WO2017034074A1 - 조향 장치용 토크 센서 - Google Patents

조향 장치용 토크 센서 Download PDF

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WO2017034074A1
WO2017034074A1 PCT/KR2015/011216 KR2015011216W WO2017034074A1 WO 2017034074 A1 WO2017034074 A1 WO 2017034074A1 KR 2015011216 W KR2015011216 W KR 2015011216W WO 2017034074 A1 WO2017034074 A1 WO 2017034074A1
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WO
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magnetic
magnetic body
magnet
torque sensor
closed loop
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Application number
PCT/KR2015/011216
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English (en)
French (fr)
Inventor
전창남
Original Assignee
엘에스오토모티브 주식회사
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Publication date
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Priority to US15/749,845 priority patent/US10309848B2/en
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L3/00—Measuring torque, work, mechanical power, or mechanical efficiency, in general
    • G01L3/02—Rotary-transmission dynamometers
    • G01L3/04—Rotary-transmission dynamometers wherein the torque-transmitting element comprises a torsionally-flexible shaft
    • G01L3/10—Rotary-transmission dynamometers wherein the torque-transmitting element comprises a torsionally-flexible shaft involving electric or magnetic means for indicating
    • G01L3/101—Rotary-transmission dynamometers wherein the torque-transmitting element comprises a torsionally-flexible shaft involving electric or magnetic means for indicating involving magnetic or electromagnetic means
    • G01L3/104—Rotary-transmission dynamometers wherein the torque-transmitting element comprises a torsionally-flexible shaft involving electric or magnetic means for indicating involving magnetic or electromagnetic means involving permanent magnets
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B62—LAND VEHICLES FOR TRAVELLING OTHERWISE THAN ON RAILS
    • B62D—MOTOR VEHICLES; TRAILERS
    • B62D5/00—Power-assisted or power-driven steering
    • B62D5/04—Power-assisted or power-driven steering electrical, e.g. using an electric servo-motor connected to, or forming part of, the steering gear
    • B62D5/0457—Power-assisted or power-driven steering electrical, e.g. using an electric servo-motor connected to, or forming part of, the steering gear characterised by control features of the drive means as such
    • B62D5/0481—Power-assisted or power-driven steering electrical, e.g. using an electric servo-motor connected to, or forming part of, the steering gear characterised by control features of the drive means as such monitoring the steering system, e.g. failures
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B62—LAND VEHICLES FOR TRAVELLING OTHERWISE THAN ON RAILS
    • B62D—MOTOR VEHICLES; TRAILERS
    • B62D6/00—Arrangements for automatically controlling steering depending on driving conditions sensed and responded to, e.g. control circuits
    • B62D6/08—Arrangements for automatically controlling steering depending on driving conditions sensed and responded to, e.g. control circuits responsive only to driver input torque
    • B62D6/10—Arrangements for automatically controlling steering depending on driving conditions sensed and responded to, e.g. control circuits responsive only to driver input torque characterised by means for sensing or determining torque
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L5/00—Apparatus for, or methods of, measuring force, work, mechanical power, or torque, specially adapted for specific purposes
    • G01L5/22—Apparatus for, or methods of, measuring force, work, mechanical power, or torque, specially adapted for specific purposes for measuring the force applied to control members, e.g. control members of vehicles, triggers
    • G01L5/221—Apparatus for, or methods of, measuring force, work, mechanical power, or torque, specially adapted for specific purposes for measuring the force applied to control members, e.g. control members of vehicles, triggers to steering wheels, e.g. for power assisted steering

Definitions

  • the present invention relates to a torque sensor for a steering device, and more particularly, to a steering device for improving steering power by allowing an output shaft connected to a wheel to be rotated in the same manner as the input shaft when the input shaft is rotated by the steering wheel.
  • a non-contact torque sensor is used to improve steering power by allowing an output shaft connected to a wheel to be rotated in the same manner as the input shaft when the input shaft is rotated by the steering wheel.
  • the wheels in contact with the road surface also rotate.
  • the wheels rotate in the same direction.
  • a problem may occur in that the rotation amounts of the steering wheel and the wheel are different from each other by the friction force generated between the road surface.
  • a torque sensor for measuring and compensating for the rotation angle deviation of the steering wheel and the wheel.
  • Torque sensor measures the angle of rotation of the steering wheel and the wheel, and additionally rotates the wheel by using separate power means by the measured deviation so that the vehicle can safely and accurately steer in the direction that the vehicle intends to steer. Is raising.
  • Torque sensors are largely divided into a contact method and a non-contact method, and the contact method has recently been adopted a non-contact torque sensor due to noise and deterioration of durability.
  • the non-contact torque sensor is largely divided into magnetoresistance detection, magnetostriction detection, capacitive detection and optical detection.
  • a steering wheel operated by a driver is coupled to an upper end of an input shaft, and a lower end of the input shaft is connected to an upper end of an output shaft by a torsion bar. Connected.
  • the lower end of the output shaft is connected to a wheel, and the outer end of the input shaft including the torsion bar and the upper end of the output shaft are protected by a housing. Inside this housing, the aforementioned torque sensor and power means are provided.
  • Representative examples include Korean Patent Publication No. 10-2007-0043000 and US Patent No. 8327722.
  • these conventional torque sensors are large in number and complicated in component parts, and have a high loss in the process of inducing magnetic force.
  • An object of the present invention is to provide a non-contact torque sensor for a steering apparatus which has a small number of components and minimizes magnetic force loss in the process of inducing magnetic force.
  • the torque sensor for a steering device of a vehicle the N pole and the S pole are alternately arranged in an open area and the open area opposite to the magnet installed on one end of the torsion bar
  • a first magnetic body alternately disposed along a circumference of the circular connection member and connected to the other end of the torsion bar
  • a second magnetic body disposed opposite the magnet along an outer circumference of the magnet with the first magnetic body interposed therebetween
  • a third magnetic body disposed to face the first magnetic body without facing the magnet
  • a magnetic sensing member disposed between the second magnetic body and the third magnetic body.
  • the second magnetic body may include: a magnetic induction surface facing the magnet with the open area and the non-open area interposed therebetween; And a magnetic concentrator extending outwardly from the magnetic induction surface.
  • the third magnetic body may include: a magnetic induction surface facing an area of the connecting member of the first magnetic body; And a magnetic concentrator extending outward from the magnetic induction surface of the third magnetic body.
  • the magnetic sensing member may be installed in a gap between the magnetic concentrator of the second magnetic body and the magnetic concentrator of the third magnetic body.
  • connection member of the first magnetic body and the magnetic induction surface of the third magnetic body may face in the longitudinal direction of the axis.
  • the second magnetic body and the third magnetic body may have a bow shape.
  • the N pole and the S pole are alternately arranged in a circular direction to generate and absorb a magnetic force line and oppose the magnet connected to one end of the torsion bar
  • a first magnetic body having an open area and an unopened area, passing a magnetic force line through the open area, inducing a magnetic force line through the unopened area, and connected to the other end of the torsion bar;
  • a second magnetic body for inducing magnetic force lines passing through the open region and transferring magnetic force lines to the open region or the non-open region;
  • a third magnetic body transferring a magnetic force line induced and transmitted from the second magnetic body to the first magnetic body, and transferring a magnetic force line induced and transmitted from the first magnetic body to the second magnetic body;
  • a magnetic sensing member disposed between the second magnetic body and the third magnetic body to sense a change in the line of magnetic force.
  • the torque sensor may include: a first closed loop returning to the magnet after the magnetic force line generated in the magnet is induced to the unopened region when there is no torsion of the torsion bar; And a second closed loop in which the magnetic force line generated in the magnet passes through the open region to be guided to the second magnetic material and then passes through the open region to return to the magnet.
  • the torque sensor may include: a first closed loop returning to the magnet after the magnetic force line generated in the magnet is induced to the unopened area when the torsion bar has a positive value; A second closed loop in which the magnetic force lines generated in the magnet pass through the open region and are guided to the second magnetic body and then pass through the unopened region to return to the magnet; And a third closed loop in which the magnetic force lines generated in the magnet pass through the open region and are sequentially guided to the second magnetic body, the third magnetic body, and the unopened region, and then transferred to the magnet.
  • the torque sensor may include: a first closed loop returning to the magnet after the magnetic force line generated in the magnet is induced to the unopened area when the torsion bar has a negative value; A second closed loop in which the magnetic force lines generated in the magnet are sequentially guided to the unopened region and the second magnetic body and then return to the magnet through the unopened region; And a third closed loop in which the magnetic force lines generated in the magnet are sequentially guided to the unopened region, the third magnetic body and the second magnetic body and then passed through the open region to the magnet.
  • the first magnetic body and the second magnetic body may face the magnet with the area, and the third magnetic body may face the first magnetic body without facing the magnet.
  • the second magnetic body and the third magnetic body may have a bow shape.
  • the present invention has a simple magnetic circuit configuration and has a small number of overall component parts. As a result, the amount of magnetic material used is less than that in the prior art.
  • the present invention compared with the prior art, the number of pores (magnetic resistance) to reduce the flow of magnetic field lines and magnetic flux density, the number of the variable magnetic resistance member is also small, the loss in the induction process of the magnetic force generated in the magnet It is possible to reduce the magnetic induction efficiency.
  • FIG. 1 is an exploded perspective view of a torque sensor according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a combined perspective view of the torque sensor of FIG. 1.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view taken along line AA ′ of FIG. 2.
  • FIG. 4 is a partial plan view showing the direction of the magnetic force line of the torque sensor according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a partial plan view showing the direction of the magnetic force line of the torque sensor according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is an overall perspective view of FIG. 5.
  • FIG. 7 is a partial plan view showing the direction of the magnetic force line of the torque sensor according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 8 is an overall perspective view of FIG. 7.
  • FIG. 9 is a circuit diagram illustrating a magnetic equivalent circuit of the torque sensor illustrated in FIGS. 1 and 2.
  • 10 to 12 are diagrams illustrating the closed loop according to the torsion angle of the torque sensor in the magnetic equivalent circuit of FIG. 9.
  • 13 to 15 are diagrams showing a magnetic equivalent circuit and a closed loop of the prior art.
  • 16 to 18 show another conventional magnetic equivalent circuit and a closed loop.
