KR102045582B1 - 자속 변조 및 각 감지를 이용한 위치 측정 - Google Patents

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Abstract

가동 컴포넌트의 위치를 판정하기 위한 시스템 및 방법이 개시되어 있다. 일 시스템은 가변 자속의 제어가능한 소스를 포함하고 있다. 특정 실시예에서, 제1 자속 집속기와 제2 자속 집속기에 의해 자속이 자기 센서를 통과한다. 센서는 센서 신호를 생성하고 이 신호는 신호를 복조하도록 설계된 전기 회로에 제공된다. 복조된 신호는 제어기에 제공된다. 제어기는 이 신호를 변환하고 제1 자속 집속기에 대한 제2 자속 집속기의 위치를 계산한다. 제어기는 제2 자속 집속기의 계산된 위치를 기반으로 미리 정해진 액션을 취할 수 있다.

Description

자속 변조 및 각 감지를 이용한 위치 측정{POSITION MEASUREMENT USING FLUX MODULATION AND ANGLE SENSING}
본 발명의 실시예들은 자기 센서를 이용하여 가동 컴포넌트의 위치를 판정하는 것에 관한 것이다.
자기 감지는 다른 유형의 감지에 비해서 수많은 장점이 있다. 예를 들어, 자기 센서들은 일반적으로 깨끗하지 않은 환경(즉, 먼지나 대부분 액체가 있는 환경 또는 다양한 전자기 간섭의 소스가 있는 환경)의 영향을 받지 않으며 비교적 간단하다(특히 홀-기반(Hall-based) 센서 및 자기-저항 센서와 같이 시중에서 구입할 수 있는 감지 집적 회로가 이용되는 경우). 특정한 장점이 있을지라도, 몇몇 응용에서는, 노이즈(이는 종종 위치 측정 시스템에서 기인한 것이 아니라 외부 자계에서 기인한 것임)는 센서에서 감지된 자계에 영향을 준다. 이러한 경우에는 센서 측정치가 부정확하다. 노이즈의 영향을 방지하거나 줄이기 위해 통상은 센서에 강한 자석을 이용하여 자기 차폐를 하고 센서 근처에 자기 집속기(concentrator)들을 배치한다.
자기 센서에 부정확성을 유도하는 다른 소스는 센서에서의 절대 전계 강도(absolute field strength)의 변동에 의해서 생긴다. 이러한 변동에 대한 한 이유는 온도의 변화에 의해서 생길 수 있는 자기 회로의 자속 변화(flux change)이다. 이 변동에 대한 다른 이유는 위치 측정에 관련되어 있지 않은 관련 자기 회로에서의 변동(즉, 자기 회로 요소들 간의 갭(gap)들의 변경)이다.
몇몇 실시예에서, 본 발명은 언급한 문제점들을 줄이거나 극복할 수 있게 설계된 자기 센서를 이용하여 가동 컴포넌트의 위치를 판정하기 위한 시스템 및 방법을 제공한다. 본 발명의 실시 예들은 센서에 대한 외부 자계 노이즈 소스의 영향을 줄이거나 제거하기 위해 자속 변조(flux modulation) 및 동기 복조(synchronous demodulation)의 결합을 이용한다. 또한, 본 발명의 실시 예들은 위치를 식별하기 위해 다-차원(즉, X 및 Y 컴포넌트) 자속 측정을 이용한다. 본 발명의 실시 예들은 또한 저-강도 자계의 측정 정확도를 증가시키는 비교적 높은 신호대잡음비를 성취한다.
자계 강도를 기본적인 측정 기준으로 이용하는 대신에, 본 발명의 실시 예들은 위치를 판정하는데 1 이상의 자계 각(angle)를 이용한다. 위치를 판정하는데 자계 각을 이용하면, 측정치가 센서에서의 전계 강도 변동에 거의 영향을 받지 않기 때문에 좀더 정확한 측정이 이루어진다. 특히, 자계의 각은 센서에서의 절대 전계 강도에 의존하지 않는다.
한 특정 실시예에서, 본 발명은 가동 컴포넌트의 위치를 판정하기 위한 시스템의 형태를 취한다. 이 시스템은 가변 자속의 제어가능한 소스를 포함하고 있다. 가변 자속(varying magnetic flux)은 주파수를 갖고 있다. 이 시스템은 또한 센서 신호를 출력하도록 구성된 자기 회로와 자기 센서를 포함하고 있다. 자기 센서는 가변 자속이 자기 센서를 통과할 수 있게 자기 회로 내에 배치되어 있다. 자기 센서를 통한 자속의 각은 가동 컴포넌트의 위치가 변할 때 변한다. 프로세서는 센서 신호의 주파수 성분들이 선택적으로 필터링될 수 있게 센서 신호를 처리하도록 구성되어 있다. 프로세서는 동기 복조 회로 또는 디지털 필터를 포함할 수 있다. 자기 센서는 자기 센서를 통한 자속의 각을 측정할 수 있게 구성되어 있고, 자속 각은 가동 컴포넌트의 위치의 인디케이터(indicator)이다.
