KR20190014084A - 샤프트 등의 각도 위치를 측정하기 위한 장치 - Google Patents

Abstract

샤프트(12)의 각도 위치를 측정하기 위한 장치는,

제1 유도성 위치 센서(22)를 형성하도록 일차 권선(28)과 상호 180° 위상 이동된 관계를 갖는 적어도 2개의 이차 권선(1, 4; 2, 3; 5, 7, 8, 10; 6, 9)이 상부에 배열된 지지부; 및

패턴이 각각 중간 선의 양측에 형성되도록 상기 중간 선에 대해 상기 제1 위치 센서의 이차 권선에 대향하여 동일한 지지부 상에 배치되고 상호 180° 위상 이동된 관계를 갖는 적어도 2개의 이차 권선을 갖는 제2 위치 센서(23)를 포함하고,

상기 일차 권선은 모든 상기 이차 권선을 둘러싼다. 이러한 유형의 장치 및 반대 방향으로 감긴 2개의 나선부를 갖는 표적을 포함하는 유닛이 더 개시된다.

Description

샤프트 등의 각도 위치를 측정하기 위한 장치

본 발명은 유도 기술을 사용하여 샤프트 등의 각도 위치를 측정하기 위한 장치에 관한 것이다.

본 기술은 위치를 검출하고자 하는 부품과 접촉할 필요 없이 기계 부품 또는 임의의 다른 요소의 위치를 결정할 수 있는 장점을 갖는다. 이러한 장점은 이러한 센서를 적용하는 것이 모든 유형의 산업 분야에서 매우 다양하다는 것이다. 유도성 센서는 또한 본 발명이 개발된 예를 들어 자동차 분야를 포함하는 일반적인 용도에도 사용된다. 그러나, 본 발명은 또한 다른 다양하고 가변적인 분야에서 사용될 수 있다.

유도성 센서의 동작 원리는 자기 회로(magnetic circuit)를 사용하지 않고 고주파수에서 동작하는 변압기의 일차 권선(primary winding)과 이차 권선(secondary winding) 사이의 결합이 변하는 것에 기초한다. 이들 권선들 간의 결합은 일반적으로 "표적(target)"이라고 알려진 이동하는 (전기) 전도성 부재의 위치에 따라 변한다. 표적에서 유도된 전류는 이차 권선에 유도된 전류를 변경한다. 권선의 구성을 적응시키고 일차 권선에 주입된 전류를 아는 것에 의해 이차 권선에 유도된 전류를 측정하면 표적의 위치를 결정할 수 있다.

문헌 EP0182085는 이러한 유형의 유도성 센서의 원리를 기술한다.

이러한 유형의 유도성 센서를 장치, 특히 전자 장치에 통합하기 위해, 상기 변압기를 인쇄 회로 기판 상에 구성하는 것이 알려져 있다. 이에 따라, 일차 권선 및 이차 권선은 인쇄 회로 기판 상에 트랙으로 구성된다. 일차 권선은 예를 들어 외부 고주파 전력 소스에 의해 공급되고, 이차 권선은 일차 권선에 전류를 흐르게 하는 것에 의해 생성된 자기장에 의해 전류가 유도되는 곳이다. 예를 들어, 금속 구조물의 전도성 부분인 표적은 단순한 형태를 취할 수 있다. 예를 들어, 이 부분은 금속 시트(metal sheet)로부터 잘라낸 부재를 포함할 수 있다. 선형 센서를 생산하기 위해, 표적을 형성하는 절결부는 예를 들어 직사각형 형상일 수 있는 반면, 회전 센서의 경우 상기 절결부는 예를 들어 부재의 움직임에 적합한 반경 및 각도를 갖는 각도 섹터의 형상을 취할 수 있다.

일반적으로 2개의 이차 권선 시리즈는 센서의 전체 이동 길이에 걸쳐 표적의 위치에 대한 사인(sin) 함수와 코사인(cos) 함수를 구현하도록 구성된다. 이러한 함수(사인 및 코사인)는 잘 알려져 있으며 전자 시스템으로 쉽게 처리될 수 있다. 사인과 코사인의 비율을 수립한 다음 아크탄젠트(arctangent) 함수를 적용함으로써 표적의 위치의 이미지를 얻는다. 사인 함수와 코사인 함수의 인수는 표적의 위치의 선형(또는 아핀(affine)) 함수이며, 따라서 표적의 이동은 이러한 삼각 함수의 공간적 주기의 변하는 크기의 비율을 나타낸다.