  • FIG. 1 is an exploded perspective view of a torque sensor according to an exemplary embodiment of the present invention
  • FIG. 2 is a combined perspective view of the torque sensor of FIG. 1.
  • the torque sensor according to the present embodiment includes a magnet 10, a first magnetic body 20, a second magnetic body 30, a third magnetic body 40, and a magnetic sensing member 50. It includes.
  • the magnet 10 is arranged in a circular shape. As shown in FIGS. 1 and 2, the magnet 10 is a permanent magnet having alternating N poles and S poles having different magnetic poles from side to side, and not one column but two columns. In the magnet 10, the sum of the N pole and the S pole is an even number. For example, if there are eight N poles, there are eight S poles.
  • the magnet 10 is connected to the input shaft connected to the steering wheel of the vehicle, the magnet 10 can also rotate with the input shaft when the steering wheel, but is not limited thereto, the magnet 10 is connected to the wheel Connected to the output shaft, it can rotate with the output shaft when the wheel is rotated.
  • the first magnetic body 20 has an open area 23 and an unopened area 21 facing the magnet 10 along the outer circumferential surface of the magnet 10, and open with the open area 23. Ring-shaped connecting member 22 for connecting the non-region 21.
  • the open area 23 and the unopened area 21 are arranged to face the magnet 10 along the connecting member 22 at predetermined angular intervals about the magnet 10.
  • the first magnetic body 20 has a crown structure in which a plurality of teeth protruded in the longitudinal direction of the shaft from the magnet 10 at a predetermined angular interval along the circumference of the connecting member 22.
  • the first magnetic body 20 is connected to the output shaft connected to the wheel of the vehicle, the first magnetic body 20 can also rotate with the output shaft when the wheel is rotated, but is not limited thereto, the first magnetic body 20 ) Is connected to an input shaft connected to the steering wheel of the vehicle, and can rotate together with the input shaft when the steering wheel is rotated.
  • the first magnetic body 20 When the magnet 10 is connected to the input shaft, the first magnetic body 20 is connected to the output shaft, or when the magnet 10 is connected to the output shaft, the first magnetic body 20 is connected to the input shaft. At this time, the input shaft and the output shaft are connected to the torsion bar. Therefore, the magnet 10 and the first magnetic body 20 are installed on opposite sides of the torsion bar. When the rotation angles of the input shaft and the output shaft are different, the torsion bar is distorted, and thus the position change of the magnet 10 and the first magnetic body 20 occurs.
  • the non-opened area 21 of the first magnetic body 20, that is, the teeth, is a magnetic induction area that induces a line of magnetic force generated from the magnet 10 or returned to the magnet 10. 10) has half the number of poles. For example, if the magnet 10 has sixteen poles, that is, eight pole pairs, the magnetic induction region is composed of eight.
  • the connecting member 22 of the first magnetic body 20 transmits a magnetic force line generated from the magnet 10 to the non-opened area 21, that is, a tooth induced in the teeth, to a neighboring tooth, or a third part to be described later. Transfer to the magnetic body (40).
  • the connection member 22 of the first magnetic body 20 transmits a line of magnetic force transmitted from the third magnetic body 40 to the teeth 21.
  • the connecting member 22 of the first magnetic body 20 has a predetermined air gap in order to transmit a line of magnetic force to the third magnetic body 40 or to receive a line of magnetic force from the third magnetic body 40.
  • the surface of the third magnetic body 40 is spaced apart from each other.
  • the connecting member 22 has a surface substantially perpendicular to the open area 23 and the unopened area 21. That is, the connecting member 22 has an area in the radial direction of the axis, and as described later, the third magnetic body 40 faces the connecting member 22 in the longitudinal direction of the axis.
  • the second magnetic body 30 is spaced apart from the magnet 10 by a predetermined distance along the outer circumferential surface of the magnet 10 with the first magnetic body 20 interposed therebetween to face the outer circumferential surface of the magnet 10. It is a magnetic induction member arranged. As shown in FIGS. 1 and 2, the second magnetic body 30 has a segment of a circle shape and faces an outer circumferential surface of the magnet 10 with a constant air gap with the first magnetic body 20. ) And a magnetic concentrating portion 32 extending in an opposite direction to the direction toward the magnet 10 from the magnetic induction surface 31 and the magnetic induction surface 31 spaced apart from each other.
  • the magnetic induction surface 31 of the second magnetic body 30 induces a line of magnetic force generated by the magnet 10 and exits through the open region 23 of the first magnetic body 20 to again open the open region ( 23) or to the teeth 21 of the first magnetic body 20 or to transfer some magnetic force lines to the magnetic concentrator 32.
  • the magnetic induction surface 31 of the second magnetic body 30 transmits a magnetic force line transmitted from the magnetic concentrator 32 to the magnet 10 through the open region 23 or the first magnetic body. 20 to the teeth 21 to pass.
  • the magnetic concentrator 32 concentrates a magnetic force line induced by the magnetic induction surface 31 of the second magnetic body 30 and transfers the magnetic force lines to the third magnetic body 40 or is transferred from the third magnetic body 40.
  • the magnetic field lines are transferred to the magnetic induction surface 31.
  • the third magnetic body 40 is a magnetic induction member spaced apart from the first magnetic body 20 by a predetermined distance without facing the magnet 10 and disposed to face the first magnetic body 20. That is, the third magnetic body does not face the magnet 10 by being present at a position outside the vertical width of the magnet 10. As shown in FIGS. 1 and 2, the third magnetic body 40 has an arc shape and faces the connecting member 22 of the first magnetic body 20 while being spaced apart from each other at a predetermined air gap. And a magnetic concentrator 42 extending in a direction opposite to the direction toward the magnet 10 from the surface 41 and the magnetic induction surface 41.
  • the magnetic induction surface 41 of the third magnetic body 40 induces a line of magnetic force generated by the magnet 10 to exit from the first magnetic body 20 or to enter the first magnetic body 20.
  • the magnetic concentrator 42 of the third magnetic body 40 concentrates a line of magnetic force induced from the first magnetic body 20 on the magnetic induction surface 41 of the third magnetic body 40 and the second magnetic body ( 30 is transmitted to the magnetic concentrator 32 or the magnetic force line is received from the magnetic concentrator 32 of the second magnetic body 30 and transferred to the magnetic induction surface 41 of the third magnetic body 40.
  • the magnetic concentrator 42 of the third magnetic body 40 and the magnetic concentrator 32 of the second magnetic body 30 are spaced apart from each other with a predetermined air gap to face each other.
  • the magnetic induction surface 41 of the third magnetic body 40 is located below the connecting member 22 of the first magnetic body 20, that is, in the direction of the output shaft, so that the connecting member of the first magnetic body 20 is located.
  • the magnetic induction surface 41 of the third magnetic body 40 is the upper portion of the connection member 22 of the first magnetic body 20, that is, the input shaft. It may be located in the direction and the area facing the connecting member 22 of the first magnetic body 20.
  • the non-facing means not facing the longitudinal direction and the radial direction of the axis, and the magnetic induction surface 41 of the third magnetic body 40 is located outside the upper and lower widths of the magnet 10.
  • the magnetic sensing member 50 is provided in a gap formed between the magnetic concentrator 32 of the second magnetic body 30 and the magnetic concentrator 42 of the third magnetic body 40.
  • the magnetic sensing member 50 detects a change in the magnitude and direction of the magnetic force line formed between the two magnetic concentrators 32 and 42.
  • a hall sensor for example, a hall sensor, an AMR sensor or a GMR sensor can be used.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view taken along line AA ′ of FIG. 2.
  • the teeth 10 of the magnet 10 and the first magnetic body 20 face each other with a predetermined gap 110 therebetween.
  • the magnetic induction surface 31 of the second magnetic body 30 faces the magnet 10 with the first magnetic body 20 interposed therebetween.
  • the magnetic induction surface 31 of the second magnetic body 30 faces the teeth 21 of the first magnetic body 20 with a predetermined gap 120.
  • the magnetic induction surface 41 of the third magnetic body 40 faces the space between the connecting member 22 of the first magnetic body 20 with a predetermined gap 140.
  • the magnetic concentrator 32 of the second magnetic body 30 and the magnetic concentrator 42 of the third magnetic body 40 face each other with a predetermined gap 100 therebetween.
  • the pores 100, 110, 120, and 140 serve as a medium having a relatively high magnetic resistance
  • Such a relative position change causes a change in the area of the first magnetic body 20 that is not opened, that is, the teeth of the magnet 10 opposite to the N pole and the S pole, and also the first magnetic body (
  • the open area 23 of 20 produces a change in the area of the magnet 10 opposite to the N pole and the S pole. Accordingly, the magnetic force intensity and the direction of the magnetic force line are changed between the magnetic concentrators 32 and 42, and the magnetic sensing member 50 detects this.
  • the operation of the torque sensor of the present embodiment according to the twist angle will be described below.
  • FIG. 4 is a partial plan view showing the direction of the magnetic force line of the torque sensor according to an embodiment of the present invention, showing the direction of the magnetic force line when the twist angle is 0 degrees.
  • the ratio of the opposing areas between the teeth 21 of the first magnetic body 20 and the N poles and the S poles of the magnet 10 is 50 to 50. Therefore, the magnetic force lines generated at the north pole of the magnet form a closed loop (hereinafter referred to as # 1 closed loop). That is, the magnetic force lines from the N pole are guided to the teeth 21 of the first magnetic body 20 and then enter the S pole again.
  • the ratio of the area of the magnetic induction surface 31 of the second magnetic body 30 and the N pole and the S pole of the magnet 10 that face each other through the open region 23 of the first magnetic body 20 is also 50 to 50. to be.
  • the line of magnetic force generated at the N pole of the magnet 10 and exited into the open region 23 of the first magnetic body 20 forms a closed loop (hereinafter referred to as # 2 closed loop). That is, the magnetic force lines generated in the N pole and exited through the open region 23 are guided to the magnetic induction surface 31 of the second magnetic material 30 and then return to the S pole through the open region 23 again.
