(57)【要約】  本開示の実施形態は、位置エンコード磁石（１０２、２０２、３０２、６０２）の位置を特定するための方法及び装置を含む。本実施形態は、一組の検出素子（１０４、２０４、３０４、６０４ａ〜６０４ｇ、７０４ａ〜７０４ｇ）によって、位置エンコード磁石の磁場（１０８）の複数の異なる磁場成分（１１０、１１２）を検出することを含み得る。また、本実施形態は、データ処理回路（６０８、７０８）によって、一組の検出素子に関連する信号を発生させることも含み得る。発生させた信号は、複数の異なる磁場成分を含み得る。また、本実施形態は、データ処理回路によって、複数の異なる磁場成分を表す多重成分に基づく信号（５０６）を発生させる計算を用いて、発生させた信号に従って位置エンコード磁石の位置を決定することも含み得る。
2018538541.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
一組の検出素子（１０４、２０４、３０４、６０４ａ〜６０４ｇ、７０４ａ〜７０４ｇ）によって、位置エンコード磁石（１０２、２０２、３０２、６０２）の磁場（１０８）の複数の異なる磁場成分（１１０、１１２）を検出することと、
データ処理回路（６０８、７０８）によって、前記一組の検出素子に関連して前記複数の異なる磁場成分を含む信号を発生させることと、
前記データ処理回路によって、前記複数の異なる磁場成分を表す多重成分に基づく信号（５０６）を発生させる計算を用いて、発生させた信号に従って前記位置エンコード磁石の位置を決定することとを備える方法。
【請求項２】
前記位置エンコード磁石の位置を決定することが、
前記発生させた信号に従って磁場を表すベクトル場を発生させること（１４）と、
前記ベクトル場に従って前記位置エンコード磁石の位置を決定すること（２０）とを更に含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記位置エンコード磁石の位置を決定することが、
前記ベクトル場の各点を、前記複数の異なる磁場成分に対応するベクトル成分に分解すること（１６）と、
前記ベクトル成分に従って前記位置エンコード磁石の位置を決定することとを更に含む、請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記発生させた信号に従って前記位置エンコード磁石の位置を決定することが、逆正接計算を用いて前記複数の異なる磁場成分を表す多重成分に基づく信号（５０２）を発生させることを含む、請求項１から３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項５】
前記複数の異なる磁場成分を表す多重成分に基づく信号を発生させる計算を用いることが、前記一組の検出素子のうちの各検出素子に対して独立的に行われる、請求項１から４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項６】
前記発生させた信号に従って前記位置エンコード磁石の位置を決定することが、前記一組の検出素子の多重成分に基づく信号を一つにまとめられた信号（５０４）にまとめることを含む、請求項１から５のいずれか一項に記載の方法。
【請求項７】
前記発生させた信号に従って前記位置エンコード磁石の位置を決定することが、前記位置エンコード磁石の位置を与えるように前記一つにまとめられた信号を線形化すること（５０６）を含む、請求項６に記載の方法。
【請求項８】
前記磁場の複数の異なる磁場成分が異なる向きの成分を含む、請求項１から７のいずれか一項に記載の方法。
【請求項９】
前記複数の異なる磁場成分が軸方向に向いたＺ成分（１１０）を含む、請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
前記複数の異なる磁場成分が半径方向に向いたＸ成分（１１２）を含む、請求項８に記載の方法。
【請求項１１】
前記一組の検出素子のうちの各検出素子が、前記磁場の複数の異なる磁場成分を検出することができるように多次元的である、請求項１から１０のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１２】
前記一組の検出素子のうちの各検出素子が、ホール効果センサ、磁気抵抗型センサ、リードスイッチ、又はフラックスゲート磁力計のいずれかを含む、請求項１から１１のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１３】
前記一組の検出素子のうちの一つ以上の検出素子の磁場検出範囲内において磁場が検出されない場合に、該一つ以上の検出素子への電力を制限又は遮断することによって、該一つ以上の検出素子からの出力通信を停止すること（２２）を更に備える請求項１から１２のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１４】
前記一組の検出素子のうちの一つ以上の検出素子の磁場検出範囲内において磁場が検出された場合に、該一つ以上の検出素子からの出力通信を始動させること（２２）を更に備える請求項１から１３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１５】
前記一組の検出素子が直列の検出素子を含み、前記一組の検出素子のうちの各検出素子の各磁場検出範囲が、前記位置エンコード磁石の位置を決定するのに外挿が必要でなくなるように、前記一組の検出素子のうちのすぐ隣の検出素子の少なくとも一つの磁場検出範囲と直列に重なる（４０４、５０８）、請求項１から１４のいずれか一項に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示の実施形態は、位置エンコード磁石の位置を特定するための位置センサシステムを対象としている。
【背景技術】
【０００２】
以下の説明は単に一般的な背景情報として与えられているものであって、特許請求の範囲を決定する助けとして用いられるものではない。
【０００３】
