JP2023543445A - 磁気センサシステムを使用する位置監視方法 - Google Patents

Abstract

本開示は、直線方向に回転可能な機構によって駆動される構成要素の位置を検出するための直線アクチュエータ装置、磁気センサシステム、及び使用方法を提供する。多回転（ＭＴ）センサ及び単一回転（ＳＴ）センサの両方を備える磁気感知デバイスは、同一の半導体パッケージ内に提供され、回転可能な機構の周辺に配置される。磁石は、機構が回転するにつれて、回転する磁界が生成されるように、回転可能な機構に取り付けられる。ＭＴセンサは、回転可能な機構の回転数に変換される回転磁界の回転数を測定する。ＳＴセンサは、回転可能な機構の角度位置に変換される回転磁界の角度を測定する。回転可能な機構の各回転が特定の量の直線運動に変換されるため、回転機構が回転した量は、駆動構成要素によって移動される距離に比例し、したがって、直線位置を示す。したがって、回転可能な機構に関連して磁石及び磁気感知デバイスを配置することによって、多回転センサが回転数を提供し、角度センサが各回転内の正確な角度位置を提供することによって、測定された回転位置を、回転の結果として直線的に移動されている要素の対応する直線位置に変換することができる。

Description

本開示は、直線アクチュエータ、磁気感知デバイス及び使用方法に関する。具体的には、本開示は、直線方向に回転可能な機構によって駆動される構成要素の位置を監視するための磁気センサシステム及び使用方法に関する。

単一回転角度センサと、多回転センサと、を備える、磁気センサシステムは、一般に、デバイスが回転している回数及びその正確な角度位置の両方を監視する必要性がある用途において使用される。一例が、車両のハンドルである。磁気多回転センサは、典型的には、印加される外部磁界の影響を受けやすい磁気抵抗素子を含む。磁気抵抗素子の抵抗は、センサの周辺内の磁界を回転させることによって変更され得る。磁気抵抗素子の抵抗の変動は、磁界の回転数を判定するためにトラッキングされ、磁界の回転数は、監視されているデバイスにおける回転数に変換され得る。同様に、磁気単一回転センサは、回転磁界の磁界角を測定し、磁界角は、監視されているデバイスの角度位置に変換され得る。

本開示は、直線方向に回転可能な機構によって駆動される構成要素の位置を検出するための直線アクチュエータ装置、磁気センサシステム、及び使用方法を提供する。多回転（ｍｕｌｔｉ－ｔｕｒｎ、ＭＴ）センサ及び単一回転（ｓｉｎｇｌｅ ｔｕｒｎ、ＳＴ）センサの両方を備える磁気感知デバイスは、同一の半導体パッケージ内に提供され、回転可能な機構の周辺に配置される。磁石は、機構が回転するにつれて、回転する磁界が生成されるように、回転可能な機構に取り付けられる。ＭＴセンサは、回転可能な機構の回転数に変換される回転磁界の回転数を測定する。ＳＴセンサは、回転可能な機構の角度位置に変換される回転磁界の角度を測定する。回転可能な機構の各回転が特定の量の直線運動に変換されるため、回転機構が回転した量は、駆動構成要素によって移動される距離に比例し、したがって、直線位置を示す。したがって、回転可能な機構に関連して磁石及び磁気感知デバイスを配置することによって、多回転センサが回転数を提供し、角度センサが各回転内の正確な角度位置を提供することによって、測定された回転位置を、回転の結果として直線的に移動されている要素の対応する直線位置に並進することができる。

そのような配設は、直線位置を測定するためのコンパクトかつ堅牢なデバイスを提供し、直線駆動構成要素に直線位置システムを設置する必要性を排除する。

本開示の第１の態様は、直線アクチュエータデバイスであって、
直線方向にシステムを作動させるための第１の構成要素と、
第１の構成要素を直線方向に駆動するように構成された回転可能な機構と、
回転可能な機構に取り付けられた磁石と、
磁石の周辺の少なくとも１つの磁気感知デバイスであって、
回転可能な機構が回転するにつれて磁石によって生成された磁界の配向を検出するように構成された角度センサと、
回転可能な機構が回転するにつれて磁石の回転数を検出するように構成された磁気多回転センサと、を備える、少なくとも１つの磁気感知デバイスと、を備え、
少なくともオン磁気感知デバイスが、磁界の検出された配向及び検出された回転数に基づいて、直線方向における第１の構成要素の位置を出力するように構成されている、直線アクチュエータデバイスを提供する。

