KR100919068B1 - 자기 엔코더 - Google Patents

자기 엔코더

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KR100919068B1
KR100919068B1 KR1020077002850A KR20077002850A KR100919068B1 KR 100919068 B1 KR100919068 B1 KR 100919068B1 KR 1020077002850 A KR1020077002850 A KR 1020077002850A KR 20077002850 A KR20077002850 A KR 20077002850A KR 100919068 B1 KR100919068 B1 KR 100919068B1
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poles
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야스시 스기야마
히로유키 니카모토
타카시 오타
주니치 와카바야시
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엔오케이 가부시키가이샤
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Abstract

자극(magnetic pole)인 S극과 N극들이 번갈아 복수 배열된 환형(annular)의 자기 엔코더(magnetic encoder)에 있어서, 자기 엔코더는 회전각도에 따라서 회전방향으로 자극의 변화는 회전각도가 특정되어지도록 하는 구성을 가지며, 따라서 적은 회전으로도 회전각도가 특정될 수 있는 것을 특징으로 한다.

Description

자기 엔코더{MAGNETIC ENCODER}
본 발명은 예를 들어 자동차 또는 가전제품에 장착되어진 회전부재(rotating member)의 회전을 검출(detect)하는데 사용되는 자기 엔코더(magnetic encoder)에 관한 것이다.
자기 엔코더(magnetic encoder)는 예를 들어 자동차의 크랭크 각도를 검출(detect)하기 위하여 사용되어진다. 도 13은 종래의 자기 엔코더의 실례를 도시한다. 도 13에서 도시된 바와 같이, 자기 엔코더는 위치 기준(position standard)으로서 사용되어진 신호 출력부(signal output part, 101)를 포함한다. 자극의 둘레부 방향의 폭(width)이 다른 부분 상에 있는 자극의 둘레부 방향의 폭에 두 배의 길이로 되도록 신호 출력부(101)는 배열되어진다. 신호 출력부(101) 이외의 영역에서 자극의 둘레부 방향으로 폭은 전체적으로 일정(신호 출력부(101)의 자극의 둘레부 방향으로 폭의 절반)하게 되도록 배열되어진다. 상기 영역에 있어서, 신호 출력부(101)를 기준(0도)으로 하는 회전각도가 검출되어진다.
또한, 특허문헌 1에 개시된 기술이 있다. 상기 기술에 있어서, 위치기준으로서 사용된 신호 출력부는 볼록한 형상으로 돌출되나, 다른 부분에서는 소정의 자극 배열 패턴이 연속되어진다. 상기 자극 배열 패턴 부분에서 신호 출력부를 기준으로 하는 회전각도가 검출되어진다.
이러한 자기 엔코더에 있어서, 위치 기준으로서 사용된 신호 출력부를 검출하기 위하여, 상기 신호 출력부는 센서(sensor)에 의해서 검출부를 통과할 필요가 있다. 따라서, 신호 출력부를 검출하기 위하여, 최대 360도 가까이 자기 엔코더가 때때로 회전되어진다.
최근 환경문제의 관점에서 아이들링 멈춤(idling stop)이 장려되어진다. 그러나, 엔진이 재시동 되어지는 것과 동시에 전체 실린더로 연료가 분사되어진다. 모든 실린더로의 연료 분사는 환경문제 상 바람직하지 않다. 이러한 문제점을 해결하기 위하여, 엔진이 시동되어진 이후에 크랭크 각도와 캠 각도 등으로부터 실린더 위치를 특정하고, 분사되어질 필요가 있는 실린더에만 연료를 분사하는 것이 요구되어진다.
그러나, 종래의 경우에 있어서, 자기 엔코더는 신호 출력부를 검출하기 위하여 최대로 약 360도의 각도에서 자기 엔코더가 회전되어져야만 한다. 따라서, 회전각도는 짧은 시간 내에 작은 회전으로써 회전각도가 특정되어질 수 없다.
특허문헌 2와 3은 회전각도가 짧은 시간 내에 특정되어질 수 기술을 개시하고 있다. 그러나, 이러한 기술의 경우에 있어서, 구성은 복잡해지고 구성부품의 개수가 많아지며, 따라서 추가적인 개선이 요구된다.
특허문헌 1 : 특개평 7-74020호 공보
특허문헌 2 : 특개평 9-49453호 공보
특허문헌 3 : 특개평 11-229948호 공보
도 1은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 자기 엔코더(magnetic encoder)의 일부를 도시한 사시도
도 2는 본 발명의 제 1 실시예의 자기 엔코더의 자극(magnetic pole)의 배열패턴을 도시한 모습
도 3은 셀 모터(cell motor)를 작동시에 크랭크샤프트가 일회전 마다 600 rpm 까지 동일한 가속도로 회전하는 조건 하에서 회전량과 각속도의 관계를 도시한 모습
도 4는 본 발명의 제 1 실시예의 자기 엔코더가 도 2의 C 지점으로부터 한번 회전되어질 때 펄스 시간의 추이를 도시한 그래프
도 5는 본 발명의 제 1 실시예의 자기 엔코더가 도 2의 D 지점으로부터 한번 회전되어질 때 펄스 시간의 추이를 도시한 그래프
도 6은 본 발명의 제 1 실시예의 자기 엔코더가 도 2의 E 지점으로부터 한번 회전되어질 때 펄스 시간의 추이를 도시한 그래프
도 7은 본 발명의 제 1 실시예의 자기 엔코더의 자극의 배열패턴의 변형을 도시한 모습
도 8은 본 발명의 제 2 실시예의 자기 엔코더의 자극의 배열패턴을 도시한 모습
도 9는 본 발명의 제 3 실시예의 자기 엔코더의 일부를 도시한 사시도
도 10은 본 발명의 제 3 실시예의 자기 엔코더의 자극의 배열패턴을 도시한 모습
도 11은 본 발명의 제 3 실시예의 자기 엔코더의 출력신호를 도시한 모습
도 12는 본 발명의 제 4 실시예의 자기 엔코더의 자극의 배열패턴을 도시한 모습
도 13은 종래의 실시예에 따른 자기 엔코더의 일부를 도시한 사시도
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
1 : 자기 엔코더 1a : 트랙
1b : 소정 패턴 1c : 미세 피치패턴
1d : 지표 1w : 휠
2 : 검출수단 10 : 자기 엔코더
10a : 제 1 트랙 10b : 제 2 트랙
10w : 휠 20,30 : 검출수단
본 발명의 목적은 작은 회전으로써 회전각도를 특정할 수 있는 자기 엔코더(magnetic encoder)를 제공하는 것이다.
