(57)【要約】【課題】  制御バルブ組立体における弁体の位置を正確に測定するための非接触式位置センサを提供する。【解決手段】  第１のセンサと第２のセンサとを備えている非接触式位置センサは、２つの目的物間の相対的な変位を検出する。第２のセンサは、リミットスイッチ回路におけるリミットスイッチ検出エレメントとして機能してもよく、第１のセンサにより検出されなかった磁束のパス内の位置に設けられている。第１のセンサは、磁束収集磁極のセクション間の磁束パス内の位置に設けられている。第２のセンサは、第１のセンサの外側の漏洩磁束パス内の位置に設けられてもよいし、又は、第２の磁束パス内の位置に設けられてもよい。【選択図】  図９
2010164594.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の磁極片と、
第２の磁極片と、
前記第１の磁極片と前記第２の磁極片との間に配設された第１のセンサと、
第２のセンサとを備えており、
前記第１の磁極片と前記第２の磁極片が、前記第１のセンサを通る第１の磁束パスを形成すると共に前記第１のセンサの外側に漏洩磁束パスが形成されるのを可能とし、
前記第２のセンサが前記漏洩磁束パスに配置されてなる、位置センサ組立体。
【請求項２】
前記漏洩磁束パスが、前記第１の磁束パスにより生成される前記第１のセンサの電圧出力に比例して前記第２のセンサからの電圧出力を生成するように構成される、請求項１記載の位置センサ組立体。
【請求項３】
前記第１のセンサ及び前記第２のセンサと電気的に通信する電圧検出器を更に備えてなる、請求項１記載の位置センサ組立体。
【請求項４】
前記電圧検出器と通信するプロセッサを更に備えており、前記電圧検出器が、該プロセッサに対して、前記第１のセンサ及び前記第２のセンサの検出電圧出力を送信するように構成されており、
該プロセッサが、関連するメモリに格納された一又は複数の所定の電圧を備え、
該プロセッサが、前記第１のセンサ及び前記第２のセンサの検出電圧出力の内の少なくとも１つを前記１又は複数の所定電圧と比較し、
前記プロセッサが、前記一又は複数の所定電圧に近い前記検出電圧出力の内の少なくとも１つに対して信号を生成するように構成されている、請求項３記載の位置センサ組立体。
【請求項５】
前記第１の磁極片が概ねＬ字形状を有しており、前記第２の磁極片が概ねＬ字形状を有しており、該第１の磁極片及び該第２の磁極片が概ねＵ字形状の磁束収集磁極片を形成するように配置されてなる、請求項１記載の位置センサ組立体。
【請求項６】
前記第１のセンサが、前記第１の磁極片及び前記第２の磁極片の端部の間の位置に設けられてなる、請求項５記載の位置センサ組立体。
【請求項７】
前記第１のセンサの焼き印の押された面が、前記第１の磁極片及び前記第２の磁極片の内の少なくとも１つの端部に接触するように構成される、請求項６記載の位置センサ組立体。
【請求項８】
前記第２のセンサが前記第１のセンサのすぐ隣に並べられてなる、請求項１記載の位置センサ組立体。
【請求項９】
前記第２のセンサが前記第１のセンサと接触するように構成される、請求項１記載の位置センサ組立体。
【請求項１０】
前記第２のセンサが前記第１のセンサに対して直角に配置されてなる、請求項１記載の位置センサ組立体。
【請求項１１】
磁場に応答する少なくとも１つのホール効果感知エレメントを有する第１のセンサと、
磁場に応答する少なくとも１つのホール効果感知エレメントを有する第２のセンサと、
磁束を収集し、少なくとも前記第１のセンサに案内するためのＵ字型磁束収集磁極片と、
実質的に線形に変化する磁場を生成するための磁束源とを備えており、
前記Ｕ字型磁束収集磁極片が、透磁性材料からなる第１のＬ字型セクションと第２のＬ字型セクションとを対称になるように配設して二股に分かれた基部を有するＵ字形状を形成することにより形成されており、前記Ｕ字型磁束収集磁極片の該二股に分かれた基部が前記第１のＬ字型セクション及び前記第２のＬ字型セクションを分離するギャップを有しており、
前記第１のセンサが、前記第１のＬ字型セクション及び前記第２のＬ字型セクションの端部の間に配置されてなる、位置センサ組立体。
【請求項１２】
前記第２のＬ字型セクションの方向に延びる第１の端部及び第２の端部を有したヘッドを有していると共に前記第１のＬ字型セクションから延びている第１の非対称Ｙ字型部と、
前記第１のＬ字型セクションの方向に延びる第１の端部及び第２の端部を有したヘッドを有していると共に前記第２のＬ字型セクションから延びている第２の非対称Ｙ字型部とを更に備えており、
前記第１のセンサが、前記第１の非対称Ｙ字型部及び前記第２の非対称Ｙ字型部の前記第１の端部の間に配置されており、
前記第２のセンサが、前記第１の非対称Ｙ字型部及び前記第２の非対称Ｙ字型部の前記第２の端部の間に配置されてなる、請求項１１記載の位置センサ組立体。
【請求項１３】
前記第２のセンサと前記第１の非対称Ｙ字型部及び前記第２の非対称Ｙ字型部の前記第２の端部との間に配置されるアダプタを更に備えてなる、請求項１１記載の位置センサ組立体。
【請求項１４】
前記アダプタが電気絶縁性材料を含有してなる、請求項１１記載の位置センサ組立体。
【請求項１５】
前記電気絶縁性材料がプラスティックである、請求項１１記載の位置センサ組立体。
【請求項１６】
前記第２のセンサが前記第１のセンサの直ぐ隣の位置に設けられており、前記第１のセンサの前記ホール効果感知エレメント及び前記第２のセンサの前記ホール効果感知エレメントが一列に並べられると共に前記Ｌ字型部の前記端部に対して垂直に配向されてなる、請求項１１記載の位置センサ組立体。
【請求項１７】
前記第２のセンサが前記第１のセンサに対して直角の位置に設けられており、前記第２のセンサの前記ホール効果感知エレメントを前記第２のセンサの前記ホール効果感知エレメントに対して直角にすることにより、前記第１のセンサ及び前記第２のセンサの前記ホール効果感知エレメントを隔てる距離を最小限に抑えるように構成される、請求項１１記載の位置センサ組立体。
【請求項１８】
センサハウジングと、
前記センサハウジングにより位置調整される、第１の非対称Ｙ字型部において終端する第１のＬ字型セクションと第２の非対称Ｙ字型部において終端する第２のＬ字型セクションとを有するＵ字型磁極片と、
前記第１の非対称Ｙ字型部及び前記第２の非対称Ｙ字型部の各々のヘッドに存在する第１の端部の間の位置に設けられている第１のセンサと、
前記第１の非対称Ｙ字型部及び前記第２の非対称Ｙ字型部の各々のヘッドに存在する第２の端部の間の位置に設けられている第２のセンサと
を備えてなる、位置センサ組立体。
【請求項１９】
前記第１のセンサが、前記第１の非対称Ｙ字型部及び前記第２の非対称Ｙ字型部の前記第１の端部に対して直角に配置される少なくとも１つの感知エレメントを有してなる、請求項１８記載の位置センサ組立体。
【請求項２０】
前記第２のセンサが、前記第１の非対称Ｙ字型部及び前記第２の非対称Ｙ字型部の前記第２の端部に対して直角に配置される少なくとも１つの感知エレメントを有してなる、請求項１９記載の位置センサ組立体。
【請求項２１】
前記第１のＬ字型セクション及び前記第２のＬ字型セクションの内の１つの少なくとも第２の端部と前記第２のセンサとの間に配置されるアダプタを更に備えてなる、請求項１８記載の位置センサ組立体。
【請求項２２】
前記アダプタが電気絶縁体を含有してなる、請求項２１記載の位置センサ組立体。
【請求項２３】
前記電気絶縁体がプラスティックである、請求項２２記載の位置センサ組立体。
【請求項２４】
前記アダプタが、前記第１の非対称Ｙ字型部及び前記第２の非対称Ｙ字型部の両方の前記第２の端部と前記第２のセンサとの間の位置に設けられてなる、請求項２１記載の位置センサ組立体。
【請求項２５】
前記アダプタが、前記第１の非対称Ｙ字型部及び前記第２の非対称Ｙ字型部の両方の前記第２の端部と前記第２のセンサとの間に空気ギャップを形成するように構成される、請求項２４記載の位置センサ組立体。
【請求項２６】
前記空気ギャップが約０．１３インチである、請求項２５記載の位置センサ組立体。
【請求項２７】
