KR102348885B1 - 차량용 액추에이터 - Google Patents

Abstract

본 발명은 모터의 로터의 회전을 감지하는 위치 센서와 상기 모터로부터 구동력을 전달받는 출력 샤프트의 회전을 감지하는 위치 센서를 함께 구비한 전자식 변속 기구를 구동하기 위한 차량용 액추에이터에 관한 것이다.
상기 차량용 액추에이터는, 회전력을 생성하는 모터; 상기 모터에서 생성된 회전력을 전달하는 동력 전달부; 상기 전달된 회전력에 의해 회전하는 출력 샤프트; 상기 모터에 형성된 로터의 회전량을 감지하는 제1 자기 센서; 상기 출력 샤프트의 회전량을 감지하는 제2 자기 센서; 및 상기 제1 자기 센서를 상기 모터 쪽을 향하는 제1 면에 구비하고, 상기 제2 자기 센서를 상기 출력 샤프트 쪽을 향하는 제2 면에 구비하는 회로 기판으로 이루어진다.

Description

차량용 액추에이터{Actuator for a vehicle}

본 발명은 차량용 액추에이터에 관한 것으로, 보다 상세하게는 모터의 회전을 감지하는 위치 센서와, 상기 모터에 의해 구동되는 출력 샤프트의 회전을 감지하는 위치 센서를 함께 구비하여 전자식 변속 기구를 구동하기 위한 차량용 액추에이터에 관한 것이다.

일반적으로 자동차에 사용되는 자동변속기는 P단, R단, N단, D단, S단과 같은 순서로 작동되는 변속모드를 가지며, 주행시 자동차 속도 등에 따라 변속단이 자동으로 변경되는 자동변속기를 장착한 차량의 경우 운전자가 자동변속기의 변속모드를 운전 상황에 따라 인위적으로 변경시킬 수 있게 하는 변속 레버가 설치된다.

자동변속기 차량의 운전자는 상기 변속 레버를 조작하여 자동변속기의 변속모드를 운전 상황에 따라 주차(P단), 후진(R단), 중립(N단), 주행(D단) 등의 모드로 선택적으로 조종할 수 있다.

종래에는 운전자가 조작하는 변속 레버가 기계적인 메커니즘을 통해 자동변속기에 직결되어 변속 레버에 가해진 조작력을 자동변속기에 직접적으로 전달하여 변속모드가 조정되는 팁트로닉 타입의 모드전환장치가 주로 사용되었다.

그러나, 이와 같이 기계적 메커니즘을 통해 변속모드가 전환되는 종래 자동변속기용 모드전환장치는 모드 전환시 변속모드 조정에 필요한 힘을 변속 기구를 통해 직접 가해야 했기 때문에 운전 편의성이 떨어지는 문제점이 있었다. 또한, 변속 기구가 운전석 옆측의 콘솔 중앙에 설치되기 때문에 자동차 실내공간의 활용도를 떨어뜨리는 요인이 되어 왔다.

이로 인해, 약간의 조작력만 가하면 사전 설정된 방향과 변위량으로 조작됨으로써 전자제어장치가 그 이동방향과 변위량 등을 감지한 다음 예컨대 액추에이터나 전동모터 등의 작동매체에 의해 자동변속기의 변속모드를 변경할 수 있도록 구성된 전자식 변속 기구들이 개발되고 있다.

이러한 시프트 바이 와이어(SBW) 방식의 전자식 변속 기구는 버튼식, 로터리식 등 전자식으로 변속하는 장치이다. 전자식 변속 기구는 케이블로 연결되는 전통적인 방식이 아니어서 디자인적 우수성, 조작의 편의성 등의 장점으로 인해 점차 그 비중이 확대되고 있다.

또한, 이같은 전자식 변속 기구의 적용으로 인해 차량의 실내 설계 자유도도 크게 향상되었다. 센터 페이스에 크게 자리하던 변속 레버를 대신해 다양한 위치에 배치 가능한 변속 버튼이나 변속 다이얼은 주변 공간을 다양하게 활용할 수 있고 차종별 부품의 공유도 쉽다는 장점을 제공한다.

반면에, 기존 기계식 변속 기구에 비해 직관성에서 부족한 점이 있고 기계적인 동작의 확실성 대비 오작동의 우려도 있는 것도 사실이다. 따라서, 전자식 변속 기구는 기본적 구동력을 제공하는 모터의 회전과, 그 모터로부터 동력을 전달받아 변속 기구를 움직이는 출력 샤프트의 움직임을 각각 감지하는 위치 센서들이 요구되며, 이러한 위치 센서들의 감지를 통해 변속단의 현재 위치를 운전자에게 정확히 표시함과 동시에 피드백 제어도 가능하여야 한다. 또한, 차량의 실내공간의 설계 자유도를 향상시키기 위해, 상기 전자식 변속 기구를 구동하는 액추에이터를 소형화할 필요성도 함께 요구된다.

