KR20110058732A - 각도 측정 시스템, 샤프트의 각 위치 결정 방법, 샤프트의 절대각 위치 결정 방법 및 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 일부 측면은 회전 샤프트의 각 위치를 측정하는 기술에 관한 것이다. 보다 상세히 후술할 바와 같이, 본 발명의 일부 각 측정 시스템은 사전결정된 관계(예컨대, 사전결정된 기어 비율)에 따른 서로 다른 비율들로 함께 회전하는(cooperatively rotate) 적어도 두 개의 자석을 포함한다. 흔히 정적인 2개 이상의 자기장 감지 소자가 특정 각 샤프트 위치에 대해 서로 다른 위치에서 결과적인 자기장의 방향성을 측정한다. 자기장 감지 소자에 의해 측정된 자기장 방향성에 기초하여, 본 발명의 기술은 회전 샤프트의 절대 각 위치(absolute angular position)를 결정할 수 있으며, 이는 360도보다 클 수 있다.

Description

각도 측정 시스템, 샤프트의 각 위치 결정 방법, 샤프트의 절대각 위치 결정 방법 및 시스템{ANGLE MEASUREMENT SYSTEM}
본 발명은 각도 측정 기술에 관한 것이다.
예를 들어, 거대 자기저항 센서(GMR sensor)와 같은 자기 감지 디바이스는 광범위한 애플리케이션에서 사용된다. 예를 들어, GMR 센서는 종종 회전 샤프트(rotating shaft)의 각위치를 감지하는 데에 사용된다. 이러한 애플리케이션에서, 종종 "필(pill)"로도 지칭되는 영구자석이 스티어링 샤프트(steering shaft)의 단부에 장착되되 샤프트의 회전축에 중심을 두고 장착될 수 있다. 전형적으로 하나 이상의 브릿지를 형성하도록 접속되는 GMR 소자 또는 저항이 회전 샤프트 상의 중심에 위치되며, 그에 따라 GMR 저항에 의해 생성된 결과적인 출력 신호가 회전 샤프트의 각위치를 나타낸다. 그러나, 다수의 애플리케이션에서 공간 제약으로 인해 GMR 센서를 샤프트의 단부에서 그 회전축 상에 장착하는 것이 비효율적이다. 예를 들어 차량에서, 스티어링 샤프트의 단부는 전형적으로 단부에 부착된 너클 조립체(knuckle assembly)를 구비하며, 이러한 너클 조립체로 인하여 GMR 센서를 스티어링 샤프트의 회전축 상에 장착할 실질적인 방법이 존재하지 않는다.
따라서, 개선된 각 감지 기술이 필요하다.
다수의 애플리케이션에서 공간 제약으로 인해 GMR 센서를 샤프트의 단부에서 그 회전축 상에 장착하는 것이 비효율적이다. 예를 들어 차량에서, 스티어링 샤프트의 단부는 전형적으로 단부에 부착된 너클 조립체(knuckle assembly)를 구비하며, 이러한 너클 조립체로 인하여 GMR 센서를 스티어링 샤프트의 회전축 상에 장착할 실질적인 방법이 존재하지 않는다.
본 발명에 의하면, 개선된 각 감지 기술이 제공된다.
도 1은 일 실시예에 따른 각 측정 시스템의 상면도.
도 2는 도 1의 각 측정 시스템의 측면도.
도 3은 도 1의 각 측정 시스템을 이용하기 적합한 GMR 각도 센서(angle sensor)의 일 실시예를 일반적으로 도시한 블록도.
도 4는 일 실시예에 따른 GMR 저항 구성을 도시한 개략도.
도 5a-5d는 시간에 따른 다양한 각위치에서의 각 측정 시스템을 도시한 도면.
도 6은 도 5a-5d에 해당하는 절대 각위치를 유도하는 데에 사용되는 두 개의 각도 센서로부터의 신호를 나타낸 샘플 각 계산 플롯을 도시한 도면.
도 7은 일부 실시예에 따른 방법을 도시한 순서도.
도 8은 리던던트의 각도 센서의 일례를 나타낸 실시예를 도시한 도면.
도 9는 자석 외의 추가 구조물이 회전 본체에 포함된 일 예시적인 실시예를 도시한 도면.
도 10은 여분의 각도 센서를 포함하는 일 예시적인 실시예를 도시한 도면.
도 11은 버튼 자석(button magnet) 위에 중심을 벗어난(off-center) 각도 센서를 포함하는 일 예시적인 실시예를 도시한 도면.
도 12는 버튼 자석 위에 중심을 벗어난 각도 센서의 쌍을 포함하는 일 예시적인 실시예를 도시한 도면.
도 13은 각도 센서가 제 1 및 제 2 회전 본체의 중심을 통과하는 x-축에 대해 90°로 오프셋된 일 예시적인 실시예를 도시한 도면.
