KR101331182B1 - 360도 범위의 자기 각위치 센서 - Google Patents

Abstract

본 발명은 축에 대해 회전하는 하나 이상의 원통형 영구자석(1)으로 이루어지는 이동 소자와, 2개 이상의 자기 감지 소자(2,3) 및 상기 이동 소자의 절대위치에 좌우되는 신호를 전달하는 하나 이상의 처리회로(4)를 포함하는 각위치 센서에 있어서, 상기 자기 감지 소자(2,3)는 동일 지점에 배치되고, 90도 다른 위상인 2개의 정현파신호를 제공하기 위해, 접선방향 자기장 성분 및 반경방향 및/또는 축방향 자기장 성분을 측정하는 것을 특징으로 하는 각위치 센서에 관한 것이다.

각위치, 센서, 영구자석, 자기장

Description

360도 범위의 자기 각위치 센서 {Magnetic Angular Position Sensor for a Course up to 360°}

본 발명은 360도 범위의 자기 회전 위치센서의 분야에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 차량용 스티어링 칼럼(steering column)의 각위치(angular position)를 측정하기 위한 위치센서에 관한 것이지만, 이 용도에 한정되는 것은 아니다.

자기장에 기초하여 각도를 검출하는 센서는 많은 장점을 가진다:

● 이동부와의 기계적 접촉이 없어 마모가 없음

● 오염에 거의 영향을 받지 않음.

● 낮은 생산비

● 긴 수명(life span)

종래기술로서 유럽특허 제1083406호가 공지되어 있는데, 이 특허는 자석에 의해 발생되는 자기장의 반경방향 성분을 측정하는 링 자석과 2개의 자기 감지소자(magnetosensitive elements)를 가지는 회전센서(rotary sensor)가 기술되어 있고, 2개의 사각형파인 정현파 신호를 발생시키며, 디코딩(decoding) 후에 360도 이상의 위치를 검출하는 것이다.

이러한 해결책은, 2개의 프로브(probe)가 있어야 하는 단점이 있는데, 한쪽 프로브는 다른 쪽 프로브에 비해 부정확한 위치 때문에 측정오차가 발생할 수 있다. 더욱이, 90도로 공간상에 오프셋(offset)되는 2개의 집적회로가 존재하여, 센서의 최종 비용이 증가되는데, 이는 인쇄회로의 표면영역이 커지고, 연결수(number of connections)가 증가하기 때문이다.

또한, 공지된 종래기술로서, 하나의 평면에 형성되는 2개의 자기장 성분을 측정할 수 있는 프로브가 있다(예를 들면, 멜렉시스(Melexis)의 MLX90316과 같은 홀-효과 프로브(hall-effect probe) 또는 자기 저항식 프로브).

또한, 공지된 종래기술로서, 미국특허 제06316935호가 있는데, 이 특허는 360도로 회전할 수 있으면서, 실질적으로 직경방향으로 자기화된 디스크 자석의 각위치를 결정하기 위해서 자기 저항식 프로브를 사용하는 위치센서가 기술되어 있다(도 1 참조). 상기 특허에서 자석에 의해 발생하는 자기장의 방향에 민감한 자기 저항식 프로브는 자석의 아래에 배치되고, 실질적으로 자석의 회전축 상에 배치된다. 프로브는 자석의 회전축 상에서 자기장 성분(Bx, By)을 측정한다(도 2 참조). 이러한 자석과 프로브의 배치는 센서의 사용을 제한한다. 예를 들어, 스티어링 칼럼과 같은 관통축을 구비한 시스템의 각위치를 측정하기 위해 회전센서를 이용하는 특별한 경우에 있어서, 사실상, 스티어링 칼럼의 크기로 인해 회전축 상에 자기 감지소자가 배치되지 못하기 때문에, 자석과 프로브의 배치가 불가능하다.

본 발명은 상기와 같은 문제점들을 해결하기 위해 제안된 것으로서, 각위치를 확인하기 위해서 비록 이러한 각도가 자기장의 각도에 대응되지 않더라도, 직경방향으로 자기화되는 링 자석 또는 디스크 자석의 회전축 외부에 있는 단일점(single point)(물리용어로서, 2개의 자기장 성분의 측정지점 사이에서의 거리가 5mm 미만이라면 단일점에서 수행되는 것으로 본다)에서 동시에 측정되는 2개의 자기장 성분(반경방향 및 접선방향, 또는 축방향 및 접선방향)을 사용할 수 있도록 한 것이다(주 : 자기장의 방향은 동일 자석의 축상에서 측정된 경우에만 자석의 각위치와 "정렬"된다).

