KR101200836B1 - 유도형 위치 센서 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 따른 위치 감지용 유도형 위치 센서는 송신기 코일 및 수신기 코일을 포함하고, 상기 수신기 코일은 상기 송신기 코일이 교류 전류원에 의하여 여자될 때 수신기 신호를 생성한다. 이동가능한 커플러 부재는 송신기 코일과 수신기 코일 사이의 유도 결합을 수정하여 수신기 신호가 커플러 부재 위치에 영향을 받는다. 예를 들면, 커플러 부재는 송신기 코일과 수신기 코일의 공통 중심축을 중심으로 회전될 수 있다. 다른 실시예에서, 제공된 기준 신호가 커플러 부재의 각도 위치의 편차에 실질적으로 영향을 받지 않도록 기준 코일이 구성된다. 상기 수신기 신호와 기준 신호의 비율은 커플러 부재 위치에 영향을 받지만, 기준 신호와 수신기 신호에 실질적으로 동일한 정도로 영향을 미치는 공통 모드 인자에 실질적으로 영향을 받지 않는다.
유도, 센서, 위치, 감지, 송신기, 수신기, 코일, 커플러, 커플링 기준 신호

Description

유도형 위치 센서{INDUCTIVE POSITION SENSOR}
본 발명은 피벗팅 스로틀 페달(pivoting throttle pedal)과 같은 이동 가능 부품(movable part)의 위치를 측정하는 비접촉식 유도 센서에 관한 것이다.
본 출원은, 미국 가특허출원으로서 2004년 4월 9일 출원된 60/561,065호, 및 2004년 8월 2일 출원된 60/598,192호에 대한 우선권을 주장하고, 이 미국 가특허출원의 내용이 전체로서 원용되어 본 명세서에 포함된다.
자동차와 같은 엔진을 갖는 차량은 엔진 속도를 제어하는 사용자-조작식 제어 장치(user-operated control)를 구비하고 있다. 일반적으로, 사용자-조작식 제어 장치는 페달 암(pedal arm)을 포함하는데, 상기 페달 암은 이 페달 암의 하단부에 풋 페달을 가지고 있고, 대체로 엑셀러레이터 페달, 또는 스로틀 페달로도 부른다. 페달 어셈블리는 엔진과 결합되는 엔진 스로틀 제어 장치에 전송되는 스로틀 제어 신호를 제공한다. 일반적으로, 엑셀러레이터 페달과 엔진 스로틀 제어 장치는 기계적으로 연결되고, 상기 스로틀 제어 신호는 기계적인 신호이다. 그러나, 최근에는 종종 플라이-바이-와이어 시스템(fly-by-wire systems)으로 부르는 전자적으로 제어되는 스로틀 제어 시스템으로 변경되고 있는데, 엑셀러레이터 페달 또는 다른 사용자 조작식 제어 장치가 엔진 스로틀 제어 장치와 전기 접속되므로, 상기 스로틀 제어 신호는 전기 신호가 된다. 상용화를 위해서는, 이러한 전자 스로틀 제어 시스템은 신뢰할 수 있고, 제조하는데 과다하게 비용이 들지 않아야 한다. 그러므로, 엔진 제어 장치용 개선된 유도형 위치 센서가 필요하다. 유사하게, 개선된 유도형 위치 센서로부터 장점을 얻는 다수의 다른 위치 감지 장치가 있다.
본 발명에 따른 이동 가능 부품(movable part)의 부품 위치를 결정하는 장치는, 송신기 코일(transmitter coil), 상기 송신기 코일에 근접하여 배치되는 수신기 코일(receiver coil), 및 커플러 부재(coupler element)를 포함하고,
상기 송신기 코일은 상기 송신기 코일이 전기 에너지원에 의하여 여자될 때 전자기 복사(electromagnetic radiation)를 생성하고,
상기 수신기 코일은, 상기 송신기 코일이 상기 수신기 코일과 상기 송신기 코일 사이의 유도 결합(inductive coupling) 때문에 여자될 때 수신기 신호(receiver signal)를 생성한다. 상기 커플러 부재는 이동가능하고, 예를 들면 기계적 부속장치 또는 다른 기계적 커플링에 의하여 상기 부품 위치와 상호 연관되는 커플러 부재 위치를 가지고 있다. 상기 커플러 부재는, 상기 수신기 신호가 상기 부품 위치와 상호 연관되도록 상기 송신기 코일과 상기 수신기 코일 사이의 유도 결합을 수정하고, 또한 상기 커플러 부재는 금속 플레이트, 전도성 루프이거나, 또는 복수의 전도성 루프를 포함한다.
바람직한 실시예에서, 상기 수신기 코일은 제1 루프 구조(loop configuration) 및 제2 루프 구조를 포함하며, 상기 제1 루프 구조 및 제2 루프 구조는 동일한 방향에서 볼 때 반대 방향의 권선 방향을 가지고 있다. 상기 송신기 코일과 상기 제1 루프 구조 사이의 유도 결합은 제1 신호를 생성하고, 상기 송신기 코일과 제2 루프 구조 사이의 유도 결합은 제2 신호를 생성하며, 상기 수신기 신호는 반대의 제1 및 제2 전압의 합과 같이, 상기 제1 신호와 제2 신호의 조합이다.
상기 송신기 코일은 1회 이상의 턴을 가지는 루프일 수 있다. 다른 실시예에서, 상기 송신기 코일은 제1 루프 구조 및 제2 루프 구조를 포함할 수 있으며, 상기 제1 루프 구조 및 제2 루프 구조는 반대 방향의 권선 방향을 가지고 있어, 송신된 전자기 플럭스는 반대 자계 방향의 영역을 포함하여, 자계 방향의 공간 편차(spatial variation)를 가지고 있다. 또한 커플러 부재는 수신기 코일에 유도되는 반대 신호의 비율을 수정하는데 사용될 수 있다.
커플러 부재의 회전 또는 선형 운동은, 예를 들면 반대 방향(예를 들면, 시계 방향 및 반시계 방향)으로 권선되는 제1 및 제2 부분을 가지는 수신기 코일 내에서 제1 전압 대 제2 전압의 비율을 수정함으로써, 송신기 코일과 수신기 코일 사이의 유도 결합을 수정하는데 사용될 수 있다. 커플러 부재 위치는 페달 위치와 상호 연관될 수 있으며, 예를 들면 페달 운동이 커플러 부재의 각도 위치(angular position)에 기계적으로 연결될 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에서, 유도 센서는 기준 코일을 포함하는데, 상기 기준 코일은, 상기 송신기 코일이 상기 송신기 코일과 상기 기준 코일 사이의 제2 유도 결합 때문에 여자될 때 기준 신호(reference signal)를 생성하며, 상기 제2 유도 결합은 상기 커플러 부재 위치와 실질적으로 무관하다. 상기 기준 신호는 커플러 부재 위치 변화에 기인하지 않으며, 예를 들면 온도, 송신기의 여자 전압, 및 상대 코일과 커플러 분리의 변화와 같은 공통 모드 인자에 기인하는 수신기 신호의 임의 편차를 보정하는데 사용될 수 있다. 전자 회로가 비율 신호를 형성하도록 사용될 수 있으며, 상기 비율 신호는 기준 신호와 수신기 신호의 비율이며, 상기 비율 신호는 부품 위치를 결정하는데 사용된다.
도 1은 본 발명과 관련하여 사용되어, 인쇄 회로 기판에 형성되는 여자기 즉 송신기 코일과 수신기 코일 권선의 개략도이다.
도 2는 본 발명의 기준 코일과 대응 커플러를 포함하는, 인쇄 회로 기판의 측면도이다.
도 3은 커플러가 정위치에 배치된 상태의 여자기 및 수신기 코일의 평면도이다.
도 4는 도 1-도 3의 회로 기판에 부착되고, 명확하게 하기 위하여 분리하여 도시된, 본 발명과 관련하여 사용되는 기준 코일의 도면이다.
도 5는 본 발명의 센서를 사용하는 차량에서 스로틀 페달 위치를 나타내는 값을 가지는 출력 제어 신호를 생성하는 시스템의 개략도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 유도 센서를 도시한다.
도 7은 유도 센서의 개략도이다.
도 8은 기준 코일의 구조를 도시한다.
도 9는 기준 코일의 개략도이다.
도 10a는 커플러 부재의 개략도이다.
도 10b는 기준 코일의 단순화된 개략도이다.
도 11은 수신기 코일의 다른 개략도이다.
