KR100987896B1 - 조향장치용 비접촉식 토크센서 - Google Patents

조향장치용 비접촉식 토크센서 Download PDF

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Abstract

본 발명은 차량의 핸들에 연결된 입력축과 차량의 바퀴에 연결된 출력축 사이에 설치되어 상기 핸들의 회전 조작에 의해 발생된 비틀림을 검출하는 조향장치용 비접촉식 토크센서에 관한 것으로, 상기 입력축에 결합되고, 중심에서 동일한 반경을 갖도록 외주면을 따라 복수개의 N극자석과 S극자석이 서로 엇갈리게 배치되는 자력발생부와, 원통의 형상을 가지며 상기 출력축에 연결되고 복수개의 상기 N극자석과 상기 S극자석 영역 내에 각각 위치되도록 복수개의 홀이 형성된 자기차폐부와, 상기 자기차폐부의 외주면과 이격되도록 구비되며 복수개의 상기 홀을 통과하는 자력을 검출하는 자기검출부, 및 상기 자기검출부의 외주면에 위치되어 상기 자력발생부와 상기 자기차폐부의 상대적인 비틀림 변화를 감지하는 자기검출 센서부를 포함한다.
본 발명에 의하면, 출력축이 입력축에 대하여 비틀림이 발생되면 N극자석과 S극자석의 자력이 자기차폐부에 설치된 복수개의 홀을 통해 자기검출부로 자기유도되며, 이때 자기검출부의 주위에서 변화되는 자력을 자기검출 센서부에서 감지하여 입력축과 출력축의 비틀림 각을 감지할 수 있다.
조향장치, 토크센서, 비접촉식

Description

조향장치용 비접촉식 토크센서{NON-CONTACTING TYPE TORQUE SENSOR FOR STEERING SYSTEM}
본 발명은 조향장치용 비접촉식 토크센서에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 조향핸들의 조작에 의해 입력축이 회전될 때, 바퀴와 연결된 출력축이 상기 입력축과 동일하게 회전될 수 있도록 하여 조향력을 향상시키기 위한 조향장치용 비접촉식 토크센서에 관한 것이다.
일반적으로 차량의 주행 또는 정지시에 조향핸들을 회전시킴에 따라 노면과 접촉하고 있는 바퀴도 회전하게 된다. 즉, 상기 조향핸들을 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 조향핸들과 상기 바퀴의 회전비는 서로 상이하게 되어 운전자는 상기 조향핸들을 조작함에 있어 큰 힘을 필요로 하게 된다.
따라서, 상기 조향핸들과 상기 바퀴의 회전각 편차를 측정하고, 이를 보상하기 위해 토크센서(Torque sensor)가 구비된다. 즉, 상기 토크센서는 상기 조향핸들과 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 조향핸들이 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 외부에 하우징으로 보호된다. 또한, 상기 하우징의 내부에는 앞서 언급한 토크센서 및 동력수단이 설치된다.
여기서, 상기 입력축에는 일정한 간격마다 교차되는 극성을 갖는 영구자석이 구비된다.
그리고, 상기 입력축에 구비된 영구자석에 의해 자기 유도 발생이 가능한 강자성체의 물질로 영구자석의 극수에 상응하는 치차 구조물의 검출링이 출력축에 설치된다. 그리고, 상기 검출링에는 자기를 검출하는 센서가 연결되는 구조로 이루어진다.
따라서, 운전자가 조향핸들을 조작할 때 상기 입력축에 회전력이 전달되고, 이 입력축의 회전에 의해 토션바가 회전하게 된다. 그리고, 이 토션바는 출력축과 도 연결되어 있기 때문에, 출력축으로 회전력을 전달하게 되어 바퀴가 조향핸들이 조작하는 방향으로 방향이 전환된다.
이때, 입력축에 설치된 영구자석과 출력축에 설치된 치차 구조물의 검출링 사이에서 상대적인 비틀림에 의해 서로 대응하는 면적이 변화가 발생된다. 따라서, 상기 검출링에는 자력의 변화가 발생되고, 이 자력의 변화를 상기 센서가 검출하게 되어 출력축이 입력축에 대하여 비틀림이 발생된 각을 감지하게 된다.
그러나, 상기한 바와 같이 이루어진 종래의 토크센서는 상기 센서의 주변으로 검출링이 계속적인 회전 운동을 실시하는 구조로 영구자석으로부터 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 영구자석에서 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 입력축과 출력축의 정확한 비틀림을 검출할 수가 없게 되는 문제가 있다.
상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은, 자기의 2차 유도과정을 거치지 않고 한 번의 자기 유도만으로도 출력축의 비틀림 각을 감지할 수 있는 조향장치용 비접촉식 토크센서를 제공하는 데 있다.
그리고, 핸들의 조작에 의해 회전되는 입력축의 회전변화에 따라, 바퀴에 연결된 출력축의 비틀림에 의한 회전 각도 차가 발생되면 자기력의 변화로 비틀림을 검출하는 조향장치용 비접촉식 토크센서를 제공하는 데 있다.