따라서, 아래에서 설명되는 해결책은 센서의 가격을 감소시킬 수 있고, 측정에 대한 신뢰성을 증가시킬 수 있는 한편, 특히 관통축을 구비한 디바이스의 경우, 다른 기하학적 구조에 효과적으로 적용할 수 있다.

만일, 직경방향으로 자기화되는 링 또는 디스크 자석 둘레의 공간에서 어떤 지점을 고려한다면, 상기 자석에 의해 발생되는 자기장의 반경방향 성분과 축방향 성분은 동일위상인 2개의 사인곡선이고, 반면에 접선성분은 2개의 다른 자기장 성분에 대해 90도 다른 위상인 사인곡선이다(도 3 참조). 따라서, 다음 식을 이용하여 자석의 각도를 디코딩하기 위해서, 90도 다른 위상인 한 쌍의 자기장 성분(접선방향 및 반경방향, 또는 접선방향 및 축방향)을 이용할 수 있다.

여기서 α - 회전각도

V₁ - 자기장의 반경방향 또는 축방향 성분

V_1max - V₁의 진폭

V₂ - 자기장의 접선 성분

V_2max - V₂의 진폭

일반적으로 다른 진폭을 가지는 2개의 성분을 토대로 자석의 각위치를 디코딩하는 것은, 그로부터 각도를 추론하기 위해 아크탄젠트(arctangent) 계산을 수행할 수 있도록 사용되는 2개의 성분을 표준화하는 것을 요구한다. 이러한 디코딩과 표준화 기능은, 분리소자(4) 또는 자기장의 2개의 성분의 측정, 각도의 디코딩 및 자기장의 2개의 성분의 표준화를 통합하는 프로브(예를 들면 : MLX 90136) 중 어느 하나로 직접 수행된다.

자석 둘레에 90도 이격되어 위치된 2개의 프로브를 이용할 때보다 매우 작은 인쇄 회로 표면을 가지는 SMD(표면 실장 소자)(Surface Mount Device)의 단일 집적회로를 이용하는 것이 경제적인 이점이 있다.

바람직한 일 실시예에서, 자기 감지 소자(magnetosensitive elements)는 평행한 감지축을 가지는 적어도 한 쌍의 자기 감지센서로 이루어지고, 상기 한 쌍의 센서는 상기 감지축에 수직한 강자성 요크(ferromagnetic yoke)에 의해 자기 결합되며, 상기 요크는 회전축에 수직한 평면에 정렬되거나 회전축을 통과하는 평면에 평행한 평면에 정렬된다. 예를 들어, 자기 감지 소자는, 멜렉시스사에서 생산된 일체형 플럭스 집중기(flux concentrator)인 MLX90136을 구비한 프로브로 이루어지는데, 플럭스 집중기는 4개의 동일평면 센서로 구성된다(따라서, 감지축은 평행하다). 이러한 4개의 홀소자(hall elements)는 요크를 구성하는 강자성 디스크의 에지 아래에 배치된다. 이러한 4개의 홀소자는 90도 간격으로 이격되어 있다. 자기장은 높은 상대투자율(relative permeability)을 지는 강자성 디스크의 근방에서 굴곡된다. 자기장 선분(magnetic field lines)은 자기 플럭스 집중기의 표면에 대해 수직하고, 홀소자를 통과하여 프로브의 평면에서 2개의 자기장 성분을 측정할 수 있도록 한다. 더욱이, 자기장 선분이 강자성 디스크의 근방에서 집중되기 때문에 홀소자에 의해 측정된 자기장은 증폭된다. 각각의 축(X 및 Y 또는 X 및 Z) 상에 있는 홀소자는 2개의 홀소자의 전압차를 전송하는 신호처리회로에 접속되고(이는 자기장의 축방향 성분을 제거한다), 아날로그/디지탈 컨버터에 의해 증폭되고 추출된다. 디지탈 신호처리회로는 프로그램화되는 이득(gain)에 의해 각각의 성분을 복수화하고(이는 거의 동일한 크기의 사인곡선을 얻을 수 있다), 분할 및 아크탄젠트 계산을 하기 전에 여러 가지 보상(온도와 관련된 프로브의 파라미터에서의 오프셋, 직교성(orthogonality), 변수(variation)에 대하여)을 할 수 있다. 얻어진 각도는 집적회로의 출력에 활용되는데, 예를 들어 이 각도에 비례하는 전압의 형태로 활용된다.

