KR20100027007A - 회전 운동 가능한 부품의 축방향 운동 측정을 위한 시스템 및 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 축(A)을 따라 회전 운동 가능한 부품(1)의 축방향 운동을 측정하기 위한 시스템으로서, 자기 인코딩 장치와, 적어도 제1 자기 센서(5) 및 제2 자기 센서(6)를 포함하여 자기장을 검출하기 위한 시스템과, 신호 처리 유닛(8)을 포함하며, 상기 제1 센서(5)는, 2개 이상의 제1 서브-조립체들로 분리되는 정렬된 복수의 제1 감지 엘리멘트들(elements); 및 상기 제1 서브-조립체들에 의해 전달되는 신호의 함수로서 직각 위상(quadrature)에서 동일한 진폭을 갖는 2개의 아날로그 신호 SIN1과 COS1을 전달하도록 배열되는 전자 회로를 포함하며, 상기 신호 처리 유닛(8)은, 상기 신호들 SIN1과 COS1으로부터 신호 ARC TAN1 = arc Tan (SIN1/COS1)을 결정하기 위한 제1 컴퓨터와, 상기 신호 ARC TAN1의 함수로서, 상기 제1 센서에 의해 보이는 자기장과 상기 제2 센서에 의해 보이는 자기장 사이의 위상천이를 결정하기 위한 컴퓨터를 포함한다. 또한, 본 발명은 측정 방법에도 관련된다.

축방향 운동, 회전, 자기 인코딩, 자기장, 전자 회로, 위상천이

Description

회전 운동 가능한 부품의 축방향 운동 측정을 위한 시스템 및 방법 {SYSTEM AND METHOD FOR MEASURING THE AXIAL MOVEMENT OF A MOVABLE PART IN ROTATION}

본 발명은 회전 운동 가능한 부품의 운동을 측정하기 위한 시스템 및 회전 운동 가능한 부품의 축방향 운동을 측정하기 위한 방법에 관한 것이다.

더 상세하게, 본 발명은 축에 대한 회전시와 회전 축에 평행한 축을 따라 병진시(translation) 운동 가능한 부품의 축방향 운동을 측정하는 것에 관한 것이다.

적합하게 작동하도록, 핀 조인트(pin joint)는 축 작동 운동을 필요로 한다. 그러나, 상기 운동은 일반적으로 가이드(guiding) 부품과 베어링 상태의 함수로서 변화한다. 따라서, 베어링 마멸의 좋은 지시자인 축 운동을 측정하는 것은 필수적이다. 예를 들면, 철도 캐리지 액슬 박스(railway carriage axle box)에서, 링이 마멸되거나 마멸됨에 따라, 베어링은 1 mm를 초과할 수 있는 축 운동을 유도하는 부식을 겪는다.

종래 기술에서, 인코더(encoder)와 센서를 사용하여 회전 부재의 이동을 측정하기 위한 자기 시스템이 알려졌다. 인코더는 일반적으로 링이며, 회전 부재와 일체로 형성되고, 자기 고리형 트랙을 포함하며, 상기 자기 고리형 트랙 위에서 동일한 거리로 분배되는 복수의 남북 극들(poles) 쌍(pair)이 자기화된다. 고정된 센서는 자기 트랙에 방사상으로 대향 배치되며, 자기장에 감응하는 엘리멘트들(elements)로 구성된다. 센서는 자기 신호를 전달하며, 상기 자기 신호의 주파수는, 특히, 회전 부재의 회전 속도를 결정하는 것을 가능하게 한다. 그러나, 그러한 시스템은 회전 운동 가능한 부품의 축방향 운동을 측정할 수 없다.

회전 부재의 축방향 운동을 결정하기 위한 자기 세기의 변화의 측정 뿐만 아니라, 센서를 링에 대향 배치시키는 것도 알려졌다. 그러나, 그러한 측정은 자기장 세기의 측정이 상당한 온도 편류(drift)를 나타내기 때문에 신뢰할 수 없다. 따라서, 이 시스템은 상당한 온도 변화가 있는 다루기 힘든 환경에 적용될 수 없다.

보어(bore) 내의 샤프트(shaft)의 축 변위를 결정하기 위하여, "샤프트 말단" 방안들도 존재하며, 여기서, 위치 센서 또는 근접 센서가 샤프트 말단에 대향하여(opposite) 설치된다. 그러나, 이것이 전체 치수들 때문에 특정 경우에는 가능하지 않을 수 있다는 사실 이외에, 샤프트 말단은 이 방안을 불가능하게 하는 전류의 회귀, 원뿔 피니언(conical pinion) 같은 기능을 때때로 갖는다.

또한, 유럽 특허 출원 EP 제1 875 422호는 축 변위 검출을 위한 시스템을 개시한다. 이 시스템은, 회전 부재와 일체로 형성되는 다극성(multipolar) 자기 링과, 상기 링 경계선으로부터 인식 거리(reading distance)에 있으며, 방사상으로 대향 배치된 고정된 센서를 사용한다. 링은 특히, 그의 주위에서 회전 부분의 회전 축에 대하여 경사진 자기 병진(translation)을 갖는다. 회전 부재가 축 상에서 움 직일 때, 시스템은 지표(characteristic)의 양측에서 극들의 길이 변화를 검출한다. 다음, 그로부터 회전 부분의 축 변위를 추론하는 것이 가능하다. 그러나, 축 변위의 측정은 각 회전마다 단 한 번 실행되며, 속도의 측정은 이 극에서 정확하지 않다. 따라서, 이 방안은 고분해 속도 측정에 부적합하다.