상술한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 조향장치용 비접촉식 토크센서는, 차량의 핸들에 연결된 입력축과 차량의 바퀴에 연결된 출력축 사이에 설치되어 상기 핸들의 회전 조작에 의해 발생된 비틀림을 검출하는 조향장치용 비접촉식 토크센서에 있어서, 상기 입력축에 결합되고, 중심에서 동일한 반경을 갖도록 외주면을 따라 복수개의 N극자석과 S극자석이 서로 엇갈리게 배치되는 자력발생부; 원통의 형상을 가지며 상기 출력축에 연결되고, 복수개의 상기 N극자석과 상기 S극자석 영역 내에 각각 위치되도록 복수개의 홀이 형성된 자기차폐부; 상기 자기차폐부의 외주면과 이격되도록 구비되며, 복수개의 상기 홀을 통과하는 자력을 검출하는 자기검출부; 및 상기 자기검출부의 외주면에 위치되어 상기 자력발생부와 상기 자기차폐부의 상대적인 비틀림 변화를 감지하는 자기검출 센서부;를 포함한다.
본 발명의 조향장치용 비접촉식 토크센서에 있어서, 상기 자력발생부는 상기 입력축의 하단부에 고정되는 결합부; 및 상기 결합부의 하측에 위치는 원기둥 형상의 자석고정부;를 포함하되, 복수개의 상기 N극자석과 상기 S극자석이 상기 자석고정부의 외주면에 결합된다.
본 발명의 조향장치용 비접촉식 토크센서에 있어서, 상기 자기차폐부는 복수개의 상기 홀이 상부 외주면에 일정한 간격마다 형성된 제1관통홀을 포함하는 제1자기차폐부; 및 상기 제1자기차폐부의 하부 외주면에 일정한 간격마다 형성되고, 상기 제1관통홀과 서로 엇갈리게 배치되는 제2관통홀을 포함하는 제2자기차폐부;로 이루어진다.
본 발명의 조향장치용 비접촉식 토크센서에 있어서, 상기 출력축이 상기 입력축과 동일하게 회전되어 비틀림 각이 "0"인 경우, 상기 홀의 수직 중심에 상기 N극자석과 상기 S자석의 경계부가 위치된다.
본 발명의 조향장치용 비접촉식 토크센서에 있어서, 상기 출력축이 상기 입력축에 대하여 좌측 또는 우측 방향으로 최대 비틀림이 발생된 경우, 복수개의 상기 제1관통홀을 통해 상기 SㆍN극자석 중 어느 하나의 자석이 노출되고, 복수개의 상기 제2관통홀을 통해 다른 하나의 자석이 노출된다.
본 발명의 조향장치용 비접촉식 토크센서에 있어서, 복수개의 상기 제1관통홀과 상기 제2관통홀은, 각각 동일한 홀의 영역을 갖는 형상으로 이루어진다.
본 발명의 조향장치용 비접촉식 토크센서에 있어서, 상기 NㆍS극자석 및 상기 자기검출부의 상단 높이는 상기 제1관통홀의 상단 높이와 동일하고, 상기 NㆍS극자석 및 상기 자기검출부의 하단 높이는 상기 제2관통홀의 하단 높이와 동일하게 위치된다.
본 발명의 조향장치용 비접촉식 토크센서에 있어서, 상기 NㆍS극자석 및 상기 자기검출부의 상단 높이는 상기 제1관통홀의 상단 높이와 상이하게 위치되고, 상기 NㆍS극자석 및 상기 자기검출부의 하단 높이는 상기 제2관통홀의 하단 높이와 상이하게 위치된다.
본 발명의 조향장치용 비접촉식 토크센서에 있어서, 상기 자기검출부는 상기 제1관통홀을 통과하는 자력을 검출하는 제1자기검출부재; 및 상기 제1자기검출부재의 하측에 이격되도록 위치되고, 상기 제2관통홀을 통과하는 자력을 검출하는 제2자기검출부재;를 포함한다.
본 발명의 조향장치용 비접촉식 토크센서에 있어서, 상기 자기검출부는 상기 자력발생부로부터 유도된 자력을 극대화하기 위해 상기 제1자기검출부재의 외주면에 구비된 제1집자링; 및 상기 제2자기검출부재의 외주면에 구비된 제2집자링;을 더 포함한다.
본 발명의 조향장치용 비접촉식 토크센서에 있어서, 상기 제1집자링과 상기 제2집자링에 각각 하나 이상의 상기 자기검출 센서부가 연결된다.
본 발명의 조향장치용 비접촉식 토크센서에 있어서, 상기 자기검출부는 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 위치된다.
본 발명의 조향장치용 비접촉식 토크센서에 있어서, 상기 제1돌출부재는 상기 제1집자링의 외주면에 다수개로 구비되고, 상기 제2돌출부재는 상기 제2집자링의 외주면에 다수개로 구비되며, 다수개의 상기 제1제2돌출부재 사이에 자기검출 센서부가 각각 위치된다.
본 발명의 조향장치용 비접촉식 토크센서에 있어서, 상기 자기차폐부는 상기 제1자기차폐부와 상기 제2자기차폐부는 일체형으로 제조된다.
본 발명의 조향장치용 비접촉식 토크센서에 있어서, 상부 외주면을 따라 상기 N극자석과 상기 S극자석이 엇갈리게 배치되고, 상기 N극자석의 하측에 또 다른 S극자석이 배치되며, 상부 외주면에 배치된 상기 S극자석의 하측에 또 다른 N극자석이 배치된다.
