KR20190012258A - 샤프트 등의 각도 위치를 측정하기 위한 유도성 위치 센서 - Google Patents

샤프트 등의 각도 위치를 측정하기 위한 유도성 위치 센서 Download PDF

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Abstract

본 유도성 위치 센서는 지지부(24)를 포함하는 샤프트(12) 등의 각도 위치를 측정하는데 사용되고, 상기 지지부 상에는 일차 권선, 및 적어도 2개의 이차 권선이 배열되고, 상기 이차 권선들은 서로에 대해 180° 위상 이동된다. 각각의 이차 권선은 서로 동일한 위상 각도를 갖는 적어도 2개의 루프의 조합으로 형성된다. 상기 이차 권선들은 직렬로 연결되고, 중간선의 양측에 패턴을 형성하도록 상기 중간선에 대해 대칭으로 각각 배치되고, 상기 2개의 패턴은 상기 중간선에서 서로 분리된다. 또한 조립체는 상기 유형의 센서 및 2개의 반대 방향으로 감긴 코일을 갖는 표적을 포함하는 조립체가 더 개시된다.

Description

샤프트 등의 각도 위치를 측정하기 위한 유도성 위치 센서
본 발명은 샤프트 등의 각도 위치를 측정하도록 설계된 유도성 위치 센서에 관한 것이다.
이러한 유형의 센서는 위치를 발견하고자 하는 부품과 접촉할 필요 없이 기계 부품 또는 임의의 다른 요소의 위치를 결정할 수 있는 장점을 갖는다. 이러한 장점은 이러한 센서를 적용하는 것이 모든 종류의 산업 분야에서 매우 다양하다는 것을 의미한다. 이러한 센서는 또한 본 발명이 실현된 자동차 분야와 같은 대량 시장 응용에 사용된다. 그러나 이러한 센서는 다른 다양하고 가변적인 분야에서 사용될 수 있다.
유도성 센서의 동작 원리는 자기 회로(magnetic circuit)를 사용하지 않고 고주파에서 동작하는 변압기의 일차 권선(primary winding)과 이차 권선(secondary winding) 사이의 결합이 변하는 것에 기초한다. 이들 권선 간의 결합은 일반적으로 "표적(target)"으로 알려진 이동하는 (전기) 전도체 부재의 위치의 함수로서 변한다. 표적에서 유도된 전류는 실제 이차 권선에서 유도된 전류를 변경시킬 수 있다. 권선의 구성을 적응시키고 일차 권선에 주입된 전류를 파악함으로써 이차 권선에 유도된 전류를 측정하면 표적의 위치를 결정할 수 있다.
문헌 EP0182085는 이러한 유도성 센서의 원리를 기술한다.
이러한 유도성 센서를 장치, 특히 전자 장치에 통합하기 위해, 상기 변압기를 인쇄 회로 카드 상에 제조하는 방법이 알려져 있다. 일차 권선 및 이차 권선은 인쇄 회로 카드 상에 추적된 트랙으로 형성된다. 일차 권선은 예를 들어 외부 고주파수 소스에 의해 통전되고, 이차 권선은 일차 권선에 전류를 순환시키는 것에 의해 생성된 자기장에 의해 전류가 유도되는 곳이다. 금속과 같은 전도성 부재인 표적은 단순한 형상을 가질 수 있다. 예를 들어, 이 표적은 금속 시트(metal sheet)로부터 잘라낸 부재일 수 있다. 선형 센서를 만들기 위해 표적을 형성하는 절결부는 예를 들어 직사각형인 반면, 회전 센서의 경우 이 절결부는 예를 들어 부재의 움직임에 적합한 반경 및 각도를 갖는 각도 섹터의 형태일 수 있다.
일반적으로, 2 세트의 이차 권선은 센서의 하나의 전체 동작 시에 표적 위치의 사인(sin) 함수와 코사인(cos) 함수를 달성하도록 설계된다. 이러한 함수(코사인 및 사인)는 잘 알려져 있으며 전자 시스템으로 쉽게 처리될 수 있다. 사인과 코사인의 비율을 형성한 다음 아크 탄젠트(arc tangent) 함수를 적용함으로써 표적의 위치의 이미지를 얻는다. 사인 함수와 코사인 함수의 인수는 표적의 위치의 선형(또는 아핀(affine)) 함수이며, 표적의 코스는 이 삼각 함수의 공간적 주기에서 다소 많은 부분을 나타낸다.
물리적 관점에서 볼 때, 일차 회로와 이차 회로 사이의 결합을 변경하는 것은 이 기술 분야에 통상의 지식을 가진 자에 알려진 전자기 표피 효과(skin effect)의 현상으로 인해 실현된다. 일차 회로는 고주파 소스에 의해 통전되고, 전체 센서에서 발생하는 현상은 고주파 현상이다. 위치를 발견하고자 하는 표적은 거대한 전도체 부재이고 상당한 유도 전류가 있는 곳이다. 이러한 유도 전류의 침투 깊이는 비교적 얕다(그리하여 표피라고 한다). 이 깊이는 예를 들어 알루미늄 표적의 경우 50 ㎛ 정도이다. 따라서, 유도는 표적 내로 침투하지 않고, 따라서 일차 회로에 의해 생성된 자속은 표적을 우회한다. 이 사실로 인해 자기력선이 크게 변경된다. 이 변경은 표적의 위치에 따라 더 많거나 더 적은 자속을 받는 이차 회로에 의해 인식된다. 이들 자속은 표적의 위치의 함수로서 변하고, 또한 시간의 함수로서 변해서, 이차 회로의 단자에 전압을 생성한다. 이들 전압을 측정함으로써, 분석될 때 표적의 위치를 알 수 있게 하는 신호를 얻을 수 있다.
