KR20100113537A

KR20100113537A - 리니어 센서

Info

Publication number: KR20100113537A
Application number: KR1020107016786A
Authority: KR
Inventors: 랄프 크리스트만; 슈테판 레오폴트; 아르노 마토; 볼프강 쉴레; 클라우스 위르겐 와그너
Original assignee: 보그와르너 베루 시스템스 게엠바흐; 보그워너 인크.
Priority date: 2008-01-08
Filing date: 2008-12-16
Publication date: 2010-10-21
Anticipated expiration: 2028-12-16
Also published as: KR101599983B1; WO2009086889A3; DE112008003283B4; US8629675B2; CN101965497A; DE112008003283A5; US20100308807A1; JP2011508893A; JP5607541B2; WO2009086889A2

Abstract

본 발명은 리니어 센서에 관한 것이다. 리니어 센서는 슬리브 또는 케이싱(5), 영구자석(1)을 포함하고 또한 상기 슬리브(5) 내에서 스프링(6)의 힘에 대항하여 선형적으로 변위될 수 있도록 지지되어 있는 핀(7), 및 상기 영구자석(1)의 변위를 검출하기 위하여 상기 슬리브(5)에 부착되어 있는 자기장 센서(3)를 포함한다. 본 발명에 의하여, 핀(7)이 제1원통 가이드(8) 및 제2원통 가이드(8)에 의하여 안내되는 구조가 제공된다.

Description

리니어 센서{Linear Sensor}

본 발명은, 슬리브와, 영구자석을 포함하고 슬리브 내에서 스프링의 힘에 대항하여 선형적으로 변위될 수 있도록 지지되어 있는 핀과, 및 영구자석의 변위를 검출하기 위하여 슬리브에 부착되어 있는 자기장 센서로 구성된, 리니어 센서에 관한 것이다.

상기와 같은 리니어 센서는 자동차 기술에서 사용되는데, 예를 들어, 브레이크 부스터를 제어함에 있어서, 이 제어 동작은 브레이크 페달의 이동거리의 함수로서 수행된다. 페달 이동거리가 증가함에 따라, 제어 부재에 가해지는 브레이크 압력이 증가하게 되며, 그 이동거리는 리니어 센서를 사용하여 결정될 수 있다. 다른 예는 배출 가스 터보차져를 위한 부스트-압력 제어기이다. 이러한 응용예에서, 일반적으로 리니어 센서의 핀은 이동가능한 측정 대상, 예컨대 제어 부재와 같은 대상에 접촉하도록 스프링의 힘에 의하여 가압됨으로써, 핀은 항상 측정 대상에 접촉하는 상태를 유지하며 측정 대상의 움직임을 따르게 된다.

DE 196 24 233 C1에 리니어 센서가 개시되어 있는데, 여기서 입방체 영구자석이 하우징 상에 정적 상태로 배치된 자기장 센서에 상대적으로 변위된다. 그런데, 이 종래 리니어 센서는 자동차 기술에 응용하기에는 적당하지 않은데, 그 이유는 이 종래 리니어 센서는 엔진 동작에 기인하여 발생할 수 있는 진동에 대해 민감하고, 마모되기 쉬우며, 제조 비용이 높고 또한 빈번한 조정이 필요하기 때문이다.

그러므로, 본 발명의 목적은, 자동차 기술에 적절하며, 비용-효율적으로 제조가능하며, 또한 구동 동작 중에 진동이 발생된다고 하더라도, 정확한 측정이 가능한 리니어 센서(linear sensor)를 제조하는 기술을 제공하려는 것이다.

이러한 목적은 청구항 1에 기재된 특징을 가지는 리니어 센서에 의하여 해결된다. 본 발명의 유리한 실시예들은 종속항들의 주제이다.

본 발명에 따른 리니어 센서에 있어서, 핀의 정밀도 높은 가이드 동작이 매우 단순한 방식으로 달성되는데, 바람직하게는 슬리브의 협착 부분이 제1 가이드를 형성하고, 이는 핀의 두꺼운 부분에 의하여 형성되는 제2 가이드에 의하여 보완된다. 그렇지만, 제1 및 제2 가이드 각각을 슬리브의 협착부분에 의하여 설계하는 것도 역시 가능하다.

