JP2009508119A - 磁気ロータリーエンコーダ、および磁気センサに係る磁石を反復的に位置合わせする方法 - Google Patents

磁気ロータリーエンコーダ、および磁気センサに係る磁石を反復的に位置合わせする方法 Download PDF

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Abstract

本発明は、少なくとも4つの磁気センサ(10、11、12、13)の配置と、それぞれが磁気センサ(10、11、12、13)の1つと接続され、第1の状態(+)において、センサ(10、11、12、13)から受信された信号は信号変調器(30、31、32、33)によって出力され、第2の状態(−)においては、センサ(10、11、12、13)から受信された信号の反転は信号変調器(30、31、32、33)によって出力される、少なくとも2つの制御状態を有する、少なくとも4つの信号変調器(30、31、32、33)と、信号変調器(30、31、32、33)によって出力される信号を加算するための手段(90)と、径方向に磁化される磁気源(9)と、から構成される回転角を測定するためのセンサシステムと、そのようなセンサシステムを動作させる方法に関する。センサシステムは、データ出力端子(82)と、少なくとも2つの異なるモードに切り替えることを可能にするよう構成された、少なくとも1つの制御入力端子(81)を有する制御回路(80)とをさらに備え、通常の動作モードにおいては、信号変調器(30、31、32、33)は、径方向に磁化される磁気源(9)の角位置に対応する信号がデータ出力端子(82)に出力されるように構成され、かつ、位置合わせの動作モードにおいては、信号変調器(30、31、32、33)は、センサ(10、11、12、13)によって検出された平均磁界強度に対応する信号がデータ出力端子(82)に出力されるように構成されることを特徴とする。

Description

本発明は、少なくとも4つの磁気センサの配置と、各々が磁気センサの1つと接続され、少なくとも2つの制御状態、すなわち、第1の状態においては、センサから受信された信号が信号変調器によって出力され、第2の状態においては、センサから受信された信号の反転が信号変調器によって出力される制御状態、を有する少なくとも4つの信号変調器と、信号変調器によって出力された信号を加算するための手段と、磁石の磁界がセンサによって感知され得るように配置される、径方向に磁化される磁気源と、から構成される回転角を測定するためのセンサシステムに関する。
さらに、本発明は、そのようなセンサシステムを動作するための方法に関する。
特許文献1から、センサシステムおよびセンサシステムを動作するための方法は公知であり、2次元および3次元の磁界分布の分析を可能にする。センサシステムは、センサの配置から構成され、その中で各センサは信号変調器と接続される。好適な制御信号を送出することによって、単一のシステム信号にすべての信号出力を変調器によって集約する信号加算器に、信号変調器は、元のセンサ信号あるいはその反転信号を転送する。
ある平面に配置されるいくつかのセンサは、前述平面の第1の方向における磁界の第1の成分を第1に測定するように構成され得、次に当該平面の第2の方向、好適には第1の方向に直交する方向、における磁界の第2の成分を測定するように構成され得る。第1および第2の測定について、あらかじめ設定された算術演算を実行することによって、センサの位置に対する磁石の回転角が算出され得る。
図1Aは、z軸について軸方向に対称な磁石9を示す。その磁軸、すなわち、そのN極とS極を貫通する軸は、座標系のx軸に位置合わせされる。
図1Bは、x軸に沿った磁石9の側面図を示す。磁石9それ自身に加えて、その磁場パターンは、磁石のN極から始まりそのS極に終わるように、磁束線を使用して示される。
図1Cは、図1Aに示される磁石9の接線方向にある磁界の振幅Bを示す。磁界の振幅は、磁石の中心で、すなわちz軸で、0であり、磁石の端部に向かって直線的に増加する。磁石9から遠ざかれば、磁界の強さは、その中心からの距離に伴って急激に減少し、遠く離れれば0に近づく。磁石の中心からの一定の距離x1において、磁界はB0値を有する。
