KR20080021819A - 선형 및 회전형 유도 위치 센서 - Google Patents

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Abstract

부품의 위치에 관련된 신호를 제공하는 장치는, 여자기 코일, 및 상기 여자기 코일에 가장 근접하게 배치되는 리시버 코일을 포함한다. 여자기 코일이 교류 소스와 같은 전기 에너지원에 의하여 활성화되면, 여자기 코일은 자속을 발생한다. 리시버 코일과 여자기 코일 사이의 유도 결합 때문에, 여자기 코일이 활성화되면, 리시버 코일은 리시버 신호를 발생한다. 리시버 코일은 복수개의 섹션을 가지고 있고, 유도 결합은 적어도 2개의 섹션에서 반대되는 전압을 유도하도록 한다. 본 발명의 실시예는 선형 센서, 회전형 센서, 및 개선된 비율 감지를 위한 신규한 구성을 포함한다.

Description

선형 및 회전형 유도 위치 센서{LINEAR AND ROTATIONAL INDUCTIVE POSITION SENSOR}
본 발명은 유도 위치 센서, 특히 선형 센서, 및 회전형 위치 센서에 관한 것이다.
본 출원은 2005년 6월 27일 출원된 미국 가특허 출원 60/694,384호에 대한 우선권을 주장하고, 이 미국 가특허 출원의 전체 내용이 원용에 의해 본 명세서에 포함된다.
유도 회전 센서가 본 발명자의 공동 계류중인 미국 특허 출원 11/399,150호 및 11/400,154호에 개시되어 있으며, 그 전체 내용이 원용에 의해 본 명세서에 포함된다.
그러나, 회전형 센서는 본래 임의의 장치, 예를 들면, 자동차용 전자 스로틀 제어 장치(throttle controls)에서 측정될 수 있는 이동 거리를 제한한다. 선형 센서, 또는 선형 구성요소를 포함하는 이동 감지 센서가 사용되면, 더 긴 범위에 걸쳐 보다 감도 높은 측정을 제공할 수 있다.
유도 센서의 리시버 코일(receiver coils)로부터의 신호는, 소음 및 제조 편차, 예를 들면 부품 간격(part separations)의 변화 때문에 변화되기 쉽다. 공통 모드 인자(common mode factors)를 위하여 보정된 위치 신호를 제공하는 개선된 센서는, 다수의 다른 가능한 장치 중에서, 특히 전자 스로틀 제어 장치용에 큰 상업적인 관심을 갖게 한다.
이동 가능한 부품(선형 운동, 회전, 또는 임의 운동 타입의 조합)의 위치에 관련된 신호를 제공하는 장치는, 여자기 코일, 및 상기 여자기 코일에 가장 근접하게 배치된 리시버 코일을 포함한다. 상기 여자기 코일이 교류 소스와 같은 전기 에너지원에 의하여 활성화되면, 상기 여자기 코일은 자속(magnetic flux)을 발생시킨다. 상기 리시버 코일과 상기 여자기 코일 사이의 유도 결합(inductive coupling)에 의해 상기 여자기 코일이 활성화되면, 상기 리시버 코일은 리시버 신호를 발생시킨다. 상기 리시버 코일은 복수개의 섹션(sections)을 가지고 있고, 상기 유도 결합은 적어도 2개의 섹션에서 반대되는 전압을 유도한다. 코일 어셈블리는 여자기 코일, 하나 이상의 리시버 코일, 및 선택적인 기준 코일을 포함한다. 코일 어셈블리는, 신호 처리를 위한 전자 회로를 지지하는데 사용될 수도 있는 인쇄 회로 기판 상의, 예를 들면 금속 트랙(metal tracks)과 같은 기판 상에 형성될 수 있다.
유도 결합은, 상기 리시버 신호가 부품의 위치에 관련되도록, 상기 부품의 운동에 의하여 변경된다. 예를 들면, 커플러 부재는 상기 부품에 기계적으로 결합될 수 있어, 상기 커플러 부재는 이동될 때 상기 여자기 코일과 상기 리시버 코일 사이의 유도 결합을 변경하여, 상기 리시버 코일은 상기 커플러 위치, 즉 부품 위치에 관련된다. 커플러 부재는 금속 플레이트, 대체로 U자형 금속 구조체, 또는 유도 결합을 변경하는 다른 구조체를 포함할 수 있다.
본 발명의 다수의 실시예에서, 리시버 코일은 대체로 기다랗고, 제1 단부 및 제2 단부, 상기 제1 단부에 가장 근접한 주 영역을 가지는 리시버 코일의 제1 섹션, 및 상기 제1 섹션보다 상기 제2 단부에 더 가까운 주 영역을 가지고 있는 리시버 코일의 제2 섹션을 포함한다. 제1 섹션 및 제2 섹션은 반대의 감김 방향을 가지고 있고, 상기 여자기 코일과 상기 제1 섹션 사이의 유도 결합은 제1 전압을 유도하고, 상기 여자기 코일과 상기 제2 섹션 사이의 유도 결합은 제2 전압을 유도하며, 제1 및 제2 신호는 반대 위상이며, 리시버 신호는 상기 제1 전압 및 상기 제2 전압을 포함하는 조합이다.
여자기 코일은, 실질적으로 직사각형 둘레와 같은, 대체로 기다란 둘레를 가질 수 있고, 선형 센서를 위하여 대체로 평면으로 되어 있다. 리시버 코일(들)은 여자기 코일의 평면에 평행한 평면에 위치될 수 있고, 여자기 코일과 실질적으로 동일한 평면 상에 위치될 수 있거나, 또는 지지하는 인쇄 회로 기판 또는 다른 기판의 폭과 같은 오프셋을 사용할 수 있다. 여자기 코일은 여기서 설명된 새로운 회전형 센서를 위하여 대체로 원통형 형상을 가질 수 있다.
본 발명의 다수의 실시예에서, 리시버 코일은 적어도 2개의 섹션을 포함한다. 상기 섹션은 삼각형, 다이아몬드 형상, 또는 필요한 위치 감지 신호의 특성에 따른 다른 형상을 가질 수 있다. 커플러 부재의 운동은 여자기 코일과 2개의 이상의 섹션 사이의 유도 결합의 상대도(relative degree)를 변화시킨다. 선형 위치 센서는 부품의 위치에 관련된 신호를 선형 궤적을 따라 제공한다. 회전형 센서는, 코일 어셈블리(여자기, 리시버, 및 선택적인 기준 코일)이 대체로 원통형 표면에 배치되도록 구성될 수 있고, 장치는 대체로 원통형 표면을 통하여 연장되는 회전축용 회전 센서일 수 있다. 공통 모드 인자를 위하여 리시버 신호를 변경하는데 사용될 수 있는, 기준 신호는, 별개의 기준 코일로부터 얻어질 수 있다. 다른 실시예에서, 복수개의 리시버 코일이 사용되고, 기준 신호는 기준 코일로부터 얻어진 신호의 조합으로부터 얻어진다.
기준 코일은, 여자기 코일이 활성화되면 부품의 위치와 실질적으로 무관한 신호를 제공하도록 구성될 수 있고, 공통 모드 인자용 위치-종속 신호를 변경하기 위하여 비율 신호 처리(아날로그 분할과 같은)에 사용될 수 있다. 또한 기준 신호는, 예를 들면 만들어진 복수의 턴을 결정하기 위하여, 코일 어셈블리와 커플러 부재 사이의 간극 또는 오프셋을 제거하는데 사용될 수도 있다. 기준 코일은, 사용된다면, 여자기 코일 내부에 위치되는 제1 섹션, 및 여자기 코일 외부에 위치되는 하나 이상의 다른 섹션을 가질 수 있다.
전자 회로는, 전압 대 선형 위치, 전압 대 각 위치로서 측정되는 위치, 곡선 궤적을 따른 위치, 또는 선형 운동과 회전의 조합인 다른 위치와 실질적으로 선형 관계를 가지는 위치 신호를 발생할 수 있게 제공될 수 있다. 부품 위치는 페달(pedal)의 위치일 수 있고, 페달의 운동은, 예를 들면 전자 스로틀 장치용 커플러 부재의 위치에 기계적으로 결합된다. 장치는 엔진에 속도 제어를 제공할 수 있는 전자 회로를 포함할 수 있다.
그러므로, 부품의 부품 위치를 결정하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 부품의 위치 결정 장치는, 여자기 코일; 상기 여자기 코일에 가장 근접하게 배치되는 복수개의 리시버 코일; 이동 가능한 커플러 부재; 및 전자 회로를 포함하고,
상기 여자기 코일이 전기 에너지원에 의하여 활성화되면 상기 여자기 코일은 자속을 발생시키고,
상기 리시버 코일과 상기 여자기 코일 사이의 유도 결합에 의해 상기 여자기 코일이 활성화되면, 상기 리시버 코일은 복수개의 리시버 신호를 발생시키고,
상기 커플러 부재는 상기 부품 위치와 상호 관련된 위치를 가지고,
상기 커플러 부재는, 각각의 상기 리시버 신호가 상기 부품 위치와 상호 관련되도록 상기 여자기 코일과 상기 리시버 코일 사이의 유도 결합을 변경하며,
상기 전자 회로는 상기 리시버 신호 및 상기 기준 신호 중 적어도 하나로부터 유도되는 비율 신호를 제공한다. 전자 회로는 리시버 코일 중 적어도 2개를 사용하여 기준 신호를 발생시킬 수 있어, 기준 신호는 커플러 부재 위치와 실질적으로 무관하다. 대안으로, 별개의 기준 코일이 사용될 수 있다.
