KR20140063403A

KR20140063403A - 토크 센서

Info

Publication number: KR20140063403A
Application number: KR1020130123240A
Authority: KR
Inventors: 요시키 다카하시; 시게토시 후카야; 히데키 가부네
Original assignee: 가부시키가이샤 덴소
Priority date: 2012-11-15
Filing date: 2013-10-16
Publication date: 2014-05-27
Also published as: JP5688691B2; US20140130612A1; US8844380B2; DE102013110703B4; KR101527828B1; DE102013110703A1; JP2014115270A; CN103822740A

Abstract

토크 센서(101)는 제 1 자기 검출 소자(411), 제 2 자기 검출 소자(412) 및 비교기(51)로 구성된 자기 센서(41)를 가진다. 제 1 자기 검출 소자(411)는 임시 검출값의 출력 신호를 출력하고, 제 2 자기 검출 소자(412)는 기준값의 출력 신호를 출력한다. 비교기(51)는 임시 검출값과 기준값을 비교하고, 임시 검출값과 기준값간의 차이값이 사전 설정된 임계치보다 작으면, 임시 검출값을 정식 검출값으로서 출력한다.

Description

토크 센서{TORQUE SENSOR}

본 발명은 자계 생성 부재(magnetic-field generating member) 및 자기 센서(magnetic sensor)를 가진 자기 검출 디바이스에 관한 것으로, 특히 상술한 자기 검출 디바이스를 가진 토크 센서(torque sensor)에 관한 것이다.

당업계에 있어서 자기 검출 디바이스는 알려져 있다. 자기 검출 디바이스는 자계 생성 수단과 자기 센서를 가진다. 자기 센서는 자기 센서에 대하여 상대적으로 이동 가능하게 제공되는 자계 생성 수단에 의해 생성된 자계의 세기를 검출한다. 자기 센서는 자계 검출 수단 또는 자기 센서에 접속된, 검출 대상의 상대적 변위를 검출한다.

이러한 유형의 자기 검출 디바이스는, 예를 들어, 토크 센서에 적용된다. 토크 센서의 자기 센서는, 회전축의 회전에 따라 자계의 세기의 변동을 검출하도록, 한쌍의 자속 수집 부재(a pair of magnetic-flux collecting members)들 사이에 제공된다. 그에 의해 토크 센서는 샤프트 토크(shaft torque)를 검출한다.

당업계에 있어서 검출 디바이스가 다수의 자기 센서를 가지는 다른 자기 검출 디바이스도 알려져 있다. 자기 센서들 중 하나가 고장나면, 정상 상태로 동작하는 다른 자기 센서로부터의 검출 신호가 이용된다. 예를 들어, 일본특허공보번호 제2008-232728호에 개시된 바와 같이, 토크 센서는 이들 자기 센서로부터의 각 출력을 전자 제어 유닛(Electronic Control Unit: ECU)으로 전송하는 3개의 자기 센서를 가진다. ECU는 이들 3개의 자기 센서로부터의 출력을 비교하여, 3개의 자기 센서로부터의 3개의 출력 중 2개가 서로 일치하면, 다수결(majority decision)에 기초하여 그 출력들을 정상값으로서 결정한다.

상술한 토크 센서에서는 3개의 자기 센서 때문에 회로 크기가 증가한다.

일반적으로, 하나의 자기 센서는 전원 공급 라인, 접지 라인 및 신호 라인을 가진 와이어 하니스(wire harness)가 접속되는 하나의 IC 패키지를 가진다. 그러므로, 상술한 토크 센서에서는, 토크 센서가 아날로그 유형일 때, 토크 센서와 ECU 사이에 3개의 와이어 하니스가 제공된다. 그 결과, 토크 센서가 단지 하나 또는 2개의 자기 센서를 가진 경우에 비해, 와이어 하니스를 위한 공간 및 중량이 증가하게 된다.

또한, 상술한 종래 기술의 토크 센서는 자기 센서가 고장인지 여부를 판정할 수 있다는 장점을 가지지만, 고장난 자기 센서를 판정하는 프로세스를 실행하기 위한 ECU의 계산 부하가 증가되는 문제가 있다.

본 발명은 상술한 문제점의 견지에서 이루어진다. 본 발명의 목적은, 와이어 하니스의 개수 및 회로 크기가 감소될 수 있고, 단순한 구조로 자기 센서의 고장을 판정할 수 있는 자기 검출 디바이스를 제공하는데 있다.

본 발명의 특징에 따르면, 자기 검출 디바이스는 자계를 생성하는 자계 생성 부재(14)와, 자계 생성 부재(14)에 의해 생성된 자계의 세기를 검출하는 자기 센서(41,42,410,420)를 가진다. 자기 센서는 제 1 자기 검출 소자(411), 제 2 자기 검출 소자(412) 및 비교기(51)를 가진다.

제 1 검출 소자(411)는 제 1 검출 소자를 통과하는 자속의 밀도를 검출하고 임시 검출값(provisional detection value)의 출력 신호를 출력한다. 제 2 검출 소자(412)는 제 2 검출 소자를 통과하는 자속의 밀도를 검출하고, 기준값의 출력 신호를 출력한다.

비교기(51)는 임시 검출값과 기준값간의 차이값인 검출 편차(detection deviation)를 계산한다. 비교기(51)는, 검출 편차가 사전 설정된 임계치(△Eth)보다 작으면, 임시 검출값에 대응하는 정식 검출값(authorized detection value)의 검출 신호(Sc)를 출력한다. 비교기(51)는, 검출 편차가 사전 설정된 임계치보다 크면 이상 판정 신호(Sf)를 출력한다.

상술한 특징에 따르면, 자기 검출 디바이스의 내부에서, 비교기에 의해 자기 센서가 고장인지의 여부를 판정할 수 있게 된다. 자기 센서가 정상 상태로 동작중이면 자기 검출 디바이스는 정식 검출값을 출력하지만, 자기 센서가 고장이면 자기 검출 디바이스는 이상 판정 신호를 출력한다. 그러므로, 자기 검출 디바이스에 접속된 ECU는 고장난 자기 센서의 판정을 위한 프로세스를 실행할 필요가 없다. 그에 의해 ECU에 대한 계산 부하가 감소된다.

