KR20020070058A - 전기식 회전 액츄에이터용 각도 위치 조절 방법 및 홀효과 검출기 - Google Patents

전기식 회전 액츄에이터용 각도 위치 조절 방법 및 홀효과 검출기 Download PDF

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Abstract

전기식 회전 액츄에이터로 특히 적절한 회전 위치 감지 장치가 공개된다. 감지 장치는 마그넷과 홀 효과 검출기를 포함하고, 상기 마그넷과 홀 효과 검출기는 회전축을 따라 배열된다. 홀 효과 검출기는 마그넷의 북극으로부터 남극으로 향하는 자속선의 복귀 루프 각도를 감지한다. 마그넷이 홀 효과 검출기에 대해 회전할 때, 자속선의 각도는 변화하고, 이 변화가 홀 효과 검출기에 의해 검출된다. 회전 액츄에이터 샤프트 축 상의 마그넷과 홀 효과 검출기 배열은 전기식 액츄에이터에 의해 자연적으로 생성되는 자속선 간섭을 방지한다.

Description

전기식 회전 액츄에이터용 각도 위치 조절 방법 및 홀 효과 검출기{IN LINE HALL EFFECT DETECTOR AND METHOD OF SENSING ANGULAR POSITION PARTICULARLY SUITED FOR ELECTRICAL ROTARY ACTUATOR}
본 발명은 회전 및 각 위치를 감지하기 위한 장치 및 방법에 관한 것이고, 특히 전기식 회전 액츄에이터에 특히 적절한 배열을 갖춘 홀 효과 검출기와 같은 자기장 센서에 관한 것이다.
자기유도 센서(magnetoinductive sensors), 플럭스-게이트 센서, 자기저항 센서, 그리고 홀 효과 검출기와 같이 공지된 자기 센서 기술은 다양하다. 홀 효가 검출기는 이들 센서 중에서도 최소형이고 가격도 저렴하다. 홀 효과 검출기의 작동 원리는 간단하다. 자기장의 자속선이 전류를 운반하는 얇은 패널 상에 수직으로 충돌하면, 패널 양측 사이에 전압이 발생한다. 크기 및 비용을 고려할 때, 홀 효과 검출기는 산업용 전기식 회전 액츄에이터에 폭넓게 사용되고 있다.
회전 위치 감지를 위해 홀 효과 검출기를 사용하는 한가지 전통적 방법은 회전축으로부터 홀 효과 검출기를 오프셋시켜서, 샤프트 주위로 고리형 마그넷(가령, 두 개의 북극과 두 개의 남극을 가질 수 있음)을 사용하는 것이다. 홀 효과 검출기와 고리형 마그넷은 샤프트축에 수직인 평면에 배열되어, 샤프트가 회전할 때, 북극 및 남극의 면이 홀 효과 검출기의 감지면 전면으로 직접 주기적으로 통과할 수 있다. 이 접근법에서의 한가지 중요한 문제점은 센서가 전자기 액츄에이터에 가까이 연결될 때 발생한다. 본 출원에서, 와이어 코일로 인해 누출 자기장이 발생하고, 장치의 단부에서 방출된다. 이는 센서 신호와 간섭을 일으킬 수 있다. 이는 정확도 문제를 야기한다. 센서 출력은 적절한 센서 및 고리형 마그넷 위치설정(가령, 센서와 고리형 마그넷 간의 적절한 갭 제공)에 민감하다.
이 문제를 해결하려는 한가지 시도는 샤프트 단부에 요크(yoke)를 장착하는 것이었다. 요크는 축 상에 고정된 고정자에 장착되는 홀 효과 검출기 주위로 회전하도록 양 측부 상에 두 마그넷을 지탱한다. 따라서, 요크는 홀 효과 검출기를 둘러싸고, 그래서 홀 효과 검출기 및 마그넷이 샤프트축에 수직인 평면에 배열된다. 샤프트가 회전하면, 홀 효과 검출기의 감지면 전면에서 북극 및 남극의 면이 주기적으로 직접 통과한다. 또한, 이 방법은 마그넷과 센서간의 적절한 갭 및 위치설정에 민감하다. 축 상의 홀 효과 검출기로, 누출 자기장은 센서 신호와 별다른 간섭을 보이지 않는다. 그러나, 이 방법의 구현은 추가 비용을 필요로하고, 요크/마그넷 조립체 부분을 필요로한다. 이 방법은 요크 수용을 위해 샤프트 단부에 추가 공간을 또한 필요로하고, 이는 소형 장치에 부적절하다.
