KR20120069873A

KR20120069873A - 앵글센서

Info

Publication number: KR20120069873A
Application number: KR1020100131195A
Authority: KR
Inventors: 신성철
Original assignee: 엘지이노텍 주식회사
Priority date: 2010-12-21
Filing date: 2010-12-21
Publication date: 2012-06-29
Also published as: KR101829057B1; CN102589412B; EP2468607B1; US8810239B2; US20120153938A1; JP6374139B2; CN102589412A; EP2468607A1; JP2012132920A

Abstract

본 발명은 앵글센서를 구성하는 메인기어와 서브기어 간의 최적 기어비를 선택함으로써 조향축의 앵글 측정의 정확성을 향상할 수 있는 앵글센서에 관한 것으로, 차량 조향축의 회전량을 측정하는 앵글센서로서, 상기 조향축과 함께 회전하는 링 형상의 메인기어, 상기 메인기어의 회전에 의해 회전하고 일면에 마그넷이 결합되는 제1서브기어 및 상기 마그넷의 자계변화를 감지하여 회전량 데이터를 출력하는 자기소자를 포함하고, 상기 제1서브기어는 상기 메인기어가 1 회전하는 동안 4 회전하는 앵글센서를 제공한다. 따라서, 메인기어의 앵글을 측정하기 위한 유효 데이터를 획득하는 과정에서 스케일 팩터의 값이 최소화되므로, 측정치의 오차가 최소화되는 이점이 있다.

Description

앵글센서{ANGLE SENSOR}

본 발명은 앵글센서에 관한 것으로 보다 구체적으로는, 앵글센서를 구성하는 메인기어와 서브기어 간의 최적 기어비를 선택함으로써 조향축의 앵글 측정의 정확성을 향상할 수 있는 앵글센서에 관한 것이다.

일반적으로 자동차의 조향의 안정성을 보장하기 위한 장치로 별도의 동력으로 보조하는 조향장치가 사용된다. 기존에는 이와 같은 보조 조향장치를 유압을 이용한 장치로 사용하였으나, 최근에는 동력의 손실이 적고 정확성이 우수한 전동식 조향장치(Electronic Power Streeing System}가 사용된다.

상기와 같은 전동식 조향장치(EPS)는 차속센서, 앵글센서 및 토크센서 등에서 감지한 운행조건에 따라 전자제어장치(Electronic Control Unit)에서 모터를 구동하여 선회 안정성을 보장하고 신속한 복원력을 제공함으로써 운전자로 하여금 안전한 주행이 가능하도록 한다.

앵글센서(Angle Sensor)는 조향축의 회전각에 비례하는 전기신호를 출력하는 장치로, 최근에는 조향 토크를 측정하는 토크 센서(Torque Sensor)와 결합되어 아세이(Assey)로 이루어지는 경우가 많다.

도 1은 이와 같은 앵글센서의 예를 나타내는 평면도이다.

앵글센서의 경우 운전자가 조향휠을 회전함에 따라 조향축에 부착된 메인기어(20)가 연동하여 회전하면서 회전각도의 차이가 발생하게 되고, 이때 메인기어(20)에 기어를 통해 연결된 서브기어(21, 22)들에 부착된 마그넷(31, 32)의 자기장과 회전방향을 자기소자가 인식하여 신호를 전자제어장치로 이송하게 되는 것이다.

상기 메인기어(20)와 서브기어(21, 22)는 소정의 기어비를 갖도록 구성되는데, 메인기어(20)의 외주에 형성된 기어수가 더 많은 것이 일반적이다.

예를 들어, 일반적인 경우와 같이, 메인기어와 서브기어의 기어비가 2:1로 구성되는 경우, 메인기어의 1회전에 따라 서브기어는 2회전 하게 되고, 마그넷의 자계변화를 감지하는 홀 센서의 디지털(digital) 출력은 소정 스케일 팩터(Scale Factor)에 해당하는 이득을 곱하여 14bit의 타임 카운터(Time Counter)를 사용하여 회전량을 측정하게 된다.

