KR102383206B1 - 비접촉식 회전 각도 검출용 측정 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 회전 각도(α)의 비접촉식 검출을 위한 측정 장치(1)에 관한 것이다. 측정 장치(1)는 자석(7)을 구비한 제 1 부품(3)을 포함한다. 또한, 측정 장치(1)는 자기 감응 부재(9)를 구비한 제 2 부품(5)도 포함한다. 제 1 부품(3)과 제 2 부품(5)은 공통 회전축(11)을 중심으로 서로 반대로 회전 가능하게 장착된다. 이 경우, 자기 감응 부재(9)는 자석(7)의 자계(13)에 따라서 제 2 부품(5)과 관련한 제 1 부품(3)의 회전 각도 값을 검출하도록 형성된다. 자석(7)은 회전축(11)을 따라서 회전축(11)에 대해 횡방향인 평면에 제 1 외경(D1)을 갖는 제 1 섹션(80)을 포함한다. 자석(7)은 회전축(11)을 따라서 회전축(11)에 대해 횡방향인 평면에 제 2 외경(D2)을 가지면서 제 1 섹션(80)에 이어지는 제 2 섹션(82)을 포함하며, 제 2 섹션(82)은 회전축(11)을 따라서 관찰할 때 제 1 섹션(80)과 자기 감응 부재(9) 사이에 위치한다. 자기 감응 부재(9)의 위치에서 자석(7)의 구조 크기가 작은 조건에서 자계를 최대한 강하고 균일하게 형성하기 위해, 본 발명에 따라서, 제 1 외경(D1)은 제 2 외경(D2)보다 더 크며, 특히 제 2 외경(D1)은 제 1 직경(D1)의 30% 내지 70% 이다. 또한, 본 발명은 본 발명에 따른 측정 장치를 포함하는 제어 시스템, 그리고 본 발명에 따른 측정 장치의 제조 방법에도 관한 것이다.

Description

비접촉식 회전 각도 검출용 측정 장치{MEASURING DEVICE FOR A CONTACTLESS ROTATION ANGLE DETECTION}
본 발명은 회전 각도의 비접촉 검출을 위한 측정 장치에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 상기 측정 장치를 포함하는 제어 시스템, 및 상기 측정 장치의 제조 방법에 관한 것이다.
회전 각도 측정은 많은 기술 분야에서 실시되어야 한다. 이는 예컨대 영구 자석의 위치를 검출하는 자계 센서들에 의해 수행될 수 있다. 이 경우, 영구 자석은 회전 부재 상에 상대 회전 불가능하게 고정될 수 있으며 비접촉식 회전 각도 검출을 가능하게 할 수 있다. 예컨대 비접촉식 회전 각도 센서들은 DE 10 2007 016 133 A1에 개시되어 있다.
본 발명은, 센서의 최적의 회전 각도 분해능을 가능하게 하기 위해, 영구 자석의 자계 강도가 충분히 높아야만 한다는 사실을 기초로 한다. 또한, 높은 자계 강도는 외부 자계에 대한, 그리고 노후화에 대한 센서의 불감도에 긍정적으로 작용할 수 있다.
또한, 새로운 부품들의 공차들 또는 작동 중에 발생하는 공차들을 보상하기 위해, 영구 자석의 자계는 충분히 균일해야 한다. 이 경우, 예컨대 마모로 인한, 또는 기계적 유격으로 인한 회전축 변위들은 작동 중 공차들을 발생시킬 수 있다.
영구 자석의 충분한 자계 강도 및 균일성을 보장하기 위해, 큰 연장부를 갖는 자석들이 사용될 수 있다. 그러나 상기 자석들은 특히 자동차에서 제한될 수 있는 큰 장착 공간을 필요로 한다. 제한되는 장착 공간을 갖는 적용의 경우, 예컨대 높은 잔류자기 유도를 갖는 네오디뮴 자석들과 같은 희토류 자석들이 사용될 수 있다. 그러나 희토류 자석들은 높은 비용을 수반할 수 있다.
그러므로 본 발명의 과제는 특히 제한된 장착 공간에서 회전 각도를 검출할 때 예컨대 유효 수명에 걸쳐 변함없이 높은 측정 정확도를 경제적으로 제공할 수 있는, 개선된 측정 장치, 상응하는 제어 시스템, 및 측정 장치의 제조 방법을 제공하는 것이다. 다시 말하면 예컨대 자기 센서 또는 자기 감응 부재의 위치에서의 자계 강도, 또는 자계 검출의 위치에서 자계의 균일성이 종래의 구성에 비해 증가됨으로써 예컨대 감소된 장착 공간에서 각도 에러를 최소화해야 할 필요가 있다.
상기 과제는 독립 청구항들에 따른 본 발명의 대상에 의해 해결될 수 있다. 본 발명의 바람직한 실시예들은 종속 청구항들에 기술되어 있다.
하기에는 본 발명의 실시예들에 따른 장치의 특징들, 상세내용들 및 가능한 장점들이 상세하게 논의된다.
본 발명의 제 1 양태에 따라서, 회전 각도의 비접촉 검출을 위한 측정 장치가 제안된다. 측정 장치는, 자석, 예컨대 네오디뮴 자석, 그러나 바람직하게는 경제적인 페라이트 자석을 구비한 제 1 부품을 포함한다. 또한, 측정 장치는 자기 감응 부재를 구비한 제 2 부품도 포함한다. 제 1 부품과 제 2 부품은 공통 회전축을 중심으로 서로 반대로 회전 가능하게 장착된다. 이 경우, 자기 감응 부재는, 자석의 자계에 따라서 제 2 부품과 관련하여 제 1 부품의 회전 각도 값 또는 회전 각도를 검출하도록 형성된다. 자석은 공통 회전축을 따라서 회전축에 대해 횡방향인 평면에 제 1 외경을 갖는 제 1 섹션을 포함한다. 그 밖에도, 자석은 회전축을 따라서 회전축에 대해 횡방향인 평면에 제 2 외경을 가지면서 제 1 섹션에 이어지는 제 2 섹션을 포함하며, 제 2 섹션은 회전축을 따라서 관찰할 때 제 1 섹션과 자기 감응 부재 사이에 위치한다. 이 경우, 제 1 외경은 제 2 외경보다 더 크며, 특히 제 2 외경은 제 1 직경의 30% 내지 70% 이다.
