KR20150135595A - 파워 스티어링 토크 센서 - Google Patents

Abstract

본 발명의 파워 스티어링 토크 센서는, 차량 스티어링 휠 측에 연결되는 입력 샤프트 및 차량의 바퀴 측에 연결되는 출력 샤프트 사이에 배치되고, 상기 스티어링 휠의 회전 조작에 의해 발생된 비틀림을 검출하는 파워 스티어링 토크 센서로서, 상기 입력 샤프트 및 상기 출력 샤프트 중 어느 하나에 결합되고, 중심에서 동일한 반경을 갖도록 외주면을 따라 복수개의 N극마그네트과 S극마그네트가 교번 배치되는 자력발생부; 상기 입력 샤프트 및 상기 출력 샤프트 중 다른 하나에 연결되고, 원통의 형상으로 원주 방향으로 상기 복수 개의 N극마그네트 및 S극마그네트의 교번 배치 간격만큼 이격 형성되고 상기 N극마그네트 및 S극마그네트의 원주방향 너비 이하의 너비를 구비하는 복수개의 스크리닝 오픈 윈도우가 형성되는 자기스크리닝부; 상기 자기스크리닝부의 외주면과 반경 방향으로 이격 고정 배치되고, 복수개의 상기 스크리닝 오픈 윈도우을 통과하는 자력을 검출 유도하는 자기검출 유도부; 및 상기 자기검출 유도부의 외주 측에 위치 고정되어 상기 자력발생부와 상기 자기스크리닝부 간의 상대적인 비틀림 변화를 감지하는 자기검출 센서부;를 포함하며, 상기 자기검출 유도부는: 외주에 상기 스크리닝 오픈 윈도우가 형성되고, 상기 자기스크리닝부에 대하여 반경 방향으로 투영시 적어도 일부가 상기 스크리닝 오픈 윈도우와 교차되고, 상기 스크리닝 오픈 윈도우가 통과하는 자력을 검출 유도하는 제1자기검출 유도부재; 및 상기 제1자기검출 유도부재의 하측에 이격 배치되고, 상기 자기 스크리닝부에 대하여 반경 방향으로 투영시 상기 스크리닝 윈도우와 비교차되는 제2자기검출 유도부재;를 포함하는 것을 특징으로 하는 파워 스티어링 토크 센서를 제공한다.

Description

파워 스티어링 토크 센서{POWER STEERING TORQUE SENSOR FOR A VEHICLE}

본 발명은 파워 스티어링 토크 센서에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 조향스티어링 휠의 조작에 의해 입력 샤프트가 회전될 때, 바퀴와 연결된 출력 샤프트가 상기 입력 샤프트과 동일하게 회전될 수 있도록 하여 조향력을 향상시키기 위한 파워 스티어링 토크 센서에 관한 것이다.

일반적으로 차량의 주행 또는 정지시에 조향스티어링 휠을 회전시킴에 따라 노면과 접촉하고 있는 바퀴도 회전하게 된다. 즉, 상기 조향스티어링 휠을 좌측 방향 또는 우측 방향으로 회전시키게 되면 이와 동일한 방향으로 바퀴가 회전하게 된다. 그런데, 상기 바퀴는 노면과 접촉된 상태이기 때문에 상기 바퀴와 상기 노면 사이의 마찰력에 의해서 상기 조향스티어링 휠과 상기 바퀴의 회전비는 서로 상이하게 되어 운전자는 상기 조향스티어링 휠을 조작함에 있어 큰 힘을 필요로 하게 된다.

따라서, 상기 조향스티어링 휠과 상기 바퀴의 회전각 편차를 측정하고, 이를 보상하기 위해 토크센서(Torque sensor)가 구비된다. 즉, 상기 토크센서는 상기 조향스티어링 휠과 상기 바퀴의 회전각 편차를 측정하고, 이 측정된 편차만큼 별개의 동력수단을 이용하여 상기 바퀴를 회전시킴으로써 차량을 진행하고자 하는 방향으로 안전하고 정확하게 조향할 수 있도록 조향 편의성을 높이기 위한 장치이다.

상기 토크센서는 접촉방식과 비접촉식방식으로 크게 구분되는데, 접촉방식은 소음과 내구성의 저하문제로 인해 최근에는 비접촉식방식의 토크센서를 채택하고 있다. 또한, 비접촉식방식의 토크센서는 크게 자기저항 검출방식, 자기변형 검출방식, 정전용량 검출방식, 그리고 광학식 검출방식으로 구분된다.

한편, 종래에 제공되고 있는 전기식 동력 조향장치에 구비된 자기저항 검출방식의 토크센서는, 운전자가 조작하게 되는 조향스티어링 휠이 입력 샤프트의 상단에 결합되고, 상기 입력 샤프트의 하단은 토션바(Torsion bar)에 의해 출력 샤프트의 상단과 연결된다. 그리고, 상기 출력 샤프트의 하단은 바퀴와 연결되고, 상기 토션바를 포함하는 상기 입력 샤프트의 하단과 상기 출력 샤프트의 상단은 그 외부에 하우징으로 보호된다. 또한, 상기 하우징의 내부에는 앞서 언급한 토크센서 및 동력수단이 설치된다.

여기서, 상기 입력 샤프트에는 일정한 간격마다 교차되는 극성을 갖는 영구마그네트가 구비된다.

그리고, 상기 입력 샤프트에 구비된 영구마그네트에 의해 자기 유도 발생이 가능한 강자성체의 물질로 영구마그네트의 극수에 상응하는 치차 구조물의 검출링이 출력 샤프트에 설치된다. 그리고, 상기 검출링에는 자기를 검출하는 센서가 연결되는 구조로 이루어진다.