본 발명의 조향장치용 비접촉식 토크센서에 있어서, 상기 자기차폐부는 상부 외주면에 배치된 N극자석과 S극자석, 및 하부 외주면에 배치된 N극자석 및 S자석의 경계부마다 상기 홀이 배치된다.
이상과 같은 특징을 갖는 본 발명의 조향장치용 비접촉식 토크센서는, 입력축의 외주면에 N극자석과 S극자석이 엇갈리게 배치되고, 출력축에는 복수개의 홀이 구비된 자기차폐부가 구비된다. 따라서, 출력축이 입력축에 대하여 비틀림이 발생되면 N극자석과 S극자석의 자력이 자기차폐부에 형성된 복수개의 홀을 통과하게 되어 상대적 비틀림 변화를 자기검출부로 전달하여 자기검출 센서부에서 자력의 변화로 비틀림을 감지할 수 있다.
즉, 입력축과 출력축의 비틀림 각에 따라 N극자석과 S극자석의 자력이 복수개의 홀을 통과하는 세기가 달라지게 되고, 이를 자기검출부로 전달하여 자기검출 센서부에서 비틀림 각에 따른 자력의 세기를 감지하게 된다.
또한, 자기차폐부의 상측에 구비된 제1관통홀들을 통해 유도된 자력은 제1자기검출부재에서 N극자석 또는 S극자석의 극성을 갖게 되고, 자기차폐부의 하측에 구비된 제2관통홀들을 통해 유도된 자력은 제2자기검출부재에서 다른 극성을 갖게된다. 따라서, 자기검출 센서부를 통해 출력축의 좌측 비틀림과 우측 비틀림 변화를 감지하게 된다.
뿐만 아니라, 조향장치용 비접촉식 토크센서의 전체적인 구조를 개선하여 부품수를 줄일 수 있어 제조원가를 절감할 수 있고, 제조 공정 수가 줄게 되어 제조시간을 단축시킬 수도 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 조향장치용 비접촉식 토크센서(100)의 구성 및 작용을 설명하도록 한다.
도 1 내지 도 3에서 보는 바와 같이 상기 조향장치용 비접촉식 토크센서(100)는 자력발생부(110), 자기차폐부(120), 자기검출부(130), 및 자기검출 센서부(140)로 크게 이루어진다. 여기서, 자력발생부(110)는 차량의 핸들에 연결된 입력축(10)과 연결되고, 자기차폐부(120)는 차량의 바퀴에 연결된 출력축(20)과 연결된다. 그리고, 입력축(10)과 출력축(20)은 토션바(30)에 의해 연결된다.
먼저, 입력축(10)은 그 하단부에 삽입부(11)가 형성되고, 이 삽입부(11)의 내부에는 토션바(30)의 상단이 삽입되는 연결홈(12)이 형성된다. 또한, 삽입부(11)의 상측에 위치되며 입력축(10)의 외주면에는 횡 방향으로 관통되는 결합홀(13)이 형성된다.
여기서, 입력축(10)에 구비된 삽입부(11)는 후술되는 자력발생부(110)의 형상에 따라 달라질 수 있다. 즉, 첨부된 도면에서는 자력발생부(110)에 입력축(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 입력축(10)과의 연결상태를 달라질 수 있다.
상기한 자력발생부(110)는 중심부에 관통홀(111)이 형성된 결합부(112)와 자석고정부(113), 그리고 복수개의 N극자석(114)과 S극자석(115)으로 이루어진다.
먼저, 결합부(112)는 중심부에 형성된 관통홀(111)이 입력축(10)의 하단부에 구비된 삽입부(11)에 삽입된다. 이때, 삽입부(11)와 결합부(112)는 다수개의 체결부재(미도시)로 인해 결합될 수 있으며, 삽입부(11)의 외주면과 결합부(112)의 내주면이 나사로 체결될 수도 있다.
그리고, 자석고정부(113)는 결합부(112)의 하측에 위치되며, 이 자석고정부(113)와 결합부(112)는 일체로 형성될 수 있으며, 자석고정부(113)는 중심에서 동일한 반경을 갖도록 원통의 형상으로 이루어진다.
또한, N극자석(114)과 S극자석(115)은 각각 복수개로 이루어지며 자석고정부(113)의 외주면에 위치된다. 그리고, N극자석(114)과 S극자석(115)은 서로 엇갈 리게 배치되도록 하고 이 두 자석을 합한 개수는 반드시 짝수로 이루어진다.
즉, N극자석(114)이 8개일 경우에는 S극자석(115)도 8개의 개수로 이루어지고, N극자석(114)이 9개일 경우 S극자석(115)도 9개의 개수로 이루어진다. 또한, N극자석(114)과 S극자석(115)이 각각 분리된 상태에서 자석고정부(113)의 외주면에 부착되어 결합될 수 있으나, 극성이 없는 상태의 강자성체를 자석고정부(113)에 부착시킨 후, 착자할 때 N극의 자력과 S극의 자력을 갖도록 영역을 구분하여 N극자석(114)과 S극자석(115)을 구성시킬 수도 있다.
첨부된 도면에서는 N극자석(114)과 S극자석(115)의 개수를 각각 8개로 도시하였다. 그러나, 이 N극자석(114)과 S극자석(115)의 개수를 달라질 수 있다. 그리고, N극자석(114)과 S극자석(115)은 내주면과 외주면이 동일한 두께를 갖도록 구비된다.
