KR20120010695A - 자계차폐구조를 가진 토크 인덱스 센서 - Google Patents

Abstract

본 발명은 토크 센서부와 인덱스부 간에 자기장의 간섭을 차폐함으로써 작동신뢰성이 향상되고, 공간활용을 최대화할 수 있는 자계차폐구조를 가진 토크 인덱스 센서에 관한 것으로, 입력축 및 출력축을 포함하는 스티어링 시스템의 토크 인덱스 센서로서, 상기 입력축에 연결되는 로터, 상기 출력축에 연결되는 스테이터, 컬렉터 및 토크센서 자기소자를 포함하는 토크센서부, 상기 출력축과 함께 회전하는 인덱스 마그넷과 상기 인덱스 마그넷의 회전에 따라 자기장의 변화를 검출하는 인덱스 자기소자를 포함하는 인덱스부, 그리고, 상기 토크센서부와 상기 인덱스부 사이의 자계간섭을 차폐하도록 상기 토크센서부와 상기 인덱스부 사이에 개재는 차폐판을 포함하는 토크 인덱스 센서를 제공한다.

Description

자계차폐구조를 가진 토크 인덱스 센서{TORQUE INDEX SENSOR HAVING STRUCTURE FOR MAGNETIC SHIELDING}

본 발명은 스티어링 시스템의 토크 인덱스 센서에 관한 것으로, 더욱 구체적으로는 토크 센서부와 인덱스부 간에 자기장의 간섭을 차폐함으로써 작동신뢰성이 향상되고, 공간활용을 최대화할 수 있는 자계차폐구조를 가진 토크 인덱스 센서에 관한 것이다.

일반적으로 자동차는 바퀴와 연결된 스티어링 휠을 조작하여 주행 방향을 조작할 수 있도록 되어 있다. 그러나, 바퀴와 노면과의 저항이 크거나 스티어링의 장애요인 발생시 조작력이 약화되어 신속한 조작이 어려운 경우가 있고, 이를 해결하기 위해 파워스티어링 장치가 사용된다. 이러한 파워스티어링 장치는 스티어링 휠의 조작에 동력장치를 개입하여 조작의 힘을 경감시키도록 하는 장치이다.

이러한 동력장치가 스티어링 휠을 조작하는 힘에 개입하기 위해서는 조향축에 걸리는 토크나 조향각 및 조향각속도를 측정할 필요성이 있다. 스티어링 휠의 토크를 측정하는 장치로 여러가지 방식의 장치가 사용되는데, 특히 조향축에 결합된 마그네트와의 상호 자기장을 측정하여 토크를 검출하는 방식이 경제성이 우수하여 많이 사용되고 있다. 또한, 조향각이나 조향각속도를 검출하기 위해 스티어링 휠과 함께 회전하는 기어 및 이러한 기어에 맞물리는 종동기어를 채택하여 전기자기적으로 회전을 검출하는 방법이 많이 사용된다. 그러나, 이러한 조향각이나 조향각속도를 검출하는 장치는 제조 공정이 복잡하고 고장이나 오작동의 확률이 높아, 인덱스(index) 센서 방식이 사용되기도 한다.

일반적인 스티어링 구조는, 스티어링 휠이 결합되는 입력축, 바퀴측의 랙바와 치합되는 피니언에 결합되는 출력축 및 상기 입력축과 출력축를 연결하는 토션바(torshion bar)로 이루어진다.

스티어링 휠을 회전하면 출력축으로 회전력이 전달되고 피니언과 랙바의 작용에 의해 바퀴의 방향이 변화한다. 이 경우, 저항이 크게 작용하는 경우에 입력축이 더 많이 회전하게 되므로, 토션바가 비틀리게 되는데, 이러한 토션바의 비틀림 정도를 측정하는 것이 자기장 방식의 토크센서이다.

또한, 출력축과 함께 회전하는 마그네트의 회전을 감지하여 회전 각속도나 각가속도를 측정하는 것이 인덱스 센서인데, 상기 토크센서와 인덱스 센서는 함께 결합되어 일체로 구성되는 것이 일반적이다. 이를 토크 인덱스 센서(Torque Index Sensor: TIS)라고 한다.