본 발명의 청구 대상이 도면들을 참조로 하여 아래에 기술되었으며, 도면들에 걸쳐 동일한 구성요소에는 동일한 참조번호가 사용되었다. 아래에서, 본 발명의 청구 대상에 대한 철저한 이해를 제공하도록, 설명을 위해 다수의 특정한 세부사항들이 설정되었다. 그러나, 본 발명의 청구 대상은 이러한 특정한 세부사항 없이도 실시될 수 있음이 명백하다.
본 발명의 측면은 회전 샤프트(rotating shaft)의 각위치를 측정하는 기술과 관련된다. 아래에서 보다 자세하게 기술되는 바와 같이, 본 발명의 일부 각 측정 시스템은 사전결정된 관계(예컨대, 사전결정된 기어비)에 따른 서로 다른 비율들로 함께 회전하는(cooperatively rotate) 적어도 두 개의 자석을 포함한다. 일반적으로 고정되어 있는 하나 이상의 각도 센서는 특정한 각 샤프트 위치에 대해 서로 다른 위치에서 결과적인 자기장의 방향성을 측정한다. 각도 센서에 의해 측정된 자기장 방향성에 기초하여, 본 발명의 기술은 회전 샤프트의 절대 각 위치(absolute angular position)를 결정할 수 있다.
이하의 상세한 설명으로부터 알 수 있는 바와 같이, 본 개시 내용에 따른 각도 측정 기술은 회전 샤프트를 이용하는 많은 애플리케이션에 유익할 것이다. 일부 애플리케이션에서, 이들 기술은 상대각(relative angle) 및 절대각(absolute angle) 모두를 측정하는 데 사용될 수 있다. 본질적으로, 상대각은 1회의 360° 회전 내에 측정된 각도 위치인 반면, 절대각은 1회 이상의 360° 회전에 대해 셀 수 있는 각도 위치이다. 예컨대, 상대각 위치는 (이전 측정에서 몇 번의 360° 회전이 이루어졌는지에 대한 표시없이) 실제 수직에 대해 45° 회전을 측정할 수 있지만, 절대각 위치는 고정된 일부 기준선에 대해 2회의 완전한 360° 회전에 45° 회전을 더한(예컨대 고정된 기준선에 대해 765° 회전) 것을 나타낼 수 있다.
도 1 및 2는 차량의 스티어링 샤프트 등의 회전 샤프트(102)의 절대각을 판정하는 각도 측정 시스템(100)의 상면도 및 측면도를 각각 나타낸다. 각도 측정 시스템은 회전 샤프트(102, 108)에 각각 연결되는 제 1 및 제 2 본체(104, 106)를 포함하고, 샤프트의 회전축(110, 112)은 거리(114)의 간격을 두고 떨어져 있다. 도시된 실시예에서 축(110, 112)은 평행하게 되어 있지만, 다른 실시예에서는, 예컨대, 웜 기어(worm gear) 구성에서와 같이 서로 경사지게 될 수 있음을 유의한다.
제 1 및 제 2 본체(104, 106)는 톱니(116)가 배치되는 본체의 외주 둘레를 결정하는 외주 반경(RO1, RO2)을 각각 갖는다. 외주 둘레에 따른 다수의 톱니(116)는 사전 결정된 기어 비율에 따라 배치될 수 있고, 이에 따라 사전 결정된 관계에 따라 그들 회전축(110, 112)에 대한 제 1 및 제 2 본체(104, 106)의 회전 이동을 용이하게 한다.
각각의 본체는 본체의 이동에 따라 회전하는 자기장을 제공하도록 구성된 하나 이상의 자석을 포함한다. 예컨대, 제 1 본체(104)는 제 1 자석(118)을 포함하는데, 이것은 N극(120) 및 S극(122)을 갖는 영구 링 자석(permanent ring magnet)일 수 있고, 회전 샤프트(102)에 장착될 수 있다. 제 1 자석(118)에 기인한 제 1 자기장의 자기장선은 자기장선(124a-124e)으로 표시된 바와 같이 N극(120)으로부터 S극(122)으로 연장된다. 마찬가지로, 제 2 본체(106)는 제 2 자석(126)을 포함하는데, 이것은 N극(128) 및 S극(130)을 갖는 영구 원형 또는 "버튼" 자석일 수 있다. 제 2 자석(126)에 기인한 제 2 자기장의 자기장선은 자기장선(132a-132e)으로 표시된 바와 같이 N극(128)으로부터 S극(130)으로 연장된다. 간략화를 위해, 여기서는 직선의 자기장선만이 도면에 도시되지만, 실제 구현시의 자기장선은 대개 곡선 또는 구부러지는 것이 이해될 것이다.
2개 이상의 각도 센서(예컨대, 제 1 각도 센서(134) 및 제 2 각도 센서(136))는 제 1 및 제 2 자석(118, 126)에 대해 다른 위치에 각각 배치된다. 일부 실시예에서, 제 1 및 제 2 각도 센서(134, 136)는 각각 GMR 저항 영역(142, 144)을 갖고 인쇄 회로 기판(146, 148)에 실장된 제 1 및 제 2 반도체 칩(138, 140)을 포함한다.
