KR20120073149A - 종방향으로 변위하고 그리고 회전하는 샤프트의 축 방향 위치 및 회전 위치를 검출하기 위한 센서 장치 - Google Patents

Abstract

하나의 센서를 이용하여 용이하고 복잡하지 않은 방식으로 샤프트(2)의 병진 운동 및 회전 운동을 확실하게 파악할 수 있는 센서 장치를 창안하기 위하여, 상기 샤프트(2)의 종방향으로, 바람직하게는 일렬로 상기 샤프트(2)에 대해 평행하게 배치되고 상기 샤프트(2)와 관련하여서는 위치 고정되게 배치되는 두 개 이상의 센서 요소들(5)을 포함하는 센서(3)와 트랜스미터 요소(4)를 구비하되, 상기 샤프트(2)의 회전 운동 시에 회전각에 좌우되는 명확한 측정 신호 변화가 별도로 측정 가능한 센서 요소들(5) 중 적어도 하나의 센서 요소에서 발생하도록 상기 트랜스미터 요소가 구성되는 센서 장치(1)가 개시된다.

Description

종방향으로 변위하고 그리고 회전하는 샤프트의 축 방향 위치 및 회전 위치를 검출하기 위한 센서 장치{SENSOR DEVICE TO DETECT THE AXIAL AS WELL AS ROTATIONAL POSITION OF A SHAFT WHICH IS DISPLACEABLE IN LONGITUDINAL DIRECTION AND ROTATABLE}

본 발명은 예컨대 수동 변속기의 시프트 샤프트(shift shaft)와 같은 종방향으로 변위하고 회전하는 샤프트의 축방향 위치 및 회전 위치를 파악하기 위한 센서 장치에 관한 것이다.

이러한 시프트 샤프트의 종방향 운동 혹은 병진 운동에 의해 예컨대 수동 변속기의 선택 가능한 시프트 게이트들 가운데 하나가 선택된다. 이어서 시프트 샤프트의 회전 운동 혹은 선회 운동에 의해서 시프트 게이트 내에서 변속 조작이 일어난다. 전형적인 수동 변속기에서는 하나의 시프트 게이트에 선택 가능한 2개까지의 기어단들, 예컨대 "1"단과 "2"단 쌍, "3"단과 "4"단 쌍이 배치된다.

만일 처음에 1단 기어가 들어가면, 그로 인한 속도와 엔진 회전수로부터 간단하게 기어비가 산출되고 1단이 할당된다.

다양한 제어 메커니즘 및 모니터링 메커니즘에 있어서, 곧 변속 조작이 실행된다는 것을 조기에 아는 것은 흥미로운 점이다. 또한 엔진 제어 어플리케이션에 있어서, 조기에, 즉 마찰 결합이 아직 발생하기 전에 어느 기어단으로 변속될 지 혹은 변속되어야 하는지를 아는 것도 흥미로운 점일 수 있다.

시프트 샤프트 혹은 시프트 게이트의 병진 운동을 파악하기 위한 선형 위치 센서와 추가로 시프트 샤프트의 회전 운동을 파악하기 위한 로터리 인코더(rotary encoder)를 제공하는 것이 공지되어 있다. 선형 위치 센서와 로터리 인코더의 신호들은 제어 장치에 접속된다. 이렇게 접속됨으로써 원하는 어플리케이션에 명확한 위치를 알릴 수 있다.

그러나 이러한 종래 기술은 두 개의 센서, 즉 선형 위치 센서와 로터리 인코더를 설치해야 하는 단점이 있다. 이에 따라 센서 조립 및 센서 배선을 위해 두 배의 비용이 소요된다. 또한, 수동 변속기에는 두 개의 센서를 위해 필요한 구성 공간이 충분하지 않은 경우가 종종 있다.

독일 특허 공보 DE 4415668호에는 축방향으로 변위하고 소정 각도로 회전하는 샤프트의 소정 위치를 비접촉식으로 검출하기 위한 센서가 개시되어 있다. 위 특허 공보에서 설명된 해법에서는 정보의 모호성이 단점이다. 센서의 순간 값으로부터 샤프트가 예컨대 "2"단 위치에 있는지 혹은 시프트 게이트들 사이에서 병진 운동이 수행되는지 알아낼 수가 없다.

독일 특허 공개 공보 DE 10 2007 032 972 A에서는 샤프트의 축방향 변위를 검출하기 위한 측정 장치 및 방법을 개시하고 있다. 상기 특허 공개 공보에 개시된 방법에서는 샤프트의 축방향 변위에 대해 수직 방향 변위를 상호 관련짓는 신호를 전달하는 추가의 센서 장치를 이용한다.

독일 특허 공개 공보 DE 19813318 A호에는 회전하는 샤프트와 연결된 편심 디스크에 대한 각도에 따른 이격 간격을 측정하여 샤프트의 회전각을 결정하는 방법이 개시된다. 추가로 위의 특허 공개 공보에서는 샤프트의 반경 방향 위치와 관련하여 기준면을 이용함으로써 기계적 오류를 보상하는 것도 개시하고 있다.

독일 특허 공개 공보 DE 3244891 A호에서는 코일을 포함하는 길이 센서를 개시하고 있다. 코일들은 측정 경로를 따라 배치되고 아날로그 멀티플렉서를 이용하여 개별적으로 선택될 수 있다.

앞서 설명한 종래 기술에서 출발한 본 발명의 목적은, 예컨대 수동 변속기의 시프트 샤프트와 같은, 종방향으로 변위하고 그리고 회전하는 샤프트의 축 방향 위치 및 회전 위치를 검출하기 위한 센서 장치를 창안하되, 이러한 센서 장치에서 하나의 센서를 이용하여 종방향으로 변위 가능하고 그리고 회전 가능한 샤프트의 병진 운동 및 회전 운동도 용이하고 복잡하지 않게 확실하게 검출하는 센서 장치를 창안하는 데 있다.