본 발명은 직경 이방성(diametrical anisotropy)을 가지는 플라스토페라이트(plastoferrite)로 이루어진 링 자석을 효과적으로 이용하고, 가능한 최저비용으로 매우 양호하게 수행할 수 있다. 더욱이, 이방성을 가지는 자석을 이용하여 자기화과정을 용이하게 한다. 이는 센서의 성능(출력신호의 선형성)이, 양호한 직경 자기화(diametrical magnetisation)를 달성하는데 직접적으로 좌우되기 때문이다. 또한, 등방성 자석(isotropic magnets)의 사용이 가능하지만, 자석의 "양호"한 직경 자기화를 얻기 위한 자기화과정이 더욱 복잡하다. 이는, 링 자석을 직경방향으로 자기화하기 위해 필요한 자기장이 전류에 의해 통과되는 단순한 코일로 쉽게 얻어지지만, 공기와 자기화되는 물질 사이에서 자기 투자율 차이로 인하여 자기장 선분의 곡률이 생성되고, 이러한 곡률은 2개의 매개체 사이의 경계에서 굴절에 관한 다음 관계식에 따른다.

이 곡률은 직경방향이 아닌 재료의 자기화로 변형되고, 따라서, 도 10에 도시된 바와 같이, 측정된 2개 성분의 비틀림으로 변형된다. 이러한 2개의 신호는 90도 위상을 달리하는 2개의 사인곡선이 아니며, 자기장의 2개의 성분을 기초로 디코딩된 신호를 보여주는 도 10에서 알 수 있는 것과 같이, 디코딩하는 동안, 위상은 상당히 비선형성으로 변환된다.

등방성 재료인 경우에, "불량"한 직경방향 자기화를 생성하는 자석의 내부에 있는 자기장 선분의 곡률을 교정 및 보상하기 위해서, 자석의 외부 형상은, 원형 대신에, 실질적으로 타원형이 되도록 선택되는 것이 효과적일 것이다(도 11 참조).

또한, 프로브 MLX 90316을 이용할 때, 비선형성 오류를 부분적으로 보상하기 위해 이 프로브를 프로그램화하는 것도 가능하다. 이러한 보상은 센서의 전체 진행과정을 거쳐서 서로 다른 이득을 프로그래밍하여 생성된다. 이러한 프로그래밍의 경우는 도 12에 도시되어 있다.

● 비선형 전달함수에 의해 디코딩된 신호

● 디코딩된 신호의 비선형성

등방성 자석 또는 반경방향 이방성 자석의 경우에 있어서, 자석의 주변에서 정현파 법칙(sinusoidal law)을 따르는 반경방향 자기화를 통해 점진적으로 자석을 자기화할 수 있다. 이러한 자기화법으로 자기장 선분의 굴절로 인한 자기화 방향의 오류를 방지할 수 있고, 이러한 오류는 직경방향 자기화인 경우에 발생한다.

여분의 출력신호가 필요한 응용예인 경우에 있어서, 물론 회전축에 대해 첫번째 지점으로부터 각을 이루면서 오프셋되는 두번째 측정포인트를 이용함으로써 시스템이 배가되는 것을 파악할 수 있다. 바람직하게, 2개의 독립된 각위치 신호를 전달하기 위해, 하나는 접선방향이고 다른 하나는 반경방향 및 축방향 성분의 조합으로 이루어진 2개의 신호의 측정 및 디코딩을 특정의 이득 조정으로 통합할 수 있는 2개의 유사한 하우징을 가질 수 있다.

수 회 이상 회전하는 스티어링 휠과 결합되는 스티어링 칼럼의 위치를 측정하는 적용예와 같은 경우에, 360도보다 더 진행하는 것을 측정할 필요가 있다. 따라서, 센서에 수 회 이상의 회전을 1회 이하의 회전으로 감소시키도록 하는 운동감속기를 결합한 본 발명에 따른 센서를 이용할 수 있다.