도 1 및 2는 제 1 자석(118) 위에 배치된 제 1 각도 센서(134)를 도시한다. 더 구체적으로, 제 1 각도 센서(134)는 보통, 저항 영역(142)이 회전 샤프트(102)의 회전축(110)을 통해 연장되는 반경을 따라 링 자석(118)의 내주 반경(ri)과 외주 반경(ro) 사이의 실질적으로 중심에 있도록, 링 자석(118)의 표면(152)에 평행한 평면(150)에 배치된다. 또한, 저항 영역(142)은 보통 내주 및 외주 반경 ri, ro 사이에서 등거리에 있어, 링 자석(118)의 에지 근방에서 접하는 바람직하지 않은 자기장 변동을 제한하도록 한다.
또한 도 1 및 2는 제 2 자석(126) 위에 배치된 제 2 각도 센서(136)를 도시한다. 더 구체적으로, 제 2 각도 센서(136)는 보통, 저항 영역(144)이 버튼 자석의 회전 샤프트(102)의 실질적으로 중심에 있도록, 버튼 자석(126)의 표면(156)에 평행한 평면(154)에 배치된다. 평면(150, 154)과 표면(152, 156) 사이의 거리는 구현예에 따라 동일하거나 상이할 수 있다.
통상적으로, 제 1 및 제 2 각도 센서(134, 136)는 제 1 및 제 2 자석(118, 126)이 그 아래에서 회전하고 있는 동안 정지한 채로 유지된다. 이런 방법으로, 제 1 및 제 2 각도 센서(134, 136)는 그들 각각의 위치에서의 자기장의 방향 또는 상대적인 각도를 측정하고, 상대적인 각도 정보를 제어기(158)(예컨대, 마이크로컨트롤러)에게 제공한다. 그 다음에 제어기(158)는 제1 및 제 2 각도 센서(134, 136)로부터의 상대적인 각도에 기초하여 회전 샤프트(102)의 절대각을 판정할 수 있다. 샤프트의 절대각을 따른 각각의 정도는 제 1 및 제 2 각도 센서에 대한 여러 측정 쌍에 대응하며, 기어비 유연성(gear ratio flexibility)은 샤프트의 절대각에 대한 무한 가능성을 제공한다.
적절한 기능성을 용이하게 하기 위해, 링 자석(118)(및 샤프트(102))에 대한 회전수(Ti)는 다음 수식 (1)으로 표현될 수 있다.
Figure pat00001
여기서 A는 샤프트(102)가 회전하는 절대각이고, a=360°이다(모든 턴에 대해 최대 가능한 샤프트의 회전).
그러면, 설계자는 정수 i를 선택할 수 있고, 아래 수식 (2)에 따라 버튼 자석(126)에 대한 링 자석(118)의 크기 비(z)를 계산할 수 있다.
Figure pat00002
버튼 자석(126)에 대한 총 회전수는 수식 (3)을 이용하여 결정될 수 있다.
Figure pat00003
총 회전수가 적을수록, 링 자석(118)의 각도를 측정하는 각도 센서(134)에 요구되는 정확도는 낮아진다. 버튼 자석에 대한 반복하는 상대적인 각도를 갖는 링 자석에 대한 임의의 주어진 상대적인 각도를 분리시키는 정도의 수는 수식 (4)로 표현된다.
Figure pat00004
따라서, 링 자석에 대한 상대적인 각도 측정은 버튼 자석에 대한 상대적인 각도 측정 에러에 의해 정의된 시스템 정확도를 달성하기 위해
Figure pat00005
이 되어야 한다. 명확성을 위해, 이하에서는 A=1440°이고, i=2인 보다 상세한 예를 예시하고 논의한다. 도 5 및 6과 관련 설명을 참조하라.
도 3은 GMR 각도 센서(300)(예컨대, 도 1의 각도 센서(134 및/또는 136))의 일실시예를 도시한 블록도이다. 도시된 바와 같이, GMR 각도 센서(300)는 GMR 저항기 영역(302) 외에 제어기(304) 및 메모리(306)를 더 포함하며, 메모리(306)는 복수의 GMR 파라미터(예컨대, 교정 파라미터)에 대한 값을 저장한다. GMR 각도 센서(300)는 공급 전압(VDD) 핀(310), 접지 핀(312) 및 데이터 I/O 핀(314)과 같은 복수의 핀(308)을 더 포함한다.
도 4는 일실시예에 따른 GMR 저항기 영역(400)(예컨대, 도 3의 GMR 저항기 영역)을 개략적으로 도시한 도면이다. 도시된 바와 같이, GMR 저항기 영역(400)은 한 쌍의 GMR 센서 브리지(402, 404)를 포함하는데, 센서 브리지(402)는 4개의 GMR 저항기(406a-406d)로 형성되고, 센서 브리지(404)는 4개의 GMR 저항기(408a-408d)로 형성된다. 도 4의 브리지 구현예에 따르면, GMR 센서 브리지(402, 404)는 서로 직각으로 배치되고, 점선(410)으로 표시된 자기장과 같이, 회전 자기장의 x 성분 및 y 성분을 감지하도록 각각 구성된다.
