JP2020153981A - 回転部材の少なくとも１つの回転パラメータを決定するシステム - Google Patents
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Abstract
【課題】回転部材の少なくとも１つの回転パラメータを決定するシステムを提供する。【解決手段】コーダは、ピッチｐおよび角度αのヘリックスに沿って延在している移行部３によって分離された、交互的なＮ極２ｎおよびＳ極２ｓを有する。磁気トラック２は、Ｎ極２ｎとＳ極２ｓとの対と、法線に沿って測定された移行部３までの極幅Ｌｐを有し、Ｌｐ＝ｐ・ｃｏｓαである。センサは、少なくとも２つの感知磁性素子の実装物によって、磁気トラックおよび移行部に対して垂直である平面において回転している磁界を検出することができる。実装物は、磁気トラック２からの半径方向読取距離に配置されており、さらに、直角位相の信号を送出するように配置されている。【選択図】図２
Description
本発明は回転部材の少なくとも１つの回転パラメータを決定するシステムに関する。前記システムは、周期的な磁界を出力するコーダと、前記磁界を検出可能なセンサとを備える。
多くの用途において、回転部材の少なくとも１つの回転パラメータ（例えば、回転部材の位置、速度、加速度、または移動方向）を、リアルタイムで最適な品質で識別することが望ましい。
これを行うために、文献ＷＯ２００６／０６４１６９は、可動部材と一体化するように意図（構成）されたコーダの使用を提案している。当該コーダ上に、いくつかの感知素子を含むセンサからの読取距離（リーディング距離）において、擬似正弦波磁界を出力することができる磁気トラックが形成されている。
有利には、例えば文献ＷＯ２００４／０８３８８１に記載されているように、それぞれの感知素子は、検出された磁界に応じて抵抗が変化するトンネル磁気抵抗（ＴＭＲ；Tunnel Magneto Resistance）基材を有する少なくとも１つのパターンを含み得る。
検出された磁界の変化に応じて可動部材の移動パラメータを決定するために、文献ＷＯ２００６／０６４１６９は、それぞれの感知素子の抵抗を表す信号の組み合わせを提供する。これにより、直角位相であり、かつ、同じ振幅を有する２つの信号を送出できる。当該２つの信号は、前記パラメータを計算するために使用され得る。
文献ＷＯ２０１８／０５１０１１は、移行（遷移）によって分離（区分）された交互的な（交互に入れ替わる）Ｎ極およびＳ極をコーダのトラックが有し、各磁極がアルキメデススパイラル（螺旋）に沿って延在している、決定システムを提案している。コーダによって送出される磁界の軸方向の読取に関して、この実施形態は、磁極の数、磁極の幅、およびコーダの径を分離（区分）することができる。したがって、良好な正弦波性を有する磁気信号を依然として有しながら、磁極をほとんど有さないことが可能である。
さらに、いくつかの用途において、特に利用可能な空間に関する制約のために、コーダによって送出される磁界の半径方向の読取が必要である。これを行うために、磁気トラックが形成される円筒状周縁部を有する本体を備えるコーダが知られており、前記トラックは、回転軸と位置合わせされた磁気遷移部（磁気移行部）を有する。
この実施形態において、磁極の幅は磁極の数に対する円周の比率である。磁極の幅が実質的になるため（具体的には約１０ミリメートルとなるため）、典型的には６未満である、小さい極対数（磁極ペア数、ポールペア数）を有するコーダは、問題が生じる。
