KR20000070595A - 회전각도를 접촉없이 감지할 수 있는 측정장치 - Google Patents

회전각도를 접촉없이 감지할 수 있는 측정장치 Download PDF

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Abstract

회전각도를 접촉없이 감지하기 위한 측정장치는 고정자(11)와 회전자(12)로 이루어 졌다. 고정자는 틈새(26, 27)에 의해서 분리된 두개의 세그먼트(24, 25)로 이루어 졌다. 이 틈새(27)는 동시에 회전자(12)를 구성하고 있는 영구자석(21)에 의해서 생성된 자기장이 이 틈새(27)를 통과하지 못하는 대신 자기에 민감한 엘리먼트(30)가 있는 틈새(26)를 통과 하도록 되어 있다. 영구자석(21)의 형태는 틈새(27)와 두개의 세그먼트(24, 25)에 일치하므로서 영구자석(21)이 회전운동을 하는 경우에는 틈새(27)를 넘을 수 없게 된다. 이를 통해서 상대적으로 매우 큰 측정각도가 부호의 변동없이 선형측정선도에 맞출 수 있게 된다.

Description

회전각도를 접촉없이 감지할 수 있는 측정장치{Metering device for contactless determination of a rotation}
FR-OS 90 15 223에 이미 이러한 측정장치는 공지되어 있으며, 이러한 장치의 경우 고정자(Stator)와 회전자(Rotor)는 서로 상관적으로 작용한다. 각각 자기유도성 재료로 되어 있는 고정자와 회전자 사이에 공기로 채워진 작은 틈새(또는 간격-gab)가 있다. 회전자에는 180도의 길이로 링모양의 제1 영구자석이 배치되어 있으며 레이디얼 방향으로 극성을 띠고 있다. 일반적으로 180도의 회전자의 영역에서 제2 링모양의 영구자석이 반대극성으로 놓여있다. 또한 회전자는 서로 대각선으로 마주보는 두개의 틈새를 가지고 있다. 이 틈새에는 홀센서(Hall sensor)가 장치되어 있다. 고정자에 대해서 회전자가 회전운동을 할 경우 홀센서를 통과하는 자기장의 세기가 변화하게 된다. 이때에 발생되는 측정신호의 선형(linear) 측정범위는 ± 75도로 제한하고 있다. 더 나아가서 이러한 선형측정범위는 부호 변동(± 교류신호)을 갖게 된다. 이러한 것은 상황에 따라서 값비싼 전기회로에 의해 교정되어야 한다.
더 나아가서 DE-OS 196 34 381.3에서 3층으로 겹겹이 장치된 센서가 이미 공지 되었다. 회전자는 영구자석을 장치하기 위한 이동판으로 된 하나의 중심층이다. 이동판은 자체가 비자성 재료로 이루어져 있어서, 자기흐름은 다른 두 층 즉 고정자를 지나서 흐르고 두개의 고정자층 사이에 배치되어 있는 두개의 간격체에 의해서 제어가 된다. 이 센서로 상대적으로 큰 각도범위가 부호의 변동없이 측정될 수 있으나, 이 각도범위는 180도 이상을 측정하는 데에는 적합하지 못하다.
본발명은 독립 청구항에 기재된 바와 같이 회전각도를 접촉없이 감지할 수 있는 측정장치에 관한 것이다.
도 1은 I-I 도 2에 따라서 제1 실시예를 통한 종단면을 나타낸 도면.
도 2와 도 3은 정면도와 밑에서 본 하부도를 나타낸 도면.
도 4는 영구자석의 형태를 나타낸 도면.
도 5는 각도 α로 나선형의 영구자석을 나타낸 도면.
도 6과 도 7은 영구자석과 각각의 자기흐름의 위치가 최소 그리고 최대각도의 경우에 있는 것을 나타낸 도면.
도 8은 또다른 실시예인 도 10을 VIII-VIII의 방향으로 절단한 종단면도.
도 9와 도 10은 바닥과 정면을 나타낸 도면.