상기한 문제점들을 해결하기 위하여 본 발명은 다음의 수단으로 달성되어진다.
즉, 본 발명의 자기 엔코더는, 자극인 S극과 N극이 번갈아 복수 배열된 환형(annular)의 자기 엔코더로서, 상기 자기 엔코더는, 회전각도에 따라서 자극의 회전방향으로의 폭의 변화가 회전각도를 특정되도록 하는 구성을 가지는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 회전방향으로 자극의 폭의 차이는 회전각도가 특정되어지도록 하여, 작은 회전으로 회전각도를 특정할 수 있도록 하는 것이다.
또한, 본 발명의 자기 엔코더는, 자극인 S극과 N극이 번갈아 복수 배열된 환형(annular)의 자기 엔코더로서, 자극들의 배열 패턴은,
둘레부 방향으로 일정한 간격(interval)으로 제공된 복수의 지표부(index part)와,
지표부들 사이에서 각각 제공되어진 복수의 표준 피치부(standard pitch part)와, 그리고
모든 표준 피치부들 내에 또는 하나의 표준 피치부를 제외한 나머지 다른 표준 피치부 내에 각각 제공되어지며, 또한 각각의 표준 피치부를 위하여 다른 형태로 제공되어지는 복수의 특수 피치부(specific pitch part)를 포함하며,
지표부와 표준 피치부와 특수 피치부들은 자극의 둘레방향의 폭이 서로 다른 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 지표부에 의해 나누어진 구간(section)내의 자극의 배열패턴은 모든 구간에서 서로 다르다. 다시 말해서, 표준 피치부는 모든 지표부들 사이에서 제공되어지나, 특수 피치부는 모든 구간(section)에서 모드(mode)가 다르게 된다(특수 피치부가 없는 경우를 포함). 이러한 것은 특수 피치부에 근거하여 구간이 특정되어지도록 한다. 따라서, 적은 회전으로 회전각도를 특정할 수 있다.
각각의 표준 피치부에 대해서 서로 다른 모드(mode)로 특수 피치부를 제공하는 실례로서, 각각의 표준 피치부에 대해서 특수 피치부의 배치위치를 변경시키거나 또는 각각의 표준 피치부의 자극의 개수에 대해서 특수 피치부 내의 자극의 개수를 다르게 하는 것을 고려할 수도 있다.
또한, 본 발명의 자기 엔코더는 자극인 S극과 N극이 번갈아 복수 배열되는 환상(annular) 자기 엔코더에 있어서, 자기 엔코더는,
동일한 배열의 자극을 각각 가지는 복수의 배열패턴이 배열되어지는 제 1 트랙과,
서로 다른 배열의 자극들을 각각 가지는 복수의 배열패턴이 배열되어지는 제 2 트랙을 포함한다.
여기서, 제 1 트랙 상의 배열패턴과 제 2 트랙 상의 배열패턴 사이의 비교에 기반을 두고 회전각도를 검출하는 것이 선호된다.
나아가, 제 2 트랙 상의 자극들의 배열패턴은 각각의 배열패턴 내에 포함되어지는 자극 개수가 다르게 되는 것이 선호된다.
또한, 제 1 트랙 상의 자극의 배열패턴은 자극의 둘레부 방향의 폭이 동일하게 되는 것이 선호되며, 트랙의 둘레부 전체 상에서 둘레부 방향으로 폭이 동일한 자극이 제공되어지는 것이 선호된다.
나아가, 제 1 트랙 상의 자극의 배열패턴은 헤드부에서 제공되어진 표지부(index part)와 그리고 자극의 개수가 동일하며 표지부에 다음에 설치되어지는 표준 피치부를 포함하는 것이 선호되며, 표지부와 표준 피치부들은 자극의 둘레부 방향의 폭이 서로 다르게 되는 것이 선호된다.
상기에서 언급된 각각의 구성은 사용을 위하여 가능한 많이 조립되어질 수 있다.
본 발명에 따르면, 작은 회전으로써 회전각도가 특정되어질 수 있다.
이하에서는 도면을 참조하여, 본 발명을 실시하기 위한 최적의 형태가 실시예를 근거로 하여 상세하게 기술되어진다. 그러나, 본 실시예에서 기술되어지는 구성요소의 치수, 재질, 형상 그리고 상대적인 배열은, 특별히 특정적으로 기재되지 않는다면, 본 발명의 범위를 제한하지는 않는다.
