KR20170127042A - 유도 위치 센서 - Google Patents

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링민 샤오
중 케이. 리
리안 더블유. 엘리어트
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케이에스알 아이피 홀딩스 엘엘씨.
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Abstract

회전 위치 센서는 고주파수 전류 공급원에 의해 통전되는 송신 코일을 갖는다. 제 1 수신 코일은 짝수 N 개의 루프를 루프를 가지며, 제 1 수신 코일의 인접하는 루프들은 서로 반대 방향으로 감겨 있다. 제 2 수신 코일이 또한 N 개의 루프를 갖는데, 인접하는 루프들은 루프들은 서로 반대 방향으로 감겨 있다. 또한, 제 2 수신 코일은 제 1 수신 코일로부터 180/N 도로 각도 오프셋되어 있다. 전기 전도성 재료로 구성된 비원형 커플러가 적어도 상기 제 1 및 2 수신 코일의 일 부분 위에 있도록 코일에 대해 회전가능하게 장착된다. 회로가 제 1 및 2 수신 코일로부터 오는 출력 신호를 처리하여 상기 커플러의 회전 위치를 나타내는 출력 신호를 발생시킨다.

Description

유도 위치 센서{INDUCTIVE POSITION SENSOR}
본 출원은 2010년 1월 25일에 출원된 미국 가특허 출원 제 61/297,841 호에 대해 우선권을 주장하는 바이며, 이는 본원에 참조로 관련되어 있다.
본 발명은 일반적으로 회전 센서에 관한 것이다.
자동차 산업에서, 스로틀 페달은 전통적으로 케이블로 엔진 스로틀에 기계적으로 연결된다. 그러나, 더욱 현대의 자동차에서는, 스로틀 위치 센서가 페달에 기계적으로 연결되고 스로틀 페달의 답량(degree of depression)을 나타내는 전기 신호를 발생시킨다. 이러한 시스템을 가끔 "플라이 바이 와이어(fly by wire)" 시스템이라고 한다.
이미 알려져 있는 일 종류의 스로틀 위치 센서의 경우, 그 센서는 고수파수 공급원에 의해 여기되는 송신 또는 여기 코일을 포함하는데, 이 코일은 고주파수 공급원의 주파수에서 전자기장 방사를 발생시킨다. 이 송신 코일은 또한 일반적으로 원형 패턴으로 배치되며, 물론 다른 패턴의 구성도 대안적으로 사용될 수 있다.
수신 코일이 송신 코일에 인접하여 스로틀 위치 센서에 배치된다. 따라서, 수신 코일과 송신 코일 사이의 유도 커플링으로 인해 송신 코일이 여기되면(exited) 수신 코일은 수신 신호를 발생시킨다.
그러나, 송신 코일과는 달리, 수신 코일은 적어도 제 1 및 2 루프를 포함하는데, 이들 루프는 평면도에서 볼 때 서로 반대 방향으로 감겨 있다. 따라서, 송신 코일과 수신 코일의 제 1 루프 사이의 유도 커플링으로 인해, 송신 코일과 수신 코일의 제 2 루프 사이의 유도 커플링과는 반대되는 극성의 전압이 발생된다. 수신 코일의 루프들은 직렬로 연결되어 있어, 수신기 출력 신호는 수신 코일의 제 1및 2 루프로부터 나오는 신호의 합이다.
스로틀의 위치를 나타내는 출력 신호를 발생시키기 위해, 커플러 요소가 스로틀 위치 센서내에 회전가능하게 설치되는데, 이때 그 커플러 요소는 스로틀 페달의 밟음과 해제에 동기하여 회전하게 된다. 또한 이 커플러 요소는 양 송신 코일과 수신 코일의 일 부분 위에 있다. 커플러 요소는 이 커플러 요소내에서의 와전류의 발생을 통해 자속을 상쇄시키는 전도성 재료로 구성된다. 따라서, 커플러가 회전하면, 송신 코일과 수신 코일의 제 1 및 2 루프 사이의 유도 커플링이 변하여, 커플러의 각위치 및 그래서 스로틀 페달의 위치를 나타내며 전체적인 수신 코일로부터 출력되는 전압을 발생시킨다.
