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KR20130077872A - 마그네틱 다중-회전 절대 위치 추적 장치 - Google Patents

마그네틱 다중-회전 절대 위치 추적 장치 Download PDF

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KR20130077872A
KR20130077872A KR1020137007217A KR20137007217A KR20130077872A KR 20130077872 A KR20130077872 A KR 20130077872A KR 1020137007217 A KR1020137007217 A KR 1020137007217A KR 20137007217 A KR20137007217 A KR 20137007217A KR 20130077872 A KR20130077872 A KR 20130077872A
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KR
South Korea
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magnetic
magnet
sensor
main
probes
Prior art date
Application number
KR1020137007217A
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Inventor
미쉘 델베레
제라드 마쏭
야니크 로나
스테판 비웨르스
Original Assignee
무빙 마그네트 테크놀로지스
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Filing date
Publication date
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Abstract

본 발명은 360 ° 이상 회전할 수 있는 입력축의 절대 위치를 추적하기 위한 자기 장치에 관한 것으로서, 상기 자기 장치는 주 자기 센서(2, 6), 모션 감속기(1, 4) 및 보조 자기 센서(7, 9)를 포함한다. 상기 주 자기 센서(2, 6)는 회전자(5)에 결합되어, 360 °이하의 각도 범위에 대하여 상기 입력축의 회전을 측정하고, 주 자석(2)을 포함한다. 상기 모션 감속기(1, 4)는 상기 입력축의 회전을 감속된 회전으로 변환하고, 그 최대 크기는 360 °를 넘지 않는다. 상기 보조 자기 센서(7, 9)는 감속된 회전을 측정하고 보조 자석(9)을 포함한다. 본 발명에 따르면, 상기 보조 자석(9)은 주 회전자(5)의 상부 평면 및 하부 평면 사이에 배치되며, 주 자석(2)은 P 쌍의 극을 갖고, 여기서 P 는 1 보다 크다.

Description

마그네틱 다중-회전 절대 위치 추적 장치 {MAGNETIC MULTI-TURN ABSOLUTE POSITION DETECTION DEVICE}
본 발명은 마그네틱 위치 센서 분야에 관한 것으로, 보다 구체적으로 예를 들면 스티어링 칼럼과 같은, 여러 번의 회전으로 회전하는 입력축의 절대 위치를 정확하게 (즉, 일반적으로 1 도(degree) 미만의 정밀도로) 측정하기 위한 마그네틱 추적 장치에 관한 것이다. 상기 스티어링 칼럼의 위치는 대략 +/- 1080° (+/- 3 회전)까지의 범위 정도의 각도에 대해 추적되어야 한다. 본 발명은 또한 밀집된 구조로 토크를 추적하기 위한 마그네틱 다중-회전 절대 위치 추적 장치에 관한 것이다.
본 출원인의 국제공개특허 제WO2009/047401호가 알려져 있다. 상기 특허는 하나는 "정밀" 센서로 일컬어지는 센서를 사용함으로써 입력축의 위치에 대한 것과 모션 변환에 의존하기 때문에 "개략적"이라고 일컬어지는 정보를 통한 다중-회전 정보에 대한 다른 하나인, 두 개의 위치 센서의 사용을 제시한다. 이러한 센서의 장점들 중 하나는 두 개의 정보 항목들이 절대적이라는 것이다. 따라서, 입력 센서에 손상이 발생한 경우에도, 절대적 정보는 확실히 개략적으로 유지된다. 매우 높은 수준의 안정성을 갖는 적용을 위한 센서의 모색에 있어서, 이것은 종래 기술에 비하여 견고성(robustness)의 측면에서 이것은 명백한 장점을 제공한다. 그럼에도, 직경 방향으로 자화된 입력 센서로부터 얻어진 위치 정보는 360°의 추적 각도에 대해 스티어링 칼럼과 같은 임계적 적용에 있어서 항상 충분히 정확한 것은 아니다. 비접촉 센서로 +/-1°미만의 정밀도를 달성할 수 없고, 생산의 제약 및 큰 부피의 적용에서의 견고성과 양립할 수 없기 때문이다.
유럽공개특허 제1830155호는 모션 변환을 통하여 개략적인 다중-회전 위치를 제공하는 "보조 센서" 또는 "회전 센서"라고 불리게 되는 절대 센서와 함께 "주 자석"이라고 일컬어지는 다극 자석을 사용하여 수행되는 "주 센서"로 일컬어지는 입력축에 결합된 센서의 사용을 제시함으로써 이러한 정밀도 문제에 대한 답변을 제시한다. 전체는 정밀한 센서를 구성하도록 설정된다.
그럼에도, 본 출원에 설명하고 있는 바와 같이 상기 해결책은 과도한 공간의 필요성과 적용에 관련된 정밀도의 측면에서 모든 세부 사항을 만족하는 것이 불가능하다는 사실로부터 어려움을 겪는다. 또한, 두 개의 감자기성 센서들을 위한 AMR 타입의 2개의 자기저항 센서들의 사용만으로 오로지 설명되어 있어, 가능성들을 제한한다.
이 해결책은 사실 제시된 구조들을 나타내는 표들에 의해서 증명되기가 복잡하다. 이것은, 제시된 세 가지 경우들 중 두 가지에서 모션 변환과 보조 센서가 주 자석과 단절되기 때문에, 두 개의 별개의 인쇄 회로를 사용하게 되고, 그에 따라 추가적인 비용과 구조체의 크기가 커지게 된다. 따라서, 이 해결책에서 과도한 공간 필요성 때문에 다른 메카트로닉(mecatronic) 장치(모터, 센서, 등)들에 쉽게 통합될 수 없다. 세 번째 구조로 주 회전자에 직접적으로 기어 트레인의 기어들 중 하나를 결합하는 것을 제시하지만, 그러면 다시 보조 회전자의 축이 주 회전자의 축에 직교하기 때문에 축 방향 공간 요구 사항이 최적화되지 않는다.
더 나아가, 상기 발명은 특히 자기 저항 센서들의 사용을 설명한다. 이것은 "축 단부"라고 일컬어지는 자석 구조에는 잘 맞을지라도, 프로브가 자석 회전축에 위치하는 경우 보조 센서를 갖는 경우이기 때문에, 주 회전자에 통합되는 것과 같이 자석의 회전축의 외부에서 구조들을 사용하여, 후술하는 바와 같이, 상당한 공간적 제한들을 갖는 해결책을 구성하는 단점을 갖게 된다.
다극 자석에 의해 발생되는 법선 방향 성분, 접선 방향 성분 및 축 방향 성분들은 일반적으로 같은 크기가 아니며, 완전한 정현파적이 아닌 변화를 갖는다. 마그네틱 각도에서의 변화는 변위 함수와 같이 선형이 아니기 때문에, 결과는 각도 오차가 되고, 언급된 바와 같이 (AMR 타입의) 자기 저항 요소는 그 저항에서의 물리적 변화를 통하여 180°의 주기성을 갖고 평면에서 자기장의 회전에 직접적으로 비례하는 출력 신호를 발생시킨다.
이러한 신호에서 결함들은 몇 가지 원인을 갖는다: 센서의 민감도의 부족, 자화의 부족, 자석 표면에 대한 센서의 근접성에 의하여 야기되는 왜곡 및 링은 무한히 길지 않기 때문에 링이 갖는 매우 간단한 가장자리 효과 또는 상기 해결책의 경우에서와 같이 보조 자석의 근접성에 의해 야기되는 왜곡. 따라서, 이것은 유럽공개특허 제1830155호에 기재된 수단(알고리즘, 메모리, 등)들의 사용을 필요로 하고, 컴퓨터에 의해 이러한 오차를 바로잡거나 두 개의 성분들의 오프셋을 측정하고자 한다. 상기 수단은 처리 전자 제품에 할당되어야 하는 계산 용량을 필요로 하고, 이것은 문제가 된다. 따라서, 유럽공개특허 제1830155호에 기재된 바와 같이 상기 센서 구조는 가능한 선형이 되는 자기장의 각도에서 변화를 통하여 이러한 분산을 최소화하기 위한 목적으로 자기장의 유용한 두 가지 성분들에서 같은 크기의 바람직하게는 정현파적 변화일 수 있는 구조에 적합하다. 그러므로 일반적인 말로, 다극 자석의 표면에서 측정된 자속은, 표면으로부터 실질적으로 멀리 옮겨진 경우 또는 매우 많은 쌍의 극으로 구성되어 사용되는 경우를 제외하고, 사다리꼴 형상이 되는 경향을 갖는다는 것을 상기해야 한다.