도 11은 영구자석의 형태를 나타낸 도면.
도 12와 도 13은 고정체의 흐름유도부의 변환을 나타낸 도면.
독립 청구항에 의한 본발명의 접촉없이 회전각을 감지하는 측정장치는 종래의 것과는 달리 센서가 200도 이상의 회전각을 감지하는 장점을 가지고 있다. 거의 선형적인 형태를 이루는 측정선도 또한 부호변동을 하지 않는다. 자기유도(Induction)가 발생하지 않는 중립지점은 각도측정을 하는데 있어서 기준점(0-Point)이 된다. 자기유도 흐름체와 틈새의 구조적인 배치 때문에 측정범위는 240도 이상으로 변화하게 된다. 그러나 만약 측정틈새가 굽어져 있다면, 영구자석은 위에서 언급한 각도 보다 더 작게 만들 수 있다. 나선형의 영구자석시스템이 위에서 언급한 각도 보다 작아지게 되면 자기유도 흐름체는 예를 들어서 완전한 원 또는 이와 유사한 완전한 모양을 이루지는 못할 것이다. 더나아가서 구동축은 센서중심점에 위치하여서는 안된다. 청구항에서 실시되고 있는 처방에 의해서 측정장치의 개선이 가능하게 된다.
본발명의 실시예는 도면에서 나타나 있으며 다음의 기술에서 상세히 설명된다.
도 1에서는 센서가 번호(10)로 표시되며 고정자(11)와 회전자(12)로 구성되어 있다. 고정자(11)는 바닥판(13)과 덮개판(14)을 가지고 있으며, 이 두판은 두개의 간격체(15, 16)에 의해서 분리가 된다. 도 3에서 보이고 있는 것 처럼 바닥판(13)은 구멍(18)을 가지고 있으며, 이 구멍을 통해서 회전자(12)의 축(19)이 끼워진다. 축(19)은 회전운동이 결정된 여기서는 도시되지 않은 부품과 연결될 수 있다. 회전자(12)의 이동판(20)은 축(19)의 중심에서 고정되고 또한 비자기성 재료로 되어있다. 이동판(20)에는 영구자석이 놓이게 되고, 놓이게 될 영구자석의 모양은 도 4에 자세히 보여주고 있다. 영구자석(21)의 극방향은 축(19)과 평행한 방향을 이루고 있다. 센서(10)의 덮개판(11)은 도 2에서 자세히 나타나 있으며 두개의 세그먼트(Segment)(24, 25)로 이루어져 있다. 이 두개의 세그먼트(24, 25)는 틈새(26)와 제2 틈새(27)로 서로 분리되어 있다. 틈새(26)는 레이디얼 방향으로 직접 덮개판(14)의 중심에서 원주의 테두리를 향해 나아간다. 틈새(26)에서는 자기장에 민감한 부품이 장치되어 있다. 동시에 예를 들어서 판의 영역(filed)은 하나의 마그네트 저항기, 마그네트 저항 부품 또는 홀소자의 역할을 하고 있다. 여기서 중요한 것은 자기장에 민감한 부품은 자기유도(B)에 대해서 자신의 출력신호가 선형 종속되어 있다는 것이다. 이 부품 대신에 충분한 측정(측정의 정확성을 높이기 위한)을 위해서 여러개의 부품이 사용된다. 틈새(27)는 덮개판(11)의 중심에서 시작되고 외부로 레이디얼 방향으로 향하고 틈새(26)에 대해 약 120도의 각도를 이루는 영역(32)과 이와 연결되고 굽은 틈새가 원주까지 안내되는 영역(33)을 가지고 있다. 두 틈새(26, 27)는 서로 동조하므로서, 영구자석의 자기흐름이 가능한 틈새(26)를 지나서 흐르게 되고 틈새(27)는 이때의 자기흐름을 방해하게 된다. 또한 틈새(27)의 너비는 틈새(26)보다도 더 넓다. 공기 대신에 틈새(27)는 다른 비자기성 물질로 채울 수 있다. 반드시 두개의 세그먼트(24, 25)는 각각의 세그먼트가 최소한 영구자석(21)의 각도 세그먼트(Angle segment)의 크기와 동일하게 구성되어야 한다. 이러한 사실은 만약에 영구자석이 180도 보다도 크다면 이 두개의 세그먼트(24, 25)는 도 2에 보이는 것 처럼 삽입되는 것을 의미한다. 더우기 틈새(27)와 영구자석(21)의 모양은 서로 일치하게 되므로 영구자석(21)은 전체가 모두 회전운동을 할 경우에는 틈새(27)를 넘을 수 없게 된다. 그리고 영구자석의 종단은 다른 영구자석의 종단의 너비보다 작아야만 한다. 영구자석의 모양은 도 5에 따른 선도에서 상세히 나타나 있다. 여기에는 반경에 대한 설정된 각도의 영역이 각각 나타나 있다. 동시에 영구자석의 측면은 선형적인 경사도(r)를 가지고 있다. 또다른 영구자석의 측면에는 다음과 같은 수학식 1에 따라 계산되는 반경이 나오게 된다.