リードスイッチは、磁場の印加によって動作する電気スイッチであり、通常は、エンベロープ（密封ガラスエンベロープ等）中の鉄系金属リード上に一対のコンタクトを含む。コンタクトは通常は開いていて磁場が存在していると閉じるものとなるか、又は通常は閉じていて磁場印加されると開くものとなり得る。
【０００４】
ホール効果センサは、磁場に応答してその出力信号（出力電圧等）を変化させるデバイスである。ホール効果センサは、近接スイッチや位置決めや速度検出用によく使用されている。既知の磁場を用いて、ホールプレートからの各磁石の距離を決定することができる。複数組のホール効果センサを用いて、磁石の位置を導出することができる。ホールセンサは、デバイスがデジタル（オン／オフ）モードで動作することを可能にする回路と組み合わせられ得て、この構成においてスイッチと称され得て、空気圧シリンダを検出するための応用等の産業応用においてよく見受けられる。
【０００５】
上述のように、ホール効果センサは電子スイッチとして動作し得る。通常、こうしたスイッチは、機械スイッチやリードスイッチよりもコストがかからず、また、より信頼性があるものとなり得る。また、磁場強度測定を用いる線形センサの場合、ホール効果センサは、広範な磁場を測定することができ、また、Ｎ極又はＳ極の磁場のいずれかを測定することができる。しかしながら、一組のホール効果センサを線形センサとして用いると、他の種類のセンサよりも精度が低くなり得る。例えば、フラックスゲート磁力計や磁気抵抗型センサが場合によってはより正確であることが知られている。更に、ホール効果センサはドリフトする可能性があり、補償を要し得る。
【０００６】
リードスイッチやホール効果センサ装置が線形センサとして用いられる場合、これら装置は閾値検出器によって特定の位置において始動されるものであるので、外挿を要し得る。二つの始動位置の間では、通常は位置情報を内挿しなければならない。また、通常は、僅かな前後移動を確実に検出することはできない。こうした装置では、フィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ，ｆｉｅｌｄ‐ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ  ｇａｔｅ  ａｒｒａｙ）や、コンプレックスプログラマブルロジックデバイス（ＣＰＬＤ，ｃｏｍｐｌｅｘ  ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ  ｌｏｇｉｃ  ｄｅｖｉｃｅ）や、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ，ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ‐ｓｐｅｃｉｆｉｃ  ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ  ｃｉｒｃｕｉｔ）や、マイクロコントローラ（μＣ，ｍｉｃｒｏ  ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ）等の処理ユニットが、利用可能な検出素子に絶え間なく問い合わせして、全ての検出素子間の出力信号を絶えずスキャンすることが多い。各スキャンのサイクル時間が磁石の速度を制限し得て、また、速度を厳密に制御できないと精度を低下させ得る。
【０００７】
更に、こうした装置に関連する方法では、通常、位置磁石（又はエンコーダ）の磁場の一つの磁場成分のみを用いる。こうした方法は、温度や磁石劣化の影響をより受け易いという欠点を有し、また、多種多様な磁石の使用性に関する汎用性に欠け、位置検出を改善するために一つよりも多くの磁石が必要となる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本概要及び要約書は、単純化された方式で選択されたコンセプトを紹介するために与えられているものであり、以下の詳細な説明で更に説明する。本概要及び要約書は、特許請求される主題の重要な特徴や本質的な特徴を特定するものではなく、また、特許請求の範囲を決定するための助けとして用いられるものでもない。特許請求される主題は、背景技術で述べたいずれか又は全ての欠点を解決する実施形態に限定されるものではない。
【０００９】
本開示の実施形態は位置エンコード磁石の位置を特定するための方法及び装置を含む。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
例示的な一部実施形態では、本方法は、一組の検出素子によって、位置エンコード磁石の磁場の複数の異なる磁場成分を検出することを含む。また、本方法は、データ処理回路によって、一組の検出素子に関連する信号を発生させることを含み得る。発生させた信号は複数の異なる磁場成分を含み得る。また、本方法は、データ処理回路によって、複数の異なる磁場成分を表す多重成分に基づく信号を発生させる計算を用いて、発生させた信号に従って位置エンコード磁石の位置を決定することも含み得る。
【００１１】
複数の異なる磁場成分を表す多重成分に基づく信号を発生させる計算を用いることは、一組のうちの各検出素子に対して独立的に行われ得る。
【００１２】
位置エンコード磁石の位置の決定は、発生させた信号に従って磁場を表すベクトル場を発生させることと、ベクトル場に従って位置エンコード磁石の位置を決定することとを更に含み得る。また、位置エンコード磁石の位置の決定は、ベクトル場の各点を複数の異なる磁場成分に対応するベクトル成分に分解することと、ベクトル成分に従って位置エンコード磁石の位置を決定することも含み得る。
【００１３】
また、発生させた信号に従った位置エンコード磁石の位置の決定は、逆正接計算を用いて、複数の異なる磁場成分を表す多重成分に基づく信号を発生させることも含み得る。また、発生させた信号に従った位置エンコード磁石の位置の決定は、一組の検出素子の多重成分に基づく信号を一つの信号にまとめることも含み得て、また、位置エンコード磁石の位置を与えるように一つにまとめられた信号を線形化することを含み得る。
【００１４】
磁場の複数の異なる磁場成分は異なる向きの成分を含み得る。複数の異なる磁場成分は軸方向に向いたＺ成分と、半径方向に向いたＸ成分とを含み得る。
