KR20170050071A

KR20170050071A - 토크 센서 및 이를 포함하는 전동식 조향장치

Info

Publication number: KR20170050071A
Application number: KR1020150151125A
Authority: KR
Inventors: 변성욱
Original assignee: 엘지이노텍 주식회사
Priority date: 2015-10-29
Filing date: 2015-10-29
Publication date: 2017-05-11
Also published as: KR102441128B1

Abstract

본 발명은 상부 케이스와 하부 케이스를 포함하는 케이스; 상기 케이스의 내부에 배치되는 스테이터; 상기 스테이터에 회전 가능하게 배치되는 로터; 센서 유닛; 및 상기 스테이터와 상기 센서 유닛을 전기적으로 연결하는 콜렉터를 포함하며, 상기 센서 유닛은, 상기 콜렉터에서 수집된 자기력의 변화를 감지하는 센서부; 터미널; 및 상기 센서부와 상기 터미널 사이에 배치되어 상기 센서부와 상기 터미널을 전기적으로 연결되게 하는 리드 프레임을 포함하는 토크 센서와 이를 포함하는 전동식 조향장치에 관한 것이다.

Description

토크 센서 및 이를 포함하는 전동식 조향장치{Torque Sensor and Electronic Power Steering System having the same}

본 발명은 토크 센서 및 이를 포함하는 전동식 조향장치에 관한 것이다.

일반적으로 자동차의 조향의 안정성을 보장하기 위한 장치로 별도의 동력으로 보조하는 조향장치가 사용된다.

기존에는 이와 같은 보조 조향장치를 유압을 이용한 장치로 사용하였으나, 최근에는 동력의 손실이 적고 정확성이 우수한 전동식 조향장치(Electronic Power Steering System)가 사용된다.

상기와 같은 전동식 조향장치(EPS)는 차속센서, 앵글센서 및 토크센서 등에서 감지한 운행조건에 따라 전자제어장치(ECU, Electronic Control Unit)에서 모터를 구동하여 선회 안정성을 보장하고 신속한 복원력을 제공함으로써 운전자로 하여금 안전한 주행이 가능하도록 한다.

여기서, 토크 센서는 운전자가 조향 핸들을 조작할 때, 입력축과 연결된 로터와 출력축에 연결된 스테이터의 상대적인 비틀림에 의해 자기장의 변화가 발생되고, 콜렉터에 의해 자기장 변화를 자기센서가 검출하게 되어 비틀림 각을 감지하게 된다.

이러한 토크 센서의 경우, 스테이터의 자기장을 수집하기 위해 콜렉터를 배치하게 된다. 그리고, 콜렉터에서 수집된 자기장의 변화를 감지하기 위해 자기소자가 실장된 인쇄회로기판(PCB)를 포함할 수 있다. 여기서, 상기 자기소자는 자기저항소자(AMR IC) 및 홀 소자(Hall IC) 중 어느 하나일 수 있다.

그러나, 상기 토크 센서에 상기 인쇄회로기판이 이용되는 경우, 재료비가 증가하는 문제가 있다.

또한, 상기 인쇄회로기판의 SMT(Surface Mounting Technology) 이후 하우징 부품의 파손 위험이 존재한다.

또한, 상기 인쇄회로기판을 이용하는 경우, 상기 인쇄회로기판의 두께 공차 및 홀 소자(Hall IC) 위치 치수 공차에 따라 관리가 어려운 문제가 있다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 상기한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 홀 소자를 터미널에 직접 배치하여 홀 소자(Hall IC)와 캐패시터(Capacitor)가 실장된 종래의 인쇄회로기판을 대체함으로써, 재료비 및 공정을 단순화하여 원가를 절감할 수 있는 토크 센서를 제공하는데 있다.