미국특허공보 제10,125,699호 (2018.11.13 등록)

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 모터의 회전을 감지하는 위치 센서와 상기 모터로부터 구동력을 전달받는 출력 샤프트의 회전을 감지하는 위치 센서를 함께 구비하여, 전자식 변속 기구를 보다 정확히 구동하기 위한 차량용 액추에이터를 제공하고자 하는 것이다.

본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는, 상기 액추에이터의 소형화를 통해 차량의 실내공간의 설계 자유도를 향상시키는 것이다.

본 발명이 이루고자 하는 또다른 기술적 과제는, 상기 모터의 회전을 감지하는 위치 센서와 상기 출력 샤프트의 회전을 감지하는 위치 센서를 단일의 회로 기판에 배치하면서도 위치 감지시 서로간에 간섭이 발생되지 않게 하는 것이다.

본 발명의 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 차량용 액추에이터는, 회전력을 생성하는 모터; 상기 모터에서 생성된 회전력을 전달하는 동력 전달부; 상기 전달된 회전력에 의해 회전하는 출력 샤프트; 상기 모터에 형성된 로터의 회전량을 감지하는 제1 자기 센서; 상기 출력 샤프트의 회전량을 감지하는 제2 자기 센서; 및 상기 제1 자기 센서를 상기 모터 쪽을 향하는 제1 면에 구비하고, 상기 제2 자기 센서를 상기 출력 샤프트 쪽을 향하는 제2 면에 구비하는 회로 기판을 포함한다.

상기 차량용 액추에이터는, 상기 회로 기판의 상기 제1 면 쪽에 배치되어 상기 모터로부터 생성된 자기장이 상기 제2 자기 센서로 유입되지 않도록 차폐하는 차폐 부재를 더 포함한다.

상기 제1 자기 센서와 상기 제2 자기 센서는 상기 회로 기판 상에서, 상기 회로 기판의 두께 방향으로 서로 겹치지 않는 위치에 구비된다.

상기 차폐 부재는, 상기 모터로부터 생성된 자기장이 상기 제1 자기 센서에 의해 감지될 수 있도록 상기 제1 자기 센서와 상기 모터 사이를 관통하는 개구부(opening)를 포함한다.

상기 차폐 부재는 도전성 금속 재질로 구성된다.

상기 로터의 외주면에는 서로 다른 극성을 갖는 복수의 로터 마그넷이 원주 방향을 따라 교번하여 배치된다.

상기 제1 자기 센서는, 상기 로터의 회전 방향을 따라 원주 방향으로 배치되는 복수의 자기 센서를 포함한다.

상기 차량용 액추에이터는 상기 출력 샤프트와 동축 상에서 함께 회전하는 회전 플레이트를 더 포함하고, 상기 회전 플레이트의 하면에는 출력 감지 마그넷이 장착되어, 상기 출력 샤프트의 회전에 따른 상기 출력 감지 마그넷의 자기장의 변화가 상기 제2 자기 센서에 의해 감지된다.

상기 출력 감지 마그넷은, 상기 회전 플레이트의 회전 방향을 따라 소정 각도만큼 연장된 형태로 되어 있다.

상기 출력 감지 마그넷은, 상기 회전 플레이트의 회전 방향을 따라 제1 극성 및 제2 극성을 갖는다.

상기 모터와, 상기 회로 기판과, 상기 출력 샤프트는 동축 상에 배치된다.

상기 차량용 액추에이터는 상기 회로 기판을 수용하며, 하우징 커버와 하우징 케이스로 구성되는 회로 기판 하우징을 더 포함한다.

상기 차폐 부재는, 상기 회로 기판 하우징의 하면에 장착된다.

상기 회로 기판, 상기 회로 기판 하우징 및 상기 차폐 부재는 각각 중공부를 구비하여, 상기 모터로부터 연장된 모터 샤프트가 회로 기판, 상기 회로 기판 하우징 및 상기 차폐 부재를 모두 관통하여 상기 동력 전달부로 연결된다.

동력 전달부는 편심 샤프트, 사이클로이드 디스크 및 사이클로 박스를 포함하는 사이클로이드 감속기이고, 상기 편심 샤프트는 상기 모터와 직결되어 원형의 회전력을 웨이브 형태의 동력으로 변환하고, 상기 사이클로이드 디스크는 상기 편심 샤프트의 웨이브 형태의 동력에 따라 상기 출력 샤프트에 감속 동력을 전달하며, 상기 사이클로 박스는 상기 사이클로이드 디스크의 외주면 치형과 접촉되는 내주면 치형을 갖는다.

상기 출력 샤프트와 동축 상에서 함께 회전하는 회전 플레이트를 더 포함하고, 상기 회전 플레이트는 상기 사이클로이드 디스크와 고정 결합된다.

상기 회전 플레이트의 하면과, 상기 회전 플레이트와 고정 결합되는 사이클로이드 디스크 사이에는 출력 감지 마그넷이 장착되고, 상기 사이클로이드 디스크에는 상기 출력 감지 마그넷과 대응되는 관통홀(aperture)이 형성되어, 상기 회로 기판에 구비된 상기 제2 자기 센서가 상기 출력 감지 마그넷에 의해 생성되는 자기장을 장애없이 감지한다.

