KR20200006015A

KR20200006015A - 회전 위치 센서 및 그 제조 방법

Info

Publication number: KR20200006015A
Application number: KR1020190082303A
Authority: KR
Inventors: 알버트 페르디난드 쥐제; 파울루스 토마스 요하네스 제니센; 지체 아벨 미힐 헨드릭스
Original assignee: 센사타 테크놀로지스, 인크
Priority date: 2018-07-09
Filing date: 2019-07-08
Publication date: 2020-01-17
Also published as: CN110701995B; CN110701995A; US20200011705A1; EP3594628B1; US11280636B2; EP3594628A1

Abstract

회전 위치 센서가 개시된다. 센서는 제1 구조체 및 제2 구조체를 포함한다. 제1 구조체는 회전축을 갖는 베어링에 의해 제2 구조체에 회전 가능하게 커플링된다. 쌍극 자석은 자기 모멘트 방향이 회전축에 수직하게 제1 구조체에 부착되고, 감지 유닛이 제2 구조체에 부착되며, 쌍극 자석의 회전 각도의 절대 위치를 측정하도록 구성된다. 제1 구조체는 회전 위치 센서의 외측부에서 검출 가능한 정렬 특징을 포함한다. 쌍극 자석은, 정렬 특징과 쌍극 자석의 자기 모멘트 방향이 제1 구조체에 대해 미리 정해진 회전 각도를 갖도록 제1 구조체에 부착된다.

Description

회전 위치 센서 및 그 제조 방법{ROTARY POSITION SENSOR AND METHOD OF MANUFACTURING THE SAME}

본 개시는 회전 위치 센서에 관한 것이다. 본 개시는 또한 회전 위치 센서의 제조 방법에 관한 것이다.

트럭 또는 트레일러의 차대의 높이는 전자 레벨 제어(Electronic Level Control; ELC) 시스템에 의해 조절된다. ELC 시스템은 2개의 연결 바아에 의해 휠 차축에 연결되는 각도 센서를 포함한다. 각도 센서는 차량의 차대에 부착된다. 주로 수직방향으로 위치 설정되는 연결 바아의 단부는 휠 차축에 커플링된다. 주로 수평방향으로 위치 설정되는 연결 바아의 단부는 각도 센서의 회전축에 커플링된다. 2개의 연결 바아의 다른 단부는 힌지 구조체에 의해 함께 커플링된다. 휠 축이 차대에 대해 상하로 이동할 때, 이 동작은 각도 센서의 회전축의 회전을 초래한다. 각도 센서는 회전축의 각도를 측정한다. 측정된 각도는 차량의 높이를 나타낸다. 측정된 차량의 높이로 인해 ELC 시스템이 차량의 높이를 조절할 수 있다. ELC 시스템은 또한 공압식 서스펜션에 의한, 트럭/트레일러/버스를 위한 차축 리프팅 기능을 포함한다. 차축 리프팅 기능의 예로는 1) 어린이, 노인 및 장애인이 보다 쉽게 차량에 승하차할 수 있게 하는 버스의 닐링(kneeling) 기능; 및 2) 연료 소비를 줄이기 위해 매끄러운 도로에서 트럭/트레일러의 높이를 낮추는 것이 있다.

회전 각도를 측정하는 감지 IC는 미국 캘리포니아주 쿠퍼티노에 소재하는 AMS USA Inc.로부터 입수 가능한 AMS AS5048 자기 회전 위치 센서 집적 회로(AS5048 IC)일 수 있다. AS5048 IC는 360° 각 위치 센서를 사용하는 데 용이하다. AS5048 IC는 자석의 회전 각도의 절대 위치를 측정하고, 자석, 아날로그 대 디지털 컨버터 및 디지털 신호 프로세싱을 지닌 홀 센서로 구성된다. 0 위치가 프로그래밍될 수 있다. 이것은 완성된 시스템의 조립을 단순화하는데, 그 이유는 자석의 0 위치가 기계적으로 정렬될 필요가 없기 때문이다. 감지 AS5048 IC는 오정렬, 공기 간극 변화, 온도 변화뿐만 아니라 외부 자기장을 허용된다. 유사한 기능을 지닌 사용 가능한 다른 감지 집적 회로(IC)는 미국 뉴햄프셔주 내슈아에 소재하는 Melexis Inc.로부터 입수 가능한 MLX90365 Triaxis Position Sensor IC이다.

감지 IC의 프로그래밍 가능성은, 개발자가 IC의 파라메터를, 감지 IC의 출력 신호가 출력값과 트랜스퍼 곡선에 대하여 요구되는 출력 특징을 갖도록 맞추는 데 기여한다. ELC 시스템의 각도 센서는 단지 360° 보다 작은 제한된 범위 내의 각도만을 측정해야만 한다. 앞서 확인된 감지 IC를 사용함으로써, 각도 센서는 360° 전체 범위에 걸쳐 각도를 측정할 수 있고, 회전 위치 센서로서 사용될 수 있다. 기지의 회전 위치 센서는 회저부와 고정부를 포함한다. 회전부는 회전축을 갖는 베어링에 의해 고정부에 회전 가능하게 커플링된다. 쌍극 자석이, 자성 모멘트 방향이 회전축에 수직하도록 회전부에 부착된다. 감지 유닛이 고정부에 부착되고 쌍극 자석의 회전 각도의 절대 위치를 측정하도록 구성된다.

본 기술의 목적은 제조가 상대적으로 용이하고 기지의 회전 위치 센서에 비해 향상된 제품 수명; 제품 수명에 걸친 향상된 출력 정확도; 높은 피로 강도 요건을 견디는 강성도; 및 높은 자기 내성(magnetic field immunity)과 같은 장점을 갖는 회전 위치 센서를 제공하는 것이다.