【００１５】
一組の検出素子のうちの各検出素子は、磁場の複数の異なる磁場成分を検出することができるように多次元的になり得る。また、一組のうちの各検出素子は、ホール効果センサ、磁気抵抗型センサ、リードスイッチ、又はフラックスゲート磁力計のいずれかを含み得る。また、一組の検出素子は直列の検出素子を含み得る。こうした場合、その直列の一組の各検出素子の各磁場検出範囲は、位置エンコード磁石の位置を決定するのに外挿が必要でなくなるように、一組のうちのすぐ隣の検出素子の少なくとも一つの磁場検出範囲と重なり得る。
【００１６】
また、本方法は、所与の検出素子の磁場検出範囲内で磁場が検出されない場合に、一組のうちの一つ以上の検出素子への電力を制限又は遮断することによって、一つ以上の検出素子からの出力通信を停止させることも含み得る。また、本方法は、一組のうちの一つ以上の検出素子の磁場検出範囲内で磁場が検出された場合に一つ以上の検出素子からの出力通信を始動させることも含み得る。
【００１７】
例示的な一部実施形態では、本装置は、位置エンコード磁石と、一組の磁気検出デバイスと、データ処理回路とを含む。一組のうちの各磁気検出デバイスは、位置エンコード磁石によって伝播される磁場に応答してその出力信号を変化させるように構成され得る。データ処理回路は、一組の磁気検出デバイスから発生させた信号に従って、位置エンコード磁石の位置を決定及び出力するように構成され得る。発生させた信号は、位置エンコード磁石の磁場の複数の異なる磁場成分を示す信号を含み得る。また、発生させた信号に基づいて複数の異なる磁場成分を表す多重成分に基づく信号を生成するための計算が用いられる。一部実施形態では、発生させた信号に基づいて複数の異なる磁場成分を表す多重成分に基づく信号を生成するための逆正接計算が用いられる。
【００１８】
また、一組の検出素子の多重成分に基づく信号を一つの信号にまとめ得る。場合によっては、一つにまとめられた信号が、位置エンコード磁石の位置を与えるように線形化され得る。
【００１９】
一部の例では、データ処理回路は、位置エンコード磁石の位置を決定する際に、一組の磁気検出デバイスから発生させた信号に従って、位置エンコード磁石によって伝播される磁場を表すベクトル場を発生させて、そのベクトル場に従って位置エンコード磁石の位置を決定するように更に構成され得て、また、ベクトル場の点を異なる方向の少なくとも二つのベクトル成分に分解して、ベクトル場の少なくとも一つの点のベクトル成分に従って位置エンコード磁石の位置を決定するようにも構成され得る。
【００２０】
また、データ処理回路は、一組のうちの一つ以上の磁気検出デバイスの磁場検出範囲内で位置エンコード磁石の磁場が検出されない場合に、一つ以上の磁気検出デバイスからの出力通信を停止させるようにも構成され得て、また、一組のうちの一つ以上の磁気検出デバイスの磁場検出範囲内で磁場が検出された場合に、一つ以上の磁気検出デバイスからの出力通信を始動させるようにも構成され得る。
【００２１】
磁場の複数の異なる磁場成分は異なる向きの成分を含み、軸方向に向いたＺ成分と、半径方向に向いたＸ成分とを含み得る。
【００２２】
一組のうちの各磁気検出デバイスは、磁場の複数の異なる磁場成分を検出することができるように多次元的であり得る。
【００２３】
一組の磁気検出デバイスの出力通信は、一組の磁気検出デバイスのうちの連続的な（隣接する）磁気検出デバイスに対応する連続的な（隣接する）成分を含む出力信号を含み得る。
【００２４】
一部の装置は、例えば真っ直ぐ及び／又は湾曲した中空ロッド等の真っ直ぐ及び／又は湾曲した部分を含む容器であって、一組の磁気検出デバイスを少なくとも部分的に収容する容器も含み得る。位置エンコード磁石は、中心の孔を含むリング磁石であり得て、リング磁石が容器に対して移動する、例えば容器の上下に移動することができるように、容器が中心の孔を通して配置される。
【００２５】
本開示の位置センサの目的のうちの一つは、位置エンコード磁石の磁場、例えば、任意に磁化した位置エンコード磁石によって発生させた磁場等の異なる向きの成分を取得するようにして配置された一組のアクティブ又はパッシブ検出素子（例えば、磁場に応答してその出力電圧等の出力信号を変化させる一組の磁気検出デバイス及び／又はトランスデューサ）を利用することであるが、これに限定されるものではない。一実施形態では、位置センサは線形位置センサであるか、又は線形位置センサを含み得る。また、こうしたセンサは、経路に沿ってピストン位置を決定するのに用いられる磁石にも適用可能である。異なる向きの一つよりも多くの磁場成分の使用は多くの利点を与える。例えば、こうした配置構成は、位置センサの分解能や精度を上昇させ、温度や磁石劣化の補償を可能にし、つまりは、広範な応用での位置センサのセンサを可能にする。
【００２６】
線形位置センサ等の位置センサを用いる既知のシステムは、典型的には複数の位置磁石を用いるものであり、位置磁石の磁場の異なる向きの成分を取得しない。本開示のシステムの利点の一つは、一部の例において一つの位置磁石が使用可能という点である。本開示のシステムの他の利点は、一つの位置磁石を用いる例において、一つの位置磁石の磁場の異なる向きの成分が取得可能という点である。本システムの他の実施形態では、複数の位置磁石を用いることが有利となり得る。
【００２７】
一実施形態では、本システムは、位置エンコード磁石（本願においては位置磁石とも称される）の位置を取得するために、磁場の異なる向きの成分を取得するようにして配置された一組の（例えば、鎖状の）検出素子を用いることによって、一つよりも多くの磁場成分を用い得る。位置磁石は、或る経路に沿った磁気テープ、リング、棒、プレート等のあらゆる形状を有し得て、軸方向磁化、半径方向磁化、又はこれら両方の組み合わせ等で任意に磁化し得る。
【００２８】
本システムの一例における長所として、センサ装置の電力消費量を減らすために、磁石の範囲外にある検出素子を任意選択的にシャットダウンすることが挙げられる。これは、一組のうちの検出素子がその検出範囲内で連続的な出力信号を伝える場合に特に有用である。磁石の範囲外にある検出素子は、制御処理デバイス等のコントローラによってオフにされて、センサ装置の電力消費量を減らし得る。このようにできるのは、各検出素子が他の検出素子と連続的に整列し得るからである。また、検出素子の装置は、連続的な出力信号を出力するように構成され得て、システムが外挿を用いずに正確な測定を行うことを可能にする。
