(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
一体型モータ位置センサであって、前記一体型モータ位置センサは、
モータを備え、前記モータは、
ロータアセンブリを備え、前記ロータアセンブリは、軟磁性の上部ロータポールキャップと、軟磁性の下部ロータポールキャップと、前記上部ロータポールキャップと前記下部ロータポールキャップとの間に軸方向に分極されたロータマグネットとを備え、前記上部ロータポールキャップおよび前記下部ロータポールキャップは両方とも、周囲に間隔を空けて配置された径方向に突出する複数のロータ歯を有し、前記上部ロータポールキャップの前記ロータ歯は、前記下部ロータポールキャップの前記ロータ歯間のギャップに位置合わせされ、前記モータはさらに、
前記ロータアセンブリと同軸であり、かつ径方向に突出する複数のステータポールを有するステータアセンブリを備え、前記複数のステータポールは、各々が、前記ロータアセンブリと同軸の円をなすように径方向に突出する複数のステータポール歯と、前記ステータポールを電気的に励磁するためのコイルとを有し、前記モータはさらに、
前記ロータアセンブリの前記軸方向に分極されたロータマグネットおよび前記ステータアセンブリに対する前記ロータアセンブリの相対的運動によって励磁される複数の位置検出素子を備え、前記複数の位置検出素子の各々は、前記上部ロータポールキャップと前記下部ロータポールキャップとに面しており、前記複数の位置検出素子の各々は、
大バルクハウゼンジャンプセンサを含み、前記大バルクハウゼンジャンプセンサは、その両端にわたる磁界の変化に応答してパルスを生成するためのセンスコイルを有し、前記各位置検出素子はさらに、
前記ロータ歯の１つ以上からの磁束を前記大バルクハウゼンジャンプセンサに誘導するための磁束収集器を含み、
前記ステータアセンブリに対する前記ロータアセンブリの相対的位置は、前記モータの１電気周期の数分の１以内に判定可能である、一体型モータ位置センサ。
【請求項２】
前記大バルクハウゼンジャンプセンサによって生成される前記パルスを計数するための不揮発性カウンタをさらに備える、請求項１に記載の一体型モータ位置センサ。
【請求項３】
前記不揮発性カウンタは、前記大バルクハウゼンジャンプセンサによって生成される前記パルスによって少なくとも一部電源供給される、請求項２に記載の一体型モータ位置センサ。
【請求項４】
前記不揮発性カウンタは、主電源が外されたときに電源を供給するためのバックアップ電源によって少なくとも一部電源供給される、請求項２に記載の一体型モータ位置センサ。
【請求項５】
前記バックアップ電源は、
１つ以上のバッテリと、
１つ以上のスーパーキャパシタとの１つ以上を備えた、請求項４に記載の一体型モータ位置センサ。
【請求項６】
前記不揮発性カウンタは、前記モータと一体的である、請求項２から請求項５のいずれか１項に記載の一体型モータ位置センサ。
【請求項７】
前記大バルクハウゼンジャンプセンサは、ウィーガントワイヤを含む、請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の一体型モータ位置センサ。
【請求項８】
前記大バルクハウゼンジャンプセンサは、ガラスで被覆されたマイクロワイヤを含む、請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の一体型モータ位置センサ。
【請求項９】
前記モータの磁気構造内に一体化され、かつ、少なくとも前記位置検出素子の分解能を超える絶対位置検出能を有する複数の高分解能位置センサをさらに備え、前記高分解能位置センサは、前記ステータアセンブリに対して前記ロータアセンブリを位置決めするために使用される磁束の一部を検出し、
前記高分解能位置センサによって生成される情報は、前記位置検出素子によって生成される情報と組合されて、任意の多数の回転にわたる高分解能位置情報を提供することができる、請求項１から請求項８のいずれか１項に記載の一体型モータ位置センサ。
【請求項１０】
前記大バルクハウゼンジャンプセンサは、前記大バルクハウゼンジャンプセンサの両端にわたる前記磁界の十分な反転に応答して前記パルスを与えるための前記センスコイルを含む、請求項１から請求項９のいずれか１項に記載の一体型モータ位置センサ。
【請求項１１】
前記大バルクハウゼンジャンプセンサは、十分な磁界強度に達した後に０に戻った磁束に応答して前記パルスを生成するための前記センスコイルを含む、請求項１から請求項９のいずれか１項に記載の一体型モータ位置センサ。
【請求項１２】
前記位置検出素子は、粗動ブリッジ検出素子を含み、
前記磁束収集器は、前記ロータ歯の１つ以上からの交互の磁気極性を有する磁束を、前記上部ロータポールキャップからオフセットされた前記大バルクハウゼンジャンプセンサに誘導するための第１のブリッジ磁束収集器と、
前記ロータ歯と異なる位相を有する前記ロータ歯の１つ以上からの磁束を前記大バルクハウゼンジャンプセンサに誘導するための第２のブリッジ磁束収集器とを含む、請求項１に記載の一体型モータ位置センサ。
【請求項１３】
前記大バルクハウゼンジャンプセンサによって生成される前記パルスを計数するための不揮発性カウンタをさらに備える、請求項１２に記載の一体型モータ位置センサ。
【請求項１４】
前記不揮発性カウンタは、前記大バルクハウゼンジャンプセンサによって生成される前記パルスによって少なくとも一部電源供給される、請求項１３に記載の一体型モータ位置センサ。
【請求項１５】
前記不揮発性カウンタは、主電源が外されたときに電源を供給するためのバックアップ電源によって少なくとも一部電源供給される、請求項１３に記載の一体型モータ位置センサ。
【請求項１６】
前記バックアップ電源は、
１つ以上のバッテリと、
１つ以上のスーパーキャパシタとの１つ以上を備えた、請求項１５に記載の一体型モータ位置センサ。
【請求項１７】
前記不揮発性カウンタは、前記モータと一体的である、請求項１３から請求項１６のいずれか１項に記載の一体型モータ位置センサ。
【請求項１８】
前記大バルクハウゼンジャンプセンサは、ウィーガントワイヤを含む、請求項１２から請求項１７のいずれか１項に記載の一体型モータ位置センサ。
【請求項１９】
前記大バルクハウゼンジャンプセンサは、ガラスで被覆されたマイクロワイヤを含む、請求項１２から請求項１７のいずれか１項に記載の一体型モータ位置センサ。
【請求項２０】
前記モータの磁気構造内に一体化され、かつ、少なくとも前記粗動ブリッジ検出素子の分解能を超える絶対位置検出能を有する複数の高分解能位置センサをさらに備え、前記高分解能位置センサは、前記ステータアセンブリに対して前記ロータアセンブリを位置決めするために使用される磁束の一部を検出し、
前記高分解能位置センサによって生成される情報は、前記粗動ブリッジ検出素子によって生成される情報と組合されて、任意の多数の回転にわたる高分解能位置情報を提供することができる、請求項１２から請求項１９のいずれか１項に記載の一体型モータ位置センサ。
【請求項２１】
前記大バルクハウゼンジャンプセンサは、前記大バルクハウゼンジャンプセンサの両端にわたる前記磁界の十分な反転に応答して前記パルスを生成するための前記センスコイルを含む、請求項１２から請求項２０のいずれか１項に記載の一体型モータ位置センサ。
【請求項２２】
前記大バルクハウゼンジャンプセンサは、十分な磁界強度に達した後に０に戻った磁束に応答して前記パルスを生成するための前記センスコイルを含む、請求項１２から請求項２０のいずれか１項に記載の一体型モータ位置センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、関連の電子装置とともに、モータの任意の回転数にわたって絶対位置検出を提供することの可能な、一体型絶対磁気位置フィードバックを有する多極カウントモータに関する。多回転絶対位置フィードバックは、高分解能の部分的回転フィードバックと組合わされて、モータの任意の回転数にわたって高分解能のフィードバックを提供し得る。多数回転可能なフィードバックおよび高分解能の部分的回転フィードバックの両方の磁気回路は、既存のモータ磁気回路に基づいている。
【背景技術】
【０００２】
