KR20160027367A

KR20160027367A - 스테이터 및 이를 포함하는 토크센서모듈

Info

Publication number: KR20160027367A
Application number: KR1020140113733A
Authority: KR
Inventors: 변성욱
Original assignee: 엘지이노텍 주식회사
Priority date: 2014-08-29
Filing date: 2014-08-29
Publication date: 2016-03-10
Also published as: KR102264226B1

Abstract

본 발명은 차량의 전동식 조향용 토크검출장치의 구조에 관한 것으로, 평판형상에 내측에 스테이터 투스를 구비하는 단순한 구조의 스테이터를 형성하여, 양산성이 높으면서도 제조원가를 줄일 수 있으며, 토크센서모듈에 적용시 전체적인 토크센서의 두께를 줄일 수 있도록 한다.

Description

스테이터 및 이를 포함하는 토크센서모듈{STATOR AND TORQUE ANGLE SENSOR MODULE USING THE SAME}

본 발명은 차량의 전동식 조향용 토크검출장치의 구조에 관한 것이다.

일반적으로 자동차는 바퀴와 연결된 스티어링 휠을 조작하여 주행 방향을 조작할 수 있도록 되어 있다. 그러나, 바퀴와 노면과의 저항이 크거나 스티어링의 장애요인 발생시 조작력이 약화되어 신속한 조작이 어려운 경우가 있고, 이를 해결하기 위해 파워스티어링 장치가 사용된다. 이러한 파워스티어링 장치는 스티어링 휠의 조작에 동력장치를 개입하여 조작의 힘을 경감시키도록 하는 장치이다.

도 1은 종래기술에 따른 토크 센서를 도시한 사시도이며, 도 2는 이러한 토크 센서의 요부 단면도이다.

도시된 도 1 및 도 2를 참조하면, 입력축에는 로터(10)가 결합되고, 따라서 상기 로터(10)는 링 형상을 하게 된다. 아울러 출력축에는 스테이터(20)가 배치되는데, 상기 스테이터(20)는 로터(10)의 외주면에서 이격되어 배치된다. 로터(10)에 결합된 입력축과 스테이터(20)에 결합된 출력축의 회전량 차이에 의하여 토션바에 비틀림이 발생하면, 로터(10)와 스테이터(20)가 상대적으로 회전하게 되고, 이때 로터(10)의 외주면과 스테이터(20) 대향면이 변화하게 되어 자화값이 변화하게 되므로 이를 활용하면 토크를 측정할 수 있다.

이러한 자화값을 집중하기 위해 콜렉터(30)가 배치되고, 홀 IC(40)가 콜렉터(30)에 의해 집중된 자기값을 검출하게 되는 것이다. 상기와 같은 토크 센서의 콜렉터(30)는 스테이터(20)의 상부 및 하부에 배치되고, 스테이어(20)의 측부에서 홀 IC(40)와 연결된다. 특히, 상부 및 하부에 각각 배치된 한 쌍의 콜렉터(30)는 스테이터(20)의 외주 측에서 인접하는 구조로 이루어지는데, 그 일측이 홀 IC(40)와 연결을 위해 각각 수직방향으로 절곡되게 된다.

일반적으로 홀 IC(40)는 원주방향으로 나란하게 두 개가 배치되고 전압의 차이를 통해 토크 센서의 페일세이프 모드(fail safe mode)로 이용하는 방식을 사용한다. 스테이터(20)는 스테이터 홀더(미도시)의 상단과 하단에 각각 링 형태로 장착되고 일정 간격으로 스테이터 투스(Tooth)(22)가 형성된다. 또한 로터(10)는 마그넷 홀더(12)와, 이 마그넷 홀더(12)의 외주면에 원주방향으로 N극과 S극이 반복하여 배열되는 복수의 마그넷(14)을 포함한다.

하지만, 이와 같은 종래 기술에 따른 토크 센서는 마그넷이 마그넷 홀더의 원주방향으로 배열되어 링 형태를 이루고, 스테이터가 스테이터 홀더에 링 형태로 고정되므로, 제조비용이 증가되고 조립이 어려운 문제점이 있다.

또한, 상하 양쪽에서 한 쌍의 스테이터 투스가 배치되며, 콜렉터 역시 한 쌍의 배치되어 전체적인 토크센서의 부피가 커져 공간제약이 발생하며, 전체적인 제조비용의 증가로 이어지게 되는 문제가 있다.

