자동차의 계기장치

저자 소개
김민복 교수는 현대전자(주) 자동차 전장품 생산기술 과장을 거쳐 현대자동차 자동차 품질조사 고객지원 팀장을 역임했다. 그후 현대자동차 정비기술지원 하이테크팀에서 근무했으며, 현재 신흥대학교 자동차과 겸임 교수 겸 e-자동차 전기 연구원으로 활동하고 있다. 주요 저서로는 ‘최신 자동차 전기, 전자 제어 엔진’ 외 다수가 있다.
 

연재순서 1. 자동차의 전장품 분류  2. 시동장치 3. 충전장치  4. 점화장치 5. 등화장치  6. 계기장치 7. 자동차용 전선, 커넥터  8. 전자 제어 엔진(1) 9. 전자 제어 엔진(2)  10. 전자 제어 섀시(1) 11. 전자 제어 섀시(2)  12. 전자 제어 전기

계기장치의 구분

자동차 계기장치는 운행에 필요한 여러 가지 정보와 시스템의  작동 상태를 운행 중 운전자가 알 수 있도록 지시 및 경고해 주는 일종의 종합 상황장치다. 이 계기장치를 기능적 요소로 구분하면 시스템의 이상 유무와 안전 상태를 알려주는 경고장치, 주행에 필요한 정보를 제공해 주는 지시장치로 구분할 수 있다.

경고장치에는 주요 장치의 이상 유무를 알려주는 경고 표시등과 그 구성 장치, 안전 운행에 필요한 정보를 알려주는 안전 운행 경고 표시등이 있다. 이들 경고장치들은  파일럿 램프에 의한 시인성 인식, 차임벨(chime bell)이나 음성경고(voice alert) 등 청인성 기능을 적용해 운전자의 빠른 인식을 돕는다.

주행에 필요한 정보를 지시하는 지시장치에는 일반적으로 차량의 속도를 지시하는 속도계, 엔진 회전수를 지시하는 타코미터(tachometer), 엔진 냉각수 온도를 나타내는 수온계, 연료 잔량을 나타내는 연료 미터, 엔진 오일 압력을 나타내는 오일 압력 게이지, 배터리 전압을 지시하는 전압계, 배터리의 충방전 전류를 나타내는 전류계, 특정 장치의 온도를 나타내는 온도계, 특정 장치의 회전수나 회전력을 나타내는 회전계, 토크계, 차량의 주행 방위를 나타내는 방위계 등이 있다.

지시장치에 사용되는 미터의 종류에는 미터의 지침 구동 방식에 따라 표 1과 같이 바이메탈식 미터와 전자식 미터, 전자제어식 미터가 있다.
바이메탈식 미터는 이종 간 금속의 열팽창 계수를 이용한 구동원리를 가지고 있어 구조가 간단해 제조 부문에서 장점을 가지고 있다. 그러나 바이메탈식 미터는 지침의 지시각이 작고 소모 전류량이 커 적용이 제한적이다. 따라서 현재의 차량용 계기장치는 전자식 미터와 전자제어식 미터가 주종을 이루고 있다.

미터의 종류와 비교

계기장치는 지침의 지시방식에 따라 아날로그 계기장치와 디지털 계기장치로 구분한다. 아날로그 계기장치는 지침 지시가 연속성을 가지고 있어 시인성이 우수한 반면, 디지털 계기장치는 주로 바 그래픽(bar graphic)이나 숫자로 표시하고 있어 시인성이 떨어진다. 디지털 계기장치의 표시장치는 형광 표시장치를 이용한 VFD(Vacuum Fluorescent Display)나 액정을 이용한 LCD를 이용하고 있어 경제성이 떨어진다. 하나의 디스플레이 dot나 세그먼트의 결함만으로도 클러스터 모듈을 교환해야 하는 단점도 있다.

