KR101377081B1 - 스티어링 각도 센서 - Google Patents

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Abstract

스티어링 컬럼과 같은 샤프트의 각 위치를 결정하는 장치는, 코일 어셈블리; 코일 지지체; 및 상기 샤프트의 각 위치와 상관 있는 커플러 각 위치를 가지는 커플러 부재를 포함한다. 상기 코일 어셈블리는 송신기 코일과 하나 이상의 수신기 코일을 포함하고, 상기 커플러 부재는 상기 송신기 코일과 상기 하나 이상의 수신기 코일 사이의 유도 결합을 변경한다. 신호 처리 회로는, 상기 코일 어셈블리로부터 코일 신호를 수신하고, 수신기 신호를 사용하여 각 위치를 결정하며, 기준 신호는 축 변위와 상관 있지만, 그 외에 실질적으로 각 위치와 무관하다. 상기 기준 신호는 비율측정 감지(ratiometric sensing)에 사용하여, 실질적으로 공통 모드 인자를 제거할 수 있으며, 상기 샤프트의 회전수를 결정할 수 있다. 결합형의 각도 및 토크 센서는 또한 토션바 전체의 비틀림각을 결정한다.

Description

스티어링 각도 센서 {STEERING ANGLE SENSOR}
본 발명은 스티어링 각도 및 토크 센서(steering angle and torque sensor)와, 다른 타입의 회전 위치 센서 또는 선형 위치 센서를 포함하는 센서에 관한 것이다.
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종래의 회전 센서는 측정 범위가 360도로 한정되어 있다. 따라서 다회전(multi turn)을 감지할 수 있도록, 각도의 측정 범위를 확장하는 것은 매우 유용할 것이다.
차량용 스티어링 어셈블리(steering assembly)는 각도 센서의 범위를 확장하는 데 사용되는 스텝 다운 기어(step-down gear)으로, 개별적인 각도 측정 및 토크 측정을 포함한다.
본 발명의 예는 각 위치(angular position)(각도) 측정에 사용하는, 특히 스티어링 각도 센서 측정을 위한 다회전 센서(multi-turn sensor)를 포함한다. 예의 센서는 스텝 다운 기어를 필요로 하지 않는다. 본 발명의 예는 또한, 하나의 하우징 내의 장치에서의 스티어링 각도와 스티어링 토크 모두를 결정하는, 결합형(combined)의 각도 및 스티어링 토크 센서를 포함한다.
스티어링 칼럼(steering column)과 같은, 샤프트의 각 위치를 결정하는 장치는, 코일 어셈블리(coil assembly), 코일 지지체(coil support), 및 상기 샤프트의 각 위치와 상관 있는 커플러의 각 위치를 가지는 커플러 부재(coupler element)를 포함한다. 상기 코일 어셈블리는 송신기 코일(transmitter coil) 및 하나 이상의 수신기 코일(receiver coil)을 포함하고, 상기 커플러 부재는 상기 송신기 코일과 상기 하나 이상의 리시버 코일 사이의 유도 결합(inductive coupling)을 변경한다. 신호 처리 회로는 상기 코일 어셈블리로부터 코일 신호를 수신하고, 수신기 신호와, 축 변위(axial displacement)와 상관 있지만 그 외에는 실질적으로 각 위치와 무관한 기준 신호를 사용하여 각 위치를 결정한다. 상기 기준 신호는 비율측정 감지(ratiometric sensing)에 사용되어, 실질적으로 공통 모드 인자(common mode fator)를 제거할 수 있으며, 또한 샤프트의 회전수(number of revolution)를 결정할 수 있다.
결합형의 각도 및 토크 센서는 또한 토션바(torsion bar) 전체의 비틀림각(twist angle)을 결정한다. 토션바에 의해 상호접속된 제1 샤프트와 제2 샤프트를 포함하는 스티어링 칼럼의, 스티어링 각 및 스티어링 토크를 결정하는 장치의 일례는, 제1 샤프트의 각 위치와 상관 있는 신호, 및 기준 신호를 제공하도록 구성된 커플러 부재와, 코일 어셈블리를 포함하는 제1 샤프트의 각 위치(상기 스티어링 각)을 결정할 수 있는 제1 회전 센서를 포함한다. 상기 기준 신호는, 예컨대 코일 어셈블리와 커플러 부재 사이의 축 변위에 따라 변화한다. 샤프트가 회전하면, 나사형 슬리브(threaded sleeve)와 맞물려(engage) 기준 신호를 변경하는 각도 오프셋(angular offset)을 생성한다. 기준 신호는 실질적으로 각 위치에 무관하고, 게다가 샤프트 회전에 의한 축 변위에 있어 기계적으로 구동 변화에 실질적으로 무관하다. 기준 신호는 샤프트의 회전수를 추적하는 데 사용될 수 있어, 다회전 센서를 개발할 수 있도록 해준다. 제2 샤프트와 연관된 제2 회전 센서는 제2 코일 어셈블리와 제2 커플러 부재를 포함하고, 상기 제2 회전 센서는 상기 제2 샤프트와 상관 있는 제2 신호를 제공하는 데 사용할 수 있다. 상기 제1 샤프트와 제2 샤프트 간의 각 위치의 차는 비틀림각, 따라서 토션바 전체의 토크를 결정하는 데 사용될 수 있다. 그러므로, 스티어링 토크는 제1 샤프트의 각 위치와 제2 샤프트의 각 위치 사이의 비틀림각에 의해 결정될 수 있으며, 비틀림각은 2개의 센서를 사용하여 결정된다.
제1 회전 센서의 각도 범위를 1회전(또는 그렇지 않은 경우에 센서의 모듈러스 각(modulus angle)이 무엇이든지 간에, 모듈러스 각은 반복되지 않는 신호를 취득할 수 있는 각도 범위이다) 이상으로 확장하기 위하여, 기준 신호를 사용하여 상기 제1 샤프트의 회전수를 결정할 수 있다. 상기 기준 신호(예를 들면, 그 전압 레벨)은 샤프트의 회전수에 매핑될 수 있다. 상기 전압 레벨은 회전수에 따라 조정될 수 있으므로, 단조적이고 어쩌면 실질적으로 선형 신호를, 스텝다운 기어 없이 다회전에 걸쳐 취득할 수 있다.
코일 어셈블리는 복수의 수신기 코일 및 제1 기준 신호를 제공하는 데 사용되는 선택적인 기준 코일(reference coil)을 포함할 수 있다. 다른 예에서, 기준 신호는 수신기 신호의 조합에 의해 취득될 수 있다. 이 접근법은 일반화되어 있으며, 홀효과 센서(Hall effect sensor)와 같은, 다른 각도 센서를 사용할 수 있다. 코일 어셈블리는 복수의 수신기 코일을 포함할 수 있으며, 이들 코일로부터 취득된 복수의 수신기 신호를 사용하여 기준 신호를 결정한다.
축 변위는 코일 어셈블리와 대응하는 커플러 부재 사이에 있을 수 있다. 예를 들면, PCB 또는 다른 코일 지지체는 나사형 지지체(threaded support)에 맞물리는 샤프트의 회전에 의해 축 방향으로 압박되는(urged) 나사형 지지체에 의해 지지될 수 있다. 다르게는, 커플러 부재는 샤프트 회전에 따라, 또는 축 변위를 취득하기 위하여 사용되는 다른 구성에 따라 움직일 수 있다. 축 변위는 회전 방향에 따라 증가하거나 감소할 수 있다.
몇몇 예에서, 상기 비틀림각은 디지털 신호 처리기(digital signal processor) 사용하여, 예를 들면 상기 토션바 전체의 제1 각도와 제2 각도를 나타내는 디지털화된 신호들의 차를 사용하여 결정될 수 있다. 몇몇 예에서, 상기 비틀림각은 직접, 예를 들면 제1 샤프트에 대한 제2 샤프트의 각도를 결정함으로써 결정될 수 있다. 대표적인 예는 스티어링 칼럼의 구성요소인 샤프트에 관한 것이다. 그러나, 본 예의 실시예는, 샤프트의 회전이 전기적 신호를 변경하는 데 사용되는 축 변위를 발생시키는, 임의의 회전 샤프트에 대하여 1회전 이상의 회전 위치를 결정하는 것을 포함하며, 상기 전기적 신호는 회전수를 결정하는 데 사용된다.