따라서, 이로부터 나오는 상기 해결책의 일반적이지 않은 특성은 문제점을 제공한다. 예를 들어, 많은 쌍의 극을 갖거나 또는 이보다 작지만 큰 측정 간격으로 연결된 몇 개의 극 쌍을 갖는 구성이 오히려 추천되는데, 이것은 센서에 의해 읽혀진 자기 유도(induction)의 정현파적 특성을 선호하기 때문이다. 그러면 상기 구조에서의 주된 단점은 그러면 작은 신호 크기를 갖고, 따라서 외부 간섭에 대해 민감해지거나 높은 노이즈 레벨을 갖게 되는 것이다. 다른 구조들은 자기 평형(magnetic equilibrium)으로 향하는 경향이 있으며, 이것은 자기장의 각도에서 선형 변화를 주나, 모든 것은 단점을 갖는다. 따라서, 작은 직경을 갖는 것을 특징으로 하는 구조의 다극 회전자는 추적되어야만 하는 위치에 적용되는 축의 지름에 기계적으로 양립할 수 없는 결과를 초래한다. 또는 다시 그 지름에 비하여 매우 큰 링은 또한 센서의 이미 과도한 축 방향 공간 필요성을 부각시킬 것이다.
또한, 두 개의 센서들의 두 개의 프로브에 대하여 공동으로 인쇄 회로를 사용하고 싶다면, AMR 타입의 센서들의 사용은, 보조 센서에 의해 사용되기 때문에 주 자석에서 Bz 및 Bt로 표시되는 축 방향 및 접선 방향 마그네틱 성분들의 사용을 필요로 한다. 이것은 축 방향 성분을 발생시키기 위하여 자석의 중간-평면으로부터 센서의 오프셋을 포함한다. 주요 단점은 기계적 각도가 변화하는 동안 마그네틱 각도가 선형으로 변화하게 하는 축 방향 및 접선 방향 성분들의 평형으로 향하게 하기 위한 목적으로 이것을 주 센서의 프로브를 자석의 중간-평면으로부터 매우 정확한 간격으로 배치하는 것이 필요하다는 것이다. 상기 해결책에서 설명한 바와 같이 상기 링은 작은 축 방향 크기를 갖기 때문에 상기 평형은 안정적이지 않다. 따라서, 이러한 센서는 축 방향 및 방사 방향 공차 하에서 매우 견고하지 않고, 필수적으로 축 방향 성분에 관하여 자속의 누설을 사용하는 것에 기초하고 허용가능한 자속을 공급하기 위하여 일반적으로 고-에너지 자석의 자석 잔류자기를 필요로 하기 때문에 이러한 타입의 구조에 의해 사용된 자속은 약하다. 더 나아가, 상기 오프셋은 최종적으로 주 센서와 보조 자석이 가까워질 것을 요구하고, 이것은 주 센서 상에 보조 자석에 의해 야기되는 자기 간섭 때문에 센서 정밀도를 강조하게 된다. 자석의 다른 방향에서 오프셋을 형성하고 싶다면, 상기 해결책에 대한 공간 요구 사항이 보다 열악해 진다는 것이 예견될 수 있다.
자기적으로 보다 안정적인 구조를 형성하고자 한다는 가정하에서, 주 자석에 의해 형성된 법선 방향 및 접선 방향 성분들을 사용하는 것을 예측할 수 있다. 그 결과는 그러면 부피가 크고 비싼 센서 구조가 되고, 상기 해결책에서 언급한 것과 같이, 즉 두 개의 인쇄 회로를 사용하게 된다.
또한, 상기 해결책에서 요구된 바와 같이 회전 축이 회전하는 경우에, 주 센서에 많은 쌍의 극의 사용은 센서에 의해 나타난 전기적 주파수를 초래하고, 사용된 처리 회로의 대역폭의 한계 때문에 전자 부품에 의해 표시되는 위치와 실체 위치 사이에 명백한 슬립(slip) 또는 분해능의 손실이 야기될 수 있다는 것을 명심해야 한다. 게다가, 많은 수의 극들로 다중-회전 센서 타입에서 정확한 절대 위치를 얻는 데에 더 많은 어려움이 있을 것이다.
30-극 센서의 경우에, 유럽공개특허 제1830155호에서 언급하고 있듯이, 자석은 12°(360/30)의 각도 길이를 갖도록 얻어지고, 상기 각도 길이 상에서 상기 입력 센서에 의해 주어진 위치는 정확해질 것이다. 그러나 보조 센서는 +/- 1 회전 (+/-360°)에 대하여 위치를 제공해야만 하며, 이것은, +/-0.5%의 정밀도를 갖는 센서에 대하여, 입력 각 위치에서 +/-3.6°의 오차를 일으킨다. 이것은 이미 각 길이의 60%에 해당하는 오차를 제공한다. 보조 센서의 자기적 및 기계적 히스테리시스가 이 오차에 더해지는 경우에, 그러면 절대적 정보를 상실할 위험이 매우 커진다.
이제 +/-2.5 회전 센서 (+/-900°)를 제작하고자 한다면, +/-0.5%의 정밀도를 갖는 보조 센서에 대하여, 입력 각 위치에서 +/-9°의 오차가 발생된다. 그러면 보조 센서의 고유의 비-선형성 오차(또는 히스테리시스 현상)는 이미 18°가 되고, 따라서 상기 보조 센서는 더 이상 입력 센서가 위치하는 12° 극에서 구별할 수 없게 된다. 분명히, 유럽공개특허 제1830155호에 기재된 센서는 여전히 절대적이지만, 동시에 더 이상 정밀한 절대 위치 센서가 되지 못한다. 보조 센서에 절대 기능을 다시 부여하고 싶다면, +/-0.34% 미만의 정밀도를 갖게 해야 하고, 이것은 20 개의 극을 갖는 다극 링이 필요하다는 것을 의미하며, 이것은 상술한 이유로 주 센서의 정밀성에 대한 접근을 가능하게 하지 않는다. 이러한 +/-2.5 회전 센서 구조에서 유럽공개특허 제1830155호에서 언급하고 있는 센서는 제3 센서의 사용과 제2 센서와 제3 센서 사이에 형성되는 오프셋의 상대적인 측정을 제안하며, 이것은 이 해결책을 더욱 복잡하게 한다.
따라서, 상기 해결책의 주요 단점은 상술한 예에서 주 자석이 많은 쌍의 극을 가질 필요가 있기 때문에 보조 센서에 요구되는 큰 정밀도 또는 보조 센서의 정밀도에 대한 이러한 요구 사항을 줄이고자 한다면 적은 쌍의 극을 갖는 것에 있다. 그러나 이것은 이러한 타입의 자기 정밀 센서는 입력 센서의 다극 자석으로부터 오는 것들로 시작되는 두드러지는 외부 자기 영향을 받게 될 것이라는 것을 알 수 있다. 따라서, 차량의 이런 일반적인 환경에서 이러한 정밀도를 유지하는 것은 매우 어렵다. 따라서, 당업자는 두 번째 선택 사항에 다다르게 되나, 이것은 링의 지름이 줄어들거나 추적 에어 갭이 증가하지 않으면 정확한 주 센서의 일반적인 구조들에 접근할 수 없으므로, 이전 논점으로 돌아가게 한다.
마지막으로, 회전 센서로서(절대 위치를 제공하는 것으로서) AMR의 사용은 또한 180° 주기, 즉 2 극 자석이 사용된다면 0.5 회전의 주기를 갖는 절대 출력 신호를 갖는 것을 포함한다. 이것은 보다 큰 감속비를 포함하고, 상기 감속비는 보조 센서에 대해서 4인 것에 비교하여 +/- 2 회전 경로의 경우 8이 되어야 하고, 상기 보조 센서는 360°의 기계적 각도에 대하여 절대 위치를 제공할 것이다. 이러한 모션 컨버터의 공간 요구 사항은 따라서 보조 센서가 1회전에 대하여 작동되는 경우 보다 커질 것이다.
