KR20180113518A - 회전각 센서 - Google Patents

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KR20180113518A
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coil
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receiving
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KR1020187022421A
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파비안 우터뫼렌
안드레아스 메르츠
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로베르트 보쉬 게엠베하
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Abstract

본 발명은 송신 코일(20), 및 상기 송신 코일(20) 내에 그리고 회로 기판(18) 상에 배치된 적어도 2개의 수신 코일(22)을 구비한 고정자 요소(12); 및 회전축(A)을 중심으로 상기 고정자 요소(12)에 대해 회전하도록 장착된 회전자 요소(14)를 포함하는 회전각 센서(10)로서, 상기 회전자 요소(14)에 의해 송신 코일(20)이 적어도 2개의 수신 코일(22)에 유도 결합되므로, 상기 유도 결합은 상기 고정자 요소(12)와 상기 회전자 요소(14) 사이의 회전각에 의존하고, 상기 송신 코일(20)은 상기 적어도 2개의 수신 코일(22)에서 적어도 2개의 각 의존 교류 전압을 유도하는, 상기 회전각 센서에 관한 것이다. 본 발명에 따라, 상기 회전자 요소(14)와 상기 적어도 2개의 수신 코일(22)은 상기 수신 코일(22)에서 상기 회전각에 사인파 의존적인 진폭을 갖는 교류 전압이 유도되도록 설계된다.

Description

회전각 센서
본 발명은 예를 들면 샤프트와 다른 부품 사이의 회전각을 결정할 수 있는 회전각 센서에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 이러한 회전각 센서용 고정자 요소에 관한 것이다.
회전각을 측정하기 위해, 예를 들면 자석이 상응하는 자계 센서를 통해 회전되는 회전각 센서가 알려져 있다. 자기장 벡터의 측정은 회전각에 대한 추론을 허용한다. 이러한 센서들은 또한 예를 들어 인접하여 배치된 전원 케이블의 전류 흐름에 의해 야기되는 외부 자기장에 응답하여 간섭의 영향을 받기 매우 쉽다.
다른 유형의 회전각 센서는 와전류 효과를 이용한다. 이 경우, 예를 들어 금속 타깃은 교류 전압이 공급되어 타깃에서 와전류를 유도하는 센서 코일을 통해 이동된다. 이는 센서 코일의 인덕턴스를 감소시키고, 주파수 변화를 통해 회전각을 추론하는 것을 허용한다. 예를 들어, 코일들은 공진 주파수가 인덕턴스의 변화 시에 변화되는 공진 회로의 구성 부분이다. 그러나 이러한 유형의 회전각 센서는 설치 공차(특히 타깃의 기울기)에 대해 높은 교차 감도를 가질 수 있다. 또한, 외부 전자기장에 의해 생성된 주파수는 일반적으로 수십 MHz 범위의 주파수로 작동하기 때문에 간섭(Injection Locking)받을 수 있다.
EP 0 909 955 B1은 여자 코일의 전자기 교번 자장과 상호 작용하는, 타깃 상에서 단락된 평면 도체 루프를 구비한 회전각 센서를 개시한다.
이 경우, 회전각에 따라 예를 들어 구형파 신호와 유사하며 평가 유닛에 의해 복잡하게 회전각으로 환산되어야 하는 신호가 생성된다. 이러한 신호의 가파른 에지에 의해, 각도 분해능이 제한될 수 있다.
본 발명의 과제는 생성된 센서 신호를 쉽게 평가할 수 있는, 강하고 저렴하며 작은 설치 공간을 필요로 하는 회전각 센서를 제공하는 것이다.
본 발명의 실시예들은 바람직하게는, 생성된 센서 신호를 쉽게 평가할 수 있는, 강하고 저렴하며 작은 설치 공간을 필요로 하는 회전각 센서를 제공할 수 있다.
본 발명의 실시예의 사상은 특히 다음에 설명되는 사상과 인식에 근거하고 있다고 볼 수 있다.
본 발명은 특히 높은 전자기 간섭 장을 가진 환경에서 사용될 수 있는 회전각 센서에 관한 것이다. 예를 들어, 회전각 센서는 차량의 엔진실 내에 또는 엔진실의 근방에서, 예를 들어 스로틀 밸브의 위치, BLDC 모터의 회전자 위치, 가속 페달의 위치 또는 캠 샤프트의 위치를 결정하기 위해 사용될 수 있다. 다음에 설명되는 회전각 센서는 저렴하고 작은 설치 공간을 필요로 하며 간단한 측정 원리를 기반으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 회전각 센서는 송신 코일, 및 상기 송신 코일 내에 그리고 회로 기판상에 배치된 적어도 2개의 수신 코일을 구비한 고정자 요소; 및 회전축을 중심으로 상기 고정자 요소에 대해 회전하도록 장착된 회전자 요소를 포함하고, 상기 회전자 요소에 의해 송신 코일이 적어도 2개의 수신 코일에 유도 결합되므로, 상기 유도 결합은 상기 고정자 요소와 상기 회전자 요소 사이의 회전각에 의존하고, 상기 송신 코일은 상기 적어도 2개의 수신 코일에서 적어도 2개의 각 의존 교류 전압을 유도한다.
"송신 코일 내부"라는 표현은 송신 코일이 배치된 평면에서, 수신 코일이 상기 평면 내에 또는 상기 평면에 투사할 때 상기 송신 코일의 (외부) 윤곽 내에 배치되는 것을 의미한다.