달리 표현하면, 본 발명의 사상은, 제 2 섹션이 제 1 섹션에 대해 제 1 섹션을 돌출한 캠버(camber)처럼 형성된다는 것을 기반으로 한다. 그 결과, 종래 기술에 비해, 바람직하게는 검출의 위치에서 비접촉식 회전 각도 검출을 위해 필요한 자계를 더 강력하게 형성하고 더 균일하게 만들면서도, 이와 동시에 회전축에 대해 횡방향으로 연장되는 평면(XY 평면)에서 상대적으로 더 작은 횡방향 치수와 회전축을 따르는 방향(Z 방향)에서 상대적으로 더 작은 치수를 갖는 자석을 형성하는 것이 달성된다. 제 1 섹션의 제 1 직경보다 캠버형 제 2 섹션의 제 2 직경을 더 작게 형성하는 구조적인 조치는 자기 감응 부재 또는 자기 센서를 통한 검출의 위치에서 자계선(magnetic field line)을 집중시키고 균일화한다. 그 결과, 자석 재료가 동일할 때, 측정 장치의 장착 공간을 감소시키고, 및/또는 희토류 자석 대신, 예컨대 페라이트 자석처럼 본질적으로는 상대적으로 더 약하지만, 그러나 상대적으로 더 경제적인 자석 재료를 사용하고, 이와 동시에 각도 에러를 감소시키는 것이 가능해질 수 있다. 이런 방식으로, 요구되는 균일한 자계가 유지되는 조건하에 측정 장치의 제조 비용은 절약될 수 있고 측정 장치는 상대적으로 더 작은 장착 공간에서 사용될 수 있다.
측정 장치는 예컨대 자동차에서, 특히 하이브리드차 또는 전기차에서 사용될 수 있다. 이 경우, 측정 장치는 회전 각도가 측정되는 차량 분야의 모든 시스템에서 사용될 수 있다. 예컨대 측정 장치는 스로틀 밸브 센서들에, 가속 페달 인코더들에, 차체 편향 센서들에, 또는 윈드실드 와이퍼 구동장치들의 각도 센서들에 사용될 수 있다.
제 1 부품은 예컨대 로터와 같은 회전 부품일 수 있다. 제 1 부품 상에는 하나 이상의 자석이 배치된다. 이 경우, 자석은 제 1 부품과 상대 회전 불가능하게 연결된다. 자석은 영구 자석으로서 형성된다. 또한, 자석은 예컨대 부분적으로 플라스틱으로 인서트 성형될 수 있다.
제 2 부품은 예컨대 스테이터와 같은 예컨대 고정 부품일 수 있다. 자기 감응 부재는 제 2 부품과 상대 회전 불가능하게 연결된다. 이 경우, 자기 감응 부재는 예컨대 홀 센서 또는 자기 저항 센서일 수 있다. 예컨대 자기 감응 부재는 자석의 자계에 따라서, 특히 자계의 방향 및 세기에 따라서 제 2 부품과 관련한 제 1 부품의 회전 각도 값을 나타내는 신호를 출력할 수 있다.
자기 감응 부재가 예컨대 홀 센서 부재로서 형성된다면, 이 부재는 자석의 자계에 의해 예컨대 수직으로 관통되는 활전 상태의 반도체 웨이퍼(semiconductor wafer)를 포함할 수 있다. 자계 강도에 비례하는 전압이 반도체 웨이퍼 상에서 전류 방향에 대해 횡방향으로 픽업될 수 있다. 자기 감응 부재는 예컨대 규소를 포함할 수 있다. 이 경우, 자기 감응 부재 상에는 조절 유닛 또는 전자 신호 처리 장치(electronic signal processing device)가 통합될 수 있다.
자석은 예컨대 자석 본체로서 사용되는 제 1 섹션 위쪽에서 중앙에 배치되어 제 2 섹션을 나타내는 캠버를 구비한 원통형 디스크 자석(circular-cylinder-shaped disc magnet)으로서 형성될 수 있다. 이 경우, 자석의 재료로서는 예컨대 페라이트가 사용된다. 특히 바륨 페라이트(BaFe12O19) 또는 스트론튬 페라이트(SrFe12O19)가 자석 재료로서 사용될 수 있다. 이런 재료는 예컨대 희토류 자석보다 훨씬 더 경제적이며, 그리고 상응하는 기하학적 형성으로 인해 동일한 치수의 희토류 자석과 동일한 자계 균일성을 보장할 수 있다. 그러나 자석은 희토류 자석, 예컨대 네오디뮴 자석으로도 형성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따라서, 제 1 섹션은 회전축을 따라서 제 1 높이를 가지며, 제 2 섹션은 회전축을 따라서 제 2 높이를 갖는다. 이 경우, 제 2 높이는 제 1 높이의 15% 내지 75%, 바람직하게는 35% 내지 70%, 특히 바람직하게는 55% 내지 65% 이다. 그 결과, 바람직하게는 자기 센서 또는 자기 감응 부재의 위치에서 특히 XY 평면에 대해 평행하게 특히 높은 자계 강도 및 자계선의 특히 우수한 균일성이 달성된다. 이는 바람직하게는 회전 각도의 측정 에러를 최소화하고, 그 결과 종래의 구조 유형을 갖는, 다시 말하면 캠버를 포함하지 않는 동일하게 강하고 균일한 자석보다, 더 작은 치수를 갖는 자석을 조립하는 것이 가능해진다. 예컨대 (제 1 섹션 및 제 2 섹션으로 이루어진) 자석의 전체 높이는 2.3㎜ 내지 5㎜ 일 수 있다. 바람직하게는 제 1 섹션의 전체 높이는 2.0㎜ 내지 3㎜ 이며, 특히 바람직하게는 2.5㎜이다. 제 2 섹션의 높이는 0.3㎜ 내지 2.25㎜ 이며, 바람직하게는 0.5㎜ 내지 1.8㎜, 특히 바람직하게는 0.8㎜ 내지 1.5㎜ 일 수 있다. 예컨대 제 1 섹션의 높이는 2.5㎜이고, 제 2 섹션의 높이는 0.27㎜ 내지.88㎜ 이다.
