KR101449873B1 - 변위 측정 장치 - Google Patents

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KR101449873B1
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안형준
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숭실대학교산학협력단
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Abstract

변위 측정 장치가 개시된다. 개시된 변위 측정 장치는 서브 마그네트 유닛이 반복 배열되어 자속 밀도를 생성하는 마그네트 유닛; 상기 자속 밀도를 측정하는 센서 배열을 포함하는 센서 유닛; 및 상기 측정값에 기초하여 서로에 대해 변위하는 상기 마그네트 유닛과 상기 센서 유닛의 변위를 측정하는 측정부;를 포함하되, 상기 센서 배열은, 상기 서브 마그네트 유닛의 배열 방향으로 상호간에 소정의 거리만큼 이격되어 배열되는 2n(n은 자연수)개의 센서들로 이루어지고, 상기 2n개의 센서들은, 제1-a 센서와 제1-b 센서가 상호간에 λM/2만큼 이격 배열되는 제1 센서쌍, 및 제2-a 센서와 제2-b 센서가 상호간에 λM/2만큼 이격 배열되는 제2 센서쌍-상기 λM은 상기 자속 밀도를 구성하는 M차 고조파의 파장임-;을 포함하고, 상기 제1-a 센서와 상기 제1-b 센서 사이의 중심점과 상기 제2-a 센서와 상기 제2-b 센서 사이의 중심점은 서로 λN/2만큼 이격 배열-상기 λN은 상기 자속 밀도를 구성하는 N차 고조파의 파장임-된다. 본 발명에 따르면, 자속 밀도의 고조파를 제거하여 측정값의 안정화를 도모할 수 있는 장점이 있다. 또한, 본 발명에 따르면, 변위 측정에 이용되는 센서의 개수를 최소화하여 효율적인 공간 활용을 가능하게 하는 장점이 있다.

Description

변위 측정 장치{APPARATUS FOR MEASURING DISPLACEMENT}
본 발명의 실시예들은 변위 측정 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 고조파를 제거하여 측정값의 안정화를 도모할 수 있고, 변위 측정에 이용되는 센서의 개수를 최소화하여 효율적인 공간 활용을 가능하게 하는 변위 측정 장치에 관한 것이다.
홀센서(hall sensor)는 자기장의 세기에 따라 전압이 변하는 소자이다.
이러한 홀센서를 이용하는 변위 측정 장치는 홀센서 주위로 자석이 움직이거나 자장의 방향이 변할 때 홀센서에 의해 측정되는 전압값의 변화로부터 변위를 측정한다.
한편, 기존의 홀센서를 이용한 변위 측정 장치의 경우, 마그네트에 의해 생성되는 자속 밀도의 고조파로 인하여 측정값이 불안정해지는 문제점을 갖고 있었다.
또한, 변위 측정 방향마다 홀센서 배열을 각각 독립적으로 구성해야 하므로, 이용되는 홀센서의 개수를 최소화할 수 없고, 센서 배열 개수의 증가로 인해 효율적인 공간 활용이 불가능한 문제점이 존재하였다.
상기한 바와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위해, 본 발명에서는 고조파를 제거하여 측정값의 안정화를 도모할 수 있고, 변위 측정에 이용되는 센서의 개수를 최소화하여 효율적인 공간 활용을 가능하게 하는 변위 측정 장치를 제안하고자 한다.
본 발명의 다른 목적들은 하기의 실시예를 통해 당업자에 의해 도출될 수 있을 것이다.
상기한 목적을 달성하기 위해 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따르면, 서브 마그네트 유닛이 반복 배열되어 자속 밀도를 생성하는 마그네트 유닛; 상기 자속 밀도를 측정하는 센서 배열을 포함하는 센서 유닛; 및 상기 측정값에 기초하여 서로에 대해 변위하는 상기 마그네트 유닛과 상기 센서 유닛의 변위를 측정하는 측정부;를 포함하되, 상기 센서 배열은, 상기 서브 마그네트 유닛의 배열 방향으로 상호간에 소정의 거리만큼 이격되어 배열되는 2n(n은 자연수)개의 센서들로 이루어지고, 상기 2n개의 센서들은, 제1-a 센서와 제1-b 센서가 상호간에 λM/2만큼 이격 배열되는 제1 센서쌍, 및 제2-a 센서와 제2-b 센서가 상호간에 λM/2만큼 이격 배열되는 제2 센서쌍-상기 λM은 상기 자속 밀도를 구성하는 M차 고조파의 파장임-;을 포함하고, 상기 제1-a 센서와 상기 제1-b 센서 사이의 중심점과 상기 제2-a 센서와 상기 제2-b 센서 사이의 중심점은 서로 λN/2만큼 이격 배열-상기 λN은 상기 자속 밀도를 구성하는 N차 고조파의 파장임-되는 것을 특징으로 하는 변위 측정 장치가 제공된다.
