KR101190895B1

KR101190895B1 - 직접 구동 모터를 구비한 탠덤식 윈드쉴드 와이퍼 시스템

Info

Publication number: KR101190895B1
Application number: KR1020050037552A
Authority: KR
Inventors: 존 블레드소에; 알맨 모에인; 펙 데이비드 이머리
Original assignee: 트리코 프로닥츠 코포레이션
Priority date: 2004-05-05
Filing date: 2005-05-04
Publication date: 2012-10-16
Also published as: DE102005019853A1; KR20060045904A; US20040244136A1; US7389561B2

Abstract

하나 이상의 브러시리스(brushless) DC 모터(12)의 종축을 중심으로 회전 가능한 출력부를 통해 구동 토크를 공급하는 하나 이상의 브러시리스 DC 모터(12)를 포함하는 탠덤식 윈드쉴드 와이퍼 시스템(10)에 관한 것이다. 제1의 레버 아암(29)을 구비하는 제1의 윈드쉴드 와이퍼 조립체(14)는 윈드쉴드의 표면을 가로질러 반복적인 와이핑 운동(wiping motion)을 하도록 종축을 중심으로 상기 모터(12)에 의해 구동된다. 제1의 윈드쉴드 와이퍼 조립체(14)로부터 간격을 둔 상태에 있는 제2의 윈드쉴드 와이퍼 조립체(15)는 제2의 레버 아암(31)을 구비하며, 윈드쉴드(16)의 표면을 가로질러 반복적인 와이핑 운동으로 작동 가능하게 이동하도록 제2의 종축을 중심으로 회전할 수 있다. 제1 및 제2의 레버 아암(29, 31) 사이에 작동 가능하게 배치되고, 제1의 윈드쉴드 와이퍼 조립체(14)에 공급된 구동 토크를 제2의 윈드쉴드 와이퍼 조립체(15)로 전달하도록 구성되어 있는 커넥팅 아암(33)을 더 포함한다. 상기 모터(12)는 출력 샤프트(88)를 구비하는 유성 기어 세트(22)를 포함한다. 기어 세트(22)는 회전 출력과 모터(12)의 종축에 대해 동일 축상으로 배치되어 있고, 구동 토크를 상기 제1 및 상기 제2의 윈드쉴드 와이퍼 조립체(14, 15)에 작동 가능하게 상호 연결시킨다.

Description

직접 구동 모터를 구비한 탠덤식 윈드쉴드 와이퍼 시스템{TANDEM WINDSHIELD WIPER SYSTEM WITH DIRECT DRIVE MOTOR}

도 1은 본 발명의 양호한 실시예에 따른 직접 구동 모터를 구비한 탠덤식 윈드쉴드 와이퍼 시스템을 도시한 조립도이다.

도 2는 본 발명의 양호한 실시예에 따른 모터를 포함하는 조립체를 도시한 분해도이다.

도 3은 본 발명의 양호한 실시예에 따른 모터를 포함하는 조립체들과 이들 상호간의 물리적 관계를 도시한 단면도이다.

도 4는 본 발명의 양호한 실시예의 모터 하우징 조립체를 도시한 분해도이다.

도 5는 본 발명의 양호한 실시예에 따른 회전자 조립체를 도시한 분해도이다.

도 6은 본 발명의 양호한 실시예에 따른 기어 하우징 조립체를 도시한 분해도이다.

도 7은 본 발명의 양호한 실시예에 따른 전자 부품 하우징을 도시한 분해도이다.

도 7a는 본 발명의 양호한 실시예에 따른 전자 부품 하우징의 위치 센서 조 립체를 상세히 도시한 분해도이다.

도 8은 본 발명의 양호한 실시예에 따른 프로그램 가능한 제어 회로의 블록선도이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10 : 윈드쉴드 와이퍼 시스템

12 : 모터

14, 15 : 제1 및 제2의 윈드쉴드 와이퍼 조립체

16 : 윈드쉴드

20 : 모터 조립체

21 : 모터 하우징

22 : 기어 세트 조립체

23 : 기어 하우징

24 : 전자 부품 조립체

25 : 메인 샤프트

26 : 고정자

27 : 지지 베이스

28, 29, 31 : 레버 아암

30 : 회전자 조립체

32 : 중앙 허브

33 : 커넥팅 아암

35, 39 : 근위 단부

36 : 단부 플레이트

37, 41 : 원위 단부

42 : 리세스

44 : 래칭 기구

45 : 전자기 액추에이터

46 : 래칭 부재

50 : 베어링 리세스

52 : 회전자 베어링

60 : 백 아이언

62 : 모터 자석

64 : 회전자 캡

66 : 선 기어

86 : 기어 세트

88 : 출력 샤프트

90 : 링 기어

92 : 캐리어

94 : 유성 기어

98 : 와이퍼 단부

100 : 센서 단부

108 : 중앙 슬리브

110 : 스프링

112 : 스프링 와셔

114 : 푸시 너트

116 : 푸시 너트 와셔

126 : 위치 센서 조립체

128 : 단부 캡

130 : 제어 회로

132 : 플럭스 링 홀더

134 : 플럭스 링

138 : 자석

136 : 자석 홀더

140 : 출력 샤프트 커플러

142 : 위치 센서 회로

164 : 인쇄 회로 기판

166 : 3상 모터 드라이버 회로

168 : 전류 센서

169 : 역기전력 센서

170 : 전압 조절기

172 : 솔레노이드 드라이버

174 : 마이크로프로세서

176 : 직렬 통신 인터페이스

본 발명은 일반적으로 윈드쉴드 와이퍼 시스템에 관한 것으로, 보다 구체적으로 말하면 단일의 직접 구동 모터와 윈드쉴드 와이퍼를 제어하기 위한 링크 기구를 이용하는 윈드쉴드 와이퍼 시스템에 관한 것이다.

관련 기술분야에서 통상적으로 사용되는 윈드쉴드 와이퍼 시스템은 자동차의 카울(cowl) 근처에 통상 위치하는 안쪽-와이핑(in-wipe) 위치와 차량 위의 A-필라(A-pillar)와 보통 관련이 있는 바깥쪽-와이핑(out-wipe) 위치 사이에서 윈드쉴드을 가로질러 진동하면서 피벗식으로 장착된 와이퍼 블레이드를 포함한다(이 경우 운전자 쪽 와이퍼 블레이드에 해당함). 블레이드 조립체가 운전자의 전방에서 윈드쉴드을 가로질러 이동하는 안쪽-와이핑 위치와 바깥쪽-와이핑 위치 사이에서 블레이드 조립체의 각속도를 최대화시키는 것이 각각의 와이핑 사이클의 지속 시간을 줄이기 위해 통상적으로 바람직할 수 있다. 다른 한편으로, 블레이드 조립체가 와이핑 한계점(wipe limits)에 도달함에 따라 블레이드 조립체의 속도를 줄임으로써 소음 및 관성 부하(inertia loading)를 제한하는 것이 또한 바람직하다. 이들은 성공적이면서 경제적으로 획득되도록 반드시 균형을 이루어야만 하는 두 가지의 상반되는 목표이다.

관련 기술분야에서 사용되어 온 오랜 설계에 있어서 하나의 접근법은 차량의 앞창을 가로질러 2개의 별도의 와이퍼 아암들을 구동하기 위해 일방향으로 회전 구동하는 단일의 모터 조립체를 사용하는 것을 포함한다. 이러한 접근법은 와이퍼 모터의 단일의 각운동을 한 쌍의 와이퍼 아암의 구동에 사용된 2방향의 직선 왕복 운동으로 전환시키기 위해 꽤 복잡한 링크 시스템을 필요로 한다. 전술한 시스템들이 통상적으로 설치되는 계기판과 방화벽 사이의 영역에서, 상기 기계적인 링크 기구는 후드 아래의 상당한 공간을 차지한다. 더욱이, 전술한 가동 링크 기구에 근접한 영역은 배선 및 다른 차량의 부품들에서 떨어진 상태로 유지되어야 한다. 추가적으로, 여러 피벗 및 회전 지점들을 지닌 가동 링크 기구는 기계적인 부정확성과 마모에 노출되기 쉽고, 과도한 와이퍼 운동이 쉽게 일어난다.

그럼에도 불구하고, 수 년 동안, 설계자 및 제조업자들은 이러한 접근법에서 크게 벗어나지 못하였다. 그러나 차량의 설계에서 전방 표면을 더 길게 경사지게 만들도록 조장하는 차량의 공기 역학적 향상으로 인해, 윈드쉴드을 더욱 예리한 경사각을 갖도록 설계함으로써 창의 표면이 더 커지게 되었다. 따라서 이러한 윈드쉴드을 위한 와이퍼 시스템은 요구되는 비율의 큰 표적을 닦아내기 위해 더 길고 더 무거운 와이퍼 아암과 블레이드를 포함해야 한다. 이로 인해 몇몇 문제점이 발생한다. 가장 두드러진 문제점으로는, 아암과 닦는 표면적이 더 커짐에 따라, 통상적으로 할당된 후드 아래의 공간 내에서 단일의 모터 시스템을 장착하기 곤란할 정도로 종래의 와이퍼 시스템의 크기가 증가하게 된다는 점이다. 이러한 문제점은 가용할 후드 아래의 공간을 축소시키는 새로운 차량 설계의 전술한 공기 역학적 경사진 전방면에 의해 더욱 심각해진다. 추가적으로, 와이퍼 시스템이 닦게 될 표면적의 증가는 링크 타입의 시스템에 의해 제공될 수 있는 와이퍼 아암에 있어서 더 높은 동력과 제어를 필요로 하게 된다.

