KR101817769B1 - 스티어링 각도 감지 장치 - Google Patents

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Abstract

일 실시예에 따른 스티어링 휠의 회전 각도를 감지하는 스티어링 각도 감지 장치는, 상기 스티어링 휠에 연결된 스티어링 샤프트와 연동하여 회전하는 메인 기어; 및 상기 메인 기어와 맞물려 회전하고 마그넷을 포함하는 복수의 서브 기어를 포함하고, 상기 메인 기어 및 상기 복수의 서브 기어의 중심들을 연결하여 얻어지는 트라이앵글의 면적이 334㎟ 이상이고 528㎟ 이하이다.

Description

스티어링 각도 감지 장치{Apparatus for detecting steering angle}
본 발명은 스티어링 각도 감지 장치에 관한 것으로, 보다 구체적으로 차량의 스티어링 휠의 회전 각도를 감지하는 스티어링 각도 감지 장치에 관한 것이다.
일반적으로 자동차에 필수적으로 적용되는 스티어링 장치는 자동차의 경로 및 진행 방향을 운전자의 요구에 따라 전환하는 장치로서, 기본적으로 운전자가 조작하게 되는 스티어링 휠(Steering wheel)과, 상기 스티어링 휠과 연동하여 조작력을 전달하는 스티어링 샤프트(Steering shaft)와, 상기 스티어링 샤프트에 설치되어 스터이링 휠의 회전 각도를 감지하는 스티어링 각도 감지 장치를 포함한다.
이 중 스티어링 각도 감지 장치는 일반적으로 AMR(Anisotropic Magneto Resistive) 센서를 사용한 마그네틱 방식이 널리 사용되고 있다. 이러한 마그네틱 방식은 일반적으로 스티어링 샤프트에 연결된 메인 기어에, 마그넷이 삽입된 복수의 서브 기어를 맞물려 결합한 후, 서브 기어들의 회전에 따른 자기장 변화를 측정하여 스티어링 휠의 회전 각도를 계산한다.
도 1은 종래 기술에 의한 일반적인 스티어링 각도 감지 장치의 구성을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 종래 기술에 의한 일반적인 스티어링 각도 감지 장치는 차량의 스티어링 샤프트(미도시)가 관통 결합되어 스티어링 샤프트와 일체로 회전하는 하나의 메인 기어(110)와, 메인 기어(110)와 맞물림되어 회전하는 제 1 및 제 2 서브 기어(120a, 120b)를 포함하여 구성된다. 제 1 및 제 2 서브 기어(120a, 120b)에는 각각 제 1 및 제 2 서브 기어(120a, 120b)와 일체로 회전하도록 제 1 및 제 2 마그넷(130a, 130b)이 결합되며, 제 1 및 제 2 서브 기어(120a, 120b)의 외측에는 제 1 및 제 2 마그넷(130a, 130b)의 자기장 변화를 감지하는 제 1 및 제 2 감지 센서(140a, 140b)가 장착된다. 이때, 제 1 및 제 2 감지 센서(140a, 140b)는 AMR(Anisotropic Magneto Resistive) 센서가 사용된다.
따라서, 운전자가 스티어링 휠(미도시)을 회전 조작함에 따라 스티어링 샤프트가 회전하면, 메인 기어(110)가 회전하고 이에 따라 제 1 및 제 2 서브 기어(120a, 120b)와 제 1 및 제 2 마그넷(130a, 130b)이 회전한다. 이러한 제 1 및 제 2 마그넷(130a, 130b)의 회전에 따른 자기장 변화는 제 1 및 제 2 감지 센서(140a, 140b)에 의해 감지되고, 각각의 감지 신호는 연산부(150)로 전송되어 별도의 알고리즘을 통해 스티어링 휠의 회전 각도가 산출된다.
본 발명의 발명자들은 전술한 마그네틱 방식의 스티어링 각도 감지 장치에서, 메인 기어와 두 서브 기어의 배치 구조가 성능에 큰 영향을 주는 것을 알게 되었다.
