(57)【要約】  ステータと、磁石を有する電機子と、を含むリニアモータを位置決めする位置検知システムであり、電機子がパスに沿ってステータに対して運動する。センサが、電機子の磁石によって発生する磁場の測定値に基づいて、電機子の位置を決定する。
2011516023.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ステータおよび電機子を備えるリニアモータであって、前記電機子がパスに沿って前記ステータに対して運動し、前記電機子が磁石を備えるリニアモータと、
前記電機子の前記磁石によって発生する磁場の測定値に基づいて、前記電機子の位置を決定するセンサと、
を備える、装置。
【請求項２】
前記センサが、前記電機子の前記磁石の一つの磁場を検出する、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記磁石の一つが、前記電機子の端部にある、請求項２に記載の装置。
【請求項４】
前記センサが、前記磁場の方向を決定する、請求項１に記載の装置。
【請求項５】
前記センサが、前記電機子の第一の端部を検出する第一の磁気センサと、前記電機子の第二の端部を検出する第二の磁気センサとを備える、請求項１に記載の装置。
【請求項６】
前記センサが、磁場の強度の変化を補償する、請求項１に記載の装置。
【請求項７】
前記センサが、第一の方向における前記磁場の第一の測定値と第二の方向における前記磁場の第二の測定値との比を用いることによって、磁場の強度の前記変化を補償する、請求項６に記載の装置。
【請求項８】
前記センサが、第一の測定値を提供するために第一の方向における前記磁場を測定し、前記磁場の第二の測定値を提供するために第二の方向における前記磁場を測定する、請求項１に記載の装置。
【請求項９】
前記第一および第二の方向が、前記パスに垂直な第一の方向と前記パスに垂直な第二の方向とを含む、請求項８に記載の装置。
【請求項１０】
前記センサが、前記電機子磁石の前記磁場を検出する磁気センサを備え、前記磁気センサが、前記ステータによって発生する磁場からの干渉を低減するために前記ステータから離間している、請求項１に記載の装置。
【請求項１１】
前記磁場の方向と前記パスに沿って運動する部材の位置との間の相関関係に関する情報を記憶する記憶装置をさらに備える、請求項１に記載の装置。
【請求項１２】
前記磁場の方向と前記パスに沿って運動する部材の位置との間の相関関係を計算するモジュールをさらに備える、請求項１に記載の装置。
【請求項１３】
ステータおよび電機子を備えるリニアモータであって、前記電機子がパスに沿って前記ステータに対して運動し、前記電機子が磁石を備えるリニアモータと、
前記電機子の前記磁石によって発生する磁場の測定値に基づいて、前記電機子の位置を決定するセンサと、
前記電機子の前記位置に基づいて前記リニアモータを制御するコントローラと、
を備える、アクティブサスペンションシステム。
【請求項１４】
前記電機子が、車輪または座席に結合される、請求項１３に記載のアクティブサスペンションシステム。
【請求項１５】
ステータに対して電機子を運動させるために、リニアモータの前記電機子の磁石からの磁場を使用する段階と、
前記電機子の前記磁石によって発生する前記磁場の測定値に基づいて、前記電機子の位置を決定する段階と、
を含む、方法。
【請求項１６】
前記電機子の端部の前記磁石の一つの磁場を検出する段階を含む、請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
前記磁場の方向を決定する段階を含む、請求項１５に記載の方法。
【請求項１８】
前記ステータから距離を置いて磁気センサを配置する段階と、前記電機子磁石の前記磁場を検出する前記磁気センサを使用する段階と、を含み、前記距離が、前記ステータによって発生する磁場からの干渉を低減するために選ばれる、請求項１５に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、磁場を用いた位置測定に関する。
【背景技術】
【０００２】
物体の位置および運動を制御するために、リニアモータを使用することができる。一部の実例においては、モータのステータに対する電機子の位置を決定するのに電機子上に取り付けられた磁気スケールのパターンを読むために、磁気センサアレイを使用することができる。このセンサは、デジタルセンサ(ホール効果スイッチなど)、アナログセンサ(磁気抵抗センサまたは巨大磁気抵抗センサなど)、あるいはその両方の組合せとすることができる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
本明細書では、広範囲の温度にわたって動作することができる低価格の非接触型高分解能長ストローク絶対位置センサを説明する。この位置センサは、制御システムがモータコミュテーション(好適なモータ巻線を電気的に駆動する)を適宜実行し、モータを使用する上位システムを適宜制御することができるように、リニアモータ電機子の位置を測定する。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
一態様において、概略的には、リニアモータは、ステータおよび電機子を含み、この電機子はパスに沿ってステータに対して運動し、この電機子は磁石を含み、センサは電機子の磁石によって発生する磁場(magnetic field)の測定値に基づいて電機子の位置を決定(determine)する。
【０００５】
実施形態では、以下の特徴の一つまたは複数を含むことができる。センサは、電機子の磁石の一つの磁場を検出することができる。これらの磁石の一つは、電機子の端部に存在することができる。センサは、磁場の方向を決定(determine)することができる。センサは、電機子の第一の端部を検出する第一の磁気センサと、電機子の第二の端部を検出する第二の磁気センサとを含むことができる。センサは、磁場強度の変化を補償することができる。この磁場強度の変化は、温度変化、距離、磁場から成る群から選ばれた要素によって発生する可能性がある。センサは、第一の方向における磁場の第一の測定値と第二の方向における磁場の第二の測定値との比を用いて磁場強度を補償することができる。センサは、第一の方向における磁場の第一の測定値と、第二の方向における磁場の第二の測定値とを測定することができる。センサは、電機子磁石の磁場を検出するための磁気センサを含むことができ、この磁気センサは、ステータから離間している。このセンサは、ある位置における第一および第二の方向の磁場の振幅(amplitude)を測定することによって、第一および第二の測定値を測定することができる。第一および第二の方向は、パスに垂直な第一の方向と、パスに垂直な第二の方向とを含むことができる。磁場の方向とパスに沿って運動する部材の位置との間の相関関係に関する情報を記憶するための記憶装置を提供することができる。磁場の方向とパスに沿って運動する部材の位置との間の相関関係を計算するためのモジュールを提供することができる。