상기 차량용 액추에이터는, 상부 하우징 커버와 하우징 케이스로 구성되어, 상기 모터, 상기 동력 전달부, 상기 출력 샤프트, 상기 회로 기판을 내부에 수용하는 어셈블리 하우징을 더 포함한다.

상기 상부 하우징 커버에는 상기 출력 샤프트가 상기 어셈블리 하우징의 외부로 연결될 수 있도록 중공부가 형성된다.

본 발명에 따른 차량용 액추에이터에 의하면, 모터의 샤프트와 액추에이터의 출력 샤프트를 동축 상에 배치하고, 모터의 회전을 감지하는 제1 위치 센서와 출력 샤프트의 회전을 감지하는 제2 위치 센서를 단일의 회로 기판에 배치함으로써, 상기 차량용 액추에이터를 소형화하고 상기 차량용 액추에이터를 구성하는 패키지 수를 감소시킬 수 있다.

또한, 상기 제1 위치 센서의 감지 영역과 상기 제2 위치 센서의 감지 영역을 서로 간에 차폐하여 상기 위치 센서들의 위치 감지시 상호간에 간섭을 최소화함으로써 상기 위치 센서들의 감지 성능을 향상시킬 수 있다.

도 1a는 본 발명의 일실시예에 따른 차량용 액추에이터(100)를 도시한 사시도이다.
도 1b는 도 1a의 차량용 액추에이터(100)에서 어셈블리 하우징(110)을 분리한 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 하우징 커버(111)와 하우징 케이스(113)를 조립하는 과정을 도시한 사시도이다.
도 3a는 도 1a의 차량용 액추에이터(100)를 상방에서 바라본 분해 사시도이고, 도 3b는 도 1a의 차량용 액추에이터(100)를 하방에서 바라본 분해 사시도이다.
도 4a 및 도 4b는 센서 어셈블리(140)의 구성을 보다 자세히 설명하기 위해 각각 상방 및 하방에서 바라본 분해 사시도들이다.
도 5는 모터(120)의 구성을 보다 자세히 도시한 분해 사시도이다.
도 6a 및 도 6b는 도 3a의 동력 전달부(130)의 구성을 보다 자세히 도시하기 위해 각각 상방 및 하방에서 바라본 분해 사시도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 모터 샤프트(125) 및 편심 샤프트(131)의 조립체를 도시한 분해 사시도이다.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.

다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 또 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백하게 특별히 정의되어 있지 않는 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다.

본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소 외에 하나 이상의 다른 구성요소의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.

이하 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 일 실시예를 상세히 설명한다.

도 1a는 본 발명의 일실시예에 따른 차량용 액추에이터(100)를 도시한 사시도이고, 도 1b는 도 1a의 차량용 액추에이터(100)에서 어셈블리 하우징(110)을 분리한 사시도이다.

도 1a를 참조하면, 차량용 액추에이터(100)의 구성요소들은 어셈블리 하우징(110) 내에 배치된다. 어셈블리 하우징(110)의 상측을 통해 출력 샤프트(160)가 외부로 노출되고, 어셈블리 하우징(110)의 일측에는 전기 커넥터를 삽입할 수 있도록 소켓(114)이 형성될 수 있다.

당업자에게 자명한 바와 같이, 상하(上下)의 개념은 차량용 액추에이터(100)를 배치하는 방향에 따라 달라질 수 있는 상대적인 개념이다. 다만, 이하 본 발명의 설명에서는 도 1a에 도시된 바와 같이 차량용 액추에이터(100)로부터 출력 샤프트(150)가 연장되어 돌출되는 방향을 상측으로 정의하여 설명하는 것으로 한다.

도 1b에 도시된 바와 같이, 어셈블리 하우징(110)은 다른 구성요소들을 수용하는 하우징 케이스(113)와, 하우징 케이스(113)를 덮는 하우징 커버(111)로 구성될 수 있다. 다만, 이는 일 실시예에 불과하며 어셈블리 하우징(110)의 구성인 형태는 얼마든지 달라지도록 설계할 수 있음은 물론이다.

하우징 커버(111)는 개구부(117)가 형성되어, 상기 개구부(117)를 통해 출력 샤프트(150)가 차량용 액추에이터(100)의 외부로 노출될 수 있다. 이와 같이 외부로 노출된 어셈블리 하우징(110) (150)는 다이얼식, 버튼식, 레버식 등 다양한 전자식 변속 기구(미도시 됨)와 직간접적으로 연결되고, 마이크로 프로세서의 제어하에 상기 전자식 변속 기구를 움직일 수 있다.