도 12는 본 발명의 실시예에 사용될 수 있는 양극성 송신기 코일을 도시한다.
도 13은 커플러 부재로서 사용되는 전도성 루프를 도시한다.
본 발명의 실시예는 차량의 스로틀 페달 위치 검출, 또는 다른 이동성 물체(movable objects)의 위치 검출에 사용될 수 있는 유도형 위치 센서를 포함한다. 바람직한 실시예에서, 센서는 송신기 코일(transmitter coil) 및 수신기 코일(receiver coil)을 포함하며, 양자 모두 인쇄 회로 기법에 의하여 인쇄 회로 기판 상에 형성된다. 상기 송신기 코일과 수신기 코일 사이의 유도 결합(inductive coupling)은, 송신기 코일이, 예를 들면 교류 전류원에 의하여 여자될 때, 수신기 코일에 수신 신호를 포함한다. 이동성 물체에 부착되는 커플러 부재(coupler element)는, 송신기 코일과 수신기 코일 사이의 유도 결합을 공간적으로 수정하여, 수신기 신호가 이동형 물체의 위치를 발견하는데 사용될 수 있도록 한다.
교류 전류원에 의하여 동력이 공급되는 송신기 코일(때때로 여자기 코일이라 함), 상기 송신기 코일에 의하여 생성되는 자계 변화 시간에 대응하여 유도 신호를 생성하는 수신기 코일(또는 픽업 코일(pickup coil)), 및 자계 변화 시간이 커플러 부재의 위치의 함수로서 수신기에 유도되는 전류를 변경하는 커플러 부재의 와전류(eddy currents)를 생성하도록 코일에 근접하여 위치되는 전도성 부재를 사용하는 유도형 위치 센서가 설명된다.
상기 커플러 부재는, 커플러의 각(또는 회전) 위치가 스로틀 부재의 위치의 함수가 되도록, 차량의 스로틀 페달과 같은, 그 위치가 측정될 수 있는 이동 가능 부품에 연결된다. 따라서, 수신기 또는 픽업 코일에 유도되는 전압이 변경되고, 수신된 전압을 검출함으로써, 커플러 부재의 위치, 및 그에 따라서 스로틀 페달이 결정될 수 있다. 이러한 신호는 차량 엔진의 속도를 제어하는데 사용될 수 있다.
본 발명의 실시예는 반대쪽으로 권선되는 부분을 가지는 수신기 코일을 포함하는데, 예를 들면, 수신기 코일의 제1 부분은 반시계 방향으로 권선되고, 제2 부분은 시계 방향으로 권선되고, 바람직하게는 두 부분은 다른 공간적 범위(즉, 완전히 겹치지 않는)를 가지고 있다. 이러한 부분을 위하여 제1 루프 구조(loop configuration) 및 제2 루프 구조라는 용어가 사용된다. 이러한 수신기 코일로부터의 수신 신호는 수신기 코일과 송신기 코일 사이의 플럭스 커플링(flux coupling)의 크기뿐만 아니라, 송신기 코일에서 시작되고 수신기 코일을 관통하는 자속선(flux lines)의 공간 배치에도 민감하다.
일반적인 센서 실시예
일 실시예의 유도형 위치 센서는 여자되는 교류 전류원에 연결되는 송신기 코일, 및 수신기 코일을 포함한다. 송신기 코일 및 수신기 코일은 동일한 인쇄 회로 기판에, 동일한 기판의 실질적으로 동일한 평면상에나, 또는 다른 층에 지지되어 있다. 이동성 커플러 부재는 기판에 근접하여 지지되어 있고, 상기 송신기 코일과 수신기 코일 사이의 유도 결합을 변경한다. 일 실시예에서, 커플러 부재는 회전축을 중심으로 회전되는데, 이 회전축은 송신기 코일과 수신기 코일의 하나 또는 양자 모두의 중심축일 수 있다. 커플러 부재 위치는 상기 송신기 코일과 수신기 코일 사이의 유도 결합을 변경함으로써 송신기 코일에 의하여 유도되는 수신기 신호의 진폭을 변경한다.
상기에서 설명된 실시예의 센서에서, 또한 수신기 신호의 진폭은 커플러 부재와 인쇄 회로 기판 사이의 간극의 함수이기도 한데, 이는 제조 상태에서 어느 정도 불가피하게 변화된다. 상기 간극으로부터 발생되는 변화뿐만 아니라 여자기 또는 공급 전압의 변화, EMC, 및 온도 변화와 같은 다른 공통 모드(common mode) 신호에 대해 상기 수신기 신호를 수정하기 위하여, 송신기 코일과 수신기 코일과 동일한 인쇄 회로 기판 상에 형성되는, 기준 코일(reference coil)이 사용될 수도 있다. 기준 코일은 수신기 코일과 동일한 신호를 수신하지만, 기준 신호가 커플러 부재의 회전 위치의 변화에 영향을 받지 않도록 구성된다. 신호 조절 회로(signal conditioning circuit)는 수신기 신호 및 기준 신호를 수신하고, 수신기 신호와 기준 신호의 비율을 나타내는 비율 신호(ratio signal)를 형성한다. 상기 비율 신호는 커플러 부재 위치와 상호 연관되지만, 이하에서 보다 상세하게 설명되는 바와 같이, 상당한 변화 내에서, 간극 변화 및 다른 공통 모드 변수 인자와 실질적으로 무관할 수 있다.
전기 에너지용 입력 및 상기 수신기 신호 및 기준 신호를 제공하는 출력을 가지는 인쇄 회로 기판이 구성될 수 있다. 대안으로, 기판의 전기 회로는 수신기 신호 및 기준 신호의 비율로서, 비율 신호를 생성하는데 사용될 수 있다. 신호 처리 회로(signal processing circuitry)가, 커플러 위치의 함수가 아닌 신호 편차를 실질적으로 제거하도록 수신 신호를 기준 신호로 나누는데 사용될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 유도 센서는 콜피츠 오실레이터(colpitts oscillator)와 같은 교류 전원에 연결되는 송신기 코일(여자기 코일이라고 할 수도 있음), 수신기 코일, 및 상기 송신기 코일 및 수신기 코일에 물리적으로 관련되어 지지되는 커플러 부재를 포함하여, 상기 커플러 부재의 위치가 송신기 코일과 수신기 코일 사이의 유도 결합의 강도에 영향을 미친다. 수신기 코일에 의하여 제공되는 수신기 신호는 커플러 부재의 위치와 상호 연관될 수 있다.
송신기 코일
송신기 코일은 종래의 원형 코일 구조의 하나 이상의 루프일 수 있으며, 다른 구조가 사용될 수 있다. 송신기 코일은, 여자기 코일이라고 할 수 있으며, 교류 전류원에 의하여 여자된다. 여자 소스(exciting source) 또는 교류 전류원은 콜피츠 오실레이터와 같은 전자 오실레이터, 또는 다른 전자 오실레이터일 수 있다.
전기 에너지에 의하여 여자되면, 송신기 코일은 전자기 복사(electromagnetic radiation)를 방사한다. 송신기 코일과 임의의 다른 근접 코일 사이의 유도 결합이 존재하는데, 이것은 송신기 코일의 신호를 유도한다.
상기 송신기 코일은 하나 이상의 턴(turns)을 가지는 원형 코일일 수 있다. 여자 신호는 교류 전류원에 의하여 송신기 코일에 제공된다. 상기 송신기 코일과 상기 수신기 코일 사이의 유도 결합은 수신기 코일의 수신기 신호를 생성한다.
커플러 부재
커플러 부재는 송신기 코일과 수신기 코일 사이의 유도 결합을 수정한다. 커플러 부재는, 종래의 구조에서는 필요했겠지만, 본 발명의 실시예에서는 송신기 코일과 수신기 코일 사이에 위치될 필요는 없다. 또한, 본 발명의 실시예에서, 커플러 부재는 송신기 코일과 수신기 코일 사이의 전체 플럭스 커플링을 수정할 필요는 없지만, 플럭스 커플링의 공간 배치를 수정할 수는 있다.
커플러 부재는 대체로 평면 형상이고 하나 이상의 방사상으로 연장되는 로브(lobes)를 포함할 수 있는 전도성 부재일 수 있고, 그의 로브 또는 로브들이 인쇄 회로 기판에 평행하고 근접하게 이격된 상태로 송신 및 수신 코일의 중심선을 중심으로 회전되도록 지지될 수 있다. 로브의 구조는 수신기 코일의 구조에 크게 의존할 수 있다.