코일 지지체는 인쇄 회로 기판일 수 있으며, 상기 인쇄 회로 기판은 또한 신호 처리 회로를 지지할 수 있다.
도 1a 및 도 1b는 각도 센서 및 토크 센서를 구비한 스티어링 어셈블리를 나타낸 도면이다.
도 2는 스티어링 각도 센서의 전개도이다.
도 3a 및 도 3b는 원통형 코일 어셈블리를 사용한 구성을 나타낸 도면이다.
도 4는 PCB 배치의 일례를 나타낸 도면이다.
도 5는 넓은 각도 범위에 걸쳐 선형 응답을 취득하는 데 사용될 수 있는 수신기 코일 신호를 나타낸 도면이다.
도 6은 기준 전압의 오프셋을 결정하는 방법을 사용하여, 넓은 각도 범위에 걸쳐 실질적으로 선형의 위치 신호를 취득하는 것을 나타낸 도면이다.
도 7은 2개의 수신기 신호와 그 반전 신호 사이의 교차점을 나타낸 도면이다.
도 8은 다회전 센서의 회전수를 모니터하기 위하여 사용될 수 있는, 기준 신호 전압과 축 변위 사이의 관계를 나타낸 도면이다.
도 9는 기준 신호 전압을 회전수에 매핑하는 대표적인 예를 나타낸 도면이다.
도 10은 2극 수신기 코일(two pole receiver coil)로부터 취득한 신호를 나타낸 도면이다.
도 11은 센서 신호 출력 포맷의 일례를 나타낸 도면이다.
도 12a 내지 도 12c는 3개의 센서 출력 포맷을 나타낸 도면이다.
도 13은 코일 어셈블리와 함께 사용하는 적절한 신호 처리 회로를 나타낸 도면이다.
도 14는 신호 처리 회로의 간략 블록도이다.
도 15는 360도 톱니파(sawtooth) 신호 출력을 가지는 4회전 회전 센서로부터 출력되는 출력 신호를 나타낸 도면이다.
도 16은 각각 30도의 12개 세그먼트를 포함하는 하나의 선형 신호를 나타낸 도면이다.
도 17은 다회전 회전 센서와 함께 사용될 수 있는 신호 처리 회로의 블록도이다.
도 18은 다회전 회전 센서와 함께 사용될 수 있는 다른 신호 처리 회로의 블록도이다.
도 19은 결합형의 스티어링 각도 및 스티어링 토크 센서의 신호 처리 회로를 나타낸 개략도이다.
도 20은 결합형 센서의 신호 처리 회로의 다른 개략도이다.
도 21a 및 도 21b는 중심 탭(center tap)을 가지는 수신기 코일을 사용한 기준 신호의 생성을 나타낸 도면이다.
도 22a 내지 도 22c는 3개의 센서 신호의 전파 정류(full wave rectification)를 이용한 기준 신호 생성을 나타낸 도면이다.
도 23은 4개의 수신기 코일로부터의 신호, 및 그 반전 신호를 사용한 기준 신호 생성을 나타낸 도면이다.
도 24는 5개의 수신기 코일로부터 기준 신호를 취득하기 위한 구성을 나타낸 도면이다.
도 25는 수신기 코일 구성의 다른 예를 나타낸 도면이다.
본 발명의 실시예는 전자 모듈, 코일 본체(coil body), 조정형의 저항기(trimmed resistor), 및 신호 컨디셔닝 회로(signal conditioning circuitry)를 포함한다. 전자 모듈은 신호 컨디셔닝을 위한 ASIC 모듈을 포함할 수 있다. 코일 본체는 축 변조기, 회전 변조기, 및 여자기 코일(exciter coil)을 포함한다. 여자기 코일은 전자계를 발생한다. 회전 변조기(수신기 코일 또는 센서 코일이라고도 함)는 각 위치와 상관 있는 신호를 제공한다. 축 변조기(기준 코일 또는 차동 더미(differential dummy)라고도 함)는 여자기 코일과 축 변조기 사이의 축 분리 또는 갭(axial separation or gap)에 대응하는 신호를 제공한다. 몇몇 예에서는, 기준 코일을 생략할 수 있으며, 센서 코일들로부터 개별 기준 신호를 취득한다.
본 발명의 실시예는 또한 임의의 타입의 비율측정 센서(rationmetric sensor)를 포함하지만, 유도 위치 센서(inductive position sensor)로 한정되는 것은 아니다. 기준 신호는 하나 이상의 센서로부터 취득되며, 센서는 또한 위치와 상관 있는 센서 신호를 제공한다. 전자 유닛은 센서 신호를 기준 신호로 나눔으로써 비율측정 신호를 제공하는 데 사용되며, 비율측정 신호는 온도와 같은 공통 모드 인자(common mode factor)에 대해 보정된다. 다른 타입의 센서에서는, 여자기 코일을 사용할 필요가 없거나, 다른 타입의 여자가 사용된다. 일반적인 비율측정 센서는 하나 이상의 센서, 및 하나 이상의 센서로부터 기준 신호를 생성하고, 이 기준 신호 및 센서 신호를 사용하여 비율측정 신호를 생성하는 전자 유닛을 포함하며, 비율측정 신호는 위치와 상관 있다. 위치 센서 외에, 상태 모니터 센서 등을 포함하는 본 발명의 애플리케이션도 있다.
이하에서는 유도 센서(inductive sensor)의 예를 상세하게 설명하지만, 이 예로 한정되는 것은 아니다. 몇몇 예에서, 커플러 부재(때로는 에디 플레이트(eddy plate)라고도 함)는 여자기 코일과 다른 코일들 사이의 유도 결합을 변경한다. 커플러 부재는 여자기 코일과 수신기 코일(들) 사이의 자속 결합(flux coupling)의 공간 분포를 변경한다.
회전 센서의 예에서, 회전 변조기(RM) 타입의 수신기 코일의 출력은 커플러 부재의 각 위치를 사용하여 보정되고, 축 변조기 또는 기준 코일의 출력은 회전 각도의 함수인 커플러 위치와 실질적으로 무관하므로, 비율측정 감지는 수신기 신호에 대한 공통 모드 인자의 효과를 실질적인 제거를 가능하게 한다. 공통 모드 인자에는 여자기 파워, 온도, 코일 어셈블리와 커플러 부재 사이의 갭 등이 포함된다. 기준 코일로부터의 기준 신호는 축 거리, 또는 기준 코일과 커플러 부재 사이의 갭, 또는 다른 센서 구성요소와 상관 있을 수 있다.
본 발명의 실시예는 다회전 능력을 가진 결합형의 스티어링 토크/스티어링 각도 센서를 포함한다. 종래의 회전 센서는 대개 측정 범위가 360도로 한정되어 있어, 더 큰 각도(다회전)를 측정하기 위해서는 스텝다운 기어를 사용할 필요가 있다. 그러나, 본 실시예에 따른 회전 센서는 360도보다 큰, 예를 들면 최대 ±820도까지의 측정 범위를 제공할 수 있다.
예를 들면, 측정 범위는 커플러 부재의 회전 위치와는 실질적으로 무관하지만, 축 변위와는 상관 있는 기준 신호를 사용하여, 측정 범위를 360도 이상으로 확대할 수 있다. 본 예에서 축 변조기(AM) 신호라고 불릴 수 있는 기준 신호는, 커플러 부재(회전자(rotor))와 나사형 슬리브에 탑재된 인쇄 회로 기판(PCB) 사이의 갭에 민감하게 반응하여 제공될 수 있다. PCB는 여자기 코일, 하나 이상의 수신기 코일, 및 선택적인 기준 코일을 포함하는 코일 어셈블리를 지지한다. 스티어링 메커니즘(steering mechanism)이 나사 상에서 회전되면, 이 축 갭이 좁아지거나 넓어져, 기준 신호를 변경시키고, 회전된 회전수(또는 다른 각 주기)를 결정할 수 있게 해준다.
몇몇 예에서는, 개별 기준 코일을 필요로 하지 않으며, 복수의 수신기 코일로부터, 예를 들면 위상에 감응하지 않는 정류 신호(non-phase-sensitive rectified signal)들의 조합에 의해 기준 신호를 취득할 수 있다. 그러나, 기준 신호는 일반적으로 커플러 부재에 대한 코일 어셈블리의 변위에 따라 변화한다. 예를 들면, 커플러 부재는 회전 샤프트에 장착될 수 있으며, 변위는 코일 본체 내의 내부 나사형 슬리브 내의 샤프트에 장착된 외부 나사형 슬리브의 회전에 기인한 다. 이 경우에는, 기준 신호를 사용하여 회전이 이루어진 대략적인 회수를 결정할 수 있어, 다회전 센서의 개발을 용이하게 한다.