도 1은 종래기술에 따른 토크 인덱스 센서를 나타내는 사시도이고, 도 2는 상기 토크 인덱스 센서의 토크센서부와 인덱스부의 주요부위를 나타낸 사시도이다. 도면의 상측에서 토크 인덱스 센서에 삽입되는 입력축에는 마그네트와 결합된 로터(12)가 결합되고, 상기 로터(12)는 따라서 링 형상을 하게 된다. 출력축에는 스테이터(11)가 결합되는데, 상기 스테이터(11)는 로터(12)의 외주면에서 이격되어 배치되며 축방향으로 절곡된 수직돌출편(13)을 포함한다.

로터(12)에 결합된 입력축과 스테이터(11)에 결합된 출력축의 회전량 차이에 의하여 토션바에 비틀림이 발생하면, 로터(12)와 스테이터(11)가 상대적으로 회전하게 되고, 이때 로터(12)의 외주면과 수직돌출편(13) 사이의 대향면이 변화하게 되어 자화값이 변화하게 되므로 이를 활용하면 토크를 측정할 수 있다.

이러한 자화값을 집중하기 위해 컬렉터(14)가 배치되고, 토크센서 자기소자(15)가 컬렉터(14)에 의해 집중된 자기값을 검출하게 되는 것이다.

한편, 상기 토크센서부의 하측으로는 인덱스부가 배치된다. 상기 인덱스부는 인덱스 마그넷(31)과 인덱스 자기소자(35)로 이루어지는데, 상기 인덱스 마그넷(31)은 스테이터(11)와 함께 출력축에 연결되어 함께 회전하게 된다.

상기한 토크센서부와 인덱스부는 하우징(22) 내부에서 모듈화되어 일체의 구성을 이루나 각각 다른 역할을 하게 된다. 즉, 토크센서부는 자화값의 변화에 따라 토크의 변화를 측정하여 인쇄회로기판(21)으로 검출신호를 보내고, 인덱스부는 인덱스 마그넷(31)의 회전에 따라 인덱스 자기소자(35)로부터 변화되는 자화량의 검출신호를 보내게 된다.

상기한 토크 인덱스 센서는 구조적인 단순함과 경제성을 가진 이점이 있으나, 두 종류의 자화검출장치가 인접하여 배치되는 구조를 가지기 때문에 자계간섭이 불가피한 문제가 있다. 이러한 이유로 상기 토크센서부와 인덱스부는 어느 정도의 간격을 필요로 하게 되고, 자계간섭을 회피하기 위해 일반적으로 35mm정도의 거리를 확보하여야 한다.

그러나 이러한 이유로 토크 인덱스 센서의 부피가 불필요하게 커지게 되고, 소형화를 위해서는 자계간섭을 감안해야만 하는 문제가 있었다.

이에 본 발명은 상기한 문제점을 해소하기 위하여 안출된 것으로, 토크센서부와 인덱스부의 자계간섭을 최소화할 수 있으면서도 소형화가 가능한 토크 인덱스 센서를 제공하는 데 목적이 있다.

상기한 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 토크 인덱스 센서는, 입력축 및 출력축을 포함하는 스티어링 시스템의 토크 인덱스 센서로서, 상기 입력축에 연결되는 로터, 상기 출력축에 연결되는 스테이터, 컬렉터 및 토크센서 자기소자를 포함하는 토크센서부, 상기 출력축과 함께 회전하는 인덱스 마그넷과 상기 인덱스 마그넷의 회전에 따라 자기장의 변화를 검출하는 인덱스 자기소자를 포함하는 인덱스부, 그리고, 상기 토크센서부와 상기 인덱스부 사이의 자계간섭을 차폐하도록 상기 토크센서부와 상기 인덱스부 사이에 개재는 차폐판을 포함하는 토크 인덱스 센서를 제공한다.

또한, 본 발명에 따른 토크 인덱스 센서는, 상기 차폐판은 상기 컬렉터의 하부에 배치되며, 상기 인덱스 마그넷이 상기 컬렉터의 하부에 위치하면 상기 인덱스 마그넷으로의 자계간섭을 차폐할 수 있도록 상기 컬렉터의 형상에 대응되는 형상을 가진 토크 인덱스 센서를 제공한다.