角度センサ及び多回転センサは、好ましくは、第１の集積回路基板上に配設される。すなわち、多回転センサ及び角度センサは、同一の磁気センサパッケージにおいて提供されており、これは、かなりのスペースを占有することなく、磁石に近接して容易に設置することができる。

少なくとも１つの磁気感知デバイスは、直線方向における第１の構成要素の位置を判定するための処理手段を更に備え得る。

角度センサは、好ましくは、０°～１８０°の範囲にわたる磁界の配向を検出するように構成されている。すなわち、角度センサは、各半回転内の絶対角度位置を判定する。

角度センサは、異方性磁気抵抗（ａｎｉｓｏｔｒｏｐｉｃ ｍａｇｎｅｔｏｒｅｓｉｓｔｉｖｅ、ＡＭＲ）ベースの単一回転センサ、巨大磁気抵抗（ｇｉａｎｔ ｍａｇｎｅｔｏｒｅｓｉｓｔｉｖｅ、ＧＭＲ）ベースの単一回転センサ、トンネル磁気抵抗（ｔｕｎｎｅｌ ｍａｇｎｅｔｏｒｅｓｉｓｔｉｖｅ、ＴＭＲ）ベースの単一回転センサ、ホール効果センサ、及び誘導センサのうちの１つであり得る。

多回転センサは、巨大磁気抵抗（ＧＭＲ）ベースの多回転センサ、又はトンネル磁気抵抗（ＴＭＲ）ベースの多回転センサであり得る。

多回転センサは、電気的に直列に接続され、らせん構成で物理的にレイアウトされる複数の磁気抵抗素子を備え得る。

そのような場合、多回転センサは、複数の磁気抵抗素子の磁気抵抗素子を、複数の磁気抵抗素子の他の磁気抵抗素子に電気的に接続するように配設された電気接続のマトリックスを更に備え、マトリックスは、少なくとも３×３である。

回転可能な機構は、第１の円筒形歯車を備えてもよく、第１の構成要素は、第１の円筒形歯車と協働するように構成された直線歯車を備え、その結果、第１の円筒形歯車の回転が、直線歯車を直線方向に並進させる。例えば、各歯車は、一緒に協働する歯を備えてもよく、それによって、ラックアンドピニオン配設を提供する。

回転可能な機構は、第１の円筒形歯車と協働するように構成された第２の円筒形歯車を更に備えてもよく、その結果、第２の円筒形歯車の回転が、第１の円筒形歯車の対応する回転を引き起こす。

そのような場合、磁石は、第１の円筒形歯車又は第２の円筒形歯車に関連して取り付けられ得る。したがって、磁石は、歯車のうちの１つで回転し、それによって回転する磁界を生成し、したがって、磁気感知デバイスは、磁石が取り付けられている歯車の回転を監視する。

回転可能な機構は、ねじ付きねじ及び円筒形歯車を備えてもよく、ねじ付きねじが、円筒形歯車と協働するように構成され、その結果、ねじ付きねじの回転が、円筒形歯車の回転を引き起こす。例えば、回転可能な機構は、ウォームと、ウォーム歯車と、を備えるウォーム駆動配設であり得る。

そのような配設では、次いで、第１の構成要素は、筒形歯車と協働するように構成された直線歯車を備えてもよく、その結果、円筒形歯車の回転が、直線歯車を直線方向に並進させる。

他の配設では、回転可能な機構は、ねじ付きシャフトを備えてもよく、第１の構成要素が、ねじ付きシャフトの周りに配設され、ねじ付きシャフトと係合するように構成された環状部分を備え、その結果、ねじ付きシャフトの回転が、環状部分を、ねじ付きシャフトに沿って直線方向に並進させる。そのような配設の一例は、回転するときにリードねじに沿って移動するナットを備えたリードねじである。

いくつかの場合において、ねじ付きシャフトは、ねじ付きシャフトの回転を駆動するように構成された歯車配設を更に備え得る。そのような場合、磁石は、歯車配設に取り付けられ得る。