본 발명의 실시예는 상술한 문제를 해결하기 위하여 안출된 것으로, 평판형상에 내측에 스테이터 투스를 구비하는 단순한 구조의 스테이터를 형성하여, 양산성이 높으면서도 제조원가를 줄일 수 있으며, 토크센서모듈에 적용시 전체적인 토크센서의 두께를 줄일 수 있어 공간활용성이 높일 수 있도록 할 수 있다.

상술한 과제를 해결하기 위한 수단으로서, 본 발명의 실시예에서는, 내부가 중공되며, 마그넷 안착부가 마련되는 마그넷홀더를 포함하는 로터와 상기 로터의 상부에 배치되는 평판형의 스테이터, 그리고 상기 마그넷홀더의 외주면에 인접하는 콜렉터 및 상기 로터와 스테이터 사이의 자기장의 변화를 감지하는 자기소자를 포함하는 토크센서모듈을 제공할 수 있도록 한다.

본 발명의 실시예에 따르면, 평판형상에 내측에 스테이터 투스를 구비하는 단순한 구조의 스테이터를 형성하여, 양산성이 높으면서도 제조원가를 줄일 수 있으며, 토크센서모듈에 적용시 전체적인 토크센서의 두께를 줄일 수 있어 공간활용성이 높은 장점이 있다.

특히, 본 발명의 실시예에 따른 평판형성의 스테이터 투스와 로터를 결합하는 토크센서모듈을 구현하는 경우, 스테이터 투스 및 콜렉터의 수량을 1개로 단일화하여 구현할 수 있는바, 구조가 간소화되며, 제조비용에 현저하게 절감되는 효과도 있다.

아울러, 본 발명의 실시예에 따른 스테이터 투스와 결합하는 로토모듈의 경우, 마그넷이 안착되는 안착부의 구조를 마그넷을 하부와 측부에서 감싸는 구조로 형성하여 내충격성을 구현하며, 기존 토크센서와 대비하여 마그넷의 부피가 감소하여 비용절감을 구현할 수 있다.

도 1은 종래기술에 따른 토크 센서를 도시한 사시도이며, 도 2는 이러한 토크 센서의 요부 단면도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 토크센서모듈의 개념도이며, 도 4는 도 3의 요부 단면도이다.
도 5는 도 3 구조에서의 스테이터 및 콜렉터의 구조를 도시한 사시도이다.
도 6 내지 도 8은 상술한 본 발명의 실시예에 따른 토크센서의 자계구조를 종래의 구조와 비교하기 위한 개념도이다.
도 9 내지 도 11는 본 발명의 실시예에서의 자기회로의 작동원리를 설명하기 위한 개념도이다.
도 12의 그래프는, 상술한 본 발명의 실시예에서 스테이터 투스와 마그넷의 상대각 차이별 자기소자(Hall IC)에 인가되는 가우스 변화량을 측정한 것을 도시한 그래프이다.
도 13는 본 발명의 실시예에서 도 1에서의 마그넷 홀더의 내부에 착자되는 마그넷의 착자방식을 예시한 것이다.

이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명에 따른 구성 및 작용을 구체적으로 설명한다. 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 도면 부호에 관계없이 동일한 구성요소는 동일한 참조부여를 부여하고, 이에 대한 중복설명은 생략하기로 한다. 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 토크센서모듈의 개념도이며, 도 4는 도 3의 요부 단면도이다. 아울러 도 5는 도 3 구조에서의 스테이터의 및 콜렉터의 구조를 도시한 사시도이다.

도 3 내지 도 5를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 토크센서모듈은 내부가 중공되며, 마그넷 안착부(112, 114)가 마련되는 마그넷홀더(110)를 포함하는 로터(100)와 상기 로터와 이격 배치되는 평판형의 스테이터(200)을 포함하여 구성된다. 특히, 본 발명의 실시예에서는 상기 스테이터(200)가 상기 로터(100)의 상부 또는 하부 중 어느 하나의 위치에만 배치되도록 한다. 즉, 종래의 토크센서에서 스테이터가 상부, 하부에 각각 배치되어 조립되는 구조이며, 콜렉터 역시 각각의 스테이터에 한 쌍이 결합되는 구조를 가지는 반면, 본 발명의 실시예에서는 로터와 결합하는 스테이터가 단일 구조로 형성되어 로터의 상부, 하부 중 어느 하나의 방향인 편방향으로 배치될 수 있도록 한다.

