JP2018523458A - 改善された粒度のエンコーダなしモータと使用方法 - Google Patents

Abstract

磁気コアを有するコイルアセンブリを備え、基板に取り付けられたステータと、ステータに取り付けられたロータであって、そのロータの周りに放射状に分布する永久磁石があり、その永久磁石が磁気コアを越えて延在するロータと、永久磁石に隣接する基板に取り付けられたセンサと、を備えるＤＣ電気モータ。モータの動作時に、永久磁石がセンサ上を通過することで、実質的にノイズ及び／又は飽和なしの電圧変化の実質的な正弦波信号を生成し、それによってエンコーダ又は位置センサの使用を必要とせず、かつ信号のノイズ除去やフィルタリングなしで、ロータの基板に対する角度位置を正弦波信号の直線部から決定可能とする。

Description

関連出願の相互参照
本出願は、２０１５年７月２２日出願の「ＤＣモータの転流と符号化の単純な重心実装（Ｓｉｍｐｌｅ Ｃｅｎｔｒｏｉｄ Ｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎ ｏｆ Ｃｏｍｍｕｔａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｅｎｃｏｄｉｎｇ ｆｏｒ ＤＣ Ｍｏｔｏｒ）」と題する米国特許仮出願第６２／１９５，４４９号の優先権の利益を主張し、参照によりその内容全体を本明細書に援用する。

本出願は一般に、本出願と同時出願の「分子診断アッセイシステム（Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ Ｄｉａｇｎｏｓｔｉｃ Ａｓｓａｙ Ｓｙｓｔｅｍ）」と題する米国特許出願第−号［代理人整理番号８５４３０−１０１７０４２−０１１６１０ＵＳ］、２０１３年３月１５日出願の「ハニカムチューブ（Ｈｏｎｅｙｃｏｍｂ ｔｕｂｅ）」と題する米国特許出願第１３／８４３，７３９号、２００２年２月２５日出願の「流体の処理及び制御（Ｆｌｕｉｄ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ａｎｄ Ｃｏｎｔｒｏｌ）」と題する米国特許第８，０４８，３８６号、２０００年８月２５日出願の「流体制御処理システム（Ｆｌｕｉｄ Ｃｏｎｔｒｏｌ ａｎｄ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ）」と題する米国特許第６，３７４，６８４号に関連し、参照によりその各々の全体をすべての目的のために本明細書に援用する。

本発明は電気モータ、特にブラシレスＤＣ電気モータの分野に関し、そのようなモータの転流及び符号化に関する。

ブラシレスＤＣ（ＢＬＤＣ）電気モータの転流は、モータの動作中の永久磁石の運動の検知にホール効果センサを使用することができる。しかしながらホール効果センサは、位置センサ及び／又ハードウェアのエンコーダの追加使用なしでは高精度かつ細かい粒度でのＤＣモータの符号化を行うことはできなかった。したがってこの点における有効性は限定的であった。多くの場合において、モータ駆動される要素の動作及び適用を成功させるためには、モータ駆動される要素の位置（及び位置変化）を高精度かつ高分解能で決定することが要求される。これは小寸法のデバイスにとっては特に重要であり得る。そのような用途の１つが、解析プロセス、例えば診断手順、における流体サンプル操作のためのポンプ及びシリンジの駆動にある。

したがって、モータの変位、例えばＢＬＤＣモータの符号化を非常に高度の分解能及び位置精度で可能とするシステム及び方法に対する必要性がある。そして更にはそれを比較的簡単なハードウェア及びソフトウェアで行うことが望ましい。

一態様において、本発明は、本明細書で教示されるように追加的なエンコーダのハードウェアの使用を必要としないで、極めて高い分解能と位置精度を生成するようにブラシレスＤＣ電気モータを符号化するシステムと方法を提供する。同じシステムと方法は、モータの転流もまた提供可能である。いくつかの実施形態において本システムは、ハードウェアのエンコーダや位置センサを使用せずに、また測定された電圧信号のノイズフィルタリングを必要としないで、ブラシレスＤＣモータの符号化を可能とする。

いくつかの実施形態において本発明は、磁気コアを備えるステータと、ステータに対して回転可能に取付けられ、その周りに複数の永久磁石を分布させたロータと、ステータに対して固定位置にあって、ロータの回転時には複数の磁石の経路に隣接して配置された１つ以上の電圧センサと、を含むモータシステムを提供する。このシステムはさらに、１つ以上のセンサに通信可能に結合され、ハードウェアのエンコーダや位置ベースのセンサの使用を必要とせず、及び／又は信号のノイズ除去又はフィルタリングなしで、１つ以上のセンサからの電圧信号でモータの変位を決定するように構成されたプロセッサモジュールを含む。いくつかの実施形態において、複数の磁石はステータの磁気コアを越えてある距離（例えば約１ｍｍ以上）まで延在し、センサからの信号を実質的にノイズ無しとする。

いくつかの実施形態において、システムは、ロータの回転時に１つ以上のセンサのそれぞれから、実質的に前記ロータの回転時の電圧変化の正弦波信号である測定された電圧信号を受信し、その正弦波信号の直線部からモータ変位を決定するように構成されている処理モジュールを含む。いくつかの実施形態では、１つ以上のセンサは、複数の磁石の経路に沿って分布された少なくとも２つのセンサを含み、その少なくとも２つのセンサの隣接するセンサからの正弦波信号の直線部分同士が交叉して、モータ変位決定のための結合した直線部の分解能及び粒度を向上させるようになっている。