【００２９】
本システムの他の利点は、マルチプレクサ及び外挿を任意選択的に避けることができるので、磁石の速度が、マルチプレクサの切り替え速度や外挿計算によって制限されない点である。本システムで検出素子を実装するのにマルチプレクサは必要とされない。しかしながら、一部設計では、マルチプレクサを用いてもよい。
【００３０】
本システムの他の利点は、多様な種類の磁石、例えば棒磁石やリング磁石で機能する点である。こうした磁石は、例えば、半径方向磁化、軸方向磁化、又はこれら両方の組み合わせ等で任意に磁化し得ることがある。
【００３１】
また、既知のリードスイッチや一次元ホール効果センサ装置よりも少数の検出素子が使用可能である。また、本システムは、故障及び無効測定の蓋然性を減らすように外部構成要素の数を少なくする。
【００３２】
他の利点は、温度の影響を受け易い環境における温度補償の向上である。複数の追加の磁石や検出デバイスの代わりに複数の磁場成分を用いることによって、磁場の測定に対する熱の影響を減らすことができる。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】位置検出システムの例示的な実施形態の例示的な動作を示す。
【図２】位置検出システムの例示的な一部実施形態の態様例の上面図を示す。
【図３】位置検出システムの例示的な一部実施形態の磁石の磁場強度を示すグラフ例を示す。
【図４】位置検出システムの例示的な一部実施形態の磁石の磁場強度を示すグラフ例を示す。
【図５】位置検出システムの例示的な一部実施形態で使用可能な磁石例（半径方向に磁化した磁石）の正面図及び側面図を示す。
【図６】位置検出システムの例示的な一部実施形態で使用可能な磁石例（軸方向に磁化した磁石）の正面図及び側面図を示す。
【図７】位置検出システムの例示的な一部実施形態の態様例の追加的な図を示す。
【図８】位置検出システムの例示的な一部実施形態の態様例の追加的な図を示す。
【図９】位置検出システムの例示的な一部実施形態の態様例の追加的な図を示す。
【図１０】位置検出システムの例示的な一部実施形態の態様例の追加的な図を示す。
【図１１】位置検出システムの例示的な一部実施形態の位置センサの例示的な一実施形態の斜視図を示す。
【図１２】位置検出システムの例示的な一部実施形態の検出された磁場成分の定性的な振る舞いの例を示すグラフを示す。
【図１３】位置検出システムの例示的な一部実施形態の検出された磁場成分の定性的な振る舞いの例を示すグラフを示す。
【図１４】位置検出システムの例示的な一部実施形態の態様例の図を示す。
【図１５】位置検出システムの例示的な一部実施形態の態様例の図を示す。
【発明を実施するための形態】
【００３４】
以下、添付図面を参照して、本開示の実施形態をより完全に説明する。同一又は同様の参照符号を用いて特定されている要素は、同一又は同一の要素を指称する。しかしながら、本開示の多様な実施形態は、多種多様な形式で実施可能であり、本発明は、本願に与えられている実施形態のみに限定されるものではない。
【００３５】
以下の説明では、実施形態の完全な理解を与えるために具体的な詳細が与えられている。しかしながら、これら具体的な詳細が無くとも実施形態が実施され得ることを当業者は理解されたい。例えば、回路、システム、ネットワーク、プロセス、フレーム、サポート、コネクタ、モータ、プロセッサや他の部品は、不必要な詳細で実施形態を曖昧にしないために、図示されていなかったり、ブロック図で示されたりし得る。
【００３６】
本願で用いられている用語は、特定の実施形態を説明する目的のためだけのものであって、本開示を限定するものではない。本願において、単数形での表記は、特に断らない限り、複数形での表記を含むものである。また、「備える」との用語が本明細書において用いられている場合、それは、記載されている特徴、整数、ステップ、動作、要素（素子）、及び／又は構成要素（成分）の存在を特定するものであるが、一つ以上の他の特徴、整数、ステップ、動作、要素（素子）、構成要素（成分）、及び／又はこれらの集合の存在や追加を除外するものではないことを理解されたい。
【００３７】
或る要素が他の要素に「接続」又は「結合」されているという場合、それは、他の要素に直接接続又は結合され得るものでもあり、介在する要素が存在し得るものでもある。対照的に、或る要素が他の要素に「直接接続」又は「直接結合」されているという場合、介在する要素は存在しない。
【００３８】
第一、第二等の用語が、多様な要素を説明するために本願において使用され得るが、それら要素はそうした用語によって限定されるものではない。そうした用語は、一つの要素を他の要素から区別するためだけに使用されるものである。従って、本開示の教示から逸脱せずに、第一の要素を第二の要素と称することができる。
【００３９】
特に断らない限り、本願で用いられている全ての用語（技術的及び科学的用語を含む）は、本開示が属する分野の当業者によってよく理解されているのと同じ意味を有する。また、よく用いられている辞書で定義されている用語等の用語は、特に断らない限り、関連技術の文脈における意味と矛盾しない意味を有するものとして解釈されるものであり、理想化された又は過度に形式的な意味合いで解釈されるものではない。
【００４０】
図１は、位置検出システムの例示的な一部実施形態によって行われる動作１０を示す。こうした実施形態では、動作１２におけるシステムの較正後に、動作１４において磁石（永久磁石等）の磁場をベクトル場として磁場センサによって受けることができる。ベクトル場によって磁石を位置エンコーダとして用いることができる。磁石を位置エンコーダとして強化するため、動作１６において、ベクトル場の選択された一つ以上の点において、その点を異なる方向を指す成分に分解することができる。動作１８では、動作１６で決定された磁場成分に関するデータを更に処理又は微調整することができる。そして、そのようなデータを、例えばグラフ形式等で出力することができる。動作２０では、動作１８の出力を用いて、磁石の位置、例えば、一つ以上の所与の時点における位置等を決定することができる。動作１２におけるシステムの較正、動作１４における磁場の取得、動作１６及び１８におけるデータ処理、及び、動作２０における磁石の位置の決定は、継続的なものとなり得て、また同時に行われ得る。