일본 특허 출원 JP 제2006-201157호는 회전 운동 가능한 부품의 축 변위를 측정할 수 있도록 하는 시스템을 개시한다. 측정 시스템은 볼 베어링의 내부 링과 일체로 형성되는 고리형 인코더와, 센서의 고리형 인코딩 트랙에 방사상으로 대향 배치되면서, 베어링의 외부 링에 고정되는 하나 또는 2개의 센서를 포함한다.

일본 특허 출원 JP 제2006-201157호의 도 10에서 설명되는 하나의 실시예에서, 인코더는 2개의 인코딩 트랙을 포함한다. 두 트랙 모두 대향(opposite) 삼각법(trigonometric) 방향에 있는 일정한 각도의 나선 형태의 패턴을 갖는다. 센서는 2개의 트랙 각각에 대향 배치되며, 컴퓨터 장치는 센서에 의해 전달된 신호들 사이의 위상차의 함수로서 축 변위를 결정한다.

그러나, 이 문헌은 센서에 의해 전달된 신호들 사이의 위상천이(phase shift)의 결정의 원리를 개시하지 않는다. 현재, 회전 운동 가능한 부품의 축방향 운동의 신뢰할 수 있는 값을 얻기 위해, 위상천이 값 결정의 정확성은 필수적이다.

또한, 운동 가능한 부품의 회전 속도가 상당한 변화를 보이므로, 정확하게 위상천이 값을 결정하는 것은 더 어렵다.

본 발명은 신뢰할 수 있으며 정확한 방법으로 회전 운동 가능한 부품의 축 변위를 측정할 수 있도록 하는, 회전 운동 가능한 부품의 축방향 운동을 측정하기 위한 시스템 및 방법을 제공하여, 상기 문제들을 해결하는 것을 목적으로 한다.

상기 목적을 위한 제1 양상에 따르면, 본 발명은 축(A)을 따라 회전 운동 가능한 부품의 축방향 운동을 측정하기 위한 시스템을 제공한다. 상기 시스템은,

- 운동 가능한 부품에 고정되는 하나 이상의 고리형 링을 포함하는 자기 인코딩 장치, 상기 고리형 링 상에서, 동일한 거리로 분배되며, 축(A)을 갖는 나선 형태를 갖는 복수의 남북 극들의 쌍은 자기화된다;

- 서로 0이 아닌(non null) 축 거리(d)에 위치하며, 방사상으로 대향하고, 상기 자기 인코딩 장치의 주변 트랙(peripheral track)으로부터 인식 거리에 있으며, 상기 자기 인코딩 장치에 의해 유도되는 자기장의 변화에 감응하는 고정된 제1 자기 센서 및 고정된 제2 자기 센서를 포함하는 자기장을 검출하기 위한 장치; 및

- 신호 처리 유닛(signal processing unit)을 포함한다.

- 제1 센서는 다음을 포함한다:

- 축(A)에 수직하는 동일한 평면에 위치하는 복수의 제1 감지 엘리멘트들, 상기 감지 엘리멘트들은 적어도 2개의 제1 서브-조립체들(sub-assemblies)로 분리된다; 및

- 상기 제1 서브-조립체들에 의해 전달되는 신호의 함수로서 직각 위상(quadrature)에서 동일한 진폭을 갖는 2개의 아날로그 신호 SIN1과 COS1을 전달하도록 배열되는 전자 회로.

- 신호 처리 유닛은 다음을 포함한다:

- 상기 신호들 SIN1과 COS1으로부터 신호 ARC TAN1 = arc Tan (SIN1/COS1)을 결정하기 위한 컴퓨터와,

- 신호 ARC TAN1의 함수로서, 제1 센서에 의해 보이는 자기장과 제2 센서에 의해 보이는 자기장 사이의 위상천이를 결정하기 위한 연산자(operator).

따라서, 제1 및 제2 센서들에 의해 전달되는 신호들 사이의 위상천이는 운동 가능한 부품의 회전 속도의 변화와 독립하여 측정된다. 사실, 위상천이의 값은 주시되는 극들 쌍 상에서의 센서의 절대적인 위치를 나타내는 신호 ARC TAN1의 함수로서 결정된다. 따라서, 본 발명에 따른 시스템에 의해 얻어진 축 변위의 측정은 감소된 오차 한도를 갖는다.

또한, 측정 시스템은 2개의 센서를 사용하기 때문에, 2개의 중복된(duplicated) 속도 측정을 얻는 것이 가능하다. 측정의 중복성은 속도 측정에서 증가된 안전성을 보증하며, 특히, 속도 측정이 ABS 또는 안티-슬립(anti-slip) 시스템들에 사용될 때 흥미롭다.

하나의 실시예에서, 제2 센서는 다음을 포함한다:

- 축(A)에 수직하는 동일한 평면에 위치하며, 적어도 2개의 제2 서브-조립체들로 분리되는 복수의 제2 감지 엘리멘트들과,

- 상기 제2 서브-조립체들에 의해 전달되는 신호의 함수로서 직각 위상에서 동일한 진폭을 갖는 2개의 아날로그 신호 SIN2와 COS2를 전달하도록 배열되는 전자 회로.