다중-회전 센서의 사용과 연결된 토크 센서에 관한 해결책이 또한 종래 기술에 알려져 있다.
국제공개특허 제WO2005/076860호는 두 가지 주된 단점을 갖는 다중-회전 절대 위치 및 토크 센서 구조체를 제시한다. 첫 번째로, 사실 하나가 다른 하나에 위에 배치되는 두 개의 별개의 센서들로 구성되기 때문에, 부피가 커지는 것이다. 두 번째로, 다중-회전 위치 센서의 절대 위치가 주 센서의 결함이 있는 경우에 입력축의 절대 위치를 유지할 수 없는 별개의 모션 컨버터를 통하여 얻어진다는 것이다.
국제공개특허 제WO2009/047401호에서, 다중-회전 위치의 별개의 측정 문제가 해결될지라도, 토크 센서 기능과 다중-회전 위치 센서가 쌓음으로써 얻어지기 때문에 두 개의 센서들에 연결은 큰 부피로 남게 되며, 주 센서는 한 번의 회전에 대한 절대적 타입이 되고, 또한 전체로 정밀도가 부족한 토크 센서를 구성하는 홀 센서들에 높은 자기 교란을 발생시키는 2극 자석으로 구성된다.
WO2009/047401 A EP1830155 A1 WO2005/076860 A WO2009/047401 A EP1989505 A WO2009/101270 A WO2010/046550 A EP1269133 A EP1774272 A
본 발명은 토크 센서에서 결합 능력을 고려하면서, 상기 입력 회전자가 연결되는 모션 컨버터의 감속비에 의존하고 상기 입력 회전자에 위치한 주 자석의 극 쌍의 수의 적용에 의존하는 포괄적이고 밀집된 정밀 다중-회전 위치 센서와 보조 센서의 전체적인 위치에 의해서 이러한 문제점들을 해결한다.
당업자는, 정밀도에 대한 모색을 추구하며, 종래 기술에 언급된 것을 감안하여, 주 회전자의 극의 수를 보다 증가시키고자 항상 노력할 것이다.
주 자석의 극 쌍의 수의 적용은 센서가 보조 센서에 요구되는 정밀도를 경감시키면서 그 정밀한 다중-회전 특성을 유지하게 한다. 먼저, 마그네틱 성분들 사이의 상대적인 게인 보정을 통합한 장(field) 방향을 감지하는 홀 효과 타입의 또는 강자성 유도기에 연결된 자기 저항 타입의 감자기성 프로브들의 주 센서에 사용은 센서에 추가적인 보정을 위한 전자 부품이 필요 없는 고유의 정밀도를 부여한다. 모든 이러한 요소들은 본 발명에 따르면 그러면 포괄적인 특성을 센서에 부여한다. 게다가, 모션 컨버터는 절대 보조 센서에 결합되고, 마지막 기계적 컨버터 감속 스테이지(stage)에 위치한다. 상기 두 개의 센서뿐만 아니라 모션 컨버터는 그러면 주 회전자의 부피에 통합되고, 관련된 적용들에서 추구되는 센서에 밀집성을 부여하게 된다.
본 발명에 따른 센서는 점화 장치(ignition)에 정밀한 절대 위치를 제공할 수 있게 되고, "진짜 시동"이라 일컬어지는 것이 된다.
또한, 본 발명은, 첫 번째로 주 자석으로부터 방출되는 자속의 짧은 루프 백(looping back) 때문에 전체 구조체에 대하여 낮은 자기 교란을 발생시키는 다극 타입의 주 자석을 사용하고 두 번째로 실질적으로 주 자석이 차지하는 공간 내에 모션 컨버터를 배치하기 때문에 보다 밀집된 두 개의 축의 상대적인 위치에 대한 센서의 기계적 통합을 제시함으로써 토크 센서들의 정밀도와 밀집성의 문제들을 조절하는 것을 제시한다. 결과적으로, 위치 센서의 주 자석은, 그 다극 특성을 통하여, 토크 센서 내에 동심으로 통합되며, 따라서 외부 공간에서 토크 센서의 수집부와의 상호 작용을 제한하고 내부 체적에서 고정자의 톱니와의 상호 작용을 제한한다. 주 자석이 갖는 다중-극 정현파 타입의 자기화는, 자석의 내부 지름 상에 자속의 부재하기 때문에, 바람직하게는 고정자 부에 그 내부 부피 안에 자석에 의해 야기되는 자기 간섭을 더욱 제한하거나 상쇄한다. 그럼에도, 주 자석에 대하여 어떤 종류의 자기화가 적용되든지, 토크 센서의 고정자 부 상의 주 자석의 상호 작용을 상쇄하기 위한 목적으로, 바람직하게는 주 자석과 강자성 전기자(armature)를 연결할 수 있다.
본 발명은 특히 회전하는 입력축의 절대 위치를 추적용 자기 장치에 관한 것으로서, 절대 위치 추적용 자기 장치는:
n은 1보다 크고, 360°의 n배의 경로로 작동하는 상기 입력축에 고정된 주 자석과 모션 컨버터의 구동 부재를 포함하는 주 회전자,
상기 입력축의 절대 위치의 측정을 유도하기 위한 목적으로, 360°의 마그네틱 각도에 대하여, 주 자석에 의하여 발생된 자기장의 방향에 비례한 신호를 전달하는 하나 이상의 제1 감자기성 프로브,
두 개의 자극을 갖고 상기 모션 컨버터를 통한 입력축의 회전 작동 하에서 대략 360°의 경로로 작동하는 보조 자석 및
360°의 자기 각도에 대하여, 상기 보조 자석에 의해 발생된 자기장의 방향에 비례하는 신호를 전달하고 그로부터 상기 보조 자석의 절대 위치의 측정을 유도하는 하나 이상의 제2 감자기성 프로브를 포함하고,
상기 제2 감자기성 프로브 및 상기 보조 자석은 백분율로 표현되는 엡실론 정밀도의 위치 센서를 구성하며,
상기 보조 자석은 실질적으로 주 회전자의 상부 평면과 하부 평면에 의해 정해진 높이 H 내에 위치하고, 상기 주 자석은 다극을 갖고, P가 1보다 큰 경우 P쌍의 극을 갖는 것을 특징으로 한다.
제안된 절대 위치 및 다중-회전 자기 추적 장치는 두 개의 자기 센서로 구성되며, 이들 중 하나는, 주 위치 센서라고 일컬어지며, 입력 회전자에 결합되고 다극 링의 극들 중 한 쌍에 해당하는 기계적 각도에 의한 입력 회전자의 한 번의 회전에 대응하는 자기 주기에 대한 정확한 위치를 제공하고, 다른 하나는, 보조 위치 센서로 일컬어지며, 본 발명의 상기 센서 상의 반드시 정확한 절대 위치를 제공하지 않으나, 보조 센서의 각도 α 및 (확실히 0보다 큰) 입력 센서의 각도 θ에서 n=θ/α이 되도록 주 센서와 보조 센서 사이에 삽입되는 모션 컨버터의 마지막 감속 스테이지에 연결된다.
따라서, 식 n=θ/α 에 의해 연결된 두 개의 각도 측정의 결합은 두 개의 센서에 의해 발생된 신호들을 통하여 위치를 정하는 오로지 가장 기본적인 전자 부품만을 필요로 하는 정밀한 절대 위치 멀티-회전 센서를 얻는 것을 가능하게 하지만, 교정 또는 알고리즘의 훈련 및 주 센서 또는 보조 센서들의 오차의 저장을 필요로 하지 않는다.
본 발명의 맥락에서 비-제한성은 다음의 모션 변환에 적용될 수 있다: 평행 기어 트레인 또는 기어 및 웜(worm)으로 알려진 것과 최종적으로 다극 휠 자기 커플링. 운동 변환은 이상적으로 주 자석을 포함하는 부분이 실질적으로 놓이는 공간의 일부에서 발생한다. 따라서, 제1 감속 스테이지는 자석에 인접하거나 더 나아가 축 방향 공간 필요성을 줄이기 위한 목적으로 자석에 동축으로 통합된다. 상기 감속 스테이지는 자석에 나란히 또는 자석 상에 몰드될 수 있다. 비-접촉 모션 컨버터에 있어서, 주 자석은 바람직하게는 컨버터의 제1 감속 스테이지를 구성할 수 있다.