공급 전압(VDD)이 핀(310)을 통해 단자(412)에 인가되고, GMR 센서 브리지(402)의 전압 신호(VX+, VX-)가 단자(414, 416)에서 측정되며, GMR 센서 브리지(404)의 전압 신호(VY+, VY-)가 단자(418, 420)에서 측정된다. 자기장(410)과 같은 외부 자기장에 반응하여, 하나 이상의 GMR 저항기(406a-406d, 408a-408d)가 그들의 전기 저항을 변화시켜 기준 벡터(예컨대, 0°)에 대한 자기장(410)의 각 위치를 나타내는 단자(414, 416)에서의 전압 신호(VX+, VX-) 및 단자(418, 420)에서의 전압 신호(VY+, VY-)를 변화시킨다.
이제 도 5a 내지 5d 및 도 6을 참조하면, 회전 샤프트(102)의 절대각 위치가 2개의 각도 센서(134, 136)를 사용하여 어떻게 결정될 수 있는지에 대한 보다 상세한 예를 볼 수 있다.
간략히 말해, 이 도면들은 회전 샤프트(102)가 회전될 때, 제 1 본체(104) 및 제 2 본체(106)의 외부 둘레를 따라 톱니(teeth)가 맞물려서 제 1 및 제 2 본체(104, 106)가 서로에 대하여 상이한 각도만큼 이동하게 하는 것을 도시한다. 회전 엔드포인트 사이로부터 이동시에, 제 1 본체(104)는 4 개의 완전 회전을 통해 또는 1440°의 절대 각도만큼 회전한다. 제 2 본체는 대응적으로 9 개의 완전 회전을 통해 또는 3240°의 절대 각도만큼 회전한다. 그러나, 제 1 및 제 2 각도 센서(134, 136)가 360°미만의 상대 각도만을 측정하므로, 0°내지 1440°일 수 있는 샤프트(102)의 절대 각도를 결정하도록 이들 2 개의 상대 각도를 상관시키는 데 제어기(예컨대, 도 1의 제어기(158))가 필요하다.
보다 상세한 후술 내용에서 알게 되듯이, 샤프트(102)가 다수의 회전을 통해 회전될 때, 제 1 및 제 2 각도 센서(134, 136)는 표 1에 도시된 바와 같이 360°미만인 상대 각도를 측정한다. 단일 각도 센서가 샤프트의 상이한 절대 각도에 대해 동일한 상대 각도를 출력할 수 있더라도, 제 1 및 제 2 각도 센서(134, 136)에 의해 측정된 상대 각도의 조합은 샤프트(102)의 각각의 절대 각도마다 상이하다. 그러므로, 제어기는 주어진 시간에 제 1 및 제 2 각도 센서에 의해 측정된 상대 각도의 조합에 기초하여 주어진 시간에 샤프트의 절대 각도를 결정할 수 있다. 이 기능을 용이하게 하기 위해, 제어기는 흔히 고유하게 대응하는 절대 각도와 함께, 제어기가 2 개의 각도 센서 측정치로부터 샤프트의 절대 각도를 결정하게 하는 예상되는 상대 각도 쌍의 표를 포함한다.
Figure pat00006
전술한 바와 같이, 도 5a 내지 도 5d 및 도 6의 실시예는 이상의 식 (1) 내지 (4)에서 A = 1440°및 i = 2에 대응한다. 이는 샤프트(102)가 1440°의 절대 각도만큼 회전함을 의미하고, 링 및 버튼의 크기 비율은 2.25일 수 있다. 설명을 위해, 도 5a 내지 도 5d 및 도 6의 예는 x축(502)을 따르는 것으로 정의된 제 1 및 제 2 본체(104, 106)에 대해 0도 상대 각도, y축(504)을 따르는 것으로 정의된 90 도 상대 각도 등을 가지는 것으로 이하 논의된다. 그러나, 이들 상대 각도 위치가 어느 정도 임의적임을 알 것이며, 다른 실시예에서 다른 상대 각도 위치 또한 할당될 수 있다.
도 5a는 샤프트(102)의 일 종점에 대응하며, 제 1 각도 센서(134)는 제 1 각도 센서(134)에서의 자기장이 x 축(502)을 따라 위치한다는 사실에 기인하여 대략 0°의 상대 각도를 측정한다. 제 2 각도 센서(136)도 대략 0°의 상대 각도를 측정한다. ("도 5a" 라벨링된 지점에서) 도 6을 참조한다. 고유한 상대 각도 쌍 0°, 제 1 및 제 2 각도 센서에 대해 0°를 룩업함으로써, 제어기는 샤프트가 이 지점에서 0°의 절대 각도에 있다고 인식한다.
