KR20100087117A

KR20100087117A - 2진 및 10진 출력을 갖는 절대 위치 자기 인코더

Info

Publication number: KR20100087117A
Application number: KR1020107008748A
Authority: KR
Inventors: 알프레드 존 산토스; 브루스 엠. 프라이드
Original assignee: 더 팀켄 컴퍼니
Priority date: 2007-10-22
Filing date: 2008-10-15
Publication date: 2010-08-03
Also published as: CN101855522A; DE112008002827B4; US7999536B2; JP2011501156A; WO2009055285A2; WO2009055285A3; DE112008002827T5; CN101855522B; US20090102461A1

Abstract

절대 위치 자기 인코더는 2진 출력을 위하여 구성되는 제1 자기 트랙, 10진 출력을 위하여 구성되는 제2 자기 트랙, 제1 자기 트랙의 자기장을 검출하도록 제1 자기 트랙에 인접하게 배치되는 제1 자기 센서, 및 제2 자기 트랙의 자기장을 검출하도록 제2 자기 트랙에 인접하게 배치되는 제2 자기 센서를 포함한다. 인코더는 2진 출력과 10진 출력 중 하나를 제공하도록 선택적으로 동작가능하다.

Description

2진 및 10진 출력을 갖는 절대 위치 자기 인코더{ABSOLUTE POSITION MAGNETIC ENCODER WITH BINARY AND DECIMAL OUTPUT}

관련 출원

본 출원은 2007년 10월 22일자 미국 가특허 출원 제60/981,600호의 우선권을 주장하며, 그 전체 내용을 본 명세서 참조로서 원용한다.

본 발명은 일반적으로 자극(magnetic poles)을 갖는 타겟의 절대 위치를 판정하기 위한 자기 센서의 사용에 관한 것이다.

기계 시스템에서 움직이는 물체의 위치를 판정하여, 기계 시스템에서 물체의 위치 또는 움직임이 제어될 수 있도록 하기 위하여 자기 인코더가 통상 활용된다. 자기 인코더는 통상적으로 이중 다극(dual multi-pole) 자기 트랙을 포함하며, 움직이는 물체에 장착되는 타겟과, 각각의 자기 트랙들의 극들 근처에 위치되는 자기 센서들(예컨대, 홀(Hall) 효과 소자의 스트링들)을 포함한다. 각각의 자기 트랙의 극 간격은 통상적으로 상이하여, 각각의 트랙 상에서 자기 센서에 의해 검출되는 신호에 있어서 위상차를 유도한다. 그 후, 자기 센서의 각각의 신호 사이의 위상차는 임의의 주어진 시간에서 타겟, 따라서, 움직이는 물체의 위치를 판정하는 데 활용된다. 즉, 측정 트랙 상의 자기 센서에 의한 신호 출력을 다른 트랙(즉, "기준 트랙") 상의 자기 센서에 의한 신호 출력과 비교함으로써 자기 트랙 중 하나(즉, "측정 트랙")의 위치가 판정될 수 있다.

자기 인코더가 활용되는 제어 시스템에 따라서, 인코더에 의해 10진 출력 또는 2진 출력이 바람직할 수 있다. 10진 출력이 요구되는 경우에 있어서, 10, 100, 등으로 나누어지는 측정 트랙의 회전당 카운트 또는 에지의 총수를 산출하여 회전당 정수의 카운트 수를 산출하도록, 특정 수의 N극/S극 페어(이하, "극 페어(pole pairs)"와 특정 해상도(즉, 극 페어당 "카운트" 또는 "에지")를 갖는 자기 센서를 갖는 측정 트랙으로 자기 인코더가 구성될 수 있다. 예를 들어, 자기 인코더가 10진 출력에 대해 구성되는 경우, 측정 트랙의 회전 당 1000 카운트의 해상도가 주로 요구된다. 이러한 해상도는 25개 극 페어의 측정 트랙, 24개 극 페어의 기준 트랙, 및 극 페어당 160 카운트의 해상도를 갖는 자기 센서를 갖는 타겟을 제공함으로써 성취될 수 있다(즉, 25개 극 페어 x 160 카운트/극 페어 = 측정 트랙의 회전당 총 카운트는 4000이 되고; 다음, 4로 나누어 측정 트랙의 회전당 카운트가 1000의 소망하는 해상도를 성취함).

2진 출력이 요구되는 경우, 인수가 2인 측정 트랙의 회전당 카운트 또는 에지의 총수를 산출하여 2진수의 회전당 카운트를 산출하도록, 특정 수의 극 페어 및 특정 해상도를 갖는 자기 센서를 갖는 측정 트랙으로 자기 인코더가 구성될 수 있다. 예를 들어, 자기 인코더가 2진 출력에 대해 구성되는 경우, 회전당 1024 카운트의 해상도의 측정 트랙이 주로 요구된다. 이러한 해상도는 32개 극 페어의 측정 트랙, 31개 극 페어의 기준 트랙, 및 극 페어당 128 카운트의 해상도를 갖는 자기 센서들을 갖는 타겟을 제공함으로써 성취될 수 있다(즉, 32개 극 페어 x 128개 카운트/극 페어 = 측정 트랙의 회전당 총 카운트는 4096가 되고; 그 후, 4로 나누어, 측정 트랙의 회전당 1024 카운트의 소망하는 해상도를 성취함).

<발명의 요약>

그러나, 10진 출력에서 2진 출력으로 종래의 자기 인코더를 재구성하기 위하여는, 10진 출력에 작용하는 특정 수의 극 페어(예컨대, 25개의 극 페어)를 갖는 측정 트랙을 2진 출력에 작용하는 특정 수의 극 페어(32개의 극 페어)를 갖는 측정 트랙으로 치환하도록 타겟이 변경되어야 한다. 자기 센서들 또한 10진 출력 또는 2진 출력에 작용하는 해상도를 제공하도록 재구성 또는 교환되어야 한다.