또한, 차량용 액추에이터(100)에 전원 및 제어 신호를 공급하고 차량용 액추에이터(100)에서 생성된 출력 신호를 전달하기 위한 와이어링(115)이 하우징 케이스(113)의 소켓(114)에 배치될 수 있다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 하우징 커버(111)와 하우징 케이스(113)를 조립하는 과정을 도시한 사시도이다. 하우징 커버(111)와 하우징 케이스(113)에는 각각 대응되는 위치에 동일한 개수의 결합공이 구비되어 있다. 하우징 케이스(113)의 결합공에는 암나사(116)가 설치되고, 암나사(116)와 대응되는 개수의 수나사(112)가 하우징 커버(111)의 관통공을 통과하여 암나사(116)와 각각 체결될 수 있다. 이러한 과정을 통해 하우징 커버(111)와 하우징 케이스(113) 간의 조립은 완료되며 출력 샤프트(150) 외에는 모든 구성요소들이 어셈블리 하우징(110) 내에 수용될 수 있다.

도 3a는 도 1a의 차량용 액추에이터(100)를 상방에서 바라본 분해 사시도이고, 도 3b는 도 1a의 차량용 액추에이터(100)를 하방에서 바라본 분해 사시도이다.

차량용 액추에이터(100)는 회전력을 생성하는 모터(120)와, 상기 모터(120)에 의해 생성된 회전력을 전달하는 동력 전달부(130)와, 상기 전달된 회전력에 의해 회전하는 출력 샤프트(160)와, 상기 모터(120)에 포함되는 로터(123)의 회전량과 상기 출력 샤프트(160)의 회전량을 감지하는 센서 어셈블리(140)를 포함하며, 이러한 구성요소들(120, 130, 140, 160)은 하우징 커버(111)와 하우징 케이스(113)로 이루어진 어셈블리 하우징(110) 내에 설치될 수 있다.

모터(120)는 기본적으로, 고정 배치되고 전류가 흐르는 권선이 감겨지는 스테이터(121)와, 영구자석을 구비하여 상기 스테이터(121)에 대해 회전하는 로터(123)와, 상기 로터(123)로부터 연장되어 로터(123)와 함께 회전하는 모터 샤프트(125)를 포함한다.

상기 모터 샤프트(125)는 동력 전달부(130)를 구동하고, 구동된 동력 전달부(130)는 출력 샤프트(160)로 동력을 전달하고, 출력 샤프트(160)를 통해 최종적으로 차량용 액추에이터(100) 외부의 전자식 변속 기구(미도시 됨)를 작동시키는 것이다.

이 때, 하우징 케이스(113) 일측에 형성된 소켓(114) 내에 설치되는 와이어링(115)의 일부를 통해, 스테이터(121)에 감겨진 권선에 전류를 흘리기 위한 전원과, 센서 어셈블리(140)를 작동시키기 위한 전원이 공급될 수 있다. 또한, 와이어링(115)의 다른 일부를 통해, 센서 어셈블리(140)에 의해 감지된 로터(123)의 회전량과 출력 샤프트(160)의 회전량에 관한 정보가 차량용 액추에이터(100) 외부의 마이크로 프로세서로 전달될 수 있다.

도 4a 및 도 4b는 센서 어셈블리(140)의 구성을 보다 자세히 설명하기 위해 각각 상방 및 하방에서 바라본 분해 사시도들이다.

센서 어셈블리(140)는 복수의 자기 센서가 부착된 회로 기판(150)과, 상기 회로 기판(150)의 하면 쪽에 배치되는 차폐 부재(155)를 포함한다. 또한, 센서 어셈블리(140)는 상기 회로 기판(150)을 수용하면서 상부 하우징(141)과 하부 하우징(143)으로 구성되는 회로 기판 하우징(141, 143)을 더 포함할 수 있다.

여기서, 회로 기판(150)에는 모터(120)에 포함되는 로터(123)의 회전량(회전 각도 내지 회전 속도)을 감지하는 제1 자기 센서(152)와, 출력 샤프트(160)의 회전량(회전 각도 내지 회전 속도)을 감지하는 제2 자기 센서(154)가 설치된다. 바람직하게는 상기 회로 기판(150)은, 상기 제1 자기 센서(152)를 모터(120) 쪽을 향하는 하면(151)에 구비하고, 상기 제2 자기 센서(154)를 출력 샤프트(160) 쪽을 향하는 상면(153)에 구비할 수 있다. 그러나, 반드시 이에 한하는 것은 아니며, 일반적으로 회로 기판(150)은 자기장이 어느 정도 투과될 수 있는 재질로 형성되므로, 상기 제1 및 제2 자기 센서(152, 154)를 모두 상면(153)에 구비하거나, 모두 하면(151)에 구비하는 것도 가능하다. 다만, 상기 제1 자기 센서(152)를 회로 기판(150)의 하면(151)에 구비하고, 상기 제2 자기 센서(154)를 회로 기판(150)의 상면(153)에 구비하게 되면, 각각의 센서가 담당하는 자기장을 감지함에 있어서 장애요소가 없기 때문에, 상대적으로 낮은 감도를 갖거나 보다 저렴한 자기 센서도 사용할 수 있다는 이점이 있다.