위치 센서의 보조 자석은 바람직하게는 2극 방식으로 자화될 수 있다. 상기 보조 자석은 보조 센서의 축의 회전 각도의 0°에서 360°까지의 연속적인 절대 위치 정보를 전달할 수 있다. 상기 보조 센서의 유용한 경로는 이상적으로 입력 회전자의 360×n 회전 각에 사실상 대응하는 대략 360°가 될 것이며, "n"은 0보다 큰 비-정수일 수 있다. 어떤 것도 본 발명의 적용이 입력축과 출력축 사이의 큰 감속비의 결과로서 360° 미만의 각도 α가 되게 하는 것을 막을 수 없다. 보조 센서의 자석은 정반대로 원통형으로 자화되거나 원통의 두께를 따라서 두 개의 자화된 극을 따라서 또는 그 폭 또는 길이를 따라서 평행육면체로 자화될 수 있고, 자석의 회전 축 외부에 위치한 프로브에 연결된다. 반대방향으로 자화된 중공형 링은 또한 자석의 회전축 외부에 위치한 프로브와 연결되는 것이 예측할 수 있다. 상술한 구조들의 이러한 예들은 360°에 대한 절대 위치 센서의 자기 구조를 제한하는 것이 아니다. 정밀도 또는 밀집성에 대한 모색이 필요한 경우들에서, 차폐부가 보조 자석 부근에 통합될 수 있다.
위치 정보의 두 개의 항목의 논리적 조합은 기계적 축의 몇 번의 회전에 대한 정확한 절대 위치 정보를 그로부터 유도해 내는 것을 가능하게 한다.
입력 회전자에 결합된 주 자석의 목적은 주기 "T"의 정밀한 측정 각도를 제공하는 것이고, 상기 측정 각도의 정밀성은 적용함에 요구되는 정밀도에 대응한다. 따라서, 정밀 신호를 전달한다. 자석은 링 또는 디스크일 수 있다. 제1 변형예에 따르면, 그 자화는 링에 대하여 방사 방향으로 통과하거나 디스크에 대하여 축 방향으로 통과하는 다극 타입일 수 있다. 주 센서와 연결된 프로브는 자석의 중간-평면에 위치하거나, 링의 경우에 축 방향 오프셋을 갖고 위치하거나 또는 디스크의 경우에 평균 지름 상에 또는 방사 방향 오프셋을 갖고 위치한다. 우선적으로, 홀 센서의 경우에 접선 및 방사 방향 또는 접선 및 축 방향 성분들을 사용하거나 장 유도기에 연결된 자기 저항 프로브의 사용에 있어서 접선 방향, 방사 방향 및 축 방향 성분들 사이의 자기 각도를 직접적으로 사용할 수 있다.
상기 보조 자석에 연결된 프로브는 또한 홀 타입 추적에 대하여 3개의 마그네틱 성분들 중 두 개를 읽거나, 자기 저항소자가 사용된 경우에 3개의 성분들 중 2개의 성분에 의해 형성된 마그네틱 각도를 읽는다.
연결된 보조 자석 및 그에 연결된 프로브는 백분율로서 표현된 +/- 엡실론(ε) 정밀도의 각 위치 센서를 구성한다. 따라서, 보조 센서의 정밀도가 보조 센서 축의 360°의 회전에 대하여 +/-0.5%인 경우, 이것은 입력축의 회전 각도에 비교하여 각 오차가 360×n의 +/-0.5%이 된다. 대략 +/- 3 회전하는 센서의 예를 보면, 따라서 보조 센서는 +/-10.8°의 오차를 발생시킬 것으로 정의된다.
본 발명에 따르면, 360°의 마그네틱 각도를 추적하는 프로브에 연결된 주 다극 자석은 도(degree)로 표현된 최소 주기 T를 가져야 한다:
Figure pct00001
그리고 주 자석의 극 쌍의 수 P는 다음에 의해 한정되고 정의된다(E[x]는 x의 정수부에 의미함):
Figure pct00002
최소 수는 한 쌍의 극보다 확실히 많다.
6-회전 센서 및 360°의 마그네틱 각도에 대한 측정을 사용하는 +/-0.5%의 보조 센서의 정밀도에서, ε은 0.5와 같고, n은 6과 같고, 그리고 주 회전자는 16 쌍의 극을 포함하고, 즉, 32개에 근접한 마그네틱 극을 최대한으로 포함하게 된다.
유럽공개특허 제1830155호에서 제시한 바와 같이 추적 프로브가 AMR 타입인 경우, 마그네틱 추적 각도는 그러면 180°되고, 그러면 단일 극이 된다. 이 경우에, 주기 T의 최대 수는, 도(degree)로 표현되고, 다음과 같다.
Figure pct00003
그리고, 주 자석의 극 쌍의 최대 수는 다음과 같다.
Figure pct00004
4-회전 센서 및 180° 프로브에 대하여, 보조 센서가 +/-0.5%의 정밀도를 갖는 경우 주 회전자는 최대 12쌍의 극으로 구성된다. 6-회전 센서에 대하여, 본 발명의 주 자석은 최대 8쌍의 극을 갖고, 즉, 최대 16개에 가까운 마그네틱 극을 갖는다. 따라서, 본 발명의 제안에 따르면, AMR 타입의 추적을 사용하는 경우에도, 극 쌍의 수는 주 자석에서 작게 유지된다.
일부 경우에, 자기적 및 기계적 원인의 추적 장치의 히스테리시스의 크기는, 도(degree)로 표현되고, Hyst로 표기되며, 입력축과 비교하여, 예를 들면 모션 컨버터에 의해 발생될 수 있는 마찰 때문에 크게 될 수 있다. 따라서, 본 발명에 따르면, 360°의 마그네틱 각도의 감지 프로브에 연결된 주 다극 자석은 도(degree)로 표현된 다음과 같은 최소 주기 T를 갖게 된다.
Figure pct00005
그리고, 주 자석의 극 쌍의 최대수 P는 다음과 같다(E(x)는 x의 정수부를 의미함):
Figure pct00006
최소 값은 1 쌍의 극보다 확실히 많다.
일 실시예에 따르면, 주 자석은 구동 부재의 내부 부피에 내접한다.
일 실시예에 따르면, P 극들은 정현파적으로 자화된다.
다른 일 실시예에 따르면, P 극들은 방사상으로 자화된다.
또 다른 일 실시예에 따르면, P 극들은 점차적으로 빽빽하게 자화된다.
주 자석이, 방사상으로, 정현파적으로 또는 점차적으로 빽빽하게 자화되든지, 표면을 읽는 프로브에 마주하는 표면에 대응하는 그 표면에 강자성 전기자에 연결될 수 있다. 따라서, 가능한 경우, 추가적인 감자기성 장치와의 어떠한 상호작용으로부터 자기적으로 주 자석을 고립시킬 수 있다. 그러나, 정형파적 자기화의 특성상 자속을 자석의 외부(또는 내부) 주변부 집중시킬 수 있고, 바람직하게는 이러한 전기자를 사용하지 않을 수 있다.
정형파적 다극 자기화 또는 방사 방향 다극 자기화, 점차적으로 빽빽한 필드는, 종래의 방사 방향 타입의 다극 자기화와는 달리, 몇 쌍의 극과 에어 갭이 있든지, 자석의 표면에서 사실상 정형파적 자속을 가질 수 있다. 이행에 관한 모든 개시 및 이러한 자기화 모드의 사용은 유럽공개특허 제1989505호에서 발견된다. 점차적으로 빽빽한 자기화는 자기화 백터의 방향에 의해 특징져지며, 상기 자기화 벡터의 방향은 링에 대하여 방사 방향, 또는 디스크에 대한 축 방향이 되고, 링의 축을 쪽으로 또는 링의 외부를 쪽을 향하여, 그리고 디스크에 대하여 하부 표면으로부터 외부 표면 쪽으로 또는 외부 표면으로부터 하부 표면으로 향하는 교대하는 방향을 가질 수 있고, 극들의 극성에 따르면, 그 크기는 100%의 포화도에서 0%까지 사실상 선형적으로 바뀐다.
