JP2008533497A - 可動機械システムの位置を検知する方法及び装置 - Google Patents

Abstract

機械部品を含む可動素子の位置検知に関する。可動素子の動きによって磁場の動きを生成して、磁気センサで検出する。磁場及び／又は磁束の動き及び／又は変化は、センサ、対応する磁石、又は対応する磁性体の動きの組み合わせによって生成してもよい。磁気センサは、回転運動、線形運動の何れか、又は両方を測定できる。かかるセンサは、増分位置変化、絶対位置、又はその両方を表示できる。絶対位置及び高分解能位置検知は、線形運動及び／又は角運動の測定によって行える。好適な磁気センサとして、これに限定さないが、ホール効果装置及び／又は磁気抵抗素子が挙げられ、多極磁気センサを含んでもよい。電子制御装置などの信号調整及び／又は制御手段を用いてセンサからの出力信号を受信できる。
【選択図】図１

Description

本発明は、可動機械システムの位置を検知する方法及び装置に関する。

位置センサは、一般的に可動機械システムを構成する様々な構成要素の位置を測定ために使われる。このようなシステムは、通常、モータ及び出力ドライブトレーンを含む１つ以上のアクチュエータを備え、所望の線形又は回転動作を行うようになっている。これらのアクチュエータとして一般的に、電磁式、圧電式、空圧式、及び、油圧式のアクチュエータが挙げられる。これらのシステムはまた、関連するアクチュエータシステムの一部として位置フィードバックセンサ及び回路を備え、サーボアクチュエータ或いはサーボ制御システムとも呼ばれることもある。

機械システム用の位置センサは、通常、アクチュエータの構成要素、或いはそのような構成要素によって動作する構成部品の動きを測定する。いくつかのシステムでは、磁気センサを用いて所望の構成要素の位置を検知する。このようなシステムについて説明する。

第一の種類のものは、通常、磁場の有無及び／又は磁場の方向に従ってバイナリ値を出力するホール効果センサである。デジタルホールステートとも呼ばれるこのバイナリ出力は、カウントして、１つ以上の磁石と連結した対象とする構成要素の動きを示すために用いられる。こうして、対象とするサーボアクチュエータ部品の動きと位置が判別できる。デジタルホール効果を用いた装置は、通常、信号調整回路、例えばシュミットインバータを備え、アナログＲＥＤの出力信号を調整するようになっている。

磁気センサを用いて位置を検知する従来の技術には限界がある。このような限界は、複雑なドライブトレーンを有する可動機械システムにおいて特に顕著になりうる。個々の磁気センサは、温度変化、局所的な磁場の変化、及び電磁干渉又はノイズなどの周囲環境による要因に影響されて、位置測定が不正確になることがある。更に、センサの較正誤差が、位置測定の誤差の原因、又は誤差に寄与することがある。

複雑なドライブトレーンを備えたものも含む可動機械システムにおいて、１つ以上の磁気センサを用いて、バックラッシュ又は機械的コンプライアンスの影響を受けやすい単一の機械部材を測定する際に不正確な位置測定が起こりうる。例えば、複雑なドライブトレーンにおいてバックラッシュ及び機械的コンプライアンスは、ドライブトレーンの原動力として用いるＥＭＡモータシャフトの回転を測定ために使用する磁気センサでは対応していない。

本発明は前述の課題を解決することを目的とする。本発明の態様は、これに限るものではないが、可動機械システムの機械部品を含む、可動素子の動きを検出するのに使うことができるであろう。可動素子の動きは、磁気センサに相対する磁石の磁場の動き及び／又は変化を生成することができる。可動機械システムの２つ以上の可動素子の動きを検知することで、関連した機械的な構成要素の位置判断が向上する。磁場及び／又は磁束の動き及び／又は変化は、センサと関連する磁石との間に介在する、センサ、関連する磁石、又は関連する磁性体、の何れの組み合わせの動きによっても生成することができる。本発明のある特定の態様は、これに限るものではないが、機械部品を含む、可動素子の位置検知をするのに使う多素子磁気センサに向けたものである。本発明の多素子センサは、回転又は線形動作、或いは両方を測定することができる。多素子センサは、増分位置変化、絶対位置、或いは両方を表示することができる。本発明のある特定の態様は、直線及び／又は角度位置を測定するための絶対位置検知と高分解能位置検知との組み合わせを備える。２つ以上の磁気センサを組み合わせることで、可動機械アセンブリにおいて、例えばアクチュエータ、冗長位置測定機能をもたらすことができ、或いは様々なレベルの機械的利点を組み合わせることで、アセンブリにおいて、より広い範囲の位置測定、又はより高い測定分解能、或いはその両方を実現できる。

好適な磁気センサは、これに限るものではないが、ホール効果装置及び／又は磁気抵抗素子を含む。電子制御装置などの好適な信号調整及び／又は制御手段を、センサから出力信号を受信するのに使用してもよい。アクチュエータを含む機械システムなどの可動素子の動きは、これに従って測定及び制御される。ある特定の実施の形態では、所望の制御関数を得るため位置信号を用いてもよい。これに限定されないが例えば、１つ以上の多素子磁気センサから得た位置信号を、ブラシレスＤＣモータ、例えばドライブトレーンに連結したＥＭＡモータ、の整流を制御するために使用してもよい。

位置検知の動作持、１つ以上の多素子磁気センサは、電子制御装置に電気信号を送出してもよく、電子制御装置が所望のブラシレスＤＣモータ、例えばＥＭＡモータ、の整流シーケンスを制御できるようにしてもよい。このような整流シーケンスを行うため、電子制御装置は、それぞれ異なる多素子磁気センサからの１つ以上の位置信号を用いて対象のＤＣモータ内の固定子コイルへの出力電流を制御してもよい。整流シーケンスでは、固定子コイルへの電流を切り替えることで、固定子コイル内の電流が磁場を生じ、ロータ及びシャフトを固定子に相対して所望の位置に回転させるトルクを、固定子コイルと関連するロータのシャフト上に発生させるようになっている。

本発明の一実施の形態は、複数の可動ドライブ素子を有するドライブトレーンの位置検知システムである。このシステムの一つは、それぞれが複数のドライブ素子の１つに対応し、又は取り付けられた複数の磁石を含む。このシステムは、それぞれが、複数の磁石の対応する１つが生成する磁場の動きによって生成される磁束密度の変化を検出するように動作する複数の磁気センサを含む。各磁気センサは対応する可動ドライブ素子の動きに対応して出力信号を生成するように動作する。制御手段は、複数の磁気センサから出力信号を受信し、こうして受信した出力信号を連結するように動作する。複数の磁石は八極磁石などの多極磁石を含んでもよい。磁気センサは多素子磁気センサを含んでもよい。システム電子制御手段は出力として制御信号を生成するように動作する。多素子磁気センサは複数の磁気抵抗素子を含んでもよい。複数の磁気抵抗素子は、電気的にブリッジ構成に構成された４つの磁気抵抗素子を含んでもよい。ブリッジ構成はホイートストンブリッジでもよい。多素子磁気センサは複数のホール効果素子を含んでもよい。複数のホール効果素子は比例ホール効果素子を含んでもよい。複数のホール効果素子はデジタルホール効果素子を含んでもよい。複数のホール効果素子は、ＩＣに構成及び配列された４つの比例ホール効果素子を含んでもよい。