조정형 저항기는 출력 이득 제어, 평탄역 전압의 상부 및 하부의 정의, 또는 기타 조정을 가능하게 한다. 변조된 신호는 각도 종속 신호(angle-dependent signal)을 여자기 신호와 곱하여 취득될 수 있다. 이 문맥에서, 변조는 변조된 신호의 위상 감응 정류(phase-sensitive rectification)를 나타낸다. 복조는 선형 각도 측정 범위를 복조가 없는 양의 2배로 확대한다. 복조기는 코일 본체와 독립하여 시험될 수 있으며, 조정가능한 저항기 및 LC 오실레이터를 가지는 모듈일 수 있다.
본 발명의 예는 또한 독립형(standalone)의 토크 센서 및 스트어링 각도 센서와 결합된 토크 센서를 포함하는, 토크 센서를 포함한다. 토크 센서는 본 출원의 동시계속출원에 기술된 것과 같은 전자 페달 센서의 선을 따라 구성될 수 있다. 토크 센서는 가공하지 않은 신호 출력(raw signal output)과 병렬로, CAN 버스와 호환가능한 출력(CAN bus compatible output) 및 PWM(Pulse Width Modulation)을 제공받을 수 있다.
일례의 결합형의 회전 및 토크 센서는 2개의 회전 센서를 포함하며, 토션바의 각 단부에 하나의 센서가 있다. 하나의 센서는 각 위치, 예를 들면 전자 스티어링 센서로서 사용하기 위하여 스티어링 위치를 측정하는 데 사용된다. 2개의 센서는 함께 토션바의 각 단부의 회전 위치의 차로부터 토션바의 비틀림각을 측정한다. 토크는 토션바의 기계적 특성 및 비틀림각으로부터 결정된다. 토션바는 스프 링과 같은 임의의 구조일 수 있으며, 단부의 상대적인 회전 위치로부터 토크를 결정할 수 있다.
도 1a는 스티어링측 샤프트(steering side shaft) 및 컬럼측 사프트(column side shaft) 포함하는 스티어링 어셈블리의 측면도이다. 도 1a는 피니언측 스티어링 샤프트(pinion side steering shaft)(10), 컬럼측 샤프트(12), 피니어측 샤프트와 컬럼측 샤프트를 상호연결하는 토션바(14), 피니언측 커플러 부재(16), 컬럼측 커플러 부재(18), 컬럼측 센서 PCB(20), 슬라이더(slider)(22), 피니언측 센서(24), 하우징(26) 및 나사형 슬리브(28)를 나타낸다.
PCB(20)는, 스티어링 칼럼이 회전될 때 PCB(20)를 전진시키는 나사형 슬리브(28)에 탑재되어 있다. 도 1a에는 각도 센서 PCB와 토크 결합 디바이스 사이의 갭을 나타낸다. 이 거리는 스티어링 어셈블리의 회전에 따라 가변한다.
동력이 공급되지 않는(power loss) 동안의 바퀴 회전과 같은 상황에서, 각도 정보를 유지할 수 있다. 몇몇 예에서, 갭 정보는 톱니파 전기 신호에 매핑된다.
스티어링 각도 및 토크 결정을 위한 결합형 센서는, 하우징과, 스티어링 컬럼에의 간단한 부착 장치(attachment)를 구비한 독립형 센서일 수 있다. 컬럼측 코일 어셈블리는 축 변위, 따라서 회전수를 결정하는 데 사용되는 기준 신호를 가지고, 축 방향을 따라, 최대 6mm와 같이, 감지할 수 있을 정도의 거리를 자유롭게 이동할 수 있다. 토션바(14)의 각 부분의 센서는 유사할 수 있으며, 자기 진단(self-diagnosis), 예를 들어 장애 상태(fault condition)를 검출하기 위하여 신호의 비교를 사용한다. 예를 들면, 정상 동작 시의 비틀림각은 장애를 나타내지 않으면, ±15°또는 어떤 다른 정해진 값을 초과하지 않을 수 있다.
도 1b는 토크 센서의 중요 부분들을 나타내는 단순화된 단면도(end view)이다. 허용되는 최대 비틀림각은 7.5°와 같은, 각도 θ로 제한될 수 있다. 도 1b는 또한 3극 수신기 코일(RM)용 코일 로브의 가능한 관련 구성을 나타낸다. 일례에서, 디바이스의 콤팩트한 특징을 나타내는, 치수 D는 대략 80mm 이었다.
도 2는 스티어링 각도 및 토크를 결정하는 데 사용가능한 다른 예의 센서의 전개도이다. 본 예에서, 커플러 부재는 회전자라고 한다. 도시된 구성요소는, 커넥터 하우징(40), O링 밀봉부(O-ring seal)(42), 회전자 캐리어(44)(제1 커플러 부재 지지체), 회전자(46)(제1 커플러 부재), 토크 측정 PCB(48), 플랫 점퍼 케이블(flat jumper cable)(50), 2개의 회전자 캐리어(52) 사이의 원통형 밀봉부(52), PCB 캐리어(54), 각도 측정 PCB(56), 회전자(58)(제2 커플러 부재), 나사부(threaded portion)(63)을 구비한 나사형 회전자 캐리어(60), O링 밀봉부(64), 및 부재(66)를 포함하는 하우징부(68)를 포함한다. 스티어링 각도는, 각도 측정 PCB(56)에 의해 지탱되는 코일 어셈블리에 대한 제2 커플러 부재의 각도로서 결정된다. 토크는 토크 측정 PCB와 제1 커플러 소자의 위치에 의해 결정되는, 제1 회전자와 제2 회전자 사이의 각도 차에 의해 결정된다.
도 3a는 전체적으로 원통형의 표면에 수신기 코일이 배치되어 있는 다른 구성을 나타낸다. 도 3a는 회전 허브(rotating hub)(80), 커플러 부재(82), 코일 어셈블리(88)용의 전체적으로 원통형의 기판(코일 지지체)으로서 작용하는 제1 슬리브(90), 나사부(86)를 가지는 제2 슬리브(84), 전자 유닛(92), 및 여자 코 일(exitation coil)용의 에너자이징 소스(energizing source)(94)를 나타낸다.
센서는, 원통형의 표면 둘레에 전체적으로 배치된 커플러 부재(82)의 배치와 함께, 회전 허브(8)에 배치된다. 서로에 대한 슬리브의 회전은 커플러 부재들과 코일 어셈블리(88) 사이의 축 변위(갭)을 발생시킨다. 코일 어셈블리(88)는, 주변의 둘레에 (원통형의 표면에) 전체적으로 직사각형의 여자기 코일을 구비한 복수의 수신기 코일을 포함한다. 복수의 코일과 코일 지지체의 조합을 코일 본체라고 할 수 있다. 실질적으로 커플러의 각 위치에 무관한 수신기 신호들의 조합에 의해 기준 신호를 결정할 수 있으며, 이는 회전수를 결정하는 데 사용될 수 있다. 다르게는, 별개의 기준 코일이 코일 지지체에 배치되어 기준 신호를 제공할 수 있다. 따라서, 이 구성은 다회전 센서로서 사용될 수 있다.
이 도면은 결합형 센서의 각도 감지부만을 나타내지만, 토크 감지에도 유사한 구성을 사용할 수 있다.
토크 결정은 예를 들면 차 신호를 결정하기 위하여, 토션바 양측의 제1 센서와 제2 센서의 신호를 비교함으로써 이루어질 수 있다.
도 3b는 제2 슬리브의 내부에 위치된 커플러 부재에 대한 센서 코일 본체를 나타낸다. 도 3b는 커플러 부재(82)에 대한 제1 슬리브(90)를, 축 변위가 0(zero)(갭이 0)인 구성으로 나타낸다.