본 기술의 제1 양태에 따르면, 이 목적은 제1 구조체 및 제2 구조체 - 제1 구조체가 회전축을 갖는 베어링에 의해 제2 구조체에 회전 가능하게 커플링됨 - ; 자기 모멘트 방향이 회전축에 수직하도록 제1 구조체에 부착되는 쌍극 자석; 및 제2 구조체에 부착되고 쌍극 자석의 회전 각도의 절대 위치를 측정하도록 구성된 감지 유닛을 포함하고, 제1 구조체는 회전 위치 센서 외측부에서 검출 가능한 정렬 특징을 포함하고, 쌍극 자석은 정렬 특징과 쌍극 자석의 자기 모멘트 방향이 제1 구조체에 대해 미리 정해진 회전 각도를 갖도록 제1 구조체에 부착되는 것인 회전 위치 센서에 의해 달성된다.

본 기술을 실행하는 유리한 실시예와 추가의 방식은 종속 청구항에서 언급하는 방안에 의해 달성될 수 있다.

본 기술은, 쌍극 자석의 회전축이 쌍극 자석의 자기 모멘트 방향을 측정하는 감지 IC이 중심과 정렬되는 경우에, 회전 샤프트에 쌍극 자석을 장착할 때의 장착 각도 변화가 대응하는 감지 IC의 대응하는 파라메터를 프로그래밍하는 것에 의해 용이하게 교정될 수 있다. 그러나, 쌍극 자석의 회전축이 감지 IC의 중심과 정렬되지 않을 때, 쌍극 자석의 회전축과 감지 IC의 중심의 편심으로 인해 측정된 회전 각도에 오차가 있을 것이다.

도 3은 Y축은 자석의 편심도로 인한 오차이고, X축은 자석의 자기 모멘트의 각도를 나타내는 그래프로, 2개의 곡선이 도시되어 있다. 하나의 곡선에서는 편심도가 0.3 mm이고, 다른 곡선에서는 편심도가 0.6 mm이다. 절대 오차는 -90°, 0°, 90° 각도 부근에서 최소이고, 대략 -45° and 45°에서 최대인 것을 볼 수 있다. 회전 센서, 특히 ELC 시스템의 각 센서의 수명 중에, 베어링의 마모는 회전 센서가 사용되는 장치의 구성에 의해 유발되는 특정의 고유한 방향에서 최대일 것이다. 사실상, 이러한 고유한 방향은 통상적으로 회전 센서에 의해 가장 통상적으로 측정되는 각도에 대응할 것이다. 이러한 마모로 인해, 쌍극 자석의 회전축은 감지 IC의 중심에 대해 변위하도록 클리어런스(clearance)를 갖고, 그 결과, 쌍극 자석은 감지 IC의 중심에 대하여 편심되게 회전할 것이다. 변위 방향이 쌍극 자석의 자기 모멘트와 실질적으로 평행하거나 수직한 경우, 가장 빈번하게 사용되는 센서의 각도에서의 절대 오차는 최소일 것이다. 이에 따라, 변위, 즉 최대 마모 방향이 쌍극 자석의 자기 모멘트에 평행하거나 수직하지 않은 경우, 가장 빈번하게 사용되는 각도의 측정값은 실제 각도로부터 이탈하여, 장치의 부정확한 레벨링을 초래할 것이다. 현재의 감지 IC는, 회전 센서를 교정하기 위해 쌍극 자석의 자기 모멘트가 감지 IC에 대하여 에정된 각도를 가질 것을 요구하지 않는다. 이 결과, 샤프트 상의 자석의 방위가 알려지지 않았다. 그러나, 본 기술에 따르면 센서 베어링의 마모로 인한 출력 신호에서의 오차를 줄이기 위해, 센서는 센서의 외측부에서 검출 가능하고 쌍극 자석의 자기 모멘트를 나타내는 특징을 포함한다. 이것은 기술자가 회전 위치 센서를 장치 내에서, 쌍극 자석의 자기 모멘트 방향이 회전 위치 센서의 수명 전반에 걸쳐 최대 예상 마모 방향에 거의 평행하거나 수직하도록 위치 설정하게 한다.

실시예에서, 정렬 특징은 제한하는 것은 아니지만, 제1 구조체의 외측부 상의 패턴; 제1 구조체의 외측부의 비축대칭부; 제1 구조체의 구멍; 및/또는 제1 구조체의 돌출부 중 적어도 하나이다. 사실상, 조립된 회전 위치 센서의 외측부에서 검출 가능하고, 사람 또는 로봇이 제1 구조체를 장착 툴 또는 장치에 예정된 회전 각도로 위치 설정할 수 있게 하는 임의의 특징이 사용될 수 있다.

실시예에서, 제1 구조체는 샤프트를 포함하고, 쌍극 자석은 샤프트의 단부에 부착된다. 쌍극 자석을 위한 전기 접속이 불필요하기 때문에, 이 실시예는 감지 유닛이 샤프트의 단부에 부착되는 실시예에 비해 유리하다.

추가의 실시예에서, 제1 구조체는 샤프트의 다른 단부에 부착되는 커플링 요소를 더 포함한다. 통상적으로, 커플링 요소의 형상은 회전 위치 센서의 어플리케이션이나 장치에 회전 위치 센서를 장착하는 방법에 좌우된다. 특별한 어플리케이션을 위한 센서의 제조 중에 샤프트 단부 상의 쌍극 자석을 커플링 요소에 대해 예정된 각 위치에 위치 설정하는 것에 의해, 센서는, 센서를 상기 특정 어플리케이션에 적용할 때에 쌍극 자석의 자기 모멘트 방향이, 베어링의 최대 마모가 예상되는 방향과 일치하거나 수직하게 되도록 제조될 수 있다.

