KR20220152588A - 위치 인코더 - Google Patents

Abstract

위치 인코더는: 제1 부재 및 제2 부재 - 상기 제1 부재는 상기 제2 부재에 대해 이동가능함 -; 상기 제1 및 제2 부재 중 하나에 배열된 제1 센서, 및 상기 제1 부재가 상기 제2 부재에 대해 이동할 때 상기 제1 센서가 제1 트랙을 따라 이동하도록 제1 및 제2 부재 중 다른 하나에 배열된 제1 트랙 - 상기 제1 센서는 상기 제1 트랙을 따라 위치 및/또는 변위를 캡처하도록 구성됨; 상기 제1 및 제2 부재 중 하나에 배열된 제2 센서, 및 상기 제1 부재가 상기 제2 부재에 대해 이동할 때 상기 제2 센서가 제2 트랙을 따라 이동하도록 제1 및 제2 부재 중 다른 하나에 배열된 제2 트랙 - 상기 제2 센서는 상기 제2 트랙을 따라 위치 및/또는 변위를 캡처하도록 구성됨;을 포함한다. 상기 제1 센서는 유도성 센서이고 상기 제1 트랙은 상기 제1 트랙을 따라 분포된 교번하는 전도성 및 비전도성 섹션을 포함하고, 상기 제2 센서는 자기성 센서이고 상기 제2 트랙은 교번하는 자기 극성으로 상기 제2 트랙을 따라 분포된 복수의 자극을 포함한다.

Description

위치 인코더{POSITION ENCODER}

본 발명은 서로에 대해 움직일 수 있는 두 부품의 상대 위치를 결정하기 위한 위치 인코더, 특히 로터리 인코더(rotary encoder)에 관한 것으로, 위치 인코더는 부품 중 하나에 부착 가능한 제1 부재 및 다른 하나에 부착 가능한 제2 부재를 포함하고, 제1 부재는 제2 부재에 대해 이동 가능하고, 위치 인코더는 제2 부재에 대한 제1 부재의 위치를 위치를 캡처하기 위한 수단을 더 포함한다.

이러한 위치 인코더의 예는 하나 이상의 고정 부품에 대한 회전 가능한 샤프트의 각도 위치와 같은 각도 관련 값을 측정하기 위한 로터리 인코더이다. 위치 인코더의 또 다른 예는 서로에 대한 두 부품의 선형 변위를 측정하기 위한 선형 인코더이다.

위치 인코더의 제2 부재에 대한 제1 부재의 위치를 측정하기 위해, 그 중 하나에는 센서가 제공되고 다른 하나에는 트랙을 따라 연장되고 상기 센서에 의해 스캔 될 수 있는 일종의 스케일(scale)을 포함하는 기준 트랙(reference track)이 제공되고, 트랙은 센서가 트랙에 대한 자신의 위치에 따라 스케일의 다른 지점 또는 영역을 읽거나 상호작용하도록 위치된다. 스케일의 지점 또는 영역은 스케일의 각 지점 또는 영역으로부터 센서에 의해 획득된 신호가 트랙을 따른 센서의 위치 즉, 제2 부재에 대한 제1 부재 위치를 나타내도록 스케일을 따라 달라질 수 있다.

트랙의 한 지점 또는 영역으로부터 센서에 의해 획득된 신호가 고유한 경우 절대 위치가 이로부터 파생될 수 있고, 즉 신호는 전체 트랙에 대한 센서의 단일 위치 즉, 위치 인코더의 제2 부재에 대한 제1 부재의 단일 위치에 명확하게 기인할 수 있다. 그러나 스케일은 신호가 스케일의 각 섹션 내에서만 고유하도록 할 수도 있다. 예를 들어, 스케일은 일련의 동일한 패턴으로 구성될 수 있다. 스케일을 따라 패턴을 반복하는 이유는 스케일의 인코딩이 원하는 해상도(resolution)로 전체 트랙을 커버하기에 충분한 식별 가능한 상태를 제공할 수 없기 때문일 수 있다.

스케일이 반복적인 패턴을 포함하는 경우, 증분 위치(incremental position)만 신호에서 파생될 수 있고, 즉, 신호는 트랙의 각 섹션 내의 위치를 나타내지만 어느 섹션에 대한 것인지는 모호하게 된다. 그럼에도 불구하고 이러한 증분 위치 측정은 동일한 측정 기술을 사용하는 절대 위치 측정보다 더 높은 해상도를 제공할 수 있기 때문에 유용할 수 있다. 따라서 증분 위치 측정은 제2 부재에 대한 제1 부재의, 절대 위치가 아닌, 변위에만 관심 있는 경우에는 특히 유용할 수 있다. 또한, 절대 위치 측정과 증분 위치 측정을 결합하는 것은 단순한 절대 위치 측정에 비해 전체 해상도를 높이는데 사용될 수 있다. 절대 위치 측정의 상대적으로 대략적인(coarse) 결과는, 전체적인 절대 위치가 섹션과 관련된 증분 위치 측정의 비교적 정확한 결과로부터 고해상도로 결정될 수 있는 트랙의 각 섹션을 식별하는 데 사용될 수 있다.

센서는 일반적으로 광학 센서일 수 있고 트랙은 예를 들어 스케일과 같은 시각적 인코딩 패턴을 포함할 수 있다. 그러나 광학 측정은 먼지의 영향을 받기 쉽다. 따라서 환경에 따라 유도 또는 자기 감지 기반 측정과 같은 다른 측정 기술이 선호될 수 있다.

유도성 측정 기술은 비교적 저렴한 비용으로 고성능 센서의 생산을 가능하게 한다. 그러나 이러한 센서는 인쇄회로기판(PCB)으로 만들어질 수 있어, 센서가 감지할 수 있는 물체로서 다소 넓은 표면을 필요로 한다. 유도성 측정 기술의 또 다른 단점은 제한된 해상도이다. 해상도가 수신기 코일(감지 권선)의 피치에 따라 달라지고, 고해상도의 경우 수신기 코일은 PCB의 조각 또는 에칭의 미세함에 의해 제한되는 매우 작은 피치를 갖도록 이끌어 지기 때문이다.