これらの幅広い極は、小さい読取エアギャップでは正弦波性が悪い磁気信号を送出する。奇数次高調波が豊富であり、正確な角度測定には不適切である。それゆえ、感知素子を磁気トラックから離間させる必要がある。このことは、信号の振幅増加に相反するため、感知素子による良好な検出がなされない。
さらに、磁気信号の正弦波性および振幅を十分に維持するために、幅広い極はコーダの厚さもより実質的であることを必要とする。このことは、低減された寸法においてエンコーダを統合（一体化）するには好ましくない。また、このことは、より大きい厚さを磁気的に飽和させなければならないため、磁化方法を複雑にする。
文献ＪＰ２００３９７９７１には、２つの位置における磁界の同じ一方向成分を測定する、磁気トラックに対して２つのセンサが配置されているシステムが記載されている。当該センサによって送出されるシグナルが直角位相になるように当該位置が測定される。
本発明はコーダによって送出される磁界の半径方向読取による決定システムを特に提案することによって、従来技術の完成を目指す。検出される磁界の周期性と振幅との間の妥協点はコーダの任意の特定のサイズ制約を誘導することなく、特に、磁極ペア数が小さい磁気コーダに関して満足させることができる。
特に、本発明による半径方向読取を有するコーダは、各磁極の磁極幅が磁極ペア数とは無関係である。したがって、磁極ペア数が少ないことを、検出される磁界の正弦波性および振幅に関連する感知素子の適切な位置決めと調和させることができる。
この効果のために、本発明は、回転部材の少なくとも１つの回転パラメータを決定するシステムを提案する。当該システムは、コーダと、少なくとも１つのセンサと、を備え、
前記コーダは、前記回転部材と共に動作することによって、当該回転部材と回転するように構成されており、前記コーダは、回転軸を中心とした半径ａを有する円筒状周縁部をを有する本体を備え、前記周縁部は移行部によって分離された、幅ｌを有する交互的なＮ極およびＳ極を有し、前記移行部の各々は、ピッチｐおよび角度αのヘリックスに沿って延在し、周期的な磁界を出力することができる多極磁気トラックを形成し、前記トラックは、Ｎ極とＳ極とのＮｐｐ対と、法線Ｎに沿って測定された移行部までの極幅Ｌｐを有し、Ｎｐｐ＝πａ／ｌおよびＬｐ＝ｐ・ｃｏｓαであり、前記周期的な磁界は前記磁気トラックおよび前記移行部に対して垂直である平面において回転しており、前記センサは、少なくとも２つの感知磁性素子の実装物によって、前記コーダによって出力される回転している周期的な磁界を検出することができ、前記実装物は磁気トラックからの半径方向読取距離に配置されており、さらに、直角位相の信号を送出するように配置されている。
前記コーダは、前記回転部材と共に動作することによって、当該回転部材と回転するように構成されており、前記コーダは、回転軸を中心とした半径ａを有する円筒状周縁部をを有する本体を備え、前記周縁部は移行部によって分離された、幅ｌを有する交互的なＮ極およびＳ極を有し、前記移行部の各々は、ピッチｐおよび角度αのヘリックスに沿って延在し、周期的な磁界を出力することができる多極磁気トラックを形成し、前記トラックは、Ｎ極とＳ極とのＮｐｐ対と、法線Ｎに沿って測定された移行部までの極幅Ｌｐを有し、Ｎｐｐ＝πａ／ｌおよびＬｐ＝ｐ・ｃｏｓαであり、前記周期的な磁界は前記磁気トラックおよび前記移行部に対して垂直である平面において回転しており、前記センサは、少なくとも２つの感知磁性素子の実装物によって、前記コーダによって出力される回転している周期的な磁界を検出することができ、前記実装物は磁気トラックからの半径方向読取距離に配置されており、さらに、直角位相の信号を送出するように配置されている。
