KR101817976B1 - 회전체에 대한 통합 위치 감지 센서 및 방법 - Google Patents

회전체에 대한 통합 위치 감지 센서 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 회전체에 대한 통합 위치 감지 센서 및 이를 이용한 회전체의 위치 감지 방법에 관한 것이다. 이를 위한 본 발명의 하나의 센서로 캠 센서와 크랭크 센서의 기능들을 통합하여 수행하는 회전체의 통합 위치 감지 센서는 입력 터미널을 통해 전원을 공급 받고, 회전체의 회전을 감지하는 제 1 소자부와 제 2 소자부; 제 1 소자부와 상기 제 2 소자부를 통해 출력되는 자속 분포를 근거로 스위칭 레벨을 산출하는 스위칭 레벨 설정부; 및 제 1 소자부와 제 2 소자부를 통해 출력되는 자속 분포와 스위칭 레벨을 비교함으로써 출력 터미널을 통한 출력 전압을 제어하는 비교기를 포함하고, 스위칭 레벨 설정부는 차량의 시동 시, 초기 스위칭 레벨인 TPO(True Power On) 스위칭 레벨을 스위칭 레벨로 설정하는 것을 특징으로 한다.

Description

회전체에 대한 통합 위치 감지 센서 및 방법{INTERGRATED SENSOR AND METHOD FOR DETECTING POSITION OF ROTATING OBJECT}
본 발명은 회전체에 대한 통합 위치 감지 센서 및 이를 이용한 회전체의 위치 감지 방법에 관한 것이고, 보다 상세하게 캠 센서 및 크랭크 센서의 기능을 하나의 센서로 구현한 회전체에 대한 통합 위치 감지 센서와, 상기 통합 위치 감지 센서를 이용한 회전체의 위치 감지 방법에 관한 것이다.
종래의 회전체 검출 센서는 홀(Hall) 또는 MR(Magneto Resistive) 효과를 이용하는 방식으로 이루어진다. 즉, 종래의 회전체 검출 센서는 회전 시 치형 또는 극성에 따라 변화하는 자속 밀도 값을 하나의 기준값과 비교함으로써 온 또는 오프 되는 방식으로 이루어진다.
이러한 회전체 검출 센서는 자동차 분야에서도 널리 이용되고 있다. 구체적으로, 자동차 분야에서 이러한 회전체 검출 센서는 회전체의 위치를 측정하는 센서(예를 들어, 캠 센서 및 크랭크 센서)가 사용되고 있다.
캠 센서는 자속의 절대량을 측정하며, 초기 회전 시 빠른 응답성을 위해 입력된 기준값(이하, TPO 스위칭 레벨)과 비교하여 ON 또는 OFF 동작한다. 그리고 캠 센서는, 동시에 정밀도 향상을 위해 자속 밀도의 최대-최소 값을 검출함으로써 TPO 스위칭 레벨을 교정하고, 교정된 교정 스위칭 레벨을 근거로 ON 또는 OFF 동작이 이루어진다. 여기서, 캠 센서는 엔진의 정지 상태(0 RPM)에서도 타겟 휠의 상태(Tooth/Valley)를 확인할 수 있는 TPO(True Power On) 기능을 구현할 수 있다. 그리고, 캠 센서는 센서의 중심부에 단일 홀 소자가 포함되고, 이러한 홀 소자를 통한 측정을 통해, 타겟 휠의 회전 방향에 관계 없이 캠의 속도를 측정할 수 있는 TIM(Twist Insensitive Mounting) 기능을 구현할 수 있는 장점이 존재한다.
반면, 캠 센서는 자속 밀도의 절대량 측정에 따른 측정 가능 RPM이 낮고(최대 5,000RPM), 절대량 측정에 따른 측정 정확도가 높지 않으며, TPO 기능을 위한 홀 효과 적용으로 반복성이 낮고, 타겟휠 회전 방향 측정이 불가능한 문제점이 존재한다.
그리고, 크랭크 센서는 자속의 상대량을 측정하며, 자속의 차의 중심값(Zero Switching)을 기준으로 ON 또는 OFF 동작한다. 그리고, 크랭크 센서는 센서의 중심부의 자속과의 위상 차를 이용하여 회전 방향 정보 파악 및 PWM 형태의 정보를 제공할 수 있다. 여기서, 크랭크 센서는 캠 센서와는 달리 자속의 상대량을 측정하는 방식으로서, 캠 센서에 비해 더 높은 회전의 속도(예를 들어, 12,000RPM)도 측정 가능하다. 그리고, 크랭크 센서는 절대량 측정에 따른 측정 정확도를 개선시킬 수 있고, GMR(Giant Magneto Resistance) 효과 적용으로 반복성을 개선시킬 수 있으며, 타겟 휠의 회전 방향도 측정 가능한 장점이 존재한다.
반면, 크랭크 센서는 일정 기간 학습 필요에 따라 정지 상태(0 RPM) 에서도 타겟휠의 상태(Tooth/Valley) 확인을 위한 TPO 기능이 불가능하고, 상대량 측정에 따라 타겟휠의 회전 방향 정의 필요하므로, TIM 기능도 불가능한 문제점이 존재한다.
따라서, 캠 센서와 크랭크 센서에 있어서, 상기 문제점들을 해소할 수 있고, 각 센서의 장점들을 갖는 새로운 센서에 대한 요구가 증가되고 있다.