바람직하게, 자기 검출 디바이스(101)는 다수의 자기 센서(41,42)를 가진다. 예를 들어, 자기 센서들 중 하나의 센서가 고장이면, ECU(6)는 다른 자기 센서로부터의 정식 검출값의 검출 신호를 채택하여 그것을 ECU(6)의 제어 프로세스에 이용한다.

본 발명에서는, 2개의 자기 센서(41,42)와 ECU(6) 사이에 2개의 와이어 하니스가 제공된다. 그러므로, 3개의 자기 센서를 가진 종래 기술의 토크 센서에 비해, 와이어 하니스에 대한 공간 및 중량을 줄일 수 있게 된다.

본 발명의 자기 검출 디바이스는, 예를 들어, 샤프트 토크를 검출하는 토크 센서에 적용될 수 있다. 토크 센서는 토션 바(torsion bar)(13), 다극 자석(multipolar magnet)(14), 한 쌍의 자기 요크(a pair of magnetic yoke)(31,32), 한 쌍의 자속 수집 부재(70a, 70b), 자기 센서(41,42)를 가진다.

토션 바(13)는 제 1 샤프트(11)과 제 2 샤프트(12) 사이에 동축으로 제공되며, 그에 따라 토션 바(13)는 제 1 및 제 2 샤프트(11,12) 사이에 가해진 토크를 토션 변위로 변환한다. 자계 생성 부재(14)로서 작용하는 다극 자석(14)은 제 1 샤프트(11) 또는 토션 바(13)의 일단(one end)에 접속된다. 한 쌍의 자기 요크(31,32)는 제 2 샤프트(12) 또는 토션 바(13)의 타단(other end)에 접속되어, 다극 자석(14)에 의해 생성된 자계내에 자기 회로를 형성한다. 한 쌍의 자속 수집 부재(70a,70b)는 한 쌍의 자기 요크(31,32)로부터 자속을 수집한다. 자기 센서(41,42)는 자속 수집 부재(70a,70b)들간의 자계의 세기를 검출한다.

차량용 전력 조향 시스템(electric power steering system for a vehicle)에서 있어서, 토크 센서는 조향 샤프트에 가해지는 조향 토크를 검출한다. 전력 조향 시스템은 그의 공간 및 중량을 줄일 것이 요구된다.

본 발명은, 단순한 구조로 자기 센서의 고장 유무를 판정할 수 있다. 그러므로, 본 발명의 자기 검출 디바이스는 토크 센서에 효과적으로 적용될 수 있다.

본 발명의 상술한 및 다른 목적, 특징 및 장점은 첨부된 도면을 참조하여 이루어진 이하의 상세한 설명으로부터 더욱 명백해질 것이다. 도면에 있어서,
도 1은 본 발명의 제 1 실시 예에 따른 토크 센서를 개략적으로 도시한 분해 사시도;
도 2는 제 1 실시 예의 토크 센서가 적용된 전력 조향 장치를 도시한 개략 구성도;
도 3a는 중립 위치에 있는 토크 센서를 도시한 도 3b의 라인 IIIA-IIIA 따라 취득한 단면도;
도 3b는 도 3a의 화살표 IIIB의 방향으로 보았을 때의 토크 센서의 측면도;
도 4a는 다수의 자극(magnetic pole)이 좌향(left-hand direction)으로 회전된 토크 센서의 측면도;
도 4b는 다수의 자극이 우향(right-hand direction)으로 회전된 토크 센서의 측면도;
도 5는 토크 센서의 자기 감지부를 나타낸 도면;
도 6a 및 도 6b는 토크 센서의 출력 특성을 나타낸 그래프;
도 7은 제 2 실시 예에 따른 토크 센서의 자기 감지부를 나타낸 도면;
도 8은 제 3 실시 예에 따른 토크 센서의 자기 감지부를 나타낸 도면;
도 9는 비교 예에 따른 토크 센서의 자기 센서를 나타낸 도면; 및
도 10은 비교 예에 따른 토크 센서의 출력 특성을 도시한 그래프이다.

이하에서는 다수의 실시 예에 의해 본 발명을 설명하겠다. 반복적인 설명을 피하기 위해, 실시 예들의 전반에 걸쳐, 동일하거나 유사한 부분 및/또는 구조는 동일 참조 번호가 주어진다.

(제 1 실시 예)

도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제 1 실시 예의 토크 센서(101)는, 예를 들어, 차량 운전자의 조향 동작을 보조하기 위한 차량용 전력 조향 장치(90)에 적용된다.

도 2에는 전력 조향 장치(90)를 가진 조향 시스템에 대한 구조가 도시된다. 조향 토크를 검출하는 토크 센서(101)는 조향 휠(93)에 접속된 조향 샤프트(94)에 제공된다. 조향 샤프트(94)의 선단(forward end)에 피니언 기어(96)가 제공된다. 피니언 기어(96)는 랙 샤프트(rack shaft)(97)에 체결된다. 한 쌍의 휠(98)은 랙 샤프트(97)의 양 단부에 결착재(tie rods)를 통해 회전 가능하게 접속된다. 조향 샤프트(94)의 회전 운동은 피니어 기어(96)에 의해 랙 샤프트(97)의 직선 운동으로 변환되며, 그에 따라 휠(98)의 조향 동작이 실행된다.

토크 센서(101)는 입력 샤프트(11)과 출력 샤프트(12) 사이에 제공되는데, 그 입력 샤프트(11)와 출력 샤프트(12)의 각각은 조향 샤프트(94)을 구성한다. 토크 센서(101)는 조향 샤프트(94)에 가해지는 조향 토크를 검출하여, 그의 검출 신호를 ECU(6)에 출력한다. ECU(6)는 검출된 조향 토크에 의거하여 전기 모터(92)의 출력을 제어한다. 전기 모터(92)에 의해 생성된 조향 보조 토크(steering assist torque)는 전기 모터(92)의 회전 속도를 감소시키는 감속 기어(95)를 통해 조향 샤프트(94)에 전달된다.

