KR20010006072A - 인덱스 펄스를 가진 마그네틱 엔코더 - Google Patents

Abstract

마그네틱 폴은 통로를 따라서 규칙적으로 이격져서 마그네틱 트랙을 형성하는 것이다. 일부 마그네틱 폴은 마그네틱 트랙의 통로에 대해서 일정하게 정렬 배치된 규칙적인 폴 졍션에 의해 분리된다. 적어도 2개의 마그네틱 폴은, 마그네틱 트랙의 모서리 근처에 센서가 광폭 폴 과 협폭 폴을 감지하여 인덱스 신호의 생산을 허용하도록 정렬 배치된 휘어진 비규칙적 폴 졍션에 의해 분리된다.

Description

인덱스 펄스를 가진 마그네틱 엔코더{MAGNETIC ENCODER WITH AN INDEX PULSE}

정상적으로, 회전 점증식 엔코더(rotary incremental encoder)에서는, 인덱스 펄스가 필요할 시에, 엔코더가 고 해상도 트랙으로부터 분리되는 인덱스 펄스 펑션용의 단일 트랙(unique track)을 가진다. 분리 센서는 인덱스 펄스 트랙을 감지하는데 사용된다. 상기 엔코더는 광학 센서 또는 치형 휠(gear tooth wheel)에 사용하는 광학 디스크 타겟 또는 마그네틱 센서에 사용하는 마그네트 타겟을 구비할 수 있는 것이다.

마그네틱 엔코더용으로, 고 해상도 트랙 과 인덱스 펄스 트랙은, 인덱스 폴로부터의 마그네틱 필드가 고 해상도 트랙을 방해하기 때문에, 서로 근접하도록 배치시킬 수 없는 것이다. 특정하게, 엔코더에 고 해상도 트랙은 매우 정밀하여야 한다. 만일, (인덱스 폴로부터와 같이) 교란 필드가 그 근처에 배치되면, 교란 필드의 근처에서 정밀성은 악화되어질 것이다.

따라서, 마그네틱 엔코더에 사용되는 센서는, 만일 인덱스 트랙이 고 해상도 트랙 근처에 배치되면 빈약한 정확도 만의 신호를 발생할 것이다. 이러한 결과로서, 인덱스 펄스를 가지는 마그네틱 엔코더는 상당히 대형 이어야만 2개 트랙 사이에 필요한 거리를 제공할 수 있는 것이다. 또한, 마그네틱 고 해상도 트랙에 매우 근접하여 인덱스 펄스가 자성을 발휘함에 따른 많은 제조 문제가 있다.

상기 설명은 본 발명의 장치 와 방법에 존재하는 것으로 공지된 제한요소 들이다. 따라서, 본 발명의 장치는 상술된 제한 요소의 일 개 이상을 극복하고 이점을 제공하는 것을 목적으로 하는 것이며, 적절한 선택으로 이하에서 보다 충실하게 설명되는 이점을 제공하는 것이다.

본 발명은 마그네틱 엔코더에 관한 것으로서, 특히 고 해상도 신호에 더해진 인덱스 펄스를 발생하는 마그네틱 엔코더에 관한 것이다.

도 1, 3, 4, 5, 7, 9 및, 16은 본 발명의 마그네틱 엔코더의 각 실시예를 개략적으로 설명하는 대표도.

도 2, 6, 8, 10 및, 17은 설명된 실시예에 의해 발생되는 신호를 설명하는 그래프.

도 11, 12, 13 및 15는 설명된 실시예를 처리하는 신호를 설명하는 그래프.

도 14는 본 발명에 사용되는 다른 감지 디바이스를 개략적으로 설명하는 도면.

본 발명의 일 면은, 통로를 따라서 일정하게 이격 공간진 일련의 마그네틱 폴을 포함하는 마그네틱 엔코더를 제공하여 마그네틱 트랙을 형성하여 달성되는 것이다. 일부 마그네틱 폴은 마그네틱 트랙의 통로에 대해서 균일하게 정렬 배치된 규칙적 폴 졍션으로 분리된다. 적어도 2개 마그네틱 폴이, 마그네틱 트랙의 모서리에 인접한 마그네트 센서가 광폭 폴 과 협폭 폴(wide pole and narrow pole)을 감지하여 인덱스 신호를 발생하는 것을 허용하도록 규칙적 폴 졍션에 대하여 휘어지는(skew), 비규칙적 폴 졍션으로 분리되는 것이다.