기존 공지 기술의 앞서 문제점 및 그외 다른 문제점을 극복하면서 전기식 회전 액츄에이터에 특히 적절한 회전 위치 센서 및 방법을 제공하는 것이 발명의 한가지 목적이다.
선 마그넷과 홀 효과 검출기나 그외 다른 적절한 자기 센서를 포함하는 회전 위치 감지용 장치가 기술된다. 마그넷은 축을 따라 이격된 홀 효과 검출기와 축방향으로 정렬된다. 마그넷은 축과 교차하는 북극 및 남극간의 가상선을 가지는 북극과 남극에 반경방향으로 이격된다. 이 배열로, 홀 효과 검출기는 축 주위로 홀 효과 검출기 및 마그넷 사이의 상대적 회전을 감지한다.
신규한 회전 위치 감지 장치가 신규한 방식으로 전기식 액츄에이터와 통합된다는 것이 본 발명의 중요한 태양이다. 이 태양에 따라, 전기식 액츄에이터는 래미네이션 스택(a lamination stack)과 와이어 코일(wire coils)을 포함하는 고정자와, 스테이어에 의해 회전하는 회전자를 포함한다. 회전자는 축에 대한 회전을 위해 고정자에 의해 작동되는 출력 샤프트를 포함한다. 마그넷은 출력 샤프트 단부에 고정되고, 샤프트와 함께 회전한다. 마그넷은 북극과 남극을 가지고, 이 극들은 북극으로부터 남극으로 복귀 루프를 따라 나타나는 자속선을 가지는 자기장을 방출한다. 복귀 루프는 축과 교차한다. 고정자 상의 고정 위치에 센서가 장착되고, 상기 센서는 마그넷으로부터 축을 따라 축방향으로 이격된다. 센서는 복귀 루프를 따라나타나는 자속선의 각도를 감지한다. 샤프트가 회전할 때, 자속선은 마그넷과 함께 회전하여 다른 각도로 센서에 충돌한다. 그래서, 센서가 샤프트의 축위치에 따른 출력을 가진다. 선호되는 실시예에서, 마그넷과 센서는 고정자 필드 간섭이 최소화되도록 중심축 상에 위치한다. 복귀 필드를 감지할 때, 샤프트 축에 수직인 평면에 센서를 정확하게 위치설정하는 것에 센서가 덜 민감하다는 것이 추가적인 장점이다.
도 1은 본 발명의 선호되는 실시예에 따르는 전기식 액츄에이터의 단면도.
도 2-4는 본 발명의 선호되는 실시예에 따르는 감지 장치의 도면.
도 5는 마그넷의 각위치를 바탕으로 센서 출력을 나타내는 그래프.
도 6은 도 1의 일부의 확대도.
본 발명의 선호되는 실시예에서, 전기식 회전 액츄에이터(12)와 통합된 자기 센서 장치(10)가 도 1 및 2에 도시된다. 회전 액츄에이터(12)는 고정자에 대한 고정자 하우징(16) 내에 고정되는 래미네이션 스택/와이어 코일(14)과, 포토에 대한 영구 마그넷(20)을 가지는 출력 샤프트(18)를 가진다. 샤프트(18)는 축 주위(40)의 회전에 대한 반경방향 베어링 세트(22)와 이격되게 연결된다. 여기서 공개되는 이 특정 회전 액츄에이터(12)는 두 각 위치 사이에서 샤프트(18)를 회전하도록 가변 위치형태를 취한다. 아래에 보다 상세하게 설명되겠지만, 회전 액츄에이터는 자기 센서 장치(10)가 회전수를 표시하는 출력을 가지는 연속적으로 회전하는 모터일 수 있음에도 불구하고, 자기 센서 장치(10)는 회전자의 각위치를 표시한다.
