KR20110055618A

KR20110055618A - 위치 센서용 다극 인코더, 및 적어도 하나의 위치 센서와 결합된 그와 같은 인코더를 포함하는 검출장치

Info

Publication number: KR20110055618A
Application number: KR1020117005677A
Authority: KR
Inventors: 제롬 코로나
Original assignee: 일렉트릭필 오토모티브
Priority date: 2008-08-12
Filing date: 2009-07-29
Publication date: 2011-05-25
Also published as: FR2935045A1; FR2935045B1; US20130187640A1; WO2010018336A2; WO2010018336A3; EP2313746A2

Abstract

본 발명에 따른 반대 표시의 극성을 갖는 자극들과의 경계선에 제공된 다극 자기 환형체(2)를 포함하는 타입의 위치 센서 코더는 상기 다극 자기 환형체의 경계선 주위의 마크 존 외측에 위치된 각각의 교대의 자극들의 각도 폭보다 큰 각도 폭(Li)을 제공하는 적어도 하나의 마크 존(Pi)을 포함하고, 상기 마크 존은 상기 마크 존 외측에 위치하는 자극들의 각도 폭보다 큰 각도 폭으로 이루어지고 상기 다극 자기 환형체(2)에 연속의 자극 교대로 배치된 반대 표시의 극성을 나타내는 2개의 인접한 단일 자극(Ni, Si)을 포함하며, 상기 단일 자극 내에서의 자화는 상기 마크 존의 2개의 단부 사이에서 연속 형태로 점진적으로 변화한다.

Description

위치 센서용 다극 인코더, 및 적어도 하나의 위치 센서와 결합된 그와 같은 인코더를 포함하는 검출장치{MULTIPOLAR ENCODER FOR POSITION SENSORS, AND DETECTION DEVICE INCLUDING SUCH AN ENCODER COMBINED WITH AT LEAST ONE POSITION SENSOR}

본 발명은 기계적인 시스템 내 요소들의 움직임 및 위치를 검출하는 기술분야에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 검출 센서 및 셀(cell)에 가깝게 이동하는 코더 요소(coder element)를 포함하고, 일반적인 감지에 있어 이동가능 타겟의 위치 및/또는 속도를 검출하도록 채용된 자기 검출장치 분야에 관한 것이다.

특히, 본 발명은 차별의 거대 자기저항(GMR; giant magnetoresistance) 타입의 검출 셀을 위한 자기 타겟(magnetic target)으로 작동하도록 교대로 설치된 직렬의 N극 및 S극에 부합된 자기 코더를 제공하는 것에 관한 것이다.

본 발명에 특히 효과적인 애플리케이션은 예컨대 센서가 인젝션(injection) 기능과 관련하여 사용될 수 있는 자동화 분야에 있다.

현재의 기술에 있어서, 이동가능 타겟의 위치에 대응하는 정보를 전송하는데 적합한 다양한 타입의 센서가 알려져 있다. 통상적으로, 그와 같은 센서는 예컨대 연자성 재료로 이루어지고 적어도 하나의 투스(tooth), 보다 일반적으로 갭에 의해 이격된 직렬의 투스를 제공하는 이동가능 타겟과 협력한다. 그와 같은 센서는 또한 이동가능 타겟으로 에어갭을 규정하는 영구자석을 갖는다. 프로브(probe)는 그 에어갭에 배치되어, 자기유도의 방향 및 강도를 감지한다.

프로브 앞에서 투스의 각각의 통과시, 이동가능 타겟의 움직임은 프로브를 통과하는 자기유도의 변화를 야기시키고, 그에 따라 자기유도의 방향 및 진폭의 함수로서 전기신호를 전송한다. 감지 프로브는 특히 히스테리시스(hysteresis)를 제공하며, 프로브에 의해 전송된 전기신호가 미리 결정된 임계치보다 클 경우 제1논리 상태를 취하고, 그 전기신호가 미리 결정된 임계치보다 작을 경우 제2논리 상태를 취하는 출력을 전송하는 레벨 비교기와 연합된다.