그러나 얻어진, 기준 신호는 소음, 공급 전압 편차, 및 제조 편차와 같이 커플러 위치와 상호 관련이 없는 리시버 신호의 편차를 보상하는데 사용될 수 있다. 기준 신호는 적어도 2개의 리시버 신호의 비-위상-감지 정류(non-phase-sensitive rectification)를 사용하거나, 또는 별개의 기준 코일로부터 얻어질 수 있다.
도 1a 내지 도 1c는 각각, 선형 유도 센서의 평면도 및 단면도를 도시한다.
도 2a 및 도 2b는 거리 모듈레이터가 외부 섹션을 가지고 있는 선형 유도 센서를 도시한다.
도 3a 및 도 3b는 선형 모듈레이터용으로 사용될 수 있는 코일의 2개의 구성을 도시한다.
도 4는 틸트 보상 선형 모듈레이터를 도시한다.
도 5는 전자 회로가 거리 모듈레이터의 외부 섹션 내에 포함될 수 있는 방식을 나타낸다.
도 6은 외부 섹션에 보다 많은 수의 턴을 가지는 거리 모듈레이터를 도시한다.
도 7은 거리 모듈레이터가 여자기 코일 외측에 2개의 섹션을 가지고 있는 선형 센서를 도시한다.
도 8a 내지 도 8c는 선형 센서의 다른 구성을 도시한다.
도 9는 외부 섹션에 접지 접속을 가지고 있는 거리 모듈레이터를 도시한다.
도 10은 내부 섹션에 접지 접속을 가지고 있는 거리 모듈레이터를 도시한다.
도 11은 거리 모듈레이터를 포함하는 공진 회로를 도시한다.
도 12는 간극에 대한 거리 모듈레이터로부터의 전압 출력의 전달 함수를 도시한다.
도 13a 및 도 13b는 선형 센서 구성을 회전형 센서용 원통형 형상으로 변형한 예를 도시한다.
도 14a 내지 도 14c는 선형 구성으로부터 일부의 회전형 구성, 및 또한 완전 한 회전형 센서 구성으로 변형한 예를 도시한다.
도 15는 긴 거리에 걸쳐서 선형 감지를 위한 구성을 도시한다.
도 16은 긴 거리에 걸쳐서 선형 감지를 위한 다른 구성을 도시한다.
도 17은 LMs로부터 2개의 실선 곡선, 2개의 점선 곡선이 역 신호인, 4-LM 센서 코일 구성으로부터의 신호를 도시한다.
도 18, 도 19a 및 도 19b는 긴 거리에 걸쳐서 선형 감지를 위한 다른 구성을 도시한다.
도 20은 공통 모드 신호를 주기 위한 LM 신호의 비-위상 감지 정류를 도시한다.
도 21 내지 도 23은 별개의 DM 코일을 필요로 하지 않는, 선형 감지용 다른 구성을 도시한다.
도 24는 별개의 DM 코일의 필요 없이 비율 측정 회전형 센서용, 원통형 형상으로 형상 변형예를 도시한다.
도 25 및 도 26은 강자성 환경에서 원통형 형상 회전형 센서의 적용예를 도시한다.
도 27은 원통형 형상 코일 어셈블리를 사용하는 회전형 센서를 도시한다.
도 28은 원통형 형상을 갖는 회전 감지용 회전 슬리브에 커플러를 부착한 예를 도시한다.
도 29는 공통 모드 신호를 얻기 위한 정류용 회로를 도시한다.
도 30은 3개의 리시버 코일의 배치예를 도시한다.
본 발명은 기계적인 부품, 예를 들면 선형 궤적을 따라 이동 가능한 부품의 위치와 관련된 전기 신호를 제공하는 유도 센서에 관한 것이다. 본 발명의 실시예는 전자 스로틀 제어 장치에 사용되는 고 해상도 선형 센서를 포함한다.
페달 부재와 같이, 그 위치가 감지되는 부품은 커플러 부재에 기계적으로 결합된다. 커플러 부재는 부품에 부착되는, 금속 플레이트와 같은 전기적 전도성 부재일 수 있다. 예를 들면, 커플러 부재는, 전도성 플레이트, 대략 U자형 도체, 평면으로 감기는 코일, 또는 코일 사이의 유도 결합을 변경할 수 있는 다른 구성요소일 수 있다. 커플러 부재는, 일반적으로 구리 플레이트와 같이 전도성 재질로 만들어지고, 여자기 코일과 리시버 코일(들) 사이의 자속 결합을 차단하는 소용돌이 방지판(eddy plate)일 수 있다.
부품이 이동되면, 커플러 부재는 적어도 2개의 코일에 대하여 이동된다. 여자기 코일(트랜스미터 코일(transmitter coil)로 불릴 수도 있는)은, 사인곡선 교류 소스(콜피츠 오실레이터(Colpitts oscillator)와 같은 여자 소스)에 접속되고, 자속을 발생시킨다. 선형 센서에서 선형 모듈레이터(LM; linear modulator)로 불릴 수 있는 리시버 코일도 있다. 회전형 센서는 센서 코일로 불릴 수도 있다. 이하의 예에서, 용어 "LM(linear modulator)"은 회전 센서에서 리시버 코일용, 예를 들면 대체로 원통형 형상을 가지는 코일 어셈블리용으로 때때로 사용된다.
바람직하게는 리시버 코일은 여자기 코일과 동일한 평면에 형성된다. 감지되는 부품의 이동에 응답하여, 커플러 부재는 2개의 코일에 팽행한 평면으로 이동 되고, 여자기 코일과 리시버 코일 사이의 유도 결합의 정도, 즉, 여자기 코일의 AC 자계에 의하여 리시버 코일에 유도되는 전류에 영향을 미치기 위하여, 코일에 대하여 근접하여 이격되어 있다.
본 발명의 다수의 실시예에서, 리시버 코일은 직렬로 접속되는 한 쌍의 코일 섹션으로 감겨진다. 하나의 코일 섹션은 커플러 부재 이동의 일단부에 주 영역을 가지고 있고, 커플러 부재 이동의 타단부에서 최소 영역까지 영역이 감소된다. 제2 코일 섹션은, 제1 코일 섹션이 주 영역을 가지고 있는 이동의 단부에 최소 영역을 가지고 있고, 그 역으로도 또한 같다. 코일 섹션은 각각의 섹션에서 유도 전압이 반대가 되도록 감겨진다. 예를 들면, 리시버 코일의 섹션은 반대 방향으로 감겨진다. 신호는 2개의 리시버 코일 섹션의 직렬 결합으로부터 발생된다. 커플러 부재가 그 이동의 일단부 근처에 위치되면, 유도 결합은 하나의 섹션에 대하여 매우 커지고, 커플러 부재가 그 이동의 타단부를 향하여 이동되면, 제1 섹션에 대한 유도 결합이 감소되지만 제2 섹션에 대한 유도 결합이 증가된다. 따라서, 리시버 신호는 커플러 부재의 위치와 상호 관련된다. 위상 감지 정류를 사용하여, 위치와 실질적으로 선형인 위치 신호가 얻어질 수 있다.
커플러 부재의 평면과, 여자기 및 리시버 코일이 감겨지는 평면 사이의 간극의 변화는, 리시버 신호의 변화에 이르게 한다. 리시버 신호 결과의 다른 변화는, 여자기 공급 전압의 변화, 온도 변화, 일반적으로 공통 모드 신호로 부르는, 외부의 전자기 신호(전기 노이즈), 등에 기인할 수 있다. 거리 모듈레이터(DM)로 부르는, 제3 섹션이 장치 상에 형성된다. 이 코일은 기준 코일로 불릴수도 있다. 거 리 모듈레이터는, 그 출력 신호가 커플러 부재의 위치에 의하여 실질적으로 영향을 받지 않지만, 그 출력 신호가 간극 변화 및 다른 공통 모드 신호에 의하여 영향을 받도록 감겨진 코일일 수 있다.
거리 모듈레이터(DM)의 함수는 리시버 코일들의 조합, 또는 리시버 코일의 섹션들의 조합에 의하여 제공될 수도 있다.
전자 회로는 부품 위치에 비례하는 위치 신호를 얻는데 사용될 수 있다. 예를 들면, 리시버 코일 및 거리 모듈레이터로부터 얻어지는 신호의 위상 감지 정류를 사용하여, 아날로그 분할 이후에, 공통 모드 효과가 감소될 수 있다. 대안으로, 리시버 코일의 출력으로부터 거리 모듈레이터 코일의 출력을 차감함으로써, 리시버 코일 신호는 공통 모드 신호를 제거함으로써 정규화된다.
본 발명의 일 실시예에서, 여자기 코일 및 리시버 코일은 인쇄 회로 기판 상에 형성되고, 커플러 부재는 회로 기판에 가장 근접하에 이동된다. 거리 모듈레이터는 여자기 코일에 의하여 발생되는 전자기 자속 패턴(flux pattern)의 특성을 이용하기 위하여 형성될 수 있다. 여자기 코일의 반대측이, 커플러 부재의 이동 방향으로 기다란, 회로 기판의 대향하는 세로 부재를 따라 연장되도록 여자기 코일을 형성함으로써, 이들 코일 섹션이 발생하는 자계가 여자기의 영역을 지나서 뻗치게 된다.