시스템은 또한 자속을 전달하는 제1 자속 집속기 및 제1 자속 집속기에 관해서 이동가능한 제2 자속 집속기를 포함할 수 있다. 가변 자속의 일부는 제1 자속 집속기와 제2 자속 집속기 사이에서 결합한다.
본 발명의 다른 특정 실시 예는 가동 컴포넌트의 위치를 판정하는 방법을 제공한다. 이 방법은 가변 자속의 소스를 제어하는 단계 및 가변 자속이 자기 센서를 통과하도록 자기 회로 내에 위치한 적어도 하나의 자기 센서를 이용하여 자속의 적어도 한 방향 성분을 측정하는 단계를 포함한다. 자기 센서를 통한 자속의 각은 가동 컴포넌트의 위치가 변할 때 변한다. 이 방법은 또한 자기 센서로부터의 센서 신호의 주파수 성분들이 선택적으로 필터링될 수 있게 센서 신호를 처리하는 단계를 포함한다.
이 방법은 또한 자속을 제1 자속 집속기를 통과시키는 단계, 제1 자속 집속기를 제2 자속 집속기에 자기적으로 결합하는 단계, 자기 센서를 제1 자속 집속기와 제2 자속 집속기 사이에 위치시키는 단계, 및 자기 센서를 이용하여 자속의 적어도 한 방향 성분을 측정하는 단계를 포함한다.
본 발명의 또 다른 실시 예는 가동 컴포넌트의 위치를 판정하는 시스템을 제공한다. 이 시스템은 자기 회로와 회로를 포함한다. 자기 회로는 변조된 자속의 제어가능한 소스, 제1 자속 집속기, 제2 자속 집속기, 및 적어도 하나의 자기 센서를 포함한다. 제1 자속 집속기는 자속을 수신한다. 제2 자속 집속기는 제1 자속 집속기에 관해서 이동할 수 있고 제1 자속 집속기로부터 자속을 수신한다. 자기 센서는 제1 자속 집속기와 제2 자속 집속기 사이에 위치해 있고 자속의 적어도 일방향 성분을 측정할 수 있게 구성되어 있다. 이 회로는 믹서, 필터 및 제어기를 포함한다. 믹서는 자속의 적어도 한 방향 성분과 혼합 신호를 혼합하여 혼합된 신호를 출력한다. 필터는 혼합된 신호를 필터링하여 복조 신호를 생성한다. 제어기는 복조 신호를 기반으로 제2 자속 집속기의 위치를 판정한다.
본 발명의 다른 양태들은 상세한 설명과 첨부 도면에 의해 명백해질 것이다.
도 1a는 제1 위치에 있는 가동 컴포넌트의 위치를 판정하기 위한 시스템을 개략적으로 보여주고 있다.
도 1b는 가동 컴포넌트가 제2 위치에 있는 도 1a의 시스템을 개략적으로 보여주고 있다.
도 2a는 제3 위치에 있는 도 1a의 가동 컴포넌트의 단면도이다.
도 2b는 도 2a의 제3 위치에 가동 컴포넌트가 있으며 X-Y 평면 투시로 본 도 1a의 시스템을 개략적으로 보여주고 있다.
도 2c는 도 2a의 제3 위치에 가동 컴포넌트가 있으며 Y-Z 평면 투시로 본 도 1a의 시스템을 개략적으로 보여주고 있다.
도 3a는 제4 위치에 있는 도 1a의 가동 컴포넌트의 단면도이다.
도 3b는 도 3a의 제4 위치에 가동 컴포넌트가 있으며 X-Y 평면 투시로 본 도 1a의 시스템을 개략적으로 보여주고 있다.
도 3c는 도 3a의 제4 위치에 제2 자속 집속기가 있는, Y-Z 평면에서 본, 도 1a의 시스템을 개략적으로 보여주고 있다.
도 4a는 제5 위치에 있는 도 1a의 가동 컴포넌트의 측면도이다.
도 4b는 도 4a의 제5 위치에 가동 컴포넌트가 있으며 X-Y 평면 투시로 본 도 1a의 시스템을 개략적으로 보여주고 있다.
도 4c는 도 4a의 제5 위치에 가동 컴포넌트가 있으며 Y-Z 평면 투시로 본 도 1a의 시스템을 개략적으로 보여주고 있다.
도 5는 추가의 회로 컴포넌트를 포함하는 도 1a의 시스템의 대안 실시 예를 보여주고 있다.
도 6은 추가의 회로 컴포넌트들이 센서 안쪽에 위치해 있는 도 1a의 시스템의 대안 실시 예를 보여주고 있다.
도 7은 자속 발송기로서 코일을 이용한 도 1a의 시스템의 대안의 실시예를 도시한다.
본 발명의 실시 예들을 상세히 설명하기 전에, 본 발명이 그의 응용에 있어서 다음의 설명에 열거된 또는 첨부 도면에 도시된 컴포넌트들의 구성의 세부사항과 배열에 한정되지 않음을 이해하여야 한다. 다른 실시 예들일 수 있고 다양한 방식으로 실시 또는 실행될 수 있다.