한국공개실용신안 제1999-0038090호(명칭: 회전감지 센서 및 위치감지 센서구조)
본 발명은 종래의 캠 센서 및 크랭크 센서의 각 단점을 극복하기 위해, 상기 센서들의 장점 만을 통합한 회전체에 대한 통합 위치 감지 센서 및 이를 이용한 회전체의 위치 감지 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기와 같은 과제를 해결하기 위한 본 발명의 하나의 센서로 캠 센서와 크랭크 센서의 기능들을 통합하여 수행하는 회전체의 통합 위치 감지 센서는 입력 터미널을 통해 전원을 공급 받고, 회전체의 회전을 감지하는 제 1 소자부와 제 2 소자부; 제 1 소자부와 상기 제 2 소자부를 통해 출력되는 자속 분포를 근거로 스위칭 레벨을 산출하는 스위칭 레벨 설정부; 및 제 1 소자부와 제 2 소자부를 통해 출력되는 자속 분포와 스위칭 레벨을 비교함으로써 출력 터미널을 통한 출력 전압을 제어하는 비교기를 포함하고, 스위칭 레벨 설정부는 차량의 시동 시, 초기 스위칭 레벨인 TPO(True Power On) 스위칭 레벨을 스위칭 레벨로 설정하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 통합 위치 감지 센서는 제 2 소자부를 통해 출력되는 자속 분포의 최대값 및 최소값을 근거로 기설정된 학습이 이루어졌는지 확인하는 학습 완료 여부 판단부를 더 포함하고, 스위칭 레벨 설정부는 기설정된 학습이 완료된 경우, 제 2 소자부를 통해 출력되는 자속 분포의 최대값 및 최소값을 근거로 스위칭 레벨을 산출할 수 있다.
또한, 스위칭 레벨 설정부는 기설정된 학습이 진행 중인 경우, 제 1 소자부를 통해 출력되는 자속 분포의 최대 피크에 기설정된 백분율을 곱함으로써 스위칭 레벨을 설정할 수 있다.
또한, 본 발명의 통합 위치 감지 센서는 제 1 소자부를 통해 감지된 자속 분포를 근거로 출력되는 캠 센서 신호와 제 2 소자부를 통해 감지된 자속 분포를 근거로 출력되는 크랭크 센서 신호의 동기 여부를 판단함으로써 통합 위치 감지 센서의 이상 여부를 진단하는 이상 여부 진단부를 더 포함할 수 있다.
또한, 제 2 소자부는 복수개의 제 2 소자들로 구성되고, 상기 제 2 소자들은 상기 제 1 센서를 둘러싸도록 배치될 수 있다.
또한, 본 발명의 통합 위치 감지 센서는 복수개의 제 2 소자들로부터 각각 출력되는 자속 분포를 근거로, 회전체의 회전 방향을 검출하는 회전 방향 검출부를 더 포함할 수 있다.
또한, 제 1 소자부는 홀 소자로 구성될 수 있다.
또한, 제 2 소자부는 홀 소자 또는 MR(Magneto Resistance) 소자로 구성될 수 있다.
상기와 같은 과제를 해결하기 위한 본 발명의 하나의 센서로 캠 센서와 크랭크 센서의 기능들을 통합하여 수행하는 통합 위치 감지 센서를 통한 회전체의 위치 감지 방법은 스위칭 레벨 설정부에 의해, 입력 터미널을 통해 전원을 공급 받고, 회전체의 회전을 감지하는 제 1 소자부와 제 2 소자부를 통해 출력되는 자속 분포를 근거로 스위칭 레벨을 산출하는 단계; 및 비교기에 의해, 제 1 소자부와 제 2 소자부를 통해 출력되는 자속 분포와 스위칭 레벨을 비교함으로써 통합 위치 감지 센서의 출력 터미널을 통한 출력 전압을 제어하는 단계를 포함하고, 스위칭 레벨을 산출하는 단계는, 차량의 시동 시, 초기 스위칭 레벨인 TPO(True Power On) 스위칭 레벨을 상기 스위칭 레벨로 설정하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 회전체의 위치 감지 방법은 학습 완료 여부 판단부에 의해, 제 2 소자부를 통해 출력되는 자속 분포의 최대값 및 최소값을 근거로 기설정된 학습이 이루어졌는지 확인하는 단계를 더 포함하고, 스위칭 레벨을 산출하는 단계는 기설정된 학습이 완료된 경우, 제 2 소자부를 통해 출력되는 자속 분포의 최대값 및 최소값을 근거로 이루어질 수 있다.
또한, 스위칭 레벨을 산출하는 단계는 기설정된 학습이 진행 중인 경우, 제 1 소자부를 통해 출력되는 자속 분포의 최대 피크에 기설정된 백분율을 곱함으로써 이루어질 수 있다.
또한, 본 발명의 회전체의 위치 감지 방법은 이상 여부 진단부에 의해, 제 1 소자부를 통해 감지된 자속 분포를 근거로 출력되는 캠 센서 신호와 제 2 소자부를 통해 감지된 자속 분포를 근거로 출력되는 크랭크 센서 신호의 동기 여부를 판단함으로써 통합 위치 감지 센서의 이상 여부를 진단하는 단계를 더 포함할 수 있다.
또한, 제 2 소자부는 복수개의 제 2 소자들로 구성되고, 상기 제 2 소자들은 상기 제 1 센서를 둘러싸도록 배치될 수 있다.
또한, 회전 방향 검출부에 의해, 복수개의 제 2 소자들로부터 각각 출력되는 자속 분포를 근거로, 회전체의 회전 방향을 검출하는 단계를 더 포함할 수 있다.
또한, 제 1 소자부는 홀 소자로 구성될 수 있다.
또한, 제 2 소자부는 홀 소자 또는 MR(Magneto Resistance) 소자로 구성될 수 있다.
본 발명의 통합 위치 감지 센서 및 이를 이용한 위치 감지 방법에 따르면 상술한 캠 센서 및 크랭크 센서의 단점들을 제외하고 장점들만 취합함으로써, 캠 축 또는 크랭크 축에 각각 요구되는 특정 기능으로 인해 분리하여 사용하던 센서들을 하나로 통합할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명의 통합 위치 감지 센서 및 이를 이용한 위치 감지 방법에 따르면 하나의 센서만으로도 2개의 센서 기능을 수행할 수 있기에, 대량 생산이 가능해지고, 이에 따라 물품의 제조 비용을 줄일 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 통합 위치 감지 센서에 대한 개념도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 통합 위치 감지 센서에 대한 블록도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 통합 위치 감지 센서의 진단 방법에 대한 흐름도이다.
도 4는 캠 센서를 통한 출력 파형을 설명하기 위한 그래프이다.
