KR102373646B1

KR102373646B1 - 다극 자석을 사용하여 절대 각위치를 측정하기 위한 장치, 방법 및 센서

Info

Publication number: KR102373646B1
Application number: KR1020207020242A
Authority: KR
Inventors: 크리스챤 스코트; 사무엘 허버
Original assignee: 멜렉시스 테크놀로지스 엔브이
Priority date: 2012-08-23
Filing date: 2013-08-23
Publication date: 2022-03-11
Also published as: EP2888558A1; KR101974244B1; KR20200088507A; KR20150042782A; WO2014029885A1; GB2505226A; US20210018336A1; EP2888558B1; US11592318B2; CN104583727A; US20150226581A1; GB201215052D0; US10830612B2; KR102135333B1; US11391601B2; KR20190045400A; JP2015526730A; US10309801B2; HK1208903A1; US20190242724A1

Abstract

고정자(3)에 대한 회전자(2)의 각 위치(알파)를 측정하기 위한 장치(1)로서, 이 같은 장치가 회전자(2)에 장착된 다극 자석(5), 고정자(3)에 장착된 센서(6), 그리고 2 그룹(S, T) 또는 4 그룹(S, T, U, V)으로 조직되어 자장 성분(Br, Bt, Bz)을 측정하도록 하는 다수의 센서 요소(HH, VH)를 포함한다. 각위치(α)를 계산하기 위한 방법은 각 그룹의 엘리먼트 신호들 합계, 두 합계의 비, 그리고 아크 탄젠트 함수를 처리함을 포함한다. 선택적으로, 이 같은 방법은 신호의 합계, 합계 차이, 차이의 비, 그리고 아크 탄제트 함수를 처리함을 포함할 수 있다. 집적 센서(6), 그리고 자동차 환경에서 이 같은 장치 또는 센서(6)의 사용에 대한 것이다.

Description

다극 자석을 사용하여 절대 각위치를 측정하기 위한 장치, 방법 및 센서{ARRANGEMENT, METHOD AND SENSOR FOR MEASURING AN ABSOLUTE ANGULAR POSITION USING A MULTI-POLE MAGNET}

본 발명은 자장을 사용하여 위치 센서의 필드에 대한 것이다. 특히, 본 발명은 접촉할 수 없는 장치에 대한 것이며 자장을 사용하여, 360°이하인 각위치를 정밀하게 결정하기 위한 무 접점 장치 및 방법에 대한 것이다.

회전 각의 측정은 매뉴얼 전기 스위치 또는 모터의 위치 결정 또는 밸브 등과 같은 다양한 응용에서 요구된다. 비용 그리고 정밀 제한에 따라, 이 같은 테스크가 기계적 접촉, 전위차계, 광학 인코더, 또는 자기 인코더와 같은 다양한 방법에 의해 달성될 수 있다.

현대의 집적회로 기술은 자기 센서 그리고 이들의 판독을 집적하기 위한 가능성을 제공하며 단일 다이에서 각도 계산 전자장치를 제공한다. 이는 저렴한 가격과 양호한 성능을 갖는, 회전자에 부착된 영구 자석 그리고 고정자에 부착된 단안정 집적회로 센서로 구성된 기계적 회전의 검출기를 제공한다. 자석을 갖는 회전자와 센서를 갖는 고정자 사이의 기계적 접촉이 없음은 센서의 기밀 봉합을 허용하도록 한다. 이는 곤란한 환경 조건에서도 마모 없는(wear-free) 각도 측정을 허용한다.

전자 시스템의 무 접점 증가로, 특히 하이브리드 엔진 시스템을 갖는 자동차에서, 그와 같은 위치 센서는 강한 전류(가령 100A 이상)가 흐르는 가까이 위치한 도체로부터의 외부 자장에 추가 노출된다. 이와 같은 조건에서 높은 감지 정확도를 유지 시키기위해, 센서가 강자성 쉴드에 의해 차단될 수 있거나, 혹은 이와 같은 자장에는 본질적으로 둔감하게 만들어질 수 있다. 이는 절대 자장이 아닌 자장 그래디언트를 측정함에 의해 달성될 수 있으며, 이는 어떠한 추가 자장도 센서 크기가 작은 동안에는 센서에 대한 제1 근접에서 일정한 것으로 간주 되기 때문이다.

이 같은 요구에 해당하는 센서는 EP0916074B 1에서 알려져 있다. 이 공보는 비 회전-대칭 자석(특히, 2-극 자석)으로부터 발생되는 자장을 사용하여 무접점 각도 측정을 위한 방법 및 장치를 설명하며, 이에 의해 회전 축과 평행인 축 방향 자장 성분이 상기 회전 축에 직각인 평면 내 여러 분리된 위치에 있는 센서 요소(소위 "수평 홀 요소(Horizontal Hall elements)")에 의해 측정된다. 다음에 직경 반대 위치에 있는 센서 요소 크기 사이의 차이가 정해져서 일정한 외부 (방해) 자장으로부터의 신호도 감하여지도록 하며 각도 신호에서 더 이상 출현하지 않도록 한다.

설명된 방법 및 장치의 단점은 작은 각도 측정을 위한 응용에 있다.

US20020021124는 IMC 아래에 위치하는 수평 홀 요소, 또는 IMC 가장자리에 접선방향으로 위치하는 수직 홀 요소와 조합하여, 자장 라인을 구부리기 위해 소위 하나 이상의 자장 집중기(약어 "IMC")를 사용하는 위치 센서를 설명한다.

본 발명의 목적은 센서를 제공하는 것이며, 고정자에 대한 회전자의 절대 각위치를 측정하기 위한 센서, 장치 및 방법으로서, 외부 자장에 대하여 영향을 받지 않는(둔감한) 센서, 장치 및 방법을 제공함에 대한 것이다.

본 발명의 실시 예 목적은 민감도가 증가한 360°이하의 각위치를 측정하기 위한 그러한 센서, 장치 및 방법을 제공하는 것이다.

이 같은 목적은 본 발명의 실시 예에 따른 장치, 방법 및 센서에 의해 달성된다.

첫 번째 특징에서, 본 발명은 고정자에 대한 회전자의 각위치를 측정하기 위한 장치를 제공한다. 이 같은 장치는:

- 회전 축 둘레로 회전할 수 있는 회전자;

- 회전 축에 대하여 고정 위치를 갖는 고정자;

- 자장을 발생시키기 위해 회전자에 장착된 자기 소스로서, 적어도 4개의 자극을 가지며 회전축에 대하여 주기적으로 반복되는 자장 패턴을 제공하는 다극 자석인 자기 소스;

- 고정자 상에 장착되고 자장의 적어도 한 자장 성분을 측정하고 적어도 한 자장 성분을 나타내는 측정 신호를 제공하기 위한 다수의 센서 요소를 포함하는 센서로서, 상기 센서가 회전 축 중심에 위치하며, 자기 소스로부터 제1 거리에서 회전 축에 수직인 평면에 위치하는 센서; 상기 센서 요소는 상기 회전 축에서 제2 거리에서 원 상에 위치하며, 적어도 한 자장 성분을 검출하기 위해 방향이 정해지는 센서; 그리고

- 상기 제공된 센서 신호로부터 회전자의 각위치를 계산하기 위한 수단을 포함한다.

제2 특징에서, 본 발명은 고정자에 대한 회전자의 각위치를 측정하기 위한 장치를 제공한다. 이 같은 장치는 회전 축을 중심으로 회전할 수 있는 회전자; 회전 축을 중심으로 고정된 위치를 갖는 고정자;

회전축에 대하여 주기적 반복 자장 패턴을 발생시키기 위한 적어도 4개의 자극의 수를 갖는 다극 자석인 자기 소스로서, 자장을 발생시키기 위해 회전자 상에 장착되는 자기 소스;

고정자에 장작 되며 다수의 센서 요소를 포함하여 자장 가운데에서 하나 이상의 자장 성분을 측정하도록 하고 상기 하나 이상의 자장 성분을 나타내는 측정 신호를 제공하도록 하는 센서로서, 회전축 주위에서 회전축을 중심으로 하여 위치하고 자기 소스로부터 제1 거리 떨어져서 회전축에 수직한 평면에 위치하는 상기 센서;

회전축으로부터 제2 거리에서 원 위에 위치하며, 하나 이상의 가장 성분을 검출하도록 방향이 정해지는 센서 요소; 적어도 제1 그룹 그리고 제2 그룹으로 분리되는 다수의 센서 요소로서, 그룹 각각 내의 요소가 상기 원에서 등거리 각 위치로 위치하고, 제1 그룹 요소와 제2 그룹 요소 사이의 각도 거리가 180°를 자기 소스의 자극 수에 의해 나눈 값과 같은 상기 다수의 센서 요소;

제공된 신호로부터 회전자의 각위치를 계산하기 위한 수단으로서, 제1 그룹의 센서 요소에 의해 제공된 신호의 제1 합계 또는 제1 평균을 계산하고, 제2 그룹의 센서 요소에 의해 제공된 신호의 제2 합계 또는 제2 평균을 계산하며, 제1 합계, 제1 평균, 제2 합계 그리고 제2 평균으로 구성된 그룹으로부터 선택된 하나 이상의 값에 기초하여 회전자의 각위치를 결정하도록 적용되는 계산하기 위한 수단을 포함한다.

센서가 무 접점인, 따라서 고정부와 이동부 사이에 아무런 기계적 접촉이 없는, 따라서 아무런 마모가 없는 각위치를 결정하기 위한 자장을 사용하는 장점이 있다. 이 같은 센서는 혹독한 환경에서 사용될 수 있다.

다수 센서 요소를 포함하는 단일 집적 센서를 사용하며, 개별 센서 요소 또는 다수 센서의 오 정렬 위험이 제거되고 이들 센서의 상호 연결이 생략될 수 있는 장점이 있다.

제1 그룹의 요소는 소위 사인 신호를 측정하도록 배열되고, 제2 그룹의 요소는 코사인 신호를 측정하기 위해 배열되며, 함께 구형 신호를 형성하고, 이로부터 각위치가 정확하게 결정된다.

이 같은 장치의 장점은 (오직) 축 방향 자장 성분 대신, 자기 소스의 접선 방향, 방사상 방향 또는 축 방향 자장 성분 어느 것도 측정될 수 있도록 한다는 것이다.

이 같은 장치의 장점은 회전자의 자장을 형성시키기 위해, 고정자에 강자성 요크를 추가함을 필요로 하지 않는다는 것이며, 이는 컴포넌트 비용과 노동을 추가시킬 필요를 제거하는 것이다.

이 같은 장치의 장점은 자기 소스가 자석 가까이 그리고 회전 축 가까이에서 자장을 발생시키며, 회전축과 동심의 원 상에 자석으로부터 가까운 거리에 놓이는 위치에서 자장 컴포넌트가 접선 방향, 방사상 방향 및/또는 축 방향 자장 성분을 가지며, 이들이 가령 사인 또는 코사인과 같이 회전 각도에 따라 주기적으로 변하며 회전축으로부터 거리에 따라 선형적으로 변한다. 이 같은 자석의 예는 사각형, 원형 또는 다각형 단면을 갖는 원통형 형상을 갖는 자석이다.

이 같은 장치에 의해 제공된 각위치는 위치-오프셋 에러에 대하여 둔감한(거의 영향을 받지 않는) 장점을 갖는다. 이 같은 장치는 위치 에러를 보상하기 위해 눈금을 조정할 필요가 없는 또 다른 장점을 제공한다.

이 같은 장치에 의해 제공된 각위치는 균일한 외부 자장에 둔감한(거의 영향을 받지 않는) 장점을 갖는다. 이 같은 자기 소스는 원형 형상, 구형 형상 또는 다각형 형상(가령, 6 각형)의 다극 디스크일 수 있다. 상기 다극 자석에는 중앙 오프닝, 가령 중앙 원통형 오프닝(따라서 기본적으로 환형 형상을 형성한다)이 제공된다.

센서 요소의 수는 적어도 자기 소스의 극 수와 동일하며, 그러나 개선된 기능을 위해 그 같은 수의 두 배 일 수 있다.

본 발명에 따른 장치의 예에서, 다극 자석은 영구 자석이다. 자장을 발생시키기 위한 영구 자석의 사용은 어떤 파워(power)도 자장을 발생시키기 위해 추가될 필요가 없다는 장점을 갖는다.

본 발명에 따른 장치의 실시 예에서, 다극 자석은 중앙의 원통형 오프닝을 가진다.

본 발명에 따른 장치의 예에서, 다극 자석은 적어도 6개의 자석 극을 가진다.

이 같은 장치의 장점은 높은 민감도를 제공한다는 것이다.

6-극 자석의 장치가 더욱 많은 극을 갖는 자석에 대한 장점은 각도 범위가 0 내지 120°라는 것이다.

본 발명에 따른 한 실시 예에서, 상기 다극 자석은 외측 직경과 내측 직경을 갖는 링 형상을 가지며, 센서 내 원이 자석의 외측 직경 l. 내지 30% 인 직경을 갖는다.

센서 요소가 위치하는 원의 직경은 링 자석의 크기와는 무관하다는 것이 이 같은 장치의 장점이다. 이는 센서와 자석 크기가 서로 독립적으로 선택되도록 한다. 이는 또한 자석과 무관한 센서의 또 다른 기술 스케일링을 허용한다.

본 발명에 따른 실시 예에서, 적어도 하나의 자장 성분 측정은 원에 대하여 접선 방향인 자장의 접선방향 자장 성분을 포함한다.

이 같은 다극 링 자석 또는 디스크 형상 자석으로부터 발생하는 접선 방향 자장은 고정자와 회전자 사이의 각도 거리의 함수로 정현파 신호를 제공하며, 접선 방향 자장 성분의 크기가 회전 축으로부터의 거리에 따라 선형적으로 변화하며, 우수한 위치-오프셋 교정을 제공하고, 그리고 기술의 스케일링을 허용한다.

본 발명에 따른 장치의 실시 예에서, 센서 요소는 원에 대한 접선인 법선을 갖는 플레이트를 갖는 수직한 홀 효과 요소를 포함한다.

이 같은 홀 요소는 (오직) 접선 자장 성분을 측정하는 데 이상적으로 적합하며, 축 방향 또는 방사상 방향 자장 성분에는 둔감하다.

실리콘, 기판과 같은 반도체의 깊이 방향으로 만들어지기 때문에, 수직 홀 효과 요소를 사용하는 것은 장점이며, 따라서 적은 반도체 면적을 차지한다. 본 발명에 따른 장치의 실시 예에서, 감지 요소 각각이 서로 인접한 원에 위치하며, 회전 축에 수직한 방향의 플레이트를 갖는 한 쌍의 수평 홀 효과 요소, 그리고 로컬 접선 자장을 상기 플레이트에 수직한 방향으로 구부리기 위한 IMC 세그먼트를 포함한다.

수평 홀 요소가 사용되는 장치의 장점은 더욱 높은 민감도를 제공하며 더욱 작은 오프셋을 특징으로 한다는 것이다.

