KR20070012368A - 회전하는 아암 상의 부표에 부착된 회전하는 각도 센서를사용한 연료 레벨 센서 - Google Patents

Abstract

부표에 부착하기 위한 아암에 연결된 자기 위치센서를 갖고, 자기 위치센서가 고정자와 가동부를 구비하며, 고정자가 갭 내부의 자기유도의 변화를 측정하기 위한 자기검출 프로브를 포함하는 공기 갭의 경계를 이루는 2개의 연자성 부품들을 갖고, 가동부가 고정자의 자기 부품들에 평행하게 변위가능한 연자성 재료로 이루어진 요크와 고정자에 대향하여 요크 내부의 홈에 일부가 매립된 자석을 구비하며, 자석의 자극들이 고정자에 대한 가동부의 이동 방향에 수직하게 편극된 연료 레벨 센서가 제공된다.

연료 레벨 센서, 각도 센서, 자기 위치센서, 고정자, 가동부, 요크, 매립 자석

Description

회전하는 아암 상의 부표에 부착된 회전하는 각도 센서를 사용한 연료 레벨 센서{FUEL LEVEL SENSOR USING ROTATING ANGLE SENSOR ATTACHED TO FLOAT ON TOTATING ARM}

본 발명은 연료 레벨 센서에 관한 것이다.

본 명세서에 포함되는 발명내용을 갖는 US-A-6593734에는, 고정자와 가동부를 갖는 자기 위치센서가 개시되어 있다. 고정자는, 갭 내부의 자기유도의 변동을 측정하기 위해, 자기검출 프로브, 예를 들면 홀 효과 센서를 포함하는 공기 갭의 경계를 이루는 2개의 연자성 부품들을 갖는다. 가동부는, 고정자의 상기 자기 부품들에 평행하게 변위가능한 연자성 재료로 이루어진 요크와, 이 요크에 일부가 매립된 자석을 구비한다. 자석의 자극들은 고정자의 상기한 부품들에 평행하다. 고정자에 대한 자석의 이동은 공기 갭 내부의 자기장을 변화시켜, 자기검출 프로브가 고정자에 대한 자석의 위치를 표시하는 신호를 발생한다.

현재 사용되고 있는 대부분의 연료 레벨 센서는, 피벗을 중심으로 회전하는 아암에 의해 전기 저항성 스트립을 따라 움직이는 도전성 와이퍼에 연결된 부표(float)를 이용한다. 이것은 센서의 저항이 와이퍼의 이동에 따라 변하게 한다. 스트립을 통한 전류의 변화는 연료 레벨의 변동을 표시한다. 이들 센서는 연료 펌프를 포함하는 조립체에 부착되는 경우가 많은 연료 탱크 내부에서 동작한다. 와이 퍼와 저항성 스트립은 연료에 노출된다. 연료 레벨 센서는 장시간 동안 신뢰할 수 있게 동작할 것으로 기대된다. 그러나, 스트립은 와이퍼에 의해 계속 마찰되고, 일부의 연료는 부식성을 가지며, 더 깨끗한 연료일수록 마모를 악화시키는 것으로 밝혀졌다. 또한, 와이퍼의 접촉 부위를 깨끗하게 만들고 센서 위에 연료에 의해 퇴적된 막들을 태워 없애기 위해, 수십 밀리 암페어 동작 전류가 사용되는 일이 많다.

본 발명은, 부표에 부착하기 위한 아암에 연결된 자기 위치센서를 갖고, 상기 자기 위치센서가 고정자와 가동부를 구비하며, 상기 고정자가 갭 내부의 자기유도의 변화를 측정하기 위한 자기검출 프로브(magnetosensitive probe)를 포함하는 상기 공기 갭의 경계를 이루는 2개의 연자성 부품들을 갖고, 상기 가동부가 상기 고정자의 자기 부품들에 평행하게 변위가능한 연자성 재료로 이루어진 요크와 상기 요크에 체결된 자석을 구비하며, 상기 자석의 자극들이 상기 고정자에 대한 상기 가동부의 이동 방향에 수직하게 편극된 것을 특징으로 하는 연료 레벨 센서를 제공한다.

바람직하게는, 자석의 자극들이 고정자의 부품들에 대해 평행하다. 고정자에 대한 자석의 운동은 공기 갭 내부의 자기장을 변화시켜, 자기검출 프로브가 고정자에 대한 자석의 위치를 표시하는 신호를 발생한다.

바람직하게는, 상기한 자석은 요크 내부의 홈 내부에 일부가 매립된다.