이때, 입력 샤프트에 설치된 영구마그네트와 출력 샤프트에 설치된 치차 구조물의 검출링 사이에서 상대적인 비틀림에 의해 서로 대응하는 면적의 변화가 발생된다. 따라서, 상기 검출링에는 자력의 변화가 발생되고, 이 자력의 변화를 상기 센서가 검출하게 되어 출력 샤프트가 입력 샤프트에 대하여 비틀림이 발생된 각을 감지하게 된다.

그러나, 상기한 바와 같이 이루어진 종래의 토크센서는 상기 센서의 주변으로 검출링이 계속적인 회전 운동을 실시하는 구조로 영구마그네트으로부터 형성된 자기력의 변화가 심하게 발생되고, 회전시 검출링과 자기검출소자의 간섭을 피하기 위해 고정형 검출링을 추가로 설치해야만 하는 문제점이 있었다.

그런데, 상기 고정형 검출링을 추가로 설치할 경우 영구마그네트에서 발생된 자력은 검출링을 통해 1차로 자기가 유도된 후, 고정형 검출링을 통해 2차로 자기가 유도되는 과정을 거치기 때문에 2번의 자기 유도 과정을 거치면서 자력이 감소하게 되어 입력 샤프트과 출력 샤프트의 정확한 비틀림을 검출할 수가 없게 되는 문제가 있다.

또한, 종래 기술의 토크 센서의 경우 영구마그네트와 검출링 사이에 차폐부를 구비하되, 축 길이 방향에 대하여 2단 구조로 검출링의 상하 양단에 대하여 상이한 극성을 유도하는 방식으로 병렬 자기 회로를 형성하는 방식을 취하였으나, 이로한 병렬 연결 구조는 센서 측에서의 감지되는 자기량을 급격하게 저감시켜 센서를 통한 샤프트의 비틀림을 정확하게 검출하기 어렵고, 조립 상 어려움이 수반되며, 영구자석의 크기와 차폐부의 크기를 증대시켜 제조 원가를 상당히 증대시킨다는 문제점이 수반되었다.

상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은, 간단한 구조로 등가 직렬 자기 회로를 형성하여 센서에서의 감도를 증대시키고 제조 원가를 절감시킨 구조의 파워 스티어링 토크 센서를 제공하는 데 있다.

상술한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 파워 스티어링 토크 센서는, 차량 스티어링 휠 측에 연결되는 입력 샤프트 및 차량의 바퀴 측에 연결되는 출력 샤프트 사이에 배치되고, 상기 스티어링 휠의 회전 조작에 의해 발생된 비틀림을 검출하는 파워 스티어링 토크 센서로서, 상기 입력 샤프트 및 상기 출력 샤프트 중 어느 하나에 결합되고, 중심에서 동일한 반경을 갖도록 외주면을 따라 복수개의 N극마그네트과 S극마그네트가 교번 배치되는 자력발생부; 상기 입력 샤프트 및 상기 출력 샤프트 중 다른 하나에 연결되고, 원통의 형상으로 원주 방향으로 상기 복수 개의 N극마그네트 및 S극마그네트의 교번 배치 간격만큼 이격 형성되고 상기 N극마그네트 및 S극마그네트의 원주방향 너비 이하의 너비를 구비하는 복수개의 스크리닝 오픈 윈도우가 형성되는 자기스크리닝부; 상기 자기스크리닝부의 외주면과 반경 방향으로 이격 고정 배치되고, 복수개의 상기 스크리닝 오픈 윈도우을 통과하는 자력을 검출 유도하는 자기검출 유도부; 및 상기 자기검출 유도부의 외주 측에 위치 고정되어 상기 자력발생부와 상기 자기스크리닝부 간의 상대적인 비틀림 변화를 감지하는 자기검출 센서부;를 포함하며, 상기 자기검출 유도부는: 외주에 상기 스크리닝 오픈 윈도우가 형성되고, 상기 자기스크리닝부에 대하여 반경 방향으로 투영시 적어도 일부가 상기 스크리닝 오픈 윈도우와 교차되고, 상기 스크리닝 오픈 윈도우가 통과하는 자력을 검출 유도하는 제1자기검출 유도부재; 및 상기 제1자기검출 유도부재의 하측에 이격 배치되고, 상기 자기 스크리닝부에 대하여 반경 방향으로 투영시 상기 스크리닝 윈도우와 비교차되는 제2자기검출 유도부재;를 포함하는 것을 특징으로 하는 파워 스티어링 토크 센서를 제공한다.

본 발명의 파워 스티어링 토크 센서에 있어서, 상기 자력발생부는, 상기 입력 샤프트의 하단부에 고정되는 결합부; 및 상기 결합부의 하측에 위치는 원기둥 형상의 마그네트고정부;를 포함하되, 복수개의 상기 N극마그네트과 상기 S극마그네트가 상기 마그네트고정부의 외주면에 결합될 수 있다.

본 발명의 파워 스티어링 토크 센서에 있어서, 상기 출력 샤프트가 상기 입력 샤프트과 동일하게 회전되어 비틀림 각이 "0"인 경우, 상기 스크리닝 오픈 윈도우의 수직 중심에 상기 N극마그네트과 상기 S극마그네트의 경계부가 위치될 수 있다.

본 발명의 파워 스티어링 토크 센서에 있어서, 상기 출력 샤프트가 상기 입력 샤프트에 대하여 좌측 또는 우측 방향으로 최대 비틀림이 발생된 경우, 복수개의 상기 스크리닝 오픈 윈도우을 통해 상기 SㆍN극마그네트 중 어느 하나의 마그네트가 노출될 수 있다.

본 발명의 파워 스티어링 토크 센서에 있어서, 상기 자기검출 유도부는, 상기 자력발생부로부터 유도된 자력을 극대화하기 위해 상기 제1자기검출 유도부재의 외주면에 구비된 제1집자링; 및 상기 제2자기검출 유도부재의 외주면에 구비된 제2집자링;을 더 포함할 수 있다.

본 발명의 파워 스티어링 토크 센서에 있어서, 상기 제1집자링과 상기 제2집자링에 각각 하나 이상의 상기 자기검출 센서부가 연결될 수 있다.