【０００６】
別の態様において、概略的には、パスに沿って運動可能な部材は、パスに沿って延在する長尺磁石を含み、この長尺磁石の磁場方位はパスに対して角度が付き、センサは、この長尺磁石によって発生する磁場の測定値に基づいてパスに沿った部材の位置を決定する。
【０００７】
実施形態は、以下の特徴の一つまたは複数を含むことができる。パスに対して角度が付いた長尺磁石の磁場方位は、パスに対して同じ角度の方向に沿って長尺磁石を物理的に配置することにより、またはパスに対して同じ角度の方向に沿って長尺磁石の磁場方位を着磁させることにより、達成することができる。長尺磁石は、第一の部分および第二の部分を含むことができ、第一の部分は、第二の部分のＮからＳへの磁場方向とは異なるＮからＳへの磁場方向を有する。第一の部分および第二の部分の両方は、第一の方向に平行に延在することができる。第一および第二の部分は、第一の方向に垂直なＮからＳへの軸を有することができる。センサは、長尺磁石によって発生する磁場の方向を決定することができる。磁場の方向と部材の位置との間の相関関係に関する情報を記憶するために、記憶装置を提供することができる。磁場の方向と部材の位置との間の相関関係を計算するために、モジュールを提供することができる。センサは、磁場の測定値に基づいてパスに沿った部材の絶対位置を決定することができる。この部材は、モータの電機子を含むことができる。長尺磁石は、帯状磁石を含むことができる。
【０００８】
別の態様において、概略的には、パスに沿って運動可能な部材がパスに沿って磁石に対して運動する過程で、この部材は磁石の磁場の分布を変化させ、センサは磁場の方位の測定値に基づいてパス上の部材の位置を決定する。
【０００９】
実施形態は、以下の特徴の一つまたは複数を含むことができる。部材は、この部材がパスに沿って運動する過程で磁場の分布を変化させる強磁性体要素を含むことができる。強磁性体要素は、スチール要素を含むことができる。強磁性体要素は、部材がパスに沿って運動する過程で変化する断面を有することができ、この断面はパスに垂直な平面に沿っている。部材は、モータの電機子を含むことができる。磁石は、モータのステータに対して固定することができる。
【００１０】
別の態様において、概略的には、アクティブサスペンションシステムはステータおよび電機子を有するリニアモータを含み、電機子はパスに沿ってステータに対して運動し、電機子は、磁石と、電機子の磁石によって発生する磁場の測定値に基づいて電機子の位置を決定するセンサと、電機子の位置に基づいてリニアモータを制御するコントローラとを含む。
【００１１】
実施形態は、以下の特徴の一つまたは複数を含むことができる。電機子は、座席または車輪に結合することができる。
【００１２】
別の態様において、概略的には、アクティブサスペンションシステムは、パスに沿って運動可能な部材を含み、この部材は、パスに沿って延在する長尺磁石を含み、この長尺磁石の磁場方位は、パスに対して角度が付いている。このシステムは、長尺磁石によって発生する磁場の測定値に基づいてパスに沿った部材の位置を決定するセンサと、部材の位置に基づいて部材の運動を制御するコントローラとを含む。
【００１３】
実施形態は、以下の特徴の一つまたは複数を含むことができる。電機子は、座席または車輪に結合することができる。
【００１４】
別の態様において、概略的には、アクティブサスペンションシステムは、磁石とパスに沿って運動可能な部材とを含み、この部材がパスに沿って磁石に対して運動する過程で、この部材は、磁石の磁場の分布を変化させる。このシステムは、磁場の方位の測定値に基づいてパス上の部材の位置を決定するセンサと、部材の位置に基づいて部材の運動を制御するコントローラとを含む。
【００１５】
実施形態は、以下の特徴の一つまたは複数を含むことができる。部材は、座席または車輪に結合することができる。
【００１６】
別の態様において、概略的には、リニアモータの電機子の磁石からの磁場は、電機子をステータに対して運動させ、電機子の位置は、電機子の磁石によって発生する磁場の測定値に基づいて決定される。
【００１７】
実施形態は、以下の特徴の一つまたは複数を含むことができる。電機子の端部の磁石の一つの磁場を検出することができる。この磁場の方向を決定することができる。磁場の方向の決定は、第一の方向における磁場の第一の測定値と第二の方向における磁場の第二の測定値との比を決定する段階を含むことができる。第一および第二の方向は、パスに垂直な第一の方向とパスに垂直な第二の方向とを含むことができる。この方法は、ステータから距離を置いて磁気センサを配置する段階と、電機子磁石の磁場を検出する磁気センサを使用する段階とを含み、この距離は、ステータによって発生する磁場からの干渉を低減するために選ばれる。磁場の方向とパスに沿って運動する部材の位置との間の相関関係に関する情報は、記憶装置に記憶することができる。磁場の方向とパスに沿って運動する部材の位置との間の相関関係を決定することができる。
【００１８】
別の態様において、概略的には、部材はパスに沿って運動し、この部材はパスに沿って延在する長尺磁石を含み、この長尺磁石の磁場方位はパスに対して角度が付いており、パスに沿った部材の位置は、長尺磁石によって発生する磁場の測定値に基づいて決定される。
【００１９】
実施形態は、以下の特徴の一つまたは複数を含むことができる。長尺磁石は、パスに対して角度が付いた方向に沿って物理的に配置される。長尺磁石によって発生する磁場の方向が決定される。磁場の方向とパスに沿って運動する部材の位置との間の相関関係に関する情報は、記憶装置に記憶することができる。磁場の方向とパスに沿って運動する部材の位置との間の相関関係を決定することができる。パスに沿った部材の絶対位置は、磁場の測定値に基づいて決定することができる。パスに沿った部材の運動は、パスに沿ってモータの電機子を運動させる段階を含むことができる。
【００２０】
別の態様において、概略的には、部材がパスに沿って運動し、部材がパスに沿って磁石に対して運動する過程で磁石の磁場の分布が変化し、パス上の部材の位置は、磁場の方位の測定値に基づいて決定される。
【００２１】