상기 과제는 본 발명의 일실시예에 따라, 상부 케이스와 하부 케이스를 포함하는 케이스; 상기 케이스의 내부에 배치되는 스테이터; 상기 스테이터에 회전 가능하게 배치되는 로터; 센서 유닛; 및 상기 스테이터와 상기 센서 유닛을 전기적으로 연결하는 콜렉터를 포함하며, 상기 센서 유닛은, 상기 콜렉터에서 수집된 자기력의 변화를 감지하는 센서부; 터미널; 및 상기 센서부와 상기 터미널 사이에 배치되어 상기 센서부와 상기 터미널을 전기적으로 연결되게 하는 리드 프레임을 포함하는 토크 센서에 의하여 달성된다.

그리고, 상기 터미널은 상기 하부 케이스의 내부에 돌출되게 형성된 고정돌기와 결합하는 결합공을 포함할 수 있다.

그리고, 상기 고정돌기의 단부는 융착되어 상기 터미널를 고정할 수 있다.

그리고, 상기 터미널은 금속 재질로 프레스 공정을 통해 형성될 수 있다.

그리고, 상기 리드 프레임의 단부는 상기 터미널의 일측에 용접될 수 있다.

한편, 상기 센서부는 홀 소자(Hall IC)의 내부에 캐패시터(Capacitor)가 오버 몰딩되어 형성될 수 있다.

그리고, 상기 센서부는 상기 하부 케이스에 융착될 수 있다.

상기 과제는 본 발명의 일실시예에 따라, 조향축; 및 상기 조향축에 배치되는 토크 센서를 포함하며, 상기 토크 센서는 상술 된 토크 센서로 제공되는 전동식 조향장치에 의하여 달성된다.

상기와 같은 구성을 갖는 본 발명의 일실시예에 따른 토크 센서는 종래에 이용되던 인쇄회로기판을 이용하지 않고 커넥터에 직접 연결되는 홀 소자를 포함하기 때문에 재료비 및 공정을 단순화하여 원가를 절감할 수 있다.

또한, 인쇄회로기판을 이용하지 않기 무연납 테스트가 필요 없어 공정을 단순화할 수 있다.

또한, 홀 소자와 함께 캐패시터가 오버 몰딩되어 외부의 이물질에 의한 오염을 방지할 수 있다.

도 1 및 도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 토크 센서를 나타내는 사시도 및 분해사시도이고,
도 3은 도 1의 A-A선을 나타내는 단면도이고,
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 토크 센서의 센서 유닛을 나타내는 도면이고,
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 토크 센서의 하부 케이스를 나타내는 도면이고,
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 토크 센서의 하부 케이스에 배치된 콜렉터와 센서 유닛을 나타내는 도면이고,
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 토크 센서의 스테이터링을 나타내는 도면이고,
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 전동식 조향장치를 나타내는 도면이다.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

제2, 제1 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제2 구성요소는 제1 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제1 구성요소도 제2 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.

어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.

실시 예의 설명에 있어서, 어느 한 구성요소가 다른 구성요소의 " 상(위) 또는 하(아래)(on or under)"에 형성되는 것으로 기재되는 경우에 있어, 상(위) 또는 하(아래)(on or under)는 두 개의 구성요소가 서로 직접(directly)접촉되거나 하나 이상의 다른 구성요소가 상기 두 구성요소 사이에 배치되어(indirectly) 형성되는 것을 모두 포함한다. 또한 '상(위) 또는 하(아래)(on or under)'로 표현되는 경우 하나의 구성요소를 기준으로 위쪽 방향뿐만 아니라 아래쪽 방향의 의미도 포함할 수 있다.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지게 된다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 실시예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.

도 1 내지 도 7을 참조하여 살펴보면, 본 발명의 일실시예에 따른 토크 센서(1)는 센서 유닛(100), 케이스(200), 로터(300), 스테이터(400) 및 콜렉터(500)를 포함할 수 있다. 여기서, 콜렉터(500)는 센서 유닛(100)과 스테이터(400)를 전기적으로 연결하며, 센서 유닛(100)은, 도 2에 도시된 바와 같이, 한 쌍의 콜렉터(500) 사이에 배치될 수 있다.

