KR101741963B1 - 토크 센서 및 이를 갖는 스티어링 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 마그네트를 상하방향으로 착자하고 스테이터의 돌출편을 수평방향으로 배치함으로써 컬렉터를 생략할 수 있어 단순한 구조를 가지면서도 작동신뢰성이 우수한 토크 센서 및 이를 갖는 스티어링 시스템에 관한 것이다. 토크센서는 중공이 형성된 마그네트, 상기 마그네트의 일측단으로부터 이격되며 내부에 상기 중공과 대응하는 개구가 형성된 몸체 및 상기 마그네트의 상기 일측단과 평행하게 상기 몸체의 내측면으로부터 상기 몸체의 중심을 향해 돌출된 돌출편을 포함하는 스테이터 및 상기 스테이터와 결합되며 상기 스테이터의 자화량을 검출하는 자기소자를 포함한다.

Description

토크 센서 및 이를 갖는 스티어링 시스템{TORQUE SENSOR, AND STEERING SYSTEM HAVING THE SAME}

본 발명은 토크 센서 및 이를 갖는 스티어링 시스템에 관한 것으로, 더욱 구체적으로는 마그네트를 상하방향으로 착자하고 스테이터의 돌출편을 수평방향으로 배치함으로써 컬렉터를 생략할 수 있어 단순한 구조를 가지면서도 작동신뢰성이 우수한 토크 센서 및 이를 갖는 스티어링 시스템에 관한 것이다.

본 발명은 스티어링 시스템의 토크 센서에 관한 것으로, 더욱 구체적으로는 마그네트를 상하방향으로 착자하고 스테이터의 돌출편을 수평방향으로 배치함으로써 컬렉터를 생략할 수 있어 단순한 구조를 가지면서도 작동신뢰성이 우수한 스티어링 시스템의 토크 센서에 관한 것이다.

일반적으로 자동차는 바퀴와 연결된 스티어링 휠을 조작하여 주행 방향을 조작할 수 있도록 되어 있다. 그러나, 바퀴와 노면과의 저항이 크거나 스티어링의 장애요인 발생시 조작력이 약화되어 신속한 조작이 어려운 경우가 있고, 이를 해결하기 위해 파워스티어링 장치가 사용된다. 이러한 파워스티어링 장치는 스티어링 휠의 조작에 동력장치를 개입하여 조작의 힘을 경감시키도록 하는 장치이다. 이러한 동력장치가 스티어링 휠을 조작하는 힘에 개입하기 위해서는 조향축에 걸리는 토크를 측정할 필요성이 있다. 따라서, 스티어링 휠의 토크를 측정하는 장치로 여러가지 방식의 장치가 사용되는데, 특히 조향축에 결합된 마그네트와의 상호 자기장을 측정하여 토크를 검출하는 방식이 경제성이 우수하여 많이 사용되고 있다. 일반적인 스티어링 구조는, 스티어링 휠이 결합되는 입력축, 바퀴측의 랙바와 치합되는 피니언에 결합되는 출력축 및 상기 입력축와 출력축를 연결하는 토션바(torshion bar)로 이루어진다. 스티어링 휠을 회전하면 출력축으로 회전력이 전달되고 피니언과 랙바의 작용에 의해 바퀴의 방향이 변화한다. 이 경우, 저항이 크게 작용하는 경우에 입력축이 더 많이 회전하게 되므로, 토션바가 비틀리게 되는데, 이러한 토션바의 비틀림 정도를 측정하는 것이 자기장 방식의 토크센서이다. 도 1은 종래기술에 따른 토크센서를 도시한 사시도이다. 입력축에는 마그네트(10)가 결합되고, 상기 마그네트(10)는 따라서 링 형상을 하게 된다. 출력축에는 스테이터(20, 30)가 배치되는데, 상기 스테이터(20, 30)는 마그네트(10)의 외주면에서 이격되어 배치되며 축방향으로 절곡된 수직돌출편(21, 31)을 포함한다. 마그네트(10)에 결합된 입력축과 스테이터(20, 30)에 결합된 출력축의 회전량 차이에 의하여 토션바에 비틀림이 발생하면, 마그네트(10)와 스테이터(20, 30)가 상대적으로 회전하게 되고, 이 때 마그네트(10)의 외주면과 수직돌출편(21, 31) 사이의 대향면이 변화하게 되어 자화값이 변화하게 되므로 이를 활용하면 토크를 측정할 수 있다. 이러한 자화값을 집중하기 위해 컬렉터(40)가 배치되고, 자기소자(50)가 컬렉터(40)에 의해 집중된 자기값을 검출하게 되는 것이다. 한편, 도 2는 종래기술에 따른 마그네트(10) 및 자기장의 방향을 도시한 사시도이다. 종래기술의 토크센서에서는 자기장의 방향이 축방향에 수직한 방향 즉, 마그네트(10)의 반경방향을 향하게 되고 이에 따라 스테이터(20, 30)는 축에 수직한 방향의 절곡면이 배치될 것이 요청된다. 그런데, 이러한 배치에 있어서 스테이터(20, 30)를 자화시킬 수 있는 면적 확보의 한계가 존재하고 이에 따라 토크신호 즉, 자기신호가 미약한 단점이 있다. 따라서, 스테이터(20, 30)의 절곡면이 필요하고 컬렉터(40)를 배치하게 되므로 구조적으로도 복잡해지고 자기의 검출도 효율적이지 못한 문제점이 있었다.

