KR19990071701A - 온도가안정된영점을갖는자기저항센서 - Google Patents

Abstract

본 발명은 측정할 각위치에 따라 달라지는 출력신호를 인가하도록 구성된, 센서부재와 자계간의 각위치를 조사하기 위한 무접촉 자기저항 센서, 특히 각센서에 관한 것이다. 상기 출력신호는 온도에 대하여 소정의 의존도를 갖는다. 그러나 상기 온도의존도는 특정한 각에서는 최소치가 된다. 따라서 상기 각센서의 출력신호는 우선 두 개의 서로 다른 온도 대역에서 각위치로 감지되며, 상기 신호들간의 편차가 적은 상기 각들중의 한 각은 다음에 올 측정을 위한 영점으로서 선택된다.

Description

온도가 안정된 영점을 갖는 자기저항 센서

접촉하지 않고서도 상태변화를 감지하기 위한, 예를 들어 회전가능하게 장착된 부분에서 각도를 측정하는데 사용하기 위한 자기저항 센서에 대하여 공지된 바 있다. 이러한 자기저항 센서는 일반적으로 자계에 따라 달라지는 저항, 즉 브리지로 배치되어 있고 대각선브리지에 저장되는 제어전류가 흐르는 저항을 포함한다.

이러한 자기저항 센서는 자계의 영향을 받게 되면 타측 대각선브리지에 센서에 의해 검출된 자계 내지는 자계의 방향에 따라서 그 크기가 달라지는 소정의 전압이 형성된다. 상기 브지리전압과 자계방향과의 관계는 측정치를 검출하기 위한 무접촉 AMR(Anistropic magneto Resistance)-각 전송기(angle tranmitter)에 이용된다. 대체적으로 정확한 측정이 가능하도록, 우선적으로 영점을 정의하거나 센서의 밸런싱을 수행해야 한다.

DE-OS 43 36 482에는 자기저항 센서의 밸런싱 방법이 공지되어 있다. 이 방법을 통해 오프셋오류를 조정할 수 있다. 이를 위해서 브리지회로로서 구성되어 있는 저항센서가 균일하게 정의되어 제어되는 자계를 인가받게 되며 상기 브리지회로의 전류접점에는 소정의 정의된 제어전류가 인가된다. 타측 접점에 형성된 전압은 계속적으로 측정되고, 이 때 상기 자기저항 센서는 레이저로써, 오프셋전압이 인가된 자계에서 동일하게 "0"이 될 때까지 동작한다.

자기저항 센서는 일반적으로 온도에 따라 달라지는 출력전압을 인가하기 때문에 본 발명은 영점의 온도가 일정한 자기저항 각 센서를 구성하거나, 영점에서 최대 온도안정치를 얻어내는 밸런싱방법으로 종래의 자기저항 센서를 구동하려는 목적을 갖는다.

상기한 목적은 청구항 1항의 요지들을 종합한 센서에 의해 성취된다.

본 발명은 온도가 안정된 영점을 갖는 자기저항 센서에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 독립청구항의 유형에 따르는 자기저항 각센서(angular sensor)에 관한 것이다.

도 1은 이미 공지된 자기저항 센서의 블록회로도.

도 2는 측정한 값은 측정치에 해당하는 각에 따라 달라진 각오류를 도시한 도면.

도 3 및 도 4는 시뮬레이션 계산을 통해 얻은 다른 관계들을 도시한 도면. 도 5는 상기 각오류의 도함수를 각위치를 이용하여 도시한 도면.

도 6은 각편차는 특수각에 적당한 대역으로서 여기에서는 온도의존도가 최소치로 나타나는 특징을 보이는 측정된 각편차를 기준각을 통해 여러 온도대역에서 도시한 도면.

본발명의 효과

영점의 온도가 안정적으로 유지되는 본 발명에 따른 센서는 종래의 자기저항 센서에 이용할 수 있으며, 그럼에도 불구하고 자기저항 센서의 기본 구성을 바꾸지 않고서도 영점의 온도가 유지되도록 조절가능하다는 효과를 지닌다.

