KR102226672B1 - 위치센서 - Google Patents

Abstract

본 발명의 위치센서는 패턴으로 회로부가 형성된 고정자; 상기 고정자에 대향 배치되어 반복 운동하는 회전자; 및 상기 회로부 및 외부장치와 전기적으로 연결되는 터미널;을 포함하고, 상기 회로부는 외부에서 전압이 인가되는 발신패턴과, 상기 회전자의 반복 운동에 의해 서로 다른 위상을 갖는 전압이 인가되는 복수의 수신패턴으로 형성되는 것을 특징으로 하여, 수신패턴의 전압 크기의 증가 없이 발신패턴의 전압의 주파수를 높여 센서 정확도를 향상시킨다.

Description

위치센서{POSITION SENSOR}

본 발명은 위치센서에 관한 것으로, 보다 상세하게는 자장의 변화를 통해 위치를 측정하는 위치센서이다.

종래에는 코일과 회전자가 샤프트에 설치되고, 회전자의 코일과 대향하는 면에 형성된 금속계의 면적 변화에 의해 발생되는 코일의 인덕턴스 값의 변화를 전기신호로 변환하여 샤프트의 회전 변위를 검출하였다.

이때 회전자에 유도되는 전압의 크기는 코일에 인가되는 자장의 크기에 비례하므로 정밀한 위치 검출을 위해서는 고정자에 고전압 인가가 필요하여 효율이 저하되고, 충분한 인턱터를 확보하기 위하여 일정 이상의 크기가 필요하여 설계상의 제약 및 생산 원가가 증가하는 문제점이 있었다.

본 발명의 실시 예는 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 와전류 현상과 고주파수 발진전압을 이용하여 발신패턴의 전압 크기의 증가 없이 수신패턴의 전압의 크기를 높일 수 있는 위치센서를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 실시 예의 위치센서는 패턴으로 회로부가 형성된 고정자; 상기 고정자에 대향 배치되어 반복 운동하는 회전자; 및 상기 회로부 및 외부장치와 전기적으로 연결되는 터미널;을 포함하고, 상기 회로부는 외부에서 전압이 인가되는 발신패턴과, 상기 회전자의 반복 운동에 의해 서로 다른 위상을 갖는 전압이 인가되는 복수의 수신패턴으로 형성되는 것을 특징으로 한다.

이때 상기 수신패턴은 인가되는 전압의 위상차가 90도가 되는 서로 다른 2개의 패턴으로 형성되는 것이 바람직하다.

상기 터미널은 상기 고정자에 형성된 제1 관통홀에 고정되어, 상기 회로부와 전기적으로 연결될 수 있다.

결합되어 상기 고정자가 수용되는 수용공간을 형성하는 상부 케이스와 하부케이스로 형성되는 하우징;을 더 포함할 수 있으며, 상기 상부 케이스와 상기 하부 케이스 중 어느 하나에는 상기 제1 관통홀의 위치에 대응하여 상기 터미널이 수용되는 연결부가 형성될 수 있다.

상기 하우징의 외측에 소정 거리 이격되어 형성되는 커버;를 더 포함할 수 있으며, 상기 고정자는 상기 하우징과 상기 커버의 사이에 배치되되, 상기 커버의 일 측에 고정될 수 있다.

상기 고정자 및 회전자는 동일한 중심축으로 갖되, 상기 중심축을 중심으로 상기 회전자만이 회전 운동하여 상기 수신패턴에 전압을 인가될 수 있다.

상기 고정자, 상기 회전자, 상기 하우징 및 상기 커버를 관통하는 샤프트;를 더 포함할 수 있으며, 상기 회전자는 상기 샤프트를 중심축으로 회전 운동하여 상기 수신패턴에 전압을 인가될 수 있다.

이상에서 살펴 본 바와 같이 본 발명의 과제해결 수단에 의하면 다음과 같은 사항을 포함하는 다양한 효과를 기대할 수 있다. 다만 본 발명이 하기와 같은 효과를 모두 발휘해야 성립되는 것은 아니다.

