KR20070110353A - 회전 가능 부재의 회전각을 무접촉 방식으로 검출하는 방법및 장치 - Google Patents

회전 가능 부재의 회전각을 무접촉 방식으로 검출하는 방법및 장치 Download PDF

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KR20070110353A
KR20070110353A KR1020077020682A KR20077020682A KR20070110353A KR 20070110353 A KR20070110353 A KR 20070110353A KR 1020077020682 A KR1020077020682 A KR 1020077020682A KR 20077020682 A KR20077020682 A KR 20077020682A KR 20070110353 A KR20070110353 A KR 20070110353A
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로베르트 보쉬 게엠베하
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Abstract

본 발명은 제 1 영역(A) 내의 회전 가능 부재(12)의 회전각(
Figure 112007065503325-PCT00015
)을 검출하기 위한 적어도 하나의 제 1 신호(SM ,1 및 SM ,2)를 출력하는 적어도 하나의 자기 저항 센서 소자(14)를 포함하는, 회전 가능 부재(12)의 회전각을 무접촉 방식으로 검출하는 장치 및 방법에 관한 것이다. 상기 장치 및 방법은, 샤프트(20, 36)의 회전 운동에 따라, 플런저(30)와 코일(31)이 상기 샤프트(20)의 축방향(R)으로 서로 상대적으로 이동하고, 상기 코일(31)은 코일 인덕턴스(L)의 변화에 대한 신호(SC)를 출력하므로, 상기 제 1 신호(SM ,1 및 SM ,2)와의 조합으로, 상기 제 1 영역(A)에 있어서의 상기 회전각이 명확하게 검출될 수 있는 것을 특징으로 한다.
회전각, 무접촉 검출, 샤프트, 코일, AMR-센서, 플런저, 코그 휠

Description

회전 가능 부재의 회전각을 무접촉 방식으로 검출하는 방법 및 장치{METHOD AND DEVICE FOR DETERMINING THE ROTATIONAL ANGLE OF A ROTATABLE ELEMENT IN A NON-CONTACT MANNER}
본 발명은 독립 청구항들의 전제부에 따른, 회전 가능 부재들의 회전각을 무접촉 방식으로 검출하는 장치 및 방법에 관한 것이다.
DE-A-100 17 061에는, 적어도 2 개의 센서 소자들을 포함한 센서 장치의 자기식으로 영향을 받을 수 있는 특성을 평가하여, 회전 가능 부재에 의해 생성되거나 또는 영향을 받은 자계의 세기가 평가 회로에서 검출 가능하고 회전 위치의 검출에 사용되고, 하나의 센서 소자는 자기 저항 효과를 이용하여 작동하고, 적어도 2 개의 다른 센서 소자들은 홀효과(halleffect)를 이용하여 작동하고, 상기 평가 회로는 상기 방식으로 얻어진 3 개의 센서 신호들을 논리적으로 연산하기 위해 사용되는, 특히 회전 가능 부재의 회전각을 무접촉 방식으로 검출하는 장치가 공지된다.
또한, JP-A-2004085482에는 각을 검출하는 제 1 수단, 회전 운동을 종방향 운동을 변환하는 변환 수단 및 거리 측정에 의해 회전 샤프트의 선형 위치를 검출하는 다른 수단을 포함하는, 회전 샤프트의 1회보다 많은 회전에 대한 회전각을 검 출하는 장치가 공지된다.
종래 기술과 달리, 회전 가능 부재의 회전각을 무접촉 방식으로 검출하는 본 발명에 따른 장치 및 방법은, 높은 분해도로 인해 회전 가능 부재의 다수의 회전에 대한 회전각이 높은 정확도와 낮은 간섭률로 명확하게 검출 또는 결정될 수 있는 장점을 갖는다. 이를 위해 본 발명에 따른 장치는, 제 1 영역 내의 회전 가능 부재의 회전각을 검출하기 위한 적어도 하나의 자기 저항 센서 신호를 출력하는 적어도 하나의 자기 저항 센서 장치와 더불어, 샤프트의 회전 운동에 따라, 샤프트의 축방향으로 서로 상대 이동하는 플런저 및 코일을 포함하고, 코일은 코일 인덕턴스의 변화에 대한 코일 신호를 출력하므로, 자기 저항 센서 신호와 조합해서, 제 1 영역에 있어서의 회전각이 명확하게 검출될 수 있다. 또한, 코일 인덕턴스의 검출에 의해, 회전각이 기계적으로 명확히 저장될 수 있으므로, 에너지 공급이 단절된 경우에도 회전 가능 부재의 기계적 조절이 문제없이 이루어지는 장점이 얻어지는데, 왜냐하면 에너지 공급이 재개된 후 곧바로 코일 내 플런저의 실제 위치가 제공될 수 있기 때문이다.
