KR20150077562A - 전동식 조향장치의 토크 센서 - Google Patents

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Abstract

전동식 조향장치의 토크 센서가 개시된다. 본 발명의 실시 예에 따른 전동식 조향장치의 토크 센서는 입력측 샤프트 및 출력측 샤프트를 포함하는 조향축과, 입력측 샤프트와 출력측 샤프트 사이에 마련되는 전동식 조향장치의 토크 센서에 있어서, 조향축에 마련되는 하우징과; 하우징 내에서 입력측 샤프트 또는 출력측 샤프트 중 하나에 결합되며 제1커플러를 포함하는 제1로터와; 하우징 내에서 입력측 샤프트 또는 출력측 샤프트 중 다른 하나에 결합되며 제2커플러를 포함하는 제2로터와; 하우징의 제1로터와 제2로터 사이에 마련되어 전자장을 생성 및 수신하는 발진 코일 및 수신 코일과, 제1커플러와 제2커플러의 상대 회전에 따라 변화되는 전자장을 감지하는 회로기판;을 포함하며, 제1로터와 제2로터는 각 조향축의 샤프트와 커플러 사이의 정전기 방전 경로를 차단하기 위한 절연재를 포함한다.

Description

전동식 조향장치의 토크 센서{Torque Sensor of Electronic Power Steering Apparatus}
본 발명은 전동식 조향장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 토크 센서의 회로부와 조향축 사이에 정전기 전달이 방지되도록 하는 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.
최근에는 토크와 회전 각도를 하나의 센서에서 감지할 수 있는 토크 앵글 센서가 많이 사용된다.
한국 공개특허 제10-2012-0077037호(2012.07.10.) 상기 문헌은 구조가 간단하여 소형화된 전자기 유도 방식을 사용하는 인턱턴스 타입의 토크 및 앵글센서를 개시하고 있다. 전자기 유도 방식을 사용하는 센서는 각각 조향축과 함께 회전하는 부재에 마련되는 한 쌍의 커플러 및 로터와, 인접된 위치에서 커플러가 회전하면서 차폐하는 면적에 따라 인덕턴스의 변화를 나타낸 수신코일과 여자코일 등으로 구성되는 회로기판을 포함한다. 그런데, 전자기 유도 방식은 전자기장을 이용하여 위치를 측정하는 방식이므로, 정전기 방전(Electrostatic Discharge;ESD)에 취약할 수 있다. 예컨대, 전자기 유도 방식의 센서는 금속재의 로터가 금속재의 조향축에 직접 결합되기 때문에 외부에서 유입되는 정전기 등의 전기적 스트레스가 회로기판으로 전달되기 쉽다. 최근 자동차들은 전장화 추세에 따라 기구적 부품이 전자적 부품으로 대체되고 있기 때문에, 정전기 방전에 대한 내구성 확보는 그 중요성이 점점 증가되고 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 전동식 조향장치의 토크 센서는 정전기 방전에 대한 내구성을 강화하고자 한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 입력측 샤프트 및 출력측 샤프트를 포함하는 조향축과, 입력측 샤프트와 출력측 샤프트 사이에 마련되는 전동식 조향장치의 토크 센서에 있어서, 조향축에 마련되는 하우징과; 하우징 내에서 입력측 샤프트 또는 출력측 샤프트 중 하나에 결합되며 제1커플러를 포함하는 제1로터와; 하우징 내에서 입력측 샤프트 또는 출력측 샤프트 중 다른 하나에 결합되며 제2커플러를 포함하는 제2로터와; 하우징의 제1로터와 제2로터 사이에 마련되어 전자장을 생성 및 수신하는 발진 코일 및 수신 코일과, 제1커플러와 제2커플러의 상대 회전에 따라 변화되는 전자장을 감지하는 회로기판;을 포함하며, 제1로터와 제2로터는 각 조향축의 샤프트와 커플러 사이의 정전기 방전 경로를 차단하기 위한 절연재를 포함하는 전동식 조향장치의 토크 센서가 제공될 수 있다.
상기 제1로터 또는 제2로터는 조향축과 결합하는 금속재의 원통 슬리브와, 슬리브의 외주에 마련되는 금속재의 제1커플러 또는 제2커플러와, 상기 슬리브와 제1커플러 또는 제2커플러를 연결하는 합성수지재의 원통브라켓을 포함할 수 있다.
상기 제1커플러 또는 제2커플러는 원통브라켓과 이중 사출로 마련될 수 있다.
상기 제1커플러 또는 제2커플러는 내주면에 적어도 하나 이상의 결합돌기를 구비할 수 있다.
상기 결합돌기는 톱니 형상으로 마련되는 제1커플러 또는 제2커플러의 산부와 골부 중 산부 또는 골부에 대응해서 내측으로 돌출 마련될 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 전동식 조향장치의 토크 센서는 금속재의 커플러와 조향축 사이에 절연체인 합성수지재로 로터를 마련함으로써 외부의 정전기 방전이 회로기판으로 전달되는 것을 효과적으로 방지하여 정전기 방전에 대한 내구성을 높일 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 분해 도시한 사시도이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 전동식 조향장치에 마련되는 토크 센서의 커플러 도면이다.
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 회로기판(140)을 포함한다.