하나의 실시예에서, 신호 처리 유닛은, 신호 SIN2 또는 COS2에 의하여 미리 설정된 문턱값(threshold)을 통한 경로 상의 신호 ARC TAN1의 값의 함수로서 순시 각(instantaneous angular) 위상천이를 결정하기 위한 연산자를 포함한다.

다른 실시예에서, 신호 처리 유닛은 다음을 포함한다:

- 신호 SIN2와 COS2로부터 신호 REF = arc Tan (SIN2/COS2)를 결정하기 위한 컴퓨터; 및

- ARC TAN1와 REF 간의 차이의 함수로서 순시 각 위상천이를 결정하기 위한 연산자.

신호 ARC TAN1와 REF의 값들은 주시되는 극들 쌍 상의 센서들의 절대 위치를 나타내며, 따라서, 실시간으로 샤프트 상의 축 변위를 알 수 있다.

다른 실시예에서, 제2 센서는, 자기장에 감응하며 신호 REF를 전달하는 단 하나의 센서를 포함하며, 신호 처리 유닛은 상기 신호 REF에 의해 미리 설정된 문턱값을 통한 경로 상에 신호 ARC TAN1의 값들의 함수로서, 순시 위상천이를 결정하기 위한 연산자를 포함한다.

바람직하게, 상기 시스템은 순시 위상천이의 극단 값들(extreme values)을 저장하고 그로부터 인코딩 장치와 검출 장치 사이의 축 운동을 유도하기 위한 분석기를 더 포함한다.

하나의 실시예에서, 제1 센서 및 제2 센서는 일반적인 사용자 주문 ASIC 집적 회로 내에 있다. 따라서, 그런 검출의 전체 치수들은 제한되며, 따라서, 그것의 통합은 촉진된다. 또한, 동일한 집적 회로에 2개 센서 전부의 통합은 실질적으로 측정 시스템의 제조 원가를 감소시킬 수 있다.

하나의 실시예에서, 상기 제1 고리형 링의 극들은, 운동 가능한 부품과 일체인 축(A)을 갖는 제2 고리형 트랙을 포함하는 인코딩 장치와 함께, 일정한 나선 각(α)을 가지며, 상기 제2 고리형 트랙 상에서, 동일한 거리로 분배되며 제1 주변 트랙의 극들에 대해 경사지는 복수의 남북 극들의 쌍들은 자기화된다.

하나의 실시예에서, 제2 고리형 트랙의 극들은 축(A)과 평행한 방향으로 연장한다.

다른 실시예에서, 제2 고리형 트랙의 극들은 축(A)을 갖는 나선 형태이며, 일정한 나선 각(β)을 갖는다. 바람직하게, 각(β)과 각(α)은 동일하며, 대향 삼각법 방향에 있다. 따라서, 주의되는 위상천이가 더 중요하며, 축 변위의 측정의 감도는 배가된다.

제2 양상에 따르면, 본 발명은 적어도 다음의 단계들을 포함하는 고정된 기준 시스템과 관련하여 축(A)에 대한 회전 운동 가능한 부품의 축방향 운동을 측정하기 위한 방법에 관한 것이다.

- 운동 가능한 부품과, 트랙 상에서 고려되는 각 위치(Θ)와 트랙 상에서 고려되는 축 위치(X)의 하기의 함수 F(Θ,X) 함수와 관련하여, 기준 시스템 내 축(A)으로부터 미리 설정된 방사상 거리에 있는 자기장의 방사상 컴포넌트 들(components) 중 하나와 함께, 하나 이상의 고리형 자기 트랙을 사용하는 운동 가능한 부품에 대한 고정된 자기장을 생성하는 단계;

여기서, P는 정수이며, G는 X의 주어진 순증가 함수이고, Ψ는 주기 2π를 갖는 주기 함수이다.

- 고리형 트랙에 대향 배치되며, 기준 시스템에 대해 고정된 제1 센서에 의해 보이는 자기장의 변화들을 나타내는 신호들의 함수로서, 직각 위상에서 동일한 진폭을 갖는 2개의 아날로그 신호 SIN1과 COS1을 전달하는 단계;

- 신호 SIN1과 COS1으로부터 신호 ARC TAN1 = arc Tan (SIN1/COS1)을 결정하는 단계;

- 제1 센서로부터 축 거리(d)만큼 이격되며, 고정된 기준 시스템에 대해 고정된 제2 센서에 의해 보이는 자기 트랙에 의해 생성되는 자기장의 변화들의 함수인 기준 신호 REF를 전달하는 단계;

- 신호 ARC TAN1과 신호 REF의 함수로서, 제1 센서에 의해 보이는 자기장의 변화들과 제2 센서에 의해 보이는 자기장의 변화들 사이의 순시 위상천이를 결정하는 단계; 및

- 순시 위상천이의 함수로서 센서에 대한 자기 트랙의 축 변위를 결정하는 단계.

따라서, 본 발명에 따른 측정 방법은 운동 가능한 부품의 회전 속도의 변화 에 의해 바뀌지 않는 정확한 축 변위 측정을 가능하게 한다.

하나의 실시예에 따르면, 상기 방법은 다음의 단계들을 포함한다:

- 신호 REF = arc Tan (SIN2/COS2)를 결정하는 단계와,

- 신호 REF와 신호 ARC TAN1의 차이로서 순시 위상천이를 결정하는 단계.

다른 실시예에 따르면, 위상천이는, 신호 REF가 하나 이상의 미리 설정된 방향으로 미리 설정된 문턱값을 통과할 때, 신호 ARC TAN1에 의해 얻어진 값의 함수로서 결정된다.