IMC와 조합하여 수평 홀 요소를 사용하는 장점은 상기 IMC가 패시브 방법으로 신호 증폭을 제공한다는 것이다.

본 발명에 따른 장치의 실시 예에서, 측정된 적어도 하나의 자장 성분이 원에 대하여 방사상의 방향인, 자장의 방사상 자장 성분을 포함한다.

다극 링 자석 또는 디스크 형상 자석으로부터 발생하는 방사상 방향 자장은 고정자와 회전자 사이의 각도 거리의 함수로 정현파 신호를 제공하며, 방사상 방향 자장 성분의 크기가 회전 축으로부터의 거리에 따라 선형적으로 변화하며, 우수한 위치-오프셋 교정을 제공하고, 그리고 기술의 스케일링을 허용한다. 이 같은 방사상 자장 및 접선 방향 자장은 동일한 장점을 제공한다.

이 같은 실시 예에서, 센서 요소는 법선이 회전 축에 대하여 수직이며 이와 교차하는 플레이트를 갖는 수직 홀 효과 요소를 포함한다.

이 같은 홀 요소는 이상적으로 (오직) 방사상 방향 자장 성분을 측정하는 데 이상적이며, 축 방향 접선 방향 자장 성분에 대하여는 둔감하다.

실리콘, 기판과 같은 반도체의 깊이 방향으로 만들어지기 때문에, 수직 홀 효과 요소를 사용하는 것은 장점이며, 따라서 적은 반도체 면적을 차지한다.

어떠한 IMC도 요구되지 않는다는 점에서 수직 홀 요소를 사용하는 것은 또 다른 장점이다.

본 발명에 따른 장치의 실시 예에서, 계산하기 위한 수단이 제1 합계 그리고 제2 합계의 비 그리고 제1 평균 그리고 제2 평균의 비를 계산하도록 적용되며, 상기 비에 대한 아크 탄젠트 또는 아크 코탄젠트에 기초하여 회전자의 각위치를 결정하도록 적용된다.

각위치가 상대적으로 간단한 산술에 의해 계산될 수 있다는 것은 장점이다. 고니오미터(goniometric) 기능은 선택적으로 선형 보간과 함께, 룩업 테이블을 이용하여 실현될 수 있다. 이 같은 테이블은 비휘발성 메모리에 저장될 수 있다.

본 발명에 따른 장치의 실시 예에서, 다수의 센서 요소가 다극 자석의 자석 극 수 두 배이다. 센서가 원에 위치하는 자석 센서 요소의 제3 그룹 그리고 제4 그룹을 더욱 포함하며, 제3 및 제4 그룹의 자석 센서 요소들이 하나 이상의 자장 성분을 검출하도록 방향이 정해지고, 제3 및 제4 그룹 각각의 센서 요소가 원에서 등거리 각위치로 위치하도록 되며, 제3 그룹의 요소와 제4 그룹의 요소 사이 각도 거리가 자기 소스의 자극의 수에 의해 2xl80°=360°가 나뉜 값과 동일하고, 제4 그룹의 요소와 제5 그룹의 요소 사이 각도 거리가 자기 소스 자극의 수에 의해 3xl80°=540°가 나뉜 값과 동일하다. 계산하기 위한 수단이 제3 그룹의 요소에 의해 제공된 신호의 제3 합계 또는 제3 평균을 계산하고, 그리고 제4 그룹의 요소에 의해 제공된 신호의 제4 합계 또는 제4 평균을 계산하도록 더욱 적용된다. 계산하기 위한 수단은 상기 제1 합계, 제1 평균, 제2 합계, 제2 평균, 제3 합계, 제3 평균, 제4 합계 그리고 제4 평균으로 구성된 그룹으로부터 선택된 하나 이상의 수에 기초하여 회전자의 각위치를 결정하도록 더욱 적용된다.

이 같은 실시 예의 장점은 반복성을 제공할 수 있으며, 이는 예를 들면 자장의 비-이상성, 집적 회로의 오정렬, 집적회로의 공차 등과 같은 컴포넌트의 공차를 평균함에 의해 정확성을 더욱 증가시키도록 사용될 수 있다.

이 같은 실시 예의 장점은 신뢰할 수 있는 장점을 제공할 수 있으며, 예를 들어 두 측정된 각도가 주어진 임계값 이상 이탈하는 에러를 표시할 수 있다는 것이다.

본 발명에 따른 장치의 실시 예에서, 센서 요소 각각이 수평 홀 효과 요소를 포함하며, 상기 장치가 수평 홀 요소의 상부에 위치한 중앙 부분 그리고 방사상 방향으로 배치되며 홀 요소로부터 일정한 거리에 위치하는 다수의 긴 부분을 포함하는 집적된 자기 집중기를 더욱 포함한다.

본 발명에 따른 장치의 실시 예에서, 센서 요소 각각이 수평 홀 효과 요소를 포함하며, 상기 장치가 중앙 부분 그리고 방사상 방향으로 배치되며 홀 요소 하나의 상부에 위치하는 다수의 긴 부분을 포함하는 집적된 자기 집중기를 더욱 포함한다.

본 발명에 따른 장치의 실시 예에서, 계산하기 위한 수단이 제1 합계와 제3 합계 사이 제1 차이를 계산하고, 제2 합계와 제4 합계 사이 제2 차이를 계산하도록 더욱 적용된다. 상기 계산 수단이 상기 제1 차이와 제2 차이의 비를 계산하고, 그리고 상기 비의 아크 탄젠트 또는 아크 코탄젠트에 기초하여 회전자의 각위치를 결정하도록 더욱 적용된다.

이 같은 특정 알고리즘을 사용함에 의해, 이 같은 장치에 의해 제공된 각위치가 일정한 외부 자장 그래디언트에 대하여 추가적으로 둔감한(거의 영향을 받지 않는) 장점이 있다. 다시 말해서, 균일하지 않은 외부 자장의 제로 및 제1 차수 항에 영향을 받지 않는 장점이 있다. 이와 같이 하여, 전류가 흐르는 도체에 의해 발생된 자장은 상당히 줄어든다. 이 같은 장점은 특히 자동차 환경에서, 특히 후드(hood) 아래에서 과소 평가될 수 없는 것이다.

본 발명의 세 번째 특징에서,자동차 환경에서 각위치를 계산하기 위한 장치의 사용이 제공된다.

후드 아래에서 제안된 장치를 사용하는 것은 특히 바람직하며, 이때 도선에 흐르는 큰 전류는 이 같은 장치가 두 제로 차수 항과 제1 차수 항 모두에 전혀 영향을 받지 않기 때문에 큰 와류 자장을 일으킬 수 있다.

본 발명의 네 번째 특징에서, 상기 설명한 바와 같은 장치를 사용하는 고정자에 대한 회전자의 각위치를 결정하기 위한 방법이 제공된다. 이 같은 방법은 제1 그룹의 센서 요소에 의해 제공된 신호의 제1 합계 또는 제1 평균을 계산하고; 제2 그룹의 센서 요소에 의해 제공된 신호의 제2 합계 또는 제2 평균을 계산하며; 제1 합계, 제1 평균, 제2 합계 그리고 제2 평균으로 구성된 그룹으로부터 선택된 하나 이상의 수에 기초하여 회전자의 각위치를 결정함을 포함한다.

본 발명에 따른 방법의 실시 예에서, 이 같은 방법은 제1 및 제2 합계 또는 제1 및 제2 평균의 계산을 위해 결합된 신호를 제공하도록 각 쌍의 요소 신호를 감산하는 단계를 더욱 포함한다.

이 같은 구성에서 수평 홀 요소의 각 쌍은 단일 값을 제공한다.

본 발명에 따른 방법의 실시 예에서, 이 같은 방법은 제1 합계와 제2 합계의 비 또는 제1 평균과 제2 평균의 비를 계산하고;; 상기 비의 아크탄젠트 또는 아크코탄젠트에 기초하여 회전자의 각위치를 결정함을 더욱 포함한다.

본 발명에 따른 방법의 실시 예에서, 이 같은 방법은 제3 그룹의 센서 요소에 의해 제공된 신호의 제3 합계 또는 제3 평균을 계산하고, 그리고 제4 그룹의 센서 요소에 의해 제공된 신호의 제4 합계 또는 제4 평균을 계산하며; 상기 제1 합계, 제1 평균, 제2 합계, 제2 평균, 제3 합계, 제3 평균, 제4 합계 그리고 제4 평균으로 구성된 그룹으로부터 선택된 하나 이상의 수에 기초하여 회전자의 각위치를 결정함을 더욱 포함한다.

본 발명에 따른 방법의 실시 예에서, 이 같은 방법은 제1 합계와 제3 합계 사이 제1 차이를 계산하고, 제2 합계와 제4 합계 사이 제2 차이 그리고 상기 제1 차이와 제2 차이의 비를 계산하고; 그리고 상기 비의 아크 탄젠트 또는 아크 코탄젠트에 기초하여 회전자의 각위치를 결정하는 단계를 더욱 포함한다.

본 발명의 제5 특징에 따라, 본 발명은 고정자에 대한 회전자의 각위치를 측정하기 위한 집적된 센서 회로를 제공하며, 회전자가 회전축을 중심으로 회전할 수 있으며 자장을 발생시키기 위해 회전자에 장착된 자기 소스를 포함하고;

자기 소스가 회전축에 대하여 주기적 반복 자장 패턴을 발생시키기 위한 다수의 자극의 수를 갖는 다극 자석이고, 상기 다극의 수는 4 이상이며; 고정자가 회전축에 대하여 고정 위치를 가지며, 상기 집적된 센서 회로가 다극 자석에 근접하여 그리고 자기 소스로부터 제1 거리에서 회전축에 수직한 평면에서 회전축에 정렬되어 고정자에 장작 가능하다. 상기 집적 센서 회로는 각 센서 요소가 자장 가운데에서 하나 이상의 자장 성분을 측정하도록 하고 센서 요소의 위치에서 상기 하나 이상의 자장 성분의 세기를 나타내는 측정 신호를 제공하도록 적용되는 다수의 센서 요소로서, 회전축으로부터 일정 거리에서 원 위에 위치하며, 하나 이상의 가장 성분을 검출하도록 방향이 정해지는 센서 요소; 제1 그룹 그리고 제2 그룹으로 분리되는 다수의 센서 요소로서, 그룹 각각 내의 요소가 상기 원에서 등거리 각 위치로 위치하고, 제1 그룹 요소와 제2 그룹 요소 사이의 각도 거리가 180°를 자기 소스의 자극 수에 의해 나눈 값과 같은 상기 다수의 센서 요소; 제공된 신호로부터 회전자의 각위치를 계산하기 위한 수단을 포함하고; 그리고 여기서, 상기 계산하기 위한 수단이 제1 그룹의 센서 요소에 의해 제공된 신호의 제1 합계 또는 제1 평균을 계산하고, 제2 그룹의 센서 요소에 의해 제공된 신호의 제2 합계 또는 제2 평균을 계산하며, 제1 합계, 제1 평균, 제2 합계 그리고 제2 평균으로 구성된 그룹으로부터 선택된 하나 이상의 수에 기초하여 회전자의 각위치를 결정하도록 적용된다.

이 같은 집적 회로의 장점은 정확한 각위치를 제공하며, 외부 자장에 대하여 영향을 받지 않거나 줄어든 민감도를 갖는다는 것이며, 회전 축에 대하여 집적회로의 위치 정함 에러에 대하여 영향을 받지 않거나 줄어든 민감도를 갖는다는 것이며, 개전된 민감도를 제공한다는 것이다. 이 같은 집적회로는 예를 들어 4-극 자석이 사용되는 경우 180°이하이고, 또는 6-극 자석이 사용되는 경우 120°이하인 것과 같이, 전체 각도가 360°이하인, 시스템 내 절대 각위치를 측정하는 데 이상적으로 적합하다. 이는 밸브를 제어하는 것과 같은 응용에서 더욱 정확한 위치 정함을 제공할 수 있다.

본 발명에 따른 직접회로의 실시 예에서, 센서 요소 각각은 원 접선인 법선 플레이트를 갖는 수직 홀 효과 요소를 포함한다.

본 발명에 따른 집적회로의 실시 예에서, 감지 요소 각각이 서로 인접한 원에 위치하며, 회전 축에 수직한 방향의 플레이트를 갖는 한 쌍의 수평 홀 효과 요소, 그리고 로컬 접선 자장을 상기 플레이트에 수직한 방향으로 구부리기 위한 IMC 세그먼트를 포함한다.

본 발명에 따른 집적회로의 실시 예에서, 센서 요소 각각이 회전축에 수직 하며 교차하는 법선을 갖는 플레이트를 갖는 수직 홀 효과 요소를 포함한다.

본 발명에 따른 집적회로의 실시 예에서, 계산하기 위한 수단이 제1 합계 그리고 제2 합계의 비 그리고 제1 평균 그리고 제2 평균의 비를 계산하도록 적용되며, 상기 비에 대한 아크 탄젠트 또는 아크 코탄젠트에 기초하여 회전자의 각위치를 결정하도록 더욱 적용된다.

본 발명에 따른 집적회로의 실시 예에서, 센서 요소의 수는 다극 자석의 자극 수 두배이며; 그리고 상기 집적회로는 원 위에 위치하는 제2 그룹 및 제4 그룹 자기 센서 요소를 더욱 포함하고, 제3 및 제4 그룹의 자기 센서 요소는 적어도 한 자장 성분을 검출하도록 방향이 정해지며, 제3 및 제4 그룹 각 각에서의 센서 요소가 원 위에서 균등한 간도 위치로 위치하고, 제3 그룹의 요소와 제1 그룹의 요소 사이 각도 거리가 자기 소스의 자극의 수에 의해 2xl80°=360°가 나뉜 값과 동일하고, 제4 그룹의 요소와 제1 그룹의 요소 사이 각도 거리가 자기 소스의 자극의 수에 의해 3xl80°=540°가 나뉜 값과 동일하며; 그리고 계산하기 위한 수단이 제3 그룹의 요소에 의해 제공된 신호의 제3 합계 또는 제3 평균을 계산하고, 그리고 제4 그룹의 요소에 의해 제공된 신호의 제4 합계 또는 제4 평균을 계산하도록 더욱 적용되며; 그리고 계산하기 위한 수단이 상기 제1 합계, 제1 평균, 제2 합계, 제2 평균, 제3 합계, 제3 평균, 제4 합계 그리고 제4 평균으로 구성된 그룹으로부터 선택된 하나 이상의 수에 기초하여 각위치를 결정하도록 더욱 적용된다.

본 발명에 따른 집적회로의 실시 예에서, 센서 요소 각각은 수평 홀 효과 요소를 포함하며, 상기 집적 회로가 수평 홀 요소의 상부에 위치한 중앙 부분 그리고 방사상 방향으로 배치되며 홀 요소로부터 일정한 거리에 위치하는 다수의 긴 부분을 포함하는 집적된 자기 집중기를 더욱 포함한다.