상기 M차 고조파의 차수는 N차 고조파의 차수보다 작을 수 있다.
상기 측정부는 상기 제1 센서쌍 및 제2 센서쌍의 측정값들을 이용하여 상기 자속 밀도를 구성하는 다수의 고조파 성분 중 n개의 고조파 성분을 제거할 수 있다.
상기 n개의 고조파 성분은 적어도 상기 자속 밀도의 M차 및 N차 고조파 성분을 포함할 수 있다.
상기 마그네트 유닛은 할바 자석 배열을 가질 수 있다.
상기 센서는 홀센서일 수 있다.
본 발명에 따르면, 자속 밀도의 고조파를 제거하여 측정값의 안정화를 도모할 수 있는 장점이 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 변위 측정에 이용되는 센서의 개수를 최소화하여 효율적인 공간 활용을 가능하게 하는 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 변위 측정 장치의 구성을 모식적으로 도시하는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 센서 배열에 따른 제거 가능한 기본파 및 고조파 성분을 모식적으로 도시하는 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 센서 배열에 의해 k/2차 고조파 성분보다 작은 차수의 고조파 성분이 상쇄되는 경우를 설명하는 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 2n개의 센서 배열에 의해 n개의 고조파 성분이 제거되는 상황을 모식적으로 도시하는 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 변위 측정 장치의 상세한 구성을 도시하는 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 변위 측정 장치에서 마그네트 유닛만을 도시하는 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 변위 측정 장치에서 센서 유닛만을 도시하는 도면이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따라, 네 개의 센서 배열을 포함하는 변위 측정 장치의 상세한 구성을 도시하는 도면이다.
도 9는 도 8에서의 센서 유닛만을 도시하는 도면이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 센서 유닛의 센서 배열에 관한 다양한 형태를 도시하는 도면이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 변위 측정 장치와 비교 설명을 위한 센서 배열을 도시하는 도면이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.
이하에서, 본 발명에 따른 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 변위 측정 장치(100)의 구성을 모식적으로 도시하는 도면이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 변위 측정 장치(100)는 마그네트 유닛(110), 센서 유닛(120), 및 측정부(미도시)를 포함한다.
마그네트 유닛(110)은 서브 마그네트 유닛(112)이 소정의 피치(p)로 반복 배열되어 사인파 자속 밀도를 생성한다. 화살표는 자속 방향을 의미한다.
본 발명에서는 설명의 편의를 위해, 서브 마그네트 유닛(112) 배열의 행방향을 x방향, 열방향을 y방향인 것으로, x방향 및 y방향에 직교하는 방향은 z방향인 것으로 가정한다.
센서 유닛(120)은 마그네트 유닛(110)에 의해 생성되는 사인파 자속 밀도를 측정하는 센서 배열을 포함한다.
자속 밀도의 측정을 위해, 본 발명의 일 실시예에 따른 센서는 측정된 자속 밀도를 전압값으로 출력하는 홀센서(hall sensor)일 수 있다. 그러나, 이에 한정되는 것은 아니다.
센서 배열은 서브 마그네트 유닛(112)의 배열 방향으로 상호간에 p/k만큼 이격되어 배열되는 2 이상의 센서들로 이루어진다. 이때, k는 2n으로 표현될 수 있고, n은 1 이상의 정수이다.
이러한 센서 배열에 의해, 소정의 피치(p)를 갖는 마그네트 유닛(110)에 의해 생성되는 사인파 자속 밀도의 기본파 내지 k/2차 고조파 성분 중 적어도 하나가 상쇄될 수 있다. 먼저, 기본파 내지 k/2차 고조파 성분 중 하나가 상쇄되는 경우를 설명한다.
도 1에 도시된 바와 같이, 하나의 센서 배열은 4개의 홀센서로 이루어지고, n은 2, 및 k는 4인 것으로 가정하는 경우, 4개의 홀센서는 상호간에 서브 마그네트 유닛 배열의 행 방향(즉, x방향)으로 p/4만큼 이격되어 배열될 수 있다.
그리고, 이러한 4개의 홀센서 측정값들은 합산에 의해 서로 상쇄될 수 있으므로, 피치 p를 갖는 마그네트 유닛에 의해 생성되는 사인파 자속 밀도의 2차 고조파 성분이 상쇄될 수 있게 된다.
보다 상세하게, 4개의 홀센서가 p/4만큼 이격되어 배열되는 경우, 4개의 홀센서들의 측정값들 중 p/4만큼 이격 배열된 2개의 홀센서들의 측정값들은 sin(2x) + sin(2x+π) = 0을 만족하여 서로 상쇄될 수 있으므로, 사인파 자속 밀도의 2차 고조파 성분이 상쇄될 수 있는 것이다.