A = 영구자석의 면적
α = 회전각도
이 식은 길이에 대한 영구자석의 두께가 일정(constant)하다는 것을 전제조건으로 하고 있다.
이 영구자석(21)은 종래의 자석재료과 비슷한 합성재료와 관계된 희귀성 자석(Seltene-Erden-Magneten)(예를 들어서 Sm2Co17)으로 생산되고 이다.
고정자(11)에 있어서 두개의 덮개판(13), 세그먼트(24, 25), 바닥판(13) 그리고 간격체(16)는 자성체 특히 약 자기성을 띤 재료로 되어있다. 제2 간격체(15)는 그러나 비자성체 재료로 되어 있다. 약 자성체인 간격체(16)는 여기서 바닥판(13) 그리고 대형의 두 덮개판(14)의 세그먼트와 연결된다. 비자성체인 간격체(15)는 바닥판(13)과 소형의 세그먼트(25)사이에 놓이게 된다. 간격체(15)는 센서가 각각의 하우징에 조립될 때에 공기로 채워지게 된다.
도 6과 7은 영구자석의 배치가 두개의 세그먼트(24, 25)에 대해서 작은 각도(도 6)와 큰 각도(도 7)일 때를 보여주고 있다. 또한 자기흐름을 각각의 도면에서 나타내고 있다. 영구자석의 회전방향은 시계방향으로 진행된다. 도 6에서는 0도의 회전각도일 때에 영구자석(21)은 완전히 세그먼트(24)의 아래에 위치하게 된다. 자기흐름은 완전히 영구자석(21)에 의해서 세그먼트(24)로 간격체(16)를 지나고 도 6에서는 나타나 있지 않은 바닥판(13)을 지나서 재차 영구자석으로 흐르게 된다. 각도 0도에서는 틈새(26)를 지나는 즉 엘리멘트(30)를 통과하는 자기의 흐름이 이루어지지 않는다.
센서의 완전한 방향전환이 발생할 때에, 즉 도 7에서 나타난 것 처럼 최대 회전각이 이루어질 때에 영구자석은 완전히 세그먼트(25) 아래에 위치하게 된다. 영구자석(21)의 넓은 종단은 틈새(27)의 영역(32)에 끼워져 있다. 틈새(27)의 영역(32)의 길이는 이에 따라서 종단에서 영구자석(21)과 일치하게 된다. 도 7에서 보듯이 영구자석(21)의 자기흐름은 세그먼트(25), 틈새(26) 그리고 이곳에 위치하고 있는 자기장에 민감한 엘리먼트(30)를 지나서 세그먼트(24)로 흐르도록 되어 있다. 더우기 자기선은 간격체(16)과 바닥판(13)을 지나서 그리고 원래의 영구자석(21)으로 귀환한다. 틈새(27)는 자기선의 흐름을 세그먼트(25)의 세그먼트(24)의 영역에서 방해하게 된다. 모든 자기선은 틈새(26)와 자기장에 민감한 엘리먼트(30)를 지나야만 한다. 이러한 배치는 선형적인 측정선도상에서 부호변동이 없이 240도에 이르는 각도의 영역을 지나는 자기장에 민감한 엘리먼트(30)에서 자기유도(B)의 선형적인 진행을 이루게 한다.