본 발명에 따른 집적회로의 실시 예에서, 센서 요소 각각은 수평 홀 효과 요소(HHI)를 포함하며, 상기 집적 회로가 중앙 부분(II) 그리고 방사상 방향으로 배치되며 홀 요소 하나의 상부에 위치하는 다수의 긴 부분(IO)을 포함하는 집적된 자기 집중기를 더욱 포함한다.

본 발명에 따른 집적회로의 실시 예에서, 계산하기 위한 수단은 제1 합계와 제3 합계 사이 제1 차이를 계산하고, 제2 합계와 제4 합계 사이 제2 차이를 계산하도록 더욱 적용되며; 그리고 상기 계산 수단이 상기 제1 차이와 제2 차이의 비를 계산하고, 그리고 상기 비의 아크 탄젠트 또는 아크 코탄젠트에 기초하여 회전자의 각위치를 결정하도록 적용된다.

본 발명의 6 번째 특징에서, 자동차 환경에서 각위치를 계산하기 위한 이 같은 집적회로의 사용이 제공된다.

본 발명의 바람직한 특징은 본원 명세서의 독립항과 종속항에서 제공된다. 종속항 특징은 인용되는 항에 따라 독립항 특징과 결합되며 다른 종속항 특징과도 결합된다.

본 발명의 이들 및 다른 특징이 하기 설명되는 실시 예에서 더욱 명백하게 설명된다.

도 1은 2극 막대자석을 사용하여 절대 각위치 측정을 위한 종래기술 장치를 도시한 도면.
도 2는 4극 자석을 사용하여, 본 발명의 실시 예에 따른 절대 각위치 측정을 위한 장치를 도시하며, 일정한 외부 자장이 또한 도시되는 도면.
도 3은 본 발명의 실시 예에서 사용될 수 있는, 12개 극과 중앙의 원통형 오프닝을 갖는 축 방향 자석 링-자석을 도시한 도면.
도 4는 본 발명의 실시 예에서 사용될 수 있는 중앙 원통형 오프닝과 4극 축 방향 자석 링-자석을 도시한 도면.
도 5는 본 발명의 실시 예에서 사용될 수 있는 4 극 쌍(8개 극)을 형성하는 표면 자석으로서 중앙 오프닝을 갖지 않는 디스크 자석을 도시한 도면.
도 6은 중앙 오프닝을 갖는 다극 링 자석을 도시하며, 평면도로 도시된(도 6의 저부) 그리고 측면도로 도시된(도 6의 상부) 두 극-쌍을 갖는 다극 링-자석의 예를 도시하며, 또한 자석으로부터 일정 거리에 위치한 평면 센서 요소의 위치를 도시하고, 그리고 회전 축에 직각으로 방향이 정해진 자석을 도시하는 도면.
도 7은 도 6의 4 극 링 자석의 접선 방향 자장 성분 시뮬레이션을 도시하며, 외측과 중앙의 원은 링 자석의 외측과 내측 직경에 해당하고, 내측 원은 센서 소자가 위치할 수 있는 가상의 원에 해당하는 자석을 도시한 도면.
도 8은 가상 원에 놓이며, 도 7의 접선 자장 성분을 측정하도록 방향이 정해진, 4개 수직 홀 센서 소자의 위치와 방향의 예를 도시한 도면.
도 9는 자석 표면 아래 3mm 거리에서 도 6의 4극 링 자석의 방사상 자장 성분의 시뮬레이션을 도시하며, 도 7에서와 같은 링을 도시한 도면.
도 10은 본 발명의 실시 예에 따른 센서의 4개 수직 홀 센서 소자의 위치와 방위의 한 예를 도시한 도면이며, 이 같은 소자들이 가상 원 상에 놓이고, 도 9의 방사상 자장 성분을 측정하기 위한 방위를 도시한 도면.
도 11은 자석 표면 아래 3mm 거리에서, 도 6의 4극 링 자석의 축 방향 자장 성분을 시뮬레이션한 도면.
도 12는 본 발명의 실시 예에 따른 한 센서의 4개 수평 홀 센서 소자의 위치 및 방위의 예를 도시한 도면이며, 상기 센서 소자들이 가상의 원 위에 놓이고, 도 11의 축 방향 자장 성분을 측정하도록 방위가 정해짐을 도시한 도면.
도 13은 반경의 함수로서, 도 11의 축 방향 자장 성분 세기를 도시한 도면.
도 14는 반경의 함수로 도 9의 방사상 자장 성분의 세기를 도시한 도면.
도 15는 반경 방향 함수로도 7의 접선 방향 자장 성분의 세기를 도시한 도면.
도 16은 중앙의 원통형 오프닝을 갖는 6 극 링 자석을 도시하며, 자석의 아래에서 비록 자장이 측정되지 않더라도 일부의 필드 라인이 링-자석의 외측에 도시됨을 도시하는 도면이며, 세 개의 두꺼운 블랙 화살표는 제1 그룹의 세 센서 소자(도시되지 않음)의 방위를 도시하며, 세 개의 두꺼운 화이트 화살표는 제2 그룹의 세 개의 센서 소자(도시되지 않음)의 방위를 도시하고, 모든 센서 소자가 자장의 접선 방향 성분을 측정하도록 적용되는 도면.
도 17은 도 본 발명의 실시 예에 따른 센서의 6개 수직 홀 센서 요소에 대한 위치 및 방향의 예를 도시하고, 센서 요소가 가상의 원 상에 놓이며, 도 2에 도시된 장치에서 도 16의 자석 접선 방향 자장 성분을 측정하도록 적용됨을 도시한 도면.
도 18은 도 16의 6-극 자석과 조합하여 사용되는 때, 도 17의 센서 요소로부터 얻어질 수 있는 사인 및 코사인 신호의 예를 도시한 도면.
도 19는 도 16의 6-극 링 자석과 조합하여 사용될 수 있는, 수평 홀 플레이트 요소 그리고 집적된 자기 집중기(IMC)의 쌍을 갖는 센서 실시 예를 도시한 도면.
도 20은 도 16에서 도시되는 중앙 원통형 오프닝을 갖는 6-극 링 자석을 도시하고, 세 개의 두꺼운 블랙 화살표는 제1 그룹의 세 센서 소자(도시되지 않음)의 방위를 도시하며, 세 개의 두꺼운 화이트 화살표는 제2 그룹의 세 개의 센서 소자(도시되지 않음)의 방위를 도시하고, 모든 센서 소자가 자장의 접선 방향 성분을 측정하도록 적용되는 도면.
도 21은 본 발명 실시 예에 따른 센서의 6개 수직 홀 센서 소자 위치와 방위의 예를 도시한 도면이며, 상기 소자가 가상의 원 위에 놓이며, 도 2에서 도시된 장치에서 도 20의 자석 방사상 자장 성분을 측정하도록 적용됨을 도시한 도면.
도 22는 도 21의 센서 소자로부터 얻어진 사인 및 코사인 신호 예를 도시한 도면.
도 23은 6-극 자석의 방사상 자장 성분을 측정하도록 방위가 정해진 12개의 수직 홀 센서 소자를 갖는 센서의 예를 도시하며, 도 21의 센서의 센서 소자의 수 두배이고, 향상된 정확도 또는 신뢰도 체크를 위해 사용될 수 있고, 또 다른 실시 예에서, 동일한 배열이지만 다른 산술을 갖는 장치가 외부 일정 자장에 그리고 외부 일정 자장 그래디언트에 예민하지 않은 방식으로 각 위치를 측정하도록 사용됨을 도시하는 도면.
도 24는 도 2의 장치를 도시한 도면이지만, 일정한 외부 자장 대신에, 전류 전도선에 의해 발생된 외부 자장을 도시한 도면.
도 25는 도 23의 센서에 대한 변경 예이며, 12개의 수직 홀 센서 요소를 가지며, 이는 일정한 외부 자장 또는 어느 방향으로든 일정한 그래디언트(constant gradients)를 갖는 외부 자장에 대하여 견고한 도 16의 6-극 자석의 접선 방향 자장 성분을 측정하도록 방위가 정해짐을 도시하는 도면.
도 26은 12개의 수평 홀 소자 그리고 집적 자기 집중기를 갖는 센서의 한 실시 예를 도시하며, 상기 자기 집중기가 본 발명에 따라 중앙의 디스크 그리고 다수의 긴 스트립을 포함하고, 홀 소자가 상기 중앙 디스크 아래에 배치됨을 도시하는 도면.
도 27이 도 26에 도시된 센서의 실시 예 변경 예를 도시하며, 홀 소자가 긴 스트립 아래에 배치됨을 도시하는 도면.
도 28은 도 4에서 도시된 4-극 링 자석과 결합하여 사용하기 위한, 본 발명의 특징에 따른 8개 센서 소자의 장치를 도시하는 도면.
상기 도면은 개략적인 것이며 비-제한적이다. 도면에서, 요소들의 크기는 확대 된 것이며, 설명의 목적으로 정확한 축적으로 도시되지 않는다.
청구항에서 도면 부호는 발명의 범위를 제한하는 것으로 간주 되지 않는다.
다른 도면에서, 동일한 도면 부호는 동일하거나 유사 부분을 나타낸다.

본 발명은 특정 실시 예 그리고 일정 도면과 관련하여 설명되며, 그러나, 본 발명은 청구범위에 의해서만 제한된다. 도면에서, 구성 부분들의 크기는 확대되며, 설명의 목적으로 실제 축적으로 도시되지 않는다. 크기 및 상대적인 크기는 본 발명의 실제 크기에 해당하지 않는다.

상세한 설명 및 청구항에서 용어 제1 , 제2 등등은 유사한 구성 부분 사이를 구별하도록 사용되며, 일시적이든, 공간적이든, 등급이든 또는 어떤 다른 방법으로든 순서를 설명하고자 함이 아니다. 이와 같이 사용된 용어는 적절한 상황하에서 상호 교환가능하며 본원 명세서에서 설명된 본 발명의 실시 예는 설명된 것과는 다른 순서로 동작할 수 있다.

또한, 상세한 설명 및 청구범위에서, 용어 상부, 하부 등은 설명의 목적으로 사용되며 필요적으로 상대적인 위치를 설명하기 위해 설명하는 것은 아니다. 이와 같이 사용된 상기 용어는 적절한 상황 하에서 상호 교환가능하며 본원 명세서에서 설명된 본 발명의 실시 예는 본원 명세서에서 설명되거나 도시된 것과는 다른 방위로 동작할 수 있기도 하다.

청구범위에서 사용된, 상기 용어 "포함하는"은 하기에서 언급되는 수단을 제한하는 것으로 해석되어서는 안 된다; 이는 다른 구성 부분 또는 단계를 배제하지 않는다. 따라서 관련된 특징, 정수, 단계 또는 컴포넌트를 존재를 명시하는 것으로 해석되어야 하며, 하나 또는 뚤 이상의 다른 특징, 정수, 단계 또는 컴포넌트 또는 이들의 그룹을 배제하지 않는다. 따라서, "수단 A 및 B를 포함하는 장치"의 권리 범위는 컴포넌트 A와 B만으로 구성된 장치로 한정되어서는 않 된다. 본 발명과 관련하여, 장치의 유일한 상대적인 컴포넌트는 A와 B라는 것이다.

본원 명세서에서 "한 실시 예" 는 실시 예와 관련하여 설명된 특정 특징, 구조 또는 특징이 본 발명의 적어도 한 실시 예에서 포함된다. 따라서, 본원 명세서 내 여러 곳에서 "한 실시 예에서" 라는 표현은 필요적으로 동일한 실시 예를 언급하는 것이 아니며. 당업자에게 자명한 한 바와 같이, 특정 특징, 구조 또는 특징이 적절한 방법으로 결합 될 수 있다.

이와 유사하게, 본 발명의 예시적인 실시 설명에서, 본 발명의 다양한 특징이 단일 실시 예, 도면 또는 설명에서 그룹으로 묶이며, 다양한 발명 특징을 이해하는 데 도움이 되고 본원 발명의 공개를 간소하게 한다. 그러나 이 같은 공개 방법은 청구된 발명이 청구항 각각에서 명시적으로 언급한 것보다 더욱 많은 특징을 요구하는 의도를 반영하는 것으로 해석되어서는 않 된다. 그보다는, 본 발명의 특징은 앞서 개시된 실시 예에서의 모든 특징보다 적은 것이며, 따라서 상세한 설명 뒤의 청구항은 스스로 독립하여 본 발명의 독립된 실시 예로서 존재하는 것이다.

또한, 본원 명세서의 일정 실시 예가 다른 실시 예에 포함된 일부 특징을 포함하지만, 당업자가 이해하는 바와 같이 다른 실시 예의 다른 특징들의 조합은 본 발명의 보호범위에 속하는 것이다. 예를 들면, 다음 실시 예에서, 청구된 실시 예의 어떤 것도 다른 조합으로 사용될 수 있다.

본원 명세서에서, 다수의 특정 세부 사항이 설명된다. 그러나, 본 발명의 실시 예는 특정 세부 사항 없이 실시될 수 있다. 다시 말해서, 잘 알려진 방법, 구조 및 기술은 본원 발명의 이해를 위해서 상세히 설명되지 않는다.

"외부 (원하지 않은) 자장"을 말하는 때, 회전자에 장착된 "자기 소스", 예를 들면 영구 자석에 의해 발생 된 것과는 다른 자장을 의미한다.

"회전 대칭" 자장을 갖는 자장이 자기 소스가 축을 중심으로 360°와 유사한 각도로, 예를 들면 4-극 링 자석 또는 디스크 자석의 경우 180°또는 6-극 링 자석 또는 디스크 자석의 경우 120°회전된 후 동일하게 보임을 의미한다.

일정한 진폭 그리고 일정한 방향을 갖는 자장은 균일한 외부 자장을 의미한다. 이 같은 필드 자장은 상수 벡터(Bxo, Byo, Bzo)로서 설명될 수 있다.

도 1은 EP0916074B 1에서 설명된, 2-극 막대 자석을 사용하는 절대 각 위치 측정을 위한 종래장치를 도시한다. 이 같은 장치는 고정자(27)에 대하여 회전 축(21)을 중심으로 회전하는 회전자(22)를 갖는다. 막대 자석(23)은 회전자(22)에 장착되어 자장을 발생시키도록 하며, 그 자속의 일부가 도시된다. 자석 "아래"(z-방향) 일정한 거리에, 센서가 위치하며, 이 센서는 4 개의 센서 요소(24, 25, 26)을 가지며, 그 중 3개가 도시된다. 센서 요소는 회전 축에 평행한 수직 z 방향으로 방향이 정해진 자장 라인과 같은 자장의 축방향 자장 성분(374)을 감지하기 위한 홀 요소이다. 센서 요소는 적어도 2개 센서 쌍으로 구성되거나, 다중 쌍으로 정확도를 증가시키도록 하며, 자장이 회전 축에 대하여 어떠한 회전 대칭도 갖지 않는다는 것이 EP0916074B1의 상세한 설명과 청구범위에서 명시되어 있다.