샤프트의 각도 위치를 결정하기 위해 샤프트의 단부에 센서를 배치하는 것이 가능하지 않을 때 선형 센서에 대향하여 배치된 나선부(helix)를 샤프트에 제공하는 방법이 알려져 있다. 사실, 고정된 점에 대해 회전하는 나선부를 보면 이 고정된 점으로부터 표면이 축방향으로 변위되는 것으로 볼 수 있다. 따라서 이것은 마치 표적이 센서 앞에서 선형으로 이동하는 것처럼 보인다.
따라서, 선형 센서는 표적의 형상을 적응시킴으로써 샤프트의 각도 위치에 대한 지시를 제공할 수 있다. 그러나, 각도 위치를 결정하고자 하는 샤프트가 축방향으로 이동하는 경우, 이 축방향 이동이 단지 기생 운동(parasitic movement)이라 하더라도, 이러한 축방향 운동으로 인해 각도 측정이 왜곡된다.
그리하여, 본 발명의 목적은, 반경방향 위치에 위치되어, 즉 그 단부에 위치되는 것이 아니라 샤프트의 측면에 위치됨으로써 축방향 유격에 둔감하게 (접촉 없이) 유도 기술로 샤프트 등의 각도 위치를 측정할 수 있게 하는 것이다.
바람직하게, 이 측정을 가능하게 하는 센서는 감소된 풋프린트(footprint)를 갖는다.
유리하게는, 이러한 센서는 또한 (샤프트의 회전축을 따라) 길이방향 변위를 측정할 수 있게 한다. 이것은, 예를 들어, 각도 위치 및/또는 회전 속력 및 축방향 변위를 동시에 측정할 수 있게 한다. 길이방향 변위를 이렇게 측정하는 것은 또한 기생하는 길이방향 운동을 정량화하는데에도 사용될 수 있다.
이러한 목적을 위해, 본 발명은 지지부를 포함하는 샤프트 등의 각도 위치를 측정하도록 설계된 유도성 위치 센서로서, 상기 지지부 상에는 한편으로는 일차 권선, 및 다른 한편으로는, 서로 반대 위상을 갖는 적어도 2개의 이차 권선이 구현되고, 각각의 이차 권선은 서로 위상이 동일한 적어도 2개의 루프의 세트로 형성된, 상기 유도성 위치 센서를 제안한다.
본 발명에 따르면, 상기 이차 권선들은 직렬로 연결되고 중간선(middle line)에 대해 대칭으로 각각 배열되어 상기 중간선의 양측에 각각 패턴을 형성하고, 상기 2개의 패턴은 상기 중간선의 영역에서 상기 패턴들 사이에 분리 거리를 갖는다.
이러한 센서는, 하나의 나선부가 다른 나선부와 나란히 배치된 2개의 나선부를 갖는 이중 나선부로서, 상기 2개의 나선부는 반대 방향이고 서로 이격되어 있는, 상기 이중 나선부와 함께 동작하도록 설계된다. 전술된 2개의 패턴은 이중 나선부의 형태의 상기 표적을 지닌 샤프트가 길이방향으로 이동하는 경우에도 (예를 들어, 기생 진동이 있는 경우에도) 각각의 패턴이 다른 패턴에 의해 영향을 받지 않고 나선부에 대향하여 유지될 수 있도록 분리된다.
따라서, 상기 제안된 센서는 기생 변화이든 또는 의도된 변화이든 길이방향 위치의 임의의 변화에 둔감하면서 상기 표적을 지닌 샤프트의 각도 위치에만 의존하는 신호를 얻는 것을 가능하게 한다. 실제로 이것은 제안된 이차 회로의 루프에서 길이방향 변위로 인한 자속의 변화를 상쇄할 수 있다.
제1 실시예에서, 전술한 유도성 위치 센서는 각각의 패턴이 제2 권선의 루프들의 제2 세트에 인접하여 제1 권선의 루프들의 제1 세트로 구성되고, 상기 제1 권선의 루프들은 상기 제2 권선의 루프들과 유사한 형태를 갖고, 상기 제1 세트의 루프의 수는 상기 제2 세트의 루프의 수와 동일하도록 구성된다.
전술한 위치 센서의 하나의 대안적인 실시예에서, 각각의 패턴은 제2 권선의 루프들의 제2 세트 및 상기 제2 권선의 루프들의 제3 세트에 인접하여 제1 권선의 루프들의 제1 세트로 구성되고, 상기 제1 권선의 루프는 상기 제2 권선의 루프의 표면의 2배인 표면을 갖고, 상기 루프의 수는 3개의 세트에서 동일하고, 상기 루프들의 제1 세트의 루프는 상기 루프들의 제2 세트의 루프와 상기 루프들의 제3 세트의 루프 사이에 배치되어 상기 중간선에 수직으로 루프들이 정렬되게 형성한다.