일 실시예에 따르면 자기 위치 추적 장치는 전자 부품들에 연결되고, 두 개의 감자기성 프로브들로부터의 신호를 사용하여, 입력축의 정확한 절대 위치를 논리적으로 유도할 수 있게 된다.
일 실시예에 따르면, 제2 프로브와 보조 자석은 보조 자석의 부근에 위치한 강자석 부품으로부터 차폐하는 것을 포함한다.
일 실시예에 따르면, 감자기성 프로브들은, 자석의 자화된 표면 부근에 위치하고, 홀 효과 타입이며(예를 들면 멜렉시스(MELEXIS)사의 MLX90333, MLX90316 또는 MLX91204 타입이거나, 마이크로나스(MICRONAS)사의 HAL3625 타입 등), 마이크로콘트롤러로서 사용될 수 있는 주 자석 및 보조 자석 중 어느 하나에 의해 발생된 세 개의 마그네틱 성분들 중 두 개를 나타내는 두 개의 구별되는 신호들 B1 및 B2를 각각 공급할 수 있거나, 읽혀진 두 개의 마그네틱 성분들 중 하나에 게인을 곱한 후 두 개의 마그네틱 성분의 비의 아크탄젠트 계산을 통합함에 의해 기계적 회전 각도를 나타내는 전기적 신호를 직접적으로 공급할 수 있다.
두 개의 자기장 성분(자석에 접선 방향 및 프로브의 방향에 따른 자석에 대한 법선 방향 또는 축 방향)으로부터 시작해서, 실제 자기 각도는 두 개의 고려된 성분들의 아크탄젠트에 의해 계산된다. 두 개의 성분의 크기가 같지 않은 경우, 상기 계산에 의해 측정된 자기장의 각도는 따라서 "전기적"이라고 일컬어지는 회전 각도와는 다르고, 자극 쌍의 수 P에 의해 나누어진 기계적 회전 각도와 같아진다.
일 실시예에 따르면, 상기 프로브는 게인 G에 두 개의 신호 B1 및 B2 중 하나를 곱한 후에 다음과 같은 전기적 각도 β를 계산할 수 있다.
Figure pct00007
일 실시예에 따르면, 감자기성 프로브들은 자기 저항 타입이다.
자기 저항 프로브들의 경우에, 바람직하게는 상기 자기 저항 프로브들은 강자성 유도기에 연결되며, 상기 자기 저항 프로브들의 기능은 프로브에 의해 나타나는 마그네틱 각도의 선형 변화를 만들어내는 것이다. 이러한 타입의 프로브와 유도기 조립체는 이미 출원인의 국제공개특허 제WO2010/046550호에 기재되어 있다. 이러한 강자성 부품들의 사용은 또한 사용된 두 개의 마그네틱 성분들의 크기들의 동등화의 같은 목적을 위한 홀 타입 프로브를 갖는 것을 예상할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 하나 이상의 감자기성 프로브들은 자속 유도기에 연결된다.
일 실시예에 따르면, 주 자석은 두 개 이상의 감자기성 프로브들에 연결된다.
사실 중복되는 센서를 생산하거나 또는 센서의 정밀도를 증가시키거나 외부 자기장에 대한 민감도를 낮추기 위한 목적으로 자석들 모두 또는 하나에 인접한 프로브들이 배가되게 하는 것을 예상할 수 있다. 정밀도의 증가 또는 간섭 장에 대한 더 나은 견고성은 사실 두 개의 프로브들이 바람직하게는 서로에 대하여 전기적으로 90°로 위치하는 경우에 각 센서에 연결된 두 개의 프로브들을 통하여 얻어질 수 있다. 두 개의 마그네틱 성분들 중 각각은 그러면 두 개의 프로브들 중 하나로부터 각각 발생된 두 개의 마그네틱 성분들의 대수적인 구성 요소들에 의하여 얻어질 수 있다. 구성요소의 일 예와 이러한 구조의 사용은 국제공개특허 제WO 2009/101270호에 개시된다.
일 실시예에 따르면, 자석에 인접한 프로브들이 배가되면, P는 극 쌍의 수이고, i는 0이 될 수 있는 자연수인 경우, 이러한 두 개의 감자기성 프로브들은 i.360/P+90/P 도(degree)와 같은 각도로 각지게 오프셋 된다.
또 다른 실시예에서, 본 발명에 따른 마그네틱 절대 위치 추적 장치는 차량을 조종을 전기적으로 보조하는 데에 일반적으로 사용되는 것과 같은 두 개의 소위 "토크 센서" 축 사이의 상대적인 회전을 추적하기 위한 장치를 포함한다. 상기 토크 센서는 따라서 본 출원인의 유럽공개특허 제1269133호 및 제1774272호에 주장하는 유형으로 구성될 수 있다. 토크 센서는 스티어링 칼럼의 두 개의 축 중 하나에 연결된 고정자 구조체로 구성된다. 자석은 다른 하나의 축에 결합된다. 두 개의 축들 사이의 상대적인 회전 각도는 일반적으로 +/- 0.5° 내지 +/-10°와 같다. 회전하는 다른 두 개의 독립체에 대하여 고정된 제3 마그네틱 부는 고정자 부로부터 방출되는 자속을 모으고 집중시키며, 하나 이상의 홀 효과 프로브를 사용하여 두 개의 축 사이의 상대적인 각도의 변화를 측정하는 역할을 하는다. 두 개의 축들은 자속 수집 및 집중화 구조체에 대하여 함께 각 운동을 할 수 있다. 두 개의 축의 회전은 몇 번의 회전에 걸쳐 발생할 수 있으나, 보다 일반적으로 대략 +/- 0.5회전에서부터 대략 +/- 4회전까지의 회전에 걸쳐 발생할 수 있다.
본 발명은 특히 스티어링 칼럼의 비틀림을 추적하기 위한 것을 목적으로 하는 특히 마그네틱 절대 위치 추적 장치에 관한 것으로, 상기 마그네틱 절대 위치 추적 장치는:
복수의 자석들을 포함하는 제1 자기 회전자 구조체를 포함하며, 토션 바에 작용하는 비틀림 토크를 그로부터 유도하기 위하여 상기 토션 바에 연결된 동축 상의 입력 및 출력 축들의 상대적인 각 위치를 추적하기 위한 하나 이상의 장치, 부근에 하나 이상의 감자기성 프로브가 배치되는 제2 고정자 구조체 및 상기 고정자 구조체와 실질적으로 동심인 주 자석을 포함하고, 상대적인 각 위치를 추적하기 위한 상기 장치의 상기 감자기성 프로브와 제1 및 제2 프로브들은 실질적으로 주 회전자의 상부 및 하부 평면에 의해 한정된 높이 내에 위치하는 것을 특징으로 한다.
일 실시예에 따르면, 상기 고정자 구조체는 하나 이상의 강자성 부와 플라스틱 지지체로 구성된다.
일 실시예에 따르면, 강자성 부, 위치 센서의 다극 주 자석 및 구동 부재의 모션 컨버터는 플라스틱 지지체에 통합된다.
일 실시예에 따르면, 강자성 링은 상기 다극 주 자석과 상기 토크 센서의 상기 고정자 구조체 사이에 삽입된다.
일 실시예에 따르면, 상기 모션 컨버터를 구동시키는 부재와 상기 플라스틱 지지체는 동일한 부품이다.
일 실시예에 따르면, 상기 플라스틱 지지체는 자극 주 자석에 몰드된다.
일 실시예에 따르면, 토크 센서의 복수의 자석의 자극 쌍의 수 P'는 주 자석의 자극 쌍의 수 P의 k배와 같고, k는 정수이다.
일 실시예에 따르면, 주 자석의 자극 쌍의 수 P는 복수의 자석의 자극 쌍의 수 P'의 k배와 같고, k는 0이 아닌 정수이다.