차량의 전방면 구조 변화와 이용 가능한 후드 아래의 공간의 감소로 인해 이중 모터 와이퍼 시스템(dual motor wiper system)이 개발되었다. 이러한 시스템의 대표적인 예로는 Gille 등의 명의의 미국 특허 제4,585,980호, Graham 등의 명의의 미국 특허 제4,665,488호, Wainwright 명의의 미국 특허 제4,900,995호, Porter 등의 명의의 제5,252,897호를 들 수 있다. 이들 와이퍼 시스템들은 대개 직접 구동된다. 추가적으로, Forham 명의의 미국 특허 제5,355,061호는 직접 구동식 윈드쉴드 와이퍼 시스템을 작동시키기 위해 다른 특허에서 사용한 바와 같이 브러시리스 DC 모터를 사용한다. 이중 모터를 사용하는 보다 최신식의 직접 구동식 와이퍼 블레이트 시스템들은 윈드쉴드에 걸쳐 블레이드 제어를 제어함과 아울러, 블레이드와 블레이드 간의 접촉을 방지하도록 각각의 모터를 다른 모터를 참조하여 개별적으로 제어하기 위해 몇몇 하드웨어 및/또는 소프트웨어 제어식 스위칭 방법을 이용하였다.

통상적인 이중 직접 구동 와이퍼 시스템은 고속 DC 모터를 사용한다. 이것은 와이퍼 아암의 스위핑(sweeping) 동작의 종단에서 그 와이퍼 아암을 정지시킨 다음 역전시키기 위해 큰 역회전력을 필요로 하기 때문에 바람직하지 못할 수 있다. 또한, 그러한 역회전력을 생성하는 데에 큰 전류 요구량(current draw)이 필요하게 되어, 공급되는 전력에 반복적인 서지(surge)를 초래하고 바로 주변의 차량 부품에 상당한 크기의 전자기 간섭을 초래하게 된다. 고속 DC 모터에 있어서, 스위핑 동작의 패턴 혹은 예정된 청소 계획의 일부로서 와이퍼 아암이 윈드쉴드을 가로질러 닦을 때 그 와이퍼 아암의 속도를 변화시키고자 할 때 또 다른 문제점을 야기한다. 이러한 문제점은 일대일 직접 구동 방식을 갖는 경우나, 와이퍼 아암의 속도를 모터의 속도와 다르게 하기 위한 기어 조립체가 비효율적인 경우의 직접 구동용 와이퍼 모터의 통상의 구조로부터 비롯된다. 따라서 윈드쉴드 와이퍼 시스템에 사용하기 위한 직접 구동 모터와 관련한 기술에 있어서 낮은 구동 속도에서 효과적이면서 제어 가능하고, 전자기적으로 깨끗한 직접 구동 모터의 필요성이 존재한다.

종래의 와이퍼 모터 시스템에 있어서 또 다른 하나의 문제점이 최근에 발견되었다. 종래의 직접 구동식 윈드쉴드 와이퍼 시스템은 표준 12볼트 전압의 작동 기준을 DC 모터를 사용한다. 이는 현재에는 적당하였지만 최근의 설계 흐름이 보다 효율적인 42볼트 전압을 기반으로 한 자동차 전기 시스템으로 전환되고 있는 경향이 있다. 42볼트형 자동차용 전기 시스템으로의 전환은 종래의 이중 직접 구동 와이퍼 시스템에서는 문제가 더 심각해질 것이고, 종래의 시스템과 양립할 수 없을 정도로 상당히 큰 문제점을 나타낸다. 따라서 전술한 문제점을 해소할 뿐만 아니라 새롭게 등장하고 있는 42볼트 자동차용 전기 시스템 환경에서도 사용 가능한 윈드쉴드 와이퍼 시스템을 제공할 필요가 있다.

추가적으로, 관련 기술분야에서 또한 공간이 제한되는 더 소형의 윈드쉴드 및 언더 카울 영역(under cowl area)을 지닌 소형의 차량 용례에 사용할 수 있는 우수한 DC구동 모터의 필요성이 여전히 존재한다. 보다 구체적으로 말하면, 관련 기술분야에서 전술한 요구 조건을 충족시키는 동시에 통상적인 와이퍼 시스템에서 회전 모터와 함께 사용되는 종래의 부피가 큰 링크 기구를 생략하기 위해 단순하고 효율적인 레버 아암과 함께 사용될 수 있는 형태의 단일의 왕복형 DC 구동모터의 필요성이 여전히 존재한다. 따라서 윈드쉴드 와이퍼 시스템에 사용하기 위한 직접 구동 모터에 관련한 기술에서 낮은 구동 속도에서 효과적이면서 제어 가능하고, 전자기적으로 깨끗하며, 그리고 새롭게 등장하고 있는 42볼트 자동차용 전기 시스템 환경에서도 사용할 수 있을 뿐만 아니라, 소형의 와이퍼 시스템에서 단일의 구동 모터로서 효과적으로 사용될 수 있는 그러한 시스템의 필요성이 여전히 존재한다.

전술한 바와 같은 관련 기술분야에서 기존의 문제점들 각각은 본 발명의 탠덤식 윈드쉴드 와이퍼 시스템에 의해 해소된다. 본 발명의 탠덤식 윈드쉴드 와이퍼 시스템은, 종축을 갖고 있고 이 종축을 중심으로 회전 가능한 회전 출력부를 통해 구동 토크를 공급하는 하나 이상의 브러시리스 DC 모터를 포함한다. 제1의 레버 아암을 구비하는 제1의 윈드쉴드 와이퍼 조립체는 윈드쉴드의 표면을 가로질러 반복적인 와이핑 운동을 하도록 종축을 중심으로 상기 모터에 의해 구동된다. 제1의 윈드쉴드 와이퍼 조립체부터 간격을 둔 상태에 있는 제2의 윈드쉴드 와이퍼 조립체는 제2의 레버 아암을 구비하며, 윈드쉴드의 표면을 가로질러 반복적인 와이핑 운동으로 작동 가능하게 이동하도록 제2의 종축을 중심으로 회전할 수 있다. 제1 레버 아암과 제2의 레버 아암 사이에 작동 가능하게 배치되고, 제1의 윈드쉴드 와이퍼 조립체에 공급되는 구동 토크를 제2의 윈드쉴드 와이퍼 조립체로 전달하도록 구성되어 있는 커넥팅 아암을 더 포함한다. 상기 모터는 출력 샤프트를 구비하는 유성 기어 세트를 포함한다. 기어 세트는 회전 출력과 모터의 종축에 대해 동일 축상으로 배치되어, 구동 토크를 제1 및 제2의 윈드쉴드 와이퍼 조립체에 작동 가능하게 상호 연결시킨다. 상기 기어 세트는 기어 세트의 출력 샤프트를 통해 모터의 회전 출력의 속도를 줄이도록 추가적으로 작동할 수 있다.

본 발명의 탠덤식 윈드쉴드 와이퍼 시스템의 하나의 장점은 윈드쉴드 와이퍼의 통합적인 제어를 위한 향상된 직접 구동 브리시리스 DC 모터를 이용하는 데 있다. 본 발명은 안쪽-와이핑 및 바깥쪽-와이핑 위치 사이에서 블레이드 조립체들의 각속도를 최대화시키도록 작용하기 때문에, 브리시리스 DC 모터를 효과적으로 구성하고 와이퍼 조립체의 방향을 역전시켜야 할 때 블레이드 조립체들이 와이핑 한계점으로 접근함에 따라 이들의 속도를 제어함으로써 소음 및 관성 부하를 제한하는 동시에 각각의 와이핑 사이클의 지속 시간을 줄일 수 있다.

본 발명의 탠덤식 윈드쉴드 와이퍼 시스템의 또 다른 장점은, 윈드쉴드의 운전자 시야 영역 내에서 와이퍼 조립체가 소비하는 시간을 줄이도록 와이핑 사이클 내에서 와이퍼 조립체의 속도 및 스위핑 속력을 제어할 수 있다는 데 있다.

본 발명의 탠덤식 윈드쉴드 와이퍼 시스템의 또 다른 장점은, 와이퍼 모터의 단일의 각 운동을 하나 또는 그 이상의 윈드쉴드의 와이퍼 아암의 구동에 사용된 2방향의 직선 왕복 운동으로 전환시키기 위해 관련 기술분야에서 사용되는 복잡한 링크 기구들을 필요로 하지 않는다는 데 있다. 따라서 본 발명은 관련 기술분야에서 사용한 장치들보다 더 작은 운전 엔벨로프(operational envelope)를 필요로 한다.

본 발명의 탠덤식 윈드쉴드 와이퍼 시스템의 또 다른 장점은 윈드쉴드 와이퍼의 회전 속도와 위치를 감지하지만, 전력이 끊길 경우라도 그 위치 파라미터들을 잃어버리지 않는 위치 센서를 사용할 수 있다는 점이다.

본 발명의 탠덤식 윈드쉴드 와이퍼 시스템의 또 다른 장점은, 모터가 오프 상태인 경우에 비회전 배치 상태에 모터, 나아가서는 모터의 출력부를 고정시키는 래칭 기구를 이용하는 데에 있다.

