KR20170013207A - 회전수 카운터를 구비한 진정한-파워-온 조향각 센서 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 차량(2)에서 360°를 초과하는 각도 범위에 걸쳐 조향 컬럼(34)의 조향각(12)을 검출하는 조향각 센서(10)로서, - 송신기 장(52)을 여기시키는 송신기 소자(46)와, 상기 송신기 장(52)의 수신에 따라 출력 신호를 여기시키는 측정 센서(54), 및 - 기준 회전각에 대해 상기 송신기 장(52)의 회전수를 카운트하고 출력하는 비-휘발성 저장 유닛을 가진 카운터 소자(56)를 포함하고, 상기 측정 센서(54)와 상기 송신기 소자(54)는 상기 측정 센서(54)에 의해 수신된 상기 송신기 장(52)이 검출될 상기 조향 컬럼(34)의 회전각(12)에 의존하도록 배열되는, 상기 조향각 센서에 관한 것이다.

Description

회전수 카운터를 구비한 진정한-파워-온 조향각 센서{TRUE-POWER-ON STEERING ANGLE SENSOR WITH REVOLUTION COUNTER}

본 발명은 조향각을 검출하는 조향각 센서에 관한 것이다.

차량에서 360°를 초과하는 각도 범위에 걸쳐 조향 컬럼(steering column)의 조향각을 검출할 수 있는 조향각 센서가 문서 DE 10 2004 023 801 A1에 알려져 있다.

본 발명의 목적은 알려진 조향각 센서를 개선하는 것이다.

상기 목적은 독립 청구항의 특징에 의해 달성된다. 선호되는 개선은 종속 청구항의 주제이다.

본 발명의 일 측면에 따라, 차량에서 360°를 초과하는 각도 범위에 걸쳐 조향 컬럼의 조향각을 검출하는 조향각 센서는 송신기 장(transmitter field)을 여기(exciting)시키는 송신기 소자(transmitter element)와, 상기 송신기 장의 수신에 따라 출력 신호를 여기시키는 측정 센서, 및 기준 회전 각도에 대해 상기 송신기 소자의 회전수를 카운트하고 출력하는 비-휘발성 메모리를 가진 카운트 소자(counting element)를 포함하고, 상기 측정 센서와 상기 송신기 소자는 상기 측정 센서에 의해 수신된 송신기 장이 상기 조향 컬럼의 검출된 회전 각도의 함수이도록 배치된다.

제시된 조향각 센서는 조향각이 운전자의 의도를 검출하는데 사용될 수 있다는 아이디어에 기초한다. 이것은, 현재 운전자 보조 시스템, 예를 들어 ESP로 알려진 전자 안정성 프로그램(electronic stability program) 또는 EPS로 알려진 조향 보조 시스템과 같은 차량 부품에 사용되어, 이로부터 타깃 값을 유도할 수 있다. 바로 최근에, 조향각 센서에 특정 시간 기간에 걸쳐 전기 에너지가 공급되지 않는 경우에도, 조향 컬럼의 복수의 회전수에 걸쳐 조향각을 검출하는 것이 이를 위해 요구된다. 이러한 센서는 진정한 파워-온 센서로 알려져 있다.

상기 조향각 센서는 이러한 진정한 파워-온 센서이고, 복수의 회전수에 걸쳐 절대 각도 위치를 결정하는 기계적 기어박스를 구비한다. 기어박스와 그에 따른 송신 비율(transmission ratio)에 의해 센서 소자를 사용하여 복수의 신호가 생성될 수 있다. 이 경우에 서로에 대해 개별 신호의 주기 또는 위상 위치, 즉 서로에 대해 개별 신호들의 관계에 의해, 조향 컬럼의 복수의 회전수에 걸쳐 절대 각도 위치를 결정할 수 있다.

상기 조향각 센서의 단점은, 각 신호 라인에 대해, 예를 들어 자석과 측정 센서 형태의 측정 소자로 알려진 송신기 소자, 및 여러 신호 라인에 기초하여 절대 위치를 결정하는 연산 유닛이 더 필요하기 때문에 사용되는 부품이 많다는 것이다.

