KR20140109379A - 센서 장치, 위치 검출 방법 및 센서 장치용 자기 요소 - Google Patents

센서 장치, 위치 검출 방법 및 센서 장치용 자기 요소 Download PDF

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젯트에프 프리드리히스하펜 아게
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Abstract

본 발명은 하나 이상의 센서 소자(120), 특히 홀 센서 소자와, 이 센서 소자(120)에 대해 상대 운동이 가능한 하나 이상의 자기 요소(110)를 포함하는 센서 장치(100)에 관한 것으로, 상기 자기 요소는 상이하게 자화된 복수의 영역(310)을 갖는다. 센서 소자(120)는, 센서 소자(120)의 측정 범위(360) 내에 놓인 자기 요소(110) 영역의 자화와 관련한 상태를 3개 이상의 기정 센서 신호 값 중 하나로 표현하는 센서 신호(350)를 출력하도록 형성된다.

Description

센서 장치, 위치 검출 방법 및 센서 장치용 자기 요소{SENSOR DEVICE, METHOD FOR POSITION DETECTION, AND MAGNETIC ELEMENT FOR A SENSOR DEVICE}
본 발명은 독립항들에 따른 센서 장치와, 센서 소자와 관련한 자기 요소의 위치를 검출하기 위한 방법과, 이러한 센서 장치를 위한 자기 요소에 관한 것이다.
현재, 일부 기어 실렉터 응용 분야에서 사용되고 있는 자성판은 실렉터 레버에 의해 가동되고 홀 센서에 의해 그 위치가 검출되며, 예컨대 도 1에 예로서 도시된 시프트 레버 센서 어셈블리(100)는 시프트 레버 위치의 평가를 위해 자성판(110)을 가지며, 이의 자기 영역들은 특히 홀 센서로서 형성된 복수의 센서(120)에 의해 판독된다. 이때, 홀 센서들(120)과 이의 하류에 연결된 평가 논리회로가 자계의 한 방향을 "1"로서 그리고 다른 방향을 "0"으로서 검출하고, 즉 각각의 센서가 2개의 값을 출력할 수 있으며(즉, 바이너리 센서로서 작동할 수 있으며), 이들 값 "0" 및 "1"은 부호화 이론에서 알파벳이라 지칭된다. 예컨대 도 1에 재현된 배치가 개략도와 상세도로 도시된 것처럼, 기존 산출의 분석예에 따르면 4개의 센서로 24 = 16가지의 상이한 상태들이 4비트 워드로서 표현될 수 있다. 그러나 상이한 시프트 레버 상태들을 표현하기 위해 단 6개의 코드 워드(P R N D + -; P=주차, R=후진 기어, N=중립 위치, D=주행=시프트 레버의 주행 위치, + = 더 높은 변속단으로의 시프팅을 유발하는 시프트 위치, - = 더 낮은 변속단으로의 시프팅을 유발하는 시프트 위치)만 필요하며, 즉 이런 경우 이론적으로 센서는 3개로 충분하다.
개별 비트 오류를 검출하기 위해 상기 코드 워드들의 특수한 성질이 요구되며, 이들은 특히 해밍 거리에 의해 측정될 수 있다. 예컨대 2의 최소 해밍 거리가 요구되는 경우, 출력을 위해 사용되는 각각의 코드 워드는 2개 이상의 마크에서 각각의 다른 유효 코드 워드와 구별된다. 도 1의 예에 적용하면, 3의 최소 해밍 거리가 요구될 수 있다. 그러나 16가지의 가능 코드 워드 중에서 각각 상기 조건을 충족하는 코드 워드는 2개 이상 발견될 수 없다. 그러나 P, R, N, D, +, -의 출력을 위해 6개의 코드 워드가 필요하기 때문에, 도시된 센서 그룹은 3 이상의 해밍 거리로 기어 선택을 출력할 수 없다. 요건이 2의 최소 해밍 거리로 감소하면, 최대 8가지의 다른 코드 워드가 조합될 수 있다. 도 2의 표에는 2가지 가능 해법(A 또는 B)이 도시되어 있으며, 이들 해법의 경우 각각의 코드 워드는 각각의 다른 코드 워드에 대해 자신의 (부호화) 패턴(1 내지 8)에서 적어도 해밍 거리 2를 갖는다.
EP 1 003 186 A1호는 기어 실렉터와, 상기 기어 실렉터에 의해 취해진 위치의 확실한 위치 검출을 위한 실렉터 장치와 그 방법을 개시하고 있다.
이에 근거하여, 본 발명은 독립항들에 따라 개선된 센서 장치, 센서 소자와 관련한 자기 요소의 위치를 검출하기 위한 개선된 방법, 및 센서 장치를 위한 개선된 자기 요소를 제공한다. 바람직한 개선예들은 종속항들 및 하기의 설명을 참조한다.
본 발명은, 하나 이상의 센서 소자, 특히 홀 센서 소자와, 이 센서 소자에 대해 상대 운동이 가능하며 상이하게 자화된 복수의 영역을 가지는 하나 이상의 자기 요소를 포함하는 센서 장치를 제공하며, 상기 센서 소자의 측정 범위 내에 놓인 자기 요소 영역의 자화와 관련한 상태를 3개 이상의 기정(predefined) 센서 신호 값 중 하나로 표현하는 센서 신호를 출력하도록 센서 소자가 형성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명은 센서 소자와 관련한 자기 요소의 위치를 검출하기 위한 방법을 제공하며, 상기 방법은 앞서 설명한 센서 장치를 사용하고, 하기의 단계, 즉
- 센서 소자의 측정 범위 내에 놓인 자기 요소 영역의 자화와 관련한 상태를 3개 이상의 기정 센서 신호 값 중 하나로 표현하는 센서 신호를 출력하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명은 센서 장치용 자기 요소를 제공하며, 자기 요소는 복수의 자화 영역 및 2개 이상의 자화 영역에 접하는 하나 이상의 비자화 영역 및/또는 반자성 영역을 포함한다. 바람직하게는 비자화 영역 및/또는 반자성 영역이 적어도 자화 영역들에 인접하게, 더 바람직하게는 2개의 동일하게 자화 영역들 사이에 및/또는 2개의 상이하게 자화 영역들 사이에 인접하게 배치되어 있다.