본 발명은, 일 양태에 있어서, 타겟이나 측정 트랙 또는 기준 트랙 중 어느 것을 변경 또는 교환하지 않고서 10진 출력과 2진 출력이 가능한 절대 위치 자기 인코더를 제공한다. 절대 위치 자기 인코더는 2진 출력을 위해 구성되는 제1 자기 트랙, 10진 출력을 위하여 구성되는 제2 자기 트랙, 및 제1 자기 트랙과 제2 자기 트랙의 자기장을 검출하도록 제1 자기 트랙과 제2 자기 트랙에 인접하게 위치되는 각각의 자기 센서들을 포함한다. 절대 위치 자기 인코더는 또한 단일 N극/S극 페어로 구성되는 제3 자기 트랙, 및 제3 자기 트랙의 자기장을 검출하도록 제3 자기 트랙에 인접하게 배치되는 복수의 홀(Hall) 효과 소자를 포함한다. 인코더는 2진 출력과 10진 출력 중 하나를 제공하도록 선택적으로 동작가능하다.

본 발명은, 또 다른 양태에 있어서, 2진 출력을 위하여 구성되는 제1 자기 트랙을 제공하는 단계, 10진 출력을 위하여 구성되는 제2 자기 트랙을 제공하는 단계, 제1 자기 트랙으로부터 제1 카운트 값을 검출하는 단계, 제1 카운트 값과 실질적으로 동시에 제2 자기 트랙으로부터 제2 카운트 값을 검출하는 단계, 및 제1 카운트 값 및 제2 카운트 값을 이용하여 인코더의 절대 위치를 나타내는 제3 카운트 값을 계산하는 단계를 포함하는 인코더의 절대 위치 계산 방법을 제공한다. 제3 카운트 값은 2진 출력과 10진 출력 중 하나를 제공하는데 도움이 된다.

본 발명의 기타의 특징 및 양태들은 이하의 상세한 설명 및 첨부 도면들을 고려함으로써 더욱 명백하게 될 것이다.

도 1은 본 발명의 절대 위치 자기 인코더의 개략도로서, 제1 자기 트랙, 제2 자기 트랙, 제1 자기 트랙과 제2 자기 트랙에 인접한 각각의 자기 센서들, 제3 자기 트랙, 및 제3 자기 트랙에 인접한 복수의 홀 효과 소자들을 나타내며, 제1 자기 트랙과 제2 자기 트랙 사이의 제1 위상 간격이 도시되어 있다.
도 2는 도 1의 절대 위치 자기 인코더의 개략도로서, 제1 자기 트랙과 제2 자기 트랙 사이의 제2 위상 천이 간격을 나타낸다.
도 3은 도 1의 절대 위치 자기 인코더의 개략도로서, 제1 자기 트랙과 제2 자기 트랙 사이의 제3 위상 천이 간격을 나타낸다.
도 4은 도 1의 절대 위치 자기 인코더의 개략도로서, 제1 자기 트랙과 제2 자기 트랙 사이의 제4 위상 천이 간격을 나타낸다.
도 5은 도 1의 절대 위치 자기 인코더의 개략도로서, 제1 자기 트랙과 제2 자기 트랙 사이의 제5 위상 천이 간격을 나타낸다.
도 6은 도 1의 절대 위치 자기 인코더의 개략도로서, 제1 자기 트랙과 제2 자기 트랙 사이의 제6 위상 천이 간격을 나타낸다.
도 7은 도 1의 절대 위치 자기 인코더의 개략도로서, 제1 자기 트랙과 제2 자기 트랙과의 사이의 제7 위상 천이 간격을 나타낸다.
도 8은 도 1의 절대 위치 자기 인코더의 개략도로서, 원형 배치의 제1 자기 트랙, 제2 자기 트랙, 및 제3 자기 트랙, 제1 자기 트랙 및 제2 자기 트랙에 인접한 각각의 자기 센서들, 및 제3 자기 트랙에 인접한 복수의 홀 효과 소자를 나타낸다.
본 발명의 실시예들을 상세하게 설명하기에 앞서서, 본 발명은 그 적용에 있어서 이하의 설명에 명기된 또는 이하의 도면에 도시된 구성들의 구조 및 배치의 세부사항들에 제한되지 않는다는 것을 이해하기 바란다. 본 발명은 다른 실시예로 가능하며, 다양한 방식으로 실시되거나 실행될 수 있다. 또한, 본 명세서에 사용되는 어구 및 용어는 설명을 위한 것으로서 한정적인 것으로 이해되어서는 아니됨을 이해하기 바란다. 본 명세서의 "포함한다(including, comprising, 또는 having)"는 표현과 그 변형 형태를 사용하는 것은, 이후에 열거되는 항목들과 추가의 항목들뿐만 아니라 그 균등물들을 포괄하는 것을 의미한다. 달리 특정하거나 한정하지 않는다면, "장착(mounted)", "연결(connected)", "지지(supported)", 및 "결합(coupled)"라는 용어와 그 변형 형태들은 광의로서 사용되어, 직간접적인 마운팅, 연결구, 지지체, 및 결합구를 포괄하는 것이다. 또한, "연결(connected)" 및 "결합(coupled)"라는 것은 물리적인 또는 기계적인 연결 또는 결합에 한하지 않는다.