前記第２のセンサがリミットスイッチとして動作し、前記第１のセンサが、前記第２のセンサよりも多いパーセンテージの磁束を前記Ｕ字型磁極片から受けるように配置されてなる、請求項１８記載の位置センサ組立体。
【請求項２８】
相対的な位置を検出するための方法であって、
磁束源の近くに第１の磁極片及び第２の磁極片を設けることと、
前記第１の磁極片及び前記第２の磁極片により形成される第１の磁束パスに、少なくとも１つのホール効果感知エレメントを内蔵する第１の位置センサを設けることと、
前記第１の位置センサの外側の漏洩磁束パスに少なくとも１つのホール効果感知エレメントを内蔵する第２の位置センサを設けることと、
を含む、方法。
【請求項２９】
前記磁極片の内の少なくとも１つと密に接触する用に前記第１の位置センサを配置することを含む、請求項２８記載の方法。
【請求項３０】
前記漏洩磁束パスが、前記第１のセンサから磁束を分岐させることにより少なくとも部分的に実現されるように構成される、請求項２９記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般的に２つの目的物間の変位又は位置を測定するための装置に関するものであり、更に詳細にいえば、制御バルブの弁棒位置の検出に用いられる、第１のセンサとして機能する一次側設定可能な磁束源とその第１のセンサに関連する第２のセンサとを備える非接触式位置センサに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
本発明は、２００３年２月２１日に出願された米国特許仮出願第６０／４４８７８５号に開示されている全てに基づいて優先権を主張すると共にそれらの恩恵を享受する権利を保持するものである。
【０００３】
産業用処理プラントおいては、食料品処理プラントにおける製品の流れの制御から大規模タンク集合地域の流体レベルの保持に至るまでの多種多様な用途で、制御バルブが用いられている。制御バルブは、通常自動化されており、可変オリフィス又は可変パッセージのように機能することにより製品の流れを管理する目的で用いられる。内部バルブコンポーネントである弁体を移動させることにより、弁箱を通過する製品の量を正確に管理することができる。制御バルブは、アクチュエータ及び遠隔から運転される装置を用いて自動化されていることが普通である。この遠隔から運転される装置は、プロセス制御コンピュータとアクチュエータとの間の通信を取り持ち、バルブ内の流量変更を命令し、プラントオペレータの所望の制御戦略を実現する。位置センサは、正確なプロセス制御の維持にあたり、重要な役目を担っている。
【０００４】
プロセス制御コンピュータが流量の変更命令を出した際、遠隔から運転される装置は、現在のバルブ位置を読み取り、アクチュエータを用いて適切な変更処置を講じなければならない。典型的なアクチュエータは、加圧空気供給源によって駆動され、加圧空気供給源は、遠隔から運転される装置によって制御される。例えば、スライディングステムバルブに用いられているスプリングダイアフラム式アクチュエータでは、大きなダイアフラムに印加される空気の圧力が変動すると、ダイアフラムが移動又は変位する。ダイアフラムにはアクチュエータ棒が取り付けられており、このアクチュエータ棒は弁体に接続されている。ダイアフラムに対する空気の圧力を変更することにより、遠隔から運転される装置は弁体の位置調整を直接行うことができ、従って、制御バルブの流量を制御することができる。流量を正確に制御するためには、遠隔から運転される装置は、弁体がどの位置にあるのか、新しい命令に応答してどの位置に移動しなければならないかを、常に知っていなければならない。このことは、遠隔から運転される装置とアクチュエータ棒との間に位置センサを取り付けることにより達成される。位置センサの出力部は、棒の位置をフィードバックして正確なバルブ制御を行うために、遠隔から運転される装置に直接接続されてもよい。
【０００５】
ポテンショメータ又は他の電気機械式リミットスイッチの如き従来の位置センサでは、移動又は変位をセンサに結合するための動的な機械的リンク、即ち移動する機械的リンクが必要とされる。このような電気機械式リミットスイッチは、アクチュエータ上に取り付けられ、弁体の移動行程における中央ストロークの位置に又はその両端に移動エレメントが到達したとき、この移動エレメントによりスイッチが入れられる。リミットスイッチ又は複数のリミットスイッチからの信号は、リレイ、ソレノイドバルブを動作させるために又はアラームを引き起こすために用いられる。高推進力バルブの用途におけるような制御エレメントに対する損傷を回避するために、リミットスイッチは、弁棒の移動が所望の移動距離を超えないように適切な場所に設けられる。
【０００６】
乱流に起因する機械的な振動が存在する用途では、システムのエラー又は不安定性が、非常に短い時間枠に何百万回という数の動作サイクルを累積させる要因となって、位置センサの信頼性を低下させる。又、これらの機械的なリンクには、接触ポイント又は摩耗ポイントが存在している。サービス条件が厳しい間に、不安定性により、摩耗ポイントにおいて機械的なリンクが文字通り「切断」され、これにより、弁棒が遠隔から運転される装置から切り離される。このタイプの突発的な故障は、バルブ制御を破壊してしまうため、回避されなければならない。センサの信頼性を向上させるために、センサのデザインは、非接触式の位置検出方法へと移行してきている。
【０００７】
非接触式センサにおける１つのタイプのデザインとしては、磁気式位置センサが挙げられる。磁気式位置センサは、通常磁石である磁束源を第１の目的物に取り付け、ホール効果センサの如きセンサを第２の目的物に取り付けることにより、２つの目的物間の変位を検出する。磁束源により、センサが用いられて検出される磁場が提供される。一方又は両方の目的物が少しでも移動して相対的な変位を発生させると、磁場の内の異なる部分がセンサに提示され、これにより、センサの出力が変更される。この出力が、アクチュエータと弁棒との間の相対的な変位に直接関連付けされる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】米国特許第５３５９２８８号明細書
【特許文献２】米国特許第５４９７０８１号明細書
【特許文献３】米国特許第５５７００１５号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
非接触式位置センサは、柔軟性を有しており、複数の形態の変位を測定することができる。しかしながら、現在の非接触式位置センサは、移動エレメントに取り付ける方法が制限されることが多い。遠隔から運転される装置における位置センサ又はフィードバックセンサにあっては、変位を結び付けるために「接触式」動的リンクを依然として用いる商業的な例が多い。このような構成の内の１つにおいては、回転運動を非接触式の磁気−抵抗エレメントに直接結び付けるために従来のウォームギア装置が用いられている。磁気−抵抗エレメントを非接触式センサとして分類してもよいが、実際には「接触式」装置を通じて移動が変換され、従来のリンクに基づいているポテンショメータのように、信頼性が低下するという問題を有している。
【００１０】
更に、他の非接触式位置センサにおいては、様々なタイプの変位測定（例えば、直線及び回転）に対して事前に定義された出力を生成するように、磁束源を再設定することができないという問題がある。これらのタイプの位置センサの実施例は、リグスらの米国特許第５３５９２８８号、ウルフらの米国特許第５４９７０８１号、及び、タカハシらの米国特許第５５７００１５号に開示されている。
【００１１】
既存の非接触式位置センサの更なる問題点としては、弁体の移動行程の両端を検出するために少なくとも２つのリミットスイッチが必要となること、このようなリミットスイッチを実現することが困難であること、及び、信頼性に対する懸念が挙げられる。以下、問題を解決するための手段及び好ましい実施形態の詳細な説明において、近接センサに関する上記の問題及び他の問題を解決する方法を説明する。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本明細書に記載の位置センサ組立体は、２つの目的物間の相対的な変位を正確に検出するための非接触式位置センサ、更に詳細にいえば、制御バルブ組立体における弁体の位置を正確に測定するための非接触式位置センサを提供する。