제 2 섹션은 일 실시예에서 원통형으로 형성될 수 있고, 및/또는 회전축에 대해 동심으로 형성될 수 있다. 그 결과, 자석은 특히 간단하게 제조될 수 있으며, 그리고 자계는 자기 센서 또는 자기 감응 부재의 위치에서 특히 강하고 균일하다. 또한, 상기 유형으로 형성된 자석은 간단히 조립될 수 있는데, 그 이유는 상기 자석이 회전축을 중심으로 회전 대칭으로 형성될 수 있으며, 그 결과 자석이 비틀어져 장착될 때 뜻하지 않게 측정 장치의 부품들과 접촉하게 되는 위험은 없기 때문이다. 자석은 예컨대 원통형으로 형성된 제 1 섹션 상에 캠버 유형의 제 2 원통형 섹션이 형성되는 2단의 원형 웨딩 케이크의 형태를 가질 수 있다. 이 경우, 자석의 기능의 제한 없이, 상기 유형의 자석의 외면 상에는, 예컨대 인서트 성형 과정을 통해, 하우징 내에 자석을 회전 방지 및/또는 소실 방지 방식으로 고정하기 위해, 작은 돌출부들 또는 노치들이 형성될 수도 있다. 상기 유형의 돌출부들 또는 노치들은, 본 출원의 의미에서, 원통형 형태에 영향을 주는 것으로 간주해서는 안 되며, 특히 그 부피가 전체 자석 부피의 5%를 넘지 않으면, 그렇게 간주해서는 안 된다.
본 발명의 일 실시예에 따라서, 제 2 섹션은 자기 감응 부재로 향해 있는 단부면을 포함한다. 제 2 섹션의 단부면 상에는 제 2 섹션의 내부 안쪽으로 연장되는 리세스가 제공된다. 이 경우, 리세스는 예컨대 대칭 함몰부로서 형성된다. 특히 자석은 자기 감응 부재에 대해 평행한 평면, 즉 회전축에 대해 횡방향으로 연장되는 XY 평면에 원형 함몰부를 포함할 수 있다. 그 결과, 자기 센서 또는 자기 감응 부재의 위치에서 자계는 특히 강하고 특히 균일해진다.
리세스는 예컨대 블라인드 홀 유형으로 형성될 수 있다. 이 경우, 리세스는 XY 방향으로 균일한 자계를 보장한다. 다시 말하면, 리세스의 영역에서, 자계선들은 자석과 자기 감응 부재 사이에서 최대한 평행하게, 그리고 상호 간에 동일한 간격으로 연장된다. 또한, 자계선들은 자기 감응 부재의 표면에 대해 평행하게 연장된다. 대안적 실시예에서, 자계선들은 자기 감응 부재의 표면에 대해 수직으로 연장될 수 있다. 이 경우, 자기 감응 부재는 그에 상응하게 형성된다.
추가 실시예에 따라서, 리세스의 리세스 깊이는 제 2 섹션의 제 2 높이의 15% 내지 75%, 특히 35% 내지 70% 이다. 따라서 리세스는 캠버 또는 제 2 섹션의 제 2 높이가 1.8㎜인 경우 예컨대 0.27㎜ 내지 1.35㎜ 의 리세스 깊이를 가질 수 있다. 특히 바람직하게 리세스는 0.3㎜ 내지 1.2㎜, 특히 0.3㎜ 내지 0.6㎜ 의 리세스 깊이를 가질 수 있다. 이 경우, 리세스 깊이는 자석의 종축 또는 회전축에 대해 평행한 Z 방향에서 측정될 수 있다. 그 결과, 자기 센서 또는 자기 감응 부재의 위치에서 자계는 특히 강하고 특히 균일해진다.
이 경우, 리세스의 깊이, 다시 말하면 자기 감응 부재의 표면에 대해 수직이며 Z 방향이라고도 하는 연장부에서의 치수는 최대한 균일하다. 다시 말하면, 실질적으로, 리세스의 리세스 깊이는 리세스의 전체 표면에 걸쳐서 예컨대, 0.3㎜ 내지 1.2㎜ 일 수 있다. 대안으로서, 리세스는 포물선의 회전체에 상응할 수 있거나, 또는 리세스가 2단으로 형성된다. 다시 말하면, 리세스는 Z 방향으로 제 1 리세스 깊이를 갖는 제 1 영역과 제 2 리세스 깊이를 갖는 제 2 영역을 포함할 수 있다. 이 경우, 제 2 영역은 제 1 영역의 둘레에 동심으로 배치될 수 있다. 또한, 제 1 리세스 깊이의 값이 제 2 리세스 깊이의 값보다 더 클 수 있다. 특히 리세스는 다단으로 형성될 수 있다. 리세스의 단차형 형성은 제조 기술 측면에서 예컨대 포물선형 함몰부보다 더 간단하게 실현될 수 있다.
또한, 리세스의 2단 또는 다단 형성으로 인해, 자기 감응 부재의 연장부들 또는 치수들이 큰 경우에도, 자기 감응 부재의 전체 표면에 걸쳐서 균일한 자계가 보장될 수 있다.
추가 실시예에 따라서, 리세스는 회전축에 대해 횡방향인 평면, 다시 말하면 XY 평면에 리세스 직경을 가질 수 있고, 자기 감응 부재는 회전축에 대해 횡방향인 평면, 다시 말하면 XY 평면에 직경을 가질 수 있다. 이 경우, 리세스 직경은 자기 감응 부재의 직경보다 더 크다. 그 결과, 바람직하게는 균일하고 강한 자계 영역의 치수가 자기 감응 부재에서보다 더 큰 것이 달성된다. 자기 감응 부재의 표면보다 더 큰 치수를 갖는 리세스의 형성을 통해, 자기 감응 부재의 영역에 특히 균일한 자계가 생성될 수 있다. 이 경우, 리세스의 직경은 리세스의 방향에서 XY 평면에서, 다시 말하면 자기 감응 부재의 표면에 대해 평행하게 결정된다.