도 5는 크랭크 센서를 통한 출력 파형을 설명하기 위한 그래프이다.
도 6은 캠 센서 및 크랭크 센서를 통해 출력되는 파형을 설명하기 위한 그래프이다.
도 7은 종래 기술에 따른 캠 센서에 대한 개념도이다.
도 8 및 도 9는 종래 기술에 따른 크랭크 센서에 대한 개념도이다.
도 10은 종래 기술에 따른 크랭크 센서를 통한 출력 파형을 도시하는 그래프이다.
본 발명을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다. 여기서, 반복되는 설명, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능, 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다. 본 발명의 실시형태는 당 업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 따라서, 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 통합 위치 감지 센서(100)의 설명에 앞서, 먼저 캠 센서 및 크랭크 센서를 통한 출력 파형 방법을 먼저 설명한다. 도 4를 참조하자. 도 4는 캠 센서를 통한 출력 파형을 설명하기 위한 그래프이다.
상술한 것처럼, 캠 센서는 내부에 위치된 홀 소자를 이용하여 자속의 절대량을 측정하고 TPO 스위칭 레벨과 자속 분포를 비교함으로써 출력 신호를 생성한다. 여기서, TPO 스위칭 레벨은 매 주기마다 학습을 통해 교정이 이루어지고, 자속 분포의 피크치에서 기설정된 백분율(50% 내지 80%)의 값으로 설정될 수 있다. 이에 따라, 캠 센서는 도 4에 도시된 것처럼 가변적으로 변하는 스위칭 레벨을 근거로 출력이 이루어진다. 하지만, 캠 센서는 엔진의 정지 상태(즉, 0rpm)에서도 자속 밀도의 측정이 가능하나 그 정밀도가 낮고, 타겟 휠의 회전 방향(정방향 또는 역방향)을 측정할 수 없는 문제점이 존재한다.
또한, 캠 센서(20)의 경우, 하나의 홀 소자(21)가 센서 중앙에 배치되는 방식이다(도 7 참조). 이에 따라, 캠 센서(20)는 위에서 설명한 것처럼 TIM 기능과 TPO 기능을 수행할 수 있다. 이제 도 5, 도 8 및 도 9를 참조로 크랭크 센서(30, 40)에 대한 설명이 이루어진다. 도 5는 크랭크 센서(30, 40)를 통한 출력 파형을 설명하기 위한 그래프이고, 도 8 및 도 9는 크랭크 센서의 구조를 설명하기 위한 개념도이다. 여기서, 도 8은 회전체의 하나의 방향만 검출할 수 있는 크랭크 센서(30)에 대한 개념도이고, 도 9는 회전체의 양방향 모두를 검출할 수 있는 크랭크 센서(40)에 대한 개념도이다.
크랭크 센서는 복수의 홀 소자들 또는 GMR(Giant Magneto Resistance) 소자들을 포함하여 구성될 수 있다. 즉, 단방향 검출을 위한 크랭크 센서(30)의 경우, 2개의 소자(21, 22)들을 포함하여 구성될 수 있고, 양방향 검출을 위한 크랭크 센서(40)의 경우, 3개의 소자(31, 32, 33)들을 포함하여 구성될 수 있다. 여기서, 크랭크 센서에 적용되는 소자는 홀 소자 또는 GMR 소자일 수 있다. 크랭크 센서는 각 소자들로부터 출력된 자속을 근거로 자속의 상대량을 산출하고, 자속의 상대량과 자속의 차의 중심값(제로 크로싱)을 기준으로 ON 또는 OFF 출력을 하는 기능을 한다. 또한, 크랭크 센서는 중심부의 자속과의 위상 차를 이용하여 회전 방향 정보 파악 및 PWM 형태의 정보를 제공할 수 있다. 즉, 크랭크 센서는 도 9 및 도 10에 도시된 바와 같이, 각 프로브(B, C, D)는 자속 밀도의 절대량을 감지하는데, 각 프로브를 통해 측정된 자속 밀도의 차이(즉, 자속의 상대량)을 구할 수 있고, 이러한 각 프로브를 통해 측정된 자속 밀도의 차이는 측정 자속 밀도를 2배로 증폭시킬 수 있다.
하지만, 크랭크 센서의 경우, 도 5에 도시된 것처럼 TPO 기능을 지원하지 않기에, 초기 학습을 위한 시간이 요구된다. 도 5에서 이러한 학습 기간은 비교정 모드로 도시되어 있고, 학습이 이루어진 이후는 교정 모드로 도시된다. 이렇게 크랭크 센서의 경우, 학습이 이루어지는 동안에는 센서의 출력에 신뢰도가 떨어지는 문제점이 존재한다. 따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 통합 위치 감지 센서(100)는 종래의 캠 센서와 크랭크 센서의 각 단점들을 해소하고, 장점만을 취합하여 하나의 센서로 만드는 것을 그 목적으로 한다.
도 6을 참조하자. 도 6은 캠 센서 및 크랭크 센서를 통해 출력되는 파형을 설명하기 위한 그래프이다. 도 6에서 첫 번째 펄스는 캠 센서의 출력을 나타내고, 두 번째 펄스는 ISG(Idle Stop and Go)가 적용되지 않은 차량에 대한 크랭크 센서의 출력을 나타내며, 세 번째 펄스는 ISG가 적용된 차량에 대한 크랭크 센서의 출력을 나타낸다. 첫 번째 및 두 번째 펄스로 도시된 것처럼, 캠 센서와 크랭크 센서(ISG 미적용)의 출력 파형 자체는 동일하거나 유사하므로, 위상 조정 등을 통해 하나의 센서로 통합하는 것이 가능하다. 이제, 도 1 및 도 2를 참조로 본 발명의 일 실시예에 따른 통합 위치 감지 센서(100)에 대한 설명이 이루어진다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 통합 위치 감지 센서에 대한 개념도이다. 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 통합 위치 감지 센서에 대한 블록도이다. 도 1에 도시된 것처럼, 본 발명의 일 실시예에 따른 통합 위치 감지 센서(100)는 회전체(10)에 이격되어 설치될 수 있고, 투스부(11)가 구비된 회전체(10)의 회전에 따른 자속 밀도의 변화량을 도출할 수 있다. 이를 위해, 본 발명의 일 실시예에 따른 통합 위치 감지 센서(100)는 몸체부 내부에 설치된 제 1 소자부(120), 제 2 소자부(130) 및 터미널부(110)를 포함하여 구성될 수 있다.
