KR20120093280A

KR20120093280A - 타겟의 위치 및 정위 결정용 자기 센서

Info

Publication number: KR20120093280A
Application number: KR1020127012058A
Authority: KR
Inventors: 빈센트 리에바트
Original assignee: 일렉트릭필 오토모티브
Priority date: 2009-10-14
Filing date: 2010-10-13
Publication date: 2012-08-22
Anticipated expiration: 2030-10-13
Also published as: WO2011045540A3; JP2013507636A; FR2951265B1; US8912791B2; EP2488830B1; CN102713524A; US20120262157A1; FR2951265A1; WO2011045540A2; EP2488830A2; KR101706808B1

Abstract

본 발명은 부품(2)의 위치를 결정하기 위한 자기 센서에 관한 것으로서, 상기 부품은 첫째로 회전 이동(R)에 의해 제한된 각도 스트로크 내내 회전이동하고, 둘째로 제한된 선형 스트로크 내내 그리고 병진 축선(X)을 따라 병진 이동가능하고, 이러한 센서는 자화된 타겟(3)과, 상기 자화된 타겟의 위치를 3차원으로 결정하기 위하여 상기 자화된 타겟의 자기장을 측정하는 시스템(5)을 포함하며, 상기 자화된 타겟(3)은 이동부(2)에 장착 고정되고 병진 축선(X)과 일치하는 대칭 축선을 갖는 반경방향으로-자화된 부품-실린더의 형태를 취한다. 본 발명에 따라, 타겟의 위치와 정위를 결정하기 위하여, 시스템(5)은 2개의 수직 평면에서 자기장의 방향을 측정하기 위해 단일 지점에서 작동하며, 상기 2개의 수직 평면 중에서 하나의 평면(P₁)은 회전 이동(R)에 수직하고 다른 하나의 평면(P₂)은 병진(X) 이동에 수직한다.

Description

타겟의 위치 및 정위 결정용 자기 센서{MAGNETIC SENSOR FOR DETERMINING THE POSITION AND ORIENTATION OF A TARGET}

본 발명은 선형 이동 및 회전 이동을 합한 특히 궤도를 따라 이동하는 이동부의 위치를 결정하도록 적용된 비접촉 자기 센서의 기술 분야에 관한 것이다.

본 발명은 단지 예를 들자면, 특히 선형 이동 및 회전 이동이 제한되고 위치가 알려진 다양한 부재가 설치되는 자동차 분야의 사용에 특히 유리하다.

본 발명은 자동차의 기어박스용 위치 센서의 기술 분야의 사용에 특히 유리하다고 알려졌다.

종래 기술에 있어서, 기어박스의 기어-변환 엑츄에이터 로드에 고정될 자화된 타겟을 포함한 자동차의 기어박스용 위치 센서가 예를 들면, 프랑스 특허출원번호 FR　2　904　394에 개시되어 있다. 엑츄에이터 로드는 회전 및 병진 이동가능하고 기어-변환 스틱의 이동 작동으로 이동된다. 또한 센서는 자기장을 3개의 수직 방향으로 측정하도록 적용된 홀-효과(Hall-effect) 성분을 포함하여, 기어-변환 스틱의 위치를 알기 위한 공간에서의 타겟의 위치 및 정위를 결정한다.

상기 자기 센서의 단점은 정확도가 없다는 것이며, 타겟의 병진 이동이 있더라도 상기 타겟의 회전 이동을 통한, 그리고 상기 타겟의 회전 이동이 있더라도 상기 타겟의 병진 이동을 통한 신뢰할만한 측정값을 얻기 어렵다. 더욱이, 얻어진 측정값이 공기 갭의 변화, 즉 타겟과 홀-효과를 측정하는 성분 사이의 거리의 변화에 매우 민감하다.

