KR101325905B1 - 자기식 인코더 및 절대회전위치 검출방법 - Google Patents

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Abstract

자기식 인코더(10)의 다극 마그넷(21)을 구비한 다극측 자기검출부(11)에서는, 90°의 위상차의 정현파 신호를 출력하는 제 1, 제 2 자기검출소자(A1, B1)와, 제 3, 제 4 자기검출소자(A2, B2)가 기계각으로 180°떨어진 각도위치에 배치되어 있다. 제 1, 제 3 자기검출소자(A1, A2)는 전기각으로 동일 위치에 배치되어 동일 상의 정현파 신호를 출력하고, 제 2, 제 4 자기검출소자(B1, B2)는 전기각으로 동일 위치에 배치되어 동일 상의 정현파 신호를 출력한다. 제 1, 제 3 자기검출소자(A1, A2)의 출력신호의 합신호를 취하고, 제 2, 제 4 자기검출소자(B1, B2)의 출력신호의 합신호를 취함으로써, 2극 마그넷(22)으로부터의 자속에 기인하는 제 1∼제 4 자기검출소자(A1∼B2)의 검출신호의 오차성분, 다극 마그넷(21)의 회전 흔들림에 기인하는 검출신호의 오차성분을 제거하거나 혹은 대폭 억제할 수 있어, 양호한 정밀도로 회전각도를 검출할 수가 있다.

Description

자기식 인코더 및 절대회전위치 검출방법{MAGNETIC ENCODER AND METHOD OF DETECTING ABSOLUTE ROTATIONAL POSITION}
본 발명은, 다극 마그넷을 이용하여 회전축의 절대회전위치를 검출하거나, 혹은 회전축의 회전에 따라 인크리멘탈(incremental) 신호를 생성하는 자기식 인코더에 관한 것이다. 특히, 본 발명은, 다극 마그넷 및 2극 마그넷을 이용하여, 회전축의 절대회전위치를 양호한 정밀도로 검출할 수 있는 자기식 인코더 및 절대회전위치 검출방법에 관한 것이다.
서보모터 등의 회전축의 회전위치를 검출하기 위해 자기식 인코더가 이용되고 있다. 이러한 자기식 인코더는 예컨대, 특허문헌 1∼3에 개시되어 있다. 특허문헌 1에 개시된 위치검출장치에서는, 2극 착자(着磁)된 마그넷 링의 회전에 따라 90°의 위상차를 갖는 정현파 신호가 검출되도록, 90°의 각도간격으로 한 쌍의 홀 소자(Hall elements)가 배치되어 있다. 홀 소자의 출력차를 취함으로써, 외란(外亂) 등으로 인한 오차성분을 반감시키도록 되어 있다.
특허문헌 2에 개시된 사인-코사인 출력센서에서는, 2극 착자된 마그넷 링의 외주에, 90°의 등각도 간격으로 4개의 홀 소자가 배치되어 있으며, 이들의 출력에 근거하여 회전위치의 검출 정밀도를 향상시키도록 되어 있다.
특허문헌 3에 개시된 인코더 장치에서는, 회전축의 회전위치를 양호한 정밀도로 검출하기 위하여, 2극의 자기 인코더와 64극의 자기 인코더를 이용하여 4096 분할(64×64)의 12비트 절대치 출력을 얻도록 되어 있다. 이 자기 인코더에서는, 2극의 자기 인코더에 의해 상위의 6비트를 생성하고, 64극의 자기 인코더에 의해 하위의 6비트를 생성한다.
[특허문헌 1] 일본국 특허공개공보 S58-162813호
[특허문헌 2] 일본국 특허공개공보 2001-050774호
[특허문헌 3] 일본국 실용신안공개공보 H6-10813호
여기서, 마그넷 링을 이용한 자기 인코더에 있어서는, 마그넷 링의 회전 흔들림(rotational runout)에 의한 자속밀도의 변동이 검출각도의 정밀도가 저하되는 요인이 된다. 또한, 다극 마그넷 링을 이용할 경우에는, 각 자극의 자속밀도의 편차가 검출각도의 정밀도가 저하되는 요인이 된다.
더욱이, 특허문헌 3에 개시된 인코더 장치와 같이 2극 착자된 마그넷 링과 다극(多極) 착자된 마그넷 링을 이용할 경우에는, 다음과 같이 검출각도의 정밀도가 저하되는 요인이 있다. 즉, 다극 착자된 마그넷 링의 자속을 검출하는 홀 소자 등의 자기검출소자는, 인접 배치되어 있는 2극 착자된 마그넷 링으로부터의 자속의 영향을 받으며, 검출신호에 오차성분이 곱해져 검출각도의 정밀도의 저하가 초래될 우려가 있다.
또한, 특허문헌 3에 개시된 인코더 장치에서는, 2극의 자기 인코더의 정밀도를, 64극의 자기 인코더의 6비트와 같게 할 필요가 있다. 따라서, 그 이상의 높은 정밀도의 출력을 얻기 위해서는, 2극의 자기 인코더의 정밀도를 더욱 높일 필요가 있어 고정밀도화가 곤란하다. 또한, 2극의 자기 인코더의 출력신호와, 64극의 자기 인코더의 출력신호의 개시점을 맞출 필요가 있어, 이를 위한 조정에 시간이 걸린다는 문제점이 있다.
본 발명의 과제는 이러한 점을 감안하여, 다극 마그넷을 이용하여 양호한 정밀도로 각도검출을 수행할 수 있는 자기식 인코더를 제안하는 데 있다.
또한, 본 발명의 과제는, 다극 마그넷 및 2극 마그넷을 이용하여 양호한 정밀도로 절대회전위치를 검출할 수 있는 자기식 인코더를 제안하는 데 있다.
더욱이, 본 발명의 과제는, 다극 마그넷 및 2극 마그넷을 구비한 자기식 인코더를 이용하여 양호한 정밀도로 절대회전위치를 검출할 수 있는 절대회전위치 검출방법을 제안하는 데 있다.
상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 자기식 인코더는,
원주방향을 따라 등각도 간격으로 N극, S극이 교대로 형성되어 있는 다극 마그넷과,
상기 다극 마그넷의 회전에 따라, 서로 90°의 위상차를 갖는 정현파 신호를 출력하도록 인접 배치되어 있는 제 1 및 제 2 자기검출소자와,
상기 다극 마그넷의 회전에 따라, 서로 90°의 위상차를 갖는 정현파 신호를 출력하도록 인접 배치되어 있는 제 3 및 제 4 자기검출소자와,
상기 제 1 자기검출소자의 출력신호 및 상기 제 3 자기검출소자의 출력신호의 합신호(sum signal) 혹은 차(差)신호(differential signal)와, 상기 제 2 자기검출소자의 출력신호 및 상기 제 4 자기검출소자의 출력신호의 합신호 혹은 차신호에 근거하여, 상기 다극 마그넷이 동축상태로 고정되어 있는 회전축의 회전위치를 나타내는 신호를 생성하는 신호처리회로를 가지고 있으며,
상기 다극 마그넷의 자극 수(P)는 4 이상의 짝수이고,
상기 제 1 및 제 2 자기검출소자에 대하여 상기 제 3 및 제 4 자기검출소자는, 상기 다극 마그넷의 원주방향을 따라 기계각으로 약 180°떨어진 각도위치에 배치되어 있으며,
상기 제 1 및 제 3 자기검출소자는, 전기각(電氣角)으로 동일 각도위치 혹은 180°떨어진 각도위치에 배치되어 있고,
상기 제 2 및 제 4 자기검출소자는, 전기각으로 동일 각도위치 혹은 180°떨어진 각도위치에 배치되어 있는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 자기식 인코더에서는, 제 1 및 제 2 자기검출소자와 제 3 및 제 4 자기검출소자가, 기계각으로 180°떨어진 각도위치에 배치되어 있다. 이러한 배치를 채용함으로써, 다극 마그넷의 회전 흔들림에 의한 자속밀도의 변동에 기인하여 자기검출소자의 검출 정밀도가 저하되는 것을 억제할 수 있다. 또한, 외란(外亂)에 의한 자속밀도의 변동에 기인하여 자기검출소자의 검출 정밀도가 저하되는 것을 억제할 수 있다. 따라서, 다극 마그넷을 이용하여 양호한 정밀도로 회전축의 회전위치를 검출할 수 있는 자기식 인코더가 실현가능하다.