このシステムは、高分解能磁気センサ及び所望の構成でＮ極及びＳ極交互に配列された磁極を有する複数の高分解能磁石を含んでもよく、複数の高分解能磁石は、複数の可動ドライブ素子の１つに取り付けてもよい。高分解能磁気センサは、可動素子の動作中に、複数の高分解能磁石の動きによって生成される磁場変化を測定するように動作する。高分解能磁気センサに隣接し、複数の高分解能磁石からの磁束をこの高分解能磁気センサに導くように動作する歯状磁束ガイドを含んでもよい。高分解能磁気センサは磁気抵抗素子を含んでもよい。高分解能磁気センサはアナログホール効果素子を含んでもよい。高分解能磁気センサはデジタルホール効果素子を含んでもよい。この所望の構成とは環状でもよい。この所望の構成は線形配列でもよい。このシステムは、可動素子に取り付けられ、磁気センサ位置の磁束を変調するように動作する磁束ガイドを含んでもよい。この複数のドライブトレーン素子は回転シャフトを含み、その複数の磁気センサの１つは磁気直交センサを含んでもよい。この磁気直交センサは、そのシャフトの外周に適合された二対の磁性ヨークを含んでもよい。このシャフトは複数の磁石を含んでもよい。個々の磁気センサは、その二対の磁性ヨークの各対の端の間に配置されてもよく、その磁気直交センサは、そのシャフトの動きを検出し、出力としてその動きと対応する直交信号を生成するように動作する。この制御手段は、その磁気直交センサからその直交信号を受信し、その直交信号がそのシャフトの位置を判断するための正弦波直交復号機能を与えるように動作する電子制御装置を含んでもよい。この磁性ヨークは常磁性の磁性体を含んでもよい。この磁石は、鉄、ニッケル、コバルト、ジスプロシウム、及びガドリニウムからなるグループから選択された磁性体を含んでもよい。

更なる実施の形態は複数の可動素子を有するドライブトレーンの可動素子の位置を測定する方法を含む。この方法はこの複数の可動素子の可動素子の動きを生成するステップを含んでもよい。この可動素子のこの動きによって第１の磁気センサに相対する第１の磁場の動きを生成してもよい。この可動素子のこの動きによって第２の磁気センサに相対する第２の磁場の動きを生成してもよい。この磁場における変化を検出してもよい。この磁場におけるこの変化に対応した出力信号を生成してもよく、この可動素子の位置を測定してもよい。可動素子の動きを生成するステップは、アクチュエータ出力素子を動かすステップを含んでもよい。磁場の動きを生成するステップは、この可動素子に取り付けられた磁石を動かすステップを含んでもよい。磁場の動きを生成するステップは、第１の磁気センサを動かすステップを含んでもよい。磁場の動きは、可動素子の動きに直接対応する場合、出力信号は可動素子の絶対位置に直接対応する。磁場の動きが可動素子のその動きに比例する場合、出力信号は可動素子の相対位置に対応する。出力信号は、第１の可動素子に機械的に接続されたブラシレスＤＣモータの整流シーケンスを制御するために使用できる。

更なる実施の形態は、回動接続により互いに回転可能に連結した複数の回転フレーム素子を備えたジンバルを含む。作動手段は、回転可能に接続された回転フレーム素子の組と連結する。作動手段は、この各回転フレーム素子の組を回転させるように動作する。ジンバルは、それぞれが複数の回転フレーム素子の各々に取り付けられた複数の第１の磁石を含む。ジンバルは、そのそれぞれが複数の第１の磁石の各々によって生成された磁場の磁束密度を検出し、さらにその検出した磁束に対応する出力信号を生成するように動作する複数の第１の磁気センサを含む。１つ以上の第２の磁石が各々、その複数の回転フレーム素子の１つと回転可能に連結した第２のドライブ素子に取り付けられる。１つ以上の第２の磁気センサは、それぞれがその１つ以上の第２の磁石の各々によって生成された磁場の磁束密度を検出、さらにその検出した磁束に対応する出力信号を生成するように動作する。ジンバルは、その複数の第１の磁気センサ及びその１つ以上の第２の磁気センサからその出力信号を受信し、複合分解能位置信号を生成するように動作する電子制御手段を含む。

作動手段はＥＭＡを含んでもよい。複数の第１の磁気センサは多素子磁気センサを含んでもよい。多素子磁気センサは複数の磁気抵抗素子を含んでもよい。複数の磁気抵抗素子は、電気的にブリッジ構成に構成された４つの磁気抵抗素子を含んでもよい。ブリッジ構成はホイートストンブリッジである。多素子磁気センサは複数のホール効果素子を含んでもよい。複数のホール効果素子は、比例又はデジタルホール効果素子を含んでもよい。複数のホール効果素子は、ＩＣに構成及び配列された４つの比例ホール効果素子を含んでもよい。のジンバルは、高分解能磁気センサ及び前記ＥＭＡのモータシャフトの外周を取り巻くリング状に、Ｎ極及びＳ極を交互に配列した磁極を有する、複数の高分解能磁石を含んでもよい。高分解能磁気センサは、そのＥＭＡモータシャフトが回転するに伴い、複数の高分解能磁石によって生成される磁場変化を測定するように動作する。

本発明の上述特徴及びその他の特徴、態様、利点は、以下の詳細な説明と、添付の特許請求の範囲及び図面を参照してより良く理解されるであろう。図面は必ずしも縮尺通りではなく、本発明の要部を説明するため強調されている。

本発明の態様は、これに限るものではないが、機械部品を含む、可動素子の動きを検出するために使用できる。本発明の実施の形態は、１つ以上の磁石を可動素子と連結し、動きがあると、１つ以上の磁石と対応して、磁場及び／又は磁束の動き及び／又は変化を生成し、その動き及び／又は変化はそこに連結した磁気センサによって検出できる。磁場及び／又は磁束の動き及び／又は変化は、磁気センサと関連した磁石との間の相対的な動き、或いは磁石と対応する磁気センサとの間に配置された関連した磁性体の動き、の何れの組み合わせによっても生成できる。本発明による磁気センサは、回転又は線形動作、或いは両方を測定できるこのようなセンサは、増分位置変化、絶対位置、或いはその両方を表示できる。本発明のある特定の態様は、直線及び／又は角度位置を測定するための絶対位置検知と高分解能位置検知との組み合わせを備える。例えばアクチュエータなどの可動機械アセンブリに二つ以上の磁気センサを組み合わせることで、冗長位置の測定機能、或いはアセンブリの様々なレベルの機械的利点を組み合わせて、より広範囲の位置測定、又はより優れた測定分解能、或いはその両方を実現できる。好適な磁気センサとして、これに限るものではないが、ホール効果装置及び／又は磁気抵抗素子が挙げられる。

本発明のある特定の態様は、これに限るものではないが、機械部品を含む、可動素子の位置検知に使う多素子磁気センサに関する。電子制御装置などの好適な信号調整及び／又は制御手段を用いて、センサから出力信号を受信できる。これによって、アクチュエータを含む機械システムなどの可動素子の動きを測定し、制御できる。ある特定の実施の形態では、所望の制御関数のために位置信号を用いることができる。非限定的な例として、１つ以上の多素子磁気センサから得た位置信号を用いて、ブラシレスＤＣモータ、例えばドライブトレーンに連結したＥＭＡモータの整流を制御できる。

