KR20220124108A - 유도성 각도센서 - Google Patents

Abstract

주기적 AC 신호를 생성하고 AC 신호를 여자 코일(100)에 결합하는 발진기 회로(10)와, 각각이 주기적으로 반복되는 루프 구조를 형성하고 그 구성이 각각 수신기 기하구조를 형성하는 여러 개의 수신기 코일(210, 220)과, 수신기 코일에서 유도된 신호의 평가를 위한 평가회로(20), 및 여자 코일과 수신기 코일 사이의 유도성 결합의 강도에 영향을 미치는 이동식 유도성 결합 요소(300b, 300c)가 있는 유도성 각도센서(1)이다. 각도센서는 2개의 수신기 기하구조(210, 220) 및 2개의 인코더 요소(310, 320)를 갖는다. 또한, 2개의 수신기 기하구조에서 수신기 코일의 루프 구조(212, 222)의 주기성은 상이하다. 또한, 제1 인코더 요소(310) 및 제2 인코더 요소(320)는 주기적 기하구조를 갖는 전도성 치형부(310-1, 310-2, ..., 310-9, 320-1, 320-2, ..., 320-10)로서 각각 설계되고, 제1 인코더 요소의 주기성은 제2 인코더 요소의 주기성과 상이하다. 또한, 수신기 코일 중 하나의 루프 구조의 주기성은 각각 제1 및 제2 인코더 요소 각각 중 하나의 기하구조의 주기성과 상관관계가 있다. 유도성 각도센서는 수신기 코일의 주기적으로 반복되는 루프 구조의 일부에서만 여자 코일과 각각의 수신기 코일 사이의 유도성 결합의 강도에 영향을 미치는 비대칭 기하구조를 갖는 전도성 또는 강자성 확장부(330)로서 설계된 제3 인코더 요소를 더 포함한다.

Description

유도성 각도센서{INDUCTIVE ANGLE SENSOR}

본 발명은 유도성 각도센서 및 상기 유도성 각도센서를 사용하여 각도 위치를 결정하는 방법에 관한 것이다.

본 설명은 특히 로봇의 팔 각도 결정을 위한 유도성 각도센서에 관한 것이지만 전기모터 또는 발전기용 리졸버(resolver) 분야에도 관련된다. 각도센서, 특히 360°의 측정 범위를 커버하는 센서는 스루샤프트(through-shaft) 구성으로 장착하기 위해 좁은 링 형상이어야 하는 경우가 많다.

유도성 센서 시스템은 진동하는 자기장을 수신기 코일에 결합시키는 여자 코일을 포함한다. 보다 구체적으로는, 본 명세서에서 사용되는 바와 같이, 와전류 센서 소자라고도 하는 유도성 센서는 와전류 형성 원리를 이용하여 변위를 감지하는 센서이다. 와전류는 이동하거나 변화하는 자기장이 전도체와 교차하거나 그 반대인 경우에 형성된다. 다시 말해서, 전도성 인코더 요소는 감지 기하구조의 자기장에 영향을 미친다. 본 명세서에서 사용되는 바와 같이, 전도성 요소 또는 치형부는 동등한 효과를 생성할 강자성 요소를 포함한다.

보다 구체적으로는, AC 전원 여자 코일에 의해 생성되는 빠르게 변화하는 자기장은 적어도 하나의 수신기 코일 내에 전압을 유발한다. 또한, 인코더의 전도성 요소를 변위시킬 때, 와전류 센서를 커버하는 전도성 요소의 인자가 변화함으로써 감지값이 변하게 된다. 따라서 위치, 예를 들어 각도 위치를 결정할 수 있다.

이런 구성은 설계가 매우 간단하고 생산 비용이 저렴하며, 매우 정확하고 신뢰할 수 있는 절대 각도 측정을 가능하게 한다.

최근에는 로봇 분야의 각도센서 기술과 자기 인코더, 예를 들어 이방성 자기 저항(AMR)을 사용하는 센서를 통한 실현 가능성에 대한 고려가 있었다. 그러나 공간의 제약으로 인해 스케일(scale)은 좁은 링 형상만 가질 수 있다는 점을 고려해야 한다.

일반적으로 센서는 폭이 10 mm 미만, 바람직하게는 5 mm 미만인 좁은 링 안에 끼워져야 한다.

또한, 기준을 잡기 위한 작동이 없는 360° 절대 측정이 필요하다. 또한, 재현성이 매우 좋아야 하지만 절대 측정 정확도는 덜 중요하다.

재현성은 0.1° 미만이어야 하지만 절대 정확도는 1° 이상이어야 한다.

360° 감지를 보장하기 위해, AMR 센서와 같은 센서를 사용할 때는 단일 트랙 코딩된 스케일만 고려할 수 있는데, 이는 공간상의 이유로 2개 또는 심지어 3개의 병렬 버니어(Vernier) 트랙이 강한 신호 크로스토크(crosstalk) 없이 좁은 스케일 링 상에 수용될 수 없기 때문이다. 그러나 정확한 보간을 포함하는 절대 선형 자기 코드를 읽는 데 필요한 노력이 상당하며, 이 점은 지금까지 AMR 접근 방식을 더욱 추구함에 있어 걸림돌이었다.

견실한 유도성 센서의 개발에서는 상이한 개수의 주기를 갖는 아래위로 배열된 2개의 2차 코일을 포함하는 유도성 센서의 버니어 유사 버전이 사용되는 것으로 알려져 있다. 결과적으로 이러한 유도성 센서에는 2개의 독립적인 수신기 기하구조가 있다. AMR 접근 방식에 비해 이러한 유도성 센서는 인코더가 스케일용의 작은 구조물을 필요로 하지도 않고 감지 요소가 크로스토크를 생성하지도 않는다는 이점이 있다.

보다 구체적으로는, AMR 센서 어레이의 2개 또는 3개 트랙 버니어 스케일의 경우, 개별 스케일들 간의 크로스토크 문제는 항상 존재한다. 다만, 연관된 스케일은 센서 신호의 주기성을 결정하는 반면 센서는 제공된 자기장을 수동적으로만 측정할 수 있을 뿐이다. 따라서 AMR 센서는 항상 산란된 필드를 인접한 스케일에서 본다.

이것은 링 형상의 유도성 센서에서는 근본적으로 다르다. 여기서는, 센서에 의해 생성된 신호 주기는 거의 독점적으로 수신기 코일의 주기성에 의해 결정된다. 유도 전압을 사실상 전류 없이 측정하는 것이 보장된다면, 수신기 코일은 다른 코일 장치의 존재를 인식하지 못한다. 결과적으로 일반적으로 크로스토크가 발생하지 않는다.

또한, 복수의 센서 기하구조의 두 수신 신호의 위상차를 계산함으로써, 버니어 스케일의 원리에 기초하여 각도 위치를 결정할 수 있다. 상이한 개수의 주기를 갖는 2개의 2차 코일을 가진 유도성 각도센서에 의해 이러한 측정 원리가 가능해진다.

본 발명의 목적은 간단하고 비용 효율적인 방식으로 각도 위치의 특히 정확한 검출을 가능하게 하는 유도성 센서에 대한 솔루션을 제공하는 것이다. 특히, 유도성 센서가 기하학적 정렬 오류에 내성이 있는 것이 목적이다. 더욱 구체적으로, 틸팅 오류, 즉 회전축에 대해 센서 또는 인코더를 기울이는 것, 또는 편심 오류, 즉 센서의 회전축이 인코더의 회전축과 일치하지 않는 것으로 인한 정렬 오류의 영향을 줄이는 것이 목적이다.

본 발명의 다른 목적은 수신기 코일에 의해 생성된 신호 진폭을 증가시키고 모호한 위상 관계에 의해 야기되는 각도 오류를 피하는 것이다. 또 다른 목적은 유도성 센서를 간단하고 경제적으로 제조하는 것이다. 또한 기존 시스템과 연결할 수 있는 센서 솔루션을 제공하는 것이 목적이다. 특히, 솔루션은 특히 조립할 부품의 수와 감지 요소의 구조물을 제조하기 위한 제조 공정을 줄임으로써 조립 노력을 저감시켜야 한다. 또 다른 목적은 간단한 신호 평가를 제공하는 것이다. 또 다른 목적은 경량 센서를 제공하는 것이다.