이것은, P 와 P'가 비례하는 상수로 연결되는 경우, 위치 센서 상의 토크 센서의 최소한의 영향을 보장하고, 반대의 경우도 마찬가지이기 때문에다.
센서의 가능한 기계적 구성은 관통 축 타입이되나, 축 단부 구조라고 불리는 원리의 적용을 제한하는 것은 아니다.
더 나아가, 여기서 모든 회전 센서로 이제부터 제시된 실시예들의 경우에도, 긴 경로(일반적으로 몇 십 밀리미터의 경로)를 갖는 선형 위치 센서들의 경우에 본 발명이 적용하는 것이 예상될 수 있다. 이 경우에, 선형 운동 축은 모션 컨버터를 통하여 본 발명에 따른 센서의 주 회전자에 맞물리며, 따라서 긴 선형 경로를 다중 회전 각 경로로 변형시킬 수 있다.
마찬가지로, 모션 컨버터의 감속비에 대응한 비로 감소된 크기의 경로로 절대 정보를 전달하는 자석 상에서 선형-회전 또는 선형-선형 타입의 모션 컨버터를 통하여 맞물리는 다극 자기화를 갖는 직사각형 또는 바 타입의 평판형 자석에 연결된 선형 운동에 축을 연결하는 것을 예상될 수 있다.
본 발명은 첨부된 도면들을 참조하여 더 잘 이해될 수 있다.
도 1은 종래 기술에 따른 감자기성 프로브의 위치의 비-적용 구조에 대한 기계적 각도에 따른 마그네틱 각도의 변화를 나타낸다.
도 2는 종래 기술에 따른 감자기성 프로브의 위치의 적용 구조에 대한 역학적 각도에 따른 마그네틱 각도의 변화를 나타낸다.
도 3은 정현파적 자화에 따른 주 자석의 바람직한 실시예를 나타낸다.
도 4a, 도 4b 및 도 4c는 기어 및 웜 컨버터를 결합한 가능한 변형예에 따른 본 발명에 따라서 관통 축을 갖는 비접촉 다중-회전 마그네틱 위치 센서의 분해도, 정면도 및 측면도이다.
도 5는 본 발명에 따른 관통 축을 갖는 비접촉 다중-회전 마그네틱 위치 센서, 연결된 측정 프로브, 모션 컨버터의 구동 부재 및 주 자석으로 구성된 조립체의 다양한 실시예들 중 하나의 등각 투영도이다.
도 6은 두 개의 프로브들 각각으로부터 나오는 두 개의 신호들을 갖는 제1 실시예에 따른 정밀 및 절대 센서의 개략 조작도이다.
도 7은 두 개의 프로브 각각으로부터 나오는 두 개의 신호를 갖는 제2 실시예에 따른 정밀 및 절대 센서의 개략 조작도이다.
도 8은 디스크 타입의 주 자석에 기초한 본 발명에 따른 센서 버전의 개략적인 도면이다.
도 9a, 도 9b, 도 9c 및 도 9d는 방사 방향 및 접선 방향 마그네틱 성분들과 전기적 각도의 변화와 본 발명에 따른 방사 방향 자기화 구조와 정현파적 자기화 구조에 대하여 기계적 각도에 따른 상기 전기적 각도의 변화의 비-선형성을 나타내는 도면이다.
도 10은 본 발명에 따른 하나의 가능한 구조에 따른 정밀 절대 다중-회전 마그네틱 위치 센서에 연결되어, 토크 센서로 일컬어지는, 2 개의 축 사이에 상대적인 회전을 위한 센서에 대한 기계적인 구성을 제안한 것이다.
도 11은 본 발명에 따른 하나의 가능한 구조에 따른 정밀 절대 다중-회전 마그네틱 위치 센서에 연결되어, 토크 센서로 일컬어지는, 2 개의 축 사이의 상대적인 회전을 위한 센서의 기계적인 구성을 제안한 것이다.
도 12는 정밀 절대 다중-회전 마그네틱 위치 센서에 연결되어, 토크 센서로 일컬어지는, 2개의 축 사이의 상대적인 회전을 위한 센서의 일 실시예의 부분도이다.
도 13은 일 측정에서, 히스테리시스의 개념을 나타내는 도면이다.
도 1은 종래 기술 유럽특허 제1830155호에 따른 센서로 얻어진 비-선형성 및 장(field) 회전 결과들을 나타내며, 30 개의 극, 5mm 높이를 갖고, 40mm의 외부 지름을 갖고, 36mm의 내부 지름(요크를 갖는) 링의 예에서 시작한 것이다. 이 예는 특히 종래 기술의 단점들을 보여준다. 1mm의 축 방향 오프셋에 대하여, 각 위치를 계산하기 위해 사용된 접선 방향 성분의 비는 2mm 측정 간격으로 Bt/Bz = 5가 된다. 점선 및 파선의 회색 곡선은 주 회전자와 연결된 감자기성 프로브에 의해 나타나는 마그네틱 각도에서의 변화를 보여주고, 검은 파단선에서는 자석의 중간 위에 위치한 중간 평면에 대하여 프로브의 최적의 축 방향 위치에 대한 선행하는 탐색이 없이 이러한 자석 구조의 사용의 결과 12°의 경로에 대해 대략 +/- 22%인, 즉 대략 +/- 2.6°의 큰 위치 오차를 보여준다.
도 2는 링의 축에 대하여 주 프로브가 4mm의 축 방향 오프셋을 갖는, 동일한 센서에서 얻어지는 결과를 나타낸다. 그러면 접선 방향 성분(Bt)과 축 방향 성분(Bz)의 비는 2mm의 측정 거리에서 Bt/Bz=1.09 가 되고, 이것은 12°경로에 대략 +/- 0.14%, 즉 +/- 0.017°의 더욱 허용할만한 위치 오차를 야기한다. 작업은 축 방향 성분에 대하여 누설 자속으로 이루어지기 때문에, 이러한 구체적인 축 방향 위치는 최적이지만 매우 강력한 것은 아니며, 프로브에 의해 나타나는 250G의 허용 가능한 작업 자속을 갖기 위해서는, 링에 대하여 1T의 자석 잔류자기를 포함하고, 따라서 이것에 제시하는 가격의 단점을 갖는 소결된 타입의 네오디윰(NdFeB) 자석 또는 사마륨(SmCo) 자석을 포함한다. 더 나아가, 센서의 밀집성(compactness)를 유지하고 싶은 경우에 보조 자석에 의해 야기되는 자기 교란(magnetic disturbances)에 대한 민감도 또는 공간 필요성의 이유로 필요한 축 방향 오프셋은 바로 문제가 될 수 있다.
도 3은 "정현파적"이라 불리는 실시예에 따른 주 자석(2)의 바람직한 실시예를 나타낸다. 이 경우에, 자기화 방향은 유럽특허 제1989505호에서 이미 설명한 바와 같이 자석 내부에서 회전한다.
도 4a, 도 4b 및 도 4c에서, 본 발명에 따른 센서의 기계적 구조의 일 예가 발견된다. 덮개(3)에 의해 닫힌 하우징(10) 내부에서, 구동 부재(1)로 구성된 모션 컨버터가 통합된 입력축에 결합된 주 회전자(5)가 있다. 다극 주 자석(2)은 웜(worm)에 연결된다. 제1 감자기성 프로브(6)는 입력축이 회전하는 경우 주 자석에 의해 발생된 마그네틱 성분들과 마그네틱 각도들의 변화를 읽고 해석한다. 피니언(pinion)/축(4)는 웜에 맞물리고, 그 단부에 보조 자석(9)을 포함하고, 상기 보조 자석의 마그네틱 각도 및 마그네틱 성분들은 상기 피니언/축이 회전하는 동안 바뀌고 제2 프로브(7)에 의하여 읽혀진다. 스페이서(8) 또는 다른 어떠한 동등한 장치들은 상기 장치들 내에서의 역할을 축소하기 위한 목적으로 모션 컨버터의 부품들을 선택적으로 조정할 수 있다. 상술하였듯이, 예를 들면 평행 축을 갖는 기어 트레인을 사용하여 제조된 모션 컨버터를 예상할 수 있기 때문에, 제시된 구조는 본 발명에 따라서 예견될 수 있는 기계적인 통합을 제한하는 것이 아니다. 더 나아가, 상기 프로브(6, 7)들을 지지하는 인쇄 회로(12)는 그 높이를 따라서 상기 인쇄 회로(12)를 두 개로 절단하는 자석(2)의 평면에 평행할 수 있다. 따라서, 주 회전자(5)의 상부 평면과 하부 평면에 의해 정해진 높이 내에 보조 자석의 위치로 인하여 제공되는 조립체는 축 방향으로 밀집된다.
