KR101737765B1 - 가동체의 이중적인 절대 위치 결정을 위한 장치 및 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 감자기 센서들에 대하여 이동 가능한 요소의 절대 위치를 비접촉식으로 검출하는 장치에 관한 것으로, 상기 이동 가능한 요소에는 자기장 소스가 체결되어 있고, 이동 방향에 있어서 공간적으로 오프셋되는 일 평면 내의 2개의 감자기 센서는 상기 자기장 소스로부터 떨어져서 배치된다. 상기 장치가 2개의 센서 요소를 갖도록 상기 장치가 이중으로 준비되고, 각각의 센서 요소에는 2개의 상기와 같은 감자기 센서가 배치된다.

Description

가동체의 이중적인 절대 위치 결정을 위한 장치 및 방법 {APPARATUS AND METHOD FOR THE REDUNDANT, ABSOLUTE POSITION DETERMINATION OF A MOVABLE BODY}
본 발명은 가동체의 이중적인(redundant) 절대 위치 결정을 위한 장치 및 방법에 관한 것이다. 본 발명은, 특히 감자기 센서(magnetosensitive sensor)들에 의한 축외(off-axis) 및 축상(on-axis) 응용들에 대한 이중적인 절대 위치 결정을 위한 장치 및 방법에 관한 것이다.
WO 2007/071383호는, 홀 센서(Hall sensor)를 기반으로 구성된 2개의 통합된 자기 각도 센서 회로가 공통 하우징 내에서 서로 상하로 놓이고, 이 2개의 회로가 절연용 중간층에 의해 서로 분리되어 있는, 비접촉식의 이중적 위치 결정을 위한 장치에 관한 것이다.
이들 각도 센서의 경우에는, 회전형 자석의 회전 축선이 회로상에 원형으로 배열된 통합된 홀 센서 그룹의 중심 위에서 중앙에 놓이게 되는 구조가 필수이다. 센서 요소들이 회전 축선에 대하여 측방향으로 오프셋되면, 특히 홀 센서들이 자기장 소스의 자극들 사이에서 거의 선형으로 뻗는 수직 자기장(Bz)을 벗어나 위치되는 경우에는, 각도 오차의 증가가 초래된다.
이 때문에, 공통 하우징 내에서 회로들이 서로 인접하여 위치되는 경우에는 유용하지 않다. 자기장 소스의 회전 축선에 대하여 두 각도 센서의 중심을 맞추기 위해서는, 이들 센서가 공통 하우징 내에서 서로 상하로 설치되어야만 한다.
이 구조의 단점은, 서로 상하로 놓이는 회로들을 그 사이에 추가의 절연층을 두고 탑재하는 것에 의해 보다 많은 노력이 요구된다는 점이다.
다른 단점은, 자석과 센서 하우징 사이의 수직 거리에 대한 공차 범위가 서로 상하로 놓이는 각도 센서들의 구조에 의해 현저하게 제한된다는 점인데, 이는 밑에 놓이는 각도 센서와 위에 놓이는 각도 센서가 모두 자기장 강도의 최적의 가동 범위에 대한 공차 윈도(window) 이내에 있어야만 하기 때문이다. 또한, 이 구조는 각도 센서 회로가 자기장 소스 아래에서 회전 축선에 수직하게 중심에 위치되는 축방향 구조에 대해서만 적합하다.
안전-필수(safety-critical) 응용들, 예컨대 전자 조향 시스템(EPS)의 구동 모터의 경우에는, 부하 변화시에 측정되도록 힘들이 구동축에 작용할 수 있고, 예컨대 그 힘들은 구동축을 축방향으로 변위시킨다. 축방향 구조의 결과로서, 이 변위는 구동축의 단부에 끼워지는 자기장 소스와 센서 사이의 거리를 변화시킨다. 두 물체간의 기계적인 접촉에 의해 야기된 센서 또는 자석에 대한 가능한 손상을 회피하기 위해, 자기장 소스와 센서 하우징 사이의 최소 거리는 센서와 자기장 소스 사이의 거리에 대한 공차 범위를 따라야만 하고, 결국 그 범위를 더 제한한다.
본 발명은, 감자기 센서들에 대하여 이동 가능한 요소의 절대 위치를 비접촉식으로 검출하기 위한 이중적인 센서 시스템을 특정하려는 목적에 기초하고, 상기 감자기 센서들은 그들의 신호가 90° 이외의 위상 오프셋을 가지는 방식으로 배열될 수 있다.
본 발명은, 특히 소위 축외 응용들, 즉 감자기 센서들이 가동체의 대칭 축선을 벗어나 위치되는 응용들에 이중적인 센서 시스템을 제공하려는 목적에 기초하고, 상기 시스템은 2개의 별도의 센서 시스템을 이용해서 회전식으로 장착된 본체의 위치를 과다하게 검출하는 것을 가능하게 할 수 있다. 감자기 센서들은, 특히 홀 센서를 의미하는 것으로서 이해되어야 한다.
이 목적은 장치에 관한 독립 청구항에 따른 장치 및 방법에 관한 독립 청구항에 따른 방법으로 달성된다. 종속 청구항들은 특정한 실시예들에 관련된다.
본 발명은, 감자기 센서들에 대하여 이동 가능한 요소의 절대 위치를 비접촉식으로 검출하는 장치에 관한 것으로서, 상기 이동 가능한 요소에는 자기장 소스가 체결되어 있고, 일 평면에 있으며 또한 이동 방향에서 공간적으로 오프셋되어 있는 2개의 감자기 센서가 상기 자기장 소스로부터 떨어져서 배열된다. 상기 장치가 2개의 센서 요소를 갖도록 하는 이중적인 디자인을 갖도록 상기 장치가 준비되며, 상기와 같은 2개의 감자기 센서가 센서 요소 각각에 배열된다.
