KR20090015977A - 속도 검출기를 구비한 기어 구동 유닛 - Google Patents

속도 검출기를 구비한 기어 구동 유닛 Download PDF

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마르쿠스 마이어
슈테판 렉
위르겐 헤어프
마르쿠스 클립켄
디트마르 샤이블레
슈테판 코트하우스
프랑크 모스콥
토마스 훅
미하엘 죌너
마틴 하거
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로베르트 보쉬 게엠베하
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Abstract

본 발명은 피동 휠(22)과 맞물리는 구동 휠(16)을 가진, 자동차에서 사용하기 위한 기어 구동 유닛(10)에 관한 것이며, 속도를 검출하기 위한 센서(42)와 상호 작용하는 위치 센서(36)를 가진 센서 휠(26)은 구동 휠(16) 또는 피동 휠(22)과 맞물리는 것을 특징으로 한다.
위치 센서, 센서 휠, 구동 휠, 피동 휠, 자기저항 소자, 기어 구동 유닛

Description

속도 검출기를 구비한 기어 구동 유닛{Gear drive unit with speed measurement}
본 발명은 독립 청구항의 전제부에 따른, 특히 자동차에서 사용하기 위한, 속도 검출기를 구비한 기어 구동 유닛에 관한 것이다.
EP 0 865 148 A1에는 정류자 모터를 구비한 자동차의 장착 부품들을 조절하기 위한 모터 기어 구동 유닛이 공지되어 있다. 실질적으로 포트형인 모터 하우징은 모터 하우징으로부터 연장된 아마추어 샤프트를 가진 모터 아마추어를 포함한다. 모터 하우징과 기어장치 하우징 사이에서 아마추어 샤프트는 반구형 베어링에 의해 지지된다. 모터 아마추어와 반구형 베어링 사이에서 아마추어 샤프트 상에 콜렉터 및 환형 자석이 배치된다. 환형 자석은 그 외주에서 N극 방향과 S극 방향으로 교대로 자화된다. 변하는 자기장은 서로 90°로 오프셋 되어 배치된 2개의 홀 센서에 의해 검출되고, 전자 인쇄 회로 기판 위에 배치된 제어 전자 장치에 의해 평가된다. 전자 인쇄 회로 기판은 환형 자석에 바로 근접할 때까지 모터 하우 징 내로 돌출한다. 모터 하우징의 내부에 또는 브러시 홀더의 영역 내에 전자 인쇄 회로 기판의 상기 배치는 매우 복잡하고 융통성이 없다. 또한, 회전수 센서에서 브러시 스파크는 장애를 일으킨다.
이와 달리 독립 청구항의 특징을 갖는 본 발명에 따른 장치는, 속도 센서가 전체적으로 모터 하우징 외부에 배치될 수 있는 장점을 갖는다. 따라서 센서가 배치된 전자 인쇄 회로 기판을 모터 하우징 내에 배치하는, 매우 복잡한 공정이 생략된다. 기어장치 하우징의 영역 내에 전자 인쇄 회로 기판을 배치함으로써, 전자 인쇄 회로 기판의 형태는 더 작고 간단하게 구현될 수 있다. 또한, 바람직하게 기어장치 공간은, 콜렉터 공간에 대해 간단하게 밀봉될 수 있는데, 그 이유는 전자 인쇄 회로 기판이 더 이상 콜렉터 공간 내로 돌출하지 않기 때문이다.
구동 휠 또는 피동 휠의 적절한 위치에 센서 휠을 배치하는 것을 자유롭게 선택함으로써, 센서의 배치는 기어 구동 유닛의 각각의 하우징에 따라 최적으로 조정될 수 있다. 콜렉터로부터 떨어져 배치됨으로써, 센서에 대한 상기 콜렉터의 영향이 방지된다. 구동 휠 또는 피동 휠을 따라 센서 휠이 자유롭게 선택 가능하게 위치설정됨으로써 기어 구동 유닛의 바람직한 공간 이용 및 디자인이 가능해진다. 환형 자석이 생략됨으로써, 아마추어 샤프트 및 그에 따른 전체 기어 구동 유닛의 길이도 줄어든다. 이는 시트 조절을 위해 사용시 또는 슬라이딩 선루프에서 특히 중요한데, 그 이유는 이 경우 사용 가능한 공간이 제한되기 때문이다.
