KR100530521B1 - 자기 위치 센서 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 적어도 2개의 고정자 부재가 자기장에 배치되고, 자기장 프로브가 고정자 부재 사이의 측정 갭내에 배치되며, 이동 물체를 따르는 수단이 고정자 부재 평면에 대해 평행하게 배치된, 자기 위치 센서에 관한 것이다. 간단하고 저렴하게 제조될 수 있는 자기 위치 센서는 하나의 공통 지지 부재상에 배치된 하나의 고정자 부재 및 자기장 프로브를 포함한다.

Description

자기 위치 센서 {MAGNETIC POSITION SENSOR}
본 발명은 적어도 2개의 고정자 부재가 자기장에 배치되고, 고정자 부재 사이의 측정 갭내에 자기장 프로브가 배치되며, 이동 물체를 따르는 수단이 고정자 부재 평면에 대해 평행하게 배치된, 자기 위치 센서에 관한 것이다.
각도에 비례하는 신호를 전달하는 홀(Hall)-각 센서는 공지되어 있다. 여기서, 회전 운동의 검출은 2개의 고정자 반쪽 사이에 형성된 갭내에 배치된 홀(Hall)-프로브를 통해 이루어진다.
회전자는 샤프트상에 배치된다. 상기 샤프트는 위치 변동이 검출되어야 하는 물체에 연결된다.
고정자 부재는 센서 하우징에 고정된다. 홀-센서는 고정자 부재 사이의 갭내에서 샤프트의 회전 방향에 대해 방사방향으로 배치됨으로써, 그 전기 접속부가 고정자 부재 위로 돌출하고, 전기 접속을 형성하기 위해 프린트 배선 회로 기판상의 평가 회로에 접속된다.
여기서는 고정자의 조립이 복잡하다는 단점이 있는데, 그 이유는 고정자 부재의 조립 및 홀(Hall)-프로브와 프린트 배선 회로 기판의 전기 접속이 별도의 단계에서 이루어져야 하기 때문이다.이러한 자기 위치 센서는 영국 특허 제 2 272 060 A호에 공지되어 있다. 여기서는 적어도 2개의 고정자 부재가 자기장에 배치되고, 측정 갭은 고정자 부재에 의해 제한되며 자기장 프로브가 상기 측정 갭내에 배치된다. 자기장 프로브는 직접 그리고 고정자 부재는 보조 지지체를 통해 하나의 공통 지지 부재상에 배치된다. 이러한 배치에서는 특히 고정자 부재가 보조 지지체를 통해 프린트 배선 회로 기판상에 복잡하게 조립되어야 한다.
도 1은 자동차 페달 유닛의 단면도이고,
도 2는 자동차 페달 유닛에 배치된 자기 위치 센서의 단면도이며,
도 3은 자기 위치 센서의 사시도이고,
도 4는 프린트 배선 회로 기판상에 자기 위치 센서의 고정자 부재의 배치를 나타낸 사시도이며,
도 5는 고정자 부재의 사시도이고,
도 6은 프린트 배선 회로 기판상에 고정자 부재를 고정하는 방법을 나타낸 단면도이다.
본 발명의 목적은 간단하고 저렴하게 제조되는 자기 위치 센서를 제공하는 것이다.
상기 목적은 본 발명에 따라 청구항 제 1항의 특징에 의해 달성된다.
특히, 지지 부재가 고정자 부재의 방사방향 폭으로 평행하게 배치되면, 자기 위치 센서의 구조적 형상이 작아지고 고정자 부재와 자기장 프로브의 조립이 지지 부재상에 다른 전자 부품의 조립과 함께 단 하나의 단계로 이루어질 수 있다.
고정자 부재의 휘어진 부분의 단부가 조립시 프린트 배선 회로 기판의 구리 적층물상에 직접 놓여 예컨대 리플로 납땜(reflow soldering)에 의해 고정된다.
또 다른 실시예에서는 고정자 부재의 제 1 휘어진 부분에 제 2 휘어진 부분이 접속된다. 상기 제 2 휘어진 부분은 지지 부재에 대해 평행하게 형성되고 지지 부재에 연결된다. 이 실시예에서 제 2 휘어진 부분은 지지 부재의 구리 적층물에 평면으로 결합되며, 이것은 지지 부재에 대한 고정자의 양호한 접착 강도를 제공한다. 상기 부분도 표면 납땜에 의해 간단히 지지 부재에 고정된다.
