KR101069610B1 - 비접촉 다방향 거리 측정장치 - Google Patents

비접촉 다방향 거리 측정장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 전기 전도체(2,22)의 비접촉 다방향 거리(10,20) 측정장치에 있어서, 복수의 유도성 요소(1,4,7)를 포함하며, 상기 복수의 유도성 요소(1,4,7) 중 하나(1) 이상이 실질적으로 물체(2)의 주위에 배치되고, 상기 타 유도성 요소 또는 타 자기장 센서(4,7)가 상기 하나의 유도성 요소(1) 부근에 구비되어 있는 것을 특징으로 하는, 비접촉 다방향 거리 측정장치를 제공한다.
비접촉, 다방향, 거리 측정, 자기장 센서

Description

비접촉 다방향 거리 측정장치{DEVICE FOR CONTACT-LESS MEASUREMENT OF DISTANCES IN MULTIPLE DIRECTIONS}
본 발명은 비접촉 다방향 거리 측정장치에 관한 것으로, 특히 다축 위치센서(multi-axis position sensor)에 관한 것이다.
비접촉 위치 측정을 위해 유도 센서(inductive sensor)가 사용될 수 있다. 이러한 센서의 작동원리는 센서와 목표 물체 사이의 거리에 따른 센서 코일의 인덕턴스 또는 감쇠 측정에 기반하고 있다. 목표 물체(강자성체 또는 전기 전도체, 또는 양자 모두)와 측정 주파수에 따라 코일의 인덕턴스 또는 감쇠가 주요 인자가 될 수 있다.
저비용으로 높은 재현성을 얻기 위해 평면 센서 코일을 회로기판에 일체화할 수 있다. 평면 코일을 사용하는 종래 기술에 의한 센서는, 센서 코일 평면에 대해 수직으로 높은 위치 민감성을 보인다. 센서 코일 평면 내에서의 측면 x- 및 y- 위치 측정은 곤란한 것으로 판명된다. 단일 회로기판에 다방향 거리 측정용 다축 유도 센서를 일체화하기 위해서는, 충분히 큰 감도를 얻도록 코일 권선(coil winding)이 목표 물체가 위치한 회로기판의 단부 근처에 집중되어야 한다. 그러나 회로기판을 사용할 때, 충분히 큰 회전수를 얻기 위해서는 권선이 표면에 전개되어 야 한다. 따라서, 이러한 장치의 인덕턴스 또는 감도 중 어느 하나는 낮은 값을 갖게 되므로, 단일 기판에 센서를 일체화하는 것은 좋지 못한 것으로 간주되었다.
미국 4,642,595에는, 몸체 주위를 동심 코일로 감싼 조이스틱이 개시되어 있는데, 이는 페라이트(ferrite) 재질의 코어와 주 코일 측면의 다수의 부가 코일로 구성된다.
미국 4,825,157에는 또 다른 조이스틱이 개시되어 있는데, 이 조이스틱은 홀 센서로 작용하며 자성 코어를 사용하고 있다. 상기 두 종래 기술문헌에는 자성 및 비전도성 코어의 사용이 개시되어 있다.
본 발명의 목적은 종래 기술에 따른 상기 단점을 극복하는 것이다.
본 발명에서는 이러한 문제점의 해결책을 발견하고 단일 회로기판에 다축 유도센서를 일체화하도록 하였다.
종속항에 따른 다양한 실시예는 이러한 센서의 응용에서 더 나은 장점을 포함한다.
일반적으로 코일로 구현되는 복수의 인덕턱스는, 목표 물체의 위치가 측정될 수 있도록 배치된다. 이러한 위치 측정은 물체가 공간상에서 취하는 모든 회전 및 이동을 측정하는 것을 의미한다. 배치에 따라 하나, 둘 또는 최대 6개의 축이 동시에 측정될 수 있다. 회전 대칭체의 경우, 대칭축으로의 회전은 측정될 수 없다(5 자유도(DOF) 측정). 이 분야의 대부분의 종래 장치와 달리, 대칭축으로의 회전은 덜 중요한 것으로 간주된다.
미국 4,642,595와 같은 종래 기술에 의한 해결책에 의하면, 자성체 내에 자기장이 유도된다. 물체가 한 방향으로(예를 들어 좌측으로) 이동하면, 상기 측면의 검파기는 페라이트 코어로 더 가까이 접근하며, 더 큰 자기장을 보인다.