本発明の他の特徴および利点は、添付の図面を参照してなされる以下の説明において明らかになるのであろう。［図１ａ］（斜視図）および［図１ｂ］（側面図）はそれぞれ、本発明の決定システムのコーダを概略的に示す。［図２］は、図１ａおよび図１ｂのコーダの円筒状周縁部の平面図である。［図３］は、本発明のコーダに対する感知素子の実装物の半径方向読取距離における実施形態の配置を概略的に示す。［図４］は、本発明の実施形態の感知素子の実装物の図である。［図５］は、図４の実装物によって送出される、直角位相の信号を示す。［図６］は、本発明のコーダに対する感知素子の２つの実装物の半径方向読取距離における実施形態の配置を概略的に示す。［図７］は、減算装置における図６の実装物の積分図である。［図８］は、センサの実装物の感知素子の間の距離に応じた３次高調波のフィルタリングを示す曲線である。
これらの図に関連して、固定構造（固定された構造体）に対する回転部材の少なくとも１つの回転パラメータを決定するシステムを説明する。特に、回転部材のパラメータは、当該回転部材の位置、速度、回転方向、加速度または移動方向（特に軸方向）から選択され得る。
特定の用途において、本システムはブラシレス直流電気モータの制御に関連して使用し得る。この場合、特に、固定子（ステータ）に対する回転子（ロータ）の一対のモータの極上の絶対的な角度位置を識別することが可能とする。
決定システムは、回転部材と一緒に動くように回転部材と一体化されるように意図（構成）されたコーダ１を備える。前記コーダは、磁気トラック２が形成された、回転軸Ｘを中心として半径ａを有する円筒状周縁部を有する本体を備える。磁気トラック２は、前記コーダの回転を示す周期的な磁界を出力することが可能である。特に、出力される磁界は正弦波または擬正弦波であり得る。すなわち、当該磁界は、正弦波によって正確（適切）に近似され得る少なくとも１つの部分を有する。
トラック２は移行部（遷移部）３によって分離（区分）された、幅ｌである交互的な（交互に入れ替わる）Ｎ極２ｎおよびＳ極２ｓを有する。前記移行部の各々は、ピッチｐおよび角度αのへリックスに沿って延在している。
したがって、磁気トラックはＮ極とＳ極とのＮｐｐ対と、法線Ｎに沿って測定された移行部３までの極幅Ｌｐを有する。Ｎｐｐ＝πａ／ｌであり、Ｌｐ＝ｐ・ｃｏｓαである。磁気トラック２は、λ＝２．Ｌｐに等しい空間周期の擬似正弦波磁気信号を送出する。空間周期は、法線Ｎに沿っている。特に、磁気トラック２によって送出される周期的な磁界は、磁気トラックおよび移行部３に対して垂直である平面において回転している。
一対の磁極２ｎ、２ｓ上のコーダ１によって生成された磁界は、パラメータを決定するために測定されることが求められる完全な基本正弦波成分と、いくつかの奇数次高調波（３次、５次等）との組み合わせである。
コーダ１が一定の回転速度ωで回転すると仮定すると、磁界は以下の式のように記載され得る。
３次高調波の振幅Ｈ３は、通常、基本波の振幅Ｈ１の５％を表し得る。センサの位置および読取距離に応じて、３次高調波の振幅Ｈ３のこの比率は、はるかに大きくなり得る。
磁気トラック２のヘリカル形状によれば、特に、磁極２ｎ，２ｓの対の数Ｎｐｐおよび極幅Ｌｐを、磁気トラック２の半径Ｒとは無関係に選択することが可能となる。図１ａおよび図１ｂに関して、コーダ１は、磁極２ｎ、２ｓの対を４つ備え、４つの磁極対による電気モータの制御に特に適する。本システムは、一対のモータ磁極上の絶対的な角度（すなわち、９０°の機械的位置）を提供する。
一実施形態によれば、コーダ１は、多極磁気トラック２がその円筒状周縁部に実行される磁石から形成されている。特に、磁石は、磁性粒子（特に、フェライトまたはＮｄＦｅＢ等の希土類の粒子）が分散された、プラスティックまたはエラストマ材の基材から作製された環状マトリックスによって形成されてよい。