이것은 제시된 조향각 센서가 카운트 소자로 회전수를 카운트하는 것을 제안하는 경우이다. 이에 의해 단 하나의 신호 라인만이 절대 각도 위치를 결정하는데 필요하다. 제시된 조향각 센서가 진정한 파워-온 센서로 사용될 수 있기 위하여, 카운트 소자의 결과는 비-휘발성 메모리에 배치되고, 그 결과는 조향각 센서에 특정 시간 기간에 걸쳐 전기 에너지가 공급되지 않는 경우 또한 판독 출력될 수 있다.

제시된 조향각 센서의 개선에서, 송신기 장은 자기장이다. 이에 의해, 저가이고 정확하며 강력한, AMR 효과, TMR 효과 또는 GMR 효과에 기초한 자기저항 측정 센서 또는 자기장을 직접 검출하는 자기 측정 센서와 같은 적절한 자기 측정 센서를 측정 센서로 사용할 수 있다.

제시된 조향각 센서의 추가적인 개선에서, 비-휘발성 메모리는, 함께 직렬로 연결된 적어도 2개의 자화가능한 메모리 소자를 포함하고, 이 메모리 소자들의 자화는 송신기 장의 회전수에 따라 자기 소스(magnetic source)에 의해 조절될 수 있다. 2개의 자화가능한 메모리 소자를 직렬 연결하는 것으로 인해, 자기 소스가 직렬로 연결된 모든 자화가능한 메모리 소자를 한번에 자화시킬 수는 없지만, 조향 컬럼이 각 1회전할 때마다 단지 순차적으로 자화시킬 수는 있기 때문에, 카운트 효과가 직접 달성될 수 있다. 이것에 의해 직렬로 연결된 개별 자화가능한 메모리 소자들의 특정 자화도는 조향 컬럼이 완전히 1회전한 회전수와 고유하게 연관될 수 있다. 이 동안 조향 컬럼이 두 회전방향으로 1회전한 회전수는 이에 대응하는 부호를 사용하여 자동적으로 고려된다.

제시된 조향각 센서의 특정 개선에서, 메모리 소자는 나선형으로 배치되고, 그 결과 직렬로 연결된 개별 자화가능한 메모리 소자들의 전술한 자화는 대부분 효과적으로 순차적으로 수행될 수 있다.

추가적인 개선에서, 제시된 조향각 센서는, 메모리 소자의 자화를 판독 출력하고 판독 출력된 메모리 소자의 자화에 따라 송신기 소자의 회전수를 출력하는 판독 출력 디바이스를 포함한다. 직렬로 연결된 개별 자화가능한 메모리 소자는 자화 방향에 따라 이를 상승시키거나 또는 이를 소거하는 것에 의해 전체 자화에 영향을 미치기 때문에 조향 컬럼이 1회전한 회전수는 전체 자화에 대한 특정 값의 범위와 연관될 수 있다. 그리하여, 판독 출력 디바이스는 예를 들어 특성 곡선일 수 있다.

대안적으로, 상기 판독 출력 디바이스는 또한 개별 메모리 소자의 자화를 개별적으로 판독 출력하여서 조향 컬럼이 1회전한 회전수에 대한 디저털 값이 개별 자화에 기초하여 획득될 수 있다.

제시된 조향각 센서의 또 다른 개선에서, 상기 송신기 소자는 샤프트의 축방향으로 송신기 장을 출력하도록 설계된다. 이것에 의해 측정 센서와 카운트 소자가 샤프트의 축방향으로 보았을 때 서로 앞뒤로 배치되어서, 이에 의해 단일 송신기 장을 사용하여 조향 컬럼이 1회전한 회전수를 카운트함과 동시에 1회전 내 조향 컬럼의 각도 위치를 검출할 수 있다.

