JP2007523343A

JP2007523343A - メカトロニクス制御システム

Info

Publication number: JP2007523343A
Application number: JP2006554041A
Authority: JP
Inventors: ニーシング，ウイレム
Original assignee: イートンオートモティブベスローテンフエンノートシャップ
Priority date: 2004-02-19
Filing date: 2005-02-21
Publication date: 2007-08-16
Also published as: KR20060129482A; EP1718935A1; NL1025523C2; WO2005080921A1; US20070029174A1; CN1922467A

Abstract

機械駆動部によって調節経路に沿って互いに対し調節可能となるように、少なくとも二つの作動部を備えた作動装置と、駆動部と接続され、作動部の相対的な位置を調節経路に沿って少なくとも一つの位置で検出するように位置検出器を備えた電気制御器とを有するメカトロニクスシステム。位置検出器は、電場のソースと共に作用する半導体を含み、電場のソースを一方の作動部に備えるとともに、半導体を他方の作動部に備えて、電場のソースが調節経路に沿って電場を生じさせ、調節経路に沿った少なくとも一つの位置で半導体を貫く電場の電束を生じさせる。

Description

本発明は、機械駆動部によって、調節経路に沿って、互いに対し調節可能となるように配置された二つの作動部を有する作動装置（アクチュエータ）と、駆動部と接続され、作動部の相対的な位置を調節経路に沿って少なくとも一つの位置で検出するように位置検出器を備えた電気制御器と、を含むメカトロニクス制御システムに関する。

上述のようなメカトロニクス制御システムは一般に公知であって、例えば、作動装置と接続された自動車のバックミラーやサイドミラーの位置を制御したり、ヘッドレスト、ヘッドライト又はバルブの位置を制御するために使われることがある。

通常、駆動部は、例えば、電気モーターや電磁石を用いるように、電気的に構成されるが、他、例えば、油圧又は空圧的に構成することもできる。また、通常、位置検出器は、例えば、エンドスイッチや電位差計のように、電気機械的に構成されるが、他、例えば、光電セルやエンコーダーのように光機械的に構成することもできる。

駆動部の特定のタイプと位置検出器の特定のタイプは、用いられるメカトロニクス制御システムに基づいて、選ばれている。自動車産業で用いられる場合、通常、制御システムは、低コストで大量生産できることが求められており、また、使用中、制御システムは、振動、ショック及び温度変化に晒されており、メカトロニクス制御システムには、代替型の位置検出器を備えることが求められている。

本発明は、代替型に構成された位置検出器を備えた、前段で述べたタイプのメカトロニクス制御システムを提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明に従うメカトロニクス制御システムは、この特徴として、位置検出器が、電場（電界）のソースと共に作用する半導体を含み、電場のソースを一方の作動部上に配置するとともに、半導体を他方の作動部上に配置して、電場のソースによって生じた電場の電束（フラックス）が、調節経路に沿って少なくとも一つの位置で半導体を貫くようにする。

作動装置の調節中に、電場のソースにより生じた電場の電束を用いて半導体の電気伝導性に影響を及ぼして、半導体を用いて位置信号を生じさせることができる。この位置信号は、制御器により、予め定められた固定値と二進法的（バイナリー）に比較されて、例えば、エンドスイッチを実現させる。しかしながら、この位置信号は、制御器により、設定可能な所定値と比較されることも可能であり、例えば、メモリー機能を実現させてもよい。さらに、この位置信号の強さに基づいて、制御器は、駆動部をオン又はオフにスイッチさせるのみならず、位置信号の強さに基づき、駆動部の印加を制御可能にしてもよい。

好ましくは、電場のソースはエレクトレットを含み、例えば、永久分極されたものや、ネット電荷を備えた誘電体であって、エレクトレットにより静電場を生じさせる。また、他の電場のソースも利用可能であって、例えば、コンデンサーや電極、又は他の伝導性の表面であって、電気張力に対し調整可能なものでもよい。しかし、エレクトレットを用いて電場のソースを構成することにより、コンパクトな場のソースを得ることができ、しかも、分極又はネット電荷の量の半減期は相当な年数、例えば、約１０年続くため、電気配線を必要としないで済む。即ち、エレクトレットは、作動装置の全寿命又はこの寿命の相当部分にわたって機能し、この間、エレクトレットは再度分極されたり、再度ネット電荷を提供される必要がない。エレクトレット上の電荷の分配は、寿命中に調節される必要がなく、またエレクトレットは、配線及び／又は電気接続から自由に構成できる。従って、電気配線を節約できるので、作動装置の構成の複雑化と組み付けコストの削減を達成できる。さらに、エレクトレットは、比較的に高い電圧を用いて構成できるので、比較的に正確な検出を得ることができる。

