일체형 오일 상태 및 레벨 센서

일체형 오일 상태 및 레벨 센서{INTEGRATED OIL CONDITION AND LEVEL SENSOR}

본 발명은 오일 센서에 관한 것이다.

신형 차량은 흔히 더 많은 주행 거리의 차량에 대하여 차량 제조업자가 수리의 책임을 지는 품질 보증을 연장한다. 정기 오일 교환은 흔히 보증 적용 범위를 유지하는 한 조건이다. 적절한 정비를 보장하기 위해, 차량 내에 오일 상태 및 레벨 센서를 내장함으로써, 오일의 상태를 모니터링하고, 오일 교환이 필요한 경우에 운전자에게 경고하며, 오일 교환이 발견되는지 여부를 탐지하게 할 수도 있다.

과거에는 오일 교환 주기가 어림 짐작으로(예컨대, 매 3000마일 마다) 지시되었다. 그러나, 오일 첨가제 및 차량 튜닝에 있어서의 보다 새로운 기술에 의해 교환 사이의 시간 및 거리를 연장할 수 있다. 또한, 오일 상태에 따른 차량 운전의 영향에 대한 보다 나은 이해와 개량된 엔진 컨트롤러 처리 능력(engine controller computing power)은 오일 교환 주기를 맞춤화하거나 오일의 실제 상태에 근거하여 예측하는 것을 가능하게 한다.

솔레노이드 본체, 코일, 전기자(armature) 및 폴 피스(pole piece)를 포함하는 오일 상태 및 레벨 센서가 제공된다. 솔레노이드 본체는 전기자와 폴 피스 사이에 전기자 챔버를 형성한다. 전기자는 코일의 여기(energizing)에 반응하여 전기자 챔버 내에서 이동 가능하다. 오일 상태 감지 시스템에서, 코일은 오일 온도, 오일 점성, 오일 레벨 및 오일 교환 발생 중 적어도 하나를 결정할 수 있는 컨트롤러에 작동 가능하게(operatively) 연결되어 있다. 일 실시예에서, 과충전 오일 레벨 및 과부족 오일 레벨을 포함하여 4가지의 오일 레벨이 검출될 수도 있다. 이 센서는 여러 가지 탐지 기능이 하나의 센서 내에 통합되어 있는 일체형 오일 상태 및 레벨 센서로 불린다. 이 센서는, 엔진, 식품 가공, 고정식 프레스 오일 기어 박스(stationary press oil gear boxes) 및 유체 냉각 시스템에서와 같이, 유체 레벨, 유체 점성 및/또는 유체 온도를 측정할 필요가 있는 많은 상이한 응용예에 사용될 수도 있다.

전기자, 폴 피스 및 솔레노이드 본체는 전기자가 이동함에 따라 전기자 챔버를 통한 유체의 정변위(positive displacement)를 설정하도록 구성된 다수의 오리피스(orifice) 및 챔버를 형성한다. 전기자 챔버 내에서의 전기자의 이동 시간은 오리피스를 관통하는 유체 유동에 대한 저항에 대응한다. 각각의 개별적인 오리피스를 관통하는 "유체 유동"은 공기 또는 오일과 같은 액체이거나, 이들의 조합일 수도 있으며, 오일 레벨에 의존한다.

예를 들면, 전기자는 전기자 챔버와 연통되는 제 1 오리피스를 형성한다. 폴 피스는 전기자 챔버와 연통되는 제 2 오리피스를 형성한다. 오리피스는, 전기자가 이동함에 따라 유체가 오리피스를 통해 전기자 챔버에 유입하여 전기자 챔버로부터 이동하며, 그에 의해 전기자 챔버 내에서의 전기자의 이동이 오리피스를 통과하는 유체 유동에 대한 저항에 의해 영향을 받도록 구성되어 있다. 제 1 및 제 2 오리피스의 크기가 상이한 경우, 전기자 챔버 내에 차압이 생성되며, 이는 전기자의 수직 방향 이동에 따라 오리피스를 통한 전기자 챔버 내로의 및 전기자 챔버로부터의 유체의 변위를 야기한다. 센서는 충만(full) 상태에서 오일 팬(oil pan) 내의 오일에 침지되도록 구성되어 있다. 전기자 챔버 내에서의 전기자의 이동 시간은 챔버 및 오리피스를 통해 유동하는 유체의 점성과 관련되어 있다. 예를 들어, 오일의 레벨이 낮으면, 오일보다는 공기가 전기자 챔버 내로 흡인될 것이다. 오일보다는 공기가 훨씬 더 자유롭게 유동하기 때문에, 평균 전기자 이동 시간(반응 시간이라고도 함)은 오일 레벨이 낮은 경우에 더욱 짧을 것이다. 따라서, 본 명세서에 기술된 챔버 및 오리피스 내에서의 "유체 유동"은 공기 또는 오일일 수도 있다.

폴 피스는 전기자 챔버 내에서의 전기자 운동을 늦추기 위해 실질적으로 원뿔형 프로파일을 가질 수도 있다. 전기자 운동을 늦춤으로써, 전기자의 이동 시간에 대응하여 코일로부터 얻는 전류의 이득이 증가된다. 폴 피스의 원뿔형 프로파일은 전기자가 이동할 때 전기자의 가속도를 제거하여, 속도 곡선에 대한 거의 직선의 점성을 제공하고, 응답 시간 특성을 보다 일관되게 하여 오일의 상태를 더욱 정확하게 감지한다. 전기자의 운동을 더 늦추고 다양한 챔버 내에서의 정변위를 생성하기 위해 체크 밸브, 밀봉 메커니즘 및 바이어싱 메커니즘이 사용될 수도 있다.