또한, 차폐 부재(155)는 회로 기판(150)의 하면(151) 쪽에 배치되어 모터(120)로부터 생성된 자기장이 제2 자기 센서(154)로 유입되지 않도록 차폐하는 기능을 갖는다. 예를 들어, 차폐 부재(155)는 회로 기판 하우징의 하우징 케이스(113)의 하면에 장착될 수 있다. 또한, 이러한 차폐 기능을 갖기 위해 상기 차폐 부재(155)는 도전성 재질, 바람직하게는 금속 재질로 구성될 수 있다.

이 때, 차폐 부재(155)는 제1 자기 센서(152)와 모터(120) 사이를 관통하는 개구부(159, opening)를 가질 수 있다. 이러한 개구부(159)는 상기 모터(120)에서 발생된 자기장이 제1 자기 센서(152)에 의해 장애없이 감지될 수 있게 한다.

이와 같이, 동일한 회로 기판(150) 상의 양면(151, 153)에 형성된 제1 자기 센서(152)와 제2 자기 센서(154)가 각각 로터(123)의 회전량과 출력 샤프트(160)의 회전량을 감지할 때, 타 자기장의 간섭이 발생하지 않으면서도 해당 자기장의 측정은 원활히 이루어질 수 있어야 한다. 따라서, 제1 자기 센서(152)와 제2 자기 센서(154)가 회로 기판(150) 상에 설치되는 위치는 회로 기판(150)의 두께 방향(세로 방향)으로 중복되지 않게, 바람직하게는 최대한 이격되도록 할 필요가 있다.

이를 위해, 도 4a 및 도 4b를 참조하면, 제1 자기 센서(152)가 설치된 위치와, 제2 자기 센서(154)가 설치된 위치는 회로 기판(150)의 원주 방향으로 볼 때 가장 먼 위치에 놓여 있음을 알 수 있다. 또한, 차폐 부재(155)의 개구부(159)도 제1 자기 센서(152)가 배치된 위치 근처에만 형성되어 있기 때문에, 이 개구부(159)를 통과하여 작용하는 자기장이 제1 자기 센서(152)에 의해 원활히 감지되면서도, 제1 자기 센서(152)와 이격된 위치에 있는 제2 자기 센서(154)에 미치는 영향은 최소화할 수 있는 것이다.

한편, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 도 3a 및 도 3b에 도시된 바와 같이, 어셈블리 하우징(110) 내에 수용된 구성요소들은 차량용 액추에이터(100)의 전체적인 크기 축소를 위해 동축 상에 배치된다. 따라서, 모터 샤프트(125)는 센서 어셈블리(140)를 관통하여 동력 전달부(130) 및 출력 샤프트(160)로 연결되어야 하므로 센서 어셈블리(140)에는 상기 모터 샤프트(125)가 관통하기 위한 중공부(142)가 형성된다. 또한, 센서 어셈블리(140) 내에 수용되는 회로 기판(150) 및 차폐 부재(155)에도 상기 모터 샤프트(125)의 관통을 위해 적어도 일부의 중공부(156, 157)가 형성될 수 있다. 이를 통해, 상기 모터(120)에 포함되는 스테이터(121), 로터(123) 및 모터 샤프트(125)와, 회로 기판(150)과, 출력 샤프트(160)는 동축 상에 배치될 수 있는 것이다.

도 5는 모터(120)의 구성을 보다 자세히 도시한 분해 사시도이다. 도 5를 참조하면, 모터(120)는 어셈블리 하우징(110) 내에 고정된 스테이터(121)와, 상기 스테이터(121)에 대해 회동 가능한 로터(123)와, 상기 로터(123)와 일체로 회전하는 모터 샤프트(125)를 포함한다.

스테이터(121)는 대략 링 형상을 가지며 원주 방향으로 배치된 복수의 코어(122)와, 상기 복수의 코어(122)에 감겨지고 전류가 흐르는 권선(미도시 됨)을 포함한다. 또한, 로터(123)는 영구자석을 포함하고 대략 원통 형상을 가지며 스테이터(121)와 접촉없이 상기 스테이터(121)에 대해 모터 샤프트(125)를 기준으로 회전한다. 일 예로서, 로터(123)의 외주면에는 서로 다른 극성(N, S)을 갖는 복수의 로터 마그넷(127)이 원주 방향을 따라 교번하여 배치될 수 있다. 이에 따라 전술한 제1 자기 센서(152)는 로터(123)의 회전에 따른 자기장의 변화를 감지함으로써 상기 로터(123)의 회전량을 감지할 수 있는 것이다.

상기 제1 자기 센서(152)는 하나의 자기 센서만으로 구성될 수도 있지만, 고속으로 회전하는 로터(123)의 회전량을 보다 정확히 감지하기 위해 복수의 자기 센서로 구성될 수 있고, 바람직하게는 3개의 자기 센서로 구성될 수 있다. 도 4b에 도시된 바와 같이, 제1 자기 센서(152)는 로터(123)의 회전 방향을 따라 원주 방향으로 이격 배치되는 복수의 자기 센서들로 구성될 수 있다.