いくつかの実施形態においてシステムは、基板に取り付けられたステータとステータに取り付けられたロータとを有するＤＣ電気モータを含んでいる。ステータはコアと電気巻線を有するコイルアセンブリを含み、コイルアセンブリは外径、基端、及び遠位端を有する。ロータは外端に沿って配置された（例えば円筒形スカートに取付けられた）永久磁石を含み、ロータは外径と内径と遠位端部を有する。いくつかの実施形態では、永久磁石はステータの磁気コア（すなわちコイルアセンブリ）の遠位端を越えて延在する。システムはさらに、永久磁石に隣接する基板に取り付けられた１つ以上のセンサを含む。いくつかの実施形態においてロータは、一連の個別の永久磁石を、スカートの遠位端部において隣接する磁石が交互に逆の極性を有する形に配置して作製される。いくつかの実施形態においては、短冊、リング、又は円盤の形態をした磁性材料（例えば強磁性材料またはフェリ磁性材料）の単一片でロータを画定し、次にこれを磁化してスカートの遠位端部に、逆の磁極を交互に有するパターンを形成する。いずれの作製方法でも本発明の用途には適している。いくつかの実施形態においてコアは、これは磁性材料のコアであるが、典型的には金属又は他の常磁性材料である。本発明のコアへの使用に適した非限定的な材料の例としては、鉄、特に軟鉄、コバルト、ニッケル、ケイ素、積層ケイ素鋼、ケイ素合金、特殊合金（例えば、ミューメタル、パーマロイ、ス―パーマロイ、センダスト）、アモルファス金属（例えばメットグラス（Ｍｅｔｇｌａｓ））がある。コアには空気が含まれてもよく、いくつかの実施形態ではコアは空芯である。モータの動作時に、永久磁石が１つ以上のセンサ上を通過することで、実質的にノイズ及び／又は飽和なしの電圧変化の正弦波信号を生成し、それによってハードウェアのエンコーダや位置センサの使用を必要とせずに、ロータの基板に対する角度位置を正弦波信号の直線部から決定可能とする。こうしてモータの変位を、高度の精度と分解能で決定して制御することが可能である。例えば、本明細書に記載の、１２個の永久磁石と９個の磁極を有し、３個のホールセンサと１１ビットのアナログ−デジタル変換器を処理モジュールとして使用するモータは、いかなるハードウェアのエンコーダや位置センサ、ノイズフィルタリングもなしで、約０．０１度の機械回転分解能を出すことができる。本システムの分解能と精度は、磁極の数や永久磁石の数の変更、又はＡＤＣの高位ビット又は低位ビットの使用によって、増減が可能である。

いくつかの実施形態では、基板に取り付けられた１つ以上のセンサが永久磁石の延長端に対して配置される。永久磁石の延長端から１つ以上のセンサまでの隙間は、実質的にノイズ及び／又は飽和なしでＤＣ電圧信号を与えるのに十分なように、位置が画定される。いくつかの実施形態では、永久磁石の端部はコイルアセンブリの遠位端を約１００ミクロンだけ超えて延在する。いくつかの実施形態で永久磁石は、モータの特定の実施形態に依存して、コアアセンブリの遠位端を１００ミクロン未満、例えば９０、８０、７０、６０、５０、４０、３０、２０、１０ミクロン又はそれ未満だけ、越えて延在する。いくつかの実施形態で永久磁石は、モータの特定の実施形態に依存して、コアアセンブリの遠位端を、約１００ミクロンと１０００ミクロン又はそれ以上の間のすべての値を含んで１００ミクロン超だけ、例えば、２００、３００、４００、５００、６００、７００、８００、９００、１０００ミクロンだけ越えて延在する。いくつかの実施形態では、永久磁石はコイルアセンブリの遠位端を、これに限定するものではないが約１ｍｍ、２ｍｍ、３ｍｍ、４ｍｍ、５ｍｍ、６ｍｍ、７ｍｍ、８ｍｍ、９ｍｍ、１０ｍｍ、又はそれ以上を含んで、約１ｍｍ以上だけ超えて延在する。永久磁石がコイルアセンブリの遠位端を越えて延在する正確な距離はモータの特定の特性および実施形態に依存し、本明細書で提供する指針に基づいて通常の技術者の技術の範囲内で決定すればよい。いくつかの実施形態では、１つ以上のセンサは、ロータの弧状経路に沿って共通の弧長だけ離間した、線形ホール効果センサである。

いくつかの実施形態においてモータは、円筒形スカートの周りに等間隔で配置され、スカートの遠位端部において隣接する磁石が反対極性を示す偶数個の永久磁石と、それぞれが実質的に正弦波形で変化する電圧を生成する少なくとも２つのアナログ電圧センサ（典型的にはホール効果センサ）とを含む。いくつかの実施形態においてモータは、２つ以上のアナログセンサを含み、又いくつかの実施形態では、アナログセンサの数はモータの位相数に等しい。例えば３相モータは、本明細書に記載するように３つのアナログセンサの使用によって制御可能である。いくつかの実施形態においてモータは、モータの位相に拘わらず１つだけのアナログセンサを含む。３相モータを備えるいくつかの実施形態においては３つのホール効果センサが使用されて、モータの動作時にそれぞれが実質的に正弦波形で変化する電圧を生成し、その３つの波形は１２０度だけ位相シフトしている。いくつかの実施形態においては、センサの最小数がモータの位相に等しい限りは、追加的なセンサを使用可能である。磁石の正確な数は、磁石が偶数である限りは可変である。例えばいくつかの実施形態においては、１２個の磁石と、４０度の機械回転間隔で配置された３つの線形ホール効果センサがある。いくつかの実施形態においては、隣接する正弦波形の交叉部が波形の直線部を画定する。