본 발명에 대한 상기의 특징 및 장점과 기타의 특징 및 장점은 첨부 도면을 참조하여 하기의 본 발명을 실시하기 위한 최선 모드에 대한 상세한 설명으로부터 명백하게 될 것이다.

도 1은 오일 상태 및 레벨 센서의 제 1 실시예의 개략적인 단면 사시도,

도 2는 제어기가 도 1의 오일 상태 및 레벨 센서에 연결된 오일 팬 내에 장착된 오일 상태 및 레벨 센서를 포함하는 오일 상태 감지 시스템의 개략적인 사시도,

도 3은 오일 상태 및 레벨 센서의 제 2 실시예의 개략적인 단면 사시도,

도 4는 오일 상태 및 레벨 센서의 제 3 실시예의 개략적인 단면 사시도,

도 5는 오일 상태 및 레벨 센서의 제 4 실시예의 개략적인 단면 사시도,

도 6은 유도성 킥(inductive kick) 현상을 도시하는, 도 1 내지 도 5의 오일 상태 및 레벨 센서 중 어느 하나 내의 이동하는 전기자에 있어서 예시적인 전류 소모(current draw) 대 시간의 개략적인 그래프.

유사한 도면부호가 유사한 구성요소를 지시하는 도면을 참조하면, 도 1은 장착용 브래킷(mounting bracket)(12)에 지지된 오일 상태 및 레벨 센서(10)를 도시한다. 도 2에서, 장착용 브래킷(12)은 차량에 관한 엔진 오일 팬과 같은 오일 팬(14)에 고정됨으로써, 본 명세서에서 추가로 기술하는 바와 같이 오일 상태 및 레벨 센서(12)가 오일 팬(14) 내에 위치 설정되어 오일 온도, 오일 점성, 오일 교 환 발생을 포함하는 다수의 오일 상태, 및 다수의 오일 레벨을 탐지할 수 있게 한다. 오일 상태 및 레벨 센서(10)는 차량 트랜스미션 또는 차량 내의 다른 부분과 같이 오일 팬의 내부 또는 외부에 포함될 수도 있는 전자 컨트롤러(16)에 작동 가능하게 연결됨으로써, 오일 상태 감지 시스템(18)을 구성한다.

도 1을 참조하면, 오일 상태 및 레벨 센서(10)가 더욱 상세하게 도시되어 있다. 솔레노이드 본체(20)는 캔이라고도 하는 외측부(outer portion)(22), 베이스부(24), 코일 지지부(26), 연장부(28) 및 캡부(cap portion)(34)를 포함한다. 코일 지지부(26)[보빈(bobbin)이라고도 함]는 코일(30)을 둘러싼다. 외측부(22), 베이스부(24), 코일 지지부(26), 연장부(28) 및 캡부(34)는 주조, 몰딩 또는 다른 처리에 의해 서로 일체형 또는 단일형으로 제조될 수도 있다.

폴 피스(32)는 외측부(22) 내에 압입 끼워 맞춤(press-fit) 또는 다른 방법으로 고정되어 있다. 캡부(34)는 폴 피스(32)의 말단부(distal end)를 둘러싸며, 캡부(34)를 관통하는 오리피스(36)를 갖는다[본 명세서에서 오리피스(36)는 제 6 오리피스 또는 다른 오리피스라 함]. 폴 피스(32), 외측부(22), 코일(30), 자속 콜렉터(flux collector)(41) 및 전기자(40)가 전자석을 형성한다. 코일(30)이 전원(예컨대, 도시되지 않은 배터리)에 의해 여기될 때, 폴 피스(32)와 전기자(40) 사이의 공극(air gap) 내에 자속선이 생성된다.

전기자(40)는 코일 지지부(26) 및 베이스부(24)에 의해 형성되는 원주형 공동(columnar cavity)(37) 내에서 이동 가능하며, 전기자(40)는 코일의 여기에 의해 생성되는 자속에 반응하여 전기자(40)가 이동함에 따라 부피가 변화하는 전기자 챔 버(42)를 전기자(40)와 폴 피스(32) 사이에 부분적으로 형성한다. 자속 콜렉터(41)는 전기자(40)에 인접하여 위치 설정된다. 솔레노이드 본체(20), 전기자(40) 및 폴 피스(32)는, 전기자(40)의 이동 시간을 늦춰서 이동의 끝을 나타내는 시그니쳐 유도성 킥(signature inductive kick)의 이득(시그니쳐 유도성 킥의 발생까지의 시간)을 증가시키도록 설계되는 많은 특징들을 갖는다. 이동 시간을 늦춰서 이득을 증가시킴으로써, 오일 점성, 오일 레벨 또는 오일 교환 발생의 변화의 결과로서 이동 시간의 상대적인 차이가 확대되며[즉, 센서(10)의 민감도가 증가됨], 따라서 오일 상태가 컨트롤러(16)에 의해 보다 정밀하게 진단 및 관측된다.

