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KR100816386B1 - 조향각 센서를 구비한 전동식 조향장치 - Google Patents

조향각 센서를 구비한 전동식 조향장치 Download PDF

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KR100816386B1
KR100816386B1 KR1020060008466A KR20060008466A KR100816386B1 KR 100816386 B1 KR100816386 B1 KR 100816386B1 KR 1020060008466 A KR1020060008466 A KR 1020060008466A KR 20060008466 A KR20060008466 A KR 20060008466A KR 100816386 B1 KR100816386 B1 KR 100816386B1
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Abstract

본 발명은 조향각 센서를 구비한 전동식 조향장치에 관한 것이다.
본 발명은, 자동차의 조향휠에 연결되는 조향축; 상기 조향축에 맞물려 회전하는 감속축; 발신부 및 수신부를 포함하는 방향 센서; 상기 감속축의 일단에 형성되되 상기 발신부 및 상기 수신부 사이에 설치되는 회전 부재; 조향 보조 동력을 공급하는 모터; 상기 모터에 구비되는 모터축의 회전각을 감지하는 모터 위치 센서; 및 상기 방향 센서 및 상기 모터 위치 센서로부터 각각 전기적 신호를 전달받아서 조향각을 산출하는 전자 제어 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 전동식 조향장치를 제공한다.
본 발명에 의하면, 조향축의 회전 방향을 감지하는 방향 센서 및 모터축의 회전 위치를 감지하는 모터 위치 센서를 이용하여 절대 조향각을 감지하는 조향각 센서를 구비한 전동식 조향장치를 제공하여 조향장치의 제작 비용을 감축하는 효과가 있다.
조향각, 모터 위치 센서, 감속비, 방향 센서, 조향장치

Description

조향각 센서를 구비한 전동식 조향장치{Electric Power Steering Apparatus Equipped with Steering Angle Sensor}
도 1은 일반적인 전동식 조향장치를 나타내는 구성도,
도 2는 종래 기술에 따른 조향각 측정 방식을 설명하는 블록도,
도 3은 종래 기술에 따른 조향각 센서의 구조를 나타내는 개략도,
도 4는 종래 기술에 따른 조향각 센서의 원리를 설명하는 개략도,
도 5는 종래 기술에 따른 조향각 센서의 출력 신호를 나타내는 파형도,
도 6은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 전동식 조향장치를 나타내는 구성도,
도 7은 방향 센서를 나타내는 단면도,
도 8a, 8b 및 8c는 각각 조향축의 일 방향 회전에 따른 방향 센서의 작동 모습을 나타내는 단면도이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
102: 조향축123: 전자 제어 장치
130: 모터401: 발광 소자
403: 수광 소자601: 감속축
603: 발신부605: 수신부
606: 회로기판607: 방향 센서
609: 회전 부재610: 몸체부
611: 모터축612: 결합부
613: 모터 위치 센서615: 웜
617: 웜휠
본 발명은 조향각 센서를 구비한 전동식 조향장치에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 조향축의 회전 방향을 감지하는 방향 센서 및 모터축의 회전 위치를 감지하는 모터 위치 센서를 이용하여 절대 조향각을 감지하는 조향각 센서를 구비한 전동식 조향장치에 관한 것이다.
일반적으로 자동차의 조향장치로는 유압 펌프의 유압을 이용한 유압식 조향장치(HPS: Hydraulic Power Steering Apparatus)가 사용되고 있지만, 1990년대 이후 전기 모터를 이용한 전동식 조향장치(EPS: Electric Power Steering Apparatus)가 점차로 보편화되어 가고 있다.
유압식 조향장치의 경우 조향 보조 동력을 공급하는 동력원인 유압 펌프가 엔진에 의해 구동되어 조향휠의 회전 여부와 관계없이 항상 에너지를 소모하는 데 비해서 전동식 조향장치의 경우에는 조향휠의 회전에 의해 조향 토크가 발생되면 모터가 발생된 조향 토크에 비례하는 조향 보조 동력을 공급한다. 따라서 전동식 조향장치를 사용하는 경우에는 유압식 조향장치를 사용하는 경우에 비해 에너지 효율을 향상시킬 수 있다.
