KR20100090272A - 외부장에 감응하지 않는 각도 또는 선형 자기 위치 센서 - Google Patents

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KR20100090272A
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Abstract

본 발명은 이동 방향 및 수직 방향에 의해 형성된 표면 상에서 자석의 이동 방향을 따라 선형적으로 변하는 자화 방향을 갖는 하나 이상의 자석(1), 4개 이상의 자기-감응 부재들(2, 3, 4, 5) 및 가동 부재의 절대 위치에 기반한 신호를 제공하는 하나 이상의 처리 회로(6)를 갖는 가동 부재를 포함하는 각도 또는 선형 자기 위치 센서에 관한 것으로, 자기-감응 부재들(2, 3, 4, 5)의 제1 세트는 동일한 지점에 위치하며, 자기-감응 부재들(2, 3)의 제1 결합은 이동 방향을 따라 자기-감응 부재들(4, 5)의 제2 결합으로부터 공간적으로 조정되고, 한 쌍으로 취해진 컴포넌트들의 대수적 결합 후에, 실질적으로 90°의 전기적 위상 천이를 갖는 2개의 정현파 신호들을 제공하도록, 자기-감응 부재들(3, 5)은 자기장의 접하는 컴포넌트를 측정하며, 자기-감응 부재들(2, 4)은 자기장의 수직 컴포넌트를 측정하는 것을 특징으로 한다.

Description

외부장에 감응하지 않는 각도 또는 선형 자기 위치 센서 {ANGULAR OR LINEAR MAGNETIC POSITION SENSOR NOT SENSITIVE TO EXTERNAL FIELDS}
본 발명은 360°이상의 각도와 수백 mm에 이르는 변위에 대한 회전 및 선형 자기 위치 센서의 필드(field)와 관련되며, 더 상세하게, 특정 응용분야에 제한됨이 없이, 자동차에 대한 스티어링 컬럼(steering column)의 각도 위치를 측정하기 위한 위치 센서에 관련된다.
자기장으로부터 각도 또는 변위를 탐지하는 비접촉 센서는 다음과 같은 다양한 장점을 갖는다.
- 가동 부품과 기계적 접촉이 없으므로, 마모되지 않는다.
- 먼지에 강함
- 감소된 제조 비용
- 연장된 서비스 수명
본 기술 분야에서, 공지된 특허 EP1083406호는, 자석에 의해 생성된 필드의 방사상 컴포넌트를 측정하는 2개의 자기-감지 부재들과 링-형태의 자석을 가지며, 디코딩 후에, 360°상에서의 위치를 탐지하기 위해 사용되는 2개의 1/4 정현파 신호들을 도출하는 회전 센서(도 1 및 2)를 개시한다.
상기 해결책의 단점은 외부 필드에 대한 감도이다. 사실, 프로브 평면 내의 어떠한 외부 필드도 상당한 비-선형 오차를 일으킬 것이다.
본 기술분야에서, 본 출원인의 공지된 특허 WO07057563호는, 각도가 자기장의 각도와 일치하지 않더라도 각도 위치를 알아내기 위해, 직경반향으로 자화된 링-형태의 자석 또는 디스크-형태의 자석의 회전 축에서 이탈한 하나의 점에서 실질적으로 측정된 자기장의 2개의(방사상 및 접하는 또는 축방향 및 접하는) 컴포넌트들을 사용할 수 있도록 하는 위치 센서(도 3 및 4)를 개시한다. 자석에 의해 생성된 자기장의 방사상 컴포넌트와 축방향 컴포넌트는 모두 동위상의(in-phase) 정현파들인 반면, 접하는 컴포넌트는 자기장의 다른 컴포넌트들에 대해 90°의 전기적 위상 천이를 갖는 정현파이다(도 4 참조). 따라서, 자석 각도를 디코딩 하기 위해 90°의 전기적 위상 천이를 갖는 자기장 (방사상 및 접하는 또는 축방향 및 접하는) 컴포넌트들의 결합을 사용할 수 있다. 일반적으로 진폭이 상이한 2개의 컴포넌트들로부터 자석 각도 위치의 디코딩은, 아크 탄젠트(arc tangent)로부터 각도를 도출하도록, 아크 탄젠트를 계산하는데 사용되는 양 컴포넌트들의 정규화를 필요로 한다. 또한, 본 기술분야에서, 본 출원인의 PCT 출원 WO27099238호는 전술한 360°센서와 동일한 원리를 이용하는 (360°보다 낮은 각도를 위한) 선형 및 회전 위치 센서를 개시한다. 이는 이동에 따라 연속적으로 변하는 자화 방향, 평평한 자석 또는 타일에 의해 생성되며, 실질적으로 동일한 지점에서 측정된 자기장의 2개의 (수직이며 접하거나 또는 축방향이며 접하는) 컴포넌트들을 사용한다.