상기 원주 방향으로 교번하여 로터에 배치되는 복수의 로터 마그넷(127)이 회전하는 경우에, 제1 자기 센서(152)로 입력되는 자기 신호는 순수 사인파에 가깝지만, 외란에 의해 일부 변형이 생길 수 있다. 이러한 자기 신호의 변형은 로터의 위치 검출에 있어서 유의미한 오차를 발생시키게 되어 정확한 측정을 어렵게 한다. 이러한 점에서, 제1 자기 센서(152)를 원주 방향으로 이격 배치되는 복수의 자기 센서들로 구성함으로써 서로 다른 센싱값에 기초하여 이러한 오차를 제거하거나 감소시킬 수 있는 것이다.

도 6a 및 도 6b는 도 3a의 동력 전달부(130)의 구성을 보다 자세히 도시하기 위해 각각 상방 및 하방에서 바라본 분해 사시도이다. 동력 전달부(130)는 모터(120)에서 생성된 회전력을 출력 샤프트(160)까지 전달하며, 일반적으로 감속 기능을 갖는다. 따라서, 모터 샤프트(125)의 회전 속도보다 출력 샤프트(160)의 회전 속도가 작아지도록 감속됨과 동시에 그 감속 정도만큼 출력 샤프트(160)의 토크는 증대될 수 있다.

이러한 동력 전달부(130)는 일 예로서 도 6a에 도시된 바와 같이 사이클로이드 감속기(cycloid reducer)로 구성될 수 있다. 그러나, 이러한 사이클로이드 감속기는 본 발명에 따른 일 실시예에 불과하고 모터(120), 동력 전달부(130) 및 출력 샤프트(160)를 동축 상에 배치할 수 있다면, 동력 전달부(130)는 이외에, 하모닉 드라이브(harmonic drive), 유성기어 감속기(planetary gear reducer), 일반적인 치차 감속기 등 다른 구성요소로 대체되어도 무방하다. 다만, 이하에서는 동력 전달부(130)로서 사이클로이드 감속기를 사용하는 것으로 예시하여 설명할 것이다.

사이클로이드 감속기는 연속적으로 접촉하는 사이클로이드 치형을 이용하여 동력과 동작을 전달하는 메커니즘이다. 여기에는 주된 3가지의 기본 부품인 편심 샤프트(131, eccentric shaft), 사이클로이드 디스크(133, cycloid disc), 사이클로 박스(135, cyclo box)가 사용된다. 사이클로이드 감속기는 치형이 고른 연속 곡선, 즉 사이클로이드로 구성되어 모든 지점이 회전 접촉하면서 고효율을 나타내고, 동시 치합치수가 많아 구조적으로 견고하며, 소형 및 경량으로 감속비가 크고, 많은 치합율과 연속구름 접촉으로 구동하므로 간섭 및 소음이 적다는 장점이 있다.

도 6a 및 도 6b를 참조하면, 편심 샤프트(131)는 모터 샤프트(125)에 별도로 조립되거나 모터 샤프트(125)와 일체로 제작될 수 있다. 이러한 편심 샤프트(131)는 모터(120)로부터 제공된 원형의 회전력을 웨이브 형태의 동력으로 변환한다. 이를 위해 편심 샤프트(131)가 사이클로이드 디스크(133)과 결합되는 부분(베어링은 미도시 됨)은 모터 샤프트(125)의 축에 비해 약간 편심되어 있으며, 이러한 편심 구조가 상기 웨이브 형태의 동력을 제공하게 된다.

사이클로이드 디스크(133)는 상기 편심 샤프트(131)와 베어링을 사이에 두고 조립되어, 상기 편심 샤프트의 웨이브 형태의 동력에 따라 출력 샤프트(160)에 감속 동력을 전달한다. 또한, 사이클로 박스(135)는 상기 사이클로이드 디스크(133)의 외주면 치형과 접촉하는 내주면 치형을 갖는다. 사이클로 박스(135)는 강체의 링 형상의 부품으로서 내주면에 사이클로이드 디스크(133)과 동일한 모듈의 치형을 가지며, 사이클로이드 디스크(133)의 치 개수보다 약간 많은 개수를 갖는다. 따라서, 이러한 치형의 모듈의 크기와, 치 개수의 차이에 따른 감속비에 따라 출력 샤프트(160)로의 감속 동력이 결정되는 것이다.

이 때, 출력 샤프트(160)는 하우징 어셈블리(110), 특히 하우징 커버(111)에 설치되는 베어링(161)에 의해 그 회전이 지지될 수 있다. 또한, 출력 샤프트(160)는 동축 상에서 함께 회전하는 회전 플레이트(165)를 포함하며, 상기 회전 플레이트(165)가 상기 사이클로이드 디스크(133)와 고정 결합될 수 있다. 예를 들어, 도 6b에 도시된 바와 같이, 회전 플레이트(165)의 하면에는 3개의 돌기(166)가 형성되어 상기 3개의 돌기(166)가 사이클로이드 디스크(133)에 형성된 3개의 관통공(149)과 결합된다.

