KR20080027350A - 센서 시스템, 센서, 센서 시스템의 사용 및 물체의 위치또는 회전 속도 결정 방법 - Google Patents

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Abstract

자기장 센서가 사용되어 물체의 위치 또는 회전 속도를 결정할 수 있다. 본 발명의 예시적인 실시예에 따르면, 센서 시스템은 물체의 회전 속도 또는 위치를 반영하는 주파수 출력을 생성하는 센서 유닛을 포함하는데, 주파수 출력은 물체의 인코딩 주파수보다 높은 주파수를 갖는다. 이것은 개선된 분해능을 제공할 수 있다. 고유의 센서 특성은 인코딩된 자기장의 주파수의 두 배 또는 네 배를 갖는 신호를 야기한다. 센서는 거대 자기 저항(GMR) 센서일 수 있다.

Description

센서 시스템, 센서, 센서 시스템의 사용 및 물체의 위치 또는 회전 속도 결정 방법{SENSOR SYSTEM FOR DETERMINING A POSITION OR A ROTATIONAL SPEED OF AN OBJECT}
본 발명은 자기장 센서 분야에 관한 것으로, 특히 본 발명은 물체의 위치 또는 회전 속도를 결정하는 센서 시스템, 결정 유닛, 대응 센서 시스템의 사용 및 물체의 위치 또는 회전 속도를 결정하는 방법에 관한 것이다.
자기장 센서 시스템은 센서 유닛 또는 센서 소자 및 대응하는 신호 프로세싱 유닛을 포함한다. 자기-저항 효과를 나타내는 센서 소자는 도 1에 도시되어 있는 바와 같이 휘스톤 구성으로 배열된 저항 브릿지를 포함한다.
저항 대 자기장 세기 특성은 도 2에 도시되어 있는 바와 같이 S자 형상을 갖는다. 센서에 대해 자화 인코더(magnetized encoder)가 상대적으로 이동하는 경우, 도 3에 도시되어 있는 바와 같이 센서는 360°의 범위의 신호 주기를 갖는 주기적이고 사인곡선의 출력 신호를 생성한다. 이 출력 신호는 센서 신호의 제로-크로스(zero-cross)마다 스위칭하는 비교기에 전송되어, 인코딩된 신호와 동일한 신 호 주파수를 갖는 센서 시스템의 출력에서 디지털화된 신호를 생성한다. 따라서, 시스템 출력에서의 신호 주파수 및 그에 따른 시스템 분해능은 능동 인코더의 경우 자극 쌍(magnetic pole-pairs)의 수와 동일하다.
분해능을 개선하는 것이 바람직할 수 있다.
본 발명의 예시적인 실시예에 따르면, 물체의 위치 또는 회전 속도를 결정하는 센서 시스템이 제공되는데, 상기 센서 시스템은 제 1 센서 유닛 및 인코더 유닛을 포함하고, 상기 인코더 유닛은 인코딩된 자기장을 생성하도록 구성되고, 상기 인코딩된 자기장은 제 1 교번 주파수(first alternating frequency)를 가지며, 상기 제 1 센서 유닛은 인코딩된 자기장을 측정하고 측정된 인코딩된 자기장에 기초하여 제 1 출력 신호를 생성하도록 구성되는데, 상기 제 1 출력 신호는 제 1 교번 주파수보다 높은 제 2 주파수를 갖는다.
따라서, 본 발명의 이러한 예시적인 실시예에 따르면, 센서 시스템은 센서 유닛을 통해, 회전 물체의 회전 속도 또는 (센서 유닛에 대한) 물체의 위치를 반영하는 주파수 출력을 생성한다. 또한, 주파수 출력은 (물체 내로 집적될 수 있는) 인코더 유닛의 인코딩 주파수보다 높은 주파수를 갖는다.
이것은 위치 결정 또는 회전 속도의 분해능을 개선시킬 수 있는데, 그 이유는 출력 주파수가 증가하기 때문이다.
본 발명의 또 다른 예시적인 실시예에 따르면, 제 1 센서 유닛은 거대 자기 저항(GMR)을 포함한다. 거대 자기 저항(GMR)을 사용함으로써, 자기장에 따른 저항의 큰 변화가 제공될 수 있다. 이것은 센서 시스템의 민감도를 개선시킬 수 있다.
그러나, 센서 유닛에 대해 다른 기술, 예를 들어 SQUID 센서(superconducting quantum interface detector) 또는 스핀 공진 자력계와 같은 이방성 자기 저항(AMR) 또는 고체 상태 자기장 센서가 사용될 수 있다.
본 발명의 또 다른 예시적인 실시예에 따르면, 센서 시스템은 결정 유닛을 더 포함하는데, 상기 결정 유닛은 제 1 센서 유닛으로부터의 제 1 출력 신호에 기초하여 결정 출력 신호를 생성하도록 구성되고 결정 출력 신호는 물체의 위치 및 회전 속도 중 적어도 하나를 나타낸다.