이러한 2개의 해결책들의 단점은 모든 외부 자기장에 대한 감도이다. 센서를 피복할 수 있으나, 이는 센서의 전체적인 차원 뿐만 아니라 제조 비용을 증가시키고, 추가적인 부품을 필요로 한다. 또한, 컴포넌트들 사이의 이득(gain)의 적용은 문제(센서 잡음, 온도 변화)가 있으며, (360°센서의 경우) 직경방향 자화는 용이하지 않고, 심각한 오류를 일으킬 수 있다. 사실, 360°센서의 성능(출력 신호의 선형성)은 정확한 직경방향 자화를 얻는 것에 직접적인 영향을 받는다. 도 5에 도시된, 링-형태의 자석을 직경방향으로 자화하기 위해 요구되는 자화 필드는 전류가 흐르는 단순한 코일에 의해 쉽게 얻어질 수 있다. 자화되는 공기와 물질 사이의 자기 투자율(permeability)은 필드 선들의 곡률을 발생시키며, 곡률은 2개 매체 사이의 경계선에서 다음의 굴절 관계식을 따른다.
Figure pct00001
이 곡률은 물질을 직경방향이 아닌 방향으로 자화시키며, 따라서, 도 4에 도시된 바와 같이, 2개의 측정된 컴포넌트들을 왜곡시킨다. 양 신호들은 90°전기적 위상 천이를 갖는 2개의 완벽한 정현파들이 아니므로, 디코딩하게 되면, 자기장의 양 컴포넌트들을 사용하여 디코딩된 신호를 도시하는 도 6에서와 같이, 상당히 큰 비-선형성을 일으킨다.
본 발명은 바람직하게 1/4 주기로 공간적으로 이동한 2개의 지점에서 측정된 자기장의 (수직이며 접하는) 컴포넌트들인 2 쌍의 조합을 사용하는 것에 의해 전술한 문제점들을 해결하기 위한 것이다.
회전하는 센서에 대해, 주기는 자석의 전체 각도이다.
선형 센서에 대해, 주기는 그 길이이다.
2개의 컴포넌트들은 동일한 지점에서 측정되며(만약, 자기장의 2개의 컴포넌트들의 측정된 지점들 사이의 유효 거리가 5mm 이하라면, 물리적으로, 측정이 동일한 지점에서 이루어졌다고 고려해야 하며), 2개의 다른 컴포넌트들은 대략 1/4 주기로 공간적으로 이동한 다른 지점에서 측정된다(예를 들어, 360°센서에 대한 90°위상 천이). 따라서, 이하에 설명되는 해결책은 외부장의 효과를 감소시키고, 자화로 인한 하모닉 오차 부분을 보상하며, 컴포넌트들 사이의 이득을 사용하지 않는다.
Bn1을 1 지점에 수직한 컴포넌트로 놓는다.
Bt1을 1 지점에 접하는 컴포넌트로 놓는다.
Bn2을 2 지점에 수직한 컴포넌트로 놓는다.
Bt2을 2 지점에 접하는 컴포넌트로 놓는다.
TETA를 회전 각도로 놓고, 직경방향 자화로 인한 3번째 하모닉 오차(주요한 오차)를 고려하면, 다음과 같다.
Bn1 = h1*cos(TETA) + h3*cos(3TETA)
Bt1 = h'1*sin(TETA) + h'3*sin(3TETA)
만약 지점 1과 2가 공간적으로 90°로 이동하면,
Bn2 = h1*cos(TETA+2/PI) + h3*cos(3(TETA+2/PI))
= -h1*sin(TETA) + h3*sin(3TETA)
Bt2 = h'1*sin(TETA+2/PI) + h'3*sin(3(TETA+2/PI))
= h'1*cos(TETA) - h'3*cos(3TETA)
본 발명은 다음과 같은 2개씩의 컴포넌트들을 결합하는 것을 목적으로 한다.
Bn = Bn1 + Bt2
Bt = Bt1 - Bn2
그러면, 다음과 같고,
Figure pct00002
획득된 2개의 신호들은 동일한 진폭을 가지나, 90°위상 천이를 갖고, 거의 완벽하게 정현파이다. 사실, (3번째 하모닉으로 인한 삼각형의) 불완전한 수직 컴포넌트와 (3번째 하모닉으로 인한 직사각형의) 불완전한 접하는 컴포넌트의 결합은 적어도 전술한 하모닉 결함을 상당히 감소시키거나 제거할 수 있고, 2개의 거의 완전한 정현파 컴포넌트들을 획득할 수 있게 한다.