도 1은 일반적인 전동식 조향장치를 나타내는 구성도이다.
도 1에서 도시하는 바와 같이 일반적으로 전동식 조향장치는 조향휠(101)부터 양쪽 바퀴(108)까지 이어지는 조향 계통(100) 및 조향 계통(100)에 조향 보조 동력을 공급하는 보조 동력 기구(120)를 포함하여 구성된다.
조향 계통(100)은 상단이 조향휠(101)에 연결되고 하단은 한 쌍의 유니버설 조인트(103)를 매개로 피니언축(104)에 연결되어 조향휠(101)과 함께 회전하는 조향축(102)을 포함하여 구성된다. 또한, 피니언축(104)은 랙-피니언 기구부(105)를 통해 랙 바(109)에 연결되고, 랙 바(109)의 양단은 타이로드(106) 및 너클암(107)을 통해 바퀴(108)에 연결된다.
랙-피니언 기구부(105)는 피니언축(104)의 하단에 형성되는 피니언 기어(111)와 랙 바(109)의 외주면 일측에 형성되는 랙 기어(112)가 서로 맞물려서 형성되며, 랙-피니언 기구부(105)를 통해 피니언축(104)의 회전 운동이 랙 바(109)의 직선 운동으로 변화한다. 따라서, 운전자가 조향휠(101)을 조작하면 피니언축(104)이 회전하고, 피니언축(104)의 회전에 따라 랙 바(109)가 축 방향으로 직선 운동을 하며, 랙 바(109)의 직선 운동이 타이 로드(106) 및 너클 암(107)을 통해 바퀴를 조향하게 된다.
보조 동력 기구(120)는 운전자가 조향휠(101)에 가하는 조향 토크를 감지하고 감지된 조향 토크에 비례하는 전기 신호를 출력하는 토크 센서(121), 토크 센서(121)로부터 전해지는 전기 신호에 기초하여 제어 신호를 발생하는 전자 제어 장치(ECU: Electronic Control Unit, 123) 및 전자 제어 장치(123)로부터 전해지는 제어 신호에 기초하여 조향 보조 동력을 발생시키는 모터(130)를 포함하여 구성된다.
따라서, 전동식 조향장치는, 조향휠(101)의 회전에 의해 발생한 조향 토크가 랙-피니언 기구부(105)를 거쳐서 랙 바(109)에 전달되고, 발생된 조향 토크에 따라 모터(130)에서 발생한 조향 보조 동력이 조향축(102), 피니언축(104) 또는 랙 바(109)에 전달되도록 형성된다. 즉, 조향 계통(100)에서 발생한 조향 토크와 모터(130)에서 발생한 조향 보조 동력이 합쳐져서 랙 바(109)를 축 방향으로 운동하도록 하는 것이다.
이러한 전동식 조향장치에 있어서 조향각 센서는 주행 중인 자동차에서 직진 위치를 기준으로 조향휠의 회전각이나 회전 각속도에 관한 정보를 전자 제어 장치에 제공하고, 전자 제어 장치는 이들 정보를 이용하여 롤(Roll) 제어나 선회 제어를 한다.
도 2는 종래 기술에 따른 조향각 측정 방식을 설명하는 블록도이다.
도 2에서 도시하는 바와 같이 일반적으로 종래 기술에 따른 조향각 측정 방식은 광센서와 슬릿 원판을 이용한 조향각 센서(200)에서 조향 정보를 측정하고 측정된 정보를 전자 제어 장치(123)에 전달하여 전자 제어 장치(123)에서 조향각 및 조향 각속도를 계산하는 방식이다.
또한 종래 기술에 따른 조향각 센서(200)는 도 3 및 도 4에서 각각 도시하는 바와 같이 대부분 광센서(301)와 슬릿 원판(303)으로 구성된다. 광센서(301)를 포함한 컬럼 스위치는 조향 컬럼에 고정되어 있고, 슬릿 원판(303)은 조향축(102)에 설치되어 조향휠을 회전시키면 같이 회전하도록 되어 있다.