도 5b에서, 제 1 각도 센서(134)는 현재 대략 320°의 상대 각도를 측정하고, 제 2 각도 센서는 대략 0°의 상대 각도를 측정한다. 도 6에서 알 수 있듯이, 도 5a에서 도 5b로 진행할 때 제 2 각도 센서(136)는 제 2 (작은) 본체(106)에 대해 360°의 2 개의 완전 회전을 측정한다. 그러나, 제 1 각도 센서(134)는 제 1 본체(104)에 대해 완전 회전 미만(즉, 단지 320°)을 측정하였다. 다시, 제 1 및 제 2 각도 센서에 대해 고유한 상대 각도 쌍 0°, 320°를 룩업함으로써, 제어기는 샤프트가 이 지점에서 320°의 절대 각도에 있다고 인식한다.
도 5c에서, 제 1 각도 센서(134)는 280°의 상대 각도를 측정하고, 제 2 각도 센서(136)는 0°의 상대 각도를 측정한다. 따라서, 도 6으로부터 알 수 있듯이, 도 5b에서 도 5c로 진행할 때 제 2 본체(106)는 다시 360°의 2 개의 완전 회전을 받으며, 이는 현재 제 2 본체(106)에 대한 1440°의 절대 각도에 대응한다. 제 1 본체(104)(및 따라서 회전 샤프트(102))는 제 2 본체(106)보다 느리게 여전히 회전하고 있으며, 현재 640°의 절대 각도만큼 회전한다. 다시, 제 1 및 제 2 각도 센서에 대해 고유한 상대 각도 쌍 0°, 280°를 룩업함으로써, 제어기는 샤프트가 이 지점에서 640°의 절대 각도에 있다고 인식한다.
샤프트(102)에 대한 제 2 엔트포인트에 대응하는 도 5d에서, 제 1 각도 센서는 현재 240°를 측정하고 제 2 각도 센서는 0°를 측정한다. 도 6으로부터 알 수 있듯이, 도 5c에서 도 5d로 진행할 때, 제 2 본체(106)는 다시 360°의 2 개의 완전 회전을 받으며, 이는 현재 제 2 본체에 대한 2160°의 절대 각도에 대응한다. 제 1 본체(104)(및 따라서 회전 샤프트(102))는 제 2 본체(106)보다 느리게 여전히 회전하고 있으며, 현재 960°의 절대 각도만큼 회전한다. 다시, 제 1 및 제 2 각도 센서에 대해 고유한 상대 각도 쌍 0°, 240°를 룩업함으로써, 제어기는 샤프트가 이 지점에서 960°의 절대 각도에 있다고 인식한다.
또한, 이 예에서 링 자석에 대한 상대 각도 측정 에러의 대략 ±20° 제어기가 결정하는 절대 각도에 영향을 주지 않고 허용 가능하다는 것에 주목해야 한다. 이것은 상기 수학식(4)을 이용함으로써 알 수 있다. 시스템이 그와 같이 설계되어 샤프트(102)에 대한 절대 각도를 달성하기 위해 버튼 자석의 보다 적은 회전이 요구되는 경우, 링 자석의 각도 센서에 대해 보다 덜한 정밀도가 요구될 것이다.
도 7을 참조하면, 몇몇 실시예에 따른 방법(700)을 볼 수 있다. 본 명세서에서 기술된 방법은 일련의 이벤트 작용으로서 도시되고 기술되었으나, 본 발명은 이러한 작용 또는 이벤트의 도시된 순서에 의해 제한되지 않는다는 것이 이해될 것이다. 예를 들어, 몇몇 작용은 본 발명에 따라, 상이한 순서로 및/또는 본 명세서에서 도시되고/되거나 기술된 이들 작용과 별도의 다른 작용 또는 이벤트와 동시에 발생할 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 방법을 구현하기 위해 도시된 모든 작용 또는 이벤트가 요구되는 것은 아니다.
방법(700)은 자기장의 방향성이 제 1 위치에서 측정되는 (702)에서 시작한다. 제 1 위치는 종종 제 1 자석이 회전하는 제 1 축에 대해 고정된다. 예를 들어, 도 1의 실시예에서, 제 1 위치는 제 1 각도 센서(134)의 위치에 대응할 수 있고 제 1 축은 제 1 자석(118)이 회전하는 제 1 축(110)에 대응할 수 있다.
(704)에서, 방법(700)은 제 2 위치에서 자기장의 방향성을 측정한다. 제 2 위치는 종종 제 2 자석이 회전하는 제 2 축에 대해 고정된다. 예를 들어, 도 1의 실시예에서, 제 2 위치는 제 2 각도 센서(136)의 위치에 대응할 수 있고 제 2 축은 제 2 자석(126)이 회전하는 제 2 축(112)에 대응할 수 있다.
(706)에서, 방법(700)은 샤프트의 절대 각도 위치를 결정하도록 제 1 및 제 2 위치에서 자기장의 방향성을 분석한다. 제 1 및 제 2 자석은 종종 제 1 및 제 2 위치에서의 자기장 방향성이 사전 결정된 관계에 따라 변화하도록 협동적으로 이동하도록 배치되어, 제 1 및 제 2 위치에서의 상이한 자기장은 회전 샤프트의 고유한 절대 각도에 대응한다.