이러한 목적은, 본 발명에 따라 샤프트의 종방향으로, 바람직하게는 일렬로, 샤프트에 대해 평행하게 배치되고 샤프트와 관련하여 위치 고정되게 배치되는 두 개 이상의 센서 요소를 포함하는 선형 센서와, 트랜스미터 요소를 포함하고, 트랜스미터 요소는 샤프트의 회전 운동 시 회전각에 좌우되는 분명한 측정 신호 변화가 개별적으로 평가 가능한 센서 요소들 중 적어도 하나에서 발생되도록 구성된 센서 장치에 의해 달성된다.

본 발명에 따른 센서 장치의 바람직한 실시예에 의하면, 이러한 센서 장치는 두 개 이상의 센서 요소에 배치되는 전자 측정 장치를 포함하고, 이 전자 측정 장치를 이용하여 두 개 이상의 센서 요소들 각각이 별도로 평가될 수 있다. 트랜스미터 요소는 샤프트에 배치되고 이 샤프트와 함께 변위하고 그리고 회전할 수 있으며, 트랜스미터 요소에 의해 두 개 이상의 센서 요소 각각에서 신호가 생성되고, 이 신호는 샤프트의 종방향 변위와 샤프트의 회전 위치를 특징짓는 명확한 신호 패턴을 갖는다.

본 발명에 따른 센서 장치의 센서 요소는 다음과 같이 형성된다.

바람직하게, 센서의 센서 요소들은 기계식, 자기식 또는 정전 용량식으로 구성되고, 프로브, 코일, 유도성 센서 요소, 와상 전류 센서 요소, 바람직하게는 자기적으로 예압된 홀 센서 요소, 정전 용량식 센서 요소 등으로 형성된다.

본 발명에 따른 해결 방안은, 어떤 경우라도 센서 요소에서 재생 가능한 측정 신호 변화를 생성할 수 있는 트랜스미터 요소가 존재한다는 점에 근거하고 있다.

트랜스미터 요소는, 다른 대상과 관련하여 위치를 결정해야 하는 대상에 고정되게 연결된다. 센서도 재차 다른 대상에 고정되게 연결된다.

수동 변속기의 경우 트랜스미터 요소는 시프트 샤프트에 고정되게 결합된다. 센서는 변속기 하우징에 고정되게 결합된다. 따라서 이러한 배치 구조로 인해 시프트 샤프트의 위치는 변속기 하우징과 관련하여 산출된다.

센서 요소에 대한, 그리고 그에 따른 측정 신호를 변화시키기 위한 측정 신호에 대한 트랜스미터 요소의 재현 가능한 작용은 당업자에게 공지된 다양한 방식으로 실현될 수 있다.

기계적으로 만질 수 있는 센서 요소를 이용할 시에 측정 신호를 변화시키는 트랜스미터 요소의 특징은 샘플링 위치에서 샘플링하는 센서 요소로부터 트랜스미터 요소의 윤곽이 이격되어 있다는 점이다.

강자성의 트랜스미터 요소와 유도성 센서 요소의 조합을 이용할 시에는 강자성 트랜스미터 요소의 형상과 특성이 측정 신호에 영향을 끼치는 다양한 방법들이 있다.

트랜스미터 요소의 간격 및/또는 작용하는 물질량은 위치에 따라 변할 수 있다. 또한 물질과 다양한 도자율(permeability)의 의도된 조합에 의해 센서 요소에서 검출되는 측정 신호가 위치에 따라 바람직하게 변경될 수 있다.

일 실시예에서는, 센서 요소와의 간격이 회전각에 따라 변한다. 간격이 커질수록 유도성 센서 요소에 미치는 트랜스미터 요소의 강자성 영향이 감소되고 그와 더불어 센서 요소에서 검출되는 측정 신호가 작아진다.

또 다른 실시예로서, 트랜스미터 기하 형태가, 예컨대 트랜스미터 요소의 너비가 일정하지 않음으로써, 유도성 센서 요소 혹은 코일의 영역에서 회전각에 따른 강자성 물질의 양이 변화한다.

또한 위에서 언급한 두 가지 실시예의 방법들을 조합할 수도 있다.

강자성 트랜스미터 요소를 센서 요소의 인덕턴스의 변화 또는 강자성 흐름의 변화를 측정하는 유도성 센서와 조합하는 대신, 전기 전도성 트랜스미터 요소와 유도 작용하는 와상 전류 센서의 조합도 적용할 수 있다. 이러한 와상 전류 센서에서는 대체로 떨림 회로의 다양한 감쇠가 측정된다. 트랜스미터 물질의 전도성도 측정 신호에 영향을 미치게 된다. 본 발명에 따른 센서 장치를 위해, 위의 경우에서 전도성 트랜스미터 요소는 위치에 따라 측정 신호에 작용하도록 형성될 수 있다. 이러한 위치에 따른 작용은 트랜스미터 요소와 와상 전류 센서 요소 간의 간격 및/또는 트랜스미터 요소의 작용 면적이 와상 전류 센서 요소의 검출 영역에서 위치에 따라 바뀌면서 실현될 수 있다.

본 발명에 따른 센서 장치의 기본 기능은 측정 경로를 따라 배치되는 개별적으로 평가 가능한 센서 요소로 구성되는 선형 센서와 트랜스미터 요소를 이용하여 실현되는데, 트랜스미터 요소는 회전 운동 시 회전각에 좌우되는 명확한 측정 신호 변화가 별도로 평가되는 센서 요소들 가운데 적어도 하나에서 일어나도록 형성된다.

본 발명에 따른 장치는 별도로 평가 가능한 두 개 이상의 센서 요소들이 샤프트에 고정되는 하나 이상의 트랜스미터 요소를 통해 샤프트의 축 방향 변위를 검출하도록 형성된다.

축방향 변위를 검출할 수 있도록, 트랜스미터 요소는 별도로 평가 가능한 센서 요소들에서 축 방향 변위에 상응하는 다양한 측정 신호들이 생성되도록 형성된다.

트랜스미터 요소는 예컨대 샤프트에서 돌출부가 될 수 있다. 센서 요소들이 다수인 경우 트랜스미터 요소는 개별적인 센서 요소들을 지나서 이동한다. 별도의 측정값들 모두를 처리하여 샤프트의 축방향 위치가 연산될 수 있다.