본 발명의 파워 스티어링 토크 센서에 있어서, 상기 자기검출 유도부는, 상기 제1집자링의 외주면에서 외측 방향으로 돌출된 제1돌출부재; 및 상기 제2집자링의 외주면에서 외측 방향으로 돌출되며 상기 제1돌출부재와 동일한 수직상에 위치된 제2돌출부재;를 포함하되, 상기 자기검출 센서부가 상기 제1돌출부재와 상기 제2돌출부재 사이에 위치될 수 있다.

본 발명의 파워 스티어링 토크 센서에 있어서, 상기 제1돌출부재는 상기 제1집자링의 외주면에 다수개로 구비되고, 상기 제2돌출부재는 상기 제2집자링의 외주면에 다수개로 구비되며, 다수개의 상기 제1제2돌출부재 사이에 자기검출 센서부가 각각 위치될 수 있다.

본 발명의 파워 스티어링 토크 센서에 있어서, 상기 입력 샤프트 및 상기 출력 샤프트의 축 길이 방향으로 상기 제1자기검출 유도부재의 길이가 상기 제2자기검출 유도부재의 길이보다 클 수 있다.

이상과 같은 특징을 갖는 본 발명의 파워 스티어링 토크 센서는, 입력 샤프트의 외주면에 N극마그네트과 S극마그네트가 엇갈리게 배치되고, 출력 샤프트에는 복수개의 스크리닝 오픈 윈도우가 구비된 자기스크리닝부가 구비되어, 출력 샤프트가 입력 샤프트에 대하여 비틀림이 발생되면 N극마그네트과 S극마그네트의 자력이 자기스크리닝부에 형성된 복수개의 스크리닝 오픈 윈도우을 통과하게 되어 상대적 비틀림 변화를 자기검출 유도부로 전달하여 자기검출 센서부에서 자력의 변화로 비틀림을 감지 가능하되, 전체적 등가 자기 회로를 직렬 회로를 구성하여 자기검출 센서부를 통한 감도를 증대시키고 정확도를 높여 궁극적으로 정확한 전동 조향 기능을 수행하도록 하고, 파워 스티어링 토크 센서의 전체적인 구조를 개선하여 부품수를 줄이고 컴팩트한 구성을 가능하게 하여 제조원가를 절감할 수 있고, 제조 공정 수가 줄게 되어 제조시간을 단축시킬 수도 있다.

도 1은 본 발명의 파워 스티어링 토크 센서의 결합사시도,
도 2는 본 발명의 파워 스티어링 토크 센서의 분해사시도,
도 3은 본 발명의 파워 스티어링 토크 센서의 개략적인 단면도,
도 4는 본 발명의 파워 스티어링 토크 센서의 평면도,
도 5는 본 발명의 파워 스티어링 토크 센서를 2차원 평면으로 도시한 전개도,
도 6는 도 5의 상태를 겹친 상태로 도시한 전개도,
도 7는 도 6에 도시된 B-B부의 단면도,
도 8은 본 발명의 파워 스티어링 토크 센서의 중립상태를 도시한 전개도,
도 9는 본 발명의 파워 스티어링 토크 센서와 연결된 출력 샤프트가 좌측 방향으로 비틀림이 발생되는 상태를 도시한 전개도,
도 10은 본 발명의 파워 스티어링 토크 센서와 연결된 출력 샤프트가 좌측 방향으로 최대의 비틀림이 발생된 상태를 도시한 전개도,
도 11 내지 도 13은 본 발명의 파워 스티어링 토크 센서의 개략적인 사시도 및 부분 확대도,
도 14는 본 발명의 파워 스티어링 토크 센서의 등가적 직렬 자기 회로 선도,
도 15는 본 발명의 파워 스티어링 토크 센서의 자기 경로의 개략적인 선도이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 파워 스티어링 토크 센서(100)의 구성 및 작용을 설명하도록 한다.

도 1 내지 도 3에서 보는 바와 같이 상기 파워 스티어링 토크 센서(100)는 자력발생부(110), 자기스크리닝부(120), 자기검출 유도부(130), 및 자기검출 센서부(140)로 크게 이루어진다.

자력발생부(110)는 차량의 스티어링 휠에 연결된 입력 샤프트(10)와 연결되고, 자기스크리닝부(120)는 차량의 바퀴에 연결된 출력 샤프트(20)와 연결되고, 입력 샤프트(10)와 출력 샤프트(20)는 토션바(30)에 의해 연결된다.

먼저, 입력 샤프트(10)의 일단은 차량의 스티어링 휠 측과 연결되고, 타단, 즉 하단부는 출력 샤프트(20) 측과 연결되는데, 입력 샤프트(10)의 하단부에는 삽입부(11)가 형성된다. 삽입부(11)의 내부에는 연결홈(12)가 형성되는데, 연결홈(12)을 통하여 토션바(30)의 상단이 삽입 배치된다. 또한, 입력 샤프트(10)의 상측으로 삽입부(11)를 관통하는 체결관통구(13)가 형성되고 이는 하기되는 토션바와의 연결을 이루는 구성요소로 작동한다.

경우에 따라, 입력 샤프트(10)에 구비된 삽입부(11)는 후술되는 자력발생부(110)의 형상에 따라 달라질 수 있는데, 본 실시예에 따른 도면에서는 자력발생부(110)에 입력 샤프트(10)의 하단부가 삽입되고, 연결홈(12)에 토션바(30)의 상단이 삽입되어 핀(40a)으로 결합되는 구조로 도시하였으나, 그러나 이러한 구조는 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하기 위한 것이며, 자력발생부(110)의 형상에 따라 입력 샤프트(10)와의 연결상태가 변형될 수 있음은 명백하다.