여기서, 센서 어셈블리(140)가 출력 샤프트(150)의 회전량을 감지하기 위해서, 출력 샤프트(140)의 일 측에 출력 샤프트(140)와 함께 회전하는 출력 감지 마그넷(163)이 고정 설치된다. 구체적으로 도 6b에 도시된 바와 같이, 출력 감지 마그넷(163)은 출력 샤프트(150)와 일체로 회전하는 회전 플레이트(150)의 하면에 형성된 그루브(169, groove)에 설치될 수 있다.

더 나아가, 출력 감지 마그넷(163)는 회전 플레이트(150)의 하면과, 상기 회전 플레이트(165)와 고정 결합되는 사이클로이드 디스크(133) 사이에 설치될 수 있다. 이 경우에, 상기 사이클로이드 디스크(133)에는 출력 감지 마그넷(153)과 대응되는 관통홀(139, aperture)이 형성되어, 센서 어셈블리(140)의 회로 기판(150)에 구비된 제2 자기 센서(154)가 상기 출력 감지 마그넷(163)에 의해 생성되는 자기장을 장애없이 감지할 수 있다.

한편, 도 6a 및 도 6b에 도시된 바와 같이, 상기 출력 감지 마그넷(163)은 회전 플레이트(165)의 회전 방향을 따라 소정 각도만큼 연장된 형태로 구성될 수 있다. 이 때, 출력 감지 마그넷(163)은 회전 플레이트(165)의 회전 방향을 따라 제1 극성(N) 및 제2 극성(S)을 가질 수 있다.

도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 모터 샤프트(125) 및 편심 샤프트(131)의 조립체를 도시한 사시도이다. 상기 조립체는 모터 샤프트(125) 및 편심 샤프트(131)는 상호 간에 조립을 통하여 구성될 수도 있지만, 단일의 몸체를 갖도록 일체로 가공될 수도 있다.

모터 샤프트(125)의 양단은 동축을 형성하며 각각 베어링(138, 144)의 내경에 의해 지지된다. 또한, 상기 베어링(138, 144) 중에서 하측의 베어링(144)의 외경은 어셈블리 하우징(110), 특히 하우징 케이스(113)의 일측에 고정되고, 상측의 베어링(138)의 외경은 회전 플레이트(165) 내지 출력 샤프트(160) 내에 고정될 수 있다. 그리고, 상기 동축에 대해 편심 형성되는 편심 샤프트(131)의 외경은 베어링(136)의 내경에 의해 지지되고, 베어링(136)의 외경은 사이클로이드 디스크(133)의 중공부 내에 고정될 수 있다.

이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야 한다.

100: 차량용 액추에이터 110: 어셈블리 하우징
111: 하우징 커버 113: 하우징 케이스
114: 소켓 115: 와이어링
120: 모터 121: 스테이터
122: 코어 123: 로터
125: 모터 샤프트 127: 로터 마그넷
130: 동력 전달부 131: 편심 샤프트
133: 사이클로이드 디스크 135: 사이클로 박스
136, 138, 144: 베어링 139: 관통홀
140: 센서 어셈블리 141: 상부 하우징
142, 156, 157: 중공부 143: 하부 하우징
150: 회로 기판 152: 제1 자기 센서
154: 제2 자기 센서 155: 차폐 부재
159: 개구부 160: 출력 샤프트
163: 출력 감지 마그넷 165: 회전 플레이트
169: 그루브

Claims (21)