샤프트의 회전 운동도 파악하기 위하여 본 발명에 따른 기본 기능을 실현하는 선형 센서 장치는, 트랜스미터 요소가 회전 대칭되지 않고, 원주각에 걸쳐서, 적어도 측정에 의해 파악되어야 하는 각도 범위로 수정됨으로써 확장된다.

예컨대 파악되어야 하는 각도 범위에서 각에 좌우되는 트랜스미터 요소의 높이가 수정될 수 있다. 따라서 각각의 높이는 명확하게 하나의 각에 할당될 수 있다.

자동차 분야에서 경우에 따라서는, 주변 조건이 까다로운 경우 신뢰할 만한 측정을 보장하기 위해서는, 트랜스미터 요소가 센서 요소에서 파악되는 두 개 이상의 개별적인 측정 신호들을 조합하되 절대 측정값들을 평가하지 않고 조합하여 샤프트의 축 방향 위치 및 회전각도 결정될 수 있도록 형성될 때에 바람직하다.

예컨대 강ST 37로 제조되는 강자성 트랜스미터 요소의 도자율은 -40℃ 내지 150℃의 온도 범위에서 약 23% 변한다. 이러한 거동은 온도 측정을 통해 센서에서 보상될 수 있으나, 센서 하우징 내 온도가 수동 변속기 내 트랜스미터 요소의 온도와 일치한다고는 결코 보장할 수 없다. 오히려 센서 하우징 내 온도와 트랜스미터 요소의 온도가 일치하는 것은 있을 수 없는 일이다. 또한 센서 요소와 평가 전자 장치의 온도 의존성에 의해 추가적인 측정 오류가 발생된다.

전술한 문제점들은, 본 발명에 따른 센서 장치의 경우에서는, 센서 장치가 각도 위치의 산출을 위해 온도의 영향을 파악하고 보상하도록 하나 또는 다수의 기준면을 이용함으로써 해결된다.

이를 위해 하나 이상의 기준면들이 센서 장치의 별도로 평가 가능한 센서 요소들 가운데 적어도 하나를 이용하여 기준값의 파악이 이루어질 수 있도록 배치 및 형성된다. 특별히 센서 장치를 추가로 이용할 필요가 없다.

이를 위해 하나 이상의 기준면은 트랜스미터 요소에 대해 고정된, 공지된 축방향 간격을 두고 샤프트에 단단히 고정된다.

트랜스미터 요소의 축방향 위치가 결정된 후 자동으로 기준면의 위치가 함께 결정되는데, 트랜스미터 요소의 위치와 기준면의 위치 간의 간격이 기계적으로 변경될 수 없게 설정되어 공지되기 때문이다.

기준면의 축방향 위치를 산출하고 여기서부터 트랜스미터의 위치를 도출할 수 있게 하는 것도 물론 가능하다.

바람직하게는, 기준면들 가운데 적어도 하나가, 샤프트의 다양한 회전 위치가 파악되어야 하는 그러한 샤프트 회전각 범위에 걸쳐서, 센서와 대체로 일정한 간격을 유지한다.

바람직한 일실시예로 센서에 대한 간격이 본질적으로 일정한 기준면은 항상 별도로 샘플링되어야 하는 추가의 윤곽들 보다 센서에 대한 간격이 더 작다. 이러한 기준면의 위치 결정은 비교적 간단한 최대값 혹은 최소값 탐색 알고리즘을 통해 이루어진다.

이러한 배치 구조를 통해 이제 분산된 센서 요소들의 측정 신호로부터 기준면에 할당되어야 하는 신호를 산출하는 것이 비교적 복잡하지 않다.

기준면에 할당되는 측정 신호와, 각도에 좌우되는 가변적인 간격을 지닌 하나 이상의 트랜스미터 요소 윤곽에 할당되는 측정 신호의 관계로부터, 전자 측정 장치는 예컨대 사전 연산된 룩업 테이블(look-up table)을 통해서 샤프트의 회전각을 결정할 수 있다.

기준면에서 파악되는 센서 요소의 온도 패턴과, 각에 좌우되는 가변적인 간격을 지닌 하나 이상의 트랜스미터 요소 윤곽의 신호를 파악하는 센서 요소의 온도 패턴이 같으므로, 센서값들의 관계는 강자성 트랜스미터 물질의 온도 및 도자율에 좌우되지 않는다.

추가의 실시예로서, 트랜스미터 요소가 두 개의 측정면을 구비하고, 센서에 대한 이 두 측정면의 간격이 각기 다른 샤프트의 회전 위치들이 파악되어야 하는 샤프트의 회전각 범위에서 서로 반대 방향으로 변하면, 두 개의 반대 방향 측정 신호가 생성되고 이에 따라 샤프트의 회전각을 더 잘 분석할 수 있게 되거나 혹은 안전과 관련된 어플리케이션에서 여분의 신호를 파악하고 그로 인해 더욱 확실한 평가를 할 수 있다.

트랜스미터 요소는 두 개의 측정면을 구비할 수 있고, 이 두 개의 측정면 중 제 1 측정면 혹은 제 2 측정면은 샤프트의 각기 다른 회전 위치들이 파악되어야 하는 샤프트 회전각 영역의 제 1 부분 영역 혹은 제 2 부분 영역에서 센서에 대한 간격이 대체로 일정하다. 그럼으로써 각각 기준 신호를 보유하는 것이 가능하며, 이때, 측정면의 신호는 다른 측정면의 신호가 동일하게 유지되거나 또는 반대 방향인 그러한 범위에서 센서에 대한 간격과 함께 변한다. 추가의 기준면은 생략될 수 있다.

트랜스미터 요소의 측정면(들)이 수동 변속기의 아이들링 위치에서 센서에 대한 간격이 가장 짧을 때, 신호 해상도는 정확하게 수동 변속기의 아이들링 위치의 영역에서 가장 크며, 이 영역에서 신호 해상도 및 센서 장치의 정확도가 가장 까다롭게 요구된다.

또한 트랜스미터 요소의 수정이 회전각에 걸쳐서 일정하게 실현되는 것이 아니라, 더욱 큰 해상도가 요구되는 영역에서는 경미한 해상도만 요구되는 영역에서보다 더욱 강하게 이루어지는 것이 바람직할 수 있다.