본 발명은 여러 도면을 참고하면 더욱 명확히 이해될 것이다.

도 1은 직경방향으로 자기화된 디스크 자석에 의해 발생되는 자기장 선분을 도시한 것이다.

도 2는 자석의 회전축 상에 위치하는 지점인 도 1에 도시된 지점(O)에 형성되는 3개의 자기유도성분을 도시한 것이다.

도 3은 자석의 회전축 외부에 위치하는 지점에 형성되는 3개의 자기유도성분을 도시한 것이다.

도 4는 본 발명의 개략도를 도시한 것이다.

도 5는 반경방향 및 접선방향의 유도성분을 이용하는 회전센서를 도시한 것이다.

도 6은 도 5에 도시된 구조에 대한 공간의 어느 지점에서의 3개의 자기유도성분을 도시한 것이다(자석의 중앙 평면상의 측정 지점).

도 7은 축방향 및 접선방향의 유도성분을 이용하는 회전센서를 도시한 것이다.

도 8은 상대 투자율(μr)이 1인 재료에 대해 자기화시에, 자석의 내부 자기 장 선분을 도시한 것이다.

도 9는 상대 투자율(μr)이 1.2인 재료에 대한 자기화 시에 자석의 내부 자기장 선분을 도시한 것이다.

도 10은 반경방향 및 접선방향의 자기유도성분 및 "직경방향"으로 자기화되는 등방성 원형 링 자석상에서 측정되는 신호의 비선형성을 도시한 것이다.

도 11은 반경방향 및 접선방향 자기유도성분 및 실질적으로 타원형의 외형을 가지는 "직경방향"으로 자기화되는 등방성 자석상에서 측정되는 신호의 비선형성을 도시한 것이다.

도 12는 등방성 자석 상에서 얻어지면서 비선형성 전달함수로 디코딩되는 신호를 도시한 것이다.

도 13은 점진적으로 반경방향으로 자기화되는 자석을 도시한 것이다.

도 14는 자석 둘레 공간의 어느 지점에 있는 3개의 자기유도성분을 도시한 것이다.

도 15는 복수 회전 응용예로 사용되도록 감속기와 결합되는 본 발명에 따른 일체형 센서를 도시한 것이다.

도 16은 자기 플럭스 집중기의 에지 상에 배치되는 4개의 홀소자를 도시한 것이다.

도 17은 플럭스 집중기에 의해 형성되는 자기장 선분을 도시한 것이다.

도 18은 4개의 홀소자와 자기 플럭스 집중기를 이용한 프로브의 신호처리과정을 나타낸 블럭도이다.

도 19 및 도 20은 자석이 타일(tile)인 본 발명에 따른 제2 실시예를 도시한 것이다.

도 21은 본 발명에 따른 제2 실시예를 도시한 것으로서, 자기 감지 소자를 포함한 프로브가 중공 원통형 자석의 내부에 배치된 모습을 도시한 것이다.

도 22, 도 23 및 도 26은 본 발명에 따른 제2 실시예를 도시한 것으로서, 프로브가 외부 자기장에 대해 차폐되기 위한 쉴드(shield)와 결합된 모습을 도시한 것이다.

도 24 및 도 25는 본 발명에 따른 제2 실시예를 도시한 것으로서, 센서가 베어링과 결합된 모습을 도시한 것이다.

도 1은 직경방향으로 자기화되는 디스크 자석에서 생성되는 통상적인 자기장 선분을 도시한 것이다. 자석의 중심을 통과하는 한 평면상에서 자석의 자기화 방향과 동일 선상에 있는 자기장 선분이 나타난다. 도 2 및 도 3에서, 반경방향(Bx), 접선방향(By) 및 축방향(Baxial)의 자기유도성분이, 자석의 회전축 상에 위치하는 측정 지점과, 자석의 외부 반경보다 큰 반경 상에 위치하는 지점에 각각 도시되어 있다. 도 2는 자석의 회전기능을 하는 축의 한 지점 상에서의 자기유도성분(X, Y)이 동일한 진폭을 가지며, 자석 위에 위치함에도 불구하고 축방향 성분이 0임을 보여준다. 도 3을 참고하면, 3개의 자기유도성분은 0이 아니고, 반경방향 및 축방향 성분은 동일 위상이고, 반면에 접선방향 성분은 나머지 2개 성분에 대해 90도 다른 위상임을 알 수 있다.