추가의 실시예에서, 샤프트는 커플링 요소에 압입된다. 이러한 피쳐(feature)는 간단한 제조 프로세스를 이용하여 커플링 요소와 샤프트를 커플링하는 것을 가능하게 하고, 이 경우에 샤프트에 대한 커플링 요소의 회전 각도는 제조 대상 회전 위치 센서의 어플리케이션에 따라 용이하게 조정될 수 있다.

추가의 실시예에서, 용접은 커플링 요소와 샤프트 간의 연결을 강화한다. 이것은, 레버가 커플링 요소에 부착되고, 제1 구조체의 회전축에 평행한 힘이 레버에 작용하고 있는 경우에 유리하다.

다른 실시예에서, 본 기술은 자기 모멘트 방향을 갖고, 제1 구조체 - 회전축을 갖는 베어링 구조체에 의해 제2 구조체에 회전 가능하게 커플링됨 - 에 부착되는 쌍극 자석과, 제2 구조체에 부착되는 감지 유닛을 포함하는 회전 위치 센서의 제조 방법에 관한 것이다. 상기 방법은 회전 위치 센서의 외측부에서 검출 가능한 정렬 특징을 포함하는 제1 커플링 구조체를 마련하는 단계와, 쌍극 자석의 자기 모멘트 방향이 회전축에 수직하고, 제1 커플링 구조체 상의 정렬 특징의 반경방향 위치에 대하여 예정된 회전 각도를 갖도록 쌍극 자석을 제1 커플링 구조체에 부착하는 단계를 포함한다.

다른 피쳐와 장점은, 단지 예로서 실시예의 다양한 피쳐들을 예시하는 첨부도면과 함께 고려되는 아래의 상세한 설명으로부터 명백해질 것이다.

이들 및 다른 양태, 특성 및 장점은 도면 - 유사한 도면 부호는 유사하거나 비슷한 부분을 지칭함 - 을 참고하는 아래의 설명에 기초하여 이후에 설명될 것이다.
도 1은 회전 위치 센서에서의 마모 효과를 단면도로 개략적으로 보여주는 도면.
도 2a, 도 2b 및 도 2c는 편심하게 위치 설정된 회전 위치 센서의 3개의 회전 각도를 개략적으로 보여주는 도면.
도 3은 각도에 따른 편심도로 인한 오차를 보여주는 그래프.
도 4는 회전 위치 센서의 사시도.
도 5는 도 4에 도시한 회전 위치 센서의 단면도.
도 6은 회전 위치 센서의 커플링 요소의 단면도.
도 7은 제1 구조체의 실시예의 개략적인 부분 단면도.
도 8은 커플링 요소에 샤프트를 압입하기 위한 조립 툴 부품의 개략적인 사시도.
도 9는 압입 이전의 도 8의 개략적인 단면도.
도 10은 압입 이후의 조립 툴 부품의 개략적인 단면도.
도 11은 도 9의 평면 XI-XI를 따른 개략적인 단면도.

여기에 개시된 본 기술의 장점 및 다른 피쳐는 본 기술의 대표적인 실시예를 기술하는 도면과 함께 특정 바람직한 실시예에 관한 이하의 상세한 설명으로부터 당업자에게 보다 쉽게 명백해질 것이다.

도 1은 회전 위치 센서에서의 마모 효과를 단면도로 개략적으로 보여준다. 회전 위치 센서(100)는 제1 구조체(102)와 제2 구조체(104)를 포함하는 센서 구성이다. 제1 구조체(102)는 회전축(108)을 갖는 베어링 구조체(106)에 의해 제2 구조체(104)에 회전 가능하게 커플링된다. 베어링 구조체는 동일한 회전축을 갖는 1개 이상의 보다 작은 베어링을 포함할 수 있다. 쌍극 자석(110)이, 자기 모멘트 방향이 회전축(108)에 수직하도록 제1 구조체에 부착된다. 감지 유닛(112)은 제2 구조체(104)에 부착되고, 감지 유닛(112)의 방위에 대한 쌍극 자석(110)의 자기 모멘트 방향의 절대 각도를 측정하도록 구성된다. 이에 따라, 제1 구조체(102)가 제2 구조체(104)에 대해 X도 회전하면, 이에 따라 감지 유닛(112)에 대한 자기 모멘트 방향의 각도가 변할 것이다. 감지 센서(112)는 자석의 회전 각도의 절대 위치를 측정하고, 홀 센서, 아날로그 디지털 컨버터 및 디지털 신호 처리부로 구성되는 집적 회로(IC)이다. 이들 IC는 자기 회전 위치 센서로서 당업계에 알려져 있다. IC는 IC 표면에 직교하고 평행하게 적용되는 플럭스 밀도에 민감하다.

회전 위치 센서(100)를 전자 레벨 제어 센서로서 적용할 때, 제2 구조체(104)는 차량(도시하지 않음)의 프레임에 부착되고, 제1 구조체(102)는 2개의 연결 바아에 의해 차량의 휠 축 또는 휠 프레임에 커플링된다. 수직방향 연결 바아는 다소 수직으로 위치 설정되고, 수평방향 연결 바아는 다소 수평방향으로 위치 설정된다. 수평방향 연결 바아의 단부는 제1 구조체에 커플링되고, 수직방향 연결 바아의 단부는 휠 축에 커플링된다. 연결 바아의 2개의 타단부는 힌지에 의해 커플링된다. 휠이 차량의 프레임에 대해 상향 이동할 때, 수직방향 레버는 휠의 방향과 거의 동일한 방향으로 이동하여, 수평방향 레버가 회전 위치 센서의 회전축을 중심으로 회전하게 된다. 도 1에서, 수평방향 레버는 참조부호 114로 개략적으로 예시된다.