즉, 도 3 및 도 5의 구조에서, 본 발명의 실시예에 따른 토크센서를 구성하는 스테이터는 중심부가 중공되는 평판형 몸체(210)와 상기 중공부의 내측면에서 중심부를 향해 돌출되는 다수의 스테이터 투스(220)를 포함하여 구성될 수 있다. 특히, 상기 스테이터의 몸체(210)과 스테이터 투스(220)는 서로 일체형 구조로 형성하고, 내부에 톱니 모양의 배열로 일정한 주기를 가지고 돌출 형성되는 스테이터 투스가 배치되며, 몸체의 외주면은 원형을 이루도록 구현할 수 있다.

도시된 실시예에서의 스테이터(200)의 경우, 스테이터의 몸체(210)과 스테이터 투스(220)는 서로 일체형 구조로 형성되어, 스테이터의 몸체(210)과 스테이터 투스(220)가 동일한 두께를 가지도록 구현할 수 있으며, 하나의 플레이트를 가공하여 형성하는 것과 같이 구현될 수 있도록 하여 가공의 편의성 및 구조의 간소화를 구현할 수 있게 한다. 물론, 이 경우 독립적인 구조로 스테이터의 몸체(210)과 스테이터 투스(220)를 별개 가공하여 조합형성하는 경우에도, 전체적인 형상에서 두께나 배치에 있어서 스테이터의 몸체의 경우 판형상을 구비하도록 하며, 그 내부에 톱니 형상으로 돌출되는 구조의 스테이터 투스가 상호 동일평면상에 배치될 수 있도록 할 수도 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 로터(100)는, 도 3 및 도 4에 도시된 것과 같이, 전체적으로 링형상으로 원주를 이루는 구조로 형성될 수 있도록 하며, 내부가 중공되는 구조의 마그넷홀더(110)와 상기 마그넷 홀더(110)에 안착되는 다수의 마그넷(120)을 포함하여 형성될 수 있다.

이 경우, 상기 마그넷 홀더(110)의 마그넷 안착부는, 원주를 이루는 제1안착부(112)와 상기 제1안착부의 일단에 내부 방향으로 절곡되는 제2안착부(114)의 형상으로 구현될 수 있도록 한다. 특히, 이 경우 상기 마그넷안착부의 내부에 착자되는 다수의 마그넷은 상기 제1안착부와 상기 제2안착부에 상기 마그넷의 하면과 일측면이 대면하여 안착되는 구조로 배치될 수 있도록 한다. 이러한 착자 구조는 마그넷의 하면과 측면을 감싸는 구조로 배치되도록 하여, 외부의 충격에서 마그넷을 안정적으로 보호할 수 있는 기능을 수행함과 동시에, 보다 안정적인 착자구조를 구현할 수 있도록 하는 장점이 구현된다.

또한, 상술한 본 발명의 토크센서모듈은, 상기 마그넷 홀더(110)의 외주면에 인접하는 콜렉터(300) 및 상기 로터와 스테이터 사이의 자기장의 변화를 감지하는 자기소자(400)를 더 포함하여 구성될 수 있다.

상기 콜렉터(300)의 경우 도 3, 도 4 및 도 5에 도시된 것과 같이, 상기 마그넷홀더(110)의 외주면에 접촉하는 제1접속부(310)와, 상기 제1접속부(310)에서 연장되어 상기 자기소자(400)와 접속하는 제2접속부(320)를 구비하는 구조로 구현될 수 있도록 한다. 특히, 상기 제1접속부(310)의 경우, 상기 상기 마그넷홀더(110)의 외주면과 면접촉을 할 수 있는 일정 범위의 접촉면을 구비하는 구조로 구현되도록 하며, 상기 제2접속부(320)의 경우에도 상기 자기소자(400)과 접촉할 수 있도록 패드면을 구비하는 구조로 형성됨이 바람직하다.

상기 콜렉터(300)와 스테이터투스(220)는 자화량을 집중하기 위해 투자율이 높은 자성체 재질을 이용하는 것이 바람직하다.