도 4는 다회전 회전 센서와 함께 사용하는 PCB의 전체 배치를 나타낸 개략도이다. 이 형태의 PCB는 전자 스로틀 제어 애플리케이션에 유용하다. 그러나, PCB의 형상은 임의의 각도 감지 애플리케이션에 쉽게 적응시킬 수 있다. PCB(100)는, 제2 수신기 코일이 제1 수신기 코일에 대해 90도(1/4 파장)의 위상 오프셋을 가지는 신호를 제공하도록 배치된 이중 회전 변조기(double RM)을 포함하는 코일 어셈블리를 지지한다. 도 4의 왼쪽에는 코일 어셈블리 및 지지 전자부품(support electronics)의 전체적인 배치를 나타내며, 도 4의 오른쪽에는 RM1과 RM2로 표기된, 제1 코일(104)과 제2 코일(106)의 구성을 나타낸다. 2개의 코일을 구비한 이중 회전 변조기의 사용함으로써, 각도 감지 애플리케이션이 하나의 코일 신호의 선형 세그먼트 이상으로 가능하게 한다.
도 5는 RM1으로 표기된 제1 코일로부터의 신호와, RM2로 표기된 제2 코일로부터의 신호를 나타낸다. 도시된 바와 같이, 커플러 부재, 따라서 스티어링 각도 애플리케이션에서 스티어링 어셈블리의 각 위치에 대한 각각의 코일의 신호들 사이에는 각도 오프셋이 존재한다. 도 5는 또한 RM1과 RM2의 반전 버전(inverted version)인 RM1'과 RM2'로 표기된 신호도 나타낸다. 따라서 넓은 각도 범위에 걸친 선형 신호는 각각의 신호의 세그먼트들을 모두 사용하여 얻을 수 있으며, 각각의 곡선의 선형 부분은 도면부호 120과 같은 굵은 선을 사용하여 나타낸다. RM1은 0도와 30도 사이에 선형 부분을 가지는 실선으로 도시된다. RM2는 30도와 60도 사이에 선형 부분을 가지는 점선으로서 전체적으로 도시된다. 또한, RM'로 표기된, RM1의 반전 버전은 얇은 실선으로 도시되고, 60도와 90도 사이에 선형 부분을 제공한다. RM2'로 표기된, RM2의 반전 버전은 90도와 120도 사이에 선형 세그먼트를 제공한다. VG는 가상 접지를 나타낸다.
본 발명에 예에서, 코일 본체는 수신기 코일 신호의 위상차가 90도인 2개의 수신기 코일을 포함할 수 있다. 다른 위상차도 사용될 수 있다.
따라서, 2쌍의 신호(제1 RM 코일과 제2 RM 코일로부터의 신호와, 그 반전 버전)는 전압 레벨의 시프트에 의해 실질적으로 선형 신호로 결합될 수 있다.
도 6은, 하나의 코일만으로 취득할 수 있는 각도 범위보다 넓은 각도 범위에 걸쳐 선형 위치 신호의 취득에 사용될 수 있는 기준 전압의 오프셋 방법을 나타낸다.
실질적으로 연속되는 선형 신호를 얻기 위하여, 여러 RM 신호들 사이의 교차점을 결정하여야 한다. 각각의 선형 세그먼트 N-1, N, N+1에 대하여, 하나의 선형 범위의 최대 신호 레벨을 다음의 선형 범위의 최소 신호 레벨과 일치(match)시키도록 선택되는 대응하는 오프셋 전압이 있다.
도 7은 RM1, RM2와 그 반전 버전 사이의 교차점을, 도면부호 22와 같은 원으로 나타낸다. 간단한 비교기 회로를 사용하여 교차점을 결정할 수 있으며, 각도 범위 내의 실제 각 위치에 따라 복수의 사용가능한 신호로부터 신호를 선택할 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시예에 따른 회전 센서는 넓은 각도 범위에 걸쳐 선형 신호를 제공하는 데 사용할 수 있다.
본 발명의 예는 회전 위치와 실질적으로 무관한 기준 신호를 사용하는 장치를 포함한다. 그러나, 기준 신호는 회전면에 직교하는 축을 따라(예를 들면, 회전 샤프트의 축을 따라), 축 위치와 상관 있다. 따라서, 기준 코일, 본 예에서는 축 변조기는 코일 어셈블리를 지지하는 회로 기판과 커플러 부재 사이의 갭에 민감하게 반응하는 신호를 제공하는 데 사용될 수 있다. 사실상, 축 변조기는 갭 센서 또는 축 변위 센서로서 작용하고, 기준 신호는 스티어링 어셈블리가 몇 바퀴 회전하였는지를 결정하는 데 사용될 수 있다.
몇몇 실시예에서, 캐리어(여자기 신호)에 대한 AM 피드백은 정전압 분할기(constant voltage divider)로 대체될 수 있다. 이로써 비율측정 감지에 의해 제거되는 공통 모드 신호로부터 온도 인자를 분리하는 것을 방지한다. 따라서, 갭은 중요한 공통 모드 인자가 되어, AM은 회전수에 대한 정보를 효과적으로 제공할 수 있다. 이 구성에서, 여자기 신호는 (예를 들면) 대략 10볼트를 유지할 것이고, 기준 전압을 회전수에 매핑하기 위하여 기준 신호를 모니터할 수 있다.
도 8은, 본 발명에 따른 예로서, 기준 신호 전압(AM 전압으로 표기됨)과 축 변위(갭으로 표기됨)의 대표적인 관계를 나타낸다. 갭은 X축을 따라 표시되며, 대략 2.2 밀리미터까지의 범위를 가진다. 기준 신호 전압은 0 위치를 지나 2회전한 경우의 대략 250 밀리볼트에서 반대 방향으로 2회전한 경우의 대략 500밀리볼터 사이에서 변화한다. 여기서, 0회전은 대략 350 밀리볼트에 상응한다. 다른 예에서, 전압과 거리는 상이할 수 있다. 이 매핑은 단지 예일 뿐이며, 실제 관계는 사용되는 구성에 대하여 결정될 수 있다.
이 도면에 나타낸 바와 같은 데이터를 사용하면, 수신기 신호 전압 레벨을 조정하여, 다회전 능력에도, 넓은 각도 범위에 걸쳐 실질적으로 선형 응답을 얻을 수 있다. 센서 출력 전압 레벨을 회전수에 따라 조정함으로써, 실질적으로 선형 신호 대(versus) 회전 각도의 관계를 다회전에 걸쳐 구할 수 있다.
도 9는 조정가능한 오프셋 전압을 다회전에 걸친 실질적으로 선형 센서 신호 전압 대 각도의 관계를 얻는데 용할 수 있도록 해주는, 기준 신호 전압을 회전수에 매핑하는 대표적인 예를 나타낸다.
도 10은 2극 수신기 코일로부터 얻은 신호를 나타낸 것으로, 도 5에 나타낸 것과 유사한, 2개의 코일로부터 취득한 4개의 신호를, 반전된 신호와 함께 나타낸다. 이 예에서, 각각의 신호는 180도마다 반복되므로, 기준 신호(AM 신호)는 180도보다 넓은 각도 범위에 걸쳐서 각 위치의 구별이 필요하다.
다회전 센서에서, 전압 레벨은 다른 신호를 고른 후에 올라간다(lifted). 이것은 도 5에 나타낸 바와 같이 교차점에서의 하나의 신호 출력으로부터 다른 신호 출력으로의 이행(transition)을 나타낸다. 로직 스택(logic stack)을 사용하여 교차점의 이력을 저장할 수 있으며, 따라서 인가를 위한 정확한 전압 레벨 조정값을 알 수 있다. RM 신호(또는 반전된 RM 신호)의 선택은, 미리 정해진 RM 값에 도달한 때의 멀티플렉스 출력 사용하여 선택될 수 있다.
센서 신호 출력 포맷 중 3가지 예를 설명한다. 하나의 포맷에서, 신호는 3가지 타입의 톱니파 신호 중 하나로서 선택할 수 있다. 제1 포맷은 0.25볼트에서 4.75볼트까지 범위의 360도 톱니파이다. 제2 포맷은 동일한 전압 범위에 걸친 180도 톱니파일 수 있으며, 제3 포맷은 동일한 전압 범위에 걸친 90도 톱니파일 수 있다. 그 후 다회전 센서는 톱니파를 실질적으로 선형 응답으로 변환하기 위한 오프셋 전압을 사용하여 취득될 수 있다.
도 11은 가능한 센서 출력 포맷을 나타낸다. 출력 신호는 상부 전압 범위와 하부 전압 범위 사이에서 범위가 정해지고 각도 측정에 대해 360도마다 리셋되는 톱니파이다.
도 12a 내지 도 12c는 3개의 가능한 다른 포맷을 나타낸다. 제너 재핑(Zener zapping)을 이용하여 신호 교정을 할 수 있으며, 이에 대한 더욱 자세한 것은 후술한다.