본 발명의 위치센서는 수신패턴에 인가되는 전압 파형의 위상 차이를 통해 위치를 검출하는 방식 채택하여, 상대적으로 적은 인덕터를 사용할 수 있어 소형화를 실현하고, 발신패턴의 턴수 저감에 따라 저항감소로 위치센서의 온도가 상승되는 것을 방지한다.

따라서 발신패턴의 전압 크기의 증가 없이 발신패턴의 전압의 주파수만을 높이고, 이에 따라 발생되는 와전류에 의해 수신패턴에 유도되는 자기장을 보다 우수하게 상쇄시켜 측정 정확도를 향상시킨다.

또한 하우징의 내부에 형성되는 수용공간에 고정자를 수용하여 주변 부품과의 쇼트 현상을 방지하는 동시에, 하우징의 외측으로 연장되는 터미널을 통해 외부장치와 회로부를 보다 용이하게 전기적으로 연결한다.

이때 회전자는 하우징의 외측에 배치하여 회전에 따른 위치센서의 온도 상승을 방지하며, 회전자의 외측에는 커버를 배치하여 샤프트에 보다 용이하게 고정하는 동시에 회전자를 보호한다.

또한 회전자의 회전 운동에 의해 와전류가 유도되고, 유도된 와전류에 의해 수신패턴에 쇄교되는 자속을 상쇄하여 보다 정확한 위치 측정이 가능하다.

도 1은 본 발명의 일실시 예의 위치센서의 사사도.
도 2는 도 1의 분해 사시도.
도 3은 도 2의 다른 방향 사시도.
도 4는 도 1의 Ⅳ-Ⅳ방향 단면도.

이하 도면을 참조하여 본 발명의 구체적인 실시 예를 상세히 설명하도록 한다. 다만 본 발명을 설명함에 있어서, 공지된 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명은 본 발명의 요지를 흩트리지 않도록 하기 위해 생략한다.

도 1은 본 발명의 일실시 예의 위치센서의 사사도이고, 도 2는 도 1의 분해 사시도이며, 도 3은 도 2의 다른 방향 사시도이고, 도 4는 도 1의 Ⅳ-Ⅳ방향 단면도이다.

도 1 내지 도 4를 참조하면, 패턴으로 회로부(110)가 형성된 고정자(100), 상기 고정자(100)에 대향 배치되어 반복 운동하는 회전자(200) 및 상기 회로부(110) 및 외부장치와 전기적으로 연결되는 터미널(300)을 포함하고, 상기 회로부(110)는 외부에서 전압이 인가되는 발신패턴(112)과, 상기 회전자(200)의 반복 운동에 의해 서로 다른 위상을 갖는 전압이 인가되는 복수의 수신패턴(111)으로 형성되는 것을 특징으로 한다.

이때 위치센서(10)는 결합되어 상기 고정자(100)가 수용되는 수용공간(430)을 형성하는 상부케이스(410)와 하부케이스(420)로 형성되는 하우징(400), 상기 하우징(400)의 외측에 소정 거리 이격되어 형성되는 커버(500) 및 상기 고정자(100), 상기 회전자(200), 상기 하우징(400) 및 상기 커버(500)를 관통하는 샤프트(600)를 더 포함할 수 있다.

고정자(100)는 패턴으로 형성된 회로부(110)와, 회로부(110)와 연결되는 IC부(120)를 포함하여, 수신패턴(111)에 인가되는 전압의 변위를 전기적 신호로 변환하여 외부장치로 전달한다. 구체적으로 회로부(110)는 IC부(120)에서 전압이 인가되는 발신패턴(112)과, 회전자(200)에 의해 전압이 변조되는 수신패턴(111)과, 회로부(110)와 외부장치를 전기적으로 연결하는 연결패턴(113)으로 형성된다.

이때 수신패턴(111)과 발신패턴(112)은 IC부(120)로 연결되고, IC부(120)에서 다시 연결패턴(113)을 통해 외부장치와 전기적으로 연결된다. 따라서 고정자(100)의 일 측에는 터미널(300)이 고정되는 제1 관통홀(130)이 형성되는 것이 바람직하며 제1 관통홀(130)은 터미널(300)의 개수에 대응하여 형성된다.