いくつかの実施形態においてデバイスは、波形の画定された直線部における電圧値のアナログ−デジタル変換（ＡＤＣ）及びアナログ電圧波形のゼロクロス検出を可能とする電気回路を含むＰＣＢで構成される。いくつかの実施形態において電気回路は１１ビットのアナログ−デジタル変換器（ＡＤＣ）を使用し、波形の各直線部に２０４８個の等間隔のデジタル値を生成する。これらの波形の直線部に対する等間隔のデジタル値は、システムの分解能を表す。特定のモータに対する所望の機能に依存して、ビット数のより大きいかより小さいＡＤＣを使用することにより、より高いかより低い分解能を実現可能であることは理解されるであろう。いくつかの実施形態において電気回路は、プログラマブルシステムオンチップ（ＰＳＯＣ）に実装される。さらに、非ＰＳＯＣチップ、例えばフィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）及びそれに類似のものを電気回路の実装に使用可能であることも理解されるであろう。

いくつかの実施形態において、追加的なハードウェアのエンコーダ又は位置ベースセンサ、及び／又はモータの変位制御に使用するアナログ信号のノイズフィルタリングの使用を必要とせずに、高度の粒度でＤＣ電気モータを符号化するための方法が提供される。この方法には、コアと電気巻線を有するコイルアセンブリを備えるステータであって、コイルアセンブリには外径と基端と遠位端とがあるステータを基板に取り付けることと、外周に永久磁石が取り付けられたロータであって、その磁石がコアの遠位端を越えて特定の方向（例えば典型的にはロータの回転面を横切る方向）に延在するロータをステータに取り付けることと、が含まれる。この方法はさらに、ＤＣ電気モータを転流によって動作させて、永久磁石に隣接する基板にある１つ以上のセンサ上を永久磁石が通過するようにさせることを含む。この動作により、変化する電圧の１つ以上の正弦波形が生成され、それはアナログ信号のノイズフィルタリングを必要としない程に実質的にノイズや飽和がない。この方法はさらに、正弦波形の直線部に基づいてロータ位置を決定することを必然的に伴う。

いくつかの実施形態において基板に取り付けられた１つ以上のセンサは、ロータの永久磁石の延長端に対して配置され、その延長端から１つ以上のセンサまでの隙間はノイズ及び／又は飽和なしで電圧を与えられるほどの大きさである。いくつかの実施形態において電圧は、直流の約２〜５ボルトである。いくつかの実施形態では、永久磁石の延長端はコイルアセンブリの遠位端を約１ｍｍ以上超えて延在する。いくつかの実施形態では、１つ以上のセンサは線形ホール効果センサである。いくつかの実施形態では、センサはロータの弧状経路に沿って共通の弧長だけ離間している。いくつかの実施形態では、円筒形スカートの周りに等間隔で配置され、かつスカートの遠位端部において隣接する磁石が反対極性を示す偶数個の永久磁石と、３つのホール効果センサとがあり、各ホール効果センサは実質的に正弦波形で変化する電圧を生成し、かつこの３つの波形が約１２０度だけ位相シフトしている。

いくつかの実施形態では１２個の磁石と、２０度の機械回転間隔で配置された３つの線形ホール効果センサがある。いくつかの実施形態では、センサ同士は互いに一定の半径方向距離だけ離間している。それは例えば０度と９０度の間の任意の半径方向距離（例えば機械回転の約２０度、約４０度、約６０度）である。いくつかの実施形態においては、隣接する正弦波形同士の交叉部が波形の直線部を画定し、この直線部は実質的にノイズがない。いくつかの実施形態において基板は、画定された波形の直線部における電圧値のアナログ−デジタル変換（ＡＤＣ）及びアナログ電圧波形のゼロクロス検出を可能とする電気回路を含むプリント回路基板（ＰＣＢ）である。いくつかの実施形態において電気回路は、波形の各直線部に２０４８個の等間隔のデジタル値を生成する、１１ビットのアナログ−デジタル変換器（ＡＤＣ）を使用する。いくつかの実施形態において電気回路は、プログラマブルシステムオンチップ（ＰＳＯＣ）に実装される。

本発明の例示的実施形態におけるブラシレスＤＣ電気モータの構成要素を示す平面図である。 基板に取付けられた図１のモータの、部分的に断面を示す立面図である。 本発明の例示的実施形態における磁石とセンサの間の間隔を示す、図２Ａの領域２ｂの拡大立面図である。 本発明の例示的実施形態におけるセンサ配置を示す、モータを取り払った図２Ｂの基板（２０１）の平面図である。 本発明の例示的実施形態による、遠位端部で極性が交互に変わる形をした、ロータ内の永久磁石配置を示す図であり、隣接する永久磁石の漏洩磁界を示す。 本発明の例示的実施形態において、モータのロータの永久磁石が第１のホール効果センサ上を通過することにより生成される、本質的に正弦波の可変電圧波形を示す。 本発明の例示的実施形態において、モータのロータの永久磁石が第２のホール効果センサ上を通過することにより生成される正弦可変電圧波形を、図４の波形に重ねて示した図である。 ロータの永久磁石が第３のホール効果センサ上を通過することにより生成される正弦可変電圧波形を、図５の波形に重ねて示した図である。 図６の電圧波形のコピーに、ＤＣモータを非常に正確かつ細かく符号化するための波形利用プロセスを示す記号を追加した図である。 本発明の例示的実施形態において、変位決定に使用する図７の交点間の直線部分を示す図である。 ホール効果センサの出力を利用してＤＣモータを制御するための、本発明の例示的実施形態における電気回路を示す図である。 モータ機構のＰＷＭと駆動方向を制御するためのＰＩＤを利用した制御方式図である。 本発明のいくつかの実施形態による、動作時のモータ変位の決定方法を示す図である。