거리 모듈레이터는 본래 2개(또는 그 이상)의 연속 섹션으로 형성될 수 있는데, 즉 하나는 여자기 코일에 의하여 형성되는 영역 내부에 배치되고, 적어도 다른 하나는 상기 영역의 외부에 배치된다. 이러한 구조는 거리 모듈레이터 코일로부터 더 큰 게인(gain), 즉 커플러 부재의 선형 이동의 더 큰 길이를 가능하게 한다. 여자기 코일의 내부 영역을 통한 자속 밀도가 상기 영역의 외부의 자속 밀도보다 크기 때문에, 2개의 영역으로부터 동일한 진폭을 제공하기 위하여, 여자기 코일의 경계의 외측으로 연장되는 거리 모듈레이터의 섹션은 여자기 내부의 섹션보다 많은 수의 턴을 요구할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에서, 거리 모듈레이터는 3개의 섹션을 가지고 있는데, 즉 하나의 내부 섹션은 여자기 코일의 경계 내부를 둘러싸고, 2개의 외부 섹션은 여자기 코일의 경계의 외부를 둘러싼다. 이러한 구조는, 여자기 코일의 외부에 있는 거리 모듈레이터의 섹션과 여자기 코일 사이의 용량 결합의 균형을 유지하게 한다.
여러 가지 코일 신호로부터 위치 신호를 제공하는 전자 회로가, 거리 모듈레이터 코일의 외부 섹션의 경계 내부, 여자기 코일의 경계 외부의 회로 기판에 배치될 수 있다.
그러므로, 부착되는 커플러 부재를 가지는 부품의 부품 위치를 결정하는 유도 선형 위치 센서는, 여자기 코일; 여자기 코일을 활성화하는 교류 여자 소스; 리시버 코일; 및 (선택적으로)거리 모듈레이터 코일을 포함하고, 상기 리시버 코일은 여자기 코일 자계에 의하여 상기 리시버 코일에 유도되는 신호가 커플러 부재의 위치의 함수가 되도록 구성되고, 상기 거리 모듈레이터 코일은 신호가 커플러 부재 위치와 실질적으로 무관하지만 커플러 부재와 코일 사이의 간극에 관련되도록 구성된다. 여자기 코일(들), 리시버 코일(들), 및 선택적인 거리 모듈레이터 코일(들) 이 총괄하여 코일 어셈블리로서 불릴 수 있고, 인쇄 회로 기판 상에 형성될 수 있다.
전자 회로는 코일 어셈블리로부터 각종 신호를 수신하고, 커플러 부재 위치에 관련된 위치 신호를 제공한다. 리시버 코일은 여자기 코일의 범위 내에 형성될 수 있다. 거리 모듈레이터는 여자기 코일의 범위 내에 일부 형성되고 여자기 코일의 범위의 외부에 일부 형성될 수 있고, 여자기 코일에 의하여 거리 모듈레이터에 유도되는 자속이 커플러 부재의 위치에 실질적으로 무관하도록 구성될 수 있고, 그 때문에 거리 모듈레이터 출력은 각종 공통 모드 신호 및 간극 변화의 효과를 제거하도록 리시버 출력을 보정하는데 사용할 수 있다.
도 1a는 선형 유도 감지를 위하여 구성된, 본 발명의 일 실시예에 따른 코일 어셈블리를 도시한다. 코일 어셈블리는 여자기 코일(10), 여자 소스(excitation source)(12), 거리 모듈레이터(DM 코일)(14), 리시버 코일, 이 경우 선형 모듈레이터(linear modulator)(LM) 코일(16), 및 커플러 부재(coupler element)(18)를 포함한다. 여자기 코일(10)은 여자 소스에 의하여 여자되고, 거리 모듈레이터(14) 및 선형 모듈레이터 코일(16)과 여자기 코일 사이에 유도 결합(inductive coupling)이 있는데, 이 유도 결합은 이들 코일에 신호를 유도한다. 거리 모듈레이터로부터의 신호는 DM과 커플러 부재 사이의 간극(gap)으로 보정되고, 실질적으로 커플러 부재의 위치에 무관하다.
도 1b는 LM을 분리하여 도시한다. 선형 모듈레이터는 2개의 섹션(section)을 포함하는데, 2개의 섹션은 도면에서 A 및 B로 지시되고, 서로 반대되는 감김 방 향을 가지는 대략 한 쌍의 삼각형 와인딩(winding)이다. LM은 커플러 부재의 위치에 관련되는 출력 신호를 발생한다. 그러므로, 각각의 섹션에서 유도되는 전압은, 반대되는 경향을 가지고, 이 경우에서와 같이, LM은 여자기 코일의 내부에 있다. LM, 또는 임의의 다른 예의 리시버 코일은, 반드시 전적으로 여자기 내부에 있지 않고, 대략(또는 실질적으로) 내부에 있을 수 있다. 커플러 부재가 그 표시된 위치 18에서 더 왼쪽 위치로 이동되면, LM으로부터의 신호는, 커플러 부재에 의한 유도 결합의 상이한 차단(blocking) 정도에 기인하여, 선형 모듈레이터의 2개의 섹션(A, B)으로부터의 기여(contribution)가 비례하여 변화됨에 따라 변화된다.
커플러 부재가 없다면, 2개의 실질적인 삼각형 섹션으로부터의 기여가 상쇄되는 경향이 있기 때문에, 선형 모듈레이터는 차등 구조를 갖는다. 그러므로, 여자기 코일과 선형 모듈레이터 사이의 유도 결합은 커플러 부재(18)의 위치에 따라 변화된다. 섹션이 반대의 감김 방향을 가지고 있고, 양자 모두가 여자기 코일 내부에 있으므로, 각각의 섹션에 유도되는 전압은 반대된다. 이것은 하나의 섹션을 정방향(forward)이라 부르고 다른 섹션을 역방향(backward)이라고 부름으로써 설명될 수 있다. 하나의 섹션(정방향)은 여자기와 동일한 위상의 신호를 발생하는 경향이 있고, 다른 섹션(역방향)은 상이한 위상의 신호를 발생한다. 그러므로, LM의 전체적인 출력 신호의 위상 감지 정류는 커플러의 위치를 결정할 수 있도록 한다.
커플러 부재가 도시된 위치에 놓인 상태에서, 여자기 코일과 LM의 섹션(A) 사이의 유도 결합은, 여자기 코일과 LM의 섹션(B) 사이의 유도 결합보다 큰 정도로 차단된다. 커플러 부재가 왼쪽으로 이동되면, 여자기 코일과 A 및 B로 지시되는 2 개의 섹션 사이의 상대적인 유도 결합은 비례하여 변화된다. 커플러 부재가 가장 왼쪽 위치에 있지만 여전히 여자기 코일의 영역 내에 남아 있다면, 섹션(B)과 유도 결합은 휠씬 더 감소될 것이다. 후자의 경우에, LM으로부터의 출력 전압은 섹션(A) 내에 발생되는 신호로부터 좌우된다.
이들 도면에서 실선은, 와이어, 리본(ribbons), 또는 다른 기다란 전자 전도체와 같은 전도성 부재를 나타낸다. 바람직한 예에서, 선은, 양면, 다층일 수 있거나, 또는 그렇지 않으면 장치에 적절하게 구성될 수 있는, 인쇄 회로 기판의 트랙(tracks)을 나타낸다. 동일한 회로 기판은, 코일로부터의 신호를 수신하고, 여자 소스용 오실레이터를 포함할 수 있는 전자 회로를 지지하기도 한다. 2개의 선의 교차는 일반적으로 전기적인 상호 접속을 나타내지 않는다. 코일은, PCB와 같은 기판 상에 형성될 수 있지만, 대부분의 예에서는 기판은 도시되지 않는다.
도 1c는 도 1a의 섹션 A-A'의 단면도이다. 이 도면은 여자기 코일(10), DM(14), 및 LM(16)을 지지하는 인쇄 회로 기판(19)을 도시한다. 커플러 부재(18)는 실질적으로 U자 형상의 단면으로 도시되어 있지만, 플레이트(plate)와 같은 다른 형상의 커플러 부재가 사용될 수도 있다. 도 1b는 2개의 여자기 코일(10, 10') 및 DM 코일(14, 14')의 사용을 예시한다; 이것은 여분을 제공함으로써 선형 센서의 신뢰도를 향상시킬 수도 있지만, 장치에 따라 필요하지 않을 수 있다. 2개의 여자기 코일은 모두 "10"으로 표시되고, 회로 기판(19)의 양쪽면에 도시된다.
커플러 부재는 접혀진 구리 플레이트로 형성될 수 있거나, 또는 대안으로 전기적으로 전도성 재질을 포함할 수 있다. 커플러 부재의 U자형 구조는 간극 변화, 특히 틸트(tilt)(도시된 바와 같이)를 보상할 수 있고, 이 예에서 거리 모듈레이터는 단순한 루프(loop)이고, 차등 구조를 갖지 않는다. 커플러 부재는 이러한 구조에서 간극 및 틸트 양자 모두를 보상한다. 코일 어셈블리는 대체로 U자형 커플러 부재 내에 적어도 일부가 위치된다.