물리적 측면에서, 일차 회로와 이차 회로 사이의 결합을 변경하는 것은 이 기술 분야에 통상의 지식을 가진 자에게 알려진 전자기 표피 효과(skin effect)에 의해 달성된다. 일차 회로는 고주파 소스에 의해 공급되기 때문에 센서 전체에 걸쳐 발생하는 현상은 고주파 현상이다. 위치를 발견하고자 하는 표적은 중실 전도성 부분이고 상당한 유도 전류가 있는 곳이다. 이러한 유도 전류의 침투 깊이는 상대적으로 얕다(그리하여 "표피 효과"라고 한다). 이 깊이는 예를 들어 알루미늄 표적의 경우 50 ㎛ 정도이다. 그 결과, 유도는 표적을 관통하지 않고, 따라서 일차 회로에 의해 생성된 자속은 표적을 우회한다. 그 결과, 자기력선이 실질적으로 변경된다. 이 변경은 표적의 위치에 따라 증가되거나 감소된 자속을 받는 이차 회로에 의해 인식된다. 표적의 위치의 함수로서 변하는 이들 자속은 또한 시간의 함수로서 변해서 이차 회로의 단자에 전압을 생성한다. 이들 전압을 측정하는 것에 의해, 더 분석할 때 표적의 위치를 알 수 있게 하는 신호가 얻어진다.

샤프트의 각도 위치를 결정하기 위해 샤프트의 단부에 센서를 배열하는 것이 가능하지 않을 때 선형 센서에 대향하여 배열된 나선부(helix)를 갖는 샤프트를 구성하는 것이 알려져 있다. 실제로 나선부가 고정된 점에 대하여 회전하는 것으로 고려되는 경우, 상기 고정된 점으로부터 표면이 축방향으로 이동하는 것으로 볼 수 있다. 따라서, 전체 프로세스는 표적이 센서에 대해 직선 운동을 하는 것처럼 진행된다.

따라서, 선형 센서는 표적의 형태를 적응시킴으로써 샤프트의 각도 위치에 대한 지시를 제공할 수 있다. 그러나, 각도 위치를 결정하고자 하는 샤프트가 축방향으로 이동하는 경우, 심지어 표류 이동하는 경우에, 이러한 각도 운동으로 인해 각도 측정이 왜곡된다.

그리하여, 본 발명의 목적은 반경방향 위치에 위치되어, 즉 그 단부에 위치되는 것이 아니라 샤프트의 측면에 위치됨으로써 축방향 유격에 대한 민감성을 제거하는, 유도성 (비접촉) 기술을 사용하여 샤프트 등의 각도 위치를 측정하는 것을 구현하기 위한 것이다.

바람직하게는, 이러한 측정을 구현하기 위한 장치는 감소된 풋프린트(footprint)를 갖는다.

유리하게는, 이러한 유형의 장치는 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 표류하는(stray) 길이방향 운동을 정량화하는 데에도 사용될 수 있다.

이를 위해, 본 발명은, 지지부 상에 첫째 일차 권선 및 둘째 상호 반대 위상을 갖는 적어도 2개의 이차 권선이 제1 유도성 위치 센서를 형성하도록 구성된, 상기 지지부를 포함하는 샤프트 등의 각도 위치를 측정하기 위한 장치를 제안한다.

본 발명에 따르면, 상기 장치는, 패턴(motif)이 중간 선(median line)의 양측에 각각 형성되도록 상기 중간 선에 대해 상기 제1 위치 센서의 상기 이차 권선에 대향하여 동일한 지지부 상에 배열되고 상호 반대 위상인 적어도 2개의 이차 권선을 갖는 제2 위치 센서를 포함하고, 상기 일차 권선은 상기 2개의 위치 센서에 공통이고 상기 2개의 위치 센서의 상기 이차 권선을 둘러싸는 일차 권선이다.

이러한 유형의 장치는, 나란히 배열된 2개의 나선부를 갖는 이중 나선부로 동작하도록 설계되고, 여기서 상기 2개의 나선부는 반대 방향으로 구성되고, 상호 이격된다. 상기 형성된 2개의 패턴은, 2중 나선부의 형태의 표적을 갖는 샤프트가 길이방향 변위(예를 들어, 표류 진동)를 하는 경우에도, 각 패턴이 다른 패턴의 영향을 받지 않고 나선부에 대향하여 유지될 수 있도록 분리된다.

따라서, 제안된 장치는, 표류하는 변화든 또는 고의적인 변화든 상관 없이, 길이방향 위치의 임의의 변화에 민감하지 않고, 표적을 갖는 샤프트의 각도 위치에만 의존하는 신호를 획득할 수 있다. 실제로, 제안된 위치 센서의 이차 권선에서 길이방향 변위와 관련된 자속의 변화를 제거하는 것이 가능하다.

실시예의 제1 형태에서, 상기 측정 장치는 각각의 패턴이 제2 권선에서의 루프의 제2 시리즈에 인접하여 제1 권선에서의 루프의 제1 시리즈로 구성되고, 상기 제1 권선의 루프는 상기 제2 권선의 루프와 유사한 형태이고, 상기 제1 시리즈의 루프의 수는 상기 제2 시리즈의 루프의 수와 동일하도록 구성된다.