평가 유닛을 지지할 수 있는 고정자 요소는 예를 들어 회전자 요소가 고정된 샤프트의 단부에 대향하여 배치될 수 있다. 회전자 요소는 샤프트와 함께 이동하는 하나 이상의 유도 세그먼트들을 지지할 수 있고, 상기 샤프트는 수신 코일을 덮기 때문에, 수신 코일의 인덕턴스 또는 송신 코일과 수신 코일 사이의 각각의 유도 결합이 변화된다. 송신 코일이 교류 전압을 공급받으면, 수신 코일에 교류 전압이 유도되고, 상기 교류 전압의 진폭은 각각의 유도 결합에 의존한다. 센서가 측정 신호로서 송출하는 이러한 교류 전압들 및 그 진폭들로부터, 예를 들어 평가 유닛이 회전각 신호를 계산할 수 있다. 이러한 방식으로, 회전각 센서가 저렴하게 구현될 수 있는데, 그 이유는 비싼 자석이 필요 없기 때문이다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 회전자 요소 및 적어도 2개의 수신 코일은 회전각에 사인파 의존하는 진폭을 가진 교류 전압이 수신 코일에서 유도되도록 설계된다. 달리 표현하면, 수신 코일에 의해 제공되는 측정 신호, 즉 수신 코일에서 유도되는 교류 전압의 진폭이 수신 코일 및 회전자 요소의 기하학적 구조로 인해, 회전각에 의존하는 사인 함수이거나 또는 사인파형이다.
사인파형 측정 신호는 순수한 사인 함수와 5% 미만 또는 1% 미만의 편차를 갖는 신호를 의미할 수 있다.
예를 들어, 2개 또는 3개의, 예를 들어 원주 방향으로 특정 각도만큼 서로 오프셋된 수신 코일들이 고정자 요소 상에 배치될 수 있고, 상기 수신 코일은 각도 오프셋된 측정 신호를 제공한다. 2개 또는 3개의 수신 코일의 경우, 측정 신호로서 사인파 신호가 특히 간단히 평가될 수 있는데, 그 이유는 역변환이 가능하기 때문이다. 이는 2개의 수신 코일(즉, 2상 시스템)의 경우 아크 탄젠트 변환 또는 3개의 수신 코일(즉, 3상 시스템)의 경우 Clarke 변환일 수 있다. 이러한 역변환에 의해 간단한 방식으로 측정 신호로부터 예컨대 기계적 공차에 의해 생기는 오프셋이 계산될 수 있다.
2개의 리던던트 수신 코일 시스템(예를 들어, 각각 2개 또는 3개의 수신 코일)이 고정자 요소 상에 배치되는 것도 가능하다. 이 경우 각각의 수신 코일 시스템의 측정 신호들이 전술한 방식으로 평가될 수 있다. 그 결과, 시스템 고장의 경우, 회전각의 결정이 여전히 가능하며, 이는 중요한 시스템에서 안전성을 높일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 적어도 2개의 수신 코일이 서로 전기 접속된 원호 형상 도체 트랙들로 구성되므로, 적어도 2개의 수신 코일의 각각은 전류 흐름과 관련해서 반대로 향한 부분 와인딩들로 구성되고, 상기 부분 와인딩들의 각각은 반경 방향으로 적어도 하나의 왼쪽으로 굽은, 예컨대 원호 형상의 도체 트랙 및 적어도 하나의 마주 놓여 오른쪽으로 굽은, 예컨대 원호 형상의 도체 트랙에 의해 한정된다.
달리 표현하면, 수신 코일들의 각각은 회전축으로부터 시작하여 반경 방향으로 연장하는 가상 직선이 수신 코일의 내부를 통해 연장하면, 상기 가상 직선이 수신 코일의 왼쪽 및 오른쪽으로 굽은 원호 형상의 도체 트랙과 교차하도록 구성된다. 이러한 방식으로, 수신 코일에서 유도된 교류 전압의 진폭 또는 측정 신호는 실질적으로 사인 함수로서 회전각에 의존한다.
수신 코일의 부분 와인딩은 서로 교차하지 않는 수신 코일의 도체 트랙들에 의해 둘러싸인 수신 코일의 일부로서 규정될 수 있다. 부분 와인딩의 배향은 수신 코일을 통해 흐르는 전류 흐름에 의해 결정된다. 반대로 향한 부분 와인딩들은 수신 코일을 통해 전류가 흐를 때 각각 반대의 전류 흐름을 갖는다. 즉, 제 1 방향을 갖는 부분 와인딩의 경우, 전류는 시계 방향 또는 오른쪽으로 부분 와인딩을 통해 흐르고, 제 2, 반대 방향을 갖는 부분 와인딩의 경우, 전류는 반시계 방향 또는 왼쪽으로 부분 와인딩을 통해 흐른다.