프랑스 특허문헌 FR　2　786　266에는 병진 및 회전 이동가능한 부품의 위치를 결정하기 위한 센서가 기재되어 있다. 일 특징에 따라, 이러한 센서는 2개의 내측 강자성 고정자와 2개의 외측 강자성 고정자 사이에서 반경방향으로 이동가능한 자화된 절반-링을 포함한다. 2개의 내측 고정자는 반달형이고 상기 고정자 사이에서 제 1 공기 갭을 형성하며, 2개의 외측 고정자는 링의 형태를 취하고 제 2 공기 갭을 형성한다. 홀-효과 프로브가 이들 공기 갭 중 각각의 공기 갭에 장착된다. 자화된 링이 회전 이동 및 병진 이동될 때, 상기 자화된 링은 2개의 2차 공기 갭 중 각각의 공기 갭에서 자기장의 변화를 발생시킨다. 이러한 센서는 2개의 홀-효과 프로브에 의해 측정된 자기장의 진폭의 함수로 부품의 위치를 결정할 수 있다. 이러한 센서는 복수의 강자성 부품의 사용을 필요로 하며, 상기 부품의 전반적인 크기가 제한된다. 더욱이, 이러한 센서의 정확도는 프로브의 올바른 위치결정과 관련된다.

이와 유사한 방식으로, 프랑스 특허문헌 FR　2　829　574에는 병진 및 회전 이동가능한 물품의 위치를 결정하기 위한 센서가 기재되어 있다. 이러한 센서는 2개의 자석 회로를 형성하는 동축의 원통형 현장 조립체 내에 결합된 원통형 자석을 포함하며, 각각의 자석 회로는 자기장의 진폭에 민감한 센서가 배치되는 공기 갭을 형성한다. 이러한 센서는 공기 갭에 위치된 센서에 의해 측정된 자기장의 진폭의 함수로 자기장 조립체 및 자석의 축방향 및 각도의 상대 위치를 결정할 수 있다. 강자성의 자기장 조립체의 사용은 이러한 위치 센서의 생산에 대해 전반적인 크기를 제한한다. 더욱이, 위치 센서는 프로브의 올바른 위치결정에 대한 정확도가 떨어진다는 단점을 갖는다.

따라서 본 발명의 목적은 측정 공기 갭의 변화가 비교적 클 때에도, 높은 정확도로, 선형 및 회전 이동가능한 부품의 위치를 결정할 수 있는 새로운 자기 센서를 제시함으로써 종래 기술의 단점을 해소하는 것이다.

이러한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 부품의 위치를 결정하기 위한 자기 센서를 제공하며, 상기 부품은 첫째로 회전 이동에 의해 제한된 각도 스트로크 내내 회전 이동가능하고, 둘째로 제한된 선형 스트로크 내내 그리고 병진 축선을 따라 병진 이동가능하고, 이러한 센서는 자화된 타겟과, 상기 타겟의 위치를 3차원으로 결정하기 위하여 상기 자화된 타겟의 자기장을 측정하는 시스템을 포함하며, 상기 자화된 타겟은 이동부에 장착 고정되고 병진 축선과 일치하는 대칭 축선을 갖는 반경방향으로-자화된 부품-실린더의 형태를 취한다.

본 발명에 따라, 타겟의 위치 및 정위를 결정하기 위하여, 시스템은 2개의 수직 평면에서의 자기장의 방향을 측정하기 위한 단일 점에서 작동하며, 상기 2개의 수직 평면 중 1개의 수직 평면은 회전 이동에 수직하고 다른 1개의 수직 평면은 병진 이동에 수직한다.

본 발명은 또한 하나 이상의 아래 기재된 특징을 갖는 자기 센서에 관한 것으로서, 상기 특징은 다음과 같다:

? 측정 시스템은 회전 이동에 수직한 평면에서 자기장의 방향에 비례한 측정 시그널과, 병진 이동에 수직한 평면에서 자기장의 방향에 비례한 측정 시그널을 처리하고;

? 상기 측정 시스템은 자기장의 방향에 민감한 측정 수단을 포함하고;

? 상기 측정 시스템은 3개의 상호-직교한 축에 따른 자기장 성분에 민감한 홀-효과 셀을 포함하고;

