KR20010032743A - 접촉없이 회전각도를 검출하기 위한 측정장치 - Google Patents

Abstract

회전각도(α)를 접촉없이 감지하기 위한 측정장치는 약자성체로 된 지지판(12)으로 되어 있으며, 이 지지판(12)은 회전자로 작용한다. 지지판(12)에 대해 평행한 평면에 틈새(17)에 의해서 분리된 두 세그먼트(15, 16)가 배치되어 있다. 이 세그먼트(16)에는 하나의 복귀자속부재(20)가 배치되며, 여기서 상기 모든 부재는 약자성체로 되어 있다. 이 복귀자속부재(20)와 세그먼트(15, 16)는 지지판(12) 위에 배치된 자석(13)으로부터 생성한 자속을 유도한다. 복귀자속부재(20)는 지지판(12)을 지나 돌출되어 있거나 또는 또다른 형태로서 지지판(12)이 복귀자속부재(20)를 너머 돌출되기 때문에, 축방향의 틈새 또는 레이디얼 방향의 틈새에 대해서 민감하지 않을 수 있다. 또한 본 측정장치는 비교적 간단하며 그리고 공간절약적으로 구성된다.

Description

접촉없이 회전각도를 검출하기 위한 측정장치{Measuring device for contactless detection of a rotational angle}

독일 특허 공개 제 DE-OS 196 34 381.3호에는 서로 상하로 배치된 3 평면에 배치되어 있는 센서가 공개되어 있다. 여기서, 회전자(rotor)는 중간의 평면에 형성되며, 이 중심평면은 영구자석용 지지판으로 구성된다. 이 지지판은 비자기성 재료로 구성되어, 자속이 다른 두 평면 즉, 고정자(stator)로 흐르고, 이 자속은 상기 스테이터의 두 평면에 배치되어 있는 두 개의 스페이서(spacer)를 사용하여 조절된다. 이들 센서로 부호변환됨이 없이 보다 큰 각도범위를 측정할 수 있지만, 이는 축방향에서 보았을 때 세 개의 평행한 평면에서의 요소로 이루어지므로 비교적 큰 구조를 갖는다.

본 발명은 청구항 제 1 항의 주안점에 따른 회전각을 접촉없이 감지하기 위한 측정장치에 관한 것이다.

도 1은 제 1 실시예의 종단면도.

도 2는 도 1의 실시예에 대한 평면도.

도 3은 도 1의 실시예를 선 I-I에 따라 도시한 단면도.

도 4와 도5는 회전각도 α가 0이고, 자기유도량 B = 0일 때의 자속을 도시한 도면.

도 6과 7은 회전각도가 최대이거나, 또는 자기유도량 B = max일 경우 자속을 도시한 도면.

도 8은 회전각도 α에 대한 상응하는 자기유도 B의 경과를 도시한 도면.

도 9, 도 12, 도 15는 종단면도.

도 10, 도 13, 도 16은 평면도.

도 11, 도 14, 도 17은 도 1의 선 I-I에 따른 단면도.

도 18 및 도 19는 또다른 변형예의 도면.

도 20은 스로틀밸브 조정유닛에 응용된 센서의 종단면도.

이와는 달리 청구항 제 1 항의 장점을 포함하는 본발명에 따라 회전각도를 접촉없이 감지하기 위한 측정장치는 센서가 축방향에서 상대적으로 작은 크기를 갖는다는 장점을 가지고 있다. 센서는 두 평면에만 설치될 수 있다. 이와 동시에 회전자로 도시된 영구자석의 지지판은 자속을 안내하도록 작용한다. 더나아가서 이러한 구조를 통해서 부품의 갯수와 또한 이와 연관된 조립비용이 감소하게 된다.

지지판에 걸쳐 복귀자속부재가 돌출되므로서, 또는 이 복귀자속부재에 걸쳐 지지판이 돌출되므로서 센서는 축방향의 간격 및/또는 반지름 방향의 간격에 대해서 영향을 적게 받는다.

이 센서는 자체의 간단한 구조를 기반으로 하여 예를 들어 스로틀 측정장치와 같은 가스페달의 측정값 전송기용 페달모듈로 여러 시스템에서 비교적 작은 조립비용으로 통합될 수 있으며 또는 스로틀밸브 개방값 전송기 또는 차체 서스펜션장치에서 독립적인 센서로서 사용가능하다.

종속항에서 실시되고 있는 조치를 통해서 제 1청구항에서 제시하고 있는 측정장치의 유리한 개선이 가능하다.

본발명의 실시예는 도면에 도시되어 있으며 하기에 상술한다.