본 발명의 탠덤식 윈드쉴드 와이퍼 시스템의 또 다른 장점은, 와이퍼 아암의 위치를 그 회전에 무관하게 알게 하는 한편, 검출된 아암의 위치를 전력 손실 또는 운동 손실 동안에 잃어버리지 않도록 위치 감지를 달성하는 통합된 제어 회로를 포함하고 있다는 데에 있다.

본 발명의 탠덤식 윈드쉴드 와이퍼 시스템의 또 다른 장점은 표준형 12볼트와 보다 효율적인 42볼트 중 어느 것을 기초로 한 자동차 전기 시스템에도 사용할 수 있다는 데 있다.

본 발명의 다른 장점들은 첨부 도면과 연관지어 고려하여 아래의 상세한 설명을 읽음으로써 이해할 수 있는 장점들과 마찬가지로 쉽게 이해될 것이다.

첨부 도면 전반에 걸쳐 동일한 구성 요소들에 동일한 도면 부호들이 병기되어 있는 도면을 참조하면, 본 발명에 따른 탠덤식 윈드쉴드 와이퍼 시스템은 도면 부호 "10"으로 표기되어 있다. 도 1에 도시된 바와 같이, 탠덤식 윈드쉴드 와이퍼 시스템(10)은 윈드쉴드(16)의 표면을 가로질러 제1의 윈드쉴드 와이퍼 조립체(14)를 회전 가능하게 그리고 직접 구동시키는 적어도 하나의 모터(12)를 포함한다. 일반적으로 말하면, 상기 모터(12)는 모터(12)의 종축을 중심으로 회전 가능한 출력부를 통해 구동 토크를 제공하기 때문에 제1의 윈드쉴드 와이퍼 조립체(14)는 윈드쉴드(16)의 표면을 가로질러 반복적인 와이핑 운동을 하도록 동일한 종축을 중심으로 구동된다. 상기 모터(12)는 임의의 방향으로 회전하도록 추가로 제어될 수 있기 때문에 제1의 윈드쉴드 와이퍼 조립체(14)에 양방향 회전을 제공한다. 탠덤식 윈드쉴드 와이퍼 시스템(10)은 제1의 윈드쉴드 와이퍼 조립체(14)로부터 간격을 둔 동시에 제1의 윈드쉴드 와이퍼 조립체(14)에 탠덤식으로 제2의 종축 상에 배치되어 있는 제2의 윈드쉴드 와이퍼 조립체(15)를 더 포함한다. 제2의 윈드쉴드 와이퍼 조립체(15)는 윈드쉴드(16)의 표면을 가로질러 반복적인 와이핑 운동으로 제2의 종축을 중심으로 작동 가능하게 이동하도록 구성되어 있다. 이러한 이동을 달성하기 위해, 제2의 윈드쉴드 와이퍼 조립체(15)는 메인 샤프트(25)에 고정식으로 장착되어 있다. 상기 메인 샤프트(25)는 이것의 왕복 작용이 제2의 윈드쉴드 와이퍼 조립체(15)로 하여금 윈드쉴드(16)를 닦을 수 있도록 차량에 장착된 지지 베이스(27) 내에서 회전 가능하게 배치되어 있다. 제1의 윈드쉴드 와이퍼 조립체(14)는 또한 제1의 레버 아암(28)을 포함하며, 제2의 윈드쉴드 와이퍼 조립체(15)는 제2의 레버 아암(31)을 포함한다.

커넥팅 아암(33)은 제1 및 제2의 레버 아암(29, 31) 사이에 피벗 가능하게 배치되어 있다. 보다 구체적으로 말하면, 제1의 레버 아암(29)은 근위 단부(35)와 원위 단부(37)를 구비한다. 근위 단부(35)는 모터(12)(후술함)의 출력 샤프트에 고정식으로 장착되어 있고, 원위 단부(37)는 커넥팅 아암(33)의 일단부에 피벗 가능하게 장착되어 있다. 제2의 레버 아암(31)도 역시 근위 단부(39)와 원위 단부(41)를 구비한다. 상기 근위 단부(39)는 제2의 윈드쉴드 와이퍼 조립체(15)의 메인 샤프트(25)에 고정식으로 장착되어 있고 상기 원위 단부(41)는 제1의 레버 아암(29)과는 반대측의 커넥팅 아암(33)의 단부에 피벗 가능하게 장착된다. 이러한 방식으로, 모터(12)로부터 제1의 윈드쉴드 와이퍼 조립체(14)로 공급되는 구동 토크는 제2의 윈드쉴드 와이퍼 조립체(15)로 전달되어 제1 및 제2의 윈드쉴드 와이퍼 조립체(14, 15) 양자가 윈드쉴드(16)를 닦게 된다.

도 2에 잘 도시되어 있는 바와 같이, 모터(12)는 도면 부호 "20"으로 표기된 모터 조립체와, 모터 조립체(20)의 일단부 상에 작동 가능하게 지지되고 도면 부호 "22"로 표시된 기어 세트 조립체와, 이 기어 세트 조립체와 반대편에서 모터 조립체(20) 상에 작동 가능하게 지지되고 도면 부호 "24"로 표시된 전자 부품 조립체(24)를 더 포함한다. 상기 모터(12)는 본 발명의 사상 및 범위에서 벗어나지 않고 브러시리스 DC 모터, 스위치드 릴럭턴스 모터(switched reluctance motor), 혹은 유도형 모터일 수 있다는 것에 주지해야 한다. 그러나 한정하려는 의도가 아니라 이해를 돕기 위해 본 명세서에서는 브러시리스 DC 모터로서 설명될 것이다. 양호한 실시예에 따르면, 상기 기어 세트 조립체(22)와 상기 전자 부품 조립체(24)는 제조의 용이성, 중량, 강도 및 환경 오염을 고려하여 사출 성형 공정에 의해 성형되는 플라스틱 재료 조성물로 구성된다. 모터 조립체(20)는 열을 제거하고 또 전자기 간섭을 상쇄시키기 위해 마그네슘 합금으로 되어 있고, 사출 성형 공정에 의해 성형되어도 좋다. 이러한 부품들의 제조에 성공적으로 임의의 다양한 재료들을 사용할 수 있는 것으로 당업자들은 주지해야 한다.

도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 모터 조립체(20)는 모터 하우징(21)을 구비하며, 이 모터 하우징(21)은 일반적인 컵 형상으로 형성된 것으로, 그 내부 공동(28) 내에 고정되게 지지된 고정자(26)와, 모터 하우징(21) 내에 회전 가능하게 지지되는 한편, 고정된 고정자(26) 주위에 배치된 회전자 조립체(30)를 에워싼다. 상기 고정자(26)는 개방 중앙부를 지닌 환상의 링 모양으로 형성되어 있고, 모터 하우징(21) 내에서 중공의 원통형 중앙 허브(32) 위로 배치되어 있다. 상기 고정자(26)는 공지의 방식으로 서로 쌓아올린 복수 개의 스탬핑 처리된 적층편(34)들로 이루어지거나, 일체형의 성형 분말 금속으로 이루어질 수 있다. 통상 와이어가 권취되는 고정자(26)는 전자 부품 조립체(24)에 접속하기 위한 복수 개의 커넥터 접점(38)들을 제공하면서 와이어 권선들의 단부들을 용이하게 유지시키도록 구성되어 있는 단부 플레이트(36)를 구비한다. 상기 고정자의 단부 플레이트(36)의 커넥터 접점(38)은 모터 하우징(21)의 베이스에 형성된 개구(40)를 통해 접근할 수 있다. 모터 하우징(21)의 중앙 허브(32)는 또한 회전자 베어링(52)(도 3 참조)을 수납 및 유지하는 베어링 리세스(50)(도 4 참조)를 구비한다. 상기 회전자 베어링(52)은 후술하는 바와 같이 회전자 조립체(30)를 회전 가능하게 지지하는 역할을 한다.

도 3 및 도 5에 도시된 바와 같이, 회전자 조립체(30)는 백 아이언(back iron; 60), 이 백 아이언(60)에 의해 작동 가능하게 지지되어 있는 모터 자석(62), 및 회전자 캡(64)을 포함한다. 선 기어(sun gear; 66)는 이하에 보다 상세히 설명된 바와 같이 회전자 캡(64)에 작동 가능하게 장착되어 있다. 백 아이언(60)은 모터 자석(62)이 성형될 내주부(68)를 지닌 대체로 슬리브 모양으로 구성되어 있다. 그 대안으로, 상기 모터 자석(62)은 백 아이언(60)에 접착 및 압착되어도 좋다. 따라서 백 아이언(60)은 모터 자석(62)을 위한 견고한 지지부를 제공한다. 양호한 실시예에 따르면, Nb-Fe-B(니오브, 철 및 붕소)의 조성의 성형된 영구 자석은 그 강도 및 내구성에 있어서 바람직하다. Nb-Fe-B 화합물은 또한 대량 생산이 쉽고 다른 성형 가능한 자성을 띤 화합물보다 더 강한 자계를 발생하는 기밀하고, 짧은 자기선속을 생성하여 더 소형이고 더 경량인 자석이 되도록 해준다. 그러나 다른 임의의 다양한 자성을 띤 화합물을 사용하거나 또는 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않는 범주 내에서 비성형 자석(non-molded magnetic)을 또한 사용할 수 있다는 것으로 당업자들은 주목해야할 것이다.

