KR20080109257A - 밸브 포지션 센서 - Google Patents

Abstract

본 발명은 캠부재에 의해 가압되어 소정의 전기적인 신호를 전자 제어유닛으로 제공하는 압전 소자를 구비하여 간단한 구조로서 내구성이 향상되면서도 정밀한 센싱을 구현할 수 있는 밸브 포지션 센서를 제공한다.

전자 밸브 제어 장치, 밸브 포지션 센서, TPS, 캠부재, 압전 소자

Description

밸브 포지션 센서 {VALVE POSITION SENSOR}

도 1은 본 발명의 예시적인 일 실시예에 따른 밸브 포지션 센서를 개략적으로 도시한 단면 구성도이다.

도 2는 본 발명의 예시적인 일 실시예에 따른 밸브 포지션 센서의 작용을 설명하기 위한 단면 구성도이다.

도 3은 본 발명의 예시적인 다른 실시예에 따른 밸브 포지션 센서를 개략적으로 도시한 단면 구성도이다.

본 발명은 밸브 포지션 센서에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 압전 소자를 이용하여 밸브의 개도 변화를 검출할 수 있는 밸브 포지션 센서에 관한 것이다.

일반적으로 밸브 포지션 센서는 밸브의 위치를 감지하기 위한 것으로서 전자 밸브 제어 장치에 채용되는 바, 엑셀 포지션 센서(APS), 핸들 포지션 센서(HPS), 스로틀 포지션 센서(TPS) 등을 그 예로 들 수 있다.

이 중에서 스로틀 포지션 센서(TPS)를 채용한 전자 밸브 제어장치는 연소실에 흡입 가스를 유입시키는 흡기 계통에서 운전자의 의도에 따라 스로틀 밸브를 컴 퓨터 제어하여 흡입 공기량을 조절하기 위한 것이다.

이러한 전자 밸브 제어장치는 스로틀 밸브가 내재되며 상기 스로틀 포지션 센서가 설치된 스로틀 바디와, 스로틀 밸브에 구동력을 제공하기 위한 모듈로서 구성된다.

특히, 상기 스로틀 포지션 센서는 스로틀 바디에 장착되며, 스로틀 축과 연동하여 스로틀 밸브의 개도 변화를 감지하고, 이 개도 변화에 따른 외부 공기의 흡입량을 시그널로 전환하여 전자 제어유닛(ECU)으로 출력하는 기능을 갖는다.

이와 같은 종래 기술에 따른 스로틀 포지션 센서는 가변 저항을 이용한 접촉식 센서를 사용하는 것이 일반적이다. 즉, 상기 가변 저항을 이용한 접촉식 센서는 브러쉬가 스로틀 밸브의 움직임과 연동하여 저항판을 끌어 주어 실제 통전 저항을 변하게 함으로써 스로틀 밸브의 개도 변화를 감지하는 구조로 되어 있다.

그러나, 상기한 바와 같은 가변 저항을 이용한 접촉식 스로틀 포지션 센서는 주행거리의 증가에 따른 마모 가루량의 증가 및 이 마모 가루에 의한 접촉 저항의 증대로 정차 상태의 공회전이 불안정하고 간헐적으로 시동이 꺼지는 등의 문제점이 발견 되었다.

이를 보완하기 위해 최근에는 스로틀 밸브의 개도각에 따른 마그네트의 자기량 변화를 감지함으로써 스로틀 밸브의 개도 변화를 추정하는 비접촉식 스로틀 포지션 센서가 개발되고 있는 바, 비접촉식인 만큼 내구성이 향상되고 센싱 측면에서도 접촉식 사양과 거의 대등한 성능을 보이고 있다.

그런데, 이와 같은 비접촉식 스로틀 포지션 센서는 접촉식 사양처럼 단순히 전기적인 신호를 전달하는 것이 아니라 마그네틱 선과 반도체 칩을 이용해서 센싱을 하게 되므로, 이는 서지 전압에 취약할 수 밖에 없고 악의적인 외부 자기장에 의해 센싱값이 오류를 보이기도 하며, 웜-업(warm-up)시 특정 온도에서 센싱 성능이 간헐적으로 떨어져 엔진 부조를 일으키기도 하는 문제점이 있다.