磁石は、単極対磁石又は多極磁石であり得る。

磁石が多極リング磁石である場合、少なくとも１つの磁気感知デバイスが、多極磁石の外周縁部に隣接する第１の位置に位置し、かつ／又は多極磁石の前方の第２の位置が極対と整列し得る。

直線アクチュエータ装置は、回転可能な機構を駆動するように構成されたモータを更に備え得る。

直線アクチュエータ装置は、角度センサ及び多回転センサを初期化するための電磁石を更に備え得る。

直線アクチュエータ装置は、磁石及び磁気感知デバイスの周りに形成された保護シールドを更に備え得る。例えば、保護シールドは、強磁性材料を含んでもよい。これにより、誤った読み取りを引き起こす可能性のある迷走磁界から感知デバイスを保護する。

直線アクチュエータ装置は、直線センサシステムを更に備え得る。例えば、直線センサシステムは、第１の数の磁極を含むインクリメンタル直線トラックと、第１の数の磁極をカウントするように構成された更なる磁気感知デバイスと、を備え得る。

本開示の第２の態様は、磁気感知デバイスを使用して位置を監視する方法であって、磁石が、直線方向に第１の構成要素を作動させるように構成された回転可能な機構に取り付けられ、方法が、
角度センサを使用して、回転可能な機構が回転するにつれて磁石によって生成される磁界の配向を検出することと、
多回転センサを使用して、回転可能な機構が回転につれて磁石の回転数を検出することと、
検出された配向及び検出された回転数に基づいて、直線方向における第１の構成要素の位置を判定することと、を含む、方法を提供する。

直線方向における第１の構成要素の位置を判定することは、回転可能な機構によって、第１の方向の回転量を判定することと、判定された回転量に基づいて、直線方向に第１の構成要素によって走行される距離を判定することと、を含んでもよい。この点において、回転可能な機構による回転量は、第１の構成要素によって走行される距離に比例し、したがって、測定された回転は、直線位置に直接並進し得る。

角度センサ及び多回転センサは、好ましくは、第１の集積回路基板上に配設される。

磁界の配向を検出することは、好ましくは、０°～１８０°の範囲にわたる磁界の配向を検出することを含む。

方法は、第１の構成要素が開始位置にあるときに、角度センサ及び／又は多回転センサを初期化することを更に含んでもよい。

本開示の更なる態様は、
プロセッサと、
実行時にプロセッサが上述の方法を実行させられるように配設される、１つ以上の命令を記憶するコンピュータ可読媒体と、を備える、コンピュータシステムを提供する。

本開示の更なる態様は、位置を監視するための磁気センサシステムであって、
回転可能な機構に取り付けられた磁石であって、回転可能な機構が、直線方向に第１の構成要素を作動させるように構成されている、磁石と、
磁石の周辺の少なくとも１つの磁気感知デバイスであって、
回転可能な機構が回転するときに磁石によって生成された磁界の配向を検出するように構成された角度センサと、
回転可能な機構が回転するにつれて磁石の回転数を検出するように構成された磁気多回転センサと、を備える、少なくとも１つの磁気感知デバイスと、を備え、
少なくともオン磁気感知デバイスが、磁界の検出された配向及び検出された回転数に基づいて、直線方向における第１の構成要素の位置を出力するように構成されている、磁気センサシステムを提供する。

