KR20130063214A - 스티어링 칼럼의 비틀림을 측정하기 위한 토크센서 및 이를 이용한 측정방법 - Google Patents

스티어링 칼럼의 비틀림을 측정하기 위한 토크센서 및 이를 이용한 측정방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 스티어링 칼럼의 비틀림을 측정하기 위한 토크센서 및 이를 이용한 측정방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 마그네트에 의해 자화된 스테이터부의 자기플럭스를 일방으로 흘러가도록 구비하여 히스테리시스 손실을 최소화하여 측정의 정밀도를 향상시킨 스티어링 칼럼의 비틀림을 측정하기 위한 토크센서 및 이를 이용한 측정방법에 관한 것이다.
본 발명에 따른 스티어링 칼럼의 비틀림을 측정하기 위한 토크센서는 입력 샤프트와 출력 샤프트가 동축으로 연결된 스티어링 칼럼의 비틀림을 측정하기 위한 토크센서로서, 상기 입력 샤프트와 출력 샤프트 중 어느 하나에는 복수의 마그네트가 구비된 로터부가 설치되고 다른 하나에는 상기 복수의 마그네트와 대응하는 투스가 형성된 스테이트부가 설치되며, 상기 로터부와 스테이터부는 자기플럭스가 일방으로 흘러가도록 구비되고, 상기 일방으로 흘러가는 자기플럭스의 자속밀도를 검출하여 스티어링 칼럼의 비틀림을 측정할 수 있도록 구비된다.

Description

스티어링 칼럼의 비틀림을 측정하기 위한 토크센서 및 이를 이용한 측정방법{The Torque sensor for measuring torsion of the steering column}
본 발명은 스티어링 칼럼의 비틀림을 측정하기 위한 토크센서 및 이를 이용한 측정방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 마그네트에 의해 자화된 스테이터부의 자기플럭스를 일방으로 흘러가도록 구비하여 히스테리시스 손실을 최소화하여 측정의 정밀도를 향상시킨 스티어링 칼럼의 비틀림을 측정하기 위한 토크센서 및 이를 이용한 측정방법에 관한 것이다.
본 발명의 토크센서는 전자식 파워 스티어링 시스템에 사용되는 비접촉식 토크센서로서, 조향핸들과 바퀴의 회전편차를 측정하기 위해 설치되는 비접촉식 토크센서이다.
일반적으로 차량은 조향핸들을 회전시키면 이에 연동되어 바퀴가 함께 회전하게 된다. 즉, 상기 조향핸들을 좌측 방향으로 회전시켜면 바퀴는 좌측 방향으로 회전하게 되고, 조향핸들을 우측 방향으로 회전시키면 바퀴는 우측 방향으로 회전하게 된다.
하지만 바퀴는 노면과 접촉된 상태이기 때문에 바퀴와 노면의 마찰력에 의해 조향핸들의 회전각이 서로 상이하게 된다.
다시 말해, 차량의 스티어링 시스템은 조향핸들을 회전시켜 바퀴를 조향하는는 데, 바퀴와 노면 사이에 마찰력이 작용하기 때문에 조향핸들과 바퀴의 회전각이 서로 상이하므로 회전편차가 발생하게 되는 것이다.
이러한 문제를 감안하여 최근 대부분의 스티어링 시스템은 토크센서를 이용해 회전편차를 측정하고, 측정된 회전편차만큼 출력 샤프트에 별도의 회전 동력을 제공하여 회전편차를 보상하는 전자식 파워 스티어링 시스템(EPS : Electronic Power Steering)을 채택하고 있다.
즉, 상기 전자식 파워 스티어링 시스템은 토크센서를 이용하여 조향핸들과 바퀴의 회전편차를 측정하고, 이 측정된 회전편차만큼 별도의 동력수단을 이용하여 바퀴를 회전시키므로 차량을 진행하고자 하는 방향으로 안전하고 정확하게 조향할 수 있도록 하는 시스템이다.
도 1은 종래의 전자식 파워 스티어링 시스템의 개략적인 구성을 도시한 단면도로서, 도시된 바와 같이, 스티어링 컬럼(column)에는 조향핸들이 결합되는 입력 샤프트(inputshaft)(10), 바퀴측 타이로드의 랙바와 치합되는 피니언 기어(21)에 결합되는 출력 샤프트(output shaft)(20) 및 입력 샤프트(10)와 출력 샤프트(20)를 동축으로 연결하는 토션바(torsion bar)(30)로 이루어진다.
상기 전자식 파워 스티어링 시스템은 바퀴와 노면 간의 저항이 큰 경우 출력 샤프트(20)에 비해 입력 샤프트(10)가 더 많이 회전하여 토션바(30)가 비틀리게 된다. 이 때 토션바(30)의 비틀림은 요철 타입의 자성체 검출링(41,42,43)에 마련된 토크센서에 의해 검출되어 전기신호로 전자제어유닛에 입력되고, 전자제어유닛에서 입력된 전기신호는 연산되어 보조동력장치를 가동시키므로 부족한 만큼의 출력 샤프트(20) 회전각을 보상하게 된다.
이러한 전자식 파워 스티어링 시스템에 널리 사용되는 토크센서로는 스트레인 게이지(strain gauge), 포텐시오미터(potentiometer) 등과 같이 토션바의 변형을 직접적으로 측정하는 접촉식 센서와, 자기나 광학적인 방법으로 토션바의 변형을 간접적으로 측정하는 비접촉식 센서가 있다.
