KR101417140B1 - 가변 자화 방향을 가진 위치센서 및 그 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 서로에 대하여 이동할 수 있는 1개 이상의 영구자석과 1개 이상의 자기감응성 부재를 사용하여 회전형, 선형, 또는 곡선형 이동을 감지하는 마그네틱 센서(magnetic sensor)에 관한 것으로, 자석은, 회전형 센서의 경우에서의 직경방향의 자화를 제외하고, 이동방향을 따라 연속적으로 변하는 자화의 방향을 나타내는 것을 특징으로 한다.
마그네틱, 센서, 영구자석, 이동, 자화

Description

가변 자화 방향을 가진 위치센서 및 그 제조방법{Position sensor with variable direction of magnetization and method of production}
본 발명은, 1개 이상의 영구자석을 가진 마그네틱 위치센서(magnetic position sensors)에 관한 것이다. 더욱 상세하게, 본 발명은 이동방향(movement direction)으로 변하는 자화방향(magnetization direction)을 가진 영구자석을 사용하는 것을 제안한다.
자장(magnetic field)에 의거하여 위치를 검출하는 센서는, 다음과 같은 많은 이점을 제공한다.
· 이동부(moving portion)와의 기계적인 무접촉 및 이로 인한 무마모
· 손상(dirt)에 대한 둔감성
· 낮은 제조원가
· 긴 수명
강자성 피스(ferromagnetic pieces)와 영구자석의 잔류 유도(remanent induction)로 인한 이력현상(hysteresis)의 의존성과 같은, 임의의 마그네틱 센서 가 겪는 단점을 가능한 해소하는 것이 또한 유리하다. 이러한 잔류유도는, 온도 변화에 의존하고, 특정의 경우에는 보상되어야만 하며, 또한 영구자석의 노화현상 때문에 시간이 경과함에 따라 불가역적으로 감소한다.
종래에는, 특허문서 FR2,691,534가 선형 위치센서(linear position sensor)를 개시하고 있으나, 사용된 자석의 전체 크기 및 길이가, 긴 이동 행정(travel strokes)을 위하여 상기 센서를 실제적으로 사용하는 것을 제한한다. 또한, 상기 센서는 강자성 고정자(ferromagnetic stators)로 인한 이력현상(hysteresis)을 발생시키고, 그 치수가, 보상하여야만 하는 잔류유도의 변화에 의존한다.
또한, 특허문서 US6,211,668은 선형 위치센서를 개시하고 있으나, 상기 센서의 자장 변화가, 긴 이동 행정을 위하여 상기 센서를 실제적으로 구현하는 것을 제한하는 자석의 크기 및 길이에 직접적으로 관련되어 있다. 또한, 상기 센서는 자장의 세기를 측정하는데, 이는 상기 센서를 온도와 시간에 대하여 영구자석의 잔류 유도의 변화에 의존하게 한다.
특허문서 US6,731,108, US6,960,974 및 WO2004/015375가 또한 공지되어 있다. 이들은, 1개 이상의 자기감응성 부재(magnetosensitive elements)에 대하여 자석의 선형 이동(linear movement)을 측정하는 것을 가능케 한다. 그러나, 20㎜ 내지 25㎜의 범위보다 더 긴 이동 행정을 실제적으로 구현하기 위해서, 상기 센서는, 이동 행정의 여러 부분을 따라 배치된 복수 개의 프로브(probes)를 필요로 함으로써 센서의 원가를 높이고, 프로브의 정확한 배치를 필요로 한다.
본 발명은, 서로에 대하여 이동하도록 장착된 1개 이상의 영구자석과 1개 이상의 자기감응성 부재를 사용하여 회전형(rotary), 선형(linear), 또는 곡선형(curvilinear) 이동을 감지하기 위한 이동 마그네틱 센서를 제공함으로써 상기한 문제점의 전부 또는 일부를 해소하고자 하고, 상기 이동 마그네틱 센서는 다음과 같은 특징이 있다. 센서가 회전형 센서일 때 직경방향의 자화를 나타내는 것을 제외하고, 영구자석은 이동방향과 법선방향으로 정의된 표면을 이동하는 이동방향으로 실질적으로 선형적으로 변하는 자화방향을 나타낸다.