도 2a는 예를 들면, 대체로 플레이트 형상 구조를 가지는 커플러 부재와 함께 사용될 수 있는 다른 코일 구조체를 도시한다. 코일 구조체는 여자기 코일(20), 여자 소스(22), DM(24), 및 LM(26)을 포함한다. 커플러 부재는 28로 도시된다. 이 예에서, DM(24)은 여자기 코일의 실질적인 내부에 내부 섹션(24A), 및 여자기 코일의 외부에 위치되는 외부 섹션(24B)을 가지고 있다. 내부 섹션 및 외부 섹션은 정방향 섹션 및 역방향 섹션을 가지고 있다. 여기에서, 용어 "정방향" 및 "역방향"은 여자기와의 유도 결합에 기인한 각 섹션에서의 유도 전압의 방향을 가리키며, 여자기 코일 외측의 자속 방향이 여자기 코일의 내부의 방향과 반대 방향이므로 이들 방향은 반대이다. 여자기 코일로부터의 자속 밀도는 여자기 코일 내부보다 대체로 강하므로, 더 많은 턴(turns)이 DM의 외부 섹션에 필요할 수 있다.
DM은 간극 거리에 충분히 민감하지 않을 수 있으며, 이 문제에 대한 한가지 접근법은 내부 섹션보다 더 큰 외부 섹션을 가지거나, 및/또는 외부 섹션에 더 많은 턴을 가지는 불균형 차등 구조체를 제공하는 것이다. 그러나, 다른 접근법이 뒤에서 설명되는 바와 같이 사용될 수 있다.
내부 섹션 및 외부 섹션으로부터의 신호는, 차등 구조의 요소로서, 상쇄되는 경향을 가지고, DM과 여자기 코일 사이의 간극으로 보정된 신호를 축방향으로 제공한다. 그러나, DM으로부터의 신호는 커플러 부재의 위치와 대체로 실질적으로 무관하다.
도 2b는 명료함을 위하여 DM(24)만을 도시한다. 여자기 코일로부터의 자속 방향이 여자기 코일 내부로부터 외부로 가면서 반전되므로, 감김 방향은 차등 구조체의 2개의 섹션에 대하여 동일하다.
도 3a 및 도 3b는 2개의 가능한 LM 코일 구조체, 섹션(A, B)을 가지는 제1 코일(30), 및 C 및 D로 지시되는 섹션을 가지는 제2 코일(32)을 도시한다. 2개의 코일의 직렬 접속은, 다른 요인이 동일하면, 하나의 코일의 출력 전압의 크기의 2배를 제공할 것이다.
도 4는 도 3a 및 도 3b에 도시된 2개의 코일(30, 32)의 직렬 접속으로 형성된 LM 코일(34)을 도시한다. 이러한 구조는 LM의 평면에 대한 커플러 부재의 틸트의 효과를 제거한다. 본 발명의 예는, 특히 커플러 부재가 실질적으로 플레이트형이고, 도 1b에 도시된 바와 같이 대체로 U자형 형상을 갖지 않는다면, 틸트 보상 LM 등을 포함할 수 있다. 그러나, 단순한 예시를 위하여, 코일(30)로서 도 3에 도시된 바와 같이, 보다 단순한 코일 구조체가 여러 가지 예에서 도시될 수 있다.
도 5는 도 2에 도시된 것과 유사한 코일 어셈블리에서, 여자기 코일(50), 여자 소스(52), 및 DM(54)을 도시한다. 커플러 부재 및 LM은 명료함을 위하여 도시되지 않는다. 이 도면은 ASIC(56)와 같은 전자 회로가 DM 코일(54)의 외부 섹션 내에 위치될 수 있다는 것을 예시한다. 전자 회로는 자속, 즉 여자기 코일과 DM 사이의 유도 결합에 거의 영향을 미치지 않는다.
사용되는 전자 회로는 본 발명자의 공동 계류중인 출원에 설명된 것과 유사할 수 있다.
도 6은 외부 섹션에 더 많은 턴을 가지는 DM을 도시한다. 코일 어셈블리는 여자 소스(62)에 의하여 활성화되는 여자기 코일(60), 및 DM(64)을 포함한다. 커플러 부재 및 LM은 명료함을 위하여 이 도면에 도시되지 않았지만, 도 2a의 상부에 도시된 바와 같이 여자기 코일에 대하여 구성될 수 있다. DM(64)은 내부 섹션(64A)에 하나의 턴을 가지고, 외부 섹션(64B)에 3개의 턴을 가지고 있다. 용어 "내부" 및 "외부"는 여자기 코일(60) 주변의 섹션 내부 및 섹션 외부를 각각 가리킨다.
예를 들면, 내부 섹션은 정방향을 가지고 있고, 외부 섹션은 역방향을 가지고 있다. 용어 "정방향" 및 "역방향"의 사용은 단순히 섹션 내의 유도 전압의 반대 의미를 표시한다.
도 7은 여자기 코일(70), 여자 소스(72), 및 DM 코일(74)을 도시한다. DM 구조체는, 도시된 바와 같이, 내부 섹션(74A), 및 내부 섹션(74A)의 위, 아래에 2개의 외부 섹션(74B, 74C)을 가지고 있다. DM은 차등 구조체, 예를 들면 역방향 섹션 방향을 가지고 있는 외부 섹션, 및 정방향 섹션 방향을 가지고 있는 내부 섹션을 가지고 있다. 또한, 여기에서, 용어 "정방향" 및 "역방향"은 유도 전압의 상대 방향을 나타내는데 사용된다. LM 코일 및 커플러 부재는 명료함을 위하여 도시되지 않는다.
DM이 여자기 코일 내부에 한 방향의 섹션을 가지면서, 반대 방향의 여자기 코일 외부에 하나 이상의 섹션을 가지고 있다면, 여자기 코일과 용량 결합(capacitive coupling)이 제어될 수 있다. 도 7과 유사한 DM 구조는, 용량 결합 효과를 제어할 수 있어, 여자기 코일과 DM 사이의 용량 결합은 여자기 코일과 LM 사이의 용량 결합과 유사하다. 특히, 여자기 코일과 DM의 정방향/역방향 섹션 사이의 용량 결합이 상쇄된다. 또한 도 6을 참조하면, 여자기 코일과 DM의 내부 및 외부 섹션 사이의 용량 결합이, 예를 들면 인접하는 코일 섹션의 턴 사이의 간격에 의하여 제어될 수도 있다. 이것은 도 9를 참조하여 상세하게 설명된다.
도 8a 내지 도 8c는 여자기 코일(80), 여자 소스(82), DM(84) 및 LM(86)을 포함하는 다른 구조체를 도시한다. 커플러 부재의 가능한 위치는 88로 도시되고, 이 위치로부터(도시된 바와 같이) 왼쪽 또는 오른쪽으로 이동된다. 이러한 구조는, 예를 들면 도 6의 구조체에 비하여, 보다 작은 게인 및 제한된 위치 측정 범위를 가진다. 그러나, DM은 여자기 코일 내에 완전히 구속될 수 있다.
도 8b는 명료함을 위하여 DM(84)만을 도시한다. 이 차등 구조체에서는, 턴(84B)에 의하여 형성되는 외부 섹션의 감김 방향과 반대의 감김 방향을 가지는, 턴(84A)에 의하여 형성되는 내부 섹션이 있다. 이 예에서는, 양쪽 섹션 모두는 여자기 코일 내부에 있고, 차등 구조체를 위하여 서로 반대의 턴 방향을 필요로 한다.
도 8c는 명료함을 위하여 LM(86)만을 도시한다. LM은 좌측 섹션 및 우측 섹션(용어 "좌측" 및 "우측"은 이 예시에 대하여 편의상 사용된다). 다른 예에서, LM은 전체적으로 보아 나비 넥타이 형상(bow-tie shape)과 같은 다른 구조체, 또는 커플러 위치가 결정될 수 있도록 커플러가 이동됨에 따라 섹션 사이의 유도 결합이 변경되는 다른 구조체를 가질 수 있다.
도 9는 외부 섹션에 접지 접속을 갖는 DM 구조체를 도시한다. 용량 결합은 DM에 대한 접지 접속의 위치에 의하여 영향을 받는다. 도 9는 여자기 코일(90), 여자 소스(92), 및 DM(94)을 도시한다. LM(96)은 명료함을 위하여 점선으로 도시된다. DM(94)은 내부 섹션(즉, 여자기 코일의 내부) 및 여자기 코일의 외부에 반대의 회전(방향)의 외부 섹션을 가지고 있다. 이 경우, 접지 접속은 외부 섹션에 이루어진다. 이에 따라, 여자기 코일에 가장 가까이 발생되는 전류가 접지 접속에 도달되기 이전에 가야할 보다 긴 길이를 가지고 있으므로, 용량 결합 유도 전류에 매우 높은 임피던스를 제공한다.
DM의 내부 섹션은 정방향 섹션이고, 외부 섹션은 역방향 섹션이다. LM의 2개의 섹션은 상부 왼쪽 및 하부 오른쪽에 도시된 바와 같이, 정방향 및 역방향 섹션이다. 이 예에서는, DM 및 LM과 용량 결합을 균등하게 하기 위하여, DM의 정방향 섹션 턴은 LM의 역방향 섹션 턴의 내부에 있다.