角度センサ及び多回転センサは、好ましくは、第１の集積回路基板上に配設される。

少なくとも１つの磁気感知デバイスは、直線方向における第１の構成要素の位置を判定するための処理手段を更に備えてもよい。

角度センサは、好ましくは、０°～１８０°の範囲にわたる磁界の配向を検出するように構成されている。

本開示は、以下の添付の図面を参照する場合のみの例として、ここに記載される。
本開示の実施形態による多回転センサ及び単一回転センサの概略上面図である。 本開示の実施形態による磁気多回転センサの例である。 本開示の実施形態による磁気センサシステムの例を図示する。 本開示の実施形態による磁気センサシステムの例を図示する。 本開示の実施形態による磁気センサシステムの別の例を図示する。 本開示の実施形態による磁気センサシステムの更なる例を図示する。 本開示の実施形態による磁気センサシステムの更なる例を図示する。 本開示の実施形態による磁気センサシステムの更なる例を図示する。 本開示の実施形態による磁気センサシステムの更なる例を図示する。 本開示の実施形態による磁気センサシステムの更なる例を図示する。 本開示の実施形態による磁気センサシステムの更なる例を図示する。 本開示の実施形態による磁気センサシステムの更なる例を図示する。 本開示の実施形態による磁気センサシステムの更なる例を図示する。 本開示の実施形態による磁気センサシステムの更なる例を図示する。 本開示の実施形態による磁気センサシステムの更なる例を図示する。 本開示の実施形態による磁気センサシステムの更なる例を図示する。 本開示の実施形態による磁気センサシステムの更なる例を図示する。 本開示の実施形態による磁気センサシステムの更なる例を図示する。 本開示の実施形態による磁気センサシステムの更なる例を図示する。 本開示の実施形態による磁気センサシステムの更なる例を図示する。 本開示の実施形態による磁気センサシステムの更なる例を図示する。

磁気多回転センサ及び単一回転センサは、回転シャフトの回転カウント及び角度位置を監視するために使用することができる。このような磁気感知は、自動車用途、医療用途、産業制御用途、消費者用途、及び回転構成要素の位置に関する情報を必要とする他の用途のホストなどの、多様な異なる用途に適用され得る。

本開示は、直線方向に回転可能な機構、例えば、ラックアンドピニオン配設、又はリードねじ上のナットによって駆動される構成要素の位置を検出するための直線アクチュエータ装置、磁気センサシステム、及び使用方法を提供する。多回転（ＭＴ）センサ及び単一回転（ＳＴ）センサの両方を備える磁気感知デバイスは、同一の半導体パッケージ内に提供され、回転可能な機構の周辺に配置される。磁石はまた、機構が回転するにつれて、回転する磁界が生成されるように、回転可能な機構に取り付けられる。ＭＴセンサは、回転可能な機構の回転数に変換される回転磁界の回転数を測定する。ＳＴセンサは、回転可能な機構の角度位置に変換される回転磁界の角度を測定する。回転可能な機構の各回転が特定の量の直線運動に変換されるため、回転機構が回転した量は、移動した距離に比例し、したがって、直線位置を示す。したがって、回転可能な機構に関連して磁石及び磁気感知デバイスを配置することによって、多回転センサが回転数を提供し、角度センサが各回転内の正確な角度位置を提供することによって、測定された回転位置を、回転の結果として直線的に移動されている要素の対応する直線位置に並進することができる。

そのような配設は、直線位置を測定するためのコンパクトかつ堅牢なデバイスを提供し、直線駆動構成要素に直線位置システムを設置する必要性を排除する。

図１は、単一の半導体パッケージに提供される多回転（ＭＴ）センサ１０２及び単一回転（ＳＴ）センサ１０４を含む例示的な磁気感知デバイス１の概略ブロック図を図示する。ＭＴセンサ１０２は、好ましくは、巨大磁気抵抗（ＧＭＲ）又はトンネル磁気抵抗（ＴＭＲ）ベースのＭＴセンサである。ＳＴセンサ１０４は、任意の磁気ＳＴセンサ、例えば、異方性磁気抵抗（ＡＭＲ）、巨大磁気抵抗（ＧＭＲ）又はトンネル磁気抵抗（ＴＭＲ）ベースのセンサ、ホールセンサ又は誘導センサであり得る。好ましくは、ＳＴセンサ１０４は、１８０°の範囲にわたって角度位置を測定するように構成されたＡＭＲ単一回転センサであり、それによって、ＭＴセンサ１０２によってカウントされる各半回転内の正確な角度位置を提供する。このような配設は、実装がより簡単であり、一般的には、迷走磁界などに起因する障害に対してより堅牢かつ耐容性がある。一般に、１８０°ＡＭＲ単一回転センサは、他の磁気角度センサよりも精度が高い。例えば、トンネル磁気抵抗（ＴＭＲ）又は巨大磁気抵抗（ＧＭＲ）ベースのセンサは、時計回りと反時計回りの回転で異なる結果につながるヒステリシス問題を経験することがよくある。