実施形態は、以下の特徴の一つまたは複数を含むことができる。パスに沿った部材の運動は、部材がパスに沿って運動する過程で磁場の分布を変化させる強磁性体要素を運動させる段階を含むことができる。パスに沿った部材の運動は、部材がパスに沿って運動する過程で磁場の分布を変化させるスチール要素を運動させる段階を含むことができる。パスに沿った部材の運動は、部材がパスに沿って運動する過程で変化する断面を有する強磁性体要素を運動させる段階を含むことができ、この断面は、パスに垂直な平面に沿っている。パスに沿った部材の運動は、パスに沿ってモータの電機子を運動させる段階を含むことができる。磁石は、モータのステータに対して定位置に維持することができる。
【００２２】
これらおよびその他の態様および特徴、ならびにそれらの組合せは、方法、装置、システム、機能を実行する手段、プログラム製品として、およびその他の方法で表現することができる。
【００２３】
これらの態様および特徴は、以下の利点の一つまたは複数を有することができる。この位置センサは、簡素かつ低価格にすることができ、低精度の要件で取り付けることができる。それぞれの位置センサには、少ない数の磁場方向センサと磁場発生源を使用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】位置決めシステムの概略図である。
【図２】位置決めシステムに使用されるセンサの概略図である。
【図３Ａ】磁場方向センサの線図である。
【図３Ｂ】磁場成分を示すグラフである。
【図４】位置決めシステム内の磁場分布を示す線図である。
【図５】位置決めシステムの概略図である。
【図６】位置決めシステムの概略図である。
【図７】角度付き長尺磁石の概略図である。
【図８Ａ】センサおよび角度付き磁石の断面図である。
【図８Ｂ】センサおよび角度付き磁石の断面図である。
【図９Ａ】磁場分布を示す線図である。
【図９Ｂ】磁場分布を示す線図である。
【図１０】磁場成分と磁石移動位置との間の関係を示すグラフである。
【図１１Ａ】長尺磁石の線図である。
【図１１Ｂ】磁場方向と磁石移動位置との間の関係を示すグラフである。
【図１２Ａ】位置決めシステムの概略図である。
【図１２Ｂ】位置決めシステムの概略図である。
【図１２Ｃ】位置決めシステムの断面図である。
【図１３Ａ】磁場の分布を示す線図である。
【図１３Ｂ】磁場の分布を示す線図である。
【図１４】位置決めシステムの概略図である。
【図１５】マイクロコントローラボードのブロック図である。
【図１６】較正参照テーブルに記憶されたデータを示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
図1を参照すると、一部の実施形態において、位置決めシステム(positioning system)100は、リニアモータ102のステータ104に対する電機子106の正確な位置を決定(determine)するために、低分解能粗位置検知と高分解能微細位置検知との組合せを使用する。この微細位置検知は、位置センサ組立体120aおよび120b(まとめて120と呼ぶ)を使用して達成することができる。一例において、位置センサ組立体120aおよび120bは、高分解能相対位置測定値を提供する磁場方向センサ110aおよび110b(まとめて110と呼ぶ)と、電機子106の端点の低分解能粗位置測定値を提供する一連のホール効果センサ122(図2を参照)とを備える。磁場方向センサ110およびホール効果センサ122からの出力は、電機子106の高分解能絶対位置を決定するためにマイクロコントローラ322(図15を参照)によって処理される。
【００２６】
ステータ104は、制御可能な電磁場を発生させるために制御可能な電流を流す配線またはコイルを含む。電機子106は、電機子106を運動させるための磁力を発生させるために、ステータコイルからの電磁場と相互作用する磁場を発生させる一連の磁石(108a、108b、・・・など、まとめて108と呼ぶ)を含む。電機子106の位置および運動は、電機子106の現在位置などの様々な情報に基づいて様々なコイルに様々な電流を適宜流す外部制御システム(図示せず)によって制御される。位置決めシステム100の特徴は、同じ磁石108が(電機子106を運動させるための)力発生および位置測定の両方に使用されることである。このことによって、位置決めシステム100の原価は抑えられるが、これは位置検知用に追加の磁石を使用する必要がないからである。
【００２７】
位置決めシステム100には、多くの応用例がある。たとえば、このシステム100は、運転手と乗客により高い快適性を提供するための自動車のサスペンションシステムの一部として使用することができる。このシステム100は、凸凹道の上を進む間に自動車本体の安定性を維持し、強引な運転中に自動車本体のレベルを維持するのを支援することができる。また、位置決めシステム100は、運転席の安定性を維持し、自動車のその他の部品の振動から運転手を隔離する運転席サスペンションシステムの一部として使用することができる。
【００２８】
図1に示された位置決めシステム100は、全ストロークリニアモータ102を使用し、すなわち、電機子106は、ステータ104のいずれかの側(112aまたは112b)に延在することができる。いくつかの例においては、半ストロークリニアモータを使用することができる。その場合に、電機子106がステータ104の一方の側の上を半ストローク進む過程で電機子106の位置を決定するために、単一の磁場方向センサ110aまたは110bを使用することができる。
【００２９】
本明細書で使用される用語「センサ」は、文脈によって様々な意味を有する可能性がある。たとえば、センサは、ホール効果センサ、ホール効果スイッチ、または磁場方向センサなどの単一の検知デバイスである可能性がある。また、センサは、検知デバイスからの信号を処理し、電機子の位置を決定(determine)するデータプロセッサを含むセンサである可能性がある。
【００３０】
図2を参照すると、位置センサ組立体120は、いくつかのホール効果センサ122を有するサーキットボードを含む。一例において、ホール効果センサ122は、電機子磁石108間の距離よりも短い名目上(nominally)均一な距離だけ離間している。位置センサ組立体120のサーキットボードは、ステータ104に対して定位置に配置されている。ホール効果センサ122は、電機子磁石108からの磁場を測定し、電機子106の端部磁石108aの近似絶対位置を検知することによって、電機子106のステータ104に対する低分解能粗絶対位置を提供する。このことによって、位置決めシステム100は、電機子106のステータ104に対する近似絶対位置を決定することが可能になる。電機子106がその最遠方位置にあるときに、ホール効果センサ122dが端部磁石108aの磁場を検出することができるように、ステータ104から最も遠いホール効果センサ122dが配置される。電機子106のそれぞれの端部における108aなどの端部磁石は、磁場方向センサ110を配置することができないステータ104内の位置まで進むことができるので、電機子106の全ストロークにわたるいずれかの位置用に少なくとも一つの端部磁石を検知することができるように、ホール効果センサ122は、リニアモータ102の両端部に配置されている。一例において、電機子運動の範囲(112aおよび112b)にわたって、それぞれの位置センサ組立体(120aおよび120b)は、重複して動作する。範囲112aおよび112bは、等しくてもよいし、等しくなくてもよい。
