 바와 같이, 자력발생부(110), 자기차폐부(120), 자기수집부(130) 및 자기검출 센서부(140)를 포함하여 구성된다.

자력발생부(110)는 외주면을 따라 복수의 N극 자석과 S극 자석이 원주방향으로 교대로 배치되는 상부 마그넷 링(111)과 하부 마그넷 링(112)이 구비된다.

상,하부 마그넷 링(111, 112)은 몰드(113)의 외주면 상하부에 각각 일체로 성형 부착된다.

자기차폐부(120)는 상기 자력발생부(110)의 상,하부 마그넷 링(111, 112) 외측 둘레에 상기 N극 자석 또는 상기 S극 자석 중 어느 하나와 대응하여 동일한 간격으로 배치되는 복수의 차폐로드(121)를 구비한다.

이들 복수의 차폐로드(121)는 자력발생부(110)의 외측 둘레에 배치되는 원통형의 수지몰드(122)에 일체로 인서트 성형됨으로써 그 위치가 고정된다.

따라서, 본 발명과 대비되는 상기 토크센서(200)에서 채용된 연결링(222) 구조는 본 발명에서 제외된다.

자기수집부(130)는 상부 자속수집링(131)과 하부 자속수집링(132)이 원통형의 몰드(133)에 일체로 성형된 상태로 구비되며, 상부 자속수집링(131)으로부터 연장 형성되는 상부 집자터미널(133)과 하부 자속수집링(132)으로부터 연장 형성되는 하부 집자터미널(134)이 추가 형성된다.

상,하부 자속수집링(131, 132)는, 도 5 및 도 7에 도시된 바와 같이, 상기 자기차폐부(120)의 반경방향 외측에 배치된다.

자기검출 센서부(140)는, 도 5 및 도 7에 도시된 바와 같이, 상기 상부 및 하부 집자터미널(133, 134)의 사이에 위치된다.

도 8은 상기와 같은 구성을 갖는 토크센서(100)의 주요부 배치관계를 도시한 부분 정면도이다.

도시된 바와 같이, 복수의 차폐로드(121)는 상,하부 마그넷 링(111, 112)의 외측 둘레에 일정 간격으로 배치되어 해당 영역만큼의 자기차폐 기능을 수행한다.

이때, 각 차폐로드(121)는 상부 마그넷 링(111)과 하부 마그넷 링(112)의 중간 지점에 위치하는 가상의 수평면(B-B선)을 중심으로 상하 동일한 크기 및 모양으로 대칭(Symmetry)되게 형성됨으로써 상,하부 차폐 효과가 동일하게 유지하는데 더욱 기여할 수 있다.

이와 같이, 마그넷 링(111, 112)의 부분적인 차폐 기능을 담당하는 차폐로드(121)를 도시된 바와 같은 막대 모양으로 단순화함으로써 이의 제작을 위해 강판에 펀칭을 수행하는 공정으로부터 발생하게 되는 스크랩의 양을 최소화할 수 있다.

차폐로드(121)의 기능 및 이로 인한 토크센서(100)의 작동은 상기한 토크센서(200)의 경우와 동일하므로(도 4a 및 도 4b 참조), 여기에서는 이에 대한 설명을 생략하기로 한다.

한편, 이상에서 설명된 토크센서(100)는 본 발명의 이해를 돕기 위한 일 실시예에 불과할 뿐이므로 본 발명의 권리범위 내지 기술적 범위가 이에 한정되는 것으로 이해되어서는 안 된다.

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

100: 토크센서 110: 자력발생부
111: 상부 마그넷 링 112: 하부 마그넷 링
113: 몰드 120: 자기차폐부
121: 차폐로드 122: 몰드
130: 자기수집부 131: 상부 자속수집링
132: 하부 자속수집링 133: 상부 집자터미널
134: 하부 집자터미널 140: 자기검출 센서부

Claims (3)

1. 조향장치용 비접촉식 토크센서에 있어서,
   외주면을 따라 복수의 N극 자석과 S극 자석이 원주방향으로 교대로 배치되는 상부 마그넷 링과 하부 마그넷 링이 구비된 자력발생부와;
   상기 자력발생부의 외측 둘레에 상기 N극 자석 또는 상기 S극 자석 중 어느 하나와 대응하여 동일한 간격으로 배치되는 복수의 차폐로드가 구비된 자기차폐부와;
   상기 자기차폐부의 반경방향 외측에 배치되며, 상기 복수의 차폐로드를 통과하는 자속을 수집하는 상부 및 하부 자속수집링과, 상부 및 하부 자속수집링으로부터 연장 형성된 상부 및 하부 집자터미널이 구비된 자기수집부; 및
   상기 상부 및 하부 집자터미널 사이에 위치되는 자기검출 센서부를 포함하는 것을 특징으로 하는 조향장치용 비접촉식 토크센서.
2. 제1항에 있어서,
   상기 복수의 차폐로드는 각각 상기 상부 마그넷 링과 상기 하부 마그넷 링의 중간 지점에 위치하는 가상의 수평면을 중심으로 상하 대칭되게 형성되는 것을 특징으로 하는 조향장치용 비접촉식 토크센서.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상기 복수의 차폐로드는 상기 자력발생부의 외측 둘레에 배치되는 원통형 수지몰드에 일체로 인서트 성형됨으로써 위치 고정되는 것을 특징으로 하는 조향장치용 비접촉식 토크센서.

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