디스크 모양의 회전자 캡(64)은 회전자의 백 아이언(60)의 상연부(72)에 고정식으로 장착되어 있기 때문에 회전자 조립체(30)는 모터 하우징(21)에 의해 수납되는 컵 모양을 형성한다. 회전자 캡(64)은 중앙 개구(74)와 베어링면(76)을 구비한다. 상기 베어링면(76)은 회전자 캡(64)의 내면 상에 배치되어 있고, 또한 모터 하우징(21)의 중앙 허브(32) 내에 배치되어 있는 회전자 베어링(52)에 의해 수납 및 맞물리게 된다. 회전자 캡(64)의 중앙 개구(74)는 도면 부호 "78"로 표시된 바와 같이 스플라인을 형성하여 선 기어(66)의 기어 이(80)와의 스플라인식 맞물림 상태로 상보적으로 수납되도록 구성되어 있다. 그 대안으로, 상기 선 기어(66)는 해당 분야에 널리 알려진 임의의 적절한 수단을 이용하여 회전자 캡(64)에 작동 가능하게 상호 연결되어도 좋다. 상기 선 기어(66)는 또한 중앙 개구(82)를 구비하며, 그 일단부에 절두 원뿔형 헤드(84)를 포함할 수 있다.

도 3 및 도 6에 도시된 바와 같이, 기어 세트 조립체(22)는 대개 컵 모양으로 형성되어 있는 기어 하우징(23)을 포함하며, 전체적으로 도면 부호 "86"으로 표기된 유성 기어 세트를 포함한다. 이 기어 세트(86)는 회전자 조립체(30)의 회전 출력부에 대해 동축상으로 배치되어 있으며, 이에 따라 모터(12)의 종축에 동축이고 모터의 구동 토크와 제1의 윈드쉴드 와이퍼 조립체(14)를 작동 가능하게 상호 연결시킨다. 상기 기어 세트(86)는 또한 기어 세트(86)의 출력 샤프트(88)를 통해 제1의 윈드쉴드 와이퍼 조립체(14)로 향하는 모터(12)의 회전 출력 속도를 줄이기 위해 작동될 수 있다.

상기 도면에 도시된 양호한 실시예에 따르면, 상기 기어 세트(86)는 출력 샤프트(88), 링 기어(90), 캐리어(92) 및 이 캐리어(92)에 의해 작동 가능하게 지지된 복수 개의 유성 기어(94)를 포함한다. 유성 기어(94)는 2부분으로 이루어진 캐리어(92) 내에 유성 기어 세트(86)의 링 기어(90) 및 회전자 조립체(30)의 선 기어(66)과 맞물린 상태로 지지되어 있다. 상기 링 기어(90)는 기어 하우징(23)의 내주부(96) 내에 고정식으로 배치되어 있다. 상기 출력 샤프트(88)는 와이퍼 단부(98)와 센서 단부(100)를 구비한다. 센서 단부(100)는 와이퍼 단부(98)보다 더 좁을 수 있는 예정된 직경을 형성한다.

출력 샤프트(88)의 와이퍼 단부(98)는 기어 하우징(23)의 중앙 개구(102)를 통해 외측으로 연장한다. 와이퍼 단부(98)의 노출된 부분(104)은 제1의 윈드쉴드 와이퍼 조립체(14)의 단부를 수납 및 유지할 수 있는 방식으로 기계 가공된다. 출력 샤프트(88)의 와이퍼 단부(98)의 노출된 부분은 제1의 윈드쉴드 와이퍼 조립체(14)를 회전 가능하게 고정시키도록 스플라인 이음 혹은 다른 키이 이음될 수 있는 것으로 당업자들에 의해 주지되어야 한다. 그러나 이하에 더욱 상세히 설명되어 있는 바와 같이, 제1의 윈드쉴드 와이퍼 조립체(14)를 "파크(park; 정지위치)"와 같이 출력 샤프트(88)의 특정의 각 위치로 배향시킬 필요가 없고, 제1의 윈드쉴드 와이퍼 조립체(14)의 스위핑 운동의 하한점과 상한점은 프로그램가능하여, 탠덤식 윈드쉴드 와이퍼 시스템(10)이 일단 설치되면 차량 상에서 소프트웨어적으로 조정될 수 있다.

도 3에 가장 잘 도시되어 있는 바와 같이, 출력 샤프트(88)는 또한 노출된 부분(104)에 인접한 캐리어 연결부(106)를 구비한다. 이 캐리어 연결부(106)는 캐리어(92)의 중공의 중앙 슬리브(108)에 의해 수납되고 그것에 작동 가능하게 연결되어 있다. 상기 캐리어(92)는 스플라인, 키이 홈, 혹은 각종 연결 방법에 의해 출력 샤프트(88)에 접속될 수 있다는 것으로 당업자들은 주목해야 한다. 따라서 기어 하우징(23)의 중앙 개구(102)는 캐리어 중앙 슬리브(108)와 출력 샤프트(88)의 조합을 수납하기에 충분한 내경을 지닌다. 도 3 및 도 6을 통해 알 수 있는 바와 같이, 스프링(110)과 스프링 와셔(112)는 이들이 기어 하우징의 중앙 개구(102)에 의해 수납되는 될 수 있는 동시에, 캐리어 중앙 슬리브(108)보다 위에서 출력 샤프트의 와이퍼 단부(98) 위로 배치될 수 있게 하는 내경과 외경을 지닌다. 푸시 너트(114)와 푸시 너트 와셔(116)는 출력 샤프트(88)의 와이퍼 단부(98) 위로 배치되기 때문에, 푸시 너트 와셔(116)는, 캐리어 중앙 슬리브(108)의 단부에 대고 기어 하우징 중앙 개구(102) 내의 스프링(110) 및 스프링 와셔(112) 상에 압축 압박력을 유발하는 동시에 기어 하우징의 중앙 개구(102)의 외측 단부면(118) 상에 회전 가능하게 탑재된다. 상기 푸시 너트(114)는 출력 샤프트(88)와 잠금식으로 맞물려 푸시 너트 와셔(116), 스프링(110) 및 스프링 와셔(112)를 나사 없이 정위치에 유지시키는 역할을 한다. 이 스프링(110)에 의해 부여된 압축력 혹은 압박력은, 캐리어(92)가 선 기어(66)의 절두 원뿔형 립(lip; 84)에 대해 지지 가능하게 압박됨에 따라, 유성 톱니바퀴식 기어 세트(86)의 부품들을 회전자 조립체(30) 및 고정자(26)와 종방향으로 정렬된 상태로 유지하는 역할을 한다. 또한, 스프링(110)의 압박력은 상기 립(84)에 대해 지지되기 때문에 유성 기어(94)는 도 3에 도시된 바와 같이 선 기어(66)에 반하여 이들의 정렬 상태를 유지한다.

상기 선 기어(66)는 이것이 회전자 조립체(30)의 회전자 캡(64)에 직접 연결됨으로써 모터(12)의 회전 출력부에 의해 작동 가능하게 구동된다. 상기 캐리어(92)는 출력 샤프트(88)에 작동 가능하게 연결되어 있고, 링 기어(90)는 고정 위치에서 기어 하우징(23)에 고정식으로 장착되어 있다. 따라서 작동시 선 기어(66)의 회전은 유성 기어(94)가 링 기어(66) 둘레로의 공전을 유발하여 상기 기어 세트의 캐리어(92)와 출력 샤프트(88)를 모터의 종축 둘레로 회전시킨다. 모터(12) 내의 회전자 조립체(30), 기어 세트(86) 및 출력 샤프트(88)는 모두 서로에 대해 동축 관계를 유지한다.

모터 하우징(21)은 전체적으로 도면 부호 "44"로 표시된 래칭 기구의 일부를 수용하도록 설계되어 있는 리세스(42)를 더 포함한다. 회전자 조립체(30)의 백 아이언(60)은 그것의 하연부 둘레에 배치된 복수 개의 노치(70)를 포함한다. 상기 래칭 기구(44)는 회전자 조립체(30)를 고정시키도록 작용하고 이에 따라 기어 세트(86)의 출력 샤프트(88)는 모터(12)가 오프될 때 비회전 배치 상태로 있게 된다. 보다 구체적으로 말하면, 상기 래칭 기구(44)는 전자기 액추에이터(45)와 래칭 부재(46)를 포함한다. 양호한 실시예에 따르면, 전자기 액추에이터는 후퇴 위치로 래칭 부재(46)를 작동 가능하게 구동시키는 솔레노이드(45)이다. 추가적으로, 상기 래칭 기구(44)는 래칭 부재(46)가 회전자 조립체(30)의 백 아이언(60) 상에 형성된 노치(70)들 중 적어도 하나와 맞물려 그것을 움직이지 않게 하도록 솔레노이드(45)에 의해 생성된 것과 반대 방향으로 압박력을 발생시키는 압박 부재(48)를 포함한다. 한편, 솔레노이드(45)에 의해 생성되는 전자기력은 회전자의 회전을 허용하도록 그러한 압박력을 극복하기에는 충분하여, 래칭 기구(44)의 래칭 부재(46)를 노치(70)로부터 분리시키고, 이에 의해 백 아이언(60)을 회전할 수 있도록 해방시키게 된다. 양호한 실시예에서, 압박 부재(48)는, 모터(12)가 오프 상태인 경우에 회전자 조립체(30) 및 나아가서는 출력 샤프트(88)를 비회전 배치 상태로 고정시키는 맞물림 위치로 래칭 부재(46)를 상시 압박하는 코일 스프링으로 이루어진다.