이와 같은 자기 위치센서는 서로 접촉하지 않는 고정자와 가동부를 가지므로, 2개의 부품들의 마찰로 인한 마모를 방지한다. 자기검출 프로브, 예를 들어 홀 효과 센서를 갖는 자기센서의 사용은 전류 소모를 줄인다. 연료에 의해 퇴적된 막 들을 태워 없애거나 와이퍼 접촉부들을 깨끗하게 유지하기 위해 전류를 공급할 필요가 없으므로, 전류 소모가 더욱 줄어든다.

연료 탱크 내에 조립을 용이하게 하기 위해 연료 펌프에 근접하여 연료 레벨 센서들이 배치되는 일이 많다. 펌프 모터 자기장 또는 철을 함유하는 케이스 또는 지지체들의 근접으로 인해 발생되는 자기장들에 대한 강인한 면역성을 제공하는 것이 본 발명의 일 특징부이다. 이들 자기장은 다른 검출 기술, 예를 들면 자속 방향 검출에 더욱 쉽게 의존하여 추가적인 자기 차폐를 필요로 할 수 있는 기술에 영향을 미칠 수도 있다.

일 실시예에서, 자기검출 프로브는 홀 효과 센서이다. 본 바람직한 실시예에서는, 홀 효과 센서가 산술회로와 약간의 메모리를 더 갖는 집적회로(IC)의 일부이다.

IC는 기계적인 에어를 줄이기 위한 최소 및 최대 출력을 설정하도록 사전에 프로그래밍될 수도 있다.

일 실시예에서, IC는 연료 레벨을 표시하기 위한 신호전달 리드로서의 역할을 하는 2개의 전원 리드를 갖는다. IC는, 자기 위치센서에서 발생된 위치 신호를, 전원 전류의 변조신호로서, 예를 들어 한가지 레벨에 대해서는 5mA이고 나머지 레벨에 대해서는 10mA인 이진의 펄스코드 변조된 신호로 변환한다.

최근의 차량은 계기들 및 엔진 관리용의 적어도 1개의 컴퓨터를 갖는다. 본 발명의 일 실시예에서는, 차량의 컴퓨터가 연료 레벨 센서에서 발생된 연료 레벨 신호를 연료 탱크의 형상을 고려한 계기 수치로 변환한다. 이와 달리, 홀 센서가 일부를 구성하는 IC는 연료 탱크의 형상에 맞도록 연료 레벨 센서의 출력을 교정하는 수단을 구비할 수도 있다. 이와 같은 수단은, 임의의 연료 탱크의 형상에 따라 프로그래밍될 수 있는 프로그래머블 소자, 예를 들어 룩업표일 수도 있다. 이에 따르면, (프로그래밍 이외에) 다양한 연료 탱크를 위해 다양한 센서들을 설계할 필요성이 없어진다.

또한, IC는 기타 정보, 예를 들면 고장 표시 및/또는 부품 식별을 제공할 수도 있다. IC는, 기타의 신호처리, 예를 들면 온도 보상을 제공할 수도 있다.

연료 레벨 센서의 일 실시예는, 연료에 완전히 침지될 수 있는, 하우징이나 캡슐에 싸인 위치센서를 적어도 갖는다. 적어도 위치센서는 적절한 캡슐 재료로 캡슐화될 수도 있다. 적절한 캡슐 재료의 일례로는 비닐 에스터 수지를 들 수 있다.

또한, 본 발명은 상기한 연료 레벨 센서를 구비한 연료 탱크를 제공한다. 더구나, 본 발명은 상기한 연료 레벨 센서를 구비한 차량을 제공한다.

이하에서, 본 발명의 이해를 돕기 위해, 다음의 첨부도면을 참조한다:

도 1은 자기 위치센서의 개략도이고,

도 2는 도 1에 도시된 것과 같은 센서를 포함하는 차량 연료 센서의 개략도이며,

도 3은 도 2에 도시된 연료 레벨 센서의 블록도이다.

도 1의 센서는, 고정된 고정자(1)와, 전달된 신호가 큰 선형성을 갖는 구간 인 유용한 스트로크(stroke) Xc를 가지면서, OX 방향으로 이동할 수 있는 부품을 구비한다.