한편, 자기차폐부(120)는 상기한 자력발생부(110)의 외측에 위치되는 것으로, 제1자기차폐부(120a)와 제2자기차폐부(120b)로 구분된다. 그러나, 제1자기차폐부(120a)와 상기 제2자기차폐부(120b)는 일체로 이루어진 원통의 형상으로 이루어진다.
즉, 자기차폐부(120)는 자력발생부(110)에 구비된 N극자석(114)과 S극자석(115)의 외측부에 이격되도록 위치되고, 그 하단부는 후술되는 출력축(20)에 연결된다. 첨부된 도면에서는 자기차폐부(120)의 하측에 별도의 연결부재(150)가 결합되고, 이 연결부재(150)에 출력축(20)이 결합되도록 도시하였다.
또한, 자기차폐부(120)에는 복수개의 홀(121,122)이 형성된다. 복수개의 홀(121,122)은 N극자석(114)과 S극자석(115) 영역 내에 각각 위치되도록 복수개의 제1관통홀(121)과 제2관통홀(122)로 이루어진다. 이하에서는 복수개의 제1관통홀(121)을 "제1관통홀들(121)"로, 복수개의 제2관통홀(122)을 "제2관통홀들(122)"로 병기하도록 한다.
제1관통홀들(121)은 자기차폐부(120)의 상측부에 위치되고, 제2관통홀들(122)은 자기차폐부(120)의 하측부에 위치된다. 즉, 제1자기차폐부(120a)의 외주면에 일정한 간격마다 제1관통홀들(121)이 위치되고, 제2자기차폐부(120b)의 외주면에 일정한 간격마다 제2관통홀들(122)이 각각 위치된다.
여기서, 제1관통홀들(121)과 제2관통홀들(122)은 앞서 언급한 것과 같이 동일한 개수로 이루어진 N극자석(114) 또는 S극자석(115)의 개수와 동일한 개수를 갖도록 구비된다. 만약 N극자석(114)이 8개로 구비된 경우 제1관통홀(121)도 8개의 개수로 이루어진다.
또한, 제2관통홀들(122)은 제1관통홀들(121)과 서로 엇갈리도록 위치된다. 즉, 제1관통홀들(121) 중 기준이 되는 어느 하나의 제1관통홀(121)과 이에 인접된 위치에 구비된 제1관통홀(121) 사이의 하측부에 기준이 되는 제2관통홀(122)이 형성되는 것이다.
또한, 제1관통홀들(121)과 제2관통홀들(122)은 모두 동일한 홀의 영역을 갖는 형상으로 이루어진다. 첨부된 도면에서는 제1관통홀들(121)과 제2관통홀들(122)을 모두 사각의 형상으로 도시하였다.
그러나, 제1관통홀들(121)과 제2관통홀들(122)은 "○", "□", "△", "▽", "◇"과 같은 형상들로 이루어질 수도 있다. 그리고, 위와 같은 형상들뿐만 아니라, 타원, 장공, 사다리꼴 등 매우 다양한 형상들로 이루어질 수도 있다.
다만, 상기한 형상들은 각각의 홀(121,122) 영역 중심에서 좌우 방향으로 반드시 대칭이 되는 형상으로 구비되어야 한다. 또한, 위와 같은 홀(121,122)의 형상들 중 2개 이상의 형상이 복합되어 구성되는 것보다, 모두 동일한 형상의 홀(121,122)로 이루어지는 것이 바람직하다.
여기서, 자기차폐부(120)는 N극자석(114) 및 S극자석(115)의 높이, 그리고 후술되는 자기검출부(130)와 동일한 높이를 갖도록 구비된다.
즉, N극자석(114)과 S극자석(115)의 상단 높이 및 자기검출부(130)의 상단 높이는 자기차폐부(120)에 형성된 제1관통홀들(121)의 상단 높이와 동일하게 구비된다. 그리고, N극자석(114)과 S극자석(115)의 하단 높이 및 자기검출부(130)의 하단 높이는 자기차폐부(120)에 형성된 제2관통홀들(122)의 하단 높이와 동일하게 구비된다.
그러나, 이는 가장 바람직한 실시예를 설명한 것이며, NㆍS극자석(114, 115) 및 상기 자기검출부(130)의 상단 높이는 상기 제1관통홀(121)의 상단 높이와 상이하게 위치되고, 상기 NㆍS극자석(114, 115) 및 상기 자기검출부(130)의 하단 높이는 상기 제2관통홀(122)의 하단 높이와 상이하게 위치될 수도 있다.
이러한 구성을 갖는 자기차폐부(120)는 앞서 언급한 바와 같이, 그 하측에 연결부재(150)가 결합되고, 이 연결부재(150)는 중심부가 하측 방향으로 돌출되어 출력축(20)이 삽입된 상태로 결합된다. 연결부재(150)와 출력축(20)의 결합은 다수개의 체결부재(미도시)를 이용하여 결합할 수 있다.
그리고, 출력축(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, 출력축(20)의 외주면에는 연결홈(22)을 통과하는 결합홀(23)이 형성된 핀(40b)에 의해 토션바(30)를 출력축(20)에 결합시키게 된다.