특히 간단한 실시예에서 고정자 부재는 펀칭 휨 부품으로 형성되어 지지 부재를 직접 누른다. 이렇게 형성된 고정자 부재는 적어도 하나의 휨부를 포함한다. 휨부는 지지 부재의 개구를 통해 지지 부재내로 삽입되고 거기서 반대편상에 고정된다.
펀칭 휨 부품으로 제조함으로써, 리벳 및 와셔가 필요없게 되므로, 납땜에 의해 조립 공정이 자동화될 수 있다. 고정자 부재의 실시예가 조합될 수도 있다.
제 1 실시예에서는 자기장 프로브가 측정 갭내에서 샤프트에 대해 방사방향으로 변위되어 배치되고, 샤프트는 회전자와 고정 연결되며, 회전자는 고정자 부재에 대해 축방향으로 배치된다.
회전자는 2부분으로 형성되며, 각각의 연자기(soft-magnetic) 회전자 부재는 적어도 하나의 원형 세그먼트를 포함하고, 회전자 부재는 서로 회전 가능하게 접속되므로, 제 1 회전자 부재의 원형 세그먼트가 제 2 회전자 부재의 세그먼트 갭과 마주 놓이며, 고정자 부재는 회전자 부재들 사이에 배치되고, 축방향으로 자기장을 발생시키는 자석이 회전자 부재들 사이에 그리고 고정자 부재들 사이에 배치된다.
본 발명의 장점은 회전자의 2부분 형성에 의해 센서 신호에 대한 축방향 유격의 작용이 저지된다는 것인데, 그 이유는 회전자와 고정자 사이에 생긴 2개의 갭이 동시에 반대 방향으로 변동됨으로써 갭의 합이 항상 일정하기 때문이다.
바람직하게는 회전자 부재들과 각각 하나의 고정자 부재 사이에 축방향으로 형성된 2개의 갭의 합이 자석의 축방향 폭 보다 작기 때문에, 자력 선속이 고정자에 의해 지지된다.
또 다른 실시예에서, 고정자 부재는 원형 세그먼트와 유사하게 형성된다.
또 다른 실시예에서, 적어도 하나의 회전자 부재의 원형 세그먼트의 외부 반경이 고정자 부재의 외부 반경 보다 작다. 이것은 자기장 프로브를 2개의 고정자 부재 사이의 갭내에서 센서의 샤프트의 회전축에 대해 평행하게 배치하는 것을 가능하게 한다. 이러한 배치의 장점은 자석이 최적의 치수 설계될 수 있다는 것인데, 그 이유는 2개의 회전자 부품의 축방향 간격이 자유로이 변동될 수 있기 때문이다.
자력 선속 제어(flux guidence)의 각 의존성이 자석의 윤곽 또는 자화에 의해 얻어지지 않고 회전자의 비대칭 형상에 의해 얻어지기 때문에, 자석에 대한 요구 조건이 최소이다.
자석은 단지 축방향 자기장을 형성하기만 하면 된다. 이것은 선택적으로 회전 가능하게 지지된 영구 자석에 의해 또는 고정자에 대해 고정된 자석에 의해 발생될 수 있다. 이 경우, 고정자에 대해 고정된 자석은 영구 자석 또는 전자석으로 구현될 수 있다.
또 다른 실시예에서, 자석은 링형 영구 자석으로 형성된다.
바람직하게는 고정자 세그먼트가 항상 회전자 샤프트의 회전축에 대해 동축으로 배치된다.
이하, 본 발명의 실시예를 첨부한 도면을 참고로 구체적으로 설명한다.
도면에서 동일한 요소는 동일한 도면 부호를 갖는다.
