JP2021148798A - コモンモードおよびその他の干渉磁場を検出する方法 - Google Patents

コモンモードおよびその他の干渉磁場を検出する方法 Download PDF

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Abstract

【課題】2つの磁場センサの信号にどれだけ外部からの干渉磁場が存在するかを決定する。【解決手段】少なくとも2つの磁場センサ(S1;S2)のうちの1つによってそれぞれ放出される単一の信号磁場と共に送信されるコモンモード磁場の比率の検出方法であって、前記磁場センサ(S1;S2)は、少なくとも1つの電気回路に接続されていて、少なくとも2つの差動駆動クロック(A;B)は、前記電気回路に流れる電流を反転させる。【選択図】図1

Description

本発明は、請求項1の特徴に記載の方法および請求項4に記載の装置に関する。
米国特許第8893562号公報は、回転可能なシャフトに加えられたトルクを測定するためのトルク検知装置、またこの装置に影響を与える磁場ノイズを測定するためのトルク検知装置を開示している。この装置には、共通信号検出モードと差動ノイズ検出モードで動作できる切替機能が組み込まれている。
従来、最先端技術で知られているセンサは、非常に小さな差動磁場を測定する。
上記磁場は、金属片に作用する応力に関連している。
この応力は、応力が材料に与えるせん断力でもあり得ることは言うまでもない。
従来のセンサでは、これらの測定結果は外部磁場の影響を受ける可能性があるため、不正確さが生じる。
これまで、外部磁場の存在は、システムに追加で実装された追加のセンサによって検出されていた。
追加のセンサは診断目的で使用されていた。最先端技術で使用される追加のセンサは、センサの精度が低下するのを防ぐために実装されていた。不正確さは外部磁場によるものであった。
さらに追加のセンサを実装すると、さらに多くのチャネルが必要になるため、非常にコストがかかり高価であることが判明した。
しかし実際には、これらの追加のセンサを通過する磁場は常に同じではなかった。
さらに、これらの磁場は発散磁場である。その理由は、外部の漂遊磁場または近接磁場が、同じ方法または同じ強度で方向付けられたセンサを常に通過するとは限らないからである。
ただし、実際には、コモンモード磁場の項は消えない。言い換えれば、コモンモード電流cm1とcm2は常に消えるとは限らない。
測定を補正するために、Ctノードへの補正の電流icである測定電流(ic)が含まれ、これもセンサ信号とコモンモード磁場の差である。
したがって、測定結果はしばしば不正確である。測定の誤差は、センサS1とS2によって測定される外部磁場の差に基づく。
また、センサS1によって測定された外部磁場は、センサS2によって測定された外部磁場と比較して、より大きくまたはより小さくなり得る。
これは、Ctノードへの方向またはCtノードからの方向の電流icが、任意の与えられた信号に対して同じ方向に留まることを実証することである。この特定の例では、これが最先端のセンサの仕組みである。
異なる駆動電圧でバイポーラ磁力計を使用する場合、磁場検出と少なくとも1つの補正点が発見され、循環電流の動作の乱れが見られた。
上記循環電流は、駆動特性、ならびに必要な信号磁場および不要なコモンモード磁場の両方および/または外部干渉磁場の存在に関連している。
従来、この問題は、追加のセンサまたは他のチャネルをさらに実装することによって対処されてきた。
本発明の目的は、最先端技術で知られている方法の欠陥に対処することである。
以下の図1および図2を参照して説明する。
フェーズ1の間、および/または駆動クロックAがハイ(5V)に設定されている場合、センタータップ(CT)に向かう電流i1と、タップ(CT)の後の電流i2がある。センタータップ(CT)はセンサS1とS2の間に配置される。
本発明の1つの目的は、コモンモード信号からなるセンサS1の信号の一部を決定することである。
また、本発明のもう1つの目的は、コモンモード信号からなるセンサS2の信号の一部を決定することである。
センサS1の信号内のコモンモード信号を示す電流を表す電圧値は、信号A+で表される。
また、センサS2の信号内のコモンモード信号を示す電流を表す電圧値は、信号B+で表される。
信号icは、センサicの電流とコモンモード磁場の電流icmとの差を表す。
言い換えれば、本発明の意図は、センサS1の信号および/またはセンサS2の信号がどの程度外部磁場で構成されているかを決定することである。