도 8에 따른 실시예에 있어서 고정자(11a)의 덮개판(14a)의 변형을 보여주고 있다. 도 9에서 보여주고 있는 바닥판(13)은 제 1실시예의 바닥판과 동일하다. 도 10에서 보여주고 있는 것과 같이 덮개판(14a)에 있어서 자기장에 민감한 엘리먼트(30)를 가지고 있는 틈새(26a)는 회전자(12)의 회전방향으로 굽어져 있다. 이 회전은 시계방향으로 이루어지기 때문에 틈새(26a)는 시계방향으로 굽어져 있다. 자기 흐름을 방해하는 틈새(27a)는 도 10에서 레이디얼 방향으로 되어있는 영역(32a)과 굽은 영역(33a)으로 이루어져 있다. 회전방향으로 굽어져 있는 틈새(26a)의 형태 때문에 도 11에 보여주는 것 처럼 영구자석(21a)은 측정하려는 각도 영역 보다도 작은 각도영역을 이루고 있으며, 240도의 측정각도의 경우에 영구자석(21a)은 170도의 각도영역을 이루게 된다. 더나아가서 영구자석(21a)은 자신의 전체길이로 동일한 두께를 갖는다. 틈새(26a)와 영구자석(21a)사이에서 각각 보여주고 있는 각도 세그먼트를 위해서 만약 영구자석의 일정한 두께로 가정할 경우에는 영구자석(21a)과 동일한 면적이 세그먼트(24a 또는 25a) 아래에서 이동하여야 한다. 영구자석(21a)의 외경의 면적변화가 영구자석(21a)의 내부반경의 영역에서의 면적변화 보다 크기 때문에 틈새(26a)는 반드시 회전자(12)의 회전방향으로 굽어져서 장치가 되어야 한다. 영구자석(21a)이 회전각도 보다 작고 그 형태가 나선형으로 굽어져 있으므로서 두 세그먼트(24a, 25a)는 서로 내부적으로 연결되고 거의 360도의 회전각도에서 선형 측정신호를 부호 변동이 없이 감지할 수 있게 된다. 여기에 따른 그림이 도 12에 나타나 있다. 여기서의 세그먼트(25b)는 거의 하트모양을 이룬다.
도 12에서 축(11)은 약 300도의 회전각도를 갖게 된다. 이에 따라 자석은 210도의 각도영역이 필요하게 된다. 그리고 틈새(26b)는 반드시 88도 이하로 굽어져야만 한다. 틈새(27b)의 영역(32b)의 너비는 영구자석(21)의 너비에 의해 결정된다. 또한 틈새(27b)의 절단면(33b)의 영구자석의 굽힘은 외형에 맞추어야 한다.
도 13에서 덮개판의 작은 각도영역과 맞추어야 할 변형을 나타내고 있다. 이러한 배치에 대한 장점은 두개의 세그먼트(24c, 25c)가 비대칭이라는 것이다. 또한 여기서 상기 실시예와의 차이점은 축(19)이 센서(10)와 이동판(20)의 중심에 작용하여서는 안된다는 것이다. 또한 틈새(27c)는 세그먼트(24c, 25c)사이에서 구성되어 있기 때문에 자기흐름은 영구자석(21a)으로 인해서 통과하지 못하며 단지 틈새(27c)를 지나는 상대적으로 매우 작은 자기흐름만이 가능하다는 것이 중요하다. 그러나 여기서의 틈새(27c)는 공기로 채워져서는 안되며, 대신 어떤 다른 비자기성을 띠고 이로서 자기흐름을 방해하도록 하는 재료로 이루어져야 한다.