고정자는 전기 장치 하우징(26)에 장착되는 전기 보드(24) 형태의 일체형 전기장치를 포함한다. 전기 장치 하우징(26)은 진동 고립기(28)를 통해 고정자 하우징에 고정된다. 공개된 전기식 회전 액츄에이터의 진동 고립기 및 그외 다른 태양의 추가적 세부사항은 본 출원과 동일 날짜로 출원되고 동일한 양수인에게 양도된3건의 미국 특허 출원 제 _____, _____, _____호에 기재되어 있고, 그 내용은 본 출원에 참고로 인용된다. 전기장치는 원하는 대로 샤프트(18)의 위치를 제어하도록 작동할 수 있다. 자기 센서 장치(10)는 폐루프 제어나 위치 확인 피드백을 제공하는 일체형 전기 장치에 연결된다.
자기 센서 장치(10)는 홀 효과 검출기(30)와 마그넷(32)의 형태로 검출기나 센서를 포함한다. 홀 효과 검출기(30)는 전기장치 보드(24)와 박막이나 감지 패널(36)에 고정되는 마운트(34)를 가진다. 홀 효과 검출기(30), 특히 패널(36)은 회전축(40) 상에 정렬되고, 축(40)에 평행한 평면에 놓인다. 홀 효과 검출기(30)는 패널(36)에 수직으로 충돌하는 자기장의 자속선을 검출한다. 특히, 자속선의 충돌은 패널(36) 양측 사이에 전압을 발생시켜서, 감지 자기장을 나타내는 출력으로 변환될 수 있다.
마그넷(32)을 오목부(44)에 부착시킴으로서 샤프트 단부(42)에 마그넷(32)이 장착된다. 마그넷(32)은 한 면에 북극(46)을, 다른 한 면에 남극(48)을 포함한다. 북극(46)과 남극(48) 간의 가상선은 회전축(40)과 교차하며, 공개되는 실시예에서 축(40)에 수직으로 움직인다. 도 2-4와 6에 도시되는 바와 같이 마그넷(32)은 북극(46)으로부터 남극(48)까지 복귀 루프를 따라 이동하는 자속선(52)을 가지는 자기장(50)을 생성한다. 공개되는 실시예의 마그넷 방향으로, 자속선(52)은 수직으로 축(40)과 교차한다.
홀 효과 검출기 및 마그넷의 기존 배열과는 달리, 공개되는 실시예의 마그넷(32)과 홀 효과 검출기(30)는 축방향으로 이격되게 위치하고, 여러 도면에도시되는 바와 같이 회전축 상(40)에 위치한다. 마그넷 면을 감지하는 대신에, 공개되는 실시예의 홀 효과 검출기(30)는 자속선(52)의 복귀 루프를 감지한다. 앞서 나타낸 바와 같이, 홀 효과 검출기(30)는 감지 패널(36) 상에 수직으로 충돌하는 자기장의 자속선을 검출한다. 마그넷(32)이 도 2에 도시되는 바와 같이 감지 패널(36)에 수직으로 정렬될 때, 자속선(52)은 도 2에 도시되는 바와 같이 수직 각도로 감지 패널(36)과 교차한다. 이 위치에서, 홀 효과 검출기(2)는 주어진 축 거리에서 마그넷(32)에 의해 방출되는 최대 자기장을 감지한다. 이는 도 5에 표시되는 바와 같이 패널의 양측 상이 최대 전위차를 규정한다. 다른 위치와의 차별화와 다른 위치에 대한 기준 설정을 위해, 도 2에 도시되는 마그넷과 샤프트의 위치가 홈 위치나 0도 회전으로 지정된다.