자기 측정 기술을 사용하면 더 높은 해상도를 얻을 수 있다. 기준 트랙의 스케일로서 다극 자기 소자를 사용하면 비교적 작은 공간을 필요로 하면서 다소 높은 해상도를 허용한다. 그러나 이러한 설정만으로는 증분 위치 데이터만 얻을 수 있다. 자기 감지에 기반한 고해상도의 절대 위치를 얻기 위해서 다중 극성 트랙을 기반으로 하는 고해상도 증분 위치 측정은 한 쌍의 반대 자극만 갖는 단일 극성 트랙을 사용하는 대략적인 절대 위치 측정에 의해 보완될 수 있다. 로터리 인코더의 경우 단일 극성 트랙은 2개의 반대 자극만을 갖는 자기 디스크 형태로 제공될 수 있지만, 이러한 자기 디스크는 제조하기 다소 어렵고 따라서 고가이다. 또한, 공간을 절약하기 위해 다중 극성 트랙과 단일 극성 트랙을 근접하게 배열하면 한쪽의 자기장이 다른 쪽의 감지를 방해할 수 있고, 그 반대의 경우도 마찬가지이다.

본 발명의 목적은 적은 공간을 필요로 하면서도 높은 해상도와 높은 신뢰성으로 절대 위치를 측정하는 것을 허용해주는 위치 인코더, 특히 로터리 인코더를 제공하는 것이다.

본 발명의 목적은 청구항 1에 따른 위치 인코더에 의해 달성된다.

본 발명의 유리한 실시예는 종속항, 발명의 설명 및 도면으로부터 얻어진다.

본 발명에 따른 위치 인코더는 제1 부재 및 제2 부재를 포함하고, 제1 부재는 제2 부재에 대해 이동가능하다. 제1 및 제2 부재 중 하나가 고정되어 있을 필요는 없지만 적용에 따라 제1 또는 제2 부재 중 하나가 고정되어 있으면 편리할 수 있다. 제1 부재가 제2 부재에 대해 이동가능하다는 것이 반드시 제1 부재가 고정될 수 없다는 것을 의미하지는 않는다. 제1 부재에 대한 제2 부재의 이동은 항상 제2 부재에 대한 제1 부재의 이동에 대응하기 때문에, 고정된 제1 부재라도 제2 부재가 고정되어 있지 않는 한 제2 부재에 대해 이동가능하다.

서로에 대해 이동 가능한 두 부품의 상대 위치를 측정하기 위해, 제1 부재가 부품 중 하나와 함께 이동하고 제2 부재가 다른 부품과 함께 이동하도록 위치 인코더의 제1 부재와 제2 부재가 부품에 부착될 수 있다. 제1 부재 및/또는 제2 부재는 특히 각각의 부품에 용이하게 부착되도록 구성될 수 있다.

제2 부재에 대한 제1 부재의 이동성은 각 부품의 이동성의 결과일 수 있으며, 따라서 이들의 이동성에 대응한다. 그러나 위치 인코더의 제1 부재와 제2 부재는 또한 직접 또는 간접적으로 이동 가능하게 연결되거나 서로 지지될 수 있으므로 이동성은 연결 또는 지지대의 종류에 의해 정의된다.

제1 부재 및 제2 부재의 상대 이동성은 바람직하게는 단일 자유도(single degree of freedom)로 제한된다. 단일 자유도는 예를 들어 직선을 따른 변환 또는 축을 중심으로 한 회전에 해당할 수 있다. 그러나 일반적으로 이동성은 3차원 공간에서 한 부재가 다른 부재에 대해 이동할 수 있는 특정 비선형 경로로 제한될 수도 있다.

본 발명에 따른 위치 인코더는 제1 및 제 2 부재 중 하나에 배열된 제1 센서, 및 제1 부재가 이동성에 제약을 받아 제2 부재에 대해 움직일 때 제1 센서가 제1 트랙을 따라 이동하도록 제1 및 제2 부재 중 다른 하나에 배열된 제1 트랙을 더 포함한다. 바람직하게는, 제1 센서는 고정된 제1 및 제2 부재 중 하나에 배열된다. 제1 센서는 제1 트랙을 따라 자신의 위치 및/또는 변위를 캡처하도록 구성된다. 다시 말해, 제1 센서는 특정 측정 원리에 기초하여 제1 트랙을 따라 변하는 제1 트랙의 특성을 감지할 수 있으므로 제1 센서는 제1 트랙을 따른 제1 센서의 위치 및/또는 변위를 나타내는 감지된 특성에 기초하여 신호를 출력할 수 있다. 특히 트랙의 종류에 따라, 캡처된 위치는 일반적으로 제1 트랙의 전체 범위를 따라 고유한 절대 위치이거나 제1 트랙의 (모호한) 개별 섹션 내의 증분 위치일 수 있다.

유사하게, 본 발명에 따른 위치 인코더는 제1 및 제2 부재 중 하나에 배열된 제2 센서, 및 제1 부재가 이동성에 제약을 받아 제2 부재에 대해 움직일 때 제2 센서가 제2 트랙을 따라 이동하도록 제1 및 제2 부재 중 다른 하나에 배열된 제2 트랙을 더 포함한다. 바람직하게는, 제2 센서는 제1 센서와 동일한 제1 부재 및 제2 부재 중 하나에 배열된다. 그러나, 제2 센서는 다른 부재에도 배열될 수 있다. 바람직하게는, 제2 센서는 고정된 제1 및 제2 부재 중 하나에 배열된다. 제2 센서는 제2 트랙을 따라 자신의 위치 및/또는 변위를 캡처하도록 구성된다. 다시 말해, 제2 센서는 특정 측정 원리에 기초하여 제2 트랙을 따라 변화하는 제2 트랙의 특성을 감지할 수 있으므로, 제2 센서는 제2 트랙을 따른 제2 센서의 위치 및/또는 변위를 나타내는 감지된 특성에 기초하여 신호를 출력할 수 있다. 특히 트랙의 종류에 따라, 캡처된 위치는 일반적으로 제2 트랙의 전체 범위를 따라 고유한 절대 위치이거나 제2 트랙의 (모호한) 개별 섹션 내의 증분 위치일 수 있다.