이때, 메인기어의 회전수를 서브기어의 회전수를 통하여 감지하여야 하기 때문에, 상기 스케일 팩터는 메인기어 회전수 측정의 정확성에 영향을 미치게 된다. 결국, 종래기술의 앵글센서의 경우 상기 스케일 팩터값이 크기 때문에 회전축의 회전량 측정의 오차가 발생하게 되는 문제점이 존재하였다.

이에 본 발명은 상기한 문제점을 해소하기 위하여 안출된 것으로, 앵글센서의 메인기어와 서브기어의 최적 기어비를 선택하여 조향축 회전 측정의 오차를 최소화할 수 있는 앵글센서를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명에 따른 앵글센서는, 차량 조향축의 회전량을 측정하는 앵글센서로서, 상기 조향축과 함께 회전하는 링 형상의 메인기어, 상기 메인기어의 회전에 의해 회전하고 일면에 마그넷이 결합되는 제1서브기어 및 상기 마그넷의 자계변화를 감지하여 회전량 데이터를 출력하는 자기소자를 포함하고, 상기 제1서브기어는 상기 메인기어가 1 회전하는 동안 4 회전하는 앵글센서를 제공한다. 따라서, 메인기어의 앵글을 측정하기 위한 유효 데이터를 획득하는 과정에서 스케일 팩터의 값이 최소화되므로, 측정치의 오차가 최소화되는 이점이 있다.

또한, 본 발명에 따른 앵글센서는, 상기 메인기어에 치합되는 제2서브기어를 더 포함하고, 상기 제1서브기어는 상기 제2서브기어에 치합되고, 상기 메인기어와 상기 제1서브기어의 기어비는 4:1 로 이루어진 앵글센서를 제공한다. 따라서, 자계변화 감도를 확보할 수 있으면서도 측정치 데이터의 비선형성이 향상되는 이점이 있다.

또한, 본 발명에 따른 앵글센서는, 상기 자기소자는 홀 소자(Hall IC)인 앵글센서를 제공한다. 따라서, 자계변화에 따른 출력신호의 분석이 효율적으로 이루어질 수 있다.

전술한 내용과 같이 구성된 본 발명에 따른 앵글센서는, 메인기어와 서브기어의 최적 기어비가 설정됨으로써, 자계변화 감지 효율이 저하되지 않으면서도 자기소자의 에러 비율이 감소되고, 결국 출력 데이터의 비선형성이 증가될 수 있어, 정확한 앵글의 측정이 가능하다.

도 1은 종래기술에 따른 앵글센서를 나타내는 평면도.
도 2는 종래기술의 앵글센서에서 메인기어의 회전량에 대한 측정 회전량의 오차를 나타내는 그래프.
도 3은 본 발명에 따른 앵글센서에서 메인기어의 회전량에 대한 측정 회전량의 오차를 나타내는 그래프.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 앵글센서를 상세히 설명한다.

이하, 본 발명에 따른 앵글센서는 도 1에 나타난 앵글센서의 구조를 기초로 설명된다.

또한, 앵글센서는 차량의 조향축과 함께 회전하는 링 형상의 메인기어(20) , 상기 메인기어(20)에 치합되는 제2서브기어(21) 및 상기 제2서브기어(21)에 치합되는 제1서브기어(22)로 구성된다.

상기 기어들은 케이스(10)의 일면에 회전 가능하게 결합되는데, 상기 케이스(10)는 대략 원반 형상으로 이루어지고, 중심부위에 상기 메인기어(20)의 중공부위에 대응하는 개구가 형성된다.

차량의 조향축은 상기 메인기어(20)의 중심부위에 연결되어 함께 회전하게 된다.

상기 메인기어(20)의 회전에 따라, 상기 제2서브기어(21)가 메인기어(20)의 회전방향에 대해 역방향으로 회전하게 되고, 이에 따라 제1서브기어(22)가 정방향으로 회전하게 된다.