실시예 1
도 1은 본 발명의 실시예 1에 따른 자기 엔코더(magnetic encoder)의 일부를 도시하고 있는 사시도이다. 본 실시예에서 자기 엔코더(1)는 휠(wheel, 1w)과 그리고 휠(1w)의 외부 둘레부 상에 제공되어진 1열의 트랙(track, 1a)을 포함한다. 자기장(magnetic field)의 세기를 검출하기 위한 검출수단(detecting means, 2)은 트랙(1a)의 표면에 대향되게 제공되어진다. 자기 엔코더(1)의 크기는 고정되어지는 회전부채에 따라서 적절하게 선택되어질 수 있다.
검출수단(2)을 위하여 자기 센서(magnetometric sensor)가 사용되어진다. 자기센서는 자기 에너지를 검출대상으로 하는 센서이다. 전자기 유도 작용이 적용되어진 자기 헤드와, 차동 트랜스포머(differential transformer), 자기력을 전기로 변환시키기 위한 작용을 이용하는 홀 소자(hall element) 그리고 MR 소자(자기저항효과 소자)는 자기센서의 구체적인 실례이다.
트랙(1a)은 자극(magnetic pole)이 되며 전체 둘레부 상에 교번적으로 제공되어진 S극과 N극으로부터 형성되어진다. (검출수단(2)의 검출위치에서) 검출수단(2)에 대향되게 위치되어진 자극들은 트랙(1a)이 회전할 때 N극에서 S극으로 또는 S극에서 N극으로 극(polarity)이 변한다. 이때 자기장의 변화는 펄스(pulse)로서 검출되어진다. 자기 엔코더(1)의 회전각도 및 각속도는 검출된 펄스의 수, 펄스 폭 등에 근거하여 계산되어진다.
본 발명의 실시예에서, 트랙(1a)은, 자기 엔코더(1)의 0도 내지 360도를 45도의 각도로 8개로 분할함으로서 얻어지는 위치(0도, 45도, 90도, 135도, 180도, 225도, 270도, 315도)가 계산되어질 수 있도록 배열되어진다.
트랙(1a)의 자극의 배열패턴은, 도 2에서 도시된 바와 같이, 소정의 패턴(1b)이 일정한 간격(45도 간격)에서 반복되어지도록 배열된다. 소정의 패턴(1b)은 지표(index, 1d)(지표부)와, 표준 피치패턴(표준 피치부) 그리고 표준 피치패턴 내에 제공되어진 미세 피치패턴(1c)(특수 피치부)을 포함한다. 그리나, 이러한 실시예에서는 미세 피치패턴(1c)이 구비되지 않은 단지 하나의 소정의 패턴(1b)이 있다. 지표(1d)와, 표준 피치패턴과 그리고 미세 피치패턴(1c)은, 자극인 S극과 N극이 교번적으로 제공되어진다는 점에서 동일하지만, 그러나 각각의 자극의 둘레부 방향의 폭은 서로 다르다. 본 실시예에서, 둘레부 방향으로 자극의 폭은 지표(1d), 표준 피치패턴 그리고 미세 피치패턴(1c)의 순서로 더 좁아지게 된다.
지표(1d)는 소정의 패턴(1b)의 헤드(도 2에서 좌측단부)에서 제공되어진다. 따라서, 지표(1d)는 전체 둘레부 상에서 일정간격(45도 간격)으로 제공되어진다. 일정한 피치(표준 피치)에서 배치되어진 표준 피치패턴은 소정의 패턴(1b)에 있는 지표(1d) 이외의 영역에서 제공되어진다. 따라서, 표준 피치패턴들은 지표(1d)와 지표(1d) 사이에서 각각 제공되어진다. 미세 피치패턴(1c)은 하나의 표준 피치패턴 이외의 각각의 표준 피치패턴 내에서 각각 제공되어진다.
소정의 패턴(1b)은 0도 내지 45도, 45도 내지 90도, 90도 내지 135도, 135도 내지 180도, 180도 내지 225도, 225도 내지 270도, 270도 내지 315도, 315도 내지 360도의 위치에서 각각 제공되어진다. 상기에서 기술된 바와 같이, 소정의 패턴(1b)은 트랙(1a)의 전체 둘레부 상에서 45도 간격으로 반복적으로 제공되어진다.
미세 피치패턴(1c)은 두 개의 미세 N극과 그리고 그 사이에 끼워진 하나의 미세 S극을 포함한다. 미세 피치패턴(1c)은, 도 2에서 도시된 바와 같이, 0도 내지 45도에서 소정의 패턴(1b)로 제공되어진다. 다른 소정의 패턴(1b)에서, 각도가 크게 될 때 소정의 패턴(1b)은 미세 피치패턴(1c)이 점진적으로 후방으로 이동되어지도록 제공되어진다. 따라서, 미세 피치패턴(1c)은 트랙(1a)의 모든 소정의 패턴(1b)에 대해서 다른 위치 내에 배열되어진다. 따라서 미세 피치패턴(1c)의 위치는 미리 회전각도에 대응하여 배열되어진다.
본 실시예에서, 도 1에 도시된 바와 같이 트랙(1a)의 자기장은 자기 엔코더(1)의 외부 둘레부 표면의 외측부로부터 검출수단(2)에 의해서 검출되어진다.
이러한 구성을 가지는 자기 엔코더(1)에서, 임의의 위치로부터 90도의 회전 범위 내에서 45도로 0도 내지 360도를 분할함으로서 얻어지는 영역 내의 위치(0도, 45도, 90도, 135도, 180도, 225도, 270도 또는 315도)가 특정되어질 수 있다.