決定システムは、少なくとも１つのセンサを備える。当該センサは、固定構造に一体に取り付けられるように構成されている。当該センサは、コーダ１によって出力される、回転している周期的な磁界を検出できる。これを行うために、センサは、少なくとも２つの磁気感知素子５の実装物４を備える。実装物は、コーダ１の回転を表す直角位相の信号を送出するように、磁気トラック２からの半径方向読取距離に配置されている。
感知素子５の各々は、特に、磁気感知センサの内から選択されてよい。例えば、ホール効果、トンネル磁気抵抗（ＴＭＲ）、異方性磁気抵抗（anistropic magneto resistance，ＡＭＲ）、または巨大磁気抵抗（giant magneto resistance，ＧＭＲ）に基づくプローブは、（コーダ１に対して法線方向（垂直）または接線方向の）磁界の２つの成分のそれぞれ１つを測定することができる。
特に、例えば文献ＷＯ２００４／０８３８８１に記載されているように、各素子５は、基準（レファレンス）磁気層と、絶縁分離層と、検出されるべき磁界に対して感度を有する磁気層と、のスタック（積層構造）を有することにより、トンネル接合（ジャンクション）を形成する。当該スタックの抵抗は、磁気層の相対的な磁化方向の関数である。
有利には、各感知素子５は、磁界に応じて抵抗が変化する（特に、トンネル効果を有する）磁気抵抗材料をベースとする少なくとも１つのパターンを含んでいてよい。感知素子５は、単一のモチーフまたは直列もしくは平行に接続されたモチーフのグループを含んでいてよい。
回転部材の回転パラメータを決定することを可能とするために、感知素子５によって送出される信号は、直角位相である必要がある。すなわち、９０°分のＮｐｐ（９０°／Ｎｐｐ）だけ幾何学的にずれていなければならない。特に、センサまたは関連するコンピュータにおいて、このような直角位相の信号を使用することによって、例えば、「ルックアップテーブル」（Look-up Table，ＬＵＴ）によるアークタンジェント関数の直接演算、またはＣＯＲＤＩＣタイプの方法により、コーダ１の角度位置を決定できることが知られている。
これを行うために、図４に関して、実装物４は、４つの感知磁性素子５の２つのホイートストンブリッジ回路を含んでいてもよい。当該回路は磁気トラック２に対して垂直である平面に配置され、前記トラックから出力される、前記平面において回転している前記磁界を検出する。
特に、磁界の傾斜角γによれば、図５は、ブリッジによって送出される直角位相の信号Ｖ０１およびＶ０２を示す。Ｖ０１およびＶ０２は以下のように示される。
Ｖ０１＝（＋Ｖ０１）−（−Ｖ０１）
Ｖ０２＝（＋Ｖ０２）−（−Ｖ０２）
Ｖ０１＝（＋Ｖ０１）−（−Ｖ０１）
Ｖ０２＝（＋Ｖ０２）−（−Ｖ０２）
電気モータを制御するシステムの用途に関連して、制御計算機に送出される信号の良好な正弦波性は特に、以下のことを可能にする：
特に始動時における、より良好な性能（例：設定速度または設定位置に到達するまでの時間）；
安定状態においてトルク痙動（ジャーキング）が生じない「より滑らかな（スムーズな）」動作；
より低い消費エネルギー；
より低い動作温度；
より実質的な最大トルク。
特に始動時における、より良好な性能（例：設定速度または設定位置に到達するまでの時間）；
安定状態においてトルク痙動（ジャーキング）が生じない「より滑らかな（スムーズな）」動作；
より低い消費エネルギー；
より低い動作温度；
より実質的な最大トルク。
特に、図３は、前記コーダの縁部から可能な限り分離されている、コーダ１の周縁部の中央位置における実装物４を示す。