도 13은 코일 어셈블리와 연관된 신호 처리 회로에 의해 사용될 수 있는 신호 컨디셔닝 접근법의 블록도이다. 전자 회로는 코일 어셈블리와 동일한 PCB 상에 지지될 수 있다. 도 13은 제1 수신기 코일(141), 제2 수신기 코일(142)(모두 회전 변조기, 즉 커플러 부재의 각 위치와 상관 있는 신호를 제공함), 제1 정류 신호(144) 및 제2 정류 신호(148)를 제공하기 위한 전자 회로, 제1 신호 및 제2 신호의 복제 및 반전된 버전(146, 150)을 나타낸다. 비교기(152)는 전자 스위치(153)를 사용하여 4개 신호 중 하나를 선택할 수 있도록 해준다. 가상 접지 시프터(virtual ground shifter)(154)는 각도 범위, 따라서 사용된 오프셋을 추적하는 스택 관리자(stack manager)(156)와 함께, 신호 오프셋을 제공한다. 신호 시프터(158)는 그 후 스택 관리자로부터 취득된 정보를 사용하여 신호를 VLA로 시프트하고, 예를 들면 외부의 조정가능한 저항기(trimmable resistor)를 사용하여 이득 제어(gain control)(160)를 설정하며, 평탄역 전압 제어(plateau voltage control)(162)는 최대 진폭(maximum excursion)과 최소 진폭(minimun excursion)을 한정하고, 예를 들면 제너 재핑을 이용하여 신호를 교정한다.
비교기는 제1 신호와 제2 신호가 미리 정해진 허용범위(tolerance) 내에서 유사할 때, 제1 신호로부터 스위칭되는, 제2 신호를 선택할 수 있다. 로직 스택은 선택을 추적하는 데 사용될 수 있다.
본 예에서, 제1 RM 신호 및 제2 RM 신호는 정류되어 제1 신호 및 제3 신호를 각각 제공하며, 또한 반전되어 제2 신호와 제4 신호를 각각 제공한다. 취득된 4개의 신호는, 예를 들면 도 5에 나타낸 곡선에 대응한다. 비교기는, 예를 들면 도 6에 나타낸 바와 같이 실질적으로 선형 신호를 얻기 위하여, 예를 들면 도 7에 나타낸 바와 같이, 하나의 신호로부터 다른 신호에의 정확한 교차점을 결정하는 데 사용된다. VG(Virtual Ground) 레벨 시프터는 스택 관리자와 연결되어 있다. 로직 스택은 교차점을 추적하므로, 정확한 가상 접지 레벨 시프트가 신호에 인가되어, 실질적으로 선형이거나 톱니파 신호를 얻는다. 신호 처리에는, 스택 관리자 정보를 이용한 VLA에 대한 신호 감지, 예를 들면 외부의 조정가능한 저항기를 사용한 이득 설정, 외부의 조정가능한 저항기를 사용한 상부 평탄역 전압 및 하부 평탄역 전압 설정, 및 신호 교정이 포함된다. 신호 교정은 제너 재핑에 의해 달성될 수 있다.
도 14는 신호 처리 회로를 단순화시킨 블록도이며, 평탄역 제어 및 이득 조정을 나타내지 않는다. 이 예에서, RM1, RM2, 반전된 RM1, 및 반전된 RM2를 포함하는 4개의 입력 신호(180, 182, 184, 186)는, 비교기/선택기(192)가 도면부호 190으로 나타낸 사용하는 정확한 신호를 결정하는 스위칭 회로(188)에 들어간다. 도 14는 RM1을 정류할 수 있는 대표적인 회로를 나타낸다. 정류된 AM 신호가 도면부호 196에서 취득되어 선택된 RM 신호와 함께 분할기(divider)(194)에 들어간다. 분할된 신호는 그 후 전압 레벨 조정기를 통과하여 출력된다. 도 14는 전압 조정을 결정하기 위하여 로직에 회로에 입력되는 복수의 스위치형 회로를 포함하는 전압 레벨 조정기(200)를 포함한다. 전압 조정 이력은 비교기 내에 저장된다.
디지털-아날로그 변환기(digital-to-analog converter)는 센서 교정 및 전압 레벨 제어에 사용될 수 있다. 교정 회로는 5비트 형태일 수 있으며, 제너 재핑을 이용하여 최종 어셈블리를 교정한다. 제너 재핑 시에는, 역방향의 대규모 전류가 제너 다이오드에 인가되어, 단락 회로가 발생하여 파괴된다. 단락된 다이오드와 단락되지 않은 다이오드의 어레이는 조정 전압을, 예를 들면 2진값으로 저장하는 비휘발성 메모리로 사용될 수 있다. 따라서, 교정 조정은 1회 이루어질 수 있으며, 추가 조정은 사용하지 않는다.
전압 레벨 조정용 변환기는 5비트 형태로 도시되어 있으며, 센서의 극성 및 각도 범위의 포지셔닝(positioning)에 의존한다. 360°범위를 가지는 5개 극성의 센서의 경우, 변환기는 4비트를 필요로 하며, 360°범위를 가지는 6개 극성의 센서의 경우, 변환기는 5비트를 사용한다. 변환기의 동작은 로직 회로와 연계하여 비교기 회로에 의해 제어될 수 있다.
로직 회로-비교기 회로의 동작은, 비교기가 2개의 들어오는 신호 중에서 1개를 선택하지마자, 각도 방향에 따라, 로직 회로는 단위 전압 조정값(unit voltage adjustment)을 푸시인(push in) 또는 팝아웃(pop out)한다.
다시 도 7을 참조하면, 도 7은 30도에 있는 제1 교차점을 나타낸다. 비교기 회로는 RM1과 RM2를 비교하고, 30도에서 이들은 어떤 미리 정해진 허용범위 내에서 동일하다. 그 후, 선택기 회로는 도 6에 나타낸 바와 같이 출력 신호가 실질적으로 선형을 유지하도록, RM2'신호(반전된 RM2)를 선택한다.
동시에, 로직 회로는 단위(unit)을 증가 또는 감소시킨다. 로직 회로(스택)는 1 단위를 푸시인 또는 팝아웃하고, 따라서 전압 변환기는 전압 레벨을 1단위 증가 또는 감소시킨다. 도 6을 다시 참조하면, 이는 전압 레벨 N, N+1, 등으로 나타나 있다. 따라서, 로직 유닛은 DA 변환기 내의 스위치의 상태를, 스택 깊이에 대응하여 유지한다.
3극 코일을 사용하면, 세그먼트로 나타낸, 최대의 적당한 선형 각도 범위는 대략 30도이다. 전압 레벨은 통과하는 교차점의 수에 따라 설정된다. 각도 범위는 3개의 세그먼트 관리를 이용하는 120도 크기일 수 있다. 기록 유지는 스택 동작, 예를 들면 링크드 리스트 데이터 구조(linked list data structure)를 이용하여 달성될 수 있다.
출력 신호의 포맷은 다회전 동작의 경우, 각각의 신호 전압에 대응하는 다가(multi-valued)의 각도 값(360°이상)의 모호함을 해결하는 데 사용되는 기준 신호를 가지는, 톱니파 신호일 수 있다. 이 접근법은, 센서 신호가 양호한 각도 분해능(angular resolution)는 가질 수 있도록 해주는 동시에, 넓은(예컨대, 다회전) 각도 범위를 가질 있도록 해준다. 실제의 최대 선형 능력(모듈러스 각)은 360도이다. 카운터 및 스택은 센서 외부의 로컬 ECU에 의해 관리될 수 있거나, 또는 센서 로직에 의해 관리될 수 있다.
도 15는 360도 톱니파 신호 출력을 가지는 4회전 회전 센서로부터 출력되는 출력 신호를 나타낸다.
도 16은 예를 들면 3극 RM 코일로부터 취득된 것처럼, 도면부호 210으로 나 타낸 바와 같이, 각각 30도인 12개의 세그먼트를 포함하는 하나의 선형 신호를 나타낸다. 6극 RM 코일을 사용하면, 하나의 선형 신호는 22.5도의 24개 세그멘트를 가질 수 있다. 후자의 경우, 전압 레벨 조정 및 로직/스택 회로는 5비트 능력을 가질 수 있다.
