JP2002511571A - センサの非線形領域に対する補正機能を具備した位置検出装置 - Google Patents

センサの非線形領域に対する補正機能を具備した位置検出装置

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Abstract

(57)【要約】 有限長さの前もって定められた経路に沿って移動する可動部材に取り付けられた磁石（１２）を具備する位置検出装置。前もって定められた経路に近接させて磁界トランスデューサ・アレイ（２２）が配置される。トランスデューサ（２２）は、磁石が各トランスデューサに接近し、そこを通過し、そこからから離れるのに伴ってバイポーラ出力信号を供給する。トランスデューサの非線形性によって生じる残留誤差を補正するための補正機構が設けられる。補正機構は、好ましくは、残留誤差を所定の関数で近似し、その所定の関数に対応する補正率を適用することによって残留誤差を相殺する。トランスデューサの非線形性を補正することによって、磁石の長さ及び／またはトランスデューサの間隔を小さくすることができる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】 発明の背景 本発明は、広義には位置検出装置に関し、より詳しくは、有限長さの所定の経
路に沿って移動する部材の位置を決定するための装置に関する。
【０００２】 アクチュエータあるいはこれと同様のものによって制御される機器の位置を検
知したいことはしばしばある。例えば、制御機器産業においては、アクチュエー
タにより動かされるバルブステムあるいは弁軸を有する弁のような機器を用いて
、種々の工業プロセスに関連する液体や気体の流れを制御することが行われる。
これらの用途では、所与の時点で、それらの可動バルブステムあるいは弁軸の正
確な位置を検知したいことがしばしばある。この位置情報を得ることによって、
プロセス及びプロセスの制御をよりよく理解することが可能になる。
【０００３】 これに関しては、従来の多くの解決策が提案されて来た。光コーディング方式
は、透明部と不透明部を有するコード化エレメントを用いて、それらの部分を通
る光を測定するように配置されたセンサ・アレイにデジタルデータ入力を供給す
るようになっている。光コーディング装置は、機械的連動機構を必要としないが
、光学的な方法は非常に清浄な環境でしかよく機能せず、そのために多くの産業
環境では利用されない。線形可変差動変圧器（Linear Variable Differential T
ransformer: ＬＶＤＴ）は非常に正確な位置情報を得ることができるが、通常機
械的連動機構を必要とし、また一般に比較的大きな電力を消費する。ポテンショ
メータあるいは他の回転型トランスデューサは機械的連動機構が必要であり、ま
た長期信頼性が問題になり得る摺動型の電気的接触が用いられるという不利もあ
る。現在用いられているホール効果トランスデューサは、一般に機械的連動機構
を必要とする。
【０００４】 可動部材の位置を決定するための改善された一つの技術がクレフト（Ｋｒｅｆ
ｔ）他の米国特許第４，６９８，９９６号に開示されている。同特許において、
クレフト（Ｋｒｅｆｔ）等は、可動部材の上に棒磁石を設け、それを複数の離し
て配置されたセンサと平行に動かすようにした技術を提案している。較正手順で
、棒磁石をセンサの線と平行な方向に精密に設定された単位長さずつ逐次移動さ
せる。どれか特定のセンサの出力電圧が、その両隣りのセンサがそれぞれ正と負
の値を有するときゼロであれば、その特定のセンサにある長さ値を割り当て、記
憶する。
【０００５】 磁石の不明の位置については、磁石によって影響される隣接センサの電圧値を
測定し、それらの間の関係を求める。それには、隣り合うセンサで異なる極性の
電圧値を有するセンサを選択する。電圧関係が較正された電圧関係に正確に対応
する場合は、対応する較正された位置の値をその不明位置に割り当てる。２つの
較正値の間にある電圧関係については、適切な補間法ないしは内挿法を用いて磁
石の位置を設定する。
【０００６】 クレフト（Ｋｒｅｆｔ）等の発明の技術には、センサ出力信号の非線形性、あ
るいは磁石中の欠陥等に起因する磁界の非線形性に対して補償手段が講じられて
いないという限界がある。クレフト等は、センサ出力信号が非線形になり得るこ
と、特に磁石の極がセンサに接近するとき出力信号が非線形になり得ることを認
めている。そこで、クレフト等は、隣り合うセンサを確実に線形領域で動作させ
るために、磁石の極の位置がどちらの隣接センサからも十分にずれるようセンサ
の間隔に対して相対的に長い磁石を使用することを提案している。しかしながら
、この方法は位置検知装置ないしは位置検出装置のコストを著しく増大させる結
果になり得る。
【０００７】 従って、長形磁石もセンサ間隔を小さくすることも必要がなく、しかも磁石の
位置を確実かつ正確に検出することができる位置検出装置が必要とされる情況が
存在する。
【０００８】 発明の要約 上記及びその他の必要に対応するためになされた本発明は、比較的長い磁石も
センサ間隔を小さくすることも必要としない位置検出装置を提供することを目的
とする。本発明のこのような位置検出装置は、好ましくは、センサの非線形性に
よって生じる残留誤差を補正するための補正機構を設けることによって達成され