図2は、4つのセンサ10、11、12、13から構成されるセンサ配置を備え、ある平面に配置された磁石9を示す。これらのセンサは、磁石9の中心の周りの半径x1の円周上に配置される。磁石9の対称軸すなわちy軸と、センサ10を貫く放射線との間の角度は、α1で表される。提示された例においては、45°に等しい。一般的に、センサ配置に対する磁石9の回転は、記号αで示される。
図3は、先行技術に係る、磁気センサ10と付随の信号変調器30から構成される回路を示す。磁気センサ10、例えばホールセンサは、2つの出力端子21および22上の磁界強度に比例する電圧を出力することによって磁界を測定する。出力端子21および22に供給される測定された電圧は電流に変換され、必要であれば、相互コンダクタンス増幅器70によって増幅される。増幅された出力信号は、信号変調器30の入力端子41および42に供給される。図3の簡略化を維持するため、センサ10、相互コンダクタンス増幅器70、または信号変調器30への供給線は、示されない。
信号変調器30は、入力端子41および42から受信された信号を、未修正でまたは反転させるかのいずれかで、変調器出力端子51および52に転送するように使用される。入力端子41および42から受信された信号を反転するために、出力端子51を出力端子41に、ならびに出力端子52を出力端子42に接続するか、あるいは逆に、出力端子52を出力端子41に、ならびに出力端子51を出力端子42に接続し得る、制御装置60から、信号変調器30は制御信号を受信する。
この目的のために、信号変調器30は、4つの電子スイッチ、例えば、制御装置60によって供給される、3つの制御信号、en、p、およびmによって制御されるトランジスタから構成される。制御信号enは、信号変調器30を動作可能にする。もし、動作可能信号enとともに、信号pが制御装置60に供給されるならば、入力端子21および22からの出力信号は未修正で出力端子51および52へ流れる。しかしながら、もし制御信号mが制御信号enと一緒に供給されるならば、入力端子21および22で供給された反転信号が出力端子51および52に転送される。
常に2つのセンサが一対として配置され、径方向に磁化される磁気源の位置関係の軽微なずれからもたらされる誤差を相殺するように、先行技術に係るセンサ構成は構築される。
国際公開第03/060537号パンフレット
しかしながら、センサ配置の最適性能を実現するためには、センサ配置の中央に正しく磁気源が位置合わせされることが重要である。すなわち、センサ平面に平行なその磁軸と、この平面に垂直で、かつ、磁石の中心にあるその回転軸とによって、磁気源は、その中心に正確に配置されるべきである。
したがって、本発明の目的は、センサ配置に対する、磁気源の位置関係のずれを極小化し得る、改良型センサシステムを記述することにある。
さらに、本発明の目的は、磁気源の位置関係のずれが極小化され得るように、そのようなセンサシステムを動作する方法を記載することにある。
本目的は、冒頭で述べたセンサシステムによって実現される。また、これは、センサシステムが、データ出力端子と、少なくとも2つの異なるモードに切り替えることが可能な、少なくとも1つの制御入力端子を有する制御回路とから構成されることに特徴があり、通常の動作モードにおいて、信号変調器は、径方向に磁化される磁気源の角位置に対応する信号がデータ出力端子に出力されるように構成され、ならびに、位置合わせの動作モードにおいては、信号変調器は、センサによって検知される平均磁界強度に対応する信号がデータ出力端子に出力されるように構成される。
さらに、本目的は、請求項9に係る、そのようなセンサシステムを動作する方法によっって実現される。
本発明によれば、センサシステムは、少なくとも2つの異なるモードに切り替えることが可能な制御回路から構成される。センサシステムの出力が磁石の回転角に対応する、通常の動作モードだけでなく、信号変調器がすべてのセンサの平均磁界を測定することを可能にするように構成される、位置合わせの動作モードを、センサシステムは備える。
径方向に磁化される磁気源、例えば円筒状永久磁石、の対称性により、磁石の中心を囲むように対称に配置されるセンサによって測定される磁界は、それぞれ互いに打ち消し合う。また、測定された信号は、磁石の回転角とは無関係である。このように、もし、位置合わせのモードにおいて、測定された平均磁界強度、または径方向に磁化される磁気源の1回転についてのばらつきが、最小になるならば、磁気源は、磁気センサを基準にして位置合わせされ得る。