여기서, 상기 다극 마그넷의 자극쌍 수(Pp(=P/2))가 짝수인 경우에는, 상기 제 1 및 제 2 자기검출소자에 대하여 상기 제 3 및 제 4 자기검출소자를, 상기 다극 마그넷의 원주방향을 따라 기계각으로 정확히 180°떨어진 위치에 배치하면 된다. 이 경우에는, 상기 제 1 및 제 3 자기검출소자는, 전기각으로 동일 각도위치에 배치되어 동일 상(相)의 정현파 신호를 출력한다. 마찬가지로, 상기 제 2 및 제 4 자기검출소자도, 전기각으로 동일 각도위치에 배치되어 동일 상의 정현파 신호를 출력한다. 따라서, 상기 신호처리회로에 있어서, 상기 제 1 자기검출소자의 출력신호 및 상기 제 3 자기검출소자의 출력신호의 합신호를 취하고, 상기 제 2 자기검출소자의 출력신호 및 상기 제 4 자기검출소자의 출력신호의 합신호를 취함으로써, 상기 다극 마그넷의 회전 흔들림 등에 기인하는 오차성분을 제거할 수가 있다.
상기 다극 마그넷의 자극쌍 수(Pp(=P/2))가 홀수인 경우에는, 상기 제 1 및 제 2 자기검출소자에 대하여 상기 제 3 및 제 4 자기검출소자를, 상기 다극 마그넷의 원주방향을 따라 기계각으로 180°떨어진 위치를 중심으로 하여 시계방향 혹은 반시계방향으로 360°/P만큼 오프셋한 위치에 배치하면 된다. 이렇게 하면, 상기 제 1 및 제 3 자기검출소자는, 전기각으로 동일 각도위치에 배치되어 동일 상의 정현파 신호를 출력한다. 마찬가지로, 상기 제 2 및 제 4 자기검출소자도, 전기각으로 동일 각도위치에 배치되어 동일 상의 정현파 신호를 출력한다. 따라서, 상기 신호처리회로에 있어서, 상기 제 1 자기검출소자의 출력신호 및 상기 제 3 자기검출소자의 출력신호의 합신호를 취하고, 상기 제 2 자기검출소자의 출력신호 및 상기 제 4 자기검출소자의 출력신호의 합신호를 취함으로써, 상기 다극 마그넷의 회전 흔들림 등에 기인하는 오차성분을 제거할 수 있다.
상기 다극 마그넷의 자극쌍 수(Pp(=P/2))가 홀수인 경우에 있어서, 상기 제 1 및 제 2 자기검출소자에 대하여 상기 제 3 및 제 4 자기검출소자를, 상기 다극 마그넷의 원주방향을 따라 기계각으로 정확히 180°떨어진 각도위치에 배치하는 것도 가능하다. 이 경우에는, 상기 제 1 및 제 3 자기검출소자는, 전기각으로 180° 떨어진 각도위치에 배치되어 역상(逆相)의 정현파 신호를 출력한다. 마찬가지로, 상기 제 2 및 제 4 자기검출소자도, 전기각으로 180° 떨어진 각도위치에 배치되어 역상의 정현파 신호를 출력한다. 따라서, 상기 신호처리회로에서는, 상기 제 1 자기검출소자의 출력신호 및 상기 제 3 자기검출소자의 출력신호의 차신호를 취하고, 상기 제 2 자기검출소자의 출력신호 및 상기 제 4 자기검출소자의 출력신호의 차신호를 취함으로써, 회전축의 회전 흔들림에 기인하는 오차성분을 제거할 수 있다.
다음으로, 본 발명의 자기식 인코더는,
원주방향을 따라 등각도 간격으로 N극, S극이 교대로 형성되어 있는 다극 마그넷, 상기 다극 마그넷의 회전에 따라 서로 90°의 위상차를 갖는 정현파 신호를 출력하도록 인접 배치되어 있는 제 1 및 제 2 자기검출소자, 및 상기 다극 마그넷의 회전에 따라 서로 90°의 위상차를 갖는 정현파 신호를 출력하도록 인접 배치되어 있는 제 3 및 제 4 자기검출소자를 구비하고 있는 다극측 자기검출부와,
원주방향을 따라 등각도 간격으로 2극 착자되어 있는 2극 마그넷, 및 상기 2극 마그넷의 회전에 따라 서로 90°의 위상차를 갖는 정현파 신호를 출력하는 한 쌍의 자기검출소자를 구비하고 있는 2극측 자기검출부와,
상기 제 1 내지 제 4 자기검출소자의 출력신호, 및 상기 한 쌍의 자기검출소자의 출력신호에 근거하여, 상기 2극 마그넷 및 상기 다극 마그넷이 동축상태로 고정되어 있는 회전축의 1회전내의 기계각 절대위치(θabs)를 나타내는 신호를 생성하는 신호처리회로를 가지고 있으며,
상기 다극 마그넷의 자극수(P)는 4 이상의 짝수이고,
상기 제 1 및 제 2 자기검출소자와 상기 제 3 및 제 4 자기검출소자는, 상기 다극 마그넷의 원주방향을 따라 기계각으로 약 180°떨어진 각도위치에 배치되어 있으며,
상기 제 1 및 제 3 자기검출소자는, 전기각으로 동일 각도위치 혹은 180°떨어진 각도위치에 배치되어 있고,
상기 제 2 및 제 4 자기검출소자는, 전기각으로 동일 각도위치 혹은 180°떨어진 각도위치에 배치되어 있는 것을 특징으로 하고 있다.
여기서, 상기 다극 마그넷의 자극쌍 수(Pp(=P/2))가 짝수인 경우에는, 상기 제 1 및 제 2 자기검출소자에 대하여 상기 제 3 및 제 4 자기검출소자를, 상기 다극 마그넷의 원주방향을 따라 기계각으로 정확히 180° 떨어진 위치에 배치하면 된다. 이 경우에는, 상기 제 1 및 제 3 자기검출소자는, 전기각으로 동일 각도위치에 배치되어 동일 상의 정현파 신호를 출력한다. 마찬가지로, 상기 제 2 및 제 4 자기검출소자도, 전기각으로 동일 각도위치에 배치되어 동일 상의 정현파 신호를 출력한다. 또한, 상기 신호처리회로에 있어서는, 상기 제 1 자기검출소자의 출력신호 및 상기 제 3 자기검출소자의 출력신호의 합신호를 취하고, 상기 제 2 자기검출소자의 출력신호 및 상기 제 4 자기검출소자의 출력신호의 합신호를 취하며, 이들 합신호에 근거하여 상기 회전축의 1/Pp회전내의 절대위치(θelr)를 나타내는 신호를 생성한다.
이와 같이, 기계각으로 180°떨어진 각도위치에 있는 자기검출소자의 출력신호를 합성함으로써, 상기 다극 마그넷의 회전 흔들림에 기인하는 출력신호의 오차성분을 제거할 수 있다. 또한, 동일 상의 정현파 신호를 합성함으로써, 2극 마그넷으로부터의 자속에 기인하는 출력신호의 오차성분도 제거할 수 있다. 따라서, 회전축의 절대위치(θelr)를 양호한 정밀도로 검출할 수 있다.
이에 대하여, 상기 다극 마그넷의 자극쌍 수(Pp(=P/2))가 홀수인 경우에는, 상기 제 1 및 제 2 자기검출소자에 대하여 상기 제 3 및 제 4 자기검출소자는, 상기 다극 마그넷의 원주방향을 따라, 기계각으로 180°떨어진 위치를 중심으로 하여 시계방향 혹은 반시계방향으로 360°/P만큼 오프셋한 위치에 배치하면 된다. 이렇게 하면, 상기 제 1 및 제 3 자기검출소자는, 전기각으로 동일 각도위치에 배치되어 동일 상의 정현파 신호를 출력한다. 마찬가지로, 상기 제 2 및 제 4 자기검출소자도, 전기각으로 동일 각도위치에 배치되어 동일 상의 정현파 신호를 출력한다. 상기 신호처리회로에서는, 상기 제 1 자기검출소자의 출력신호 및 상기 제 3 자기검출소자의 출력신호의 합신호를 취하고, 상기 제 2 자기검출소자의 출력신호 및 상기 제 4 자기검출소자의 출력신호의 합신호를 취하며, 이들 합신호에 근거하여, 상기 회전축의 1/Pp회전내의 절대위치(θelr)를 나타내는 신호를 생성한다.
이 경우에 있어서도, 기계각으로 180° 떨어진 각도위치에 있는 자기검출소자의 출력신호를 합성함으로써, 상기 다극 마그넷의 회전 흔들림에 기인하는 출력신호의 오차성분을 제거할 수 있다. 또한, 동일 상의 정현파 신호를 합성함으로써, 2극 마그넷으로부터의 자속에 기인하는 출력신호의 오차성분도 제거할 수 있다. 따라서, 회전축의 절대위치(θelr)를 양호한 정밀도로 검출할 수가 있다.
여기서, 2극 마그넷이 다극 마그넷으로부터 떨어져 배치되어 있을 경우, 쌍방의 마그넷의 사이가 자기(磁氣)차폐되어 있는 경우 등과 같이, 2극 마그넷으로부터의 자속에 의한 영향이 작을 때에는, 상기 다극 마그넷의 자극쌍 수(Pp(=P/2))가 홀수인 경우에, 상기 제 1 및 제 2 자기검출소자에 대하여 상기 제 3 및 제 4 자기검출소자를, 상기 다극 마그넷의 원주방향을 따라 기계각으로 정확히 180°떨어진 위치에 배치하여도 된다.