바람직하게, 신호 REF는 신호 SIN2 또는 신호 COS2에 비례한다.

하나의 실시예에서, 함수 G는 상수 R을 갖는 다음과 같은 선형 함수이다:

G(X) = R(X - X0)/X0

후술하는 설명에서, 회전 축(A)을 따른 샤프트의 변위는 "축 변위" 라고 칭한다. X는 축(B), "인코딩" 링의 축 상의 관찰되는 포인트(point)의 축 좌표를 나타내며, Y는 축(B)에 수직한 평면에서 측정되는 링의 주변 트랙 상의 포인트의 곡선(curvilinear) 좌표를 나타낸다. 또한, "극 길이 Lp"는 축(Y)을 따라 측정되는 자극(magnetic pole)의 길이를 의미한다.

또한, 나선 각은, 여기서 설명하는 의미는, 축(X)에 대한 극의 나선의 접선에 의해 형성되는 각을 의미한다.

여기서, 홀 효과 프로브(Hall effect probe)는 하나 이상의 감지 엘리멘트를 갖는 센서들, 일반적으로 플레이트 형태의 반도체를 의미하며, 따라서 전류 I가 반도체를 흐를 때, 또한, 전류에 대해 각(θ)을 이루는 유도(induction) B를 따를 때, V = K.I.B. sin θ이며, 전압 V는 전류 I와 유도 B에 수직한 방향에서 나타난다. K는 "홀 상수"로 불리며, 감지 엘리멘트의 형상과, 물질의 특성이고, K는 온도에 따라 변한다.

여기서, "자기 저항"은 자기장의 세기에 감응하는 배리스터(varistor), 즉, 반도체 재료로 이루어지는 저항을 의미하며, 저항을 통해 흐르는 전류의 방향에 수직하게 적용되는 단향(unidirectional) 자기장의 세기가 변할 때, 저항 값은 변한다.

본 발명에 따른 시스템 및 방법은 도 1과 3에 도시된 샤프트(1)와 같이 축(A)에 대한 회전 및 축(A)과 평행한 병진 운동 가능한 부품의 운동을 측정하는 것을 목적으로 한다.

변위를 측정하기 위한 시스템은 인코딩 장치로 불리는 자기 펄스 발생기와, 자기장을 검출하기 위한 장치와, 원하는 정보, 더 상세하게 샤프트(1)의 축 변위를 얻도록 검출 장치에 의해 전달되는 신호들을 처리 가능하게 하는 신호 처리 유닛(8)을 포함한다.

도 1에 도시된 측정 시스템은, "인코더" 로도 불리는 축(B)을 갖는 2개의 다극성 자기 링(2, 7)으로 구성된 인코딩 장치를 포함한다. 링(2, 7)은 샤프트(1)와 일체로 형성되며, 그 회전 축(A)과 중심이 같다(concentrical).

자기 링(2, 7)은, 링(2, 7)의 경계선에 위치하면서 주변 트랙을 형성하는 다 수의 남북 극들(3, 4)을 포함한다. 극들(3, 4)은 링(2, 7)의 주변에 동일한 거리로 분배되며, 일정한 극 길이 Lp를 갖는다.

링(2, 7)은, 예를 들면 바륨 페라이트 입자 또는 스트론튬 페라이트 입자 또는, 2개의 인접하는 필드들(fields)에 대해 주어진 필드의 반전 자화 방향(reversed magnetization direction)으로, 복수의 인접하는 필드들로 형성되는, 다른 강자성체 재료로 채워지는 합성 재료로 이루어진 부품이 될 수 있다.

제1 링(2)의 주변 트랙의 극들은 축(B)을 갖는 나선 형태를 가지며, 나선 각(α)은 일정하다. 또한 "기준" 링이라고도 불리는 제2 링(7)에 대해서, 주변 트랙의 극들은 회전 축(A)에 평행한 방향으로 연장된다.

샤프트에 관한 기준 시스템에서, 일정한 나선 각(α)이 있는 축(B)을 가진 나선 형태를 갖는 제1 링(2)에 의해 생성된 자기장의 컴포넌트들의 하나는, 축(A)으로부터 방사상으로 미리 설정된 거리에 있으며, 트랙 상에서 고려되는 각 위치(Θ)와 트랙 상에서 고려되는 축 위치(X)의 하기의 함수 F(Θ,X)와 같다.

여기서, P는 정수이며, G는 X의 주어진 순증가(strictly increasing) 함수이고, Ψ는 주기 2π를 갖는 주기 함수이다. 예를 들어 다음과 같다.

여기서, R과 X₀는 상수이다.

자기장 검출 장치는 샤프트(1)에 대해 고정되는 2개의 센서(5, 6)로 구성되며, a1과 a2로도 불리는 리딩(reading) 축들은 일정한 거리(d)만큼 떨어지며, 샤프트(1)의 회전 축(A)에 대해 방사상으로 방위가 맞춰진다. 각 센서(5, 6)는 대향하도록 배치되며 다극성 링들(2, 7) 중 하나의 주변 트랙으로부터 인식 거리에 있다. 센서들(5, 6)은, 예를 들어, 홀 효과 프로브, 자기저항, 터널 자기 저항 또는 거대(giant) 자기저항을 포함하는 그룹으로부터 선택되며, 주변 트랙으로부터 인식 거리에 배치되어, 고려된 공기 갭(air gap)에서 링들(2, 7)에 의해 전달되는 자기 유도를 나타내는 신호를 전달할 수 있다.