기타 고려사항으로는 공급 전압의 추적 가능성(traceability), 직류 배터리 전압(direct battery voltage)을 사용하거나 조정된 전압의 사용, 및 요구되는 선형성을 포함한다. 본 발명의 실시예에 따른 센서의 예는 각도 센서의 동작 시에 0.5%보다 양호한 선형성을 가지는 센서를 포함한다. 본 발명의 다른 실시예는 AM 신호로부터 취득된 변위 측정값을 사용하여 구현될 수 있는 속도 센서를 포함한다.
센서 시스템의 예는, 각도 선형성 0.5%, 360도 톱니파 출력을 가지는 -45℃ 내지 100℃의 온도 범위에 걸친 정확도 0.5%, 기준 전압의 5% 내지 95%의 출력 신호 스윙, 5비트 제너 재핑, 4비트 전압 레벨 조정, 및 우수한 EMC 성능을 가지는 것으로 만들었다.
도 17은 본 발명의 실시예에 따른 다회전 회전 센서와 함께 사용될 수 있는 신호 처리 회로의 블록도이다. 간략하게, 도 17은 AM(기준 코일), RM1 및 RM2(수신기 코일), 그리고 CR(여자기 코일)을 포함하는 코일 본체를 나타낸다. 여기서 AM은 갭에 민감하게 반응하여 신호를 제공하는 축 변조기를 나타내며, RM1 및 RM2는 2개의 반전된 출력은 포함하는 4개의 출력을 제공하기 위하여 사용되는 2개의 회전 변조기 코일이고, CR은 여자기 또는 캐리어 코일을 나타낸다. 도 17은 로직 회로 제어 하에서 다회전을 지원하기 위한, 선택기/비교기 회로를 나타낸다. 도 17은 또한 교정을 위한 5비트 DA 감도를 가지는 제너 재퍼를 나타낸다. 선택된 RM 신호와 AM 신호의 아날로그 분할은 출력을 얻기 위해 수행되며, 그 출력은 전압 레벨 조정기에 의해 조정된다
더욱 상세하게는, 도 17은 여자기 코일(222), 별개의 기준 코일(224), 및 서로 간에 위상 오프셋을 가지는 2개의 수신기 코일(226)을 포함하는 코일 어셈블리(220)를 나타낸다. 전체적으로 도면부호 274로 나타낸, 신호 처리 회로는 코일 어셈블리와 동일한 PCB에 의해 지지될 수 있다. 다르게는, 코일 어셈블리용 기판은 다른 것일 수 있다. 위상 감응 정류기(phase sensitive rectifier)(228)는 기준 코일로부터의 기준 신호를 처리하기 위해 사용된다. 선택기/비교기(236)는 4개의 선택, 즉 도 13과 관련하여 앞서 설명한 바와 같이, 2개의 수신 코일 각각으로부터의 정류된 신호와 정류/반전된 신호에서 수신기 신호를 선택하는 데 사용된다. 정류기 및 인버터는 도면부호 230 및 232로 나타내며, 도면부호 234로 나타낸 비교기 제어 하에 신호를 선택한다. 수신기 신호는, 전체적으로 선형 신호를 얻도록, 도면부호 238에서 조정된 전압이다.
아날로그 분할기는 공통 모드 인자를 보상하기 위하여 기준 신호에 의해 취득된 수신기 신호를 분할한다. 또한 도면부호 242에서의 전압 레벨 조정은 증폭기(244) 및 부하(246)를 통하여 센서 출력을 제공한다. 이득 조정은 저항기(248)를 사용하여 한다. 가상 접지(VG)(250)는 코일 신호 레벨을 조정하기 위하여 사용된다. 오실레이터(252)(LC 오실레이터)는 여자기 코일(222)을 통전시킨다. 5비트 DAC는 전체로서 도면부호 266으로 나타낸 로직 유닛 내의 제너 재퍼(262)(또는 다 른 비휘발성 메모리 구조)로부터 교정 정보를 받는다. 카운터/스택 관리 회로(264)는 적당한 오프셋 전압을 제공하는 전압 레벨 조정기(256)로, 각도 범위(예컨대, 회전수 또는 다른 각도 간격)를 추적한다. 전압 클램프(258)는 저항기 브릿지(resistor bridge)(260)를 사용하여, 전압 출력을 상부 평탄역 레벨 및/또는 하부 평탄역 레벨로 클램프하는 데 사용된다.
외부 회로(276)는 센서 출력 특징부여 디바이스(272) 및 제너 어레이(262)(제너 재퍼라고도 함) 내에 저장되는 값을 설정하는 데 사용되는, 직렬-병렬 변환기(268)에 교정 출력을 부여하는 외부 ADC/DAC(270)를 포함한다.
도 18은 다회전 회전 센서의 다른 전자 회로를 나타낸다. 코일 본체는 도면부호 220으로 나타낸, 도 15와 관련하여 언급한 바와 같을 수 있다. 로직 유닛은 다회전 지원을 위한 카운터 스택 관리를 결정하고, 또한 요구된 세그먼트를 필요로하는 저항기의 조합을 결정한다. 로직 유닛은 또한 원하는 상부 평탄역 전압 및 하부 평탄역 전압을 결정하기 위한 저항기의 조합을 선택하는 데 사용된다.
회로는, 로직 유닛에 따라 선택되는 2개의 RM 신호, 선택된 RM 신호의 위상 감응 정류에 이어서 축 변조기 신호에 의해 비율측정 아날로그 분할을 보여준다. 출력 신호는 아날로그 평탄역 위치를 클램프하는 데 사용되는 저항기 쌍, 이득 조정에 사용되는 조정가능한 저항기, 및 부하 임피던스를 통한 출력을 사용하여, 아날로그 승산기에 의해 변경된다. 이 회로는 평탄역 교정을 위한 가상 접지 레벨 조정기를, 6개 저항기 어레이(six-resistor array)에 의해 이룩한 6비트 DAC와 함께 보여준다.
도 18은 전체로서 도면부호 300의 신호 처리 회로를 나타내며, 위상 감응 정류기(302), 멀티플렉서(304)(예컨대, 다른 곳에서 언급한 비교기/선택기 회로 ), 수신기 신호(306)용 위상 감응 정류기, 아날로그 분할기(208), 이득 조정 저항기(312)를 구비한 아날로그 승산기(증폭기)(310), 출력 부하(314), 오실레이터(316), 저항기 브릿지(320)를 사용하는 전압 클램프(318), 전압 레벨 조정기(가상 접지 조정기를 사용함)(322), 및 가상 접지 조정기(324)를 보여준다. 동일한 PCB 상에 있을 수 있고, 될 수 있는 한 ASIC으로 제공되는 로직 유닛(332)은, 각도 범위 세그먼트의 트래킹 및 적절한 전압 조정에 대한 데이터를 제공하여 실질적으로 선형 신호를 얻기 위한 카운터/스택 제어기(236), 가상 접지 조정을 이룩하기 위한 저항기 조합, 및 평탄역 레벨의 추가 조정을 위한 저항기 조합을 포함한다. 외부 교정 장비(338)는 도 17과 관련하여 앞서 언급한 것과 같으며, 출력 및 평탄 레벨을 측정하기 위한 센서 출력 특징부여 디바이스(338)와, 로직 유닛(332)과 함께 사용하는, 직렬-병렬 변환기(334)에 교정 출력을 부여하는 외부 ADC/DAC를 포함한다.
외부 장치, 예를 들면 병렬-직렬 변환기를 구비한 외부 ADC/DAC는 교정에 사용될 수 있으며, 로직 유닛에 대한 병렬 입력으로 다시 변환된다. 공통 모드 신호 & 차동 모드 신호를 위한, 하나 또는 복수의 RM 코일을 사용한 신호 생성은 각종 비율측정 센서에서 사용될 수 있다. 본 발명의 예에 따른 비율측정 감지 방법은 임의의 감지 기술에 사용될 수 있으며, 유도 센서에 한정되지 않는다. 비율측정 센서는 하나 이상의 센서를 포함하며, 위치와 관련된 센서 신호를 제공한다. 기준 신호는 센서 신호로부터 얻는다. 비율측정 신호는 위치 신호를 기준 신호로 나눔으로써 형성된다. 예를 들면, 2이상의 센서가 있을 수 있고, 이 2이상의 센서로부터의 센서 출력이 결합되어 기준 신호를 제공한다. 예를 들면, 센서 신호는 정류 및 결합될 수 있다.
