KR20150029943A - 전동식 조향장치의 토크 센서 - Google Patents

전동식 조향장치의 토크 센서 Download PDF

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Abstract

전동식 조향장치의 토크 센서가 개시된다. 본 발명의 실시 예에 따른 전동식 조향장치의 토크 센서는 조향을 위한 입력측 샤프트 및 출력측 샤프트를 포함하는 조향축과, 입력측 샤프트와 출력측 샤프트 사이에 마련되는 전동식 조향장치의 토크 센서에 있어서, 토크 센서는 하우징과; 하우징 내에서 입력측 샤프트에 결합되며 제1커플러를 포함하는 제1로터와; 하우징 내에서 출력측 샤프트에 결합되며 제2커플러를 포함하는 제2로터와; 하우징의 제1로터와 제2로터 사이에 마련되는 자속을 생성 및 수신하는 발진 코일 및 수신 코일과, 제1커플러와 제2커플러의 상대 회전에 따라 변화되는 자속을 감지하는 자기소자를 구비하는 인쇄회로기판;을 포함하며, 제1로터와 제2로터 중 적어도 하나는 내주면에 조향축의 길이방향 이탈을 방지하기 위한 트리거와, 반경방향 이탈을 방지하기 위한 키핀돌기를 포함한다.

Description

전동식 조향장치의 토크 센서{Troque Sensor of Electronic Power Steering Apparatus}
본 발명은 전동식 조향장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 토크 센서의 로터를 조향축에 안정적으로 결합할 수 있는 전동식 조향장치의 토크 센서에 관한 것이다.
일반적으로 차량은 핸들의 조향력을 경감하여 조향 안정성을 확보하기 위한 수단으로서 보조 조향장치를 구비한다. 보조 조향장치로서 종래에는 유압을 이용한 유압식 조향장치(HPS;Hydraulic Power Steering System)가 널리 사용되었으나, 최근에는 모터를 이용하여 조향력을 쉽게 하는 전동식 조향장치(Moter driven Power Steering System;MDPS 또는 Electronic Power Steering;EPS)가 보편적으로 설치되고 있다.
전동식 조향장치(MDPS)는 차속 센서, 앵글 센서, 및 토크 센서 등에서 감지한 차량의 운행조건에 따라 전자제어장치(ECU)에서 모터를 구동시켜 저속 운행시에는 가볍고 편안한 조향감을 부여하고, 고속 운행시에는 무거운 조향감과 더불어 양호한 방향 안정성을 부여한다. 또한, 고속에서는 핸들의 회전각에 따른 조속한 조향휠의 복원력을 제공하여 비상 상황에서 급속한 조향이 이루어지도록 하여 운전자에게 최적의 조향 조건을 제공한다.
한국 공개특허 제10-2013-0064234호(2013.06.18.) 상기 문헌은 토크 센서를 조향축에 부착할 때 로터 하우징의 변형을 방지하고 간편하게 결합할 수 있도록 호그 링을 포함하고 있다. 하지만, 호그 링을 이용한 결합 방식은 축방향으로 외력 발생 시 이탈이 발생하기 쉽다. 호그 링 외에 코킹, 압입, 용접 등의 다양한 결합 방식이 있으나 이들 방식은 결합이 견고하기는 하지만 대부분 비용이 증가하고 별도의 공정 추가로 인해 제조 효율이 떨어진다.
본 발명의 실시 예에 따른 전동식 조향장치의 토크 센서는 로터와 조향축이 간단한 조립으로 견고하게 결합될 수 있도록 한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 조향을 위한 입력측 샤프트 및 출력측 샤프트를 포함하는 조향축과, 입력측 샤프트와 출력측 샤프트 사이에 마련되는 전동식 조향장치의 토크 센서에 있어서, 토크 센서는 하우징과; 하우징 내에서 입력측 샤프트에 결합되며 제1커플러를 포함하는 제1로터와; 하우징 내에서 출력측 샤프트에 결합되며 제2커플러를 포함하는 제2로터와; 하우징의 제1로터와 제2로터 사이에 마련되는 자속을 생성 및 수신하는 발진 코일 및 수신 코일과, 제1커플러와 제2커플러의 상대 회전에 따라 변화되는 자속을 감지하는 자기소자를 구비하는 인쇄회로기판;을 포함하며, 제1로터와 제2로터 중 적어도 하나는 내주면에 조향축의 길이방향 이탈을 방지하기 위한 트리거와, 반경방향 이탈을 방지하기 위한 키핀돌기를 포함하는 전동식 조향장치의 토크 센서를 제공할 수 있다.
상기 트리거는 제1로터 또는 제2로터에서 내측으로 상향 돌출 마련되고, 상기 입력측 샤프트 또는 출력측 샤프트는 헤드부와, 헤드부보다 직경이 작은 네크부를 포함하여, 상기 트리거는 헤드부에 삽입된 후 네크부에 탄성적으로 걸려 결합될 수 있다.
상기 입력측 샤프트 또는 출력측 샤프트는 헤드부에 상기 키핀돌기와 대응하는 키핀홈을 길이방향으로 구비할 수 있다.
상기 제1로터 또는 제2로터의 내주면에는 입력측 샤프트 또는 출력측 샤프트의 외경보다 큰 내경을 갖는 원호 형상의 푸셔가 마련되어 결합 시 샤프트를 탄성 가압할 수 있다.
