KR20050063189A - 홀효과를 이용한 쓰로틀 포지션 센서 - Google Patents

Abstract

본 발명은 홀효과를 이용한 쓰로틀 포지션 센서에 관한 것으로서, 자기장의 방향에 직각으로 반도체 소자에 전류를 인가시킬 경우, 자기장 및 전류 흐름 방향에 직각 방향으로 기전력이 발생하는 홀효과를 이용하되, 쓰로틀 축의 회전에 의해 왕복 직선운동하는 이동 자석과, 고정 자석, 그리고 상기 이동 자석 및 고정 자석 사이에 설치되는 반도체 소자와, 이 반도체 소자에 배터리 전류가 인가되도록 회로 구성된 인쇄회로기판을 포함하는 구성으로 하여 비접촉 방식으로 상기 전기장에 의한 저항값 변화를 검출함으로써, 기존의 접촉 저항 변화에 의한 이상 신호의 발생을 원천적으로 방지함은 물론, 저항체 삭제 및 납땜 공정의 삭제로 인하여 원가절감을 도모할 수 있는 홀효과를 이용한 쓰로틀 포지션 센서에 관한 것이다.

Description

홀효과를 이용한 쓰로틀 포지션 센서{Throttle position sensor by hall effect}

본 발명은 홀효과를 이용한 쓰로틀 포지션 센서에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 자기장의 방향에 직각으로 반도체 소자에 전류를 인가시킬 경우, 자기장 및 전류 흐름 방향에 직각 방향으로 기전력이 발생되는 홀효과를 이용하되, 비접촉 방식으로 상기 전기장에 의한 저항값 변화를 검출함으로써, 기존의 접촉 저항 변화에 의한 신호이상이 발생하지 않음은 물론, 저항체 삭제 및 납땜 공정의 삭제로 인하여 원가절감을 도모할 수 있는 홀효과를 이용한 쓰로틀 포지션 센서에 관한 것이다.

일반적으로, 차량의 가속 또는 감속을 위해 공기량을 조절하는 쓰로틀 밸브의 열림각은 쓰로틀 레버가 회전하면서 조절하게 되는 바, 이러한 쓰로틀 레버는 가속 페달을 통해 가속 레버(accelerator lever)가 쓰로틀 레버에 연결되어 쓰로틀 레버 스프링에 의해 제어되면서 운전자의 의지에 따라 가속 페달을 밟게 될 경우, 상기 쓰로틀 레버가 회전되어 쓰로틀 밸브가 열리게 된다.

그리고, 가속 페달에서 발을 뗄 경우, 상기 쓰로틀 레버 스프링의 복원력에 의해 쓰로틀 레버가 복귀되면서 쓰로틀 밸브를 닫게되는 것이다.

상기 쓰로틀 레버 스프링은 가속 페달에서 발을 뗄 경우, 쓰로틀 레버가 회전하여 곧바로 쓰로틀 밸브가 닫히게 만드는 중요한 기능을 하게 되는데, 이때 상기 쓰로틀 밸브가 장착되는 쓰로틀 축에는 엔진 가속시 연료 보정을 지시하여 최적의 점화 타이밍을 결정하는 쓰로틀 포지션 센서(Throttle Position Sensor:TPS)가 장착된다.

이러한 기능을 갖는 상기 쓰로틀 포지션 센서는, 쓰로틀 축과 연동하게 되어 저항체에 접촉되어 있는 회전브러쉬가 회전하면서 가속시의 쓰로틀 밸브 개도의 변화에 따른 출력값을 저항값 변화로서 검출하는 가변 저항기이다.

그런데, 종래의 쓰로틀 포지션 센서는 상기 저항체에 접촉하는 회전브러쉬의 접촉 불량에 의해 저항 변화가 발생하게 되어 엔진 이상이 발생하게 될 뿐만 아니라, 각종 납땜에 의해 구성되어진 부품들의 납땜 불량으로 인하여 오신호가 발생하게 되는 문제점이 있다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 발명한 것으로서, 자기장의 방향에 직각으로 반도체 소자에 전류를 인가시킬 경우, 자기장 및 전류 흐름 방향에 직각 방향으로 기전력이 발생하는 홀효과를 이용하되, 쓰로틀 축의 회전에 의해 왕복 직선운동하는 이동 자석과, 고정 자석, 그리고 상기 이동 자석 및 고정 자석 사이에 설치되는 반도체 소자와, 이 반도체 소자에 배터리 전류가 인가되도록 회로 구성된 인쇄회로기판을 포함하는 구성으로 하여 비접촉 방식으로 상기 전기장에 의한 저항값 변화를 검출함으로써, 기존의 접촉 저항 변화에 의한 이상 신호의 발생을 원천적으로 방지함은 물론, 저항체 삭제 및 납땜 공정의 삭제로 인하여 원가절감을 도모할 수 있는 홀효과를 이용한 쓰로틀 포지션 센서를 제공하는데 그 목적이 있다.

