KR20210045501A - 유도성 위치 센서용 커플러 요소 형태 - Google Patents

유도성 위치 센서용 커플러 요소 형태 Download PDF

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KR20210045501A
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링민 사오
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케이에스알 아이피 홀딩스 엘엘씨.
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Abstract

본 개시의 일 실시예에 따르면, 유도성 위치 센서 어셈블리가 제공된다. 유도성 센서 어셈블링는 센서 및 커플러 요소를 포함한다. 센서는 내경과 외경을 갖는 송신기 코일과 송신기 코일의 외경 내에 위치되는 수신기 코일을 포함한다. 커플러 요소는 기하학적 연속적인 곡선 형태를 갖는다. 커플러 요소는 기하학적 연속적인 곡선 형태의 최대 직경이 송신기 코일의 외경이 되도록 송신기 코일의 외경 내에 위치된다. 커플러 요소가 이동하는 경우, 커플러 요소의 기하학적 연속적인 곡선 형태는 송신기 코일 및 수신기 코일 사이의 유도성 커플링을 수정한다.

Description

유도성 위치 센서용 커플러 요소 형태
본 실용 특허 출원은 2018년 9월 14일 자로 출원된 미국 가특허 출원번호 제62/731,432호의 우선권을 주장하며, 이는 원용에 의해 전체로서 본 명세서에 포함된다.
본 발명은 유도성 위치 센서 시스템, 특히 고차 고조파 에러를 기하학적으로 제거하는 유도성 위치 센서의 커플러 요소에 관한 것이다.
유도성 센서는 커플러와 연관된 타겟의 위치를 결정하기 위해 송신기 코일 섹션 위를 이동하는 커플러를 이용한다. 센서는 코일 위의 커넥터의 위치에 비례하는 수신 코일에서의 와전류를 생성한다. 와전류는 코일을 따라 커플러의 위치에 비례하는 아날로그 신호를 생성하기 위해 측정된다. 그러나, 정확한 위치를 제공하기 위해 수정되어야만 하는 많은 에러가 있다. 에러의 원인은 커플러 자체의 기하학적 형태나 윤곽을 포함한다. 즉, 1극 커플러 이상이 필요한 어플리케이션에서 커플러는 일반적으로 날카로운 모서리, 직선 모서리, 갑작스러운 변화 및/또는 그와 유사한 것을 포함하는 기하학적 형태 또는 윤곽을 갖는다. 따라서, 이러한 기하학적 형태 또는 윤곽은 와전류 및 코일에 대한 커플러의 전체적인 위치 검출에 영향을 미친다.
따라서, 와전류에 영향을 주지 않거나, 영향을 최소화하는 커플러의 기하학적 형태 또는 윤곽이 필요하다.
일 실시예에서, 유도성 위치 센서 어셈블리가 제공된다. 유도성 센서 어셈블리는 센서와 커플러 요소를 포함한다. 센서 어셈블리는 내경 및 외경을 갖는 송신기 코일과 송신기 코일의 외경 내에 위치하는 수신기 코일을 포함한다. 커플러 요소는 연속적인 곡선 형태를 갖는다. 커플러 요소는 연속적인 곡선 형태의 최대 직경이 송신기 코일의 외경이 되도록 송신기 코일의 외경 내에 위치된다. 커플러 요소가 움직일 때, 커플러 요소의 연속적인 곡선 형태는 송신기 코일 및 수신기 코일 사이의 유도성 커플링을 수정한다.
본 명세서에 개시된 실시예에 의해 제공되는 이들 및 추가적인 특징은 도면과 함께 이하의 상세한 설명을 고려하여 보다 완전히 이해될 것이다.
이하의 상세한 설명과 함께 읽을 때 첨부된 도면은 참조될 것이며, 여기서 유사한 도면 부호는 여러 도면에 걸쳐 유사한 부분을 지칭한다.
도 1은 본 명세서의 하나 이상의 실시예에 따른 종래 기술의 커플러 기하학적 형태의 평면도를 개략적으로 도시한다.
도 2는 본 명세서의 하나 이상의 실시예에 따른 수학적 표시를 포함하는 커플러 기하학적 형태의 평면도를 개략적으로 도시한다.
도 3은 본 명세서의 하나 이상의 실시예에 따른 연속적인 곡선 윤곽의 4극 커플러이다.
도 4는 본 명세서의 하나 이상의 실시예에 따른 연속적인 곡선 윤곽의 3극 커플러이다.
도 5는 본 명세서의 하나 이상의 실시예에 따른 연속적인 곡선 윤곽의 2극 커플러이다.
도 6은 본 명세서의 하나 이상의 실시예에 따른 연속적인 곡선 윤곽의 1극 커플러이다.
도 7a는 본 명세서의 하나 이상의 실시예에 따른 1극 커플러 형태, 송신기 코일, 및 수신기 코일을 갖는 센서 어셈블리의 평면도를 개략적으로 도시한다.
도 7b는 본 명세서의 하나 이상의 실시예에 따른 도 7a의 센서 어셈블리의 사시도를 개략적으로 도시한다.