도 2는 센서(6), 본 발명 실시 예에서, 고정자(도시되지 않음)에 대한 회전자(2)의 절대 각위치 측정을 위한 집적 회로를 포함하는 장치(1)를 도시하며, 상기 센서(6)는 고정되어 장착된다. 회전자(2)는 회전 축(4) 둘레에서 회전가능하며, Np = 4인 4개 이상의 자극을 갖는 다중 자석(5)을 포함하며, 이 경우 영구 디스크-자석이 4극(옅은 회색 그리고 짙은 회색으로 표시된)을 갖는다. 이 같은 자석(5)은 사전에 정해진 거리로, 또는 사전에 정해진 거리 범위로, 주기적으로 반복되는 자속 밀도 패턴, 예를 들면 세 원통형 성분(방사 방향, 접선 방향, 축 방향) 중 적어도 한 성분의 자속을 갖는 정현파 자속 밀도 패턴을 발생시킨다. 자장은 회전 축(4)에 대하여 회전 대칭이며, 이 실시 예에서, 180°의 주기로 반복한다. 이는 각도 센서가 0°내지 180°범위 기계적 각도만을 측정할 수 있음을 의미한다. 6-극 자석의 경우, 측정 가능한 각은 0°내지 120°이다.

센서(6)는 자석(5) "아래" 거리 d1에 배치되며, 회전 축(4)과 정렬하여 위치하고, 회전 축(4)에 수직인 평면β에 위치한다. 센서(6)는 회전 측(4)에 수직인 평면β에 위치한 적어도 4개의 센서 요소를 포함하여, 하나 이상의 자장 성분(Br, Bl, Bz)을 측정하도록 하며, 하기에서 더욱 설명되는 바와 같은 센서 요소에 의해 제공되는 신호로부터 회전자(2)의 각위치를 계산하기 위한 수단을 포함한다.

본 발명의 실시 예에서, 거리 d1은 제로와 자석(5)의 외측 직경 사이이다. 특정 실시 예에서, 거리 d1은 상기 외측 자석 직경의 10 내지 30% 사이로 선택될 수 있다. 만약 자석이 원형이 아니라면, 이 직경은 주변 서클의 직경일 수 있다. 선택적으로, 비-원형 형상 자석의 경우, 상기 거리 d1은 제로와 자석의 측면 길이 사이 일 수 있으며, 이 측면 길이는 자석의 가장 긴 측면 길이 일 수 있다.

도 3 내지 5는 도 2의 센서(6)로 사용될 수 있는 다극 자석(5)의 종류일 수 있으며, 자석(5)이 회전 축(4)을 중심으로 회전 대칭 자장을 발생시키기 위해 4개 이상의 극(북극 그리고 남극)을 갖는 다극 자석인 한 다른 종류의 다극 자석이 사용될 수 있으며, 상기 자장은 접선 방향, 방사상 방향, 또는 축 방향 자장 성분(Bt, Br, Bz)을 각각 가지며, 회전 축(4)에서 중심을 가지며 자석으로부터 거리(d1) 떨어져 위치한 가장 원에서 측정되는 때, 각(α)을 갖는 사인 또는 코사인 파로 변동하고, 즉 가상의 원 중심으로부터 일정 방사상 거리까지 선형적으로 변동한다. 이 같은 변동이 도 13 내지 15에서 더욱 설명된다.

도 3은 본 발명의 실시 예에서 사용될 수 있는 바와 같이, 12개 극(6개 극 쌍)을 가지며 중앙의 원통형 오프닝을 갖는 축 방향 자화된 링-자석을 도시한다. 본 발명에서 극의 수가 12개인 것은 한 예이며, 링 자석은 4개 극(도 4), 6개 극(도 16 및 도 20), 8개 극(도 5), 10개 극, 또는 그 이상 일 수 있으며, 일반적으로 2k개의 극으로서, k는 1 보다 큰 정수인 것이 본 발명의 실시 예에 따라 사용될 수 있다. 그러나, 측정될 수 있는 최대 각도 α는 극의 수가 증가함에 따라 공식에 따라 감소하며:720°Np, 여기서 Np는 극의 수이다.

도 5는 중앙 오프닝을 갖지 않으며, 표면 자화(도시된 실시 예에서, 상부 표면)된 디스크 자석(5)을 도시한다. 그러나, N-극 각각으로부터 이웃하는 S-극으로 자속선(도시되지 않음)을 도시하는 때, 이 같은 자석은 상기 특성을 만족시키는 접선 자장 성분을 갖는 자장을 발생시킨다. 도 3, 도 4, 및 도 5를 비교함으로부터 알 수 있는 바와 같이, 자석 내 중앙의 오프닝은 요구되지 않는다; 상기 자석은 디스크 자석일 수 있기도 하다. 또 다른 선택적 실시 예에서, 자석은 원형일 필요가 없다: 즉 사각형이거나 다각형일 수 있다. 상기 자석은 슬롯 형태일 수 있기도 하다. 상기 자석의 중요한 특징은 반복적인 자속 장, 즉 720°/Np의 주기를 갖는 정현파이며, 방사상(Br), 접선방향(Bt) 또는 축방향(Bz) 자장 성분이 순환되는 자석의 극의 수이다.

다음에는, 자석(5)이 다극 링 자석이며, 그러나 앞서 설명한 바와 같이, 본 발명은 이 같은 링 자석으로 제한되지 않는다.

도 6은 중앙 오프닝을 갖는 4극 링 자석의 실시 예를 도시하며, 4 극(두 개의 북극 그리고 두 개의 남극)를 가지며, 평면도(도 6의 저부) 그리고 측면도(도 6의 상부)에 도시된다. 특정 실시 예에서, 이 같은 링 자석(5)은 약 12mm의 외측 직경(OD), 약 8mm의 내측 직경(ID), 그리고 약 4mm의 높이(h)를 가지며, 그러나 본 발명은 이 같은 규격으로 한정되지 않는다.

상기 자석과 관련된 센서 요소의 위치가 설명의 목적으로, 비록 본래의 크기와는 다르게 도시된다. 상기 센서 요소(E)는 자석(5)의 편평한 저부 표면으로부터 거리(d1)에 위치하며, 회전 축(4)에 직각인 평면 β에 위치하고 회전 축(4) 상에 중심 포인트를 가지며, 직경(d2)을 갖는 가상의 원(도시되지 않음) 상에 도시된다. 이 같은 예는 상세히 설명되지 않는다. 당업자라면 다른 자석 종류 또는 크기에 대하여 동일한 검사, 시뮬레이션 또는 측정을 수행할 수 있다.

제1 알고리즘

도 7은 자석 표면 아래 3 mm의 거리(d1)에서 측정된 도 6의 4 극 링 자석에 의해 발생된 자장의 접선 방향 자장 성분(Bt)의 시뮬레이션 결과를 도시한다. 상기 시뮬레이션 결과는 유한 엘리먼트 시뮬레이션 툴을 갖는 3D 자석 시뮬레이션에 의해 얻어진다. 이 같은 시뮬레이션 결과 상부에서, 3개의 원이 도시되며, 외측 원과 중앙 원이 링 자석(5)의 외측 각각의 내측 직경에 해당한다(12 및 8 mm 직경을 갖는 예에서). 내측 원(8)은 가상의 원(8)의 한 예이며, 센서 요소가 위치할 수 있다. 종래 기술에서, 발명자에게 알려져 있는 한, 링 자석은 펄스 인코딩을 위해 사용되며(가령, 극 발생의 수를 세고, 그 일부는 해당하지 않으며), 자장 성분이 중앙과 외측 원 사이(이 같은 예에서, 원은 각각 8 및 12mm의 직경을 각각 갖는다)에서 가장 크다는 사실에도 불구하고, 다음에 센서가 항상 링 자석의 아래, 혹은 바깥 측에 위치하며, 결코 링의 "인사이드"에는 위치하지 않는다. 또한, 축 방향 거리(d1)에서는 별론으로 하고, 자장 라인이 링 중심 가까이에서 선형적으로 동작한다고 믿는 것은 직관적이지 않다. 이 같은 자장은 단일 자석(5)에 의해 발생될 수 있으며, 어떠한 강자성 요크 또는 그와 유사한 것도 요구되지 않는다(도 6 참조). 이는 성분 비용 그리고 생산 비용을 줄이며, 고장의 위험을 줄인다.

도 8은 본 발명의 실시 예에서 수직 홀 센서 요소인 4개의 센서 요소(VH1-VH4)를 갖는 센서의 제1 실시 예이며, 가상의 원(8)에 대하여 접선 자장(Bt)을 측정하도록 방향이 정해진다. 이 같은 예에서, 센서 요소는 두 그룹으로 배열된다: 제1 그룹(S)은 센서 요소(VH2 및 VH4)로 구성되고, 제2 그룹(T)은 센서 요소(VH1 및 VH3)로 구성된다. 제1 그룹(S)의 센서 요소(VH2, VH4)는 신호(S1, S2)를 각각 제공한다. 제2 그룹(T)의 센서 요소(VH1, VH3)는 신호(T1, T2)를 각각 제공한다. 제1 그룹의 신호(S1 및 S2)는 제1 합계(1)를 형성하도록 추가되며(EP09I6074B1에서 처럼 산 되지 않는다), 제2 그룹의 신호(T1, T2)는 제2 합계(2)로 추가된다:

그룹(S, T) 내 센서 요소는 등거리로, 가령 720°/Np = 즉, 4극 자석의 경우 180°도가 떨어지고, 가령, VH2및 VH4 뿐 아니라, VH1 및 VH3는 180°떨어진다.

제1 그룹(S)의 요소(VH2)와 제2 그룹(T)의 요소(VH1) 사이 각도 거리는 180°를 자기 소스(5)의 자극의 수(Np)로 나눈 갓에 해당하며, 가령 VH2와 VH1 사이 각도 거리는 180°/4이다.

센서 요소(VH1 및 VH3)를 180°떨어져 위치시키고, 센서 요소(VH2 및 VH4)를 180°떨어져 위치시킴에 의해(일반적으로 720°/Np, 여기서 Np는 극의 수이고, 본 발명 실시 예에서 Np = 4), 제1 그룹(S)의 센서 요소(VH2)는 제2 그룹(T)의 요소(VH1)에 대하여 180°/Np = 45°의 각도 거리에 있으며, 합계1의 값은 회전자(2)의 위치 각도에 의해 곱하여진 극 쌍의 수의 사인 함수와 같이 변하며, 회전자(2) 위치 각도의 두 배, 즉 설명된 실시 예에서 4극의 경우 2a, 6극 자석의 경우 3a이고, 그리고 합계2의 값은 회전자(2)의 위치 각도에 의해 곱하여진 극 쌍의 수의 코사인 함수와 같이 변하며, 이는 제조 중에 결정될 수 있는 예정된 오프셋을 제외하고, 설명된 실시 예에서 4극의 경우 2a, 6극 자석의 경우 3a이고, 혹은 눈금 조정 중에 측정될 수 있으며, 더 이상 고려되지 않는다. 비 R은 다음과 같이(하기 설명되는 예에서와 같이) 계산할 수 있다:

그리고 각도 α는 다음과 같이 계산될 수 있다:

선택적으로, 각도는 다음과 같이 계산될 수 있기도 하다:

또는 동등한 공식을 사용하여 계산이 가능하다.

그룹(S, T) 각각의 값에 대한 합을 계산하는 대신, 각 그룹의 평균값을 계산하고, 그리고 제1 평균(avg1) 그리고 제2 평균(avg2) 비를 계산할 수 있으며, 이들은 상기 평균이 2로 나뉘는 합계이며 따라서 상기 비(R)는 변하지 않으므로 각위치(α)에 대한 동일한 결과를 발생시킨다.

도 8의 구성은 VH1 및 VH2에 의해 발생된 신호(T1, T2)가 (적어도 부분적으로) 서로 보상하기 때문에, 회전축(4)에 대하여 센서(6)의 에러를 위치-오프셋 하는 데 실질적으로 영향을 받지 않는다(또는 적어도 영향이 줄어든다): 한 신호가 방사상의 위치 오프셋으로 인하여 더욱 크면, 다른 신호는 같은 크기만큼 더욱 작다. 센서(VH2, VH4)에 의해 제공된 신호(S1, S2)에 대하여 동일한 작용이 적용된다. 회전 축(4)을 따라, 따라서 z-방향으로 오프셋에 대하여, 두 합(S1+S2) 및 (T1+T2)는 같은 인수로 증가하거나 감소하며, 따라서 각도 계산을 위해 사용되는 이들 사이의 비는 영향을 받지 않는다.

도 8의 구성은 균일한 외부 자장 Bext에 대하여 영향을 받지 않으며(도 2), 이는 한편으로 센서요소(VH1, VH3), 그리고 다른 한 편으로 센서요소(VH2, VH4)가 반대 방향으로 방향이 정해지기 때문에, 각 그룹에서 센서에 의해 측정된 값이 더해지는 때 서로 삭감되기 때문이다. 비(ratio)가 자장 성분의 합 또는 평균에서 감안되기 때문에, 자장 성분의 절대값은 문제가 되지 않으며, 이들의 상대 값만이 문제가 된다. 이는 이 같은 방법이 자석의 노화, 오차, 그리고 온도에 영향을 받지 않음을 의미하는 것이다. 4극 자석의 경우, 사인 및 코사인 함수는 "α" 대신 "2α"에 따라 변하며, "α"는 회전자가 고정자를 중심으로 회전하는 기계적 각도이고, 4극 자석의 센서(6)가 같은 수의 센서 요소를 가져도 종전 기술 센서보다 높은 민감도를 갖는다. 반면에, 상기 센서에 의해 측정될 수 있는 각위치 범위는 180°이다. 비록 센서 요소(VHi)의 "홀 플레이트"가 기판의 깊이 방향으로 만들어진다 해도, 도 8의 i= l 내지 4인 감지 요소VHi는 단일 평면β 에 위치하는 것으로 간주 된다(도 2 참조). 그러나, 홀 플레이트의 센터가 가상의 원(8) 상에 위치하기 때문에, 그리고 홀 플레이트의 상대적인 크기가 가상의 원(8) 직경 보다 훨씬 작기 때문에(가령 10배 또는 그 이상의 인수로), 센서 요소는 축 방향 Z로 측정되는 "높이"를 참작하지 않고 평면 β에 위치하는 것으로 간주 될 수 있다.

도 9는 자석 표면 아래 약 3mm의 거리(d1)에서 측정된, 도 6의 4극 링 자석에 의해 발생된 자장(B)의 방사상 자장 성분(Br)의 시뮬레이션 결과이다(도 7에서와 동일한 툴과 파라미터를 사용하여). 상기 시뮬레이션 결과의 상부에서, 동일한 3개의 원이 도 7에서 도시된 바와 같이 도시된다. 이 같은 자장은 단일 자석(5)에 의해 발생되며, 어떠한 강자성 요크 또는 그와 유사한 것이 요구되지 않는다(도 6 참조). 이는 성분 비용 및 제조 비용을 줄이며, 고장 위험을 줄인다.