광센서(301)의 발광 소자(401)와 수광 소자(403) 사이에 설치된 슬릿 원판(303)은 조향휠의 조작에 따라 조향축(102)과 함께 회전한다. 이 때, 발광 소자(401)의 빛이 수광 소자(403)에 전달되는지 여부에 따라 전기적 신호가 결정된다.
도 5는 종래 기술에 따른 조향각 센서의 출력 신호를 나타내는 파형도이다.
도 5에서 도시하는 바와 같이 발광 소자로부터의 빛이 수광 소자에 전달되지 않는 경우와 발광 소자로부터의 빛이 수광 소자에 전달되는 경우 사이에는 전압의 차이가 발생하고, 그에 따른 전기적 신호가 전자 제어 장치에 전달되기 때문에 전자 제어 장치가 조향각을 측정할 수 있게 되는 것이다.
그런데, 종래 기술에 따른 조향각 센서는 조향축의 회전에 의한 조향각이 0 도일 때와 ± 360 도일 때 또는 ± 720 도일 때를 똑같이 인식하는 문제가 있다. 즉, 좌회전하는 경우와 우회전하는 경우를 구분할 수 없는 단점도 있다.
또한, 이러한 문제를 해결하기 위해서는 고해상도를 가진 절대 조향각 센서를 이용하여 절대 조향각을 측정해야 하지만 절대 조향각 센서는 고가의 장치로서 조향 장치의 제작 비용을 증가시키는 문제점이 있다.
따라서 본 발명은 위와 같은 문제점을 해결하기 위하여 발명된 것으로서, 조향축의 회전 방향을 감지하는 방향 센서 및 모터축의 회전 위치를 감지하는 모터 위치 센서를 이용하여 절대 조향각을 감지하는 조향각 센서를 구비한 전동식 조향장치를 제공하여 조향장치의 제작 비용을 감축하는 데 그 주된 목적이 있다.
이러한 목적을 달성하기 위해 본 발명은, 자동차의 조향휠에 연결되는 조향축; 상기 조향축에 맞물려 회전하는 감속축; 발신부 및 수신부를 포함하는 방향 센서; 상기 감속축의 일단에 형성되되 상기 발신부 및 상기 수신부 사이에 설치되는 회전 부재; 조향 보조 동력을 공급하는 모터; 상기 모터에 구비되는 모터축의 회전각을 감지하는 모터 위치 센서; 및 상기 방향 센서 및 상기 모터 위치 센서로부터 각각 전기적 신호를 전달받아서 조향각을 산출하는 전자 제어 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 전동식 조향장치를 제공한다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 우선 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.
도 6은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 전동식 조향장치를 나타내는 구성도이다.
도 6에서 도시하는 바와 같이 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 전동식 조향장치는, 조향휠(미도시)에 연결되는 조향축(102), 조향축(102)에 맞물려 회전하는 감속축(601), 발신부(603) 및 수신부(605)를 포함하는 방향 센서(607), 감속축(601)의 일단에 형성되는 회전 부재(609), 조향 보조 동력을 공급하는 모터(130), 모터축(611)의 회전각을 감지하는 모터 위치 센서(613), 방향 센서(607) 및 모터 위치 센서(613)로부터 각각 전기적 신호를 전달받는 전자 제어 장치(123)를 포함하여 구성된다.
조향축(102)는 운전자가 조향휠(미도시)을 회전시킴에 따라 회전하는데, 조향축(102)의 외주면에는 웜(615)이 형성되어 있다.
감속축(601)의 외주면에는 웜(615)에 맞물리는 웜휠(617)이 형성되어 있다.
통상적으로 운전자의 조향휠(미도시) 조작에 따라 조향축(102)이 3 ~ 4 회전을 하는데, 본 발명의 경우 조향축(102)의 3 ~ 4 회전에 따라 감속축(601)은 1회전 이하로 회전하도록 하여 360 도 이내의 범위에서 조향각을 산출할 수 있도록 함이 바람직하다.
도 7은 방향 센서를 나타내는 단면도이다.
도 6 및 도 7에서 각각 도시하는 바와 같이 방향 센서(607)는 발신부(603), 수신부(605) 및 회로기판(606)을 포함하여 구성된다.