추가적인 설명을 위해, 하나의 센서 배열이 2개의 홀센서로 이루어지고, n이 1, 및 k는 2인 경우를 가정하면, 2개의 홀센서는 상호간에 서브 마그네트 유닛 배열의 행 방향으로 p/2만큼 이격 배열되게 된다. 그리고, p/2만큼 이격 배열된 2개의 홀센서들의 측정값들은 sin(x) + sin(x+π) = 0을 만족시키므로, 사인파 자속 밀도의 기본파가 상쇄될 수 있도록 한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 센서 배열에 따른 제거 가능한 기본파 및 고조파 성분을 모식적으로 도시하는 도면이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 상호간에 p/2(즉, k는 2, n은 1)만큼 이격 배열된 2개의 홀센서들은 기본파(즉, k/2)를 제거할 수 있고, 상호간에 p/4(즉, k는 4, n은 2)만큼 이격 배열된 적어도 2개의 홀센서들은 2차 고조파 성분(즉, k/2)을 제거할 수 있으며, 상호간에 p/8(즉, k는 8, n은 3)만큼 이격 배열된 적어도 2개의 홀센서들은 4차 고조파 성분(즉, k/2)을 제거할 수 있다.
이때, 기본파를 1차 고조파 성분이라고 정의하는 경우에는, 순차적으로, n이 1일 때(k는 2) 1차 고조파 성분을 상쇄시키는 것으로, n이 2일 때(k는 4) 2차 고조파 성분을 상쇄시키는 것으로, n이 3일 때(k는 8) 4차 고조파 성분을 상쇄시키는 것으로 볼 수 있다.
계속하여, 도 3을 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 센서 배열에 의해 k/2차 고조파 성분보다 작은 차수의 고조파 성분이 상쇄되는 경우를 설명한다. 이때, 설명의 편의를 위해, 하나의 센서 배열이 4개의 홀센서로 이루어지고, n이 3, 및 k는 8인 경우를 가정한다.
도 3에 도시된 바와 같이, 왼쪽에 p/8의 간격을 두고 위치한 두 홀센서들(검은색 원)의 측정값을 평균하면 두 홀센서들 사이 중간지점의 가상의 값을 얻을 수 있다.
그리고, 오른쪽에 p/8의 간격을 두고 위치한 두 홀센서들의 측정값 또한 평균하여 두 홀센서들 사이 중간지점의 가상의 값을 얻을 수 있다.
이때, 이러한 가상의 홀센서 값을 산출하는 두 지점(회색 원) 사이의 간격이 p/2가 되게 되면, 실제의 홀센서를 p/2의 간격으로 설치했을 때와 같이, 기본파(즉, k/2)를 제거할 수 있게 된다.
즉, p/8로 배열된 홀센서들 측정값들로부터 4차 고조파 성분을 제거할 수 있고, 가상적 홀센서 값으로부터는 기본파(1차 고조파 성분)를 제거하여 동시에 두 파형을 제거할 수 있게 된다.
상기에서는 설명의 편의를 위해, 가상의 홀센서 값을 산출하는 두 지점(회색 원) 사이의 간격이 p/2가 되는 것으로 가정하였으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 두 지점 사이의 간격이 p/4가 되는 경우에는 2차 고조파 성분이 제거될 수 있다.
요컨대, 실제의 홀센서들과 이들 측정값들을 평균하여 계산한 가상적 홀센서 값을 통하여 제거를 원하는 고조파 성분을 선택적으로 제거할 수 있다.
이러한 본 발명의 센서 배열을 일반화하여 설명하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 2 이상의 센서들은, 제1-a 센서와 제1-b 센서가 상호간에 p/k만큼 이격 배열되는 제1 센서쌍, 및 제2-a 센서와 제2-b 센서가 상호간에 p/k만큼 이격 배열되는 제2 센서쌍으로 이루어질 수 있다.
이때, 제1-a 센서와 제1-b 센서 사이의 중심점과 제2-a 센서와 제2-b 센서 사이의 중심점은 서로 p/j(j는 2m, m은 1 이상의 정수로서 n보다 작음)만큼 이격 배열될 수 있다.
이에 따라, 제1 센서쌍 및 제2 센서쌍의 측정값들을 이용하여 사인파 자속 밀도의 기본파, j/2차 고조파 성분, 및 k/2차 고조파 성분 중 적어도 하나가 상쇄되도록 할 수 있다.
도 3을 참조하면, p/8만큼 이격된 제1 센서쌍(300-1,300-2) 및 제2 센서쌍(300-3,300-4)이 도시되며, 이들의 중심점 사이의 거리가 p/2만큼 이격되어 1차 및 4차 고조파 성분이 동시에 제거될 수 있다.
또한, 본 발명의 센서 배열을 보다 일반화하여 설명하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 센서 배열은, 서브 마그네트 유닛의 배열 방향으로 상호간에 소정의 거리만큼 이격되어 배열되는 2n(n은 자연수)개의 센서들로 이루어지고, 이러한 센서 배열에 의해 n개의 고조파를 제거할 수 있는 것으로 볼 수 있다.