마그넷(32)이 홈위치로부터 감지 패널(36)에 대해 회전함에 따라, 자속선(52)은 순수한 수직 각도에서 감지 패널(36)과 더 이상 교차하지 않으며, 대신에 경사각에서 교차한다. 도 3에 도시되는 예에서, 마그넷(32)은 도 2의 위치에 대해 45도 회전되어 있다. 45도 위치에서, 자속선(52)은 경사각으로 감지 패널(36)과 교차한다. 경사 위치에서, 홀 효과 검출기(30)는 기울어진 자속선(52)의 수직 벡터 성분만을 검출하며, 감지면(36)에 평행한 벡터 성분은 감지하지 않는다. 수학적 트리그 함수를 이용하여, 0도 위치에 대한 특정 각도 위치에서 감지 패널(36)의 양측간 전압차가 계산될 수 있고, 이는 0도 위치에서 전압차와 기울어진 각도의 사인 값의 곱과 같다. 따라서, 45도에서, 전압차의 크기는 0도 위치에서의 전압차 곱하기 사인45도이다. 이는 도 5에 도시된다.
마그넷(32)이 회전을 계속함에 따라, 수직 벡터 성분은 도 4에 도시되는 90도 위치에서 0이 될 때까지 계속해서 감소한다. 이 90도 위치에서 자속선(52)은 감지 패널(36)과 평행하다. 이 점은 도 5에도 도시되며, 감지 패널(36) 간의 전압차는 0이 되고, 그렇지 않다해도 무시할 수 있다. 마그넷(32)이 계속 회전함에 따라, 자속선(52)은 감지 패널(36)을 따라 역방향으로 이동하며, 이는 음의 전위차를 제공한다. 이 시점에서, 마그넷(32)의 각위치, 즉 마그넷(32)이 고정되는 샤프트(18)의 각위치는 홀 효과 검출기(30)에 출력에 의해 쉽게 결정된다. 샤프트(18)와 마그넷(32)이 완전히 360도 회전함에 따라, 홀 효과 검출기(30)는 완전한 사인파 형태의 전기적 출력을 생성한다. 홀 효과 검출기(30)의 0도 위치에서의 출력량을 알면, 도 5에 도시되는 사인파와 연계하여 마그넷(32)과 샤프트(18)의 각위치가 결정될 수 있다.
공개되는 실시예에서, 홀 효과 검출기(30)는 도 6에 도시되는 바와 같이 작동 중 전기식 회전 액츄에이터(12)의 래미네이션 스택/와이어 코일(14)의 작용에 의해 자연적으로 생성되는 누출 자기장(54)을 피하도록 배열된다. 도 6에 도시되는 바와 같이, 누출 자기장(54)은 감지 패널(36)에 평행하게 움직이는 자속선(56)을 포함하며, 따라서, 홀 효과 검출기(30)의 출력에 거의 영향을 미치지 않는다. 추가적으로, 복귀 자계의 차이가 작을 때, 센서는 샤프트에 수직인 평면의 정확한 위치 설정에 대해 덜 민감하다.
기존 공지 기술의 앞서 문제점 및 그외 다른 문제점을 극복하면서 전기식 회전 액츄에이터에 특히 적절한 회전 위치 센서 및 방법을 제공하는 것이 발명의 한가지 목적이다.
마그넷과 센서는 고정자 필드 간섭이 최소화되도록 중심축 상에 위치한다. 복귀 필드를 감지할 때, 샤프트 축에 수직인 평면에 센서를 정확하게 위치설정하는 것에 센서가 덜 민감하다는 것이 추가적인 장점이다.