한편, 자기검출부(130)는 자기차폐부(120)의 외주면과 이격되도록 구비되며, 복수개의 제1관통홀들(121)과 제2관통홀들(122)을 통과하는 자력을 검출하는 역할을 한다.
이러한 자기검출부(130)는 강자성체의 재질을 갖는 링의 형상으로 이루어진 제1자기검출부재(131a)와 제2자기검출부재(131b)로 구비되고, 제1자기검출부재(131a)에는 제1집자링(132a)이 연결되며, 제2자기검출부재(131b)에는 제2집자링(132b)이 연결된다.
그리고, 제1자기검출부재(131a)와 제2자기검출부재(131b)는 서로 이격된 상태로 위치되며, 제1자기검출부재(131a)의 상단과 제2자기검출부재(131b)의 하단 높이는 전술되어진 N극자석(114) 및 S극자석(115)의 높이와 동일하게 구비되거나, 이 높이보다 작은 높이를 갖도록 구비될 수 있다.
후자의 경우 즉, N극자석(114) 및 S극자석(115)의 높이보다 낮게 구비될 경우에는, 제1자기검출부재(131a)의 상단은 제1관통홀(121)의 상단 높이 영역을 벗어 나지 않아야 하며, 제2자기검출부재(131b)의 하단은 제2관통홀(122)의 하단 높이 영역을 벗어나지 않도록 구비된다.
따라서, 제1관통홀들(121)을 통과하는 자력을 제1자기검출부재(131a)에서 검출하고, 제2관통홀들(122)을 통과하는 자력을 제2자기검출부재(131b)에서 검출하게 된다.
그리고, 상기한 제1집자링(132a)은 제1자기검출부재(131a)의 외주면에 결합되고, 제2집자링(132b)은 제2자기검출부재(131b)의 외주면에 결합된다. 이 제1집자링(132a)과 제2집자링(132b)은 자력발생부(110)로부터 유도된 자력을 자기검출 센서부(140) 주변으로 극대화하기 위한 것이다.
또한, 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 구비된다.
이러한 제1돌출부재(132a')와 제2돌출부재(132b')는 서로 동일한 수직상에 위치되도록 다수개로 구비될 수도 있다.
한편, 자기검출 센서부(140)는 자기검출부(130)의 외주면에 위치되어 자력발생부(110)와 자기차폐부(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.
즉, 자기검출 센서부(140)는 제1돌출부재(132a')와 제2돌출부재(132b')의 사이에 설치되기 때문에, 이 제1ㆍ제2돌출부재의 개수에 따라 자기검출 센서부(140)의 개수도 달라지게 된다.
그리고, 자력을 검출하는 위와 같은 자기검출 센서부(140)는 기계 산업 분야에서 널리 사용되고 있는 센서이므로, 자세한 설명은 생략하기로 한다.
이상과 같이 이루어진 본 발명의 조향장치용 비접촉식 토크센서(100)의 동작을 설명하도록 한다.
첨부된 도 5는 본 발명의 조향장치용 비접촉식 토크센서(100)의 동작 및 검출원리를 설명하기 위해서 원형의 구조로 이루어진 토크센서(100)를 2차원 평면으로 전개한 도면이다. 그리고, 첨부된 도 6a는 도 5의 상태를 겹친 상태로 전개한 도면이고, 도 6b는 도 6a에 도시된 B-B부의 단면도이며, 도 6c는 도 6a에 도시된 C-C부의 단면도이다.
위 도면들에서 보는 바와 같이, 자기차폐부(120)의 높이는 자력발생부(110)의 높이 영역 내에 위치되고, 자기검출부(130)에 구비된 제1자기검출부재(131a)는 제1관통홀들(121)의 높이 영역 내에 위치된다. 그리고, 자기검출부(130)에 구비된 제2자기검출부재(131b)는 제2관통홀들(122)의 높이 영역 내에 위치된다. 또한, 제1관통홀들(121)의 가로 길이는 N극자석(114)의 가로 길이 영역 내에 위치되고, 제2관통홀들(122)의 가로 길이는 S극자석(115)의 가로 길이 영역 내에 위치된다.
여기서, 제1관통홀들(121)의 가로 길이는 S극자석(115)의 가로 길이 영역 내 에 위치될 수도 있다. 이 경우 제2관통홀들(122)의 가로 길이는 N극자석(114)의 가로 길이 영역 내에 위치된다.
첨부된 도 7a는 입력축(10)과 출력축(20)의 비틀림이 발생되지 않은 상태, 즉 토크센서(100)의 중립상태를 도시한 전개도이다. 도면에서 보는 바와 같이, 핸들축과 바퀴축이 동일한 각도로 회전되거나, 정지된 상태에서 입력축(10)과 출력축(20)의 비틀림이 "0"인 상태를 도시한 것이다.
보다 구체적으로, 운전자가 조향핸들을 조작하게 되면 이와 연결된 입력축(10)이 회전하게 되고, 토션바(30)와 연결된 출력축(20)이 회전하게 되면서 바퀴를 진행 방향으로 전환하게 된다.
이때, 출력축(20)이 입력축(10)과 동일하게 회전되어 비틀림 각이 "0"인 경우에는 N극자석(114)과 S극자석(115)의 경계부가 제1관통홀(121) 및 제2관통홀(122)의 중심에 위치하게 되는 것이다.