도 8a는 본 명세서의 하나 이상의 실시예에 따른 커플러 형태, 송신기 코일, 및 수신기 코일을 갖는 센서 어셈블리의 평면도를 개략적으로 도시한다.
도 8b는 본 명세서의 하나 이상의 실시예에 따른 도 8a의 센서 어셈블리의 사시도를 개략적으로 도시한다.
도 9는 본 명세서의 하나 이상의 실시예에 따른 수신기 신호의 플롯을 개략적으로 도시한다.
본 명세서에 기술된 실시예는 유도성 위치 센서 어셈블리에 관한 것이다. 유도성 센서 어셈블리는 센서 및 커플러 요소를 포함한다. 센서는 내경과 외경을 갖는 송신기 코일과 송신기 코일의 외경 내에 위치되는 수신기 코일을 포함한다. 커플러 요소는 기하학적인 연속 곡선 형태를 갖는다. 커플러 요소는 기하학적인 연속 곡선 형태의 최대 직경이 송신기 코일의 외경이 되도록 송신기 코일의 외경 내에 위치된다. 기하학적인 연속 곡선 형태는 1극, 2극, 3극, 및 4극 센서 어셈블리를 포함하는 여러 상이한 극의 윤곽이다. 연속적인 커플러 윤곽은 향상된 선형성과 에어 갭(air gap) 성능을 유도하는 평활한(smooth) 프로파일을 가지고 있다는 것을 이해해야 한다. 또한, 연속적인 커플러 윤곽의 평활한 프로파일은 제조 가능성을 향상시키고, 날카로운 모서리의 감소로 인해 툴링 마모(tooling wear)를 감소시키며, 커플러, 센서 어셈블러, 샤프트, 및/또는 그와 유사한 것에 대한 응력(stress) 집중을 감소시킨다.
이와 같이, 커플러 요소가 움직일 때, 커플러 요소의 기하학적인 연속 곡선 형태는 송신기 코일 및 수신기 코일 사이의 유도 커플링을 수정하여 수신 신호의 파형에서 발견되는 고조파 성분이 보상되도록 한다.
이제 도 1을 참조하면, 종래 기술의 커플러(100)는 서로 중첩 및/또는 상호 연결될 수 있는 반-타원형 형태(105)를 갖는 커플러 윤곽을 기하학적으로 포함할 수 있다. 일반적으로, 반-타원형 형태(105)의 개수는 센서 어셈블리의 극의 개수에 의존한다. 도 1에 도시된 바와 같이, 종래 기술의 커플러(100)는 3극 커플러이고, 따라서, 중심점(135)에서 기하학적으로 교차하는 3개의 반-타원형(110) 또는 로브(lobe)를 갖는다. 3개의 반-타원형(110) 또는 로브 각각은 각각의 반-타원형(110)에 대응하는 복수의 점선(115)에 의해 표시되는 바와 같이 일반적으로 연속적인 곡선이 아닌 윤곽을 포함한다. 이와 같이, 3개의 반-타원형(110) 또는 로브는 3개의 반-타원형(110) 또는 로브 사이의 상호 연결 부분(125)에서 복수의 날카로운 트랜지션(transition)을 갖는다. 더 나아가, 이러한 상호 연결 부분(125) 근처에서, 종래 기술의 커플링은 선형 또는 유사 선형 부분(130)을 더 포함할 수 있다. 이와 같이, 상호 연결 부분(125) 및 반-타원형(110)에서의 날카로운 트랜지션은 이동 중에 종래 기술의 커플러(100)이 정확한 위치를 결정하는데 복수의 에러를 생성하는 유사 선형 부분(130)을 포함한다. 예를 들어, 반-타원형 형태(105) 또는 윤곽은 종래 기술의 커플러(100)를 통과하는 와전류를 방해하고, 이는 고차 고조파 성분을 야기하여 수신 신호의 파형이 순수한 사인 파형으로부터 벗어나게 한다. 또한, 센서 어셈블리에서 에어 갭의 성능에 영향을 미치는 선형성 문제가 이동 중의 종래 기술의 커플러(100)에 존재한다.
이제 도 2를 참조하면, 실선으로 도시된 예시적인 커플러(200)는 연속적인 곡선의 단일 곡률을 갖는다. 이와 같이, 도 2의 예시적인 커플러(200)는 일정한 곡률을 가지며, 이는 로브 및/또는 복수의 로브(202) 각각의 부분이 더 큰 곡선 또는 아치를 갖도록 복수의 로브(202) 사이에 덜 날카롭거나 연장된 트랜지션을 가진다. 이와 같이, 예시적인 커플러(200)는 도 1의 종래 기술의 커플러(100)보다 덜 선형적이며, 이는 본 명세서에서 더 상세히 논의되는 바와 같이 개선된 수신 신호를 초래한다.