図６に関連して、直角位相の各シグナルＶ０１、Ｖ０２およびＶ’０１、Ｖ’０２を送出することによって、実装物４、４’が法線Ｎに沿って測定された移行部３までの距離ｅだけ離間されている２つのセンサを本システムは備える。本システムは、直角位相のＳＩＮ、ＣＯＳ信号を形成するために信号を減算するための装置をさらに備える。
図７は一実施形態を示す。形成されるシグナルは以下のように示される。
ＳＩＮ＝（＋ＳＩＮ）−（−ＳＩＮ）；
＋ＳＩＮは（＋Ｖ０１）−（＋Ｖ’０１）と等しい。−ＳＩＮは（−Ｖ０１）−（−Ｖ’０１）と等しい。
ＣＯＳ＝（＋ＣＯＳ）−（−ＣＯＳ）；
＋ＣＯＳは（＋Ｖ０２）−（＋Ｖ’０２）と等しい。−ＣＯＳは（−Ｖ０ｓ）−（−Ｖ’０２）と等しい。
ＳＩＮ＝（＋ＳＩＮ）−（−ＳＩＮ）；
＋ＳＩＮは（＋Ｖ０１）−（＋Ｖ’０１）と等しい。−ＳＩＮは（−Ｖ０１）−（−Ｖ’０１）と等しい。
ＣＯＳ＝（＋ＣＯＳ）−（−ＣＯＳ）；
＋ＣＯＳは（＋Ｖ０２）−（＋Ｖ’０２）と等しい。−ＣＯＳは（−Ｖ０ｓ）−（−Ｖ’０２）と等しい。
本実施形態によって、外部から（例えば、モータまたは隣接する配線から）のノイズのフィルタリングが可能になる。
法線Ｎに沿って測定された前記移行部までの距離ｅ（距離ｅは下記の式によって示すことができる）だけ実装物４、４’を離間し、実装物４、４’をそれぞれ磁気相φ１およびφ２（φ１およびφ２の関係は以下のように示される）に配置することにより送出される信号Ｖ１＝＋ＣＯＳまたは＋ＳＩＮおよびＶ２＝−ＣＯＳまたは−ＳＩＮは、下記の式によって示すことができる。
Ｇは、実装物４、４’の仮定される同一のゲインである。ωは回転速度である。Ｈｉは、ｉ＝１に対応する基本波の振幅、および、ｉ＝３、５等に対応するｉ次高調波の振幅である。
減算器回路は下記式に示されるＳＩＮまたはＣＯＳの差を計算する。
図６に関して、ｅ＝Ｌｐ ｍｏｄｕｌｏ ２Ｌｐであり（すなわち、実装物は、オフセット１８０° ｍｏｄｕｌｏ ３６０°であり）、差（Ｖ１（ｔ）−Ｖ２（ｔ））は以下のように示される。
３次および５次の高調波は保持され、減算操作後の基本波と同じゲイン２を有することがわかる。
回転パラメータを正確に決定するために、少なくとも３次高調波がフィルタリングされた信号を測定することが望ましい。しかし、高調波によって生じた誤差に対して任意の固定的な補償（補正）を行うことは困難である。当該誤差は、特に測定条件（エアギャップ、センサの位置）に依存するためである。さらに、大量かつ低コストの用途においては、キャリブレーションを予期することも困難である。
図８は、下記式のオフセットの数値に応じた３次高調波のフィルタリングを示す。
距離ｅが２／３Ｌｐまたは４／３Ｌｐ ｍｏｄｕｌｏ ２Ｌｐと実質的に等しいとき、差（Ｖ１（ｔ）−Ｖ２（ｔ））は以下のように示される。
上記場合において、３次高調波はキャンセルされ、減算操作後の基本波および５次高調波のゲインは１．７３である。次に、基本波の８６．５％を依然として保持しながら、３次高調波の空間フィルタを実施した。
図８に関して、一般的に、３次高調波のフィルタが、基本波の振幅に対してフィルタリングを行うことなく、３次高調波から少なくとも３ｄＢを除去する役割を果たす場合を考える。そうすると、下記式に示される関係が必要となる。
したがって、距離で表すと、３次高調波のフィルタリングを得るためには、実装物４、４’は法線Ｎに沿って測定された移行部３までの距離ｅだけ離間される必要がある。すなわち、下記式に示される関係が必要となる。
０．５５Ｌｐ＜ｅ＜０．８２Ｌｐ、ｍｏｄｕｌｏ ２Ｌｐ、または、
１．１８Ｌｐ＜ｅ＜１．４５Ｌｐ、ｍｏｄｕｌｏ ２Ｌｐ。