【００１３】
高度に設定変更可能な磁束源を有するリミットスイッチは、複数の個別の磁石を用いており、直線変位又は回転変位を測定するように構成されている。このことは、磁石組立体のデザインを調整することにより達成される。個別の磁石を組み立てて、連続した複合的な磁束場を形成することにより、物理的幾何学形状を変更することが可能な磁束源が形成される。２つのＬ字型セクションを有するＵ字型磁極片を用いて、磁束源からの磁束を、Ｕ字型磁極片のＬ字型セクションの間に位置するホール効果エレメント又は第１のセンサに結び付けている。
【００１４】
第２のセンサが更に用いられている。この第２のセンサは、第１のセンサと共にかつ第１のセンサに比例して動作する。１つの実施形態では、ホール効果近接センサのＵ字型磁極片が、第１のセンサ及び第２のセンサを収納するために、２つのＬ字型セクションの各々に非対称Ｙ字型部が設けられるように構成されている。第１のセンサは、Ｙ字型部における第１の端部上のＵ字型磁極片の端面と直接に接続されている。第２のセンサは、アダプタを通じて、Ｙ字型部の第２の端部と結合されている。
【００１５】
このアダプタは、第２のセンサとＹ字型部の第２の端部との間に、本明細書において空気ギャップと呼ぶギャップを形成している。空気ギャップにより、第２のセンサに対する磁気カップリングは損失の多いものとなる。空気ギャップの間隔を変更することにより、それに比例して、第１のセンサ及び第２のセンサが受ける磁束の強度を制御することができる。アダプタはプラスティックの如き電気絶縁性材料であることが好ましいが、これに代えて、空気ギャップは、第２のセンサを通過する磁束を変更することなく、開放空間、即ち空気又は他の材料であってもよいと考えられている。
【００１６】
他の実施形態では、第２のセンサは、第１のセンサの隣に設けられており、Ｕ字型磁極片の平面に対して垂直な軸に沿って一列に並べられているか、又は、第１のセンサのホール効果エレメントに対して垂直になっており、Ｕ字型磁極片の底面と密接に接触して配置されている。これらの様々な実施形態は、以下の図面に示されている。
【発明の効果】
【００１７】
本明細書に記載の位置センサ組立体は、２つの目的物間の相対的な変位を正確に検出するための非接触式位置センサ、更に詳細にいえば、制御バルブ組立体における弁体の位置を正確に測定するための非接触式位置センサを提供する。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１−Ａ】磁束源中央近傍に配置された磁気センサの断面を示すブロック図である。
【図１−Ｂ】磁束源の一端の近傍に配置された図１-Ａの磁気センサの断面を示すブロック図である。
【図１−Ｃ】図１-Ａに対応する磁気センサ出力を示すグラフである。
【図１−Ｄ】図１-Ｂに対応する磁気センサ出力を示すグラフである。
【図２−Ａ】弁棒の直線変位を検出するためにスライディングステムアクチュエータに取り付けられた非接触式位置センサ組立体を示す斜視図である。
【図２−Ｂ】磁束源と非接触式位置センサ組立体との間の相互接続を表した図２-Ａの非接触式位置センサ組立体を示す斜視図である。
【図２−Ｃ】直線型非接触式位置センサのためのセンサハウジング及びセンサ組立体弁を示す斜視図である。
【図３−Ａ】直線移動行程に設けられた個々のインダクション値を有する複数の個別の磁石を含む磁束源を示す位置センサの側面図である。
【図３−Ｂ】センサ組立体内の磁束源の側面方向の位置及び挿入深さを示した直線移動行程のための図３-Ａの位置センサを示す平面図である。
【図３−Ｃ】断続的に磁気センサに電力を供給し、パルス出力信号を調整し、遠隔から運転される装置に用いられるアナログ信号を作成するために用いられる電子回路を示す略図である。
【図３−Ｄ】断続的に磁気センサに電力を供給し、パルス出力信号を調整し、遠隔から運転される装置に用いられるアナログ信号を作成するために用いられる電子回路を示す略図である。
【図４−Ａ】従来技術に記載されている用に配置されていると共に直線変位測定のための磁束源として用いられる単一棒磁石の非線形末端効果を表すために用いられる自由空間図である。
【図４−Ｂ】個別の磁束源である個別の磁石により生成された磁束場及び磁束収集磁極片により収集された結果得られた混合磁気場を示すために用いられる自由空間図である。
【図５−Ａ】４．５インチの直線移動型位置センサのための磁束源において垂直方向等間隔に離隔されていると共に螺旋状に配向されている磁石を示すラベルが付された円柱状の磁石支持体の一例を示す側面図である。
【図５−Ｂ】磁束源内の個別の磁石角度の回転並びにセンサ組立体内の磁束源の側面方向の位置及び挿入深さを示す直線式位置センサの螺旋状に配向された磁石の配置の一例を示す平面図である。
【図６】回転式磁束源を構成する複数の個別の磁石が回転軸の周りに均一な角度分布で配置された回転シャフトに結合された回転位置センサの一例を示す斜視図である。
【図７−Ａ】磁束収集磁極片の足と足との間で円柱状の磁束源が回転される末端接続型回転位置センサの一例を示す斜視図である。
【図７−Ｂ】線形出力特性を示す末端接続型回転位置センサのための標準感知面及び最大回転角を示す端面図である。
【図８】本発明に係る非接触式位置センサのためのセンサハウジング及びセンサ組立体を示す斜視図である。
【図９】図８の線９，９に沿った平面図である。
【図１０】非接触式位置センサのための第１のホール効果センサ及び第２のホール効果センサの他の配置を示す拡大平面図である。
【図１１】非接触式位置センサのための第１のホール効果センサ及び第２のホール効果センサの他の配置を示す拡大平面図である。
【図１２】弁体又は弁棒のストロークの一例を表す線形トランスレータの移動行程に沿った様々な位置に応じて１つの実施形態に従って配置された第１のホール効果センサ及び第２のホール効果センサの相対出力を示した、磁石保持器の移動距離に対してホール効果センサの出力（ＶＤＣ）をプロットした図である。
【図１３】第１のホール効果センサ及び第２のホール効果センサの電圧出力が検出され、プロセッサによって解析され、メモリ内に格納されているデータと比較され、出力信号がコントローラに供給されうるシステムを表している略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
本明細書記載の位置センサの利点を理解するために、位置センサのコンポーネント及びこれらのコンポーネントが制御バルブの変位を測定するためにどのように動作するかを理解しておくことが望ましい。好ましい実施形態では、制御バルブにおける変位測定が教示されているが、当業者にとって明らかなように、他の用途における変位測定も又同様に適切である。ここで、図面を参照すると、図１-Ａには、非接触式位置センサの主要コンポーネントが示されている。
【００２０】
図１-Ａでは、センサ５が磁束源８の隣に設けられている。公知のように、磁束源８により、当該磁束源８及びセンサ５を完全に覆う連続した３次元の磁束場が供される。センサ５は、当該センサ５を囲む磁場１０に比例して電気信号を生成するデバイスである。当業者にとって明らかなように、磁場１０の検出強度は、当該磁場１０内の位置に応じて変わる。従って、磁場１０に対してセンサ５の相対位置又は変位が僅かでも変わると、図１-Ｃのグラフに示されているように、それに応じた変化がセンサ５の出力に生じる。この関係を利用して、非接触式位置センサを作製することができる。
【００２１】