도 2에는 종래기술에 따른 비접촉식 토크센서의 분해사시도로서 주요 구성이 도시되어 있다. 도면을 참조하면, 종래의 비접촉식 토크센서는 입력 샤프트가 결합되고 N극과 S극이 번갈아 원주방향으로 분극된 다극자석(51)이 배열된 링 형상의 로터(rotor)(50)와, 출력 샤프트에 결합되고 다극자석(51)과 대응하는 돌출편(52a, 53a)과 그에 대하여 상대적으로 요입된 요부(52b, 53b)가 형성된 상하로 분할된 스테이터(stator)(52, 53)로 이루어진다. 아울러 상기 스테이터(52, 53) 사이에는 자기플럭스가 흘러가는 회로를 형성하도록 콜렉터 구조부(30)가 설치된다. 이러한 비접촉식 토크센서는 조향핸들이 회전에 의해 토션바가 비틀리게 되면 로터(50)와 스테이터(52, 53)가 상대적으로 회전하게 되고, 이 때 다극자석(51)과 돌출편(52a, 52b)의 상대적인 위치가 변화하게 된다. 따라서 비접촉식 토크센서는 콜렉터 구조부(30)에 흘러가는 자기플럭스의 자속밀도를 검출하여 입력 샤프트와 출력 샤프트의 회전편차를 측정할 수 있다.
도 3a 내지 도 3c는 도 2에 도시된 비접촉식 토크센서의 돌출편과 로터의 위치에 따른 자기플럭스의 흐름을 도식적으로 나타낸 도면으로서, 도 3a에 도시된 바와 같이 돌출편(52a, 52b)이 N극과 S극에 동일한 면적으로 중첩되어 있으면 콜렉터부(30)에 자기플럭스가 거의 흘러가지 않는다.
하지만 도 3b에 도시된 바와 같이 상부 스테이터(52) 돌출편(52a)에 N극이 중첩되고, 하부의 스테이터(53) 돌출편(53a)에 S극이 중첩되면 N극에서 발산된 자기플럭스는 상부 스테이터(52)의 돌출편(52a)을 통해 상부 스테이터(52)로 흘러가고 상부 스테이터(52)로 흘러온 자기플럭스는 콜렉터부(30)를 통하여 하부 스테이터(53)로 흘러간 후 S극으로 수렴된다. 즉 상기 도 3b와 같은 경우 콜렉터부(30)에 흐르는 자기플럭스는 하방으로 흘러간다.
또한 도 3c에 도시된 바와 같이 상부 스테이터(52)의 돌출편(52a)에 S극이 중첩되고 하부 스테이터(53)의 돌출편(53a)에 N극이 중첩되면 N극에서 발산된 자기플럭스는 하부 스테이터(53)의 돌출편(53a)을 통해 하부 스테이터(53)로 흘러가고, 하부 스테이터(53)로 흘러온 자기플럭스는 콜렉터부(30)를 통하여 상부 스테이터(52)로 흘러간 후 S극으로 수렴된다. 즉 상기 도 3c와 같은 경우 콜렉터부(30)에 흐르는 자기플럭스는 상방으로 흘러간다.
따라서 상기 콜렉터부(30)에 설치되어 자기플럭스의 자속밀도를 측정하는 자기센서는 로터의 회전에 따라 자기플럭스의 방향이 상방과 하방으로 교번되므로 히스테리시스 손실이 커지게 되는 문제점이 있다.
상기의 문제점을 해결하기 위하여 본 발명은 로터부와 스테이터부 사이에 일방향으로 자기플럭스가 흘러가도록 구비하여 자기플럭스의 방향전환에 따른 히스테리시스 손실을 최소화하도록 구비된 스티어링 칼럼의 비틀림을 측정하기 위한 토크센서 및 이를 이용한 측정방법을 제공하는 데 목적이 있다.
또한 본 발명은 상기와 같이 히스테리시스 손실이 최소화되므로 측정의 정밀도가 향상된 스티어링 칼럼의 비틀림을 측정하기 위한 토크센서 및 이를 이용한 측정방법을 제공하는 데 목적이 있다.
아울러 본 발명은 스테이터부의 투스 사이에 차폐자성체를 설치하여 자기플럭스의 분산을 최소화하고 자기플럭스를 집적함에 따라 측정의 정밀도가 더욱 향상된 스티어링 칼럼의 비틀림을 측정하기 위한 토크센서 및 이를 이용한 측정방법을 제공하는 데 목적이 있다.
또한 본 발명은 로터부를 회전시켜 스테이터부의 회전편차에 따른 자속밀도의 변화량을 산출하고, 산출된 변화량의 선형구간 중심점을 중립점으로 선정하므로 측정의 정확도를 향상시킨 스티어링 칼럼의 비틀림을 측정하기 위한 토크센서 및 이를 이용한 측정방법을 제공하는 데 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일측면에 따른 스티어링 칼럼의 비틀림을 측정하기 위한 토크센서는 입력 샤프트와 출력 샤프트가 동축으로 연결된 스티어링 칼럼의 비틀림을 측정하기 위한 토크센서로서, 상기 입력 샤프트와 출력 샤프트 중 어느 하나에는 복수의 마그네트가 구비된 로터부가 설치되고 다른 하나에는 상기 복수의 마그네트와 대응하는 투스가 형성된 스테이트부가 설치되며, 상기 로터부와 스테이터부는 자기플럭스가 일방으로 흘러가도록 구비되고, 상기 일방으로 흘러가는 자기플럭스의 자속밀도를 검출하여 스티어링 칼럼의 비틀림을 측정할 수 있도록 구비된다.
여기서 상기 로터부에 형성된 마그네트와 상기 스테이터부에 형성된 투스의 중첩된 면적이 최대일 때 상기 로터부와 스테이터부 사이에 일방으로 흘러가는 자기플럭스의 자속밀도가 최대가 되도록 구비된 것이 바람직하다.
아울러 상기 스테이터부의 투스 사이에 차폐자성체가 구비되는 것이 바람직하다.