도 1a는 가동 컴포넌트의 위치를 판정하기 위한 시스템(100)이다. 이 시스템(100)은 가변 자속(magnetic flux)의 제어가능한 소스(102)를 갖고 있는 자기 회로(101)를 포함하고 있다. 몇몇 실시 예에서, 소스(102)는 자석(105)과 자속 변조기(110)를 포함하고 있다. 자석(105)과 자속 변조기(110)는 자기 회로(101)에 제어된 가변 자속을 제공한다. 자속 변조기(110)는 자기 회로(101)의 자기 회로의 자기 저항(reluctance)이 가변될 수 있게 해준다. 자속 변조기(110)는 제어기(112)에 의해 제어되고 이 변조기는 스위치가 작동하는 방식과 유사하게 작동하는 것을 보여주기 위해 스위치로서 도시되어 있다. 예를 들어, 적어도 몇몇 실시 예에서, 자속 변조기(110)는 스위치가 개방 및 폐쇄되는 방식과 유사한 방식으로 개방되고 폐쇄될 수 있다. 자기 회로(101)는 또한 제1 자속 집속기(115a), 제2 자속 집속기(115b) 및 자기 센서(120)를 포함하고 있다. 제1 자속 집속기(115a)와 제2 자속 집속기(115b)는 자석(105) 및 변조기(110)에 의해서 생성된 자속의 적어도 일부를 통해서 결합된다. 자기 센서(120)는 홀-기반(Hall-bases) 센서, 자기-저항 센서 또는 자속 밀도 또는 자계 각의 다수 성분을 측정하는데 이용될 수 있는 다른 유형의 센서일 수 있다.
제어기(112)는 자속 변조기(110)의 상태를 변화시키는 변조 신호(111)(즉, 주기적인 디지털 신호 또는 다른 신호)를 생성한다. 이러한 상태 변화는 자속 집속기(115a 및 115b)와 센서(120)를 통한 자속이 공지된 주파수로 가변되도록 주기적으로 또는 반복적으로 발생할 수 있다. 자석(105)과 자속 변조기(110)에 의해 제공되는 제어된 자속은 제1 집속기(115a)와 제2 자속 집속기(115b)에 의해 센서(120)를 통해 통과한다. 제2 자속 집속기(115b)는 도 1a 및 도 1b에 도시된 바와 같이 제1 자속 집속기(115a)에 관해서 이동할 수 있다. 제2 자속 집속기(115b)의 이동은 센서(120)를 통한 자속의 방향을 바꾼다.
센서(120)는 도 1a 및 도 1b에 도시된 바와 같이 자속의 적어도 한 방향 성분(예를 들어, X-성분, Y-성분, 또는 X-성분과 Y-성분)을 측정하고 측정된 성분 값들을 출력 신호(126)를 통해서 전기 회로(127)에 출력 또는 전송한다. 출력 신호(126)는 믹서(132)에서 제어기(112)로부터의 혼합 신호(130)와 혼합된다. 혼합 신호(130)는 센서(120)를 통과한 자속과 거의 동일한 주파수를 갖고 있다. 양호하게는, 출력 신호(126)와 혼합 신호(130)의 위상은 정렬된다. 변조된 센서 출력(126)과 혼합 신호(130) 간의 위상 시프트에 대한 조치는 동기 복조기와 유사한 것으로 알려져 있고 이 상세한 설명에서 나중에 간략히 설명된다. 믹서(132)는 신호(135)를 저역통과 필터(140)에 출력 또는 전송한다. 이 신호에 대한 저역통과 필터링의 결과는 1 이상의 자속 성분을 나타내는 복조 신호(145)이다. 복조 신호(145)는 동일 주파수로 변조된 외부 자계를 제외한 외부 자계(즉, 노이즈)에 의해서는 유의미한 영향을 받지 않는다. 다른 말로, 시스템(100)에서 실행된 변조 및 복조 처리는 센서(120)의 출력 신호(126) 내의 노이즈를 줄여준다.
복조 신호(145)는 제어기(112)에 전송된다. 제어기(112)는 신호(145)에 대해서 아날로그-디지털 변환을 실행하고 센서(120)를 통한 자속의 각을 판정하는데 디지털 신호를 이용한다. 자속의 각 판정은 공지된 기술을 이용하여 성취할 수 있다.
자속의 각을 판정한 후에, 제어기(112)(또는 시스템(100) 외부의 개별 제어기)는 센서(120)를 통한 자속의 각을 기반으로 제2 자속 집속기(115b)의 위치를 계산한다. 몇몇 실시 예에서, 센서(120)를 통한 자속의 각은 자계 강도의 절대 레벨에 따라 변하지 않는다. 그러므로, 자속 강도의 변화는 제2 자속 집속기(115b)의 위치 측정에 있어 부정확성을 유도하지 않는다.