図１は、電磁アクチュエータ（ＥＭＡ）１０５を備えた好ましい実施の形態１００の斜視図である。ＥＭＡ１０５は、ＥＭＡ１０５の可動ドライブ素子１１０ａ〜１１０ｃに取り付けた、それぞれ複数の磁石１０４ａ〜１０４ｃの動きを検出するよう構成及び配置した多素子磁気センサ１０２ａ〜１０２ｃを含む磁気センサアセンブリ１０２を備える。好適な磁石１０４ａ〜１０４ｃは永久多極磁石及び／又は複数の磁石で構成される。それぞれの磁気センサ１０２ａ〜１０２ｃは、対応する磁石１０４ａ〜１０４ｃの磁束又は磁場の変化を検出ように構成されている。ある特定の実施の形態では、センサ１０２ａ〜１０２ｃは、プリント基板（ＰＣＢ）１０３に実装してもよく、それを集積回路（ＩＣ）に搭載してもよい。磁気センサからの出力信号を、以下に詳細に説明する、ＥＭＡ素子の複合分解能位置検知に用いてもよい。

位置検知動作時、１０２ａ〜１０２ｃなどの１つ以上の多素子磁気センサは、電子制御装置（図示せず）に電気信号を送出し、電子制御装置が所望のブラシレスＤＣモータ、例えばＥＭＡモータの整流シーケンスを制御できるようになっている。この整流シーケンスでは、電子制御装置はそれぞれ異なる多素子磁気センサ１０２ａ〜１０２ｃから得た１つ以上の位置信号を用いて、対象とするＤＣモータ内の固定子コイルへ流れる出力電流を制御するようになっている。整流シーケンスで固定子コイルへの電流を切り替えることによって、固定子コイル内を流れる電流により磁場が発生し、この磁場が固定子コイルと対応するロータのシャフト上にトルクを発生させ、ロータ及びシャフトを固定子に対して所望の位置に回転させる。ある特定の実施の形態では、電子制御装置が１つ以上の多素子磁気センサから連続して受信した位置信号を三相ＥＭＡモータの整流用に用いてもよい。

ドライブ素子１１０ａ〜１１０ｄは、モータ１０６からモータシャフト１０８を介して動力を受ける第１のドライブ素子１１０ｂ〜１１０ｄと、出力素子に動力を伝達しない第２のドライブ素子１１０ａを含む。第１のドライブ素子１１０ｂ〜１１０ｄは、第１のドライブ素子１１０ｄによりネジ接続部１１２を介して、負荷出力シャフト１１４及び出力軸受部１１８に動力を伝達する。出力シャフト１１４は矢印１１６で示す方向に動く。第１又は第２のドライブ素子は、例えばシャフト、歯車、ネジ、又はクランクなどの回転素子であってもよく、例えばネジ、リンク、ラックなどの線形素子であってもよい。ある特定の応用形態では、リンクなどのドライブ素子は、並進と回転との両方の動きが可能である。

ＥＭＡ１０５の動作において、各磁石１０４ａ〜１０４ｃは、それぞれが取り付けられたドライブトレーン素子１１０ａ〜１１０ｃと共に動く。各磁気センサ１０２ａ〜１０２ｃは、それぞれが対応する磁石１０４ａ〜１０４ｃの動きを検出し、従って各磁石が装着されたドライブトレーン素子の動きも検出する。磁気式セン１０２ａ〜１０２ｃによって生成された電気信号は、以下により詳細に説明するように、電子制御手段、例えば電子制御装置（図示せず）、に複合分解能位置測定のため送受信させてもよい。ドライブ素子１１０ａ〜１１０ｃのサイズ、例えば半径、を調整することにより、ドライブ素子の機械的な効果を変更することができる。
これにより、磁気センサ１０２ａ〜１０２ｃによって生成された出力信号に対応する調整が行われる共に、位置測定の複合分解能についても同様の調整が行われるだろう。

いくつかの実施の形態では、磁石１０４ａ〜１０４ｃと磁気センサ１０２ａ〜１０２ｃとの相対位置を逆にしてもよく、その場合は磁気センサが取り付けた磁石に対して回転する。さらに、ある特定の実施の形態では、磁石及び磁気センサをそれぞれ互いに固定してもよく、アクチュエータの動きが、磁石及びセンサの間に介在させるか近くに置いた磁性体の動きを引き起こすようにしてもよい。好適な磁性体としては常磁性体及び／又は強磁性体があり、それぞれ「ソフト」及び「ハード」磁性体と呼ばれる。

図２Ａ〜２Ｂは、本発明の実施の形態２００に従って、位置検知に好適なセンサを表す。多素子磁気センサ２０２は、ドライブトレーン素子、例えば回転シャフト２０３、に装着した極磁石２０４の磁場２０１の動きを検出するよう構成及び配置する。多素子磁気センサ２０２はＨＥＤ及び／又は磁気抵抗素子を含んでもよい。センサ２０２は集積回路（ＩＣ）の一部であってもＩＣアセンブリに組み込まれてもよく、さらに、好適な信号調整電子装置を含んでもよい。図２Ａに示すように、多素子磁気センサ２０２は、双極磁石２０４によって生じた磁場２０１の磁束密度を検出するよう構成及び配置する。磁石２０４は、例えばアクチュエータの機械部品によって回転する、回転シャフト２０３の端に装着してもよい。シャフト２０３が多素子磁気センサ２０２毎に動くにつれ、磁束２０１で表す磁石２０４によって生じた磁場も動く。磁場２０１の様々な方向性を多素子磁気センサ２０２が検出する。シャフト２０３及び／又は機械的に接続された構成要素の絶対及び／又は相対位置は、多素子磁気センサ２０２に接続された、電子制御装置（図示せず）などの、好適な制御手段によって測定することができる。図２Ｂに示すように、複数の多素子磁気センサ２０２ａ〜２０２ｄは、ある特定の実施の形態において、面２０１で表す時間的及び／又は空間的に変化する磁場を平均化しやすくするために、併用してもよい。好ましい実施の形態では、磁気センサ２０２に、Ａｕｓｔｒｉａ Ｍｉｃｒｏ Ｓｙｓｔｅｍｓ（オーストリア・マイクロ・システムズ社）から入手可能な製品番号ＡＳ５０４０の回転磁気センサが利用できる。

図３は、本発明の他の実施の形態３００に従って、位置検知のための多素子磁気センサ３０２を表す。このセンサ３０２は、互いに電気的接続された複数の比例磁気抵抗磁気センサ３０２ａ〜３０２ｄを含む。比例磁気センサ３０２ａ〜３０２ｄは、磁場３０１の動きによって変化する磁束密度を検知するようブリッジ構成に構成及び配列する。電圧源３０４は比例磁気センサ３０２ａ〜３０２ｄに電圧を供給する。ある特定の応用形態では、比例磁気センサ３０２ａ〜３０２ｄは、図示のように、好適なホイートストンブリッジ構成に配列してもよい。

ホイートストンブリッジなど、互いに近似したブリッジ構成に接続することで、比例磁気センサ３０２ａ〜３０２ｄは自己較正及び／又は単一センサによって生じる測定誤差の影響を最小限にすることができる。ブリッジ構成では、図３においてＲで示すように、各センサは通常等しい抵抗値を持ち、環境や機械的要因により、ΔＲで示すように、抵抗値センサ３０２ａ〜３０２ｄの間で抵抗値に小さな変化が生じる。このような抵抗値ΔＲの変化は、検出される磁場３０１の局所的な変化によっても生じるだろう。ブリッジ構成の異なる部分間における抵抗値の変化ΔＲは３０５で電流を起こし、これが磁気センサ３０２ａ〜３０２ｄの抵抗値の均等化、又は平均化を誘導する。この自己較正機能の結果、比例磁気センサ３０２ａ〜３０２ｄは、温度変化、電磁干渉、関連する磁石の小さなずれや動き、及び／又は電圧源３０４の変化による位置測定誤差を減少或いは解消することができる。