또한 상기 로터부에 형성된 마그네트와 상기 스테이터부에 형성된 투스의 중첩된 면적이 최대일 때 상기 로터부와 스테이터부 사이에 일방으로 흘러가는 자기플럭스의 자속밀도가 최대가 되도록 구비되는 것이 더욱 바람직하다.
더불어 상기 로터부에 형성된 마그네트와 상기 스테이터부에 형성된 차폐자성체의 중첩된 면적이 최대일 때 상기 로터부와 상기 스테이터부 사이에 일방으로 흘러가는 자기플럭스의 자속밀도가 최소가 되도록 구비되는 것이 더욱 바람직하다.
또한 상기 로터부와 스테이터부 사이에 일방으로 자기플럭스가 흘러가도록 상기 스테이터부가 상하로 분할되는 것이 바람직하다.
여기서 상기 상하로 분할된 스테이터부의 투스는 서로를 향하여 연장되도록 구비되는 것이 바람직하다.
또한 상기 상하로 분할된 스테이터부를 자기적으로 연결하는 콜렉터부가 더 설치된 것이 바람직하다.
또한 상기 콜렉터부에 자기플럭스의 자속밀도를 검출하기 위하여 자기센서가 더 설치되는 것이 바람직하다.
아울러 상기 스테이터부는 단면이 외측으로 절곡형성되는 것이 바람직하다.
또한 상기 로터부에 형성된 마그네트는 수직방향으로 분극된 것이 바람직하다.
여기서 상기 마그네트의 N극에서 발산된 자기플럭스를 유도하여 상기 스테이터부를 통해 S극으로 수렴되도록 상기 마그네트의 상하부에 설치된 앵글형상의 자성체를 더 포함하는 것이 바람직하다.
또한 상기 로터부와 상기 스테이터부 사이에 일방으로 자기플럭스가 흘러가도록 상기 스테이터부가 반경방향 내외측으로 분할되는 것이 바람직하다.
여기서 상기 반경방향 내외측으로 분할된 스테이터부의 투스는 절곡되어 서로를 향하여 연장되도록 구비된 것이 바람직하다.
아울러 상기 상하로 분할된 스테이터부를 자기적으로 연결하는 콜렉터부가 더 설치된 것이 바람직하다.
더불어 상기 콜렉터부에 자기플럭스의 자속밀도를 검출하기 위하여 자기센서가 더 설치되는 것이 바람직하다.
또한 상기 로터부에 형성된 마그네트는 반경방향 내외측으로 분극되는 것이 바람직하다.
본 발명의 다른 측면에 따른 스티어링 칼럼의 비틀림을 측정하는 방법은 상기 기재된 스티어링 칼럼의 비틀림을 측정하기 위한 토크 센서를 이용하여 스티어링 칼럼의 비틀림을 측정하는 방법으로서, 상기 로터부와 스테이터부의 회전편차에 따른 자속밀도의 변화를 검출하여 회전편차에 따른 자속밀도의 변화율이 선형인 구간의 중심점을 중립각으로 설정하도록 구비된다.
상기와 같이 본 발명에 따른 스티어링 칼럼의 비틀림을 측정하기 위한 토크센서 및 이를 이용한 측정방법은 로터부와 스테이터부 사이에 일방향으로 자기플럭스가 흘러가도록 구비하여 자기플럭스의 방향전환에 따른 히스테리시스 손실을 최소화할 수 있다.
또한 본 발명에 따른 스티어링 칼럼의 비틀림을 측정하기 위한 토크센서 및 이를 이용한 측정방법은 상기와 같이 히스테리시스 손실이 최소화되므로 측정의 정밀도가 향상된다.
아울러 본 발명에 따른 스티어링 칼럼의 비틀림을 측정하기 위한 토크센서 및 이를 이용한 측정방법은 스테이터부의 투스 사이에 차폐자성체를 설치하여 자기플럭스의 분산을 최소화하고 자기플럭스를 집적함에 따라 측정의 정밀도가 더욱 향상된다.
또한 본 발명에 따른 스티어링 칼럼의 비틀림을 측정하기 위한 토크센서 및 이를 이용한 측정방법은 로터부를 회전시켜 스테이터부의 회전편차에 따른 자속밀도의 변화량을 산출하고, 산출된 변화량의 선형구간 중심점을 중립점으로 선정하므로 측정의 정확도를 향상시킨다.
도 1은 전자식 파워 스티어링 시스템의 개략적인 구성을 도시한 단면도이다.
도 2는 종래기술에 따른 비접촉식 토크센서의 분해사시도이다.
도 3a 내지 도 3c는 도 2에 도시된 비접촉식 토크센서의 돌출편과 로터의 위치에 따른 자기플럭스의 흐름을 도식적으로 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 제1실시예에 따른 스티어링 칼럼의 비틀림을 측정하기 위한 토크센서를 나타내는 평면도이다.
도 5는 본 발명의 제1실시예에 따른 스티어링 칼럼의 비틀림을 측정하기 위한 토크센서를 나타내는 사시도이다.
도 6은 본 발명의 제1실시예에 따른 토크센서의 마그네트와 투스의 중첩된 면적이 최대인 상태의 자기플럭스 흐름을 나타내기 위한 단면도이다.
도 7은 본 발명의 제1실시예에 따른 토크센서의 마그네트와 차폐자성체의 중첩된 면적이 최대인 상태의 자기플럭스 흐름을 나타내기 위한 단면도이다.
도 8은 본 발명의 제1실시예에 따른 토크센서를 이용한 스티어링 칼럼의 비틀림에 의한 회전편차의 경향을 예측한 그래프이다.
도 9는 본 발명의 제2실시예에 따른 스티어링 칼럼의 비틀림을 측정하기 위한 토크센서를 나타내는 사시도이다.