이제 도 3 내지 도 6을 참조하면, 예시적인 커플러(300, 400, 500, 600)은 각각 실선으로 도시되어 있으며, 연속적인 곡선의 단일 곡률을 가진다. 2점 쇄선(dashed-dot-dot line)으로 도시된 종래 기술의 커플러(301, 401, 501, 601)은 본 명세서에서 더 자세히 논의된 바와 같이 예시적인 커플러(300, 400, 500, 600)와 종래 기술의 커플러(301, 401, 501, 601) 사이의 기하학적 차이를 도시하기 위한 것이다. 종래 기술의 커플러(401)는 예시적인 커플러(400)와 비교하여 기하학적 차이를 강조하기 위해서만 다시 도시된 종래 기술의 커플러(100)와 동일할 수 있으며, 여기서 예시적인 커플러(400)는 예시적인 커플러(200)와 기하학적으로 동일할 수 있음을 이해해야 한다(도 2). 또한, 각각의 커플러(300, 400, 500, 600)는 타겟을 형성하기 위해 본 명세서에서 더 논의된 바와 같이 센서 어셈블리(700)(도 7)의 극에 따른 기하학적 차이를 포함한다는 것을 이해해야만 한다. 즉, 커플러(300, 400, 500, 600) 각각은 본 명세서에서 더 자세히 논의되는 바와 같이 송신기 코일(702)(도 7) 및 2-파트 수신기 코일(704)(도 7) 사이의 유도성 커플링을 수정하도록 구성된 커플러 요소 또는 타겟이다. 즉, 각 예시적인 커플러(300, 400, 500, 600)의 기하학적 형태는 동심도 에러(concentricity errors) 문제, 이는 차례로 센서 어셈블리 출력 곡선의 편차 또는 선형성 에러를 생성하는 문제를 수정할 수 있다는 것을 이해해야 한다.
일부 실시예에서, 커플러(300, 400, 500, 600) 각각은 금속 물질이다. 또한, 일부 실시예에서, 커플러(300, 400, 500, 600) 각각은 회전에 의해, 선형으로, 또는 그렇지 않으면 커플러를 이동시키는 것과 같이 커플러(300, 400, 500, 및/또는 600)를 이동시키도록 구성된 샤프트 또는 다른 디바이스에 형성될 수 있다. 일부 실시예에서, 커플러(300, 400, 500, 및/또는 600) 각각은 자성 물질의 층을 더 포함할 수 있다. 이러한 실시예에서, 자성 물질의 층은 페라이트(ferrite)와 같은 연자성 물질일 수 있다. 다른 실시예에서, 와전류를 유도하는 자기적 특성을 갖기에 적합한 물질은 희토류 자기(rare earth magnetics), 알루미늄, 철, 코발트, 니켈, 및/또는 이와 유사한 것과 같은 페라이트 외의 다른 물질일 수 있다. 자성 물질의 층은 통상의 기술자에 의해 이해되는 바와 같이 통상적인 기술을 사용하여 추가될 수 있다는 것을 이해해야 한다. 이와 같이, 자성층은 커플러(300, 400, 500, 600)의 표면을 따라 시트를 형성할 수 있다. 더 나아가, 자성 물질의 층의 두께는 자성 물질의 유형, 커플러와 센서 사이의 에어 갭 등에 따라 변할 수 있음을 이해해야 한다.
이제 다시 도 2를 참조하면, 예시적인 커플러(200)의 기하학적 형태가 기술될 것이다. 예시적인 커플러(200)에 대한 기하학적 형태에 관한 본 명세서의 논의는 4극 예시적인 커플러(300)(도 3), 3극 예시적인 커플러(400)(도 4), 2극 예시적인 커플러(500)(도 5), 및 1극 예시적인 커플러(600)(도 6)에 대해 동일하다는 것을 이해해야 한다. 따라서, 예시적인 커플러(200)의 형태를 형성하기 위한 기하학적 배치에 대해서만 상세히 기술될 것이다.
예시적인 커플러(200)의 기하학적 배치는 신호 프로세서(706)(도 7)에 대한 비정현파 입력 신호를 보정한다는 것을 또한 이해해야 한다. 즉, 예시적인 커플러(200)의 연속적인 곡선 또는 평활한 프로파일을 갖는 기하학적 형태는 고차 기하학적 고조파 에러를 보정하여 와전류가 평활한 프로파일을 통과하게 함으로써 센서 선형성 에러 및 에어 갭을 개선시킨다. 예시적인 커플러(200)의 기하학적 형태는 이하의 파라미터 방정식으로부터 결정된다:
Figure pct00001
여기서, 본 명세서에서 더 상세히 논의되는 바와 같이, "N"은 센서 어셈블리의 극의 개수와 같고, "a"는 커플러 직경, "b"는 중간 원과 최대 및/또는 최소 원의 반경 사이의 차이이며, "θ"는 커플러 형태를 정의하기 위한 변수이다. 즉, 본 명세서에서 더 상세히 논의되는 바와 같이, "θ"는 커플러의 연속적인 곡선을 형성하고 중심점에 대해 각도를 갖는 플롯된 지점일 수 있다.
