KR20020006452A - 회전각 센서 - Google Patents

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KR20020006452A
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사토다카시
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야자키 야스히코
야자키 소교 가부시키가이샤
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Abstract

측정대상물의 회전각을 측정하기 위한 본발명의 회전각 센서(1)는, 측정대상물의 회전에 의해 회전되는 회전축(3), 회전축(3)이 회전함에 따라 회전되는 평행 자계(43)를 발생시키는 평행 자계 발생수단(5), 평행 자계 발생수단(5)에 의해 발생된 평행 자계(43)의 자계강도를 검출하고, 이 자계강도에 기초하여 출력전압을 출력하는 자기검출수단(6)과, 자기검출수단(6)으로부터 출력된 출력전압에 기초하여 측정대상물의 회전각을 산출하는 회전각 산출수단(7)을 포함한다.

Description

회전각 센서{ROTATION ANGLE SENSOR}
본 발명은 측정대상물의 회전각을 자기적으로 검출하기 위한 회전각 센서에 관한 것으로, 더욱 상세히는 회전축이 회전함에 따라 회전하는 평행 자계에 의해 측정대상물의 회전각을 측정하는 회전각 센서에 관한 것이다.
종래의 회전각 센서로는, 일본 공개특허공보 평8-35809호에 개시된바와 같은 홀 소자를 사용하는 자기 위치 센서가 있다. 도 1에 도시된 바와 같이, 종래의 회전각 센서는 구동축(11)에 일체로 배치된 관형상 요크(112)를 포함한다. 영구자석(115)이 관형상 요크(112)의 관형상부(113)의 내측에 부착되고, 홀 소자(119)가 수용된 고정자(116 및 117)가 영구자석(115)의 내측부에 배치된다.
자기 위치 센서는 회전각에 비례하는 자계강도가 출력되도록 구성되고, 이 자계강도는 회전각에 비례하는 출력전압을 얻기위해 홀 소자에 의해 검출된다.
그러나, 종래의 자기 위치 센서에 따르면, 영구자석외에 고정자 및 관형상 요크가 필요로 되고, 그 형태가 복잡하게되고, 부품수가 많아지고 이에따라 센서의 비용이 증가하는 문제점이 있다. 또한, 고정자와 같은 여러 부품의 장착 정밀도가 높지 않다면, 회전각에 비례하는 자계 강도가 출력될 수 없다는 문제점이 있다.
또한, 고정자(116 및 117)의 자계강도가 서로 대칭이 아닐 경우, 즉 영구자석(115)의 자극 경계가 고정자(116 및 117)의 중심라인으로부터 편향되는 경우, 고정자(116 및 117)의 자계는 대칭을 이루려는 경향이 있다. 따라서, 회전 토크가 발생되는 문제점이 있다. 이러한 이유로, 종래의 자기 위치 센서가 작은 구동 토크를 갖는 회전장치에 장착된다면, 회전장치가 회전하지 않는 역영향을 미칠 염려가 있다.
또한, 종래의 자기 위치 센서에서, 자성 재료인 고정자(116 및 117)는 영구자석(115)에 근접하여 배치된다. 그러므로, 고정자(116 및 117)와 영구자석(115) 사이에 자력에 의해 커다란 인력이 발생된다. 따라서, 고정자(116 및 117)와 영구자석(115)이 강하게 고정되지 않는다면, 영구자석(115)은 고정자(116 및 117)중의 하나에 의해 끌려지고, 소망하는 특성이 획득될 수 없다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 고려하여 달성되었고, 본 발명의 목적은 적은 부품수를 가지고 간명한 형태를 갖는 회전각 센서를 제공하는 것이다.
도 1은 종래의 자기위치 센서의 구성도.
도 2a는 소정의 회전각 센서의 실시예의 구성도.
도 2b는 본 발명의 자기 검출수단의 실시예의 구성도.
도 3a는 도 2a에 도시된 평행 자계 발생수단(5)의 일예를 도시하는 사시도.
도 3b는 도 3a의 단면도.