전술한 측정 장치의 대안적인 실시예에서, 각각의 패턴은 제2 권선에서의 루프의 제2 시리즈 및 상기 제2 권선에서의 루프의 제3 시리즈에 인접하여 제1 권선에서의 루프의 제1 시리즈로 구성되고, 상기 제1 권선의 루프는 상기 제2 권선의 루프의 표면적의 2배의 표면적을 갖고, 상기 3개의 시리즈에서 루프의 수는 동일하고, 상기 루프의 제1 시리즈에서의 루프는 상기 루프의 제2 시리즈의 루프와 상기 루프의 제3 시리즈의 루프 사이에 배열되어, 상기 중간 선에 대해 루프가 수직으로 정렬되게 형성하게 한다.

본 발명은 또한, 샤프트 및 표적의 각도 위치를 측정하기 위한 장치로 형성된 유닛으로서, 샤프트의 각도 위치를 측정하기 위한 장치는 전술한 유형의 샤프트의 각도 위치를 측정하기 위한 장치이고, 상기 표적은 반대 피치(pitch)를 갖는 2개의 나선부를 포함하고, 상기 제1 유도성 위치 센서는 하나의 나선부에 대향하여 배열되고, 상기 제2 위치 센서는 다른 나선부에 대향하여 배열되는 것을 특징으로 하는 상기 유닛에 관한 것이다.

마지막으로, 본 발명은, 샤프트의 각도 위치를 비접촉식으로 측정하는 방법으로서,

상기 샤프트의 외부 표면 상에 반대 피치를 갖는 2개의 나선부를 구성하는 단계로서, 상기 나선부들은 상기 샤프트의 추정된 축방향 변위의 함수인 미리 결정된 거리에서 각도 측정 범위 내에서 서로 이격된, 상기 2개의 나선부를 구성하는 단계;

제1 유도성 선형 위치 센서를 제공하는 단계;

제2 유도성 선형 위치 센서를 제공하는 단계;

첫째, 상기 샤프트의 길이방향 변위를 나타내는 성분, 및 둘째, 상기 샤프트의 회전을 나타내는 성분을 포함하는 신호를 전달하기 위해 제1 나선부에 대향하여 상기 제1 위치 센서를 배열하는 단계;

상기 샤프트의 길이방향 변위를 나타내는 성분 및 상기 샤프트의 회전을 나타내는 성분을 포함하는 신호를 전달하기 위해 상기 제2 나선부에 대향하여 상기 제2 위치 센서를 배열하는 단계; 및

상기 샤프트의 병진 이동을 나타내는 성분을 제거하기 위해 상기 제1 위치 센서 및 상기 제2 위치 센서에 의해 전달된 신호를 조합하는 것에 의해 상기 샤프트의 각도 위치를 결정하는 단계

를 포함하는 것을 특징으로 하는, 상기 샤프트의 각도 위치를 비접촉식으로 측정하는 방법에 관한 것이다.

상기 방법을 용이하게 실현하기 위해 예를 들어 다음 사항이 제공될 수 있다:

상기 나선부는 상기 샤프트의 원통형 표면 상에, 상기 원통형 표면의 횡방향 평면에 대해 대칭으로 배열되고, 및/또는

상기 제1 위치 센서 및 상기 제2 위치 센서는 공통 일차 권선을 갖는다.

유리하게는, 이러한 유형의 방법은 상기 샤프트의 회전을 나타내는 성분을 제거하기 위해 상기 제1 위치 센서 및 상기 제2 위치 센서에 의해 전달된 신호를 조합하는 것에 의해 상기 샤프트의 축방향 변위를 또한 측정할 수 있다.

본 발명의 상세 및 장점은 첨부된 개략도를 참조하는 다음의 설명에 의해 명확해질 것이다.

- 도 1은 각도 위치(및 적용 가능한 경우 축방향 위치)를 측정하는 것이 구현되는 샤프트의 측면도,
- 도 2는 비접촉 측정 시스템을 도시하는, 도 1에 도시된 샤프트의 단면도,
- 도 3은 도 2에 도시된 센서에 사용될 수 있는 일차 권선의 개략도,
- 도 4 및 도 5는 도 2에 도시된 측정 장치에 사용될 수 있는 이차 권선의 개략도,
- 도 6은 주어진 범위(360° 미만) 내에서 각도 위치를 측정하고자 하는 샤프트에 대향하여 배열된 이차 권선을 매우 개략적으로 도시한 도면,
- 도 7은 360°의 범위에 걸쳐 각도 위치를 측정하고자 하는 샤프트에 대향하여 배열된 이차 권선을 매우 개략적으로 도시한 도면, 및
- 도 8 및 도 9는 각도 위치를 측정하는 것이 구현되는 샤프트의 변형 실시예를 보여주는, 도 6 및 도 7과 유사한 도면을 도시한 도면.