도 1 및 도 3 내지 도 5를 참조하여 토크 센서(101)의 구조를 설명하겠다. 도 1에 도시된 바와 같이, 토크 센서(101)는 토션 바(13), 다극 자석(14), 한 쌍의 자기 요크(31,32)(제 1 및 제 2 자기 요크(31,32)), 한 쌍의 자기 링(magnetic ring)(70a, 70b)(제 1 및 제 2 자기 링(70a, 70b) 또는 제 1 및 제 2 자속 수집 부재(70a, 70b)), 2개의 자기 센서(41,42)(제 1 및 제 2 자기 센서(41,42))등을 가진다.

토션 바(13)의 일단은 고정 핀(15)에 의해 입력 샤프트(11)(제 1 샤프트이라고도 함)에 접속되는 반면, 토션 바(13)의 타단은 다른 고정 핀(15)에 의해 출력 샤프트(12)(제 2 샤프트이라고도 함)에 접속된다. 토션 바(13)는 그의 회전축 "0"상에서 입력 샤프트(11) 및 출력 샤프트(12)에 동축으로 접속된다. 토션 바(13)는 조향 샤프트(94)의 조향 토크를 토션 변위(torsional displacement)로 변환하는 봉 형상의 탄성 부재(rod-shaped elastic member)이다.

(자계 생성 수단으로서 작용하는) 원통 형상의 다극 자석(14)은 입력 샤프트(11)에 접속되며, N-극과 S-극이 원주 방향으로 교번적으로 자화된다. 본 실시 예에 있어서, 자석(14)은 12쌍의 N-극 및 S-극, 즉 전체 24개의 극성을 가진다.

제 1 및 제 2 자기 요크(31,32)의 각각은 연성 자기 물질(soft magnetic material)로 이루어져 있으며, 환형 형상으로 형성된다. 자기 요크(31,32)는 다극 자석(14)의 반지름 외측 위치(radial-outward position)에서 출력 샤프트(12)에 접속된다. 제 1 자기 요크(31)의 내주(inner periphery)를 따라 (N-극 및 S-극 쌍의 개수에 대응하는) 첫번째 12개의 프로젝션(projection)(315)이 형성되어, 제 1 요크(31)의 원주 방향으로 등간격으로 배열된다. 유사한 방식으로, 두번째 12개의 프로젝션(325)은 제 2 자기 요크(32)의 내주를 따라 형성되며, 제 2 요크(32)의 원주 방향으로 등간격으로 배열된 제 1 프로젝션(315)들의 각각과, 제 2 프로젝션(325)들의 각각은 원주 방향으로 교번적으로 배열되며, 원주 방향으로 서로 어긋나 있다. 제 1 및 제 2 프로젝션(315,325)의 각각은 사다리꼴 형상으로 형성된다. 제 1 자기 요크(31) 및 제 2 자기 요크(32)는 공기 갭을 둔 채 토크 센서의 축 방향에 있어서 서로 반대 방향이다. 한 쌍의 자기 요크(31,32)는 다극 자석(14)에 의해 생성된 자계내에 자기 회로를 형성한다.

토션 변위가 토션 바(13)에서 생성되지 않으면, 다시 말해, 입력 샤프트(11)과 출력 샤프트(12) 사이의 토션 바(13)에 조향 토크가 가해지지 않으면, 다극 자석(14)과, 제 1 및 제 2 자기 요크(31,32)는, 제 1 및 제 2 프로젝션(315,325)에 대한 각 중심 라인이 N-극 및 S-극간의 각 경계 라인과 일치하도록 배치된다.

제 1 및 제 2 자기 링(70a,70b)의 각각은 연성 자기 물질로 이루어지며, 주요 링 몸체(73a)와, 자속 수집부들(71a,72a,71b,72b)로 구성된다. 자속 수집부들(71a,72a,71b,72b)의 각각은 각 주요 링 몸체(73a,73b)로부터 반지름 외측 방향으로 연장된다. 각 자기 링(70a,70b)은 각 자기 요크(31,32)로부터 자속을 수집한다. 본 실시 예에 있어서, 자기 링(70a,70b)의 각 주요 링 몸체(73a,73b)는 각 자기 요크(31,32)의 반지름 외측 위치에서 회전 축 "O"과 동축으로 배열된다. 2개의 자속 수집부(71a,72a 및 71b,72b)는 2개의 자기 센서(41,42)에 대응하도록 자기 링(70a,70b)의 각각에 제공된다.

각 자기 센서(41,42)는 자기 링(70a,70b)의 자속 수집부(71a,71b 및 72a,72b) 사이에 배열된다. 각 자기 센서(41,42)는 각 쌍의 자속 수집부(71a,71b 및 72a,72b) 사이에 생성된 자속 밀도를 검출한다. 검출된 자속 밀도는 전압 신호로 변환되어 ECU(6)로 출력된다. 본 실시 예에 있어서, 각 자기 센서(41,42)는 높이가 너비 및 깊이보다 적은 직육면체 형상으로 형성된 IC 패키지로 이루어진다. 자기 센서(41,42)는 높이 방향의 자계 세기를 검출한다. 자기 센서(41,42)는 와이어 하니스(53,54)를 통해 ECU(6)에 접속된다.

이하에서는 자기 센서(41,42)의 세부적 구성을 설명하겠다.

도 3a, 3b, 4a 및 4b를 참조하여 토크 센서(101)의 동작을 설명하겠다. 도 3a 및 도 3b의 각각은, 조향 토크가 입력 샤프트(11)과 출력 샤프트(12) 사이의 토션 바(13)에 가해지지 않고, 그에 따라 토션 바(13)에 토션 변위가 생성되지 않은 상태를 나타낸다. 다시 말해, 도 3a 및 도 3b에 있어서, 출력 샤프트(12)은 그의 중립 위치에 있다. 이 위치에서는, 도 3b에 도시된 바와 같이, S-극이 다극 자석(14)의 중앙에 위치한다. 또한, 제 1 및 제 2 프로젝션(315,325)의 중심 라인들의 각각은 N-극과 S-극 사이의 각 경계 라인과 일치한다.

상술한 상태(중립 위치)에서는, 자석(14)의 동일 수의 자속이 자기 요크(31,32)의 제 1 및 제 2 프로젝션(315,325)으로 출입한다. 그러므로, 자기 요크(31,32)의 각각에 있어서, 자속의 폐쇄 루프가 형성된다. 다시 말해, 자속은 제 1 및 제 2 자기 요크(31,32) 사이의 공기 갭으로 누설되지 않는다. 그 결과, 자기 센서(41,42)에 의해 검출되는 자속 밀도는 0이다.