게다가(도 13 및 14를 참조하면), 축 x와 y(Bx_ext와 By_ext)를 따라 외부 자기장을 갖는다면, 컴포넌트들 2개씩의 결합은 외부장의 효과를 제거할 수 있도록 한다.
따라서, 도 13에서 자석의 1 지점(position 1)을 고려하면, 다음과 같다:
Bn1 = Bn_max - By-ext
Bt1 = - Bx_ext
Bn2 = - Bx_ext
Bn1 = Bt_max + By-ext
이는 최종적으로 다음과 같다:
Bn = Bn1 + Bt2 = Bn_max + Bt_max
Bt = Bt1 - Bn2 = 0
도 13에서 자석의 2 지점(position 2)을 고려하면, 다음과 같다.
Bn1 = 0 - By-ext
Bt1 = - Bt_max - Bext
Bn2 = Bn_max - Bext
Bt2 = By-ext
이는 다음과 같다:
Bn = Bn1 + Bt2 = 0
Bt = Bt1 - Bn2 = - Bn_max - Bt_max
획득된 2개의 신호들은 동일한 진폭을 가지며, 외부장의 효과는 제거된다.
회전 센서 배치의 정확도를 향상시키는 다른 실시예에 따르면, 수직 및 접하는 컴포넌트들의 3번째 하모닉은 같지 않다((h'3 - h3) ≠ 0). 이 실시예는 상기 설명된 모든 점을 다시 언급하며, 따라서, 그 장점들을 모두 갖는다.
또한, 도 25에 도시된 바와 같이 1/4 1/8 주기로(360°센서에 대해 45°이동) 각각 공간적으로 이동한 2*2 지점들에서 측정된 자기장의 4*2 (수직 및 접하는) 컴포넌트들의 적합한 결합을 통해 2개의 완전한 정현파 컴포넌트들을 획득하도록, 자석의 구조에 관련하여 자화 결함들로 인한 3번째 하모닉 결함들 전부의 보상이라는 새로운 이점을 제공한다.
Bn1a를 1a 지점에 수직한 컴포넌트로 놓는다.
Bn1b를 1b 지점에 수직한 컴포넌트로 놓는다.
Bt1a를 1a 지점에 접하는 컴포넌트로 놓는다.
Bt1b를 1b 지점에 접하는 컴포넌트로 놓는다.
Bn2a를 2a 지점에 수직한 컴포넌트로 놓는다.
Bn2b를 2b 지점에 수직한 컴포넌트로 놓는다.
Bt2a를 2a 지점에 접하는 컴포넌트로 놓는다.
Bt2b를 2b 지점에 접하는 컴포넌트로 놓는다.
본 해결책은 앞서 설명된 결합들 전에 1/8 주기의 이동을 갖는 (a 및 b) 양 지점들에서 2개씩의 수직 및 접하는 컴포넌트들을 결합시킨다.
Bn1 = Bn1a + Bn1b
Bt1 = Bt1a + Bt1b
Bn2 = Bn2a + Bn2b
Bt2 = Bt2a + Bt2b
TETA를 회전 각으로 놓고, 앞서 해결책의 설명과 같이, 직경방향 자화로 인한 3번째 하모닉 오차(주요한 오차)를 고려하면, (h3 - h'3) = 0 이 얻어진다.
외부 자기장의 모든 고려사항들은 변경되지 않는다.
디지털 신호 처리 회로는 (진폭이 실질적으로 동일한 2개의 정현파들을 얻을 수 있도록 하는) 컴포넌트들을 결합시키며, 아크 탄젠트의 계산과 분리를 수행하기 전에 다양한 보상들(오프셋, 직교성, 온도 프로브 파라미터들의 변화)을 수행한다. 획득된 각도는, 예를 들어, 그러한 각도에 비례하는 전압과 같이, 집적 회로의 출력에 이용할 수 있다.
도 20 및 21에 도시된 바와 같은 선형 구조에서, 자기장은 센서 이동을 따라 연속적으로 회전하며, 자기장 컴포넌트들은 외부장을 제거하기 위해 2개씩 결합될 수 있다.
Bn1를 1 지점에 수직한 컴포넌트로 놓는다.
Bt1를 1 지점에 접하는 컴포넌트로 놓는다.
Bn2를 2 지점에 수직한 컴포넌트로 놓는다.
Bt2를 2 지점에 접하는 컴포넌트로 놓는다.
x는 센서의 이동 거리이며, L은 센서의 전체 이동 거리로 놓는다.
d는 1 지점과 2 지점 사이의 거리로 놓는다(0<d<L).