따라서, 본 발명은 메인 기어와 두 서브 기어 간의 배치를 최적화하여 회전 각도 측정의 에러율을 감소시킨 스티어링 각도 감지 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
일 실시예에 따른 스티어링 휠의 회전 각도를 감지하는 스티어링 각도 감지 장치는, 상기 스티어링 휠에 연결된 스티어링 샤프트와 연동하여 회전하는 메인 기어; 및 마그넷을 포함하고, 상기 메인 기어와 맞물려 회전하는 복수의 서브 기어를 포함하고, 상기 메인 기어 및 상기 복수의 서브 기어의 중심들을 연결하여 얻어지는 트라이앵글의 면적이 334㎟ 이상이고 528㎟ 이하이다.
바람직하게, 상기 메인 기어 및 상기 복수의 서브 기어 중 하나의 서브 기어의 중심 간 거리는, 27㎜ 이상이고 38㎜ 이하이며, 상기 메인 기어 및 상기 복수의 서브 기어 중 다른 서브 기어의 중심 간 거리는, 27.5㎜ 이상이고 38.5㎜ 이하이다.
더 바람직하게는, 상기 복수의 서브 기어의 중심 간 거리는, 25㎜ 이상이고 35㎜ 이하이다.
일 실시예에 따르면, 메인 기어와 두 서브 기어의 배치를 최적화하여 스티어링 휠의 회전 각도 측정의 에러율을 감소시킨다.
일 실시예의 스티어링 각도 감지 장치는 차량 운전자의 스트어링 휠의 조작 정확도를 높일 수 있다.
도 1은 종래 기술에 의한 일반적인 스티어링 각도 감지 장치의 구성을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는 일 실시예에 따른 스티어링 각도 감지 장치의 메인 기어와 두 개의 서브 기어의 맞물림 구조를 설명하는 도면이다.
도 3은 일 실시예에 따른 맞물린 두 기어의 중심 간 거리를 나타낸 도면이다.
도 4는 일 실시예에 따른 스티어링 각도 감지 장치의 테스트 환경을 나타낸 도면이다.
도 5는 표2의 그래프이다.
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 2는 일 실시예에 따른 스티어링 각도 감지 장치의 메인 기어(210)와 두 개의 서브 기어(230, 240)의 맞물림 구조를 설명하는 도면이다. 일 실시예에서 안정적인 감지 기능을 확보하기 위하여 두 개의 서브 기어(230, 240)는 대칭적으로 배치되는 구조를 취한다. 각 서브 기어(230, 240)의 상부에는 내부에 마그넷이 설치된다. 그리고 각 서브 기어(230, 240)의 외측, 바람직하게는 각 서브 기어(230, 240)의 마그넷의 수직 방향에 일정한 이격 거리를 두고 자기 센서가 마그넷에 대향하여 설치된다. 스티어링 샤프트의 회전에 따라 메인 기어(210)가 회전하면, 메인 기어(210)에 맞물린 두 개의 서브 기어(230, 240)도 회전을 하게 되고, 이때 두 개의 서브 기어(230, 240)의 마그넷에 의한 자기장 변화가 자기 센서에 의해 감지된다.
일반적으로 맞물려 회전하는 두 개의 기어의 크기를 크게 할수록 백래시(backlash)가 증가하여 물림률이 현저히 떨어지게 된다. 백래시는 두 개의 기어가 맞물렸을 때 두 개의 이빨의 치면 사이에 생기는 틈새이다. 따라서 스티어링 각도 감지 장치의 메인 기어(210)와 두 개의 서브 기어(230, 240)의 크기를 크게 할 경우 물림률 저하에 의한 스티어링 각도의 측정 에러율이 증가한다. 본 발명의 발명자들은, 백래시를 줄이고 물림률을 향상시키기 위해 메인 기어(210) 및 두 개의 서브 기어(230, 240)의 크기를 줄이는 노력을 하였다. 그러나, 여전히 스티어링 각도의 측정 에러율은 의미있는 수준으로 줄어들지 않는 것이 확인되었다. 본 발명의 발명자는 메인 기어(210) 및 두 개의 서브 기어(230, 240)의 크기를 줄일 경우, 두 개의 서브 기어(230, 240) 간의 거리가 가까워져, 각 서브 기어(230, 240)에 설치된 마그넷 간에 자기장 간섭이 발생하고, 이에 따라 스티어링 각도의 측정값에 에러가 발생하는 것으로 생각하였다. 이에 발명자들은 메인 기어(210)와 서브 기어(230, 240)의 크기를 그대로 두고 서브 기어(230, 240) 간의 거리를 멀어지게 하였으나, 회전 각도의 측정 에러율이 이에 반드시 비례하여 줄어들지 않는 것을 확인하였다. 발명자들은 많은 노력 끝에 기어(210, 230, 240)들의 크기와 마그넷이 설치되는 두 개의 서브 기어(230, 240) 간의 거리가 종합적으로 에러율에 영향을 미치는 것을 확인하였다. 즉 기어(210, 230, 240)들의 중심점을 연결하여 얻어지는 트라이앵글의 면적이 에러율에 직접적인 영향을 미치는 것을 확인하였다.