본 발명의 다른 면에 의거, 본 발명의 목적은 인덱스 신호를 발생하는 방법을 제공하여 달성되는 것이다.

상술된 설명 및 다른 면에 대해서는 첨부 도면을 참고로 보다 상세하게 이하에 설명한다.

본 발명은 사용되는 마그네틱 트랙에 인덱스 펄스를 재장하여(by embedding) 고 해상도 신호를 제공하는 종래 기술의 문제를 해결하는 것이다. 마그네틱 트랙에 로칼 구역을 약간 변경시키어, 마그네틱 방해를 받지 않으면서 인덱스 펄스를 획득하는 수단을 제공하는 것이다. 예를 들면, 만일 일 폴의 섹션이 약간 크게 또는 작게 만들어지면, 인덱스 펄스는 최소한의 방해 또는 방해가 전혀 없는 고 해상도 신호를 발생할 수 있을 것이다.

이러한 개념은 동반되는 재장 인덱스 폴 마그네틱 엔코더(following embedded index pole magnetic encoders)에 기본하는 것이다. 모든 경우에서, 아날로그 또는 디지탈 인덱스 펄스는 인덱스 센서 출력 과 고 해상도 센서 출력과의 사이에 차이(difference)를 취하여 창출되는 것이다. 이러한 인덱스 신호는 상당히 낮은 각 정확도(angular accuracy)를 가지지만, 신호는 고 해상도 신호로 동조화 되어 매우 정확한 인덱스 신호를 발생할 수 있는 것이다.

이하 도면을 참고로 설명하면 다음과 같다. 도 1은 축선방향 자화 마그네트(axially magnetized magnet)에 규칙적 폴 졍션(10)이 마그네틱 트랙의 원형 통로에 대해 수직하는 본 발명의 실시예를 설명하는 도면이고, 여기서 규칙적 폴 졍션은 서로 실질적으로 평행하지는 않지만 원형 통로의 중심점에는 수렴하는 것이다. 도시 않은, 선형 통로를 따르는 마그네틱 트랙을 가진 반경방향 자화 마그네트에서는, 규칙적 폴 졍션이 선형 통로에 대해 수직하고 서로에 대해서는 평행한 것이다.

인덱스 펄스를 재장하여, 마그네틱 폴(14, 16) 사이에 비규칙적 폴 졍션(12)은 마그네틱 트랙의 통로에 대해 수직하는 선에 대하여 휘어진다. 이러한 실시예에서는, 비규칙적 폴 졍션(12)이, 통로에 대해 수직하지 않도록 그리고 유사한 사이즈의 2개 사다리꼴 구역으로 마그네틱 폴(14, 16)이 분리되도록 각이진 직선에 의해 형성된다. 일 또는 2개 마그네틱 센서(18, 20)는 도시된 바와 같이 마그네틱 폴의 모서리를 향하는 방향으로 배치된다. 필요에 의해서는, 선택성 마그네틱 센서(22)가 고 해상도 트랙용 마그네틱 트랙의 중앙에 제공될 수 있는 것이다.

정상 동작 중에, 비규칙적 폴 졍션(12)이 마그네틱 센서(18, 20 또는 22)에 인접하여 있지 않고, 모든 센서 출력이 도 2에 곡선(24)으로 나타낸 바와 같이 유사한 상으로 보인다. 비규칙적 폴 졍션(12)이 센서(18 또는 20)에 인접하게 있으면, 절곡형상(sinusoidal) 마그네틱 필드는 곡선(26, 28)으로 나타낸 바와 같이 대향측 센서에 의해 감지된 마그네틱 필드를 리드 또는 레그(lead or lag)할 것이다. 센서(18, 20) 출력의 다른 판독은 비동조되는 인덱스 펄스(30)를 제공하는 것이다. 마그네틱 폴의 중앙 구역은, 고 해상도 필드를 방해하지 않고, 곡선(32)으로 센서(22)에 의해 감지되며 그리고 곡선(26, 28)의 평균치와 대응하는 것이다.