고정자는 환형 4분원(quadrant)들의 형태를 갖는 연자성 재료로 이루어진 2개의 고정자 부품들(3, 4)을 구비한다. 가동부(2)는 반환형(semiannular) 형상의 연철제 요크(5)를 갖는다. 고정자 부품들(3, 4)과 요크(5)는 그들 사이에 주 공기 갭(7)의 경계를 형성한다. 요크(5)는, 공기 갭(7)에 수직하게, 즉 본 경우에는 반경 방향으로 자화된 자석(8)이 내부에 수납된 홈(6)을 갖는다.

고정자는 길이 F를 갖는 보조 공기 갭(9)에 의해 이격된 2개의 강자성 부품들(3, 4)을 가지며, 이 공기 갭 내부에는 자기검출 프로브(10)가 배치된다. 이들 2개의 고정자 부품들(3, 4)은, 예를 들면, 황동으로 제조된 비자성 부품들에 의해 체결되며, 동일한 원통형 표면에서 정렬되는데, 이 원통의 축은 가동부의 회전축에 해당한다.

스트로크 Xc는 자화된 부분의 평균 반경 Rm에 걸쳐 가동부가 움직인 각방향의 호의 폭이다. 자석의 스트로크는 보조 공기 갭의 중심에 대해 ±Xc/2만큼 뻗으며, 이 스트로크 내에서 저기검출 프로브가 주 공기 갭에 수직하게 배치된다.

가동부(2)는 연자성 재료로 이루어진 요크(5)와 이 요크(5) 내부에 일부가 매립된 영구 자석(8)을 구비한다. 자석(8)은 반경 방향으로, 즉 OX에 수직하게 편극된다. 가동부는 OX에 수직하게 측정된 일정한 최소 거리 Yo에서 고정자 부품들(3, 4)에 평행하게 변위된다.

L이 편극 방향으로의 자석(8)의 두께일 때, 영구 자석(8)은, 0.1 L<e<0.9 L 이 되는 깊이 e에서 고정자 부품들(3, 4)의 측에서 가동 요크(5)의 거의 중심에 놓인 홈에 일부가 매립된다. 깊니 e는 센서의 특성을 최적화하도록 정해진다.

영구 자석(8)은 일정한 최소 거리 E-L에서 고정자 부품들(3, 4)에 평행하게 요크(5)와 함께 이동하는데, 이때 E는 OX에 수직하게 측정했을 때 고정자 부품들과 홈의 저면 사이의 거리이다. 요크(5)는 E-L보다 큰 Yo=E-e에 해당하는 고정자로부터의 최소 거리에 놓인다.

전체 스트로크 Xc에 걸쳐 큰 선형성을 갖는 신호를 얻기 위해서는, 자석(8)의 평균 반경 Rm에 걸쳐 측정된 고정자 부품들(3, 4)의 폭 Xs가, Xc보다 크거나 Xc와 같으며, 바람직하게는 Xc+2E'과 같은데, 이때 E'은 e/4 내지 E의 범위를 갖는다.

바람직하게는 자석(8)의 평균 반경 Rm에 걸쳐 측정하였을 때 가동 요크(5) 내부의 홈 및 자석(8)의 폭은 Xc+F보다 크거나 같으며, 바람직하게는 Xc+F+2E'이다.

바람직한 변형예에 따르면, 자석(8)의 평균 반경에 걸쳐 측정하였을 때 가동 요크(5)의 폭은 최소한 3Xc+F+6E'과 같다.

바람직한 변형예에 따르면, L/E 비율은 0.5보다 크거나 같으며, 바람직하게는 0.75보다 크거나 같다.

바람직한 변형예에 따르면, Xs/E 비율은 비교적 크며, 바람직하게는 8보다 크다.

바람직한 변형예에 따르면, 자석(8), 가동 요크(5) 및 강자성 고정자 부품 들(3, 4)은, 자화 방향에 수직하고 변위 방향 OX에 수직한 축을 따라 측정하였을 때, 바람직하게는 3E보다 크거나 같은 동일한 길이 Z를 갖는다.

이들 유리한 변형예들은 원하는 측정 범위에 맞는 최적의 구조와 부피의 자석(8)을 갖는 센서를 규정할 수 있게 한다.

자기검출 프로브(10)는 홀 효과 프로브, 자기저항 프로브, 자기 트랜지스터 등일 수 있다. 중요한 점은, 이 소자가 놓이는 자기 유도에 대해 발생된 신호가 가능한한 선형으로 의존해야 한다는 것이다.