도 6을 참조하면, 전류 소모 대 시간의 예시적인 선도는 공지의 오일 온도(25℃) 및 오일 충만 레벨(낮은 레벨에서 세팅된 오일 레벨, 0.15초에서의 상대적으로 급격한 유도성 킥을 야기함) 하에서 솔레노이드 전기자(40)가 이동의 끝에 도달함을 표시하는 전류 소모의 증가로 이어지는 뚜렷한 급강하로 도시된 유도성 킥을 갖는 전류 소모 곡선(39)으로 귀착된다. 도 6의 선도는 단지 예시적인 것이며, 전류 소모의 레벨 및 유도성 킥에 대한 시간(즉, 전기자 이동 시간)은 본 명세서에 기술된 바와 같이 바뀔 수도 있다.

로드(rod)(44)가 일 단부에서 피스톤(46)에 고정되거나 또는 고정되어 있지 않을 수도 있다. 대향 단부에서는 본 명세서에서 볼(ball)(48)로 불리는 플러그형 요소(plug-like element)가 전기자(40)에 압입 끼워 맞춤, 용접 또는 다른 방법으로 고정된다. 볼(48)로 언급되었지만, 볼(48) 대신에 구체가 아닌 플러그형 요소가 사용될 수도 있다. 볼(48)은 전기자(40)에 대하여 이동하지 않는다. 센서(10) 의 자속이 전기자(40)를 구동할 때, 피스톤(46)이 폴 피스(32) 내의 폴 피스 챔버(50) 내에서 이동한다. 본 예에서는 스프링(52)인 바이어싱 메커니즘(biasing mechanism)이 전기자(40)를 폴 피스(32)로부터 이격되도록 바이어스한다. 폴 피스(32)는 원뿔형 프로파일(54)을 갖는 내면을 구비하는데, 이는 전기자(40)의 외면의 유사한 원뿔형 프로파일과 경계를 이룬다. 원뿔형 프로파일(54)은 평탄한 폴 피스 프로파일의 경우보다 전기자(40)에 인접한 보다 더 큰 공극에 자속을 분포시킴으로써, 전기자 이동 시간을 늦춘다.

베이스부(24) 내에는 제 2 본체 챔버(56)가 형성되어 있다. 전기자 내의 제 1 오리피스(58)는 전기자(40)의 다른 섹션을 관통하여 연장되는 채널(57)(점선으로 표시됨)을 통해 제 2 챔버(56)와 유체 연통되어 있다. 전기자(40)를 관통하는 채널(60)은 볼 체크 밸브(62)에 의해 선택적으로 개폐된다. 전기자(40) 내의 다른 오리피스(64)(본 명세서에서는 제 4 오리피스라 함)가 고정된 볼(48)과 볼 체크 밸브(62)의 가동성 볼 또는 플러그와의 사이에 있다. 오리피스(64)는 채널(66)을 통해 전기자 챔버(42)와 유체 연통되어 있다. 폴 피스(32) 내의 다른 오리피스(본 명세서에서는 제 2 오리피스라 함)는 전기자 챔버(42) 및 주위의 오일 팬(14)과 유체 연통되어 있다.

전기자(40)가 폴 피스(32)로부터 이격되도록 이동하는 경우, 밸브(62)의 가동성 볼이 채널(60)로부터 이격되도록 이동하는데, 이는 오리피스(58, 64)와 채널(57, 60, 66)을 통해 제 2 본체 챔버(56)로부터 전기자 챔버(42)로의 유동을 허용함으로써, 센서(10)로 하여금 볼 체크 밸브(62)의 폐쇄 없이 발생하는 수동 펌핑 동작(passive pumping action)에 반대되는 정변위 펌프(positive displacement pump)로 작동하게 한다. 또한, 오리피스 간의 크기의 차이가 정변위에 기여한다. 전기자(40)가 폴 피스(32)를 향해 이동하는 경우, 가동성 볼이 채널(60)을 덮어서, 전기자 챔버(42) 내의 유체가 통로(67)를 통해 제 2 오리피스(68)로부터 유출되도록 한다.

연장부(28)는 본 명세서에서 제 1 본체 챔버 또는 하부 챔버라고 하는 챔버(70)를 구비하며, 도 2에 분명히 도시된 바와 같이 오일 팬(14) 내에서 센서(10)의 나머지 부분보다 하부에 위치 설정되어 있다. 베이스부(24)는 본 명세서에서 제 3 오리피스라 하는 오리피스(72)를 구비하는데, 이는 제 2 본체 챔버(56)를 제 1 본체 챔버(70)에 유체 연통시킨다. 전기자(40)는, 본 실시예에서는 탄성중합체 시일(seal)인 밀봉 메커니즘(sealing mechanism)(74)을 구비하는데, 이 밀봉 메커니즘이 제 3 오리피스(72)를 밀봉하여, 전기자(40)가 스프링(52)에 의해 도 1의 가장 낮춰진 위치로 바이어스되는 경우(예컨대, 코일이 여기되지 않은 경우)에 제 1 챔버(70)로부터 제 2 챔버(56)로의 유체 유동을 방지한다. 밀봉 메커니즘(74)은 전기자(40)가 폴 피스(32) 쪽으로 이동하는 경우에는 제 3 오리피스(72)를 덮지 않는다. 제 5 오리피스(78)가 D로 표시된 오일 팬(14) 내의 유체 레벨 바로 위에서 제 2 챔버(56)와 오일 팬(14) 사이의 유체 연통 관계를 설정한다.