자력발생부(110)는 중심부에 결합부(112)와 마그네트고정부(113), 그리고 복수개의 N극마그네트(114)과 S극마그네트(115)을 구비하는데, 결합부(112)에는 복수개의 결합 중앙 관통구(111)가 형성된다.

자력발생부(110)의 결합부(112)는 중심부에 결합 중앙 관통구(111)가 형성되고, 입력 샤프트(10)의 하단부에 구비된 삽입부(11)가 결합 중앙 관통구(111)에 삽입된다. 이때, 삽입부(11)와 결합부(112)는 볼트 등과 같은 별도의 체결부재(미도시)로 인해 결합될 수 있으며, 삽입부(11)의 외주면과 결합부(112)의 결합 중앙 관통구(111)를 형성하는 내주면이 나사 체결될 수도 있는 등 다양한 변형이 가능하다. 또한, 본 실시예에서 자력발생부가 입력 샤프트 측에 배치되고 하기되는 자기스크리닝부가 출력 샤프트 측에 배치되는 구조를 취하나, 서로 반대되는 구성을 취할 수도 있는 등 설계 사양에 따라 다양한 구성이 가능하다.

마그네트고정부(113)는 결합부(112)의 하측에 배치된다. 마그네트고정부(113)와 결합부(112)는 일체로 형성될 수 있으며, 마그네트고정부(113)는 결합부(112)와 동축 배치되되 결합부(112)의 반경보다 큰 반경을 구비하는 원통의 형상 구조를 이룬다.

N극마그네트(114)과 S극마그네트(115)은 각각 복수개로 이루어지며 마그네트고정부(113)의 외주면에 위치된다. 그리고, N극마그네트(114)과 S극마그네트(115)은 교번 배치되도록 하고 이 두 마그네트를 합한 개수는 반드시 짝수로 이루어진다. 즉, N극마그네트(114)이 8개일 경우에는 S극마그네트(115)도 8개의 개수로 이루어지고, N극마그네트(114)이 9개일 경우 S극마그네트(115)도 9개의 개수로 이루어진다. 또한, N극마그네트(114)과 S극마그네트(115)이 각각 분리된 상태에서 마그네트고정부(113)의 외주면에 부착되어 결합될 수 있으나, 극성이 없는 상태의 강자성체를 마그네트고정부(113)에 부착시킨 후, 착자할 때 N극의 자력과 S극의 자력을 갖도록 영역을 구분하여 N극마그네트(114)과 S극마그네트(115)을 구성시킬 수도 있다. 본 실시에에서 N극마그네트(114)과 S극마그네트(115)는 서로 교번 배치되어 하나의 링 타입의 착자 마그네트로 구현된다. 첨부된 도면에서는 N극마그네트(114)과 S극마그네트(115)의 개수를 각각 8개로 도시하였으나 이는 일예로서 N극마그네트(114)과 S극마그네트(115)의 개수는 설계 사양에 따라 다양한 변형이 가능하다.

자기스크리닝부(120)는 자력발생부(110)의 외측, 즉 입력 샤프트 및 출력 샤프트의 회동 중심으로부터 반경 방향으로 더 큰 반경 지점에 배치되는 구조를 취는데, 자기스크리닝부(120)는 원통의 형상으로 이루어진다. 자기스크리닝부(120)는 자력발생부(110)로부터 발생하는 자력의 일부 차폐 기능을 수행하기는 하나 본 발명의 자기스크리닝부(120)는 자력의 완전 차폐가 아닌 일부 투과 기능을 수행하여, 하기되는 자기검출 유도부의 제2자기검출 유도부재와 자력발생부 간의 자장 연결 구조를 형성하여 하나의 등가적 직렬 자기 회로를 구성하도록 한다.

자기스크리닝부(120)는 자력발생부(110)에 구비된 N극마그네트(114)과 S극마그네트(115)의 외측부에 이격되도록 위치되고, 그 하단부는 후술되는 출력 샤프트(20) 측에 연결된다. 첨부된 도면에서는 자기스크리닝부(120)의 하측에 별도의 연결부재(150)와 결합되고, 이 연결부재(150)에 출력 샤프트(20)이 결합되도록 도시하였다.

자기스크리닝부(120)에는 외주 측에 원주 방향으로 복수개의 스크리닝 오픈 윈도우(121)가 형성된다. 복수개의 스크리닝 오픈 윈도우(121)는 N극마그네트(114)과 S극마그네트(115) 영역 내에 대응하는 위치에 배치되는데, 스크리닝 오픈 윈도우(121)는 N극마그네트(114)과 S극마그네트(115)의 교번 배치 간격만큼 이격 형성되고 N극마그네트(114)과 S극마그네트(115)의 원주 방향 너비 이하의 너비를 구비한다.

스크리닝 오픈 윈도우(121)는 본 실시예에서 N극마그네트(114) 또는 S극마그네트(115)의 개수와 동일한 개수를 갖도록 구비되는데, 예를 들어 N극마그네트(114)이 8개로 구비된 경우 스크리닝 오픈 윈도우(121)도 8개의 개수로 이루어진다.

복수 개의 스크리닝 오픈 윈도우들(121)은 모두 동일한 스크리닝 오픈 윈도우의 영역을 갖는 형상으로 이루어지는데, 도면에서 스크리닝 오픈 윈도우(121)는 모두 사각의 형상으로 도시하였으나, 스크리닝 오픈 윈도우(121)는 사각 형상에 국한되지 않고 "○", "□", "△", "▽", "◇"과 같은 형상 내지 타원, 장공, 사다리꼴 등 매우 다양한 형상들로 이루어질 수도 있다. 상기한 형상들은 각각의 스크리닝 오픈 윈도우(121) 영역 중심에서 좌우 방향, 즉 원주 방향으로 반드시 대칭이 되는 형상으로 구비되어야 하며, 스크리닝 오픈 윈도우(121)의 형상들 중 2개 이상의 형상이 복합되어 구성되는 것보다, 모두 동일한 형상의 스크리닝 오픈 윈도우(121)로 이루어지는 것이 바람직하다.

