KR20050118409A - 조향휠의 조향각 감지장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 조향 휠의 조향각 감지장치에 관한 것으로서, 상기 조향 휠의 회전에 연동하는 로터 기어와, 상기 로터 기어와 맞물려 연동하는 스텝모터 기어와, 자석이 내장되어 있으며 상기 스텝모터 기어가 구동함에 따라 회전하는 스텝모터와, 상기 회전되는 스텝모터의 자석과 반응하여 기전력을 발생하는 다수의 크로스 코일과, 상기 다수의 크로스 코일에서 발생하는 기전력에 의한 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하는 A/D컨버터와, 상기 로터 기어와 상기 스텝모터 기어의 기어비와 상기 A/D컨버터에서 출력되는 디지털 신호에 기초하여 상기 조향 휠의 조향각을 산출하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다. 이에 의하여, 조향 휠의 조향각을 정확히 검출할 수 있고, 종래에 비해 큰 톱니수를 갖는 로터 기어를 이용하여 미세한 각도감지가 가능하게 된다.

Description

조향휠의 조향각 감지장치{apparatus for detecting steering angle of steering wheel}

본 발명은 조향장치의 조향 휠에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 조향 휠의 조향각 감지장치에 관한 것이다.

일반적으로, 조향장치는 자동차의 진행방향을 임의로 바꾸기 위한 장치로서, 조작기구와, 기어장치, 및 링크기구로 구성되어 있다. 조작기구는 운전자가 직접 조향조작을 하여, 그 조작력을 기어장치와 링크기구에 전달하는 부분으로서, 조향핸들, 조향축, 및 컬럼으로 구성되어 있다. 기어장치는 조향축의 회전을 감속하여 조작력을 증가시킴과 아울러 조작기구의 운동방향을 전환하여 링크기구에 전달하는 부분이다. 또한, 링크기구는 기어장치의 작동을 전륜에 전달하고, 또한 좌우 각 바퀴의 위치관계를 정렬하도록 지지하는 부분으로서, 피트먼 암, 드래그 링크, 너틀 암, 및 타이-로드로 구성되어 있다.

즉, 운전자가 조향핸들을 돌리면, 그 조작력이 기어장치의 조향기어로 전달되면서 감속됨과 동시에 운동방향이 전환된 후, 링크기구인 피트먼 암, 드래그 링크, 및 너클 암을 거쳐서 너클 스핀들로 전달된다.

너클 스핀들은 킹 핀을 중심으로 회전운동을 하기 때문에 전륜의 움직임을 전환시키게 된다. 그리고, 좌우의 너클은 너클 암을 통해 타이-로드와 연결되어, 한쪽 바퀴의 움직임을 반대쪽 바퀴에 전달하도록 되어 있다.

그런데, 상기와 같은 일반적인 조향장치에서, 전륜의 접지저항이 크기 때문에 조향 핸들의 조작력이 크게 되고, 신속한 조향 조작이 이루어지지 않을 소지가 많다.

이를 개선한 장치가 동력 조향장치로서, 가볍고 신속한 조향조작을 하기 위해서 기관으로 오일펌프를 구동시키고, 발생된 유압을 조향장치 중간에 설치된 배력장치로 보내어, 이 배력장치의 작동으로 핸들의 조작력을 가볍게 하는 구조로 되어 있다.

이 동력 조향장치에서는 일반적으로 조향핸들에 조향핸들이 회전된 각도, 즉 조향축의 회전각을 감지하는 조향각 감지센서가 구비되어 있다.

종래의 조향각 감지센서는 도 1에 도시된 바와 같이, 톱니형상의 로터(101)의 회전과 발광부(102)와 수광부(103)로 이루어진 포토 다이오드(104)의 발광/수광을 이용하여 신호를 검출하였다. 이에 따라 로터(101)의 회전의 센싱에 의존하므로, 차량의 악조건에 의한 진동시 로터(101)가 편심을 받는 경우 로터의 회전반경과 포토 다이오드(104)의 위치가 맞지 않아 검출 불량이 발생하는 경우가 있었다. 또한, 센싱할 수 있는 각도의 범위가 로터(101)의 톱니 수에 한정되므로 보다 정확한 각도 범위 감지를 할 수 없었다.