【００４１】
動作１６では、ベクトル場全体にわたる複数の点について、磁場点をその成分へと処理することができる。一例では、ベクトル場の単一点から異なる方向を指す複数の成分を取得することが、図２に示されるように一組（例えば、鎖状等）の検出素子を配置することによって達成される。図示されるように、検出素子の配置構成は、磁場の異なる方向を向いた成分を（例えば、磁場の選択された点毎に）取得するようにして与えられる。この配置構成は、磁石（位置エンコーダ磁石として動作している）の位置を得ることができるという点において有利である。動作１４における点の取得及び動作１６における複数の異なる磁場成分の取得は、分離された及び／又は多次元的な検出素子（本願においては検出素子とも称される）によって実現可能である。
【００４２】
図２は、磁石１０２と、構造体１０６上に配置された検出素子１０４との上面図を示す。この例では、検出素子は、磁場１０８を検出することができるホール効果検出素子である。図３と図４はそれぞれグラフ１１０とグラフ１１２を示し、各グラフは、方向Ｚと方向Ｘという二つの異なる方向における磁石１０２の磁場強度を示している。これらグラフは、磁石１０２の移動の開始点からの距離に関してプロットされている。図示されるように、磁石１０２はＺ軸に沿って上下に移動する。
【００４３】
また、グラフ１１０と１１２はそれぞれ磁場方向ＺとＸについての磁石１０２上の点に対する磁場強度を表す。これらグラフ１１０と１１２（又は関連データ）は、単独で又は組み合わせで、磁石１０２についての磁場プロファイルを与えることができる。磁石の各磁場プロファイルは、実験によって解明可能なものであり得て、時間と共に変化し得て（一部例では実時間で）、他の磁石に対して一意的であり得る。また、磁石の磁極の向きは、各プロファイルによって解明可能なものであり得る。
【００４４】
更に、本願で説明されるように、磁場プロファイルは、動作２０において磁石の位置を決定するための基礎として使用可能である。本システムは、磁場の現在の読取値に対してプロファイルを比較して、磁石の正確な位置を決定することができる。このような手法を用いて複数の磁場方向に対する情報を含むプロファイルは、一方向のみを用いるものよりも正確になる。
【００４５】
検出素子は、半径方向又は軸方向に磁化したリング磁石（図２に示されるようなもの）と共に、棒磁石と共に、又は他の磁石及び磁化で使用され得る。図２に示されるように、磁石１０２は軸方向に磁化される。
【００４６】
図９及び図１０に示されるように、磁石は、一組の検出素子の周りに配置可能である。図７及び図８に示されるように、磁石２０２は、一組の検出素子の傍ら又は周りに配置可能である。図８に示されるように、磁石２０２は、Ｚ軸に対して図の内外に移動している。図７では、磁石はＺ軸に対して左右に移動している。図９の正面図に示されるように、磁石は、Ｚ軸に対して図の内外に移動している。また、各磁場構成は、グラフ１１０及び１１２と同様の位置に対する磁場強度のグラフを有することができる。磁石の位置に対する磁場強度は既知の関係性で変化し得て、グラフの形状は磁石毎に異なり得る。また、各磁極の向きは有利な特性を有するものとなり得る。
【００４７】
図９と図１０はそれぞれ磁石２０１の正面図と上面図を概略的に示すものであることに留意されたい。図示されるように、磁石２０２は軸方向に磁化したリング磁石である。図９及び図１０では、磁石２０２は、ホール効果センサ素子２０４とプリント回路板（ＰＣＢ，ｐｒｉｎｔｅｄ  ｃｉｒｃｕｉｔ  ｂｏａｒｄ）２０６とセンサ容器２０８との傍らに位置する。図示されるように、素子２０４等のホール効果検出素子はＰＣＢ２０６に取り付けられ、ＰＣＢ２０６はセンサ容器２０８内に取り付けられる。
【００４８】
図１１に示されるように、リング磁石３０２はＺ軸に沿って移動することができる。また、図１１に示されるように、リング磁石３０２の構造はセンサ容器３０８（この例では真っ直ぐな中空ロッドを含む）を取り囲むことができる。容器は検出素子用の経路を提供するあらゆる形状となり得ることに留意されたい。また、図９に示される容器２０８の断面は円形であるが、本システム用の他の容器の断面及び対応する磁石の開口は、矩形等のあらゆる相補的な形状を取ることができる。
【００４９】
本開示の装置は対称性を利用することができるように配置可能である。例えば、図１１に示されるように、検出素子３０４はリング磁石３０２の中心軸の近傍に配置可能である。センサ素子３０４を保持するＰＣＢ３０６を取り囲むセンサ容器３０８は、リング磁石３０２を貫通するように位置し得て、検出素子をリング磁石の中心軸の近傍に配置することができるようにする。この様子は図９及び図１０にも示されている。
【００５０】
本システムの一例では、その検出性能を変化させ得るセンサが、更に遠方から磁場成分を取得するように構成可能である。このような変形例や構成は、位置磁石の位置を決定するのに必要な検出素子の数を減らし得る。例えば、各検出素子が特定の範囲をカバーし、その特定の範囲がより大きくなるように構成し得る。従って、必要とされる検出素子がより少数になる。しかしながら、一組の検出素子の数が少数になると精度とのトレードオフが生じ得る。また、各検出素子がカバーするように構成される範囲は、磁場の広がりによって制限され得る。磁場の広がりは、周囲の物質と、その周囲の物質の幾何学的特性とによって影響され得る。この影響を考慮して、検出素子を構成することができる。
【００５１】
上記例に対して代替的又は追加的に、検出素子の数を減らす代わりに、本システムの一例は、精度を向上するためにより多数の検出素子を含み得る。より多数の検出素子を用いる場合、各素子の検出性能は、より短い距離からの磁場成分を取得するように構成され得る。また、このような変形例は、各素子がより短い範囲をカバーするように構成されるので、より安価な検出素子を使用することを可能にし得る。