또한 수신패턴(111)은 서로 다른 위상을 갖는 전압이 인가되기 위하여 서로 다른 형상을 갖는 복수 개로 형성되며, 바람직하게는 90도의 위상차를 갖는 cos파의 위상을 갖는 전압과 sin파의 위상을 갖는 전압을 인가 받기 위한 2개의 패턴으로 형성된다.

구체적으로 서로 다른 2개의 수신패턴(111)에 인가되는 cos파의 전압과 sin파의 전압은 회전자(200)의 회전 운동에 따라 그 위상이 각각 지속적으로 변조되고, 변조되는 cos파와 sin파의 위상의 차이를 통해 위치를 측정한다.

이에 따라 본원발명의 위치센서(10)는 서로 다른 2개의 수신패턴(111)에 인가되는 전압의 위상차를 통해 보다 정확한 위치를 검출하는 방식을 채택하여 수신패턴(111)에 인가되는 전압 크기의 증가를 필요로 하지 않는다.

따라서 본원발명은 고정자(100)에 인가되는 전압의 크기 증가 없이, 주파수만을 높여 회전자(200)의 운동에 의해 수신패턴(111)에 유도되는 자기장을 보다 우수하게 상쇄시켜 측정 정밀도를 향상시킨다. 또한 상대적으로 적은 인덕터를 사용하여 위치를 측정 가능한바, 발신패턴(112)의 턴수를 감소시켜 위치센서(10)의 소형화를 실현한다.

이때 발신패턴(112)의 턴수(길이)가 감소됨에 따라 저항 또한 감소되어 고정자(100)의 온도 상승 또한 절감시킬 수 있어 보다 향상된 내구성을 제공한다.

다시 말해 IC부(120)는 외부에서 전원을 인가받으며, 발신패턴(112) 전압을 인가하고, 복수의 수신패턴(111)으로 부터 각 위상을 전기적 신호로 전달받아 다시 외부로 전달한다.

회전자(200)는 도체부(210)를 포함하여 형성되고, 샤프트(600)에 연결되어 반복 운동하여 수신패턴(111)에 전압이 변조되도록 한다. 따라서 회전자(200)는 고정부에 대향하여 배치되고, 도체부(210)는 운동축(샤프트(600))을 중심으로 대칭 또는 비대칭으로 형성되되, 회전에 따라 고정자(100)에 특정위치에서 면적 변화가 발생하도록 형성된다.

또한 회전자(200)는 하우징(400)의 내부에 형성되는 수용공간(430)에 고정자(100)와 함께 수용될 수 있으나, 하우징(400)의 일 외측에 소정 거리 이격되어 배치되어 회전 운동에 따라 발생되는 열을 보다 효과적으로 방출할 수 있도록 하며, 회전자(200)의 일 측에는 커버(500)가 더 배치되어 회전자(200)를 보호한다.

구체적으로 일실시 예의 도체부(210)는, 도 2에 도시된 바와 같이, 대칭으로 형성되되 비도체부(210)와 도체부(210)가 격번으로 형성되어, 회전자(200)의 회전 운동에 따라 고정자(100)의 특정위치에 대향하는 면에 형성되는 도체부(210)의 면적 및 방향이 변화되도록 한다.

다만 이는 일실시 예의 해당하는 것뿐이고, 회전자(200)는 도체부(210)만으로도 형성될 수 있으며, 그 형상 또한 다양하게 형성될 수 있다.

또한 회전자(200)에는 커버(500)와 보다 용이하게 결합될 수 있도록 고정홀(220)이 형성될 수 있으며, 이때 고정홀(220)은 일정 이상의 고정력을 확보하기 위하여 복수 개로 형성되는 것이 바람직하다.

다시 말해 회전자(200)는 하우징(400)과 커버(500)의 사이에 형성되고, 고정자(100)에 대향하도록 배치되어 위치센서(10)의 소형화 실현을 돕는 동시에, 방열 효과를 향상시키고 외측으로 커버(500)를 구비하여 제품 내구성을 향상시킨다.