  • an N pole magnetic field may be induced in the magnetic concentrator 32 of the second magnetic body 30 and the magnetic concentrator 42 of the third magnetic body 40, but is induced in each of the magnetic concentrators 32 and 42. Since the induction ratio of the N-pole magnetic field is 5 to 5, the magnetic force lines do not flow to the space 100 provided with the magnetic sensing member 50. Therefore, the magnetic flux density in the magnetic sensing member 50 may be referred to as zero gasuss.
  • the magnetic force lines generated in the magnet 10 may all move through the first closed loop and the second closed loop.
  • the ratio of the lines of magnetic force flowing through the closed loop 1 and the closed loop 2 that is, the magnetic flux density is the distance between the air gap 110 between the magnet 10 and the teeth 21 of the first magnetic body 20 and the teeth ( 21 and the magnetic permeability characteristics of the first magnetic body 20 and the magnetic material (Magnetic material) of the second magnetic material 30, the distance between the gap 120 between the magnetic induction surface 31 of the second magnetic material 30 It does not have to be mentioned separately because it depends on.
  • the magnetic concentrators 32 and 42 on which the magnetic sensing members 50 described above are installed can be explained in the same way.
  • FIG. 5 is a partial plan view illustrating a direction of a magnetic force line of a torque sensor according to another exemplary embodiment of the present invention
  • FIG. 6 is an overall perspective view of FIG. 5 and illustrates a direction of the magnetic force line when the twist angle is + max.
  • the area ratio of the teeth 21 of the first magnetic body 20 to the N pole and the S pole of the magnet 10 is 0 to 100. . Therefore, a part of the magnetic force lines generated at the north pole of the magnet 10 is guided to the teeth 21 of the first magnetic body 20 adjacent to the north pole as shown in 1 and then closed to return to the south pole of the magnet 10 ( Hereinafter, No. 1 closed loop) is formed.
  • the area ratio of the magnetic induction surface 31 of the second magnetic body 30 to the N pole and the S pole of the magnet 10 is also 100 to 0 through the open region 23 of the first magnetic body 20. to be.
  • closed loop 2 A closed loop (hereinafter referred to as closed loop 2) is formed to return to the S pole of the magnet 10 through 21.
  • the N pole magnetic field is induced in the magnetic concentrator 32 of the second magnetic body 30, and the S pole magnetic field is induced in the magnetic concentrator 42 of the third magnetic body 40. Therefore, part of the magnetic force line generated at the north pole of the magnet 10 is closed loop such as e. 3 which is led to the magnetic concentrator 42 of the third magnetic body 40 via the magnetic concentrator 32 of the second magnetic body 30.
  • closed loop 3 (Hereinafter, closed loop 3) is formed.
  • the magnetic force lines formed by the third closed loop pass through the magnetic sensing member 50 provided between the magnetic concentrators 32 and 42, and thus the magnetic sensing member 50 can detect the magnetic flux density generated by the magnetic force lines. have.
  • the magnetic force lines generated from the magnet 10 may all move through the closed loops 1, 2, and 3.
  • the ratio of the lines of magnetic force flowing through the closed loops 1, 2, and 3, that is, the magnetic flux density is the distance of the air gap 110 between the magnet 10 and the teeth 21 of the first magnetic body 20 and the teeth.
  • the distance of the gap 120 between the magnetic induction surface 31 of the second magnetic body 30 and the connecting member of the magnetic induction surface 41 of the third magnetic body 40 and the first magnetic body 20 22, the distance between the gaps 140, the distance between the gaps 100 between the magnetic concentrators 32 and 42, and the distance between the first magnetic body 20, the second magnetic body 30, and the third magnetic body 40. It is not mentioned separately because it depends on the magnetic permeability characteristics of the magnetic material.
  • the magnets provided with the magnetic sensing member 50 described above are installed.
  • the magnetic properties induced between the concentrators 32 and 42 can be described in the same way.
  • the relative twist angle between the magnet 10 and the first magnetic body 20 is 0 degrees. 5 and 6, the relative twist angle between the magnet 10 and the first magnetic body 20 is + max.
  • the torsion angle of the magnet 10 and the first magnetic body 20 gradually increases from 0 degree to + maximum, the magnetic flux induced to the air gap 100 in which the magnetic sensing member 50 is installed through the closed loop 3 described above. Density also increases gradually.
  • the magnetic sensing member 50 may detect the linear change in the magnetic flux density to determine the degree of twist of the torsion bar installed between the input shaft connected to the handle and the output shaft connected to the wheel.
  • FIG. 7 is a partial plan view showing the direction of the magnetic force line of the torque sensor according to another embodiment of the present invention
  • Figure 8 is an overall perspective view of Figure 7, showing the direction of the magnetic force line when the torsion angle is -Max (Max).
  • the closed loop when the torsion angle shown in FIGS. 7 and 8 is -maximum is only the opposite of the direction of the magnetic field lines, compared to the closed loop when the torsion angle described with reference to FIGS. 5 and 6 is + max. .
  • the moving path of the magnetic force line of the closed loop 3 is N-pole of the magnet 10-> magnetic induction surface 31 of the second magnetic body 30-> second magnetic body 30
  • the movement path of the magnetic force line of the closed loop 3 is the N pole of the magnet 10-> the teeth 21 of the first magnetic body 20-> of the first magnetic body 20
  • the magnetic sensing member 50 may detect the linear change in the magnetic flux density to determine the degree of twist of the torsion bar installed between the input shaft connected to the handle and the output shaft connected to the wheel.
  • (+) and (-) when the torsion angle is + max and-max are relative. That is, when one direction of torsion is set to the (+) direction, the opposite torsion is a (-) direction.
  • FIG. 9 is a circuit diagram illustrating a magnetic equivalent circuit of the torque sensor illustrated in FIGS. 1 and 2.
  • the same reference numerals as used in FIGS. 1 and 2 correspond to the components of FIGS. 1 and 2.
  • the magnetic flux always forms a closed loop.
  • the path through which the closed loop is formed is determined by the reluctance of the surrounding medium. That is, the magnetic flux is concentrated toward the smaller magnetic resistance. Therefore, the magnetic flux is concentrated in the direction of the lower magnetic resistance such as soft magnetic material rather than a medium having a large magnetic resistance such as air or vacuum to form a closed loop.
  • Magnetic resistance is a physical quantity similar to electrical resistance with respect to magnetic force, the ability of magnetic circuit elements to store magnetic potential energy, and exists in air or vacuum as well as magnetic materials. Therefore, as shown in FIG. 9, the voids 100, 110, 120, 140 in the torque sensor of the embodiment of the present invention may be denoted as magnetoresistance in a magnetic equivalent circuit.
  • the formula for Reluctance (R) derived from Hopkins' law is as follows, which is proportional to the length of the magnetic circuit (l) and inversely proportional to the permeability ( ⁇ ) and the cross-sectional area (A).
  • ⁇ 0 is the permeability of the vacuum and ⁇ R is the specific permeability of the magnetic material.
  • the first, second, and third magnetic bodies 20, 30, and 40 using the magnetic material should also be marked as magnetoresistive components on the magnetic equivalent circuit of FIG. 9, but the relative permeability of the magnetic material is higher than that of air / vacuum. Because of their relative size, the magnetic resistance value of the magnetic material becomes very small. For example, if the relative magnetic permeability of vacuum / air is 1, the magnetic permeability of the magnetic material, iron / silicon steel / permalloy, is 5000/7000 / 10,000 to 100,0000, respectively. This is the same as the reason in which a small resistance exists in a wire in a magnetic equivalent circuit, but a solid line is used instead of a resistance component.
  • the teeth 21 and the open area 23 of the first magnetic body 20 are denoted by variable resistors. This is because when the torsional change occurs in the torque sensor, a change in the ratio of the opposing areas of the teeth 21 and the open area 23 of the first magnetic body 20 and the N pole and the S pole of the magnet 10 occurs, and thus the magnetoresistance value. This is because the change and also the change of the magnetic flux movement path.
  • the second magnetic body 30 and the third magnetic body 40 also changes the magnetic flux when the torsional change occurs in the torque sensor (that is, the magnetic flux movement to the magnetic concentrators 32 and 42), the second and third magnetic body (30, 40) is a fixed structure, simply connecting the movement path of the magnetic flux changed by the change in the relative position of the magnet 10 and the first magnetic body 20, the wire moves the current in the magnetic equivalent circuit of FIG. It is the same role that it is used in the self-equivalent circuit, so it is not labeled as a resistance component in a magnetic equivalent circuit.
  • FIG. 10 to 12 are diagrams illustrating the closed loop according to the torsion angle of the torque sensor in the magnetic equivalent circuit of FIG. 9.
  • FIG. 10 is when the torsion angle is + maximum
  • FIG. 11 is when the torsion angle is 0 degrees
  • FIG. 12 is when the torsion angle is ⁇ max. 10 to 12, when the torsion angle is 0 degrees, the first closed loop (1) and the second closed loop (2) are formed, and the third through the magnetic concentrators 32 and 42; The closed loop 3 is not formed.
  • the torsion angle is + maximum and-maximum, the third closed loop (3) is formed, the direction of the magnetic field lines are opposite to each other.
  • 13 to 15 show a magnetic equivalent circuit and a closed loop of the prior art, which are torque sensors of Korean Patent Laid-Open No. 10-2007-0043000. 13 to 15 are the same as those described in the specification of Korean Patent Laid-Open No. 10-2007-0043000. 13 is when the torsion angle is + maximum, FIG. 14 is when the torsion angle is 0 degrees, and FIG. 15 is when the torsion angle is-maximum. As shown in Figs. 13 to 15, when the torsion angle is 0 degrees, two closed loops 1 and 2 are formed but closed loops between the collecting sectors 33 and 34 (i.e., HALL SENSOR). Is not formed.
  • FIG. 16 to 18 show another conventional magnetic equivalent circuit and a closed loop, and is a torque sensor of US Pat. 16 to 18 are the same as those described in the specification of US Pat.
  • FIG. 16 shows when the torsion angle is + maximum
  • FIG. 17 shows when the torsion angle is 0 degrees
  • FIG. 18 shows when the torsion angle is -max.
  • FIG. 16 to 18 when the twist angle is 0 degrees, five closed loops (1, 2, 3, 4, 5) are formed but via the magnetic detection member (ie, HALL SENSOR) 9 No closed loop is formed.