다른 바람직한 실시예에서, 구동 휠 또는 피동 휠은 동시에 센서 휠로서 구 현된다. 상기 센서 휠이 예컨대 구동 휠에 통합되면, 센서 휠의 자유 단부면은 동시에 아마추어 샤프트의 자유 단부가 된다. 다른 한편으로, 피동 휠이 위치 센서를 포함하면, 마찬가지로 추가의 센서 휠이 필요 없으므로, 공간 및 부품들이 절감된다.
종속 청구항에 제시된 특징들을 통해, 청구항 제 1 항 및 제 2 항에 따른 장치의 바람직한 다른 개선이 가능하다. 구동 휠이 아마추어 샤프트 상에 배치된 워엄으로서 구현되는 것이 특히 바람직하다. 스퍼 기어, 특히 워엄 기어로서 구현된 센서 휠은 임의의 위치에서 워엄 기어로 구현된 피동 휠에 맞물릴 수 있거나, 또는 워엄과 직접 맞물릴 수 있다. 속도 센서의 소정의 감도에 따라 센서 휠에 대한 변속비(톱니 수)가 적절하게 선택될 수 있다. 센서 휠이 워엄 기어에 마주 놓인 측면에서 워엄과 맞물리면, 아마추어 샤프트는 상기 위치에서 추가적으로 지지된다.
자석을 위치 센서로서 사용하는 것이 바람직한데, 그 이유는 상기 자석이 간단하게 센서 휠에 장착될 수 있거나, 또는 센서 휠이 간단하게 자화될 수 있는 재료를 포함하기 때문이다. 2극 자석이 특히 바람직하지만, 속도 측정의 분해능을 높이기 위한 다극 구조도 문제없이 형성될 수 있다. 물론, 2극 자석의 장착/자화가 바람직한데, 그 이유는 이 실시예가 환형 자석을 제조하는 것보다 훨씬 저렴하기 때문이다.
위치 센서가 센서 휠의 자유 단부면에 배치되면, 이는 상응하는 센서 장치의 배치시 더 큰 융통성을 허용한다. 유도, 광학 또는 자기 센서들의 사용 여부와 무관하게, 상기 센서들은 - 아마추어 샤프트 상에 있는 환형 자석의 경우처럼 - 방사 방향 배치에 국한되는 것이 아니라, 상기 센서들은 센서 휠의 자유 단부면을 따라 직접 배치될 수 있으므로, 센서를 위한 더 큰 설치 공간이 제공된다.
센서 휠에 대해 방사 방향으로 또는 평면으로 배치될 수 있는 홀 센서를 사용하는 것이 특히 저렴하고 취급이 간단하다. 이러한 실시예는 높은 분해능으로 속도를 검출할 필요가 없는 용도에 특히 바람직하다(증분 시스템).
고도로 정확한 절대-각도-측정 장치에 사용하기 위해, 센서로서 자기저항 소자(GMR, AMR)를 사용하는 것이 특히 바람직하다. 센서가 극성 전환만을 검출할 수 있는 증분식 환형 자석 장치와 달리, 자기저항 소자는 자기장, 예컨대 2극 자석의 배향(alignment)을 직접 측정한다. 이로써 더 높은 분해능이 달성되며, 이는 예컨대 높은 정확도를 요구하는 조절 경로를 위해 더 정확한 조정을 가능하게 한다. 더 긴 조절 경로를 위해 센서 휠의 완전한 회전이 증분식으로 기록되고, 센서 휠의 일 회전의 분할이 절대적으로 검출된다. 바람직하게 자기저항 소자(GMR, AMR)는 적어도 하나의 2극 자석을 포함하는 센서 휠의 단부면에 대해 평면으로 배치될 수 있다.