각종 실시예가 앞서 기술되었으나, 이들 실시예의 편차는 본 개시 내용의의 범이 내에 해당하는 것으로서 또한 고려된다. 예를 들어, (도 1에서 이전에 도시된 바와 같이) 제 1 및 제 2 자석은 샤프트(102)로부터 제 1 및 제 2 본체의 외측 반경으로 연속적으로 연장하는 것으로서 이전의 도면에 도시되었으나, 다른 배치가 가능하다. 도 8은 샤프트(102)와 링 자석(118) 사이에 하우징 또는 매니폴드(manifold)(902)가 배치되는 이러한 일 실시예를 도시한다. 하우징 또는 매니폴드(902)는 링 자석(118)의 반경과 주변 톱니(teeth)(118) 사이에, 뿐만 아니라 버튼 자석(126)과 주변 톱니(116) 사이에 또한 배치될 수 있다.
몇몇 실시예에서, 제 1 및 제 2 자석(118, 120)은 고무 또는 플라스틱 재료가 자화 가능한 재료로 흡수되는 주입 몰딩 기법을 이용하여 제조될 수 있다. 다른 실시예에서, 하우징 또는 매니폴드(902)를 이용하는 것과 같이, 자석(118, 120)은 다른 방식으로(예를 들어, 페이스너(fasteners) 또는 접착제) 샤프트(102)에 결합될 수 있다.
제 2 각도 센서(136)는 제 2(버튼) 자석(126)의 회전축 상에서 적어도 실질적으로 집중되는 것으로서 도시되고 기술되었으나, 다른 실시예에서(도 9) 제 2 각도 센서(136)는 거리(904)에 의해 제 2 버튼 자석의 회전축으로부터 이격될 수 있다.
또한, 이전에 도시된 실시예는 각각의 자석 위에서 단지 하나의 각도 센서를 도시하지만, 본 개시 내용에 따른 다양한 방식으로 추가적인(리던던트) 각도 센서가 각도 감지 시스템에 분산될 수 있다. 따라서, 도 10은 2개의 각도 센서(1002, 1004)가 제 1 자석(118) 위에 배치되는 일례를 도시한다. 이들 각도 센서(1002, 1004)는 서로에 대해 180°만큼 분리되는 한편, 몇몇 다른 실시예에서 N개의 각도 센서는 서로에 대해 N/360°에서 동등하게 이격될 수 있으며, 여기서 N은 리던던트 각도 센서의 정수이다. 또한, N개의 각도 센서는 서로에 대해 동등하지 않은 각도 거리로 이격될 수 있다.
존재한다면, 리던던트 각도 센서는 종종 제 1 자석(118) 위에서 단일의 평면(예를 들어, 도 2의 평면(150))에 놓일 수 있다. 그러나, 이들 및 다른 구현에서 리던던트 각도 센서는 제 2 자석(126) 위에서 서로 간에 "적층"될 수 있다. 사용된 배치가 어떠하든, 리던던트 각도 센서는 긴 시간 구간 동안 신뢰 가능한 각도 감지를 용이하게 하도록 도울 수 있다.
도 11은 제 1 (링) 자석(118) 위에 여분의 센서가 배치되고 제 2 (버튼) 자석(126) 위에 오프-센터 각도 센서(1102)가 배치되는 또 다른 실시예를 도시한다.
도 12는 제 2 (버튼) 자석(126) 위에 한 쌍의 오프-센터의 여분의 각도 센서(1202,1204)가 배치되는 또 다른 실시예를 나타낸다.
몇몇 측면에서는 보다 간단해질 수 있지만, 자석을 반드시 정반대 위치에 배치할 필요는 없다. 따라서, 도 13은 제 1 자석(118) 위의 각도 센서(1302)가 제 1 및 제 2 본체의 센터를 통과하는 x-축(1304)에 대해 90° 각도로 배치된 일 예를 나타낸다.
더 나아가, 도시되어 있는 실시예는 두 개의 회전 본체(예를 들어, 도 1의 제 1 및 제 2 본체(104,106))만을 도시하고 있지만, 몇몇 도시되어 있지 않은 실시예서는, 두 개보다 많은 본체가 사용될 것이다. 예를 들어, 보다 복잡한 기어 시스템이 사용되어 자석의 원하는 회전 움직임을 용이하게 하는데, 이 기어 시스템은 세 개, 네 개, 다섯 개 또는 보다 많은 개수의 본체를 포함하고, 각 본체는 그의 둘레에 정렬된 톱니를 갖는다. 둘 이상의 각도 센서가 이들 기어 시스템에 대해 정렬되어 회전 샤프트의 각도 위치의 정확한 검출을 가능하게 할 수 있다.