전술한 유도성 위치 센서가 길이방향 위치의 측정을 수행할 수 있도록 하기 위해, 상기 센서는 유리하게는 서로에 대해 위상이 반대이고 서로 직렬로 연결된 적어도 2개의 추가적인 이차 권선을 더 포함하고; 각각의 추가적인 이차 권선은 서로 위상이 동일한 적어도 2개의 루프의 세트로 형성되고; 상기 추가적인 이차 권선의 루프는 상기 중간선에 대해 다른 추가적인 이차 권선의 루프에 대해 대칭 방식으로 배치되고, 하나의 추가적인 이차 권선 형태의 루프는, 상기 중간선의 동일 측에 위치된 다른 추가적인 이차 권선의 루프와 함께 상기 중간선의 일측 상에, 상기 추가적인 이차 권선의 다른 루프에 의해 형성된 패턴과는 별개의 패턴을 형성한다.
또한 본 발명은, 유도성 위치 센서 및 표적으로 형성된 조립체로서, 상기 위치 센서는 전술한 위치 센서이고, 상기 표적은 반대 피치의 2개의 나선부를 포함하고, 상기 유도성 위치 센서는, 한편으로는 상기 이차 권선의 하나의 패턴이 하나의 나선부를 향하여 위치되고 상기 이차 권선의 다른 패턴이 다른 나선부를 향하여 위치되고, 다른 한편으로는 각각의 나선부(18, 20)가 제1 이차 권선을 향하여 및 상기 제1 이차 권선과 반대 위상으로 제2 이차 권선을 향하여 위치되도록, 상기 표적을 향하여 배치된 것을 특징으로 하는, 상기 조립체에 관한 것이다.
마지막으로, 본 발명은, 샤프트의 각도 위치를 비접촉식으로 측정하는 방법으로서,
Figure pct00001
상기 샤프트의 외부 표면에 반대 방향의 2개의 나선부를 제공하는 단계로서, 상기 나선부들은 상기 샤프트의 추정된 축방향 변위의 함수인 미리 결정된 거리만큼 각도 측정 범위를 따라 서로 이격된, 상기 2개의 나선부를 제공하는 단계;
Figure pct00002
하나의 일차 권선과 적어도 2개의 이차 권선을 갖는 유도성 위치 센서를 제공하는 단계로서, 하나의 이차 권선은 서로 위상이 동일한 적어도 2개의 루프의 세트로 형성된, 상기 유도성 위치 센서를 제공하는 단계;
Figure pct00003
상기 샤프트의 각도 위치가 값에서 변할 때, 한편으로는 하나의 이차 권선에서, 하나의 나선부를 향한 루프에서 유도된 자속의 변화는 다른 나선부를 향하는 루프에서 유도된 자속의 변화와 동일하고, 다른 한편으로는 상기 하나의 나선부를 향하는 하나의 이차 권선의 루프에서 유도된 자속의 변화는 상기 다른 이차 권선의 루프에서 유도된 자속의 변화와 동일하지만 반대이고, 상기 하나의 나선부를 향하는 루프는 각도 측정 범위를 따라 상기 나선부들을 분리하는 거리에 대응하는 거리만큼 상기 다른 나선부를 향하는 루프로부터 분리되도록, 상기 나선부를 향하게 각각의 이차 권선의 루프를 배열하는 단계;
Figure pct00004
상기 일차 권선을 여기시키고 상기 이차 권선의 신호를 측정하는 단계; 및
Figure pct00005
상기 샤프트의 각도 위치를 결정하는 단계로서, 상기 측정된 신호는 상기 샤프트의 축방향 변위와 독립적으로 상기 샤프트의 위치의 각도 값에 대응하는, 상기 샤프트의 각도 위치를 결정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는, 상기 샤프트의 각도 위치를 비접촉식으로 결정하는 방법에 관한 것이다.
본 방법을 구현하는 것을 용이하게 하기 위해, 예를 들어, 상기 나선부는 상기 샤프트의 원통형 표면 상에 상기 원통형 표면의 횡방향 평면에 대해 대칭적으로 배치되도록 배열할 수 있다.
유리하게는, 상기 방법은 또한 샤프트의 축방향 변위를 측정하는 것을 가능하게 한다. 이를 위해 본 방법은,
Figure pct00006
적어도 2개의 추가적인 이차 권선을 상기 센서에 제공하는 단계;
Figure pct00007
상기 샤프트의 각도 위치가 값에서 변할 때, 한편으로는 하나의 이차 권선에서, 하나의 나선부를 향한 루프에서 유도된 자속의 변화는 다른 나선부를 향한 루프에서 유도된 자속의 변화와 동일하지만 반대이고, 다른 한편으로는 상기 하나의 나선부를 향하는 하나의 이차 권선의 루프에서 유도된 자속의 변화는 상기 다른 이차 권선의 루프에서 유도된 자속의 변화와 동일하고, 상기 하나의 나선부를 향하는 루프는 각도 측정 범위를 따라 상기 나선부들을 분리하는 거리에 대응하는 거리만큼 상기 다른 나선부를 향하는 루프로부터 분리되도록, 상기 나선부를 향하게 각각의 추가적인 이차 권선의 루프를 배열하는 단계;
Figure pct00008
상기 추가적인 이차 권선의 신호를 측정하는 단계; 및
Figure pct00009
상기 샤프트의 축방향 위치를 결정하는 단계로서, 상기 추가적인 이차 권선의 영역에서 측정된 신호는 상기 샤프트의 각도 위치와 독립적으로 상기 샤프트의 위치에 대응하는, 상기 샤프트의 축방향 위치를 결정하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 세부 사항 및 장점은 첨부된 개략도를 참조하여 이루어진 다음의 설명으로부터 보다 잘 나타날 것이다.