상기 제2서브기어(21)와 제1서브기어(22)는 회전량 측정의 정확성 및 배치관계를 고려하여 기어비가 1:1 로 이루어지는 것이 바람직하다.

상기 앵글센서는 조향축에 단독적으로 결합될 수도 있지만, 토크센서(Torque Sensor)와 일체로 형성될 수도 있다. 이러한 경우, 상기 케이스(10)의 타면에는 토크센서가 형성되고, 조향축은 토크센서와 앵글센서를 관통하여 배치된다.

메인기어(20)와 제1서브기어(22)의 기어비에 따라 회전량의 측정 오차가 발생할 수 있음은 상기한 바와 같다.

도 2는 메인기어와 서브기어의 기어비가 2:1 인 경우의 메인기어 회전량에 대한 측정치의 오차를 나타내는 그래프로서, 가로축은 메인기어의 회전량을 도(Degree) 스케일로 나타낸 것이며, 세로축은 메인기어의 실제 회전량과 측정치의 오차를 도(Degree) 스케일로 나타낸다.

구체적으로 살펴보면, 제1서브기어(22)의 자계변화를 감지하는 자기소자는 14비트(bit)인 0~16383 스텝(step)의 디지트(digit) 출력을 발생시킨다. 따라서, 상기 기어비가 2:1 인 경우, 메인기어(20)가 1회전 하게 되면, 제1서브기어(22)는 2번의 출력을 발생시킨다.

상기 제1서브기어(22)의 출력, 더욱 정확하게는 제1서브기어(22)에 결합된 제2마그넷(32)의 자계변화를 감지한 자기소자의 출력을 통해, 펄스폭 변조(PWM: Pulse Width Modulation)된 출력값은 4분할하여 메인기어의 90도 간격으로 출력을 발생시키게 되는 것이다.

상기 펄스폭 변조된 출력은 14비트(bit)의 타임카운터(Time Counter)를 통하여 각도를 표현하며, 스텝값은 하한에서 25% 및 83% 정도의 범위의 데이터를 사용하게 된다. 이때, 상기 데이터의 범위는 2400~13600 정도로 설정된다.

따라서, 메인기어(20)가 90도 회전하는 동안 제1서브기어(22)를 통한 출력 데이터는 풀 데이터의 절반인 0~8192의 범위가 되고, 여기에 일정한 스케일 팩터를 곱함으로써 상기 설정 범위인 2400~13600의 데이터로 변환시켜 각도를 측정하게 되는 것이다.

상기 스케일 팩터의 크기에 따라 오차의 범위가 달라질 수 있음은 상기한 바와 같다.

도 2에서는 메인기어(20)와 제1서브기어(22)의 기어비가 2:1 인 경우의 그래프를 나타내는 것으로, 메인기어(20)가 대략 250도 정도 회전하는 동안 측정치의 회전량 오차는 최대 1도 가까이 나타난다. 이때, 스케일 팩터의 영향으로 가로축에 나타난 데이터의 사이에는 일정한 선형성을 나타내게 된다.

따라서, 본 발명의 개념에서는 상기 회전량 오차 및 선형성을 줄임으로써 조향각 오차를 최소화시킬 수 있도록, 메인기어와 서브기어의 기어비가 4:1 로 설정된 앵글센서를 제공한다.

이 경우, 메인기어(20)가 90도 회전하는 동안 제1서브기어(22)는 1회전 즉, 360도 회전하게 되고, 결국 제1서브기어(22)에 의한 출력은 14비트의 풀 데이터인 0~16383 값의 데이터로 나타나게 되므로, 상기 설정 범위인 2400~13600에 해당하는 데이터를 추출하기 위해 적은 값의 스케일 팩터를 사용할 수 있게 된다.

따라서, 이러한 개념에 따라 자기소자의 에러 비율이 감소되고, 결국 출력 데이터의 비선형성이 증가될 수 있다.