바람직한 실시예에서는, 코일 내의 플런저의 위치가 발진회로에 의해 검출되고, 상기 발진 회로의 공진 주파수는 코일 인덕턴스에 의존한다. 따라서, 간섭이 매우 적은 각 검출이 달성되고, 위치 분해도는 공진 주파수에 관련한 주기를 측정하는 동안의 샘플링 레이트(sampling rate)에 따라 거의 임의로 증가될 수 있다.
샤프트 및/또는 플런저에는 나사산이 형성되고, 샤프트는 회전 가능 부재의 한 구성 부분이다. 따라서, 샤프트의 회전 운동시 플런저는 코일에 대해 축방향으로 상대 이동될 수 있다. 다른 실시예에서, 샤프트가 기어를 통해 회전 가능 부재와 연결되게 형성될 수도 있다. 이로써, 샤프트의 길이를 컴팩트하게 하는 것과, 차후의 조립에 적절하게 전체 장치의 구성이 이루어지도록 샤프트를 배치하는 것이 가능해진다.
본 발명의 다른 장점들은 종속 청구항들에 기재된 특징들, 도면 및 하기 설명에 제시된다.
본 발명은 도 1 내지 도 4에 의해 예시로서 설명되고, 도면의 동일한 도면 부호는 동일한 기능을 가진 동일한 부품을 나타낸다.
도 1은 본 발명에 따른 장치의 제 1 실시예의 개략도이고,
도 2는 회전 각 또는 회전 가능 부재에 할당 배치된 샤프트의 회전수에 따라, 자기 저항 센서 소자에 의해 출력되는 제 1 신호 및 발진 회로에 의해 생성되는 공진 주파수의 다이어그램이고,
도 3은 본 발명에 따른 장치의 제 2 실시예의 개략도이고, 및
도 4는 본 발명에 따른 장치의 제 3 실시예의 개략도이다.
도 1에는 회전 가능 부재(12)의 회전각(
Figure 112007065503325-PCT00001
)을 검출하기 위한 2 개의 신호들(SM ,1 및 SM ,2)을 출력하는 자기 저항 센서 소자(14)를 포함한, 회전 가능 부재(12) 의 회전각을 무접촉 방식으로 검출하는 본 발명에 따른 장치(10)의 제 1 실시예의 개략도가 도시된다. 본 실시예에서 이방성 자기 저항(AMR, anisotropic magnetoresistive) 센서(15)로서 구현되는 자기 저항 센서 소자(14)를 제어하기 위해 북극(N)과 남극(S)을 가진 영구 자석(16)이 사용된다. 물론, 2 개의 교번 극들(극쌍)을 가진 영구 자석(16) 대신, 훨씬 더 많은 극쌍들을 가진 영구 자석들도 사용될 수 있다. 또한 AMR-센서(15) 대신 다른 자기 저항 센서 소자들도 사용될 수 있다. 그러나, 하기에는 명료성을 위해 AMR-센서(15)에 관해서만 다루어진다.
회전 가능 부재(12)는 도 1, 도 3 및 도 4에 따라 도시된 실시예에서, 샤프트(20)가 구동 유닛(22), 예컨대 자세히 도시되지 않은 감속 기어, 및 구동 샤프트(24)를 통해 전기 모터(26)와 연결되는 전기 스티어링 부스터 구동기(18)로서 형성된다.