好ましくは、ＭＯＳＦＥＴ形のトランジスターとして、半導体を構成する。この場合、二つの特にドープされた領域、即ち、半導体特性を備えた基板（サブストレート）内の、ソースとドレインの間に、伝導性経路を形成する。伝導性経路の近くに電場のソースを設けることで、径路内の複数の利用可能な自由電荷のキャリアは局所的な影響を受けるが、これは、自由電荷のキャリアは、電場が加えられる結果として、自由電荷のキャリアの種類と誘導される電場の方向に基づいて、トランジスターの表面に向って流れたり、又は基板内に離れるように流れるためである。この結果、シリコン内の伝導性経路の伝導特性が変化する。トランジスターの伝導特性を明快な仕方で測定することにより、電場の発生との関係、従って、半導体に対する電場のソースの位置との関係が生じる。

半導体内に貫く電束の方向に対してほぼ横切る方向に作動部を調節することにより、半導体内に貫く電場の電束の量を設定でき、半導体の電気伝導性の大きさが作動部の相対的な位置の測定になる。特に、ヒンジ作動部内のメカトロニクスシステムに用いられる時、例えば、サイドミラー装置やヘッドライト装置の調節機構に用いられる時、上述のように角度変位を検出することに利点がある。また、半導体内を貫く電束の方向に対してほぼ平行な方向で作動部を調節することにより、作動部の所定の相対的な位置を適当に検出することができるメカトロニクスシステムが得られ、例えば、自動車の本体上のベースプレートに対するサイドミラーのハウジングの終端位置や、バルブの終端位置を検出することができる。

電場のソースと半導体は、対で、共に作用することができる。しかしながら、電場のソースは複数の半導体と共に作用したり、及び／又は、半導体は複数の電場のソースと共に作用してもよい。この仕方では、全く定量計測は必要とされない。半導体の近くでの電場のソースの存在や非存在の検出は計量化できるが、この場合、測定の感度はより低められる。従って、検出が、所謂、ＭＯＳＦＥＴのしきい値の電圧、つまり、伝導性経路内で実質的な伝導性を確保するのに必要な最小の電圧であり、温度や電荷の存在や、汚れた粒子や水分等に基づいて変動する傾向があるものに、基づくことをより少なくする。可能な実施形態では、幾つかのＭＯＳＦＥＴが配置される、比較的に広い半導体の表面の近くの調節経路に沿って配置される電場のソースを用いることで、経済的で、しかも正確な位置検出器が得られるようにする。

好ましくは、作動装置をヒンジ作動装置として構成して、作動部の角度位置を明快な仕方で検出できるようにする。しかし、本発明に従うメカトロニクス制御システムに、線形の作動装置や他のタイプの作動装置を備えることは十分に可能である。さらに、作動装置に複数の作動部、例えば、３つの作動部を備えることも可能であり、さらに、半導体や電場のソースから自由になることができる作動部を備えてもよい。

半導体内で誘導された電場は、例えば、空気や誘電体介して、電場のソースによって直接的に生じることができるが、又は、例えば、半導体と電場のソースとの間に、絶縁された伝導体を設けるように、非直接的に生じることもできる。半導体と電場のソースの表面の大きさと形状は、夫々、ほぼ対応していてもよく、あるいは、異なっていてもよい。場のソースと半導体の重なり合う領域は、二つの作動部の相対的な位置の測定になる。

半導体特性を備えるポリマーから製造されたＭＯＳＦＥＴを用いることで、比較的に大きな伝導性経路を得ることができ、このため、検出の感度を向上することができる。

また、本発明は、作動装置の操作方法にも関し、この際、駆動部によって、調節経路に沿って、作動部を互いに対して調節させ、そして、駆動部を制御するため、半導体を貫く電場のソースによって生じた電場の電束を変化させることで、作動部の相対的な位置を決定する。
本発明に関するさらなる効果的な実施形態は、添付した特許請求の範囲に記載の他の従属請求項に記載されている。