또한, 본 발명에 따른 토크 인덱스 센서는, 상기 차폐판은 상기 토크센서 자기소자가 배치된 부위까지 연장되어 형성되며, 상기 인덱스 마그넷의 자계간섭으로부터 상기 컬렉터 및 상기 토크센서 자기소자를 차폐하는 토크 인덱스 센서를 제공한다.

또한, 본 발명에 따른 토크 인덱스 센서는, 상기 토크 인덱스 센서의 외형을 형성하며, 상기 토크센서부, 상기 인덱스부 및 상기 차폐판을 내부에 수용하며 지지하는 하우징을 더 포함하는 토크 인덱스 센서를 제공한다.

또한, 본 발명에 따른 토크 인덱스 센서는, 상기 자기소자는 홀 소자(Hall IC)인 토크 인덱스 센서를 제공한다.

전술한 내용과 같이 구성된 본 발명에 따른 스티어링 시스템의 토크센서는 토크센서부와 인덱스부 사이에 자계 차폐 구조를 가짐으로써, 상호간의 자계간섭을 최소화할 수 있으면서도 소형화가 가능한 토크 인덱스 센서가 제공되는 이점이 있다.

도 1은 종래기술에 따른 토크 인덱스 센서를 나타내는 사시도.
도 2는 종래기술에 따른 토크 인덱스 센서의 주요부위를 나타내는 사시도.
도 3은 본 발명에 따른 토크 인덱스 센서를 나타내는 사시도.
도 4는 종래기술에 따른 토크 인덱스 센서와 본 발명에 따른 토크 인덱스 센서의 자계간섭을 시각적으로 나타낸 도면.
도 5는 도 4에 나타난 A와 B 지점간에 자속의 차이를 나타내는 그래프.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 토크 인덱스 센서를 상세히 설명한다.

도 3은 본 발명에 따른 토크 인덱스 센서를 나타내는 사시도이다.

종래기술에 나타난 바와 같이 본 발명에 따른 토크 인덱스 센서는 외형을 형성하는 하우징 내부에 토크센서부와 인덱스부가 모듈화되어 결합된다.

토크센서부는 일반적으로 링 형상의 로터(112), 상기 로터(112)의 외주면에 결합되는 마그넷(미도시), 상기 로터(112)의 외주면에 이격되어 배치되는 스테이터(111), 상기 스테이터(111)의 일측에 결합되어 자기변화를 집약하는 컬렉터(114) 및 컬렉터(114)에 연결되어 자기변화를 검출하는 토크센서 자기소자(115)로 구성된다.

상기 로터(112)는 링 형상으로 형성되는데, 일반적으로 입력축의 외주면에 배치되어 함께 회전하도록 결합된다. 또한, 스테이터(111)는 출력축에 연결되어 함께 회전하도록 결합된다. 바퀴의 저항으로 인해 입력축과 출력축의 회전량이 다른 경우 토션이 발생한 것으로 이해할 수 있고, 이 차이를 자기장으로 측정하게 됨은 상기한 바와 같다. 다만, 로터(112)가 출력축에 연결되고 스테이터(111)가 입력축에 연결될 수 있음은 물론이다.

또한, 상기 스테이터(111)로부터 축방향으로 절곡된 돌출편(113)은 로터(112)의 외주면에 배치된 마그네트와의 상대적인 회전에 따라 자화값이 변화하게 된다. 스테이터(111)의 일측에는 컬렉터(114)가 배치되는데, 변화되는 자화량은 상기 컬렉터(114)에 집중된다.

상기 컬렉터(114)의 일부분에는 토크센서 자기소자(115)가 배치된다. 상기 토크센서 자기소자(115)는 컬렉터(114)에 전기적으로 접촉되고 로터(112)의 마그네트와 돌출편(113)의 자기 상호 작용에 의해 자화된 스테이터(111)의 자화량을 검출한다.

상기 토크센서 자기소자(115)는 바람직하게는 자기장의 세기를 감지할 수 있도록 홀소자(Hall IC)로 이루어진다.