여기서, 자기스크리닝부(120)는 입력 샤프트 및 출력 샤프트의 길이 방향으로 볼 때, N극마그네트(114) 및 S극마그네트(115)을 충분히 스크리닝할 수 있도록 하는 길이를 갖는 것이 바람직한데, 자기스크리닝부(120)에 형성되는 스크리닝 오픈 윈도우(121)는 본 실시예에서 입력 샤프트 측으로 편중 배치되는 구조를 취하고, 하기되는 자기검출 유도부(130)의 제2자기검출 유도부재(131b)에 대하여는 반경방향으로 스크리닝 오픈 윈도우(121)가 교차되지 않는 구조를 취한다. 이와 같은 구조를 통하여 N극마그네트(114)과 S극마그네트(115)의 반경 방향으로 진행하는 자장의 영향을 효율적으로 제한하거나, 마그네트로부터 생성된 자장은 자기스크리닝부(120)의 스크리닝 오픈 윈도우(121)를 통한 관통으로 하기되는 자기검출 유도부(130) 중 제1자기검출 유도부재(131a) 및 제2자기검출 유도부재(131b)를 거쳐 자기스크리닝부(120)의 하단을 통하여 다시 마그네트로 연결되는 소정의 직렬 구조의 자기회로 구성을 가능하게 할 수 있다.

자기스크리닝부(120)는 앞서 언급한 바와 같이, 그 하측에 연결부재(150)가 결합되고, 연결부재(150)는 중심부가 하측 방향으로 돌출되어 출력 샤프트(20)이 삽입된 상태로 결합된다. 연결부재(150)와 출력 샤프트(20)의 결합은 다수개의 체결부재(미도시)를 이용하여 결합할 수 있다.

그리고, 출력 샤프트(20)에는 그 상단에 삽입부(21)가 구비되어 연결부재(150)에 삽입되고, 이 삽입부(21)의 중심부에는 토션바(30)의 하단이 삽입되는 연결홈(22)이 형성된다. 또한, 출력 샤프트(20)의 외주면에는 연결홈(22)을 통과하는 체결관통구(23)이 형성된 핀(40b)에 의해 토션바(30)를 출력 샤프트(20)에 결합시키게 된다.

한편, 자기검출 유도부(130)는 자기스크리닝부(120)의 외주면과 이격되도록 구비되며, 복수개의 스크리닝 오픈 윈도우(121)을 통과하는 자력을 유도 수집 검출하여 자기검출 센서부가 감지하도록 하는 역할을 한다. 자기검출 유도부(130)는 제1자기검출 유도부재(131a)와 제2자기검출 유도부재(131b)를 구비하고, 제1자기검출 유도부재(131a)와 제2자기검출 유도부재(131b)는 강자성체의 재질을 갖는 링의 형상으로 이루어진다. 제1자기검출 유도부재(131a)에는 제1집자링(132a)이 연결되고, 제2자기검출 유도부재(131b)에는 제2집자링(132b)이 연결된다.

제1자기검출 유도부재(131a)와 제2자기검출 유도부재(131b)는 서로 이격된 상태로 위치되며, 제1자기검출 유도부재(131a)의 상단과 제2자기검출 유도부재(131b)의 하단까지의 높이는 전술되어진 N극마그네트(114) 및 S극마그네트(115)의 높이와 동일하게 구비되거나 적절한 높이를 구비하여, N극마그네트(114) 및 S극마그네트(115)로부터 자력발생부, 자기스크리닝부 및 자기검출 유도부를 통한 소정의 등가 직렬 자기 회로 구성을 이루도록 할 수 있다.

제1자기검출 유도부재(131a)를 반경 방향에 대하여 자기스크리닝부(120)에 투영시 적어도 일부가 자기스크리닝부(120)에 형성된 스크리닝 오픈 윈도우(121)와 교차되는 구조를 취하고, 제2자기검출 유도부재(131b)는 반경 방향에 대하여 자기스크리닝부(120)에 투영시 자기스크리닝부(120)에 형성된 스크리닝 오픈 윈도우(121)와 비교차되는 구조를 취하여, 자력발생부로부터 형성된 자력선은 자기스크리닝부(120)의 스크리닝 오픈 윈도우(121)를 통하여 온전하게 제1자기검출 유도부재(131a) 측으로 집중되는 구조를 취하여 앞서 언급한 소정의 등가 직렬 자기 회로 구성을 가능하게 한다. 제1자기검출 유도부재(131a)의 축길이 방향의 길이(높이, ta, 도 12 참조)는 제2자기검출 유도부재(131b)의 축길이 방향의 길이(높이, tb, 도 12 참조)보다 큰 값을 구비하여, 자기스크리닝부(120)에 형성된 스크리닝 오픈 윈도우(121)를 통하여 자력선이 제1자기검출 유도부재(131a)로 집중되도록 한다.

제1집자링(132a)은 제1자기검출 유도부재(131a)의 외주면에 결합되고, 제2집자링(132b)은 제2자기검출 유도부재(131b)의 외주면에 결합되는데, 제1집자링을 통하여 제1자기검출 유도부재(131a)에 집속된 자력선은 자기검출 센서부를 거쳐 제2집자링을 거친 후 제2자기검출 유도부재(131b)로 전달된다.