以下、添付した図を参照して、例示した本発明の実施形態に基づいて、本発明についてさらに説明する。
尚、これら図は、本発明の好適な実施形態について、概略的に示したものに過ぎず、非制限的に、本発明の例示的な実施形態を示すものである。また、これら図では、同一又は同様の部品については、同じ参照番号を付けている。

図１を参照すると、メカトロニクスシステム１が示されており、これに含まれる作動装置２は、二つの作動部４、５を、図示されない機械駆動部によって、調節経路に沿って、互いに対して調節可能となるように備えている。この例示的な実施形態では、調節経路は、図１に示した開始位置から、図２に示した中間位置を通って、図３に示した終端位置まで延びている。

このシステム１は、さらに電気制御器を備えるが、これは、同様に図示されない駆動部と接続されている。制御器には位置検出器７が備えられ、作動部の互いに対する位置を検出できるようにしている。

位置検出器７は、エレクトレット７Ａとして構成される電場のソースと、これと共に作用する半導体７Ｂを含む。エレクトレット７Ａは一方の作動部４上に配置され、これに対して、二つの半導体７Ｂ１、７Ｂ２は他方の作動部５上に配置される。エレクトレット７Ａは、分極されているか、ネット電荷を備える、一般に入手可能な誘電体から構成される。半導体は、半導体特性を有するシリコン又はポリマー材料を用いて構成され、プラスチックからなる作動部５内に埋め込まれる。好ましくは、一度の射出成形工程によって、半導体とともに作動部を製造することにより、製造コストを削減させる。エレクトレット７Ａは、調節経路に沿って配置されるように電場Ｖを生じさせ、一方の半導体７Ｂ１、７Ｂ２と他方のエレクトレット７Ａとが、調節経路に沿って、互いに対して配置される時、少なくとも部分的に、半導体７Ｂ１、７Ｂ２の表面の少なくとも一部で重なり合うようにする。作動部４、５を互いに対して調節することで、この重なり合う大きさを修正できる。特に、図１に示した開始位置では、エレクトレット７Ａと第一の半導体７Ｂ１の間の重なり合う大きさは、１００％である。そして、調節経路に沿って、作動部４を調節することにより、この重なりは徐々に減少して、０％に向う。同時に、エレクトレット７Ａの場と半導体７Ｂの表面の重なりは徐々に増大して、図２に示した中間位置を通って、図３に示した終点位置に向うに従い、０％から１００％に増大する。これらエレクトレットと半導体は、非接触の仕方で、共に作用する。そして、調節経路に沿って、作動部が所定の経路に従うことで、非接触に共に作用することを保証させる。好ましくは、エレクトレット及び／又は半導体を、ほぼ平らなように（板状）形成して、大きな重なり合う表面を得られるようにし、これによって感度を良好にして、メカトロニクスシステムの精度を高める。

好ましくは、エレクトレットのほぼ一方の側、例えば、半導体と面する側に正の電荷を配置させ、かつ、他方の側に負の電荷を配置させるように、エレクトレットの表面上で電荷を分配させることで、可能な限り効果的に、電束の効果を用いられるようにする。

