KR102656404B1 - Gmr-센서에 대한 자석의 위치를 조정하기 위한 방법 및 장치 - Google Patents

Gmr-센서에 대한 자석의 위치를 조정하기 위한 방법 및 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 구동 유닛(14)의 회전자(17)에 고정된 자석(18)에 의해 생성되는 가변 자기장으로부터 평가 유닛(21)에 의해서 회전자의 위치를 추론하는 GMR-센서에 대한 자석의 위치를 조정하기 위한 방법에 관한 것이다. GMR-센서(20)의 고정밀 신호 출력이 가능한 이 방법에서는, 총합 벡터에 의해 정의된 평면에서 제2 자기장 센서에 의해 자기장 강도가 측정됨으로써, 자석에 의해 정의된 자기장의 자기 총합 벡터의 방향 및/또는 회전으로부터 GMR-센서의 최적의 작동 범위가 도출된다.

Description

GMR-센서에 대한 자석의 위치를 조정하기 위한 방법 및 장치
본 발명은, 구동 유닛의 회전자에 고정된 자석에 의해 생성되는 가변 자기장으로부터 평가 유닛에 의해서 회전자의 위치를 추론하는 GMR-센서에 대한 자석의 위치를 조정하기 위한 방법에 관한 것이다.
오늘날의 자동차, 특히 승용차에서는 자동화식 클러치의 사용이 증가하고 있다. 이 경우에 사용되는 클러치는, 순수 전기식으로 정류된 전기 모터에 의해 구동되는 전기 유압식 액추에이터가 유압 라인을 통해 클러치와 연결되는 유압식 클러치 시스템에서 사용된다. 정확한 정류를 위해, 전기 모터는, 액추에이터의 작동 동안 전기 모터의 위치를 검출하는 센서를 구비한다. 이와 같은 목적을 위해서는 멀티 턴 센서(multi-turn sensor)가 사용되어야만 하는데, 그 이유는 액추에이터의 이동 거리의 결정을 위해서는 1회 이상의 전기 모터의 회전이 필수적이기 때문이다. 이와 같은 멀티 턴 센서에는 GMR-센서도 포함된다. 이와 같은 GMR-센서를 사용하는 경우에는, 자기장이 항상 센서용으로 지정된 작동 범위 내에 있도록, 전기 모터의 자기 회로가 설계되어야만 한다. 그러나 이와 같은 사실은 GMR-센서 자체에서는 확인될 수 없다. GMR-센서의 최적의 작동 범위는 매우 좁게 형성된다. 자기장이 지나치게 약하면, 자석의 극 전이부가 더 이상 회전되지 않고, 이로써 센서가 미스카운트(miscount)를 하게 된다. 다시 말해, 자석이 움직이더라도, 1회전이 계수되지 않는다. 반대의 경우에, 자기장이 지나치게 강하면, 자석이 회전하지 않더라도, 극 전이가 발생하게 된다.
본 발명의 기초가 되는 과제는, GMR-센서의 최적의 작동 범위가 설정되는, GMR-센서에 대한 자석의 위치를 조정하기 위한 방법을 제공하는 것이다.
본 발명에 따라, 상기 과제는, 총합 벡터에 의해 정의된 평면에서 제2 자기장 센서에 의해 자기장 강도가 측정됨으로써, 자석에 의해 정의된 자기장의 자기 총합 벡터의 방향 및/또는 회전으로부터 GMR-센서의 최적의 작동 범위가 도출됨으로써 해결된다. 제2 자기장 센서에 의해 자기장 강도를 측정함으로써, 자석이 GMR-센서에 대해 최적인 작동 범위 내에 있는지의 여부가 간단히 확인될 수 있다.
바람직한 방식으로, 홀 효과 센서가 제2 자기장 센서로서 사용되며, 이 센서의 검출 영역은 회전자의 회전축에 대해 수직으로 정렬되어 있다. 이로 인해, 실제로 자기 총합 벡터에 의해 정의된 평면에서도 자계 강도가 신뢰할만하게 결정되도록 보장된다.