도 1을 참조하면, 절대 위치 자기 인코더(10)가 개략적으로 도시되어 있다. 인코더(10)는 복수의 N극/S극 페어(18)(각각의 박스는 단일 N극/S극 페어(18)를 나타냄)를 갖는 제1 자기 트랙(14), 및 제1 자기 트랙(14)에 인접하게 위치된 복수의 N극/S극 페어(26)(각각의 박스는 단일의 N극/S극 페어(26)를 나타냄)를 갖는 제2 자기 트랙(22)을 포함한다. 각각의 트랙들(14, 22)은 명확성을 위하여 선형 구성으로서 개략 도시되어 있지만, 인코더(10)는 트랙(22)이 트랙(14) 내부 또는 내측에 위치되도록 하여 각각의 트랙(14, 22)의 단부들이 2개의 동심원상의 원형 트랙을 형상하도록 연결되도록, 트랙(14, 22)이 장착되는 타겟 휠(30)을 포함하는 회전식 인코더(10)로서 구성된다(도 8 참조). 그 결과, 타겟 휠(30) 상에 트랙(14, 22)의 서로 다른 방사상의 위치로 인해, 트랙(14, 22)의 각각의 길이는 상이하다. 그러나, 본 발명의 인코더(10)는 실질적으로 동일한 구조 및 회전식 인코더(10)에 대하여 본 명세서에서 설명하는 바와 같은 동작 방식을 포함하는 선형 인코더로서 구성될 수도 있다.

도 1을 참조하면, 트랙(14)은 전술한 원형의 배치로 구성되는 경우, 2진 또는 밑(base)이 2인 출력을 제공하는데 작용하는 다수의 극 페어(18)를 포함하는 반면, 트랙(22)은 트랙(14)과 동심원으로 배치되는 경우, 10진 또는 밑이 10인 출력을 제공하는데 작용하는 다수의 극 페어(26)를 포함한다. 도시된 인코더(10)의 구성에 있어서, 트랙(14)은 32개의 극 페어(18)를 포함하며, 트랙(22)은 25개의 극 페어(26)를 포함한다. 대안으로서, 인코더(10)의 다른 구성은 64개의 극 페어를 포함하는 트랙(14)과, 50개의 극 페어를 포함하는 트랙(22)을 포함할 수 있다.

절대 위치 자기 인코더(10)는 또한 트랙(14)에 인접한 자기 센서(34), 및 트랙(22)에 인접한 또 다른 자기 센서(38)를 포함한다. 도시된 구성에 있어서, 센서(34, 38) 각각은 홀 스트링 체배(Hall string multiplying) 센서를 갖는 마이크로칩으로서 구성된다. 이러한 센서(34, 38)는 Timken사(Canton, Ohio)의 part number MPS160에서 활용가능하다. 당업자가 이해할 수 있듯이, 센서(34)는 2진 출력을 제공하는데 작용하는 또는 간단한 2진수(즉, "2"의 정수 거듭제곱)로 변환되는데 적합한 트랙(14)의 회전당 카운트 또는 에지의 총수를 산출하도록 특정 해상도(즉, 극 페어(18)당 "카운트" 또는 "에지")로 구성될 수 있다. 도시된 구성에 있어서, 32개의 극 페어(18)를 트랙(14)에 제공하고, 자기 센서(34)를 극 페어당 128개의 카운트의 해상도를 갖도록 구성함으로써 트랙(14)의 회전당 1024개의 카운트를 갖는 해상도(2진수 "10000000000"의 10진 등가)가 성취될 수 있다 (즉, 32개의 극 페어 x 128 카운트/극 페어 = 트랙(14)의 회전당 4096의 총 카운트). 트랙(14)의 회전당 총 카운트를 4로 나누어 트랙(14)의 회전당 1024 카운트의 소망하는 해상도가 성취될 수 있다.

마찬가지로, 당업자라면, "10"의 정수 거듭제곱인 트랙(22)의 회전당 카운트 또는 에지의 총수를 제공하도록 특정 해상도(즉, 극 페어(26)당 카운트 또는 에지)를 갖는 센서(38)가 구성될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 도시된 구성에 있어서, 트랙(22)에 25개의 극 페어(26)를 제공하고, 극 페어당 160 카운트의 해상도를 갖는 자기 센서(38)를 구성함으로써 트랙(22)의 회전당 1000 카운트(즉, 10³)의 해상도가 성취될 수 있다 (즉, 25개의 극 페어 x 160 카운트/극 페어 = 트랙(22)의 회전당 총 카운트는 4000이 됨). 트랙(22)의 회전당 1000 카운트의 소망하는 해상도는, 트랙(22)의 회전당 총 카운트를 4로 나누어 성취될 수 있다. 센서(34, 38)는 구조적으로 유사할 수 있지만, 각각의 센서(34, 38)에 딥 스위치가 장착되어, 센서(38)가 10진 출력에 작용하는 해상도(회전당 1000 카운트)로 토글되도록 하고, 센서(34)가 2진 출력에 작용하는 해상도(회전당 1024 카운트)로 토글되도록 할 수 있다. 다른 방법으로서, 센서(34, 38) 각각은 퓨즈 또는 메모리 성분의 형태의 내부 스위치를 이용하여 10진 또는 2진 출력에 대하여 프로그래밍될 수 있다.

도 1을 계속 참조하면, 절대 위치 자기 인코더(10)는 각각의 트랙(14, 22)들이 전술한 바와 같이 원형으로 배치되는 경우 트랙(14, 22)과 동심원 상에서 트랙(22)의 내부에 배치되는 제3 자기 트랙(42)을 더 포함한다. 트랙(42)은 트랙(42)의 약 180도가 N극으로 구성되고, 트랙(42)의 약 180도가 S극으로 구성되도록 하는 단일의 극 페어(46)를 포함한다. 절대 위치 자기 인코더(10)는 또한 트랙(42)에 의해 방출되는 자기장을 검출하기 위해 트랙(42)에 인접한 복수의 홀 효과 소자 HE1 - HE5(예컨대, 홀 효과 센서)를 포함한다. 도시된 구성에 있어서, 5개의 홀 효과 소자 HE1 - HE5가 활용된다. 다른 방법으로, 각각의 트랙(14, 22)의 극 페어(18, 26)의 수에 따라서 다른 수의 홀 효과 소자들이 채용될 수 있다. 또한, Austriamicrosystems AG(Unterpremstaetten, Austria) 제조의 AS5040 센서와 같은 회전식 자기 위치 센서가 홀 효과 소자 HE1 - HE5에 대하여 치환될 수 있다. 자기저항성 센서(즉, MR 센서) 또는 기타의 임의의 다른 자기장 센서가 대안으로서 홀 효과 소자 HE1 - HE5를 대신하여 사용될 수 있다. 도 1에 도시된 바와 같이, 홀 효과 소자 HE1 - HE5는 홀 효과 소자 HE1 - HE5 모두가 트랙(42)의 극 중 하나의 원주 길이 내에 맞도록 서로 이격되어 있다.