図４は、実施の形態４００全体を表す側面図であり、図１の図と同様に、磁石、センサ、電子制御手段、例えば電子制御装置４２０ａ〜４２０ｂ、を備えたＥＭＡ４０５を含む。ＥＭＡ４０５は、複数の歯車４１０ａ〜４１０ｄを備えたギアトレーンを回転させるように動作する、モータ４０６及びモータシャフト４０８を含む。動作中、ギアトレーンがＥＭＡモータ４０６から動力ネジ４１２を介して出力シャフト４１４に動力を伝達する。仮にモータシャフトの回転方向４１１ａを、例えば反時計方向とすると、それに対応する歯車４１０ａ〜４１０ｄの回転方向は矢印４１１ｂ〜４１１ｄで示す方向である。モータ出力シャフトの回転方向が逆になった場合、表される回転方向も逆になることは当然理解されるだろう。出力シャフト４１４は矢印４１６で示す方向に動く。

電子制御装置４２０ａ〜４２０ｂは、それぞれ多素子磁気センサ４０２ａ〜４０２ｃ及び４０２ｄに、電気的接続部４２１ａ〜４２１ｂなどの好適な接続法でそれぞれ接続される。電子制御装置４２０ａ〜４２０ｂは所望のロジック、信号処理及び／又は信号調整回路を含んでもよい。電子制御装置４２０ａ〜４２０ｂは、各多素子磁気センサ４０２ａ〜４０２ｃ及び４０２ｄから受信した信号を、それぞれ処理し、有用なモニタ及び／又は制御機能性に供給する。例えば、多素子磁気センサ４０２ａ〜４０２ｃ及び４０２ｄから受信した信号は、それぞれ電子制御装置４２０ａ〜４２０ｂで、関連するＥＭＡ４０５の出力シャフト４１４に連結した出力素子（図示せず）の位置を測定し制御するのに使用してもよい。電子制御装置４２０ａ〜４２０ｂは、検知した機械的構成要素の位置を局所的に又はより高いレベルの電子装置、例えば警報システム或いは制御コンピュータ、に報告してもよい。いくつかの実施の形態では、電子制御装置４２０ａ〜４２０ｂは単一の装置でもよい。

ある特定の状況で、１つ以上の磁気センサ及び対応する磁石は、可動機械的アセンブリの特定の構成要素から離して配置してもよい。例えば磁気センサ及び対応する磁石をＥＭＡのモータから離して配置することで、センサをＥＭＡモータの発する熱から熱的に隔離する機能を与えてもよい。さらに、センサの遠隔配置は、モータシャフト或いは他のドライブ素子からスペースを置いた特殊なドライブ素子の動きを基に、１つ以上の位置信号を生成するのに適しているだろう。１つ以上の磁気センサを遠隔配置する機能は、遠隔配置しなければ位置測定ができない場合、センサを便利又は手近な位置に置けるようにする。ある特定の実施の形態では、機械システムの出力素子の動きを測定することにより、磁気センサの位置測定の精密度を向上させることができ、機械的反動の悪影響を減少させることができる。ある特定の実施の形態では、このような反動の影響の減少でサーボ制御のダイナミックスを向上させることができる。

図５に挙げる図５Ａ〜５Ｃは、本発明の実施の形態５００Ａ〜５００Ｃに従って、それぞれ位置検知のための磁気センサ５０２ａ〜５０２ｂ及び磁石５０４ａ〜５０４ｂの様々な構成を表す。図５Ａは実施の形態５００Ａを表し、モータ５０１、及び、駆動ネジ５１２と歯車５０６及び５０８とを介してモータ５０１と連結したアクチュエータ出力ロッド５１０を備えた代表的なアクチュエータを含む。ロッド端軸受アセンブリ５１４は、可動素子につながる出力ロッド５１０と接続する。出力ロッド５１０は矢印５１６で示される方向に動く。出力ロッド５１０の動きは好適な原動力、例えばモータ５０１、及び歯車５０６及び５０８で動く駆動ネジ５１２の機械的な接続によって生じる。図５Ｂ〜５Ｃは図５Ａの分割図であり、アクチュエータの第２のドライブ素子に連結した様々な磁石及びセンサ構成を含む。図５Ａに示すように、多素子磁気センサ５０２ａは、磁石５０４ａに対応して変化する磁場、すなわち磁石５０４ａが連結している第１のドライブ素子５０６の動きに起因する変化を検出するよう構成及び配置してもよい。多素子磁気センサ５０２ａは、図５Ａの実施の形態で示す、磁石５０４ａの磁力に近接した範囲内に配置し、アクチュエータモータ５０１のモータシャフトに接続したスタブシャフトの端に取り付ける。

磁石及びセンサアセンブリは、歯車５０６などの出力素子に動力を伝達する第１のドライブ素子の動きだけではなく、どの出力素子にも動力を伝達しない第２のドライブ素子の動きも検出するよう構成及び配置してもよい。例えば図５Ａ〜５Ｃは、ロッド端５１０に機械的に接続された様々な第２のドライブ素子の動きを検出するための様々な磁石及びセンサアセンブリを表す。図５Ａに、歯車５１８ａを含む第２のドライブ素子に取り付けられた磁石５０４ｂの一構成を表す。多素子磁気センサ５０２ｂは、例えばＰＣＢ５０３ｂのベースに、磁石５０４ｂに近接して装着している。磁石５０４ｂは、従属歯車５１８ｂと係合する５１８ａと機械的に連結するか、固定する。歯車５１８ａ及び５１８ｂは両方とも軸受（図示せず）に取り付けて、回転可能としながら、並進を防止している。ネジシャンク５２２によって駆動する駆動ネジ５２０の軸方向運動によって従属歯車５ｌ８ｂが回転する。駆動ネジシャンク５２２はブラケット５２４によってアクチュエータ出力素子５１０に接続している。アクチュエータ出力素子５１０が矢印５１６で示す運動方向に沿って動くと、駆動ネジシャンク５２２も同様の方向に動く。これによって駆動ネジ５２０は並進し、歯車５１８ｂ及び５１８ａは回転する。磁石５０４ｂは歯車５１８ａに固定するか、或いは連結して、アクチュエータ出力ロッド５１０に対しほぼ並行の軸を中心として回転させる。制御手段（図示していない）によって、センサ５０２ａ、５０２ｂからの出力信号を組み合わせて、所望の可動素子、例えば出力ロッド５１０、の複合分解能位置測定を行うことができる。様々な歯車の半径を調整することにより、ドライブ素子の機械的な効果を変更できる。こうして、磁気センサ５０２ａ〜５０２ｂで生成される出力信号に、位置測定において複合分解能に同様の効果が得られるように対応した調整を行うことができる。

図５Ｂに、クランクシャフト及びクランクアームアセンブリ５１８ｃを含む第２のドライブ素子に固定した他の実施の形態５００Ｂの磁石５０４ｂを示す。磁石５０４ｂは、クランクアーム５１８ｃに、クランクシャフト及びクランクアームアセンブリ５１８ｃの回転軸上又は回転近傍に固定する。クランクアームアセンブリ５１８ｃは回動接続部５１９によってシャンク５２２ａと接続する。シャンク５２２ａはブラケット５２４でアクチュエータ出力ロッド５１０と接続する。アクチュエータ出力素子５１０が動作方向５１６で示す方向に動くと、クランクアーム５１８ｃ及び固定した磁石５０４ｂも矢印５２６で示す回転方向に回転する。図５Ｂにおいて、磁石５０４ｂの回転はアクチュエータ出力ロッド５１０に対して略垂直である。図５Ｃに、ラック及びピニオンアセンブリのピニオン５１８ｅを含む第２のドライブ素子に固定した他の実施の形態５００Ｃの磁石５０４ｂ示す。対応するラック５１８ｄはブラケット５２４によってアクチュエータ出力ロッド５１０と接続する。アクチュエータ出力ロッド５１０が矢印５１６'で示す動作範囲に沿って動くと、ラック５１８ｄも矢印５１６'で示すように並進する。これによって、磁石５０４ｂはピニオン５１８ｅと共に、矢印５２６で示すように、アクチュエータ出力素子５１０に対して略垂直の軸の周りを回転する。