점선의 타원은 LM의 역방향 섹션, 및 DM의 역방향 섹션(여자기 코일의 외부)에 대한 여자기의 용량 결합이 있는 영역을 나타낸다. 이 영역에서는, DM의 정방향 섹션은 LM의 내부에 있으므로, 여자기와 용량 결합이 중요하지 않게 된다. 그러므로, LM 및 DM에 대한 용량 결합의 효과가 제어될 수 있고, 균등화 될 수 있어, 용량 결합이 다른 공통 모드 타입 인자로 되고, 위치 감지에 대한 효과가 비율 감 지(ratiometric sensing)에 의해 크게 제거될 수 있다.
도 10은 도 9의 구조와 매우 유사하지만, 접지 접속이 내부 섹션에 이루어진 구조체를 도시한다. 도 10은 여자기 코일(100), 여자 소스(102) 및 DM(104)를 도시하며, DM은 서로 반대 방향의 내부 섹션 및 외부 섹션을 가지고 있고, 접지 접속은 내부 섹션에 이루어져 있다. LM은 도시되지 않지만, 도 9와 매우 유사하게, 예를 들면 DM의 내부 섹션과 여자기 코일 사이의 섹션 턴부(106)로 구성될 수 있다.
도 10의 구조체는, 용량 결합 유도 전류가 접지로 이동하기 위하여 보다 짧은 거리를 가지고 있으므로, 도 9의 구조체에 비하여 저 임피던스를 나타낸다.
보다 넓은 범위의 거리 감지를 위하여, 리시버 코일의 영역과 비교한 커플러 부재의 상대적인 크기는, 예를 들면, 커플러 부재가 대체로 리시버 코일(이 경우, 회전형 모듈레이터)의 크기의 대략 1/2일 수 있는 회전형 센서에 비하여, 작은 경향을 가지고 있다. 커플러 부재의 작은 크기 때문에, DM과의 유도 결합 변화는 간극 변화의 보상을 위하여 충분히 크지 않을 수 있다.
그러나, DM 신호의 간극 감도는, DM을 포함하는 공진 회로를 인덕터(inductor)로서 형성함으로써 향상될 수 있다. 예를 들면, 커패시터(capacitor)는 공진 회로를 형성하기 위하여 직렬(또는 병렬)로 제공될 수 있다. 또한, 레지스터(resistor)는 큐 인자(quality factor)(Q)를 조절하기 위하여 직렬로 제공될 수 있다.
도 11은 여자기 코일(110), 여자 소스(112), DM(114), 레지스터(116), 및 커패시터(118, 119)를 포함하는 구조체를 도시한다. 커패시터의 쌍은, 예를 들면 비 율 회로에 입력을 조절하는 전압 분할기(voltage divider)를 제공한다. 이러한 회로는 보다 작은 커플러 부재가 사용될 수 있도록 한다.
그러므로, 공통 모드 또는 기준 신호 기준 코일을 제공하는 개선된 구조체는, 리시버 코일과 대체로 동일 평면의 기준 코일, 및 공진 회로를 형성하기 위한 적어도 하나의 커패시터, 및 선택적으로 공진 회로의 큐(Q) 인자를 변경하기 위한 레지스터를 포함한다.
도 12는 간극(gap)에 대한 DM 내의 유도 전압의 대표 곡선(120)을 도시한다. DM의 인덕턴스는 커플러 부재와 간극(물리적 분리)에 따라 변화된다. 이 예에서, 공진 주파수는, 제로 간극(zero gap)이 간극 대 전압간의 전달 함수의 바로 하향 경사 지점, 즉 공진 피크의 약간 오른쪽에 대응하도록 조절된다. 이것이 "제로 간극"으로 부르는 선이다. 하향 경사의 기울기는 레지스터를 조절함으로써 변화될 수 있다. 그러므로, DM 전압 출력의 간극 종속성은 사용되는 간극의 실제값("간극에 대한 DM 전달 함수"로 부르는 지점)에서 전달 함수 기울기에 의하여 향상된다.
지금까지 대체로 선형 센서에 대한 예가 설명되었다. 그러나, 본 발명의 실시예는 물론 일부의 또는 완전한 회전형 위치 센서를 포함한다.
도 13a는 예를 들면, 도 1a와 같은 대체로 평면형 코일 어셈블리를, 원통형 형상으로 변형한 예를 도시한다. 이 경우에, 평면 형상은 직사각형(13)으로서 도시되고, 원통형 형상은 곡면(132)으로 투영된다. 분리부(separation)(134)는 최소화 될 수 있다.
선형 센서의 형상은 회전형 센서의 형상으로 변형될 수 있고, 회전형 센서는 대체로 원통형 형상을 가지는 센서 와인딩(코일 어셈블리)과, 동심의 커플러 부재 사이의 간극의 대칭 때문에 관대한 간극 변화를 가지고 있다(예를 들면, 도 27 및 도 28 참조).
센서는 형상 변화와 유사한 방식으로 작동된다. 바람직하게는, 커플러는 138 및 140으로 지시되는 바와 같이 대칭으로 배치되는 2개의 커플러 부재(또는 소용돌이 방지판(eddy plates))를 가지고 있다. 이러한 타입의 센서는 이하에서 상세하게 설명되는 바와 같이, 일부 또는 완전 회전형 센서로서 사용될 수 있다.
도 13b는 물체(136)에 지지되는 커플러 부재(134)를, 대체로 원통형 형상을 가지는 커플러 부재(138)로 변형한 예를 도시한다.
도 14a 내지 도 14c는 회전이 도면의 평면 내에서 발생되는, 회전형 센서의 변형예를 도시한다. 예를 들면, 직사각형(142)은 도 1a에 도시된 코일 어셈블리의일반적인 형성에 대응할 수 있고, 이 직사각형(142)은 대체로 아크 형상이지만, 평면 형상(144)으로 변형될 수 있다. 이러한 타입의 변형예는 부분 회전형 센서, 즉 선형 및 회전형 구성요소 양자 모두를 포함하는 운동 감지 센서에 적당한 위상(topology)을 얻는데 사용될 수 있다.
도 14b 및 도 14c는 어떠한 선형 구성요소도 갖지 않는 완전 회전형인 운동용 센서를 포함하는, 회전형 센서에 적당한 위상에 대응하는 변형예를 도시한다. 예를 들면, 직사각형(146)은 도 1a의 것과 유사한 코일 어셈블리의 일반적인 형상에 대응하고, 예를 들면 원형상(148)으로 변형된다. 마찬가지로, 직사각형 커플러 부재(115)는 회전체(154)에 의하여 지지되는, 하나 이상의 대체로 아크 형상의 세 그먼트(segments)(152)로 변형된다. 이 예에서는, 회전체(154)의 회전은 만곡된 코일 어셈블리(148)에 의하여 감지된다.
보다 긴 선형 운동을 위한 선형 센서는, 2개 이상의 섹션을 가지는 선형 모듈레이터 코일(LMs)을 사용하여 얻을 수 있다. 2개의 LMs의 사용은 연속적인 위치 신호 출력이 쉽게 얻어질 수 있도록 한다.
도 15는 여자기 코일(160)을 포함하는 코일 어셈블리, 여자 소스(162), 및 복수의 섹션(164, 166, 168, 170)을 포함하는 LM을 도시한다. 이 경우에, 인접하는 섹션은, 반대 방향, 예를 들면 교호하는 반시계 방향/시계 방향 섹션을 가지고 있다. 이 경우에, LM은 4개의 극(poles) 또는 섹션을 가지는, 4극 코일이라고 할 수 있다.
커플러 부재는, 예를 들면, 도 1b에 도시된 바와 같이, 플레이트, 또는 대체로 U자형 구조체일 수 있다. 가능한 커플러 위치는 174로 점선으로 도시된다. 도시된 바와 같이, 커플러 부재는, 여자기 코일과 4개의 섹션 사이의 유도 결합을 변경하면서, 대체로 좌측-내지-우측 방향으로 이동된다.
도 16은, 대응하는 섹션이 각각의 섹션의 영역의 대략 절반 정도 중첩되는, 여자기 코일(180), 여자 소스(182), 및 2개의 4극 LM 코일을 가지는 또 다른 구조체를 도시한다. 제2 LM(184)은 제1 LM(182)에 대하여 그 위치를 보다 명확하게 나타내기 위하여 점선으로 도시된다. DM 및 커플러는 도시되지 않는다.
도 17은 각각의 LM으로부터 신호 및 반전 신호에 대응하는, 도 16에 도시된 구조체의 2개의 LMs로부터 얻어진 4개의 신호를 도시한다. 그러므로, 선형 신호는 정상적인 신호 및 반전된 신호로부터, 각각 얻어지는 지시된 선형 세그먼트를 연결함으로써 얻어질 수 있다. 선형 세그먼트를 서로 연결하는 이러한 타입용 전자 회로는 본 발명자의 공동 계류중인 출원에서 상세하게 설명된다.
곡선 LM#1은 제1 LM(182)으로부터 얻어지고, 곡선 LM#2는 제2 LM(184)으로부터 얻어진다. LM#1' 및 LM#2'는 반전된 형태이다. 각각의 신호는 주기적이고, 실질적으로 선형 섹션은 가상 접지(VG) 레벨을 중심으로 보다 두꺼운 경사선으로 도시된다.