센서 소자란 특히 자기량을 검출하기 위해 형성되어 있는 센서로 이해할 수 있다. 예컨대, 이 센서 소자는 홀 센서일 수 있다. 자기 요소란 상이하게 자화되는 영역들을 가지는 소자로 이해할 수 있다. 예컨대, 이 자기 요소는 자신의 몸체에서 상이하게 자화되는 영역들을 포함하는 디스크일 수 있다. 대안으로서, 자기 요소는 캐리어 시트를 가질 수도 있으며, 그런 경우 이 위에 개별 자석들이 고정되어 있다. 그러나 이 자기 요소는 센서 소자와 관련하여 가동될 수 있으므로, 센서 소자와 관련해서 (예컨대 차량 변속기의 시프트 레버와 연결되어 있는) 자기 요소의 위치 변경이 검출될 수 있다. 센서 신호란 센서 소자의 측정 범위에 있는 한 영역에서 자기 요소의 자화의 상태에 관한 정보를 갖는 센서 소자의 출력 신호로 이해할 수 있다. 자화와 관련한 상태란 자화(특히 자계의 방향)의 존재 또는 센서 소자의 측정 범위에 있는 자기 요소의 영역의 자화의 비존재로 이해할 수 있다. 미리 정해진 센서 신호 값이란 미리 정해진 양의 센서 신호 값 중 한 값으로 이해할 수 있다. 특히, 이 센서 신호 값들은 3개 이상의 이산값을 취할 수 있으며, 이것은 예컨대 제1의 방향으로 자계의 존재, 제1의 방향과 다른 제2의 방향으로 자계의 존재 또는 센서 소자의 측정 범위에 있는 자기 요소의 영역에서 자계의 비존재를 나타낸다.
본 발명은 3개 이상의 센서 신호 값으로부터 선택되는 신호 값들을 가지는 센서 신호들을 사용하면 센서 소자의 측정 범위에 있는 자기 요소의 일 영역의 자화와 관련한 상태의 존재에 관한 정보가 매우 정확할 수 있다는 인식에 근거한다. 특히, 개별 센서를 이용하면 센서 소자의 측정 범위에 있는 자기 요소의 구체적 상태에 관한 정보가 상세하게 표현될 수 있다. 바이너리 센서 신호 값들을 가지는 센서들이 사용되는 종래 해법들에 비해, 유리하게는 센서의 측정 범위 내 자기 요소의 자화의 비존재를 나타내는 추가 센서 신호 값을 부가하면 측정 정확도가 적은 추가 비용만으로도 향상될 수 있다. 추가로, 이와 같은 센서 신호들의 평가 역시 개선될 수 있는 데, 예컨대 센서 신호 워드를 위해 그와 같은 복수의 센서 장치들의 센서 신호들을 조합하면 바이너리 출력 값을 갖는 센서들을 사용하는 경우에서보다 더 큰 해밍 거리가 개별 센서 신호 워드들 사이에서 구현될 수 있다.
자기 요소의, 센서 소자 앞에 있는 영역의 자화와 관련한 상태에서 자속이 센서 소자에 작용하지 않으면, 미리 정해진 센서 신호 값을 센서 신호로서 제공하도록 센서 소자가 형성되어 있는 본 발명의 일 실시예가 특히 적절하다. 본 발명의 이러한 실시예는 센서 소자의 측정 범위에서 자기 요소의 자화가 없다는 센서 신호 내 추가 정보의 장점을 제공한다. 자화 결여 상태가 검출될 수 없었던 종래 접근법들에 비해, 이와 같은 방식으로 센서 소자의 측정 범위에서 자기 요소의 자화의 상태에 관한 상세 정보가 검출될 수 있다.
또한, 본 발명의 추가 일 실시예에 따르면 센서 소자는 하나의 센서 신호 값을 가지는 센서 신호를 제공하도록 형성될 수 있으며, 이 센서 신호 값으로부터 센서 소자의 측정 범위 내에 놓인 자기 요소 영역에서 자계의 방향은 검출될 수 있지만, 센서 소자의 측정 범위 내에 놓인 자기 요소 영역에서 자계의 세기는 검출될 수 없다. 본 발명의 이와 같은 실시예는 검출된 자계의 제시만이 관련된 것으로 간주되어, 잠재 신호 센서값들의 수가 감소되므로 센서 신호의 처리가 용이해지는 장점을 제공한다.
센서 소자와 관련하여 자기 요소의 상대 위치에 관한 가능한 한 중요 정보를 얻기 위해, 센서 장치가 하나 이상의 추가 센서 소자, 특히 추가 홀 센서 소자를 가지며, 이 추가 센서 소자는 자기 요소의, 추가 센서 소자의 측정 범위에 있는 영역의 자화와 관련한 상태를 3개 이상의 미리 정해진 센서 신호 값들 중 하나를 통해 나타내는 추가 센서 신호를 출력하도록 형성된다. 이와 같은 방식으로 하나의 센서 신호 코드 워드는 센서 신호의 신호값들과 추가 센서 신호에 근거해 결정될 수 있으며, 이것은 개별 센서 소자의 센서 신호값에만 포함되어 있는 정보보다 센서 소자와 관련한 자기 요소의 상대 위치에 관한 더 신뢰적인 정보를 제공한다.
