KR101953009B1 - 자기 각 위치 센서 - Google Patents

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Abstract

자기 각 위치 센서 시스템이 본 명세서에 기술된다. 하나의 예시적인 실시예에 따르면, 각 위치 센서 시스템은 회전 축 둘레에서 회전가능한 샤프트를 포함하고, 샤프트는 연질의 자기 샤프트 종단 부분을 갖는다. 시스템은, 샤프트 종단 부분으로부터 축 방향으로 이격되고, 상기 회전 축에 실질적으로 직교하는 센서 평면을 한정하는 센서 칩을 더 포함한다. 적어도 4개의 자기장 센서 요소 - 자기장 센서 요소 중 2개는 서로로부터 이격되고 제1 방향으로의 자기장 성분에만 민감하고, 자기장 센서 요소 중 2개는 서로로부터 이격되고 제2 방향으로의 자기장 성분에만 민감하며, 이에 의해 제1 방향과 제2 방향은 상호 비평행하고, 제1 방향과 제2 방향은 회전 축에 직교함 - 가 센서 칩에 통합된다. 또한, 시스템은 샤프트 종단 부분을 자화시키는 자기장 소스 - 샤프트 종단 부분은 자기장 소스에 의해 야기되는 센서 평면 내의 자기장이 차수 N에 대해 회전적으로 대칭이도록 형성되고, N은 유한 정수 ≥ 1임 - 를 포함한다. 시스템은, 또한, 적어도 4개의 자기장 센서 요소에 커플링되고, 적어도 4개의 자기장 센서 요소의 출력 신호를 조합함으로써 샤프트의 각 위치를 계산하도록 구성된 회로를 포함한다.

Description

자기 각 위치 센서{MAGNETIC ANGULAR POSITION SENSOR}
본 발명은 일반적으로 자기장 센서를 활용하여 각도 값을 측정하는 각 위치 센서에 관한 것이고, 더 구체적으로는, 브러시리스 직류(DC) 모터를 포함하는 다양한 애플리케이션을 갖는 온-축(on-axis) 각 위치 센서, 시스템, 및 방법에 관한 것이다.
자기장 센서는 샤프트 또는 다른 물체의 각 위치를 감지하는 데 사용될 수 있다. 예를 들어, 영구 자석이 샤프트 상에 실장될 수 있고, 자기장 센서가 자석에 근접하게 배열되어, 그것이 샤프트를 중심으로 회전함에 따라 자석에 의해 생성되는 자기장을 감지할 수 있다. 자기장 센서가 샤프트의 회전 축으로부터 특정 거리에서 샤프트 옆에 실장되는 경우, 센서는 종종 "오프-축(off-axis)" 자기 각 위치 센서로 지칭된다. 오프-축 자기 각 위치 센서는, 종종 샤프트의 전면측이 (예컨대, 샤프트의 특정 사용 또는 어셈블리로 인해) 액세스불가능하고 그에 따라 센서 요소가 회전 축 상에 실장될 수 없는 경우에 구현된다. 반대로, “온-축” 자기 각 위치 센서는 그의 전면측에 대면하는 샤프트의 하나의 종단에 또는 그에 근접해서, 그리고 일반적으로, 회전 축과 정렬하여 또는 그에 대칭으로 실장된다. 일부 실시예에서, 온-축 자기장 각 센서는 자기장 구배(magnetic field gradient)를 측정하도록 설계될 수 있다. 이러한 목적을 위해, 자기장은 회전 축의 대향측들에 또는 회전 축에 대칭으로 배열되는 2개의 상이한 지점들에서 측정될 수 있다. 이어서, 구배는, 예컨대 감산에 의해 2개의 측정된 자기장 값을 조합함으로써 많은 애플리케이션에 대해 충분한 근사화에서 결정될 수 있다.
많은 애플리케이션에서, 자기 각 위치 센서가 비싸지 않고, 또한 외부 자기장 및 다른 교란에 대해 강건하고 어셈블리 공차에 둔감한 것이 일반적인 설계 목적이다. 자기장 각 센서에 대한 하나의 특정 애플리케이션은 회전 동안에 (각) 샤프트 위치의 검출을 위한 브러시리스 DC(brushless DC, BLDC) 모터 내에서 센서를 사용하는 것이다. BLDC 모터는 자기장 센서에 대한 도전적 환경을 제시하는데, 이는, 그들이, 전형적으로, 큰 전류를 전달하는 구리 배선 및 강한 회전 자석을 포함하기 때문으로, 이 둘은 각 위치를 측정하는 데 이용되는 자기장과 간섭하고 그에 따라 측정 에러를 가져오는 시변 자기장을 생성한다. 이들 교란 자기장은 강하게 불균질한데, 이는 각 위치 측정에 대한 그들의 효과를 제거하기 어렵게 만든다. 이들 문제의 관점에서, 자기 각 위치 센서에서의 개선이 일반적으로 필요하다.
자기 각 위치 센서 시스템이 본 명세서에 기술된다. 하나의 예시적인 실시예에 따르면, 각 위치 센서 시스템은 회전 축 둘레에서 회전가능한 샤프트를 포함하고, 샤프트는 연질의 자기 샤프트 종단 부분을 갖는다. 시스템은, 샤프트 종단 부분으로부터 축 방향으로 이격되고, 상기 회전 축에 실질적으로 직교하는 센서 평면을 한정하는 센서 칩을 추가로 포함한다. 적어도 4개의 자기장 센서 요소 - 자기장 센서 요소 중 2개는 서로로부터 이격되고 제1 방향으로의 자기장 성분에만 민감하고, 자기장 센서 요소 중 2개는 서로로부터 이격되고 제2 방향으로의 자기장 성분에만 민감하고, 이에 의해 제1 방향과 제2 방향은 상호 비평행하고, 제1 방향과 제2 방향은 회전 축에 직교함 - 이 센서 칩에 통합된다. 또한, 시스템은 샤프트 종단 부분을 자화시키는 자기장 소스 - 샤프트 종단 부분은 자기장 소스에 의해 야기되는 센서 평면 내의 자기장이 차수 N에 대해 회전적으로 대칭이도록 형성되고, N은 유한 정수 ≥ 1임 - 를 포함한다. 시스템은, 또한, 적어도 4개의 자기장 센서 요소에 커플링되고, 적어도 4개의 자기장 센서 요소의 출력 신호를 조합함으로써 샤프트의 각 위치를 계산하도록 구성된 회로를 포함한다.
다른 예시적인 실시예에 따르면, 각 위치 센서 시스템은 회전 축 둘레에서 회전가능한 샤프트를 포함하고, 샤프트는 연질의 자기 샤프트 종단 부분을 갖는다. 시스템은, 샤프트 종단 부분으로부터 축 방향으로 이격되고, 상기 회전 축에 실질적으로 직교하는 센서 평면을 한정하는 센서 칩을 추가로 포함한다. 적어도 4개의 자기장 센서 요소가 센서 칩에 통합되고, 자기장 센서 요소 중 제1 및 제2 자기장 센서 요소가 서로로부터 이격되고 제1 방향으로의 자기장 성분에 민감하다. 자기장 센서 요소 중 제3 및 제4 자기장 센서 요소가 서로로부터 이격되고 제2 방향으로의 자기장 성분에 민감하고, 제1 및 제2 방향은 상호 비평행하고 회전 축에 직교한다. 또한, 시스템은 샤프트 종단 부분을 자화시키는 자기장 소스 - 샤프트 종단 부분은 자기장 소스에 의해 야기되는 센서 평면 내의 자기장이 차수 N에 대해 회전적으로 대칭이도록 형성되고, 이에 의해 N은 유한 정수 ≥ 1임 - 를 포함한다. 시스템은, 또한, 적어도 4개의 자기장 센서 요소에 커플링되고, 제1 자기장 센서 요소 및 제2 자기장 센서 요소에 의해 감지되는 자기장 성분들의 차이를 표현하는 제1 신호를 계산하도록; 제3 자기장 센서 요소 및 제4 자기장 센서 요소에 의해 감지되는 자기장 성분들의 차이를 표현하는 제2 신호를 계산하도록; 그리고 적어도 제1 신호와 제2 신호를 조합함으로써 샤프트의 각 위치를 계산하도록 구성된 신호 처리 회로를 포함한다.
또한, 전기 모터 어셈블리가 본 명세서에 기술된다. 하나의 예시적인 실시예에 따르면, 전기 모터는, 적어도 하나의 고정자 코일을 포함하는 고정자, 적어도 전면측 및 연질의 자기 샤프트 종단 부분을 갖는 샤프트를 포함하는 회전자, 및 샤프트의 전면측과 대면하도록 배열되는 PCB(printed circuit board)를 포함한다. 적어도 하나의 센서 칩이 PCB에 부착되고 샤프트 종단 부분으로부터 이격된다. 적어도 4개의 자기장 센서 요소 - 자기장 센서 요소 중 2개는 서로로부터 이격되고 제1 방향으로의 자기장 성분에만 민감하고, 자기장 센서 요소 중 2개는 서로로부터 이격되고 제2 방향으로의 자기장 성분에만 민감하고, 이에 의해 제1 방향과 제2 방향은 실질적으로 상호 비평행하고, 제1 방향과 제2 방향은 회전 축에 직교함 - 이 적어도 하나의 센서 칩에 배열된다. 샤프트 종단 부분을 자화시키는 자기장 소스 - 샤프트 종단 부분은 제1 및 제2 방향으로의 자기장 성분이 차수 N에 대해 회전적으로 대칭이도록 형성되고, N은 유한 정수 ≥ 1임 - 가 제공된다. 평가 회로가, 적어도 4개의 자기장 센서 요소에 커플링되고, 적어도 4개의 자기장 센서 요소의 적어도 4개의 출력 신호를 조합함으로써 샤프트의 각 위치를 계산하도록 구성된다. 또한, 전력 전자 회로가 PCB 상에 배열되고, 고정자 코일에 커플링되며, 고정자 코일에 동작 전류를 공급하도록 구성된다.
또한, 연질의 자기 샤프트 종단 부분을 포함하는 샤프트의 각 위치를 측정하기 위한 방법이 본 명세서에 기술된다. 하나의 예시적인 실시예에서, 방법은, 샤프트 종단 부분을 자화시키는 단계 - 샤프트 종단 부분은 샤프트의 회전 축에 실질적으로 직교하는 센서 평면에서의 제1 및 제2 방향으로의 자기장 성분이 차수 N과 회전적으로 대칭이도록 형성되고, 이에 의해 N은 유한 정수 ≥ 1임 - 를 포함한다. 방법은, 센서 평면에서의 적어도 제1 위치 및 제1 위치와는 상이한 제2 위치에서 제1 방향으로의 자기장 성분을 감지하는 단계뿐 아니라 센서 평면에서의 적어도 제3 위치 및 제3 위치와는 상이한 제4 위치에서 제2 방향으로의 자기장 성분을 감지하는 단계를 추가로 포함한다. 또한, 방법은, 제1 위치와 제2 위치에서의 자기장 성분들의 차이에 기초하여, 그리고 제3 위치와 제4 위치에서의 자기장 성분들의 차이에 기초하여, 샤프트의 각 위치를 그의 회전 축에 대해 계산하는 단계를 포함한다.
본 발명은 하기의 설명 및 도면을 참조하면 더 잘 이해될 수 있다. 도면 내의 컴포넌트는 반드시 실제 크기에 비례하여 도시되지는 않고, 대신, 본 발명의 원리를 설명할 시에 강조가 된다. 또한, 도면에서, 동일한 참조 번호는 대응하는 부분을 지정한다.
