KR20120095950A

KR20120095950A - 자기장 회전을 갖는 바이디렉셔널 마그네틱 위치 센서

Info

Publication number: KR20120095950A
Application number: KR1020127014455A
Authority: KR
Inventors: 제라드 마쏭; 티에로 도어즈
Original assignee: 무빙 마그네트 테크놀로지스
Priority date: 2009-11-06
Filing date: 2010-10-28
Publication date: 2012-08-29
Anticipated expiration: 2030-10-28
Also published as: JP2013510292A; FR2952430A1; CN102725612A; WO2011055064A3; JP5538552B2; FR2952430B1; EP2496914A2; KR101410196B1; ES2600865T3; US8970210B2; CN102725612B; WO2011055064A2; EP2496914B1; US20120262162A1

Abstract

본 발명은 적어도 2 방향의 마그네틱 위치 센서에 관한 것이며, 상기 센서는 적어도 하나의 자화 요소(1)와, 상기 자화 요소(1)에 의해서 생성된 자기장의 성분들 중 하나를 각각 측정하고 실질적으로 같은 지점에 위치한 적어도 두 개의 감자기성 요소를 포함하는 프로브(6)를 포함한다. 또한, 상기 프로브(6)는 자기장의 성분들의 대수적 조합에 기초한 각도 및 절대 값 계산을 실행할 수 있고, 2 방향 중 하나와 다른 하나의 방향 각각 따라서 가동 요소의 위치를 나타내는 적어도 두 개의 독립적 신호를 제공하는 적어도 하나의 처리 회로를 포함한다. 본 발명에 따르면, 상기 자화 요소(1)에 대한 상기 프로브(6)의 하나의 위치를 정하기 위하여, 자화 요소(1)의 자화 벡터는 상기 자화 요소의 적어도 하나의 차원에서 프로브(6)에 대향 하여 배치된 자화 요소의 표면에 대한 법선 벡터에 대하여 가변적이 된다.

Description

자기장 회전을 갖는 바이디렉셔널 마그네틱 위치 센서{BIDIRECTIONAL MAGNETIC POSITION SENSOR HAVING FIELD ROTATION}

본 발명은 비접촉 마그네틱 위치 센서 분야에 관한 것으로, 본 발명의 목적은 2 방향(이동 및 이동, 이동 및 회전, 회전 및 회전)에서의 위치를 나타내는 두 개의 독립적인 출력 신호를 동시에 제공하는 것이다.

자기장으로부터 위치를 추적하는 센서는 많은 장점을 갖는다:

- 이동부와 기계적인 접촉을 하지 않으므로, 마모되지 않고,

- 먼지에 민감하지 않고,

- 생산 비용이 작고,

- 사용 수명이 길다.

비접촉 마그네틱 위치 센서는 주로 하나의 방향(회전 또는 이동)에 관한 것이나, 예를 들면 전송 부재의 위치 또는 일반적인 회전 및 이동의 조합을 추적하는 것과 같이 2 방향의 센서(바이디렉셔널 센서)가 필요한 곳에서 점차적으로 나타나기 시작했다. 이러한 장치들은 다른 방향에 위치에 의존적이지 않은 (출력 신호들에 독립적인) 일 방향에서 위치 정보를 얻는 것이 특히 중요하다.

현재 존재하는 바이디렉셔널 센서는 주로 다소 복잡한 마그네틱 회로에 결합한 영구 자석을 사용하고, 상기 영구 자석 또는 자석들에 의해 생성된 자속을 안내하고/안내하거나 집중시키는 데에 사용되는 강자성 물질로 만들어지나, 이는 센서의 비용 및 성능에 해가 된다.

따라서, 종래 기술로 두 가지의 방향의 위치 센서에 관한 프랑스 특허 제2786266호가 알려져 있으나, 사용되는 자석의 필요 공간 및 표면적이 장거리 이동을 위한 센서에 실질적 적용되는 것이 제한된다. 이 센서는 또한 강자성 고정자들로 인한 높은 히스테리시스(hysteresis)를 갖고 상기 측정은 잔류 유도(remenant induction)의 변화에 의존하므로, 반드시 보정이 필요하다.

게다가, 유럽 특허 제800055호는 선형 각 위치 센서에 대하여 개시하고 있다. 이 센서는 비-선형이고 저 레벨이기 때문에 사용하기 어려운 아날로그 신호들을 전송한다. 이러한 센서들은 2 방향에서의 상대적인 위치를 측정하기 위해서는 몇 개의 분리된 측정 지점을 필요로 한다. 또한, 상기 센서들은 히스테리시스에 기여하는 고정자 부품을 필요로 하고, 감지 요소들이 상기 자기장의 진폭을 측정하므로 기하 공차와 온도에 민감해진다.

미국 특허 제4639667호 또는 국제공개특허 제WO 1997/016736호는 두 가지 차원(dimension)으로 위치를 나타내는 선형 및 독립적 신호들은 전달할 수 없는 원리에 따라서 작동하는 센서들을 개시하고 있다.

또한, 예를 들면 각각 일 방향을 측정하는 두 개의 선형 센서들을 개시하고 있는 국제공개특허 제WO 2008/138662호와 미국특허 제6175233와 같은 단지 두 가지 독립적 단방향 센서의 단부에 단부를 배치하는 바이디렉셔널 센서가 있다. 각각의 센서에 대하여 자기장을 추적하는 자석 또는 부품이 있으며, 그 결과 필요 공간이 커지고 생산 비용이 높아지게 된다. 또한, 이러한 센서들은 상기 자기장의 진폭을 측정하므로, 또한 기하 공차와 온도에 민감하다.

또한 종래 기술로 기어 레버에 의해 체결된 기어들을 추적하기 위한 센서들에 관한 미국특허 제7421923호와 미국특허 제7293480호가 알려져 있다. 이러한 특허들은 2 방향에서 위치를 감지하는 방안을 제시하지만 감지하기 위한 기어들이 있는 공간에 위치한 최소한의 복수의 홀(Hall) 센서들과 자석을 사용한다. 따라서 단일 위치를 구별하기 위한 센서의 배열을 사용할 필요가 있고 기어들의 디지털 추적 장치(digital detection)를 구비할 필요가 있다. 다수의 센서는 이 방안이 실행하는 데에 비싸고 중간 위치를 알기 위한 수단을 제공하지 않는다는 것을 의미한다.

상술한 진폭 측정에 의한 위치 추적에 관한 문제점들을 해결하기 위하여, 자기장의 회전, 다시 말해 자기장의 진폭보다 자기장의 방향을 측정하는 위치 센서가 존재한다. 그러나 이는 주로 바이디렉셔널 센서보다 단방향 센서에 적용된다.

예를 들어 종래 기술로 본 출원인의 프랑스 특허 제2898189호 및 프랑스 특허 제2909170에 개시된 센서가 있고, 상기 센서는 자석과 감자기성(magnetosensitive) 프로브 사이의 상대적인 위치를 추적하기 위해 진폭보다 자기장의 방향을 사용한다. 이러한 방향의 추적은 온도와 기계적 간극에 민감하지 않게 할 수 있고 어떠한 강자성 부품을 사용하지 않으므로 마그네틱 히스테리시스를 갖지 않는다. 그러나 이러한 센서들은 자기장의 두 가지 성분으로부터 단일 진폭 비를 계산함으로써 오직 하나의 자기장의 방향을 측정하며, 따라서 2 방향이 아닌 오직 한 가지 방향에서 감자기성 프로브에 대하여 가변적 자석의 상대적인 위치를 알 수 있다. 마찬가지로, 미국특허 제6731108호, 미국특허 제6960974호 및 국제공개특허 제WO 2004/015375호는 자기장의 방향을 사용하여 오직 하나 이상의 감자기성 요소들에 대한 자석의 선형 운동을 측정할 수 있다. 그러나 20 - 25 mm 보다 큰 이동을 실질적으로 이행함에 있어서, 이러한 센서들은 이동하는 다양한 경로들에 위치한 몇 개의 프로브들을 필요로 하고, 이것은 센서의 가격을 높이고 프로브들의 정확한 배치를 필요로 한다.