일 개량은 상기 이동 가능한 요소의 절대 회전방향 위치를 결정하기 위한 소위 축외 응용들에 대한 장치에 관한 것이다. 이 경우에는, 상기 이동 가능한 요소가 회전 가능하게 장착되게 준비되고, 상기 평면은 회전 축선에 대하여 평행하게 배열되게 준비된다. 상기 2개의 센서 요소는 상기 회전 축선에 평행한 상기 자기장 소스의 측면에 고정식으로 끼워지는 공통 하우징에 수용되고, 상기 센서 요소 각각은, 일 평면에 있으며 또한 회전방향 이동의 방향에 있어서 공간적으로 오프셋되는 2개의 감자기 센서를 연계된 평가 전자기기들과 함께 포함하고, 상기 자기장의 방사상 성분을 검출 및 평가한다.
일 개량은 상기 이동 가능한 요소의 절대 회전방향 위치를 결정하기 위한 소위 축상 응용들에 대한 장치에 관한 것이다. 이 경우에는, 상기 이동 가능한 요소가 회전 가능하게 장착되게 준비되고, 상기 평면은 상기 회전 축선에 대하여 수직하게 배열되게 준비된다. 상기 2개의 센서 요소는 상기 평면에 평행한 고정식으로 끼워지는 공통 하우징에 수용되고, 상기 센서 요소 각각은, 일 평면에 있으며 또한 회전방향 이동의 방향에 있어서 공간적으로 오프셋되는 2개의 감자기 센서를 연계된 평가 전자기기들과 함께 포함하고, 상기 자기장의 축방향 성분을 검출 및 평가한다.
상기 감자기 센서들은 상기 공통 하우징 내에서 상기 회전 축선 주위에 등거리로 및 대칭으로 배열되는 것이 바람직하다.
이 경우에는, 상기 이동 가능한 요소가 회전 가능하게 장착되게 준비되고, 상기 평면은 상기 회전 축선에 수직하게 배열되게 준비된다. 상기 2개의 센서 요소는 상기 회전 축선에 평행한 상기 자기장 소스의 측면에 고정식으로 끼워지는 공통 하우징에 수용되고, 상기 센서 요소 각각은, 일 평면에 있으며 또한 회전방향 이동의 방향에 있어서 공간적으로 오프셋되는 2개의 감자기 센서를 연계된 평가 전자기기들과 함께 포함하고, 상기 자기장의 축방향 성분을 검출 및 평가한다.
일 개량은 360°의 각도 범위에 걸쳐 절대 회전방향 위치가 검출되게 준비되고, 상기 자기장 소스는 2-자극 직경방향 자화를 갖춘 디스크 자석 또는 링 자석의 형태로 된다.
다른 개량은 360° 미만의 각도 범위에 걸쳐 절대 회전방향 위치가 검출되게 준비되고, 상기 자기장 소스는 다중-자극 자화를 갖춘 디스크 자석 또는 링 자석의 형태로 된다.
일 개량은 병진으로 이동 가능한 요소의 절대 선형 위치를 결정하기 위한 장치에 관한 것이다. 상기 이동 가능한 요소가 선형으로 변위 가능하게 준비되고, 다중-자극 자기 스트립의 형태로 되며 동일한 길이의 자극들을 갖는 자기장 소스가 상기 이동 가능한 요소에 체결된다. 이 경우에는, 상기 감자기 센서들이 이동 방향에 수직한 자기장의 성분을 검출하고, 그 경우에 센서 요소의 2개의 감자기 센서간의 거리, 자극들의 길이 및 자기장 소스에 대한 상기 감자기 센서들의 위치는 각각의 센서 요소로부터의 센서 신호들의 최종 위상 오프셋이 180° 및 360°로 되지 않는 방식으로 선택되어야 한다.
상기 절대 선형 위치를 검출하기 위한 장치의 일 개량은, 상기 2개의 센서 요소가 상기 이동 방향에 평행한 상기 자기장 소스로부터 떨어져서 고정식으로 끼워지는 공통 하우징에 수용되게 준비되고, 상기 센서 요소 각각은, 일 평면에 있으며 또한 상기 이동 방향에 있어서 공간적으로 오프셋되는 2개의 감자기 센서를 연계된 평가 전자기기들과 함께 포함하고, 상기 자기장의 성분을 검출 및 평가하고, 절대적으로 즉시 측정될 수 있는 범위는 상기 자기장 소스의 자극 쌍의 길이에 대응한다.
상기 감자기 센서들은 센서 칩 상에 함께 통합될 수 있다. 상기 센서 요소들은 자체적으로 센서 칩 상에 함께 통합될 수도 있다.
본 발명은, 또한 상대적으로 이동 가능한 요소를 비접촉식으로 검출하는 장치를 이용해서 감자기 센서들에 대하여 이동 가능한 요소의 절대 위치를 결정하는 방법에 관한 것이며, 상기 이동 가능한 요소에는 자기장 소스가 체결되어 있고, 제 1 센서 요소 및 제 2 센서 요소가 상기 자기장 소스로부터 떨어져서 배열되고, 이동 방향에 있어서 공간적으로 오프셋되는 2개의 감자기 센서가 각각의 센서 요소에 배열된다. 제 1 센서 신호가 각각의 센서 요소의 제 1 감자기 센서를 이용해서 측정되며 제 2 센서 신호가 각각의 센서 요소의 제 2 감자기 센서를 이용해서 측정되게 준비되고, 상기 제 1 센서 신호 및 상기 제 2 센서 신호는 자기장의 성분을 나타내고, 상기 센서 신호들은 위상 오프셋(φ)의 범위가 0° < φ <180° 또는 180° < φ <360°이고,
- 각각의 센서 신호의 최대값과 최소값 사이의 차이에 의해 미리 규정 가능한 신호 스윙(signal swing)을 분할함으로써 진폭 비율들이 결정되게 준비되고,
- 상기 센서 신호들의 최소값 및 최대값으로부터, 상기 센서 신호들의 각각의 영점 주위의 오프셋 값들이 결정되게 준비되고,
- 상기 오프셋 값들을 상기 센서 신호들로부터 차감하는 것에 의해 또한 상기 진폭 비율들에 의한 정규화에 의해, 정규화된 센서 신호들이 계산되게 준비되고, 양 센서들로부터 상기 센서 신호들을 동시에 검출하면서 완전한 이동 경로에 걸쳐 상기 요소 및 거기에 체결된 상기 자기장 소스의 상대적인 이동에 의해 상기 최소값 및 최대값이 결정되고,
- 상기 정규화된 센서 신호들로부터 합 신호(sum signal) 및 차 신호(difference signal)가 형성되게 준비되고,
- 상기 진폭 비율의 결정 이후에 상기 합 신호 및 상기 차 신호가 차례로 정규화되게 준비되고, 동시에 상기 합 신호 및 상기 차 신호를 측정하며 상기 합 신호와 상기 차 신호의 최소값 및 최대값을 평가하면서, 완전한 이동 경로에 걸쳐 상기 요소 및 거기에 체결된 상기 자기장 소스의 상대적인 이동에 의해 상기 최소값 및 최대값이 결정되고,
- 상기 정규화된 합 신호 및 상기 정규화된 차 신호를 이용해서 상기 자기장 소스의 절대 위치가 계산되게 준비된다.