아래에서 기술하는 바와 같이, 상술한 다양한 챔버 및 오리피스가 다양한 오일 팬(14) 내의 오일 레벨 뿐만 아니라 오일 점성 및 오일 교환 발생과 같은 다양한 오일 상태를 나타내는 전기자 이동 시간을 설정한다. 또한, 센서는 오일 온도 를 결정하도록 작동할 수 있다.

오일 레벨

센서(10) 전체가 오일 팬(14) 내의 오일에 침지되도록 위치 설정된다. 오일 팬(14) 내의 오일이 도 1 및 도 2 모두에 도시되어 있는 사전 설정된 충만 레벨(A)에 있는 경우, 전기자 이동 시간은 각각의 오리피스(36, 58, 64, 68, 72 및 78)를 통한 유체 이동에 대한 저항의 총합의 함수이며, 전기자에 대한 점성 항력(viscous drag) 및 피스톤 운동도 약간의 영향을 미친다. 오일 레벨이 변함에 따라 이들 저항도 변화할 것이기 때문에, 오일 상태 시스템(18)이 오일 팬(14) 내에서의 오일 레벨을 모니터링 및 기록하여, 순간적인 현재 오일 레벨이 충만 오일 레벨, 과충전 오일 레벨, 쿼트 부족(quart low) 오일 레벨 및 과부족 오일 레벨의 4가지 범위 중 하나 내에 있음을 인식한다. 이러한 정보는 원하는 경우에, 계기 패널 스크린과 같은 디스플레이 모니터를 컨트롤러(16)에 연결시키고 모니터링된 오일 레벨에 대응하여 디스플레이 신호를 모니터에 송신하도록 컨트롤러(16)를 프로그래밍함으로써, 차량 운전자에게 전송될 수 있다.

오일 팬(14) 내의 오일이 도 1 및 도 2에 "과부족" 오일 레벨(D)로 표시된 바와 같이 제 5 오리피스(78) 아래의 임의의 레벨에 있는 경우, 모든 오일은 제 1 전기자 사이클 도중에 챔버(50, 42, 56)로부터 배출되도록 강제된다. 스프링(52)이 전기자(40) 및 피스톤(46)을 바이어스할 때, 오리피스(36, 68, 78)가 오일 레벨 위에 있기 때문에 오일 대신 공기가 챔버(42, 50, 56) 내로 흡인된다. 후속 사이클 중에는 오직 공기만이 대부분의 오리피스를 통해 이동하고 있기 때문에 전기자 이동 시간이 상대적으로 빠르다. 따라서, 컨트롤러(16)는 "과부족" 오일 레벨을 표시하는 그러한 전기자 이동 시간을 인식할 것이고, 이러한 정보를 저장할 것이며, 오일을 충전할 필요가 있음을 차량 운전자에게 알리는 통지를 디스플레이에 전송하도록 프로그래밍될 수도 있다.

오일 팬(14) 내의 오일이 도 1 및 도 2에 "쿼트 부족" 오일 레벨(C)로 표시된 바와 같이 제 2 오리피스(68)의 아래이지만 제 5 오리피스(78)보다 위에 있는 임의의 레벨에 있는 경우, 전기자 챔버(42)는 제 1 전기자 사이클 동안 챔버(42, 50, 56)로부터 오일을 배출시킬 것이다. 스프링(52)이 전기자(40) 및 피스톤(46)을 바이어스할 때, 오리피스(36, 68)이 오일 레벨 위에 있기 때문에 오일 대신 공기가 챔버(42, 50) 내로 흡인된다. 현재 오리피스(78)가 오일 레벨 아래에 있기 때문에, 센서(10)가 여기될 때에 오일을 흡인할 것이다. 후속 사이클 중에는 오직 공기만이 오리피스(36, 68)를 통해 이동하고 있기 때문에 전기자 이동 시간이 과부족 오일 레벨에서의 이동 시간보다 더 느려진다. 따라서, 전기자 이동 시간은 오리피스(36, 58, 64, 68, 72)를 통과하는 유체 유동에 대한 저항의 총합의 함수일 것이다. 따라서, 컨트롤러(16)는 "쿼트 부족" 오일 레벨로 표시되는 그러한 전기자 이동 시간을 인식할 것이다.

오일이 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이 제 2 오리피스(68)보다 높고 제 6 오리피스(36)보다는 낮은 임의의 레벨에 있는 경우, 전기자 챔버(42)와 제 1 및 제 2 본체 챔버(70, 56)는 전기자(40)가 이동함에 따라 항상 오일로 충전될 것이며, 오일은 오리피스(58, 64, 68, 72)를 통하도록 강제될 것이다. 폴 피스 챔버(50)는 공기로 충전될 것이다. 이러한 조합이, 충만 오일 레벨로 표시되는, 컨트롤러(16)에 의해 인식되는 특유의 전기자 이동 시간을 생성할 것이며, 이는 오리피스(36, 58, 64, 68, 72, 78)를 통과하는 유체 유동에 대한 저항의 총합의 함수이다.

오일 팬(14) 내의 오일 레벨이 제 6 오리피스(36) 위의 임의의 레벨에 있는 경우, 오일 팬은 도 1 및 도 2의 과충전 레벨(B)로 표시된 바와 같이 과충전되어 있다. 압력 뿐만 아니라, 폴 피스 챔버(50) 내의 오일에 의해 추가적인 점성 항력 하에서 오리피스(36)를 통하도록 유체를 강제하는 것은 충만 레벨 또는 임의의 보다 낮은 오일 레벨에서의 전기자 이동 시간에 비해 전기자(40)의 속도를 떨어뜨릴 것이다. 전기자 이동 시간은 오리피스(36, 58, 64, 68, 72, 78)를 통과하는 유체 유동에 대한 저항의 총합의 함수일 것이다. 컨트롤러(16)가 과충전 레벨로 표시되는 그러한 전기자 이동 시간을 인식할 것이다.