그러나 종래 기술로 2 방향에서 위치를 측정하기 위한 방법이 알려져 있고 자기장의 진폭보다 회전을 측정하여 사용하나, 매우 특정한 제품의 경우에 레버(조이스틱(joysticks))를 제어한다. 따라서, 미국특허출원 제2007-024043호 또는 미국특허출원 제2009-0062064호는 그 두께를 따라서 단방향으로 자화된 단순 자석과 오직 자기장의 두 가지 성분을, 따라서 단일 자기장 방향(두 가지 성분들에 의해 형성된 각도)을 측정하는 프로브를 포함하는 조이스틱용 센서를 개시하고 있다. 이러한 기술에서는 2 방향에서 독립적 선형 시그널들을 전송할 수 없다. 조이스틱 타입의 시스템은 또한 오직 회전이동에 한정되며 이동을 측정할 수 없다. 게다가, 이러한 조이스틱 시스템에 의해 추적될 수 있는 각도는 약 30도에 한정된다. 더 나아가, 자기장으로부터 위치를 추론함에 있어 자석은 프로브로부터 매우 멀리 더 이상 자기장이 감지되지 않게 위치하게 된다. 사실, 40도 이상의 이동을 실질적으로 이행함에 있어서, 이러한 센서들은 이동하는 다양한 경로들에 기초한 몇 개의 프로브들을 필요로 하고, 이것은 센서의 비용을 증가시킨다.

또한, 종래 기술로서 두 개의 조이스틱 구조로 제공된 두 가지 회전 각도를 측정하는 멜렉시스(Melexis) 제품 노트가 확인된다(http://ww.melexis.com/Sensor ICs Hall effect/Triaxis Hall ICs/MLX90333 648.aspx). 첫 번째는 쌍극 자석의 회전 중심이 측정 지점과 합쳐지는 방안이며, 이것은 제품에 쉽게 통합될 수 없는 복잡하고 부피가 큰 기계적 시스템을 필요로 한다. 두 번째 구성은 자석의 회전 중심이 자석의 뒤에 위치하는 방안을 제시한다(자석이 그 회전 중심과 감지 요소 사이에 있다). 이 경우, 자기장의 세 가지 성분은 두 가지 회전 각도를 결정하는 데에 사용된다. 사용된 자석은 그 두께를 따라서 진폭과 방향이 일정하게 자화된 매우 작은 직경을 갖는 원통형 자석이다. 다시 말해, 자석의 자화는 상기 자석의 어떠한 점에서도 같은 절대 값을 갖고 자석의 상부면과 하부면에 수직 한다. 이러한 특정한 구조는 오직 두 가지 각도들을 측정하기 위한 것이고 매우 짧은 이동(약 30도)을 위한 것이다. 이것은 알고리즘이 사용된 상태로 자석의 회전을 추적할 수 있기 위함 때문이고, 자석의 직경이 (이론적으로 반경 방향으로 자화된 점 모양 자석으로) 작아질 필요가 있으며, 이것은 자석의 회전이 작아질수록, 자석은 감자기 요소로부터 멀리 이동하게 되고 자기 유도는 프로브의 감자기 요소들에서 자석의 정확한 회전을 추적하기에는 너무 작아지게 된다. 이것은 이러한 종류의 시스템이 매우 큰 잔류 자기(일반적으로 Br> 1.2T)와 매우 두꺼운 (두께> 10　mm)를 필요로 하므로, 자화시키기에 어렵고 비싸다. 또한, 상기 시스템은 큰 축 방향 두께(일반적으로> 10 mm)를 가지므로, 필요 공간의 문제를 야기한다. 또한, 이러한 방안들은, 평평한 자석의 표면과 측정 지점 사이의 기계적인 에어 갭(air gap)이 자석의 회전에 따라서 바뀌고, 이것은 선형성의 훼손과 프로브 지지부를 갖는 자석의 에지(edge)에서 충돌을 피하기 위해 필요한 이상으로 더 커진 에어 갭을 포함하게 된다. 이를 방지하기 위해 이상적인 것은 직경이 매우 작은 자석이나, 이것은 이미 상술한 바와 같은 문제점을 포함한다.

FR2786266 B EP800055 B US4639667 B WO1997-016736 A WO2008-138662 A US6175233 B US7421923 B US7293480 B FR2898189 B FR2909170 B US6731108 B US6960974 B WO2004-015375 A US2007-0024043 A US2009-0062064 A

따라서, 특히 간단하고 효율적인 방식으로, 상술한 바와 같은 바이디렉셔널 센서의 문제점들을 (한정된 이동, 오직 회전들만 측정, 자석의 높은 잔류 자기 및 두께, 큰 공간과 비용의 필요, 등) 해결하기 위한 목적으로 본 발명이 제시된다.

특히, 이동 제한이 크거나 작지 않게 바람직하게는 자기장의 진폭보다 자기장의 방향의 측정을 사용하여, 같은 지점에서 동시에 자기장의 적어도 두 가지 성분을 측정하는 자화 요소와 감자기성 프로브 사이의 상대적인 운동을 어느 2 방향(이동-이동, 이동-회전 또는 회전-회전)으로 측정하는 절대 위치 센서를 목적으로 한다.

보다 구체적으로, 적어도 하나의 자화 요소(1)와, 실질적으로 같은 지점에 위치하고 상기 자화 요소(1)에 의해 생성된 자기장의 성분들 중 하나를 각각 측정하는 둘 이상의 감자기성 요소(2, 3)를 포함하는 프로브(6)를 포함하고, 상기 자화 요소(1)는 상기 감자기성 요소(2, 3)들에 대하여 움직일 수 있고, 2 방향으로 각각 가동성 요소들의 위치를 나타내는 적어도 두 개의 독립적 신호를 공급하고 자기장의 성분들의 대수적 조합으로부터 각도와 절대 값을 계산할 수 있는 적어도 하나의 처리 회로(5)를 포함하며, 상기 자화 요소(1)의 자화 벡터는, 상기 자화 요소(1)에 마주하는 상기 프로브(6)의 고유 위치를 정하기 위하여, 상기 자화 요소의 차원들 중 적어도 하나의 차원에서 프로브(6)에 대향하게 배치된 자화 요소의 표면에 수직인 벡터에 대하여 가변적인 것을 특징으로 하는 적어도 2 방향의 마그네틱 위치 센서를 목적으로 한다.

상기 자화 벡터의 변화는 적어도 하나의 차원을 따라서 방향을 바꿈으로써 얻어질 수 있다. 이 경우, 상기 자화 벡터의 방향은 이동 방향에 대하여 몇 개의 주기로 측정될 수 있다.

또한, 상기 자화 벡터의 변화는 상기 표면에 수직인 벡터의 방향이 바뀌게 함으로써 2 방향 중 적어도 하나의 방향에 따른 자화 요소의 차원들 중 하나를 바꿈으로 얻어질 수 있다. 이 경우, 상기 차원은 사인 곡선형 타입의 연속 함수에 따라서 또는 불연속 함수에 따라서 바뀔 수 있다.

또한, 자화 벡터의 변화는 2 방향 중 적어도 하나의 방향을 따라서 진폭을 바꿈으로써 얻어질 수 있다.

이러한 모든 경우에, 상기 자화 벡터는 2 방향 중 적어도 하나의 방향에서의 적어도 한 번 번갈아가며 배치될 수 있다.

이러한 모든 경우, 신호 처리 회로는 적어도 두 번의 아크탄젠트 계산 또는 적어도 한 번의 아크탄젠트 계산과 절대 값(modulus) 계산을 할 수 있다.

또한, 이러한 모든 경우에, 상기 신호 처리 회로는 두 개의 성분들 사이의 보정 상수(correction coefficient)를 적용한 뒤에 자기장의 두 가지 성분의 비의 아크탄젠트 계산을 수행할 수 있다.

본 발명의 변형으로, 처리 회로가 하나의 부품으로 감자기성 요소와 결합하는 것이다.

본 발명의 변형으로, 상기 자화 요소는 영구 자석과 적어도 하나의 강자성 부품으로 구성된다.

결국, 바람직하게는, 측정된 자기장의 성분은 적어도 2 방향 각각 실질적으로 사인 곡선형 방식으로 바뀐다.