일 실시예에서, 제2 자기장 센서에 의한 자계 강도 측정에서는, GMR-센서의 자기장 강도의 최적의 작동 범위가 제2 자기장 센서에 의해 결정될 때까지, 회전자 상에 있는 자석이 조정된다. 이 경우, 측정될 물리적인 크기는 자속 밀도의 형태로 간단히 설정될 수 있으며, 근사치에 의해서만 자기장에 상응하게 되는 GMR-센서와 자석 사이의 기하학적인 거리의 결정이 생략될 수 있다. 따라서, 자석의 자계 강도 허용 오차는 고려될 필요가 없다.
일 실시예에서, GMR-센서에 대한 자석의 조정은 구동 요소의 제조의 라인 말미에서 실행된다. 라인 말미에서 이루어지는 이와 같은 1회 측정에 의해, 자석이 GMR-센서에 대하여 신뢰할만하게 위치 결정됨으로써, 결과적으로 GMR-센서는 항상 최적의 작동 범위에서 작동하게 된다.
본 발명의 일 개선예는, GMR-센서와 기능적으로 결합되어 있고 구동 유닛의 회전자 상에 배열된 자석을 포함하는, GMR-센서에 대한 자석의 위치를 조정하기 위한 장치와 관련이 있으며, 이 경우 GMR-센서는 평가 회로와 함께 지지 요소 상에 형성되어 있다. 자석에 의해 정의된 자기장이 항상 GMR-센서의 특정 작동 범위 내에 놓여 있도록 보장되는 장치에서는, 자석에 의해 발생된 가변 자기장의 자계 강도를 검출하기 위한 수직 홀 효과 센서가 평가 회로의 구성 부품이다. 상기 홀 효과 센서가 제조 공정에서 평가 회로와 함께 제조되기 때문에, 홀 효과 센서의 통합은 거의 추가 비용이 없는데, 그 이유는 상기 홀 효과 센서는 ASIC로서 형성된 평가 회로의 나머지 부분과 동일한 공정에서 제조될 수 있기 때문이다. 수직 홀 효과 센서의 사용에 의해서는, 상기 수직 홀 효과 센서가 실제로도 GMR-센서와 동일한 평면에서 활성화되도록 그리고 이로써 동일한 자계 강도 변경을 감지하도록 보장된다.
바람직한 방식으로, 수직 홀 효과 센서는 평가 회로의 반도체 층 내부에 형성되어 있다. 별도의 홀 효과 센서의 부착은 생략될 수 있다.
일 실시예에서, 수직 홀 효과 센서의 검출 영역은, 자기장의 자기 총합 벡터가 이동하는 평면에 대해 정렬되어 있다. 따라서, 홀 효과 센서는 항상 GMR-센서와 동일한 평면에서 정확하게 측정을 하게 되며, 이로 인해서는 발생하는 자기장 강도 또한 신뢰할만하게 결정되도록 보장되었다.
일 실시예에서는, GMR-센서가 멀티 턴 센서로서 형성되어 있다. 이와 같은 형성은, 전기 모터의 회전자의 다중 회전에서도 액추에이터의 이동에 대한 전기 모터의 위치가 확실하게 결정될 수 있다는 장점을 갖는다.
본 발명은 수많은 실시예들을 허용한다. 이들 실시예 중 하나가, 도면부에 도시된 도면을 참조하여 더욱 상세하게 설명된다.
도 1은 자동화식 마찰 클러치를 작동시키기 위한 클러치 작동 시스템의 간소화된 도면을 도시하며,
도 2는 전기 모터의 회전하는 구성 요소의 개략도를 도시하고,
도 3은 자기 인코더 링을 갖는 전기 모터의 회전자의 일 단면을 도시하며,
도 4는 GMR-센서의 개략도를 도시한다.