이와 같은 제1집자링(132a)과 제2집자링(132b)은 자력발생부(110)로부터 유도된 자력을 자기검출 센서부(140) 주변으로 극대화시킬 수 있다. 제1집자링(132a)의 외주면에는 외측 방향으로 돌출된 제1돌출부재(132a')가 구비되고, 제2집자링(132b)의 외주면에도 제1돌출부재(132a')와 동일한 수직상에 위치되는 제2돌출부재(132b')가 외측 방향으로 돌출되도록 구비되는데, 본 실시예에서 돌출부재는 단수 개가 구비되었으나, 제1돌출부재(132a')와 제2돌출부재(132b')는 서로 동일한 수직상에 위치되도록 다수개로 구비될 수도 있다. 본 실시예에서

제1돌출부재(132a')는 제1집자링(132a)의 외주면에는 외측 방향으로 단순 직선 돌출되는 구조를 이루나, 제2돌출부재(132b')는 제2집자링(132b)의 외주면에 배치되되, 제2돌출부재(132b')는 제2돌출부재수평연결부(132-1b')와 제2돌출부재수직연결부(132-2b')와 제2돌출부재센서대항부(132-3b')를 구비한다(도 12 참조).

제2돌출부재수평연결부(132-1b')는 일단이 제2집자링(132b)과 직접 연결되어 반경 방향으로 연장 형성되고, 제2돌출부재수직연결부(132-2b')는 제2돌출부재수평연결부(132-1b')의 타단에 연결되되 제2돌출부재수평연결부(132-1b')와 직각 배치되어 제1돌출부재(132a') 측을 향하여 배치되고, 제2돌출부재센서대항부(132-3b')는 일단이 제2돌출부재수평연결부(132-1b')와 연결되되, 제1돌출부재(132a')와 평행하게 이격 배치되어, 자기검출 센서부(140)는 제1돌출부재(132a')와 제2돌출부재센서대항부(132-3b')의 사이에 배치되도록 한다.

한편, 자기검출 센서부(140)는 자기검출 유도부(130)의 외주 측에 배치되어 자력발생부(110)와 자기스크리닝부(120)의 면적변화에 따른 상대적인 비틀림 변화를 감지하는 역할을 한다. 첨부된 도면에서는 자기검출 센서부(140)를 하나로 도시하였다. 그러나, 자기검출 센서부(140)는 제1집자링(132a)과 제2집자링(132b)에 구비된 제1돌출부재(132a')와 제2돌출부재(132b')의 개수에 따라 달라진다. 자력을 검출하는 위와 같은 자기검출 센서부(140)는 기계 산업 분야에서 널리 사용되고 있는 센서이므로, 자세한 설명은 생략하기로 한다.

이상과 같이 이루어진 본 발명의 파워 스티어링 토크 센서(100)의 동작을 설명하도록 한다.

도 4는 본 발명의 파워 스티어링 토크 센서(100)의 동작 및 검출원리를 설명하기 위해서 원형의 구조로 이루어진 토크센서(100)를 2차원 평면으로 전개한 도면이고, 도 6은 측면을 전개한 도면이고, 도 7는 도 6에 도시된 B-B부의 단면도이다.

자기스크리닝부(120)의 높이(축길이방향 길이)는 자력발생부(110)의 높이 영역 내에 위치하고, 자기검출 유도부(130)에 구비된 제1자기검출 유도부재(131a)는 제1스크리닝 오픈 윈도우(121)의 높이 영역 내에 위치한다. 자기검출 유도부(130)에 구비된 제2자기검출 유도부재(131b)는 스크리닝 오픈 윈도우들(121)와 교차되지 않는 영역 내에 위치한다.

스크리닝 오픈 윈도우(121)의 가로 길이는 N극마그네트(114)의 가로 길이 영역 내에 위치되는데 이는 일예로서 스크리닝 오픈 윈도우(121)의 가로 길이가 S극마그네트(115)의 가로 길이 영역 내에 위치될 수도 있다.

도 8은 입력 샤프트(10)와 출력 샤프트(20)의 비틀림이 발생되지 않은 상태, 즉 토크센서(100)의 중립상태를 도시한 전개도로서, 스티어링 휠축과 바퀴축이 동일한 각도로 회전되거나, 정지된 상태에서 입력 샤프트(10)와 출력 샤프트(20)의 비틀림이 "0"인 상태로, 보다 구체적으로, 운전자가 조향스티어링 휠을 조 작하게 되면 이와 연결된 입력 샤프트(10)이 회전하게 되고, 토션바(30)와 연결된 출력 샤프트(20)이 회전하게 되면서 바퀴를 진행 방향으로 전환하게 되는데, 이때, 출력 샤프트(20)이 입력 샤프트(10)와 동일하게 회전되어 비틀림 각이 "0"인 경우에는 N극마그네트(114)과 S극마그네트(115)의 경계부가 스크리닝 오픈 윈도우(121)의 중심에 위치하게 되고, 자력발생부(110)에 구비된 N극마그네트(114)과 S극마그네트(115)은 스크리닝 오픈 윈도우(121)의 실질적으로 거의 균등한 영역으로 노출되면서 회전하기 때문에 자기검출 유도부(130)에서는 두 극성의 자력이 상쇄되어 특정 극성으로의 영향이 미미하게 된다.

보다 구체적으로, 복수 개의 스크리닝 오픈 윈도우(121)는 각각 하나의 스크리닝 오픈 윈도우마다 N극의 자력이 노출되는 면이 50%이고, S극의 자력이 노출되는 면이 50%를 형성하여 하나의 스크리닝 오픈 윈도우을 통해 자기검출 유도부(130)에서 검출되는 극성은 "0"인 상태가 되는 것이다.

도 9에 및 도 10에는 출력 샤프트(20)이 입력 샤프트(10)에 대하여 좌측 방향으로 비틀림이 발생된 경우와, 출력 샤프트(20)이 입력 샤프트(10)에 대하여 좌측 방향으로 최대의 비틀림이 발생된 경우에 대한 전개도가 도시된다. 좌측 비틀림이 발생된 상태는 운전자가 조향스티어링 휠을 좌회전할 때 바퀴와 노면의 마찰에 의해 입력 샤프트(10)와 출력 샤프트(20) 사이에서 비틀림이 발생된 상태로서, 입력 샤프트(10)와 출력 샤프트(20)을 연결하는 토션바(30)에서 비틀림이 발생된 상태이며, 비틀림이 점차적으로 커질 경우 스크리닝 오픈 윈도우(121)는 각각의 스크리닝 오픈 윈도우마다 S극마그네트(115)의 노출면이 커지게 되고, N극마그네트(114)은 S극마그네트(115)의 노출면이 증가함에 따라 점차적으로 감소하게 된다.