상기 푸셔는 조향축의 길이방향으로 리브를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 전동식 조향장치의 토크 센서는 키핀돌기와 키핀홈을 이용하여 로터와 샤프트 간 반경방향의 회전 이탈을 방지하고, 샤프트의 네크부와 로터의 트리거를 이용하여 조향축의 길이방향 이탈을 효과적으로 방지함으로써 로터와 조향축을 견고하게 조립할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시 예에 따른 전동식 조향 장치의 토크 센서는 로터의 내주면에 마련되는 푸셔를 이용하여 결합되는 샤프트를 탄성적으로 가압함으로써 로터와 조향축을 더욱 견고하게 조립할 수 있다.
도 1은 일반적인 전동식 조향장치를 간략하게 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 전동식 조향장치의 조향축과 토크 센서를 도시한 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 전동식 조향장치에 마련되는 토크 센서의 로터를 도시한 사시도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 전동식 조향장치에 마련되는 토크 센서의 로터의 단면도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 전동식 조향장치에 마련되는 토크 센서의 로터의 평면도이다.
이하에서는 본 발명의 실시 예들을 첨부 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 여기서, 이하에 소개되는 실시 예들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되는 것이다. 따라서, 본 발명은 이하 설명되는 실시 예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있으며, 나아가 본 발명을 명확하게 설명하기 위하여 설명과 관계없는 부분은 도면에서 생략하였으며 도면들에 있어서, 구성요소의 폭, 길이, 두께 등은 편의를 위하여 과장되어 표현될 수 있다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.
도 1은 종래 전동식 조향장치를 개략적으로 도시한 도면이다. 도면을 참조하면, 전동식 조향장치는 핸들(1)로부터 양 바퀴(2)를 연결하는 메인조향유닛 및 메인조향유닛에 보조 동력을 제공하는 보조조향유닛을 포함한다.
메인조향유닛의 일측은 핸들(1)에 연결되어 연동되며, 타측은 한 쌍의 유니버셜 조인트(3)를 통해 피니언축(4)에 연결되는 조향축(5)을 포함한다. 피니언축(4)은 랙-피니언 기구(6)를 통해 랙바(7)에 연결되고, 랙바(7)는 타이로드와 너클암을 통해 차량의 바퀴(2)와 연결된다.
보조조향유닛은 운전자가 핸들(1)에 가하는 토크를 감지하고 이를 전기 신호로 출력하는 토크 센서(11)와, 핸들(1)의 회전각을 감지하여 전기 신호로 출력하는 앵글 센서(12)와, 토크 센서(11)와 앵글 센서(12)로부터 출력되는 전기 신호에 기초하여 제어 신호를 발생시키는 전자제어장치(ECU)(13)와, ECU(13)의 출력 신호에 기초하여 보조 동력을 발생시키는 모터(14) 및 모터(14)의 동력을 감속하여 조향축(5)에 전달하는 감속기(15)를 포함한다. 토크 센서(11)와 앵글 센서(12)는 모델에 따라 각각 별도로 마련되거나 하나의 유닛 형태로 마련될 수도 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 전동식 조향장치의 보조조향유닛으로서 조향축에 결합 설치되는 토크 센서를 도시한 도면이다.
도면을 참조하면, 토크 센서(100)는 커버 하우징(110)과, 조향축과 연결되는 제1로터(120) 및 제2로터(130)와, 커버 하우징 내에 마련되는 인쇄회로기판(140)을 포함한다.
하우징(110)은 수지재를 포함하는 내마모성이 높은 재질로 마련되며, 내부에 공간을 형성하여 부품들을 수용한다. 또한, 하우징(110)은 일측에 중공부를 구비하여 조향축이 관통하도록 설치되며, 타측에 조향축의 토크 및 회전을 감지하게 위한 부품들을 수용하고 조향축의 회전에 방해되지 않도록 차체에 고정 설치된다. 조향축은 핸들측과 연결되는 입력측 샤프트(102)와, 휠측과 연결되는 출력측 샤프트(104)를 포함하며, 입력측 샤프트(102)와 출력측 샤프트(104)에 양단이 각각 고정 설치되는 토션바(106)에 의해 입력축의 회전을 출력축의 회전으로 전달한다.
제1로터(120)는 조향축의 입력측 샤프트(102)와 연결될 수 있도록 중공을 갖는 원통형 본체(122)를 구비하며, 본체(122)는 외주에 금속재의 제1커플러(124)를 구비한다. 제1커플러(124)는 원주방향으로 톱니 형상의 돌기를 구비하며, 입력측 샤프트(102)와 본체(122)는 코킹, 압입, 용접 등 다양한 방식으로 견고하게 결합될 수 있다.