非接触式位置測定又は非接触式変位測定の適用にあたって、センサ５及び磁束源８は２つの機械的に独立した目的物（図示せず）に取り付けられる。磁束源８の相対変位を直接センサ５へ結び付けるために、動的な機械的リンク、即ち移動する機械的リンクは用いられない。図１-Ａを更に参照しながらセンサ５と磁束源８との相対的な位置関係を説明すると、センサ５が磁束源８の近傍に設けられており、その変位量がＤ１によって示されている。これに対応する図１-Ｃでは、Ｄ１の変位量に対するセンサ５の出力値がＶ１で示されている。図１-Ｂでは、変位量がＤ２により示される新しい位置に変更され、センサ５が磁束源８の端部の近傍に移動されている。これに対応する図１-Ｄのグラフでは、センサ５の出力の変化が、磁束源８により生成される磁場１０、Ｖ２内のセンサ５の位置に直接関連することが示されている。このようなセンサ５の出力信号の変化が、機械的に独立した２つの目的物間の変位を直接測定するために用いられる。センサ５の出力信号を処理して、以下で更に詳細に説明する制御バルブの用途において使用するために、センサ５に接続される電子回路（図示せず）が用いられる。
【００２２】
ここで、図２-Ａを参照すると、位置センサが制御バルブを自動的に制御するために用いられるスライディングステムアクチュエータ２０に接続されていることが示されている。スライディングステムアクチュエータ２０は、直線運動（即ち、直線方向の運動）を行うように構成されている。図２-Ａの斜視図には、位置センサの磁気センサ組立体１１及び磁束源１８ａ（図３〜図７に更なる詳細を図示する）を、スライディングステムアクチュエータ２０と遠隔から運転される装置１９（遠隔から運転される装置のモジュールベースのみを示す）との間に独立して取り付ける方法が示されている。
【００２３】
公知のように、スライディングステムアクチュエータ２０、遠隔から運転される装置１９、及び、制御バルブ（図示せず）が組み合わされて、バルブ組立体２３が形成されている。取付組立体１４を用いて、磁束源１８ａがステムコネクタ２７に取り付けられる。取付組立体１４は、取付板１５ａと位置調整板１５ｂとから構成されている。ステムコネクタ２７は、ステムコネクタ用ボルト１６ａ，１６ｂを用いて、アクチュエータステム１７と弁棒２１との間に接続される。
【００２４】
本発明の位置センサを装着していない通常のバルブ組立体の一般的な動作は、米国特許第５４５１９２３号に記載されている。この特許は、フィッシャーコントロールズ社（Ｆｉｓｈｅｒ  Ｃｏｎｔｒｏｌｓ  Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ，Ｉｎｃ．）に譲渡されており、本明細書において参照することにより援用される。公知のように、遠隔から運転される装置１９により弁体を移動させる命令が受信されると、スライディングステムアクチュエータ２０に対して加圧空気が案内され、アクチュエータ棒１７が移動する。アクチュエータ棒１７が僅かでも変位すると、センサ組立体１１に対する磁束源１８ａの位置が相対的に変化する。この位置の変化により、センサの出力が変更される。この出力信号が、遠隔から運転される装置１９に伝達され、処理されることにより、弁体（図示せず）が正確に制御される。図２-Ｂには、直線型位置センサ３０ａの斜視図が示されている。磁束源１８ａ及びセンサ組立体１１は、動作中、磁場１０（図１-Ａ及び図１-Ｂ）をセンサ組立体１１と適切に結び付けるものの接触させないように、非常に近くに設けられる。
【００２５】
ここで、図２-Ｃを参照すると、センサ組立体１１は、センサハウジング２２内に取り付けられている。センサハウジング２２により、磁束収集磁極片３２及び磁気センサ３５の位置調整が行われる（以下で更に詳細に説明する）。磁気センサ３５及び磁束収集磁極片３２は、ブラケット３８と２つのネジ２４ａ，２４ｂとにより、センサハウジング２２内に保持される。更に、センサハウジング２２を遠隔から運転される装置１９と直接統合することによって、電気接続が簡単なものとなり、当該技術分野において周知である、危険環境における本質的に安全なかつ防爆式の作業のための産業上の規制に準拠するものとなる。センサハウジング２２はアルミニウム又はその他の適切な非磁性材料から製造され、センサ組立体１１を受け入れるように構成される。
【００２６】
ここで、図３-Ａ及び図３-Ｂを参照すると、好ましい実施形態に係る磁束源１８ａ（図３-Ａ）及びセンサ組立体１１（図３-Ｂ）が詳細に説明されている。この好ましい実施形態では、磁束源１８ａは直線移動を測定し、変位量測定の全範囲に渡って、線形の出力信号を生成するように設計されている。例えば、変位量が１０％変化すると、それに応じて、位置センサの出力信号が１０％変化する。位置センサの出力の変化は全て、変位量の変化に正比例する。この出力の線形関係は、遠隔から運転される装置を機能させる上で重要なことである。変位量に対して正比例する測定値を生成するので、遠隔から運転される装置１９又はセンサ電子機器１３（図３-Ｃ及び図３-Ｄ）は、位置フィードバックを得るために、更なる処理をする必要がない。
【００２７】
複数の個別の又は別個の円柱状の磁石５０−７２を長方形状の支持体４１において組み立てることにより、磁束源１８ａが形成される。支持体４１の好ましい材料は、アルミニウム又はプラスティックの如き非磁性体である。好ましい実施形態では、約４．５インチの直線移動を測定することが可能となる線形の配置を形成するために、２３個の個別の磁石５０−７２が支持体４１に配置される。これらの個別の磁石５０−７２は、ＡＬＮＩＣＯ８Ｈから形成されて、垂直方向かつ水平方向に位置調整されることが好ましい。１つの実施形態では、磁石５０−７２は、ミネソタ州セントポールにある３Ｍ社からの２２４１構造用接着剤の如きエポキシを用いて支持体内に取り付けられる。磁石５０−７２は、各々、直径が約０．１８７５インチであり、長さが０．１８７５インチである。個別の磁石の中心から中心までの垂直方向の間隔は、約０．２５インチであり、配列の中心部分において４．５インチの変位量が測定できるようになっている。支持体４１は、磁石の配列を機械的に位置調整することを可能とする。又、支持体４１は、図２-Ａにおいて先に示したように、ステムコネクタ２７に直接取り付けられおり、取付組立体１４は、ステムコネクタ用ボルト１６ａ，１６ｂを用いてステムコネクタ２７に取り付けられている。
【００２８】
当業者にとって明らかなように、アクチュエータ２０上に遠隔から運転される装置１９を取り付ける間に発生する寸法許容誤差の累積するために、バルブ組立体２３を動作させる前に装置校正が必要となる。装置校正は、移動行程の長手方向の軸に沿って、又この長手方向の軸に直角な水平方向の面において、粗い位置調整を行うことにより促進される。運動をセンサに直接結び付ける従来のリンクとは異なり、取付組立体１４の取付面１５ａ及び位置調整面１５ｂは固定されており、設置プロセス中に調整されるのみである。磁束源１８ａ及びセンサ組立体１１の水平方向の位置調整に関しては、図３-Ｂにおいて更に説明する。
【００２９】
図３-Ｂの平面図には、センサ組立体１１のＵ字型の磁束収集磁極片３２が、明瞭に示されている。この磁束収集磁極片３２は、相互に鏡面対象になるように設けられた、高透磁率材料からなる２つのＬ字型セクション３３ａ，３３ｂを備えている。この高透磁率材料は、ペンシルべニア州レディングにあるカーペンターテクノロジー（Ｃａｒｐｅｎｔｅｒ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ  ｏｆ  Ｒｅａｄｉｎｇ，Ｐｅｎｎｓｙｌｖａｎｉａ）からのアニーリングされたＨｙＭｕ“８０”（登録商標）であることが好ましい。Ｌ字型セクション３３ａ，３３ｂは、その基部において、ギャップを有して接合されている。このギャップは、磁気センサ３５を受け入れると共にＬ字型セクション３３ａ，３３ｂの各々を当該磁気センサ３５と密に接触させるように配置するべく形成されている。Ｌ字型セクション３３ａ，３３ｂの各々における正方形断面の寸法は約０．１５インチである。好ましくは、Ｌ字型セクション３３ａ，３３ｂの各々は奥行きが約１．２５インチで、基部のレグ幅が０．４４５インチであり、これにより、外側寸法の奥行きが約１．２５インチ、幅が０．８９インチであるＵ字形状を形成している。好ましい実施形態では、磁気センサ３５は、アレグロ３５１６ホール効果エレメント（Ａｌｌｅｇｒｏ  ３５１６  Ｈａｌｌ  Ｅｆｆｅｃｔ  Ｅｌｅｍｅｎｔ）である。これに加えて、限定するわけではないが、アレグロ３５１６ホール効果エレメントを含む他のタイプの磁気センサを同様に用いてもよい。