그러면 다음과 같다.
Figure pct00003
Figure pct00004
따라서, 획득된 2개의 신호들은 상이한 진폭을 가지나, 90°위상 천이를 가지며, 완전한 정현파들이다. 컴포넌트들의 2개씩의 결합은 방향에 관계없이 모든 동종의 외부장을 제거할 수 있도록 한다.
획득된 양 신호들의 진폭은 2개의 지점 1과 2 사이의 거리에 따른다. 진폭은 양 지점들이 1/2 주기로 이격되어 있으면 최대이고, d=0 또는 L이면, 0이다. 따라서, 2개의 지점 1과 2 사이에서 이동은, 획득된 신호들의 진폭과 센서의 전체 차원 간에 적합한 절충이 될 수 있는 대략 1/4 주기로 선호될 것이다.
디지털 신호 처리 회로는 컴포넌트들을 결합하며, 아크 탄젠트의 계산 및 분리를 수행하기 전에 다양한 보상들(오프셋, 직교성, 온도 프로브 파라미터들의 변화)을 수행하여 신호들을 정규화한다. 획득된 출력 신호는, 예를 들어 센서의 선형 이동에 비례하는 전압과 같이, 집적된 회로의 출력에 이용할 수 있다.
도 1은 공간적으로 90°이동을 갖는 2개의 지점들에서 측정되는 유도(induction)된 2개의 수직 컴포넌트들을 이용하는 종래의 회전 센서를 도시한다.
도 2는 종래의 자기 유도된 2개의 수직 컴포넌트들을 도시한다.
도 3은 유도된 수직 및 접하는 컴포넌트를 사용하는 종래의 회전 센서를 도시한다.
도 4는 종래의 동일한 지점에서 자기 유도된 수직 및 접하는 컴포넌트를 도시한다.
도 5는 상대적인 투자율(μr)이 1.2인 재료에 대해 자화된 자석 내부의 필드 선들을 도시한다.
도 6은 직경방향으로 자화된 등방성의 원형 링-형태 자석에서 측정된 신호의 비-선형성과 함께 자기 유도된 수직 및 접하는 컴포넌트들을 도시한다.
도 7은 2개의 양방향 프로브들(31 및 32)을 갖는 본 발명의 개략도이다.
도 8은 양방향 프로브들(31 및 32)을 갖는 본 발명의 사시도이다.
도 9는 프로브(31)의 자기 유도된 수직 및 접하는 컴포넌트들을 도시한다.
도 10은 직경방향으로 자화된 등방성의 원형 링-형태 자석 상에서 프로브(31)에 의해 측정된 신호의 비-선형성을 도시한다.
도 11은 프로브들(31 및 32)에 의해 측정되며, 자기 유도되어 2개씩의 수직 및 접하는 컴포넌트들의 결합으로부터 획득되는 2개의 정현파 신호들을 도시한다.
도 12는 도 11의 신호들로부터 얻어지는 비-선형성을 도시한다.
도 13은 외부 자기장의 존재 하에 2개의 자석 각도 위치를 도시한다.
도 14는 본 발명의 외부 자기장을 생성하는 여기된 코일을 도시한다.
도 15는 도 14에서와 같이 외부장의 영향 하에 프로브들(31 및 32)의 수직 및 접하는 컴포넌트들을 도시한다.
도 16은 외부장의 영향 하에 직경방향으로 자화된 등방성의 원형 링-형태 자석 상에서 프로브(31)에 의해 측정된 신호의 비-선형성을 도시한다.
도 17은 외부장의 영향 하에 직경방향으로 자화된 등방성의 원형 링-형태 자석 상에서 프로브(32)에 의해 측정된 신호의 비-선형성을 도시한다.
도 18은 프로브들(31 및 32)에 의해 측정되며, 2개씩의 수직 및 접하는 컴포넌트들의 결합에 의해 획득되는 신호의 비-선형성을 도시한다.
도 19는 양방향 프로브들(31 및 32)을 갖는 선형 센서에 적용된 본 발명의 일반적인 도면이다.
도 20은 양방향 프로브들(31 및 32)을 갖는 본 발명의 측면도이다.
도 21은 외부장의 존재 하에 양방향 프로브들(31 및 32)를 갖는 본 발명의 측면도이다.
도 22는 양방향 프로브들(31 및 32)를 갖는 저각(small angle) 회전 센서에 적용된 본 발명의 일반적인 도면이다.
도 23은 1/4 주기로 공간적으로 이동한 프로브들(31 및 32)의 수직 및 접하는 컴포넌트들을 도시한다.