이런 이유로 전자제어식 계기장치라도 디지털식보다 시인성이 높은 아날로그 장치의 장점을 살린 아날로그식 클러스터가 주로 쓰인다. 아날로그 계기장치에 적용되고 있는 미터 종류로는 바이메탈식, 가동 코일식, 가동철편식, 교차 코일식, 스텝모터식 등이 있다. 이들 미터 중 바이메탈식은 경제성과 충격, 진동 등에서 우수하나 지시각도가 작고 흐르는 전류량에 비례해 지시 지침을 구동하는 방식이어서 주로 연료계나 온도계 등에 제한적으로 쓰인다. 가동 코일식이나 가동철편식은 영구자석과 가동 코일의 자계를 이용하는 방식으로 비교적 정확성이 우수하지만 충격, 진동에 약한 단점이 있다. 이에 비해 교차 코일 방식은 비교적 구조가 간단하고 지시각이 넓다. 또 충격, 진동에도 강해 현재 전자식 계기의 주종을 이루고 있다.

최근에는 자동차의 전장화에 따라 전자제어식 계기가 점차 증가하고 있어 이에 따른 마이컴 제어가 유용한 스텝모터 방식 미터가 적용되고 있다. 이 스텝모터식은 정확성, 지시각도, 시인성이 우수하며 시스템과의 통신제어 등 여러 가지 장점을 가지고 있어 보급이 확대되고 있다. 
  
계기장치 구조와 원리  

계기장치 구성은 특정 장치의 계량치를 검출하는 검출부와 계량치를 지시값으로 표시하는 미터부, 미터부를 구동하기 위해 계량치를 지시값으로 변환하는 변환부(회로부)로 구성된다.
계량치를 표시할 표시장치에는 미터부와 변환부, 그리고 시인성을 향상하기 위한 조명장치(back light)가 있다. 표시장치 전면부 구조는 사진 5, 사진 6과 같이 계기를 보호하기 위한 렌즈, 렌즈를 고정하는 패널 링, 표시값을 투영하기 위한 마스크, 계기 모듈을 고정할 미드 하우징(mid housing)으로 이뤄진다.
후면부에는 사진 7, 사진 8과 같이 PCB와 미터, 전기회로물 보호와 절연을 위한 리어 커버가 조립돼 있다. 전기회로물을 연결할 PCB에는 계량값을 지시값으로 변환할 회로부와 미터, 시인성을 향상시키기 위한 백라이트(wedge type bulb 또는 LED), 입출력 신호를 접속하기 위한 커넥터가 설치돼 있다.
 
바이메탈식 미터의 구조와 원리

바이메탈식 미터는 2종의 서로 다른 금속의 열팽창 계수를 이용한 미터로 구조가 간단하고 제조가 쉬워 온도미터나 연료미터에 적용해왔다. 그러나 지시각이 작고 소모전류가 크며 응답특성이 떨어져 현재 제한적으로 사용되고 있다.   

바이메탈식 미터 구조는 그림 1과 같이 바이메탈을 이용한 미터부와 전압 변동에 의해 지시치 오차를 방지하기 위한 전압 레귤레이터로 나눠져 있다. 바이메탈의 구조는 그림 1의 (b)와 같이 바이메탈에 열선을 감아놓고, 이 열선과 접점에 전류를 흘릴 수 있도록 리드(lead)를 연결해 놓고 있다. 열선에 전류가 흐르면 전류분 만큼 가열된 바이메탈이 휘어진다.

그림 1은 바이메탈식 연료미터의 회로구성을 나타낸 것으로 배터리로부터 공급된 전원은 전압 레귤레이터의 접점을 통해 미터용 바이메탈을 지나 연료 레벨 센더인 포텐쇼미터(potentiometer)로 연결된다. 미터의 기본원리는 연료량에 따른 포텐쇼미터 변화량이 전류량과 비례해 흐르게 돼 미터용 바이메탈 열선에 흐르는 전류도 비례해 흐르는 것이다.

결국 미터용 바이메탈의 휨 정도는 열선에 흐르는 전류량에 비례해 변화하게 되며 바이메탈의 변화량만큼 지침이 이동하게 된다. 여기에 설치된  바이메탈식 전압 레귤레이터는 규정 전압(약 14.5 V) 이상 상승하면 미터에 흐르는 전류를 차단하고, 규정 전압 이하가 되면 다시 정상적으로 전류가 흐르도록 한다.