센서 배열을 구성하는 2n개의 센서들은, 제1-a 센서와 제1-b 센서가 상호간에 λM/2만큼 이격 배열되는 제1 센서쌍, 및 제2-a 센서와 제2-b 센서가 상호간에 λM/2만큼 이격 배열되는 제2 센서쌍을 포함한다.
그리고, 제1-a 센서와 제1-b 센서 사이의 중심점과 제2-a 센서와 제2-b 센서 사이의 중심점은 서로 λN/2만큼 이격 배열된다.
이때, λM은 자속 밀도를 구성하는 다수의 고조파 성분 중 M차 고조파의 파장이고, λN은 N차 고조파의 파장이며, M차 고조파의 차수는 N차 고조파의 차수보다 큰 것이 바람직하다.
이러한 센서 배열에 의해, 제1 센서쌍 및 제2 센서쌍의 측정값들을 이용하여 자속 밀도를 구성하는 다수의 고조파 성분 중 n개의 고조파 성분을 제거할 수 있고, 제거되는 n개의 고조파 성분에는 적어도 자속 밀도의 M차 및 N차 고조파 성분이 포함되게 된다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 2n개의 센서 배열에 의해 n개의 고조파 성분이 제거되는 상황을 모식적으로 도시하는 도면이다.
도 4를 참조하면, 파장이 λ1인 조화 신호를 포함하는 물리량에서 조화 신호를 제거하기 위해서는 적어도 이 물리량을 측정하는 두 개의 센서가 필요하다.
이 두 센서 사이의 간격은 파장의 반이 되어야 하는데, 두 센서(400-1,400-2)의 출력은 각각 f(x-λ1/4)과 f(x+λ1 /4)가 되며 여기서 x는 물리량 변화를 나타내는 종속변수이다.
하나의 조화 신호를 포함한 센서의 출력이 A 1sin(2πx/λ 1 )이라면 두 센서의 출력의 합은 A 1sin(2πx/λ 1 -π/2) + A 1sin(2πx/λ 1 +π/2) = 0으로서, 그 출력은 0이 되어 조화신호가 제거된다.
측정 물리량에 포함된 파장이 λ2 인 조화 신호를 추가적으로 제거하려면 4개의 센서(402-1 내지 402-4)가 필요하며, 앞서 설명한 두 센서는 사이 간격이 λ2 의 반인 두 개의 센서로 각각 분리되어야 한다.
즉, 네 개의 센서 출력은 f(x-λ1 /4-λ2 /4), f(x-λ1 /4+λ2 /4), f((x+λ1 /4-λ2 /4) 및 f(x+λ1 /4+λ2 /4)가 되고, 두 조화함수를 포함하는 센서의 출력이 A 1sin(2πx/λ1 +a 1) + A 1sin(2πx/λ2 +a 2)이라면 이 두 조화파가 위의 4개의 센서(402-1 내지 402-4)로 제거됨을 쉽게 알 수 있다.
상기의 센서 배열을 수학식으로 표현하면 다음과 같다.
Figure 112013109595018-pat00001
여기서, L i 는 i 번째 센서의 위치이고, 수학 기호 (a|b)는 a/b의 정수 몫을 나타낸다.
상기의 수학식 1과 같이, n개의 조화 신호(λ 1 >λ 2 >...>λ n )를 제거하려면 적어도 2n개의 센서가 필요하며, 각각 센서의 위치는 상기의 수학식 1로 표현될 수 있다.
또한, 센서 배열의 폭을 수학식으로 표현하면 다음과 같다.
Figure 112013109595018-pat00002
여기서, W n 은 n개의 조화 신호를 제거하는 센서 배열의 전체 폭이다.
이와 같이, n개의 조화 신호를 제거하기 위해, 최소 2n개의 센서를 포함한 센서 배열이 필요하며, 홀수 번째 센서와 짝수 번째 센서 사이의 간격은 가장 작은 파장의 조화 신호 파장의 절반일 수 있고, 홀수 번째 센서와 짝수 번째 센서의 중심 위치 사이의 간격은 두 번째로 작은 파장의 조화 신호 파장의 절반이 될 수 있으므로, 센서 사이의 간격이 모두 일정하지 않더라도 원하는 고조파 성분을 임의로 제거할 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 센서 배열은 서브 마그네트 유닛(112)의 배열 방향으로 상호간에 p/k만큼 이격되어 배열되는 k개의 센서들로 이루어질 수도 있으며, 이 경우, k개의 센서들에 의해 사인파 자속 밀도의 기본파 내지 k/2차 고조파 성분이 상기한 바와 같이 상쇄될 수 있다.
