KR101521952B1 - 유도 위치 센서 - Google Patents

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Abstract

내부 루프 부분과 외부 루프 부분을 가지는 전송기 코일을 포함하는 위치 센서가 제공된다. 전송기 코일 근방에는 수신기 코일이 배치되며 이 수신기 코일은 제1 루프 및 이 제1 루프와는 반대로 감긴 제2 루프를 포함한다. 전송기 코일과 수신기 코일 간의 유도 커플링으로 인해 전송기 코일이 여기되면 수신기 코일이 전기 출력 신호를 발생시킨다. 가동의 커플러 소자는 전송기 코일과 수신기 코일의 제1 루프 코일 및 제2 루프 코일 간의 유도 커플링을 가변시키되, 이 유도 커플링은 커플러 소자의 위치의 함수로서 가변된다.

Description

유도 위치 센서{INDUCTIVE POSITION SENSOR}
본 발명은 일반적으로 위치 센서에 관한 것이며, 특히 유도 위치 센서에 관한 것이다.
자동차에서, 스로틀 페달은 통상 케이블에 의해 엔진 스로틀에 기계적으로 연결되어 있다. 그렇지만, 보다 최신의 자동차에서는, 스로틀 위치 센서가 기계적으로 스로틀 페달에 연결되어 이 스로틀 페달의 눌림 정도를 나타내는 전기 출력 신호를 발생시킨다. 이러한 시스템을 흔히 "플라이 바이 와이어(fly-by-wire)" 시스템이라고 한다.
한 유형의 스로틀 위치 센서에서는, 전송기 코일 또는 익사이터 코일(exciter coil)이 고주파원에 의해 여기되어 이 전송기 코일이 전자기 방사를 발생시키게 된다. 이 전송기 코일은 또한, 원형 패턴으로 배치되어 있으나, 다른 패턴 구성이 대신 사용될 수도 있다.
수신기 코일도 또한 전송기 코일 근방에 있는 위치 센서에 배치된다. 결과적으로, 전송기 코일을 여기시키면, 수신기 코일은, 이 전송기 코일과의 유도 커플링으로 인해 출력 신호를 발생시키게 된다.
그렇지만, 전송기 코일과는 달리, 수신기 코일은 제1 루프 및 이 제1 루프와 반대로 감긴 제2 루프를 포함한다. 결과적으로, 전송기 코일과 수신기 코일의 제1 루프 간의 유도 커플링으로 인해, 수신기 코일의 제2 루프에서 전송기 코일에 의해 유도된 전압과는 극성이 반대인 전압이 발생하게 된다. 그러므로 수신기 출력 신호는 수신기 코일의 제1 루프와 제2 루프로부터의 전압 신호들의 조합 또는 합이다.
스로틀의 위치를 나타내는 출력 신호를 발생시키기 위해, 위치 센서에 커플러 소자가 회전 가능하게 장착되어, 스로틀 페달의 눌림 및 해제와 동기화되어 회전한다. 이 커플러 소자는 또한, 전송기 코일이 방출하는 전자기 방사를 전도시키는 재료로 구성되어 있다. 이 커플러 소자는 전송기 코일 및 수신기 코일 모두의 위치에 중첩되어 있다. 결과적으로, 커플러 소자의 이동 또는 회전 시에, 전송기 코일과 수신기 코일의 제1 루프와 제2 루프 간의 유도 커플링이 가변하게 된다. 이것은 차례로 수신기 코일로부터 출력 신호를 생성하는 데 이 출력 신호는 커플러 소자의 각 위치(angular position) 및 이 커플러 소자에 기계적으로 결합되어 있는 스로틀 페달의 각 위치와의 함수로서 가변한다.
커플러 소자가 전송기 코일 및 수신기 코일과 정확하게 동심이고, 커플러 소자와 전송기 코일 및 수신기 코일 간의 공간이 커플러 소자의 전체적인 이동 동안 일정하게 유지되면, 수신기 코일로부터의 출력은 커플러 소자의 각 위치 및 이에 따른 스로틀 페달의 각 위치를 정확하게 나타낸다. 그렇지만, 실제로는 스로틀 위치 센서를 제조하는 동안 허용공차(tolerance)를 설계하게 되는 데, 허용공차가 설계된 이러한 스로틀 위치 센서에서는, 커플러 소자가 전송기 코일 및 수신기 코일과 정확하게 동심을 이루지 않거나 및/또는 커플러 소자와 수신기 코일 및 전송기 코일 간의 간격(gap spacing)이 원하는 간격에서 다소 벗어나게 된다.