본 발명의 이 실시에에 따르면, 제 1 센서 유닛으로부터의 출력 신호는 결정 유닛에 의해 더 처리된다. 예를 들어, 결정 유닛은 센서 유닛으로부터의 출력 신호에 기초하여 결정 출력 신호를 디지털화하도록 구성될 수 있다. 이것은 용이하고 안전한 위치 또는 회전 속도 결정을 위해 사용될 수 있는 출력 신호를 제공할 수 있다.
본 발명의 또 다른 예시적인 실시예에 따르면, 결정 출력 신호는 제 1 센서 유닛 출력의 제 2 주파수와 동일하거나 그보다 높은 제 3 주파수를 갖는다.
따라서, 결정 유닛은 센서 유닛 출력의 분해능을 개선하도록 구성될 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 센서 시스템은 제 2 출력 신호를 생성하는 제 2 센서 유닛을 더 포함하며, 상기 센서 시스템은 제 1 출력 신호 및 제 2 출력 신호에 기초하여 결정 출력 신호를 생성하도록 구성된다. 결정 출력 신호는 제 2 주파수보다 높은 제 4 주파수를 가지며, 결정 출력 신호는 물체의 위치 및 회전 속도 중 적어도 하나를 나타낸다.
따라서, 본 발명의 이 실시예에 따르면, 다수의 센서 유닛이 제공될 수 있는데, 각 센서 유닛은 예를 들어 상이한 위치에서 인코딩된 자기장을 측정한다. 각 센서 유닛은 제각기의 출력 신호를 생성한다. 모든 출력 신호는 센서 유닛에 의해 측정된 신호에 기초하여 결정 출력 신호를 생성하는 결정 유닛에 전송된다. 이 결정 출력 신호는 물체의 위치 또는 회전 속도를 높은 정확도로 반영한다.
본 발명의 또 다른 예시적인 실시예에 따르면, 제 1 센서 유닛은 V-형상의 센서 특성 및 W-형상의 센서 특성 중 하나를 갖는다.
이것은 피치(pitch)와는 무관한 위치 또는 회전 속도 결정을 제공할 수 있다. 따라서, 자극의 상이한 폭(λ)을 갖는 상이한 자화 인코더에 대해 단 하나의 자기장 센서만이 사용될 수 있다.
본 발명의 또 다른 예시적인 실시예에 따르면, 물체의 위치 또는 회전 속도를 결정하는 센서가 제공될 수 있는데, 상기 센서는 결정 유닛 및 제 1 센서 유닛을 포함하며, 상기 결정 유닛은 제 1 센서 유닛으로부터의 제 1 출력 신호에 기초하여 결정 출력 신호를 생성하도록 구성되고, 결정 출력 신호는 물체의 위치 및 회전 속도 중 적어도 하나를 나타낸다. 제 1 센서 유닛은 인코딩된 교번 자기장을 측정하고 측정된 인코딩된 자기장에 기초하여 제 1 출력 신호를 생성하도록 구성되며, 제 1 출력 신호는 인코딩된 자기장의 제 1 주파수보다 높은 제 2 주파수를 갖는다.
또한, 본 발명의 또 다른 예시적인 실시예에 따르면, 물체의 위치 또는 회전 속도를 결정하는 방법이 제공되는데, 이 방법은 인코더 유닛이 제 1 주파수를 갖는 인코딩된 자기장을 생성하는 단계와, 제 1 센서 유닛이 인코딩된 자기장을 측정하는 단계와, 제 1 센서 유닛이 측정된 인코딩된 자기장에 기초하여 제 1 출력 신호를 생성하는 단계를 포함하되, 상기 제 1 출력 신호는 제 1 주파수보다 높은 제 2 주파수를 갖는다.
따라서, 본 발명의 이 예시적인 실시예에 따르면, 물체의 위치 또는 회전 속도는 제 1 교번 주파수를 갖는 인코딩된 자기장을 측정함으로써 결정될 수 있다. 인코딩된 자기장의 변화가 검출 및 처리되고, 그에 따라 인코딩된 교번 자기장의 주파수 이상인 주파수를 갖는 출력 신호가 제공된다.
이것은 자기장 인코딩의 주파수를 증가시키지 않고 분해능 개선을 제공할 수 있다.
또한, 본 발명의 또 다른 예시적인 실시예에 따르면, 상기 방법은 결정 유닛이 제 1 센서 유닛으로부터의 제 1 출력 신호에 기초하여 결정 출력 신호를 생성하는 단계를 더 포함하는데, 결정 출력 신호는 물체의 위치 및 회전 속도 중 적어도 하나를 나타내고, 결정 출력 신호는 제 2 주파수와 동일하거나 그보다 높은 제 3 주파수를 갖는다.
