JP2011501163A - 方向トラッキングを使用して回転および角度位置を非接触検知する方法および装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】方向トラッキングを使用して回転および角度位置を非接触検知する方法および装置である。特殊なトラッキング技術を使用する方法および装置が提案される。この方法および装置は、磁気ターゲットより下にある異なる位置で複数の磁界検知素子を使用する。検知された信号は、磁石の実際の方向への最良の接近のための検知素子を選択するか、または、組み合わせるために使用される。検出された信号の使用は、粗い値として関連した接近の方向を生成することと、細かい値として残りの変位を生成することとを可能にする。この方法を使用する装置は、磁石の配置を制御または容認する角度位置の非常に高精度の測定を可能にする。
【選択図】図1
Description
(H10−H20)/(H30−H40)=sinα0/cosα0
の逆正接を計算することを可能にする。結果は、選択された仮想センサの方向と実際の磁気ターゲットの方向との間の実際の方向位相差α0である。
組み合わせn=α0/δ
式中、δは、最大2n個の構造の場合にπ/Pであり、そして、δは、角度増分サイズである。
A・sin(−5°)=−0.0087A
(5°=(5/180)・πラジアン=0.087ラジアン)
に等しく、式中、Aは素子の感度に利得を乗じたものである。非常に小さい角度ミスアライメントに対し、sin(α)≒αを用いて、1次近似を行うことが可能である。5度で、近似誤差は0.13%未満、すなわち、0.0064°未満である。6個の粗い位置だけを使用することは、1つの粗い位置の周りに±30°の最大偏向を引き起こす。誤差計算が無い場合、非線形誤差の最大値は、およそ30°−arcsin30°=0.524ラジアン−0.5ラジアン=0.024ラジアン、すなわち、±30°または±4.72%で1.35°である(図15の30°における誤差17を参照のこと)。
sin(−25°)+sin(35°)=√3sin(5°)
1次近似:sin(5°)≒5°=(5/180)・π=0.087
sin(−25°)≒−(25/180)・π
sin(35°)≒(35/180)・π
(10/180)・π/√3=0.100766≒sin(0.100766)
=sin(5.7735°)
残りの近似誤差は0.78°未満である。
・ホール素子信号1、2(そして、ホール素子信号5、6とホール素子信号2、3とホール素子信号6、7)、かつ、ホール素子5(それぞれホール素子2とホール素子6とホール素子3)の信号との比較または組み合わせ
・隣接したホール素子ペア(ホール素子1、5とホール素子2、6とホール素子3、7とホール素子5、2とホール素子6、3)、または、1個ずつ(ホール素子1、6とホール素子5、3とホール素子2、7)または(ホール素子1、3とホール素子5、7)
・3個ずつ(ホール素子1、5、2とホール素子5、2、6とホール素子2、6、3とホール素子6、3、7)
・4個ずつ(ホール素子1、5、2、6とホール素子5、2、6、3とホール素子2、6、3、7)
がある。
(D3D2D1D0−D3D2)=P3P2P1P0 粗い位置のバイナリ表現
ここで、00102−002=00102は、2・30°−15°=45°に従って、(12個のうちの)位置2である。
(U6+U2+U5+U1+U28)−(U7+U23+U26+U24+U27)=Usin≒Uα’
であり、但し、U(α’=15°)=Umaxであり、かつ、6ビット分解能(26=64ステップ)のA/D変換は、15°/64=0.234°の倍数のステップで5個の値を出力することができる。
2[sin(α+15°)+sin(α−15°)+sin(α+45°)+sin(α−45°)+sin(α+75°)+sin(α−75°)]=2[2cos(15°)・sin(α)+2cos(45°)・sin(α)+2cos(75°)・sin(α)]=4・sin(α)・(cos(15°)+cos(45°)+cos(75°))≒7.727sin(α)
を用いて計算され得、式中、αは見出された粗い位置での残りのミスアライメントであり(図18を参照のこと)、または、座標基準が15°回転されるならば、
2[sin(β)+sin(β+30°)+sin(β−30°)+sin(β+60°)+sin(β−60°)+sin(β+90°)+sin(β−90°)]=2[sin(β)+2cos(30°)・sin(β)+2cos(60°)・sin(β)+2cos(90°)・sin(β)]=4・sin(β)・(1/2+cos(30°)+cos(60°))≒7.746sin(β)である(図20を参照のこと)。
Claims (19)