센서 장치가 센서 휠의 일 회전의 각도 분할을 자유롭게 선택하게 할 수 있는 평가 장치를 포함하는 것이 특히 바람직하다. 이로써, 센서 휠이 일 회전하는 동안 센서 장치가 발생시키는 에지의 개수가 디자인에 의해 임의로 조정될 수 있다. 회전 각도의 가변적 분할은 전자 회로 또는 소프트웨어에 의해 절대 회전 각도 측정에 기초하여 이루어질 수 있다. 이는, 속도 측정의 분해능이 구체적인 적용예에 대해 최적으로 조정되는 것을 가능하게 하고 작동중에도 변경될 수도 있다.
센서 휠을, 피동 휠에 마주 놓인 워엄 측면에 배치하는 것이 특히 바람직한데, 그 이유는 센서 휠이 동시에 아마추어 샤프트를 지지하기 때문이다. 아마추어 샤프트는 일반적으로 극 포트에서 및 모터 하우징과 기어장치 하우징 사이의 이행 영역에서 예컨대 반구형 베어링에 의해 영구 지지된다. 부하 모멘트의 상승시 아마추어 샤프트의 편위(shift)를 저지하기 위해, 기어장치 하우징 내의 아마추어 샤프트의 자유 단부는 예컨대 베어링 핀에 의해 지지된다. 상기 베어링 핀의 형성은 한편으로는 비교적 비용이 많이 들고, 다른 한편으로는 상기와 같은 지지는 대개 원치 않는 소음과 함께 진동을 야기한다. 피동 휠과의 맞물림 영역에 있는 워엄 기어장치는 매우 정확하게 제조되기 때문에, 지지 기어로서 센서 휠을 반대 측면에 배치하는 것은 매우 정확하고 조용한 장착을 보장한다. 이로써 워엄과 피동 휠의 톱니가 장애 없이 서로 맞물리는 것이 보장되고 톱니의 손상 또는 상기 톱니의 스킵(skip)이 확실히 방지된다.
센서 휠의 축이 상기 센서 휠의 지지를 위해 기어장치 하우징에 직접 삽입되는 것이 바람직하다. 이는, 적은 추가 부품으로 간단한 조립을 가능하게 한다. 발생한 지지력은 바람직하게 기어장치 하우징으로 직접 전달된다.
모터 하우징 내에 센서가 배치되지 않고, 전자 인쇄 회로 기판이 모터 하우징 내로 돌출하지 않음으로써, 윤활유가 콜렉터 공간 내로 침투하는 것을 방지하기 위해 상기 모터 하우징은 간단한 방식으로 기어장치 하우징에 대해 효과적으로 밀 봉될 수 있다. 이로써, 전자 인쇄 회로 기판이 모터 하우징에 대해, 비용이 많이 들고 공정이 복잡한 방식으로 밀봉될 필요가 없다. 이 경우, 전자 인쇄 회로 기판은 전체적으로 기어장치 하우징 또는 전자장치 하우징내에 배치되고 작고 간단한 형태를 갖는다.
본 발명에 따른 장치의 2개의 실시예들이 도면에 도시되고 하기의 상세한 설명에서 더 자세히 설명된다.