하우징(110)은 수지재를 포함하는 내마모성이 높은 재질로 마련되며, 내부에 공간을 형성하여 부품들이 배치된다. 또한, 하우징(110)은 일측에 중공부를 구비하여 조향축이 관통하도록 설치되며, 타측에 조향축의 토크 및 회전을 감지하기 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(미도시)에 의해 입력축의 회전을 출력축의 회전으로 전달한다.
제1로터(120)는 조향축의 출력측 샤프트(104)와 연결될 수 있도록 중공을 갖는 금속재의 원통형 슬리브(122)와, 슬리브(122)의 외주에 마련되는 금속재의 제1커플러(124)와, 슬리브(122)와 제1커플러(124)를 연결하는 비금속재의 원통브라켓(126)을 포함한다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 슬리브(122)는 출력측 샤프트(104)와 코킹, 압입, 용접 등 다양한 방식으로 견고하게 결합될 수 있으며, 샤프트의 길이 방향으로 적어도 하나의 키홈(123)을 구비한다.
제1커플러(124)는 중공을 가진 얇은 판상으로 마련되어 외주면에는 조향축의 원주방향을 따라 마련되는 톱니 형상의 복수의 산부(125a)와 골부(125b)를 구비하며, 내주면에는 복수의 결합돌기(127)를 구비한다.
원통브라켓(126)은 슬리브(122)와 제1커플러(124)를 내측과 외측에 각각 결합할 수 있도록 내측에는 키홈(123)에 대응하는 키바(128)를 조향축의 길이방향으로 구비하며, 외측에는 제1커플러(124)의 결합돌기(127)를 수용할 수 있도록 마련된다. 결합돌기(127)는 슬리브(122)의 키홈(123)을 통과하여 출력측 샤프트(104)의 키홈(미도시)에 락킹되어 두 부재간 상대 회전을 방지한다.
또한, 원통브라켓(126)은 금속재의 슬리브(122)와 금속재의 제1커플러(124)가 전기적으로 연결되지 않도록 합성수지재와 같은 절연재로 마련된다. 본 실시 예에서는 절연재의 일례로 플라스틱을 채용하여 이중사출 방식으로 제조되지만 실리콘, 고무 등도 다양한 방식으로 채용가능하다.
절연재의 원통브라켓(126)은 조향축을 통해 외부로부터 유입되는 정전기가 제1로터(120)의 금속재 슬리브(122)와 제1커플러(124)를 통해 인접한 회로기판(140)으로 전달되는 것을 방지한다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 제1커플러(124)를 도시한 도면으로 결합돌기(127)가 톱니 모양의 산부(125a)와 골부(125b) 중 골부(125b)에 대응해서 돌출 마련되어 있으며, 도 4는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 제1커플러(124)를 도시한 도면으로, 결합돌기(127)가 톱니 모양의 산부(125a)와 골부(125b) 중 산부(125a))에 대응해서 돌출 마련되어 있다.
제1커플러(124)의 내주면에 돌출 마련되는 결합돌기(127)는 커플러와 원통브라켓(126) 간의 결합력을 증대시키는 것은 물론, 정전기가 전달될 수 있는 경로를 연장시켜 정전기가 전달되는 것을 저지한다. 특히, 도 4에 도시된 제1커플러(124)는 조향축을 통해 전달되는 정전기의 전달 경로가 도 3에 도시된 제1커플러(124)의 정전기 전달 경로보다 길어지기 때문에 정전기의 전달을 좀 더 효과적으로 저지할 수 있다. 또한, 결합돌기(127)가 많을 수록 결합력과 정전기 전달 경로가 늘어나므로 적어도 하나 이상 마련하는 것이 바람직하다.
미설명된 원통브라켓(126)의 참조부호 129는 하우징(110)과의 결합을 위한 홀더이다.
제2로터(130)는 제1로터(120)와 조향축의 동축상 길이방향으로 대향 마련되며, 조향축의 입력측 샤프트(102)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 구비하며, 제2커플러(134)와 제1커플러(124)는 회로기판(140)의 양측에 대향 배치된다.
금속재의 제2로터(130)와 입력측 샤프트(102)는 코킹, 압입, 용접 등의 방식으로 결합된다. 이러한 결합 방식은 상술한 바와 같이 정전기가 외부로부터 토크 센서 내부로 직접 전달될 수 있기 때문에, 본 실시 예는 제2로터(130)를 제1로터(120)와 같이 합성수지재의 원통브라켓을 커플러와 회전축 사이에 개재함으로써 정전기 방전을 효과적으로 방지할 수 있다.
한편, 회로기판(140)은 조향축의 토크를 감지하기 위한 전자장을 생성 및 수신하기 위한 발진 코일 및 수신 코일과, 전자장의 변화량을 감지하는 능동소자를 포함한다. 능동소자는 일반적으로 한 쌍의 주문형 반도체(ASIC)를 사용한다. 또한, 회로기판(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, 토크바로 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 회로기판(140)에서 수신되는 전자장의 변화를 능동소자로 감지함으로써 조향 제어에 필요한 신호를 용이하게 취득할 수 있다.
여기서, 본 실시 예는 토크 센서로서 인덕턴스 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 샤프트와도 결합 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 122..슬리브
124..제1커플러 126..원통브라켓
130..제2로터 134..제2커플러
140..회로기판