제2로터(130)는 제1로터(120)와 조향축의 동축상 길이방향으로 대향 마련되며, 조향축의 출력측 샤프트(104)와 연결될 수 있도록 중공을 갖는 원통형 몸체(132)를 구비한다. 몸체(132)는 외주에 반경 방향을 따라 톱니 형상으로 돌출 마련되는 금속재의 제2커플러(134)를 구비한다. 제2커플러(134)와 제1커플러(124)는 후술할 인쇄회로기판(140)의 양측에 대향 배치된다.
제2로터(130)는 출력측 샤프트(104)에 고정 설치된다. 이를 위해, 출력측 샤프트(104)는 도 3에 도시한 바와 같이 단부에 제2로터(130)를 결합할 수 있도록 헤드부(107)와 플랜지부(108)를 구비한다. 플랜지부(108)는 헤드부(107)보다 반경이 확대되어 제2로터(130)의 끝단을 지지하며, 헤드부(107)와 플랜지부(108) 사이에는 헤드부(107)보다 반경이 축소된 네크부(109)가 마련된다. 또한, 헤드부(107)는 축방향을 따라 요홈 형태로 마련되는 키핀홀(105)을 포함한다.
제2로터(130)는 단순 조립 방식으로 출력측 샤프트(104)와 견고하게 결합하기 위해 중공형의 합성수지재로 마련되며, 내주면에 키핀(135)와, 트리거(136)와, 푸셔(137)를 포함한다. 제2로터(130)의 외주면에 마련되는 제2커플러(134)는 제2로터(130)와 이중 사출 방식으로 조립된다.
키핀돌기(135)는 제2로터(130)의 길이방향으로 마련되어 출력측 샤프트(104)의 키핀홀(105)과 결합함으로써 샤프트의 반경 방향 회전을 효과적으로 방지한다. 키핀돌기(135)는 적어도 하나 이상 마련되며, 결합 시 흔들림이 없도록 가운데에 홈을 마련하여 키핀홀과 탄성 결합시킬 수 있다. 키핀돌기(135)와 키핀홈(105)는 설치 위치가 서로 바뀔 수 있다.
트리거(136)는 내주면 끝단에 'L'자 형상으로 상향 돌출되며, 그 단부는 출력측 샤프트(104)의 네크부(109)에 결합된다. 본 실시 예에서 트리거(136)는 120도 간격으로 세 개가 마련되었으나 개수는 이에 한정되지 않는다. 도 4에 도시한 바와 같이 트리거(136)의 내경은 적어도 헤드부(107)의 외경보다 크게 마련되어, 출력측 샤프트(104)와 조립 시 상측에서 단순히 밀어넣는 동작만으로 네크부(109)에 탄성적으로 조립될 수 있다. 네크부(109)에 탄성적으로 걸리는 트리거(136)로 인해 제2로터(130)는 조향축의 길이 방향 이탈이 효과적으로 방지된다.
푸셔(137)는 제2로터(130)의 내주면에 원호 형상의 돌출면으로 마련되며, 내부에는 에어갭(138)을 구비한다. 푸셔(137)의 내경은 실질적으로 출력측 샤프트(104)의 외경보다 크게 마련되어, 도 5에 도시된 바와 같이 출력측 샤프트(104)가 삽입되면, 에어갭(138)이 압축되면서 발생하는 탄성력으로 출력측 샤프트(104)를 가압한다. 푸셔(137)의 내면 중심에는 출력측 샤프트(104) 사이에 탄성력을 더욱 집중시키기 위해 리브(139)가 조향축의 길이방향으로 마련될 수 있다.
인쇄회로기판(140)은 조향축의 토크를 감지하기 위한 자속을 생성 및 수신하기 위한 발진 코일 및 수신 코일과, 자속의 변화량을 감지하는 자기소자를 포함한다. 자기소자는 일반적으로 한 쌍의 리니어 홀 소자(Linear Hall IC)를 사용한다.
인쇄회로기판(140)은 상하로 분리 마련되는 하우징(110)의 내부에 수평 방향으로 마련되며, 제1커플러(124)와 제2커플러(134)가 상하로 이격 배치된다.
상기와 같이 마련되는 본 실시 예에 따른 전동식 조향장치의 토크 센서는 운전자가 핸들을 회전시키면 조향축의 입력측 샤프트(102)가 회전하고, 토크바(106)로 연결된 츨력측 샤프트(104)가 연동 회전한다.
그리고, 이때 발생하는 제1로터(120)와 제2로터(130)의 비틀림에 의해 제1커플러(124)와 제2커플러(134)의 위치가 변화되며, 그 결과 인쇄회로기판(140)에서 수신되는 자속(자기력선 양)의 변화를 자기소자로 감지함으로써 조향 제어에 필요한 신호를 용이하게 취득할 수 있다.
여기서, 본 실시 예는 토크 센서로서 인덕티브 방식의 센서를 예시하였으나, 본 발명은 이에 한정되지 않고 마그넷을 이용한 비접촉식 자기 토크 센서에도 당업자가 적절한 수정 및 변경을 통해 용이하게 적용할 수 있으며, 나아가 본 실시 예에서는 출력측 샤프트에 결합되는 제2로터를 일례로 예시하였으나 조향축의 입력측 샤프트와 제1로터 사이에도 적용될 수 있음은 물론이다.
또한, 본 실시 예에서는 조향각 센서에 대해서는 자세히 언급하지 않았으나, 추가 홀센서를 하우징에 설치함으로써 토크와 함께 조향각도 용이하게 감지할 수 있다.
100..토크 센서 102..입력측 샤프트
104..출력측 샤프트 110..하우징
120..제1로터 124..제1커플러
130..제2로터 134..제2커플러
135..핀돌기 136..트리거
137..푸셔