- 도 1은 각도 위치(및 축방향 위치)의 측정이 수행되는 샤프트의 측면도,
- 도 2는 비접촉 위치 센서를 도시하는 도 1의 샤프트의 단면도,
- 도 3은 도 2에 도시된 센서에 사용될 수 있는 일차 권선을 개략적으로 도시한 도면,
- 도 4 내지 도 7은 도 2에 도시된 센서에 사용될 수 있는 이차 권선을 개략적으로 도시한 도면,
- 도 8은 주어진 범위(360° 미만)를 따라 각도 위치가 측정되는 샤프트를 향하는 이차 권선을 매우 개략적으로 도시한 도면,
- 도 9는 360°의 범위를 따라 각도 위치가 측정되는 샤프트를 향하는 이차 권선을 매우 개략적으로 도시한 도면, 및
- 도 10 및 도 11은 각도 위치의 측정이 실현되는 샤프트의 변형된 실시예에 대한 도 8 및 도 9와 유사한 도면.
도 1은 길이방향 축(14)의 샤프트(12)를 도시한다. 이 샤프트(12)는 회전 구동되고 그 각도 위치는 각도(θ)로 주어진다. 샤프트는 길이방향 축에 대응하는 길이 방향으로 측방향 병진(β) 이동할 수 있다. 병진 이동의 변위는 기생 변위(예를 들어 10분의 1 밀리미터 정도) 및/또는 제어된 변위일 수 있다.
예를 들어, 이것은 자동차의 캠샤프트일 수 있다. 이 샤프트(12)는 제1 나선부(18) 및 제2 나선부(20)가 형성된 원통형 구역(16)을 갖는다. 여기에 도시된 바람직한 실시예의 이러한 2개의 나선부는 동일한 특성을 갖고, 샤프트(12)의 횡방향 평면에 대칭으로 배치된다. 따라서, 이들 2개의 나선부는 동일한 피치를 갖지만 반대 방향을 갖는다. 여기서 이들 나선부는 원통형 구역(16)에 걸쳐 360°로 연장된다고 가정된다. 길이방향 축(14)을 따라 샤프트(12)의 최대 측방향 변위가 δ라고 가정된다. 제1 나선부(18)는 제2 나선부(20)로부터 적어도 2δ의 거리만큼 이격된다.
제1 나선부(18) 및 제2 나선부(20)는 커넥터(26)와 관련된 지지부(24) 상에 장착된 집적 회로 기판 상에 구현된 위치 센서(22)와 협력한다. 위치 센서(22)는 나선부를 향해 나선부 근방에 있지만, 나선부와 접촉하지는 않고 샤프트(12)의 길이방향 축(14)과 평행한 평면에 장착된다. 도 2는 샤프트(12)에 대한 위치 센서(22)의 위치를 샤프트에 대해 횡단면으로 도시한 것이다. 나선부와 위치 센서(22) 사이에는 밀리미터 정도(0.5 mm 내지 5 mm)의 여유 공간이 유지된다.
위치 센서(22)는 먼저 측방향 위치와 독립적으로, 즉 길이방향 축(14)을 따른 위치와 독립적으로 샤프트(12)의 각도 위치를 결정하도록 적응된다. 나아가, 옵션으로서, 위치 센서는 또한 길이방향 축(14)을 따라 샤프트(12)의 위치를 결정하도록 제공된다.
각도 위치(각도(θ))를 결정하기 위해, 위치 센서(22)는 이차 회로(도 4 또는 도 5)와 관련된 일차 회로(28)(도 3)를 포함하는 유도성 센서이다. 이 기술 분야에 통상의 지식을 가진 자에 알려진 방식으로, 일차 회로(28)는 고주파 신호에 의해 여기되고(excited), 표적, 여기서, 나선부(제1 나선부(18) 및 제2 나선부(20))는 대응하는 이차 회로와의 결합을 실현한다. 이차 회로의 단자의 전기 전압(신호)을 측정함으로써, 위치 센서(22)에 대한 나선부의 위치 및 이에 따라 샤프트(12)의 각도 위치를 알 수 있다.
일차 회로와 같이, 이차 회로는 인쇄 회로 기판(Printed Circuit Board: PCB)이라고도 하는 기판에 인쇄된다. 이차 회로의 제1 형태는 도 4에 도시되고, 변형된 실시예는 도 5에 도시된다.
도 4의 실시예에서, 이차 회로는 직렬로 연결되고 서로 반대 위상을 갖는 2개의 권선을 갖는다. 이 도 4에는 1 내지 4까지 번호가 매겨진 4개의 루프가 있음을 알 수 있다. 루프(1 및 4)는 제1 권선을 형성하고, 이들 루프는 직렬로 연결되고 위상이 같다. 마찬가지로, 루프(2 및 3)는 제2 권선을 형성하고. 이들 루프는 직렬로 연결되고 위상이 같다. 제1 권선은 제2 권선에 연결되고, 제2 권선과 위상이 반대이다.