이하, 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 대해 설명하면 다음과 같다.

본 발명에 따른 홀효과를 이용한 쓰로틀 포지션 센서는, 하우징(11)과, 쓰로틀 축(20)의 회전에 의해 왕복 직선운동하여 자기장의 자속 크기를 변화시키는 이동 자석(12)과, 상기 이동 자석(12)과 동일선상에 인접하게 장착되어 있는 고정 자석(13)과, 상기 이동 자석(12) 및 고정 자석(13) 사이에 장착되어 홀효과에 의한 기전력이 형성되도록 하는 반도체 소자(14)와, 상기 반도체 소자(14)에 자동차 배터리의 전류를 인가시킬 수 있도록 회로 구성된 인쇄회로기판(15)을 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.

특히, 상기 이동 자석(12)은 쓰로틀 축(20)의 일단에 형성된 피니언기어(16)의 구동을 통해 그것의 일측에 치합 형성된 랙기어(17)가 구동되어 작동하는 것을 특징으로 한다.

상기 인쇄회로기판(15)에는 배터리와 연결되는 배터리 단자(15a)와, ECU와 연결되는 전압발생 단자(15b)와, 접지 단자(15c)가 구비된 것을 특징으로 한다.

이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 구성에 대해 상세하게 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명에 따른 홀효과의 기본원리를 나타내는 도면이고, 도 2는 본 발명에 따른 홀효과를 이용한 쓰로틀 포지션 센서를 나타내는 개략도이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 바람직한 구현예는 홀효과(Hall effect)를 이용하여 비접촉 방식으로 전압을 발생시키는 바, 여기서 이용되는 원리인 홀효과에 대하여 간략하게 설명하자면, 반도체 소자(14)에 공급전류를 인가시키고, 상기 공급전류에 직각인 방향으로 자속을 가하게 되면, 상기 반도체 소자(14) 내의 전자는 공급전류와 자속 방향에 직각방향으로 편향되어 A2층으로부터 A1층으로 이동하므로 전류는 A1층에서 A2층으로 이동하게 되고, 그로 인하여 홀전압(Uh)이 발생하게 되는 것이다.

여기서, Uh: 홀전압, Rh: 홀상수, Iv: 공급전류, B:자속, d: 반도체 소자의 두께를 나타낸다.

이러한 기본 원리를 이용하여 엔진 가속시 연료의 보정을 지시하는 쓰로틀 포지션 센서(10)는 쓰로틀 밸브(21)의 개폐 작동을 구현시키는 쓰로틀 축(20)의 일측에 장착되어 있는 바, 상기 쓰로틀 축(20)의 회전 작동시 센싱 작동되도록 되어 있다.

여기서, 상기 쓰로틀 포지션 센서(10)의 구성은 도 2에 도시된 바와 같이, 하우징(11)과, 쓰로틀 축(20)의 회전에 의해 왕복 직선운동하여 자속의 크기를 변화시키는 이동 자석(12)과, 상기 이동 자석(12)과 동일선상에 인접하게 장착되어 있는 고정 자석(13)과, 상기 이동 자석(12) 및 고정 자석(13) 사이에 장착되어 홀효과에 의한 기전력이 형성되도록 하는 반도체 소자(14)와, 상기 반도체 소자(14)에 자동차 배터리의 전류를 인가시킬 수 있도록 회로 구성된 인쇄회로기판(PCB)(15)을 포함하여 구성되어 있다.

이때, 위와 같은 구성은 쓰로틀 포지션 센서(10)의 하우징(11) 내에 장착되어 있으며, 왕복 직선운동하는 상기 이동 자석(12)과 하우징(11)의 접촉부위에는 베어링(18)이 장착되어 있다.

또한, 상기 인쇄회로기판(15)에는 자동차 배터리와 연결되는 배터리 단자(15a)와, ECU와 연결되는 전압발생 단자(15b), 그리고 접지 단자(GND)(15c)가 구비되어 있으며, 상기 단자(15a,15b,15c)들은 하우징(11) 외측에 형성되어 인터페이스(미도시)와 연결 가능하도록 되어 있다.

이와 같이 구성된 본 발명의 바람직한 구현예에서, 상기 이동 자석(12)을 구동시키는 구동력은 쓰로틀 축(20)의 회전 작동에 의해 가능한데, 이때 이동 자석(12)은 쓰로틀 축(20)의 일단에 장착된 피니언기어(16)와 치합되어 상기 피니언 기어의 회전을 통해, 왕복 직선운동하는 랙기어(17)를 일측에 구비하고 있어 상기 랙기어(17)와 함께 왕복 직선운동이 가능하도록 되어 있다.

따라서, 상기 이동 자석(12)은 운전자가 가속 페달을 밟을 경우, 쓰로틀 축(20)이 회전하게 되고, 그 회전 작동에 따라 직선운동하여 고정 자석(13)에 근접하게 된다.