る。好ましくは、この補正機構は残留誤差を所定の関数で近似し、その所定の関
数に対応する選択された補正率をその所定の関数に乗じて残留誤差を補償する。
【０００９】 本発明の一実施態様においては、有限長さの前もって定められた経路に沿って
移動する可動部材に磁石を取り付ける。磁界トランスデューサ・アレイをその前
もって定められた経路に近接させて配置する。トランスデューサは、磁石が各ト
ランスデューサに接近し、そこを通過し、そこから離れるのに伴ってバイポーラ
出力信号を発生する。磁石の位置、従って可動部材の位置を決定するために、ト
ランスデューサは電子的に走査され、磁石との相対的接近度を示す出力を発生す
る一群のトランスデューサからデータが選択される。
【００１０】 選択されたトランスデューサの出力信号値の振幅を所定の方法で分かることに
よってある比が計算される。次に、この比に補正率を適用することによって磁石
の位置が決定される。好ましくは、補正率によってトランスデューサの非線形性
を少なくとも一部補償するようにする。
【００１１】 この比を計算するために、好ましくは、正の出力信号値“Ａ”を有する第１の
トランスデューサと負の出力信号値“Ｂ”を有する第２のトランスデューサ（こ
れは逆の関係にもなり得る）の２つの隣接したトランスデューサが選択される。
出力信号値Ａ及びＢを用いることによって、上に述べたように、第１及び第２の
トランスデューサに対する磁石の相対位置に関係する比を計算することができる
。
【００１２】 第１の実施態様においては、この比はＡ／（Ａ−Ｂ）と定義される。分母に項
（Ａ−Ｂ）を入れることによって、共通モード利得変動を減少させることが可能
である。もう一つの実施態様においては、この比は［（Ａ＋Ｂ）／２］／（Ａ−
Ｂ）と定義される。分子に項［（Ａ±Ｂ）／２］を入れることによって、利得ま
たはセンサ・オフセットの差分変動が平均化され、従って潜在的に低減され、共
通モードのセンサ・オフセット変動がゼロになる。この例では、２つのセンサ信
号ＡとＢしか用いられないが、これと同じ計算法で３つ以上のセンサ出力信号（
例えば、Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、 ．．．）を用いることが可能なことは当然考えられ
るところである。
【００１３】 多くの磁界は非線形であり、また多くのトランスデューサの線形範囲は限られ
ているために、上記の比には通常残留誤差が内在する。多くのトランスデューサ
の場合、残留誤差はシヌソイド関数、ｎ次関数（ただし、ｎ≧１）のような関数
、あるいは他の何らかの関数に類似している。従って、これらの関数の１つを用
いて残留誤差を近似できることが考えられる。適切な関数は較正作業時に決定す
ることができる。適切な関数が見つかったならば、残留誤差は単に上記比の値に
対応する関数の値を加えるか、あるいは引くだけで、その比から除去することが
できる。
【００１４】 一実施態様においては、残留誤差を近似する関数は多数の区間に分けられる。
そして、関数の振幅に対応する補正率が各区間に割り当てられる。各補正率は、
好ましくはルックアップテーブルに記憶される。すると、上記比値を用いて対応
する補正率をルックアップテーブルから見つけだすことができる。次に、その選
択された補正率をその比に適用し、その結果から磁石の位置が計算される。この
構成においては、磁石が第１及び第２のトランスデューサに対して相対的に縦方
向に移動するにつれて、信号ＡとＢとに関する所望の比が変化し、また対応する
補正率が変化する結果、磁石の位置は絶えず更新される。
【００１５】 前もって定められた経路に対する磁石の全ての相対位置を検知するためには、
いくつかのオフセット値を与えることが考えられる。好ましくは、隣り合うトラ
ンスデューサからなる各トランスデューサペアの上記の比にそれぞれ異なるオフ
セット値を加える。例えば、長さＬの前もって定められた経路に沿って６つのト
ランスデューサが離して配置されているとすると、５つのトランスデューサペア
が存在し、オフセット値は例えばＣ×（Ｌ／５）×ｎとすることができる。ただ
し、Ｃは定数、ｎはトランスデューサペアの位置（１、．．．、５）を示す。こ
のようにして、トランスデューサペアに対する経路の長さ沿いの磁石の相対位置
によって適切なオフセット値を選択し、割り当てる。好ましくは、オフセットは
、これによって前もって定められた経路沿いの磁石の位置と関連付けられた一様
増加出力信号あるいは一様減少出力信号が得られるようにする。
【００１６】 また、本発明は定められた経路に沿って移動できる部材の位置を決定するため
の方法にある。本発明の方法は、好ましくは、上記部材に取り付けられた磁界を
作り出すための磁界発生手段を設けるステップと；定められた経路に近接して配
置された磁界トランスデューサ・アレイを設けるステップとを有し、その各トラ
ンスデューサが、磁界発生手段が各トランスデューサに接近し、そこを通過し、
そこから離れるのに伴ってバイポーラ出力信号を発生すると共に、各トランスデ
ューサは、磁界発生手段の第１の位置に対する出力信号値を発生する磁界トラン
スデューサ・アレイを設け、選択されたトランスデューサの出力信号値を用いて
比を計算し、選択された補正率を上記比に適用して上記第１の位置を決定するよ
うにしたものである。
【００１７】
【発明の実施の形態】
添付図面において、バルブステムのような可動部材の位置を検出するための装