본 발명의 실시 예에 따른 유도성 각도센서는, 주기적 AC 신호를 생성하고 상기 AC 신호를 여자 코일에 결합하는 발진기 회로, 각각이 주기적으로 반복되는 루프 구조를 형성하고 그 구성이 각각 수신기 기하구조를 형성하는 여러 개의 수신기 코일, 상기 수신기 코일에서 유도된 상기 신호의 평가를 위한 평가회로(20) 및 상기 여자 코일과 상기 수신기 코일 사이의 유도성 결합의 강도에 영향을 미치는 이동식 유도성 결합 요소를 포함하며, 상기 각도센서는 2개의 수신기 기하구조 및 2개의 인코더 요소를 가지고, 상기 2개의 수신기 기하구조에서 상기 수신기 코일의 상기 루프 구조의 주기성은 상이하며, 상기 제1 인코더 요소 및 상기 제2 인코더 요소는 각각 주기적 기하구조를 갖는 전도성 치형부로서 설계되고, 상기 제1 인코더 요소의 주기성은 상기 제2 인코더 요소의 주기성과 상이하며, 상기 수신기 코일 중 하나의 상기 루프 구조의 상기 주기성은 각각 상기 제1 및 제2 인코더 요소 각각 중 하나의 상기 기하구조의 상기 주기성과 상관관계가 있고, 그리고 상기 수신기 코일의 상기 주기적으로 반복되는 루프 구조의 일부에서만 상기 여자 코일과 각각의 상기 수신기 코일 사이의 유도성 결합의 강도에 영향을 미치는 비대칭 기하구조를 갖는 전도성 확장부로서 설계된 제3 인코더 요소를 포함할 수 있다.

일 실시 예에서, 상기 3개의 인코더 요소는 서로 기계적으로 링크될 수 있다.

일 실시 예에서, 상기 전도성 확장부는 상기 제1 또는 제2 인코더 요소 중 하나의 인접한 두 전도성 치형부를 연결할 수 있다.

일 실시 예에서, 상기 주기적 기하구조의 주기 길이에 대한 치형부 폭의 비가 0.5 미만일 수 있다.

일 실시 예에서, 상기 결합 요소는 회전축을 중심으로 회전하고, 상기 결합 요소와 상기 수신기 코일을 포함하는 수신기 섹션은 대향 디스크(disc) 상에 구비될 수 있다.

일 실시 예에서, 상기 결합 요소는 회전축을 중심으로 회전하고, 상기 결합 요소와 상기 수신기 코일을 포함하는 수신기 섹션은 대향 측면 상에 구비될 수 있다.

일 실시 예에서, 상기 2개의 수신기 기하구조의 상기 수신기 코일의 상기 루프 구조에서 주기적 반복의 양은 상기 각도센서의 전체 측정 범위에 걸쳐 서로 소일 수 있다.

일 실시 예에서, 상기 여자 코일 및/또는 상기 수신기 코일들 중 적어도 하나는 평면에 놓여 있고/있거나, 상기 여자 코일 및 상기 수신기 코일들 중 적어도 하나는 PCB 상에 전도성 경로를 포함할 수 있다.

일 실시 예에서, 마이크로컨트롤러를 더 포함하고, 상기 마이크로컨트롤러는 상기 발진기 회로 및 상기 평가회로를 포함하며, 상기 여자 코일에 전력을 공급하기 위한 상기 발진기 회로와 상기 평가회로는 입력을 포함하고, 각각의 입력은 중간 전치증폭기를 통해 상기 수신기 코일 중 하나에 직간접적으로 연결될 수 있다.

일 실시 예에서, 신호 위상차에 따른 절대 각도 위치를 포함하는 보정 표를 저장하기 위한 저장장치를 더 포함할 수 있다.

일 실시 예에서, 상기 수신기 코일은 실질적으로 평면에 놓여 있고 하나의 수신기 섹션 또는 복수의 수신기 섹션에서 중첩될 수 있다.

본 발명의 실시 예에 따른 각도 위치를 결정하는 방법은, 상술한 유도성 각도센서를 제공하는 단계, 제1 주기성을 갖는 제1 수신기 기하구조에 의해, 제1 위치를 계산하는 데 사용되는 제1 신호 세트를 수신하는 단계, 제2 주기성을 갖는 제2 수신기 기하구조에 의해, 제2 위치를 계산하는 데 사용되는 제2 신호 세트를 수신하는 단계 및 상기 평가회로에 의해 상기 제1 위치 값과 상기 제2 위치 값 사이의 위상차를 계산하여 각도 위치를 결정하는 단계를 포함할 수 있다.

일 실시 예에서, 각도 위치를 결정하는 방법은 생성장치에 의해, 보정 위상차와 상기 결정된 각도 위치 사이의 관계를 정의하는 룩업 테이블을 생성하는 단계 및 저장장치에 적어도 상기 보정 위상차를 저장하는 단계를 더 포함할 수 있다.

일 실시 예에서, 각도 위치를 결정하는 방법은 상기 평가장치에 의해, 상기 계산된 위상차를 저장된 보정 위상차와 비교하여 상기 각도 위치를 결정하는 단계를 더 포함할 수 있다.

일 실시 예에서, 각도 위치를 결정하는 방법은 상시로 또는 상기 계산된 위상차가 상기 저장된 보정 위상차로부터 소정의 임계값보다 더 많이 벗어날 때, 업데이트장치에 의해 상기 보정 위상차를 업데이트하는 단계를 더 포함할 수 있다.

견실한 유도성 센서의 개발에서는 상이한 개수의 주기를 갖는 아래위로 배열된 2개의 2차 코일을 포함하는 유도성 센서의 버니어 유사 버전이 사용되는 것으로 알려져 있다. 결과적으로 이러한 유도성 센서에는 2개의 독립적인 수신기 기하구조가 있다. AMR 접근 방식에 비해 이러한 유도성 센서는 인코더가 스케일용의 작은 구조물을 필요로 하지도 않고 감지 요소가 크로스토크를 생성하지도 않는다는 이점이 있다.

보다 구체적으로는, AMR 센서 어레이의 2개 또는 3개 트랙 버니어 스케일의 경우, 개별 스케일들 간의 크로스토크 문제는 항상 존재한다. 다만, 연관된 스케일은 센서 신호의 주기성을 결정하는 반면 센서는 제공된 자기장을 수동적으로만 측정할 수 있을 뿐이다. 따라서 AMR 센서는 항상 산란된 필드를 인접한 스케일에서 본다.

이것은 링 형상의 유도성 센서에서는 근본적으로 다르다. 여기서는, 센서에 의해 생성된 신호 주기는 거의 독점적으로 수신기 코일의 주기성에 의해 결정된다. 유도 전압을 사실상 전류 없이 측정하는 것이 보장된다면, 수신기 코일은 다른 코일 장치의 존재를 인식하지 못한다. 결과적으로 일반적으로 크로스토크가 발생하지 않는다.

또한, 복수의 센서 기하구조의 두 수신 신호의 위상차를 계산함으로써, 버니어 스케일의 원리에 기초하여 각도 위치를 결정할 수 있다. 상이한 개수의 주기를 갖는 2개의 2차 코일을 가진 유도성 각도센서에 의해 이러한 측정 원리가 가능해진다.

도 1은 유도성 각도센서의 개략도이고,
도 2는 수신기 코일 및 인코더의 개략도이며,
도 3은 도 2의 인코더 기하구조의 개략도이고,
도 4는 도 2의 수신기 코일의 상세도이며,
도 5는 도 2의 제1 수신기 코일의 개략도이고,
도 6은 도 2의 제2 수신기 코일의 개략도이며,
도 7은 여자 코일의 개략도이고,
도 8은 수신기 코일 및 개선된 인코더의 개략측면도이며,
도 9는 도 8의 개선된 인코더 기하구조의 개략도이고,
도 10은 제1 인코더 기하구조의 개략도이며,
도 11은 제2 인코더 기하구조의 개략도이고,
도 12는 도 8에 도시된 구성에 대한 대안적인 구성이며,
도 13은 도 12의 사시도이고,
도 14는 도 12 및 도 13의 센서의 변형예이다.

본 발명의 목적은 간단하고 비용 효율적인 방식으로 각도 위치의 특히 정확한 검출을 가능하게 하는 유도성 센서에 대한 솔루션을 제공하는 것이다. 특히, 유도성 센서가 기하학적 정렬 오류에 내성이 있는 것이 목적이다. 더욱 구체적으로, 틸팅 오류, 즉 회전축에 대해 센서 또는 인코더를 기울이는 것, 또는 편심 오류, 즉 센서의 회전축이 인코더의 회전축과 일치하지 않는 것으로 인한 정렬 오류의 영향을 줄이는 것이 목적이다.

본 발명의 다른 목적은 수신기 코일에 의해 생성된 신호 진폭을 증가시키고 모호한 위상 관계에 의해 야기되는 각도 오류를 피하는 것이다. 또 다른 목적은 유도성 센서를 간단하고 경제적으로 제조하는 것이다. 또한 기존 시스템과 연결할 수 있는 센서 솔루션을 제공하는 것이 목적이다. 특히, 솔루션은 특히 조립할 부품의 수와 감지 요소의 구조물을 제조하기 위한 제조 공정을 줄임으로써 조립 노력을 저감시켜야 한다. 또 다른 목적은 간단한 신호 평가를 제공하는 것이다. 또 다른 목적은 경량 센서를 제공하는 것이다.