바람직하게는, 영구자석은, 법선방향의 성분(normal component)(Y) 및 자석의 표면에서 측정한 바와 같은, 접선방향의 성분(tangential component)(X)과 횡방향(transverse component)의 성분(Z)으로 구성된 성분 중 1개 이상이 이동 행정을 따라 N개의 주기를 가지며 주기적으로 변화하는 자장을 발생하는 자석으로 구성된다. 여기서, N은 정수이다.
바람직한 실시예에서, 본 발명은, 긴 선형 이동 행정을 가진 센서를 제공한다. 이러한 목적을 위하여, 자화가 이동방향으로 실질적으로 선형적으로 변하는 작동 행정에 실질적으로 대응하는 길이의 이동 자석(moving magnet)을 사용한다. 자석 근처에서, 이러한 자화는, 자석에 대하여 접선방향의 성분(X), 법선방향의 성분(Y), 및 횡방향의 성분(Z)이 행정의 대부분에서 실질적으로 사인 모양(sinusoidal)이 되는 자장을 발생한다. 성분(Y, Z)은 동위상(same phase)이고, 성분(X)은 1/4주기 위상차가 있다.
자석을 둘러싸는 공간의 일 지점에서 성분(X, Y)을 측정한다면, 다음의 식을 적용함으로써 자석의 선형 위치를 결정하는 것이 가능하다.
Figure 112008069428652-pct00001
여기서,
x는 선형 위치이고,
Bx는 자장의 접선방향의 성분이고,
Bxmax는 Bx의 진폭(amplitude)이고,
By는 자장의 법선방향의 성분이고,
Bymax 는 By의 진폭이다.
더욱 일반적인 경우에서는, 다음의 식을 이용하는 것이 가능하다.
Figure 112008069428652-pct00002
여기서,
x는 선형 위치이고,
Bx는 자장의 접선방향의 성분이고,
Bxmax는 Bx의 진폭이고,
Byzmax는 Byz(Byz = Ky · By + Kz · Bz)의 진폭이고,
여기서,
By는 자장의 법선방향의 성분이고,
Bz는 자장의 횡방향의 성분이다.
일반적인 경우에서는, 진폭이 일반적으로 다른 이러한 2개의 성분에 의거하여 자석의 선형 위치를 디코딩(decoding)하는 것은, 자석으로부터의 선형 위치를 추론하기 위하여 아크탄젠트(arctangent)의 연산을 할 수 있도록, 사용된 2개의 성분을 정규화(normalize)하는 것을 필요로 한다. 이러한 아크탄젠트 함수와 정규화 함수는, 각각의 요소 또는 직접적으로 자장의 2개 성분의 측정, 아크탄젠트의 연산 및 자장의 2개 성분의 정규화를 통합한 프로브(예를 들어, MELEXIS 90316)에 의해 수행된다. 프로브의 위치와 방향을 적절히 선택함으로써, Bxmax와 Byzmax가 실질적으로 동일한 값을 가지는 특별한 전개(developments)를 행하는 것이 가능하다.
설명한 센서에서는, 이동에 비례하는 자장의 각도를 얻는 것이 가능하다. 이는 자화면(magnetization plane)에 대하여 측정면(measurement plane)을 경사지게 하는 것으로 충분하다. 다음 식과 같다.
Figure 112008069428652-pct00003
여기서,
Bx1과 By1은 측정면에서의 자기 유도(magnetic induction)의 성분이고,
Bx는 자기 유도의 접선방향의 성분이고,
By는 자기 유도의 법선방향의 성분이고,
Bz는 자기 유도의 축방향의 성분이고,
θ는 프로브의 경사각이다.
이제, 측정면에서의 자장의 성분을 제외한 동일한 식을 적용할 수가 있다.
Figure 112008069428652-pct00004
여기서, X는 측정된 선형 또는 회전형 이동이고,
Bx1과 By1은 측정면에서의 자기 유도(magnetic induction)의 성분이고,
g는 진폭 차이를 보상하는 것을 가능케 하는 이득(gain)이다.
이러한 구성은, 아크탄젠트 연산 이전에 적용할 이득을 조절하는 것을 가능케 한다.