터미널부(110)는 3개의 터미널을 포함하여 구성될 수 있다. 여기서, 도면 부호 111은 입력 터미널을 나타내고, 도면 부호 112는 출력 터미널을 나타내며, 도면 부호 113은 그라운드 터미널을 나타낸다.
그리고, 제 1 소자부(120) 및 제 2 소자부(130)는 입력 터미널(111)로부터 전원을 인가 받고, 회전체의 검출 시, 해당 검출에 따른 자속 분포를 출력한다. 여기서, 제 1 소자부(120)를 통한 출력은 캠 센서의 출력에 이용될 수 있고, 제 1 소자부(120) 및 제 2 소자부(130)를 통한 출력은 크랭크 센서의 출력에 이용될 수 있다. 아래에서 다시 설명되는 바와 같이, 제 2 소자부(130)의 활용에는 학습 시간이 요구되는데, 이러한 학습 시간 동안에는 제 1 소자부(120)를 통한 캠 센서의 출력이 이용될 수 있다.
한편, 캠 센서는 중앙의 홀 소자를 이용한 방식이고, 크랭크 센서는 중앙 및 그 주위에 배치된 GMR 또는 홀 소자를 이용한 방식이므로, 도 1에 도시된 것처럼, 제 1 소자부(120)는 중앙에, 그리고 제 2 소자부(130)는 그 주위에 배치될 수 있다.
구체적으로, 제 2 소자부(130)는 복수의 소자들로 이루어질 수 있으며, 제 1 소자부(120) 주위에서 제 1 소자부(120)를 둘러 싸도록 배치될 수 있다. 여기서, 제 1 소자부(120)는 홀 소자로 이루어질 수 있고, 제 2 소자부(130)는 홀 소자 또는 GMR 소자들로 이루어질 수 있다. 즉, 제 1 소자부(120)는 홀 효과를 이용하여 자속 분포를 측정할 수 있고, 제 2 소자부(130)는 홀 효과, MR 효과 또는 GMR 효과를 이용하여 자속 분포를 측정할 수 있다.
여기서, 캠 센서용 홀 효과는 정전류가 흐르는 전기 전도체에 수직하게 자기장이 인가되면, 자기장의 세기에 비례하여 전기전도체 양단 간에 홀 전압이 형성되는 현상을 나타낸다. 이에 따라, 홀 소자는 내부에 자속의 세기를 감지하는 1개의 홀 프로브를 갖는다(도 7 참조). 타겟 휠이 회전함에 따라 발생하는 자속 밀도를 신호 처리하여 투스부의 위치를 파악하며, 신호 처리는 신호의 최고 및 최저 지점을 감지하여, 그 신호의 50%에서 80% 사이의 지점을 기준으로 구형파의 폴링(falling) 및 상승(rising) 위치를 결정할 수 있다.
자기 저항(MR) 효과는 정전류가 흐르는 전기 전도체에 수평하게 인가되는 자기장이 변화되면, 자기장의 세기의 변화에 비례하여 전기전도체의 저항이 변화되는 현상을 나타낸다. 그리고, 거대 자기 저항(GMR) 효과는 자기 저항 효과의 저항 변화를 증폭시키기 위해 얇은 강자성박막과 비강자성 박막층을 겹쳐 수십 % 이상의 자기 저항비를 가지도록 하는 방법을 나타낸다.
크랭크 센서에 이용되는 GMR 소자는 내부에 자속의 세기를 감지하는 3개의 GMR 프로브( b, c, d)를 포함하여 구성될 수 있다(도 10 참조). GMR 소자는 타겟 휠이 회전함에 따라 발생하는 두 개의 GMR 프로브 간 자속 세기의 편차(속도 신호, b-d)를 신호 처리하여 투스부의 위치를 파악하며, 한 개의 GMR 프로브의 자속 세기의 변화(방향 신호, c)를 신호 처리하여 타겟 휠의 회전 정보를 구형파 형태의 센서 출력을 발생시킬 수 있다. 신호 처리 방법은 상술한 홀 소자와 동일하다.
이제, 도 2를 참조로 본 발명의 일 실시예에 따른 통합 위치 감지 센서(100)의 기능에 대한 설명이 이루어진다. 도 2에 도시된 본 발명의 일 실시예에 따른 통합 위치 감지 센서(100)는 터미널부(110), 제 1 소자부(120), 제 2 소자부(130), 스위칭 레벨 설정부(140), 비교기(145), 학습 완료 여부 판단부(150), 회전 방향 검출부(160), 위상 인식부(170), 및 이상 여부 진단부(180)를 포함하여 구성될 수 있다. 여기서, 터미널부(110), 제 1 소자부(120) 및 제 2 소자부(130)에 대한 설명은 위에서 도 1을 참조로 이루어졌으므로, 추가적인 설명은 생략한다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 통합 위치 감지 센서(100)는 입력 터미널(111)과 소자부들(120, 130) 사이에 보호 회로부(미도시) 및 전원 안정화부(미도시)를 더 포함하여 구성될 수 있다. 여기서, 보호 회로부는 입력 터미널(111)을 통해 공급되는 전원에 있어서, 과전압, 서지 전압 및 역전압에 대한 보호 기능을 수행하는 기능을 한다. 그리고, 전원 안정화부는 보호 회로부(121)를 거친 공급 전압을 분할하고 레귤레이팅하며, 레귤레이팅된 전압을 몸체부 내부에 포함된 홀 소자, 아날로그부 및 디지털부에 공급하는 기능을 할 수 있다.
또한, 상술한 제 1 소자부(120) 및 제 2 소자부(130)를 통해 출력되는 신호들은 증폭기 및 필터(미도시)를 통해 잡음이 제거되고, 증폭되어 스위칭 레벨 설정부(140)로 입력될 수 있다.