도 3의 양호한 실시예에서는, 구별되는 마그네틱 트랙의 분리 부분이 고 해상도 신호 와 인덱스 펄스를 발생하는데 사용된다. 규칙적 폴 졍션(34)은 고 해상도 트랙의 통로에 수직하고 그리고 적어도 일 비규칙적 폴 졍션(36)은 직선 폴 모서리(40, 42) 사이에 단차 변환부(38)로 인하여 수직에 대하여 휘어지는 것이다. 따라서, 직선 폴 모서리(40)에 의해 형성되는 마그네틱 트랙의 부분은 고 해상도 신호를 제공하는 이상적 폴 형태를 구비하고 그리고 직선 폴 모서리(42)에 의해 형성되는 부분은 인덱스 펄스 신호를 제공하는 이상적 폴 형태를 구비하는 것이다.

마그네틱 트랙의 인덱스 폴 부분은 단차 변환부에 초기에 또는 늦게 인덱스 폴 모서리를 배치하여 소형으로 또는 대형으로 만들 수 있는 것이다. 이러한 기술은 아직은 고 해상도 부분을 교란하지 않고 고 해상도 부분에 인접하여 인덱스 부분이 배치되는 것을 허용하며 그리고 고 해상도 부분 위에 대형 사용 가능한 구역을 허가하는 것이다.

엔코더로부터의 원거리에서는, 도 3의 단차 변환부의 마그네틱 필드가, 도 1의 실시예에 의해 발생되는 마그네틱 필드와 보다 유사하게 되고 그리고 마그네틱 트랙의 고 해상도 와 인덱스 부분 모두용으로 사용 가능한 작업 범위로 감소하는, 직선적으로 뻗어나가는 성질을 나타낼 것이다. 도 4는 직선 폴 모서리(48, 50)를 "오버슈트(overshoots)"하는 단차 변환부로 비규칙적 폴 졍션(44)을 가지는 도 3의 실시예의 변경을 설명하는 도면이다. 단차 변환부(stepped transition)의 생성 마그네틱 필드는 감지 거리에 대한 작업 마그네트에서의 이상적 90도 각도 형태에 근접하는 직선적으로 연장되는 성질을 나타낼 것이다.

도 5는 마그네트의 논-인덱스 부분에서의 트랙의 기준 부분에 모든 폴 쌍(51)이 시계방향 회전이 마그네트 둘레로 진행할 때 협폭 보다 넓게되는 본 발명의 부가적 실시예를 설명하는 도면이다. 인덱스 변환부(54)에 폴 쌍(53)은 이것으로부터 역전하는 것이다. 특정하게는, 시계방향 회전이 마그네트 둘레로 진행할 시에 광폭보다 협폭인 것이다. 폴 쌍(55, 57)은, 인덱스 폴에 근접하는 폴이 미디움 폭 폴(medium width pole)인 것을 제외하고 폴 쌍(51)과 유사하다.(예를 들면, 고 해상도 폴 과 동일 폭)

도 7은 교체식 변환 폴 졍션(60) 과 비-변환 폴 졍션(62)을 가지는 본 발명의 실시예를 설명하는 도면이다. 인덱스 폴 졍션(64)은 폴 졍션의 레스트(rest)로부터 반대방향으로 시프트 된다. 고 해상도 트랙의 고 해상도 부분을 교란하지 않고 신호를 처리할 시에, 이러한 구조는 여분의 안전 마진(extra safety margin)을 제공하는 것이다. 도 8은 곡선(66)으로서의 고 해상도 부분의 마그네틱 필드 와 곡선(68)으로서의 인덱스 펄스 부분의 마그네틱 필드를 나타낸 도면이다.

도 9의 실시예에서, 상 시프트는 인접 폴 졍션(72, 74)에서 시프트 하지 않으며 그리고 다른 폴 졍션(76)에서 대향 방향으로 시프트 하는, 인덱스 폴 졍션(70)에서 일 방향으로 폴 졍션을 시프트 하여 인덱스 펄스 부분 및 마그네틱 트랙의 고 해상도 부분 과의 사이로 유도되는 것이다. 도 10은 곡선(78)으로서 고 해상도 부분의 마그네틱 필드와 곡선(80)으로서의 인덱스 펄스 부분의 마그네틱 필드를 나타낸 도면이다.