측정면에서의 자장의 2개 성분(Bx1, By1)의 진폭이 동일하다면, 이러한 신호(signals)가 직각 위상의 2개의 사인파를 나타내고, 이에 따라 측정된 자장의 각도가 이동을 따른다.
이로써 경사각(θ)을 조절함으로써, 진폭 차이를 보상하기 위한 어떠한 이득이든지를 적용하지 않고
Figure 112008069428652-pct00005
를 직접 연산하여 이동을 측정하는 것이 가능하다.
자장의 각도를 측정하는 것을 가능케 하는 자기저항성 프로브(magnetoresistive probes)가 있다. 이러한 프로브는, 충분한 자장의 진폭을 위한 출력이 아래 식에 따라 자장의 각도에만 의존하는 2개의 휘스톤브릿지(Wheastone bridges)를 가진다.
Figure 112008069428652-pct00006
여기서,
α는 자장의 각도이고,
VA는 제1 휘스톤브릿지의 출력전압이고,
VB는 제2 휘스톤브릿지의 출력전압이다.
다음의 식을 이용하여 자장의 방향을 직접 얻고, 이로써 이동의 방향을 직접 얻는 것이 가능하다.
Figure 112008069428652-pct00007
이러한 센서는, 정지형 자석(stationary magnet)을 지나 X축을 따라 이동하는 프로브를 구비하거나, 자석이 이동하고 프로브가 정지한 센서를 구비함으로써 실제적으로 구현될 수 있다. 전자의 해결책은 예를 들면, 더 작은 공간을 차지하고, 후자의 해결책은 조립을 더 용이하게 한다.
본 발명의 이점은, 첫째로, 이동 행정의 획득이다. 상기 행정은 자석의 크기에만 의존한다. 측정의 결과값은, 온도의 함수로 자석의 잔류유도 또는 잔류유도 변화에 의존하지 않음으로써 온도 변화를 보상할 필요성을 방지한다. 경제적인 이점은, 센서의 단순한 구조이다. 즉, 프로브가, 필요에 따라 강자성 요크(ferromagnetic yoke) 상에 장착되거나, 선택적으로 요크에 내장된 자석과 대향한다. 측정된 신호의 처리가 각도 연산에 대응하기 때문에, 각위치 센서(angular position sensors)(예를 들어, MLX90316)에 일반적으로 사용되며 이러한 센서에 사용될 수 있는 비선형성 보정(non-linearity corrections)을 위한 프로브를 사용하는 것이 가능하다. 이동을 측정하기 위하여 성분(X, Y)을 사용하면, 센서가 Y, Z축에 따른 적절한 오프셋(offsets)에 둔감한데, 이는, 제조 및 사용(센서의 견고성)의 측면에서 보면 매우 유리하고, 제조원가를 상당히 줄이는 것을 가능케 한다.
마그네틱 센서 제조에서 보통의 수단을 이용해서는 상기한 자화를 달성하기가 어렵다. 특히, 위치의 함수로서 회전하는 자장을 발생하기가 어렵다. 이를 해소하기 위하여, 이하, 이러한 타입의 자화를, 달성하기 간단하고 쉬운 방식으로 구현하게 할 수 있는 방법을 연성 자석(flexible magnet)과 더불어 설명하기로 한다.
원통 형상의 지지대의 표면 상에서 영구자석을 자화시킨다. 이러한 지지대는, 자기특성(magnetic properties)을 나타내지 않는데, 이는 영구자석을 취급하는 것을 더욱 용이하게 한다. 사용된 영구자석은, 일반적으로, 휘토류(rare earth) 또는 연성 플라스틱 바인더(flexible plastic binder)와 혼합된 페라이트(ferrite)의 자석(또는 비연성 자석(non-flexible magnets)의 변형 가능한 조립체)이다. 가장 간단한 경우에서는, 영구자석이 등방성(isotropic) 자석이다. 이는 지지대의 기하학적인 형상에 따라 자장선(field lines)을 유도하는 것을 가능케 한다. 자화 동안에 인가된 자장은, 일정하지 않거나 거의 일정한데, 이는 적절한 치수로 만들어진 코일에서 얻는 것이 쉽다.
다음으로, 자석을 길게 펼쳐 평평하게 놓아둔다. 얻어진 자화가 위치에 따라 선형적으로 변하고, 자석 주위의 자장의 성분이, 상기한 측정기술을 적용하는 것을 가능케 한다.