도 1에 따라 가속 페달(1), 예컨대 자동차의 가스 페달이 샤프트(2)에 비틀리지 않게 연결된다. 샤프트(2)의 측면은 베어링 블록(3)내에 회전 가능하게 지지된다. 복원 스프링(6)은 한편으로는 가속 페달(1)과 일체로 형성된 칼라(4)에 지지되고, 다른 한편으로는 샤프트(8)를 중심으로 회전 가능한 레버(5)에 지지된다. 상기 레버(5)의 다른 단부는 가속 페달(1)의 회전면(9)에 마찰 접속된다. 이로 인해, 양방향으로 가속 페달(1)의 선회 운동에 대항하는 마찰 저항(히스테리시스)이 형성된다. 따라서, 가속 페달(1)의 의도치 않은 진동이 억제된다.
가속 페달(1)을 밟지 않으면 칼라가 내부 스토퍼(7)에 부딪치는 방식으로, 복원 스프링(6)의 작용이 상기 스토퍼(7)에 의해 제한된다.
도 2는 가속 페달(1)의 베어링 블록(3)에 각 센서의 배치를 나타낸다. 각 센서의 하우징(10)이, 도시된 나사 결합부(12)를 통해 베어링 블록(3)에 연결된다.
하우징(10)은 플러그 커넥터(13)를 포함한다. 플러그 커넥터(13)는 하우징(10)의 내부에서 하우징(10)의 돌출부(16)상에 배치된 프린트 배선 회로 기판(14)에 대한 전기 접속을 가능하게 한다.
개구(11)을 통해 베어링 블록(3)으로부터 빠져 나온 샤프트(2)는 계단형으로 형성된 비자성 샤프트(15)를 수용한다. 예컨대 플라스틱 샤프트로서 형성된 샤프트(15)상에 2개의 회전자 부재(17a, 17b)가 비틀리지 않게 배치됨으로써, 회전자 부재가 링 자석(19) 및 2개의 고정자 부재(18a, 18b)를 축방향으로 둘러싼다. 고정자 부재(18a, 18b)는 프린트 배선 회로 기판(14)상에 배치된다. 회전자 부재(17b)가 프린트 배선 회로 기판(14)의 개구(20)를 통해 이동 가능하게 안내된다. 샤프트(2) 반대편에 놓인 플라스틱 샤프트(15)의 측면은 하우징(10)의 수용부(21)내에 이동 가능하게 안내된다.
하우징(10)은 플러그 커넥터(13) 및 수용부(21)와 일체형으로 형성된다.
센서의 원리가 도 3에 도시되고 상세히 설명된다.
자석(19)은 서로 180°회전된, 연자기 재료로 이루어진 회전자 부재(17a, 17b) 사이에 배치된다. 플라스틱 샤프트(15)에 의해 회전자 부재(17a, 17b)가 서로 단단히 커플링된다.
각각의 회전자 부재는 가장 간단한 경우 서로 맞은편에 위치하는 2개의 세그먼트(17a1, 17a2 또는 17b1, 17b2)를 포함한다. 제 1 회전자 부재(17a)는 서로 180°회전된 세그먼트(17a1, 17a2)를 포함하고, 제 2 회전자 부재(17b)도 2개의 세그먼트(17b1, 17b2)를 갖는다. 회전자 부재는 회전 중심 방향으로 자기적으로 커플링된다. 2개의 회전자 부재(17a, 17b)가 서로 변위됨으로써, 회전자 부재(17a)의 세그먼트(17a1) 맞은편에 회전자 부재(17b)의 세그먼트 갭이 배치된다. 이것은 항상 제 1 회전자 부재(17a)의 세그먼트 갭의 맞은편에 위치하는 제 2 회전자 부재(17b)의 세그먼트(17b1, 17b2)에도 적용된다. 여기서, 세그먼트 갭은 회전자 부재(17a 또는 17b)의 2개의 세그먼트(17a1, 17a2 또는 17b1, 17b2) 사이의 각각의 간격을 의미한다.
그러나, 회전자 부재(17a, 17b)가 N 세그먼트를 갖는 것도 고려할 수 있다. 이럴 경우 회전자 부재가 서로 180°/N 만큼 변위되어 배치된다. 전술한 바와 같이, 각각의 블레이드의 폭은 180°/N 이다. 이로 인해, 신호의 주기성이 반원형 실시예에 비해 1/N 만큼 감소된다.