  • Six closed loops (1, 2, 3, 4, 5, 6) are formed when the torsion angle is +, maximum and-maximum, and the direction of the magnetic field lines of the closed loop (6) is opposite to each other.
  • the torque sensor according to the embodiment of the present invention has a simple magnetic circuit configuration as compared with the torque sensor of the prior art, and the number of overall components is small. Specifically, it is as follows.
  • the torque sensor according to the embodiment of the present invention has one crown structure, whereas the torque sensor of Korean Patent Publication No. 10-2007-0043000 has two crown structures. Consists of dogs.
  • the torque sensor of U.S. Patent No. 8327722 has an area of the first magnetic body 20, 25 and the second magnetic body 30, 26 opposite to the magnets 10, 22.
  • the third magnetic body 40 which may correspond to the second magnetic bodies 30 and 26 of the torque sensor of US Pat. No. 8,838,722, does not need to directly face the magnet 10. .
  • the torque sensor according to the embodiment of the present invention the height of the magnet 10 smaller than the prior art.
  • the second and third magnetic bodies 30 and 40 have an arc shape, and the amount of magnetic material used is small.
  • the first and second magnetic bodies 25 and 26 are circular and the amount of magnetic material used increases.
  • the torque sensor according to the embodiment of the present invention has a smaller number of voids (magnetic resistance) in the entire magnetic circuit to reduce the flow of magnetic force lines and the magnetic flux density than in the prior art.
  • the number of variable resistance members is also smaller than that of the prior art. This means that the loss in the process of inducing the magnetic force generated in the magnet has a higher magnetic induction efficiency than the prior art.

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Abstract

본 발명의 일 측면에 따른, 조향 장치용 토크 센서는, N극과 S극이 번갈아 원형으로 배치되어 있고 토션바의 일단에 설치되는 자석에 대향하는 오픈 영역과 오픈되지 않은 영역이, 원형의 연결 부재의 둘레를 따라 번갈아 배치되어 있고, 상기 토션바의 타단에 연결되는 제 1 자성체; 상기 제 1 자성체를 사이에 두고 상기 자석의 외주를 따라 상기 자석에 대향하여 배치되어 있는 제 2 자성체; 상기 자석과 대향하지 않으면서 상기 제 1 자성체에 대향하여 배치되어 있는 제 3 자성체; 및 상기 제 2 자성체와 상기 제 3 자성체 사이에 배치되는 자기 감지 부재;를 포함한다.

Description

조향 장치용 토크 센서
본 발명은 조향 장치용 토크 센서에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 조향 핸들의 조작에 의해 입력축이 회전될 때, 바퀴와 연결된 출력축이 상기 입력축과 동일하게 회전될 수 있도록 하여 조향력을 향상시키는 조향 장치용 비접촉식 토크 센서에 관한 것이다.
본 발명은 2015년 08월 25일에 출원된 한국특허출원 제10-2015-0119598호에 기초한 우선권을 주장하며, 해당 출원의 명세서 및 도면에 개시된 모든 내용은 본 출원에 원용된다.
일반적으로 차량의 주행 또는 정지시에 조향 핸들을 회전시킴에 따라 노면과 접촉하고 있는 바퀴도 회전하게 된다. 즉, 조향 핸들을 좌측 방향 또는 우측 방향으로 회전시키게 되면 이와 동일한 방향으로 바퀴가 회전하게 된다. 그런데, 바퀴는 노면과 접촉된 상태이기 때문에 노면과의 사이에 발생하는 마찰력에 의해 조향 핸들과 바퀴의 회전량이 서로 상이하게 되는 문제가 발생할 수 있다.
이러한 문제에 대하여, 조향 핸들과 바퀴의 회전각 편차를 측정 및 보상하기 위한 토크 센서(Torque sensor)가 구비된다. 토크 센서는 조향 핸들과 바퀴의 회전각 편차를 측정하고, 이 측정된 편차만큼 별개의 동력수단을 이용하여 바퀴를 추가로 회전시킴으로써 차량을 진행하고자 하는 방향으로 안전하고 정확하게 조향할 수 있도록 하여 조향 편의성을 높이고 있다.
토크 센서는 크게 접촉 방식과 비접촉식 방식으로 구분되는데, 접촉 방식은 소음과 내구성의 저하문제로 인해 최근에는 비접촉식 방식의 토크 센서가 채택되고 있다. 비접촉식 방식의 토크 센서는 크게 자기저항 검출 방식, 자기변형 검출 방식, 정전용량 검출 방식 그리고 광학식 검출 방식으로 구분된다.
전기식 동력 조향장치에 구비되는 종래의 자기저항 검출 방식의 토크 센서는, 운전자가 조작하게 되는 조향 핸들이 입력축의 상단에 결합되고, 상기 입력축의 하단은 토션바(Torsion bar)에 의해 출력축의 상단과 연결된다. 그리고, 상기 출력축의 하단은 바퀴와 연결되고, 상기 토션바를 포함하는 상기 입력축의 하단과 상기 출력축의 상단은 그 외부가 하우징에 의해 보호된다. 이 하우징의 내부에는 앞서 언급한 토크 센서 및 동력 수단이 마련된다. 대표적으로, 한국공개특허 제10-2007-0043000호와 미국등록특허 제8327722호를 예로 들 수 있다. 그러나, 이러한 종래의 토크 센서는 구성 부품의 수가 많고 복잡하고, 자기력의 유도 과정에서 손실이 많다.
본 발명은, 구성 부품의 수가 적고 자기력의 유도 과정에서 자기력 손실을 최소화한 조향 장치용 비접촉식 토크 센서를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따른, 차량의 조향 장치용 토크 센서는, N극과 S극이 번갈아 원형으로 배치되어 있고 토션바의 일단에 설치되는 자석에 대향하는 오픈 영역과 오픈되지 않은 영역이, 원형의 연결 부재의 둘레를 따라 번갈아 배치되어 있고, 상기 토션바의 타단에 연결되는 제 1 자성체; 상기 제 1 자성체를 사이에 두고 상기 자석의 외주를 따라 상기 자석에 대향하여 배치되어 있는 제 2 자성체; 상기 자석과 대향하지 않으면서 상기 제 1 자성체에 대향하여 배치되어 있는 제 3 자성체; 및 상기 제 2 자성체와 상기 제 3 자성체 사이에 배치되는 자기 감지 부재;를 포함한다.
상기 제 2 자성체는, 상기 오픈 영역 및 상기 오픈되지 않은 영역을 사이에 두고 상기 자석과 면적 대향하는 자기 유도면; 및 상기 자기 유도면으로부터 바깥 방향으로 연장되어 있는 자기 집중부;를 포함할 수 있다.
상기 제 3 자성체는, 상기 제 1 자성체의 상기 연결 부재와 면적 대향하는 자기 유도면; 및 상기 제 3 자성체의 자기 유도면으로부터 바깥 방향으로 연장되어 있는 자기 집중부;를 포함할 수 있다.
상기 자기 감지 부재는, 상기 제 2 자성체의 자기 집중부와 상기 제 3 자성체의 자기 집중부 사이의 공극에 설치될 수 있다.
상기 제 1 자성체의 상기 연결 부재와 상기 제 3 자성체의 상기 자기 유도면은, 축의 길이 방향으로 면적 대향할 수 있다.
상기 제 2 자성체 및 상기 제 3 자성체는, 활꼴 형상일 수 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 측면에 따른 차량의 조향 장치용 토크 센서는, N극과 S극이 번갈아 원형으로 배치되어 자기력선을 발생시키고 흡수하며 토션바의 일단에 연결되는 자석에 대향하는 오픈 영역과 오픈되지 않은 영역을 구비하여, 상기 오픈 영역을 통해 자기력선을 통과시키고, 상기 오픈되지 않은 영역을 통해 자기력선을 유도하며, 상기 토션바의 타단에 연결되는 제 1 자성체; 상기 오픈 영역을 통과한 자기력선을 유도하고, 자기력선을 상기 오픈 영역 또는 상기 오픈되지 않은 영역으로 전달하는 제 2 자성체; 상기 제 2 자성체에서 유도되어 전달되는 자기력선을 상기 제 1 자성체로 전달하고, 상기 제 1 자성체에서 유도되어 전달되는 자기력선을 상기 제 2 자성체로 전달하는 제 3 자성체; 및 상기 제 2 자성체와 상기 제 3 자성체 사이에 배치되어 자기력선의 변화를 감지하는 자기 감지 부재;를 포함한다.
상기 토크 센서는, 상기 토션바의 비틀림이 없을 때, 상기 자석에서 발생한 자기력선이 상기 오픈되지 않은 영역으로 유도된 후 상기 자석으로 되돌아 가는 제 1 폐루프; 및 상기 자석에서 발생한 자기력선이 상기 오픈 영역을 통과하여 상기 제 2 자성체에 유도된 후 다시 상기 오픈 영역을 통과하여 상기 자석으로 되돌아 가는 제 2 폐루프;를 형성할 수 있다.
상기 토크 센서는, 상기 토션바의 비틀림이 양(+)의 값일 때, 상기 자석에서 발생한 자기력선이 상기 오픈되지 않은 영역으로 유도된 후 상기 자석으로 되돌아 가는 제 1 폐루프; 상기 자석에서 발생한 자기력선이 상기 오픈 영역을 통과하여 상기 제 2 자성체에 유도된 후 상기 오픈되지 않은 영역을 통과하여 상기 자석으로 되돌아 가는 제 2 폐루프; 및 상기 자석에서 발생한 자기력선이 상기 오픈 영역을 통과하여 순차적으로 상기 제 2 자성체, 상기 제 3 자성체 및 상기 오픈되지 않은 영역으로 유도된 후 상기 자석으로 전달되는 제 3 폐루프;를 형성할 수 있다.
상기 토크 센서는, 상기 토션바의 비틀림이 음(-)의 값일 때, 상기 자석에서 발생한 자기력선이 상기 오픈되지 않은 영역으로 유도된 후 상기 자석으로 되돌아 가는 제 1 폐루프; 상기 자석에서 발생한 자기력선이 순차적으로 상기 오픈되지 않은 영역 및 상기 제 2 자성체에 유도된 후 상기 오픈되지 않은 영역을 통과하여 상기 자석으로 되돌아 가는 제 2 폐루프; 및 상기 자석에서 발생한 자기력선이 순차적으로 상기 오픈되지 않은 영역, 상기 제 3 자성체 및 상기 제 2 자성체로 유도된 후 상기 오픈 영역을 통과하여 상기 자석으로 전달되는 제 3 폐루프;를 형성할 수 있다.