예를 들어, 도 2의 A 지점으로부터 회전을 시작하는 경우에, 소정의 패턴(1b)에 있는 미세 피치패턴(1c)의 위치정보는 제 1 지표(1d)의 펄스를 얻는 것부터 제 2 지표(1d)의 펄스를 얻을 때까지의 간격 B에서 소정의 패턴(1b)의 영역에서 미세 피치패턴(1c)의 펄스에 근거하여 얻어질 수 있다. 위치정보는 판독되는 소정의 패턴(1b)에 대응하는 회전각도를 특정하는데 기여한다. 상기의 경우에 있어서, 소정의 패턴(1b)은 90도 내지 135도에 대응하는 것을 볼 수 있다. 따라서, 제 2 지표의 펄스가 얻어지는 위치는 135도인 것이 특정될 수 있다.
상기에서 기술된 바와 같이, 미세 피치패턴(1c)은 지표(1d)와 지표(1d)사이의 구간(section)에서 존재하거나 또는 존재하지 않는 것이 검출되어진다. 만일 미세 피치패턴(1c)이 존재한다면, 이러한 구간 내의 미세 피치패턴(1c)의 위치가 특정되어진다. 이러한 것은 자기 엔코더(1)의 회전각도가 45도의 각도에 의해서 판별되어지도록 한다. 이때, 회전각도를 특정하기 위하여 요구되어지는 자기 엔코더(1)의 회전각도는 트랙(1a)의 두 개의 지표들 사이의 구간에서 측정하는데 필요한 45도 내지 90도이다.
따라서, 본 실시예의 자기 엔코더(1)에 따르면, 작은 회전으로 회전각도가 특정되어지도록 한다. 자기 엔코더(1)의 역회전의 경우에 있어서, 트랙(1a)의 지표(1d)의 N극과 S극을 판독하는 순서가 변경되어지기 때문에 역회전은 판별되어질 수 있어서, 작은 회전으로서 역회전이 멈추어지도록 할 수 있다.
상기의 관점에서, 다음의 장점이 있다. 예를 들어, 4-실린더 엔진의 경우에 있어서, 통상적으로 크랭크샤프트(crankshaft)는 실린더의 위치를 특정하기 위하여 최대 360도의 각도에서 회전되어져야만 한다. 그러나 다른 한편으로는, 본 실시예에 따르면, 엔진의 시동으로부터 크랭크샤프트의 90도 이내의 회전으로 실린더의 위치가 특정되어지도록 한다. 따라서, 연료는 필요한 실린더로만 분사되어질 수 있어서, 불필요한 연료분사가 감소되어질 수 있다. 이러한 것은 환경적인 관점에서 효과적이다.
나아가, 본 실시예의 자기 엔코더(magnetic encoder, 1)는 비접촉 회전 제어수단으로서 유효하다. 예를 들어, 본 실시예의 자기 엔코더(1)는 로봇의 팔의 회전제어를 위하여 사용되어질 수 있다.
본 실시예에 있어서, 하나의 트랙(1a) 내에서 8개로 나누어지는 소정의 패턴(1b) 내의 지표(1d), 표준 피치패턴 그리고 미세 피치 패턴(1c)은 펄스시간폭(듀티, duty)이 비교되어진다. 예를 들어 기동 시간(starting time)에서 각속도가 변하는 경우에, 변화는 상기 각각의 판별을 어렵게 하는 것으로 고려되어질 수도 있다.
그러나, 이러한 경우에서도 표준 피치패턴과 미세 피치패턴(1c) 각각의 크기가 명확하게 되도록 각속도의 상승 특성에 근거하여 피치폭을 설정하거나 또는 이전의 펄스폭 및 차후의 펄스폭을 비교하여 절대위치가 검출되어지도록 하는 것이 가능하다.
일례로서, 자기 엔코더(1)가 자동차의 크랭크샤프트에 장착되어지도록 하는 경우를 실례로서 설명한다. 여기서, 셀 모터(cell motor)의 기동(starting)시에, 크랭크샤프트의 각속도가 1회전 당 600 rpm까지 등가속도로 변화하는 경우를 예로서 설명된다. 도 3은 이러한 경우에서 크랭크샤프트의 각속도와 회전량 사이의 관계를 도시한 그래프이다.
나아가, (S극 폭과 N극 폭의 전체 폭(각도)에 대응되는) 자극의 배열패턴 각도는 지표(1d)에 대해서 8.2도이며, 표준 피치패턴에 대해서는 4.6도이고, 미세 피치패턴에 대해서는 2.3도이다.
도 4 내지 도 6은 상기에서 언급된 구성을 가지는 자기 엔코더(1)가 한번 회전되어질 때 펄스 시간의 추이를 도시하는 그래프이다. 이러한 그래프에서, 수평축은 검출된 펄스를 나타내며, 수직축은 펄스폭(펄스 시간)을 나타낸다. 도 4 내지 도 6은 각각 도 2에서 C 지점, D 지점, E 지점으로부터 시작하는 경우를 보여준다. 어떠한 경우에서도, 지표(1d)의 펄스와 미세 피치패턴(1c)의 (두개의) 펄스는 90도 회전 이내에서 확실하게 검출되어진다. 따라서, 기동시에서도 회전각도(절대위치)를 검출하는 것이 가능하다.
상기의 설명에서, 소정의 패턴(1b) 내의 미세 피치패턴(1c)의 위치를 변화시키는 것은 소정의 패턴(1b)의 회전각도가 특정되어질 수 있도록 하는 구성이 언급되어진다. 그러나, 소정의 패턴(1b) 내에 미세 피치패턴(1c)이 모든 소정의 패턴(1b)에 대해서 다르게 될 때 소정의 패턴(1b)을 특정하는 것도 가능하다.