따라서 본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해소하기 위하여 창출된 것으로, 캠부재로서 압력을 제공받아 밸브의 개도 변화에 따른 전기적인 신호를 출력할 수 있는 압전 소자를 구비함으로써 내구성이 향상되면서 정밀한 센싱을 구현할 수 있는 밸브 포지션 센서를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예는 밸브가 연결된 밸브 축이 밸브 바디에 회전 가능하게 장착되는 전자 밸브 제어장치에 있어 상기 밸브 축과 연동하여 상기 밸브의 개도 변화를 검출하는 밸브 포지션 센서에 관한 것으로서, 적어도 하나의 돌출부를 가지면서 상기 밸브 축에 장착되는 캠부재와, 상기 밸브 바디에 실린더가 설치되고 상기 캠부재에 의해 가압되어 상기 밸브의 회전각에 대응하는 소정의 전기적인 신호를 전자 제어유닛으로 제공하는 압전 소자가 상기 실린더의 내부에 장착되는 신호발생유닛을 포함하며, 상기 신호발생유닛은 상기 캠부재와 상호 접촉하여 상기 캠부재에 의해 상기 압전 소자를 실질적으로 가압하는 가압부재가 상기 실린더에 왕복 이동 가능하게 설치되고 상기 가압부재의 압력에 상응하는 탄성력을 상기 가압부재 및 상기 압전 소자에 제공하는 탄성부재가 상기 가압부재와 상기 압전 소자 사이에 설치되는 것을 특징으로 한다.

상기 밸브 포지션 센서에 있어서, 상기 캠부재는 2 개의 돌출부가 형성되며, 상기 신호발생유닛은 상기 캠부재를 중심에 두고 이의 양측에 각각 배치되는 것을 특징으로 하는 밸브 포지션 센서.

이하, 본 발명의 바람직한 구성 및 작용을 첨부한 도면에 의거하여 보다 상세하게 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명의 예시적인 일 실시예에 따른 밸브 포지션 센서를 개략적으로 도시한 단면 구성도이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 밸브 포지션 센서(100)는 밸브 축(1)에 연결된 밸브(2)가 설치되는 밸브 바디(3)를 포함하는 전자 밸브 제어장치(10)에 채용되는 것으로서, 밸브 축(1)에 연동하여 밸브(2)의 개도 변화를 검출하는 구조로서 이루어지며, 엑셀 포지션 센서(APS), 핸들 포지션 센서(HPS), 스로틀 포지션 센서(TPS) 등에 모두 적용될 수 있다.

그러나 이하에서는 편의상 스로틀 포지션 센서(TPS)를 예로 하여 설명하는데, 상기 밸브 축(1)을 "스로틀 축(1)"이라 하고, 상기 밸브(2)를 "스로틀 밸브(2)"라고 하며, 상기 밸브 바디(3)를 "스로틀 바디(3)"라고 한다.

이와 같은 본 실시예에 의한 밸브 포지션 센서(100)는 스로틀 축(1)에 장착되는 캠부재(20)와, 캠부재(20)에 의해 가압되어 압력 변화에 따라 발생되는 소정의 전기적인 신호를 전자 제어유닛(미도시)으로 제공할 수 있는 신호발생유닛(40)을 포함하여 구성된다.

상기 캠부재(20)는 스로틀 축(1)의 동축 상에 연결되고, 한 쪽 방향으로 윤곽 곡선을 지니며 돌출된 단일의 돌출부(lobe)(21)가 형성되어 있다.

본 실시예에서, 상기 신호발생유닛(40)은 캠부재(20)에 대응하여 스로틀 바디(3)에 장착되는 바, 이러한 신호발생유닛(40)은 실린더(41)에 설치되는 압전 소자(43), 가압부재(45) 및 탄성부재(47)를 구비하고 있다.

상기 실린더(41)는 일단이 개방되고 타단이 폐쇄된 원통형 구조로 이루어진다. 압전 소자(43)는 실린더(41)의 내부에 배치되며, 그 실린더(41)의 폐쇄단에 지지된 상태로 전자 제어유닛과 전기적으로 연결된다.