도 24는 최종 획득된 출력 신호와 4개 신호들을 2개씩 결합하여 생성된 정현파 신호들을 도시한다.
도 25는 2개의 다른 양방향 프로브들(31b 및 32b)에 관련된 양방향 프로브들(31a 및 32a)을 갖는 본 발명의 일반적인 도면이다.
도 26은 본 발명의 시뮬레이션된 신호의 비-선형성과, 2개의 다른 양방향 프로브들(31b 및 32b)을 사용하는 최적화로 인해 가능한 개선점을 도시한다.
도 1 및 2는 외부장에 감응하는, 종래 기술의 해결책을 도시한다.
도면에서, 실질적으로 직경방향으로 자화된 영구 링-형태 자석(1)을 확인할 수 있다: 이 자석은 공간의 모든 지점에 자기장을 생성하며, 그 수직 컴포넌트들은 2개의 자기-감응 부재(21 및 22)에 의해 측정되며, 공간적으로 90°이동하고, 자석의 각도 위치에 비례하는 전기 신호를 얻도록, 신호들은 양 컴포넌트들을 정규화하고 각도를 디코딩하기 위하여 처리된다.
도 3 및 4는 직경방향 자화가 없으며, 외부장에 감응하는 종래 기술의 다른 해결책을 도시한다. 상기 해결책은 실질적으로 직경방향으로 자화된 영구 링(1)으로 구성되며, 상기 자석은 공간의 모든 지점에 자기장을 생성하고, 자기장의 수직 또는 축방향 및 접하는 컴포넌트들은 동일한 지점에 위치하는 2개의 자기-감응 부재들에 의해 측정되고, 그 신호들은, 자석의 각도 위치에 비례하는 전기 신호를 얻도록, 양 컴포넌트들의 정규화와 디코딩을 실행하는 처리 부재에 의해 처리된다.
도 5는 상대적인 투자율이 1.2인 내측과 외측의 링-형태 자석, 자화의 필드 선들을 도시한다. 필드 선들은 자석을 통과할 때 변형을 일으키며, 변형은 공기(μr = 1)와 자석(이 경우에 μr = 1.2) 사이의 상대적인 투자율이 상이한 것에 기인한다. 필드 선들의 그러한 편차는 불충분한 직경방향 자화를 일으킨다.
도 6은 불충분한 직경방향 자화와 그 신호들로부터 얻어지는 비-선형성으로 인해 완전한 정현파가 아닌 수직 및 접하는 컴포넌트들을 도시한다.
도 7 및 8은 본 발명의 도면을 도시한다. 이 해결책은 실질적으로 직경방향으로 자화된 영구 링-형태 자석(1)으로 구성되며, 상기 자석은 공간의 모든 지점에 자기장을 생성하고, 자기장의 수직 또는 축방향 및 접하는 컴포넌트들은 4개의 자기 감응 부재들에 의해 측정된다. 2개의 자기-감응 부재들은 동일한 지점에 위치하며, 바람직하게 동일한 하우징(31)에 집적되고, 2개의 다른 자기-감응 부재들은 하우징(31)에 대해 공간적으로 90°이동한 동일한 하우징(32) 내에 집적되어 동일한 지점에 위치한다. 자석의 각도 위치에 완전히 비례하는 전기 신호를 획득하기 위해, 4개의 신호들이, 직경방향 자화로 인한 오차 및 외부장의 영향을 제거하도록, 2개씩 결합된다. 신호 처리 회로는 리던던시(redundancy) 문제를 위해 하우징(31) 또는 하우징(32) 중 하나에 집적되거나 양쪽 모두에 집적되거나, 하우징(31 및 32) 외측에 부가될 수 있다.
도 9 및 10은 단 하나의 센서를 사용할 때 얻어지는 오차 및 직경방향 자석에 의해 하나의 지점에서 생성되는 2개의 수직 및 접하는 컴포넌트들의 측정을 도시한다.
도 11은 하우징(31 및 32)에 집적된 4개의 자기-감응 부재들에 의해 측정되는 4개의 신호들의 2개씩의 결합을 도시한다. 동일한 진폭을 갖는 2개의 완벽한 정현파 신호들은, 31에 의해 측정되는 수직 컴포넌트들과 32에 의해 측정되는 접하는 컴포넌트를 더하고, 31에 의해 측정된 접하는 컴포넌트로부터 32에 의해 측정된 수직 컴포넌트를 차감하는 것에 의해 얻어진다.
도 12는 도 11의 정현파 신호들과, 획득된 비-선형성으로부터 디코드된 출력 각도를 도시한다. 4개의 컴포넌트들을 결합하는 것에 의해 발생하는 오차는 직경방향 자화로 인한 오차를 제거할 수 있도록 한다.