도 1에 따른 제 1 실시예에서, 샤프트(20)는 회전 가능 부재(12)의 한 구성 부분이다. AMR-센서(15) 및 상기 센서에 할당 배치된 영구 자석(16)에 의해 0°내지 180°인 제 1 영역(A) 내의 회전각(
Figure 112007065503325-PCT00002
)은 정확하고 명확하게 검출될 수 있다. AMR-센서(15)는 도 2a, 2b에 따른, 회전각(
Figure 112007065503325-PCT00003
)에 의존해서 싸인 및 코사인 형으로 진행하는 신호들(SM ,1 및 SM ,2)을 출력하고, 상기 신호들을 평가 회로(27)로 전송한다. 신호들(SM ,1 및 SM ,2)의 진행 곡선으로부터는, 주기가 180°이므로 180°보다 큰 회전각(
Figure 112007065503325-PCT00004
)을 하나의 AMR-센서를 사용해서는 명확히 검출할 수 없다는 것을 알 수 있다. 상기 제 1 영역(A) 외부의 회전각(
Figure 112007065503325-PCT00005
), 즉 180°보다 큰 회전각의 명확한 결 정을 위해 다른 장치가 필요하다. 본 발명에 따라, 샤프트(20)의 회전 운동에 따라 플런저(30)가 코일(31)에 대해 샤프트(20)의 축방향(R)으로 상대 이동되게 하는 나사산(28)이 샤프트(20)에 제공되고, 상기 플런저(30)는 도시되지 않은 상응하는 나사산 또는 역시 도시되지 않은 아버를 포함할 수 있다. 플런저(30)는 바람직하게 강자성의 재료, 예컨대 철, 네오디뮴, 알니코(알루미늄-니켈-코발트의 합금) 등과 같은 재료로 이루어진다.
샤프트(20)가 일정 정도만큼 회전하면, 플런저(30)가 나사산(28)에 의해 코일(31) 내에서 축방향(R)으로 이동하고 상기 코일의 인덕턴스(L)를 변화시킨다. 상기 변화는 다른 신호(SC)에 의해 용량(C)을 갖는 커패시터(32)에 전달되고, 상기 커패시터는 코일 인덕턴스(L)와 함께 공진 주파수(fR)를 가진 발진 회로(34)를 형성하고, 변화하는 코일 인덕턴스(L)도 공진 주파수(fR)를 변화시킨다. 용량(C)을 가진 하나의 커패시터(32) 대신, 코일 인덕턴스(L)와 연관하여, 형성된 직렬- 및/또는 병렬-발진 회로의 특성 공진 주파수(fR)를 야기하는 하나 또는 다수의 다른 부재들이 제공될 수도 있다.
도 2b로부터는 발진 회로(34)의 공진 주파수(fR)가, 회전각(
Figure 112007065503325-PCT00006
) 또는 회전수(U) 그리고 이에 따라 코일(31) 내로의 플런저(30)의 삽입 깊이에 선형으로 의존하는 것을 알 수 있다. 평가 회로(27)에서 AMR-센서 신호들(SM ,1 및 SM ,2)이 발진 회로의 공진 주파수(fR)에 대한 정보와 조합되면, 샤프트(20)의 제 1 영역(A) 및 완전 한 일회전(multiturn)에 대한 명확한 회전각 검출이 가능해진다. 따라서, 차량의 점화 접속 후에 곧바로 제공되는 코일 인덕턴스(L)에 의해 샤프트(20)의 회전수(U)가 정확히 기계적으로 저장되는 장점이 얻어진다. 차량 스티어링의 기계적 조절은 차량 배터리의 단절시에도 후속 회전각 검출의 문제없이 이루어진다.
샤프트(20)의 매 완전한 회전시마다, 플런저(30)는 적어도 축방향 거리(D)에 걸쳐 코일(31) 내에서 이동한다. 요구된 위치- 또는 회전각 분해도와 관련한 오차를 가능한 작게 유지하기 위해, 코일 와인딩이 상응하게 서로 인접하게 나란히 배치되거나 또는 나사산(28)에 의한 플런저(30)의 축방향 조절 거리가 상대적으로 길게 선택될 수 있다. 따라서, 축방향 거리(D)도 상기 2 개의 파라미터에 의존한다. 축방향 거리(D)는 코일 와인딩이 서로 인접하게 나란히 제공된 경우, 몇 밀리미터 범위 내에 놓일 수 있다. 위치 분해도의 증대는 공진 주파수(fR)에 관련한 주기의 측정 동안의 샘플링 레이트의 증가에 의해서도 가능하다.