예컨대 자석은 14㎜ 내지 18㎜, 바람직하게는 16㎜ 의 총 직경을 가질 수 있다. 이 경우, 리세스의 직경은 예컨대 2 내지 5㎜, 바람직하게는 2.25㎜ 내지 4㎜ 일 수 있다. 이 경우, 자기 감응 부재는 예컨대 직사각형으로 형성될 수 있고 예컨대 1㎜ 내지 2㎜ 의 에지 길이를 가질 수 있다.
본 발명의 추가 실시예에 따라서, 자기 감응 부재와 자석 사이에 에어 갭이 제공된다. 측정 장치의 각각의 적용에 따라서, 에어 갭은 0.5㎜ 내지 4㎜, 바람직하게는 1.5㎜ 내지 3.2㎜ 의 폭을 가질 수 있다. 다시 말하면, 자기 감응 부재는 리세스 내에 배치되는 것이 아니라, 리세스에 대해, 그리고 제 2 섹션, 다시 말해 캠버의 단부면에 대해서도 회전축에 대해 평행한 Z 방향으로 이격된다.
본 발명의 추가 실시예에 따라서, 자석은 제 1 부품과 상대 회전 불가능하게 연결되고, 자기 감응 부재는 제 2 부품과 상대 회전 불가능하게 연결된다. 이 경우, 제 1 부품은 로터로서, 그리고 제 2 부품은 스테이터로서 형성될 수 있다. 대안으로서, 제 1 부품이 스테이터로서, 그리고 제 2 부품은 로터로서 형성될 수 있다.
본 발명의 제 2 양태에 따라서 자동차용 제어 시스템이 제안된다. 제어 시스템은 조절 유닛과 앞서 기술한 측정 장치를 포함한다. 이 경우, 측정 장치는, 검출된 회전 각도 값을 조절 유닛으로 전달하거나 전송하도록 형성된다. 또한, 조절 유닛은 검출된 회전 각도 값을 기반으로 회전 각도를 재조절하도록 형성된다. 이 경우, 조절 유닛은 예컨대 자기 감응 부재가 배치된 칩 내에 통합될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따라서, 제어 시스템은 스로틀 밸브 제어 장치로서, 페달 모듈 내의 가속 페달 인코더로서, 차체 편향 센서로서, 또는 윈드실드 와이퍼의 각도 센서로서 형성된다.
본 발명의 제 3 양태에 따라서, 앞서 기술한 측정 장치의 제조 방법이 제안된다. 상기 방법은, 하기 단계들, 즉 제 1 부품을 제공하는 단계와, 제 1 부품과 자석, 예컨대 페라이트 자석을 회전 고정 방식으로 연결하는 단계와, 제 2 부품을 제공하는 단계와, 제 2 부품과 자기 감응 부재를 상대 회전 불가능하게 연결하는 단계와, 제 1 부품과 제 2 부품이 서로 반대로 회전될 수 있는 방식으로 공통 회전축을 중심으로 회전 가능하게 제 1 부품 및 제 2 부품을 장착하는 단계를 포함한다. 이 경우, 자기 감응 부재는, 자석의 자계에 따라서 제 2 부품과 관련한 제 1 부품의 회전 각도 값 또는 회전 각도를 검출하도록 형성된다. 이 경우, 자석은 회전축을 따라서 회전축에 대해 횡방향인 평면에 제 1 외경을 갖는 제 1 섹션을 포함한다. 자석은 회전축을 따라서 회전축에 대해 횡방향인 평면에 제 2 외경을 가지면서 제 1 섹션에 이어지는 제 2 섹션을 포함하며, 제 2 섹션은 회전축을 따라서 관찰할 때 제 1 섹션과 자기 감응 부재 사이에 위치한다. 이 경우, 제 1 외경은 제 2 외경보다 더 크며, 특히 제 2 외경은 제 1 직경의 30% 내지 70% 이다.
상기 방법의 개별 단계들은 가변 순서로 실시될 수 있다.
본 발명의 추가 특징들 및 장점들은, 첨부한 도면을 참조하여, 본 발명을 제한하는 것으로서 간주되지 않는 예시적인 실시예들의 하기 설명에서 당업자에게 명백해질 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 측정 장치를 도시한 사시도이다.
도 2는 본 발명에 따라 형태 최적화된 자석, 및 자기 감응 부재를 도시한 횡단면도이다.
도 3은 본 발명에 따른 측정 장치를 도시한 횡단면도이다.
도 4는 회전축으로부터 자기 감응 부재의 다양한 방사 방향 거리에 대해 자석과 자기 감응 부재 사이의 에어 갭에 따라서 측정 장치의 각도 에러 및 자계 강도를 예시로 나타낸 그래프들이다.
도 5a는 형태 최적화 없이 자석에 대한 자기 감응 부재의 위치에서 자계선의 패턴을 도시한 도면이다.
도 5b는 본 발명에 따른 자석에 대한 자기 감응 부재의 위치에서 자계선의 패턴을 도시한 도면이다.
모든 도면은 단지 본 발명의 실시예들에 따르는 본 발명에 따른 장치들 또는 그 구성부분들의 개략도들일 뿐이다. 특히 간격들 및 크기 관계들은 도면들에서 축척에 맞게 도시되어 있지 않다. 상이한 도면들에서 상응하는 부재들은 동일한 도면부호들을 갖는다.
도 1에는 측정 장치(1)가 사시도로 도시되어 있다. 이 경우, 측정 장치(1)는 제 1 부품(3)과 제 2 부품(5)을 포함한다. 제 1 부품(3)은 예컨대 로터일 수 있고 제 2 부품(5)은 스테이터일 수 있다. 마찬가지로 제 2 부품(5)이 로터일 수 있고 제 1 부품(3)은 스테이터일 수도 있다. 예컨대 제 1 부품(3)과 제 2 부품(5)은 제어 시스템(27)의 부분들, 특히 자동차용 스로틀 밸브 센서, 가속 페달 인코더, 차체 편향 센서, 또는 윈드실드 와이퍼의 각도 센서의 부분들일 수 있다. 따라서 측정 장치(1)는 예컨대 전기 스로틀 밸브(DV-E) 상에, 가속 페달 모듈(APM) 상에, 또는 범용 액추에이터(GPA) 내에 사용될 수 있다.