図１は非限定の例示的プロトタイプにおけるブラシレスＤＣ（ＢＬＤＣ）電気モータ１００の構成要素を示す平面図である。そのようなモータは非常に広範囲の用途に使用され、特に高水準の精度と粒度を必要とする小寸法の機械機構の動作に使用されることが理解される。いくつかの実施形態としては、ハードウェアのエンコーダ及び／又はノイズフィルタリングなしで、例えば約０．１度の機械回転分解能、好ましくは約０．０１度の機械回転分解能、さらには約０．００１度又はそれ未満の機械回転分解能の、改善されたモータ変位決定の分解能を有するモータシステムがある。そのような用途の１つとして、非常に精度の高い流体計量を行なうシリンジ駆動器の操作、又はバルブアセンブリの微調移動での複合サンプルの処理及び／又は分析手順を容易にするためのサンプルカートリッジに繋がる、診断アッセイシステムのバルブアセンブリの操作がある。そのような用途の例は、本願と同時出願された「分子診断アッセイシステム（Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ Ｄｉａｇｎｏｓｔｉｃ ａｓｓａｙ Ｓｙｓｔｅｍ）」と題する米国特許出願第−号［代理人整理番号８５４３０−１０１７０４２−０１１６１０ＵＳ］、及び２００２年２月２５日出願の「流体の処理および制御（Ｆｌｕｉｄ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ａｎｄ Ｃｏｎｔｒｏｌ）」と題する米国特許第８，０４８，３８６号、２０００年８月２５日出願の「流体の制御処理システム（Ｆｌｕｉｄ Ｃｏｎｔｒｏｌ ａｎｄ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ）」と題する米国特許第６，３７４，６８４号に見ることができる。これらの全内容を参照により本明細書に援用する。

一態様においてＢＬＤＣは、ロータと、ステータと、複数のアナログ電圧センサとを含み、その電圧センサはフィルタリングやノイズ除去を必要とせずに平滑に変化するホール効果電圧を生成するように構成されている。いくつかの実施形態において、この機能は、ステータの磁気コアを越えてある距離だけ延在する、ロータ内の永久磁石を使用することによって提供される。いくつかの実施形態において、ＢＬＤＣはモータの位相と同数のアナログ電圧センサを含み、それらは、センサから受信する測定電圧波形の実質的に直線部のみに基づいてモータが制御可能であるように配置される。いくつかの実施形態において、このことは測定電圧波形の直線部が交叉するようにして、ステータの周りにセンサを放射状に間隔をあけて配置することを含む。例えば、３相ＢＬＤＣは、相互に放射状に４０度間隔をあけた３つのホール効果センサを含むことができ、これによりシステムはセンサ位置を４０度の増分内に制御可能となる。

上記の明細書では本発明をその特定の実施形態を参照して説明したが、当業者であれば本発明はそれに限定されるわけではないことを認識するであろう。全体を通じて使用されるように、「約」という用語は述べた値の±１０％を指すことができる。上記の本発明の様々な特徴及び態様は、個別または共同して使用可能である。本明細書に記載の実施形態のいかなる態様または特徴も、本明細書に記載の任意の実施形態、並びに様々な他の種類及び構成に変更、組合せ、及び組込みが可能であることは理解されよう。さらに、本発明は、本明細書のより広範な精神および範囲から逸脱することなく、本明細書に記載されたものを超える任意の数の環境及び用途に利用することができる。したがって、明細書及び図面は限定的であるよりもむしろ例示的であるとみなされるべきである。

図１に示すようないくつかの実施形態において、モータは中心から放射状に延在する９個の極歯を有する内部ステータアセンブリ１０１を含み、各極歯は極片１０３で終端し、かつ各極歯は電磁コイル１０２である巻き線を有する。モータはさらに、外部円筒形スカート１０５と、そのスカート１０５の内周の周りに極性が交互に替わるように配置された１２の永久磁石１０６とを有する外部ロータ１０４を含んでいる。永久磁石は、極片の外側曲面に近接した、円筒形内側面をロータに付与するような形状となっている。本実施例におけるＢＬＤＣモータは、３相、１２極のモータである。図１には示されていないが、具備された制御回路がコイル１０２内の電流を切り替えて、永久磁石１０６との電磁相互作用を与え、当業者が承知のようにロータを駆動する。ここでは内部ステータと外部ロータについて説明したが、この手法は内部ロータと外部ステータを有するモータについても使用可能であることが理解される。

極歯と極の数、それにまた内部ステータと外部ロータの開示は例示であって、種々の異なる設計のモータで動作可能な本発明を限定するものではないことに注意されたい。

図２Ａは、図１のモータの、部分的に断面となった側立面図である。９つある極歯とコイルの内の１つが切り出されて示されており、これは外部ロータ１０４の円筒形スカート１０５の内周の周りに配置された１２個の永久磁石１０６の１つに近接する極片１０３を末端としている。ステータアセンブリ１０１の極歯及び極片はコアの一部であり、線２０４の高さにおいてコアの遠位端を画定する。ステータアセンブリ１０１は本実装においては基板２０１上に支持されている。これはいくつかの実施形態においてはプリント回路基板であり、永久磁石１０６の磁場と相互作用する電磁場を付与してロータを駆動するためにコイル１０２への電流の切り替え操作をするように構成された、制御ユニットとトレースを含むことができる。ＰＣＢ基板は符号化と転流のための電気回路もまたは含むことができる。ロータ１０４は駆動シャフト１０７によってステータ１０１に物理的に係合する。駆動シャフトはステータのベアリングアセンブリに係合してロータを正確に回転させる。ベアリングの詳細は図２Ａには示されていない。ただし、そのようなベアリングを実装可能な多くの従来法があることは理解される。本実装における駆動シャフト１０７は意図的にＰＣＢ１０７の開口を貫通して、駆動用機械装置に係合可能である。

