KR20220043212A - 회전식 샤프트의 토크 및 각도 위치를 캡처하기 위한 센서 어셈블리 - Google Patents

회전식 샤프트의 토크 및 각도 위치를 캡처하기 위한 센서 어셈블리 Download PDF

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KR1020227008111A
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토마스 린덴마이어
베른트 비트만
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섀플러 테크놀로지스 아게 운트 코. 카게
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Abstract

본 발명은 회전식 샤프트(02)의 각도 위치와 토크를 동시에 캡처하기 위한 센서 어셈블리(01)에 관한 것이다. 센서 어셈블리(01)는 각도 위치를 결정하기 위해, 본체(03), 본체(03)에서 회전하도록 결합되어 배열된 두 개의 추가 몸체(04, 05), 및 추가 몸체(04, 05) 바로 근처의 회로 기판(06)에 배열된 두 개의 각도 리졸버(07, 08)를 포함한다. 이 배열에서, 추가 몸체(04, 05)의 각도는 각도 리졸버(07, 08)에 의해 결정되고, 각도 신호로서 회로 기판(06)에 배열된 평가 유닛(09)으로 전달된다. 센서 어셈블리는, 회전 샤프트(02)로부터 토크 신호를 캡처하고 이를 연결 라인(12)을 통해 평가 유닛(09)으로 전달하는, 직접 코팅(11)을 추가로 포함한다. 연결 라인(12)은, 샤프트(02) 주위에 다수 권취된 섹션을 가져 샤프트를 적어도 +/- 900° 정도 회전시킬 수 있다.

Description

회전식 샤프트의 토크 및 각도 위치를 캡처하기 위한 센서 어셈블리
본 발명은 회전식 샤프트의 토크와 각도 위치를 동시에 결정하기 위한 센서 어셈블리에 관한 것이다. 센서 어셈블리는, 회전 가능한 기계 요소, 특히 스티어링 요소에 대한 각도 위치 및 토크를 결정하는 데 사용될 수 있다.
각도 위치를 결정하는 방법은 DE 195 06 938 A1에 공지되어 있다. 본원에 설명된 방법은, 자동차의 스티어링 샤프트 역할을 할 수 있는 360° 이상의 회전체의 각도 위치를 결정하는 데 사용된다. 이 회전체는, 적어도 두 개의 추가 회전체와 상호 작용한다. 예를 들어, 회전체는 맞물리는 톱니가 있는 기어 휠 또는 스프로킷이다. 회전체의 각도 위치는, 실제 각도 위치를 결정하기 위해 알고리즘을 사용하는 전자 평가 회로에 연결된, 두 개의 센서에 의해 결정된다. 추가 회전체의 톱니 수는 제1 회전체의 톱니 수와 상이하며, 그 결과, 각도 위치의 보다 정확한 결정이 가능해진다.
회전식 샤프트의 각도 위치를 결정하기 위한 각도 위치 결정 장치가 EP 2 180 296 A1에 공지되어 있고, 특히 스티어링 샤프트 또는 이에 연결된 자동차의 회전식 샤프트의 각도 위치를 결정하기 위한 것이다. 이 장치는 주 회전자와 주 회전자에 연결된 보조 회전자를 포함한다. 제1 센서 유닛은, 주 회전자에 배열되고 유도 작용 센서로 설계되고 주 회전자와 함께 회전하는 유도 회전자 및 정지 고정자를 갖는다. 또한, 제2 센서 유닛은, 보조 회전자에 배열되고 센서 요소와 자성 몸체를 포함한 자기 작용 센서로서 설계되며, 여기서 센서 요소는 자성 몸체의 움직임을 감지하도록 설계된다.
실제로, 전위 측정계로 설계되고 센서 유닛을 갖는 각도 위치 결정 장치가 공지되어 있다. 이들은 마모되기 쉽고 고장이 나기 쉽다. 또한, 측정 정확도는 소수의 각도로 제한된다. 자기 측정 원리를 기반으로 하는 센서 유닛은, 서로 부정적인 영향을 가질 수 있고, 이는 측정 결과를 왜곡할 수 있다.
자기적으로 작용하는 센서 유닛은, 이방성 자기-저항 센서(AMR), 거대 자기-저항 센서(GMR) 또는 홀 센서로 설계될 수 있다. 360°보다 큰 측정 범위를 다루기 위해, 공지된 센서 유닛은 적어도 하나의 구동 기어 휠과 적어도 하나의 출력 기어 휠이 필요하다. 이러한 방식으로 얻은 신호는, 버니어 알고리즘을 사용하여 단일 각도 신호로 프로세싱된다. 또한, 외부 자기장은 간섭의 원인이 되어 측정에 상당한 영향을 줄 수 있다.