도 4는 본 발명에 따른 센서를 도시한 것으로서, 상기 센서는 실질적으로 반경방향으로 자기화되는 링형 영구자석(1)을 포함하고, 공간에서의 어느 지점에서 상기 자석은 2개의 자기 감지 소자에 의해 측정되는 반경방향 또는 축방향(3) 및 접선방향(2) 성분을 가지는 자기장을 생성하고, 자석의 각위치에 비례하는 전기신호를 출력하기 위해서, 이 자기 감지 소자에서의 신호는 디코딩 및 2개의 성분의 표준화을 수행하는 프로세싱 소자(4)에 의해 처리된다.

도 5는 스티어링 칼럼 센서로 이용되는 센서의 구조를 도시한 것으로서, 자석(1)에서 생성되는 자기장의 반경방향 및 접선방향 성분을 이용한다. 이러한 구조는 스티어링 칼럼 또는 구동 샤프트(5)의 축 상에 직접 장착되는 직경방향으로 자기화되는 링 자석을 이용한다. 프로브의 평면은, 프로브(6)의 위치오류가 발생하는 경우에 자기장의 축방향 성분에 미치는 영향을 제한하도록 자석의 대칭평면과 동일평면이 되는 방식으로 배치되는 것이 효과적일 것이다. 이는 이러한 특정 구조에 대해서, 자기장의 축방향 성분이 0이기 때문이고, 이에 따라 프로브가 완벽하게 배치되지 않더라도 프로브에 의해 측정되는 접선방향 성분상에 축방향 성분의 프로젝션(projection)이 0이 될 것이다. 상기 특정 구조에서, 자기장의 2개 성분의 측정과, 2개 성분의 표준화와, 90도 다른 위상인 2개의 신호를 토대로 한 각도의 디코딩을 통합하는 프로브가 이용된다. 하나의 바람직한 변형예에 따르면, 자석은 칼럼에 직접 접합될 것이다.

도 7은 스티어링 칼럼 센서로서 이용하기 위한 센서구조를 도시한 것으로서, 자석(1)에 의해 생성되는 축방향 및 접선방향의 자기유도 성분을 이용하는 것이다. 이러한 구조를 위해, 프로브(6)가 불량하게 배치되는 경우에 출력신호를 왜곡시킬 수 있는 접선방향 성분에 기여하는 반경방향 성분을 확실하게 제거하는 프로브의 위치가 없다. 이러한 구조로 인해, 프로브의 위치는 반경방향 성분을 최소로 감소시키도록 선택되고, 동시에 다른 2개의 성분상에서 최적의 진폭을 유지한다. 이러한 특정 구조에서, 자기장의 2개 성분의 측정과, 2개 성분의 표준화와, 90도 다른 위상인 2개의 신호를 토대로 한 각도의 디코딩을 통합하는 프로브가 이용된다.

도 8은 자기화시에, 직경방향 자기화를 이루기 위한 자기장 성분이 도시된 것으로서, 상대 투자율이 1(공기와 같이 μr= 1)인 링 자석의 내부 및 외부의 자기장 선분을 도시한 것이다. 자기장 선분은 어떠한 변형도 없이 자석을 통과하고, 직경방향 자기화가 완벽하게 이루어진다.

도 9는 자기화시에, 상대 투자율이 1.2로 링 자석의 내부 및 외부에 형성되는 자기장 선분을 도시한 것이다. 자기장 선분은 자석이 통과하면 변형되기 쉽고, 상기 변형은 공기(μr= 1)와 자석(본 실시예에서는 μr= 1.2) 사이의 상대 투자율의 차이에 의해 발생한다. 따라서, 자기장 선분의 굴곡현상은 자석을 불량한 직경방향 자기화로 변환시킨다. 이러한 문제점을 해결하기 위해서, 물론 바람직한 자기화방향을 가지는 이방성 자석을 사용할 수 있다. 등방성 자석인 경우에, 양호한 직경방향 자기화를 얻기 어렵고, 도 10에 도시된 결과가 나타날 것이다. 이러한 자기화 오류를 교정 및 보상하기 위해서, 실질적으로 타원형 외형을 가지는 자석이 사용될 수 있다. 도 11에는 이러한 자석으로 측정되는 유도성분이 도시되어 있다. 자 기장 선분의 굴절 차이로 인한 비 선형성이 확연히 개선됨을 알 수 있고, 또한 측정 갭(gap)에서의 변화도 알 수 있다.