Claims (21)

  1. 각도 위치 감지 장치로서,
    상기 장치는 마그넷과 센서를 포함하며,
    북극과 남극을 가지는 상기 마그넷은 축 상에 배열되고, 상기 마그넷은 북극으로부터 남극으로의 복귀 루프를 따르는 자속선을 가지는 자기장을 방출하고, 상기 복귀 루프는 축과 교차하며,
    상기 자기장에 응답하는 상기 센서는 복귀 루프를 따르는 자속선의 각도를 감지하기 위해 축 상의 마그넷으로부터 축 방향으로 이격되게 위치하며, 이때 마그넷과 센서간의 상대적 회전은 센서에 충돌하는 자속선으로 하여금 각도를 변화시키게 하고, 상기 센서는 자속선의 각도에 관련된 출력을 가지고, 마그넷과 센서간 상대적 각위치에 상응하는 출력을 가지는 것을 특징으로 하는 장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 북극 및 남극은 축과 수직인 선을 따라, 그리고 축의 양측부 상에 놓여있어서, 자속선의 복귀 루프가 축에 수직으로 교차하는 것을 특징으로 하는 장치.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 센서는 상기 자속선을 감지하는 평면형 감지 패널을 포함하고, 상기 평면형 감지 패널은 축을 따라 그리고 축에 평행하게 놓인 평면에 위치하여, 상기 자속선이 축에 수직일 때, 자속선의 복귀 루프가 평면형 감지 패널을 수직으로 교차하는 것을 특징으로 하는 장치.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 센서는 센서와 마그넷 사이에서 축 주위로의 360도 상대적 회전에 대해 완전한 사인파를 나타내는 출력을 가지는 것을 특징으로 하는 장치.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 센서는 홀 효과 검출기인 것을 특징으로 하는 장치.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 장치는 회전 액츄에이터의 일부이고, 회전 액츄에이터는 고정자에 의해 회전 작동하는 회전자를 포함하며, 상기 회전자는 축 상에 정렬된 출력 샤프트를 포함하고, 센서와 마그넷 중 첫 번째 하나는 회전용 샤프트의 한 단부에 장착되고, 센서 및 마그넷 중 두 번째 하나는 상기 첫 번째 하나에 인접하게 고정자에 고정 장착되는 것을 특징으로 하는 장치.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 회전 액츄에이터는 전기식이고, 상기 고정자는 축을 둘러싸는 코일 및 래미네이션 스택을 포함하며, 검출은 샤프트에 장착되는 영구 마그넷을 가지고, 상기 액츄에이터는 샤프트 단부 외측으로 축방향으로 뻗어가는 자속선을 가지는 누출 자기장을 가지며, 상기 센서는 누출 자기장의 자속선 감지를 피하도록 배열되는 것을 특징으로 하는 장치.
  8. 회전 위치 감지 장치를 포함하는 전기식 액츄에이터로서,
    상기 전기식 액츄에이터는 고정자, 회전자, 마그넷, 센서를 포함하며,
    상기 고정자는 래미네이션 스택과 와이어 코일을 포함하고,
    고정자에 의해 회전되는 상기 회전자는 축 주위 회전을 위해 고정자에 의해 작동되는 출력 샤프트를 포함하며,
    출력 샤프트 단부에 고정되는 상기 마그넷은 북극으로부터 남극으로의 복귀 루프를 따르는 자속선을 가지는 자기장을 방출하고, 상기 복귀 루프는 축과 교차하며,
    자기장에 응답하는 상기 센서는 마그넷으로부터 축을 따라 축방향으로 이격되도록 고정자 상의 고정 위치에 위치하고, 상기 센서는 복귀 루프를 따르는 자속선의 각도를 감지하며, 샤프트가 회전하면 자속선이 마그넷과 함께 회전하여 다른 각도로 센서와 충돌하고, 상기 센서는 자속선의 각도와 관련된, 샤프트 위치에 상응하는 출력을 가지는 것을 특징으로 하는 전기식 액츄에이터.
  9. 제 8 항에 있어서, 북극과 남극은 축에 수직인 선을 따라 놓이고 축의 양 측부에 놓여서, 자속선의 복귀 루프가 축과 수직으로 교차하는 것을 특징으로 하는 전기식 회전 액츄에이터.
  10. 제 9 항에 있어서, 상기 센서는 상기 자속선을 감지하는 평면형 감지 패널을 포함하고, 상기 평면형 감지 패널은 축을 따라 평행하게 놓이는 평면에 위치하여,상기 자속선이 축에 수직일 경우, 자속선의 복귀 루프가 평면형 감지 패널과 수직으로 교차하는 것을 특징으로 하는 전기식 회전 액츄에이터.
  11. 제 10 항에 있어서, 센서는 축 주위 샤프트의 360도 회전에 대해 완전한 사인파를 나타내는 출력을 가지는 것을 특징으로 하는 전기식 회전 액츄에이터.
  12. 제 11 항에 있어서, 상기 센서는 홀 효과 검출기인 것을 특징으로 하는 전기식 회전 액츄에이터.