３つの線形ホール効果センサ２０２ａ、２０２ｂ、２０２ｃが図２Ａに示されており、これらはＰＣＢ２０１によって支持されて、いくつかの実施形態によればモータ１００に対する符号化及び転流を行うためのプロセスに使用可能な可変電圧信号を生成するように戦略的に配置されている。図２Ａでは、ロータ１０４のスカート１０５の全体高さが寸法Ｄで表されている。寸法ｄ１は、線２０４にある磁気コアの遠位端から下へのロータ磁石の遠位端の延長を表す。いくつかの実施形態にでは、この延長の方向はロータの回転面に対して横断方向、典型的には垂直である。

図２Ｂは図２Ａの領域２ｂの拡大立面図であって、ロータ１０４の永久磁石の遠位端部と、ＰＣＢ２０１上のホール効果センサ２０２ａ、２０２ｂ、２０２ｃの構造体との間の隙間ｄ２を表している。

図３Ａは、図２Ａの矢印３の方向から見たＰＣＢ２０１の平面図である。これは、図２でコアの遠位端部の下に寸法ｄだけ延在していることがわかるロータ１０４の遠位端部に対する、ホール効果センサ２０２ａ、２０２ｂ、２０２ｃの配置を示す。図３では、１２個の永久磁石１０６を含むロータ１０４の回転軌道が点線の輪郭３０２で示されている。ロータは転流の詳細に依存していずれの方向３０３にも回転する。本明細書に記載の手法は、ロータの回転方向に拘わらず使用可能であることが理解される。

この非限定の例示的プロトタイプに示すように、各ホール効果センサ２０２ａ、２０２ｂ、２０２ｃはロータ磁石の遠位端部の直下で、回転磁石の中心軌道の放射方向に僅かに内側に向かって配置される。ホール効果センサ２０２ｂは、ロータ磁石の回転軌道に沿ってホール効果センサ２０２ａから４０度の円弧となる位置にある。同様に、ホール効果センサ２０２ｃは、ホール効果センサ２０２ｂからロータ軌道の周りにさらに４０度の位置にある。

図３Ｂは、この非限定の例示的プロトタイプにおいて、３つの永久磁石１０６を２つのホール効果センサ２０２ａ、２０２ｂとの関係で示す斜視図である。ロータの永久磁石は、図３Ｂに示すように極性が交互に変わるように配置されている。また、ロータの遠位端部には、隣接する永久磁石間の漏洩磁界３０４が示されている。アナログセンサ（例えばホール効果センサ）が配置されて漏洩磁界を検知するために間隔を置いて配置されるのは、この隣接する永久磁石の間の漏洩磁界に対してであり、永久磁石の内面が曲線形状になっているために、磁石の回転の中央軌道から放射方向の少し内側へ、ホール効果センサを配置することが要求される。ホール効果センサは、装置の全体の大きさ及び要求される磁場の強度に依存して、１ｍｍ又はそれ以上（例えば２、３、４ｍｍ）ほどの小さな距離だけ内側に配置してよい。検出信号内のノイズを実質的に除去するために、センサと永久磁石間の間隔（すなわちｄ２）は最小化することが有利である。

図２Ａに戻ると、寸法ｄ１が、線２０４にあるコアの遠位端の下へのロータ磁石の遠位端の延長距離を示している。従来のモータでは、この端部をコア端部より下へ延長する理由も動機もない。それは特にこのためにモータの高さが増し、ロータと基板の間に大きな隙間を必要とするからである。実際に、付加された寸法は従来モータに不要なコストと容積を追加するので、熟練技術者であれば寸法Ｄを制限してそのような延長部がないようにするであろう。さらに、通常のモータのロータの遠位端においては、コアの高さ又はそれより上においてコイル１０２の電流切替えによって大きな磁場の効果が生成され、その位置で永久磁石を検知するように配置されたホール効果センサからの信号では、滑らかに変化するホール効果電圧は生成されない。従来モータでの効果はむしろ実質的にノイズで劣化する。このジレンマに対する従来の解決法はノイズフィルタリングの導入であり、より一般的にはエンコーダを利用することである。

有利なことに、ロータ磁石を鉄芯の遠位端より下に延長することで、ステータコイルからのスイッチング磁界がホール効果センサの信号に及ぼす劣化効果を回避できる。具体的な延長ｄ１は特定のモータ構成に特有のいくつかの因子に依存し、いくつかの実施形態では、１ｍｍ以上（例えば、２ｍｍ、３ｍｍ、４ｍｍ、５ｍｍ、６ｍｍ、又はそれ以上）であり、また別の実施形態では延長は１ｍｍ未満である。いくつかの実施形態では、この距離は永久磁石の大きさ及び／又は磁界強度の関数である。本明細書で詳細を述べたいくつかの実施形態の例示的プロトタイプでは、ノイズや飽和のない電圧変化の正弦波信号を生成するには１ｍｍの延長で十分である。ホール効果電圧を生成するためにホール効果センサを距離ｄ２に配置することで、ノイズなしの滑らかな可変電圧が生成される。いくつかの実施形態では、ホール効果センサは、約２ボルトから約５ボルトの範囲の滑らかな可変ＤＣ電圧を、ノイズや飽和なしで生成する。寸法ｄ２は、センサの選択、ロータの設計、ロータ内の永久磁石の強度、及びその他の当業者に周知の因子によって変化し得る。センサの飽和を回避して、実質的にノイズなしの滑らかに変化するＤＣ電圧を生成するための、実行可能な距離は任意の特定の状況に対して容易に見いだされる。

図４は、３相ＢＬＤＣモータにおいてロータ１０４の永久磁石１０６がホール効果センサ２０２ａ上を通過することで生成される、正弦可変電圧波形４０１を示す。０度の始点は、最大電圧点に任意に設定される。ロータの３６０度の完全な１回転で３つの完全な正弦波形が生成される。