이러한 압전 소자(43)는 소정의 압력이 가해지면 그 외력에 상응하는 양,음의 전하가 발생되는 특성을 지닌 통상적인 구조의 압전 소자(piezoelectric element)로서 이루어진다.

상기 가압부재(45)는 실린더(41)의 내부에 설치되는 탄성부재(47)에 의해 캠부재(20)의 캠면에 접촉되게 설치된다.

이 가압부재(45)는 스로틀 축(1)과 함께 회전하는 캠부재(20)에 간섭되어 탄성부재(47)의 탄성력을 극복하면서 실린더(41)의 내부 방향으로 이동되거나 상기 탄성부재(47)의 탄성 복원력에 실린더(41)의 외부 방향으로 왕복 이동 가능하게 배치된다.

여기서, 탄성부재(47)는 실린더(41) 내부에서 압전 소자(43)와 가압부재(45) 사이에 배치되며, 일측 단부가 가압부재(45)에 지지되고 다른 일측 단부가 압전 소자(43)에 지지된다.

즉, 상기 탄성부재(47)는 캠부재(20)에 의해 가압부재(45)가 가압될 때, 그 가압부재(45)의 가압력에 의해 압축되면서 상기 가압력에 대응하는 탄성 복원력을 가압부재(45) 및 압전 소자(43)에 전달하는 기능을 하게 된다.

다시 말하면, 탄성부재(47)는 가압부재(45)에 의해 압축되면서 그 가압부재(45)에 가해지는 압력에 상응하는 탄성 복원력을 가압부재(45) 및 압전 소자(43)에 동시에 제공하게 된다.

또한, 탄성부재(47)는 가압부재(45)에 작용하는 압력이 압전 소자(43)에 직접적으로 전달되는 것을 막아 압전 소자(43)의 손상을 방지케 하는 기능도 하게 된다.

상기에서, 가압부재(45)에는 캠부재(20)의 캠면에 접촉되는 접촉 돌기(46a), 및 접촉 돌기(46a)와 일체로 형성되어 탄성부재(47)의 일측 단부를 지지하면서 실린더(41)의 내벽면에 슬라이딩 접촉되는 몸체부(46b)를 구비하고 있다.

이하 본 발명의 예시적인 일 실시예에 따른 전자 밸브 제어장치용 밸브 포지션 센서의 작용을 상세히 설명한다.

우선, 도 1에 도시된 바와 같이 스로틀 밸브(2)가 닫혀져 있는 상태에서 운전자가 가속 페달을 밟았을 때 스로틀 축(1)이 일측 방향으로 회전하면서 스로틀 밸브(2)가 열리게 되면, 본 실시예에 의한 밸브 포지션 센서(100)는 스로틀 축(1)에 연동하여 스로틀 밸브(2)의 개도각을 검출하게 된다.

더욱 구체적으로, 도 2에 도시된 바와 같이 스로틀 축(1)이 회전됨에 따라 캠부재(20)는 가압부재(45)가 캠면에 접촉된 상태에서 일측 방향으로 회전된다. 그 러면, 가압부재(45)는 캠부재(20)의 돌출부(21)에 의해 바이어스되는 바, 탄성부재(47)의 탄성력을 극복하면서 실린더(41)의 내부 방향으로 이동된다.

이 과정에서, 탄성부재(47)는 가압부재(45)에 의해 압축되면서 그 가압부재(45)에 가해지는 압력에 상응하는 탄성 복원력을 가압부재(45) 및 압전 소자(43)에 동시에 제공한다.

따라서 압전 소자(43)는 외력 즉, 탄성부재(47)의 탄성 복원력을 제공받게 되고, 이로 인해 압전 소자(43)에서는 상기 외력에 상응하는 양, 음의 전하가 발생되며, 그 전하는 전기적인 신호 즉, 스로틀 밸브(2)의 개도량에 상응하는 검출 신호로서 전자 제어유닛으로 전달된다.

이로써, 전자 제어유닛은 상기 검출 신호를 판단하여 스로틀 밸브(2)의 개도량을 측정하고, 기타 다른 센서의 검출 신호를 종합하여 스로틀 밸브(2)의 개도량에 상응하는 흡입 공기량을 추정하고 연료 분사량을 결정한다.