상기 제 1 자성체, 상기 제 2 자성체는 상기 자석과 면적 대향하고, 상기 제 3 자성체는, 상기 자석과 대향하지 않으면서 상기 제 1 자성체에 면적 대향할 수 있다.
상기 제 2 자성체 및 상기 제 3 자성체는, 활꼴 형상일 수 있다.
본 발명은, 종래 기술과 비교하여, 자기 회로 구성이 심플하여, 전체적인 구성 부품의 수가 적다. 이로 인해 자성 재료의 사용량이 종래 기술보다 적다.
또한, 본 발명은, 종래 기술과 비교하여, 자기력선의 흐름 및 자속 밀도를 저하시키는 공극(자기 저항)의 수가 적고, 가변 자기 저항 부재의 수량 역시 적어, 자석에서 발생하는 자기력의 유도 과정에서 손실을 적게 하고, 자기 유도 효율을 높일 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 토크 센서의 분해 사시도이다.
도 2는 도 1의 토크 센서의 결합 사시도이다.
도 3은 도 2의 A-A' 선에 따른 단면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 토크 센서의 자기력선의 방향을 나타낸 부분 평면도이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 토크 센서의 자기력선의 방향을 나타낸 부분 평면도이다.
도 6은 도 5의 전체 사시도이다.
도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 토크 센서의 자기력선의 방향을 나타낸 부분 평면도이다.
도 8은 도 7의 전체 사시도이다.
도 9는 도 1 및 도 2에 도시된 토크 센서의 자기 등가 회로를 나타낸 회로도이다.
도 10 내지 도 12는, 토크 센서의 비틀림 각도에 따른 폐루프를 도 9의 자기 등가 회로에 나타낸 도면이다.
도 13 내지 도 15는, 종래 기술의 자기 등가 회로 및 폐루프를 나타낸 도면이다.
도 16 내지 도 18은, 다른 종래 기술의 자기 등가 회로 및 폐루프를 나타낸 도면이다.
상술한 목적, 특징 및 장점은 첨부된 도면과 관련한 다음의 상세한 설명을 통하여 보다 분명해 질 것이며, 그에 따라 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에 그 상세한 설명을 생략하기로 한다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 일 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 토크 센서의 분해 사시도이고, 도 2는 도 1의 토크 센서의 결합 사시도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 실시예에 따른 토크 센서는, 자석(10), 제 1 자성체(20), 제 2 자성체(30), 제 3 자성체(40) 및 자기 감지 부재(50)를 포함한다.
상기 자석(10)은 원형으로 배치된다. 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 자석(10)은 좌우로 자극이 다른 N극과 S극이 번갈아가며 배치되고, 상하 2열이 아닌, 1열로 구성된 영구 자석이다. 상기 자석(10)에서 N극과 S극의 합은 짝수이다. 예를 들어 N극이 8개이면 S극도 8개이다. 이러한 자석(10)은, 차량의 핸들에 연결된 입력축에 연결되어, 핸들의 회전시 입력축과 함께 자석(10)도 회전을 할 수 있으나, 여기에 제한되는 것은 아니며, 자석(10)은 바퀴에 연결된 출력축에 연결되어, 바퀴의 회전시 출력축과 함께 회전을 할 수 있다.
제 1 자성체(20)는, 상기 자석(10)의 외주면을 따라 상기 자석(10)에 면적 대향하는 오픈 영역(23)과 오픈되지 않은 영역(21)을 구비하고, 오픈 영역(23)과 오픈되지 않은 영역(21)을 연결하는 링 형태의 연결 부재(22)를 포함한다. 상기 오픈 영역(23)과 오픈되지 않은 영역(21)은 상기 자석(10)을 중심으로 소정의 각도 간격으로 연결 부재(22)를 따라 자석(10)에 대향하여 배열된다. 즉 제 1 자성체(20)는 연결 부재(22)의 둘레를 따라 소정의 각도 간격으로 상기 자석(10)에 면적 대향하는 복수의 이빨이 축의 길이 방향으로 돌출되어 있는 크라운 구조이다. 이러한 제 1 자성체(20)는 차량의 바퀴에 연결된 출력축에 연결되어, 바퀴의 회전시 출력축과 함께 제 1 자성체(20)도 회전을 할 수 있으나, 여기에 제한되는 것은 아니며, 제 1 자성체(20)는, 차량의 핸들에 연결된 입력축에 연결되어, 핸들의 회전시 입력축과 함께 회전을 할 수 있다.
자석(10)이 입력축에 연결될 경우 제 1 자성체(20)는 출력축에 연결되고, 또는 자석(10)이 출력축에 연결될 경우 제 1 자성체(20)는 입력축에 연결된다. 이때, 입력축과 출력축은 토션바에 연결된다. 따라서, 자석(10)과 제 1 자성체(20)는 토션바를 기준으로 상호 반대쪽에 설치되는 것이다. 입력축과 출력축의 회전 각도가 다를 경우 상기 토션바에 비틀림이 발생하게 되고, 따라서 자석(10)과 제 1 자성체(20)의 위치 변화가 발생한다.
상기 제 1 자성체(20)의 상기 오픈되지 않은 영역(21), 즉 이빨들은 상기 자석(10)에서 발생하여 나오거나 상기 자석(10)으로 되돌아 들어가는 자기력선을 유도하는 자기 유도 영역이며, 상기 자석(10)의 극의 개수의 절반의 개수를 갖는다. 예를 들어 자석(10)이 16개의 극, 즉 8개의 자극쌍(Pole pair)을 갖는다면, 상기 자기 유도 영역은, 8개로 구성된다.
상기 제 1 자성체(20)의 연결 부재(22)는, 상기 자석(10)으로부터 발생하여 상기 오픈되지 않은 영역(21), 즉 이빨에 유도된 자기력선을 이웃한 이빨에 전달하거나, 후술하는 제 3 자성체(40)에 전달한다. 또한 상기 제 1 자성체(20)의 연결 부재(22)는, 상기 제 3 자성체(40)로부터 전달되는 자기력선을 이빨(21)로 전달한다. 상기 제 1 자성체(20)의 연결 부재(22)는, 상기 제 3 자성체(40)로 자기력선을 전달하거나 또는 상기 제 3 자성체(40)로부터 자기력선을 전달받기 위해, 일정한 공극(air gap)을 두고 상기 제 3 자성체(40)에 이격하여 면적 대향한다. 이를 위해 상기 연결 부재(22)는, 상기 오픈 영역(23) 및 상기 오픈되지 않은 영역(21)과 대략 수직한 면을 갖는다. 즉 상기 연결 부재(22)는 축의 반지름 방향으로 면적을 갖고, 후술하는 바와 같이, 제 3 자성체(40)는 축의 길이 방향으로 상기 연결 부재(22)에 대향한다.
제 2 자성체(30)는, 상기 제 1 자성체(20)를 사이에 두고 상기 자석(10)의 외주면을 따라 상기 자석(10)으로부터 일정한 거리만큼 이격되어 상기 자석(10)의 외주면을 면적 대향하도록 배치되는 자기 유도 부재이다. 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 제 2 자성체(30)는 활꼴(segment of a circle) 형상으로 상기 자석(10)의 외주면을 면적 대향하면서 제 1 자성체(20)와 일정한 공극(air gap)을 두고 이격되는 자기 유도면(31)과 그 자기 유도면(31)에서 상기 자석(10)을 향하는 방향과 반대 방향, 즉 바깥 방향으로 연장된 자기 집중부(32)를 포함한다.
상기 제 2 자성체(30)의 자기 유도면(31)은, 상기 자석(10)에서 발생하여 상기 제 1 자성체(20)의 오픈 영역(23)을 통과하여 나오는 자기력선을 유도하여 다시 상기 오픈 영역(23) 또는 상기 제 1 자성체(20)의 이빨(21)로 전달하거나 일부 자기력선을 상기 자기 집중부(32)로 전달한다. 또한 상기 제 2 자성체(30)의 자기 유도면(31)은, 상기 자기 집중부(32)로부터 전달되는 자기력선을 상기 오픈 영역(23)을 통과하여 상기 자석(10)으로 전달하거나 상기 제 1 자성체(20)의 이빨(21)로 전달한다. 상기 자기 집중부(32)는 상기 제 2 자성체(30)의 자기 유도면(31)에서 유도하여 전달되는 자기력선을 집중시켜 제 3 자성체(40)로 전달하거나, 제 3 자성체(40)로부터 전달되는 자기력선을 상기 자기 유도면(31)으로 전달한다.
제 3 자성체(40)는, 상기 자석(10)과 면적 대향하지 않으면서 상기 제 1 자성체(20)와는 일정한 거리만큼 이격되어 상기 제 1 자성체(20)에 면적 대향하도록 배치되는 자기 유도 부재이다. 즉, 제 3 자성체는, 자석(10)의 상하 폭을 벗어난 위치에 존재함으로써, 자석(10)과 면적 대향하지 않는다. 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 제 3 자성체(40)는 활꼴 형상으로 상기 제 1 자성체(20)의 연결 부재(22)에 면적 대향하면서 일정한 공극(air gap)을 두고 이격되는 자기 유도면(41)과 그 자기 유도면(41)에서 상기 자석(10)을 향하는 방향과 반대 방향, 즉 바깥 방향으로 연장된 자기 집중부(42)를 포함한다.
상기 제 3 자성체(40)의 자기 유도면(41)은, 상기 자석(10)에서 발생하여 상기 제 1 자성체(20)로부터 나오거나 상기 제 1 자성체(20)로 들어가는 자기력선을 유도한다. 상기 제 3 자성체(40)의 자기 집중부(42)는 상기 제 1 자성체(20)로부터 나와 상기 제 3 자성체(40)의 자기 유도면(41)에 유도된 자기력선을 집중시켜 상기 제 2 자성체(30)의 자기 집중부(32)로 전달하거나, 상기 제 2 자성체(30)의 자기 집중부(32)로부터 자기력선을 전달받아 상기 제 3 자성체(40)의 자기 유도면(41)으로 전달한다. 상기 제 3 자성체(40)의 자기 집중부(42)와 상기 제 2 자성체(30)의 자기 집중부(32)는 일정한 공극(air gap)을 두고 이격되어 서로 면적 대향한다.