- 単一の集積回路上の複数の磁界検知素子を使用し、集積回路より上または下にある回転可動磁気ターゲットを使用し、磁気ターゲットの磁界強度が回転軸と直交し前記集積回路の表面と平行である第1の方向軸に勾配を示し、第1の方向軸に直交し前記集積回路の表面と平行である第2の方向軸に沿って前記磁界強度の有意な勾配を示さない、回転および角度位置を検知する方法であって、
a)算術的に、実際の磁気ターゲットの方向の近似的な正弦信号表現を導出するために、前記磁気ターゲットの1回の360°回転が1回の正弦波周期を生じるとき、好ましくは、前記磁界検知素子の第1の組み合わせからの信号を合計し、そして、前記最初の磁気ターゲットに対して90°シフトした信号を意図的に導出する前記磁界検知素子の第2の組み合わせからの信号を合計し、よって、両方の組み合わせが特に逆正接を導出することにより角度計算を可能にすることによって、または、
b)論理的に、前記集積回路の絶対方向と相対的に前記磁界検知素子の合計された信号から最大値、または、代替的に最小値を取得するためにコンパレータおよびウィンドウコンパレータを使用し、そして、角度差を定義するために少なくともいくつかの前記磁界検知素子の組み合わせの所定の値表を使用することによって、前記複数の磁界検知素子の信号を組み合わせることにより前記磁界検知素子と相対的な前記磁気ターゲットの方向の粗い判定を行うステップiと、
改良された信号を取得するために、トラッキングされた前記磁界検知素子の組み合わせの方向が前記磁気ターゲットの回転中心から始まる方向によって与えられる方向に対する最小角距離を有するように、ステップiの結果の条件付きの適当な方式で算術的および/または論理的に複数の前記磁界検知素子を組み換え、前記回転軸と直交する前記最大磁気勾配の検知場所を指示するステップiiと、
最終的に、選択された前記磁界検知素子の方向または選択された前記磁界検知素子の組み合わせに関して前記磁気ターゲットの方向の残りのミスアライメントを計算するステップiiiと、
を用いて方向および位置決めをトラッキングするステップを含む方法。 - 第1の方向が、前記組み合わせ論理の使用中に、磁界検知素子1個当たりにN信号、S信号、および、弱い信号の3つの可能な状態を使用して複数の磁界検知素子の上または下にある前記磁気ターゲットの前記極性を検知することにより判定される、請求項1記載の方法。
- 前記粗い方向が、前記各磁界検知素子の出力の前記振幅を予め選択された閾値または振幅ウィンドウと比較することによって、または、一つずつの他の前記磁界検知素子の出力と比較することによって、前記磁界強度の正または負の最大値、または、その代わりに信号の零交差を検出することにより判定される、請求項1記載の方法。
- 前記粗い方向が、複数の磁界検知素子の組み合わせ値の振幅を所定の閾値または振幅ウィンドウと比較することによって、または、前記磁界検知素子の他の組み合わせの値と比較し、対応する前記地理的な角度位置値の算術手段を使用することによって、前記磁界強度の正または負の最大値、または、その代わりに信号の零交差を検出することにより判定される、請求項1記載の方法。
- 前記角度位置値が、磁界検知素子の物理的位置または対応する磁界検知素子の組み合わせの地理的中心を表す粗い絶対位置値を前記各磁界検知素子または前記磁界検知素子の1つずつの可能な組み合わせに割り当てる記憶された表の中に表現されている、
請求項3または請求項4のうちの少なくとも1項記載の方法。 - 前記磁界検知素子の組み合わせが、前記選択された磁界検知素子の出力のアナログ加算またはアナログ減算によって実行される、請求項1または請求項4記載の方法。
- 前記粗い方向が、前記第1の合計信号出力における正弦信号の組み込みおよび前記第2の合計信号出力における余弦信号の組み込みを生じる前記磁気ターゲットの2つの隣接した象限より下または上にある前記領域の内部の前記磁界の前記平均値を取得するために位置決めされている第1の合計信号および第2の合計信号をもつ2つのセクタに分離することにより計算される、請求項1記載の方法。
- 粗い方向が磁気ターゲットの前記回転軸の周りの4つの物理的な象限の内部の複数の磁界検知素子を組み合わせることにより計算され、磁界検知素子の4個の合計信号が、たとえば、反時計回りで、最初の2象限の合計信号から次の2象限の合計信号を差し引いた信号が、前記第2象限および前記第3象限の磁界検知素子の合計信号から前記第1象限および前記第4象限の合計信号を差し引いた信号に対し90°シフトされた信号であり、象限の中心の上、下、または、内部にある前記磁石位置に関する正弦信号および余弦信号を形成する、請求項1記載の方法。
- 残りのミスアライメント信号出力の上限閾値および下限閾値の比較が、前記隣接した磁界検知素子、または、前記最も近接している隣接角度方向を表す磁界検知素子の組み合わせのいずれかへの切り替えのため、特に、前記最小の可能な差信号を実現するため既知の反復的なアプローチによって使用される、請求項1記載の方法。
- 単一の集積回路上の複数の磁界検知素子を使用して回転および角度位置を検知する方法であって、