도 1을 계속 참조하면, 절대 위치 자기 인코더(10)는 또한 센서(34, 38) 및 홀 효과 소자 HE1 - HE5와 통신하는 논리 모듈(50)을 포함한다. 도 1에는 물리적(즉, 유선의) 연결이 개략적으로 도시되어 있지만, 센서(34, 38)와 홀 효과 소자 HE1 - HE5가 논리 모듈(50)과 통신할 수 있도록 무선 통신이 채용될 수도 있다.

인코더(10)의 동작 중에, 센서(34)는 트랙(14)에 의해 방출되는 자기장을 검출하도록 구성되며, 센서(38)는 트랙(22)에 의해 방출되는 자기장을 검출하도록 구성된다. 트랙(22)은 트랙(14)보다 적은 극 페어(26)를 포함하므로, 센서(34)는 센서(38)에 의해 출력되는 신호와 위상이 어긋난 신호를 출력한다. 구체적으로, 도시된 구성에 있어서, 트랙(14, 22) 사이에 7개의 극 페어의 차이는 트랙(14, 22)을 따라서 7개의 간격을 제공하며, 그 동안 센서(34, 38)에 의해 출력되는 각각의 신호들은 위상이 어긋나 있다(7개의 위상 천이 간격을 나타내는 도 1 내지 도 7 참조). 신호들은 각각의 위상 천이 간격의 단부 방향의 위상으로 정확하게 돌아가지는 않지만(각각의 간격의 단부 방향의 다소 어긋난 극 접합으로 인하여), 전술한 바와 같이 트랙(14, 22)을 원형 배치로 랩핑(wrapping)하는 것은 위상 천이 간격들과 각각의 간격의 단부 방향의 극 접합의 정렬이 더욱 명확하게 정의되도록 한다. 또한, 센서(34, 38)는 도 1 - 7에 개략적으로 도시된 것보다 더 명확하게 정의된 이산된 위상 천이 간격을 제공하도록 각각의 신호들을 컨디셔닝하기 위하여 신호 컨디셔닝 전자장치를 포함할 수 있다.

컨트롤러 또는 기타의 장치(도시 생략)에 의해 재촉되는 경우, 센서(34)는 센서(34)가 넘어가는 어떠한 극 페어(18)라도 카운트에 해당하는 값을 검출한다. 마찬가지로, 센서(38)는 어느 것이든지 센서(38)가 넘어가는 극 페어(26)의 카운트에 해당하는 값을 실질적으로 동시에 검출한다. "카운트" 양측 모두가 그 후 논리 모듈(50)에 출력된다. 이 프로세스의 더 상세한 설명이 이하에 기술된다.

또한, 절대 위치 자기 인코더(10)의 동작 중에, 트랙(42)에 의한 홀 효과 소자 HE1 - HE5의 가동은 센서(34, 38)에 의한 카운트 검출에 상관될 수 있는 분리된 윈도우를 생성하여, 논리 모듈(50)에 출력되는 카운트가 센서(34, 38)에 의한 검출이 발생한 트랙(14, 22) 상의 일반적인 위치에 관련되도록 한다. 도 8을 참조하면, 도 1에 도시된 트랙(42)의 말단들이 서로 연결되도록 하여, 트랙(42)이 원형 배열로 도시되어 있다. 타겟 휠(30)과 함께 트랙(42)이 회전함에 따라서, 홀 효과 소자 HE1 - HE5는 정지상태가 되며, 홀 효과 소자 HE1 - HE5 중 하나가 자기 극성의 변화를 검출하는 때마다(즉, N극/S극 접합) "온"과 "오프" 상태 사이에서 순차적으로 절환 또는 토글된다. 표 2는 소자들 HE1 - HE5이 가질 수 있는 "온"과 "오프" 상태의 조합 모두를 나타내며, 각각의 고유한 조합이 센서(34, 38)에 의해 검출되는 카운트가 발생한 타겟 휠(30)의 윈도우 또는 "슬라이스"를 나타낸다. "1"의 개체는 "온" 상태에 해당하는 반면, "0"의 개체는 "오프" 상태에 해당한다.

센서(34, 38)가 자신의 해당 카운트 값을 검출하는 때와 동시에, 논리 모듈(50)이 그 때의 소자 HE1 - HE5의 특정 상태 시퀀스와 관련되는 위치 번호를 기록한다. 그 결과, 센서(34, 38)에 의해 검출되는 카운트 값들이 트랙(42) 상의 위치 1, 위치 2, 등에 관련될 수 있으며, 교대로, 트랙(14)의 극 페어(18) 또는 트랙(22)의 극 페어(26)의 선택된 수에 관련될 수 있다.

절대 위치 인코더(10)의 동작의 제1 모드에 있어서, 트랙(22)은 "측정 트랙"으로서 기능하며, 트랙(14)은 "기준 트랙"으로서 기능한다. 본 모드에 있어서, 트랙(14)을 참조하여 트랙(22) 상의 임의의 위치에서의 절대 위치가 검출될 수 있으며, 트랙(22)의 절대 위치의 10진 출력, 그리고, 타겟 휠(30) 및 타겟(30)이 장착된 이동하는 물체가 인코더(10)에 의해 제공될 수 있다. 본 모드에 있어서, 임의의 특정 시간에서 트랙(22)의 절대 위치를 계산하기 위하여, 논리 모듈(50)은 160 (열) x 25 (행) x 2 (층)을 측정하는 스택형 어레이를 활용한다.