오일 점성

코일(30)이 여기(energized) 및 비여기(deenergized)될 때, 전기자(40)는 전기자 챔버(42)를 포함하는 공동(37) 내에서 이동한다. 전기자(40)가 폴 피스(32)로부터 이격되도록 이동하는 경우, 전기자 챔버(42) 및 폴 피스 챔버(50) 내의 압력이 감소되어 대기압이 유체(오일 또는 공기)를 제 2 오리피스(68) 및 제 6 오리피스(36)를 통해 각각 폴 피스(32) 내로 압박한다. 또한, 유체는 오리피스(58), 채널(57), 오리피스(64) 및 채널(66)을 통해 본체 챔버(56)로부터 전기자 챔버(42) 내로 흡인된다. 또한, 오일은 챔버(56)로부터 오리피스(72, 78)를 통하도록 압박된다. 전기자(40)가 폴 피스(32) 쪽으로 이동하는 경우, 전기자 챔버(42) 내의 유 체(오일 또는 공기)는 제 2 오리피스(68)로 배출되도록 강제되며, 볼 밸브(62)는 상술한 바와 같이 유체가 오리피스(58)를 통해 전기자 챔버(42)를 빠져나가는 것을 선택적으로 방지한다. 추가적으로, 폴 피스 챔버(50) 내의 유체는 제 6 오리피스(36)를 통하도록 강제된다. 또한, 제 2 본체 챔버(56) 내의 압력이 감소되어 대기압이 제 3 오리피스(72) 및 제 5 오리피스(78)를 통하도록 유체를 강제한다. 모든 다양한 오리피스의 유체 유동에 대한 전체 저항 및 이동하는 부품에 대한 마찰을 합산함으로써, 이는 전기자 이동의 시간을 측정하고 그 후에 알고리즘을 적용함으로써 응답 시간이 유체의 점성을 표시하는 수치에 대응하도록 전기자 이동을 늦춘다.

제 2 오리피스(68)는 제 1 오리피스(58)의 크기보다 크거나, 또는 적어도 채널(67)과 함께 채널(57), 오리피스(58), 오리피스(64) 및 채널(66)보다 더 큰 유압 저항(hydraulic resistance)를 생성하도록 구성되며, 이는 전기자 챔버(42) 내에 차압(pressure differential)을 생성하며 센서(10)로 하여금 펌프로 작동하게 한다. 상술한 바와 같이, 볼 밸브(62)도 펌핑 동작에 기여한다. 오리피스(58, 64, 68) 뿐만 아니라 채널(57, 60, 66, 67)을 통해 유동하는 오일이 전기자(40)를 늦춘다. 보다 높은 오일 점성은 전기자(40)로 하여금 전기자(40)가 순환됨에 따라 더 천천히 이동하게 하며, 이는 전기자 응답 시간을 증가시킨다. 또한, 전기자(40)가 폴 피스(32) 쪽으로 이동함에 따라 제 2 본체 챔버(56)의 부피가 증가하고, 오리피스(72, 78)를 통해 챔버(56) 내로 오일이 흡인되며 그 후에 전기자(40)가 폴 피스(32)로부터 이격되도록 이동할 때 전기자 챔버(42)로 펌핑된다. 제 3 오리피 스(72)는 직경이 제 1 오리피스(58) 및 채널(57)보다 크며, 이는 전기자(40)가 이동함에 따라 차압을 야기한다. 사이클에 있어서 전기자 이동의 끝에서 발생하는 유도성 "킥"은 코일(30)에 접속되어 있는 컨트롤러(16)에 의해 탐지된다. 오일이 두꺼울수록, 유도성 킥이 발생하는데 걸리는 시간은 더 길게 될 것이다. 그리고, 전체 전기자 응답 시간이 오일의 상대적인 점성을 얻도록 컨트롤러(16) 내에 저장된 룩업테이블(lokk-up table)에서 체크된다. 따라서, 오일 점성은 센서(10)를 사용하여 측정될 수 있다[오일이 과부족 레벨에 있는 경우, 즉 레벨(D)와 같이 오일피스(78) 아래에 있는 경우는 제외함].

또한, 센서(10)에 대한 작동 전류를 제어하도록 제어된 엔진 컨트롤러 전압과, 센서(10)의 저항이 측정될 수도 있다. 이는 전류 가변성(current variability)이 전기자 응답 시간에 미치는 임의의 영향을 감소시킨다. 전압을 12V 이하로 제한하는 것은 응답 시간과 점성과의 관계를 보다 더 잘 조절함으로써 센서 민감도를 증가시키도록 전기자(40)를 늦출 수 있다.