제 1 부품(3) 상에는 상대 회전 불가능하게 자석(7)이 배치된다. 제 2 부품(5) 상에는 자기 감응 부재(9), 특히 홀 센서가 제공되어 제 2 부품(5)과 상대 회전 불가능하게 연결된다. 도 3에 도시된 것처럼, 자기 감응 부재(9)는 예컨대 인쇄회로기판(33) 상에 배치될 수 있다. 제 1 부품(3)은 제 2 부품(5)과 관련하여 회전축(11)을 중심으로 회전 각도(α)만큼 회전될 수 있다. 자기 감응 부재(9)는 자석(7)의 자계의 자계선에 의해 관통된다. 이 경우, 자기 감응 부재(9)는 자계의 방향 및 세기에 따라서 제 2 부품(5)에 대한 제 1 부품(3)의 회전 각도 값을 검출하도록 형성된다. 측정 장치(1) 및 특히 자기 감응 부재(9)는 검출된 회전 각도 값을 조절 유닛(29)으로 전송할 수 있다. 이 경우, 조절 유닛(29)은 자기 감응 부재(9)와 함께 인쇄회로기판(33) 상에 배치될 수 있다. 이는 예컨대 도 3에 도시되어 있다. 대안으로서, 조절 유닛(29)은, 도 1에 도시된 것처럼, 측정 장치(1)의 외부에 배치될 수 있다. 또한, 조절 유닛(29)은 제 1 부품(3)과 기능적으로 연결될 수 있으면서, 검출된 회전 각도 값을 기반으로 회전 각도(α)를 재조절할 수 있다. 상이한 도면들의 더 나은 비교를 위해, 좌표계가 표시되어 있다. 이 경우, X 축은 35로, Y 축은 37로, 그리고 Z 축은 39로 표시되어 있다. 이 경우, Z 축(39)은 회전축(11)에 대해 평행하게 연장된다. 회전축에 대해 수직인 평면은 X 축(35) 및 Y 축(37)에 의해 형성된다. 이 경우, 자기 감응 부재(9)의 표면은 예컨대 X 축(35) 및 Y 축(37)에 의해 형성된 평면, 즉 XY 평면에 위치한다.
도 2에는, 자석(7)의 일 실시예가 횡단면 사시도로 도시되어 있다. 자석은 예컨대 페라이트 자석이다. 자석은 회전축(11)을 따라서 관찰할 때 자석 본체(9)를 포함하며, 이 자석 본체는 회전축(11)에 대해 횡방향인 평면, 즉 XY 평면에 제 1 외경(D1)을 갖는 제 1 섹션(80)을 포함한다. 제 1 섹션(80)은 원통형 부재로서 회전축(11)에 대해 회전 대칭으로 형성될 수 있다. 제 1 섹션(80)은 회전축(11)을 따라서, 다시 말하면 Z 방향(39)으로 제 1 높이(h1)를 갖는다.
제 1 섹션(80)에는 회전축(11)을 따라서 관찰할 때 제 2 섹션(82)이 이어지며, 이 제 2 섹션은 회전축(11)에 대해 횡방향인 평면에 제 2 외경(D2)을 갖고 회전축(11)을 따라서 관찰할 때 제 2 높이(h2)를 갖는다. 제 2 섹션(82)은 원통형으로 형성될 수 있다. 이 경우, 제 2 외경(D2)은 제 1 외경(D1)보다 더 작다. 달리 표현하면, 제 2 섹션(82)은 제 1 섹션(80)에 대해, 또는 자석 본체(8)에 대해 캠버(15)를 형성한다. 제 2 섹션은 자기 감응 부재(9)로 향해 있는 단부면(16)을 포함한다. 제 2 섹션(82)은 완전히 제 1 섹션(80)과 자기 감응 부재(9) 사이에 배치될 수 있다.
제 2 섹션(82)의 단부면(16) 상에 또는 내에 리세스(17)가 위치될 수 있으며, 이 리세스는 예컨대 제 2 섹션(82)에 대해 동심으로 제 2 섹션(82)의 내부 안쪽으로 돌출하고 리세스 직경(D3) 및 리세스 깊이(h3)를 갖는다. 리세스 직경(D3)은 리세스의 내경으로서 이해될 수 있다.
제 2 섹션의 단부면(16)과 자기 감응 부재(9) 사이에는 에어 갭(25)이 위치될 수 있다. 에어 갭(25)은 회전축(11)을 따라서 관찰할 때 0.5㎜ 내지 4㎜ 의 갭 폭, 바람직하게는 0.7㎜ 내지 2.2㎜ 의 갭 폭을 가질 수 있다.
리세스(17)는, 회전축(11)에 대해 평행하게 연장되는 벽들을 구비한 블라인드 홀의 유형으로 원통형으로 형성될 수 있다. 리세스(17)는 자신의 전체 깊이 연장부에 걸쳐서 Z 방향(39)을 따라서 동일한 리세스 직경(D3)을 가질 수 있다. 또한, 리세스(17)는 다른 형태, 예컨대 포물선의 형태를 가질 수 있다. 또한, 리세스(17)는 다단으로, 예컨대 회전축(11)에 대해 횡방향인 평면에서 감소하는 직경을 갖는 연속적인 블라인드 홀들의 유형으로 2단 또는 3단으로 형성될 수 있다. 이 경우, 리세스 깊이(h3)는 제 2 섹션(82)의 제 2 높이(h2)보다 더 작을 수 있으며, 그럼으로써 리세스(17)는 제 1 섹션(80) 또는 자석 본체(8) 안쪽으로 돌출하는 것이 아니라, 완전히 제 2 섹션(82) 내에 배치된다. 리세스 깊이(h3) 및 제 2 섹션(82)의 제 2 높이(h2)는, 자기 감응 부재(9)의 영역에서 각도 에러가 최소화되도록 설정된다. 특히 리세스(17)는 에어 갭(25)에 비해 작은 깊이를 가질 수 있다.
리세스(17)의 2단 또는 다단 형성을 통해, 에어 갭(25) 내에서 자계의 균일성이 더 개선될 수 있다.
