KR20230159067A

KR20230159067A - 복합형 토크센서의 조향각 영점설정 스위치 및 이를 이용한 조향각 영점설정 방법

Info

Publication number: KR20230159067A
Application number: KR1020220058980A
Authority: KR
Inventors: 이광남
Original assignee: 주식회사 에이스알앤씨
Priority date: 2022-05-13
Filing date: 2022-05-13
Publication date: 2023-11-21

Abstract

본 발명은 차량의 토크량 검출수단과 조향각 검출수단 및 이들을 수용하는 하우징을 포함하여 구성되는 복합형 토크센서의 조향각 영점설정 스위치 및 이를 이용한 조향각 영점설정 방법에 관한 것으로, 좀더 상세하게 설명하자면, 상기 하우징 내에서 PCB 기판 위에 설치되어 있는 홀 스위치(Hall switch)와; 상기 하우징 밖에서 비접촉 상태로 상기 홀 스위치를 제어하는 영점설정용 마그네트(Magnet); 를 포함하여 구성되는 조향각 영점설정 스위치 및 이를 이용한 조향각 영점설정 방법에 관한 것이다.

Description

복합형 토크센서의 조향각 영점설정 스위치 및 이를 이용한 조향각 영점설정 방법{Zero point setting switch of steering angle for torque sensor complex and zero point setting process using the same}

본 발명은 차량의 토크량 검출수단과 조향각 검출수단 및 이들을 수용하는 하우징을 포함하여 구성되는 복합형 토크센서의 조향각 영점설정 스위치 및 이를 이용한 조향각 영점설정 방법에 관한 것으로, 좀더 상세하게 설명하자면, 상기 하우징 내부에서 조향각 영점세팅부를 탑재하고 있는 PCB 기판과, 상기 PCB 기판 위에 설치되어 상기 영점세팅부로 명령을 전달하는 홀 스위치(Hall switch)와, 상기 하우징 밖에서 비접촉 상태로 상기 홀 스위치를 제어하는 영점설정용 마그네트(Magnet)를 포함하여 구성되는 조향각 영점설정 스위치 및 이를 이용한 조향각 영점설정 방법에 관한 것이다.

일반적으로 차량의 조향장치는 핸들 조작의 편의를 위하여 토크센서(torque sensor)를 이용하는 전자제어식 파워스티어링 시스템을 적용하고 있다. 이러한 파워스티어링 시스템은 운전자가 핸들을 회전할 때 핸들과 바퀴 사이에 발생하는 토크량을 검출한 후, 그 편차만큼 조향장치로 바퀴를 회전시키는데 필요한 회전력을 제공한다. 따라서 운전자는 적은 힘으로도 편리하게 핸들을 조작할 수 있다.

이와 관련하여 본 발명자는 등록특허 제10-1359347호(2014년 01월 29일)에서 절대 위상각 검출을 이용한 조향장치용 토크센서를 제안한 바 있다. 상기 조향장치는 입력축과 출력축에 각각 다극 링자석과 홀센서(hall sensor)를 설치하고, 상기 다극 링자석의 N극과 S극 자기력을 동시에 취득하여 절대 위상각을 검출한 다음, 위치각도의 차이값을 이용하여 토크량을 검출하는 새로운 검출방식을 채택하고 있다.

이처럼 토크센서를 이용한 파워스티어링 시스템은 조향장치의 제어가 매우 용이하지만, 차량의 진행속도에 따라 바퀴의 조향각을 제대로 제어하지 못하면 급회전으로 인해 차량이 전복되는 사고가 발생할 수 있고, 이러한 전복사고는 특히 회전반경이 짧고 고중량의 하물(荷物)을 운송하는 지게차에서 자주 발생한다.

이러한 문제점을 해소하기 위하여 등록특허 제10-0688453호(2007년 02월 22일)에는, 기계적인 접촉 없이 지게차의 조향각을 감지할 수 있는 감지장치가 소개되어 있다. 상기 조향각 감지장치는, 자석의 이동에 따라 저항값이 변화되는 센서와 다수개의 리드 스위치를 이용하는 것으로 전체적인 구성이 복잡하고, 주요 구성부품이 대부분 외부로 노출되어 있어서 외부의 물리적인 충격이나 오염에 취약하다는 단점이 있다.