추가에도, 센서 소자의 센서 신호의 센서 신호값과 하나 이상의 추가 센서 소자의 추가 센서 신호의 적어도 센서 신호값을 결합하여 센서 신호 워드를 형성하는 것이 특히 유리하며, 그 외에도 신호 출력 유닛은 센서 소자와 추가 센서 소자 앞 자기 요소의 다른 상대 위치에 대해 센서 신호 워드들을 출력하도록 형성되며, 이들은 2 이상의 해밍 거리, 특히 3 이상의 해밍 거리를 갖는다. 본 발명의 추가 실시예는 개별 센서 신호 워드의 구별성이 향상될 수 있는 장점을 제공한다.
센서 소자의 측정 범위에서 자계의 자화의 상태를 매우 잘 구별할 수 있도록 하기 위해, 자기 요소는 특별하게 형성될 수 있다. 특히, 자기 요소는 본 발명의 일 실시예에 따르면 2개의 자화 영역들 사이에서 하나 이상의 개구 및/또는 리세스를 가지며, 특히 이 개구 및/또는 리세스는 자화가 일어나지 않는 자기 요소 영역의 자화와 관련한 상태를 나타낸다. 이런 개구 및/또는 리세스를 제공하면 종래 기술의 접근법들에 비해 자기 요소의 다르게 또는 동일하게 자화된 2개 영역들 간 특히 우수하고 쉽게 검출될 수 있는 전이가 보장될 수 있다.
이 개구 및/또는 리세스에 반자성 재료, 특히 구리가 배치되어 있으면, 자기 요소의 다르게 또는 같게 자화된 2개 영역들 간 구별성의 재차 개선은 본 발명의 일 실시예에 따라 구현될 수 있다. 이와 같은 반자성 재료를 배치하면 반자성 재료를 가지는 영역들에서 자기력선의 "밀어냄"이 가능해진다. 그러므로 반자성 재료를 센서 소자의 측정 범위에 배치하는 경우, 자기 요소의 비자화된 상태를 갖는 영역의 존재가 더 잘 분명하게 검출될 수 있다.
특히 단순한 자기 요소를 제조할 수 있도록, 자기 요소는 복수의 서브 요소들을 가지며, 부분적으로 평면인 하나 이상의 캐리어 소자가 제공되며, 그 위에 자기 서브 요소들이 배치되어 있다. 적어도 부분적으로 평면적인 캐리어 소자는 예컨대 캐리어 시트일 수 있으며, 이 위에 개별적인 자성의 서브 요소들이 제공 또는 삽입되어 있다. 이때, 자기 서브 요소들은 예컨대 영구 자석일 수 있으며, 이 영구 자석은 평면의 캐리어 소자 위에 부착되거나 별도의 소자로서 평면의 캐리어 소자 안에 삽입될 수 있으며 캐리어 소자로 지지되거나 또는 달리 가동되지 않게 연결될 수 있다.
본 발명의 유리한 일 실시예에 따르면 센서 검사 유닛이 제공되며, 이 센서 검사 유닛은 센서 소자를 통한 전류 흐름의 방향을 변경하고 전류 흐름 변경 후 센서 소자를 통해 검출된 센서 신호의 센서 신호 값에 근거하여 센서 소자의 정확한 기능을 검출하도록 형성된다. 본 발명의 이와 같은 실시예의 장점은 센서 장치가 별도의 내부 기능 검사를 가능하게 하여 오류로 작동하는 센서 장치가 적은 노력으로 검출되고 신속하게 교체될 수 있다는 것이다.
특히 유리하게는 차량의 변속 선택을 위해 시프트 레버의 시프트 위치의 결정과 관련하여 본 발명이 이용될 수 있다. 그러므로 본 발명의 특별한 일 실시예에 따르면 특히 차량을 위한 시프트 장치가 제공될 수 있으며, 앞서 변형예에서 설명된 것처럼 센서 장치가 사용되고, 센서 장치는 시프트 레버, 특히 기어 시프트 레버의 위치를 검출하도록 형성된다.
첨부 도면을 참고하여 예를 들어 본 발명을 상술한다.
도 1은 종래 기술에 따른 센서 장치의 일례를 도시한 도이다.
도 2는 2의 해밍 거리를 가지는 4개의 센서 신호 값들로 구성된 코드 워드들의 바이너리 시프트 거동을 나타내는 표이다.
도 3은 본 발명에 따른 센서 장치의 일 실시예의 블록 다이어그램이다.
도 4a는 본 발명의 일 실시예에 따른 자기 요소의 개략적 평면도이다.
도 4b는 도 4a에 도시된 실시예에서 발생 가능한 4개의 센서 신호 값들로 구성된 코드 워드에 기반한 터너리(ternary) 시프트 거동을 나타내는 표이다.
도 5a는 외부 자계에 의한 홀 전압의 발생을 보여주는 제1 개략도이다.
도 5b는 외부 자계에 의한 홀 전압의 발생을 보여주는 제2 개략도이다.
도 6은 터너리 센서의 사용 시 해밍 거리(
Figure pct00001
)에 대한 패턴 예시를 재현한 표이다.
도 7은 상이한 센서 유형에서 상이한 코드 워드들의 수율이 비교되어 있는 표이다.
도 8은 바이너리 센서로부터 터너리 센서로 개조 시 절약될 수 있는 센서의 수를 기입한 표이다.
도 9는 본 발명에 따른 방법의 일 실시예의 흐름도이다.