본 발명의 예시적인 실시예에 따르면, 센서 유닛을 통해 물체의 회전 속도 또는 위치를 반영하는 주파수 출력을 생성하는 센서 시스템이 제공되는데, 주파수 출력은 물체의 인코딩 주파수보다 높은 주파수를 갖는다. 따라서, 위치 또는 회전 속도 결정의 분해능은 인코딩 주파수의 증가없이 개선될 수 있다.
본 발명의 이들 및 다른 측면은 이하에서 기술되는 실시예로부터 분명해질 것이다.
본 발명의 예시적인 실시예는 후속하는 도면을 참조하여 이하에서 설명될 것이다.
도 1은 단일 휘스톤 저항 브릿지에 대한 개략적인 회로도,
도 2는 회전 속도를 측정하는 센서 소자가 나타내는 S자형의 자기장 세기-브릿지 출력 특성을 도시하는 도면,
도 3은 도 2의 센서 소자의 출력 신호를 나타내는 도면,
도 4는 도 2의 센서 소자를 포함하는 센서 시스템의 디지털 출력 신호를 도시하는 도면,
도 5는 자기장 센서 소자의 V자형 특성을 나타내는 도면,
도 6은 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 V자형 특성에 의한 신호 주파수 복제를 나타내는 도면,
도 7은 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 V-특성을 갖는 자기장 센서 시스템의 신호 프로세싱 유닛 또는 결정 유닛의 디지털 출력 신호를 나타내는 도면,
도 8은 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 자기장 센서 소자의 W-자형 특성을 나타내는 도면,
도 9는 본 발명의 예시적인 실시예에 따라 W자형 특성의 신호 주파수 체배를 나타내는 도면,
도 10은 본 발명의 예시적인 실시예에 따라 W-특성을 갖는 자기장 센서 시스템의 신호 프로세싱 유닛의 디지털 출력 신호를 나타내는 도면,
도 11은 본 발명의 예시적인 실시예에 따라 비교기 회로에 기초하여 직선 형상의 물체의 위치 결정을 위한 자기장 센서 시스템을 나타내는 도면,
도 12는 본 발명의 예시적인 실시예에 따라 회전 인코딩 유닛의 회전 주파수의 예시적인 측정 설정을 나타내는 도면,
도 13은 본 발명의 예시적인 실시예에 따라 능동적으로 자기화된 회전 인코더의 회전 속도를 측정하는 예시적인 애플리케이션을 나타내는 도면,
도 14는 본 발명의 예시적인 실시예에 따라 수동 인코더의 회전 주파수를 측정하는 측정 설정을 나타내는 도면,
도 15는 본 발명의 예시적인 실시예의 예시적인 방법에 대한 흐름도.
도면은 개략적으로 도시되어 있다. 상이한 도면에서, 유사한 또는 동일한 소자는 동일한 참조 번호로 제공될 수 있다.
도 1은 네 개의 저항(101,102,103,104) 및 대응 회로(105,106)를 포함하는 단일의 휘스톤 저항 브릿지에 대한 개략도이다. 저항 소자를 휘스톤 브릿지 형태로 배열함으로써 온도 보상 및 분석이 용이한 미분 신호의 생성을 제공할 수 있다. 그러나, 자기장 또는 자기장 변화를 측정하는데 단 하나의 저항 소자가 사용될 수 있다.
외부 자기장(H)의 영향에 의해, 저항 소자(101-104)의 저항성은 변경될 수 있고 전체 브릿지(V1)의 결과적인 출력 신호는 자기장(H)의 함수이다.
도 2는 도 1의 그와 같은 센서 소자의 출력 신호 특성을 나타낸다. R-H-특성은 S자형의 의존성을 나타낸다. 수평축(201)은 자기장 세기(H)를 kA/m의 단위로 나타내고 수직축(202)은 브릿지 출력(U)을 mV/V의 단위로 나타낸다. 브릿지 구성의 미분 출력 전압은 음의 자기장 세기(H)의 영역에서는 음의 부호를 가지고 양의 자기장 세기(H)의 영역에서는 양의 부호를 갖는다.
본 발명의 예시적인 실시예에 따른 인코더는 능동 인코더 또는 수동 인코더일 수 있다. 능동(또는 자화된) 인코더는 N극과 S극이 교번하는 시퀀스를 포함하고 (센서 유닛의 영역에서) 자기장 센서 유닛에 대해 이동하는 경우 교번하는 자기장을 생성하는 측면의 교번 자화층을 포함할 수 있다. 자화된 인코더의 경우, 360°의 영역은 자화 층의 N-S-극 쌍에 대응하고 그에 따라 극쌍 폭(λ)(λ=360°)에 대응한다.
이와 같은 능동 인코더는 예를 들어 도 11에 도시되어 있다(참조 부호 1105).
또한, 도 14에 도시되어 있는 것과 같은 수동 인코더가 사용될 수 있다(참조부호 1401).
이러한 수동 또는 강자성 인코더는 티쓰(teeth) 및 갭(1402,1403)이 제각각 교번하는 시퀀스를 포함할 수 있다. 수동 인코더의 경우, 활성 마드네트(working magnet)(1404)가 사용되어야 하며, 이 마그네트는 센서 유닛(1106,1107)의 후면 상 에 배치될 수 있다.