【００５２】
図２に戻ると、リング磁石１０２の移動方向に対する磁場１０８の半径方向と軸方向に向いた成分が示され、また、それら二つの示されている磁場成分を捕捉することができる検出素子１０４の配置構成が示されている。図２はそのような設定の概略図を示し、図１１はその配置構成の斜視図を示す。両図面には、磁石１０２がＺ軸に沿って移動することができる様子も示されている。
【００５３】
ここで例示される配置構成では、各検出素子は二次元検出素子を含み得て、三次元検出素子を含むこともできる。二次元検出素子を用いる場合には、その検出素子を用いて二つの磁場成分を検出することができる。例えば、検出素子は、軸方向に向いたＺ成分と、半径方向に向いたＸ成分とを検出することができる。
【００５４】
図１２は、動作１８の出力であり得る複数の磁場成分の定性的振る舞いと、一組の検出素子の各検出範囲に対するその影響とを示すグラフを示す。また、こうしたグラフのプロファイルを用いて、動作１２においてシステムを較正することができる。一部例では、実施形態に応じて動作１４又は１６において磁場が直接測定されるので、センサ装置を特定の磁石に対して、また特定の応用に対して較正することができる。図１の動作１２には、システムの較正が示されている。このような同時較正は性能を改善し、多様な応用において動作するようにセンサをより汎用性のあるものにすることができる。動作１２におけるこの種の較正が可能となるのは、動作１４及び／又は１６における磁場及びその成分の取得中に検出素子の検出領域に対して磁場強度を連続的に更新するからである。
【００５５】
図１２の左側のグラフは、七つの直列に整列した検出素子の各磁場検出範囲を表すグラフのパルス４０２ａ〜４０２ｇ（アナログ電圧信号等のアナログ信号であり得る）を示す。同様に、図１３のグラフ５０２は、三つの直列に整列した検出素子の各磁場検出範囲を表す三つのグラフのパルスを示す。二つの隣接する検出素子の間には、パルスで示されるように、ハンドオーバ（引継）領域（図１２の領域４０４や図１３の領域５０８等）が画定される。ハンドオーバ領域４０４は、パルス４０２ａ及び４０２ｂによって表される検出範囲の重なりを含む。従って、パルス４０２ａ〜４０２ｇに対応するハンドオーバ領域は、パルス４０２ａ〜４０２ｇと組み合わさって、一組の検出素子の出力信号全体の一部となるか、又は出力信号全体と関連し得る。その出力信号全体は、図１２に示されるように、その一組の検出素子に対応する連続的な信号要素を含み得る。一例では、検出素子も連続的な（隣接する）ものとなり得る。
【００５６】
図１２の左側のグラフに示される生データから、動作１８を用いて各検出素子から取得された磁場成分の後続の信号処理で、本システムのプロセッサが、図１２の右側のグラフに示される出力信号等の各素子の検出範囲内の一意的で連続的な磁石位置を導出及び出力することができる。
【００５７】
同様に、図１３に示されるように、データ処理回路（プロセッサ等）によって、例えばオフセットを用いて、ホール素子の個々の出力５０２がまとめられて、位置磁石の粗い位置を示すグラフ５０４を発生させる。粗い位置グラフ５０４と、磁場の内部表現（処理回路に結合されたメモリに記憶された内部表現等）とを用いて、微細な位置グラフ５０６を計算する。図１２〜図１３に示される各グラフは動作１８の出力であり得る。
【００５８】
磁場の内部表現は、較正中に処理回路及び／又はメモリに記録されたデジタル化生信号（元々は生アナログ信号）であり得る。磁場の内部表現の使用は、グラフ５０４に示される非線形で区間毎に定義された出力信号をもたらし得る。次いで、この最後の出力を線形化して、グラフ５０６を発生させることができる。
【００５９】
位置磁石の位置検出を微調整するのに使用可能な方法は他にも多く存在する。例えば、磁場の形状が既知であれば、線形化が検出素子で直接生じるようにできる。こうした例では、検出素子外部での生信号のデジタル化及び記憶は、そのような処理を検出素子によって行うことができるので、不必要となる。他の選択肢は、磁場の特性を関数で記述することであり、その関数は応用に応じて微調整する必要がある。一例では、磁場のスプライン表現を用いて、有限数の点において特定された値を有しこれらの点において滑らかに接続される区分多項式関数からなる関数（近似に用いることができる）によって、磁場を表すことができるようになる。
【００６０】
図１２を参照すると、「出力信号」と付された右側のグラフは、各素子の検出範囲に応じた一意的で連続的な磁石位置の線形化出力を示す。この出力から、位置磁石の位置を決定することができる。
【００６１】
生データから導出された出力信号に基づいて、ハンドオーバの内部処理の後で、検出素子を任意選択的にオフに切り替えることができる。例えば、動作２０における磁石の位置の決定に従って、検出素子のスタンバイモード（低電力消費モード等）や完全にオフにすることが動作２２において行われ得る。また、動作２０の出力信号は、磁石が範囲外にあるかどうかの指標も含み得る。磁石が範囲内にある場合には、システムの実行状況に応じて動作１４及び／又は１６において対応する検出素子がデータ処理ユニットとアクティブに通信している。そうでなければ、動作２２において通信をオフにし得る。これはセンサ装置の電力使用を減らすことができる。
【００６２】
図１４は、位置検出システムの例示的な実施形態６００の態様例の概略図を示す。実施形態６００は、検出素子６０４ａ〜６０４ｇ（図１の動作１０に含まれる磁場データの検出及び取得を行うことができる）と、位置磁石６０２（動作１０における磁石の動作を実施することができる）と、電力回路６０６（動作１０に含まれる電力管理動作を行うことができる）と、信号処理回路６０８（動作１０に含まれるデータ処理動作を行うことができる）と、メモリ６１０（動作１０における記憶動作及び動作１０に関連する記憶動作を実施することができる）と、電気通信バス６１２（少なくとも検出素子、電力回路、信号処理回路、メモリを接続する）とを含むことができる。位置磁石６０２は、あらゆる形状（リング、棒、プレート、磁気テープ等）のあらゆる種類のエンコード磁石を一つ以上含み得る。