예컨대 제 1 섹션(80)은 16㎜의 제 1 외경(D1) 및 2.5㎜의 제 1 높이(h1)를 갖는다. 제 2 섹션(82)은 예컨대 6.6㎜의 제 2 외경(D2) 및 0.5㎜ 내지 1.8㎜ 인 제 2 높이(h2)를 갖고 제 1 섹션(80)에 대해 동심으로 형성된다. 리세스(17)는 예컨대 2.25㎜ 내지 4㎜ 의 리세스 직경(D3) 및 0.3㎜ 내지 1.2㎜ 의 깊이(h3)를 갖고, 리세스 깊이(h3)는 제 2 높이(h2)보다 더 작을 수 있으며 에어 갭(25)의 갭 폭보다 더 작을 수 있다. 이런 기하구조에 의해, 자기 감응 부재의 작동 영역에서는, 자기 감응 부재(9)를 거의 수평으로 관통하는 매우 균일하고 충분히 강한 자계들이 달성된다. 이 경우, 작동 영역은 회전축을 따라서, 다시 말해 Z 방향(39)으로 약 0.7㎜ 내지 3㎜ 의 간격으로 연장될 수 있다. 작동 영역은 회전축(11)과 관련하여 XY 평면에서 회전축(11)으로부터 예컨대 1.25㎜의 방사 방향 간격까지 연장될 수 있으며, 이때 회전축(11)은 자석(7)의 중심을 통과하여 연장되는 것으로 가정한다.
도 2에 도시된 것처럼, 리세스(17)의 리세스 직경(D3)은 자기 감응 부재(9)의 직경(D4)보다 더 크다.
도 3에는, 도 1에 도시된 측정 장치(1)의 횡단면도가 도시되어 있다. 도 3에 도시된 것처럼, 자석(7)은 자석 홀더(31)에 의해 제 1 부품(3) 상에 고정될 수 있다. 이 경우, 자석 홀더(31)는 예컨대 자석 상에 사출 성형된 플라스틱일 수 있다. 자석 홀더(31) 내에 자석(7)을 더 확실하게 고정하기 위해, 제 1 섹션(8) 또는 자석 본체(8)의 제 1 외경(D1)의 둘레를 따라서 연장되는 방식으로, 자기 본체(8)로부터 방사 방향으로 돌출한 복수의 홀딩 부재(8a)가 배치될 수 있다. 플라스틱으로 자석(7)을 인서트 성형할 경우, 이런 방식으로, 자석(7)은 플라스틱 내에 더 확실하게 파지된다. 홀딩 부재들(8a)은 제 1 외경(D1)에 가산되지 않는다.
도 3에서 횡단면도의 배향은 도 1의 도면에 비해 회전되어 있다. 이 경우, 자석(7)은 바람직하게는 페라이트 자석으로서 형성된다. 페라이트 자석(7)의 기능은 자기 감응 부재(9)의 측정 영역에서 자계의 생성이다. 자석(7)과 자기 감응 부재(9) 사이에서 에어 갭 변동을 통한 최소 및 최대 허용 자계 강도는 자기 감응 부재(9)의 사양(specification)에 의해 주어진다. 이런 허용 자계 강도는 자석(7)의 기하학적 설계를 통해, 특히 자석의 직경 및 자석의 높이를 통해 달성된다.
자기 감응 부재(9)의 측정 영역에서 자계(13)의 불균일성에 의해 각도 에러가 야기될 수 있다. 최대 허용 각도 에러는 각각의 적용에 의해 주어진다. 자계(13)의 불균일성은 제 1 섹션(80) 상에 캠버(15)로서 형성된 제 2 섹션(82)의 제공에 의해 감소된다. 자기 감응 부재(9)의 위치에서 자계의 균일성 및 강도의 추가 개선은 자기 감응 부재(9)로 향해 있는 자석(7)의 면에 또는 상에 리세스(17)를 제공하는 것을 통해 달성될 수 있다. 이 경우, 리세스(17)는 제 2 섹션(82)의 단부면(16) 내에 또는 상에 함몰부로서 형성된다.
도 4a 및 도 4c에는, 회전축(11)과 자기 감응 부재(9)와의 2개의 상이한 측방향 간격에 대해 자석(7)과 자기 감응 부재(9) 사이의 밀리미터 단위의 에어 갭(25)의 폭에 따른 측정 장치(1)의 도 단위의 각도 에러가 도시되어 있다. 이 경우, X 축 상에는 밀리미터 단위의 에어 갭의 폭이 표시되어 있다. Y 축 상에는 도 단위의 각도 에러가 표시되어 있으며, X 축에 대해 평행한 파선은 0.8°에서 최대 허용 각도 에러를 지시한다.
도 4b 및 도 4d에는, 회전축(11)에 대해 횡방향으로 향하면서 내부에 자기 감응 부재(9)가 배치될 수 있는 2개의 상이한 크기의 위치 영역에 대한 에어 갭(25)의 폭의 함수로서 최대 자계 강도 및 최소 자계 강도가 각각 도시되어 있다. 회전축에 대해 횡방향으로 연장되는 위치 영역은 도 4a 및 도 4b에 대해, 그리고 도 4c와 도 4d에 대해 각각 동일하다. 최대 자계 강도의 곡선은 각각 (X 축 상에 도시된) 에어 갭(25)의 정해진 폭에 대해, 자기 감응 부재(9)가 전체 위치 영역의 내부에서 회전축(11)에 대해 횡방향으로 변위될 때 경험하는 최대 자계 강도 값을 나타낸다. 이와 반대로, 최소 자계 강도의 곡선은 위치 영역의 내부에서 회전축(11)에 대해 횡방향으로 자기 감응 부재(9)가 변위될 때의 최소값을 나타낸다. 이 경우, 회전축(11)에 대해 횡방향이면서 내부에서 자기 감응 부재(9)가 변위될 수 있는 측정 영역 또는 위치 영역은 도 4b에서보다 도 4d에서 더 크다. 그러므로 두 도면에서 최대 자계 강도들의 곡선은 대략 동일한 파형을 나타내는 반면, 최소 자계 강도들의 곡선은 두 도면에서 분명하게 서로 다른데, 그 이유는 자계 강도가 통상적으로 회전축(11)과 관련하여 위치 영역의 방사 방향의 바깥쪽 가장자리에서 감소하기 때문이다. X 축에 대해 평행하게 연장되는 2개의 실선은 자계의 강도에 대한 최소 허용 하한값 또는 최소 허용 상한값을 지시하며, 다시 말해 이 도면에서 상기 값들은 각각 약 25mT와 약 63mT이다.