수동 변속기의 경우 중립 위치 영역에서 높은 해상도가 요구된다. 기어단 최종 위치 영역에서는 매우 근소한 해상도만 요구된다. 따라서 트랜스미터 요소의 수정은 회전각에 걸쳐 기어단 최종 위치 영역에서보다 중립 위치의 영역에서 더욱 강하게 실현되는 것이 바람직하다.

추가의 바람직한 일실시예에 의하면, 수동 변속기의 시프트 샤프트의 각각의 주요 축방향 위치 혹은 시프트 게이트에는 센서의 하나 이상의 센서 요소가 배치된다.

바람직한 일실시예로, 센서 장치 혹은 센서의 신호 처리 장치에서는, 센서 혹은 센서 장치에 배치되는 예컨대 하나의 프로세서를 이용하여, 일측의 트랜스미터 요소와 타측의 센서 간의 간격의 특징적인 신호 패턴의 비선형 의존성이 프로그램에 의해 선형화된다.

목적에 부합하게는, 센서가 유도성 센서 요소로 형성될 때, 측정이 이루어지는 동안 각각 두 개의 유도성 센서 요소가 반대 방향으로 직렬로 연결되고, 이에 따라 외부 자기장을 통해 유도되는 잡음 전압이 제거된다.

더욱 큰 잡음 내성 및 더욱 높은 신호 해상도는, 자기장이 강자성 코일체 및 전도체를 거쳐 트랜스미터 기하 형태의 측정을 위해 본질적이지 않은 자기장의 적어도 일부 자기장으로 안내될 때에 달성된다.

바람직하게는 신호 처리 시의 알고리즘이 예컨대 준비된 룩업 테이블의 형태로 설치되며, 이 룩업 테이블을 이용하여 측정값이 샤프트의 회전 위치로 환산될 수 있다.

개별적인 센서 요소들 간의 위치들에 대해서도 회전각을 결정할 수 있기 위해서는, 신호 처리시 설치된 알고리즘, 바람직하게는 삼차원 룩업 테이블 형태의 알고리즘이 확장되는 것이 목적에 부합한다. 이러한 실시예에서 메모리 용량이 감소되어야 하는 경우, 룩업 테이블의 개수를 제한하거나 중간 위치에 대해 룩업 테이블들 사이에서 보간이 실행될 수 있다.

본 발명에 따른 센서 장치는 임의의 프로토콜을 통해 축방향 위치 및 회전각을 추가의 제어 장치로 전송할 수 있다.

바람직하게는, 이미 센서 내에서 순간 위치가 구분된다. 이러한 분산된 정보들은 비교적 비용 면에서 경제적이고 내구성 있는 펄스폭 변조(PWM) 인터페이스를 통해 추가의 제어 장치로 전송될 수 있다.

예컨대 6단 기어의 경우에는, 다음과 같이 즉,

후진 최종 위치, 중립, 1단 최종 위치, 2단 최종 위치, 3단 최종 위치, 4단 최종 위치, 5단 최종 위치, 6단 최종 위치, 중립과 1단 최종 위치 사이의 중간 위치, 중립과 2단 최종 위치 사이의 중간 위치, 중립과 3단 최종 위치 사이의 중간 위치, 중립과 4단 최종 위치 사이의 중간 위치, 중립과 5단 최종 위치 사이의 중간 위치, 중립과 6단 최종 위치 사이의 중간 위치, 중립과 후진 최종 위치 사이의 중간 위치로 구분된다.

바람직하게는 신호의 출력 전에 센서 신호들의 보전성이 검사된다. 이러한 검사는 하나의 센서가 별도로 파악 가능한 다수의 아날로그 센서 요소를 지니고 있을 시에 비교적 용이하게 실현된다. 트랜스미터 요소의 설계에 따라 센서 요소의 순차적 탐지에 의해 위치에 좌우되는 전형적인 신호 패턴이 생겨난다. 이러한 신호 패턴은 허용 오차 범위와 함께 센서에 제공될 수 있다. 만일 프로그램에 의한 검사를 통해 순차적으로 산출된 센서값들이 이러한 지정된 허용 범위 이내에 있지 않다는 점이 확인되면, 센서는 오류 메시지를 내보낸다.

본 발명에 따른, 예컨대 수동 변속기의 시프트 샤프트와 같은, 종방향으로 변위하고 그리고 회전하는 샤프트의 축 방향 위치 및 회전 위치를 검출하기 위한 센서 장치는, 하나의 센서를 이용하여 종방향으로 변위 가능하고 그리고 회전 가능한 샤프트의 병진 운동 및 회전 운동도 용이하고 복잡하지 않게 확실하게 검출할 수 있다.

이하, 도면을 참조한 실시예를 이용하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다.

도 1은 종방향으로 변위하고 회전하는 샤프트의 축방향 위치 및 회전 위치를 파악하기 위한 본 발명에 따른 센서 장치를 도시하는 개략도이다.
도 2는 도 1에 도시된 센서 장치의 센서를 도시하는 사시도이다.
도 3은 도 2에 도시된 센서를 하부에서부터 도시하는 개략도이다.
도 4는 도 1에 도시된 센서 장치의 트랜스미터 요소를 도시하는 사시도이다.
도 5는 본 발명에 따른 센서 장치를 도시하는 추가의 개략도이다.
도 6은 센서 장치의 트랜스미터 요소와 센서의 센서 요소의 상호작용을 도시한 개략도이다.
도 7은 각에 따라 높이가 변하는 트랜스미터 요소를 도시하는 개략도이다.
도 8은 회전각에 따라 너비가 변하는 트랜스미터 요소를 도시하는 개략도이다.
도 9는 각에 따라 리세스의 너비가 변하는 트랜스미터 요소를 도시하는 개략도이다.
도 10은 강자성 필름이 비강자성 요소에 부착된 트랜스미터 요소를 도시하는 개략도이다.
도 11은 파악되어야 할 회전각 영역에서 일정한 높이로 기준면을 둘러싸고 확장되는, 도 7에 상응하는 트랜스미터 요소를 도시하는 개략도이다.
도 12는 도11에 도시된 트랜스미터 요소를 다른 관점에서 도시한 개략도이다.
도 13은 도 11에 도시된 트랜스미터 요소를 또 다른 관점에서 도시한 개략도이다.
도 14는 파악되어야 할 회전각 영역에서 너비가 일정한 기준면을 둘러싸고 확장되는, 도 8에 상응하는 트랜스미터 요소를 도시하는 개략도이다.
도 15는 도 9에 일치하는, 리세스의 우측 및 좌측에 높이가 일정한 기준면으로 이용될 수 있는 면을 구비한 트랜스미터 요소를 도시하는 개략도이다.
도 16은 파악되어야 할 회전각 영역에서 너비가 일정한 필름을 둘러싸고 확장되는, 도 10에 상응하는 트랜스미터 요소를 도시하는 개략도이다.