도 2를 참조하면, 기어(210, 230, 240)들의 중심점을 연결하여 얻어지는 트라이앵글의 면적(A)은 다음 수학식1로 계산된다.
Figure 112016109526947-pat00001
R1은 메인 기어(210)과 서브 기어(230)의 중심 간 거리이고, R2는 메인 기어(210)와 서브 기어(240)의 중심 간 거리이며, L은 두 서브 기어(230, 240)의 중심 간 거리이다.
도 3은 일 실시예에 따른 맞물린 두 기어의 중심 간 거리를 나타낸 도면으로, 메인 기어(210)와 서브 기어(230)의 중심 간 거리를 나타낸 것이다. 도 3을 참조하면, 메인 기어(210)와 서브 기어(230)의 중심 간 거리는, 메인 기어(210)의 피치원(pitch circle)(211)의 반경(r1), 서브 기어(230)의 피치원(231)의 반경(r2), 그리고 두 피치원(211, 231) 사이의 최단 거리(d)의 합이다. 메인 기어(210)와 서브 기어(240)의 중심 간 거리도 동일하게 계산된다.
이와 같이 스티어링 각도 감지 장치의 세 개의 기어(210, 230, 240)들의 중심점을 연결하여 얻어지는 트라이앵글의 면적(A)이 334㎟ 이상이면서 528㎟ 이하일 때 스티어링 각도의 측정 에러율은 의미있는 수준으로 줄어든다. 이때, 메인 기어(210)와 서브 기어(230)의 중심 간 거리(R1)는, 27㎜ 이상이면서 38㎜ 이하인 것이 바람직하다. 그리고 메인 기어(210)와 서브 기어(240)의 중심 간 거리(R2)는, 27.5㎜ 이상이면서 38.5㎜ 이하인 것이 바람직하다. 그리고 서브 기어(230)와 서브 기어(240)의 중심 간 거리(L)는, 25㎜ 이상이면서 35㎜ 이하인 것이 바람직하다.
이하에서 세 개의 기어(210, 230, 240)들의 중심점을 연결하여 얻어지는 트라이앵글의 면적(A)에 따른 스티어링 각도 감지 장치의 성능 실험 결과를 설명한다.
샘플 제작
세 개의 기어(210, 230, 240)들의 중심점을 연결하여 얻어지는 트라이앵글의 면적(A)이 서로 다른 10개의 스티어링 각도 감지 장치를 준비한다. 10개의 스티어링 각도 감지 장치 각각의 기어들(210, 230, 240)의 중심 간 거리, 그리고 기어(210, 230, 240)들의 중심점을 연결하여 얻어지는 트라이앵글의 면적(A)은 다음 [표1]과 같다.
구분 R1(㎜) R2(㎜) L(㎜) A(㎟)
비교예 1 24 24.5 24 253
비교예 2 25 25.5 27 288
비교예 3 26 26.5 32 333
실시예 1 27 27.5 29 334
실시예 2 28 28.5 35 388
실시예 3 37 37.5 25 439
실시예 4 38 38.5 30 528
비교예 4 39 39.5 29 529
비교예 5 40 40.5 36 648
비교예 6 41 41.5 38 696
[표1]을 참조하면, 첫 번째 행부터 마지막 행까지 트라이앵글의 면적(A)은 증가하고 있다. 비교예 1 내지 비교예 3은, 세 개의 기어(210, 230, 240)들의 중심점을 연결하여 얻어지는 트라이앵글의 면적(A)이 334㎟ 미만이다. 실시예 1 내지 실시예 4는, 세 개의 기어(210, 230, 240)들의 중심점을 연결하여 얻어지는 트라이앵글의 면적(A)이 334㎟ 이상이면서 528㎟ 이하이다. 비교예 4 내지 비교예 6은, 세 개의 기어(210, 230, 240)들의 중심점을 연결하여 얻어지는 트라이앵글의 면적(A)이 528㎟ 초과이다.