상기와 같은 토크센서부의 하측에는 인덱스부가 배치되는데, 인덱스 마그넷(131)과 인덱스 자기소자(135)로 이루어진다. 상기 인덱스 마그넷(131)은 스테이터(111)와 함께 출력축에 연결되어 함께 회전하는 것이 일반적이다. 또한, 인덱스 자기소자(135)의 형상은 로터(112)의 마그넷과는 달리 원주방향으로 소정의 길이만 가지도록 이루어지는데, 따라서 단면상 호 형상을 이루게 된다.

따라서, 토크센서 자기소자(115)에 인접하여 배치된 인덱스 자기소자(135)는 출력축의 회전에 따라 인덱스 마그넷(131)과 인접하고 멀어지는 과정을 반복하게 되고, 인접하는 과정에서 자화량의 변화가 발생한다. 인덱스 자기소자(135)는 이러한 자화량의 변화를 검출하여 회전각속도 및 각가속도를 알고리즘에 의하여 분속할 수 있도록 검출신호를 출력한다. 즉, 인덱스부는 360도를 주기로 임펄스(impulse) 신호를 출력하게 된다.

상기와 같은 토크센서부와 인덱스부가 상호 인접하여 배치되는 관계로 자계간섭이 일어나게 됨은 상기한 바와 같다. 따라서, 본 발명의 개념에 따라 상기 토크센서부와 인덱스부 사이에는 자계간섭을 차폐할 수 있도록 차폐판(140)이 배치된다.

더욱 구체적으로는 상기 인덱스 마그넷(131)의 회전에 따라 컬렉터(114) 부위에서 축방향으로 바라볼 때 일치하는 경우가 발생하고, 컬렉터(114)에 인덱스 마그넷(131)으로부터의 자속이 통과하는 경우가 발생하게 된다. 이러한 경우 상하측에 배치된 각각의 컬렉터(114)의 자화값의 차이가 발생하게 되고, 토크센서 자기소자(115)에 검출된 신호가 부정확한 값으로 출력되므로 회전토크의 오차가 발생하는 원인이 된다.

따라서, 이러한 경우를 방지하기 위해 바람직하게는 상기 차폐판(140)은 컬렉터(114)의 하측에 배치된다. 차폐판(140)은 판재로 이루어지며 인덱스 마그넷(131)으로부터의 자속을 상방으로 차폐하여야 하기 때문에 자성체로 이루어진다.

더욱 바람직하게는 상기 차폐판(140)은 컬렉터(114)의 형상에 대응되는 형상으로 형성된다. 차폐판(140)은 인덱스 마그넷(131)의 회전에 따라 컬렉터(114)와 교차하는 부위에서만 자속을 차단하면 족하다. 따라서, 차폐판(140)은 컬렉터(114)의 형상에 대응되게 형성되되 조금 더 큰 면적으로 형성된다.

또한, 상기 차폐판(140)은 토크센서 자기소자(115)에 이르는 부위까지 자속을 차폐할 수 있도록 일측으로 연장되어 형성될 수 있다. 다만, 차폐판(140)은 상기한 바와 같이 컬렉터(114)가 배치된 부위에만 형성될 수도 있지만, 스테이터(111)의 하측 전반에 걸쳐 대부분의 자속의 영향을 차폐하도록 형성될 수도 있다. 이 경우 차폐판(140)은 대략 링 모양의 판 형상을 이루게 된다.

상기와 같이 토크센서부와 인덱스부 사이에 차폐판이 설치됨에 따라 컬렉터에 인덱스 마그넷으로부터의 자속 영향이 현저하게 줄어들 수 있게 된다. 보다 구체적으로는, 상부 스테이터와 하부스테이터를 연결하는 상부 컬렉터 및 하부 컬렉터의 자화값의 차이가 줄어들게 되고, 이는 토크데이터의 정확도가 향상됨을 의미한다.

도 4는 종래기술에 따른 토크 인덱스 센서와 본 발명에 따른 토크 인덱스 센서의 자화량을 시각적으로 나타내는 도면이다.

도 4의 상부 좌측 도면은 종래기술의 토크 인덱스 센서의 자화량을 나타내고, 상부 우측 도면은 본 발명의 토크 인덱스 센서의 자화량을 나타낸다. 하부 도면은 색의 차이에 따른 자화량을 나타내는 도면이다.

