JP2014522227A - アクチュエータとアクチュエータのヨーク内に埋め込まれたセンサとを備えた小型位置決めアセンブリ - Google Patents

Abstract

位置決めアセンブリ（１４）は位置センサと磁気アクチュエータを備える。磁気アクチュエータは、少なくとも１つの電力供給コイル（７ａ、７ｂ）を有する少なくとも１つの強磁性ステータ（１０）からなるステータアセンブリと、ステータアセンブリに対し移動可能なヨーク（３）と含む。磁気アクチュエータは、ヨーク（３）を貫通する主軸（６）を中心に回転するまたは周期的を有する形状を有する。位置センサは、ヨーク（３）に固定された少なくとも１つの永久磁石（２）と、磁石（２）に対して固定されるとともに、磁石によって放射される磁界の大きさまたは方向を測定可能な少なくとも１つの磁気検知プローブ（１）とを有する。ヨーク（３）はアクチュエータの主軸（６）を含む内側凹部（１８）を有し、磁石（２）は内側凹部（１８）内に配置されてヨーク（３）に固定される。

Description

本発明は、電動アクチュエータと位置センサとを備え、線形または回転位置決めを行うための電気機械アセンブリであって、位置センサがアクチュエータ内部に完全に埋め込まれ、かつアクチュエータによって生じる磁界の影響を少なくとも部分的に受けない電気機械アセンブリである。

従来、電動位置決めアセンブリの分野において、アクチュエータの可動素子の位置を検出するために磁気位置センサを用いることは周知である。ほとんどの場合、位置検出は、アクチュエータに取り付けられた装置を用いて行われる。特許文献１には、アクチュエータのヨークに取り付けられた永久磁石を有し、アクチュエータによって生じた磁界の影響を受けないように構成されたセンサを用いることが記載されている。このタイプの装置は、信頼できるアナログ検出（固定ステータ部分に対する可動部分の位置を知ること）を可能にするが、その相対的全体サイズがアクチュエータ全体サイズに追加されるという大きい欠点を有する。アクチュエータ自体によって発生する磁界に対する不感性を確保しながら、その小型化設計がしばしば提案されているが、アクチュエータ−センサアセンブリが２つの別々のサブアセンブリから形成され、その全体サイズが複数のサブアセンブリのサイズの総和であるという事実は変わらない。他方、ほとんどのアクチュエータでは、特許文献１に記載されるように、磁気シールドとして機能する機械的構成が利用される。したがって、そのような解決策は、大きさが過剰になるだけでなく、アクチュエータ上にこのように配置されたセンサは、アクチュエータから生じる磁界のセンサに対する影響を最小化するために、アクチュエータを遮蔽するために要求される追加の強磁性部品が必要になる。

同様に、追加のエアギャップを形成することによって磁気回路の内側に磁気検知プローブを組み込むことを記載した特許文献２が公知である。センサの組込みは、全体寸法に関しては最適であるが、アクチュエータによって生じる力またはトルクを低下させる。実際、可動磁石を持つアクチュエータの場合、固定または可動強磁性部品へのエアギャップの導入は、変位に対して一定でない磁気抵抗（すなわち電流無しの）成分の発生によって生じる作用力の変化を伴う。この一定でない力は、用途によっては問題になることがある。さらに、そのような追加のエアギャップの導入は、このように変化した磁界に大きい電圧損失を誘発するので、作用力を比例的に低減させる。結局、コイルによって生じる磁束も測定エアギャップを貫通するので、プローブ信号は電流に大きく依存し、したがって適切な補正を行うために電流を知る必要がある。

用途によっては、利用可能な全空間をその全体サイズのために使用することがアクチュエータの性能を得る上で要求されるので、端部または周囲にセンサを設置するために利用可能な空間が無い。

そこで、コイルインダクタンスが位置と共に変化するときに、それを測定することによって、埋め込み型位置検出を行うための様々な解決策が存在する。しかし、この技術は、特に高感度でありかつ調整が難しい電子制御を必要とする一方で、インダクタンスが位置に応じて全くまたはわずかしか変化しない、いわゆる「比例」型の可動磁石を持つアクチュエータには適用できない。したがって、アクチュエータの体格の外側に追加センサを使用しなければならない。