예를 들어, 모든 소정의 패턴(1b)에 대해서 미세 피치패턴(1c)을 형성하는 자극의 개수를 변경시키는 것도 소정의 패턴(1b)의 회전각도가 특정되어질 수 있도록 한다. 더욱 구체적인 실례에서, 도 7에 도시된 바와 같이, 트랙(1a) 상에서 소정의 패턴(1b) 내의 미세 피치패턴(1c)의 개수는 45도 간격마다 증가되어진다. 도 7은 트랙(1a)의 일부를 도시한다. 도 7에서, 도면의 좌측에 도시된 미세 피치패턴(1c)은 N극과 S극들이 각각 1개씩 구비되어지는 반면에, 도면의 우측에서 도시된 미세 피치패턴(1c)은 N극과 S극이 각각 두 개씩 구비되어진다. 이러한 구성에 있어서, 트랙(1a)의 출력(output)에서 두 개의 지표들 사이의 하나의 구간(section) 내에서, 미세 피치패턴(1c)내의 자극의 개수를 특정하는 것은 자기 엔코더(magnetic encoder, 1)의 회전각도가 45도의 각도에 의해서 특정되어지도록 한다.
물론, 미세 피치패턴(1c)의 배치위치 및 자극의 개수의 조합에 따라서, 각각의 소정 패턴(1c) 내에 서로 다른 모드(mode)로 미세 피치패턴(1c)을 제공하는 것이 가능할 수도 있다. 이러한 것은 예를 들어 소정의 패턴(1b)의 간격이 좁고, 전체 둘레부 상에 더 많은 개수의 소정의 패턴(1b)이 제공되어지는 경우에 효과적이다. 본 발명의 실시예에서, 미세 피치패턴이 하나의 표준 피치패턴을 제외한 각각의 표준 피치패턴 내에 각각 제공되어지는 경우를 설명하고 있다. 그러나, 미세 피치 패턴은 모든 표준 패치패턴에 대해서 서로 다른 모드(mode)로 제공되어질 수도 있는 것은 두말할 필요도 없다. 나아가, 본 발명의 실시예에서는 지표부(지표, 1d)와, 표준 피치부(표준 피치패턴)와, 특수 피치부(미세 피치패턴, 1c)의 순서로 자극의 둘레부 방향의 폭이 작아지는 경우를 설명하고 있다. 그러나, 각각의 폭이 서로 다르다면, 크기에 관한 관계는 중요하지 않다.
실시예 2
본 발명의 실시예 2의 자기 엔코더(magnetic encoder)는 도 8을 참조로 하여 기술되어진다. 실시예 2에서는, 상기에서 기술된 실시예 1의 자기 엔코더(1)를 이용하여 더욱 구체적인 실례가 기술되어진다.
실시예 2는 4-실린더 엔진의 크랭크샤프트 내의 자기 엔코더(1)를 이용한 경우를 설명하고 있다. 도 8은 본 발명의 실시예 2의 자기 엔코더의 자극의 배치패턴을 도시한다. 도 8에서, 크랭크샤프트에 사용된 자기 엔코더(1)의 트랙(1a) 상에 자극의 배열패턴과, 캠샤프트에 사용된 자기 엔코더의 트랙(3a) 상의 자극의 배열 패턴이 도시되어진다. 크랭크샤프트에서 사용된 자기 엔코더(1)의 트랙(1a)상의 자극의 배열패턴은 상기에서 기술된 실시예 1의 경우와 동일한 구성을 가지며, 따라서 상기의 설명이 적절하게 생략되어진다.
4-실린더 엔진에서, 크랭크샤프트가 360도 X 2 회전하면, 캠샤프트는 360도 회전한다. 엔진의 상승시에(엔진 시동 개시시), 크랭크샤프트와 캠샤프트의 상대적인 위치는 고정되어진다. 따라서, 크랭크 각 위치(angular position)를 분할하면, 캠의 위치(캠 각도)가 특정되어진다. 그러나, 상기에서 기술된 바와 같이 크랭크샤프트가 2회전 할 때 캠샤프트는 1회전하기 때문에, 크랭크샤프트는 1회전 또는 2회전에 있는지 특정할 필요가 있다.
이러한 특정의 방법으로서, 도 1에서 도시된 트랙(1a)을 가지는 자기 엔코더(1)는 크랭크샤프트 내에 제공되어지나, 도 8에 도시된 바와 같이, 트랙(3a)을 가지는 자기 엔코더는 캠샤프트 내에 제공되어진다. 이러한 것은 캠의 캠신호와 캠위치신호가 검출되어지도록 한다. 캠 측면에서 신호를 검출하기 위하여, 자기 엔코더(1)의 검출수단(2)에 유사한 구성요소가 사용되어질 수도 있다. 자기 엔코더(1)에 관해서는, 상기에서 기술된 실시예 1에서 기재된 것과 동일하게 때문에 여기서는 설명이 생략되어진다.
캠샤프트에 장착되어지는 자기 엔코더는 도 8에서 도시된 트랙(3a)을 가진 전체 외부 둘레면 상에 제공되어진다. 자극인 S극과 N극들은 트랙(3a)의 둘레부 상에 절반씩 제공되어진다. 트랙(3a) 상의 배열패턴은 360도의 주기를 가진다.
트랙(3a)의 0도 내지 180도(N극) 및 180도 내지 360도(S극)는 크랭크샤프트 내에 제공된 자기 엔코더(1)의 트랙(1a)의 0도 내지 360도에 각각 대응한다.