발신부(603)와 수신부(605)는 서로 마주 보도록 형성되어 있으며, 발신부(603)에서 전기적 신호, 자기적 신호 또는 광 신호를 비롯한 신호가 발생하여 수신부(605)로 전달되게 된다. 이러한 발신부(603)와 수신부(605) 사이에서 회전 부재(609)가 회전하면서 발신부(603)에서 발생하는 신호를 차단하기도 하고 통과시키기도 하면서 방향 센서(607)를 작동시키는 것이다.
방향 센서(607)로는 발광 소자(401) 및 수광 소자(403)를 포함하여 구성되는 광센서가 사용될 수 있는데, 발광 소자(401)로는 LED(Light Emitting Diode)가 사용되고 수광 소자(403)로는 포토트랜지스터(Phototransistor)가 사용될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
회로기판(606)은 발신부(603) 및 수신부(605)에 각각 연결되어 발신부(603)에 전원을 공급하고, 수신부(605)로부터 신호를 수신하거나 수신하지 못함에 따라 특정한 전기적 신호가 발생하면 발생한 신호를 전자 제어 장치(123)에 전달한다. 이러한 회로기판(606)으로는 일반적으로 인쇄 회로기판(PCB: Printed Circuit Board)이 사용되나 이에 한정되는 것은 아니다.
회전 부재(609)는 감속축(601)에 연동하여 회전하도록 감속축(601)의 일단에 결합되되 발신부(603) 및 수신부(605) 사이에 설치되는데, 회전 부재(609)는 몸체부(610) 및 결합부(612)를 포함하여 구성된다.
몸체부(610)는 방향 센서(607)의 발신부(603)와 수신부(605) 사이에서 회전하되 발신부(603)로부터 전달되는 신호를 차단하거나 통과시키는 역할을 하며 판 형상으로 형성될 수 있다. 또한, 광센서가 방향 센서(607)로 사용되는 경우에는 몸체부(610)는 빛이 통과하지 못하는 재질로 만들어져야 할 것이다.
몸체부(610)는 감속축(601)이 회전하면 함께 회전하기 때문에 공간 절약을 위해 그 단면 형상이 원으로 이루어지는 것이 바람직하다. 또한, 감속축(601)이 시계 방향 또는 반 시계 방향으로 180 도 미만으로 회전하는 경우에는 몸체부(610)의 단면 형상은 반원 또는 부채꼴 형상으로 이루어지는 것이 바람직하다.
결합부(612)는 몸체부(610)의 일측에 돌출 형성되어 회전 부재(609)를 감속축(601)에 결합시키는 부분이다. 회전 부재(609)가 감속축(601)에 연동하여 회전해야 하기 때문에 결합부(612)는 감속축(601)에 완전히 고정되어야 할 것이다.
한편, 별도의 결합부(612)를 형성하지 않고 회전 부재(609)를 감속축(601)과 일체로 형성되게 할 수도 있다.
모터 위치 센서(Motor Position Sensor: 613)는 모터(130)의 일측에 구비되어 모터축(611)의 회전각을 감지하는 장치이다. 모터 위치 센서(613)는 모터축(611)의 회전각을 감지하여 주기적으로 펄스(Pulse)를 발생시키고, 발생된 펄스는 전자 제어 장치(123)에 전달된다.
전자 제어 장치(123)는 자동차에 장착되어 있는 각종 센서, 즉 차속 센서, 토크 센서, 모터 위치 센서 등에서 감지하여 전기적 신호로 변환한 자동차의 속도, 조향 토크 또는 모터 축의 위치 정보 등을 전달 받아서 모터를 제어하는 장치이다.
특히, 본 발명에 있어서 전자 제어 장치(123)는 조향축(102)의 회전 방향을 감지하는 방향 센서(607)로부터 발생하는 전기적 신호를 전달 받고, 모터 위치 센서(613)로부터 모터축(611)의 회전각 변화량에 관한 정보를 전달 받아서 조향각을 계산하는 역할을 한다.
도 8a, 8b 및 8c는 각각 조향축의 일 방향 회전에 따른 방향 센서의 작동 모습을 나타내는 단면도이다.