그와 같은 센서의 단점은 타겟과 센서간 에어갭의 크기 및 온도와 같은 파라미터의 변화에 민감하다는 것이다.

현재의 기술에 있어서, 또한 검출 셀을 통해 이동하는 자기 코더를 포함하는 위치 또는 속도 센서 장치의 사용이 알려져 있다. 그와 같은 코더는 교대의 N극 및 S극과의 경계선에 제공된 다극 자기 환형체(multipole magnetic annulus)에 의해 구성된다. 그러나, 그와 같은 센서의 단점은 측정 셀과 코더간 에어갭의 크기의 변화에 크게 민감하다는 것이다.

단일의 주변 자화 존(zone), 즉 마크 존(mark zone)을 포함하는 자기 코더가 또한 알려져 있다. 통상 그러한 단일 존은 코더의 또 다른 자극의 각도 폭보다 큰 각도 폭의 자극(magnetic pole)을 포함한다. 보다 넓은 자극은 코더가 고정되는 요소의 회전 위치를 결정하기 위한 스위칭 또는 기준 신호로서 사용되고 검출 셀에 의해 출력된 신호의 진폭 및 주기의 변화를 야기시킨다. 그럼에도 불구하고, 그와 같은 코더는 앞서 언급한 코더와 같이 에어갭 크기의 변화에 민감하다는 동일한 단점을 제공하며, 그에 따라 코더 및 위치 센서가 통합되는 기계적인 시스템에 의해 생성된 노이즈에 크게 민감하다.

특히 2개의 단부 사이에 점진적인 형태로 코더의 단일 존을 형성하는 자극을 자화시키기 위한 특허출원 FR 2 895,075 A1 및 FR 2 901 019 A1, 게다가 특허출원 US 5 523 679의 출원인에 의해 이러한 문제들을 감소시키기 위한 제안이 이루어졌다. 그와 같은 점진적인 자화는 특히 노이즈와 관련된 센서의 검출 셀로부터의 출력신호의 장애를 크게 감소시키게 한다. 그럼에도 불구하고, 이들 코더는 홀 효과(Hall effect) 측정 셀을 사용하고 GMR 셀을 실시하지 않기 때문에, 자동차 분야의 현재 표준의 공통 주기에 부응할 수 없다(그러한 존에서 그리고 그러한 존 주위에서 6°/18°/6˚). 더욱이, 그러한 자극의 중량은 점진적으로 자화될 때조차 항상 인접한 자극의 구성보다 더 강하여, 에어갭 크기의 범위에 걸친 주기 안정성을 방해한다.

여전히 이러한 목적을 위한 또 다른 해결책이 문서 EP 0611 952 A1에서 제안되고 있으며, 그 EP 0611 952 A1은 각각 N극과 S극을 강하게 자화시키고 약간의 자화를 갖거나 전혀 자화를 갖지 않는 존에 의해 서로로부터 분리되는 2개의 자극을 가지는 단일의 존을 갖는 자기 코더를 제공하는 것을 포함한다. 그럼에도 불구하고, 그와 같은 코더는 스위칭 존에 광범위하게 영향을 미치는 출력신호를 계속해서 제공하여, 검출장치의 정확성을 저하시킨다. 더욱이, 약간의 자화를 갖거나 자화를 갖지 않는 마크 존 내의 존을 갖는 코더는 마크 존의 2개의 자극과 상기 마크 존 외측의 자극들간 불균형을 생성하는 경향이 있어, 그 존 중간의 전면의 전기의 안정성을 방해하고, 에어갭 크기의 범위에 걸친 주기의 안정성을 방해한다.

본 발명은 상기한 점을 감안하여 발명된 것으로, 우수한 측정 정확도를 제공하는 작업신호를 전송하는데 적합하면서 에어갭 크기의 변화에 상대적으로 감응하는 위치 및/또는 속도 센서를 위한 코더를 제안함으로써 종래의 단점을 해결하는 것을 목적으로 한다.