스위칭 레벨 설정부(140)는 이하에서 비교기(145)를 통해 이용되는 스위칭 레벨을 설정하는 기능을 한다. 즉, 본 발명의 통합 위치 감지 센서(100)는 비교기(145)를 통해 소자부로부터 출력된 자속 분포와 스위칭 레벨을 비교함으로써 트랜지스터(미도시)의 ON 또는 OFF 동작을 제어하기 위한 제어 신호를 출력한다. 스위칭 레벨 설정부(140)를 통해 생성되는 스위칭 레벨은 상기 비교 과정에 이용되는 기준 값의 기능을 한다. 이에 따라, 비교기(145)를 통해, 제 1 소자부(120)를 통해 출력되는 신호를 근거로 캠 센서 신호가, 그리고 제 1 소자부(120) 및 제 2 소자부(130)를 통해 출력되는 신호를 근거로 크랭크 센서 신호가 출력 터미널(112)을 거쳐 외부로 전달될 수 있다.
또한, 상술한 것처럼 캠 센서는 크랭크 센서와는 달리 중앙에 배치된 홀 센서를 이용한 TPO 기능을 이용하여 타겟 휠의 상태를 확인할 수 있는 장점이 있으나, 크랭크 센서에 비해 상대적으로 저속의 측정이 가능하고 정밀도가 낮은 문제점이 존재한다. 그리고, 크랭크 센서는 학습을 위한 일정 시간이 필요한 반면, 학습이 이루어진 이후에는 정밀도가 높고 고속 탐지가 가능한 장점이 있다.
이에 따라, 본 발명의 일 실시예에 따른 통합 위치 감지 센서(100)는 크랭크 센서에서 초기 학습 구간이 필요한 구간에서는 캠 센서의 스위칭 레벨 설정 방식을 채택하고(도 4의 A 부분 참조), 크랭크 센서에서 초기 학습이 완료된 이후에는 크랭크 센서의 스위칭 레벨 설정 방식(도 5의 B 부분 참조)을 채택한다. 즉, 제 1 소자부(120)를 통해 출력되는 신호는 위에서 설명된 크랭크 센서의 학습 시간 확보에 이용될 수 있다.
상술한 본 발명의 특징을 구현하기 위해, 스위칭 레벨 설정부(140)는 제 1 소자부(120)와 제 2 소자부(130)를 통해 출력되는 자속 분포를 근거로 스위칭 레벨을 설정하되, 차량의 시동 시에는 초기 스위칭 레벨인 TPO 스위칭 레벨을 스위칭 레벨로 설정할 수 있다. 그리고, 스위칭 레벨 설정부(140)는 아래에서 설명되는 학습 완료 여부 판단부(150)를 통해 판단되는 학습 완료 여부에 따라 스위칭 레벨을 설정할 수 있다.
즉, 스위칭 레벨 설정부(140)는 아래에서 설명되는 학습 완료 여부 판단부(150)를 통한 판단 결과, 아직 기설정된 학습이 완료되지 않은 것으로 판단된 경우, 기존의 캠 센서의 스위칭 레벨 갱신에 이용되는 방법인 제 1 소자부를 통해 감지된 자속 분포의 최대 피크에 기설정된 백분율을 곱함으로써 스위칭 레벨을 설정한다. 여기서 기설정된 백분율은 약 50% 내지 80%인 것이 바람직하다.
그리고, 스위칭 레벨 설정부(140)는 학습 완료 여부 판단부(150)를 통한 판단 결과, 기설정된 방식의 학습이 완료된 것으로 확인된 경우, 제 2 소자부(130)를 통해 출력되는 자속 분포의 최대값 및 최소값을 근거로 스위칭 레벨을 산출할 수 있다. 여기서, 학습은 크랭크 센서에 이용되는 방식인 학습을 나타내고, 학습 방식에 그 자체는 본 발명의 요지를 흐리게 할 수 있으므로, 추가적인 설명은 생략한다.
학습 완료 여부 판단부(150)는 위에서 설명한 바와 같이, 기설정된 학습이 완료되었는지 판단하는 기능을 한다. 여기서, 학습 완료 여부 판단부(150)를 통해 이루어지는 학습 완료 여부 판단 방식은 제 2 소자부(130)를 통해 출력되는 자속 분포의 최대값 및 최소값을 근거로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 제 1 소자부(120)를 구성하는 홀 프로브를 A 프로브로 가정하고, 제 2 소자부(130)를 구성하는 프로브를 각각 B 프로브, C 프로브 및 D 프로브로 가정하자. 제 1 소자부(120)는 홀 소자로 이루어지고, 제 2 소자부(130)는 GMR 소자로 이루어진 예시를 가정하자.
이 때, GMR 소자들로 구성된 제 2 소자부(130) 즉, 크랭크 센서부는 각 소자의 신호 편차(B-C/C-D/D-B) 중 가장 큰 값을 인지하는 데에는 최소 2개의 투스(tooth) 신호 측정이 필요하다. 여기서, 제 2 소자부(130)를 통해 소자의 신호 편차들 중 가장 큰 값이 인지될 때, 학습 완료 여부 판단부(150)는 기설정된 학습이 완료되었다고 판단한다. 여기서, 중심부에 배치된 제 1 소자부(120)는 중심부에 배치되어, TPO 기능을 통해 처음 신호부터 인식이 가능하므로, 상술한 학습이 완료되기 전까지 스위칭 레벨을 설정하는데 이용될 수 있다. 즉, 측정 방향의 제약이 있는 GMR 소자의 단점을 보완하기 위해, 측정 방향의 제약이 없는 홀 소자를 이용하는 것이다.