본 실시예에서는, 제 3 자성체(40)의 자기 유도면(41)이, 제 1 자성체(20)의 연결 부재(22)의 하부, 즉 출력축 방향에 위치하여 제 1 자성체(20)의 연결 부재(22)와 면적 대향하는 것으로 설명하나, 여기에 제한되는 것은 아니며, 제 3 자성체(40)의 자기 유도면(41)은, 제 1 자성체(20)의 연결 부재(22)의 상부, 즉 입력축 방향에 위치하여 제 1 자성체(20)의 연결 부재(22)와 면적 대향할 수 있다. 이때 제 3 자성체(40)의 자기 유도면(41)이 제 1 자성체(20)의 연결 부재(22)의 상부에 있더라도, 자석(10)과 대향하지 않으면 된다. 여기서 대향하지 않는다는 것은, 축의 길이 방향 그리고 반경 방향으로 마주보지 않는다는 것을 의미하는 것으로, 제 3 자성체(40)의 자기 유도면(41)은 자석(10)의 상하 폭을 벗어나 위치하는 것을 의미한다.
자기 감지 부재(50)는 상기 제 2 자성체(30)의 자기 집중부(32)와 상기 제 3 자성체(40)의 자기 집중부(42)의 사이에 형성된 공극에 설치된다. 자기 감지 부재(50)는, 두 자기 집중부(32, 42) 사이에 형성되는 자기력선의 크기 및 방향의 변화를 감지한다. 자기 감지 부재(50)로 예를 들어, 홀 센서, AMR 센서 또는 GMR 센서 등을 이용할 수 있다.
도 3은 도 2의 A-A' 선에 따른 단면도이다. 도 3을 참조하면, 자석(10)과 제 1 자성체(20)의 이빨(21)은 일정한 공극(110)을 두고 면적 대향한다. 그리고 제 2 자성체(30)의 자기 유도면(31)은 상기 제 1 자성체(20)를 사이에 두고 상기 자석(10)과 면적 대향한다. 이때 제 2 자성체(30)의 자기 유도면(31)은 제 1 자성체(20)의 이빨(21)과 일정한 공극(120)을 두고 면적 대향한다. 그리고 제 3 자성체(40)의 자기 유도면(41)은, 상기 제 1 자성체(20)의 연결 부재(22)와 일정한 공극(140)을 두고 면적 대향한다. 제 2 자성체(30)의 자기 집중부(32)와 제 3 자성체(40)의 자기 집중부(42)는, 일정한 공극(100)을 두고 면적 대향한다. 이러한 공극들(100, 110, 120, 140)은, 자기 저항(Reluctance)이 상대적으로 큰 매질로서 역할을 하고, 제 1 자성체(20), 제 2 자성체(30) 및 제 3 자성체(40)는 연자성 재료로 만들어진 것으로서 상대적으로 작은 자기 저항을 갖는 매질로서 역할을 한다.
운전자가 조향 핸들을 조작할 때 상기 입력축에 회전력이 전달되고, 이 입력축의 회전에 의해 토션바가 회전하게 된다. 그리고, 이 토션바는 출력축과도 연결되어 있기 때문에, 출력축으로 회전력을 전달하게 되어 바퀴가 조향 핸들이 조작하는 방향으로 방향이 전환된다. 이때, 차량의 바퀴가 조향 핸들의 회전각만큼 회전하지 않을 경우, 토션바에 비틀림이 발생하고, 따라서 입력축에 연결된 자석(10)과 출력축에 연결된 제 1 자성체(20) 간의 상대적 위치 변화가 발생한다. 이와 같은 상대적인 위치 변화는, 제 1 자성체(20)의 오픈되지 않은 영역(21), 즉 이빨이 자석(10)의 N극 및 S극에 대향하는 면적의 변화를 발생시키고, 또한 제 1 자성체(20)의 오픈 영역(23)이 자석(10)의 N극 및 S극에 대향하는 면적의 변화를 발생시킨다. 이에 따라 자기 집중부(32, 42) 사이에 자력 세기와 자기력선의 방향이 변화되고, 이를 자기 감지 부재(50)가 감지한다. 구체적으로, 이하에서 비틀림 각도에 따른 본 실시예의 토크 센서의 동작을 설명한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 토크 센서의 자기력선의 방향을 나타낸 부분 평면도로서, 비틀림 각도가 0도일 때의 자기력선의 방향을 나타낸다.
도 4를 참조하면, 비틀림 각도가 0도일 경우, 제 1 자성체(20)의 이빨(21)과, 자석(10)의 N극 및 S극의 대향 면적 비율은 50 대 50이다. 그러므로 자석의 N극에서 발생하는 자기력선은 ①과 같이 폐루프(이하, 1번 폐루프)를 형성한다. 즉, N극에서 나온 자기력선은 제 1 자성체(20)의 이빨(21)로 유도된 후 다시 S극으로 들어간다. 그리고 제 1 자성체(20)의 오픈 영역(23)을 통해, 제 2 자성체(30)의 자기 유도면(31)과 자석(10)의 N극 및 S극이 대향하는 면적 비율은 역시 50 대 50이다. 그러므로 자석(10)의 N극에서 발생하여 제 1 자성체(20)의 오픈 영역(23)으로 나온 자기력선은 ②와 같이 폐루프(이하, 2번 폐루프)를 형성한다. 즉 N극에서 발생하여 오픈 영역(23)을 통과하여 나온 자기력선은 제 2 자성체(30)의 자기 유도면(31)으로 유도된 후 다시 오픈 영역(23)을 통해 S극으로 되돌아간다. 이 경우 제 2 자성체(30)의 자기 집중부(32)와 제 3 자성체(40)의 자기 집중부(42)에 N극 자장이 유도될 수 있으나, 각 자기 집중부(32, 42)에 유도된 N극 자장의 유도 비율이 5 대 5로 동일하기 때문에, 자기 감지 부재(50)가 설치된 공극(100)으로 자기력선이 흐르지는 않는다. 그러므로 자기 감지 부재(50)에서의 자속 밀도(Magnetic Flux Density)는 0 Gasuss라 할 수 있다.
자석(10)에서 발생하는 자기력선은 모두 1번 폐루프와 2번 폐루프를 통해 이동한다 할 수 있다. 이때 1번 폐루프와 2번 폐루프에 흐르는 자기력선의 비율, 즉 자속 밀도는, 자석(10)과 제 1 자성체(20)의 이빨(21) 사이의 공극(110)의 거리와, 그 이빨(21)과 제 2 자성체(30)의 자기 유도면(31) 사이의 공극(120)의 거리, 그리고 제 1 자성체(20) 및 제 2 자성체(30)의 자성 물성(Magnetic Material)이 갖는 투자율 특성에 따라 달라지기 때문에 별도로 언급하지는 않는다. 그러나 공극(110, 120)의 거리나, 제 1, 2 자성체(20, 30)의 재질의 투자율 특성이 달라진다고 해도, 앞서 설명한 자기 감지 부재(50)가 설치되는 자기 집중부(32, 42) 사이에 유도되는 자기 특성은 동일하게 설명할 수 있다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 토크 센서의 자기력선의 방향을 나타낸 부분 평면도이고, 도 6은 도 5의 전체 사시도로서, 비틀림 각도가 + 최대(Max)일 때의 자기력선의 방향을 나타낸다.
도 5 및 도 6을 참조하면, 비틀림 각도가 + 최대일 경우, 제 1 자성체(20)의 이빨(21)이, 자석(10)의 N극 및 S극과 대향하는 면적 비율은 0 대 100이다. 그러므로 자석(10)의 N극에서 발생하는 자기력선 중 일부는 ①과 같이 N극에 인접한 제 1 자성체(20)의 이빨(21)로 유도된 후 자석(10)의 S극으로 되돌아 들어가는 폐루프(이하, 1번 폐루프)를 형성한다. 그리고 제 1 자성체(20)의 오픈 영역(23)을 통해, 제 2 자성체(30)의 자기 유도면(31)이 자석(10)의 N극 및 S극과 대향하는 면적 비율은 역시 100 대 0이다. 그러므로 자석(10)의 N극에서 발생하여 상기 오픈 영역(23)을 통과한 자기력선은 ②와 같이 제 2 자성체(30)의 자기 유도면(31)으로 유도된 후 제 1 자성체(20)의 이빨(21)을 통해 자석(10)의 S극으로 되돌아 들어가는 폐루프(이하, 2번 폐루프)를 형성한다. 이 경우 제 2 자성체(30)의 자기 집중부(32)에는 N극 자장이 유도되고 제 3 자성체(40)의 자기 집중부(42)에는 S극 자장이 유도된다. 따라서 자석(10)의 N극에서 발생한 자기력선의 일부가 제 2 자성체(30)의 자기 집중부(32)를 거쳐 제 3 자성체(40)의 자기 집중부(42)로 유도되는 ③과 같은 폐루프(이하, 3번 폐루프)가 형성된다. 이러한 3번 폐루프에 의해 형성되는 자기력선은 자기 집중부(32, 42) 사이에 설치된 자기 감지 부재(50)를 지나가고, 따라서 자기 감지 부재(50)는 자기력선에 의해 생성되는 자속 밀도를 검출할 수 있다.