커플링 요소가 송신 및 수신 코일과 정확히 동심을 이루고 또한 커플러 요소와 송신 및 수신 코일 사이의 간격이 커플러 요소의 전체 움직임 동안에 일정하게 유지된다고 가정하면, 수신 코일로부터의 출력은 커플러 요소 및 그래서 스로틀 페달의 위치를 정확히 나타내게 된다. 그러나, 실제로는 스로틀 위치 센서의 제작 중의 제조 공차로 인해, 종종 커플러 요소가 송신 및 수신 코일과 정확히 동심을 이루지 않으며 그리고/또는 커플러 요소의 전체 피봇 운동 또는 회전 운동 중에 그 커플러 요소가 이 커플러 요소와 송신 및 수신 코일 사이의 고른 간격을 유지하지 않는 스로틀 위치 센서가 제조된다. 커플러 요소와 송신 및 수신 코일의 동심도가 부족하고 커플러 요소의 회전 또는 피봇팅 중에 커플러 요소와 수신 코일 사이의 간격에 변화가 일어나면, 송신 코일과 수신 코일의 제 1 및 2 루프 사이의 유도 커플링이 변하게 되며, 이렇게 되면, 동일한 각위치에서 커플러 요소가 정확히 위치되어 있는 스로틀 위치 센서에서 수신 코일에서 나오는 출력 신호가 변하게 된다.
본 발명은 이미 알려져 있는 스로틀 위치 센서의 전술한 문제들을 해결할 수 있는 스로틀 위치 센서를 제공한다.
요컨대, 본 발명의 스로틀 위치 센서는, 바람직하게는 원형으로 감겨져 있고 복수의 루프를 갖는 송신 코일을 포함한다. 수신 코일은 고주파수 교류 공급원에 의해 여기되며, 따라서 통전되면 송신 코일은 전자기장을 발생시키게 된다. 또한 송신 코일은 일반적으로 인쇄 회로 기판상에 인쇄된다.
제 1 수신 코일이 또한 송신 코일에 인접하여 인쇄 회로 기판상에 인쇄된다. 수신 코일은 적어도 2개, 바람직하게는 4개 이상의 개별적인 코일부를 포함하며, 이들 코일부는 전기적으로 서로 직렬로 연결된다. 4개의 개별적인 코일부의 경우, 수신 코일은 4개의 개별적인 루프를 포함하는데, 여기서 교번 루프 각각은 원의 90도를 차지하고, 또한 교번 루프들은 서로 반대 방향으로 감겨 있다. 그러나, 모든 루프는 전기적으로 서로 직렬로 연결되어 있어, 수신 코일에서 나오는 전체적인 전기적 출력은 수신 코일의 모든 루프에서 유도되는 전압의 합으로 된다. 따라서, 교번 루프는 서로 반대 방향으로 감겨져 있으므로, 송신 코일과 4개의 각 루프 사이의 동일한 유도 커플링을 가정하면, 수신 코일에서의 출력은 제로가 될 것이다.
제 2 수신 코일이 또한 인쇄 회로 기판상에 형성되는데, 이 제 2 수신 코일은 형상에 있어서 제 1 수신 코일과 동일하지만, 45도 또는 180/N 도 회전되어 있다(여기서 N 은 수신 코일에 있는 루프의 수).
이미 알려져 있는 스로틀 위치 센서의 경우 처럼, 커플러 요소가 송신 코일과 양 수신 코일에 대해 움직일 수 있게 배치된다. 이 커플러 요소는 커플러 요소의 각위치의 함수로 송신 코일과 양 제 1 및 2 수신 코일 사이의 유도 커플링을 변하게 한다. 커플러 요소는 기계적으로 스로틀 페달에 연결되어 있으므로, 그 커플러 요소의 회전 위치는 스로틀 페달의 위치에 직접 대응한다.
또한, 커플러 요소는 제 1 수신 코일에 유도된 전압이 상기 커플러 요소의 회전 운동으로 인해 사인 함수로 변하도록 구성되어 있다. 그러나, 제 2 수신 코일이 제 1 수신 코일에 대해 효과적으로 90 도 회전하므로, 커플러 요소의 회전 중에 제 2 수신 코일에 발생된 전기적 출력은 코사인 함수로 변할 것이다. 따라서, 커플러 요소의 각위치 및 그래서 스로틀 페달의 실제 위치는 제 1 및 2 수신 코일로부터 각각 나오는 사인 및 코사인 출력 신호의 아크탄젠트 함수를 풀어서 정확히 결정될 수 있다.