０．５５Ｌｐ＜ｅ＜０．８２Ｌｐ、ｍｏｄｕｌｏ ２Ｌｐ、または、
１．１８Ｌｐ＜ｅ＜１．４５Ｌｐ、ｍｏｄｕｌｏ ２Ｌｐ。
特に、実装物４、４’の間の距離ｅは結合フィルタリング−ゲインを最適化するために、上述の範囲内で変化させてもよい。さらに、利用可能な空間に応じて、実装物４、４’は、法線Ｎに沿って、移行部３に整列させてもよい（軸Ｘに沿って、または、周方向にオフセットして（図６））。
回転パラメータを決定するための、処理された信号における３次高調波の抑制または少なくとも減衰は、上記決定の精度向上に有益である。また、以下をもたらす信号処理アルゴリズムに関しても有益である：
上記信号のオフセットの除去；
上記信号の振幅の均等化；
信号間の位相補正。
上記信号のオフセットの除去；
上記信号の振幅の均等化；
信号間の位相補正。
Claims (7)
- 回転部材の少なくとも１つの回転パラメータを決定する決定システムであって、
コーダ（１）と、少なくとも１つのセンサと、を備え、
前記コーダは、前記回転部材と共に動作することによって、当該回転部材と回転するように構成されており、
前記コーダは、回転軸（Ｘ）を中心とした半径ａを有する円筒状周縁部を有する本体を備え、
前記周縁部は移行部（３）によって分離された、幅ｌを有する交互的なＮ極（２ｎ）およびＳ極（２ｓ）を有し、
前記移行部の各々は、ピッチｐおよび角度αのヘリックスに沿って延在し、周期的な磁界を出力することができる多極磁気トラック（２）を形成し、
前記トラックは、Ｎ極（２ｎ）とＳ極（２ｓ）とのＮｐｐ対と、法線（Ｎ）に沿って測定された移行部（３）までの極幅Ｌｐを有し、Ｎｐｐ＝πａ／ｌおよびＬｐ＝ｐ・ｃｏｓαであり、
前記周期的な磁界は前記磁気トラックおよび前記移行部に対して垂直である平面において回転しており、
前記センサは、少なくとも２つの感知磁性素子（５）の実装物（４，４’）によって、前記コーダによって出力される回転している周期的な磁界を検出することができ、
前記実装物は磁気トラック（２）からの半径方向読取距離に配置されており、さらに、直角位相の信号（Ｖ０１，Ｖ０２；Ｖ’０１，Ｖ’０２）を送出するように配置されている、決定システム。 - 前記実装物（４，４’）は、４つの感知磁性素子（５）の２つのホイートストンブリッジ回路を含み、
前記回路は前記磁気トラック（２）に対して垂直である平面に配置され、前記トラックから出力される、前記平面において回転している前記磁界を検出する、請求項１に記載の決定システム。 - 各感知磁性素子（５）は、前記検出される磁界に応じて抵抗が変化するトンネル磁気抵抗材料による少なくとも１つのパターンを含む、請求項１または２に記載の決定システム。
- 直角位相の各信号（Ｖ０１，Ｖ０２；Ｖ’０１，Ｖ’０２）を送出することによって、法線（Ｎ）に沿って測定された移行部（３）までの距離ｅだけ離間されている前記実装物（４，４’）の２つのセンサを備え、
前記信号を減算して直角位相の信号（ＳＩＮ、ＣＯＳ）を生成する装置をさらに備える、請求項１〜３のいずれか１項に記載の決定システム。 - 前記距離ｅが下記式の関係を有する、請求項４に記載の決定システム：
ｅ＝Ｌｐ ｍｏｄｕｌｏ ２Ｌｐ。 - 前記距離ｅが下記式の関係を有する、請求項４に記載の決定システム：
０．５５Ｌｐ＜ｅ＜０．８２Ｌｐ、ｍｏｄｕｌｏ ２Ｌｐ；または、
１．１８Ｌｐ＜ｅ＜１．４５Ｌｐ、ｍｏｄｕｌｏ ２Ｌｐ。 - 前記距離ｅが２／３Ｌｐまたは４／３Ｌｐ ｍｏｄｕｌｏ ２Ｌｐと実質的に等しい、請求項６に記載の決定システム。
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