에지효과(edge effects)를 줄이기 위하여, 바람직한 실시예에서는, 일단 자석을 펼치면 에지에서 X축을 따라 자화를 갖도록, 코일 내에 자석을 배치하는 것이 가능하다. 측정된 자장의 진폭을 증가시키기 위하여, 강자성 요크에 자석을 장착하는 것이 가능하다.
코일로부터 자석에 얻어진 자화는, 자석 표면에서의 자장선 곡률(curvature) 때문에, 소망하는 이상적인 자화(예를 들어, 완전한 직경방향)에 비하여 각도 오차(angular error)를 나타낼 수가 있다. 이러한 결점을 보정하기 위하여, 약간 보정한(예를 들어, 타원형) 자화 특성(magnetization profile)을 사용하거나, 임의의 측정 회로(예를 들어, MLX90316)에 이미 구비된 옵션(option)인 비선형 전달 함수를 센서의 출력에 적용하는 것이 가능하다.
선형 위치 센서에 대하여 설명한 문제점의 일부가 회전형 마그네틱 센서에 있다. 예를 들면, 자석의 잔류 유도의 영향을 제거하는 것이 항상 유리하다. 임의의 경우에서는, (예를 들어, 적용예에 관통축이 있다면) 회전축에 자기감응성 부재를 배치한다. 그 경우에, 작동 이동 행정의 길이와 실질적으로 동일한 길이의 자석을 사용함으로써, 본 발명이 제안한 센서의 이점을 만들어낸다.
긴 행정(360°에 가까움)을 가진 회전형 센서는, 정밀도가 충분하지 못하기 때문에 종종 짧은 행정에 비실용적이다. 본 발명이 얻는 이점은, 채택된 자화 방법에 대해서, 작동 행정에 걸쳐 자화 방향이 360°에 가까운 변화를 나타내는데 있다.
상기한 선형 센서로부터 각위치 센서 또는 곡선형 위치 센서를 만들기 위해서는, 설명한 센서의 행정이 만곡되도록, 사용한 자석의 연성(flexibility)을 사용하는 것으로 충분하다. 이 경우에, 예를 들면, 자화 지지대의 직경보다 더 큰 직경의 요크에 자석을 장착하는 것이 가능하다. 이러한 방식으로, 측정된 자장 회전이 360°에 가까운 동일한 위치연산기법을 사용하여, 행정이 360°보다 더 짧은 각위치 센서를 얻는데, 이는 센서의 감도(resolution)를 개선시킨다.
측정되는 행정 위치를 미리 알지 못하는 임의의 조립방법에서, 실제적인 문제가 발생한다. 본 발명을 사용함으로써, 이러한 문제가 간단한 방법으로 해결된다. 이는 자화 지지대에 복수 회 권취하는 것으로 충분하다. 일단 펼치면, 자석은 복수 개의 자화 각주기(magnetization angle periods)를 가진다. 이는 자석의 길이를 따라 복수 회 반복된 각 행정(angular stroke)을 얻는 것을 가능케 한다. 1개 이상의 특정 부분(particularities)(다소 긴 자화 주기)을 용이하게 삽입하는 것이 가능하다. 예를 들면, 점증형 센서(incremental sensors)에 유용할 수 있다. 이러한 모든 경우에서, 복수 개의 자석을 사용하여 동일한 결과를 용이하게 얻는 것이 가능하다.
동일한 위치에 대해 자화가 다른 복수 개의 트랙(tracks)을 사용하는 특유의 조립 구성은 위치 측정을 달성하는 것을 가능케 한다.
다른 실시예에서는, 대칭형 자석을 이용함으로써, 동일한 위치에 대해 동일한 자장 성분을 측정하는 2개의 프로브를 사용하는 것이 가능하다. 이는 외부 자장의 영향을 제거하거나 줄이는데 유용할 수가 있다.
본 발명에 의해 설명된 요지를 사용하여 소망하는 자화를 달성하는 다른 방법은, 비연성 자석의 변형 가능한 조립체, 예를 들어 변형 가능한 지지대에 견고하게 접합된 자석을 사용하는 것인데, 이는 지지대를 접음으로써 자화 각도의 변화를 얻는 것을 가능케 한다.