図５は、モータのロータ１０４の永久磁石１０６がホール効果センサ２０２ｂ上を通過することにより生成される実質的にノイズのない正弦可変電圧波形５０１を、図４の波形４０１に重ねて示す。ホール効果センサ２０２ｂはホール効果センサ２０２ａの位置から弧長で４０度の位置にあり、正弦波形５０１は正弦波形４０１の位相から１２０度だけ位相シフトしている。

図６は、ロータ１０４の永久磁石１０６がホール効果センサ２０２ｃ上を通過することにより生成される実質的にノイズのない正弦可変電圧波形６０１を、図５の波形４０１、５０１に重ねて示す。ホール効果センサ２０２ｃはホール効果センサ２０２ｂの位置から弧長で４０度の位置にあり、正弦波形５０１の位相は正弦波形５０１から１２０度だけ位相シフトしている。波形はロータが３６０度回転するごとに反復される。

図７は、図６の電圧波形のコピーに、この波形を利用してモータ１００の符号化を非常に正確かつ細かく行うための波形利用プロセスを示す記号を追加した図である。３つの電圧波形４０１、５０１、６０１は、ホール効果センサが同一であり、かつ同一距離において同一の漏洩磁界を検知するために、実質的に同一の最大と最小のピークをそれぞれ有する。さらに、波形４０１、５０１、６０１は複数の点で交叉し、点７０１、７０２、７０３、７０４がその例である。特に、交点間の波形部分は実質的に直線であり、これらの直線部分は図７で強調されている。そして、接続された直線部分の無限の連続するシーケンスが与えられることがわかる。さらに、各直線部分のゼロクロス点、及び各波形の最大と最小のピークが検出されて記録されてもよい。

図８は図７の交点７０１、７０２、７０３の間の２つの直線部分を示す。非限定的な例として、交点７０１と７０２の間の部分が等しい長さの２０の部分に分割されて示されている。これは交点７０１と７０２における電圧を検出し、それを単純に分割することで便宜的に行うことができる。波形の１つの交点から次の交点までのロータの物理的な回転は、２０度のモータ回転であるので、計算による各電圧変化は２０／２０、すなわち１．００度のロータ回転となる。これは本方法を説明する一例に過ぎない。本発明のいくつかの実施形態では、ＰＣＢ２０１上の電気回路が交点を検出し、交点の間を１１ビットのアナログ−デジタル変換器（ＡＤＣ）によって分割し、これで２０４８カウントが与えられる。この実装では各カウントに対するロータ２０５の機械回転変位は約０．００９８度である。ビット分解能の高い（又は低い）ＡＤＣを使用することで、本システムの分解能を高くする（又は低くする）ことができる。たとえば、８ビットのＡＤＣを使用すれば、１カウントを約０．０７８度に分解し、１６ビットのＡＤＣでは１カウントを０．０００３１度に分解し、２０ビットのＡＤＣでは１カウントを約０．００００２度に分解する。代替的には極の数を増減することにより、システムの分解能が対応して増減する。

いくつかの実施形態では、本明細書に記載の手法によってモータ１００で駆動される機構に高度の正確度と精度が与えられる。１１ビットＡＤＣを用いた上記の非限定的な例では、モータ位置は機械的に０．０００５度まで制御可能である。ギヤ減速と結び付ければ、機構の並進及び回転を極めて微細に制御可能となる。いくつかの実施形態では、モータ１００は、分析化学プロセスで流体を吸引及び吐出するシリンジのポンプユニットの並進駆動器に連結される。

図９は、本発明の一実施形態におけるモータ１００制御のための電気回路を示す図である。これは、ホール効果センサの出力と、そのセンサで生成された位相分離曲線の直線部のみを解析する独特の方法とを利用するもので、直線部は上記のように等分のセグメントに分割される。ホール効果センサ２０２ａ、２０２ｂの出力が、転流のための比例積分偏差（ＰＩＤ）運動制御回路に提供され、ロータ磁石とホール効果センサの相互作用により生成された波形が、図９に示すように多重化回路に提供される。いくつかの実施形態では、モータ変位は、モータの２つ以上のセンサにより測定された電圧の２つ以上の正弦曲線から得られる直線部（例えばジグザグ部）に基づいて制御可能である。

図１０は、ＰＩＤコントローラの使用による、パルス幅変調（ＰＷＭ）とモータの駆動方向の調節の制御を示す制御方式である。ＰＩＤコントローラには、モータ変位の所望位置並びに測定位置の入力が含まれる。従来装置では測定されたエンコーダ位置は、ハードウェアのエンコーダ又は位置ベースセンサにより与えられるが、いくつかの実施形態ではこの入力は、いかなるハードウェアセンサ又は位置ベースセンサも必要とせずに、アナログセンサからの測定電圧の直線部によって与えることができる。こうして、本明細書に記載の手法によって、従来はハードウェアエンコーダで与えられた入力を、その他の制御方式の変更なしで決定可能となる。ただし、エンコーダ位置入力を決定するように処理ユニットが適合されることは理解されよう。

図１１はいくつかの実施形態による方法を示す。この方法は、外周の周りに永久磁石を分布させたロータと、磁気コアを持つステータとを有するＤＣモータの動作を含む。モータの動作時に、システムはステータに対して固定された位置にある少なくとも２つのアナログセンサからのアナログ正弦波信号を受信する。正弦波信号が互いにオフセットされるようにセンサは相互に離間されている。システムはモータの回転経路の少なくとも一部に沿って均一に分布された、ホール効果センサなどの複数のアナログセンサを含むことができる。いくつかの実施形態では、そのような構成には、図３Ａに示すような相互に約４０度離間した、少なくとも３つのそのようなセンサが含まれる。そうしてシステムはオフセットされた正弦波信号の直線部に基づいてモータ変位を決定する。モータ変位は、システムの様々な他のプロセス又は機能の情報を与えるためにシステムが使用することができ、又は、モータ変位をＰＩＤコントローラなどのコントローラへの入力として含む制御ループを利用してモータ制御に使うことができる。いくつかの態様ではこのアプローチは、診断アッセイシステム又は他のそのような流体処理システムの小寸法バルブ機構又はシリンジ駆動機構の操作を容易とし、あるいは微調整するために使用可能である。