차량이 주행 중인 동안, 함께 커플링된 수평방향 및 수직방향 바아의 단부는 상하방향으로 그리고 또한 회전축과 거의 평행한 방향으로 이동할 것이다. 연결 바아는 약 50 cm의 길이를 갖고, 회전 위치 센서의 회전축과 평행한 방향으로 약 28 Hz의 주파수에서 공진할 수 있다. 회전축(108)과 실질적으로 평행한 이 운동은 연결 바아에 작용하는 공진 힘(F)으로서 나타낼 수 있다. 이 힘(F)은 베어링에 대한 마찰을 형성할 것이고, 그 결과 베어링에서 마모가 나타난다. 마모로 인해, 쌍극 자석(110)의 회전축은 틸팅되고, 감지 유닛(112)의 측정 중심과 비정렬될 수 있다. 이 경우, 쌍극 자석(110)은 감지 유닛(112)의 플럭스 감지 영역의 측정 중심에 대해 편심하게 회전한다.

감지 유닛(112)의 중심을 통과하고 플럭스 민감 영역에 수직한 회전축(108)으로부터의 쌍극 자석(110)의 변위는 감지 유닛(11)에 의해 측정되는 각도값에 오차를 도입한다. 더욱이, 이러한 오차는 쌍극 자석(110)의 변위 방향과 자기 모멘트 방향 사이의 각도에 좌우되는 것으로 확인되었다.

도 2a는 감지 유닛(212)과 쌍극 자석(210)을 개략적으로 보여준다. 감지 유닛(212)의 플럭스 민감 영역의 중심(228)과 쌍극 자석(210)의 회전축(208)은 일치하지 않는다. 즉, 감지 유닛(212)의 중심(228)과 쌍극 자석(210)의 회전축(208)은 편심되고, 변위 방향과 회전축(208)을 통과하는 화살표로 나타낸 자기 모멘트 방향 사이의 각도는 0°이다. 도 2b 및 도 2c에서, 변위 방향과 자기 모멘트 방향 사이의 각도는 각각 45° 및 90°이다.

도 3은 각도에 따른 편심도로 인한 오차를 보여주는 그래프를 나타낸다. 2개의 곡선이 도시되어 있다. 제1 곡선은 쌍극 자석(210)의 회전축(208)과 감지 유닛(212)의 플럭스 민감 영역 간의 편심도 또는 거리가 0.3 mm이고, 제2 곡선은 편심도가 0.6 mm이다. 각도는 쌍극 자석(210)의 자기 모멘트 방향(화살표로 나타냄)과 자석(210)의 회전축과 감지 유닛(212)의 중심(212)을 통과하는 라인 사이의 각도에 대응한다. 당업자라면, 이 그래프로부터 각도가 0° 및 90°인 경우에 편심도로 인한 오차가 0임을 알게 될 것이다. 더욱이, 절대 오차는 대략 45°에서 최대이고, 편심도가 증가할수록 선형을 넘어 증가한다.

이것은 감지 유닛(212)의 중심(228)과 쌍극 자석(210)의 회전축(208) 간의 라인의 방향과 자기 모멘트 방향이 평행하거나 수직한 경우에, 편심도와 무관하게 감지 유닛에 의해 측정되는 각도값에서의 오차가 작다는 것을 의미한다.

도 1에서, 제1 구조체(102)는 샤프트(102A)와 커플링 구조체(102B)를 포함한다. 커플링 구조체(102B)는 또한 수평방향 레버(114)이다. 레버(114)에 작용하고, 샤프트(102A)의 회전축(108)과 평행한 힘(F)은 베어링 상에 마찰을 유발하여, 베어링의 마찰과, 궁극적으로 샤프트(102A)의 회전축의 틸팅을 초래할 것이다. 쌍극 자석(110)의 회전축(108)은 제2 구조체(104)에 부착된 감지 유닛(112)의 중심으로부터 멀어지는 방향으로 이동할 것이고, 쌍극 자석(110)은 감지 유닛(112)의 중심에 대해 편심되게 회전할 것이다. 이동 방향은 힘(F)이 레버(114)에 작용하는 포인트와 샤프트(102A)의 회전축 사이의 최단 라인 방향과 거의 평행하다는 점이 주목된다. 도 3으로부터, 쌍극 자석(110)의 자기 모멘트 방향이 이동 방향과 평행하거나 수직할 때, 편심도로 인한 오차는 무시할 수 있다. 이에 따라, 직선형 레버의 경우, 쌍극 자석(110)이, 자기 모멘트 방향이 레버(114)와 평행하거나 수직하도록 제1 구조체(102)에 부착될 때에 편심도로 인한 오차는 최소이다.

회전 위치 센서(100)의 제조 후, 쌍극 자석(110)은 회전 위치 센서(100) 내부에 위치한다. 쌍극 자석(110)이, 정렬 특징과 쌍극 자석(110)의 자기 모멘트 방향이 제1 구조체(102)에 대해 미리 정해진 회전 각도를 갖도록 제1 구조체(102) 상에 회전 위치 센서(100) 외측부에서 검출 가능한 정렬 특징이 마련되는 것에 의해, 기술자 또는 조립 디바이스는 제1 구조체에 작용하는 힘 및/또는 회전 위치 센서(100)의 베어링 마모로 인한 최대 예상 틸팅의 각도 방향과 평행하거나 수직하도록 회전 위치 센서를 장치 내에 적용할 수 있을 것이다. 레버(114)가 제1 구조체(102)의 샤프트(102A)에 직접 또는 간접적으로 견고하게 커플링될 때, 레버(114)의 원위 단부와 제1 구조체(102)의 샤프트(102A)의 회전축 사이의 최단 라인 방향은 쌍극 자석(110)의 자기 모멘트 방향과 거의 평행하거나 수직해야만 한다. 회전 위치 센서(100) 상에 정렬 특징을 갖는 것에 의해, 사람 또는 기계가, 레버(114)의 원위 단부가 제1 구조체(102) 상의 정렬 특징에 대해 정확한 각도에 있는지의 여부를 용이하게 확인할 수 있다.