置を全体として符号１０で示す。図１は、磁石１２とその磁力線１５の拡大図を
示す。トランスデューサ２２は、直線１７に沿って例えば位置２１に配置されて
いる（図６Ａも参照のこと）。磁石１２は、直線あるいは経路２３に沿って移動
する。この実施形態では、磁極は磁石２３の線あるいは経路２３に平行に配向さ
れている。
【００１８】 トランスデューサ２２は特定の方向、例えば図１のｘ軸、ｙ軸あるいはｚ軸に
沿った方向の磁界成分に有感となるように設計することができる。この形態のセ
ンサの一例としては、ｘ軸方向に有感となるよう構成されたホールセンサがある
。あるいは、トランスデューサ２２は磁界成分の合成磁界に有感となるよう設計
することも可能である。この形態のセンサの一例が、ブリッジ回路構成として接
続された磁気抵抗材料、例えばパーマロイ・ストリップをｘｙ平面内に配置し、
パーマロイ・ストリップを飽和させるのに十分な強い磁界中で動作させるように
したトランスデューサである。これらの条件下では、パーマロイ・ストリップの
抵抗変化がｘｙ平面内の磁化角の測度、従って磁界の角度の測度になる。磁気抵
抗トランスデューサの例としては、本発明の譲受人から入手可能なＨＭＣ１００
１、ＨＭＣ１００２、あるいはＨＭＣ１５０１がある。
【００１９】 図２は、磁石１２の極が直線あるいは経路２３に直角に配向された本発明のも
う一つの実施形態を示す。従って、この実施形態の磁力線１９は図１の磁力線１
５に対して９０度だけずれている。図１及び図２に示す両方の実施形態とも、好
ましくはトランスデューサ２２は各位置２１における磁界の角度を測定する。
【００２０】 図３は、円柱形状磁石の側面図である。円柱形状磁石１２は、好ましくはバル
ブステム１４のような可動部材上に取り付けられる（図６Ａ参照）。図４は、線
４−４に沿って切断した図３の磁石の第１の横断面図で、中実横断面を示してい
る。中実断面を持つ磁石の限界は、高い磁化度を達成することが難しい場合があ
るということである。その１つの理由は、磁石の内部の材料部分に強い磁界を印
加することが難しいということである。
【００２１】 磁石の内側の材料部分に印加することができる磁束を増やすために、図５に示
すように、磁石１２を貫通させて穴２５を設けることが考えられる。磁石の磁化
時にコイルのような磁石発生手段を穴２５に挿通することができる。これによっ
て、上記の磁化の困難が低減され、磁石の磁化度を高めることができる。図５の
磁石を使用するためには、穴２５は可動部材を受けることができるものにするこ
とが考えられる。この形状構成では、磁石１２は可動部材１４の外面の少なくと
も一部の周方向に取り囲むように配置される。
【００２２】 図６Ａは本発明の一実施形態の側面図である。図示の実施形態において、位置
検出装置１０は、バルブステム１４に固着された磁石１２を具備し、バルブステ
ム１４は弁の流量を変化させる他の可動な弁部品（図示省略の）に取り付けられ
ている。バルブステム１４はその縦軸１６に沿って移動可能である。また、装置
１０は、バルブヨーク２０あるいはバルブステム１４の近傍の他の適切な固定支
持部材に取り付けられたセンサモジュールあるいは電子回路モジュール１８を具
備する。センサモジュール１８は、互いに既知の距離２６だけ離間して縦軸１６
に平行なリニアアレイ２４として配列された磁界トランスデューサ２２を具備す
る。
【００２３】 磁石１２はバルブステム１４が動くのに伴って移動し、磁石１２からの磁界も
アレイ２４に沿って移動する。磁石１２は、互いに直交する３本の軸沿いの成分
によって表すことができる磁界を供給する。上に述べたように、トランスデュー
サ２２は、単一方向、例えばｘ軸沿いの方向の磁界成分に対して有感となるよう
に設計するか、あるいは合成方向の磁界成分に対して有感となるよう設計するこ
とができる。各トランスデューサ２２は、磁石１２がその近接位置にあるとき磁
界データを取得する。
【００２４】 図６Ｂは、所要の運動が曲線経路に沿って行われる装置で使用される検出装置
１０の構成を示したものである。この形態の用途の一例として、軸６２の軸心６
０の回りの回転運動によって制御するよう設計された弁がある。クランクアーム
６４は軸６２に固着されており、クランクアーム６４の端部６６の運動によって
弁の流量が制御される。トランスデューサ２２ａは固定支持部材に持続される電
子回路モジュール１８ａに接続されている。この構成においては、磁気抵抗トラ
ンスデューサ２２ａが軸６２を中心とする環状経路の一部を表す曲線経路中に配
置されている。他の点に関しては、図６Ｂに示す装置１０の動作は図６Ａに示す
構成の場合と同様である。
【００２５】 図７は、図６Ａのセンサモジュール１８のブロック図である。トランスデュー
サ２２は導体２８によってセンサモジュール１８に接続されている。トランスデ
ューサ２２からの磁界データは直列にでも、並列にでも得ることが可能である。
電力消費をできる限り小さくするために、トランスデューサ２２は図示のように
マルチプレクサ８０へ配線して、直列にデータが得られるようにすることができ
る。また、図７にはアナログ‐ディジタル（ＡＤ）変換器（ＡＤＣ）８２、マイ
クロプロセッサ８４及びその関連メモリ８６が示されている。マイクロプロセッ
サ８４は、制御線８８を介してどのトランスデューサ２２をアナログ‐ディジタ
ル変換器８２に接続するかを制御する。より短い時間でデータを得るために、ト