도 4는 도 2a에 도시된 평행 자계 발생수단(5)의 일예를 도시하는 도.
도 5는 본 발명의 회전각 센서의 원리를 설명하는 원리도.
도 6은 제1 실시예에 따른 회전각 센서의 출력특성을 설명하는 도.
도 7a는 0°내지 360°사이의 회전각이 검출되었을 때 홀 IC의 배치를 설명하는 평면도.
도 7b는 0°내지 360°사이의 회전각이 검출되었을 때 홀 IC의 배치를 설명하는 측면도.
도 8은 0°내지 360°사이의 회전각이 검출되었을 때 홀 IC의 출력특성을 설명하는 도.
도 9는 비선형 홀 IC의 구성을 설명하는 블록도.
도 10은 비선형 홀 IC의 출력특성을 설명하는 그래프.
도 11은 제2 실시예에 따른 회전각 센서의 출력특성을 설명하는 그래프.
상기와 같은 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 제1 태양에 따라, 측정대상물의 회전에 의해 회전되는 회전축, 회전축이 회전함에 따라 회전되는 평행 자계를 발생시키는 평행 자계 발생수단, 평행 자계 발생수단에 의해 발생된 평행 자계의 자계강도를 검출하고, 이 자계강도에 기초하여 출력전압을 출력하는 자기검출수단과, 자기검출수단으로부터 출력된 출력전압에 기초하여 측정대상물의 회전각을 산출하는 회전각 산출수단을 포함하는 측정대상물의 회전각을 측정하기 위한 본발명의 회전각 센서가 제공된다.
본 발명의 제1 태양에 따라, 센서는 간단한 형상으로 될 수 있고, 그 부품수가 감소될 수 있다.
본 발명의 제2 태양에 따라, 자기 검출수단의 갯수는 둘 이상이고, 복수의 자기 검출수단이 평행 자계에 대해 상이한 각도로 배치되고, 회전각 산출수단은 자기검출수단으로부터 출력된 출력전압에 기초하여 측정대상물의 회전각을 산출한다.
본 발명의 제2 태양에 따라, 센서는 부품수가 감소된 간단한 형상이고 0°내지 360°범위의 회전각을 측정할 수 있다.
본 발명의 제3 태양에 따라, 측정대상물의 회전에 의해 회전되는 회전축, 회전축이 회전함에 따라 회전되는 평행 자계를 발생시키는 평행 자계 발생수단, 평행 자계 발생수단에 의해 발생된 평행 자계의 자계강도를 검출하고, 이 자계강도를 측정대상물의 회전각을 나타내는 출력전압으로 변환하는 자기변환수단을 포함하는 측정대상물의 회전각을 측정하기 위한 회전각 센서가 제공된다.
본 발명의 제3 태양에 따라, 센서는 간단한 형상으로 될 수 있고, 그 부품수가 감소될 수 있다.
본 발명의 제4 태양에 따라, 자기 검출수단의 갯수는 둘 이상이고, 복수의 자기 검출수단이 평행 자계에 대해 상이한 각도로 배치되고, 회전각 센서는, 자기검출수단으로부터 출력된 출력전압에 기초하여 측정대상물의 회전각을 산출하는 회전각 산출수단을 포함한다.
본 발명의 제4 태양에 따라, 센서는 부품수가 감소된 간단한 형상일 수 있고 0°내지 360°범위의 회전각을 측정할 수 있다.
먼저, 제1 실시예의 회전각 센서가 도 2a 및 2b에 기초하여 설명된다.
도 2a에 도시된 바와 같이, 회전각 센서(1)는 측정되어야 할 회전장치의 회전력을 전달하기 위한 회전 구동 핀(2), 회전 구동 핀(2)에 의해 회전되는 회전축(3), 자석 부착판(4)에 배치된 자석(61)에 의해 평행 자계를 발생시키기 위해 회전축(3)과 함께 회전하는 자석 부착판(4)에 배치된 평행 자계 발생수단(5), 및 저압을 출력하기 위해 평행 자계 발생수단(5)에 의해 발생된 평행 자계를 검출하는 홀 IC(6)를 포함한다.