非限定の例示的実施形態で述べたように、ＡＤＣは位相分離波形の直線部分の生成に使用され、モータ１００は、例えばテキサス・インスツルメンツ社のモータ駆動回路のＤＲＶ８３１３によって駆動可能である。この手法の範囲内で他の使用可能な回路構成があることは理解される。いくつかの実施形態では、ホール効果センサを検知し、モータの符号化を与える回路及びコード化命令は、ＰＣＢ上のプログラマブルシステムオンチップ（ＰＳＯＣ）に実装され得る。

本発明の範囲を逸脱することなく、本明細書に記載の実施形態に様々な変更をなしうることが理解される。例えば本発明の代替実施形態においては、設計の異なる電気モータを導入してセンサを配置し、結果的に得られる交差曲線の実質的な直線部分のみを回路が考慮に入れるようにして実質的に正弦波の位相分離波形を生成させ、その直線部分を長さの等しいセグメントに分割して、モータの機械設計に依存するロータ又はステータの回転の分数に関連する既知の等しいセグメントに電圧増分を実効的に分割することで、さらに分解能をあげて制御することも可能である。

本発明によるＤＣ電気モータのいくつかの非限定的な使用例及び用途としては以下のものが含まれる。

診断応用：流体サンプルの高スループット処理及び診断アッセイ遂行のためのロボット工学の使用の増加に伴い、機械機構の高分解能制御が極めて有用になってきている。特に、診断デバイスが、より効率的でより小さいサンプルサイズを必要とする、小寸法及びマイクロデバイスの方向へ向かう傾向があるので、小寸法の運動を制御することは特に関心が高い。

医療応用：遠隔手術技法のためのロボット工学の利用の増大とともに、遠隔制御された器具を極めて高精度に制御して動かすことが必要不可欠となってきている。例えば、眼科学又は神経学における手術では、網膜細胞又は神経末端の操作に顕微鏡レベルの分解能での動きを必要とする。これらの、目と連携してヒトの手で行ない得るものより遥かに微細な動きを行うために、好適なセンサからのフィードバックに連携させたアクチュエータの動作にコンピュータが使用される。本明細書で開示した高分解能の位置符号化機能を有するモータはコンピュータを支援し、したがって外科医のこれらの繊細な手術の遂行を支援する。

半導体製造：半導体デバイスの製造システムは、シリコンウェーハと操作アームの微細な動きに依存する。これらの動きは位置に関するフィードバック手段により制御される。本明細書で開示した高分解能位置符号化機能を有するモータはこれらの用途に好適である。

航空宇宙及び衛星遠隔測定：高分解能角度位置フィードバックは、正確な目標設定及びアンテナ位置決めのために使用可能である。特に人工衛星の通信用ディッシュアンテナは、軌道周回する衛星を正確に追跡することが必要とされる。アンテナに搭載された本明細書に記載のモータからの正確な角度フィードバックとアンテナからの電力スペクトルを組合せた衛星軌道は、正確な追跡を支援可能とする。さらには、本明細書に記載のモータは小さくて安価でかつ堅牢であるために、衛星や、当業者に周知の地球圏外アプリケーションへの使用には理想的な選択である。

遠隔制御車両：本明細書に開示のモータは小寸法かつ低コストであるので、ドローンを含む遠隔制御車両用途への使用が望ましい。特に、本モータの高分解能位置符号化機能は、遠隔制御車両の商用及び娯楽利用の双方において、運転（方向制御）と加速（パワー制御）に対して理想的である。更なる利用法は当業者には明らかであろう。

上記の他に、このように装備されて検知されるモータに対する微細制御を提供するために、電気回路は様々な方法で構成し得ることを当業者は気付くであろう。本発明は、以下の特許請求の範囲によってのみ限定される。

Claims (24)