상기한 과제를 해결하기 위한 본 발명은 우선 교대의 형태로 배치되고 자극에 의해 전송된 자기장 강도의 변화에 대응하는 차별의 주기신호를 전송하는 측정 셀을 통해 이동하도록 디자인된 반대 표시의 극성을 갖는 자극들과의 경계선에 제공된 다극 자기 환형체를 포함하는 타입의 위치 센서 코더를 제공한다. 이러한 코더는 공지의 방식으로 상기 다극 자기 환형체 경계선 주위의 존 외측에 위치된 각각의 교대의 자극들의 각도 폭보다 큰 각도 폭을 제공하는 적어도 하나의 마크 존을 포함한다.

특징적인 형태에 있어서, 상기 마크 존은 상기 마크 존 외측에 위치하는 자극들의 각도 폭보다 큰 각도 폭으로 이루어지고 상기 다극 자기 환형체에 연속의 자극 교대로 배치된 반대 표시의 극성을 나타내는 2개의 인접한 단일 자극(singular pole)을 포함하며, 상기 단일 자극 내에서의 자화는 상기 마크 존의 2개의 단부 사이에서 연속 형태로 점진적으로 변화한다.

본 발명의 바람직한 제1특징에 따르면, 2개의 단일 자극간 정션(junction)은 상기 마크 존에 의해 커버된 각도 폭의 중간에 위치한다.

더욱이, 본 발명 코더의 또 다른 바람직한 특징에 따르면, 단일 자극의 점진적인 자화는 증가 또는 감소의 변화를 따르며, 그 변화는 거의 선형 또는 곡선이 될 것이다.

또한 본 발명에 따르면, 마크 존의 양측에 위치된 자극(magnetic poles)은 바람직하게 상기 마크 존의 단일 자극의 각도 폭보다 작은 변화의 각도 폭을 제공한다.

특히, 마크 존의 각도 폭은 15°~ 20°의 범위가 되고, 상기 마크 존 외측의 자극의 각도 폭은 2°~ 8°의 범위가 된다.

제2특징에 있어서, 본 발명은 또한 회전식 이동가능 부재의 위치를 검출하기 위한 위치 검출장치를 제공하며, 상기 위치 검출장치는 상기 정의된 바와 같이 상기 이동가능 부재에 고착된 적어도 하나의 코더, 및 상기 코더의 자극에 의해 생성된 자기장 강도의 변화에 대응하는 주기적인 차별의 전기신호를 전송하는 적어도 하나의 측정 셀을 포함하는 것을 특징으로 한다.

바람직한 그리고 장점 형태에 있어서, 본 발명의 위치 검출장치의 측정 셀은 GMR(거대 자기저항) 타입의 셀이 선택된다.

마지막으로, 본 발명은 또한 회전식 이동가능 부재의 위치를 검출하는 방법을 제공하며, 상기 이동가능 부재는 상술한 바와 같이 코더에 부합되고, 상기 코더의 자극에 의해 생성된 자기장의 변화는 상기 이동가능 부재의 움직임 및 위치에 따른 상기 코더의 자극에 의해 생성된 자기장의 변화에 따라 변화하는 차별의 주기신호의 강도를 전송하는 측정 셀의 수단에 의해 검출 및 측정되며, 바람직하게 상기 측정 셀은 GMR(거대 자기저항) 타입의 셀이 된다.

예로서 한정하지 않는 본 발명의 실시예들을 나타낸 수반되는 도면들을 참조하여 이루어진 다양한 다른 특징들이 이하 상세히 설명된다.

본 발명은 우수한 측정 정확도를 제공하는 작업신호를 전송하는데 적합하면서 에어갭 크기의 변화에 상대적으로 감응하는 위치 및/또는 속도 센서를 위한 코더를 제안함으로써 종래의 단점을 해결할 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 위치 검출장치의 실시예를 나타낸 개략 평면도이다.
도 2는 본 발명에 따른 실시예의 평면도이다.
도 3은 본 발명의 코더가 GMR 검출 셀을 통과할 때 얻어진 차별의 자기신호의 변화를 나타내고, 또 그 셀로부터의 차별의 전기 출력신호로부터 얻어진 디지털 신호를 나타낸다.

