KR101296247B1 - 비접촉식 각도 센서 - Google Patents

Abstract

본 발명에서는 홀 소자를 이용한 비접촉식 각도 센서가 기술된다. 아래의 실시예에서는 회전에 따른 자속 밀도 측정 소자의 선형성 성능을 만족하기 위하여, 비접촉식 각도 센서 내의 자석 배치 구조가 제안된다. 이 자석 배치 구조를 통해 자석의 수량 및 크기를 최소화할 수 있고, 이에 따라 발생하는 자기력 손실 없이 자기력을 자속 밀도 측정 소자에 집중시킬 수 있고, 자속 밀도 측정 소자의 선형성 성능을 만족시킬 수 있다. 더 나아가 자석의 수량 및 크기를 최소화함으로써, 제품의 소형화와 제품 단가를 낮출 수 있다.

Description

비접촉식 각도 센서{Non-Contact Rotation Angle Detecting Sensor}

본 발명은 비접촉식 각도 센서에 관한 것으로서, 자기력 손실을 최소화할 수 있는 자석 조립 구조를 갖는 비접촉식 각도 센서에 관한 것이다.

각도 센서는 크게 접촉 방식과 비접촉 방식으로 나눌 수 있다. 비접촉식 각도 센서는 소형으로 구성이 가능하고, 이물질에 의한 접촉 불량 등의 우려가 없다. 이러한 비접촉식 각도 센서는 예를 들면 차량에서의 악셀 페달을 밟는 각의 검출이나 시프트 레버(shift lever)의 조작에 따라 회전하는 샤프트의 회전각도의 검출 등에 널리 이용되고 있다.

도 1은 종래의 비접촉식 각도 센서의 내부 구조를 개념적으로 보여주는 도면이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 종래의 비접촉식 각도 센서는 자속 밀도 측정 소자를 회전자(rotor)에 부착된 4개의 자석의 중심부에 위치시키고, 회전자의 회전에 따라 4개의 자석이 회전하면서 발생하는 자기력의 변화를 4개의 자석의 중심에 위치한 자속 밀도 측정 소자가 측정하고, 이 측정 결과를 통해 각도를 측정한다.

그런데, 자속 밀도 측정 소자는 자기력의 크기가 작으면 정확한 측정을 위한 동작이 제대로 이루어지지 않기 때문에, 많은 수의 자석들을 배치시켜, 자속 밀도 측정 소자에게 충분한 자기력이 공급될 수 있는 조건을 제공해야 한다. 도 1에서는 4개의 자석들이 배치된 구조를 예시하고 있는데, 이러한 자석의 배치 수량은 전체 설계면적에서 큰 부분을 차지하고 있어, 제품 소형화를 방해하는 요소이다. 물론 자석을 수를 줄일 수도 있지만, 이 경우, 자속 밀도 측정 소자가 충분한 자기력을 공급받기 위해 자석의 크기를 크게해야 한다. 결국 이 경우에도 전체 설계면적에서 큰 부분을 차지하게 되므로, 제품 소형화를 방해하는 문제점이 여전히 해결되지 못한다.

따라서, 본 발명의 목적은 자속 밀도 측정 소자에 공급되는 자기력의 손실 없이 자석의 수량 및 크기를 최소화할 수 있는 자석 배치 구조를 갖는 비접촉식 각도 센서를 제공하는 것이다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일면에 따른 비접촉식 각도 센서는, 제1 및 제2 자석과, 상기 제1 및 제2 자석이 부착된 회전하는 판 형상 부재를 포함하는 회전체로서, 상기 제1 자석의 S극이 상기 판 형상 부재에 직접 부착되고, 상기 제2 자석의 N극이 상기 판 형상 부재에 직접 부착된 상기 회전체 및 상기 제1 자석과 상기 제2 자석을 사이에 두고, 상기 판 형상 부재의 상부에 위치하여, 회전하는 상기 판 형상 부재에 부착된 상기 제1 자석의 N극으로부터 상기 제2 자석의 S극으로 향하는 자기력선의 자속밀도를 측정하여 측정 결과를 회전 각도로서 검출하는 홀 소자를 포함한다. 여기서, 상기 판 형상 부재는 상기 제1 자석의 N극에서 상기 제2 자석의 S극으로 향하는 자기력선 이외의 자기력선을 차폐시키는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의하면, 자속 밀도 측정 소자에 공급되는 자기력의 손실 없이 자석의 수량 및 크기를 최소화할 수 있는 자석 배치 구조가 제안됨으로써, 제품의 크기 및 생산단가를 줄일 수 있다.