이 목적은 독립항에 의해 해결된다. 유리한 실시예는 종속항에 의해 해결된다.

특히, 유도성 각도센서는 2개의 수신기 기하구조와 2개의 인코더 요소 외에 제3 인코더 요소를 포함한다. 위에서 논의한 바와 같이, 2개의 수신기 기하구조를 통해 버니어 스케일을 사용하여 분해능을 개선할 수 있게 된다. 제3 인코더 요소는 수신기 코일의 주기적으로 반복되는 루프 구조의 일부에서만 여자 코일과 각 수신기 코일 사이의 유도성 결합의 강도에 영향을 미치는 비대칭 기하구조를 갖는 전도성 또는 강자성 확장부로서 설계된다. 다시 말해서, 제3 인코더 요소의 전도성 확장부는 수신기 코일의 주기적으로 반복되는 복수의 루프의 일부에서만 신호를 방해한다. 이 제3 인코더 요소는 신호 강도의 방위각 종속 진폭의 변화를 최소화하므로 정렬 오류의 영향을 줄인다.

보다 구체적으로는, 유도성 각도센서는 주기적 AC 신호를 생성하여 여자 코일에 결합하는 발진기 회로와, 각각이 주기적으로 반복되는 루프 구조를 형성하고 그 구성이 각각 수신기 기하구조를 형성하는 여러 개의 수신기 코일을 포함한다. 또한, 유도성 각도센서는 수신기 코일에서 유도된 신호의 평가를 위한 평가회로와 여자 코일과 수신기 코일 사이의 유도성 결합의 강도에 영향을 미치는 이동식 유도성 결합 요소를 포함한다.

AC 전원 여자 코일에 의해 생성되는 빠르게 변화하는 자기장은 수신기 코일 내에 전압을 유발한다. 또한, 유도성 결합 요소를 움직일 때, 수신기 코일을 커버하는 유도성 결합 요소의 인자가 변화함으로써 감지값이 변하게 된다. 따라서 인코더의 각도 위치가 결정된다.

또한, 결합 요소는 적어도 2개의 수신기 기하구조와 상호작용하고, 이에 의해 2개의 수신기 기하구조에서 수신기 코일의 루프 구조의 주기성은 상이하다. 이러한 구성을 통해 적어도 2개의 독립적인 신호를 수신할 수 있게 된다. 또한, 이러한 구성을 통해 각 진폭 신호가 주기적이고 두 신호의 주기가 상이한 것이 가능해진다. 따라서 두 신호를 기반으로 위상차를 결정할 수 있다. 이 위상차는 결합 요소의 한 각도 위치에 해당하며, 이는 더 높은 정밀도로 측정 가능하다. 다시 말해서, 유도성 센서는 버니어 스케일의 원리를 적용할 수 있다.

본 명세서에 사용된 바와 같이, 수신기 코일(감지 코일로도 지칭됨)은 전자기 코일, 즉, 형상화된 와이어 등의 전기 전도체이다. 다시 말해서, 수신기 코일은 복수의 루프를 갖는 전도체이다. 본 명세서에서 사용되는 바와 같이, 루프는 전도체의 일 턴(turn) 즉 수신기 코일을 한 번 감은 것이다.

또한, 각각의 수신기 코일은 복수의 루프에 의해 형성되고, 여기서 각 수신기 코일의 루프들은 측정 범위를 커버하기 위해 감지 평면에서 나란히 배열될 수 있다. 턴들을 나란히 배열하면 평면 코일을 쉽게 형성할 수 있게 된다.

또한, 턴들은 전기적으로 연결될 수 있다. 이러한 구성을 통해 각 수신기 코일이 2개의 접점만 필요로 하는 것이 가능해진다. 보다 구체적으로는, 이러한 구성을 통해 각각의 턴에서, 말하자면 주기적 AC 신호에 반응하여, 전압이 유도되는 것이 가능해진다. 보다 구체적으로는, 전압의 합이 유도된 신호이다. 이러한 평면 코일은 예를 들어 PCB로서 특히 쉽게 제조될 수 있다. 또한, 이러한 평면 코일은 유연한 재질로 만들어질 수 있어, 장치에 쉽게 연결될 수 있으며, 예를 들어 실린더 표면을 따르도록 구부러질 수 있다.

평면 코일의 경우, 2개의 접하는 턴의 와이어가 교차하는 지점에서 전도체를 2개 레벨에 배치할 수 있다. 레벨은 예를 들어 절연 층으로 분리될 수 있고, 또는 전도체를 PCB의 전면과 후면에 배치할 수 있다.

유리하게는, 수신기 코일의 인접 루프는 반대 방향으로 감겨 있다. 이러한 구성은 각 수신기 코일의 순 전압이 0이 될 수 있게 한다. 결과적으로 측정 범위를 늘릴 수 있다.

훨씬 더 유리하게는, 한 쌍의 코일이 각 수신기 코일을 형성한다. 이러한 구성은 아크탄젠트 알고리즘을 사용하여 측정 정확도를 높일 수 있도록 한다.

또한, 각도센서는 2개의 수신기 기하구조에 더하여 2개의 인코더 요소를 가지며, 이에 의해 제1 인코더 요소 및 제2 인코더 요소는 주기적 기하구조를 갖는 전도성 치형부로서 각각 설계된다. 또한, 제1 인코더 요소의 주기성은 제2 인코더 요소의 주기성과 상이하고, 수신기 코일 중 하나의 루프 구조의 주기성은 각각 제1 및 제2 인코더 요소 각각 중 하나의 기하구조의 주기성과 상관관계가 있다.

주기적 기하구조를 갖는 인코더는 전체 신호 진폭을 증가시킨다. 특히, 제1 인코더 요소는 복수의 치형부를 포함한다. 보다 구체적으로는, 제1 인코더 요소의 치형부의 주기성은 제1 수신기 코일의 반복 루프 구조의 주기성과 상관관계가 있다. 이러한 구성은 복수의 동일한 신호가 유도될 수 있도록 하며, 동일한 신호 각각은 제1 수신기 코일의 한 주기 내에 유도된다. 따라서, 제1 수신기 코일의 신호 진폭이 증가된다. 유사하게, 제2 수신기 기하구조는 제2 인코더 요소와 상관관계가 있다.

유리하게는, 신호 진폭을 최대화하기 위해, 제1 인코더 요소의 복수의 치형부의 수는 제1 수신기 코일의 반복 루프 구조의 주기의 양과 상관관계가 있다. 유사하게, 제2 인코더 요소의 복수의 치형부의 수는 제2 수신기 코일의 반복 루프 구조의 주기의 양과 상관관계가 있다. 예를 들어, 치형부의 수는 반복 루프 구조의 양과 동일할 수 있다.

본원 내에서 전도성 치형부는 결합 요소로부터 확장되는 요소이다. 예를 들어, 극좌표계 또는 원통좌표계이고 원점이 회전축이라고 가정하면, 치형부는 반지름 치수로 확장되고 방위각 치수로 구분된다. 보다 구체적으로는, 평면 결합 요소, 즉 극좌표를 가정하면, 치형부는 블레이드(blade) 또는 날개에 의해 형성될 수 있다. 대안적으로, 원통형 요소, 즉 원통좌표를 가정하면, 치형부가 있는 결합 요소는 예를 들어 기어로써 설명할 수 있다.

또한, 복수의 치형부를 제공하는 것은 정렬 오류를 감소시킨다. 특히, 방위각으로 균등하게 분포된 치형부를 갖는 것, 즉 수신기의 루프 구조의 주기성을 갖는 것은 회전축에 대한 인코더 또는 센서의 편심 배열과 같은 오류를 감소시킨다.

또한, 제3 인코더 요소가 제공된다. 제3 요소는 수신기 코일의 루프 구조의 일부에서만 여자 코일과 수신기 코일 사이의 유도성 결합의 강도에 영향을 미치는 비대칭 기하구조를 갖는 전도성 확장부로서 설계되었다. 다시 말해서, 각각의 수신기 코일 중 하나의 루프 구조의 주기성은 제3 인코더 요소의 비대칭 기하구조와 상관관계가 없다.

본 명세서에 사용된 바와 같이, 전도성 치형부 및 전도성 확장부는 각각의 치형부 또는 확장부가 수신기 코일의 자기장에 영향을 미치도록 제조된다. 예를 들어, 전도성 치형부 또는 확장부는 전도성 요소의 블레이드이다.