본 발명에 의하면, 회전자는 철이나 알루미늄과 같은 완전 전도성 실린더로 제작된다. 와전류(eddy current)는 자기장이 상기 재료에 존재하지 못하도록 한다. 따라서 물체가 한 방향으로(예를 들어 좌측으로) 이동하면, 목표 물체의 와전류에 의해 상기 측면에서 자기장이 부분적으로 억제된다. 전체 자기장은 반대 방향으로(예를 들어 우측으로) 이동한다. 반대측의 검파기는 더 큰 신호를 수신한다. 동심 코일과 목표 물체 사이의 간극이 그 직경에 비해 작으면, 전체 자기장의 이동은 목표 물체의 이동보다 훨씬 더 크다. 이로 인해 감도가 높아진다.
이하, 도면에 도시된 예시적인 실시예와 관련해 본 발명을 설명한다.
도 1은 본 발명에 의한 장치의 제1 형태의 개략적인 사시도이다.
도 2는 도 1에 의한 장치의 개략적인 평면도이다.
도 3은 본 발명에 의한 장치의 제2 형태의 개략적인 평면도이다.
도 4는 신호 처리장치와 함께 본 발명에 의한 장치의 제3 형태를 개략적으로 나타낸 평면도이다.
도 5는 본 발명에 의한 장치의 제4 형태의 개략적인 평면도이다.
도 6은 본 발명에 의한 장치의 제5 형태의 개략적인 평면도이다.
도 7은 도 6에 의한 장치의 개략적인 측단면도이다.
도 8은 본 발명에 의한 장치의 제6 형태의 개략적인 평면도이다.
도 9는 도 8에 의한 장치의 개략적인 측단면도이다.
도 10은 본 발명에 의한 장치의 제7 형태의 개략적인 평면도이다.
도 11은 도 10에 의한 장치의 배선 회로 배치도이다.
도 1은 본 발명에 의한 장치의 제1 형태의 개략적인 사시도이다. 코일(1)은 이동 가능한 전기 전도성 목표 물체(2)에 권취되고, 라인(3) 및 발전기(13)를 통한 고주파 전류에 의해 여자된다. 목표 물체(2)는 전기 전도체이지만, 강자성체 재료로 제작되지는 않았다. 독립된 소형 코일을 목표 물체 근처에 배치하는 종래 장치와 달리, 권선이 물체를 완전히 포위하도록 코일이 배치된다. 따라서 종래 장치에 비해 코일(1)의 인덕턴스가 높다. 그러한 코일(1)에는 전도체(2)에 유도되는 와전류에 의해 장(field)이 형성되지 않는다. 이로 인해 이동체(2) 및 코일(1) 사이의 간극(10)에 장이 집중된다. 장은 간극의 크기(10)에 크게 의존한다. 따라서 물체(2)의 위치는 전체적인 장 분포에 큰 영향을 끼친다.
이러한 효과는 코일(1)의 전기적 파라미터를 변화시키지 않는데, 이는 물체의 일측에서 간극(11)의 증가는 반대측에서 간극(12)의 감소로 상쇄되기 때문이다. 전체 장은 대개 일정하지만, 장의 분포는 물체의 위치에 따라 변화한다. 장 분포의 비대칭을 측정하기 위하여, 코일(1)의 권선을 따라 물체(2) 주위로 자기장 센서(4)가 사용된다. 센서(4)는 중공형 실린더형 장치와 거의 동일한 평면(14)에 배치된다. 이러한 배치로 목표 물체의 작은 측면 이동(X 및 Y 방향)에 대한 감도가 양 호해지고, 제조가 용이해지며, 코일(1)의 큰 인덕턴스로 인해 비교적 저주파수에서 작동될 수 있다.
출원인은, 물체(2)의 직경이 20㎜인 본 발명에 의한 장치를 준비하였다. 물체(2) 주위로 평면을 형성하는 기판(14)의 내단은 21㎜의 직경을 가진다. 따라서, 본 발명의 실시예에 따르면, 간극의 크기(10)는 0.5㎜이다.
실시예는 물체(2)의 직경과 간극(10)의 폭이 40:1의 관계가 되도록 선택 및 배치되었다. 예를 들어 물체(2)가 0.3㎜ 우측으로 이동하면, 간극(12)은 0.2㎜ 감소하고, 반대측 간극은 0.8㎜ 증가한다. 따라서 자기장은 약 12㎜ 좌측으로 이동한다.