ランスデューサ２２は個別のＡＤ変換器に接続してもよく、その場合各ＡＤ変換
器は個々にマイクロプロセッサ８４に接続される。
【００２６】 マイクロプロセッサ８４は、好ましくは、モトローラ（Ｍｏｔｏｒｏｌａ）６
８ＨＣ０５あるいはマイクロチップ（Ｍｉｃｒｏｃｈｉｐ）ＰＩＣ１６Ｃ７１の
ようななるべく低消費電力で、低性能のプロセッサである。そのプロセッサは、
トランスデューサ２２によって供給される適切な出力信号を選択し、比を計算し
、適切な補正率を選択して比に加え、かつ前もって定められた経路沿いの磁石の
位置を示す信号、すなわちカウントを供給するアルゴリズムを使用するよう適切
にプログラムされる。この目的のためのアルゴリズムをマイクロプロセッサ８４
に組み込むことができる。マイクロプロセッサ８４は、下記の機能を含むいくつ
かの機能が得られるよう適切にプログラムされる。各トランスデューサの出力を
周期的に走査してデータを取得する、磁石に対する相対的接近を示す出力を有す
る２つ以上のトランスデューサを選択する、選択されたトランスデューサの出力
信号に関する比を計算する、適切な補正率を選択して適用する、適切なオフセッ
ト値を加えて磁石の位置を得る。
【００２７】 図８は、９トランスデューサのアレイの場合の各トランスデューサ２２の出力
を２極磁石１２の位置の関数として表す磁界データを示すグラフである。磁石１
２が各トランスデューサ２２に接近し、そこを通過し、そこから離れるのに伴っ
て変化する出力信号が各トランスデューサ２２により供給される。これらの出力
信号は符号ａ〜ｉで示されている。垂直線３８は磁石１２の位置を表す。磁石１
２が移動し、その極の１つがトランスデューサに接近するにつれて、その出力信
号電圧の線形上昇及び線形低下がそれぞれ起こる。磁石によって作り出される磁
界の強度及びトランスデューサからの磁石の距離によって、線形曲線が非線形に
なって最大出力電圧に達した後、出力電圧は減少する。
【００２８】 常に線形領域で動作させるために、トランスデューサの間隔は磁石の長さと比
較して相対的に小さくしなければならない。すなわち、隣り合うトランスデュー
サが確実に線形領域で動作するようにするために、磁石の極はそれらの隣り合う
トランスデューサのどちらからも十分ずれていなければならない。しかしながら
、そうすると位置検知装置のコストが著しく増大することにもなる。また、あら
ゆる動作条件下でトランスデューサを線形領域に維持することは困難なことがし
ばしばある。この点に鑑みて、本発明は補正率を適用することによって、トラン
スデューサ出力における非線形性を補正することを企図したものであり、以下こ
れについてさらに詳しく説明する。
【００２９】 図９Ａは、第１及び第２のトランスデューサの一例の出力信号９０及び９２を
示す。垂直線８９は磁石１２の位置を表す。垂直線８９の位置で、第１のトラン
スデューサは正の出力信号値“Ａ”９４を持ち、第２のトランスデューサは負の
出力信号値“Ｂ”９６を有する。信号値ＡとＢの間のこの関係は、磁石１２の位
置が第１のトランスデューサと第２のトランスデューサとの間のどこかにあるこ
とを示す。第１及び第２のトランスデューサに対する磁石１２の相対位置を決定
するために、第１及び第２のトランスデューサの出力信号値９４と９６の振幅を
所定の方法で割って、比が計算される。この比に補正率を適用した後、第１と第
２のトランスデューサの間のある位置に対する補間を行うことによって磁石の位
置を決定することができる。以下にさらに説明するように、好ましくは、この補
正率によってトランスデューサの非線形性が少なくとも部分的に補正されるよう
にする。
【００３０】 この比は、例えばＡ／（Ａ−Ｂ）と定義することが可能である。分母に項（Ａ
−Ｂ）を入れることによって、共通モード利得変動を低減させることができる。
例えば、図９Ｂに示すように、共通モード利得が増加する結果、第１のトランス
デューサの出力信号値“Ａ”９４の振幅が増大し、第２のトランスデューサの出
力信号値“Ｂ”９６の振幅が減少する。このように、共通モード利得が増加する
と、“Ａ”の値が増加し、（Ａ−Ｂ）の値も大きくなる。これに従って、Ａ／Ｂ
の単純比に比べて比Ａ／（Ａ−Ｂ）を共通モード利得の変化による影響を受けに
くくすることができる。
【００３１】 あるいは、上記比は［（Ａ＋Ｂ）／２］／（Ａ−Ｂ）と定義することも可能で
ある。分子に項［（Ａ＋Ｂ）／２］を入れることによって、利得あるいはセンサ
・オフセットの差分変動が平均され、従って潜在的に低減され、共通モードセン
サ・オフセット変動がゼロになる。量［（Ａ＋Ｂ）／２］は図９Ｃに符号１００
で示されている。この例では、センサ信号はＡとＢの２つしか用いられていない
が、このアルゴリズムで２つ以上のセンサ出力信号（例えばＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、
．．．）を使用する場合も考えられる。
【００３２】 図１０は、隣り合う２つのトランスデューサペアについて比Ａ／（Ａ−Ｂ）を
示したグラフである。トランスデューサペアの中の第１のペアに関する比Ａ／（
Ａ−Ｂ）は符号１０６で示され、第２のトランスデューサペアに関する比Ａ／（
Ａ−Ｂ）は符号１０８で示されている。図９Ａに点１０２及び１０４で示すよう
に、ＡとＢが等しいときこの比は無限大に接近するので、どちらの比も、正接関