도 1에서는 센서(10)를 도시하며, 이 센서는 축(11)을 이용하여 여기서 도시하지 않은 부재와 결합되어, 이 부재의 회전운동이 결정된다. 축(11)의 정면으로 하나의 지지판(12)이 중앙에 지지되어 있으며, 이 지지판(12)은 동시에 회전자로서 작용한다. 지지판(12)의 중심점, 즉 축의 지지점에 가능한 한 큰 반지름방향 간격으로 링모양의 영구자석(13)이 배치되어 있다. 여기서 상기 간격이 클수록, 측정신호가 선명해진다. 상기 영구자석(13)은 원형단면(원형세그먼트) 또는 원형링의 형태로서 실시된다. 상기 영구자석의 각도영역은 적어도 감시 또는 측정되어야할 부재에 대한 최대 설정 회전각도 범위와 같다. 도 2 또는 도 3에 도시된 바와 같이, 이 실시예의 경우 영구자석(13)의 각도범위는 약 180도를 이루게 되고, 이와 더불어 측정가능한 각도범위는 180도에 이른다. 나아가 영구자석(13)은 축방향으로, 즉 지지판(12)에 대해서 수직으로 극성(N, S)화 된다. 지지판(12)은 자기유도 가능한, 특히 약자성체로 되어 있다.

영구자석(13)에 걸친 제 2 평면에서는 약간의 틈새를 가지고 지지판(12)과 평행하게 하나의 고정자가 배치되며, 이 고정자는 두 개의 세그먼트(15, 16)로 되어 있다. 또한 두 개의 세그먼트(15, 16) 사이에는 그 중심을 지나는 틈새(17)가 형성되어 있으며, 그리고 이 틈새(17)는 지지판(12) 또는 축(11)의 중심점을 통해 연장한다. 그러므로 상기 두 세그먼트(15, 16)는 동일한 크기로 형성되며 그리고 각각 180도의 각도범위를 갖는다. 세그먼트(16)의 외부 정면에서는, 즉 틈새(17)를 향하지 않는 정면에서 전체의 길이를 통해, 즉 180도의 각도범위를 통해 하나의 복귀자속부재(20; backflow piece)가 장치되어 있다. 이러한 기능으로 복귀자속부재(20)는 세그먼트(15)를 따라 장치된다. 복귀자속부재(20)는 지지판 너머 길이 L로 돌출되어 있다. 나아가 세그먼트(15, 16)는 지지판(12)보다 약간 큰 직경을 가지며, 따라서 지지판(12)의 정면과 복귀자속부재 사이에는 틈새(21)가 형성된다. 이러한 틈새(21)는 가능한 한 작게 형성되어야 하는데, 왜냐하면 복귀자속부재(20)로부터 지지판(12)으로의 자속이 가능한 한 방해받지 않아야 하기 때문이다. 그러나 이 틈새(21)는 지지판(12)의 회전운동을 방해하지 않아야 한다. 상기 두 세그먼트(15, 16)와 복귀자속부재(20)는 자기유도 가능한, 특히 약자성을 갖는 재료로 이루어진다. 또한 영구자석(13)과 두 세그먼트(15, 16) 사이에는 틈새(14)가 형성되어 있으므로, 당연히, 영구자석(13)을 갖는 지지판(12)의 회전이 방해받지 않게 된다. 회전운동을 할 경우 두 세그먼트(15, 16) 아래에서 각각 동일한 량이 전해진다.

두 세그먼트(15, 16) 사이의 틈새(17)에는 하나의 자기 민감성 소자(25), 예를 들어서 자계 판, 마그네틱 트랜지스터, 코일, 자기유도 가능한 부재 또는 홀-소자가 구비된다. 여기서 중요한 것은, 즉 자기민감성 소자는 가능한 출력신호가 자기유도량(B)에 선형적 종속성을 가져야 한다는 것이다. 도 1 내지 도 3에는 각각 자기 민감성 소자(25)를 하나만 이용한 측정장치를 도시하고 있다. 축(11) 상의 이 소자(25)는 틈새(17) 중심에서 멀리 배치될수록, 측정신호가 개선된다. 이에 대해서 신뢰성을 이유로 예를 들어 두 개 이상의 소자(25)를 이용하여 측정할 수도 있다.