제시된 조향각 센서의 더 다른 개선에서, 상기 송신기 소자는 상기 송신기 장의 제1 자극을 출력하는 제1 반원형 서클 세그먼트 디스크(semicircular circle segment disk)와, 상기 송신기 장의 제2 자극을 출력하는 제2 반원형 서클 세그먼트 디스크를 포함하고, 상기 세그먼트 디스크들의 세그먼트 섹션 구역(segment section region)들은 서로를 향하여 배치된다. 이것에 의해 전술한 자화가능한 메모리 소자들의 자화의 수를 최저로 하여 상기 조향 컬럼이 1회전한 회전수를 카운트할 수 있다.

제시된 조향각 센서의 선호되는 개선에서, 상기 송신기 소자는, 상기 조향 컬럼과 동축방향으로 배치되고 조향 컬럼의 외주면에 배치된 톱니(toothing)에 의해 구동되는 기어 휠 상에 배치된다. 이것에 의해 상기 송신기 소자는 상기 조향 컬럼에 축방향으로 오프셋되어 위치되어서, 상기 송신기 장이 상기 조향 컬럼에 축방향으로 전술한 방식으로 출력될 수 있다.

특히 선호되는 개선에서, 상기 제시된 조향각 센서는 상기 조향 컬럼의 외주면에 배치된 추가적인 톱니를 포함하고, 여기서 비틀림 소자(torsion element)가 2개의 톱니들 사이에 축방향으로 배치된다. 상기 비틀림 소자는 조향 공정 동안 탄성적으로 비틀려서(twisted), 이로부터 운전자에 의해 가해지는 조향 토크를 결정할 수 있다. 이것에 의해 제시된 조향각 센서로 검출될 수 있는 정보를 더 증가시킬 수 있다.

전술한 상기 발명의 특성, 특징 및 장점, 및 본 발명이 달성되는 방식은 도면과 함께 상세히 설명된 예시적인 실시예의 이하의 상세한 설명과 함께 명확하고 실시가능하게 이해될 수 있을 것이다.

도 1은 조향 시스템을 가진 차량의 개략도;
도 2는 도 1의 조향 시스템의 개략도;
도 3은 도 2의 조향 시스템 내 조향각 센서의 개략 상면도;
도 4는 도 2의 조향 시스템의 조향각 센서의 사시도;
도 5는 도 3 및 도 4의 조향각 센서의 측정 센서의 개략 상면도; 및
도 6은 대안적인 조향각 센서의 사시도.

도면에서, 동일한 기술적 소자에는 동일한 참조 부호가 제공되고 한번만 설명된다.

도 1을 참조하면, 도 1은 차량에 설치된 구동 동역학 제어기(driving dynamics controller)를 구동하는 차량(2)을 개략적으로 도시한다. 구동 동역학 제어기의 상세는 예를 들어 DE 10 2011 080 789 A1에서 찾아볼 수 있다.

차량(2)의 각 휠(6)은 미도시된 도로 상에 차량(2)의 움직임을 늦추기 위해 섀시(4)에 고정 부착된 브레이크(8)에 의해 섀시(4)에 대해 감속될 수 있다.

이렇게 할 때, 이 기술 분야에 통상의 지식을 가진 자에게 알려진 방식으로, 차량(2)의 휠(6)이 미도시된 도로에 부착력을 상실하고, 차량(2)이 예를 들어 미도시된 조향 휠이 언더 조향(understeer)되거나 또는 오버 조향(oversteer)되는 것에 의해 미리 결정된 궤도를 벗어날 수도 있는 일이 일어날 수 있다. 상기 궤도는 예를 들어 조향각 센서(10) 형태의 추가적인 움직임 검출 센서에 의해 검출된 조향각(12)으로부터 미리 결정될 수 있다. 이것은 ABS(anti brake locking system)와 ESP(electronic stability program)와 같은 알려진 제어 회로에 의해 방지된다. 이러한 제어 회로에서 측정 데이터는 센서에 의해 검출된다. 제어기는 측정 데이터를 타깃 데이터와 비교하고, 최종 제어 소자에 의하여 측정 데이터를 타깃 데이터로 제어한다.