도면들에서, 에어 갭 폭이 약 0.8㎜ 내지 약 1.2㎜ 인 조건에서 자석의 선택된 형태 기하구조의 경우, 자계의 강도 및 균일성은, 자기 감응 부재(9)가 회전축(11)으로부터 최대 1.25㎜까지 방사 방향에서 바깥쪽을 향해 변위될 때, 사양을 충족시킨다는 것이 확인된다. 도 4a 및 도 4c에는, 에어 갭 폭, 다시 말하면 자기 감응 부재(9)와 제 2 섹션(82)의 단부면(16) 사이의 간격이 약 1.6㎜일 경우, 각도 에러는 약 0.1°이며, 이와 동시에 상기 에어 갭 폭에서 자기 감응 부재(9)의 위치 영역 내부에서 최대 및 최소 자계 강도 값은 명시된 영역의 내부에서 중앙에 위치하는 것이 도시되어 있다.
도 5a 및 도 5b에는, 자석(7)의 상이한 형상들에서 에어 갭(25) 내 자석(7)의 자계(13) 또는 자계선들의 상이한 패턴들이 도시되어 있다. 이 경우, 도 5a에는, 캠버(15)로서 형성된 제 2 섹션(82)을 포함하지 않는 종래의 자석(7')이 도시되어 있다. 이런 종래의 자석(7')은 자석 본체(8)로만 구성된다. 도 5a의 상부 영역에는 종래의 자석(7')의 평면도가 도시되어 있다. 도 5a의 하부 영역에는 종래의 자석(7')의 횡단면도가 도시되어 있다. 이 경우, 자계선들(13')은 자기 감응 부재(9)의 측정 영역에서 평행하게 연장되지 않는다. 도 5b에는, 제 1 섹션(80)과 이 제 1 섹션(80)에 대해 캠버(15)로서 형성되어 제 1 섹션(80)에 이어지는 제 2 섹션(82)을 포함하는 자석(7)의 자계(13)의 자계선 패턴이 도시되어 있다. 제 2 섹션(82)은 리세스(17)를 포함한다. 상기 방식으로 선택된 자석(7)의 구조적 형상을 통해 자계(13)의 자계선들은 에어 갭(25) 내에서 또는 자기 감응 부재(9) 상에서 자기 감응 부재(9)의 표면에 대해 최대한 평행하게 연장되며, 그리고 해당 위치에서 15mT(밀리 테슬라) 내지 75mT 의 범위 내에 놓일 수 있고, 다른 실시예들에서는 최대 200mT이거나, 또는 심지어 최대 500mT인 충분한 자계 강도를 나타낸다.
마지막으로 덧붙일 사항은, "포함하는" 및 이와 유사한 표현들이 추가 부재들 또는 단계들이 제공될 수 있다는 것을 배제하지 않는다는 점이다. 또한, 주지할 사항은 "a" 또는 "an"이라는 표현이 복수 개를 배제하지 않는다는 점이다. 또한, 상이한 실시예들과 관련해서 설명되는 특징들은 임의로 서로 조합될 수 있다. 또한, 덧붙일 사항은, 청구범위 내의 도면부호들이 청구범위의 범위를 제한하는 것으로 해석되지 않아야 한다는 점이다.
1 측정 장치
3 제 1 부품
5 제 2 부품
7 자석
9 자기 감응 부재
11 회전축
13 자계
16 단부면
17 리세스
25 에어 갭
27 제어 시스템
29 조절 유닛
35 X 축
37 Y 축
39 Z 축
80 제 1 섹션
82 제 2 섹션
D1 제 1 외경, 제 1 직경
D2 제 2 외경
D3 리세스 직경
D4 자기 감응 부재의 직경
h1 제 1 높이
h2 제 2 높이
h3 리세스 깊이
h4 에어 갭의 폭
α 회전 각도

Claims (16)

  1. 회전 각도(α)의 비접촉식 검출을 위한 측정 장치(1)로서,
    상기 측정 장치(1)는
    자석(7)을 구비한 제 1 부품(3)과,
    자기 감응 부재(9)를 구비한 제 2 부품(5)을 포함하고,
    상기 제 1 부품(3)과 상기 제 2 부품(5)은 공통 회전축(11)을 중심으로 서로에 대해 회전 가능하게 장착되고,
    상기 자기 감응 부재(9)는 상기 자석(7)의 자계(13)에 따라서 상기 제 2 부품(5)과 관련한 상기 제 1 부품(3)의 회전 각도 값을 검출하도록 형성되고,
    상기 자석(7)은 상기 회전축(11)을 따라서 상기 회전축(11)에 대해 횡방향인 평면에 제 1 외경(D1)을 갖는 제 1 섹션(80)을 포함하며,
    상기 자석(7)은 상기 회전축(11)을 따라서 상기 회전축(11)에 대해 횡방향인 평면에 제 2 외경(D2)을 가지면서 상기 제 1 섹션(80)에 이어지되, 상기 제 1 섹션(80)으로부터 돌출되는 제 2 섹션(82)을 포함하며, 상기 제 2 섹션(82)은 상기 회전축(11)을 따라서 관찰할 때 상기 제 1 섹션(80)과 상기 자기 감응 부재(9) 사이에 위치하는, 측정 장치에 있어서,
    상기 제 1 외경(D1)은 상기 제 2 외경(D2)보다 더 크고,
    상기 자석은 단지 2개의 극을 가지고,
    상기 제 2 섹션(82)은 상기 자기 감응 부재(9)로 향해 있는 단부면(16)을 포함하고,
    상기 제 2 섹션(82)의 상기 단부면(16) 상에는 상기 제 2 섹션(82)의 내부 안쪽으로 연장되는 리세스(17)가 제공되는 것을 특징으로 하는 측정 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 섹션(80)은 상기 회전축(11)을 따라서 제 1 높이(h1)를 갖고, 상기 제 2 섹션(82)은 상기 회전축(11)을 따라서 제 2 높이(h2)를 가지며, 상기 제 2 높이(h2)는 상기 제 1 높이(h1)의 40% 내지 75% 인 것을 특징으로 하는 측정 장치.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 제 2 섹션(82)은 원통형으로 형성되고, 및/또는
    상기 제 2 섹션(82)은 상기 회전축(11)에 대해 동심으로 형성되는 것을 특징으로 하는 측정 장치.
