KR101829055B1 - 스티어링 시스템의 토크 센서 - Google Patents

Abstract

본 발명은 듀얼 홀소자를 사용하고 구조적으로 단순한 컬렉터를 사용함으로써 제작 공정이 단순화되면서도 조립의 신뢰성이 제공되는 스티어링 시스템의 토크 센서에 관한 것으로, 로터 및 스테이터의 자기적 상호작용에 의한 자화량을 검출하는 스티어링 시스템의 토크 센서로서, 상기 스테이터의 상측 및 하측에 배치되는 상부 컬렉터 및 하부 컬렉터상기 상부 컬렉터 및 하부 컬렉터에 일면이 연결되는 단일의 듀얼 홀 센서를 포함하는 스티어링 시스템의 토크 센서를 제공한다. 따라서, 홀 센서가 단일의 부품으로 결합되므로 구조적으로도 단순하며 조립의 신뢰성이 우수한 이점이 있다.

Description

스티어링 시스템의 토크 센서{TORQUE SENSOR OF STEERING SYSTEM}

본 발명은 스티어링 시스템의 토크 센서에 관한 것으로, 구체적으로는 듀얼 홀소자를 사용하고 구조적으로 단순한 컬렉터를 사용함으로써 제작 공정이 단순화되면서도 조립의 신뢰성이 제공되는 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, 자기소자(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 자기소자(40)와 연결된다.

상부 및 하부에 각각 배치된 컬렉터(30)는 스테이터(20)의 외주 측에서 인접하는 구조로 이루어지는데, 자기소자(40)와 연결을 위해 각각 수평방향으로 절곡된 돌출부(31)가 형성된다.

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

상기 자기소자(40)는 일반적으로 홀소자(Hall IC)를 사용하는데, 도 3은 이러한 홀 소자를 포함하는 토크모듈의 작동원리를 나타내는 회로도이다.

상기와 같이 두 개의 자기소자(40)를 연결하기 위해 상하부의 컬렉터(30)는 각각 두 개의 돌출부(31)를 포함하게 된다. 또한, 자기소자(40)와의 연결을 위해 돌출부(31) 간에는 일정한 갭(gap)을 유지하여야 한다.

그런데, 이와 같은 구조를 가진 컬렉터(30)를 제작하고 배치하는 과정의 생산 공정이 복잡할 뿐만 아니라, 결합 과정에서 손상이 발생할 우려가 있었다.

또한, 자기소자(40) 두 개가 돌출부(31) 사이의 갭에 정확하게 삽입되어야 하고, 이러한 작업에는 생산비용이 증가할 뿐만 아니라 조립 신뢰성의 문제점도 제기된다.

이에 본 발명은 상기한 문제점을 해소하기 위하여 안출된 것으로, 홀 소자의 배치관계 및 컬렉터의 구조를 단순하게 함으로써 생산성을 향상시키면서도 조립 신뢰성이 제공될 수 있는 스티어링 시스템의 토크 센서를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기한 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 스티어링 시스템의 토크 센서는, 로터 및 스테이터를 포함하는 토크 센서로서, 상기 스테이터의 상측에 배치되는 상부 컬렉터; 상기 스테이터의 하측에 배치되는 하부 컬렉터; 상기 상부 컬렉터 및 상기 하부 컬렉터의 측면에 일면이 연결되는 단일의 듀얼 홀센서를 포함하고, 상기 상부 컬렉터는, 상기 스테이터의 축방향 단부측에 배치되어 상기 스테이터의 상면에 결합되는 호 형상의 제1몸체부와, 상기 제1몸체부의 외주면으로부터 축방향인 하방으로 절곡되는 제1절곡부를 포함하고, 상기 하부 컬렉터는, 상기 스테이터의 축방향 단부측에 배치되어 상기 스테이터의 하면에 결합되는 호 형상의 제2몸체부와, 상기 제2몸체부의 외주면으로부터 축방향인 상방으로 절곡되어 단부가 상기 제1절곡부와 인접하게 배치되는 제2절곡부를 포함하고, 상기 제1절곡부와 상기 제2절곡부의 단부측 영역 사이에는 갭이 형성되고, 상기 듀얼 홀센서의 일면은 상기 제1절곡부의 외면, 상기 제2절곡부의 외면 및 상기 갭을 커버하도록 배치되고, 타면이 인쇄회로기판에 결합되며, 상기 듀얼 홀 센서가 상기 절곡부와 마주보는 면은 축방향과 평행하고, 상기 인쇄회로기판의 외면 중 상기 듀얼 홀센서와 결합되는 면과 대향면은, 타 영역에 비해 상대적으로 단면적이 넓은 영역인 스티어링 시스템의 토크 센서를 제공한다. 따라서, 홀 센서가 단일의 부품으로 결합되므로 구조적으로도 단순하며 조립의 신뢰성이 우수한 이점이 있다.