도 10은 본 발명의 제2실시예에 따른 토크센서의 마그네트와 투스의 중첩된 면적이 최대인 상태의 자기플럭스 흐름을 나타내기 위한 단면도이다.
도 11은 본 발명의 제2실시예에 따른 토크센서의 마그네트와 차폐자성체의 중첩된 면적이 최대인 상태의 자기플럭스 흐름을 나타내기 위한 단면도이다.
도 12는 본 발명의 제2실시예에 따른 스티어링 칼럼의 비틀림을 측정하기 위한 토크센서의 다른 형태의 스테이터부를 갖는 토크센서를 나타내는 사시도이다.
도 13은 본 발명의 제3실시예에 따른 스티어링 칼럼의 비틀림을 측정하기 위한 토크센서를 나타내는 사시도이다.
도 14는 본 발명의 제3실시예에 따른 토크센서의 마그네트와 투스의 중첩된 면적이 최대인 상태의 자기플럭스 흐름을 나타내기 위한 단면도이다.
도 15는 본 발명의 제3실시예에 따른 토크센서의 마그네트와 차폐자성체의 중첩된 면적이 최대인 상태의 자기플럭스 흐름을 나타내기 위한 단면도이다.
이하, 본 발명에 따른 스티어링 칼럼의 비틀림을 측정하기 위한 토크센서의 실시예를 첨부도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.
[제1실시예]
도 4는 본 발명의 제1실시예에 따른 스티어링 칼럼의 비틀림을 측정하기 위한 토크센서를 나타내는 평면도이고, 도 5는 본 발명의 제1실시예에 따른 스티어링 칼럼의 비틀림을 측정하기 위한 토크센서를 나타내는 사시도이다.
도 4에 도시된 바와 같이 스티어링 칼럼의 비틀림을 측정하기 위한 토크센서는 로터부(100)와, 상기 로터부(100)의 외측에 설치된 스테이터부(200)로 이루어진다.
여기서 상기 로터부(100)와 스테이터부(200)는 동축에 형성된 입력 샤프트(미도시)와 출력 샤프트(미도시)중 어느 하나에만 연결되도록 구비된다.
도 5에 도시된 바와 같이 상기 스테이터부(200)는 상기 입력 샤프트와 출력 샤프트 중 하나의 샤프트에 결합되어 일체로 회전한다. 상기 스테이터부(200)는 상하로 분할되어 동축 상에 이격되어 배치된다. 따라서 상기 스테이터부(200)는 상부 스테이터부(210)와 하부 스테이터부(220)로 이루어진다. 여기서 상기 각 스테이터부(210, 220)는 서로를 향하여 대응하도록 연장되는 복수의 투스(210a, 220a)가 형성된다. 즉, 상부 스테이터부(210)의 투스(210a)는 하방으로 연장하고, 이에 대응하여 하부 스테이터부(220)의 투스(220a)는 상방으로 연장하여 선단이 서로 마주보게 된다. 여기서 서로 대응하는 상부 스테이터부(210)의 투스(210a) 선단과 하부 스테이터부(220)의 투스(220a) 선단 사이에는 간극이 형성되어 있다. 또한 서로 마주보는 복수의 투스(210a, 220a)의 사이에 형성된 공간에는 차폐자성체(230)가 설치된다. 상기 차폐자성체(230)는 후술하는 마그네트(110)에서 발생한 자기플럭스를 유도하게 된다. 여기서 각 스테이터부(210, 220)와 차폐자성체(230)는 절연물에 의해서 인서트 성형되므로 제조시에 형성된 배치구조가 변하지 않는다.
아울러 상기 상부 스테이터부(210)와 하부 스테이터부(220) 사이에는 각 스테이터부(210, 220)를 자기적으로 연결하는 콜렉터부(240)가 설치된다. 상기 콜렉터부(240)는 일단이 상부 스테이터부(210)에 연결되고 타단이 하부 스테이터부(220)에 연결되어 상부 스테이터부(210)와 하부 스테이터부(220) 사이의 자기통로 역할을 한다. 여기서 상기 콜렉터부(240)에는 상기 콜렉터부(240)를 흘러가는 자기플럭스의 자속밀도를 검출하기 위한 자기센서(250)가 설치된다.
도 5에 도시된 바와 같이 상기 로터부(100)는 상기 입력 샤프트와 출력 샤프트 중 상기 스테이터부(200)가 결합되지 않은 샤프트에 결합되어 일체로 회전한다. 상기 로터부(100)는 상기 각 스테이터부(210, 220)에 형성된 복수의 투스(210a, 220a)와 동일한 간격으로 복수개의 마그네트(110)가 형성된다. 여기서 상기 마그네트(110)는 수직방향으로 분극된 마그네트로서 본 실시예에서는 상부는 N극이고 하부가 S극으로 분극되어 있다. 여기서 상기 마그네트(110)는 절연물에 의해서 인서트 성형되므로 제조시에 형성된 배치구조가 변하지 않는다. 본 실시예에서 상부는 N극이고 하부는 S극으로 분극되어 있지만 필요에 따라 N극과 S극의 위치를 바꿀 수 있음은 물론이다.