성능 측정
성능 측정은 SAS(Steering Angle Sensor) Perfomance Tester를 이용하여 측정한다. 도 4는 일 실시예에 따른 스티어링 각도 감지 장치의 테스트 환경을 나타낸 도면이다. 도 4에 도시된 바와 같이, 스티어링 각도 감지 장치(430)를 모터(410)의 회전축의 일단에 체결하고, 그 회전축의 타단에 엔코더(encoder)(420)를 체결한다. 여기서 모터(410)의 회전축은 차량의 스티어링 샤프트의 역할을 대신하게 되고, 회전 속도는 100rpm이다. 연산기(440)는, 스티어링 각도 감지 장치(430)의 출력값과, 엔코더(420)로부터 수신되는 출력값을 이용하여 세 개의 파라미터를 산출한다. 세 개의 파라미터는, Non-linearity, Hysteresis, Error band이다. 연산기(440)는, [표1]의 각 스티어링 각도 감지 장치마다, 4~5초 동안 10ms 단위로 출력값을 수신하여, 상기 세 개의 파라미터의 최대(max) 값과 최소(min) 값을 산출한다.
Error band는, 회전축의 실제 회전 각도와 스티어링 각도 감지 장치(430)에서 측정한 회전 각도의 차이를 의미한다. 실시예에서, 엔코더(420)의 출력값과 스티어링 각도 감지 장치(430)의 출력값의 차이를 의미한다.
Non-linearity는, 스티어링 각도 감지 장치(430)에서 얼마나 선형적으로 회전 각도를 측정하고 있는지를 의미하는 값이다. 스티어링 각도 감지 장치(430)에서 측정된 값들의 추세선과 각 측정된 값의 차이이다.
hysteresis는, 한 지점, 즉 특정 회전 각도에서 발생할 수 있는 최대 오차 범위를 의미한다.
상기 세 개의 파라미터가 0에 가까울수록 제품의 신뢰도가 높다고 판단한다.
구체적으로, [표1]의 10개의 스티어링 각도 감지 장치의 상기 세 개의 파라미터의 값은 다음 [표2]와 같다. 도 5는 표2의 그래프이다.
구분 Non-linearity Hysteresis Error band
Min Max Min Max Min Max
비교예 1 -0.81 0.82 0.73 1.5 -1.13 1.2
비교예 2 -0.71 0.81 0.71 1.46 -0.99 1
비교예 3 -0.78 0.86 0.79 1.56 -0.95 0.97
실시예 1 -0.47 0.45 0.39 1.06 -0.47 0.51
실시예 2 -0.45 0.4 0.35 1.01 -0.5 0.52
실시예 3 -0.43 0.41 0.28 1.05 -0.43 0.47
실시예 4 -0.38 0.31 0.3 1 -0.33 0.4
비교예 4 -0.81 0.77 0.86 1.41 -0.89 0.9
비교예 5 -0.83 0.78 0.88 1.42 -0.82 0.92
비교예 6 -0.85 0.8 0.9 1.46 -0.85 0.89
[표1], [표2] 및 도 5를 참조하면, 비교예 1 내지 비교예 6은 Non-linearity의 최소 값(Min)이 -0.71 이하이고 최대 값(Max)이 0.77 이상이다. 반면 실시예 1 내지 실시예 4는 Non-linearity의 최소 값(Min)이 -0.47 이상이고 최대 값(Max)이 0.45 이하로서 비교예들에 비해 0에 더 가깝다. 그리고, 비교예 1 내지 비교예 3과, 실시예1을 비교하면, 면적(A)이 334㎟ 이상이 되는 순간, Non-linearity의 최소 값(Min) 및 최대 값(Max)은 급격하게 0에 가까워진다. 그리고 비교예 4 내지 비교예 6과, 실시예 4를 비교하면, 면적(A)이 528㎟ 초과하는 순간, Non-linearity의 최소 값(Min) 및 최대 값(Max)은 급격하게 0에서 멀어진다.