? 상기 측정 시스템은 타겟의 위치 및 정위에 대응하는 시그널을 이송하는 방식으로, 회전 이동 및 병진 이동에 수직한 평면에서 자기장의 정위에 비례하는 측정 시그널을 처리하기 위한 단계를 포함하고;

? 상기 측정 시스템은 2진 시그널을 이송하기 위하여 타겟의 위치 및 정위에 대응하는 시그널을 퀀타이징하기(quantizing) 위한 단계를 포함하고;

? 부품-실린더는 일 단부로부터 다른 단부로 반경방향으로 자화되고;

? 상기 부품-실린더는 중앙부에서 반경방향으로 그리고 상기 중앙부의 단부에서 원주 방향 쪽 가변 방향으로 자화되고;

? 자화된 타겟은 기어-변환 엑츄에이터 로드의 형태로 이동부에 장착 고정된다.

본 발명은 또한 기어 변환 엑츄에이터 로드를 포함한 기어박스를 제공하며, 상기 엑츄에이터 로드는 제한된 스트로크 내내 회전 이동 및 병진 이동가능하고 본 발명의 자기 센서를 포함한다.

다양한 여러 특징이 본 발명의 실시예를 예시적으로 나타내고 있는 첨부된 도면을 참조하여 아래 기재되어 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예의 자기 센서의 개략적인 사시도이고;
도 2는 본 발명의 자기 센서의 평면도이고;
도 3은 본 발명의 자기 센서의 단면도이고;
도 4는 본 발명의 자화된 타겟의 다른 일 실시예의 개략적인 도면이고;
도 5는 본 발명의 자기 센서의 측정 시스템의 작동을 나타낸 블럭도이고;
도 6a 내지 도 6c는 병진 이동이 없는 3개의 회전 위치에서의 위치 센서를 나타낸 도면이고;
도 7a 및 도 7b는 자화된 타겟의 병진(x) 이동의 함수로 병진 이동의 방향(St)과 자기장 방향(α)을 측정하는 시그널 곡선을 나타낸 도면이고;
도 8a 내지 도 8c는 회전 이동이 없는 병진 이동에서의 3개의 위치의 위치 센서를 도시한 도면이고;
도 9a 및 도 9b는 자화된 타겟의 회전(ω) 함수로 회전 방향(Sr)과 자기장의 방향을 측정하는 시그널(Vφ) 곡선을 나타낸 도면이다.

도 1 내지 도 3에 보다 상세하게 도시된 바와 같이, 본 발명은 일반적으로 병진 축선(X)에 따라 병진 이동가능하고 상기 병진 축선(X)을 중심으로 회전이동가능한 부품(2)의 위치를 결정하도록 적용된 자기 센서(1)에 관한 것이다. 센서(1)는 임의의 적당한 수단에 의해 이동부(2)에 장착 고정된 자화된 타겟(3)을 포함한다. 자기 센서(1)는 또한 자화된 타겟(3)의 자기장(B)의 방향을 측정하는 시스템(5)을 포함하여 상기 자화된 타겟(3)의 위치와 정위(orientation)를 3차원으로 결정한다. 측정 시스템(5)은 이동가능한 자화된 타겟(3)과 달리 고정식이다.

따라서 자기 센서(1)는 자화된 타겟(3)의 위치와 결론적으로 부품(2)의 위치를 결정하도록 적용되고, 상기 자화된 타겟(3) 및 상기 부품(2)은 병진 축선(X)을 중심으로 한 회전 이동(R)에 의해 제한된 각도 스트로크(ω) 내내 회전 이동가능하고, 또한 제한된 선형 스트로크(x) 내내 그리고 병진 축선(X)을 따라 병진 이동가능하다.