예를 들어, k가 2일 때(n은 1) p/2만큼 이격 배열되는 2개의 센서들에 의해 사인파 자속 밀도의 기본파가 상쇄될 수 있고, k가 4일 때(n은 2) p/4만큼 이격 배열되는 4개의 센서들에 의해 사인파 자속 밀도의 기본파 및 2차 고조파 성분이 상쇄될 수 있으며, k가 8일 때(n은 3) p/8만큼 이격 배열되는 8개의 센서들에 의해 사인파 자속 밀도의 기본파, 2차 고조파 성분, 4차 고조파 성분이 상쇄될 수 있다.
이때, k/2차 고조파 성분보다 작은 차수의 고조파 성분은 실제의 두 홀센서의 중간지점에 해당하는 가상의 홀센서 값으로부터 상쇄될 수 있음은 앞서 설명한 바와 같다.
그리고, 기본파를 1차 고조파 성분이라고 정의한다면, 순차적으로, n이 1일 때 하나의 고조파 성분을 상쇄시키는 것으로, n이 2일 때 두 개의 고조파 성분을 상쇄시키는 것으로, n이 3일 때 세 개의 고조파 성분을 상쇄시키는 것으로 볼 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기의 기본파 내지 k/2차 고조파 성분 중 적어도 하나가 상쇄되는 과정들은 이하 설명하는 측정부(미도시)에 의해 수행될 수 있다.
마지막으로, 측정부(미도시)는 이러한 센서 유닛(120)의 측정값에 기초하여 서로에 대해 변위하는 마그네트 유닛(110)과 센서 유닛(120)의 변위를 측정하게 된다.
이하, 도 5 내지 도 11을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 변위 측정 장치(100)를 보다 상세히 살펴본다. 이하에서는 설명의 편의를 위해, n은 2, 및 k는 4이며, 하나의 센서 배열에서 홀센서는 네 개인 경우를 가정하기로 하나, 본 발명은 이에 한정되지 않는다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 변위 측정 장치(100)의 상세한 구성을 도시하는 도면이다.
그리고, 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 변위 측정 장치(100)에서 마그네트 유닛(110)만을 도시하는 도면이며, 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 변위 측정 장치(100)에서 센서 유닛(120)만을 도시하는 도면이다.
도 5 내지 도 7을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 변위 측정 장치(100)는 하부에 마그네트 유닛(110), 상부에 센서 유닛(120), 및 측정부(미도시)를 포함한다.
보다 상세하게, 마그네트 유닛(110)은 센서 유닛(120)의 하부에 위치하고, 서브 마그네트 유닛(112)이 소정의 피치(p)로 반복 배열되어 사인파 자속 밀도를 생성한다.
이때, 마그네트 유닛(110)은 짝수차 고조파 및 홀수차 고조파 중 어느 하나의 고조파가 나타나지 않는 사인파 자속 밀도를 생성할 수 있으며, 본 발명에서는 설명의 편의를 위하여, 홀수차 고조파(3차 고조파, 7차 고조파,…)가 나타나지 않는 것으로 가정하여 설명하기로 한다.
이를 위해, 본 발명의 일 실시예에 따른 마그네트 유닛(110)은 피치 p의 할바(Halbach) 자석 배열을 가질 수 있다. 할바 자석 배열은 기존의 단순한 NS 자석 배열보다 누설 자속은 적으면서 약 40%의 더 큰 자속량을 가지며, 홀수차 고조파가 나타나지 않는 특성을 갖는다.
즉, 도 5 내지 도 7에 도시된 바와 같이, 마그네트 유닛(110)은 서브 마그네트 유닛(112)이 소정의 피치(p)로 반복 배열되는 할바 자석 배열을 갖고 있으며, 이때, 하나의 서브 마그네트 유닛(112)은 16개의 셀로 이루어지고, 그 중 14개의 셀이 마그네트로 이루어질 수 있다. 화살표는 자속 방향을 의미한다.
이와 같이, 본 발명에서는 설명의 편의를 위해, 마그네트 유닛(110)이 할바 자석 배열을 갖는 것으로 가정하여 설명하기로 하나, 이에 한정되는 것은 아니며, 사인파 자속 밀도를 생성하는 다양한 형태의 자석 배열, 또는, 본 발명의 일 실시예에 따른 마그네트 유닛과 같이, 짝수차 고조파 및 홀수차 고조파 중 어느 하나의 고조파가 나타나지 않는 사인파 자속 밀도를 생성하는 자석 배열 등 다양한 형태가 적용될 수 있다.
다음으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 센서 유닛(120)은 마그네트 유닛(110)의 상부에 위치하고, 마그네트 유닛(110)에 의해 생성되는 사인파 자속 밀도를 측정하는 센서 배열(122, 124)을 포함한다.