측정 오차를 발생시키는 핀의 횡방향 움직임은 본 발명에 따른 리니어 센서에서는 대부분 제거될 수 있다. 따라서 본 발명에 따른 리니어 센서를 사용하는 경우에는, 엔진의 동작에 의하여 유발되는 것과 같은 진동이 발생하는 경우에조차 측정 대상의 위치가 정밀하게 결정될 수 있다.

바람직하게는, 핀과 슬리브가 두 개의 가이드에 의해서만 서로 접촉하기 때문에, 작은 크기의 마찰면이 생긴다는 장점이 있다. 작은 크기의 마찰면은 낮은 마찰력을 생성하며, 따라서 저-마모(low-wear) 동작을 가능하게 하며 상당히 오랜-기간의 안정성이 가능하게 한다.

협착 부분은 슬리브의 일 단부에 위치하는 것이 바람직하며, 특히 핀이 돌출하는 측의 슬리브 단부에 위치하는 것이 바람직하다. 이러한 조치는 슬리브의 협착부분과 핀의 두꺼운 부분에 의하여 이루어지는 2-포인트 가이드 동작이 가능한 한 가장 긴 거리에 걸쳐서 따라서 가능한 한 가장 높은 정밀도를 가지고 이루어질 수 있다는 장점을 가진다. 같은 이유로 두꺼운 부분도 핀의 일 단부에 위치하는 것이 바람직하다.

자기장 센서는 슬리브의 협착 부분을 형성하는 섹션에 부착되는 것이 바람직하다. 이런 조치는, 핀의 이동 방향에 대해 수직으로 측정된, 자기장 센서와 핀 사이의 거리가, 엔진-관련 진동이 발생하는 경우에조차, 일정하게 유지되고, 따라서 항상 높은 정밀도를 가지고 측정될 수 있다는 장점을 가진다.

핀은 원형 단면을 가지는 것이 바람직한데, 이는 제조를 간단하게 하며 마찰을 낮추는 하는 장점이 있다. 이것은 만약 핀이 슬리브 내에서 그 길이방향 축 주위로 회전할 수 있는 경우에 특히 바람직하다. 차량의 동작 중에, 측정 대상의 진동이나 움직임은 핀에 인가되는 토크를 유발시킬 수 있다. 핀이 회전가능하기 때문에, 이러한 토크는 핀의 가이드 동작에 대하여 스트레스를 인가하지 않으면서도 완화될 수 있다.

본 발명의 한가지 유리한 제한 조건에 따라, 핀 또는 슬리브는 흑연입자-함유 플라스틱으로 만들어진다. 이런 방식으로, 동작시 불가피하게 발생하는 긁힘(abrasion)에 의하여 흑연입자가 방출됨으로써 윤활제가 계속적으로 공급되는 것이 보장된다. 오랜 시간 동안의 동작 이후에 조차, 이런 방식으로 낮은 마찰력이 항상 보장되며, 따라서 이렇게 설계된 리니어 센서는 매우 긴 기간 동안에 걸쳐 안정적으로 동작될 수 있다. 핀이 흑연입자-함유 플라스틱으로 제조되고 한편 슬리브는 흑연입자-없는 플라스틱으로 제조되는 것이 특히 바람직하다.

본 발명의 또 다른 유리한 제한 조건에 따라, 슬리브와 핀은, 선택적으로 흑연입자를 추가적으로 함유시키는 것과는 별도로, 동일한 플라스틱으로 제조된다. 이런 방식에 의해, 슬리브와 핀 사이의 열팽창계수가 일치하고, 결과적으로 매우 넓은 온도 범위에 걸쳐 일정하게 정밀한 가이드 동작이 이루어질 수 있다. 열경화수지 재질은 슬리브 및 핀을 위한 바람직한 재질이다.

본 발명의 또 다른 유리한 제한 조건에 따라, 핀은 슬리브로부터 돌출되는 단부가 라운드 오프(round off)된다. 이런 조치는, 핀이 측정 대상을 가압할 때 측정 대상이 기울어지게 될 위험, 그리하여 측정 정밀도가 저감될 수 있는 위험이 감소되는 장점을 가진다.