数状の曲線として示されている。これらの各正接関数は、２つの非線形領域とそ
れらの間にわたる比較的線形な領域を有する。これらの非線形領域はそれぞれ対
応するトランスデューサの非線形領域に対応してる。同様に、線形領域はそれぞ
れ対応するトランスデューサの線形領域に対応する。
【００３３】 好ましくは、トランスデューサは正接関数が少なくともある程度互いに重なり
合うように互いに離間して配置される。例えば、正接関数１０６が垂直線１１０
から１１２までの間にわたり、正接関数１０８が垂直線１１４から１１６までの
間にわたる。これらの正接関数同士の重なる部分は垂直線１１２と１１６との間
にある。この重なりによって、マイクロプロセッサ８４（図７参照）は、上記比
が一定の最大値を超える際１つのトランスデューサペアから次のトランスデュー
サペアに切り換えることができる。しかしながら、トランスデューサは、選択さ
れたトランスデューサの非線形領域の少なくとも一部が磁石１２の位置決定時に
使用されるよう互いに十分に離間される。
【００３４】 前もって定められた経路に対する磁石の全ての相対位置を知るためには、いく
つかのオフセット値を設けることが考えられる。好ましくは、各トランスデュー
サペアによって得られる比にそれぞれ異なるオフセット値を与える。例えば、長
さＬの前もって定められた経路に沿って６つのトランスデューサが離間配置され
ている場合、５つのトランスデューサペアが存在し、オフセット値はＣ×（Ｌ／
５）×ｎにすることができる。ただし、Ｃは定数で、ｎはトランスデューサペア
の位置（１、．．．、５）を示す。このように、５つのトランスデューサペアに
対する磁石の相対位置によって適切なオフセット値を選択し、割り当てる。好ま
しくは、オフセットは、これによって前もって定められた経路沿いの磁石の位置
と関連付けられた一様増加出力信号あるいは一様減少出力信号が得られるように
する。。
【００３５】 図１１は、図１０の２つの比に各々異なるオフセットを与えて合成した結果を
示すグラフである。オフセットは、第２のトランスデューサペアに関する比１０
８の下端が第１のトランスデューサペアに関する比１０６の上端とそろうように
与えられる。図１１に示す例では、マイクロプロセッサ８４は点１２０で第１の
トランスデューサペアから第２のトランスデューサペアに切り換わっている。図
１２は、５つのトランスデューサペアに関する比の合成結果を示すグラフである
。
【００３６】 多くの磁界トランスデューサは非線形領域を有するため、各トランスデューサ
ペアによって与えられる比には通常残留誤差が内在する。多くのトランスデュー
サの場合、残留誤差はシヌソイド関数、ｎ次関数（ただし、ｎ≧１）のような関
数、あるいは他の何らかの関数に類似している。特に図１２において、理想的な
位置センサ出力は符号１３０で示すような直線であろう。しかしながら、トラン
スデューサにおける非線形性のために、残留誤差は、符号１３２で示すように、
位置センサ出力を直線から逸脱させる。図示実施形態では、残留誤差はシヌソイ
ド関数に類似しており、図１３に符号１３６で明示された曲線のようになる。
【００３７】 トランスデューサにおける非線形性を補償するために、残留誤差をシヌソイド
関数のような適切な関数を用いて近似することが考えられる。好ましくは、適切
な関数は較正作業時に決定される。特に図１３において、残留誤差１３６はシヌ
ソイド関数１３８により近似することができる。適切な関数が見つかったならば
、残留誤差１３６は、単にその関数の適切な値を上記比に加えるか、あるいはそ
れから減じるだけでその比から除去することができる。
【００３８】 図１４は、図１３に示す残留誤差１３６を近似するシヌソイド関数を示す。一
実施形態においては、残留誤差を近似するこの関数は多数の区間１４０に分けら
れる。そして、各区間の関数の振幅に対応する補正率が各区間１４０に割り当て
られる。好ましくはこれらの補正率は、図１５に総体的に示すようなルックアッ
プテーブル１５０に記憶される。すると、上記比の値を用いてルックアップテー
ブル１５０から対応する補正率を見つけだすことができる。そして、選択された
補正率をその比に適用し、その結果から磁石の位置を計算することができる。こ
の構成で、磁石が第１及び第２のトランスデューサに対して相対的に縦方向に移
動するにつれて、信号ＡとＢとに関する所望の比が変化し、対応する補正率も変
化する結果、磁石の位置は絶えず更新される。
【００３９】 本発明を実施するために必要なハードウェアを少なくするために、シヌソイド
関数の一部についての補正率だけルックアップテーブル１５０に記憶することも
考えられる。図示実施形態では、シヌソイド関数１３８の４分の１に対応する補
正率だけがルックアップテーブル１５０に記憶される。これが可能なのは、シヌ
ソイド関数１３８は４つの等しい形状の領域１４２、１４４、１４６及び１４８
を持っているからである。図示実施形態においては、第１の領域１４２は１２８
区間に分けられ、ルックアップテーブルは対応する１２８の補正率を記憶する。
ルックアップテーブルは図７のＥＥＰＲＯＭ８６であってもよい。
【００４０】 補正率を適用するとき、マイクロプロセッサ８４は、好ましくは、シヌソイド
関数のどの領域が特定の比値と対応するかを決定する。これが決定されたならば
、その比値を用いてルックアップテーブル１５０から適切な補正率が選択される