도 1은 적어도 하나의 자기 위치 센서 또는 셀(3)을 통해 이동하도록 설치된 자기 코더(2)를 포함하는 위치 검출장치(1)의 실시예를 나타낸다. 상기 코더(2)는 그 중심, 즉 축(A)에 대해 회전식으로 가동되고, 바람직하게 방사상의 자화를 나타내는 교대의 N극 및 S극과의 경계선에 제공되는 다극 자기 환형체의 형태로 구성된다. 예컨대, 상기 코더(2)는 접착된 엘라스토머 밴드(elastomer band)를 갖는 지지-형성 링에 의해 구성되며, 그 엘라스토머는 N극과 S극을 구성하도록 자화의 미립자로 채워진다.

상기 측정 셀(3)은 이 셀을 통해 이동하는 자극들에 의해 전송된 자기장의 강도 변화에 대응하는 주기적인 차별의 자기신호(Sb)를 전송한다. 본 발명에 따르면, 이러한 검출 셀(3)은 차별의 GMR 셀(거대 자기저항 셀)이다. 상기 측정 셀(3)은 본 예에서는 방형파(squarewave)인 디지털 출력신호가 얻어질 수 있게 하는 프로세서 수단(도시하지는 않았지만 통상 공지된)에 연결된다.

나타낸 예에 있어서, 코더(1)는 인접한 자극 쌍들간 규칙적인 간격의 피치를 제공하도록 배열된 직렬의 S극 및 N극을 갖는다. 예컨대, 각각의 규칙적인 자극의 각도 폭(ℓ)은 3°이다. 도 2에서 좀더 명확히 볼 수 있는 바와 같이, 코더(1)는 또한 2개의 인접한 규칙적인 자극(Pa)들 사이에 제공된 적어도 하나의 단일 존 또는 마크(Pi)를 가지며, 그 간격은 존(Pi) 외측의 S극과 N극간 규칙적인 간격의 피치와 다르다. 본 발명에 따른 나타낸 예에 있어서, 마크 존(Pi)은 적어도 18˚의 각도 폭(Li)을 가지며, 서로 인접하고 코더(1)의 주위에 연속의 교대의 자극으로 배치된 단일의 N극(Ni; 단일 자극) 및 단일의 S극(Si; 단일 자극)을 포함한다. 나타낸 예에 있어서, 단일의 N극(Ni)은 인접한 규칙적인 S극(Pa)과 단일의 S극(Si) 사이에 삽입되며, 상기 단일의 S극(Si)는 규칙적인 N극(Pa)에 인접한다. 따라서, 이들 단일의 자극(Ni와 Si)은 인접한다.

규칙적인 코더의 또 다른 N극 및 S극과 비교하여, 상기 각각의 자극(Ni 및 Si)은 좀더 큰 각도 폭을 제공하며, 바람직하게는 나타낸 바와 같이 규칙적인 N극 및 S극의 각도 폭보다 약 3배인 각도 폭(ℓi), 즉 거의 9°와 동일한 폭(ℓi)을 나타낸다. 예컨대, 2개의 자극을 뺀 6O개의 자극을 갖는 코더의 경우, 마크 존(Pi)의 각도 폭(Li)은 15˚~ 20˚의 범위가 되고, 상기 마크 존 외측의 규칙적인 자극들의 각도 폭(ℓ)은 2˚~ 8˚의 범위가 된다. 1개의 자극을 뺀 30개의 자극을 갖는 코더의 경우, 마크 존(Pi)의 각도 폭(Li)은 15˚~ 40˚의 범위가 되고, 상기 마크 존 외측의 규칙적인 자극의 각도 폭(ℓ)은 2˚~ 15˚의 범위가 된다.