モータは、物体の制御された動作を実行するためのさまざまな用途に用いられる。たとえば、モータは、さまざまな産業自動化および他の自動化用途において用いられる。多くの用途において、モータまたはモータのコントローラにモータ位置の正確な測定を与え、モータを用いて物体を位置決めする際により高い精度を可能にすることが有用となる。多くの用途において、システム電源が切られていた間にモータが動かされた場合でも、電源投入時にモータの絶対位置がわかることが有利となる。閉ループシステムでは、１つ以上のセンサがモータに関する位置、速度または加速情報を収集し、その情報をモータコントローラに提供する。モータコントローラ内の閉ループコントロールシステムは、フィードバックとしてモータ位置または他の情報を受取り、モータの位置決めまたは移動特徴の正確さを改善する。モータ動作がフィードバックによる影響を受け、かつ閉ループ制御下にあるモータは、サーボモータと呼ばれることが多い。
【０００３】
絶対多回転位置フィードバックは、数多くの方法によって得られることができ、このような方法としては、複数のエンコーダ部またはレゾルバ部を、これらの間に機械的歯車機構を介在させて使用する方法、バッテリバックアップと電子カウンタとを有するセンサを使用する方法、および、磁気パルス発生器を使用して、位置移動を検出し、さらに任意的には、シャフト位置を追跡するために、パルス数およびパルスシーケンスを計数するのに必要なエネルギーを付与する方法が含まれる。
【０００４】
絶対位置センサの分解能は、粗動絶対位置センサの値と、１回転の限られた期間または部分内で絶対位置を与える微動位置検出方法の値とを組合せることによって改善されることが多い。粗動位置検出方法が、微動位置検出方法の１周期の数分の１内に位置を判定可能であるならば、これらの２つのセンサからのデータを電子的手段によって組合せて、幅広い絶対位置の範囲にわたる高分解能位置フィードバックが提供され得る。
【０００５】
より高い分解能の環状絶対位置センサと粗動多回転絶対位置センサとの組合せは、当該技術分野において周知である。米国特許第７，５７９，８２９号においてWongは、高分解能の絶対環状位置検出と低分解能の多回転絶対位置検出との組合せを記載している。低分解能の絶対位置検出は、機械的歯車機構によってともに結合された複数のレゾルバを用いることによって得られている。米国特許出願公開第２０１１／０１５６６９９号公報においてShibata et al.は、歯車機構を介して機械的に結合された複数のレゾルバ部を用いることによる、同様の多回転絶対位置検出方法を記載している。機械的歯車機構方法の変形に基づく特許はいくつも存在する。
【０００６】
米国特許第５，０５７，７２７号においてJonesは、「ウィーガント効果装置を使用したシャフト位置センサ（"Shaft Position Sensor Employing a Wiegand-effect Device"）」を記載している。特に、米国特許第５，０５７，７２７号は、歯状軟磁性ホイールの粗動位置を判定するための複数のウィーガント効果センサの使用を教示しており、ここでは、ウィーガント効果装置に必要な磁界が、ホイールに搭載されない磁気源によって与えられている。ホイールに搭載されない磁気源は、永久磁石またはソレノイドのいずれであってもよい。複数のウィーガントセンサからの信号の位相合せにより、増加分の位置情報が与えられる。ウィーガント効果センサの基礎となっているウィーガントワイヤの動作は、Wiegandの米国特許第３，８２０，０９０号およびWiegandの米国特許第４，２４７，６０１号に記載されている。ウィーガントセンサは、コイル状検出ワイヤによって囲まれたウィーガントワイヤを含む。印加磁界の弱化または反転の際に、ウィーガントワイヤの内部コアの磁化状態が急激に反転され、その後、十分に強い磁界がセンサに印加されると、検出ワイヤは強い特異なパルスを生成する。このような効果に基づくセンサは、Hinke et alの米国特許第４，５３８，０８２号を含み、当該技術分野において周知である。
【０００７】
米国特許出願公開第２０１０／０２１３９２７号公報においてMehnert et al.は、絶対磁気位置エンコーダを記載しており、これは、制御論理および不揮発性カウンタを作動するために単一のウィーガント素子によって供給される電源を使用して、監視されるべき物体に取付けられた交互の極性の複数の永久磁石を検出するホール効果センサなどの粗動感磁性位置センサを使用している。この粗動位置センサは、ホール効果センサなどの感磁性微動センサと組合わされて、より高い分解能部を与えている。これらは、電子論理において組合わされて、その絶対位置カウントを維持するのに外部電源を必要としない高分解能多回転エンコーダを提供する。
【０００８】
米国特許第８，１１１，０６５号においてMenhert et al.は、主軸からの歯車によって駆動されて、１回転当たり複数の電源パルスを生成する組合せウィーガント効果センサを記載しており、ここでは、粗動絶対位置手段を提供するためにこれらのパルスが計数されている。高分解能回転（high resolution cyclic）および低分解能絶対カウントが組合わされたより高い分解能手段を提供して、絶対位置検出手段を提供するために、絶対１回転エンコーダ、レゾルバ、またはホール効果位置センサ手段が使用されている。粗動絶対カウント電子装置に電源供給するためにウィーガント効果装置からのパルスが使用されるため、入力シャフトの粗動動作を追跡するために外部電源は必要ない。
【０００９】
米国特許出願公開第２０１１／０００６７５７号公報においてMehnertは、強磁性リング内に収容された単一のウィーガント効果パルス発生器と、このウィーガント効果装置に交互の磁界を発生するために内面上に取付けられた磁石との組合せを記載している。動作の方向を判定して、粗動位置のためのアップ/ダウンカウンタに信号を生成するとともに、位置フィードバックの微動分解能部として機能する、追加のセンサが用いられている。
【００１０】
米国特許出願公開第２０１１／０１８４６９１号公報においてMehnert et al.はさらに、米国特許出願公開第２０１１／０００６７５７号公報に記載される絶対位置センサを処理し、組合せるために必要な電子装置を教示している。粗動センサを得るために、単一のウィーガント効果センサがホール効果タイプの装置と組合わされており、このホール効果装置はウィーガント効果センサから電源供給されている。回転方向を判定するために、ウィーガント装置のヒステリシスがホール効果装置とともに有利に利用されているが、これは、ウィーガント装置に関与するヒステリシスが、ウィーガント装置信号を、回転方向に従って、ホール効果装置によって測定される磁界に対して位相ずれさせるためである。
【００１１】
米国特許第４，７７９，０７５号においてZagelein et al.は、３つのウィーガントまたは大バルクハウゼン効果装置を用いた絶対変位量判定のための装置を記載しており、これらの装置は、以前のパルスに基づいて行為を判定するための不揮発性メモリと、周期カウントを格納するカウンタとを用いており、これらの装置は、回転カウンタのシャフトに取付けられた絶対多回転位置センサ（absolute-over-single-revolution position sensor）と組合わされている。米国特許第４，７７９，０７５号における中心ウィーガント装置（Ｓ３）は、プリトリガイネーブル（pretrigger enable）として用いられており、他のウィーガント装置のいずれか（米国特許第４，７７９，０７５号ではＳ２またはＳ１として特定されている）への第１のパルスが、カウンタをアップまたはダウン動作させるために用いられている。このように、同じウィーガント装置からの複数のパルスは、まずＳ３に係合するのに十分な回転なしで生じた場合には無視される。
【００１２】
米国特許第５，６６３，６４１号においてMoritaは、回転速度検出装置を教示しており、当該装置は、トーンホイールの交互の極間に磁気的に結合されたウィーガント効果ワイヤセンサまたはアモルファス磁歪ワイヤセンサを有している。トーンホイールの外周面は、均一なピッチで、交互にＮ極およびＳ極を有しているため、検出装置は対向する分極の一対の磁石の間に跨っている。ホイールが回転するにつれて、跨られた極性は交互し、一連のパルスが生成される。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【００１３】