4개의 루프(1, 2, 3 및 4)는 샤프트(12)의 길이방향 축(14)과 평행한 축을 따라 정렬된다. 이들 루프는 각각 실질적으로 동일한 표면을 가져서, 표적이 없다면 이들 루프 각각에서 일차 회로에 의해 유도된 자속은 동일한 절대 값을 갖는다. 루프(1 및 2)는 제1 나선부(18)를 향하도록 설계된 반면, 루프(3 및 4)는 제2 나선부(20)를 향하도록 설계된다. 루프(1 및 2)는 중간선(AA')에 대해 루프(3 및 4)에 의해 형성된 패턴(M)과 대칭인 패턴(M)을 형성한다. 동일한 패턴(M)(1 및 2 또는 3 및 4)에서 각각 동일한 패턴의 다른 루프와 반대 위상을 갖는 루프가 적어도 하나 있다. 또한, 2개의 패턴(M)은 분리되어 있는 것을 알 수 있다. (도 4에서 루프(2)와 루프(3) 사이의 분리 거리에 대응하는) 2개의 패턴 사이의 분리 거리는 제1 나선부(18)를 제2 나선부(20)로부터 분리하는 거리, 예를 들어, 2δ와 동일하다.
도 5는 도 4에 도시된 이차 회로의 변형된 실시예를 도시한다. 여기서 5 내지 10으로 번호 매겨진 6개의 루프를 볼 수 있다. 이차 회로는 직렬로 연결되고 서로 반대 위상을 갖는 2개의 권선으로 형성된다. 루프(5, 7, 8 및 10)는 제1 권선을 형성하고, 즉, 이들 루프는 직렬로 연결되고 위상이 같다. 루프(6 및 9)는 제2 권선을 형성한다. 이들 루프는 직렬로 연결되고 위상은 같지만 루프(5, 7, 8 및 10)와 위상이 반대이다.
여기서도, 이차 회로의 루프들은 샤프트(12)의 길이방향 축(14)과 평행한 축을 따라 정렬된다. 루프(5, 6 및 7)는 중간선(AA')을 따라 루프(8, 9 및 10)로 형성된 제2 패턴(M')과 대칭인 제1 패턴(M')을 형성한다. 이들 2개의 패턴은 중간선(AA')에 대해 대칭이고, 여기서도 제1 나선부(18)를 제2 나선부(20)로부터 분리시키는 거리, 즉 2δ에 대응하는 거리만큼 서로 분리된다.
각각의 패턴에서, 권선의 루프의 표면은 다른 권선의 루프의 표면과 동일하다. 따라서, 여기서는 제1 패턴에서는 루프(5 및 7)를 갖고, 각각의 루프는 루프(6)의 표면의 절반과 실질적으로 동일한 표면을 갖는다. 따라서, 일차 회로에 의해 패턴 내 권선의 루프에서 유도된 자속은 다른 권선의 루프 내 일차 회로에 의해 유도된 것과 절대 값이 동일하다.
위치 센서(22)의 도움으로 샤프트(12)의 각도 위치(θ)를 측정하는 원리는 도 8을 참조하여 설명된다. 이 도면에서, 위치 센서(22)는 도 4의 이차 회로 상에 중첩된 도 3의 일차 회로(28)를 포함하는 것으로 가정된다.
매우 개략적으로 도시된 도 8에는 제1 나선부(18), 제2 나선부(20), 및 4개의 루프(1, 2, 3 및 4)를 갖는 도 4의 이차 회로만이 도시되어 있다. 이 도면에서 가로좌표 축은 Z를 나타내고, 세로좌표 축은 각도 위치(θ)를 나타낸다. 이차 회로(루프(1, 2, 3 및 4))는 고정되어 있다고 가정된다. 각각의 나선부는 경사진 밴드(band)로 표시되지만, 이것은 샤프트(12)가 센서(이차 회로) 앞에서 회전할 때 나선부(18, 20)가 센서(이차 회로)에 의해 인식되는 것에 대응한다.
도 8은 샤프트(12)의 하나의 각도 위치 및 하나의 축방향 위치에 대응한다. 샤프트(12)가 회전하는 경우, 나선부를 나타내는 경사진 밴드는 도 8에서 세로좌표 축을 따라 상승하거나 또는 하강한다. 샤프트(12)가 축방향으로 이동하면, 경사진 밴드는 가로좌표 축을 따라 센서에 대해 변위된다.
도 8의 특정 경우에서, 각도 위치를 측정하는 것은 360° 미만의 미리 결정된 범위에서 수행된다고 가정된다.
샤프트(12)가 회전하고 θ가 증가하면, 루프(1)의 자유 표면은 줄어든다. 샤프트(12)가 Z가 증가하는 쪽으로 변위되면, 루프(1)의 자유 표면이 증가한다. φ1은 루프(1)에서 유도된 자속이라고 하자. 이 자속은 각도(θ)에 반비례하고 길이방향 위치(Z)에 비례한다. 루프(1)는 일차 회로와 반대 위상을 갖는 것으로 가정되므로, 음의 상수(-φ0)를 선택하여 φ1을 결정한다.
그러면 다음을 얻을 수 있다:
φ1 = -φ0(-θ + Z)
동일한 논리를 다른 루프에 적용하면 다음을 얻을 수 있다:
φ2 = φ0(θ - Z)
φ3 = φ0(θ + Z)
φ4 = -φ0(-θ - Z)
이차 회로의 단자에서 측정된 신호는 루프(1, 2, 3 및 4)에서 순환하는 자속의 합에 비례한다.