송신 코일 및 수신 코일은 회전축을 완전히 둘러쌀 필요는 없지만, 회전축 둘레의 원과 관련해서 단 하나의 부채꼴 내에 배치될 수 있다. 이 경우, 수신 코일의 개방 각도는 측정 범위를 결정한다. 이러한 방식으로, 고정자 요소는 총 360°를 검출하는 회전각 센서에서보다 작게 구성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 적어도 2개의 수신 코일은 송신 코일 내부의 링 섹터 영역 내에 배치되고, 상기 링 섹터 영역은 회전축을 중심으로 하는 내부 원, 회전축을 중심으로 하는 외부 원, 및 상기 내부 원을 상기 외부 원에 연결하는 2개의 반경 방향 라인에 의해 한정되고, 상기 반경 방향 라인들은 상기 회전각 센서의 측정 범위에 걸쳐 서로 이격되어 있다. 송신 코일은 링 섹터 영역을 둘러싸고, (약간 더 큰) 링 섹터의 원주와 실질적으로 동일하게 형성될 수 있다. 원호 형상 도체 트랙들의 단부들은 링 섹터 영역 상에 놓일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 원호 형상 도체 트랙은 모두 동일한 곡률 반경을 갖는다. 곡률 반경은 원호 형상 도체 트랙을 한정하는 원의 반경일 수 있다. 상기 원의 중심은 수신 코일이 배치되는 링 섹터 영역의 외부에 있을 수 있다. 그 결과, 회전각 센서는 특히 간단하고 저렴하게 제조될 수 있다. 또한, 이로 인해 바람직하게는 측정 신호와 이상적인 사인파 신호와의 편차가 바람직하게 줄어들 수 있고, 각도 결정의 정확성이 바람직하게 향상될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상이한 수신 코일들의 부분 와인딩들은 측정 범위의 절반을 수신 코일의 수로 나누어 결정되는 각도만큼 서로 오프셋된다. 이러한 방식으로, 수신 코일마다 최대로 상이한 측정 신호가 주어진다. 이로 인해, 바람직하게는 각도 결정의 정확성이 향상된다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 수신 코일은 상이한 면적을 갖는 부분 와인딩들을 포함한다. 수신 코일의 경우, 제 1 방향으로 향하는 모든 부분 와인딩들의 면적들은 제 2 방향으로 향하는 모든 부분 와인딩의 면적과 동일할 수 있다. 예를 들면, 제 1 수신 코일은 동일한 크기의 부분 와인딩들을 포함할 수 있는 한편, 제 2 수신 코일은 제 1 수신 코일의 부분 와인딩들과 똑같은 크기이지만 상기 부분 와인딩들에 대해 각도 오프셋된, 제 1, 중간 부분 와인딩을 포함한다. 또한, 제 2 수신 코일은 원주 방향으로 제 1, 예를 들면 중간 부분 와인딩 옆에 2개의 더 작은, 예를 들면 측방 와인딩들(제 2 부분 와인딩 및 제 3 부분 와인딩)을 포함하고, 상기 측방 와인딩들은 제 1, 예를 들면 중간 부분 와인딩에 대해 반대로 향하지만 함께 제 1, 예를 들어 중간 부분 와인딩과 동일한 면적을 커버한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 적어도 하나의 수신 코일은 링 섹터 영역의 반경 방향 라인을 따라 연장하는 직선의 도체 트랙들을 포함한다. 이러한 방식으로, 측방 부분 와인딩들을 형성하기 위해, 측방 부분 와인딩들의 원호 형상 도체 트랙들이 서로 전기 접속될 수 있다. 이는 예를 들어, 측방으로, 즉 원주 방향으로 링 섹터 영역을 지나 연장하는 도체 트랙들의 경우일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 적어도 2개의 수신 코일은 회로 기판의 (단) 2개의 평면에, 즉 특히 외부면 상에 형성된다. 이로 인해, 회로 기판이 저렴하게 제조될 수 있다. 다층의 회로 기판, 특히 2층보다 많은 층을 가진 회로 기판이 필요 없다. 그 결과, 제조가 훨씬 간단하고 저렴하게 실시될 수 있다.
이는 원호 형상 도체 트랙들의 단부에 비아가 제공되고, 상기 비아에서 상이한 평면들의 원호 형상 도체 트랙이 접속됨으로써 달성될 수 있다. 특히, 수신 코일의 원호 형상 도체 트랙들이 회로 기판의 대향하는 평면들에 교대로 배치될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 회전자 요소는 회전축을 중심으로 원주 방향으로 옆에 놓인 회전자 요소의 영역과는 다른 전도도를 가진 적어도 하나의 유도 세그먼트를 포함한다. 유도 세그먼트는 예를 들어 회전자 요소의 비금속 부분에 고정된 (높은 전도도를 가진) 금속 세그먼트일 수 있고, 회전자 요소 상의 금속 돌출부일 수 있고, 금속 회전자 요소 내의 (낮은 전도도를 가진) 리세스일 수도 있다.
예를 들어, 적어도 하나의 유도 세그먼트는 링 섹터 형상일 수 있다. 회전자 요소가 여러 유사한 형상의 유도 세그먼트들을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 적어도 하나의 유도 세그먼트는 원주 방향으로 회전각 센서의 측정 범위의 절반인 개방 각도(즉, 유도 세그먼트에 의해 정해지는 최대 각도)를 갖는다. 수신 코일의 부분 와인딩들도 이러한 개방 각도를 가질 수 있다. 이러한 방식으로, 측정 범위에 걸쳐 측정 신호의 최대 변화가 달성될 수 있다. 이로 인해, 바람직하게는 향상된 정확성이 달성될 수 있고, 안정적인 신호가 제공될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 적어도 하나의 유도 세그먼트는 유도 세그먼트와는 다른 전도도를 가진 다수의 반경 방향 리세스들을 포함한다. 리세스들은 유도 세그먼트의 원주 방향의 가장자리에 배치될 수 있고, 유도 세그먼트는 측정 범위의 절반보다 큰 개방 각도를 가질 수 있다. 리세스들은 원주 방향으로, 회전각 센서의 측정 범위의 절반인 각도로 이격될 수 있다. 유도 세그먼트는 큰 부분 세그먼트와 원주 방향으로 이것과 간격을 두고 배치된 더 작은 부분 세그먼트로 분할될 수 있다.
상기 리세스들에 의해 측정 신호가 형성될 수 있는데, 그 이유는 작은 부분 세그먼트들이 큰 부분 세그먼트에 의해 덮인 부분 와인딩에 인접하여 배치된 부분 와인딩들의 유도 결합에 영향을 미칠 수 있기 때문이다. 특히, 수신 코일들로 인해 사인 함수의 더 작은 편차를 갖는 측정 신호는 편차가 더 작아지도록 유도 세그먼트에 의해 영향을 받을 수 있다.
