JP2016512334A - 歯の検知 - Google Patents

Abstract

【課題】回転位置の検知技術に関する改良を求める要望に応じる。【解決手段】回転位置検知装置は、回転軸を中心に回転する回転体の近傍に配置された１以上のセンサを備える。１以上の磁石が、前記回転体上に配置され、その磁界が前記センサに影響を与え、かつ、前記回転体の一部を磁化する。前記１以上のセンサは、磁束を示す出力信号を生成し、それにより、前記出力信号は、前記回転体の位置を示す。回転体の位置を検知する方法は、回転体の一部を磁石によって磁化し、回転軸を中心に回転する前記回転体の磁束を測定することを含む。前記回転体の位置を示す出力信号が生成される。【選択図】図１

Description

本発明は、主に、例えばギア等の回転体に関連するものであり、より詳細には、ギア、リング、ホイール、フレックスプレートその他の回転体の回転位置を検出する方法及びセンサに関する。

回転体の回転位置を検知することは、例えば、これらに限定されるものではないが、角速度の計測、移動距離の計算、及び、ハブやアクセル等の静止体に対する回転体の絶対位置の検出といった様々な分野において利用されている。また、第２の回転体に対する第１の回転体の相対位置を判別する際にも利用されており、この場合、角度位置もまた検知される。さらには、回転位置を検知することは、例えば、トルク検出あるいは加えられるトルクの検出といった他の分野においても利用されている。従って、このような回転位置を検知する技術について、改良を求める要望がある。

ある実施形態において、回転位置検知装置は、回転軸を中心に回転する回転体に隣接して配置された１以上のセンサと、前記回転体上に配置され、その磁界が前記センサに影響を及ぼし、かつ、前記回転体の一部を磁化する１以上の磁石と、を備え、前記１以上のセンサは、磁束を示す出力信号を生成し、それにより、前記出力信号は、前記回転体の位置を示す、ことを特徴とする。

当該実施形態または他の実施形態において、前記回転体は、複数の歯を備えてもよく、当該複数の歯は、それぞれ、前記回転体の外周から延伸してもよい。

当該実施形態または他の実施形態において、前記１以上のセンサは、前記回転体の歯に対して略垂直に軸方向に並べられてもよい。

当該実施形態または他の実施形態において、複数の前記センサ間の距離は、前記回転体の歯と複数の前記歯の間の谷との間の距離と略等しくてもよい。

当該実施形態または他の実施形態において、１以上の検出器が前記回転体に隣接して配置されてもよい。

当該実施形態または他の実施形態において、前記１以上の検出器は、その検出方法を、前記回転体の歯と同期させてもよい。

当該実施形態または他の実施形態において、前記１以上の磁石の、前記１以上のセンサに対する軸方向及び垂直方向位置は、前記１以上の磁石の磁力強度及び前記１以上のセンサの感度に応じて異なっていてもよい。

当該実施形態または他の実施形態において、前記回転体の外周に配置された複数の消磁用磁石をさらに備えてもよく、当該消磁用磁石は、前記回転体を略均一に磁化するものであってもよい。

当該実施形態または他の実施形態において、前記複数の消磁用磁石は、交互に異なる極性を有するように配置され、交流消磁パターンを形成するものであってもよい。

当該実施形態または他の実施形態において、前記１以上のセンサは、それぞれ、フラックスゲートセンサであってもよい。

当該実施形態または他の実施形態において、少なくとも１の前記センサは、誘導ピックアップとして機能するフラックスゲートセンサであってもよい。

当該実施形態または他の実施形態において、少なくとも１の前記センサは、誘導ピックアップであってもよい。

当該実施形態または他の実施形態において、前記回転体は、少なくとも１の前記センサと、少なくとも１の前記磁石との間で軸方向に配置されてもよい。

当該実施形態または他の実施形態において、少なくとも１の前記センサは、前記回転体の第１の周端に配置されてもよく、少なくとも１の前記磁石は、前記少なくとも１の前記センサから略１８０度離間した位置に配置されてもよい。

別の実施形態において、回転体の位置を検知する方法は、回転体の一部を磁石によって磁化し、回転軸を中心に回転する前記回転体の磁束を測定し、前記回転体の位置を示す出力信号を生成する、ことを特徴とする。