이러한 경우에는, 상기 제 1 및 제 3 자기검출소자는, 전기각으로 180°떨어진 각도위치에 배치되어 역상의 정현파 신호를 출력한다. 마찬가지로, 상기 제 2 및 제 4 자기검출소자도, 전기각으로 180°떨어진 각도위치에 배치되어 역상의 정현파 신호를 출력한다. 상기 신호처리회로에서는, 상기 제 1 자기검출소자의 출력신호 및 상기 제 3 자기검출소자의 출력신호의 차신호와, 상기 제 2 자기검출소자의 출력신호 및 상기 제 4 자기검출소자의 출력신호의 차신호에 근거하여, 상기 회전축의 1/Pp회전내의 절대위치(θelr)를 나타내는 신호를 생성한다.
역상의 정현파 신호가 합성되어, 2극 마그넷으로부터의 자속에 기인하는 출력신호의 오차성분은 제거될 수 없지만, 기계각으로 180°떨어진 각도위치에 있는 자기검출소자의 출력신호가 합성되기 때문에, 상기 다극 마그넷의 회전 흔들림에 기인하는 출력신호의 오차성분은 제거될 수 있다. 2극 마그넷으로부터의 자속에 기인하여, 다극 마그넷측의 제 1∼제 4 자기검출소자의 출력신호에 나타나는 오차성분이 적을 경우에는 이러한 구성을 채용할 수 있다.
다음으로, 본 발명은 다극 마그넷 및 2극 마그넷을 구비한 상기한 구성의 자기식 인코더를 이용하여 회전축의 1회전 내의 기계각 절대위치(θabs)를 검출하는 절대회전위치 검출방법으로서,
상기 회전축의 회전위치의 검출동작에 앞서 상기 회전축을 회전시켜, 상기 2극측 자기검출부로부터 얻어지는 각 절대치(θt)에 대한 상기 다극측 자기검출부로부터 얻어지는 절대치(θelt)를 측정하여 할당해 두는 동시에, 상기 2극측 자기검출부의 각 절대치(θt)에 대하여 상기 다극 마그넷의 임시의 자극쌍 번호(Nx)를 할당해 두고,
상기 회전축의 회전위치의 검출을 개시할 때에는,
상기 2극측 자기검출부에 의한 상기 회전축의 절대치(θti)를 계측하고,
상기 다극측 자기검출부에 의한 상기 회전축의 절대치(θelr)를 계측하며,
계측된 상기 절대치(θti)에 할당되어 있는 상기 절대치(θelt)와, 계측된 상기 절대치(θelr)에 근거하여, 상기 절대치(θti)에 할당되어 있는 임시의 상기 자극쌍 번호(Nx)를 보정하여 자극쌍 번호(Nr)를 산출하고,
상기 회전축의 1회전내의 기계각 절대위치(θabs)를, 다극측 자기검출부의 출력신호의 1주기분의 전기각에 상당하는 기계각(θelp(=360°/Pp))을 이용하여 다음 식에 의해 산출하는 것을 특징으로 한다.
θabs = (Nr×θelp+θelr)/Pp
여기서, 상기 2극측 절대치 인코더의 분해능을 Rt라 할 때, 상기 2극측 절대치 인코더의 정밀도 혹은 각도재현성(X)이 다음의 식을 만족할 경우에는, 아래와 같이 하여 임시의 자극쌍 번호(Nxi)로부터 정확한 자극쌍 번호(Nr)를 결정할 수 있다.
X < 2×((θelp/2)-(Pp×θelp/Rt))/Pp
즉, θelt ≥ θelp/2인 경우에는,
θelr ≥（θelt-θelp/2)이면, 보정 자극쌍 번호(Nr)는 Nx로 하고
θelr < (θelt-θelp/2)이면, 보정 자극쌍 번호(Nr)는 Nx+1로 한다.
반대로, θelt < θelp/2인 경우에는,
θelr < (θelt+θelp/2)이면, 보정 자극쌍 번호(Nr)는 Nx로 하고
θelr ≥（θelt+θelp/2)이면, 보정 자극쌍 번호(Nr)는 Nx-1로 한다.
한편, 상기 2극측 절대치 인코더에 있어서의 상기 다극측 절대치 인코더의 각 자극쌍에 대한 분해능의 최소값이 Rtmin인 경우에는, 상기 2극측 절대치 인코더의 각도재현성(X)이 다음의 식을 만족하도록 하면 된다.
X < 2×((θelp/2)-(θelp/Rtmin))/Pp
여기서, 일반적으로는, M을 2이상의 정수로 하고, 상기 2극측 절대치 인코더의 정밀도 혹은 각도재현성(X)이 다음 식을 만족할 경우에는, 아래와 같이 하여, 임시의 자극쌍 번호(Nxi)로부터 정확한 자극쌍 번호(Nr)를 결정할 수 있다.
X < 2×((θelp/M)-(Pp×θelp/Rt))/Pp
θelt ≥ θelp/M인 경우에는,
θelr ≥（θelt-θelp/M)이면, 보정 자극쌍 번호(Nr)는 Nx로 하고
θelr < (θelt-θelp/M)이면, 보정 자극쌍 번호(Nr)는 Nx+1로 한다.
θelt < θelp/2인 경우에는,
θelr < (θelt+θelp/M)이면, 보정 자극쌍 번호(Nr)는 Nx로 하고
θelr ≥（θelt+θelp/M)이면, 보정 자극쌍 번호(Nr)는 Nx-1로 한다.
또한, 상기 2극측 절대치 인코더에 있어서의 상기 다극측 절대치 인코더의 각 자극쌍에 대한 분해능의 최소값이 Rtmin인 경우에는, 상기 2극측 절대치 인코더의 각도재현성(X)이 다음 식을 만족하면 된다.
X < 2×((θelp/M)-(θelp/Rtmin))/Pp
본 발명의 절대회전위치 검출방법에 따르면, 회전축의 절대위치를 검출하기 위한 분해능은, 다극측 절대치 인코더의 분해능을 Rm이라 할 때, Pp×Rm에 의해 규정되며, 검출 정밀도는 다극측 절대치 인코더의 분해능에만 의존한다. 2극측 절대치 인코더의 분해능 및 정밀도는, 절대위치를 검출하는 분해능 및 정밀도와는 무관하며 자극쌍 번호를 얻기 위해서만 사용된다. 따라서, 본 발명에 따르면, 2극측 절대치 인코더의 분해능, 정밀도를 높이지 않고도 고분해능의 자기식 절대치 인코더를 실현할 수가 있다.
도 1은 본 발명의 실시형태 1의 자기식 인코더를 나타내는 개략 블록도이다.
도 2는 도 1의 자기검출부의 설명도 및 신호 결선(結線)도이다.
도 3은 본 발명의 실시형태 2의 자기식 인코더를 나타내는 개략 블록도, 그 2극측 자기검출부를 나타내는 설명도, 및 그 다극측 자기검출부를 나타내는 설명도이다.
도 4는 도 3의 다극측 자기검출부의 설명도 및 신호 결선도이다.
도 5는 도 3의 신호처리회로에 입력되는 A상 신호파형 및 B상 신호파형을 나타내는 신호파형도, 및 2극 마그넷으로부터의 자속(磁束)에 기인하는 오차성분을 나타내는 도면이다.
도 6은 도 3의 2극측 자기검출부 및 다극측 자기검출부의 출력파형을 나타내는 신호파형도, 및 그 일부를 시간축방향으로 신장시킨 상태로 나타낸 설명도이다.
도 7은 기계각 절대위치의 산출처리 플로우를 나타내는 플로우 챠트이다.
도 8은 도 7에서의 단계(ST 13)로부터 단계(ST 19)에 이르는 처리동작을 나타내는 설명도이다.
도 9는 도 7에서의 단계(ST 13)로부터 단계(ST 21)에 이르는 처리동작을 나타내는 설명도이다.
도 10은 기계각 절대위치의 산출처리 플로우를 나타내는 플로우 챠트이다.
도 11은 본 발명의 실시형태 3의 자기식 인코더를 나타내는 개략 블록도, 그 2극측 자기검출부를 나타내는 설명도 및 그 다극측 자기검출부를 나타내는 설명도이다.
도 12는 도 11의 다극측 자기검출부에 대한 설명도 및 신호 결선도이다.
도 13은 도 11의 신호처리회로에 입력되는 A상 신호파형 및 B상 신호파형을 나타내는 신호파형도, 및 2극 마그넷으로부터의 자속에 기인하는 오차성분을 나타내는 도면이다.
도 14는 본 발명의 실시형태 4의 자기식 인코더를 나타내는 개략 블록도, 그 2극측 자기검출부를 나타내는 설명도, 및 그 다극측 자기검출부를 나타내는 설명도이다.