도 1은 종래의 비접촉식 각도 센서의 내부 구조를 개념적으로 보여주는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 비접촉식 각도 센서를 구성하는 각 부품들의 조립 과정을 보여주는 도면이다.
도 3은 도 2에 도시된 회전체를 상하 방향으로 180도 회전시켜 보여주는 사시도이다.
도 4는 도 2에 도시된 자석 조립체의 자석 조립 구조에 의해 자기력이 홀 소자 쪽으로 집중되는 원리를 설명하기 위한 도면이다.

본 발명에서는 홀 소자를 이용한 비접촉식 각도 센서가 기술된다. 아래의 실시예에서는 회전에 따른 자속 밀도 측정 소자의 선형성 성능을 만족하기 위하여, 비접촉식 각도 센서 내의 자석 배치 구조가 제안된다. 이 자석 배치 구조를 통해 자석의 수량 및 크기를 최소화할 수 있고, 이에 따라 발생하는 자기력 손실 없이 자기력을 자속 밀도 측정 소자에 집중시킬 수 있고, 자속 밀도 측정 소자의 선형성 성능을 만족시킬 수 있다. 더 나아가 자석의 수량 및 크기를 최소화함으로써, 제품의 소형화와 제품 단가를 낮출 수 있다.

위와 같은 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는바, 아래와 같은 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

아래에서는, '제1', '제2' 등의 용어가 다양한 구성요소들을 설명하기 위해 사용된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다.

어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "부착되어" 있다거나 "접촉되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함할 수 있다. 또한 본 출원에서, "포함하다." 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일실시예를 상세히 설명하기로 한다.

도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 비접촉식 각도 센서를 구성하는 각 부품들의 조립과정을 보여주는 도면이다.

도 2를 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 비접촉식 각도 센서(100)는 크게 하부 하우징(110)과 상기 하부 하우징(110)과 결합하는 자석 조립체(140)로 구성될 수 있다.

하부 하우징(110)은 홀 소자(Hall element)라 칭한다.)(120)를 수납하는 구성으로서, 이를 위해, 하부 하우징(110)의 중앙 부분에는 도 2에 도시된 바와 같이 원형의 수납 공간(11)이 형성되어, 이 수납 공간(11)에 홀 소자(120)가 수납된다. 홀 소자(120)는 자속 밀도를 측정하는 소자로서, 자전변환소자라고도 일컬어지며, 홀 효과를 이용해 자기장의 세기를 측정한다.

상기 하부 하우징(110)과 결합하는 자석 조립체(140)는 회전체(142)와, 이 회전체(142)를 내부에 수납한(안착된) 상태에서 상기 하부 하우징(110)의 수납공간을 덮는 상부 하우징(144)으로 구성될 수 있다.

상기 회전체(142)는 일종의 로터(Rotor)로서, 이 회전체(142)에서 제안하는 자석 배치 구조(또는 자석 조립 구조)에 의해 자기력이 홀 소자(120) 쪽으로 집중시키면서도 동시에 자석의 수량 및 크기를 최소화할 수 있게 된다. 이에 대한 구체적인 설명은 아래의 도 3을 참조하여 설명하기로 한다.

상기 상부 하우징(144)은 내부에 상기 회전체(142)가 안착된 상태에서 상기 수납 공간(11)을 덮는 원통 형상으로 구성될 수 있다. 또는 상기 회전체(142)를 인서트(insert) 사출하여 상기 상부 하우징(144)과 함께 자석 조립체(140)를 제작할 수도 있다.

한편, 본 실시예에서는, 상기 하부 하우징(110)에 수납된 홀 소자(120)를 보호하기 위하여, 홀 소자(120)를 덮는 커버(130)를 더 구성할 수 있으면, 이 커버(130)는 일례로 플라스틱 재질로 제조될 수 있으나, 그 재질 및 형상에는 제한이 없다.

도 3은 도 2에 도시된 회전체를 상하 방향으로 180도 회전시켜 보여주는 사시도이다.