ある特定の用途では、可動機械システムのモータ及びその他の動作部品、例えばＥＭＡは、囲繞することが望ましい。気体、ＥＭＩ、磁場などの流体が不要に内外に漏れることを防止するため、ＥＭＡモータを密封してもよい。密封したハウジング６１０は、ＥＭＡを過酷な環境からも守ることができる。ある特定の実施の形態では、ウェットモータを動作するため、モータを備えたＥＭＡをハウジング６１０に密閉し、液体に浸してもよい。

図６に、ハウジング６１０内に密閉したＥＭＡモータ６０８を備えた、実施の形態６００を表す。磁石６０４はＥＭＡモータ６０８のモータシャフト６０６に固定する。多素子磁気センサ６０２は、ハウジング６１０の外側にあるベース６０３、例えばＰＣＢ、に磁石６０４に対して磁気的近傍に装着する。ハウジング６１０は、磁石６０４と多素子磁気センサ６０２との間に位置する非磁性の窓部６１２を含んでもよい。

磁石６０４からの磁場は、窓部６１２の非磁性体によって妨げられることはないため、多素子磁気センサ６０２は非磁性の窓部６１２を通して動作することになる。窓部６１２に好適な非磁性体として、これに限るものではないが、チタン、ある種の非磁性セラミック材、及び／又はプラスチック材が挙げられる。ある特定の高速の実施の形態では、窓部６１２は、導電性物質内の渦電流によって発生する反作用場による磁場減衰を防止するため、非導電性の素材、例えば非磁性のセラミック材又はプラスチック材で製造してもよい。

本発明の実施の形態は、可動素子の複合分解、例えば２速分解、位置測定を行うことができる。例えば、２速の分解機能は、異なる動作を受ける様々なパワートレーン素子の動きを検知する、２つ以上の多素子磁気センサを用いて実現できる。例えば、２つ以上の多素子磁気センサは、それぞれ異なる歯車径を持つ歯車の動きを検出するよう構成してもよい。ギアトレーンにおいてこのような歯車は、アクチュエータ出力素子などの関連する機械部品に対して異なる速度で動く。

図７に、ジンバル７００における二重分解能位置測定に関する更なる実施の形態を示す。ジンバル７００は相互に回動可能に接続した３つの回転フレーム素子７０６ａ〜７０６ｃを含む。磁気センサ７０２ａ〜７０２ｆ及び関連する磁石７０４ａ〜７０４ｆは、ジンバル７００の動作時に、フレーム素子７０６ａ〜７０６ｃの位置を測定するよう構成している。作動手段、例えばＥＭＡ７０８ａ〜７０８ｃ、は直接或いは間接的に、３つのフレーム素子７０６ａ〜７０６ｃのそれぞれ１つと機械的に連結している。ＥＭＡ７０８ａ〜７０８ｃを制御することで、フレーム素子７０６ａ〜７０６ｃを、単独で又は組み合わせて、それぞれの軸の周りを回転させることができる。所望の部品又は装置は、フレーム素子７０６ａ〜７０６ｃで支持されており、従ってどの方向でも望ましい方向に向けることができる。多素子磁気センサ７０２ａ〜７０２ｆで生成される信号は、ジンバル７００の動きを検知するため、及びＥＭＡ７０８ａ〜７０８ｃのモータ整流を制御するために使用してもよい。電子制御装置（図示せず）などの制御手段は、電力信号を調整する、又は電力信号を１つ以上のＥＭＡ７０８ａ〜７０８ｃに選択的に送出することで、ジンバル７００の位置を制御してもよい。

それぞれのフレーム素子を１つ以上の好適な回動連結部７０９によって相互に接続し、ＥＭＡモータの動作に伴って、フレーム素子の１つが、回動可能に接続されたフレーム素子に対して動作するようにしてもよい。図７に示す構成では、フレーム素子７０６ａは、フレーム素子７０６ｃに対して単一の回動連結部７０９、及びフレーム素子７０６ｂに対して２つの回動連結部７０９を備える。フレーム素子７０６ｂは、フレーム素子７０６ｃに対して２つの回動連結部７０９を有する。ある特定の実施の形態では、好適な回動連結部７０９は、１つのフレーム素子、例えばフレーム素子７０６ｃ、に取り付けたＥＭＡモータシャフト、例えばシャフト７０８ｂ′を、もう１つのフレーム素子、例えばフレーム素子７０６ｂ、に取り付けた関連するモータＥＭＡ７０８ｂのハウジングと共に含んでもよい。ジンバル７００で用いる回動連結部７０９には好適な軸受筒及び／又は軸受を含んでもよい。ジンバル７００が３つの回転フレーム素子７０６ａ〜７０６ｃを備えるように示したが、本発明のジンバルは、例えば１つ、２つ、又は３つ以上など所望の数の回転フレーム素子を備えてもよいことは明らかである。

ある特定の磁石７０４ａ、７０４ｄ、及び７０４ｅは、ジンバル７００の動作中、関連するフレーム素子とＥＭＡモータシャフトとの間の動きを検出するよう、好ましくはＥＭＡ７０８ａ〜７０８ｃのモータシャフトの端に装着する。対応する磁気センサは、単素子又は多素子磁気センサでよく、フレーム素子７０６ａ〜７０６ｃに固定してもよい。磁石がＥＭＡモータ出力シャフトに装着されている場合、対応する磁気センサは、ＥＭＡ出力シャフト磁石の動きを直接、例えば１：１の比率で、検出する。

ジンバル７００のそれぞれの回転フレーム素子７０６ａ〜７０６ｂは、複合の、例えば２速の、分解能で位置検知するため、２つ以上の磁気センサ及び磁石を備えてもよい。例えば、ある特定の実施の形態では、１つ以上のセンサ、例えば７０２ｂ、７０２ｃ、及び７０２ｆ、は、パワートレーン素子７１２ａ〜７１２ｃに装着された、各ＥＭＡ７０８ａ〜７０８ｃの出力シャフトとは異なる速度で動く、対応する磁石７０４ｂ、７０４ｃ、及び７０４ｆの動作を検出する。このような構成は、ジンバル７００の様々なフレーム素子の位置検知をするための、複合分解能、例えば二重分解能、を提供する。高速用センサと低速用速度のセンサとの機械的に接続を幾何学的に好適に設計することによって、絶対位置の測定と併せて、所望のレベルの分解能の位置測定を行うことができる。１回転以上回転した磁石、例えば７０４ｆ、の位置をモニタするため、外部回路を用いて、磁石の回転数を示すインデックスパルスをカウントしてもよい。