도 15는 도 14의 다극측 자기검출부의 설명도 및 신호 결선도이다.
도 16은 비교예로서의 자기식 인코더를 나타내는 개략 블록도, 그 2극측 자기검출부를 나타내는 설명도, 및 그 다극측 자기검출부를 나타내는 설명도이다.
도 17은 비교예에서의 다극측 자기검출부에 대한 설명도, 신호처리회로에 입력되는 A상 신호파형 및 B상 신호파형을 나타내는 신호파형도, 및 2극 마그넷으로부터의 자속에 기인하는 오차성분을 나타내는 도면이다.
도 18은 비교예에서의 다극측 자기검출부에 대한 설명도, 신호처리회로에 입력되는 A상 신호파형 및 B상 신호파형을 나타내는 신호파형도, 및 2극 마그넷으로부터의 자속에 기인하는 오차성분을 나타내는 도면이다.
이하에서는 도면을 참조하여, 본 발명이 적용된 자기식 인코더의 실시형태에 관하여 설명하도록 한다.
(실시형태 1)
도 1은 본 발명이 적용된 다극 마그넷을 구비한 자기식 인코더를 나타내는 개략 블록도이다. 자기식 인코더(1)는, 원주방향을 따라 등각도 간격으로 N극, S 극이 교대로 형성되어 있는 다극 마그넷(2)과, 상기 다극 마그넷(2)의 원형 외주면(2a)을 따라 인접배치된 제 1 및 제 2 자기검출소자(A1, B1)와, 마찬가지로 원형 외주면(2a)을 따라 인접배치된 제 3 및 제 4 자기검출소자(A2, B2)와, 이들 제 1∼제 4 자기검출소자(A1~B2)의 출력신호에 근거하여, 검출대상의 회전축, 예컨대, 서보모터(3)의 회전축(4)의 회전위치를 나타내는 신호를 생성하는 신호처리회로(5)를 갖는다.
도 2(a) 및 (b)는 자기식 인코더(1)의 자기검출부를 나타내는 설명도 및 출력신호의 결선도이다. 본 예의 다극 마그넷(2)은, 자극 수(P)가 28이 되도록 등각도 간격으로 원주방향으로 N극과 S극이 교대로 형성되어 있다. 제 1 및 제 2 자기검출소자(A1, B1)는, 다극 마그넷(2)의 회전에 따라 서로 90°의 위상차를 갖는 정현파 신호를 출력하도록 전기각으로 90°떨어지도록 인접배치되어 있다. 바꾸어 말하면, 자극폭의 1/2만큼 원주방향으로 떨어진 상태로 인접배치되어 있다. 마찬가지로, 제 3 및 제 4 자기검출소자(A2, B2)도 서로 90°의 위상차를 갖는 정현파 신호를 출력하도록 전기각으로 90°떨어지도록 인접배치되어 있다.
또한, 제 1 및 제 2 자기검출소자(A1, B1)와 제 3 및 제 4 자기검출소자(A2, B2)는, 다극 마그넷(2)의 원주방향을 따라 기계각으로 180°떨어진 각도위치에 배치되어 있다. 다극 마그넷(2)의 자극 수(P)가 28이고 자극쌍(Pp)이 14로 짝수이므로, 제 1 및 제 3 자기검출소자(A1, A3)는 전기각으로 동일 각도위치에 배치되어 동일 상(相)의 정현파 신호를 출력한다. 또한, 제 2 및 제 4 자기검출소자(B1, B2)도 전기각으로 동일 각도위치에 배치되어 동일 상의 정현파 신호를 출력한다.
신호처리회로(5)는 도 2(b)에 나타낸 바와 같이 결선된 신호합성회로(6)를 구비한다. 상기 신호합성회로(6)에서는, 제 1 자기검출소자(A1)의 출력신호 및 제 3 자기검출소자(A2)의 출력신호의 합신호(A+)와, 그 반전신호(A-)를 얻는다. 또한, 제 2 자기검출소자(B1)의 출력신호 및 제 4 자기검출소자(B2)의 출력신호의 합신호(B+)와, 그 반전신호(B-)를 얻는다. 신호처리회로(5)에서는 이들 신호에 근거하여, 회전축(4)의 회전위치를 나타내는 신호를 생성하여 출력한다.
본 예의 자기식 인코더(1)에서는, 제 1 및 제 2 자기검출소자(A1, B1)와 제 3 및 제 4 자기검출소자(A2, B2)가 기계각으로 180°떨어진 각도위치에 배치되어 있다. 이러한 배치를 채용함으로써, 다극 마그넷(2)의 회전 흔들림에 의한 자속밀도의 변동에 기인하여 자기검출소자(A1~B2)의 검출 정밀도가 저하되는 것을 억제할 수가 있다. 또한, 외란에 의한 자속밀도의 변동에 기인하여 자기검출소자(A1~B2)의 검출 정밀도가 저하되는 것을 억제할 수 있다. 따라서, 다극 마그넷(2)을 이용하여 양호한 정밀도로 회전축(4)의 회전위치를 검출할 수 있는 자기식 인코더가 실현가능하다.
여기서, 다극 마그넷(2)의 자극쌍 수(Pp(=P/2))가 홀수인 경우에는, 제 1 및 제 2 자기검출소자(A1, B1)에 대하여 제 3 및 제 4 자기검출소자(A2, B2)를, 다극 마그넷(2)의 원주방향을 따라 기계각으로 180°떨어진 위치를 중심으로 하여 시계방향 혹은 반시계방향으로 δ(=360°/P)만큼 오프셋한 위치에 배치하면 된다.
예컨대, 도 2(c)에 나타낸 바와 같이, 다극 마그넷(2A)의 자극 수(P)가 26이고 자극쌍(Pp)이 13인 경우에는, 기계각으로 180°의 위치로부터 δ=360°/26만큼 오프셋시키면 된다. 이렇게 하면, 제 1 및 제 3 자기검출소자(A1, A2)는 전기각으로 동일 각도위치에 배치되어 동일 상의 정현파 신호를 출력한다. 마찬가지로, 제 2 및 제 4 자기검출소자(B1, B2)도 전기각으로 동일 각도위치에 배치되어 동일 상의 정현파 신호를 출력한다.
따라서, 도 2(d)에 나타낸 바와 같이, 신호합성회로(6)에 있어서, 제 1 자기검출소자(A1)의 출력신호 및 제 3 자기검출소자(A2)의 출력신호의 합신호(A+)를 취하고, 제 2 자기검출소자(B1)의 출력신호 및 제 4 자기검출소자(B2)의 출력신호의 합신호를 취함으로써, 다극 마그넷(2A)의 회전 흔들림에 기인하는 오차성분, 및 외란 자속(turbulence magnetic flux)에 기인하는 오차성분을 제거할 수가 있다.
한편, 다극 마그넷(2A)의 자극쌍 수(Pp(=P/2))가 홀수인 경우에도, 제 1 및 제 2 자기검출소자(A1, B1)와 제 3 및 제 4 자기검출소자(A2, B2)를, 다극 마그넷(2A)의 원주방향을 따라 기계각으로 정확히 180°떨어진 각도위치에 배치할 수 있다. 도 2(e)에는 자극 수(P)가 26이고 자극쌍(Pp)이 13인 경우가 도시되어 있다. 이 경우에는, 제 1 및 제 3 자기검출소자(A1, A2)는, 전기각으로 180°떨어진 각도위치에 배치되어 역상의 정현파 신호를 출력한다. 마찬가지로, 제 2 및 제 4 자기검출소자(B1, B2)도, 전기각으로 180°떨어진 각도위치에 배치되어 역상의 정현파 신호를 출력한다. 따라서, 도 2(f)에 나타낸 바와 같이, 신호합성회로(6A)에 있어서, 제 1 및 제 3 자기검출소자(A1, A2)를 역상으로 병렬접속하여 이들의 출력신호의 차신호(A+)와 그 반전신호(A-)를 취한다. 마찬가지로 하여, 제 2 자기검출소자(B1)의 출력신호 및 제 4 자기검출소자(B2)의 출력신호의 차신호(B+)와 그 반 전신호(B-)를 취한다. 이들의 합성신호에 근거하여 회전축의 회전 흔들림에 기인하는 오차성분을 제거할 수가 있다.
(실시형태 2)
다음으로, 도 3(a)∼(c)는 각각 본 발명이 적용된 실시형태 2에 따른 자기식 인코더를 나타내는 개략 블록도, 그 2극측 자기검출부를 나타내는 설명도, 및 그 다극측 자기검출부를 나타내는 설명도이다.
자기식 인코더(10)는, 다극측 자기검출부(11)와, 2극측 자기검출부(12)와, 이들 검출부(11, 12)로부터 얻어지는 신호에 근거하여 검출대상의 회전축, 예컨대 서보모터(13)의 회전축(14)의 1회전내의 기계적 절대위치(θabs)를 나타내는 신호를 생성하는 신호처리회로(15)를 갖는다.