도 3a 및 도 3b에 있어서, 각 자기 센서(41,42)의 도 3a의 수평 방향으로의 길이를 너비(width)라 하고, 도 3a의 상하 방향으로의 길이를 깊이(depth)라 하고, 도 3b의 상하 방향으로의 길이를 높이(height)라 한다.

조향 토크가 입력 샤프트(11)과 출력 샤프트(12) 사이의 토션 바(13)에 가해지고, 그에 의해 토션 변위가 토션 바(13)에서 생성되면, 입력 샤프트(11)에 접속된 다극 자석(14)과 출력 샤프트(12)에 접속된 한 쌍의 자기 요크(31,32)간의 상대적 위치는 원주 방향으로 변경된다. 도 4a 및 도 4b는, 각각, 다극 자석(14)이 중립 위치로부터 한 쌍의 자기 요크(31,32)에 대해 상대적으로 회전하는 상태를 나타낸다. 도 4a는 다극 자석(14)이 좌향으로 7.5°회전하는 상태를 나타낸다. 도 4b는 다극 자석(14)이 우향으로 7.5°회전하는 상태를 나타낸다.

도 4a의 상태에 있어서, 제 1 자기 요크(31)의 제 1 프로젝션(315)들의 각각은 각각의 N-극에 대향되고, 제 2 자기 요크(32)의 제 2 프로젝션(325)들의 각각은 각각의 S-극에 대향된다. 도 4b의 상태에 있어서, 제 1 프로젝션(315)들의 각각은 각각의 S-극에 대향되고, 제 2 프로젝션(325)들의 각각은 각각의 N-극에 대향된다. 도 4a 및 도 4b의 각 경우에 있어서 제 1 및 제 2 자기 요크(31,32)를 통과하는 자속은 증가되지만, 도 4a 및 도 4b의 경우에 있어서 자속의 방향은 서로 반대된다.

자기 센서(41,42)를 통과하는 자속의 밀도는 토션 바(13)의 토션 변위 량에 거의 비례하며, 토션 바(13)의 토션 방향에 의거하여 자속의 극성은 반전된다. 도 4a의 경우에 있어서, 자기 센서(41,42)는, 자속이 자기 센서의 높이 방향, 즉, 도면에서 보면 상측에서 하측 방향으로 통과하는 자계(B)의 세기를 검출한다. 다른 한편, 도 4b의 경우에 있어서, 자기 센서(41,42)는, 자속이 자기 센서의 높이 방향, 즉, 도면에서 보면 하측에서 상측 방향으로 통과하는 자계(B)의 세기를 검출한다. 다시 말해, 자기 센서(41,42)의 각각은 자속 수집부(71a,71b 및 72a,72b)에 수직한 방향으로 자기 센서를 통과하는 자계(B)의 세기를 검출한다. 자기 센서(41,42)는 자계의 검출된 세기를 전압 신호로서 출력하며, 그에 따라 토크 센서(101)는 입력 샤프트(11)과 출력 샤프트(12) 사이의 토션 바(13)에 가해진 조향 토크를 검출한다.

상술한 바와 같이, 토크 센서(101)는 자기 센서(41,42)에 접속된 출력 샤프트(12)에 대해 상대적인, 다극 자석(14)에 접속된 입력 샤프트(11)의 회전 방향 및 회전 각도를 검출하는 검출 디바이스에 대응한다.

도 5를 참조하여 각 자기 센서(41,42)의 자기 감지부의 구조를 설명하겠다. 이미 설명했지만, 토크 센서(101)는 2개의 자기 센서(41,42)를 가진다. 제 2 자기 센서(42)의 구조가 제 1 자기 센서(41)의 구조와 동일하기 때문에, 제 1 자기 센서(41)의 구조를 설명하겠다.

자기 센서(41)는 2개의 자기 검출 소자(411,412)와, 비교기(51)를 가지는데, 그들은 IC 패키지내에 수용된다. 각 자기 검출 소자(411,412)는 각 자기 검출 소자(411,412)를 통과하는 자속의 밀도를 검출하여 전압 신호로 변환한다. 각 자기 검출 소자는, 예를 들어, 홀(hall) 소자, 자기 저항 소자등으로 구성된다.

자기 검출 소자들 중 하나(예를 들어, 제 1 자기 검출 소자(411))는 제 1 자기 센서(41)의 검출 신호로서 이용되는 전압 신호를 출력한다. 제 1 자기 센서(41)의 검출 신호(검출값)는 ECU(6)에 전송된다. 제 2 자기 검출 소자(412)는 기준값으로서 이용되는 전압 신호를 출력한다. 제 2 자기 검출 소자(412)의 기준값은 비교기(51)에서 제 1 자기 검출 소자(411)의 검출값과 비교된다. 상술한 바와 같이, 제 1 자기 검출 소자(411)의 검출값은 ECU(6)에 바로 출력되는 것이 아니라 비교기(51)에서 기준값과 먼저 비교되며, 그 다음 검출값이 정상값인 것으로 자기 센서(41)가 판정하면 ECU(6)에 출력된다.

서로간의 구별을 위해, 자기 검출 소자(411,412)로부터 비교기(51)로의 전압 신호들의 각각을 1차 출력 신호(primary output signal)라 하고, 비교기(51)로부터 ECU(6)로의 출력을 2차 출력 신호(secondary output signal)라 한다. 1차 출력 신호는 제 1 자기 센서(41)내에서 통신된다. 2차 출력 신호는 와이어 하니스(53)의 신호 라인(53s)을 통해 ECU(6)에 전송된다. 와이어 하니스(53)는 3개의 라인, 즉, 전원 공급 라인(53p), 접지 라인(53g) 및 신호 라인(53s)을 포함한다.

비교기(51)에서의 비교전의 값(즉, 판정전의 값)에 대응하는 제 1 자기 검출 소자(411)의 검출값을 임시 검출값이라 한다. 비교기(51)에서의 비교 후의 값(즉, 비교기(51)에 의해 정상값으로서 판정되어 ECU(6)에 출력된 값)에 대응하는 제 1 자기 검출 소자(411)의 검출값을 정식 검출값이라 한다.