따라서, 0도 내지 180도 또는 180도 내지 360도의 트랙(3a)과 관련하여, 크랭크가 첫 번째 회전인지 아니면 두 번째 회전인지 특정되어진다. 실시예 2에서, 캠위치 신호는 크랭크의 첫 번째 회전을 검출하도록 0도 내지 180도의 N극에서 Hi를 출력하고, 크랭크의 두 번째 회전을 검출하도록 180도 내지 360도의 S극에서 Lo를 출력하여, 크랭크의 회전의 개수를 판정하도록 한다.
상기에서 기술된 바와 같이, 본 실시예 2에 따르면, 4-실린더 엔진의 90도 이내의 크랭크샤프트의 회전은 캠위치(캠각도) 뿐만 아니라 크랭크각도가 특정되어지도록 하여, 실린더 위치가 얻어지도록 한다. 이러한 것은 엔진이 시동한 직후에 불필요한 연료분사가 감소되어지도록 하는 엔진제어가 가능하도록 한다.
실시예 3
도 9는 본 발명의 실시예 3의 자기 엔코더의 일부를 도시한 사시도이다. 실시예 3의 자기 엔코더(10)는 휠(10w)과 상기 휠(10w)의 외부 둘레부 상에 제공되어진 제 1 트랙(10a)과 제 2 트랙(10b)을 포함한다. 제 1 트랙(10a)과 제 2 트랙(10b)의 자기장의 강도를 각각 검출하기 위한 검출수단(20,30)은 제 1 트랙(10a)과 제 2 트랙(10b)의 표면들에 대향하여 설치되어진다. 자기 엔코더(10)의 크기는 장착되어지는 회전부재에 따라서 적절하게 선택되어질 수도 있다.
검출수단(20,30)을 위하여 자기센서(magnetometric sensor)가 사용되어진다. 자기센서는 자기 에너지를 검출대상으로서 검출하기 위한 센서이다. 자기 유도작용이 응용되어지는 자기 헤드(magnetic head), 차동 트랜스포머, 자기력을 전기로 변환시키는 작용을 이용하는 홀소자(hall element) 그리고 MR소자(자기저항효과 소자)는 자기센서의 특수한 실례이다.
제 1 트랙(10a)과 제 2 트랙(10b)은 휠(10w)의 외부 둘레부 상에 나란히 제공되어진다. 제 1 트랙(10a)과 제 2 트랙(10b) 모두는 자극인 S극과 N극들이 전체 둘레부 상에서 교번적으로 제공되어지는 구성을 가진다. 제 1 트랙(10a)과 제 2 트랙(10b)의 회전은, 검출수단(20,30)에 대향된 위치(검출수단(20,30)의 검출위치)에 위치하는 자극의 극성의 변화가 N극에서 S극으로 또는 S극에서 N극으로 되도록 한다. 자기장의 변화는 펄스로서 검출되어져서, 검출된 펄스의 개수, 폭 등에 근거하여 자기 엔코더(10)의 각속도와 회전각도를 계산하도록 한다.
제 1 트랙(10a)은 동일한 자극의 배열을 각각 가지는 복수(네 개)의 배열패턴이 제공되어지는 구성을 가진다. 반면에, 제 2 트랙(10b)은 서로 다른 자극의 배열을 각각 가지는 복수(네 개)의 배열패턴이 제공되어지는 구성을 가진다. 이러한 것은 다음에서 더욱 상세하게 기술되어진다.
도 10에서 도시된 바와 같이, 제 1 트랙(1a)에서, N극과 S극의 쌍을 가지는 각각의 배열패턴들은 0도 내지 90도, 90도 내지 180도, 180도 내지 270도, 그리고 270도 내지 360도 내에 각각 제공되어진다. 각각의 배열패턴의 N극과 S극은 둘레부 방향으로 자극의 폭이 동일하다. 다시 말해서, 각각의 자극은 45도의 폭을 가진다. 따라서 제 1 트랙(1a)은 둘레부 방향으로 동일한 폭을 가지는 N극과 S극이 전체 둘레부 상에서 교번적으로 제공되어지는 구성을 가진다.
이러한 구성은 제 1 트랙(1a) 상의 자기장의 검출에 근거하여, 45도 각도로의 자기 엔코더(10)의 회전이 검출되어지도록 한다. 다시 말해서, N극으로부터 S극으로 극성에서 자기장의 변화가 펄스로서 검출되는 것으로부터 S극으로부터 N극으로 극성에서 자기장의 변화가 펄스로서 검출되어지는 것까지의 시간동안(그리고 S극으로부터 N극으로 극성에서 자기장의 변화가 펄스로서 검출되는 것으로부터 N극으로부터 S극으로 극성에서 자기장의 변화가 펄스로서 검출되어지는 것까지의 시간동안), 자기 엔코더(10)는 45도 회전한다.
다른 한편으로는, 제 2 트랙(1b)은 자기 엔코더(1)l의 0도 내지 360도가 45도가 각도로 8개로 나누어져 얻어지는 위치(0도, 45도, 90도, 135도, 180도, 225도, 270도 그리고 315도)를 특정하기 위한 정보를 계산하기 위한 것이다. 제 2 트랙(1b)에서, 서로 다른 개수의 자극을 가지는 배열패턴은, 각각 0도 내지 90도, 90도 내지 180도, 180도 내지 270도 그리고 270도 내지 360도의 위치들 내에서 제공되어진다. 즉, 도 10에서 도시된 바와 같이, 한쌍의 N극과 S극들은 0도 내지 90도에서 제공되어지며, 두쌍의 N극과 S극들은 90도 내지 180도에서 제공되어지고, 4쌍의 N극과 S극들은 180도 내지 270도에서 제공되어지며, 6쌍의 N극과 S극들은 270도 내지 360도 내에서 제공되어진다.