이하, 첨부 도면을 참조하여 상세한 설명을 읽을 때, 본 발명을 더 양호하게 이해할 수가 있다.
도 1은 본 발명에 의해 설명된 자화를 나타낸다.
도 2는 센서를 자석과 프로브로 구성한 실시예를 나타낸다.
도 3은 본 발명에 의해 설명된 자화에 따라 얻은 자장을 나타낸다.
도 4는 강자성 요크에 장착된 자석을 구비한 다른 실시예의 센서를 나타낸다.
도 5는 본 발명에 의해 설명된 코일 내에서 연성 자석을 자화시키는 방법을 나타낸다.
도 6은 자석을 펼치는 방법을 나타낸다.
도 7은 2개 지점에서 법선방향의 성분을 측정하는 센서를 나타낸다.
도 8은 2개 지점에서 접선방향의 성분을 측정하는 센서를 나타낸다.
도 9는 1개 지점에서 2개 프로브로써 접선방향의 성분과 법선방향 성분을 측정하는 센서를 나타낸다.
도 10은 곡선형 센서의 실시예를 나타낸다.
도 11a 및 도 11b는 작동 이동 행정(working travel strokes)이 90°에 가까운 회전형 센서의 자석을 나타낸다.
도 12는 자화 지지대(magnetizing support)를 4회 권선한 자석을 나타낸다.
도 13은 도 12의 자석을 선형 위치센서에 장착하는 방법을 나타낸다.
도 14는 도 12의 자석을 회전형 센서에 장착하는 방법을 나타낸다.
도 15는 다른 길이의 주기를 발생하는 자화를 나타낸다.
도 16은 자석이 곡선형 지지대에 장착된 센서를 나타낸다.
도 17은 3개의 자석과 3개의 프로브가 구비된 3개인 센서를 나타낸다.
도 18은 여분의 센서를 나타낸다.
도 19는 자석이 가로방향으로 만곡된(courved) 센서의 실시예를 나타낸다.
도 20은 자석이 가로방향으로 만곡된 센서의 다른 실시예를 나타낸다.
도 21은 선형 센서의 자장선 분포를 나타낸다.
도 22는 종료 행정(end-of-stroke) 강자성 피스가 사용된 센서의 다른 실시예를 나타낸다.
도 23은 측정 프로브가 경사진 센서의 또 다른 실시예를 나타낸다.
도 24 및 도 25는 외부 자장에 대한 차폐물(shielding)이 사용된 센서의 또 다른 실시예를 나타낸다.
도 1은, 벡터(
Figure 112008069428652-pct00008
)로 표시된 자화를 갖는 자석(1)을 나타내고, 벡터의 방향은, 이동방향(X)과, 이동방향(X)에 대한 법선방향으로 정의된 수평면(plane)에서 자석의 길이를 따라 선형적으로 변한다. 도시된 바와 같이, 자석의 자장 내의 자장선이 비공선적(non-collinear)인데, 이는 본 발명의 요지 중 하나를 구성한다.
도 2는, 최소한의 센서의 구조를 나타낸다. 즉, 자석(1)은, 프로브(11)에 대하여, X축으로 정의된 이동방향(5)으로 이동하고, Y축은 자석 표면에 대한 법선방향으로서 정의된다.
도 3은, 자석(1) 근처의 일 지점에서 발생하는 접선방향의 성분, 법선방향의 성분, 및 횡방향의 성분을 나타낸다. 성분(Y, Z)이 동위상을 가지는 반면에 성분(X)은 1/4주기 위상차가 있다.
도 4는, 프로브(11)에 대하여 이동하는, 강자성 요크(2)에 장착된 자석(1)을 나타낸다.
도 5는, 어떠한 자기자성(magnetic properties)도 갖지 않는 원통 형상의 지지대(3)에 권취한 자석(1)을 자화시키는 방법을 나타낸다. 이와 같이 만들어진 조립체(assembly)를, 실질적으로 균일한 자장을 발생하는 코일(4) 내에 배치한다.
도 6은, 측정 방향을 따라 자장선의 변화를 얻기 위하여, X축을 따라(세로방향으로) 풀어서 평평하게 배열한 자석(1)을 나타낸다.