이에 본 발명은 상기한 문제점을 해소하기 위하여 안출된 것으로, 마그네트의 착자방향을 축방향으로 배치함으로써 자기를 검출할 수 있는 유효면적을 넓게 하고 컬렉터를 제거할 수 있어, 구조적인 단순함은 물론 작동 신뢰성이 우수한 토크 센서 및 이를 갖는 스티어링 시스템을 제공하는 데 목적이 있다.

일실시예로서, 토크센서는 외력에 의하여 회전되며 중공이 형성된 마그네트; 상기 마그네트의 일측단으로부터 이격되며 내부에 상기 중공과 대응하는 개구가 형성된 몸체 및 상기 마그네트의 상기 일측단과 평행하게 상기 몸체의 내측면으로부터 상기 몸체의 중심을 향해 돌출된 돌출편을 포함하는 스테이터; 및 상기 스테이터와 결합되며 상기 스테이터의 자화량을 검출하는 자기소자를 포함한다.

토크센서의 상기 스테이터는 상기 마그네트의 상기 일측단과 마주하게 배치된 상부 스테이터 및 상기 마그네트의 상기 일측단과 대향하는 타측단과 마주하게 배치된 하부 스테이터를 포함하고, 상기 상부 스테이터 및 상기 하부 스테이터에 각각 형성된 돌출편의 개수는 상기 마그네트의 상기 일측단 및 상기 타측단에 형성된 극의 개수와 동일하다.

토크센서의 상기 상부 스테이터 및 상기 하부 스테이터에 각각 형성된 돌??편은 상호 어긋나게 배치된다.

토크센서의 상기 돌출편은 상기 몸체의 상기 내측면으로부터 복수개가 단속적으로 돌출된다.

토크센서의 상기 마그네트는 복수개의 호 형상의 마그네트 조각들을 포함하며, 상기 마그네트 조각들은 각각 상기 마그네트의 축방향으로 착자된다.

토크센서의 상기 돌출편은 상기 마그네트의 상기 일측단과 마주보게 배치된다.

토크센서의 상기 자기소자는 상기 상부 스테이터 및 상기 하부 스테이터에 각각 형성된 돌출편 중 어느 하나에 형성된다.

일실시예로서, 스티어링 시스템은 중공이 형성된 마그네트, 상기 마그네트의 일측단으로부터 이격되며 내부에 상기 중공과 대응하는 개구가 형성된 몸체 및 상기 마그네트의 상기 일측단과 평행하게 상기 몸체의 내측면으로부터 상기 몸체의 중심을 향해 돌출된 돌출편을 포함하는 스테이터 및 상기 스테이터와 결합되며 상기 스테이터의 자화량을 검출하는 자기소자를 포함하는 토크센서; 상기 마그네트의 상기 중공에 결합되는 입력축; 상기 스테이터에 결합되는 출력축; 및 상기 입력축과 상기 출력축을 연결하는 토션바를 포함한다.