。例えば、磁石の位置を左から右へ移動させるとき、第１の領域１４２に対応す
る補正率がまず用いられ、次に第２の領域１４４の補正率、その後第３の領域１
４６の補正率、最後に第４の領域１４８の補正率が用いられる。第１の領域１４
２中を移動するとき、マイクロプロセッサ８４は、好ましくは、比が増加するの
に伴って昇順にルックアップテーブルにアクセスし、それに応じて対応する補正
率を上記比から減じる。第２の領域１４４中を移動するとき、マイクロプロセッ
サ８４は、好ましくは、比の増加につれて降順にルックアップテーブルにアクセ
スし、上記比から対応する補正率を減じる。第３の領域１４６中を移動するとき
、マイクロプロセッサ８４は、好ましくは、比の増加につれて昇順にルックアッ
プテーブルにアクセスし、上記比に対応する補正率を加える。最後に、第４の領
域１４８中を通過するとき、マイクロプロセッサ８４は、好ましくは、比の増加
につれて降順にルックアップテーブルにアクセスし、上記比に対応する補正率を
加える。
【００４１】 図１６は、図１２のトランスデューサの出力信号に図１５の補正率を適用した後
合成した結果を示すグラフであるこの図から容易に分かるように、位置センサの
出力は図１２に示すものと比べて大きく改善されている。
【００４２】 本発明は、アナログ論理でも、デジタル論理でも実施することができ、あるい
は、好ましくは、アナログ論理とディジタル論理の組合せによって実施すること
が可能である。図７において、トランスデューサ２２は好ましくはアナログ出力
信号を供給する。アナログ‐ディジタル変換器８２は、好ましくは、各トランス
デューサ２２のアナログ出力信号値を対応するカウント値に変換する。マイクロ
プロセッサ８４は、選択されたトランスデューサのカウント値から近似位置カウ
ント値を計算することによって磁石の位置を求める。近似位置カウント値は上に
説明した比に対応する。また、好ましくは、マイクロプロセッサ８４は選択され
た補正カウント値を近似位置カウントに適用して磁石１２の位置を決定する。
【００４３】 近似位置カウント値は、好ましくは、選択されたトランスデューサペアのカウ
ント値間の補外ないしは外挿を行うことによって計算される。例えば、マイクロ
プロセッサ８４は、第１の範囲内のカウント値“Ａ”を有する第１のトランスデ
ューサ、及び第２の範囲内のカウント値“Ｂ”を有する第２のトランスデューサ
を選択した後、これらのＡとＢを用いて近似位置カウント値に対応した比を計算
することによってその近似位置カウント値を計算することが可能である。
【００４４】 また、本発明においては、前もって定められた経路沿いのいくつかの区間の１
つに各々対応する複数のオフセットカウント値を用いることも可能である。この
場合、マイクロプロセッサ８４は、それらのオフセットカウント値の中の選択さ
れた１つを近似位置カウント値に加えればよい。好ましくは、選択されたオフセ
ットカウント値は選択されたトランスデューサペアに対応する。
【００４５】 次に、図１７には、本発明の方法の一実施形態を図解したフローチャートが示
されている。このアルゴリズムはステップ１７０で開始され、ここで制御はステ
ップ１７２に渡される。ステップ１７２では、磁石への相対的接近を示す出力信
号を有する一対のトランスデューサが選択される。次に、制御はステップ１７４
に渡される。ステップ１７４では、選択された１対のトランスデューサの出力信
号ＡとＢとに関する比が計算される。この比は、好ましくは、Ａ／（Ａ−Ｂ）あ
るいは［（Ａ＋Ｂ）／２］／［（Ａ−Ｂ）］の形で計算される。次に、制御はス
テップ１７６に渡される。ステップ１７６では、選択されたトランスデューサペ
アによって適切なオフセットが加えられる。次に、制御はステップ１７８に渡さ
れる。ステップ１７８では、上記比を用いてルックアップテーブルから適切な補
正率が検索される。次に、制御はステップ１８０に渡される。ステップ１８０で
は、その比がある領域に応じて対応する補正率がその比に加えられる、あるいは
これから減じられる。次に、制御はステップ１８２に渡され、このステップでア
ルゴリズムが終了する。
【００４６】 以上、本発明をその実施形態により詳細に説明したが、本願の開示技術が請求
範囲の記載に基づく発明の範囲内において他の実施形態にも適用可能なことは当
業者にとって容易に理解されよう。
【図面の簡単な説明】
【図１】 平行に配向された磁石を有する可動部材、及び隣り合う多数のト
ランスデューサを示す説明図である。
【図２】 直角に配向された磁石を有する可動部材、及び隣り合う多数のト
ランスデューサを示す説明図である。
【図３】 円柱形状磁石の側面図である。
【図４】 図３の磁石の線４−４に沿って切断した第１の横断面図である。
【図５】 図３の磁石のもう一の実施形態の線４−４に沿って切断した第２
の断面図である。
【図６Ａ】 本発明の一実施形態の側面図で、バルブステム及びバルブヨー
クの一部も併せて示されている。
【図６Ｂ】 本発明のさらにもう一つの実施形態を示す説明図で、回転弁軸
及びアームの一部も併せて示されている。
【図７】 図６Ａのセンサモジュールのブロック図である。
【図８】 図７の選択されたトランスデューサからの出力信号を表す複数の
曲線を示す波形図である。
【図９Ａ】 図７の隣り合う２つのトランスデューサの出力信号を示す波形
図である。