보다 구체적으로는, 위에서 논의된 바와 같이 2개의 수신기 코일에 대해 2개의 상이한 인코더 기하구조가 제공된다. 각각의 인코더는 양쪽 수신기의 복수의 반복 루프 구조에서 신호를 유도한다. 다시 말해서, 제1 인코더와 제2 인코더의 신호가 중첩되어 양쪽 수신기 코일에서 합 신호를 형성한다. 그러나 이 합 신호에는 각도 의존성이 있다. 이 각도 의존성은 평가회로가 수신하는 신호의 진폭에 영향을 미친다. 결과적으로, 결정된 신호의 진폭은 각도 의존성이 있다.

완벽한 정렬된 시스템에서 이러한 진폭 변동은 각도 측정 결과에 영향을 미치지 않는다. 그러나 예를 들어 센서 조립 중에 발생한 또는 시스템의 열 효과로 인한 정렬 오류의 경우 틸트 오류 또는 편심 오류가 발생한다. 실제 시스템의 이러한 경우, 제1 및 제2 인코더 요소의 조합은 휠 상의 위치에 따라 상이한 신호 생성 강도로 이어질 것이다. 정렬 오류와 함께 진폭 변동은 측정 정확도를 저하시킨다. 예를 들어, 제1 및 제2 인코더 조합의 일 세그먼트가 높은 진폭의 신호를 생성하는 경우, 이 하나의 인코더 세그먼트가 합 신호를 지배한다는 사실로 인해, 정렬 오류가 전체 센서의 각도 측정을 심각하게 악화시킬 수 있다. 그런데 제3 인코더 요소는 수신 신호의 생성된 진폭에서 방위각 변화를 보상할 수 있게 한다. 예를 들어 신호 진폭에 대한 높은 기여도를 갖는 상기 제1 및 제2 인코더 조합의 신호의 기여도를 감소시킴으로써 정렬 오류의 영향을 감소시킬 수 있게 된다.

본 명세서에서 사용되는 바와 같이, 비대칭은 주기적으로 반복되는 루프 구조와 관련하여 하나의 인코더 구조에 제1 인코더 요소 및 제2 인코더 요소를 결합할 때 제1 인코더 요소 및 제2 인코더 요소의 주기성에 의해 제공되는 대칭의 위반이다. 이러한 구성을 통해 인코더의 합 신호에 의해 발생하는 진폭 변동을 최소화할 수 있게 된다.

특히, 제3 인코더 요소는 수신기 코일의 주기적으로 반복되는 루프 구조에서 보다 규칙적으로 분포된 신호의 생성을 얻기 위해 인코더에서 가장 강한 신호를 생성하는 부분 중 일부만을 커버한다. 결과적으로 루프 구조의 해당 주기에 의해 제공되는 신호 진폭이 감소한다. 따라서 주기적으로 반복되는 루프 구조의 개별 루프 구조의 기여도가 동일하게 되어 정렬 오류의 영향이 줄어든다.

유리하게는, 3개의 인코더 요소는 서로 기계적으로 링크된다. 이러한 구성은 컴팩트하고 제조하기 쉬운 인코더 요소를 가능하게 한다. 또한, 이러한 구성은 개별 인코더 요소에 대한 정렬 요건을 줄일 수 있게 한다.

훨씬 더 유리하게는, 전도성 확장부는 제1 또는 제2 인코더 요소 중 하나의 인접한 두 전도성 치형부를 연결한다. 이러한 구성에 의해, 수신기 코일의 복수의 루프 구조 중 하나의 루프 구조 전체를 무력화할 수 있다. 이를 통해 인코더 기하구조를 간단하게, 즉 제작이 어려울 수 있는 인코더 휠의 작은 구조물을 피하여, 제작할 수 있게 된다.

유리하게는, 주기적 구조의 주기 길이에 대한 주기적 기하구조의 치형부 폭의 비는 0.5 미만이다. 이러한 구성을 통해 두 수신기 코일 모두에 대한 신호 진폭을 최대화할 수 있게 된다.

보다 구체적으로는, 수신기 중 하나에서 최대 진폭을 생성하는 인코더를 사용하는 것은 불리한데, 왜냐하면 제2 수신기 코일이 더 적은 신호를 수신할 것이기 때문이다. 일반 인코더의 치형부 폭이 주기의 50%일 때 최대 진폭이 생성된다. 그러나 이러한 인코더를 OR 조합으로 혼합할 때 인코더는 수신기 코일의 50% 이상을 커버한다. 따라서 최대 진폭에 대한 최적의 치형부 폭은 주기에 대한 폭의 50% 미만이다.

유리하게는, 결합 요소는 회전축을 중심으로 회전하고, 여기서 결합 요소와 수신기 코일을 포함하는 수신기 섹션은 대향 디스크 상에 구비된다. 다시 말해서, 결합 요소와 수신기 섹션은 회전축에 수직으로 연장되는 평면 상에 구비된다. 이러한 구성은 특히 공간 절약 구성을 가능하게 한다. 이하에서 수신기 섹션은 수신기 역할을 하는 경우가 있다.

대안적으로, 결합 요소는 회전축을 중심으로 회전하고, 여기서 결합 요소와 수신기 코일을 포함하는 수신기 섹션은 회전축에 대해 대향 측면 상에 구비된다. 다시 말해서, 결합 요소와 수신기 섹션은 회전축에 대해 측방향으로 배치된 평면이다. 이러한 구성은 응용분야, 예를 들어 로봇 팔에 대한 센서 장치의 연결성을 향상시킨다.

유리하게는, 2개의 수신기 기하구조의 수신기 코일의 루프 구조에서 주기적 반복의 양은 각도센서의 전체 측정 범위에 걸쳐 서로 소(co-prime)인 비율에 있다. 이러한 구성은 특히 높은 정밀도를 가능하게 한다. 다시 말해서, 360°의 측정 범위의 경우 두 수신기 기하구조의 수신기 코일의 루프 구조에서 주기적 반복의 양은 서로 소이다.

유리하게는, 여자 코일 및/또는 수신기 코일들 중 적어도 하나는 평면에 놓여 있고/있거나, 여자 코일 및 수신기 코일들 중 적어도 하나는 인쇄회로기판(PCB) 상에 전도성 경로를 포함한다. 이러한 구성은 제조가 용이하고 센서를 컴팩트하게 설계할 수 있다. 바람직하게는, 코일은 동일한 평면에 놓여 있다. 이러한 평면은 한 치수가 다른 두 치수보다 훨씬 작은 실질적으로 평평한 물체로 이해되어야 한다. 센서의 일부는 예를 들어 PCB의 전면에 위치할 수 있고 다른 부분은 PCB의 후면에 위치할 수 있다. 이는 센서가 여전히 실질적으로 평면, 예를 들어 감지 평면에 놓여 있을 것임을 의미한다.

제조가 용이한 실시예에서, 제1 수신기 코일은 제1 층, 예를 들어 제1 PCB에 형성되고, 제2 수신기 코일은 제2 층, 즉 제2 PCB에 형성된다. 이러한 다층 구성은 쉽게 적층될 수 있다.

추가적으로 또는 대안적으로, 여자 코일은 수신기 코일들 중 적어도 하나를 둘러싼다.

유리하게는, 센서는 마이크로컨트롤러를 더 포함한다. 마이크로컨트롤러는 여자 코일에 전력을 공급하기 위한 출력을 포함하고, 마이크로컨트롤러는 복수의 입력, 예를 들어 4개의 입력을 포함하며, 각 입력은 전치증폭기를 통해 하나의 코일에 직간접적으로 연결된다. 본 명세서에 사용된 바와 같이, 직접 연결은 포함된 정보, 즉 수신기 코일의 여자기로부터 유도된 고주파 신호를 평가하거나 조작하지 않고 수신기 코일의 출력 신호를 전송하는 연결이다. 이러한 구성은 부품 수, 특히 수신기 코일 중 하나의 감지 코일 쌍의 신호 쌍 중 하나의 신호를 생성하기 위한 특정 용도용 집적회로(ASIC)를 감소시킨다. 특히, 최근 마이크로컨트롤러 기술의 발전으로 수신기 코일에서 유도된 MHz 발진 필드를 감지하고 각도 위치를 결정하기 위해 ASIC과 같은 아날로그 기술을 더 이상 사용하지 않고도 이 필드를 직접 평가할 수 있게 되었다.

유리하게는, 각도센서는 보정 위상차를 저장하기 위한 저장장치를 더 포함한다. 특히, 각도 위치와 보정 위상차 사이를 매핑(mapping)하는 룩업 테이블(look-up table)이 저장된다. 이러한 구성을 통해, 예를 들어, 신호의 위상차로부터 얻어지며 위치의 절대적 결정에 최종적으로 필요한 잘못 결정된 대략적인 위치에서 발생하는 오류를 방지함으로써, 정렬 허용 오차를 높일 수 있게 된다. 그 후 미세 위치는 주기적 신호의 각도 평가를 통해 평균값으로 결정된다.