상기 자기저항 센서에 적합한 영점을 구하기만 하면 상기한 효과를 얻어낼 수 있다. 이를 위해서 예를 들어 각 센서에 있어서 상기한 자기저항 센서는 스스로 회전하는 자계에 설치되어 각오류(angle error), 역시 측정된 각과 실제 존재하는 각 간의 차이를 조사한다. 이러한 각편차는 여러 온도대역에서 조사한다. 이 때 두 개의 서로 다른 온도대역에서 조사하면 충분하다. 서로 다른 온도들에서 측정된 각편차를 비교함으로써 소정 기준각에서는 특히 각편차가 적게 발생한다는 사실이 나타났다. 이러한 사실은 재생가능하며 시뮬레이션으로도 구동해 볼 수 있는 상기 자기저항 센서의 특성중의 하나다. 소정의 각도(특수각)가 선택되면 상기 영점상에서도 기대했던 대로 온도가 일정하게 된다. 이 때의 소정각도에서는 각편차가 온도보다는 영점각("0" point angle)에 더 의존하게 된다.

본 발명의 다른 용이한 구성은 종속항에 언급된 요지들에 제시되어 있다.

본 발명의 실시예는 도면에 도시되어 있으며 이하의 설명에서 상술하기로 한다.

도 1에는 두 개의 서로 45°로 회전한 AMR-센서부재(Anistropic Magneto Resistance), 즉 이 실시예에서는 저항브리지회로서 구성되어 있지만 다르게도 구성 가능한 센서부재(10,11)를 포함하고 있는 무접촉 자기저항 센서의 예가 도시되어 있다. 상기 AMR-센서부재(10,11)로 전류(I)가 인가된다.

상기 양측에 서로 45°의 각도로 회전한 센서부재(10,11)에 전류(I)가 흐르게 되면 상기 센서부재(10,11)들의 브리지회로 대각선에는 전압(U1, U2)가 형성된다. 이 전압들을 예를 들어 각측정 평가회로(12)에서 평가될 수 있다.

도 1에 도시되어 있는 바와 같은 센서를 예를 들어 스로틀밸브위치를 측정하는데 쓰이는 무접촉 각센서로서 또는 페달값(pedal value)전송기로서 이용할 경우에는 상기한 평가를 실시하여 센서의 영점 위치의 온도가 일정한가를 확인할 필요가 있다. 상기 각센서의 영점은 소정 온도대역에서 제어기기를 통하여 결정된다. 이렇게 결정된 전자 영점은 온도에 의해서 변화되는 량이 매우 적어야 한다. 왜냐하면 개방회로조정부 내지는 기계적인 스토퍼를 사용하면 문제가 발생할 소지가 있기 때문이다.

상기 영점에서의 온도의존도 감소는 종래의 AMR-센서에서는 예를 들어 비용이 높은 배선을 사용하거나 또는 특수한 필터를 사용하여 온도의존도를 감소시켰다. 본 발명에서는 각오류 내지는 상기 각오류의 온도의존도가 최소치가 되는 소정 각도를 지정한다는 사실에 기초하는, 종래와는 다른 방법을 사용한다. 상기한 바와 같은 온도의존도가 최소로 발생하는 특정 각의 설정은 시뮬레이션이나 측정법을 통해 조사할 수 있다. 이렇게 조사된 특정한 각이 영점각으로 결정되면 예상했던 온도안정성을 얻게 된다.

상기한 방법, 특수각, 역시 이후에는 제로각으로서 사용될 소정 각을 조사한 다음에는 상기 방법은 아래에 설명된 절차에 따른다.: 회전하는 자계에서 우선 각편차를 실온(T1)에서 결정한다. 상기한 각편차 결정을 위해서, 출력전압 U(Φ,t)은 자계방향에 따라 측정한다. 이 때 예를 들자면 전체 360°를 측정하는 것도 가능하다.