전술한 내용과 같이 구성된 본 발명에 따른 토크센서 및 이를 갖는 스티어링 시스템은 축방향으로 자속이 형성되는 개념을 제시하고 있고, 이에 따라 자화량의 측정이 보다 정확하면서도 용이해질 수 있다. 결국, 종래기술의 컬렉터가 제외되어 스테이터에 직접 자기소자가 결합할 수 있게 되므로, 작동 신뢰성과 함께 구조적 단순함도 제공되는 효과가 있다.

또한, 회전 편차에 대한 정보가 선형적으로 감지될 수 있고 이러한 정보를 기초로 보조동력장치에 의한 출력 샤프트의 회전보상이 정확하게 이루어질 수 있는 이점이 있다.

도 1은 종래기술에 따른 토크센서를 나타내는 사시도.
도 2는 종래기술에 따른 토크센서의 마그네트의 자속방향을 나타내는 사시도.
도 3은 본 발명에 따른 토크센서를 나나태는 사시도.
도 4는 본 발명에 따른 토크센서의 마그네트 자속방향을 나타내는 사시도.
도 5는 본 발명에 따른 토크센서에서 스테이터의 자화량 변화를 실험적으로 나타내는 도면.
도 6은 본 발명에 따른 토크센서에서 검출한 자화량을 회전량의 변화에 따라 나타낸 그래프.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 압력보상장치를 구비한 마스터실린더를 상세히 설명한다.

도 3은 본 발명에 따른 스티어링 시스템의 토크센서를 나타내는 사시도이다. 마그네트(100)는 링 형상으로 형성되는데, 일반적으로 입력축의 외주면에 배치되어 함께 회전하도록 결합된다. 또한, 스테이터(200, 300)는 출력축에 연결되어 함께 회전하도록 결합된다. 바퀴의 저항으로 인해 입력축과 출력축의 회전량이 다른 경우 토션이 발생한 것으로 이해할 수 있고, 이 차이를 자기장으로 측정하게 됨은 상기한 바와 같다. 다만, 마그네트(100)가 출력축에 연결되고 스테이터(200, 300)가 입력축에 연결될 수 있음은 물론이다.

상기 마그네트(100)는 바람직하게는 2개 이상의 마그네트 조각이 연결된다. 따라서, 복수개의 호 형상의 마그네트 조각들이 링 형상의 마그네트(100)를 이루게 되는 것이다. 이 경우, 본 발명의 개념에 따라 각각의 마그네트 조각들은 축방향으로 착자된다.

마그네트(100)가 축방향으로 착자되는 경우 자속도 마찬가지로 축방향으로 유입 및 유출되므로 마그네트(100)의 양단부측에서 자속을 측정할 수 있게 된다.

스테이터는 마그네트(100)의 상단부와 하단부측에 각각 상부 스테이터(200)와 하부 스테이터(300)로 구성된다. 각각의 스테이터(200, 300)는 판재의 링 형상의 몸체(210, 310)와, 몸체와 수평한 방향 즉, 반경방향으로 돌출된 돌출편(220, 320)으로 구성된다.

상기 상부 스테이터(200) 및 하부 스테이터(300)는 링 형상의 상부 몸체(210) 및 하부 몸체(310)가 출력축과 연결되고, 각각 상하부로 마그네트(100)의 양단부로부터 이격되어 배치된다.

상기 돌출편(220, 320)은 링 형상의 몸체로부터 외주방향 또는 내주방향으로 돌출될 수 있지만, 돌출편들이 링형상의 마그네트(100)의 양단부측을 마주보게 형성되는 것이 바람직하고, 상기 돌출편(220, 320)은 몸체(210, 310)로부터 내주방향으로 돌출되는 것이 더욱 바람직하다.