【図９Ｂ】 図７の隣り合う２つのトランスデューサの出力信号を示す波形
図で、どちらの出力信号も各々図９Ａに示す信号より大きい振幅を有する。
【図９Ｃ】 図７の隣り合う２つのトランスデューサの出力信号をその平均
振幅と共に示す波形図である。
【図１０】隣り合う２つのトランスデューサペアについての比Ａ／（Ａ−Ｂ
）を示すグラフである。
【図１１】 図１０の２つの比に各々異なるオフセットを与えて合成した結
果を示すグラフである。
【図１２】 ５つのトランスデューサペアにおける上記比の合成結果を示す
グラフである。
【図１３】 図１２の複合信号における一例の残留誤差を正弦近似近似曲線
と重ねて示すグラフである。
【図１４】図１３の残留誤差を近似するシヌソイド関数を示すグラフである
。
【図１５】 図１４のシヌソイド関数に対応する多くの補正率を記憶するた
めのルックアップテーブルを示す説明図である。
【図１６】 図１２のトランスデューサの５つの出力信号に図１５の補正率
を適用した後合成した結果を示すグラフである。
【図１７】 本発明の方法の一実施形態を示すフローチャートである。
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Claims (31)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 前もって定められた経路に沿って移動できる部材の位置を決
    定する装置において、 その部材に取り付けられていて磁界を作り出す磁界発生手段と、 前もって定められた経路に近接して既知位置に配置された磁界トランスデュー
    サ・アレイであって、各トランスデューサは、磁界発生手段が各トランスデュー
    サに接近し、そこを通過し、そこから離れるのに伴ってバイポーラ出力信号を発
    生すると共に、磁界発生手段の第１の位置に対する出力信号値を発生する磁界ト
    ランスデューサ・アレイと、 選択されたトランスデューサの出力信号値に関する比を計算し、その比に選択
    された補正率を適用することによって磁界発生手段の第１の位置を決定する位置
    決定手段と、 を具備したことを特徴とする装置。
  2. 【請求項２】 各トランスデューサのバイポーラ出力信号は非線形領域を有
    することを特徴とする請求項１記載の装置。
  3. 【請求項３】 補正率が非線形領域の一部を少なくとも部分的に補正するこ
    とを特徴とする請求項記載２の装置。
  4. 【請求項４】 選択された補正率が複数の補正率から選択されることを特徴
    とする請求項１記載の装置。
  5. 【請求項５】 複数の補正率が全体的に所定の関数に対応することを特徴と
    する請求項４記載の装置。
  6. 【請求項６】 所定の関数がシヌソイド関数であることを特徴とする請求項
    ５記載の装置。
  7. 【請求項７】 所定の関数がｎ≧１のｎ次関数であることを特徴とする請求
    項５記載の装置。
  8. 【請求項８】 位置決定手段が、正の出力信号値“Ａ”を有する第１のトラ
    ンスデューサと負の出力信号値“Ｂ”を有する第２のトランスデューサとを選択
    し、Ａ／（Ａ−Ｂ）を計算することによって比を求め、その比が第１及び第２の
    トランスデューサに対する磁界発生手段の相対的位置と関連付けられていること
    を特徴とする請求項４記載の装置。
  9. 【請求項９】 位置決定手段が複数の補正率を記憶するためのルックアップ
    テーブルをさらに具備し、かつ比を用いてルックアップテーブルから複数の補正
    率の１つが選択されることを特徴とする請求項８記載の装置。
  10. 【請求項１０】 位置決定手段が、正の出力信号値“Ａ”を有する第１のト
    ランスデューサと負の出力信号値“Ｂ”を有する第２のトランスデューサとを選
    択し、［（Ａ＋Ｂ）／２］／（Ａ−Ｂ）を計算することによって比を求め、その
    比が第１及び第２のトランスデューサに対する磁界発生手段の相対的位置と関連
    付けられていることを特徴とする請求項４記載の装置。
  11. 【請求項１１】 前もって定められた経路に沿って移動できる部材の位置を
    決定する装置において、 部材に取り付けられていて磁界を作り出す磁界発生手段と、 前もって定められた経路に近接して既知位置に配置された磁界トランスデュー
    サ・アレイであって、各トランスデューサは、磁界発生手段が各トランスデュー
    サに接近し、そこを通過し、そこから離れるのに伴ってバイポーラ出力信号を発
    生すると共に、各トランスデューサが磁界発生手段の第１の位置に対するアナロ
    グ出力信号値を発生する磁界トランスデューサ・アレイと、 各トランスデューサのアナログ出力信号値をカウント値に変換する変換手段と
    、 選択されたトランスデューサのカウント値から近似位置カウント値を計算し、
    選択された補正カウント値を近似位置カウント値に適用して磁界発生手段の第１
    の位置に対応する最終カウント値を求めることによって第１の位置を決定する位
    置決定手段と、 を具備したことを特徴とする装置。
  12. 【請求項１２】 位置決定手段が選択されたトランスデューサのカウント値
    間の補外を行うことによって近似位置カウント値を計算することを特徴とする請
    求項１１記載の装置。