본 발명의 다른 양상은 상기에 그리고 하기에 설명되는 바와 같이, 회전각 센서용 고정자 요소에 관한 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 고정자 요소는 하나의 송신 코일, 및 상기 송신 코일 내에 그리고 회로 기판상에 배치된 적어도 2개의 수신 코일을 포함한다. 상기 적어도 2개의 수신 코일은 서로 전기 접속된 원호 형상 도체 트랙들로 구성되므로, 상기 적어도 2개의 수신 코일의 각각은 전류 흐름과 관련해서 반대로 향한 부분 와인딩들로 구성되고, 상기 부분 와인딩들의 각각은 반경 방향으로 적어도 하나의 왼쪽으로 굽은, 예컨대 원호 형상의 도체 트랙 및 적어도 하나의 마주 놓여 오른쪽으로 굽은, 예컨대 원호 형상의 도체 트랙에 의해 한정된다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예가 설명되지만, 도면 및 설명이 본 발명을 제한하는 것으로 해석되어서는 안 된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 회전각 센서의 개략적인 종단면도.
도 2는 도 1의 회전각 센서용 고정자 요소의 개략적인 평면도.
도 3은 단 하나의 제 1 수신 코일이 도시된, 도 2의 고정자 요소의 개략적인 평면도.
도 4는 단 하나의 제 2 수신 코일이 도시된, 도 2의 고정자 요소의 개략적인 평면도.
도 5는 단 하나의 제 3 수신 코일이 도시된, 도 2의 고정자 요소의 개략적인 평면도.
도 6은 도 1의 회전각 센서용 회전자 요소의 개략적인 평면도.
도 7은 도 6의 회전자 요소용 대안적 유도 세그먼트의 개략적인 평면도.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 회전각 센서에 의해 생성되는 측정 신호를 나타낸 다이어그램.
도면들은 단지 개략적이며, 축척에 맞지 않는다. 도면들에서, 동일한 도면 부호는 동일한 또는 동일한 작용을 하는 특징을 나타낸다.
도 1은 고정자 요소(12) 및 회전자 요소(14)로 이루어진 회전각 센서(10)를 도시한다. 회전자 요소(14)는 부품, 예컨대 스로틀 밸브, 모터, 캠 샤프트, 가속 페달 등의 샤프트(16) 상에 고정될 수 있거나 또는 상기 샤프트(16)에 의해 제공될 수 있다. 샤프트(16)는 축(A)을 중심으로 회전 가능하고, 고정자 요소(12)는 상응하는 축 방향으로 회전자 요소(14)에 대향한다. 예를 들어, 고정자 요소(12)는 부품의 하우징에 고정된다.
고정자 요소(12)는 회로 기판(18)을 포함하고, 상기 회로 기판(18) 상에 하나의 송신 코일(20)과 다수의 수신 코일(22)이 회로 기판(18) 상의 도체 트랙들로 구현된다. 코일들(20, 22)의 도체 트랙들은 회로 기판(18)의 양측에 배치될 수 있다. 도체 트랙들은 회로 기판을 관통하는 비아(도금 스루 홀)에 의해 서로 전기 접속될 수 있다. 회로 기판(18) 상에는, 평가 유닛(24)의 추가 요소들이 배치될 수 있다. 평가 유닛(24)은 송신 코일(20)에 교류 전압을 공급하고, 수신 코일(22)에 유도된 교류 전압을 결정할 수 있다. 이 측정을 기초로, 평가 유닛(24)은 고정자 요소(12)와 회전자 요소(14) 사이의 상대 회전각을 결정할 수 있다.
회전자 요소(14)는 축 방향으로 송신 코일(20) 및 수신 코일(22)에 대향하는 하나 이상의 유도 세그먼트(26)를 포함한다. 유도 세그먼트들(26)은 도 1에 도시된 바와 같이, 샤프트(16)에 고정된 다른 회로 기판상에 배치될 수 있다. 유도 세그먼트 또는 유도 세그먼트들(26)이 샤프트(16)의 하나의 단부의 가공에 의해 형성될 수도 있다.
도 2는 고정자 요소(12)를 평면도로 도시한다. 회로 기판(18)은 실질적으로 반원형이며, 장착 구멍(28)을 포함할 수 있다. 송신 코일(20) 및 수신 코일(22)은 평면 코일로서 구현된다.
링 섹터 형상의 송신 코일(20)은 충분히 큰 필드를 생성할 수 있도록 다층 회로 기판(18)의 다수 평면에 구현될 수 있는 다수의 도체 루프를 포함할 수 있다.
제 1, 제 2 및 제 3 수신 코일들(22a, 22b, 22c)은 송신 코일(20) 내부의 링 섹터 영역(30) 내에 배치되며, 상기 링 섹터 영역은 회전축(A)을 중심으로 하는 내부 원(32), 회전축(A)을 중심으로 하는 외부 원(34), 및 상기 내부 원(32)을 상기 외부 원(34)에 연결하는 2개의 반경 방향 라인(36, 38)에 의해 한정된다. 반경 방향 라인들(36, 38)은 원주 방향으로 각(β)만큼 서로 이격되고, 상기 각(β)은 회전각 센서(10)의 측정 범위를 나타낸다.
수신 코일들(22a, 22b, 22c)은 모두 동일한 곡률 반경을 갖는 원호 형상 도체 트랙들(40)로 구현된다. 도 3, 도 4 및 도 5와 관련하여 더 정확히 설명되는 수신 코일들(22a, 22b, 22c)의 특별한 형상에 의해, 수신 코일들(22a, 22b, 22c) 내에 교류 전압이 유도될 수 있고, 상기 교류 전압의 진폭(측정 신호로서)은 회전자 요소(14)의 회전각에 사인 함수로 의존한다. 이는 회전각을 결정하기 위해 측정 신호의 특히 쉬운 평가를 가능하게 한다.