장치의 작동은 다음과 같다. 고정 코일(1)은 기판(14)의 내측 원주에 가능한 한 근접하도록, 고리 기판(14) 상의 이동가능한 목표 물체(2)를 포위하여 배치된다. 일반적으로 100㎑ 내지 10㎒의 범위를 갖는 고주파 교류 전류(3)가 발전기(13)에서 발생해, 코일(1)로 전달된다. 이러한 배치의 장점은 그 간결성, 즉 작은 공간을 사용해 실현될 수 있는 큰 코일 인덕턴스에 있다. 자기장 센서(4)는 코일로 작용한다. 목표 물체(2) 주위에 배치된 이러한 부가 코일(4)은, 코일(1)에 의한 고주파 장에 의해 유도되는 전압을 측정하는데 사용된다. 이러한 전압은 목표 물체의 위치에 의존하고, 따라서 X- 및 Y- 방향으로 각각의 위치 신호를 발생시킨다.
케이블(3)은 장치의 치수에 비해 길 수 있고(예를 들어 100대 1), 비교적 저주파만을 허용한다.
고주파 교류전류에 대해 가능한 주파수 범위는 장치의 치수에 의해 좌우된다. 상기 주파수는, 실질적으로 전도체(2) 내에 자기장이 발생하지 않을 정도로 충분히 커야 한다. 즉, 전도체(2)에 유도된 와전류는 코일(1)의 자기장을 제거하고 배척한다.
도 2는 도 1에 의한 장치의 개략적인 평면도이다. 도면에서 동일한 요소에는 동일한 참조부호를 부여하였다. 도 1 및 도 2의 실시예에서는 네 개의 코일(4)이 사용된다.
도 3 및 도 4에 도시된 예와 같이, 네 개보다 더 많거나 적은 센서 코일을 구비하여, 위치신호를 발생시키는 유사한 장치를 실현할 수 있다. 도 3에서 본 발명에 의한 장치의 제2 형태는 세 개의 코일(4)을 사용하며, 도 4에서는 여섯 개의 코일(4)을 사용한다.
본 발명에 의한 코일의 배치로 인해, 코일당 권취수가 작거나(예를 들어 다섯 번) 코일 크기가 작아도(예를 들어 코일 직경이 10㎜) 충분히 큰 인덕턴스가 발생한다. 결과적으로 이러한 측정 원리는 회로 기판(PCB)에 일체화하기 적합하다. 회로 기판의 사용은, 도 1에 도시된 바와 같이 동일 평면(14) 내에 단일 제조공정으로 모든 코일(1,4)의 구비를 가능하게 하고, 재생산을 가능하게 하며, 최적화된 코일 배치 및 저비용 생산 공정을 가능하게 한다. 도 7에 도시된 바와 같이, 코일(1) 및 코일(4)은 목표 물체(2)에 매우 근접한 다층 구조로 배열될 수 있으며, 이는 더욱 향상된 결과를 보인다. 상기 모든 실시예에서, 전도체(2)에 유도된 와전류는 코일(1)의 장을 배척한다. 전도체(2)에는 자기장선이 거의 생기지 않는다. 이로 인해 이동체(2)와 고정 코일(1) 사이의 간극(10)에 상기 장 집중이 발생한다.
종래의 센서 원리에 부가 코일을 첨가함으로써, z 방향에 수직으로 거리 측정이 가능하게 된다.
와전류가 지배적 효력을 발휘하는 한 강자성 목표 물체를 사용하는 것이 가능하므로, 전술한 인덕턴스의 배치가 여전히 유용하다.
코일(1) 및 코일(4)은 한 쌍의 인덕턴스 시스템을 형성한다. 결과 신호는 코일의 임피던스 측정으로 구할 수 있다. 이는 다양한 방법으로 실현될 수 있다. 고주파 교류전류(3)를 코일(1)에 연결하는 대신, 그러한 전류를 코일(4)에 인가할 수 있으며, 이는 코일(1)에 측정가능한 신호를 발생시킨다. 코일(4)에 인가되는 전류는 각각 위상 변화 또는 상이한 주파수를 가지도록 선택될 수 있다.
코일의 유도 리액턴스 전류를 상쇄하기 위하여, 일반적으로 100㎊인 커패시터가 코일(4) 및 코일(1)에 병렬로 연결될 수 있으며, 이는 케이블의 전류를 감소시킨다. 이는 목표 물체(2)의 위치에 크게 의존하는 공명회로를 만든다. 제시된 장치에서는, 인덕턴스의 결합(coupling)에 의하여 단일 독립 코일에 비해 공명 주파수가 현저히 낮아진다. 낮은 전류 및 낮은 주파수 양자 모두는, 장치와 연결된 케이블에 의한 신호 전달에 유리하다.