본 발명의 바람직한 실시예들의 하기 설명에서는, 상이한 도면들에 도시되어 있으면서 유사하게 작용하는 요소들에 대해 동일한 또는 유사한 도면 부호들이 부여되며, 이들 요소에 대한 설명은 반복하지 않는다.
도 3에는 본 발명의 일 실시예로서 센서 장치(100)의 블록 다이어그램이 도시되어 있다. 센서 장치(100)는 예컨대 자동 변속기의 변속 레버(300)에 배치되어 있으며 하나 이상의 자기 요소(110)를 포함하고, 이 자기 요소에는 상이하게 자화 영역들(310)이 제공된다. 상이하게 자화된 상기 영역들은 예컨대, 자기 요소(110) 안에 매입되어 있거나 자기 요소(110)에 부착되어 있는 영구 자석(315)에 의해 형성될 수 있다. 또한, 자기 요소(110) 안에 호울들(320) 및/또는 리세스들(330)[즉, 자기 요소(110)의 캐리어 플레이트 내 홈들]이 제공될 수도 있다. 그 대안으로 또는 추가로, 반자성 재료(340)로 채워지지 않은 자기 요소(110) 영역들에 자계가 집중될 수 있도록, 이러한 호울들(320) 및/또는 리세스들(330) 안에 반자성 재료(340)가 제공될 수 있다. 그 외에도, 센서 장치(100)는 하나 이상의 센서 소자(120), 여기에서는 4개의 센서 소자(120)를 포함하며, 이들 센서 소자는 각각 센서 소자(120)의 측정 범위(360) 내에 놓인 자기 요소(110) 영역의 자화와 관련한 상태를 3개 이상의 기정 센서 신호 값들 중 하나로 표현하는 센서 신호(350)를 출력하도록 형성된다. 이때, 자기 요소(110)는 센서 소자들(120)에 대해 회전점(345)을 중심으로 상대 운동 가능하게 배치되고, 변속 레버(300)에 대해서는 상대 운동이 불가능하게 배치됨에 따라, 변속 레버(300)의 운동에 따라 센서 소자들(120)을 통해 자기 요소(110)의 위치와 변속 레버(300)의 위치가 검출될 수 있다. 하기에 자세히 설명되듯이, 센서 신호들(350)은 센서 출력 유닛(370)에서 출력 신호(380)로서 하나의 코드 워드로 결합된다. 추가로, 센서 장치(110)는 예컨대 하기 설명에 상응하게 센서 소자의 기능성을 테스트하도록 형성된 검사 유닛(390)을 포함할 수 있다.
도 4a에는 본 발명의 일 실시예에 따른 자기 요소(110)의 개략적인 평면도가 도시되어 있다. 도 4b에는 상기 바람직한 실시예에 할당될 수 있는 시프트 거동에 관한 표가 도시되어 있다. 이때, 자기 요소(110)는 예컨대 예컨대 전술한 센서 장치(100)와 같은 센서 장치에서 사용될 수 있다. 자기 요소(110)는 직사각형 자성판으로 형성되며, 상기 자성판은 하나 이상의 방향(도 4a에 도시된 화살표 방향)에 대해 평행하게 왕복 운동을 할 수 있다. 자계판(110)은 복수의 자화 영역(310) 및 비자화 영역(320, 330, 340)을 포함한다. 자화 영역들(310)은 상이하게 자화 영역 또는 상이한 극성으로 자화 영역들을 포함한다. 도 4a에 도시된 자화 영역 및 비자화 영역, 그리고 상이한 극성을 갖는 자화 영역들의 배치는 단지 예시로 선택되었을 뿐 이와 다르게 배치될 수도 있다. 구체적으로, 자성판(110)은 도시된 실시예에서 복수의 N극을 가지며, 이들은 빗금친 영역들로써 도 4a에 도시되어 있다. 또한, 자성판(110)은 그물 모양으로 빗금친 복수의 영역을 포함하며, 이들은 S극을 나타낸다. 빗금치지 않은 영역들은 비자화 영역들에 상응하고, 이들은 상기 바람직한 실시예에서 예컨대 호울(320), 리세스(330) 및 반자성 재료(340)의 조합을 통해 실현된다. 자성판(110)은 기본적으로 비자화 영역들을 포함할 수 있으며, 이들은 단지 호울들(320), 리세스들(330) 또는 반자성 재료로 형성될 수 있고 또는 이들의 임의 조합으로도 형성될 수 있다. 비자화 영역은 상기 바람직한 실시예에서 센서 신호 상태 "0"을 야기하고, N극은 센서 신호 상태 "1"을 야기하며, S극은 센서 신호 상태 "2"를 야기한다. 하기에서는 특히 도 5a 내지 도 5b와 관련하여 각각 발생 가능한 센서 신호 상태들에 대해 다룬다.
전술한 할당과 관련해 도 4a에 도시된 자화 및 비자화 영역들의 패턴 또는 배치에 근거하여, 도 4b에 도시된 표 및 상응하게 할당된 변속 개요가 도출된다. 이 변속 개요도는 자성판(110)과 복수의 센서 소자(120), 여기에서는 4개의 터너리 센서 소자(120)의 상호 작용을 통해 생성된다. 이때, 자성판(110)은, 상기 자성판(110)이 터너리 센서 소자들(120)에 대해 상대 운동을 할 수 있는 방식으로 상기 센서 소자들(120)과 상호 작용하고, 이 경우 자성판(110)이 신호 작용하에 센서 소자들(120)을 지나 통과할 수 있거나, 상기 센서 소자들이 신호 작용하에 자성판을 지나 통과할 수 있으며, 센서 소자들(120)은 이러한 통과 상태에서, 센서 소자(120)의 측정 범위 내에 놓인 자성판(110) 영역의 자화와 관련한 상태를 3개 이상의 기정 센서 신호 값 중 하나로 나타내는 센서 신호를 출력한다. 센서 신호들은 센서 출력 유닛에서 도 4b에 도시된 것처럼 출력 신호로서 하나의 코드 워드로 결합된다.