본 발명에 따라, 자화된 타겟(3)은 병진 축선(X)과 일치하는 대칭 축선을 갖는 부품-실린더이다. 따라서 자화된 타겟(3)은 서로 평행한 내부면(3₁)과 외부면(3₂)에 의해 형성되고, 이들 내부면과 외부면 각각은 병진 축선(X)을 중심으로 하는 곡률을 갖는다. 내부면과 외부면(3₁, 3₂)은 주변 엣지(3₃, 3₄)에 의해 형성된다. 자화된 타겟(3)은 예를 들면, 대략 수 밀리미터(mm)의 두께를 갖고 회전 각도로 측정될 변화에 따라 결정되는 각도를 결정한다. 예를 들면, 이러한 각도 범위는 40° 내지 110° 일 수 있다. 도시된 실시예에 있어서, 자화된 타겟(3)은 양 주변 엣지(3₃)와 양 주변 엣지(3₄)를 구비하고, 상기 엣지(3₃)는 서로 평행하고 병진 축선(X)에 수직한 평면에 위치하고, 또한 상기 엣지(3₄)는 서로에 대해 그리고 병진 축선(X)에 대해 평행한 방향으로 길이방향으로 뻗어있다. 이러한 실시예에 있어서, 자화된 타겟(3)의 투영은 직사각형 내에 내접된다. 물론, 자화된 타겟(3)은 검출될 부품(2)의 궤도의 함수로서, 상이한 형상을 취할 수 있다.

본 발명의 일 특징에 따라, 자화된 타겟(3)은 반경방향으로 자화되며, 즉 자석 축선은 이동 축선(X)에 수직하고 상기 이동 축선(X)을 통과하는 반경방향으로 정위된다(도 2). 도 2에 도시된 제 1 실시예에 있어서, 자화된 타겟(3)은 하나의 주변 엣지(3₄)로부터 다른 주변 엣지로 반경방향으로 자화된다. 즉, 자화된 타겟(3)의 자석 축선은 부품-실린더의 각도 측정을 통해 이동 축선(X)을 통과한다. 도 4에 도시된 다른 일 실시예에 있어서, 자화된 타겟(3)은 상기 기재된 바와 같은 중앙부에서 자화되고 주변 엣지(3₄)에서 원주 방향을 향한 가변 방향으로 반경방향으로 자화된다. 따라서 자화된 타겟(3)의 자석 축선은 자화된 타겟(3)의 중앙부에서 반경 방향으로부터 시작하여 주변 엣지(3₄)를 향하는 원주방향 자화부에 접근하는, 서서히 변하는 방향을 갖는다.

본 발명의 일 특징에 따라, 이동가능한 타겟(2)의 위치 및 정위를 결정하기 위하여, 시스템(5)은 2개의 수직 평면에서 자기장(B)의 방향을 측정하기 위해 단일 지점에서 작용하고, 이들 2개의 수직 평면 중 하나의 평면(P₁)은 회전 이동(R)에 수직하고 다른 하나의 평면(P₂)은 병진(X) 이동에 수직한다. 즉, 소위 병진 평면(P₁)은 따라서 회전 이동(R)에 수직한 이동 축선(X)에 평행하고, 소위 회전 평면(P₂)은 이동 축선(X)에 수직한다.

따라서 측정 시스템(5)에 의해 자기장의 방향이 병진 평면(P₁)에서 측정될 수 있고 자기장의 방향(φ)이 회전 평면(P₂)에서 측정될 수 있다. 이동가능한 타겟(3)에 의해 이동된 자기장(B)은 병진 평면(P₁)에 위치한 성분(Bt)과 회전 평면(P₂)에 위치한 성분(Br)을 포함한다. 도 1로부터 명확하게 알 수 있는 바와 같이, 성분(Br 및 Bt)이 회전 평면(P₂) 및 병진 평면(P₁)에 각각 위치하며, 상기 성분은 공통의 원점(O)을 갖는다.

따라서, 도 3에 보다 명확하게 도시된 바와 같이, 측정 시스템(5)은 상기 측정 시스템(5)에 대해 이동가능한 타겟(3)의 병진 위치의 함수로 변하는 자기장 성분(Bt)의 방향(α)을 측정할 수 있다(도 3). 회전(R)에 수직한 평면(P₁)에서의 장의 성분(Bt)의 방향을 원점(O)에서 측정하여 자화된 타겟(3)의 위치를 검출할 수 있다. 도 6a 내지 도 6c는 이동 축선(X)을 따라, 회전 없이 병진 이동 동안에 자화된 타겟(3)의 이동을 나타낸 도면이다. 각도(α)의 변화가 없기 때문에, 또한 측정 시그널(Va)의 변화가 없다(도 7a).