当該実施形態または他の実施形態において、前記磁束を、前記回転体の近傍に配置された１以上のセンサで測定してもよい。

当該実施形態または他の実施形態において、前記１以上のセンサは、フラックスゲートセンサであってもよい。

当該実施形態または他の実施形態において、さらに、前記測定した磁束を増幅して増幅した出力信号を生成してもよい。

これらの及び他の利点並びに特徴は、添付の図面とともに以下の開示内容によってより明らかとなる。

本発明によれば、回転位置を検知する技術について、改良を求める要望に応じることが可能となる。

本発明の一実施形態に係る、歯検知装置の断面図である。 本発明の一実施形態に係る、歯検知装置の断面図である。 本発明の一実施形態に係る、歯検知装置の斜視図である。 本発明の一実施形態に係る、歯検知装置の別の斜視図である。 本発明の一実施形態に係る、歯検知装置の断面図である。 本発明の一実施形態に係る、歯検知装置の断面図である。 本発明の一実施形態に係る、歯検知装置のフラックスゲート出力信号の一例を示す図である。 本発明の一実施形態に係る、歯検知装置の側面図である。 本発明の一実施形態に係る、歯検知装置とともに用いられる検出器の詳細図である。 本発明の一実施形態に係る、歯検知装置の上面図である。 本発明の一実施形態に係る、歯検知装置の断面図である。 本発明の一実施形態に係る、歯検知装置の回路図である。 本発明の一実施形態に係る、歯検知装置とともに用いられる検出器の回路図である。 本発明の一実施形態に係る、歯検知装置とともに用いられるフラックスゲートセンサの回路図である。

フラックスゲート技術を包含する歯検知装置２０によって円形の回転体の歯を検出することは、一般に、回転体４０の近傍に配置されたフラックスゲートセンサ３０に永久磁石２５を隣接して配置することで改善され得るが（図３及び４参照）、当該磁石２５は、当該磁石２５によって形成された磁界が、フラックスゲートセンサ３０のみならず回転体４０の歯４５にも影響を及ぼすようにして配置される。歯４５が磁界を通過することにより、フラックスゲートセンサ３０は、歯４５の存在、不存在の変化を検出する。ここで、図１から４を参照し、磁石２５は、１以上のフラックスゲートセンサ３０の近傍、例えば、センサ３０の第１の側３２の近傍（図１）、あるいは、センサ３０の第２の側であって反対の側３４の近傍に配置される。歯を有する回転体４０は、一般に、垂直に配向される（図３及び４参照）。少なくとも１のフラックスゲートセンサ３０に対する磁石２５の軸方向及び垂直方向位置は、当該磁石２５の磁力強度及びフラックスゲートセンサ３０の感度によって異なる。ある実施形態においては、磁石２５は、フラックスゲートセンサ３０の出力信号がシステム飽和を起こさない程度の高い振幅を有するように位置決めされる。磁石２５が複数の場合、複数の磁石２５は、歯４５のピッチ及び隣接するフラックスゲートセンサ３０間での距離に対して等しい寸法で配置され、これにより、一般的に、フラックスゲート出力信号は、最大の信号振幅を有するようになる。

別の実施形態においては、図５及び６に示すように、第１の磁石２５が１以上のフラックスゲートセンサ３０の第１の側３２の近傍に配置され、第２の磁石２５が、１以上のフラックスゲートセンサ３０の第２の側３４の近傍に配置される。第１及び第２の磁石２５の極性は、一般に、互いに反対である。図１及び２に示す歯検知装置２０と同様に、フラックスゲートセンサ３０に対する磁石２５の位置及び強度は、フラックスゲート出力信号がシステム飽和なしで高い振幅を有するように動的に調整される。