本発明の実施形態によれば、位置合わせのモードにおいて、すべてのセンサは並列に接続され、センサ出力が加算される。センサ配置に対して磁石を移動することによって、磁石の位置関係のずれは、測定される全磁界が最小になる位置に磁石が動かされて極小化され得る。
理論的には、完璧に位置合わせされた磁石は、センサ中央において0磁界に帰するはずである。しかしながら、実際には、磁気源およびセンサは同一平面ではなく、互いに平行な平面上に位置する。さらに、磁石の周囲磁界または位置関係の軽微なずれは、許容されるべきである。これらの理由のため、本発明の好適な実施形態において、測定された平均磁界のばらつきは、その代わりに極小化される。もし、センサ配置に対する磁石の一回転について、測定される磁界が変化しないか、あるいはごくわずかしか変化しなければ、磁石は、センサ配置に対してうまく位置合わせされる。
本発明のセンサシステムのさらなる実施形態において、センサおよび要求される制御回路は、単一の集積回路にすべて実装される。こうして、プリント回路基板上のこのような回路を、監視される軸のちょうど下に配置することによって、特に簡易で低コストのセンサシステムが実現され得る。
本発明のさらなる詳細および実施形態は、請求項に記載されている。
本発明は、以下の図を使用して詳しく記述される。
以下の記述は、図2に示されるセンサ配置に基づく。しかしながら、個々の配置の変形が、下により詳細に記述される磁石9の位置合わせに使用される根本的な方法を、変えることはない。
図2に示される特定の例において、理解を容易にするために4つのセンサ10、11、12、13から構成されるセンサ配置が示されているが、中心に関して対称である任意のセンサ構成が、本発明のために使用され得る。例えば、8つのセンサが、2つの隣接するセンサの間で45°の角度で半径x1の円周上に配置され得る。
図1Bと合わせて図2からわかるように、磁界の垂直成分を測定するセンサ10、11、12、13は、磁石9の周縁内に、すなわち、磁気ディスク9に平行に配置されるべきであり、他方、磁界の水平成分を測定するセンサは、周縁外に、すなわちz軸に平行に配置されるべきである。
図4は、4つのセンサ10、11、12、13から構成される、本発明に係るある配置の例を示す。第1のセンサ10は、出力端子21および22によって信号増幅器70に接続される。信号増幅器は、信号変調器30の入力端子41および42に接続される。信号変調器30およびその制御装置60の詳細は、図4には示されないが、例えば、図3に示されるものと同一、あるいは下記に示される制御回路80に実装され得る。その代わり、制御入力端子en0、p0、m0のみが信号変調器30に対して示される。他のセンサ11、12、13は、同一の回路に接続される。
異なる信号変調器30、31、32、33の異なる制御信号を識別するために、各制御信号は、磁気センサ10、11、12、13に対して、接尾語0、1、2、3によってそれぞれ表示される。さらに、すべての制御信号は、制御回路80によって供給される。制御回路80は、例えばディジタルデータバスの形態で、制御入力端子81およびデータ出力端子82を備える。
信号変調器30、31、32、33の出力端子51と52、53と54、55と56、57と58は、それぞれ並列に接続されるので、すべての信号変調器30、31、32、33によって供給される電流は、加算手段90によって加算され、2つの抵抗器91、92で測定される電圧は、すべての信号変調器の出力端子によって供給される全電流に比例する。また、この電圧は、出力端子93、94を介して、制御回路80に供給される。
しかるべき制御信号を制御入力端子81に送信することによって、制御回路80は、位置合わせの動作モードに切り替えられる。このモードにおいて、すべての信号変調器30、31、32、33には、同一の制御信号en、p、mが供給されるので、すべての信号変調器30、31、32、33が第1のもしくは正の状態(+)に切り替えられるか、または、すべての信号変調器30、31、32、33が第2のもしくは負の状態(−)に切り替えられる。こうして、このモードにおいて、すべてのセンサによって供給される信号は、平均磁界強度を与えるために加算される。
図5Aないし図5Cは、信号変調器30、31、32、33の異なる状態がそれぞれ表示された図2のセンサ配置の3つの異なる構成を示す。付随のセンサ10、11、12、13は、象限Q3、Q0、Q2、Q1により一平面上にそれぞれ配置される。