자연스럽게 제1 및 제2 센서 각각은 제1 또는 제2 트랙을 따라 특정 연장부를 갖는다. 특히 트랙이 폐쇄된 경로를 따라 연장되는 경우, 센서(예를 들어 아래에서 추가로 설명되는 여자(exciting) 및/또는 감지 권선을 갖는 유도 센서)가 트랙의 전체 길이에 걸쳐 연장할 수도 있다. 따라서, 제1 트랙 또는 제2 트랙 각각에 대한 제1 및 제2 센서의 위치들은 개별 센서의 정의된 기준점에 대해 각각 정의된다. 이러한 기준점은 예를 들어 센서의 중심 또는 외부 가장자리로 정의될 수 있지만 일반적으로 센서 상 임의의 정의된 지점일 수 있다. 그러면 각각의 트랙을 따른 센서의 위치는 센서의 기준점과 특히 트랙의 단부 중 하나에 의해 정의될 수 있는 트랙 상의 제로 위치 사이의 (부호화된) 거리에 대응할 수 있다. 그러나 트랙을 따른 임의의 다른 지점은 특히 트랙이 닫혀 있기 때문에 단부가 없는 경우 제로 위치로 정의될 수 있다. 원형 트랙의 경우 거리는 (부호화된) 각도 거리로 측정될 수도 있다.

본 발명에 따르면, 제1 센서는 유도성 센서이고, 제1 트랙은 제1 트랙을 따라 분포된 교번하는 전도성 섹션과 비전도성 섹션을 포함한다. 특히, 전도성 및 비전도성 섹션은 규칙적인 패턴으로 제1 트랙을 따라 분포될 수 있다. 이러한 맥락에서, 전도도는 자기장을 적용하여 전류를 유도하는 것을 허용하는 전기 전도도와 관련이 있다. 제1 트랙은 적어도 하나의 전도성 섹션 및 적어도 하나의 비전도성 섹션을 포함한다. 제1 트랙이 하나 이상의 전도성 또는 비전도성 섹션을 갖는 경우, 전도성 섹션은 비전도성 섹션과 교대하는데, 여기서 전도성 섹션에 인접한 섹션은 비전도성이고 비전도성 섹션에 인접한 섹션은 전도성이다. 그 다음, 제1 센서는 교번하는 전도성 및 비전도성 섹션의 패턴과 관련하여 그 위치 및/또는 변위를 유도적으로 캡처하도록 구성될 수 있다. 패턴이 반복되어 센서에 의해 서로 구분될 수 없는 여러 섹션을 포함하는 경우 증분 위치만이 얻어질 수 있다.

제1 센서 및 제1 트랙과 대조적으로, 제2 센서는 자기 센서이고 제2 트랙은 교번 자기 극성으로 제2 트랙을 따라 분포된 복수의 자극을 포함한다. 특히, 복수의 자극은 제2 트랙을 따라 규칙적인 패턴으로 분포될 수 있다. 전술한 내용과 유사하게, 제2 트랙은 어느 한 극성의 적어도 하나의 자극을 포함한다. 제2 트랙이 반대 자극의 단일 쌍만을 포함하는 경우, 제2 센서는 일반적으로 제2 트랙에 대한 절대 위치를 자기적으로 캡처하도록 구성될 수 있다. 그러나, 바람직하게는, 제2 트랙은 훨씬 더 많은 자극, 특히 총 32개 이상, 예를 들어 64개 또는 그 이상의 자극을 포함한다. 이 경우 증분 위치만이 얻어질 수 있다.

본 발명에 따른 위치 인코더에서 절대 위치 측정 및 증분 위치 측정이 결합되어 전체 해상도를 증가시킬 수 있을 뿐만 아니라 유도 및 자기 측정 기술이 결합되어 이 조합에 의해 신뢰성도 높고 비교적 적은 공간을 필요로 하는 위치 인코더를 얻는다. 유도 감지의 제한된 해상도는 추가 자기 감지로 보상될 수 있어 매우 높은 해상도를 얻을 수 있고; 자기 디스크를 생산하기 어려운 수단에 의해 단일 극성 트랙을 제공하는 것은 자기 감지를 유도 감지로 보완함으로써 피할 수 있다. 자기 감지(제2 트랙을 따라 분포된 복수의 자극)는 제1 센서가 자기장에 의존해야 할지라도 유도 감지를 손상시키지 않는 것으로 밝혀졌다. 대신에 유도 및 자기 감지를 페어링하는 것은 상호 간섭을 배제하거나 최소한 최소화할 수 있도록 효과를 다소 명확하게 구별할 수 있다는 장점을 갖는다.

유리한 실시예에 따르면, 위치 인코더는 제1 센서에 의해 캡처된 위치 및/또는 변위 및 제2 센서에 의해 캡처된 위치 및/또는 변위를 수신하고 그로부터 제2 부재에 대한 제1 부재의 절대 위치를 나타내는 출력 값을 결정하는 평가 유닛을 포함한다. 출력 값은, 예를 들어, 캡처된 데이터를 계산에 입력함으로써 및/또는 평가 유닛 내에 저장되거나 평가 유닛에 의해 액세스 가능한 룩업(look-up) 테이블로부터 미리 결정된 값을 룩업함으로써 결정될 수 있다.