또한 본 발명자는 등록특허 제10-1888480호(2018년 08월 08일)에서 토크량 검출수단과 조향각 검출수단을 결합함으로써 불의의 전복사고를 방지할 수 있는 복합형 토크센서를 제안하였다. 첨부 도 1은 상기 복합형 토크센서의 부분절개 사시도를 인용한 것으로, 차량의 입력축(10)과 출력축(13)의 토크량을 검출하는 토크량 검출수단(100)과, 상기 토크량 검출수단(100)과 연계하여 바퀴의 회전각도를 검출 및 제어하는 조향각 검출수단(200) 및 이들을 수용하는 하우징(1)으로 구성된다.

상기 토크량 검출수단(100)은 앞서 소개한 등록특허 제10-1359347호의 조향장치용 토크센서와 실질적으로 동일한 구조를 갖는 것으로, 입력축(10)과 출력축(13)의 회전 토크량을 검출하는 검출부(14)와, 상기 검출부(14)로부터 전달되는 데이터를 통해 바퀴의 회전방향을 제어하는 컨트롤부(12)를 포함하여 구성된다.

그리고, 상기 조향각 검출수단(200)은 출력축(13)의 외주면에 형성되는 웜기어(6)와, 상기 웜기어(6)의 상부에 맞물려 회전하는 웜휠(7)과, 상기 웜휠(7)의 일측 선단에 고정되는 영구자석(72)과, 상기 영구자석(72)의 회전에 따른 자력의 변화를 이용하여 웜휠(7)의 회전량을 검출하는 앵글센서(5)를 포함하여 구성된다.

상기 앵글센서(5)에서 검출된 신호는 PCB 기판(23)을 통해서 검출부(14)로 전달하게 되고, 상기 검출부(14)에서는 그 신호를 다시 컨트롤부(12)로 전달한 후 연산을 통해 바퀴의 조향각을 정밀하게 검출하고, 필요에 따라 경고음을 발생하거나 핸들의 조작을 제어한다.

등록특허 제10-0688453호(2007년 02월 22일) 등록특허 제10-1359347호(2014년 01월 29일) 등록특허 제10-1888480호(2018년 08월 08일)

첨부 도 1과 같은 복합형 토크센서에서 조향각 검출수단(200)이 조향각을 정확하게 검출하기 위해서는 해당 차량을 운행하기 전에 먼저 조향각에 대한 영점설정 작업을 실시해야 한다. 이를 위하여 상기 검출부(14)와 컨트롤부(12)를 수행하는 마이크로칩(chip)이 탑재되어 있는 PCB 기판(23)에는 영점설정용 스위치가 설치되어 있다.

첨부 도 2는 상기 복합형 토크센서의 일부 분해 사시도로서, 하우징(1) 내에 입력축(10)과 출력축(13)이 수용되어 있고, 상기 검출부(14)과 컨트롤부(12)가 탑재되어 있는 PCB 기판(23)에는 영점설정용 버튼스위치(24)가 설치되어 있는 모습을 보여주고 있다.

그리고 상기 하우징(1)에는 PCB 기판(23)을 노출시키는 개구부가 설치되어 있고, 상기 개구부에는 PCB 기판(23)을 덮는 하우징 커버(1a)가 설치되어 있으며, 상기 하우징 커버(1a)에는 상기 버튼스위치(24)에 대응하는 위치에 버튼홀(1b)이 관통되어 있다.

그래서 조향각 영점설정 작업을 하기 위해서는 작업자가 하우징 커버(1a)의 버튼홀(1b) 속으로 송곳이나 젓가락 등 뾰족한 도구를 밀어 넣어서 PCB 기판(23) 위에 설치되어 있는 버튼스위치(24)를 수초 동안 눌어 주어야 한다.

이와 같이 종래의 조향각 영점설정 스위치는, 영점설정 작업이 번거럽고, 특히 버튼스위치(24)를 눌러주는 과정에서 자칫하면 뾰족한 도구가 PCB 기판(23) 위에 설치된 회로나 부품을 훼손하거나, 또는 버튼홀(1b)을 통해 하우징(1) 속으로 침투한 물이나 먼지 등에 의해 PCB 기판(23)이 오염되어 결과적으로 전기적인 장애를 일으키는 원인을 제공하기도 한다.