여전히 도 2를 참조하면, 예시적인 커플러(200)는 3개의 로브(202)를 갖는 3극 커플러로 도시된다. 커플러(200)는 3개의 로브(202)로 제한되지 않고, 본 명세서에서 더 상세히 논의되는 바와 같이 극의 개수에 따라 변할 수 있다는 것을 이해해야 한다. 연속적인 곡선 윤곽을 결정하거나 계산하기 위해, 복수의 가상의 원이 도 2에서 2점 쇄선으로 도시되며, 이는 최소 파라미터, 최대 파라미터, 로브 간의 트랜지션 등을 기술하는데 도움이 된다. 이와 같이, 위의 방정식에 기초하여, 각각의 로브(202)는 본 명세서에서 더 상세히 논의되는 바와 같이, 최외곽 부분(204), 또는 점이나 일련의 점들, 트랜지션 부분(206), 중심점(208) 등을 갖는 것으로 도시될 수 있다.
제1 원(210) 또는 최소 원은 중심점(208)으로부터 반경 방향 외측으로 연장되는 것으로 도시되고, 로브(202) 사이의 트랜지션 부분(206)의 위치를 형성하는 원주를 갖는 것으로 도시된다. 즉, 각각의 트랜지션 부분(206)은 로브(202) 사이의 아치형 또는 연속적인 곡선이다. 트랜지션 부분(206)은 cos (θ) = -1일 때 위치되거나 도시될 수 있다. 이와 같이, 예시적인 커플러(200)에서, cos (θ) = -1인 3개의 지점이 있고, 따라서 3개의 트랜지션 부분(206), 각각의 로브(202) 사이에 하나의 부분씩 있다는 것을 이해해야 한다.
제2 원(212) 또는 최대 원은 중심점(208)으로부터 반경 방향 외측으로 연장되고, 각 로브(202)의 최외곽 부분(204)의 위치를 형성하는 원주를 갖는 것으로 도시된다. 이와 같이, 제2 원(212)은 제1 원(210)보다 큰 반경과 원주를 갖는다. 즉, 각 로브(202)는 최외곽 부분(204)을 가지며, 여기서 최외각 부분(204)은 로브(202)의 아치형 또는 연속적인 곡선이다. 최외곽 부분(204)은 cos (θ) = 1일 때 위치되거나 도시될 수 있다. 이와 같이, 예시적인 커플러(200)에서, cos (θ) = 1인 3개의 지점이 있고, 따라서 중심점(208)으로부터 동일한 거리에 있는 3개의 최외곽 부분(204)이 있으며, 각각의 로브(202)에 한 부분씩 있다는 것을 이해해야 한다. 더 나아가, 일부 실시예에서, 각 로브(202)의 최외곽 부분(204)은 이하에서 더 상세히 논의되는 바와 같이 송신기 코일(702)의 외경을 넘어 연장되지 않는다. 즉, 예시적인 커플러(200)의 최대 길이 (즉, +/- X 방향) 및/또는 폭 (즉, +/- Y 방향)은 송신기 코일의 외경에 의해 제한될 수 있다.
제3 원(214) 또는 중간 원은 제1 및 제2 원(210, 212) 사이에서 균일하게 이격되어 있다. 이와 같이, 제3 원(214)은 제1 원(210)으로부터 제2 원(212)을 향해 반경 방향 외측으로 연장된다. 따라서, 도시된 바와 같이, 제3 원(214)은 일반적으로 로브(202)의 트랜지션 부분(206)과 각 로브(202)의 최외곽 부분(204) 사이의 동일한 거리에서 각각의 로브(202)와 교차하거나 통과한다.
여전히 도 2를 참조하면, Y 축(216)이나 세로 좌표, 및 X 축(218)이나 가로 좌표는 중심점(208)에서 교차한다. 중심점(208), X축(218), 및/또는 Y축(216)은 위의 방정식으로부터 커플러 형태를 형성하거나 도시하는 것을 돕기 위해 사용될 수 있다. 예를 들어, 위의 방정식에서 "a" 항은 중심점(208)으로부터 직선(220)으로 측정된 제3 원(214)의 반경일 수 있다. "a" 항은 예시적인 커플러(200) 직경과 연관될 수 있다. 또 다른 예시로, 위의 방정식에서 "b" 항은 제1 원(210)의 외주로부터 취한 제3 원(214)의 반경(222)과 제3 원(214)의 외주로부터 취한 제2 원(212)의 반경 사이의 차이일 수 있다. 이와 같이, "b" 항은 에러와 연관된 스칼라일 수 있으며, 시스템에 비례할 수 있다. 따라서, 일부 실시예에서, "a" 항은 직경에 대한 특정 상수일 수 있고, "b" 항은 시스템에 대한 특정 상수일 수 있다.
도 2에 도시된 "x(θ)" 항은 Y 축(216)으로부터 제1 원(210)을 넘어 위치(226)까지 수평으로 측정된 x-좌표 점일 수 있으며, 도 2에 도시된 "y(θ)" 항은 Y 좌표 점을 형성하기 위해 X 축(218)으로부터 제1 원(210)을 넘어 위치(228)까지 수직으로 측정될 수 있다. 위치(226)의 X 좌표 점과 위치(228)의 Y 좌표 점은 함께 플롯점(230)을 형성한다. 이와 같이, 이는 최외곽 부분(204) 및 트랜지션 부분(206)과 함께 연속적인 커플러 형태를 형성하기까지 계속된다는 것을 이해해야 한다.