여기서 상기 마그네트(110)의 N극에서 발산된 자기플러스는 마그네트(110)와 각 스테이터부(210, 220)의 투스(210a, 220a) 및 차폐자성체(230)의 상대적 위치에 따라 흘러가는 양이 달라진다. 도 6는 본 발명의 제1실시예에 따른 토크센서의 마그네트와 투스의 중첩된 면적이 최대인 상태의 자기플럭스 흐름을 나타내기 위한 단면도이고, 도 7은 본 발명의 제1실시예에 따른 토크센서의 마그네트와 차폐자성체의 중첩된 면적이 최대인 상태의 자기플럭스 흐름을 나타내기 위한 단면도이다
도 6에 도시된 바와 같이 상기 마그네트(110)와 상기 투스(210a, 220a)의 중첩되는 면적이 최대일 경우 N극에서 발산된 자기플럭스는 상부 스테이터부(210)의 투스(210a)를 통하여 콜렉터부(240)로 흘러가고, 콜렉터부(240)에 흘러온 자기플럭스는 하부 스테이터부(220)의 투스(220a)를 통해 S극으로 수렴된다. 이 때 상기 콜렉터부(240)에서 검출된 자속밀도는 최대가 된다. 반면에 도 7에 도시된 바와 같이 상기 마그네트(110)와 상기 차폐자성체(230)의 중첩되는 면적이 최대일 경우 N극에서 발산한 자기플럭스는 차폐자성체(230)로 흘러가고 차페자성체(230)에 흘러온 자기플럭스는 S극으로 수렴된다. 이 때 상기 콜렉터부(240)에서 검출된 자속밀도는 최소가 된다.
즉, 상기 자기센서(250)에서 검출된 자속밀도는 각 스테이터부(210, 220)의 투스와 중첩되는 마그네트(110)의 면적과, 상기 차폐자성체(230)와 중첩되는 마그네트의 면적(110)의 비율에 의해서 결정된다. 따라서 상기 자기센서(250)에서 검출되는 자속밀도의 크기를 통해 로터부(100)와 스테이터부(200)의 회전편차를 알 수 있다. 여기서 상기 자기센서(250)에 흐르는 자기플럭스는 상부 스테이터부(210)에서 하부 스테이터부(220)의 일방향으로만 흘러가므로 히스테리손실을 최소화할 수 있다.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 토크센서를 이용한 스티어링 칼럼의 비틀림에 의한 회전편차의 경향을 예측한 그래프이다.
도 8에서 X축은 비틀림각을 나타내며, Y축은 자기센서에서 검출된 자기플럭스의 자속밀도로 나타낸 것이다.
상기 도 8에 도시된 바와 같이 자기센서에서 검출된 자기플럭스의 자속밀도와 비틀림각은 서로 반비례한다. 여기서 자기플럭스의 자속밀도와 비틀림각이 선형을 이루는 구간은 자기플럭스의 자속밀도가 y1 내지 y2인 구간이다. 이에 대응하는 선형을 이루는 비틀림각 구간은 비틀림각이 x1 과 x2 사이의 구간이다. 따라서 선형을 이루는 구간의 중간점인 x0를 중립각으로 하여 비틀림각을 산출하도록 로터부르 배치하는 것이 바람직하다. 즉, 로터부(100)와 스테이터부(200)의 회전편차에 의해 자기센서(132)에 감지되는 자속밀도의 변화량을 산출하여, 선형구간의 중심점을 중립각으로 선정하는 것이 바람직하다.
[제2실시예]
도 9는 본 발명의 제2실시예에 따른 스티어링 칼럼의 비틀림을 측정하기 위한 토크센서를 나타내는 사시도이다.
도 9에 도시된 바와 같이 스티어링 칼럼의 비틀림을 측정하기 위한 토크센서는 로터부(300, 도 10과 도 11에 부호표기)와, 상기 로터부(300, 도 9와 도 10에 부호표기)의 외측에 설치된 스테이터부(400)로 이루어진다.
여기서 상기 로터부(300)와 스테이터부(400)는 동축에 형성된 입력 샤프트(미도시)와 출력 샤프트(미도시)중 어느 하나에만 연결되도록 구비된다.
도 9에 도시된 바와 같이 상기 스테이터부(400)는 상기 입력 샤프트와 출력 샤프트 중 하나의 샤프트에 결합되어 일체로 회전한다. 상기 스테이터부(400)는 상하로 분할되어 동축 상에 이격되어 배치된다. 따라서 상기 스테이터부(400)는 상부 스테이터부(410)와 하부 스테이터부(420)로 이루어진다. 여기서 상기 각 스테이터부(410, 420)는 서로를 향하여 대응하도록 연장되는 복수의 투스(410a, 420a)가 형성된다. 즉, 상부 스테이터부(410)의 투스(410a)는 하방으로 연장하고, 이에 대응하여 하부 스테이터부(420)의 투스(420a)는 상방으로 연장하여 선단이 서로 마주보게 된다. 여기서 서로 대응하는 상부 스테이터부(410)의 투스(410a) 선단과 하부 스테이터부(420)의 투스(420a) 선단 사이에는 간극이 형성되어 있다. 또한 서로 마주보는 복수의 투스(410a, 420a)의 사이에 형성된 공간에는 차폐자성체(430)가 설치된다. 상기 차폐자성체(430)는 후술하는 마그네트(310)에서 발생한 자기플럭스를 유도하게 된다. 여기서 각 스테이터부(410, 420)와 차폐자성체(430)는 절연물에 의해서 인서트 성형되므로 제조시에 형성된 배치구조가 변하지 않는다. 여기서 상기 스테이터부(410, 420)는 도 12에 도시된 바와 같이 스테이터부(470, 480)의 상부에 형성된 콜렉터부(490)의 집전효율을 향상시키기 위하여 플랜지(472, 482)가 설치될 수 있다.
아울러 상기 상부 스테이터부(410)와 하부 스테이터부(420) 사이에는 각 스테이터부(410, 420)를 자기적으로 연결하는 콜렉터부(440)가 설치된다. 상기 콜렉터부(440)는 일단이 상부 스테이터부(410)에 연결되고 타단이 하부 스테이터부(420)에 연결되어 상부 스테이터부(410)와 하부 스테이터부(420) 사이의 자기통로 역할을 한다. 여기서 상기 콜렉터부(440)에는 상기 콜렉터부(440)를 흘러가는 자기플럭스의 자속밀도를 검출하기 위한 자기센서(450)가 설치된다.