자석(10)에서 발생하는 자기력선은 모두 1번, 2번, 3번 폐루프를 통해 이동한다 할 수 있다. 이때 1번, 2번, 3번 폐루프에 흐르는 자기력선의 비율, 즉 자속 밀도는, 자석(10)과 제 1 자성체(20)의 이빨(21) 사이의 공극(110)의 거리와, 그 이빨(21)과 제 2 자성체(30)의 자기 유도면(31) 사이의 공극(120)의 거리, 제 3 자성체(40)의 자기 유도면(41)과 제 1 자성체(20)의 연결 부재(22) 사이의 공극(140)의 거리, 자기 집중부(32, 42) 사이의 공극(100)의 거리, 그리고 제 1 자성체(20), 제 2 자성체(30) 및 제 3 자성체(40)의 자성 물성(Magnetic Material)이 갖는 투자율 특성에 따라 달라지기 때문에 별도로 언급하지는 않는다. 그러나 공극(110, 120, 100, 140)의 거리나, 제 1, 2, 3 자성체(20, 30, 40)의 재질의 투자율 특성이 달라진다고 해도, 앞서 설명한 자기 감지 부재(50)가 설치되는 자기 집중부(32, 42) 사이에 유도되는 자기 특성은 동일하게 설명할 수 있다. 즉, 공극(110, 120, 100, 140)의 거리나, 제 1, 2, 3 자성체(20, 30, 40)의 재질의 투자율 특성이 달라질 경우, 자기장 세기 및 변화량의 상대적 변화만 있을 뿐, 형성되는 폐루프, 자기력선의 경로, 그리고 비틀림 각도가 양(+)의 값일 때 자기 집중부(32, 42) 사이에 형성되는 자속 밀도는 비틀림 각도가 + 최대일 때 최대인 것은 동일하다.
도 4를 참조하여 설명한 실시예는, 자석(10)과 제 1 자성체(20)의 상대적인 비틀림 각도가 0도일 때이다. 그리고 도 5 및 도 6을 참조하여 설명한 실시예는, 자석(10)과 제 1 자성체(20)의 상대적인 비틀림 각도가 + 최대일 때이다. 자석(10)과 제 1 자성체(20)의 비틀림 각도가 0도에서 + 최대까지 점차 증가할 경우, 앞서 설명한 3번 폐루프를 통해 자기 감지 부재(50)가 설치된 공극(100)으로 유도되는 자속 밀도 역시 점차 증가한다. 자기 감지 부재(50)는 이와 같은 자속 밀도의 선형적 변화를 감지하여 핸들에 연결된 입력축과 바퀴에 연결된 출력축 간에 설치된 토션바의 비틀림 정도를 파악할 수 있다.
도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 토크 센서의 자기력선의 방향을 나타낸 부분 평면도이고, 도 8은 도 7의 전체 사시도로서, 비틀림 각도가 - 최대(Max)일 때의 자기력선의 방향을 나타낸다. 도 7 및 도 8에 도시된 비틀림 각도가 - 최대일 때의 폐루프는, 도 5 및 도 6을 참조하여 설명한 비틀림 각도가 + 최대일 때의 폐루프와 비교하여, 자기력선의 방향이 반대일 뿐이다. 즉, 비틀림 각도가 + 최대일 때, 3번 폐루프의 자기력선의 이동 경로는, 자석(10)의 N극 -> 제 2 자성체(30)의 자기 유도면(31) -> 제 2 자성체(30)의 자기 집중부(32) -> 제 3 자성체(40)의 자기 집중부(42) -> 제 3 자성체(40)의 자기 유도면(41) -> 제 1 자성체(20)의 연결 부재(22) -> 제 1 자성체(20)의 이빨(21) -> 자석(10)의 S극이다. 반면, 비틀림 각도가 - 최대일 때, 3번 폐루프의 자기력선의 이동 경로는, 자석(10)의 N극 -> 제 1 자성체(20)의 이빨(21) -> 제 1 자성체(20)의 연결 부재(22) -> 제 3 자성체(40)의 자기 유도면(41) -> 제 3 자성체(40)의 자기 집중부(42) -> 제 2 자성체(30)의 자기 집중부(32) -> 제 2 자성체(30)의 자기 유도면(31) -> 자석(10)의 S극이다. 자석(10)과 제 1 자성체(20)의 비틀림 각도가 0도에서 - 최대까지 점차 증가할 경우, 3번 폐루프를 통해 자기 감지 부재(50)가 설치된 공극(100)으로 유도되는 자속 밀도 역시 점차 증가한다. 자기 감지 부재(50)는 이와 같은 자속 밀도의 선형적 변화를 감지하여 핸들에 연결된 입력축과 바퀴에 연결된 출력축 간에 설치된 토션바의 비틀림 정도를 파악할 수 있다.
이상의 설명에서 비틀림 각도가 + 최대일 때 그리고 - 최대일 때의 (+)와 (-)는 상대적인 것으로 이해되어야 한다. 즉 비틀림의 어느 한 방향을 (+) 방향으로 정한 경우, 그 반대의 비틀림은, (-) 방향인 것이다.
이상의 비틀림 각도에 따른, 제 1 자성체(20)의 이빨(21)과 제 2 자성체(30)의 자기 유도면(31)이, 자석(10)의 N극 및 S극과 대향하는 면적의 변화, 그리고 자기 집중부(32, 42)들에 유도되는 극성의 변화 그리고 자기 감지 부재(50)에 유도되는 자속 밀도의 변화를 정리하면, 다음 [표 1]과 같다.
Figure PCTKR2015011216-appb-T000001
도 9는 도 1 및 도 2에 도시된 토크 센서의 자기 등가 회로를 나타낸 회로도이다. 도 9의 자기 등가 회로에서 도 1 및 도 2와 동일한 참조부호는 도 1 및 도 2의 구성 부품에 대응한다.
맥스웰 방정식에 따르면, 자속(Magnetic Flux)는 항상 폐루프(Closed loop)를 형성한다. 그러나, 폐루프가 형성되는 길(Path)은 주변 매질의 자기 저항(reluctance)에 의하여 결정된다. 즉 자속은 자기 저항이 작은 쪽으로 집중된다. 따라서 자속은 공기나 진공과 같은 자기 저항이 큰 매질보다는 연자성 재료(Soft magnetic material)와 같이 자기 저항이 작은 쪽으로 집중되어 폐루프를 형성한다. 자기 저항은 자기력에 대하여 전기 저항과 유사한 물리량이며, 자기 회로 원소가 자기 위치 에너지를 저장하는 능력이며, 자성 재료뿐만 아니라, 공기나 진공에서도 존재한다. 그러므로 도 9에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예의 토크 센서에서의 공극(100, 110, 120, 140)은 자기 등가 회로에서 자기 저항으로 표기될 수 있다. 홉킨스 법칙에서 유도된 자기 저항(Reluctance)(R)에 대한 공식은 아래와 같으며, 자기 회로의 길이(l)에 비례하고 투자율(μ)과 단면적(A)에 반비례한다.
Figure PCTKR2015011216-appb-I000001
, 여기서 μ0는 진공의 투자율이고, μR은 자성 재질의 비투자율이다.
앞에서 설명한 이론에 의하면 자성 재료를 사용하는 제 1, 2, 3 자성체(20, 30, 40) 역시 도 9의 자기 등가 회로 상에서 자기 저항 성분으로 표기해야 하지만 자성 재료의 비투자율이 공기/진공에 비해 상대적으로 크기 때문에 자성 재료의 자기 저항 값은 매우 작아진다. 예를 들어, 진공/공기의 비투자율 1이라면, 자성재료인, 철/규소강/퍼멀로이의 비투자율은 각각 5000/7000/10,000~100,0000이다. 이는 자기 등가 회로에서 도선(Wire)에 미세한 저항이 존재하지만 저항 성분으로 표기하지 않고 실선으로 표기하는 이치와 같다.
다만, 제 1 자성체(20)의 이빨(21)과 오픈 영역(23)은, 가변 저항으로 표기한다. 이는 토크 센서에서 비틀림 변화가 발생할 때, 제 1 자성체(20)의 이빨(21) 및 오픈 영역(23)과, 자석(10)의 N극 및 S극의 대향 면적 비율 변화가 발생하므로 자기 저항 값이 변하고 또한 이 같은 변화에 의하여 자속의 이동 경로가 변하기 때문이다. 한편, 제 2 자성체(30) 및 제 3 자성체(40) 역시 토크 센서에서 비틀림 변화의 발생시 자속의 변화가 발생하나(즉, 자기 집중부(32, 42)로의 자속 이동), 제 2, 3 자성체(30, 40)는 고정형 구조물로서, 자석(10)과 제 1 자성체(20)의 상대적 위치 변화에 의해 변경되는 자속의 이동 경로를 단순히 연결해 주는 것으로서 도 9의 자기 등가 회로에서 전선이 전류를 이동시켜 주는 것과 같은 역할이므로 자기 등가 회로에서 저항 성분으로 표기하지 않는다.
결국 자속은 자기 저항(Reluctance)(R)의 변화에 따라서 이동 경로 및 세기가 변화하는 것을 알 수 있으며, 자기 저항은 자기 회로의 길이(l)에 비례하고 투자율(μ)와 단면적(A)에 반비례하는 관계가 있음을 확인할 수 있다.
도 10 내지 도 12는, 토크 센서의 비틀림 각도에 따른 폐루프를 도 9의 자기 등가 회로에 나타낸 도면이다. 도 10은, 비틀림 각도가 + 최대일 때이고, 도 11은 비틀림 각도가 0도일 때이며, 도 12는 비틀림 각도가 - 최대일 때이다. 도 10 내지 도 12에 도시된 바와 같이, 비틀림 각도가 0도일 때, 1번 폐루프(①)와 2번 폐루프(②)가 형성되고, 자기 집중부(32, 42)를 경유하는 3번 폐루프(③)는 형성되지 않는다. 그리고 비틀림 각도가 + 최대일 때와 - 최대일 때 3번 폐루프(③)가 형성되는데 자기력선의 방향이 서로 반대이다.
도 13 내지 도 15는, 종래 기술의 자기 등가 회로 및 폐루프를 나타낸 도면으로, 한국공개특허 제10-2007-0043000호의 토크 센서이다. 도 13 내지 도 15의 참조부호는, 한국공개특허 제10-2007-0043000호의 명세서에 기재된 참조부호와 동일하다. 도 13은, 비틀림 각도가 + 최대일 때이고, 도 14는 비틀림 각도가 0도일 때이며, 도 15는 비틀림 각도가 - 최대일 때이다. 도 13 내지 도 15에 도시된 바와 같이, 비틀림 각도가 0도일 때, 2개의 폐루프(①, ②)가 형성되지만 콜렉팅 섹터(33, 34) 사이(즉, HALL SENSOR)를 경유하는 폐루프는 형성되지 않는다. 그리고 비틀림 각도가 + 최대일 때와 - 최대일 때 3개의 폐루프(①, ②, ③)가 형성되는데 이때 3번 폐루프(③)의 자기력선의 방향은 서로 반대이다. 도 10 내지 도 12의 본 발명의 실시예와 도 13 내지 도 15의 한국공개특허 제10-2007-0043000호의 자기 등가 회로를 비교하면, 본 발명의 실시예에서는 가변 저항이 하나인 반면, 한국공개특허 제10-2007-0043000호에서는 가변 저항이 두 개이다.