달리 말해서, 제 2 트랙(1b)에서, 제 1 트랙(1a) 상의 배열패턴(한 쌍의 N극과 S극을 가지는 패턴)에 인접한 각각의 배열패턴 내의 자극의 개수는 회전각도에 따라서 다르게 된다. 구체적으로, 자극의 개수는 회전각도가 커짐에 따라서 단계적으로 증가한다. 따라서, 제 2 트랙(1b)의 배열패턴은 미리 회전각도에 대응하여 배열되어진다.
도 11은 검출수단(20, 30)으로부터의 출력신호를 도시한다. 도 11에 도시된 바와 같이, 제 1 트랙(10a)을 위한 출력신호는 N극이 Hi 이고 S극이 Lo 인 것을 특징으로 하는 90도 간격을 1주기로 하는 파형으로 된다.
다른 한편으로, 제 2 트랙(10b)을 위한 출력신호는 90도의 각도로 된 0도 내지 90도, 90도 내지 180도, 180도 내지 270도, 270도 내지 360의 각각의 영역에서 서로 다른 주기를 가지는 파형으로 된다. 즉, Hi 와 Lo 사이의 스위치 펄스수는 0도 내지 45도 그리고 45도 내지 90도의 영역에서 0개 이며, 90도 내지 135도 및 135도 내지 180도의 영역에서는 1개이고, 180도 내지 225도 그리고 225도 내지 270도의 영역에서는 3개이고, 270도 내지 315도 그리고 315도 내지 360도의 영역에서는 5개이다. 0도, 45도, 90도, 135도, 180도, 225도, 270도 그리고 315도에서 펄스는 Hi와 Lo 사이의 펄스로서 카운트되지 않는다.
이러한 구성을 가지는 자기 엔코더(magnetic encoder, 10)에서, 0도 내지 360도를 45도 각도로 분할하여 얻어지는 영역에서 위치(0도, 45도, 90도, 135도, 180도, 225도, 270도 또는 315도)는 임의의 위치로부터 90도의 회전범위 내에서 특정되어질 수 있다.
예를 들어, 도 11의 A 지점으로부터 회전을 시작하는 경우, 제 2 트랙(10b)을 위한 출력의 Hi와 Lo 사이의 스위치 펄스수는 제 1 트랙(10a)을 위한 출력이 Hi로부터 Lo로 전환되어지는 첫 번째 펄스를 얻는 것으로부터 출력이 Lo로부터 Hi로 전환되어지는 후속의 펄스를 얻는 것까지의 시간 B 동안 Lo의 영역에서 제 2 트랙(10b)을 위한 출력의 Hi와 Lo 사이의 스위치 펄스수가 1회가 된다. 따라서, Lo로부터 Hi로 전환되는 펄스를 얻는 위치는 첫 번째 트랙(10a)에서 180도가 되는 것을 알 수 있다.
상기에서 기술된 바와 같이, 제 1 트랙(10a)을 위한 출력이 Hi로부터 Lo로 또는 Lo로부터 Hi로 전환되기 시작해서 Lo로부터 Hi로 또는 Hi로부터 Lo로 전환될 때까지의 구간(45도의 각도에 대응한다)에서, 제 2 트랙(10b)에서 Hi와 Lo 사이에서 전환되는 펄스의 수는 카운트(count) 되어진다. 펄스수는 제 1 트랙(10a)을 위한 출력의 구간의 종료시에 자기 엔코더(10)의 회전각도를 특정하는데 기여한다. 이러한 경우에 있어서, 회전각을 특정하기 위하여 필요한 자기 엔코더(10)의 회전각도는, 제 1 트랙(10a)의 구간에서 Hi와 Lo 사이의 스위치 펄스를 계측하는데 필요한 45도 내지 90도가 된다.
따라서, 실시예 3의 자기 엔코더(10)에 따르면, 작은 회전으로서 회전각도가 특정되어지도록 한다. 나아가, 자기 엔코더(10)의 역 회전의 경우에서도, 제 2 트랙(10b) 내의 Hi와 Lo의 순서는 펄스가 제 1 트랙(10a)의 Hi와 Lo 사이에서 전환되는 구간에서 변경되어지기 때문에, 역회전이 판별되어질 수 있다. 이러한 것은 적은 회전으로도 역회전이 멈추어지도록 한다.
이상에서 살펴본 바와 같이, 다음과 같은 장점이 있다. 예를 들어 4-실린더 엔진의 경우에, 통상적으로 크랭크샤프트는 실린더 위치를 특정하기 위하여 최대 360도의 각도에서 회전되어진다. 한편, 실시예 3에 따르면, 엔진의 시동으로부터 90도 이내에서 크랭크샤프트가 회전하는 것은 실린더 위치가 특정되어지도록 한다. 따라서, 연료는 단지 필요한 실린더에만 분사되어질 수 있고, 따라서 불필요한 연료분사는 감소되어질 수 있다. 이러한 것은 환경적인 관점에서 효과적이다.
또한, 본 발명의 실시예 3의 자기 엔코더(10)는 비-접촉 회전 제어수단으로서 효과적이며, 예를 들어 로봇의 팔(arm)과의 회전제어를 위하여 사용되어질 수 있다.
실시예 4
도 12는 본 발명의 실시예 4의 자기 엔코더의 자극의 배열패턴을 도시한 모습이다. 실시예 4는 실시예 3의 변형예이다.