각각의 센서 요소로부터 상기 센서 신호들에 대한 절대 위치가 과다하게 결정되게 준비된다.
상기 방법의 일 개량은, 상기 이동 가능한 요소가 회전 가능한 요소로 되도록 준비되고, 상기 정규화된 합 신호 및 상기 정규화된 차 신호의 비율의 아크 탄젠트를 형성함으로써 상기 자기장 소스의 절대 회전방향 위치가 계산되게 준비된다.
상기 방법의 일 개량은, 상기 이동 가능한 요소가 선형으로 변위 가능한 요소로 되도록 준비되고, 절대 선형 위치가 결정되게 준비된다.
상기 자기장 소스의 절대 위치는 좌표 변환 알고리즘, 바람직하게는 CORDIC 알고리즘을 이용해서 계산될 수 있다. 이는 상기 절대 회전방향 위치 및 상기 절대 선형 위치 모두에 적용된다. 상이한 배열들을 하기의 표에 요약한다.
회전방향 각도 선형 위치
자석 유형 2-자극 또는 다중-자극 디스크 다중-자극 스트립
(n 자극 쌍)
전기 출력 신호 자극 쌍 당 0° 내지 360° 미만 자극 쌍 당 0° 내지 360° 미만
기계 출력 신호 360°를 자극 쌍들의 수로 나눔 360°가 자극 쌍의 길이에 대응
자석이 센서를 지나 이동하면, 센서의 위치에서 자석이 일 주기 = 하나의 자극 쌍(n극 및 s극)에 걸쳐 주행할 때 0° 내지 360° 미만의 각도가 측정되고, 그 경우에는, 센서의 위치에서 회전방향 이동 및 선형 이동의 경우에 있어서 사인곡선 신호가 측정되기 때문에 신호가 회전방향 이동 또는 선형 이동에 의해 생성되는지의 여부와는 무관하다.
그에 따라, 이는 회전방향 각도 측정을 위한 2-자극 디스크 자석의 경우에는 전 회전(0° 내지 360° 미만)으로 될 수 있고, 회전방향 각도 측정을 위한 4-자극 디스크 자석의 경우에는 반 회전(0° 내지 180°)으로 될 수 있다.
유사하게, 스트립이 자극 쌍의 길이에 걸쳐 선형으로 이동되면, 0° 내지 360° 미만의 신호는 마찬가지로 다중-자극 자기 스트립에 의해 생성되고, 예컨대 자극 길이가 2mm인 경우에는, 자극 쌍이 4mm의 길이를 갖는다. 그에 따라, 0°의 측정 결과는 0mm의 위치에 대응하고, 360° 미만(359.99999...°)의 측정 결과는 4mm의 길이(= 자극 쌍의 길이)에 대응한다. 이후, 작업이 반복된다. 그에 따라, 절대 위치는 자극 쌍 이내에서만 결정될 수 있다. 자극 쌍의 길이 이상의 절대 위치를 결정하기 위해서는, 통과한 자극 쌍들의 개수가 카운트되어야만 한다:
상기 예에 있어서, 180°의 지시는 2mm, 6mm, 10mm, 14mm 등의 거리에 대응하게 된다.
위치들은 0mm의 위치에서 시작해서 통과한 자극 쌍들을 카운트하는 것에 의해서만 구별될 수 있다:
지시 = 180°, 0개의 통과한 자극 쌍 = 주행 거리 = 2mm
지시 = 180°, 1개의 통과한 자극 쌍 (4mm) = 주행 거리 = 2mm + 4mm = 6mm
지시 = 180°, 2개의 통과한 자극 쌍 (2×4mm) = 주행 거리 = 2mm + 8mm = 10mm
이제, 실시예들 및 연관된 도면들을 이용해서 본 발명을 더 설명한다:
도 1은 2개의 센서 요소가 수직으로 배열되어 있는 구조를 도시하고,
도 2는 2개의 센서 요소가 평행하게 배열되어 있는 구조를 도시하고,
도 3은 축방향 구조로 회전방향 위치를 측정하기 위한 비-이중적 배열을 도시하고,
도 4는 도 3에 도시된 배열의 평면도를 도시하고,
도 5 내지 도 8은 적절한 자기장 소스들의 상이한 실시예들을 도시하고,
도 9는 축방향 구조로 회전방향 위치를 과다하게 측정하기 위한 배열을 도시하고,
도 10 내지 도 13은 도 9에 도시된 배열의 상이한 실시예들의 평면도들을 도시하고,
도 14는 신호 처리의 아날로그 블록 다이어그램을 도시하고,
도 15는 신호 처리의 디지털 블록 다이어그램을 도시하고,
도 16 내지 도 20은 신호 프로파일들을 도시하고,
도 21은 축외 응용들에 대하여 방사상 구조로 회전방향 위치를 과다하게 측정하기 위한 배열을 도시하고,
도 22는 도 21의 평면도를 도시하고,
도 23은 선형으로 이동 가능한 요소를 갖춘 비-이중적 배열을 도시하고,
도 24는 이중적인 위치 결정을 위한 이중적인 디자인에 있어서의 도 3으로부터의 배열을 도시한다.