영구 자석(8)은 다양한 형태를 가질 수 있으며, 바람직하게는 사마륨-코발트 또는 NdFeB의 자석, 또는 아마도 심지어는 AlNiCo 또는 페라이트 형태의 자석(8)이 사용된다. 신호의 양호한 선형성을 얻기 위해서는, 이 자석이 1에 가까운 가역적인 투자율을 가지며, 바람직하게는 1.2보다 작은 가역적인 투자율을 갖는다.

강자성 고정자 부품들과 가동 요크(5)는 철-니켈, 철-실리콘, 순수한 철 등으로 제조될 수 있다.

자석이 가동 요크(5)에 직접 고정되므로, 자석을 위한 가이드 부품을 도입할 필요가 없다. 또한, 요크(5) 내부에의 자석의 매립은 자석(8)의 접착 품질에 따라 센서의 감도를 감소시킬 수도 있으며, 이것은 제조 조작 중에 요크(5) 상에서의 자석의 배치를 용이하게 한다.

자석(8)의 부피를 최소화하거나, 전자유도 변화 ΔB와 이에 따른 신호대 잡음비를 증가시키는 것이 가능하다.

동일한 자석(8) 및 동일한 전체적인 외부 치수를 가지면서, 홈을 갖지 않는 경우(e=0)에 대해, 자기회로에 의해 자기검출 프로브(10)에 전달되는 자기 유도를 증가시키고, 및/또는 스트로크를 따른 센서의 선형성을 증가시키기 위해, 가동 요크(5) 내부에 설치된 홈의 깊이 e를 주의 깊게 선택한다.

영구 자석(8)의 매립은 누설 자속들의 분포와 크기를 변형하므로, 센서의 선형성에 영향을 미칠 수 있다. 영구 자석(8)이 일부가 매립된 홈(6)의 깊이의 함수로써 선형성이 변한다는 것을 알 수 있다.

도 2를 참조하면, 도 1의 차량용 연료 레벨 센서(42)는 플라스틱 몰딩일 수도 있는 기저 프레임(40)을 구비한다. 기저 프레임(40)은 홈 효과 센서(10)가 놓이는 공기 갭(9)의 경계를 이루는 자극 부품들(3, 4)을 구비한 고정자(1)를 지지한다. 또한, 기저 프레임(40)은 홈 효과 센서에 접속되는 전기 커넥터들의 리드 프레임(14)을 지지한다. 요크(5)는 홈(6)에 일부가 매립된 자석(8)을 갖는다. 요크는 부표(미도시)에 부착하기 위한 아암(12)에 연결된다.

도 3을 참조하면, 도 1 및 도 2에 도시된 연료 레벨 센서(42)는, 아날로그 디지털(a/D) 변환기(18)에 접속되는 홀 효과 센서(10)를 구비한다. A/D 변환기의 출력은, 예를 들어 산술회로와 메모리 M(22)을 구비한 디지털 프로세서인 신호 처리기(20)에 접속된다. 단자들 T에 접속된 전원 리드들(28)에 흐르는 전류를 이진 변조하는 펄스 코드 변조기(24)에 처리기의 출력이 접속된다. 이진 심볼들은 예를 들면 5mA 및 10mA의 전류일 수 있지만, 다른 적절한 값들이 사용될 수도 있다. 전원(26)은, 리드들(28) 내부의 전류의 변조에 의해 영향을 받지 않는 구성요소들 42, 18, 20 및 24에 DC를 공급한다.

도 3의 센서의 다른 실시예에서는, 홀 효과 센서(10)가, 마찬가지로 A/D 변환기(18) 및 처리기(20)를 구비하며, 옵션으로 변조기(24)를 더 구비한 IC의 일부분이다.

메모리(22)는 연료 탱크의 형상을 사용하여 홀 효과의 출력을 교정하는 룩업표 LUT를 기억할 수도 있다. 메모리(20)는, 홀 센서(16)의 출력에 따라 LUT의 어드레스를 지정하며, 예를 들어, 탱크의 형상에 무관하게 탱크 내부의 연료의 부피와 선형적으로 관련되는 수치들을 판독한다.

이와 달리, 차량이 연료 게이지를 포함하는 차량 계기들을 동작하는 컴퓨터를 갖고, 이 컴퓨터가 룩업표를 기억하며, 처리기가 컴퓨터에 변조기(24)를 통해 홀 센서의 "가공하지 않은(raw)" 출력을 공급할 수도 있다.

처리기(20)는 다른 기능들, 예를 들면, 고장 표시, 부품 식별 및 온도 보상 중 한가지 이상을 제공할 수도 있다.

연료 레벨 센서(42)가 연료 펌프의 일부일 수도 있다.