간명을 위해 도 2a에 도시되지 않았지만, 홀 IC(6)는 도 2b에 도시된 바와 같이 회로기판(7)에 연결된다. 이 회로기판(7)은 회전각 센서의 케이스(도시되지 않음)에 고정된다.
여기서, 평행 자계 발생수단(5)은 자석(61)의 N극 및 S극이 자계 경계면에 대해 대칭이도록 형성된 자석(61)을 포함한다. 회전축(3)의 회전중심(O)의 주변부에 해당하는 자석(61)의 부분은 도 3a 및 3b에 도시된 바와 같이 중공부를 형성한다. 이 중공부(90)에서, 자석은 회전중심(O)에 대해 수직방향으로 평행 자계(42)를 발생시킨다. 그러므로, 평행 자계 발생수단(5)은 도 3a에 도시된 바와 같은 실린더 형상 또는 평행한 파이프 형상 또는 N극과 S극이 대칭인 경우엔 기타 형상일 수 있다. 또한, 중공부(90)는 실린더형상이 아닐 수 있고, 장방형 병렬 파이프 형상 또는 N극과 S극이 대칭인 경우엔 기타 형상일 수 있다.
홀 IC(6)는 홀 IC(6)가 평행 자계(43)를 검출할 수 있기만 하면 임의의 위치에 배치될 수 있지만, 회전 중심(O)과 평행 자계 발생수단(5)의 자석(61)의 단부면사이의 교차부상에 홀 IC(6)를 배치하는 것이 바람직한 데, 이는 평행 자계의 자계 강도는 강하고 안정하기 때문이다.
다음에, 본 실시예의 회전 각 센서의 회전각의 측정원리가 도 5 및 6을 기초로하여 설명된다.
상기 측정원리를 도시하는 도 5에서, 평행 자계는 상기한 바와 같은 평행 자계 발생수단과 회전중심(O)의 자석(41)의 단부면 사이의 교차점(P)에서 획득된다. 그러므로, 자석(41)이 측정대상물의 회전에 의해 회전한다면, 교차점(P)의 X 방향에서의 자계 강도는 도 6의 S1으로 도시된 바와 같이 사인곡선 파형을 이룬다.
자계 강도는 교차점(P)에 배치된 홀 IC(6)에 의해 검출되고, 자계강도와 동일한 사인곡선 파형의 전압이 출력된다. 또한, 출력전압은 회로기판(7)상에 배치된 산술회로에 의해 도 6에서 S2로 도시된 회전각에 비례하는 전압특성으로 변환된다. 이 경우에, 두 개의 동일한 출력전압이 0°내지 360°의 회전범위에 있기 때문에, 회전각 센서는 최대 180°(도 6에서 90°내지 270°)의 회전각을 측정할 수 있다.
도 7에 도시된 바와 같이, 회전각 센서가 0°내지 360°의 회전각을 측정할 수 있게 하기 위해, 복수의 홀 ICs(62 및 63)가 평행 자계에 대해 상이한 각도에서 회전 중심(O)에 배치된다.
도 7b에서, 홀 IC(62)가 자석(61)의 상부의 단부면에 배치되고, 홀 IC(63)는 홀 IC(62)에 대해 90°회전 배치된 위치에서 자석(61)의 하부의 단부면에 배치된다.
도 8은 홀 ICs(62 및 63)의 출력전압을 도시한다. 도 8에서, 회로기판(7)에 의해 홀 IC(62)의 출력전압을 변환시킴으로써 획득된 값은 A위상으로, 회로기판(7)에 의해 홀 IC(63)의 출력전압을 변환시킴으로써 획득된 값은 B위상으로 정의된다. A위상과 B위상의 두 전압 특성을 비교함으로서, 0°내지 360°의 회전각을 측정하는 것이 가능하다.
예로서, A위상의 출력전압만이 회전각으로 변환될 때, 동일한 값이 0°내지 180°와 180°내지 360°에 존재한다. 그러므로, B위상이 B위상 값에 의해 플러스 전위일 경우에, A위상은 0°내지 180° 범위에 있는 것으로 판정하고, B위상이 마이너스 전위일 경우에, A위상은 180°내지 360°범위에 있는 것으로 판정하며, 이와 같은 판정으로 0°내지 360° 범위에 있는 회전각이 산출될 수 있다.