도 16 내지 도 18은, 다른 종래 기술의 자기 등가 회로 및 폐루프를 나타낸 도면으로, 미국등록특허 제8327722호의 토크 센서이다. 도 16 내지 도 18의 참조부호는 미국등록특허 제8327722호의 명세서에 기재된 참조부호와 동일하다. 도 16은, 비틀림 각도가 + 최대일 때이고, 도 17은 비틀림 각도가 0도일 때이며, 도 18는 비틀림 각도가 - 최대일 때이다. 도 16 내지 도 18에 도시된 바와 같이, 비틀림 각도가 0도일 때, 5개의 폐루프(①, ②, ③, ④, ⑤)가 형성되지만 자기 검출 부재(즉, HALL SENSOR)(9)를 경유하는 폐루프는 형성되지 않는다. 그리고 비틀림 각도가 + , 최대일 때와 - 최대일 때 6개의 폐루프(①, ②, ③, ④, ⑤, ⑥)가 형성되는데 이때 6번 폐루프(⑥)의 자기력선의 방향은 서로 반대이다. 도 10 내지 도 12의 본 발명의 실시예와 도 16 내지 도 18의 미국등록특허 제8327722호의 자기 등가 회로를 비교하면, 본 발명의 실시예에서는 가변 저항이 하나이고 폐루프가 최대 3개인 반면, 미국등록특허 제8327722호에서는 가변 저항이 두 개이면서 폐루프는 6개이다.
이와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 토크 센서는 종래 기술의 토크 센서와 비교하여, 자기 회로 구성이 심플하여, 전체적인 구성 부품의 수가 적다. 구체적으로 살펴보면 다음과 같다.
한국공개특허 제10-2007-0043000호의 토크 센서와 비교하여 본 발명의 실시예에 따른 토크 센서는, 크라운 구조가 하나인 반면, 한국공개특허 제10-2007-0043000호의 토크 센서는 크라운 구조가 두 개로 구성된다.
미국등록특허 제8327722호의 토크 센서는, 제 1 자성체(20)(25)와 제 2 자성체(30)(26)가, 자석(10)(22)과 서로 면적 대향을 해야 하는 반면, 본 발명의 실시예에 따른 토크 센서는, 미국등록특허 제8327722호의 토크 센서의 제 2 자성체(30)(26)에 대응할 수 있는 제 3 자성체(40)가 자석(10)과 직접적으로 면적 대향을 하지 않아도 된다. 이로 인해 본 발명의 실시예에 따른 토크 센서는 자석(10)의 높이가 종래 기술보다 작아진다. 아울러, 본 발명의 실시예의 토크 센서는 제 2, 3 자성체(30, 40)가 활꼴 형상으로서 자성 재료의 사용량이 적다. 반면, 미국등록특허 제8327722호의 토크 센서는, 제 1, 2 자성체(25, 26)가 원형으로서 자성 재료의 사용량이 많아진다.
아울러, 본 발명의 실시예에 따른 토크 센서는, 전체 자기 회로 중에서 자기력선의 흐름 및 자속 밀도를 저하시키는 공극(자기 저항)의 수가 종래 기술보다 적다. 또한 가변 저항 부재의 수량 역시 종래 기술보다 적다. 이는 자석에서 발생하는 자기력의 유도 과정에서 손실이 적다는 것을 의미하여 종래 기술들보다 자기 유도 효율이 높다고 할 수 있다.
본 명세서는 많은 특징을 포함하는 반면, 그러한 특징은 본 발명의 범위 또는 특허청구범위를 제한하는 것으로 해석되어서는 안 된다. 또한, 본 명세서에서 개별적인 실시예에서 설명된 특징들은 단일 실시예에서 결합되어 구현될 수 있다. 반대로, 본 명세서에서 단일 실시예에서 설명된 다양한 특징들은 개별적으로 다양한 실시예에서 구현되거나, 적절히 결합되어 구현될 수 있다.
이상에서 설명한 본 발명은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하므로 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니다.

Claims (13)

  1. 조향 장치용 토크 센서에 있어서,
    N극과 S극이 번갈아 원형으로 배치되어 있고 토션바의 일단에 설치되는 자석에 대향하는 오픈 영역과 오픈되지 않은 영역이, 원형의 연결 부재의 둘레를 따라 번갈아 배치되어 있고, 상기 토션바의 타단에 연결되는 제 1 자성체;
    상기 제 1 자성체를 사이에 두고 상기 자석의 외주를 따라 상기 자석에 대향하여 배치되어 있는 제 2 자성체;
    상기 자석과 대향하지 않으면서 상기 제 1 자성체에 대향하여 배치되어 있는 제 3 자성체; 및
    상기 제 2 자성체와 상기 제 3 자성체 사이에 배치되는 자기 감지 부재;를 포함하는 토크 센서.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 자성체는,
    상기 오픈 영역 및 상기 오픈되지 않은 영역을 사이에 두고 상기 자석과 면적 대향하는 자기 유도면; 및
    상기 자기 유도면으로부터 바깥 방향으로 연장되어 있는 자기 집중부;를 포함하는 토크 센서.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 제 3 자성체는,
    상기 제 1 자성체의 상기 연결 부재와 면적 대향하는 자기 유도면; 및
    상기 제 3 자성체의 자기 유도면으로부터 바깥 방향으로 연장되어 있는 자기 집중부;를 포함하는 토크 센서.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 자기 감지 부재는,
    상기 제 2 자성체의 자기 집중부와 상기 제 3 자성체의 자기 집중부 사이의 공극에 설치되는 것을 특징으로 하는 토크 센서.
  5. 제 3 항에 있어서,
    상기 제 1 자성체의 상기 연결 부재와 상기 제 3 자성체의 상기 자기 유도면은,
    축의 길이 방향으로 면적 대향하는 것을 특징으로 하는 토크 센서.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 2 자성체 및 상기 제 3 자성체는, 활꼴 형상인 것을 특징으로 하는 토크 센서.
  7. 조향 장치용 토크 센서에 있어서,
    N극과 S극이 번갈아 원형으로 배치되어 자기력선을 발생시키고 흡수하며 토션바의 일단에 연결되는 자석에 대향하는 오픈 영역과 오픈되지 않은 영역을 구비하여, 상기 오픈 영역을 통해 자기력선을 통과시키고, 상기 오픈되지 않은 영역을 통해 자기력선을 유도하며, 상기 토션바의 타단에 연결되는 제 1 자성체;
    상기 오픈 영역을 통과한 자기력선을 유도하고, 자기력선을 상기 오픈 영역 또는 상기 오픈되지 않은 영역으로 전달하는 제 2 자성체;
    상기 제 2 자성체에서 유도되어 전달되는 자기력선을 상기 제 1 자성체로 전달하고, 상기 제 1 자성체에서 유도되어 전달되는 자기력선을 상기 제 2 자성체로 전달하는 제 3 자성체; 및
    상기 제 2 자성체와 상기 제 3 자성체 사이에 배치되어 자기력선의 변화를 감지하는 자기 감지 부재;를 포함하는 토크 센서.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 토션바의 비틀림이 없을 때,
    상기 자석에서 발생한 자기력선이 상기 오픈되지 않은 영역으로 유도된 후 상기 자석으로 되돌아 가는 제 1 폐루프; 및
    상기 자석에서 발생한 자기력선이 상기 오픈 영역을 통과하여 상기 제 2 자성체에 유도된 후 다시 상기 오픈 영역을 통과하여 상기 자석으로 되돌아 가는 제 2 폐루프;를 형성하는 것을 특징으로 하는 토크 센서.
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 토션바의 비틀림이 양(+)의 값일 때,
    상기 자석에서 발생한 자기력선이 상기 오픈되지 않은 영역으로 유도된 후 상기 자석으로 되돌아 가는 제 1 폐루프;
    상기 자석에서 발생한 자기력선이 상기 오픈 영역을 통과하여 상기 제 2 자성체에 유도된 후 상기 오픈되지 않은 영역을 통과하여 상기 자석으로 되돌아 가는 제 2 폐루프; 및
    상기 자석에서 발생한 자기력선이 상기 오픈 영역을 통과하여 순차적으로 상기 제 2 자성체, 상기 제 3 자성체 및 상기 오픈되지 않은 영역으로 유도된 후 상기 자석으로 전달되는 제 3 폐루프;를 형성하는 것을 특징으로 하는 토크 센서.
  10. 제 7 항에 있어서,
    상기 토션바의 비틀림이 음(-)의 값일 때,
    상기 자석에서 발생한 자기력선이 상기 오픈되지 않은 영역으로 유도된 후 상기 자석으로 되돌아 가는 제 1 폐루프;
    상기 자석에서 발생한 자기력선이 순차적으로 상기 오픈되지 않은 영역 및 상기 제 2 자성체에 유도된 후 상기 오픈되지 않은 영역을 통과하여 상기 자석으로 되돌아 가는 제 2 폐루프; 및
    상기 자석에서 발생한 자기력선이 순차적으로 상기 오픈되지 않은 영역, 상기 제 3 자성체 및 상기 제 2 자성체로 유도된 후 상기 오픈 영역을 통과하여 상기 자석으로 전달되는 제 3 폐루프;를 형성하는 것을 특징으로 하는 토크 센서.
  11. 제 7 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 1 자성체, 상기 제 2 자성체는 상기 자석과 면적 대향하고,
    상기 제 3 자성체는, 상기 자석과 대향하지 않으면서 상기 제 1 자성체에 면적 대향하는 것을 특징으로 하는 토크 센서.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 제 2 자성체 및 상기 제 3 자성체는, 활꼴 형상인 것을 특징으로 하는 토크 센서.
  13. 제 1 항 내지 제 5 항, 제 7 항 내지 제 10 중 어느 한 항의 토크 센서를 포함하는 조향 장치.
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