도 4는 본 기술에 따른 회전 위치 센서(100)의 사시도를 보여주고, 도 5는 본 기술에 따른 회전 위치 센서(100)의 단면도를 보여준다. 회전 위치 센서는 제1 구조체(102)와 제2 구조체(104)를 포함한다. 제2 구조체(104)는 바람직하게는 플라스틱 대신에 금속으로 형성되고, 장착을 위한 구멍(130)을 형성한다. 제2 구조체(104)는 제1 구조체(102)의 샤프트(102A)와 베어링 구조체(106)를 위한 안내부를 형성한다.

본 실시예에서, 베어링 구조체(106)는 2개의 베어링(106A, 106B)을 포함한다. 베어링(106A, 106B)은 제2 구조체(104)에 압입되고, 샤프트(102A)를 반경방향 위치에 유지하고 있다. 베어링 구조체(106)에 의해, 제1 구조체(102)의 샤프트(102A)가 제2 구조체(104) 내에서 회전할 수 있다. 제1 구조체(102)는 커플링 구조체(102B)를 더 포함한다. 커플링 요소(102B)는, 예컨대 레버(도시하지 않음)를 제1 구조체(102)에 부착하도록 구성된다. 커플링 요소(102B)는 레버를 수용하는 채널(120)과, 레버가 고정되는 장착 구멍(122)을 형성한다.

샤프트(102A)의 원위 단부(118)는 압입에 의해 커플링 요소(102B)에 고정된다. 실시예에서, 샤프트(102A)는 경질 금속 17-4PH 핀이다. 쌍극 자석(110)은 샤프트(102A)의 근위 단부(126)에 있는 공동(102D)에 고정된다, 쌍극 자석(110)을 공동(102D)에 접착하는 것에 의해 저비용의 강건한 결합이 제공된다. 샤프트(102)의 근위 단부(126)는 제2 구조체(104)에 의해 형성된 공간(124)에 위치 설정된다.

제2 구조체(104)는 하우징부(104A)와 커플링부(104B)를 포함한다. 실시예에서, 하우징부(104A)는 AISI 1018 탄소강으로 형성된다. 다른 금속도 사용될 수 있다. AISI 1018 탄소강의 장점은, 그러한 강이 감지 유닛을 외부 자기장(1000 A/m)으로부터 차폐하여, 오차 < 0.3%이 된다는 것이다. 커플링부(104B)는 회전 위치 센서(100)를 장치의 샤시(도시하지 않음)에 부착하도록 구성된 금속 캐리어이다. 커플링부(104B)는 바람직하게는 하우징부(104A)에 용접된다.

더욱이, 감지 유닛(112)은 쌍극 자석(110) 부근에서 제2 구조체(104)의 하우징부(104A)에 부착된다. 감지 유닛(112)은, 자석의 회전 각도의 절대 위치를 측정하는 감지 IC를 포함한다. 회전 위치 센서의 제품 수명 개시 시, 감지 유닛(112)과 쌍극 자석(110)은 감지 유닛의 중심을 관통하고 감지 유닛(112)의 자기 플럭스 민감 영역에 수직한 축에 대해 동축으로 회전하도록 하우징부(104A) 내에 배치된다. 앞서 설명한 바와 같이, 베어링 구조체(106A, 106B)의 마모와 제2 구조체(102)에 작용하는 힘으로 인해, 쌍극 자석(110)의 회전축은 감지 유닛(112)의 플럭스 민감 영역의 중심으로부터 멀어지는 방향으로 이동할 수 있다. 감지 유닛(112)은 인쇄 회로 기판(PCB)에 부착된다. PCB는 커넥터부(104C)를 하우징부(104A)에 장착하는 것에 의해 하우징에 고정된다. 실시예에서, 커넥터부(104C)는 커넥터-플렉스 패키지이다. 도 5에 도시한 회전 위치 센서(100)에서, 회전 위치 센서의 제2 구조체(104)는 하우징부(104A), 커플링부(104B), PCB 및 커넥터부(104C)를 포함한다.

커플링 요소(102B)는 비축대칭부이고, 쌍극 자석(110)의 자기 모멘트 방향이 커플링 요소(102B)에 대해 예정된 회전 각도를 갖도록, 쌍극 자석(110)을 제1 구조체(102)에 대해 배향시킨다. 적절한 배향은, 매번 커플링 요소(102B)가 장착 공구에서 특정 각도 위치에 있도록 제1 구조체(102)를 위치 설정하는 것에 의해 행해질 수 있다. 구성요소 배치 기계가 자기 모멘트가 특정 각도 위치를 갖도록 쌍극 자석(110)을 픽업하고 제1 구조체(102)가 구성요소 배치 기계에 대해 특정 각도 위치를 갖도록 위치 설정될 때, 구성요소 배치 기계는, 자기 모멘트가 커플링 요소(102B)에 대하여 제1 구조체(102)의 샤프트(102A)에 있는 근위 단부(126)에 관련하여 예정된 회전 각도를 갖도록 쌍극 자석(100)을 위치 설정할 수 있다. 회전 위치 센서(100)의 명세서에 제1 구조체(102)의 커플링 요소(102B)에 대한 자기 모멘트의 회전 각도를 명시하는 것에 의해, 사람 또는 기계는 커플링 요소(102B)를 회전 위치 센서(100) 외측부에서 검출 가능한 정렬 특징으로서 사용할 수 있다. 이러한 정렬 특징으로 인해, 쌍극 자석(100)의 자기 모멘트 방향이 베어링(106A, 106B)의 마모로 인한 감지 유닛(10) 중심으로부터의 쌍극 자석(110)의 최대 이동이 예상되는 방향이나, 이 방향에 수직한 방향에 대응하는지의 여부를 결정할 수 있다. 사용 가능한 정렬 특징으로는 제한하는 것은 아니지만, 제1 구조체 외측부 상의 패턴; 마크; 홈; 및/또는 회전 위치 센서의 외측부로부터 보이기만 한다면 하나 이상의 보어가 있다. 제1 커플링 구조체의 샤프트(102A)에 있는 보어(102C)는 도 5 및 도 6에 도시되어 있다.