【００３０】
磁気センサ３５からの出力は電子回路１３によって処理される（図３-Ｃ及び図３-Ｄ）。電子回路１３は、磁気センサ３５と遠隔から運転される装置１９との間のインターフェイスとして動作する。図３-Ｃに示されているように、一対のコネクタＪ１，Ｊ２は、産業標準である４−２０ｍＡの電流ループから電力を受ける。当業者にとって明らかなように、磁気センサ３５及び電子回路１３に対する電力は、カルフォルニア州サンタクララのナショナルセミコンダクタ（Ｎａｔｉｏｎａｌ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ  ｏｆ  Ｓａｎｔａ  Ｃｌａｒａ、Ｃａｌｉｆｏｒｎｉａ）からのＬＭ２８５マイクロパワー電圧基準ダイオードＵ２と、受動素子Ｒ５，Ｒ６，Ｒ７，Ｒ１０，Ｒ１１，Ｒ１２とを用いてデザインされた調整回路から生成されてもよい。図３-Ｃ及び図３-Ｄにおけるこれらのコンポーネント及び他のコンポーネントの値又は符号は、表１（表１-Ａ，表１-Ｂ）に示されている。
【００３１】
断続的に回路に電力を供給すると、磁気センサ３５及び電子回路１３の電力消費量が減少する。磁気センサ３５は、コネクタＪ３を通じて電子回路に接続されており、Ｎチャネル電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）Ｑ２を通じて約２００ヘルツで「電力スイッチ」が入れられるか又はパルスが加えられる。当業者にとって明らかなように、アリゾナ州フェニックスにあるフェニックスマイクロチップテクノロジー社（Ｍｉｃｒｏｃｈｉｐ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ  ｏｆ  Ｐｈｏｅｎｉｘ、Ａｒｉｚｏｎａ）から入手可能なＰＩＣ１２Ｃ５０８Ａ型の内蔵コントローラＵ１と、受動素子Ｒ１，Ｙ１，Ｃ１及びＣ２により、パルス式動作のためのタイミング及び制御が提供される。磁気センサ３５からのパルス出力信号は、遠隔から運転される装置１９により処理されうるアナログ信号を作成するために、補間又は再構成されなければならない。ＦＥＴＱ１、演算増幅器Ｕ３Ａ（図３０）、及び受動素子Ｒ２，Ｒ８，Ｒ１３，Ｒ１４，Ｃ３，Ｃ６，Ｃ７が、サンプル＆ホールド回路を形成し、アナログ信号を再構成する。演算増幅器Ｕ３Ｂ及び受動素子Ｒ３，Ｒ４，Ｒ９，Ｃ４は、再構成されたアナログ信号の調子を整えて（即ち、ゲイン及びオフセットを調整して）、フィルタリングし、最終的な出力信号を作成する。最終的な出力信号又は位置変位測定値は、コネクタＪ４（図３-Ｃ）を通じて、遠隔から運転される装置１９へと伝送される。最後に、試験コネクタＪ５は、磁気センサ３５及び電子回路１３の診断評価のための試験信号を生成することが可能である。本明細書記載の磁気回路は、調整可能な磁束源を作成するために、インダクション制御と外部磁場間の相互作用との両方を用いる。
【００３２】
【表１−Ａ】
2010164594.tif 000003
【００３３】
【表１−Ｂ】
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図４-Ｂを参照すると、磁束収集磁極片３２は、磁束源１８ａから磁場１０を収集し、この磁束を磁気センサ３５へ案内するべく構成されている。このことについては、以下で更に詳細に説明する。磁束源１８ａは、水平方向に僅かでも変位した場合であっても磁束源１８ａが磁束収集磁極片３２の内側レグと物理的に接触しないように、センサ組立体１１に対して略垂直に取り付けられる。磁束源１８ａは、Ｕ字型の磁束収集磁極片３２の開口部を約０．３１２５インチ過ぎたところで係合されている。磁束源１８ａの両側に約０．２インチの空気ギャップを設けることにより、当該磁束源１８ａがセンサ組立体１１内の中心の位置に設けられる。
【００３４】
各個別の磁石５０−７２は磁場を形成する。公知のように、磁場の形状及び密度は複数の因子に直接関連している。これらの因子の内の２つは、磁石のインダクションと、磁石の外部磁場との相互作用とである。以下で、磁束源１８ａの固有の特性をよりよく理解するために、上記の因子を更に詳細に説明する。
【００３５】
磁石のインダクションは磁石の固有の強度を表す直接的尺度であり、製造中に制御・調整されうる。公知のように、磁石の物理的な幾何学形状が与えられた場合、そのインダクションが上昇すると、それに応じて、磁石の強度及びその磁場の密度が上昇する。個別の磁石のインダクションを制御することにより、その磁束密度（即ち、与えられた体積中における磁束の量）及びその磁場を制御することができる。又、その個別の磁石により生成されたのではない追加の又は外部磁場をその個別の磁石により生成された磁場と組み合わせることができる。この追加の磁場の極性及び密度により、個別の磁石を囲む磁場を加法的に上昇させることもできれば、減少させることもできる。本明細書記載の磁気回路にあっては、インダクション制御と外部磁場間の相互作用との両方を用いて調整可能な磁束源が形成される。
【００３６】
従来技術において示されているように、単一棒磁石は、その磁石の全長が変位測定に用いられると、問題を発生する。図４-Ａに示されているように、単一棒磁石の用途における磁極の分極方向又は配向方向は移動方向に対して平行である。この磁極の配向により、磁石の磁極の近傍に非常に集中して磁場１３０ａ，１３０ｂが形成される。これらの濃密な磁場領域では、磁力線間の反発力により、磁場内に非常に非線形な変化が発生する。単一棒磁石が変位測定に用いられる場合、線形の出力を作成するため、センサ組立体の電子機器による特別な処理が必要となる。これに代えて、非線形な末端効果を無くすために磁石を延ばしてもよいが、この方法では、不必要に費用が増大し、又、物理的な長さの上昇に起因して位置センサ用途が限定される。好ましい実施形態では、磁束源の長さは検出される最大変位に実質的に等しく、出力信号は特別に処理される必要がない。
【００３７】
図４-Ｂは、７個の個別の磁石５０−５６のみを用いた好ましい実施形態を示す自由空間ダイアグラム図であり、この自由空間ダイアグラム図により、個別の磁場１１０−１１６及びこれらが結合して形成されるより大きな複合磁場１０が図面で示されている。以下の磁気理論により、複数の個別の磁石の間の関係が説明される。図４-Ｂに示されているように、個別の磁場１１０−１１６は、その発生源である個別の磁石５０−５６を包み込むのみではなく、その磁力線が隣の磁石と交差する。磁束領域が重なり合うと、加算的に結合され、磁束源全体の場を形成する更に大きな所定の磁場１０が生成される。好ましい実施形態では、各個別の磁石５０−５６の極軸を相対運動の方向に対して直角に配向することにより、連続する磁場の「積み重ね」を促進する。各個別の磁石５０−５６のインダクション又は強度を制御し、これらの磁石を線形に配列することにより、個別の磁場１１０−１１６が加算的に結合され、調整可能な磁束源が生成され、この磁束源により、所定の磁場１０が形成される。
【００３８】
先に記載されているように、各個別の磁石は、特定量の磁気「エネルギー」又はそれに関連するインダクションを有している。物理的な磁気容積、磁石形状、及び磁気材料特性の全てにより、磁石内にどれだけの磁気エネルギーが存在しうるかが決まる。当業者にとって明らかなように、各個別の磁石のインダクションは、インディアナ州インディアナポリスにあるマグネティックインスツルメンテーション社（Ｍａｇｎｅｔｉｃ  Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔａｔｉｏｎ、Ｉｎｃ．）により製造されるＭｏｄｅｌ  ９９０Ｃ  Ｍａｇｎｅｔｒｅａｔｅｒ（登録商標）の如き従来の磁石トリータを用いて、調整又は校正される。Ｍｏｄｅｌ  ９９０Ｃ  Ｍａｇｎｅｔｒｅａｔｅｒ（登録商標）を用いると、上述の磁石特性の全部が検討される。以下で示す表２は、図３-Ａに示されている線形配列に対するインダクション値を示している。