이에 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해소하기 위해 안출된 것으로, 조향 휠의 조향각을 정확히 검출할 수 있고, 미세한 각도감지가 가능한 조향각 감지장치를 제공함에 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 조향 휠의 조향각 감지장치에 있어서, 상기 조향 휠의 회전에 연동하는 로터 기어와, 상기 로터 기어와 맞물려 연동하는 스텝모터 기어와, 자석이 내장되어 있으며 상기 스텝모터 기어가 구동함에 따라 회전하는 스텝모터와, 상기 회전되는 스텝모터의 자석과 반응하여 기전력을 발생하는 다수의 크로스 코일과, 상기 다수의 크로스 코일에서 발생하는 기전력에 의한 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하는 A/D컨버터와, 상기 로터 기어와 상기 스텝모터 기어의 기어비와 상기 A/D컨버터에서 출력되는 디지털 신호에 기초하여 상기 조향 휠의 조향각을 산출하는 제어부를 포함하는 것에 의해 달성된다.

상기 로터 기어의 톱니수는 상기 스텝모터 기어의 톱니수의 다수배인 것이 바람직하다.

상기 A/D컨버터는 상기 다수의 각 크로스 코일에서 발생한 아날로그 신호를 하이/로우 구형파 신호로 변환하고 상기 하이/로우 구형파 신호당 2개의 디지털 펄스신호로 변환하는 것이 바람직하다.

상기 다수의 크로스 코일은 2개의 코일이 평행으로 배치되어 한 쌍을 이루며, 한 쌍의 코일이 다른 한 쌍의 코일과 직교하도록 배치되고, 상기 스텝모터는 상기 크로스 코일의 쌍들 사이에 배치되어 상기 스텝모터에 내장된 자석과 상기 코일과의 간격을 최소화할 수 있다.

이하 본 발명을 첨부된 예시도면에 의거 상세히 설명한다.

도 2a는 본 발명에 따른 조향각 감지장치의 측단면도이고, 도 2b는 본 발명에 따른 조향각 감지장치의 상단면도이다. 도 2a 및 도 2b에 도시된 바와 같이, 조향휠(미도시)과 연결된 스티어링 컬럼(1)의 회전과 연동하도록 로터 기어(10)가 장착되고, 로터 기어(10)와 맞물리게 스텝모터 기어(11)가 마련된다. 그리고, 스텝모터 기어(11)의 하부에는 4개의 크로스 코일(15)이 쌍을 이루어 상호 교차하도록 배치되고, 상부 쌍의 크로스 코일(15)과 하부 쌍의 크로스 코일 사이에는 스텝모터(12)가 마련된다. 그리고, 스텝모터(12)에 자석(14)이 내장되어 있다.

여기서, 스텝모터 기어(11)는 스텝모터(12)의 구동축(13) 상에 연결되어 있으며, 크로스 코일(15)의 일측에는 각 크로스 코일(15)과 연결된 A/D컨버터(16)와, A/D컨버터(16)와 연결된 제어부(17)가 마련된다. 여기서, 제어부(17)는 차량의 전자제어기능을 하는 ECU(Electronic Control Unit)인 것이 바람직하다.

A/D컨버터(16)는 도 3에 도시된 바와 같이, 각각의 크로스 코일(15)과 연결된 극성이 상이한 트랜지스터로 구성된 PCB보드이다. A/D컨버터(16)는 아날로신호를 하이/로우 펄스신호로 변환하는 기능을 하며, 아날로그 신호를 디지털 펄스신호로 변환하는 트랜지스터 회로 구성은 공지된 기술이므로 상세한 설명은 생략한다.

도 4는 도 2a 및 도 2b의 조향각 감지장치의 감지시 동작블록도이다. 도 4에 도시된 바와 같이, 스티어링 컬럼(1)의 회전에 따라 톱니형상의 로터 기어(10)가 연동하여 움직인다. 그리고, 로터 기어(10)와 맞물려 스텝모터 기어(11)가 회전하고, 스텝모터 기어(11)가 회전함에 따라 스텝모터(12)가 회전한다. 이때, 회전되는 스텝모터(12)의 자석(14)과 반응하여 4개의 크로스 코일(15)에서 기전력이 발생된다. 이에 따라, A/D컨버터(16)는 4개의 크로스 코일(15)에서 발생하는 기전력에 의한 아날로그 신호(sinusoidal signal)를 디지털 펄스신호로 변환한다. 그리고, 제어부(17)는 A/D컨버터(16)에서 출력되는 디지털 펄스신호로 스티어링 컬럼(1)에 연결된 조향휠의 회전 각도값을 산출한다.