したがって、本発明の意図は、センサS1の信号および/またはセンサS2の信号にどれだけの干渉磁場が存在するかを決定することである。
(センサとチャネル)
本発明でのセンサは、磁場センサである。
本発明によれば、磁気弾性体に加えられたトルクを測定し、同時に潜在的な外部磁場を検出するための少なくとも1つのセンサが存在する。
上記センサは、少なくとも1つの第1の原理および1つの第2の原理を含む。センサの原理は、磁気弾性体に加えられたトルクの影響を測定することに関連するものである。この原理により磁気弾性センサへの外部磁場の影響をある程度検出する。センサの原理は、磁気弾性体への外部磁場の影響のみを検出する。この原理により、磁気弾性体に加えられたトルクは測定されない。
本発明では、センサはフラックスゲートセンサとして適用される。
センサは、検出素子とも呼ばれることは言うまでもない。システムには、任意の数のセンサやチャネルを適用できる。
例として、システムは単一のチャネルを含む。任意の数のチャネルを適用できることは言うまでもない。
以下では、本特許出願は磁場センサのみに言及する。
以下では、以下に記載した式を参照する。また、図6と図7を参照する。
本発明では、トルクという用語は、磁気弾性体などの物体に応力を発生させる物体に加えられる力のことである。
本出願では、トルクと応力という表現を同義語として使用する。
少なくとも1つの循環電流の動作を分析することにより、必要な信号磁場を、不要なコモンモード磁場や近くの磁場と区別することができる。
本発明によれば、干渉磁場の存在と強度に関する情報は、干渉信号が存在する時のセンサ信号の取り扱いに関する追加情報を目的とした診断として使用される。
干渉磁場の存在と強度に関する情報は、較正されたしきい値、および許容範囲外の診断として使用できる。
干渉磁場の存在と強度に関する情報は、悪影響を低減するための補正方法としても使用できるため、センサは所望の仕様の範囲内に留まる。
本発明の目的は、センサS1および/またはセンサS2の信号中に、どの程度の干渉磁場が存在するかを検出することである。
システムに流れ込む電流は(i1)と呼ばれる。S1信号とコモンモード磁場を表す部分の両方を含むセンサS1の電流は、A+と呼ばれる。
センサS1および/またはS2が発する信号は、常にコモンモード磁場によって妨害されたセンサの信号との差である。したがって、センサS1および/またはS2が発する信号は電流icである。
ただし、コモンモード磁場の値(icm)と比較して、センサS1またはS2の電流の値が何であるかは分からない。
したがって、本発明の目的は、センサの信号(is1またはis2)とコモンモード磁場の値(icm1;icm2)の両方の正確な値が何であるかを検出することである。
センタータップCTから流出する電流は、Bマイナス(B−)で表される。
したがって、センタータップCTから流出する電流は、センサの信号(is2)からセンサS2に干渉するコモンモードの電流(icm2)を引いたもので構成される。
図7では、システムが図6とは逆に示され、駆動クロックAが5Vから0Vにシフトする一方、駆動クロックBが0Vから5Vにシフトする。
したがって、本発明は、通常は測定結果において消えてしまうコモンモード磁場を識別することを可能にする。
外部磁場のみを検出するためだけに必要なセンサがないので、複数のセンサが不要になることは、本発明の1つの利点である。
本発明によれば、コモンモード磁場の存在および/または干渉磁場の存在は、一つのチャネルの単一の磁場センサ内で検出することができる。
したがって、本発明によれば、センサの信号が何であるかが分かり、干渉磁場も見えるようになる。
本発明(特に図6および図7)によれば、A+の値が測定され、センサS1を流れる正の電流を示している。
ただし、値B−は、Bチャネルに流れ込む負の電流を表し、駆動クロックBはローである。示されている状況では、駆動クロックAはハイで、駆動クロックBはローである。
したがって、フェーズ2では、B+は駆動クロックBからセンタータップ(CT)に向かって流れる電流を示す。
値A−は、駆動クロックAがローのときのセンタータップ(CT)から流れる電流を表す。
ここで、本発明は、これらの測定結果を組み合わせて、干渉磁場の量を抽出する。
干渉磁場はIFDと呼ばれる。
本発明は、センタータップ(CT)を挟んで対称的に配置される抵抗(R1;R2)を導入する。
フェーズ1では、A+はR1の隣の測定点を表す。ただし、B−はR2の後の測定点である。
A+とB−という用語は、電流が駆動クロックAから駆動クロックBに流れるフェーズ1の状況を指す。
R1とR2は抵抗である。電流を電圧に変換するのが抵抗R1とR2の役割である。