또한 회전자(200)의 회전 운동에 의해 고정자(100)의 특정위치에서 도체(210)부가 갖는 면적이 계속적으로 변경되도록 하여 와전류가 유도되고, 유도된 와전류는 수신 패턴(111)에 쇄교되는 자속을 상쇄시켜 보다 정확한 위치 측정이 가능하도록 한다.

터미널(300)은 고정자(100)의 일 측에 고정되는 삽입부(310)와, 삽입부(310)에서 연장되어 외부장치와 전기적으로 연결되는 연장부(320)로 형성되어 회로부(110)와 외부장치와의 전기적 연결을 보다 용이하게 한다.

삽입부(310)는 제1 관통홀(130)을 관통하여 고정자(100)에 고정되는 부분으로 그 단면의 형상 및 크기가 제1 관통홀(130)과 동일하게 형성되는 것이 바람직하며, 일정 이상의 고정력 확보를 위하여 삽입부(310)를 제1 관통홀(130)에 삽입된 상태에서 솔더링될 수 있다.

연장부(320)는 삽입부(310)에서 연장되어 수용공간(430)에서 제2 관통홀(414)을 관통하여 연장부(320) 내측에 배치되며, 외부장치에 연결된 커넥터 등과 전기적으로 연결되어 외부에서 발신패턴(112)으로 전압을 인가하거나, 수신패턴(111)으로부터 전압을 인가받아 외부장치로 전달한다.

다시 말해 터미널(300)은 삽입부(310)가 고정자(100)에 형성된 제1 관통홀(130)을 관통하여 IC부에서 연장되는 회로패턴과 전기적으로 연결되고, 연장부(320)가 제2 관통홀(414)를 관통하여 하우징(400)의 외부에서 외부장치와 전기적으로 연결된다.

따라서 본원발명은 고정자(100) 및 외부장치 각각에 직접적으로 연결되는 터미널(300)을 구비하여 위치센서(10) 생산 시 작업성을 향상시키는 효과를 갖는다.

하우징(400)은 결합되어 수용공간(430)을 형성하는 상부케이스(410)와 하부케이스(420)로 형성되며, 상부케이스(410) 및 하부케이스(420) 중 어느 하나에는 터미널(300)의 연장부(320)가 배치되는 연결부(411)가 돌출되어 형성된다. 다만, 이하에서는 설명의 편의를 위하여 연결부(411)가 상부케이스(410)에 형성되는 일 예를 기준으로 설명하도록 한다.

상부케이스(410)는 외측으로 돌출되어 터미널(300)이 배치되는 연결부(411)와, 돌출되어 차체 또는 외부장치에 고정되는 체결홀(413)이 형성된다. 연결부(411)는 연장부(320)가 연장되는 방향과 동일한 방향으로 돌출 형성되고, 회로부(110) 및 외부장치 각각과 직접적으로 연결된다. 체결홀(413)은 외측면에서 연장되어 형성되고, 일정 이상의 고정력을 확보하기 위하여 복수 개로 형성될 수 있다.

이때 하우징(400)은 고정자(100) 및 회전자(200)를 모두 수용하도록 형성될 수 있으나, 위치센서(10)의 소형화 및 회전자(200)의 효과적인 방열을 실현하기 위해 고정자(100)만을 수용하는 것이 바람직하다.

또한 상부케이스(410)는 내측으로 소정 깊이를 갖는 상측수용공간(430b)이 형성되고, 상측수용공간(430b)에는 하부케이스(420)와의 결합을 위해 돌출되어 결합부(412)가 형성되며, 연결부(411)의 위치에 대응하여 터미널(300)이 관통하는 제2 관통홀(414)이 터미널(300)의 개수에 맞춰 형성된다.

이때 결합부(412)의 위치는 고정자(100)의 수용을 간섭하지 않도록 형성되며, 고정자(100)가 수용공간(430)에 수용된 상태에서 유동되는 것을 방지하기 위해 고정자(100)의 외주면의 위치에 대응하여 서로 이격되어 복수 개 형성되는 거이 바람직하다.