이와 유사하게, 측정 시스템(5)은 상기 측정 시스템(5)에 대한 이동가능한 타겟(3)의 회전 위치의 함수로 변하는 자기장의 성분(Br)의 방향(φ)을 측정할 수 있다(도 2). 병진(x) 이동에 수직한 평면(P₂)에서의 장의 성분(Br)의 방향을 원점(O)에서 측정하여 자화된 타겟(3)의 정위를 검출할 수 있다. 도 8a 내지 도 8c는 병진 이동 없이, 회전 이동(R)에 의한 회전(ω) 동안에 자화된 타겟(3)의 이동을 나타낸 도면이다. 각도(φ)의 변화가 없기 때문에, 또한 측정 시그널(Vφ)의 변화가 없다(도 9a).

도 5로부터 알 수 있는 바와 같이, 측정 시스템(5)은 자기장의 방향에 직접적으로 민감할 측정 수단을 포함하거나 또는 상기 측정 수단은 평면(P₁ 및 P₂)에서 자기장의 방향을 특정하는 각도(α, φ)에 비례하는 시그널(Vα, Vφ)을 각각 재구성할 수 있다. 예를 들면, 홀-효과 기술을 사용하여 측정 시스템(5)에 연결된 축의 시스템의 3개의 축선(x, y, z)에 따른 장의 성분의 측정에 의해 이들 각도(α, φ)가 결정될 수 있다.

측정 시스템(5)은 상기 측정 시스템에서 자속을 가이드하기 위한 고정자 부재를 사용하지 않고도, 단일 지점에서 3차원과 관련된 자기장(B)의 방향을 측정할 수 있다는 것을 알 수 있을 것이다. 즉, 측정 시스템(5)은 자화된 타겟(3)에 의해 만들어진 자기장의 본래 방향을 직접적으로 측정한다. 자극편(pole piece)을 사용하지 않고도 단일 측정 지점에서 자기장의 방향을 측정하는 것은 상기 센서를 제한된 전반적인 크기로 통합하는데 유리하다.

측정 수단(6)에 의해 이송된 시그널(Vα, Vφ)은 전기 게인 단계 7에 의해 처리되어, 이동가능한 타겟(3)의 병진(x) 이동 및 회전(ω) 이동을 각각 반영하는 2개의 선형 시그널(St, Sr)(도 7b, 도 9b)을 만든다. 병진(x)에서의 이동이 회전 이동(R)을 반영하는 시그널(Sr)에 영향을 거의 미치지 않음을 알 수 있다. 상호간에, 회전 이동(R)이 병진 이동을 반영하는 시그널(St)에 영향을 거의 덜 미친다. 본 발명의 자기 센서는 회전(R) 이동과 병진(x) 이동을 합친 강성 센서를 포함한다. 시스템(5)이 측정 시스템(5)과 자화된 타겟(3) 사이의 거리 변화의 함수로 상당히 변하지 않는 자기장의 방향을 측정하기 때문에, 실제로 이러한 센서가 상기 측정 시스템(5)과 상기 자화된 타겟(3) 사이의 거리 변화에 비교적 덜 민감하다고 알려졌다.

상이한 실시예에 있어서, 측정 시스템(5)은 단계 7에 의해 이송된 시그널(St, Sr)을 퀀타이징하기 위한 단계 8을 포함한다. 이러한 실시예는 시그널(St, Sr)의 조합이고 2진 시그널에 대응하는 독특한 시그널(Su)을 이송한다.

자기 센서(1)는 단지 예를 들자면 자동차의 기어박스에 특히 유리하다는 것을 알 수 있다. 결국, 자화된 타겟(3)은 기어박스의 기어 변화를 작용시키기 위한 로드에 제공되거나 고정된다. 따라서 본 발명의 자기 센서(1)는 기어-변환 스틱의 위치를 결정할 수 있으며, 이 경우 스틱의 이동이 스틱 제어의 영향을 받으면서 로드의 회전 이동과 병진 이동에 대응한다.