磁界検知素子を搭載する領域360°を2つの半分に分離し、前記第1の半分の中の磁界検知素子の合計信号を計算し、領域の前記第2の半分の中の磁界検知素子の合計信号を減算するステップiと、
nが、n=2からはじめて、ある一定の目標分解能のため実行される前記反復的なステップの回数を表すとき、ステップiの結果に依存して時計回りまたは反時計回りに360°/(2*n)単位で前記分離軸を回転し、前記仮想的な回転に応じて前記新しい半分の領域の前記信号値を加減算するステップiiと、
前記ミスアライメントの振幅が使用された磁界検知素子の前記個数の関数である閾値未満である限り、n=n+1と増加させながら、各反復ステップがトラッキングの角距離を削減するステップiiを繰り返すステップiiiと、
前記残りのミスアライメントにA/D変換を実行するステップivと、
を循環的に実行することにより前記回転可動磁気ターゲットの前記方向を反復的にトラッキングするステップを含む方法。 - 複数の磁界検知素子を使用して回転および角度位置を検知する単一の集積回路に実施された装置であって、
磁界検知素子の個数に関連して前記磁気ターゲットの前記粗い方向を判定する手段と、
決定された粗い方向に依存して1個の磁界検知素子または複数の磁界検知素子の1つの組み合わせを選択する手段と、
選択後に前記磁気ターゲットの前記残りのミスアライメントを計算する手段と、
を含む装置。 - 磁界検知素子がホール効果素子である、請求項11記載の装置。
- 複数の磁界検知素子が2次元アレイの行および列に位置決めされている、請求項12記載の装置。
- 複数の磁界検知素子が極座標に位置決めされ、少なくとも3個の磁界検知素子が少なくとも一方の半分の領域の中で等間隔の角度、かつ、磁石の回転中心であると考えられる中心から一定の半径にある、請求項11記載の装置。
- 放射π/Pに接近または類似した角距離で半径Rの半円周上に位置決めされているP個の磁界検知素子を含む、請求項14記載の装置。
- 放射2π/Pに接近または類似した角距離で半径Rの全円周上に位置決めされているP個の磁界検知素子を含む、請求項14記載の装置。
- センサ信号コンパレータ、および、半円の内部の磁石方向に対し最小信号をもつ前記磁界検知素子の物理的位置の符号化値を表す値をもつアドレス出力を有する、最小信号振幅をもつセンサ出力のセレクタiと、
全円周機能を可能にするための前記磁気ターゲットの前記NS方向のコンパレータiiと、
前記磁界検知素子の残りのミスアライメントを取得するための選択された前記磁界検知素子の出力信号の処理手段iiiと、
を含む、請求項16記載の装置。 - 対称配置された前記磁界検知素子による円の中心を通る直交した軸の対として定義されるn=2*P個の粗い位置のうちの1つを計算する手段と、
前記磁界検知素子の4象限において、
Q1n=ΣSi 但し、α0ラジアンとπ/2+α0ラジアンの範囲内でi=int(n/2+1)から[P/4+int(n/2−1)]であり、
Q2n=ΣSi 但し、π/2+α0ラジアンとπ+α0ラジアンの範囲内でi=[P/4+int(n/2+1)]からP/2+int(n/2−1)であり、
Q3n=ΣSi 但し、π+α0ラジアンと3π/4+α0ラジアンの範囲内でi=[P/2+int(n/2+1)]から[3P/4+int(n/2−1)]であり、
Q4n=ΣSi 但し、3π/4+α0ラジアンと2π+α0ラジアンの範囲内でi=[3P/4+int(n/2+1)]からP+int(n/2−1)であり、
i>2P ならば、 i=i−2P
によって定義され、iが指定された対称軸を通る定義済みの零角度に関して前記磁界検知素子を反時計回りにカウントし、(Q3n+Q4n)−(Q1n+Q2n)がミスアライメント角度α0の余弦に近い値を表し、(Q1n+Q4n)−(Q2n+Q3n)≒sinαnである、出力信号Siを加算する手段と、
sが開始方向を示し、αxが、
[(Q1s+Q4s)−(Q2s+Q3s)]/[(Q3s+Q4s)−(Q1s+Q2s)]
の逆正接関数を実行する手段によって計算される未知初期角度を表すとき、近接位置cの計算が式n=int[(P/π)*αx(ラジアン)]によって行われる手段と、
αcがトラッキングの残りのミスアライメントを表し、fが1次近似に対する計算誤差を表すとき、分解能Id(n)=log2(n)=log10(n)/log10(2)をもつデジタル出力の粗い分解能の部分C=n*π/P、および、sinαc=αc+fによって定義される細かい分解の部分を有する結果として得られる検知された角度を与える手段と、
細かい分解能の部分のA/D変換と
をさらに含む、請求項17記載の装置。 - 前記角度位相の最大許容ミスアライメントに応じた上限閾値および下限閾値を有するsinαcの出力信号のコンパレータと、実際の仮想センサ方向を前記隣接する磁界検知素子の方向構造に変更する手段とを含む、請求項18記載の装置。
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