조향축의 3 ~ 4 회전이 감속축의 1 회전 미만으로 감속되는 경우를 전제로 도 8a, 8b 및 8c를 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 전동식 조향장치의 작동을 설명하면 다음과 같다.
최초에 자동차의 조향휠이 중립 위치(A - A′)로부터 약간 회전된 상태에 있고, 그에 따라 중립 위치(A - A′)로부터 시계 반대 방향으로 약간 회전되어 있던 회전 부재(609)는 발광 소자(401)와 수광 소자(403) 사이에서 발광 소자(401)로부터의 빛을 차단하고 있다.
그런데, 감속축(601)이 시계 반대 방향으로 회전함에 따라 회전 부재(609)도 시계 반대 방향으로 회전하지만, 회전 부재(609)가 최종 위치(B - B′)에 도달하더라도 발광 소자(401)로부터의 빛이 회전 부재(609)에 의해 여전히 차단되어 수광 소자(403)에 전달되지 못하는 상태에 있게 된다. 따라서, 이 경우 방향 센서로부터 전자 제어 장치에 전달되는 전기적 신호는 일정하다.
예를 들어 운전자가 조향휠을 조작하여 좌회전을 함으로써 위와 같은 상태가 된다면 전자 제어 장치는 현재 자동차의 조향축이 좌측으로 회전되어 있는 상태라는 것을 감지하는 것이다.
그런데, 모터 위치 센서는 모터축의 회전에 따라 주기적으로 전기적 신호를 전자 제어 장치로 보낸다. 이러한 전기적 신호를 통해 모터축의 회전각을 알 수 있는 한편, 모터축의 회전각과 감속비를 알면 조향축의 회전각을 알 수 있게 되는 것이다. 즉, 모터 위치 센서로부터 감지되는 모터축의 회전 각도가 0.28 도이고, 감속비가 4 : 1 이라면 이로부터 측정되는 절대 조향각은 0.28 × 4 = 1.12 도가 되는 것이다.
즉, 방향 센서로부터 전달되는 전기적 신호는 조향축의 회전 방향을 알려 주는 것이고, 모터 위치 센서로부터 전달되는 전기적 신호는 조향축의 회전각을 알려 주는 것이다. 따라서 이를 종합하면 조향축의 회전 방향 및 그 방향으로의 조향축의 절대 회전각을 측정할 수 있게 되는 것이다.
이러한 원리는 조향축이 반대 방향으로 회전하는 경우에도 동일하게 적용된다. 또한, 일 방향으로 회전된 상태에 있던 조향축이 반대 방향으로 회전하다가 중립 위치를 지나는 경우에는 회전 부재도 중립 위치를 지나므로 방향 센서의 발신부로부터의 빛을 차단 또는 통과시키므로 순간적으로 전기적 신호에 변동이 발생한다. 이러한 전기적 신호의 변동에 따라 전자 제어 장치는 조향축의 회전 방향이 반대 방향으로 변화되었음을 감지하게 되는 것이다.
이상의 설명은 본 발명을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가지는 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 명세서에 개시된 실시예들은 본 발명을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 의하면, 조향축의 회전 방향을 감지하는 방향 센서 및 모터축의 회전 위치를 감지하는 모터 위치 센서를 이용하여 절대 조향각을 감지하는 조향각 센서를 구비한 전동식 조향장치를 제공하여 조향장치의 제작 비용을 감축하는 효과가 있다.

Claims (3)

  1. 자동차의 조향휠에 연결되는 조향축;
    상기 조향축에 맞물려 회전하는 감속축;
    발신부 및 수신부를 포함하는 방향 센서;
    상기 감속축의 일단에 형성되되 상기 발신부 및 상기 수신부 사이에 설치되는 반 원판 형상의 회전 부재;
    조향 보조 동력을 공급하는 모터;
    상기 모터에 구비되는 모터축의 회전각을 감지하는 모터 위치 센서; 및
    상기 방향 센서 및 상기 모터 위치 센서로부터 각각 전기적 신호를 전달받아서 조향각을 산출하는 전자 제어 장치
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 전동식 조향장치.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 감속축은 180 도 이내로 회전하는 것을 특징으로 하는 전동식 조향장치.
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