이상의 본 발명의 실시예에 따른 토크센서모듈의 구조는, 평판형상의 스테이터 구조를 구현하여 로터의 상부에 1개의 스테이터 만으로도 토크의 감지를 효율적으로 구현할 수 있도록 하며, 동시에 콜렉터 역시 1개로 구현이 가능한바, 전체적인 제조비용의 절감 효과는 물론, 장치 자체의 부피 및 크기도 줄일 수 있어 공간 활용도를 높일 수 있게 된다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 스테이터 투스의 형상은 매우 단순한 형상으로 가공이 용이한바, 양산이 가능하여 제조효율 및 경제성이 높아지며, 마그넷의 외경에 마그넷 홀더가 보호 기능을 수행하는 구조로 착자 되는바, 마그넷의 내충격성을 강화할 수 있게 된다.

도 6 내지 도 8는 상술한 본 발명의 실시예에 따른 토크센서의 자계구조를 종래의 구조와 비교하기 위한 개념도이다.

도 6은 종래의 토크센서의 구조의 단면도인 도 2의 구조에서 자계의 흐름을 도시한 것이다. 화살표의 방향과 같이 자계의 흐름이 연속되게 된다. 즉, 마그넷--> 스테이터투스--> 콜렉터--> 자기소자(Hall IC)--> 콜렉터--> 스테이터 투스--> 마그넷으로 자계가 순환하게 되는 구조이다. 이러한 종래의 구조에서는 자계의 흐름을 센싱하는 경우, 전체적인 제조비용과 장비의 규모가 커지게 됨은 상술한 바 있다.

도 6의 구조에서 전체 구조를 간소화하기 위해, 도 1의 구조에서 하부의 스테이터와 콜렉터를 하나씩 제거하는 경우에는 도 6과 같은 형상을 가지게 되는데, 이 경우에는 마그넷--> 스테이터투스--> 콜렉터--> 자기소자(Hall IC)--> 자성체--> 외부로 자계의 흐름이 형성되어, 자기 회로가 폐루프를 형성하지 못해 자기누설이 발생하게 되는 문제가 발생하게 된다.

그러나, 도 8의 본 발명의 실시예에 따른 토크센서의 경우, 하나의 스테이터 투스와 하나의 콜렉터를 구현하는 경우, 마그넷--> 스테이터투스--> 자기소자(Hall IC)--> 콜렉터--> 마그넷 홀더(요크)--> 마그넷으로 이어지는 자기 회로의 폐루프가 형성되어, 자기 누설의 문제도 일소되게 된다.

이러한 자기회로의 작동원리를 도 9 내지 도 11를 통해 구체적으로 설명하면, 도 9에서와 같이, 스테이터 투스가 반시계 방향으로 회전을 수행하게 되는 경우, 스테이터 투스 부분이 마그넷의 N극에 접근하게 된다. 그 결과 스테이터 투스가 N극으로 전이되게 되는 효과가 발생하여, 하부의 도면에서 화살표와 같은 자계의 흐름이 형성되어 자기소자(Hall IC)가 인식을 하게 된다. 이후, 도 10과 같이 스테이터 투스가 정 중앙에 위치하게 되면, 스테이터 투스는 N극과 S극 사이 중간에 위치하게 되어 자계가 흐르지 않게 된다.

그 후 다시 도 11와 같이 정회전을 하게 되면, 스테이터 투스가 자석의 S극에 가까워지면서, S극으로 전이되어 자계의 흐름이 반대방향으로 형성되어 자기소자(Hall IC)가 인식을 하게 된다.

도 12에 도시된 그래프는, 상술한 본 발명의 실시예에서 스테이터 투스와 마그넷의 상대각 차이별 자기소자(Hall IC)에 인가되는 가우스 변화량을 측정한 것을 도시한 그래프이다.

특히, 자기소자인 Hall IC에서 측정되는 가우스 변화량은 ECU에서 받아 들일수 있는 신호로 변환이 되는데 이 신호를 이용 하여 차량에서 운전자가 스티어링휠에 얼마나 힘을주는지 ECU가 계산을 할 수 있게 된다. 도시된 것과 같이, 스테이터 투스와 마그넷의 상대각의 차이가 ±6° 사이의 범위에서 상대가 차이와 Gauss의 관계가 일정한 비율을 가지고 증가 혹은 감소함을 알 수 있다

도 13은 본 발명의 실시예에서 도 1에서의 마그넷 홀더의 내부에 착자되는 마그넷의 착자방식을 예시한 것이다. 특히, 본 발명의 실시예에서는, 마그넷의 극(pole)수는 상기 스테이터 투스의 2배수가 되도록 착자되도록 할 수 있다{Magnet 착자 방식 : Axial direction (극수 = Stator Tooth 개수 X 2)}. 이러한 착자 배치 구조를 구현하는 이유는 이러한 배치 구조에서 벗어나게 되는 경우 자기량을 감지하는 효율을 극히 떨어져 센서의 기능을 할 수 없게 된다.