도 1은 길이방향 축(14)을 갖는 샤프트(12)를 도시한다. 이 샤프트(12)는 회전 구동되고 그 각도 위치는 각도(θ)로 주어진다. 샤프트는 길이방향 축(14)에 대응하는 길이 방향으로 측방향 병진(β) 이동할 수 있다. 병진 이동은 (약 1/10 밀리미터 정도의) 표류하는 기생 운동(parasitic movement) 및/또는 고의적인 움직임일 수 있다.

이것은 예를 들어 자동차의 캠샤프트일 수 있다. 이 샤프트(12)는 제1 나선부(18) 및 제2 나선부(20)가 구성된 원통형 구역(16)을 갖는다. 여기에 도시된 실시예의 바람직한 형태에서, 이러한 2개의 나선부는 동일한 특성을 갖고, 샤프트(12)의 횡방향 평면에 대해 대칭으로 배열된다. 따라서, 이들 2개의 나선부는 동일한 피치를 갖지만 반대 방향으로 구성된다. 여기서 2개의 나선부는 원통형 구역(16)을 360°의 각도로 둘러싼다고 가정된다. 길이방향 축(14)을 따라 샤프트(12)의 최대 측방향 변위는 δ라고 가정된다. 제1 나선부(18)는 제2 나선부(20)로부터 적어도 2δ의 간극만큼 이격된다.

제1 나선부(18) 및 제2 나선부(20)는 커넥터(26)와 관련된, 지지부(24) 상에 장착된, 단일 집적 회로 기판 상에 각각 구성된 제1 위치 센서(22) 및 제2 위치 센서(23)와 각각 협력한다. 제1 위치 센서(22) 및 제2 위치 센서(23)는, 나선부에 대향하여 나선부에 근접하지만 나선부와 접촉하지는 않은 상태로 샤프트(12)의 길이방향 축(14)과 평행한 평면에 배열된다. 도 2는 샤프트(12)에 대한 위치 센서의 위치를 샤프트(12)에 대해 횡단면으로 도시한 것이다. 나선부와 위치 센서 사이에는 밀리미터(0.5 mm 내지 5 mm) 정도의 간극이 유지된다.

제1 위치 센서(22) 및 제2 위치 센서(23)는 샤프트(12)의 각도 위치 및 길이방향 축(14)을 따른 위치를 결정하도록 설계된다. 여기서 샤프트(12)의 각도 위치(각도(θ))를 결정하기 위해 선형 위치 센서가 사용된다. 각각의 나선부는 회전 운동을 선형 운동으로 변환한다. 샤프트(12)가 회전할 때, 각각의 위치 센서는 대응하는 나선부를 선형 변위를 받는 표적으로 인식한다. 하나의 센서는 하나의 방향으로 표적이 변위하는 것을 인식하는 반면, 다른 센서는 반대 방향으로 표적이 변위하는 것을 인식한다.

제1 위치 센서(22) 및 제2 위치 센서(23)는 이차 회로(도 4 또는 도 5)와 관련된 하나의 일차 회로(28)(도 3)를 포함하는 유도성 센서로서 각각 구성된다. 이 기술 분야에 통상의 지식을 가진 자에게 알려진 방식으로, 일차 회로(28)는 고주파 신호에 의해 여기되고(excited), 표적, 이 경우에, 나선부(제1 나선부(18) 및 제2 나선부(20))는 대응하는 이차 회로와 결합을 형성한다. 이차 회로의 단자에서 전기 전압(신호)을 측정함으로써, 제1 위치 센서(22) 및 제2 위치 센서(23)에 대한 나선부의 위치, 및 이에 따라 샤프트(12)의 각도 위치를 알 수 있다. 원래의 방식으로, 일차 회로(28)는 제1 위치 센서(22) 및 제2 위치 센서(23)에 공통인 회로이다.

일차 회로와 동일한 방식으로, 각각의 위치 센서의 이차 회로는 인쇄 회로 기판(printed circuit board: PCB)이라고도 하는 기판에 인쇄된다. 이차 회로의 제1 형태는 도 4에 도시되고, 변형 실시예는 도 5에 도시된다.

도 4에 도시된 실시예의 형태에서, 각각의 위치 센서의 이차 회로는 상호 반대 위상으로 2개의 권선을 갖는다. 도 4에서 1 내지 4까지 번호가 매겨진 4개의 루프가 있음을 볼 수 있다. 루프(1 및 2)는 제1 위치 센서(22)와 관련된 반면, 루프(3 및 4)는 제2 위치 센서(23)와 관련된다. 따라서, 각각의 루프는 대응하는 위치 센서를 위한 이차 권선을 형성한다.