스택형 어레이는 마스터 소스(예컨대, 마스터 인코더(10))로부터 측정되는 계산 또는 시뮬레이션 데이터를 이용하여, 또는 수개의 산출 인코더(10)의 샘플링으로부터 컴파일되는 복제 데이터(surrogate data)를 이용하여 인코더(10)를 제조하는 때에 논리 모듈(50)에 미리 충진(pre-populated)될 수 있다. 이는 소비자 또는 엔드 유저가 각 인코더(10)를 개별로 교정할 것으로 요구하지 않고서, 인코더(10)를 제조하기 위해 사용되는 프로세스의 내성을 고려한 미리 충진된 스택형 어레이로 인코더(10)가 제조될 수 있도록 한다.

인코더(10)는 트랙(14) 상의 센서(34)로부터의 데이터로 어레이의 셀들을 채우도록 하나의 전체 회전을 통해 타겟 휠(30) 및 트랙(22)을 회전시킴으로써 자가 교정되거나, 어레이가 자가 충진(self-populated)될 수 있다. 구체적으로, 트랙(14, 22)의 회전의 개시 시에, 센서(34)에 의해 검출되는 제1 카운트(즉, 트랙(14)의 제1 극 페어(18)의 제1 카운트)가 트랙(22)의 제1 극 페어(26)의 제1 카운트와 대응하는 셀에 입력된다. 그 후, 센서(34)에 의해 검출되는 제2 카운트가 트랙(22)의 제1 극 페어(26)의 제2 카운트에 대응하는 셀에 입력된다. 트랙(22)의 제1 극 페어(26)의 160번째 카운트에 대응하는 셀이 트랙(14)으로부터의 대응하는 카운트로 채워진 후에, 트랙(22)의 25번째 극 페어(26)의 160번째 카운트에 대응하는 셀이 채워질 때까지, 트랙(22)의 제2, 제3, 제4, 등의 극 페어(26)에 대하여 처리가 반복된다.

센서(34)에 의해 어레이에 입력되는 데이터 전부는 제1 층의 어레이에 입력된다(표 3 참조). 제1 층의 개별 셀들이 트랙(14)으로부터의 카운트 값들로 충진되고 있는 것과 동시에, 논리 모듈(50)(전술함)에 의해 기록된 대응하는 위치 번호들이 제2 층 어레이의 대응하는 셀들에 기록된다(표 4 참조).

타겟 휠(30)의 한 번의 완전한 회전 후에, 어레이는 제1 층에서 트랙(14)으로부터의 카운트 값들 및 제2 층에서 트랙(14)으로부터의 카운트 값들과 관련되는 위치 번호들로 충진된다. 그 후, 임의의 시간에 이하의 순서를 이용하여 트랙(22)의 절대 위치가 판정될 수 있다. 먼저, 센서(34, 38)는 각각의 트랙(14, 22)으로부터의 카운트 값들을 동시에 캡쳐하고, 이들 값들이 논리 모듈(50)에 출력된다. 동시에, 논리 모듈(50)은 각각의 트랙(14, 22)으로부터의 캡쳐된 카운트 값들에 관련되는 트랙(42)으로부터의 위치 번호를 캡쳐한다. 논리 모듈(50)은 그 후 센서(38)에 의해 검출되는 동일한 카운트 수를 갖는 어레이의 특정 열을 조사하여, 논리 모듈(50)에 의해 캡쳐되는 위치 번호와 동일한 제2 층의 어레이 내의 위치 번호를 갖는 어레이의 그 열의 제1 층의 셀들을 검색한다. 이 셀들의 그룹으로부터, 논리 모듈(50)은 트랙(14)으로부터 캡쳐된 카운트 값을 셀들의 그룹에 포함된 값들과 비교하여, 트랙(14)으로부터 캡쳐된 카운트 값과 동일하거나 실질적으로 유사한 카운트 값을 포함하는 이 그룹의 셀을 선택한다.

트랙(14)으로부터 캡쳐된 카운트 값과 동일하거나 실질적으로 유사한 카운트 값을 포함하는 논리 모듈(50)에 의해 선택되는 셀을 포함하는 특정 행(즉, "N"번째 행)은, 트랙(22)의 N번째 극 페어(26) 내의 어딘가의 트랙(22)의 순시 위치를 나타낸다. 그 후, 160 카운트/극 페어와 (N-1) 극 페어를 곱하고, 트랙(22)으로부터 캡쳐된 카운트 값을 더하여, 트랙(22)의 절대 위치 또는 순시 위치가 계산될 수 있다. 그 결과의 카운트 값은 트랙(22) 상의 절대 위치, 따라서, 센서(34, 38)들이 트랙(14, 22)으로부터 카운트 값들을 캡쳐한, 타겟 휠(30) 및 이동 물체를 나타낸다. 예를 들어, 이하의 표 3 및 표 4를 참조하면, 센서(38)가 캡쳐한 카운트가 20이고, 센서(34)가 캡쳐한 카운트가 99이고, 논리 모듈(50)이 검출한 위치 번호가 5인 경우, 하나의 인스턴스에서 트랙(22)의 절대 위치는 다음과 같이 계산된다: (N-1) 극 페어 x 160 카운트/극 페어 + 20 카운트. 그 결과의 값(즉, "10진 출력")은 트랙(22) 상의 센서(38)에 의해 검출될 수 있는 4000개의 총 카운트 중 하나와 상관된다.