커플러 부재는 이동성 물체에 부착되거나, 그렇지 않으면 이동성 물체에 기계적으로 연결되어, 그 회전 위치는 이동성 물체의 위치의 함수이다. 이하에서 상세하게 설명되는, 수신기 코일의 구조는, 커플러 부재의 위치의 함수인 수신기 코일의 출력에서 전압이 발생되도록 될 수 있다.
차량용 예에서, 커플러 부재는 이동성 페달 암(movable pedal arm) 또는 다른 차량 제어 암에 부착되거나, 또는 그렇지 않으면 기계적으로 연결되어, 그 회전 위치가 이동성 암의 위치의 함수이다.
커플러 부재는 수신기 코일에 대하여 초기 위치를 가질 수 있고, 이곳에서 수신기 신호가 최소이다. 커플러 부재가 초기 위치로부터 이동되면, 커플러 부재는 송신기 코일과 제1 및 제2 루프 구조 사이의 유도 결합을 수정한다. 본 발명의 실시예에서, 커플러 부재의 초기 구조에서, 제1 및 제2 신호는 유사한 크기와 반대 위상(opposite phase)을 가지고 있어, 서로 상쇄하는 경향이 있다. 커플러 부재가 이동되면, 송신기 코일과 제1 루프 구조 사이의 유도 결합이 증가되고, 동시에 송신기 코일과 제2 루프 구조 사이의 유도 결합이 감소된다. 제1 신호와 제2 신호 의 크기의 차이가 증가되면, 수신기 신호가 증가된다.
수신기 코일
용어 '수신기 신호'는 수신기 코일에 유도되는 신호, 및 수신기 코일에 유도되는 신호에 따른 임의의 조절된 신호에도 대체로 사용될 수 있다.
이하에서 설명되는 실시예에서, 제1 및 제2 루프 구조로 형성된 제1 및 제2 신호로부터의 성분을 포함하는 하나의 리시버 신호가 수신기 코일에 의하여 제공된다. 수신기 코일은 각각, 제1 및 제2 신호를 제공하는 제1 루프 구조 및 제2 루프 구조를 포함할 수 있다. 또한 수신기 신호는 제1 및 제2 신호의 임의의 조합이다.
예를 들면, 제1 및 제2 루프 구조는 반대 위상의 신호를 생성하도록 구성될 수 있고, 상기 수신기 신호는 제1 및 제2 신호의 조합이며, 그러므로 제1 및 제2 신호가 유사한 크기를 가질 때 수신기 신호는 최소값을 가진다. 수신기 신호의 크기가 제1 루프 구조에 유도된 제1 신호 진폭과, 제2 루프 구조에 유도된 제2 신호 진폭의 차이이므로, 수신기 신호는 차분 신호(difference signal)로도 불릴 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에서, 수신기 코일은 분리 루프 구조로부터 프로세싱용 전자 회로에 분리된 제1 및 제2 신호를 제공할 수 있다.
수신기 코일의 제1 및 제2 루프 구조는 수신기 코일을 통하여 일정한 자기 플럭스(magnetic flux)를 위하여 반대 극성의 제1 및 제2 전압을 제공하도록 구성될 수 있다. 수신기 코일은 제1 및 제2 신호가 커플러 부재의 부재시 서로 상쇄되도록 구성될 수 있다. 또한 커플러 부재는 제1 루프 구조 및 제2 루프 구조에 플럭스 전송을 균일하게 차단하여, 제1 신호 및 제2 신호가 서로 효과적으로 상쇄되는 제로 위치(zero position)를 가질 수도 있다. 커플러 부재가 초기 위치에 대하여 제1 방향으로 이동되면, 커플러 부재는 제2 신호를 유도하는 자기 플럭스를 더 크게 차단하고, 동시에 제1 신호를 유도하는 자기 플럭스를 더 작게 차단한다. 그러므로, 제1 신호의 크기가 증가되고, 제2 신호의 크기가 감소되고, 수신기 신호의 크기가 증가된다. 또한 커플러 부재는, 제2 신호의 크기가 증가되고, 제1 신호의 크기가 감소되는, 제2 방향으로 이동될 수도 있다.
기준 코일
본 발명의 다른 실시예에서, 커플러 부재의 위치와 실질적으로 무관한 기준 신호를 제공하는 기준 코일이 제공되며, 이는 디퍼렌셜 더미(differential dummy)로도 불릴 수도 있다. 그러나, 기준 신호는, 수신기 신호의 세기에 영향을 미치는, 공통 모드 인자(common mode factors)로 불릴 수 있는, 동일한 인자의 영향을 받을 수 있다. 공통 모드 인자는 다음 중 하나 이상을 포함할 수 있다: 커플러 부 재와 송신기(또는 수신기) 코일 사이의 커플러 간극, 송신기 코일에 적용되는 여자 전압의 변화, 수신기 노이즈를 유도하는 주변 전자계, 온도 변화 등.
유도 센서는 센서 출력이 센서의 형상의 제조 편차에 관계없는 표준형태를 갖도록 교정될 수 있다. 자동 시스템에서, 코일(인쇄 회로 기판 상에 지지될 수 있음)과 커플러 부재(엑셀러레이터 페달에 연결됨) 사이의 커플러 간극은 수신기 코일의 유도 신호에 강하게 영향을 미치고, 이러한 커플러 간극은 대량 생산 프로세스에서 정밀하게 제어하기 곤란하다. 그러나, 교정 프로세서(calibration process)는 에러 및 비용의 원인일 수 있다.
종래의 유도 센서는 온도와 같은 공통 모드 인자에 대하여 광범위한 교정 곡선을 필요로 한다. 예를 들면, 종래의 유도 센서는 온도 센서, 온도 수정 인자의 룩업 테이블(look-up table), 온도 수정을 실행하는 회로를 포함할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따른 비율 신호를 사용하여, 이러한 추가 복잡성 및 관련 비신뢰성이 많이 방지될 수 있다.
수신기 신호와 기준 신호의 비율로서 비율 신호를 결정함으로써, 공통 모드 인자의 효과가 매우 억제될 수 있어, 비율 신호는 공통 모드 인자와 실질적으로 무관하고, 커플러 위치와 상호 연관된다. 비율 신호는 아날로그 회로에 의하여 결정될 수 있다.
기준 코일은 수신기 코일의 크기와 유사할 수 있지만, 송신기 코일에 의하여 기준 코일에 유도되는 기준 전압이 커플러 부재의 위치와 실질적으로 무관하도록 구성될 수 있다. 이하에서는 실시예가 예를 들면 도 8을 참조하여 보다 상세하게 설명된다. 송신기 코일과 기준 코일 사이의 유도 결합은, 송신기 코일과 수신기 코일 사이의 유도 결합에 영향을 미치는 유사한 공통 모드 인자에 의하여 영향을 받게 된다. 이러한 인자는, 커플러 부재와 송신기 코일 및 수신기 코일을 지지하는 인쇄 회로 기판 사이의 간극, 또는 커플러 부재와 송신기 코일, 또는 송신기 코일을 지지하는 다른 구조체 사이의 간극을 포함한다.
기준 코일을 사용하여 보정될 수 있는 다른 공통 모드 인자는, 송신기 코일에 교류 전력 공급의 편차로부터 발생되는 수신기 신호 편차, 센서 작동에 관련이 없는 표유 전자 신호로부터 유도 전압으로 발생되는 편차, 온도 편차 등을 포함한다.
차량 장치에서, 커플러 부재는, 그 회전 위치가 스로틀 페달 위치의 함수이도록 스로틀 페달에 기계적으로 연결될 수 있다. 본 발명의 실시예의 장치는 커플러 부재가 이동 가능 부품에 부착되는 구성을 포함하는데, 그 위치는 모니터될 수 있는 것이 바람직하고, 송신기 코일, 수신기 코일, 및 지지 회로가 인쇄 회로 기판과 같은 기판 상에 배치된다. 기판은 하우징 또는 이동 가능 부품이 이동되는 다른 구조체에 의하여 수용될 수 있거나 또는 그렇지 않으면 하우징 또는 이동 가능 부품이 이동되는 다른 구조체에 근접하여 고정된다. 예를 들면, 이동 가능 부품은 페달일 수 있고, 페달 하우징은 코일이 인쇄되는 인쇄 회로 기판을 수용하도록 구성될 수 있다. 제조 조립 편차는 커플러 부재와 인쇄 회로 기판의 간극의 편차에 이르게 할 수 있고, 기준 코일의 사용은 광범위한 교정 프로세서에 대한 필요 없이 이러한 제조 편차에 대한 보정을 가능하게 한다.