A위상만이 마이너스 전위일 경우에, A위상은 0°내지 90°범위에 있는 것으로 판정되고, 회전각은 A위상의 출력전압으로부터 산출된다. A위상 및 B위상이 모두 플러스 전위일 경우에, 이들은 모두 90°내지 180° 범위에 있는 것으로 판정되고, A위상의 출력전압으로부터 회전각이 산출된다. B위상만이 마이너스 전위일 경우에, B위상은 180°내지 270°범위에 있는 것으로 판정되고, 회전각은 B위상의 출력전압으로부터 산출된다. A위상 및 B위상이 모두 마이너스 전위일 경우에, 이들은 모두 270°내지 360°범위에 있는 것으로 판정되고, A위상의 출력전압으로부터 회전각이 산출된다.
회전각의 범위가 전위가 플러스 인지 마이너그인지의 여부에 좌우되어 판정될 지라도, 주어진 전압 기준값과 실제 전압을 비교함으로써 회전각의 범위를 판정하는 것이 가능하고, 이에따라 0°내지 360° 범위의 회전각을 산출한다.
상기한 바와 같이, 본 실시예의 회전각 센서는 자석 및 홀 IC로만 구성되고 고정자 및 관형상 요크와 같은 기타 부품은 필요치 않다. 그러므로, 센서의 형상은 간단하게 되고, 부품수는 감소될 수 있다.
또한, 고정자가 사용되지 않기 때문에, 회전토크가 발생되지 않으며 이에따라, 센서는 작은 구동 토크를 갖는 회전 장치에 장착될 수 있다.
더우기, 고정자가 사용되지 않기 때문에, 자석과 고정자 사이에 인력이 발생되지 않으며, 회전축과 자석을 강하게 고정시킬 필요가 없다. 회전축의 강도가 강할 것을 필요로 하지 않으므로, 회전축은 금속과 같은 강한 재료로 이루어 질 필요가 없고, 일반적으로 나일론과 같은 수지재료로 만들어 질 수 있다.
회전 각 센서의 제2 실시예가 설명된다.
제2 실시예의 회전 각 센서는 비선형 홀 IC가 홀 IC 대신에 사용된다는 점에서 제1 실시예의 회전 각 센서와 상이하다.
통상적인 회전각 센서는 자계 강도에 비례하지만, 비선형 홀 IC는 비선형 홀 IC가 자계강도에 대해 소망하는 임의의 출력전압을 얻을 수 있다는 점에서 통상적인 회전각 센서와 상이하다.
먼저, 비선형 홀 IC(81)의 구성이 도 9를 기초로 하여 설명된다.
도 9에 도시된 바와 같이, 비선형 홀 IC(81)는 자계 강도에 따른 출력 홀 전압 및 자계 강도를 검출하는 홀 소자(82), 홀 소자(82)로부터의 홀 전압 출력을 디지털 값으로 변환하는 A/D 변환기(83), A/D 변환기(83)에 의해 변환된 홀 전압의디지털 값을 비선형 값으로 변환하기 위해 변환정보를 저장하는 저장 장치(84), 저장 장치(84)에 저장된 변환 정보에 기초하여 출력전압을 얻기위해 홀 전압의 디지털 값을 비선형 값으로 변환하는 비선형 변환기(85), 및 비선형 변환기(85)에 의해 변환된 출력전압의 디지털 값을 동일한 것을 출력하기 위해 아날로그 값으로 변환하는 D/A 변환기(86)를 포함한다.
비선형 홀 IC(81)에서, 비선형 변환기(85)는 DSP(디지털 신호 처리기), 마이크로컴퓨터등으로 구성되고, 저장 장치(84)는 EEPROM과 같은 메모리로 구성된다.
다음에, 비선형 홀 IC(81)에서 홀 전압의 변환 프로세스가 설명된다.