제2 자속 집속기(115b)의 위치 계산 후에, 제어기(112)(또는 시스템(100) 외부에 있는 1 이상의 개별 제어기)는 위치 정보를 제2 시스템에 제공할 수 있다. 예를 들어, 제2 자속 집속기가 자동차 변속기의 한 구성요소에 장착되어 있다면, 제2 자속 집속기(115b)의 위치는 변속기의 상태(예를 들어, 운전 중의 후진 또는 중립)를 나타낼 수 있다. 위치 정보(예를 들어, 후진 중인 변속기에 관련된 위치)는 제어 시스템에 제공되어 자동차의 후진 또는 백-업 라이트를 턴온시킬 수 있다. 이는 취할 수 있는 단지 한 작동 예에 불과하다. 제2 자속 집속기(115b)의 위치를 계산한 후에, 제어기(112) 또는 위치 정보를 수신하는 제어기들 또는 다른 시스템들은 미리 정해진 1 이상의 액션(예를 들어 현재 설정을 유지, 현재 설정을 조정, 데이터를 다른 제어기에 전송, 등)을 취할 수 있다.
이러한 상세한 설명과 블록선도들이 아날로그 동기 복조 시스템을 나타내고 있을지라도, 이 시스템은 또한 디지털 기술들을 유사한 결과를 성취하기 위해 필터링하고 이득 및 오프셋(gain and)을 조정하고 관련 신호들을 혼합하는데 이용할 수도 있다. 그러한 기술들은 이 기술 분야에 알려져 있으며 본 발명의 범위를 변경함이 없이 이 측정 개념과 함께 이용될 수 있다.
한 실시 예에서, 제2 자속 집속기(115b)는 도 1a에 도시된 바와 같이 Y-방향이 아니라 Z-방향으로 이동한다. 도 2a-4c는 제2 자속 집속기(115b)가 Z-방향으로 여행하는 것을 보여주고 있다. 제2 자속 집속기(115b)는 2개의 판(150 및 152)을 포함하고 있다. 판(150 및 152)은 개별 평면에 배치되어 있고 이들 평면들은 서로 수직이다. 센서(120)에 의해 측정가능한 선형 범위(linear range)는 제2 자속 집속기(115b)를 Y-방향 대신에 Z-방향으로 이동시킴으로써 증가한다. 도 2a-4c에 도시된 바와 같이, 제2 자속 집속기(115b)가 Z-방향으로 이동하는 동안, 제1 자속 집속기(115a)의 팁(205)에 가장 가까운 제2 자속 집속기(115b)의 포인트는 제2 자속 집속기(115b)의 모양과 방위 때문에 Y 방향으로 변한다. 제1 자속 집속기(115a)의 팁(205)은 제2 자속 집속기(115b)가 Z-방향으로 이동하는 동안 고정상태를 유지한다.
제2 자속 집속기(115b)는, Z-방향으로의 제2 자속 집속기(115b)의 이동이 X-Y 평면에서 제1 자속 집속기(115a)의 팁(205)과 이에 가장 가까운 제2 자속 집속기(115b)의 포인트 사이의 자속 각을 변화시킬 수 있게, 형태를 갖추고 있다. Z-방향으로의 집속기의 이동에 비해서 X-Y 평면 내의 집속기(115b)의 팁(즉, 집속기(115a)의 팁에 가장 가까운 집속기(115b)의 일부)의 비교적 느린 이동은 이들 팁들 간에 자속 각이 비교적 작게 변하는 Z-방향으로의 큰 변환(translation)을 가능하게 해준다. 그러므로, 집속기(115b)에 의한 Z 방향에서의 비교적 큰 변환은 자기 센서의 자속 각의 작은 변화로 측정될 수 있다. 제1 자속 집속기(115a)와 제2 자속 집속기(115b)의 다른 형상 및 방위도 가능하다는 점은 이해되어야한다.
도 5는 센서(120)가 멀티플 신호 성분, 즉 X 및 Y 성분을 출력할 수 있게 구성되어 있는 시스템(100)의 대안의 실시예를 보여주고 있다. 도 5의 실시 예에서, 시스템(100)은 또한 추가의 신호 성분을 처리하기 위한 추가의 회로(도 1에 도시된 실시 예에 비해서)를 포함하고 있다. 도 5의 실시 예에서, 측정된 성분 값들(예를 들어, X-성분 값 및 Y-성분 값)은 1 이상의 개별 센서 컴포넌트에 의해서 개별적으로 측정되고 개별 성분 신호(502 및 503)로서 전기 회로(127)에 전송된다. 그러나, 각 성분 신호(502 및 503)는 유사 회로를 통해서 처리된다. 센서(120)로부터의 성분 신호(502 및 503)는 먼저 고역통과 필터 및 신호 게인 회로(505 및 506)를 통해서 전송된다. 성분 신호들은 이후 믹서(537 및 538)에서 혼합 신호(130)와 혼합된다. 믹서(537 및 538)는 신호(540 및 541)를 저역통과 필터(542 및 543)에 출력한다. 저역통과 필터(542 및 543)로부터의 최종 동기-복조된 신호(545 및 546)는 신호 레벨이 낮을 수 있다. 이러한 환경에서, 낮은 신호 레벨에 대한 필요한 보상을 얻기 위해 게인 및 오프셋 조정 회로(550 및 551)에서 신호(545 및 546)를 조절할 수 있다. 회로(550 및 551)는 이들 신호의 게인을 증폭하거나 조정한다. 각 신호의 오프셋은 또한 회로(550 및 551)에서 조정된다. 임의 필요한 조정이 실행된 후에, 회로(550 및 551)로부터의 최종 신호는 제어기(112)에 제공 또는 전송된다.