도 1 및 도 2에 도시된, 본 발명에 따른 장치의 제 1 실시예는 아마추어 샤프트(14)를 갖는 전기 모터(12)를 포함하며, 상기 아마추어 샤프트 상에 구동 휠(16)로서 워엄(18)이 상대 회전 불가능하게 배치된다. 워엄(18)은 워엄 기어휠(20)로서 형성된 피동 휠(22)과 맞물린다. 워엄 기어(20)에는 피동 피니언(24)이 상대 회전 불가능하게 형성되고, 상기 피동 피니언을 통해 회전 모멘트가 전달될 수 있다. 모터 속도 또는 회전 속도를 검출하기 위해, 센서 휠(26)은 톱니 장치(28)를 통해 워엄 기어(20)와 맞물린다. 워엄 기어(20) 및 센서 휠(26)은 2개의 축들(워엄 기어 축(30) 및 센서 휠 축(32))상에서 회전되고, 상기 축들은 각각 자세히 도시되지 않은, 기어 구동 유닛(10)의 하우징(52)에 상대 회전 불가능하게 배치된다. 도 2는 센서 휠(26)의 단면도를 도시하며, 상기 센서 휠 축(32)은 자세히 도시되지 않은 하우징(52)에 고정된다(도 2의 상부). 센서 휠(26)은 자유 단부면(34)을 갖고, 상기 단부면에서 위치 센서(36)인 2극 자석(38)이 자화된다. 위치 센서(36) 바로 맞은편에서, 기판(40)상에 센서(42)가 배치되고, 상기 센서는 본 실시예에서 자기저항 소자(GMR, AXR; 44)로 구현된다. 센서(42)는 기판(40)에 있는 평가 장치(46)에 연결되며, 상기 평가 장치는 속도 검출의 출력 신호로서 신호 에지의 시퀀스를 전달한다. 자기저항 소자(GMR, AXR; 44)는 홀 센서(43)와 달리, 자기장의 극성 변화를 검출할 수 있을 뿐만 아니라, 회전하는 2극 자석(38)의 절대 회전각도를 측정할 수 있다. 이로써, 속도 신호의 분해능은, 센서 휠(26)의 각도 분할, 즉 회전당 신호 에지 개수가 평가 장치(46)에 의해 조정됨으로써 임의로 조정될 수 있다. 이는 평가 장치(46) 내에서, 전자 회로에 의한 하드웨어식으로 및 소프트웨어식으로 구현될 수 있다. 환형 자석(37)의 극 분할 개수에 의해서만 감도가 변경될 수 있는, 홀 센서(43), 및 아마추어 샤프트(14)상에 배치된 환형 자석(37)에 의한 종래의 속도 검출과 달리, 본 발명에 따른 실시예에서 속도 검출의 감도는 작동중에도 변경될 수 있다. 이는, 기어 구동 유닛(10)을 각각의 적용예에 맞게 매우 간단하게 조정하는 것을 가능하게 한다.
도 3 및 도 4는 본 발명에 따른 기어 구동 유닛(10)의 다른 실시예를 도시하고, 상기 실시예에서 센서 휠(26)은 아마추어 샤프트(14)를 지지하는데 사용된다. 기어 구동 유닛(10)은 모터(12) 및 기어장치 하우징(52)을 포함하고, 상기 모터는 콜렉터(13)와, 이들을 둘러싸는 모터 하우징(50)을 포함하고, 상기 기어장치 하우징(52)은 기어장치 이외에도 속도 센서를 전체적으로 둘러싼다. 아마추어 샤프트(14)는 한편으로는 모터 하우징(50)의 베이스에 있는 아마추어 베어링(48), 및 모터 하우징(50)과 기어장치 하우징(52) 사이의 영역에 있는 볼 베어링(54)에 영구 지지된다. 또한, 센서 휠(26)과 워엄 기어(20)가 서로 마주 놓이게 배치됨으로써 아마추어 샤프트(14)의 자유 단부(56)는 적어도 방사 방향으로 지지된다. 이러한 배치에 의해, 아마추어 샤프트(14)는 워엄 기어(20)의 톱니 맞물림부(58)로부터 방사 방향으로 편위되지 않는 것이 보장된다. 이는 특히, 워엄 기어(20)가 갑자기 멈추거나 또는 상기 워엄 기어가 약간 변형되는 경우이다. 워엄 기어(20)의 손상 또는 톱니 맞물림부(58)의 스킵이 저지된다. 도 4에는 전자 인쇄 회로 기판(40)이 파선으로 도시되고, 상기 기판에서 센서 휠(26)의 단부면(34)에 마주 놓이게 센서(42)인 홀 센서(43)가 배치된다. 센서 휠(26)은 자화되어 다극 환형 자석(37)을 형성하는, 플라스토페라이트(plastoferrrite)로 이루어진 사출 성형 플라스틱 부품으로 제조된다(적어도 부분적으로). 상기 환형 자석(37)에 바로 근접하게 배치된 홀 센서(43)는 환형 자석(37)의 극성 변화를 증분식으로 검출한다. 따라서 속도 검출의 분해능은 환형 자석(37)의 극 쌍의 개수 및 센서 휠(26)의 톱니 개수에 의해 주어진다.