이에 본 발명의 목적은 복합형 토크센서의 조향각 영점설정 스위치에 있어서, 영점설정 작업을 실시하는 과정에서 하우징(1) 내부의 PCB 기판(23)에 장착되어 있는 마이크로 칩이나 회로 등을 훼손하거나 오염시킬 우려가 없고, 나아가 영점설정 작업이 매우 용이한 새로운 구조의 조향각 영점설정 스위치 및 이를 이용한 영점설정 방법을 제공하는 것이다.

참고로 본 발명은 등록특허 제10-1888480호의 복합형 토크센서를 개량한 것이므로, 이하 본 발명을 설명함에 있어서 상기 복합형 토크센서와 동일한 구성요소들에 대해서는 배경기술로 소개한 첨부 도 1의 도면부호와 이에 대응하는 명칭을 그대로 사용한다.

본 발명은, 차량의 토크량 검출수단과 조향각 검출수단을 포함하여 구성되는 복합형 토크센서의 조향각 영점설정 스위치에 있어서,

상기 복합형 토크센서의 하우징 내에 배치되어 토크량 검출부와 조향각 컨트롤부 및 조향각 영점세팅부를 탑재하고 있는 PCB 기판과;

상기 PCB 기판 위에 설치되어 상기 조향각 영점세팅부가 영점설정 절차를 개시하도록 명령을 전달하는 홀 스위치(Hall switch)와;

상기 하우징 밖에서 비접촉 상태로 상기 홀 스위치의 온 /오프(on/off)를 제어하는 영점설정용 마그네트(Magnet); 를 포함하여 구성되고,

상기 하우징에서 PCB 기판을 덮는 하우징 커버는, 비철금속이나 비전도성 재질로 이루어지며, 하우징 내부로 통하는 구멍이 없는 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명은, 차량의 토크량 검출수단과 조향각 검출수단을 포함하고, 상기 조향각 검출수단은 출력축의 외주면에 형성되는 웜기어와, 상기 웜기어의 상부에 맞물려 회전하는 웜휠과, 상기 웜휠의 회전량을 검출하는 앵글센서를 포함하여 구성되는 복합형 토크센서의 조향각 영점설정 방법에 있어서,

A) 상기 웜휠의 1회전 각도(360도)에 대응하는 신호전압의 범위를 설정하는 단계와;

B) 상기 앵글센서가 웜휠의 초기각도를 감지하고, 상기 초기각도를 이에 대응하는 신호전압으로 변환하여 이를 초기값(V1)으로 인식하는 단계와;

C) 상기 복합형 토크센서의 하우징 내부에 설치된 영점설정용 홀 스위치(Hall switch)에다 하우징 밖에서 마그네트(Magnet)를 접근시켜서 조향각 영점설정 작업을 지시하는 단계와;

D) 상기 신호전압의 중심값(V2)에서 상기 초기값(V1)을 제외한 값을 세팅값(V3)으로 산출하고, 상기 세팅값(V3)을 저장수단에 저장하는 단계와;

E) 상기 앵글센서가 실시간으로 웜휠의 각도를 감지하고, 이러한 실시간 각도를 이에 대응하는 신호전압으로 변환하여 이를 현재값(V4)으로 인식하는 단계;

F) 상기 현재값(V4)에서 상기 세팅값(V3)을 제외한 값을 바탕으로 출력축의 회전각도를 산출하는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 복합형 토크센서의 조향각 영점설정 스위치 및 이를 이용한 조향각 영점설정 방법은, 하우징 외부에서 영점설정용 마그네트(Magnet)를 이용하여 하우징 내부에 설치된 홀 스위치(Hall switch)를 온(on) 시켜서 비접촉 상태에서 영점설정 작업을 실시할 수 있기 때문에 상기 홀 스위치를 덮는 하우징 커버에는 종래영점설정 스위치의 버튼홀과 같은 구멍을 설치할 필요가 없다.

따라서 영점설정 작업을 실시하는 과정에서 하우징 내부의 PCB 기판에 장착되어 있는 마이크로 칩이나 회로 등을 훼손하거나 오염시킬 우려가 없고, 나아가 영점설정 작업이 매우 용이한 효과가 있다.