본 발명의 멀티-폴 마그네트 엔코더는 다양한 미국 특허에서 일반적으로 기술된 기술을 사용하여 자화되는 것이다. 기본적으로, 매우 크지만 그러나 짧은 전류 펄스는, 생성 마그네틱 필드가 필요한 폴을 통하여 채널되도록 컨덕터(와이어 와 같음)를 통하는 방향으로 향한다. 폴 피스를 자화하기 위하여, 폴 피스는 휘어진 폴 졍션 위에 변환부가 필요한 각으로 있도록 형상지는 것이다. 필요한 폴 변환부에 바로 놓여지는 컨덕터를 자화시키기 위하여, 컨덕터는 유사한 각으로 마그네트에 놓여진다. 페라이트 기본 플라스틱 마그네트(플라스틱 매트릭스에서 80중량% - 93중량% 스트론튬(Sr) 또는 베리움 페라이트)용으로, 생성 필드는 일반적으로 마그네트의 표면에서 100 및 800가우스 사이 이다.

도 1의 실시예 용으로 안정된 휨 각도는 수직으로부터 2도 내지 45도의 각이다. 대형 휨 각도는 고 해상도 감지동작용으로 적절한 물리적으로 제한된 구역을 제공할 것이지만 대형 인덱스 펄스 신호를 생산할 것이다. 소형 휨 각도는 소형 인덱스 펄스를 생산할 것이지만 고 해상도 감지동작용으로 적절한 대형 구역을 남길 것이다. 또한, 대형 휨 각도는 고 해상도 트랙의 가변형 기준부분이 고 해상도 비 가변형 부분에 매우 인접하는 장소이어서, 소형 센서 팩키지를 허용하는 마그네트 필드를 생산하는 것이다. 반대로, 소형 휨 각도는 대형 센서 팩키지를 필요로 한다.

설명된 실시예를 생산하기 위해서는 단차의 량이 폴 폭의 12.5% 와 25%사이이어야 이상적으로 이루어진다. 소형 단차는 소형 인덱스 펄스 신호를 생산하고 그리고 고 해상도 섹션에 실질적으로 거의 방해를 일으키지 않는 것이다. 보다 대형인 단차는 대형 인덱스 펄스 신호를 생산하고 그리고 고 해상도 섹션 방해를 개시하지 않는다.

본 발명의 마그네틱 엔코더에 사용되는 센서는 홀 디바이스 또는 마그네토-레지스터 센서이지만 상기 디바이스에 제한되는 것은 아니다. 이상적으로는 센서가 매우 소형이어야 하며 그리고 동일 피스의 실리콘에서 감지 소자를 구비하는 것이다. 선택된 처리 기술에 따라서, 센서는 동일한 게인을 대체로 가져야 하고 그리고 마그네트 면으로부터 대체로 동일한 거리에 놓여져야 하는 것이다.

아날로그 인덱스 펄스는 고 해상도 센서 와 인덱스 펄스 센서 와의 사이에 차를 취하여 획득된다. 이러한 신호는 미리정해진 임계치와 대비된다. 임계치는 신호의 사인파의 정점 크기의 비율(a fraction of the peak amplitude of the sine wave of the signal)로 고정 또는 척도 되어야 한다. 예를 들면, 임계치는 도 11에서 라인(86)에 의해 설명되는 바와 같이 사인파의 정점의 0.67 이어야 한다. 마그네틱 트랙의 고 해상도 부분에 의해 생산되는 신호는 곡선(82)으로 도시된 바와 같고, 곡선(84)으로 인덱스 펄스 부분의 도시와 같고 그리고, 곡선(88)으로 미분 신호(defferential signal)의 3X 곱으로 도시된 바와 같다.

도 5의 실시예에서, 미분 신호는 2가지 방식으로 처리되어져야 한다.

1)고 해상도 센서와 인덱스 센서를 대비하여 차 신호(difference signal)를 획득. 임계치는 제로. 도 12는 곡선(20)으로서 고 해상도 센서의 출력을 설명하고, 곡선(92)으로서 인덱스 센서의 출력을 설명하고 그리고, 곡선(94)으로서 미분 신호를 설명하는 것이다.

2)인덱스 및 고 해상도 센서의 신호 사이에 미분 신호를 창출하는 대신에, 디지탈 식으로 신호를 바로 대비. 만일, 인덱스 펄스가 고 해상도 센서 보다 낮으면, 다음 디지탈 인덱스는 "오프" 이다. 만일, 인덱스 센서가 고 해상도 센서 보다 높으면, 다음 디지탈 인덱스는 "온" 이다. 이것은 이전 기술보다 상당히 심플한 것이며 그리고 미분 신호용 증폭기가 필요하지 않기 때문에 미분 증폭기로부터의 추가적인 상쇄부를 가지지 않음으로 양호한 것이다. 이러한 기술은 도 13에서, 고 해상도 센서의 출력이 곡선(96)으로, 곡선(98)에서의 인덱스 펄스 센서의 출력 그리고, 라인(100)에서의 디지탈 출력으로 나타내어 설명된다.