A/D컨버터(10)에서 출력되는 하이/로우 펄스신호로 조향각 감지센서를 감지하는 원리는 다음과 같다.

로터 기어(10)는 톱니가 90개이므로 90개의 클릭수를 가지는 한편, 스텝모터 기어(11)는 톱니가 6개이므로 6개의 클릭수를 가지므로, 기어비는 15:1이 된다.

스텝모터 기어(11)가 구동함에 따라 스텝모터(12)가 회전하게 되고 이에 따라 크로스 코일(15)에서 4개의 아날로그 신호가 발생한다. A/D컨버터(16)는 스텝모터 기어(11)의 한 클릭 회전에 대해 각 크로스 코일에서 발생한 4개의 아날로그 신호를 하이/로우 구형파 신호로 변환한 후, 변환된 하이/로우 구형파 신호당 2개의 디지털 펄스신호로 변환하여 총 8개의 디지털 펄스신호로 변환한다. 이에 따라, 스텝모터 기어(11)가 한 바퀴 회전하면 48개의 디지털 펄스신호가 발생되고, 로터 기어(10)와 스텝모터 기어(11)의 기어비가 15:1(톱니수비= 90:6)이므로 로터 기어(10)가 한 바퀴 회전하면 A/D컨버터(16)에서 720개(48X15)의 디지털 펄스신호가 발생된다.

따라서, 제어부(17)는 로터 기어(10)의 회전시 A/D컨버터(16)에서 발생하는 하이, 로우의 8개의 디지털 펄스신호를 감지하며, 1개의 펄스당 로터 기어(10)가 0.5도 회전된 것으로 감지한다.

이와 같이, 제어부(17)는 A/D컨버터(16)에서 발생한 디지털 펄스신호의 펄스수를 산출하면 로터 기어(10), 즉 스티어링 컬럼(1)의 조향각을 산출할 수 있게 된다. 한편, 제어부(17)는 A/D컨버터(16)에서 발생되는 디지털 펄스신호의 극성이 "하이->하이->로우->로우"에서 "로우->로우->하이->하이"로 반전되어 출력되는 순간 스티어링 컬럼(1)의 회전방향이 반대로 전환된 것으로 인식하고, 상기 극성이 반전된 시점이후에 발생되는 디지털 펄스신호에 기초하여 전환된 회전방향으로의 조향각을 감지한다.

도 5는 본 발명에 따른 스텝 모터 조향각 감지장치의 감지 순서도이다. 도 5에 도시된 바와 같이, S1단계에서 운전자가 조향 휠을 회전시킴에 따라 스티어링 컬럼(1)이 회전한다. S2단계에서 스티어링 컬럼(1)과 연동하여 톱니 60개의 로터 기어(10)가 회전한다. S3단계에서 로터 기어(10)에 맞물린 톱니 6개의 스텝모터 기어(11)가 회전한다. S4단계에서, 제어부(17)는 로터 기어(10)와 스텝모터 기어(11)의 클릭 횟수가 동일한지 판단한다. S5단계에서 스텝모터 기어(11)가 회전함에 따라 스텝모터(12)가 구동됨에 따라 스텝모터(12)에 내장된 자석이 회전한다. S6단계에서 스텝모터(12)의 상하부에 마련된 크로스 코일(15)과 회전되는 스텝모터(12)의 자석이 반응함에 따라 크로스 코일(15)에서 기전력이 발생한다. S7단계에서 기전력에 의한 아날로그 신호가 A/D컨버터(16)에 의해 하나의 펄스당 2개의 디지털 펄스신호로 변환된다. S8단계에서 기어비x360도(스텝모터 기어 총클릭수x8개 펄스신호)에 의해 디지털 펄스신호당 조향각을 산출한다. S9단계에서 제어부(17)는 A/D컨버터(16)에서 출력되는 디지털 펄스신호 수와 펄스당 조향각을 곱하여 스티어링 컬럼(1)에 연결된 조향 휠의 회전각을 감지한다.