따라서, 샤프트(1)가 회전할 때, 센서(5, 6)는 고려된 공기 갭에서 다극성 링들(2, 7)에 의해 전달되는 자기 세기에 비례하는 정현파, 아날로그 신호들을 전달한다. 물론, 정현파(sinusoidal) 신호의 시간 주기는 극들의 극 길이 Lp와 샤프트(1)의 회전 속도에 비례한다.

샤프트(1)가 축방향으로 이동될 때, 자기 링들(2, 7)은 리딩 축들(a1 및 a2)에 대해 이동한다(도 1의 저부 참조). 제1 링(2)에 대향(opposite) 배치되는 센서(5)에 의해 전달되는 신호들(S1)은 제1 링(2)의 극들의 나선 형태 때문에 위상천이를 일으킨다. 반면, 제2 센서(6)에 의해 전달되는 신호(S2)의 위상은, 제2 링(7)의 극들이 샤프트(1)의 회전 축(A)에 평행하게 방위가 맞춰지므로 변화되지 않는다.

따라서, 신호 처리 유닛(8)은, 2개의 센서에 의해 전달된 신호들과 제1 링의 나선 각(α) 사이의 위상천이의 함수로서, 부분의 축 변위를 결정할 수 있다.

사실, 축 변위는 제1 신호(S1, S1')에 의한 위상천이(Δφ)로부터 직접적으로 유도될 수 있다. 샤프트(1)가 초기 위치와 축 방향으로 변화된 위치에 있을 때, 축 변위(Δx)(도 2 참조)는, 각각 상기 제1 센서의 리딩 평면 내에 위치하는 나선 각(α)과, 자기 전이(magnetic transition)의 2개의 포인트들의 곡선 좌표 내 차이를 나타내는 Δy에 비례한다. 상기 관계는 다음과 같다.

Δx = Δy/tan α

여기서, Δy는 위상천이 Δφ에 정비례한다. 축 변위 Δx는 다음과 같이 표현될 수 있다:

여기서, Lp는 극 길이이며, Δφ는 디그리(degree)로 표현되며, α는 라디안(radian)으로 표현된다.

도 3에 도시된 다른 실시예에서, 인코딩 장치는, "인코더"로도 불리는, 축(B)을 갖는 하나의 다극성 자기 링(2)을 포함한다. 상기 링(2)은 샤프트(1)와 일체로 형성되며, 상기 샤프트의 회전 축(A)과 동일한 중심을 갖는다. 상기 링(2)의 주변 트랙의 극들(3, 4)은 축(B)을 갖는 나선 형태를 가지며, 나선 각(α)은 함수 α = f(x)에 따라 변한다. 여기서, x는 축(B) 상에서 관찰되는 포인트의 축 좌표를 나타낸다.

즉, 샤프트에 관련된 기준 시스템에서, 링(2)에 의해 생성된 자기장의 방사상 컴포넌트들 중의 하나는, 축(A)으로부터 미리 설정된 방사상 거리에 있으며, 트랙 상에서 고려되는 각 위치(Θ)와 트랙 상에서 고려되는 축 위치(X)의 하기의 함 수 F(Θ,X)이다:

여기서, P는 정수이며, G는 X의 주어진 순증가 함수이고, Ψ는 주기 2π를 갖는 주기 함수이다.

앞서의 실시예에서와 같이, 자기장 검출 장치는 링(2)의 주변 트랙에 방사상으로 대향 배치되는 고정된 자기 센서들(5, 6)을 포함한다. a1과 a2로 지시되는 센서들(5, 6)의 리딩 축들은 일정한 길이(d)로 이격되며, 샤프트(1)의 회전 축(A)에 대해 방사상으로 방위가 맞춰진다.

이 경우에, 검출 장치는, 특정 응용분야를 위한 사용자 주문(customized) 집적 회로를 형성하도록, 실리콘 기판 또는 예를 들어 AsGa와 같은 동등물 상에 집적되는 방식으로 사용될 수 있으며, 상기 회로들은 때때로, 필요한 함수로 부분적 또는 전체적으로 디자인된 집적 회로로 언급되는 ASIC(주문형 반도체, Application Specific Integrated Circuit)로 불린다. 그리고, 도 3에 도시된 실시예에서, 제1 센서(5) 및 제2 센서(6)는 ASIC(9) 상에 통합된다.

샤프트(1)가 축방향으로 변위되면, 자기 링(2)은 리딩 축들(a1 및 a2)에 대해 변위되며, 제1 및 제2 센서에 의해 전달된 신호들 사이의 위상천이(φ)는 변경된다. 사실, 링(2)의 극들(3, 4)은 나선 형태를 가지므로, 나선 각(α)은 변할 수 있으며, 제1 센서(5)와 제2 센서(6)에 의해 전달된 신호들 사이의 위상천이는 축 변위 진폭의 함수로서 변경될 수 있다.

결과적으로, 신호 처리 유닛(8)은, 2개 센서들에 의해 전달되는 신호 사이의 위상천이의 함수와 α= f(x)의 함수로서, 부분의 축 변위를 결정할 수 있다. 이 방안의 주요한 장점은 단 하나의 다극성 링(6)만 요구한다는 것이다. 나아가, 2개의 센서들(4, 5)은 단 하나의 집적 회로(7) 상에 모일 수 있다. 따라서, 상기 시스템은 비용 및/또는 전체 치수들이 제한된 응용분야에 특히 유리하다.