커플러 소자의 피봇 축과 전송기 코일 및 수신기 코일의 축 간의 동심도(concentricity) 부족을 보상하기 위해 다양한 전략이 적용되어 왔다. 그렇지만, 이러한 전략들은 커플러 소자와 전송기 코일 및 수신기 코일 간의 간격의 변동을 보상하는 데 적절하지 않아 스로틀 위치 센서의 정확성 요건을 충족하지 못하였다.
본 발명은 이전에 알려진 스로틀 위치 센서의 전술한 단점들을 극복하는 스로틀 위치 센서를 제공한다.
요약하면, 본 발명의 스로틀 위치 센서는 원형의 구성으로 감긴 전송기 코일을 포함한다. 전송기 코일은 고주파 교류원에 의해 여기되며, 여기될 때, 전송기 코일은 전자기 방사를 발생시킨다.
스로틀 위치 센서에는 전송기 코일 근방에 수신기 코일도 제공되어 있다. 수신기 코일은 제1 루프 및 이 제1 루프와는 반대로 감긴 제2 루프를 포함하며, 이 제1 및 제2 루프는 서로 직렬로 전기적으로 접속되어 있다. 그렇지만, 수신기 코일의 제1 및 제2 루프는 서로 반대로 감겨 있기 때문에, 제1 루프에 여기될 때 전송기 코일에 의해 유도된 전압은, 전송기 코일에 의해 수신기 코일의 제2 루프에서 유도된 전압과는 극성이 반대로 될 것이다. 수신기의 제1 및 제2 루프에서 유도된 전압들의 합은 스로틀 위치 센서로부터의 출력 신호를 형성한다.
전송기 코일과 수신기 코일에 대해 이동 가능하게 커플러 소자가 장착된다. 이 커플러 소자는 전송기 코일과 수신기 코일의 제1 및 제2 루프를 통해 커플러 소자의 각 위치의 함수로서 유도 커플링을 가변시킨다. 이에 따라 커플러 소자의 각 위치는 스로틀 페달의 위치의 함수로서 가변 된다. 예를 들어, 커플러 소자의 한 방향으로의 회전 이동은 전송기 코일과 수신기 코일의 제1 루프 사이의 유도 커플링을 증가시키고, 동시에 전송기 코일과 수신기 코일의 제2 루프 간의 유도 커플링을 감소시키며, 이에 따라 수신기 코일로부터의 출력 신호를 가변시킨다. 커플러 소자의 반대 방향으로의 회전은 반대의 효과를 생성한다.
커플러 소자와 전송기 코일 및 수신기 코일 사이의 간격 변동을 보상하기 위해, 전송기 코일은 외부 루프 부분과 이 외부 루프 부분으로부터 내부 쪽으로 방사상으로 배치되는 내부 루프 부분을 모두 포함한다. 이때, 축 변조기 또는 기준 코일은 전송기 코일의 내부 루프 부분과 외부 루프 부분 사이에 감겨 있는 반면, 수신기 코일은 전송기 코일의 외부 루프의 적어도 일부와 중첩한다. 실제로 전송기 코일의 내부 루프 부분을 배치하면, 전송기 코일과 기준 코일 간의 유도 커플링을 추가로 제공함으로써, 커플러 소자와 전송기 코일 및 수신기 코일 간의 간격 변동을 보상할 수 있다.
첨부된 도면을 참조하여 이하의 상세한 설명을 읽으면 본 발명을 더 잘 이해할 수 있을 것이며, 도면 중 유사한 도면 부호는 유사한 부분을 나타낸다.
도 1은 전송기 코일을 포함하고 있는 인쇄 회로 기판의 평면도이다.
도 2는 전송기 코일, 수신기 코일, 기준 코일이 있는 인쇄 회로 기판의 평면도이다.