일반적으로, 상기 센서는 단일 자화 요소, 바람직하게는 희토(rare earth)류(SmCo, NdFeB) 또는 페라이트(ferrite)류의 영구 자석을 구비하고, 얇고, 필요한 이동 방향과 실질적으로 같은 길이와 폭을 가지며, 자석의 사이즈 이외에 이동에 제한이 없다. 따라서, 이 센서가 단일 지점에서 자기장의 세 가지 성분들을 측정하는 오직 하나의 감자기성 프로브를 사용한다는 사실로 최소한의 공간을 필요로 하게 되고 비용을 절감시킨다. 상기 센서는 매우 확실한 방안을 제시할 수 있게 하기 위해, 에어 갭에서 변화와 기하학적 공차에 대해 민감해지지 않도록 온도와 시간에 따른 자석의 자성 특성의 변화에 자유롭게 하기 위하여 자기장의 성분들 사이의 크기 비를 사용한다. 상기 센서는 어떠한 강자성 부품도 포함하지 않으므로, 마그네틱 히스테리시스가 없고, 동시에 구조적 단순성을 보장한다. 마지막으로, 상기 센서는 매우 높은 정확도로 2 방향 각각에 대해 독립적인 위치 정보를 제공한다.

상기 센서의 기능은 보다 구체적으로 다음과 같다.

M이 감자기성 요소들이 함께 그룹화되고 자기장의 세 가지 성분들을 측정하는 점이라 하면, O'는 자화 요소(1)의 외부 표면의 중점이고 감자기성 요소들이 통합되는 곳에서 프로브(6)와 대향하게 된다. 이 경우 점 O는 2 방향 중 적어도 하나의 방향이 회전하는 경우, O는 회전 중심으로 사용될 수 있다. 따라서, 다음의 벡터 식으로 표현될 수 있다.

벡터

는 일정하고, 오직 자석의 형상에 의존하며, 상기 벡터의 놈(norm)은 타일 또는 구형 자석의 경우에 자석의 외부 반지름에 대응하고, 평행육면체 형 자석의 경우 0이 된다.

벡터

은 일정하고 자석의 두께 방향을 향하게 되고, 다시 말해

가 된다. z0는 주로 자화 요소와 감자기성 요소들을 함께 그룹화된 점 M 사이의 에어 갭(air gap)을 가리킨다.

따라서,

는

와

를 따른 방향으로 가동성 요소의 2 방향에서 감자기성 요소에 대한 자화 요소의 위치를 나타내는 벡터로서 정의된다. 간단하게 하기 위해, 이후 상기 방향들은 X와 Y로 표시될 것이고,

와

에 따른 상대적인 운동에 대응한다.

따라서, 2 방향은 X 방향과 Y 방향은 X 방향과 Y 방향이 길이에 대응하는 경우 두 가지 이동이 될 수 있고, X 방향이 길이에 대응하고 Y 방향이 각도에 대응하는 경우 이동과 회전이 될 수 있으며, 마지막으로 2 방향은 X 방향과 Y 방향이 각도에 대응하는 경우 두 개의 회전이 될 수 있다.

가동성 요소의 두 개의 X 방향과 Y 방향으로 감자기성 요소에 대한 자화 요소의 위치를 결정하기 위하여, 따라서 x축과 y축을 결정할 필요가 있다.

개괄적으로 말하면, 직선형, 원통형 또는 구형 자석에 대해서, 이하에서 두께는 자석의 상부 표면에 수직인 단위 벡터

방향의 자석의 크기에 대응하고, 길이는 자석의 상부 표면에 접하는 벡터

방향의 자석의 크기에 대응하고, 또한 깊이는 자석의 상부 표면에 접하는 벡터

에 직각인 벡터

방향의 자석의 크기에 대응한다. 직선의, 원통형 또는 구형 자석의 경우에, 사용될 수 있는 기준 좌표계 (

,

)로 데카르트 좌표계, 극 좌표계 또는 구형 좌표계가 있다.

제1 실시예에 따르면, 상기 센서는 자기장을 발생시키는 자화 요소(바람직하게는 영구 자석)로 구성되고, 한편으로는 법선방향 성분(

방향에 따르는)과, 다른 한편으로는 접선방향 성분(

방향에 따르는) 및 횡방향 성분(

방향에 따르는)이, 그 표면에서 측정되고, 주기적으로 바뀌며(λx 및 λy로 일컬어지는 참조 물리적 주기들에 따르면), 표면을 따르는 유효한 변화는 하나 이상의 주기들 전체 또는 주기의 일부에 대응할 수 있다.

바람직한 구성에 따르면, 상기 자화 요소는 사용된 이동뿐만 아니라 자화와 실질적으로 같은 길이와 깊이를 가질 수 있고, 상기 자화의 방향은 두 가지 X 방향과 Y 방향에서 실질적으로 선형적으로, 그 두께, 그 길이 및 그 깊이에 대하여 바뀐다.

이것은, 자화 요소의 외부 표면의 어떤 점 A에서, 자화 벡터

과 법선 벡터

사이의 각도, 다시 말해 (

,

), 그리고 자화 벡터

과 상기 벡터

사이의 각도, 다시 말해 (

,

), 는 X 방향으로 선형적으로 바뀌고, 자화 벡터

과 법선 벡터

사이의 각도

,

와 자화 벡터

과 벡터

사이의 각도는 Y방향으로 선형적으로 바뀐다.

상기 자화 요소의 부근에서, 자화로 자기장

이 형성된다. 상기 자기장의 접선방향 성분(Bx), 법선방향 성분(Bn) 및 횡방향 성분(By)은 X 방향과 Y 방향으로 이동하는 주요 부분에 대하여 실질적으로 사인 곡선형을 갖는다.

따라서, 자석의 길이를 Lx, 폭을 Ly, 두께를 Lz, 그리고 자화 요소에 의해 발생된 자기장의 Bx, By, Bz 성분들의 측정 지점을 M(x,y,z₀)라고 할 수 있다.

+/-y_max는 Y 방향으로 측정하고자 하는 최대 이동이고, y_max은 자화 요소의 폭보다 작거나, 같거나 또는 클 수도 있다.

+/-x_max는 X 방향으로 측정하고자 하는 최대 이동이고, x_max은 자화 요소의 길이보다 작거나, 같거나 또는 클 수도 있다.

X와 Y에 따른 위치, 다시 말해 x와 y를 알고자 한다. z₀는 가동성 요소와 고정된 요소 사이의 측정 에어 갭에 대응한다.

자기장의 By 및 Bz 성분은 X 방향을 따라서 같은 상을 갖는 반면, 성분 Bx은 1/4주기까지 벗어난 상을 갖는다. 제1 실시예에서, 자화로 자기장을 형성하고, M(x,y,z₀)에서의 자기장의 성분들을 다음과 같이 표현할 수 있다.

여기서 λx와 λy는 각각의 파장이고, 상기 자기장은 각각 X와 Y 방향을 따라서 상기 파장에 대하여 360도에 거쳐 변화하며, A는 특히 각각의 센서에 대한 0이 아닌 상수이고, 상기 상수는 자화 요소의 표면과 감자기성 요소 사이의 에어 갭뿐만이 아니라 자화 요소의 형상에 의존한다.

바람직한 제1 실시예에 대하여, 상기 자화는 O'에서 자석의 중심에 수직하고, 그에 따라

가 된다. 상기 자화는 예를 들면 X와 Y에 따라서 360도에 거쳐 변화할 수 있다. 이것은 자화가 자화 요소의 폭에 대하여 360 각도로, 자화 요소의 길이에 대하여 360도 각도로 변화한다는 것을 의미하며, 이 경우 λx = Lx와 λy = Ly가 된다. 상기 자화 요소 위의 어떤 점 M(x,y,z₀)에서 다음과 같은 식을 얻을 수 있다:

물론, 자화 요소에 의해 생성된 자기장에 따르면, 파장 λy는 도 4, 도 5 및 도 6에서와 같이 자화 요소의 폭보다 매우 클 수 있고, 여기서 λy는 폭 Ly보다 길게 되고, 이것은 자기장이 자화 요소의 폭에 대하여 360도 이하로 변화한다는 것을 의미한다.

자기장의 성분 Bx, By 및 Bz들이 자화 요소를 둘러싸는 공간에서 어떤 점 M에서 측정된다면, 그로부터 x와 y를 도출하기 위하여 다음의 식을 적용함으로써 X 방향과 Y 방향에서의 위치를 알 수 있다. 세 가지 자화 성분들의 측정은 예를 들면 엠엘엑스90333(MLX90333) 또는 에이치에이엘3625(HAL3625)의 부품들을 사용한 프로브(6)라고 불리는 동일한 패키지에 통합되며, 같은 지점에 위치한 세 개의 감자기성 요소에 의해서 수행될 수 있다.