지금까지 알려진 해법에서는 해밍 거리를 늘리기 위해 복수의 센서들이, 예컨대 4개 대신 7개의 센서가 사용되었다. 본원에서 제안한 접근법에 소개되는 대안적 해법은 홀 효과 및 홀 센서의 최소 구조에 기반한다. 이를 위해 먼저 홀 센서의 작동 방식이 개요를 설명한다.
도 5에는 홀 효과의 기본 구조가 2개의 부분도 5a 및 도 5b로 도시되어 있다. 홀 전압은, 자계에 의해 야기되며 인가 전류(I)의 흐름 방향에 대해 횡으로 형성되는 전자 흐름(e)에 의해 발생한다. 도 5a에는 도 5b와 다르게 자계가 반대로 배향되어 있다. 전압의 부호는 자계 및 전류의 방향에 따라 좌우된다. 예시적으로 도시된 도 5의 배치에서 전류 방향이 구조적으로 정해지면, 변속 레버의 위치를 검출하기 위한 센서 내에 도 5에 도시된 배치들이 형성된 경우, 기어 레버의 위치를 (도 1에 도시된 것처럼) 검출하기 위해 자계(B)가 단일 변수로서 남는다. 자계 방향은 자성판에서 자성 구역들의 선택을 통해 구조적으로 구현된다.
즉, 원칙적으로 아날로그 신호[여기서 예컨대 부호 함수(sgn(x))로 설명됨) 가 양자화되는 하나의 홀 센서로 3가지 상태가 출력될 수 있다. 예컨대, 홀 전압(
Figure pct00002
)에서 하나의 자석이 홀 센서에서 한 방향을 가리키고 있음을 표시하는 값 "
Figure pct00003
"이 획득되며, 그 결과 인가 가능한 전압은 양의 전압이고 양의 최대 홀 전압 근처에 위치한다.
Figure pct00004
의 홀 전압이 검출될 경우,
Figure pct00005
인 부호가 얻어지고, 이는 어떤 자석도 홀 센서에 접촉하지 않는 것, 즉 실제로 자속 및 홀 전압이 전혀 존재하지 않는 것으로 해석될 수 있다. 자성판의 표유 자장, 환경 영향 및 지자계 때문에 작은 값들 역시
Figure pct00006
으로서 세팅될 수 있다.
Figure pct00007
이 측정되는 경우,
Figure pct00008
의 부호는
Figure pct00009
로 세팅되며, 이는 자석이 홀 센서에서 앞서 언급한 방향과 관련하여 다른 방향으로 정렬되어 있는 것으로 해석될 수 있다. 이 경우, 전압은 음의 전압이며 음의 최대 홀 전압 근처에 놓인다. 3가지 상태를 갖는 이와 같은 (홀) 센서를 터너리 센서라고도 한다.
이제, 종래 기술에 대한 복수의 변형예들은 하기에서 더 자세하게 설명하는 접근법에 근거한다. 예컨대, 홀 센서는 자신의 "본연의" 기능으로 작동될 수 있으며, 이런 기능에서 홀 센서는 전압의 부호에 의해 자계의 방향을 나타낸다. 그 외에도, 신호 처리는 00(자계 없음), 01(자속 방향 A), 10(A에 대한 역 자속 방향) 및 선택적으로 11(센서의 오류 상태 보고)로서 홀 전압에 대한 전압 범위들의 확정 후 홀 전압을 변환할 수 있다. 또한, 자성판 역시 (예컨대 도 1 또는 도 3에 도시되어 있는 것처럼) 제작 중에 또는 제작 이후에 천공될 수 있으므로, 홀 센서와 관련하여 상태 00이 표시될 수 있다. 이런 회로의 특별한 장점은, 같은 수의 센서를 이용하더라도 더 큰 해밍 거리가 만들어질 수 있다는 데 있다.
여기에 소개되는 접근법의 기술상 장점들로서 우선 실렉터 레버 위치에 대한 평가가 기술적으로 매우 용이하게 이루어질 수 있다. 이를 위해, 센서마다 2가지 상태로 총 16개 코드 워드가 구현될 수 있다. 변속 위치마다 단지 2개 이상의 상이한 코드 워드가 필요한 경우, 즉 예컨대 6개 위치(P, R, N, D, + 및 -)에 대해 6개의 코드 워드가 필요한 경우, 그 전개는 2의 해밍 거리로 한정된다. 도 2의 표에 따르면, 4개의 센서에 대해 각각 8개의 코드 워드를 포함하는 2개의 코드 사슬이 존재하며, 이들은 서로 간에 2이상의 해밍 거리를 유지한다.
바이너리 홀 센서가 본원 제안의 터너리 홀 센서로 대체되면, 부호 함수를 이용하는 전술한 접근법에 따라 전압의 부호가 치환식
Figure pct00010
으로 표현될 수 있으며, 이 식에서
Figure pct00011
은 i번째 비트의 값(단위 없음)이고,
Figure pct00012
은 볼트 단위로 측정된 홀 전압이다. 즉, 코드 워드의 알파벳은 센서 상태들 -1, 0, 1로부터 0, 1, 2로 변환되어, 회로의 설계 단계 동안 센서 상태의 계산 및 표현이 간소화될 수 있다.