도 3을 참조하면, 회전체(142)는 제1 자석(142A-1)과 제2 자석(142A-2) 및 제1 및 제2 자석(142A-1, 142A-2)이 부착된 판 형상 부재(142B)로 구성될 수 있다.

제1 및 제2 자석(142A-1, 142A-2)은 다양한 형태로 제조될 수 있으며, 본 실시예에서는 도 3에 도시된 바와 같이, 직육면체의 형상인 것으로 가정한다.

판 형상 부재(142B)는 중심부분이 원형으로 개구된 일측면에 상기 제1 및 제2 자석(142A-1, 142A-2)이 부착되어 회전하는 구성으로서, 제1 및 제2 자석(142A-1, 142A-2)의 한쪽 전극에서 각각 발생하는 자기력을 차폐시키는 일종의 쉴드 플레이트(shield plate)의 역할을 수행한다. 이러한 판 형상 부재(142B)는 자기력의 차폐 성질을 높이기 위해 투자율(permeability)이 높은 금속 재질로 구현하는 것이 바람직하다.

이러한 판 형상 부재(142B)와 자석들(142A-1, 142A-2) 간의 조립 구조를 살펴보면, 판 형상 부재(142B)의 일면에 상기 자석들이 서로 나란하게 배열되어 부착되는데, 제1 자석(142A-1)은 S극이 상기 일면에 직접 부착되고, 상기 제2 자석(142A-2)은 N극이 상기 일면에 직접 부착되어, 제1 자석(142A-1)의 S극이 제2 자석(142A-2)의 N극이 금속 재질의 판 형상 부재를 통해 전기적으로 연결되는 구조를 갖게 된다.

이러한 자석 조립 구조를 갖는 자석 조립체(140)가 하부 하우징(110)의 수납 공간(11)을 덮게 되어, 상기 수납 공간(11)에 수납된 홀 소자(120)는 상기 제1 자석과 상기 제2 자석을 사이에 두고, 상기 판 형상 부재의 상부에 위치하게 되는 구조가 된다.

이러한 구조에서, 홀 소자(120)는 회전하는 판 형상 부재(142B)에 부착된 상기 제1 자석(142A-1)의 N극으로부터 상기 제2 자석(142A-2)의 S극으로 향하는 자기력선의 자속 밀도를 측정하여 측정 결과를 회전 각도로서 검출하게 된다. 이때, 상기 금속 재질의 판 형상 부재에 의해, 상기 제1 자석(142A-1)의 N극으로부터 상기 제2 자석(142A-2)의 S극으로 향하는 자기력선 이외의 자기력선을 차폐시킨다. 즉, 투자율(permeability)이 높은 판 부재 형상에 의해 상기 제2 자석(142A-2)의 N극과 상기 제1 자석(142A-1)의 S극 간에 발생하는 자속이 차폐되므로, 차폐된 양만큼의 반대쪽 즉, 상기 제1 자석(142A-1)의 N극과 상기 제2 자석(142A-2)의 S극 간에 발생하는 자속 밀도가 증가하게 되므로, 홀 소자(120) 방향으로 자기력을 집중시킬 수 있게 된다. 상술한 자석 조립 구조에 자기력이 홀 소자(120) 쪽으로 집중될 수 있는 원리를 도 4를 참조하여 좀더 상세히 설명한다.

도 4는 도 2에 도시된 자석 조립체의 자석 조립 구조에 의해 자기력이 홀 소자 쪽으로 집중되는 원리를 설명하기 위한 도면으로서, 좌측의 도면은 본 실시예에 따른 자석 조립 구조가 적용되지 않은 상태에서 자석들의 자기력 분포를 보여주는 도면이고, 우측의 도면은 본 실시예에 따른 자석 조립 구조에서 자석들의 자기력 분포를 보여주는 도면이다.

도 4를 참조하면, 본 실시예에 따른 자석 조립 구조를 적용하지 않은 좌측의 자기력선 분포에서는 도시된 바와 같이, 홀 소자(120) 쪽으로 향하는 자기력선(①) 이외에 제1 자석(142A-1)의 N극으로부터 제1 자석(142A-1)의 S극으로 향하는 자기력선(②), 제2 자석(142A-2)의 N극으로부터 제2 자석(142A-2)의 S극으로 향하는 자기력선(③), 제2 자석의 N극으로부터 제1 자석(142A-1)의 S극으로 향하는 자기력선(④)의 분포가 나타난다. 이러한 자기력선(또는 자속 밀도)의 분포(②, ③, ④)는 홀 소자(120) 쪽으로 향하지 않는 자기력의 손실로서, 자석들의 크기 및 자석들의 수를 줄이는데 한계가 있다.