도 1은 온-축 각 위치 센서의 세로 섹션을 도시한 단면도이다.
도 2는 PCB 상의 고전류로 인한 교란 자기장을 예시한다.
도 3은 일 실시예에 따른 온-축 각 위치 센서 배열물의 세로 섹션 및 축을 중심으로 회전하는 샤프트를 통과하는 단면을 예시한다.
도 4는 온-축 각 위치 센서에서 사용될 샤프트 종단 부분의 3개의 상이한 예들을 예시한다.
도 5는 온-축 각 위치 센서에서 사용될 샤프트 종단 부분의 다른 예를 예시한다.
도 6은 다른 실시예에 따른 온-축 각 위치 센서 배열물로서, 샤프트 종단 부분에서의 홈에 영국 자석이 충전된 온-축 각 위치 센서의 세로 섹션을 예시한다.
도 7은 차수 3의 회전 대칭성을 갖는 샤프트 종단 부분의 일례를 예시한다.
도 8은 자기 재료의 가요성 스프링을 갖는 각 위치 센서 배열물의 추가 실시예를 통과하는 세로 섹션을 예시한다.
도 9는 도 7에 도시된 가요성 스프링의 2개의 예시적인 구현예들을 - 자기장 센서를 소지한 회로 보드 상에서의 상면도에서 - 예시한다.
도 10은 자기 재료의 가요성 스프링을 갖는 각 위치 센서 배열물의 추가 실시예를 통과하는 세로 섹션을 예시한다.
도 11은 자기 재료의 가요성 스프링을 갖는 각 위치 센서 배열물의 추가 실시예를 통과하는 세로 섹션을 예시한다.
도 12 내지 도 14는 자기 각 위치 센서에서 사용될 자기장 센서 요소의 상이한 예시적인 배열물들을 예시한다.
도 15 및 도 16은 온-축 각 위치 센서가 브러시리스 DC(BLCD) 모터에서 사용될 수 있는 방법의 2개의 상이한 예를 예시한다.
본 명세서에 기술되는 실시예는 자석 또는 샤프트의 회전 축에 대한 센서 요소의 온-축 배열물을 갖는 자기 각 위치 센서에서 사용되는 자기장 센서에 관한 것이다. 일 실시예에서, 자기 각 위치 센서가 회전가능한 샤프트에 대한 온-축 구성에 실장된다. 샤프트는 연질의 자기 재료 또는 영구 자석으로 구성될 수 있는 종단 부분을 포함한다. 샤프트의 종단 부분은 센서와 대면하는 전단 표면을 가질 수 있고, 샤프트의 회전 축에 대해 회전적으로 비대칭일 수 있다. 센서는 회전 축에 일반적으로 직교하는 평면에 배열되는 적어도 3개의 자기장 센서 요소를 포함한다. 자기장 센서 요소에 커플링된 회로는 적어도 3개의 자기장 센서 요소의 신호를 조합함으로써 샤프트의 회전 위치를 추정하도록 구성된다. 다양한 애플리케이션이 센서의 다양한 실시예를 위해 존재하지만, 일부 실시예는, 다른 애플리케이션 중에서도 특히, BLDC 모터에서 또는 그와 함께 사용하는 데 특히 적합할 수 있다. 본 명세서에서 방향(즉, 하향, 상향, 우향, 좌향 등)에 대한 임의의 특정 언급은 특정 도면에 대해서만 언급하는 것이고, 청구범위를 제한하는 것이 아니다.
온-축 각 위치 센서 시스템(100)의 일례가 도 1에 예시되어 있다. 센서 시스템(100)은 영구 자석(102)과 같은 자기장 소스, 및 PCB(108) 상에 배열되는 센서 패키지(106)를 포함한다. 센서 패키지(106)는, 회전 축 둘레에서 회전하도록 구성된 샤프트(104)의 종단 부분과 영구 자석(102) 사이에 - 적어도 - 부분적으로 배열된다. 도 1에서, 회전 축은 직교 좌표계의 z 축으로서 정의되고, x-y 평면은 회전 축에 직교한다.
일부 실시예에서, 영구 자석(102)은 페라이트 자석을 포함한다. 페라이트 자석은 다른 타입의 자석(예컨대, 희토 자석)보다 덜 비쌀 수 있고, 전체 시스템 비용을 낮추는 데 기여할 수 있다. 그러나, 다른 실시예에서는, 희토 자석 또는 다른 타입의 자석이 사용될 수 있다. 일부 실시예에서, 자석(102)은 심지어 생략될 수 있다. 이러한 경우에 있어서, 샤프트(104)의 종단 부분은 현저한 잔류 자화를 갖는다. 예를 들어, 자석(102)은 Sr-페라이트, Ba-페라이트, 또는 일부 다른 페라이트, AlNiCo, NdFeB 또는 SmCo와 같은 희토 재료, 또는 일부 다른 적합한 재료를 포함할 수 있다. 일반적으로, 자석(102)은 적어도 약 100 mT의 잔류 자화 및 충분한 보자력을 가져서 자석(102)의 안정성을 보장하는 재료를 포함한다.
도 1에 도시된 예에서, 자석(102)은 축 방향으로 자화된다(도 1에서의 화살표 참조). 즉, 자석(102)의 자화 배향은 샤프트(104)의 회전 축(z-축)에 대체로 평행한다. 다른 실시예에서, 자석(102)은 반경 방향으로 자화될 수 있다. 그러나, 자석(102)은 보통 (반드시 그러한 것은 아니지만) 회전적으로 대칭이다(즉, 기하구조 및 자화가 회전 축에 대한 각 위치에 의존하지 않도록 기하 대칭성과 자기 대칭성 양측 모두를 갖는다). 예를 들어, 자석(102)은 도 1의 실시예에 도시된 바와 같은 원통형 형상을 가질 수 있다. 그러나, 다른 실시예에서는 자화의 다른 형상 및 방향이 사용될 수 있다. 그러나, 일반적으로, 자석(102)은 회전 대칭성을 가지며, 동작 동안, 회전 축에 대해 회전적으로 대칭인 자기장을 제공한다. 그러나, 샤프트(104)의 종단 부분의 비회전적으로 대칭인 기하구조는 이러한 회전 대칭성을 방지한다. 결과적인 비대칭성으로 인해, 샤프트(104)의 각 위치가 각 위치 센서에 의해 검출될 수 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 샤프트(104)는 센서 패키지(106)에 반대로 배열된 전면측(표면(105))의 종단 부분을 포함한다. 언급된 바와 같이, 샤프트(104)는 일반적으로 회전 대칭으로 배열되고, 반면에 샤프트(104)의 전면측(front side)(105)은 회전 축에 대해 비대칭일 수 있다. 도 1의 예에서, 전면측(105)은 x-y 평면에 대해 각도 α 만큼 기울어져 있다. 일 실시예에서, 각도 α는 약 15도이지만, 그것은 다른 실시예에서 더 크거나 작을 수 있다. 이론적으로, 각도 α는 0도 내지 90도 사이일 수 있고, 실제 구현예에서, α는, 예를 들어 약 5도 내지 약 25도 사이일 수 있다. α가 0도보다 크다는 사실로 인해, 에어 갭의 (z 방향으로의) 크기는 x-y 평면 내의 특정 위치에서 대체로 샤프트(104)의 각 위치에 의존한다.
일부 실시예에서, 샤프트(104)는, 철 또는 연강(mild steel)처럼, 약 1,600(강철) 내지 4,000(철) 범위 내의 상대 유전율 μR을 갖는 연질의 자기 재료와 같은 함철 재료를 포함한다. 대체로, 샤프트(104)는 약 100보다 크거나 또는 약 1,000보다 큰 상대 유전율을 갖는 함철 재료를 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 샤프트의 종단 부분만이 자기 재료를 포함하고, 반면에 샤프트(104)의 나머지가 주로 비철 합금, 비자기 또는 저자기 강철, 또는 다른 재료와 같은 비자기 재료로 제조된다.
도 1에 도시된 바와 같이, 센서 패키지(106)는 대체로 영구 자석(102)과 샤프트(104)의 전면측(105) 사이에 배열된다. x-y 평면은 자기장 센서 요소(114a, 114b)가 칩 패키지 내에 배열되게 되는 평면으로서 정의된다. 따라서, x-y 평면과 샤프트(104)의 전면측(105) 사이의 축 방향 거리는 자기 회로의 유효 에어 갭(effective air gap)이다. 센서 패키지(106)는 회전 축과 실질적으로 정렬하게 배열될 수 있고, 이에 따라 온-축 센서 배열물을 형성한다. 센서 패키지(106)는 자기장 센서 요소(114a, 114b)가 통합되게 되는 적어도 하나의 반도체 다이(110)를 포함한다. 반도체 다이(110)는 회전 축(z 축)에 대체로 직교하고, 센서 요소(11a, 114b)의 감지 평면(즉, x-y 평면)인 주 표면(112)을 포함한다. 오직 2개의 센서 요소(114a, 114b)가 도 1의 단면도에 도시되어 있다. 그러나, 각 위치 센서는 적어도 3개의 센서 요소, 일부 구성에서는 적어도 4개의 센서 요소를 포함한다. 양측 경우들 모두에 있어서, 센서 요소는 서로로부터 상호 이격되고, 제각기의 센서 요소는 제각기의 센서 요소의 위치에서 그리고 제각기의 센서 요소의 감지 방향으로 자기장 성분을 대표하는 별도 센서 신호를 제공한다.
일부 실시예에서, 패키지(106)는 반도체 다이(110)가 리드 프레임(116)에 부착되게 되는 SMD(surface-mounted device)이다. 리드 프레임(116)은 PCB(108)에 솔더링되는 핀을 포함한다. 도 1의 실시예에서, 영구 자석(102)은 PCB(108)에서 적어도 부분적으로 개구(130) 내에 배열되어, 영구 자석(102)이 패키지(106)의 배면측에 닿을 수 있게 한다. 그러나, 개구는 영구 자석(102)이 PCB(108) 아래에 실장될 수 있게 되는 다른 실시예에서 필요하지 않다. 예를 들어, 일 실시예에서, 영구 자석(102)은 PCB(108)의 배면측에 실장된다. 이러한 맥락에서, 패키지의 배면측은 전면측에 반대되는 측이고, 패키지(106)의 전면측은 샤프트의 전면측(105)과 대면하는 측이다. 각 위치 센서의 셋업이 다른 실시예에서 도 1에 도시된 예와는 상이할 수 있다는 것에 주목한다. 예를 들어, 칩 패키지를 사용하는 대신에 베어 다이가 PCB에 실장될 수 있다. 다른 실시예에서, 센서 요소(114a, 114b)는 하나 이상의 칩 패키지 내의 별도 반도체 다이에 배열될 수 있다. 일부 실시예에서, 영구 자석(102)은 PCB(108)의 저부측에 부착될 수 있고, 또는 센서 패키지(106)에 통합될 수 있다.
센서 요소(114)(114a, 114b에 대해 총체적)는 축 방향으로의 자기장 성분 또는 반경 방향으로의 자기장 성분에 민감할 수 있다. 다양한 실시예에서, 센서 요소(114)는 MR(magneto-resistive) 센서 요소(예컨대, AMR, GMR, TMR, CMR, 및 기타), GMI(giant magneto-impedance) 센서 요소, 홀효과(Hall-effect) 센서 요소(예컨대, 수직 홀 센서 요소), MAGFET, 및 각 위치가 측정될 샤프트의 회전 축에 직교하는 평면에서 자기장 성분을 감지하는 데 적합한 다른 자기장 센서 요소와 이들의 조합을 포함할 수 있다. 다양한 실시예에서, 센서 요소(114)는 그들이 x 방향으로의 또는 y 방향으로의 자기장 성분에 민감하도록 배향되며, 여기서 샤프트의 회전 축은 z 방향을 따라서 연장되는 것으로 정의되고, x, y, 및 z 방향은 직교 좌표계를 형성한다.