概要
本発明は、図の少なくとも１つに実質的に示され、および／または、図の少なくとも１つに関連して本明細書に実質的に記載され、特許請求の範囲においてより完全に記載される、多極カウントモータのための一体型多回転絶対位置センサに関する。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】一実施形態に係る一体化された微動センサピックアップコイルおよび粗動検出素子を含むモータの等角図である。
【図２】図１のモータの正面斜視図である。
【図３】ステータ構造と、その微動センサピックアップコイルおよび粗動検出素子の配置を表示する、図１のモータの裏面図である。
【図３Ａ】図３と同じ視野で図１のモータの粗動検出素子を別個に示す図である。
【図３Ｂ】図３と同じ視野で図１のモータの微動センサピックアップコイルを別個に示す図である。
【図４Ａ】異なる視野から図１のモータのロータアセンブリを示し、特に、ロータポールキャップのロータマグネットへの配置を示すために側面図からロータアセンブリを示す図である。
【図４Ｂ】異なる視野から図１のモータのロータアセンブリを示し、下部ロータポールキャップに対する上部ロータポールキャップの歯およびギャップのアライメントを示す図である。
【図４Ｃ】異なる視野から図１のモータのロータアセンブリを示し、上部および下部ロータポールキャップ間の歯およびギャップのアライメントを示す、ロータアセンブリの断面図である。
【図５】一実施形態に係る、マイクロステッピング動作用に設計されたステップモータにおいて有用な微動センサピックアップコイルの配置を示す図である。
【図６】一実施形態に係る、磁束集束素子を含む粗動検出素子構造を示す図である。
【図６Ａ】一実施形態に係る粗動検出素子の内部構造を露出した断面図である。
【図７Ａ】図１のモータのロータが、連続的な０．９°の反時計回り動作の増加分により動かされる際の当該モータの断面図である。
【図７Ｂ】図１のモータのロータが、連続的な０．９°の反時計回り動作の増加分により動かされる際の当該モータの断面図である。
【図７Ｃ】図１のモータのロータが、連続的な０．９°の反時計回り動作の増加分により動かされる際の当該モータの断面図である。
【図７Ｄ】図１のモータのロータが、連続的な０．９°の反時計回り動作の増加分により動かされる際の当該モータの断面図である。
【図８】一実施形態に係る粗動検出素子の代替的な構成を有するモータの等角図である。
【図９】図８のモータの側面図である。
【図１０】分かり易さのためにロータアセンブリを取外した状態で微動センサピックアップコイルおよび粗動検出素子の位置決めを詳細に示す、図８のモータの代替的なステータおよびセンサ構成の等角図である。
【図１１】図８のモータで使用されるブリッジ粗動検出素子の個別の図である。
【図１２】２相１．８°ステッパモータについて、図７Ａ〜７Ｄに示される回転当たりの機械的シャフト角度に対していずれもプロットされた、微動センサピックアップコイルの正規化デコード出力Ｆ１、Ｆ２、粗動検出素子の正規化磁束ＰＨＩ１、ＰＨＩ２、および、粗動検出素子の正規化出力Ｃ１、Ｃ２を示す図である。
【図１３】角度がまず正の方向に移動し、次に反転して負の方向に移動する際の、機械的角度の角位置Ｗおよび図１２のセンサ出力を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
詳細な説明
１．概説
本発明の局面は、同期多極（high pole）カウントモータについて本明細書において説明される。多極カウント同期モータは、本発明の一部の実施例において有利に用いられる特定の特性を有している。「低ノイズ同期モータ（"Low Noise Synchronous Motors,"）」と題された米国特許第４，０２５，８１０号には、この説明に有用なステッパモータの構成および動作の基本的な局面が記載されている。このようなモータは、ステップモータまたはステッパモータと呼ばれることもあり、開ループ構成、疑似閉ループ構成、および／または全閉ループ構成において動作可能である。各々のこのような構成では、駆動電流がステータ相巻線に印加される。開ループ動作は、位置フィードバックに基づいてステータ相巻線に印加される駆動電流を変更しない。疑似閉ループ構成は、典型的には、駆動位相と実際のロータ位置との間の差をモータの約±１．５フルステップ以下に限定することによって、ロータのステップおよび同期の損失を防止するように、ステータ相巻線に印加される電流の位相を変更する。全閉ループ動作は、実際の位置対所望の位置に基づいてステータ相巻線に印加される電流の位相および大きさの両方を変化させて、利用可能なトルク定数を最適化するようにモータを整流する。
【００１６】
本発明の実施形態によって提供されるフィードバックは、粗動検出素子および、任意に、微動センサピックアップコイルより得られる。特定の実施例では、粗動検出素子は、略一定の振幅の狭いパルスを生成し、振幅は回転速度から独立している。このような粗動検出素子からのパルスは、受けられたパルスの極性および過去のパルスの履歴の両方を用いてデコードされると、２つの粗動検出素子が用いられた場合、モータの１電気周期当たり４つの位置を示す。分解能を増加するまたは冗長性を与えるために、追加のセンサを使用してもよい。
【００１７】
本明細書に記載される構成においては、粗動検出素子の遷移は、１電気周期の１／４である略フルステップ間隔で、波形（単相励磁）フルステップ定常状態位置から１／２ステップの位相オフセットで起きる。本明細書に記載されるモータについてのフルステップ動作は、１．８°の機械的移動に相当するが、他の分解能、すなわち、より微動およびより粗動な分解能の両方が一般的に用いられ、本発明に用いられてもよい。粗動検出素子は、疑似閉ループ動作と同様に、ステップモータの同期の損失を防止するために、または、単純にモータの位置を１ステップ内に判定するために、微動センサピックアップコイルなしで使用されてもよい。粗動検出素子は、微動センサピックアップコイルと共に使用されてもよい。
【００１８】
バッテリまたは他のバックアップ手段により外部から電源供給されるか、またはセンサパルス自体から電源供給される不揮発性カウンタを使用して、任意に広い動作範囲にわたるモータの絶対位置が判定されてもよい。たとえば、４８ビットの粗動分解能計測であれば、１００年以上の間４０００ＲＰＭで動作する典型的な１．８°モータの１ステップ内の動作を、１回転当たり２００個の位置の追跡分解能で一意的に追跡可能でありながら、それでも未使用のビットを有するであろう。これは、その他の電子装置および機械装置が１世紀の間生き延びるであろうというだけでなく、たった４８ビットのメモリでこの要件が十分に満たされるであろうことも示唆している。
【００１９】
粗動検出素子位置情報は、微動センサピックアップコイルからの微細分解能フィードバックと組合わされて、任意に広い動作範囲にわたって微動位置情報を提供してもよい。本発明の微細位置フィードバックは、米国特許第７，０７５，１９６号およびその関連ファミリーの特許に基づいている。
【００２０】
本明細書に記載される粗動検出素子は、ステータに対するロータの位置を監視するための電力を必要とせず、これは、コントローラへの電力が切られたときに外部電源の使用量を最小化または排除するために重要である。粗動検出素子によって発生されるパルスは、低電力プロセッサを起動するまたは蓄積エネルギーで動作する低電力カウンタを作動させるために使用されてもよい。代替的には、粗動検出素子によるパルスは、不揮発性カウンタ手段に電源供給するために採取され、これにより、バッテリなどの長期エネルギー蓄積装置を排除できるようにしてもよい。
【００２１】
微動センサピックアップコイルと粗動検出素子とを組合せたシステムにおいては、粗動検出素子は、微動センサピックアップコイルの範囲内で一義的に位置を判定するのに十分な分解能を与えるように構成されてもよい。微動センサピックアップコイルは、モータを制御するための電源がある場合にのみ電源供給されればよい。