回転位置決めセンサ内のヨークの内側に磁気センサを組み込むことを記載する特許文献３も公知である。このようにすれば全体サイズは外部センサを取り付ける解決策に比べて低減されるとしても、アクチュエータの非対称性により、センサがアクチュエータによって放射される磁界に対し非常に敏感になる。

特許文献４は、リニアモータと駆動対象の位置を検出するための検出手段とを備えたアクチュエータを開示している。このアクチュエータは、アクチュエータの対称軸の外側に位置する検出素子を含むので、アクチュエータの磁界不感性は、検出素子の周囲に巨大なシールドを使用した場合にのみ可能になる。

特許文献５は、制御システムと、可動プランジャおよび関連コイルを有する回転−線形アクチュエータとを備えた回転作動システムを開示している。コイルにエネルギが供給されると、関連磁石と相互作用して、ピストンの対応する変位を引き起こす。この変位には回転変位および／または線形変位が含まれる。ネットワークインタフェースは、回転−線形作動システムの制御システムがネットワークから制御情報を受信するのを助ける。制御システムは、制御情報に基づいてコイルにエネルギを供給するために増幅器を制御することができる。

特許文献６は、作動流体を含む本体筐体に収容された往復運動要素を備えたスターリングサイクル極低温冷凍ユニットを開示している。作動流体を選択的に膨張かつ圧縮するために、本体を筐体内で往復運動させるように、機械的駆動手段が本体に連結される。本体を筐体の中心に位置させるために、筐体上の非接触担持手段を作動させることができる。

仏国特許出願公開第２８８７３７号明細書 仏国特許出願公開第２７９１４８７号明細書 米国特許出願公開第２００５／００９８１５３号明細書 特開２００１−２１４８５８号公報 米国特許出願公開第２００７／０１７６４９７号明細書 仏国特許出願公開第００７６７２６号明細書

本発明は、アクチュエータの内側に埋め込まれた位置センサを含み、アクチュエータによって放射される磁界に対する感応性を持たない小型な位置決め装置を提供することによって、上記の大きい欠点を是正することを提案するものである。

とりわけ、本発明は、対称的または周期的形状を有するアクチュエータが回転型か線形型かにかかわらず、主軸としての位置決めアセンブリの中心軸に対して移動可能なアクチュエータの部品の位置検出を改善することを意図している。

本発明は、とりわけ、位置センサと磁気アクチュエータとを備える位置決めアセンブリに関する。前記磁気アクチュエータは、少なくとも１つの電力供給コイルを有する少なくとも１つの強磁性ステータからなるステータアセンブリと、ステータアセンブリに対して移動可能なヨークとを含む。前記磁気アクチュエータは、前記ヨークを貫通する主軸を中心に回転するまたは周期性を有する形状を有する。前記位置センサは、前記ヨークに固定された少なくとも１つの永久磁石と、磁石に対して固定されかつ前記磁石によって放射される磁界の大きさまたは方向を測定可能な少なくとも１つの磁気検知プローブとを有する。前記ヨークは、前記磁気アクチュエータの前記主軸を含む内側凹部を有し、前記磁石が前記内側凹部内に配置されるとともに前記ヨークに固定されることを特徴とする。

好適な実施形態では、前記磁気検知プローブは、少なくとも検出軸が前記主軸と直交する方向に配向されるように前記内側凹部内で前記主軸に近接して配置される。
好適な実施形態では、前記磁気アクチュエータは、前記ヨーク上に配置された１つ以上の可動磁石を有する。

第２実施形態では、前記磁気アクチュエータは、磁石を持たない可変磁気抵抗アクチュエータである。
別の第２実施形態では、前記磁気アクチュエータは、永久磁石を持つ可変磁気抵抗ハイブリッドアクチュエータである。

特定の実施形態では、前記位置センサの磁石は、変位の方向に応じた可変磁力または可変磁化方向を有する。
別の特定の実施形態では、センサ磁石は多極性であり、ｎ個の相異なる磁化方向を持つ。

別の特定の実施形態では、センサ磁石は単極性であり、すなわち単一の磁化方向を有し、変位の方向に応じた均一形状、または変位の方向に応じた可変形状を有する。
代替的実施形態では、センサ磁石は、仏国特許出願公開第２８８２４３２号明細書に記載された大きな保磁力を有する残鋼（acier remanent）から形成される。