이러한 이동 자석(12)이 고정 자석(13)에 근접하게 되면, 이동 자석(12) 및 고정 자석(13) 사이의 자기의 세기는 증가하고(수학식 1의 B값 증가), 반도체 소자(14) 내의 전자는 전류(Iv)와 자기장 방향에 직각 방향으로 편향되어 이동하게 되는 동시에, 전류는 반대 방향으로 이동하게 되므로, 그로 인하여 전압의 발생량도 증가하게 된다. [수학식 1 참조]

상기 전압은 홀효과에 의해 발생하게 되어 홀전압(Uh)이라고 하며, 이러한 홀전압의 세기는 ECU에 입력되어 엔진 가속시 연료의 보정을 지시하게 된다.

한편, 가속 페달에서 발을 뗄 경우, 쓰로틀 레버 스프링(미도시)의 탄성력에 의해 쓰로틀 축(20)의 회전이 역방향으로 복귀하게 되고, 그로 인하여 이동 자석(12)이 원상태로 복귀하게 된다.

이는 상기 이동 자석(12)과 고정 자석(13)과의 간격을 멀게 하여 자기의 세기는 감소하므로 반도체 소자(14)에 발생하는 전압의 세기는 작게 되어 쓰로틀 포지션 센서(10)의 작동은 멈추게 된다.

한편, 상기 홀전압(Uh)은 홀상수(Rh), 공급전류(Iv), 자속밀도(B)에 비례하나, 반도체 소자(14)의 폭(d)에는 반비례하므로, 상기 반도체 소자(14)의 폭을 작게 형성할수록 전압의 세기가 커지게 되는 것은 물론이다.

이때, 상기 반도체 소자(14)에는 전류가 계속적으로 흐르게 되는데, 이는 자동차 배터리의 전원에서 인가된 전류에 의해 가능하며, 인쇄회로기판(15)에 전류인가회로가 구성되어 지속적으로 반도체 소자(14)에 전류를 인가하도록 되어 있다.

따라서, 이와 같은 홀효과를 이용한 쓰로틀 포지션 센서는 기존의 접촉 방식으로 이루어진 저항체 및 회전브러쉬와 같은 센싱수단을 배제하고, 대신에 자기장 및 전기장에 의한 비접촉 방식으로 변환하여 접촉 불량에 의한 저항 변화의 발생을 원천전으로 방지 가능할 뿐만 아니라, 각종 납땜에 의해 구성되는 부품들의 납땜 불량에 의한 오신호 발생을 방지할 수 있도록 하여 정확한 연료 보정을 구현할 수 있는 새로운 개념의 쓰로틀 포지션 센서(10)인 것이다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 홀효과를 이용한 쓰로틀 포지션 센서에 의하면, 기존의 접촉 저항 변화에 의한 이상 신호의 발생을 원천적으로 방지함은 물론, 저항체 삭제 및 납땜 공정의 삭제로 인하여 원가절감을 도모할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 따른 홀효과의 기본원리를 나타내는 도면,

도 2는 본 발명에 따른 홀효과를 이용한 쓰로틀 포지션 센서를 나타내는 개략도이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10 : 쓰로틀 포지션 센서 11 : 하우징

12 : 이동 자석 13 : 고정 자석

14 : 반도체 소자 15 : 인쇄회로기판(PCB)

16 : 피니언기어 17 : 랙기어

18 : 베어링 20 : 쓰로틀 축

21 : 쓰로틀 밸브

Claims (3)

1. 하우징(11)과, 쓰로틀 축(20)의 회전에 의해 왕복 직선운동하는 이동 자석(12)과, 상기 이동 자석(12)과 동일선상에 인접하게 장착되어 있는 고정 자석(13)과, 상기 이동 자석(12) 및 고정 자석(13) 사이에 장착되어 홀효과에 의한 전기장이 형성되도록 하는 반도체 소자(14)와, 상기 반도체 소자(14)에 자동차 배터리의 전류를 인가시킬 수 있도록 회로 구성된 인쇄회로기판(15)을 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 홀효과를 이용한 쓰로틀 포지션 센서.
2. 청구항 1에 있어서, 상기 이동 자석(12)은 쓰로틀 축(20)의 일단에 형성된 피니언기어(16)의 구동을 통해 그것의 일측에 치합 형성된 랙기어(17)가 구동되어 작동하는 것을 특징으로 하는 홀효과를 이용한 쓰로틀 포지션 센서.
3. 청구항 1에 있어서, 상기 인쇄회로기판(15)에는 배터리와 연결되는 배터리 단자(15a)와, ECU와 연결되는 전압발생 단자(15b)와, 접지 단자(15c)가 구비된 것을 특징으로 하는 홀효과를 이용한 쓰로틀 포지션 센서.