도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 전자 밸브 제어장치용 밸브 포지션 센서를 개략적으로 도시한 단면 구성도이다.

도 3을 참조하면, 본 실시예에 의한 밸브 포지션 센서(200)는 전기 실시예의 구조를 기본으로 하면서 캠부재(120)에 2 개의 돌출부(121, 122)가 형성되며, 신호발생유닛(140)이 캠부재(120)를 중심에 두고 이의 양측에 각각 배치되는 구조로 이루어진다.

상기에서, 캠부재(120)는 전기 실시예에서와 같은 2 개의 캠부재를 하나로 조합하여 형성된 것으로서, 스로틀 축(1)과 연결되는 연결점을 중심으로 좌우 측에 각각 돌출된 제1 돌출부(121) 및 제2 돌출부(122)가 형성되어 있다.

이러한 캠부재(120)에 대응하여 신호발생유닛(140)은 캠부재(120)를 중심으로 좌우 양측에 각각 배치되며, 상기 각 신호발생유닛(140)의 가압부재(145)는 캠부재(120)가 회전됨에 따라서 제1 돌출부(121)와 제2 돌출부(122)에 의해 번갈아가면서 가압된다.

이와 같이 캠부재(120)에 제1 돌출부(121) 및 제2 돌출부(122)를 형성하고 캠부재(120)의 양측에 신호발생유닛(140)을 배치하여 구성하는 이유는 스로틀 밸브(2)의 개도량에 대한 정밀한 측정과 이상 신호 여부를 판단하기 위함이다.

여기서, 각각의 신호발생유닛(140)에서 출력되는 신호는 서로 반대이며, 이러한 신호들의 합은 항상 일정하고 그 신호합을 모니터링 하게 되면 센서의 페일(fail)을 쉽게 판정할 수 있다.

본 실시예에 의한 밸브 포지션 센서(200)의 나머지 구성 및 작용은 전기 실시예와 같으므로 자세한 설명은 생략하기로 한다.

이상을 통해 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.

상술한 바와 같이 본 발명의 실시예에 따르면, 캠부재로서 압력을 제공받아 밸브의 개도 변화에 따른 전기적인 신호를 출력할 수 있는 압전 소자를 구비함에 따라, 종래와 달리 마그네틱선과 반도체 칩을 사용하지 않으므로 서지 전압에 취약하지 않고, 외부 자기장에 영향을 받지 않으며, 특정 온도에서도 센싱 성능이 간헐적으로 떨어지지 않으므로 엔조 부조를 일으키지 않게 된다.

따라서, 본 발명의 실시예에 따른 밸브 포지션 센서는 간단한 구조로서 내구성이 향상되면서도 더욱 정밀한 센싱을 구현할 수 있다.

Claims (2)

1. 밸브가 연결된 밸브 축이 밸브 바디에 회전 가능하게 장착되는 전자 밸브 제어장치에 있어 상기 밸브 축과 연동하여 상기 밸브의 개도 변화를 검출하는 밸브 포지션 센서에 관한 것으로서,

   적어도 하나의 돌출부를 가지면서 상기 밸브 축에 장착되는 캠부재; 및

   상기 밸브 바디에 실린더가 설치되고, 상기 캠부재에 의해 가압되어 상기 밸브의 회전각에 대응하는 소정의 전기적인 신호를 전자 제어유닛으로 제공하는 압전 소자가 상기 실린더의 내부에 장착되는 신호발생유닛을 포함하며,

   상기 신호발생유닛은, 상기 캠부재와 상호 접촉하여 상기 캠부재에 의해 상기 압전 소자를 실질적으로 가압하는 가압부재가 상기 실린더에 왕복 이동 가능하게 설치되고, 상기 가압부재의 압력에 상응하는 탄성력을 상기 가압부재 및 상기 압전 소자에 제공하는 탄성부재가 상기 가압부재와 상기 압전 소자 사이에 설치되는 것을 특징으로 하는 밸브 포지션 센서.
2. 제1 항에 있어서,

   상기 캠부재는 2 개의 돌출부가 형성되며, 상기 신호발생유닛은 상기 캠부재를 중심에 두고 이의 양측에 각각 배치되는 것을 특징으로 하는 밸브 포지션 센서.

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