도 3은 본 발명의 개념에 따른 앵글센서의 메인기어의 회전량에 대한 측정치의 오차를 나타내는 그래프이다.

메인기어의 약 250도 정도의 회전량에 대해, 세로축에 나타난 측정치의 오차는 0.5도 미만이 되었음에 유의하여야 한다. 상기 오차범위는 도 2에서 기어비가 2:1 인 경우에 비해 절반 정도가 된 것으로, 이에 따라 데이터 사이에 선형성은 감소될 수 있는 것이다.

한편, 자계변화에 따른 비트단위의 출력의 효율적인 활용을 위해 상기 자기소자는 홀 소자(Hall IC)인 것이 바람직하다.

본 발명의 실시예에서는 상기 제2서브기어(21) 및 제1서브기어(22)는 동일한 기어비를 가지며, 메인기어(20)에 대해 4:1 의 기어비를 가진다. 따라서, 상기 기어비의 차이는 반경의 차이로 설명될 수 있다. 즉, 메인기어(20)와 제1서브기어(22)의 반경은 4:1 로 이루어질 수 있다.

다만, 상기 제2서브기어(21)와 제1서브기어(22)의 기어수가 다르게 설정될 수도 있고, 메인기어와 제1서브기어의 사이에는 복수의 기어가 개재될 수도 있음은 물론이다.

이 경우, 상기 기어비에 대한 용어는 회전량의 차이로 수정되어야 할 것이다. 즉, 메인기어에 대해, 메인기어의 회전량을 측정하는 서브기어의 회전량의 비는 1:4 로 설정 된다.

즉, 상기한 바와 같이 메인기어(20)의 90도 간격으로 출력값을 4분할하여 측정하는 경우, 자기소자의 센싱 능력 및 기어들의 배치관계를 고려할 때, 상기한 바와 같이 대략 풀 데이터를 출력할 수 있는 4:1 의 기어비로 이루어지는 것이 가장 바람직하다. 즉, 자계감지의 효율성을 위해 마그넷의 착자 위치 및 크기가 고려되어야 하고, 상기 마그넷의 자계변화를 측정하는 홀 소자는 소정 간격 이격되어 있기 때문에, 어느 정도 서브기어의 반경은 확보되어야 한다. 따라서, 메인기어와 서브기어의 자계변화의 감지의 효율을 확보할 수 있으면서도, 측정 오차를 최소화할 수 있는 최적 기어비는 4:1 의 기어비가 되는 것이다.

다만, 구조적인 선택에 따라, 상기 메인기어에 대한, 메인기어의 회전량을 측정하는 서브기어의 회전량은 4의 배수로 이루어질 수도 있음은 물론이다.

이상에서, 본 발명은 실시예 및 첨부도면에 기초하여 상세히 설명되었다. 그러나, 이상의 실시예들 및 도면에 의해 본 발명의 범위가 제한되지는 않으며, 본 발명의 범위는 후술한 특허청구범위에 기재된 내용에 의해서만 제한될 것이다.

10...케이스 20...메인기어
21...제2서브기어 22...제1서브기어
31...제1마그넷 32...제2마그넷

Claims

차량 조향축의 회전량을 측정하는 앵글센서로서,
상기 조향축과 함께 회전하는 링 형상의 메인기어;
상기 메인기어의 회전에 의해 회전하고 일면에 마그넷이 결합되는 제1서브기어; 및
상기 마그넷의 자계변화를 감지하여 회전량 데이터를 출력하는 자기소자;를 포함하고,
상기 제1서브기어는 상기 메인기어가 1 회전하는 동안 4 회전하는 앵글센서.
제1항에 있어서,
상기 메인기어에 치합되는 제2서브기어;를 더 포함하고,
상기 제1서브기어는 상기 제2서브기어에 치합되고, 상기 메인기어와 상기 제1서브기어의 기어비는 4:1 로 이루어진 앵글센서.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 자기소자는 홀 소자(Hall IC)인 앵글센서.