활성 마그네트(도면에는 미도시)에 의해 생성된 자기장은 자기장 센서 소자(1102)의 저항(101-104)을 투과한다. 수동 인코더(1401)가 자기 센서(1102)에 대해 이동하는 경우, 센서 소자(1102)에 대한 티쓰(1402) 또는 갭(1403)의 위치는 변하게 된다. 따라서, 자기장 센서 소자(1106,1107)의 저항 값은 그에 따라 변하게 되고 사인곡선의 출력 신호를 생성한다.
인코더는 직선 이동량 및 직선 거리를 측정하기 위한 선형 인코더(1105)의 형태로 구현될 수 있고 또는 회전 주파수를 측정하기 위해 인코딩되는 휠(encoded wheel)(1401)의 형태로 구현될 수 있다. 그러나, 측정의 분해능은 저항 소자의 특성에 따라 또한 사용되는 저항 브릿지의 수에 따라 달라질 수 있다.
회전 주파수를 측정하기 위해, 자기 N극과 S극 간의 인터페이스는 제로-크로싱 검출용으로 사용될 수 있다. 예를 들어, 신호 프로세싱을 위해 비교기 회로가 제공될 수 있고 이 비교기 회로는 아날로그 입력 신호에 기초하여 디지털 정보를 생성하며, 상기 디지털 정보는 시스템 출력에서 제공된다. 디지털 정보는 전자 결정 유닛에 의해 더 분석될 수 있다.
이러한 회전 속도 센서는 ABS-기능을 갖는 자동차 애플리케이션 내의 제동 시스템에 사용될 수 있다.
자기장의 N극 및 S극의 개수가 알려져 있는 경우, 회전 속도는 제로-크로싱 신호에 기초하여 결정될 수 있다. 공지된 방법에 따르면, 디지털 출력 신호의 주파수는 인코더의 주파수와 동일하다. 다시 말해, 인코딩된 휠의 원주를 따라 10개 의 자기 N극 및 10개의 자기 S극이 정렬되어 있는 경우, 인코딩된 휠의 완전한 회전은 10개의 연속하는 만곡 곡선(ten consecutive sinus curves)을 생성한다.
도 3은 도 2의 센서 소자의 출력 신호를 나타낸다. (S형상의 특성을 갖는) 센서에 대해 자화된 인코더가 상대적으로 이동하는 경우, 360도의 범위에 걸쳐 신호 주기를 갖는 주기적 및 사인곡선의 출력 신호(301)가 생성된다. 센서 소자의 출력 신호는 비교기 회로에 공급될 수 있고, 상기 비교기 회로는 센서 출력 신호의 제로-크로싱 동안 스위칭할 수 있고 도 3에 도시된 센서 소자의 만곡 신호와 동일한 신호 주파수를 갖는 시스템 출력에서 디지털 신호를 생성할 수 있다. 도 2의 센서 소자를 포함하는 센서 시스템의 이러한 디지털 신호는 도 4에 도시되어 있다(참조 번호 401).
따라서, 신호 주파수는 활성 인코더의 경우 자기 극의 개수에 의존할 수 있다.
소형 인코더의 경우, 위치 또는 회전 속도 결정은 낮은 품질의 결과를 야기할 수 있는데, 그 이유는 인코더는 제한된 자기장 세기를 나타내기 때문이다. 이러한 제한된 자기장 세기는 인코더로부터 비교적 먼 거리에서 정확한 측정을 위해서는 충분하지 않을 수 있다.
따라서, 센서 시스템의 주파수 특성을 증가시킴으로써 개선된 분해능을 제공하는 것이 바람직할 수 있다.
센서에 대해 상대적으로 이동하는 인코더의 위치 또는 회전속도 측정에 대한 분해능을 개선하기 위해, 신호 주파수는 증가해야만 할 수 있다. S-형상의 특성을 갖는 센서의 경우, 신호 주파수는 인코더의 자기 극의 개수에 대응할 수 있다. 즉, 신호 주기는 자기 극 쌍의 폭 또는 360°에 대응한다.
주파수 체배를 달성하기 위해, 자기장 센서의 센서 특성은 변경되어야만 한다. 이것은 예를 들어 V-형상의 특성 또는 W-형상의 특성에 의해 제공될 수 있다. 상이한 자기장 센서의 다양한 특성으로 인해, 둘 이상의 신호 주기는 360°의 범위에 걸쳐 생성될 수 있다.