【００６３】
検出素子６０４ａ〜６０４ｇは、アナログホールセンサ（回転又は線形位置検出用のプログラマブルホール効果センサ等）、リードスイッチ、磁気抵抗型センサ、フラックスゲート磁力計等、又はこれらの組み合わせを含み得る。アナログホールセンサが用いられる例では、検出素子６０４ａ〜６０４ｇの各々が、磁石６０２の磁場の二つ以上の方向成分を測定し、その成分での内部計算を行い（例えば、第一の方向成分を第二の方向成分で割った逆正接（アークタンジェント）（ａｒｃｔａｎｇｅｎｔ［第一成分／第二成分］）等）、図１２及び図１３に示される出力等のように、各ホールセンサからの出力信号が一つとなるようにし得る。このような例では、二つ以上の方向成分は、軸方向に磁化したリング磁石の磁場のＺ成分及びＸ成分（グラフ１１０及び１１２に示される成分等）を含み得る。
【００６４】
代わりに、本システムの各検出素子が二つの方向成分を出力し、検出素子外部の処理回路がその成分での内部計算を行うことができる（図１５の例示的な実施形態７００に示されるようなもの等）。つまり、検出素子は、磁場の異なる方向成分に対応する少なくとも二つの独立した出力を含むセンサを含み得る。しかしながら、そうした例では、検出素子外部によりロバストな処理回路が必要とされ得る。代わりに、検出素子は、シリアル周辺インターフェースバスを介して独立的に複数の磁場成分を送信することができるデジタル出力を含み得る。
【００６５】
電力回路６０６は、携帯型又は非携帯型の電源、例えば、バッテリパック、変圧器等を含み得る。電力回路６０６は、処理回路６０８による計算のための、図１４の態様と本開示の他の態様との間の多様な通信のための、また、検出素子がアクティブセンサである場合に検出素子６０４ａ〜６０４ｇを作動させるための電力を提供することができる。また、一部例では、電力回路６０６により供給される電気エネルギーによって、位置磁石６０２の磁場を発生させることができる。
【００６６】
一例では、検出素子６０４ａ〜６０４ｇを含む全ての検出素子の出力信号を、バス６１２上で順次又は同時に、処理回路６０８と通信させ、及び／又は処理回路６０８によって読み取ることができる。処理回路６０８は、回路板及び／又はシステムオンチップ（ＳｏＣ，ｓｙｓｔｅｍ‐ｏｎ‐ａ‐ｃｈｉｐ）（全ての必要な電子回路及び部品を備えるマイクロチップがそのシステムの実施形態用に存在している場合）上のデジタル及び／又はアナログ電子回路で実現可能である。処理回路６０８用の他の適切な技術として、マイクロコントローラ、ＦＰＧＡ、ＣＰＬＤ、ＡＳＩＣ等が挙げられる。素子６０４ａ〜６０４ｇのセンサ装置が特定の磁石及び応用に対して較正される場合、検出素子からの個々の信号を計算及び線形化して、磁石の正確な位置情報を導出することができる。
【００６７】
ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ，ｒａｎｄｏｍ  ａｃｃｅｓｓ  ｍｅｍｏｒｙ）及び／又はリードオンリメモリ（ＲＯＭ，ｒｅａｄ‐ｏｎｌｙ  ｍｅｍｏｒｙ）を含み得るメモリ６１０は、メモリデバイスによって実現可能である。ＲＡＭは、本開示のデータを処理するためのオペレーティングシステム、データストレージ及びアプリケーションを定めるデータ及び命令を記憶することができる。実施形態の一例では、処理回路６０８が処理ユニットであり、メモリに記憶された命令が、処理にユニットによって実行されて、本開示の多様な自動化、データ及び信号の処理を行うことができる。ＲＯＭは、実施形態６００のＢＩＯＳ（バイオス，ｂａｓｉｃ  ｉｎｐｕｔ／ｏｕｔｐｕｔ  ｓｙｓｔｅｍ）を含み得る。
【００６８】
また、メモリ６１０は、処理回路６０８等のプロセッサによって実行可能なあらゆる種類の非一時的媒体を含み得る。例えば、メモリ６１０は、プロセッサに本開示のいずれかの動作を行わせるようにプロセッサによって実行可能な命令を有する非一時的媒体を含むことができる。
【００６９】
図示されるように、処理回路６０８は、検出素子６０４ａ〜６０４ｇの出力６１６ａ〜６１６ｇに対応する入力部６１４ａ〜６１４ｇを含む。また、処理回路６０８は、出力部６１８も含み得て、例えば図１２の右側のグラフに示されるように、各素子の検出範囲に従って一意的で連続的な磁石位置の線形化出力を与える。出力部６１８から、磁石６０２の位置を決定することができる。更に、出力部６１８はデータ処理部６１４によって導出可能である。データ処理部６１４は、一組の検出素子の多重成分に基づく信号を一つの信号にまとめ、一つにまとめられた信号を線形化して、位置エンコード磁石の位置を与えることによって、検出素子６０４ａ〜６０４が発生させた信号に従って位置エンコード磁石の位置の決定を導出することができる。
【００７０】
出力部６１６ａ〜６１６ｇのうち一つの出力部と、入力部６１４ａ〜６１４ｇのうち対応する入力部とが、第一方向と第二方向において検出された磁石６０２の磁場強度を表す信号用のチャネルを与える。例えば、出力部６１６ａ〜６１６ｇは、図１２に示されるグラフのパルス４０２ａ〜４０２ｇに対応し得て、ここで、図１２に示されるパルスは、検出素子６０４ａ〜６０４ｇによって検出された磁石６０２の磁場の第一又は第二の方向の場合を表している。
【００７１】
図１５は、位置検出システムの例示的な実施形態７００の態様例の概略図を示す。図１４に示される実施形態６００の代わりに、実施形態７００は、処理回路７０８（図１の動作１０に含まれるデータ処理動作を行うことができる）と、検出素子７０４ａ〜７０４ｇ（動作１０に含まれる磁場データの検出及び取得を行うことができる）とを含む。処理回路７０８は、磁場の異なる方向成分での内部計算を行い、磁場強度を表す一つの信号を出力することができるデータ処理部７１２を含む。検出素子７０４ａ〜７０４ｇは、ホールセンサ、リードスイッチ、磁気抵抗型センサ、フラックスゲート磁力計等、又はこれらの組み合わせを含み得る。
【００７２】