세 가지 성분들로부터 다음 계산을 할 수 있다(도 9):

Bx, By, Bz는 좌표가 x, y, Z0인 점 M에서 측정된 자기장의 성분들이고, kx와 ky는 상기 성분들을 표준화하기 위해 산출된 자기장의 성분들에 부여된 보정 이득 상수들이다. 상기 계산은 감자기성 요소를 포함하는 단일 부품 내부에서 이루어지거나 프로브 외부의 부품(마이크로컨트롤러(microcontroller), 이씨유(ECU), 등)에 의해서 수행될 수 있다.

하기식들을 적용함으로써 얻어지게 된다:

와

따라서

는 변수 x의 선형 함수이고, 계산에 의한 값은 x값, 즉 자화 요소의 중심 O'에 대하여 점 M의 X 방향 위치를 결정하게 할 수 있다. M은 감자기성 요소가 위치한 점이므로 감자기성 요소에 대한 자화 요소의 상대적인 위치를 알 수 있다. 따라서, X에 따른 상대적인 위치는 온도와 에어 갭에 독립적이 되고, (일반적으로 전체 이동의 1% 이하의)고 정확도로 결정될 수 있다. 그 결과 x=0인 경우 출력은 0과 같아지고, 이것은 슬로프와 원점에서의 종 좌표가 자석 및 그 자화에 의존하기 때문에 프로브(6)의 프로그래밍을 통해 수행되며, 따라서 프로그램 가능하다.

마찬가지로, arctan(ky Bz/By)를 다음 식으로 계산할 수 있다.

와

이것으로 X를 따르는 위치에 대해 앞서 설명한 것과 같이, 감자기성 요소들에 대하여 자화 요소의 Y 방향에서의 상대적인 위치를 도출한다.

결과적으로, 제1 실시예에서 언급한 바와 같은 이러한 자화와 이러한 신호 처리는 같은 점 M에서 측정된 자기장의 세 가지 성분으로부터 감자기성 요소들에 대한 자화 요소의 두 가지 X 방향과 Y 방향에서의 상대적인 위치를 결정할 수 있게 한다.

또한, 동일한 자화로 다음의 후처리 과정을 사용할 수 있다:

및

제2 실시예에 따르면, 본 발명은 자기장을 형성하는 자화 요소(바람직하게는 영구 자석), 한편으로는 (

방향을 따르는) 법선방향 성분, 다른 한편으로는 (

방향을 따르는) 접선방향 성분과 (

방향을 따르는) 횡방향 성분은, 그 표면에서 측정되며, (λx 및 λy라고 불리는 기준 기계적 주기들에 따라서) 주기적으로 바뀌고, 표면을 따르는 유효 변화는 하나 이상의 전체 주기들 또는 주기의 일부에 대응할 수 있다.

제2 실시예에 따르면, 상기 자화 요소는 그 두께와 그 길이에 대하여 2 방향 중 오직 한 방향을 따라서 실질적으로 선형적으로 바뀌는 경우 자화 방향을 가질 수 있다.

이것은, 자화 요소의 어떤 점 A에서 자화 벡터

와 법선 벡터

사이의 각도, 즉 (

,

)과, 자화 벡터

와 벡터

사이의 각도, 즉 (

,

)은 X 방향으로 선형적으로 바뀌나, 자화 벡터

와 벡터

사이의 각도는 Y 방향으로 일정하다.

상기 제2 실시예는 좁은 자화 요소(< 30 mm 또는 각도의 측면에서 수평한)를 필요로 한다. 상기 자화 요소의 부근에서 자화로 자기장을 생성하고, 자석에 대한 상기 자기장의 접선방향 성분 (Bx), 법선방향 성분 (Bn) 및 횡방향 성분 (By)은 이동의 주된 부분에 대하여 실질적으로 사인 곡선형이며 제1 실시예의 성분들과 같은 형태가 된다. 좁은 자석은, 에지 효과에 대해 장점을 갖게 함으로써, 전체 방향이 아닌 Y 방향으로 변화하는 M에서의 자기장을 얻을 수 있게 하고, 상기 자화 요소는 상기 Y 방향으로 가변적 자화를 갖게 된다.

바람직한 제2 실시예에 대하여, 자화는 O'에서 자석의 중심에서 법선, 접선 또는 다른 것일 수 있고, 그에 따라 Φ=[0;2π]인 경우, 자화는 X 방향으로 360도에 걸쳐서 변화할 수 있으나, Y 방향에서 180 이하로 변화할 것이다, 그에 따라 예를 들면 λx = Lx와 λy = 2Ly이 된다.

그러면, 자화 요소 위의 어떤 점 M(x,y,z₀)에서 다음과 같아진다:

제1 실시예에서와 같은 방식으로 atan(kxBz/Bx)와 atan(kyBz/By)를 계산할 수 있고, 따라서:

을 얻을 수 있고, 이 식의 결과는 2π에서부터 이동 길이 Lx 에 대하여 바뀔 수 있고,

는, 이 식의 결과는 이동 거리 Ly에 대하여 오직 π까지 바뀔 수 있다.

또한, 이 실시예에서, 이 위치를 알기 위하여 X 방향에 따른 위치를 결정하기 위하여 아크탄젠트를 계산할 수 있고, Y에 따른 위치로부터 도출하기 위하여 오직 By 성분의 값을 사용할 수 있다. 그러나 이 후처리 과정은 직접적으로 성분을 사용한다는 단점이 있으며, 이것은 이 방안은 에어 갭 z₀에서의 변화와 온도에 대하여 민감해 질 수 있다는 것을 의미하나, 기어 박스 제품에 대하여 주어진 범위에 대하여 오직 6 개 또는 7 개의 기어들을 알 필요가 있는 경우와 중간 위치를 알 필요가 없는 경우에서와 같이 결정된 몇 개의 분리된 위치가 있는 경우에 매우 적합하다.

제3 실시예에 따르면, 자석은 자화를 갖고, 상기 자화의 방향은 일정하고 상기 자화에 대해 자화 요소의 어떤 점에서의 자화 벡터

는

,

또는

와 동일 선상에 있고, 다시 말해 자화는 자화 요소의 두께, 길이 또는 폭을 따라서 생성된다. 한편, 상기 자화 요소는 두 가지 X 방향과 Y 방향을 따라서 대략 사인 곡선형으로 변화하는 두께를 가질 수 있다. 일정한 자화를 갖고 결합 된 반 주기에 걸친 두께에서의 대략 사인 곡선형 변화는 자석 위에 자기장을 형성하고, 상기 자기장의 성분들은 실질적으로 사인 곡선형이고 제1 실시예에서 상술한 경우와 유사한 방식으로 표현된다. 상기 제3 실시예에 따르면, 상기 자화 요소에 의해 생성된 자기장은 오직 X 방향과 Y 방향에서 대략 180도의 각도로 변화할 것이고, 이것으로 λx= 2Lx 와 λy = 2Ly가 된다. x와 y를 결정하기 위한 두 개의 성분들의 처리 과정은 제1 실시예와 동일할 것이다.

제 4 실시예에 따르면, 상기 자화 요소는 자화를 갖고, 상기 자화의 방향은 일정하고, 상기 자화에 대하여 어떤 점에서의 자화 벡터

는

,

또는

와 동일선 상이 있고, 다시 말해 자화는 자화 요소의 두께, 길이 또는 폭에 따라서 이루어진다. 한편, 자화 요소는 두 가지 X 방향과 Y 방향 중에서 오직 한 방향을 따라서 대략 사인 곡선형으로 바뀌는 두께를 가질 수 있다. 제4 실시예는 자화 요소의 부근에서 상기 자화로 자기장을 생성하도록 얇은 자석(<30 mm이거나 각도 측면에서 평행한)을 필요로 하고, 자석에 대한 접선방향 성분(Bx), 법선방향 성분(Bn) 및 횡방향 성분(By)은 실질적으로 사인 곡선형이며, 이동하는 주요 부분에 대하여, 그리고 제1 실시예의 성분들과 같은 형태이다. 좁은 자화 요소는, 에지 효과에 대한 장점을 갖도록, 전부가 아닌 Y방향으로 바뀌는 자기장을 얻을 수 있게 하고, 상기 자화 요소는 그 두께를 Y 방향으로 바꿀 필요가 있다.

제3 실시예와 같은 방식으로, 상기 자화 요소에 의해 생성된 자기장은 X 방향과 Y 방향으로 오직 대략 180도까지 회전하며, 이것으로 예를 들면 λx = 2Lx 와 λy = 2Ly가 된다. 위치 x와 y를 결정하기 위한 상기 성분들의 처리 과정은 제1 실시예에서와 동일하다.