フラックスゲートセンサ３０の出力信号は、回転体４０の所定の部分が磁界を有する場合、飽和する。図７に示すフラックスゲート出力信号の一例は、歯４５に作用する望ましくない磁界によってその振幅に降下がある。ある実施形態では、電流フィードバックループ（図示せず）が用いられ、フラックスゲートセンサ３０の飽和限度を低減している。例えば、フラックスゲートセンサ３０の回路の平均出力が、２．５ボルト以上または以下の場合、定電流が、フラックスゲートセンサ３０の２．５Ｖｄｃ端で内側のループ電流と合算される。ある実施形態において、電流フィードバックループ（図示せず）は、回転体４０の最も遅い動作速度で想定される磁力の振れと略等しい時定数を有する。

別の実施形態では、フラックスゲート出力信号のロバスト性が、回転体４０を磁気的に略均一にすることで改善され得る。図８に示すように、１以上の消磁用磁石５０が、回転体４０の外周４２の近傍に配置される。複数の磁石５０を採用した実施形態においては、当該磁石５０は、回転体４０の外周４２において径方向に離間して配置されるとともに、交互に異なる極性を有するようにして配置され、これにより、交流消磁パターンを形成する。磁石５０は、製造工程あるいは回転体に不慮に磁石を配置することで生じた「ホットスポット」に起因する残存磁力を消去するために用いられる。さらには、磁石５０は、センサ３０を通過する直前において新たな磁界を有するように回転体４０を磁化することに利用される。磁石５０の数は、フラックスゲートセンサ３０の感度及び回転体４０がさらされるべき磁界に基づいて決定される。ある実施形態では、磁石５０は、フラックスゲートセンサ３０から離間して配置され、例えば、図示するようにフラックスゲートセンサ３０の反対に配置される。

他の実施形態においては、１以上の検出器５５（図９参照）を備える電子式検出回路（図示せず）は、歯の通過頻度として検出される回転体４０の速度を利用して、その検出方法を、回転体４０の速度に基づいて歯４５の予測される位置に適合するように調整して実行する。検出器５５の種類は特に限定されるものではない。これらの検出器５５に接続された電子回路は、検出方法を歯４５の通過に同期させる。

１以上のフラックスゲートセンサ３０は、回転体４０及び当該回転体４０を支持する軸３５に対する多数の配列手法のいずれかに基づいて配列される。フラックスゲートセンサ３０が回転体４０の側面側に配置された場合、歯４５の磁性状態及び回転体４０の中心のウェッビングに対してより敏感となる。ある実施形態においては、フラックスゲートセンサ３０は、回転体４０の歯４５に対して略垂直で軸方向に並ぶように配置される（図１０参照）。また、隣接するフラックスゲートセンサ３０間の距離は、図１１に示すように、歯４５と、隣接する歯４５の間の谷４８との間の距離と略等しい。これにより、フラックスゲート出力信号は、高い振幅を有するようになる。

ある実施形態において、歯検知装置２０が有する１以上のフラックスゲートセンサ３０は、磁束よりもむしろ透磁率を測定する誘導ピックアップとして用いられる。あるいは、歯検知装置２０は、１以上のフラックスゲートセンサ３０を、電子回路が当該フラックスゲートセンサ３０を専用のフラックスゲートセンサ３０、専用の誘導ピックアップ、もしくはそれらの組み合わせとして用いることができるように組わせて利用する。例示的な回路６０は、図１２に示すように、誘導ピックアップ、あるいは、誘導ピックアップとしてフラックスゲートセンサ３０を利用する。

図１３を参照し、歯検知信号をさらに改善する手段として、フィルタを通過して検出器５５を流れる正弦波信号が生成する。Ｃ１２とＲ１１との間の接続は、分断されている。これは、ノイズキャンセル機能なしでの出力上のリップルを明らかにするためである。ある実施形態において、４つの受動素子Ｒ１９、Ｃ１４、Ｒ１８及びＣ１２を有する回路部分を追加することで、出力のリップルを１０分の１にまで低減することが可能となる。