이러한 구성에 따라서, 스티어링 컬럼에 로터 기어를 연결하고, 로터 기어와 스텝모터 기어를 맞물리게 마련하며, 스텝모터 기어를 자석이 내장된 스텝모터 축에 연결한다. 로터 기어가 회전시 스텝모터가 회전함에 따라 스텝모터 주변에 고정된 4개의 크로스 코일에 기전력이 발생되고, 기전력에 의한 4개의 아날로그 신호는 A/D컨버터를 통해 디지털 펄스신호로 변환된다. A/D컨버터는 극성이 다른 트랜지스터로 구성되어, 1개의 아날로그 신호를 2개의 디지털 펄스신호로 변환하며, 로터 기어와 스텝모터 기어의 기어비와 변환된 디지털 펄스신호를 이용하여 로터 기어의 회전각을 검출할 수 있게 된다.

이와 같이, 본 발명에 따른 스텝 모터를 이용한 조향휠의 조향각 감지장치는 기전력에 의한 모터의 회전을 검출하여 각도별 펄스를 감지하므로 그 정확도가 크게 된다.

이상 설명한 바와 같이 본 발명에 의하면, 조향 휠의 조향각을 정확히 검출할 수 있고, 종래에 비해 큰 톱니수를 갖는 로터 기어를 이용하여 미세한 각도감지가 가능하게 된다.

도 1은 종래의 조향각 감지장치의 구성도,

도 2a는 본 발명에 따른 조향각 감지장치의 측단면도,

도 2b는 본 발명에 따른 조향각 감지장치의 상단면도,

도 3은 도 2a 및 도 2b의 A/D컨버터의 간략구성도,

도 4는 도 2a 및 2b의 조향각 감지장치의 동작설명 블록도,

도 5는 본 발명에 따른 조향각 감지장치의 감지순서도,

< 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 >

1 : 스티어링 컬럼 10 : 로터 기어

11 : 스텝모터 기어 12 : 스텝모터

13 : 모터 구동축 14 : 자석

15 : 크로스 코일 16 : A/D 컨버터

17 : 제어부

Claims (5)

1. 조향 휠의 조향각 감지장치에 있어서,

   상기 조향 휠의 회전에 연동하는 로터 기어와,

   상기 로터 기어와 맞물려 연동하는 스텝모터 기어와,

   자석이 내장되어 있으며 상기 스텝모터 기어가 구동함에 따라 회전하는 스텝모터와,

   상기 회전되는 스텝모터의 자석과 반응하여 기전력을 발생하는 다수의 크로스 코일과,

   상기 다수의 크로스 코일에서 발생하는 기전력에 의한 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하는 A/D컨버터와,

   상기 로터 기어와 상기 스텝모터 기어의 기어비와 상기 A/D컨버터에서 출력되는 디지털 신호에 기초하여 상기 조향 휠의 조향각을 산출하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 조향휠의 조향각 감지장치.
2. 제1항에 있어서,

   상기 다수의 크로스 코일은 2개의 코일이 평행으로 배치되어 한 쌍을 이루며, 한 쌍의 코일이 다른 한 쌍의 코일과 직교하도록 배치되는 것을 특징으로 하는 조향휠의 조향각 감지장치.
3. 제2항에 있어서,

   상기 스텝모터는 상기 크로스 코일의 쌍들 사이에 배치되는 것을 특징으로 하는 조향휠의 조향각 감지장치.
4. 제1항에 있어서,

   상기 로터 기어의 톱니수는 상기 스텝모터 기어의 톱니수의 다수배인 것을 특징으로 하는 조향휠의 조향각 감지장치.
5. 제2항에 있어서,

   상기 A/D컨버터는 상기 다수의 각 크로스 코일에서 발생한 아날로그 신호를 하이/로우 구형파 신호로 변환한 후, 상기 변환된 하이/로우 구형파 신호당 2개의 디지털 펄스신호로 변환하는 것을 특징으로 하는 조향휠의 조향각 감지장치.