본 발명의 주 이점은, 제 1 및 2 수신 코일로부터 각각 나오는 사인 및 코사인 신호는 동일한 인자로 스케일링되므로 제 1 및 2 수신 코일로부터의 감지된 각도는 커플러 요소와 수신 코일 사이의 공기 틈새, 온도 등과 같은 스로틀 위치 센서의 변화에 민감하지 않다는 것이다.
첨부된 도면과 함께 이하의 상세한 설명을 통해 본 발명을 더 잘 이해할 수 있을 것이며, 도면에서 같은 참조 부호는 몇개의 도면 전체에 걸쳐 같은 부분을 나타낸다.
도 1 은 본 발명의 바람직한 실시 형태를 도시하는 분해도이다.
도 2a 및 2b 는 제 1 및 2 수신 코일을 도시하는 평면도이다.
도 3 은 커플링 요소의 다른 형상들을 나타내는 도면이다.
도 4a 및 4b 는 도 2a 및 2b 와 유사한 도면이지만, 그의 변형예를 도시한다.
먼저 도 1 을 참조하면, 본 발명에 따른 스로틀 위치 센서(10)의 분해도가 도시되어 있다. 이 스로틀 위치 센서(10)는 송신 코일(12)을 포함하는데, 이 송신 코일은 바람직하게는 전도성 재료로 만들어진 다수의 원형 루프를 포함하며, 이들 루프는 고주파수 교류 공급원(14)에 연결되어 있다. 송신 코일(12)은 바람직하게는 인쇄 회로 기판상에 인쇄되며, 따라서 고주파수 교류 공급원(14)에 의해 통전되면 전달 코일(12)은 고주파수 전자기장을 발생시키게 된다.
이제 도 1, 2a 및 2b 를 참조하면, 스로틀 위치 센서는 제 1 수신 코일(16) 및 제 2 수신 코일(18)을 또한 포함한다. 제 1 및 2 수신 코일(16, 18) 또한 인쇄 회로 기판상에 인쇄되고 일반적으로 송신 코일(12)과 정렬된다.
도 2a 에서 가장 잘 볼 수 있듯이, 제 1 수신 코일(16)은 4개의 개별 루프(20, 22, 24, 26)를 포함한다. 각 루프(20 ∼ 26)는 제 1 수신 코일(16)의 전체 원의 90도를 차지한다. 그러나, 인접하는 루프(20 ∼ 26)는 서로 반대 방향으로 감겨져 있다.
예컨대, 제 1 수신 코일(16)의 루프(20)가 평면도에서 볼 때 시계 방향으로 감겨 있다고 가정하면, 루프(22)는 반시계 방향으로, 루프(24)는 시계 방향으로, 그리고 루프(26)는 반시계 방향으로 감겨 있다. 그러나, 각 루프(20 ∼ 26)는 서로 직렬로 연결되어 수신 코일(16)에는 단일의 2-와이어 출력부(28)가 제공된다.
수신 코일(16)에 있는 인접하는 루프(20 ∼ 26)는 서로 반대 방향으로 감겨져 있으므로, 송신 코일의 통전시 이들 루프(20 ∼ 26)에서 유도되는 전압은 반대의 전압이 될 것이다. 따라서, 송신 코일(12)과 모든 4개의 루프(20 ∼ 26) 사이의 유도 커플링이 동일하다면, 제 1 수신 코일(16)의 출력부(28)에서의 전압은 제로가 될 것이다.
제 2 수신 코일(18)은 제 1 수신 코일(16)과 실질적으로 동일한데, 다른 점은 제 2 수신 코일(18)은 45도 또는 180/N 도 회전된다는 것이다(여기서 N 은 루프(20 ∼ 26)의 수). 제 1 수신 코일(16)과 같이, 제 2 수신 코일(18)의 모든 루프(20 ∼ 26)는 전기적으로 서로 직렬로 연결되어 있어, 제 2 수신 코일로부터의 출력부(30)에서 출력되는 전압은 제 2 수신 코일(18)의 모든 네 루프(20 ∼ 26)에서 유도되는 전압의 합과 같다.