이하 설명하는 바와 같이, 하나의 센서 배열(122)에서의 측정값은 x방향 또는 y방향 중 어느 한 방향으로의 측정값만을 산출하게 되므로, 적어도 한 방향으로의 변위 측정을 위해서는 2 이상의 센서 배열(122, 124)을 포함하는 것이 바람직하다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 하나의 센서 배열은 2 이상의 홀센서들이 서브 마그네트 유닛 배열의 행과 열 방향 중 어느 하나의 방향으로 p/k만큼 이격되어 배열되는 방식이며, k는 2n으로 표현될 수 있고, n은 1이상의 정수임은 앞서 설명한 바와 같다.
그리고, 이러한 센서 배열에 의해, 소정의 피치(p)를 갖는 마그네트 유닛(110)에 의해 생성되는 사인파 자속 밀도의 기본파 내지 k/2차 고조파 성분 중 적어도 하나가 상쇄될 수 있다.
즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 마그네트 유닛(110)에 의해 홀수차 고조파 성분이 나타나지 않는 사인파 자속 밀도가 생성될 수 있고, 이러한 자속 밀도를 측정하는 센서 유닛(120)의 센서 배열에 의해 나머지 고조파 성분이 선택적으로 상쇄될 수 있는 바, 본 발명에 따르면, 고조파 성분이 제거된 안정적인 측정값을 산출할 수 있다.
계속하여, 도 5 내지 도 7을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 센서 유닛(120)은 4개의 홀센서(122a, 122b, 122c, 122d)가 상호간에 x방향으로 p/4만큼 이격되어 배열되는 제1-1 센서 배열(122), 4개의 홀센서(124a, 124b, 124c, 124d)가 상호간에 x방향으로 p/4만큼 이격되어 배열되는 제1-2 센서 배열(124)을 포함할 수 있다.
그리고, 이러한 제1-1 센서 배열(122) 및 제1-2 센서 배열(124)은 서로 y방향으로 p/k, 즉, p/4만큼 이격되어 배열될 수 있다.
요컨대, 제1-1 센서 배열 및 제1-2 센서 배열은 각각 4개의 홀센서가 상호간에 x방향으로 p/4만큼 이격 배열되는 구조를 가짐과 동시에 제1-1 센서 배열 및 제1-2 센서 배열도 서로 p/4만큼 이격 배열되는 구조를 가짐으로써, 사인파 자속 밀도의 기본파 및 고조파 성분이 상쇄되도록 할 수 있고, 이하 설명하는 측정부(미도시)에 의해 y방향 변위도 측정되도록 할 수 있는 것이다.
한편, 측정부(미도시)에 의한 변위 측정 과정은 인코더를 활용한 기존의 변위 측정 과정과 동일한 바, 본 발명에서는 고조파를 제거하여 측정값의 안정화를 도모하고, 사용되는 홀센서의 개수를 최소화할 수 있는 센서 배열을 중심으로 변위 측정 과정을 설명하기로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 측정부(미도시)는 센서 유닛(120)의 측정값에 기초하여 서로에 대해 변위하는 마그네트 유닛(110)과 센서 유닛(120)의 변위를 측정한다.
보다 상세하게, 측정부(미도시)는 제1-1 센서 배열(122)에서의 4개의 홀센서(122a, 122b, 122c, 122d)에 의해 측정된 측정값들의 합(이하, 설명의 편의를 위해, '제1-1 측정값'이라 함) 및 제1-2 센서 배열(124)에서의 4개의 홀센서(124a, 124b, 124c, 124d)에 의해 측정된 측정값들의 합(이하, 설명의 편의를 위해, '제1-2 측정값'이라 함)을 연산함으로써 제1-1 측정값 및 제1-2 측정값에서 각각 x방향의 기본파 및 고조파 성분이 제거되도록 하고, x방향의 기본파 및 고조파 성분이 제거된 상태의 제1-1 측정값 및 제1-2 측정값을 이용하여 y방향으로의 변위를 측정할 수 있다.
할바 자석 배열을 갖는 마그네트 유닛(110)과 센서 유닛(120)의 거리가 일정하게 유지되는 경우, 할바 자석 배열 위로 z만큼 이격된 곳에서 홀센서에 의해 측정되는 자속 밀도는 하기의 수학식 3과 같이 표현될 수 있다.
Figure 112013109595018-pat00003
여기서, Bp(z)는 자속 밀도의 최대값을 의미한다.
그리고, 제1-1 센서 배열(122)에서의 4개의 홀센서(122a, 122b, 122c, 122d)에 의해 측정된 측정값들은 각각 하기의 수학식 4와 같이 표현될 수 있다.
Figure 112013109595018-pat00004
여기서, V[1]은 제1-1 센서 배열(122)의 첫 번째 홀센서(122a)에 의해 측정된 측정값, V[2]는 두 번째 홀센서(122b)에 의해 측정된 측정값, V[3]은 세 번째 홀센서(122c)에 의해 측정된 측정값, V[4]는 네 번째 홀센서(122d)에 의해 측정된 측정값을 각각 의미한다. 이때, 홀센서의 특성상 측정값들은 전압값으로 나타나게 된다.