슬리브에서부터 돌출되는 단부에서, 핀은 하나의 선단면(face)을 가지는데, 이 선단면은 슬리브의 협착 부분의 내경의 20% 내지 60%의 직경을 가진다. 핀의 직경보다 감소된 직경을 가지는 선단면은 측정 대상이 기울어지는 경우에 횡방향 힘의 전달을 감소시킨다. 그 결과 슬리브 내에서의 핀의 가이드 동작은 더 낮은 스트레스를 받게 되고, 측정 정밀도가 저감되는 횡방향 움직임이 더욱 용이하게 방지될 수 있다. 슬리브 내에서 지지되는 원통형 핀 섹션의 직경의 20% 내지 60%인 직경을 가지는 선단면은, 저-마모 동작에 적당한 정도로 측정 대상에 접촉하고 있는 접촉면의 면적 부하를 제한하기에도 또한 충분히 크다.

본 발명의 추가적인 세부사항들과 장점들은 첨부된 도면을 참조하여 예시적인 실시예를 통하여 설명될 것이다. 위에 기술된 특징들은 개별적으로 또는 서로 조합하여 청구범위의 주제가 될 수 있다.

도 1은 리니어 센서의 일 실시예를 보여주는 길이 방향으로 자른 단면도.

도 1은, 슬리브(5)를 포함하는 리니어 센서를 도시하며, 슬리브(5) 내부에는 원통형 핀(7)이 스프링(6)의 힘에 대항하여 선형적으로 변위될 수 있도록 지지되어 있다. 핀(7)은 영구자석(1)을 포함한다. 영구자석(1)은 바람직하게는 막대 자석이다. 그리고 핀(7)은 슬리브(5)로부터 돌출되는 단부(4)에 의하여 측정 대상(2)에 접촉하고 있다. 만약 슬리브(5)로부터 측정 대상(2)까지의 거리가 증가하면, 핀(7)은 스프링(6)에 의하여 슬리브(5) 바깥쪽으로 더 밀리게 된다. 측정 대상(2)이 슬리브(5) 쪽으로 접근하게 되면, 핀(7)은 스프링(6)의 힘에 대항하여 슬리브(5) 내부로 더 밀려 들어간다.

자기장 센서(3)는, 바람직하게 홀센서(Hall sensor)인데, 슬리브(5)에 부착되어 있다. 내부에 영구자석(1)이 배치되어 있는 핀(7)의 변위는 자기장 센서(3)의 위치에서 자기장의 변화를 가져온다. 이러한 변화를 측량함으로써, 영구자석(1)의 위치 및 그에 따른 측정 대상(2)의 위치가 결정될 수 있다.

핀(7)은 2개의 가이드 면(8)에서 슬리브(5)와 접촉하게 된다. 제1 가이드 면(8)은 슬리브(5)의 협착 부분(constriction)에 의하여 형성되는데, 이는 바람직하게 핀(7)이 슬리브(5)로부터 돌출되는 슬리브(5)의 단부(4)에 위치된다. 제2 가이드 면(8)은 핀(7)의 두꺼운 부분에 의하여 형성되는데, 이는 바람직하게 측정 대상(2)으로부터 멀리 향하는 핀(7)의 단부에 위치된다. 이런 방식으로, 슬리브(5)의 협착 부분은 제1 가이드를 형성하고, 이는 핀(7)의 두꺼운 부분에 의하여 형성되는 제2 가이드에 의하여 보완된다. 이런 방식으로 매우 정밀하고 마찰이 낮은 가이드 동작이 달성된다.

핀(7)과 슬리브(5)는 가이드 면들(8)의 영역에서 2-차원적으로 서로와 접촉하게 되는데, 이는 축방향 및 반경방향 가이드 동작의 정밀도를 더욱 증가시킨다. 이런 목적으로, 협착 부분은 슬리브(5)의 내경이 감소된 일 섹션으로서 설계되며, 핀의 두꺼운 부분은 원통형이고, 이에 따라 가이드 면들(8)은 각각의 경우 원통면이 된다. 협착 부분을 형성하는 슬리브(5)의 섹션에 자기장 센서(3)를 부착시키는 것이 유리한데, 왜냐하면 여기서 핀(7)의 움직임 방향에 대해 수직한 자기장 센서(3)로부터 핀(7)까지의 거리가, 진동이 발생하는 경우에조차, 가장 높은 정밀도를 가지고 일정하게 유지되기 때문이다.