따라서, 자기검출 유도부(130)에 구비된 제1자기검출 유도부재(131a)는 N극마그네트(114)과 S극마그네트(115)에 의해 유도되는 자력의 차이가 발생되어 N극의 극성을 갖게 된다. 즉, 좌측 방향의 비틀림이 최대인 경우에는 제1자기검출 유도부재(131a)는 N극의 극성을 갖게 된다.

제1자기검출 유도부재(131a)에서 유도된 N극의 극성이 제1집자링(132a)에 의해 자기검출 센서부(140) 상단에서 이 N극을 유도하고, 제2자기검출 유도부재(131b)는 자기스크리닝부(120)를 통하여 대응 배치되는 S극마그네트(115)로부터 S극성을 유도하고, 제1집자링(132a) 및 제2집자링(132b)에 연결되는 제1돌출부재(132a')와 제2돌출부재(132b')로 각 극성이 유도되고, 자기검출 센서부(140)의 주위로 자기장을 형성하게 되어 이때의 자속밀도를 자기검출 센서부(140)에서 검출하게 된다. 즉, 제1돌출부재(132a')와 제2돌출부재(132b')의 사이에 배치되는 자기검출 센서부(140)에 의하여 소정의 자장 변화가 감지되고 변화되는 자장에 대응하여 신호가 출력되고, 이는 차량의 제어부(미도시)로 전달되어 차량의 스티어링 휠에 대한 토크값을 연산 도출하고, 이로부터 차량의 스티어링 휠과 연결되는 입력 샤프트 및 출력 샤프트 및 토션바에 대한 비틀림각을 산출함으로써 소정의 조향력 제어를 이룰 수 있다.

도 14에는 본 발명의 일실시예에 따라 형성된 등가 자기 회로의 개략도가 도시되고, 도 15에는 본 발명의 일실시예에 따른 파워 스티어링 토크 센서의 자기 경로가 도시된다. 먼저, 본 실시예에서 샤프트 상에서의 비틀림이 없는 경우 N극마그네트(114)과 S극마그네트(115)의 기자력에 의하여 생성된 자장 자속은 상쇄되나 비틀림이 발생할 경우, 축에 수직한 반경 방향으로 N극마그네트(114)과 S극마그네트(115)로부터 이격된 자기스크리닝부(120)를 통하여 제1자기검출 유도부재(131a) 및 제1집자링(132a) 및 제1돌출부재(132a') 및 자기검출 센서부(140)를 사이에 두고 제2자기검출 유도부재(131b)의 제2돌출부재(132b') 및 제2집자링(132b)을 거쳐 자기스크리닝부(120)를 거쳐 N극마그네트(114)과 S극마그네트(115) 중 대응되는 극성의 마그네트로 이어지는 하나의 등가적 직렬 자기 회로가 형성된다. 이때, 이들 등가적 직렬 자기 회로 상에서는 각각의 구성요소에 대한 저항이 형성되는데, 저항은 등가적으로 N극마그네트(114)과 S극마그네트(115)의 마그네트와 자기스크리닝부(120) 사이의 이격 공간에 대한 저항(Rair-gap), 자기스크리닝부(120)에 대한 저항(R120a), 제1자기검출 유도부재(131a)에 대한 저항(R131a), 제1자기검출 유도부재(131a)의 제1돌출부재(132a') 및 제2자기검출 유도부재(131b)의 제2돌출부재(132b') 사이의 공극에 대한 저항(Rcollectgor ring-airgap), 제2자기검출 유도부재(131b)에 대한 저항(R131b), 마그네트와 자기스크리닝부(120) 사이의 이격 공간에 대한 저항(Rair-gap)로 형성된다.

이와 같은 구조의 파워 스티어링 토크 센서를 통하여, 자력발생부의 축길이 방향 길이(높이)도 감소시키고, N극마그네트(114)과 S극마그네트(115)로 구성되는 단수 개의 링 타입의 자력발생부 및 축길이 방향 길이가 제2자기검출 유도부재보다 더 큰 제1자기검출 유도부재를 통하여 직렬 구조의 등가 자기 회로를 구성하여 자기량 유도를 극대화시켜 비틀림 감지 성능을 극대화시키고 제조 원가를 절감시킨 파워 스티어링 토크 센서가 제공될 수 있다.

이상에서 본 바와 같이 입력 샤프트(10)와 출력 샤프트(20)에 비틀림이 발생되는 과정은 비틀림의 초기부터 최대의 비틀림이 발생할 때까지 선형적으로 증가하게 된다. 이는 자기스크리닝부(120)에 설치된 스크리닝 오픈 윈도우(121)에 의해서 자기검출 유도부(130)와 자력발생부(110)와의 대향되는 면적 변화를 증감시키는 역할을 하기 때문에, 자기검출 센서부(140)의 주변에 형성되는 자속밀도의 변화량이 선형적으로 증감하게 된다. 이상에서는 입력 샤프트(10)와 출력 샤프트(20)의 좌측 방향 비틀림이 발생할 때를 기준으로 설명하였으나, N극마그네트(114)과 S극마그네트(115)이 삽입되는 위치에 따라 극성이 바뀌기 때문에, 위에서 설명된 좌측 방향 비틀림은 우측 방향 비틀림의 조건이 될 수도 있고, 상기한 좌측 방향 비틀림은 어디까지나 도면을 예로 특정 방향을 기준으로 설명한 것이기 때문에, 우측 방향 비틀림이 발생된 상태일 수도 있는 등, 스크리닝 오픈 윈도우가 제1자기검출 유도부재에 대응하고 제2자기검출 유도부재와는 반경 방향 상 반경 방향에 수직하는 평면에 동시 투영시 비교차되는 구조를 취하는 범위에서 다양한 변형이 가능하다.