도시된 실시예에서, 링의 극들(3, 4)은 함수 y = K x²(도 3a 참조)에 따른 나선 형태를 갖는다. 즉, 나선 각은 함수 α= f(x)= arc tan 2K x에 따라 변할 수 있으며, 여기서 K는 0이 아닌 비례 상수를 나타낸다.

이 경우에, 상기에서 언급된 자기장을 생성하는 함수 F(Θ,X)의 파라미터인, 함수 G는 상수 R과 x₀를 가지며, 다음과 같이 나타낼 수 있다:

위상천이(φ)는, 각각 제1 및 제2 센서들의 리딩 평면 내에 위치하는 자기 전이의 2개의 포인트들의 곡선 좌표의 차이를 나타내는 Δy의 선형 함수이다.

또한, 링의 극들(3, 4)이 함수 y = x²에 따른 나선 형태를 가질 때, Δy는, 축 변위 X의 선형 함수인 (X² - (X+d)²) = -2Xd-d ² ~2Xd 와 동일하다(도 3a 참조). 그 결과, 위상천이(φ)의 값은 축 변위의 선형 함수이다. 따라서, 위상천이의 측정은 샤프트(1)의 절대 위치를 알 수 있도록 한다.

마지막으로, 도 4와 5에 도시된 본 발명의 다른 실시예에서, 인코딩 장치는 축(B)을 갖는 2개의 다극성 자기 링들(2, 7), 축(B)을 가지는 나선 형태인 극들(3, 4), 일정하지만 대향 삼각법 방향을 갖는 나선 각들(α, β)로 구성된다. 샤프트(1)가 축방향으로 이동할 때(도 4 및 5 참조), 센서들(5, 6)에 의해 전달되는 신호 SIN1과 REF 또는 SIN2 사이에서 주시되는 위상천이는 더 중요하며, 축 변위의 측정의 감도는 배가된다.

본 발명에 따른 센서, 신호 처리 유닛 및 측정 방법은 도 4 및 5의 실시예들과 관련하여 차례로 설명될 것이다. 그러나, 상세히 후술되는 측정 방법 뿐만 아니라 센서, 신호 처리 유닛은 도 1 내지 3에서 설명된 측정 시스템들에 적용될 수 있다.

도 4에 도시된 본 발명의 실시예에서, 제1 센서(5)는, 축(A)에 대해 수직하는 동일한 평면 내에 위치하며, 자기장에 감응하고, 2개 이상의 서브-조립체들로 분리되는, 복수의 정렬된 엘리멘트들과, 상기 서브-조립체들에 의해 전달되는 신호들의 함수로서 실질적으로 완전한 직각 위상에서 동일한 진폭을 갖는, 2개의 아날로그 신호들 SIN1 및 COS1을 전달하도록 배열된 전자 회로를 포함하는 센서이다.

이러한 센서들은 예를 들어, 본 출원인에 의해 출원된 프랑스 특허출원 FR 제1 790 827호에 기재되어 있다.

제2 센서(6)는 의사-정현파(pseudo-sinusoidal) 아날로그 신호 REF를 전달한다.

신호 처리 유닛(8)은 arc tan 함수를 SIN1/COS1 비(ratio)에 적용하는 것에 의해, 도 4에 도시된 신호 ARC TAN1 (SIN1/COS1)을 결정 가능하게 하는 컴퓨터를 포함한다. 또한, 신호 SIN1과 제2 신호 REF 사이의 위상천이를 결정하도록, 처리 유닛(8)은 연산자를 포함한다. 연산자는 제2 센서에 의해 전달되는 신호 REF에 의해 설정된 문턱값을 통한 경로에 상응하는 신호 ARC TAN1 (SIN1/COS1)의 값의 함수로서, 센서들에 의해 전달되는 신호들 사이의 위상천이를 결정한다. 예를 들어, 위상천이의 값은 함수 REF의 0을 거치는 경로 상에서 값과 신호 ARC TAN1 (SIN1/COS1)을 측정하는 것에 의해 결정된다.

그 결과, 신호 처리 유닛(8)은 미리 설정된 위상천이의 함수로서 축 변위를 계산한다.

이 방법은 매우 정확하며, 속도의 변화에 의존하지 않는 측정값을 얻을 수 있도록 하는데, 그 이유는 신호 ARC TAN1에 의해 얻어지는 값이 고려되는 극들(3, 4) 쌍 상의 센서(5, 6)의 절대 위치를 나타내기 때문이다.

도 5에 도시된 실시예에서, 제1 센서(5) 및 제2 센서(6)는 고분해 센서들이며, 각각은, 실질적으로 완전한 직각 위상에서 동일한 진폭을 갖는, 2개의 아날로그 신호들 SIN1, COS1 및 SIN2, COS2를 전달한다.

일 실시예에서, 연산자는, 신호 SIN2 또는 COS2에 의해 미리 설정된 문턱값을 거치는 경로, 예를 들어, 신호들 SIN2 또는 COS2 중 하나의 0을 거치는 경로 상에 신호 ARC TAN1 (SIN1/COS1)의 값의 함수로서 순시 각 위상천이를 결정한다.