용어 "RM"은 때로 회전 변조기의 약어, 회전 위치 센서의 센서 코일로서 사용된다. 그러나, 여기에 기재된 접근법은 선형 및 결합형의 선형/회전 유도 센서를 포함하는 각종 위치 센서, 그리고 유도 결합을 이용하지 않는 다른 타입의 센서와 함께 사용될 수 있다(또는 사용을 위해 용이하게 적응된다). 예를 들면, 기준 신호는 복수의 홀 센서로부터 얻을 수 있으며, 비율측정 홀 감지의 개선을 위해 사용한다.
도 19는 본 발명의 실시예에 따른 결합형 센서(스티어링 각도 및 스티어링 토크 결정)의 신호 컨디셔닝 회로(366)의 일부를 개략적으로 나타낸다. 코일 어셈블리(360)는 여자기 코일(362)와, 도면부호 264처럼 4개의 수신기 코일을 포함한다. 도 19는 각도와 상관 있는 수신 신호(372)(RM1)와 각도와 실질적으로 무관하지만 축 변위와는 상관 있는 기준 신호(374)(AM)를 취득하기 위한 회로 블록(368)을 나타낸다. 따라서 AM은 축 변조기이다. 도면부호 376에서 추가적인 신호 처리를 한 후에, 아날로그 분할기(378)에 의해 비율측정 신호가 취득된다. 그러나, 여기에 설명한 모든 예에서는 아날로그 분할기 대신에 디지털 분할기를 사용할 수 있다. 회로 블록(370)은 제2 수신기 신호(382)(RM2)를 얻기 위하여 사용되며, 이를 도면부호 384에서 분할하여 비율측정 신호를 얻을 수 있다. 기준 신호는 도면부호 390에서 출력되며, 축 변위, 따라서 각도 범위 또는 회전수를 추적하는 데 사용될 수 있다. 신호 RM1 또는 RM2는 선택기(380)를 사용하려 선택될 수 있으며, 선택적으로 도면부호 386에서 PWM을 사용하여, 도면부호 388에서 출력된다. 가상 접지 조정, 교정 데이터 저장 등과 같은 다른 구성요소는 여기에 기재된 다른 회로로부터 용이하게 적응될 수 있다. 평탄역 제어 및 이득 조정은 간결한 설명을 위하여 나타내지 않는다.
도 20은 결합형 스티어링 각도/토크 센서의 신호 처리를 위한 전자 회로(416)를 간략화하여 개략적으로 나타낸다. 결합형 센서는 토크를 결정하기 위한 제1 코일 어셈블리(400)와, 각 위치를 결정하기 위한 제2 코일 어셈블리를 포함한다. 코일 어셈블리 각각은 수신기 코일 및 기준 코일 또는 수신기 코일로부터 기준 신호를 결정하기 위한 회로 중 하나를 포함한다. 각도 센서(402)로부터의 수신기 신호 및 기준 신호는 아날로그 분할기(408)를 통과하여 비율측정 신호를 생성한다. ADC(402)는 두 센서로부터의 신호를 처리한다. 디지털 신호 처리 회로(406)는 토션바 전체의 비틀림각을 결정하기 위하여, 예를 들면 각도 측정값들 간의 차이를 결정함으로써 토크를 결정한다. 토션바의 기계적인 파라미터는 또한 메모리에 저장될 수 있으며, 필요한 경우, 비틀림각을 토션값으로 변환하는 데 사용될 수 있다. 토크의 값은 축 변위, 따라서 회전수(또는 다른 각도 모듈러스 값)를 결정하기 위하여 기준 신호(AM)을 사용하는 "모듈러스"(고유한 회전 센서 출력의 각도 간격, 예를 들면 360도의 1회전) 이상으로 결정될 수 있다. 토크 센서 출력은 또한 각도 센서 출력의 백업으로서 사용될 수 있다. 2개의 센서 출력을 비교하여 장애 상태가 존재하는지를 결정할 수 있다. ADC(410)는 아날로그 신호 출력(142)을 생성하는 데 사용되며, 아날로그 및 CAN 버스 신호는 회로(414)에 의해 생성된다.
도 21a 및 도 21b는 중심 트랩을 가지는 수신기 코일을 사용한 기준 신호의 생성을 나타낸다. 이 예에서, 별개의 기준 코일은 필요하지 않다. 도 21a는 가능한 코일 어셈블리를 나타내고, 도 21b는 각도 감응(angle-sensitive) 신호(RM) 및 실질적으로 각도에 독립한 신호(AM, 기준 신호)를 취득하기 위한 회로를 나타낸다. 기준 신호는 스티어링 센서 애플리케이션에서 축 변위를 결정하는 데 사용될 수 있다.
도 21a는 수신기 코일(422, 424)과의 유도 결합을 변경하기 위하여, 도면부호 426으로 나타낸 커플러 부재를 구비하는 도면부호 420의 여자기 코일을 보여준다. 수신기 코일의 상이한 권선(winding)(또는 상이한 수신기 코일)에 의해 생성되는 신호의 합(426)과 차(428)는 회전 위치(수신기) 및 기준 신호 각각에 사용된다. 도 21b는, 도 21a에 나타낸 RM+ 신호와 RM- 신호(446)를 취득하기 위하여 사용되는 중심 탭(444)을 구비한 2개의 권선(440, 442)을 나타낸다.
도 22a 내지 도 22c는 복수의 센서 신호로부터 기준 신호를 얻기 위한 다양한 접근법을 보여준다. 도 22a는 3개의 센서 신호에 대한 전파 정류를 이용한 기준 신호의 생성을 나타낸다. 이 접근법은 유도 센서에 한정되지 않는다. 예를 들면, 2개의 센서는 홀 효과 센서일 수 있으며, AM 전압(기준 신호)가 공통 모드 인자를 보정하기 위하여, 및/또는 축 변위를 결정하기 위하여 유사하게 사용된다. 도면은 3개의 센서(460, 462, 및 464)를 나타내며, 다이오드로 정류하고, 도면부호 468에서 기준 신호를 출력한다. 3개의 센서는 유도 센서, 홀효과 센서 등을 포함하는 임의의 타입의 센서일 수 있으며, 별 형상(star configuration)으로 구성되며, 다이오드(466)(예컨대, 전압 강하가 없거나 거의 없는 정류기)는 기준 신호를 생성하는 데 사용된다. 개개의 센서 신호는 기준 신호(AM)로 나뉘어져 비율측정 신호를 제공할 수 있다.
도 22b는 별 형태로 배치된 3개의 수신 코일(480, 482, 484)을 사용한 기준 신호의 생성을 나타내며, 다이오드(486)로 정류하고, 도면부호 488에서 기준 신호가 취득된다.
도 22c는 델타 또는 삼각형으로 배치된 3개의 수신 코일(500, 502, 504)을 사용한 기준 신호의 생성을 나타내며, 다이오드(506) 및 기준 신호 출력(58)을 구비한다.
각도 센서에서, 개별 센서는 각도와 상관 있는 센서 신호를 제공할 수 있다. 기준 신호는 실질적으로 각 위치와 무관하지만 축 변위와 관계 있을 수 있다. 예를 들면, 회전 샤프트는 도시한 센서들과 다른 구성요소(커플러 부재, 또는 홀 센서의 경우에는 자석) 사이에 가변하는 축 변위를 일으킬 수 있다. 그리고 기준 신호는 회전수를 결정하는 데 사용될 수 있으며, 그 외에 회전 센서의 각도 범위를 확장하는 데 사용될 수 있다.
도 23은 도면부호 520과 같은 4개의 수신기 코일로부터 기준 신호(AM으로 표기됨)를 취득하기 위한 다른 구성을 나타낸다. 본 예에서, 반전된 특성의 가상 코일(image coil)(점선으로 나타낸 코일(522))은 수신기 코일 신호를 복제 및 반전함 으로써 시뮬레이션된다. 기준 신호(506)는 다이오드(504)를 사용하여 취득된다.
도 24는 도면부호 524에서 취득되는 기준 신호와 함께 다이오드(522)를 사용하여, 5개의 수신기 코일로부터 기준 신호(AM으로 표기됨)를 취득하기 위한 다른 구성을 나타낸다. 본 예에서, 가상 코일 신호를 취득하기 위한 신호의 복제 및 반전은 필요 없다.