기어 하우징(23)은 외측면 내에 형성된 복수 개의 오목 보어(120)를 더 포함하며 이들 보어는 동일한 수의 나사 형성된 삽입물(122)을 수납 및 유지한다. 상기 나사 형성 삽입물(122)은 탠덤식 윈드쉴드 와이퍼 시스템(10)을 차량 내에 배치 및 고정시키기 위해 그 시스템들의 장착점들을 제공한다. 그 대안으로, 탠덤식 윈드쉴드 와이퍼 시스템(10)은 기어 하우징(23) 상에 배치된 플랜지 장착부나 혹은 해당 분야에 널리 알려진 다른 적절한 장착법을 이용하여 장착될 수 있다. 주위의 이물질들이 모터 조립체(20)로 유입하는 것을 방지하지만 필요에 따라 출력 샤프트(88)의 자유로운 회전을 허용하도록 출력 샤프트 와이퍼 단부(98)와 기어 하우징의 중앙 개구(102) 상에 고무 부츠(124)가 밀봉 가능하게 배치되어 있다.

도 3에 도시된 바와 같이, 출력 샤프트(88)는 선 기어(66) 내에 중앙 개구를 통해 그리고 베어링 조립체(52)의 중앙 개구를 통해 수납되어 있고, 모터 하우징(21)의 중공의 중앙 허브(32)속으로 내측으로 연장한다. 출력 샤프트(88)는 선 기어(66)나 회전자 베어링(52)에 물리적으로 연결되는 것이 아니라 그들 내부에서 자유롭게 회전한다. 이러한 방식으로, 출력 샤프트(88)의 센서 단부(100)는 후술하는 바와 같이 위치 센서에 작동 가능하게 연결되어 있다.

도 7에 도시된 바와 같이, 모터(12)의 전자 부품 조립체(24)는 위치 센서 조립체(126), 단부 캡(128) 및 프로그램 가능한 제어 회로(130)를 포함한다. 도 7a에 상세히 도시된 바와 같이, 상기 위치 센서 조립체(126)는 단부 캡(128) 상에 배치되어 출력 샤프트(88)의 속도와 위치를 검출하도록 구성되어 있다. 상기 위치 센서 조립체(126)는 적어도 하나의 플럭스 링(134)을 고정적으로 지지하는 전체적으로 도면 부호 "132"로 표기된 플럭스 링 홀더와, 플럭스 링(134)에 대해 평행하게 이격된 관계로 적어도 하나의 자석(138)을 고정적으로 지지하는 전체적으로 도면 부호 "136"으로 표기된 자석 홀더를 포함한다. 상기 위치 센서 조립체(126)는 또한 도면 부호 "140"을 표기된 출력 샤프트 커플러와, 도면 부호 142"로 표기된 위치 센서 회로를 포함하며, 이에 대해 이하에 보다 상세하게 설명한다.

플럭스 링 홀더(132)는 단부면(144)을 갖는 대체로 디스크 형상을 하고 있다. 상기 플럭스 링 홀더(132)는 단부 캡(128)에 고정식으로 장착되어 있고 적어도 하나의 플럭스 링(134)을 수납 및 유지하기 위해 그 단부면(144)의 환상 슬롯(146)을 구비한다. 플럭스 링(134)은 자속선들이 상기 링을 통과할 때 자속선에서의 변화를 전기적으로 검출할 수 있는 자기 투과성 재료로 형성된다. 상기 플럭스 링의 홀더 단부면(144)은 또한 자석 홀더(136)를 향해 연장하는 확장된 원통형 돌출부(148)를 구비한다.

자석 홀더(136)는 상기 플럭스 링 홀더의 단부면(144)에 평행하게 접한 상태로 있는 단부면(150)을 지닌 대체로 실린더 형상이다. 자석 홀더의 단부면(150)은 플럭스 링 홀더(132)의 원통형 돌출부(148)를 수납하는 수납용 보어(152)를 구비하며, 이 플러그 링 홀더(132)는 자석 홀더(136)를 위한 회전 축 역할을 한다. 자석 홀더(136)는 적어도 하나의 자석(138)을 수납 및 유지하도록 구성되어 있는 그것의 단부면(150) 내의 환상 슬롯(154)을 더 포함한다. 상기 단부면(150)의 반대편 단부 상에서, 자석 홀더(136)는 출력 샤프트 커플러(140)를 수납 및 유지하는 오목한 공동(156)을 구비한다. 출력 샤프트 커플러(140)는 자석 홀더 부분(158)과 출력 샤프트 수납 단부(160)를 구비하는 동시에 위치 센서 조립체(126)와 출력 샤프트 센서 단부(100) 사이에서 물리적 접속부 역할을 한다.

출력 샤프트 커플러(140)의 자석 홀더 부분(158)은 자석 홀더(136)의 오목한 공동(156)에 의해 수납 및 유지되도록 상보적인 형상의 형성되어 있고, 출력 샤프트 수납 단부(160)는 출력 샤프트(88)의 센서 단부(100)를 수납 및 유지하기 위해 소정의 형상으로 형성되어 있다. 발포성 삽입물(162)은 충격 흡수를 위한 오목한 공동(156) 내에 배치되어 있다. 상기 오목한 공동(156)과 출력 샤프트 커플러(140)의 성형된 부분들은, 출력 샤프트(88)에 대한 물리적인 기준점 상에 기초하여 0도의 배향이 반드시 필요로 하지 않기 때문에 임의의 적절한 기하학적 형상으로 형성될 수 있다는 것으로 해당 분야에 종사자들은 주목하여야 한다. 아래에서 보다 상세하게 설명하는 바와 같이, 텐덤식 윈드쉴드 와이퍼 시스템(10)의 와이퍼 및 출력 샤프트(88)에 대한 "파크" 및 내외측 스위핑 한계는 본 발명의 시스템이 차량에 설치된 후에 그 시스템 내에 프로그래밍될 수 있다.

상기 위치 센서 회로(142)는 플럭스 링 홀더(132) 상에 지지되고, 플럭스 링(134)과 전기적으로 통신 상태로 있고 그 플럭스 링(134)으로부터 전자석 신호를 수신한다. 보다 구체적으로 말하면, 상기 위치 센서 회로(142)는 플럭스 링(134) 내부에서 발생된 플럭스 변화를 측정한다. 위치 센서 회로(142)는 또한 프로그램 가능한 제어 회로(130)와 전기적으로 통신 상태로 있다. 플럭스 링(134)으로부터의 플럭스 변화는 자석 홀더(136) 내에서 유지된 자석(138)이 회전하는 출력 샤프트(88)에 의해 고정식 플럭스 링(134)을 중심으로 회전함에 따라 2개의 직교 전기 신호(quadrature electrical signals)로서 감지된다. 양호한 실시예에 따르면, 복수 개의 플럭스 섹터(135)는 플럭스 링(134)을 형성하고 단일 자석(138)으로부터 중심으로 벗어나 오프셋되어 있다. 플럭스 링(134)은 플럭스 링(134) 내부에 유도된 자계가 출력 샤프트(88)의 회전에서의 모든 각변위에 대해 유일하게 변화도록 위치 설정되어 있다. 이러한 방식으로, 상기 위치 센서 회로(142)는 출력 샤프트(88)의 특정의 각 변위를 나타내는 순간 신호를 생성하며, 이에 따라 위치 센서(126)가 출력 샤프트(88)의 각 위치를 검출하기 위한 절대 위치 센서로서 작용하도록 해준다. 추가적으로, 출력 샤프트(88)가 이동함에 따라 위치 센서 회로(142)는 위치 신호를 계속적으로 생성한다. 이러한 일련의 신호는 출력 샤프트(88)의 방향과 속도를 다이내믹하게 결정하게 해준다. 양호한 실시예에 따르면, 자석(138)은 2극을 갖지만, 자석(138)은 또한 그 둘레에 다극을을 지닐 수 있다는 점에 주목해야 한다.

또 다른 비제한적인 실시예에 있어서, 환상의 링 형상의 적어도 하나의 자석(138)은 단일의 플럭스 링(134)으로부터 중심에서 벗어나게 오프셋되어 있다. 어느 경우라도, 자석(138)의 위치는 플럭스를 변화시키기 때문에 출력 샤프트의 위치를 따르기 위해 위치 센서 조립체(126)에 의한 전력이 요구되지 않는다. 따라서 윈드쉴드 와이퍼 시스템(10)으로 전력이 공급되지 않거나 또는 차량으로 향하는 전력이 제거될 경우, 윈드쉴드 와이퍼 시스템(10)은 그것의 방향성을 잃지 않고 전력 복구후 그것의 위치 정보를 순간적으로 회복할 수 있다. 따라서 위치 센서 회로(142)는 자속 신호를 해석하며, 출력 샤프트(88)의 절대 위치를 표시하는 출력을 발생하고, 그리고 그 신호를 프로그램 가능한 제어 회로(130)로 돌린다.