대체로, 본 명세서에 기술되는 센서는 브러시리스 DC(BLDC) 모터에서 사용될 수 있다. 그러한 BLDC 모터는 BLDC 모터의 회전자(전기자)를 자화시키도록 하는 영구 자석을 채용하고, 반면에 고정자 권선이 BLDC 모터의 고정자를 자화시키도록 하는 코일을 형성하는 데 사용된다. 전류 펄스는 고정자 코일에 인가되고, 반면에 전류 패턴은 회전자의 원하는 토크 및/또는 회전을 달성하도록 설계된다. BLDC 모터의 소형 설계를 허용하기 위해, 온-축 각 위치 센서가 사용되며, 여기서 언급된 전류 패턴을 생성하는 전력 전자기기를 소지한 PCB는 보통 각 위치 센서의 컴포넌트를 또한 소지한다. BLDC 모터 내의 온-축 각 위치 센서의 애플리케이션을 보여주는 예시적인 실시예가 이후의 도 15 및 도 16에 도시되어 있다.
도 2는 교란 자기장이 자기장 센서 요소(114)에 의한 자기장 측정에 어떻게 영향을 미칠 수 있는지를 예시한다. 도 2의 예에서는, PCB(108) 상에 실장된 전류 전달 요소(201)(예컨대, 스트립 라인 또는 전력 반도체 디바이스)와 함께 센서 패키지(106)만이 도시되어 있다. 전류 i0은 y 축에 실질적으로 평행하게 요소(201)를 통과하여, 도 1에서 자기력선으로 예시된 자기장(H0)을 생성한다. 자기력선으로부터 알 수 있는 바와 같이, H0은 자기장 센서 요소의 위치에서 z 방향으로의 고도로 불균질한 상당한 성분(H0,z)을 포함한다. 이러한 자기장 성분(H0,z)은(도 2에 도시되지 않은) 영구 자석(102)의 자기장과 중첩할 수 있으며, 센서 신호로부터 각 위치를 판정할 때 측정 에러를 야기할 수 있다. 실제로, (x-y 평면에서) z 축에 직교하는 자기장 성분 H0,x 및 H0,y는 자기장 센서 요소의 위치에서 상당히 더 작은 크기를 갖는다. PCB(108) 상에서 전력 전자 디바이스에 의해 생성된 전류에 의해 생성되는 교란 자기장의 효과를 최소화하기 위해, x 또는 y 방향으로의 자기장 성분에만 민감하고 z 방향(축 방향)으로의 자기장 성분에는 실질적으로 둔감한 자기장 센서 요소(114)가 사용된다. 또한, 센서 요소의 쌍이 하기에서 더 설명되는 바와 같이(도 11 내지 도 13 참조) 차분 측정을 구현하는 데 사용된다. 차분 측정은, 측정된 자기장 성분의 공간 구배를 감지하고 이에 따라 (PCB(108) 또는 BLDC 모터의 외부에 생성되는) 균질한 교란 자기장의 효과를 제거하는 소정 종류의 경사 측정기(gradiometer)를 시행하는 데 이용된다. 축 방향(즉, z 방향)으로 실질적으로 둔감한 자기장 센서의 사용을 차분 측정 원리와 조합하는 것은 온-보드에서(즉, PCB(108) 상의 전력 전자기기에 의해)뿐 아니라 오프-보드에서 생성되는 교란 자기장(즉, 실질적으로 균질한 외부 자기장)에 대해 강건한 각 위치 측정을 허용한다.
본 명세서에 기술되는 실시예에서, 샤프트(104)의 종단 부분은 특정 차수의 회전 대칭성을 가지며, 여기서 차수 N의 회전 대칭성(N차 회전 대칭성으로도 지칭됨)은 360°/N의 각도에 의한 각각의 회전이 물체를 변화시키지 않음을 의미한다. N은 1 이상의 유한(비제로 및 비무한) 정수이다. 샤프트의 360°만큼의 전체 회전은 불변 기하구조를 가져오기 때문에 차수 1의 대칭성이 실질적으로 대칭성이 아니라는 것에 주목한다. 이와 달리, 차수 2의 대칭성은 샤프트의 180°의 회전이 불변 기하구조를 가져옴을 의미한다. 유사하게, 차수 3의 대칭성은 샤프트의 120°의 회전이 불변 기하구조를 가져옴을 의미한다. 도 3의 예에서, 샤프트(104)의 종단 부분은 그의 전면측에 리세스(P)(홈)를 갖는다. 리세스(P)는 회전 축을 통해 (예컨대, y 방향을 따라서) 직선으로 이어지는 슬릿의 형상을 갖는데, 이는 샤프트 종단 부분이 차수 2의 대칭성을 갖게 한다(도 3에서의 섹션 A-A’ 참조). 샤프트(104)의 종단 부분을 제외하면, 도 3에 도시된 각 위치 센서 배열물의 셋업은 도 1의 예와 거의 동일하다. 그러나, 영구 자석(102)은, 도 1에 도시된 바와 같이 PCB(108)에서의 개구를 통해, 센서 패키지(106)의 배면측에 배열되는 대신에 PCB(108)의 배면측 상에 실장된다. 센서 패키지(106)는 PCB(108)의 전면측 상에 실장되고, 칩(110)에 통합된 여러 개의 자기장 센서 요소(114a, 114b)를 갖는 적어도 하나의 반도체 칩(110)을 포함한다. 모든 자기장 센서 요소는 x-y 평면에서 자기장 성분에 민감하고, z 방향(즉, 축 방향)으로의 자기장 성분에 둔감하다.
도 3에서(또한, 하기에 더 논의되는 도 6에서도) 점곡선으로 예시된 대안의 실시예에서, 홈(P)은 직사각형 단면 대신에 반원통(반원 단면)의 형상을 갖는다. 양측 실시예 모두가 시뮬레이션되었다. 양측 실시예 모두에서, 센서 칩(110)은 z = 0에서의 x-y 평면에 배열되고, 민감한 자기장 센서 요소는 z = 0.1 mm이다. 회전 축은 x = y = 0으로서 정의된다. 첫번째 실시예에서, 영구 자석은 10 mm의 직경을 갖고, 샤프트(104)에 동축으로 배열되며, 5 mm의 축 방향(z = -6.5 mm로부터 z = -1.5 mm) 길이를 갖는다. 영구 자석(102)의 잔류 자화는 1 테슬라이고; 그의 상대 유전율(μR)은 1.1이다. 샤프트(104)의 직경은 6 mm이고, 샤프트(104)의 전면측은 z = 1 mm이다. 따라서, 샤프트와 영구 자석 사이의 에어갭은 2.5 mm이다. 샤프트(104)의 유전율(μR)은 1700이다. 홈의 폭(w)은 2 mm이고, 그의 깊이는 3 mm이다(직사각형 단면). 위의 데이터로, x-y 평면 내의(즉, 센서 요소가 연장되게 되는 센서 평면에서) 자기장 성분(HX, HY)은 HX = a·x/μ0(a=56.6 T/m) 및 HY = b·x/μ0(b=10 T/m)(여기서, μ0은 진공 유전율임)로서 (시뮬레이션된 자기장 데이터에서의 선형 회귀를 이용하여) 근사화될 수 있다. 두번째 실시예에서, 영구 자석의 직경은 4 mm이고, 그의 잔류 자화는 1 T(z 축에 평행하게 자화됨)이고, 그의 축 길이는 4 mm(z = -4.2 mm로부터 -0.2 mm)이다. 샤프트는 6 mm의 직경을 갖고, 홈(P)은 1.5 mm의 반경을 갖는 반원통이다. 샤프트의 전면측은 z = 1.8 mm여서 에어 갭이 2 mm가 된다. 제1 실시예와는 상이하게, 홈(P)에는 (도 6의 예에서처럼) -1 T의 자화를 갖는 다른 영구 자석(102')(z 축에 평행하게 자화됨)이 충전된다. 자기장 센서 요소는 z = 0.5 mm이다. 이러한 배열물에서, 2개의 영구 자석의 x 및 y 방향으로의 자기장 성분은 구조상으로 중첩한다. 시뮬레이션은 HX = a·x/μ0(a=175.4 T/m) 및 HY =b·x/μ0(b=102.2 T/m)의 근사화를 가져온다. 이와 같이, 제2 자석(102')은 직경 방향 자기장 성분(x 성분, y 성분)을 더 강하게 그리고 축 방향 자기장 성분(z 성분)을 더 작게 만든다. 이상적인 구현예에서, 2개의 자석들은 센서 요소 상의 축 방향 자기장이 사라지게 만들도록 밸런싱되어야 하는데, 그 이유는 그렇게 하여야 회전 축에 대한 센서 평면(x-y 평면)의 작은 기울기 - 이 기울기는 어셈블리 공차로 인해 불가피함 - 가 각 위치 측정의 정확도에 최소의 가능한 효과를 끼치기 때문이다.
전술된 바와 같이, 홈(P)에는 제2 영구 자석(102')이 충진될 수 있다. 일반적으로, 하나의 영구 자석은 (예컨대, 홈(P) 내에서) 샤프트(104)에 부착되어 샤프트(104)와 동기식으로 회전하게 되고, 다른 영구 자석(도 3에서의 영구 자석(102))은 센서 패키지(106)(도 1과 비교) 또는 PCB(108)(도 3과 비교)에 부착되어 회전하지 않게 된다. 양측 영구 자석들 모두는 회전 축(z 방향)에 평행한 방향으로 자화되는데, 여기서 영구 자석들 중 하나는 포지티브 z 방향으로 자화되고, 다른 것은 네거티브 z 방향으로 자화된다. 이러한 방식으로, x-y 평면에서의 그들의 자기장(HX, HY)의 기여도가 배가될 수 있다. 2개의 영구 자석들 중 하나는 생략될 수 있고, 그럼에도 센서 배열물은 여전히 기능적일 것이다. 1개 또는 2개의 자석이 사용되는지 여부는 가용 공간, 비용, 주위 전자 컴포넌트의 표류장 강건성 등에 의존할 수 있다.
상이한 자기 재료들이 2개의 영구 자석에 사용될 수 있다. 회전성 영구 자석은, 예를 들어 자기 입자가 폴리머 매트릭스 내에 임베드되게 되는 주입 성형 자석 재료로 제조될 수 있고, 반면에 비회전성 영구 자석(영구 자석(102))은 복잡한 기하구조를 위해 쉽게 제조될 수 없는 소결 자석일 수 있다. 그러나, 소결 자석은 매우 높은 잔류 자화를 가질 수 있다(NdFeB 재료의 경우, 잔류물이 1 T를 초과할 수 있다). 그와 대조적으로, 플라스틱 접합 또는 주입 성형 자석은 더 낮은 잔류 자화를 갖는다(NdFeB 플라스틱 접합 자석의 경우, 잔류 자화는 단지 0.6 T에만 달할 수 있다).