도 3에 도시된 장치는 직접 나란히 배치된 세그먼트(18a1, 18a2)로 이루어진 고정자 장치를 포함한다. 고정자 세그먼트(18a1, 18a2)는 회전자 부재(17a, 17b) 사이에 배치되고 갭(23)을 형성하며, 상기 갭(23)내에서 홀-프로브(22)가 샤프트(15)에 대해 축방향으로 배치된다.
도 3은 리던던트 시스템(redundant system)을 도시한다. 여기서는, 전술한 고정자 세그먼트(18a1, 18a2) 외에도 한쌍의 제 2 고정자 세그먼트(18b1, 18b2)가 형성되며, 상기 제 2 고정자 세그먼트(18b1, 18b2)쌍은 제 1 고정자 세그먼트(18a1, 18a2)쌍에 대해 180°만큼 회전되어 배치된다. 고정자 세그먼트(18b1, 18b2)는 측정 갭(23)을 형성하며, 상기 측정 갭(23)내에 제 2 자기장 프로브(22)가 배치된다.
이러한 실시예에서는 고정자 세그먼트(18a1, 18a2, 18b1, 18b2)가 회전자 세그먼트(17a1, 17a2 또는 17b1, 17b2)보다 큰 외부 반경(R2)을 갖는다. 회전자 세그먼트는, 홀-부재(22)가 회전자 세그먼트(17a1, 17a2 또는 17b1, 17b2)와 중첩되지 않고 완전히 측정 갭내로 삽입될 수 있을 정도의 외부 반경(R1)을 갖는다.
센서의 회전 방향에 대해 축방향으로 측정 갭(23)내에 배치된 홀-프로브(22)는 하나의 또는 동일한 프린트 배선 회로 기판(14)상에 배치될 수 있다.
자석(19)은 최적의 치수로 설계될 수 있는데, 그 이유는 2개의 회전자 부재(17a, 17b)의 축방향 간격이 자유롭게 선택될 수 있기 때문이다.
제 1 회전자 부재의 원형 세그먼트가 제 2 회전자 부재의 세그먼트 갭보다 작은 각을 가지면, 전체 센서의 조립이 간단해진다.
도 3에는, 세그먼트 폭이 57°로 이루어지고 리던던트 신호가 발생되는 실시예가 도시된다.
2개의 고정자쌍(18a1, 18a2; 18b1, 18b2) 사이에서 본 예에서는 예컨대 66°의 개방 영역이 얻어진다.
회전자 부재(17a)는 단일의 고정자 폭(57°)을 갖는 2개의 세그먼트(17a1, 17a2)를 포함한다. 회전자 부재(17b)는 상보적으로 구성된다. 즉, 갭이 회전자 부재(17a)의 원형 세그먼트(17a1, 17a2) 폭에 상응하는 폭을 갖는다.
회전자 부재(17a, 17b)가 도시된 위치에 대해 ±90°에 상응하는 적합한 위치에 도달하면, 상기 회전자 부재(17a, 17b) 전체가 축방향으로 조립되거나 분해될 수 있다.
이로 인해, 조립이 현저히 간단해지는데, 그 이유는 고정자 및 전자 부품을 갖는 고정자측(stator side, 프린트 배선 회로 기판(14))이 회전자측(rotor side, 회전자 부재(17a, 17b), 자석(19) 및 샤프트(15))과 마찬가지로 미리 조립된 유닛으로서 다루어질 수 있기 때문이다.
예컨대, 회전자측이 비자성 샤프트(15)상에 미리 조립된 다음, 샤프트(2)상으로 압착된다. 플라스틱 바디에 의해, 연자기 재료로 이루어진 샤프트(5)의 자기적 디커플링이 이루어진다. 그러면, 샤프트가 더 이상 변위될 필요가 없으며, 이것도 조립 간소화를 의미한다.
도 4에는 전술한 센서의 실시예가 도시되며, 여기서는 고정자 세그먼트(18a1, 18a2 또는18b1, 18b2)가 직접 프린트 배선 회로 기판(14)상에 놓인다.