그 대안으로, 상기 위치 센서 조립체(126)는 파크 감지 조립체로 대체될 수 있다. 이 파크 감지 조립체는 출력 샤프트 상에 배치된 자성을 띤 "파크 플랫폼(park platform)"과 이 파크 플랫폼을 검출하기 위해 모터 내부에 장착된 "파크" 홀 센서(park hall sensor)를 포함한다. 상기 와이퍼 조립체(10)가 차량에 장착될 때, 와이퍼 조립체(10)는 와이핑 영역의 제1 절반부를 와이핑 중에 파크 플랫폼이 파크 센서를 덮도록 배치되게 배향된다. 와이퍼 조립체(10)가 작동하고 있고 전력을 잃었다가 다시 회복할 경우, 파크 홀 센서는 파크 플랫폼을 감지하거나 그렇지 못하게 되는 상대 위치에 있게 될 것이다. 만약 파크 센서가 파크 플랫폼을 감지한다면, 출력 샤프트는 와이핑 영역의 제1 절반부에 있게 되고, 마이크로프로세서는 바깥쪽-와이핑을 안전하게 수행하게 해준다. 만약 파크 홀 센서가 플랫폼을 감지하지 못한다면, 출력 샤프트는 와이핑 영역의 제2 절반부에 있게 되고, 마이크로프로세서는 안쪽-와이핑을 안전하게 수행하게 해준다. 어느 경우라도, 파크 센서는 와이핑 경로를 따라 위치 기준으로서 사용되는 플랫폼 가장자리를 검출할 것이다. 이와 같이 플랫폼을 가로지르는 것으로 인해 마이크로프로세스로 하여금 정확한 위치를 얻게 만드는 기회가 부여된다. 상기 실시예는 와이퍼 아암 위치의 정확한 결정을 위한 위치 신호의 "펄스 트레인(pulse train)"을 제공하는 모터 권선 둘레에 위치한 추가의 물리적인 센서들과 함께 사용되어야 하는 것에 주목해야 한다. 이러한 펄스 트레인은 후술하는 "센서를 사용한" 정류 기법(sensored commutation scheme)과 함께 이용 가능하다.

도 7에 도시된 상기 프로그램 가능한 제어 회로(130)는 도 8에 블록 형태로 도시되어 있다. 상기 제어 회로(130)는 제1의 윈드쉴드 와이퍼 조립체(14)의 위치와 속도를 달성하도록 모터(12)의 작동을 제어하기 위한 전기 및 전자 회로들을 제공하는 전자 부품 하우징 내에 배치되어 있는 인쇄 회로 기판(164) 상에 장착된 회로들의 그룹이다. 상기 프로그램 가능한 제어 회로(130)는 3상 모터 드라이버 회로(166), 전류 센서(168), 역기전력(back-electromotive force; BEMF) 센서(169), 전압 조절기(170), 솔레노이드 드라이버(172), 마이크로프로세서(174) 및 적어도 하나의 직렬 통신 인터페이스(176)를 포함한다. 상기 기판(164)은 또한 본 장치의 다른 부품들과의 전기적 통신을 허용하기 위한 6-핀 커넥터(178)와 8-핀 커넥터(180)를 포함한다.

3상 모터 드라이버 회로(166)는 모터를 구동하기 위한 기전력을 제공한다. 3상 모터 드라이버 회로(166)는 입력 전압과 귀환 전압 혹은 접지 사이의 3개의 하프 브리지들 내에 6개의 N-채널 파워 MOSFET 반도체 소자들을 이용하는 브리지 회로이다. 마이크로프로세서(174)는 3상 브리지 드라이버 회로(166)로 펄스 폭 변조(pulse width modulated: PWM) 트리거 또는 바이어싱 신호를 제공한다. 이들 신호들은 MOSFET를 구동하여 고정자 권선에 인가하기 위한 3개의 별도의 전압을 생성한다. 상기 3개의 하프 브리지들은 고정자(26)의 권선에 램핑 시퀀스(ramping sequence)로 제공되는 3개의 별개의 위상들의 3개의 출력 전압을 생성하여, 연속한 자계들이 고정자(26)의 권선들 내에 발생하고 변하게 한다. 고정자 권선들내에서 연속한 자계의 발생은 회전자 조립체(30)의 자계를 각도 방향으로 반발시키는 작동을 하며, 이에 따라 회전자 조립체(30), 기어 세트 조립체(22), 궁극적으로 출력 샤프트(88)를 구동시킨다. PWM 신호의 변조는 MOSFET로 향하는 신호의 듀티 사이클을 제어하기 위해 공지의 방법으로 실행된다. 이는 3상 전압 출력의 위상의 지속 기간을 제어하여 회전자 조립체(30)의 회전 속도를 제어한다.

고정자 권선들 내에 자계 변화를 만들어 회전자 회전을 일으키기 위해, 램핑 전압 파형이 사인파나 사다리꼴파 중 어느 하나로 될 수 있다. 따라서 3상 모터 드라이버 회로(166)로부터의 3상 전압의 생성은 사인파 혹은 사다리꼴파 정류(commutation) 중 어느 하나로 간주될 수 있다. 회전자 조립체(30)를 희망하는 방식으로 구동하도록 적절하게 제어 및 정류 시기를 정하기 위해, 회전자의 위치는 그것이 회전함에 따라 반드시 정확하게 결정되거나 감지되어야 한다. 회전자 조립체(30)의 이러한 위치 감지는 마이크로프로세서(174)를 향하는 피드백으로서 사용된다. 양호한 실시예에 따르면, 회전자 위치는 "센서리스(sensorless)" 방식으로 유도되며, 이는 모터에 대해 추가의 물리적인 센서를 사용하지 않고 마이크로프로세서(174)로 필요한 피드백을 공급하기 위해 회전자 위치가 전자적으로 그리고 간접적으로 유도되는 것을 의미한다. 센서리스 정류 구조에 있어서, 역기전력(BEMF) 센서(169)(저항성 전압 분할기와 저역 통과 필터로 구성) 혹은 전류 센서(168) 중 하나가 램핑 파형의 타입에 따라 정류를 검출하기 위해 사용된다.

정류(그리고 회전지자 위치 검출)의 양호한 방법은 사다리꼴 파형을 사용한다. 그것만으로, 본 발명의 양호한 실시예는 센서리스 사다리꼴파 정류법을 이용하며, 이 방법은 BEMF센서(169)로 하여금 마이크로프로세서(174)에 피드백을 공급하기 위해 고정자 권선들로부터의 정류를 전기적으로 그리고 간접적으로 검출하도록 해준다. 보다 구체적으로 말하면, 비록 센서라고 명명하지만, 신호를 전자적으로 그리고 간접적으로 검출함으로써 본 발명의 BEMF센서(169)는 통용되는 용어의 센서가 아니다. BEMF센서(169)는 고정자 권선들의 일부 내에서 유도된 자속 신호를 검출하며, 마이크로프로세서(174)는 "확장 칼만 추정기(extended Kalman estimator)" 알고리즘을 이용하여 회전자 위치를 계산하기 위해 전술한 플럭스 신호 피드백을 사용한다. 그 다음 마이크로프로세서(174)는 필요한 PWM 신호(3상 브리지 드라이버 회로(166)로 공급하기 위해)를 발생시켜 사다리꼴파 정류를 적절하게 시간 조정하기 위해 계산된 회전자 위치를 사용한다. 전술한 정류법에 있어서, 전류 센서(168)는 단지 모터 전류 조절과 모터의 출력 토크의 계산을 위한 신호를 제공하기 위해 사용된다. 이것은 정류에 포함되지 않는다.

추가의 비제한적인 실시예에 있어서, 센서리스 사인파 정류가 사용될 수 있다. 이 경우, 전류 센서(168)는 3개의 절반 브리지(6 MOSFET)의 접지측에 전기적으로 접속되거나 또는 3상 중 2상의 전류를 검출하도록 전기적으로 접속된다. 이것은 또한 회전자 위치를 결정하는 센서리스 (간접) 방법이며, 그 이유는 검출된 전류 신호가 "확장 칼만 추정기(extended Kalman estimator)" 알고리즘을 이용하여 회전자 위치를 계산하기 위해 마이크로프로세서(174)로 피드백되기 때문이다. 그 다음 마이크로프로세서(174)는 사인파 정류를 제어 및 시간 조정하도록 필요한 PWM 신호를 발생 및 제공하기 위해 계산된 회전자 위치를 사용한다.

다른 비제한적인 실시예들에 있어서, "센서 사용" 정류를 제공하기 위해 모터 둘레에 추가의 센서들을 물리적으로 배치할 수 있다. 예컨대, 3개의 홀 센서 장치들이 사다리꼴파를 기초로 한 정류를 제어 및 시간 조정하도록 직접적으로 감지된 피드백으로서의 피드백 신호를 마이크로프로세서(174)에 공급하기 위해 120도의 전기각만큼 떨어지게 고정자 권선들의 간격(spacing) 내에 물리적으로 배치될 수 있다.

솔레노이드 드라이버(172)는 모터 하우징(21) 내에 배치된 래칭 기구(44)와 전기적 통신 상태로 있고, 래칭 기구(44)를 제어하기 위해 작동할 수 있다. 솔레노이드 드라이버(172)가 래칭 기구(44)를 작동시킬 때, 그것은 압박 부재(48)의 압박력을 극복하고, 래칭 부재(46)을 회전자 조립체(30)로부터 물러나게 하여 회전자 조립체(30)가 회전하도록 해준다. 양호한 일실시예에 있어서, 솔레노이드 드라이버(172)는 "H"자형의 브리지 타입일 수 있다.