자기화 과정 동안에 자석의 표면에 자기장 선분의 굴절로 인한 불량하게 반경방향으로 자기화되는 등방성 링 자석인 경우, 신호의 비선형성을 부분적으로 보상할 수 있는 비선형 전달함수를 프로그램하는 프로그램된 프로브를 사용하는 것이 가능하다(도 12 참조).

등방성 자석 또는 반경방향 이방성 자석인 경우에, 도 13에는 1회 이상의 잔류자기화 정현파 변화를 가지는 링 자석이 도시되어 있다. 이러한 구조는 도 14에 도시된 신호를 발생시킨다.

도 15는 감속기의 입력부에 위치하는 소자가 360도보다 많이 진행되는 것을 측정하기 위해 감속기의 출력부와 결합되는 링 자석으로 일체화된 본 발명에 따른 센서를 도시한 것이다. 이는 예를 들어, 수 회 이상 스티어링 휠의 각위치를 검출하는것이 요구되는 스티어링 칼럼인 경우에 사용될 수 있다. 도 15의 실시예는 유성감속기와 결합되는 센서를 도시한 것이지만, 이러한 응용예와 호환될 수 있도록 결합되는 다른 감속시스템이 사용될 수 있다.

도 16에는 플럭스 집중기(19) 및 그의 에지 아래에 배치되면서 90도 간격으로 이격된 4개의 홀소자(15, 16, 17, 18)가 도시되어 있다. 각각의 홀소자(15, 16, 17, 18)는 플럭스 집중기(19)의 평면(XOY)에 수직한 축(Z)을 따라 위치하는 감지축을 가진다. 상기 소자(15, 16)는 축(X)을 따라 자기유도를 측정하고, 상기 소자(17, 18)는 축(Y)을 따라 자기유도를 측정한다. 플럭스 집중기(19)의 4개의 홀소자(15, 16, 17, 18)와 요크는 단일 성분을 형성하기 위해서 조립체를 감싸는 하우징 안에 장착된다.

도 17에는 축(X, Y) 중에서 어느 하나의 축에 따른 수직단면에서, 자기 플럭스 집중기(19)에 형성되는 자기장 선분이 도시되어 있다. 자기장 선분은 굴곡되고, 집중기의 표면에 수직하게 되면서 홀소자(17, 18)를 통과한다.

도 18에는 신호처리과정을 나타낸 블럭도가 도시되어 있다. 신호(V_x, V_y)는 홀소자(15, 신호 V_z1를 전달함)(16, 신호 V_z2를 전달함)(17, 신호 V_z3를 전달함)(18, 신호 V_z4를 전달함)로부터 얻어진다. 이득(21)에 의해 차이가 증폭되고(전자이득과 강자성 집중기(19)에 의한 이득을 포함), 아날로그/디지탈 컨버터를 통과하여 디지탈 신호처리 블럭(23)에 도달한다. 측정된 진폭은 출력신호(V_out)를 전달하는 상기 블럭에 의해 교정이 이루어진다.

도 19 및 도 20에서, 자석(1)은 직경방향 자기화를 가지는 원통형 타일이다. 이러한 직경방향은 타일(1)에 대해 무한수의 방향으로 설명될 수 있다. 도 19 및 도 20은 이러한 자기화를 나타낼 수 있는 방향에 대한 2가지 실시예를 도시한 것이다. 도 19에서, 자기화는 자석(1)의 중심에서 반경방향으로 이루어지는 반면에, 도 20에서는 접선방향으로 이루어진다. 따라서, 이러한 실시예는 본래 아무런 제한이 없다.