절대 위치 인코더(10)의 제2 동작 모드에 있어서, 트랙(14)은 "측정 트랙"으로서 기능하며, 트랙(22)은 "기준 트랙"으로서 기능한다. 본 모드에 있어서, 트랙(14) 상의 임의의 지점의 절대 위치가 트랙(22)을 참조하여 검출될 수 있으며, 트랙(14)의 절대 위치의 2진 출력, 및 이에 따라 타겟 휠(30)과 이에 장착되는 타겟 휠(30)을 갖는 이동 물체가 인코더(10)에 의해 제공될 수 있다. 본 모드에 있어서, 논리 모듈(50)은 스택형 어레이를 활용하여 128 (열) x 32 (행) x 2 (층)을 측정하여 어떠한 특정 시간에서의 트랙(14)의 절대 위치를 계산한다.

전술한 바와 같이, 트랙(22) 상의 센서(38)로부터의 데이터로 어레이의 셀들을 채우기 위하여, 계산된 데이터, 복제 데이터를 사용하여 또는 타겟 휠(30)과 트랙(14)을 하나의 완전한 회전을 통해 회전시킴으로써 어레이가 충진될 수 있다. 구체적으로, 트랙(14, 22)의 회전의 개시 시에, 센서(38)에 의해 검출되는 제1 카운트(즉, 트랙(22)의 제1 극 페어(26)의 제1 카운트)가 트랙(14)의 제1 극 페어(18)의 제1 카운트에 대응하는 셀에 입력된다. 그 후, 센서(38)에 의해 검출되는 제2 카운트가 트랙(14)의 제1 극 페어(18)의 제2 카운트에 대응하는 셀에 입력된다. 트랙(14)의 제1 극 페어(18)의 128번째 카운트에 대응하는 셀이 트랙(22)으로부터 대응하는 카운트로 채워진 후, 트랙(14)의 32번째 극 페어(18)의 128번째 카운트에 대응하는 셀이 채워질 때까지 트랙(14)의 제2, 제3, 제4 등의 극 페어(18)에 대하여 처리가 반복된다.

센서(38)에 의해 어레이에 입력된 데이터 전부가 제1 층의 어레이에 입력된다(표 5 참조). 제1 층의 개별 셀들이 트랙(22)으로부터의 카운트 값들로 충진되고 있는 때와 동시에, 논리 모듈(50)(전술함)에 의해 기록된 대응하는 위치 번호들이 제2 어레이 층의 대응하는 셀들에 기록된다(표 6 참조).

타겟 휠(30)의 한 번의 완전한 회전 후에, 제1 층의 트랙(22)으로부터의 카운트 값들 및 제2 층의 트랙(22)으로부터의 카운트 값들과 관련되는 위치 번호들로 어레이가 충진된다. 이하의 절차를 이용하여 그 후 임의의 시간에서 트랙(14)의 절대 위치가 판정될 수 있다. 먼저, 센서(34, 38)가 동시에 각각의 트랙(14, 22)으로부터의 카운트 값들을 캡쳐하고, 이 값들이 논리 모듈(50)에 출력된다. 동시에, 논리 모듈(50)은 각각의 트랙(14, 22)으로부터 캡쳐된 카운트 값들과 관련되는 트랙(42)으로부터의 위치 번호를 캡쳐한다. 그 후, 논리 모듈(50)은 센서(34)에 의해 검출되는 것과 동일한 카운트 값을 갖는 어레이의 특정 열을 조사하고, 논리 모듈(50)에 의해 캡쳐된 위치 번호와 동일한 제2 어레이 층의 위치 번호를 갖는 어레이의 열의 제1 층 내의 셀들을 검색한다. 이 셀들의 그룹으로부터, 논리 모듈(50)은 트랙(22)으로부터 캡쳐된 카운트 값을 셀들이 그룹에 포함되는 값들과 비교하여, 트랙(22)으로부터 캡쳐된 카운트 값과 동일하거나 실질적으로 유사한 카운트 값을 포함하는 셀을 이 그룹으로부터 선택한다.

트랙(22)으로부터 캡쳐된 카운트 값과 동일하거나 실질적으로 유사한 카운트 값을 포함하는 논리 모듈(50)에 의해 선택되는 셀을 포함하는 특정 행(즉, "N번째" 행)은, 트랙(14)의 N번째 극 페어(18) 내의 어딘가의 트랙(14)의 순시 위치를 나타낸다. 그 후, 128 카운트/극 페어와 (N-1) 극 페어들을 곱하고, 트랙(14)으로부터의 캡쳐된 카운트 값을 더하여, 트랙(14)의 절대 위치 또는 순시 위치가 계산될 수 있다. 그 결과의 카운트 값은 트랙(14) 상의 절대 위치, 따라서, 트랙(14, 22)으로부터 센서(34, 38)가 카운트 값들을 캡쳐한 타겟 휠(30)과 이동 물체를 나타낸다. 예를 들어, 이하의 표 5 및 표 6을 참조하면, 센서(34)에 의해 켭쳐된 카운트가 31, 센서(38)에 의해 캡쳐된 카운트가 77, 논리 모듈(50)에 의해 검출된 위치 번호가 5인 경우 하나의 인스턴스에서 트랙(14)의 절대 위치는 다음과 같이 계산된다: (N-1) 극 페어 x 128 카운트/극 페어 + 31 카운트. 그 결과의 값(즉, "2진 출력")은 트랙(14) 상의 센서(34)에 의해 검출될 수 있는 4096개의 총 카운트 중 하나와 상관된다.

절대 위치 인코더(10)의 제3 동작 모드에 있어서, 트랙(14, 22) 각각은 동시에 "측정 트랙" 및 "기준 트랙"으로서 기능하여, 각각의 센서(34, 38)가 동시에 인코더(10)의 절대 위치의 10진 출력 및 2진 출력을 제공할 수 있도록 한다. 즉, 인코더(10)의 제3 동작 모드는 전술한 제1 동작 모드와 제2 동작 모드를, 계산 수를 2배로 하는 것이 2진 출력과 10진 출력을 이용하여 인코더(10)의 절대 위치를 기술하게 되도록 결합한 것이다.