즉, 자력발생부(110)에 구비된 N극자석(114)과 S극자석(115)은 각각 제1관통홀(121)과 제2관통홀(122)의 동일한 영역으로 노출되면서 회전하기 때문에 자기검출부(130)에서는 두 극성의 자력이 상쇄되어 극성이 없게 된다.
보다 구체적으로, 제1관통홀들(121)과 제2관통홀들(122)은 각각 하나의 홀마다 N극의 자력이 노출되는 면이 50%이고, S극의 자력이 노출되는 면이 50%이다. 그러므로 하나의 홀을 통해 자기검출부(130)에서 검출되는 극성은 "0"인 상태가 되는 것이다.
그리고, 도 7b는 출력축(20)이 입력축(10)에 대하여 좌측 방향으로 비틀림이 발생된 경우를 도시한 전개도이고, 도 7c는 출력축(20)이 입력축(10)에 대하여 좌측 방향으로 최대의 비틀림이 발생된 경우를 도시한 전개도이다.
도면에서 보는 바와 같이, 좌측 비틀림이 발생된 상태는 운전자가 조향핸들을 좌회전할 때 바퀴와 노면의 마찰에 의해 입력축(10)과 출력축(20) 사이에서 비틀림이 발생된 상태이다.
즉, 입력축(10)과 출력축(20)을 연결하는 토션바(30)에서 비틀림이 발생된 상태이며, 비틀림이 점차적으로 커질 경우 제1관통홀들(121)은 각각의 홀마다 S극자석(115)의 노출면이 커지게 되고, N극자석(114)은 S극자석(115)의 노출면이 증가함에 따라 점차적으로 감소하게 된다.
그리고, 제2관통홀들(122)은 각각의 홀마다 N극자석(114)의 노출면이 커지게 되고, S극자석(115)은 N극자석(114)의 노출면이 증가함에 따라 점차적으로 감소하게 된다.
따라서, 자기검출부(130)에 구비된 제1자기검출부재(131a)는 N극자석(114)과 S극자석(115)에 의해 유도되는 자력의 차이가 발생되어 N극의 극성을 갖게 된다. 그리고, 제2자기검출부재(131b)는 제1자기검출부재(131a)로 유도되는 자력과 반대되는 량의 자력인 S극의 극성을 갖게 되는 것이다.
즉, 첨부된 도 7c에서 보는 바와 같이, 좌측 방향의 비틀림이 최대인 경우에는 제1자기검출부재(131a)는 N극의 극성을 갖게 되며, 제2자기검출부재(131b)는 S극의 극성을 갖게 된다.
따라서, 제1자기검출부재(131a)에서 유도된 N극의 극성이 제1집자링(132a)에 의해 자기검출 센서부(140) 상단에서 이 N극을 유도하고, 제2자기검출부재(131b)에서 유도된 S극의 극성이 제2집자링(132b)에 의해 자기검출 센서부(140) 하단에서 이 S극을 유도하게 된다. 그리고, 자기검출 센서부(140)의 주위로 자기장을 형성하게 되어 이때의 자속밀도를 자기검출 센서부(140)에서 검출하게 된다.
이상에서 본 바와 같이 입력축(10)과 출력축(20)에 비틀림이 발생되는 과정은 비틀림의 초기부터 최대의 비틀림이 발생할 때까지 선형적으로 증가하게 된다. 이는 자기차폐부(120)에 설치된 제1관통홀들(121)과 제2관통홀들(122)에 의해서 자기검출부(130)와 자력발생부(110)와의 대향되는 면적 변화를 증감시키는 역할을 하기 때문에, 자기검출 센서부(140)의 주변에 형성되는 자속밀도의 변화량이 선형적으로 증감하게 된다.
이상에서는 입력축(10)과 출력축(20)의 좌측 방향 비틀림이 발생할 때를 기준으로 설명하였다. 그러나, N극자석(114)과 S극자석(115)이 삽입되는 위치에 따라 극성이 바뀌기 때문에, 위에서 설명된 좌측 방향 비틀림은 우측 방향 비틀림의 조건이 될 수도 있다.
뿐만 아니라, 위에서 설명된 좌측 방향 비틀림은 어디까지나 첨부된 도면을 예로 특정 방향을 기준으로 설명한 것이기 때문에, 우측 방향 비틀림이 발생된 상태일 수도 있다.
한편, 상술한 방향의 좌측 방향 기준에 따라 이와 반대되는 우측 방향의 비틀림이 발생할 때는, 자기검출 센서부(140)의 주변으로 형성되는 자기장의 극성이 반대로 형성되기 때문에 출력 값도 180도 위상 변화를 갖는 값이 나오게 되며 이러 한 상세한 설명은 생략하기로 하고 첨부된 도 8a 및 도 8b를 참조하도록 한다.
먼저, 첨부된 도 8a는 출력축(20)이 입력축(10)에 대하여 우측 방향으로 비틀림이 발생된 경우를 도시한 전개도이고, 도 8b는 출력축(20)이 입력축(10)에 대하여 우측 방향으로 최대의 비틀림이 발생된 경우를 도시한 전개도이다.