가동 코일식 미터의 구조와 원리

가동 코일식 미터에 앞서 자석식 미터는 주로 스피드 미터와 같이 회전수를 검출하는 곳에 적용하는 미터다. 이 미터의 구조는 그림 2의 (a)와 같이 회전축과 연결된 자석, 지침과 연결된 로터, 지침의 구동거리를 제동하는 헤어스프링으로 구성된다.

미터의 기본적인 동작원리는 회전축에 연결된 자석 회전수에 비례해 로터의 회전자계에 의한 토크 발생을 이용한다. 따라서 자석식 미터는 회전수를 검출하기 위해 자석 회전축과 연결할 별도의 회전 케이블이 요구되는 단점이 있다. 가동 코일식 미터의 기본 원리는 모터의 구동원리를 이용한 것으로 구조는 그림 2의 (b)와 같이 영구자석을 설치한 철편에 회전자계를 얻기 위한 원통형 철심에 코일을 감고 있다.
또 가동 코일과 연결된 지침에는 헤어스프링을 설치해 지침의 이동량과 지시치가 밸런스를 유지하도록 하고 있다. 즉 원통형 코일(가동 코일)에 전류가 흐르면 영구자석의 철편에 의해 발생되는 자계의 방향과 가동 코일로부터 발생하는 회전자계가 방사상(放射狀) 모양으로 발생해 가동 코일의 위치가 어느 곳에 있더라도 코일면과 철편으로부터 발생하는 자계는 직각으로 놓이게 된다. 이때 회전 토크는 가동 코일에 흐르는 전류량과 비례해 회전력을 얻을 수 있도록 한다.
이 미터는 전류계, 전압계나 엔진 회전수를 전류값으로 변화해 구동하는 타코미터, 스피드 미터 등에 주로 적용되고 있다.

교차 코일식 미터의 구조와 원리

종래의 바이메탈식 미터나 가동 코일식 미터와 같이 특정 계기에 제한된 미터에 반해 교차 코일식 미터는 온도 미터나 연료 미터, 스피드 미터, 타코미터 등에 폭넓게 적용되고 있다.
이 미터의 구조는 그림 3과 같이 지침과 연동된 회전축에 영구자석을 설치하고 보빈(bobbin)에 코일을 교차해 감아 놓은 형태다. 또 미터의 후면부에 입력된 계량 정보를 교차 코일에 정합할 수 있도록 제어회로를 두고 있다.

교차 코일은 계기의 종류에 따라 2코일~4코일 방식을 사용하고 있어 용도에 따라 여러 미터류에 적용되고 있다. 2코일 방식의 경우 1개의 코일이 서로 교차해 감아놓은 형식이고, 반면 3코일 방식은 L2, L3 코일을 서로 반대로 감아놓고 L1 코일은 교차해 놓고 있다.

연료 미터의 경우 포텐쇼미터로부터 검출된 저항값이 증가하면 L3 코일에 흐르는 전류량이 감소하고, 반대로 L1, L2 코일에 흐르는 전류는 증가한다. 이때 L2, L3 코일의 권선 방향이 서로 반대로 되어 있어 자력선은 서로 상쇄하는 방향으로 작용하게 된다. 따라서 자속이 감소되어 결국 L2, L3 코일에서 발생한 감소 자계와 L1 코일에서 발생한 증가 자계의 합성 자계가 지침 이동량으로 나타난다. 반면 스피드 미터와 같이 검출된 정보가 펄스 신호인 경우는 교차 코일을 구동하기 위해 별도 제어회로를 둔다.

제어회로 내부에는 파형 정형 회로와 펄스 발생 회로가 내장돼 있어 입력된 정보량은 파형 정형 회로와 펄스 발생 회로를 통해 사인 신호와 코사인 신호로 변환돼 교차 코일로 공급된다. 이때 교차 코일에 공급된 사인 신호량과 코사인 신호량이 합성 자계로 되어 미터의 지침을 구동한다. 이와 같이 교차 코일 방식은 코일의 권선 형식에 따라 여러 미터류에 적용된다. 또 충격과 진동에 강해 현재 전자식 아날로그 미터에 대표적으로 사용되고 있다. <끝>

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