特定の実施形態では、磁気検知プローブは、位置センサの磁石によって放射される磁界の大きさを検知するホールプローブである。
別の特定の実施形態では、磁気検知プローブは、位置センサの磁石によって放射される磁界の方向を検知するホールプローブである。

別の実施形態では、磁気検知プローブは磁気抵抗センサである。
前記センサ磁石は、ヨークの上に突出部を形成することなく、ヨークの内側凹部内に完全に配置されることが好ましい。

代替的実施形態では、前記磁気検知プローブは、前記ヨークの機械的ガイドとして働く支持体によって担持され、かつ磁気シールドとして働くことができる。
有利なことに、磁気アクチュエータによって放射される磁界に対する位置センサの不感性は、第１実施形態では、少なくとも１つの磁気検知素子を主軸上に配置することによって確保される。磁気アクチュエータの軸対称性または周期性によって、磁気アクチュエータによって生じる磁界は理論的にはその対称軸上で接線方向を有する。したがって、この軸上に少なくとも１つの磁気検知素子を配置することによって、かつその検出軸を主軸に対し直角方向に配向することによって、位置センサの不感性が確保される。

さらに有利なことに、第２実施形態では、磁気アクチュエータによって放射される磁界に対する位置センサの不感性は、磁気検知素子を完全に包囲するヨークの構成によって確保され、それによって、追加部品を必要とすることなく磁気遮蔽が促進される。これは、磁界の方向（大きさではなく）を検出する場合には、少なくとも２つの直交する検出軸が要求されるので、特に必要である。部品を外部磁界の影響を受けないようにする場合、第２部品は遮蔽を必要とする。この機能は当然、ヨークによって満たされるが、要求される形状および性能によっては、ヨークの形状の最適化が必要になる。

本発明によって記載される位置センサは、線形アクチュエータおよび回転アクチュエータの両方を対象とし、小型かつアクチュエータによって放出される磁界の影響を受けないというその特徴は、同じ方法で実現することができる。

本発明は、磁気アクチュエータの全体サイズを変えることなく、アクチュエータの内部に位置センサをコンパクトに組み込む一般的原理を開示する。磁気アクチュエータおよび磁気センサの様々な技術について、ここで網羅的に触れることはしないが、それらの技術は、大量かつ詳細な先行技術をよく知る当業者によって選択され、本発明に係る組込みに実施することができる。

本発明の他の特徴および利点は、添付の図面に関連して以下に詳述する例示的実施形態を参照することにより、明らかになる。

可動磁気アクチュエータを含む第１実施形態に係る線形型位置決めアセンブリの断面図である。 図１の位置センサの詳細断面図である。 図１および図２に示す位置決めユニットの斜視図である。 図４ａおよび図４ｂは、可動磁気アクチュエータを含む第２実施形態に係る線形型位置決めユニットを示す斜視図である。 図５ａおよび図５ｂは、回転型位置決めアセンブリを示す斜視図である。 図６ａおよび図６ｂは、可変磁気抵抗ハイブリッドアクチュエータを含む第３実施形態に係る線形型位置決めアセンブリを示す斜視図である。 図７ａおよび図７ｂは、可動磁石付き可変磁気抵抗ハイブリッドアクチュエータを含む第４実施形態に係る線形型位置決めユニットを示す斜視図である。 図８ａおよび図８ｂは、ヨークが２つの異なる位置に移動可能であるアクチュエータを示す断面図である。

図１は本発明の第１実施形態を示しており、ここでアクチュエータは可動磁石（４ａ、４ｂ）アクチュエータであり、いわゆる「比例」挙動を有する。アクチュエータの変位に対して生じる力は一定であり、仏国特許出願公開第２６８２５４２号明細書に記載されているように、電力供給コイル７ａおよび７ｂに注入された電流に比例する。

このアクチュエータは、直列または並列に接続された２つのコイル７ａ、７ｂと、外側強磁性管８、中央強磁性極９ａ、および２つの強磁性極９ｂ、９ｃによって形成された強磁性ステータ１０とを含む固定ステータアセンブリから成る。