도 1은 공통 하우징(4) 내의 2개의 센서 요소(3a, 3b)의 구조를 도시하고: 센서 요소들(3a 및 3b)은 동일하며, 각각 홀 센서(1a, 2a 및 1b, 2b) 형태의 2개의 감자기 센서를 포함한다. 신호 처리용 전자기기들도 제각기 센서 요소에 추가로 통합된다. 이 경우에, 2개의 센서 요소(3a, 3b)는 서로에 대하여 180°로 회전되어 있다. 최종 측정 결과들은 서로 반대로 되며, 그에 따라 외부 연산 유닛에서의 평가 동안 고려되어야만 한다. 이 구조는, 예컨대 센서 요소의 전기 접속부들이 센서 요소의 길이방향 측부에만 있고, 센서 하우징의 상응하는 접점들의 열들에 직접 대면하는 경우에는, 센서 요소와 하우징의 전기 접속부들 사이의 전기 접속을 간략화할 수 있다.
도 2에 있어서는, 2개의 센서 요소가 서로 평행하게 배열되어 있다. 이 실시예에 있어서는, 최종 측정 결과들이 서로 일치한다.
도 3은 감자기 센서들이 자기장 소스 아래에 있는 비-이중적 배열을 도시한다. 자기장의 측정에 민감한, 공통 기판(5)에 통합된 홀 요소들(1, 2)의 축선들은 화살표들로 지시되어 있다.
도 4는 도 3에서 기술된 배열의 평면도를 도시한다.
도 5 내지 도 8은 적절한 자기장 소스들의 상이한 실시예들을 도시한다:
도 5 및 도 6은, 360°에 걸쳐 절대 회전방향 위치를 결정할 수 있게 하는, 2-자극 직경방향 자화를 갖춘 디스크 자석(7) 및 링 자석(9)을 도시한다.
도 7 및 도 8은 다중-자극 자화를 갖춘 디스크 자석(8) 및 링 자석(10)을 도시한다. 여기에 도시된 예시들은 4개의 자극을 갖춘 실시예를 도시하고 있지만, 본 발명의 용도가 이 자극 개수에 한정되는 것은 아니고, 오히려 임의의 원하는 개수의 자극 쌍들에 적용된다. 이들 실시예에서 절대적으로 측정될 수 있는 최대 회전방향 위치 범위는 360°/pp이고, 여기서 pp는 자석들의 자극 쌍들의 개수에 대응한다. 이들 자기장 소스들을 이용하는 경우
도 9는 축방향 구조로 회전방향 위치를 과다하게 측정하기 위한 실시예를 도시한다. 회전 축선(14) 둘레로 회전 가능하게 장착되는 물체(6)는, 물체에 연결되는 자기장 소스(7) 및 2개의 센서 시스템(3a, 3b)을 이용해서 측정 및 평가되는 그 축방향 자기장(Bz)를 포함한다.
자기장들의 측정에 민감한, 통합된 홀 센서들의 축선들은 화살표들의 형태로 지시되어 있다.
도 10은 도 9로부터의 축방향 실시예에 따른 구조의 평면도를 도시한다. 이 구조에 의하면, 회전 축선(14)이 센서들의 직접적인 접속로(1a→2a 및 1b→2b)를 벗어나 있어야만 하고, 그에 따라 회전 축선에 대한 센서들의 각도(αa 및 αb)는 180°로 되지 않는다. 그러나, 이들 중심맞춤 공차는 센서 시스템이 조립되고 나서의 기준 주행(reference run)에 의해 보상될 수 있기 때문에, 센서들을 회전 축선에 대하여 정확하게 중심맞춤(αa = αb)할 필요는 없다. 도 13은 상기와 같은 오정렬의 일례를 예시한다.
도 12는 대형 자석 직경들 또는 링 자석들에 대하여 사용될 수 있는 실시예를 도시한다. 센서 시스템은 회전 축선(14)에 대하여 편심되게 끼워맞춰진다. 이 구조도 마찬가지로 360°에 걸친 절대 회전방향 각도 결정을 가능하게 한다. 축방향 자기장(Bz)은 홀 센서들(1a 및 2a와 1b 및 2b) 형태의 감자기 센서들과의 자기장 소스의 상이한 반경들에서 감소되기 때문에, 양 센서 시스템(3a, 3b)에서 회전 축선에 대한 상이한 각도들(αa ≠ αb), 및 그에 따른 센서 신호들의 상이한 위상 각도들이 또한 생성된다. 그러나, 이들 상이한 위상 각도들은 센서 시스템이 조립되고 나서의 기준 주행에 의해 검출 및 보상될 수 있다.
도 13에 있어서, 센서들은 회전 축선에 대하여 접선방향으로 오프셋되어 있고, 그들의 중심에 대하여 회전된다. 상기와 같은 오정렬도 마찬가지로, 센서 시스템이 조립되고 나서의 기준 주행에 의해 보상될 수 있다.
관련된 방법을 이하에 설명한다.
도 14는 블록(100) 내의 아날로그 신호 처리 경로 및 블록(200) 내의 디지털 신호 처리 경로를 예시한다.
도 16에 도시된 예시적인 실시예에 있어서는, 홀 센서(1, 2) 형태의 감자기 센서로부터의 측정 신호들이, 30°의 위상 각도를 갖고, 이미 전치-증폭되어 있으며, 또한 위치결정 정확도 영향들 때문에 및 프로세스 공차들 때문에 오프셋 전압들 및 상이한 신호 레벨들에 의해 영향을 받게 되는 것으로 가정한다.
제 1 스텝에 있어서, 센서 신호들(101, 102)의 오프셋 전압은 차감되고, 신호 레벨들은 정규화된 신호 스윙(normalized signal swing)(예컨대 2 Vss)으로 조정된다. 정규화된 신호 레벨들은 신호들(111 및 112)로서 이용 가능하고, 도 17에 예시된다.