【００２２】
本明細書に記載される実施形態は、従来技術の多回転位置検出解決手段より小型かつ単純となり得る。これは、当該実施形態がモータの既存の磁気構造を利用しているためである。このアプローチは、多回転位置検出の分解能を多極カウントモータの分解能と本質的に整合させており、製造中に追加のアライメント工程を必要としない。絶対多回転検出手段の遷移点は、同期を失わないようにモータの駆動角がロータ角の約±１．５ステップ内に保たれる疑似閉ループ動作の場合に良好に整合される。フルステッピングが起きる際の最適トルクは、ステータ磁界をロータの電気角のほんの０．５〜１．５ステップ先に保つことによって生じる。特定の実施形態によれば、粗動センサは、高分解能の限定範囲環状絶対センサ（high-resolution limited range cyclic absolute sensor）との組合せにもよく適しており、全閉ループサーボ動作に任意のモータ回転数にわたる微細分解能を付与する。
【００２３】
上述のようにモータ自体の磁気構造を使用することで、多くの追加の部品を排除するだけでなく、モータ磁界の上記の検出手段への干渉を防止するためにモータ構造から従来技術の検出手段を磁気的に遮蔽する必要性がなくなるため、コストおよびスペースが節約される。
【００２４】
先行技術の解決手段には、典型的な１．８°ステップモータのロータのステータに対する十分な分解能により、位置を直接測定可能な構成が教示されていない。当該解決手段は、さらなるホイールおよび磁石を追加する必要があり、本発明の実施形態の、微細分解能と減少されたフットプリントとの組合せを提供していない。
【００２５】
発明の特定の実施形態は、ウィーガント装置の制限、すなわち、ウィーガント効果装置の動作に関連付けられる強パルスおよび弱パルスの両方の存在を回避する。強パルスおよび弱パルス効果は、米国特許第４，２４７，６０１号においてウィーガントによって教示されている。弱パルスは、米国特許第４，２４７，６０１号の図３中でＲとして示される逆コア切換えとして説明されており、強パルスは、合流（confluent）コア切換えとして説明されており、米国特許第４，２４７，６０１号の図３中で大パルスＣとして表示されている。この効果はさらに、「ブラッシュアップ：磁石および電磁石（"Brushing Up: Magnets and Electromagnetics,"）」、Motion System Design、第１８頁（http://motionsystemdesign.com/Magnetism.pdfにおいて入手可能）でも非常に詳しく説明されている。センサーリセットから始まって（すなわち、ウィーガント装置の軟鉄中心コアおよび硬磁性外部コアが、強いリセット磁界の存在下でともに同じ磁気配向にある状態）、外部磁界が反転されると、まず軟鉄コアが、典型的には約１０マイクロ秒（μｓ）続く極めて速いカスケード（cascade）でその配向を反転させて、大パルスが生成される。磁界が増大し続けると、外側の硬磁性外装が配向を反転させ、２回目のより弱いパルスが引起される。この時点で、センサはリセットされる。磁界が再度弱まって反転すると、まず軟鉄内部コアが反転し、逆方向に強パルスが引起され、次に外側の硬磁性シェルが反転し、逆方向に２回目のより弱いパルスが引起される。これにより、装置は元のリセット状態に戻される。装置はまた、コアの磁界のみが切換えられるように、印加磁界を反転させずに作動されて、一方のみの極性の強パルスを生成することもできる。
【００２６】
本発明の実施形態は、「ガラスで被覆されたアモルファスおよびナノ結晶質マイクロワイヤの磁気特性（"Magnetic properties of glass-coated amorphous and nanocrystalline microwires"）」、M. VazquezおよびA. P. Zhukov、Journal of Magnetism and Magnetic Materials 160(1996)223-228に記載されるように、双安定の単一ジャンプバルクハウゼン効果センサワイヤを利用することが好ましい。これらの装置は、内部コア磁気コアをガラス製外装で囲んでいる。内部磁気コアは、典型的には、３〜５０マイクロメータ直径であり、好ましくはアモルファスまたは極めて微細な結晶粒組織を有し、Ｆｅリッチなコア合金からなる。磁気コアは、内部ワイヤコアと共押出されたガラス製外装で囲まれている。急冷によって、ワイヤがアモルファス状態を有すると同時に、ガラスとワイヤとの間の熱膨脹係数の差異による応力が閉じ込められる。ガラス被覆されたワイヤは、米国特許第５，２４０，０６６号においてGorynin et alによって教示されたのと同様の方法で作成される。
【００２７】
正の磁歪定数を示すＦｅリッチな合金の使用は、ほぼ完全に矩形のＢ−Ｈ曲線を有する双安定磁気素子を製造し、かつ分極状態間での極めて速い切換えを有する助けをすると考えられる。これらの装置は、より高い磁界強度で切換えるための二次硬磁性シェルを有さないため、ウィーガントセンサと関連付けられる二次弱パルスを有していない。さらに、この双安定磁気は、各方向において単一の急峻な遷移を有するため、よりずっと短い長さのセンサワイヤ（すなわち、１０マイクロメートル直径のワイヤの場合には２ｍｍと小さいセンサワイヤ）を用いて入手可能であるため、より小型なシステムでの使用が可能となる。出力信号強度は、ワイヤ断面積とともに増加するため、双安定動作についての直径と最小長さとの間にはトレードオフが存在する。
【００２８】
本明細書に記載される特定の実施形態は、単一の大バルクハウゼンジャンプセンサを使用しているが、代替的な実施形態では、ウィーガント効果ワイヤおよび類似の大バルクハウゼンジャンプセンサなどの他の大バルクハウゼンジャンプセンサが使用されてもよい。
【００２９】
先行技術の解決手段は、ステッパモータの基本的な磁気構造とも一体化される米国特許第７，０７５，１９６号の高分解能センサと組合わされ得る、自己動力型の粗動絶対センサのための小型構成において、十分な分解能を提供していない。
【００３０】
モータステップカウントを失わないように十分な位置分解能を有する自己動力型の粗動センサの使用は、ソーラートラッキングなどの用途において大変有用であり、このような用途に置いては、システム内での消費電力の最小化が、グリッドに供給される電力の最大化につながる。これと同様に他の多くのシステムにおいても、システムの小型化および軽量化が有利となることが多い。このようなシステムにおいて、自己動力型の粗動位置センサにより所望の位置からの十分な位置誤差が観察されない限り、微細分解能エンコーダおよびモータは励磁される必要がなく、ソーラートラッキングに関するエネルギー消費量が減少される。
【００３１】
２．第１の例示的な実施例の説明
図１は、ステッパモータ３１の等角図を示し、ステッパモータ３１は、大バルクハウゼンジャンプ（Large Barkhausen Jump: LBJ）に基づいて一体化された微動センサピックアップ６および７と粗動検出素子４および５とを含む。例えば、粗動検出素子４および５は、位置検出素子であり得る。なお、当該技術分野において周知のモータエンドベルおよびベアリングは、分かり易さのために図１には示されていない。ステップモータ３１などのモータは、マイクロステッピング可能な積層体を有する一般的な１．８°ステッパであるが、本発明はこのような特定のモータタイプに限定されるものではない。ステッパモータ３１は、ロータアセンブリなどのロータ３２と、ステータアセンブリなどのステータ１とを含む。ロータ３２がステータ１内で回転するにつれて、図１２に示されるように、ステッパモータ３１の２つの粗動検出素子４および５に印加される磁界の大きさおよび極性の両方が、２つの粗動検出素子について切頭型の正弦状および余弦状に連続的に変化する。周期の期間は、ステッパモータ３１について４つのフル電気的ステップまたは７．２°機械的であるステッパモータ３１の電気周期に相当する。ステッパモータの分野において周知であるように、ステッパモータ３１のコイルなどのステータ相巻線Ａ３５は、Ａ相に相当し、交互のＡ相極、すなわち、０°、９０°、１８０°、および２７０°上でコイルに交互に巻き付けられている。ステッパモータ３１の前面を見ると分かるように、ステッパモータ３１のコイルなどのステータ相巻線Ｂ３６は、Ｂ相に相当し、交互のＢ相極、すなわち、４５°、１３５°、２２５°、および３１５°上でコイルに交互に配線されている。３つ、４つ、５つおよび他の数のモータ位相を含む代替的な構成も可能である。本発明の一実施形態に係る粗動検出方法は、さまざまな数の駆動位相と互換性がある。ステータ相巻線Ａ３５内の個々の巻線は、直列、並列、またはこれらの何らかの組合せに配線されてもよい。ステータ相巻線Ｂ３６にも同様の柔軟性が適用される。交互の巻線相互接続方法を、ワイヤゲージおよび巻き数を変更して使用して、特定のモータについて所望のモーター動作電圧および電流を構成してもよい。