アクチュエータはまた、２つの磁石４ａ、４ｂが固定された強磁性ヨーク３からなり、かつ外側部材を主軸６に沿って移動させるために永久出力軸１６に固定され、ステータアセンブリに対して相対的に移動可能なアセンブリを備える。このように形成されたアクチュエータは主軸６を中心として軸対称性を有し、磁石４ａ、４ｂは有利なことに放射状の磁化、すなわち主軸６から半径に沿った磁化を有する。コイル７ａ、７ｂにエネルギが供給されると、ステータの極９ａ、９ｂ、９ｃは極性化し、磁界が整列する好適な位置に磁石４ａ、４ｂが引き寄せられる。ステータおよび可動部に形成された種々の磁極の形状および寸法によって、所与の供給電流に対して得られる力は、典型的には数ミリメートル、ここでは約５ｍｍの定められた変位に対して一定である。

図２に示す本発明に係るセンサは、ヨーク３の内側の内側凹部１８内に設置される。センサは、ヨーク３に取り付けられたセンサ２の磁石と、アクチュエータのステータアセンブリに対して固定された磁気検知プローブ１とによって形成される。プローブ１は、アクチュエータによって発生する磁界を克服するために、軸対称の軸６の近くに位置することが好ましいが、それに限定されない。アクチュエータの軸対称性のため、コイル７ａ、７ｂおよび磁石４ａ、４ｂによって発生する磁界は理論的には軸対称の軸６と直交する全ての方向にゼロである。次いでこの特性を利用して、プローブ１の磁気検知素子の少なくとも１つを、その検出方向が軸６に直交するように、軸対称の軸６上またはその近くに配置する。これにより、センサ磁石２のみによって発生する磁界の大きさまたは方向に応答させることができる。この実施形態では、センサ磁石２は、アクチュエータの線形変位中にアクチュエータの軸の自由回転を妨げないように、２つの放射状磁化リングの形を取るが、磁石のこの実施形態は限定ではない。

しかし、アクチュエータのこの不感位置は、図１に示すように、ヨーク３が、アクチュエータに由来する磁界に対するプローブ１の不感性を保証する有効な磁気遮蔽を達成する大きさである場合、全ての実施形態で要求されるものではない。したがって、ヨークの寸法（厚さ、高さ等）は、用途に応じてプローブ１によって受け入れられる最小レベルの外乱磁界、およびセンサから要求される精度のレベルによって決定される。

アクチュエータの回転軸付近およびヨーク３の上方部分における磁気検知プローブ１の配置は、アクチュエータの主流路部に対して比較的小さい断面に対応しかつ可能な飽和が最も強いアクチュエータの中心から高さによって離れているため、一般的に磁束には役立たないヨーク３の部分を使用することを可能にする。したがって、アクチュエータの中心におけるヨーク内のセンサの配置は、通電したアクチュエータの挙動にほとんど影響しない。磁気飽和が顕著になる、最大電流による挙動のみが変化することがあるが、これはアクチュエータの１回使用に対応するだけであり、連続運転とは無関係である。

図３は位置決めアセンブリの全体を示しており、軸対称の軸６を中心とするアクチュエータ１１の回転形状が分かる。この例示的実施形態では、アクチュエータと位置決めアセンブリ１４のセンサ１５の接続を可能にする電気コネクタ１２が、位置決めアセンブリの上部に見える。位置決めアセンブリ１４は、固定要素１３を用いて外側支持体に固定することができる。図３では示されていないが、出力軸１６は位置決めアセンブリ１４の底部で移動するようにこの部材に連結されている。

図４ａは、外側から見た第２実施形態の位置決めアセンブリ１４を示し、図４ｂは、同じ位置決めアセンブリ１４を断面図で示し、内部および全ての構成部品を詳細に示す。アクチュエータの変位は、図１〜図３のアクチュエータの変位よりずっと大きく、すなわち約１５ｍｍである。

図４ｂは、３つの極９ａ、９ｂ、９ｃ、２つの電力供給コイル７ａ、７ｂによってステータアセンブリ用に形成され、可動アセンブリ用に２つの磁石４ａ、４ｂを担持するヨーク３を有し、かつ意図される用途に応じて外側部材を作動させるために、軸６に沿って出力軸１６を移動させる、アクチュエータ１１の同一アーキテクチャを示す。このように形成されたアクチュエータアセンブリは、軸６を中心とする回転対称性を有する。