1. 회전력을 생성하는 모터;
   상기 모터에서 생성된 회전력을 전달하는 동력 전달부;
   상기 전달된 회전력에 따라 회전하는 출력 샤프트;
   상기 모터에 구비된 로터의 회전량을 감지하는 제1 자기 센서;
   상기 출력 샤프트의 회전량을 감지하는 제2 자기 센서; 및
   상기 제1 자기 센서 및 상기 제2 자기 센서를 함께 구비하는 회로 기판을 포함하되,
   상기 제1 자기 센서는 상기 모터 쪽을 향하는 상기 회로 기판의 제1 면에 구비되고, 상기 제2 자기 센서는 상기 출력 샤프트 쪽을 향하는 상기 회로 기판의 제2 면에 구비되며,
   상기 제1 자기 센서는 상기 로터의 회전량을 감지함에 있어서, 상기 로터 상에 배치된 로터 마그넷의 자기장의 변화를 직접 감지하는, 차량용 액추에이터.
2. 삭제
3. 제1항에 있어서,
   상기 회로 기판의 상기 제1 면 쪽에 배치되어 상기 모터로부터 발생된 자기장이 상기 제2 자기 센서로 유입되지 않도록 차폐하는 차폐 부재를 더 포함하는, 차량용 액추에이터.
4. 제1항에 있어서,
   상기 제1 자기 센서와 상기 제2 자기 센서는 상기 회로 기판 상에서, 상기 회로 기판의 두께 방향을 기준으로 서로 겹치지 않는 위치에 구비되는, 차량용 액추에이터.
5. 제4항에 있어서,
   상기 제1 자기 센서와 상기 제2 자기 센서는, 상기 회로 기판이 형성하는 원주 상에서 서로 간에 가장 먼 위치에 구비되는, 차량용 액추에이터.
6. 제3항에 있어서, 상기 차폐 부재는
   상기 모터로부터 생성된 자기장이 상기 제1 자기 센서에 의해 감지될 수 있도록 상기 제1 자기 센서와 상기 모터 사이를 관통하는 개구부(opening)를 포함하는, 차량용 액추에이터.
7. 제3항에 있어서, 상기 차폐 부재는
   도전성 금속 재질로 구성되는, 차량용 액추에이터.
8. 제1항에 있어서,
   상기 로터의 외주면에는 서로 다른 극성을 갖는 복수의 로터 마그넷이 원주 방향을 따라 교번하여 배치되는, 차량용 액추에이터.
9. 제1항에 있어서, 상기 제1 자기 센서는
   상기 로터의 회전 방향을 따라 원주 방향으로 배치되는 복수의 자기 센서를 포함하는, 차량용 액추에이터.
10. 제1항에 있어서,
    상기 출력 샤프트와 동축 상에서 함께 회전하는 회전 플레이트를 더 포함하고,
    상기 회전 플레이트의 하면에는 출력 감지 마그넷이 장착되어, 상기 출력 샤프트의 회전에 따른 상기 출력 감지 마그넷의 자기장의 변화가 상기 제2 자기 센서에 의해 감지되는, 차량용 액추에이터.
11. 제10항에 있어서, 상기 출력 감지 마그넷은
    상기 회전 플레이트의 회전 방향을 따라 소정 각도만큼 연장된 형태로 되어 있는, 차량용 액추에이터.
12. 제11항에 있어서, 상기 출력 감지 마그넷은
    상기 회전 플레이트의 회전 방향을 따라 제1 극성 및 제2 극성을 갖는, 차량용 액추에이터.
13. 제3항에 있어서,
    상기 모터와, 상기 회로 기판과, 상기 출력 샤프트는 동축 상에 배치되는, 차량용 액추에이터.
14. 제13항에 있어서,
    상기 회로 기판을 수용하며, 하우징 커버와 하우징 케이스로 구성되는 회로 기판 하우징을 더 포함하는, 차량용 액추에이터.
15. 제14항에 있어서, 상기 차폐 부재는
    상기 회로 기판 하우징의 하면에 장착되는, 차량용 액추에이터.
16. 제15항에 있어서,
    상기 회로 기판, 상기 회로 기판 하우징 및 상기 차폐 부재는 각각 중공부를 구비하여, 상기 모터로부터 연장된 모터 샤프트가 회로 기판, 상기 회로 기판 하우징 및 상기 차폐 부재를 모두 관통하여 상기 동력 전달부로 연결되는, 차량용 액추에이터.
17. 제1항에 있어서,
    동력 전달부는 편심 샤프트, 사이클로이드 디스크 및 사이클로 박스를 포함하는 사이클로이드 감속기이고,
    상기 편심 샤프트는 상기 모터와 직결되어 원형의 회전력을 웨이브 형태의 동력으로 변환하고,
    상기 사이클로이드 디스크는 상기 편심 샤프트의 웨이브 형태의 동력에 따라 상기 출력 샤프트에 감속 동력을 전달하며,
    상기 사이클로 박스는 상기 사이클로이드 디스크의 외주면 치형과 접촉되는 내주면 치형을 갖는, 차량용 액추에이터.
18. 제17항에 있어서,
    상기 출력 샤프트와 동축 상에서 함께 회전하는 회전 플레이트를 더 포함하고,
    상기 회전 플레이트는 상기 사이클로이드 디스크와 고정 결합되는, 차량용 액추에이터.
19. 제18항에 있어서,
    상기 회전 플레이트의 하면과, 상기 회전 플레이트와 고정 결합되는 사이클로이드 디스크 사이에는 출력 감지 마그넷이 장착되고,
    상기 사이클로이드 디스크에는 상기 출력 감지 마그넷과 대응되는 관통홀(aperture)이 형성되어, 상기 회로 기판에 구비된 상기 제2 자기 센서가 상기 출력 감지 마그넷에 의해 생성되는 자기장을 장애없이 감지하는, 차량용 액추에이터.
20. 제1항에 있어서,
    상부 하우징 커버와 하우징 케이스로 구성되어, 상기 모터, 상기 동력 전달부, 상기 출력 샤프트, 상기 회로 기판을 내부에 수용하는 어셈블리 하우징을 더 포함하는, 차량용 액추에이터.
21. 제20항에 있어서,
    상기 상부 하우징 커버에는 상기 출력 샤프트가 상기 어셈블리 하우징의 외부로 연결될 수 있도록 중공부가 형성되는, 차량용 액추에이터.
    

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