Claims (14)

  1. 고정자(11)와 회전자(12)사이에 틈새(26)가 있으며, 고정자(11)에서는 최소의 틈새(26)를 구비하고 있으며, 또한 최소 틈새(26)에서는 적어도 자기성 엘리먼트(30)가 있으며, 회전자(12)의 하나의 영구자석(21)에 적어도 하나의 세그먼트가 장착되어 있으며, 고정자(11)는 여러 부품(13, 14, 15, 16)으로 구성되어 있으며, 적어도 하나의 부품(15)이 나머지 부품(14,15,16)과 비자기성 연결을 하고 있는, 고정자(11)와 회전자(12)사이의 회전각도를 접촉없이 감지하기 위한 측정장치에 있어서,
    영구자석(16)이 최대 측정신호일 경우에는 고정자(11)의 제1 부품(24) 아래에 있고, 다른 최대 측정신호의 경우에는 고정자(11)의 제2 부품(25)에 위치하게 되는 것을 특징으로 하는 측정장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 영구자석(21)의 한 종단은 영구자석(21)의 다른 종단보다 넓으며, 그의 전이부를 통해 서로 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 측정장치.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 영구자석(21)은 길이측(r)의 연속적인 선형 발생에 대해서 다른 길이측(R)에 대한 계산식은
    다음과 일치하는 것을 특징으로 하는 측정장치.
    A = 영구자석의 면적
    α = 회전각도
  4. 제 1 항 내지 제 3 항중 어느 한항에 있어서, 상기 영구자석(21)의 각도크기는 적어도 설정된 최대각도와 일치하게 되는 것을 특징으로 하는 측정장치.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항중 어느 한항에 있어서, 틈새(26a)에 자기성 엘리먼트(21a)가 놓여 있으며, 상기 틈새(26a)는 회전자(12)의 회전방향으로 굽어져 있는 것을 특징으로 하는 측정장치.
  6. 제 1 항 또는 제 5 항에 있어서, 상기 영구자석(21a)은 굽어져 있고 전체 길이가 동일한 두께를 이루는 것을 특징으로 하는 측정장치.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항중 어느 한항에 있어서, 틈새(27)는 곧게 레이디얼 방향으로 지나는 절단면(32)을 가지고 있고 굽은 절단면(33)과 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 측정장치.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 곧은 틈새(27)의 절단면(32)의 길이는 적어도 상기 영구자석(21)의 종단면의 너비와 같은 것을 특징으로 하는 측정장치.
  9. 제 1 항 내지 제 8 항중 어느 한항에 있어서, 회전자(11a)가 회전운동을 하는 동안에 제1부품(24a), 및 제2 부품(25a)과 관계하는 영구자석(21a)의 이동면의 크기가 거의 동일한 것을 특징으로 하는 측정장치.
  10. 제 1 항 내지 제 9 항중 어느 한항에 있어서, 상기 틈새(27)가 틈새(26)보다 크므로서 틈새(27)를 통해서는 영구자석(21)에 의해서 생성된 자기장의 자기흐름이 거의 통과하지 못하는 것을 특징으로 하는 측정장치.
  11. 제 1 항 내지 제 10 항중 어느 한항에 있어서, 상기 영구자석(21)은 나선형태로 이루어져 있는 것을 특징으로 하는 측정장치.
  12. 제 1 항 내지 제 10 항중 어느 한항에 있어서, 상기 영구자석(21)은 굽은 형태로 이루어져 있는 것을 특징으로 하는 측정장치.
  13. 제 1 항 내지 제 12 항중 어느 한항에 있어서, 상기 영구자석(21)의 극의 방향은 상기 회전자(12)의 축방향으로 향하는 것을 특징으로 하는 측정장치.
  14. 제 1 항 내지 제 6 항중 어느 한항에 있어서, 상기 틈새(26)에 자기에 민감한 엘리먼트(30)이 있으며 또한 이 틈새(26)가 레이디얼 방향을 지나도록 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 측정장치.
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