도 5는 자기장 센서 소자, 예를 들어 GMR 센서 소자의 V-형상의 특성을 나타낸다. 수평축(501)은 자기장 세기(H)를 kA/m의 단위로 나타내고 수직축(502)은 브릿지 출력(Uout)을 mV/V의 단위로 나타낸다. 도 5로부터 알 수 있는 바와 같이, GMR 휘스톤 브리지 출력(503)은 V형상을 갖는다. 센서 유닛의 휘스톤 브릿지 출력은 신호 분석 또는 신호 프로세싱에 사용되는 결정 유닛에 전송될 수 있다. 도 5로부터 알 수 있는 바와 같이, 센서 소자의 미분 신호는 기본적으로 항상 자기장의 방향과는 무관하게 동일한 절대 값을 갖는다. 따라서, 특성(503)은 출력 전압에 대해 모호하다.
도 6은 센서 유닛이 사인곡선의 자기장에 의해 여기되는 경우 센서 유닛의 V형상의 특성에 의해 주파수 복제가 달성되는 방식을 나타낸다. 도 6c는 사인곡선의 자기장인 입력 신호를 나타낸다. 도 6c의 수평축은 자기장 세기를 나타내고 도 6c의 수직축은 예를 들어 회전 각도, 시간 또는 위치를 나타낸다.
도 6a는 센서 유닛의 V형상의 특성을 나타낸다. 또한, 수평축은 자기장 세 기를 나타내고 수직축은 센서 출력을 나타낸다.
도 6b는 신호(6c)가 측정되는 경우 센서 유닛의 출력 신호를 나타낸다. 여기서, 수평축은 도 6c의 수직축(각도, 시간 또는 위치)을 나타내고 수직축은 센서 출력을 나타낸다. 도 6b로부터 알 수 있는 바와 같이, 센서 출력은 도 6c에 도시된 입력 신호의 주파수의 두 배의 주파수를 갖는다.
도 7에 도시되어 있는 바와 같이, 도 6b에 도시된 출력 신호는 자기장 센서 시스템의 결정 유닛에 의해 디지털화된 출력 신호로 더 처리될 수 있다. 도 7로부터 알 수 있는 바와 같이, 디지털화된 출력 신호(701)는 도 4의 디지털화된 출력 신호의 주파수의 두 배의 주파수를 갖는다.
도 8은 본 발명의 예시적인 실시예에 따라 자기장 센서 소자의 W형상의 특성을 나타낸다. 이 W형상의 특성은 (도 5에 도시된 V형상의 특성의 사용에 따른) 주파수 체배에 사용될 수 있다. 도 8로부터 알 수 있는 바와 같이, 수평축(801)은 자기장 세기(H)를 kA/m의 단위로 나타내고 수직축(802)은 브릿지 출력(Uout)을 mV/V의 단위로 나타낸다(축(801)은 -8 내지 8 kA/m의 범위를 가지고 축(802)은 -2 내지 12 mV/V의 범위를 가진다). 출력 신호는 자기장 세기가 증가함에 따라 증가하고 그에 뒤이어 출력 신호가 감소함에 따라 자기장 세기(803,804)가 제각각 더 증가한다. 출력 전압에 대한 도 8의 특성의 모호성은 후속하는 주파수 체배에 기초한다.
도 9는 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 W형 특성에 기초한 신호 주파수 체배를 도시한다. 도 9c는 입력 신호에 따른 사인곡선의 자기장 의존성을 도시하 는데, 수평축은 자기장 세기(H)를 나타내고 수직축은 (인코더에 대한 센서의) 회전 각도, 시간 또는 위치 중 하나를 나타낸다.
도 9a는 (도 8에 도시된 것과 같은) 센서 유닛의 W형 특성을 나타낸다.
도 9b는 도 9c의 신호를 측정하는 센서 유닛의 출력 신호를 나타낸다. 도 9b로부터 알 수 있는 바와 같이, 수평축은 각도, 시간, 위치를 나타내고 수직축은 센서 출력 신호를 나타내며, (표준 센서 시스템에 대해) 4의 계수만큼 주파수 체배가 달성된다. 이러한 주파수 체배는 수평선(901)으로 도시한 바와 같이 후속하는 신호 프로세싱 단계의 트리거 포인트 또는 스위칭 포인트를 조정함으로써 달성될 수 있다. 이것은 하나의 자기 극쌍(360°)의 범위에 걸쳐 네 개의 신호 주기가 존재한다는 것을 의미한다.
따라서, 부가적인 전자 부품을 제공하지 않아도, 본 발명의 예시적인 실시예에따른 센서 유닛(예를 들어, GMR 센서 유닛)을 사용함으로써 출력 신호의 체배를 제공할 수 있다.
도 9b의 센서 유닛 출력 신호의 신호 프로세싱에 의해 생성되는 디지털 출력 신호의 주파수 체배는 도 10에서 신호(1001)로 도시되어 있다.
또한, 본 발명의 예시적인 실시예에 따르면, 측정된 신호의 주파수 증가 또는 주파수 체배를 위해 다수의 센서 유닛이 사용될 수 있다. 예를 들어, 제 1 센서 유닛, 예를 들어 도 11의 센서 유닛(1106)은 제 1 위치에 배치될 수 있고 제 2 센서 유닛, 예를 들어 도 11의 센서 유닛(1107)은 GMR 센서 시스템(1101) 내의 제 2 위치에 배치될 수 있다.