既に説明したように、本発明のある特定の実施の形態では、例えば広範囲の動きを網羅する、高分解能磁気センサと絶対位置磁気センサとの組み合わせてもよい。例えば、アクチュエータの全範囲にわたる絶対位置を出力素子で測定しながら、別の磁気センサ及び磁石によって他の機械部品、例えばモータシャフトの動きをモニタしてより高い分解能を得ることが好ましい場合がある。このような機能は、高い分解能をもって、可動素子、例えば機械部品の絶対位置及び全範囲の動きの両方を特定するために好ましい。ある特定の実施の形態では、１つ以上の磁気センサ、例えばホール効果又は磁気抵抗装置、を高分解能位置検知のために利用してもよい。
高分解能位置測定のための好適なセンサは、デジタル信号或いはアナログ信号を生成するよう構成してもよい。

図８に、２つの高分解能磁気式位置センサ８０２ａ〜８０２ｂを含む、本発明の更なる実施の形態８００の好適な磁石及びセンサの構成を示す。このような高分解能位置センサは、絶対位置センサと共に使用するのが適しているだろう。各磁気センサ８０２ａ〜８０２ｂは、リング８０４の周囲に配置した複数の磁石８０３を含むリング８０４構造体に近接している。リング８０４は、アクチュエータモータシャフトなどの可回転素子に固定、或いは接続する。磁石８０３のＮ極とＳ極を図示する。磁石８０３は、シャフト上に配列した個々の磁石でも、或いは固体の磁性体リングに印加したＮ極とＳ極でもよい。磁極は、デジタルタイプのセンサに適するように隙間を詰めてもよく、或いはアナログ方式で検知するために隙間を広く空けてしてもよい。ある特定の実施の形態では、図示のように、磁束をセンサ８０２ａに向けるために、一対の磁性ヨーク８０６ａ〜８０６ｂを用いてもよい。

図９Ａ〜９Ｂは、それぞれ、本発明の更なる実施の形態９００による、磁束ガイドを用いた高分解能位置センサの上面図及び側面図である。このような高分解能センサは、回転シャフト、例えばＥＭＡモータシャフトの位置を測定するために好適である。磁束ガイドは、磁束を、単一の双極磁石９０４から関連する磁気センサ９０２に導く。磁束ガイドは、シャフト９０１の周囲に構成し、シャフト９０１に固定した、モータやドライブトレーンシャフトなどの歯状磁気ガイドリング９０６を含む。磁束ガイドはまた、歯状ガイドリング９０６対して適応するように構成された歯状ガイドヨーク９０８含む。ある特定の実施の形態では、ヨーク片９１０を、磁気センサから歯状ガイドリング９０６上に延在するように配置してもよい。シャフト９０１が回転するに伴い、歯状ガイドリング９０６の歯が歯状ガイドヨーク９０８の歯に対して動き、磁束変化が発生し、センサ９０２で検出される。ある特定の実施の形態では、磁石の配列及び歯状磁束ガイドは、線形動作による磁束変化を検出するよう線形に並べてもよい。

上記のように、本発明のある特定の実施の形態では、高分解能位置検知のための１つ以上の磁気センサと、共に用いる絶対位置検知のための１つ以上の比例磁気センサの組み合わせを含むことができる。図１０に、本発明の実施の形態１０００の絶対位置センサ１００２を示す。センサ１００２は、関連する機械的素子、例えば並進可能なアクチュエータ出力シャフト１００７の動きを検知するため、関連する磁石１００４からの磁束密度を検出するように構成及び配置している。いくつかの応用例で、センサを機械部品に固定してもよい。他の応用例では、磁石を機械部品１００７に固定してもよい。センサ１００２はアナログセンサ、又は連続分解能センサ、絶対磁気センサ、例えばホール効果装置又は磁気抵抗素子、でもよい。関連する磁石１００４からの磁束は、一対の磁性ヨーク１００６ａ、ｌ００６ｂによりセンサ１００２に誘導される。磁石１００４に対してセンサ１００２及び磁気透過性の高いヨーク１００６ａ〜ｌ００６ｂが並進すると、センサ１００２における磁束密度が検出可能な程度に変化する。

ある特定の実施の形態では、矢印１００１で示すように、センサ１００２の検出範囲は一般的に、関連する可動素子、例えばアクチュエータの全範囲の動きに及ぶ。センサ１００２は、アクチュエータの動きの全範囲がセンサの全範囲にほぼ対応するように、アクチュエータの出力側と機械的にリンクしてもよい。センサ１００２は、好ましくは単一のホール効果装置又は磁気抵抗素子であるが、センサ１００２は多素子磁気センサでもよい。

センサ１００２における磁束の変化は、センサ１００２に対して磁石１００４を動かすことによって、或いはその反対の動作によって、ある特定の実施の形態では磁束ガイドやヨークのいかなる干渉もなく、発生させることができる。センサ１００２における磁束の変化は、磁束を大なり小なりセンサ１００２へ導くように磁束ガイドを動かすことによって検出してもよい。更に、磁性素子を動かすことによって、センサ１００２に送られる磁束を不明瞭に又は弱めることもできる。これは一対の磁石とセンサ、又は複数の磁石（例えば、範囲或いは分解能を大きくする場合）、又は複数のセンサ、又は複数の磁石とセンサとの両方を用いることによって可能である。センサ１００２からの出力信号は、図６に示すように検知装置や電子制御装置などの電子制御手段に導かれる。出力信号は、可動素子の位置を通知又は制御するなどの所望の目的に使用してもよい。

ある特定の実施の形態では、絶対位置センサを、図１０を参照して説明した線形構成と同様の方法で、回転型或いは環状に構成してもよい。環状絶対位置センサについては、検知シーケンスを全３６０度回転した後に繰り返してもよい。図１１に、本発明の更なる実施の形態１１００の磁気直交センサ１１０１の断面図を表す。この直交センサは、回転シャフト、例えばＥＭＡモータシャフト、の位置を測定するのに好適である。直交センサ１１０１は、ホール効果装置又は磁気抵抗素子など、２つ以上の磁気センサ１１０２を含む（明瞭にするためセンサを１つ省略）。好適な磁気センサは、単素子センサでも多素子センサでもよい。各磁気センサ１１０２は、導磁気性の材料からなる一対のヨーク１１０４ａ、１１０４ｂの間に位置する。各ヨーク１１０４ａ、１１０４ｂは、例えば、アクチュエータ又は可動機械アセンブリのドライブトレーンの一部を構成しうる、回転シャフト１１０６の外周に合わせている。永久磁石１１０８、又はその他の磁性体は、シャフト１１０６の外周上に構成する。

シャフト１１０６が回転するに伴い、センサ１１０２は磁石１１０８によって生成される磁場の動きを検出する。第２のセンサ１１０２及び一対のヨークを第１のセンサ及び一対のヨークからシャフトの外周に沿って、例えば図１２Ａに示すように、９０度ずらして位置すると、シャフトの回転に伴って直交信号が得られる。磁気直交センサ１１０１は自己較正及び共通モードノイズの低減を行う。実施の形態１１００のセンサ１１０１は、高分解能センサ或いは低分解能センサとして使用でき、絶対位置検知或いは相対位置検知を行うことができる。電子制御装置などの、正弦波直交復号を行うように動作できる電子制御手段（図示せず）を用いて、直交信号を復号してもよい。磁気直交センサ１１０１を含む実施の形態は、回転シャフトの一端にアクセスするのが困難又は不可能な場合に適用するのが好ましい。或いは、シャフト１１０６を直径方向に帯磁させて磁性双極を形成して、磁石１１０８を不要としてもよい。