ヨーク３に固定された平行六面体の磁石２によって形成された位置センサ、および磁気検知プローブ１、すなわち位置決めアセンブリ１４の軸対称性の軸６上に配置されたホールプローブは、凹部付きヨーク３の内側に配置される。軸６上に配置されたときに、プローブ３は、その検出軸の少なくとも１つが回転軸と直交する方向に配向されるので、アクチュエータによって生じた磁界に感応せず、センサ磁石２のみによって生じた磁界の大きさまたは方向を検出するようになる。このプローブ１は、ヨーク３を案内しあるいはその回転防止を回避さえする要素１７によって担持される。二つの機能を有するそのような要素１７は、形成された位置決めアセンブリ１４に特徴的なコンパクトさを維持することを可能にする。

図５ａは、回転型の位置決めアセンブリ１４を示し、図５ｂは、同アセンブリをアセンブリ１４の主軸における断面図で示す。仏国特許出願公開第２６７０６２９号明細書に記載のアクチュエータは、各々電力供給コイル７を担持する４つの同じ強磁性極９から形成され、こうして形成されたステータアセンブリは強磁性ベース５に取り付けられる。エアギャップによって分離して形成されたステータアセンブリの上に、主軸６に直交する面内でステータアセンブリに対して回転運動することのできるアセンブリが配置される。この可動アセンブリは、４つの磁化セクタから成る磁化ディスク４を担持するヨーク３によって形成される。こうして形成されたアクチュエータは、主軸６を中心に９０°の周期性を有する。

検出部は、ヨークに形成された内側凹部１８内でヨーク３に固定されたセンサ磁石２によって提供される。磁気検知プローブ１は、センサ磁石２に対して静止して、主軸６上、またはその近くに配置される。アクチュエータの周期性は、主軸６のどの位置でも、軸６に対して法線方向の磁界が理論的にゼロになり、アクチュエータによって放射される磁界に対する不感性の方向をプローブ２にもたらす。

図６ａは、別の線形型の位置決めアセンブリ１４を示し、図６ｂは、同アセンブリを主軸６における断面に沿って示す。この実施形態では、２つの磁石４ａ、４ｂを担持する可動強磁性ヨーク３から成るアクチュエータは突出形状であり、主軸６を中心に１８０°の周期性を有する。主軸６を中心とするこの周期性により、磁石４ａは磁石４ｂに相応し、ステータについては、強磁性ステータ１０ａおよびコイル７ａは、強磁性ステータ１０ｂおよびコイル７ｂに相応する。この特徴は、アクチュエータの内側凹部１８付きヨーク３内に、ヨーク３に固定されたセンサ磁石２および軸６の近傍に配置された磁気検知プローブ１を、その検出軸の少なくとも１つが軸６上で直交方向になるように設置するために、有利に使用される。アクチュエータの磁界に対するプローブ１の不感性はこうして達成される。

図６ａおよび図６ｂにおいて、アクチュエータはハイブリッド型であり、ヨーク３に埋め込まれた磁石であって、本設計の原理である仏国特許出願公開第２７７４８２４号明細書に記載されるように、比例原点を有する軸６に沿った軸力成分と、電流に応じた二次原点を有する成分とを発生する磁石４ａ、４ｂを有する。

図７ａおよび図７ｂはそれぞれ、アクチュエータの機能を除いて図４ａおよび図４ｂの位置決めアセンブリ１４と同一特性を有する位置決めアセンブリ１４の別の実施形態の全体図および断面図である。後者には、原則的に図６ａおよび図６ｂにおいてすでに示した突出型のアクチュエータと同様の、可変磁気抵抗ハイブリッドアクチュエータが設けられている。したがって、ヨーク３は、ヨーク３に埋め込まれた磁石４を担持し、ステータ部は、主軸６を中心に回転する単一コイル７で構成される。