그러나 평가 유닛은 반드시 위치 인코더의 일부일 필요는 없다. 대안적으로, 위치 인코더는 제1 센서에 의해 캡처된 위치 및/또는 변위 및 제2 센서에 의해 캡처된 위치 및/또는 변위를 예를 들어 외부 평가 유닛에 출력할 수 있다. 이러한 데이터는 개별적으로 출력되거나 처리되지 않은 원시 데이터 또는 전처리된 형태로 결합될 수 있다.

추가 실시예에 따르면, 제1 부재는 제2 부재에 대해 회전 가능하고, 제1 및 제2 트랙은 동심원 경로를 따라 연장한다. 그러한 실시예에서, 위치 인코더는 로터리 인코더에 대응한다. 제2 부재에 대한 제1 부재의 이동성은 특히 원형 경로를 갖는 정의된 축을 중심으로 한 제2 부재에 대한 회전으로 제한될 수 있고, 제1 및 제2 트랙이 연장되는 원형 경로는 상기 축에 대해 동심이다. 트랙이 원형인 경우, 각각의 트랙을 따른 센서의 위치는 회전축에 대한 트랙 상의 제로 위치에 대한 센서의 기준점의 각도 위치로서 정의될 수 있다.

그러한 실시예에서, 제1 트랙 및 제2 트랙 중 하나가 다른 하나의 내부에서 특히 상기 축에 대해 방사상으로 배열되는 것이 유리하다. 상기 축에 수직인 동일한 평면에 두 트랙을 배열함으로써, 최소한의 축 공간이 필요하다. 바람직하게는, 절대 위치를 캡처하는 역할을 하는 트랙은 외부 즉, 더 긴 트랙이 고해상도 증분 위치 측정을 위해 많은 수의 극을 수용할 수 있도록 다른 트랙 내부에 방사상으로 배열된다. 특히, 제1 트랙이 제2 트랙 내부에 방사상으로 배열되는 것이 바람직하다.

일 실시예에 따르면, 제1 센서 및 제1 트랙은 제1 센서의 출력이 제1 트랙을 따른 제1 센서의 절대 위치를 나타내도록 구성된다. 이 출력은 동시에 제2 부재에 대한 제1 부재의 절대 위치도 나타낸다.

특히, 제1 트랙은 단일 전도성 섹션 및 단일 비전도성 섹션을 포함함으로써 단일 극성 트랙으로 제한될 수 있다. 결과적으로, 제1 트랙의 전도성 및 비전도성 섹션은 다소 클 수 있고, 그로 인해 유도성 제1 센서의 코일은 유리하게는 극도로 작은 피치를 가질 필요가 없게 된다. 제1 트랙이 전술한 바와 같이 원형인 경우 전도성 및 비전도성 섹션은 바람직하게 둘 다 180° 이상으로 연장한다. 그러나 두 섹션이 반드시 동일한 (각도) 연장부를 가질 필요는 없다.

제1 센서 및 제1 트랙이 제1 센서가 절대 위치를 출력하도록 구성되는 경우, 제2 센서 및 제2 트랙은 바람직하게는 위치 측정의 전체 해상도를 증가시키기 위해 제2 센서가 절대 위치와 결합될 증분 위치를 출력하도록 구성된다.

추가 실시예에 따르면, 제1 센서는 제1 트랙의 전도성 섹션에서 와전류(eddy currents)를 유도하는 자기장을 생성하고 제1 센서에 대한 전도성 섹션의 위치에 따라 와전류에 의해 생성되는 반대 자기장의 효과를 측정하도록 구성된다. 자기장을 생성하기 위해, 제1 센서는 1차 또는 여자 권선을 포함할 수 있다. 반대 자기장의 영향을 측정하기 위해, 제1 센서는 2차 또는 감지 권선을 포함할 수 있다.

바람직한 실시예에 따르면, 제1 센서는 각각의 주기가 제1 트랙의 길이에 대응하는 파형을 갖는 4개의 감지 권선을 포함하고, 여기서 4개의 감지 권선의 파형은 서로에 대해 1/4 주기만큼 위상 시프트 된다. 일반적으로 파형은 더 작은 주기를 가질 수도 있다. 그러나 제1 트랙의 길이에 따른 단일 기간은 트랙에 대한 센서의 (절대) 위치를 안정적으로 결정하기에 충분할 수 있다. 파형은 바람직하게는 사인파형(sinusoidal)이고 특히 정확한 사인(sinus) 형태를 가질 수 있거나 적어도 실제 사인 형태에 기초할 수 있다. 제1 트랙이 직선 경로를 따라 연장되지 않으면 감지 권선의 실제 형태는 제1 트랙의 경로를 따라 기본 파형을 구부린 결과가 될 수 있다.

4개의 감지 권선의 파형은 서로에 대해 1/4 주기(90°)만큼 위상 시프트가 되기 때문에 역-위상으로 2개의 파형을 포함하는 2개의 쌍을 형성하고, 여기서 두 쌍은 서로에 대해 1/4 주기만큼 위상 시프트 된다. 따라서, 이들 쌍 중 하나는 "사인" 신호를 제공하고 다른 하나는 제1 센서의 감지 권선에 대한 제1 트랙의 하나 이상의 전도성 섹션의 위치와 관련된 "코사인" 신호를 제공할 수 있다. "사인" 신호와 "코사인" 신호를 함께 사용하면 파형의 한 주기를 따라 서로 다른 위치를 명확하게 구분할 수 있다.