4개의 루프(1, 2, 3 및 4)는 샤프트(12)의 길이방향 축(14)과 평행한 축으로 정렬된다. 이들 루프는 실질적으로 동일한 표면적을 가져서, 표적이 없다면 이들 루프 각각에서 일차 회로에 의해 유도된 자속은 동일한 절대 값을 갖는다. 제1 위치 센서(22)의 루프(1 및 2)는 제1 나선부(18)에 대향하여 배열되도록 설계된 반면, 제2 위치 센서(23)의 루프(3 및 4)는 제2 나선부(20)에 대향하여 배열되도록 설계된다. 루프(1 및 2)는 중간 선(AA')에 대해 루프(3 및 4)에 의해 형성된 패턴(M)에 대칭인 패턴(M)을 형성한다. 주어진 패턴(M)(1과 2 또는 3과 4)에서 각각 동일한 패턴의 다른 루프와 반대 위상을 갖는 루프가 적어도 하나 있다. 도 4와 도 5에서 기호 +와 -는 어느 루프가 위상이 동일하고 어느 루프가 위상이 반대인지를 나타내기 위해 예시를 위해 제공된다.

2개의 패턴(M)은 분리되어 있는 것을 또한 볼 수 있다. (도 4에서 루프(2)와 루프(3) 사이의 분리 거리에 대응하는) 2개의 패턴 사이의 분리 거리는 제1 나선부(18)와 제2 나선부(20) 사이의 분리 거리, 예를 들어, 2δ와 동일하다.

도 5는 도 4에 도시된 이차 회로의 실시예의 일 변형예를 도시한다. 이 경우, 5 내지 10까지 번호가 매겨진 6개의 루프가 있다. 이차 회로는 직렬 연결되고 상호 반대 위상을 갖는 2개의 권선으로 형성된다. 한편으로는 루프(5, 7) 및 다른 한편으로는 루프(8, 10)는 제1 위치 센서(22) 및 제2 위치 센서(23)를 위한 일차 권선을 각각 형성하는데, 즉 이들 루프는 직렬로 연결되고 위상이 동일하다. 루프(6 및 9)는 각각 루프(5, 7 및 8, 10)와 위상이 반대인 이차 권선을 각각 형성한다.

여기서도, 이차 회로의 루프들은 샤프트(12)의 길이방향 축(14)과 평행한 축으로 정렬된다. 루프(5, 6 및 7)는 제1 위치 센서(22)에 대응하는 제1 패턴(M')을 형성하고 이 제1 패턴은 루프(8, 9, 10)에 의해 형성된 제2 위치 센서(23)에 대응하는 제2 패턴(M')에 대칭이다. 이들 2개의 패턴(M')은 중간 선(AA')에 대해 대칭이고, 이 경우에 제1 나선부(18)와 제2 나선부(20) 사이의 분리 거리, 예를 들어, 2δ에 대응하는 거리만큼 상호 분리된다.

각각의 패턴(M')에서, 하나의 권선에서의 루프의 표면적은 다른 권선에서의 루프의 표면적과 동일하다. 따라서, 제1 패턴은 루프(5 및 7)를 포함하고, 각각의 루프는 루프(6)의 표면적의 절반과 실질적으로 동일한 표면적을 갖는다. 따라서, 일차 회로에 의해 패턴의 권선의 루프에서 유도된 자속은 다른 권선의 루프에서 일차 회로에 의해 유도된 자속과 절대 값이 동일하다.

위치 센서를 사용하여 샤프트(12)의 각도 위치(θ)를 측정하는 원리는 도 6을 참조하여 설명된다. 이 도면에서, 위치 센서는 도 4의 이차 회로 상에 중첩된 도 3의 일차 회로(28)를 포함하는 것으로 가정된다.

매우 개략적으로 도시된 도 6에는 제1 나선부(18), 제2 나선부(20), 및 관련된 4개의 루프(1, 2, 3 및 4)를 갖는 도 4의 2개의 센서의 이차 회로만이 도시되어 있다. 이 도면은 y 축의 표현(Z)과 각도 위치(θ)에 대응하는 x 축을 포함한다. 각각의 이차 회로(루프(1 및 2) 및 루프(3 및 4))는 고정되어 있다고 가정된다. 나선부는 경사진 스트립(strip)으로 각각 표시되는데, 즉 이것은 샤프트(12)가 센서 앞에서 회전할 때 나선부와 관련된 센서(이차 회로)에 의해 인식되는 이미지에 대응한다.