이하 도 1 내지 도 6을 참조하여 상세하게 설명하는 본 발명에 따른 센서 장치(1)의 실시예는 종방향으로 변위하고 그리고 회전하는 샤프트(2)의 축방향 위치 및 회전 위치를 파악하는 데에 이용된다. 샤프트(2)는 특히 도면들에는 도시되지 않은 자동차의 수동 변속기의 시프트 샤프트(2)가 될 수 있다.

이러한 시프트 샤프트(2)의 종방향 운동 혹은 병진 운동에 의해 수동 변속기의 선택 가능한 시프트 게이트가 선택된다. 일반적인 구조의 전형적인 수동 변속기에서 이러한 시프트 게이트에는 선택 가능한 2개까지의 기어단들이 배치되는데, 예컨대 "1"단과 "2"단 쌍, "3"단과 "4"단 쌍, 그리고 "5"단과 "후진"쌍이 배치된다. 시프트 게이트의 선택 후에 샤프트가 자신의 종방향 축 혹은 회전 축을 중심으로 회전함으로써 선택된 시프트 게이트 내부에서 원하는 기어단이 선택된다.

다른 기어단으로 전환할 시에 어느 단으로 삽입되어야 할지 최대한 조기에 감지하기 위하여 센서 장치(1)는 센서(3)와 트랜스미터 요소(4)를 구비한다.

센서(3)는 도 5에 가장 잘 도시된 바와 같이, 시프트 샤프트(2)와 관련하여 위치 고정되게 배치된다. 트랜스미터 요소(4)는 적절한 방식으로 시프트 샤프트(2)에 고정되고, 이에 따라 시프트 샤프트가 종방향으로 변위할 시 뿐만 아니라 시프트 샤프트의 회전축을 중심으로 시프트 샤프트(2)가 회전할 시에도 시프트 샤프트(2)와 함께 시프트 샤프트의 이러한 회전축을 중심으로 회전 혹은 회동할 수 있다.

도 3 및 도 6에 가장 잘 도시된 바와 같이, 본 실시예의 경우 센서(3)에는 여섯 개의 센서 요소들(5)이 속하고, 이 센서 요소들은 시프트 샤프트(2)의 종방향으로 일렬로 연달아 배치된다. 따라서 샤프트(2)의 병진 변위 혹은 종방향 변위 시에 트랜스미터 요소(4)는 센서(3)의 일렬로 배치된 센서 요소(5)를 따라 이동하게 된다. 센서 장치(1)의 센서(3) 내부에는 도면에는 상세하게 도시되지 않는 신호 처리 장치가 마련되며, 이 신호 처리 장치는 본 실시예에서 여섯 개의 센서 요소들(5)에 배치된다. 이 신호 처리 장치를 이용하여 센서 요소들(5) 각각이 별도로 평가될 수 있다.

센서(3)의 센서 요소들(5)은, 본 실시예의 센서 장치(1)에서는, 유도성 센서 요소들(5)로서 전류가 공급되는 코일 형태로 형성된다. 이러한 유도성 센서 요소들(5)은 센서(3)의 측정 영역에 발생하는 자기장을 갖는다. 이 자기장에 강자성 재료가 유입되면, 센서(3)의 신호 처리 장치에 구비된 평가 회로에 의해 각각의 센서 요소들(5)에 대한 코일 인덕턴스의 변화가 측정될 수 있다. 각각의 센서 요소(5)의 코일 인덕턴스의 이러한 변화는, 트랜스미터 요소(4)의 경우, 본질적으로 일측의 트랜스미터 요소와 타측의 센서(3)의 센서 요소들(5) 간의 간격에 좌우된다.

따라서 트랜스미터 요소(4)에 의해서 센서(3)의 센서 요소(5) 각각에서 신호가 생성되고, 이때 이러한 신호들의 신호 패턴은 샤프트(2)의 종방향 변위 및 샤프트(2)의 회전 위치의 특징을 나타낸다. 센서(3)의 신호 처리 장치에는 트랜스미터 요소(4)와 센서(3)의 센서 요소들(5) 간의 간격의 비선형 의존성을 프로그램에 의해 선형화할 수 있는 프로세서가 포함된다.

전류가 공급되는 코일로 형성되는 센서(3)의 유도성 센서 요소들(5)은 인덕턴스를 상승시키기 위해 강자성 재료로 이루어진 코어 포머(core former) 혹은 코어 롤(core roll)에 권취된다. 이렇게 함으로써 신호 처리 장치에 공급되는 평가 회로의 감도가 매우 적게 소실될 수 있다.

개별적인 센서 요소들(5)의 신호들은 신호 처리 장치에 통합된 평가 회로에서 목적에 따른 알고리즘에 의해 평가된다.

우선 트랜스미터 요소(4)의 위치가 센서(3)의 센서 요소들(5)의 배치에 따라 결정된다. 샤프트(2)와 그와 더불어 트랜스미터 요소(4)의 각각의 가능한 분산 위치에 분명한 센서 요소(5) 하나가 배치되는 경우에, 앞서 언급한 알고리즘은 오로지 최소 간격을 보여주는 신호들을 가진 두 개의 센서 요소들(5)을 발견하는 역할을 한다. 그런 다음 이 신호들은 분명하게 하나의 게이트에 할당될 수 있다. 이런 경우 선형화는 생략될 수 있다.

개별 센서 요소들(5) 간의 중간 위치들도 보간 알고리즘을 통해 간단하게 결정될 수 있다.

이와 같이 형성된 선형 센서는 보간 결과가 넓은 영역에서 센서(3)와 트랜스미터 요소(4) 간의 간격에 좌우되지 않는다는 점이 장점이다.