도 21은 제2 실시예로서, 프로브(6)가 링으로 형성되는 중공 원통형 자석(1)의 내부에 배치되는 모습이 도시되어 있다. 만일, 센서를 수용하는 시스템의 규격 이 요구된다면, 사실상 이러한 방법으로 프로브(6)를 배치하는 것이 유리할 수 있다.

도 22와 도 23에는 외부 자기장을 차폐하는 쉴드(81)가 결합된 본 발명에 따라 설명된 센서가 도시되어 있다. 만일, 센서가 오염된 환경 내에서 사용되려면, 사실상, 외부 자기장에 대해 둔감해지게 하는 것이 유리할 수 있다. 도 22에서, 자석(1)은, 축(5)에 자체적으로 결착되는 강자성 요크(71)에 장착된다. 프로브(6)는 자기장의 접선방향 및 반경방향 성분을 측정하기 위해, 배치되는 자석(1)의 정면에 배치된다. 프로브는 상기한 타입의 기능을 위해 일반적으로 사용되는 재료, 예를 들어 비제한 실시예를 통해 높은 자기 투자율을 가지는 합금으로 이루어진 쉴드(81)로 감싸진다. 프로브(6)는 축방향 자기장에 대해 둔감하기 때문에, 쉴드(81)는 자석의 평면내에서 프로브(6)의 둘레에 배치되는 것이 바람직할 것이다. 도 23에서, 동일한 센서와 결합되는 동일한 차폐기능을 확인할 수 있지만, 여기에서의 프로브(6)는 자기장의 접선방향 및 축방향 성분을 측정하기 위한 방법으로 배치된다. 본 실시예에서, 프로브(6)는 반경방향 자기장에 대해 둔감하기 때문에, 쉴드(81)는 자석(1)에 접선하는 평면에서 프로브 둘레에 배치되는 것이 바람직할 것이다. 이러한 방식으로 배치되면, 측정하는 동안, 쉴드(81)에 의해 외부 자기장에 대해 둔감하게 될 수 있다. 도 22 및 도 23에서 상기 쉴드(81)는 작은 치수를 가지는 접혀진 박막 형태이다.

도 22와 도 23에 도시된 쉴드(81)는, 최소크기로 가능한 효과적인 해결책이지만, 이러한 방법으로 제한되지 않는다. 당업자에게 공지된 모든 차폐수단은 물론 위치센서와 일체로 결합될 수 있다. 예를 들어, 도 26에서, 쉴드(81)는 자석(1)+프로브(6)로 이루어진 조립체를 완전히 감싸는 링로 나타낼 수 있다.

본 발명에 따른 센서는 비제한 방법에서 관통축으로 이루어진 응용예에 대해 특히 적절하기 때문에, 베어링, 예를 들어 볼 베어링의 바로 근처에 센서를 배치할 수 있다. 도 24 및 도 25는 볼 베어링(91)과 결합된 본 발명에 의해 설명된 센서의 2가지 실시예를 도시한 것이다. 도 24의 프로브(6)는 접선방향 및 축방향 자기장에 민감하고, 반면에 도 25에서의 프로브(6)는 접선방향 및 반경방향 자기장에 민감하다. 양자의 경우에, 볼 베어링(91)은 컴팩트한 조립체를 형성하기 위해 센서 근처에 배치된다. 자석(1)과 센서의 치수 및 감지소자의 위치는, 베어링(91)의 치수와, 센서 및 상기 베어링(91)으로 구성된 조립체의 전체 크기의 상관관계로 선택되는 것이 이상적이다.

Claims (24)

1. 축에 대해 회전하는 하나 이상의 원통형 영구자석(1)으로 이루지는 이동 소자와, 2개 이상의 자기 감지 소자(2,3) 및 상기 이동 소자의 절대위치에 따른 신호를 전달하는 하나 이상의 신호 처리회로(4)를 포함하는 각위치 센서에 있어서,

   상기 자기 감지 소자(2,3)는 동일 지점에 배치되고, 접선방향 자기장 성분과, 반경방향, 축방향, 또는 두 방향 모두의 자기장 성분을 측정하며,

   상기 영구자석은 등방성 재료로 형성되고, 상기 센서는 상기 영구자석 내의 자기장 선분의 굴곡을 보상하는 수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 자기 각위치 센서.
2. 청구항 1에 있어서,