도 10은 4개의 센서요소(VHi, i= l 내지 4)를 갖는 센서의 제2 실시 예를 도시하며, 이 같은 경우 수직 홀 센서 요소가 가상의 원(8)에서 방사상의 자장을 측정하도록 방향이 정해진다: 제1 그룹(S)은 센서 요소(VH2, VH4)로 구성되며, 제2 그룹(T)은 센서 요소(VH1, VH3)로 구성된다. 제1 그룹(S)의 센서 요소(VH2, VH4)는 신호(S1, S2)를 각각 제공한다. 제1 그룹의 신호(S1, S2)는 제1 합(sum1)을 형성하도록 추가되며(EP0916074BI에서처럼 감산 되지 않는다), 제2 그룹의 신호(T1, T2)는 제2 합(sum2)을 형성하도록 추가된다.

센서 요소(VH1, VH3)를 180°떨어져 위치시킴으로써, 그리고 센서 요소(VH2, VH4)를 180°떨어져 위치시킴으로써(일반적으로 720°/Np, 여기서 Np는 극의 수, 예를 들면 Np = 4), 그리고 제1 그룹(S)의 센서 요소(VH2)는 제2 그룹(T)의 요소(VH1)와는 180°/Np = 45°인 각도 거리이며, 합(1)의 값은 도시된 4극 실시 예에서 회전자의 위치 각에 두 배, 즉 2a의 사인 함수와 같이 변하며, 합(2)의 값은 사전에 정해진 오프셋과 달리 2α의 코사인 함수로서 변한다.

다음에 비(R)를 다음과 같이 계산할 수 있다:

그리고 상기 각도는 다음과 같이 계산될 수 있다.

상기 언급한 바와 같이, 상기 각도는 아크코탄젠트 함수를 사용하여 계산될 수 있기도 하다.

그룹의 값 합계를 계산하는 대신, 그룹(S, T) 각각의 평균값을 계산할 수 있으며, 상기 평균의 비(R)를 계산할 수 있다. 이는 상기 평균이 2에 의해 나누어지는 합이며, 따라서 비(R)는 변경되지 않은 채로 유지되기 때문에, 각위치(α)에 대한 동일한 결과를 발생시킬 것이다.

도 10의 구성은 VH2 및 VH4에 의해 발생된 신호(S1, S2)가 더해지는 때 서로 보상하기 때문에(한 신호가 방사상 위치 오프셋으로 인해 상대적으로 크면 다른 신호는 동일한 크기로 상대적으로 작다.) 자석(5)에 대하여 센서(6)의 위치 오프셋 에러에 영향을 받지 않는다. 도 10의 구성은 또한 각 그룹에서 센서에 의해 측정된 값들이 서로 상쇄하기 때문에(센서 요소가 반대 방향으로 향하게 되기 때문에), 균일한(일정한) 외부 자장 Bext에 영향을 받지 않는다. 비가 장장 성분의 합과 평균으로부터 택해진다는 사실 때문에, 자장 성분의 절대값은 무관하며, 이들의 상대 값만이 문제가 된다. 이는 상기 방법이 자석의 노화, 오차, 그리고 온도에 영향을 받지 않음을 의미하는 것이다.

도 11은 자석 표면 아래 3mm 거리에서 도 6 자석의 축 방향 필드 성분의 시뮬레이션 결과를 도시한다. 도 7에서와 같은 동일한 링이 도시된다. 처음 볼 때는, 자장은 도 7에서 도시된 접선 방향 자장 또는 도 9에서 도시된 방사상 방향 자장과 유사하게 보이며, 그리고 약간의 단점이 있는데, 이는 도 12와 관련하여 설명될 것이다.

도 12는 4개 센서 요소(HH1 내지 HH4)를 갖는 센서의 제3 실시 예를 도시하며, 이 경우 수평 홀 센서 요소이며, 가상의 원(8)에서 축 방향 자장을 측정하도록 방향이 정해진다. 상기 센서 요소들은 다시 두 그룹으로 배치된다: 제1 그룹(S)은 센서 요소( HHI, HH3)로 구성되고, 제2 그룹(T)은 센서 요소( HH2, HH4)로 구성된다. 본 발명 실시 예에서 720°/4 = 180° 떨어져 위치하는 동일한 그룹(S 또는 T)의 모든 센서 요소들, 예를 들면 제1 그룹(S)의 요소(HH1, HH3) 또는 요소(HH2 및 HH4)는 이들이 동일한 자장 방향(예를 들면 평면 내로 자장에 대하여 포지티브)에 대하여 동일한 부호를 갖는 값을 발생시키도록 방향이 정해진다. 상기 그룹(S, T)은 서로 독립되며, 따라서 두 그룹은 같은 방향을 갖거나 상이한 방향을 갖는다.

제1 그룹(S)의 센서 요소(HH1, HH3)는 신호(S1, S2)를 각각 제공한다. 제2 그룹(T)의 센서 요소(HH2, HH4)는 신호(T1, T2)를 각각 제공한다. 제1 그룹의 신호(S1, S2)는 제1 합(sum1)을 형성하도록 더해지며(EP0916074B1에서처럼 감해지지 않음), 제2 그룹의 신호(T1, T2)는 제2 합(sum2)을 형성하도록 더해진다.

센서 요소(HH1, HH3)를 등거리 각위치로, 예를 들면 180° 떨어진 위치로, 위치시키고, 그리고 센서 요소(VH2, VH4)를 180°떨어져 위치시킴으로써(일반적으로 720°/Np, 여기서 Np는 극의 수, 예를 들면 Np = 4), 그리고 제1 그룹(S)의 센서 요소(HH1)는 제2 그룹(T)의 요소(HH2)와는 180°/Np = 45°인 각도 거리이며, 합(1)의 값은 회전자(2)의 위치 각에 두 배, 즉 2a의 사인 함수와 같이 변하며, 합(2)의 값은 사전에 정해진 오프셋과 달리 2a의 코사인 함수로서 변한다.

다음에 비(R)를 다음과 같이 계산할 수 있다:

다음에 각도는 다음과 같이 계산될 수 있다:

상기 언급한 바와 같이, 상기 각은 아크코탄젠트 합수를 사용하여 계산될 수 있기도 하다.

그룹의 값 합계를 계산하는 대신, 각 그룹의 평균값을 계산할 수 있으며, 상기 평균의 비(R)를 계산할 수 있으며, 유사한 결과를 발생시킬 것이다. 도 12의 구성은 자석(5)에 대하여 센서(6)의 위치 오프셋 에러에 의해 다소 영향을 받는다. 비가 자장 성분의 합과 평균으로부터 택해지기 때문에, 자장 성분의 절대 값은 무관하며, 이들의 상대 값만이 문제가 된다. 이는 상기 방법이 자석의 노화, 오차, 그리고 온도에 영향을 받지 않음을 의미하는 것이다. 그러나 이 같은 실시 예의 단점은 도 12의 구성이 균일한(예를 들면 일정한) 외부 자장 Bext에 매우 민감한데, 이는 각 그룹에서 센서에 의해 측정된 값들이 다른 출력을 상쇄하지 않기 때문이다(센서 요소들이 같은 방향을 방향이 정해지기 때문). 그러나, 수평 홀 요소들만 사용되기 때문에, 이들은 외부 자장(Bz)에 민감하며 자장(Bx, By)에는 민감하지 않다.

도 7 내지 도 12에 의해, 가상의 원에 배치되는 4극 링 자석 그리고 4개 센서 요소를 포함하는 장치가 한 자장 성분(Br, Bl, Bz)을 측정하기 위해 배치되며, 이에 의해 센서 요소가 두 그룹(S, T)으로 격리되며, 이에 의해 각 그룹(S, T)의 요소가 반대 방향으로(Br 및 Bt의 경우) 또는 동일한 방향으로(Bt) 방향이 정해지고, 그리고 이에 의해 각 그룹에서의 요소들은 등거리 위치로 위치하며, 그리고 그룹의 위치가 45°떨어져 있고, 각 그룹의 요소 신호의 합, 또는 평균의 비(R)에 대한 아크탄젠드 또는 아크코탄젠트를 계산함에 의해 자석에 대한 센서의 각위치를 결정하도록 사용될 수 있다.

이들 센서들의 위치 에러 민감도, 특히 방사상의 위치 민감도는 도 13 내지 도 15와 관련하여 다음에 설명될 것이다.

도 13은 반경(r)의 함수로 A-A선에서 측정된 도 11의 축 방향 자장 성분(Bz) 세기를 도시한다. 수직 축은 자장 자속 세기(T)를 도시한다. 도시된 바와 같이, 자장은 중심 가까이에서 매우 비선형적으로 동작하며, 중심에서 약 2.0 내지 약 4.0mm의 영역에서 선형적으로 동작하고, 자장 세기는 15 내지 40 mT 범위이다. 위치-오프셋에 영향을 받지 않도록 도 12의 센서 요소(HH1 내지 HH4)를 위치시키기 위해, 센서 요소는 일들 선형 영역에 놓여져야 하며, 예를 들면 가상의 원이 약 4 내지 8mm의 직경을 가질 필요가 있다. 그러나, 이는 센서 기술(가령, CMOS 기술)의 다운-스케일링을 제한하며, 자석 크기와 선형 영역의 위치 사이 관계로 인하여, 센서 크기가 자석 크기와 부관하게 선택될 수 있는 것을 제한한다. 위치-오프셋-오류와 관련하여 완전하지 못함에도 불구하고, 가상의 원 직경이 "비-선형" 영역(가령, 도시된 실시 예에서 4mm 이하)에서 선택된다 하여도, 도 12의 센서는 가령 외부 자장이 차단되어 부재하는 때에도 여전히 각위치를 측정할 수 있을 것이다. 또한, 함수 Bz(r)는 중앙으로부터 약 1mm 내지 약 2mm 인 거리에서 "거의" 선형이며, 그 편차는 대부분의 응용에서 허용가능하다. 0mm 내지 1mm 범위 이내에서도, 곡선의 경사는 중앙 좌측에서 네가티브(음수)이며, 중앙 우측에서 포지티브(양수)이고, 따라서 오프셋 에러에 대하여 적어도 부분적인 보상이 항상 존재한다.

도 14는 A-A 선에서 측정된 반경의 함수로, 도 9의 방사상 자장 성분(Br)의 세기에 대한 유사 도면을 도시한다. 좀더 작은 부분이 도시된다(-3 내지 + 3mm). 도시된 바와 같이, 자장 세기(Br(r))는 중앙에서 선형이며, 그 선형 범위는 - 약 1 .5 내지 약 +1.5 mm이고, 그리고 자장 세기(Br)은 0mT 내지 17mT 범위이다. 센서 요소가 회색 사각형으로 표시된 영역 내에 위치하는 때, 각 그룹의 센서 요소들은 위치 오프셋을 보상하거나 상쇄한다.

이 같은 사각형은 중심을 포함하기 때문에, 센서 요소들 사이의 거리(d2)는 가급적 작게 만들어질 수 있으며, 따라서 집적 회로의 다이 크기는 위치 에러("오프-축 에러"라고도 알려진)에 아무런 영향을 미치지 않으며, 자석의 크기와 무관하게 선택될 수 있다. 이 같은 자장 성분(Br)을 측정하기 위해 센서의 가상 원(8) 적절한 직경(d2)은 0.0 (포함하지 않지만, 직경이 수 마이크론까지 작아질 수 있다) 과 3.0 mm 사이, 실제로 0. 1 내지 3.0 mm, 예를 들면 약 0.5 mm, 약 1 .0 mm, 약 1 .5 mm, 약 2.0 mm, 또는 약 2.5 mm, 또는 이들 사이 어느 값일 수 있다. 두 마주보는 센서 요소들 사이 거리가 작으면 작을수록, 신호는 더욱 작다. 따라서 1 내지 10 mm²의 실리콘 다이와 같은 전형적인 반도체를 위해 선형 범위 내에서 가능하면 큰 것이 최적이다. 다음에 링 직경은 1 내지 3mm 사이이다. 그러나, 만약 1.0 mm의 직경(d2)이 선택되면, 보상될 수 있는 최대 위치 오프셋은 상기 직경의 절반, 0.5 mm이다.

도 15는 A-A선에서 측정된 반경의 함수로서 도 7의 접선 방향 자장 성분(Bt)의 세기(Bt(r))에 대한 유사한 도면을 도시한다. 한 부분이 -4에서 +4 mm 까지 도시되어 있다. 도면에서 알 수 있는 바와 같이, 자장의 세기는 중심 가까이에서 선형이며, 이 선형 범위는 약 -2.5에서 약 +2.5까지 연장되며, 자장 세기(Bt)는 0 mT에서 약 27 mT까지 연장된다. 센서 요소가 장방형으로 표시된 영역 내에 위치하는 때, 각 그룹의 센서 요소들은 위치 오프셋을 보상하거나 상쇄한다. 이와 같은 장방형이 중심을 포함하기 때문에, 센서 요소들 사이 거리(d2)는 작은 것이 바람직하며, 따라서 집적 회로의 다이 크기는 위치 에러("오프-축 에러"라고도 알려진)에 아무런 영향을 미치지 않으며, 자석의 크기와는 무관하게 선택될 수 있다. 이 같은 자장 성분(Bt)을 측정하기 위해 센서의 가상 원(8) 적절한 직경(d2)은 0.0 내지 5.0 mm 사이의 직경일 수 있으며, 실제로 0. 1 내지 5.0 mm, 예를 들면 약 0.5 mm, 약 1 .0 mm, 약 1 .5 mm, 약 2.0 mm, 약 2.5 mm, 약 3.0 mm, 약 3.5 mm, 약 4.0 mm, 약 4.5 mm, 또는 이들 사이 어느 값일 수 있다. 그러나, 1.0 mm의 직경(d2)이 선택된다면, 보상될 수 있는 최대 위치 오프셋은 0.5 mm, 즉, 직경의 절반일 수 있다.

도 14와 도 15를 비교하는 때, 접선 자장 성분(Bt)(도 15) 그리고 이 같은 자석에 대한 방사상 자장 성분(Br)(도 14)은 약 10%만 상이하며, 따라서 두 솔루션은 센서 요소와 회전 축(4) 사이 동일한 거리(r2)에 대하여 동일한 성능(정확도, 해상도)을 제공한다.

6극 링 자석을 갖는 장치가 도 16 내지 도 22와 관련하여 다음에 설명된다.

도 16은 한 실시 예로서, 중앙의 원통형 오프닝을 갖는 6극 링 자석(5)을 도시한다. 원형 또는 다각형 6극 디스크 자석이 선택적으로 사용된다. 자석(5)은 자석 가까이 회전 축(4) 둘레에서 주기적으로 반복적인 자장 패턴(B)을 발생시킨다. 자장 라인 일부가 링-자석의 외측에 도시되며, 도 6에서 도시된 장치에서와 유사하게, 그렇지만 이제는 6극 자석에 대하여, 자장(B)이 링 외측에서 측정되지 않으며, 자기 표면으로부터 축 방향으로 거리(d1)인 곳에서 회전 축(4)에 수직인 평면(β)에서 중앙 자석 오프닝의 "아래" 그리고 "내측"에서 측정된다. 세 개의 굵은 검정 화살표는 세 센서 요소(도시되지 않음)의 제1 그룹(S)의 방향(위치가 아닌)을 나타낸다. 이들에 의해 발생된 신호는 S1, S2, S3로 표시된다. 세 개의 굵은 흰색 화살표는 신호(T1, T2, T3)를 발생시키기 위해, 세 개의 센서 요소(도시되지 않음)의 제2 그룹(T)의 방향을 나타낸다.