【００３２】
図２は、一体化された粗動検出素子４および５と微動センサピックアップコイル６および７とを含むステッパモータ３１の前面図を示す。微動センサピックアップコイル６および７は、高分解能位置センサであり得る。粗動検出素子４および５は、ステータ１の裏面の外側磁気戻り（outside magnetic return）とロータ３２付近との間にまたがり、各粗動検出素子の内部端とロータ３２の面との間に小さなギャップしかないように配置される。
【００３３】
微動センサピックアップコイル６は、ステータ相巻線Ａ３５由来の磁束変化に応答する。この磁束は、微動センサピックアップコイル６によって差動式に検出され、ステータ相巻線Ｂ３６由来の磁束は、微動センサピックアップコイル７によって検出される。ステータ相巻線３５および３６は、例示しやすさのために巻き数２の巻線として示されるが、これらのステータ相巻線はより多くの巻き数を有してもよく、ステータポールピース８などのステータポールの各々を囲むスペースの大部分を取ってもよい。
【００３４】
図３は、図１のステッパモータ３１の裏面等角図からの粗動検出素子４および５と微動センサピックアップコイル６および７との両方を含むステータ１を示す。ステータポールピース８の各々を囲むさまざまなステータ相巻線３５および３６を通る電流は、ロータ３２とステータ１との間に相対的な運動を発生するように変調される。この図において、ロータ３２およびそのさまざまな部品は、ステータ１と、粗動検出素子４および５ならびに微動センサピックアップコイル６および７の位置決めとがよりよく見えるように隠されている。
【００３５】
図３Ａは、図３と同じ向きで示される粗動検出素子４および５の向きのより明確な図を示す。粗動検出素子４および粗動検出素子５は、不揮発性カウンタ４１に結合可能である。不揮発性カウンタ４１は、主電源４２、バックアップ電源４３、粗動検出素子４および５によって発生されるエネルギー、またはこれらの組合せから電源供給され得る。
【００３６】
図３Ｂは、マイクロステッピング最適化ステッパモータ用に適合された、微動センサピックアップコイル６および７の簡略図を示す。微細位置検出コイル７は、図３の隣接するステータポールピース８上の図１のステータ相巻線Ａ３５由来の磁束の一部を検出する。微細位置検出コイル６は、同様にステータ相巻線Ｂ３６由来の磁束の一部を検出する。なお、この視野から上方右手側を向く図は、図１の裏面図および図２の底面図に相当する。
【００３７】
図４Ａは、ロータ軸３、高透磁率の軟磁性上部ロータポールキャップ２、軸方向に分極されたロータマグネット１０、および高透磁率の軟磁性下部ロータポールキャップ１１を含むロータ３２の側面図を示す。たとえば、ロータマグネット１０は、永久磁石を含み得る。
【００３８】
図４Ｂは、ロータ３２の３次元図を示す。この図は、下部ロータポールキャップ１１におけるロータ歯１３に対する上部ロータポールキャップ２におけるロータ歯１２とギャップ１４とのアライメントを示し、これらは、一方のロータポールキャップの歯が他方のロータポールキャップにおけるギャップに位置合わせされ、またその反対も同様となるように位置付けられている。
【００３９】
図４Ｃは、図４Ａのロータ３２の切開上面図を示す。ロータマグネット１０は、上部ロータポールキャップ２と下部ロータポールキャップ１１との間に挟まれている。上部ロータポールキャップ２のロータ歯１２は、下部ロータポールキャップ１１のロータ歯１３の間に現れるようにオフセットされる。
【００４０】
図５は、微動センサピックアップコイル６のより詳細な図を示す。微動センサピックアップコイル７は、同様の設計およびレイアウトを有していてもよい。分かり易さのために、微動センサピックアップコイル６の一回分の巻きしか示されていない。しかしながら、微動センサピックアップコイル６は、複数の巻き数を有していてもよい。図５に示されるような微動センサピックアップコイル６は、図１のステッパモータ３１などのマイクロステッピング可能なステッパモータのために最適化されているが、この設計は、他のモータタイプについては異なってもよい。ステッパモータ３１は、図４Ｃのロータポールキャップ２の図４Ｃのロータ歯１２および図４Ｃのロータポールキャップ１１の図４Ｃのロータ歯１３のピッチと異なるピッチを有する図１のステータポール歯９を有する図１のステータポールピース８を含む。このような一方から他方へのピッチの変化は、ロータ３２がステータ１に対して回転される際に、図１のステータ１と図１のロータ３２との間の磁気抵抗経路の全体的なばらつきを最小化して、コギングを抑制し、トルクリップルを最小化することを意図している。図５に示される微動センサピックアップコイル６は、ステータポールピース８の中心線の左右両側への、ステータポール歯９と隣接する上部ロータポールキャップ２のロータ歯１２に対するピッチの差を利用している。微動センサピックアップコイル６はさらに、ステータポールピース８のステータポール歯９と下部ロータポールキャップ１１のロータ歯１３との間の相補的アライメントも検出する。図５に示される微動センサピックアップコイル６の視野からは、微動センサピックアップコイル６の左上ループ１５および右下ループ１８は互いに同相であり、微動センサピックアップコイル６の右上側ループ１６および左下側ループ１７とは逆相を有している。このような特定のバージョンの微動センサピックアップコイルをマイクロステッピングステッパモータについて例示したが、微動センサピックアップコイルの代替的な実施例が本発明の範囲内として見なされるべきである。微動センサピックアップコイルは、１相当たり１つ以上のステータポールピース上に設置されてもよい。このような複数相を有する使用は、モータ構造のばらつきおよびぶれの影響を最小化するために採用されてもよい。
【００４１】
図６は、粗動検出素子４の詳細図を示し、これは一実施形態において、大バルクハウゼンジャンプ（ＬＢＪ）粗動検出素子を含む。図３Ａの粗動検出素子５は、このような粗動検出素子４と同じ設計を有していてもよい。図６に示されるように、粗動検出素子４は、磁束収集器などの磁束集束器２０を含む。磁束集束器２０は、比較的高い透磁率の軟磁性材料から構成される。磁束集束器２０は、２つの隣接する図４Ｃのロータポールキャップ２および図４Ｃのロータポールキャップ１１の図４Ｃのロータ歯１２および図４Ｃのロータ歯１３からの磁束を、磁束集束器２０の面からのロータ歯のそれぞれの間隔に従って収集する。このような相対的な間隔は、図１のロータ３２が回転される際に周期的に変化する。高透磁率材料は、差磁束が粗動検出素子４の第２の粗動センサエンドキャップ２２に流れるための低磁気抵抗経路を与える。同様に、粗動検出素子４の磁束収集器などの戻り磁束集束器１９は、粗動検出素子４の第１の粗動センサエンドキャップ２１からステータ１の裏面本体への低磁気抵抗経路を構成する。この結果得られる磁界が、粗動検出素子４の粗動センサ３３の両端にわたって印加される。粗動センサ３３のセンスコイル２３が代表図に示されている。典型的には、センスコイル２３は、非常に微細なワイヤの何千回もの巻き数からなってもよい。
【００４２】