도시된 실시예에서 트랜스미터 요소(4)는 센서(3) 혹은 센서의 센서 요소들(5)과 트랜스미터 요소(4) 사이의 간격이 샤프트(2)의 회전각에 따라 변경되도록 형성된다. 따라서 센서(3)의 센서 요소들(5)의 인덕턴스는 시프트 샤프트(2)의 각각의 회전각에 좌우된다.

만일, 예컨대 수동 변속기에서와 같이 시프트 샤프트(2)의 병진 방향으로 소량의 분산된 위치들만이 시프트 게이트의 형태로 존재하고 시프트 샤프트(2)의 이러한 분산된 위치들 각각이 명확하게 두 개의 센서 요소들(5)에 할당되면, 센서 요소들(5)은 선택되는 시프트 게이트의 가장 높은 인덕턴스와 상응하고, 인덕턴스의 크기는 시프트 샤프트(2)의 회전각과 상응한다. 적합한 알고리즘, 예컨대 미리 연산된 룩업 테이블을 통해 센서 요소(5)의 인덕턴스 크기가 시프트 샤프트(2)의 회전각으로 환산될 수 있다.

개별적인 센서 요소들(5) 사이의 위치들에 대해서도 시프트 샤프트(2)의 회전각을 결정할 수 있도록 확장된 알고리즘을 형성하는 것이 가능하다. 이런 경우 삼차원 룩업 테이블이 형성된다. 메모리 용량을 줄이기 위해서 룩업 테이블의 개수를 제한하거나 중간 위치들에 대해 룩업 테이블들 사이에 보간을 실행하는 것이 가능하다.

앞서 설명된 바와 같이, 일측에 있는 센서(3)의 센서 요소들(5)과 타측에 있는 트랜스미터 요소(4) 간의 간격의 절대 측정은 원칙적으로 충분히 이루어진다.

이를 위해 트랜스미터 요소(4)는 강자성 재료로 이루어지는 측정면을 구비한다. 일측의 이러한 측정면과 타측의 센서(3) 혹은 센서의 센서 요소들(5) 사이의 간격은 시프트 샤프트(2)의 각기 다른 회전 위치들이 파악되어야 하는 시프트 샤프트(2)의 회전각 영역에 걸쳐 변한다. 당연히 시프트 샤프트(2)의 병진 위치의 변화는 그에 상응하는 간격 변화도 초래한다.

일측의 센서 요소들(5)과 타측의 트랜스미터 요소(4) 간의 간격의 절대 측정 대신 훨씬 근소한 범위로 오류가 발생하는 상대 측정을 실시하기 위해, 도 4에 가장 잘 도시된 바와 같이, 트랜스미터 요소(4)에 강자성 재료로 구성되는 기준면이 구비되며, 이 기준면은 시프트 샤프트(2)의 각기 다른 회전 위치들이 파악되어야 하는 그러한 시프트 샤프트(2)의 회전각 영역에 걸쳐서 센서(3) 혹은 센서의 센서 요소들(5)에 대한 간격이 대체로 일정하다. 강자성 재료로 구성되는 이러한 기준면은 도 4의 우측에 도시된 트랜스미터 요소 구간(7)에 배치되는데, 시프트 샤프트(2)가 사전 설정된 회전 영역에서 혹은 자신의 회전축을 중심으로 사전 설정된 회전각으로 회전할 때에 예컨대 도 6에 도시된 바와 같이 이러한 트랜스미터 요소 구간(7)에 배치되는 센서 요소(5)와 자신의 간격이 일정하게 유지되도록 배치된다. 도 4의 좌측 트랜스미터 요소 구간(6)에는 앞서 이미 언급된 강자성 재료로 구성되는 측정면이 구비되고, 이 측정면에 할당되는 센서(3)의 센서 요소(5)에 대한 측정면의 간격은 시프트 샤프트(2)의 회전각에 따라 바뀐다.

도 4에서 우측의 트랜스미터 요소 구간(7)에 구비되는 기준면은, 시프트 샤프트(2)에 대해 제공되는 회전각 영역에 걸쳐 센서(3)의 센서 요소(5)와의 간격이 일정하고, 그에 반해 도 4에서 좌측의 트랜스미터 요소 구간(6)에 제공되는 측정면은 각각의 센서 요소(5)에 대한 간격이 시프트 샤프트(2)의 회전각에 좌우된다.

신호 처리 장치의 평가 회로에서 분산된 신호 요소들(5)의 수신된 신호들로부터 문제없이 도 4에서 트랜스미터 요소(4)의 좌측 트랜스미터 요소 구간(6)의 측정면에 할당되는 신호가 산출될 수 있다. 이러한 측정 신호와 기준면을 거쳐 도 4의 우측 트랜스미터 요소 구간(7)에서 생성되는 기준 신호 간의 관계가 시프트 샤프트(2)의 회전각에 대한 크기이다.

또한 트랜스미터 요소(4)가 제 2 측정면을 중심으로 확장되는 것이 가능하다. 이때 2개의 측정면과 센서 요소들(5) 간의 간격 변화는 적어도 시프트 샤프트(2)의 회전각의 부분 영역에서 반대 방향으로 이루어진다. 그럼으로써 두 개의 독립적인 신호값과 그와 함께 시프트 샤프트(2)의 회전각이 더 잘 분석될 수 있게 된다. 두 개의 측정면이 서로 참조되는 경우, 앞서 설명된 별도의 기준면이 생략될 수 있다.

예컨대 제 1 측정면은 본질적으로 회전각에 걸쳐 센서 요소(5)에 대한 간격이 일정하다. 단지 0 내지 +25°의 각도 범위에서만 제 1 측정면과 센서 요소(5) 사이의 간격이 더욱 커진다. 또한 제 2 측정면도 본질적으로 회전각에 걸쳐 센서 요소(5)에 대한 간격이 일정하다. 오로지 0 내지 -25° 영역에서만 제 2 측정면과 센서 요소(5) 사이의 간격이 더욱 커진다.

앞서 설명된 본 실시예에서, -25° 내지 +25° 범위를 벗어나는 회전각은 기계적 한계로 인해 가능하지 않다.