도 25는 수신 코일 구성의 다른 예를 나타낸다. 제1 코일 어셈블리(540)와 제2 코일 어셈블리(542)를 결합하여 코일 어셈블리(544)를 얻는다. 제2 코일 어셈블리, 기준 코일은 15도 오프셋되어 있으며, 수신 코일 신호의 조합에 의해 시뮬레이션될 수 있다. 기준 코일은, 사용한다면, 스티어링 칼럼의 페로 코어 효과(ferro-core effect)를 최소화하기 위하여 수신 코일과 형태가 유사할 수 있다.
다른 구성
본 발명의 예는 또한 다회전 또는 큰 각도의 회전 및 선형 위치 센서를 포함한다. 비율측정 감지는 위상 프리(phase free) 및 AM 코일 프리 접근법을 포함한다. 여기에 기재되어 있는 것이나 본 출원의 동시계속출원에 기재되어 있는 것과 같은, 임의의 비율측정 센서는 개별 기준 코일(때로는 AM 또는 축 변조기 코일이라고도 하며, 갭에 종속하는 신호를 제공함)을 제거함으로써 변경될 수 있고, 센서(또는 수신기) 코일(RM, 회전 변조기, 코일 등)로부터 기준 신호를 생성한다. 단일 코일 구조는, 그로부터 기준 신호가 취득되는 신호를 취득할 수 있도록 간격을 두고 있는 복수의 탭을 가질 수 있다. 예를 들면 상이한 구조(전후로 감긴 루프를 포함함)의 코일은 전방 신호 및 후방 신호를 별개로 취득할 수 있도록 태 핑(tapping)될 수 있다. 그러면, 분기 신호는 이 별개의 신호들로부터 취득될 수 있다.
복수의 센서 신호로부터 기준 신호를 취득하기 위한 이상에서 설명한 접근법은, 선형 위치 센서, 및/또는 다른 센서 기술에 사용될 수 있다.
이 일반적인 타입의 신호는 다른 센서 타입으로부터 취득될 수 있고, 이 접근법은 유도 센서에 한정되지 않는다. 도시된 전자 회로는 예시이며, 다른 회로를 사용할 수도 있다. 또한, 이들 또는 다른 회로는 다른 타입의 센서와 함께 사용하기 위하여 적응될 수 있다.
삭제
본 발명은 이상에서 설명한 예들로 한정되지 않는다. 예들은 본 발명의 범위를 한정하려는 것은 아니다. 본 명세서에 기재된 방법, 장치, 구성물 등은 예시이며 본 발명의 범위를 한정하려는 것은 아니다. 해당 기술분야의 당업자는 본 발명에 변경을 가하거나 다른 용도로 사용할 수 있을 것이다. 본 발명의 범위는 청구항의 범위에 의해 정해진다.

Claims (12)

  1. 토션바(torsion bar)에 의해 상호연결된 제1 샤프트와 제2 사프트를 포함하는 스티어링 컬럼(steering column)의 스티어링 각도 및 스티어링 토크 결정 장치로서,
    제1 코일 어셈블리, 제1 커플러 부재 및 기준 신호를 제공하는 데 사용할 수 있는 신호 처리 회로를 포함하고, 상기 제1 샤프트의 각 위치(angular position)과 상관 있는 제1 신호를 제공하는 데 사용할 수 있는 제1 회전 센서; 및
    제1 코일 어셈블리 및 제2 커플러 부재를 포함하고, 상기 제2 샤프트의 각 위치와 상관 있는 제2 신호를 제공하는 데 사용할 수 있는 제2 회전 센서
    를 포함하고,
    상기 제1 신호와 상기 기준 신호를 사용하여 취득된 비율측정 신호를 사용하여 상기 스티어링 각도가 결정되고,
    상기 제1 신호와 상기 제2 신호를 사용하여 결정되는, 상기 제1 샤프트의 각 위치와 상기 제2 샤프트의 각 위치 사이의 비틀림각으로부터 상기 스티어링 토크가 결정되고,
    상기 기준 신호는, 상기 제1 코일 어셈블리의 축 변위와는 상관 있지만, 그 외에 실질적으로 상기 제1 샤프트의 각 위치와는 무관하고, 상기 제1 회전 센서의 각도 범위를 확장하기 위하여 상기 제1 샤프트의 회전수를 결정하는 데 사용되는,
    스티어링 칼럼의 스티어링 각도 및 스티어링 토크 결정 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 코일 어셈블리는 복수의 수신기 코일, 및 기준 코일을 포함하고,
    상기 기준 신호는 상기 기준 코일을 사용하여 결정되는, 스티어링 칼럼의 스티어링 각도 및 스티어링 토크 결정 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1 코일 어셈블리는 복수의 수신기 코일을 포함하고,
    상기 기준 신호는 상기 복수의 수신기 코일을 사용하여 결정되는, 스티어링 칼럼의 스티어링 각도 및 스티어링 토크 결정 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 축 변위는 상기 제1 커플러 부재에 비례하는, 스티어링 칼럼의 스티어링 각도 및 스티어링 토크 결정 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제1 코일 어셈블리는 나사형의 면(threded surface)을 가지는 코일 지지체에 의해 지지되고,
    상기 나사형의 면은, 상기 제1 샤프트가 회전할 때 상기 제1 샤프트와 맞물려 축 변위를 일으키는, 스티어링 칼럼의 스티어링 각도 및 스티어링 토크 결정 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 비틀림각은 디지털 신호 처리기를 사용하여 결정되는, 스티어링 칼럼의 스티어링 각도 및 스티어링 토크 결정 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제1 샤프트는 컬럼측 샤프트이고,
    상기 제2 샤프트는 피니언측 샤프트인, 스티어링 칼럼의 스티어링 각도 및 스티어링 토크 결정 장치.
  8. 코일 지지체;
    상기 코일 지지체에 의해 지지되고, 송신기 코일과 하나 이상의 수신기 코일을 포함하는 코일 어셈블리;
    샤프트의 각 위치와 상관 있는 커플러 각 위치를 가지고, 상기 송신기 코일과 상기 하나 이상의 수신기 코일 사이의 유도 결합을 변경하는 커플러 부재; 및
    상기 하나 이상의 수신기 코일로부터, 하나 이상의 수신기 신호를 수신하는 데 사용할 수 있는, 신호 처리 회로
    를 포함하고,
    상기 신호 처리 회로는 또한, 상기 커플러 부재에 대한 상기 코일 어셈블리의 축 변위와는 상관 있고, 그 외에 실질적으로 상기 샤프트의 각 위치와는 무관한 기준 신호를 제공하는데 사용할 수 있고,
    상기 축 변위는 상기 샤프트의 회전수에 의해 생성되며,
    상기 신호 처리 회로는 또한, 상기 하나 이상의 수신기 신호와 상기 기준 신호를 사용하여 취득된 비율측정 신호를 사용하여, 상기 샤프트의 각 위치를 결정하는 데 사용할 수 있으며,
    상기 기준 신호는, 단일 회전 이상으로 장치의 각도 범위를 확장하기 위하여, 상기 샤프트의 회전수를 결정하는 데 사용되는,
    샤프트의 각 위치를 결정하는 장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 샤프트는 스티어링 컬럼의 구성요소인, 샤프트의 각 위치를 결정하는 장치
  10. 제8항에 있어서,
    상기 코일 지지체는 인쇄 회로 기판이고, 상기 인쇄 회로 기판은 또한 상기 신호 처리 회로를 지지하는, 샤프트의 각 위치를 결정하는 장치.
  11. 제8항에 있어서,
    상기 코일 지지체는 나사형의 슬리브에 탑재되고, 상기 나사형의 슬리브는 샤프트와 맞물려서, 상기 샤프트가 회전할 때, 상기 축 방향 변위를 일으키는, 샤프트의 각 위치를 결정하는 장치.
  12. 제8항에 있어서,
    상기 샤프트는 제1 샤프트로서 스티어링 칼럼의 구성요소이고, 상기 스티어링 칼럼은 토션바에 의해 상기 제1 샤프트와 상호연결되는 제2 샤프트를 포함하며,
    상기 장치는, 상기 제1 샤프트의 제1 각 위치를 결정하는 제1 회전 센서를 더 포함하고,
    상기 장치는, 상기 제2 샤프트의 제2 각 위치를 결정할 수 있는 제2 회전 센서; 및
    상기 제1 샤프트의 제1 각 위치 및 상기 제2 샤프트의 제2 각 위치를 사용하여 스티어링 토크를 결정할 수 있는 전자 회로를 더 포함하는 샤프트의 각 위치를 결정하는 장치.
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