도 3은 본 발명의 센서의 바람직한 실시예에 대한 전개도이다.
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 대한 측면도이다.
도 5는 예시적인 커플러 소자에 대한 평면도이다.
도 1을 참조하면, 스로틀 위치 센서(10)의 일부가 도시되어 있으며, 편의상 스로틀 위치 센서(10)의 부분들은 생략되어 있다. 스로틀 위치 센서(10)는 하우징(15)(도 4) 내에 통상적으로 포함되는 인쇄 회로 기판(12)을 포함하며, 이 하우징(15)은 인쇄 회로 기판(12)을 오염 및/또는 그외의 손상으로부터 보호한다.
이 인쇄 회로 기판(12) 위에는 종래의 방식으로 전송기 코일(14)이 형성되어 있다. 이 전송기 코일(14)은 외부 루프 부분(16)뿐만 아니라 내부 루프 부분(18)을 포함한다. 전송기 코일(14)의 외부 루프 부분(16) 및 내부 루프 부분(18) 모두는 축(22)을 중심으로 원형 구성으로 감겨 있고 외부 루프 부분(16) 및 내부 루프 부분(18) 모두에서 전송기 코일(14)의 모든 권선은 동일한 회전 방향으로 되어 있다.
다시 도 1을 참조하면, 전송기 코일(14)의 단부는 고주파 교류원(24)에 접속되어 있다. 교류원(24)이 활성화되거나 여기되면, 전송기 코일(14)의 외부 루프 부분(16) 및 내부 루프 부분(18) 모두는 잘 알려진 방식대로 전자기 방사를 발생시킨다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 적어도 두 개의 반대 방향으로 감긴 루프(32 및 34)를 가지는 수신기 코일(30)이 인쇄 회로 기판(12) 위에 종래의 인쇄 회로 기판 제조 기술을 이용하여 형성되며, 이 수신기 코일은 전송기 코일(14)의 외부 루프 부분(16) 근방에 위치한다. 또한, 수신기 코일은 도 2 및 도 3에 도시되어 있고, 5개의 시계 방향 권선부(32) 및 5개의 반시계 방향 권선부(34)를 포함하며, 이 권선부(32 및 34)는 각 크기가 동일하고 인쇄 회로 기판(12) 상에서 축(22)을 중심으로 서로 교호한다. 그렇지만, 도 2 및 도 3에 도시된 5개의 극 구성은 단지 예시에 지나지 않으며 본 발명을 필요 이상으로 제한하지 않는다. 단지, 수신기 코일이 적어도 두 개의 반대로 감긴 루프(32 및 34)를 가질 필요가 있을 뿐이다.
수신기 코일의 모든 루프(32 및 34)는 전기적으로 직렬로 서로 접속되어 있다. 결과적으로, 수신기 코일의 출력(38) 상의 전압은 수신기 코일(30)의 모든 수신기 루프(32 및 34)의 전압의 합과 같다. 수신기 출력(38)은 회로(39), 통상적으로 ASIC에 접속되어 있으며, 이것은 수신기 코일(30)로부터의 출력을 처리하여 선형화한다.
도 2 및 도 3을 다시 참조하면, 기준 코일 또는 축 변조기 코일(40)이 또한 종래의 인쇄 회로 기판 제조 기술로 인쇄 회로 기판(12) 위에 형성된다. 기준 코일(40)은 전송기 코일(14)의 내부 루프 부분(16)과 외부 루프 부분(18) 사이에 위치하는 내부 루프 부분(41) 및 이 내부 루프 부분(41)에 반대로 감겨 있으면서 수신기 코일(30)의 주변에서 인쇄 회로 기판(12) 위에 위치하는 외부 루프 부분(43)을 가진다. 기준 코일(40)의 내부 루프 부분(41) 및 외부 루프 부분(43) 모두는 전송기 코일(14)에 유도적으로 접속되어 있으며 서로 다르거나 반대로 감겨 있다. 그러므로 전송기 코일(14)이 여기되면, 전송기 코일은 기준 코일(40)의 내부 루프 부분 및 외부 루프 부분(41 및 43)에 전압을 유도한다. 그렇지만, 기준 코일(40)의 내부 루프 부분(41)에 유도된 전압의 극성은 기준 코일(40)의 외부 루프 부분(43)에 유도된 전압과는 극성이 반대이다.