센서(120)를 통한 자속을 정확히 측정하기 위해서, 제로-레벨 오프셋이 위치 측정을 위한 시스템(100)을 이용하기 전에 결정된다. 제로-레벨 오프셋은 자속 변조기(110)를 폐쇄하고 센서(120)를 통한 자속을 측정함으로써 결정된다. 오프셋 조정은 시스템의 동적 범위를 최적화하기 위해 제로-레벨 오프셋을 기반으로 수정된다. 회로(550 및 551)의 게인 및 오프셋들은 모든 신호 레벨들이 제어기(112)의 아날로그-디지털 변환기의 범위 내에 있도록 반복해서 조정된다. 이들 조정은 시스템(100)의 최대(또는 보다 일반적으로는, 넓은) 해상도를 보장하는데 도움이 된다. 최종 신호들은 게인 및 오프셋 조정 회로(550 및 551)를 통과한 후에, 제어기(112)에 전송된다.
위에서 설명한 바와 같이, 제어기(112)는 회로(550 및 551)로부터의 최종 신호들에 대한 아날로그-디지털 변환을 실행한다. 제어기(112)는 성분 신호(502 및 503)를 이용하여 센서(120)를 통한 자속의 각을 계산하고, 그 뒤에, 제2 자속 집속기(115b)의 위치를 계산한다. 위에 언급한 바와 같이, 제어기(112)는 또한 위치 정보를 다른 제어기 또는 시스템에 제공하거나 제2 자속 집속기(115b)의 계산된 위치를 기반으로 미리 정해진 액션을 취할 수 있게 구성될 수 있다.
정확한 각의 계산을 위해서, 개별 성분 신호(502 및 503)의 진폭들은 서로에 대해 참 진폭(true amplitude)이어야만 한다. 다른 말로, 측정의 단위는 동일하거나 비슷해야 한다. 이를 성취하기 위하여, 각 신호(502 및 503)에 대한 게인 및 오프셋 회로는 실질적으로 동일하거나 실질적으로 동일한 조절을 실행할 수 있게 구성되어야만 한다.
성분 신호(502 및 503)의 진폭을 정확히 결정하기 위해서는, 위상 시프팅에 의해 생기는 에러를 고려해야 한다. 정확한 결정을 위해서, 센서(120)의 출력(신호(502 및 503))과 혼합 신호(130) 간의 위상 시프팅이 다루어져야 한다. 일 실시 예에서, 출력 신호(신호(502 및 503))와 혼합 신호(130) 간의 위상 시프팅은 저역통과 필터(542 및 543)로부터의 복조 신호(545 및 546)가 제로-신호 오프셋으로부터 최대 절대 진폭에 도달할 때까지 혼합 신호(130)의 위상을 점진적으로 시프팅함으로써 방지된다.
대안의 실시예(도시되지 않음)에서, 센서(120)의 출력 신호와 혼합 신호(130) 간의 위상 시프트는 2개의 믹서: 제1 믹서와 제2 믹서를 이용하여 출력 신호 및 변조 신호(130)를 혼합함으로써 방지된다(또는 적어도 감소된다). 제1 믹서는 센서(120)의 출력 신호와 변조 신호(111)와 동위상인 신호를 수신한다. 제2 믹서는 출력 신호와 직교 신호(quadrature signal)(예를 들어, 변조 신호와 대략 90도 위상차가 있는 신호)를 수신한다. 양 신호는 앞서 설명한 바와 같이 저역 통과 필터링되고 게인 및 오프셋 조정된다. 센서(120)의 출력 신호의 크기는 이후 동위상 및 직교 복조 회로로부터의 최종 성분을 이용하여 계산된다. 자속의 X 및 Y 성분이 자속의 각이 계산되기 전에 계산되는 경우, X와 Y에 대한 동위상 및 직교 측정이 이루어진다.
지금까지 설명된 실시예들에서, 신호 처리는 센서(120)의 바깥에 위치한 회로에서 실행된다. 대안의 실시예에서, 신호 처리 회로는, 예를 들어, 도 6에 도시된 바와 같이 센서(120)(120a로 표기되어 있음) 내에 위치해 있다. 적용의 목적을 위해, "센서 내에"는 회로가 동일한 하우징 내에 있거나 국부적으로 센서와 함께 위치해 있는 구성을 포함한다.
도 6에 도시된 실시예에서, 자속 변조기(110)를 구동하기 위한 전자 장치는 센서(120a) 내에 위치하거나 자속 변조기(110) 내에 통합되어 있다. 이 실시 예에서, 각 정보 출력(605)은 아날로그 신호 또는 디지털 신호(예를 들어, 이 기술분야에 숙련된 자에게 공지되어 있는 펄스 폭 변조 신호 또는 다른 디지털 통신 신호)일 수 있다.