그리고, 측정부(미도시)는 하기의 수학식 5에 따라, 4개의 홀센서에 의해 측정된 측정값들의 합(제1-1 측정값)을 연산할 수 있다.
Figure 112013109595018-pat00005
상기의 수학식 5에서 확인할 수 있는 바와 같이, 상호간에 x방향으로 p/4만큼 이격되어 배열되는 4개의 홀센서(122a, 122b, 122c, 122d)에 의해 측정된 전압값들의 합(제1-1 측정값)은 제1-1 센서 배열(122)이 위치한 곳에서의 y방향 성분값만이 증폭된 결과값을 제공한다.
동일한 방식으로, 제1-2 센서 배열(124)의 4개의 홀센서(124a, 124b, 124c, 124d)에 의해 측정된 전압값들의 합(제1-2 측정값)은 제1-2 센서 배열(124)이 위치한 곳에서의 y방향 성분값만이 증폭된 결과값을 제공하게 된다.
그리고, 앞서 설명한 바와 같이, 제1-1 센서 배열(122) 및 제1-2 센서 배열(124)은 서로 열 방향으로 p/4만큼 이격되어 배열되어 있으므로, 측정부(미도시)는 제1-1 측정값 및 제1-2 측정값을 방향 벡터로 이용하여 y방향 변위를 측정할 수 있다.
나아가, 센서 유닛(120)이 x방향 변위 측정을 위한 제2-1 센서 배열(126) 및 제2-2 센서 배열(128)을 더 포함하는 경우를 설명하면 다음과 같다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따라, 네 개의 센서 배열(122, 124, 126, 128)을 포함하는 변위 측정 장치(100)의 상세한 구성을 도시하는 도면이며, 도 9는 도 8에서의 센서 유닛(120)만을 도시하는 도면이다.
즉, 도 8 및 도 9에 도시된 바와 같이, 센서 유닛(120)은 제1-1 센서 배열(122), 제1-2 센서 배열(124)뿐만 아니라, 4개의 홀센서(126a, 126b, 126c, 126d)가 상호간에 y방향으로 p/4만큼 이격되어 배열되는 제2-1 센서 배열(126), 4개의 홀센서(128a, 128b, 128c, 128d)가 상호간에 y방향으로 p/4만큼 이격되어 배열되는 제2-2 센서 배열(128)을 포함할 수 있다.
이때, 제1-1 센서 배열(122)과 제1-2 센서 배열(124)에서의 측정값들은 앞서 설명한 바와 같이, 각각 x방향의 기본파 및 고조파 성분이 제거된 자속 밀도, 즉, 자신이 위치한 곳에서의 y방향 성분값만을 산출하게 되므로, 이러한 측정값들은 y방향으로의 변위 측정에 이용될 수 있다.
그리고, 동일한 방식으로, 제2-1 센서 배열(126)과 제2-2 센서 배열(128)에서의 측정값들은 각각 y방향의 기본파 및 고조파 성분이 제거된 자속 밀도, 즉, 자신이 위치한 곳에서의 x방향 성분값만을 산출하게 되므로, 측정값들은 x방향으로의 변위 측정에 이용될 수 있다.
한편, 도 8 및 도 9에 도시된 바와 같이, 센서 유닛(120)이 네 개의 센서 배열(122, 124, 126, 128)을 포함하는 경우, 각각의 센서 배열을 구성하는 센서 중 일부는 중복되게 된다.
즉, 제1-1 센서 배열을 구성하는 첫 번째 센서(122a)는 제2-1 센서 배열을 구성하는 첫 번째 센서(126a)가 될 수도 있고, 제1-1 센서 배열의 두 번째 센서(122b)는 제2-2 센서 배열을 구성하는 첫 번째 센서(128a)가 될 수도 있다.
마찬가지로, 제1-2 센서 배열을 구성하는 첫 번째 센서(124a)는 제2-1 센서 배열을 구성하는 두 번째 센서(126b)가 될 수도 있고, 제1-2 센서 배열의 두 번째 센서(124b)는 제2-2 센서 배열을 구성하는 두 번째 센서(128b)가 될 수도 있다.
이와 같이, x방향 및 y방향으로의 변위 측정에 이용되는 네 개의 센서 배열을 구성하는 센서들 중 일부가 중복됨으로써, 전체적으로, 4개의 홀센서가 적게 이용될 수 있고, 이에 따라, 본 발명에 따르면, 변위 측정에 이용되는 홀센서의 개수를 최소화할 수 있는 장점이 있다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 센서 유닛(120)의 센서 배열에 관한 다양한 형태를 도시하는 도면이다.
도 10에 도시된 바와 같이, x방향 및 y방향으로의 변위 측정에 이용되는 네 개의 센서 배열은 L형태뿐만 아니라 십자형태를 가질 수도 있다.
