KR101774580B1 - 스티어링 시스템의 토크 센서 - Google Patents

Abstract

본 발명의 스티어링 시스템의 토크센서는 로터와, 상기 로터와 일정 갭을 두고 배치되는 스테이터와, 상기 로터와 스테이터에서 발생되는 자기장을 감지하는 홀 IC 및 상기 스테이터와 홀 IC 사이에 배치되는 컬렉터를 포함하고, 상기 로터는 링 형태의 마그넷 홀더와, 상기 마그넷 홀더의 외주면 중 일정 구간에만 구비되고 4 폴(pole)을 갖는 마그넷을 포함하며, 상기 스테이터는 스테이터 홀더의 외주면 중 일정 구간에만 고정되는 호 형태로 형성되고, 복수의 스테이터 투스가 형성도록 구성되어, 토크 센서의 제조비용을 최소화한다.

Description

스티어링 시스템의 토크 센서{TORQUE SENSOR OF STEERING SYSTEM}

본 발명은 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 토크 센서이다.

도 1은 종래기술에 따른 토크 센서를 도시한 사시도이며, 도 2는 이러한 토크 센서의 측면도이다. 입력축에는 로터(10)가 결합되고, 따라서 상기 로터(10)는 링 형상을 하게 된다.

출력축에는 스테이터(20)가 배치되는데, 상기 스테이터(20)는 로터(10)의 외주면에서 이격되어 배치된다.

로터(10)에 결합된 입력축과 스테이터(20)에 결합된 출력축의 회전량 차이에 의하여 토션바에 비틀림이 발생하면, 로터(10)와 스테이터(20)가 상대적으로 회전하게 되고, 이때 로터(10)의 외주면과 스테이터(20) 대향면이 변화하게 되어 자화값이 변화하게 되므로 이를 활용하면 토크를 측정할 수 있다.

이러한 자화값을 집중하기 위해 컬렉터(30)가 배치되고, 홀 IC(40)가 컬렉터(30)에 의해 집중된 자기값을 검출하게 되는 것이다.

상기와 같은 토크 센서의 컬렉터(30)는 스테이터(20)의 상부 및 하부에 배치되고, 스테이어(20)의 측부에서 홀 IC(40)와 연결된다.

상부 및 하부에 각각 배치된 한 쌍의 컬렉터(30)는 스테이터(20)의 외주 측에서 인접하는 구조로 이루어지는데, 그 일측이 홀 IC(40)와 연결을 위해 각각 수직방향으로 절곡되게 된다.

일반적으로 홀 IC(40)는 원주방향으로 나란하게 두 개가 배치되고 전압의 차이를 통해 토크 센서의 페일세이프 모드(fail safe mode)로 이용하는 방식을 사용한다.

스테이터(20)는 스테이터 홀더(미도시)의 상단과 하단에 각각 링 형태로 장착되고 일정 간격으로 스테이터 투스(Tooth)(22)가 형성된다.

로터(10)는 도 2에 도시된 바와 같이, 마그넷 홀더(12)와, 이 마그넷 홀더(12)의 외주면에 원주방향으로 N극과 S극이 반복하여 배열되는 복수의 마그넷(14)을 포함한다.

하지만, 이와 같은 종래 기술에 따른 토크 센서는 마그넷이 마그넷 홀더의 원주방향으로 배열되어 링 형태를 이루고, 스테이터가 스테이터 홀더에 링 형태로 고정되므로, 제조비용이 증가되고 조립이 어려운 문제점이 있다.

본 발명은 상기한 문제점을 해소하기 위하여 안출된 것으로, 스테이터 구조를 단순화하고 마그넷의 갯수를 줄일 수 있어 제조비용을 줄일 수 있는 스티어링 시스템의 토크 센서를 제공하기 위한 것이다.

또한, 본 발명은 오토바이나 전동 자전거 등 조향 핸들각이 1턴(Turn) 이하의 구동 기기에 적합한 토크 센서를 제공하기 위한 것이다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상기한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 스티어링 시스템의 토크 센서는 로터와, 상기 로터와 일정 갭을 두고 배치되는 스테이터와, 상기 로터와 스테이터에서 발생되는 자기장을 감지하는 홀 IC 및 상기 스테이터와 홀 IC 사이에 배치되는 컬렉터를 포함하고, 상기 로터는 링 형태의 마그넷 홀더와, 상기 마그넷 홀더의 외주면 중 일정 구간에만 구비되고 4 폴(pole)을 갖는 마그넷을 포함하고, 상기 스테이터는 스테이터 홀더의 외주면 중 일정 구간에만 고정되는 호 형태로 형성되고, 복수의 스테이터 투스가 형성된다.

일 실시예에 따른 마그넷은 상기 마그넷 홀더의 90도 이상 180도 이하의 구간에 설치되고, N극과 S극을 갖는 두 개의 마그넷으로 구성된다.