본 구현에서, 차량(2)은 휠(6)의 각 회전 율(16)을 측정 데이터로 검출하는 센서로서 회전 율 센서(14)를 휠(6)에 포함한다. 차량(2)은 차량(2)의 차량 동역학 데이터(20)를 측정 데이터로 검출하는 센서로 관성 센서(18)를 더 포함한다.

검출된 회전 율(16)과 차량 동역학 데이터(18)에 기초하여, 제어기(22)는, 이 기술 분야에 통상의 지식을 가진 자에 알려진 방식으로, 차량(2)이 도로에서 미끄러지고(skidding) 있는지 또는 심지어 전술한 미리 결정된 궤도로부터 벗어나고 있는지 여부를 결정하고 이에 따라 알려진 제어기 출력 신호(24)로 이에 반응할 수 있다. 제어기 출력 신호(24)는 이후 제어 디바이스(26)에 의해 사용되어, 제어 신호(28)에 의해 브레이크(8)와 같은 제어 소자를 활성화하여, 알려진 방식으로 미리 결정된 궤도로부터 미끄러지는 것과 벗어나는 것에 응답할 수 있다.

도 2를 참조하면, 도 2는 도 1의 차량용 조향 시스템(30)을 도시한다.

조향 시스템(30)은 회전 축(36) 주위로 회전가능하도록 배치된 조향 컬럼(34)에 장착된 조향 휠(32)을 포함한다. 조향 휠(32)을 사용하여, 미도시된 차량의 운전자는 검출될 조향각(12)을 미리 결정하고, 이 검출된 조향각에 의해 차량의 휠(6)은 조향 기어박스(37)에 의해 터닝된다. 이를 위해, 차량의 운전자는 휠(6)이 원하는 조향각(12)에 도달할 때까지 비틀림력 또는 회전력(38)으로 조향 휠(32)을 터닝한다. 그러나 조향 휠(32)을 터닝하기 위해 인가되는 상기 회전력(38)은 일부 운전자를 매우 피곤하게 할 수 있다.

그리하여, 본 구현의 상황 내에서 조향 컬럼(34)에 가해지는 회전력(38)은 회전 각도(12)에 더하여 조향각 센서(10)로 측정되고, 구동 모터 형태의 구동 디바이스(40)로 출력된다. 구동 디바이스(40)는 회전력(38)과 동일한 방향으로 조향 컬럼(34)을 터닝하여, 운전자에 의해 인가되는 회전력(38)이 한정된 임계 값 아래에 유지되게 하여, 운전자가 비교적 노력 없이 조향 휠(32)을 터닝할 수 있게 한다.

도 3 및 도 4를 참조하면, 도 3 및 도 4는 회전력(38)을 검출하는 능력이 없는 조향각 센서(10)의 개략도를 도시한다.

조향각 센서(10)는 조향 컬럼(34)에 회전가능하게 고정되게 장착된 제1 기어 휠(42)을 포함하고, 이 제1 기어 휠은 맞물림에 의해 제2 기어 휠(44)에 결합된다. 인코더 자석 형태의 송신기 소자(46)는 상기 제2 기어 휠(44) 상에 배치되고, 조향 컬럼(34)의 축방향으로 송신기 자기장(52)을 여기시키는, 반원형 세그먼트-형상의 북극 자극(48)과 반원형 세그먼트-형상의 남극 자극(50)으로 형성된다. 조향 컬럼(34)이 회전하는 동안, 송신기 자기장(52)은 차량(2)의 섀시(4)에 대해 조향각(12)으로 상기 컬럼과 함께 회전하여서, 조향각(12)은 송신기 자기장(52)에 의해 검출될 수 있다.