  4. 삭제
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 리세스(17)의 리세스 깊이(h3)는 상기 제 2 섹션(82)의 제 2 높이(h2)의 15% 내지 75% 인 것을 특징으로 하는 측정 장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 리세스(17)는 상기 회전축(11)에 대해 횡방향인 평면에 리세스 직경(D3)을 갖고,
    상기 자기 감응 부재(9)는 상기 회전축(11)에 대해 횡방향인 평면에 직경(D4)을 가지며,
    상기 리세스 직경(D3)은 상기 자기 감응 부재(9)의 직경(D4)보다 더 큰 것을 특징으로 하는 측정 장치.
  7. 제 1 항 또는 제2항에 있어서,
    에어 갭(25)이 상기 자기 감응 부재(9)와 상기 자석 (7) 사이에 제공되고,
    상기 에어 갭(25)은 상기 회전축(11)을 따라서 관찰할 때 0.5㎜ 내지 4㎜ 의 폭(h4)을 갖는 것을 특징으로 하는 측정 장치.
  8. 제 1 항 또는 제2항에 있어서,
    상기 자석(7)은 상기 제 1 부품(3)과 회전 불가능하게 연결되고;
    상기 자기 감응 부재(9)는 상기 제 2 부품(5)과 회전 불가능하게 연결되고;
    상기 제 1 부품(3)은 로터로서, 그리고 상기 제 2 부품(5)은 스테이터로서 형성되거나; 또는
    상기 제 1 부품(3)은 스테이터로서, 그리고 상기 제 2 부품(5)은 로터로서 형성되는 것을 특징으로 하는 측정 장치.
  9. 자동차를 위한 제어 시스템(27)으로서, 상기 제어 시스템은
    조절 유닛(29);과
    제 1 항 또는 제 2 항에 따른 측정 장치(1)를 포함하고,
    상기 측정 장치(1)는 검출된 회전 각도 값을 상기 조절 유닛(29)으로 전송하도록 형성되며;
    상기 조절 유닛(29)은 검출된 회전 각도 값을 기반으로 회전 각도(α)를 재조절하도록 형성되는, 자동차용 제어 시스템.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 제어 시스템(27)은 스로틀 밸브 센서로서, 가속 페달 센서로서, 차체 편향 센서로서, 또는 윈드실드 와이퍼의 각도 센서로서 형성되는, 자동차용 제어 시스템.
  11. 제 1 항 또는 제2항에 따른 측정 장치(1)의 제조 방법으로서, 상기 제조 방법은
    ■ 제 1 부품(3)을 제공하는 단계와,
    ■ 자석(7)을 상기 제 1 부품(3)과 회전 불가능하게 연결하는 단계와,
    ■ 제 2 부품(5)을 제공하는 단계와,
    ■ 자기 감응 부재(9)를 상기 제 2 부품(5)과 회전 불가능하게 연결하는 단계와,
    ■ 상기 제 1 부품(3)과 상기 제 2 부품(5)이 서로에 대해 회전될 수 있는 방식으로 공통 회전축(11)을 중심으로 회전 가능하게 상기 제 1 부품(3) 및 상기 제 2 부품(5)을 장착하는 단계를 포함하고,
    상기 자기 감응 부재(9)는 상기 자석(7)의 자계(13)에 따라서 상기 제 2 부품(5)과 관련한 상기 제 1 부품(3)의 회전 각도 값을 검출하도록 형성되고,
    상기 자석(7)은 상기 회전축(11)을 따라서 상기 회전축(11)에 대해 횡방향인 평면에 제 1 외경(D1)을 갖는 제 1 섹션(80)을 포함하고,
    상기 자석(7)은 상기 회전축(11)을 따라서 상기 회전축(11)에 대해 횡방향인 평면에 제 2 외경(D2)을 가지면서 상기 제 1 섹션(80)에 이어지되, 상기 제 1 섹션(80)으로부터 돌출하는 제 2 섹션(82)을 포함하며, 상기 제 2 섹션(82)은 상기 회전축(11)을 따라서 관찰할 때 상기 제 1 섹션(80)과 상기 자기 감응 부재(9) 사이에 위치하는, 제조 방법에 있어서,
    상기 제 1 외경(D1)은 상기 제 2 외경(D2)보다 더 크고,
    상기 자석은 단지 2개의 극을 가지고,
    상기 제 2 섹션(82)은 상기 자기 감응 부재(9)로 향해 있는 단부면(16)을 포함하고,
    상기 제 2 섹션(82)의 상기 단부면(16) 상에는 상기 제 2 섹션(82)의 내부 안쪽으로 연장되는 리세스(17)가 제공되는 것을 특징으로 하는 제조 방법.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 외경(D2)은 상기 제 1 외경(D1)의 30% 내지 70% 인 것을 특징으로 하는 측정 장치.
  13. 제 2 항에 있어서,
    상기 제 2 높이(h2)는 상기 제 1 높이(h1)의 55% 내지 70% 인 것을 특징으로 하는 측정 장치.
  14. 제 5 항에 있어서,
    상기 리세스(17)의 리세스 깊이(h3)는 상기 제 2 섹션(82)의 제 2 높이(h2)의 35% 내지 70% 인 것을 특징으로 하는 측정 장치.
  15. 제 7 항에 있어서,
    상기 에어 갭(25)은 상기 회전축(11)을 따라서 관찰할 때 1.5㎜ 내지 3.2㎜ 의 폭(h4)을 갖는 것을 특징으로 하는 측정 장치.
  16. 제 11 항에 있어서,
    상기 제 2 외경(D2)은 상기 제 1 외경(D1)의 30% 내지 70% 인 것을 특징으로 하는 제조 방법.
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