도 1에는, 자동화식 클러치를 위한 클러치 작동 시스템(1)이 간소화된 형태로 도시되어 있다. 클러치 작동 시스템(1)은 자동차의 구동 트레인 내에서 마찰 클러치(2)에 할당되어 있고, 마스터 실린더(3)를 포함하며, 이 마스터 실린더는 압력 라인으로서도 지칭되는 유압 라인(4)을 통해 슬레이브 실린더(5)와 연결되어 있다. 슬레이브 실린더(5) 내에서는, 슬레이브 피스톤(6)이 왕복으로 이동할 수 있으며, 슬레이브 피스톤은 작동 기관(7)을 통해 그리고 베어링(8)의 중간 접속하에서 마찰 클러치(2)를 작동시킨다. 마스터 실린더(3)는 연결 개구를 통해 보상 용기(9)와 연결될 수 있다. 마스터 실린더(3) 내에는, 마스터 피스톤(10)이 축 방향으로 이동 가능하게 장착되어 있다. 마스터 피스톤(10)으로부터 피스톤 로드(11)가 시작되며, 피스톤 로드는 마스터 실린더(3)의 길이 방향 연장부 내에서 마스터 피스톤(10)과 함께 병진 이동 가능하다. 마스터 실린더(3)의 피스톤 로드(11)는 나사 스핀들(12)을 통해 전동식 액추에이터(13)와 결합되어 있다. 전동식 액추에이터(13)는, 정류된 직류 모터로서 형성된 전기 모터(14) 및 평가 회로(15)를 포함한다. 나사 스핀들(12)은, 전기 모터(14)의 회전 운동을 피스톤 로드(11)의 세로 방향 운동으로 그리고 이로써 마스터 피스톤(10)의 세로 방향 운동으로 변환한다. 따라서, 마찰 클러치(2)는 전기 모터(14), 나사 스핀들(12), 마스터 실린더(3) 및 슬레이브 실린더(5)에 의해서 자동화식으로 작동된다. 전동식 액추에이터(13) 내에는 센서 시스템(16)이 통합되어 있다.
센서 시스템(16)을 갖는 전기 모터(14)의 회전 구성 요소의 개략도가 도 2에 도시되어 있다. 본 도면에서, 전동식 액추에이터(13)는 회전자(17)를 구비하며, 이 경우 회전자(17)로서는 전기 모터(14)의 샤프트가 고려된다. 센서 시스템(16)에 의해서는, 클러치(2)의 위치의 정확한 설정을 위해 전기 모터(14)의 회전자(17)의 각도 위치가 결정된다. 회전자(17)는 전면에 자석(18)을 갖는 한편, 자석(18)에 대향하는 기판(19) 상에는 센서 시스템(16)이 고정되어 있다. 센서 시스템(16)은 GMA-센서(20) 및 GMR-센서의 평가 회로(21)를 포함한다. GMR-센서는, 자기장 측정이 거대 자기 저항을 토대로 하는 효과에 기초하여 작동한다. 이와 같은 효과는, 구조물의 전기 저항이 자성 층의 자화의 상호 배향에 좌우되는 상황을 야기한다. 이와 같은 효과는, 동일한 방향의 자화에서보다 반대 방향의 자화에서 훨씬 더 높다.
도 3은, 전기 모터(14)의 회전자(17)의 일 단면을 보여주며, 회전자는 자신의 둘레에 자기 인코더 링(22)으로서 형성된 자석(18)을 구비한다. 이 경우, 자기 인코더 링(22)은 측정 바디를 나타내고, 360°에 걸쳐 분포된 상태로 나란히 배열된 사전 결정된 수의 자극(N 또는 S)을 포함한다. 자기 인코더 링(22)은 회전자(17)와 일체로 회전하도록 고정 연결되어 있는 한편, 자기 인코더 링(22)에 의해 생성된 자기장을 검출하는 센서 시스템(16)은, 자기 인코더 링(22)에 대향하도록 배열되어 있거나 더 상세히 설명되지 않는 전기 모터(14)의 고정자에 고정되어 있다.