각 센서 유닛(1106,1107)은 인코더(1105)와 센서(1102)의 상대적 이동 동안의 자기장을 반영하는 제각기의 출력 신호를 출력한다. 두 개의 출력 신호는 증폭기(103)에 의해 증폭되고 기준 전압(Vref)이 제공되는 비교기(1104)에 의해 처리된다. 그런 다음, 신호 출력(1160)에 의해, 결정 출력 신호(Vout)는 신호(1108)로서 제공된다. 이 결정 출력 신호(1108)는 물체 또는 인코더(1105)의 위치 및 회전 속도 중 적어도 하나를 나타낸다. 도 11의 경우, 인코더(1105)는 직선형상의 물체이며, 그 위치는 센서 시스템(1102)에 의해 측정된다.
단일 센서 유닛(1106,1107)을 다수 개 사용함으로써, 신호 주파수의 또 다른 증가가 제공될 수 있다.
또한, 신호 출력 주파수의 또 다른 증가는 비교기 또는 또 다른 전자부품(1104)에 의해 수행되는 신호 프로세싱 기법에 의해 제공될 수 있다.
V형상 또는 W형상의 전달 특성과는 다른 전달 특성을 나타내는 다른 센서 유닛이 사용될 수 있음을 이해해야 한다.
도 12는 인코딩 유닛(1105)을 포함하는 회전 물체의 회전 주파수를 측정하는 측정 구성을 나타낸다. 인코딩 유닛(1105)은 예를 들어 교번하는 자화 영역(1201,1202)에 의해 자기적으로 코딩된다. 이것은 자기력선(1203)으로 심볼화된다. 센서 시스템(1101)에 의해 수행되는 측정은 인코딩 유닛(1105)의 바깥 원주 상에서 수행된다.
회전 속도를 측정하는 또 다른 예시적인 측정 구성은 도 13에 도시되어 있 다. 여기서, 자기 센서 시스템(1101)은 인코더(1105)의 전면(front surface)에서 자기장 측정을 수행한다.
도 14는 수동 강자성 인코더(1401)의 바깥 원주에서 회전 주파수를 측정하는 본 발명에 따른 측정 구성의 또 다른 예시적인 실시예를 나타낸다. 인코더(1401)는 상술한 바와 같이 다수의 티쓰(1402) 및 갭(1403)을 포함한다. GMR 센서 시스템(1101)은 센서 유닛(1106,1107)의 후면에 배열된 활성 마그네트(1404)를 포함한다.
도 15는 본 발명에 따른 예시적인 방법에 대한 예시적인 실시예의 흐름도이다. 이 방법은 제 1 주파수를 갖는 인코딩된 자기장을 생성함으로써 단계(1)에서 시작한다. 이 인코딩된 자기장은 추적되는 물체에 결합되거나 또는 그 물체의 일부를 형성하는 인코더 유닛에 의해 생성될 수 있다. 제 2 단계에서, 물체가 예를 들어 회전 이동 또는 직선 이동 또는 임의의 다른 이동에 의해 센서 유닛에 대해 상대적으로 이동하는 동안, 인코딩된 자기장은 제 1 센서 유닛에 의해 측정되고 제 2 센서 유닛에 의해 측정될 수 있다(그러나, 제 2 센서 유닛은 본 발명의 예시적인 실시예에 따르면 불필요하다).
센서 유닛에 의해 대응하는 자기장 변화를 측정한 후, 자기장 변화에 대응하는 제 1 및 제 2 출력 신호가 생성된다. 양 출력 신호는 (센서에 대한 인코더의 이동으로 인해) 자기장이 변하게 되는 주파수보다 높은 주파수를 갖는다.
제 4 단계에서, 결정 출력 신호는 결정 유닛에 의해 생성되는데, 상기 결정 유닛은 비교기 또는 소정의 다른 분석 또는 처리 유닛일 수 있고 예를 들어 집적 회로 또는 다른 전자 소자의 형태로 구현될 수 있다. 생성된 결정 출력 신호는 인코더의 회전 또는 다른 이동으로 인해 자기장이 변하게 되는 주파수보다 높은 주파수를 갖는다. 따라서, 위치 또는 회전 주파수 측정의 분해능은 개선된다.
자기장 센서의 이러한 주파수 증가 특성은 작은 자화 인코더에 의한 회전 속도 측정 및 위치 결정에 대한 자기장 센서의 애플리케이션을 제공한다. 도 11 내지 도 14에 도시된 예시적인 실시예는 상이한 인코더 실시예와 위치 및 회전 속도 결정을 위한 대응하는 전자 신호 프로세싱을 사용하여 구현될 수 있다.
휠 베이링에 대한 자동차 애플리케이션과 같은 애플리케이션에는 인코더의 크기 감소가 필요할 수 있다.