예를 들어, 송신 코일(20)은 평가 유닛(24)에 의해 수 MHz 범위(바람직하게는 5 MHz)의 주파수 및/또는 0.5 V 내지 10 V 범위(바람직하게는 1.5 V)의 진폭을 갖는 교류 전압을 공급받을 수 있다. 이로 인해, 전자기 교류장이 생기고, 상기 교류장은 수신 코일(22a, 22b, 22c) 내로 결합하여 거기서 상응하는 교류 전압을 유도한다. 유도 세그먼트(26)의 상응하는 형상에 의해 송신 코일(20)과 수신 코일(22a, 22b, 22c) 사이의 결합이 회전각에 따라 영향을 받는다. 결합 계수의 전형적인 값 범위, 즉 수신 코일과 송신 코일 사이의, 수신 코일(22a, 22b, 22c)과 송신 코일(20)의 진폭 비율은 -0.3 내지 +0.3일 수 있다. 수신 코일(22a, 22b, 22c)에 유도된 측정 신호를 캐리어 신호(송신 코일의 신호)로 복조함으로써, 상기 결합의 진폭 및 위상이 추론될 수 있다. 진폭은 회전각에 따라 연속적으로 변한다. 위상은 이상적으로는 0° 또는 180°이다.
도 3, 도 4 및 도 5는 도 2의 고정자 요소(12)를 도시하며, 명확히 나타낼 목적으로 수신 코일들(22a, 22b, 22c) 중 하나만이 도시되어 있다.
회전각 센서(10)의 측정 범위(β)는 예를 들어 120°이다. 상기 측정 범위는 원칙적으로는 360°보다 작은 임의의 값을 가질 수 있다. 송신 코일(20)의 개방 각도(α)(도 3에는 명확성을 위해 대각이 도시되어 있음)는 수신 코일(22a, 22b, 22c)에 대한 송신 코일(20)의 반경 방향으로 연장하는 도체 트랙(42)의 영역에서의 필드 균일성의 영향을 적게 유지하기 위해, 회전각 센서(10)의 측정 범위(β)보다 5°내지 10°더 크다.
상기 반경 방향으로 연장하는 도체 트랙들(42)은 내부 반경(ri)에 의해 내부로 그리고 외부 반경(ra)에 의해 외부로 한정되는 원호 형상 도체 트랙들(44)에 의해 연결된다. 외부 반경(ra)은 사용 가능한 조립 공간에 의해 상부로 한정되고, 10 내지 30 mm, 약 25 mm일 수 있다. 내부 반경(ri)은 회전축(A)에서 고정자 요소(12) 내의 샤프트 통로가 가능해지도록 치수 설계될 수 있지만, 이것이 필요하지 않은 경우에는 0 mm일 수도 있다.
수신 코일들(22a, 22b, 22c)은 왼쪽으로 굽은 원호 형상 도체 트랙(40a) 및 오른쪽으로 굽은 원호 형상 도체 트랙(40b)으로 구성되어 있다. 각각의 곡률 방향은 회전축(A)에서 반경 방향 외측으로 보는 방향을 의미한다.
예를 들어, 도 3에는 반경 방향(R)이 도시되어 있다. 이 반경 방향(R)은 왼쪽을 굽은 내부의 원호 형상 도체 트랙(40a) 및 오른쪽으로 굽은 외부의(또는 마주 놓인) 원호 형상 도체 트랙(40b)과 교차한다. 원호 형상 도체 트랙들(40a, 40b)이 서로 연결되어 있는 각도를 제외하고, 측정 범위(β) 내의 모든 반경 방향(R)의 경우도 마찬가지이다.
제 2 수신 코일(22b) 및 제 3 수신 코일(22c)(도 4 및 도 5)은 반경 방향 라인(36, 38)을 따라 연장하는 직선 도체 트랙(46, 48)을 추가로 포함한다.
제 1 수신 코일(22a; 도 3)은 원호 형상 도체 트랙들(40a, 40b)로만 이루어지고, 상기 도체 트랙들은 그 단부에서 서로 연결되므로, 서로 반대로 향하고 있는, 즉 수신 코일(22a)을 통해 전류가 흐르는 경우 전류에 의해 시계 방향으로 또는 반시계 방향으로 관류되는 2개의 부분 와인딩(50a, 50b)이 형성된다. 2개의 부분 와인딩(50a, 50b)은 동일한 윤곽을 갖는다. 부분 와인딩들(50a, 50b)의 면적이 동일한 크기이므로, (회전자 요소(14)와의 추가의 결합이 이루어지지 않는다면) 수신 코일(22a)에 의해 균일한 자기장이 상쇄된다. 왜냐하면, 부분 코일(50a, 50b)에서, 양이 동일하지만, 반대 극성의 전압이 유도되기 때문이다.
그것에 기초하여, 회전각 센서(10) 또는 평가 유닛(24)은 회전자 요소(14)가 없는지 및/또는 수신 코일들 중 하나의 수신 코일이 전기적으로 차단되는지를 검출하는 고유 진단 기능을 수행할 수 있다. 또한, 일반적으로 균일한 필드로서 존재하는 EMC-간섭 영향이 억제될 수 있다.
제 2 수신 코일(22b) 및 제 3 수신 코일(22c)은 단부들에 걸쳐 그리고 직선 도체 트랙들(46, 48)에 걸쳐 구성되는 원호 형상 도체 트랙들(40a, 40b)로 이루어진다. 제 2 및 제 3 수신 코일(22b, 22c)의 각각은 원주 방향으로 연속하여 반대로 향하고 있는 부분 와인딩들(50c, 50d, 50e)을 포함한다. 제 1, 여기에서는 중간의 부분 와인딩(50d)은 제 1 수신 코일(22a)의 부분 와인딩들(50a, 50b) 중 하나와 동일한 윤곽 및/또는 동일한 면적을 갖는다. 제 2 및 제 3, 여기서는 측방의 부분 와인딩들(50c 및 50e)은 부분 와인딩들(50a, 50b, 50d) 중 하나와 동일한 윤곽 및/또는 동일한 면적을 갖는다.