다극측 자기검출부(11)는, 원주방향을 따라 등각도 간격으로 N극, S극이 교대로 형성되어 있는 다극 마그넷(21)과, 다극 마그넷(21)의 회전에 따라 서로 90°의 위상차를 갖는 정현파 신호를 출력하도록 인접배치되어 있는 제 1 및 제 2 자기검출소자(A1, B1)와, 다극 마그넷(21)의 회전에 따라 서로 90°의 위상차를 갖는 정현파 신호를 출력하도록 인접배치되어 있는 제 3 및 제 4 자기검출소자(A2, B2)를 구비하고 있다. 2극측 자기검출부(12)는, 원주방향을 따라 등각도 간격으로 2극 착자되어 있는 2극 마그넷(22)과, 2극 마그넷(22)의 회전에 따라 서로 90°의 위상차를 갖는 정현파 신호를 출력하는 한 쌍의 자기검출소자(Ao, Bo)를 구비하고 있다. 다극 마그넷(21) 및 2극 마그넷(22)은, 회전축(14)에 대하여 동축상태로 고정되어 있어 상기 회전축(14)과 일체로 회전한다.
도 4(a) 및 (b)는 다극측 자기검출부(11)를 나타내는 설명도 및 출력신호의 결선도이다. 다극측 자기검출부(11)는, 도 1 및 도 2(a), (b)에 도시된 자기검출부와 동일한 구조이다. 즉, 다극 마그넷(21)은, 자극 수(P)가 28이 되도록 등각도 간격으로 원주방향으로 N극과 S극이 교대로 형성되어 있다. 제 1 및 제 2 자기검출소자(A1, B1)는, 다극 마그넷(21)의 회전에 따라 서로 90°의 위상차를 갖는 정현파 신호를 출력하도록 전기각으로 90°떨어져 인접배치되어 있다. 바꾸어 말하면, 자극 폭의 1/2만큼 원주방향으로 떨어진 상태로 인접배치되어 있다. 마찬가지로, 제 3 및 제 4 자기검출소자(A2, B2)도 서로 90°의 위상차를 갖는 정현파 신호를 출력하도록 전기각으로 90°떨어져 인접배치되어 있다.
또한, 제 1 및 제 2 자기검출소자(A1, B1)와 제 3 및 제 4 자기검출소자(A2, B2)는, 다극 마그넷(21)의 원주방향을 따라 기계각으로 180°떨어진 각도위치에 배치되어 있다. 다극 마그넷(21)의 자극 수(P)가 28이고 자극쌍(Pp)이 14로 짝수이므로, 제 1 및 제 3 자기검출소자(A1, A2)는 전기각으로 동일 각도위치에 배치되어 동일 상의 정현파 신호를 출력한다. 또한, 제 2 및 제 4 자기검출소자(B1, B2)도 전기각으로 동일 각도위치에 배치되어 동일 상의 정현파 신호를 출력한다.
신호처리회로(15)는 도 4(b)에 나타낸 바와 같이 결선된 신호합성회로(16)를 구비하고 있다. 상기 신호합성회로(16)에서는, 제 1 자기검출소자(A1)의 출력신호 및 제 3 자기검출소자(A2)의 출력신호의 합신호(A+)와 그 반전신호(A-)를 얻는다. 또한, 제 2 자기검출소자(B1)의 출력신호 및 제 4 자기검출소자(B2)의 출력신호의 합신호(B+)와 그 반전신호(B-)를 얻는다.
본 예의 자기식 인코더(10)에서는, 제 1 및 제 2 자기검출소자(A1, B1)와 제 3 및 제 4 자기검출소자(A2, B2)가, 기계각으로 180°떨어진 각도위치에 배치되어 있다. 이러한 배치를 채용함으로써, 다극 마그넷(21)의 회전 흔들림에 의한 자속밀도의 변동에 기인하여 자기검출소자(A1~B2)의 검출 정밀도가 저하되는 것을 억제할 수 있다.
또한, 동일 상의 정현파 신호를 합성함으로써, 2극 마그넷(22)으로부터의 자속에 기인하는 제 1∼제 4 자기검출소자(A1~B2)의 출력신호의 오차성분도 제거할 수 있다. 따라서, 회전축(14)의 회전위치를 양호한 정밀도로 검출할 수가 있다.
예컨대, 2극 마그넷(22)으로부터의 자속의 영향으로 인해 제 1∼제 4 자기검출소자(A1~B2)의 오프셋 값이 10% 변동했을 경우에 대해 측정한 바, 도 5(a)에 나타내는 바와 같이 90°위상차가 있는 A상 출력 및 B상 출력이 얻어졌으며, 이들 신호에 포함되는 2극 마그넷(22)에 의한 오차성분을 계산한 바, 도 5(b)에 나타낸 바와 같이 거의 0이 되는 것으로 확인되었다.
(절대위치(θabs)의 산출법)
다음으로, 본 예의 신호처리회로(15)의 구성 및 신호처리동작을 설명하도록 한다. 신호처리회로(15)는, 도 3(a)에 나타낸 바와 같이 신호합성회로(16)를 통해 얻어지는 다극측 자기검출부(11)로부터의 출력신호에 근거하여 회전축(14)의 1/Pp 회전내의 절대치(θel)를 산출하는 연산회로(17)와, 2극측 자기검출부(12)로부터의 출력신호에 근거하여 회전축(14)의 1회전내의 절대치(θt)를 산출하는 연산회로(18)와, 대응 테이블(19a)을 참조하며 절대치(θel 및 θt)에 근거하여, 회전 축(14)의 1회전내의 기계적 절대위치(θabs)를 산출하는 연산회로(19)를 구비하고 있다.
상세히 설명하면, 연산회로(18)에서는, 2극측 자기검출부(12)의 한 쌍의 홀 소자(Ao, Bo)로부터 출력되는 90°의 위상차가 있는 정현파 신호로부터, 분해능(Rt), 즉 기계각 0∼360도의 절대위치(θt)를 연산한다. 연산회로(17)에서는, 다극측 자기검출부(11)의 제 1∼제 4 자기검출소자(A1~B2)의 출력으로 합성된 90°의 위상차가 있는 정현파 신호로부터, 분해능(Rm), 즉, 전기각 0∼360도(기계각 0∼360/Pp)의 절대위치(θelr)를 연산한다. 연산회로(19)에서는 θelp(=360도/Pp)와, 후술하는 바와 같이 산출되는 자극쌍 번호(Nr)를 이용하여, 회전축(14)의 1회전내의 기계각 절대위치(θabs)를 다음 식에 의해 산출한다.
θabs = (Nr×θelp+θelr)/Pp （1)
여기서, 자극쌍 번호(Nr)의 정확한 산출을 위해, 2극측 자기검출부(12)의 정밀도 혹은 각도재현성(X)이 다음 식을 만족하도록 설정되어 있다.
X < 2×((θelp/2-(Pp×θelp/Rt))/Pp （2)
도 6(a)은, 홀 소자(Ao)로부터 출력되는 2극측의 신호파형을 얇은 선으로 도시하고, 신호합성회로(16)로부터 얻어지는 다극측의 신호파형을 굵은 선으로 도시한 도면이다. 도 6(b)는 그 일부를 횡축(시간축) 방향으로 확대도시한 도면이다.
다음으로, 도 7은 자극쌍 번호(Nr)의 산출순서를 나타내는 플로우 챠트이며, 도 8 및 도 9는 Nr의 산출동작을 나타내는 설명도이다. 각 기호의 의미를 이하와 같이 기재한다.
Rm : 다극측 자기검출부의 분해능
Rt : 2극측 자기검출부의 분해능
θelr : 다극측 자기검출부의 실제 절대치(0∼(θelp-1))
θelt : 다극측 자기검출부의 임시의 절대치(0∼(θelp-1))
θti : 2극측 자기검출부의 절대치(0∼(θtp-1))
Pp : 다극 마그넷의 자극쌍 수
Nr : 다극 마그넷의 실제 자극쌍 번호(0∼(Pp-1))
Nx : 다극 마그넷의 임시의 자극쌍 번호(0∼(Pp-1))
우선, 자기식 인코더(10)에서는 실제 검출동작에 앞서, 일정한 온도, 회전 흔들림 및 속도로 회전축(14)을 회전구동하여 2극측 자기검출부(12) 및 다극측 자기검출부(11)의 출력을 측정한다. 즉, 2극측 자기검출부(12)의 절대치(θti)에 대한 다극측 자기검출부(11)의 임시의 절대치(θelt)를 측정한다. 다음으로, 2극측 자기검출부(12)의 각각의 절대치(θti)에 대하여, 다극 마그넷(21)의 임시의 자극쌍 번호(Nx)를 할당한다. 이들 정보를 대응 테이블(19a)로 하여 비휘발성 메모리 등에 기억시켜 보유해 둔다(도 7의 단계(ST 11)).