보다 구체적으로는, 대략적인 오류는 측정 오류가 매우 높은 주기 도약으로 매우 빠르게 이어질 수 있다. 다시 말해서, 하나의 수신기 코일에 대해서만 올바른 루프 구조가 식별된다. 이 대략적인 위치 오류는 센서, 예를 들어 센서 PCB와 회전축 사이의 기울기와 관련이 있다. 이러한 기울기는 센서와 인코더 휠 사이의 변동하는 에어 갭(air gap)으로 이어진다. 변동하는 에어 갭은 다시 센서의 다른 면에서 매우 상이한 감도를 유발한다. 보다 구체적으로는, 센서 신호는 휠의 양쪽에서 발생하지만(하단과 상단은 덜 강함), 왼쪽과 오른쪽의 치형부 위치는 합 신호의 신호 위상에 잘 맞지 않는다. 따라서 왼쪽과 오른쪽 간의 감도 차이는 합 신호에서 상당한 신호 위상 편차로 이어진다. 이는 각도 위치와 위상차 사이를 매핑하는 룩업 테이블을 저장하여 보상된다.

유리하게는, 수신기 코일은 평면에 놓여 있고 하나의 수신기 섹션 또는 복수의 수신기 섹션에서 중첩된다. 다시 말해서, 수신기 코일은 평면에 놓여 있고 적어도 부분적으로 중첩된다. 예를 들어, 하나의 수신기 섹션은 유리하게 중첩되는 수신기 코일로 구성된다. 대안적으로, 유리하게 중첩되는 수신기 코일의 일부를 각각 포함하는 복수의 수신기 섹션이 제공된다. 이러한 구성은 특히 공간 절약 구성을 가능하게 한다.

추가적으로, 각도 위치를 결정하는 방법을 설명한다. 방법은,

위에서 설명한 임의의 유도성 각도센서와 일치하는 유도성 각도센서를 제공하는 단계,

제1 주기성의 수신기 코일에 의해, 제1 신호 세트를 수신하는 단계,

제2 주기성의 수신기 코일에 의해, 제2 신호 세트를 수신하는 단계, 및

평가회로에 의해, 제1 주기성과 제2 주기성으로부터의 신호 사이의 위상차를 계산하여 각도 위치를 결정하는 단계를 포함한다.

유리하게는, 방법은,

생성장치에 의해, 보정 위상차와 각도 위치 사이의 관계를 정의하는 룩업 테이블을 생성하는 단계; 및

저장장치에 적어도 보정 위상차를 저장하는 단계를 더 포함한다.

보정, 즉 위상차와 각도 위치 간의 관계를 생성 또는 측정하고 저장 또는 보관하는 것은 심지어 센서를 처음 켜는 경우에도 쉽게 수행할 수 있다. 제1 활성화의 경우 시작 위치에서의 위상차는 0° 값으로 정의된다. 이 순간 이후로 정확한 실제 위치는 이하에서 n 신호 각도 및 m 신호 각도(미세 위치)라고 지칭하는 두 신호로부터 계산할 수 있다. 위치가 하나의 수신기 코일 주기에서 다른 하나의 수신기 코일 주기로 이동할 때 실제 주기는 커지거나 작아질 수 있다. 따라서 높은 미세 위치 정확도로 전체 범위에 걸쳐 360° 범위의 절대값으로 위치를 감지할 수 있다. 따라서 전체 측정 범위에 걸친 한 번의 움직임으로 마이크로컨트롤러는 위치에 따른 절대 위상차로 룩업 테이블을 구축할 수 있게 된다. 다음 번에, 즉 보정 후에 센서를 켤 때, 하나의 전체 주기에 걸친 큰 오류 도약의 위험 없이 이 룩업 테이블을 사용하여 절대 위치를 찾을 수 있다.

훨씬 더 유리하게는, 방법은,

평가장치에 의해, 계산된 위상차를 저장된 보정 위상차와 비교하여 각도 위치를 결정하는 단계를 더 포함한다.

이러한 구성은 대략적인 위치 오차를 식별하고 대략적인 위치를 결정하고 이러한 대략적인 오차를 보상할 수 있게 한다. 비교하는 단계에 대응하여, 방법은 예를 들어 정확한 값을 계산하는 단계 또는 보정을 업데이트해야 한다는 경고를 출력하는 단계를 포함할 수 있다.

훨씬 더 유리하게는, 방법은,

상시로 또는 계산된 위상차가 저장된 보정 위상차로부터 소정의 임계값보다 더 많이 벗어날 때, 업데이트장치(42)에 의해 보정 위상차를 업데이트하는 단계를 더 포함한다.

초기 보정 실행 중에 뿐만 아니라 이후의 측정 작업시에도, 상시로 또는 대략적인 위치 계산과 미세 위치 계산 사이에 큰 차이가 발생할 때 자동으로 룩업 테이블을 생성할 수 있다. 이러한 구성을 통해 센서 수명 동안 온도, 마모, 드리프트 또는 기계적 부하로 인한 기계적 조립체의 변화를 보상할 수 있게 된다.

유리한 변형예를 사용하여 예시적인 방식으로 그리고 도면을 참조하여 이제 유도성 각도센서에 대해 더 상세하게 설명한다. 다만, 설명된 변형예는 전술한 바와 같은 개별 특징들이 서로 독립적으로 제공될 수 있거나 생략될 수 있는 가능한 구성일 뿐이다.

첨부도면은 본 명세서에 통합되며 본 발명의 여러 실시예를 예시하기 위해 명세서의 일부를 형성한다. 이들 도면은 발명의 설명과 함께 본 발명의 원리를 설명하는 역할을 한다. 도면은 단지 본 발명이 어떻게 만들어지고 사용될 수 있는지에 대한 바람직한 예 및 대안적인 예를 도시하기 위한 것이며, 본 발명을 도시되고 설명된 실시예로만 제한하는 것으로 해석되어서는 안 된다. 또한, 실시예의 여러 양태는 개별적으로 또는 여러 조합으로 본 발명에 따른 솔루션을 형성할 수 있다. 따라서, 이하에 기술된 실시예들은 단독으로 또는 임의의 조합으로 고려될 수 있다. 설명된 실시예는 가능한 구성일 뿐이며, 전술한 바와 같은 개별 특징들은 본 발명을 구현할 때 서로 독립적으로 제공될 수 있거나 완전히 생략될 수 있음을 염두에 두어야 한다. 추가적인 특징 및 이점은 첨부도면에 도시된 바와 같은 본 발명의 다양한 실시예에 대한 아래의 보다 구체적인 설명으로부터 명백해질 것이며, 첨부도면에서 동일 도면부호는 동일 요소를 지칭한다.

이제 도면을 참조하여 본 발명에 대해 보다 상세하게 설명한다. 먼저, 도 1을 참조하여 유도성 각도센서(1)의 구성요소를 설명한다. 유도성 각도센서(1)는 발진기 회로(10), 여자 코일(100), 복수의 수신기 코일을 포함하는 수신기 섹션(200), 평가회로(20), 및 결합 요소(300)를 포함한다.

발진기 회로(10)는 주기적 AC 신호를 생성한다. 이 신호는 여자 코일(100)에 공급된다. 수신기 섹션(200)은 이 시변 신호를 수신한다. 인코더라고도 하는 결합 요소(300)는 시변 필드를 조작하며, 따라서 결합 요소의 위치를 결정할 수 있다.

보다 구체적으로는, 결합소자(300)에는 여자코일(100)에 의해 생성된 외부 교류장을 보상하는 와전류가 유도된다. 또한, 와전류는 수신기 섹션(200)의 일부를 통과하는 자속을 감소시킨다. 강자성 물질은 필드를 집중시키고 수신기 코일의 자속에 반대로 영향을 미친다. 따라서 두 가지 유형의 재료 모두 유도성 센서로 감지할 수 있다.

평가회로(20)는 수신기 섹션(200)에서 유도된 신호를 평가한다. 예를 들어, 평가장치는 수신기의 코일에 유도된 전압을 측정한다. 측정된 전압 값을 기반으로 인코더의 해당 각도 위치를 결정할 수 있다.

또한, 제어기(60)를 사용하여 발진기 회로(10)를 제어할 수 있고 제어기는 수신기 섹션(200)에서 유도된 가변 전압을 직접 수신할 수 있다. 그런 다음 측정된 값은 제어기의 평가회로에서 직접 처리될 수 있다. 제어기는 예를 들어 여자 코일(100) 및/또는 수신기(200)를 갖는 캐리어 상에 구비된다. 이러한 구성을 통해, 예를 들어 추가 ASIC을 사용하는 부품 수를 줄일 수 있게 된다.