실시예 4에서는, 도 12에서 도시된 바와 같이, 제 1 트랙 상의 45도 간격의 자극의 각각의 배열패턴은 그 헤드부(head)에 지표(지표부)와 동일한 개수의 자극을 포함하는 패턴(표준 피치부)을 가지며, 상기 패턴은 지표의 다음에 형성되어지며, 모든 배열패턴은 패턴이 동일하게 된다. 지표부와 표준 피치부 사이의 자극의 둘레방향 폭은 서로 다르다. 한편, 제 2 트랙 상의 45도 간격의 자극의 각각의 배열패턴은 자극의 개수와 배열패턴이 서로 다르다. 실시예 3에서, 제 2트랙 상에는 한 쌍의 N극과 S극의 개수는 모든 배열패턴에서 다르게 된다. 그러나, 실시예 4에서, 제 2 트랙 상의 자극의 개수는 하나씩 증가해서, 회전각도가 45도씩 증가할 때 자극의 개수가 0도 내지 45도에서는 4개, 45도 내지 90도에서는 5개, 90도 내지 135도에서는 6개가 된다. 이러한 것은 회전각도가 증가할 때 Hi와 Lo 사이의 스위치 펄스가 매 배열패턴에 대해서 하나씩 증가하도록 한다. 그러나, 제 2 트랙 상에서, 제 1 트랙 상의 지표와 동일한 폭을 가지는 한쌍의 자극들은 지표에 인접하게 제공되어지며, 다음으로는 자기장에서 간섭이 감소되어지도록 모든 배열패턴에 대해서 서로 다른 폭을 가지는 자극이 배치되어진다. 실시예 4에서 제 1 트랙 내에 지표가 제공되어지는 이유는 45도 각도에 의해서 전환이 명확하게 되기 때문이다. 다시 말해서, 제 1 트랙을 위한 출력펄스는 지표부 내의 펄스 폭이 길고, 실시예 4의 지표 이외의 다른 부분에서의 펄스폭은 짧다. 따라서, 펄스폭의 변화는 45도 각도에 의한 전환이 검출되어지도록 한다.
실시예 4에서, 제 1 트랙을 위한 출력과 제 2 트랙을 위한 출력의 비교는, 실시예 3의 경우와 비슷하게, 회전각도가 45도 내지 90도의 범위 내에서 특정되어지도록 한다. 다시 말해서, 제 1 지표의 검출로부터 제 1 트랙상의 후속 지표의 검출까지의 시간 동안 회전각도는 제 2 트랙 상의 Hi와 Lo 사이의 스위치 펄스수에 근거하여 특정되어진다. 나아가, 실시예 3에서, 자극들은 제 2 트랙 상에서 고정된 회전각도를 위한 한 쌍의 N극과 S극에 의해서 증가하도록 배열되어진다. 그러나 실시예 4에서, 자극의 수는 고정된 회전각을 위한 단일 극으로서 증가하도록 배열되어진다. 따라서, 고정된 회전각도가 작게 설정되어지는 경우(1 둘레부 회전 내의 배열패턴의 수가 증가하는 경우)에 회전각도가 크게 될 때도, 자극의 수의 증가는 억제되어질 수 있다. 따라서, 자극의 폭은 너무 작게 되는 것이 방지되어질 수 있어서, 감도저하가 억제되어질 수 있다.

Claims (9)

  1. 삭제
  2. 자극(magnetic pole)인 S극과 N극이 번갈아 복수 배열된 환형(annular)의 자기 엔코더(magnetic encoder)로서,
    자극의 배열패턴이,
    둘레방향으로 일정한 간격으로 구비되는 복수의 지표부(index part)와,
    지표부들 사이에 각각 구비되는 복수의 표준 피치부(standard pitch part)와, 그리고
    모든 표준 피치부 내에 또는 하나의 표준 피치부를 제외한 나머지 표준 피치부 내에 각각 구비되며, 각각의 표준 피치부에 대해 다른 모드(mode)로 구비되는 복수의 특수 피치부(specific pitch part)들을 포함하되,
    지표부와 표준 피치부와 특수 피치부에는, 자극의 둘레방향의 폭이 각각 다르게 되어 있는 것을 특징으로 하는 자기 엔코더.
  3. 제2항에 있어서,
    각 표준 피치부에 대해, 특수 피치부가 배치되는 위치는 다른 것을 특징으로 하는 자기 엔코더.
  4. 제2항에 있어서,
    각 표준 피치부에 대해, 특수 피치부에 있어서의 자극의 수는 다른 것을 특징으로 하는 자기 엔코더.
  5. 자극(magnetic pole)인 S극과 N극이 번갈아 복수 배열된 환형(annular)의 자기 엔코더(magnetic encoder)로서,
    자극의 배열이 모두 동일한 복수의 배열 패턴들이 나열된 제1 트랙과,
    자극의 배열이 모두 다른 복수의 배열 패턴들이 나열된 제2 트랙을 구비하되,
    상기 제1 트랙에 있어서의 자극의 배열 패턴은, 헤드에 구비되는 지표부와, 해당 지표부의 뒤에 구비되는, 자극수가 같은 표준 피치부로 구성되며,
    지표부와 표준 피치부에서는, 자극의 둘레 방향의 폭이 각각 다른 것을 특징으로 하는 자기 엔코더.
  6. 제5항에 있어서,
    제1 트랙으로부터의 출력과 제2 트랙으로부터의 출력 사이의 비교에 근거하여, 회전각도가 검출되어지는 것을 특징으로 하는 자기 엔코더.
  7. 제5항에 있어서,
    제2 트랙에 있어서의 자극의 배열 패턴은, 각 배열 패턴에 포함되는 자극의수가 다른 것을 특징으로 하는 자기 엔코더.
  8. 삭제
  9. 삭제
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