Claims (6)

  1. 입력측 샤프트 및 출력측 샤프트를 포함하는 조향축과, 상기 입력측 샤프트와 출력측 샤프트 사이에 마련되는 전동식 조향장치의 토크 센서에 있어서,
    상기 조향축에 마련되는 하우징과;
    상기 하우징 내에서 입력측 샤프트 또는 출력측 샤프트 중 하나에 결합되며 제1커플러를 포함하는 제1로터와;
    상기 하우징 내에서 입력측 샤프트 또는 출력측 샤프트 중 다른 하나에 결합되며 제2커플러를 포함하는 제2로터와;
    상기 하우징의 상기 제1로터와 제2로터 사이에 마련되어 전자장을 생성 및 수신하는 발진 코일 및 수신 코일과, 상기 제1커플러와 제2커플러의 상대 회전에 따라 변화되는 전자장을 감지하는 회로기판;을 포함하며,
    상기 제1로터와 제2로터는 각 조향축의 샤프트와 커플러 사이의 정전기 방전 경로를 차단하기 위한 절연재를 포함하는 전동식 조향장치의 토크 센서.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 제1로터 또는 제2로터는 조향축과 결합하는 금속재의 원통 슬리브와, 슬리브의 외주에 마련되는 금속재의 제1커플러 또는 제2커플러와, 상기 슬리브와 제1커플러 또는 제2커플러를 연결하는 합성수지재의 원통브라켓을 포함하는 전동식 조향장치의 토크 센서.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 제1커플러 또는 제2커플러는 원통브라켓과 이중 사출로 마련되는 전동식 조향장치의 토크 센서.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 제1커플러 또는 제2커플러는 내주면에 적어도 하나 이상의 결합돌기를 구비하는 전동식 조향장치의 토크 센서.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 결합돌기는 톱니 형상으로 마련되는 제1커플러 또는 제2커플러의 산부와 골부 중 골부에 대응해서 내측으로 돌출 마련되는 전동식 조향장치의 토크 센서.
  6. 제 4항에 있어서,
    상기 결합돌기는 톱니 형상으로 마련되는 제1커플러 또는 제2커플러의 산부와 골부 중 산부에 대응해서 내측으로 돌출 마련되는 전동식 조향장치의 토크 센서.
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