도 1은 본 발명자가 개발한 종래 복합형 토크센서의 부분절개 사시도,
도 2의 상기 복합형 토크센서의 부분 분해 사시도,
도 3은 본 발명에 따른 조향각 영점설정 스위치가 설치된 복합형 토크센서의 분리 사시도,
도 4는 본 발명에 따른 조향각 영점설정 스위치가 설치된 복합형 토크센서의 결합 사시도이다.

이하, 첨부한 도면을 이용하여 본 발명을 상세하게 설명한다. 다만, 첨부 도면은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시한 것이므로 이들 실시예에 의해서 본 발명의 권리범위가 제한되는 것은 아니다. 또한 본 발명을 실시하는데 꼭 필요한 구성이라 하더라도 종래기술에 소개되어 있거나, 통상의 기술자가 공지기술로부터 용이하게 실시할 수 있는 사항에 대해서는 구체적인 설명을 생략한다.

그리고 본 발명에 속하는 구성요소들 중에서 ‘~부’ 또는 ‘~수단’ 이라는 명칭은 적어도 하나의 공통적인 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하는 것으로, 하드웨어나 소프트웨어 또는 이들의 결합에 의해서 구현될 수 있다. 또한 어떤 구성요소를 ‘포함’ 한다는 것은, 명시된 구성요소에 더하여 필요에 따라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있다는 것을 의미한다.

본 발명에 따른 복합형 토크센서는 도 1에서 보는 바와 같이, 차량의 입력축(10)과 출력축(13)의 토크량을 검출하는 토크량 검출수단(100)과, 바퀴의 회전각도를 검출하는 조향각 검출수단(200) 및 이들을 수용하는 하우징(1)을 포함하여 구성된다.

상기 토크량 검출수단(100)은, 제1 및 제2 홀센서(4,4')를 이용하여 입력축(10)의 제1 다극링자석(2)과 출력축(13)의 제2 다극링자석(3) 사이의 자기력 변화를 측정하고, 그 측정값을 연산하여 입력축(10)과 출력축(13)의 절대위상각의 차이를 연산하며, 이렇게 하여 산출된 위상각 차이값을 통해 바퀴의 진행방향을 조정할 수 있는 토크량을 산출한다.

상기 토크량 검출수단(100)에 대해서는 배경기술로 소개한 등록특허 제10-1359347호에 상세하게 기술되어 있으므로, 본 발명에서는 더 이상의 설명을 생략한다.

다음으로 조향각 검출수단(200)은 출력축(13)의 외주면에 형성되는 웜기어(6)와, 상기 웜기어(6)의 상부에 맞물려 회전하는 웜휠(7)과, 상기 웜휠(7)의 일측 선단에 고정되는 영구자석(72)과, 상기 웜휠(7)의 회전량을 검출하는 앵글센서(5) 등을 포함하여 구성된다.

상기 앵글센서(5)는 웜휠(7)의 일측에 장착된 영구자석(72)의 회전에 따른 자기력의 변화를 감지하고, 그 결과를 PCB 기판(23)에 장착되어 있는 검출부(14) 및 컨트롤부(도 1에서는 보이지 않음)로 전달한다. 상기 컨트롤부는 앵글센서(5)의 검출결과를 바탕으로 바퀴의 조향각을 정밀하게 산출하여 별도의 표시창에 표시하고, 필요할 경우 경고음을 발생시키거나 핸들의 작동을 정지시킨다.

본 발명에 따른 조향각 영점설정 스위치는 첨부 도 3 및 도 4에서 보는 바와 같이, 상기 하우징(1) 내부에 배치되는 PCB 기판(23)과, 상기 PCB 기판(23) 위에 설치된 홀 스위치(25)와, 상기 하우징(1) 밖에서 비접촉 상태로 홀 스위치(25)를 제어하는 영점 설정용 마그네트(26)로 구성된다.

먼저 상기 PCB 기판(23)은 하우징(1) 내부에 설치되는 것으로, 토크량 검출수단(100)의 토크량 검출부와, 조향각 검출수단(200)의 조향각 검출부, 그리고 조향각에 대한 영점설정 작업을 수행하는 조향각 영점세팅부 등의 프로그램을 수행하는 마이크로 칩(Chip)이 탑재되어 있다.