도 13 및 14는 외부 자기장의 존재 하에 본 발명을 도시한다. 도 13은 동종의 외부장 Bext의 영향 하에 자석(1)의 2개의 상이한 위치들을 도시한다. 이 경우에 외부장은 수평이며, 프로브(31)의 접하는 컴포넌트와 프로브(32)의 수직 컴포넌트와 간섭한다. 도 14는 간섭 자기장을 일으키는 코일(4)을 갖는 본 발명을 도시한다. 외부장 발생의 소스(source)는 코일 대신 자석이 될 수 있다.
도 15는 앞서 도면들에서 도시된 바와 같이 외부장의 존재 하에 프로브(31 및 32)의 자기-감응 부재들에 의해 측정된 수직 컴포넌트들과 접하는 컴포넌트들의 측정 결과를 도시한다. 프로브(32)의 수직 컴포넌트와 프로브(31)의 접하는 컴포넌트가 실제 영향을 받는 것을 볼 수 있다.
도 16 및 17은 각각 앞서 도면들에서 형성된 외부장의 영향 하에 2개의 신호들의 비-선형성과, 하우징(31 및 32)의 출력 신호를 도시한다. 하우징(31) 출구에서 신호가 자기장의 접하는 컴포넌트를 변경시키는 외부장으로 인해 선형이 아니며, 또한 코일에 의해 생성되는 외부장으로 인한 수직 컴포넌트의 변형으로 인해 하우징 출구 신호(32)가 비-선형이라는 점이 고려된다.
도 18은 본 발명에 의해 획득된 결과를 도시한다. Arc tangent((Bn1+Bt2)/(Bt1-Bn2))의 계산 후의 출력 신호를 갖는, 31 및 32에 의해 측정된 4개 신호들의 결합 후에 얻어지는 2개의 신호들(Bn1+Bt2, Bt1-Bn2) 및 그 신호의 비-선형성을 도시한다. 본 발명은, 외부장이 존재하더라도, 종래 기술의 해결책과 달리 항상 선형인 센서를 가질 수 있다.
도 19 및 20은 선형 센서에 적용되는 본 발명의 2개의 도면들을 도시한다. 상기 도면들은 벡터 M으로 자화되는 길이 L을 갖는 자석(1)을 도시하며, 자석의 방향은 변위 X의 방향 및 그 수직한 방향에 의해 형성되는 평면의 길이를 따라 선형적으로 변한다. 센서들(31 및 32)은 각각 자석(1)에 의해 생성된 자기장의 수직 컴포넌트와 접하는 컴포넌트를 측정한다. 양 센서들은 수 mm로 공간적으로 이격된다.
도 21은 자석에 의해 생성되는 자기장에 부가하여 외부 자기장 Bn_ext+Bt_ext의 존재 하에 도 20과 같이 측정하는 도면이다. 31과 32의 수직한 컴포넌트들의 차감(Bn1-Bn2) 및 31과 32의 접하는 컴포넌트들의 차감(Bt1-Bt2)에 의해 외부 간섭을 제거할 수 있고, 자석(1)에 의해 생성된 자기장만으로부터의 신호들을 처리할 수 있다.
도 22는 자석에 의해 생성된 자기장에 더하여, 외부 자기장 B_ext의 존재 하에 저각 회전 센서에 적용된 본 발명을 도시한다. 31 및 32의 수직 컴포넌트들의 차감(Bn1-Bn2)과 31 및 32의 접하는 컴포넌트들의 차감(Bt1-Bt2)에 의해 본 발명은 외부 간섭을 제거할 수 있고, 자석(1)에 의해 생성된 자기장만으로부터의 신호들을 처리할 수 있다.
도 23은 프로브들(31 및 32)의 자기-감응 부재들에 의해 측정된 수직 컴포넌트들과 접하는 컴포넌트들을 도시한다. 이 경우에, 프로브들(31 및 32)은 1/4 주기로 공간적으로 이동한다.
도 24는 본 발명에 의해 얻어진 결과를 도시한다. 이는 31 및 32에 의해 측정된 4개의 신호들의 조합 후에 얻어지는 양 신호들과 그 신호들(Bn1-Bn2, Gain*(Bt1-Bt2))의 정규화를 도시하며, Arc tangent(Bn1-Bn2/Gain*(Bt1-Bt2))의 계산 후의 출력 신호를 도시한다.
도 25는 고정밀 센서를 획득하도록 본 발명의 최적화된 실시예를 도시한다.