도 9에 도시된 바와 같이 상기 로터부(300)는 상기 입력 샤프트와 출력 샤프트 중 상기 스테이터부(400)가 결합되지 않은 샤프트에 결합되어 일체로 회전한다. 상기 로터부(300)는 상기 각 스테이터부(410, 420)에 형성된 복수의 투스(410a, 420a)와 동일한 간격으로 복수개의 마그네트(310)가 형성된다. 여기서 상기 마그네트(310)는 수직방향으로 분극된 마그네트로서 본 실시예에서는 상부는 N극이고 하부가 S극으로 분극되어 있다. 여기서 상기 마그네트(310)는 절연물에 의해서 인서트 성형되므로 제조시에 형성된 배치구조가 변하지 않는다. 본 실시예에서 상부는 N극이고 하부는 S극으로 분극되어 있지만 필요에 따라 N극과 S극의 위치를 바꿀 수 있음은 물론이다.
아울러 상기 마그네트(310)의 상부와 하부에 각각 앵글형상의 자성체(310a, 310b)가 구비된다. 여기서 상기 앵글형상의 자성체는 상기 마그네트(310)의 상부에 형성된 앵글형상의 자성체(310a)의 경우 상기 상부 스테이터부(410)에 형성된 투스(410a)와 평행하도록 상방으로 절곡되고, 상기 마그네트(310)의 하부에 형성된 앵글형상의 자성체(310b)의 경우 상기 하부 스테이터부(420)에 형성된 투스(420a)와 평행하도록 하방으로 절곡된다. 따라서 상기 마그네트(310)의 N극에서 발산된 자기플럭스는 앵글형상의 자성체(310a, 310b)에 의해 유도되어 S극으로 수렴되므로 자기손실을 최소화할 수 있다.
여기서 상기 마그네트(310)의 N극에서 발산된 자기플러스는 마그네트(310)와 각 스테이터부(410, 420)의 투스(410a, 420a) 및 차폐자성체(430)의 상대적 위치에 따라 흘러가는 양이 달라진다. 도 10은 본 발명의 제2실시예에 따른 토크센서의 마그네트와 투스의 중첩된 면적이 최대인 상태의 자기플럭스 흐름을 나타내기 위한 단면도이고, 도 11은 본 발명의 제2실시예에 따른 토크센서의 마그네트와 차폐자성체의 중첩된 면적이 최대인 상태의 자기플럭스 흐름을 나타내기 위한 단면도이다
도 10에 도시된 바와 같이 상기 마그네트(310)와 상기 투스(410a, 420a)의 중첩되는 면적이 최대일 경우 N극에서 발산된 자기플럭스는 마그네트(310)의 상부에 형성된 앵글형상의 자성체(310a)와 상부 스테이터부(410)의 투스(410a)를 통하여 콜렉터부(440)로 흘러가고, 콜렉터부(440)에 흘러온 자기플럭스는 하부 스테이터부(420)의 투스(420a)와 마그네트(310)의 하부에 형성된 앵글형상의 자성체(310b)를 통해 S극으로 수렴된다. 이 때 상기 콜렉터부(440)에서 검출된 자속밀도는 최대가 된다. 반면에 도 11에 도시된 바와 같이 상기 마그네트(310)와 상기 차폐자성체(430)의 중첩되는 면적이 최대일 경우 N극에서 발산한 자기플럭스는 마그네트(310)의 상부에 형성된 앵글형상의 자성체(310a)를 통해 차폐자성체(430)로 흘러가고 차페자성체(430)에 흘러온 자기플럭스는 마그네트(310)의 하부에 형성된 앵글형상의 자성체(310b)를 통해 S극으로 수렴된다. 이 때 상기 콜렉터부(440)에서 검출된 자속밀도는 최소가 된다.
즉, 상기 자기센서(450)에서 검출된 자속밀도는 각 스테이터부(410, 420)의 투스와 중첩되는 마그네트(310)의 면적과, 상기 차폐자성체(430)와 중첩되는 마그네트(310)의 면적의 비율에 의해서 결정된다. 따라서 상기 자기센서(450)에서 검출되는 자속밀도의 크기를 통해 로터부(300)와 스테이터부(400)의 회전편차를 알 수 있다. 여기서 상기 자기센서(450)에 흐르는 자기플럭스는 상부 스테이터부(410)에서 하부 스테이터부(420)의 일방향으로만 흘러가므로 히스테리손실을 최소화할 수 있다.
[제3실시예]
도 13은 본 발명의 제3실시예에 따른 스티어링 칼럼의 비틀림을 측정하기 위한 토크센서를 나타내는 사시도이다.
도 13에 도시된 바와 같이 스티어링 칼럼의 비틀림을 측정하기 위한 토크센서는 로터부(500, 도 13과 도 14에 부호표기)와, 상기 로터부(500)의 외측에 설치된 스테이터부(600, 도 14와 도 15에 부호표기)로 이루어진다.
여기서 상기 로터부(500)와 스테이터부(600)는 동축에 형성된 입력 샤프트(미도시)와 출력 샤프트(미도시)중 어느 하나에만 연결되도록 구비된다.