비교기(51)는 제 2 자기 검출 소자(412)의 기준값과 임시 검출값(제 1 검출 소자(411)의 1차 출력값)간의 차이값인 "검출 편차"를 계산한다. 검출 편차가 사전 설정된 임계치보다 작으면, 비교기(51)는 임시 검출값을 정식 검출값으로서 출력한다. 다른 한편, 검출 편차가 사전 설정된 임계치보다 크면, 비교기(51)는 이상 검출 신호를 출력한다.

상술한 바와 같이, 비교기(51)에 의해 정상값으로서 판정된 자기 센서(410의 출력 신호(정식 검출값)는 ECU(6)의 계산 유닛(61)에 입력된다. 그러므로, ECU(6)는, 정상값이 입력되면 입력 신호가 정상값인지 아닌지를 판정할 필요가 없다. ECU(6)는 ECU(6)에 의한 제어를 실행하기 위해, 자기 센서(41)의 검출 값에 대해 정상값을 이용할 수 있다. 이상 검출 신호가 ECU(6)에 입력되면, ECU(6)는 자기 센서(41)가 고장이라고 판정한다.

유사한 방식으로, 비교기(52)에 의해 정상값으로서 판정된 제 2 자기 센서(42)의 출력 신호(정식 검출 신호)는 ECU(6)의 계산 유닛(61)에 입력된다. 이상 검출 신호가 제 1 자기 센서(41)로부터 입력되는 반면, 정식 검출 신호가 제 2 자기 센서(42)로부터 입력되면, ECU(6)의 계산 유닛(61)은 제 2 자기 센서(42)로부터의 정식 검출값을 채택하여 ECU(6)에 의한 제어를 실행한다.

토크 센서(101)가 2개의 자기 센서(41,42)를 가지기 때문에, 자기 센서(41,42) 중 하나가 고장이라고 하더라도, ECU(6)는 전기 모터(92)에 대한 제어를 계속 실행할 수 있다. 2개의 자기 센서(41,42)가 동시에 고장날 확률은 거의 없다.

자기 센서(41,42)를 ECU(6)에 접속시키는 와이어 하니스(53,54)의 각각에 있어서, 전원 공급 라인(53p,54p)은 서로 독립적으로 배열된다. 또한 접지 라인(53g,54g)은 서로 독립적으로 배열된다.

비교기(51,52)에서의 판정 프로세스의 동작은, 출력이 전압 신호에 대응하는, 도 6a 및 도 6b에 도시된 출력 특성을 참조하여 보다 상세하게 설명된다.

도 6a에 있어서, "Sa", "Sb", "Sd" 및 "Se"의 각각은 제 1 자기 센서(41)의 제 1 자기 검출 소자(411)의 출력 단자 "a"와, 제 1 자기 센서(41)의 제 2 자기 검출 소자(412)의 출력 단자 "b"와, 제 2 자기 센서(42)의 제 1 자기 검출 소자(421)의 출력 단자 "d" 및 제 2 자기 센서(42)의 제 2 자기 검출 소자(422)의 출력 단자 "e"에서의 1차 출력 신호들을 나타낸다. 각각의 제 1 자기 검출 소자(411,421)의 1차 출력 신호는 임시 검출값에 대응한다. 각각의 제 2 자기 검출 소자(412)의 1차 출력 신호는 기준값에 대응한다.

도 6a에 도시된 예시에서, 제 1 및 제 2 자기 센서(41,42)는 자기 검출 소자(411,412)의 출력 특성 "Sa" 및 "Sb"와, 자기 검출 소자(421,422)의 출력 특성 "Sd" 및 "Se"가 기준 출력 "E0"에 대해 서로 반대되도록 설정된다.

보다 정확하게, IC 패키지의 각각이 동일 방향으로 배열되도록 IC 패키지가 각 자기 센서(41,42)에서 조립된 경우에, ECU(6)의 계산 유닛(61)에 의한 계산 프로세스에서, 자속에 대한 전압 출력의 기울기에 대한 부호는 제 2 자기 센서(42)의 자기 검출 소자(421,422)의 출력에 대해 반전된다. 그러면, 제 2 자기 센서(42)의 자기 검출 소자(421,422)에 대한 출력 특성이 기준 출력 "E0"에 대해 반전된다.

도 6b에 있어서, "Sc" 및 "Sf"는 각각 비교기(51)의 출력 단자 "c"에서의 2차 출력 신호와, 비교기(52)의 출력 단자 "f"에서의 2차 출력 신호를 나타낸다.

판정을 위한 선택적 회전 각도 "θj"에서, 비교기(51)는 제 1 자기 검출 소자(411)의 임시 검출값 "Sa"와 제 2 자기 검출 소자(412)의 기준값 "Sb"간의 차이값인 "검출 편차"를 계산한다. 유사한 방식으로, 판정을 위한 선택적 회전 각도 "θj" 에서, 비교기(52)는 제 1 자기 검출 소자(421)의 임시 검출값 "Sd"와 제 2 자기 검출 소자(422)의 기준값 "Se"간의 차이값인 "검출 편차"를 계산한다. 각 비교기(51,52)는 상기 "검출 편차"와 사전 설정된 임계치 "△Eth"를 비교한다. 판정을 위한 상술한 선택적 회전 각도 "θj"는 ECU(6)의 제어를 위해 선택적으로 선택되고 이용된 각도에 대응한다.

도 6a에 도시된 바와 같이, 제 1 자기 검출 소자(411)의 임시 검출값 "Sa"와 제 2 자기 검출 소자(412)의 기준값 "Sb"간의 제 1 자기 센서(41)에 대한 차이값으로서 비교기(51)에 의해 계산된 검출 편차 "△E1"는 임계치 "△Eth"보다 작다. 다시 말해, 임시 검출값 "Sa"과 기준값 "Sb"는 서로 간에 거의 일치한다. 이 경우, 비교기(51)는 제 1 자기 검출 소자(411)의 임시 검출값 "Sa"를, 정상 출력 범주 이내의 전압 신호인 정식 검출값 "Sc"로서(도 6b에 도시됨) ECU(6)의 계산 유닛(61)에 출력한다.