코일 배치는 매우 다양한 형태를 취할 수 있다. 예를 들면, 코일은 센서의 위치 분석에 영향을 미치는 별개의 다수의 전극에 권선될 수 있다. 수신기 코일은 커플러 부재의 위치가 수신기 신호의 진폭을 변조하도록 구성된다. 사용된다면, 기준 코일은, 기준 신호가 커플러 부재의 위치와 실질적으로 무관하도록 구성될 수 있어, 기준 신호와 수신기 신호를 사용하여 유도되는 비율 신호는 커플러 부재의 위치와 상호 연관되고 있지만, 온도와 같은 인자와 실질적으로 무관하다.
일 실시예에서, 송신기 코일, 수신기 코일, 및 기준 코일은 인쇄 회로 기판 상에 인쇄될 수 있는데, 인쇄 회로 기판은 다층 인쇄 회로 기판일 수 있다. 다른 실시예에서, 코일은 별개의 구조체에 형성될 수 있다.
도 1은 송신기 및 수신기 권선(winding)의 일 형태를 도시하는 평면도이다. 도 4에 개략적으로 도시된 바와 같이, 선택적인 기준 코일은 동일한 인쇄 회로 기판 상에 송신기 코일 및 수신기 코일에 중첩하여 형성될 수 있다.
송신기 코일(12)은, 인쇄 회로 기판(PCB)(10) 상에 형성된, 대체로 반원형 형상을 가지고 있는 하나 이상의 날인 루프(imprinted loops)로 이루어진다. 오실레이터(14)는 동일한 PCB 상에 형성될 수 있고, 송신기 코일에 연결되고 교류(여자 신호)를 송신기 코일에 공급하여, 그 다음 유도 결합을 통하여 다른 근접된 코일에 신호를 유도하는, 교류 전자계를 생성한다.
수신기 코일(16)은 바람직하게 송신기 코일(12)에 의하여 형성되는 영역 내에 있는 외주를 가지고 있다. 이 실시예에서, 수신기 코일은 제1 및 제2 루프 구조(16a, 16b)를 포함하는데, 이들 루프 구조 각각은 원형 영역의 대략 90도 섹 터(sector)를 나타낸다. 2개의 루프(16a, 16b)는 횡단하는 전도체 사이에 어떠한 전기 연결부가 없는, 반전 연결부(reversing connection)(18)에 의하여 연결된다. 이러한 수신기 코일은, 전류가 수신기 코일(16)에 흐르면, 전류가 섹션(16a, 16b)에서 역방향으로 흐르게 되도록 구성된다. 도 1에 도시된 바와 같이, 섹션(16a)에서 시계 방향 전류가 흐르고, 섹션(16b)에서 반시계 방향 전류가 흐른다.
그러므로, 수신기 코일은 제1 루프, 및 제2 루프를 포함하고, 상기 루프들은 반대 방향(즉, 시계 방향 및 반시계 방향 또는 그 반대로)으로 권선되고, 다른 공간 범위(spatial extent)를 가지고 있다. 도 1에 도시된 실시예에서, 제1 및 제2 루프는 비-중첩(non-overlapping) 공간 범위를 가지고 있지만, 다른 실시예에서는 일부 중첩될 수 있다.
이동가능한 커플러 부재를 사용하여 송신기 코일과 수신기 코일 사이의 플럭스 커플링의 공간 배치를 수정함으로써, 수신기 신호는 커플러 부재의 위치와 상호 연관되는 방식으로 변화된다.
이 실시예에서, 제1 루프는 제1 신호, 송신기 코일과 유도 결합에 의하여 유도되는 제1 전압을 제공하고, 제2 루프는 제2 신호, 상기 제2 루프와 송신기 코일 사이의 유도 결합에 의하여 유도되는 제2 전압을 제공한다. 제1 및 제2 루프가 반대 방향(즉, 시계 방향 및 반시계 방향 또는 그 반대로)으로 권선되므로, 제1 전압 및 제2 전압이 반대로 된다.
송신기 코일과 2개의 루프 사이의 유도 결합이 유사하다면, 유도 전압이 서로 반대로 되며, 수신기 신호는 최소치로 되고, 최소치는 제로일 수 있다.
도 1은 대체로 반원형 배열로 배치되는 2개의 루프 구조를 도시한다. 선형 위치 센서에서, 이러한 루프 구조는 선형 배열로 배치될 수 있다. 또한, 임의의 다수의 연속적인 루프 구조일 수 있다.
도 2는 전도성 재질로 형성되고, 회로 기판(10)에 실질적으로 평행하고 근접하여 지지되는 커플러 부재(20)를 도시한다. 도 1에 대하여, 이 도면은 평면이고, 기판이 수평 단면으로 도시되어 있다. 커플러 부재는 송신기 코일과 수신기 코일 사이의 유도 결합을 감소시킨다. 도면은 송신기 코일(10)과 수신기 코일(16)을 도시한다. 커플러 부재는, 예를 들면 자립식 금속 시트(self-supporting metal sheet), 또는 구리-코팅 회로 기판에 형성되는 바와 같이, 기판 상에 지지되는 금속 필름일 수 있다.
도 3은 오실레이터(14)에 연결되는 송신기 코일(12), 및 수신기 코일(16)과 회로 기판(10)을 중첩한, 커플러 부재(20)를 도시한 평면도이다. 커플러 부재(20)는 송신기 및 수신기 코일의 평면에 실질적으로 평행한 평면에서 커넥팅 부재(24)에 의하여 샤프트(22)를 중심으로 회전된다.
커플러 부재가 2개의 루프에 대하여, 중심에 위치되면, 송신기 코일과 2개의 루프 사이의 플럭스 커플링을 동일한 각도로 대체로 차단한다. 그러므로, 각 루프에 유도되는 전압은 대략 동일하지만, 반대로 되고(동등하게는, 유도 교류 전압의 위상 벗어남(out of phase)), 따라서 수신기 신호는 최소로 된다. 그러나, 커플러 부재가 샤프트(22)를 중심으로 회전되면, 예를 들면 시계 방향으로 회전되면, 커플러 부재는 송신기 코일과 제2 루프(도 1의 우측에) 사이의 플럭스 커플링을 더 크 게 차단하고, 송신기 코일과 제1 루프(도 1의 좌측에) 사이의 플럭스 커플링을 더 작게 차단한다. 그러므로, 제1 루프의 유도 전압의 크기는 제2 루프의 유도 전압보다 상당히 크게 되고, 수신기 신호가 증가된다.
이러한 구성의 다른 특징은, 예를 들면 수신기 신호의 위상이 결정되면, 커플러 부재의 회전 방향에 영향을 받는다는 것이다. 연관 회로가, 예를 들면 규정된 접지 전압에 대하여, 반대 위상의 교류 전압을 반대 신호의 직류 전압으로 변환할 수 있다.
예를 들면, 커플러 부재(20)는 임의의 시간에 수신기 루프(16a, 16b) 중 하나 또는 송신기 루프(12)의 대략 반쪽을 덮을 수 있도록 실질적으로 90도 원형 섹터의 형태로 될 수 있다.
도 3은 커플러 부재(20)가 자동차 스로틀 페달의 피벗가능한 페달 암에 의하여 구동되어, 커플러 부재(20)의 각도(또는 회전) 위치가 페달 위치의 함수인 장치에 대응할 수 있다. 이러한 장치에서, 수신기 신호는 페달 위치와 상호 연관되고, 엔진 속도를 제어하는데 사용될 수 있다.
도 4는 코일(12)을 따라서, 대칭 관계로 회로 기판(10) 상에 중첩될 수 있는 기준 코일을 도시한다. 기준 코일은, 가능하다면 다층 회로 기판 내에서, 다른 코일과 동일한 회로 기판에 의하여 지지될 수 있다.