당업자라면 알 수 있는 바와 같이, 상이한 회사가 하나의 구성요소를 상이한 이름으로 지칭할 수 있다. 본 명세서는 이름은 다르나 기능은 다르지 않은 구성요소들을 구별하지는 않는다. 본 명세서에서, "포함하는"이라는 용어는 제한 없는 방식으로 사용되고, 따라서 "포함하나, 그에 국한되지 않는"의 의미로 해석되어야 한다. 또한, "결합"(및 이들의 변형)이라는 용어는 간접적인 또는 직접적인 연결을 의미한다. 따라서, 제 1 소자가 제 2 소자에 결합된 경우, 이 연결은 직접적인 연결일 수 있거나, 또는 다른 소자 및 접속을 통한 간접적인 연결일 수 있다. 다양한 근사 수치 값이 본 명세서에서 제공되고 있지만, 이들 수치 값은 단지 예일 뿐이며 본 발명의 범주를 제한하는 것으로 사용되어서는 안된다.
또한, 본 발명은 하나 이상의 실시예와 관련하여 도시되고 설명되었지만, 당업자가 본 명세서 및 첨부한 도면을 읽고 이해한다면 등가의 변형 및 수정을 구현할 수 있을 것이다. 본 발명은 이러한 모든 변형 및 수정을 포함하며 후속하는 청구항의 범주에 의해서만 제한된다. 특히, 전술한 구성요소(예를 들어, 소자 및/또는 리소스)에 의해 수행되는 다양한 기능과 관련하여, 이러한 구성요소를 설명하는데 사용되는 용어는 특별히 언급하지 않는다면 본 발명의 예시적인 실시에서의 기능을 수행하는 개시되어 있는 구조와 구조적으로 등가이지 않더라도, 개시되어 있는 구성요소의 특정 기능을 수행하는(예를 들어, 기능적으로 등가인) 임의의 구성요소에 대응한다. 또한, 본 발명의 특정한 특징이 몇몇 실시예들 중 하나의 실시예와 관련하여 설명되었지만, 이러한 특징은 필요에 따라 그리고 임의의 주어진 또는 특정 애플리케이션에 바람직하다면 다른 실시에의 하나 이상의 특징과 결합될 수 있다. 또한, 본 명세서 및 청구항에서 사용되는 "단수"의 표현은 "하나 이상"을 의미하는 것으로 해석되어야 한다.
더 나아가, "포함하는", "구비하고 있는", "구비한", "갖는" 또는 이들의 변형의 용어가 상세한 설명 또는 청구항에 사용됨에 있어서, 이러한 용어는 "포함하는"이라는 용어와 유사한 방식으로 포함함을 의미한다.

Claims (25)

  1. 샤프트의 각 위치(angular position)를 결정하기 위한 각도 측정 시스템으로서,
    사전결정된 관계에 따른 상이한 각 거리에 걸쳐 협력적으로 회전하도록 구성된 제 1 자석 및 제 2 자석―상기 제 1 자석은 상기 샤프트에 접속되어 상기 샤프트와 함께 회전함―과,
    상이한 위치에 배치되며 상기 제 1 자석 및 상기 제 2 자석에 기인한 자기장 방향성을 측정하도록 구성된 제 1 각도 센서 및 제 2 각도 센서와,
    상기 제 1 각도 센서 및 상기 제 2 각도 센서에 의해 측정되는 자기장 방향성에 기반하여 상기 샤프트의 각 위치를 결정하도록 구성된 제어기를 포함하는
    각도 측정 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 샤프트는 360도를 초과하는 절대 각으로 회전하도록 구성되며, 상기 제어기는 상기 제 1 각도 센서 및 상기 제 2 각도 센서에 의해 측정되는 자기장 방향성에 기반하여 상기 샤프트의 절대 각을 결정하도록 구성되는
    각도 측정 시스템.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 자석은 상기 샤프트에 대해 방사상으로(radially) 배치되는
    각도 측정 시스템.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 제 1 각도 센서는 상기 제 1 자석의 회전축에 대해 고정되는(stationary)
    각도 측정 시스템.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 제 1 각도 센서는 적어도 실질적으로 상기 제 1 자석의 내측 반경과 상기 제 1 자석의 외측 반경 사이에 중심을 갖는 감지 영역을 포함하는
    각도 측정 시스템.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 자석은 적어도 실질적으로 상기 제 2 자석의 중심에 배치된 회전축에 대해 회전하도록 구성되는
    각도 측정 시스템.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 제 2 각도 센서는 상기 제 2 자석의 회전축에 대해 고정되는
    각도 측정 시스템.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 제 2 각도 센서는 적어도 실질적으로 상기 제 2 자석의 회전축 상에 중심을 갖는 감지 영역을 포함하는
    각도 측정 시스템.
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 제 2 각도 센서는 상기 제 2 자석의 회전축으로부터 이격된 감지 영역을 포함하는
    각도 측정 시스템.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 자석 및 상기 제 2 자석의 반경 방향의 외부에 톱니(teeth)가 배치되며, 상기 톱니는 기어 비(gear ratio)에 따른 사전결정된 관계를 수립하도록 구성되는
    각도 측정 시스템.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 각도 센서 또는 상기 제 2 각도 센서 중의 적어도 하나는 자기장 방향성을 협력적으로 결정하도록 구성된 초대형 자기저항성(GMR) 저항기들의 배열을 구비한 반도체 칩을 포함하는
    각도 측정 시스템.