도 4는 신호 처리장치와 함께 본 발명에 의한 장치의 제3형태를 개략적으로 나타낸 평면도이다. 도 4의 장치(5)를 통한 신호 처리는, 센서 드리프트(sensor drift)를 제거하기 위해, 차동적으로 실시될 수 있다. 또한, 공지된 동기식 복조기(6)가 사용될 수 있다. 그러나 복수의 상이한 신호 처리 수단 및 처리 방법이 종래 기술에서 입수 가능하다는 점을 유의해야 한다. 신호 처리 장치(5)는 코일(1) 및 코일(4)과 함께 기판에 일체화하는 것이 바람직하다. 그러나 공급 라인(3) 및 측정 라인의 작은 감도로 인해 센서와 그 신호 처리 장치가 분리될 수 있다는 것을 유의해야 한다.
코일(4) 대신, 예를 들어 홀 센서와 같은, 다른 자기장 센서가 사용될 수 있다. 도 5는, 코일 대신 홀 센서(4)를 사용하여, 세 개의 자기장 센서를 부가한, 본 발명에 의한 장치의 제4 형태를 개략적으로 나타낸 평면도이다.
도 6은 본 발명에 의한 장치의 제5 형태의 개략적인 평면도이고, 도 7은 도 6에 의한 장치를 도 6의 선 VII-VII를 따라 절단한 개략적인 측단면도이다. 도 6의 실시예에서, 목표 물체(2) 상의 계단부 또는 노치(22)까지의 거리(또는 간극)(20)를 측정함으로써, 굴대형 목표 물체의 z-방향 위치가 부가적으로 결정될 수 있다. 이러한 장치에서 거리 측정은, 코일(4)의 신호를 합산하여 구하거나, 코일(1)의 임피던스를 구함으로써 달성될 수 있다. 실제로, 도 7은 하나의 도면으로 두 개의 상이한 실시예를 도시한다. 도 7의 좌측면에는, 코일(1)이 기판의 상부 및 하부의 외주면 최내부에 구비되고, 코일(4)은 z-축에서 더 먼 거리에 코일(1)과 같은 평면상에 구비된다. 도 7의 우측면에는, 코일(1)의 두 부분 사이에 코일(4)이 삽입된, 다층 배열이 도시되어 있다.
도 8은 본 발명에 의한 장치의 제6 형태의 개략적인 평면도이고, 도 9는 도 8에 의한 장치의 개략적인 측단면도이다. 부가 코일(7)이 첨가된 측정 장치는 부가 자유도(DOF)를 측정할 수 있다. 도 8에는, 각각의 코일(1) 및 코일(4)의 방사 상 외측에 구비된 부가 코일(7)이 첨가된 장치가 도시되어 있다. 도 8의 실시예에서, 굴대형 목표 물체의 z-방향 위치는, 목표 물체(2)의 직경이 더 큰 원통부(22)까지의 간극(20)을 측정함으로써, 부가적으로 결정될 수 있다. 이러한 코일(7)을 사용해, x-, y-, z-방향 변위뿐만 아니라 x-, y-축 주위로의 회전(경사) 각도를 구할 수 있다. 도 9에서, 코일(4) 및 코일(7)은 직경이 더 큰 원통부(22)에 대향하는 기판(14)의 하부면에 구비되어 있고, 원통부를 원주형으로 포위하는 코일(1)은 기판(14) 상부면의 내측 외주면에 구비되어 있는 것을 볼 수 있다.
도 10은 본 발명에 의한 장치의 제7 형태의 개략적인 평면도이고, 도 11은 도 10에 의한 장치의 배선 회로 배치도이다. 코일(1)은 3개의 분리된 권선으로 구성된다. 각각의 코일(4)은 대응하는 코일(1) 권선에 직렬 연결된다. 이로 인해, 더 적은 연결 배선이 필요하다. 개략적으로 나타내기 위해, 도 10에는 단 한번 권취된 모습이 도시되어 있다. 여기 신호(excitation signal)(13)는 모든 코일(4)로 공급되며, 코일(4)의 임피던스가 측정된다. 도 11에는 2층 배선 기판이 도시되어 있다. 실선은 상층의 배선을, 점선은 하층의 배선을 표시하며, 점은 상-하층 간의 접합점이다.
본 발명에 의한 비접촉 다방향 거리 측정장치는, 단일 회로 기판에 다축 유도센서를 일체화하여 종래 기술에 따른 단점을 극복하였다.