도 8에는 축(11)의 각도(α)에 대한 소자(25)의 자기유도량(B)의 특성곡선 진행도가 도시되어 있다. 또한 회전각도가 0도일 경우 자기유도량(B)은 0의 값을 갖게 되며, 이와 동시에 회전각도가 최대 회전각도(α)일 경우 자기유도(B)는 최대값을 갖게 되는 것을 인식할 수 있다. 이 실시예의 경우 최대 회전각은 180도에 이른다. 회전각도가 0도일 경우의 센서(10) 위치가 도 4 및 도 5에 도시되어 있다. 자속은 영구자석(13)으로부터 틈새(17)를 지나 세그먼트(16)로 흐르며, 이어서 복귀자속부재(20)를 지나, 그리고 틈새(21)와 지지판(12)을 지나 영구자석(13)으로 귀환하는 것이 명백하다. 특히 도 5에서 명백해지는 바와 같이, 자속은, 즉 회전각도가 0도일 경우 상기 소자(25)를 통과하여 흐르지 않으므로, 소자(25)에서 자기유도되지 않게 조정된다. 만약 현재 축(11)이 회전하고 그리고 이에 따라서 영구자석(13)을 포함하는 지지판(12)이 회전되어, 소자(25)를 통과하여 지나는 자기유동이 확대되므로서, 도 8에 도시된 선형적인 측정선도가 나오게 된다. 회전각도(α)가 최대일 경우의 상태를 도 6과 7에 도시하고 있다. 회전각도가 최대인 위치에서는 영구자석(13)으로부터 자속이 세그먼트(16) 내의 틈새(17)로 흐른다. 여기서 자속은 상기 틈새(17)를 지나고 세그먼트(16)에 배치되는 소자(25)와, 복귀자속부재(20), 지지판의 틈(21)을 지나 다시 영구자석(13)으로 복귀한다. 특히 도 7에서는 소자(25)에서 이러한 각도위치에 대해 발생할 수 있는 최대 자기유도량(B)을 도시하고 있다.

이러한 실시예에서 자속이 방해받지 않으며 또한 오류없도록 하기 위해서, 상기 틈새(21)의 영역에서 지지판(12)의 정면이 적어도 복귀자속부재(20)를 덮어야 한다. 그러나 지지판(12)이 회전될 경우 진동이 발생하기 때문에, 또는 구조적인 공차로 인해 진동이 발생하기 때문에 복귀자속부재(20)는 지지판(12) 너머에 부분 L 만큼 돌출한다. 이를 통해 센서(10)는 축방향의 틈새에 민감하지 않게 작동한다.

도 15 내지 도 17에서는 변형실시예가 도시되어 있으며, 이러한 변형도의 경우 레이디얼 간격에 민감하지 않게 작동하도록 되어 있다. 이러한 실시예의 경우 지지판(12a)은 복귀자속부재(20a) 너머에 부분 D만큼 돌출되어 있다. 이러한 지지판(12a)의 돌출은 세그먼트(15a, 16a)가 지지판(12a) 보다도 작은 직경을 가짐을 의미한다.

다른 변형실시예의 구조형태가 도시되어 있는데, 이러한 구조형태는 여러 회전각을 감지하기 위한 것이다. 도 9 내지 도 11의 실시예의 경우 하나의 비대칭 틈새(17b)의 상태가 도시되어 있다. 여기서 세그먼트(15b, 16b)는 서로 다른 크기로 형성된다. 영구자석(13b)의 크기 또는 각도는 복귀자속부재(20)를 포함한 세그먼트(16b)의 덮개면을 한정하게 된다. 하나의 소자(25b)만을 사용하는 경우 재차 틈새(17b)의 중심에 소자(25b)가 배치된다.

도 12 내지 도 14에 따른 실시예에서는 두 세그먼트(15c, 16c)가 각을 이루며 배치된 것을 도시하고 있다. 틈새(17c)는 일정 각도로 구조를 이루고 있으며, 이와 동시에 틈새(17c)는 지지판(12c)의 중심점을 통과하여 진행한다. 부재(25c)는 틈새(17c)의 분리된 두 분기(branch)에 편심되어 배치되어 있다. 영구자석(13c)의 각도범위는 이 영구자석(13c)에 배치된 세그먼트(16c)의 각도에 대한 최대값을 갖게 되는데, 즉 영구자석(13c)은 기본위치에서 세그먼트(16c)에 의해 완전히 덮히며 또한 복귀자속부재(20c)가 세그먼트(16c)에 배치되도록 되어 있다. 이러한 구조형태는 특히 작은 각도(또는 회전각도)를 측정하는 데에 적합하다.