제 1, 제 2 및 제 3 수신 코일(22a, 22b, 22c)의 원호 형상 도체 트랙들(40a, 40b)의 교차점들은 (제 1 반경(r1)을 갖는) 내부 원(32), (제 2 반경(r2)을 갖는) 중간 원(52), 및 (제 3 반경(r3)을 갖는) 외부 원(34) 상에 놓인다.
제 2 반경(r2)은 제 1 반경(r1)과 제 3 반경(r3)의 평균값일 수 있다: r2 = (r1+r3)/2. 제 1 반경(r1)은 내부 반경(ri)과 송신 코일(20)의 도체 트랙들(42, 44)의 폭(b)의 합보다 크다. 예를 들어, r1 = ri+2b 및 r3 = ra-2b일 수 있다.
원호 형상 도체 트랙들(40a, 40b)의 교차점들은 원주 방향으로 동일한 각도로 이격되어 있다. 교차점들 사이의 각도는 ß/4(여기에서는 30°)이다. 따라서, 수신 코일(22a)의 원호 형상 도체 트랙(40a, 40b)의 교차점은 0°, β/4, β/2, 3β/4 및 β에 있다. 수신 코일들(22b 및 22c)의 원호 형상 도체 트랙들(40a, 40b)의 교차점들은 수신 코일(22a)의 그것에 비해 각각 왼쪽 및 오른쪽으로 β/12만큼 오프셋된다.
일반적으로 수신 코일(22)의 필요한 기하학적 회전(ξ)은 측정 범위(β) 및 수신 코일의 수(m)로부터ξ = β/(2·m)에 따라 주어진다.
도시된 실시예에서, 3상 시스템(m=3)에 대해 20°(ξ=120°/(2·3)= 20°)만큼의 3개의 수신 코일(22a, 22b, 22c)의 기하학적 회전(ξ)이 주어진다. 회전시, 측정 범위(β)를 오른쪽으로 초과하는 수신 코일(22b, 22c)의 부분이 0°의 왼쪽에 삽입된다.
3개의 수신 코일(22a, 22b, 22c)을 회로 기판(18)의 단 2개의 평면에 구현하는 것이 가능하다. 예를 들어, 원호 형상 도체 트랙들(40a, 40b) 및 직선 도체 트랙들(46, 48)은 회로 기판(18)의 양측에 배치될 수 있다. 단 2개의 평면에 구현은 저렴한 회로 기판(18)의 장점을 갖는다. 또한, 타깃에 대한 모든 수신 코일의 평균 거리가 거의 동일하므로, 측정 신호들에 대해 대략 동일한 신호 레벨이 달성되고, 재계산이 간단하며 안정적으로 실시된다.
이는 다음과 같이 달성될 수 있다: 반경 방향 내부로부터 반경 방향 외부로 연장하며 더 작은 반경으로부터 더 큰 반경(r1, r2, r3)으로 연장하는 원호 형상 도체 트랙들(40a, 40b)은 하나의 평면 내에 배치되고, 남은 원호 형상 도체 트랙들(40a, 40b)은 다른 평면 내에 배치된다. 제 2 수신 코일(22b) 및 제 3 수신 코일(22c)의 경우, 직선 도체 트랙들(46, 48)은 상이한 평면에서 서로 중첩되어 배치된다. 도체 트랙들(40a, 40b, 46, 48)은 비아(54)에 의해 그 단부들에서 연결되는데, 명확히 나타낼 목적으로 상기 비아들 모두가 도면 부호로 표시되어 있지는 않다. 수신 코일(22a)의 2개의 비아(54)는 링 섹터 영역(30)의 내부로 삽입된다. 달리 표현하면, 축(A)을 중심으로 작은 각도로부터 큰 각도로 가면, 반경 방향 내부로부터 외부로 연장되는(즉, 오른쪽으로 굽은) 제 1 도체 트랙들(40b)은 하나의 평면 내에 배치되고, 반경 방향 외부로부터 내부로 연장되는(즉, 왼쪽으로 굽은) 제 2 도체 트랙들(40b)은 다른 평면에 배치된다.
도 6은 완전한 원으로서 설계된 회전자 요소(14)의 개략 평면도를 도시한다. 하나 이상의 유도 세그먼트(26)를 포함하는, 도 6에 도시된 회전자 요소(14)의 각도 범위만 사용되는 것도 가능하다.
회전자 요소(14)는 회로 기판의 금속화 층으로서 유도 세그먼트(26)를 가진 회로 기판으로서 또는 금속 스탬핑 부품으로서 구현될 수 있고, 상기 스탬핑 부품의 경우 유도 세그먼트들(26)은 스탬핑 부품 내에 돌출부 또는 오목부를 형성한다.
유도 세그먼트들(26)은 원호 형상이며, 이들은 각각 측정 범위(β)의 절반에 걸쳐, 즉 여기에 도시된 바와 같이 60°에 걸쳐 연장된다.
바람직하게는 직선의 또는 선형의 반경 방향 한계선이 사용되므로, 매우 간단하고 확실한 제조가 보장된다.
유도 세그먼트(26)의 내부 반경(rit) 및 외부 반경(rat)은 송신 코일(20)의 내부 반경(ri) 및 외부 반경(ra)에 따라 선택될 수 있다. 예를 들어, rit = (ri+b+r1)/2 및 rat = (ra-b+r3)/2일 수 있다. 여기서, b는 송신 코일(20)의 도체 트랙들(42, 44)의 폭이다.