먼저, 홀 소자(82)는 자계를 검출하고, 자계에 따른 홀 전압을 출력한다. 그후, A/D 변환기(83)는 아날로그 값을 디지털 값으로 변환한다.
그후, 비선형 변환기(85)는 저장장치(84)에 저장된 변환정보에 기초하여 홀 전압을 비선형 출력 전압으로 변환한다.
예로서 도 10에 도시된 바와 같이, 자계 강도는 임의의 구간으로 분할되고, 각의 구간에서 점선으로 도시된 홀 전압은 실선으로 도시된 출력전압으로 변환된다. 도 10에 도시된 각각의 구간에서, 구간들은 개별적인 직선으로 보간된다.
이 경우에, 자계강도는 임의의 구간으로 분할되고, 각각의 구간에서, 다음 등식이 설정된다.
H = a x Vh
(Vh: 홀 전압, H: 자계 강도, a: 임의의 상수)
이 등식은 저장 장치(84)에 저장된다. 홀 전압이 비선형 변환기(85)에 입력되면, 자계 강도는 상기 홀 전압으로부터 수학식 1을 기초로하여 산출되고, 어느 구간인지가 판정된다.
각각의 구간에서, 다음 등식이 설정된다.
V = b x Vh + c
(V: 출력 전압, b,c: 임의의 상수)
이 등식은 저장장치(84)에 저장된다. 수학식 2에 기초하여 출력전압(V)이 홀전압(Vh)으로부터 산출된다. 이러한 방식으로, 홀소자(82)에 의한 선형 홀 전압 출력이 각각의 구간에서 설정된 등식에 의해 변환된다. 이러한 연산으로, 도 10에 도시된 비선형 출력전압이 출력될 수 있다.
도 10에서 자계강도가 임의의 간격으로 분할될 지라도, 자계강도는 등간격으로 분할될 수 있거나, 또는 홀 전압은 3차 곡선 또는 기타 곡선으로 도시되는 출력전압으로 변환될 수 있다.
이러한 방식으로 홀 전압은 비선형 변환기(85)에 의해 비선형 출력전압으로 변환되고, 이 출력전압은 D/A 변환기(86)에 의해 디지털 값으로부터 아날로그 값으로 변환되고, 아날로그 값의 출력전압이 출력된다.
비선형 홀 IC(81)는 홀 전압을 비선형 출력전압으로 변환하고 자계 강도에 필요한 임의의 출력전압을 획득한다.
이와같은 비선형 홀 IC가 도 2a에 도시된 홀 IC(6) 대신에 사용된다면, 비선형 홀 IC가 도 11에 도시된 자계강도로부터 사인 곡선 파형을 검출할 때, 자계강도는 회전각에 비례하는 출력전압으로 변환되고 출력된다.
그러므로, 회로기판(7)에서 홀 IC(6)의 출력전압을 회전각에 비례하는 출력전압으로 변환할 필요가 없고, 제1 실시예와는 상이하게, 회로기판(7)은 간략화될 수 있고, 센서는 제1 실시예와 비교하여 소형화될 수 있고, 비용을 절감시킬 수 있다.
회전각이 0°내지 360°일 때, 도 7a에 도시된 복수의 홀 IC(62,63)는 각각 비선형 홀 ICs에 의해 대체된다면, 0°내지 360°의 회전각을 측정할 수 있는 회전각 센서를 실현하는 것이 가능하다.
또한 이 경우에, 자계강도는 회전각에 비례하는 출력전압으로 변환되고 비선형 홀 IC에 의해 출력되므로, 제1 실시예와 비교하여 센서의 사이즈를 줄이고 비용을 절감시키는 것이 가능하다.
상기한 바와 같은 구성에 의해, 간단한 형상을 갖고 부품수가 감소된 소형의 회전각 센서를 실현할 수 있다.