Offset1, Offset2, Gain1 및 Gain2에 대한 필요한 트리밍 값들을 계산하기 위해서는, 센서 신호들(101, 102)의 최소값 및 최대값을 결정하는 것으로 충분하다. 이는, 센서 신호들(101 및 102)의 최소값 및 최대값을 동시에 결정하면서, 자기장 소스를 간단히 회전시키는 것에 의해 유효해질 수 있다.
트리밍에 필요한 값들은, 다음과 같이 최소값 및 최대값으로부터 계산될 수 있다:
Figure 112014092813697-pct00001
[1]
Figure 112014092813697-pct00002
[2]
Figure 112014092813697-pct00003
[3]
Figure 112014092813697-pct00004
[4]
H1max , min = 센서 신호1(101)의 최대 및 최소값
H2max , min = 센서 신호2(102)의 최대 및 최소값
다음 스텝에 있어서는, 합(sum)(109) 및 차(difference)(110)가 이들 정규화된 신호들로부터 형성된다. 도 18은 이들 신호들을 예시한다.
차 신호(difference signal)에 대한 합 신호(sum signal)의 신호 스윙의 비는 입력 신호들(101, 102)의 위상 각도(φ)에 의존한다. 그러나, 차 신호에 대한 합 신호의 위상 각도(φ)는 항상 90°이다. 위상 각도 φ = 360° = 0° 및 φ = 180°인 특별한 경우들은 예외이고, 그 경우에는 φ = 180°에서 합 신호가 0이 되고, φ = 360° = 0°에서 차 신호가 0이 되기 때문에, 회전방향 위치를 결정하는 것이 불가능하다.
도 20은 이 관계를 그래프로 예시한다. X 축선은 입력 신호들(101, 102)의 위상 관계를 도시하고, Y 축선은 정규화된 차 신호에 대한 정규화된 합 신호의 피크값들의 진폭비를 도시한다.
합 신호를 차 신호로 나눈 피크값들의, 위상 각도에 대한 수학적 관계 =
Figure 112014092813697-pct00005
는 하기로부터 계산된다:
0° < φ <180°에 대해서는
Figure 112014092813697-pct00006
[5]
180° < φ <360°에 대해서는
Figure 112014092813697-pct00007
[6].
다음 스텝에 있어서, 합 신호(109) 및 차 신호(110)는, 도 19에 예시된 바와 같이, 미리 정해진 값, 예컨대 2 Vss로 차례로 정규화된다.
Gain3 및 Gain4에 대한 필요한 트리밍 값들을 계산하기 위해서는, 합 신호와 차 신호의 최소값 및 최대값을 결정하는 것으로 충분하다.
이는, 합 신호와 차 신호의 최소값 및 최대값을 동시에 결정하면서, 일 주기 전체에 걸쳐 자기장 소스(7, 8, 9, 10)(도 4 내지 도 8 참조)를 간단히 회전시키는 것에 의해 유효해질 수 있다.
트리밍에 필요한 값들은, 다음과 같이 최소값 및 최대값으로부터 계산될 수 있다:
Figure 112014092813697-pct00008
[7]
Figure 112014092813697-pct00009
[8]
정규화된 센서 신호들(107, 108)은 순수 사인곡선 파형에 대응하고 더 이상 오프셋 전압을 갖지 않으며, 합 및 차를 형성하는 것에 의해서도 추가적인 오프셋이 생성되지 않는 것으로 가정한다. 이는 합 신호와 차 신호의 최소값 및 최대값을 이용해서 검사될 수 있으며 수정되는 것도 가능하다:
Figure 112014092813697-pct00010
[9]
Figure 112014092813697-pct00011
[10]
따라서, 합 신호(113) 및 차 신호(114)의 정규화된 신호들은 정확히 90°에 걸쳐 위상-시프트되고 동일한 신호 스윙을 갖는 2개의 신호를 생성한다. 이들 신호는 즉시 위치 계산에 사용되며, 도 19를 참조한다.
정규화된 합 신호(113)는 이후에 Vsin에 의해 기술되며, 정규화된 차 신호(114)는 이후에 Vcos에 의해 기술된다.
Vsin = Gain3*[Gain1*(H1-Offset1)+Gain2*(H2-Offset2)] [11]
Vcos = Gain4*[Gain1*(H1-Offset1)-Gain2*(H2-Offset2)] [12]
여기서, H1 = 홀 센서1로부터의 센서 신호(101)
H2 = 홀 센서2로부터의 센서 신호(102)
Offset1 = 홀 센서1로부터의 오프셋 신호(103)
Offset2 = 홀 센서2로부터의 오프셋 신호(104)
Gain1 = 센서 신호 H1의 게인(105)
Gain2 = 센서 신호 H2의 게인(106)
Gain3 = 합 신호의 게인(111)
Gain4 = 차 신호의 게인(112).
신호들 Vsin(113) 및 Vcos(114)로부터 시작해서, 자기장 소스의 절대 위치 W(202)는 아크 탄젠트 함수, 즉
Figure 112014092813697-pct00012
[13]
또는 다른 적절한 좌표 변환 수단, 예컨대 디지털 CORDIC 알고리즘을 이용해서 결정될 수 있다.
좌표 변환의 크기값 B(203)는 모든 위치들에 대하여 일정하며, 다음과 같다:
Figure 112014092813697-pct00013
[14]
도 19는 정규화된 합 신호(113) = Vsin 및 정규화된 차 신호(114) = Vcos를 도시한다.
또한, Vsin 및 Vcos로부터 계산된 절대 회전방향 위치(202)는 +/- 180°의 스케일링으로 제 2 세로좌표 축선 상에 예시된다.