도 13에 도시된 바와 같이 상기 스테이터부(600)는 상기 입력 샤프트와 출력 샤프트 중 하나의 샤프트에 결합되어 일체로 회전한다. 상기 스테이터부(600)는 반경방향 내외측으로 분할되어 동축 상의 동일 평면상에 배치된다. 따라서 상기 스테이터부(600)는 내부 스테이터부(610)와 외부 스테이터부(620)로 이루어진다. 여기서 상기 각 스테이터부(610, 620)는 절곡되어 서로를 향하여 대응하도록 연장하는 복수의 투스(610a, 620a)가 형성된다. 즉, 내부 스테이터부(610)의 투스(610a)는 외측으로 연장하고, 이에 대응하여 외부 스테이터부(620)의 투스(620a)는 내측으로 연장하여 선단이 서로 마주보게 된다. 여기서 서로 대응하는 내부 스테이터부(610)의 투스(610a) 선단과 외부 스테이터부(620)의 투스(620a) 선단 사이에는 간극이 형성되어 있다. 또한 서로 마주보는 복수의 투스(610a, 620a)의 사이에 형성된 공간에는 차폐자성체(630)가 설치된다. 상기 차폐자성체(630)는 후술하는 마그네트(510)에서 발생한 자기플럭스를 유도하게 된다. 여기서 각 스테이터부(610, 620)와 차폐자성체(630)는 절연물에 의해서 인서트 성형되므로 제조시에 형성된 배치구조가 변하지 않는다.
아울러 상기 내부 스테이터부(610)와 외부 스테이터부(620) 사이에는 각 스테이터부(610, 620)를 자기적으로 연결하는 콜렉터부(640)가 설치된다. 상기 콜렉터부(640)는 일단이 내부 스테이터부(610)에 연결되고 타단이 외부 스테이터부(620)에 연결되어 내부 스테이터부(610)와 외부 스테이터부(620) 사이의 자기통로 역할을 한다. 여기서 상기 콜렉터부(640)에는 상기 콜렉터부(640)를 흘러가는 자기플럭스의 자속밀도를 검출하기 위한 자기센서(650)가 설치된다.
도 13에 도시된 바와 같이 상기 로터부(500)는 상기 입력 샤프트와 출력 샤프트 중 상기 스테이터부(600)가 결합되지 않은 샤프트에 결합되어 일체로 회전한다. 상기 로터부(500)는 상기 각 스테이터부(610, 620)에 형성된 복수의 투스(610a, 620a)와 동일한 간격으로 복수개의 마그네트(510)가 형성된다. 여기서 상기 마그네트(510)는 반경방향 내외측으로 분극된 마그네트로서 본 실시예에서는 내부가 S극이고 외부가 N극으로 분극되어 있다. 여기서 상기 마그네트(510)는 절연물에 의해서 인서트 성형되므로 제조시에 형성된 배치구조가 변하지 않는다. 본 실시예에서 내부는 S극이고 외부는 N극으로 분극되어 있지만 필요에 따라 N극과 S극의 위치를 바꿀 수 있음은 물론이다.
여기서 상기 마그네트(510)의 N극에서 발산된 자기플러스는 마그네트(510)와 각 스테이터부(610, 620)의 투스(610a, 620a) 및 차폐자성체(630)의 상대적 위치에 따라 흘러가는 양이 달라진다. 도 14는 본 발명의 제3실시예에 따른 토크센서의 마그네트와 투스의 중첩된 면적이 최대인 상태의 자기플럭스 흐름을 나타내기 위한 단면도이고, 도 15는 본 발명의 제3실시예에 따른 토크센서의 마그네트와 차폐자성체의 중첩된 면적이 최대인 상태의 자기플럭스 흐름을 나타내기 위한 단면도이다
도 14에 도시된 바와 같이 상기 마그네트(510)와 상기 투스(610a, 620a)의 중첩되는 면적이 최대일 경우 N극에서 발산된 자기플럭스는 내부 스테이터부(610)의 투스(610a)를 통하여 콜렉터부(640)로 흘러가고, 콜렉터부(640)에 흘러온 자기플럭스는 내부 스테이터부(620)의 투스(620a)를 통해 S극으로 수렴된다. 이 때 상기 콜렉터부(640)에서 검출된 자속밀도는 최대가 된다. 반면에 도 15에 도시된 바와 같이 상기 마그네트(510)와 상기 차폐자성체(630)의 중첩되는 면적이 최대일 경우 N극에서 발산한 자기플럭스는 차폐자성체(630)로 흘러가고 차페자성체(630)에 흘러온 자기플럭스는 S극으로 수렴된다. 이 때 상기 콜렉터부(640)에서 검출된 자속밀도는 최소가 된다.
즉, 상기 자기센서(650)에서 검출된 자속밀도는 각 스테이터부(610, 620)의 투스와 중첩되는 마그네트(510)의 면적과, 상기 차폐자성체(630)와 중첩되는 마그네트의 면적(510)의 비율에 의해서 결정된다. 따라서 상기 자기센서(650)에서 검출되는 자속밀도의 크기를 통해 로터부(500)와 스테이터부(600)의 회전편차를 알 수 있다. 여기서 상기 자기센서(650)에 흐르는 자기플럭스는 내부 스테이터부(610)에서 외부 스테이터부(620)의 일방향으로만 흘러가므로 히스테리손실을 최소화할 수 있다.
이상 본 발명의 상세한 설명에서는 도시된 도면을 참조하여 설명하였으나, 본 발명의 기술적 구성은 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 범위에서 여러 가지 변형이 가능한 것은 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명하다 할 것이다.