1. ＤＣ電気モータであって、
   基板に取り付けられたステータであって、前記ステータは磁性材料のコアと電気巻線を有するコイルアセンブリを備え、前記コイルアセンブリは外径と基端と遠位端とを有する、ステータと、
   前記ステータに取付けられたロータであって、前記ロータは円筒形スカートに取付けられた永久磁石を備え、前記ロータは外径、内径、及び遠位端部を有し、前記永久磁石は前記コアの前記遠位端を越えて延在する、ロータと、
   前記永久磁石に隣接する基板に取り付けられた、１つ以上のセンサと、
   を備え、
   モータの動作時に、前記永久磁石が前記１つ以上のセンサ上を通過することで、電圧変化の実質的な正弦波信号を実質的にノイズ及び／又は飽和なしで生成し、それによって前記ロータの前記基板に対する角度位置を、エンコーダの使用を必要とせずに前記正弦波信号の直線部から決定可能とする、ＤＣ電気モータ。
2. 前記基板に取り付けられた前記１つ以上のセンサは、前記永久磁石の延長端に対して配置され、前記永久磁石の前記延長端から前記１つ以上のセンサまでの隙間は、約２〜約５ボルトの直流電圧をノイズ及び／又は飽和なしで与えるのに十分である、請求項１に記載のシステム。
3. 前記永久磁石の前記延長端は、前記コイルアセンブリの前記遠位端を約１ｍｍ以上超えて延在する、請求項２に記載のシステム。
4. 前記１つ以上のセンサは、前記ロータの弧状経路に沿って共通の弧長だけ離間した、線形ホール効果センサである、請求項１に記載のシステム。
5. 隣接する磁石がスカートの前記遠位端部において反対極性を示す、円筒形スカートの周りに等間隔で配置された偶数個の永久磁石と、３つのホール効果センサとを備え、前記モータの動作時に、各ホール効果センサが実質的に正弦波形で変化する電圧を生成し、その３つの波形が約１２０度だけ位相シフトしている、請求項４に記載のシステム。
6. １２個の磁石と、４０度の機械回転間隔で配置された３つの線形ホール効果センサとを備える、請求項５に記載のシステム。
7. 隣接する正弦波形の交叉部が前記波形の直線部を画定する、請求項５に記載のシステム。
8. 前記基板は、前記波形の画定された直線部における電圧値のアナログ−デジタル変換（ＡＤＣ）及びアナログ電圧波形のゼロクロス検出を可能とする電気回路を備えるプリント回路基板（ＰＣＢ）である、請求項６に記載のシステム。
9. 前記電気回路は、前記波形の各直線部に２０４８個の等間隔のデジタル値を生成する、１１ビットのアナログ−デジタル変換器（ＡＤＣ）を使用する、請求項８に記載のシステム。
10. 前記電気回路はプログラマブルシステムオンチップ（ＰＳＯＣ）に実装されている、請求項８に記載のシステム。
11. ＤＣ電気モータを符号化する方法であって、
    ステータを基板に取り付けるステップであって、前記ステータは磁性材料のコアと電気巻線を有するコイルアセンブリを備え、前記コイルアセンブリは外径と基端と遠位端とを有している、前記ステータを取り付けるステップと、
    ロータを前記ステータに取り付けるステップであって、前記ロータは円筒形スカートに取付けられた永久磁石を備え、前記ロータは外径、内径、及び遠位端部を有し、前記永久磁石は前記コアの前記遠位端を越えて延在している、前記ロータを取付けるステップと、
    １つ以上のセンサを前記永久磁石に隣接する基板に配置するステップと、
    転流によって前記ＤＣ電気モータを動作させ、前記永久磁石に前記１つ以上のセンサ上を通過させて、実質的にノイズも飽和もなしに１つ以上の変化する電圧の正弦波形を生成するステップと、
    前記正弦波形の直線部から前記ロータの位置を決定するステップと、
    を含む方法。
12. 前記基板に取り付けられた前記１つ以上のセンサは、前記ロータの前記永久磁石の延長端に対して配置され、前記延長端から前記１つ以上のセンサまでの隙間は、約２〜約５ボルトの直流電圧をノイズ及び／又は飽和なしで与えるのに十分である、請求項１１に記載の方法。
13. 前記永久磁石の前記延長端は、前記コイルアセンブリの前記遠位端を約１ｍｍ以上超えて延在する、請求項１２に記載の方法。
14. 前記１つ以上のセンサは、前記ロータの弧状経路に沿って共通の弧長だけ離間した、線形ホール効果センサである、請求項１１に記載の方法。
15. 前記円筒形スカートの周りに等間隔で配置され、前記円筒形スカートの前記遠位端部において隣接する磁石が反対極性を示す偶数個の永久磁石と、各ホール効果センサが実質的に正弦波形で変化する電圧を生成する３つのホール効果センサとを備え、前記３つの波形は約１２０度だけ位相シフトしている、請求項１４に記載の方法。
16. １２個の磁石と、約２０度の機械回転間隔で配置された３つの線形ホール効果センサとを備える、請求項１５に記載の方法。
17. 隣接する正弦波形の交叉部が前記波形の直線部を画定する、請求項１５に記載の方法。
18. 前記基板は、前記波形の画定された直線部における電圧値のアナログ−デジタル変換（ＡＤＣ）及びアナログ電圧波形のゼロクロス検出を可能とする電気回路を備えるプリント回路基板（ＰＣＢ）である、請求項１６に記載の方法。
19. 前記電気回路は、前記波形の各直線部に２０４８個の等間隔のデジタル値を生成する、１１ビットのアナログ−デジタル変換器（ＡＤＣ）を使用する、請求項１８に記載の方法。
20. 前記電気回路はプログラマブルシステムオンチップ（ＰＳＯＣ）に実装されている、請求項１８に記載の方法。
21. 磁気コアを備えるステータと、
    前記ステータに対して回転可能に取り付けられたロータであって、前記ロータの周りに放射状に分布する複数の永久磁石を有するロータと、
    前記ステータに対して固定位置にあって、前記ロータの回転時に前記複数の磁石の経路に隣接して配置された１つ以上のセンサと、
    前記１つ以上のセンサに通信可能に結合され、ハードウェアのエンコーダ又は位置ベースのセンサの使用を必要とせず、及び／又は信号のノイズ除去又はフィルタリングなしで、前記１つ以上のセンサからの電圧信号でモータの変位を決定するように構成された、処理モジュールと、
    を備えるモータシステム。
22. 前記処理モジュールは、前記ロータの回転時に前記１つ以上のセンサのそれぞれから、実質的に前記ロータの回転時の電圧変化の正弦波信号である、測定された電圧信号を受信し、かつ前記正弦波信号の直線部から前記モータの変位を決定するようにさらに構成された、請求項２１に記載のシステム。
23. 前記複数の磁石は、前記１つ以上のセンサからの前記信号が実質的にノイズなしとなるように、前記ロータの前記磁気コアを越えてある距離だけ延在する、請求項２１に記載のシステム。
24. 前記１つ以上のセンサは、前記複数の磁石の経路に沿って分布する少なくとも２つのセンサを含み、前記少なくとも２つのセンサの隣接するセンサからの正弦波信号の直線部分が交叉して、モータの変位の決定のために、前記結合した直線部の増加した分解能及び粒度を与えるようになっている、請求項２１に記載のシステム。