방사상 및 접선 방향 자장 성분의 측정은 3-상 사인-코사인 감지의 원리에 기초하여 가능하다. 다음 식은 이 같은 측정에 유효하다:

여기서 Bmag은 측정될 자장의 크기를 나타내며(예를 들면 6극 자석(5)에 의해 발생된 자장), Bext는 고정자에 대하여 각도

하에서 단일 방향 외부 자장의 크기를 나타낸다.

그리고:

따라서 상수 자장 Bext의 크기는 제거된다.

도 17은 평면 β내에 위치한 가상의 원(8)에서 자장의 접선방향 성분(Bt)를 츨정하도록 된 6개 센서 요소(VH1 내지 VH6)를 도시한다. 센서(6)는 표시된 화살표 방향으로 민감한 소위 "수직 홀 플레이트" 센서 요소를 사용하여 실시될 수 있다. 6극 자석(5)이 12mm의 외측 직경을 갖는 실시 예에서, 가상의 원이 0과 3 mm 사이 직경(d2)를 갖는다. 어떠한 시뮬레이션도 이 같은 6극 자석의 경우 다시 발생 되지 않으며, 그러나 자장이 4개가 아닌 6개 "블랙" 영역을 도시하는 것을 제외하고는 도 7 및 도 9 및 도 11의 결과와 유사한 결과가 달성된다. 그리고 접선 방향 또는 방사상 또는 축 방향 자장 성분(Bt, Br, Bz)의 자장 세기 플롯은 도 13, 14, 및 15에서의 플롯과 매우 유사한 플롯을 발생시키며, 이로부터 "선형 영역"의 위치 및/또는 최대 크기가 결정된다.

도 17과 관련하여, 각위치(α)가 다음과 같이 이들 센서 요소들로부터 계산된다. 센서 요소(VH1 내지 VH6)는 3 개의 요소 각각(일반적으로, Np 극의 자석의 경우, 각 그룹의 센서 요소는 Np/2 센서 요소로 구성된다)의 두 그룹(S, T)으로 조직된다. 제1 그룹(S)은 신호(S1, S2, S3)를 제공하는 센서 요소를 갖는다. 이 같은 그룹(S)의 센서 요소(VH1, VH2, VH3)는 서로 120°각도 거리로 가상의 원 상에 위치한다. 일반적으로, Np 극을 갖는 자석의 경우, 이 같은 각도 거리는 720°/Np이다. 두 번째 그룹(T)은 신호(T1, T2, T3)를 제공하는 센서 요소를 갖는다.

이 같은 그룹(T)의 센서 요소(VH4, VH5, VH6)는 또한 서로 120°각도 거리로 가상의 원 상에 위치한다. 제1 그룹(S)의 센서 요소(VH1)와 제2 그룹(T)의 센서 요소(VH4) 사이 거리는 180°/Np = 30°이고, 6극 자석의 경우 Np = 6이다. 동일한 각도 거리가 VH2와 VH5 사이, VH3와 VH6 사이에서 일어난다. 일반적으로, Np 극을 갖는 자석의 경우, 각기 다른 그룹(S, T)의 요소들 사이 각도 거리는 180°/Np이다. 다음에 제1 합(sum1)이 제1 그룹(S)의 센서 요소에 의해 발생된 신호(S1, S2, S3)의 합으로서 계산된다:

여기서 "~"는 "비례하는(is proportional to)"을 의미한다.

그리고 합(sum2)은 제2 그룹(T)의 요소에 의해 발생된 신호(T1, T2, T3)의 합으로서 계산된다:

비(R)는 다음과 같이 계산할 수 있다:

그리고 각도 α는 다음과 같이 계산될 수 있다:

본 발명의 실시 예에서, 센서(6)는 예를 들면 CMOS 기술에서 실시되는 집적회로일 수 있으며, 각도를 계산하기 위한 수단은 동일한 칩에 내장될 수 있다. 이 같은 칩은 아날로그-디지털 변환기를 더욱 포함하여(도시되지 않음) 측정된 신호(Si, Ti)를 디지털화할 수 있고, 그리고 상기 설명된 공식, 또는 등가 공식, 또는 테이블, 또는 당업자에 의해 알려진 다른 방법에 기초하여 각도를 계산하기 위하여 알고리즘이 제공된 디지털 신호 처리기(DSP)를 포함한다.

그룹의 값 합계를 계산하는 대신, 각 그룹의 평균값 그리고 평균비를 계산할 수 있기도 하며, 이는 비(R) 그리고 각도(α)에 대하여 동일한 결과를 발생시킨다.

도 17의 구성은 VH1, VH2, VH3에 의해 발생된 신호가 서로 보상하기 때문에 센서(6)의 오프셋 에러의 영향을 받지 않는다. 도 17의 구성은 또한 각 그룹(S, T)에서 센서 요소에 의해 측정된 값들이 센서 요소의 120°회전으로 인해 서로 상쇄하기 때문에, 균일한 외부 자장(Bext)에는 영향을 받지 않는다. 자장 성분의 합과 평균으로부터 비(R)가 택하여지기 때문에, 자장 성분의 절대값은 무관하며, 이들의 상대적인 값만이 문제가 된다. 이는 상기 방법이 자석의 노화, 오차, 그리고 온도에 영향을 받지 않음을 의미하는 것이다. 이 같은 각위치 범위는 120°이며, 도 16의 6극 자석을 사용하여 도 17에서 도시된 센서 요소(VH1 내지 VH6)에 의해 측정될 수 있다. 일반적으로, Np극을 갖는 자석의 경우, 극 범위는 720/Np이다.

각 그룹의 센서 요소, 예를 들면 제1 그룹(S)의 요소(VH1, VH2, VH3)는 다각형(원의 직경 마주보는 측면에서 쌍으로 위치하는 것 대신에)을 형성한다. 도 17에서, 다각형은 삼각형이다. 이 같은 기하학적 개념은 8개 극(Np =8)을 갖는 자석의 경우 6극 보다 많은 극을 갖는 다극 자석을 측정하기 위한 센서로 확장되며, 센서 요소들은 사각형 상에 위치할 것이다. 제2 그룹(T)의 센서 요소(VH4, VH5, VH6)를 위한 삼각형은 도면을 불명확하게 하는 것을 막기 위해 도시되지 않는다. 그러나 도시된 실시 예에서, T-삼각형의 위치(요소(VH4, VH5, VH6)의 그룹에 의해 형성된 삼각하여)의 위치는 6극 자석의 경우 Np=6이기 때문에, 이 같은 예에서, 180°/Np = 30°로 S-삼각형(요소(VHI, VH2, VH3) 그룹에 의해 형성된 삼각형)을 회전시킴에 의해 용이하게 얻어질 수 있다.

도 18은 합 신호(sum1, sum2)(또는 평균 신호(avg1 및 avg2))의 사인 및 코사인 신호의 예를 도시한 것이며, 이는 링 자석에 대하여 회전되는 때, 도 17 센서 요소의 그룹(S, T)으로부터 얻어질 수 있다. 도시된 바와 같이, 두 합-신호 사이 위상 차이는 30°이며, 신호들이 120°의 주기를 갖고, 이는 도 17의 센서에 의해 측정될 수 있는 최대 각도 범위이다.

도 19는 도 16에서 도시된 6극의 접선 방향 자장 성분을 측정하기 위한 센서(6)의 또 다른 실시 예를 도시한다. 이 같은 센서(6)는 수직 홀 플레이트 센서 요소(VHi) 각각이 두 인접한 수평 홀 플레이트 요소 그리고 집적 자기 집중기(IMC) 쌍에 의해 대체된 것을 제외하고는, 도 17에 도시된 센서(6)처럼 보인다. JMC는 칩 표면과 평행한 자장을 표면에 수직한 자장으로 변환시키거나, 또는 접선 및 방사상 자장 성분(Bt, Br)을 축방향 자장 성분(Bz)으로 변환시킨다. 자장의 직각 성분은 다음에 통상의 평면 홀 요소("수평 홀 플레이트" 요소라고 불리기도 한다)에 의해 감지된다. 자기 집중기는 또한 수동 자기 증폭기로서 작용할 수 있으며 센서 성능을 개선한다.

인접한 센서 요소 쌍의 신호(H1, H2)는 단일 신호(S1)를 형성하기 위해 감하여진다. 동일한 동작 동안 외부의 (원하지 않은) 자장으로부터 어떠한 자장(Bz)도 삭감하여지며, 그것이 (S1)에 대한 판독에 영향을 미치지 않도록 한다. 동일한 내용이 다른 쌍으로부터 얻어진 신호에 대하여도 적용된다.

상기 IMC는 추가의 이득을 만들며, 그러나 로컬 접선 방향 자장 성분(자속선)을 수평 홀 요소(Gi, Hi)(i=1 내지 6)에 직각인 축 방향으로 회전시킨다. 전자는 본원 명세서에서 멀티플레이션(*IMC)로 표시되며, 그러나 후자는 유사한 방법으로 공식으로 표시될 수 없다. 따라서 S1=(H1-H2) ~ 인수 IMC에 의해 곱해진 접선 방향 자장(Bt)의 세기(도 17의 VH1 위치에서), 또는 S1 =(H 1-H2)*IMC 이다. 약어 IMC는 본원 명세서에서 집적 자기 집중기 또는 그 증폭 값(amplification value)을 표시하도록 사용된다. 따라서, 전후 문맥상, 두 의미 중 하나가 의미를 갖는다. 마찬가지로, S2=(H3-H4)*IMC, S3=(H5-H6)*1MC, T1=(GI -G2)*IMC, T2=(G3-G4)*IMC 그리고 T3=(G5- G6)*1MC 이다. 이들 신호(Si, Ti)로부터, 제1 및 제2 합(sum1, sum2)(또는 제1 및 제2 평균)이 이전에 설명한 바와 계산되며, 비(R), 그리고 각도(α)도 그러하다. 이 같은 실시 예의 장점은 "수평 홀 플레이트"요소가 사용되며, 이는 약 2-4배 더 민감하고(적용된 기술에 따라), 그리고 "수직" 홀 요소보다 약 5-10배 작은 오프셋(그리고 온도와 수명에 있어 오프셋 드리프트) 특징으로 한다.

도 19의 장치는 자장의 축 방향 성분(Bz)을 측정하지 않는다(4극 자석의 경우에 대한 도 11에서 설명된 바와 같다)

한 갭에 인접한 두 홀 플레이트 사이 차이가 만들어지기 때문에, 공통 모드 부분(Bz 성분)이 제거된다. 상기 차이 부분(예를 들면, H2와 비교하여 H1에서의 상이한 Bz의 부분)에 대하여, 방사상/접선 방향 자장과 같은 주기를 갖는 고조파 신호를 추가시킬 뿐이며 따라서 추가 신호일 뿐이다.

IMC는 자장과 유사한 동일한 종류의 주기를 갖는다. IMC의 크기는: (a) 기술에 의해 결정된 두께, 그리고 (b) 디자인 문제인 링 두께. 두께와 폭은 한편으로 홀 장치에 양호한, 가령 가장 높은 이득을 제공하도록, 그러나 다른 한편으로는 비-선형을 가져다주는 자장으로부터 포화 효과이어서는 않 되도록 만들어진다. 적절한 크기가 일반 테스트에 의해, 또는 시행 착오에 의해 결정될 수 있다.

도 20은 도 16에서 도시된 바와 같은 중앙의 원통형 오프닝을 갖는 동일한 6-극 링 자석을 도시한다. 이전에서와 같이, 세 개의 굵은 검정 화살표는 세 센서 요소(도 20에서 도시되지 않음)의 제1 그룹(S)의 방향을 나타내며, 세 개의 굵은 흰색 화살표는 세 개의 센서 요소(도 20에서 도시되지 않음)의 제2 그룹(T)의 방향을 나타내고, 모든 센서 요소들은 방사상의 자장 성분(Br)을 측정하도록 적용된다. 제1 그룹(S)의 센서 요소에 의해 발생된 신호는 S1, S2, S3로 표시된다. 제2 그룹(T)의 센서 요소에 의해 발생된 신호는 T1, T2, T3로 표시된다.

도 21은 도 20의 6-극 링 자석을 사용하여 절대 위치(α)를 결정하기 위해 센서(6)의 6개 수직 홀 센서 요소의 위치와 방향에 대한 실시 예를 도시한다. 상기 센서 요소는 직경(d2)을 갖는 가상의 원 상에 위치하며, 도 2에서 도시한 바와 같이, 자석의 회전 축(4)과 정렬되어, 자석으로부터 축 방향으로 거리(d1)에 있는 평면(β)에서 도 20의 자석 방사상 자장 성분(Br)을 측정하도록 적용된다. 이는 도 17에서 도시된 실시 예의 변화된 예이며, 도 17의 센서(6)에 대하여 설명한 모든 것이 자장성분의 방향 그리고 센서 요소들의 상응하는 방향을 제외하고는 도 21의 센서에 대하여 적용될 수 있다.

도 22는 도 21의 센서(6)로부터 얻어질 수 있는 사인 및 코사인(sum1, sum2) 조합의 예이다. 이들 신호들은 도 18의 신호들과 기본적으로 동일하며, 다만 이들 신호들은 접선 방향 필드 컴포넌트(Bt) 대신 방사상 방향 자장 성분(Br)을 측정함에 의해 발생 된다. 도 17과 도 21의 솔루션은 모두 정확도, 해상도, 센서 위치 오프셋에 대하여 영향을 받지않음, 그리고 일정한 외부 자장(Best)에 대하여 동등하다. 이 같은 개념은 적어도 4개의 자극 그리고 중앙 원통형 구멍을 갖는, 다른 다극 링 또는 디스크 자석에 확장된다.

도 23은 가령 도 16의 6-극 링-자석과 같은 6-극 자석의 방사상 자장 성분(Br)을 측정하도록 방향이 정해진 12개의 수직 홀 센서 요소(VH1 내지 VH12)를 갖는 센서(6)의 예를 도시한다. 이 같은 센서(6)를 도 17 및 도 21의 센서와 비교하는 때, 도 23의 센서는 센서 요소 수가 두 배이다. 도 23에서 도시된 실시 예에서, 모든 센서 요소들은 방사상 자장 성분(Br)을 측정하도록 방향이 정해지며, 그러나 이 것이 절대적으로 필요한 것은 아니며, 이들 요소들의 전부 또는 절반이 접선방향 자장 성분(Bt)을 측정하도록 방향이 정해질 수 있다.

마지막 예에서, 센서(6)는 도 17에서 도시된 센서의 센서 요소와 도 21에서 도시된 센서의 센서 요소의 조합으로 보인다. 개선된 정확도, 또는 개선된 위치-오프셋 영향을 받지 않음, 또는 자석의 불 균일에 대한 개선된 리젝션, 또는 신뢰도 체크를 위해 상기 중복이 사용될 수 있다.

