KR20160029989A - 토크 센서 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명의 토크 센서는, 입력축 및 출력축의 사이에 배치되어, 입력축과 출력축의 상대 회동 변위를 통하여 입력축 및 출력축 간의 토크를 감지하는 토크 센서 장치로서, 입력축과 출력축의 단부를 수용하고 위치 고정 배치되어 입력축 및 출력축에 상대 회동 가능한 하우징: 상기 하우징에 회동 가능하게 수용 배치되는 마그네트 링을 포함하는 마그네트 유니트; 상기 마그네트 링의 회동 상태를 감지하는 토크 센서를 포함하는 센싱 유니트;를 포함하고, 상기 마그네트 링은 각각이 입력축 및 출력축에 이격 배치되고, 각각 입력축 및 출력축과 함께 회동하고, 상기 토크 센서는 상기 마그네트 링의 외주에 배치되어 상기 마그네트 링 간의 비틀림 변위에 의한 자기력선의 각변위를 감지하는 것을 특징으로 하는 토크 센서 장치를 제공한다.

Description

토크 센서 장치{TORQUE SENSOR UNIT}

본 발명은 토크 센서에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 입력축과 출력축을 구비하는 샤프트에 대한 인가 토크를 감지하는 토크 센서에 관한 것이다.

일반적으로 차량의 주행 또는 정지시에 조향스티어링 휠을 회전시킴에 따라 노면과 접촉하고 있는 바퀴도 회전하게 된다. 즉, 상기 조향스티어링 휠을 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 조향스티어링 휠과 상기 바퀴의 회전비는 서로 상이하게 되어 운전자는 상기 조향스티어링 휠을 조작함에 있어 큰 힘을 필요로 하게 된다.

이와 같은 조향력을 보조하는 장치로서 파워 스티어링 시스템(PS;Power Steering System)이 구비되며, 파워 스티어링 시스템 중에서도 전동 모터를 이용하는 EPS 방식이 실생활에서 사용되는 승용 차량 등에서 적용 범위를 넓혀 가고 있다.

이와 같은 파워 스티어링 시스템에 있어 동력 보조를 위하여, 조향 스티어링 휠과 연결되는 입력축 측과 차륜 측과 연동하는 출력축 측 간의 토크 부하를 감지하기 위하여 양자 간의 회전각 편차를 측정하는 토크센서(Torque sensor)가 구비된다.

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 조향스티어링 휠이 입력 샤프트의 상단에 결합되고, 상기 입력 샤프트의 하단은 토션바(Torsion bar)에 의해 출력 샤프트의 상단과 연결된다. 그리고, 상기 출력 샤프트의 하단은 바퀴와 연결되고, 상기 토션바를 포함하는 상기 입력 샤프트의 하단과 상기 출력 샤프트의 상단은 그 외부에 하우징으로 보호된다. 또한, 상기 하우징의 내부에는 앞서 언급한 토크센서 및 동력수단이 설치된다. 여기서, 상기 입력 샤프트에는 일정한 간격마다 교차되는 극성을 갖는 영구마그네트가 구비된다. 그리고, 상기 입력 샤프트에 구비된 영구마그네트에 의해 자기 유도 발생이 가능한 강자성체의 물질로 영구마그네트의 극수에 상응하는 치차 구조물의 검출링이 출력 샤프트에 설치된다. 그리고, 상기 검출링에는 자기를 검출하는 센서가 연결되는 구조로 이루어진다. 이때, 입력 샤프트에 설치된 영구마그네트와 출력 샤프트에 설치된 치차 구조물의 검출링 사이에서 상대적인 비틀림에 의해 서로 대응하는 면적의 변화가 발생된다. 따라서, 상기 검출링에는 자력의 변화가 발생되고, 이 자력의 변화를 상기 센서가 검출하게 되어 출력 샤프트가 입력 샤프트에 대하여 비틀림이 발생된 각을 감지하게 된다.

하지만, 종래 기술에 따른 비접촉 방식의 토크 센서는 구성요소가 과다하고 조립이 복잡하여 오작동 가능성이 증대되고, 제조 원가가 증대되었으며, 구성요소의 과다로 인한 내구 연한의 문제점이 노출되었다.

상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은, 간단한 구조로 제조 가능하고 감도를 증대시키고 감지 신뢰성을 증대시키며, 제조 원가를 절감시킨 구조의 토크 센서를 제공하는 데 있다.

상술한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 토크 센서는, 입력축 및 출력축의 사이에 배치되어, 입력축과 출력축의 상대 회동 변위를 통하여 입력축 및 출력축 간의 토크를 감지하는 토크 센서 장치로서, 입력축과 출력축의 단부를 수용하고 위치 고정 배치되어 입력축 및 출력축에 상대 회동 가능한 하우징: 상기 하우징에 회동 가능하게 수용 배치되는 마그네트 링을 포함하는 마그네트 유니트; 상기 마그네트 링의 회동 상태를 감지하는 토크 센서를 포함하는 센싱 유니트;를 포함하고, 상기 마그네트 링은 각각이 입력축 및 출력축에 이격 배치되고, 각각 입력축 및 출력축과 함께 회동하고, 상기 토크 센서는 상기 마그네트 링의 외주에 배치되어 상기 마그네트 링 간의 비틀림 변위에 의한 자기력선의 각변위를 감지하는 것을 특징으로 하는 토크 센서 장치를 제공한다.