도 3에는 회전 가능 부재(12)의 회전각을 무접촉 방식으로 검출하는 본 발명에 따른 장치(10)의 제 2 실시예가 도시된다. 도 1과 달리, 플런저(30)가 회전 가능 부재(12)의 샤프트(20)에 직접 놓이지 않고, 샤프트(20)에 대해 평행하게 배치된 샤프트(36)에 놓이고, 상기 샤프트(36)는 샤프트(20)에 장착된 제 1 피니언(40) 및 샤프트(36)에 장착된 제 피니언(42)으로 구성되는 기어(38)를 통해 구동된다. 본 발명에 따른 장치(10)의 작동 방식은 도 1에서의 방식과 일치하기 때문에, 하기에서 재차 다루어지지 않는다. 본 실시예에서는 제 1 실시예보다 샤프트(20)의 길 이가 더 짧아짐으로써 설치 공간이 감소될 수 있는 것이 중요하다. 기어(38)의 변속비는 회전각(
Figure 112007065503325-PCT00007
)의 분해도에 대한 요구 조건에 맞게 조정될 수 있다.
본 발명에 따른 장치(10)의 제 3 실시예는 도 4에 도시된다. 도 3과 달리, 샤프트(36)가 기어(38) 및 그 안에 상응하게 배치된 피어언들(40 및 42)을 통해 회전 가능 부재(12)와 수직으로 연결된다. 상기 배치는 샤프트(20)를 더 짧게 형성하는 것과, 장치(10)를 주어진 공간 상태에 맞추어 조정하는 것을 가능하게 한다. 또한 본 실시예도 장치(10)의 작동 방식이 도 1에 따른 실시예와 동일하므로, 추가 설명은 생략된다.
마지막으로, 도시된 실시예들이 도 1, 도 3 및 도 4, 그리고 도 2a 및 도 2b에 따른 센서 신호들(SM ,1 및 SM ,2)의 진행 곡선 및 센서 신호(SC)로부터 형성되는 공진 주파수(fR)로 제한되지 않는다는 것을 밝힌다. 그러므로, 특히 사용된 발진 회로(34), 플런저(30)의 재료, 나사산(28), 및/또는 코일(31)의 형태에 따라, 회전각(
Figure 112007065503325-PCT00008
) 또는 회전수(U)에 대한 공진 주파수(fR)의 비선형 특성도 조절될 수 있다. 또한, 샤프트들(20 과 36) 간의 다른 배치들 및 상기 샤프트들을 연결하는 기어(38)의 다른 배치들도 공간적 요구에 따라 고려될 수 있다. 이와 관련해서, 기어(38)가 2 개의 피니언(40 및 42)만을 포함해야만 하는 것이 아니고, 더 많은 수의 피니언, 풀리 휠, 또는 구동 휠 등으로 구성될 수도 있다. 물론, 플런저(30)만이 코일(31)에 대해 상대 이동할 수 있는 것이 아니고, 코일(31)도 플런저(30)에 대해 상대 이동할 수 있다. 즉, 코일(31)은 단독으로 또는 플런저(30)와 조합해서 샤프트들(20 및 36)에 의해 피니어 등의 적합한 수단들과 함께 운동할 수 있다. 본 발명에 따른 장치 및 방법은 전기 스티어링 부스터 구동기에 관련한 용도에 제한되지 않고, 다른 회전 가능 부재들의 멀티턴-회전각을 검출하는 것에도 사용될 수 있다.

Claims (12)

  1. 제 1 영역(A) 내의 회전 가능 부재(12)의 회전각(
    Figure 112007065503325-PCT00009
    )을 검출하기 위한 적어도 하나의 제 1 신호(SM ,1 및 SM ,2)를 출력하는 적어도 하나의 자기 저항 센서 소자(14)를 포함하는, 회전 가능 부재(12)의 회전각을 무접촉 방식으로 검출하는 장치(10)에 있어서,
    샤프트(20, 36)의 회전 운동에 따라, 플런저(30)와 코일(31)이 상기 샤프트(20)의 축방향(R)으로 서로 상대 운동하고, 상기 코일(31)은 코일 인덕턴스(L)의 변화에 대한 신호(SC)를 출력하므로, 상기 제 1 신호(SM ,1 및 SM ,2)와 상기 신호(SC)를 조합하여, 상기 제 1 영역(A)에 있어서의 상기 회전각(
    Figure 112007065503325-PCT00010
    )이 명확하게 검출될 수 있는 것을 특징으로 하는 회전 가능 부재의 회전각을 무접촉 방식으로 검출하는 장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 코일(31) 내의 상기 플런저(30)의 위치가 발진 회로(34)에 의해 검출될 수 있고, 상기 발진 회로의 공진 주파수(fR)는 상기 코일 인덕턴스(L)에 의존하는 것을 특징으로 하는 회전 가능 부재의 회전각을 무접촉 방식으로 검출하는 장치.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 플런저(30)가 상기 샤프트(20, 36) 및/또는 상기 플 런저(30)에 형성된 나사산(28)에 의해 상기 코일(31)에 대해 상대 운동하는 것을 특징으로 하는 회전 가능 부재의 회전각을 무접촉 방식으로 검출하는 장치.