Hysteresis와 관련하여, 비교예 1 내지 비교예 6은 Hysteresis 최소 값(Min)이 0.71 이상이고 최대 값(Max)이 1.41 이상이다. 반면 실시예 1 내지 실시예 4는 Hysteresis의 최소 값(Min)이 0.39 이하이고 최대 값(Max)이 1.06 이하로서 비교예들에 비해 0에 더 가깝다. 그리고, 비교예 1 내지 비교예 3과, 실시예1을 비교하면, 면적(A)이 334㎟ 이상이 되는 순간, Hysteresis의 최소 값(Min) 및 최대 값(Max)은 급격하게 0에 가까워진다. 그리고 비교예 4 내지 비교예 6과, 실시예 4를 비교하면, 면적(A)이 528㎟ 초과하는 순간, Hysteresis의 최소 값(Min) 및 최대 값(Max)은 급격하게 0에서 멀어진다.
Error band와 관련하여, 비교예 1 내지 비교예 6은 Error band 최소 값(Min)이 -0.82 이하이고 최대 값(Max)이 0.89 이상이다. 반면 실시예 1 내지 실시예 4는 Error band의 최소 값(Min)이 -0.5 이상이고 최대 값(Max)이 0.52 이하로서 비교예들에 비해 0에 더 가깝다. 그리고, 비교예 1 내지 비교예 3과, 실시예1을 비교하면, 면적(A)이 334㎟ 이상이 되는 순간, Error band의 최소 값(Min) 및 최대 값(Max)은 급격하게 0에 가까워진다. 그리고 비교예 4 내지 비교예 6과, 실시예 4를 비교하면, 면적(A)이 528㎟ 초과하는 순간, Error band의 최소 값(Min) 및 최대 값(Max)은 급격하게 0에서 멀어진다.
따라서, 스티어링 각도 감지 장치의 세 개의 기어(210, 230, 240)들의 중심점을 연결하여 얻어지는 트라이앵글의 면적(A)이 334㎟ 이상이면서 528㎟ 이하인 것이 가장 최적, 즉 베스트 모드인 것을 알 수 있다. 이때, [표1]을 참조하면, 메인 기어(210)와 서브 기어(230)의 중심 간 거리(R1)는, 27㎜ 이상이면서 38㎜ 이하인 것이 바람직하다. 그리고 메인 기어(210)와 서브 기어(240)의 중심 간 거리(R2)는, 27.5㎜ 이상이면서 38.5㎜ 이하인 것이 바람직하다. 그리고 서브 기어(230)와 서브 기어(240)의 중심 간 거리(L)는, 25㎜ 이상이면서 35㎜ 이하인 것이 바람직하다.
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.
210 : 메인 기어
230, 240 : 서브 기어
211, 231 : 피치원
410 : 모터
420 : 엔코더
430 : 스티어링 각도 감지 장치
440 : 연산기

Claims (3)

  1. 스티어링 휠의 회전 각도를 감지하는 스티어링 각도 감지 장치에 있어서,
    상기 스티어링 휠에 연결된 스티어링 샤프트와 연동하여 회전하는 메인 기어; 및
    마그넷을 포함하고, 상기 메인 기어와 맞물려 회전하는 복수의 서브 기어를 포함하고,
    상기 메인 기어 및 상기 복수의 서브 기어의 중심들을 연결하여 얻어지는 트라이앵글의 면적이 334㎟ 이상이고 528㎟ 이하인 스티어링 각도 감지 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 메인 기어 및 상기 복수의 서브 기어 중 하나의 서브 기어의 중심 간 거리는, 27㎜ 이상이고 38㎜ 이하이며,
    상기 메인 기어 및 상기 복수의 서브 기어 중 다른 서브 기어의 중심 간 거리는, 27.5㎜ 이상이고 38.5㎜ 이하인 스티어링 각도 감지 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 복수의 서브 기어의 중심 간 거리는, 25㎜ 이상이고 35㎜ 이하인 스티어링 각도 감지 장치.
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