상기 실시예의 변형예로서, 피동 휠(22)은 위치 센서(36)를 포함하며, 이 경우 상기 위치 센서는 간단한 2극 자석(38)으로서 피동 휠(22)의 단부면에 형성된다. 따라서 피동 휠(22)은 센서 휠(26)의 기능도 하는데, 그 이유는 상기 기판(40)에도 2극 자석(38)의 회전을 검출하는 센서(42)가 배치되기 때문이다. 이것은 도 3에 도시된다. 도 4에는, 센서 전체가 기어장치 하우징(52) 내에 배치되는 것이 도시된다. 이로써, 속도가 검출되는 종래의 기어 구동 유닛(10)에서 일반적인 것처럼, 기판(40)이 콜렉터(13)를 향해 모터 하우징(50) 내로 연장되는 것은 불 필요하다. 따라서, 기어장치 하우징(52)이 모터 하우징(50)에 대해 양호하게 밀봉됨으로써, 기어장치의 윤활유가 모터 하우징(50) 내로 침투하는 것이 방지된다.
실시예의 다른 변형예에서, 센서 휠(26)의 정확한 위치는, 최적으로 공간을 이용하면서 다양한 모터 구조가 구현되도록, 구동 휠(16), 특히 워엄(18) 또는 피동 휠(22)을 따라 변경될 수 있다. 또한, 센서 휠(26)의 톱니의 개수도 상응하는 요구 조건에 따라 센서를 조정하기 위해 선택될 수 있다. 센서 휠(26)로서 구동 휠(22)의 구현 또는 본 발명에 따른 개별 특징들의 다른 조합은 본 발명의 다른 실시예이다.
도 1은 본 발명에 따른 장치의 개략도.
도 2는 도 1의 라인 II-II을 따른 단면도.
도 3은 다른 실시예의 개략적인 단면도.
도 4는 도 3의 라인 IV-IV을 따른 단면도.
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
10 : 기어 구동 유닛 12 : 전기 모터
14 : 아마추어 샤프트 16 : 구동 휠
18 : 워엄 20 : 웜 기어 휠
22 : 피동 휠 26 : 센서 휠
32 : 센서 휠 축 34 : 자유 단부면
36 : 위치 센서 42 : 센서(자기저항 소자)
46 : 평가 장치 50 : 모터 하우징
52 : 기어장치 하우징

Claims (12)

  1. 피동 휠(22)과 맞물리는 구동 휠(16)을 포함하는, 차량에서 사용하기 위한 기어 구동 유닛(10)으로서,
    속도 또는 회전 속도를 검출하기 위한 센서(42)와 상호 작용하는 위치 센서(36)를 가진 센서 휠(26)이 상기 구동 휠(16) 또는 상기 피동 휠(22)과 맞물리고,
    상기 센서 휠은 회전 축을 가지며,
    상기 위치 센서는 상기 센서 휠의 회전 축을 통해서 연장하는 플라스토페라이트로 형성되고,
    상기 위치 센서(36)는 센서 훨 축(32)의 영역에서 상기 센서 휠(26)의 축방향 자유 단부면(34)에 배치되는 것을 특징으로 하는 기어 구동 유닛.