도 3 내지 도 6을 다시 참조하면, 종래 기술의 커플러와 예시적인 커플러(300, 400, 500, 600)의 비교가 기술될 것이다. 도 3은 연속적인 곡선 윤곽의 4극 커플러(300)를 개략적으로 도시하며, 도 4는 연속적인 곡선 윤곽의 3극 커플러(400)를 개략적으로 도시하고, 도 5는 연속적인 곡선 윤곽의 2극 커플러(500)를 개략적으로 도시하고, 도 6은 연속적인 곡선 윤곽의 1극 커플러(600)를 개략적으로 도시한다. 도 3 내지 도 6 각각은 Y 축(216), 또는 세로축과 X 축(218), 또는 가로축과 중심점(208)을 포함한다는 것을 유의해야 한다. 더 나아가, 중심점(208)은 예시적인 커플러(300, 400, 500, 600) 내에서 중심이 되지 않을 수 있다. 예를 들어, 1극 커플러(600)(도 6)의 중심점(208)은 오프셋을 가져서, 커플러(600)의 이동 시 회전 또는 선형 이동에 관계없이 제1 및 제2 수신기 코일(714, 716)(도 7a)이 항상 커플러(600)에 의해 커버되지는 않는다. 즉, 1극 커플러(600)는 차등 신호 인식을 위해 오프셋될 수 있다. 또한, 도 3 내지 도 5의 예시적인 커플러(300, 400, 500)는 로브(202)가 균일하거나 동일하다는 것을 도시하고, 로브(202)는 반드시 균일하고 및/또는 동일할 필요는 없다. 더 나아가, 일부 실시예에서, 예시적인 커플러는 로브가 아니라 원형인 기하학적으로 연속인 곡선 형태를 가질 수 있다. 예를 들어, 1극 예시적인 커플러(600)는 로브 형태는 아니나 원형일 수 있는 기하학적인 연속 곡선 형태(602)를 가질 수 있다. 이와 같이, 일부 실시예에서, 기하학적인 연속 곡선 형태(602)는 통상의 기술자에 의해 이해되는 바와 같이 원을 형성하기 위해 최내곽 부분이 없는 복수의 최외곽 부분을 가질 수 있다.
이제 다시 도 6과 도 7a 내지 도 7b를 참조하면, 연속적인 곡선 윤곽의 1극 커플러(600)를 가지는 제1 예시적인 센서 어셈블리(700)가 개략적으로 도시되어 있다. 센서 어셈블리는 송신기 코일(702), 2-파트 수신기 코일(704), 신호 프로세서(706), 및 일부 실시예에서 인쇄 회로 기판(printed circuit board, PCB)(708)울 포함한다. 송신기 코일(702)은 종래의 원형 코일 설계에서 하나 이상의 루프일 수 있거나, 다른 구성이 사용될 수 있다. 송신기 코일(702)은 미리 결정된 내경(710) 및 미리 결정된 외경(712)을 갖는다. 여기자 코일(exciter coil)이라고도 하는 송신기 코일(702)은 교류 소스에 의해 전력을 공급받을 수 있다. 전기 에너지에 의해 여기될 때, 송신기 코일(702)은 전자기 복사를 방출한다. 송신기 코일(702)과 그 코일에서 신호를 유도하는 임의의 다른 근접 코일 사이에 유도성 커플링이 있다. 2-파트 수신기 코일(704)은 제1 수신기 코일(714) 및 제2 수신기 코일(716)을 포함한다. 송신기 코일(702)과 2-파트 수신기 코일(704) 사이의 유도성 커플링은 2-파트 수신기 코일(704)에서 수신기 신호를 생성한다.
예를 들어, '수신기 신호'라는 용어는 일반적으로 수신기 코일에서 유도된 신호를 지칭하기 위해 사용될 수 있으며, 또한 2-파트 수신기 코일(704)에서 유도된 신호에 기초한 임의의 조정된 신호를 지칭할 수도 있다. 이하에 논의되는 예시에서, 단일 수신기 신호는 제1 수신기 코일(714) 및 제2 수신기 코일(716) 루프 구성에 형성된 제1 및 제2 신호로부터의 기여를 포함하는 2-파트 수신기 코일(704)에 의해 제공된다. 즉, 제1 수신기 코일(714) 및 제2 수신기 코일(716)은 각각 제1 및 제2 신호를 제공한다. 그러면, 수신기 신호는 제1 신호 및 제2 신호의 어떠한 조합이다.
예를 들어, 제1 수신기 코일(714) 및 제2 수신기 코일(716)의 구성은 반대 위상의 신호를 생성하도록 구성될 수 있으며, 수신기 신호는 제1 및 제2 신호의 조합이고, 따라서 수신기 신호는 제1 및 제2 신호가 비슷한 크기를 가지는 경우에 최소값을 가진다. 수신기 신호의 크기는 제1 수신기 코일(714)에서 유도된 제1 신호 진폭과 제2 수신기 코일(716)에서 유도된 제2 신호 진폭 사이의 차이이기 때문에, 수신기 신호는 또한 차이 신호로 지칭될 수도 있다.