또한, 본 발명에 따른 스티어링 시스템의 토크 센서는, 상기 상부 컬렉터 및 하부 컬렉터는 각각 스테이터의 축방향 단부측에 배치되는 호 형상의 몸체부와 상기 몸체부로부터 축방향으로 절곡된 절곡부로 이루어지며, 상기 절곡부의 단부는 상호 인접하여 배치되는 스티어링 시스템의 토크센서를 제공한다. 따라서, 컬렉터의 구조가 단순하고, 조립 공정이 단순한 이점이 있다.

또한, 본 발명에 따른 스티어링 시스템의 토크 센서는, 상기 듀얼 홀 센서는 상기 상부 컬렉터의 절곡부 및 상기 하부 컬렉터의 절곡부의 표면에 함께 연결되는 스티어링 시스템의 토크센서를 제공한다. 따라서, 표면실장 타입으로 결합되므로 조립과정에서의 손상을 미연에 방지할 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 스티어링 시스템의 토크 센서는, 상기 듀얼 홀 센서의 타면에 결합하는 인쇄회로기판을 더 포함하는 스티어링 시스템의 토크센서를 제공한다. 따라서, 인쇄회로기판이 직접적으로 결합되므로 구조가 단순한 토크 센서가 제공된다.
또한, 상기 듀얼 홀센서는 상기 상부 컬렉터 및 상기 하부 컬렉터와 축 방향으로 오버랩되지 않으켜, 상기 듀얼 홀센서는 상기 제1절곡부 및 상기 제2절곡부와 상기 스테이터의 반경 방향으로 오버랩된다.

전술한 내용과 같이 구성된 본 발명에 따른 토크 센서는 컬렉터의 형상이 단순하게 이루어지고, 듀얼 홀 센서가 표면 실장되는 방식으로 결합됨에 따라, 종래기술에 비해 생산 공정이 단순화 되면서도 홀 센서의 배치 시 컬렉터 부위의 손상을 미연에 방지할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 종래기술에 따른 토크 센서를 나타내는 사시도.
도 2는 종래기술에 따른 토크 센서를 나타내는 측면도.
도 3은 종래기술에 따른 토크 센서의 토크모듈을 나타내는 회로도.
도 4는 본 발명에 따른 토크 센서를 나타내는 사시도.
도 5는 본 발명에 따른 토크 센서의 토크모듈을 나타내는 회로도.
도 6은 본 발명에 따른 토크 센서의 컬렉터를 나타내는 사시도.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 스티어링 시스템의 토크 센서를 상세히 설명한다.

도 4는 본 발명에 따른 스티어링 시스템의 토크 센서를 나타내는 사시도이다. 로터(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, 로터(100)가 출력축에 연결되고 스테이터(200, 300)가 입력축에 연결될 수 있음은 물론이다.

이하, 입력축 또는 출력축과 연결되는 방향을 축방향이라고 하며, 축방향에서 상부 및 하부 방향을 상측 및 하측으로 정의하여 사용한다.

상기 로터(100)는 링 형상으로 형성되며, 일반적으로 절연 재질의 요크(yoke) 외주면에 마그네트가 배열되는 형상으로 이루어진다. 다만, 상기 로터(100)는 마그네트(110)만으로 배열될 수도 있음은 물론이다. 상기 마그네트(110)는 바람직하게는 2개 이상의 마그네트 조각이 연결된다. 따라서, 복수개의 단면상 호 형상의 마그네트 조각들이 링 형상의 마그네트(110)를 이루게 되는 것이다. 이 경우, 각각의 마그네트 조각들은 원주방향으로 착자된고, 상호 반대극성으로 교차하여 배열된다.

상기 스테이터는 마그네트(110)의 상측과 하측에 인접하여 각각 상부 스테이터(200)와 하부 스테이터(300)로 구성된다. 각각의 스테이터(200, 300)는 판재의 링 형상의 몸체부와 대략 축방향으로 절곡된 돌출편(220, 320)으로 구성된다.

또한, 상기 스테이터(200, 300)의 상하측으로는 각각 상부 컬렉터(400)와 하부 컬렉터(500)가 배치된다. 상기 컬렉터(400, 500)는 스테이터(200, 300)에 유도된 자화량을 검출할 수 있도록 집중하는 역할을 하게 되는데, 각각 하나씩의 컬렉터(400, 500)가 전기적/자기적으로 연결된다.

상기 컬렉터(400)는 자화량을 집중하여야 하기 때문에 자성체로 이루어진다.

또한, 상기 컬렉터(400, 500)에 집중된 자화량을 검출하기 위해 듀얼 홀 센서(600)가 연결된다. 상기 듀얼 홀 센서(600)는 상부 컬렉터(400)와 하부 컬렉터(500)에 함께 연결되도록 배치된다.