이렇게, 본 발명의 일 실시예에 따른 통합 위치 감지 센서(100)는 스위칭 레벨 설정부(140)를 통해 설정된 스위칭 레벨과 제 1 소자부(120)로부터 출력된 신호, 그리고 제 1 소자부(120) 및 제 2 소자부(130)로부터 출력된 신호를 근거로 비교기(145)에서의 비교 과정을 거쳐 캠 센서 및 크랭크 센서의 기능을 수행하기 위한 출력 신호를 생성하게 된다. 즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 통합 위치 감지 센서(100)는 캠 센서의 기능을 수행하기 위한 캠 센서 신호와, 크랭크 센서의 기능을 수행하기 위한 크랭크 센서 신호를 출력할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 통합 위치 감지 센서(100)는 상술한 캠 센서 신호와 크랭크 센서 신호를 근거로 자체 진단 기능을 수행할 수 있다. 여기서, 진단 기능은 본 발명의 통합 위치 감지 센서(100)의 내부 또는 외부에 설치된 이상 여부 진단부(180)의 구성을 통해 이루어질 수 있다.
이상 여부 진단부(180)를 통한 진단을 수행하기 전, 본 발명의 일 실시예에 따른 통합 위치 감지 센서(100)는 회전 방향 검출부(160)를 통해 회전체의 회전 방향을 검출한다. 여기서, 회전 방향 검출부(160)는 제 2 소자부(130)에 포함된 복수의 홀 소자들 또는 복수의 GMR 소자들(제 2 소자)로부터 각각 출력되는 자속 분포를 근거로 회전체의 회전 방향을 검출할 수 있다. 예를 들어, 제 2 소자부(130)가 3개의 GMR 소자들로 구성되고, 각 소자는 제 1 GMR 소자, 제 2 GMR 소자 및 제 3 GMR 소자로 칭한 예시를 가정하자.
이 경우, GMR 소자들은 각각 자속 분포 신호를 출력하게 되는데, 회전 방향 검출부(160)는 제 1 GMR 소자의 출력에서 제 2 GMR 소자의 출력을 뺀 값, 제 2 GMR 소자의 출력에서 제 3 GMR 소자의 출력을 뺀 값, 그리고 제 3 GMR 소자의 출력에서 제 1 GMR 소자의 출력을 뺀 값을 산출한다. 그 후, 회전 방향 검출부(160)는 산출한 값들 중 가장 큰 값을 갖는 즉, 최대 피크가 발생하는 방향을 회전체의 회전 방향으로 검출한다.
위상 인식부(170)는 제 1 소자부(120)로부터 비교기(145)를 통해 출력되는 캠 센서 신호의 위상을 인식하는 기능을 한다.
이렇게, 회전 방향 검출부(160)를 통해 생성된 회전 방향 정보(펄스 폭 신호로 구성됨)와 위상 인식부(170)를 통해 생성된 위상 정보를 이용하면, 회전체의 회전 방향을 정확히 파악할 수 있다. 상술한 예시와 마찬가지로, 중앙부에 배치된 제 1 소자부(120)를 A 프로브로 가정하고, 제 1 소자부(120)를 둘러싸는 제 2 소자부(130)에 포함된 프로브들을 각각 B 프로브, C 프로브 및 D 프로브인 것으로 가정하자. 여기서, 제 1 소자부(120)는 홀 소자인 것으로, 그리고 제 2 소자부(130)는 GMR 소자인 것으로 가정하자.
상술한 바와 같이, 회전 방향은 복수의 GMR 소자 즉, B 프로브, C 프로브 및 D 프로브를 통해 측정할 수 있다. 예를 들어, 제 2 소자부(130)의 프로브들의 신호 편차(B-C/C-D/B-D) 중 B-D의 신호 편차가 가장 큰 상황을 가정하자. 이 경우, B에서 D 방향으로 즉, 정방향으로 회전체가 회전함을 알 수 있다. 이때, B-D 신호와 C 프로브의 출력인 C 신호를 비교하면, 보다 정밀한 회전 방향의 측정이 가능해진다. 이는 정방향의 경우, B-D 신호 대비 C 신호가 지각되는 위상차를 가지며, 역방향의 경우, 반대로 C 신호가 진각되기 때문이다.
이상 여부 진단부(180)는 회전 방향 검출부(160) 및 위상 인식부(170)를 통해 도출된 정보들을 근거로 회전체에 대한 회전 방향을 고려하여, 캠 센서 신호와 크랭크 센서 신호를 비교하고, 비교 결과를 근거로 통합 위치 감지 센서(100)의 이상 여부를 진단하는 기능을 한다. 위에서 도 6을 참조로 설명한 것처럼, 캠 센서를 통해 출력되는 신호와 크랭크 센서를 통해 출력되는 신호는 동일하다. 따라서, 이상 여부 진단부(180)는 본 발명의 일 실시예에 따른 통합 위치 감지 센서(100)를 통해 출력되는 크랭크 센서 신호와, 제 1 소자부(120)를 통해 내부적으로 확인되는 캠 센서 신호 간 동기 여부를 확인함으로써, 통합 위치 감지 센서의 이상 여부를 확인할 수 있다. 도 6을 참조하자.
도 6의 네 번째 및 다섯 번째 펄스로 도시된 것처럼, 본 발명의 일 실시예에 따른 통합 위치 감지 센서(100)는 ISG 모드에 따라 달라지는 크랭크 센서의 출력 파형을 구현할 수 있다. 또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 통합 위치 감지 센서(100)는 초기 학습이 이루어진 경우, 제 2 소자부(130)를 통한 출력과 제 1 소자부(120)를 통한 출력 즉, 캠 센서 신호와 크랭크 센서 신호를 비교함으로써 이상 진단을 수행할 수 있는 장점을 갖는다. 즉, 제 1 소자부(120)를 통한 감지 신호는 초기 학습 이후, 실제 본 발명의 일 실시예에 따른 통합 위치 감지 센서(100)의 출력에 영향을 주지는 않으나, 제 1 소자부(120)를 통한 감지 신호와, 제 2 소자부(130)를 통한 감지 신호를 비교하고, 이들 신호의 동기 여부를 확인함으로써, 통합 위치 감지 센서(100)에 대한 이상 진단을 수행할 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 통합 위치 감지 센서(100)는 캠 센서 및 크랭크 센서의 기능 모두를 수행할 수 있을 뿐만 아니라, 각 센서의 장점만을 취합한 것을 특징으로 한다. 즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 통합 위치 감지 센서(100)는 회전체의 위치를 측정하는데 있어서, 캠 축 또는 크랭크 축에 각각 요구되는 특정 기능으로 인해 분리하여 사용하던 센서를 홀 소자와 GMR 소자 중 적어도 하나를 복합 구성하고, 이를 도 1에 도시된 것처럼 배열하고, 도 2를 참조로 설명된 학습 로직으로 통합할 수 있다. 이에 따라, 본 발명의 일 실시예에 따른 통합 위치 감지 센서(100)는 캠 센서 및 크랭크 센서 각각에 존재하는 단점들을 보완할 수 있고, 대량 생산이 가능한 점에 기인하여 물품의 제조 비용을 줄일 수 있는 장점이 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 통합 위치 감지 센서의 진단 방법에 대한 흐름도이다. 이하 도 3을 참조로 본 발명의 일 실시예에 따른 통합 위치 감지 센서의 진단 방법에 대한 설명이 이루어진다. 또한, 이하에서는 위에서 설명된 부분과 중복되는 사항은 생략하여 서술이 이루어진다.