스프링(6)은 핀(7)의 일 단부 상에 작용하며, 이 일 단부는 두꺼운 부분을 가지는 측이다. 예시된 실시예에서, 두꺼운 부분은 슬리브와 유사한 형태의 연장부를 가지며, 그 내부에 나선형으로 감긴 스프링(6)이 들어가 돌출되어 있다. 이 나선형으로 감긴 스프링(6)은 어떤 받침대 상에서 지지되어 있는데, 이 받침대는 도시되어 있지 않지만 슬리브(5)의 바깥쪽에 배치되는 것이 바람직하다. 그러나 이 받침대는 원칙적으로 슬리브(5)에 의하여 직접 형성되는 것도 또한 가능하다.

슬리브(5)로부터 돌출하는 단부(4)에서, 핀(7)은 라운드 오프되고 평평한 선단면을 가지는데, 그 선단면의 직경은 예시된 실시예에서 슬리브(5)의 협착 부분에서의 슬리브(5) 내경의 50% 이다. 이런 기하학적 설계에 기인하여, 낮은 면 부하를 위하여 충분히 넓은 접촉면이 달성될 뿐만 아니라, 또한 저-마모 동작도 달성된다. 이에 더하여, 감소된 지지면은 마찰을 최소화시키고, 또한 측정 대상(2)의 잠재적인 기울어짐 동안에 횡방향 힘이 전달되는 것이 방지된다. 전체적으로, 이 선단면은 협착 부분에서 슬리브(5)의 내경의 약 20 내지 60%의 직경을 가지는 것이 바람직하다.

핀(7)은 열경화성 수지 재질을 사용하여 영구자석(1)을 인서트 몰딩(insert molding)하여 제조된다. 슬리브(5)도 역시 열경화성 수지 재질로 제조되는데, 바람직하게는 동일한 열경화성 수지 재질로 만들어진다. 이런 방식으로, 핀(7)과 슬리브(5)는 유사한 열팽창계수를 가지며, 이에 의하여 넓은 온도 범위에서 가이드 면들(8)의 영역 내에서의 걸림(jamming) 및 오차 간격(clearance)이 방지된다. 따라서 예시된 리니어 센서는 특히 자동차의 엔진 컴파트먼트 내에 설치될 수 있고 성능저하없이 동작 동안에 170℃까지 가열될 수 있다.

슬라이딩 성질을 향상시키기 위하여, 핀(7)을 위하여 흑연입자가 첨가된 열경화성 수지 재질을 사용하는 것이 바람직하다. 첨가된 흑연입자는 열경화성 수지 재질의 경도(hardness)를 감소시킨다. 이런 방식으로, 동작시 불가피하게 긁힘(abrasion)이 특히 배타적으로 핀(7)에서만 발생하게 될 것이다. 긁힘은 흑연 필러를 포함하며, 긁힌 먼지는 가이드 면들(8)에 대해 윤활제로서 작용한다. 이러한 장점은 또한, 핀(7) 대신에 또는 핀(7)에 추가하여, 슬리브(5)가 흑연입자-함유 플라스틱으로 제조되는 방식으로 이용될 수 있다.

그러나 핀(7)의 열경화성 수지 재질이 흑연입자를 함유하는 것이 특히 유리하다. 선단면(4)에서 발생하는 긁힘은 이후 마찰을 감소시키며 이에 따라 횡방향 힘을 낮추는데, 이는 측정 대상(2)이 기울어진 동안에 진행될 수 있다. 원칙적으로, 슬리브(5)와 핀(7) 둘 모두에 흑연입자-함유 플라스틱을 사용하는 것도 역시 가능하다. 그러나 긁힘이 증가하기 때문에 이것은 바람직하지 않다.