도 6은 샤프트(12)의 각도 위치 및 축방향 위치에 대응한다. 샤프트(12)가 회전하는 경우, 나선부를 나타내는 경사진 스트립은 도 6에 도시된 x 축을 따라 상승하거나 하강한다. 샤프트(12)가 축방향으로 이동하면, 경사진 스트립은 y 축을 따라 센서에 대해 이동한다.

도 6에 도시된 개념의 경우에, 각도 위치는 360° 미만의 미리 결정된 범위에 걸쳐 측정된다고 가정된다.

샤프트(12)가 회전하고 θ가 증가하면, 루프(1)의 자유 표면적이 줄어든다. 샤프트(12)가 Z 값이 상승하는 쪽으로 이동하면, 루프(1)의 자유 표면적이 증가한다. 따라서, φ1은 루프(1)에 유도된 자속이다. 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.

이것은 다음을 제공한다:

φ1 = -φ0(-θ + Z)

동일한 논리를 다른 루프에 적용하면 다음을 제공한다:

φ2 = φ0(θ - Z)

φ3 = φ0(θ + Z)

φ4 = -φ0(-θ - Z)

제1 위치 센서(22)의 이차 회로의 단자에서 측정된 신호는 루프(1 및 2) 내 자속의 합에 비례한다.

이것은 다음을 제공한다:

센서 자속(22) = φ1 + φ2

센서 자속(22) = φ0(θ - Z + θ - Z)

센서 자속(22) = 2φ0(θ - Z)

제2 위치 센서(23)의 이차 회로의 단자에서 측정된 신호는 루프(3 및 4) 내 자속의 합에 비례한다.

이것은 다음을 제공한다:

센서 자속(23) = φ3 + φ4

센서 자속(23) = Φ0(θ + Z + θ + Z)

센서 자속(23) = 2φ0(θ + Z)

2개의 신호가 함께 더해지면, 이것은 4개의 루프 내 자속의 합을 나타내는 신호를 제공하는데, 즉:

Σφ = 4φ0*θ

따라서, 이차 회로의 단자의 신호를 더하는 것에 의해, 결과 신호는 샤프트(12)의 각도 위치에 비례하고 샤프트(12)의 축방향 변위(Z)에 둔감해진다.

유사한 시연이 도 5에 도시된 이차 회로를 사용하여 수행될 수 있다. 이것은 동일한 결과를 제공하는데, 즉 2개의 위치 센서의 2개의 이차 회로의 단자에서 측정된 신호의 합에 의해 얻어진 신호는 샤프트의 회전 각도에 비례하고 이 샤프트(12)의 축방향 위치(Z)의 변화에 둔감하다.

위의 계산에서는, 각각 단일 루프(1), 단일 루프(2), 단일 루프(3) 및 단일 루프(4)만이 존재한다고 가정되었다. 더 큰 감도를 달성하기 위해, 유도된 자속을 증가시켜 향상된 감도를 달성하기 위해 각각 다수의 루프가 중첩될 수 있다는 것이 명백하다.

또한 위의 계산으로부터 각각의 나선부는 위치 센서의 2개의 권선(도 4 및 도 6에 도시된 실시예의 형태에서 1과 2, 3과 4)을 항상 동시에 향하도록 하면 병진 이동과 관련하여 지금까지 계산된 자속이 상쇄되는 것을 달성할 수 있는 것으로 나타난다. 이 경우, 권선의 기하학적 형상을 나선부의 형상에 적응시키는 것만으로 충분하다. 루프의 크기와 위치는 고려된 측정 범위 내에서 나선부의 피치, 폭, 위치, 및 병진 이동의 최대 변위에 적응된다. 따라서, 각각의 나선부는 각도 측정 범위 내에서 제1 이차 권선을 향함과 동시에 제1 이차 권선과 반대 위상을 갖는 제2 이차 권선을 향하게 위치된다.

도 7은 360°에 걸쳐 각도 위치를 측정하는 것을 도시한다. 여기서 측정 원리는 동일하게 유지된다. 나선부의 단부의 형상은 유도된 자속의 변화가 전체 측정 범위, 즉 360°에 걸쳐 주어진 각도 변화에 대해 동일하게 유지되도록 적응된다. 따라서, 이 경우에 나선부는 샤프트(12)를 360° 각도로 둘러싸고, 나선부의 단부들이 샤프트(12)에 대해 반경방향 평면에 위치되는 것으로 제공된다. 또한, 원통형 구역(16)은 나선부의 단부들로부터 δ보다 더 적은 거리에 표적을 형성하는 돌출부 등을 갖지 않는다는 것이 보장된다.

도 8에 도시된 바와 같이, 나선부들을 결합시켜 갈매기 형상(chevron)을 형성하는 것이 가능하다. 예를 들어, 다극 모터의 샤프트 상의 다수의 자극에 대해 측정이 수행되는 경우, 위치 측정을 위해 제공된 원통형 구역(16)의 레벨에 복수의 나선부 또는 갈매기 형상을 배열하는 것도 가능하다.