本発明に従う実施形態の一つでは、図４に示すように、ＦＥＴ形のＮＭＯＳトランジスター２０として半導体を構成する。このようなトランジスター２０は、基板２１、又は大きな材料であって、ｐ−形のドープされたシリコン構造を含むものに備えられる。基板２１の表面の近くには、ｎ＋−形のドープされた領域が備えられて、ソース２２とドレイン２３を形成する。トランジスター２０の表面上には、例えば、１０マイクロメーターか、これよりも薄い厚さの、薄い絶縁層２４が備えられる。この絶縁層２４は、例えば、絶縁特性を有する、酸化シリコンやポリマーから構成される。ソース２２とドレイン２３の間には、伝導性経路２５が備えられ、これを介して、電荷キャリア、この場合、主に電子（エレクトロン）の搬送を行う。エレクトレット７Ａを用いて、標準的なＦＥＴ形のトランジスター内でゲートが備えられる場所で電場Ｖの電束を及ぼし、この際、基板２１の方向で伝導性経路２５を通るように電場のラインＶを向わせて、伝導性経路の表面に自由電子の薄い層を形成する。これら電子は、基板２１から引き出されて、伝導性経路２５内の材料の電気伝導性を増大させる。測定信号を用いてこの伝導性を測定することで、例えば、ソース２２とドレイン２３の間に引加された電圧で電流の測定を用いることで、電場Ｖの存在との関係が定められ、これは次に、ＮＭＯＳトランジスター２０に対するエレクトレット７Ａの位置の測定となる。エレクトレット７Ａの表面の近くでの電場の強さに基づいて、電場Ｖの影響は多かれ少なかれ早く減少するので、作動部の重なりの比較的に小さな変化を比較的に簡単に検出できる。正確な測定を得るため、作動部の対応する表面は、互いに対して小さなオフセットだけを有するようにする。

ＰＭＯＳトランジスターを用いて形成される他の実施形態では、上述したＮＭＯＳトランジスターを用いるものに対して、操作は二重になる。伝導性経路２５内の電気伝導性の大きさは、複数の自由なホールによって主に決定されるが、これは、外部の電場が加えられることで、ｎ−形の基板から引き出すことができる。

上述したＮＭＯＳ及びＰＭＯＳトランジスターは、ソースとドレインのみを構成し、ゲートを除き、電束の影響下で、電気伝導性経路を形成する、間にある半導体材料を含む。エレクトレットはゲートの機能を満たし、つまり、電束によって、電気伝導性経路を形成する。

さらに注意すべき点として、電束の影響下で、表面に引き出される電荷キャリアによって半導体内でほぼ補われるため、誘導された自由電荷のキャリアがわずかな大きさでだけ、電束が半導体を貫く。電束はここで半導体の表面に対してほぼ横切る方向に向う。

重なり合う大きさを修正することで、半導体７Ｂ１、７Ｂ２の伝導性は影響を受ける。メカトロニクスシステム１は、開始信号Ｓを用いて開始されて、作動装置２の電気モーターを印加させて、この電気モーターの出力軸と接続された減速機構によって、作動部４を、作動部５に対して調節経路に沿って調節させる。作動部４、５は、半導体内に貫く電束の方向に対して、ほぼ横切る方向で調節される。終端位置に近づくにつれて、エレクトレット７Ａと第二の半導体７Ｂ２の間の重なり合う大きさは大きくなり、第二の半導体７Ｂ２の電気伝導性は、エレクトレット７Ａの電場の電束の影響下で増大する。制御器に送り返される、第二の半導体７Ｂ２の伝導性の測定信号が、予め設定された、固定値に達する時、電気モーターに向う電流が中断される。そして、モーターの極性を反転させた後に、反対方向に作動装置を調節することが可能になる。

図１−３では、線形の作動装置が示されている。しかしながら、異なるように作動装置を構成することは可能であり、例えば、作動部が互いに対してピボットする、ヒンジ作動装置のように、作動装置を構成してもよい。このような実施形態では、調節経路は曲がった区間を含む。この場合であっても、半導体の電気伝導性の測定信号が所定値に達する時、作動装置の電気モーターを切断できる。従って、駆動部によって、調節経路に沿って、作動部４、５を調節するように、作動装置２を操作することができ、そして、駆動部を制御するため、作動部４、５を互いに対して調節させて、エレクトレットの電場により、半導体の電気伝導性を変化させる際、作動部４、５の相対的な位置が決定される。

図１−４から明らかなように、ソースからドレインに向う伝導性経路の方向は、作動装置が移動する方向に対し、ほぼ横切るように示されている。当然だが、メカトロニクスシステムの幾何学的形態を異なるように構成することは可能であり、例えば、伝導性経路の長手方向を、作動装置の移動する方向とほぼ一致させてもよい。