소자로서 대개 마이크로프로세서(174)가 언급되었지만, 복합 마이크로프로세서 혹은 디지털 신호 프로세서 등의 임의의 보다 작은 타입의 집적 회로일수 있다는 것에 주목해야 한다. 이와 같이, 마이크로프로세서(174)는 적어도 하나의 예정된 윈드쉴드 와이퍼 제어 계획을 유지하기 위해 프로그램될 수 있는 메모리를 포함한다. 상기 마이크로프로세서(174)는 모터 조립체(20)의 제어를 위한 명령을 갖는 저장된 데이터 프로그램을 유지할 수 있는 능력이 있는 메모리를 구비한다는 것이 당업자들에게 주지되어야 한다. 따라서 마이크로프로세서(174)는 운용 프로그램을 영구적으로 저장하는 ROM(읽기 전용 메모리) 혹은 휘발성 RAM(랜덤 액세스 메모리)뿐만 아니라 변경 혹은 업데이트할 수 있는 "플래시(flash)" 타입의 메모리를 사용할 수 있다. 양호한 실시예에 있어서, 마이크로프로세서(174)는 외부 컴퓨터에 의해 혹은 프로그래밍 장치에 의해 로딩되는 반영구적인 플래시 메모리를 구비한다. 상기 플래시 메모리는 장치로부터 공급되는 전력이 제거된 후에라도 그 메모리의 저장된 프로그램 데이터를 유지하지만 와이퍼 모터의 수명 동안 임의의 시점에서 필요에 따라 업데이트 혹은 리프레시될 수 있다. 마이크로프로세서(174)의 RAM은 모터(12)를 작동하는 동안 저장된 프로그램의 실행 중에 데이터를 일시적으로 저장하기 위해 사용된다. 상기 마이크로프로세서(174)는 A/D(아날로그/디지털) 컨버터, 디지털 인터페이스 및 시간 포획 회로 소자(time capture circuitry)를 더 포함한다. A/D 컨버터는 디지털을 기초로 한 마이크로프로세서 소자를 아날로그를 기초로 한 다양한 회로들과 상호 작동하도록 해준다. 디지털 인터페이스는 디지털을 기초로 한 부품 및 회로들과의 연통을 허용하고, 시간 포획 회로 소자는 마이크로프로세서(174)의 제어 하에서 다양한 신호 및 작동의 타이밍과 제어를 허용해준다.

직렬 인터페이스 회로(176)는 로컬 상호접속 네트워크(Local Interconnected Network: LIN)의 물리 계층을 구비한다. 양호한 실시예에 있어서, 직렬 인터페이스 회로(176)는 차량과의 상호 연결을 위한 LIN 층 회로를 사용한다. 직렬 인터페이스 및 LIN 물리적 층들은 마이크로프로세서(174) 내에서 합체될 수 있고 또 컨트롤 에리어 네트워크(CAN) 등의 다른 공지의 타입의 상호 연락 네트워크가 또한 윈드쉴드 와이퍼 시스템(10)과 함께 사용될 수 있다는 것을 당업자들은 주목해야 한다.

본 발명의 양호한 실시예는 미국 자동차 산업에서 표준화 되어 있는 것과 같 이 12볼트 DC 환경에서 작동할 수 있도록 채택되어 있다. 그러나 또 다른 비제한적인 실시예에 있어서, 본 발명은 외국 및 국내 자동차 시장에서 현재 개발 및/또는 발전시키고 있는 42 볼트 혹은 이에 필적하는 차량 운전 환경에서 작동할 수 있도록 채택되어 있다.

상기 단부 캡(128)은 인쇄 회로 기판(164), 래칭 기구(44) 및 위치 센서 조립체(126)를 물리적으로 지지한다. 단부 캡(128)은 대개 개방형 중앙 공동(182)을 지닌 컵 모양이다. 도 3에 도시된 바와 같이, 인쇄 회로 기판(164)은 단부 캡(128)의 바닥에 배치되어 있기 때문에 개방형 중앙 공동(182)을 주위의 환경으로부터 폐쇄 및 밀봉시키고, 에워싸인 전자 부품들을 보호한다. 단부 캡(128)은 연장 커넥터(184), 위치 센서 커넥터(186)(도 7 참조), 외부 전기 커넥터(188) 및 래칭 솔레노이드 하우징(190)을 구비한다. 상기 연장 커넥터(184)는 모터 하우징(21)의 베이스를 통해 상방향으로 연장하고, 고정자 단부 플레이트(36)의 커넥터 지점(38)속으로 꽉 조여 그것과 전기적으로 접속되는 고정자 전기 접점(192)을 구비한다. 상기 고정자 전기 접점(192)은 또한 단부 캡(128) 내에 소정의 방법으로 배치되어 이들이 인쇄 회로 기판(164)의 8-핀 커넥터(180) 내에서 소정의 접점과 맞물려 상호 접속되도록 허용하는 기판 단부(194)를 구비한다. 위치 센서 커넥터(186)는 위치 센서 호로(142)의 전기 접점들과 맞물리도록 하는 방식에 따라 상향으로 연장한다. 고정자 전기 접점(192)과 유사하게, 위치 센서 커넥터(186)는 또한 소정의 방법으로 배치되어 단부 캡(128)에 의해 인쇄 회로 기판(164)의 6-핀 커넥터(178) 내의 소정 접점과 맞물려 상호 접속될 수 있도록 단부 캡(128) 내에 배치되는 기판 단부(196)를 구비한다.

상기 외부 전기 커넥터(188)는 통상의 방식으로 차량(도시 생략)의 배선용 하네스 커넥터와 환경적으로 보호된 상호 접속을 제공하는 리세스(198) 및 록킹 탭(200) 등을 구비한다. 상기 외부 전기 커넥터(188)는 또한 프리트 기판(164)에 전력 및 접지 공급원을 제공하는 한편, 직렬 인터페이스 회로(176)를 위한 LIN 물리적 접속을 제공하는 일련의 전기 접점(202)을 포함한다. 래칭 솔레노이드 하우징(190)은 래칭 기구(44)의 본체를 수납하기 위해 단부 캡(128)으로 성형된 오목한 격실이다. 솔레노이드 전기 커넥터(204)는 단부 캡(128)을 통해 래칭 기구(44)로부터 인쇄 회로 기판(164) 상의 6-핀 커넥터(178)로 연장한다. 통기공(206)이 래칭 솔레노이드 하우징 리세스의 바닥에서 단부 캡(128) 내에 배치되어 있다. 이 통기공은 공기의 통과를 허용하지만 수분의 통과는 허용하지 않는 막(208)을 포함한다.

작동시, 전술한 바와 같이, 양호한 실시예에 따른 윈드쉴드 와이퍼 시스템(10)은 자동차에 내에서 윈드쉴드(16)에 대해 소정의 위치에 설치되어 있기 때문에 제1 및 제2의 윈드쉴드 와이퍼 조립체(14, 15)는 모터(12)의 출력 샤프트(88)를 통해 부착될 때 윈드쉴드의 일부를 가로질러 닦을 수 있다. 플래시 프로그래밍 장치(도시 생략)는 모터(12)의 외부 전기 커넥터(188)에 접속되어 있다. 당업자라면, 플래시 프로그래밍 장치는 2개 이상의 와이퍼 조립체에 연결될 수 있으며, 또는 차량의 배선에 의존하여 데이터 버스 상호 연결이 차량의 시스템들 간에 이용되고 있는 경우 직렬 데이터 버스 등을 통해 연결될 수 있다는 것을 이해할 것이다. 이어서, 마이크로프로세서(174)의 플래시 메모리는 예정된 와이퍼 제어 프로그램에 따라 "플래시(flashed)" 혹은 로딩되는데, 이 제어 프로그램은 모터의 위치, 속도, 토크 및 전류와 같은 동적 제어 파라미터들뿐만 아니라, 윈드쉴드의 와이핑 면적, 윈드쉴드 와이퍼 블레이드의 예정된 안쪽-와이핑 및 바깥쪽-와이핑 위치, 그리고 소망하는 와이퍼의 속도 프로파일 등의 특정의 파라미터를 포함한다. 상기 와이퍼 조립체는 그 다음 와이퍼를 적절한 물리적인 위치에 배치시킨 다음 그 위치를 메모리에 프로그래밍함으로써 와이퍼가 닦을 수 있는 하한점과 상한점으로 교정된다. "파크" 위치는 상기 조립체로 프로그래밍되거나 또는 프로그래밍 알고리즘에 의해 계산되고, 이 알고리즘은 모터(12)를 소망하는 위치로 이동시키고 필요에 따라 래칭 기구(44)와 함께 잠기게 된다는 것에 주목해야 한다. 이러한 방법으로, 예정된 "파크" 위치로 와이퍼를 잠그고 유지시키기 위해 추가의 물리적 기구 혹은 장치가 필요 없게 된다. 2개 이상의 와이퍼 조립체(10)가 차량에 사용될 경우, 각 조립체의 마이크로프로세서(174)는 직렬 인터페이스 회로를 이용하여 적절한 와이핑 프로파일을 제공하고 와이퍼가 윈드쉴드에 부딪치는 소리를 내는 것을 방지하도록 예정된 윈드쉴드의 와이퍼 제어 계획에 따라 하나의 조립체와 다른 하나의 조립체에 대해 조정될 수 있다.

와이퍼의 작동 중에, 탠덤식 윈드쉴드 와이퍼 시스템(10)은 윈드쉴드(16)를 가로지르는 제1 및 제2의 윈드쉴드 와이퍼 조립체(14, 15)의 스위핑 운동을 제어하기 위해 플래시 메모리에 저장된 프로그램과 와이퍼의 스위핑 운동의 상하한을 이용한다. 다양한 제어 프로그램들이 프로그램 가능한 제어 회로(130)에 저장될 수 있고, 그리고 그 프로그램은 와이퍼 작동에 영향을 미치는 외부의 환경 파라미터를 고려하고 채용할 수 있음을 주목해야 한다. 예컨대, 차량의 속도, 대기의 강수량 및 타입, 주위 및 내부 온도는 와이퍼의 와이핑의 제어를 위해 고려해야 할 인자일 수 있다. 윈드쉴드에 낀 서리 및/또는 와이퍼 스위핑핑의 하한점에 쌓인 눈 등의 추가적인 기후 조건들은 프로그램의 명령에 따라 이러한 조건들을 깨끗이 없애기 위해 와이핑 속도와 와이퍼의 토크를 특별하게 변경함으로써 상쇄될 수 있다.