먼저, 입력 터미널을 통해 전원을 공급 받고, 회전체의 회전을 감지하는 제 1 소자부와 제 2 소자부를 통해 자속 분포가 출력되는 단계(S110)가 이루어진다. 상술한 바와 같이, 제 1 소자부와 제 2 소자부는 홀 효과 또는 MR 효과를 이용하여 회전체의 감지 시 자속 분포를 출력할 수 있다. 여기서, 제 1 소자는 홀 소자로, 그리고 제 2 소자부는 홀 소자 또는 GMR 소자로 이루어지는 것이 바람직하다. 또한, 도 1을 참조로 설명한 바와 같이, 제 2 소자부는 복수개의 소자들로 구성되며, 제 1 소자부를 둘러싸도록 배치될 수 있다.
그 후, 스위칭 레벨 설정부에 의해, 스위칭 레벨을 설정하는 단계(S120)가 이루어진다. 여기서, S120 단계를 통해 설정되는 스위칭 레벨은 제 1 소자부와 제 2 소자부를 통해 출력되는 자속 분포를 근거로 산출될 수 있다. 다만, 차량의 최초 시동 시에는 초기 스위칭 레벨인 TPO(True Power On) 스위칭 레벨을 스위칭 레벨로 설정함으로써 이루어질 수 있다.
그 후, 비교기에 의해, 제 1 소자부와 제 2 소자부를 통해 출력되는 자속 분포와 스위칭 레벨을 비교함으로써 통합 위치 감지 센서의 출력 터미널을 통한 출력 전압을 제어하는 단계(S130)가 이루어진다. 구체적으로, S130 단계는 자속 분포와 스위칭 레벨을 비교함으로써 캠 센서 신호와 크랭크 센서 신호를 출력하는 단계이다.
그 후, 학습 완료 여부 판단부에 의해, 제 2 소자부를 통해 출력되는 자속 분포의 최대값 및 최소값을 근거로 기설정된 학습이 이루어졌는지 확인하는 단계(S140)가 이루어진다. 상술한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 통합 위치 감지 센서는 크랭크 센서의 동작을 위한 기설정된 학습이 완료 되기 전에는 캠 센서의 스위칭 레벨 설정 방식을 따르고, 그 이후에는 크랭크 센서의 스위칭 레벨 설정 방식을 따르는 것을 특징으로 한다. 이에 따라, S140 단계에서 학습이 완료된 것으로 판단되면, S120 단계가 제 2 소자부를 통해 출력되는 자속 분포의 최대값 및 최소값을 근거로 이루어지도록 제어한다. 그렇지 않은 경우, 제어는 S120 단계로 전달되고, S120 단계는 제 1 소자부를 통해 출력되는 자속 분포의 최대 피크에 기설정된 백분율을 곱함으로써 이루어지게 된다. 이에 대한 설명은 위에서 상세히 설명하였으므로, 추가적인 설명은 생략한다.
S150 단계는 회전 방향 검출부에 의해, 복수개의 제 2 소자들로부터 각각 출력되는 자속 분포를 근거로, 회전체의 회전 방향을 검출하는 단계이고, S160 단계는 위상 인식부에 의해, S140 단계를 통해 출력되는 캠 센서 신호의 위상을 인식하는 단계이다.
그 후, 회전체의 회전 방향과 캠 센서 신호의 위상을 고려하여, 캠 센서 신호와 크랭크 센서 신호를 비교함으로써 통합 위치 감지 센서의 이상 여부를 진단하는 단계(S170)가 수행된다. S170 단계에서의 진단은 두 신호간 동기 여부를 근거로 이루어지며, 두 신호가 동기되지 않은 경우, 해당 통합 위치 감지 센서에 이상이 발생한 것으로 판단한다.
그 후, 이상 여부 진단부에 의해 이상이 발생하였는지 판단하는 단계(S180)가 수행되고, 이상이 발생한 경우, 제어는 S190 단계로 전달되어, 해당 통합 위치 감지 센서를 리셋시킨다. 또한, 출력부(미도시)를 통해 이를 조작자에게 알리는 방식도 이용될 수 있다. 또한, S180 단계에서의 판단 결과, 이상이 발생하지 않은 것으로 판단된 경우, 리턴 블록으로 전달된다.