하나의 특정 실시예에서, 자기장 센서 요소가 통합된 센서 칩(110)은 x 방향으로 약 0.5 mm 내지 4 mm, 예컨대, 1.5 mm의 크기를 갖는다. 따라서, 자기장 센서 요소의 간격이 또한 이 범위 내에 있다(또한 도 11 내지 도 13도 참조). 샤프트(104)의 종단 부분에서 홈(P)의 (x 방향을 따르는) 폭(w)은 칩(110)과 유사한 크기를 가질 수 있고, 또는 그보다 약간 더 클 수 있다(예컨대 2 mm). 샤프트 직경은 홈(P)의 폭(예컨대, 4 mm)의 대략 2배로부터 - 이론적으로 - 임의적으로 큰 직경에 이를 수 있다. 홈의 깊이(d)(즉, z 방향을 따르는 축 방향 길이)는 홈의 폭의 절반을 초과(즉, 1 mm 초과)할 수 있고, 예컨대 그의 폭과 동일할 수 있다. 후자의 경우, 홈의 단면(도 3의 예에서 y 축에 직교함)은 정사각형이다. 더 깊은 홈이 가능하다. 그러나, 더 깊은 홈은 그들의 폭과 동일한 깊이를 갖는 홈의 자기 거동과는 현저히 상이한 자기 거동을 초래하지 않는다. 도 4는 상이한 홈(P)을 갖는 샤프트 종단 부분의 3개의 상이한 예들을 도시한다. 3개의 모든 예(도 4a, 도 4b, 도 4c)에서, 홈은 샤프트 종단 부분의 회전 축을 통해 직선으로 연장된다. 도 4a의 예는 V자형 단면을 갖는 홈(P)을 갖고, 도 4b의 예는 깊이가 증가함에 따라 더 좁아지게 되는 사다리꼴 단면을 갖는 홈(P)을 갖고, 도 4c의 예는 깊이가 증가함에 따라 더 넓어지게 되는 사다리꼴 단면을 갖는 홈(P)을 갖는다.
더욱이, 홈(P)은 반드시 일정한 깊이 d를 갖는 것은 아니다. 홈(P)의 깊이 d는 회전 축을 향할수록 더 클 수 있고, 샤프트의 둘레부를 향할수록 더 낮아질 수 있다. 또한, 종단 부분의 전면(전면측의 표면)이 반드시 평평한 평면인 것은 아니다. 도 5의 예에서, 전면은 곡률을 갖는다. 예를 들어, 전면은 구체 표면의 일부일 수 있고, 그의 구체 중심이 회전 축 상에 놓인다. 대안으로, 전면은 원통 축이 90°에서 교차할 수 있는 원통 표면의 일부일 우 있다.그러한 곡률은 자기장 센서 요소의 출력 신호의 신호 레벨이 최대화되는 (또는 차분 측정의 경우, 자기장 센서 요소의 쌍의 2개의 각자의 출력 신호들의 차이가 최대화되는) 방식으로 자기장을 "설계"하는 것을 도울 수 있다. 도 5는 동일한 샤프트 종단 부분의 2개의 상이한 세로 섹션들(섹션 A-A’ 및 섹션 B-B’) 및 저면도를 도시한다.
일반적으로, N차의 회전 대칭성을 갖는 샤프트 종단 부분은 간격 [0, 360°/N] 내의 절대 각 위치를 측정하도록 허용한다. 샤프트(104)는, 일반적으로 다른 컴포넌트들에 비해 가장 정확하게 기계가공되는 센서 배열물의 그 컴포넌트이다. 그와는 대조적으로, 영구 자석(102)은 샤프트(104)보다 현저히 덜 정확하게 기계가공될 수 있다. 영구 자석(102)의 형상이나 그의 재료 균질성이나 (크기, 방향, 및 균질성에 관한) 그의 자화 및 시간 경과에 따른 그의 안정성 및 온도 중 어느 것도 잘 정의되어 있지 않다. 그러나, 본 명세서에 기술된 실시예에서, 영구 자석(102)은 샤프트 종단을 자화시키는 데에만 사용되고, 회전하지 않는다. 다시 말해, 영구 자석(102)은 자기장의 각 위치를 정의하지 않고; 다른 자기장의 각 위치를 정의하는 샤프트 종단 부분만을 바이어싱한다. 따라서, 영구 자석(102)의 (기하구조 및 자화에 관한) 작은 부정확도가 각 위치 측정의 정확도에 현저한 영향을 갖지 않는다. 전술된 이유로, 영구 자석(102)이 정확하고 복잡한 형상 및 자화를 가질 필요가 없기 때문에, 비효과적인 소결 자석이 사용될 수 있다. 소결 희토 자석은 1 T 초과의 높은 잔류 자화를 가질 수 있는데, 이는 센서 요소를 통해 비교적 강한 자기장을 초래하고, 그에 따라 잡음 및 간섭에 대한 강건성을 증가시킨다(즉, 자기신호대잡음비가 높다). 또한, 영구 자석(102)이 회전하지 않으므로, 그것은 다른 전자 컴포넌트를 교란할 수 있는 넓은 회전 자기장을 생성하지 않는다. 샤프트 종단 부분은 센서 칩(110)에 그리고 그에 따라 자기장 센서 요소에 매우 가깝게(예컨대, 샤프트의 축 방향 공차에 따라, 1 mm 에어갭 간격으로 또는 심지어 그 미만으로) 배열될 수 있다. 따라서, 샤프트 종단 부분의 관련 자화 부분과 센서 요소 사이의 거리는 비교적 작을 수 있는데, 이는 또한 측정된 자기장 성분의 크기를 증가시킨다.
전술한 실시예에서, 샤프트 종단 부분은 차수 2의 회전 대칭성(2차 회전 대칭성)을 갖는데, 이는 0° 내지 180°의 범위 내의 명백한 각 위치 측정을 허용한다. 대칭성으로 인해, 센서 배열물은 각도 φ와 각도 φ+180° 사이를 구분할 수 없다. 그러나, 0° 내지 360°의 전체 범위 내의 명백한 각 위치 측정은 브러시리스 DC(BLDC) 모터에서와 같은 많은 애플리케이션에서 필요하지 않다.
그러나, 명백한 각 위치 측정이 0° 내지 360°의 전체 범위에 걸쳐서 바람직한 경우, 회전용 영구 자석(102')의 잔류 자화의 배향은 도 6의 예에 도시된 바와 같은 회전 축(z 축)에 대해 경사질 수 있다. 이는, 회전가능한 자석이 - z 방향(즉, 회전 축에 평행함)에서의 그의 자화 외에도 - z 방향에 직교하는(즉, x 또는 y 방향 또는 임의의 다른 직경 방향을 따르는) 자화의 소정(바람직하게는 작은) 양을 가질 수 있다는 것을 의미한다. 도 6에서, 영구 자석(102')에서의 점선 화살표는 z 방향에 역평행한 전술된 잔류 자화를 나타내는 반면, 실선 화살표는 전술된 경사진 자화를 나타낸다.
일 실시예에 따르면, 회전용 영구 자석은, 예컨대 z 방향을 따르는 그의 자화의 80% 및 (예컨대, y 방향과 같은 임의의 다른 직경 방향의)x 방향을 따르는 20%를 갖는데, 이는 회전 축에 대해 14°의 경사도를 수반하며, 센서 칩 전체에 걸쳐서 본질적으로 동종인 작은 자기장 HX에 기여할 것이다. 따라서, 센서 시스템은 센서 평면(x-y 평면) 내에 이격되어 있고, 회전 축에 수직인 자기장 성분에는 민감하고 축 방향 자기장 성분에는 둔감한 상이한 자기장 센서 요소(도 6의 자기장 센서 요소(114a, 114b))의 센서 신호들의 합 및 차이를 평가함으로써 각도 φ와 각도 φ+180° 사이를 식별할 수 있다. 자기장 센서 요소의 쌍으로부터 획득된 차분 신호(예컨대, HX(x=x1, y=0)-HX(x=-x1, y=0))는 0° 내지 180°의 범위 내에 또는 180° 내지 360°의 범위 내에 있는 정확한 각 위치를 판정하는 데 이용될 수 있다. 이러한 차분 신호는 홈의 자기 효과의 결과이고, 자석들 양측 모두의 축 방향 자화로부터의 결과이다. 자기장 센서 요소의 쌍으로부터 획득된 합 신호(예컨대, HX(x=x1,y=0)+HX(x=-x1,y=0))는 2개의 범위들 중 각도 φ가 속하는 범위(즉, 이전에 판정된 φ에 180°를 추가할지 여부)를 판정하는 데 이용될 수 있다. 이러한 합 신호는 회전가능한 자석의 직경 방향 자화의 결과이다. 홈(P)의 형상 및 홈 내에 배열된 추가 영구 자석(102')을 제외하면, 도 6의 예는 도 3의 예와 동일하다.
하나의 추가 실시예에서, 회전용 영구 자석(102')의 잔류 자화는 x 축에 평행하게(또는 임의의 다른 직경 방향, 예컨대 y 방향으로) 배향되는데, 이는 90°의 경사(이전의 예에서는 14°였음)를 수반한다. 그러나, 비회전용 영구 자석(102)은 여전히 z 축에 평행하게 자화된다(그리고 이에 따라 회전 대칭 자기장을 생성한다). 영구 자석(102')의 잔류 자화는 생성된 동종의 직경 자기장 성분이 이러한 방향으로의 임의의 잠재적 교란 외부 자기장 성분보다 더 강할 정도로 충분히 강해야 한다. 직경 자기장 성분이 180° 내지 360° 섹터로부터 0° 내지 180° 섹터를 구분하는 데에만 사용되므로, 자화 정밀도에 대한 특정 요건이 없다.
다른 예에서, 샤프트 종단 부분은 회전적 비대칭으로 형상화되는데, 다시 말해, 영구 자석이 z 방향만을 따라서 자화된다 하더라도, 차수 1의 회전 대칭성을 갖도록 형상화되어 0° 내지 360°의 전체 범위에 걸친 측정이 가능하게 된다. 이러한 접근법을 이용하여, 홈(P)은 중심으로부터 샤프트 종단 부분의 둘레를 향해 이동될 수 있다. 대안으로, 도 1에 도시된 바와 같은 샤프트 종단 부분이 사용될 수 있다. 또한, 홈(P)의 깊이는 회전적 비대칭 방식으로 변화할 수 있다.
도 7의 예에서, 샤프트 종단 부분은 차수 3의 회전 대칭을 갖도록 형상화된다. 즉, 명백한 각 위치 측정이 0° 내지 120°(360°/3) 내에서 가능하다. 도 7에 도시된 저면도에서 알 수 있는 바와 같이, 홈(P)은 샤프트의 중심에서 2개의 브랜치로 분할되어 Y자 형상을 형성한다. 일반적으로, 샤프트(104), 및 차수 N의 대칭성을 갖는 종단 부분은 일체형일 수 있다. 그러나, 일부 실시예에서, 샤프트 종단 부분은, 예컨대 클램핑, 접착, 프레스-피트(press-fit) 등에 의해 샤프트(104)에 부착되는 별개의 부분이다.
도 8 내지 도 11에 도시된 예에서, 샤프트 종단 부분은, 샤프트(104)에 부착되고 이에 따라 샤프트(104)와 동기식으로 회전하는 가요성(탄성적으로 변형가능한) 부분(151)이거나 이를 포함한다. 샤프트 종단 부분의 가요성 부분(151)은 그것이 샤프트(104)의 축방향 운용(play) 또는 축방향 공차를 보상하도록 설계될 수 있다. 도 8에 도시된 실시예에서, 가요성 부분(151)은 앵커 요소(150)에 의해 샤프트(104)에 부착되는 판 스프링이다. 굽지 않은 상태에서, 판 스프링(151)은 실질적으로 회전 축에 직교하는 평면이고, 샤프트(104)의 전면측의 전방에 배열된다. 샤프트(104)의 회전 축은 판 스프링의 세로 축과 교차한다. 도 8 및 도 9에 도시된 예에서, 판 스프링의 세로 축은 x 축에 평행하고, 일반적으로, 판 스프링의 세로 축은 반경 방향으로 연장되고 회전 축과 교차한다. 일반적으로, 도 8은 z 축을 따르는 세로 섹션을 도시하며, 샤프트 종단 부분이 판 스프링(151), 언급된 앵커 요소(150), 및 센서 패키지(106)와 판 스프링(152) 사이에 배열되는 스페이서(152)로 구성된다는 점을 제외하면 도 3 및 도 6에 도시된 예와 본질적으로 동일하다.