【００３９】
【表２】
2010164594.tif 000005
先に記載されかつ表２に示されているように、積み重ねられる磁石のインダクション値は、磁束源１８ａの磁場１０を形成するべく、累進的に変化していく。個別の磁石６１は、上記の配列の内の幾何学的に中央の位置に設けられており、装置の校正中において絶対参照としてゼロ磁気を提供するためにゼロガウスになるように調整されている。更に、絶対的な変位測定量を提供するために、個別の磁石５０−７２は、ゼロ磁気の両側では、反対の極性となっている。この極性の差は、電子回路１３（図４-Ｂに図示せず）によって検出され、遠隔から運転される装置１９により絶対位置測定値として用いられる。公知のように、表２の値の反対の演算符号は極性が変わったことを示している。従来、＋の値はゼロ磁気より上の相対変位に対して割り当てられ、−の値はゼロ磁気より下の相対変位に対して割り当てられる。好ましい実施形態では、出力関係が線形である位置センサが教示されているが、磁束源には本来調整可能な特性が備わっているため、センサ組立体の電子機器を変更することなく、様々な位置センサ出力信号−移動距離の関係を提供することができる。又、磁束源は、各々が固有の特性を有しているので、様々な形態の変位測定に効率的に適応する。これらの適応に関しては、以下で記載する他の実施形態において更に詳細に説明する。
【００４０】
上記の直線用途の他の実施形態では、磁束源内の個別の磁石を再配置することにより相互作用が制御される。先に記載したように、上記の好ましい実施形態は、所定の出力信号を形成するために、隣り合った個別の磁石のインダクションを調整することに依存している。図１-Ａ〜図１-Ｄをもう一度参照すると、磁場内の物理的な位置がその磁場の測定強度を決める。同様に、隣り合う磁石の間に空間又は距離を存在させることにより、個別の磁石の見かけ強度及びそれらの相互作用を制御することができる。
【００４１】
図５-Ａは、他の実施形態の側面図である。磁束源１８ｂの個別の磁石５０−７２は、先の場合と同様、支持体４２の長手方向の軸４６に沿って等距離離隔されている。個別の磁石５０−７２は、直径が０．１２５インチであり、長さが０．４６２インチである。支持体４２は、個別の磁石５０−７２を、中心から中心までの間隙を約０．２５インチとして受け入れるように構成されている。磁場の相互作用は、個別の磁石５０−７２を磁束源１８ａの長手方向の軸を中心として螺旋状に配向又は回転させることにより制御される。公知のように、磁石からの空隙を任意の方向に増やすことにより、磁石の見かけ上の強度は減少する。この代替実施形態では、隣り合う磁石の間の角変位を長手方向の軸を中心として正確に与えることにより、隣り合う磁場の間の相互作用が制御される。この代替実施形態では、センサ組立体１１（図示せず）は、上記の好ましい実施形態において詳細に説明されたものと同一である。従って、個別の磁石５０−７２の配置を計算することにより、所定の出力信号を生成することができる。
【００４２】
図５-Ｂは、直線型位置センサのために螺旋状に配向された磁束源１８ｂを示す平面図である。この図には、個別の磁石５０−７２のための回転基準面１２６が示されている。磁束源１８ｂは、磁束収集磁極片３２の第１のＬ字型セクション３３ａと第２のＬ字型セクション３３ｂとの間の略中央に位置付けされている。以下に示す表３は、センサ組立体１１（図示せず）からの出力を実質的に線形にするために必要とされる回転角度の一例を示している。個別の磁石５０−７２は全て約４５７ガウスに調整されている。
【００４３】
【表３】
2010164594.tif 000006
図６には、位置センサの他の実施形態が示されている。非接触式回転位置センサ３０ｂは、上記の好ましい実施形態に記載されているものと同等の技術を用いて構築される。１５個の個別の磁石５０−６４が、６度の均一な角度分布で扇形状の支持体４３に一列に設けられている。この扇形状の支持体は、回転軸４７に対して垂直になるように取り付けられ、回転磁束源１８ｃを形成している。この場合も、先と同様に、扇形状支持体４３はアルミニウムからなっていることが好ましい。回転磁束源１８ｃは、回転取付組立体７９によって直接回転シャフト７５に接続されている。磁束収集磁極片のＬ字型セクション３３ａ，３３ｂ、磁気センサ３５、及び個別の磁石５０−６４は上述のものと同一である。以下に示す表４には、図６に示されている回転磁束源１８ｃのインダクション値が示されている。
【００４４】
【表４】
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図６に示されている回転位置センサ３０ｂは、各個別の磁石５０−６４のインダクションを比較校正することにより、回転移動距離とセンサ出力値との間に線形の関係を実現している。この線形出力動作特性は、９０度の回転範囲全体に渡って提供されている。
【００４５】
又、本明細書記載の原理は、線形動作範囲の広い回転位置センサ３０ｃに対して適用されてもよい。この位置センサには、図２-Ｃを参照して先で記載したものと同一の磁束収集磁極片３２のＬ字型セクション３３ａ，３３ｂ及び磁気センサを用いることができ、磁束源としては、単一の円柱状の棒磁石３９を用いることができる。図７-Ａに示されているように、回転センサ３０ｃは、線形で変化する出力を供するようにデザインされている。円柱状の磁石３９は、磁束収集磁極片３２の第１のＬ字型セクション３３ａと第２のＬ字型セクション３３ｂとの間で回転させられ、実質的に線形の出力信号を生成する。磁石の長さを適切に選択することにより、最大の線形性が達成される。磁束収集磁極片３２に関していえば、円柱状の磁石３９の最適な長さは、磁束収集磁極片３２におけるＬ字型セクション間のギャップ幅の実質的に３分の２である。例えば、約０．５９インチの内幅を備えた好ましい実施形態に係る磁束収集磁極片３２を用いると、円柱状の磁石３９は、約０．３８５インチの長さを有することになる。この代替実施形態では、円柱状の磁石３９の直径は、約０．１８７５インチである。図示されているように、支持体４４により、円柱状の磁石３９が回転シャフト７５に取り付けられている。この支持体４４は、回転シャフト７５の軸４９を中心として円柱状の磁石３９と接続されている。更に、円柱状の磁石３９は、磁束収集磁極片３２の開口部を約０．３１２５インチ過ぎたところまで挿入されている。
【００４６】
図７-Ｂに示されているように、線形出力動作特性が１１０度の回転範囲に渡って提供されており、これにより、上記の回転が磁束収集磁極片３２の第１のＬ字型セクション３３ａ及び第２のＬ字型セクション３３ｂを二等分する面１１９を中心にして対称に分布される。この二等分面１１９は、磁気センサの感知面１１８に対して直角に配向されている。
【００４７】
以上において、単一のホール効果センサを用いた位置センサの実施例が複数個示され説明された。以上において説明、例示された技術及び構造に対して複数の修正及び変更を加えてもよい。例えば、強磁性体材料から形成される磁気分路を各個別の磁石の隣に設けることにより、又は、各個別の磁石を完全に取り囲むように設けることにより、その磁場を任意選択的に減少させて、隣の磁石に対する効果を制御してもよい。これに加えて、磁石と磁石との間の間隙を非均一にしてもよく、又は、磁石の長さを変更可能としてもよい。
【００４８】
更に、図８〜図１１の実施形態に示されているように、単一の非接触式ホール効果近接センサに用いられているＵ字型の磁束収集磁極に対して第２のホール効果センサを追加してもよい。図８を参照すると、センサ組立体２００がセンサハウジング２１２の中に取り付けられている。Ｕ字型の磁束収集磁極２１４がセンサハウジング２１２により位置調整されている。先において十分に説明したように、Ｕ字型の磁束収集磁極２１４は、第１のＬ字型セクション２１６と第２のＬ字型セクション２１８とを備えて、磁束源の近くに設けられている。この磁束源は、例えば（図３-Ａに示されているように）複数の個別の円柱状磁石を有する直角形状の支持体の形態を採ってもよい。この形態は、センサ組立体２１０による直線運動の位置及び移動距離の検出を容易にするために用いられうる。この磁束源に対する他の構成も可能である。例えば、回転位置及び移動距離の検出を容易にするために、この磁束源は、例えば（図６に示されているように）複数の個別の磁石を有する扇形状の支持体の形態を採ってもよい。これらの磁石は、均一な角分布で配置されることが好ましい。