또한, 도 2는 수신기 섹션(200) 및 결합 요소(300a)의 예를 도시한다. 결합 요소(300a)는 도 3을 참조하여 논의된다. 결합 요소(300a)는 단 하나의 치형부(302a)를 갖는다. 이 치형부는 인코더가 각도 위치를 결정하도록 작동 가능하게 한다.

도 2의 수신기는 도 4에도 도시되어 있다. 또한, 도 4는 여자 코일(100)을 도시한다. 도 4의 수신기는 도 5를 참조하여 논의된 제1 수신기 기하구조(210), 및 도 6을 참조하여 논의된 제2 수신기 기하구조(220)를 포함한다. 여자 코일(100)은 도 7을 참조하여 논의된다.

도 5 및 도 6을 참조하면, 제1 수신기 기하구조(210) 및 제2 수신기 기하구조(220) 각각은 주기적으로 반복되는 루프 구조에 의해 형성되는 것으로 설명된다. 예를 들어, 도 5 및 도 6에 도시된 바와 같이, 수신기 기하구조(210, 220) 각각은 쌍 코일(212, 214 또는 222, 224)에 의해 각각 형성된다. 코일의 각 쌍은 루프 구조를 가지므로 특정 주기의 수신기 기하구조를 형성한다. 점선 보조선(216, 218)은 수신기 기하구조(210)의 기본 주기를 한정한다. 점선 보조선(226, 228)은 수신기 기하구조(220)의 기본 주기를 한정한다. 본 예에서, 제1 수신기 기하구조(210)는 m=9회 반복되고, 제2 수신기 기하구조(220)는 2π의 측정 범위에서 n=10으로 반복된다. 특히, 주기적 반복의 상이한 양은 서로 소이다. 이러한 구성을 통해 버니어 스케일의 원리를 사용할 수 있게 된다.

또한, 도 5 및 도 6에 도시된 바와 같이, 각각의 수신기 기하구조(210, 220)는 한 쌍의 코일(212, 214 또는 222, 224)이라고 지칭하기도 하는 한 쌍의 루프 구조에 의해 형성될 수 있다. 각각의 코일(212, 214, 222, 224)은 복수의 영역을 한정한다. 한 쌍의 코일(212, 214)의 영역 또는 한 쌍의 코일(222, 224)의 영역은 각각의 주기의 1/4만큼 이동될 때 합동이다. 이러한 구성을 통해 각각의 수신기 기하구조(210, 220)로부터 한 쌍의 신호, 예를 들어 하나의 코사인 유사 신호와 하나의 사인 유사 신호를 수신할 수 있게 되는데, 왜냐하면 코일에 의해 한정된 영역은 이동되면 합동이기 때문이다. 이러한 구성은 아크탄젠트 신호 처리를 사용할 수 있게 하므로 분해능을 증가시킨다.

도시되지 않은 실시예에 따르면, 각각의 수신 코일은 단 하나의 코일로 형성될 수 있다. 또한, 추가 수신기 코일이 제공될 수 있다.

또한, 도 7에 도시된 바와 같이 여자 코일(100)은 2개의 동심원 루프에 의해 형성될 수 있다. 도 4에 도시된 바와 같이, 인코더 코일(100)은 제1 및 제2 수신기 코일(210, 220)을 둘러쌀 수 있다. 이러한 구성은 컴팩트한 센서 구성을 가능하게 한다. 그러나 인코더 코일의 다른 구성도 가능하다.

다시 도 2를 참조하여 유도성 센서의 동작을 설명한다. 특히, 블레이드라고도 하는 단일 치형부는 주기적으로 반복되는 루프 구조의 하나의 루프 구조에서 결합에 영향을 미친다. 치형부 폭이 신호 주기의 절반일 때, 즉 폭이 한 주기일 때 이러한 단일 치형부에 의해 최대 신호 진폭이 달성된다. 도 2의 예에서, 이는 주기적 반복의 양이 각각 10 또는 9인 2차 코일에 대해 18° 또는 20° 폭이 될 것이다. 2차 수신기 기하구조(210, 220) 모두에서 비교적 양호한 신호를 얻기 위해 이 예에서는 평균 폭인 19°를 선택한다.

그러나 이 솔루션에는 두 가지 심각한 약점이 있다. 한편으로, 치형부는 각 트랙의 하나의 단일 서브 코일, 즉 주기적 구조의 하나의 루프 구조에서만 항상 최대 신호를 생성한다. 따라서 도달 가능한 총 신호 진폭은 이론적으로 가능한 진폭의 작은 일부분이다. 두 번째 문제는 편심 센서 구성의 강한 주기적 측정 오류이다. 그 이유는 인코더 휠의 단일 위치만이 신호 생성에 조금이라도 기여하기 때문이다. 원주에 분포된 여러 개의 치형부에 의해 편심으로 인한 측정 오류를 크게 줄일 수 있다.

이러한 구성은 수신기 섹션(200) 및 결합 요소(300b)의 예를 도시하는 도 8에 도시되어 있다. 수신기 섹션(200)은 도 2 및 도 4 내지 도 6에서 논의된 수신기와 동일하며, 그에 대한 설명은 생략한다. 단지 표현의 문제로, 도 8은 제2 수신기 기하구조와 여자 코일을 도시하지 않는다. 여자 코일에 대한 설명은 도 4 및 도 7의 상기 설명을 참조한다.

결합 요소(300b)는 도 9를 참조하여 논의된다. 결합 요소(300b)는 복수의 치형부를 가지므로 각도 위치를 결정하는데 사용할 수 있다. 도 9의 결합 요소는 도 10을 참조하여 논의되는 제1 인코더 요소(310), 도 11을 참조하여 논의되는 제2 인코더 요소(320), 및 제3 인코더 요소(330)를 포함한다.

인코더 요소(310, 320), 및 각각의 주기적 기하구조를 도 10 및 도 11을 참조하여 설명한다. 제1 인코더(310) 및 제2 인코더(320) 각각은 주기적으로 반복되는 치형부 구조(310-1, 310-2, ..., 310-9 및 320-1, 320-2, ..., 320-10)에 의해 각각 형성된다. 예를 들어, 도 10 및 도 11에 도시된 바와 같이, 인코더 요소(310, 320) 각각은 주기적 기하구조를 갖는 치형부에 의해 형성되어, 특정 주기를 갖는 인코더 기하구조를 형성한다. 제1 인코더 기하구조(310)의 주기적 반복의 양은 예를 들어 m=9이고 제1 수신기 기하구조의 주기적 반복의 양에 대응한다. 유사하게, 제2 인코더 기하구조(320)의 주기적 반복의 양은 예를 들어 n=10이고 제2 수신기 기하구조의 주기적 반복의 양에 대응한다. 특히, 인코더의 주기적 반복의 양은 도 2에 도시된 구성에 비해 신호 진폭을 증가시킨다. 다시 말해서, 도 2를 참조하여 논의된 신호 진폭의 부족은 수신기 기하구조에 사용되는 것과 동일한 주기적 반복의 양으로 인코더 휠 둘레에 분포된 n개 또는 m개의 치형부를 사용함으로써 피할 수 있다.

인코더 휠 중 하나만, 예를 들어 제1 인코더 기하구조(310)만 사용하면 그 기하구조는 그러한 설계에 의해, 동일한 양의 주기적 반복을 갖는 코일, 즉 제1 수신기 코일에서 최대 신호 진폭이 생성된다는 문제를 야기한다. 반면에 다른 하나의 코일은 신호를 생성하지 않는다. 제1 수신기 기하구조 중 하나에서는 높은 진폭을 생성하지만 다른 하나의 주기를 갖는 수신기 기하구조에서는 신호가 없는 인코더 휠은 사용이 불가능하다.

따라서, 도 9에 도시된 조합된 휠은 도 10 및 도 11에 도시된 양 인코더 휠의 OR 조합을 포함한다. 이러한 조합된 인코더 휠은 예를 들어 편심으로 인해 발생하는 오류 구성요소를 줄인다. 결과적으로, 이러한 조합된 휠은 정렬 요건을 고려할 때 도 2에 도시된 단일 치형부 휠에 비해 유리하다. 특히 정렬 오차는 측정 정확도에 영향을 덜 미친다.