도 7은 다수의 부분 세그먼트들(56a, 56b)로 구성된 유도 세그먼트(26')의 대안적 실시예를 도시한다. 도 6의 유도 세그먼트들(26)의 각각은 도 6의 유도 세그먼트와 같이 구성될 수 있다. 바람직하게는 직선의 또는 선형의 반경 방향 에지가 사용된다.
부분 세그먼트들(56a, 56b)은 부분 세그먼트들(56a, 56b)과는 다른 전도도를 갖는 리세스들(58)(예컨대, 밀링)에 의해 서로 분리된다. 이러한 방식으로, 측정 신호의 사인파 형상이 개선될 수 있다.
리세스들(58)의 각각은 예를 들어 원주 방향으로 2γ 각도의 폭을 가질 수 있다. 이 경우, 중간 부분 세그먼트는 β/2-2γ의 각도를 가질 수 있으며, 외부 부분 세그먼트는 γ의 각도를 가질 수 있다.
도 8은 수신 코일들(22a, 22b, 22c)에 의해 출력될 수 있고, 도 7에 따른 하나 이상의 유도 세그먼트(26')를 가진 회전자 요소(14)에 의해 사인 함수에 더 근사할 수 있는 3개의 사인파 측정 신호(60)를 가진 다이어그램을 도시한다. 측정 신호는 수신 코일에 유도된 교류 전압의 진폭을 나타내고, 상기 진폭은 고정자 요소(12)에 대한 회전자 요소(14)의 각도에 의존한다.
상이한 길이의 인입선, 회로 기판(18)의 상이한 평면 내에서 도체 트랙들의 포지셔닝, 및 기계적 공차로 인해, 측정 신호(60)는 예컨대 오프셋을 가질 수 있다(즉, 이러한 경우 3개의 측정 신호(60)가 x축에 대해 대칭이 아니다).
상기 오프셋은 예를 들어 Clarke 변환을 통해 가급적 사인파형 측정 신호들(60)로부터 특히 쉽게 계산될 수 있다. 가급적 사인파형 측정 신호는 삼각법, 예를 들어 sin2 + cos2 = 1이 적용될 수 있으며 적어도 신호의 타당성을 위해 또는 정정을 위해 사용될 수 있기 때문에 바람직할 수 있다.
예를 들어, 3개의 수신 코일(22a, 22b, 22c)에서 통상 120°의 전기적 위상 오프셋을 갖는 3개의 사인파형 측정 신호(60)가 발생하고, 상기 측정 신호들은 Clarke 변환의 적용에 의해 사인/코사인 시스템으로 바뀔 수 있다. 그것으로부터, 아크 탄젠트 함수를 사용하여 회전각이 추론될 수 있다.
회전각 센서(10)가 90°의 전기적 위상 오프셋(이 경우, 기계적 위상 오프셋과 전기적 위상 오프셋이 다를 수 있음)을 갖는 2개의 수신 코일(22)만을 포함하는 것도 가능하다. 이 경우, 두 측정 신호(60)의 진폭과 위상의 코사인을 곱하면, (이상적으로는) 오프셋 없는 사인/코사인 시스템이 생긴다. 그것으로부터, 아크 탄젠트 함수를 사용하여 회전자 요소(14)의 회전각이 추론될 수 있다.
일반적으로, 아크 탄젠트 함수를 통해 측정 신호들(60)을 재계산하기 위해, 적어도 2개의 수신 코일(22a, 22b)이 필요하다.
리던던시의 이유로, 회전각 센서(10)는 예를 들어 회로 기판(18)의 2개의 평면에 모두 구현될 수 있는 6개의 수신 코일(22)을 구비할 수 있다. 6개의 수신 코일들(22) 중 각각 3개는 리던던트 3상 시스템으로서 사용될 수 있다. 수신 코일들(22)이 모두 회전자 요소(14)로부터 평균적으로 등거리에 있기 때문에(6개 이상의 평면에서의 구현에 비해) 측정 신호(60)의 오프셋이 대략 동일하고, 레벨은 비교적 높다. 따라서 평가가 매우 용이하다.
끝으로, "갖는다"(have), "포함한다"(comprise) 등의 표현은 다른 요소 또는 단계를 배제하지 않고 단수 표현은 다수를 배제하지 않는 점에 유의해야 한다. 청구 범위 내의 도면 부호는 제한으로 간주되어서는 안 된다.