그리고, 상기 토크 센서(1)는, 도 8에 도시된 바와 같이, 조향축(10)의 토크를 측정할 수 있다.

도 4를 참조하여 살펴보면, 센서 유닛(100)은 센서부(110), 리드 프레임(120) 및 터미널(130)을 포함할 수 있다.

센서부(110)는 콜렉터(500)에서 수집된 자기장 또는 자기력의 변화를 감지할 수 있다.

센서부(110)는 홀 소자(Hall IC)의 내부에 캐패시터(Capacitor)가 오버 몰딩 또는 몰딩하여 형성될 수 있다. 예를 들어, 센서부(110)로는 디엠피 홀 소자(DMP Hall IC)가 이용될 수 있다.

그에 따라, 센서부(110)는 오버 몰딩 등에 의해 이물질에 의한 오염이 방지될 수 있다.

또한, 센서부(110)는, 도 4에 도시된 바와 같이, 적어도 두 개가 배치되어 감지 능력을 향상시킬 수 있다.

리드 프레임(120)은 센서부(110)와 터미널(130) 사이에 배치되어, 센서부(110)와 터미널(130)을 전기적으로 연결할 수 있다. 그리고, 리드 프레임(120)의 일측은 용접 방식에 의하여 터미널(130)의 일측에 고정될 수 있다.

도 4를 참조하여 살펴보면, 터미널(130)은 제1 터미널(130a)과 제2 터미널(130b)를 포함할 수 있다. 그리고, 제1 터미널(130a)과 제2 터미널(130b) 각각은 결합홀(131)을 포함할 수 있다. 즉, 터미널(130)은 결합홀(131)을 포함할 수 있다.

도 4에 도시된 바와 같이, 제1 터미널(130a)은 바 형상으로 형성되어 복수 개가 배치될 수 있다. 또한, 제2 터미널(130b)은 제1 터미널(130a)을 우회하도록 형성될 수 있다. 예를 들어, 제2 터미널(130b)은, 도 4에 도시된 바와 같이, 물음표 형상으로 형성될 수 있다.

또한, 터미널(130)은 구리와 같은 금속 재질로 프레스 공정 등을 통해 형성될 수 있다. 그리고, 터미널(130)의 단부는 커넥터(미도시)에 연결될 수 있다.

따라서, 센서 유닛(100)은 형상을 유지하면서도 전기적 연결이 가능한 금속 재질의 터미널(130)을 이용하여 인쇄회로기판을 제거 가능케 할 수 있다. 또한, 센서 유닛(100)은 용접과 같은 공정을 통해 센서부(110), 리드 프레임(120) 및 터미널(130)이 모듈화되어 조립 또는 교체를 용이하게 할 수 있다.

케이스(200)는 상부 케이스(210)와 하부 케이스(220)를 포함할 수 있다.

케이스(200)의 상부 케이스(210)와 하부 케이스(220)는 서로 결합되어 상기 토크 센서(1)의 외형을 형성하고, 케이스(200)의 내부에는 로터(300), 스테이터(400), 콜렉터(500) 및 센서 유닛(100)이 배치될 수 있다.

도 5를 참조하여 살펴보면, 하부 케이스(220)는 하부 케이스 본체(221), 콜렉터홈(222), 센서부홈(223), 리드 프레임 가이드 돌기(224), 터미널 가이드 돌기(225) 및 고정돌기(226)를 포함할 수 있다.

여기서, 하부 케이스 본체(221)는, 도 5에 도시된 바와 같이, 원형 손거울 형상으로 형성될 수 있다. 그리고, 콜렉터홈(222), 센서부홈(223), 리드 프레임 가이드 돌기(224), 터미널 가이드 돌기(225) 및 고정돌기(226)는 하부 케이스 본체(221)의 내부에 형성될 수 있다.