광학 센서를 사용하고, 예를 들어 능동형 포토다이오드 및 광학 스케일을 갖는 센서 유닛도 공지되어 있다. 측정 정확도는 광학 스케일의 정확도에 의해 제한된다. 따라서, 제조 비용은 비싸고 센서 유닛은 먼지와 온도에 민감하다. 또한, 광센서는 비교적 큰 설치 공간을 필요로 한다. 유도 작용 센서를 갖는 각도 위치 결정 장치도 공지되어 있다. 복수의 유도 작용 센서의 조합은 제한된 정도로만 가능한데, 그 이유는 센서가 서로에게 바람직하지 않은 영향을 미칠 수 있기 때문이다.
스트레인 게이지는 회전하는 기계 요소에 대한 측정의 경우에 바람직하다. 예를 들어, 토크 측정을 위한 직접 코팅으로서의 스트레인 게이지는 DE 10 2012 208 492 A1에 공지되어 있다. 직접 코팅은, 절연 층이 도포되고 위에 변형-감지 층이 배치된 금속성 재료로 이루어진다. 변형-감지 층은 원하는 센서 모양에 따라 레이저로 구조화된다.
Ruse, H 등의 “Magnetische Drehmomentmessung mit Low-Cost Sensor” ("Magnetic Torque Measurement with Low-Cost Sensor”) 문헌은 토크 측정 방법을 설명하고, 여기서 회전 샤프트 재료의 투자율 변화가 센서에 의해 감지된다. 이것은 강자성체의 자기탄성 효과를 이용하여 가능하다. 여기서, 외부 인가 모멘트에 의해 초래된 길이 변화는, 재료의 자기적 특성의 변화를 유발한다. 이들 변화는 센서의 십자형 배열을 통해 감지된다. 재료의 투자율의 측정된 변화를 기반으로, 토크를 추론할 수 있다. 이 경우에, 투자율은 압축 방향으로 감소하고 변형률 방향으로 증가한다. 투자율의 변화에 의해 초래된 자속은, 토크에 비례하는 전압을 유도하여 토크를 추론할 수 있다.
선행 기술로부터 진행하여, 본 발명은 회전식 샤프트, 특히 스티어링 샤프트에 대한 각도 위치 및 토크를 동시에 측정하기 위해, 향상되고 비용 효율적이고 공간 절약형 센서 어셈블리를 제공하는 문제를 다룬다.
상기 문제는, 첨부된 청구범위 제1항에 따라 회전식 샤프트의 각도 위치 및 토크를 측정하기 위한 센서 어셈블리에 의해 해결된다.
본 발명에 따른 센서 어셈블리는, 회전식 샤프트의 각도 위치 및 토크를 측정하도록 설계된다. 특히, 샤프트는 차량의 스티어링 시스템의 일부이다. 본체는 회전식 샤프트에 결합되며, 이는 샤프트와 함께 회전하고 회전을 위해 결합된 두 개의 추가 몸체에 회전을 전달한다. 각도 마크는 각각의 추가 몸체에 형성되거나 배열되며 각도 리졸버에 의해 감지된다. 각도 리졸버는 추가 몸체 반대편의 회로 기판에 배열된다. 회로 기판은 비회전 방식 및/또는 하우징에 고정된 방식으로 배열되고, 각도 리졸버에 의해 생성된 각도 신호를 수신하는 평가 유닛을 갖는다. 평가 유닛은 버니어 원리를 사용하여 본체와 이에 연결된 회전식 샤프트의 실제 각도 위치를 결정한다.
본체는 샤프트에 동축으로 부착되고, 바람직하게는 주 기어 휠로서 설계된다. 주 기어 휠은, 바람직하게는 기어박스 방식으로 이차 기어 휠로서 형성된 추가 몸체를 구동한다. 이러한 방식으로 사용된 기어 휠의 장점은, 형태가 맞고 미끄러지지 않으며 높은 토크를 전달할 수 있다는 것이다. 대안으로, 본체와 추가 몸체는 마찰 휠 또는 유사한 기어 요소로서 또한 설계될 수도 있다.