상기 토크 센서 장치에 있어서, 상기 마그네트 링은 원주 방향으로 N극과 S극 교번 착자 수도 있다.

상기 토크 센서 장치에 있어서, 상기 토크 센서는 AMR, MR, GMR 중 하나 이상을 포함할 수도 있다.

상기 토크 센서 장치에 있어서, 상기 마그네트 링은 입력축 및 출력축 간의 비틀림이 없는 경우 서로 상대극성이 마주하도록 배치될 수도 있다.

상기한 바와 같은 구성을 갖는 본 발명에 따른 토크 센서 장치는 다음과 같은 효과를 갖는다.

첫째, 본 발명의 토크 센서 장치는, 마그네트 링의 외주에서의 비틀림 각을 감지하여 간단한 구조로 조립성을 개선하고, 재료 낭비를 방지하여 원가 절감을 이루는 토크 센서 장치를 제공할 수 있다.

둘째, 본 발명의 토크 센서 장치는, 방향성 감지를 통한 직접적인 비틀림 각도 검출을 통하여 간단하면서도 보다 정확한 감지를 이루는 토크 센서 장치를 제공할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 토크 센서의 개략적인 측면도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 토크 센서의 비틀림 상태의 개략적인 측면도이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 토크 센서 장치(10)의 구성 및 작용을 설명하도록 한다.

본 발명의 토크 센서 장치(10)는 하우징(100), 마그네트 유니트(200), 컬렉터 유니트(300), 센싱 유니트(400)를 포함하는데, 본 발명의 토크 센서 장치(10)는 입력축(2) 및 출력축(3) 사이에 배치되어 입력축(2)과 출력축(3)의 상대 회동 변위를 통하여 입력축(2) 및 출력축(3) 간의 토크를 감지한다.

하우징(100)은 입력축(2)과 출력축(3)의 단부를 수용하고 위치 고정 배치되어 입력축(2) 및 출력축(3)에 상대 회동 가능하다.

하우징(100)은 하우징 커버(110)와 하우징 베이스(120)를 포함한다. 하우징 커버(110)는 하우징 베이스(120)와 체결되어 다른 구성요소를 수용하는 내부 공간을 형성한다.

하우징 커버(110)는 입력축 측에 배치되고, 하우징 베이스(120)는 하우징 커버(110)에 대향하여 출력축(3) 측에 배치된다. 하우징 커버(110)의 외주에는 하우징 커버 장착부(미도시)가 구비되고, 하우징 베이스(120)의 외주에는 하우징 베이스 장착부(미도시)가 배치되어 서로 맞물림 체결되는 구조를 형성한다.

하우징 커버(110)와 하우징 베이스(120)는 중앙에 각각 하우징 커버 관통구(113) 및 하우징 베이스 관통구(미도시)를 구비하여 입력축(2) 및 출력축(3), 그리고 입력축(2)과 출력축(3)을 직접 연결하는 토션바(5)의 관통 배치를 가능하게 한다.

마그네트 유니트(200)는 마그네트 링(220)을 포함한다. 마그네트 링(220)은 입력축(2)과 출력축(3) 측의 일단에 연결되어 하우징(100)의 내부에서 회동 가능하게 수용 배치되는 마그네트 링(220)을 포함한다.

즉, 마그네트 유니트(200)는 입력축 및 출력축에 연결되어 입력축(2)과 함께 회동함으로서, 하우징(100)에 대하여 상대 회동 가능하게 내부에 수용 배치되는 구조를 이룬다.

마그네트 유니트(200)는 다양한 구성이 가능하나 본 실시예에서 마그네트 유니트(200)는 마그네트 링(220)을 포함한다.

본 실시예에서 도시되지는 않았으나 마그네트 유니트는 마그네트 홀더를 더 구비하여 마그네트 홀더가 마그네트 링(220)을 입력축 측에 지지하는 구성을 취할 수도 있다. 본 발명의 마그네트 링(220)은 입력축(2)과 출력축(3)의 원주 방향으로 상이한 극성이 배치되는 구조, 즉 원주 방향으로 N,S 또는 S,N극이 배치 내지 착자 배치되는 구조를 형성한다.

본 실시예에서 마그네트 링은 복수 개가 구비된다. 보다 구체적으로 마그네르 링은 두 개가 구비되고, 마그네트 링(220)은 어퍼 마그네트 링(2210)과 로워 마그네트 링(2220)을 포함한다. 어퍼 마그네트 링(2210)은 입력축(2) 측에 대응하여 배치되고, 로워 마그네트 링(2220)은 출력축(3) 측에 마주하여 배치되며, 어퍼 마그네트 링(2210)과 로워 마그네트 링(2220)은 원주 방향으로 볼 때 N극과 S극이 교번 배치된다.