기준 코일의 루프(41 및 43)는 서로 직렬로 전기적으로 접속되어 있어 기준 코일(40)로부터의 출력(46)은 기준 코일(40)의 루프(41 및 43) 상의 전압의 차 또는 전압의 합을 포함한다. 기준 코일(40)로부터의 전기 출력(46)도 또한 회로(39)에 접속되어 있다.
도 4 및 도 5를 참조하면, 커플러 소자(50)가 하우징(15) 내에 위치하고 있고, 이 커플러 소자(50)는 인쇄 회로 기판(12)과 중첩하되 인쇄 회로 기판(12)으로부터 간격 x만큼 떨어져 있다. 이 커플러 소자(50)는 또한, 하우징에 샤프트(52)에 의해 회전 가능하게 장착되며, 샤프트(52)는 전송기 코일(14)의 축(22)(도 1)과 동축이다.
도 4 및 도 5에 도시되어 있는 커플러 소자(50)는 5개의 로브(54)를 가지는 것으로 도시되어 있고 이 5개의 로브(54)는 수신기 코일(30)의 루프(32 및 34)의 크기 및 형상에 대응한다. 도 5에 도시되어 있는 커플러 소자(50)는 5개의 극 위치 센서를 위한 예시에 지나지 않는다는 것을 이해해야 한다. 위치 센서는 본 발명의 정신 및 범주를 벗어남이 없이 더 적은 또는 더 많은 수의 극을 포함할 수 있다.
커플러 소자(50)는 고주파 전류원(24)(도 1)에 의해 여기될 때 전송기 코일(14)에 의해 발생되는 전자기 방사에 전도성이 있는 재료로 구성된다. 그러므로 커플러 소자(50), 및 특히 커플러 소자의 로브(54)는 커플러 소자(50)의 아래에 있는 전송기 코일과 수신기 코일(30)의 루프(32 및 34) 간의 유도 커플링을 가변시킨다.
결과적으로, 커플러 소자(50)가 한 방향으로 회전하면 전송기 코일(14)과 수신기 코일(30)의 제1 루프(32) 사이의 유도 커플링이 증가하게 되는 동시에, 전송기 코일(14)과 수신기 코일(30)의 제2 루프(34) 사이의 유도 결합이 감소하게 된다. 커플러 소자(50)가 반대 방향으로 회전하면 반대의 효과가 일어난다.
어느 경우이든지, 수신기 코일(30)의 반대로 감긴 코일들(32 및 34) 간의 유도 커플링을 커플러 소자(50)의 회전 위치의 함수로서 가변시키면, 수신기 코일 출력(38) 상에서의 출력 전압도 마찬가지로 가변하게 되고, 이에 따라 커플러 소자(50)의 회전 위치를 나타내는 신호가 생성되고, 이 출력 신호를 선형화하고 다르게 처리하도록 회로(39)에 의해 처리된다. 커플러 소자(50)는 차례로 스로틀의 컴포넌트에 기계적으로 결합되어 위치 센서(10)로부터의 출력 신호가 스로틀의 위치를 나타낸다.
전송기 코일(14)과 수신기 코일(30)의 루프(32 및 34) 간의 유도 결합은 커플러 소자(50)의 회전 위치의 함수로서 가변하지만, 전송기 코일(14)과 기준 코일(40)의 루프(41 및 43) 간의 유도 커플링은 커플러 소자(50)의 회전 위치와는 무관하며 커플러 소자(50)의 회전 위치의 함수로서 가변하지 않는다. 그렇지만, 기준 코일(40)의 반대로 감긴 루프들(41 및 43) 간의 유도 커플링은 커플러 소자(50)와 기준 코일(40) 간의 간격 x의 함수로서 가변한다.