따라서 다음을 얻을 수 있다:
Σφ = φ1 + φ2 + φ3 + φ4
Σφ = φ0(θ - Z + θ - Z + θ + Z + θ + Z)
또는
Σφ = 4φ0 * θ
따라서, 이차 회로의 단자의 신호는 샤프트(12)의 각도 위치에 비례하고 샤프트(12)의 축방향 변위(Z)에 둔감해지는 것으로 나타난다.
유사한 시연이 도 5에 도시된 이차 회로로 수행될 수 있다. 이것은 동일한 결과를 야기하는데, 즉 신호는 샤프트의 회전 각도에 비례하고 이 샤프트(12)의 축방향 위치(Z)의 변화에 둔감하다.
앞의 계산에서는, 각각 단일 루프(1), 단일 루프(2), 단일 루프(3) 및 단일 루프(4)만이 있다고 가정되었다. 더 큰 감도를 얻기 위해 유도된 자속을 증가시켜 더 나은 감도를 얻기 위해 각각 여러 개의 루프를 중첩시킬 수 있는 것이 명백하다.
또한 앞의 계산으로부터, 각각의 나선부는 영구적으로 2개의 권선(도 4 및 도 8의 실시예에서 1, 4 및 2, 3)을 동시에 향하도록 하면 병진 이동 변위 시 상기 계산된 자속에 보상이 획득되는 것으로 나타난다. 여기서는 권선의 기하학적 형상을 나선부의 형상에 적응시키는 것만으로 충분하다. 루프의 크기와 위치는 해당 측정 범위를 따라 나선부의 피치, 폭, 위치, 및 병진 이동의 최대 변위에 적응된다. 따라서, 각각의 나선부는 제1 이차 권선 및 이 제1 이차 권선과 반대 위상을 갖는 제2 이차 권선을 향하는 각도 측정 범위를 따라 위치된다.
도 9는 360°에 걸쳐 각도 위치를 측정하는 것을 도시한다. 여기서 측정 원리는 동일하게 유지된다. 나선부의 단부의 형상은 유도된 자속의 변화가 전체 측정 범위, 즉 360°를 따라 동일한 각도 변화에 대해 동일하게 유지되도록 적응된다. 따라서, 여기서 나선부가 샤프트(2)에 걸쳐 360°로 연장되고, 나선부의 단부들이 샤프트(12)에 대해 반경방향 평면에 위치되도록 배열한다. 또한 원통형 구역(16)은 나선부의 단부들로부터 δ보다 더 작은 거리에 표적을 형성하는 임의의 보스(boss) 등을 갖지 않는 것이 고려되는 것이 바람직할 수 있다.
도 10에 도시된 바와 같이, 나선부들을 결합시켜 갈매기 형상(chevron)을 형성하는 것도 가능하다. 수 개의 자극(pole)을 갖는 모터에 의해 샤프트와 같은 수 개의 자극에 대해 수행된 측정의 경우, 위치 측정을 위해 제공된 원통형 구역(16)의 영역에 수 개의 나선부 또는 갈매기 형상을 제공하는 것도 가능하다.
샤프트(12)의 길이방향 축(14)을 따라 횡방향 변위는 기생 운동일 수 있다. 그러나, 이 운동은 제어된 움직임일 수 있고, 그리하여 또한 길이방향 축(Z)을 따른 샤프트(12)의 변위를 측정하는 것에 관심이 있을 수 있다.
반대 방향의 2개의 나선부가 존재하는 것으로 인해 샤프트(12)의 길이방향 변위를 또한 측정할 수 있다. 여기서, 각도 위치를 측정하는데 사용된 이차 회로 상에 및 일차 회로(28) 상에 추가적인 이차 회로를 중첩시키는 것이 제안된다.
도 6 또는 도 7에 도시된 바와 같은 추가적인 이차 회로를 사용하는 것이 여기서 제안된다.
여기서 제안된 추가적인 이차 회로는 도 4와 도 5의 이차 회로와 유사하다. 다시, 하나의 패턴에서 하나의 권선의 루프의 표면이 다른 권선의 루프의 표면에 대응하도록 하나의 권선의 루프와 다른 권선의 루프를 각각 갖는 2개의 패턴 및 반대 위상을 갖는 2개의 권선을 볼 수 있다. 도 4 및 도 5의 이차 회로에 비해, 도 6 및 도 7의 추가적인 이차 회로는 다시 일측에는 동일한 패턴을 갖지만, 나선부들을 분리시키는 거리에 대응하는 거리만큼 제1 패턴으로부터 또한 분리된 다른 패턴은 위상이 반대이다. 따라서, 여기서 제2 패턴을, 제1 패턴과 동일한 패턴이지만, 2개의 나선부를 분리하는 거리만큼 증가된 패턴의 길이에 대응하는 거리만큼 길이방향 축을 따라 오프셋된 패턴으로 형성할 수 있다. 다시 말해, 하나의 패턴의 하나의 권선의 하나의 루프는 다른 패턴의 다른 권선의 하나의 루프와 대칭인 것으로 고려할 수 있다.
요컨대, 도 4와 도 6을 비교하면 명확히 나타나는 바와 같이, 도 6의 추가적인 이차 회로의 루프는 도 4의 이차 회로의 루프와 동일한 형상을 갖지만, 2개의 패턴 사이의 연결은 반전된다. 따라서, 도 6의 루프는 1, 2, 3' 및 4'로서 표시된다. 마찬가지로, 도 7에서, 루프는 5, 6, 7, 8', 9' 및 10'을 갖는다.