결과적으로, (터너리 센서의 신호들에 상응하는) 3가지 상태를 취할 수 있는 4 "비트"(즉, 실제로 하나의 코드 워드의 위치들)로, 34=81개의 코드 워드가 형성될 수 있으며, 다시 말해 단 2가지 상태를 이용할 때보다 5배 더 형성될 수 있다. 가능한 해밍 사슬들의 계산 시, 4개의 센서와 각 3가지 상태들을 이용하면 해밍 거리 3을 가지는 72가지의 상이한 사슬이 얻어지고, 도 2의 표에 표현된 것처럼, 하나의 바이너리 센서는 2개의 사슬만을 제공할 수 있다.
도 6의 표는 터너리 센서를 이용하는 경우 해밍 거리(
Figure pct00013
)를 갖는 해밍 사슬들에 대한 예시적 패턴을 보여주고 있다. 특히, 이 예는 해밍 사슬 0000-0111-0222-1012-1120-1201-2021-2102-2210을 나타내며, 이때 각 코드 워드는 다른 각 코드 워드로부터 정확하게는 3의 해밍 거리를 갖는다.
도 7의 표에는 (2가지 상태 0/1을 제공하는) 바이너리 센서에 비해 (3가지 상태들 0/1/2를 제공하는) 터너리 센서가 제공하는 가능성들의 비교가 도시되어 있으며, 이때 제1의 열에는 센서들의 수(A), 제2의 열에는 최소 요구 해밍 거리(
Figure pct00014
), 제3의 열에는 바이너리 센서인 경우 사슬 길이(Kb) 및 수(Ab) 그리고 제4의 열에는 터너리 센서인 경우 사슬 길이(Kt) 및 수(At)가 도시되어 있다. 결과적으로, 도 7의 표에는 센서 유형이 다를 때 수율의 비교가 도시되어 있다. 사슬 길이가 클수록, 그만큼 더 많은 다른 시프트 명령(P, R, N, D, +, - 및 추가)이 코드 워드에 할당될 수 있으며 동시에 요구되는 유리한 최소 해밍 거리가 얻어질 수 있다.
대안으로서, 도 7의 표는 센서 시스템의 동일 성능에서 센서의 수가 어떻게 감소될 수 있는지에 대해서도 보여준다. 센서마다 3가지 상태를 갖는 센서 시스템은 센서마다 2가지 상태만을 갖는 센서 시스템보다 더 많은 상이한 코드 워드를 제공하기 때문에, 기능이 같고 안전성과 가용성에 대한 효용은 변하지 않는 경우에도 센서들의 수는 감소할 수 있다.
이런 감소는 등식, 즉
Figure pct00015
에 따라 계산되며, 이 식에서 k는 (3가지 상태를 갖는) 필요한 터너리 센서의 수이고 n은 (2가지 상태를 갖는) 기존 바이너리 센서의 수이다.
도 8의 표에 도시된 결과에서, 센서들의 수는 바이너리 센서를 터너리 센서로 바꿀 경우 절약될 수 있으며, 상측 행에서 센서들은 바이너리 신호들(2n)을 갖는 구 레이아웃에 대해 표시되어 있고 하측 행에는 신규 레이아웃을 이용할 때 필요한 센서들의 수가 기입되어 있는, 즉 바이너리 센서를 이용할 때 코드 대기 공간에 상응하는 코드 대기 공간을 얻는 데 필요한 센서 값마다 3k 가지 다른 상태들을 갖는 센서의 수가 기입되어 있다.
여기에서 제안하는 접근법의 또 다른 기술적 장점은 개선된 진단 가능성이다. 자주 제기되는 추가 요구 사항은 이러한 시스템의 영구 진단이다. 3가지 상태를 갖는 센서들인 경우에 제공되는 추가 가능성은 진단 실시이다: 극("N극" 또는 "S극")이 홀 센서 위에 있으면, 예컨대 센서를 검사하기 위해, 구조적으로 설정된 전류 방향(I)이 (예컨대 도 5의 하위 도면에서 알 수 있는 것처럼) 진단을 위해 차단되고 역류된다. 정확하게 작동하는 센서는 우선 홀 전압이 사라지고 반대 부호로 다시 센서에 인가되는 것을 따른다. 전류 흐름이 바뀌어 이와 같은 센서 결과 거동이 관찰되지 않는 경우에는, 관련 센서의 고장을 추론할 수 있다.
또 다른 기술적 장점으로서 특별한 자성판이 언급될 수 있으며, 이 자성판은 여기에 소개된 접근법의 기능을 보조하는 데 이용될 수 있다. 예컨대 도 1 및 도 4a에 도시된 것처럼, 이 자성판은 예컨대 천공을 통해 이 천공 전에 배치된 홀 센서와 관련하여 무자계 상태 "00"를 표현할 수 있다. 특히 콤팩트한 자성판을 형성하거나, 특히 자성 영역과 비자성 영역 간의 특히 선명한 전이를 얻기 위해, 상기 판 내 호울들이 반자성 인서트(
Figure pct00016
, 예컨대 구리)를 구비할 수 있다. 대안으로서, 자성판은 시트 캐리어에 설치되는 개별 피스들 또는 자석들로 이루어질 수 있다. 센서들이 한쪽 면에만 설치되는 경우, 이런 배치는 자성 피스들을 대면 방식으로 접착하기 위해 연속 시트 플레이트를 사용할 때의 단점을 갖지 않는다.