다수의 응용에 있어서, 계산된 회전방향 위치를 이동 가능한 요소(6)의 규정된 기계적 위치, 예컨대 로터리 액추에이터의 영점 위치(zero position)와 일치시키는데 유용할 수 있다. 이를 용이하게 하기 위해, 임의의 원하는 회전방향 위치는 영점 기준값(204)을 차감하는 것에 의해 영(zero)으로 설정될 수 있다.
또한, 지시된 회전방향 위치의 달성 정확도는 선형화 회로(205)에 의해 선택적으로 증가될 수 있다. 기존의 선형화 형태들은, 계산된 위치를 유저에 의해 규정된 기준점들로 조정하기 위한, 표들 또는 수학적 수정 함수들이다.
계산 및 선형화된 회전방향 위치 W_L은 이후에 아날로그 신호 파형(207) 또는 디지털 신호 파형(208)으로의 변환에 의해 유저에게 제공될 수 있다.
유리한 일 실시예에 있어서는, 도 15에 도시된 바와 같이, 신호 처리가 디지털로 수행될 수 있다. 감자기 센서들(1, 2)에 의해 생성된 신호들(101, 102)은 아날로그/디지털 컨버터(201/1)를 이용해서 즉시 디지털 신호 파형으로 변환되고, 도 14의 블록(100)에 기술된 신호 처리 스텝들이 디지털 연산 유닛에서 수행된다. 게인, 오프셋, 영점 및 선형화에 필요한 파라미터들은 디지털 메모리에 저장될 수 있다.
도 21은 축외 응용들에 대하여 방사상 구조로 회전방향 위치를 과다하게 측정하기 위한 장치의 실시예를 도시한다. 회전 축선(14) 둘레로 회전 가능하게 장착되는 물체(6)는 물체에 연결되는 2-자극 직경방향 자화 및 2개의 센서 요소(3a, 3b)를 이용해서 측정 및 평가되는 그 방사상계(radial field)를 갖춘 디스크 자석(7) 형태의 자기장 소스를 포함한다.
자기장의 측정에 민감한, 통합된 홀 센서들의 축선들은 화살표들의 형태로 지시되어 있다.
모든 홀 센서에 균등하게 작용함을 전제로, 측정된 신호들이 비율계측적으로 평가되는 한편, 그에 따라 신호 진폭에 있어서의 변화들이 보상되기 때문에, 예컨대 자석의 온도가 변할 때 발생하는 자기장 강도에 있어서의 절대 변화는 측정 원리의 정확도에는 영향이 미치지 않는다.
도 21의 경우에 있어서, 이는 자기장 소스가 끼워져 있는 회전 가능한 요소(6)가 축방향에 있어서 변위되는 경우에도 적용된다. 축방향 변위는 홀 센서 형태의 4개의 감자기 센서에서 상이한 신호 진폭들을 생성할 수 있지만, 이 신호 변화는 모든 홀 센서에 대하여 동일한 영향을 미치고, 그에 따라 보상된다.
이 실시예의 장점은, 특히, 회전 가능하게 장착된 부품들(6, 7)의 축방향 변위들에 대한 높은 공차이다.
또한, 자기장 소스의 자기장이 그 둘레에서 측정되기 때문에, 이 실시예는 링 자석들 및 중공 축들에 대해서도 적합하다.
도 22는 도 21의 평면도를 도시한다. 이들 공차가 센서 시스템이 조립되고 나서의 기준 주행에 의해 보상될 수 있기 때문에, 센서 요소들(3a, 3b)을 회전 축선(14)에 대하여 정확하게 중심맞춤할 필요는 없다.
도 23은 선형으로 이동 가능한 요소를 갖는 배열을 도시한다. 다중-자극 자기 스트립(15)이 축선(13)을 따라 선형으로 이동되는 요소(16)에 끼워지고, 이동 방향에 수직한 상기 자기 스트립의 자기장 Bz는 자기 스트립(15) 아래에 끼워지는 홀 센서(1, 2) 형태의 2개의 감자기 센서에 의해 측정된다. 자기장의 측정에 민감한, 공통 기판(5) 상에 통합된 홀 센서들(1, 2)의 축선들은 화살표들로 지시되어 있다.
자기 스트립(15)의 이동 중에 홀 센서들(1, 2)에 의해 측정된 자기장은 사인곡선 프로파일을 가지며, 홀 센서들에 의해 측정된 신호들(101, 102)은 서로에 대하여 위상 오프셋을 갖는다. 자석의 자극들의 길이는 넓은 범위에서 변경될 수 있지만, 2개의 센서 신호의 위상 오프셋이 180° 및 360°로 되지 않는 것이 보장되어야 한다. 180°의 위상 오프셋은 이동 방향에 있어서의 홀 센서들간의 거리가 자기 스트립의 하나의 자극의 길이와 동일한 경우에 생성된다. 360°의 위상 오프셋은 이동 방향에 있어서의 홀 센서들간의 거리가 자기 스트립의 하나의 자극 쌍의 길이 또는 그 정수배와 동일한 경우에 생성된다.
도 24는 선형으로 이동되는 물체(16)의 위치를 과다하게 결정하기 위한 다중-자극 자기 스트립(15)을 갖는 센서 시스템을 도시한다. 하나의 자극 쌍의 길이에 대응하는 길이에 걸쳐 절대 선형 위치가 결정될 수 있다. 다중-자극 자기 스트립(18) 형태의 자기장 소스의 자극 쌍들의 길이 및 이동 방향에 있어서의 감자기 센서들간의 거리는 최종 위상 오프셋이 180° 및 360°로 되지 않게 하는 방식으로 선택되어야 한다.
상기 표에서 기술된 바와 같이, 절대 회전방향 위치를 결정하는데 이용된 것과 동일한 방법이 절대 선형 위치를 결정하기 위해 이용된다.
본 발명은 예시들 및 도면들을 이용해서 더 상세히 설명되었으며, 어떤 경우에도 이 기재는 본 발명을 제한하려는 것이 아니다. 하기의 청구항들의 범위로부터 일탈함이 없이 전문가들이 변경 및 수정을 가할 수 있음은 말할 것도 없다. 특히, 본 발명은 여기에 기술된 상이한 실시예들의 특징들의 임의의 조합을 갖춘 실시예들을 포함한다.