어퍼 마그네트 링(2210)과 로워 마그네트 링(2220)은 원주 방향으로 균등 분할되어 동일한 각분할 영역에 착자 구조를 형성하고, 어퍼 마그네트 링(2210)과 로워 마그네트 링(2220)의 마주하는 영역들은 서로 상이한 극성, 즉 N극과 S극을 갖는 구성을 취한다.

이와 같은 구성을 통하여 전체적 자기장의 형성 방향은 하기되는 로워 마그네트 링(2220)과의 입력축 및 출력축의 길이 방향으로의 자기장 형성이 이루어진다.

센싱 유니트(400)는 컬렉터 유니트(300)의 외주 측에 배치되어 컬렉터 유니트(300)를 통하여 집속되는 자기장을 감지하는 토크 센서로 구현된다. 센싱 유니트는 경우에 따라 별도의 센서를 더 구비할 수도 있다.

본 실시예에서 센싱 유니트, 즉 토크 센서는 마그네트 링(220)의 외주에 배치되어 마그네트 링(220;2210,2220) 간의 비틀림 변위에 의한 자기력선의 각변위를 감지하나. 토크 센서는 AMR,MR,GMR 중의 하나 이상을 포함하는데, 이와 같이 토크 센서는 각변위, 즉 자장의 방향을 감지 가능한 구조를 취하는 범위에서 다양한 선택이 가능하다.

상기와 같은 구성을 갖는 토크 센서 장치는 입력축과 출력축 간의 상대 회동에 의한 비틀림 토크 발생을 감지하고 토크량 산출을 가능하게 하는 신호를 출력한다.

입력축과 출력축 간 상대 회동 하지 않는 경우, 어퍼 마그네트 링(2210) 및 로워 마그네트 링(2220)은 서로 상이한 극성이 마주하여 자속의 방향이 입력축 및 출력축의 길이 방향인 수직 상태를 형성하는 구조를 취하고 토크 센서가 입력축 및 출력축의 길이 방향의 자기장을 감지함으로써, 토크 센서는 자기장의 방향이 입력축 및 출력축과의 사이각이 실질적으로 영인 값을 출력한다.

반면, 입력축과 출력축 간 상대 회동 하는 경우, 어퍼 마그네트 링(2210) 및 로워 마그네트 링(2220)은 서로 마주한 상이한 극성에 자속의 방향이 입력축 및 출력축의 길이 방향인 수직 상태로부터 벗어나 소정의 사이각(θ)을 갖는 구성을 취하고 토크 센서가 입력축 및 출력축의 길이 방향과의 자기장 방향을 감지함으로써, 즉 사이각(θ)을 검출함으로써 토크 센서는 자기장의 방향이 입력축 및 출력축과의 사이각이 실질적으로 영이 아닌 값을 출력한다.

이러한 출력값은 토크센서에 내장되는 IC 내지 외부의 별도의 제어부 등에서 신호 처리되고 저장된 사전 설정 저장값과의 비교를 통하여 현재 입력축과 출력축 간의 비틀림 각도를 통한 비틀림 토크량이 산출될 수도 있다.

이상에서 본 바와 같이 본 발명은 샤프트에 인가되는 토크를 비접촉식 방식을 통하여 토크 감지를 이루는 범위에서 다양한 변형이 가능하다.

100...하우징 110...하우징 커버
120...하우징 베이스 200...마그네트 유니트
300...컬렉터 유니트 400...센싱 유니트

Claims (4)

1. 입력축 및 출력축의 사이에 배치되어, 입력축과 출력축의 상대 회동 변위를 통하여 입력축 및 출력축 간의 토크를 감지하는 토크 센서 장치로서,
   입력축과 출력축의 단부를 수용하고 위치 고정 배치되어 입력축 및 출력축에 상대 회동 가능한 하우징:
   상기 하우징에 회동 가능하게 수용 배치되는 마그네트 링을 포함하는 마그네트 유니트;
   상기 마그네트 링의 회동 상태를 감지하는 토크 센서를 포함하는 센싱 유니트;를 포함하고,
   상기 마그네트 링은 각각이 입력축 및 출력축에 이격 배치되고, 각각 입력축 및 출력축과 함께 회동하고,
   상기 토크 센서는 상기 마그네트 링의 외주에 배치되어 상기 마그네트 링 간의 비틀림 변위에 의한 자기력선의 각변위를 감지하는 것을 특징으로 하는 토크 센서 장치.
2. 제 1항에 있어서,
   상기 마그네트 링은 원주 방향으로 N극과 S극 교번 착자되는 것을 특징으로 하는 토크 센서 장치.
3. 제 2항에 있어서,
   상기 토크 센서는 AMR, MR, GMR 중 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 토크 센서 장치.
4. 제 3항에 있어서,
   상기 마그네트 링은 입력축 및 출력축 간의 비틀림이 없는 경우 서로 상대극성이 마주하도록 배치되는 것을 특징으로 하는 토크 센서 장치.
   

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