오일 교환 발생

오일 상태 및 레벨 센서(10)는 수많은 솔레노이드 사이클에 걸쳐서 센서(10)의 전류 킥(current kick)을 모니터링하는 것이 오일 교환 발생을 표시할 수 있도록 구성된다. 센서(10)가 오프(off)될 때[즉, 코일(30)이 여기되지 않을 때], 탄성중합체 시일(74)이 제 1 본체 챔버 내에 공기를 포획한다. 또한, 체크 밸브, 금속 시일 또는 니들 밸브(needle vlave)와 같은 선택적인 밀봉 구조체가 제 1 본체 챔버(70) 내에 공기를 포획하기 위해 사용될 수도 있다. 제 1 본체 챔버(70)에서 베이스부(24)에 의해 형성된 원뿔형 특징부(82)는 제 1 본체 챔버(70) 내에 배치된 공기를 제 1 본체 챔버(70)로부터 펌핑될 때까지 제 3 오리피스(72)에 인접하여 머물러 있도록 유도한다. 오일 교환 동안, 오일은 오일 팬(14)으로부터 배출되며, 또한 제 1 본체 챔버(70)로부터 배출된다. 오일 팬(14)이 오일로 재충전될 때, 제 1 본체 챔버(70) 내에는 공기가 포획되어 있을 것이다. 따라서, 전기자의 운동 및 제 1 본체 챔버(70) 내에 포획된 공기 방울의 크기와 함께, 부분적으로는 오리피스(58, 64, 72, 78)의 크기로 인한 차압이 제 1 본체 챔버(70)와 뒤이어 제 2 본체 챔버(56) 및 전기자 챔버(42)로부터 공기가 펌핑되기 전의 작동 사이클의 수[원주형 공동(37) 내의 전기자 왕복 운동이 한 사이클임]를 나타낸다. 포획된 공기가 센서(10)를 통해 펌핑되고 있는 경우에는 응답 시간이 변화되며, 포획된 공기가 모두 배출된 때에 안정된다. 공기가 휠씬 더 자유롭게 오리피스 및 채널을 통해 유동하기 때문에, 오일의 점성 항력은 모든 공기가 제 1 본체 챔버(70)로부터 제 2 본체 챔버(56) 및 전기자 챔버(42)를 통해 다시 오일 팬(14) 내로 펌핑된 때에 전기자 이동 시간을 현저하게 늦출 것이다. 컨트롤러(16)는 오일 교환 발생을 표시하는 이러한 패턴의 모니터링된 전기자 이동 시간을 인식하도록 프로그래밍되어 있다.

오일 온도

오일 팬(14) 내의 오일이 도 1 및 도 2 모두에 표시된 사전 결정된 충만 레벨(A)에 있는 경우, 센서(10)는 전체가 오일 팬(14) 내의 오일에 침지되도록 위치 설정되어 있다. 그 결과, 코일(30)의 온도는 오일 온도와 동일한 온도에 도달할 것이다. 오일 온도를 측정하기 위해, 코일 저항을 측정하고, 그 후에 오일의 온도를 결정하도록 컨트롤러 내에 저장된 온도 룩업테이블에 대하여 체크된다. 선택적으로, 센서(10)는 사전 설정된 전압으로 순환될 수도 있다. 전류를 측정함으로써, 코일 저항이 계산될 수 있으며, 이는 온도와 관계된다.

따라서, 오일 감지 시스템(18)의 일부로서의 오일 상태 및 레벨 센서(10)는 오일 레벨 및 오일 교환 발생 뿐만 아니라, 오일 온도 및 오일 점성과 같은 오일 상태도 결정하도록 작동할 수 있다. 오일 상태 및 레벨 센서의 다른 실시예는 유사한 성능을 제공한다. 예를 들어 도 3을 참조하면, 오일 상태 및 레벨 센서(110)는 외측부(122), 단일형 베이스 및 코일 지지체(124) 및 연장부(128)를 구비하는 솔레노이드 본체(120)를 갖는다. 단일형 베이스 및 코일 지지체(124)는 코일(130)을 둘러싼다.

오일 상태 및 레벨 센서(10)와 유사하게, 오일 상태 및 레벨 센서(110)도 오일 팬(14) 내의 오일이 도 1 및 도 2 모두에 표시된 충만 레벨(A)에 있는 경우에 오일 팬(14) 내의 오일에 침지되도록 위치 설정될 수 있다. 그 결과, 코일 온도는 오일 온도와 동일한 온도에 도달할 것이다. 오일 온도를 측정하기 위해, 코일 저항이 측정되고, 그 후에 오일의 온도를 결정하도록 컨트롤러 내에 저장된 온도 룩업테이블에 대하여 체크된다.

오일 상태 및 레벨 센서(110)는 외측부(122) 내에 압입 끼워 맞춤 또는 다른 방법으로 고정되는 폴 피스(132)를 포함한다. 폴 피스(132)의 플러그부(133)는 그를 관통하는 오리피스(168)를 갖는다[본 명세서에서 오리피스(168)는 제 2 오리피 스라 함].

전기자(140)는 베이스 및 코일 지지부(124)에 의해 형성된 원주형 공동(137) 내에서 이동 가능하며, 전기자(140)는 전기자(140)와 폴 피스(132) 사이에 전기자 챔버(142)를 부분적으로 형성하는데, 이 전기자 챔버(142)는 코일(130)의 여기에 의해 생성된 자속에 반응하여 전기자(140)가 이동함에 따라 부피가 변화한다. 전기자(140)에 인접하여 자속 콜렉터(141)가 위치 설정된다.