각도 마크로서, 추가 몸체는 바람직하게는 톱니를 갖고, 여기서 두 개의 추가 몸체의 톱니 수는 바람직하게는 버니어 원리를 적용할 수 있도록 하기 위해 하나의 톱니만큼 상이하다. 이 원리를 사용하여, 샤프트의 각도 위치에 대한 결정 정확도를 증가시킬 수 있다. 대안적으로, 추가 몸체는 마찰 휠 또는 풀리일 수 있고, 이는 벨트를 통해 본체에 연결되고 벨트로 구동된다. 풀리에 배열된 각도 마크, 예를 들어 마킹 라인은 그 다음 샤프트의 각도 위치를 결정하는 데 사용할 수 있다.
바람직하게는, 디스크 방식으로 형성된 회로 기판은, 회전식 샤프트가 회로 기판의 개구를 통과하도록 샤프트 어셈블리와 동축으로 장착된다. 이것은 공간 절약형 배열의 이점을 제공한다.
각도 리졸버는, 바람직하게는 유도 및 자기 작용 센서에 의해 형성될 수 있다. 이러한 센서 조합의 장점은 서로 영향을 미칠 수 없다는 것이다. 이것은, 신호 평가를 위해 다수의 독립적인 채널을 사용할 수 있기 때문에, 최대한의 안전성을 달성한다. 또 다른 장점은, 온도 보상할 필요 없이, 고온에서 버니어 배열의 미세 트랙으로서 유도 센서를 적용한 결과이다. 또한 유도 및 자기 센서는 먼지에 민감하지 않다. 순전히 자기 작용하는 센서와 비교하면, 제안된 센서 조합은 간섭에 둔감한, 매우 정확한 측정의 이점을 제공한다. 대안적으로, 회로 기판에 배열된 각도 리졸버는 다른 센서의 조합일 수 있다. 이러한 조합은, 예를 들어 광학 및 유도 작용 센서 또는 광학 및 자기 작용 센서에 의해 형성될 수 있다. 그러나, 유사한 각도 결정 센서의 조합도 가능하다.
바람직하게는, 유도 작용 센서용 타겟 또는 자기 작용 센서와 상호 작용하기 위한 자석은, 회로 기판에 배열된 각도 리졸버에 대향하는 추가 몸체 각각에 위치한다.
또한, 센서 어셈블리의 토크 센서는 회전식 샤프트의 토크를 동시에 결정한다. 이 경우, 토크 센서는 회전식 샤프트에 결합되고, 샤프트에 직접 코팅으로 형성되는 것이 바람직하다. 이러한 직접 코팅은, 작용 모멘트를 기반으로 발생하는 기계적 응력을 결정하고 토크 신호를 생성하는, 스트레인 센서를 형성한다. 이러한 토크 신호는, 연결 라인을 통해 회로 기판의 평가 유닛으로 전달된다. 연결 라인은, 회전식 샤프트 주위에 다중 권취된 섹션을 갖고 있어, 연결 라인을 파괴하거나 차단하지 않으면서 제로 위치에서 시작하여 샤프트를 최소 -/+ 360°, 바람직하게는 적어도 -/+ 900° 회전시킬 수 있다. 평가 유닛은, 구현된 계산 규칙을 사용하여 토크 신호로부터 회전식 샤프트에서 발생한 토크를 결정하고, 추가 프로세싱용 상위 유닛으로 이 값 및 계산된 각도 위치를 출력한다. 연결 라인은, 무선 원격 측정 또는 샤프트의 슬라이딩 접점의 필요성을 제거한다.
또한, 평가 유닛과 각도 리졸버는, 바람직하게는 연결 라인의 권취 섹션으로부터 등지는 표면에 배열된다. 그 대신, 연결 라인의 권취 섹션을 대면한 회로 기판의 측면이 가이드 표면 역할을 한다. 연결 라인은 전달 안전, 간섭 둔감, 유선 및 동시에 토크 센서와 평가 유닛 사이의 슬라이딩 접촉 없는 연결을 실현한다.
직접 코팅은, 바람직하게는 적어도 하나의 보호 층과 적어도 하나의 금속 코팅으로 구성된, 다층 시스템으로 이루어진다. 또한, 다층 시스템은 절연 층을 포함할 수 있다. 바람직하게는, 금속 코팅은 변형률에 민감하도록 설계되고 회전식 샤프트에 배열된다. 보호 층은 바람직하게는 금속 코팅 상에 형성된다. 직접 코팅은, 특히 DE 10 2012 208 492 A1에 따른 다층 시스템일 수 있다. 소위 Sensotect® 코팅 형태의 직접 코팅이 특히 바람직하다. 이러한 방식으로 도포된 직접 코팅의 장점은 측정 데이터의 정확한 획득이다. 또한, 직접 코팅은 사용 공간 설치 측면에서 중립적이다.