인덱스 신호를 감지하는 다른 방법은 도 14에서 설명되는 바와 같이 마그네틱 트랙의 인덱스 부분 위에 2개 이상의 센서를 사용하는 것이다. 이상적으로는, 이러한 기술은 도 5 또는 도 7의 실시예를 사용하여야 한다. 양호하게, 2개 센서(102, 104)는 고 해상도 센서(108)가 있는 단일 피스 실리콘(106)에서 이격진 대략 일 폴의 거리로 이격 분리하여 사용된다. 인덱스 센서(102, 104)로부터의 신호(110, 112)가 함께 더해지면, 신호는 곡선(114)으로 나타낸 바와 같이 2개의 평균 값에 대한 비율로 생산되는 것이다. 이러한 사실은 제로의 임계치를 허용하는 것이다. 여기에서, 인덱스 펄스 또는 임계치를 얻는데 고 해상도 센서(108)에 종속성은 없다. 곡선(116)은 고 해상도 센서(108)의 출력을 나타내는 것이다.

상술된 방법과 여러 방식에서 유사한 마그네트를 제조하는 다른 방법으로는, 도 16에서 설명되는 바와같이 원형 마그네트 트랙(120)의 내경(ID) 또는 외경(OD)을 물리적으로 향하는 방향으로 일 폴 쌍(120)을 상쇄하는 것이 있다. ID를 향하는 방향으로 위치한 센서(122)는 인덱스 펄스에서 곡선(126)으로 도시된 약 신호를 생산할 것이다. OD를 향하는 방향으로 위치한 센서(124)는 곡선(128)으로 나타낸 강 신호를 발생할 것이다. 상기 2개 신호 간에 차는 곡선(130)으로 나타낸 바와 같이 비-동조 인덱스 펄스를 제공하는 것이다. 고 해상도 센서는 마그네트의 중간으로 직접 배치될 수 있는 것이다. 곡선(132)에 대응하는 고 해상도 신호는 2개 인덱스 센서의 출력을 평균하여 획득되는 것이다.

Claims (4)

1. 마그네틱 트랙을 형성하도록 통로를 따라서 정상적으로 이격진 일련의 마그네틱 폴을 포함하며, 일부 마그네틱 폴은 마그네틱 트랙의 통로에 대해 균일하게 정렬 배치된 규칙적 폴 졍션에 의해 분리되며, 그리고 마그네틱 트랙은 모서리를 가지고;

   2개 이상의 마그네틱 폴은, 마그네틱 트랙의 모서리 근방에 마그네트 센서가 광폭 폴 과 협폭 폴을 감지하여 인덱스 신호 발생을 허용하도록 규칙적 폴 졍션에 대해 휘어지는 비규칙적 폴 졍션에 의해 분리되는 것을 특징으로 하는 마그네틱 엔코더.
2. 제 1항에 있어서, 규칙적 폴 졍션은 마그네틱 트랙의 통로에 대해 수직적이고 그리고 비규칙적 폴 졍션은 통로에 애해 수직적인 라인에 대해 각이진 직선 라인으로 형성되어 사다리 형태의 유사한 사이즈로 이루어진 2개 인접한 마그네틱 폴을 형성하는 것을 특징으로 하는 마그네틱 엔코더.
3. 제 1항에 있어서, 휘어진 비규칙적 폴 졍션은, 2개 평행한 세그먼트 사이에 상쇄부를 제공하도록 마그네틱 트랙의 통로를 따라서 방향지는, 그 사이에 단차 변환부 와 마그네틱 트랙의 통로에 대해 수직적인 2개의 평행한 세그먼트를 구비하는 것을 특징으로 하는 마그네틱 엔코더.
4. 제 3항에 있어서, 규칙적 폴 졍션은, 마그네틱 트랙의 통로를 따라서 방향지고 그리고 비규칙적 폴 졍션의 것과 반대 위치로 있는 2개 평행한 세그먼트 간에 상쇄부를 제공하도록 방향지고 그리고 마그네틱 트랙의 통로를 따르는 방향을 향하는, 그 사이에서 단차 변환부 와 마그네틱 트랙의 통로에 대해 수직적인 2개 평행한 세그먼트를 구비하는 것을 특징으로 하는 마그네틱 엔코더.