図１２Ａ〜１２Ｃに、本発明の実施の形態による、絶対位置検知に用いる様々な構成の直交センサ１２００を示す。直交センサは、回転シャフト１２０６の外周に沿って９０度離れて配置したホール効果装置などの２つの磁気センサ１２０２ａ、１２０２ｂを含む。それぞれのセンサは、シャフトに合わせた一対のヨークの先端の間に配置する。図１２Ａは双極磁石を含む実施の形態の斜視図である。図１２Ｂは四極磁石を含む実施の形態の斜視図である。図１２Ｃは他の構成の四極磁石を含む実施の形態の斜視図である。

図１３に、本発明の位置検知方法１３００のステップを示す。ステップ１３０２では、複数の可動素子の１つが動く。その複数の可動素子は、例えばアクチュエータドライブトレーンなどのドライブトレーンの部分でもよい。このような動きは、所望のタイプの原動力、これらに限るものではないが、ＥＭＡ、油圧アクチュエータ、空気圧アクチュエータなどを含む様々なタイプのアクチュエータによって生成してもよい。ステップ１３０４では、可動素子の動きにより第１の磁気センサに対して第１の磁場が動く。磁石、介在する導磁気性常磁性体、及び／又は磁気センサの動きによって、磁場の動きを発生させてもよい。ステップ１３０６では、可動素子の動きによって第２の磁気センサに対して第２の磁場が動く。ステップ１３０８では、磁束又は磁場の変化が検出される。ステップ１３１０では、磁場の変化に対応して出力信号が生成される。ステップ１３１２では、可動素子の位置が測定される。このとき複合分解能、例えば２速分解能を備えてもよい。

ステップ１３０２で説明した可動素子の動きは、アクチュエータ出力素子の動きを含んでもよい。ステップ１３０４で説明した磁場の動きは、磁石を動かす、例えば磁石を回転させて生成してもよい。ステップ１３０４で説明した磁場の動きは、多素子磁気センサを動かす、例えばセンサを回転させて生成してもよい。ステップ１３０８で説明した磁場の変化の検出は、磁気直交センサを用いてもよい。ステップ１３１０で説明した出力信号の生成は、可動素子の絶対位置及び／又は相対位置に対応させてもよい。出力信号は、可動素子と機械的に接続したブラシレスＤＣモータの整流シーケンスを制御するために使用してもよい。

従って、本発明の実施の形態は、従来の技術を超えた様々な利点を提供するであろう。本発明の多素子磁気センサは、増分位置変化と絶対位置の両方を表示可能である。２つ以上の多素子磁気センサを使用することによって位置センサ機能に冗長性を持たせてもよい。高い信頼性を必要とするある特定の用途で冗長性が望まれる場合がある。本発明の実施の形態を用いて、作動装置又は可動機械アセンブリにおいて位置を検知して、例えば、サーボアクチュエータなどの装置の制御、及び／又はその位置を局所的に又はより高いレベルの電子装置、例えば警報システム或いは制御コンピュータに報告するための、測定値を提供してもよい。本発明の実施の形態を用いて、低コスト、耐久性、低重量、小体積、及び／又はサーボアクチュエータ向けの遠隔検知機能を実現できるであろう。本発明の実施の形態には、例えば終端における電子的なストローク停止などの簡単な位置制御を行うアクチュエータを含んでもよい。

ある特定の実施の形態は、空気圧制御面アクチュエータ、航空機ユーティリティーアクチュエータ、単軸及び多軸ジンバル、及びＥＭＡに適用してもよい。アクチュエータは、油圧式、空圧式、又は電気式でもよい。このようなアクチュエータの原動力は、例えばモータ、ピストン、ソレノイド、音声コイルなど、適当であれば如何なる種類でもよい。ある特定の実施の形態の多素子位置センサは、好ましい実施の形態の単軸及び多軸のジンバルに設けたように、コストや重量を下げると同時に、回転式可変差動変換器（ＲＶＤＴ）、ポテンショメータ、レゾルバなどの装置における位置精度を維持或いは向上するものである。

更に、本発明の実施の形態は他の選択肢として、シンクロ、レゾルバ、ＲＶＤＴ、線形可変差動変換器（ＬＶＤＴ）、及びポテンショメータとして有利に使用することができる。これらのセンサも同様に、低コスト、小型化、より柔軟なフットプリントを実現する。ブラシレスＤＣモータを用いる用途では、これらのセンサ及び関連する電子制御装置を使用して必要な整流シーケンスを行える。これらのセンサによって提供される高分解能位置検知機能は、トルクリップルを低減し、モータトルク機能の有効利用を改善できる正弦ドライブ型整流を可能にする。実施の形態は位置センサを遠隔に配置することを可能にする。遠隔位置検知は、（ｉ）センサを熱的に隔離できる、（ｉｉ）特殊なドライブ素子に基づく出力信号を生成できる、及び／又は（iii）センサを便利な位置又は手近な位置に配置できる、といった利点を提供できる。

以上、特に本発明の好ましい実施の形態について図示、説明したが、当業者であれば、添付の請求の範囲の記載によって画定される本発明の思想及び範囲を逸脱することなく、様々な変更が可能であることは理解されるであろう。

ＥＭＡを含む本発明の実施の形態の斜視図。 双極磁石の動きを検出するために構成された多素子磁気センサを含む本発明の実施の形態を示す図。 双極磁石の動きを検出するために構成された多素子磁気センサを含む本発明の実施の形態を示す図。 本発明の実施の形態による多素子磁気センサを示す図。 ＥＭＡ及び電子制御手段を含む実施の形態の側面図。 本発明の実施の形態の多素子磁気センサ及び磁石の構成を示す図。 本発明の実施の形態の多素子磁気センサ及び磁石の構成を示す図。 本発明の実施の形態の多素子磁気センサ及び磁石の構成を示す図。 ハウジング内に密封したアクチュエータモータを含む実施の形態を示す図。 本発明による実施の形態のジンバルを示す図。 本発明の実施の形態による高分解能位置センサを示す図。 磁束ガイドを用いた高分解能位置センサを含む実施の形態の上面図。 磁束ガイドを用いた高分解能位置センサを含む実施の形態の側面図。 絶対位置センサを含む実施の形態の断面図。 磁気直交センサを含む実施の形態の断面図。 本発明による直交センサの様々な実施の形態を示す斜視図。 本発明による直交センサの様々な実施の形態を示す斜視図。 本発明による直交センサの様々な実施の形態を示す斜視図。 本発明の実施の形態による位置測定方法のステップを表す。

Claims (44)