センサS1とS2の電流i1とi2の大きさが測定されるので、抵抗R1とR2がシステムに導入される。
電流i1とi2の大きさは、2つの異なるフェーズで測定される。
各センサS1とS2には、それぞれ1つの抵抗R1とR2が割り当てられる。その理由は、センサS1とS2はいわゆるブリッジの一部だからである。センタータップ(CT)の両側のブリッジのバランスをとる必要がある。
センサS1またはセンサS2の領域においてブリッジの半分で行われることはすべて、ブリッジの残りの半分(センサS2またはセンサS1)でも行われる必要がある。
ブリッジの半分に1つの抵抗(R1;R2)のみが導入されている場合、システムにオフセットが作成される。
あるいは、システムに非線形性が生じる。
理解を深めるために、図1から図7は説明中の例に伴って示されるとともに、説明の最後にも追加されている。
各図は以下の通りである。
極性が異なる駆動クロックAおよび反対の駆動クロックBである。 図1と比較して極性が異なる駆動クロックAおよび反対の駆動クロックBである。 コモンモード干渉磁場のある駆動クロックAおよび反対の駆動クロックBである。 センタータップ(CT)を備えた電気回路である。 センタータップ(CT)を備えた電気回路であり、図4と比較して逆方向に電流が流れる。 抵抗を含む電気回路である。 抵抗を含む電気回路であり、図6と比較して逆方向に電流が流れる。
図1および図2によれば、磁場センサS1およびS2は、電流回路内に配置されている。センサS1およびS2には、任意のタイプの磁場センサを使用することができる。
上記センサS1およびS2は、互いに反対方向の磁場を測定している。本発明によれば、フラックスゲートセンサを動作させるために、周波数を設定する必要があり、この周波数は、フラックスゲートの数と特性に応じて通常数10キロヘルツ(KHz)の範囲の予め設定された値の駆動クロック周波数とすることもできる。
特定のフェーズ1において、駆動クロックAはハイであり、反対の駆動クロックBはローである。
一方、特定のフェーズ2では、駆動極性が切り替えられるため、駆動クロックBがハイであり、駆動クロックAがローである。
このため、前記センサS1とセンサS2との間の電流は、行ったり来たりする。
特定のフェーズ1では、電流は駆動クロックAから駆動クロックBに流れる一方、特定のフェーズ2では、電流はBからAに流れる。
クロックという用語は、5V(ボルト)デジタルクロックのことである。したがって、電圧を0Vから5Vに、またはその逆に変更できる。異なる電圧値を適用することもできることは言うまでもない。この原理は、シングルエンドの駆動クロックでも機能する。
したがって、電流は、センサS1およびS2によって形成された検知ネットワークを通って行ったり来たりする。言い換えれば、センサS1とS2の間を流れる電流は二相電流である。
本出願では、二相電流は、処理中に交互に起きる2つの異なる強度の相またはパルスを指す。したがって、電流はセンサ1と2の間でいずれかの方向にシフトする。
言い換えれば、電流の変化を検知するのは磁場センサS1とS2の機能である。
この例のセンサS1の検知方向は、駆動クロックAから駆動クロックBである一方、センサS2の検知方向は、逆に、駆動クロックBから駆動クロックAである。
ここで、例として、コモンモード磁場は、駆動クロックAから駆動クロックBの方向を示す。コモンモード磁場はまた、駆動クロックBから駆動クロックAに向くこともできる。
図3に示すように、例として、駆動クロックAがハイで、駆動クロックBがローの場合、電流i1が駆動クロックAから駆動クロックBに流れると、コモンモード磁場は、センサ1で測定される磁場を強化する。
言い換えれば、磁場は、センサS1を使用して、コモンモード磁場と同じ方向に向けられて測定される。図1と図2とによると、電流i1と磁場を妨害しているコモンモードの両方が同じ方向を向いている。
この場合、センサS1は信号磁場を測定するだけでなく、コモンモード磁場も測定している。
言い換えれば、電流信号i1は、信号磁場と干渉磁場の両方の関数である。
同じ例において、電流i2は、干渉磁場が差し引かれた信号磁場の関数である。
これは、センサS1とセンサS2の両方の検知する磁場の方向が反対だからである。
言い換えれば、フェーズ2で電流が逆になると、検知する磁場が存在し、干渉するコモンモード磁場がない場合、補正の電流icの大きさと方向は同じ大きさと方向のままになる。
したがって、電流i1とi2は、センサの信号のみを示しているわけではない。正確には、電流i1とi2は、センサの信号と、この信号に追加されたコモンモード干渉磁場とを示す。