   자기장 선분의 굴곡을 보상하는 상기 수단은, 상기 센서의 전체 스트로크에 걸쳐 다양한 이득들의 조정을 가능하게 하는 상기 신호 처리회로(4)에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 자기 각위치 센서.
3. 청구항 1에 있어서,

   자기장 선분의 굴곡을 보상하는 상기 수단은, 상기 센서 상의 서로 다른 이득들에 의한 비선형성 오차를 보상하도록 센서를 처리하는 프로그램 수단으로 형성되는 것을 특징으로 하는 자기 각위치 센서.
4. 청구항 1에 있어서,

   상기 영구자석은 타원형 형상을 가지는 것을 특징으로 하는 자기 각위치 센서.
5. 청구항 1에 있어서,

   상기 영구자석은 그의 주변에서 정현파 법칙을 따르는 반경방향의 점진적인 자화를 가지는 것을 특징으로 하는 자기 각위치 센서.
6. 청구항 1에 있어서,

   하나 이상의 자기 플럭스 집중기 및 평행한 감지축을 가지는 2쌍의 자기 감지 소자를 포함하며,

   상기 자기 감지 소자는 상기 평행한 감지축에 수직한 상기 자기 플럭스 집중기의 주변에 근접하게 배치되고, 2개의 상기 자기 감지 소자는 자기장의 반경방향, 축방향, 또는 두 방향 모두의 성분을 측정하며, 상기 나머지 2개의 상기 자기 감지 소자는 자기장의 접선 방향 성분을 측정하는 것을 특징으로 하는 자기 각위치 센서.
7. 청구항 1에 있어서,

   상기 신호 처리회로(4)는 2개 이상의 상기 자기 감지 소자로부터 발생되는 2개의 전기신호를 이용하여 아크탄젠트 계산을 수행하는 것을 특징으로 하는 자기 각위치 센서.
8. 청구항 1에 있어서,

   상기 신호 처리회로(4)는 각도를 디코딩하기 위해 사용되는 2개의 신호의 이득을 조정하는 것을 특징으로 하는 자기 각위치 센서.
9. 청구항 1에 있어서,

   상기 자기장의 측정, 이득의 조정 및 아크탄젠트 디코딩의 계산은, 하나의 동일한 하우징에서 통합되는 것을 특징으로 하는 자기 각위치 센서.
10. 청구항 1에 있어서,

    상기 영구자석(1)은 중공형 실린더인 것을 특징으로 하는 자기 각위치 센서.
11. 청구항 1에 있어서,

    상기 자기 감지 소자는 자석의 중앙 평면(median plane)에 배치되는 것을 특징으로 하는 자기 각위치 센서.
12. 청구항 1에 있어서,

    상기 영구자석(1)은 회전축에 접착되어 그 위치가 측정되는 것을 특징으로 하는 자기 각위치 센서.
13. 청구항 1에 있어서,

    상기 영구자석(1)은 강자성 요크에 접착되는 것을 특징으로 하는 자기 각위치 센서.
14. 청구항 1에 있어서,

    상기 영구자석은 직경방향으로 자기화되는 것을 특징으로 하는 자기 각위치 센서.
15. 청구항 1 내지 청구항 13 중 어느 한 항에 있어서,

    상기 영구자석(1)은 직경방향으로 자기화되는 자석 타일인 것을 특징으로 하는 자기 각위치 센서.
16. 청구항 1 내지 청구항 13 중 어느 한 항에 있어서,

    상기 자석은 점진적인 정현파의 자성을 가지는 것을 특징으로 하는 자기 각위치 센서.
17. 청구항 1에 있어서,

    상기 신호 처리회로(4)는 전달함수의 비선형 프로그래밍을 허용하는 것을 특징으로 하는 자기 각위치 센서.
18. 청구항 1에 있어서,

    상기 영구자석에 의해 생성되는 반경방향 및 접선방향의 자기유도 성분을 측정하는 센서를 포함하는 것을 특징으로 하는 자기 각위치 센서.
19. 청구항 1에 있어서,

    경로범위가 360도 이하인 것을 특징으로 하는 자기 각위치 센서.
20. 청구항 1에 있어서,

    상기 각위치 센서는 운동 감속기와 결합되고, 상기 영구자석은 상기 감속기의 출력부에 고정되는 것을 특징으로 하는 자기 각위치 센서.
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