상기에서 살펴본 바와 같이 종래에는 컬렉터(400, 500)의 갭 사이로 두 개의 홀 센서가 배치되었지만, 본 발명의 개념에 따라 듀얼 홀 센서(600)가 배치됨에 의해 단일의 부품으로 결합될 수 있게 된다.

상기 듀얼 홀 센서(600)는 Dual Programmable Linear Effect Sensor를 의미하는 것으로, 종래의 두 개의 홀 센서가 배치된 것과 같은 기능을 하나의 부품에서 수행할 수 있도록 한다.

도 5는 본 발명의 개념에 따른 듀얼 홀 센서가 적용된 토크 모듈을 나타내는 회로도로서, 하나의 부품 안에서 두 개의 VDD신호가 출력됨을 확인할 수 있다.

따라서, 하나의 홀 센서가 배치되기 때문에 컬렉터(400, 500)의 갭 사이가 아닌 표면에 함께 연결되는 SMD(Surface Mounted Device) 타입으로 실장될 수 있다.

상기 듀얼 홀 센서(600)는 일면에서 컬렉터(400, 500)와 연결되고, 타면에서는 인쇄회로기판(700)과 직접 연결될 수 있다.

한편, 종래에는 두 개의 홀 센서가 배치되므로 별도의 신호라인에 의해 인쇄회로기판에 연결되는 구조를 가지게 되지만, 본 발명의 개념에 따라 단일의 듀얼 홀 센서(600)가 배치되므로 인쇄회로기판(700)과 직접 연결되어 구조적으로도 단순한 이점이 있음에 유의하여야 한다.

도 6은 본 발명에 따른 토크 센서의 컬렉터만을 도시한 사시도이다.

상기 컬렉터(400, 500)는 스테이터(200, 300)의 상면과 하면에 각각 인접하게 배치된 대략 호 형상의 몸체부(410, 510)과 축방향으로 절곡되어 스테이터의 외주측에서 상호 인접하도록 형성되는 절곡부(420, 520)으로 이루어진다.

상기 듀얼 홀 센서(600)는 상기 절곡부의 일면에 SMD타입으로 실장된다.

상기와 같이 컬렉터(400, 500)의 형상이 단순하게 이루어지고, 듀얼 홀 센서(600)가 절곡부(420, 520)에 표면실장되는 방식으로 결합됨에 따라, 종래기술에 비해 생산 공정이 단순화 되면서도 홀 센서의 배치 시 컬렉터 부위의 손상을 미연에 방지할 수 있는 이점이 있다.

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...마그네트
200...상부 스테이터 220...상부 돌출편
300...하부 스테이터 320...하부 돌출편
400...상부 컬렉터 410...몸체부
420...절곡부 500...하부 컬렉터
510...몸체부 520...절곡부
600...듀얼 홀 센서 700...인쇄회로기판

Claims (4)

1. 로터 및 스테이터를 포함하는 토크 센서로서,
   상기 스테이터의 상측에 배치되는 상부 컬렉터;
   상기 스테이터의 하측에 배치되는 하부 컬렉터;
   상기 상부 컬렉터 및 상기 하부 컬렉터의 측면에 일면이 연결되는 단일의 듀얼 홀센서를 포함하고,
   상기 상부 컬렉터는, 상기 스테이터의 축방향 단부측에 배치되어 상기 스테이터의 상면에 결합되는 호 형상의 제1몸체부와, 상기 제1몸체부의 외주면으로부터 축방향인 하방으로 절곡되는 제1절곡부를 포함하고,
   상기 하부 컬렉터는, 상기 스테이터의 축방향 단부측에 배치되어 상기 스테이터의 하면에 결합되는 호 형상의 제2몸체부와, 상기 제2몸체부의 외주면으로부터 축방향인 상방으로 절곡되어 단부가 상기 제1절곡부와 인접하게 배치되는 제2절곡부를 포함하고,
   상기 제1절곡부와 상기 제2절곡부의 단부측 영역 사이에는 갭이 형성되고,
   상기 듀얼 홀센서의 일면은 상기 제1절곡부의 외면, 상기 제2절곡부의 외면 및 상기 갭을 커버하도록 배치되고, 타면이 인쇄회로기판에 결합되며,
   상기 듀얼 홀센서가 상기 절곡부와 마주보는 면은 축방향과 평행하고,
   상기 인쇄회로기판의 외면 중 상기 듀얼 홀센서와 결합되는 면과 대향면은, 타 영역에 비해 상대적으로 단면적이 넓은 영역인 토크센서
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 듀얼 홀센서는 상기 상부 컬렉터 및 상기 하부 컬렉터와 축 방향으로 오버랩되지 않으켜,
   상기 듀얼 홀센서는 상기 제1절곡부 및 상기 제2절곡부와 상기 스테이터의 반경 방향으로 오버랩되는 토크 센서.
   
3. 삭제
4. 제1항에 있어서,
   상기 상부 컬렉터 및 상기 하부 컬렉터는 각각 하나의 절곡부를 포함하는 토크 센서.

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