도 6은 샤프트(102A)의 원위 단부(118)가 내부에 삽입된 상태를 측면도로 보여주면서, 회전 위치 센서(100)의 커플링 요소(102B)를 단면도로 보여준다. 샤프트(102A)는 근위 단부(126)에서부터 원위 단부(118)까지 증가하는 변하는 직경을 갖는다. 도 5에서는, 베어링(106A, 106B)의 관통부(pass through)가 샤프트(102A)의 직경에 정합하는 상이한 직경을 갖는 것을 알 수 있다. 더욱이, 압입부 바로 위에 있는 샤프트(102A)의 부분은 직경 D3를 갖고, 압입부 내부에 있는 샤프트의 부분은 직경 D2를 갖는다. 커플링 요소(102B)는 딥드로잉에 의해 형성되고, 샤프트(102A)의 원위 단부(118)가 압입되는 개구를 지닌 플랜지(128)를 갖는다. 커플링 요소(102B)를 제조하기 위한 플레이트의 두께는 t1이다. 플랜지(128)의 개구는 직경 D1을 갖는다. 직경은 D3 < D1 < D2인 관계를 갖는다. 실시예에서, D1 = 10.25±0.05mm, D2 = 10.335+0.03mm 및 D3 = 10.1+0.05mm이다. 플랜지(128)의 개구는 테이퍼진다. 플랜지(128)의 외부는 3개 반경(R1, R2, R3)을 갖도록 테이퍼진 부분이 후속하는, 높이(h3)를 지닌 수직부를 갖는다. 플랜지(128)의 외부는 회전 위치 센서(100)의 제1 부분의 수평방향 표면으로서 진행한다. 3개 반경(R1, R2, R3)은, 제1 구조체에서의 응력이 최소화되고, 센서(100)가 ±45°의 회전과 조합된 ±10Nm 모멘트의 15,000,000 사이클을 견딜 수 있도록 선택된다. 높이(h3)는, 샤프트(102A)가 압입 프로세스에 의해 커플링 요소(102B)의 길이방향에 수직하게 안정하게 위치 설정되는 것을 보장하도록 하는 최소 높이이다. 샤프트(102A)와 커플링 요소(102B) 간의 커플링을 강화하기 위해 원형 진동 레이저 용접부(circular wobbled laser weld)가 참조부호 60으로 나타낸 위치에 제공될 수 있다. 커플링 요소(102B)의 레버부는, 예컨대 볼트 및 너트와 같은 파스너에 의해 연결 바아를 커플링 요소에 부착하기 위한 구멍(122)을 포함한다.

도 7은 제1 구조체(102)의 다른 실시예의 개략적인 부분 단면도를 보여준다. 본 실시예에서, 제1 구조체(102)는 샤프트(102A)와 커플링 요소(102B)를 포함한다. 샤프트(102A)도 또한 커플링 요소(102B)의 중앙 개구에 압입되고, 바람직하게는 원형 진동 용접부에 의해 더욱 고정된다. 커플링 요소(102B)는 딥드로잉 프로세스에 의해 형성될 수 있다.

도 8은 커플링 요소(102B)에 샤프트(102A)를 압입하기 위한 조립 툴 부품(80, 82, 84)의 개략적인 사시도를 보여준다. 3개의 조립 부품이 있는데, 제1 조립 부품(80)은 미리 정해진 고유한 위치에 커플링 요소(102B)를 수용하도록 구성된다. 제1 조립 툴 부품(80)은 중심축을 갖고, 샤프트(102A)와 커플링 요소(120B)를 수용하는 중앙 개구를 더 포함한다. 커플링 요소(102B)는 상기 미리 정해진 고유한 위치에 위치 설정되도록 제1 조립 툴 부품(80)의 반경방향 노치(94)에서 받쳐진다. 즉, 커플링 요소(102B)는 제1 조립 툴 부품(80) 내에서 커플링 요소(102B)의 회전 위치를 설정하도록 반경방향 노치(94) 내에 끼워진다. 제2 조립 툴 부품(82)은 샤프트(102A)를 제1 조립 툴 부품(80)의 축방향으로 압박하도록 구성된다.

도 9를 추가로 참고하면, 선택적으로 제3 조립 툴 부품(84)이 마련된다. 제3 조립 툴 부품(84)은, 샤프트(102A)가 이 샤프트(102A)의 중심축과 수직한 보어(102C)를 포함할 때에 사용된다. 보어(102C)는 회전 위치 센서(100)의 제조 중에 그리고 조립된 회전 위치 센서(100)의 외측부에서 보어(102C)를 볼 수 있을 때에 정렬 피쳐로서 사용된다. 보어(102C)는 제1 구조체(102) 상에 있는 쌍극 자석(110)의 자기 모멘트 방향을 나타내는 데 사용될 수 있다. 제3 조립 툴 부품(84)은 샤프트(102A)의 보어(102C)에 끼워지는 팁(88)을 포함한다. 제1 조립 툴 부품(80)의 원형 벽(90)은 긴 개구(92)를 형성하여, 제3 조립 툴 부품(83)의 팁(88)이 샤프트(102A)의 보어(102C)에 위치 설정될 수 있게 한다. 긴 개구(92)는, 샤프트(102A)를 커플링 요소(102B)에서 그 최종 위치에 압입하기 위해 샤프트(102A)가 그 중심축을 따라 이동하는 거리 이상의 길이를 갖는다. 제3 조립 툴 부품(84)은 커플링 요소(102B)에 대하여 미리 정해진 회전 각도에 샤프트(102A)의 구멍(102C)을 위치 설정하는 것을 가능하게 하는데, 그 이유는 반경방향 노치(94)와 긴 개구(92)의 배향이 고정되기 때문이다.