본 발명의 다른 예시에서, 2-파트 수신기 코일(704)은 처리를 위해 별도의 루프 구조로부터 별개의 제1 및 제2 신호를 전자 회로에 제공할 수 있다.
여전히 도 7a 내지 도 7b를 참조하면, 제1 및 제2 수신기 코일(714, 716)은 서로로부터 반경 방향 외측으로 오프셋될 수 있다. 즉, 제1 및 제2 수신기 코일(714, 716)은 수직 방향으로 오프셋될 수 있고, 일반적으로 송신기 코일(702)의 외경(712) 내에 배치될 수 있다. 이와 같이, 제1 극 커플러(600)는 일반적으로 송신기 코일(702)의 외경(712) 내에서 회전 또는 선형으로 이동할 수 있다. 그러나, 일부 실시예에서, 커플러 또는 그 일부는 송신기 코일(702)의 내경(710) 내에서 완전히 회전하거나 이동할 수 있다.
2-파트 수신기 코일(704)의 제1 수신기 코일(714) 및 제2 수신기 코일(716) 구성은 2-파트 수신기 코일(704)을 통해 주어진 자속 변화에 대해 반대 극성의 제1 및 제2 전압을 제공하도록 구성될 수 있다. 2-파트 수신기 코일(704)은 커플러(600)가 없을 때 제1 및 제2 신호가 서로 상쇄되는 경향이 있도록 구성될 수 있다. 커플러(600)는 제1 수신기 코일(714) 및 제2 수신기 코일(716)로의 자속 전송을 동일하게 차단하여 제1 신호와 제2 신호가 서로 효과적으로 상쇄되도록 하는 제로 위치를 가질 수 있다. 커플러(600)가 초기 위치에 대해 제1 방향으로 이동함에 따라 제2 신호를 유도하는 자속을 더 많이 차단하는 동시에 제1 신호를 유도하는 자속을 덜 차단한다. 따라서, 제1 신호의 크기는 증가하고, 제2 신호의 크기는 감소하며, 수신기 신호의 크기는 증가한다. 커플러(600)는 제2 신호의 크기가 증가하고, 제1 신호의 크기가 감소하는 제2 방향으로도 이동할 수 있다. 커플러(600)는 송신기 코일(702) 및 2-파트 수신기 코일(704)로부터 거리를 두고 회전하거나 이동한다는 것을 이해해야 한다. 일부 실시예에서, 커플러(600)는 본 명세서에서 상세히 논의되는 바와 같이 제1 및 제2 수신기 코일(714, 716)과 동심으로 회전한다.
제1 수신기 코일(714) 및 제2 수신기 코일(716)은 축 방향 또는 수직 방향(즉, +/- Z 방향)으로 PCB(708)의 개별 층에 위치될 수 있어서 센서 어셈블리(700) 및 커플러(600) 사이의 거리 또는 에어 갭이 생성되도록 한다. 제1 수신기 코일(714) 및 제2 수신기 코일(716)의 깊이는 일부 실시예에서 에어 갭 또는 거리에 필요한 신호의 강도에 기초하여 커플러(600)와의 관계로 선택된다는 것을 이해해야 한다. 즉, 일부 실시예에서, 제1 수신기 코일(714)은 PCB(708)의 한 층에 있을 수 있고, 제2 수신기 코일(716)은 제1 수신기 코일(714)로부터 PCB(708)의 다른 층 또는 상이한 층에 있을 수 있다. 일부 실시예에서, 제1 수신기 코일(714) 및 제2 수신기 코일(716)은 인접하거나 인접한 층에 위치될 수 있다. 또 다른 실시예에서, 제1 수신기 코일(714) 및 제2 수신기 코일(718)은 비점유될 수 있거나 다른 코일을 포함할 수 있는 다른 코일(즉, 송신기 코일의 일부 등)에 의해 서로 이격되거나 분리될 수 있는 층들에 위치될 수 있다.
이와 같이, 제1 수신기 코일(714)의 일부는 제2 수신기 코일(718)의 일부들 및 제1 수신기 코일(714)의 랩 부분 아래의 제2 수신기 코일(718)의 일부들과 중첩할 수 있다. 이와 같이, 중첩 부분은 코일 위 및/또는 아래의 경로와 연결되지 않는다는 것과, 이러한 코일 배치는 서로 다른 거리 또는 에어 갭으로부터 커플러(600)의 감지를 허용하며 제1 수신기 코일(714) 및 제2 수신기 코일(718)이 독립적인 코일로서 작용하도록 허용한다는 것을 이해해야 한다. 또 다른 실시예에서, 제1 수신기 코일(714) 및 제2 수신기 코일(718)의 일부는 PCB(708)의 동일한 층 내에 배치되어 커플러(600)로부터의 에어 갭 또는 수직 방향(즉, +/- Z-방향)으로의 동일한 깊이를 가지도록 한다.