추가적인 이차 회로의 단자의 신호는 이 회로의 루프에서 일차 회로(28)에 의해 유도된 자속에 대응한다. 위에서 이미 수행된 바와 같이 추가적인 이차 회로의 각각의 루프에서의 자속을 계산한다. 위와 같이, 다시 루프(1 및 2)에 대해서는 동일한 자속을 볼 수 있고 (루프(3 및 4)에 비해) 루프(3' 및 4')에 대해서는 반전된 자속을 볼 수 있다. 따라서 다음을 얻을 수 있다:
φ1 = -φ0(-θ + Z)
φ2 = φ0(θ - Z)
φ3'= -φ0(θ + Z)
Φ4'= Φ0(-θ - Z)
추가적인 이차 회로의 단자에서 측정된 신호는 루프(1, 2, 3' 및 4')에서 순환하는 자속의 합에 비례한다.
따라서 다음을 얻을 수 있다:
Σφ = φ1 + φ2 + φ3'+ φ4'
Σφ = φ0(θ - Z + θ - Z - θ - Z - θ - Z)
또는
Σφ = -4φ0*Z
따라서, 추가적인 이차 회로의 단자의 신호는 샤프트(12)의 길이방향 위치에 비례하고, 이것은 샤프트(12)의 회전 변위(θ)에 둔감해지는 것으로 나타난다.
따라서, 도 4 또는 도 5에 도시된 바와 같은 이차 회로 및 또한 도 6 또는 도 7에 도시된 바와 같은 추가적인 이차 회로와 함께 일차 회로(28)를 위치 센서(22) 상에 중첩시킴으로써, 한편으로는 샤프트(12)의 각도 위치(θ)를 및 다른 한편으로는 샤프트의 축방향 위치(Z)를 정밀하게 측정하는 것이 가능하다.
따라서, 상기 실시예는 샤프트의 축방향 위치(Z)를 측정할 수 있으면서도 샤프트의 축방향 위치(Z)에 의해 영향을 받지 않고 샤프트의 각도 위치(θ)를 동시에 측정할 수 있다. 따라서 동일한 위치 센서는 2개의 위치(각도 위치 및 길이방향 위치)를 측정할 수 있다. 단일 센서에 의해 이렇게 2가지를 측정하는 것은 본 특허 출원서를 출원한 때에 본 발명자의 지식으로는 아직 달성된 것이 없었다.
제안된 위치 센서(각도 위치 및/또는 길이방향 위치)는 감소된 풋프린트를 갖는다. 이 위치 센서는 또한 샤프트의 각속도 센서("리졸버(resolver)"라고도 알려져 있음)를 생성하는 데에도 사용될 수 있다.
제안된 바람직한 실시예는 나선부의 형상으로 표적을 갖고, 2개의 나선부는 동일한 피치를 갖지만 방향이 반대이다. 루프를 적응시키는 것에 의해 2개의 나선부에 다른 피치를 제공하는 것도 고려할 수 있다.

Claims (7)

  1. 유도성 위치 센서(22) 및 표적(18, 20)으로 형성된 조립체로서,
    상기 위치 센서는 지지부(24)를 포함하는 샤프트(12) 등의 각도 위치를 측정하도록 설계된 위치 센서(22)이고, 상기 지지부 상에는 한편으로는 일차 권선(primary winding)(28), 및 다른 한편으로는, 서로 반대 위상을 갖는 적어도 2개의 이차 권선(secondary winding)(1, 4; 2, 3; 5, 7, 8, 10; 6, 9)이 구현되고, 각각의 이차 권선은 서로 위상이 동일한 적어도 2개의 루프의 세트로 형성되고, 상기 조립체에서 상기 이차 권선(1, 4; 2, 3; 5, 7, 8, 10; 6, 9)들은 직렬로 연결되고 중간선(middle line)(A, A')에 대해 대칭으로 각각 배열되어 상기 중간선의 양측에 각각 패턴(M)과 패턴(M')을 형성하고, 상기 2개의 패턴은 상기 중간선의 영역에서 상기 패턴들 사이에 분리 거리를 갖고, 상기 표적(18, 20)은 반대 피치의 2개의 나선부(helix)(18, 20)를 포함하고, 상기 유도성 위치 센서(22)는, 한편으로는 상기 이차 권선의 하나의 패턴(M)이 하나의 나선부(18)를 향하여 위치되고 상기 이차 권선의 다른 패턴(M)이 다른 나선부(20)를 향하여 위치되고, 다른 한편으로는 각각의 나선부(18, 20)가 제1 이차 권선을 향하여 및 상기 제1 이차 권선과 반대 위상을 갖는 제2 이차 권선을 향하여 위치되도록 상기 표적을 향하여 배치된, 조립체.
  2. 제1항에 있어서, 각각의 패턴(M)은 제2 권선의 루프들의 제2 세트에 인접하여 제1 권선의 루프들의 제1 세트로 구성되고, 상기 제1 권선의 루프들은 상기 제2 권선의 루프들과 유사한 형태를 갖고, 상기 제1 세트의 루프의 수는 상기 제2 세트의 루프의 수와 동일한, 조립체.