여기에 소개된 접근법의 실행에 의해 일련의 장점들이 획득된다. 한편으로 현 센서 시스템의 구조적 수정이 실시될 수 있으므로, 바이너리 센서들이 터너리 센서를 통해 교체될 수 있으며 3가지 상태 "N극", "S극" 및 "비자성" 상태를 갖는 자성판과 결합될 수 있다. 이로부터 센서 수가 동일한 경우의 효용값이 도출되며, 이때 센서 결과의 가용성에 대한 센서 결과의 평가 안전의 검토의 목표 상충 시 제조하려는 센서 시스템이 고객의 요구에 더욱 부합하도록 더 높은 안전 레벨(SIL/ASIL)이 달성되거나 가용성이 개선된다. 추가 효용값으로서 언급되는 것은 기존 해법들의 이와 같은 수정 시 패키징의 변경, 즉 센서 하우징 내에 이러한 센서들의 배치가 필요하며 적응 노력이 적절한 경우에만 많은 요소들의 전환이 가능할 것이다. 대안으로서, 동일한 안전성/가용성의 조건에서도 센서들이 절약될 수 있다.
그 외에도, 본 접근법은 진단상의 장점을 제공하는 데, 센서의 정확한 기능을 즉시 검사할 수 있는 추가 가능성이 있기 때문이다.
특별한 자성판과 관련하여, 자성판의 개별 자석들 또는 피스들을 시트 캐리어에 통합하면 자성판을 형성할 때 자유도(즉, 개별 자극의 배치 및 크기)가 개선될 수 있고 이런 자성판의 제조 시에 비용과 프로세스 시간이 줄어들 수 있다.
도 9에는 하나의 센서 소자와 관련한 자기 요소의 위치를 검출하기 위한 방법(800)으로서 본 발명의 일 실시예의 흐름도가 도시되어 있으며, 이 방법(800)은 앞서 언급한 일 실시예에 상응하는 센서 장치를 사용한다. 이 방법(800)은 3개 이상의 설정 센서 신호 값들 중 하나를 통해 센서 소자의 측정 범위 내에 놓인 자기 요소 영역의 자화 관련 상태를 나타내는 센서 신호의 출력 단계(810)를 포함한다.
요약하면, 하기에는 여기에 소개된 접근법의 가장 중요한 특징들이 재차 제시되어 있다. 우선, 시프트 레버 위치의 검출을 위해 하나 또는 복수의 터너리 센서들의 사용이 제안되어 있다. 이때, 특히 차량용 시프트 장치는 자화할 수 있는 하나 또는 다수 영역들 및 기존 자화를 검출하고 이런 자화의 방향을 결정할 수 있는 센서를 포함하는 자성 장치를 갖는다. 이때, 적당하게는 이 자성판의 한쪽에서 2개의 가능 상태들 "N극" 및 "S극" 중 하나 이상과 "비자성" 상태가 조합될 수 있다. 동시에 이런 자성판에서 비자화 영역들이 호울들을 통해 구현될 수 있다. 이와 같은 센서의 정확한 기능을 체크하기 위해, 홀 센서 내 전류 방향을 반대로 하여 홀 센서의 기능을 검사할 수 있는 장치가 제공될 수 있다.
본 발명의 다른 한 측면에 따라 자성판이 제공되어 있으며, 이러한 자성판은 한쪽에 설치된 센서를 위해 3가지 상태, 즉 상태 "N 자성", 상태 "S 자성" 및 상태 "호울"(즉 이런 상태에서 자계가 센서에 의해 검출될 수 없다)를 가진다. 특별한 형태에서 이 자성판은 상기 호울들 안에서 반자성 인서트를 포함할 수 있어 자성 영역들이 차폐되므로, 이의 표유장들이 비자화된 존으로부터 약화되거나 밀려난다. 대안으로서 또는 추가로 자성판은 하나의 피스로 이루어지지 않고 오히려 이의 구성 요소들은 캐리어를 통해, 특히 성형 시트를 통해 지지되거나 그 위에 고정될 수 있으며, 비자성 영역이 캐리어의 호울로서 구현될 수 있다. 이런 경우에도 이 자성판은 호울들 또는 이 자성판의 개별적인 자성 요소들 간 중간 공간에서 반자성 인서트들을 가질 수 있다.
전술하였고 도면에 도시한 실시예들은 예시적으로 선택되었을 뿐이다. 다른 실시예들 역시 전적으로 또는 개별 특징들과 관련하여 서로 결합될 수 있다. 또한, 일 실시예는 다른 일 실시예의 특징들을 통해 보완될 수 있다.
그 외에도, 본 발명에 따른 방법 단계들은 반복될 수 있고 전술한 순서와 다른 순서로 실시될 수 있다.
제1의 특징과 제2의 특징 간 "및/또는" 연결 부호가 일 실시예에 있으면, 이는 이 실시예가 한 실시 형태에 따르면 제1의 특징도 제2의 특징도 가지며 추가 실시 형태에 따르면 제1의 특징만 또는 제2의 특징만을 갖는 것으로 이해될 수 있다.
100 센서 장치
110 자성판, 자기 요소
120 센서 소자
300 기어 실렉터, 실렉터 레버
310 자기 요소의 자화 영역들
315 영구 자석
320 호울
330 리세스
340 반자성 재료
345 회전점
350 센서 신호, 센서 신호 라인
360 측정 범위
370 출력 유닛
380 코드 워드, 출력 신호
390 검사 유닛
800 센서 소자와 관련한 자기 요소의 위치를 검출하기 위한 방법
810 출력 단계
UH 홀 전압
B 자계
e 전자 흐름
I 전류 흐름

Claims (15)

  1. 하나 이상의 센서 소자(120), 특히 홀 센서 소자와, 이 센서 소자(120)에 대해 상대 운동이 가능하며 상이하게 자화된 복수의 영역(310)을 가진 하나 이상의 자기 요소(110)를 포함하는 센서 장치(100)에 있어서,
    센서 소자(120)는 센서 소자(120)의 측정 범위(360) 내에 놓인 자기 요소(110) 영역의 자화와 관련한 상태를 3개 이상의 기정(predefined) 센서 신호 값 중 하나로 표현하는 센서 신호(350)를 출력하도록 형성된 것을 특징으로 하는, 센서 장치(100).