유리한 실시예에 따르면, 제1 트랙은 제1 트랙의 길이의 절반에 걸쳐 연장되는 정확히 하나의 전도성 섹션 및/또는 제1 트랙의 길이의 절반에 걸쳐 연장되는 정확히 하나의 비전도성 섹션을 포함한다. 제1 트랙이 직선을 따라 연장되면 전도성 섹션은 트랙의 일 단부에서 트랙의 중심까지 연장될 수 있는 반면 비전도성 섹션은 트랙의 중심에서 트랙의 다른 단부까지 연장될 수 있다. 대안적으로, 하나의 전도성 또는 비전도성 섹션은 각각 2개의 비전도성 또는 전도성 섹션 사이에 개재될 수 있다(sandwiched). 제1 트랙이 폐쇄 경로를 따라 연장된다면, 제1 트랙은 바람직하게는 트랙의 분리된 절반에 걸쳐 연장되는 정확히 하나의 전도성 섹션 및 정확히 하나의 비전도성 섹션을 포함한다. 특히 원형 제1 트랙에서, 전도성 섹션 및 비전도성 섹션은 각각 180° 이상으로 연장될 수 있다.

추가 실시예에 따르면, 위치 인코더는 제1 및 제2 부재 중 하나에 배열된 제3 센서, 및 제1 부재가 이동성에 제약을 받아 제2 부재에 대해 움직일 때 제3 센서가 제3 트랙을 따라 이동하도록 제1 및 제2 부재 중 다른 하나에 배열된 제3 트랙을 포함하고, 여기서 제3 센서는 제3 트랙을 따라 위치 및/또는 변위를 캡처하도록 구성된다. 바람직하게는, 제3 센서는 우선적으로 고정되어 있는 제1 센서와 동일한 제1 및 제2 부재에 배열된다. 제3 센서에 의해 캡처된 위치는 절대 위치 또는 증분 위치일 수 있다. 따라서, 위치는 (제2 부재에 대한 제1 부재의 이동 범위에 상응하는) 제3 트랙을 따른 제3 센서의 전체 이동 범위에 따른 고유한 위치 또는 이 범위의 개별 섹션에 대해서만 고유한 위치를 지칭할 수 있다. 이러한 실시예는 제3 독립적인 측정에 의해 위치 결정을 보완하는 것을 허용하고, 이에 따라 전체 해상도를 증가시킨다.

특히, 이러한 실시예에서, 제3 센서는 유도성 센서이고 제3 트랙은 제3 트랙을 따라 분포된 교번하는 전도성 및 비전도성 섹션을 포함하는 것이 바람직하며, 제3 트랙의 전도성 섹션의 수는 제1 트랙의 전도성 섹션의 수와 상이하다(및/또는 제3 트랙의 비도전성 섹션의 수는 제1 트랙의 비전도성 섹션의 수와 상이하다). 특히, 제3 트랙의 전도성 섹션은 규칙적인 패턴으로 제3 트랙을 따라 분포될 수 있다. 이러한 방식으로, 제3 센서 및 제3 트랙은 제1 센서 및 제1 트랙의 유도 위치 측정을 보완할 수 있다.

특히, 제1 트랙의 전도성 섹션의 수와 제3 트랙의 전도성 섹션의 수는 상대적으로 소수일 수 있어(및/또는 제1 트랙의 비전도성 섹션의 수 및 제3 트랙의 비전도성 섹션의 비율은 상대적으로 소수일 수 있다), 두 숫자가 1보다 크더라도 제1 및 제3 센서에서 얻은 신호의 조합은 제2 부재에 대한 제1 부재의 각 위치에 대해 고유하다. 이러한 방식으로, 제1 및 제3 센서를 조합하여 절대 위치를 얻을 수 있다. 바람직하게는, 제1 트랙의 전도성 섹션의 수와 제3 트랙의 전도성 섹션의 수는 1만큼 다르다(및/또는 제1 트랙의 비전도성 섹션의 수와 제3 트랙의 비전도성 섹션의 수는 1만큼 다르다). 예를 들어, 제1 트랙은 5개의 전도성 섹션(및/또는 5개의 비전도성 섹션)을 포함할 수 있고 제3 트랙은 6개의 전도성 섹션(및/또는 6개의 비전도성 섹션)을 포함할 수 있다.

위치 인코더가 전술한 바와 같은 평가 유닛을 포함하는 경우, 이러한 유닛은 바람직하게는 제3 센서에 의해 캡처된 위치 및/또는 변위도 수신하고 출력 값을 결정할 때 추가로 고려한다. 또한, 제1 및 제2 트랙과 유사하게, 제1 부재가 제2 부재에 대해 회전 가능하다면, 제3 트랙은 제1 및 제2 트랙이 연장할 수 있는 원형 경로에 동심인 원형 경로를 따라 연장할 수 있다. 이와는 별도로, 제3 센서 및 제3 트랙은 제1 센서 및 제1 트랙에 대해 전술한 방식 중 하나 이상에 대응하는 방식으로 형성될 수 있다.

추가 실시예에 따르면, 제2 센서는 홀 효과 센서, 이방성 자기 저항(AMR) 기반 센서, 또는 터널 자기 저항(TMR) 기반 센서 중 하나이다. 이러한 센서들은 비교적 높은 정밀도로 짧은 범위 내에서 자극 쌍의 상대 위치를 결정하는 것을 허용한다.

바람직한 실시예에 따르면, 제2 센서 및 제2 트랙은 제2 센서의 출력이 제2 트랙을 따른 제2 센서의 증분 위치를 나타내도록 구성된다. 그러면 이러한 출력은 동시에 제2 부재에 대한 제1 부재의 증분 위치도 나타낸다.

제2 센서에 의해 캡처된 증분 위치는 특히 제2 센서에 (현재) 가장 가까운 제2 트랙의 반대 자극 쌍에 대한 위치일 수 있다. 그 다음, 제2 센서로부터 획득된 증분 위치는 증가된 해상도를 갖는 절대 위치를 산출하기 위해 제1 센서(또는 존재하는 경우 조합된 제1 및 제3 센서로부터)로부터 획득된 절대 위치에 적용될 수 있다.