【００３１】
電機子磁石108を検出するために、磁気抵抗に基づいたセンサなどの粗位置検知用のその他の磁気センサも使用することができる。
【００３２】
図3Aを参照すると、磁場方向センサ110は、基準方向132に対する磁場の方向130の角度θ1を測定する。磁場方向センサ110の例には、スイス国所在のゼントロン・アーゲー(Sentron AG、Switzerland)から入手可能である２軸ホール効果センサを内蔵した2SA-10が含まれる。磁場方向センサ110は、磁場の二つの直交成分(xおよびy成分など)の比を測定することによって、磁場の方向の角度を検出することができる。磁場方向センサ110は、本来、磁場強度の変化を補償するが、それは、この変化が両成分に比例する傾向があり、それらの比がほぼ同一のままであるからである。
【００３３】
図3Bを参照すると、グラフ156は、磁場方向センサ110によって検出され、BxおよびByで示された磁場の二つの成分を示す。成分BxおよびByのそれぞれは、電機子磁石108が磁場方向センサ110に対して運動する過程で、周期的に変化することができる。水平軸は、電機子運動の距離(ミリメートル)を示し、垂直軸は、BxおよびBy成分の大きさ(ガウス)を示す。
【００３４】
図4は、ステータコイルによって発生する電磁場140および電機子磁石108によって発生する磁場142の分布を示す。磁場142の方向は、電機子106の進行方向141に沿って周期的に変化する。磁場142の方向は、電機子106が二つの磁石108にまたがる距離を進むたびに繰り返す。磁場方向センサ110は、二つの磁石108間の距離内で電機子の位置を決定することができ、したがって、高分解能相対位置検知を提供することができる。電機子のそれぞれの端部における端部磁石108aは、磁場方向センサ110を配置することができないステータ内の位置まで進むことができるので、ホール効果センサ122は、モータ102のそれぞれの端部に配置され、電機子106の全ストロークにわたるいずれかの位置用に少なくとも一つのホール効果センサ122の下に常に磁石が存在するように配置される。
【００３５】
磁場方向センサ110がx1度の分解能を有し、電機子磁石108のピッチ(ピッチとは、二つの磁石間の距離のことである)がpであるとすると、微細位置検知の分解能は、約p*x1/180である。いくつかの例において、磁場方向センサ110は0.07度の分解能を有することができ、電機子磁石108は5mmのピッチを有することができる。この結果、5mm*0.07/180=0.0002mmの分解能になる。
【００３６】
ホール効果センサ122(低分解能絶対位置情報を提供する)および磁場方向センサ110(高分解能相対位置情報を提供する)からの測定値を組み合わせることによって、ステータ104に対する電機子106の高分解能絶対位置を得ることができる。
【００３７】
位置決めシステム100をモータに取り付けた後、較正プロセスが行われる。位置決めシステム100の最終の取付けおよびテストの間に、ホール効果センサ122および磁場方向センサ110の出力は、電機子106のいくつかの位置のそれぞれに関して記録される。電機子106の位置は、外部較正機器を使用して測定される。較正された電機子の位置とそれらに対応するホール効果センサ122および磁場方向センサ110からの出力は、較正参照テーブル324に記憶される(図15を参照)。その後に、位置決めシステム100を使用するときに、ホール効果センサ122および磁場方向センサ110から得られた測定値は、較正参照テーブル324の値と比較され、電機子106の位置を決定する。テーブル値間の補間が利用され、テーブル324それ自体の分解能には限定されない位置値を得ることができる。
【００３８】
較正参照テーブル324は、低価格の非較正センサの使用を可能にする。参照テーブル324は、製造過程の最終段階近くで構築されるので、製造公差を増加させることができる。位置決めシステム100の製造および取付け中に位置決めシステム100のセンサまたはその他の部品の不整合によって発生する誤差は、センサ出力を較正参照テーブル324と比較するときに補償することができる。
【００３９】
磁場方向センサ110は、ステータコイルからの磁場140によって磁場方向センサ110が影響を受けないように、ステータコイルから十分に離間した距離Dに配置される。この要求は、ホール効果センサの位置要求に対応し、したがって、磁場方向センサ110およびホール効果センサ122を担持するために、位置センサ組立体120の同じサーキットボードを使用することができる。磁場方向センサ110の位置においてモータコイルからの磁場が電機子磁場に影響を及ぼさないように、磁気シールド方法も使用することができる。
【００４０】
図5を参照すると、一部の実施形態において、位置決めシステム160は、一連の追加の磁石162を使用し、それらの磁石は、電機子106の側に配置され、微細位置決め情報を提供するために電機子磁石108よりも小さいピッチを有する。電機子106の高分解能相対位置を決定するために、小ピッチ磁石162によって発生する磁場の方向を測定する磁場方向センサ(図中ではその他の要素によって視界を遮られている)を使用することができる。ホール効果センサ122および磁場方向センサからの測定データを組み合わせることにより、電機子106の高分解能絶対位置を決定することができる。
【００４１】
いくつかの例において、小ピッチ磁石162には、交互に代わる極性を備える個々の磁石が含まれる。いくつかの例において、磁石162は、交互に代わる極性を備える領域を有する帯状磁石から作ることができる。個々の磁石または帯状磁石は、スチールの当て板上に配置することができる。
【００４２】
図1の例では、粗位置検知用に端部電機子磁石108aを検出するホール効果センサ122を使用する。以下に説明するように、粗位置検知のその他の方法を使用することができる。
【００４３】