1 : 영구자석
2 : 측정 대상
3 : 자기장 센서
4 : 단부
5 : 슬리브
6 : 스프링
7 : 핀
8 : 가이드 면

Claims

슬리브(5),
영구자석(1)을 포함하고 또한 상기 슬리브(5) 내에서 스프링(6)의 힘에 대항하여 선형적으로 변위될 수 있도록 지지되어 있는 핀(7), 및
상기 영구자석(1)의 변위를 검출하기 위하여 상기 슬리브(5)에 부착되어 있는 자기장 센서(3)
로 구성되는 리니어 센서에 있어서,
상기 핀(7)은 제1원통 가이드(8) 및 제2원통 가이드(8)에 의하여 안내되는 것을 특징으로 하는, 리니어 센서.
청구항 1에 있어서, 상기 핀(7)의 상기 제1 가이드(8)는 상기 슬리브(5)의 협착 부분에 의하여 형성되며, 상기 제1 가이드(8) 상에서 상기 핀(7)이 상기 슬리브(5)와 접촉하게 되고, 또한
상기 제2 가이드(8)는 상기 핀(7)의 두꺼운 부분에 의하여 형성되며, 상기 제2 가이드(8)는 상기 슬리브(5)와 접촉되는 것을 특징으로 하는 리니어 센서.
청구항 2에 있어서, 상기 협착 부분은 상기 슬리브(5)의 일 단부(4)에 위치하는 것을 특징으로 하는 리니어 센서.
청구항 2 또는 청구항 3에 있어서, 상기 협착 부분은 감소된 내경을 가지는 슬리브 섹션으로서 설계되는 것을 특징으로 하는 리니어 센서.
청구항 2 또는 청구항 3에 있어서, 상기 협착 부분은 상기 핀(7)의 단부에 위치하는 것을 특징으로 하는 리니어 센서.
청구항 2 내지 청구항 5 중 어느 한 항에 있어서, 상기 두꺼운 부분은 상기 스프링(6)이 그 내부로 들어가는 슬리브 형태의 연장부를 구비하는 것을 특징으로 하는 리니어 센서.
청구항 6에 있어서, 상기 스프링(6)은 상기 핀(7)의 일 단부(4)에 대해 힘을 가하는 것을 특징으로 하는 리니어 센서.
청구항 1 내지 청구항 7 중 어느 한 항에 있어서, 상기 핀(7) 및/또는 상기 슬리브(5)는 흑연입자-함유 플라스틱으로 만들어진 것을 특징으로 하는 리니어 센서.
청구항 1 내지 청구항 8 중 어느 한 항에 있어서, 상기 핀(7)은 흑연입자-함유 플라스틱으로 만들어진 것을 특징으로 하는 리니어 센서.
청구항 1 내지 청구항 9 중 어느 한 항에 있어서, 상기 슬리브(5)는 열경화성 수지 재질로 만들어진 것을 특징으로 하는 리니어 센서.
청구항 1 내지 청구항 10 중 어느 한 항에 있어서, 상기 핀(5)은 열경화성 수지 재질로 만들어진 것을 특징으로 하는 리니어 센서.
청구항 11에 있어서, 상기 슬리브(5) 및 상기 핀(7)은, 잠재적으로 흑연입자가 추가된 것과는 별도로, 동일한 열경화성 수지 재질로 만들어진 것을 특징으로 하는 리니어 센서.
청구항 1 내지 청구항 12 중 어느 한 항에 있어서, 상기 핀(7)은 상기 영구자석(1)을 인서트 몰딩(insert molding)하여 제조된 것을 특징으로 하는 리니어 센서.
청구항 1 내지 청구항 13 중 어느 한 항에 있어서, 상기 핀(7)은 원형의 단면을 가지는 것을 특징으로 하는 리니어 센서.
청구항 1 내지 청구항 14 중 어느 한 항에 있어서, 상기 핀(7)은 상기 슬리브(5)로부터 돌출되는 단부(4)가 라운드 오프(round off)된 것을 특징으로 하는 리니어 센서.
청구항 1 내지 청구항 15 중 어느 한 항에 있어서, 상기 슬리브(5)로부터 돌출되는 단부(4)에서, 상기 핀(7)은 상기 슬리브(5)의 상기 협착 부분 내경의 20% 내지 60%인 직경을 가지는 선단면을 구비하는 것을 특징으로 하는 리니어 센서.
청구항 1 내지 청구항 16 중 어느 한 항에 있어서, 상기 자기장 센서(3)는 상기 슬리브(5)의 상기 협착 부분을 형성하는 섹션에 부착되는 것을 특징으로 하는 리니어 센서.
청구항 1 내지 청구항 17 중 어느 한 항에 있어서, 상기 핀(7)은 상기 슬리브(5) 내에서 회전할 수 있는 것을 특징으로 하는 리니어 센서.
청구항 8 내지 청구항 18 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 가이드(8) 및 상기 제2 가이드(8)는 각각 상기 슬리브(5)의 협착 부분에 의하여 형성되는 것을 특징으로 하는 리니어 센서.