도면에서 A지점은 각각 상측에 배치된 컬렉터 부위를 나타내며, B지점은 하측에 배치된 컬렉터 부위를 나타낸다. 양쪽의 모델 모두 하측 부위의 자화량이 더 크게 즉, 밝게 나타나는데 이는 컬렉터의 하측에 배치된 인덱스 마그넷의 자속의 영향에 기인한다.

그런데, 종래기술과는 달리 우측의 본 발명에 따른 토크 인덱스 센서의 상하측 컬렉터의 색상 차이는 현저하게 줄어드는 것을 확인할 수 있다. 즉, 컬렉터(114)의 하측에 배치된 차폐판(140)이 자속을 흡수하여 하측 컬렉터(114)에 인덱스 마그넷(131)의 영향을 최소화시키게 되는 것이다.

도 5는 이러한 A지점과 B지점의 자화량 차이를 그래프로 나타낸 도면이다. 마름모의 점을 연결한 그래프는 본 발명에 따른 토크 인덱스 센서의 A지점과 B지점의 자화량 변화를 나타내며, 정사각형의 점을 연결한 그래프는 종래기술을 나타낸다. 가로축은 컬렉터의 지점의 위치를 나타내며 세로축은 자속밀도를 나타낸다.

도면에서 확인할 수 있는 바와 같이 본 발명의 개념에 따라 컬렉터(114)의 하측에 차폐판(140)이 위치하는 경우 상하측의 컬렉터의 자화량의 차이는 현저하게 줄어들게 된다. 본 발명의 경우 A지점과 B지점의 자화량의 차이는 실험적으로 대략 2.97% 정도이며, 종래기술의 경우는 대략 6.80%로 나타난다.

상기와 같이 구성되는 본 발명에 따른 토크 인덱스 센서는 토크센서부와 인덱스부 사이에 차폐판이 배치되므로, 인덱스 마그넷에 의한 불필요한 컬렉터로의 자계간섭을 차폐할 수 있으므로, 토크센서의 정확도를 향상시킬 수 있으며 구조적으로도 컴팩트화가 가능한 이점이 있다.

이상에서, 본 발명은 실시예 및 첨부도면에 기초하여 상세히 설명되었다. 그러나, 이상의 실시예들 및 도면에 의해 본 발명의 범위가 제한되지는 않으며, 본 발명의 범위는 후술한 특허청구범위에 기재된 내용에 의해서만 제한될 것이다.

111...스테이터 112...로터
113...돌출편 114...컬렉터
115...토크센서 자기소자 131...인덱스 마그넷
135...인덱스 자기소자 140...차폐판

Claims (5)

1. 입력축 및 출력축에 연결되는 스티어링 시스템의 토크 인덱스 센서로서,
   상기 입력축에 연결되며 로터, 상기 출력축에 연결되는 스테이터, 컬렉터 및 토크센서 자기소자를 포함하는 토크센서부;
   상기 출력축과 함께 회전하는 인덱스 마그넷과 상기 인덱스 마그넷의 회전에 따라 자기장의 변화를 검출하는 인덱스 자기소자를 포함하는 인덱스부; 그리고,
   상기 토크센서부와 상기 인덱스부 사이의 자계간섭을 차폐하도록 상기 토크센서부와 상기 인덱스부 사이에 개재는 차폐판;을 포함하는 토크 인덱스 센서.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 차폐판은 상기 컬렉터의 하부에 배치되며, 상기 인덱스 마그넷이 상기 컬렉터의 하부에 위치하면 상기 인덱스 마그넷으로의 자계간섭을 차폐할 수 있도록 상기 컬렉터의 형상에 대응되는 형상을 가진 토크 인덱스 센서.
   
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상기 차폐판은 상기 토크센서 자기소자가 배치된 부위까지 연장되어 형성되며, 상기 인덱스 마그넷의 자계간섭으로부터 상기 컬렉터 및 상기 토크센서 자기소자를 차폐하는 토크 인덱스 센서.
   
4. 제1항에 있어서,
   상기 토크 인덱스 센서의 외형을 형성하며, 상기 토크센서부, 상기 인덱스부 및 상기 차폐판을 내부에 수용하며 지지하는 하우징;을 더 포함하는 토크 인덱스 센서.
   
5. 제1항에 있어서,
   상기 자기소자는 홀 소자(Hall IC)인 토크 인덱스 센서.

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