Claims (12)

  1. 측정대상물의 회전각을 측정하기 위한 회전각 센서에 있어서,
    측정대상물의 회전에 의해 회전되는 회전축;
    상기 회전축이 회전함에 따라 회전되는 평행 자계를 발생시키는 평행 자계 발생수단;
    상기 평행 자계 발생수단에 의해 발생된 상기 평행 자계의 자계강도를 검출하고, 상기 자계강도에 기초하여 출력전압을 출력하는 자기검출수단; 및
    상기 자기검출수단으로부터 출력된 상기 출력전압에 기초하여 측정대상물의 회전각을 산출하는 회전각 산출수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 회전각 센서.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 자기검출수단의 갯수는 둘 이상이고, 복수의 자기검출수단이 상기 평행 자계에 대해 상이한 각도로 배치되고, 상기 회전각 산출수단은 각각의 자기검출수단으로부터 출력된 출력전압에 기초하여 측정대상물의 회전각을 산출하는 것을 특징으로 하는 회전각 센서.
  3. 측정대상물의 회전각을 측정하기 위한 회전각 센서에 있어서,
    측정대상물의 회전에 의해 회전되는 회전축;
    상기 회전축이 회전함에 따라 회전되는 평행 자계를 발생시키는 평행 자계발생수단; 및
    상기 평행 자계 발생수단에 의해 발생된 상기 평행 자계의 자계강도를 검출하고, 이 자계강도를 상기 측정대상물의 회전각을 지시하는 출력전압으로 변환하는 자기변환수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 회전각 센서.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 자기검출수단의 갯수는 둘 이상이고, 복수의 자기검출수단이 상기 평행 자계에 대해 상이한 각도로 배치되고, 상기 회전각 센서는 각각의 자기검출수단으로부터 출력된 출력전압에 기초하여 측정대상물의 회전각을 산출하는 회전각 산출수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 회전각 센서.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 자기검출수단은 홀 소자를 포함하고, 상기 홀 소자는 0°내지 180°범위의 측정대상물의 회전각을 검출할 수 있는 것을 특징으로 하는 회전각 센서.
  6. 제 3 항에 있어서,
    상기 자기변환수단은 비선형 홀 IC를 포함하고, 상기 홀 IC는 0°내지 180°범위의 측정대상물의 회전각을 검출할 수 있는 것을 특징으로 하는 회전각 센서.
  7. 제 2 항에 있어서,
    상기 자기검출수단은 상기 평행 자계에 대해 상이한 각도로 배치된 적어도 두 개의 홀 소자를 포함하고, 상기 홀 소자의 각각은 0°내지 360°범위의 측정대상물의 회전각을 검출할 수 있는 것을 특징으로 하는 회전각 센서.
  8. 제 4 항에 있어서,
    상기 자기변환수단은 상기 평행 자계에 대해 상이한 각도로 배치된 적어도 두 개의 비선형 홀 IC를 포함하고, 상기 비선형 홀 IC의 각각은 0°내지 360°범위의 측정대상물의 회전각을 검출할 수 있는 것을 특징으로 하는 회전각 센서.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 평행 자계 발생수단은,
    자계 경계에 대해 대칭 형상을 이룬 N극과 S극을 갖는 자석; 및
    상기 회전축의 회전중심과 상기 자석에서의 자계강도 경계사이에 교차부를 중공으로 형성함으로써 형성된 중공부를 포함하고, 상기 평행 자계는 상기 중공부내에 발생되는 것을 특징으로 하는 회전각 센서.
  10. 제 9 항에 있어서,
    적어도 하나의 상기 자기 검출수단은 상기 중공부에 배치되는 것을 특징으로 하는 회전각 센서.
  11. 제 3 항에 있어서,
    상기 평행 자계 발생수단은,
    자계 경계에 대해 대칭 형상을 이룬 N극과 S극을 갖는 자석; 및
    상기 회전축의 회전중심과 상기 자석에서의 자계강도 경계사이에 교차부를 중공으로 형성함으로써 형성된 중공부를 포함하고, 상기 평행 자계는 상기 중공부내에 발생되는 것을 특징으로 하는 회전각 센서.
  12. 제 11 항에 있어서,
    적어도 하나의 상기 자기 검출수단은 상기 중공부에 배치되는 것을 특징으로 하는 회전각 센서.
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