따라서 본 발명의 탠덤식 윈드쉴드 와이퍼 시스템은 윈드쉴드의 와이퍼의 통합적인 제어를 위한 집적 구동식 브러시리스 DC 모터를 이용한다. 본 발명은 안쪽-와이핑 및 바깥쪽-와이핑 위치 사이에서 블레이드 조립체들의 각속도를 최대화시키도록 작용하기 때문에, DC 모터를 효과적으로 구성하고 블레이드 조립체들이 와이핑 한계점으로 접근함에 따라 이들의 속도를 제어함으로써 소음 및 관성 부하를 제한하는 동시에 각각의 와이핑 사이클의 지속 시간을 줄인다. 추가적으로, 본 발명의 윈드쉴드 와이퍼 시스템은 와이퍼 모터의 단일의 각 운동을 한 쌍의 윈드쉴드의 와이퍼 아암의 구동에 사용된 2방향의 직선 왕복 운동으로 전환시키기 위해 관련 기술분야에서 사용되는 복잡한 링크 기구들을 필요로 하지 않는다. 따라서 본 발명은 관련 기술분야에서 사용한 장치들보다 더 작은 운전 엔벨로프(operational envelope)를 필요로 한다.

본 발명은 윈드쉴드 와이퍼의 회전 속도와 위치를 감지하지만, 전력이 끊길 경우라도 이들 파라미터들을 잃어버리지 않는 위치 센서를 사용한다. 본 발명은 또한, 모터가 오프 상태인 경우에 비회전 배치 상태에 모터, 나아가서는 모터의 출력단을 고정시키는 래칭 기구를 이용하고 있다. 게다가, 본 발명은, 와이퍼 아암의 위치를 그 회전에 무관하게 알게 하는 한편, 검출된 아암의 위치를 전력 손실 또는 운동 손실 동안에 잃어버리지 않도록 위치 감지를 달성하는 통합된 제어 회로를 포함하고 있다.

끝으로, 본 발명의 윈드쉴드 와이퍼 시스템은 표준형 12볼트와 보다 효율적인 42볼트 중 어느 것을 기초로 한 자동차 전기 시스템에도 사용할 수 있다.

본 발명은 예시적인 방식으로 설명하였다. 본 명세서에서 사용한 용어들은 한정하기 보다는 이해를 돕기 위해 선택한 단어 그 자체인 것으로 해석되어야 한다. 전술한 교시의 관점에서 본 발명은 다양하게 수정 및 변형될 수 있다. 따라서 첨부된 특허청구범위의 영역 내에서 본 발명은 구체적으로 설명한 것과 다르게 실시될 수도 있다.

Claims

탠덤식 윈드쉴드 와이퍼 시스템(10)으로서:

종축을 갖고 있고, 이 종축을 중심으로 회전 가능한 회전 출력부를 통해 구동 토크를 제공하는 하나 이상의 모터(12)와;

제1의 레버 아암(29)을 구비하는 동시에, 윈드쉴드(16)의 표면을 가로질러 반복적인 와이핑 운동을 하도록 상기 종축을 중심으로 상기 모터(12)에 의해 구동되는 제1의 윈드쉴드 와이퍼 조립체(14)와;

상기 제1의 윈드쉴드 와이퍼 조립체(14)로부터 간격을 두고 떨어져 있고 제2의 레버 아암(31)을 구비하는 동시에, 제2의 종축을 중심으로 회전 가능하고 윈드쉴드(16)의 표면을 가로질러 반복적인 와이핑 운동을 하도록 작동 가능하게 운동하는 제2의 윈드쉴드 와이퍼 조립체(15)와;

상기 제1 레버 아암(29)과 제2 레버 아암(31) 사이에 작동 가능하게 배치되고, 상기 제1의 윈드쉴드 와이퍼 조립체(14)에 공급되는 상기 구동 토크를 상기 제2의 윈드쉴드 와이퍼 조립체(15)로 전달하는 커넥팅 아암(33)

을 포함하며;

상기 모터(12)는 출력 샤프트(88)를 구비하는 기어 세트 조립체(22)를 포함하며, 상기 기어 세트 조립체(22)는 상기 회전 출력부와 상기 모터(12)의 상기 종축에 대해 동축으로 배치되어, 상기 구동 토크를 상기 제1의 윈드쉴드 와이퍼 조립체(14) 및 제2의 윈드쉴드 와이퍼 조립체(15)에 작동 가능하게 상호 연결시키며, 상기 기어 세트 조립체(22)는 또한 기어 세트 조립체(22)의 상기 출력 샤프트(88)를 통해 상기 모터(12)의 회전 출력부의 속도를 줄이도록 작동할 수 있는 것인 탠덤식 윈드쉴드 와이퍼 시스템(10).
제1항에 있어서, 상기 모터(12)는 모터 하우징(21)과, 상기 모터 하우징(21)의 일단부 상에 작동 가능하게 지지된 기어 하우징(23)과, 상기 기어 하우징(23)에 반대편에서 상기 모터 하우징(21) 상에 작동 가능하게 지지된 전자 부품 조립체(24)를 포함하는 것인 탠덤식 윈드쉴드 와이퍼 시스템(10).
제2항에 있어서, 상기 모터 하우징(21), 기어 하우징(23) 및 전자 부품 조립체(24)는 사출 성형 공정에 의해 성형되는 것인 탠덤식 윈드쉴드 와이퍼 시스템(10).
제2항에 있어서, 동축의 기어 세트 조립체(22)는 상기 기어 하우징(23) 내에 배치되며, 선 기어(66), 링 기어(90), 캐리어(92), 및 이 캐리어(92)에 의해 작동 가능하게 지지되는 복수 개의 유성 기어(94)를 포함하며, 이 유성 기어(94)는 상기 선 기어(66) 및 상기 링 기어(90)와 상호 맞물림 관계로 배치되어, 상기 모터(12)의 회전 출력부의 속도를 줄이도록 작동할 수 있는 것인 탠덤식 윈드쉴드 와이퍼 시스템(10).
제4항에 있어서, 상기 선 기어(66)는 상기 모터(12)의 회전 출력부에 의해 작동 가능하게 구동되며, 상기 캐리어(92)는 상기 기어 세트 조립체(22)의 상기 출력 샤프트(88)에 작동 가능하게 연결되어 있고, 상기 링 기어(90)는 상기 유성 기어(94)에 대해 고정 위치에서 상기 기어 하우징(23)에 고정식으로 장착됨으로써, 상기 선 기어(66)의 회전에 의해 상기 유성 기어(94)를 상기 링 기어(90) 둘레에서 공전시켜, 상기 기어 세트 조립체(22)의 상기 캐리어(92)와 상기 출력 샤프트(88)를 상기 모터(12)의 상기 종축을 중심으로 회전시키는 것인 탠덤식 윈드쉴드 와이퍼 시스템(10).
제2항에 있어서, 상기 모터(12)는 상기 기어 세트 조립체(22)의 상기 출력 샤프트(88)의 속도와 위치를 감지하는 상기 전자 부품 조립체(24) 내에 배치된 위치 센서(126)를 포함하는 것인 탠덤식 윈드쉴드 와이퍼 시스템(10).
제6항에 있어서, 상기 위치 센서(126)는 상기 모터(12) 내에 고정식으로 장착되어 하나 이상의 플럭스 링(134)을 지지하는 플럭스 링 홀더(132)와, 상기 기어 세트 조립체(22)의 상기 출력 샤프트(88)에 작동 가능하게 연결되어 그것과 함께 회전하는 자석 홀더(136)를 포함하며, 상기 자석 홀더(136)는 상기 플럭스 링(134)에 대해 간격을 두고 평행하게 배치된 하나 이상의 자석(138)과, 상기 기어 세트 조립체(22)의 상기 출력 샤프트(88)의 회전 속도와 위치에 따라 신호를 발생시키는 위치 센서 회로(142)를 지지하는 것인 탠덤식 윈드쉴드 와이퍼 시스템(10).
제2항에 있어서, 상기 전자 부품 조립체(24)는 모터 드라이버(166), 전류 센서(168), 전압 조절기(170), 솔레노이드 드라이버(172), 마이크로프로세서(174) 및 하나 이상의 직렬 통신 인터페이스(176)를 포함하는 프로그램 가능한 제어 회로(130)를 작동 가능하게 지지하며, 상기 직렬 통신 인터페이스는 로컬 상호접속 네트워크(Local Interconnected Network: LIN)의 물리 계층(physical layer)을 구비하는 것인 탠덤식 윈드쉴드 와이퍼 시스템(10).
제8항에 있어서, 상기 마이크로프로세서(174)는 하나 이상의 예정된 윈드쉴드 와이퍼 제어 계획을 유지하도록 프로그램 가능한 메모리를 포함하는 것인 탠덤식 윈드쉴드 와이퍼 시스템(10).
제8항에 있어서, 상기 프로그램 가능한 제어 회로(130)와 상기 모터(12)는 42볼트의 작동 환경에서 작동 가능한 것인 탠덤식 윈드쉴드 와이퍼 시스템(10).