샤프트(12)의 길이방향 축(14)을 따라 횡방향 변위는 표류하는 운동일 수 있다. 그러나, 이 운동은 또한 고의적인 움직임일 수도 있고, 그리하여 이 경우에는 또한 길이방향 축을 따른 샤프트(12)의 변위를 측정하는데 유용할 수 있다.

반대 방향으로 배열된 2개의 나선부가 존재하는 것으로 인해, 샤프트(12)의 길이방향 변위를 측정하는 것도 가능하다. 이를 위해, 위치 센서에 의해 전달된 2개의 신호를 감산하는 것만으로 충분하다. 전술한 예에서, 제2 위치 센서(23)로부터의 신호를 고려하여 이 신호로부터 제1 위치 센서(22)에 의해 전달된 신호를 감산하는 것이 적절하다. 상기 예를 고려하면, 이는 다음을 제공한다:

센서 자속(23) - 센서 자속(22) = 2φ0(θ + Z) - 2φ0(θ - Z)

센서 자속(23) - 센서 자속(22) = 4φ0*Z

그리하여, 위치 센서에 의해 전달된 2개의 신호를 감산하는 것에 의해 얻어진 신호는 샤프트(12)의 축방향 변위(Z)를 나타낸다.

따라서, 상기 실시예의 형태는 샤프트의 축방향 위치를 측정할 수 있게 하면서도 샤프트의 축방향 위치의 영향을 받지 않고 샤프트의 각도 위치를 동시에 측정할 수 있게 한다. 따라서, 단일 위치 센서는 2개의 위치(각도 위치 및 길이방향 위치)를 측정할 수 있다. 단일 센서를 사용하여 이렇게 2가지 유형을 측정하는 것은 특허 출원서를 출원한 때에 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 함)를 구현하는 데에도 사용될 수 있다.

제안된 실시예의 바람직한 형태에서 표적은 나선부의 형태로 구성되고, 여기서 2개의 나선부는 동일한 피치를 갖지만 반대 방향으로 구성된다. 위치 센서의 루프를 대응하여 적응시키는 것에 의해 2개의 나선부에 상이한 피치를 사용하는 것도 고려될 수 있다.

도시된 실시예의 형태는 또한 센서를 대칭적으로 배열하는 것을 제공한다. 이것은 실시예의 바람직한 형태이지만, 다른 형태의 실시예도 고려될 수 있다. 예를 들어, 도 4 및 도 6 내지 도 9에 도시된 실시예의 형태에서, 루프(1)는 루프(4)와 위상이 동일하고, 루프(2)는 루프(3)와 위상이 동일하다. 루프(1)는 또한 루프(3)와 위상이 동일할 수 있고, 루프(2)는 루프(4)와 위상이 동일할 수 있다. 후자의 경우, 2개의 위치 센서에 의해 전달된 신호를 더하면 샤프트(12)의 병진을 나타내는 신호가 얻어지는 반면, 이들 신호를 감산하면 신호는 샤프트(12)의 회전 각도를 나타내는 신호를 전달할 수 있다.

따라서, 본 발명은 지금까지 설명되고 도면에 도시된 실시예의 바람직한 형태로 한정되지 않고, 이 기술 분야에 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 명세서로부터 추론될 수 있는 언급되거나 언급되지 않은 많은 변형을 포함할 수 있다.

Claims (7)

1. 샤프트(12) 및 표적(18, 20)의 각도 위치를 측정하기 위한 장치로 형성된 유닛으로서,
   상기 샤프트(12)의 각도 위치를 측정하기 위한 장치는, 지지부 상에 첫째 일차 권선(28) 및 둘째 상호 반대 위상을 갖는 적어도 2개의 이차 권선(1, 4; 2, 3; 5, 7, 8, 10; 6, 9)이 제1 유도성 위치 센서(22)를 형성하도록 구성된, 상기 지지부를 포함하는 샤프트(12)의 각도 위치를 측정하기 위한 장치이고,
   

   

   상기 장치는, 패턴(M, M')이 중간 선의 양측에 각각 형성되도록 상기 중간 선(A, A')에 대해 상기 제1 위치 센서의 상기 이차 권선에 대향하여 동일한 지지부 상에 배열되고 상호 반대 위상인 적어도 2개의 이차 권선을 갖는 제2 위치 센서(23)를 포함하고, 상기 일차 권선은 상기 2개의 위치 센서(22, 23)의 상기 이차 권선을 둘러싸며,
   

   

   상기 표적은 반대 피치를 갖는 2개의 나선부(18, 20)를 포함하고,
   

   

   상기 제1 유도성 위치 센서(22)는 나선부(18)에 대향하여 배열되며,
   

   