【００４９】
図９において最も分かり易く示されているように、センサハウジング２１２において、第１のＬ字型セクション２１６及び第２のＬ字型セクション２１８は、各々対応して、非対称Ｙ字型部２２０，２２２において終端している。非対称Ｙ字型部２２０，２２２は、それぞれ対応して、第１の端部２２４，２２６を備えている。Ｕ字型の磁束収集磁極２１４における第１のＬ字型セクション２１６及び第２のＬ字型セクション２１８の非対称Ｙ字型部２２０，２２２の第１の端部２２４と第１の端部２２６との間の位置には、第１のホール効果センサ２２８が設けられている。第１のホール効果センサ２２８における面２３８の内、Ｌ字型部分２１８に接触する部分は、焼き印が押されることが好ましい。
【００５０】
非対称Ｙ字型部２２０，２２２には、それぞれ対応して、第２の端部２３０，２３２が更に設けられている。第１の端部２２４，２２６は、それぞれ対応する非対称Ｙ字型部分２２０，２２２の頭端部の位置に設けられている。又、第２の端部２３０，２３２は、それぞれ対応する非対称Ｙ字型部２２０，２２２の頭端部の位置に設けられている。センサハウジング２１２には、アダプタ２３４が更に設けられることが好ましい。アダプタ２３４は、プラスティックの如き電気絶縁性材料からなっているものの、磁束を通過させることが可能である。図９において最も分かり易く示されているように、第２のセンサ２３６及びアダプタ２３４は、非対称Ｙ字型部２２０，２２２の第２の端部２３０と第２の端部２３２との間の位置に設けられている。第１のセンサ２２８と同様に、第２のセンサ２３６は、ホール効果センサであり、その内部の少なくとも１つの感知エレメントは、Ｕ字型の磁束収集磁極２１４からの磁束の方向に対して直角に配向されるように、非対称Ｙ字型部分２２０，２２２の第１の端部２２４，２２６及び第２の端部２３０，２３２に対して直角になるように配置されている。
【００５１】
非対称Ｙ字型部分２２０，２２２に対して、第１の端部２２４と第２の端部２２６との間の位置に設けられる第１のセンサと、第１の端部２３０と第２の端部２３２との間の位置に設けられると共にアダプタ２３４を備えている第２のセンサ２３６とを設けることにより、幾らかの磁束が、第１のセンサ２２８から効果的に分流され、第２のセンサ２３６により検出される。第２のセンサ２３６は、リミットスイッチ回路内のリミットスイッチ検出エレメントとして用いられることが可能であり、単一センサ型の非接触式位置センサと比較して、信頼性を向上させ、弁棒の移動行程の端部における２つのリミットスイッチの必要性を回避できるという利点もある。
【００５２】
好都合なことには、アダプタ２３４は、第２のセンサ２３６と非対称Ｙ字型部２２０，２２２の第２の端部２３０，２３２との間に空気ギャップを形成するので、第２のセンサ２３６と損失の多い磁気結合を形成する。この空気ギャップの間隔、及び、磁極端片の表面積の如き磁気回路の他の成分を制御することにより、第１のセンサ２２８及び第２のセンサ２３６において受ける磁束の強度を制御することが可能である。
【００５３】
約０．１３インチ程度の空気ギャップにより、第２のセンサ２３６の出力は第１のセンサ２２８の出力の４０〜５０パーセント程度になる。この出力は、リミットスイッチとして用いられた場合、第２のセンサ２３６にとって満足のいく出力である。この場合も、先と同様に、アダプタの寸法、空気ギャップのサイズ、又はアダプタの材料を変更することにより、第１のセンサ２２８及び第２のセンサ２３６の相対的な出力が影響を受ける。従って、第１のセンサ２２８が主に位置センサとして用いられ、第２のセンサ２３６がリミットスイッチとして用いられる用途においては、第１のセンサ２２８が第２のセンサ２３６に比べてＵ字型の磁束収集磁極２１４からの磁束の内より大きなパーセンテージを受けることが好ましいので、この所望の結果をもたらすように、それぞれ対応する寸法及び材料が選択される。
【００５４】
他の実施形態では、第２のセンサ２３６は、Ｕ字型の磁束収集磁極におけるＬ字型セクション２１６，２１８の端部を変更する必要がないように、第１のセンサ２２８との相対的な位置付けがなされる。ここで、図１０を参照すると、第１のセンサ２２８は、Ｌ字型セクション２１６，２１８の端部と端部との間の位置に設けられているものとして示されている。第１のセンサ２２８における表面２２８の内で、Ｌ字型セクション２１８と接触する部分は、焼き印が押されることが好ましい。この実施形態では、第２のセンサ２３６は、第１のセンサ２２８及び第２のセンサ２３６の端部が好ましくは接触するように、第１のセンサ２２８の直ぐ隣に一列に並べられる。
【００５５】
第２のセンサが先の実施形態と同様に磁束を受けるように第１のセンサ２２８から磁束を分流させることに代えて、図１０の実施形態に係る（又、図１１の更に他の実施形態に係る）第２のセンサ２３６は、第１のセンサ２２８の近傍における漏洩磁束を検出するようになっている。このため、第２のセンサ２３６を最大漏洩磁束パスに配置すること、即ち第１のセンサ２２８のできるだけ近くに配置することが望ましい。
【００５６】
第１のセンサ２２８及び第２のセンサ２３６のホール効果感知エレメントは、一列に並べられ、Ｌ字型部分２１６，２１８の端部に対して直角に配向されている。第１のセンサ２２８及び第２のセンサ２３６の端部が接触していると、感知エレメント２４０，２４２は、約０．１１２インチの近さまで接近できるという利点があり、このことにより、第１のセンサ２２８及び第２のセンサ２３６が同一面に配置されている場合には、第２のセンサ２３６の感知エレメント２４２による第１のセンサ２２８近傍における漏洩磁束の検出が最大限にまで向上される。
【００５７】
ここで、図１１を参照すると、更なる他の実施形態では、第２のセンサ２３６が第１のセンサ２２８に対して直角に配向されている。この実施形態では、第２のセンサ２３６の感知エレメント２４２は、第１のセンサ２２８の感知エレメント（図示せず）に更に近づいている。第２のセンサ２３６の焼き印が押されていない面をＵ字型の磁束収集磁極におけるＬ字型セクション２１８の底面と密に平面接触させるように第２のセンサ２３６を配置することによって、第２のセンサ２３６の感知エレメント２４２を第１のセンサ２２８のホール効果感知エレメントに約０．０６３インチまで近づけることができる。この代替実施形態では、第１のセンサ２２８及び第２のセンサ２３６の感知エレメントが非常に近くに存在するため、更に詳細にいえば、最大漏洩磁束のパスに第２のセンサ２３６を設置させるため、第２のセンサ２３８は、図１０の実施形態の第２のセンサと比較して、更に大きな出力電圧を取得する。
【００５８】
図１２は、本明細書に開示される実施形態の内の１つに係る第１のセンサ及び第２のセンサを用いて監視された弁棒の移動の一例を示すグラフである。このグラフにおいて、第１のセンサ２２８及び第２のセンサ２３６の電圧出力はＤＣボルトで表示されており、長方形支持体（又は、磁石保持器）の形態を有する磁束源の線形移動により表現される弁棒の移動又は変位はインチで表されている。グラフに示されているように、第２のセンサ２３６の電圧出力は、第１のセンサ２２８の電圧出力と比例している。
【００５９】
以上に代えて、第２のセンサ２３６がその他の所望の場所に配置されてもよいが、磁束の多いパスに配置されることが好ましい。即ち、漏洩磁束を受ける第２のセンサに代えて又はそれに加えて、第２のセンサを第２の磁束パスに配置してもよい。従って、第２のセンサにより検出される更なる漏洩磁束パスを形成するための、又は第２のセンサにより検出される全く別の磁束パスを形成するための磁極構成（ｐｏｌｅ  ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ）が用いられてもよい。又、第２のセンサを、制御回路におけるリミットスイッチ以外の他の目的で用いてもよい。