다른 실시예에서, 컴퓨터는 신호 SIN1과 COS1으로부터 신호 ARC TAN1 (SIN1/COS1)과, 신호 SIN2와 COS2로부터 신호 REF = ARC TAN2 (SIN2/COS2)를 결정한다. 다음으로, 연산자는 위상천이를 결정하도록 신호들 ARC TAN1 (SIN1/COS1)과 ARC TAN2 (SIN2/COS2)에 의해 얻어지는 순시 값들 사이의 차이를 결정한다.

이 대안적인 방안에 따른 시스템 및 측정 방법은, 만일 측정 시스템이 샤프트(1) 상에 설치된 후 초기화되면, 실시간으로, 샤프트의 축 변위를 알 수 있도록 한다.

본 발명의 바람직한 실시예에서, 상기 시스템은, 위상천이의 극단 값들을 저장하기 위한 메모리와, 그로부터 인코딩 장치와 검출 장치 사이의 축 운동을 유도하는 해석기(analyzer)와 함께 제공된다.

본 발명은 상기에서 예로서 기술되었다. 본 기술분야의 통상의 지식을 가진자는 본 발명의 범위를 벗어나지 않으면서 본 발명의 실시예들의 다양한 변경을 행할 수 있다는 것에 주의해야 한다.

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따라 축 변위를 측정하기 위한 시스템의 개략도이다.

도 2는 도 1의 측정 시스템을 구성하는 자기 링들 중 하나의 상세한 개략도이다.

도 3은 본 발명의 제2 실시예에 따라 축 변위를 측정하기 위한 시스템의 개략도이며, 도 3a는 극들이 나선 형태를 가지며, 나선 각(α)이 함수 α = f(x)= arc tan 2K x에 따라 변할 때, 링의 하나의 극으로부터 자기 전이의 형태를 나타내는 커브이다.

도 4는 본 발명의 제3 실시예에 따른 측정 시스템과 그 검출 장치에 의해 전달되는 신호들의 개략도이다.

도 5는 본 발명의 제4 실시예에 따른 측정 시스템과 그 검출 장치에 의해 전달되는 신호의 개략도이다.

Claims (17)

1. 축(A)을 따라 회전 운동 가능한 부품(1)의 축방향 운동을 측정하기 위한 시스템으로서,

   운동 가능한 부품에 고정되는 하나 이상의 고리형 트랙과, 상기 고리형 트랙 상에서, 동일한 거리로 분배되며, 자기화되고, 축(A)을 갖는 나선 형태인 복수의 남북 극들(3, 4)의 쌍을 포함하는 자기 인코딩 장치;

   서로 0이 아닌 축 거리(d)를 두고 위치하며, 방사상으로 대향하고, 상기 자기 인코딩 장치의 주변 트랙으로부터 인식 거리에 있으며, 상기 자기 인코딩 장치에 의해 유도되는 자기장의 변화에 감응하는 고정된 제1 자기 센서(5) 및 고정된 제2 자기 센서(6)를 포함하는 자기장을 검출하기 위한 장치; 및

   신호 처리 유닛(8)을 포함하며,

   상기 제1 센서(5)는,

   상기 축(A)에 수직하는 동일한 평면에 위치하며, 2개 이상의 제1 서브-조립체들로 분리되는 복수의 제1 감지 엘리멘트들(elements); 및

   상기 제1 서브-조립체들에 의해 전달되는 신호의 함수로서 직각 위상(quadrature)에서 동일한 진폭을 갖는 2개의 아날로그 신호 SIN1과 COS1을 전달하도록 배열되는 전자 회로를 포함하며,

   상기 신호 처리 유닛(8)은,

   상기 신호들 SIN1과 COS1으로부터 신호 ARC TAN1 = arc Tan (SIN1/COS1)을 결정하기 위한 컴퓨터; 및

   상기 신호 ARC TAN1의 함수로서, 상기 제1 센서에 의해 보이는 자기장과 상기 제2 센서에 의해 보이는 자기장 사이의 위상천이를 결정하기 위한 연산자를 포함하는 것을 특징으로 하는 측정 시스템.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 제2 센서(6)는,

   상기 축(A)에 수직하는 동일한 평면에 배치되며, 2개 이상의 제2 서브-조립체들로 분리되는 복수의 제2 감지 엘리멘트들; 및

   상기 제2 서브-조립체들에 의해 전달되는 신호들의 함수로서 직각 위상에서 동일한 진폭을 갖는 2개의 아날로그 신호 SIN2와 COS2를 전달하도록 배열되는 전자 회로를 포함하는 것을 특징으로 하는 측정 시스템.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 신호 처리 유닛(8)은, 상기 신호 SIN2 또는 COS2에 의하여 미리 설정된 문턱값(threshold)을 통한 경로 상의 신호 ARC TAN1의 값의 함수로서 순시 각(instantaneous angular) 위상천이를 결정하기 위한 연산자를 포함하는 것을 특징으로 하는 측정 시스템.
4. 제 2 항에 있어서, 상기 신호 처리 유닛(8)은,

   상기 신호 SIN2와 COS2로부터 신호 REF = arc Tan (SIN2/COS2)를 결정하기 위한 컴퓨터; 및

   상기 ARC TAN1와 REF 간의 차이의 함수로서 순시 각 위상천이를 결정하기 위한 연산자를 포함하는 것을 특징으로 하는 측정 시스템.
5. 제 1 항에 있어서, 상기 제2 센서(6)는, 자기장에 감응하며 신호 REF를 전달하는 하나의 센서를 포함하며, 상기 신호 처리 유닛(8)은 상기 신호 REF에 의해 미리 설정된 문턱값을 통한 경로 상에 신호 ARC TAN1의 값의 함수로서, 순시 위상천이를 결정하기 위한 연산자를 포함하는 것을 특징으로 하는 측정 시스템.
6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,