실제 검출동작을 개시할 때에는, 2극측 자기검출부(12)에 의한 회전축(14)의 절대치(θti)를 계측한다(도 7의 단계(ST 12)). 상기 절대치(θti)를 이용하고 대응 테이블(19a)을 참조하여, 상기 절대치(θti)에 할당되어 있는 다극측 자기검출부(11)의 임시의 절대치(θelt)와, 다극 마그넷(21)의 임시의 자극쌍 번호(Nx)를 읽어낸다(도 7의 단계(ST 13)). 더욱이, 이러한 동작과 동시에 혹은 전후하여, 다 극측 자기검출부(11)에 의한 회전축(14)의 절대치(θelr)를 계측한다(도 7의 단계(ST 14)).
여기서, 실제 절대치(θelr)에 대한 2극측 자기검출부(12)의 절대치(θti)는, 온도, 속도 등의 동작상황에 따라 변화하는 것으로 일정한 관계를 갖는 것은 아니다. 따라서, 대응 테이블(19a)에 있어서 대응지어져 있는 절대치(θti)와 절대치(θelt)가, 실제 회전상태에서는 대응되지 않는 경우가 많다. 즉, 상기의 식 (2)로 규정되는 각도재현성(X)의 범위 내에서 변동한다.
이에, 다음과 같이 하여 임시의 자극쌍 번호(Nx)를 보정함으로써 정확한 자극쌍 번호(Nr)를 산출하고 있다.
우선, 임시로 할당되어 있는 절대치(θelt)가 값(θelp/2) 이상인지 여부를 판별한다(도 7의 단계(ST 15)).
θelt < θelp/2인 경우에는, 계측된 절대치(θelr)가 (θelt+θelp/2)보다 작은지 여부를 판별한다(도 7의 단계(ST 16)). 그 판별결과에 근거하여 다음과 같이 자극쌍 번호(Nr)를 결정한다.
θelr < (θelt+θelp/2)이면, 자극쌍 번호(Nr)는 Nx로 한다(도 7의 단계(ST 19)). 반대로, θelr ≥（θelt+θelp/2)이면, 자극쌍 번호(Nr)는 Nx-1로 한다(도 7의 단계(ST 18)).
도 8에는, 도 7의 단계(ST 13)로부터 단계(ST 18, 19)에 이르는 처리순서가 도시되어 있다. 상기 도면에 도시된 바와 같이, 회전축(14)의 축 흔들림(axial runout) 등의 회전상황이 원인이 되어, 2극측 자기검출부(12)의 절대치가 θti인 경우에, 다극측 자기검출부(11)의 절대치(θelr)가 변동폭 Δ로 변동한다. 회전축(14)의 회전량이 적은 쪽으로 편향되었을 경우에는, 상기 회전축(14)의 실제 회전위치는, 자극쌍 번호(Nx-1)가 할당된 각도범위 내가 된다. 이러한 경우에는, 실제 절대치(θelr)가 (θelt+θelp/2)보다 큰 값을 취하므로, 이에 근거하여 실제 자극쌍 번호(Nr)가 Nx-1임을 판별할 수 있다.
한편, θelt ≥ θelp/2인 경우에는, 계측된 절대치(θelr)가 (θelt-θelp/2)보다 작은지 여부를 판별한다(도 7의 단계(ST 17)). 그 판별결과에 근거하여 다음과 같이 자극쌍 번호(Nr)를 결정한다.
θelr ≥（θelt-θelp/2)이면, 자극쌍 번호(Nr)는 Nx로 한다(도 7의 단계(ST 20)). 반대로, θelr < (θelt-θelp/2)이면, 자극쌍 번호(Nr)는 Nx+1로 한다(도 7의 단계(ST 21)).
도 9에는, 도 7의 단계(ST 13)로부터 단계(ST 20, 21)에 이르는 처리순서가 도시되어 있다. 상기 도면에 도시된 바와 같이, 회전축(14)의 축 흔들림 등의 회전상황이 원인이 되어, 2극측 자기검출부(12)의 절대치가 θti인 경우에, 다극측 자기검출부(11)의 절대치(θelr)가 변동폭 Δ로 변동한다. 회전축(14)의 회전량이 많은 쪽으로 편향되었을 경우에는, 상기 회전축(14)의 실제 회전위치는, 자극쌍 번호(Nx+1)가 할당된 각도범위 내가 된다. 이러한 경우에는, 실제 절대치(θelr)가 (θelt-θelp/2)보다 작은 값을 취하므로, 이에 근거하여 실제 자극쌍 번호(Nr)가 Nx+1임을 판별할 수가 있다.
이렇게 하여 자극쌍 번호(Nr)를 산출하고, 상술한 식 (1)에 근거하여 회전 축(14)의 기계각 절대위치(θabs)를 산출한다. 또한, 그 후에는, 다극측 자기검출부(11)의 절대치(θelr)의 증감(增減)에 근거하여 회전축(14)의 기계각 절대위치(θabs)를 순차적으로 검출할 수 있다.
이상 설명한 바와 같이, 본 예의 자기식 인코더(19)를 이용하면, 검출의 분해능, 정밀도가 다극측 자기검출부(11)에 의해 규정되어, 2극측 자기검출부(12)의 분해능, 정밀도에 의해 검출의 분해능, 정밀도가 제약되는 일이 없다. 또한, 2극측 자기검출부(12) 및 다극측 자기검출부(11)의 검출신호의 개시점(start point)을 맞추는 조정작업도 불필요하다.
다음으로, 다극측 자기검출부(11)의 각 자극쌍에 대응하는 2극측 자기검출부(12)의 분해능의 크기(Rti)에 편차가 있어도 무방하다. 각 자극쌍에 대한 2극측 자기검출부(12)의 분해능(Rti)의 총합이 Rt가 되면 된다. 각 분해능(Rti)의 최소값이 Rtmin인 경우, 자극쌍 번호(Nr)를 정확하게 산출하기 위해서는, 2극측 자기검출부(12)의 정밀도 혹은 각도재현성(X)을 다음 식과 같이 설정하면 된다.
X < 2×((θelp/2-(θelp/Rtmin))/Pp （2A)
또한, 일반적으로는, M을 2이상의 정수로 하였을 경우, 2극측 자기검출부(12)의 정밀도 혹은 각도재현성(X)을 다음 식을 만족하도록 설정하면, 도 10에 나타내는 플로우에 따라 기계각 절대위치(θabs)를 산출할 수가 있다.
X < 2×((θelp/M-(Pp×θelp/Rt))/Pp （2B)
이 경우에 있어서도, 다극측 자기검출부(11)의 각 자극쌍에 대응하는 2극측 자기검출부(12)의 분해능의 크기(Rti)의 최소값이 Rtmin인 경우, 자극쌍 번호(Nr) 를 정확하게 산출하기 위해서는, 2극측 자기검출부(12)의 정밀도 혹은 각도재현성(X)을 다음 식을 만족하도록 설정하면 된다.
X < 2×((θelp/M-(θelp/Rtmin))/Pp （2C)
(실시형태 3)
다음으로, 다극 마그넷의 자극쌍 수(Pp(=P/2))가 홀수인 경우에는, 제 1 및 제 2 자기검출소자(A1, B1)에 대하여 제 3 및 제 4 자기검출소자(A2, B2)를, 다극 마그넷의 원주방향을 따라 기계각으로 180°떨어진 위치에 배치하면, 제 1 및 제 3 자기검출소자(A1, A3)는 전기각으로 180°떨어진 위치가 되어, 그 출력이 역(逆) 위상이 된다. 마찬가지로, 제 2 및 제 4 자기검출소자(B1, B2)도 전기각으로 180°떨어진 위치가 되어 이들의 출력이 역 위상이 된다. 역 위상의 출력신호의 차를 취하여 A상 신호 및 B상 신호를 생성하여도, 2극 마그넷으로부터의 자속(磁束)에 기인하는 오차성분을 제거할 수가 없다.
이에, 도 11 및 도 12에 나타내는 바와 같이, 본 발명의 실시형태 3에 따른 자기식 인코더(20)의 다극측 자기검출부(11A)에서는, 제 1 및 제 2 자기검출소자(A1, B1)에 대하여 제 3 및 제 4 자기검출소자(A2, B2)가, 다극 마그넷(21A)의 원주방향을 따라, 기계각으로 180°떨어진 위치를 중심으로 하여 시계방향 혹은 반시계방향으로 δ(=360°/P)만큼 오프셋된 위치에 배치되어 있다. 그 밖의 구성은 상기 자기식 인코더(10)와 동일하다.
이와 같이 하면, 제 1 및 제 3 자기검출소자(A1, A2)는, 전기각으로 동일 각도위치에 배치되어 동일 상의 정현파 신호를 출력한다. 마찬가지로, 상기 제 2 및 제 4 자기검출소자도, 전기각으로 동일 각도위치에 배치되어 동일 상의 정현파 신호를 출력한다.