도 4c는 특히 장치의 밀집성에 대한 접근을 가능하게 한다. 높이(H)는 주 자석(2)과 구동 부재(1)에 의해 형성된 주 회전자(5)의 상부 평면과 하부 평면에 의해 정해진다.
도 5는 본 발명의 다양한 실시예를 제시하고, 보다 구체적으로, 주 자석(2) 상에 몰드된 플라스틱 지지체(16)에 형성된, 모션 컨버터의 구동 부재(1)를 갖는 주 회전자(5)의 다양한 실시예를 제시한다. 도시되지는 않았으나, 다른 변형 예에서는 평행-축 기어 트레인 타입의 컨버터를 사용하여, 제1 스테이지가 기어 휠 상에 몰드될 수 있다. 청구항에서 청구하고 있듯이, 주 회전자(5)의 상부 평면과 하부 평면에 의해 정해진 높이 내에 보조 자석(9)의 위치를 제시함으로써 조립체가 더욱 더 밀집된 특성을 갖는 것을 강조하는 것이 중요하다.
도 6은 본 발명의 다중 회전 센서의 작동 원리를 나타낸다. 상기 주 자석(2)이 대략 +/- n회전에 걸쳐 회전하는 동안 상기 주 자석에 의해 발생되는 자기장을 추적하는 제1 프로브(6)에 의해 발생된 주기적인 신호는 일반적으로 톱니 모양의 프로파일을 갖는 "정밀 신호"로 불린다. 이 실시예에서, 90°의 주기성을 갖고, 즉, 일 예로 대략 +/- 3 회전하는 센서에 대하여 주 자석은 8개의 자극을 갖는다. "개략적인(rough) 신호" 곡선은 다중-회전 절대 센서의 보조 자석(9)에 의해 발생되고 형성된 제2 프로브(7)에 의해 발생된 대략 +/- 3회전에 대해 절대 신호를 제공한다. 2개의 신호들 각각은 0.5 V와 4.5 V 사이의 전기적 신호의 아날로그 변화를 통하여 여기서 제시된다. PWM 또는 SENT 타입의 변화들이 예상될 수 있으나, 다른 실시예들을 제한하는 것이 아니다. 마찬가지로 주 자석의 극 수 또는 회전 수는 이 실시예에 한정되지 않는다.
도 7은 또한 대략 +/- 3 회전하는 센서에 대하여 16개의 극으로 방사상으로 자화된 링 자석을 갖고 얻어진 결과를 나타낸다.
도 8은 주 자석(2)으로서 다극 디스크를 사용하여 구성된 본 발명의 변형 예를 나타낸다. 본 발명을 제한하는 것은 아니나, 기어 및 웜 타입의 컨버터를 사용한 경우와 평행 기어 트레인을 갖는 컨버터를 사용한 다른 경우에 기초한 2개의 구조들이 제시된 것이다. 보조 자석(9)는 주 회전자(5)의 상부 평면 및 하부 평면에 의해 정해진 높이 내에 위치한다. 따라서 이 실시예는 축 방향으로 밀집된 구성을 갖는다.
도 9a는 8개의 방사상으로 자화된 극들을 갖고, 5mm의 높이, 40mm의 외부 지름을 갖고, 36mm의 내부 지름을 갖는(케이스를 갖는) 링의 실시예로 얻어진 방사 방향 및 접선 방향 유도 성분들을 제시한다. 성분들의 비는 4mm의 측정 거리에서 Br/Bt=1.2가 된다. 비록 성분들은 비-정현파적 프로파일을 가질지라도, 0.42 게인(G)의 사용은 기계적 각 이동에 따른 전기적 각도에서의 변화를 선형화할 수 있다.
도 9b에서, 점선 및 파선의 회색 곡선은, 주 회전자(5)에 연결된 상기 감자기성 프로브(6)에 의해 나타난 마그네틱 각도의 변화를 나타내고, 검은 파단선은 이러한 자석 구조 사용의 결과 90°의 경로에 대하여 대략 +/- 0.42%의 위치 오차, 즉 대략 +/- 0.38°위치 오차를 나타낸다.
도 9c는 8개의 정현파적으로 자화된 극들을 갖는, 5mm 높이, 40mm의 외부 지름을 갖고, 36mm의 내부 지름을 갖는(케이스가 없는) 링의 실시예에서 얻어지는 방사 방향 성분 및 접선 방향 성분을 나타낸다. 2mm의 측정 거리에서 성분들의 비는 Br/Bt=1.7이다. 정현파적인 자화로 인하여, 성분들은 완전히 정현파적인 프로파일을 갖지만, 두 개의 마그네틱 성분들 사이의 크기의 차이는 0.53 게인(G)의 사용을 필요로 하고, 이것은 기계적 각 이동에 따른 전기적 각도에서의 변화를 선형화할 수 있다.
도 9d에서, 점선 및 파선의 회색 곡선은 주 회전자(5)에 연결된 감자기성 프로브(6)에 의해 나타나는 마그네틱 각도의 변화를 보여주고, 검은 파단선은 이러한 자석 및 자화 구조의 사용의 결과 90° 경로에 대한 대략 +/- 0.05%의 위치 오차, 즉 대략 +/- 0.05°의 위치 오차를 나타낸다. 따라서, 정현파적 자화의 사용의 정밀도의 측면에서의 장점이 설명된다. 그럼에도, 이 바람직한 자기화 모드는 기하학적 구조, 주 자석의 자극 쌍의 수 및 적용에 따라 부과된 정밀한 제한에 따라서 필요한 것이라는 것을 상기해야 한다.
도 10은 본 발명에 따라서 절대 다중-회전 마그네틱 위치 센서와 "토크 센서"로 일컬어지는 두 개의 축 사이의 상대적인 회전에 대한 센서의 가능한 제1 결합을 제시한다. 상기 토크 센서는 축 방향으로 개방된 치형부에 의해 연장된 두 개의 강성자 링(17)으로 형성된 고정자 부(15), 상기 고정자 부(15)에 대향하는 다극 자석(14), 상기 고정자 부(15)에서 회전하는 자속을 수집하는 수집부(11) 및 상기 수집부(11)에 의해서 수집되는 자기장의 강도를 추적하는 감자기성 프로브(13)로 형성된다. 고정자 부(15)의 외측으로, 동축 상으로 그리고 일체로 다중-회전 위치 센서가 설치되고, 그 전에 제1 감자기성 프로브(6)는 고정적으로 배치된다. 따라서, 상기 입력축에 고정된 고정자 조립체가 그 회전 축에 대하여 회전하는 경우, 상기 조립체는 주 자석(2)과 상기 주 자석(2)에 대하여 고정적으로 설치된 구동 부재(1)를 구동시킨다. 피이언/축(4)은 구동 부재(1)에 맞물리고 상기 제2 감자기성 프로브(6)의 앞에 배치된 보조 자석(9)을 회전시킨다. 따라서, 생산된 상기 조립체는 매우 밀집되고, 낮은 높이의 "토크 + 위치" 센서를 제공하며, 같은 (도 10에는 미도시 된) 인쇄 회로(12)에 3 개의 감자기성 프로브(6, 7, 13)들을 설치할 수 있게 한다.
도 11은 본 발명에 따라서 절대 다중-회전 마그네틱 위치 센서와 "토크 센서"로 알려진 두 개의 축 사이의 상대적인 회전에 대한 센서의 가능한 제2 결합을 제시한다. 이 구성에서, 주 자석(2)은, 도시되지 않았으나 도 5에 제시된 것과 같이, 구동 부재(1) 내부에 몰드된다. 상기 구동 부재(1)는 고정자 부(15) 주변에 설치된다. 주 자석(2)의 자기장을 측정하는 제1 프로브(6), 보조 자석(9)의 자기장을 측정하는 제2 프로브(7) 및 토크 센서의 제3 프로브(13)는 동일한 인쇄 회로(12)에 설치된다. 이 실시예는 도 10에 도시된 것보다 보다 더 밀집된 구성을 제공한다.