작은 증분 위치를 캡처하기 위해(높은 전체 해상도를 얻기 위해), 제2 트랙은 많은 수의 자극을 포함할 수 있다. 특히, 제2 트랙은 적어도 16개, 바람직하게는 적어도 32개의 자극을 포함할 수 있다. 그러나 제2 트랙에 있는 자극의 최대 수는 제1 센서에 의해 측정된 대략적인 절대 위치로 한 쌍의 자극을 식별해야 하기 때문에, 제2 트랙을 따라 생기는 (최소) 크기와 제1 센서의 해상도에 의해 제한된다.

본 발명에 따른 위치 인코더를 사용함으로써 비교적 작은 공간을 요구하면서 고해상도가 달성될 수 있다. 예를 들어, 본 발명에 따른 로터리 인코더는 40mm 미만의 직경을 갖는 인코더의 제1 부재 및 제2 부재(즉, 센서 트랙)와 함께 20비트 이상의 해상도를 제공할 수 있다.

다음에서, 본 발명에 따른 위치 인코더의 예시적인 실시예가 도면을 참조하여 설명된다.
도 1은 예시적인 실시예에 따른 위치 인코더의 제1 부재를 도시한다; 및
도 2는 예시적인 실시예에 따른 위치 인코더의 제2 부재를 도시한다.

도면은 본 발명에 따른 위치 인코더(11)의 예시적인 실시예를 도시한다. 위치 인코더(11)는 로터리 인코더로 구성되고 제1 부재(13) 및 제2 부재(15)를 포함하며 둘 다 평평한 원형 디스크로 형성되고 동일한 외경을 갖는다. 위치 인코더(11) 중 제1 부재(13) 및 그 위에 배열된 부품만이 도 1에 도시되어 있는 반면, 제2 부재(15) 및 그 위에 배열된 부품만은 도 2에 도시되어 있다. 도면은 개략도이며 치수가 반드시 축척과 일치하는 것은 아님에 유의해야 한다.

제1 부재(13)는 샤프트(미도시)와 같은 회전 부품에의 부착을 위해 구성된다. 이를 위해, 제1 부재(13)는 상기 제1 부재(13)에 링 형태를 제공하는 중앙 관통 구멍(17), 및 상기 관통 구멍(17)을 둘러싸고 상기 제1 부재(13)를 각각의 부품에 나사 결합하기 위한 보어 구멍(21)을 포함하는 플랜지 섹션(19)을 갖는다. 반대로, 제2 부재(15)는 고정되도록 구성된다. 따라서, 제1 부재(13)는 회전 부품에 부착되어 위치 인코더(11)의 제2 부재(15)에 대해 회전 가능하게 지지된다. 설치될 때, 제1 부재(13)와 제2 부재(15)는 도면에서 위쪽을 향하는 표면 사이에 작은 간극 만을 두고 서로 평행하고 동축으로 정렬되도록 위치 설정된다.

제1 트랙(23)과 제2 트랙(25)은 제1 부재(13)의 외주와 플랜지 섹션(19) 사이에서 상기 제1 부재(13)에 배열된다. 상기 제1 트랙(23) 및 제2 트랙(25)은 둘 다 원형, 즉 원형 경로를 따라 연장되고, 제1 부재(13)의 회전 축과 일치하는 축에 대해 서로 및 제1 부재(13)에 대해 동심이다. 상기 제1 트랙(23)과 제2 트랙(25)은 서로 방사상으로 인접하게 배열되고, 상기 제1 트랙(23)은 상기 제2 트랙(25) 내부에 방사상으로 배열된다.

제1 트랙(23)은 180°에 걸쳐 연장되는 전도성 섹션(27), 및 원형인 제1 트랙(23)의 나머지 180°에 걸쳐 연장되는 비전도성 섹션(29)을 포함한다. 전도성 섹션(27)은 예를 들어 그 자체가 비전도성인 제1 부재(23)에 의해 지지되는 구리판 또는 포일에 의해 형성되는 반면에 비전도성 섹션(29)은 단순히 비어 있다.

제2 트랙(25)은 교번 극성으로 제2 트랙(25)을 따라 규칙적으로 분포된 복수의 자극(31, 31')을 포함한다.

제2 부재(15)는 제1 부재(13)의 외경에 대응하는 외경의 디스크 형상을 갖는 다층 인쇄 회로 기판(PCB)으로 설계된다. 제1 부재(13) 상의 제1 트랙(23)에 대응하는 제2 부재(15)의 내부 반경 섹션 내에서 제1 센서(33)는 제2 부재(15)에 배열되는 반면, 제1 부재(13) 상의 제2 트랙(25)에 대응하는 제2 부재(15)의 외부 반경 섹션 내에서 제2 센서(35)는 제2 부재(15)에 배열된다.

제1 센서(33)는 유도성 센서이고 제2 부재(15) 상에 PCB 회로 트레이스로서 형성된 여자 권선(exciting winding; 37) 및 감지 권선(sensing winding; 39)을 포함한다.

여자 권선(37)은 제1 센서(33)와 반경 방향으로 경계를 이루는 두 개의 원을 따라 배열된다. 상기 여자 권선(37)은 송신기 코일로 작용하고 교류에 의해 구동되어 제2 부재(15)의 평면 디스크 형상에 수직으로 배향된 내부 및 외부의 여자 권선(37) 사이의 원형 영역 내인 교류 자기장을 생성한다.

감지 권선(39)은 내부 및 외부의 여자 권선(37) 사이의 상기 원형 영역 내에 배열된다.