신호처리회로(15)의 신호합성회로(16)에서는, 제 1 자기검출소자(A1)의 출력신호 및 제 3 자기검출소자(A2)의 출력신호의 합신호를 취하고, 제 2 자기검출소자(B1)의 출력신호 및 제 4 자기검출소자(B2)의 출력신호의 합신호를 취하며, 이들 합신호에 근거하여 양호한 정밀도로 회전축(14)의 회전위치를 검출할 수 있다.
예컨대, 2극 마그넷(22)으로부터의 자속의 영향에 의해 제 1∼제 4 자기검출소자(A1~B2)의 오프셋 값이 10% 변동했을 경우에 대해 측정한 바, 도 13(a)에 나타낸 바와 같이 90°위상차가 있는 A상 출력 및 B상 출력이 얻어졌고, 2극 마그넷(22)에 의한 오차성분을 계산한 바, 도 13(b)에 나타낸 바와 같이 대폭 저감되는 것으로 확인되었다. 후술하는 비교예(도 18 참조)의 경우에 발생하는 오차성분의 약 1/8로 저감되는 것을 확인할 수 있었다.
(실시형태 4)
다음으로, 상기 자기식 인코더(20)에 있어서, 2극 마그넷(22)이 다극 마그넷(21A)으로부터 떨어져 배치되어 있는 경우, 쌍방의 마그넷(21A, 22)의 사이가 자기차폐되어 있는 경우 등과 같이, 2극 마그넷(22)으로부터의 자속에 의한 영향이 작을 때에는, 제 1 및 제 2 자기검출소자(A1, B1)와 제 3 및 제 4 자기검출소자(A2, B2)를, 다극 마그넷(21A)의 원주방향을 따라 기계각으로 정확히 180°떨어진 위치에 배치하여도 된다.
도 14 및 도 15에는 이러한 경우의 자기식 인코더의 구성이 도시되어 있다. 상기 자기식 인코더(30)에서의 다극측 자기검출부(11B)에서는, 제 1 및 제 3 자기검출소자(A1, A2)가 전기각으로 180°떨어진 각도위치에 배치되어 역상의 정현파 신호를 출력한다. 마찬가지로, 제 2 및 제 4 자기검출소자(B1, B2)도 전기각으로 180°떨어진 각도위치에 배치되어 역상의 정현파 신호를 출력한다.
도 15(b)에 나타낸 바와 같이, 신호처리회로(15)의 신호합성회로(16A)에서는, 제 1 및 제 3 자기검출소자(A1, A2)를 역상(逆相)으로 병렬접속하여, 이들 출력신호의 차신호(A+)와 그 반전신호(A-)를 취한다. 마찬가지로 하여, 제 2 자기검출소자(B1)의 출력신호 및 제 4 자기검출소자(B2)의 출력신호의 차신호(B+)와, 그 반전신호(B-)를 취한다. 이들의 합성신호에 근거하여, 회전축의 회전 흔들림에 기인하는 오차성분을 제거할 수 있다.
한편, 그 밖의 구성은 상술한 자기식 인코더(10) 혹은 자기식 인코더(20)와 동일하다.
(비교예)
도 16은 비교예로서의 자기식 인코더를 나타내는 개략 블록도, 2극측 자기검출부의 설명도 및 다극측 자기검출부의 설명도이다. 본 비교예는, 상술한 실시형태 2의 자기식 인코더(10) 및 실시형태 3의 자기식 인코더(30)와의 비교를 위한 것이다.
비교예의 자기식 인코더(40)에 있어서, 다극측 자기검출부(11C)에는 인접배치된 한 쌍의 제 1 및 제 2 자기검출소자(A1, B1)만 구비되어 있으며, 신호처리회로(15A)에서는 이들의 출력신호에 근거하여 절대치(θelr)를 연산한다.
비교예의 자기식 인코더(40)의 다극 마그넷으로서, 도 17(a)에 나타낸 바와 같이 자극 수(P)가 28인 다극 마그넷(21)을 이용하였다. 이러한 경우에 있어서, 2극 마그넷(22)으로부터의 자속의 영향에 의해 자기검출소자(A1, B1)의 오프셋 값이 10% 변동하였을 경우에 대해 측정한 바, 도 17(b)에 나타낸 바와 같이 90°의 위상차가 있는 A상 출력 및 B상 출력이 얻어졌고, 2극 마그넷(22)에 의한 오차성분을 계산한 바, 도 17(c)에 나타낸 바와 같이 크게 나타났다.
또한, 비교예의 자기식 인코더(40)의 다극 마그넷으로서, 도 18(a)에 나타낸 바와 같이 자극 수(P)가 26인 다극 마그넷(21A)을 이용하였다. 이러한 경우에 있어서, 2극 마그넷(22)으로부터의 자속의 영향에 의해 자기검출소자(A1, B1)의 오프셋 값이 10% 변동하였을 경우에 대해 측정한 바, 도 18(b)에 나타낸 바와 같이 90°의 위상차가 있는 A상 출력 및 B상 출력이 얻어졌고, 2극 마그넷(22)에 의한 오차성분을 계산한 바, 도 18(c)에 나타낸 바와 같이 크게 나타났다.
이들 비교예에 있어서의 오차성분과, 실시형태 2, 3에서의 오차성분을 나타내는 도 5(b), 도 13(b)와의 비교를 통해, 본 발명의 자기식 인코더에 따르면, 2극 마그넷으로부터의 자속의 영향으로 인한 오차를 대폭 제거할 수 있음을 알 수 있다.

Claims (16)

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  9. 자기식 인코더를 이용하여 회전축의 1회전내의 기계각 절대위치(θabs)를 검출하는 절대회전위치 검출방법으로서,
    상기 자기식 인코더는,
    원주방향을 따라 등각도 간격으로 N극, S극이 교대로 형성되어 있는 다극 마그넷, 상기 다극 마그넷의 회전에 따라 서로 90°의 위상차를 갖는 정현파 신호를 출력하도록 인접배치되어 있는 제 1 및 제 2 자기검출소자, 및 상기 다극 마그넷의 회전에 따라 서로 90°의 위상차를 갖는 정현파 신호를 출력하도록 인접배치되어 있는 제 3 및 제 4 자기검출소자를 구비하고 있는 다극측 자기검출부와,
    원주방향을 따라 등각도 간격으로 2극 착자되어 있는 2극 마그넷, 및 상기 2극 마그넷의 회전에 따라 서로 90°의 위상차를 갖는 정현파 신호를 출력하는 한 쌍의 자기검출소자를 구비하고 있는 2극측 자기검출부와,
    상기 제 1 내지 제 4 자기검출소자의 출력신호, 및 상기 한 쌍의 자기검출소자의 출력신호에 근거하여, 상기 2극 마그넷 및 상기 다극 마그넷이 동축상태로 고정되어 있는 회전축의 1회전내의 기계각 절대위치(θabs)를 나타내는 신호를 생성하는 신호처리회로를 구비하고 있으며,
    상기 다극 마그넷의 자극 수(P)는 4 이상의 짝수이고,
    상기 제 1 및 제 2 자기검출소자에 대하여 상기 제 3 및 제 4 자기검출소자는, 상기 다극 마그넷의 원주방향을 따라 기계각으로 180°떨어진 각도위치에 배치되어 있으며,
    상기 제 1 및 제 3 자기검출소자는, 전기각으로 동일 각도위치 혹은 180°떨어진 각도위치에 배치되어 있고,
    상기 제 2 및 제 4 자기검출소자는, 전기각으로 동일 각도위치 혹은 180°떨어진 각도위치에 배치되어 있으며,
    상기 다극 마그넷의 자극쌍 수(Pp(=P/2))는 짝수이고,
    상기 제 1 및 제 2 자기검출소자에 대하여 상기 제 3 및 제 4 자기검출소자는, 상기 다극 마그넷의 원주방향을 따라 기계각으로 180°떨어진 위치에 배치되어 있으며,
    상기 신호처리회로는, 상기 제 1 자기검출소자의 출력신호 및 상기 제 3 자기검출소자의 출력신호의 합신호와, 상기 제 2 자기검출소자의 출력신호 및 상기 제 4 자기검출소자의 출력신호의 합신호에 근거하여, 상기 회전축의 1/M회전내의 절대위치(θelr)를 나타내는 신호를 생성하며, M은 2이상의 정수이며,
    상기 회전축의 회전위치의 검출동작에 앞서, 상기 회전축을 회전시켜 상기 2극측 자기검출부로부터 얻어지는 각 절대치(θt)에 대한 상기 다극측 자기검출부로부터 얻어지는 절대치(θelt)를 측정하여 할당해 두는 동시에, 상기 2극측 자기검출부의 각 절대치(θt)에 대하여 상기 다극 마그넷의 임시의 자극쌍 번호(Nx)를 할당하여 두고,
    상기 회전축의 회전위치의 검출을 개시할 때에는,
    상기 2극측 자기검출부에 의한 상기 회전축의 절대치(θti)를 계측하고,
    상기 다극측 자기검출부에 의한 상기 회전축의 절대치(θelr)를 계측하며,
    계측된 상기 절대치(θti)에 할당되어 있는 상기 절대치(θelt)와, 계측된 상기 절대치(θelr)에 근거하여, 상기 절대치(θti)에 할당되어 있는 임시의 상기 자극쌍 번호(Nx)를 보정하여 자극쌍 번호(Nr)를 산출하고,
    상기 회전축의 1회전내의 기계각 절대위치(θabs)를, 다극측 자기검출부의 출력신호의 1주기분의 전기각에 상당하는 기계각(θelp(=360°/Pp))을 이용하여,
    식 θabs = (Nr×θelp+θelr)/Pp
    에 의해 산출하는 것을 특징으로 하는 절대회전위치 검출방법.