기준 코일(26)은 수신기 코일(16)과 유사한 구조를 가지고 있지만, 하나의 루프만을 사용한다. 따라서, 커플러 부재(20)의 각도(회전) 위치는 기준 코일(26) 내에 유도되는 전류에 영향을 미치지 않는다. 커플러 부재(20)는 기준(소정의 각 도 범위 내)의 회전 위치와 무관하고, 기준의 반쪽을 실질적으로 덮고, 상기 코일(26) 내에 유도되는 전류의 크기는 커플러 부재(20)의 회전된 위치와 관계없이 대체로 동일하다. 그러나, 전자기 간섭, 여자기 전압의 편차, 온도 변화에 의하여 발생되는 편차, 및 커플러 부재(20)와 인쇄 회로 기판(10) 사이의 간극 위치와 같은 공통 모드 신호는, 수신기 코일(14)에 유도되는 전압에 영향을 미치는 동일한 방식으로 기준 코일(26)에 유도되는 전압에 영향을 미친다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 유도 센서를 통합할 수 있는 전자 회로의 단순화된 개략도이다. 전자 회로는, 예를 들면 차량 엔진용 제어 신호를 유도하기 위하여 센서 출력 신호를 처리하도록 제공된다.
진동하는 교류 전류원(14)은 여자기 코일(exciter coil)(12)에 연결된다. 상기 커플러 부재(12)는 여자기 코일(12)과 수신기 코일(16) 및 기준 코일(26) 사이에 배치된다. 수신기 코일(16) 및 기준 코일(26)의 출력은 증폭기(44, 46)를 통과하여, 한 쌍의 배율기(multipliers)(48, 50)에 각각 공급된다. 또한 배율기(48, 50)는 그 제2 입력으로서 오실레이터 신호(14)를 수신하고, 복조기(demodulators)로서 작용한다. 복조하는 배율기(48, 50)의 출력은 각각, 한 쌍의 저역 필터(low pass filter)(52, 54)에 제공된다. 저역 필터의 출력은 디바이더(divider)(56)를 통과한다.
저역 필터는 균일한 기준 코일 신호를 추출하고, 필터(52)로부터의 신호는 본래 커플러 부재(24)의 위치의 함수이다. 디바이더(56)에 의하여 달성되는, 커플러 종속 신호를 기준 코일 신호로 나누는 것은, 커플러 부재와 인쇄 회로 기판의 간극의 편차, 여자기 전압의 편차, 전자기 노이즈 등에 기인한 신호 레벨 편차와 같은 공통 모드 편차를 본질적으로 제거한다.
디바이더(56)의 출력은 제어 신호(58)를 구성한다. 자동차에서, 제어 신호는 엔진의 속도를 제어하는데 사용될 수 있다. 신호의 게인(gain)을 소정의 포인트까지 제로로 조절하고, 출력 신호에 대하여 상부 및 하부 클램핑 레벨(clamping level)을 조절하도록 다른 회로가 추가될 수 있다.
도 1에서, 송신기 코일이 하나의 턴을 포함하는 것으로 도시되어 있다. 그러나, 다수의 턴이 사용될 수 있다. 유사하게, 수신기 코일의 제1 및 제2 루프 구조가 다수의 턴을 포함할 수 있다.
바람직한 자동차에서, 스로틀 페달은 커플러 부재에 기계적으로 결합되어 페달 위치가 커플러 부재의 위치를 제어한다. 예를 들면, 커플러 부재는 전자 회로를 수용하고 송신기 및 수신기 코일을 지지하는 회로 기판의 평면에서 회전될 수 있다.
도 6은 커플러 부재(62)와 같은, 복수의 전도성 패치(patches)를 갖는 회전 디스크(60)를 포함하여, 유도 센서의 다른 실시예를 도시한다. 유도 센서는 송신기 코일(64), 기준 코일(66), 및 수신기 코일(68)을 추가로 포함한다. 기준 코일은 도 8에 보다 명확하게 도시된다.
송신기 코일은 송신기 코일 단부(86, 88)에 연결되는 교류 전류원에 의하여 여자된다. 여자된 송신기 코일은 전자계를 발생하는데, 이 전자계는 유도 결합에 의하여 기준 코일(66) 및 수신기 코일(68)에 신호를 유도한다. 상기 송신기 코일과 기준 코일 및 신호 코일 양쪽 모두 사이의 유도 결합은 커플러 부재(62)와 같은 커플러 부재에 의하여 수정(감소)된다. 그러나, 송신기 코일과 기준 코일 사이의 유도 결합은 회전하는 커플러의 각도 위치에 영향을 받지 않는다. 이에 비교하여, 수신기 신호는 회전하는 디스크(60)의 각도 위치에 영향을 받아, 수신기 신호와 기준 신호의 비율이 회전하는 커플러의 각도 위치와 상호 연관되며, 또한 상기에서 설명된 바와 같이, 송신기 코일과 회전하는 디스크의 간극과 같은 공통 모드 인자를 위하여 수정된다. 수신기 신호는 수신기 코일 단부(70, 72) 사이에서 얻어진다.
수신기 코일의 외주는 연속 세그먼트(sequential segments)(78, 74, 76)를 포함하는데, 연속 세그먼트는 제1 루프 구조 또는 제2 루프 구조의 일부분으로 교대로 위치된다. 예를 들면, 외측 세그먼트(74)는, 제1 루프 구조의 양쪽 부분인, 방사상 스포크(radial spoke)(80)에 의하여 연결되는 내측 세그먼트(82)와 동일한 루프 구조의 일부이고, 외측 세그먼트(76, 78), 및 내측 세그먼트(84)는 제2 루프 구조의 일부이다. 도시된 바와 같이, 제2 루프 구조의 일부인, 방사상 스포크(80)는 그 뒤에 제2 방사상 스포크를 은폐하는데, 은폐된 스포크는 제1 루프 구조의 일부이다. 2개의 루프 구조는 역전 연결부에 의하여 상호 연결되어 제1 루프 구조의 제1 신호, 및 제2 루프 구조의 제2 신호가 서로 반대되고, 2개의 루프 각각에 대한 유도 결합이 동일하다면 상쇄될 수 있다. 예를 들면, 회전하는 커플러가 제거되면, 상쇄가 일어날 수 있다. 위치 센서 장치에서, 회전하는 커플러 부재가, 하나의 루프 구조에 대한 유도 결합이 감소되고, 다른 루프 구조에 대한 유도 결합이 증가되는 위치로 이동될 수 있다면, 커플러 부재 위치와 상호 연관되는 방식으로 수신기 신호가 변화된다.
이 실시예에서, 제1 루프 구조는 내측 세그먼트에 의하여 형성되는, 다수의 방사상 연장 로브, 방사상 스포크, 외측 세그먼트, 내측 세그먼트 등을 포함한다. 제1 및 제2 루프 구조의 방사상 로브는 도 6에 도시된 수신기 코일 내에 교대로 위치된다. 또한, 도 6의 실시예에 도시된 바와 같이, 커플러 부재는 제1 또는 제2 루프 구조의 방사상 로브의 각도 폭(angular width)의 2배의 각도 폭을 가지고 있는 세그먼트이다. 도시된 바와 같이, 수신기 코일은 실질적으로 방사상 전도체, 또는 방사 방향에 직각인 부재로 완전히 형성된다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 유도 센서의 단순화된 개략도이다. 상기 센서는 수신기 코일(이하에서 설명됨), 기준 코일(104), 전도성 커플러 부재(102)를 가지는 회전하는 코일(103), 및 송신기 코일(100)을 포함한다.
수신기 코일은 각각 제1 및 제2 루프 구조(106, 108)를 포함한다. 이러한 루프 구조는 예시의 편의를 위하여 분리된다. 그러나, 수신기 코일은 원한다면, 이러한 분리된 루프 구조를 포함할 수 있다. 우측에 도시되어 있는, 수신기 코일은 교대하는 라벨(labels)(S, N)을 갖는 로브(110, 112)를 포함한다. 이러한 명칭은 제1 및 제2 루프 구조를 지시하는데, 이러한 구조는 상호 연결되어 하나의 로브를 통과하는 반시계 방향의 전류가 인접하는 로브를 통과하는 시계 방향의 전류로서 흐르고, 연속적으로 방사상으로 연장되는 로브의 자계의 교대 방향을 유도한다. 즉, 2개의 루프 구조가 여자된 송신기 코일로부터 전자계에 노출될 때, 교차하는 연결부가 수신기 코일의 반대 유도 전압을 생성하는데 사용될 수 있다.
축(103)을 중심으로 회전하는 커플러(102)의 회전은 송신기 코일(100)과 수신기 코일의 2개의 루프 구조 사이에 유도 결합을 수정한다.