図１４を参照し、可変リラクタンスモードで歯センサとしてフラックスゲートセンサ３０を用いる方法について説明する。フラックスゲートセンサ３０は、高い透磁率のコアを備え、当該コアは、Ｂ＝μＨに応じて磁束を増幅する。ここで、Ｂは磁束密度、Ｈは磁界密度、μはコアの透磁率である。いくつかの実施形態においては、コアは、パーマロイ（アモルファス）等の、１０００未満の透磁率を有するフェライト棒と比較して高い透磁率の材料から形成され、当該材料は、一般には、１００００より大きいバルク透磁率を有する。コアは、体積が小さく、また、ある実施形態においては、幅が０．０１０インチで、厚さが０．００１インチで、長さが０．５０インチであり、その断面積が０．０１０平方マイルである。本明細書に開示するコアの寸法は、あくまでも例示であり、他の寸法及び構成を採用してもよいことはもちろんである。この実施形態では、コアに巻回されたコイルは、直径が０．０６２インチで、長さが０．５０インチである（＃４２ワイヤを５００回巻く）。これにより、３０００オームの典型的な可変リラクタンス検知コイルと比較して、略８オームの抵抗を得ることができる。そして、数十グラムではなく、数ミリグラムの総重量のセンサ３０を得ることができる。従って、フラックスゲートセンサ３０は、フラックスΦ＝ＢＡを生成する。ここで、Ａはフラックスゲートセンサコイルの断面積である。歯４５が回転してコイルを通過すると、磁界Ｈの変調によってコイルに電圧が誘導される。すなわち、以下の式（１）で表わされる変調電圧が生成される。
（数１）
Ｖ＝Ｎ^＊（ｄΦ／ｄＴ）、ファラデーの法則に基づく。
ここで、Ｎはコイルの巻き数、ｄΦ／ｄＴは磁束の変化率であり、回転体４０の回転速度及び歯４５の数に比例する。

ここで、電圧Ｖは、略正弦波である。当該電圧Ｖは、例えば差動増幅器等の増幅器、あるいは計装用増幅器に出力される。増幅器において、電圧Ｖは、選択されたゲイン係数及びレベルで増幅され、略Ｖｄｄ／２で均衡となるようにシフトされる。電圧Ｖは依然として正弦波であるが、増幅前の電圧と比較して大きな振幅を有する。そして、Ｖｄｄ／２をしきい値とする比較器に入力される。比較器は、図１に示すように、入力抵抗Ｒを有する正のフィードバック抵抗１０Ｒを備える。その結果、ヒステリシスが略１０％となる。このヒステリシスが、差動増幅器の出力Ｖ_ｏｕｔがＶｄｄ／２を超えた際の高周波数振動を防止する。

結果として得られる出力Ｏｕｔ^＋は、グランド基準の準方形波であり、同一周波数での他の基準の方形波と位相を比較する電子回路に入力される。コイルの中のコアは、高透磁率のミュー合金、例えば、ニッケル、鉄、銅、クロミウムまたはモリブデン等の合金等の高い透磁率の合金である。ここで、当該合金は、ある点で飽和し、直線的で非飽和型のコアを有する可変リラクタンスセンサと異なり、自ずと出力電圧を制限する。他の可変リラクタンスセンサと比較して高い透磁率のコア材料により、検出器の小型化及び銅の巻き数の低減が可能となる。

歯検知装置２０の１以上のフラックスゲートセンサ３０からのフラックスゲート出力信号は、例えば、エンジンのフレックスプレート４０等の回転体４０の停止位置を判別するように、絶対位置検出器として利用される。フラックスゲート出力信号（または、歯４５を検出するのに回転を必要としない他の歯検知方法）は、回転体４０が速度を落として停止した際の歯４５の位置を追跡するために利用される。例えばカム検知信号等の他の種の入力信号は、エンジン周期内の回転体４０の位置を判別するために利用され、校正の後、各歯４５に数字が付与されてエンジンが停止した際に位置が追跡される。この情報は制御部（図示せず）あるいはエンジン制御コンピュータに供給され、これにより、回転体４０を支持する軸３５の絶対位置を知ることができるようになる。当該情報は、例えば、スタート・ストップ方式において有用である。

上述した歯検知装置２０及び歯の位置を検知する方法は、例えば、これらに限定されるものではないが、角速度の測定、移動距離の計測、絶対位置の検出、相対位置の検出、及びトルクの検知に利用される。これは、フレックスプレート（あるいは歯を有する輪の歯）の磁性状態から受ける影響が少ないため、歯を検知するのにより洗練された技術である。