제1 수신기 코일(714) 및 제2 수신기 코일(718)은 송신기 코일(702)과 동일 평면에 있을 수 있거나 또는 서로 평행한 평면 및/또는 송신기 코일(702)과 평행한 평면에 있을 수 있다. 2-파트 수신기 코일(704)은 커플러(600)에 대해 축 방향 또는 수직 방향(즉, +/- Z-방향으로)에서 송신기 코일(702) 위에 있다는 것을 이해해야 한다. 일부 실시예에서, 커플러(600)는 중심점(208)에서 중심축(720)을 따라 같은 축을 가지고 정렬된다. PCB(708)는 3개 이상의 층을 가질 수 있고, 일부 층은 코일 등에 의해 점유되지 않을 수 있다는 것을 또한 이해해야 한다.
계속 도 7을 참조하면서 다시 도 3 내지 도 6과 함께 상술한 설명을 참조하면, 2-파트 수신기 코일(704)의 구성은 커플러(300, 400, 500, 및/또는 600)의 위치의 함수인 2-파트 수신기 코일(704)의 출력에서 전압이 발생하도록 할 수 있다는 것을 이해해야 한다. 커플러(300, 400, 500, 및/또는 600)는 수신기 신호가 최소인 2-파트 수신기 코일(704)에 대해 초기 위치를 가질 수 있다. 커플러(300, 400, 500, 및/또는 600)가 초기 위치로부터 이동함에 따라, 송신기 코일(702)과 2-파트 수신기 코일(704) 구성 사이의 유도성 커플링을 수정한다. 일부 실시예에서, 커플러(300, 400, 500, 및/또는 600)의 초기 구성, 제1 및 제2 신호- 하나는 제1 수신기 코일(714)을 위한 것이고, 하나는 제2 수신기 코일(716)을 위한 것임- 는 유사한 크기이며 반대 위상이어서, 그들은 서로를 상쇄시키는 경향이 있다. 커플러(300, 400, 500, 및/또는 600)이 움직임에 따라, 송신기 코일(702) 및 제1 수신기 코일(714) 사이의 유도성 커플링은 증가하고, 동시에 송신기 코일(702) 및 제2 수신기 코일(716) 사이에 유도성 커플링은 감소하는 반면 신호 출력은 감소된 고조파 에러를 가진다. 커플러(300, 400, 500, 및/또는 600)는 송신기 코일(702) 및 2-파트 수신기 코일(704) 사이의 전체 자속 커플링을 수정할 필요가 없으며, 자속 커플링의 공간 분포만 수정할 수 있다는 것을 이해해야 한다.
이제 도 8a 및 도 8b를 참조하면, 연속적인 곡선 윤곽의 2극 커플러(500)를 포함하는 제2 예시적인 센서 어셈블리(800)가 개략적으로 도시된다. 제2 예시적인 센서 어셈블리(800)는, 제2 예시적인 센서 어셈블리(800)가 2극 커플러(500)를 포함하고 또한 2-파트 수신기 코일(704)의 제1 및 제2 수신기 코일(714, 716)이 추가적인 루프를 포함하는 경우를 제외하고는 제1 예시적인 센서 어셈블리(700)와 유사하다. 이에 따라, 유사한 요소 번호가 사용된다. 연속적인 윤곽의 2극 커플러(500)는 서로 마주보는 2개의 로브(202)를 포함하고, 각각은 중심점(208)으로부터 동일한 거리에 있는 최외곽 부분(204)을 가지며, 각각은 트랜지션 부분(206)에 의해 연결된다. 일부 실시예에서, 연속적인 윤곽의 2극 커플러(500)는 카시니 타원형(Cassini oval), 카도이드(cardoid), 및/또는 그와 유사한 것일 수 있다. 2극 커플러(500)는 일반적으로, 송신기 코일(702)의 외경(712) 내에서 회전 또는 선형으로 이동한다. 그러나, 일부 실시예에서, 커플러(500) 또는 그들의 일부는 송신기 코일(702)의 내경(710) 내에서 및/또는 외경(712)을 넘어 회전할 수 있다.
도 9를 참조하면, 수신 신호의 예시적인 플롯(900)이 개략적으로 도시된다. 예시적인 플롯(900)은 도 9에서 점선으로 도시된 종래 커플러(100)(도 1)와 도 9에서 실선으로 도시된 예시적인 커플러(200)(도 2) 사이의 수신 신호의 차이를 개략적으로 도시한다.
세로축(902)은 수신 신호의 진폭을 나타내며, 1.5 내지 -1.5 사이의 범위에 있는 것으로 도시되고, 가로축(904)은 정도 또는 시간을 나타내며, 0도 내지 360도 사이의 범위에 있다. 도 9에 도시된 바와 같이, 점선으로 도시된 종래 기술 커플러(100)로부터의 수신 신호는 순수한 사인파형으로부터 벗어나게 하는 고차 고조파 성분을 갖는다. 실선으로 도시된 예시적인 커플러(200)로부터의 수신 신호는 고차 고조파 성분을 갖지 않으며, 파형은 순수한 사인파형이거나 거의 같다.
도 9는 예시적인 커플러(200)의 기하학적 형태가 수신 신호의 파형에서 발견되는 임의의 고차 고조파 성분에 대해 보상된 것을 도시한다.