상기 센서부재가 자기저항 저항으로 이루어져 있기 때문에, 높은 전류를 센서 내지는 센서브리지를 사용하여 인가함으로써 이 저항을 더 높은 온도(T2)로 가열한다. 이 제 2 온도(T2)에 도달하게 되면 상기 각편차 조사를 다시 시작한다. 이 때 상기 각 편차의 크기를 알아내게 되는데, 상기 센서에 의해 측정된 자계방향은 실제방향과 상기에서 얻은 크기만큼 차이가 생긴다. 상기 두 각편차들이 소정각(특수각) 이상으로 차이가 나면 양 곡선에 여러개의 교차점 생긴다.이 교차점들 각각은 특수각을 나타내며 이 특수각을 전자적으로 영점으로서 이용할 수 있다.

여러 가지 온도(T1,T2,T3,...)대역에서 측정들이 반복되면, 각편차와 기준각 내지는 자계방향에 해당하는 특수각 사이에서 도 2에 도시된 관계가 성립된다. 여러 온도대역에서 형성된 곡선들은 이상에서는 특수각으로 표현한 소정각도 모두에서 교차된다.

상기 센서를 하우징 안에 조립할 시에, 또는 자석을 센서에 상대적으로 또는 센서하우징에 상대적으로 장착할 시에 형성된 특수각들중의 하나를 영점으로서 이용한다는 사실을 고려해야 한다. 경우에 따라서는 전자 교정장치를 사용하여 정확한 밸런싱을 수행하기도 한다.

온도가 일정한 영점위치를 결정하고 및 거기에 연관된 센서 및 스캐너 자석을 통합구성하기 위한 상술한 바와 같은 방법을 통해서 원친적으로 소정 각영역내에서 상기 오프셋을 선형으로 교정하는 것이 가능하다. 이러한 교정을 통해 각의 정확도를 한층 높이는 것이 가능하다.

기본적으로 상기 방법은 거리계(hodometry)에까지 확대해서 사용할 수 있다. 거리계에 사용할 경우에는 온도의존도가 적은 특수점(specific point)을 적어도 하나 알아내기 위해서, 상기 센서의 출력신호의 전압곡선을 다시 여러 가지 온도에서 거리에 따라 측정할 수 있으며 서로 비교할 수도 있다.

컴퓨터시뮬레이션에 나타나는 바와 같이, 정확한 최적위치 및 최적각도가 있는데, 이 위치와 각도에서는 자기저항 센서 출력신호의 온도의존도가 최소가 된다. 이러한 시뮬레이션계산의 예는 단지 설명을 위한 것일 따름이다. 이 때 아래의 약분 내지는 관계식을 이용한다.

t=-40,20,...,120℃

α = 0,001 β = 0,001 A1 = 1 A2 = 1

γ = 0,001 δ = 0,001 O1 = 0,005 O2 = 0,005 σ = 0,001

부호설명: Φ: 기계적인 특정 각

t: 센서의 온도(℃)

α,β,γ,δ,A1,A2,O1,O2,σ: 예로서의 인수

상기 전압들에 대해서는 이하의 관계가 성립한다:

전압곡선: 예:

U1d(t) = (A1) * (1 + α * (t-20)) U1d(20) = 1

U2d(t) = (A2) * (1 + β * (t-20)) U2d(20) = 1

U10(t) = (O1) * (1 + γ * (t-20)) U10(20) = 0,005

U20(t) = (O2)[1+δ*(t-20)+σ(t-20)²] U20(30) = -0,00555

U1(Φ,t) = U10(t) + U1d(t) * cos(2Φ)

U2(Φ,t) = U20(t) + U2d(t) * sin(2Φ)

U(Φ,t) = U1(Φ,t) + j * U2(Φ,t)

부호설명:

U1d(t): 온도에 따라 달라지는 제 1 센서부재(10)의 진폭

U2d(t): 온도에 따라 달라지는 제 2 센서부재(11)의 진폭

U10(t): 제 1 센서부재(10)의 오프셋전압

U20(t): 제 2 센서부재(11)의 오프셋전압

U1(Φ,t): 제 1 센서부재(10)의 센서신호

U2(Φ,t): 제 2 센서부재(11)의 센서신호

U(Φ,t): 상기 센서의 전체 출력전압(복잡한 면에서는 타원형)

두 복잡한 수들의 위상차는 제품의 위상과 같다는 점을 고려하는 가운데,

[argz1 - argz2 = arg(z1*z2)]는 다음의 식을 얻는다:

Δ(Φ,t)은 각오류를 나타낸다. 이 각오류는 전기적으로 측정된 각과 기계적인 양각(double angle) 간의 차이를 의미한다. 전압 U1(Φ,t) 및 U2(Φ,t)는 sin(2Φ) 및 cos(2Φ)에 따라 달라지기 때문에 여기서 말하는 기계적인 각은 기계적인 양각에서 검출할 기계적인 각도를 의미한다.