  10. 제 9항에 있어서,
    상기 2극측 자기검출부의 분해능을 Rt로 하고 M을 2이상의 정수로 하였을 경우에, 상기 2극측 자기검출부의 각도재현성(X)을,
    X < 2×{((θelp/M)-(Pp×θelp/Rt))/Pp}
    를 만족하도록 설정하고,
    θelt ≥ θelp/M인 경우에는,
    θelr ≥（θelt-θelp/M)이면 자극쌍 번호(Nr)를 Nx로 하고,
    θelr < (θelt-θelp/M)이면 자극쌍 번호(Nr)를 Nx+1로 하며,
    θelt < θelp/M인 경우에는,
    θelr < (θelt+θelp/M)이면 자극쌍 번호(Nr)를 Nx로 하고,
    θelr ≥（θelt+θelp/M)이면 자극쌍 번호(Nr)를 Nx-1로 하는 것을 특징으로 하는 절대회전위치 검출방법.
  11. 제 10항에 있어서,
    상기 2극측 자기검출부의 분해능을 Rt라 할 때, 상기 2극측 자기검출부의 각도재현성(X)을,
    X < 2×{((θelp/M)- (Pp×θelp/Rt))/Pp}
    를 만족하도록 설정하는 것을 특징으로 하는 절대회전위치 검출방법.
  12. 제 10항에 있어서,
    상기 2극측 자기검출부에서의 상기 다극측 자기검출부의 각 자극쌍에 대한 분해능의 최소값을 Rtmin이라 할 때, 상기 2극측 자기검출부의 각도재현성(X)을,
    X < 2×{((θelp/2)-(θelp/Rtmin))/Pp}
    를 만족하도록 설정하는 것을 특징으로 하는 절대회전위치 검출방법.
  13. 자기식 인코더를 이용하여 회전축의 1회전내의 기계각 절대위치(θabs)를 검출하는 절대회전위치 검출방법으로서,
    상기 자기식 인코더는,
    원주방향을 따라 등각도 간격으로 N극, S극이 교대로 형성되어 있는 다극 마그넷, 상기 다극 마그넷의 회전에 따라 서로 90°의 위상차를 갖는 정현파 신호를 출력하도록 인접배치되어 있는 제 1 및 제 2 자기검출소자, 및 상기 다극 마그넷의 회전에 따라 서로 90°의 위상차를 갖는 정현파 신호를 출력하도록 인접배치되어 있는 제 3 및 제 4 자기검출소자를 구비하고 있는 다극측 자기검출부와,
    원주방향을 따라 등각도 간격으로 2극 착자되어 있는 2극 마그넷, 및 상기 2극 마그넷의 회전에 따라 서로 90°의 위상차를 갖는 정현파 신호를 출력하는 한 쌍의 자기검출소자를 구비하고 있는 2극측 자기검출부와,
    상기 제 1 내지 제 4 자기검출소자의 출력신호, 및 상기 한 쌍의 자기검출소자의 출력신호에 근거하여, 상기 2극 마그넷 및 상기 다극 마그넷이 동축상태로 고정되어 있는 회전축의 1회전내의 기계각 절대위치(θabs)를 나타내는 신호를 생성하는 신호처리회로를 구비하고 있으며,
    상기 다극 마그넷의 자극 수(P)는 4 이상의 짝수이고,
    상기 제 1 및 제 2 자기검출소자에 대하여 상기 제 3 및 제 4 자기검출소자는, 상기 다극 마그넷의 원주방향을 따라 기계각으로 180°떨어진 각도위치에 배치되어 있으며,
    상기 제 1 및 제 3 자기검출소자는, 전기각으로 동일 각도위치 혹은 180°떨어진 각도위치에 배치되어 있고,
    상기 제 2 및 제 4 자기검출소자는, 전기각으로 동일 각도위치 혹은 180°떨어진 각도위치에 배치되어 있으며,
    상기 다극 마그넷의 자극쌍 수(Pp(=P/2))는 홀수이고,
    상기 제 1 및 제 2 자기검출소자에 대하여 상기 제 3 및 제 4 자기검출소자는, 상기 다극 마그넷의 원주방향을 따라 기계각으로 180°떨어진 위치를 중심으로 하여 시계방향 혹은 반시계방향으로 360°/P만큼 오프셋된 위치에 배치되어 있으며,
    상기 신호처리회로는, 상기 제 1 자기검출소자의 출력신호 및 상기 제 3 자기검출소자의 출력신호의 합신호와, 상기 제 2 자기검출소자의 출력신호 및 상기 제 4 자기검출소자의 출력신호의 합신호에 근거하여, 상기 회전축의 1/Pp회전내의 절대위치(θelr)를 나타내는 신호를 생성하는 것이고,
    상기 회전축의 회전위치의 검출동작에 앞서, 상기 회전축을 회전시켜 상기 2극측 자기검출부로부터 얻어지는 각 절대치(θt)에 대한 상기 다극측 자기검출부로부터 얻어지는 절대치(θelt)를 측정하여 할당해 두는 동시에, 상기 2극측 자기검출부의 각 절대치(θt)에 대하여 상기 다극 마그넷의 임시의 자극쌍 번호(Nx)를 할당해 두고,
    상기 회전축의 회전위치의 검출을 개시할 때에는,
    상기 2극측 자기검출부에 의한 상기 회전축의 절대치(θti)를 계측하고,
    상기 다극측 자기검출부에 의한 상기 회전축의 절대치(θelr)를 계측하며,
    계측된 상기 절대치(θti)에 할당되어 있는 상기 절대치(θelt)와, 계측된 상기 절대치(θelr)에 근거하여, 상기 절대치(θti)에 할당되어 있는 임시의 상기 자극쌍 번호(Nx)를 보정하여 자극쌍 번호(Nr)를 산출하고,
    상기 회전축의 1회전내의 기계각 절대위치(θabs)를, 다극측 자기검출부의 출력신호의 1주기분의 전기각에 상당하는 기계각(θelp(=360°/Pp))을 이용하여
    식 θabs = (Nr×θelp+θelr)/Pp
    에 의해 산출하는 것을 특징으로 하는 절대회전위치 검출방법.
  14. 제 13항에 있어서,
    상기 2극측 자기검출부의 분해능을 Rt로 하고 M을 2이상의 정수로 하였을 경우, 상기 2극측 자기검출부의 각도재현성(X)을,
    X < 2×{((θelp/M)-(Pp×θelp/Rt))/Pp}
    를 만족하도록 설정하고,
    θelt ≥ θelp/M인 경우에는,
    θelr ≥ (θelt-θelp/M)이면 자극쌍 번호(Nr)를 Nx로 하고,
    θelr < (θelt-θelp/M)이면 자극쌍 번호(Nr)를 Nx+1로 하며,
    θelt < θelp/M인 경우에는,
    θelr < (θelt+θelp/M)이면 자극쌍 번호(Nr)를 Nx로 하고,
    θelr ≥（θelt+θelp/M)이면 자극쌍 번호(Nr)를 Nx-1로 하는 것을 특징으로 하는 절대회전위치 검출방법.
  15. 제 13항에 있어서,
    상기 2극측 자기검출부의 분해능을 Rt라 할 때, 상기 2극측 자기검출부의 각 도재현성(X)을,
    X < 2×{((θelp/M)-(Pp×θelp/Rt))/Pp}
    를 만족하도록 설정하는 것을 특징으로 하는 절대회전위치 검출방법.
  16. 제 13항에 있어서,
    상기 2극측 자기검출부에서의 상기 다극측 자기검출부의 각 자극쌍에 대한 분해능의 최소값을 Rtmin이라 할 때, 상기 2극측 자기검출부의 각도재현성(X)을,
    X < 2×{((θelp/2)-(θelp/Rtmin))/Pp}
    를 만족하도록 설정하는 것을 특징으로 하는 절대회전위치 검출방법.
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