다른 한편, 도 6a에 도시된 바와 같이, 제 1 자기 검출 소자(421)의 임시 검출값 "Sd"와 제 2 자기 검출 소자(422)의 기준값 "Se"간의 제 2 자기 센서(42)에 대한 차이값으로서 비교기(52)에 의해 계산된 검출 편차 "△E2"는 임계치 "△Eth"보다 크다. 이 경우, 비교기(52)는 ECU(6)의 계산 유닛(61)에 이상 판정 신호 "Sf"를 출력하는데, 이때 이상 판정 신호 "Sf"는 도 6b에 도시된 바와 같이 정상 출력 범위 밖의 전압 신호이다.

그 다음, ECU(6)는, 제 1 자기 센서(41)가 정상이지만 제 2 자기 센서(42)는 이상이 있다고 판정한다. ECU(6)는 그 자신의 제어 프로세스를 위해 제 1 자기 센서(41)로부터의 정식 검출값 "Sc"을 이용한다.

이 실시 예에 따른 토크 센서(101)의 장점을 설명하겠다.

(1) 먼저, 본 실시 예는 일본특허공보 제2008-232728호에 개시된 종래 기술의 토크 센서에 대응하는, 도 9 및 도 10에 도시된 토크 센서와 비교된다. 도 9에 도시된 비교예의 토크 센서(109)는 3개의 자기 센서(47,48,49)를 가진다. 각 자기 센서(47,48,49)는 와이어 하니스(57,58,59)를 통해 ECU(6)에 각각 접속된 자기 검출 소자(471,481,491)를 가진다. 각 와이어 하니스(57,58,59)는 전원 공급 라인(57p,58p,59p)과, 접지 라인(57g,58g,59g) 및 신호 라인(57s,58s,59s)을 포함한다. 각 자기 센서의 출력은 각 신호 라인(57s,58s,59s)을 통해 ECU(6)의 계산 유닛(69)에 전송된다.

도 10에는 비교예의 토크 센서(109)의 출력 특성이 도시된다. 도 10에서, "Sx", "Sy" 및 "Sz"는 각각 자기 검출 소자(471)의 출력 단자 "x"와, 자기 검출 소자(481)의 출력 단자 "y" 및 자기 검출 소자(491)의 출력 단자 "z"에서의 출력 전압들을 나타낸다. 도 9 및 도 10에 도시된 비교예에서, 자기 센서(47,48,49)는, 자기 검출 소자(471)의 출력 특성 "Sy"과, 자기 검출 소자(481,491)의 출력 특성 "Sy" 및 "Sz"가 기준 출력 "E0"에 대해 서로 간에 반대되도록 설정된다.

판정을 위한 선택적 회전 각도 "θj"에서, 자기 검출 소자(471)의 출력 전압 "Sx"와 자기 검출 소자(481)의 출력 전압 "Sy"는 기준 전압 "E0"와 일치한다. 그러나, 자기 검출 소자(491)의 출력 전압 "Sz"에 대하여, 기준 전압 "E0"로부터의 편차 "△Ez"는 사전 설정된 임계치 "△Eth"보다 크다. 그 결과, 자기 센서(47,48)는 정상이지만, 자기 센서(49)는 이상이 있다고 ECU(6)는 판정한다. ECU(6)는 자기 센서(47,48)로부터의 출력값을 정식값으로서 채택하여 이들 출력 전압을 그 자신의 제어 프로세스를 위해 이용한다.

그러므로, 비교예의 토크 센서(109)에 있어서 자기 센서의 고장 여부를 판정할 수 있게 된다. 그러나, 3개의 자기 센서(47,48,49)를 제공할 필요가 있기 때문에, 회로 크기가 증가한다. 또한, 3개의 와이어 하니스(57,58,59)가 토크 센서(109)와 ECU(6) 사이에 접속되기 때문에, 와이어 하니스에 대한 공간 및 토크 센서의 중량이 증가한다. 또한, ECU(6)의 계산 유닛(69)에 대한 계산 부하가 증가한다.

그러나, 본 실시 예에 따르면, 자기 센서(41,42) 중 어느 하나가 고장인지의 여부를 (토크 센서(101)내의) 비교기(51,52)에서 판정할 수 있다. 또한, 자기 센서(41,42)의 각각은, 고장 여부에 대한 각 자기 센서의 상태에 따라, ECU(6)에 정식 검출값 또는 이상 판정 신호를 출력한다. 그러므로, 자기 센서가 정상인지 이상인지를 판정하기 위한 프로세스를 ECU(6)가 실행할 필요가 없다. 그에 의해, ECU(6)에 대한 계산 부하가 감소된다.

또한, 토크 센서(101)와 ECU(6) 사이에 단지 2개의 와이어 하니스만이 필요하기 때문에, 와이어 하니스에 대한 공간 및 중량이 3개의 와이어 하니스가 필요한 비교예에 비해 감소될 수 있다.

(2) 본 실시 예의 토크 센서(101)에 따르면, 검출 신호를 출력하는 제 1 자기 검출 소자(411), 기준 신호를 출력하는 제 2 자기 검출 소자(412) 및 비교기(51)가 하나의 IC 패키지(41)(제 1 자기 센서(41))에 수용된다. 유사한 방식으로, 검출 신호를 출력하는 제 1 자기 검출 소자(421)와, 기준 신호를 출력하는 제 2 자기 검출 소자(422) 및 비교기(52)가 하나의 IC 패키지(42)(제 2 자기 센서(42))내에 수용된다. 하나의 패키지에 이들 부분들에 대한 공간을 모을 수 있으며, 제조 프로세스에서 그 부분들의 제어를 더욱 쉽게 할 수 있다.

(3) 본 실시 예의 토크 센서(101)가 다수의 자기 센서(41,42)를 가지기 때문에, ECU(6)는 자기 센서중 하나가 고장 나면, 자기 센서들 중 다른 하나로부터의 정식 검출값을 이용하여 (전력 조향 동작을 위한) 제어를 계속할 수 있다. 보다 정확히, 전력 조향 장치에 있어서, 조향 보조 토크(보조 토크를 위한 명령 신호)는 조향 샤프트(94)에 가해진 검출된 토크량에 기초하여 계산된다. 인버터에 대한 구동 전압은 그러한 명령 신호에 의해 제어되며, 그에 의해, 전기 모터(92)의 동작은 계속된다. 따라서, 자기 센서중 하나가 고장난 경우에도, 조향 보조 토크가 계속적으로 조향 샤프트에 가해지며, 그에 따라 차량 운전자는 예를 들어, 가장 가까운 자동차 영업소로 차량을 쉽게 운전할 수 있다.