그러나 도 4의 우측에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에서는 투자율이 높은 금속 재질의 판 형성 부재(142B)에 제1 자석(142A-1)의 S극과 제2 자석(142A-2)의 N극을 직접 부착(접속 또는 접촉)시킴으로써, 이 판 형성 부재가(142B)가 도 4의 좌측에 나타나는 자기력 손실을 가져오는 자기력선(또는 자속 밀도)의 분포(②, ③, ④) 즉, 제2 자석(142A-2)의 N극으로부터 제1 자석의 S극으로 향하는 자기력선의 분포(④), 상기 제1 자석(142A-1)의 N극으로터 자신(142A-1)의 S극으로 향하는 자기력선의 분포(②) 및 제2 자석(142A-2)의 N극으로부터 자신의 S극으로 향하는 자기력선의 분포(③)들을 차폐시킨다. 이때, 차폐된 자기력선의 분포량만큼이 홀 소자(120) 쪽으로 자기력선의 분포(①')가 집중하게 된다.

이와 같이, 본 발명의 일실시예에서는 2개의 자석들을 쉴드 플레이트로 기능하는 판 형상 부재(142B)에 부착하여 자석 조립체를 구성하면, 자기력 손실없이 자석의 크기 및 그 수(본 실시예에서는 2개)를 줄일 수 있어, 제품 소형화 및 그 제조 단가를 획기적으로 낮출 수 있다.

지금까지 본 발명의 내용이 도면에 도시된 일 실시 예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.

Claims (7)

1. 제1 및 제2 자석과, 상기 제1 및 제2 자석이 부착된 회전하는 금속 재질의 판 형상 부재를 포함하는 회전체로서, 상기 제1 자석의 S극이 상기 판 형상 부재에 직접 부착되고, 상기 제2 자석의 N극이 상기 판 형상 부재에 직접 부착된 상기 회전체; 및
   상기 제1 자석과 상기 제2 자석을 사이에 두고, 상기 판 형상 부재의 상부에 위치하여, 회전하는 상기 판 형상 부재에 부착된 상기 제1 자석의 N극으로부터 상기 제2 자석의 S극으로 향하는 자기력선의 자속 밀도를 측정하여 측정 결과를 회전 각도로서 검출하는 홀 소자를 포함하되,
   상기 판 형상 부재는 상기 제1 자석의 N극으로부터 상기 제2 자석의 S극으로 향하는 자기력선 이외의 자기력선을 차폐시키는 것을 특징으로 하는 비접촉식 각도 센서.
   
2. 삭제
3. 제1항에 있어서, 상기 제1 자석의 N극으로부터 상기 제2 자석의 S극으로 향하는 자기력선 이외의 자기력선은,
   상기 제2 자석의 N극으로부터 상기 제1 자석의 S극으로 향하는 자기력선, 상기 제1 자석의 N극으로터 자신의 S극으로 향하는 자기력선 및 상기 제2 자석의 N극으로부터 자신의 S극으로 향하는 자기력선을 포함하는 것을 특징으로 하는 비접촉식 각도 센서.
   
4. 제1항에 있어서,
   상기 홀 소자가 수납되는 원형의 수납 공간을 갖는 하부 하우징; 및
   내부에 상기 회전체가 안착된 상태에서 상기 수납공간을 덮는 원통 형상의 상부 하우징
   을 포함하는 비접촉식 각도 센서.
   
5. 제4항에 있어서, 상기 회전체에 포함된 상기 판 형상 부재는 원형인 것을 특징으로 하는 비접촉식 각도 센서.
   
6. 제4항에 있어서, 상기 하부 하우징에 수납된 홀 소자를 보호하기 위해 홀 소자를 덮는 커버를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 비접촉식 각도 센서.
   
7. 제6항에 있어서, 상기 커버는 플라스틱 재질인 것인 비접촉식 각도 센서.
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   

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