도 8은 외측 턴(turn)(120)과 2개의 내측 턴을 가지는 기준 코일 구조체의 실시예를 도시한다. 공통 모드 인자의 효과를 실질적으로 제거하는 기준 코일의 사용이 다른 경우와 마찬가지로 보다 상세하게 설명된다. 2개의 내측 턴은 돌출된 연결부(jogged connection)(122)를 통하여 외측 턴에 연결되는데, 이 연결부는 전기 전도체 사이의 전기 접촉을 방지한다. 기준 신호는 124에서 얻어진 유도 전압이다.
도 9는 외측 루프(126)의 하나의 턴 및 내측 루프(128)의 2개의 턴을 통하는 전류 흐름을 상세하게 도시한다. 기준 신호는 130에서 기준 전압 출력이고 내측 루프 및 외측 루프 내에서 반대 유도 전압의 합이다.
기준 코일이 전류 전류원에 연결되면, 내측 및 외측 턴을 따른 전류 방향은 반대 방향, 예를 들면, 도 9에 화살표로 지시되는 바와 같이, 외측 턴을 따라서 시계 방향이고 내측 턴을 따라서 반시계 방향으로 된다.
이 실시예에서, 기준 코일은 외경(DO) 및 내경(DI)을 가지고 있다. 기준 코일의 일반적인 형태는, 커플러가 제거될 때 출력이 제로가 되도록 될 수 있는데, 이것은 다음 관계식을 사용하여 기준 코일을 구성함으로써 달성될 수 있다: niDI 2=noDO 2, 여기에서 ni는 내측 턴의 개수, no는 외측 턴의 개수이다. 도 8 및 도 9의 실시예에서, 기준 코일은 하나의 외측 턴 및 2개의 내측 턴을 가지고 있다.
본 실시예의 기준 코일은 전자 스로틀 제어 장치용으로 구성된다. 일 실시예에서, 기준 코일은 17.7mm의 내경(2 턴) 및 25mm의 외경(1 턴)을 가지고 있다. 다른 실시예에서, 기준 코일은 14.4mm의 내경(3 턴), 및 25mm의 외경(1 턴)을 가지고 있다.
기준 신호는, 내측 턴(들)을 포함하는 하나의 코일에 의하여 생성되는 전류, 및 외측 턴(들)을 포함하는 제2 코일에 의하여 생성되는 반대 전류의 합으로 간주될 수 있다. 커플러 부재는 합성 신호에 이르게 하는, 외측 턴, 제2 코일에 대하여 유도 결합의 일부를 차단한다. 그러나, 합성 신호는 실질적으로 커플러 부재의 위치와 무관하다.
기준 코일은 코일 구조의 방사상 부분의 유도 신호가 상쇄되도록 구성될 수 있다.
도 10a는 예를 들면, 회전하는 디스크(142)에 지지될 수 있는 커플러 부재(104)를 도시한다. 커플러 부재는 내주, 커플러 내경(DCI)을 가지는 원호(circular arc), 및 커플러 외경(DCO)을 가지는 외주를 가지고 있으며, 상기 커플러 내경은 회전축으로부터 측정되는 원호의 반경의 2배에 상당한다.
도 10b는 수신기 코일의 단순화된 개략도를 도시한다. 커플러 부재(140)는 수신기 코일의 한 쌍의 인접한 로브와 경계를 이룬다. 이러한 단순화된 개략도에서, 수신기 전압을 얻기 위한 수신기 코일의 탭(tap)이 도시되지 않았다. 교대하 는 외측 세그먼트(144, 146)는 각각, 제1 및 제2 루프 구조체의 일부에 대응하는데, 수신기 코일을 통하여 흐르는 전류는 반대 방향(시계 방향 및 반시계 방향)으로 이동된다. 일정한 전류가 코일을 통하여 흐르면, 전류 방향이 인접하는 외측 세그먼트 사이와 인접하는 내측 세그먼트 사이에서 교대로 발생된다. 방사상 스포크는 내측 세그먼트로부터 외측 세그먼트로 전류를 전달하는 제1 루프로부터 전도체, 및 반대 방향으로 전류를 전달하는 제2 루프로부터 전도체에 대응한다. 수신기 코일은 각각, 수신기 내경(DRI)) 및 수신기 외경(DRO)을 가지고 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 유도 센서는 도 10a의 커플러 부재, 도 10b의 수신기 코일, 및 여자기 직경(DE)의 복수의 원형 턴을 가지고 있는 송신기 코일을 포함한다. 본 발명의 실시예에서, 커플러 내경은 수신기 내경과 대체로 동일하고, 커플러 외경은 여자기 직경과 대체로 동일하며, 여자기 직경은 수신기 외경보다 크다(또는 대략 동일할 수 있다). 커플러, 수신기 코일, 및 송신기 코일은 공통의 중심축을 가지고 있다.
도 10b는 동일 중심의 내주 및 외주를 가지고 있는 수신기 코일을 도시하는데, 각 내주 및 외주는 만곡된 전도성 세그먼트, 반대 방향으로 전류를 전달하는 교대하는 세그먼트를 포함한다. 수신기 코일은 복수의 이러한 구조체의 동일 중심의 어셈블리를 포함할 수 있고, 보다 작은 구조체의 외경은 그 다음 큰 구조체의 내경과 대체로 동일하다. 다른 실시예에서, 도 10b에 도시된 방사상 스포크는 저항 부재(resistive elements)일 수 있다.
도 11은 반대 방향으로 전류를 전달하는 연속적인 외측 전도성 세그먼트(150, 152)를 갖는 수신기 코일의 다른 실시예를 도시한다. 연속적인 로브(154, 156)는, 전류가 코일을 통과한다면 반대 자계를 생성한다.
본 발명의 다른 장치에서, 다른 기계 부재가 커플러를 구동하는데 사용될 수 있다. 커플러 운동은 선형, 회전형, 또는 한 방향 이상의 회전 및 선형 운동의 임의 조합일 수 있다.
커플러 부재는 그 위치가 측정될 수 있는 이동 가능 부품의 고유 부품일 수 있고, 또는 이동 가능 부품에 부착될 수 있고, 또는 그렇지 않으면 커플러 부재 위치가 이동 가능 부품 위치와 상호 연관되도록 기계적으로 연결될 수 있다.
양극성 송신기 코일
본 발명의 다른 실시예에서, 송신기 코일은 도 12에 도시된 바와 같이 구성될 수 있다. 화살표는 교류 여자의 한 사이클에 대한 전류의 방향을 나타낸다. 송신기 코일은 양극성으로 불릴 수 있고, 제1 루프(160) 및 제2 루프(162)를 갖는 구조를 가지고 있고, 그 내부 영역은 각각 시계 방향 및 반시계 방향의 전류에 의하여 둘러싸인다. 그러므로, 2개의 송신기 코일 루프는 반대 방향의 자기 플럭스를 가지는 자계를 생성한다. 이러한 구조는 각각 대략 180도인, 2개의 로브를 갖는 것으로 설명될 수 있다. 그러나, 4개, 6개, 8개, 또는 다른 개수와 같이, 상당한 개수의 로브가 사용될 수 있어, 송신기 코일이 상이한 공간 영역으로부터 반대 자기 플럭스를 생성한다.
이 실시예에서 하나 이상의 원형 턴일 수 있는, 도 12에 도시된 바와 같이 송신기 코일을 사용하여, 수신기 코일의 유도 전압은, 2개의 반대 자계로부터 플럭스 커플링의 반대 효과에 기인한, 커플러 부재의 부재시에 제로로 되도록 구성될 수 있다. 그러나, 커플러 부재는, 커플러 위치와 상호 연관되는 수신기 신호에 이르게 하는, 제1 또는 제2 루프로부터 자기 플럭스를 선택적으로 차단하는데 사용될 수 있다. 상기에서 설명된 다른 실시예와 같이, 커플러 부재는, 커플러 부재의 위치와 상호 연관되는 수신기 신호에 이르게 하는, 송신기 코일과 수신기 코일 사이의 플럭스 커플링의 공간 배치를 수정한다.
송신기 코일은, 특정 시간에서, 자계 방향의 공간 배치, 및 수신기 신호가 커플러 위치와 상호 연관되도록 공간 배치를 수정하는데 사용되는 커플러 부재를 가지는 전자기 플럭스를 생성할 수 있다. 통합된 크기로서, 전체 플럭스 커플링은, 커플러 부재가 이동될 때 변화될 필요가 없다.