두 개의 측정면에 할당되는 센서 요소들(5)의 신호들이 동일한 경우, 회전각은 정확하게 0°이다.

제 1 측정면에 할당되는 신호가 제 2 측정면에 할당되는 신호보다 작으면, 시프트 샤프트(2)의 회전 방향은 +25° 방향이다. 시프트 샤프트(2)의 회전각을 정확하게 결정하기 위해 0 내지 25°의 범위에서는 변하지 않는 제 2 측정면에 할당되는 신호가 참조될 수 있다.

만일 제 2 측정면에 할당되는 신호가 제 1 측정면에 할당되는 신호보다 작으면, 시프트 샤프트의 회전 방향은 -25° 방향이다. 회전각을 정확하게 결정하기 위해서는 0°와 25° 사이에서 변하지 않는 제 1 측정면에 할당되는 신호가 참조될 수 있다.

도면들에 도시된 트랜스미터 요소(4)는 +25° 내지 -25°의 회전각 측정 영역에 대해 제공된다. 이 값은 수동 변속기에 대해 전형적인 값이다.

유도성 센서 요소들(5)을 포함하는 센서들(3)의 경우 신호 해상도는 측정 간격이 증가할수록 감소되므로, 측정 정확도에 대한 요구 사항이 가장 까다로운 영역들에 트랜스미터 요소(4)를 배열할 시에는 최대한 센서(3)에 인접하여야 한다. 변속기에 적용 시에는 0°에서 아이들링 위치에 대한 신호에 가장 까다로운 요구 사항이 제기된다. 따라서 측정면들은 아이들링 위치를 확실하고도 가장 높은 해상도로 결정할 수 있도록 이러한 아이들링 위치에서 센서(3)에 대해 가장 작은 간격을 갖도록 형성되어야 한다.

도 7에 도시된 시프트 샤프트(2)에 배치되는 트랜스미터 요소(4)의 실시예에서, 측정면들은 시프트 샤프트(2)의 종방향 축에 대해 자신의 간격이 시프트 샤프트(2)의 원주와 함께 변하도록 형성된다. 센서 요소(5)에 대한 측정면의 간격은 따라서 시프트 샤프트(2)의 회전각과 함께 변한다.

도 8에 부분적으로만 도시된 시프트 샤프트(2)에 배치되는 도 8의 트랜스미터 요소(4)의 실시예에서는, 트랜스미터 요소(4)와 그와 함께 측정면의 너비는 시프트 샤프트(2)의 원주에 걸쳐 변한다. 이에 부합하여 할당된 센서 요소(5)에서 파악되는 측정 신호는 시프트 샤프트(2)의 회전각에 좌우된다.

도 9에 도시된 트랜스미터 요소(4)의 실시예의 경우, 트랜스미터 요소(4)에 혹은 트랜스미터 요소의 측정면에 리세스부가 제공되고, 이 리세스부는 그 너비가 시프트 샤프트(2)의 원주 방향으로 변한다. 이에 부합하여 각각의 센서 요소(5)에서 파악되는 측정 신호가 바뀐다.

도 10에 도시된 트랜스미터 요소(4)의 실시예에서는, 트랜스미터 요소 자체는 강자성이 아니다. 이 트랜스미터 요소(4)에는 강자성 필름(8)이 부착되며, 이 필름은 트랜스미터 요소(4)의 측정면을 형성한다. 필름의 너비는 시프트 샤프트(2)의 원주에 걸쳐 변하며, 그럼으로써 각각의 센서 요소(5)에서 시프트 샤프트의 회전각에 좌우되는 측정 신호가 파악된다.

도 11 내지 도 13에 도시된 트랜스미터 요소의 경우, 제 1 트랜스미터 요소 구간(9)과 제 2 트랜스미터 요소 구간(10)을 구비한다. 제 1 요소 구간(9)은 측정면을 형성하며, 시프트 샤프트(2)의 종방향 축에 대한 이 측정면의 간격은 원주 방향으로 변한다. 제 2 트랜스미터 요소 구간(10)에는 기준면이 형성되며, 시프트 샤프트(2)의 축에 대한 이 기준면의 간격은 일정하다.

도 14에 도시된 트랜스미터 요소의 경우도 역시 제 1 트랜스미터 요소 구간(9)과 제 2 트랜스미터 요소 구간(10)을 구비한다. 제 1 트랜스미터 요소의 경우 측정면의 너비는 시프트 샤프트(2)의 원주 방향으로 변한다. 제 2 트랜스미터 요소 구간(10)에 의해 형성되는 기준면은 시프트 샤프트(2)의 원주에 걸쳐 그 너비가 일정하다.

도 15에 도시된 트랜스미터 요소(4)의 경우, 시프트 샤프트(2)의 원주에 걸쳐 너비가 변하는 리세스부의 우측 및 좌측에 기준면이 마련되고, 이 기준면은 시프트 샤프트(2)의 축에 대해 일정한 간격을 지니며 이에 따라 참조면으로 이용될 수 있다.

도 16에 도시된 그 자체가 비강자성인 트랜스미터 요소(4)에서는, 이 트랜스미터 요소 상에 시프트 샤프트(2)의 원주 방향으로 너비가 변하는 강자성 필름(8)과 시프트 샤프트(2)의 원주 방향으로 너비가 일정한 적절한 강자성 필름(11)이 부착된다. 필름(8)과 같이 트랜스미터 요소(4) 상에 부착된 너비가 일정한 필름(11)에 의해 트랜스미터 요소(4)의 기준면이 형성될 수 있다.