したがって、測定フィールドicは、2つの検知する磁場方向i1とi2の差を補正する。
センサS1の信号は、センサS1の信号およびコモンモード磁場を表す。したがって、センサS1の信号は、コモンモード磁場cm1による電流が加えられたセンサS1の信号磁場による電流を表す。
したがって、電流i1は、コモンモード干渉磁場の成分が加えられたセンサS1の信号の成分を含む。
また、センサS2の電流は、センサS2の信号からコモンモード磁場が差し引かれたセンサS2の信号である。これは、センサS2の反対方向の電流とコモンモード磁場によるものである。
本発明によれば、センサS1、S2のうちの1つは、コモンモードセンサであるように構成され、それぞれの他のセンサS2、S1は、差動モードセンサであるように構成される。
電流i1とi2が逆になると、システムは逆向きになることは言うまでもない。
したがって、差動モードでは、is1は材料に加えられた応力を検出するために行われる測定結果を表す。
言い換えれば、信号is1は必要な情報である。ただし、信号is1は外部コモンモード磁場から干渉を受ける。
図4と図5に示すように、測定によって検出される要因は信号is1であるが、それはコモンモード磁場cm1から干渉を受ける。
したがって、フェーズ1の信号i1は、信号is1とicm1の2つの成分で構成される。
信号is1とicm1が合計され、残っているのは測定電流icである。
測定に使用されるのは、コモンモード磁場が消えた状態の測定電流icである。
コモンモード磁場が存在していても、完全なシステムがある場合、コモンモード磁場は信号icに表示されない。
同じことがフェーズ2にも当てはまる。ここで、電流が分配される方法では、信号icはis1+icm1に等しい一方、フェーズ2では、電流は(−is2)+icm2として分配される。
フェーズ1とフェーズ2の信号を加算すると、補正の電流もic=is1+is2のままである。
以下の図6と図7は、電流が双方向であり、コモンモード磁場が存在する場合でも、複数のコモンモード磁場が同一である場合、複数のコモンモード磁場が測定結果から消えることを示している。
これは、測定電流icが信号(−i1)と信号(−i2)で構成されているためである。
センサS2の信号は、センサS2の信号およびコモンモード磁場を表す。
駆動クロックAを0Vから5Vレベルに設定すると、その結果、駆動クロックBは0Vレベルに設定される。この状態はフェーズ1と呼ばれる。図6の例では、駆動クロックAは0Vから5Vになる。その結果、駆動クロックBは5Vから0Vに遷移する。
上記フェーズ1では、電流は駆動クロックAから駆動クロックBに流れる。
図6と図7に示すように、システムは逆の方法で設定することもできる。フェーズ2では、駆動クロックAが5Vから0Vに遷移する一方、駆動クロックBが0Vから5Vにシフトする。
駆動クロックAまたはBの5Vから0Vへの遷移は、実際の駆動クロックが調整される固定キロヘルツ周波数に依存する。
例として、駆動クロックAとBは、それぞれデューティサイクル50%と周期20μSで5Vから0Vに、そして5Vに無限に切り替わる。
駆動クロックAとBが反転しているため、駆動クロックAがローの場合、駆動クロックBはハイであり、その逆である。したがって、駆動クロックBがローのとき、駆動クロックAはハイである。
したがって、電流は、それぞれ10μSである上記の半周期の間、AからBまたはBからAに流れる。
本発明は、少なくとも1つの従来のセンサを使用する。
最先端のセンサとは違って、本発明は方法を変え、センサの複数のコイルが接続されている。
さらに、本発明は、2つのセンサ間に配置されたセンタータップ位置を測定する。
これを行う際に、漂遊磁場の存在が検出される。
余分なコストをかけずに、単一のチャネルを実装して検出を行うことができる。
本発明の1つの目的は、センサによって発せられる信号を妨害する外部磁場の大きさに関して、隠された情報を抽出することである。
本発明の1つの目的は、以下の4つの方程式を設定することである。
図7(フェーズ1)では、駆動クロックAは、駆動クロックBよりも高い値に設定されている。
したがって、駆動クロックAからi1のセンタータップCTに向かって流れる電流がある。電流i2はセンタータップ(CT)から駆動クロックBに流れる。
したがって、次の式が適用される。
=−is1−icm1 Aがハイの時の正の電流
= is2−icm2 Bがローの時の負の電流
=−is2+icm2 Bがハイの時の正の電流
= is1+icm1 Aがローの時の負の電流
信号A+とB−の値が合計され、信号B+とA−の合計値と組み合わされる。
次に、信号A+とB−の値の合計と信号B+とA−の値の合計の差が計算される。