전송기 코일(14)의 내부 위치(18)와 기준 코일(40)에 의해 제공되는 추가의 유도 커플링은 간격 x의 적당한 작은 변동에도 불구하고 실질적으로 일정한 회전 함수 R(x)를 유지한다는 것이 밝혀졌으며, R(x)는 다음과 같이 정의된다:
R(x) = RM (x)/ AM (x)
여기서 RM은 기준 코일(30)로부터의 출력이고, AM은 기준 코일(40)로부터의 출력(46) 상의 전압이며, x는 커플러 소자(50)와 인쇄 회로 기판(12) 간의 간격의 크기이다.
실제로, 인쇄 회로 기판(12) 상에서, 커플러 소자(50)와 전송기 코일 및 수신기 코일(14 및 30) 간의 각각의 간격 x의 적당한 변동에도 불구하고, 함수 R은 실질적으로 일정하게 유지된다. 이에 따라 스로틀 위치 센서(10)의 전체적인 정확성이 향상된다.
전술한 바로부터, 본 발명은 위치 센서가 다른 어플리케이션에서 사용될지라도, 스로틀 위치 센서와 같은, 간단하고도 매우 효과적인 위치 센서를 제공한다는 것을 알 수 있다. 그렇지만, 본 발명을 설명하였으나, 첨부된 청구의 범위의 범주에 의해 정의된 바와 같이 본 발명의 정신 및 범주를 벗어남이 없이 본 발명에 대한 많은 변형이 당업자에게는 자명할 것이다.

Claims (12)

  1. 위치 센서에 있어서,
    외부 루프 부분과 내부 루프 부분을 가지며, 전기 에너지원에 의해 여기되면 전자기 방사를 발생시키는 전송기 코일;
    상기 전송기 코일의 상기 내부 루프 부분과 상기 외부 루프 부분 중 적어도 하나의 근방에 배치되고, 적어도 제1 루프 및 상기 제1 루프에 반대로 감긴 제2 루프를 가지며, 상기 전송기 코일이 여기되면 상기 전송기 코일과의 유도 커플링으로 인해 전기 출력 신호를 발생시키는 수신기 코일;
    가동의 커플러 소자로서, 상기 가동의 커플러 소자의 위치의 함수에 따라, 상기 수신기 코일의 제1 및 제2 루프와 상기 전송기 코일 간의 유도 커플링을 가변시켜 상기 수신기 코일로부터의 상기 전기 출력 신호를 가변시키는 상기 가동의 커플러 소자; 및
    상기 전송기 코일의 상기 내부 루프 부분과 상기 외부 루프 부분 사이에 배치되며, 상기 전송기 코일이 여기되면 상기 전송기 코일과의 유도 커플링으로 인해 전기 출력 기준 신호를 발생시키는 기준 코일
    을 포함하고,
    상기 기준 코일과 상기 전송기 코일 간의 유도 커플링은 상기 가동의 커플러 소자의 위치에 영향을 받지 않는, 위치 센서.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 전송기 코일은 인쇄 회로 기판상에 형성되어 있는, 위치 센서.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 전송기 코일의 상기 내부 루프 부분과 상기 외부 루프 부분은 동심원의 원형 패턴으로 감겨 있는, 위치 센서.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 수신기 코일은 인쇄 회로 기판상에 형성되어 있는, 위치 센서.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 기준 코일은 인쇄 회로 기판상에 형성되어 있는, 위치 센서.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 가동의 커플러 소자는 금속인, 위치 센서.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 수신기 코일은 상기 전송기 코일의 상기 외부 루프 부분 위에 중첩되어 있는, 위치 센서.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 가동의 커플러 소자는 상기 전송기 코일에 대한 축을 중심으로 회전 가능한, 위치 센서.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 수신기 코일은 상기 수신기 코일의 상기 제1 루프와 상기 제2 루프의 교호하는 부분들로 배열되어 있는, 위치 센서.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 수신기 코일의 상기 교호하는 부분들은 미리 정해진 축을 중심으로 원형 패턴으로 배치되어 있는, 위치 센서.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 커플러 소자는 상기 미리 정해진 축을 중심으로 회전 가능한, 위치 센서.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 전송기 코일, 상기 수신기 코일 및 상기 기준 코일은 모두 인쇄 회로 기판상에 형성되어 있는, 위치 센서.
KR1020107008348A 2007-09-21 2008-09-19 유도 위치 센서 KR101521952B1 (ko)

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