  2. 피동 휠(22)과 맞물리는 구동 휠(16)을 포함하는, 차량에서 사용하기 위한 기어 구동 유닛(10)으로서,
    상기 구동 휠(16) 또는 상기 피동 휠(22)은 속도를 검출하기 위한 센서(42)와 상호 작용하는 위치 센서(36)를 가진 센서 휠(26)로서 형성되고,
    상기 센서 휠은 회전 축을 가지며,
    상기 위치 센서는 상기 센서 휠의 회전 축을 통해서 연장하는 플라스토페라이트로 형성되고,
    상기 위치 센서(36)는 센서 훨 축(32)의 영역에서 상기 센서 휠(26)의 축방향 자유 단부면(34)에 배치되는 것을 특징으로 하는 기어 구동 유닛.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 구동 휠(16)은 전기 모터(12)의 아마추어 샤프트(14)상에 배치된 워엄(18)으로 형성되고, 상기 센서 휠(26)은 스퍼 기어로서 형성되는 것을 특징으로 하는 기어 구동 유닛.
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 센서 휠(26)은 상기 위치 센서(36)로서 적어도 하나의 2극 자석(38)을 포함하는 것을 특징으로 하는 기어 구동 유닛.
  5. 제 1 항 또는 제 2 항 있어서, 상기 센서(42)는 하나 이상의 2극 자석을 포함하는 센서 휠의 단부면을 향해 배치되는 것을 특징으로 하는 기어 구동 유닛.
  6. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 센서(42)는 홀 센서(43)인 것을 특징으로 하는 기어 구동 유닛.
  7. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 센서(42)는 자기저항 소자(44)인 것을 특징으로 하는 기어 구동 유닛.
  8. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 센서(42)는 신호 에지를 발생시키고, 상기 센서 휠의 1회전 동안 상기 센서(42)가 발생시키는 상기 신호 에지의 수를 자유롭게 선택할 수 있게 하는 평가 장치(46)를 포함하는 것을 특징으로 하는 기어 구동 유닛.
  9. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 기어 구동 유닛(10)은 기어장치 하우징(52)을 포함하고, 상기 센서 휠(26)은 상기 기어장치 하우징(52)의 벽 내로 직접 삽입된 축(32)상에 배치되는 것을 특징으로 하는 기어 구동 유닛.
  10. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 기어 구동 유닛(10)은 콜렉터(13)를 포함하여 전기 모터(12)를 둘러싸는 모터 하우징(50)을 갖고, 상기 센서 휠(26)과 센서(42)가 기어장치 하우징(52)에 배치되고, 상기 기어장치 하우징은 상기 모터 하우징(50)에 대해 밀봉되는 것을 특징으로 하는 기어 구동 유닛.
  11. 제 3 항에 있어서, 상기 센서 휠(26)은 아마추어 샤프트 지지부로 형성되고, 상기 피동 휠(22)에 대해 마주 놓인, 워엄(18)으로서 형성된 상기 구동 휠(16)의 맞은편 측면에 맞물리는 것을 특징으로 하는 기어 구동 유닛.
  12. 구동 휠,
    상기 구동 휠과 맞물리는 피동 휠, 및
    (a) 속도 또는 회전 속도를 검출하기 위한 센서와 상호 작용하는 위치 센서 를 가진 센서 휠로서 형성되는 상기 구동 휠 또는 상기 피동 휠, 또는 (b) 속도 또는 회전 속도를 검출하기 위한 센서와 상호 작용하는 위치 센서를 구비하는 상기 구동 휠 또는 피동 휠로부터 떨어진 다른 센서 휠 중 하나를 포함하는, 차량에서 사용하기 위한 기어 구동 유닛으로서,
    상기 센서 휠은 회전 축과 단부면을 가지며,
    상기 위치 센서는 상기 센서 휠의 단부면에 걸쳐서 연장하고 상기 센서 휠의 회전 축과 교차하는 플라스토페라이트로 형성되고,
    상기 위치 센서는 센서 훨 축의 영역에서 상기 센서 휠의 축방향 자유 단부면에 배치되는 것을 특징으로 하는 기어 구동 유닛.
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