본 발명의 한 실시 예에 따라, 센서 요소들이 세 개의 센서 요소 각각에 대하여 4개 그룹(S,T, U, V)으로 조직되며, 한 그룹 내 센서 요소의 수는 자석의 극 수(Np)와 동일하거나 절반에 해당한다. 각 그룹 내 요소들은 균등한 거리, 따라서 720°를 극 수로 나눈 각도 거리를 분배되며, 따라서 6-극 자석의 경우는 Np =6이므로 720°/Np = 120°이다. 따라서 제1 그룹(S)의 요소들은 VH12, VH4 및 VH8이며, 제2 그룹(T)의 요소들은 VH3, VH7, VH11이다. 제3 그룹(U)의 요소들은 VH2, VH6, VH10이고, 제4 그룹(V)의 요소들은 VH1, VH5, VH9이다.

제2 그룹(T)의 요소들이 도 23의 실시 예에서 6-극 자석의 경우 180°/Np, 즉 30°로 회전되는 때 취해지는 위치에 위치하게 된다. 제3 그룹(U)의 요소들은 제1 그룹(S)의 요소들이 2x(180°/Np), 즉 2x30°=60°로 회전되는 때 취해지는 위치에 위치하게 된다. 제4 그룹(V)의 요소들은 3x(180°/Np), 즉 3x30°=90°로 회전되는 때 취해지는 위치에 위치하게 된다.

제1 그룹(S)은 센서(VH12, VH4 및 VH4)를 포함하며, 이들의 신호(S1, S2, S3)들이 추가되어 신호 합(1)의 조합을 형성하도록 한다. 제2 그룹(T)은 센서(VH3, VH7 및 VH11)를 포함할 수 있으며, 이들의 신호(T1, T2, T3)가 추가되어 신호 합(2) 조합을 형성하도록 한다. 제3 그룹(U)은 센서(VH2, VH6 및 VH10)들을 포함하며, 이들의 신호(U1, U2, U3)들이 추가되어 신호 합(3) 조합을 형성하도록 한다. 제4 그룹(V)은 센서(VH1, VH5 및 VH9)들을 포함하며, 이들의 신호(V1, V2, V3)가 추가되어 신호 합(4) 조합을 형성하도록 한다.

다음에 제1 각도(αl)가 예를 들면 아크탄젠트(sum1/sum2)/3 + 오프셋(1)로서 계산되고, 제2 각도(α2)가 아크탄젠트(sum3/sum4)/3 + 오프셋(2)로서 계산되며, 이에 의해 오프셋(1)과 오프셋(2)가 가령 눈금 조정에 의해 생산 중에 결정될 수 있다. 오프셋(2)과 오프셋(1) 값은 약 60°만큼 변한다. 응용에 따라, 이들 각도(αl, α2)는 비교될 수 있으며, 만약 이들 값이 정해진 임계값 이상 상이하면, 에러 신호가 문제 발생을 표시하도록, 센서에 의해 제공될 수 있다.

도면에서, 제2, 제3, 및 제4 그룹(T.U.V.)이 제1 그룹(S)에 대하여 시계 반대 방향으로 회전되며, 그러나 이들은 시계 방향으로 회전될 수 있기도 하다. 각도를 계산하기 위한 공식은 동일할 수 있으며, 그러나 고정자에 대한 회전자의 결과적인 각위치는 반대방향으로 측정될 것이다. 그러나, 이 같은 센서 및 방법은 동일한 장점을 발생시킨다.

제2 알고리즘

본 발명의 또 다른 특징이 도 23 내지 도 28과 관련하여 설명될 것이다. 도 23은 각위치를 계산하기 위해 어떤 공식이 사용되는 가에 따라, 두 가지 다른 실시 예를 설명하도록 사용된다. 상기 설명된 대부분의 실시 예는 예를 들면 도 2에서 화살표로 표시된 바와 같이 일정한 크기와 일정한 방향을 갖는 자장과 같은 일정한 외부 자장(Bext)에 대하여 적용될 수 있다. 상기 설명된 대부분의 실시 예는 또한 위치 오프셋 에러에 대하여도 적용될 수 있다. 그러나 이들 실시 예는 균일하지 않는 외부 자장에 대하여는 적용될 수 없다.

각도 센서의 영역에서 수년의 연구에 따라, 발명자들은 놀랍게도 일정한 그래디언트를 갖는 자장을 제거하거나 적어도 보상하는 것이 가능하다는 것을 발견하였다. 이는 외부 자장 및/또는 자장 성분이 측정된 각도에 영향을 미치지 않고 X 및/또는 Y 방향 및/또는 Z 방향으로 선형적으로 변경될 수 있음을 의미한다.

도 24는 자동차 응용에서 대표적인 예를 도시하며, 여기서 각위치 센서(6)가 전류를 전달하는 전도체 가까이에 위치한다. 이 같은 전류 전달 전도체 주위 자장의 크기는 다음 공식에 의해 설명됨이 잘 알려져 있다.

여기서 I는 전도체를 통해 흐르는 전류, r은 자장이 관찰되는 전도체로부터의 거리, 그리고 B 또는 H는 자장을 나타내도록 사용되고, 이때 Β=μ.Η, 여기서 μ는 물질(매체)에 종속하는 값이다. 예를 들어 센서(6)에 의해 정해진 작은 영역에서 도선으로부터 정해진 제로가 아닌 거리에 위치하는 작은 영역에서, 도선을 흐르는 전류에 의해 발생된 자장은 일정한 자장 플러스 일정한 자장 그래디언트에 의해 근사값이 정해질 수 있다.

외부 자장(Bext)이 센서 칩의 모든 위치에서 일정한 도 2와 달리, 도 24의 자장(Bext)은 센서 칩에서 일정하지 않다. 센서 칩이 상기 도체에서 상대적으로 먼 거리에 있는 때에만, 상기 외부 자장은 일정한 벡터(Bxo, Byo, Bzo)인 제로 차수 항으로 근사값이 정해질 수 있다.

그러나, 센서 칩이 도체에 더욱 가까운 때, 상기 제로 차수 항은 더 이상 좋은 근사값이 아니다. 이 같은 자장의 크기는 1/r에 비례한다. 따라서 상기 자장은 비선형 그래디언트를 포함한다. 일 예로서, 각위치 센서가 1=400 A인 직선 저류 도체로부터 거리가 25.0 mm인 위치에 있는 때, 센서는 이 같은 전류에 의해 발생된 약 3.2 mT의 자속밀도를 검출할 것이다. 만약 센서가 약 1.0mm의 크기를 가지면, 그러면 도체에 근접한 센서의 부분은 3.14 mT의 자장을 검출하며 도체로부터 더욱 먼 부분은 3.27mT의 자장을 검출할 것이다. 따라서 외부 자장은 센서 표면에서 일정한 것으로 간주 되지 않을 수 있으며, 그리고 25.0 mm와 같은 상대적으로 먼 거리에서 1.0 mm의 짧은 거리에 대해서는, 자장이 제로 차수 및 제1 차 항에 의해 근사값이 정해질 수 있으며, 제2 차 및 고차 항은 무시가능하다. 다시 말해서, 상수 값이 일정한(3 차) 그래디언트를 더한다. 본원 발명자들은 놀랍게도 다음에서 설명되는 바와 같이 제로 차 항(상기 설명된 일정한 자장)뿐 아니라, 제1 차 항(일정한 기울기)에 대하여도 보상하는 것이 가능함을 발견하였다.

이와 같은 일정한 그래디언트를 보상할 수 있는 제1 장치가 6-극 영구 자석(가령 도 20에서 도시된 6-극 링-자석)과 결합하여, 도 23의 구성이며, 그러나 다음의 식을 사용하여 각위치를 계산할 수 있다:

선택적으로, 다음 등가 식이 사용될 수 있기도 하다:

이 같은 위치 센서(6)는 12개의 수직 홀 감지 요소(VH1 to VH 12)를 가지며, 도 20에서 도시된 바와 같이 6-극 자석의 방사상 자장 성분(Br)을 측정하도록 적용된다. 설명된 실시 예에서, 센서 요소는 세 개 요소 각각의 4개 그룹(S, T, U, V)으로 분리된다. 일반적으로, 한 그룹 내 요소의 수는 자석 극(Np)을 2로 나눈 값과 같다. 제1 그룹(S)에서 각 그룹 내의 요소들, 가령 VH12, VH4, VH8는 120°(일반적으로 720/Np) 떨어진 각위치로 위치한다. 제2 그룹(T)의 요소는 Np = 6(6-극 자석)인 때 180°/Np, 즉 30°로 회전 후 제1 그룹(S)의 요소가 취하는 위치에 위치하게 된다. 제3 그룹(U)의 요소들은 Np = 6인 때 360°/Np, 즉 60°로 회전 후 제1 그룹(S)의 요소가 취하는 위치에 위치하게 된다. 제4 그룹(V)의 요소들은 Np = 6인 때 540°/Np, 즉 90°로 회전 후 제1 그룹(S)의 요소가 취하는 위치에 위치하게 된다. 위치 센서는 상기 식(27) 내지 (38), 또는 이들과 등가인 식에 따라 각위치(α)를 계산하기 위한 수단을 갖는다.

시뮬레이션에 의하면 이 같은 센서는 다음과 같은 특징을 갖는다:

1) 이와 같이 결정된 상기 위치(α)는 위치 오프셋에 대하여 거의 영향을 받지 않는다(또는 적어도 그 영향이 줄어든다).

2) 따라서 위치(α)는 일정한 외부 자장에 거의 영향을 받지 않는다(혹은 적어도 그 영향이 줄어든다).

3) 따라서 이와 같이 결정된 위치(α)는 예를 들면 X, Y, Z 방향으로 선형적으로 변하는 상당히 일정한 그래디언트를 갖는 외부 자장에 거의 영향을 받지 않는다(혹은 적어도 그 영향이 줄어든다). 본원 발명자에게 알려진 바로는, 이 같은 기술적인 영향은 종래 기술의 각위치 센서에 의해 얻어지지 않는다. 이 같은 센서는 각위치가 (상대적으로) 근접한 도선에서 흐르는 전류에 의해 발생 되는 것과 같은 원하지 않는 자장이 존재하는 환경에서조차 각위치가 정확하게 결정될 필요가 있는 산업 또는 자동차 응용에서 이상적이다.

도 25는 12개의 센서 요소를 갖는 각위치 센서의 또 다른 실시 예를 도시한다. VH1 내지 VH12는 가상의 원 상에 등거리 위치에 배치되며, 6 극 링 자석 또는 6 극 디스크 자석과 함께 사용된다. 이 같은 위치 센서(6)는 도 16에서 도시된 바와 같이 6-극 자석의 접선 방향 자장 성분(Bt)을 측정하도록 적용된 12개의 수직 홀 감지 요소(VH1 내지 VH12)를 갖는다. 이 같은 실시 예에서, 센서 요소(VH1 내지 VH12)는 각각 세 개의 요소를 갖는 4 개의 그룹(S, T, U, V)에 분리된다. 일반적으로, 요소들이 4개 그룹으로 분리되는 때, 한 그룹 내 요소들의 수는 2로 나뉜 극의 수와 동일하다. 그룹(S) 내 VH12, VH4, VH8와 같이, 각 그룹 내 요소는 120°(일반적으로 720/Np) 떨어진 각위치로 위치한다. 제2 그룹(T)의 요소는 Np = 6(6-극 자석)인 때 180°/Np, 즉 30°로 회전 후 제1 그룹(S)의 요소가 취하는 위치에 위치하게 된다. 제3 그룹(U)의 요소들은 360°/Np, 즉 60°로 회전 후 제1 그룹(S)의 요소가 취하는 위치에 위치하게 된다. 제4 그룹(V)의 요소들은 540°/Np,

즉 90°로 회전 후 제1 그룹(S)의 요소가 취하는 위치에 위치하게 된다.

도 24의 실시 예에 대하여 사용된 것과 동일한 식이 각위치(α)를 계산하기 위해 사용될 수 있다:

그리고 센서는 i)위치 오프셋에 영향을 받지 않으며, 그리고 ii) 일정한 외부 자장에 영향을 받지 않고, 그리고 iii) 일정한 외부 자장 그래디언트에 거의 영향을 받지 않는다.

도 26은 자기 각위치 센서에서 사용될 수 있는 12개 자기 감지 요소가 있는 장치의 또 다른 실시 예이며, 이 같은 센서는 위치 오프셋으로 인해 영향을 받지 않으며, 그리고 일정한 외부 자장 그래디언트로 인해 거의 영향을 받지 않는다. 이 같은 실시 예에서, 자기 감지 요소는 소위 원에서 등거리 위치에 배치되며, 그러나 이 같은 센서는 집적된 자기 집중기(약어, IMC)를 더욱 포함한다. IMC는 수평 홀 요소의 상부에 위치한 중앙 부분(11), 그리고 홀 요소로부터 일정 거리에 위치하며 방사상 방향으로 방향이 정해진 사다리꼴 형상 스트립과 같은 다수의 긴 부분(10)을 포함한다. 방사상의 그리고 접선 방향의 자장을 구부리기 위해 자기 집중기를 사용하는 원리는 US 20020021124로부터 a.o.로 알려져 있다. 이 같은 집중기의 적절한, 가령 최적 형상 및 크기(가령 길이, 너비, 두께)는 실험적으로 결정될 수 있다. 도시된 실시 예에서, 상기 집중기는 중앙 디스크 그리고 중앙 디스크 둘레 12개의 사다리꼴 "선-레이", 홀 센서마다 하나의 "선-레이"를 포함한다. 이 같은 집적된 자기 집중기(IMC)는 센서 장치를 생산하는 때 포스트-처리로서 적용될 수 있다. IMC에 의해 자장의 로컬 편향으로 인해, 홀 요소(HH1) 등은 방사상 성분(Br) 및 수직 성분(Bz)(도면 평면에 수직인)의 조합을 측정한다. 방사상 성분(Br)은 IMC로 인해 대개 1과 10 사이 범위인 인수에 의해 정확한 IMC 기하구조에 따라 증폭되며, Bz 성분은 이로부터 감하여진다. 따라서 홀 요소 각각에 의해 발생된 홀 전압(Vh)은 예를 들면 Vh = SE x (5 Br - Bz)이며, SE는 홀 요소 민감도이다.

도 27은 도 26의 실시 예 변경 예를 도시하며, 이에 의해 홀 요소가 긴 집중기("선-레이")의 내측 가장자리 아래에 위치한다. 이 같은 경우 상기 홀 요소는 다시 일정한 이득이 1과 10 사이인 방사상의 자장 성분(Br)을 측정하며, 또한 수직 성분(Bz)을 측정한다. 그러나, 도 26의 실시 예와 비교하면, Bz 성분은 이제 반대의 부호를 갖는다. 따라서, 이 같은 요소에 의해 발생된 홀 전압은 Vh=SE x (5 Bx +BZ)가 되며, SE는 홀 효과 민감도가 된다.