Claims (5)

  1. 조향을 위한 입력측 샤프트 및 출력측 샤프트를 포함하는 조향축과, 상기 입력측 샤프트와 출력측 샤프트 사이에 마련되는 전동식 조향장치의 토크 센서에 있어서,
    상기 토크 센서는
    하우징과;
    상기 하우징 내에서 입력측 샤프트에 결합되며 제1커플러를 포함하는 제1로터와;
    상기 하우징 내에서 출력측 샤프트에 결합되며 제2커플러를 포함하는 제2로터와;
    상기 하우징의 상기 제1로터와 제2로터 사이에 마련되는 자속을 생성 및 수신하는 발진 코일 및 수신 코일과, 상기 제1커플러와 제2커플러의 상대 회전에 따라 변화되는 자속을 감지하는 자기소자를 구비하는 인쇄회로기판;을 포함하며,
    상기 제1로터와 제2로터 중 적어도 하나는 내주면에 조향축의 길이방향 이탈을 방지하기 위한 트리거와, 반경방향 이탈을 방지하기 위한 키핀돌기를 포함하는 전동식 조향장치의 토크 센서.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 트리거는 제1로터 또는 제2로터에서 내측으로 상향 돌출 마련되고,
    상기 입력측 샤프트 또는 출력측 샤프트는 헤드부와, 헤드부보다 직경이 작은 네크부를 포함하여,
    상기 트리거는 헤드부에 삽입된 후 네크부에 탄성적으로 걸려 결합되는 전동식 조향장치의 토크 센서.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 입력측 샤프트 또는 출력측 샤프트는 헤드부에 상기 키핀돌기와 대응하는 키핀홈을 길이방향으로 구비하는 전동식 조향장치의 토크 센서.
  4. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1로터 또는 제2로터의 내주면에는 입력측 샤프트 또는 출력측 샤프트의 외경보다 큰 내경을 갖는 원호 형상의 푸셔가 마련되어 결합 시 샤프트를 탄성 가압하는 전동식 조향장치의 토크 센서.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 푸셔는 조향축의 길이방향으로 리브를 더 포함하는 전동식 조향장치의 토크 센서.
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