図6を参照すると、一部の実施形態において、位置決めシステム170は、粗位置検知において使用される磁場を発生させるために、角度付きの長尺磁石172(電機子106の運動方向に対して角度を付けて取り付けられた長尺磁石である)を使用する。長尺磁石172は、冷蔵庫の磁気シールに使用される帯状磁石と類似させることができる。長尺磁石172は、電機子106の行程長と同程度の長さまで延在し、一例においては図4に示されるようにほぼ水平である運動方向(141)に対して角度を付けて取り付けられているので、全行程長にわたって変化する運動方向に垂直な平面内の方向を有する磁場成分を提供することができる。磁場方向の変化は、粗絶対位置決め情報を提供する磁場方向センサ182(図7を参照)によって検出することができる。一部の応用例において、この絶対位置測定は、一部の応用例には十分な精度を提供することができ、より微細な分解能の測定のためのその他の成分を全く要求しない。
【００４４】
図7を参照すると、いくつかの例において、長尺磁石172は、スチールの当て板173上に配置され、長尺磁石172の長手方向174が電機子進行方向176に対して角度θ2になるように方向付けられた単一の極性帯状磁石172とすることができる。長尺磁石172は、スチールの当て板173上において、第一の位置178に一方の端部186を有し、第二の位置180にある他方の端部188まで延在している。
【００４５】
図8Aは、スチールの当て板173、センサ182、および長尺磁石172の端部186の断面図である。図8Bは、スチールの当て板173、センサ182、および長尺磁石172の他方の端部188の断面図である。磁場センサ182は、電機子運動の方向に見るとき、角度付きの磁石172の端部186がセンサ182の下部左側に配置され、帯状磁石172の他方の端部188がセンサ182の下部右側に配置されるように、配置される。電機子106が運動する過程で、磁場方向センサ182の近傍の磁場の分布は、それに応じて変化する。
【００４６】
本明細書の説明において、用語「左」、「右」、「上」、「下」、「水平」、および「垂直」とは、図中の要素の相対位置のことである。要素は、その他の位置または方位を有することができる。
【００４７】
図9Aは、長尺磁石172の１極磁化の磁場190の分布を示す。図9Bは、長尺磁石172の２極磁化の磁場190の分布を示す。スチールの当て板173が電機子106に取り付けられている一方、磁場方向センサ182は、ステータ104に対して定位置に配置されている。電機子106がステータ104に対して運動するとき、角度付きの長尺磁石172は、センサ182に対して運動する。電機子106がそのストロークの全長を運動するとき、磁場方向センサ182は、磁石172に対して位置Aから位置Bに変化する。
【００４８】
センサ182は、磁場190のBxおよびBy成分を検出するように方向付けられている。この例において、Bx成分は、電機子106の進行パスに垂直である。By成分は、電機子106の進行パスに垂直であり、磁石172の上部表面192に垂直である。
【００４９】
図10は、磁場190対電機子106の位置のBxおよびBy成分それぞれの大きさを示す曲線202および204を有するグラフ200である。水平軸は電機子運動の距離(ミリメートル)を示し、垂直軸はBxおよびBy成分の大きさ(ガウス)を示す。所定の磁石帯とスチールの当て板構造の取付け角度を制限することによって、BxおよびBy成分の測定値の組合せは、全ストロークにおいて電機子106のそれぞれの位置で固有のものとなる。したがって、電機子106の絶対位置を決定するために、磁場方向センサ182からの出力を使用することができる。
【００５０】
図11Aを参照すると、長尺磁石172は、１極を有することが示されている。２極を有する長尺磁石210も使用することができる。長尺磁石210の２極は、反対極性を有するように方向付けられ、長尺磁石210が電機子進行方向に対して角度を付けて配置されるとき、長尺磁石210の全長にわたって、磁場方向センサによって測定される磁場方向のより大きい変化を提供する。
【００５１】
図11Bを参照すると、グラフ220は、磁場方向とx方向(図8Aおよび図8Bを参照)におけるセンサ182に対する角度付きの１極長尺磁石172の位置との間の2D有限成分領域関係を示す曲線222を示す。曲線224は、磁場方向とx方向におけるセンサ182に対する角度付きの２極長尺磁石210の位置との間の関係を示す。この例において、それぞれの磁石は、x方向に-2mmから+2mmまで変化する。曲線222と224との比較によって、角度付きの２極長尺磁石210における磁場方向の変化は、角度付きの１極長尺磁石172の変化の約2倍であることが示される。
【００５２】
グラフ220に示された関係は、3.4MGOe帯状磁石を使用して作成された。磁石172および210は、磁石の一方の端部から他方の端部までx方向に4mmの変化が生じるように方向付けられた(たとえば、図9の位置AとBとの間の距離は4mmである)。角度付きの１極帯状磁石172においては、磁場方向の変化は69°であった。比較すると、角度付きの２極長尺磁石210においては、磁場方向の変化は152°であった。
【００５３】
角度付きの１極および２極の長尺磁石を比較すると、角度付きの２極長尺磁石210を使用する利点は、より大きい磁場方向変化を得ることができるということである。角度付きの１極長尺磁石172を使用する利点は、同じ磁石全体寸法においては、１極帯状磁石172は、より強い磁場を発生させることができ、測定中により高い信号対ノイズ比を提供することができるということである。
【００５４】
図12Aおよび12Bを参照すると、一部の実施形態において、位置決めシステム230は、電機子106が運動するときに磁場の分布を変化させるために、テーパ付きのスチールブレード231を使用することによって、粗位置決め情報を得る。図12Bは、図12Aの一部分235の拡大図である。磁場は、一つまたは複数の永久磁石(232および290など)によって発生し、磁場方向は、磁場方向センサ238によって検出される。
【００５５】
図12Cは、位置決めシステム230の断面図である。スチール要素(一つまたは複数)234およびスチールブレード231が高透磁率のパスを提供する、スチール要素(一つまたは複数)234を提供することができる。
【００５６】
たとえば、スチールブレード231は、スチール部材240の一部分とすることができる。スチール部材240は、支持部244に取り付けられた一部分242を有することができ、支持部244は電機子106に結合される。スチールブレード231は、支持部244から外側に延在し、テーパ付き形状を有し、したがって、スチールブレード231の一方の端部246がスチールブレード231の他方の端部248よりも狭くなる。スチールブレード231の一部分は、センサ238と磁石290との間の領域296を通過する。電機子106がその全ストロークにわたって進むとき、領域296内のスチールブレード231の一部分の幅が変化する。スチールブレード231は空気よりも高い透磁率を有するので、領域296内のスチールブレード231の一部分の幅を変化させることによって、磁場方向センサ238の近傍の磁場の分布は変化する。