시뮬레이션계산 결과는 도 3, 도 4, 도 5 및 도 6에 제시되어 있다. 여기서 도 3 및 도 5는 여러 온도대역에서의 각도에 대한 각오류의 곡선을 나타낸다. 도 4에는 여러 온도대역에서의 U1 및 U2 간의 관계를 나타내고 있으며, 도 6에는 각오류의 도함수 이 제시되어 있다. 특수각에서 이 도함수 역시 동일하게 0이다.

Claims (8)

1. 측정할 각위치에 따라 달라지는 출력신호를 인가하도록 구성된, 센서부재와 자계간의 각위치를 조사하기 위한 무접촉 자기저항 센서, 특히 각센서에 있어서,

   상기 센서 출력신호의 곡선은 프리셋팅이 가능한 각영역에 걸쳐 적어도 두 개의 서로 다른 센서온도대역에서 조사되며,

   상기 출력신호곡선은 기준각을 조사하기 위해 상호관련성이 있으며, 이 기준각에서 상기 출력신호는 온도의존도가 낮기 때문에 상호간에 편차를 거의 보이지 않으며, 이상과 같이 검출한 기준각은 이후의 측정에서는 영점으로서 선택되어지는 것을 특징으로 하는 무접촉 자기 각센서.
2. 제 1항에 있어서, 상기 각센서는 전원에 있는 적어도 하나의 센서부재를 포함하며, 이 센서부재는 브리지회로 안에서 회로연결된 여러개의 자기저항 저항기를 포함하며, 상기 대각선브리지회로에는 조사할 각위치에 따라 달라지는 출력전압이 인가되는 것을 특징으로 하는 무접촉 자기 각센서.
3. 제 2항에 있어서, 상기 센서는 소정의 프리셋팅가능한 각만큼 서로 대향하도록 회전한 두 개의 센서부재를 포함하며, 상기 센서부재는 각각 자기저항 저항기를 구비하며, 이 저항은 브리지회로로 연결되어 그들중의 한 대각선브리지회로는 전압을 인가받는 반면에 다른 대각선은 각에 따라 달라지는 일반 출력신호에 중복되는 출력신호를 인가하는 것을 특징으로 하는 무접촉 자기 각센서.
4. 제 1 항 내지 제 3 항중 중 어느 한 항에 있어서, 상기 공급된 전원은 변화가능하며, 저항브리지 회로에 저장된 전류 역시 변화가능한 것을 특징으로 하는 무접촉 자기저항 각센서.
5. 제 4항에 있어서, 적어도 두 개의 서로 다른 센서온도를 발생시키기 위해 상기 공급된 전류세기는 제 1 값 및 제 2 값으로 조절될 수 있는 것을 특징으로 하는 무접촉 자기저항 각센서.
6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 조사된 기준각은 센서와 자계발생기를 통합구성했을 경우를 고려한 것이며, 상기한 통합구성은 상기 기준각이 센서부재와 자계간의 0°위치에 해당하도록 이루어지는 것을 특징으로 하는 무접촉 자기저항 각센서.
7. 제 5항 또는 제 6항에 있어서, 상기 0 위치는 전자 도선상에서 정의되며, 상기 센서의 출력신호로써 상기 각을 계산할 때에 고려되는 것을 특징으로 하는 무접촉 자기저항 각센서.
8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서, 적어도 하나의 마이크로 프로세서와 마찬가지로 거기에 포함된 메모리를 포함하는 평가수단이 구비되어 있으며, 상기 메모리에는 상기 기준각이 인가되고, 각도계산은 상기 마이크로프로세서에 의해 수행되는 것을 특징으로 하는 무접촉 자기저항 각센서.