상기 실시예는 비교적 얇은 지지판과 비교적 얇은 복귀자속부재에 관한 것이다. 이에 반해 도 18에서 도시한 바와 같이, 돌출된 복귀자속부재 대신 지지판을 두껍게 하므로서, 지지판(12d)의 하부측면이 복귀자속부재(20d)의 정면측과 만나서 다소 폐쇄(또는 종결)되도록 하고 있다. 하부영역, 즉 지지판(12d)의 하부영역은 적은 자속만이 지나기 때문에, 축방향으로 발생되는 허용가능한 진동은 측정신호에 아주 적은 영향만을 미치게 된다. 도 19에서 도시한 바와 같이, 이러한 허용진동은 복귀자속부재(20e)가 두꺼운 형태가 될 경우 그리고 자신(복귀자속부재(20e))의 외부측면이 지지판(12e)의 정면과 만나 종결될 경우에만 유효하다.

도 20에 따른 실시예에 있어서 상술한 센서의 설정은 스로틀밸브 조정유닛(30)으로 도시되어 있다. 이러한 유닛(30)을 이용하여 엔진의 제어를 위한 스로틀밸브의 각도가 감지된다. 여기서 고정자(15, 16)는 스로틀밸브 조정유닛(30)의 덮개(31)에 직접 배치되어 있다. 이 덮개(31)는 플라스틱으로 되어 있기 때문에, 고정자(15, 16)는 덮개(31)에서 복귀자속부재(20)와 함께 사출성형된다. 그러나 고정자의 두 세그먼트(15, 16)는 덮개(31)에 클립 연결되거나 또는 접착된다. 세그먼트(15, 16) 사이의 틈새에는 도 18에서는 도시되지 않은 자기에 민감한 하나 또는 두 개의 소자(25)가 위치하고 있으며, 이 소자(25)는 덮개(31)에 사출성형된 플러그와 연결된다. 여기서 축(11)은 스로틀밸브의 축(32)에 직접 고정되거나 또는 이 축(32)의 돌출부에 고정된다. 그러므로 영구자석(13)을 포함하는 회전자(12)가 스로틀밸브 축(32)에 직접 장착된다. 큰 변경없이 센서는 실시예 1 내지 19에 따라 스로틀밸브 조정유닛(30)에 조립된다. 여기서 간단한 방법으로 예를 들어 지금까지 사용되어온 포텐셔미터로 교환할 수도 있다. 도 20에서는 도 1의 센서가 도시되어 있다. 당연히 하나의 센서가 도 9 또는 도 12에 따라 사용될 수 있다.

Claims (10)

1. 회전자(12)에 영구자석(13)이 배치되고 고정자(15, 16)와 회전자(12) 사이에 공기 틈새(14)가 존재하며 상기 고정자(15, 16)는 적어도 두 세그먼트(15, 16, 20)로 구성되며 이 세그먼트(15, 16, 20)는 적어도 하나 이상의 자기유도되지 않는 틈새(17)에 의해서 분리되며 적어도 하나의 틈새(17)에 적어도 하나의 자기민감성 소자(25)가 위치하고 있으며 상기 고정자(15)의 적어도 하나의 부분은 회전자(12)와 자기유도에 의해 접속되지 않도록 되어 있는 고정자(15, 16)와 회전자(12) 사이의 회전각도(α)를 접촉없이 감지하기 위한 측정장치에 있어서,

   상기 회전자(15)는 자성재료로 되어 있는 것을 특징으로 하는 측정장치.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 세그먼트(16)에는 적어도 하나의 복귀자속부재(20)가 배치되며, 상기 회전자(12)는 복귀자속부재(20)를 지나 돌출되는 것을 특징으로 하는 측정장치.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 세그먼트(16)에 적어도 하나 이상의 복귀자속부재(20)가 장치되어 있으며, 그리고 회전자(12)는 복귀자속부재(20)를 지나 돌출되어 있는 것을 특징으로 하는 측정장치.
4. 제 1 항에 있어서, 상기 회전자(12)와 복귀자속부재(20)는 서로 다른 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 측정장치.
5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 세그먼트(15, 16)는 대칭적으로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 측정장치.
6. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 세그먼트(15, 16)는 비대칭적인 구조로 되어 있는 것을 특징으로 하는 측정장치.
7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 회전자(12)와 상기 세그먼트(15, 16)는 디스크형으로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 측정장치.
8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 회전자(12)는 틈새없이 감지되는 부재의 축(11)에 배치되는 것을 특징으로 하는 측정장치.
9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 고정자(15, 16)로 작용하는 부재가 센서(30)의 덮개(31)에서 통합되는 것을 특징으로 하는 측정장치.
10. 제 9 항에 있어서, 상기 덮개(31)는 플라스틱으로 되어 있으며 그리고 고정자(15, 16)는 덮개(31)에 사출성형되는 것을 특징으로 하는 측정장치.