도 7, 도 8, 및 도 9는, 상기 센서의 변형예를 나타낸다. 자석(1)은, 동일한 타입(type)의 자화를 가지며 강자성 요크(2)에 선택적으로 장착되나, 2개 이상의 자기감응성 부재(11,12)는, 동일한 자장 성분 즉, 법선방향의 성분(도 7) 및/또는 횡방향 또는 접선방향의 성분(도 8)의 위상차(바람직하게는, 1/4주기)의 검출을 가능케 한다. 도 9는, 2개의 프로브를 사용하여 X축과 Y축을 따라 자장을 측정하는 실시예를 나타낸다.
도 10은, 곡선형 지지대(2)에 장착된 자석(1)의 일 실시예를 나타낸다. 프로브(11)는, 지지대를 따라 이동 행정의 성분(X)(접선방향의 성분)과 성분(Y)(법선방향의 성분)을 측정한다.
도 11a는, 도 5에 도시된 바와 같은 지지대에서 자화된 자석(1)을 나타낸다. 이로써 자화는, 이동방향(5)과 그 법선 방향으로 형성된 수평면(70)에 정의되고, 법선은, 자석(1)이 이동하는 수평면 내에 놓여 있다. 자석(1)은, 자화 지지대보다 4배 더 큰 직경을 가진 지지대(2)에 장착되어 있다. 자화방향은, 일정하지 않고, 센서의 최대 이동 행정을 정의하는 90° 회전에 해당하는 자석의 길이와 동일한 주기를 가진다.
도 11b는, 도 5에 도시된 바와 같은 지지대에서 자화된 자석(1)을 나타낸다. 이와 같은 실시예에서, 자화는, 비수평면이면서 이동방향(5)과 그 법선방향으로 형성된 면(70)에 정의된다. 상기 법선은, 자석(1)이 이동하는 수평면에 수직이다.
도 12는, 자화 지지대(3)에 복수 회 권취된 자석(1)을 나타낸다. 일단 펼쳐지면, 자석(1)은 복수 개의 자화 각 주기(magnetization angle periods)를 갖는다(도 13 참조). 예를 들면, 이는 복수 회 반복된 각 이동 행정(angular travel stroke)(예를 들어, 90°의 4배)을 얻는 것을 가능케 한다. 이러한 기술은, 도 14에 도시되어 있고, 자석(1)을 지지대(2)에 권취한 다음에 지지대(3)에 장착한 것이다. 이는 측정되는 이동 행정의 위치를 미리 알지 못하는 임의의 조립방법에 유용하다.
도 15는, 복수 개의 자화 각 주기(magnetization angle periods)를 나타낸 센서를 도시하고 있다. 1개 이상의 특정 부분(20)(다소 긴 자화 주기)을 용이하게 삽입하는 것이 가능하다. 이는, 예를 들면, 점증형 센서(incremental sensors)에 유용할 수 있다. 이러한 모든 경우에서는, 복수 개의 자석을 사용하여 동일한 결과를 용이하게 얻는 것이 가능하다.
도 16에서는, 프로브(11)에 의해 측정된 바와 같이, 자장을 위한 특유의 구성을 얻기 위하여, 자석(1)이 요크 또는 만곡형(curved)이거나 곡선형(curvilinear)인 지지대(2)에 장착되어 있다.
도 17은, 동일한 지지대에 장착된 3개의 자석(31, 32, 33)과, 각 자석의 자장을 측정하는 프로브(11, 12, 13)와 함께, 상이하게 자화되는 복수 개의 트랙(tracks)이 구비된 센서의 일 실시예를 나타낸다.
도 18은, 2개의 프로브(11,12)가 동일한 위치의 자장의 성분(Z)을 측정하는 여분의 센서를 나타낸다. 이는 외부 자장의 영향을 제거하거나 줄이는데 유용할 수가 있다.
도 19는, 자석(1)이 횡방향으로 만곡되면서 요크(2)에 장착되고, 프로브(11)가 자장의 법선방향의 성분과 접선방향의 성분을 측정하는 센서의 일 실시예를 나타낸다.