  13. 【請求項１３】 位置決定手段が、第１の範囲内にあるカウント値“Ａ”を
    有する第１のトランスデューサと第２の範囲内にあるカウント値“Ｂ”を有する
    第２のトランスデューサとを選択することによって近似位置カウント値を計算す
    ると共に、これらのＡとＢを用いて近似位置カウント値に対応する比を計算する
    ことを特徴とする請求項１２記載の装置。
  14. 【請求項１４】 各々前もって定められた経路沿いの複数の区間の１つに対
    応する複数のオフセットカウント値が設けられていることを特徴とする請求項１
    １記載の装置。
  15. 【請求項１５】 位置決定手段が複数のオフセットカウント値の中の選択さ
    れたオフセットカウント値を近似位置カウント値に加え、選択されたオフセット
    カウント値が第１及び第２のトランスデューサペアに対応することを特徴とする
    請求項１４記載の装置。
  16. 【請求項１６】 各々特定の近似位置カウント値に対応する複数の補正カウ
    ント値が設けられていることを特徴とする請求項１５記載の装置。
  17. 【請求項１７】 位置決定手段が近似位置カウント値に対応する複数の補正
    カウント値の中の１つを選択することを特徴とする請求項１６記載の装置。
  18. 【請求項１８】 位置決定手段が、近似位置カウント値に選択された補正カ
    ウント値を加えることにより磁界発生手段の第１の位置を表す最終カウント値を
    得ることを特徴とする請求項１７記載の装置。
  19. 【請求項１９】 位置決定手段がプロセッサを具備することを特徴とする請
    求項１８記載の装置。
  20. 【請求項２０】 複数の補正カウント値がプロセッサに接続されたルックア
    ップテーブル・メモリに記憶されることを特徴とする請求項１９記載の装置。
  21. 【請求項２１】 前もって定められた経路に沿って移動できる部材の位置を
    決定する方法において、 部材に取り付けられていて磁界を作り出す磁界発生手段を設けるステップと、 前もって定められた経路に近接して既知位置に配置された磁界トランスデュー
    サ・アレイでって、各トランスデューサが、磁界発生手段が各トランスデューサ
    に接近し、そこを通過し、そこから離れるのに伴ってバイポーラ出力信号を発生
    すると共に、磁界発生手段の第１の位置に対する出力信号値を発生する磁界トラ
    ンスデューサ・アレイを設けるステップと、 選択されたトランスデューサの出力信号値を用いて出力制御値に関する比を計
    算するステップと、 選択された補正率を比に適用して第１の位置を決定するステップと、 を具備した方法。
  22. 【請求項２２】 選択された補正率を複数の補正率から選択するステップを
    さらに具備したことを特徴とする請求項２１記載の方法。
  23. 【請求項２３】 複数の補正率が全体的に所定の関数に対応することを特徴
    とする請求項２２記載の方法。
  24. 【請求項２４】 所定の関数がシヌソイド関数であることを特徴とする請求
    項２３記載の方法。
  25. 【請求項２５】 所定の関数がｎ≧１のｎ次関数であることを特徴とする請
    求項２３記載の方法。
  26. 【請求項２６】 比を計算するステップが、正の出力信号値“Ａ”を有する
    第１のトランスデューサと負の出力信号値“Ｂ”を有する第２のトランスデュー
    サとを選択し、これらのＡとＢを用いて第１及び第２のトランスデューサに対す
    る磁界発生手段の相対位置と関連付けられた比を計算することによって比を求め
    ることを特徴とする請求項２２記載の方法。
  27. 【請求項２７】 比がＡ／（Ａ−Ｂ）と定義されたことを特徴とする請求項
    ２６記載の方法。
  28. 【請求項２８】 比が［（Ａ＋Ｂ）／２］／（Ａ−Ｂ）と定義されたことを
    特徴とする請求項２６記載の方法。
  29. 【請求項２９】 複数の補正率の中の１つをルックアップテーブルから選択
    するステップをさらに具備したことを特徴とする請求項２６記載の方法。
  30. 【請求項３０】 前もって定められた経路に沿って移動できる部材の位置を
    決定する装置において、 部材の外面の少なくとも一部を取り囲むように周方向に配置された磁石と、 前もって定められた経路に沿って既知位置に配置された複数の磁界トランスデ
    ューサからなる磁界トランスデューサ・アレイであって、各トランスデューサが
    磁石が各トランスデューサに接近し、そこを通過し、そこから離れるのに伴って
    バイポーラ出力信号を発生する磁界トランスデューサ・アレイと、 選択されたトランスデューサから出力信号を受け取って、出力信号から前もっ
    て定められた経路沿いの部材の位置を決定するための処理ブロックと、 を具備したことを特徴とする装置。
  31. 【請求項３１】 磁石が貫通穴を有し、穴が部材の少なくとも一部を受け入
    れることを特徴とする請求項３０記載の装置。
JP2000543784A 1998-04-14 1999-04-14 センサの非線形領域に対する補正機能を具備した位置検出装置 Expired - Lifetime JP4550276B2 (ja)

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