그리고, 각각의 센서 배열 형태에 관계없이 4개의 홀센서가 적게 사용됨을 확인할 수 있다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 변위 측정 장치(100)와 비교 설명을 위한 센서 배열을 도시하는 도면이다.
도 11에 도시된 바와 같이, 4개의 홀센서가 상호간에 x방향으로 p/3만큼 이격되어 배열되는 경우, 즉, p/4만큼 이격되어 배열되지 않는 경우에는 고조파 제거에 불리하고, 센서 배열의 전체 크기도 상대적으로 커짐을 확인할 수 있다.
또한, 홀센서간 간격(p/3)과 배열간 간격(p/4)이 서로 달라, x방향의 변위를 측정하기 위한 센서 배열과 y방향의 변위를 측정하기 위한 센서 배열을 서로 독립적으로 구성할 수밖에 없다.
반면, 본 발명에 따르면, x방향 및 y방향으로의 변위를 측정하기 위해 필요한 센서 배열을 L형, 십자형, T형과 같이 일체로 구성할 수 있어 홀센서의 개수를 최소화할 수 있고, 효율적인 공간 활용이 가능하다. 또한, 고조파를 제거하여 측정값의 안정화를 도모할 수 있는 장점이 있다.
이상과 같이 본 발명에서는 구체적인 구성 요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.
100 : 변위 측정 장치 110 : 마그네트 유닛
112 : 서브 마그네트 유닛 120 : 센서 유닛
122 : 제1-1 센서 배열 122a ~ 122d : 홀센서들
124 : 제1-2 센서 배열 124a ~ 124d : 홀센서들
126 : 제2-1 센서 배열 126a ~ 126d : 홀센서들
128 : 제2-2 센서 배열 128a ~ 128d : 홀센서들

Claims (6)

  1. 서브 마그네트 유닛이 반복 배열되어 자속 밀도를 생성하는 마그네트 유닛;
    상기 자속 밀도를 측정하는 센서 배열을 포함하는 센서 유닛; 및
    상기 측정값에 기초하여 서로에 대해 변위하는 상기 마그네트 유닛과 상기 센서 유닛의 변위를 측정하는 측정부;를 포함하되,
    상기 센서 배열은, 상기 서브 마그네트 유닛의 배열 방향으로 상호간에 소정의 거리만큼 이격되어 배열되는 2n(n은 자연수)개의 센서들로 이루어지고,
    상기 2n개의 센서들은, 제1-a 센서와 제1-b 센서가 상호간에 λM/2만큼 이격 배열되는 제1 센서쌍, 및 제2-a 센서와 제2-b 센서가 상호간에 λM/2만큼 이격 배열되는 제2 센서쌍-상기 λM은 상기 자속 밀도를 구성하는 M차 고조파의 파장임-;을 포함하고,
    상기 제1-a 센서와 상기 제1-b 센서 사이의 중심점과 상기 제2-a 센서와 상기 제2-b 센서 사이의 중심점은 서로 λN/2만큼 이격 배열-상기 λN은 상기 자속 밀도를 구성하는 N차 고조파의 파장임-되는 것을 특징으로 하는 변위 측정 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 M차 고조파의 차수는 N차 고조파의 차수보다 큰 것을 특징으로 하는 변위 측정 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 측정부는 상기 제1 센서쌍 및 제2 센서쌍의 측정값들을 이용하여 상기 자속 밀도를 구성하는 다수의 고조파 성분 중 n개의 고조파 성분을 제거하는 것을 특징으로 하는 변위 측정 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 n개의 고조파 성분은 적어도 상기 자속 밀도의 M차 및 N차 고조파 성분을 포함하는 것을 특징으로 하는 변위 측정 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 마그네트 유닛은 할바(Halbach) 자석 배열을 갖는 것을 특징으로 하는 변위 측정 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 센서는 홀센서인 것을 특징으로 하는 변위 측정 장치.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR20020079961A (ko) * 2000-12-27 2002-10-21 코닌클리케 필립스 일렉트로닉스 엔.브이. 상호 위치를 검출하는 두 부분 변위 장치
KR101078078B1 (ko) 2007-04-20 2011-10-28 미쓰비시덴키 가부시키가이샤 자기식 회전각 검출기
US8129984B2 (en) 2007-06-27 2012-03-06 Brooks Automation, Inc. Multiple dimension position sensor

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6018881A (en) 1996-12-17 2000-02-01 Dr. Johannes Heidenhain Gmbh Position measuring system
KR20020079961A (ko) * 2000-12-27 2002-10-21 코닌클리케 필립스 일렉트로닉스 엔.브이. 상호 위치를 검출하는 두 부분 변위 장치
KR101078078B1 (ko) 2007-04-20 2011-10-28 미쓰비시덴키 가부시키가이샤 자기식 회전각 검출기
US8129984B2 (en) 2007-06-27 2012-03-06 Brooks Automation, Inc. Multiple dimension position sensor

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