(4) 본 실시 예에 따르면, 전원 공급 라인(53p,54p)과 접지 라인(53g,54g)은 각각 자기 센서(41,42)와 ECU(6) 사이에 서로 독립적으로 배열된다. 전원에 대한 전위가 다수의 자기 센서에 대해 공통이기 때문에, 토크 센서(101)와 ECU(6) 사이에 하나의 공통 전원 공급 라인과 하나의 공통 접지 라인을 배열할 수 있으며, 이때, 전원 공급 라인과 접지 라인은 토크 센서(101)에서 각 자기 센서(41,42)로 나뉘어진다.

그러나, 본 실시 예에서 처럼, 전원 공급 라인과 접지 라인이 각 자기 센서에 제공되는 경우에는, 전원 공급 라인들 중 하나 또는 접지 라인들 중 하나가 접속되지 않는다 하더라도, 전력 조향 동작에 대한 제어를 계속할 수 있다.

(제 2 실시 예)

제 2 실시 예의 토크 센서(102)에 따르면, 제 1 실시 예와 실질적으로 동일한 단지 하나의 자기 센서(41)만이 제공된다. 자기 센서(41)가 고장일 때 ECU에 의한 제어를 계속할 필요가 없는 경우에는, 2개의 자기 센서가 항상 필요한 것은 아니다. 제 2 실시 예에서는 ECU(6)가 계산 유닛(61)을 필요로 하지 않기 때문에, ECU(6)에 대한 계산 부하가 추가로 감소될 수 있다.

(제 3 실시 예)

자기 검출 소자를 수용하는 IC 패키지에 대한 구조에 있어서, 도 8에 도시된 제 3 실시 예의 토크 센서(103)는 제 1 실시 예의 그것과 다르다.

제 3 실시 예에 따르면, 제 1 자기 센서(410)의 (검출 신호 및 기준 신호를 위한) 각 자기 검출 소자(431,442)는 각 IC 패키지(43,44)에 수용된다. 유사한 방식으로, 제 2 자기 센서(420)의 (검출 신호 및 기준 신호를 위한) 각 자기 검출 소자(451,462)는 각 IC 패키지(45,46)에 수용된다. 각 비교기(51,52)는 IC 패키지(43,44 및 45,46)로부터 독립적으로 각 자기 센서(41,42)에 제공된다.

각 자기 센서(410,420)와 ECU(6)간의 와이어 하니스는 제 1 실시 예와 동일하다. 그러나, 도 8에는, 신호 라인(53s,54s)만이 표시된다.

도 8에 도시된 바와 같이, IC 패키지(43,44)와 비교기(51)는 제 1 자기 센서(410)를 구성하는 반면, IC 패키지(45,46) 및 비교기(52)는 제 2 자기 센서(420)를 구성한다. 자기 센서(410,420)는 제 1 실시 예의 자기 센서(41,42)와 실질적으로 동일한 기능을 가진다.

(자기 검출 소자를 가진) IC 패키지들(43 내지 46)의 각각은 자체적인 회전 방향 및 회전 각도를 자기적(magnetically)으로 검출할 수 있다. 이것이 의미하는 것은, 각 IC 패키지(43 내지 46)가 보다 넓은 의미의 자기 센서로서 간주될 수 있다는 것이다.

그러나, 본 발명의 자기 센서는 검출 신호에 대한 자기 검출 소자, 기준 신호에 대한 자기 검출 소자 및 비교기를 갖는 것으로 정의된다.

(추가적인 실시 예 및/또는 수정)

(A) 상술한 실시 예에 있어서, 다극 자석(14)은 입력 샤프트(11)에 접속되는 반면, 한 쌍의 자기 요크(31,32)는 출력 샤프트(12)에 접속된다. 그러나, 다극 자석(14)이 출력 샤프트(12)에 접속되고, 한 쌍의 자기 요크(31,32)가 입력 샤프트(11)에 접속될 수 있다. 대안적으로, 다극 자석(11)은 토션 바(13)의 일단에 접속되고, 한 쌍의 자기 요크(31,32)가 토션 바(13)의 타단에 접속될 수 있다.

(B) 자속 수집 부재(70a,70b)의 형상은 환형 형상에 제한되지 않는다. 자속 수집 부재는 반원 형상(semi-circular shape)으로 형성될 수 있다.

(C) 본 발명은 전력 조향 장치에 대한 토크 센서에 국한되지 않는다. 본 발명은 자속 생성 수단 및 자기 센서를 가진 여러 유형의 검출 디바이스에 적용될 수 있으며, 이때, 자속 생성 수단과 자기 센서는 서로 상대적으로 회전 가능하며, 자속 생성 수단과 자기 센서 중 하나에 접속된 부재의 상대적 변위가 검출된다.

예를 들어, 본 발명은 마이크로-각도 검출 센서에 적용될 수 있다. 대안적으로, 본 발명은 자기 센서가 자속 생성 수단에 대해 상대적으로 회전하고 자기 센서가 마이크로 각도 검출 센서보다 더 큰 각도 범위에 대해 회전하는 회전 각도 검출 센서에 적용될 수 있다.

또한, 본 발명은, 자기 센서가 회전 방식이 아닌 선형적 왕복 방식으로 자속 생성 수단에 대해 상대적으로 이동하는 스트로크(stroke) 센서에 적용될 수 있다.

상술한 바와 같이, 본 발명은 상술한 실시 예 및/또는 수정에 국한되는 것이 아니라 본 발명의 사상을 벗어나지 않고서 여러 방식으로 수정될 수 있다.