한편, 첨부된 도 9에서 보는 바와 같이, 이상에서 설명된 본 발명의 조향장치용 비접촉식 토크센서에 구비된 자력발생부(110')는 N극자석(114')과 S극자석(115')이 자석고정부의 상측부 외주면을 따라 엇갈리게 배치되고, 상기 N자석(114')의 하측에 또 다른 S극자석(115'')이 배치되며, 상기 S극자석(115')의 하측에 또 다른 N극자석(114'')이 배치된다.
이 경우, 자기차폐부(120')에는 상기한 자석(114',114'',115',115'')들의 경계부에 하나의 관통홀(121')이 형성되고, 이러한 경계부마다 동일한 형상의 관통홀(121')이 형성된다.
따라서, 좌측 방향으로 비틀림이 발생된 경우, 각각의 관통홀(121')마다 도면에서 보는 우측의 상부에 위치된 S극자석(115')과, 우측의 하부에 위치된 N극자석(114'')의 노출면이 점차적으로 커지게 된다.
이와 반대로, 각각의 관통홀(121')마다 도면에서 보는 좌측의 상부에 위치된 N극자석(114'')과 좌측의 하부에 위치된 S극자석(115'')의 노출면이 점차적으로 작아지게 된다.
따라서, 자기검출부(130)에 구비된 제1자기검출부재(131a)와 제2자기검출부 재(131b)는 관통홀(121')들을 통해 유도되는 자력의 차이가 발생되어 이를 자기검출 센서부(140)에서 감지하게 되는 것이다.
도 1은 본 발명의 조향장치용 비접촉식 토크센서의 결합사시도,
도 2는 본 발명의 조향장치용 비접촉식 토크센서의 분리사시도,
도 3은 본 발명의 조향장치용 비접촉식 토크센서의 도 1에 도시된 A-A부의 단면도,
도 4는 본 발명의 조향장치용 비접촉식 토크센서의 평면도,
도 5는 본 발명의 조향장치용 비접촉식 토크센서를 2차원 평면으로 도시한 전개도,
도 6a는 도 5의 상태를 겹친 상태로 도시한 전개도,
도 6b는 도 6a에 도시된 B-B부의 단면도,
도 6c는 도 6a에 도시된 C-C부의 단면도,
도 7a는 본 발명의 조향장치용 비접촉식 토크센서의 중립상태를 도시한 전개도,
도 7b는 본 발명의 조향장치용 비접촉식 토크센서와 연결된 출력축이 좌측 방향으로 비틀림이 발생되는 상태를 도시한 전개도,
도 7c는 본 발명의 조향장치용 비접촉식 토크센서와 연결된 출력축이 좌측 방향으로 최대의 비틀림이 발생된 상태를 도시한 전개도,
도 8a는 본 발명의 조향장치용 비접촉식 토크센서와 연결된 출력축이 우측 방향으로 비틀림이 발생되는 상태를 도시한 전개도,
도 8b는 본 발명의 조향장치용 비접촉식 토크센서와 연결된 출력축이 우측 방향으로 최대의 비틀림이 발생된 상태를 도시한 전개도,
도 9는 본 발명의 조향장치용 비접촉식 토크센서에 구비된 자력발생부 및 자기차폐부의 중립 상태를 도시한 또 다른 실시예의 전개도이다.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
100 : 토크센서 110,110' : 자력발생부
111 : 관통홀 112 : 결합부
113 : 자석고정부 114,114',114'' : N극자석
115,115',115'' : S극자석 120,120' : 자기차폐부
121 : 제1관통홀 122 : 제2관통홀
130 : 자기검출부 131a : 제1자기검출부재
131b : 제2자기검출부재 132a : 제1집자링
132a' : 제1돌출부재 132b : 제2집자링
132b': 제2돌출부재 140 : 자기검출 센서부

Claims (16)

  1. 차량의 핸들에 연결된 입력축과 차량의 바퀴에 연결된 출력축 사이에 설치되어 상기 핸들의 회전 조작에 의해 발생된 비틀림을 검출하는 조향장치용 비접촉식 토크센서에 있어서,
    상기 입력축에 결합되고, 중심에서 동일한 반경을 갖도록 외주면을 따라 복수개의 N극자석과 S극자석이 서로 엇갈리게 배치되는 자력발생부;
    원통의 형상을 가지며 상기 출력축에 연결되고, 복수개의 상기 N극자석과 상기 S극자석 영역 내에 각각 위치되도록 복수개의 홀이 형성되며, 이웃하는 홀 간의 간격은 상기 자력발생부의 이웃하는 자석 간 간격과 동일한 자기차폐부;
    상기 자기차폐부의 외주면과 이격되도록 구비되며, 복수개의 상기 홀을 통과하는 자력을 검출하는 자기검출부; 및
    상기 자기검출부의 외주면에 위치되어 상기 자력발생부와 상기 자기차폐부의 상대적인 비틀림 변화를 감지하는 자기검출 센서부;를 포함하며,
    상기 자기차폐부는,
    복수개의 상기 홀이 상부 외주면에 일정한 간격마다 형성된 제1관통홀을 포함하는 제1자기차폐부; 및 상기 제1자기차폐부의 하부 외주면에 일정한 간격마다 형성되고, 상기 제1관통홀과 서로 엇갈리게 배치되는 제2관통홀을 포함하는 제2자기차폐부;로 이루어지고,
    상기 자기검출부는,
    상기 제1관통홀을 통과하는 자력을 검출하는 제1자기검출부재; 및 상기 제1자기검출부재의 하측에 이격되도록 위치되고, 상기 제2관통홀을 통과하는 자력을 검출하는 제2자기검출부재;를 포함하는 것을 특징으로 하는 조향장치용 비접촉식 토크센서.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 자력발생부는,
    상기 입력축의 하단부에 고정되는 결합부; 및
    상기 결합부의 하측에 위치는 원기둥 형상의 자석고정부;를 포함하되,
    복수개의 상기 N극자석과 상기 S극자석이 상기 자석고정부의 외주면에 결합 되는 것을 특징으로 하는 조향장치용 비접촉식 토크센서.