제5 실시예에 따르면, 상기 자화 요소는 그 두께 및 그 길이에 대하여 2 방향 중 오직 한 가지 방향으로 실질적으로 선형적으로 바뀌는 자화 방향을 가질 수 있다.

이것은, 자화 요소의 어떤 점 A에서, 자화 벡터

또는

과 법선 벡터 사이의 각도(

,

), 즉

과 자화 벡터

와 상기 벡터 사이의 각도, 즉 (,

)는 X 방향에서 선형적으로 바뀌나, 자화 벡터

과 벡터

는 Y 방향으로 일정하다는 것을 의미한다.

또한, 제2 실시예와는 다르게, 상기 자화 요소는 2 방향 중 하나의 오직 Y 방향을 따른 두께의 변화를 포함하고, 계단 형상의 불연속 함수에 따라서 바뀐다.

이 경우, 자기장의 오직 Bx 성분과 Bx 성분을 사용하여 다음의 후처리 과정을 수행한다:

및

계단 형태에서 자석이 있기 때문에, 상기 각도의 계산은 X를 따르는 선형적 위치에 대한 매우 정확한 정보를 제공할 수 있고, 절대 값은 Y 방향에서 대략적인 위치 정보를 제공한다. 그러나 이 방안은 엠엘엑스90316(MLX90316) 등과 같은 오직 두 개의 측정가능한 성분들을 갖는 프로브를 갖는 경우에 매우 유용할 수 있고, Y 방향을 따르는 위치를 분할하는 것이 가능해진다. 자석이 Y 방향을 따라서 갖고 있는 계단의 수는 일반적으로 우리가 분할할 수 있는 위치의 수에 대응한다. 이 실시예에서 예를 들면 기어 박스 제품의 식별 기어(discriminating gear)에 적용될 수 있다.

제6 실시예에 따르면, 상기 자화 요소는 배타적이지 않고, 바람직하게는 그 두께 방향을 따라서 일정한 자화 방향을 갖는다. 이것은 자석의 어떤 점에서의 자화 벡터

가

과 동일선상에 있다는 것을 의미한다.

한편, 자화 벡터의 진폭은 2 방향 중 하나 이상의 방향을 따라서 선형적으로 바뀐다. 이것은 자화 요소의 어떤 점 A에서, 자화 벡터

는 자석의 두께 방향을 향하도록 배치되나, 상기 벡터의 진폭은 그 방향 X 및 방향 Y 중 하나 이상의 방향을 따라서 사인 곡선형으로 바뀌는 것을 의미한다.

따라서:

및

이 되고,

A1과 A2는 자화 요소에 따라서 일정하다_.

제7 실시예에 따르면, 적어도 하나의 방향이 회전하는 경우(Y 방향이 될 수도 있음)에 적용될 수 있고, 본 발명은 타일 형태의 자화 요소로 이루어진다. 상기 실시예에 따르면, 상기 자화 요소는 자화 방향이 오직 그 두께에 대한 회전 방향인 Y 방향을 따라서 선형적으로 바뀌는 직경방향 자화를 가질 것이다.

이것은, 자화 요소의 어떤 점 A에서, 자화 벡터 과 법선 벡터

사이의 각도, 즉 (

,

)과 회전 방향인 Y 방향으로 선형적으로 바뀌고, 자화 벡터

와 벡터

사이의 각도, 즉 (

,

)는 X 방향으로 일정하며, X 방향은 이동 방향이 된다는 것을 의미한다. 또한 도 19에 도시된 바와 같이 직경방향 자화는 자화 요소

에 각 점 A에서 자화 벡터

이 동일 선상에 있다는 것을 의미한다.

상기 실시예는 자화 요소의 부근에서 상기 자화로 자기장을 형성하도록 짧은 자화 요소(< 30 mm 또는 각도 측면에서 평행한)를 필요로 하며, 자석에 대한 상기 자기장의 접선 방향 성분(Bx), 법선 방향 성분(Bn) 및 횡방향 성분(By)은 이동하는 주요 부분에 대하여 실질적으로 사인 곡선형이고, 제1 실시예의 성분들과 같은 형태가 된다. 짧은 자화 요소는, 에지 효과에 대한 장점에 의해, 전체 방향이 아닌 X 방향으로 바뀌는 M에서의 자기장을 얻을 수 있게 하고, 이 방향에서 가변적인 자화를 갖는 자화 요소를 얻을 수 있게 한다.

바람직한 실시예에 따르면, 상기 자화는 자석의 중심인 O'에서 법선, 접선 또는 다른 방향일 수 있고, 따라서 이 경우

라는 것을 얻을 수 있고, 상기 자화는 대략 자석 타일의 각도만큼 변화한다. 즉, 90도의 타일을 갖는 경우, 상기 타일에 의하여 생성된 자기장의 성분은 대략 90도의 각도까지 변화한다.

제8 실시예에 따르면, 상기 자화 요소는 유효 이동들뿐만이 아니라 자화에 실질적으로 인접하는 길이와 깊이를 갖고, 상기 자화의 방향은 2 방향으로 불연속적으로 바뀐다.

자화 요소의 어떤 점 A에서, 자화 벡터

과 법선 벡터

사이의 각도, 즉 (

,

)은 X 방향 또는 도 20과 같이 X방향과 Y 방향에서 0도에서 180도 사이에서 번갈아가며 있게 된다.

자화 요소의 부근에서, 상기 자화는 자기장

을 형성하고, 자석에 대한 상기 자기장의 접선 방향 성분(Bx), 법선방향 성분(Bn) 및 횡방향 성분(By)은 X 방향과 Y 방향에서 이동하는 주요 부분에서 실질적으로 사인 곡선형이 되고, 제1 실시예와 같은 후처리 과정에 성분들을 적용함에 의해, 두 가지 X 방향과 Y 방향에서 감자기성 요소에 대한 자화 요소의 위치를 도출할 수 있다.

물론, 상기 실시예들은 비제한적인 것이며 다른 자화 또는 자석 형상 구조가 가능하다.

본 발명은 다음의 도면들을 참고로 다음의 상세한 설명을 읽음으로써 더욱 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 종래 기술을 나타낸다.
도 2a, 도 2b 및 도 2c는 자화 요소와 이에 결합된 참조 프레임의 다양한 기하학적 형태를 나타낸다.
도 3은 센서가 평행육면체 자화 요소와 프로브로 구성된 실시예를 나타낸다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따라 자화된 상태에서 얻어진 자기장의 Bx 성분을 나타낸다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 자화된 상태에서 얻어지는 자기장의 Bz 성분을 나타낸다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 자화된 상태에서 얻어지는 자기장의 By 성분을 나타낸다.
도 7은 몇 개의 위치 y에 대해, 자기장의 By 성분의 X 축에 따른 변화를 나타낸다.
도 8은 2 방향에서 두 가지 위치로부터 자기장을 도출하기 위한 자기장을 처리 과정을 나타낸다.
도 9a, 도 9b 및 도 9c는 X와 Y를 따라서 움직이는 물체의 위치 x 및 y 를 결정하기 위한 Bx, By, Bz 성분들의 후처리를 위한 다양한 알고리즘을 나타낸다.
도 10은 Y 방향에 따른 위치에 독립한 X 방향에 따른 위치를 결정할 수 있게 하는 본 발명의 일 실시예에 따른 출력 신호를 나타낸다.
도 11은 X 방향에 따른 위치에 독립한 Y 방향에 따른 위치를 결정할 수 있게 하는 본 발명의 일 실시예에 따른 출력 신호를 나타낸다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 몇 가지 방향에서 사인 곡선형으로 자화된 일정 두께의 직선형 자화 요소의 평면도이다.
도 13은 X 방향으로 회전하고, Y 방향으로 이동하는 몇 개의 방향에서 사인 곡선형으로 자화된 일정 두께의 자화 타일 요소의 사시도이다.
도 14는 본 발명의 일 실시예에 따라서 X 방향에서의 연속 사인 곡선형으로 자화된 일정한 두께의 얇은 직선형 자화 요소를 나타낸다.
도 15는 몇 개의 방향을 따라서 유사-사인 곡선형으로 두께가 변화하고 실질적으로 두께 방향으로 자화된 원형 자화 요소를 나타낸다.
도 16은 X 방향에서 두께가 유사-사인 곡선형으로 변화하고 실질적으로 그 두께 방향으로 자화된 직선형 자화 요소를 나타낸다.
도 17은 Y 방향으로 불연속적으로 그 두께가 변화하고 X 방향으로 사인 곡선형으로 자화된 자석을 나타낸다.
도 18은 두께가 일정하고 그 두께 방향으로 자화되나, X 방향으로 사인 곡선형 진폭을 갖는 자화 요소의 측면도와 평면도이다.
도 19는 X 방향으로 화전하고 Y 방향으로 이동하며, 직경 방향으로 자화된 일정 두께의 타일 자화 요소의 사시도이다.
도 20은 X 방향과 Y 방향에서 북-남 방향으로 번갈아가며 자화된 일정 두께의 타원형 자화 요소의 단면도와 사시도이다.
도 21은 X 방향으로 연속 사인 곡선형으로 자화된 일정 두께의 좁은 직선형 자화 요소와 에지(edge) 효과를 줄이기 위해 자화 요소에 연결된 강자성 부품을 나타내는 도면이다.