【００５７】
図13Aおよび13Bは、スチールブレード231が二つの異なる位置にあるときの二つの永久磁石232および290の磁場分布のシミュレーションを示す。スチールブレード231のより広い端部248が領域296内にあるとき(図13Aに示されるように)、より高い密度の磁束がスチールブレード231を貫通する。この例において、磁場方向センサ238によって検出された磁場は、方向292を有する。スチールブレード231のより狭い端部246が領域296内にあるとき(図13Bに示されるように)、より低い密度の磁束がスチールブレード231を貫通する。この例において、磁場方向センサ238によって検出された磁場は、方向294を有する。これは、電機子106がその全ストロークにわたって進むとき、磁場方向が方向292と294との間で変化することを示している。
【００５８】
磁石の数、それぞれの磁石のサイズおよび位置、磁束保持スチール部品のサイズおよび形状、ならびに磁場方向センサ238の位置などの様々なシステムパラメータを選ぶことができ、その結果、磁場方向センサ238が適宜動作するのを可能にするために十分な磁場強度が生じ、電機子106が全ストロークを進むとき、磁場方向に十分大きい差異が生じるようになる。
【００５９】
スチールブレード231、磁場方向センサ238、ならびに磁石232および290は、利用可能な空間の制限などの様々な設計制限を調整するために、様々な位置および方位を有することができる。
【００６０】
図14を参照すると、一部の実施形態において、位置決めシステム230(図12A)に類似の位置決めシステム298は、システム230のスチールブレードおよび磁場方向センサと比較して90°回転したスチールブレード233および磁場方向センサ238を使用する。電機子106が運動する過程で、磁場方向センサ238と一つの磁石または複数の磁石290との間の領域316内に延在するスチールブレード233の量が変化し、したがって、図12Aの場合と同様に、磁場方向センサ238の近傍の磁場の分布を変化させる。この位置決めシステムの方位は、位置決めシステムとリニアモータの組合せの全体サイズを縮小するために、リニアモータの開放空間を利用するように調整することができる。
【００６１】
図15を参照すると、一部の実施形態において、位置決めシステム100(図1)、160(図5)、170(図6)、230(図12A)、および298(図14)はそれぞれ、電機子106の位置を決定するためのマイクロコントローラユニット(MCU)ボード320aおよび320bを含む。MCUボード320aは、磁場方向センサ110aからの信号330aおよび330b(まとめて326と呼ぶ)と、第一の側112aに配置されたホール効果センサ122からの信号332a、332b、332cなど(まとめて328と呼ぶ)を処理するマイクロコントローラ322を含む。MCUボード320bは、磁場方向センサ110bからの信号と、第二の側112bに配置されたホール効果センサ122からの信号とを処理するマイクロコントローラ322を含む。いくつかの例において、両ボード320aおよび320bからの磁場方向センサ110の信号とホール効果センサ122の信号とを処理するために、単一のMCUを使用することができる。
【００６２】
信号330aおよび330bは、磁場の方向または角度を決定するために使用することができる磁場の二つの成分の測定値を示す。磁場方向は、電機子106の高分解能相対位置を決定するために使用することができる。信号332a、332b、332cなどは、ホール効果センサ122からの測定値を示し、電機子106の粗絶対位置を決定するために使用することができる。マイクロコントローラ322は、信号326と328とを組み合わせて、電機子106のステータ104に対する高分解能絶対位置を決定する。MCUボード320aおよび320bは、電機子106の行程の異なる部分にわたっているが、同様の位置測定を実行し、その結果、有効な位置測定がいずれの電機子位置においても可能である。対象領域の一部の重複部分は、電機子の運動が一方のボードの測定領域から他方のボードの測定領域への遷移を要求するときに、有効な測定値を提供することができる。二つの測定領域の大きい重複部分は、位置測定値をモータの両端部のそれぞれのボードからの有効な測定値の平均とすることができる利点を提供する。この平均化は、熱膨張効果によって生じた位置誤差を除去し、不規則な電気ノイズからの誤差を低減しやすいであろう。たとえば、この位置決めシステムは、-40℃から+120℃などの広範囲の温度にわたって、正確な位置決めを提供することができる。MCUボード320aおよび320bは、図示したように、互いに通信しており、ボード320a上のMCUは、一つのボード、または複数のボードを決定し、現在有効な位置データを提供し、適切な場合に平均化し、データを要求する外部システムに位置測定値を伝える追加のタスクを有する。
【００６３】
位置決めシステム100を取り付け、またテストした後、較正プロセスが実行され、そこでは、磁場方向センサ110およびホール効果センサ122からの測定値が、電機子106の位置を測定する外部較正機器によって作成される測定値と比較される。較正された測定値は、較正参照テーブル324に記憶される。
【００６４】
図16を参照すると、グラフ340は、位置決めシステム100(図1)で使用するために較正参照テーブル324に記憶された較正された測定値を示す。グラフ340内のそれぞれの丸は、参照テーブル324に記憶された測定値に対応する。グラフ340の水平軸は、電機子106の位置を示す。この例において、電機子106は、測定ボードの一つによって測定された行程の一部分に相当する120mmだけ進む。
【００６５】
グラフ340は、二組のデータを含む。データの第一の組342(鋸歯状関数を形成する丸によって示された)は、磁場方向センサ110から得られた角度測定データを含む。データの第一の組342は、磁場の方向が電機子106の位置と共に周期的に変化することを示している。たとえば、電機子106が0から約9mmまで運動するとき、磁場方向は、約125°から359°まで変化する。電機子106が約9mmから約21mmまで運動するとき、磁場方向は、約26°から約330°まで変化するなどである。角度測定値は相対位置決めを提供するが、それは、それぞれの角度値をいくつかの推定される電機子位置に対応させることができるからである。
【００６６】