일 실시예에 따른 스테이터는 상기 스테이터 홀더의 90도 이상 180도 이하의 호 형태로 형성되고, 스테이터 투스는 적어도 두 개 이상으로 구성된다.

전술한 내용과 같이 구성된 본 발명에 따른 스티어링 시스템의 토크 센서는 마그넷이 마그넷 홀더의 일정 구간에만 배열되어 마그넷의 개수를 최소화하고, 스테이터가 스테이터 홀더의 일정 구간에만 고정되는 호 형태로 형성하여, 토크 센서의 제조비용을 최소화한다.

도 1은 종래기술에 따른 토크 센서의 사시도이다.
도 2는 종래기술에 따른 로터의 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 토크 센서의 사시도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 로터의 단면도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 토크 자속밀도를 나타낸 그래프이다.

이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 실시예를 상세히 설명한다. 이 과정에서 도면에 도시된 구성요소의 크기나 형상 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시될 수 있다. 또한, 본 발명의 구성 및 작용을 고려하여 특별히 정의된 용어들은 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 한다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 스티어링 시스템의 토크 센서의 사시도이고, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 로터의 단면도이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 토크 센서는 로터(100)와, 이 로터(100)의 외주면에 배치되어 로터(100)와 상호 작용하는 스테이터(200,300)와, 스테이터(200,300)와 로터(100) 사이에서 발생되는 자기장을 감지하는 홀 IC(400)를 포함한다.

로터(100)는 입력축의 외주면에 배치되어 함께 회전하도록 결합되고, 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 된다.

여기에서, 로터(100)가 출력축에 연결되고 스테이터(200, 300)가 입력축에 연결될 수 있음은 물론이다.

본 실시예에 따른 토크 센서는 조타시 토크 리플(Torque Ripple)이 필요하지 않을 경우나, 조향 핸들각이 1 턴(Turn) 이하일 경우에 적용되는 토크 센서이다.

즉, 본 실시예에서는 로터(100)와 스테이터(200,300)의 구조를 개선하여 오토바이나, 전동 자전거에 설치되어 조향 토크를 측정을 하기 적합하고 기존 토크 센서에 비해 제조비용을 최대한 낮출 수 있는 토크 센서를 제공하고자 한다.

로터(100)는 도 4에 도시된 바와 같이, 링 형상으로 형성되고 절연 재질의 마그넷 홀더(110) 외주면에 마그넷(120)이 배열되는 형상으로 이루어진다. 여기에서, 상기 로터(100)는 마그넷만으로 배열될 수도 있음은 물론이다.

마그넷(120)는 마그넷 홀더(110)의 일정 구간에만 설치되어 마그넷의 개수를 줄여서 제조비용을 줄인다.

즉, 마그넷(120)은 마그넷 홀더(110)의 90도 이상 180도 이하의 구간에 설치되고, 적어도 2 개 이상으로 구성될 수 있다. 보다 구체적으로, 마그넷(120)은 상호 극성이 반대가 되도록 교차되게 배열되는 4 폴(Pole)을 갖는 2 개으로 마그넷으로 구성되는 것이 바람직하다.

이와 같이, 마그넷 홀더(110)의 일정 구간에만 마그넷(120)이 배치되므로 마그넷(120)의 갯수를 현저하게 줄일 수 있고 이에 따라 토크 센서의 제조비용을 최소화할 수 있게 된다.

스테이터(200,300)는 링 형태로 형성되는 스테이터 홀더(미도시)의 외면 일정 구간에만 고정되고 스테이터 홀더의 내주면에 결합되는 복수의 스테이터 투스(Tooth)(220,320)가 형성된다.

즉, 스테이터(200,300)는 호 형태로 형성되어 스테이터 홀더의 일정 구간에만 고정되고, 복수의 스테이터 투스(220,320)가 절곡되어 스테이터 홀더(210)의 내면에 일정 간격을 두고 배열된다.

본 실시예에 따른 스테이터(200,300)는 90도 이상 180도 이하의 호 형태로 형성되어, 스테이터 홀더의 일부 구간에만 고정되고, 스테이터 투스(220,320)의 개수도 이 구간에만 형성되므로 줄어들게 된다.

따라서, 스테이터의 제조비용을 줄일 수 있게 되고 이에 따라 토크센서의 제조비용을 최소화할 수 있다.

이러한 스테이터(200,300)는 한 쌍으로 구성된다. 즉, 스테이터 홀더의 상측에 고정되고 스테이터 투스(220)가 형성되는 제1스테이터(200)와, 스테이터 홀더의 하측에 고정되고 스테이터 투스(320)가 형성되는 제2스테이터(300)로 구성되고, 제1스테이터(200)와 제2스테이터(300)의 스테이터 투스(220,320)는 일정 간격을 두고 상호 맞물리는 형태로 배치된다.

스테이터(200, 300)에는 스테이터(200, 300)에 유도된 자화량을 검출할 수 있도록 집중하는 역할을 하는 컬렉터(500)가 전기적/자기적으로 연결된다.