본 발명이 기재되고 도시된 실시예로 한정되지 않으며, 본 발명에 대한 여러 변경이 본 발명의 범주 내에서 가능하다.

Claims

이동부(2)에 장착 고정되고 병진 축선(X)과 일치하는 대칭 축선을 갖는 반경방향으로-자화된 부품-실린더의 형태를 취한 자화된 타겟(3)과, 상기 자화된 타겟의 위치를 3차원으로 결정하기 위하여 상기 자화된 타겟의 자기장을 측정하기 위한 시스템(5)을 포함하고, 첫째로 회전 이동(R)에 의해 제한된 각도 스트로크(ω) 내내 회전 이동가능하고 둘째로 제한된 선형 스트로크(ω) 내내 그리고 상기 병진 축선(X)을 따라 병진 이동가능한 부품(2)의 위치를 결정하기 위한 자기 센서에 있어서,
상기 자화된 타겟의 위치와 정위를 결정하기 위하여, 상기 시스템(5)은 상기 자기장의 방향을 2개의 수직 평면에서 측정하기 위해 단일 지점으로 작용하고, 상기 2개의 수직 평면 중 하나의 평면(P₁)은 회전 이동(R)에 수직하고 다른 하나의 평면(P₂)은 병진(X) 이동에 수직하는 자기 센서.
청구항 1에 있어서,
상기 측정 시스템(5)은 상기 회전 이동(R)에 수직한 상기 평면(P₁)에서의 자기장의 방향에 비례하는 측정 시그널(Va)과, 상기 병진(X) 이동에 수직한 상기 평면(P₂)에서의 자기장의 방향에 비례한 측정 시그널(Vφ)을 처리하는 것을 특징으로 하는 자기 센서.
청구항 2에 있어서,
상기 측정 시스템(5)은 상기 자기장의 방향에 민감한 측정 수단(6)을 포함하는 것을 특징으로 하는 자기 센서.
청구항 2에 있어서,
상기 측정 시스템(5)은 3개의 상호-직교한 축에 따른 상기 자기장의 성분에 민감한 홀-효과 셀을 포함하는 것을 특징으로 하는 자기 센서.
청구항 1 내지 4 중 어느 한 항에 있어서,
상기 측정 시스템(5)은, 상기 타겟의 위치와 정위에 대응하는 시그널(St, Sr)을 이송시키는 방식으로, 상기 회전 이동(R) 및 상기 병진(X) 이동에 수직한 평면에서의 상기 자기장의 정위에 비례하는 측정 시그널(Va, Vφ)을 처리하는 단계(7)를 포함하는 것을 특징으로 하는 자기 센서.
청구항 5에 있어서,
상기 측정 시스템(5)은 2진 시그널을 이송하기 위하여, 상기 타겟의 위치와 정위에 대응하는 시그널을 퀀타이징 하는 단계(8)를 포함하는 것을 특징으로 하는 자기 센서.
청구항 1에 있어서,
상기 부품-실린더는 일 단부(3₄)로부터 다른 단부(3₄)로 반경 방향으로 자화되는 것을 특징으로 하는 자기 센서.
청구항 1에 있어서,
상기 부품-실린더는 중앙부에서 반경방향으로 그리고 상기 중앙부의 단부에서 원주 방향을 향하는 가변 방향으로 자화되는 것을 특징으로 하는 자기 센서.
청구항 1에 있어서,
상기 자화된 타겟(3)이 기어 변환 엑츄에이터 로드의 형태로 이동부에 장착되고 고정되는 것을 특징으로 하는 자기 센서.
제한된 스트로크 내내 회전 이동과 병진 이동 가능한 기어 변환 엑츄에이터 로드를 포함한 기어 박스로서, 청구항 1 내지 9 중 어느 한 항에 따른 자기 센서(1)를 포함하는 기어 박스.