  12. 샤프트의 각 위치를 결정하기 위한 방법으로서,
    제 1 자석의 회전축인 제 1 축에 대해 고정된 제 1 위치에서 자기장의 방향성을 측정하는 단계와,
    제 2 자석의 회전축인 제 2 축에 대해 고정된 제 2 위치에서 자기장의 방향성을 측정하는 단계와,
    상기 샤프트의 각 위치를 결정하기 위해 상기 제 1 위치 및 상기 제 2 위치에서 상기 자기장의 방향성들을 분석하는 단계를 포함하는
    샤프트의 각 위치 결정 방법.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 제 1 축은 상기 샤프트의 회전축에 대응하는
    샤프트의 각 위치 결정 방법.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 제 1 위치는 상기 제 1 축으로부터 소정 거리만큼 이격되어 있는
    샤프트의 각 위치 결정 방법.
  15. 제 13 항에 있어서,
    상기 제 2 자석은 적어도 실질적으로 상기 제 2 축 상에 중심을 갖는
    샤프트의 각 위치 결정 방법.
  16. 샤프트의 절대각 위치를 결정하기 위한 방법으로서,
    제 1 위치에서 자기장의 제 1 상대각을 측정하는 단계―상기 제 1 상대각은 상기 샤프트의 회전축에 대해 상기 샤프트와 함께 회전하는 제 1 자석의 함수임―와,
    상기 제 1 위치로부터 이격된 제 2 위치에서 상기 자기장의 제 2 상대각을 측정하는 단계―상기 제 2 상대각은 상기 제 1 자석과는 상이하게 이동하도록 구성된 제 2 자석의 함수임―와,
    상기 제 1 상대각과 상기 제 2 상대각 간의 관계에 기반하여 상기 샤프트의 절대각 위치를 결정하는 단계를 포함하는
    샤프트의 절대각 위치 결정 방법.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 제 1 상대각 및 상기 제 2 상대각은 360도 미만의 각을 규정하며, 상기 절대각 위치는 360도보다 큰
    샤프트의 절대각 위치 결정 방법.
  18. 제 16 항에 있어서,
    상기 제 1 상대각 및 상기 제 2 상대각으로부터 상기 절대각 위치를 결정하는 단계는 상기 제 1 상대각 및 상기 제 2 상대각을 분석하는 단계와, 상기 제 1 상대각 및 상기 제 2 상대각에 대한 고유의 대응 절대각 위치를 식별하는 단계를 포함하는
    샤프트의 절대각 위치 결정 방법.
  19. 샤프트의 절대각 위치를 결정하는 시스템으로서,
    제 1 회전축에 대해 상기 샤프트와 함께 회전하도록 구성된 제 1 자석과,
    상기 제 1 회전축으로부터 이격된 제 2 회전축에 대해 회전하도록 구성된 제 2 자석과,
    제 1 위치에서 자기장의 제 1 상대각을 측정하도록 구성된 제 1 각도 센서―상기 제 1 위치는 상기 제 1 자석 위에 있으며 상기 제 1 회전축으로부터 이격되어 있음―와,
    제 2 위치에서 상기 자기장의 제 2 상대각을 측정하도록 구성된 제 2 각도 센서와,
    상기 샤프트의 절대각 위치를 결정하기 위해 상기 제 1 상대각 및 상기 제 2 상대각을 분석하도록 구성된 제어기를 포함하는
    샤프트의 절대각 위치를 결정하는 시스템.
  20. 제 19 항에 있어서,
    상기 제 2 위치는 적어도 실질적으로 상기 제 2 회전축 상에 놓여 있는
    샤프트의 절대각 위치를 결정하는 시스템.
  21. 제 19 항에 있어서,
    상기 제 2 위치는 상기 제 2 회전축으로부터 소정 거리만큼 이격되어 있는
    샤프트의 절대각 위치를 결정하는 시스템.
  22. 제 19 항에 있어서,
    상기 제 1 자석 위에 적어도 하나의 리던던트(redundant) 각도 센서를 더 포함하는
    샤프트의 절대각 위치를 결정하는 시스템.
  23. 제 22 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 리던던트 각도 센서는 상기 제 1 자석의 표면에 대해 상기 제 1 각도 센서와 공통의 평면에 놓이는
    샤프트의 절대각 위치를 결정하는 시스템.
  24. 제 19 항에 있어서,
    상기 제 2 자석 위에 적어도 하나의 리던던트 각도 센서를 더 포함하는
    샤프트의 절대각 위치를 결정하는 시스템.
  25. 제 24 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 리던던트 각도 센서는 상기 제 2 각도 센서 위에 적층되며 적어도 실질적으로 상기 제 2 회전축 상에 놓이는
    샤프트의 절대각 위치를 결정하는 시스템.
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