이 해결책은 실질적으로 직경방향으로 자화된 영구 링-형태 자석(1)으로 구성되며, 상기 자석(1)은 모든 지점에 자기장을 생성하며, 자기장의 수직 또는 축방향 및 접하는 컴포넌트들은 8개의 자기-감응 부재들에 의해 측정된다. 2개의 자기-감응 부재들은 단일 지점에 위치하며, 바람직하게 동일한 하우징(31a)에 집적되고, 2개의 다른 자기-감응 부재들은 동일한 지점에 위치하며, 바람직하게 하우징(31a)에 대해 공간적으로 90°이동한 동일한 하우징(32a) 내에 집적된다. 2개의 다른 자기-감응 부재들은 단 하나의 지점에 위치하며, 바람직하게 동일한 하우징(31b)에 집적되고, 2개의 다른 자기-감응 부재들은 동일한 지점에 위치하며, 바람직하게 동일한 하우징(32b)에 집적되며, 서로 공간적으로 90°이동한 하우징들(31b 및 32b)은 각각 제1 하우징들(31a 및 32a)에 대해 공간적으로 45°이동한다. 직경방향 자화로 인한 오차를 제거하도록 8개의 신호들이 2개씩 더해진다. 자석의 각도 위치에 완전히 비례하는 전기 신호를 얻기 위해, 직경방향 자화에 기인하는 오차들과 외부장의 영향을 제거하도록, 4개의 결과 신호들이 2개씩 결합된다. 신호 처리 회로는 리던던시 문제를 위해 하우징들 중 하나에 집적되거나 4개의 하우징들에 집적되거나, 하우징들의 외측에 부가될 수 있다.
도 26은 자석(1) 구조에 관련된 자화 오차를 보정하도록 적합하게 위치한 4개의 자기-감응 부재들(하우징(31b 및 32b))의 부가에 의해 개선 가능한 선형 오차(디그리(degree)에서 이동 함수로서 360°퍼센트)의 비교를 도시한다.
이 도면으로부터 앞서의 실시예들의 신호 A는, 주로 완전하게 보상되지 않는 3번째 하모닉이 도입되어, 자석 및 그 상태의 차원에서, 자화의 조건들에 따라 완전하게 선형이 아닐 수 있음을 알 수 있다(아크 탄젠트 함수를 통해 H4로 대체된다). 반면에, 도 25에 도시한 실시예로부터의 신호 B는 선형성의 결함을 제거하거나 개선할 수 있다.

Claims (11)

  1. 이동 방향 및 수직 방향에 의해 형성된 표면 상에서 자석의 이동 방향을 따라 선형적으로 변하는 자화 방향을 갖는 하나 이상의 자석(1), 4개 이상의 자기-감응 부재(2,3,4,5) 및 가동 부재의 절대 위치에 기반한 신호를 제공하는 하나 이상의 처리 회로(6)를 갖는 가동 부재를 포함하는 각도 또는 선형 자기 위치 센서로서,
    자기-감응 부재들(2, 3)의 제1 세트는 동일한 지점에 위치하는 자기-감응 부재들(2, 3)의 결합으로 구성되며,
    자기-감응 부재들(2, 3)의 제1 세트는, 자석의 이동 방향을 따라, 동일한 지점에 위치하는 자기-감응 부재들(4, 5)의 결합으로 구성된 자기-감응 부재들(4, 5)의 제2 결합으로부터 공간적으로 조정되고,
    자기-감응 부재들의 제1 및 제2 세트들 중 하나의 자기-감응 부재(3, 5)는 자기장의 접하는 컴포넌트를 측정가능하며, 자기-감응 부재들의 제1 및 제2 세트들 중 하나의 자기-감응 부재(2, 4)는 자기장의 수직 컴포넌트를 측정가능하며,
    처리 회로(6)는 실질적으로 90°전기적 위상 천이를 갖는 2개의 정현파 신호들을 형성하도록 2 이상의 대수적 결합을 수행하며, 각각의 대수적 결합은 자기-감응 부재들의 제1 세트의 컴포넌트와 자기-감응 부재들의 제2 세트의 컴포넌트를 포함하는 것을 특징으로 하는 자기 위치 센서.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 처리 회로(6)는 자석(1)에 의해 생성된 자기장 컴포넌트들의 증폭, 추가 또는 차감을 수행하는 것을 특징으로 하는 자기 위치 센서.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 자기-감응 부재들(2, 3)의 제1 세트와 자기-감응 부재들(4, 5)의 제2 세트는 회전 축을 따라 1/4 주기로 조정되며, 처리 회로(6)는 하기와 같은 자기-감응 부재들(2, 3, 4, 5)로부터 발생한 신호들(B2, B3, B4, B5)을 결합하는 것을 특징으로 하는 자기 위치 센서:
    Atan((B2+B5)/(B3-B4))
    여기서, B2는 자기-감응 부재들(2, 3)의 제1 세트에 속하는 자기-감응 부재(2)에 의해 측정된 수직 컴포넌트에 대응하며,
    B3는 자기-감응 부재들(2, 3)의 제1 세트에 속하는 하나의 부재(3)에 의해 측정된 접하는 컴포넌트에 대응하고,
    B4는 자기-감응 부재들(4, 5)의 제2 세트에 속하는 자기-감응 부재(4)에 의해 측정된 수직 컴포넌트에 대응하며,
    B5는 자기-감응 부재들(4, 5)의 제2 세트에 속하는 하나의 부재(5)에 의해 측정된 접하는 컴포넌트에 대응한다.