도 9는 커플링 요소(102B)에 샤프트(102A)를 압입하기 전, 도 8의 조립 툴 부품(80, 82, 84)의 개략적인 단면도를 보여준다. 도 10은 커플링 요소(102B)에 샤프트(102A)를 압입한 후, 조립 툴 부품(80, 82, 84)의 개략적인 단면도를 보여준다. 제1 및 제2 조립 툴 부품(80, 82)은, 커플링 요소(102B)에 있는 개구의 중심축이 샤프트(102A)의 중심축과 정렬되도록 샤프트(102A)를 커플링 요소(104B)에 압입할 수 있게 한다. 도 11은 도 9의 평면 XI-XI를 따른 개략적인 단면도를 보여준다. 커플링 요소(102B)가 제1 조립 툴 내에 특유한 방식으로 위치 설정되는 것을 볼 수 있다.

본 기술에 따른 회전 위치 센서(100)의 제조 방법은 다음의 단계, 즉 회전 위치 센서(100)의 외측부에서 검출 가능한 정렬 특징을 포함하는 제1 커플링 구조체(102)를 마련하는 단계; 및 쌍극 자석(110)의 자기 모멘트 방향이 회전축에 수직하고, 제1 커플링 구조체(102) 상의 정렬 특징의 반경방향 위치에 대하여 예정된 회전 각도를 갖도록 쌍극 자석(110)을 제1 커플링 구조체(102)에 부착하는 단계를 포함한다.

상기 부착 단계는 아래의 하위 단계를 포함한다: 샤프트에 있는 보어(102C)가 제2 구조체(104)의 정렬 구조(40) - 노치임(도 4 참고) - 와 정렬되도록 제1 커플링 구조체를 회전시키는 단계; 로킹 핀(도시하지 않음)을 정렬 특징 - 보어(102C) 임 - 에 삽입하는 단계; 제2 커플링 구조체(104)를 조립 툴 상의 예정된 위치에 위치 설정하는 단계; 및 정렬 구조(40)를 시각적으로 또는 기계적으로 참조하는 것 등에 의해 조립 툴에 대해 파지 툴이 미리 정해진 배향을 갖도록 하는 위치로 파지 툴을 이동시키는 것에 의해 쌍극 자석을 샤프트(102A)의 근위 단부(126)에 부착하는 단계 - 파지 툴(도시하지 않음)은 쌍극 자석(110)을 미리 정해진 자기 모멘트 방향을 갖도록 취함 - 를 포함한다.

로킹 핀은, 제1 구조체(102)가 제2 구조체(104)에서 미리 정해진 회전 각도를 갖는 것을 보장한다. 이것은, 제2 구조체(104)가 미리 정해진 방향으로 유지되고 구성요소 배치 기계에 대해 위치 설정되게 하면서, 구성요소 배치 기계가 자석(110)을 제1 구조체(102)에 대해 미리 정해진 회전 각도로 위치 설정할 수 있게 한다.

제1 구조체(102)의 제조 방법은 중심축을 갖고 샤프트부(102A)를 수용하는 관통공과, 관통공의 일단부에 위치하고 커플링 요소(102B)의 개구가 관통공과 일렬로 되도록 커플링 요소(102B)를 수용하는 정렬 구조(94)를 포함하는 제1 조립 툴(80)을 마련하는 단계; 커플링 요소(102B)를 마련하는 단계; 커플링 요소(102B)를 제1 조립 툴(80)의 정렬 구조(94) 상에 위치 설정하는 단계; 샤프트(102A)를 마련하는 단계; 샤프트부(102A)의 원위 단부(118)를 커플링 요소(102B)의 개구와 관통공을 통과하도록 위치 설정하는 단계; 및 제2 조립 툴(82)을 샤프트부(102A)의 원위 단부(118)에 대해 압박함으로써 샤프트(102A)를 축방향으로 이동시키는 것에 의해 샤프트(102A)의 원위 단부(118)를 커플링 요소(102B)의 개구에 압입하는 단계를 포함한다.

선택적으로, 상기 방법은 샤프트부(102A)의 표면과 커플링 요소(102B)를 레이저 용접하여 함께 압입부를 형성하는 단계를 포함한다. 상기 방법의 실시예에서, 레이저 용접 단계는 중심축 주위의 진동형 경로를 따라 레이저 빔을 이동시켜 원형 파형 용접부를 형성하는 단계를 포함한다.

본 발명의 여러 실시예의 관점에서 설명하였지만, 명세서를 읽어보고 도면을 검토함으로써 본 발명의 변형예, 수정, 변경 및 등가물이 당업자에게 명백해지는 것으로 고려된다. 본 발명은 예시된 실시예로 제한되지 않는다. 첨부된 청구범위의 범주로부터 벗어나는 일 없이 변경이 이루어질 수 있다.