  3. 삭제
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 출력축이 상기 입력축과 동일하게 회전되어 비틀림 각이 "0"인 경우, 상기 홀의 수직 중심에 상기 N극자석과 상기 S극자석의 경계부가 위치되는 것을 특징으로 하는 조향장치용 비접촉식 토크센서.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 출력축이 상기 입력축에 대하여 좌측 또는 우측 방향으로 최대 비틀림이 발생된 경우, 복수개의 상기 제1관통홀을 통해 상기 SㆍN극자석 중 어느 하나의 자석이 노출되고, 복수개의 상기 제2관통홀을 통해 다른 하나의 자석이 노출되는 것을 특징으로 하는 조향장치용 비접촉식 토크센서.
  6. 제 1항, 제 4항, 제 5항 중 어느 한 항에 있어서,
    복수개의 상기 제1관통홀과 상기 제2관통홀은,
    각각 동일한 홀의 영역을 갖는 형상으로 이루어진 것을 특징으로 하는 조향장치용 비접촉식 토크센서.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 NㆍS극자석 및 상기 자기검출부의 상단 높이는 상기 제1관통홀의 상단 높이와 동일하고,
    상기 NㆍS극자석 및 상기 자기검출부의 하단 높이는 상기 제2관통홀의 하단 높이와 동일하게 위치되는 것을 특징으로 하는 조향장치용 비접촉식 토크센서.
  8. 제 6항에 있어서,
    상기 NㆍS극자석 및 상기 자기검출부의 상단 높이는 상기 제1관통홀의 상단 높이와 상이하게 위치되고,
    상기 NㆍS극자석 및 상기 자기검출부의 하단 높이는 상기 제2관통홀의 하단 높이와 상이하게 위치되는 것을 특징으로 하는 조향장치용 비접촉식 토크센서.
  9. 삭제
  10. 제 1항에 있어서,
    상기 자기검출부는,
    상기 자력발생부로부터 유도된 자력을 극대화하기 위해 상기 제1자기검출부재의 외주면에 구비된 제1집자링; 및
    상기 제2자기검출부재의 외주면에 구비된 제2집자링;을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 조향장치용 비접촉식 토크센서.
  11. 제 10항에 있어서,
    상기 제1집자링과 상기 제2집자링에 각각 하나 이상의 상기 자기검출 센서부가 연결된 것을 특징으로 하는 조향장치용 비접촉식 토크센서.
  12. 제 11항에 있어서,
    상기 자기검출부는,
    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 조향장치용 비접촉식 토크센서.
  13. 제 12항에 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 조향장치용 비접촉식 토크센서.
  14. 제 1항에 있어서,
    상기 자기차폐부는,
    상기 제1자기차폐부와 상기 제2자기차폐부는 일체형으로 제조된 것을 특징으로 하는 조향장치용 비접촉식 토크센서.
  15. 차량의 핸들에 연결된 입력축과 차량의 바퀴에 연결된 출력축 사이에 설치되어 상기 핸들의 회전 조작에 의해 발생된 비틀림을 검출하는 조향장치용 비접촉식 토크센서에 있어서,
    상기 입력축에 결합되고, 중심에서 동일한 반경을 갖도록 외주면을 따라 복수개의 N극자석과 S극자석이 서로 엇갈리게 배치되는 자력발생부;
    원통의 형상을 가지며 상기 출력축에 연결되고, 복수개의 상기 N극자석과 상기 S극자석 영역 내에 각각 위치되도록 복수개의 홀이 형성된 자기차폐부;
    상기 자기차폐부의 외주면과 이격되도록 구비되며, 복수개의 상기 홀을 통과하는 자력을 검출하는 자기검출부; 및
    상기 자기검출부의 외주면에 위치되어 상기 자력발생부와 상기 자기차폐부의 상대적인 비틀림 변화를 감지하는 자기검출 센서부;를 포함하며,
    상기 자력발생부는,
    상부 외주면을 따라 상기 N극자석과 상기 S극자석이 엇갈리게 배치되고, 상기 N극자석의 하측에 또 다른 S극자석이 배치되며, 상부 외주면에 배치된 상기 S극자석의 하측에 또 다른 N극자석이 배치되는 것을 특징으로 하는 조향장치용 비접촉식 토크센서.
  16. 제 15항에 있어서,
    상기 자기차폐부는,
    상부 외주면에 배치된 N극자석과 S극자석, 및 하부 외주면에 배치된 N극자석 및 S자석의 경계부마다 상기 홀이 배치된 것을 특징으로 하는 조향장치용 비접촉식 토크센서.
KR1020080060701A 2008-06-26 2008-06-26 조향장치용 비접촉식 토크센서 KR100987896B1 (ko)

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