  4. 제 2 항에 있어서, 자기-감응 부재들(2, 3)의 제1 세트와 자기-감응 부재들(4, 5)의 제2 세트는 가동 부분의 병진운동(translation)의 축을 따라 1/16 주기 이상과 15/16 주기 이하로 공간적으로 조정되며, 처리 회로(6)는 하기와 같은 자기-감응 부재들(2, 3, 4, 5)로부터 발생하는 신호들(B2, B3, B4, B5)을 결합하는 것을 특징으로 하는 자기 위치 센서:
    Atan((B2-B4)/Gain*(B3-B5))
    B2는 자기-감응 부재들(2, 3)의 제1 세트에 속하는 자기-감응 부재(2)에 의해 측정된 수직 컴포넌트에 대응하며,
    B3는 자기-감응 부재들(2, 3)의 제1 세트에 속하는 부재(3)에 의해 측정된 접하는 컴포넌트에 대응하고,
    B4는 자기-감응 부재들(4, 5)의 제2 세트에 속하는 자기-감응 부재(4)에 의해 측정된 수직 컴포넌트에 대응하며,
    B5는 자기-감응 부재들(4, 5)의 제2 세트에 속하는 부재(5)에 의해 측정된 접하는 컴포넌트에 대응하고,
    이득은 90°전기적 위상 천이와 동일한 진폭을 갖는 2개의 신호들((B2-B4), (B3-B5))을 획득하도록, 신호(B3-B5)의 진폭을 조정하는 신호들((B2-B4) 및 (B3-B5))의 정규화에 대응한다.
  5. 제 1 항에 있어서, 자기-감응 부재들(2, 3)의 제1 세트는 하나의 동일한 하우징(31) 내에 집적되며, 자기-감응 부재들(4, 5)의 제2 세트는 하나의 하우징(32) 내에 집적되는 것을 특징으로 하는 자기 위치 센서.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서, 영구 자석(1)은 중공의 실린더, 타일 또는 평평한 자석인 것을 특징으로 하는 자기 위치 센서.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서, 자기-감응 부재들은 실질적으로 자석의 중앙면(mid-plane)에 위치하며, 상기 중앙면은 자석(1)의 회전 축에 수직인 것을 특징으로 하는 자기 위치 센서.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서, 영구 자석(1)은 회전 축 또는 병진 축 상에서 측정되는 위치에 고정되는 것을 특징으로 하는 자기 위치 센서.
  9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서, 영구 자석(1)은 강자성 지지 조립체에 고정되는 것을 특징으로 하는 자기 위치 센서.
  10. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서, 자석은 길이를 따라 점진적인 정현파 자화를 갖는 것을 특징으로 하는 자기 위치 센서.
  11. 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
    자기-감응 부재들의 제1 세트와 제2 세트에 대해 공간적으로 조정되는 자기-감응 부재들의 제3 세트와 제4 세트를 포함하며,
    자기-감응 부재들의 제3 세트와 제4 세트는 동일한 지점에 위치하는 자기-감응 부재들의 결합으로 각각 구성되고,
    자기-감응 부재들의 제3 세트와 제4 세트의 자기-감응 부재는 자기장의 접하는 컴포넌트를 측정가능하고, 자기-감응 부재들의 제3 세트와 제4 세트의 다른 자기-감응 부재는 자기장의 수직 컴포넌트를 측정가능하며,
    처리 회로는 대수적 결합에 앞서, 각각 자기-감응 부재들의 제1 세트와 제3 세트의 수직 컴포넌트들과 자기-감응 부재들의 제1 세트와 제3 세트의 접하는 컴포넌트들을 더하며, 각각 자기-감응 부재들의 제2 세트와 제4 세트의 수직 컴포넌트들과 자기-감응 부재들의 제2 세트와 제4 세트의 접하는 컴포넌트들을 더하는 것을 특징으로 하는 자기 위치 센서.
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