이러한 OR 조합을 고려하면, 양 신호의 신호 진폭은 유리하게 최적화된다. 도 2를 참조하여 위에서 논의한 바와 같이 일반 인코더 휠의 치형부 폭이 주기의 50%일 때, 두 치형부 모두 최대 진폭을 생성한다. 그러나 도 9에 도시된 바와 같이 이러한 휠을 OR 조합으로 혼합하면, 인코더 휠은 전체 치형부 면적의 50%보다 훨씬 더 많이 커버한다. 예를 들어, 치형부(310-3, 320-2)는 최적인 50% 이상을 커버하는데, 왜냐하면 둘 다 부분적으로 중첩되기 때문이다. 따라서 주기에 대한 치형부 폭이 50% 미만이면 두 신호 모두의 최대 진폭이 최적화된다. 예를 들어, 도 8에 도시된 구성에서, 신호 진폭을 최대화하기 위해 최적의 치형부 폭 대 주기 길이 관계는 약 0.35이다.

또한, 두 수신기 코일 모두가 동등한 신호 진폭을 생성하는 것이 유리하다. 이러한 구성을 통해 측정된 신호를 성공적으로 평가할 수 있게 된다. 또한, 만들기 어려운 작은 틈새는 피하는 것이 바람직하다. 예를 들어, 도 8에 도시된 구성에서, 작은 틈새를 피하고 유사한 신호 강도를 갖기 위해 최적의 치형부 폭 대 주기 길이 관계는 약 0.32이다.

이 구성에 대해 정렬 오류의 영향을 고려하면, 두 수신기 기하구조를 모두 포함하는 인코더 요소를 고려하더라도 정렬 오류가 분해능에 상당한 영향을 미친다는 점을 알게 되었다. 이는 치형부 밀도의 방위각 의존성으로 인해 발생하는 것으로 확인되었다. 예를 들어, 도 10 및 도 11로 구성된 도시되지 않은 중첩 도면을 가정하면, 상단 위치, 즉 치형부(310-1, 320-1)의 위치에서 치형부 분포는 도 10 및 도 11에 도시된 간단한 특정 주기별 휠 각각에서와 동일하다. 따라서 이 영역에서는 두 주기 모두에서 거의 최대 신호가 생성된다. 하단 위치, 즉 치형부(310-5, 310-6 및 320-6)의 위치에서, 조합된 휠은 제2 주기 치형부 사이의 틈새에 제1 주기 치형부를 가지며 그 반대의 경우도 마찬가지이다. 따라서 하단 영역에서는 생성된 신호가 서로를 보상한다.

이러한 차이를 보상하기 위해, 도 9에 도시된 변형된 인코더는 제3 인코더 요소(330)를 포함한다. 예를 들어, 본 예에서, 제3 인코더 요소(330)는 치형부(310-1/320-1)와 인접 치형부(320-1, 320-10)를 연결한다. 달리 말해서, 치형부(310-1/320-1)의 양쪽 가장자리를 제거하고 인접 치형부(320-1, 320-10)의 한쪽 가장자리를 제거하여 상부의 신호 발생 부분과 하부의 신호 발생 부분을 정렬한다.

도 9에 도시된 바와 같이, 제3 인코더 요소(330)는 수신기 코일의 주기적인, 즉 대칭적인 기하구조에 대해 비대칭적인 기하구조를 갖는 전도성 확장부로서 설계된다. 비대칭 기하구조는 전체 측정 범위를 커버하는 수신기 코일의 주기적으로 반복되는 루프 구조의 일부에서만 여자 코일과 각 수신기 코일 사이의 유도성 결합의 강도에 영향을 준다. 다시 말해서, 제3 인코더 요소(330)의 주기적 반복의 양은 1이고 제1 또는 제2 수신기 기하구조의 주기적 반복의 양에 대응하지 않는다. 이러한 구성을 통해, 수신기 코일의 주기적으로 반복되는 루프 구조의 일부는 분석된 신호에 기여하지 않을 수 있게 된다.

보다 구체적으로는, 그리고 도 8에 가장 잘 도시된 바와 같이, 전도성 확장부(330)는 상단 영역에만 제공될 수 있고, 이는 즉 비대칭 기하구조를 갖는다는 것이다. 달리 말해서, 주기적으로 반복되는 루프의 일부만 비대칭 기하구조로 인해 전도성 확장부의 영향을 받는다. 결과적으로, 상기 하나의 루프에서 유도된 순 전압은 각도 위치 결정을 가능하게 하지 않는다. 다시 말해서, 전도성 요소는 절대 위치 결정에 영향을 주지 않고 수신기 코일의 주기적으로 반복되는 루프 구조의 일부에서 신호 진폭에 영향을 미치며, 이는 전도성 확장부의 비대칭 기하구조에 의해 영향을 받지 않는 나머지 부분에 의해 가능하다. 따라서 전도성 확장부로 인해 신호 진폭이 저하되더라도 나머지 부분의 정렬에 대한 허용 오차는 증가할 수 있다. 다시 말해서, 변형된 결합 인코더 휠, 즉 결합 요소(300b)의 정확도는 모든 교란 조건, 즉 정렬 조건 하에서 높다.

추가적으로, 대략적인 위치의 결정에서 추가적인 오류가 발생하는 것으로 인식되었다. 대략적인 위치는 수신기 기하구조의 두 신호의 위상차로부터 얻어지며 위치의 절대적 결정에 필요하다. 그 후 미세 위치는 주기적 신호의 각도 평가를 통해 평균값으로 결정된다. 이러한 대략적인 오류는 측정 오류가 매우 높은 주기 도약으로 이어질 수 있다.

또한, 이 대략적인 위치 오차는 예를 들어 센서 PCB와 회전축 사이의 기울기와 관련될 수 있다. 이러한 기울기는 센서 PCB와 휠 사이의 변동하는 에어 갭으로 이어진다. 변동하는 에어 갭은 다시 센서의 여러 면에서 매우 상이한 감도를 유발한다.

도 8은 센서 신호가 휠의 양쪽, 즉 왼쪽과 오른쪽에서 생성되는 반면 아래쪽과 위쪽은 신호에 덜 기여함을 나타낸다. 따라서 틸트 오류의 경우 왼쪽과 오른쪽 치형부 위치는 합 신호의 신호 위상에 잘 맞지 않는다. 따라서 왼쪽과 오른쪽 간의 감도 차이는 합 신호에서 상당한 신호 위상 편차로 이어진다.

정렬 오류의 이러한 추가적인 영향을 고려할 때, 도 1에 도시된 바와 같은 저장장치(50)가 유리하다. 큰 오류 도약으로 쉽게 이어질 수 있는 편차는 기구적인 변경 없이도 안정적이며 그 역함수는 항상 명확한 위치로 이어진다. 위상차 - 각도 위치 곡선의 모양이 룩업 테이블(LUT)에 저장되면, 센서의 적절하고 신뢰성 있으며 정확한 작동이 보장된다. 따라서 이러한 저장장치는 정렬 허용 오차를 추가로 증가시키는 데 사용할 수 있는 보정 값을 저장할 수 있게 한다. 보정 실행은 제조업체 또는 사용자 측에서 수행할 수 있다.

도 2 내지 도 11을 참조하여 논의된 바와 같이, 결합 요소(300a, 300b)는 회전축을 중심으로 회전한다. 결합 요소는 디스크 형상이다. 수신기 코일 역시 디스크 상에 구비된다. 두 디스크는 서로 대향한다. 이러한 구성은 특히 공간을 절약한다.

도 12 및 도 13은 수신기 섹션(200c) 및 결합 요소(300c)의 대안적인 기하학적 구성을 도시한다. 수신기 섹션(200c)은 회전축에 대하여 측면을 형성한다. 결합 요소(300c)는 기어와 유사한 형상을 갖는다. 이러한 구성을 통해 수신기 섹션과 결합 요소를 장치에 쉽게 연결할 수 있게 된다. 이러한 솔루션을 통해 장치를 쉽게 개조할 수 있게 된다.

유리하게는, 수신기(200c)는 연성회로기판, 예를 들어 인쇄회로기판에 의해 형성된다. 이러한 구성은 수신기 섹션의 제작을 용이하게 하고 연성회로기판을 변형시켜 측면을 따라 수신기 섹션을 배치할 수 있게 한다.

도 14는 수신기 섹션 및 결합 요소의 다른 대안적인 기하학적 구성을 도시한다. 샤프트(400)는 회전축을 정의한다. 도 12 및 도 13과 유사하게, 수신기 섹션은 회전축에 대해 측면으로 형성된다. 도 12 및 도 13의 솔루션과 유사하게, 이러한 구성을 통해 수신기 섹션과 결합 요소를 장치에 쉽게 연결할 수 있게 된다. 이러한 솔루션을 통해 장치를 쉽게 개조할 수 있게 된다.

도 12 및 도 13의 솔루션과 다른 점은 수신기가 복수의 수신기 섹션(200d-1, 200d-2), 예를 들어 다수의 k=2 수신기를 포함한다는 점이다. 이러한 구성을 통해 각각의 수신기 섹션(200d-1, 200d-2)은, 예를 들어 k=2 수신기 섹션이 반 실린더로 형성되는 경우에, 대향 결합 요소의 일부만을 커버할 수 있게 된다. 따라서 이러한 구성은 특히 공간 절약에 유리할 수 있다.