図示されるように、処理回路７０８は、検出素子７０４ａ〜７０４ｇの出力７１６ａ’〜７１６ｇ’及び７１６ａ”〜７１６ｇ”に対応する入力部７１４ａ’〜７１４ｇ’及び７１４ａ”〜７１６ｇ”を含む。また、処理回路７０８は出力部６１８も含み得て、例えば図１２の右側のグラフに示されるように、各素子の検出範囲に従って一意的で連続的な磁石位置の線形化出力を与える。出力部６１８から、磁石６０２の位置を決定することができる。更に、出力部６１８はデータ処理部７１２によって導出可能である。データ処理部７１２は、逆正接計算等の計算を用いて、磁場の異なる磁場成分を表す多重成分に基づく信号を発生させて（例えば、一組の検出素子のうちの検出素子毎に）、一組の検出素子の多重成分に基づく信号を一つの信号にまとめて、一つにまとめられた信号を線形化して、位置エンコード磁石の位置を与えることによって、検出素子６０４ａ〜６０４ｇが発生させた信号に従って位置エンコード磁石の位置の決定を導出することができる。
【００７３】
出力部７１６ａ’〜７１６ｇ’のうち一つの出力部と、入力部７１４ａ’〜７１４ｇ’のうち対応する入力部とが、第一方向において検出された磁場６０２の磁場強度を表す信号用のチャネルを与える。その検出磁場は、検出素子７０４ａ〜７０４ｇのうち対応する検出素子によって検出されたものである。同様に、出力部７１６ａ”〜７１６ｇ”のうち一つの出力部と、入力部７１４ａ”〜７１４ｇ”のうち対応する入力部とが、第二方向において検出された磁石６０２の磁場強度（対応する検出素子によって検出される）を表す信号用のチャネルを与える。例えば、出力部７１６ａ’〜７１６ｇ’及び７１６ａ”〜７１６ｇ”のうち一つの出力部が、図３及び図４のグラフ１１０やグラフ１１２に示されるデータと同様のデータを出力し得る。
【００７４】
出力部７１６ａ’〜７１６ｇ’及び７１６ａ”〜７１６ｇ”から、入力７１４ａ’〜７１４ｇ’及び７１４ａ”〜７１４ｇ”を介して、データ処理部７１２が成分での内部計算を行うことができる。上述のように、例えば、データ処理部７１２は、入力７１４ａ’〜７１４ｇ’及び７１４ａ”〜７１４ｇ”毎に、第一の方向成分を第二の方向成分で割った逆正接関数（ａｒｃｔａｎｇｅｎｔ［第一成分／第二成分］）を計算し得て、図１２及び図１３に示されるように、各検出素子７０４ａ〜７０４ｇを表す出力信号が一つとなるようにする。このような例では、二つ以上の方向成分は、グラフ１１０及び１１２に示される成分等の軸方向に磁化したリング磁石の磁場のＺ成分及びＸ成分を含み得る。
【００７５】
図１４の例と同様に、実施形態７００は、位置磁石６０２と、電力回路６０６と、メモリ６１０と、電気通信バス６１２（少なくとも検出素子７０４ａ〜７０４ｇ、電力回路、信号処理回路７０８、及びメモリを接続する）とを含み得る。また、電力回路６０６は、処理回路７０８による計算のための、図１５の態様と本開示の他の態様との間の多様な通信のための、また、検出素子がアクティブセンサである場合に検出素子７０４ａ〜７０４ｇを作動させるための電力を与えることができる。更に、検出素子７０４ａ〜７０４ｇを含む全ての検出素子の出力信号を、バス６１２上に順次又は同時に、処理回路７０８と通信させ、及び／又は処理回路７０８によって読み取ることができる。同様に、処理回路７０８は、回路板及び／又はシステムオンチップ（ＳｏＣ）（全ての必要な電子回路及び部品を備えるマイクロチップがそのシステムの実施形態用に存在している場合）上のデジタル及び／又はアナログ電子回路で実現可能である。処理回路７０８用の他の適切な技術として、マイクロコントローラ、ＦＰＧＡ、ＣＰＬＤ、ＡＳＩＣ等が挙げられる。素子７０４ａ〜７０４ｇのセンサ装置が特定の磁石及び応用に対して較正される場合、検出素子からの個々の信号を計算及び線形化して、磁石の正確な位置情報を導出することができる。また、処理回路７０８が処理ユニットである実施形態例では、メモリに記憶された命令が処理ユニットによって実行されて、本開示の多様な自動化、データ及び信号の処理を行うことができる。
【００７６】
本発明の適用が、明細書に与えられ図面に示されている構成の詳細及び構成要素の配置に限定されないことを理解されたい。本発明は、他の実施形態でも可能であり、多様な方法で実施、実現可能である。また、本願の表現及び用語は、説明目的のものであって、限定的なものではないことを理解されたい。「含む」、「備える」、「有する」やこれらの変形例の使用は、その記載に関し列挙されている事項及びその均等物、更には追加事項を含むことを意味するものである。特に断らない限り、「接続」、「結合」という用語やこれらの変形例は広義に用いられていて、直接的及び間接的な接続や結合をどちらも含む。更に、「接続」、「結合」は、物理的又は機械的な接続や結合に限定されない。
【００７７】
好ましい実施形態を参照して本発明を説明してきたが、当業者は、本発明の要旨及び範囲から逸脱せずに形態及び細部の変更が可能であることを認識するものである。
【符号の説明】
【００７８】
１０２、２０２、３０２、６０２  位置エンコード磁石（位置磁石）
１０４、２０４、３０４、６０４ａ〜６０４ｇ、７０４ａ〜７０４ｇ  検出素子
１０６  構造体
１０８  磁場
２０６、３０６  プリント回路板（ＰＣＢ）
２０８、３０８  センサ容器
【図１】
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【図２】
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【図３】
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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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【図１４】
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【図１５】
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【国際調査報告】
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