限られた数の実施形態とともに本発明を説明したが、本発明は係る実施形態に限定されるものではない。本発明は、その技術的範囲から逸脱しない範囲内で、本明細書では開示していない多数の応用、変更、代替、同等のアレンジを包含するように変更可能である。また、複数の実施形態について説明をしたが、本発明の態様は、上記の実施形態の一部のみを包含するものである。従って、本発明は上記の実施形態に限定されるものではなく、添付の特許請求の範囲によってその技術的範囲が限定されるものである。

２０ 歯検知装置
２５ 永久磁石
３０ フラックスゲートセンサ
４０ 回転体
４５ 歯
５０ 消磁用磁石
５５ 検出器

Claims (18)

1. 回転軸を中心に回転する回転体に隣接して配置された１以上のセンサと、
   前記回転体上に配置され、その磁界が前記センサに影響を及ぼし、かつ、前記回転体の一部を磁化する１以上の磁石と、
   を備え、
   前記１以上のセンサは、磁束を示す出力信号を生成し、それにより、前記出力信号は、前記回転体の位置を示す、
   ことを特徴とする回転位置検知装置。
2. 前記回転体は、複数の歯を備え、当該複数の歯は、それぞれ、前記回転体の外周から延伸する、ことを特徴とする請求項１に記載の回転位置検知装置。
3. 前記１以上のセンサは、前記回転体の歯に対して略垂直に軸方向に並べられている、ことを特徴とする請求項２に記載の回転位置検知装置。
4. 複数の前記センサ間の距離は、前記回転体の歯と複数の前記歯の間の谷との間の距離と略等しい、ことを特徴とする請求項３に記載の回転位置検知装置。
5. １以上の検出器が前記回転体に隣接して配置される、ことを特徴とする請求項２に記載の回転位置検知装置。
6. 前記１以上の検出器は、その検出方法を、前記回転体の歯と同期させる、ことを特徴とする請求項５に記載の回転位置検知装置。
7. 前記１以上の磁石の、前記１以上のセンサに対する軸方向及び垂直方向位置は、前記１以上の磁石の磁力強度及び前記１以上のセンサの感度に応じて異なる、ことを特徴とする請求項１に記載の回転位置検知装置。
8. 前記回転体の外周に配置された複数の消磁用磁石をさらに備え、当該消磁用磁石は、前記回転体を略均一に磁化する、ことを特徴とする請求項１に記載の回転位置検知装置。
9. 前記複数の消磁用磁石は、交互に異なる極性を有するように配置され、交流消磁パターンを形成する、ことを特徴とする請求項８に記載の回転位置検知装置。
10. 前記１以上のセンサは、それぞれ、フラックスゲートセンサである、ことを特徴とする請求項１に記載の回転位置検知装置。
11. 少なくとも１の前記センサは、誘導ピックアップとして機能するフラックスゲートセンサである、ことを特徴とする請求項１に記載の回転位置検知装置。
12. 少なくとも１の前記センサは、誘導ピックアップである、ことを特徴とする請求項１に記載の回転位置検知装置。
13. 前記回転体は、少なくとも１の前記センサと、少なくとも１の前記磁石との間で軸方向に配置される、ことを特徴とする請求項１に記載の回転位置検知装置。
14. 少なくとも１の前記センサは、前記回転体の第１の周端に配置され、少なくとも１の前記磁石は、前記少なくとも１の前記センサから略１８０度離間した位置に配置される、ことを特徴とする請求項１に記載の回転位置検知装置。
15. 回転体の位置を検知する方法であって、
    回転体の一部を磁石によって磁化し、
    回転軸を中心に回転する前記回転体の磁束を測定し、
    前記回転体の位置を示す出力信号を生成する、
    ことを特徴とする方法。
16. 前記磁束を、前記回転体の近傍に配置された１以上のセンサで測定する、ことを特徴とする請求項１５に記載の方法。
17. 前記１以上のセンサは、フラックスゲートセンサである、ことを特徴とする請求項１５に記載の方法。
18. さらに、前記測定した磁束を増幅して増幅した出力信号を生成する、ことを特徴とする請求項１５に記載の方法。

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