본 예에서는 스프링(152)인 바이어싱 메커니즘이 전기자(140)를 폴 피스(132)로부터 이격되도록 바이어스한다. 폴 피스(132)는 원뿔형 프로파일(154)을 갖는 내면을 구비하는데, 이는 전기자(140)의 외면의 유사한 원뿔형 프로파일과 경계를 이룬다. 원뿔형 프로파일(154)은 평탄한 폴 피스 프로파일의 경우보다 전기자(140)에 인접한 보다 더 큰 공극에 자속을 분포시킴으로써, 전기자 이동 시간을 늦춘다.

베이스 및 코일 지지부(124) 내에는 제 2 본체 챔버(156)가 형성되어 있다. 전기자(140)의 아암부(arm portion)(143) 내의 제 1 오리피스(158)는 제 2 챔버(156)와 유체 연통된다. 제 3 오리피스(172)는 제 2 본체 챔버(156)와 연장부(128) 내에 형성된 제 1 본체 챔버(170) 사이의 유체 연통을 허용한다. 오리피스(171)는 제 1 본체 챔버(170)와 주위 오일 팬 환경 사이의 유체 연통을 허용한다. 제 1 본체 챔버(170) 내의 공기가 상승하여, 오리피스(172)에 인접한 제 1 본체 챔버(170)의 상부에 유지되어 있다. 전기자(140)가 폴 피스(132)로부터 이격되도록 바이어스되는 경우, 전기자(140)의 아암부(143)에 연결된 탄성중합체 시 일(174)이 제 3 오리피스(172)를 밀봉한다. 제 1 오리피스(158)는 제 2 오리피스(168)보다 직경이 작으며, 차례로 제 2 오리피스(168)는 제 3 오리피스(172)보다 직경이 작다. 코일(130)이 여기될 때, 전기자(140)가 전기자 챔버(142) 내에 포획된 공기를 양 오리피스(158, 168)로부터 배출시키며, 또한 제 2 본체 챔버(156)를 충전하는 오일이 전기자(140)의 이동을 늦춘다. 오일 레벨이 전기자 챔버(142)를 오일로 충전하는 정도인 것으로 가정하면, 오리피스(158, 168)를 통과하는 오일 유동에 대한 저항 및 챔버(142)를 통해 유동하는 오일의 점성 항력은 전기자의 운동에 대한 저항을 제공하며, 이는 전기자의 스트로크 속도를 떨어뜨려서 솔레노이드 전류 소모(solenoid current draw)의 시그니쳐(즉, 곡선)를 변화시킨다. 보다 높은 오일 점성이 전기자(140)로 하여금 더 천천히 이동하게 한다. 전기자 응답 시간은 오일의 상대적인 점성을 얻도록 컨트롤러(16) 내에 저장된 룩업테이블에서 체크된다.

오일 상태 레벨 센서(110)는 충만 오일 레벨 또는 부족 오일 레벨을 표시하는데 사용될 수 있다. 충만 오일 레벨은 오일 팬(14) 내의 오일 레벨이 오리피스(168)보다 더 높은 때의 전류 소모에 의해 표시되며, 전기자 챔버(142)로부터의 오일의 토출을 늦춘다. 부족 오일 레벨은 오일 팬(14) 내의 오일 레벨이 오리피스(168)보다 낮은 때의 전류 소모에 의해 표시되며, 공기가 오리피스(168)를 통해 전기자 챔버(142) 내로 흡인되어 전기자(140)가 보다 적은 저항을 받으면서 이동하게 한다. 오일 상태 및 레벨 센서(110)는 부분적으로는 오리피스(158, 168, 172)의 크기의 차이, 전기자(140)의 이동 및 제 1 본체 챔버(170) 내에 포획된 공기 방 울의 크기로 인한 차압에 의해 오일 교환 발생을 표시할 수 있다. 이들 요인은 모든 공기가 제 1 본체 챔버와 후속되는 제 2 본체 챔버(156) 및 전기 챔버(142)로부터 펌핑될 때까지(즉, 공기 대신에 오일을 펌핑하는 것에 반응하여 전기자 이동 시간이 늦춰져서 안정될 때까지)의 전기자 사이클의 수를 표시한다.

도 4를 참조하면, 원뿔 형상부(274)를 갖는 말단부를 구비하는 아암부(243)를 포함하도록 전기자(240)를 구성함으로써 센서(110)의 탄성중합체 시일(174)을 대체하는 점을 제외하고 모든 외관 및 기능에 있어서 솔레노이드 센서(110)와 유사한 솔레노이드 센서(240)가 도시되어 있다. 원뿔 형상부(274)는 오리피스(172)와 동일한 역할을 하는 오리피스(272)를 폐쇄함으로써 밀봉 메커니즘으로 작동한다. 유사한 구성요소는 솔레노이드 센서(110)에 관하여 동일한 도면부호를 사용하여 언급된다.

도 5를 참조하면, 솔레노이드 본체(320)의 플러그부(329)[솔레노이드 본체(320)는 외측부(322), 단일형 코일 지지체 및 베이스부(324), 연장부(328) 및 챔버 밀봉부(331)도 포함함] 내에 형성된 오리피스(372) 사이에 밀봉 메커니즘이 존재하지 않는 점을 제외하고 도 3의 솔레노이드 센서(110)와 기능이 유사한 솔레노이드 센서(310)가 도시되어 있다.

오일 상태 및 레벨 센서(310)는 외측부(322) 내에 압입 끼워 맞춤 또는 다른 방법으로 고정되어 있는 폴 피스(332)를 포함한다. 폴 피스(332)의 플러그부(333)는 그를 관통하는 오리피스(368)를 갖는다[본 명세서에서 오리피스(368)는 제 2 오리피스라 함].