データの第二の組344(ステップ状関数を形成する丸によって示された)は、ホール効果センサ122からの出力によって決定される端部磁石位置を示している。データの第二の組344は、データの部分集合を含み、それぞれの部分集合は、ホール効果センサ122の一つに対応する。たとえば、データの第一の部分集合344aは、電機子位置が約0から9mmの間にあるとき、第一のホール効果センサ122a(図2を参照)が電機子106の端部位置を検出することを示している。データの第二の部分集合344bは、電機子位置が約9から21mmの間にあるとき、第二のホール効果センサ122bが電機子106の端部位置を検出することなどを示す。
【００６７】
較正参照テーブル324を構築した後、センサからの測定値は、参照テーブル324の値と比較され、電機子106の正確な位置を決定する。たとえば、ホール効果センサ122からの出力は、データの第二の組344と比較され、低分解能絶対位置を決定する。電機子106が、たとえば、0から9mmの間、または9から21mmの間のいずれに配置されているかなどを決定するために、ホール効果センサ信号を使用することができる。
【００６８】
磁場方向センサ110からの出力は、データの第一の組342と比較され、高分解能絶対位置を決定する。たとえば、ホール効果センサ122は、電機子106が9から21mmの間にあることを示し、磁場方向センサ110は、磁場の方向が約247°の角度を有することを示すことを仮定されたい。センサ測定値は、参照テーブル324のデータ点346に一致し、データ点346は、電機子106が約19mmの位置にあることを示す。
【００６９】
参照テーブル324に記憶された較正された測定値の数が多いほど、後の位置測定値をより正確にすることができる。参照テーブル324は、フラッシュメモリまたは電気的消去可能プログラム可能型読取専用メモリ(EEPROM)などの不揮発性メモリに記憶することができる。不揮発性メモリの容量のために、限られた数の較正された測定値しか参照テーブル324に記憶することができない。
【００７０】
磁場角度測定値が、参照テーブル324に記憶された値と一致しないとき、電機子106の位置を推定するために、補間プロセスを使用することができる。たとえば、磁場方向センサ110が角度測定値xを出力し、参照テーブル324が角度値xnおよびxn+1を有し、xn<x<xn+1で、xnが電機子位置ynに対応し、xn+1が電機子位置yn+1に対応することを仮定されたい。線形補間を使用して、電機子位置y=yn+Δyに対応する角度xを決定することができ、ここで、Δy=mn・Δx、Δx=x-xn、およびmn=(yn+1-yn)/(xn+1-xn)である。補間計算を実行するのにMCUが必要な時間を短縮するために、勾配mnを事前に計算し、参照テーブル324に記憶することができる。360°の周回の不連続性を挟む二つの角度値の間の補間は、周回の不連続性を効果的に解消し、次に補間を実行するために、必要に応じて、点の一つに360°のオフセット量を加算または減算することによって実行することができる。補間計算時間を短縮するために、これらのオフセット値を事前に計算し、テーブルに記憶することができる。
【００７１】
図16においてわかるように、磁場角度対電機子位置の関係は、連続ではない。これは、角度値が数学的に0から360°の範囲に制限されているためであり、その結果、0°未満まで下降し、または360°より上まで上昇するとき、瞬時変化または周回が生じる。同様に、ホール効果センサ出力より決定される電機子位置と粗位置との間の関係も、連続ではない。電機子位置測定値の精度を上げるために、不連続性が生じる位置の近傍により小さい位置増加量を使用して作成した測定値を示す追加のデータ点を較正参照テーブル324に記憶することができる。
【００７２】
様々な実施形態を説明してきたが、その他の実施形態は、以下の特許請求の範囲の範囲内にある。たとえば、リニアモータが、図1の位置決めシステム100において使用され、またモータの一方の側の電機子磁石が常にセンサに対して露出しているような限定されたストロークを有するとき、一つのMCUボード320のみを使用する必要がある。位置決めシステム100、160、170、230、および298は、ロボットなどの様々な機械の運動部品の位置を決定するなど、サスペンションシステム以外の応用例に使用することができる。
【００７３】
一部の応用例においては、粗位置検知だけで、十分な分解能を提供することができる。たとえば、位置決めシステム170が、高精度の電機子位置決めを要求しない応用例で使用されるとき、角度付きの長尺磁石172の効果に基づいた粗位置検知だけで十分である可能性がある。同様に、位置決めシステム230が、高精度の電機子位置決めを要求しない応用例で使用されるとき、テーパ付きのスチールブレード231の効果に基づいた粗位置検知だけで十分である可能性がある。
【００７４】
位置決めシステムの要素は、上述のものと異なる構成および使用材料を有することができる。たとえば、ハネウェル社(Honeywell Corp.)から入手可能な磁気抵抗角度センサHMC1501またはHMC1512、あるいはメレキシス社(Melexis Corp.)から入手可能なホール効果に基づいた磁場方向センサなどの様々な種類の磁気センサを使用することができる。様々な種類の磁石を使用することができる。磁石のN極とS極の方位は、上述のものと異なる可能性がある。スチールブレード231(図12A)は、様々な形状を有することができる。複数のスチールブレードを使用することができる。スチールブレード231は、空気の透磁率と異なる透磁率を有する非スチール材料で置き換えることができる。参照テーブル324を記憶する不揮発性メモリは、マイクロコントローラ322に内蔵し、またはその外部に存在することができる。
【００７５】
位置決めシステム170、230、および298と共に使用される較正参照テーブルは、グラフ340によって示される参照テーブルと異なるものにすることができる。たとえば、位置決めシステム170用の較正参照テーブルは、様々な電機子位置において角度付きの長尺磁石172によって発生する磁場の方向に関する較正された測定値を含むことができる。位置決めシステム230および240用の較正参照テーブルは、様々な電機子位置において磁石232および290によって発生する磁場の方向に関する較正された測定値を含むことができる。参照テーブルは、位置決めシステムのメンテナンス中に更新および再較正することができる。
【符号の説明】
【００７６】
100  位置決めシステム
102  リニアモータ
104  ステータ
106  電機子
108  磁石
110  磁場方向センサ
120  位置センサ組立体
122  ホール効果センサ
130  磁場の方向
132  基準方向
160  位置決めシステム
162  小ピッチ磁石