도 20은, 자석(1)이 횡방향으로 만곡되면서 강자성이라면 차폐물(shielding)로서 기능할 수 있는 요크(2)에 장착되는 센서의 다른 실시예를 나타낸다. 프로브(11)는, 자장의 법선방향의 성분과 접선방향의 성분을 측정한다.
에지효과(edge effect)는, 센서의 유효 이동 행정을 줄일 수가 있다. 에지효과의 영향이 도 21에 도시되어 있다. 자석(1)과, 행정종료(end-of-stroke) 자장선이 이동방향에 대해 접선이 되는 선(62) 상에 위치하는 감응성 부재(11) 사이의 거리가 존재하고 있음을 알 수 있다. 이 경우에, 얻어진 이동 행정은 자석(1)의 길이와 거의 동일하다. 센서(11)가 너무 가까운 선(63) 또는 너무 먼 선(61) 상에 위치 한다면, 자장선(field lines)은 더 이상 접선방향이 아니며, 이에 따라 센서의 적절한 동작을 얻기 위하여, 이동 행정을 줄여야만 한다.
임의의 크기의 자석에 있어서, 필요한 거리가 자석(1)에 너무 가까운 경우 달성하기가 불가능하거나, 필요한 거리가 자석(1)으로부터 너무 면 경우 자장이 너무 작아서 측정할 수가 없다. 최적의 이동 행정을 갖기 위해서는, 2개의 강자성 피스(41, 42)를, 바람직하게는, 자석(1)의 양측 단부에 배치함으로써 자장선(field lines)을, 도 22에 도시된 바와 같이 이동방향에 대해 접선이 되게 한다.
이와 같이 얻는 이론적인 최대 행정은, 자석(1)의 길이와 동일하다. 실제로는, 측정 프로브(11)를 고려하는 것이 필요하다.
설명한 센서에서는, 이동에 비례하는 자장의 각도를 얻는 것이 가능하고, 이는, 도 23에 도시된 바와 같이 자화면에 비하여 측정면을 경사지게 하는 것으로 충분하다. 이로써 프로브(81)의 경사각(θ)을 조절함으로써, 진폭 차이를 보상하기 위한 이득(gain)을 사용하지 않고
Figure 112008069428652-pct00009
을 직접적으로 연산하여 이동을 측정하는 것이 가능하다.
임의의 타입의 자기저항성 프로브를 사용함으로써, 다음의 식을 이용하여 자장의 방향과 이동을 얻는 것이 가능하다.
Figure 112008069428652-pct00010
도 23에서, 프로브(81)는, 이로써 홀효과(Hall-effect) 프로브 또는 비등방 자기저항성(anisotropic magnetoresistive: AMR) 프로브가 될 수 있다.
외부 자장으로부터 센서의 자기감응성 부분(11)을 자기적으로 격리하는 것과 같은 방법으로 강자성 차폐물(31)을 추가하는 것이 가능하다. 차폐물(31)의 일 실시예가 도 24 및 도 25에 도시되어 있다. 외부 자장선(field lines)은, 공기(air)에 비하여 낮은 자기 저항 때문에, 차폐물(31)의 강자성 물질을 대부분 투과하고, 측정에 영향을 미치지 못한다.

Claims (25)

  1. 서로에 대하여 이동하도록 장착된 1개 이상의 영구자석과 1개 이상의 자기감응성 부재를 사용하여 회전형, 선형 또는 곡선형 이동을 감지하기 위한 이동 마그네틱 센서에 있어서,
    상기 이동 마그네틱 센서는, 상기 센서가 회전형 센서일 때 직경방향의 자화를 제외하고, 이동방향과 법선방향으로 정의된 표면을 이동하는 상기 영구자석이 이동방향으로 선형적으로 변화하는 자화방향을 나타내며,
    상기 영구자석은, 자장을 발생하며, 자석의 표면에서 측정할 때, 자장의 법선방향의 성분(Y) 및 접선방향의 성분(X)과 횡방향의 성분(Z)으로 구성된 성분 중 1개 이상은, 사인형(sinusoidal)으로 변화하고,
    상기 법선방향의 성분(Y)과 횡방향의 성분(Z)은 동위상이고, 상기 접선방향의 성분(X)은 1/4주기 위상차가 있는 것을 특징으로 하는 이동 마그네틱 센서.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 정의된 표면은, 수평면인 것을 특징으로 하는 이동 마그네틱 센서.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 영구자석은, 자장을 발생하며, 자석의 표면에서 측정할 때, 자장의 법선방향의 성분(Y) 및 접선방향의 성분(X)과 횡방향의 성분(Z)으로 구성된 성분 중 1개 이상은, 이동 행정을 따라 N개의 주기를 가지며 주기적으로 변화하는 것을 특징으로 하는 이동 마그네틱 센서.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 자석의 표면에서 발생된 자장의 변화의 주기(N)는 정수인 것을 특징으로 하는 이동 마그네틱 센서.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 자석의 표면에서 발생된 자장의 변화의 주기(N)는 1과 동일한 것을 특징으로 하는 이동 마그네틱 센서.