残っているのは、以下の干渉磁場の検出である。
IFD=2icm1+2icm2.0
A 駆動クロックA
A+ 信号A+
B 駆動クロックB
B+ 信号B+
i1 センサS1の電流
i2 センサS2の電流
ic 補正の電流
iS1 センサS1の信号
iS2 センサS2の信号
icm1 センサS1のコモンモード磁場の値
icm2 センサS2のコモンモード磁場の値
S1 センサS1
S2 センサS2
D コモンモード干渉磁場
R1 センサS1に割り当てられた抵抗
R2 センサS2に割り当てられた抵抗

Claims (9)

  1. 少なくとも2つの磁場センサ(S1;S2)のうちの1つによってそれぞれ放出される単一の信号磁場と共に送信されるコモンモード磁場の干渉部分を検出する方法であって、
    前記磁場センサ(S1;S2)は、少なくとも1つの電気回路に接続されていて、
    少なくとも2つの差動駆動クロック(A;B)は、前記電気回路のそれぞれに流れる電流を反転させることを特徴とする方法。
  2. 前記磁場センサ(S1;S2)の間にセンタータップ(CT)が配置されていることを特徴とする請求項1に記載の方法。
  3. 電気回路内の各磁場センサー(S1;S2)に電気部品を割り当てて、電気抵抗(R1;R2)を実装する工程と、
    駆動クロック(A)が高い値であり、駆動クロック(B)が低い値である場合に、駆動クロック(A;B)が数10KHzの周波数で切り替わる間隔の間に、(A+)と(B−)の測定を行う工程と、
    前記磁場センサ(S1)から前記磁場センサ(S1)に割り当てられた前記電気抵抗(R1)に流れる電流(iS1)の値と、前記磁場センサ(S1)と干渉するコモンモード磁場icm1の電流とを合計することにより、前記磁場センサ(S1)を流れる正の電流(A+)を計算する工程と、
    前記駆動クロック(B)が低い場合に、前記磁場センサ(S2)に割り当てられた前記電気抵抗(R2)から前記磁場センサ(S2)に流れる電流(iS2)の値と、前記磁場センサ(S2)と干渉するコモンモード磁場(icm2)の電流とを合計することにより、負の電流(B−)を計算する工程と、
    前記駆動クロック(B)が高い値であり、前記駆動クロック(A)が低い値である場合に、前記駆動クロック(A;B)がある周波数で切り替わる間隔の間に、(B+)と(A−)の測定を行う工程と、
    前記駆動クロック(B)が高い場合に、前記磁場センサ(S2)から前記磁場センサ(S2)に割り当てられた前記電気抵抗(R2)に流れる電流(iS2)の値と、前記磁場センサ(S2)と干渉するコモンモード磁場(icm2)の電流とを合計することにより、正の電流(B+)を計算する工程と、
    前記磁場センサ(S1)に割り当てられた前記電気抵抗(R1)から前記磁場センサ(S1)に流れる電流(iS1)の値と、前記磁場センサ(S1)と干渉するコモンモード磁場icm1の電流とを合計することにより、前記磁場センサ(S1)を流れる負の電流(A−)を計算する工程と、
    正の電流(A+)と負の電流(B−)との合計、および正の電流(B+)と負の電流(A−)との合計の両方を合計する工程と、
    残留干渉場検出(IFD)を計算する工程と、
    を含むことを特徴とする請求項1に記載の方法。
  4. 少なくとも1つの電気回路を備えた磁場検出用装置であって、
    前記電気回路は、前記電気回路を流れる電流を逆転させる差動駆動電圧を有し、さらに、前記電気回路に接続され、少なくとも1つの信号磁場を放出する少なくとも2つの磁場センサ(S1;S2)を有し、
    電気抵抗(R1;R2)を実装する少なくとも1つの電気部品が、前記電気回路内の前記磁場センサ(S1;S2)のそれぞれに割り当てられていることを特徴とする磁場検出用装置。
  5. センタータップ(CT)は、少なくとも2つの磁場センサ(S1;S2)の間に配置されることを特徴とする請求項4に記載の装置。
  6. 前記駆動電圧を生成する少なくとも2つの駆動クロック(A; B)のそれぞれは、前記電気回路に接続され、前記電気回路を流れる電流を逆転させることを特徴とする請求項4に記載の装置。
  7. 前記電気回路は、双方向駆動であることを特徴とする請求項4に記載の装置。
  8. 前記電気抵抗(R1;R2)を実装する前記電気部品は、抵抗器(R1;R2)であることを特徴とする請求項4に記載の装置。
  9. バイポーラ磁力計である請求項4から請求項8のいずれか1項に記載の装置。
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