인코더의 크기가 감소되는 경우, 유효 자기장 세기(H)는 그에 따라 감소할 수 있다. 따라서, 예를 들어, 센서와 인코더 간의 거리는 일정한 분해능을 제공하기 위해 감소되어야 한다. 이러한 감소가 가능하지 않은 경우, 측정의 분해능은 감소한다. 분해능을 개선하기 위해, 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 주파수 증가 방법이 사용될 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 주파수 증가는 부가적인 전자 부품 또는 기계적 부품을 사용할 필요 없이 센서 유닛 내에서 제공될 수 있다.
본 발명의 예시적인 실시예에 따라 측정된 신호의 출력 주파수를 증가시킴으로써, 보간 방법의 경우 측정 신호를 분석하기 위한 전자 분석 회로는 간략화될 수 있다. 예를 들어, 사인곡선의 센서 출력 신호가 256 또는 8비트의 계수로 보간하는 보간기에 전송되는 경우, 계수는 본 발명에 따른 주파수 복제에 의해 128까지 감소될 수 있다. 보간 계수의 감소는 상당한 비용 절감 및 전자 부품에 필요한 공간의 감소를 제공할 수 있다.
또한, 출력 주파수의 증가는 전자 부품의 감소를 가져오고 따라서 분석 및 프로세싱 회로의 간략화를 제공하기 때문에 센서 시스템의 신뢰성이 증가될 수 있다. 이것은 특히 자동차 산업에 관련될 수 있다.
"포함하는"이라는 용어는 다른 소자 및 단계를 배제하는 것은 아니고, "단수"가 복수를 배제하는 것은 아니며, 단일 프로세서 또는 시스템은 청구항에 기재된 몇몇 수단 또는 유닛의 기능들을 수행할 수 있음을 이해해야 한다. 또한, 상이한 실시예와 관련하여 기술한 소자들은 결합될 수 있다.
청구항 내의 임의의 참조 부호는 청구항의 범주를 제한하는 것으로 해석되어서는 안된다.

Claims (13)

  1. 물체의 위치 또는 회전 속도를 결정하는 센서 시스템에 있어서,
    제 1 센서 유닛과,
    인코더 유닛을 포함하되,
    상기 인코더 유닛은 제 1 교번 주파수(first alternating frequency)를 갖는 인코딩 자기장(an encoded magnetic field)을 생성하도록 구성되고,
    상기 제 1 센서 유닛은 상기 인코딩된 자기장을 측정하고 상기 측정된 인코딩된 자기장에 기초하여 제 1 출력 신호를 생성하도록 구성되며,
    상기 제 1 출력 신호는 상기 제 1 교번 주파수보다 높은 제 2 주파수를 갖는
    센서 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 센서 유닛은 거대 자기 저항(Giant Magneto Resistor: GMR)을 포함하는 센서 시스템.
  3. 제 1 항에 있어서,
    결정 유닛을 더 포함하되,
    상기 결정 유닛은 상기 제 1 센서 유닛으로부터의 상기 제 1 출력 신호에 기초하여 결정 출력 신호를 생성하도록 구성되고,
    상기 결정 출력 신호는 상기 물체의 위치 및 회전 속도 중 적어도 하나를 나타내는
    센서 시스템.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 결정 출력 신호는 상기 제 2 주파수 이상인 제 3 주파수를 갖는
    센서 시스템.
  5. 제 3 항에 있어서,
    제 2 출력 신호를 생성하는 제 2 센서 유닛을 더 포함하되,
    상기 센서 시스템은 제 1 출력 신호 및 제 2 출력 신호에 기초하여 결정 출력 신호를 생성하도록 구성되고,
    상기 결정 출력 신호는 상기 제 2 주파수보다 높은 제 4 주파수를 가지며,
    상기 결정 출력 신호는 상기 물체의 위치 및 회전 속도 중 적어도 하나를 나타내는
    센서 시스템.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 센서 유닛은 V-형상 센서 특성(a V-shaped sensor characteristic) 및 W-형상 센서 특성(a W-shaped sensor characteristic) 중 하나 를 갖는 센서 시스템.
  7. 물체의 위치 또는 회전 속도를 결정하는 센서에 있어서,
    결정 유닛 및 제 1 센서 유닛을 포함하되,
    상기 결정 유닛은 제 1 센서 유닛으로부터의 제 1 출력 신호에 기초하여 결정 출력 신호를 생성하도록 구성되고,
    상기 결정 출력 신호는 상기 물체의 위치 및 회전 속도 중 적어도 하나를 나타내며,
    상기 제 1 센서 유닛은 인코딩된 교번 자기장을 측정하고 상기 측정된 인코딩된 자기장에 기초하여 제 1 출력 신호를 생성하도록 구성되며,
    상기 제 1 출력 신호는 상기 인코딩된 자기장의 제 1 주파수보다 높은 제 2 주파수를 갖는
    센서.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 결정 출력 신호는 상기 제 2 주파수 이상인 제 3 주파수를 갖는 센서.