図5Aに示される構成K1において、象限Q3およびQ0の信号変調器30および31は、正の状態(+)に切り替えられる。すなわち、それらの信号変調器は、センサ10および11からのセンサ信号を元のまま通す。一方、信号変調器32および33は、負の状態(−)に切り替えられる。すなわち、信号が加算手段90に伝わる前に、センサ12および11からの信号を反転する。
ホールセンサ10の電気増幅率としてのGHallを用いて、センサ10の磁界B10の振幅は、下記の方程式によって与えられ、角度αによって決まる。
10=B0・sin(α)
このように、図5Aに示される第1の構成K1において、信号出力端子93および94に供給されるすべてのセンサ10、11、12、13の合計システム信号は、以下に等しい。
K1=B0・GHall・(+sin(α+45)−sin(α+135)
−sin(α+225)+sin(α+315))
換算すると下記の結果となる。
K1=2√2・B0・GHall・sin(α)
図5Bに係る第2の構成K2において、象限Q0およびQ1内の信号変調器31および32は、正の状態(+)に切り替えられ、一方、象限Q3およびQ2内の信号変調器30および33は、負の状態(−)に切り替えられる。
上述と同様の方法で計算すると、下記のシステム信号が得られる。
K2=2√2・B0・GHall・cos(α)
したがって、図5Aに示される第1の構成K1から、図5Bに示される第2の構成K2に切り替えられ、下記の計算、
α=arctan(VK1:VK2)、
を実行することによって、センサ配置に対する磁石9の角位置が、制御回路80によって算出され、データ出力端子82に出力され得る。
信号変調器30、31、32、33の速やかな切替えや、信号出力端子93および94から獲得される信号の処理を可能にするために、制御回路80は、例えば、制御信号を出力するため、ならびに、あらかじめ数値化されたデータ値を格納するためのレジスタを含むことができる。アナログもしくはディジタル制御回路、専用設計の回路、またはプログラマブルアレイロジック(PAL)のようなプログラマブルロジックチップによって、要求される処理が実行されるかどうかは、要求されるシステムの速度および精度によって決まる。
図5Cは、センサ配置の第3の構成を示す。この構成において、象限Q3、Q0、Q1、およびQ2に割り当てられたすべての信号変調器30、31、32、33は、正の状態(+)に構成される。それゆえ、すべての4つのセンサ10、11、12、13の中心に完璧に位置合わせされた磁石9に対して、すべてのセンサ信号の接線方向にある磁気振幅は、互いに打ち消し合う。したがって、この構成における合計システム信号は、
K3=B0・GHall・(+sin(α+45)+sin(α+135)
+sin(α+225)+sin(α+315))
K3=0
に等しく、センサ10、11、12、13に対する磁石9の角度αに左右されない。すべての信号変調器が負の状態(−)に切替られる場合も同様にあてはまる。
しかしながら、もし磁石9に位置ずれがあれば、すなわち、いくつかのセンサの方に他のセンサによりも近接しているならば、定数B0はセンサ10、11、12、13ごとに異なり、結果として上述したVK3の方程式はあてはまらない。一般的に、個別のセンサによってもたらされる項は、互いに打ち消し合わないであろう。また、これらの項は、センサ配置に対する磁石9の角度αに左右されるであろう。それゆえ、磁石9の一回転について信号VK3を測定し加算することによって、磁石9の位置ずれを認識することができる。
位置合わせのときに、例えば、ホールセンサ10、11、12、13および要求される制御回路から構成される集積回路の製造中に、または別々の素子から構成される同様の回路の設定中に、磁石9が回転する間、信号出力端子82の出力を観測することができる。測定された信号が、一回転に対してあらかじめ定義された閾値を超えるならば、磁石は最適動作を求めて、例えばある方向に移動することによって、異なる位置に合わされるべきである。この後、一般的には、測定が繰り返されるであろう。観測された位置ずれ信号が、この新たな位置で減少するならば、磁石9は、以前よりもうまく位置合わせされている。さもなければ、反対方向への再度の位置合わせが要求される。