도 1은 두 개의 회전 각도를 측정하게 할 수 있는 종래 기술의 방법을 나타낸다. 이 경우, 자기장의 세 가지 성분이 두 개의 회전 각도를 결정하는 데에 사용된다. 사용된 자석은 일정 두께의 원통형이고 오직 그 두께 방향으로 자화된다. 이러한 특정 구조에서 두께 방향으로 일정하게 자화되는 것은 약 30도보다 큰 각도를 측정하기에 적합하지 않기 때문에 오직 매우 작은 이동 거리에 대하여 두 가지 각도를 측정하기 위한 것이다.

도 2a, 도 2b 및 도 2c는 각각 회전 및 이동(도 2a), 두 번의 이동(도 2b) 및 두 번의 회전(도 2c)에서 프로브(6)에 대한 자화 요소(1)의 위치(x, y)를 결정하기 위해 본 실시예에서 사용된 자화 요소(1)들과 프로브(6)들을 나타내는 사시도, 정면도 및 측면도이다.

본 발명의 어떠한 실시 예든지, 프로브(6)는 자화 요소(1)에 대하여 움직이고, 운동 표면에 수직인 축에 대하여 회전하지 않고 운동 표면에 존재한다.

또한, 도 2a, 도 2b, 도 2c, 도 3 내지 도 6, 도 10 내지 도 14 및 도 18 내지 도 21의 실시예에 있어서, 자화 요소(1)의 상부 표면으로부터 프로브의 운동 표면이 떨어진 거리는 일정하다.

결과적으로, 프로브(6)의 운동 표면은 도 2a, 도 13 및 도 19의 실시예에서 자화 요소(1)의 원통형 상부 표면과 동축인 원통 부와, 도 2b, 도 3 내지 도 6, 도 10 내지 도 12, 도 14, 도 18 및 도 20 내지 도 21의 실시예에서 자화 요소(1)의 평판형 상부 표면에 평행한 평면 부, 및 도 2c의 실시예에서 자화 요소(1)의 구형 상부 표면과 동심인 구형 부로 구성된다.

한편, 도 15 및 도 16의 실시예에서, 프로브(6)는 자화 요소(1)의 중앙 평면에 평행한 평면으로 구성되는 운동 표면에서 움직이고, 프로브(6)와 자화 요소(1)의 비-평판형 상부 표면 사이의 거리는 도 15의 실시예에서 X 방향과 Y 방향으로, 도 16의 실시예에서 X 방향으로, 양수 범위 내에서, 각각 프로브(6)와 자화 요소(1)의 상대적인 위치들의 사인 곡선 함수로서 변화한다.

마찬가지로, 도 17의 실시예에서, 프로브는 자화 요소(1)의 고정된 평면에 평행한 평면으로 구성된 운동 표면에서 움직이고, 자화 요소(1)의 비-평판형 상부 표면과 프로브(6) 사이의 거리는, 양수 범위 내에서, Y 방향으로 자화 요소(1)와 프로브(6)의 상대적인 위치들의 유사-사인 곡선 함수(pseudo-sinusoidal function)로서 변화한다.

회전 방향의 경우 O는 회전 중심이고, O'는 자화 요소의 외부 표면의 가운데이며,

는 2 방향으로 이동하는 경우 0 이나, 자화 요소의 외부 반지름이 R_ext 인 다른 경우에

이다_. M은 감자기성 요소들이 프로브(6)로 함께 그룹화된 점이고, A는 자화 요소(1)의 외부 표면의 법선 벡터

에 따른 M의 사영이다.

은 다양한 점 O', A 및 M의 위치를 정의하기 위해 사용된 기준 좌표계이다. 도 2a, 도 2b 및 도 2c의 실시예에서의, 기준 좌표계는 각각 원통 좌표계, 데카르트(Cartesian) 좌표계 및 구형 좌표계이고,

은 표면의 점에서의 법선 벡터이고,

,

은 같은 점에서 상기 표면에 접하는 벡터들이다. 따라서, 벡터

은 A에서 벡터

과 동일선 상에 있고, 그 놈(norm)은 센서의 상수인 측정 에어 갭 Z0에 대응한다. 도 2a, 도 2b 및 도 2c는

인 것을 지칭한다_.따라서, 본 발명의 목적은 즉 벡터 두 가지

,

방향으로 프로브(6)의 감자기성 요소(2, 3)들에 대한 자화 요소(1)의 위치를 결정하여 한 쌍의 (X, Y)를 결정하는 것이다.

도 2a, 도 2b, 도 2c에서, 기준 좌표계

,

과 관련하여 자화 요소(1)의 크기는 각 구조에 대하여 정의된다. 도 2a의 실시예에 있어서, 각각의 직선 길이, 각도 크기 및 두께가 문제가 된다. 도 2b의 실시예에서, 각각의 길이, 폭 및 두께가 문제가 된다. 도 2c의 실시예예서, 각각의 제1 각도의 크기, 제2 각도의 크기 및 두께가 문제가 된다.

도 3은 프로브(6)에 대하여 요소(1)의 X 방향과 Y 방향의 위치 (x, y)를 도출하기 위하여 자화 요소(1)에 의해 형성된 자기장의 세 가지 성분 (Bx, By, Bz)을 M(x,y,z0)에서 측정할 수 있는 프로브(6)와, 중심 O(0,0,0), 길이 Lx 및 폭 Ly인 평행 육면체형 자화 요소(1)로 구성된 센서가 형성된 실시예의 평면도를 도시한다. 자화 요소(1)의 X 방향에 따른 이동은 (2xmax)이고, y에 따른 이동은 (2ymax)이고, 2xmax와 2ymax는 각각 실질적으로 Lx 및 Ly와 같다.

도 4는 자화 요소(1), 프로브(6) 및 본 발명에 의해 설명되는 실시예들 중 하나에 따른 자화 요소(1)의 자화로 얻어지는 어떤 점 M(x,y,z0)에서 및 주어진 측정 에어 갭 zo에서 자기장의 Bx 성분을 나타낸다. 이 경우, 자화 요소(1)는 자기장의 Bx 성분을 생성하고, 상기 자기장의 Bx 성분은

가 되도록 그 두 가지 X방향과 Y방향으로 사인 곡선형으로 변화한다.

도 5는 상술한 도면과 같은 구성으로, 어떤 점(x, y)와 에어 갭 zo에서의 자기장의 성분 Bz를 나타내고,

로 표현될 수 있다.

도 6은, 앞선 두 가지 도면에서와 같은 구성으로, 측정 에어 갭 Zo을 갖는 어떤 점(x, y)에서의 자기장의 Bz 성분을 나타내고,

으로 표현될 수 있다.

도 7은 주어진 에어 갭 z0을 갖는 다양한 Ys에 따른 8개 위치들에 대하여, 본 발명의 일 실시예에 있어서 자화 요소(1)에 의해 생성된 자기장의 By 성분(가우스 단위)의 X 방향에서 따른 변화(mm 단위)를 나타낸다. 이 경우 xmax=10, ymax=4, Bymax=400, phi=0, λ4=20, λ2=4 그리고 A = z0이다.

도 8은 자화 요소(1)에 의해 생성되고 프로브(6)에 의해 측정된 자기장 B의 처리 과정을 나타내며, 상기 프로브(6)는 같은 지점에 위치한 둘 이상의 감자기성 요소(2, 3)로 자기장의 세 가지 성분을 측정할 수 있다. 일단 세 가지 성분들이 얻어지면, 처리 회로(5)는 성분들의 대수적 조합들과, 각도의 계산 및 절대 값으로부터 프로브에 대한 자화 요소의 X와 Y에 따른 위치를 결정할 수 있다. 처리 회로(5)는 프로브(6)에 합쳐질 수 있거나, 마이크로컨트롤러(microcontroller) 또는 이씨유(ECU)를 통하여 외부에서 처리될 수 있다.