센서 시스템(16)에 대한 평면도가 도시되어 있는 도 4로부터 드러나는 바와 같이, 센서 시스템(16)은 원칙적으로 2개의 구성 요소들, 즉 한 편으로는 GMR-센서(20)로서 이용되는 나선형 GMR-브리지와, 다른 한 편으로는 ASIC로서 형성된 평가 회로(21)로 구성되며, 평가 회로 내에서는 또한 GMR-센서(20)로부터 출력된 신호의 신호 컨디셔닝이 실행된다. 이들 2개의 구성 요소들(20, 21)이 하우징 내의 인쇄 회로 기판(19) 상에 있기 때문에, 2개 구성 요소들(20, 21) 간의 허용 오차는 매우 작다. 이와 같은 상황은, 이들 2개의 구성 요소들이 작동 중에 대략적으로, 일정한 델타를 갖는 동일한 자기장 또는 자기장들을 검출한다는 것을 의미하며, 상기 델타는 전기 모터(14)의 위치를 결정할 때에 제외될 수 있다.
평가 회로(21)의 반도체 토폴로지에는, 더 도시되지는 않는 수직 홀 효과 센서가 추가로 통합되어 있다. 예를 들어 "Allegro", "Micronas" 및 "Frauenhofer" 사의 수직 홀 효과 센서 또는 "Melexis" 사의 3D 홀로서 제공되는 바와 같은 상기 홀 효과 센서에 의해서는, 회전자(17)와 함께 회전하는 자기 인코더 링(22)에 의해 생성되는 자계 강도가 연속적으로 측정된다. 이와 같은 수직 홀 센서는, GMR-센서의 검출 영역과 동일한 검출 영역이며 그리고 자기장의 자기 총합 벡터의 방향 또는 회전이 변경되는 평면을 측정하는 검출 영역을 갖는다.
이제 GMR-센서(20)에 대하여 자기 인코더 링(22)을 신뢰할만하게 장착하기 위하여, 자기 인코더 링(22)은 클러치 작동 시스템을 제조하기 위한 라인 말미 공정에서 홀 효과 센서를 통해 이동되며, 이 경우 변경되는 자기장 강도는 홀 효과 센서에 의해서 연속으로 측정된다. 이 경우에는, 홀 효과 센서에 의해 측정된 자기장 강도가, 개별 GMR-센서(20)를 위해 지정된 자기장 강도와 비교된다. GMR-센서(20)를 위해 지정된 자기장 강도는, 예를 들어 15 mT 내지 35 mT의 범위 내에 또는 20 mT 내지 40 mT의 범위 내에 놓일 수 있다. 자기 인코더 링(22)이, 홀 효과 센서의 디스플레이된 자계 강도가 GMR-센서(20)의 상기 지정된 범위 내에 놓여 있는 위치에 도달했다면, GMR-센서(20)가 자신에게 고유한 지정된 작동 범위 내에서 작동될 수 있는 것으로 가정된다.
상기와 같은 해결책으로 인해서는, 자기 인코더 링(22) 및 GMR-센서(20)의 조립시에 자석의 구조적인 그리고 기하학적인 허용 오차를 고려할 필요가 없어지는데, 그 이유는 GMR-센서(20)가 자신의 최적의 작동점에 있는 경우를 홀 효과 센서가 정확하게 지시해주기 때문이다.