磁石9がセンサ配置の中心に位置合わせされるまで、または少なくとも測定された位置のずれが、あらかじめ定義された閾値以下になるまで、例えば、再位置合わせのステップの長さを減少しながら、手順は反復して繰り返され得る。
図6は、センサ配置面における磁石9の再位置づけの経跡の例を示す。当初、磁石は位置P1にあり、所望の位置、例えば、センサ配置の中心の、右上に移動する。磁石9の各再位置合わせの移動は、矢印で示される。与えられた例において、磁石9は、5回の位置合わせステップの後、センサ面の中心に近接する位置P6に配置される。もちろん、例えば、センサ面に対する磁軸の傾き、または回転軸の偏心のような、位置ずれの他の形態もまた検出され、引き続き補正され得る。
軸方向に対称な磁石を示す図である。 磁石とその磁界の側面を示す図である。 磁石のx軸に沿った磁石の接線磁界の強度を示す図である。 先行技術に係る、4つのセンサを用いてセンサ配置の中央に配置される磁石の上面図である。 先行技術に係る、磁気センサと信号変調器とから構成される回路を示す図である。 本発明に係る、4つのセンサと制御回路とから構成されるセンサシステムの例を示す図である。 センサ配置の第1の構成を示す図である。 センサ配置の第2の構成を示す図である。 センサ配置の第3の構成を示す図である。 センサ平面における位置合わせ時の磁石の経跡を示す図である。
符号の説明
9 磁石
10−13 センサ
21−28 センサ出力端子
30−33 信号変調器
41−48 信号変調器の入力端子
51−58 信号変調器の出力端子
60 制御装置
70−73 相互コンダクタンス増幅器
80 制御回路
81 制御入力端子
82 データ出力端子
90 加算手段
91、92 抵抗器
93、94 信号出力端子
+ 信号変調器の正の状態
− 信号変調器の負の(反転された)状態
K1 センサ配置の第1の構成
K2 センサ配置の第2の構成
K3 センサ配置の第3の構成
P1 最初の位置
P6 最終の位置

Claims (12)

  1. 少なくとも4つの磁気センサ(10、11、12、13)の配置と、
    それぞれが前記磁気センサ(10、11、12、13)の1つと接続され、かつ、第1の状態(+)においては、センサ(10、11、12、13)から受信された信号を、第2の状態(−)においては、前記センサ(10、11、12、13)から受信された前記信号の反転を、出力するよう適応される、少なくとも2つの制御状態を有する、少なくとも4つの信号変調器(30、31、32、33)と、
    前記信号変調器(30、31、32、33)によって出力される信号を加算するための手段(90)と、
    磁石(9)の磁界が、前記センサ(10、11、12、13)によって感知され得るように配置される、径方向に磁化される磁気源(9)と、
    を備え、
    さらに、データ出力端子(82)と、少なくとも2つの異なるモードに切り替えることを可能にするよう構成された、少なくとも1つの制御入力端子(81)を有する制御回路(80)を備え、
    通常の動作モードにおいては、前記信号変調器(30、31、32、33)は、前記径方向に磁化される磁気源(9)の角位置に対応する信号が、前記データ出力端子(82)に出力されるように構成され、かつ、
    位置合わせの動作モードにおいては、前記信号変調器(30、31、32、33)は、前記センサ(10、11、12、13)によって検出された平均磁界強度に対応する信号が、前記データ出力端子(82)に出力されるように構成される、
    ことを特徴とする、回転角を測定するためのセンサシステム。
  2. 前記少なくとも4つの磁気センサ(10、11、12、13)は、1つの平面上に配置されることを特徴とする請求項1に記載のセンサシステム。
  3. 前記少なくとも4つの磁気センサ(10、11、12、13)は、行と列の2次元配列に配置されることを特徴とする請求項2に記載のセンサシステム。
  4. 前記通常の動作モードにおいて、前記磁気センサ(10、11、12、13)は、第1(K1)のまたは第2(K2)の構成のいずれかに構成され、前記第1の構成(K1)は、第1の方向において磁界を測定することが可能であり、前記第2の構成(K2)は、基本的に前記第1の方向に直角の第2の方向において磁界を測定することが可能であり、前記第1および第2の方向は、前記径方向に磁化される磁気源(9)の回転軸に直角であることを特徴とする請求項1ないし3のいずれか1項に記載のセンサシステム。