感知デバイス１はまた、処理回路１０８と、ＭＴセンサ１０２、ＳＴセンサ１０４、及び処理回路１０８が配置されている集積回路１００と、を備える。処理回路１０６は、ＭＴセンサ１０２から信号Ｓ_ＭＴ１１２を受信し、受信信号を処理して、回転カウントデコーダ１０８を使用して回転カウントを判定し、回転カウントデコーダ１０８は、ＭＴセンサ１０２の周辺で回転する外部磁界（図示せず）の回転数、例えば、別の素子を直線方向に駆動する回転可能な機構に取り付けられた磁石によって生成された磁界を表す回転カウントを出力する。同様に、処理回路１０６は、ＳＴセンサ１０４から信号Ｓ_ＳＴ１１４を受信し、外部磁界の角度位置を出力するために、角度デコーダ１１０を使用して、受信信号を処理する。以下でより詳細に説明するように、次いで、回転カウント及び角度位置は、回転した回転可能な機構の量に基づいて駆動素子の直線位置を計算するように構成されている位置デコーダ１１６に入力され得る。

図２は、図１に示されるＭＴセンサ１０２を提供し得る、集積回路２００上にここに示される、磁気多回転センサ２の磁気ストリップ２０２レイアウト表現の例を示す。

図２では、磁気ストリップ２０２は、複数の磁気抵抗素子２０４、好ましくは、ＧＭＲベースの磁気抵抗素子、又は代替的に、ＴＭＲベースの磁気抵抗素子を備える。この例では、磁気ストリップ２０２は、らせん構成で物理的にレイアウトされるＧＭＲベースの磁気抵抗トラックである。したがって、磁気ストリップ２０２は、互いに直列で配設される磁気抵抗素子２０４で形成される複数のセグメントを有する。磁気抵抗素子２０４は、磁気整列状態に応じて抵抗を変化させる可変抵抗として機能する。磁気ストリップ２０２の端は、ドメイン壁生成器（ｄｏｍａｉｎ ｗａｌｌ ｇｅｎｅｒａｔｏｒ、ＤＷＧ）２０６に結合され、ＤＷＧ２０６は、磁気ストリップ２０２のいずれかの端に結合され得ると理解される。ＤＷＧ２０６は、外部磁界の回転、又はセンサ２の動作磁気ウィンドウの何らかの他の強い外部磁界の印加に応じて、ドメイン壁を生成する。次いで、これらのドメイン壁は、磁気ストリップ２０２内に注入され、磁気ドメインが変化するにつれて、磁気抵抗素子２０４の抵抗も、結果として生じる磁気整列の変化に起因して変化する。

磁気抵抗素子２０４の変化する抵抗をドメイン壁が生成されるにつれて測定するために、磁気ストリップ２０２は、反対側の角の対の間に電圧を印加するために、供給電圧ＶＤＤ２０８及び接地ＧＮＤ２１０に電気的に接続される。電圧供給の中間の角には、ハーフブリッジ出力を提供するように電気接続２１２が提供される。したがって、多回転センサ２は、複数のホイートストンブリッジ回路を備え、各ハーフブリッジ２１２は、外部磁界の半回転又は１８０度の回転に対応する。電気接続２１２での電圧の測定値は、したがって、磁気抵抗素子２０４の抵抗の変化を測定するために使用することができる。磁気抵抗素子２０４は、したがって、例えば、電圧測定値を回転カウントデコーダ１０８に出力することによって、磁界における回転数を判定するために使用することができる。

図２に示される例は、４つのらせん巻線及び８つのハーフブリッジ２１２を備え、したがって、外部磁界の４全回転をカウントするように構成されている。しかしながら、多回転センサは、磁気抵抗素子２０４の数に依存して、任意の数のらせん巻線を有してもよいと理解される。概して、多回転センサは、らせん巻線と同じ数の回転をカウントすることができる。磁気抵抗素子２０４は、磁気整列状態の変化を表すセンサ出力を提供するように、任意の好適な方式で電気的に接続され得るとも理解される。例えば、磁気抵抗素子２０４は、ＵＳ２０１７／０２６１３４５に記載されているように、マトリクス配設で接続され得、その全体が本明細書に参照により組み込まれる。