특히, 제1 센서(33)는 정확히 4개의 감지 권선(39)을 포함한다. 그들 각각은 원을 따라 사인파의 단일 주기를 구부린 결과인 사인파형 파형을 갖는다. 따라서 상기 파형은 반경이 조화롭게 변하는 원에 해당한다. 도 2에서 볼 수 있는 바와 같이, 4개의 감지 권선(39)의 파형은 내부 및 외부의 여자 권선(37)의 반경의 평균에 적어도 본질적으로 대응하는 동일한 평균 반경을 갖지만, 4개의 여자 권선(37) 각각에 대한 반경이 가장 큰 지점이 도 2에서 위쪽, 오른쪽, 아래쪽 및 왼쪽을 향해 90° 떨어져 있도록 서로에 대해 1/4 주기만큼 위상 시프트 된다(phase-shifted). 감지 권선(39)은 감지 권선(39)이 접촉 없이(점선 참조) 교차하는 것을 허용하도록 PCB의 다른 층에 적어도 부분적으로 배열된다.

그러나, 도 2에서 제1 센서(33)의 설계, 특히 여자 및 감지 권선(37, 39)의 설계는 순전히 개략적이고 단순화된 방식으로 도시되어 있음을 주목해야 한다. 특히, 예를 들어 전압 소스에 대한 연결과 같은 일부 상호 연결 및 입력 또는 출력 연결은 도시 되지 않는다.

설치 시 위치 인코더(11)의 제1 부재(13)와 제2 부재(15) 사이의 작은 거리로 인해, 여자 권선(37)에 의해 생성된 교류 자기장은 감지 권선(39)의 링 평면뿐만 아니라 본질적으로 제1 부재(13) 상의 제1 트랙(23)에도 수직이다. 결과적으로 자기장은 제1 트랙(23)의 전도성 섹션(27)에서 와전류(eddy current)를 유도한다. 이러한 와전류는 차례로 감지 권선(39)의 링 평면에 본질적으로 수직인 반대 자기장을 생성하고 전도성 섹션(27)의 각도 확장에 의해 정의된 각도 범위 내에서 원래 자기장을 중첩한다. 감지 권선(39)은, 중첩된 자기장에 따라 그리고 그로 인해 제1 센서(33)의 감지 권선(39)에 대한 제1 트랙(23)의 전도성 섹션(27)의 각도 위치에 따라, 전류가 유도되는 수신기 코일로 작용한다. 상기 위상 시프트로 인해 이들 전류는 4개의 감지 권선(39)에 대해 다르다. 역-위상(antiphase)인 2개의 감지 권선(39)의 한 쌍에서 얻은 신호를 결합하는 것은 기준선을 제거하고, 90° 위상 시프트 된 두 쌍의 신호 결합하는 것은 감지 권선(39)에 대한 전도성 섹션(27)의 각도 위치를 명확하게 결정하게 하고, 이에 따라 제2 부재(15)에 대한 제1 부재(13)의 절대 각도 위치를 명확하게 결정하게 한다.

미가공 신호로부터 각도 위치를 도출하기 위한 대응하는 신호 처리는 제1 센서(33)에 연결된 평가 유닛(41)에 의해 수행되고 나중에 더 자세히 설명될 것이다.

제2 센서(35)는 자기 센서, 특히 홀 효과(Hall-effect) 센서, AMR 센서 또는 TMR 센서이다. 대안적으로, 제2 센서(35)는 제2 트랙(25)의 반대 자극(31, 31')의 각각의 쌍에 대한 제2 센서(35)의 위치를 캡처하는 것을 허용하는 다른 유형의 자기 센서일 수 있다.

제1 센서(33)가 제1 트랙(23)에 대응하는 전체 반경 방향 섹션을 따라 원주방향으로 연장되는 동안, 제2 센서(35)는 다소 작은 원주방향 연장부를 갖는다. 그럼에도 불구하고, 두 센서(33, 35)는 제1 부재(13)가 제2 부재(15)에 대해 회전될 때 각각의 트랙(23, 25)을 따라 이동한다. 특히, 제2 센서(35)는 제2 트랙(25)의 자극(31, 31')을 따라 이동한다. 이때, 제2 센서(35)에 의해 캡처되는 자극(31, 31')의 자기장은 주기적으로 변화한다. 따라서, 제2 센서(35)에 의해 출력되는 대응하는 신호는 제2 센서(35)에 가장 가까운 반대 자극(31, 31')의 쌍에 대응하는 각도 섹션 내에서 제2 센서(35)의 증분 위치(incremental position)를 나타낸다. 이러한 쌍은 결합하여 고해상도 절대 위치가 유도될 수 있도록 제1 센서(33)로부터 획득된 비교적 대략적인 절대 위치로부터 결정될 수 있다. 이를 위해, 제2 센서(35)는 제1 센서(33)와 동일한 평가 유닛(41)에 연결된다.

도 2에서 평가 유닛(41)은 단순히 개략적으로 도시 된다. 평가 유닛(41)은 제1 센서(33)로부터 제2 부재(15)에 대한 제1 부재(13)의 대략적인 절대 위치를 나타내는 하나 이상의 신호 및 제2 센서(35)로부터 제2 부재(15)에 대한 제1 부재(13)의 증분 위치를 나타내는 하나 이상의 신호를 수신하고, 제2 부재(15)에 대한 제1 부재(13)의 고해상도 절대 위치를 나타내는 출력 값을 그로부터 결정한다.

평가 유닛(41)은 제2 부재(15)에 배열될 수 있고, 여기서 제1 및 제2 센서(33, 35)로부터 이를 차폐하고/하거나 평가 유닛(41)으로부터 센서(33, 35)를 차폐할 필요가 있을 수 있다. 대안적으로 평가 유닛(41)은 제2 부재(15)로부터 분리될 수 있고 거리를 가로질러 제1 및 제2 센서(33, 35)에 연결될 수 있다. 평가 유닛(41)은 제1 및 제2 센서(33, 35)로부터 획득된 신호를 평가할 뿐만 아니라 이들 센서(33, 35)를 제어하도록 구성된 결합된 제어 및 평가 유닛일 수 있다. 특히, 평가 유닛(41)은 또한 제1 센서(33) 및/또는 제2 센서(35)의 여자 권선(37)을 위한 전압원으로 작용할 수 있다.