  2. 제1항에 있어서, 센서 소자(120)는, 센서 소자(120)의 측정 범위(360) 내에 놓인 자기 요소(110) 영역의 자화와 관련한 한 상태에서 센서 소자(120)에 자속(B)이 작용하지 않으면 센서 신호(350)로서 미리 정해진 센서 신호 값을 제공하도록 형성된 것을 특징으로 하는, 센서 장치(100).
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 센서 소자(120)는 센서 신호 값을 갖는 센서 신호(350)를 제공하도록 형성되며, 이 센서 신호 값으로부터 센서 소자(120)의 측정 범위(360) 내에 놓인 자기 요소(110) 영역에서 자계(B)의 방향은 검출될 수 있지만, 센서 소자(120)의 측정 범위(360) 내에 놓인 자기 요소(110) 영역에서 자계(B)의 세기는 검출될 수 없는 것을 특징으로 하는, 센서 장치(100).
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 센서 장치(100)는 하나 이상의 추가 센서 소자(120), 특히 추가 홀 센서 소자를 가지며, 추가 센서 소자(120)는 추가 센서 소자(120)의 측정 범위(360) 내에 놓인 자기 요소(110) 영역의 자화와 관련한 상태를 3개 이상의 미리 정해진 센서 신호 값들 중 하나로 나타내는 추가 센서 신호(250)를 출력하도록 형성된 것을 특징으로 하는, 센서 장치(100).
  5. 제4항에 있어서, 신호 출력 유닛(370)은 센서 소자(120)의 센서 신호(350)의 센서 신호 값과 하나 이상의 추가 센서 소자(120)의 추가 센서 신호(350)의 적어도 센서 신호 값을 결합하여 센서 신호 워드(380)를 형성하도록 구성되며, 또한 상기 신호 출력 유닛(370)은 센서 소자(120) 및 추가 센서 소자(120)와 관련하여 자기 요소(110)의 상이한 상대 위치들에 대해, 2 이상의 해밍 거리, 특히 3 이상의 해밍 거리를 갖는 센서 신호 워드(380)를 출력하도록 형성된 것을 특징으로 하는, 센서 장치(100).
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 자기 요소(110)는 자화된 2개 영역들(310) 사이에서 하나 이상의 개구(320) 및/또는 리세스(330)를 가지며, 특히 개구(320) 및/또는 리세스(330)는 자화가 일어나지 않는 자기 요소(110) 영역의 자화와 관련한 상태를 나타내는 것을 특징으로 하는, 센서 장치(100).
  7. 제6항에 있어서, 개구(320) 및/또는 리세스(330) 안에 반자성 재료(340), 특히 구리가 배치된 것을 특징으로 하는, 센서 장치(100).
  8. 제6항 또는 제7항에 있어서, 자기 요소(110)는 복수의 서브 요소(310, 340)를 가지며, 부분적으로 평면인 하나 이상의 캐리어 소자가 제공되어 이 위에 자기 서브 요소들(315)이 배치되는 것을 특징으로 하는, 센서 장치(100).
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 센서 검사 유닛(390)은, 센서 소자(120)를 통한 전류 흐름(I)의 방향을 변경하고 전류 흐름(I)의 변경 후 센서 소자(120)를 통해 검출된 센서 신호(350)의 센서 신호 값에 근거하여 센서 소자(120)의 정확한 기능을 검출하도록 형성된 것을 특징으로 하는, 센서 장치(100).
  10. 특히 차량용 시프트 장치에 있어서,
    제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 따른 센서 장치(100)로서, 시프트 레버의 위치, 특히 기어 실렉터(300)의 위치를 검출하도록 형성된 센서 장치(100)를 포함하는 것을 특징으로 하는, 시프트 장치.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항 따른 센서 장치를 사용하여 센서 소자와 관련한 자기 요소의 위치를 검출하기 위한 방법(800)에 있어서,
    센서 소자의 측정 범위 내에 놓인 자기 요소 영역의 자화와 관련한 상태를 3개 이상의 기정 센서 신호 값들 중 하나로 표현하는 센서 신호를 출력하는 단계(810)를 포함하는 것을 특징으로 하는, 센서 소자와 관련한 자기 요소의 위치 검출 방법(800).
  12. 복수의 자화 영역(310)을 가지는 센서 장치(100)용 자기 요소(110)에 있어서,
    상기 자기 요소(110)는 자화된 2개 이상의 영역들(310)에 접하는 하나 이상의 비자화 영역(320; 330) 및/또는 반자성 영역(340)을 포함하는 것을 특징으로 하는, 자기 요소(110).
  13. 제12항에 있어서, 비자화 영역(320; 330)이 하나 이상의 개구(320) 및/또는 리세스(330)를 가지는 것을 특징으로 하는, 자기 요소(110).
  14. 제12항 또는 제13항에 있어서, 반자성 영역은, 자기 요소(110)와 함께 형성되거나 상기 자기 요소(110) 위에 배치된 반자성 재료(340)를 가지는 것을 특징으로 하는, 자기 요소(110).
  15. 제13항 및 제14항에 있어서, 반자성 재료(340)는 개구(320) 및/또는 리세스(330) 안에 배치되는 것을 특징으로 하는, 자기 요소(110).
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