도 9a, 도 9b, 도 9c는 자화 요소와 선택된 자화의 유형에 따라서, X와 Y를 따라서 프로브(6)에 대한 자화 요소의 위치를 결정하기 위하여 Bx, By, Bz 성분들의 후처리(postprocessing) 과정을 위한 다른 알고리즘을 나타낸다. 도 9a는 위치 x와 y를 결정하기 위하여 Atan(K1Bx/Bz)와 Atan (K2By/Bz)를 계산함으로써 자기장의 세 가지 성분을 어떻게 사용하는지 나타낸다. 도 9b는 위치 x와 y를 결정하기 위하여 오직 Atan(K1Bx/Bz)와 (root(Bx^2+Bz^2))의 절대 값을 계산함으로써 자기장의 두 가지 성분을 어떻게 사용하는 지를 나타낸다. 도 9c는 위치 x와 y를 결정하기 위하여 Atan(root((K1Bz)^2+(K2By)^2)/Bx)와 Atan(root((K1Bz)^2+(K2Bx) ^2)/By)를 계산함으로써 자기장의 세 가지 성분들을 어떻게 사용하는 지를 나타낸다.

도 10은 도 9a에 따른 처리 과정을 사용하여 도 4 및 도 5에 도시된 바와 같은 자기장의 Bx 성분과 Bz 성분으로부터 Y 방향에 따른 위치에 독립적으로 X 방향에 따른 위치를 결정하게 할 수 있는 본 발명의 일 실시예에 따른 출력 신호를 나타낸다. 출력 신호는 (Kx*Bx/Bz)의 아크탄젠트를 계산함으로써 얻어질 수 있고, 상기 아크탄젠트의 계산은 상기 측정 에어 갭 z0에 관계없이, Y 방향에 독립적인 X 방향에 따른 선형 출력 신호를 제공하고, X 방향에서의 프로브(6)에 대한 자화 요소(1)의 위치를 결정하게 할 수 있다.

같은 원리로, 도 11은 X 방향에 따른 위치에 독립적으로 Y 방향에 따른 위치를 결정하게 할 수 있는 출력 신호를 나타낸다. 상기 출력 신호는 (Ky*By/Bz)의 아크탄젠트를 계산으로써 얻어질 수 있고, X 방향에 독립적인 Y 방향에 따른 선형 출력 신호를 제공하고, 측정 에어 갭 z0에 관계없이, 두 번째, Y 방향에서의 프로브(2)에 대한 자화 요소(1)의 위치를 결정하게 할 수 있다.

도 12는 자화되고 일정 두께의 직선 자화 요소(1)를 나타내며, 벡터

으로 표현되고, 상기 직선 자화 요소의 방향은 X방향, Y방향 및 이들에 수직인 방향인, 즉 Z 방향의 운동의 조합에 의해 정의된 평면들에서 몇 개의 방향으로 선형적으로 바뀐다. 다음의 모든 도면들과 본 도면에서, 자화 요소(1)에서 실선 화살표는 도 2b에서 정의된 기준 좌표계의

,

또는

축에 따른 자화 방향을 나타내고, 점이 찍혀진 원은 나오는 자화방향을 나타내고, 십자모양의 원은 들어가는 자화 방향을 나타낸다. 알 수 있듯이, 따라서 자화 요소(1)에서 정의된 자속선들은 동일 선상에 있지 않으며(non-colinear), 이것은 본 발명의 기본 원리들 중 하나를 구성하고 도 4, 도 5 또는 도 6에서와 같은 자기장의 성분들을 생성할 수 있게 하고, phi=pi/2을 갖고, 자화 요소의 크기에는 무관하다.

도 13은 벡터

으로 표시된 자화를 갖는 일정 두께의 타일 자석(1)의 사시도이다. 상기 자화의 방향은 X 방향, Y 방향 및 이들에 수직한 방향, 즉 Z 방향의 운동 방향들의 조합에 의해 정의된 평면에서 몇 개의 방향으로 선형적으로 바뀐다. 도시된 바와 같이, 따라서 자화 요소(1)에 의해 정의된 자속선은 동일선 상에 있지 않으며(non-colinear), 도 4와 같은 자기장의 성분들을 생성하게 할 수 있는 본 발명의 기본 원리 중 하나를 구성하고, 한편 phi=pi/2이고, 자화 요소의 크기에는 무관하다. 이 경우, X 방향은 회전 방향이고 Y 방향은 이동 방향이다.

도 14는 일정 두께의 직선형 자화 요소(1)에 적용된 실시예를 나타낸다. 특정한 실시예에 따르면, 상기 자화 요소(1)는 벡터

으로 표시되는 자화를 갖고, 상기 자화 방향은 상기 Z 방향에 수직 하는 운동 방향인 X 방향으로 정의되는 평면에서 자화 요소의 길이 방향으로 선형적으로 변화한다. 도시된 바와 같이, 자기장에서 자속선은 동일선상에 있지 않으며, 이는 본 발명의 기본 원리들 중 하나를 구성하며, 자화 요소의 폭 Ly이 작은 경우 도 4, 도 5 및 도 6과 같은 자기장의 성분들을 생성할 수 있다.

도 15는 그 반경을 따라서 유사-사인 곡선형으로 두께가 변화하고, 실질적으로 두께 방향(Z 방향)으로 자화된 원형 자석(1)을 나타낸다. 이 실시예에서는 자석의 크기에 무관하게 자기장을 생성할 수 있고, 그 결과는 다음과 같다:

- Bx(x,y,z0)= BxMAX * cos(2pi/λp*x +phi)* cos(2pi/λx*y)*A/z0

- By(x,y,z0)= ByMAX * sin(2pi/λp*x +phi)* sin(2pi/λ*y)*A/z0

- Bz(x,y,z0)= BzMAX * sin(2pi/λp*x +phi)* cos(2pi/λ*y)*A/z0

여기서 phi=pi/2이고, λu = xmax이며, λe = ymax이다.

처리 회로(5)에 의해서 수행된 KxBx/Bz 또는 KyBy/Bz의 아크탄젠트 계산은 선형 신호를 제공하고 두 개의 X 축과 Y 축에 따라서 프로브에 대한 자석의 위치 정보를 제공한다.

도 16은 자화를 갖는 자화 요소(1)를 나타내고, 상기 자화의 방향은 실질적으로 그 두께 방향을 향하고 상기 자화 요소의 두께는 유사-사인 곡선형으로 변화한다. 이 실시예에 따르면, 자화 요소의 폭 Ly가 작다면, 측정된 성분들의 자기장은 다음과 같고,

- Bx(x,y,z0)= BxMAX * cos(2pi/λp*x +phi)* cos(2pi/λx*y)*A/z0

- By(x,y,z0)= ByMAX * sin(2pi/λp*x +phi)* sin(2pi/λ*y)*A/z0

- Bx(x,y,z0)= BzMAX * sin(2pi/λp*x +phi)* cos(2pi/λ*y)*A/z0

여기서 phi = pi/2이고, λh = xmax이며, λe = ymax가 된다.

처리 회로(5)에 의해 수행된 KxBx/Bz 또는 KyBy/Bz의 아크탄젠트 계산은 두 개의 X축과 Y축을 따라 프로브(6)에 대한 자석(1)의 위치 정보를 제공하고 선형 신호를 제공한다.

도 17은 그 두께가 Y 방향을 따라서 불연속적으로 변화하고, X 방향을 따라서 사인 곡선형 자화를 갖는 자석(1)을 나타낸다. 자화 요소와 프로브(6) 사이의 큰 에어 갭에서 자기장의 성분들은 다시 연속적이 되며, 두 가지 X 방향과 Y 방향으로 프로브(6)에 대한 자화 요소(1)의 위치를 도출하기 위해 KxBx/Bz의 아크탄젠트와 (Bx + Bz)의 절대 값을 계산할 수 있다.

도 18은 그 두께가 일정하고, 그 두께 방향으로 자화되며, 상기 자화의 진폭이 X 방향에서 사인 곡선형인 자화 요소(1)의 측면도와 평면도이다. 이 경우 자화 요소(1)에 관해 비등방성(anisotropic) 자석의 사용이 적절하다. 두께 방향으로 비등방성으로 고 잔류 유도를 갖는 자석을 구비하게 할 수 있다. 이 경우, Y 방향에서 자화의 변화가 없다는 것을 고려해 볼 때, 비등방성 자석이 좁은 경우 에지 효과로부터 이점을 갖는 기능이 있다.