   순시 위상천이의 극단 값들을 저장하고 그로부터 상기 인코딩 장치와 상기 검출 장치 사이의 축 운동을 추론하기 위한 분석기를 더 포함하는 것을 특징으로 측정 시스템.
7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 센서(5)와 상기 제 2 센서(6)는 일반적인 사용자 주문(common customized) ASIC 집적 회로 내에 있는 것을 특징으로 하는 측정 시스템.
8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서, 제1 고리형 트랙의 극들(3, 4)은 일정한 나선 각(α)을 가지며, 상기 자기 인코딩 장치는, 상기 운동 가능한 부품과 일체인 축(A)을 갖는 제2 고리형 트랙을 포함하며, 상기 제2 고리형 트랙 상에서 동일한 거리로 분배되며 상기 제1 고리형 트랙의 극들(3, 4)에 대해 경사지는 복수의 남북 극들(3, 4)의 쌍들이 자기화되는 것을 특징으로 하는 측정 시스템.
9. 제 8 항에 있어서, 상기 제2 고리형 트랙의 상기 극들은 축(A)과 평행한 방향으로 연장하는 것을 특징으로 하는 측정 시스템.
10. 제 8 항에 있어서, 상기 제2 고리형 트랙의 극들(3, 4)은 축(A)을 갖는 나선 형태이며, 일정한 나선 각(β)을 갖는 것을 특징으로 하는 측정 시스템.
11. 제 10 항에 있어서, 상기 각(α)과 각(β)은 동일하며, 대향 삼각 법(opposite trigonometric) 방향에 있는 것을 특징으로 하는 측정 시스템.
12. 고정된 기준 시스템에 대하여 축(A)을 따른 회전 운동 가능한 부품의 축방향 운동을 측정하기 위한 방법으로서,

    운동 가능한 부품(1)과, 트랙 상에서 관찰되는 각 위치(Θ)와 트랙 상에서 관찰되는 축 위치(X)의 하기의 함수 F(Θ,X)와 관련하여, 기준 시스템 내 축(A)으로부터 미리 설정된 방사상의 거리에 있는 자기장의 방사상 컴포넌트들 중 하나와 함께, 하나 이상의 고리형 자기 트랙을 사용하는 운동 가능한 부품에 대해 고정된 자기장을 생성하는 단계;

    

    여기서, P는 정수이며, G는 X의 주어진 순증가 함수이고, Ψ는 주기 2π를 갖는 주기 함수.

    고리형 트랙에 대향 배치되며, 상기 기준 시스템에 대해 고정된 제1 센서에 의해 보이는 자기장의 변화들을 나타내는 신호의 함수로서, 직각 위상에서 동일한 진폭을 갖는 2개의 아날로그 신호 SIN1과 COS1을 전달하는 단계;

    상기 신호 SIN1과 COS1으로부터 신호 ARC TAN1 = arc Tan (SIN1/COS1)을 결정하는 단계;

    상기 제1 센서로부터 축 거리(d)만큼 이격되며, 상기 고정된 기준 시스템에 대해 고정된 제2 센서에 의해 보이는 자기 트랙에 의해 생성된 자기장의 변화들의 함수인 기준 신호 REF를 전달하는 단계;

    상기 신호 ARC TAN1와 상기 신호 REF의 함수로서, 상기 제1 센서에 의해 보이는 자기장의 변화들과 상기 제2 센서에 의해 보이는 자기장의 변화들 사이의 순시 위상천이를 결정하는 단계; 및

    상기 순시 위상천이의 함수로서 센서에 대한 자기 트랙의 축방향 운동을 결정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 축방향 운동을 측정하기 위한 방법.
13. 제 12 항에 있어서,

    상기 제2 센서에 의해 보이는 자기장의 변화들을 나타내는 신호들의 함수로서, 직각 위상에서 동일한 진폭을 갖는 2개의 아날로그 신호 SIN2와 COS2를 전달하는 단계; 및

    SIN2 및/또는 COS2의 함수로서, 상기 신호 REF를 결정하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 축방향 운동을 측정하기 위한 방법.
14. 제 13 항에 있어서,

    상기 신호 REF = arc Tan (SIN2/COS2)를 결정하는 단계와,

    상기 신호 REF와 상기 신호 ARC TAN1 사이의 차이로서 순시 위상천이를 결정 하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 축방향 운동을 측정하기 위한 방법.
15. 제 13 항에 있어서, 상기 신호 REF가 하나 이상의 미리 설정된 방향으로 미리 설정된 문턱값을 통과할 때, 상기 신호 ARC TAN1에 의해 얻어진 값의 함수로서 상기 위상천이를 결정하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 축방향 운동을 측정하기 위한 방법.
16. 제 15 항에 있어서, 상기 신호 REF는 상기 신호 SIN2 또는 신호 COS2에 비례하는 것을 특징으로 하는 축방향 운동을 측정하기 위한 방법.
17. 제 12 항 내지 제 16 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 함수 G는 상수 R을 갖는 다음과 같은 선형 함수인 것을 특징으로 하는 축방향 운동을 측정하기 위한 방법:

    G(X) = R(X - X0)/X0

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