도 3의 예는 디지털 신호 처리를 사용하지만, 연료 레벨 센서의 다른 예는 연료 레벨을 표시하는 아날로그 신호를 공급한다.

적어도 위치 센서(42)는, 연료에 완전히 침지될 수 있도록 하기 위해, 연료가 새지 않는 하우징에 수납되거나 캡슐 재료에 캡슐화된다. 적절한 캡슐 재료로는 비닐 에스터 수지를 들 수 있다.

이 위치 센서(42)는 외부 자기장에 대한 면역성을 제공한다. 본 발명의 연료 센서는 간단한 구성을 갖는다.

Claims (17)

1. 부표에 부착하기 위한 아암에 연결된 자기 위치센서를 갖고, 상기 자기 위치센서가 고정자와 가동부를 구비하며, 상기 고정자가 갭 내부의 자기유도의 변화를 측정하기 위한 자기검출 프로브를 포함하는 상기 공기 갭의 경계를 이루는 2개의 연자성 부품들을 갖고, 상기 가동부가 상기 고정자의 자기 부품들에 평행하게 변위가능한 연자성 재료로 이루어진 요크와 상기 고정자에 대향하여 상기 요크 내부의 홈에 일부가 매립된 자석을 구비하며, 상기 자석의 자극들이 상기 고정자에 대한 상기 가동부의 이동 방향에 수직하게 편극된 것을 특징으로 하는 연료 레벨 센서.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 자기검출 프로브는 홀 센서인 것을 특징으로 하는 연료 레벨 센서.
3. 제 2항에 있어서,

   자기 위치센서에 의해 발생되고 고정자에 대한 가동부의 위치를 표시하는 신호를 처리하는 신호 처리기를 더 구비한 것을 특징으로 하는 연료 레벨 센서.
4. 제 3항에 있어서,

   상기 신호 처리기와 자기검출 프로브는 동일한 집적회로의 일부인 것을 특징으로 하는 연료 레벨 센서.
5. 제 3항 또는 제 4항에 있어서,

   상기 연료 레벨 센서는 2개의 전원 단자를 갖고, 상기 신호 처리기는 고정자에 대한 가동부의 위치를 표시하는 신호를 상기 전원 단자들에 출력하도록 동작하는 것을 특징으로 하는 연료 레벨 센서.
6. 제 5항에 있어서,

   상기 신호는 펄스 코드 변조된 신호인 것을 특징으로 하는 연료 레벨 센서.
7. 제 3항, 제 4항, 제 5항 또는 제 6항 중 어느 한 항에 있어서,

   신호 처리기는 고정 표시 및/또는 부품 식별을 제공하도록 동작하는 것을 특징으로 하는 연료 레벨 센서.
8. 제 3항, 제 4항, 제 5항, 제 6항 또는 제 7항 중 어느 한 항에 있어서,

   신호 처리기는 온도 보상을 제공하도록 동작하는 것을 특징으로 하는 연료 레벨 센서.
9. 제 1항 내지 제 8항 중 어느 한 항에 있어서,

   연료 펌프와 결합된 것을 특징으로 하는 연료 레벨 센서.
10. 제 1항 내지 제 9항 중 어느 한 항에 있어서,

    적어도 자기 위치센서가 캡슐 재료에 캡슐화된 것을 특징으로 하는 연료 레벨 센서.
11. 제 10항에 있어서,

    상기 캡슐 재료는 비닐 에스터 수지인 것을 특징으로 하는 연료 레벨 센서.
12. 제 3항 내지 제 9항 중 어느 한 항에 있어서,

    신호 처리기는 연료 탱크의 형상에 맞추어 상기 연료 센서의 출력을 교정하도록 프 로그래밍된 것을 특징으로 하는 연료 레벨 센서.
13. 제 1항 내지 제 12항 중 어느 한 항에 기재된 센서를 구비한 차량.
14. 컴퓨터와, 제 1항 내지 제 11항 중 어느 한 항에 기재된 연료 레벨 센서를 구비하고, 상기 컴퓨터가 차량의 연료 탱크의 형상에 맞추어 상기 연료 레벨 센서의 출력을 교정하도록 구성된 것을 특징으로 하는 차량.
15. 첨부도면을 참조하여 위에서 설명한 것과 같은 센서.
16. 제 15항에 기재된 센서를 구비한 차량.
17. 제 1항 내지 제 12항 또는 제 15항 중 어느 한 항에 기재된 연료 레벨 센서를 구비한 연료 탱크.

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