  13. 제 12 항에 있어서, 전기식 회전 액츄에이터는 누출 자기장을 방출하고, 상기 자기장은 샤프트의 단부로부터 방출되는 자속선을 가지며, 상기 누출 자기장의 자속선은 평면형 감지 패널과 거의 평행하게 교차하여, 자연적 자속선이 홀 효과 검출기의 출력에 거의 영향을 미치지 못하는 것을 특징으로 하는 전기식 회전 액츄에이터.
  14. 제 13 항에 있어서, 상기 전기식 회전 액츄에이터는 구분된 다수의 각위치 사이에서 회전자를 진동시키는 가변 위치형 회전 액츄에이터인 것을 특징으로 하는 전기식 회전 액츄에이터.
  15. 회전 위치 감지 장치로서, 상기 장치는 마그넷과 홀 효과 검출기를 포함하며, 상기 마그넷은 회전축에 대해 홀 효과 검출기와 축방향으로 이격되게 위치하고, 상기 마그넷은 축과 교차하는 두 극간의 선에 따라 반경 방향으로 이격되는 북극과 남극을 가지며, 이때 홀 효과 검출기는 회전축에 대한, 홀 효과 검출기와 마그넷 사이의 상대적 회전을 감지하는 것을 특징으로 하는 장치.
  16. 제 15 항에 있어서, 상기 북극 및 남극은 축에 수직인 선을 따라 놓여서, 이 축과 수직으로 교차하는 자속선의 복귀 루프를 상기 마그넷이 형성하는 것을 특징으로 하는 장치.
  17. 제 16 항에 있어서, 상기 홀 효과 검출기는 상기 자속선을 감지하는 평면형 감지 패널을 포함하고, 상기 평면형 감지 패널은 축을 따라 평행하게 놓이는 평면에 위치하여, 상기 자속선이 축에 수직일 경우, 자속선의 복귀 루프가 평면형 감지 패널과 수직으로 교차하는 것을 특징으로 하는 장치.
  18. 제 17 항에 있어서, 상기 센서는 센서 및 마그넷 사이의 축 주위로 360도의 완전한 상대적 회전에 대해 완전한 사인파의 출력을 가지는 것을 특징으로 하는 장치.
  19. 제 16 항에 있어서, 상기 장치는 회전 액츄에이터의 일부이고, 상기 회전 액츄에이터는 고정자에 의해 회전 작동되는 회전자를 포함하며, 상기 회전자는 축 상에 정렬되는 출력 샤프트를 포함하고, 상기 센서 및 마그넷 중 첫 번째 하나는 회전을 위한 샤프트의 한 단부에 장착되고, 센서 및 마그넷 중 두 번째 하나는 상기 첫 번째 하나에 인접하게 고정자에 고정 장착되는 것을 특징으로 하는 장치.
  20. 제 19 항에 있어서, 회전 액츄에이터는 전기식으로서, 상기 고정자는 축을 둘러싸는 코일과 래미네이션 스택을 포함하고, 상기 회전자는 샤프트에 장착되는 영구 마그넷을 가지며, 상기 액츄에이터는 샤프트 단부의 축방향 외향으로 뻗어가는 자속선을 가지는 누출 자기장을 가지고, 상기 센서는 누출 자기장의 자속선 감지를 방지하도록 배열되는 것을 특징으로 하는 장치.
  21. 축 주위 회전을 위해 회전자를 작동하는 고정자를 포함하는 회전 액츄에이터에서 회전 위치를 결정하는 방법으로서, 상기 방법은,
    - 회전자로부터 자기장을 방출하고, 이때 상기 자기장은 북극으로부터 남극까지 복귀 루프를 따르는 자속선을 가지며, 상기 복귀 루프는 축과 수직으로 교차하고,
    - 축 상의 고정 위치에서 복귀 루프를 따르는 자속선의 각도를 감지하며, 이때 회전자가 회전하면, 자속선의 각도가 변화하며,
    - 출력된 신호가 회전자의 회전 위치에 상응하도록, 자속선의 감지 각도에 따라 신호를 출력하는, 이상의 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
KR1020010037917A 2001-02-26 2001-06-29 전기식 회전 액츄에이터용 각도 위치 조절 방법 및 홀효과 검출기 KR20020070058A (ko)

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