LM 코일에 의하여 제공되는 DM 신호를 사용하는 유도 센서
전자 회로를 사용하여, 거리 신호가 LM 코일로부터 발생될 수 있어, 별개의 DM 코일이 필요하지 않다. DM 신호는 하나 이상의 전용 DM 코일이나, 또는 LM 코일의 조합에 의하여 제공될 수 있다. 후자의 경우에, 코일 어셈블리는 여자기 코일 및 동일한 타입의 다수의 코일을 포함할 수 있는데, 이들로부터의 신호가 DM 신호 및 하나 이상의 LM 신호 양자 모두를 얻는데 사용될 수 있다. 위치 신호는 전자 회로에 의하여 발생되고, DM 신호 및 LM 신호(한 세트의 LM 신호로부터 선택될 수 있는)로부터 얻어지는 비율 신호이다. 각각의 LM으로부터의 신호는 선형 위치 결정을 위한 신호를 주기 위한 위상 감지 정류를 행하고, 비-위상 감지 정류 신호는 간극을 갖지만, 커플러 위치를 갖지 않고 보정된 신호를 주는데 사용된다.
도 18은 여자 소스(192)를 갖고, 여자기 코일(190), 및 4극 LM(194)을 포함하는 코일 어셈블리를 도시한다. LM의 반복되는 구조는, 고유 신호가 이중 화살표로 표시된 "1 모듈러스(one modulus)"로 지시되는, 제한된 범위에 걸쳐서만 얻어진 다는 것을 의미한다.
주어진 개수의 극(섹션)을 사용하여, LM은 임의의 거리를 따라 위치, 모듈러스를 측정할 수 있고, 그 외측에서 신호는 비선형으로 되거나 또는 추가 섹션을 따른 커플러 부재 이동의 경우에 그 자체를 반복한다. 연장된 거리의 측정은, 코일(들)의 반복하는 구조를 사용하여 이동된 모듈러스 거리의 수의 트랙을 유지함으로써, 또는 이동된 모듈러스 거리의 수가 결정될 수 있는 다른 정보를 사용함으로써 측정될 수 있다.
도 19a는 각각의 LM이 4극 코일인, 4개의 LMs를 가지는 구조체를 도시한다. 4개의 LMs는 194(도 18에 도시된 것과 동일함), 196, 198 및 200으로 지시된다. 여자기 코일(190)은 도 18에 도시된 것과 동일하다.
4 LMs의 이러한 조합은 특정 DM 코일 없이도 공통 모드 신호(간극 또는 거리 신호)가 결정될 수 있도록 한다.
도 19b는 리턴 와이어가 접속을 단순화하기 위하여, 코일-어셈블리의 일측에서 종결된 다른 타입의 코일 와인딩을 도시한다. 접속을 단순화하는 이러한 접근법은 이 기술분야에 공지되어 있다. 이러한 구조는 신호의 상이한 위상에 대하여 필요한 LM 코일 수만큼 신호 처리를 가능하게 한다. LMs의 모든 리턴 와이어는 코일 세트의 일단부에(좌측 단부에) 접속된다.
도 18 및 도 19a는 상이한 코일을 도시하는데, 이 코일로부터 선형 위치 응답을 얻기 위한, 신호 피킹(signal picking)이 단순하지만, 도 19a의 구조에서는 다수의 리턴 와이어가 있고, 도 19b에 단순화 되어 있다. 아날로그형 비율 신호 처리는 공통 모드 인자용으로 보상되는 위치 신호를 얻는데 사용될 수 있다.
선형 위치 신호는 각각의 LM에 의하여 제공되는 신호로부터 얻어질 수 있다. 별개의 DM 코일에 의하여 제공되는 다른 예에서, 간극 신호는, 이 경우에 정류된 신호의 이후의 조합과 함께, 2개 이상의 개별 LM 코일 신호의 비-위상 감지 정류에 의하여 제공된다.
이 예에서, 도 18에 도시된 바와 같은 4개의 LM 코일은 서로에 대한 모듈러스 거리의 1/8로 대체된다. 위상 감지 정류는 LM1, LM2, LM3, 및 LM4로 지시되는, LM 코일로부터 4개의 신호를 발생하는데 사용된다. 이들 4개의 신호는 위치를 찾는데 사용된다. 동시에, 각각의 LM으로부터의 신호는, Vc1, Vc2, Vc3 및 Vc4로 표시되는, RMS 평가에서와 같이, 위상 감지 없이 정류된다. DM 정보는 간극 또는 오프셋(offset)과 같은 공통 모드 인자용으로 보정하기 위하여 Vc1, Vc2, Vc3 및 Vc4의 조합으로 발견된다. DM-등가 신호는 공통 모드 신호 또는 기준 신호로서 불릴 수도 있고, 본 발명자의 공동 계류중인 출원에서 설명되는 기준 신호와 동등하며, 비율 감지를 위하여 유사하게 사용될 수 있다.
그러므로 DM 코일의 함수는 복수-모듈러스 선형 위치 결정을 위하여도 사용되는, LM 코일의 조합에 의하여 주어진다. 개별의 "특정" DM 코일이 필요하지 않다. 대신에, 비-위상 감지 정류용 회로는 공통 모드 신호를 생성한다. 공통 모드 신호를 얻으면, 이 공통 모드 신호는 비율 감지에 사용 수 있다. 따라서, 물리적인 DM 코일은 없고, 코일 바디가 단순화되고, 공통 모드 보정용으로 사용될 수 있는 진정한 공통 모드 신호가 얻어진다.
도 20은 커플러 위치(x축)의 함수로서 실질적으로 선형인, LM1 신호(선(210))의 위상 감지 정류를 나타낸 그래프이다. y축은 전압이고, VG는 가상의 접지이다. LM1 및 LM2의 비-위상 감지 정류에 의하여 얻어지는 신호는, 점선(216, 218)으로 도시된다. 이들 신호의 조합(이 경우 더함)은, 커플러 위치에 실질적으로 무관한 공통 모드 신호(214)를 제공한다. 공통 모드 신호(214)에 의한 신호(210)의 분할은, 센서에 의하여 제공되는 위치 신호인 비율 신호(212)를 제공한다. 분할은 본 발명자의 공동 계류중인 출원에서 설명되는 바와 같이, 아날로그 분할이거나 또는 디지털 분할일 수 있다. 분할 작업은 반드시 아날로그 분할은 아니며, 마이크로 컴퓨터를 통하여 디지털 방식으로 실행될 수 있다.
본 발명자의 공동 계류중인 출원에서 설명되는 전자 회로는, 기준 신호로서 불릴 수도 있고, 이 후에 본 발명자의 공동 계류중인 출원에서 설명되는 기준 신호와 유사하게 취급되는, 공통 모드 신호를 제공하기 위하여, 예를 들면 비-위상 감지 정류기(및 선택적으로 전압 가산기와 같은 신호 조합기)의 부가에 의하여 채택되는 바와 같이, 본 발명의 실시예에 사용될 수 있다. 예를 들면, 2006년 6월 26일 출원된, 동일한 발명자에 대한 "스티어링 각 센서"의 본 발명자의 공동 계류중인 미국 가특허 출원의 전체 내용이 원용에 의하여 본 명세서에 포함된다. 이 출원은, 일부분, 복수의 턴(1 모듈러스를 넘어서, 여기서 모듈러스는 고유 리시버 코일 신호가 얻어질 수 있는 범위이다)을 감지하는 간극을 사용하는 디스크 센서를 설명한다. 본 발명의 실시예는, 이하에서 도 27을 참조하여 설명되는 바와 같이, 복수의 턴(1 모듈러스를 넘어서)을 감지하는 오프셋을 사용하는 원통형 센서를 포 함한다. 오프셋은 코일 어셈블리의 원통형의 중앙의 긴축, 즉 회전축에 실질적으로 평행하다.
도 21은 여자기 코일(220), 여자 소스(222), 제1 LM(224), 제2 LM(226), 제3 LM(228), 및 제4 LM(230)을 포함하는 다른 구조를 도시한다. 도 21은 커플러 부재가 도시되지 않고, 전체의 코일 어셈블리(232)를 도시한다. 또한, 도 21은 명료함을 위하여, LMs의 각각의 섹션의 방향(정방향 또는 역방향)과 함께, LM 코일을 개별적으로 도시한다. 제1 LM(224)은 2개의 섹션을 가지고 있고, 다른 LMs의 섹션은 이에 관련되어 대체된다. 다른 LMs는 각각 3개의 섹션을 가지고 있지만, 각 LM의 제1 및 최종 섹션은, 전체적으로 제1 LM과 동일한 길이로 되기 위하여 코일 어셈블리의 단부에서 종결된다.
이들 LM 와인딩은 위치에 대한 LM 신호의 사인 곡선 종속을 제공한다. 여자기 코일의 내부 영역의 치밀한 사용을 위하여, 정방향 및 역방향 와인딩 영역의 균형이 유지되는 한, LM 코일이 변형된다. 균형은, 코일의 유도 전압이 커플러 없이 제로가 되는 정방향 및 역방향 영역의 비율을 의미한다. 도 21은 사인 곡선파를 위한 2극 센서 와인딩의 예를 도시한다. 접지 구성은 LM 리턴 와이어의 크로스오버(crossovers)(여자기를 교차하는 LM의 리턴 와이어)를 줄이기 위하여 변경된다.