   상기 제2 위치 센서(23)는 다른 나선부(20)에 대향하여 배열된 것을 특징으로 하는 유닛.
2. 제1항에 있어서, 각각의 패턴(M)은 제2 권선에서의 루프의 제2 시리즈에 인접하여 제1 권선에서의 루프의 제1 시리즈로 구성되고, 상기 제1 권선의 루프는 상기 제2 권선의 루프와 유사한 형태이며, 상기 제1 시리즈의 루프의 수는 상기 제2 시리즈의 루프의 수와 동일한, 유닛.
3. 제1항에 있어서, 각각의 패턴(M')은 제2 권선에서의 루프의 제2 시리즈 및 상기 제2 권선에서의 루프의 제3 시리즈에 인접하여 제1 권선에서의 루프의 제1 시리즈로 구성되고, 상기 제1 권선의 루프는 상기 제2 권선의 루프의 표면적의 2배의 표면적을 갖고, 상기 3개의 시리즈에서 루프의 수는 동일하며, 상기 루프의 제1 시리즈에서의 루프는 상기 루프의 제2 시리즈의 루프와 상기 루프의 제3 시리즈의 루프 사이에 배열되어, 상기 중간 선에 대해 루프가 수직으로 정렬되게 형성하는, 유닛.
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 나선부는 상기 샤프트의 원통형 표면 상에, 상기 원통형 표면의 횡방향 평면에 대해 대칭으로 배열되는, 유닛.
5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 위치 센서(22) 및 상기 제2 위치 센서(23)는 공통 일차 권선(28)을 갖는, 유닛.
6. 샤프트(12) 및 표적(18, 20)의 각도 위치를 측정하기 위한 장치를 사용하여 샤프트(12)의 각도 위치를 비접촉식으로 측정하는 방법으로서,
   샤프트(12)의 각도 위치를 측정하기 위한 상기 장치는, 지지부 상에, 첫째, 일차 권선(28) 및 둘째 상호 반대 위상을 갖는 적어도 2개의 이차 권선(1, 4; 2, 3; 5, 7, 8, 10; 6, 9)이 제1 유도성 위치 센서(22)를 형성하도록 구성된, 상기 지지부를 포함하고, 상기 방법은,
   

   

   상기 샤프트(12)의 외부 표면 상에 반대 피치를 갖는 2개의 나선부(18, 20)를 구성하는 단계로서, 상기 나선부들은 상기 샤프트의 추정된 축방향 변위의 함수인 미리 결정된 거리에서 각도 측정 범위 내에서 서로 이격된, 상기 2개의 나선부를 구성하는 단계;
   

   

   제1 유도성 선형 위치 센서(22)를 제공하는 단계;
   

   

   제2 유도성 선형 위치 센서(23)를 제공하는 단계로서, 상기 제2 위치 센서(23)는 패턴(M, M')이 각각 중간 선의 양측에 형성되도록 상기 중간 선(AA')에 대해 상기 제1 위치 센서의 이차 권선에 대향하여 동일한 지지부 상에 배열되고 상호 반대 위상을 갖는 적어도 2개의 이차 권선을 갖고, 상기 일차 권선은 상기 2개의 위치 센서(22, 23)의 상기 이차 권선을 둘러싸는, 상기 제2 유도성 선형 위치 센서를 제공하는 단계;
   

   

   첫째, 상기 샤프트(12)의 길이방향 변위를 나타내는 성분, 및 둘째, 상기 샤프트의 회전을 나타내는 성분을 포함하는 신호를 전달하기 위해 제1 나선부(18)에 대향하여 상기 제1 위치 센서(22)를 배열하는 단계;
   

   

   상기 샤프트(12)의 길이방향 변위를 나타내는 성분 및 상기 샤프트의 회전을 나타내는 성분을 포함하는 신호를 전달하기 위해 상기 제2 나선부(20)에 대향하여 상기 제2 위치 센서(23)를 배열하는 단계; 및
   

   

   상기 샤프트(12)의 병진 이동을 나타내는 성분을 제거하기 위해 상기 제1 위치 센서(22) 및 상기 제2 위치 센서(23)에 의해 전달된 신호를 조합하는 것에 의해 상기 샤프트의 각도 위치를 결정하는 단계를 포함하는, 샤프트의 각도 위치를 비접촉식으로 측정하는 방법.
7. 제6항에 있어서, 상기 샤프트(12)의 회전을 나타내는 성분을 제거하기 위해 상기 제1 위치 센서(22) 및 상기 제2 위치 센서(23)에 의해 전달된 신호를 조합하는 것에 의해 상기 샤프트의 축방향 변위를 더 측정할 수 있는, 샤프트의 각도 위치를 비접촉식으로 측정하는 방법.

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