1. 複数の可動ドライブ素子を有するドライブトレーンの位置検知システムであって、
   複数の磁石と、
   複数の磁気センサと、
   前記複数の磁気センサに接続された制御手段を含み、
   前記複数の磁石のそれぞれは、前記ドライブトレーンの前記複数の可動ドライブ素子の対応する１つに固定され、
   前記複数の磁気センサのそれぞれは、前記複数の磁石の対応する１つが生成する磁場の動きによって生じる磁束密度の変化を検出するように動作するように構成され、
   前記複数の磁気センサのそれぞれは対応する各可動ドライブ素子の動きに起因する前記磁束密度の変化に対応する出力信号を生成するように動作し、
   前記制御手段は前記複数の可動ドライブ素子の１つ以上の位置を、前記複数の出力信号に基づいて判断するように動作し、
   前記複数の出力信号のそれぞれは組み合わされた信号の成分である、位置検知システム。
2. 前記複数の磁石は多極磁石を含む、請求項１記載のシステム。
3. 前記複数の磁石は八極磁石を含む、請求項２記載のシステム。
4. 前記複数の磁気センサの１つは多素子磁気センサを含む、請求項１記載のシステム。
5. 前記制御手段は、出力として制御信号を生成するように動作する、請求項１記載のシステム。
6. 前記多素子磁気センサは複数の磁気抵抗素子を含む、請求項４記載のシステム。
7. 前記複数の磁気抵抗素子は、電気的なブリッジを構成する４つの磁気抵抗素子を含む、請求項６記載のシステム。
8. 前記電気的なブリッジはホイートストンブリッジである、請求項７記載のシステム。
9. 前記多素子磁気センサは複数のホール効果素子を含む、請求項４記載のシステム。
10. 前記複数のホール効果素子は比例ホール効果素子を含む、請求項９記載のシステム。
11. 前記複数のホール効果素子はデジタルホール効果素子を含む、請求項９記載のシステム。
12. 前記複数のホール効果素子は、ＩＣに配置された４つの比例ホール効果素子を含む、請求項１０記載のシステム。
13. 高分解能磁気センサと、
    第１の構成でＮ極及びＳ極を交互に配列した複数の高分解能磁石とを含み、
    前記複数の高分解能磁石は、前記複数の可動ドライブ素子の１つに固定され、
    前記高分解能磁気センサは、前記可動素子の動作時に、前記複数の高分解能磁石の動きによって生じる磁場の変化を測定するように動作する、請求項１記載のシステム。
14. 前記高分解能磁気センサに隣接し、前記複数の高分解能磁石からの磁束を前記高分解能磁気センサに導くように動作する歯状磁束ガイドをさらに含む、請求項１３記載のシステム。
15. 前記高分解能磁気センサは磁気抵抗素子を含む、請求項１３記載のシステム。
16. 前記高分解能磁気センサはアナログホール効果素子を含む、請求項１３記載のシステム。
17. 前記高分解能磁気センサはデジタルホール効果素子を含む、請求項１３記載のシステム。
18. 前記第１の構成は環状である、請求項１３記載のシステム。
19. 前記第１の構成は線形配列である、請求項１３記載のシステム。
20. 前記可動素子に固定され、前記複数の磁気センサの１つの磁束を変調するように動作する磁束ガイドをさらに含む、請求項１記載のシステム。
21. 前記複数のドライブトレーン素子は回転シャフトを含み、
    前記複数の磁気センサの１つは、前記回転シャフトの外周に合わせた二対の磁性ヨークを有する磁気直交センサを含み、
    前記回転シャフトは複数の磁石を含み、
    前記多素子磁気センサの各磁気センサは、前記二対の磁性ヨークの各対の端の間に配置され、
    前記磁気直交センサは、前記回転シャフトの動きを検出し、出力として前記動きに対応する直交信号を生成するように動作する、請求項１記載のシステム。
22. 前記制御手段は、前記磁気直交センサから前記直交信号を受信し、前記直交信号に正弦波直交復号を行って前記回転シャフトの位置を判断するように動作する電子制御装置を含む、請求項２１記載のシステム。
23. 前記磁性ヨークは常磁性体を含む、請求項２１記載のシステム。
24. 前記磁石は、鉄、ニッケル、コバルト、ジスプロシウム、及びガドリニウムからなるグループから選択された磁性体を含む、請求項１記載のシステム。
25. 前記制御手段は、前記複数の磁気センサと連結し、前記制御手段から前記出力信号を受信するように動作する電子制御装置を含む、請求項１記載のシステム。
26. 複数の可動素子を有するドライブトレーンの可動素子の位置の測定方法であって、
    前記複数の可動素子の動きを生成するステップ、
    前記可動素子の前記動きによって第１の磁気センサに相対する第１の磁場の動きを生成するステップ、
    前記可動素子の前記動きによって第２の磁気センサに相対する第２の磁場の動きを生成するステップ、
    前記磁場における変化を検出するステップ、
    前記第１及び第２の磁場における前記変化に対応する出力信号を生成するステップ、
    前記第１及び第２の磁場における前記変化の関数として、前記可動素子の位置を決定するステップを含んでなる、測定方法。
27. 前記可動素子の動きを生成するステップは、アクチュエータ出力素子を動かすステップを含む、請求項２６記載の方法。
28. 前記磁場の動きを生成するステップは、前記可動素子に固定した磁石を動かすステップを含む、請求項２６記載の方法。
29. 前記磁場の動きを生成するステップは、前記第１の磁気センサを動かすステップを含む、請求項２６記載の方法。
30. 前記磁場の動きが前記可動素子の動きに直接対応し、前記出力信号が前記可動素子の絶対位置に直接対応する、請求項２６記載の方法。
31. 前記磁場の動きが前記可動素子の動きに比例し、前記出力信号が前記可動素子の相対位置に対応する、請求項２６記載の方法。
32. 前記出力信号を使用して前記第１の可動素子と機械的に連結したブラシレスＤＣモータの整流シーケンスを制御するステップを更に含んでなる、請求項２６記載の方法。
33. 回動接続によって相互に回転可能に連結した複数の回転フレーム素子、
    回転可能に接続した前記複数の回転フレーム素子の組と連結し、前記回転フレーム素子の組を回転させるように動作する作動手段、
    それぞれが前記複数の回転フレーム素子の組の１つに固定された複数の第１の磁石、
    それぞれが前記複数の第１の磁石の１つによって生成された磁場の磁束密度を検出し、検出した磁束に対応した出力信号を生成するように動作する複数の第１の磁気センサ、
    それぞれが、前記複数の回転フレーム素子の１つと回転可能に連結した第２のドライブ素子に固定された１つ以上の第２の磁石、
    それぞれが前記１つ以上の第２の磁石の１つによって生成された磁場の磁束密度を検出し、検出した磁束に対応した出力信号を生成するように構成されて動作する１つ以上の第２の磁気センサ、
    更に、前記複数の第１の磁気センサ及び前記１つ以上の第２の磁気センサに接続し、
    前記複数の第１の磁気センサの出力信号、及び前記１つ以上の第２の磁気センサ前記出力信号の関数として複合分解能位置信号を生成するように動作する、電子制御手段を含んでなる、ジンバル。
34. 前記作動手段はＥＭＡを含む、請求項３３記載のジンバル。
35. 前記複数の第１の磁気センサは多素子磁気センサを含む、請求項３３記載のジンバル。
36. 前記多素子磁気センサは複数の磁気抵抗素子を含む、請求項３５記載のジンバル。
37. 前記複数の磁気抵抗素子は、電気的にブリッジ構成に構成された４つの磁気抵抗素子を含む、請求項３６記載のジンバル。
38. 前記ブリッジ構成はホイートストンブリッジである、請求項３７記載のジンバル。
39. 前記多素子磁気センサは複数のホール効果素子を含む、請求項３５記載のジンバル。
40. 前記複数のホール効果素子は比例ホール効果素子を含む、請求項３９記載のジンバル。
41. 前記複数のホール効果素子はデジタルホール効果素子を含む、請求項３９記載のジンバル。
42. 前記複数のホール効果素子は、ＩＣに構成され配置された４つの比例ホール効果素子を含む、請求項３９記載のジンバル。
43. 前記ＥＭＡのモータシャフトの外周をリング状に囲むＮ極とＳ極交互に配列した複数の高分解能磁石と高分解能磁気センサを含み、
    前記高分解能磁気センサは、前記ＥＭＡモータシャフトが回転するに伴い、前記複数の高分解能磁石によって生成される磁場変化を測定するように動作する、請求項３４記載のジンバル。
44. 前記電子制御手段は、前記出力信号を受信するように動作する電子制御装置を含む、請求項３３記載のジンバル。

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