일 실시예에서, 샤프트는 약 +/-1 mm의 촉 방향 운용을 나타내고, 판 스프링(151)은 스페이서(152)를 통해 센서 패키지(106)와의 기계적 접촉을 유지하기 위해 더 많이 또는 더 적게 구부러진다. 앵커 요소(150)는 회전 샤프트(104)에 판 스프링(151)을 고정시켜서 판 스프링이 축 방향(z 방향)을 따라서 가요적이지만 측방향(즉, x, y) 방향으로 비교적 강성이 되도록 구성될 수 있다. 판 스프링(151)은 연질의 자기 재료(예컨대, 스프링 강철)로 제조될 수 있거나 이를 포함하여, 이전의 실시예에 도시된 홈(P)의 자기 기능을 인계하게 된다(도 1 및 도 3 참조). 대안으로, 판 스프링(151)은 비자기 스프링 본체(예컨대, 베릴륨 브론즈 또는 구리 베릴륨로 제조됨), 및 비자기 스프링 본체에 부착되는 연질의 자기 요소로 구성될 수 있다. 가요성 요소의 목적은, 샤프트의 작은 축 방향 위치 변화와는 무관하게, 회전적으로 대칭적이지 않은 연질의 자기 부분이 센서 요소까지 실질적으로 일정한 축 방향 거리로 유지되는 것을 이 가요성 요소가 보장한다는 것이다. 이러한 회전적으로 대칭이 아닌 연질의 자기 부분은 (도 8 내지 도 11에서와 같은) 스프링 자체, 또는 스프링의 가요성 종단에 부착되는 임의의 다른 연질의 자기 부분(도시되지 않음)일 수 있다. 연질의 자기 부분과 센서 요소 사이의 축 방향 간격이 실질적으로 일정하게 유지되므로, 샤프트의 축 방향 움직임은 각 위치 측정에 대해 적은 효과를 가질 수 있고, 그것은 측정된 각 위치 값에 더 적은 에러를 초래한다.
도 8에 도시된 실시예에서, 작은 스페이서(152)가 회전 축에서 판 스프링(151)에 부착된다. 따라서, 스페이서(152)는 샤프트(104)와 동기식으로 회전 축 주위를 회전할 수 있고, 이에 의해 스페이서는 샤프트 종단 부분과 센서 패키지(106) 사이의 기계적 접촉 지점, 및 가요성 샤프트 중단 부분과 센서 패키지(106) 사이의 축 방향 거리를 한정한다. 스페이서(152)는 테플론(폴리테트라플루오로에틸렌, PTFE), 또는 스페이서(152)와 센서 패키지(106) 사이의 낮은 마찰을 보장하는 어떤 다른 종류의 재료로 제조될 수 있다. 일반적으로, 센서 패키지(106)는 마모 충전재를 함유한 성형 화합물을 포함한다. 따라서, 낮은 마찰은 스페이서용 재료를 선택할 때 목표가 될 수 있다. 스페이서는 자기적일 수도 있고, 또는 자기적이 아닐 수도 있는데; 그의 회전 대칭성으로 인해, 스페이서는 각 위치에 따라 변화하는 임의의 자기장이 생기게 하지 않을 것이다.
샤프트 종단 부분(예컨대, 판 스프링)의 가요성 부분은 다양한 형상을 가질 수 있다. 판 스프링(151)의 2개의 예시적인 실시예는, 도 8의 단면도에 대응하는 판 스프링 상의 상면도인 도 9a 및 도 9b에 도시되어 있다. 도 9a에 도시된 실시예에서, 판 스프링(151)은 x-y 평면에서 센서 칩(110)(폭 wC)보다 더 작은 폭 wS를 갖는 작은 스트립형 플레이트의 형상을 가져서, 판 스프링(151)이 센서 칩(110)의 일부분만을 커버하게 한다(도 9a의 상면도 참조). 도 9b의 대안의 실시예에서, 판 스프링(151)의 폭 wS는 센서 칩(110)보다 더 크고, 이에 따라 전체 센서 칩을 커버한다. 슬롯이 그의 세로 축(도 9b의 x 축)을 따라서 판 스프링(151)의 중심에 형성되어, 회전 축이 슬롯을 통해 이어진다. 슬롯의 폭 wSL은 (도 9b의 예에서의 경우와 같이) 칩의 폭 wC보다 더 작을 수 있다.이러한 실시예에서, 센서 칩(110) 내의 자기장 센서 요소에 의해 "보여지는" 생성된 자기장에 대한 슬롯의 효과는 도 3 및 도 6에 도시된 예에서 사용된 홈(P)의 효과와 매우 유사하다. 따라서, 도 8 및 도 9에 도시된 본 실시예에서, 샤프트 종단 부분은 0° 내지 180°의 범위 내의 각 위치 측정을 위한 차수 2의 대칭성(N=2, 2차 회전 대칭성)을 갖는다. 다른 실시예에서, 판 스프링(151)은 테이퍼형 기하구조(즉, 그의 폭이 일 단부에서 다른 단부에 비해 더 작음)를 가져서 차수 1의 비대칭성을 달성하고 0° 내지 360°의 범위 내에 각 위치 측정을 허용한다. 또한, 도 9a의 스트립형 플레이트(151)(즉, 스프링)는 더 넓고 더 깊을 수 있으며, 네거티브 y 방향으로 이동되어 스프링의 상부 에지가 y=0(y<0인 경우)에 있고 스프링(151)이 칩의 일부를 커버하도록 한다(도 9a에서의 점선 영역 참조). 이러한 스프링은 강자성(즉, 연질의 자성)이고, 센서 패키지 또는 PCB(108)에 고정된 영구 자석(102)에 의해 또는 샤프트에 고정된 자석(102')에 의해 자화되는 경우, 그리고 이들 자석이 회전적으로 대칭인 잔류 자화와 회전적으로 대칭성인 경우, 스프링(151)은 - 자기장 요소의 위치에서 - 차수 N=1의 대칭성을 갖는 자기장을 생성하는 것으로, 즉 센서 요소 상의 그의 자기장이 0° 내지 360°의 범위 내의 각도의 명백한 측정을 허용한다. 이는, 슬롯의 폭 wSL이 충분히 넓고(예컨대, wC/2보다 더 넓고) 충분히 긴(예컨대, 칩보다 더 긴) 경우, 그리고 슬롯이 네거티브 y 방향을 향해 이동되어 그의 상부 에지가 x 축과 정렬되는 경우에 도 9b에서의 넓은 스트립에 대해서도 마찬가지이다.
도 10의 실시예에서, 판 스프링(151)은 90°만큼 구부러지며, (예컨대, 도 8에서의 앵커 요소(150)와 같은) 별도의 앵커 요소를 사용하는 대신에 샤프트(104)에 직접적으로 부착된다. 예를 들어, 샤프트(101)에 부착되는 판 스프링(151)의 부분은, 샤프트의 원주 표면에서 축 방향으로 연장되고, 샤프트에 스크류, 접착, 용접, 또는 고정되는 홈 내에 삽입될 수 있다. 일반적으로, 별도의 스페이서를 부착하는 대신에 회전 축에서 판 스프링(152)을 요철화시키는 것이 또한 가능하다. 이러한 경우, 스페이서는 도 10 및 도 11의 예에 도시된 바와 같이 요철부(152')로서 구현된다. 도 11의 예에서, 판 스프링은 S자 형상을 가지며, 도 10의 이전의 예에서와 같이 원주 표면 대신에 샤프트(104)의 전면측에 부착된다. 이러한 경우에 있어서, 추가적인 비대칭성(차수 1의 대칭성)은 샤프트(104)의 전면측에 있는 비대칭 리세스(R)에 의해 달성된다. 자기장 센서에 의해 "보여지는" 생성된 자기장에 대한 리세스(R)의 효과는 도 1의 예에서와 같이 경사진 샤프트의 전면측의 효과와 유사하다. 이전 실시예에서와 같이, 영구 자석(102)은 PCB(108)에 부착될 수 있다. 추가로 또는 대안으로, 다른 영구 자석(102')이 (도 10의 점선으로 도시됨) 샤프트(104)에 부착될 수 있다.
본 명세서에 도시된 실시예에서, 센서 칩(110)은 리드 프레임(116) 보다는 스페이서(152) 또는 요철부(152')에 더 가까운데, 이는 센서 칩(106) 내에 통합된 자기장 센서 요소와 샤프트 종단 부분 사이의 작은 거리(에어갭)를 보장한다. 그러한 배열물은 센서 요소에서의 자기장 레벨 및 자기장 센서 요소의 신호 출력을 최대화시키는 것을 도울 수 있다. 다른 실시예에서, 센서 칩은 노출된 금속 다이-패들이 센서 패키지의 플라스틱 부분(성형 화합물) 대신에 스페이서(152) 또는 요철부(152')에 의해 접촉되도록 반전될 수 있다. 이러한 경우에 있어서, 금속 다이-패들은 회전 스페이서 또는 요철부에 의해 야기되는 마모에 대항해서 센서 패키지(106)를 보호한다. 다이-패들이 노출되지 않았다 하더라도(즉, 그것이 성형 화합물에 의해 커버되고 그에 따라 스페이서(152) 또는 요철부(152')가 마모 성형 화합물과 접촉한다 하더라도), 스프링(151)으로부터 칩을 여전히 보호할 것이다. 대안의 실시예에서, 자기장 센서 패키지(106)는 PCB의 저부 측에 실장될 수 있고, 반면에 샤프트는 컴포넌트 보드의 전면측과 대면하고, 스페이서(152)는 PCB의 측 표면 또는 PCB의 전면측에 실장된 금속 플레이트 또는 유사한 구조물과 접촉한다. 본 실시예에서, 회전 스페이서와 센서 패키지의 마모 성형 화합물 사이에 마찰이 없고, 센서 패키지는 회전 스페이서(152)로부터 그 사이에 있는 PCB에 의해 보호된다.
일반적으로, 영구 자석은 PCB(108)(도 10 및 도 11 참조) 상에, 센서 패키지(106)(도 1 참조) 상에, 샤프트(104)(도 6 참조) 상에, (예컨대, 그의 가요성 단부 상의) 판 스프링(151) 상에, 또는 샤프트와 스프링 사이에, 또는 심지어 앵커 요소(50) 상에 실장될 수 있다. 영구 자석은 링, 알약, 원통, 다양한 자화 방향을 갖는 직육면체과 같은 다양한 형상(순 축방향 또는 순 반경 방향 또는 축 방향과 직경 방향의 조합 또는 축 방향과 반경 방향의 조합)을 가질 수 있다. 추가 실시예는 전술된 실시예의 다양한 측면을 조합함으로써 생성될 수 있다.