본 발명의 실시 예들에 유용한 자속 변조기들은 다양한 형태 중에서 한 형태를 취할 수 있다. 일 실시예에서, 자속 변조기(110)는 자속 변조기(110)를 통한 자기저항이 발진 주파수로 가변하도록 발진하는 기계적인 시스템이다. 대안 실시 예에서, 자속 변조기(110)는 자기 회로(101) 내의 직렬 요소의 투자율(permeability)을 변경(또는 제어)함으로써 창출된다. 이 실시 예에서, 직렬 요소에 자기장를 생성함으로써 직렬 요소는 주기적으로 구동되어 자기 포화된다. 직렬 요소 근처에 위치한 전류는, 직렬 요소를 자기 포화가 되도록 구동하는데 이용된 자계를 생성하는데 이용된다. 다른 대안 실시 예에서, 자속 변조기(110)는 외부 소스(예를 들어, 자기 변형(magnetostrictive) 재료 또는 압자기(piezomagnetic) 재료)에 의해 수정될 수 있는 자기 특성을 갖는 재료를 이용하여 구현된다.
또 다른 대안에서, 코일(705)은 자기 회로(101) 내의 제어된 자속의 소스(102)(도 7)로서 이용된다. 코일(705)은 권선 코일, 인쇄회로 기판의 트레이스들로 형성된 코일, 또는 다른 유형의 코일일 수 있다. 제어기(도 7의 센서(120b) 내에 위치함)는 코일 드라이버(710)와 통신하여 코일(705)로 흐르는 전류를 제어한다. 코일(705)로 흐르는 전류는 주기적으로 증가하고 감소하여 시변 자속을 공지된 발진 주파수로 생성한다. 자속은 제1 자속 집속기(115a)에 제공된다. 이 실시 예에서, 구동 회로는 센서의 바깥에 위치해 있는 한편 감지, 변조 및 복조 회로 및 계산 회로(예를 들어, 제어기(112))는 위에 설명한 바와 같이 센서(120)(120b로 표기되어 있음) 내에 위치해 있다.
일 실시예에서(도시되어 있지 않음), 자속 변조기(110)는 도 1에 도시된 바와 같이 자기 회로(101) 경로와 직렬이 아니라 제1 자속 집속기(115a)를 통해 자기 회로(101)와 병렬로 배치되어 있다. 그러므로, 병렬 경로의 자기저항은 변조된다. 병렬 경로의 축소된 자기저항은 센서(120)를 통하는 자속의 양을 감소시킨다. 유사하게, 병렬 경로의 강화된 자기저항은 센서(120)를 통하는 자속의 양을 증가시킨다. 이 실시 예에서, 감지, 전기 회로 및 자속 각의 계산 회로는 위에서 설명한 바와 같이 센서(120)에서 실행된다.
자기 감지 응용예에서, 감지 시스템(100)에 의해 생성되지 않은 외부 자계와 같은 노이즈는 감지된 값을 부정확하게 유도할 수 있다. 본 발명은 센서(120)를 통한 자속의 각을 측정한다. 그러므로, 시스템(100)에 의해 생성된 자속과 동일한 방향으로 센서(120)를 통과하는 외부 자계는 시스템(100)의 자속의 각이 시스템(100)에 의해 생성된 자속과 동일한 방향으로 외부 자계에 의해 변형되지 않기 때문에 시스템(100)의 신뢰성에 영향을 주지 않는다.
또한, 시스템(100) 내에서 이루어지는 자속 변조 및 신호 복조에 기인해서, 센서(120)를 통과하는 외부 자계(센서를 통과할 때 자속 집속기들(115a 및 115b) 간의 각과는 다른 각)는 외부 자계가 공지된 변조 주파수(즉, "동-대역" 노이즈)에서 또는 근처에서 변하지 않는 한 센서(120)를 통한 자속의 값 측정에 유의미한 영향을 주지 않는다. 그러한 외부 자계가 존재하더라도, 이 시스템은 자속의 각을 검출할 수 있을 것이다. 예를 들어, 시스템의 내부에서 생성된 자속의 변조는 비활성화되고(자속 변조기(110)는 한 상태로 유지됨), 외부 자계는 노멀 복조 회로(127)를 이용하는 센서(120)에 의해 측정된다(도 5). 외부 자계가 일관된 것으로 밝혀지면, 외부 자계에 의해 유발된 측정 에러는 시스템의 측정의 각 성분에 대한 제로-신호 오프셋의 일부가 된다. 외부 자계가 일관되지 않거나 가변인 것으로 밝혀지면, 제어기(112)는 원치않는 노이즈를 디지털식으로 필터링하는 시도를 하거나 진단 모드로 들어갈 수 있다(즉, 측정에 문제가 있는 것과 소통할 수 있다).
그러므로, 본 발명의 실시 예들은, 무엇보다도, 자기-기반 센서를 이용하여 가동 컴포넌트의 위치를 판정하기 위한 시스템 및 방법을 제공한다. 이들 시스템 및 방법은 시스템 내의 자계 강도가 변할 때는 물론이고 이 시스템에 의해 생성되지 않는 외부 자계가 존재하는 경우에도 위치 측정을 정확히 할 수 있다.
본 발명의 다양한 특징은 다음의 청구항들에 제시되어 있다.