상기 스테이터(200, 300)는 자화가 가능한 재질로 구성되되 사출 등의 방법에 의하여 소프트한 재질로 구성되는 것이 바람직하다.

한편, 상기 스테이터(200, 300)의 일부분에는 자기소자(500)가 배치된다. 상기 자기소자(500)는 스테이터(200, 300)에 전기적으로 접촉되고 마그네트(100)와 상하부 돌출편(220, 320)의 자기 상호 작용에 의해 자화된 스테이터(200, 300)의 자화량을 검출한다. 상기 자기소자(500)는 상부 스테이터(200)에 부착될 수도 있고 하부 스테이터(300)에 부착될 수도 있으며, 양자 모두에 전기적으로 연결될 수도 있음은 물론이다.

상기 자기소자(500)는 바람직하게는 자기장의 세기를 감지할 수 있도록 홀소자(Hall IC)로 이루어진다.

한편, 상기 마그네트(100)가 마그네트 조각들이 연결되어 링 형상을 이루게 됨은 상기한 바와 같고, 상부 및 하부에서 마그네트(100)의 단부측에 마주보는 돌출편(220, 320)들은 각각 N극과 S극을 면하게 된다. 따라서, 상부 돌출편(220)과 하부 돌출편(320)의 개수는 마그네트(100)에 배치되는 극수와 동일하게 이루어지는 것이 바람직하다.

도 4는 본 발명에 따른 스티어링 시스템의 토크센서의 마그네트의 자속방향을 나타내는 사시도이다. 종래기술과는 달리 상기 마그네트의 자속방향은 축방향을 향하게 된다. 이러한 개념에 따라 돌출편(220, 320)이 축방향에서 마그네트(100)의 단부를 각각 마주보도록 형성될 수 있는 것이다. 도 4에서는 마그네트 조각이 4개로 형성되어 있으므로 각각 4극으로 형성됨을 이해할 수 있다.

상기와 같은 구성을 가짐에 따라, 본 발명에 따른 스티어링 시스템의 토크센서는 스티어링 휠을 조작하여 바퀴를 조향하게 되면, 바퀴의 저항에 따라 토션바가 비틀리게 되고, 마그네트(100)와 연결된 입력축과 스테이터(200, 300)와 연결된 출력축의 회전편차가 발생하게 되는 것이다. 즉, 토션바의 비틀림에 상응하여 스테이터(200, 300)에 대하여 마그네트(100)가 회전하게 된다.

상기와 같은 마그네트(100)의 회전에 의해 스테이터(200, 300)의 돌출편(220, 320)과 면하는 부분이 변화하게 되고, 이는 돌출편의 자화값의 변화량으로 측정될 수 있다.

도 5는 본 발명에 따른 토크센서의 자화도를 실험적으로 도시한 도면이며, 도 6은 회전량에 대한 자화량을 나타내는 그래프이다.

도 5의 좌측 도면은 마그네트(100)와 스테이터(200, 300)가 배치된 초기상태에서의 자화량을 나타내는 것으로, 밝은 부분에서 자화량이 큰 것을 의미한다. 초기상태에서 마그네트(100)의 극이 돌출편(220, 320) 사이의 오목한 요부를 중심으로 배치되어 있고 따라서, 돌출편(220, 320)의 자화량이 최소화 된다. 상기한 바와 같이 마그네트(100)가 스테이터(200, 300)에 대해 상대적으로 회전하게 되어 최대 회전량이 되면, 우측 도면에서와 같이 돌출편(220, 320)에서 자화량이 최대로 집중되게 된다.

자기소자(500)는 상기 돌출편(220, 320)의 특정 부위에 인접하여 배치되어 감지된 자화량을 측정하여 전기적인 신호로 출력할 수 있게 된다. 따라서, 본 발명의 스티어링 시스템의 토크센서가 축방향으로 자속이 형성되는 개념을 제시하고 있고, 이에 따라 자화량의 측정이 보다 정확하면서도 용이해질 수 있다. 결국, 종래기술의 컬렉터가 제외되어 스테이터에 직접 자기소자(500)가 결합할 수 있게 되므로, 작동 신뢰성과 함께 구조적 단순함도 제공됨에 유의하여야 한다.