하기의 도 12 내지 도 14는 적어도 하나의 센서 칩(110에 통합된 자기장 센서 요소의 상이한 배열물들(레이아웃들)을 도시한다(예컨대, 도 3, 도 6, 도 8 참조). 일반적으로, 적어도 4개의 자기장 센서 요소가 본 명세서에 기술된 실시예에서 사용되지만, 도 12 내지 도 14에 도시된 실시예는 8개 또는 16개의 자기장 센서 요소를 사용한다(여기서, 후자의 경우, 2개의 각자의 자기장 센서 요소는 서로 근접하게 또는 인접하게 배열되고, 그들의 센서 출력이 평균화된다(도 12 및 도 13 참조)). 센서 칩(110)은, 회전 축(z 축)에 실질적으로 직교하게 배열되고 자기장 센서 요소가 배열되는 센서 평면을 한정한다. 일반적으로, 자기장 센서 요소 중 제1 및 제2 자기장 센서 요소는 서로로부터 이격되고 제1 방향(예컨대, x 방향)으로의 자기장 성분에만 민감하고, 자기장 센서 요소 중 제3 및 제4 자기장 센서 요소는 또한 서로로부터 이격되고 제2 방향(예컨대, y 방향)으로의 자기장 성분에만 민감하다. 전술된 바와 같이, x 방향, y 방향, 및 z 방향(회전 축에 의해 한정됨)은 직교 좌표계를 형성한다. 따라서, 제1 및 제2 방향은 회전 축에 비평행하고 직교한다. 전술된 바와 같이, 본 명세서에서 기술되는 실시예에서 사용된 센서 요소는 센서 평면에 직교하는 (그리고 그에 따라 회전 축에 평행한) 자기장 성분에 실질적으로 둔감하다. 본 명세서에서 기술되는 실시예에서, 개별 자기장 센서 요소는, 예를 들어 회전 축과 동심인 반경 r의 원형을 따라서 배열될 수 있다. 각 위치 0°(즉, P1=(r,0)), 90°(즉, P2 =(0,r)), 180°(즉, P3=(-r,0)), 및 270° (즉, P4=(0,-r))에서 또는 그에 매우 가깝게, x 및 y 방향으로의 자기장 성분에 둔감하지만 z 방향으로는 둔감한 자기장 센서 요소(HX 센서 요소 및 HY 센서 요소)가 제공된다.
본 명세서에서 기술되는 실시예에서, 센서 요소(114a, 114b, 116a, 116b, 118a, 118b, 120a, 120b)는 y 방향으로의 자기장 성분에 민감하고, 그에 따라 HY 센서 요소로 지칭된다. 유사하게, 센서 요소(115a, 115b, 117a, 117b, 119a, 119b, 121a, 121b)는 x 방향으로의 자기장 성분에 민감하고, 그에 따라 HX 센서 요소로 지칭된다. 이론적으로, 자기장 센서 요소(예컨대, 도 12에서 센서 요소(114a, 114b, 115a, 115b)는 반경 r을 갖는 원형 상의 바로 그 동일한 스폿(위치 P1, P2, P3, P4)에서 제공되어야 하는데, 이는 자기장 센서 요소가 적층되어야 할 것이므로 구현하기가 어렵다. 도 12의 예는, 2개의 HX 센서 요소 및 2개의 HY 센서 요소 중 반경 r의 원형 상에 있는 각 위치 P1, P2, P3, 및 P4에 대칭으로 배열되고 가깝게 인접한 것에 따른 일 구현예를 도시한다. 도 12에서, HY 센서 요소의 쌍(114a, 114b, 116a, 116b, 118a, 118b, 120a, 120b)은 x 축(센서 요소(114a, 114b, 118a, 118b)) 또는 x 축에 평행한 축(센서 요소(116a, 116b, 120a, 120b))과 정렬되고, 각각의 쌍은 각자의 위치 P1, P2, P3, P4에 대칭으로 배열된다. 특정 위치 P1, P2, P3, P4에 대한 자기장 성분 HX 및 HY는 각각의 쌍의 센서 요소의 출력 신호들을 평균화함으로써 획득될 수 있다. 예를 들어, HY 센서 요소(114a, 114b)의 출력 신호는 위치 P1에서의 자기장의 y 성분 HY의 측정을 획득하도록 평균화된다. 유사하게, HX 센서 요소(121a, 121b)의 출력 신호는 위치 P4에서의 자기장의 x 성분 HX의 측정을 획득하도록 평균화된다. 본질적으로, 센서 요소(114a, 114b)는 위치 P1에서의 하나의 단일(그러나 분산된) HY 센서 요소로 간주될 수 있다. 유사하게, 센서 요소(117a, 117b)는 위치 P2 등에서의 하나의 단일 HX 센서 요소로 간주될 수 있다. 다른 구현예에 따르면, 센서 요소는 쌍으로 "분할"되는 것이 아니라, HX 및 HY 센서 요소는 원하는 P1, P2, P3, 및 P4위치에 가까워서 실제 센서 위치와 원하는 위치(P1, P2, P3, P4) 사이의 편향이 무시가능할 정도로 가깝게 제공된다. 도 13의 예는 본질적으로 도 12의 이전의 예와 동일하다. 그러나, 도 13에서, 자기장 성분 HX 및 HY이 측정되는 위치 P1’,P2’,P3’, P4’는 도 12에 도시된 위치 P1, P2, P3, 및 P4에 비해 45°만큼 이동된다. 일반적으로, 센서 평면 상의 상이한 감지 위치들 사이의 간격은 적어도 단일 자기장 센서 요소 정도로(또는 적어도 그 2배로) 높다.
도 14의 예에서, 하나의 자기장 센서 요소는 원형 상의 하기의 각 위치들 중 각각의 각 위치에서 반경 r을 갖는 원형 상에 제공된다: 0°, 45°, 90°, 135°, 180°, 225°, 270°, 315°. 하나의 HY 센서 요소가 원형 상에 0°, 135°, 180°, 및 315°의 각도로 제공된다(HY 센서 요소(114b’, 116a’, 114a’, 116b’)). 하나의 HX 센서 요소가 원형 상에 45°, 90°, 225°, 및 270°의 각도로 제공된다(HX 센서 요소(117b’, 115b’, 117a’, 115a’)).단일의 자기장 센서 요소만이 각각의 위치에서 제공됨에 따라, 자기장 센서 요소는 원하는 위치 상에 정확히 위치될 수 있다. 도 12 내지 도 14에 도시된 모든 3개의 실시예에 대해, 하나의 중요한 양태는 회전 축(z 방향)에 수직인 방향으로 감도를 갖고 z 방향으로 자기장 성분에 의해 영향받지 않는 HX 및 HY 센서 요소가 사용된다는 것이다. 또한, 개별 자기장 센서 요소는 그들이 x 방향 및 y 방향으로의 자기장 성분을 측정하도록 그리고 임의의 반경 방향으로는(예컨대, 도 13에서의 지점 P1’ 및 P3’을 통해 45°를 따라서) 측정하지 않도록 정렬된다. 실제로, 임의의 반경 방향으로 센서 요소를 정확하게 정렬하는 것은 어려울 수 있는 반면에 그것을 x 및 y 방향에 정렬시키는 것은 더 간단할 수 있는데, 그 이유는 x 및 y 방향이 칩의 에지에 평행하고 이것이 공통 마이크로전자 기술에서 전자 디바이스가 정렬되게 되는 통상의 그리드이기 때문이다. 그러나, 자기장 센서 요소(114a’ 114b’, 115a’ 115b’,116a’ 116b’, 117a’ 117b’)의 직경 방향으로 배열된 쌍의 출력 신호들이 평균화되지 않는 반면에 도 12 및 도 13의 예에서 자기장 센서 요소(114a, 114b, 115a, 115b 등)의 대응하는 쌍의 출력 신호가 하나의 평균 출력 신호를 획득하도록 평균화된다는 것에 주목해야 한다.
또한, 반경 또는 방위각 배향과 같은 센서 요소의 다른 정렬이 또한 가능하다는 것이 명백해야 하는데, 그 이유는 적어도 2개의 비평행한 다른 방향으로의 자기장 성분들의 조합으로서 좌표계의 간단한 변환에 의해 제1 방향으로 자기장을 표현할 수 있기 때문이다. 본 실시예에 도시된 바와 같은 회전 축 상에 중심을 갖는 원형 상에 모든 센서 요소를 배치하는 것이 필수적이지는 않다(중심 지점은 회전 축을 센서 평면 상에 투영시킴으로써 한정될 수 있다). 원리상, 센서 요소는 x-y 평면에 규칙적 그리드 심지어 불규칙적 그리드 상에 놓여서 최소 제곱 에러 맞춤 또는 유사한 수학적 방법과 같은 보간 또는 근사화에 의해 HX(x,y) 또는 HY(x,y) 또는 HR(x,y)(즉, 반경 성분) 또는 HPSI (x,y)(즉, 방위각 성분)을 샘플링하고 기능 HX(x,y) 또는 HY(x,y) 또는 HR(x,y) 또는 HPSI(x,y)를 재구성하게 할 수 있다.
하기의 설명은 도 12 내지 도 14에 도시된 레이아웃에 따라 배열된 자기장 센서 요소의 출력 신호로부터 샤프트의 각 위치를 도출하는 데 이용될 수 있는 알고리즘을 다룬다. 각 위치를 판정하기 위한 많은 가능성이 있고, (2차 대칭성, 즉 N=2의 경우) 몇 개의 예만이 넓은 부류의 알고리즘의 대표로서 논의된다. 일반적으로, 본 명세서에 기술된 실시예는, 센서 칩(110)에 통합된 (적어도 4개의) 자기장 센서 요소에 커플링되고, 자기장 센서 요소의 출력 신호를 조합함으로써 샤프트의 각 위치를 계산하도록 구성되는 회로를 포함할 수 있다. 이들 접근법의 하나의 공통 양태는 (1) 정의된 진폭 관계(예컨대, 동일한 진폭)을 갖고, (2) 정의된 이상 지연(예컨대, 90°)을 가지며, (3) 동종의 교란 자기장에 대해 둔감한 2개의 신호가 획득되는 방식으로 자기장 센서 컴포넌트의 2개 이상의 신호가 조합된다는 것이다. 마지막 특성은 차분 측정을 이용함으로써 달성될 수 있다. 즉, 동질의 교란 자기장으로부터 비롯된 신호 성분이 상쇄된 차분 신호를 획득하도록 HX 센서 요소의 쌍(또는 HY 센서 요소의 쌍)의 출력 신호가 감산된다. 도 14의 예에서, 차분 신호는 반경 r을 갖는 원형 상에 2개의 직경 방향으로 반대되는 위치들에서 서로 이격되게 위치된 센서 요소의 쌍(114a’과 114b’, 115a’과 115b’, 116a’과 116b’ 등)으로부터 획득될 수 있다. 감산 대신, 상이한 자기장 센서 요소의 출력 신호의 가중화된 합이 이용될 수 있다(여기서, 네거티브 가중 인자가 가능하다). 언급된 바와 같이, 자기장 센서 요소는 반드시 원형을 따라 배열될 필요가 있는 것은 아니다. 일반적으로, 제1 방향(예컨대, x 방향)으로의 자기장 성분이 센서 평면 내의 적어도 제1 및 제2 위치(예컨대, 도 12의 위치 P1 및 P3)에서 감지된다. 추가로, 제2 방향(예컨대, y 방향)으로의 자기장 성분이 센서 평면 내의 적어도 제3 및 제4 위치(예컨대, 도 12의 위치 P1 및 P4)에서 감지된다. 이어서, 샤프트의 구해진 각 위치가, 제1 위치와 제2 위치에서의 자기장 성분들의 차이에 기초하여, 그리고 제3 위치와 제4 위치에서의 자기장 성분들의 차이에 기초하여, 그의 회전 축에 대해 계산될 수 있다. 언급된 차이는 전술된 차분 측정을 구현하는 데 이용된다. 이와 같이, 각 위치 센서 시스템은 소정 종류의 경사 측정기로 간주될 수 있다.