하부 케이스(220)에 콜렉터(500) 설치시, 콜렉터홈(222)은 콜렉터(500)가 기 설정된 위치에 배치되도록 안내한다.

하부 케이스(220)에 센서 유닛(100) 설치시, 센서부홈(123), 리드 프레임 가이드 돌기(124) 및 터미널 가이드 돌기(125)는 센서 유닛(100)이 기 설정된 위치에 배치되도록 안내한다.

고정돌기(126)는 센서 유닛(100)의 결합홀(131)에 결합될 수 있다. 그리고 나서, 고정돌기(126)의 단부는 융착될 수 있다. 그에 따라, 센서 유닛(100)은 하부 케이스(220)에 고정될 있다.

도 6을 참조하여 살펴보면, 상기 토크 센서(1)의 센서 유닛(1)이 센서부홈(223), 리드 프레임 가이드 돌기(224) 및 터미널 가이드 돌기(225)에 의하여 기 설정된 위치에 배치되고, 고정돌기(226)와 결합홀(131)의 결합 후 고정돌기(226) 단부의 융착에 의해 고정됨에 따라 조립상 공차가 최소화될 수 있다. 그에 따라, 상기 토크 센서(1)의 감지 정확성은 향상될 수 있다.

더욱이, 센서부(110) 또한 하부 케이스(220)에 융착될 수 있다. 그에 따라, 센서 유닛(100)은 하부 케이스(220)에 더 공고히 고정될 수 있다.

로터(300)는 조향축(10)과 연결되어, 조향축(10)의 회전에 연동하여 회전할 수 있다. 그리고, 로터(300)는 스테이터(400)의 내측에 배치될 수 있다.

도 2를 참조하여 살펴보면, 로터(300)는 샤프트 슬리브(Shaft Sleeve, 310)와 마그네트(Magnet, 320)를 포함할 수 있다. 여기서, 마그네트(320)는 샤프트 슬리브(310)의 외주면에 본딩과 같은 방식에 의하여 고정될 수 있다.

그리고, 샤프트 슬리브(310)는 조향축(10)과 연결되며, 상기 조향축(10)의 회전에 연동하여 회전할 수 있다. 그리고, 상기 조향축(10)은 상기 샤프트 슬리브(310)의 내주면에 결합될 수 있다. 여기서, 샤프트 슬리브(310)는 긴 통형의 형상으로 형성될 수 있다.

마그네트(320)는 샤프트 슬리브(310)의 회전에 연동하여 회전할 수 있도록 설치되며, 외주면을 따라 N극과 S극이 교차 배치되는 링 형상으로 형성될 수 있다.

스테이터(400)는 제1 스테이터링(410)과, 제2 스테이터링(420) 및 제1 스테이터링(410)과 제2 스테이터링(420)을 수용하는 홀더(430)를 포함할 수 있다.

제1 스테이터링(410)과 제2 스테이터링(420)은 서로 대칭되는 형상으로 형성되어 축방향으로 이격 배치되고, 홀더(430)에는 제1 스테이터링(410)과 제2 스테이터링(420)을 고정될 수 있다.

제1 스테이터링(410)은 링 형상의 몸체(411)와, 몸체(411)의 내주면에서 축방향으로 절곡된 돌출편(412) 및 몸체(411)의 외주면에서 축방향으로 절곡된 자기장 전달부(413)를 포함할 수 있다.

제2 스테이터링(420)은 링 형상의 몸체(421)와, 몸체(421)의 내주면에서 축방향으로 절곡된 돌출편(422) 및 몸체(421)의 외주면에서 축방향으로 절곡된 자기장 전달부(423)를 포함할 수 있다.

콜렉터(500)는, 도 2에 도시된 바와 같이, 제1 스테이터링(410)에 결합되는 제1 콜렉터(510)와 제2 스테이터링(420)에 결합되는 제2 콜렉터(520)를 포함할 수 있다.