11 위치 인코더
13 제1 부재
15 제2 부재
17 관통 구멍
19 플랜지 섹션
21 보어 구멍
23 제1 트랙
25 제2 트랙
27 전도성 섹션
29 비전도성 섹션
31, 31' 자극
33 제1 센서
35 제2 센서
37 여자 권선
39 감지 권선
41 평가 유닛

Claims (12)

1. 위치 인코더(11)로서,
   제1 부재(13) 및 제2 부재(15) - 상기 제1 부재(13)는 상기 제2 부재(15)에 대해 이동 가능함;
   상기 제1 및 제2 부재(13, 15) 중 하나에 배열된 제1 센서(33), 및 상기 제1 부재(13)가 상기 제2 부재(15)에 대해 이동할 때 상기 제1 센서(33)가 제1 트랙(23)을 따라 이동하도록 제1 및 제2 부재(13, 15) 중 다른 하나에 배열된 제1 트랙(23) - 상기 제1 센서(33)는 상기 제1 트랙(23)을 따라 위치 및/또는 변위를 캡처하도록 구성됨;
   상기 제1 및 제2 부재(13, 15) 중 하나에 배열된 제2 센서(35), 및 상기 제1 부재(13)가 상기 제2 부재(15)에 대해 이동할 때 상기 제2 센서(35)가 제2 트랙(25)을 따라 이동하도록 제1 및 제2 부재(13, 15) 중 다른 하나에 배열된 제2 트랙(25) - 상기 제2 센서(35)는 상기 제2 트랙(25)을 따라 위치 및/또는 변위를 캡처하도록 구성됨;을 포함하고,
   상기 제1 센서(33)는 유도성 센서이고 상기 제1 트랙(23)은 상기 제1 트랙(23)을 따라 분포된 교번하는 전도성 및 비전도성 섹션(27, 29)을 포함하고,
   상기 제2 센서(35)는 자기성 센서이고 상기 제2 트랙(25)은 교번하는 자기 극성으로 상기 제2 트랙(25)을 따라 분포된 복수의 자극(31, 31')을 포함하는,
   위치 인코더.
2. 제1항에 있어서,
   상기 위치 인코더(11)는 상기 제1 센서(33)에 의해 캡처된 상기 위치 및/또는 변위와 상기 제2 센서(35)에 의해 캡처된 상기 위치 및/또는 변위를 수신하고 그로부터 상기 제2 부재(15)에 대한 상기 제1 부재(13)의 절대 위치를 나타내는 출력값을 결정하는 평가 유닛(41)을 포함하는,
   위치 인코더.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상기 제1 부재(13)는 상기 제2 부재(15)에 대해 회전 가능하고 상기 제1 및 제2 트랙(23, 25)은 동심원의 원형 경로를 따라 연장되는,
   위치 인코더.
4. 제3항에 있어서,
   상기 제1 트랙(23)은 상기 제2 트랙(25)의 내부에 방사상으로 배열되는,
   위치 인코더.
5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 제1 센서(33) 및 상기 제1 트랙(23)은 상기 제1 센서(33)의 출력이 상기 제1 트랙(23)을 따른 상기 제1 센서(33)의 절대 위치를 나타내도록 구성되는,
   위치 인코더.
6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 제1 센서(33)는 상기 제1 트랙(23)의 전도성 섹션(27)에 와전류(eddy current)를 유도하는 자기장을 생성하고 상기 제1 센서(33)에 대한 상기 전도성 섹션(27)의 위치에 따라 상기 와전류에 의해 생성되는 반대 자기장의 영향을 측정하도록 구성되는,
   위치 인코더.
7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 제1 센서(33)는 각각이 상기 제1 트랙(23)의 길이에 대응하는 파형 주기, 바람직하게는 적어도 대략 사인파 파형 주기를 갖는 4개의 감지 권선(39)을 포함하고,
   상기 4개의 감지 권선(39)의 파형은 서로에 대해 1/4 주기만큼 위상 시프트 되는,
   위치 인코더.
8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 제1 트랙(23)은 상기 제1 트랙(23)의 길이의 절반 이상으로 연장되는 정확히 하나의 전도성 섹션(27) 및/또는 상기 제1 트랙(23)의 길이의 절반 이상으로 연장되는 정확히 하나의 비전도성 섹션(29)을 포함하는,
   위치 인코더.
9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 위치 인코더(11)는 상기 제1 및 제2 부재(13, 15) 중 하나에 배열된 제3 센서, 및 상기 제1 부재(13)가 제2 부재(15)에 대해 이동할 때 상기 제3 센서가 제3 트랙을 따라 이동하도록 상기 제1 및 제2 부재(13, 15) 중 다른 하나에 배열된 제3 트랙 - 상기 제3 센서는 상기 제3 트랙을 따라 위치 및/또는 변위를 캡처하도록 구성됨;을 포함하고,
   상기 제3 센서는 유도성 센서이고 상기 제3 트랙은 상기 제3 트랙을 따라 분포된 교번하는 전도성 및 비전도성 섹션을 포함하고,
   상기 제1 트랙(23)의 전도성 섹션(27)의 수와 상기 제3 트랙의 전도성 섹션의 수는 1만큼 다른,
   위치 인코더.
10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제2 센서(35)는 홀 효과(hall-effect) 센서, 이방성 자기 저항(AMR) 기반의 센서, 또는 터널 자기 저항(TMR) 기반의 센서 중 하나인,
    위치 인코더.
11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제2 센서(35) 및 상기 제2 트랙(25)은 상기 제2 센서(35)의 출력이 상기 제2 트랙(25)을 따른 상기 제2 센서(35)의 증분 위치(incremental position)를 나타내도록 구성되는,
    위치 인코더.
12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제2 트랙(25)은 적어도 16개, 특히 적어도 32개의 자극(31, 31')을 포함하는,
    위치 인코더.
    

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