【００６０】
図１３において模式的に示されているように、第１のセンサ２２８及び第２のセンサ２３６は、電圧検出器２５０と接続して設けられることが好ましい。この検出器２５０は、第１のセンサ及び第２のセンサの各々の中の感知エレメント２４０，２４２の電圧を検出する。この電圧検出器２５０は、プロセッサ２５２と通信しうる。プロセッサ２５２は、検出された電圧出力を比較する一又は複数の所定の電圧を格納するためのメモリを備えている。上記のプロセッサは出力信号生成器２５６を備えるように更に構成されてもよい。出力信号生成器２５６は、上記のプロセッサによって、メモリ２５４に格納されている一又は複数の所定の電圧に対する検出電圧出力の近さが選択、決定されると、信号を生成する。次いで、この信号を受信するコントローラ２５８は、それに応答して、一又は複数の適切な制御手順を開始する。
【００６１】
当業者にとって明らかなように、先に記載した様々な実施形態は説明を意図するものであって、本発明の範疇を制限することを意図したものではない。例えば、本明細書に開示された実施の形態は、弁棒の移動を検出することを指向したものであるが、いうまでもなく、本明細書の教示は、物理的な接触をすることなく、又、複数の電子機械リミットスイッチを必要とすることなく、目的物に対して信頼性ある位置検出及び／又は信頼性ある移動制限を行うことが望まれる他の状況に対しても、同様に適用可能である。
【産業上の利用可能性】
【００６２】
本明細書に記載の位置センサ組立体は、２つの目的物間の相対的な変位を正確に検出するための非接触式位置センサ、更に詳細にいえば、制御バルブ組立体における弁体の位置を正確に測定するための非接触式位置センサとして産業上利用可能である。
【符号の説明】
【００６３】
５  センサ
８  磁束源
１０  磁場
１１  磁気センサ組立体
１３  センサ電子機器
１４  取付組立体
１５ａ  取付板
１５ｂ  位置調整板
１６ａ  ステムコネクタ用ボルト
１６ｂ  ステムコネクタ用ボルト
１７  アクチュエータ棒
１８ａ  磁束源
１８ｂ  磁束源
１８ｃ  回転磁束源
１９  遠隔から運転される装置
２０  スライディングステムアクチュエータ
２１  弁棒
２２  センサハウジング
２３  バルブ組立体
２４ａ  ネジ
２４ｂ  ネジ
２７  ステムコネクタ
３０ａ  直線型位置センサ
３０ｂ  非接触式回転位置センサ
３２  磁束収集磁極片
３３ａ  Ｌ字型セクション
３３ｂ  Ｌ字型セクション
３５  磁気センサ
３８  ブラケット
３９  棒磁石
４１  支持体
４２  支持体
４４  支持体
４６  軸
４７  回転軸
４９  軸
５０−７２  磁石
７５  回転シャフト
７９  回転取付組立体
１１０−１１６  磁場
１１８  感知面
１１９  面
１２６  回転基準面
１３０ａ  磁場
１３０ｂ  磁場
２００  センサ組立体
２１０  センサ組立体
２１２  センサハウジング
２１４  磁束収集磁極
２１６  第１のＬ字型セクション
２１８  第２のＬ字型セクション
２２０  非対称Ｙ字型部
２２２  非対称Ｙ字型部
２２４  第１の端部
２２６  第１の端部
２２８  第１のホール効果センサ
２３０  第２の端部
２３２  第２の端部
２３４  アダプタ
２３６  第２のセンサ
２３８  面
２４０  感知エレメント
２４２  感知エレメント
２５０  電圧検出器
２５２  プロセッサ
２５４  メモリ
２５６  出力信号生成器
２５８  コントローラ
【図１−Ａ】
2010164594.tif 000008
【図１−Ｂ】
2010164594.tif 000009
【図１−Ｃ】
2010164594.tif 000010
【図１−Ｄ】
2010164594.tif 000011
【図２−Ａ】
2010164594.tif 000012
【図２−Ｂ】
2010164594.tif 000013
【図２−Ｃ】
2010164594.tif 000014
【図３−Ａ】
2010164594.tif 000015
【図３−Ｂ】
2010164594.tif 000016
【図３−Ｃ】
2010164594.tif 000017
【図３−Ｄ】
2010164594.tif 000018
【図４−Ａ】
2010164594.tif 000019
【図４−Ｂ】
2010164594.tif 000020
【図５−Ａ】
2010164594.tif 000021
【図５−Ｂ】
2010164594.tif 000022
【図６】
2010164594.tif 000023
【図７−Ａ】
2010164594.tif 000024
【図７−Ｂ】
2010164594.tif 000025
【図８】
2010164594.tif 000026
【図９】
2010164594.tif 000027
【図１０】
2010164594.tif 000028
【図１１】
2010164594.tif 000029
【図１２】
2010164594.tif 000030
【図１３】
2010164594.tif 000031
【手続補正書】
【提出日】平成22年6月1日(2010.6.1)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁場に応答する少なくとも１つのホール効果感知エレメントを有する第１のセンサと、
磁場に応答する少なくとも１つのホール効果感知エレメントを有する第２のセンサと、
磁束を収集し、少なくとも前記第１のセンサに案内するためのＵ字型磁束収集磁極片と、
磁場を生成するための磁束源とを備えており、
前記Ｕ字型磁束収集磁極片が、透磁性材料からなる第１のＬ字型セクションと第２のＬ字型セクションとを対称になるように配設して二股に分かれた基部を有するＵ字形状を形成することにより形成されており、前記Ｕ字型磁束収集磁極片の該二股に分かれた基部が前記第１のＬ字型セクション及び前記第２のＬ字型セクションを分離するギャップを有しており、
前記第１のＬ字型セクションは、前記第２のＬ字型セクションの方向に延びる第１の端部及び第２の端部を有したヘッドを有していると共に前記第１のＬ字型セクションから延びている第１の非対称Ｙ字型部と、前記第１のＬ字型セクションの方向に延びる第１の端部及び第２の端部を有したヘッドを有していると共に前記第２のＬ字型セクションから延びている第２の非対称Ｙ字型部とを更に備えており、
前記第１のセンサが、前記第１の非対称Ｙ字型部及び前記第２の非対称Ｙ字型部の前記第１の端部の間に配置されており、
前記第２のセンサが、前記第１の非対称Ｙ字型部及び前記第２の非対称Ｙ字型部の前記第２の端部の間に配置されており、
前記第１のセンサに向う磁束によって生成された前記第１のセンサの電圧出力は、その変位が位置センサ組立体によって検出される最大変位に満たないとき、前記磁束源に相関した第１のセンサの変位の変化に関して、実質的に線形的に変化する、位置センサ組立体。
【請求項２】
前記第２のセンサと前記第１の非対称Ｙ字型部及び前記第２の非対称Ｙ字型部の前記第２の端部との間に配置されるアダプタを更に備えてなる、請求項１記載の位置センサ組立体。
【請求項３】
前記アダプタが電気絶縁性材料を含有してなる、請求項２記載の位置センサ組立体。
【請求項４】
前記電気絶縁性材料がプラスティックである、請求項３記載の位置センサ組立体。
【請求項５】
前記第２のセンサが前記第１のセンサの直ぐ隣の位置に設けられており、前記第１のセンサの前記ホール効果感知エレメント及び前記第２のセンサの前記ホール効果感知エレメントが一列に並べられると共に前記Ｌ字型部の前記端部に対して垂直に配向されてなる、請求項１乃至４記載の位置センサ組立体。
【請求項６】
前記第２のセンサの前記ホール効果感知エレメントを前記第２のセンサの前記ホール効果感知エレメントに対して直角にすることにより、前記第１のセンサ及び前記第２のセンサの前記ホール効果感知エレメントを隔てる距離を最小限に抑えるように構成される、請求項１記載の位置センサ組立体。