이미 알려져 있는 스로틀 위치 센서와 같이, 커플러 요소(32)(도 1)가 양 수신 코일(16, 18) 및 송신 코일(12)과 동심을 이룬다. 또한 커플러 요소(32)는 전도성 재료로 구성되며, 따라서 송신 코일(12)에 통전이 되면 커플러 요소(32) 내에 와전류가 발생되어 송신 코일(12)과 양 수신 코일(16, 18) 사이의 유도 커플링에 영향을 주게 된다. 도 3 에서 보는 바와 같이, 커플러 요소(32)의 실제 형상은 수신 코일에 있는 루프의 수에 따라 변하게 될 것이다.
예컨대, 커플러 요소(32)는 도 3 에서 60, 61 및 62 에서 보는 바와 같이 전체적으로 삼각형일 수 있다. 전체적으로 삼각형인 커플러 요소(60, 61, 62)는 예컨대 두개의 제 1 및 2 수신 코일이 3개의 로브(lobe)를 갖는 경우에 사용될 것이다.
대안적으로, 상기 커플러 요소(32)는 도 3 에서 65 및 66 에서 보는 바와 같이 전체적으로 타원형일 수 있다. 이러한 커플러 요소는 각 수신 코일이 4개의 로브를 포함하는 경우에 사용될 것이다. 커플러 요소(32)의 또 다른 형상은 도 3 에서 67 및 68 로 나타나 있다.
커플러 요소(32)는 스로틀 위치에 기계적으로 연결되어, 커플러 요소(32)의 회전 위치는 스로틀 페달의 밟음에 비례하여 변하게 된다. 따라서, 스로틀 페달을 밟으면, 커플러 요소(32)가 회전하게 될 것이고 제 1 수신 코일(16)과 제 2 수신 코일(18) 모두의 루프(20 ∼ 26) 에서 유도되는 전압이 변하게 될 것이다.
보다 구체적으로, 제 1 수신 코일(16)로부터의 출력부(28)에 유도되는 전압은 커플러 요소(32)가 시계 방향으로 회전함에 따라 사인 함수로 변할 것이다. 반대로, 제 2 수신 코일(18)은 제 1 수신 코일(16)로부터 실질적으로 90 도 회전되어 있기 때문에, 제 2 수신 코일(18)로부터의 출력부(30)에 유도되는 전압은 커플러 요소의 회전각의 코사인 함수로 변할 것이다.
따라서, 커플로 요소의 회전각 및 그래서 스로틀 페달의 위치를 얻기 위해, 제 1 및 2 수신 코일(16, 18)로부터의 출력부(28, 30)에서 양 사인 및 코사인 함수의 아크탄젠트를 취하는 것이 필요하다. 이 아크 탄젠트 함수는 다음과 같이 주어진다.
Figure pat00001
본 발명의 주 이점은, 코일과 커플러 요소 사이의 공기 틈새, 온도, 습도 등의 변화로 인해 야기되는 제 1 수신 코일(16) 또는 제 2 수신 코일(18)에서 유도되는 전압의 부정확성이 사인 함수와 코사인 함수 모두에 대해 같은 에러 인자(error factor)로 스케일링될 것이라는 점이다. 따라서, 환경적 조건이나 제조 공차로 인한 이러한 에러는 자동적으로 보상되고 상쇄된다.
본 발명을 각기 4개의 수신 루프를 갖는 한쌍의 수신 코일을 갖는 스로를 위치 센서로 설명하였지만, 수신 코일은 어떤 짝수의 수신 루프라도 가질 수 있다. 예컨대, 각기 6개의 개별 루프를 갖는 제 1 수신 코일(50)과 제 2 수신 코일(52)이 도 4a 및 4b 에 각각 도시되어 있다.
본 발명을 설명했지만, 당업자에게는 첨부된 청구 범위로 규정되는 바와 같은 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 많은 수정이 가해질 수 있다.

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  1. 방법.
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