100, 300, 500 : 로터부
110, 210, 510 : 마그네트
200, 400, 600 : 스테이터부
230, 430, 630 : 차폐자성체
240, 440, 640 : 콜렉터부
250, 450, 650 : 자기센서

Claims (19)

  1. 입력 샤프트와 출력 샤프트가 동축으로 연결된 스티어링 칼럼의 비틀림을 측정하기 위한 토크센서로서,
    상기 입력 샤프트와 출력 샤프트 중 어느 하나에는 복수의 마그네트가 구비된 로터부가 설치되고 다른 하나에는 상기 복수의 마그네트와 대응하는 투스가 형성된 스테이트부가 설치되며,
    상기 로터부와 스테이터부는 자기플럭스가 일방으로 흘러가도록 구비되고, 상기 일방으로 흘러가는 자기플럭스의 자속밀도를 검출하여 스티어링 칼럼의 비틀림을 측정할 수 있도록 구비된 것을 특징으로 하는 스티어링 칼럼의 비틀림을 측정하기 위한 토크 센서.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 로터부에 형성된 마그네트와 상기 스테이터부에 형성된 투스의 중첩된 면적이 최대일 때 상기 로터부와 스테이터부 사이에 일방으로 흘러가는 자기플럭스의 자속밀도가 최대가 되도록 구비된 것을 특징으로 하는 스티어링 칼럼의 비틀림을 측정하기 위한 토크 센서.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 스테이터부의 투스 사이에 차폐자성체가 구비되는 것을 특징으로 하는 스티어링 칼럼의 비틀림을 측정하기 위한 토크 센서.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 로터부에 형성된 마그네트와 상기 스테이터부에 형성된 투스의 중첩된 면적이 최대일 때 상기 로터부와 스테이터부 사이에 일방으로 흘러가는 자기플럭스의 자속밀도가 최대가 되도록 구비된 것을 특징으로 하는 스티어링 칼럼의 비틀림을 측정하기 위한 토크 센서.
  5. 청구항 3에 있어서,
    상기 로터부에 형성된 마그네트와 상기 스테이터부에 형성된 상기 차폐자성체의 중첩된 면적이 최대일 때 상기 로터부와 상기 스테이터부 사이에 일방으로 흘러가는 자기플럭스의 자속밀도가 최소가 되도록 구비되는 것을 특징으로 하는 스티어링 칼럼의 비틀림을 측정하기 위한 토크 센서.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 스테이터부의 투스 사이에 차폐자성체가 구비되는 것을 특징으로 하는 스티어링 칼럼의 비틀림을 측정하기 위한 토크 센서.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 로터부와 스테이터부 사이에 일방으로 자기플럭스가 흘러가도록 상기 스테이터부가 상하로 분할되는 것을 특징으로 하는 스티어링 칼럼의 비틀림을 측정하기 위한 토크 센서.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 상하로 분할된 스테이터부의 투스는 서로를 향하여 연장되도록 구비된 것을 특징으로 하는 스티어링 칼럼의 비틀림을 측정하기 위한 토크 센서.
  9. 청구항 7에 있어서,
    상기 상하로 분할된 스테이터부를 자기적으로 연결하는 콜렉터부가 더 설치된 것을 특징으로 하는 스티어링 칼럼의 비틀림을 측정하기 위한 토크 센서.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 콜렉터부에 자기플럭스의 자속밀도를 검출하기 위하여 자기센서가 더 설치되는 것을 특징으로 하는 스티어링 칼럼의 비틀림을 측정하기 위한 토크 센서.
  11. 청구항 8에 있어서,
    상기 스테이터부는 단면이 외측으로 절곡형성된 것을 특징으로 하는 스티어링 칼럼의 비틀림을 측정하기 위한 토크 센서.
  12. 청구항 1 또는 청구항 3 또는 청구항 6에 있어서,
    상기 로터부에 형성된 마그네트는 수직방향으로 분극된 것을 특징으로 하는 스티어링 칼럼의 비틀림을 측정하기 위한 토크 센서.
  13. 청구항 12에 있어서,
    상기 마그네트의 N극에서 발산된 자기플럭스를 유도하여 상기 스테이터부를 통해 S극으로 수렴되도록 상기 마그네트의 상하부에 설치된 앵글형상의 자성체를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 스티어링 칼럼의 비틀림을 측정하기 위한 토크 센서.
  14. 청구항 6에 있어서,
    상기 로터부와 상기 스테이터부 사이에 일방으로 자기플럭스가 흘러가도록 상기 스테이터부가 반경방향 내외측으로 분할되는 것을 특징으로 하는 스티어링 칼럼의 비틀림을 측정하기 위한 토크 센서.
  15. 청구항 14에 있어서,
    상기 반경방향 내외측으로 분할된 스테이터부의 투스는 절곡되어 서로를 향하여 연장되도록 구비된 것을 특징으로 하는 스티어링 칼럼의 비틀림을 측정하기 위한 토크 센서.
  16. 청구항 14에 있어서,
    상기 상하로 분할된 스테이터부를 자기적으로 연결하는 콜렉터부가 더 설치된 것을 특징으로 하는 스티어링 칼럼의 비틀림을 측정하기 위한 토크 센서.
  17. 청구항 16에 있어서,
    상기 콜렉터부에 자기플럭스의 자속밀도를 검출하기 위하여 자기센서가 더 설치되는 것을 특징으로 하는 스티어링 칼럼의 비틀림을 측정하기 위한 토크 센서.
  18. 청구항 1 또는 청구항 14에 있어서,
    상기 로터부에 형성된 마그네트는 반경방향 내외측으로 분극된 것을 특징으로 하는 스티어링 칼럼의 비틀림을 측정하기 위한 토크 센서.
  19. 특허청구범위 청구항 1 내지 청구항 18항의 어느 한 항에 기재된 스티어링 칼럼의 비틀림을 측정하기 위한 토크 센서를 이용하여 스티어링 칼럼의 비틀림을 측정하는 방법으로서,
    상기 로터부와 스테이터부의 회전편차에 따른 자속밀도의 변화를 검출하여 회전편차에 따른 자속밀도의 변화율이 선형인 구간의 중심점을 중립각으로 설정하는 것을 특징으로 하는 스티어링 칼럼의 비틀림을 측정하는 방법.
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