본 발명의 추가의 특징으로서 이하를 포함한다: 센서(34, 38)로부터의 데이터 레이트에 기초하여 매 10μs 마다 트랙 위치를 갱신하는 것; 위치의 SSI 출력 및 SPI 출력; 위치 출력의 펄스폭 변조; 위치의 출력 전압, 위치의 전류 레벨, 또는 위치의 펄스폭 변조를 사용자 프로그래밍이 가능하도록 하는 것; 2 내지 100개의 극 모터 구성에 대하여 0.1도 보다 더 정확하게 통신 신호들을 프로그램밍 가능하도록 하는 것; 임의의 2진 또는 10진 해상도에서의 쿼드러처(quadrature) 출력; 및 딥 스위치를 갖거나 또는 인터페이스를 프로그래밍하는 필드 구성가능한 센서(34, 38).

위치 출력의 펄스폭 변조는, 펄스 폭의 범위 상의 위치 정보의 송신을 포함할 수 있다 (예컨대, 약 10% 듀티 사이클과 약 90% 듀티 사이클과의 사이). 약 10% 듀티 사이클 내지 약 90% 듀티 사이클의 정상적인 위치 범위 외의 펄스폭을 생성함으로써 진단 정보, 경고 정보, 디지털 일자 정보 등의 정보가 송신될 수 있다. 이러한 추가 정보는 규칙적으로 또는 외부 요구에 따라서 특정 조건이 발생하는 경우에만 송신될 수 있다.

인코더(10)는 자연 2진 출력, 10진 출력, 또는 그 양쪽 모두를 생성할 수 있으므로, 인코더(10)는 2진 각도 위치, 10진 각도 위치, 또는 양쪽 모두에 기초하여 넓은 어레이의 신호들을 생성할 수 있다. 이러한 신호들은 인코더(10)로부터의 2진 또는 10진 각도 판독에 기초하여 전통적인 U, V, W 통신 신호, 기준 펄스, 또는 임의의 소망하는 디지털 출력의 조합을 포함할 수 있다. 이러한 신호들은 2진 또는 10진 판독으로부터 유도되는 인코더(10)에서의 계산 출력일 수 있으며, 또는 신호들은 인코더(10)에 의한 각도 판독에 기초하여 개별 출력 라인들을 턴온 또는 턴오프하기 위한 논리를 포함하는 룩업 테이블로부터 산출될 수 있다. 이러한 기법은 실질적으로 임의의 구성의 해상도를 갖는 쿼드러처 또는 2진 출력뿐만 아니라, 2극으로부터 100 이상의 극의 모터들의 광범위한 모터들에 대하여 통신 신호를 생성하는데 있어서 유용할 수 있다. 이러한 기법은 또한 완벽하게 사용자가 구성할 수 있는 펄스폭 변조의 공정, 아날로그 전압 또는 전류, 또는 인코더(10)의 트랙(14, 22)의 회전에 대한 2진 또는 10진 출력을 허용한다.

본 발명의 다양한 특징들이 이하에 청구항들에 명기되어 있다.