바람직하게는, 회전식 샤프트는, 전자기계 스티어링 시스템의 일부이거나, 전자기계 스티어링 시스템의 절대 각도 위치 및 토크를 동시에 결정하기 위해 적어도 그와 함께 회전하도록 결합된다.
본 발명의 추가 세부사항, 이점 및 추가 구현예는 도면에 나타낸 구현 예시를 참조하여 본 발명이 더 상세하게 기술되고 설명되는 다음 내용에서 찾을 수 있다. 도면 중,
도 1은 본 발명에 따른 센서 어셈블리의 구현 예시의 측면도를 나타낸다.
도 2는 도 1에 따른 센서 어셈블리의 상부도를 나타낸다.
도 1은 본 발명에 따른 센서 어셈블리(01)의 구션 예시를 나타낸다. 센서 어셈블리(01)는 회전식 샤프트(02)의 각도 위치 및 토크를 결정하는 데 사용되며, 회전식 샤프트는, 전자기계식 스티어링 시스템의 일부일 수 있고 특히 스티어링 샤프트이다. 기어 휠 형태의 본체(03)는 이 스티어링 샤프트(02) 상에 배열되고 회전 가능한 스티어링 샤프트(02)와 함께 회전한다. 톱니형 센서 휠 형태로 회전하도록 결합된 두 개의 추가 몸체(04, 05)는 이 기어 휠(03) 상에 배열되고 기어 휠(03)에 의해 회전하게 된다. 본체(03)를 추가 몸체 또는 센서 휠(04, 05)보다 크게 설계하는 것이 가능하며, 그 결과 추가 몸체(04, 05)는 본체(03)보다 더 큰 회전 속력을 갖는다. 대안적으로, 본체(03) 상의 추가 몸체(04, 05)의 공간적 배열은 도 1의 배열과 다를 수 있다. 가장 단순한 경우에 톱니에 의해 형성되는 각도 표시가, 센서 휠(04, 05) 각각에 부착된다. 센서 휠(04, 05)은, 하나의 톱니만큼 다른 톱니 수를 갖고, 따라서 버니어 원리를 적용할 수 있다. 따라서, 이들 센서 휠은, 각도 감지가 본체(03)에서만 수행되는 경우보다 더 정확한 각도 결정을 허용한다. 센서 휠(04, 05)에 바로 대향하는 두 개의 각도 리졸버(07, 08)가 회로 기판(06) 상에 배열되고, 이는 각도 마크를 평가하여 각도 신호를 결정하고 이를 평가 유닛(09)으로 전달한다(도 2 참조). 평가 유닛(09)은, 다른 전자 구성 요소와 함께 회로 기판(06)에 부착된 마이크로컨트롤러인 것이 바람직하다.
디스크 유사 회로 기판(06)은 스티어링 샤프트(02)와 동심축으로 배열된다. 적용 가능한 경우에, 회로 기판(06)은 또한 스티어링 샤프트(02)용 회전식 베어링으로서 사용될 수 있다.
센서 어셈블리는, 직접 코팅(11)에 의해 형성된 토크 센서(10)를 추가로 포함한다. 직접 코팅(11)은, 바람직하게는 구성요소가 위에 배치되지 않은 회로 기판(06)의 측면에 가까운, 스티어링 샤프트(02)의 표면 상의 축 방향 영역에 도포된다. 바람직하게, 이러한 직접 코팅(11)은, 스티어링 샤프트(02)의 토크를 감지하고 이를 토크 신호로서 연결 라인(12)(도 2 참조)을 통해 평가 유닛(09)으로 공급하는, 소위 Sensotect® 구조이다.
도 2는 도 1에 따른 센서 어셈블리(01)의 상부도를 나타낸다. 상부도에서 볼 수 있는 바와 같이, 회로 기판(06)은 샤프트 통로를 가짐으로써 스티어링 샤프트를 둘러싼다. 더 이상 나타내지 않은 방식으로, 회로 기판(06)은 회전 고정 방식으로 배열된다. 이것은, 예를 들어 하우징 또는 스티어링 샤프트(02)의 베어링에 고정함으로써, 실현될 수 있다. 또한, 도 2는, 연결 라인(12)이 스티어링 샤프트(02) 주위를 나선형으로 회전하고 회로 기판(06)에 놓이는 것을 나타낸다. 또한, 평가 유닛(09)은 회로 기판(06) 상에 위치하지만, 연결 라인으로부터 서로 등지는 회로 기판 측에 위치한다.