100 : 토크센서 110,110' : 자력발생부
111 : 결합 중앙 관통구 112 : 결합부
113 : 마그네트고정부 114 : N극마그네트
115 : S극마그네트 120 : 자기스크리닝부
121 : 스크리닝 오픈 윈도우
130 : 자기검출 유도부 131a : 제1자기검출 유도부재
131b : 제2자기검출 유도부재 132a : 제1집자링
132a' : 제1돌출부재 132b : 제2집자링
132b': 제2돌출부재 140 : 자기검출 센서부

Claims (9)

1. 차량 스티어링 휠 측에 연결되는 입력 샤프트 및 차량의 바퀴 측에 연결되는 출력 샤프트 사이에 배치되고, 상기 스티어링 휠의 회전 조작에 의해 발생된 비틀림을 검출하는 파워 스티어링 토크 센서로서,
   상기 입력 샤프트 및 상기 출력 샤프트 중 어느 하나에 결합되고, 중심에서 동일한 반경을 갖도록 외주면을 따라 복수개의 N극마그네트과 S극마그네트가 교번 배치되는 자력발생부; 상기 입력 샤프트 및 상기 출력 샤프트 중 다른 하나에 연결되고, 원통의 형상으로 원주 방향으로 상기 복수 개의 N극마그네트 및 S극마그네트의 교번 배치 간격만큼 이격 형성되고 상기 N극마그네트 및 S극마그네트의 원주방향 너비 이하의 너비를 구비하는 복수개의 스크리닝 오픈 윈도우가 형성되는 자기스크리닝부; 상기 자기스크리닝부의 외주면과 반경 방향으로 이격 고정 배치되고, 복수개의 상기 스크리닝 오픈 윈도우을 통과하는 자력을 검출 유도하는 자기검출 유도부; 및 상기 자기검출 유도부의 외주 측에 위치 고정되어 상기 자력발생부와 상기 자기스크리닝부 간의 상대적인 비틀림 변화를 감지하는 자기검출 센서부;를 포함하며,
   상기 자기검출 유도부는: 외주에 상기 스크리닝 오픈 윈도우가 형성되고, 상기 자기스크리닝부에 대하여 반경 방향으로 투영시 적어도 일부가 상기 스크리닝 오픈 윈도우와 교차되고, 상기 스크리닝 오픈 윈도우가 통과하는 자력을 검출 유도하는 제1자기검출 유도부재; 및 상기 제1자기검출 유도부재의 하측에 이격 배치되고, 상기 자기 스크리닝부에 대하여 반경 방향으로 투영시 상기 스크리닝 윈도우와 비교차되는 제2자기검출 유도부재;를 포함하는 것을 특징으로 하는 파워 스티어링 토크 센서.
2. 제 1항에 있어서,
   상기 자력발생부는,
   상기 입력 샤프트의 하단부에 고정되는 결합부; 및
   상기 결합부의 하측에 위치는 원기둥 형상의 마그네트고정부;를 포함하되,
   복수개의 상기 N극마그네트과 상기 S극마그네트가 상기 마그네트고정부의 외주면에 결합되는 것을 특징으로 하는 파워 스티어링 토크 센서.
3. 제 1항에 있어서,
   상기 출력 샤프트가 상기 입력 샤프트과 동일하게 회전되어 비틀림 각이 "0"인 경우, 상기 스크리닝 오픈 윈도우의 수직 중심에 상기 N극마그네트과 상기 S극마그네트의 경계부가 위치되는 것을 특징으로 하는 파워 스티어링 토크 센서.
4. 제 1항에 있어서,
   상기 출력 샤프트가 상기 입력 샤프트에 대하여 좌측 또는 우측 방향으로 최대 비틀림이 발생된 경우, 복수개의 상기 스크리닝 오픈 윈도우을 통해 상기 SㆍN극마그네트 중 어느 하나의 마그네트가 노출되는 것을 특징으로 하는 파워 스티어링 토크 센서.
5. 제 1항에 있어서,
   상기 자기검출 유도부는,
   상기 자력발생부로부터 유도된 자력을 극대화하기 위해 상기 제1자기검출 유도부재의 외주면에 구비된 제1집자링; 및
   상기 제2자기검출 유도부재의 외주면에 구비된 제2집자링;을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 파워 스티어링 토크 센서.
6. 제 5항에 있어서,
   상기 제1집자링과 상기 제2집자링에 각각 하나 이상의 상기 자기검출 센서부가 연결된 것을 특징으로 하는 파워 스티어링 토크 센서.
7. 제 6항에 있어서,
   상기 자기검출 유도부는,
   상기 제1집자링의 외주면에서 외측 방향으로 돌출된 제1돌출부재; 및
   상기 제2집자링의 외주면에서 외측 방향으로 돌출되며 상기 제1돌출부재와 동일한 수직상에 위치된 제2돌출부재;를 포함하되,
   상기 자기검출 센서부가 상기 제1돌출부재와 상기 제2돌출부재 사이에 위치되는 것을 특징으로 하는 파워 스티어링 토크 센서.
8. 제 7항에 있어서,
   상기 제1돌출부재는 상기 제1집자링의 외주면에 다수개로 구비되고, 상기 제2돌출부재는 상기 제2집자링의 외주면에 다수개로 구비되며, 다수개의 상기 제1제2돌출부재 사이에 자기검출 센서부가 각각 위치된 것을 특징으로 하는 파워 스티어링 토크 센서.
9. 제 1항에 있어서,
   상기 입력 샤프트 및 상기 출력 샤프트의 축 길이 방향으로 상기 제1자기검출 유도부재의 길이가 상기 제2자기검출 유도부재의 길이보다 큰 것을 특징으로 하는 파워 스티어링 토크 센서.

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