170  位置決めシステム
172  長尺磁石
173  スチールの当て板
182  磁場方向センサ
230  位置決めシステム
231  スチールブレード
232  永久磁石
233  スチールブレード
238  磁場方向センサ
290  永久磁石
298  位置決めシステム
320a  マイクロコントローラユニット(MCU)ボード
320b  マイクロコントローラユニット(MCU)ボード
322  マイクロコントローラ
324  較正参照テーブル
【図１】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図１０】
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【図１１Ａ】
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【図１１Ｂ】
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【図１２Ａ】
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【図１２Ｂ】
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【図１２Ｃ】
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【図１３Ａ】
2011516023.tif 000021
【図１３Ｂ】
2011516023.tif 000022
【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【手続補正書】
【提出日】平成22年11月11日(2010.11.11)
【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】
磁場を発生させる一連の磁石を備え、前記一連の磁石が、第一の端部に配置された第一の端部の磁石と、第二の端部に配置された第二の端部の磁石と、を備えた、リニアモータの電機子と、
前記リニアモータのステータであって、パスに沿ってステータに対して前記電機子を運動させるために、前記電機子の前記一連の磁石によって発生する前記磁場と相互作用するコイルを備えた、ステータと、
前記ステータに対する前記電機子の絶対位置の低分解能測定値を提供するために、前記電機子の前記一連の磁石によって発生する前記磁場を測定する、第一の複数のセンサと、
前記ステータに対する前記電機子の相対位置の高分解能測定値を提供するために、前記電機子の前記一連の磁石によって発生する前記磁場の角度を測定する、第二の複数の磁場方向センサと、
前記ステータに対する前記電機子の絶対位置の前記低分解能測定値と、前記ステータに対する前記電機子の相対位置の前記高分解能測定値と、を組み合わせて、前記ステータに対する前記電機子の前記絶対位置の高分解能測定値を生成する、プロセッサと、
を備える、装置。
【請求項２】
前記磁場方向センサが、前記一連の電機子磁石によって発生する前記磁場の方向の基準方向に対する角度を測定する、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記第一の複数のセンサが、前記第一の端部の磁石によって発生する磁場の一部分を検出する第一の磁気センサと、前記第二の端部の磁石によって発生する磁場の一部分を検出する第二の磁気センサと、を備える、請求項１または２に記載の装置。
【請求項４】
前記第一の複数のセンサの一つのセンサが、前記磁場の強度の変化を補償する、請求項１から３のいずれか一項に記載の装置。
【請求項５】
前記センサが、第一の方向における前記磁場の第一の測定値と、第二の方向における前記磁場の第二の測定値と、の比を用いることによって、前記磁場の強度の変化を補償する、請求項４に記載の装置。
【請求項６】
前記磁場の方向と前記パスに沿った電機子の位置との間の相関関係に関する情報を記憶する記憶装置をさらに備える、請求項１から５のいずれか一項に記載の装置。
【請求項７】
前記磁場の方向と前記パスに沿った電機子の位置との間の相関関係を計算するモジュールをさらに備える、請求項５に記載の装置。
【請求項８】
前記電機子が、座席に結合される、請求項１に記載のアクティブサスペンションシステム。
【請求項９】
前記電機子が、自動車の車輪に結合される、請求項１に記載のアクティブサスペンションシステム。
【請求項１０】
一連の磁石を備えるリニアモータの電機子をステータに対して運動させる段階と、
前記電機子が前記ステータに対して運動する過程で、前記リニアモータの前記電機子の前記磁場を検知する第一の複数のセンサの出力を測定する段階と、
前記リニアモータの前記電機子が前記ステータに対して運動する過程で、前記一連の電機子磁石によって発生する前記磁場の角度を測定する第二の複数の磁場方向センサの出力を測定する段階と、
前記電機子の前記ステータに対する位置を決定するために、前記測定出力と参照テーブルに記憶されたデータとを比較する段階と、
を含む、位置センサの動作方法。
【請求項１１】
前記参照テーブルに記憶された結果が、較正プロセスによって生成される、請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記較正プロセスが、
前記ステータに対して前記電機子を運動させる段階と、
前記電機子が前記ステータに対して運動する過程で、前記ステータに対する前記電機子の位置を測定するように構成された外部機器の第一の出力を得る段階と、
前記電機子が前記ステータに対して運動する過程で、前記リニアモータの前記電機子の前記磁場を検知する前記第一の複数のセンサの第一の複数の出力を得る段階と、
前記電機子が前記ステータに対して運動する過程で、前記一連の電機子磁石によって発生する前記磁場の前記角度を測定する前記第二の複数の磁場方向センサの第二の複数の出力を得る段階と、
前記第一の出力、ならびに前記第一および第二の複数の出力を前記参照テーブルにデータとして記憶する段階と、
を含む、請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記第一の複数のセンサが、ホール効果センサである、請求項１０から１２のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１４】
前記磁場方向センサが、前記一連の電機子磁石によって発生する前記磁場の方向の基準方向に対する角度を測定する、請求項１０から１３のいずれか一項に記載の装置。
【国際調査報告】
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