Claims (19)

1. 예컨대 수동 변속기의 시프트 샤프트(2)와 같은, 종방향으로 변위하고 그리고 회전하는 샤프트(2)의 축방향 위치 및 회전 위치를 파악하기 위한 센서 장치로서,
   상기 샤프트(2)의 종방향으로, 바람직하게는 일렬로, 상기 샤프트(2)에 대해 평행하게 배치되고 상기 샤프트(2)와 관련하여 위치 고정되게 배치되는 두 개 이상의 센서 요소들(5)을 포함하는 선형 센서(3)와, 트랜스미터 요소(4)를 포함하고,
   상기 트랜스미터 요소(4)는, 상기 샤프트(2)의 회전 운동 시 회전각에 좌우되는 명확한 측정 신호 변화가 개별적으로 측정 가능한 센서 요소들(5) 중 적어도 하나의 센서 요소에서 발생하도록 구성된 것을 특징으로 하는 센서 장치.
2. 제1항에 있어서,
   상기 두 개 이상의 센서 요소(5)에 배치되는 전자 측정 장치를 포함하고, 이 전자 측정 장치에 의해 상기 두 개 이상의 센서 요소들(5) 각각이 평가되며,
   상기 트랜스미터 요소(4)는 상기 샤프트(2)에 배치되고 이 샤프트(2)와 함께 변위하고 그리고 회전할 수 있으며, 상기 트랜스미터 요소(4)에 의해 두 개 이상의 센서 요소(5) 각각에서 신호가 생성되고, 이 신호는 상기 샤프트(2)의 종방향 변위와 상기 샤프트(2)의 회전 위치를 특징짓는 명확한 신호 패턴을 갖는 것을 특징으로 하는 센서 장치.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상기 센서(3)의 상기 센서 요소들(5)은 기계식, 자기식 또는 정전 용량식으로 구성되고, 프로브, 코일, 유도성 센서 요소, 와상 전류 센서 요소, 바람직하게는 자기적으로 예압된 홀 센서 요소, 정전 용량식 센서 요소 등으로 형성된 것을 특징으로 하는 센서 장치.
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 트랜스미터 요소(4)는 예컨대, 강자성 재료로 형성된 측정면을 구비하고,
   상기 센서(3)에 대한 상기 측정면의 간격은, 상기 샤프트(2)의 각기 다른 회전 위치들이 파악되어야 하는 상기 샤프트(2)의 회전각 영역에 걸쳐 상기 샤프트(2)의 회전 위치 변화에 상응하여 변하는 것을 특징으로 하는 센서 장치.
5. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 트랜스미터 요소(4)는 상기 샤프트(2)의 각기 다른 회전 위치들이 파악되어야 하는 상기 샤프트(2)의 회전각 영역에 걸쳐 상기 센서(3)에 대한 간격이 대체로 일정한 기준면을 구비한 것을 특징으로 하는 센서 장치.
6. 제4항 또는 제5항에 있어서,
   상기 트랜스미터 요소(4)는 두 개의 측정면을 구비하고,
   상기 센서(3)에 대한 상기 측정면들의 간격은, 상기 샤프트(2)의 각기 다른 회전 위치들이 파악되어야 하는 회전각 영역에서, 반대 방향으로 변하는 것을 특징으로 하는 센서 장치.
7. 제4항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 트랜스미터 요소(4)는 두 개의 측정면을 구비하고, 상기 두 개의 측정면들 중 제 1 측정면 혹은 제 2 측정면은, 상기 샤프트(2)의 각기 다른 회전 위치들이 파악되어야 하는 상기 샤프트(2)의 회전각 영역의 제 1 혹은 제 2 부분 영역에서 상기 센서(3)에 대한 간격이 대체로 일정한 것을 특징으로 하는 센서 장치.
8. 제4항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 트랜스미터 요소(4)의 측정면은 수동 변속기의 아이들링 위치에서 센서(3)에 대한 간격이 가장 작은 것을 특징으로 하는 센서 장치.
9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
   수동 변속기의 시프트 샤프트(2)의 분리된 각각의 축방향 위치 혹은 시프트 게이트에 상기 센서(3)의 센서 요소(5)가 할당된 것을 특징으로 하는 센서 장치.
10. 제2항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 센서 장치(1) 또는 상기 센서(3)의 신호 처리 장치는, 예컨대 자신에게 배치된 프로세서를 이용하여 일측으로는 상기 트랜스미터 요소(4)와 상기 센서(3) 간의 간격의 비선형 의존성이 선형화될 수 있고, 타측으로는 특징적인 신호 패턴이 프로그램에 의해 선형화될 수 있도록 구성되는 것을 특징으로 하는 센서 장치.
11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 센서(3)는 유도성 센서 요소들(5)로 구성되고, 이들 유도성 센서 요소들 중 각각 두 개가 반대 방향으로 직렬로 연결된 것을 특징으로 하는 센서 장치.
12. 제11항에 있어서,
    상기 유도성 센서 요소들의 코일 포머는 강자성 재료로 이루어진 코어 상에 권취된 것을 특징으로 하는 센서 장치.
13. 제11항 또는 제12항에 있어서,
    상기 신호 처리 장치에는 알고리즘이 예컨대 준비된 룩업 테이블 형태로 설치되고, 이 알고리즘에 의해 유도성 센서 요소의 인덕턴스의 크기가 상기 샤프트(2)의 회전 위치로 환산될 수 있는 것을 특징으로 하는 센서 장치.
14. 제13항에 있어서,
    상기 신호 처리 장치에 설치되는 알고리즘, 바람직하게는 3차원 룩업 테이블 형태의 알고리즘이 확장되는 것을 특징으로 하는 센서 장치.
15. 제2항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 센서 장치(1) 혹은 상기 센서(3)의 전자 측정 장치 혹은 신호 처리 장치는 예컨대 자신에게 배치된 프로세서를 이용하여 신호들의 분류를 실행할 수 있는 것을 특징으로 하는 센서 장치.
16. 제1항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서,
    임의의 직렬 인터페이스를 통해 축방향 위치 및 회전각이 출력되는 것을 특징으로 하는 센서 장치.
17. 제15항 또는 제16항에 있어서,
    펄스폭 변조(PWM) 인터페이스 또는 임의의 직렬 인터페이스를 통해 분류 결과가 출력되는 것을 특징으로 하는 센서 장치.
18. 제1항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 센서(3) 내부에서는 파악된 센서 신호와 하나 또는 다수의 저장된 목표값 곡선이 프로그램에 의해 비교되고 목표값으로부터 벗어나는 경우 오류 신호가 출력되는 것을 특징으로 하는 센서 장치.
19. 제1항 내지 제18항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 트랜스미터 요소(4)의 윤곽 변화는 회전각에 걸쳐 일정하지 않은 것을 특징으로 하는 센서 장치.

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