고정자 세그먼트(18a1, 18a2 또는18b1, 18b2)는 펀칭 휨 부품으로 형성된다. 각각의 고정자 부재는 세그먼트 외부 가장자리(29)에 각각 휨부(24 또는 25)를 갖는다(도 5). 고정자 세그먼트 (18b2)의 휨부(24)는 고정자 세그먼트 (18b1)의 휨부(25)와 함께 측정 갭(23)을 형성하며, 상기 측정갭(23)내에 자기장 프로브(22)가 배치된다.
이러한 휨부로 인해, 고정자의 판두께가 커질 필요없이, 유효 측정면이 확대된다. 이것에 의해, 자석(19)의 치수가 작아지고, 이에 따라 센서가 전체적으로 작은 치수를 갖는다.
홀-센서(22)의 전기 접속부(28)는 프린트 배선 회로 기판(14)내로 삽입되고 프린트 배선 회로 기판(14)의 하부면에 유동 납땜된다.
고정자 세그먼트가 도 5에 다시 도시된다. 세그먼트 (18a1)의 예에서는, 최대 외부 반경(R2)을 갖는 가장자리에 2개의 휨부(26, 27)가 배치되고, 상기 휨부(26, 27)는 프린트 배선 회로 기판(14)의 개구에 삽입되는 것이 도시된다. 휨부(26, 27)의 도움으로 세그먼트(18a1, 18a2, 18b1, 18b2)가 프린트 배선 회로 기판(14)상에 고정된다. 상기 세그먼트(18a1, 18a2, 18b1, 18b2)는 홀-센서(22) 및 프린트 배선 회로 기판(14)상에 배치된, 도시되지 않은 다른 전기 스위칭 부품과 동시에 하나의 단계로 프린트 배선 회로 기판(14)에 유동 납땜된다.
도 6에는 고정자 세그먼트의 다른 고정 가능성이 도시된다. 도 6a은 프린트 배선 회로 기판(14)과 정해진 간격을 가진 고정자 세그먼트(18a1)를 나타낸다. 고정자 세그먼트(18a1)의 직각으로 휘어진 부분(30) 또는 고정자 세그먼트(18a2)의 직각으로 휘어진 부분(31)은 프린트 배선 회로 기판(14)의 구리 적층물(32)상에 놓이고 리플로 납땜에 의해 이것에 결합된다. 휘어진 부분(30, 31)은 동시에 프린트 배선 회로 기판(14)에 대한 고정자 세그먼트(18a1)의 스페이서로 사용된다.
도 6b에 도시된 실시예에서는 고정자 세그먼트(18a1)의 제 1의, 90°로 휘어진 부분(30)에 제 2의, 90°로 휘어진 부분(33)이 접속된다. 상기 부분(33)은 프린트 배선 회로 기판에 대해 평행하게 형성되고 프린트 배선 회로 기판상에 평면으로 놓여 납땜된다. 고정자 세그먼트(18a1)는 2개의 휘어진 부분(30) 및 (33)과 함께 90°로 휘어진 U자를 형성한다.
도 6a에 따른 실시예에서 그리고 도 6b에 따른 실시예에서 고정자 부재의 제 1 휘어진 부분(30)은 이것에 대해 평행하게 인접한 고정자 부재의 제 1 휘어진 부분(31)과 함께 측정 갭(23)을 형성하고, 상기 갭(23)내에 홀-프로브(22)가 배치된다.