이러한 컬렉터(500)는 자화량을 집중하여야 하기 때문에 자성체로 이루어진다.

또한, 컬렉터(500)에 집중된 자화량을 검출하기 위해 홀 IC(400)가 연결된다. 상기 홀 IC(400)는 컬렉터(500)와 일정 갭을 두고 배치되는 듀얼 홀 IC가 사용되는 것이 바람직하다.

홀 IC(400)는 Dual Programmable Linear Effect IC를 의미하는 것으로, 종래의 두 개의 홀 IC가 배치된 것과 같은 기능을 하나의 부품에서 수행할 수 있도록 한다.

한편, 종래에는 두 개의 홀 IC가 배치되므로 별도의 신호라인에 의해 인쇄회로기판에 연결되는 구조를 가지게 되지만, 본 발명의 개념에 따라 단일의 듀얼 홀 IC(400)가 배치되므로 인쇄회로기판(410)과 직접 연결되어 구조적으로도 단순한 이점이 있음에 유의하여야 한다.

컬렉터(500)는 홀 IC(400)와 인접하게 배치되고, 제1스테이터(200)와 제2스테이터(300)의 상면과 하면에 인접하여 배치된다.

컬렉터(500)는 구체적으로, 제1스테이터(200)의 상면에 제1스테이터(200)와 수평하게 배치되고 그 일측으로 수직으로 연장되는 제1컬렉터(510)와, 제2스테이터(300)의 하면에 제2스테이터(300)와 수평하게 배치되고 그 일측이 수직으로 연장되어 제1컬렉터(510)와 마주보게 배치되는 제2컬렉터(520)를 포함한다.

도 5의 그래프에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 토크 센서의 홀 IC에서 검출된 자속밀도는 클램프 존의 설정으로 직선 형태로 증대되는 것을 확인할 수 있다.

이와 같이, 구성되는 본 발명의 일 실시예에 따른 토크 센서는 조타시 토크 리플(Torque Ripple)이 불필요하거나 조향 핸들각이 1 턴(Turn) 이하일 경우 적용되는 토크 센서로서, 마그넷의 갯수를 줄이고 스테이터의 구조를 최소화할 수 있게 된다.

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: 로터 110: 마그넷 홀더
120: 마그넷 200: 제1스테이터
220: 스테이터 투스 300: 제2스테이터
320: 스테이터 투스 400: 홀 IC
500: 컬렉터 510: 제1컬렉터
520: 제2컬렉터

Claims (6)

1. 로터와, 상기 로터와 일정 갭을 두고 상기 로터의 외측에 배치되는 스테이터와, 상기 로터와 상기 스테이터에서 발생되는 자기장을 감지하는 홀 IC 및 상기 스테이터와 상기 홀 IC 사이에 배치되는 콜렉터를 포함하고,
   상기 로터는 링 형태의 마그넷 홀더와, 상기 마그넷 홀더의 외주면 중 일부에 배치되어 4폴(pole)을 갖는 호 형상의 마그넷을 포함하고,
   상기 스테이터는, 상기 마그넷의 배치 영역과 대응하도록 호 형상으로 형성되어, 스테이터 홀더의 외주면 중 일부에 배치되며,
   상기 스테이터는 상기 스테이터 홀더의 상단에 배치되는 제1스테이터와, 상기 스테이터 홀더의 하단에 배치되는 제2스테이터를 포함하고,
   상기 홀 IC는 상기 제1스테이터와 상기 제2스테이터의 사이에 배치되며,
   상기 콜렉터는 상기 제1스테이터의 상면에 상기 제1스테이터와 수평하게 배치되고 일측이 측 방향으로 수직하게 연장되는 제1콜렉터와, 상기 제2스테이터의 하면에 상기 제2스테이터와 수평하게 배치되고 일측이 측 방향으로 수직으로 연장되어 상기 제1콜렉터와 마주보게 배치되는 제2콜렉터를 포함하며,
   상기 스테이터는 상기 스테이터 홀더의 90도 이상 180도 이하의 구간에서 호 형태로 형성되고,
   상기 스테이터 홀더의 내면에서 절곡 형성되며, 상호 일정 간격을 두고 배열되는 복수의 스테이터 투스를 포함하며,
   상기 스테이터 투스는 상기 스테이터의 배치 영역과 대응되는 스티어링 시스템의 토크 센서.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 마그넷은 상기 마그넷 홀더의 90도 이상 180도 이하의 구간에 설치되고, N극과 S극을 갖는 두 개의 마그넷으로 구성되는 스티어링 시스템의 토크 센서.
3. 삭제
4. 삭제
5. 삭제
6. 제1항에 있어서,
   상기 홀 IC는 제1콜렉터와 제2콜렉터 사이에 배치되는 듀얼 홀 IC인 스티어링 시스템의 토크센서.

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