다른 커플러 부재 구조
커플러 부재는 이 커플러 부재에 생성되는 와전류(eddy currents)에 의하여 송신기 코일과 수신기 코일 사이의 유도 결합을 차단하는데, 이것은 수신기 코일을 그 플럭스로부터 효과적으로 차폐한다. 커플러 부재는 플레이트형일 필요는 없다.
도 13은 커플러 부재의 다른 가능한 실시예를 도시한다. 디스크(184)는, 페달과 같은 이동 가능 부품이 이동되면 회전될 수 있고, 제1 커플러 부재(180) 및 제2 커플러 부재(182)의 형태로, 이 디스크에 배치되는 2개의 커플러 부재를 가지고 있다.
와전류는 송신기 코일에 의하여 생성되는 자기 플럭스에 의하여 이들 루프에 생성될 수 있고, 이러한 와전류는 유사한 크기를 갖는 전도성 플레이트(conducting plate)와 유사한 방식으로 수신기 코일을 플럭스로부터 효과적으로 차폐한다. 그러므로, 커플러 부재는, 전도성 플레이트, 전도성 루프, 예를 들면, 무게를 감소시키거나 또는 유체가 커플러 부재를 통과할 수 있도록, 그에 천공되는 구멍을 가지는 플레이트, 또는 하나 이상의 구멍을 대체로 갖지만 적어도 하나의 전도성 원주 루프를 가지는 플레이트와 같은 다른 구조체의 형태일 수 있다.
송신기 코일이, 예를 들면 도 6에 도시된 원형 루프이고, 커플러 부재가 축을 중심으로 회전되는 실시예에서, 커플러 부재는 내측 원호, 및 외측 원호를 포함하는 원주를 가지도록 구성될 수 있고, 상기 내측 및 외측 원호는 방사상 측면에 의하여 연결된다. 이러한 상태에서, 반경 및 원호는 중심축에 중심을 가진 형상으로 나타낸다. 커플러 부재 원주는, 예를 들면 플레이트의 외측 에지 또는 전기 전도성 루프의 코스(course)일 수 있다.
신호 조절(Signal Conditioning)
신호 조절 장치 및 방법이 2005년 4월 8일 출원되고, "유도형 위치 센서용 신호 조절 시스템"이라는 명칭을 갖는, 본 출원인의 공동-계류중인 미국 가특허출원 60/669,478호에서 설명된다.
본 발명의 실시예에서, 수신기 신호는 커플러 부재 위치에 의하여 효과적으로 변조되고, 기준 신호는 커플러 부재 위치와 실질적으로 무관하다. 수신기 신호와 여자 신호(송신기 코일에 제공됨)의 곱셈에 의하여 뒤따르고, 저역 필터링에 의하여 뒤따르는, 수신기 신호의 증폭은 커플러 부재의 위치와 상호 연관되는 dc 전압인 수신기 신호를 제공하는데 사용될 수 있다. 유사하게, 기준 신호도 여자 신호, 및 수신기 신호에도 영향을 미치는 공통 모드 인자에 따라 변화되는 dc 전압인 기준 신호를 제공하는 저역 필터링에 의하여 증폭되고, 증식될 수 있다. 또한, 수신기 신호를 기준 신호로 나누면 비율 신호가 얻어지는데, 이 비율 신호는 커플러 부재의 위치와도 상호 연관되지만, 공통 모드 인자와 실질적으로 무관하다. 본 발명의 실시예에서, 이 단락에서 설명된 곱셈 및 나눗셈 단계는 아날로그 회로에 의하여 실행된다.
아날로그 디바이더의 출력은, 상기에서 설명된 바와 같이, 도 6의 58에 대응하며, 추가로 증폭될 수도 있다. 출력 전압 범위는 상부 플래토 값(plateau value) 및 하부 플래토 값으로 제한될 수 있고, 증폭기 게인은 원하는 경사(각도 위치 대 출력 전압)를 얻도록 조절된다. 트림 리지스터(trim resistors)가 게인 경사를 원하는 값으로 조절하는데 사용될 수 있다. 예를 들면, 리지스터의 레이저 트리밍(laser trimming)이 사용될 수 있고, 원하는 트림 리지스턴스(resistance)를 얻는 연소 카본 스트립(burning off carbon strips), 또는 일반적인 이동식 와이퍼 가변 리지스터(moving wiper variable resistors)가 일부 장치에 사용될 수도 있다. 자동 전자 스로틀 제어 장치에서, 이러한 트림 조절이 공장 캘리브레이션(factory calibration) 동안 한 차례 실시될 수 있다. 비율측정 센싱(ratiometric sensing)의 사용(기준 코일의 사용)은 나중의 캘리브레이션 조절에 대한 필요를 상당히 감소시킨다.
본 발명의 실시예에서, 전체 신호 조절은 아날로그 회로에 의하여 실시될 수 있다. 디지털 신호 프로세서는 필요하지 않다. 다른 실시예에서, 비율 신호는 아날로그 나눗셈에 의하여 형성될 수 있지만, 신호 출력을 원하는 상부 플래토 값 및 하부 플래토 값으로 조절하는데 디지털 회로가 사용될 수 있다.
출력 전압은 위치에 완전히 선형으로 종속되지 않을 수 있다. 선형성의 가용 범위는 가상 접지(virtual ground)를 추정하여 형성될 수 있는데, 가상 접지는 진정한 접지에 대하여 네가티브 전압일 수 있다. 비율 신호는 (수신기 신호 + A)/(기준 신호 + B)의 비율로서 형성될 수 있는데, 여기에서 기준 신호 및 수신기 신호는, 예를 들면, 수신기 신호 및 기준 신호를 각각 복조하고 저역 필터링함으로서 얻어지는 DC 전압을 가리킨다. A 및 B는 약간의 비-선형 응답의 범위에 대한 가상된 선형성에 기인한, 가상 접지 수정이다. 가용 선형 범위의 폭은 위치 정확도 규격에 의하여 결정될 수 있다. 수정 용어 A 및 B는 매우 유사할 수 있고, 일부의 실시예에서 가상 접지 수정과 동일한 값이 A 및 B 양자 모두에 대하여 사용될 수 있다.
상부 플래토 전압 및 하부 플래토 전압을 조절하는데 추가의 캘리브레이션 단계가 사용될 수 있다. 다음 설명은 자동차의 실시예에 관한 것이다. 아이들 플래토 길이(idle plateau length)가 사용될 수 있다(가스 페달의 다소 작은 내림에 대한 일정한 하부 플래토 전압). 일정한 전압이 원하는 경사 위치를 얻도록 출력 전압에 추가도리 수 있고, 또한 이것은 아이들 플래토 길이를 조절한다. 아이들 위치는, 예를 들면 가상 접지 조절을 사용하여 조절될 수 있다(하부 플래토 전압). 예를 들면, 가상 접지는 대략 0-5V 전압 출력 범위에 대하여, 섀시 접지에 관하여 대략 2.5V일 수 있다. 회로 기판의 ASIC 내에 전환가능한 리지스터를 사용하여 캘리브레이션이 달성될 수 있고, 센서의 공장 건설 동안 한 번만 필요하게 된다.
본 발명의 실시예는, 이러한 공통 모드 인자가 기준 코일(또는 디퍼렌셜 더미) 출력을 사용하도록 보정된다면 온도 캘리브레이션 데이터를 저장할 메모리를 필요로 하지 않는다.
본 발명에 따른 유도 센서는, 교류로 여자되는 송신기 권선(winding), 수신기 권선, 스로틀 페달에 연결되고 수신기 코일에 유도되는 송신기 신호의 진폭을 변화시키는 권선에 관련하여 위치되는 회전가능한 커플러, 및 수신기 신호와 유사한 신호를 수신하는 제3 코일을 사용하는 센서를 포함하고, 자동차에 사용되는 비-접촉식 유도 센서를 포함하며, 상기 신호는 수신된 신호뿐만 아니라 다른 공통 모드 신호에 커플러와 코일의 간극의 편차를 보상하는데 사용하도록, 커플러 회전 위치와 실질적으로 무관하다.