Claims

회전 위치 센서로서,
제1 구조체 및 제2 구조체로서, 제1 구조체가 회전축을 갖는 베어링에 의해 제2 구조체에 회전 가능하게 커플링되는 것인 제1 구조체 및 제2 구조체;
자기 모멘트 방향이 상기 회전축에 수직하도록 제1 구조체에 부착되는 쌍극 자석; 및
제2 구조체에 부착되고, 쌍극 자석의 회전 각도의 절대 위치를 측정하도록 구성되는 감지 유닛
을 포함하고, 제1 구조체는 회전 위치 센서의 외측부에서 검출 가능한 정렬 특징을 포함하고, 쌍극 자석은, 정렬 특징과 쌍극 자석의 자기 모멘트 방향이 제1 구조체에 대해 미리 정해진 회전 각도를 갖도록 제1 구조체에 부착되는 것인 회전 위치 센서.
제1항에 있어서, 정렬 특징은 제1 구조체의 외측부 상의 패턴 및 제1 구조체의 외측부의 비축대칭부 중 하나 이상인 것인 회전 위치 센서.
제1항에 있어서, 제1 구조체는 샤프트를 포함하고, 쌍극 자석은 샤프트의 근위 단부에 부착되는 것인 회전 위치 센서.
제3항에 있어서, 제1 구조체는 샤프트의 원위 단부에 부착되는 커플링 요소를 더 포함하는 것인 회전 위치 센서.
제4항에 있어서, 샤프트는 커플링 요소에 압입되는 것인 회전 위치 센서.
제4항에 있어서, 용접부가 커플링 요소와 샤프트 간의 연결을 강화하는 것인 회전 위치 센서.
제4항에 있어서, 커플링 요소에는 정렬 특징이 마련되는 것인 회전 위치 센서.
자기 모멘트 방향을 갖고, 제1 구조체 - 회전축을 갖는 베어링 구조체에 의해 제2 구조체에 회전 가능하게 커플링됨 - 에 부착되는 쌍극 자석 및 제2 구조체에 부착되는 감지 유닛을 포함하는 회전 위치 센서의 제조 방법으로서,
회전 위치 센서의 외측부에서 검출 가능한 정렬 특징을 포함하는 제1 커플링 구조체를 마련하는 단계; 및
쌍극 자석의 자기 모멘트 방향이 상기 회전축에 수직하고, 제1 커플링 구조체 상의 정렬 특징의 반경방향 위치에 대하여 미리 정해진 회전 각도를 갖도록 쌍극 자석을 제1 커플링 구조체에 부착하는 단계
를 포함하는 회전 위치 센서의 제조 방법.
제8항에 있어서, 정렬 특징은 제1 구조체의 외측부 상의 패턴 및 제1 구조체의 외측부의 비축대칭 섹션 중 하나 이상인 것인 회전 위치 센서의 제조 방법.
제8항에 있어서, 제1 커플링 구조체는 회전축을 따라 베어링 구조체 내에서 회전하도록 구성된 샤프트 구조체를 포함하고, 정렬 특징은 샤프트의 리세스이며, 상기 방법은
상기 리세스가 제2 구조체의 정렬 구조와 정렬되도록 제1 커플링 구조체를 회전시키는 단계;
로킹 핀을 정렬 구조 및 리세스에 삽입하는 단계;
제2 커플링 구조체를 조립 툴 상의 미리 정해진 위치에 위치 설정하는 단계;
쌍극 자석을 미리 정해진 자기 모멘트 방향을 취하게 하도록 파지 툴을 사용하는 단계; 및
조립 툴에 대하여 미리 정해진 파지 툴의 배향을 갖는 위치로 파지 툴을 이동시키는 것에 의해 쌍극 자석을 샤프트 구조체의 단부에 부착하는 단계
를 더 포함하는 것인 회전 위치 센서의 제조 방법.
제8항에 있어서, 제1 커플링 구조체는 샤프트부와, 샤프트부와 커플링되도록 된 개구를 갖는 커플링 요소를 포함하고, 상기 방법은
중심축을 갖고 샤프트부를 수용하는 관통공과, 관통공의 일단부에 위치하고 커플링 요소의 개구가 관통공과 일렬로 되도록 커플링 요소를 수용하는 정렬 구조를 포함하는 제1 조립 툴을 마련하는 단계;
커플링 요소를 마련하는 단계;
커플링 요소를 제1 조립 툴의 정렬 구조 상에 위치 설정하는 단계;
샤프트를 마련하는 단계;
샤프트부의 원위 단부를 커플링 요소의 개구와 관통공을 통과하도록 위치 설정하는 단계; 및
제2 조립 툴을 샤프트부의 근위 단부에 대해 압박함으로써 샤프트를 축방향으로 이동시키는 것에 의해 샤프트의 근위 단부를 커플링 요소의 개구에 압입하는 단계
를 더 포함하는 것인 회전 위치 센서의 제조 방법.
회전 위치 센서로서,
제1 구조체;
제1 구조체가 회전축을 갖는 베어링에 의해 회전 가능하게 커플링되는 제2 구조체;
제1 구조체에 부착되고 자기 모멘트 방향을 갖는 쌍극 자석; 및
제2 구조체에 부착되고, 중심을 가지며, 쌍극 자석의 회전 각도의 절대 위치를 측정하도록 구성되는 감지 유닛
을 포함하고, 쌍극 자석의 자기 모멘트 방향은 편심도로 인한 오차를 최소하기 위해 상기 중심과 마모로 인한 예상되는 회전축의 이동을 통과하는 라인에 대해 배향되는 것인 회전 위치 센서.
제12항에 있어서, 제1 구조체는 상기 라인과 거의 평행한 레버에 부착되는 샤프트를 포함하는 것인 회전 위치 센서.
제13항에 있어서, 샤프트는 상기 레버에 거의 수직한 것인 회전 위치 센서.
제12항에 있어서, 툴링(tooling)을 사용하여 쌍극 자석의 자기 모멘트 방향을 적절히 배향하기 위해 기계적인 정렬 피쳐(feature)를 더 포함하는 회전 위치 센서.