Claims (17)

  1. 적어도 2개의 고정자 부재가 자기장에 배치되고, 상기 고정자 부재 사이의 측정 갭내에 자기장 프로브가 배치되며, 이동 물체를 따르는 수단이 상기 고정자 부재 평면에 대해 평행하게 배치되고, 적어도 하나의 고정자 부재 및 자기장 프로브가 하나의 공통 지지 부재상에 배치되는, 자기 위치 센서에 있어서, 지지 부재(14)가 고정자 부재(18a, 18b)의 방사방향 폭으로 평행하게 배치되고, 상기 지지 부재(14)에 대한 상기 고정자 부재(18a, 18b)의 고정을 위해, 상기 고정자 부재(18a, 18b)가 상기 지지 부재(14)의 방향으로 휘어진 부분(30, 31)을 갖는 것을 특징으로 하는 자기 위치 센서.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 휘어진 부분(30, 31)이 상기 지지 부재(14)상에 납땜되는 것을 특징으로 하는 자기 위치 센서.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 고정자 부재(18a, 18b)의 제 1 휘어진 부분(30, 31)에 제 2 휘어진 부분(33, 34)이 접속되고, 상기 제 2 휘어진 부분은 상기 지지 부재(14)에 대해 평행하게 형성되며 지지 부재에 연결되는 것을 특징으로 하는 자기 위치 센서.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 고정자 부재(18a, 18b)의 적어도 하나의 휨부(26, 27)가 상기 지지 부재(14)의 개구내로 삽입되고 거기서 납땜되는 것을 특징으로 하는 자기 위치 센서.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 고정자 부재(18a, 18b)가 상기 지지 부재(14)상에 직접 놓이는 펀칭 휨 부품인 것을 특징으로 하는 자기 위치 센서.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 고정자 부재(18a, 18b)가 적어도 하나의 휨부(24, 25)를 가지며, 상기 자기장 프로브(22)를 수용하는 측정 갭(23)이, 차례로 배치된 2개의 고정자 부재(18a, 18b)의 휨부(24, 25) 사이에 형성되는 것을 특징으로 하는 자기 위치 센서.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 자기장 프로브(22)가 측정 갭(23)내에서 샤프트(15)에 대해 평행하게 배치되며, 상기 회전자 샤프트(15)가 회전자 부재(17a, 17b)에 연결되고, 상기 회전자 부재(17a, 17b)가 상기 고정자 부재(18a, 18b)를 축방향으로 둘러싸는 것을 특징으로 하는 자기 위치 센서.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 회전자 부재가 2부분으로 형성되며, 각각의 연자기 회전자 부재(17a, 17b)가 적어도 하나의 원형 세그먼트(17a1, 17a2, 17b1, 17b2)를 포함하고, 상기 회전자 부재(17a, 17b)가 서로 회전 가능하게 연결됨으로써, 제 1 회전자 부재(17a)의 원형 세그먼트(17a1, 17a2)가 제 2 회전자 부재(17b)의 세그먼트 갭에 마주 놓이고, 상기 고정자 부재(18a, 18b)가 상기 회전자 부재(17a, 17b) 사이에 배치되며, 자기장을 축방향으로 발생시키는 자석(19)이 상기 회전자 부재(17a, 17b) 사이에 그리고 상기 고정자 부재(18a, 18b) 사이에 배치되는 것을 특징으로 하는 자기 위치 센서.
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 회전자 부재(17a, 17b)와 상기 고정자 부재(18a, 18b) 사이에 축방향으로 형성된 2개의 갭의 합이 상기 자석(19)의 축방향 폭 보다 작은 것을 특징으로 하는 자기 위치 센서.
  10. 제 8 항에 있어서, 상기 고정자 부재(18a, 18b)가 원형 세그먼트와 유사하게 형성되는 것을 특징으로 하는 자기 위치 센서.
  11. 제 10 항에 있어서, 적어도 하나의 회전자 부재(17a, 17b)의 원형 세그먼트(17a1, 17a2, 17b1, 17b2)의 외부 반경(R1)이 고정자 부재(18a, 18b)의 외부 반경(R2) 보다 작은 것을 특징으로 하는 자기 위치 센서.
  12. 제 11 항에 있어서, 상기 자석(19)이 링형 영구 자석으로 형성되는 것을 특징으로 하는 자기 위치 센서.
  13. 제 12 항에 있어서, 상기 링형 자석(19)이 상기 회전자 샤프트(15)에 고정되는 것을 특징으로 하는 자기 위치 센서.
  14. 제 13 항에 있어서, 상기 고정자 부재(18a, 18b)가 상기 회전자 샤프트(15)의 회전축에 대해 동축으로 배치되는 것을 특징으로 하는 자기 위치 센서.
  15. 제 7 항에 있어서, 상기 회전자 부재(17a, 17b) 및 회전자 샤프트(15)로 이루어진 회전자 전체가 축방향으로 조립되거나 분해될 수 있는 것을 특징으로 하는 자기 위치 센서.
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