도 12의 예를 참조하여, 각 샤프트 위치의 2배의 코사인 φ (SCOS ~ cos(2φ))에 비례하는 신호 SCOS가 (HX(0°)-HX(180°))-(HY(90°)-HY(270°))을 계산함으로써 획득된다. 각 샤프 위치의 2배의 사인 φ (SSIN ~ sin(2φ))에 비례하는 신호 SSIN가 HY(0°)-HY(180°)을 계산함으로써 획득된다. 각 샤프 위치 φ의 2배의 사인에 비례하는 다른 신호 SSIN’가 HX(90°)- HX(270°)를 계산함으로써 획득된다. 코사인 신호 SCOS, 및 2개의 사인 신호 SSIN, SSIN’ 중 임의의 것이 이용되어, 각 위치 2φ의 탄젠트 함수 tan(2φ) (비율 SSIN/SCOS 또는 SSIN’/SCOS)를 계산하게 할 수 있는데, 이로부터 구해진 각 위치가, 예컨대 SSIN/SCOS의 아크 탄젠트로서 계산될 수 있다. 예를 들어, CORDIC 알고리즘은 아크 탄젠트 함수를 구현하는 데 이용될 수 있다. 도 12에 도시된 바와 같은 레이아웃을 사용할 때, 자기장 성분 HY(0°)은 자기장 센서 요소(114a, 114b)의 출력 신호를 평균화함으로써 획득된다. 동일한 것이 HX 성분, 및 자기장 센서 요소의 다른 위치에 대해 이루어진다. 표현식 cos(2φ), sin(2φ), 및 tan(2φ) 내의 인자 2는 셋업의 언급된 2차 대칭성으로 인한 것이고, 각 위치는 오로지 0° 내지 180°의 범위 내에서 분명하게 판정될 수 있는데, 이는 온-축 각 위치 센서가 사용되어 소정 타입의 BLCD 모터를 제어하는 경우에 충분할 수 있다.
도 13의 예에 따른 레이아웃을 사용할 때, 신호 S1 및 S2는,
S1 = (HX(45°)-HX(225°)) + (HY(315°)-HY(135°)), 및 S2 = (HX(135°)-HX(315°)) + (HY(45°)-HY(225°))로서 계산될 수 있고,
여기서 S1 및 S2는 A·sin(2φ)와 동일하고, 차이 S1-S2는 A·cos(2φ)와 동일하다. 이전의 예에서와 유사하게, 각 위치 φ는 1/2·arctan((S1+S2)/(S1-S2))로서 도출될 수 있다.
도 14의 예에 따라 레이아웃을 사용할 때, 사인 신호 SSIN및 코사인 신호 SCOS는,
SSIN=(HX(270°)-HX(90°)) - (HY(0°)-HY(180°)), 및
SCOS=√2·SC-SSIN로서 계산될 수 있고,
여기서 SC = (HX(225°)-HX(45°)) - (HY(315°)-HY(135°))이다. 언급된 바와 같이, 전술된 예는 샤프트 종단 부분의 2차 대칭성에 관한 것이다. 유사한 표현은 차수 1 또는 차수 3 이상의 대칭성을 갖는 특정 셋업에 적합한 신호에 대해 발견될 수 있다는 것에 주목한다. 위 수학식에서, 감지 위치 P1, P1', P2, P2', P3, P3', P4, 및 P4'은 대응하는 각도에 의해 표현된다(0°는 P1로 표기되고, 45°는 P1'으로 표기되고, 90°는 P2로 표기되고, 135°는 P2'으로 표기되고, 180°는 P3으로 표기되고, 225°는 P3'으로 표기되고, 270°는 P4로 표기되고, 315°는 P4'으로 표기된다). 반경 r과 함께, 각도는 각자의 감지 위치 P1, P1', P2, P2' P3, P3' P4, 및 P4'를 분명하게 한정한다.
전술된 바와 같이, 샤프트 종단 부분의 2차 대칭성이 적어도 일부 애플리케이션에서 충분할 수 있고, 여기서 회전 모션 BLDC 모터가 제어될 것이다. 도 15는 온-축 각 위치 센서가 브러시리스 DC(BLCD) 모터 어셈블리에서 어떻게 배열될 수 있는지 2개의 상이한 예를 예시한다. 도 15는 BLDC 모터의 일부분의 단면도로서, 섹션 평면은 샤프트(104)의 회전 축을 통해 이어진다. 그러나, 도 15는 크기에 비례하여 도시된 것이 아니고 개략적인 스케치로서 간주되어야 한다는 것에 주목한다. 또한, 도 15에는 영구 자석(PM)(217, 218)이 도시되어 있으며, 이들은 샤프트(114)에 그의 둘레부를 따라서 직접적으로 또는 간접적으로 부착된다. 샤프트(104)는 적어도 2개의 베어링에 의해 지지될 수 있고, 여기서 베어링(214)은 도시된 예에서 볼 베어링이다. 그러나, 다른 타입의 베어링은 또한 실제 구현예에 따라 사용될 수 있다. 샤프트(104) 및 샤프트에 부착된 PM은 모터의 회전자(전기자)를 형성한다. 모터의 고정자(210)는 코일(211, 212)을 포함하며, 이들은 전류를 공급받아서 모터의 각 모션을 제어하게 된다.
전술된 예에서와 같이, 샤프트(104)의 종단 부분은 도 3 및 도 4에 도시된 예와 유사한 리세스(P)를 가지며, 여기서 영구 자석(102')은 도 6을 참조하여 전술된 예와 유사한 샤프트(104)에 부착된다. 소형 설계를 실현하기 위해, 온-축 각 위치 센서를 형성하는 데 사용되는 자기장 센서(도 15에서 센서 칩(106)에 의해 표현됨)는 고정자 코일(211, 212)에 공급되는 동작 전류를 생성하는 데 사용되는 전력 전자기기와 함꼐 PCB(108) 상에 배열된다.
도 15로부터 알 수 있는 바와 같이, PCB는 샤프트(104)의 전면측(즉, 샤프트 종단 부분)과 직접적으로 대면하고, 자기장 센서 요소는, 본 예에서, 도 12 내지 도 14에 도시된 바와 같이 회전 축에 대칭으로 PCB(108) 상에 배열된다. 고정자 코일(211, 212)의 전기 접촉부(C)(솔더링 접촉부, 핀)는 PCB(108)를 향해 고정자로부터 돌출하는데, 이는 코일(211, 212)과 PCB(108) 사이의 직접적인 전기 접속을 허용한다. PCB(108)는 모터의 고정자(210)와 대면하는 모터 하우징(H)의 내부 표면에서 지지될 수 있다.
도 16의 예는, 본질적으로, 샤프트 종단 부분에 부착된 영구 자석(102')이 생략되고 대신에 영구 자석(102)이 도 3에 도시된 예와 유사하게 PCB(108)의 배면측 상에 배열된다는 점을 제외하면, 도 15의 이전의 예이다. 임의의 다른 각 위치 센서 배열물이 도 15 및 도 16에 도시된 바와 같은 BLDC 모터 어셈블리에서 사용될 수 있다는 것이 이해된다.
PCB(108)는 고정자 코일(211, 212)에 공급되는 (제어된) 부하 전류를 제공하는 전력 디바이스(215, 216)뿐 아니라 센서 칩(106)을 소지한다. (센서 칩(106) 내의) 자기장 센서 요소와 전력 디바이스(215, 216) 사이 또는 자기장 센서 요소와 PCB(108) 상의 부하 전류 라인 사이의 거리는, 종종, 비교적 작아서(예컨대, 10 mm 또는 20 mm), 전류 트레이스 또는 전력 디바이스에 의해 생성되는 자기장이 자기 센서 요소의 위치에서 강하게 불균질하게 된다. 따라서, 공통의 경사 측정기는 부하 전류 라인 및 전력 디바이스에 의해 야기되는 교란 자기장의 효과를 제어하기에는 충분하지 않다. 그러나, 부하 전류선 및 전력 디바이스는 자기장 센서 요소와 동일한 z 위치(즉, 동일한 축 방향 위치)에 (적어도 근사적으로) 위치된다(그리고 그에 따라 자기력선이 도 2에 도시된 바와 같이 거의 수직으로 센서 요소와 교차한다). 각 위치 측정은 자기장 센서 요소가 z 방향으로의 그들 자기장 성분에 응답하지 않는 경우에 이들 교란에 대해 매우 강건해진다. 따라서, 본 명세서에 기술된 실시예는 x 또는 y 방향으로의 자기장 성분에 민감한 경사 측정기 셋업을 포함한다.
본 발명이 하나 이상의 구현예에 대해 도시 및 기술되었지만, 첨부 청구범위 사상 및 범주로부터 벗어남이 없이 도시된 예에 대해 변경 및/또는 수정이 이루어질 수 있다. 특히, 전술된 컴포넌트 또는 구조물(유닛, 어셈블리, 디바이스, 회로, 시스템 등)에 의해 수행되는 다양한 기능에 관해, 본 발명의 도시된 예시적인 구현예를 본 명세서에서의 기능을 수행하는 개시된 구조물에 구조적으로 동등하지 않다 하더라도, 그러한 컴포넌트를 기술하는 데 사용되는 용어("수단"에 대한 언급을 포함함)는, - 다른 방식으로 나타내진 않는다면 - 기술된 컴포넌트(예컨대, 기능적으로 등가물임)의 특정 기능을 수행하는 임의의 컴포넌트 또는 구조물에 대응하는 것으로 의도된다.
또한, 본 발명의 특정 특징이 여러 개의 구현예 중 하나에 관해서만 개시될 수 있지만, 그러한 특징은 임의의 주어진 또는 특정 애플리케이션에 대해 바람직하고 유리할 수 있는 다른 구현예의 하나 이상의 다른 특징부와 조합될 수 있다. 또한, "포함하는(including)", "포함하다", "갖는", "갖다", "구비한"이라는 용어, 또는 이들의 변형이 상세한 설명 및 청구범위 중 어느 하나에서 사용되는 범위까지, 그러한 용어는 "포함하는(comprising)"이라는 용어와 유사한 방식으로 포함하는 것으로 의도된다.