10 : 회전각 센서 12 : 고정자 요소
14 : 회전자 요소 18 : 회로 기판
20 : 송신 코일 22 : 수신 코일
26 : 유도 세그먼트 30 : 링 섹터 영역
32 : 내부 원 36, 38 : 반경 방향 라인
40a, 40b : 도체 트랙 54 : 비아
58 : 리세스

Claims (12)

  1. 송신 코일(20), 및 상기 송신 코일(20) 내에 그리고 회로 기판(18) 상에 배치된 적어도 2개의 수신 코일(22)을 구비한 고정자 요소(12); 및
    회전축(A)을 중심으로 상기 고정자 요소(12)에 대해 회전하도록 장착된 회전자 요소(14)를 포함하는 회전각 센서(10)로서, 상기 회전자 요소(14)에 의해 상기 송신 코일(20)이 상기 적어도 2개의 수신 코일(22)에 유도 결합되므로, 상기 유도 결합은 상기 고정자 요소(12)와 상기 회전자 요소(14) 사이의 회전각에 의존하고, 상기 송신 코일(20)은 상기 적어도 2개의 수신 코일(22)에서 적어도 2개의 각 의존 교류 전압을 유도하는, 상기 회전각 센서에 있어서,
    상기 회전자 요소(14)와 상기 적어도 2개의 수신 코일(22)은 상기 수신 코일(22)에서 상기 회전각에 사인파 의존적인 진폭을 갖는 교류 전압이 유도되도록 설계되는 것을 특징으로 하는, 회전각 센서.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 적어도 2개의 수신 코일(22)은 서로 전기 접속된 원호 형상 도체 트랙들(40a, 40b)로 구성되므로, 상기 적어도 2개의 수신 코일(22)의 각각은 전류 흐름과 관련해서 반대로 향한 부분 와인딩들(50a, 50b, 50c, 50d, 50e)로 구성되고, 상기 부분 와인딩들의 각각은 반경 방향(R)으로, 적어도 하나의 왼쪽으로 굽은 원호 형상 도체 트랙(40a) 및 적어도 하나의 마주 놓여 오른쪽으로 굽은 원호 형상 도체 트랙(40b)에 의해 한정되는 것을 특징으로 하는, 회전각 센서.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 적어도 2개의 수신 코일(22)은 상기 송신 코일(20) 내부의 링 섹터 영역(30) 내에 배치되고, 상기 링 섹터 영역(30)은 상기 회전축(A)을 중심으로 하는 내부 원(32), 상기 회전축(A)을 중심으로 하는 외부 원(34), 및 상기 내부 원(32)을 상기 외부 원(34)과 연결하는 2개의 반경 방향 라인(36, 38)에 의해 한정되며, 상기 반경 방향 라인들은 상기 회전각 센서(10)의 측정 범위(β)에 걸쳐 윤곽을 따라 서로 이격되고;
    상기 원호 형상 도체 트랙들(40a, 40b)의 단부들은 상기 링 섹터 영역(30) 상에 놓이는 것을 특징으로 하는, 회전각 센서.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 원호 형상 도체 트랙들(40a, 40b)은 모두 동일한 곡률 반경을 갖는 것을 특징으로 하는, 회전각 센서.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상이한 수신 코일들(22a, 22b, 22c)의 부분 와인딩들(50a, 50b, 50c, 50d, 50e)은 원주 방향으로, 상기 측정 범위(β)를 상기 수신 코일의 수로 나눠 결정된 각도만큼 서로 오프셋되는 것을 특징으로 하는, 회전각 센서.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    수신 코일(22b, 22c)은 상이한 면적을 가진 부분 와인딩들(50c, 50d, 50e)을 포함하고; 및/또는
    하나의 수신 코일(22a, 22b, 22c)에서 제 1 방향으로 향한 모든 부분 와인딩들(50a, 50c, 50e)의 면적이 제 2 방향으로 향한 모든 부분 와인딩들(50b, 50d)의 면적과 동일한 것을 특징으로 하는, 회전각 센서.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    적어도 하나의 수신 코일(22b, 22c)은 상기 링 섹터 영역(30)의 상기 반경 방향 라인(36, 38)을 따라 연장하는 직선 도체 트랙들(46, 48)을 포함하는 것을 특징으로 하는, 회전각 센서.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 적어도 2개의 수신 코일들(22a, 22b, 22c)은 상기 회로 기판(18)의 2개의 평면에 형성되고; 및/또는
    상기 원호 형상 도체 트랙들(40a, 40b)의 단부에 비아(54)가 제공되고, 상기 비아에서 상이한 평면들의 원호 형상 도체 트랙들(40a, 40b)이 접속되며; 및/또는
    하나의 수신 코일(22a, 22b, 22c)의 상기 원호 형상 도체 트랙들(40a, 40b)이 상기 회로 기판(18)의 대향하는 평면에 교대로 배치되는 것을 특징으로 하는, 회전각 센서.
  9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 회전자 요소(14)는 상기 회전축(A)을 중심으로 원주 방향으로 옆에 놓인 상기 회전자 요소(14)의 영역과는 다른 전도도를 가진 적어도 하나의 유도 세그먼트(26)를 포함하고; 및/또는
    상기 적어도 하나의 유도 세그먼트(26)는 링 섹터 형상인 것을 특징으로 하는, 회전각 센서.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 유도 세그먼트(26)는 원주 방향으로, 상기 회전각 센서(10)의 상기 측정 범위(β)의 절반인 개방 각도를 갖는 것을 특징으로 하는, 회전각 센서.
  11. 제 9 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 유도 세그먼트(26')는 상기 유도 세그먼트(26')와는 다른 전도도를 가진 다수의 반경 방향 리세스(58)를 포함하고; 및/또는
    상기 리세스들(58)은 상기 유도 세그먼트(26')의 원주 방향 가장자리에 배치되며; 및/또는
    상기 리세스들(58)은 원주 방향으로, 상기 회전각 센서(10)의 상기 측정 범위(β)의 절반인 각으로 간격을 두고 있는 것을 특징으로 하는, 회전각 센서.
  12. 회전각 센서(10)용 고정자 요소(12)에 있어서,
    상기 고정자 요소(12)는:
    송신 코일(20), 및 상기 송신 코일(20) 내에 그리고 회로 기판(18) 상에 배치된 적어도 2개의 수신 코일(22)을 포함하고,
    상기 적어도 2개의 수신 코일(22)은 서로 전기 접속된 원호 형상 도체 트랙들(40a, 40b)로 구성되므로, 상기 적어도 2개의 수신 코일(22)의 각각은 전류 흐름과 관련해서 반대로 향한 부분 와인딩들(50a, 50b, 50c, 50d)로 구성되고, 상기 부분 와인딩들(50a, 50b, 50c, 50d)의 각각은 반경 방향(R)으로, 적어도 하나의 왼쪽으로 굽은 원호 형상 도체 트랙(40a) 및 적어도 하나의 마주 놓여 오른쪽으로 굽은 원호 형상 도체 트랙(40b)에 의해 한정되는, 고정자 요소.
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