01 센서 어셈블리
02 회전식 샤프트
03 본체
04 제1 추가 몸체
05 제2 추가 몸체
06 회로 기판
07 제1 각도 리졸버
08 제2 각도 리졸버
09 평가 유닛
10 토크 센서
11 직접 코팅
12 연결 라인

Claims (10)

  1. 회전식 샤프트(02)의 각도 위치와 토크를 동시에 결정하기 위한 센서 어셈블리(01)로서,
    - 제로 위치에서 시작하여 적어도 -/+ 360° 정도 회전식 샤프트(02);
    - 회전식 샤프트(02)에 결합된 본체(03);
    - 본체(03)에 회전 가능하게 결합되고 원주 방향으로 분산된 복수의 각도 마크를 각각 갖는 두 개의 추가 몸체(04, 05);
    - 회전 고정 방식으로 배열된 회로 기판(06);
    - 추가 몸체(04, 05)의 각도 마크에 대향해서 회로 기판(06) 상에 배열되고 각각 각도 신호를 공급하는 두 개의 각도 리졸버(07, 08);
    - 회로 기판(06) 상에 배열되고 각도 리졸버(07, 08)에 의해 공급된 각도 신호를 수신하고 그로부터 샤프트(02)의 각도 위치를 결정하는 평가 유닛(09)을 포함하며,
    센서 어셈블리는, 회전식 샤프트(02)에 구조화된 변형-감지 직접 코팅(11)으로 설계되고 연결된 연결 라인(12)을 통해 이로부터 샤프트 상의 토크를 계산하는 평가 유닛(09)에 토크 신호를 전달하는 토크 센서(10)를 추가로 포함하되, 토크 센서(10)와 평가 유닛(09) 사이의 연결 라인(12)은, 샤프트(02) 주위에 다수 권취된 섹션을 가져 샤프트(02)의 회전을 제로 위치에서 시작해서 적어도 -/+ 360° 정도 허용하는 것을 특징으로 하는, 센서 어셈블리.
  2. 제1항에 있어서, 본체는, 회전식 샤프트(02)에 동축으로 고정되고 추가 몸체를 형성하는 두 개의 이차 기어 휠(04, 05)에서 구동 방식으로 체결하는 주 기어 휠(03)로서 형성되는 것을 특징으로 하는 센서 어셈블리(01).
  3. 제2항에 있어서, 각도 마크는 이차 기어 휠(04, 05)의 톱니에 의해 형성되되, 상기 두 개의 이차 기어 휠의 톱니 수는 하나의 톱니만큼 상이해서, 공급된 각도 신호는 버니어 원리에 따라 평가 유닛(09)가 프로세싱할 수 있도록 하는 것을 특징으로 하는 센서 어셈블리(01).
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 회로 기판(06)은, 디스크의 형상으로 형성되고 샤프트 통로를 갖고, 상기 통로를 통해 회전식 샤프트(02)가 회전 방식으로 안내되는 것을 특징으로 하는 센서 어셈블리(01).
  5. 제4항에 있어서, 평가 유닛(09)과 각도 리졸버(07, 08)는 상기 연결 라인(12)의 권취 섹션으로부터 서로 등지는 회로 기판(06)의 표면 상에 배열되는 것과, 연결 라인(12)의 권취 섹션을 대면하는 회로 기판(06)의 표면이 연결 라인(12)의 권취 섹션용 가이드 표면으로서 작용하는 것을 특징으로 하는 센서 어셈블리(01).
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 직접 코팅(11)은 적어도 하나의 보호 층과 적어도 하나의 변형-감지 금속 코팅으로 이루어진 다층 시스템으로 설계되는 것을 특징으로 하는 센서 어셈블리(01).
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 각도 리졸버(07, 08)는 유도 작용 및/또는 자기 작용 센서의 형태로 각도를 결정할 수 있는 센서로 설계되는 것을 특징으로 하는 센서 어셈블리(01).
  8. 제7항에 있어서, 유도 작용 센서용 타겟이 추가 몸체(04, 05) 각각에 배열되는 것을 특징으로 하는 센서 어셈블리(01).
  9. 제7항에 있어서, 자기 작용 센서용 자석이 추가 몸체(04, 05)에 배열되는 것을 특징으로 하는 센서 어셈블리(01).
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 회전식 샤프트(02)는 차량의 스티어링 시스템의 일부이되, 샤프트는 적어도 -/+ 900° 정도 회전 가능한 것을 특징으로 하는 센서 어셈블리(01).
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