도 12는 토크 센서의 고정자 부(15)의 강자성 부(17)를 제시한다. 강자성 링(18)은 주 자석(2)과 고정자 부(15) 사이에 삽입되며 주 자석(2)에 의해 생산된 자기장이 토크 센서를 방해하는 것을 방지하도록 자기 차폐를 가능하게 한다.
도 13은 측정 곡선 및 일반적인 원리에서, 측정된 축의 위치에 따라서 도(degree)로 표현되는, 가우스로 재해석된, 센서 신호의 변화를 나타낸다. 히스테리시스는 Hyst로 표기되며, 한 회전 방향에서 얻어지는 신호들과 다른 방향에서 얻어지는 신호 사이의, 도(degree)로 표현된, 차이이다. 다중-회전 위치 센서의 최소 주기는 히스테리시스가 존재하는 경우 이를 고려해야만 한다.

Claims (20)

  1. 회전 입력축의 절대 위치 추적용 자기 장치로서, 상기 자기 장치는,
    360°의 n 배의 경로로 작동하고, n 은 1보다 크며, 상기 입력축에 고정된 주 자석(2)과 모션 컨버터의 구동 부재(1)를 포함하는 주 회전자(5),
    상기 입력축의 절대 위치를 측정을 유도하기 위한 목적으로 상기 주 자석(2)에 의해 발생된 자기장의 방향에 비례하는, 360°의 마그네틱 각도에 대한, 신호를 전달하는 하나 이상의 제1 감자기성 프로브(6),
    두 개의 자극을 구비하고, 상기 모션 컨버터를 통한 상기 입력축의 회전 작동하에서 대략 360°의 경로로 작동하는 보조 자석(9), 및
    상기 보조 자석(9)에 의해 발생된 자기장의 방향에 비례하고 그로부터 상기 보조 자석의 절대 위치의 측정을 유도할 수 있는, 대략 360°의 마그네틱 각도에 대한, 신호를 전달하는 하나 이상의 제2 감자기성 프로브(7)로 구성되고,
    상기 제2 감자기성 프로브(7)와 상기 보조 자석(9)은 백분율로 표현된 엡실론 정밀도의 위치 센서를 구성하고,
    상기 보조 자석(9)은 사실상 상기 주 회전자(5)의 상부 평면 및 하부 평면에 의해 정해진 높이 H 내에 위치하며,
    상기 주 자석(2)은 다극이고, P 쌍의 극을 포함하며, 여기서 P 는 1 보다 큰 것을 특징으로 하는 절대 위치 추적용 자기 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    P 는
    Figure pct00008
    의 정수부보다 작고,
    Figure pct00009
    이며, 여기서 Hyst는 추적 장치의 히스테리시스의 크기이고, 상기 입력축에 관하여 도(degree)로 표현되는 것을 특징으로 하는 절대 위치 추적용 위한 자기 장치.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 주 자석(2)은 상기 구동 부재(1)의 내부 부피에 내접할 수 있는 것을 특징으로 하는 절대 위치 추적용 자기 장치.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 P 극들은 정현파적으로 자화되는 것을 특징으로 하는 절대 위치 추적용 자기 장치.
  5. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 P 극들은 방사상으로 자화되는 것을 특징으로 하는 절대 위치 추적용 자기 장치.
  6. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 P 극들은 점차적으로 빽빽하게 자화되는 것을 특징으로 하는 절대 위치 추적용 자기 장치.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    두 개의 상기 감자기성 프로브(6, 7)들로부터의 신호들을 사용하여, 상기 입력축의 절대 위치를 논리적으로 유도할 수 있는 전자 부품에 연결된 것을 특징으로 하는 절대 위치 추적용 자기 장치.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 주 자석(2)은 두 개 이상의 감자기성 프로브들에 연결되는 것을 특징으로 하는 절대 위치 추적용 자기 장치.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 두 개의 감자기성 프로브들은 360.i/P＋90/P 도(degree)의 각도까지 각이 지도록 오프셋되고, 여기서 i는 0 이 될 수 있는 자연수인 것을 특징으로 절대 위치 추적용 자기 장치.
  10. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 감자기성 프로브(6, 7)들은 상기 주 자석(2) 및 상기 보조 자석(9) 중 하나에 의해 발생된 3 개의 마그네틱 성분들 중 2 개를 나타내는 두 개의 구별되는 신호 B1 및 B2를 각각 읽을 수 있는 홀 효과 타입인 것을 특징으로 하는 절대 위치 추적용 자기 장치.
  11. 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서
    상기 프로브(6, 7)들은, 상기 두 개의 신호 B1 및 B2 중 하나에 게인 G를 곱한 후에 다음 식과 같이, 전기적 각도 β를 계산할 수 있는 것을 특징으로 하는 절대 위치 추적용 자기 장치.
    Figure pct00010
  12. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 감자기성 프로브(6, 7)들 중 하나 이상은 자기 저항 타입인 것을 특징으로 하는 절대 위치 추적용 자기 장치.
  13. 제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 감자기성 프로브들 중 하나 이상은 자속 유도기에 연결되는 것을 특징으로 하는 절대 위치 추적용 자기 장치.
  14. 제 1 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서,
    특히, 스티어링 칼럼의 비틀림을 추적하기 위한 자기 장치에 있어서,
    토션 바에 작용하는 비틀림 토크를 유도하기 위하여 상기 토션 바에 의해 결합된 동축의 입력축 및 출력축의 상대적인 각 위치를 추적하기 위한 하나 이상의 장치를 포함하고,
    상기 장치는 복수의 자석(14)들을 포함하는 제1 회전자 자기 구조체 및 그 부근에 하나 이상의 감자기성 프로브(13)가 배치되는 제2 고정자 구조체(15)로 구성되고,
    상기 주 자석(2)은 사실상 상기 고정자 구조체(15)와 동심으로 배치되고,
    상대적인 각 위치 추적 장치의 상기 감자기성 프로브(13)와 제1 및 제2 프로브(6, 7)들은 사실상 상기 주 회전자(5)의 상부 평면 및 하부 평면에 의해 정해진 높이 내에 위치하는 것을 특징으로 하는 절대 위치 추적용 자기 장치.
  15. 제 14 항에 있어서,
    강자성 링(18)은 상기 위치 센서의 상기 다극 주 자석(2)과 상대적인 각 위치 추적용 장치의 제2 고정자 구조체(15) 사이에 삽입되는 것을 특징으로 하는 절대 위치 추적용 자기 장치.
  16. 제 14 항 또는 제 15 항에 있어서,
    상대적인 각 위치 추적용 장치의 상기 제2 고정자 구조체(15)는 플라스틱 지지체(16) 및 강자성 부(17)로 구성되고, 상기 다극 주 자석(2)과 모션 컨버터의 구동 부재(1)는 상기 플라스틱 지지체(16)에 통합되는 것을 특징으로 하는 절대 위치 추적용 자기 장치.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 모션 컨버터의 구동 부재(1)와 상기 플라스틱 지지체(16)는 같은 부품인 것을 특징으로 하는 절대 위치 추적용 자기 장치.
  18. 제 16 항 또는 제 17 항에 있어서,
    상기 플라스틱 지지체(16)는 상기 다극 주 자석(2)에 몰드되는 것을 특징으로 하는 절대 위치 추적용 자기 장치.
  19. 제 14 항 내지 제 18 항 중 어느 한 항에 있어서,
    복수의 자석(14)에서 자극의 쌍의 수 P'는 상기 주 자석(2)의 자극의 쌍의 수 P의 k배와 같고, k는 정수인 것을 특징으로 하는 절대 위치 추적용 자기 장치.
  20. 제 14 항 내지 제 18 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 주 자석(2)의 자극들의 쌍의 수 P는 복수의 자석(14)에서 자극의 쌍의 수 P'에 k배 한 것과 같고, k는 정수인 것을 특징으로 하는 절대 위치 추적용 자기 장치.
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