1 제 1 감자기 센서(First magnetosensitive sensor)
1a 제 1 센서 요소의 제 1 감자기 센서(First magnetosensitive sensor of the first sensor element)
1b 제 2 센서 요소의 제 1 감자기 센서(First magnetosensitive sensor of the second sensor element)
2 제 2 감자기 센서(Second magnetosensitive sensor)
2a 제 1 센서 요소의 제 2 감자기 센서(Second magnetosensitive sensor of the first sensor element)
2b 제 2 센서 요소의 제 2 감자기 센서(Second magnetosensitive sensor of the second sensor element)
3 2개의 감자기 센서를 포함하는 센서 요소(Sensor element comprising two magnetosensitive sensors)
3a 제 1 센서 요소(First sensor element)
3b 제 2 센서 요소(Second sensor element)
2 제 2 감자기 센서(Second magnetosensitive sensor)
4 공통 하우징(Common housing)
5 공통 기판(Common substrate)
6 회전 가능한 요소(Rotatable element)
7 2-자극 직경방향 자화를 갖춘 디스크 자석(Disk magnet with two-pole diametric magnetization)
8 다중-자극 자화를 갖춘 디스크 자석(Disk magnet with multi-pole magnetization)
9 2-자극 직경방향 자화를 갖춘 링 자석(Ring magnet with two-pole diametric magnetization)
10 다중-자극 자화를 갖춘 링 자석(Ring magnet with multi-pole magnetization)
13 축선(Axis)
14 회전 축선(Axis of rotation)
15 다중-자극 자기 스트립(Multi-pole magnetic strip)
16 선형으로 이동 가능한 요소(Linearly movable element)
101 제 1 센서 신호(First sensor signal)
102 제 2 센서 신호(Second sensor signal)
103 제 1 오프셋(First offset)
104 제 2 오프셋(Second offset)
105 제 1 게인(First gain)
106 제 2 게인(Second gain)
107 제 1 정규화된 센서 신호(First normalized sensor signal)
108 제 2 정규화된 센서 신호(Second normalized sensor signal)
109 합 신호(Sum signal)
110 차 신호(Difference signal)
111 제 3 게인(Third gain)
112 제 4 게인(Fourth gain)
113 정규화된 합 신호(Normalized sum signal)
114 정규화된 차 신호(Normalized difference signal)
202 절대 회전방향 위치(Absolute rotational position)
203 좌표 변환의 크기값 B(Magnitude value B of the coordinate transformation)
207 아날로그 신호 파형(Analog signal waveform)
208 디지털 신호 파형(Digital signal waveform)
100 아날로그 신호 처리 블록(Analog signal processing block)
200 디지털 신호 처리 블록(Digital signal processing block)

Claims (15)

  1. 감자기 센서들에 대하여 이동 가능한 요소의 절대 위치를 비접촉식으로 검출하는 장치로서, 상기 이동 가능한 요소(6)에는 자기장 소스가 체결되어 있고, 일 평면에 있으며 또한 이동 방향에서 공간적으로 오프셋되어 있는 2개의 감자기 센서(1, 2)가, 제 1 센서 신호(101)를 제 1 감자기 센서를 이용해서 측정할 수 있고 제 2 센서 신호(102)를 제 2 감자기 센서를 이용해서 측정할 수 있는 방식으로, 상기 자기장 소스(15)로부터 떨어져서 배치되고, 상기 제 1 센서 신호(101) 및 상기 제 2 센서 신호(102)는 자기장의 성분을 나타내고, 상기 센서 신호들(101, 102)은 위상 오프셋(φ)의 범위가 0° < φ <180° 또는 180° < φ <360°인, 장치에 있어서,
    상기 장치는 2개의 센서 요소(3a, 3b)를 구비하고, 상기 장치는 상기 센서 요소들(3a, 3b) 각각에 상기와 같은 2개의 감자기 센서(1, 2)가 배치되도록 이중적인 디자인(redundant design)을 가지며, 상기 감자기 센서들(1, 2) 및 상기 센서 요소들(3a, 3b)은 센서 칩 상에 함께 통합되는 것을 특징으로 하는
    장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 이동 가능한 요소는 회전 가능하게 장착되고, 상기 평면은 회전 축선에 대하여 평행하게 배치되고, 상기 2개의 센서 요소(3a, 3b)는 상기 회전 축선에 평행한 상기 자기장 소스의 측면에 고정식으로 끼워지는 공통 하우징(4)에 수용되고, 상기 센서 요소 각각은, 일 평면에 있으며 또한 회전방향 이동의 방향에서 공간적으로 오프셋되는 2개의 감자기 센서((1a, 2a) 및 (1b, 2b))를 연계된 평가 전자기기들과 함께 포함하고, 상기 자기장의 방사상 성분을 검출 및 평가하는 것을 특징으로 하는
    장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 이동 가능한 요소는 회전 가능하게 장착되고, 상기 평면은 상기 회전 축선에 대하여 수직하게 배치되고, 상기 2개의 센서 요소(3a, 3b)는 상기 평면에 평행한 고정식으로 끼워지는 공통 하우징(4)에 수용되고, 상기 센서 요소 각각은, 일 평면에 있으며 또한 회전방향 이동의 방향에서 공간적으로 오프셋되는 2개의 감자기 센서((1a, 2a) 및 (1b, 2b))를 연계된 평가 전자기기들과 함께 포함하고, 상기 자기장의 축방향 성분을 검출 및 평가하는 것을 특징으로 하는
    장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 감자기 센서들은 상기 공통 하우징(4) 내에서 상기 회전 축선 주위에 등거리로 및 대칭으로 배치되는 것을 특징으로 하는
    장치.
  5. 제 2 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    360°의 각도 범위에 걸쳐 절대 회전방향 위치가 검출되고, 상기 자기장 소스는 2-자극 직경방향 자화를 갖춘 디스크 자석(7) 또는 링 자석(9)의 형태로 되는 것을 특징으로 하는
    장치.