Claims (31)

  1. 가동 컴포넌트의 위치를 판정하기 위한 시스템에 있어서,
    가변 자속의 제어가능한 소스와,
    자기 회로와,
    가동 컴포넌트와,
    센서 신호를 출력하고 상기 가변 자속이 자기 센서를 통과할 수 있게 상기 자기 회로 내에 배치되도록 구성된 자기 센서로서, 상기 자기 센서를 통하는 상기 가변 자속의 각은 상기 가동 컴포넌트의 위치가 변할 때 변경되는, 자기 센서와,
    센서 신호의 주파수 성분이 선택적으로 필터링되도록 센서 신호를 처리할 수 있게 구성된 프로세서를 포함하고,
    상기 자기 센서는 상기 자기 센서를 통한 가변 자속의 각을 측정할 수 있게 구성되어 있고, 상기 가변 자속의 각은 상기 가동 컴포넌트의 위치의 인디케이터(indicator)인,
    시스템.
  2. 가동 컴포넌트의 위치를 판정하기 위한 시스템에 있어서,
    가변 자속의 제어가능한 소스와,
    자기 회로와,
    가동 컴포넌트와,
    센서 신호를 출력하고 상기 가변 자속이 자기 센서를 통과할 수 있게 상기 자기 회로 내에 배치되도록 구성된 자기 센서로서, 상기 자기 센서를 통하는 상기 가변 자속의 각은 상기 가동 컴포넌트의 위치가 변할 때 변경되는, 자기 센서와,
    센서 신호의 주파수 성분이 선택적으로 필터링되도록 센서 신호를 처리할 수 있게 구성된 프로세서와,
    상기 가변 자속의 방향을 정하는 제1 자속 집속기와,
    상기 제1 자속 집속기에 관해서 이동가능한 제2 자속 집속기로서, 상기 가변 자속의 일부는 상기 제1 자속 집속기와 상기 제2 자속 집속기 사이에서 결합하는, 제2 자속 집속기를 포함하는,
    시스템.
  3. 가동 컴포넌트의 위치를 판정하기 위한 시스템에 있어서,
    가변 자속의 제어가능한 소스와,
    자기 회로와,
    가동 컴포넌트와,
    센서 신호를 출력하고 상기 가변 자속이 자기 센서를 통과할 수 있게 상기 자기 회로 내에 배치되도록 구성된 자기 센서로서, 상기 자기 센서를 통하는 상기 가변 자속의 각은 상기 가동 컴포넌트의 위치가 변할 때 변경되는, 자기 센서와,
    센서 신호의 주파수 성분이 선택적으로 필터링되도록 센서 신호를 처리할 수 있게 구성된 프로세서를 포함하고,
    상기 가변 자속의 제어가능한 소스는 자석과 자속 변조기를 포함하는, 시스템.
  4. 가동 컴포넌트의 위치를 판정하기 위한 시스템에 있어서,
    가변 자속의 제어가능한 소스와,
    자기 회로와,
    가동 컴포넌트와,
    센서 신호를 출력하고 상기 가변 자속이 자기 센서를 통과할 수 있게 상기 자기 회로 내에 배치되도록 구성된 자기 센서로서, 상기 자기 센서를 통하는 상기 가변 자속의 각은 상기 가동 컴포넌트의 위치가 변할 때 변경되는, 자기 센서와,
    센서 신호의 주파수 성분이 선택적으로 필터링되도록 센서 신호를 처리할 수 있게 구성된 프로세서를 포함하고,
    자기 센서는 가변 자속의 X-성분과 Y-성분을 측정할 수 있게 구성된,
    시스템.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 프로세서는 디지털 필터를 포함하는,
    시스템.
  6. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 가변 자속의 제어가능한 소스는 자기 회로의 자기저항이 발진 주파수로 가변하도록 발진되는 기계적인 시스템인,
    시스템.
  7. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 가변 자속의 제어가능한 소스는 코일과 코일 드라이버를 포함하는 시스템.
  8. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 프로세서는 동기 복조 회로를 포함하는,
    시스템.
  9. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    센서 신호와 주파수가 상기 가변 자속의 주파수와 실질적으로 동일한 혼합 신호를 혼합하여 한 신호를 생성하도록 구성된 회로를 더 포함하는 시스템.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 회로는 상기 신호를 적어도 하나의 저역통과 필터에 전송하도록 구성되어 있는 시스템.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 회로는 자기 센서 내에 위치해 있는 시스템.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 저역통과 필터는 복조 신호를 출력하는 시스템.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 회로로부터 상기 복조 신호를 수신할 수 있게 구성된 제어기를 더 포함하는 시스템.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 제어기는 또한 상기 복조 신호를 계산하는데 이용하도록 구성되어 있는 시스템.
  15. 제13항에 있어서,
    상기 제어기는 또한 상기 복조 신호를 기반으로 자기 센서를 통한 가변 자속의 각을 판정할 수 있게 구성되어 있는 시스템.