도 3에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 코더의 마크 존(Pi)은, 종래의 코더에 의해 얻어진 통상의 신호와 달리, 단일 지점에서, 정확하게는 마크 존(Pi)의 2개의 자극 Ni와 Si간 정션에서 0을 통과하는 가파른 기울기를 나타내는 존에서의 차별의 자기신호(Sbi)를 얻도록 제공된다.

이것은, 2개의 자극 Ni와 Si간 정션을 갖는 레지스터에서와 마찬가지로, 스위칭하는, 즉 0을 통과하는 검출 셀(3)로부터 차별의 출력신호의 양의 결과를 갖는다.

따라서, 전면 상승(또는 하강)의 스위칭이 마크 존에서 안정된 형태로 일어난다. 이것은 그 전면이 차량 컴퓨터에 의해 사용될 수 있게 하고, 게다가 본 발명의 코더가 양방향 셀로 사용될 경우 제로-횡단 지점(zero-crossing point)이 "트리거(trigger)" 방향 인식에 사용될 수 있게 하기 때문에 특히 효과적이라는 것이다.

마지막으로, 마크 존의 자극 Ni와 Si간 정확한 스위칭은 마크 존의 전체 폭에 걸친 이들 2개의 자극의 자기 강도를 달성하기 위한 우수한 분배에 있고, 이에 따라 통상의 자기 오프셋(magnetic offset)의 초과적인 변조를 피해 결국 에어갭의 변화에 따른 전기적인 스위칭의 부정확성을 감소시킨다.

또한, 본 발명에 따르면, 마크 존(Pi)의 각각의 자극(Ni, Si)은 9˚이거나 그와 거의 동일한 각도 폭(ℓi)을 나타낸다. 그럼에도 불구하고, 상기 마크 존(Pi)의 자극들과 상기 존의 외측에 위치하는 자극들간 각도 불균형에 의해 생성된 오프셋 변조를 더 감소시키기 위해, 상기 마크 존(Pi)에 인접한 N극과 S극의 각도 폭에 대한 교정 측정이 실시된다.

따라서, 만약 마크 존(Pi) 외측의 N극과 S극 세트의 평균 각도 폭이 약 3˚이면, 첫번째로 마크 존의 자극(Ni 및 Si)의 영향을 감소시키고, 두번째로 특히 자동화 분야의 크랭크 샤프트 애플리케이션에서 GMR 측정 셀(3)에 의해 출력된 전기신호(Sd)의 표준 각도 주기 폭에 부합하도록 변경되는 값(ε)에 의해 사실상 각각의 N극과 S극의 개별적인 각도 폭이 조절된다.

더욱이, 측정 셀(3)로부터의 차별의 출력신호(Sd)를 안정화시키기 위해, 본 발명에 따른 마크 존(Pi)의 자극(Ni 및 Si)이 제공되고, 상기 마크 존(Pi)의 단부들간 자화가 점진적이며, 측정 셀(3)의 전면을 통과하는 자극(Ni 및 Si)들에 의해 얻어진 본래의 자기신호가 균형적으로 변화한다. 즉, 단일 자극(Ni 및 Si)의 자화는 마크 존(Pi)의 일단부에서 타단부로 일정하게 감소하거나 증가한다.

이러한 마크 존(Pi)의 자극들의 점진적인 자화는 N극(Ni)에서 S극(Si) 쪽으로 가면서 감소하거나, 또는 자연스럽게 S극(Si)에서 N극(Ni) 쪽으로 가면서 증가한다. 그러한 자화의 감소 또는 증가는 그 변화가 선형 또는 곡선이 바람직할 지라도 어떠한 형태로든 변할 수 있다.

본 발명은 상술한 예로 한정하지 않으며 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 범위 내에서 다양하게 변경할 수 있다.

1 : 위치 검출장치, 2 : 코더,
3 : 측정(검출) 셀.