하부케이스(420)는 내측으로 소정 깊이를 갖는 하측수용공간(430a)이 형성되고, 하측수용공간(430a)에는 상부케이스(410)와의 결합을 위해 결합부(412)의 위치에 대응하여 이와 결합되는 결합돌기(422)가 형성된다.

따라서 본원발명의 하우징(400)은 상부케이스(410)와 하부케이스(420)의 결합에 의해 상측수용공간(430b)과 하측수용공간(430a)이 연통되어 하나의 수용공간(430)을 형성하며, 상보적으로 결합되는 결합돌기(422)와 결합부(412)를 구비하여 상부케이스(410)와 하부케이스(420)의 결합을 용이하게 하는 동시에 고정자(100)의 유동 및 주변 부품과의 쇼트 등을 방지하여 제품 내구성을 향상시킨다.

커버(500)는 회전자(200)와 동일한 크기로 형성되고, 회전자(200)의 일 측과 대향하는 면에는 돌출되어 고정홀(220)과 결합되는 고정돌기(520)가 형성되어 회전자(200)를 보다 쉽게 샤프트(600)에 고정하는 동시에 회전자(200)의 외측에 배치되어 회전자(200)를 보호한다.

또한 커버(500)에는 샤프트(600)가 관통하는 중공홀이 형성되어 있으며, 중공홀의 내부면에는 걸림턱(510)이 형성되고, 걸림턱(510)의 일 측에는 요입되어 샤프트(600)의 일 측에 형성된 가이드돌기(620)와 상보적으로 결합되는 가이드홈(511)이 형성된다.

구체적으로 걸림턱(510)은 중공홀의 내주면을 따라 소정 거리 돌출되어 샤프트(600)의 일 측에 돌출된 돌출턱(610)과 맞닿도록 형성되어 샤프트(600)와 회전자(200)가 미리 설계된 위치에서 고정되도록 하며, 가이드홈(511)은 샤프트(600)가 삽입되는 방향(연장된 방향)을 따라 중공홀의 내주면에 요입되어 형성되어 회전자(200)가 샤프트(600)와 함께 회전하도록 한다.

따라서 본원발명은 회전자(200)의 외측에 배치되는 커버(500)를 더 구비하여 회전자(200)와 샤프트(600)와의 결합을 용이하게 하는 동시에 가이드돌기(620)와의 결합에 의해 샤프트(600)의 공회전을 방지하며, 회전자(200)의 파손 가능성을 낮춰 온도센서의 신뢰성 및 생산성을 향상시키는 효과를 갖는다.

샤프트(600)는 모터 등에 연결되어 함께 회전하며, 일 말단부에는 외주면을 따라 소정 거리 돌출되어 돌출턱(610)에 걸림되는 돌출턱(610)과 회전자(200) 및 커버(500)와 결합된 상태에서 가이드홈(511)에 수용되는 가이드돌기(620)가 형성된다.

이때 샤프트(600)는 고정자(100)와 회전자(200)와 하우징(400)과 커버(500)를 관통하여 형성되므로, 각 구성에는 샤프트(600)가 배치되는 중공홀이 형성된다.

상기한 바와 같이 일실시 예의 위치센서(10)는 샤프트(600)를 통해 모터의 일 측에 고정되고, 가이드돌기(620)와 가이드홈(511)에 결합에 의해 회전자(200)는 커버(500)와 함께 회전하며, 터미널(300)에 연결된 외부장치에 의해 연결패턴(113)을 통해 IC부(120)에 전압이 인가되고 IC부(120)에서 발신패턴(112)로 전압이 인가되며, 인가된 전압은 회전자(200)에 배치된 도체부(210)에 의해 수신패턴(111)으로 전압이 유도 및 변조된다.

구체적으로 수신패턴(111)은 서로 다른 형상을 갖는 2개의 패턴으로 형성되어 각각 다른 위상을 갖는 전압이 유도되며, 이때 각 유도된 전압의 위상은 IC부(120)를 통해 전기적 신호로 변환되어 외부장치로 전달되고, 전달된 2개의 전압의 위상차에 의해 위치를 산정한다.