1: 클러치 작동 시스템
2: 마찰 클러치
3: 마스터 실린더
4: 유압 라인
5: 슬레이브 실린더
6: 슬레이브 피스톤
7: 작동 기관
8: 베어링
9: 보상 용기
10: 마스터 피스톤
11: 피스톤 로드
12: 나사 스핀들
13: 액추에이터
14: 전기 모터
15: 평가 회로
16: 센서 시스템
17: 회전자
18: 자석
19: 기판
20: GMR-센서
21: 평가 회로
22: 자기 인코더 링

Claims (9)

  1. 구동 유닛(14)의 회전자(17)에 고정된 자석(18)에 의해 생성되는 가변 자기장으로부터 평가 유닛(21)에 의해서 회전자(17)의 위치를 추론하는 GMR-센서에 대한 자석의 위치를 조정하기 위한 방법에 있어서,
    총합 벡터에 의해 정의된 평면에서 제2 자기장 센서에 의해 회전자(17)에 고정된 자석(18)에 의해 생성되는 자기장 강도가 측정되고, 제2 자기장 센서에 의해 측정된 자기장 강도가 GMR-센서(20)를 위해 지정된 자기장 강도와 비교되고, 제2 자기장 센서에 의해 측정된 자기장 강도가 GMR-센서(20)를 위해 지정된 자기장 강도의 범위 내에 놓여 있는 위치에 도달했다면, GMR-센서(20)가 최적의 작동 범위 내에서 작동되는 것으로 결정됨으로써, 자석(18)에 의해 정의된 자기장의 자기 총합 벡터의 방향 및 회전 중 하나 이상으로부터 GMR-센서(20)의 최적의 작동 범위가 도출되는 것을 특징으로 하는, GMR-센서에 대한 자석의 위치를 조정하기 위한 방법.
  2. 제1항에 있어서, 제2 자기장 센서로서 홀 효과 센서가 사용되며, 상기 홀 효과 센서의 검출 영역은 회전자(17)의 회전축에 대해 수직으로 정렬되어 있는 것을 특징으로 하는, GMR-센서에 대한 자석의 위치를 조정하기 위한 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 제2 자기장 센서에 의한 자계 강도 측정에서는, GMR-센서(20)의 자기장 강도의 최적의 작동 범위가 제2 자기장 센서에 의해 결정될 때까지, 회전자(17) 상에 있는 자석(18)이 조정되는 것을 특징으로 하는, GMR-센서에 대한 자석의 위치를 조정하기 위한 방법.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 최적의 작동 범위는 GMR-센서(20)가 설계된 자계 강도 범위를 참조해서 결정되는 것을 특징으로 하는, GMR-센서에 대한 자석의 위치를 조정하기 위한 방법.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서, GMR-센서(20)에 대한 자석(18)의 조정은 구동 요소(14)의 제조의 라인 말미에서 실행되는 것을 특징으로 하는, GMR-센서에 대한 자석의 위치를 조정하기 위한 방법.
  6. GMR-센서(20)와 기능적으로 결합되어 있고 구동 유닛(14)의 회전자(17) 상에 배열되는 자석(18)을 포함하는, GMR-센서에 대한 자석의 위치를 조정하기 위한 장치이며, GMR-센서(20)는 평가 회로(21)와 함께 지지 플레이트(19) 상에 형성되어 있는, GMR-센서에 대한 자석의 위치를 조정하기 위한 장치에 있어서,
    자석(18)에 의해 발생된 가변 자기장의 자계 강도를 검출하기 위한 수직 홀 효과 센서가 평가 회로(21)의 구성 부품인 것을 특징으로 하는, GMR-센서에 대한 자석의 위치를 조정하기 위한 장치.
  7. 제6항에 있어서, 수직 홀 효과 센서는 평가 회로(21)의 반도체 층 내부에 형성되어 있는 것을 특징으로 하는, GMR-센서에 대한 자석의 위치를 조정하기 위한 장치.
  8. 제6항 또는 제7항에 있어서, 상기 홀 효과 센서의 검출 영역은, 자기장의 자기 총합 벡터가 이동하는 평면에 대해 정렬되어 있는 것을 특징으로 하는, GMR-센서에 대한 자석의 위치를 조정하기 위한 장치.
  9. 제6항 또는 제7항에 있어서, GMR-센서(20)는 멀티 턴 센서(multi-turn sensor)로서 형성되어 있는 것을 특징으로 하는, GMR-센서에 대한 자석의 위치를 조정하기 위한 장치.
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