도 22는 LMs가 약간 상이한 형상의 섹션을 가지고 있고, 도 21의 구조체와 유사한 구조체를 도시한다. 이 구조체는 여자기 코일(240), 여자 소스(242), LM(244)(상부 도면은 제1 LM만을 도시하고, 하부 도면은 모든 LMs를 도시한다), 및 다른 LMs(246, 248, 250)를 포함한다. 이러한 구조체는 2극 LMs를 제공하고, 출력 전압 대 위치의 삼각형 파동 종속성을 제공한다.
도 23은 도 21과 유사한, 다른 구조체를 도시한다. 도 23은 여자기 코일(250)(여자 소스(252)를 가짐), LMs(254, 256, 258, 260)를 포함하는 전체 코일 구조체(262)를 도시한다. 비율 신호를 위한 DM 신호를 발생하기 위하여, LMs(254, 256, 258, 260)로부터의 모든 LM 신호는 비-위상 감지 방식으로 정류되고, 도 20에서 214의 신호를 얻도록 조합된다. LMs의 어느 하나 신호는 도 20의 210에서와 같은 선형 신호를 얻기 위하여 위상 감지 방식으로 정류될 수 있다.
또한, 2개의 신호의 비율(210 나누기 214)은, 노이즈, 간극, 오프셋(예를 들면, 간극에 직교하는 방향을 따라서), 또는 EMI 간섭과 같은 공통 모드 신호가 없는, 센서 신호로서 얻어질 수 있다. 이러한 접근법은 DM이 제거된 비율 감지의 임의의 예에 사용될 수 있다.
도 24는 선형 센서로부터 회전형 센서용 원통형 형상으로 형상 변형예를 도시한다. 코일 어셈블리(280)는 도 21에 도시된 것(코일 어셈블리(232))과 유사하다. 기판이 가요성을 갖는, 예를 들면 가요성 폴리머이라면, 센서는 원통형 형상(284)으로 형성될 수 있다. 전자 회로(282)는 양 경우에 동일할 수 있다. 커플러 부재는 도시되지 않지만, 코일 어셈블리의 내부나 또는 외부에서 중심축(X)을 중심으로 회전하는 곡선 플레이트일 수 있다. 2개의 커플러 부재는, 도 13b에 도시된 바와 같이, 사용될 수 있다.
도 21 내지 도 24의 구조체는, 공통 모드 신호가 LM 신호의 비-위상 감지 정류에 의하여 얻어질 수 있으므로, 특정 DM 코일 없이 사용될 수 있다. 위치 데이 터는 LM 신호의 위상 감지 정류를 사용하여 얻어진다.
도 24의 원통형 형상은, 코일 어셈블리의 내부나 또는 외부에서, 강자성 재질의 효과에 덜 민감하다. 감지 코일의 이러한 구조로서, 리시버 코일에 대한 강자성 재질의 주위나 또는 코어의 효과는 상당히 감소될 수 있다. DM 코일 및 LM이 동일한 기하 형상을 가진다면, 코일은 동일한 방식으로 응답한다. 그러므로, LM 코일로부터 기준 신호를 얻음으로써, 개선된 비율 감지가 가능하다.
2개의 에지 사이에 에지 간극(286)이 있을 수 있다. 이 간극이, 예를 들면 오버랩에 의하여 효과적으로 제거될 수 있다면, 복수의 턴 센서가 만들어 질 수도 있다.
도 25는 코일 어셈블리(284) 외부의 강자성 재질(286)을 도시한다. 특히 전용 DM 코일 없이, 원통형 형상 코일 어셈블리가 이러한 상태에서 잘 작동된다.
도 26은 2개의 커플러 부재(290, 292)를 포함하는 커플러(294)의 중심을 통하여 연장되는 강자성 코어(296)를 도시한다. 그러나, 커플러(원통형 변형에서)의 개수는 정방향/역방향 와인딩 쌍의 개수에 따라 임의일 수 있다. 예를 들면, 한 쌍의 정방향/역방향 와인딩 쌍을 나타내는 도 21에서와 같은 센서의 경우에는, 하나의 커플러만이 바람직하고, 2개의 정방향/역방향 와인딩 쌍을 나타내는 도 18에서와 같은 센서의 경우에는, 2개의 커플러가 바람직하는 등이다.
원통형 변형의 커플러의 이러한 개수는, 하나의 커플러만이 사용될 수 있는(물론 2개의 커플러가 2쌍의 F/B 와인딩용으로 사용된다), 선형 대응부와는 아주 상이하다. 284와 같은 코일 어셈블리(도 25 참조)는 커플러와 동심일 수 있고, 커 플러의 외부에 있을 수 있다. 또한, 원통형 형상 코일 어셈블리는, 특히 특정 DM 코일이 없이, 이러한 상태에서 잘 작동된다.
도 27은 나사산이 형성된 외측면(308)과 함께, 회전축(310)을 포함하는 어셈블리의 일부 분해도를 도시한다. PCB 상의, 센서 코일 어셈블리(302)는 나사산이 형성된 슬리브(300) 상에 지지되고, 슬리브(300)의 내부 나사면은 나사산이 형성된 외측면(308)과 결합된다. 커플러(306)는 회전축(310)과 함께 회전한다. 전자 회로(304)는 위치 신호를 제공한다. 슬리브(312)는 커플러(306)를 회전축(310)에 부착하는데 사용된다. 회전축(310)이 회전됨에 따라, 커플러(306)와 코일 어셈블리 사이의 오프셋이 변화된다. 공통 모드 신호가 오프셋을 측정하고, 따라서 회전수를 결정하는데 사용될 수 있고, LM은 회전 각도에 대한 선형 출력을 제공하도록 선택된다. 센서 코일 어셈블리 PCB에 대한 커플러의 오프셋을 결정하기 위하여, DM 신호, 또는 LM 코일로부터 공통 모드 신호가 검출될 수 있어, 1 모듈러스를 넘는 각도가 측정될 수 있다. 회전축이 회전될 때, 오프셋은 나사산이 형성된 슬리브의 회전에 의하여 발생된다. DM 신호는 또한 CR에 대한 비율이며, 오프셋이 최소일 때 최대로 된다.
그러므로, 센서 PCB에 대한 커플러의 오프셋은 회전에 따라 변화되고, 기준 신호가 결정될 수 있어(리시버 코일의 비-위상 감지 정류로부터, 또는 여기서 도시되지 않은, 특정 기준 코일을 사용하여), 1 모듈러스를 넘는 각도가 측정될 수 있다. 회전축이 회전될 때, 오프셋은 나사면의 회전에 의하여 발생된다. 기준 신호는 여자기 신호에 대한 비율일 수 있고, 오프셋이 최소일 때 최대로 된다.
도 28은 나사산이 형성된 슬리브(도면에 상세하게 도시하지 않음) 상에 형성되는 센서 코일 어셈블리(322) 내에서 회전하는, 외측 나사면을 가지는 슬리브(324)의 내측면 상의 커플러(320)를 도시한다. 이러한 배치는 도 27의 구조체에 사용될 수 있다.
도 29는 간극을 위한 신호 또는 공통 모드 신호의 정류를 도시한다. 회로는 여자기 신호(CR)(340) 및 리시버 코일 신호(RM(도시됨), 또는 LM)(342)의 입력을 도시한다. 신호는 아날로그 배율기(multiplier)(344)로 들어가고, 그 다음 여과되고 정류된다. 출력은 공통 모드 신호로서 사용될 수 있다. 유사한 회로가 2개 이상의 리시버 코일로부터의 신호를 사용할 수 있다.
비-위상 감지 정류는 공통 정류의 다이오드 드롭(diode drop)을 제거하는데 적용될 수 있다. 고주파 정류는 길버트-셀(Gilbert-cell)로 처리될 수 있고, 저주파 정류는 도 29의 회로를 사용할 수 있다. 슈퍼-다이오드는 느린 이동 신호(moving signal)를 정류하는데 사용될 수 있다.
도 30은 대체로 평면 구조에서, 서로 120° 위상차를 가지고 배치되는, 코일(350)과 같은 3개의 리시버(RM, 회전형 모듈레이터)를 도시한다. 한 세트의 다이오드를 사용하여 도시된 바와 같이 실행된 코일의 직접 정류는, 바람직하게 어떠한 다이오드 드롭도 가지고 있지 않고, 도시된 곡선과 같이 AM(기준) 전압을 발생할 수 있다. 비율은 AM 전압에 의해 나눠진 RM-위상-감지-정류된 신호로서 정의되고, 비율 곡선은 도시된 바와 같은 다수의 선형 섹션을 가지는 선형 함수를 가진다. 따라서, 복수의 턴 감지용 톱니 곡선이 쉽게 얻어진다. 물리적 각도의 1 모 듈러스가 360도 전기 위상에 대응하므로, 120도의 위상 각도 차이는 RT의 극성의 조절에 의하여 1 모듈러스에 쉽게 매핑(mapping)된다. 따라서, 선형 비율 곡선을 얻기 위하여 AM 및 RM 곡선 양자 모두를 선형화 할 필요가 없다. 또한, 비율 신호용 선형 곡선을 얻기 위한 반전 회로(inversion circuit)가 필요 없다.