図６Ａは、粗動センサ３３の断面図を示す。図６Ａにはさらに、第１の粗動センサエンドキャップ２１および第２の粗動センサエンドキャップ２２が示されている。第１の粗動センサエンドキャップ２１および第２の粗動センサエンドキャップ２２の各々の内部は、粗動センサ３３の一部を構成する大バルクハウゼンジャンプセンサなどの大バルクハウゼンジャンプ（ＬＢＪ）素子２５の両端を遮蔽する助けをするために、中空化されている。このようにＬＢＪ素子２５の両端を遮蔽すると、ＬＢＪ素子２５の一部が急激に磁気分極を反転させたときに、センスコイル２３によって検出されるパルス４６の強度が増大することがわかっている。一実施形態においては、ＬＢＪ素子２５は、矩形のヒステリシスループと関連付けられる双磁気特性（bi-magnetic properties）を促進する助けをするために、ガラス製外装内に埋め込まれた磁気マイクロワイヤからなる。代替的な実施形態においては、ウィーガントワイヤ検出素子および単一バルクハウゼンジャンプ素子を含む他のステップ応答磁気ワイヤが使用されてもよい。外部歪はＬＢＪ素子２５の磁気特性を変えてしまうため、ＬＢＪ素子２５を外部機械的歪みから機械的に分離するために、ガラスから構成されてもよい保護チューブ２４が用いられてもよい。保護チューブ２４は、センスコイル２３用の巻線基体としても機能する。ＬＢＪ素子２５は、ＬＢＪ素子２５の両端にわたる磁界がその極性を反転させるのに十分となった後に磁気極性が急速に反転するまでは、一方の状態に分極されたままである。反転の速度は、印加磁界の変化の速度から実質的に独立しているため、このセンサは比較的速度独立性となっている。極性の反転は、センスコイル２３からの強く狭いパルス４６を惹起する。ウィーガントワイヤ素子は、内部詳細において若干異なるもののマイクロワイヤＬＪＢ素子と事実上同様に機能する。
【００４３】
図７Ａ〜図７Ｄは、ロータ３２が漸増的に回転される際の、微動センサピックアップコイル６および７と粗動検出素子４および５との両方を内蔵するステッパモータ３１を示す。ロータ３２およびステータ１上に示される矢印は、この図面の順内での回転を示す助けをする基準として含まれているに過ぎない。このような矢印は、ステッパモータ３１中に物理的に存在するものではない。
【００４４】
図７Ａ：０°
図７Ａは、一体型モータ位置センサ４０について、ステータ１に対するロータ３２の０°回転に相当する。図７Ａに示されるように、ロータ３２の０°回転状態では、上部ロータポールキャップ２のロータ歯１２は、相Ｂステータポールピース３９の隣接するステータポール歯９と最大結合かつ平衡アライメント状態にある。相Ｂステータポールピース３９におけるロータ３２およびステータポール歯９の対称な配置は、微動センサピックアップコイル７の同相および逆相箇所の両方を通して平衡な磁束経路を生み出し、この結果、ステータ相巻線Ｂ３６がチョッピング駆動の一部としてパルス印加されるとき、微動センサピックアップコイル７からゼロ出力が得られる。微動センサピックアップコイル７から結果的に得られる出力は、図１２においてＦ２として示され、これは、ロータ３２がステータ１に対して０°回転を有するとき０の値を有する。
【００４５】
相Ａステータポールピース２６は、上部ロータポールキャップ２のロータ歯１２と主に結合された相Ａステータポールピース２６の３つの反時計回りのステータポール歯と最大不平衡歯間相互作用（maximum unbalanced tooth interaction）を有し、相Ａステータポールピース２６の３つの時計回りのステータポール歯は、下部ロータポールキャップ１１のロータ歯１３と主に結合されている。このロータ位置により、チョッパ駆動によるステータ相巻線Ａ３５のパルス印加による磁束変化量の大部分が、微動センサピックアップコイル６の互いに同相のループ１５および１８を通過し、これにより、ステータ相巻線Ａ３５のパルス印加と同相の出力が生成される。このようなステータ１に対するロータ角は、微動センサピックアップコイル６から最大出力を生成する。この出力は、図１２のパターンＦ１によって示されており、これは、ステータ１に対するロータ３２の０°回転時に最大出力を示している。
【００４６】
粗動検出素子５は、下部ロータポールキャップ１１のロータ歯１３に位置合わせされているため、ロータマグネット１０の下部側の極性に対応する磁界に結合されている。この磁界は、図１２にＰＨＩ１として表されており、０°で負の値を有する。負の向きは、下部ロータポールキャップ１１を表すためであるが、ロータマグネット１０は、実際には、分極がわかる限りいずれの方向にも分極され得る。
【００４７】
粗動検出素子４の磁束集束器２０は、下部ロータポールキャップ１１のロータ歯１３と位置合わせされることにより結合されている。この磁束の状態は、図１２においてＰＨＩ２として示されており、回転角０°で負として示されている。
【００４８】
図７Ｂ：０．９°
図７Ｂは、一体型モータ位置センサ４０について、ステータ１が静止状態に保持された状態でのロータ３２の０．９°機械的反時計回り回転に相当する。これは、１／２ステップまたは４５°電気角回転に相当する。相Ａステータポールピース２６のステータポール歯９または相Ｂステータポールピース３９のステータポール歯９のいずれも、それらに最も近いロータ歯１２および１３に対して平衡最大磁束アライメント位置（balanced maximal flux alignment location）にない。これは、０．９°回転時に、図１２においてＦ１によって表される微動センサピックアップコイル６について減少した値と、Ｆ２によって表される微動センサピックアップコイル７について負の方向の出力とを生成する。ロータ３２がこの位置にあるとき、粗動検出素子４の磁束集束器２０は、上部ロータポールキャップ２のロータ歯１２と下部ロータポールキャップ１１のロータ歯１３とのそれぞれに均等に結合されている。これは、粗動検出素子４について出力パルスを生成するための近似トリガ点（approximate triggering point）である。このトリガは、０．９°ロータ角での図１２におけるＣ１上のパルスとして示されている。粗動検出素子５の磁束集束器３８は、下部ロータポールキャップ１１のロータ歯１３に主に結合されたままである。前回の位置と比較して粗動検出素子５の両端にわたって印加された磁界には変化がないため、図１２のＣ２には出力パルスが存在しない。
【００４９】
図７Ｃ：１．８°
図７Ｃは、一体型モータ位置センサ４０について、ステータ１が静止状態に保持された状態でのロータ３２の１．８°機械的反時計回り回転に相当する。これは、１フルステップまたは９０°電気角回転にも相当する。相Ａステータポールピース２６のステータポール歯９は、ここで、上部ロータポールキャップ２のロータ歯１２と最大アライメント状態にある。磁束が微動センサピックアップコイル６の相補的ループを通して平衡であるため、１．８°回転についての出力Ｆ１は、図１２において０となっている。相Ｂステータポールピース３９のステータポール歯９は、ここでは最大オフセット状態にあり、時計回り歯は、上部ロータポールキャップ２のロータ歯１２とよりアライメント状態にあり、対応する磁束が微動センサピックアップコイル７のループ１６を通過しており、かつ、反時計回り歯は、下部ロータポールキャップ１１のロータ歯１３とよりアライメント状態にあり、対応する磁束が微動センサピックアップコイル７のループ１７を通過している。これは、１．８°回転での図１２における最大負応答Ｆ２を生成する。粗動検出素子４の磁束集束器２０は、上部ロータポールキャップ２のロータ歯１２に結合されている。粗動検出素子５の磁束集束器３８は、下部ロータポールキャップ１１のロータ歯１３に結合されている。粗動検出素子４または粗動検出素子５のいずれにおいても磁界の遷移は存在しないため、図１２においてＣ１またはＣ２には出力パルスが存在しない。
【００５０】
図７Ｄ：２．７°