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 제1항에 있어서,
    상기 이동은 선형 이동인 것을 특징으로 하는 이동 마그네틱 센서.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 이동은, 360°± 5° 다른 행정(stroke)을 나타내는 회전형 이동인 것을 특징으로 하는 이동 마그네틱 센서.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 이동은 곡선형 이동인 것을 특징으로 하는 이동 마그네틱 센서.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 자석은 강자성 요크에 장착(mounted)된 것을 특징으로 하는 이동 마그네틱 센서.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 자석은 상기 강자성 요크에 내장(embedded)된 것을 특징으로 하는 이동 마그네틱 센서.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 자석은 연성 물질로 형성된 것을 특징으로 하는 이동 마그네틱 센서.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 자석은, 비연성(non-flexible) 자석의 개별적으로 변형 가능한 조립체로 구성된 것을 특징으로 하는 이동 마그네틱 센서.
  15. 제8항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 자석은 만곡형 또는 곡선형 지지대에 장착된 것을 특징으로 하는 이동 마그네틱 센서.
  16. 제1항에 있어서,
    상기 이동방향에 대해 접선이 되는 자장의 성분과, 상기 이동방향에서 자장의 법선방향의 성분과 횡방향의 성분의 선형 조합을 측정하는 2개 이상의 자기감응성 부재가 제공되는 것을 특징으로 하는 이동 마그네틱 센서.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 2개 이상의 자기감응성 부재에서 출력하는 90° 위상차가 있는 2개의 전기적 신호를 이용하여 아크탄젠트 연산을 수행하는 신호처리회로를 포함하는 것을 특징으로 하는 이동 마그네틱 센서.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 신호처리회로는, 각도를 디코딩하는데 유용한 2개의 신호의 이득을 조절하는 것을 특징으로 하는 이동 마그네틱 센서.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 신호처리회로는, 전달함수를 비선형적으로 프로그램하는 것을 특징으로 하는 이동 마그네틱 센서.
  20. 제18항에 있어서,
    상기 자장의 측정, 이득의 조절, 및 아크탄젠트 연산은, 하나의 공통 하우징(housing)에 통합된 것을 특징으로 하는 이동 마그네틱 센서.
  21. 제1항에 있어서,
    복수 개의 트랙을 정의하는 복수 개의 자석을 포함하고, 상기 각각의 자석은, 이동방향으로 연속적으로 변하는 자화방향을 가지는 것을 특징으로 하는 이동 마그네틱 센서.
  22. 제1항에 있어서,
    상기 자화방향은 측정되는 이동 행정에 걸쳐 복수 개의 주기를 나타내는 것을 특징으로 하는 이동 마그네틱 센서.
  23. 제22항에 있어서,
    길이가 다른 2개 이상의 자화 주기를 가지는 것을 특징으로 하는 이동 마그 네틱 센서.
  24. 제1항에 따른 이동 마그네틱 센서를 제조하는 방법으로서,
    상기 자석은, 원통 형상의 지지대에 권취되고, 일정하면서 원하는 이동에 의존하여 형성되는 자장에 종속되는 것을 특징으로 하는 이동 마그네틱 제조방법.
  25. 제14항에 따른 이동 마그네틱 센서를 제조하는 방법으로서,
    상기 비연성 자석의 개별적인 조립체는, 원통 형상의 지지대에 권취되고, 일정하면서 원하는 이동에 의존하여 형성되는 자장에 종속되는 것을 특징으로 하는 이동 마그네틱 제조방법.
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