  9. 제 7 항에 있어서,
    제 2 출력 신호를 생성하는 제 2 센서 유닛을 더 포함하되,
    상기 결정 유닛은 제 1 센서 유닛으로부터의 상기 제 1 출력 신호 및 제 2 센서 유닛으로부터의 제 2 출력 신호에 기초하여 결정 출력 신호를 생성하도록 구성되고,
    상기 결정 출력 신호는 상기 제 2 주파수보다 높은 제 4 주파수를 가지며,
    상기 결정 출력 신호는 상기 물체의 위치 및 회전 속도 중 적어도 하나를 나타내는
    센서.
  10. 물체의 위치 또는 회전 속도를 결정하는 제 1 항의 센서 시스템의 사용.
  11. 물체의 위치 또는 회전 속도를 결정하는 방법에 있어서,
    인코더 유닛이 제 1 교번 주파수를 갖는 인코딩된 자기장을 생성하는 단계와,
    제 1 센서 유닛이 상기 인코딩된 자기장을 측정하는 단계와,
    상기 제 1 센서 유닛이 측정된 인코딩된 자기장에 기초하여 상기 제 1 교번 주파수보다 높은 제 2 주파수를 갖는 제 1 출력 신호를 생성하는 단계를 포함하는
    물체의 위치 또는 회전 속도 결정 방법.
  12. 제 11 항에 있어서,
    결정 유닛이 상기 제 1 센서 유닛으로부터의 상기 제 1 출력 신호에 기초하여 결정 출력 신호를 생성하는 단계를 더 포함하되,
    상기 결정 출력 신호는 상기 물체의 위치 및 회전 속도 중 적어도 하나를 나타내고,
    상기 결정 출력 신호는 제 2 주파수 이상인 제 3 주파수를 갖는
    물체의 위치 또는 회전 속도 결정 방법.
  13. 제 11 항에 있어서,
    센서 시스템이 상기 제 1 센서 유닛으로부터의 상기 제 1 출력 신호 및 제 2 센서 유닛으로부터의 제 2 출력 신호에 기초하여 결정 출력 신호를 생성하는 단계를 더 포함하되,
    상기 결정 출력 신호는 상기 제 2 주파수보다 높은 제 4 주파수를 가지며,
    상기 결정 출력 신호는 상기 물체의 위치 및 회전 속도 중 적어도 하나를 나타내는
    물체의 위치 또는 회전 속도 결정 방법.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102008041987A1 (de) 2008-03-25 2009-10-01 Kia Motors Corporation Lösungsmittelfreies polyurethanbasiertes Kunstleder mit der Struktur von Menschenhaut und Verfahren zum Herstellen desselben

Families Citing this family (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9000763B2 (en) * 2011-02-28 2015-04-07 Infineon Technologies Ag 3-D magnetic sensor
DE102013225316A1 (de) * 2013-12-09 2015-06-11 Continental Teves Ag & Co. Ohg Untersuchen eines Drehzahlsensors auf Neigung zum Flippen
DE102016221517A1 (de) * 2016-11-03 2018-05-03 Schaeffler Technologies AG & Co. KG Sensoranordnung mit einem AMR-Sensor sowie Rotationslager mit einer solchen Sensoranordnung
DE102017107228A1 (de) 2017-04-04 2018-10-04 Infineon Technologies Ag Sensoreinrichtungen, Systeme und Verfahren
US10718827B2 (en) * 2017-08-25 2020-07-21 Infineon Technologies Ag Frequency increasing sensor protocol in magnetic sensing
CN113295881A (zh) * 2021-06-17 2021-08-24 工业互联网创新中心（上海）有限公司 一种高精度通用型工业焊机送丝速度测量装置和方法

Family Cites Families (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0412200B1 (de) * 1989-08-11 1993-02-10 Siemens Aktiengesellschaft Dreherkennungsvorrichtung
US5744950A (en) * 1996-05-09 1998-04-28 Ssi Technologies, Inc. Apparatus for detecting the speed of a rotating element including signal conditioning to provide a fifty percent duty cycle
DE19906937A1 (de) * 1999-02-19 2000-09-14 Mannesmann Vdo Ag Drehzahlgeber
KR20040102113A (ko) * 2002-04-18 2004-12-03 콘티넨탈 테베스 아게 운트 코. 오하게 국부적인 변위 및 회전을 검출하는 방법 및 장치
DE10228662A1 (de) * 2002-06-27 2004-01-22 Philips Intellectual Property & Standards Gmbh Magnetoresistiver Sensor
US6894486B2 (en) * 2003-09-30 2005-05-17 Delphi Technologies, Inc. Magnetic encoder with double Frequency output

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102008041987A1 (de) 2008-03-25 2009-10-01 Kia Motors Corporation Lösungsmittelfreies polyurethanbasiertes Kunstleder mit der Struktur von Menschenhaut und Verfahren zum Herstellen desselben

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