  4. 제 1 항 또는 제 3 항에 있어서, 상기 샤프트(20)가 상기 회전 가능 부재(12)의 하나의 구성 부분인 것을 특징으로 하는 회전 가능 부재의 회전각을 무접촉 방식으로 검출하는 장치.
  5. 제 1 항 또는 제 3 항에 있어서, 상기 샤프트(36)가 기어(38)를 통해 상기 회전 가능 부재(12)와 연결되는 것을 특징으로 하는 회전 가능 부재의 회전각을 무접촉 방식으로 검출하는 장치.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 영역(A)이 0°내지 180°의 회전각(
    Figure 112007065503325-PCT00011
    )을 갖는 것을 특징으로 하는 회전 가능 부재의 회전각을 무접촉 방식으로 검출하는 장치.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 회전 가능 부재(12)가 전기 스티어링 부스터 구동기(18)인 것을 특징으로 하는 회전 가능 부재의 회전각을 무접촉 방식으로 검출하는 장치.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 자기 저항 센서 소자(14)가 이방성 자기 저항(AMR) 센서(15)인 것을 특징으로 하는 회전 가능 부재의 회전각을 무접촉 방식으로 검출 하는 장치.
  9. 적어도 하나의 자기 저항 센서 신호(SM ,1 및 SM ,2)가, 제 1 영역(A) 내의 회전 가능 부재(12)의 회전각(
    Figure 112007065503325-PCT00012
    )을 검출하기 위한 적어도 하나의 자기 저항 센서 소자(14)에 의해 출력되는 회전 가능 부재(12)의 회전각을 무접촉 방식으로 검출하는 방법에 있어서,
    샤프트(20, 36)의 회전 운동시, 상기 샤프트(20, 36)의 축방향(R)으로 플런저(30)와 코일(31) 간의 상대 운동에 의해 생기는 상기 코일 인덕턴스(L)의 변화를 나타내는 코일 신호(SC)가 상기 코일(31)에 의해 출력되고, 상기 제 1 영역(A)에 있어서의 상기 회전각(
    Figure 112007065503325-PCT00013
    )을 명확하게 검출하기 위해 상기 코일 신호(SC)와 상기 적어도 하나의 자기 저항 센서 신호(SM ,1 및 SM ,2)가 조합되는 것을 특징으로 하는 회전 가능 부재의 회전각을 무접촉 방식으로 검출하는 방법.
  10. 제 9 항에 있어서, 상기 코일(31) 내의 상기 플런저(30)의 위치가 발진 회로(34)에 의해 검출되고, 상기 발진 회로의 공진 주파수공진 주파수 코일 인덕턴스(L)에 의존하는 것을 특징으로 하는 회전 가능 부재의 회전각을 무접촉 방식으로 검출하는 방법.
  11. 제 9 항에 있어서, 상기 플런저(30)가 상기 샤프트(20, 36) 및/또는 상기 플런저(30)에 형성된 나사산(28)에 의해 상기 코일(31)에 대해 상대 운동하는 것을 특징으로 하는 회전 가능 부재의 회전각을 무접촉 방식으로 검출하는 방법.
  12. 제 9 항에 있어서, 상기 제 1 영역(A)이 0°내지 180°의 회전각(
    Figure 112007065503325-PCT00014
    )을 갖는 것을 특징으로 하는 회전 가능 부재의 회전각을 무접촉 방식으로 검출하는 방법.
KR1020077020682A 2005-03-10 2006-02-06 회전 가능 부재의 회전각을 무접촉 방식으로 검출하는 방법및 장치 KR20070110353A (ko)

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