이상에서와 같이 도면과 명세서에서 최적의 실시예가 개시되었다. 여기서 특정한 용어들이 사용되었으나, 이는 단지 본 발명을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이지 의미 한정이나 특허청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다. 그러므로, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
100 : 통합 위치 감지 센서 110 : 터미널부
111 : 입력 터미널 112 : 출력 터미널
113 : 그라운드 터미널 120 : 제 1 소자부
130 : 제 2 소자부 140 : 스위칭 레벨 설정부
145 : 비교기 150 : 학습 완료 여부 판단부
160 : 회전 방향 검출부 170 : 위상 인식부
180 : 이상 여부 진단부

Claims (16)

  1. 하나의 센서로 캠 센서와 크랭크 센서의 기능들을 통합하여 수행하는 회전체의 통합 위치 감지 센서로서,
    입력 터미널을 통해 전원을 공급 받고, 회전체의 회전을 감지하는 제 1 소자부와 제 2 소자부;
    상기 제 1 소자부와 상기 제 2 소자부를 통해 출력되는 자속 분포를 근거로 스위칭 레벨을 산출하는 스위칭 레벨 설정부; 및
    상기 제 1 소자부와 상기 제 2 소자부를 통해 출력되는 자속 분포와 상기 스위칭 레벨을 비교함으로써 출력 터미널을 통한 출력 전압을 제어하는 비교기를 포함하고,
    상기 스위칭 레벨 설정부는 차량의 시동 시, 초기 스위칭 레벨인 TPO(True Power On) 스위칭 레벨을 상기 스위칭 레벨로 설정하며,
    상기 제 1 소자부를 통해 감지된 자속 분포를 근거로 출력되는 캠 센서 신호와 제 2 소자부를 통해 감지된 자속 분포를 근거로 출력되는 크랭크 센서 신호의 동기 여부를 판단함으로써 상기 통합 위치 감지 센서의 이상 여부를 진단하는 이상 여부 진단부를 더 포함하는 것
    을 특징으로 하는 통합 위치 감지 센서.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제 2 소자부를 통해 출력되는 자속 분포의 최대값 및 최소값을 근거로 기설정된 학습이 이루어졌는지 확인하는 학습 완료 여부 판단부를 더 포함하고,
    상기 스위칭 레벨 설정부는 상기 기설정된 학습이 완료된 경우, 상기 제 2 소자부를 통해 출력되는 자속 분포의 최대값 및 최소값을 근거로 스위칭 레벨을 산출하는 것을 특징으로 하는 통합 위치 감지 센서.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 스위칭 레벨 설정부는 상기 기설정된 학습이 진행 중인 경우, 상기 제 1 소자부를 통해 출력되는 자속 분포의 최대 피크에 기설정된 백분율을 곱함으로써 상기 스위칭 레벨을 설정하는 것을 특징으로 하는 통합 위치 감지 센서.
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제 2 소자부는 복수개의 제 2 소자들로 구성되고, 상기 제 2 소자들은 상기 제 1 센서를 둘러싸도록 배치되는 것을 특징으로 하는 통합 위치 감지 센서.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 복수개의 제 2 소자들로부터 각각 출력되는 자속 분포를 근거로, 회전체의 회전 방향을 검출하는 회전 방향 검출부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 통합 위치 감지 센서.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제 1 소자부는 홀 소자로 구성되는 것을 특징으로 하는 통합 위치 감지 센서.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 제 2 소자부는 홀 소자 또는 MR(Magneto Resistance) 소자로 구성되는 것을 특징으로 하는 통합 위치 감지 센서.
  9. 하나의 센서로 캠 센서와 크랭크 센서의 기능들을 통합하여 수행하는 통합 위치 감지 센서를 통한 회전체의 위치 감지 방법으로서,
    스위칭 레벨 설정부에 의해, 입력 터미널을 통해 전원을 공급 받고, 회전체의 회전을 감지하는 제 1 소자부와 제 2 소자부를 통해 출력되는 자속 분포를 근거로 스위칭 레벨을 산출하는 단계; 및
    비교기에 의해, 상기 제 1 소자부와 제 2 소자부를 통해 출력되는 자속 분포와 상기 스위칭 레벨을 비교함으로써 상기 통합 위치 감지 센서의 출력 터미널을 통한 출력 전압을 제어하는 단계를 포함하고,
    상기 스위칭 레벨을 산출하는 단계는,
    차량의 시동 시, 초기 스위칭 레벨인 TPO(True Power On) 스위칭 레벨을 상기 스위칭 레벨로 설정하며,
    이상 여부 진단부에 의해, 상기 제 1 소자부를 통해 감지된 자속 분포를 근거로 출력되는 캠 센서 신호와 제 2 소자부를 통해 감지된 자속 분포를 근거로 출력되는 크랭크 센서 신호의 동기 여부를 판단함으로써 상기 통합 위치 감지 센서의 이상 여부를 진단하는 단계를 더 포함하는 것
    을 특징으로 하는 회전체의 위치 감지 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    학습 완료 여부 판단부에 의해, 상기 제 2 소자부를 통해 출력되는 자속 분포의 최대값 및 최소값을 근거로 기설정된 학습이 이루어졌는지 확인하는 단계를 더 포함하고,
    상기 스위칭 레벨을 산출하는 단계는 상기 기설정된 학습이 완료된 경우, 상기 제 2 소자부를 통해 출력되는 자속 분포의 최대값 및 최소값을 근거로 이루어지는 것을 특징으로 하는 회전체의 위치 감지 방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 스위칭 레벨을 산출하는 단계는 상기 기설정된 학습이 진행 중인 경우, 상기 제 1 소자부를 통해 출력되는 자속 분포의 최대 피크에 기설정된 백분율을 곱함으로써 이루어지는 것을 특징으로 하는 회전체의 위치 감지 방법.
  12. 삭제
  13. 제9항에 있어서,
    상기 제 2 소자부는 복수개의 제 2 소자들로 구성되고, 상기 제 2 소자들은 상기 제 1 센서를 둘러싸도록 배치되는 것을 특징으로 하는 회전체의 위치 감지 방법.
  14. 제13항에 있어서,
    회전 방향 검출부에 의해, 상기 복수개의 제 2 소자들로부터 각각 출력되는 자속 분포를 근거로, 회전체의 회전 방향을 검출하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 회전체의 위치 감지 방법.
  15. 제9항에 있어서,
    상기 제 1 소자부는 홀 소자로 구성되는 것을 특징으로 하는 회전체의 위치 감지 방법.
  16. 제9항에 있어서,
    상기 제 2 소자부는 홀 소자 또는 MR(Magneto Resistance) 소자로 구성되는 것을 특징으로 하는 회전체의 위치 감지 방법.
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