송신기 자기장(52)은, 섀시(4)에 대해 위치적으로 고정 배치된 자기저항 측정 센서(54)를 통과하고, 이 자기저항 측정 센서(54)는 섀시(4)에 대해 조향 컬럼(34)으로 회전가능한 송신기 자기장(52)을 검출하도록 구성된다. 이렇게 할 때 자기저항 측정 센서(54)에 의해 검출된 송신기 자기장(52)의 강도는 섀시(4)에 대해 송신기 자기장(52)의 회전 위치 각도에 의존하고, 그리하여 검출되는 조향각(12)에 의존한다. 이에 따라, 조향각(12)의 함수인 미도시된 측정 신호가 자기저항 측정 센서(54)에서 생성되고, 예를 들어 도 1에 도시된 제어기(22)로 출력될 수 있다.

자기저항 측정 센서(54) 외에, 조향각 센서(10)는 카운트 소자(56)를 더 포함한다. 상기 카운트 소자(56)는 조향 컬럼(34)의 회전수를 검출하도록 의도되고, 도 5를 사용하여 아래에서 상세히 제시된다.

카운트 소자(56)는 송신기 자기장(52)이 통과하는 자구 생성기(domain generator)(58)를 포함한다. 자화가능한 메모리 소자(60)들의 직렬 회로는 상기 자구 생성기(58)에 연결된다. 자화가능한 메모리 소자(60)들은, 외부 자기장이 없으면, 자기장들이 전체적으로 서로 상쇄되는 블로흐 벽(Bloch wall)들에 의해 분리된 바이스 구역(Weiss region)들로 분할되는 자화가능한 물질로 만들어진다. 자구벽 생성기(domain wall generator)(58)는 송신기 자기장(52)에 기초하여 외부 자기장을 자화가능한 메모리 소자들(60)에 인가하고, 이 외부 자기장은 자구 생성기(58)에 인접한 자화가능한 메모리 소자(60)들의 개별 바이스 구역들을 상기 자화가능한 메모리 소자(60)의 단부에 있는 자구벽(62)까지 송신기 자기장(52)에 따라 선호되는 방향으로 정렬한다. 송신기 자기장(52)이 180° 회전하면, 인접한 그 다음 자화가능한 메모리 소자(62)의 단부에서 추가적인 자구벽(62)이 생성되고, 이 동안 상기 자화가능한 메모리 소자(62) 내 바이스 구역들이 또한 정렬된다. 상기 공정은 180° 만큼 송신기 자기장(52)의 각 회전마다 반복하고, 이에 의해 전체 카운트 소자(56)가 시프트 레지스터로 작용한다. 그러나 송신기 자기장(52)의 방향이 변하면, 초기 자구벽(62)들은 다시 순차적으로 내림차순으로 중단(disrupted)되어서, 이에 의해, 일단 모든 자구벽(62)들이 소거되면, 새로운 자구벽들이 형성될 때까지, 시프트 레지스터가 소거된다.

따라서 조향 컬럼(34)의 회전수를 결정하기 위하여, 개별 자화가능한 메모리 소자(62)들의 전체 자화는 판독 출력되기만 하면 된다. 이것은 예를 들어 자화가능한 메모리 소자(60)들의 직렬 회로의 총 자기 저항을 결정하는 것에 의해 임의의 방식으로 수행될 수 있다.

조향 컬럼(34)의 회전수가 전술한 방식으로 결정되면, 360°를 초과하는 범위의 조향각(12)이 조향각(12)에 의존하는 전술한 측정 신호와 함께 표시될 수 있다.