그리고 상기 홀 스위치(25)는 상기 조향각 영점세팅부가 조향각 영점설정 절차를 개시하도록 전기적인 명령을 전달하는 것으로, 상기 PCB 기판(23) 위에 설치된다. 그래서 상기 홀 스위치(25)가 온(on) 위치로 전환되면, 상기 영점세팅부가 본 발명에 따른 조향각 영점설정 절차를 개시한다.

이러한 영점설정 절차는 차량 출고 이전에 실시하는 것이 바람직하다. 상기 홀 스위치(25)는 소위 홀 효과(Hall effect)를 이용한 스위치로서, 통상적인 홀 스위치 중에서 선택하여 사용할 수 있다.

다음으로 상기 영점설정용 마그네트(26)는 상기 하우징(1)과 딴몸으로 구비되어 하우징(1) 외부에 배치되며, 하우징(1) 밖에서 자력선을 이용하여 비접촉 상태에서 홀 스위치(25)을 온/오프(on/off) 시키는 기능을 한다.

즉, 작업자가 PCB 기판(23)을 덮고 있는 하우징 커버(1a) 근처로 마그네트(26)를 접근시키면, 상기 마그네트(26)의 자력에 의해 홀 스위치(25)가 온(on) 위치로 전환되면서 상기 영점세팅부가 조향각 영점설정 절차가 개시된다. 상기 마그네트(26)는 통상적인 자석을 사용할 수 있으며, 하나의 마그네트(26)로 다수개의 홀 스위치(25)를 작동시킬 수 있다.

상기 하우징(1)에서 PCB 기판(23)을 덮는 하우징 커버(1a)는 마그네트(26)의 자력을 방해하지 않도록 비철금속이나 비전도성 소재, 예컨대 알루미늄이나 플라스틱 재질인 것이 바람직하다.

또한, 상기 하우징 커버(1a)에는 종래 복합형 토크센서의 하우징 커버(1a)와 달리 하우징(1) 내부로 공기가 통할 수 있는 구멍이 하나도 없는 것을 특징으로 한다. 앞서 설명한 바와 같이, 종래 복합형 토크센서의 하우징 커버(1a)에는 버튼스위치(24)를 눌러주기 위한 버튼홀(1b)이 설치되어 있었다.

한편, 본 발명에 따른 복합형 토크센서의 조향각 영점설정 방법은 다음 A) 단계 내지 F) 단계를 거쳐서 진행되며, 상기 PCB 기판(23)에 탑재되는 조향각 영점세팅부에 의해서 수행된다.

먼저 조향각 검출수단(200)에서 출력축(13)의 웜기어(6)에 웜휠(7)이 맞물려 있는 구조에서 상기 웜휠(7)의 1회전 각도, 즉 360도에 대응하는 신호전압의 범위를 설정한다.

상기 신호전압의 범위는 통상적인 전자부품의 정격전압을 고려하여 0~5V의 범위로 선정하는 것이 바람직하다. 이 경우, 웜휠(7)의 회전각도가 0도이면 신호전압 0V에 대응하고, 회전각도가 360도이면 신호전압 5V에 대응한다.

다음 B) 단계에서는 조향각 검출수단(200)의 앵글센서(5)가 웜휠(7)의 초기각도, 즉 차량 조립 직후의 각도를 감지하고, 상기 초기각도를 이에 대응하는 신호전압으로 변환하여 이를 초기값(V1)으로 인식한다.

참고로 상기 앵글센서(5)는 상기 웜휠(7)의 일측 선단에 부착되어 있는 영구자석(72)의 자력선 변화를 통해서 웜휠(7)의 회전각도를 감지한다. 그리고 웜기어(6)와 웜휠(7)의 회전비율은 6 대 1의 비율을 갖는 것이 바람직하다. 즉 웜기어(6)가 6바퀴 회전하면, 웜휠(7)은 1바퀴 회전한다.

다음 C) 단계에서는 작업자가 하우징(1) 내부에 설치되어 있는 영점설정용 홀 스위치(Hall switch)에다 하우징(1) 외부세서 마그네트(Magnet)를 비접촉 상태로 접근시켜서 조향각 세팅부가 조향각 영점설정 작업을 개시하도록 지시한다. 이러한 C) 단계는 차량 출고 이전에 실시하는 것이 바람직하다.