  5. 前記第1の構成(K1)において、前記第1および前記第2のセンサ(10、11)の前記信号変調器(30、31)は、第1の状態(+)に構成され、前記第3および前記第4のセンサ(12、13)の前記信号変調器(32、33)は、第2の状態(−)に構成され、かつ、
    前記第2の構成(K2)において、前記第2および前記第3のセンサ(11、12)の前記信号変調器(31、32)は、前記第1の状態(+)に構成され、前記第1および前記第4のセンサ(10、13)の前記信号変調器(30、33)は、前記第2の状態(−)に構成される、
    ことを特徴とする請求項4に記載のセンサシステム。
  6. 前記位置合わせの動作モードにおいて、すべてのセンサ(10、11、12、13)の前記信号変調器(30、31、32、33)は、同一の状態に構成され、すなわち、すべての信号変調器(30、31、32、33)は前記第1の状態(+)に構成されるか、またはすべての信号変調器(30、31、32、33)は前記第2の状態(−)に構成されることを特徴とする請求項1ないし5のいずれか1項に記載のセンサシステム。
  7. 前記磁気センサ(10、11、12、13)は、ホールセンサであることを特徴とする請求項1ないし6のいずれか1項に記載のセンサシステム。
  8. 少なくとも前記センサ(10、11、12、13)、前記信号変調器(30、31、32、33)、前記加算するための手段(90)、および前記制御回路(80)は、1つの集積回路に集積されることを特徴とする請求項1ないし7のいずれか1項に記載のセンサシステム。
  9. 請求項1ないし8のいずれか1項に記載のセンサシステムを動作する方法であって、
    前記位置合わせのモードを選択するために、前記制御回路(80)の前記制御入力端子(81)に好適な制御信号を送信するステップと、
    前記センサ配置を、位置合わせに使用される構成(K3)に切り替えるステップであって、その構成において、すべてのセンサ(10、11、12、13)の前記信号変調器(30、31、32、33)は、前記平均磁界強度に対応する信号が前記センサ(10、11、12、13)によって検知されるように、同一の状態に構成されるステップと、
    前記径方向に磁化される磁気源(9)が回転する間に、前記データ出力端子(82)を使用して平均磁界を繰り返し測定するステップと、
    前記測定された平均磁界におけるばらつきが、前記径方向に磁化される磁気源(9)の少なくとも一回転について最小になるまで、前記磁気センサ(10、11、12、13)配置に対して前記径方向に磁化される磁気源(9)を繰り返し位置合わせするステップと、
    を実行することにより、前記径方向に磁化される磁気源(9)が位置合わせされることを特徴とする方法。
  10. 位置合わせの間、前記径方向に磁化される磁気源(9)は、前記データ出力端子(82)において測定される前記信号が最小になるように、位置合わせされることを特徴とする請求項9に記載の方法。
  11. 前記径方向に磁化される磁気源(9)の位置合わせは、
    ある平面における前記磁石(9)の位置の位置合わせ、
    前記磁石(9)の回転軸の角度の位置合わせ、または、
    前記磁石(9)の回転軸の位置の位置合わせ、
    のうち少なくとも1つを備えることを特徴とする請求項9または10に記載の方法。
  12. 前記制御回路(80)の前記制御入力端子(81)に好適な制御信号を送信することによって、前記通常の動作モードを選択するステップと、
    前記センサ配置を第1の構成(K1)に切り替えるステップと、
    前記第1の構成(K1)で前記センサの出力を測定し、格納するステップと、
    前記センサ配置を第2の構成(K2)に切り替えるステップと、
    前記第2の構成(K2)で前記センサの出力を測定し、格納するステップと、
    前記第1(K1)および第2の構成(K2)において獲得された前記格納された測定値を使用して、前記径方向に磁化される磁気源(9)の角位置を計算するステップと、
    前記径方向に磁化される磁気源の角位置に対応する信号を、前記データ出力端子(82)に出力するステップと、
    をさらに備えることを特徴とする請求項9ないし11のいずれか1項に記載の方法。
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