  16. 제13항에 있어서,
    상기 제어기는 또한 자기 센서를 통한 가변 자속의 각을 기반으로 가동 컴포넌트의 위치를 판정할 수 있게 구성되어 있는 시스템.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 제어기는 가동 컴포넌트의 위치를 기반으로 미리 결정된 액션을 취하도록 구성되어 있는 시스템.
  18. 제13항에 있어서,
    상기 제어기는 자기 센서 내에 위치해 있는 시스템.
  19. 제13항에 있어서,
    상기 제어기는 또한 가변 자속의 상기 제어가능한 소스를 제어하기 위한 제어 신호를 출력하도록 구성되어 있는 시스템.
  20. 제2항에 있어서,
    제1 자속 집속기의 팁에 가장 가까운 제2 자속 집속기의 포인트가 제1 방향에 수직인 제2 방향으로 변하도록, 제2 가속 집속기가 제1 방향으로 이동할 수 있게 모양을 갖추고 있고 배치되어 있는,
    시스템.
  21. 가동 컴포넌트의 위치를 판정하기 위한 방법에 있어서,
    자기 회로 내의 가변 자속의 소스를 제어하는 단계와,
    가변 자속을 제1 자속 집속기를 향하게 하는 단계와,
    상기 제1 자속 집속기로부터의 가변 자속을 제2 자속 집속기에 결합하는 단계로서, 상기 제2 자속 집속기는 상기 제1 자속 집속기에 관해서 이동가능한, 결합 단계와,
    가변 자속이 자기 센서를 통과하도록 상기 자기 회로 내에 위치한 자기 센서를 이용하여 가변 자속의 각을 측정하는 단계로서, 상기 자기 센서를 통한 가변 자속의 각은 제2 자속 집속기의 위치가 변할 때 변경되는, 가변 자속의 각 측정 단계와,
    센서 신호의 주파수 성분들이 선택적으로 필터링될 수 있게 상기 자기 센서로부터 센서 신호를 처리하는 단계를 포함하는, 방법.
  22. 제21항에 있어서,
    가변 자속의 소스를 제어하는 단계는 제어기로 제어 신호를 출력하는 단계를 포함하는, 방법.
  23. 제21항에 있어서,
    가변 자속의 소스를 제어하는 단계는 자기 회로의 자기저항이 발진 주파수로 가변하도록 기계적인 시스템을 발진시키는 단계를 포함하는 방법.
  24. 제21항에 있어서,
    가변 자속의 소스를 제어하는 단계는 코일에 흐르는 전류를 제어하는 코일 드라이버를 제어하는 단계를 더 포함하는 방법.
  25. 제21항에 있어서,
    가변 자속의 소스를 제어하는 단계는 자기 회로의 컴포넌트의 투자율을 제어하는 단계를 포함하는 방법.
  26. 제25항에 있어서,
    투자율은 코일을 통한 전류를 제어함으로써 제어되는 방법.
  27. 가동 컴포넌트의 위치를 판정하기 위한 방법에 있어서,
    자기 회로 내의 가변 자속의 소스를 제어하는 단계와,
    가변 자속이 자기 센서를 통과하도록 상기 자기 회로 내에 위치한 자기 센서를 이용하여 가변 자속의 각을 측정하는 단계로서, 상기 자기 센서를 통한 가변 자속의 각은 가동 컴포넌트의 위치가 변할 때 변경되는, 가변 자속의 각 측정 단계와,
    센서 신호의 주파수 성분들이 선택적으로 필터링될 수 있게 상기 자기 센서로부터 센서 신호를 처리하는 단계를 포함하고,
    가변 자속의 각을 측정하는 단계는 가변 자속의 X-성분 및 Y-성분을 측정하는 단계를 더 포함하는, 방법.
  28. 가동 컴포넌트의 위치를 판정하기 위한 방법에 있어서,
    자기 회로 내의 가변 자속의 소스를 제어하는 단계;
    가변 자속이 자기 센서를 통과하도록 상기 자기 회로 내에 위치한 자기 센서를 이용하여 가변 자속의 각을 측정하는 단계로서, 상기 자기 센서를 통한 가변 자속의 각은 가동 컴포넌트의 위치가 변할 때 변경되는, 가변 자속의 각 측정 단계;
    센서 신호의 주파수 성분들이 선택적으로 필터링될 수 있게 상기 자기 센서로부터 센서 신호를 처리하는 단계 - 센서 신호를 처리하는 단계는 센서 신호를 혼합 신호에 혼합하여 혼합된 신호를 생성하는 단계를 포함하고, 상기 혼합 신호는 상기 가변 자속의 주파수와 실질적으로 동일한 주파수를 가짐-; 및
    복조 신호를 생성하기 위해 상기 혼합된 신호를 저역통과 필터링하는 단계를 포함하는,
    방법.
  29. 삭제
  30. 제28항에 있어서,
    상기 센서 신호를 혼합 신호에 혼합하는 단계와 혼합된 신호를 저역 통과 필터링하는 단계는 적어도 하나의 자기 센서 내에서 이루어지는, 방법.
  31. 제28항에 있어서,
    가변 자속의 각을 측정하는 단계는 복조 신호를 기반으로 자기 센서를 통한 가변 자속의 각을 판정하는 단계를 포함하는, 방법.
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