조향각 센서(10)는, 도 6에 도시된 바와 같이, 제1 기어 휠(42)로부터 축방향으로 이격된 추가적인 제1 기어 휠(64)이 제2 기어 휠(44)로부터 축방향으로 이격된 추가적인 제2 기어 휠(66)과 맞물려, 추가적인 제2 기어 휠(66)이 조향 컬럼(34)의 회전 동안 회전하는 것에 의해 연장될 수 있다. 송신기 소자(46)와 유사하게 구성된 추가적인 송신기 소자(68)는 추가적인 제2 기어 휠(66) 상에 장착되고, 미도시된 추가적인 송신기 장은 추가적인 측정 센서(70)에 의해 검출된다. 이것에 의해 조향 컬럼(34)의 조향각(12)은 조향 컬럼(34)의 2개의 상이한 축방향으로 이격된 위치에서 검출될 수 있다. 상기 2개의 축방향으로 이격된 위치들 사이에 비틀림 소자(72)가 배치되고, 이 비틀림 소자는 조향 컬럼(34)의 회전 동안 비틀된다. 상기 비틀림 소자(72)로 인해, 조향 컬럼(34)을 회전시키는 운전자의 조향력에 따라 상기 2개의 축방향으로 이격된 위치들 사이에 각도 차이가 있어서, 조향 컬럼(34)의 비틀림 특성과 각도 차이에 기초하여 상기 조향력이 결정될 수 있다.

Claims (10)

1. 차량(2)에서 360°를 초과하는 각도 범위에 걸쳐 조향 컬럼(34)의 조향각(12)을 검출하는 조향각 센서(10)로서,
   - 송신기 장(transmitter field)(52)을 여기(exciting)시키는 송신기 소자(46)와, 상기 송신기 장(52)의 수신에 따라 출력 신호를 여기시키는 측정 센서(54), 및
   - 기준 회전 각도에 대해 상기 송신기 장(52)의 회전수를 카운트하고 출력하는 비-휘발성 메모리를 가진 카운트 소자(56)를 포함하되,
   상기 측정 센서(54)와 상기 송신기 소자(54)는 상기 측정 센서(54)에 의해 수신된 상기 송신기 장(52)이 검출되는 상기 조향 컬럼(34)의 회전 각도(12)에 의존하도록 배치된, 조향각 센서(10).
2. 제1항에 있어서, 상기 송신기 장(52)은 자기장인, 조향각 센서(10).
3. 제2항에 있어서, 상기 비-휘발성 메모리는, 함께 직렬로 연결된 적어도 2개의 자화가능한 메모리 소자(60)들을 포함하고, 상기 메모리 소자들의 자화는 상기 송신기 장(52)의 회전수에 따라 자기 소스(magnetic source)(58)에 의해 조절될 수 있는, 조향각 센서(10).
4. 제3항에 있어서, 상기 메모리 소자(60)들은 나선형 방식으로 배치된, 조향각 센서(10).
5. 제3항 또는 제4항에 있어서, 상기 메모리 소자(60)들의 자화를 판독 출력하고 판독 출력된 상기 메모리 소자(60)들의 자화에 따라 상기 송신기 소자(52)의 회전수를 출력하는 판독 출력 디바이스를 포함하는 조향각 센서(10).
6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 송신기 소자(46)는 상기 조향 컬럼(34)의 축방향으로 송신기 장(52)을 출력하도록 구성된, 조향각 센서(10).
7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 측정 센서(54)와 상기 카운트 소자(56)는 축방향으로 보았을 때 서로 앞뒤로 배치된, 조향각 센서(10).
8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 송신기 소자(46)는 상기 송신기 장(52)의 제1 자극을 여기시키는 제1 반원형 서클 세그먼트 디스크(semicircular circle segment disk)(48)와, 상기 송신기 장(52)의 제2 자극을 여기시키는 제2 반원형 서클 세그먼트 디스크(50)를 포함하고, 상기 세그먼트 디스크들의 세그먼트 섹션 구역(segment section region)들은 서로를 향하여 배치된, 조향각 센서(10).
9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 송신기 소자(46)는, 상기 조향 컬럼(34)과 동축인 기어 휠(44) 상에 배치되고, 상기 기어 휠(44)은 상기 조향 컬럼(34)의 외주면에 배치된 톱니(42)에 의해 구동되는, 조향각 센서(10).
10. 제9항에 있어서, 상기 조향 컬럼(34)의 외주면에 배치된 추가적인 톱니(64)를 포함하고, 상기 2개의 톱니(42, 64)들 사이에 비틀림 소자(torsion element)(72)가 축방향으로 배치된, 조향각 센서(10).

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