図７Ｄは、一体型モータ位置センサ４０について、ステータ１が静止状態に保持された状態でのロータ３２の２．７°機械的反時計回り回転に相当する。これは、１＋１／２フルステップまたは１３５°電気角回転にも相当する。図７Ｃと比較して、相Ａステータポールピース２６のステータポール歯９は、下部ロータポールキャップ１１のロータ歯１３に対してより大きい結合を有し、相Ｂステータポールピース３９のステータポール歯９は、上部ロータポールキャップ２のロータ歯１２に対してより大きい結合を有する。チョッパ駆動によるステータ相巻線Ａ３５のパルス印加による磁束変化量の大部分が、微動センサピックアップコイル６のループ１６および１７を通過し、これにより、７．２°の回転に対応する図１２における負の信号Ｆ１が生じる。相Ｂステータポールピース３９のステータポール歯９は、下部ロータポールキャップ１１のロータ歯１３に未だより位置合わせされているが、相Ａステータポールピース２６のステータポール歯９は、上部ロータポールキャップ２のロータ歯１２と下部ロータポールキャップ１１のロータ歯１３との間の結合がより平衡しつつある。これにより、ロータ３２の２．７°の回転角では、微動センサピックアップコイル７から減少した負の電圧が生じる。粗動検出素子５の磁束集束器３８は、上部ロータポールキャップ２のロータ歯１２および下部ロータポールキャップ１１のロータ歯１３に均等に結合されている。これは、磁束集束器３８が、ロータ歯１３および１２を介して下部ロータポールキャップ１１に主に結合されている状態から上部ロータポールキャップ２に主に結合されている状態への遷移点にあるため、磁界ＰＨＩ２についての反転点であるとともに、粗動検出素子５についての図１２における出力パルスＣ２を生成するための近似トリガ点（approximate triggering point）である。粗動検出素子４の磁束集束器２０は、上部ロータポールキャップ２のロータ歯１２に結合されたままである。
【００５１】
３．第２の例示的な実施例の説明
図８は、一体型モータ位置センサ４４についての代替的な実施例に係る、一体化された微動センサピックアップコイル６および７と粗動ブリッジ検出素子２７および２８とを含むステッパモータ３７の等角図である。図８に示されるように、ステッパモータ３７は、ブリッジ配列の、位置検出素子などの粗動ブリッジ検出素子２７および２８を用いる。このブリッジ配列は、粗動ブリッジ検出素子２７および２８がいくつかのモータのタイプおよびサイズについて、簡単に組立てられるように移動可能となる点で有利である。
【００５２】
図９は、一体型モータ位置センサ４４についてのブリッジ構成の粗動ブリッジ検出素子２７および２８を用いたステッパモータ３７の前面図である。粗動ブリッジ検出素子２７および２８は、この構成においても、図１のステッパモータ３１における図１の粗動検出素子４および５と同じ役割を担う。なお、粗動ブリッジ検出素子２７の反時計回り方向端は、図９に示されるロータ角については、図４Ｃの上部ロータポールキャップ２の図４Ｃのロータ歯１２に結合する状態と図４Ｃの下部ロータポールキャップ１１の図４Ｃのロータ歯１３との間の遷移にあり、ステータ１が静止状態となっている間にロータ３２が若干反時計回りに回転されると、上部ロータポールキャップ２のロータ歯１２に結合されるように遷移する。粗動ブリッジ検出素子２７の時計回り方向端もまた、上部ロータポールキャップ２のロータ歯１２に結合された状態と、下部ロータポールキャップ１１のロータ歯１３との間の遷移にあるとして示されている。ロータ３２を反時計回りに若干回転させると、粗動ブリッジ検出素子２７の時計回り方向端が、下部ロータポールキャップ１１のロータ歯１３に結合される。図９に示されるように、粗動ブリッジ検出素子２８の反時計回り端は、下部ロータポールキャップ１１のロータ歯１３に結合され、粗動ブリッジ検出素子２８の時計回り方向端は、上部ロータポールキャップ２のロータ歯１２に結合される。
【００５３】
図１０は、ステッパモータ３７の回転図であり、ステータ１に対する粗動ブリッジ検出素子２７および２８と微動センサピックアップコイル６および７との相対的な配置がよりよく見えるように、ロータ３２が隠されている。なお、ステッパモータ３７と同様に、粗動検出素子および微動センサピックアップコイルについて数多くの配置の組合せが存在する。示される向きは、このような構成のたった１つを例示として示すに過ぎない。
【００５４】
図１１は、一実施形態に係る粗動ブリッジ検出素子２７の詳細図を示す。粗動ブリッジ検出素子２８も同様に構築され得る。図１に示されるように、粗動ブリッジ検出素子２７は、第１のブリッジ磁束集束器２９および第２のブリッジ磁束集束器３０を含む。第１および第２のブリッジ磁束集束器２９および３０は、最も近いロータ歯１２およびロータ歯１３によってこれらに結合された磁界に高透磁率の経路を与える。第１および第２のブリッジ磁束集束器２９および３０の内部端は、第１の粗動センサエンドキャップ２１および第２の粗動センサエンドキャップ２２を介してセンスコイル２３により粗動センサ３３の両端にわたる磁界を印加するように、収集された磁束を誘導する。粗動センサ３３の両端にわたる磁界が十分に反転して、ＬＢＪ素子２５の状態の反転を引起すと、粗動センサ３３内のＬＢＪ素子２５内の磁極の急速な反転が、短いが大きなパルスの形態でセンスコイル２３によって検出される。粗動ブリッジ検出素子２７は、ブリッジ構造４５の一部である。
【００５５】
図１２は、両方の実施形態（ステッパモータ３１およびステッパモータ３７）についての典型的な正規化波形を示す。Ｆ１およびＦ２は、それぞれ微動センサピックアップコイル６および７についての正規化サンプル波形である。Ｆ１およびＦ２信号は、モータドライバがステータ相巻線Ａ３５およびステータ相巻線Ｂ３６を能動的に駆動しているときにのみ入手可能である。Ｆ１およびＦ２信号は、モータドライバチョッピング信号と同期化された微動センサピックアップコイル６および７の両端の電圧の差動時間相関サンプリングの結果である。ロータ歯１２、１３の縁部がそれぞれの磁束集束器の中心線を横断する際に、ステッパモータ３１の粗動検出素子４および５の両端にわたって、またはステッパモータ３７の粗動ブリッジ検出素子２７および２８の両端にわたって印加される正規化磁界は、遷移し、駆動されているモータ巻線に依存しない。図中、さまざまな磁束集束器の幅は、コギングを最小化するためにロータ歯よりも細く示されているが、これは、本発明の作用を得るために必要ではない。このような狭い幅は、２つの磁界ＰＨＩ１およびＰＨＩ２についての切頂型の正弦波形および余弦波形を惹起する。これらの磁界は、約１．８°機械的（mechanical）であり、これは、位相が１フルステップまたは９０°電気角異なっており、各磁界は、ロータ３２の３．６°機械角の回転毎に反転する。磁束反転付近では、粗動検出素子４および５ならびに粗動ブリッジ検出素子２７および２８のＬＢＪ素子２５は、極性を急速に反転させ、それぞれのセンスコイル２３上にパルス４６Ｃ１、Ｃ２を惹起する。なお、ＬＢＪ素子２５にウィーガントタイプの素子が使用される場合、軟磁性内部コアが、より硬質の磁化外部コアと反対の状態の極性に極性を反転させる際に、各ＬＢＪ素子２５は、ゼロ外部磁束点付近で強いパルスを生成する。２回目のより小さなパルスが、外部コアが反転する際に生じる。印加磁界がワイヤの磁気極性を反転させるのに十分強いとき、ＬＢＪ素子のサブセットである単一のバルクハウゼンジャンプ素子が、磁束反転後にパルスを生成する。一実施形態において、単一のバルクハウゼンジャンプ素子が用いられているが、本発明の実施形態は、ウィーガント式センサワイヤなどを利用してもよい。
【００５６】
図１３は、図１２の波形を繰返し示すが、これらを任意の時間ベースに対してプロットしたものである。いずれかの進行方向に移動しているときのさまざまな信号を示すために、他の波形の上に反時計回りの機械角度Ｗが追加されている。
【００５７】
４．結論
本発明の一実施形態は、粗動分解能一体型モータ位置センサを提供する。モータは、軸を有する円筒形部分を含むロータアセンブリを有し、円筒形部分は、周囲に間隔を空けて配置された径方向に突出する複数のロータ歯を有する。モータはさらに、ロータアセンブリと同軸であり、かつ径方向に突出する複数のステータポールを有するステータアセンブリを有し、ステータポールは、各々が、ロータアセンブリと同軸の円をなすように径方向に突出する複数のステータポール歯と、ステータポールを電気的に励磁するためのコイルとを有する。ウィーガント効果センサなどの２つ以上の大バルクハウゼンジャンプ検出素子、または、好ましくは、アモルファス磁歪ワイヤセンサなどの単一のバルクハウゼンジャンプ検出素子が、それぞれ、軟磁性の磁束誘導素子（flux directing elements）の間に配置される。第１の磁束誘導素子は、ステータに機械的に取付けられ、上部および下部ロータポールキャップ歯の両方に隣接して配置される。ロータがステータに対して回転するとき、第１の磁束誘導素子は、第１のロータポールキャップ、次に対向するロータポールキャップへと交互に、それぞれのロータポールキャップの歯への第１の磁束誘導素子の相対的近さに従って、結合される。ロータ歯は、一方のポールキャップが第１の磁束誘導素子に近接する歯を有する場合、第２のポールキャップがギャップを有するように、僅かにオフセットされる。したがって、歯状ポールキャップに結合された第１のロータマグネットの使用により、ロータが回転される際に第１の磁束誘導素子に印加される磁界が交互する。