수학적인 식에서, 일정한 외부 자장에 대한, 그리고 일정한 자장 그래디언트에 대한 상기 민감도는 다음과 같이 설명될 수 있다. 도 24를 참고로 한다. 실제로 외부 자장을 일으키는 많은 외부 소스가 있을 수 있으며, 그러나 하기 설명을 위해, 도체 내를 흐르는 전류에 의해 발생된 자장(Bexl) 만이 고려된다. 자장(Bexl)은 위치(x, y, z)에 종속하는 3차원 함수이다. 각위치 센서의 센서 영역에서, 이 같은 자장이 다음 식으로 표시되는 제로 차수, 제1 차수에 의해 근사값이 정해진다:

여기서, (Bxo, Byo, Bzo)는 함수의 제로-차수 항에 의해 형성된 3차 (상수) 벡터이며, dBn/dm은 n=x, y, z 및 m=x, y, z인 때 자장 그래디언트이고, (xs, ys, zs)는 센서 칩에서 좌표이다.

만약 센서 평면이 z=0로 정해지면(가령, 도 24에서 도시된 바와 같이 X,Y,Z 축을 위치시키면), 식은 다음과 같이 간략해진다:

여기서 dBx/dx, dBx/dy, dBx/dz, dBy/dx 등은 상수이다.

도 23 내지 도 27과 관련하여 상기 설명된 모든 실시 예에서 각도는 식(27) 또는 그 다음에 이어지는 식에 따라 계산되며, 다음과 같이 12 개 센서 요소의 신호 조합에 의해 공통적으로 다음과 같다;

1) 벡터((BxO, ByO, BzO)를 갖는 어떠한 동질의 외부 자장도 상쇄되고(흑은 적어도 줄어들고) 각위치의 측정을 방해하지 않으며, 그러나 또한,

2) 어떠한 일정한 그래디언트 자장도 상쇄되고(혹은 적어도 줄어들고) 각도 측정을 방해하지 않는다.

도 24에서 도시된 장치를 사용하는 시뮬레이션 결과, 그리고 도 25에서 도시된 12 홀 센서의 구성 그리고 공식(39) 내지 (42)이 놀랍게도 DC-성분이 완전히 제거됨을 보여주었으며, 제1 차수 계수(dBn/dm)는 적어도 인수 2, 바람직하게는 적어도 인수 5, 더욱 바람직하게는 적어도 인수 10으로 줄어든다. 특정 시뮬레이션에서, 도체를 통해 흐르는 400A의 전류에서, 25mm의 거리에 있는 자장은 3.2 mT이며, 그리고 자장 그래디언트는 130 μΤ/mm(마이크로테슬라/mm)이다. 따라서, 1 mm의 크기를 갖는 전통적인 센서는 130μΤ의 남아있는 에러 신호를 측정할 것이다. 정확한 유한 요소 시뮬레이션은 식 [39] 내지 [42]과 조합하여 도 25의 센서를 사용하여 남아있는 에러 신호가 5 μΤ이하로 줄어들며, 이는 시뮬레이션 잡음 수준이다. 이는 다음과 같이 설명된다: 제로-차수 항을 상쇄하는 것은 동일한 "중력 중심" 그리고 동일한 크기 (동일한 반경)을 갖는 두 그룹의 값이 감산되어 제로 결과를 발생시킨다는 사실에 기인한다. 그래디언트(제1 차수 항)를 상쇄하는 것은 3상 교류에 비유될 수 있다. 모든 잠정적인 그래디언트 방향은 3상 주기에서 특정 순간에 해당하며, 그러나 어떠한 순간에도 3상의 합은 항상 제로이다.

이 같은 센서의 주요 장점은 차량의 "후드 아래"와 같이, 하나 이상의 도선에서 흐르는 전류에 의해 발생되는 외부 자장이 존재하는 때에도, 개선된 정확도를 갖는 위치를 측정할 수 있다.

도 28은 본 발명의 또 다른 실시 예를 도시하며, 여기서 위치 센서(6)는 8개의 수평 홀 요소(HH1 내지 HH8)를 가지며, 그러나 어떠한 자기 집중기도 사용되지 않으며, 따라서 이들 홀 요소는 수직 자장 (Bz) 성분에 민감하다. 이 같은 센서는 4-극 링 자석과 함께 사용되며, 그 한 예가 도 6에서 도시된다. 도 11은 이 같은 자석에 의해 제공된 수직 자장 성분(Bz)의 한 예를 도시한다.

8개의 홀 요소(HH1 내지 HH8)는 4개의 그룹(S, T, U, V)으로 나뉘며, 각 그룹은 자석의 극 수 절반을 포함하고, 따라서 2개의 요소(4-극 자석의 경우 Np=4)를 포함한다. 각 그룹에서 요소들은 등거리로 분산되며, 따라서 720°/ Np= 180°의 각위치를 갖는다. 이 같은 예에서, 제2 그룹(T)의 요소는 제1 그룹(S)의 요소가 180°/Np, 즉 45°로 회전 후 취하는 위치에 위치하게 된다. 이 같은 예에서, 제3 그룹(U)의 요소들은 제1 그룹(S)의 요소가 2x l80°/Np, 즉 90°로 회전 후 취하는 위치에 위치하게 된다. 이 같은 실시 예에서, 제4 그룹(V)의 요소들은 제1 그룹(S)의 요소가 3x 180°/Np, 즉 135°로 회전 후 취하는 위치에 위치하게 된다.

센서와 회전자 사이 각위치는 다음과 같이 계산된다:

그리고 각도는 다음과 같이 계산된다:

시뮬레이션은 이 같은 센서가 다음의 특징을 가짐을 보여준다:

1) 이와 같이 결정된 상기 위치는 위치 오프셋에 대하여 거의 영향을 받지 않는다(또는 적어도 그 영향이 줄어든다), (도 13과 관련하여 설명한 바와 같이 가상의 원 직경이 너무 작으면, 완벽하지 않더라도),

2) 이와 같이 결정된 위치는 일정한 외부 자장에 대한 거의 영향을 받지 않는다(또는 적어도 그 영향이 줄어든다)

3) 이와 같이 결정된 위치는 "몇몇" 일정한 자장 그래디언트, 특히 dBz/dx 및 dBz/dy에 대하여 영향을 받지 않으며(또는 적어도 그 영향이 줄어들며), 그러나 6-극 자석과 달리 다른 제1 차수 항들 dBx/dx, dBx/dy, dBy/dx 및 dBy/dy에 대하여는 그러하지않다. 그럼에도 불구하고, 이 같은 예는 여전히 자장 그래디언트를 보상하지 않는 종래 기술의 센서보다는 개선된 것이다.

예비 시뮬레이션은 도 25의 센서(12개 센서 요소가 6-극 자석과 조합되는)에 의해 얻어진 장점은 8-극 자석이 16 개 홀-요소와 조합되는 경우, 또는 10-극 자석 및 20 개 홀-요소로 얻어질 수 있으며, 상기에서와 유사한 방법으로 배열된 4개 그룹으로 분리되고, 그리고 상기 설명한 바와 같이 [39] 내지 [42]에서와 유사한 식을 사용하며, 그러나 그룹당 다른 수의 요소를 고려하도록 적용된다. 실제로, 8-극 자석은 4개의 그룹(S, T, U, V)으로 나뉘는 16 개 센서 요소에 의해 측정되며, 각 그룹은 가상의 원에서 360/4=90°인 등 거리 각도로 위치하는 4개 센서 요소를 갖는다. 제2 그룹(T)의 요소는 제1 그룹(S)의 요소가 Np = 8(8-극 자석)인 때 180°/Np=22.5°로 회전 후 제1 그룹(S)의 요소가 취하는 위치에 위치하게 된다. 제3 그룹(U)의 요소들은 제2 그룹(T)의 요소가 l80°/Np=22.5°로 회전 후 취하는 위치에 위치하게 된다. 제4 그룹(V)의 요소들은 제3 그룹(U)의 요소가 180°/Np=22.5°로 회전 후 취하는 위치에 위치하게 된다. 그러나, 8 극 구성의 단점은 각도 범위가 0°내지90°로 줄어들며, 그리고 자석의 크기와 허용오차가 극의 수가 증가함에 따라 감소한다는 것이다.

그러나 본 발명은 8-극으로 제한되지 않으며, 이와 유사하게, 10-극 자석에 의해 발생된 자장이 20개 센서 요소에 의해 측정될 수 있으며, 이들은 각 그룹이 가상의 원에서 360/5=72°인 등거리 각을 갖도록 위치하는 5개의 센서 요소를 갖는 4개 그룹(S,T,U,V)으로 분류되며, 제2 그룹(T)의 요소는 제1 그룹(S)의 요소가 8극 자석의 경우 Np = 10이므로 180°/Np, 즉 18°로 회전 후 취하는 위치에 위치하게 된다. 제3 그룹(U)의 요소들은 제2 그룹(T)의 요소가 18°로 회전 후 취하는 위치에 위치하게 된다. 제4 그룹(V)의 요소들은 제3 그룹(U)의 요소가 18°로 회전 후 취하는 위치에 위치하게 된다.

다음 테이블은 4-극 및 6-극 링 자석을 갖는 여러 준비중인 센서의 가장 중요한 특징을 요약한 것이며, 대부분은 앞서 상세히 설명되었다. 몇 가지 테스트와 시뮬레이션은 여전히 진행중이다.

여기서, "s-ins"는 "거의 영향을 받지 않음"을 의미하며, 알고리즘1은 식에 기초하는 것이고: 식 [22] 내지 [25]에 의해 예를 들어 설명된 arctan(∑(Si)/∑(Ti))이고, 알고리즘2는 식에 기초하는 것이며: 식 [39] 내지 [42]에 의해 예를 들어 설명된 arctan((∑(Si)-∑(Ui))/(∑(Ti)-∑(Vi))이다.

(*]) 이 같은 구조는 그래디언트에 대하여 둔감하다.

(*2) 이 같은 구조는 Bx 및 By 그래디언트에 대하여 거의 영향을 받지 않는다.

(*3) 이 같은 구조는 모든 그래디언트에 대하여 둔감하며, 이는 Bx 및 By가 어떠한 영향도 미치지 않기 때문이다. Bz 만이 측정되며 Bz 에 대한 일정한 그래디언트가 상쇄된다.

(*4) 예비적인 테스트는 오프-축 상황이 완전이 둔감함을 나타낸다. 그러나 0.7 mm까지는 매우 양호하며, 그러나 각도 오차는 증가한다.

Claims

고정자에 대한 회전자의 각위치를 측정하기 위한 시스템으로서, 회전자는 회전축 주위를 회전 가능하고, 상기 시스템은
자기장을 생성하기 위해 회전자 상에 장착된 자기 소스 - 상기 자기 소스는 적어도 4개의 자극을 가지며 회전 축에 대해 주기적으로 반복되는 자기장 패턴을 제공하는 다극 자석임 - ,
고정자 상에 장착되며 자기장의 방사상 방향 및 접선 방향 자기장 성분을 측정하도록, 그리고 적어도 하나의 자기장 성분을 나타내는 측정 신호를 제공하도록, 구성된 복수의 센서 요소를 포함하는 센서 - 상기 센서는 회전축을 실질적으로 중심으로 하여 위치하고 자기 소스로부터 제1 거리에서 회전축에 실질적으로 수직인 평면에 위치하고, 센서 요소는 회전축으로부터 제2 거리에서 실질적으로 원 상에 위치하고, 적어도 하나의 자기장 성분을 검출하도록 배향되며, 상기 제1 거리 및 상기 제2 거리는 0이 아님 - , 및
측정 신호로부터 각위치(angular position)를 계산함으로써 각위치를 결정하는 계산기 - 적어도 하나의 측정된 자기장 성분은 방사방향 성분 및 접선 성분을 포함함 -
를 포함하는, 각위치를 측정하기 위한 시스템.
제1항에 있어서, 주기적으로 반복되는 자기장 패턴은 720°를 극의 개수로 나눈 값과 동일한 주기성을 갖는, 각위치를 측정하기 위한 시스템.
제1항에 있어서, 자기 소스는 4개의 극을 갖는, 각위치를 측정하기 위한 시스템.
제1항에 있어서, 다극 자석은 축방향으로 자화되는, 각위치를 측정하기 위한 시스템.
제1항에 있어서, 자기 소스는 디스크 형태를 갖는, 각위치를 측정하기 위한 시스템.
제1항에 있어서, 자기 소스는 원형 형태를 갖는, 각위치를 측정하기 위한 시스템.
제1항에 있어서, 적어도 하나의 측정된 자기장 성분은 축방향 성분을 포함하는, 각위치를 측정하기 위한 시스템.
제1항에 있어서, 센서 요소의 개수는 극의 개수와 적어도 동일한, 각위치를 측정하기 위한 시스템.
제1항에 있어서, 센서 요소는 동일한 방향으로 배향되는, 각위치를 측정하기 위한 시스템.
제1항에 있어서, 센서 요소는 수평 홀(Hall) 요소를 포함하는, 각위치를 측정하기 위한 시스템.
제1항에 있어서, 센서 요소는 상기 원에 접하는 법선을 갖는 판(plate) 또는 상기 회전축에 수직이고 상기 회전축과 교차하는 법선을 갖는 판을 갖는 수직 홀 요소를 포함하는, 각위치를 측정하기 위한 시스템.
제1항에 있어서, 복수의 센서 요소가 적어도 제1 그룹 및 제2 그룹으로 분할되며, 각각의 그룹 내 요소는 원 상의 등간격 각위치로 위치하는, 각위치를 측정하기 위한 시스템.
제12항에 있어서, 제1 그룹의 한 요소와 제2 그룹의 한 요소 사이의 각거리(angular distance)는 180도를 자기 소스의 자극의 개수로 나눈 값과 동일한, 각위치를 측정하기 위한 시스템.
제12항에 있어서, 계산기는 제1 그룹의 센서 요소에 의해 제공되는 신호의 제1 합 또는 제1 평균을 계산하고, 제2 그룹의 센서 요소에 의해 제공되는 신호의 제2 합 또는 제2 평균을 계산하며, 제1 합, 제1 평균, 제2 합 및 제2 평균으로 구성된 군 중에서 선택된 하나 이상의 값을 기초로 회전자의 각위치를 결정하도록 구성되는, 각위치를 측정하기 위한 시스템.
제12항에 있어서, 제1 그룹의 센서 요소에 의해 제공된 신호가 제2 그룹의 센서 요소에 의해 제공된 신호와 직교 위상 관계(in quadrature with)인, 각위치를 측정하기 위한 시스템.
제10항에 있어서, 수평 홀 요소는 집적 자기 집중기(integrated magnetic concentrator)와 조합되어 신호를 더 증폭하고 평면내 자기장을 축 방향으로 방향전환시키는, 각위치를 측정하기 위한 시스템.
제10항에 있어서, 시스템은 수평 홀 요소 위에 위치하는 중앙 부분, 및 홀 요소로부터 이격되고 방사 방향으로 배향된 복수의 기다란 부분을 포함하는 집적 자기 집중기를 더 포함하는, 각위치를 측정하기 위한 시스템.