예를 들어, 도 2에 도시된 바와 같이, 제1 콜렉터(510)는 제1 스테이터링(410)의 몸체(411)에 전기적으로 연결되게 배치될 있으나 반드시 이에 한정되는 것은 아니며 제1 스테이터링(410)의 자기장 전달부(413)에 전기적으로 연결되게 배치될 수도 있다. 또한, 제2 콜렉터(520)는 제2 스테이터링(420)의 몸체(421)에 전기적으로 연결되게 배치될 있으나 반드시 이에 한정되는 것은 아니며 제2 스테이터링(420)의 자기장 전달부(423)에 전기적으로 연결되게 배치될 수도 있다.

따라서, 마그네트(320)의 자기장에 의해 돌출편(412, 422)이 자화되면, 자기력은 몸체(411, 421)로 전달되고, 몸체(411, 421)로 전달된 자기력은 제1 콜렉터(510)와 제2 콜렉터(520)로 전달 및 집중된다.

그에 따라, 제1 콜렉터(510)와 제2 콜렉터(520)와 연결되게 배치된 센서 유닛(100)은 자기력의 변화를 감지할 수 있다.

한편, 본 발명의 일실시예에 따른 전동식 조향장치(EPS, 2)는 전자제어유닛(ECU), 상기 토크 센서(1), 가역 모터(30), 조향각 센서(40), 차속 센서(50)를 포함할 수 있다. 여기서, 상기 토크 센서(1)는 전동식 조향장치의 조향축(10)에 연결될 수 있다.

조향축(10)에서 핸들(20)에 전달되는 보조 토크를 생성시키기 위한 가역 모터(30)의 제어는 전자제어유닛(ECU)에 의해 실행된다.

상기 전자제어유닛은 핸들(20)의 회전각도를 검출하는 조향각 센서(40)와, 조향 토크를 측정하는 상기 토크 센서(1) 및 차속을 측정하는 차속 센서(50)등의 입력신호를 바탕으로 가역 모터(30)를 제어하게 된다.

상기에서는 본 발명의 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 통상의 지식을 가진자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그리고, 이러한 수정과 변경에 관계된 차이점들을 첨부된 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

1 : 토크 센서 2 : 전동식 조향장치
100 : 센서 유닛 200 : 케이스
300 : 로터 400 : 스테이터
500 : 콜렉터

Claims

상부 케이스와 하부 케이스를 포함하는 케이스;
상기 케이스의 내부에 배치되는 스테이터;
상기 스테이터에 회전 가능하게 배치되는 로터;
센서 유닛; 및
상기 스테이터와 상기 센서 유닛을 전기적으로 연결하는 콜렉터를 포함하며,
상기 센서 유닛은,
상기 콜렉터에서 수집된 자기력의 변화를 감지하는 센서부;
터미널; 및
상기 센서부와 상기 터미널 사이에 배치되어 상기 센서부와 상기 터미널을 전기적으로 연결되게 하는 리드 프레임을 포함하는 토크 센서.
제1항에 있어서,
상기 터미널는 상기 하부 케이스의 내부에 돌출되게 형성된 고정돌기와 결합하는 결합홀을 포함하는 토크 센서.
제2항에 있어서,
상기 고정돌기의 단부는 융착되어 상기 터미널을 고정하는 토크 센서.
제3항에 있어서,
상기 터미널은 금속 재질로 프레스 공정을 통해 형성되는 토크 센서.
제4항에 있어서,
상기 리드 프레임의 단부는 상기 터미널의 일측에 용접되는 토크 센서.
제1항에 있어서,
상기 센서부는 홀 소자(Hall IC)의 내부에 캐패시터(Capacitor)가 오버 몰딩되어 형성되는 토크 센서.
제6항에 있어서,
상기 센서부는 상기 하부 케이스에 융착되는 토크 센서.
조향축; 및
상기 조향축에 배치되는 토크 센서를 포함하며,
상기 토크 센서는 제1항 내지 제7항 중 어느 하나의 항에 기재된 토크 센서로 제공되는 전동식 조향장치.