Claims

교대의 형태로 배치되고 자극에 의해 전송된 자기장 강도의 변화에 대응하는 차별의 주기신호를 전송하는 측정 셀(3)을 통해 이동하도록 디자인된 반대 표시의 극성을 갖는 자극들과의 경계선에 제공된 다극 자기 환형체(2)를 포함하는 타입의 위치 센서 코더로서, 상기 코더는 상기 다극 자기 환형체 경계선 주위의 마크 존 외측에 위치된 각각의 교대의 자극들의 각도 폭보다 큰 각도 폭(Li)을 제공하는 적어도 하나의 마크 존(Pi)을 포함하며, 상기 코더의 상기 마크 존(Pi)은 상기 마크 존 외측에 위치하는 자극들의 각도 폭보다 큰 각도 폭으로 이루어지고 상기 다극 자기 환형체(2)에 연속의 자극 교대로 배치된 반대 표시의 극성을 나타내는 2개의 인접한 단일 자극(Ni, Si)을 포함하고, 상기 단일 자극 내에서의 자화는 상기 마크 존의 2개의 단부 사이에서 연속 형태로 점진적으로 변화하는 것을 특징으로 하는 위치 센서 코더.
청구항 1에 있어서,
2개의 단일 자극(Ni, Si)간 정션(junction)은 마크 존(Pi)에 의해 커버된 각도 폭의 중간에 위치하는 것을 특징으로 하는 위치 센서 코더.
청구항 1에 있어서,
단일 자극의 점진적인 자화는 N극인 Ni에서 S극인 Si로 감소하는 변화를 따르는 것을 특징으로 하는 위치 센서 코더.
청구항 3에 있어서,
마크 존의 단일 자극(Ni, Si)의 자화의 감소 변화는 선형인 것을 특징으로 하는 위치 센서 코더.
청구항 1 내지 3 중 어느 한 항에 있어서,
마크 존의 단일 자극(Ni, Si)의 자화의 감소 변화는 곡선인 것을 특징으로 하는 위치 센서 코더.
청구항 1 내지 5 중 어느 한 항에 있어서,
마크 존의 양측에 위치된 자극(Pa)은 마크 존의 단일 자극(Ni, Si)의 각도 폭보다 작은 변화의 각도 폭을 제공하는 것을 특징으로 하는 위치 센서 코더.
청구항 1 내지 6 중 어느 한 항에 있어서,
마크 존(Pi)의 각도 폭(Li)은 15°~ 20°의 범위가 되고, 마크 존 외측의 자극의 각도 폭은 2°~ 8°의 범위가 되는 것을 특징으로 하는 위치 센서 코더.
회전식 이동가능 부재의 위치를 검출하기 위한 위치 검출장치(1)로서, 상기 위치 검출장치는 청구항 1 내지 7 중 어느 한 항에 따른 상기 이동가능 부재에 고착된 적어도 하나의 코더(2), 및 상기 코더의 자극에 의해 생성된 자기장 강도의 변화에 대응하는 주기적인 차별의 전기신호를 전송하는 적어도 하나의 측정 셀(3)을 포함하는 것을 특징으로 하는 회전식 이동가능 부재의 위치 검출장치.
청구항 8에 있어서,
측정 셀(3)은 GMR(거대 자기저항) 타입의 셀로 이루어진 것을 특징으로 하는 회전식 이동가능 부재의 위치 검출장치.
회전식 이동가능 부재의 위치를 검출하기 위한 위치 검출방법으로서, 상기 이동가능 부재는 청구항 1 내지 7 중 어느 한 항에 따른 코더(2)에 부합되고, 상기 코더의 자극에 의해 생성된 자기장의 변화는 이동가능 부재의 움직임 및 위치에 따른 상기 코더의 자극에 의해 생성된 자기장의 변화에 따라 변화하는 차별의 주기신호의 강도를 전송하는 측정 셀(3)에 의해 검출 및 측정되는 것을 특징으로 하는 회전식 이동가능 부재의 위치 검출방법.