이때 수신패턴에 유도되는 전압은 회전자의 회전 운동에 의해 지속적으로 변조되어 연속하여 위치를 측정하여

따라서 본원발명은 유도되는 전압의 위상 차를 통해 위치를 검출하는 방식을 채택하여 발신패턴(112)에 전압의 크기를 증가하지 않고 주파수만을 높여 보다 정밀한 측정이 가능하도록 한다.

이상에서는 본 발명의 바람직한 실시 예를 예시적으로 설명하였으나, 본 발명의 범위는 이와 같은 특정 실시 예에만 한정되는 것은 아니며, 특허청구범위에 기재된 범주 내에서 적절하게 변경 가능한 것은 본 발명의 보호범위에 해당한다.

10 위치센서
100 고정자 110 회로부 111 수신패턴
112 발신패턴 113 연결패턴 120 IC부
130 제1 관통홀 200 회전자 210 도체부
220 고정홀
300 터미널 310 삽입부 320 연장부
400 하우징 410 상부케이스 411 연결부
412 결합부 413 체결홀 414 제2 관통홀
420 하부케이스 422 결합돌기 430 수용공간
430a 하측수용공간 430b 상측수용공간
500 커버 510 걸림턱 511 가이드홈
520 고정돌기
600 샤프트 610 돌출턱 620 가이드돌기

Claims (8)

1. 패턴으로 회로부가 형성된 하나의 고정자;
   결합되어 상기 고정자가 수용되는 수용공간을 형성하는 상부 케이스와 하부케이스로 형성되는 하우징;
   전체면적의 일부에 도체부가 형성되고, 상기 하우징의 외측에 상기 고정자와 대향 배치되어 반복 운동하는 회전자; 및
   상기 하우징의 외측에 소정 거리 이격되되, 상기 회전자의 외측으로 배치되는 커버;
   상기 고정자, 상기 회전자, 상기 하우징 및 상기 커버를 관통하고, 상기 커버의 일 측에 요입된 가이드홈에 맞물리는 돌출턱이 형성된 샤프트; 및
   상기 회로부 및 외부장치와 전기적으로 연결되는 터미널;을 포함하고,
   상기 회로부는
   외부에서 전압이 인가되는 발신패턴과, 상기 회전자의 반복 운동에 의해 서로 다른 위상을 갖는 전압이 인가되는 복수의 수신패턴으로 형성되어 상기 수신패턴의 위상 차이에 의해 위치를 측정하며,
   상기 회전자는
   상기 하우징과 상기 커버의 사이에 배치되되, 상기 커버의 일 측에 고정되며, 상기 샤프트를 중심축으로 회전 운동하여 상기 수신패턴에 전압을 인가하는 것을 특징으로 하는 위치센서.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 수신패턴은
   인가되는 전압의 위상차가 90도가 되는 서로 다른 2개의 패턴으로 형성되는 것을 특징으로 하는 위치센서.
   
3. 제1항에 있어서,
   상기 터미널은
   상기 고정자에 형성된 제1 관통홀에 배치되어, 상기 회로부와 전기적으로 연결되는 것을 특징으로 하는 위치센서.
   
4. 제3항에 있어서,
   상기 상부 케이스와 상기 하부 케이스 중 어느 하나에는 상기 제1 관통홀의 위치에 대응하여 상기 터미널이 수용되는 연결부가 형성되는 것을 특징으로 하는 위치센서.
   
5. 삭제
6. 제1항에 있어서,
   상기 고정자 및 회전자는
   동일한 중심축으로 갖되, 상기 중심축을 중심으로 상기 회전자만이 회전 운동하여 상기 수신패턴에 전압을 인가하는 것을 특징으로 하는 위치센서.
   
7. 삭제
8. 제6항에 있어서,
   상기 회전자는
   회전 운동에 의해 와전류가 유도되어, 상기 수신패턴의 쇄교자속을 상쇄시키는 것을 특징으로 하는 위치센서.

Images