Claims (16)

  1. 물체의 비접촉 다방향 거리 측정장치로서,
    전기 전도체(2);
    상기 전기 전도체(2)의 주위에 배치된 적어도 하나의 제1 유도성 요소(1);
    상기 제1 유도성 요소(1) 부근에 구비된 복수의 제2 유도성 요소 또는 자기장 센서(4, 7); 및
    상기 제1 유도성 요소(1)에 고주파 전류를 공급하여 자기장을 발생하도록 작동하는 수단
    을 포함하되,
    상기 고주파 전류는 발생한 자기장의 실질적인 부분이 상기 전기 전도체(2)에 유도되는 와전류(eddy current)로 인해 상기 전기 전도체(2)로 진입할 수 없도록 하는 고주파수를 갖는 것을 특징으로 하는, 비접촉 다방향 거리 측정장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제2 유도성 요소 또는 자기장 센서(4, 7)로부터 출력 신호를 감지하기 위한 처리 수단을 더 포함하되, 상기 처리 수단은 상기 전기 전도체(2)의 이동, 또는 상기 와전류로 인한 상기 고주파 자기장의 변위에 대응하여 신호를 감지할 수 있는, 비접촉 다방향 거리 측정장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 제1 유도성 요소(1) 및 제2 유도성 요소(4, 7)는 코일인 것을 특징으로 하는, 비접촉 다방향 거리 측정장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 코일은 프린티드 코일(printed coil)인 것을 특징으로 하는, 비접촉 다방향 거리 측정장치.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 제1 유도성 요소(1)는 상기 전기 전도체(2) 주위로 권취된 제1 코일이고, 상기 제2 유도성 요소(4, 7)는 상기 전기 전도체(2) 주위의 상이한 각위치에 배치된 단일의 제2 코일인 것을 특징으로 하는, 비접촉 다방향 거리 측정장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제1 코일(1)로 고주파 전류가 공급되며, 상기 제2 코일(4, 7)로부터 출력 신호가 검출되는 것을 특징으로 하는, 비접촉 다방향 거리 측정장치.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 전기 전도체(2)와 상기 제1 코일(1) 사이에 간극(10)이 존재하고, 상기 간극(10)은 상기 전기 전도체(2)의 직경에 비해 작은 것을 특징으로 하는, 비접촉 다방향 거리 측정장치.
  8. 제5항에 있어서,
    상기 제2 코일(4, 7)이 짝수 개로 구비된, 비접촉 다방향 거리 측정장치.
  9. 제5항에 있어서,
    상기 제2 코일(4,7)이 병렬로 커패시턴스를 구비하여 공명회로를 형성하는 것을 특징으로 하는, 비접촉 다방향 거리 측정장치.
  10. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 전기 전도체(2)는 플랜지부(22)를 포함하며,
    상기 플랜지부(22)의 표면 부근에, 상기 전기 전도체(2) 주위의 상이한 각위치에 복수의 제3 코일(7)이 배치된 것을 특징으로 하는,
    비접촉 다방향 거리 측정장치.
  11. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 제1 유도성 요소(1)에 고주파 전류를 공급하기 위한 수단은 고주파 발생기를 포함하는 것을 특징으로 하는 비접촉 다방향 거리 측정장치.
  12. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 고주파 전류는 100㎑ 내지 10㎒ 사이의 주파수를 갖는 것을 특징으로 하는 비접촉 다방향 거리 측정장치.
  13. 조이스틱, 스티어링 기어, 모터의 회전자 및 컴퓨터 입력장치의 각(angle) 검출을 위하여 이용되는 제1항 또는 제2항의 비접촉 다방향 거리 측정장치.
  14. 자기 베어링의 위치제어를 위하여 이용되는 제1항 또는 제2항의 비접촉 다방향 거리 측정장치.
  15. 전기 전도성 물체의 비접촉 다방향 거리 측정을 하는 방법으로서,
    전기 전도체(2)의 주위에 적어도 하나의 제1 유도성 요소(1)을 제공하고,
    상기 제1 유도성 요소(1) 부근에 복수의 제2 유도성 요소 또는 자기장 센서(4, 7)를 제공하고,
    상기 제1 유도성 요소(1)에 고주파 전류를 공급하여 자기장을 발생시키며,
    상기 고주파 전류는 발생한 자기장의 실질적인 부분이 상기 전기 전도체(2)에 유도되는 와전류로 인해 상기 전기 전도체(2)로 진입할 수 없도록 하는 고주파수를 갖는 것을 특징으로 하는, 방법.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 제2 유도성 요소 또는 자기장 센서(4, 7)로부터 출력 신호를 감지하되, 상기 출력 신호는 상기 전기 전도체(2)의 이동 또는 상기 와전류로 인한 상기 고주파 자기장의 변위에 대응하여 발생하는 것을 특징으로 하는, 방법
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