  6. 제 2 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    360° 미만의 각도 범위에 걸쳐 절대 회전방향 위치가 검출되고, 상기 자기장 소스는 다중-자극 자화를 갖춘 디스크 자석(8) 또는 링 자석(10)의 형태로 되는 것을 특징으로 하는
    장치.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상대적으로 이동 가능한 상기 요소는 선형으로 변위 가능하고, 다중-자극 자기 스트립의 형태로 되며 동일한 길이의 자극들을 갖는 자기장 소스는 상대적으로 이동 가능한 상기 요소에 체결되고, 상기 감자기 센서들은 이동 방향에 수직한 자기 성분을 검출하고, 그 경우에 센서 요소의 2개의 감자기 센서간의 거리, 자극들의 길이 및 자기장 소스에 대한 상기 감자기 센서들의 위치는 각각의 센서 요소로부터의 센서 신호들의 최종 위상 오프셋이 180° 및 360°로 되지 않는 방식으로 선택되어야 하는 것을 특징으로 하는
    장치.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 2개의 센서 요소(3a, 3b)는 상기 이동 방향에 평행한 상기 자기장 소스(15)로부터 떨어져서 고정식으로 끼워지는 공통 하우징(4)에 수용되고, 상기 센서 요소 각각은, 일 평면에 있으며 또한 상기 이동 방향에서 공간적으로 오프셋되는 2개의 감자기 센서((1a, 2a) 및 (1b, 2b))를 연계된 평가 전자기기들과 함께 포함하고, 상기 자기장의 성분을 검출 및 평가하고, 절대적으로 즉시 측정될 수 있는 범위는 상기 자기장 소스(15)의 자극 쌍의 길이에 대응하는 것을 특징으로 하는
    장치.
  9. 상대적으로 이동 가능한 요소를 비접촉식으로 검출하는 장치를 이용해서 감자기 센서들에 대하여 이동 가능한 요소의 절대 위치를 결정하는 방법으로서, 상기 이동 가능한 요소(6)에는 자기장 소스가 체결되어 있고, 제 1 센서 요소 및 제 2 센서 요소가 상기 자기장 소스로부터 떨어져서 배치되고, 이동 방향에서 공간적으로 오프셋되는 2개의 감자기 센서(1, 2)가 각각의 센서 요소에 배치되고, 제 1 센서 신호(101)가 각각의 센서 요소의 제 1 감자기 센서를 이용해서 측정되며 제 2 센서 신호(102)가 각각의 센서 요소의 제 2 감자기 센서를 이용해서 측정되게 준비되고, 상기 제 1 센서 신호(101) 및 상기 제 2 센서 신호(102)는 자기장의 성분을 나타내고, 상기 센서 신호들(101, 102)은 위상 오프셋(φ)의 범위가 0° < φ <180° 또는 180° < φ <360°이고,
    - 각각의 센서 신호(101, 102)의 최대값과 최소값 사이의 차이에 의해 미리 규정 가능한 신호 스윙을 분할함으로써 진폭 비율들을 결정하는 단계,
    - 상기 센서 신호들(101, 102)의 최소값 및 최대값으로부터, 상기 센서 신호들(101, 102)의 각각의 영점 주위의 오프셋 값들(103, 104)을 결정하는 단계,
    - 상기 오프셋 값들을 상기 센서 신호들(101, 102)로부터 차감하는 것에 의해 또한 상기 진폭 비율들에 의한 정규화에 의해, 정규화된 센서 신호들(107, 108)을 계산하는 단계 ―양 센서들(1, 2)로부터 상기 센서 신호들(101, 102)을 동시에 검출하면서 완전한 이동 경로에 걸쳐 상기 요소 및 거기에 체결된 상기 자기장 소스의 상대적인 이동에 의해 상기 최소값 및 최대값이 결정됨―,
    - 상기 정규화된 센서 신호들(107, 108)로부터 합 신호(109) 및 차 신호(110)를 형성하는 단계,
    - 상기 진폭 비율의 결정 이후에 상기 합 신호(109) 및 상기 차 신호(110)를 차례로 정규화(113, 114)하는 단계 ―동시에 상기 합 신호(109) 및 상기 차 신호(110)를 측정하며 상기 합 신호(109)와 상기 차 신호(110)의 최소값 및 최대값을 평가하면서, 완전한 이동 경로에 걸쳐 상기 요소 및 거기에 체결된 상기 자기장 소스의 상대적인 이동에 의해 상기 최소값 및 최대값이 결정됨―,
    - 정규화된 합 신호(113) 및 정규화된 차 신호(114)를 이용해서 상기 자기장 소스의 절대 위치(202)를 계산하는 단계를 포함하고,
    센서 요소(3a, 3b)의 2 쌍의 감자기 센서들(1, 2)의 상기 센서 신호들에 대한 절대 위치가 이중적으로(redundantly) 결정되는 것을 특징으로 하는
    방법.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 이동 가능한 요소는 회전 가능한 요소이고, 상기 자기장 소스의 절대 회전방향 위치(202)가 계산되는 것을 특징으로 하는
    방법.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 절대 회전방향 위치는 상기 정규화된 합 신호(113) 및 상기 정규화된 차 신호(114)의 비율의 아크 탄젠트를 형성함으로써 계산되는 것을 특징으로 하는
    방법.
  12. 제 9 항에 있어서,
    상기 이동 가능한 요소는 선형으로 변위 가능한 요소이며, 절대 선형 위치가 결정되는 것을 특징으로 하는
    방법.
  13. 제 10 항 또는 제 12 항에 있어서,
    상기 자기장 소스의 절대 위치는 좌표 변환 알고리즘을 이용해서 계산되는 것을 특징으로 하는
    방법.
  14. 제 10 항 또는 제 12 항에 있어서,
    상기 자기장 소스의 절대 위치는 CORDIC 알고리즘을 이용해서 계산되는 것을 특징으로 하는
    방법.
  15. 삭제
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