또한, 도 14에 도시된 바와 같이, 결합 요소는 복수의 결합 요소(300d-1, 300d-2), 예를 들어, 복수의 k=2 결합 요소를 포함하며, 여기서 결합 요소의 수는 유리하게는 수신기 섹션의 수와 동일하다. 각 결합 요소는 기어와 유사한 형상이다. 유리하게는, 각각의 결합 요소는 동일한 형상이다. 이러한 구성을 통해, 결합 요소를 서로에 대해 회전시켜 2π의 전체 분해능으로 측정하는 것이 가능해진다. 매우 불량한 신호를 초래할 수 있는 단일 반원 센서(예를 들어, 수신기 세그먼트(200d-1) 및 결합 요소(300d-1)만)와 대조적으로, 이 솔루션은 신호가 개선될 수 있도록 하는데, 왜냐하면 전체 시스템이 휠의 전체 원주에 걸쳐 통합된 신호에 의존하기 때문이다.

도 14를 참조한 구성이 센서에 대한 센서의 측면 배치에 대해서만 도시되어 있지만, 이러한 구성은 도 8 내지 도 10를 참조하여 도시된 실시예에서도 사용될 수 있다. 예를 들어, 센서(200)는 2개의 평면 다층 센서를 U자형 PCB 사이에 끼울 수 있다.

본 명세서에서 사용되는 바와 같이, 물체의 측면은 물체의 하면 및 상면(존재하는 경우)을 제외한 물체의 모든 면이다. 측면 면적은 측면의 면적이다. 이는 측면 면적과 하면 및 상면의 면적을 합한 전체 표면적과 구별되어야 한다. 예를 들어, 반지름이 r이고 높이가 h인 수직 원기둥의 측면 면적은 실린더 측면의 면적으로, A = 2πrh 이다. 이를 원통 표면이라고도 한다.

1 : 유도성 각도센서
10 : 발진기 회로
20 : 평가회로
40 : 보정 데이터 생성장치
42 : 업데이트장치
50 : 저장장치
60 : 제어기
100 : 여자 코일
200, 200c, 200d-1, 200d-2 : 수신기 섹션
210, 220 : 수신기 기하구조
212, 214, 222, 224 : 루프 구조
300, 300a, 300b, 300c, 300d-1, 300d-2 : 결합 요소
302a : 치형부
310 : 제1 인코더 요소
310-1, 320-1 : 전도성 치형부
320 : 제2 인코더 요소
330 : 전도성 확장부
400 : 샤프트

Claims (15)

1. 유도성 각도센서에 있어서,
   주기적 AC 신호를 생성하고 상기 AC 신호를 여자 코일(100)에 결합하는 발진기 회로(10);
   각각이 주기적으로 반복되는 루프 구조를 형성하고 그 구성이 각각 수신기 기하구조를 형성하는 여러 개의 수신기 코일(210, 220);
   상기 수신기 코일에서 유도된 상기 신호의 평가를 위한 평가회로(20); 및
   상기 여자 코일과 상기 수신기 코일 사이의 유도성 결합의 강도에 영향을 미치는 이동식 유도성 결합 요소(300b, 300c)를 포함하며,
   상기 각도센서는 2개의 수신기 기하구조(210, 220) 및 2개의 인코더 요소(310, 320)를 가지고;
   상기 2개의 수신기 기하구조에서 상기 수신기 코일의 상기 루프 구조(212, 222)의 주기성은 상이하며;
   상기 2개의 인코더 요소(310, 320) 중 제1 인코더 요소(310) 및 제2 인코더 요소(320)는 각각 주기적 기하구조를 갖는 전도성 치형부(310-1, 310-2, ..., 310-9, 320-1, 320-2, ..., 320-10)로서 설계되고, 상기 제1 인코더 요소의 주기성은 상기 제2 인코더 요소의 주기성과 상이하며;
   상기 수신기 코일 중 하나의 상기 루프 구조의 상기 주기성은 각각 상기 제1 및 제2 인코더 요소 각각 중 하나의 상기 기하구조의 상기 주기성과 상관관계가 있고; 그리고
   상기 수신기 코일의 상기 주기적으로 반복되는 루프 구조의 일부에서만 상기 여자 코일과 각각의 상기 수신기 코일 사이의 유도성 결합의 강도에 영향을 미치는 비대칭 기하구조를 갖는 전도성 확장부(330)로서 설계된 제3 인코더 요소를 포함하는, 유도성 각도센서.
2. 제1항에 있어서, 상기 제1 인코더 요소 내지 제3 인코더 요소(310, 320, 330)는 서로 기계적으로 링크되는, 유도성 각도센서.
3. 제2항에 있어서, 상기 전도성 확장부(330)는 상기 제1 또는 제2 인코더 요소 중 하나의 인접한 두 전도성 치형부(320-1, 320-10)를 연결하는, 유도성 각도센서.
4. 제1항에 있어서, 상기 주기적 기하구조의 주기 길이에 대한 치형부 폭의 비가 0.5 미만인, 유도성 각도센서.
5. 제1항에 있어서, 상기 결합 요소는 회전축을 중심으로 회전하고, 상기 결합 요소(300b)와 상기 수신기 코일을 포함하는 수신기 섹션(200)은 대향 디스크(disc) 상에 구비되는, 유도성 각도센서.
6. 제1항에 있어서, 상기 결합 요소는 회전축(400)을 중심으로 회전하고, 상기 결합 요소(300c)와 상기 수신기 코일을 포함하는 수신기 섹션(200c)은 대향 측면 상에 구비되는, 유도성 각도센서.
7. 제1항에 있어서, 상기 2개의 수신기 기하구조의 상기 수신기 코일의 상기 루프 구조에서 주기적 반복의 양은 상기 각도센서의 전체 측정 범위에 걸쳐 서로 소인, 유도성 각도센서.
8. 제1항에 있어서, 상기 여자 코일 및/또는 상기 수신기 코일들 중 적어도 하나는 평면에 놓여 있고/있거나, 상기 여자 코일 및 상기 수신기 코일들 중 적어도 하나는 PCB 상에 전도성 경로를 포함하는, 유도성 각도센서.
9. 제1항에 있어서, 마이크로컨트롤러를 더 포함하고, 상기 마이크로컨트롤러는 상기 발진기 회로 및 상기 평가회로를 포함하며, 상기 여자 코일에 전력을 공급하기 위한 상기 발진기 회로와 상기 평가회로는 입력을 포함하고, 각각의 입력은 중간 전치증폭기를 통해 상기 수신기 코일 중 하나에 직간접적으로 연결되는, 유도성 각도센서.
10. 제1항에 있어서, 신호 위상차에 따른 절대 각도 위치를 포함하는 보정 표를 저장하기 위한 저장장치(50)를 더 포함하는, 유도성 각도센서.
11. 제1항에 있어서, 상기 수신기 코일은 실질적으로 평면에 놓여 있고 하나의 수신기 섹션(200, 200c) 또는 복수의 수신기 섹션(200d-1, 200d-2)에서 중첩되는, 유도성 각도센서.
12. 각도 위치를 결정하는 방법으로서,
    제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 따른 유도성 각도센서를 제공하는 단계;
    제1 주기성을 갖는 제1 수신기 기하구조에 의해, 제1 위치를 계산하는 데 사용되는 제1 신호 세트를 수신하는 단계,
    제2 주기성을 갖는 제2 수신기 기하구조에 의해, 제2 위치를 계산하는 데 사용되는 제2 신호 세트를 수신하는 단계, 및
    상기 평가회로에 의해 상기 제1 위치 값과 상기 제2 위치 값 사이의 위상차를 계산하여 각도 위치를 결정하는 단계를 포함하는, 각도 위치 결정방법.
13. 제12항에 있어서,
    생성장치(40)에 의해, 보정 위상차와 상기 결정된 각도 위치 사이의 관계를 정의하는 룩업 테이블을 생성하는 단계; 및
    상기 저장장치(50)에 적어도 상기 보정 위상차를 저장하는 단계를 더 포함하는, 각도 위치 결정방법.
14. 제13항에 있어서,
    상기 평가회로에 의해, 상기 계산된 위상차를 저장된 보정 위상차와 비교하여 상기 각도 위치를 결정하는 단계를 더 포함하는, 각도 위치 결정방법.
15. 제14항에 있어서,
    상시로 또는 상기 계산된 위상차가 상기 저장된 보정 위상차로부터 소정의 임계값보다 더 많이 벗어날 때, 업데이트장치(42)에 의해 상기 보정 위상차를 업데이트하는 단계를 더 포함하는, 각도 위치 결정방법.

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