  3. 제1항에 있어서, 각각의 패턴(M')은 상기 제2 권선의 루프들의 제2 세트 및 상기 제2 권선의 루프들의 제3 세트에 인접하여 제1 권선의 루프들의 제1 세트로 구성되고, 상기 제1 권선의 루프는 상기 제2 권선의 루프의 표면의 2배인 표면을 갖고, 상기 루프의 수는 3개의 세트에서 동일하고, 상기 루프들의 제1 세트의 루프는 상기 루프들의 제2 세트의 루프와 상기 루프들의 제3 세트의 루프 사이에 배치되어 상기 중간선에 수직으로 루프들이 정렬되게 형성하는, 조립체.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 센서(22)는 서로에 대해 위상이 반대이고 서로 직렬로 연결된 적어도 2개의 추가적인 이차 권선을 더 포함하고, 각각의 추가적인 이차 권선은 서로 위상이 동일한 적어도 2개의 루프의 세트로 형성되고, 상기 추가적인 이차 권선의 루프는 상기 중간선(AA')에 대해 다른 추가적인 이차 권선의 루프에 대해 대칭 방식으로 배치되고, 하나의 추가적인 이차 권선 형태의 루프는, 상기 중간선의 동일 측에 위치된 다른 추가적인 이차 권선의 루프와 함께 상기 중간선의 일측 상에, 상기 추가적인 이차 권선의 다른 루프에 의해 형성된 패턴과는 별개의 패턴을 형성하는, 조립체.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 나선부(18, 20)는 상기 샤프트(12)의 원통형 표면 상에 상기 원통형 표면의 횡방향 평면에 대해 대칭적으로 배치된, 조립체.
  6. 샤프트(12)의 각도 위치를 비접촉식으로 측정하는 방법으로서,
    Figure pct00010
    상기 샤프트(12)의 외부 표면에 반대 방향의 2개의 나선부(18, 20)를 제공하는 단계로서, 상기 나선부들은 상기 샤프트(12)의 추정된 축방향 변위의 함수인 미리 결정된 거리만큼 각도 측정 범위를 따라 서로 이격된, 상기 2개의 나선부를 제공하는 단계;
    Figure pct00011
    하나의 일차 권선(28)과 적어도 2개의 이차 권선(1, 4; 2, 3; 5, 7, 8, 10; 6, 9)을 갖는 유도성 위치 센서(22)를 제공하는 단계로서, 하나의 이차 권선은 서로 위상이 동일한 적어도 2개의 루프의 세트로 형성된, 상기 유도성 위치 센서를 제공하는 단계;
    Figure pct00012
    상기 샤프트(12)의 각도 위치가 값에서 변할 때, 한편으로는 하나의 이차 권선에서, 하나의 나선부를 향한 루프에서 유도된 자속의 변화는 다른 나선부를 향하는 루프에서 유도된 자속의 변화와 동일하고, 다른 한편으로는 상기 하나의 나선부를 향하는 하나의 이차 권선의 루프에서 유도된 자속의 변화는 상기 다른 이차 권선의 루프에서 유도된 자속의 변화와 동일하지만 반대이고, 상기 하나의 나선부를 향하는 루프는 각도 측정 범위를 따라 상기 나선부들을 분리하는 거리에 대응하는 거리만큼 상기 다른 나선부를 향하는 루프로부터 분리되도록, 상기 나선부(18, 20)를 향하게 각각의 이차 권선(1, 4; 2, 3; 5, 7, 8, 10; 6, 9)의 루프를 배열하는 단계;
    Figure pct00013
    상기 일차 권선을 여기시키고 상기 이차 권선의 신호를 측정하는 단계; 및
    Figure pct00014
    상기 샤프트의 각도 위치(θ)를 결정하는 단계로서, 상기 측정된 신호는 상기 샤프트의 축방향 변위(Z)와 독립적으로 상기 샤프트의 위치의 각도 값에 대응하는, 상기 샤프트의 각도 위치를 결정하는 단계를 포함하는, 샤프트의 각도 위치를 비접촉식으로 결정하는 방법.
  7. 제6항에 있어서, 상기 샤프트의 축방향 변위(Z)를 측정하는 것이 또한 가능하고, 이를 위해,
    Figure pct00015
    적어도 2개의 추가적인 이차 권선을 상기 센서에 제공하는 단계;
    Figure pct00016
    상기 샤프트의 각도 위치가 값에서 변할 때, 한편으로는 하나의 이차 권선에서, 하나의 나선부를 향하는 루프에서 유도된 자속의 변화는 다른 나선부를 향하는 루프에서 유도된 자속의 변화와 동일하지만 반대이고, 다른 한편으로는 상기 하나의 나선부를 향하는 하나의 이차 권선의 루프에서 유도된 자속의 변화는 상기 다른 이차 권선의 루프에서 유도된 자속의 변화와 동일하고, 상기 하나의 나선부를 향하는 루프는 각도 측정 범위를 따라 상기 나선부들을 분리하는 거리에 대응하는 거리만큼 상기 다른 나선부를 향하는 루프로부터 분리되도록, 상기 나선부를 향하게 각각의 추가적인 이차 권선의 루프를 배열하는 단계;
    Figure pct00017
    상기 추가적인 이차 권선의 신호를 측정하는 단계; 및
    Figure pct00018
    상기 샤프트(12)의 축방향 위치(Z)를 결정하는 단계로서, 상기 추가적인 이차 권선의 영역에서 측정된 신호는 상기 샤프트의 각도 위치와 독립적으로 상기 샤프트의 위치에 대응하는, 상기 샤프트의 축방향 위치를 결정하는 단계를 더 포함하는, 샤프트의 각도 위치를 비접촉식으로 결정하는 방법.
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