도 19는 X 방향으로 회전하고 Y 방향으로 이동하는 경우 직경 방향 자화되고 일정 두께로 자화된 타일 요소(1)를 나타내는 사시도이다. 상기 직경 방향 자화는 X 방향의 경우에 두께에 대하여 가변적 자화 방향에 잘 대응된다. Y 방향에서 자화의 변화가 없다는 것을 고려해 볼 때, 자화 요소(1)가 좁은 경우 에지 효과에 대하여 작용하는 기능을 한다. 또한, 이 경우에, 전혀 다른 비등방성 자석을 사용할 수 있다.

도 20은 X 축과 Y 축을 따라서 북쪽과 남쪽으로 번갈아가며 자화되고, Z축 방향의 불연속적인 자화를 갖는 일정 두께의 타원형 자화 요소(2)의 단면도 및 사시도이다. 상기 자화는 도 4, 도 5 및 도 6에 도시된 바와 같이 자기장의 성분 Bx, By, Bz들로부터 자화 요소(1)의 특정 간격을 야기한다.

도 21은 일정 두께의 직선형 자화 요소(1)에 적용된 자화의 일 실시예를 나타낸다. 상기 특정 실시예에 따르면, 상기 자화 요소(1)는 (벡터

으로 표시되는) 자화를 갖고, 상기 자화 방향은 상기 Z 방향에 수직인 운동 방향인 X 방향에 으로 정의된 평면에서 자석의 길이 방향을 따라 선형적으로 바뀐다. 상기 자화 요소는 또한, X 방향에서 에지 효과를 줄이고 자화 요소(1)에 의해 생성된 자기장을 보강하기 위해 강자성 부분(7)이 부가된다.

본 명세서를 읽음으로써, 당업자에 의하여 이해될 수 있는 바와 같이, 본 발명은 프로브의 운동이 두 개의 운동 방향 중 적어도 제1 방향으로 큰 진폭을 갖는 경우를 포함하고, 자화 요소(1)에 대하여 가변적인 프로브(6)의 바이디렉셔널 위치를 결정하게 할 수 있는 마그네틱 위치 센서에 관한 것이다.

이를 위해, 본 발명은 3개의 원리의 세트로부터 선택된 하나 이상의 원리를 사용할 수 있다.

제1 원리는, 바이디렉셔널 운동의 두 개의 차원 각각 또는 첫 번째 차원에서 프로브의 위치를 결정하는 데 적용될 수 있으며, 두 개의 차원 각각 또는 제1 차원에 각각 적어도 대략 사인 곡선형인 자기장을 생성하는 자화를 갖는 자화 요소를 제공하는 것으로 구성된다.

제2 원리는, 오직 제2 차원의 바이디렉셔널 운동에서 프로브의 위치를 결정하는 데에 그리고 오직 제2 차원에서 운동의 진폭이 한정된 경우 적용될 수 있으며, 이 차원에서 프로브의 위치를 측정하고 에지 효과의 장점에 의하여 자화 요소에 의해 생성된 대략적인 사인 곡선형 자기장의 측정을 사용하는 것으로 구성된다.

제3 원리는, 바이디렉셔널 운동의 두 가지 차원 각각 또는 제1 차원에서 프로브의 위치를 결정하는 데에 적용될 수 있고, 바이디렉셔널 운동의 두 가지 차원 각각 또는 제1 차원에서 일정한 자화 방향을 갖는 자화 요소에 의해 생성된 가변적 강도의 자기장의 측정을 사용하면서 그 각각 또는 제1 차원에서 프로브의 위치를 측정하는 것을 포함한다.

상기 제3 원리는 그 자체로 두 가지 다른 모드에서 따라서 실행될 수 있다.

제1 모드에서, 예를 들면 도 15 및 도 17을 참조하여 설명하면, 프로브(6)와 자화 요소(1)의 상부 표면 사이의 거리가 두 가지 차원 각각 또는 첫 번째 차원에서 프로브의 위치에 따라서 변화하도록, 자화 요소의 상부 표면이 움직임의 두 가지 차원 각각 또는 첫 번째 차원으로 사인 곡선형태 또는 유사-사인 곡선형태를 갖게 하는 것을 포함한다.

제2 모드는, 예를 들어 도 18을 참조하여 설명하면, 움직임의 두 가지 차원 중 하나의 차원에서 강도가 변화하는 자화를 갖는 자화 요소를 제공하는 것으로 구성된다.

Claims

둘 이상 방향의 마그네틱 위치 센서로서,
하나 이상의 자화 요소(1)와 둘 이상의 감자기성 요소(2, 3)를 포함하는 프로브(6)를 포함하고, 상기 감자기성 요소들은 상기 자화 요소(1)에 의해 생성된 자기장의 성분들 중 하나를 각각 측정하고 실질적으로 같은 지점에 위치하며,
상기 자화 요소는 상기 감자기성 요소(2, 3)들에 대하여 움직일 수 있고,
2 방향에서 각각 가동성 요소들의 위치를 나타내는 둘 이상의 독립적 신호를 공급하여 자기장의 성분들의 대수적 조합으로부터 각도와 절대 값을 계산할 수 있는 하나 이상의 처리 회로(5)를 포함하며,
상기 자화 요소(1)의 자화 벡터는 상기 자화 요소의 차원들 중 적어도 하나인 제1 차원에서 프로브(6)에 대향되게 배치된 자화 요소의 표면에 수직인 벡터에 대하여 가변적이 되어, 상기 제1 차원에서 상기 자화 요소(1)에 마주하는 상기 프로브(6)의 고유 위치를 도출하는 것을 특징으로 하는 마그네틱 위치 센서.
제 1 항에 있어서,
상기 자화 요소의 상기 자화 벡터의 방향은 상기 자화 요소의 하나 이상의 차원에서 가변적인 것을 특징으로 하는 마그네틱 위치 센서.
제 2 항에 있어서,
상기 자화 벡터의 방향은 측정된 움직임에 걸쳐 몇 개의 주기를 갖는 것을 특징으로 하는 마그네틱 위치 센서.
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 자화 요소의 차원 중 하나는 수직 벡터의 방향의 변화를 야기하는 2 방향 중 하나 이상의 방향에서 가변적인 것을 특징으로 하는 마그네틱 위치 센서.
제 4 항에 있어서,
상기 차원은 불연속 함수에 따라서 바뀌는 것을 특징으로 하는 마그네틱 위치 센서.
제 4 항에 있어서,
상기 자화 요소의 차원은 실질적으로 사인 함수에 따라서 바뀌는 것을 특징으로 하는 마그네틱 위치 센서.
제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 자화 요소의 상기 자화 벡터의 진폭은 2 방향 중 적어도 한 방향에서 가변적인 것을 특징으로 하는 마그네틱 위치 센서.
제 1 항에 있어서,
상기 자화 벡터의 방향은 일정하고 그 진폭은 2 방향 중 하나 이상의 방향에서 사인파 형태로 변화하는 것을 특징으로 하는 마그네틱 위치 센서.
제 1 항에 있어서,
상기 자화 요소의 상기 자화 벡터는 2 방향 중 하나 이상의 방향에서 한 번 이상 번갈아가며 바뀌는 것을 특징으로 하는 마그네틱 위치 센서.
제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 신호 처리 회로는 두 번 이상의 아크탄젠트 계산을 하는 것을 특징으로 하는 마그네틱 위치 센서.
제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 신호 처리 회로는 한 번 이상의 아크탄젠트 계산과 한 번의 절대 값 계산을 하는 것을 특징으로 하는 마그네틱 위치 센서.
제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
하나 이상의 방향에서 위치의 계산은 두 개의 자기장 성분 사이에 보정 상수를 적용한 후에 상기 두 개의 자기장 성분의 비의 아크탄젠트 계산으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 마그네틱 위치 센서.
제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 처리 회로는 단일 부품으로 상기 감자기성 요소에 통합되는 것을 특징으로 하는 마그네틱 위치 센서.
제 1 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 자화 요소는 영구 자석과 하나 이상의 강자성 부품으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 마그네틱 위치 센서.
제 1 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항에 있어서,
측정된 상기 자기장의 성분들은 2 이상의 방향에서 각각 실질적으로 사인파 형태로 변화하는 것을 특징으로 하는 마그네틱 위치 센서.