본 명세서에서 언급된 특허, 특허 출원, 또는 공보는, 각각의 개별 문헌이 원용에 의해 특히 개별적으로 본 명세서에 포함된다고 지적된 것처럼 동일한 범위로 원용에 의해 본 명세서에 포함된다. 특히, 2005년 6월 27일 출원된 미국 가특허 출원 60/694,384호의 전체 내용이 원용에 의해 본 명세서에 포함된다. 모두 동일한 발명자에 대한, 2006년 6월 26일 출원되고 "스티어링 각 센서"의 발명의 명칭을 가진 미국 가특허 출원 60/___,___호, 및 미국 특허 출원 번호 11/399,150호, 및 11/400,154호의 전체 내용이 원용에 의해 본 명세서에 포함된다.
본 발명은 상기에서 설명된 실시예에 한정되지 않는다. 실시예는 본 발명의 범위에 대한 제한으로 의도되지 않는다. 본 명세서에서 설명한 방법, 장치, 구성 등은 예시적이고, 본 발명의 범위에 대한 제한으로 의도되지 않는다. 이 실시예에 대한 변경 및 다른 사용이 당업자에게 이루어질 수 있다. 본 발명의 범위는 청구항의 범위에 의해 한정된다.
본 발명은 유도 위치 센서, 특히 선형 센서, 및 회전형 위치 센서에 이용될 수 있다.

Claims (26)

  1. 부품의 위치에 관련된 신호를 제공하는, 부품의 위치 신호 제공 장치에 있어서,
    여자기 코일(exciter coil); 및
    상기 여자기 코일에 가장 근접하여 배치되는 리시버 코일(receiver coil)
    을 포함하고,
    상기 여자기 코일이 전기 에너지원에 의하여 활성화되면, 상기 여자기 코일은 자속(magnetic flux)을 발생시키고,
    상기 리시버 코일과 상기 여자기 코일 사이의 유도 결합(inductive coupling)에 의해 상기 여자기 코일이 활성화되면, 상기 리시버 코일은 리시버 신호를 발생시키고,
    상기 리시버 코일은 복수개의 섹션(sections)을 가지고 있고, 상기 유도 결합은 적어도 2개의 섹션에서 반대되는 전압을 유도하며,
    상기 유도 결합은, 상기 리시버 신호가 부품의 위치에 관련되도록, 상기 부품의 이동에 의하여 변경되는, 부품의 위치 신호 제공 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 부품에 기계적으로 결합된 커플러 부재(coupler element)를 추가로 포함하고,
    상기 커플러 부재는, 상기 리시버 신호가 상기 부품 위치에 관련되도록, 상기 여자기 코일과 상기 리시버 코일 사이의 유도 결합을 변경시키는, 부품의 위치 신호 제공 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 커플러 부재는 금속 플레이트를 포함하는, 부품의 위치 신호 제공 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 커플러 부재는 전기적으로 전도성 재질로 이루어진 대체로 U자형 구조체를 포함하고,
    상기 여자기 코일과 상기 리시버 코일을 포함하는 코일 어셈블리는, 적어도 일부가 상기 U자형 구조체의 내부에 위치되는, 부품의 위치 신호 제공 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 리시버 코일은 대체로 기다랗고, 제1 단부 및 제2 단부를 가지고,
    상기 리시버 코일의 제1 섹션은 제1 단부에 가장 근접한 주 영역을 가지며,
    상기 리시버 코일의 제2 섹션은 상기 제1 섹션보다 제2 단부에 가까운 주 영역을 가지는, 부품의 위치 신호 제공 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 장치는 선형 위치 센서이고,
    상기 장치는 선형 궤적을 따라 상기 부품의 위치에 관련된 신호를 제공하며,
    상기 리시버 코일은 상기 선형 궤적을 따라 대체로 기다란, 부품의 위치 신호 제공 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 리시버 코일은 대체로 직사각형 둘레를 가지고 있는, 부품의 위치 신호 제공 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 리시버 코일은 대체로 삼각형인 2개의 섹션을 포함하는, 부품의 위치 신호 제공 장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 장치는 회전형 센서이고,
    상기 리시버 코일 및 상기 여자기 코일은 대체로 원통형인 기판 상에 배치되는, 부품의 위치 신호 제공 장치.
  10. 제9항에 있어서,
    대체로 원통형인 상기 기판과 동심이며, 대체로 원형인 궤적을 따라 이동하는 커플러 부재를 추가로 포함하는, 부품의 위치 신호 제공 장치.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 장치는 대체로 원통형인 표면을 통하여 연장되는 샤프트용 회전형 센서인, 부품의 위치 신호 제공 장치.
  12. 제1항에 있어서,
    기준 코일(reference coil)을 추가로 포함하고,
    상기 기준 코일은 여자기 코일이 활성화되면 상기 부품의 위치에 실질적으로 무관한 기준 신호(reference signal)를 제공하고,
    상기 기준 신호는 상기 기준 코일과 상기 여자기 코일 사이의 유도 결합에 의여 유도되는, 부품의 위치 신호 제공 장치.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 장치는 선형 위치 센서이고,
    상기 기준 코일은 상기 여자기 코일 내부에 위치되는 제1 섹션, 및 상기 여자기 코일 외부에 위치되는 제2 섹션을 가지고 있는, 부품의 위치 신호 제공 장치.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 위치와 실질적으로 선형 관계를 가지는 위치 신호를 발생하도록 작동하는 전자 회로를 추가로 포함하는, 부품의 위치 신호 제공 장치.
  15. 제1항에 있어서,
    상기 부품 위치는 페달(pedal)의 위치인, 부품의 위치 신호 제공 장치.
  16. 제1항에 있어서,
    상기 장치는 복수개의 리시버 코일을 포함하고,
    각각의 상기 리시버 코일은 2개 이상의 섹션을 포함하는, 부품의 위치 신호 제공 장치.
  17. 제1항에 있어서,
    상기 장치는 선형 위치 센서이고,
    상기 여자기 코일은 대체로 직사각형인, 부품의 위치 신호 제공 장치.
  18. 부품의 부품 위치를 결정하는, 부품의 위치 결정 장치에 있어서,
    여자기 코일;
    상기 여자기 코일에 가장 근접하게 배치되는 복수개의 리시버 코일;
    커플러 부재; 및
    전자 회로
    를 포함하고,
    상기 여자기 코일이 전기 에너지원에 의하여 활성화되면, 상기 여자기 코일은 자속을 발생시키고,
    상기 리시버 코일과 상기 여자기 코일 사이의 유도 결합에 의해 상기 여자기 코일이 활성화되면, 상기 리시버 코일은 복수개의 리시버 신호를 발생시키고,
    상기 커플러 부재는 이동가능하며, 상기 부품 위치와 상호 관련된 커플러 부재 위치를 가지고,
    상기 커플러 부재는, 각각의 상기 리시버 신호가 상기 부품 위치와 상호 관련되도록 상기 여자기 코일과 상기 리시버 코일 사이의 유도 결합을 변경하며,
    상기 전자 회로는 복수개의 리시버 신호로부터 기준 신호를 발생시키고,
    상기 기준 신호는 상기 커플러 부재 위치와 실질적으로 무관하며,
    상기 부품 위치는 상기 리시버 신호 및 상기 기준 신호 중 적어도 하나로부터 얻어지는 비율 신호로부터 결정되는, 부품의 위치 결정 장치.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 기준 신호는 상기 커플러 위치와 상호 관련되지 않은 리시버 신호의 변화를 보상하는데 사용되는, 부품의 위치 결정 장치.
  20. 제18항에 있어서,
    상기 기준 신호는 비-위상-감지 정류된 리시버 신호(non-phase-sensitive rectified receiver signals)의 조합으로부터 얻어지는, 부품의 위치 결정 장치.
  21. 제18항에 있어서,
    복수개의 상기 리시버 코일은 상기 여자기 코일과 실질적으로 동일 평면상에 있는, 부품의 위치 결정 장치.
  22. 제18항에 있어서,
    상기 장치는 선형 위치 센서이고,
    상기 여자기 코일은 상기 부품의 선형 이동의 방향을 따라서 기다란, 부품의 위치 결정 장치.
  23. 제18항에 있어서,
    상기 장치는 회전형 센서이고,
    상기 여자기 코일 및 상기 리시버 코일은 대체로 원통형인 기판 상에 지지되는, 부품의 위치 결정 장치.
  24. 제23항에 있어서,
    상기 부품은 대체로 원통형인 기판 내에서 회전 가능한, 부품의 위치 결정 장치.
  25. 제24항에 있어서,
    상기 리시버 신호는 상기 커플러 부재와 상기 리시버 코일 사이의 오프셋(offset)을 결정하는데 추가로 사용되고,
    상기 오프셋은 회전축을 따라 존재하고, 상기 오프셋은 상기 부품이 회전될 때 변화되는, 부품의 위치 결정 장치.
  26. 제25항에 있어서,
    상기 오프셋은 상기 부품에 의하여 이루어진 회전수를 결정하는데 사용되고,
    상기 장치는 복수의 턴(turn) 회전 센서인, 부품의 위치 결정 장치.
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