さらに、幾つかの半導体と共に作用する電場のソース、及び／又は、幾つかの電場のソースと共に作用する半導体を用いることで、パターンを実行でき、作動装置の移動する方向に対して横切る方向の複数の位置で、メカトロニクスシステムが、半導体及び／又は電場のソースの重なり合う表面の独自な構成を有することで、例えば、位置のテーブルを参照するように、特定の位置に基づく伝導性の特性を検出して、作動装置の位置を決定することができる。位置に基づく伝導性の特性は、作動装置の移動する方向に対して横切る方向に広がる。従って、半導体／電場のソースの組合せの重なり合う特定の大きさは、二進法の構造を形成できる。作動装置の移動する方向に対して横切る方向で、このような二進法の構造を複数用いることで、例えば、変換又は位置テーブルを用いることにより、作動装置の複数の位置を得ることができる。例えば、６つの二進法の構造を用いる時、作動装置の６４の位置を検出することができる。当然だが、例えば、２から８のような、異なる数の二進法の構造を用いることは可能である。

自明だが、本発明は、ここで例示した実施形態に限定されない。例えば、作動部の調節が、これらの互いに対する重なりの変化を生じさせることを必要としなくてもよい。本発明に従う他の実施形態では、半導体内を貫く電束の方向に対してほぼ平行な方向で作動部を変化させることで、予め定められた位置、例えば、調節経路の終端位置を正確に検出できるようにしてもよい。

また、電場のソースと関連する半導体の操作は、電場のソース又は半導体をばね（弾性体）に取付けることで、フォースセンサを製造するために用いることができる。また、電場のソース又は半導体を大きな部分に取付けることで、加速度センサを得ることができる。

また、メカトロニクスシステムは、所謂、超小型電子機械システム（ＭＥＭＳ）として構成することができ、位置検出器もまた、非常に小さな構成で明快に設けることができる。

さらに、添付した特許請求の範囲に定められた本発明の範囲内で、様々に変化させることは可能である。

本発明に従う機械的なシステムの第一の実施形態を、開始位置で、概略的に示した図である。図１に示した機械的なシステムを、中間位置で示した図である。図１に示した機械的なシステムを、終端位置で示した図である。本発明に従う電場のソースと半導体を示した側面図である。

Claims

機械駆動部によって調節経路に沿って互いに対して調節可能となるように、少なくとも二つの作動部を備えた作動装置と、前記駆動部と接続され、前記作動部の相対的な位置を前記調節経路に沿って少なくとも一つの位置で検出する位置検出器を備えた電気制御器と、を有するメカトロニクスシステムであって、前記位置検出器は、電場のソースと共に作用する半導体を含み、前記電場のソースを一方の前記作動部に備えるとともに、前記半導体を他方の前記作動部に備えて、前記電場のソースによって生じる電場の電束が、前記調節経路に沿って少なくとも一つの位置で前記半導体内を貫くようにしたことを特徴とするメカトロニクスシステム。
前記電場のソースは、エレクトレットを含むことを特徴とする請求項１に記載のメカトロニクスシステム。
前記半導体は、ＭＯＳＦＥＴ形のトランジスターを含むことを特徴とする請求項１又は２に記載のメカトロニクスシステム。
前記半導体内を貫く前記電場の電束の量は、前記半導体内を貫く前記電束の方向に対しほぼ横切る方向で、前記作動部の互いに対する調節によって設定可能であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のメカトロニクスシステム。
前記作動部の少なくとも一つは、前記調節経路に沿って配置された複数の半導体を含むことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のメカトロニクスシステム。
前記作動部の少なくとも一つは、前記調節経路に沿って配置された複数の電場のソースを含むことを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載のメカトロニクスシステム。
前記半導体内には二つの電極が配置されて、これら電極の間で前記半導体の材料の電気伝導性を測定することを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載のメカトロニクスシステム。
前記半導体の少なくとも一つは、ほぼ板状に形成されることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載のメカトロニクスシステム。
前記半導体は、ポリマー材料を用いて製造されることを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載のメカトロニクスシステム。
前記半導体は、射出成形工程中に、前記作動部と一体にされることを特徴とする請求項１〜９のいずれかに記載のメカトロニクスシステム。
作動装置の操作方法であって、駆動部によって調節経路に沿って作動部を互いに対して調節させ、前記作動部の相対的な調節に基づいて、半導体を貫く、電場のソースによって生じた電場の電束を変化させることで、前記作動部の互いに対する位置を決定することを特徴とする方法。