따라서, 1극, 2극, 3극, 및 4극 센서 어셈블리를 포함하는 많은 상이한 극에 대한 신규한 연속적인 커플러 윤곽이 개시된다. 연속적인 커플러 윤곽은 선형성과 에어 갭 성능을 향상시키는 부드러운 프로파일을 가지고 있음을 이해해야 한다. 또한, 연속적인 커플러 윤곽의 평활한 프로파일은 제조 가능성을 향상시키고, 날카로운 모서리의 감소로 인해 툴링 마모(tooling wear)를 감소시키며, 커플러, 센서 어셈블러, 샤프트, 및/또는 그와 유사한 것에 대한 응력(stress) 집중을 감소시킨다. 본 발명의 범위 내에서 많은 변형이 또한 가능하다는 것이 통상의 기술자에게 명백해야 한다.

Claims (17)

  1. 유도성 센서 어셈블리로서,
    내경 및 외경을 갖는 송신기 코일, 및 상기 송신기 코일의 외경 내에 위치된 수신기 코일을 포함하는, 센서; 및
    연속적인 곡선 형태를 갖는 커플러 요소로서, 상기 커플러 요소는 상기 송신기 코일의 외경 내에 위치되어 상기 연속적인 곡선 형태의 최대 직경이 상기 송신기 코일의 외경이 되는, 커플러 요소
    를 포함하고,
    상기 커플러 요소가 이동될 때, 상기 커플러 요소의 연속적인 곡선 형태는 상기 송신기 코일 및 상기 수신기 코일 사이의 유도성 커플링을 수정하는,
    유도성 센서 어셈블리.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 커플러 요소의 연속적인 곡선 형태는 제1 방정식
    Figure pct00002

    으로부터 결정되고, 여기서, "N"은 센서 어셈블리의 극의 개수와 동일하고, "a"는 커플러 요소의 직경이며, "b"는 커플러 요소의 연속적인 곡선 형태의 중간 파라미터와 커플러 요소의 연속적인 곡선 형태의 최대 및/또는 최소 파라미터의 반경 간의 차이이며, "θ"는 연속적인 곡선 형태를 정의하기 위해 플로팅된 지점의 변수인,
    유도성 센서 어셈블리.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 커플러 요소의 연속적인 곡선 형태는 적어도 하나의 로브를 포함하는,
    유도성 센서 어셈블리.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 커플러 요소의 연속적인 곡선 형태의 최대 파라미터는 제2 방정식
    Figure pct00003
    으로부터 결정되는,
    유도성 센서 어셈블리.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 로브의 최외곽 부분은 상기 제2 방정식으로부터 결정된 최대 파라미터에 의해 결정되는,
    유도성 센서 어셈블리.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 커플러 요소의 연속적인 곡선 형태의 최소 파라미터는 제3 방정식
    Figure pct00004
    으로부터 결정되는,
    유도성 센서 어셈블리.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 로브 사이의 트랜지션 부분은 상기 제3 방정식으로부터 결정된 최소 파라미터에 의해 결정되는,
    유도성 센서 어셈블리.
  8. 제7항에 있어서,
    4극 커플러 요소의 연속적인 곡선 형태는 4개의 로브, 4개의 최외곽 부분, 및 상기 4개의 로브 각각 사이의 4개의 트랜지션 부분을 포함하는,
    유도성 센서 어셈블리.
  9. 제7항에 있어서,
    3극 커플러 요소의 연속적인 곡선 형태는 3개의 로브, 3개의 최외곽 부분, 및 상기 3개의 로브 각각 사이의 3개의 트랜지션 부분을 포함하는,
    유도성 센서 어셈블리.
  10. 제7항에 있어서,
    2극 커플러 요소의 연속적인 곡선 형태는 대향하여 위치된 2개의 로브, 2개의 최외곽 부분, 및 상기 대향하여 위치된 2개의 로브 사이의 2개의 트랜지션 부분을 포함하는,
    유도성 센서 어셈블리.
  11. 제2항에 있어서,
    1극 커플러 요소의 연속적인 곡선 형태는 원형인,
    유도성 센서 어셈블리.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 1극 커플러 요소의 연속적인 곡선 형태의 최대 파라미터는 제2 방정식
    Figure pct00005
    으로부터 결정되는,
    유도성 센서 어셈블리.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 수신기 코일은 2-파트 수신기 코일인,
    유도성 센서 어셈블리.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 커플러 요소의 이동은 회전식인,
    유도성 센서 어셈블리.
  15. 제1항에 있어서,
    상기 커플러 요소의 이동은 선형식인,
    유도성 센서 어셈블리.
  16. 제1항에 있어서,
    상기 커플러 요소의 연속적인 곡선 형태는 수신 신호의 파형에서 발견되는 복수의 고차 고조파 성분을 보상하는,
    유도성 센서 어셈블리.
  17. 제1항에 있어서,
    상기 커플러 요소의 연속적인 곡선 형태는 평활한 프로파일을 갖는 윤곽을 형성하고, 상기 평활한 프로파일은 수신 신호의 파형에서 발견되는 복수의 고차 고조파 성분을 보상하는,
    유도성 센서 어셈블리.
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