본 발명의 실시예에 따른 유도형 위치 센서의 다른 장치는, 전자 서스펜션 제어, 차량의 로드 웨이트(load weight) 검출, 전자 브레이크 제어, 전자 클러치 제어, 수동식 스로틀 제어, 일 차원 이상의 엑셀로미터(accelerometer)(예를 들면, 가속에 기인한 상대 관성 운동을 검출함으로써), 전자 스티어링 제어(steering controls)(예를 들면, 스티어링 휠 회전, 사용가능하다면 조절가능한 텔레스코핑 위치(telescoping position), 및 휠 각도), 타이어 압력 센서(예를 들면, 압력에 기인한 변위를 검출), 편요각(yaw), 피치(pitch), 및 롤(roll) 제어, 시트 포지션 검출, 및 회전 속도(본 발명의 다수의 실시예에서)를 포함한다. 본 발명의 일 실시예에 따른 엔진 속도(스로틀) 제어 장치는 보트 엔진 속도 제어 장치, 비행기 엔진 속도 제어 장치, 임의 종류의 차량의 수동식 제어 장치 등을 포함한다.
본 발명의 실시예는, 미소 규모, 예를 들면 MEMs 구조체와 같은, 매우 작은 규모로 제조될 수 있고, 마이크로 전자 시스템, 마이크로 유체 제어 장치, 컴퓨터 메모리 드라이브 제어 장치 등에 사용될 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에서, 커플러 부재는 전도성 유체, 유동 재질, 또는 다른 가변 구조 재질을 포함할 수 있다. 본 발명의 실시예는 송신기 및 수신기 코일에 근접한, 전도성 재질의 범위와 같이, 전도성 재질의 배치를 결정하는데 사용될 수 있다.
다른 실시예에서, 기준 코일 및 수신기 코일은 단일 구조체에 통합될 수 있다. 수신기 코일 구조를 기준 코일로 전환하고 다시 원래대로 전환하는데 스위칭(switching)이 제공될 수 있다. 임의의 센서 장치는 여분의 센서 부재를 필요로 할 수 있다. 그러므로, 센서는 2개 이상의 송신기 코일, 수신기 코일, 및 기준 코일을 포함할 수 있다.
본 발명은 상기에서 설명된 예시된 실시예로 제한되지 않는다. 실시예는 본 발명의 범위를 제한하는 것으로 의도되지 않는다. 상기에서 설명된 방법, 장치, 구조 등은 예시적이며 본 발명의 범위를 제한하는 것으로 의도되지 않는다. 여기의 변경 및 다른 사용이 이 기술분야의 당업자에게 명백할 것이다. 본 발명의 범위는 청구범위에 의하여 한정된다.
본 명세서에서 언급된 특허, 특허 출원, 또는 공보는, 각 개별 문헌이 참조로 통합되도록 특히 개별적으로 지시되는 바와 같이 동일한 범위로 참고로 본 명세서에 통합된다. 특히, 미국 가특허출원으로서 2004년 4월 9일 출원된 60/561,065호, 2004년 4월 9일 출원된 60/561,007호, 2004년 8월 2일 출원된 60/598,192호, 2005년 4월 7일 출원된 60/669,145호, 및 2005년 4월 8일 출원된 60/669,478호가 전체로서 원용되어 본 명세서 포함된다.
본 발명은 피벗팅 스로틀 페달과 같은 이동 가능 부품의 위치를 측정하는 비접촉식 유도 센서에 이용될 수 있다.

Claims (17)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 이동 가능 부품(movable part)의 부품 위치를 결정하는 장치에 있어서,
    전기 에너지원에 의하여 여자될 때에 전자기 복사(electromagnetic radiation)를 생성하는 송신기 코일(transmitter coil),
    상기 송신기 코일에 근접하여 배치되며, 상기 송신기 코일과의 유도 결합(inductive coupling)에 의해 여자될 때에 수신기 신호를 생성하는 수신기 코일(receiver coil),
    상기 송신기 코일과의 제2 유도 결합에 의해 상기 송신기 코일이 여자될 때에 기준 신호(reference signal)를 생성하는 기준 코일(reference coil), 및
    이동이 가능하고, 상기 부품 위치와 상호 연관되는 커플러 부재 위치를 갖는 커플러 부재(coupler element)
    를 포함하며,
    상기 제2 유도 결합은 상기 커플러 부재 위치에 대해 독립적이며,
    상기 커플러 부재는, 상기 수신기 신호가 상기 부품 위치와 상호 연관되도록 상기 송신기 코일과 상기 수신기 코일 간의 유도 결합을 수정하며,
    상기 송신기 코일은 제1 루프 구조 및 제2 루프 구조를 포함하며, 상기 제1 루프 구조 및 상기 제2 루프 구조가 서로 반대되는 권선 방향을 가지는
    부품 위치 결정 장치.
  4. 이동 가능 부품의 부품 위치를 결정하는 장치에 있어서,
    전기 에너지원에 의하여 여자될 때에 전자기 복사를 생성하는 송신기 코일,
    상기 송신기 코일에 근접하여 배치되며, 상기 송신기 코일과의 유도 결합에 의해 여자될 때에 수신기 신호를 생성하는 수신기 코일, 및
    이동이 가능하고, 상기 부품 위치와 상호 연관되는 커플러 부재 위치를 갖는 커플러 부재
    를 포함하며,
    상기 커플러 부재는, 상기 수신기 신호가 상기 부품 위치와 상호 연관되도록 상기 송신기 코일과 상기 수신기 코일 간의 유도 결합을 수정하며,
    상기 송신기 코일은 제1 루프 구조 및 제2 루프 구조를 포함하며, 상기 제1 루프 구조 및 상기 제2 루프 구조가 서로 반대되는 권선 방향을 가지는,
    부품 위치 결정 장치.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 송신기 코일과 상기 수신기 코일 간의 유도 결합은, 상기 제1 루프 구조에서 제1 신호를 생성하고, 제2 루프 구조에서 제2 신호를 생성하며, 상기 수신기 신호는 상기 제1 신호와 상기 제2 신호의 조합인 것을 특징으로 하는 부품 위치 결정 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 수신기 신호는, 상기 제1 신호의 크기와 상기 제2 신호의 크기의 차이인 수신기 신호 크기를 가지는 것을 특징으로 하는 부품 위치 결정 장치.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 제1 신호 및 상기 제2 신호는 반대 위상(opposite phase)이며, 상기 수신기 신호는 상기 제1 신호와 상기 제2 신호의 합인 것을 특징으로 하는 부품 위치 결정 장치.
  8. 제3항에 있어서,
    상기 커플러 부재 위치는 상기 커플러 부재의 각도 위치(angular position)이고, 상기 커플러 부재의 회전은 상기 송신기 코일과 상기 수신기 코일 간의 유도 결합을 수정하는 것을 특징으로 하는 부품 위치 결정 장치.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 수신기 코일은 제1 루프 구조 및 제2 루프 구조를 포함하고, 상기 유도 결합은 제1 루프 구조에서 제1 전압을 생성하고 상기 제2 루프 구조에서 제2 전압을 생성하며, 상기 커플러 부재의 회전은 상기 제1 전압 대 상기 제2 전압의 비율을 수정하는 것을 특징으로 하는 부품 위치 결정 장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 제1 루프 구조 및 상기 제2 루프 구조는 모두 방사상으로 연장되는 로브(lobes)인 것을 특징으로 하는 부품 위치 결정 장치.
  11. 제8항에 있어서,
    상기 부품 위치는 페달의 위치이며, 상기 페달의 이동이 상기 커플러 부재의 각도 위치에 기계적으로 연결되는 것을 특징으로 하는 부품 위치 결정 장치.
  12. 제3항에 있어서,
    상기 송신기 코일, 상기 수신기 코일, 및 상기 기준 코일은 인쇄 회로 기판에 의해 지지되는 것을 특징으로 하는 부품 위치 결정 장치.
  13. 제12항에 있어서,
    비율 신호(ratio signal)를 형성하도록 작동될 수 있는 전자 회로를 추가로 포함하고, 상기 비율 신호는 상기 기준 신호와 상기 수신기 신호의 비율이며, 상기 비율 신호는 상기 부품 위치를 결정하는데 사용되는 것을 특징으로 하는 부품 위치 결정 장치.
  14. 삭제
  15. 제4항에 있어서,
    상기 이동 가능 부품은 전자 스로틀 제어 장치의 페달 암을 포함하며,
    엔진에 대한 속도 제어를 제공하는 전자 회로를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 부품 위치 결정 장치.
  16. 제3항에 있어서,
    상기 수신기 신호를 대표하는 수신기 전압과 상기 기준 신호를 대표하는 기준 전압의 나눗셈에 의하여 얻어지는 비율 신호를 제공하는 것을 특징으로 하는 부품 위치 결정 장치.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 나눗셈은 아날로그 나눗셈(analog division)인 것을 특징으로 하는 부품 위치 결정 장치.
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