13: 토션 바
14: 자계 생성 부재
41,42,410,420: 자기 센서
51,52: 비교기
101,102,103: 자기 검출 디바이스
411,421,431,451: 제 1 자기 검출 소자
412,422,442,462: 제 2 자기 검출 소자

Claims

자기 검출 디바이스(101,102,103)로서,
자계를 생성하는 자계 생성 부재(14)와;
상기 자계 생성 부재(14)에 대하여 상대적으로 이동 가능하게 제공되며, 상기 자계 생성 부재(14)에 의해 생성된 자계의 세기를 검출하는 자기 센서(41,42,410,420)를 포함하되,
상기 자기 검출 디바이스는 상기 자계 생성 부재(14)와 상기 자기 센서(41,42,410,420) 중 어느 하나에 접속된 검출 대상(13)의 상대적 변위를 검출하고,
상기 자기 센서(41,42,410,420)는,
제 1 자기 검출 소자를 통과하는 자속의 밀도를 검출하고, 임시 검출값의 출력 신호를 출력하는 상기 제 1 자기 검출 소자(411,421,431,451);
제 2 자기 검출 소자를 통과하는 자속의 밀도를 검출하고, 기준값의 출력 신호를 출력하는 상기 제 2 자기 검출 소자(412,422,442,462); 및
상기 임시 검출값과 상기 기준값간의 차이값인 검출 편차를 계산하는 비교기(51,52)를 포함하고,
상기 비교기(51,52)는, 상기 검출 편차가 사전 설정된 임계치(△Eth)보다 작으면 상기 임시 검출값에 대응하는 정식 검출값의 검출 신호(Sc)를 출력하고,
상기 비교기(51,52)는, 상기 검출 편차가 사전 설정된 임계치(△Eth)보다 크면 이상 판정 신호(Sf)를 출력하는
자기 검출 디바이스.
제 1 항에 있어서,
상기 제 1 자기 검출 소자(411,421), 상기 제 2 자기 검출 소자(412,422) 및 상기 비교기(51,52)는 하나의 IC 패키지(41,42)내에 수용되는
자기 검출 디바이스.
제 2 항에 있어서,
상기 IC 패키지는 높이가 너비 및 깊이보다 더 작게 되도록 형성되고,
상기 제 1 자기 검출 소자(411,421)와 상기 제 2 자기 검출 소자(412,422)의 각각은, 상기 제 1 및 제 2 자기 검출 소자의 각각을 그의 높이 방향으로 통과하는 자속의 밀도를 검출하는
자기 검출 디바이스.
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 자기 검출 디바이스는 다수의 자기 센서들(41,42,410,420)을 가지는
자기 검출 디바이스.
제 4 항에 있어서,
상기 자기 센서들(41,42)의 각각은 신호 라인(53s,54s)과, 전원 공급 라인(53p,54p) 및 접지 라인(53g,54g)을 가지며,
상기 자기 센서들(41,42)의 전원 공급 라인들(53p,54p)은 서로간에 독립적으로 배열되고,
상기 자기 센서들(41,42)의 접지 라인들(53g,54g)은 서로간에 독립적으로 배열되는
자기 검출 디바이스.
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 정식 검출값의 검출 신호(Sc)는 사전 설정된 정상 범주내의 전압 신호이고, 상기 이상 판정 신호(Sf)는 상기 사전 설정된 정상 범주 외의 전압 신호인
자기 검출 디바이스.
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 자기 검출 디바이스는, 상기 자계 생성 부재(14)와 자기 센서(41,42,410,420) 중 어느 하나에 접속된, 검출 대상(13)의 상대적 변위의 회전 방향 및 회전 각도를 검출하는
자기 검출 디바이스.
청구항 7의 자기 검출 디바이스가 적용되는 토크 센서로서,
제 1 샤프트(11)과 제 2 샤프트(12) 사이에 동축으로 제공되어, 검출 대상(13)으로서 작용하며, 상기 제 1 샤프트(11)과 제 2 샤프트(12) 사이에 가해지는 토크를 토션 변위(torsional displacement)로 변환하는 토션 바(torsion bar)(13);
상기 제 1 샤프트(11) 또는 상기 토션 바(13)의 일단(one end)에 접속되어, 자계 생성 부재(14)로서 작용하는 다극 자석(14);
상기 제 2 샤프트(12)과 상기 토션 바(13)의 타단(other end)에 접속되어, 상기 다극 자석(14)에 의해 생성된 자계내에 자속 회로(magnetic-flux circuit)를 형성하는 한 쌍의 자기 요크(31,32); 및
상기 한 쌍의 자기 요크(31,32)로부터 자속을 수집하는 한 쌍의 자속 수집 부재(70a,70b)를 포함하되,
상기 자기 센서(41,42,410,420)는 상기 자속 수집 부재들(70a,70b)간의 자계의 세기를 검출하는
토크 센서.
전력 조향 장치를 위한 토크 센서로서,
전력 조향 장치(90)의 조향 샤프트(94)에 제공된 토션 바(13);
상기 토션 바(13)의 일단에 접속된 다극 자석(14);
상기 다극 자석(14)의 반지름 외측 위치(radial-outward position)에 제공되며, 상기 다극 자석(14)에 대해 상대적으로 회전 가능하게 되도록, 상기 토션 바(13)의 타단에 접속된 한 쌍의 자기 요크(31,32) 및 한 쌍의 자속 수집 부재(70a,70b);
상기 한 쌍의 자속 수집 부재(70a,70b) 사이에 제공되어, 상기 다극 자석(14)에 의해 생성된 자계의 세기를 검출하는 자기 센서(41,42,410,420)를 포함하되,
상기 자기 센서(41,42,410,420)는,
제 1 자기 검출 소자를 통과하는 자속의 밀도를 검출하고, 임시 검출값의 출력 신호를 출력하는 상기 제 1 자기 검출 소자(411,421,431,451);
제 2 자기 검출 소자를 통과하는 자속의 밀도를 검출하고, 기준값의 출력 신호를 출력하는 상기 제 2 자기 검출 소자(412,422,442,462); 및
상기 임시 검출값과 상기 기준값간의 차이값인 검출 편차를 계산하는 비교기(51,52)를 포함하고,
상기 비교기(51,52)는, 상기 검출 편차가 사전 설정된 임계치(△Eth)보다 작으면 상기 임시 검출값에 대응하는 정식 검출값의 검출 신호(Sc)를 출력하고,
상기 비교기(51,52)는, 상기 검출 편차가 사전 설정된 임계치(△Eth)보다 크면 이상 판정 신호(Sf)를 출력하는
토크 센서.