다음 D) 단계에서는 상기 신호전압의 중심값(V2)에서 상기 초기값(V1)을 제외한 값을 세팅값(V3)으로 산출하고, 상기 세팅값(V3)을 저장수단, 예컨대 마이콤에 설치되어 있는 ROM에 저장한다. 상기 신호전압의 범위가 0~5V로 설정된 경우, 상기 신호전압의 중심값(V2)은 2.5V가 된다.

다음 E) 단계에서는 상기 앵글센서(5)가 실시간으로 웜휠(7)의 실시간 각도를 감지하고, 상기 실시간 각도를 이에 대응하는 신호전압으로 변환하여 이를 현재값(V4)으로 인식한다.

마지막 F) 단계에서는 상기 현재값(V4)에서 상기 세팅값(V3)을 제외한 값을 바탕으로 출력축(13)의 회전각도를 산출한다.

상기 E) 단계 및 F) 단계는 차량을 운행하는 동안에 실시간으로 진행된다.

이러한 방법에 따라 연산 및 산출되는 차량 바퀴의 실시간 조향각은 별도의 표시창에 표시되고, 상기 조향각이 미리 설정된 범위를 벗어날 경우, 경보음을 발생하거나, 차량의 핸들 조작이 정지되도록 구성할 수도 있다.

(1)하우징 (1a)하우징 커버
(23)PCB 기판 (25)홀 스위치
(26)마그네트

Claims

차량의 토크량 검출수단과 조향각 검출수단을 포함하여 구성되는 복합형 토크센서의 조향각 영점설정 스위치에 있어서,
상기 복합형 토크센서의 하우징 내에 배치되어 토크량 검출부와 조향각 컨트롤부 및 조향각 영점세팅부를 탑재하고 있는 PCB 기판과;
상기 PCB 기판 위에 설치되어 상기 조향각 영점세팅부가 영점설정 절차를 개시하도록 명령을 전달하는 홀 스위치(Hall switch)와;
상기 하우징 밖에서 비접촉 상태로 상기 홀 스위치의 온 /오프(on/off)를 제어하는 영점설정용 마그네트(Magnet); 를 포함하여 구성되며,
상기 하우징에서 PCB 기판을 덮는 하우징 커버는, 비철금속이나 비전도성 재질로 이루어지고, 하우징 내부로 통하는 구멍이 없는 것을 특징으로 하는, 복합형 토크센서의 조향각 영점설정 스위치.
차량의 토크량 검출수단과 조향각 검출수단을 포함하고, 상기 조향각 검출수단은 출력축의 외주면에 형성되는 웜기어와, 상기 웜기어의 상부에 맞물려 회전하는 웜휠과, 상기 웜휠의 회전량을 검출하는 앵글센서를 포함하여 구성되는 복합형 토크센서의 조향각 영점설정 방법에 있어서,
A) 상기 웜휠의 1회전 각도(360도)에 대응하는 신호전압의 범위를 설정하는 단계와;
B) 상기 앵글센서가 웜휠의 초기각도를 감지하고, 상기 초기각도를 이에 대응하는 신호전압으로 변환하여 이를 초기값(V1)으로 인식하는 단계와;
C) 상기 복합형 토크센서의 하우징 내부에 설치된 영점설정용 홀 스위치(Hall switch)에다 하우징 밖에서 마그네트(Magnet)를 접근시켜서 조향각 세팅부가 영점설정 작업을 수행하도록 지시하는 단계와;
D) 상기 신호전압의 중심값(V2)에서 상기 초기값(V1)을 제외한 값을 세팅값(V3)으로 산출하고, 상기 세팅값(V3)을 저장수단에 저장하는 단계와;
E) 상기 앵글센서가 실시간으로 웜휠의 각도를 감지하고, 이러한 실시간 각도를 이에 대응하는 신호전압으로 변환하여 이를 현재값(V4)으로 인식하는 단계;
F) 상기 현재값(V4)에서 상기 세팅값(V3)을 제외한 값을 바탕으로 출력축의 회전각도를 산출하는 단계;
를 포함하는 것을 특징으로 하는, 복합형 토크센서의 조향각 영점설정 방법.