전기자(340)는 베이스 및 코일 지지부(324)에 의해 형성된 원주형 공동(337) 내에서 이동 가능하며, 전기자(340)는 전기자(340)와 폴 피스(332) 사이에 전기자 챔버(342)[공동(337)의 일부임]를 부분적으로 형성하는데, 이 전기자 챔버(342)는 코일(330)이 여기될 때 생성된 자속에 반응하여 전기자(340)가 이동함에 따라 부피가 변화한다. 자속 콜렉터(341)는 전기자(340)에 인접하여 위치 설정된다.

본 예에서는 스프링(352)인 바이어싱 메커니즘이 전기자(340)를 폴 피스(332)로부터 이격되도록 바이어스한다. 폴 피스(332)는 원뿔형 프로파일(354)을 갖는 내면을 구비하는데, 이는 전기자(340)의 외면의 유사한 원뿔형 프로파일과 경계를 이룬다. 원뿔형 프로파일(354)은 평탄한 폴 피스 프로파일의 경우보다 전기자(340)에 인접한 보다 더 큰 공극에 자속을 분포시킴으로써, 전기자 이동 시간을 늦춘다.

베이스 및 코일 지지부(324) 내에는 제 2 본체 챔버(356)가 형성되어 있다. 전기자(340)의 플러그부(343) 내의 제 1 오리피스(158)는 제 2 본체 챔버(356)와 유체 연통된다. 제 3 오리피스(372)는 제 2 본체 챔버(356)와 연장부(328) 내에 형성된 제 1 본체 챔버(370) 사이의 유체 연통을 허용한다. 센서(110)에서와 같이 오리피스(372) 위에 시일이 배치되어 있지 않지만, 제 3 오리피스(372)는 제 1 오리피스(358)보다 직경이 크며, 전기자(340)가 왕복 운동함에 따라 챔버(356) 내에서의 수동 펌핑 동작을 생성한다. 따라서, 전기자 이동 시간은 오리피스(356, 358)를 통한 챔버(340) 내로의 및 챔버(340)로부터의 오일의 펌핑에 의해서 뿐만 아니라, 오리피스(372)를 통한 오일의 유동에 의해서도 영향을 받는다. 센서(310) 는 센서(110)에 대하여 기술한 바와 같은 방식으로 오일 온도, 오일 점성, 오일 충만 레벨 및 오일 부적 레벨을 결정하는데 사용될 수 있다.

2개의 오리피스 설계로 언급되는 로우 콘탠트 오일 상태 및 레벨 센서(a low content oil condition and level sensor)(도시되지 않음)는 오일 상태 및 레벨 센서(310)와 유사하지만 본체 챔버(356), 플러그부(329) 및 제 3 오리피스(372)를 구비하지 않도록 구성될 수도 있다. 따라서, 제 1 오리피스(358)는 하단 본체부(370)와 직접 유체 연통되어 있을 것이다. 이러한 오일 상태 및 레벨 센서는 오일 상태 및 레벨 센서(310)와 유사하게 기능할 것이지만, 제 3 오리피스(372)를 구비한 경우만큼 전기자 이동 시간을 늦추지는 않을 것이며, 이에 의해 보다 적은 전류 소모의 이득을 제공한다.

오일 공기 혼입 및 오일 펌프 기능

상술한 오일 상태 표시와 더불어, 센서(10, 110, 310)는 오일 내의 공기 혼입(aeration)의 레벨을 검출하는데 사용될 수 있다. 보다 많은 공기 혼입을 한 오일은 점성이 더 낮고, 보다 용이하게 오리피스를 통과하도록 강제할 수 있으며, 더 낮은 전기자에 대한 항력을 생성할 것이다. 이는 오일 팬 내의 주어진 오일 레벨에서의 보다 빠른 전기자 이동 시간으로 귀결될 것이다. 컨트롤러는 전기자 이동 시간에 있어서의 그러한 차이를 오일 공기 혼입 레벨과 연관시키도록 프로그래밍될 수 있다.

또한, 센서(10, 110, 210, 310)는 시동시에 엔진 내로 펌핑되는 오일의 부피를 결정하도록 차량에 사용될 수 있다. 오일 팬 내의 오일의 하강(draw down)은 엔진 시동시의 냉각 및 윤활을 위해 엔진이 오일을 흡인할 때 발생된다. 하강의 양은 오일 팬 내의 오일 레벨에 있어서의 차이를 생성할 것이며, 이는 상술한 바와 같이 전기자 이동 시간의 차이에 의해 검출될 수도 있다. 다양한 오일 레벨을 보다 주의깊게 관측 및 식별하기 위해서 추가 오리피스 및 챔버가 오일 상태 및 레벨 센서 내에 부가될 수도 있다. 컨트롤러 내의 데이터로서 저장된 예기된 하강의 양과, 컨트롤러에 의해 예기된 하강값과 비교되는 검출된 하강값 사이의 불일치는 엔진 오일 펌프의 비정상적인 작동을 표시할 수도 있다.

본 발명을 실시하기 위한 최적의 모드가 기술되어 있지만, 본 발명이 속하는 기술 분야에 익숙한 사람들은 첨부된 특허청구범위의 범위 내에서 본 발명을 실시하기 위한 다양한 선택적인 설계 및 실시예를 인식할 것이다.