Claims (20)

  1. 자기 각 위치 센서 시스템(magnetic angular position sensor system)으로서,
    회전 축 둘레에서 회전가능하고 연질의 자기 샤프트 종단 부분(soft magnetic shaft end portion)을 갖는 샤프트와,
    상기 샤프트 종단 부분으로부터 축 방향으로 이격되고, 상기 회전 축에 실질적으로 직교하는 센서 평면을 한정하는 센서 칩과,
    상기 센서 칩에 통합(integrated)되는 적어도 4개의 자기장 센서 요소 - 상기 자기장 센서 요소 중 2개는 서로로부터 이격되고 제1 방향으로의 자기장 성분에만 민감하고, 상기 자기장 센서 요소 중 2개는 서로로부터 이격되고 제2 방향으로의 자기장 성분에만 민감하고, 상기 제1 방향과 상기 제2 방향은 상호 비평행하고, 상기 제1 방향과 상기 제2 방향은 상기 회전 축에 직교함 - 와,
    상기 샤프트 종단 부분을 자화시키는 자기장 소스 - 상기 샤프트 종단 부분은 상기 자기장 소스에 의해 야기되는 상기 센서 평면 내의 자기장이 차수 N으로 회전적으로 대칭(rotationally symmetric with order N)이도록 형성되고, N은 유한 정수 ≥ 1임 - 와,
    상기 적어도 4개의 자기장 센서 요소에 커플링되고, 상기 적어도 4개의 자기장 센서 요소의 출력 신호를 조합함으로써 상기 샤프트의 각 위치를 계산하도록 구성된 회로를 포함하며,
    상기 자기장 소스는 제1 영구 자석 및 적어도 제2 영구 자석을 포함하고,
    상기 센서 칩은 회로 보드에 부착되는 칩 패키지에 배열되고,
    상기 제1 영구 자석은 상기 칩 패키지 또는 상기 회로 보드에 부착되고, 상기 제2 영구 자석은 상기 샤프트 종단 부분에 부착되는
    자기 각 위치 센서 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 적어도 4개의 자기장 센서 요소는 상기 센서 평면 상으로의 상기 회전 축의 투영에 의해 한정되는(defined by a projection of the rotation axis onto the seonsor plane) 중심 지점 둘레에서 상기 센서 평면에 배열되는,
    자기 각 위치 센서 시스템.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 샤프트 종단 부분은 그의 전면측(front side) 내에 또는 상에 적어도 하나의 홈(groove) 또는 적어도 하나의 돌출부(protrusion)를 갖고, 상기 홈 또는 상기 돌출부는 상기 샤프트 종단 부분이 차수 N의 회전 대칭성을 갖도록 형상화되고, N은 유한 정수인,
    자기 각 위치 센서 시스템.
  7. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 샤프트 종단 부분은 상기 샤프트와 동기식으로 회전하는 스프링을 포함하고, 상기 스프링은 본질적으로 상기 회전 축의 축 방향으로 탄성적인,
    자기 각 위치 센서 시스템.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 스프링은 상기 회전 축에 직교하는 방향으로 실질적으로 비탄성적인,
    자기 각 위치 센서 시스템.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 스프링은 상기 센서 칩과 상기 샤프트 종단 부분의 전면측 사이에 배열되고,
    상기 스프링은 스페이서를 통해 상기 센서 칩의 칩 패키지 상에서 지지되는,
    자기 각 위치 센서 시스템.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 스페이서는 상기 스프링에 부착되거나 상기 스프링의 요철부(embossment)에 의해 형성되고,
    상기 스프링은 상기 칩 패키지 상에 축방향 힘을 가하도록 구성되는,
    자기 각 위치 센서 시스템.
  11. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 적어도 4개의 센서 요소는 상기 회전 축과 동축인 원형을 따라서 대칭으로 분포되는,
    자기 각 위치 센서 시스템.
  12. 자기 각 위치 센서 시스템으로서,
    회전 축 둘레에서 회전가능하고 연질의 자기 샤프트 종단 부분을 갖는 샤프트와,
    상기 샤프트 종단 부분으로부터 축 방향으로 이격되고, 상기 회전 축에 실질적으로 직교하는 센서 평면을 한정하는 센서 칩과,
    상기 센서 칩에 통합되는 적어도 4개의 자기장 센서 요소 - 상기 적어도 4개의 자기장 센서 요소 중 제1 및 제2 자기장 센서 요소는 서로로부터 이격되고 제1 방향으로의 자기장 성분에 민감하고, 상기 적어도 4개의 자기장 센서 요소 중 제3 및 제4 자기장 센서 요소는 서로로부터 이격되고 제2 방향으로의 자기장 성분에 민감하고, 상기 제1 방향과 상기 제2 방향은 상호 비평행하고, 상기 제1 방향과 상기 제2 방향은 상기 회전 축에 직교함 - 와,
    상기 샤프트 종단 부분을 자화시키는 자기장 소스 - 상기 샤프트 종단 부분은 상기 자기장 소스에 의해 야기되는 상기 센서 평면 내의 자기장이 차수 N에 대해 회전적으로 대칭이도록 형성되고, N은 유한 정수 ≥ 1임 - 와,
    상기 적어도 4개의 자기장 센서 요소에 커플링되는 신호 처리 회로를 포함하되,
    상기 신호 처리 회로는,
    상기 제1 자기장 센서 요소 및 상기 제2 자기장 센서 요소에 의해 감지되는 자기장 성분들의 차이를 표현하는 제1 신호를 계산하고,
    상기 제3 자기장 센서 요소 및 상기 제4 자기장 센서 요소에 의해 감지되는 자기장 성분들의 차이를 표현하는 제2 신호를 계산하고,
    적어도 상기 제1 신호와 상기 제2 신호를 조합함으로써 상기 샤프트의 각 위치를 계산하도록 구성되며,
    상기 자기장 소스는 제1 영구 자석 및 적어도 제2 영구 자석을 포함하고,
    상기 센서 칩은 회로 보드에 부착되는 칩 패키지에 배열되고,
    상기 제1 영구 자석은 상기 칩 패키지 또는 상기 회로 보드에 부착되고, 상기 제2 영구 자석은 상기 샤프트 종단 부분에 부착되는
    자기 각 위치 센서 시스템.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 적어도 4개의 센서 요소는 상기 회전 축과 동축인 원형을 따라서 대칭으로 분포되는,
    자기 각 위치 센서 시스템.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 자기장 센서 요소의 제1 부분은 제1 원형을 따라서 배열되고,
    상기 자기장 센서 요소의 제2 부분은 제2 원형을 따라서 배열되고,
    상기 제1 및 상기 제2 원형은 상기 회전 축과 동축이고, 상이한 반경을 갖는,
    자기 각 위치 센서 시스템.
  15. 제12항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 및 상기 제2 자기장 센서 요소는 상기 회전 축에 대해 직경 방향으로 배열되고/되거나,
    상기 제3 및 상기 제4 자기장 센서 요소는 상기 회전 축에 대해 직경 방향으로 배열되는,
    자기 각 위치 센서 시스템.
  16. 제12항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서,
    제1 표면에서의 상기 센서 칩의 제1 에지는 상기 제1 방향에 평행하게 정렬되고, 상기 제1 표면에서의 상기 센서 칩의 제2 에지는 상기 제2 방향에 평행하게 정렬되는,
    자기 각 위치 센서 시스템.
  17. 전기 모터 어셈블리로서,
    적어도 하나의 고정자 코일을 포함하는 고정자와,
    적어도 전면측 및 연질의 자기 샤프트 종단 부분을 갖는 샤프트를 포함하는 회전자와,
    상기 샤프트의 상기 전면측과 대면하도록 배열되는 PCB(printed circuit board)와,
    상기 PCB에 부착되고 상기 샤프트 종단 부분으로부터 이격된 적어도 하나의 센서 칩과,
    상기 적어도 하나의 센서 칩에 배열되는 적어도 4개의 자기장 센서 요소 - 상기 자기장 센서 요소 중 2개는 서로로부터 이격되고 제1 방향으로의 자기장 성분에만 민감하고, 상기 자기장 센서 요소 중 2개는 서로로부터 이격되고 제2 방향으로의 자기장 성분에만 민감하고, 상기 제1 방향과 상기 제2 방향은 실질적으로 상호 비평행하고, 상기 제1 방향과 상기 제2 방향은 상기 샤프트의 회전 축에 직교함 - 와,
    상기 샤프트 종단 부분을 자화시키는 자기장 소스 - 상기 샤프트 종단 부분은 상기 제1 및 상기 제2 방향으로의 자기장 성분이 차수 N에 대해 회전적으로 대칭이도록 형성되고, N은 유한 정수 ≥ 1임 - 와,
    상기 적어도 4개의 자기장 센서 요소에 커플링되고, 상기 적어도 4개의 자기장 센서 요소의 적어도 4개의 출력 신호를 조합함으로써 상기 샤프트의 각 위치를 계산하도록 구성된 평가 회로와,
    상기 PCB 상에 배열되고, 상기 고정자 코일에 커플링되며, 상기 고정자 코일에 동작 전류를 공급하도록 구성되는 전력 전자 회로를 포함하며,
    상기 자기장 소스는 제1 영구 자석 및 적어도 제2 영구 자석을 포함하고,
    상기 센서 칩은 회로 보드에 부착되는 칩 패키지에 배열되고,
    상기 제1 영구 자석은 상기 칩 패키지 또는 상기 회로 보드에 부착되고, 상기 제2 영구 자석은 상기 샤프트 종단 부분에 부착되는
    전기 모터 어셈블리.
  18. 연질의 자기 샤프트 종단 부분을 포함하는 샤프트의 각 위치를 측정하기 위한 방법으로서,
    자기장 소스를 사용하여 상기 샤프트 종단 부분을 자화시키는 단계 - 상기 샤프트 종단 부분은 상기 샤프트의 회전 축에 실질적으로 직교하는 센서 평면에서의 제1 및 제2 방향으로의 자기장 성분이 차수 N과 회전적으로 대칭이도록 형성되고, N은 유한 정수 ≥ 1임 - 와,
    상기 센서 평면에서의 적어도 제1 위치 및 상기 제1 위치와는 상이한 제2 위치에서 상기 제1 방향으로의 자기장 성분을 감지하는 단계와,
    상기 센서 평면에서의 적어도 제3 위치 및 상기 제3 위치와는 상이한 제4 위치에서 상기 제2 방향으로의 자기장 성분을 감지하는 단계와,
    상기 제1 위치와 상기 제2 위치에서의 자기장 성분들의 차이에 기초하여, 그리고 상기 제3 위치와 상기 제4 위치에서의 자기장 성분들의 차이에 기초하여, 상기 샤프트의 각 위치를 그의 회전 축에 대해 계산하는 단계를 포함하며,
    상기 자기장 소스는 제1 영구 자석 및 적어도 제2 영구 자석을 포함하고,
    상기 센서 평면은 센서 칩에 의하여 한정되며, 상기 센서 칩은 회로 보드에 부착되는 칩 패키지에 배열되고,
    상기 제1 영구 자석은 상기 칩 패키지 또는 상기 회로 보드에 부착되고, 상기 제2 영구 자석은 상기 샤프트 종단 부분에 부착되는
    방법.
  19. 제18항에 있어서,
    자기장 성분을 감지하는 단계는,
    적어도, 상기 제1 위치에서 상기 제1 방향으로의 자기장 성분을 감지하도록 구성된 제1 자기장 센서 요소를 사용하여 제1 센서 신호를 제공하는 단계와,
    적어도, 상기 제2 위치에서 상기 제1 방향으로의 자기장 성분을 감지하도록 구성된 제2 자기장 센서 요소를 사용하여 제2 센서 신호를 제공하는 단계와,
    적어도, 상기 제3 위치에서 상기 제2 방향으로의 자기장 성분을 감지하도록 구성된 제3 자기장 센서 요소를 사용하여 제3 센서 신호를 제공하는 단계와,
    적어도, 상기 제4 위치에서 상기 제2 방향으로의 자기장 성분을 감지하도록 구성된 제4 자기장 센서 요소를 사용하여 제4 센서 신호를 제공하는 단계를 포함하는,
    방법.
  20. 제19항에 있어서,
    샤프트의 각 위치를 계산하는 단계는,
    상기 제1 센서 신호와 상기 제2 센서 신호 사이의 차이를 표현하는 제5 신호를 계산하는 단계와,
    상기 제3 센서 신호와 상기 제4 센서 신호 사이의 차이를 표현하는 제6 신호를 계산하는 단계와,
    상기 제5 신호 및 상기 제6 신호에 기초하여 각 위치를 계산하는 단계를 포함하는,
    방법.
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