전술한 바와 같은 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시예에 관해 설명하였다. 그러나 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서는 여러 가지 변형이 가능하다. 본 발명의 기술적 사상은 본 발명의 기술한 실시예에 국한되어 정해져서는 안 되며, 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

100: 로터
110: 마그넷홀더
112, 114: 마그넷 안착부
200: 스테이터
210: 몸체
220: 스테이터 투스
300: 콜렉터
310: 제1접속부
320: 제2접속부
400: 자기소자

Claims

중심부가 중공되는 평판형 몸체;
상기 중공부의 내측면에서 중심부를 향해 돌출되는 다수의 스테이터 투스;를 포함하며,
상기 몸체와 스테이터 투스가 동일평면상에 배치되는 스테이터.
청구항 1에 있어서,
상기 스테이터 투스와 상기 몸체의 두께가 동일한 스테이터.
청구항 1에 있어서,
상기 스테이터 투스와 상기 몸체가 일체형인 스테이터.
청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서,
상기 스테이터 투스는 일정한 주기를 가지도록 배치되는 스테이터.
청구항 4에 있어서,
상기 스테이터는 자성체로 형성되는 스테이터.
내부가 중공되며, 마그넷 안착부가 마련되는 마그넷홀더를 포함하는 로터;
상기 로터와 이격 배치되는 평판형의 스테이터;를 포함하며,
상기 스테이터가 상기 로터의 상부 또는 하부 중 어느 하나의 위치에만 배치되는 토크센서모듈.
청구항 6에 있어서,
상기 마그넷 홀더의 마그넷 안착부는,
원주를 이루는 제1안착부;와
상기 제1안착부의 일단에 내부 방향으로 절곡되는 제2안착부;를 포함하는 토크센서모듈.
청구항 6에 있어서,
상기 스테이터는,
평판형 몸체;와
상기 몸체의 중심부가 중공되며, 상기 중심부방향으로 돌출되는 다수의 스테이터 투스;를 포함하는 토크센서모듈.
청구항 8에 있어서,
상기 몸체와 상기 스테이터 투스는 동일 평면상에 배치되는 토크센서모듈.
청구항 8에 있어서,
상기 몸체와 상기 스테이터 투스는 일체형 구조인 토크센서모듈.
청구항 10에 있어서,
상기 스테이터 투스는 상기 몸체의 중공부의 내부면을 따라 일정한 주기로 배치되는 토크센서모듈.
청구항 8에 있어서,
상기 마그넷안착부에 착자되는 다수의 마그넷을 더 포함하는 토크센서모듈.
청구항 12에 있어서,
상기 마그넷의 극(pole)수는 상기 스테이터 투스의 2배수가 되도록 착자되는 토크센서모듈.
청구항 13에 있어서,
상기 제1안착부와 상기 제2안착부에 상기 마그넷의 하면과 일측면이 대면하여 안착되는 토크센서모듈.
청구항 6 내지 청구항 14 중 어느 한 항에 있어서,
상기 토크센서모듈은,
상기 마그넷홀더의 외주면에 인접하는 콜렉터; 및
상기 로터와 스테이터 사이의 자기장의 변화를 감지하는 자기소자;
를 더 포함하는 토크센서모듈.
청구항 15에 있어서,
상기 콜렉터는,
상기 마그넷홀더의 외주면에 접촉하는 제1접속부;와,
상기 제1접속부에서 연장되어 상기 자기소자와 접속하는 제2접속부;
를 포함하는 토크센서모듈.
청구항 16에 있어서,
상기 스테이터의 몸체와 상기 제2접속부 사이에 상기 자기소자가 배치되는 토크센서모듈.
청구항 15에 있어서,
상기 스테이터 투스 또는 상기 콜렉터는 자성체인 토크센서모듈.