図８ａおよび図８ｂは、ヨーク３が２つの異なる位置に移動することのできるアクチュエータの２つの断面図を示す。これは、局所的に円錐形状を有する強磁性ステータ１０および電力供給コイル７から形成された、一般的に「ソレノイド」と呼ばれる可変磁気抵抗アクチュエータである。電流がコイル７を流れるときに磁気抵抗が変動することにより、ヨーク３は、図８ｂに示すように、アクチュエータの底部に引き寄せられる。電流がコイルを流れなくなると、ヨーク３は、「ソレノイド」の軸に対し復元力を与えるばね（図示せず）によって復帰し、例えば図８ａに示すように上方の位置に着く。アクチュエータは主軸６を中心に軸対称形状を有し、主軸上に磁気検知プローブ１がステータ１０に対し静止状態で配置され、磁気検知プローブの検出軸の少なくとも１つは主軸６に対して直交する方向を向く。軸対称性のため、プローブ１のこの検出軸は、電気コイル７によって放射される磁界を受けない。センサ磁石２はヨーク３に固定され、したがって、ステータ１０に対するヨーク３の相対的位置に応じて、プローブ１と反対方向に移動する。

Claims (12)

1. 位置センサと磁気アクチュエータとを備える位置決めアセンブリ（１４）において、前記磁気アクチュエータが、少なくとも１つの電力供給コイル（７）を有する少なくとも１つの強磁性ステータ（１０）からなるステータアセンブリと、前記ステータアセンブリに対して移動可能なヨーク（３）とを含み、前記磁気アクチュエータが、前記ヨーク（３）を貫通する主軸（６）を中心に回転するまたは周期性を有する形状を有し、前記位置センサが、前記ヨーク（３）に固定された少なくとも１つの永久磁石（２）と、前記磁石（２）に対して固定されるとともに前記磁石（２）によって放射される磁界の大きさまたは方向を測定可能な少なくとも１つの磁気検知プローブ（１）とを有し、
   前記ヨーク（３）が前記磁気アクチュエータの前記主軸（６）を含む内側凹部（１８）を有し、前記磁石（２）が前記内側凹部（１８）内に配置されるとともに前記ヨーク（３）に固定されることを特徴とする位置決めアセンブリ。
2. 前記磁気検知プローブ（１）が、少なくとも１つの検出軸が前記主軸（６）と直交する方向に配向されるように前記内側凹部（１８）内にて前記主軸（６）に近接して配置されることを特徴とする請求項１に記載の位置決めアセンブリ。
3. 前記磁気アクチュエータが、前記ヨーク（３）に配設された少なくとも１つの可動磁石（４）を含むアクチュエータであることを特徴とする請求項１または２に記載の位置決めアセンブリ。
4. 前記磁気アクチュエータが、磁石を有さない可変磁気抵抗アクチュエータであることを特徴とする請求項１または２に記載の位置決めアセンブリ。
5. 前記磁気アクチュエータが、永久磁石（４）を有する可変磁気抵抗ハイブリッドアクチュエータであることを特徴とする請求項１または２に記載の位置決めアセンブリ。
6. 前記磁気検知プローブ（１）が前記位置センサの前記磁石（２）によって放射される磁界の大きさを検知するホールプローブまたは磁気抵抗プローブであることを特徴とする請求項１〜５のうちのいずれか一項に記載の位置決めアセンブリ。
7. 前記磁気検知プローブ（１）が前記位置センサの前記磁石（２）によって放射される磁界の方向を検知するホールプローブであることを特徴とする請求項１〜５のうちのいずれか一項に記載の位置決めアセンブリ。
8. 前記位置センサの前記磁石（２）が完全に前記ヨーク（３）の前記内側凹部（１８）内に配置されることを特徴とする請求項１〜７のうちのいずれか一項に記載の位置決めアセンブリ。
9. 前記磁気検知プローブ（１）が前記ヨーク（３）の機械的ガイドとして働く支持体によって担持されることを特徴とする、請求項１〜８のうちのいずれか一項に記載の位置決めアセンブリ。
10. 前記位置センサの前記磁石（２）が変位の方向に応じた可変強度または可変磁化方向を有することを特徴とする請求項１〜９のうちのいずれか一項に記載の位置決めアセンブリ。
11. 前記位置センサの前記磁石（２）が、単極であって単一の磁化方向を有するとともに、変位の方向に応じた均一形状または可変形状を有することを特徴とする請求項１〜９のうちのいずれか一項に記載の位置決めアセンブリ。
12. 前記位置センサの前記磁石が残鋼からなることを特徴とする請求項１〜９のうちのいずれか一項に記載の位置決めアセンブリ。

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