한편, 도 6에서와 같이 본 발명의 개념에 따라 마그네트의 자속이 축방향으로 이루어지는 경우 측정값에 대한 데이터가 선형에 가까운 형태를 이루는 것에 주목하여야 한다. 여기서, 적절한 범위의 세팅값을 설정하는 경우 선형에 근사한 자화값을 추출할 수 있으며, 이는 회전 편차에 대한 정보가 선형적으로 감지될 수 있고 이러한 정보를 기초로 보조동력장치에 의한 출력샤프트의 회전보상이 정확하게 이루어질 수 있음을 의미한다.

이상에서, 본 발명은 실시예 및 첨부도면에 기초하여 상세히 설명되었다. 그러나, 이상의 실시예들 및 도면에 의해 본 발명의 범위가 제한되지는 않으며, 본 발명의 범위는 후술한 특허청구범위에 기재된 내용에 의해서만 제한될 것이다.

100...마그네트 200...상부 스테이터
210...상부 몸체 220...상부 돌출편
300...하부 스테이터 310...하부 몸체
320...하부 돌출편 500...자기소자

Claims (8)

1. 외력에 의하여 회전되며 중공이 형성된 마그네트;
   상기 마그네트의 일측단으로부터 이격되며 내부에 상기 중공과 대응하는 개구가 형성된 몸체 및 상기 마그네트의 상기 일측단과 평행하게 상기 몸체의 내측면으로부터 상기 몸체의 중심을 향해 돌출된 돌출편을 포함하는 스테이터; 및
   상기 스테이터와 결합되며 상기 스테이터의 자화량을 검출하는 자기소자를 포함하는 토크센서.
2. 제1항에 있어서,
   상기 스테이터는 상기 마그네트의 상기 일측단과 마주하게 배치된 상부 스테이터 및 상기 마그네트의 상기 일측단과 대향하는 타측단과 마주하게 배치된 하부 스테이터를 포함하고,
   상기 상부 스테이터 및 상기 하부 스테이터에 각각 형성된 돌출편의 개수는 상기 마그네트의 상기 일측단 및 상기 타측단에 형성된 극의 개수와 동일한 토크센서.
3. 제2항에 있어서,
   상기 상부 스테이터 및 상기 하부 스테이터에 각각 형성된 돌??편은 상호 어긋나게 배치된 토크 센서.
4. 제1항에 있어서,
   상기 돌출편은 상기 몸체의 상기 내측면으로부터 복수개가 단속적으로 돌출된 토크센서.
5. 제1항에 있어서,
   상기 마그네트는 복수개의 호 형상의 마그네트 조각들을 포함하며, 상기 마그네트 조각들은 각각 상기 마그네트의 축방향으로 착자된 토크 센서.
6. 제1항에 있어서,
   상기 돌출편은 상기 마그네트의 상기 일측단과 마주보게 배치된 토크 센서.
7. 제2항에 있어서,
   상기 자기소자는 상기 상부 스테이터 및 상기 하부 스테이터에 각각 형성된 돌출편 중 어느 하나에 형성된 토크 센서.
8. 중공이 형성된 마그네트, 상기 마그네트의 일측단으로부터 이격되며 내부에 상기 중공과 대응하는 개구가 형성된 몸체 및 상기 마그네트의 상기 일측단과 평행하게 상기 몸체의 내측면으로부터 상기 몸체의 중심을 향해 돌출된 돌출편을 포함하는 스테이터 및 상기 스테이터와 결합되며 상기 스테이터의 자화량을 검출하는 자기소자를 포함하는 토크센서;
   상기 마그네트의 상기 중공에 결합되는 입력축;
   상기 스테이터에 결합되는 출력축; 및
   상기 입력축과 상기 출력축을 연결하는 토션바를 포함하는 스티어링 시스템.

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