Claims

절대 위치의 자기 인코더로서,
2진 출력을 위하여 구성되는 제1 자기 트랙;
10진 출력을 위하여 구성되는 제2 자기 트랙;
상기 제1 자기 트랙의 자기장을 검출하도록 상기 제1 자기 트랙에 인접하게 위치되는 제1 자기 센서; 및
상기 제2 자기 트랙의 자기장을 검출하도록 상기 제2 자기 트랙에 인접하게 위치되는 제2 자기 센서
를 포함하며,
상기 인코더는 상기 2진 출력 및 상기 10진 출력 중 하나를 제공하도록 선택적으로 동작가능한 절대 위치 자기 인코더.
제1항에 있어서,
단일의 N극/S극 페어(North/South pole pair)를 포함하는 제3 자기 트랙; 및
상기 제3 자기 트랙의 자기장을 검출하도록 상기 제3 자기 트랙에 인접하게 위치되는 복수의 홀(Hall) 효과 소자들
을 더 포함하는 절대 위치 자기 인코더.
제2항에 있어서,
상기 단일 극 페어는 N극과 S극을 포함하며, 상기 홀 효과 소자들은 상기 N극과 S극 중 하나의 원주 길이 내에 피팅(fit)되어 있는 절대 위치 자기 인코더.
제3항에 있어서,
상기 홀 효과 소자들은 상기 N극의 원주 길이 및 상기 S극의 원주 길이 내에 피팅되어 있는 절대 위치 자기 인코더.
제2항에 있어서,
상기 제1 자기 트랙, 상기 제2 자기 트랙, 및 상기 제3 자기 트랙을 지지하는 타겟 휠을 더 포함하는 절대 위치 자기 인코더.
제2항에 있어서,
상기 제1 자기 센서 및 상기 제2 자기 센서와 상기 복수의 홀 효과 소자와 통신하는 논리 모듈을 더 포함하는 절대 위치 자기 인코더.
제6항에 있어서,
상기 논리 모듈은 상기 제1 자기 센서 및 상기 제2 자기 센서 중 하나의 출력을 제1 어레이 층에 기록하도록 구성되며,
상기 논리 모듈은 상기 복수의 홀 효과 소자의 출력을 상기 제1 어레이 층과 동일한 수의 행과 열을 갖는 제2 어레이 층에 기록하도록 구성되는 절대 위치 자기 인코더.
제1항에 있어서,
상기 제1 자기 트랙은 2진 출력을 제공하는데 작용하는 제1 수(number)의 N극/S극 페어들을 포함하며, 상기 제2 자기 트랙은 10진 출력을 제공하는데 작용하는 제2 수의 N극/S극 페어들을 포함하는 절대 위치 자기 인코더.
제8항에 있어서,
상기 제1 수의 N극/S극 페어들은 32개의 N극/S극 페어 및 그 정수배 중 하나를 포함하며,
상기 제2 수의 N극/S극 페어들은 25개의 N극/S극 페어 및 그 정수배 중 하나를 포함하는 절대 위치 자기 인코더.
제1항에 있어서,
상기 제1 자기 센서와 상기 제2 자기 센서 중 적어도 하나는 홀 스트링 체배(multiplying) 센서를 갖는 마이크로칩을 포함하는 절대 위치 자기 인코더.
인코더의 절대 위치를 계산하는 방법으로서,
2진 출력을 위하여 구성되는 제1 자기 트랙을 제공하는 단계;
10진 출력을 위하여 구성되는 제2 자기 트랙을 제공하는 단계;
상기 제1 자기 트랙으로부터 제1 카운트 값을 검출하는 단계;
상기 제1 카운트 값과 실질적으로 동시에 상기 제2 자기 트랙으로부터 제2 카운트 값을 검출하는 단계; 및
상기 제1 카운트 값과 상기 제2 카운트 값을 사용하여 상기 인코더의 절대 위치를 나타내는 제3 카운트 값을 계산하는 단계
를 포함하며,
상기 제3 카운트 값은 상기 2진 출력과 상기 10진 출력 중 하나를 제공하는데 작용하는 절대 위치 계산 방법.
제11항에 있어서,
단일 N극/S극 페어를 포함하는 제3 자기 트랙을 제공하는 단계; 및
상기 단일 극 페어의 N극과 S극 사이의 자기 극성의 변화를 검출하는 단계를 더 포함하는 절대 위치 계산 방법.
제12항에 있어서,
상기 제3 자기 트랙에 인접하게 복수의 홀 효과 소자를 위치시키는 단계를 더 포함하며,
상기 단일 극 페어의 N극과 S극 사이의 자기 극성의 변화를 검출하는 단계는, 상기 홀 효과 소자의 각각과 상기 N극과 S극 사이의 접합(junction)을 검출하는 단계를 포함하는 절대 위치 계산 방법.
제13항에 있어서,
상기 제1 자기 트랙과 상기 제2 자기 트랙 중 하나의 극 페어들의 수와 동일한 수의 행, 및 상기 제1 자기 트랙과 상기 제2 자기 트랙 중 하나에 인접하게 위치되는 자기 센서의 해상도와 동일한 수의 열을 갖는 어레이를 생성하는 단계; 및
상기 제1 자기 트랙 및 상기 제2 자기 트랙 중 타방으로부터 검출되는 카운트 수를 어레이에 기록하는 단계
를 더 포함하는 절대 위치 계산 방법.
제14항에 있어서,
상기 어레이를 생성하는 단계는, 상기 제1 자기 트랙과 상기 제2 자기 트랙 중 타방으로부터 검출되는 카운트 값이 기록되는 제1 어레이 층을 생성하는 단계를 포함하며,
상기 어레이를 생성하는 단계는, 상기 홀 효과 소자의 출력이 기록되는 제2 어레이 층을 생성하는 단계를 포함하는 절대 위치 계산 방법.
제15항에 있어서,
상기 제2 어레이 층을 생성하는 단계는,
상기 홀 효과 소자의 온/오프 상태의 시퀀스를 위치 번호와 관련시키는 단계; 및
상기 위치 번호를 상기 제2 어레이 층에 기록하는 단계
를 포함하는 절대 위치 계산 방법.
제15항에 있어서,
상기 제1 어레이 층 및 상기 제2 어레이 층을 생성하는 단계는, 상기 제1 어레이 층과 동일한 수의 행 및 동일한 수의 열을 갖는 제2 어레이 층을 생성하는 단계를 포함하는 절대 위치 계산 방법.
제11항에 있어서,
상기 제1 자기 트랙을 원형의 배열로 타겟 휠에 결합시키는 단계; 및
상기 제2 자기 트랙을 원형의 배열이며 상기 제1 자기 트랙과 동심원으로 상기 타겟 휠에 결합시키는 단계를 더 포함하는 절대 위치 계산 방법.
제11항에 있어서,
상기 제1 자기 트랙을 제공하는 단계는, 상기 2진 출력을 제공하는데 작용하는 제1 수의 N극/S극 페어들을 제공하는 단계를 포함하며,
상기 제2 자기 트랙을 제공하는 단계는, 상기 10진 출력을 제공하는데 작용하는 제2 수의 N극/S극 페어들을 제공하는 단계를 포함하는 절대 위치 계산 방법.
제19항에 있어서,
상기 제1 수의 N극/S극 페어들을 제공하는 단계는, 32개의 N극/S극 페어 및 그 정수배 중 하나를 제공하는 단계를 포함하며,
상기 제2 수의 N극/S극 페어들을 제공하는 단계는, 25개의 N극/S극 페어 및 그 정수배 중 하나를 제공하는 단계를 포함하는 절대 위치 계산 방법.
제11항에 있어서,
상기 인코더의 절대 위치의 2진 출력 및 10진 출력을 실질적으로 동시에 제공하는 단계를 더 포함하는 절대 위치 계산 방법.
제11항에 있어서,
상기 인코더의 절대 위치의 2진 출력과 10진 출력 중 하나를 약 10% 듀티 사이클과 약 90% 듀티 사이클 사이의 펄스폭의 범위 상에서 펄스폭 변조하는 단계를 더 포함하며,
상기 인코더의 절대 위치의 2진 출력과 10진 출력 중 하나를 약 10% 듀티 사이클과 약 90% 듀티 사이클 사이의 펄스폭 범위 밖에서 펄스폭 변조하는 것은, 진단 정보, 경고 정보, 및 디지털 일자 정보 중 적어도 하나를 제공하는 절대 위치 계산 방법.
제11항에 있어서,
상기 인코더의 절대 위치의 2진 출력 및 10진 출력 중 하나에 기초하여 U, V, W 통신 신호 및 기준 펄스 중 적어도 하나를 제공하는 단계를 더 포함하는 절대 위치 계산 방법.