【００５８】
なお、いくつかのステッパモータ構成において時に行なわれるように、２つのロータキャップの歯が位置合わせされるべき場合には、磁束収集器は、上部ポールと下部ポールとの間にオフセットを有するように構成されることも可能である。これは、本発明の実施形態の全体的な作用に影響を与えない。
【００５９】
本発明の２つの異なる実施形態では、各粗動位置検出素子と関連付けられる第２の磁束誘導素子は、ステータ本体の戻り磁気経路に位置付けられるか、または、歯が第１の磁束誘導素子に対して磁気的に反転されるロータの周囲周りに位置付けられてもよい。典型的な２相ステータである８ポールピースの１．８°ステッパモータの場合、これは、２つのステータポールピース位置または機械的に９０°だけオフセットされることに相当し得る。他のステッパモータ構成は、同じ動作方法を使用し得るが、上記の磁気反転に跨る要件を保つために必要な異なる角度を有する可能性もある。
【００６０】
第２の粗動位置検出素子は、２センサシステムの場合には、第１の粗動位置検出素子と同様であるが、第１の検出サブシステムから約９０電気角位相ずれしたロータ歯に結合するように、モータの中心軸に対して回転される。さらなる分解能を与えるために３粗動検出素子システムが望まれる場合、出力パルス間の間隔が、ステータに対するロータ回転角に対して略均等に間隔を空けて配置されるべきならば、約１２０°電気的に分離されたロータ歯に結合されるように最適に配置され得る。追加の粗動位置センサが本発明の範囲内で適用されてもよい。
【００６１】
本発明の別の任意的な局面は、微動分解能一体型モータ位置センサを提供し、当該センサは、軸を有する円筒形部分を含むロータアセンブリを有するモータを含み、円筒形部分は、周囲に間隔を空けて配置された径方向に突出する複数のロータ歯を有する。モータはさらに、ロータアセンブリと同軸であり、かつ径方向に突出する複数のステータポールを有するステータアセンブリも含む。ステータポールは、各々が、ロータアセンブリと同軸の円をなすように径方向に延びる複数のステータポール歯を有する。モータはさらに、ステータポール内に磁界を生成するように結合された複数のドライバコイルも含む。複数のセンスコイルは、それらが上部および下部ロータポールキャップに結合すると、駆動されるステータポールの磁界に対して異なる結合を有するようにモータ内に位置決めされる。結合は、ステータに対するロータ位置の関数として変化する。
【００６２】
一体型位置検出モータの実施例は、有意な利益を有し得る。システムのコストが低下し得る。本明細書に記載される位置検出システムは、モータ中に既に存在する磁気系（magnetics）に最小限の追加しか必要としない。小型で、軽量で、かつ頑丈なピックアップコイルおよび磁気パルスワイヤが追加されるだけである。絶対位置検出能により、モータコントローラが電源投入時にロータ位置を判定することが可能となる。任意的な高分解能微細位置センサは、位置分解能を伸ばすために有用である。一体型位置センサおよびモータは、防塵性および防油性を与え、ロータシャフト端のいずれの端も摩耗させず、これは、一部の用途において有利となり得る。一体型位置センサは、回転モータから直線動作を提供するのに使用される中空ロータおよび親ねじナットの組合せを有するモータにも使用可能である。本発明の任意のある実施例においては、これらの利点のすべてが達成される必要はないが、これらのさまざまな利点は、本発明の局面の実施によって達成可能であると考えられる。特許請求の範囲において、大バルクハウゼンジャンプセンサは、より広いクラスの磁気センサであることが意図され、これらには、印加磁界の小さな変化に対する磁束の大きなステップ変化に基づくウィーガントワイヤおよびガラス被覆磁気ワイヤが含まれるが、これらに限定されるものではない。
【００６３】
上述のタイプに典型的なステッパモータ／多極カウント同期モータは、米国特許第４，０２５，８１０号および米国特許第４，９１０，４７５号に記載されており、これらの特許は、その全体が、とりわけステッパモータの構成および動作に関する教示について、本明細書中に参照によって援用される。これらの特許に記載される多極カウント同期モータは、異なる数のステータポールピースおよび異なる数の位相を有して実施されることができる。これらの特許に記載される基本的モータ設計には多くの既知の改善および改良が存在し、本特許に記載されるセンサおよび検出ストラテジは、このような改善され、改良されたモータに容易に適用可能である。
【００６４】
本検出方法を用いて入手可能な信号の性質およびこれらの信号の処理しやすさにより、本検出方法または装置は、モータに関する位置情報、速度情報または加速情報を提供することができる。本開示および特許請求の範囲の目的のために、これらの特徴のすべては、位置測定値または位置情報として集合的に特定され得る。
【００６５】
上記の説明では、モータのロータおよびステータの部品として歯が参照されている。多くの場合において、これらの歯は、金属歯を囲むギャップにより、図中に示されるように物理的に露出されている。他の構成も知られている。たとえば、回転式または他のモータの歯の間のギャップが、非磁性化合物で埋められることもできる。このような構成においては、歯は、ロータおよび／またはステータの、磁気結合において機能的な外側に延びる部分であることが明らかである。他の構成では、モータのトルクを向上させるために、磁気歯間のスペースが永久磁石素子によって埋められることができる。このような他の構成においても、歯は、ロータまたはステータの、ロータの部分とステータの部分との間の変化する磁気結合において機能的な部分として容易に特定可能である。
【００６６】
本発明の最も明らかな用途は、閉ループサーボモータまたは擬似閉ループサーボモータにおけるが、特定の状況によっては、開ループ用途が容易に実施され、有利であり得る。
【００６７】
本発明は、関連の電子装置の一部またはすべてが、モータセンサとして同じ物理的構造内に一体化されたシステム、すなわち、一体型モータ設計内に組込まれてもよい。本発明はさらに、関連付けられる電子装置が１つ以上の別個の構造において実施されるシステム内に組込まれてもよい。
【００６８】
本発明をその特定の実施形態について説明した。当業者であれば、本発明の基本的な教示から変更なしに、本明細書に記載される実施形態にさまざまな改良がなされ得ることを認識するであろう。したがって、本発明は、特定的に記載される実施形態に限定されるべきではなく、以下の特許請求の範囲に従って解釈されるべきである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図４Ｃ】
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【図５】
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【図６】
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【図６Ａ】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図７Ｃ】
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【図７Ｄ】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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