代替的に、ＭＴセンサ１０２は、閉ループらせんであり得、内側及び外側らせん巻線の磁気抵抗素子は、連続らせんを形成するために一緒に接続される。そのような配設は、一緒に接続された多数のらせんの効果を提供し、これは、非常に多数の回転をカウントすることを可能にする。

図３Ａ～３Ｂは、磁気感知デバイスを使用して回転可能な機構によって駆動される構成要素の直線位置を監視するためのシステムの第１の例を図示する。図３Ａは、システム３の側面図を提供し、図３Ｂは、正面図を示す。この例では、歯付きラック３０２は、回転シャフト３０４によって回転可能な歯付き歯車３００によって直線方向に駆動され、それによって、ラックアンドピニオン直線アクチュエータを形成する。歯車３００の歯とラック３０２とが協働し、歯車３００が回転するにつれて、ラック３０２は対応する方式で直線的に移動し、歯車３００による各回転度は、ラック３０２に直線方向に比例距離を並進させる。例えば、歯車３００が第１の方向Ａ１で回転するとき、ラックは、第１の方向Ｂ１で直線的に並進される。歯車３００が次いで、反対方向Ａ２で回転する場合、ラック３０２は、次いで、反対方向Ｂ２で直線的に並進する。このように、歯車３００の回転は、したがって、ラック３０２を駆動するために、又はその逆に、使用され、それによって、いくつかの他のデバイス又はシステム、例えば、エレベータ又はスライドドアを駆動することができる。

単極対磁石３０６は、回転する磁界が生成されるように、回転シャフト３０４の端に取り付けられる。図１を参照して記載される磁気感知デバイス１であり得る磁気感知デバイス３０８は、磁石３０６の周辺に位置する。本明細書で説明される全ての例において、磁気感知デバイスは、それが回転磁石に対して固定された場所に保持されるように、図示されていないいくつかの他の構造に取り付けられ得ることが理解される。

前述のように、ラック３０２は、歯車３００が一方向又はもう一方向に回転するにつれて直線的に移動する。磁気感知デバイス３０８は、磁石３０６によって生成された回転する磁界を測定して、歯車３００がいずれかの方向に回転した量を、行われた回転数及び各回転内、又は好ましくは各半回転内の絶対角度位置をカウントすることによって測定し、これは、次いで、歯付きラック３０２の直線位置を判定するために使用される。例えば、歯車３００は、ＭＴセンサ１０２によって測定されるような時計回りの方向、及びＳＴセンサ１０４によって測定されるような更なる４５°において、３全回転で回転され得る。これらの測定値及び例えば、協働歯のサイズ及び数に基づき得る歯車３００とラック３０２のそれぞれの移動との間の比例関係に基づいて、ラック３０２によって走行される距離及びしたがって、その直線位置は、例えば、位置デコーダ１１６によって判定することができる。歯車３００が次いで、反時計方向に３６０°戻って回転する場合、ＭＴセンサ１０２は、２全回転のみを測定し、ラック３０２の測定された直線位置は、ラック３０２が歯車３００の回転ごとにどの程度走行するかが知られているため、それに応じて調整される。

この配設は、ラック自体に直線感知システムを設置する必要がなく、ラック３０２の直線位置を簡単かつ正確に測定する方式を提供する。更に、ＭＴセンサとＳＴセンサの両方を含む単一のセンサパッケージ３０８を同じ位置に配置することによって、両方のセンサが同じ回転磁界を測定しているため、２つのセンサの読み取り値を整列させるための較正は必要とされない。

歯車３００を駆動する回転シャフト３０４は、図４に示されるように、例えば、モータ４００を使用して、任意の好適な手段を使用して回転され得る。

上述の配設はまた、図５に図示されるように、第２の磁気感知デバイスで補完され得る。ここで、ホールセンサ又は磁気抵抗センサを備え得る第２の磁気感知デバイス５０２は、ラック３０２と共に移動するようにラック３０２に取り付けられる。交互の北極と南極とを含むインクリメンタル直線トラック５００は、ラック３０２に平行に提供される。ラック３０２が直線的に移動するにつれて、第２の磁気感知デバイス５０２は、磁極を検出して、トラック５０２に沿って移動するにつれて位置の変化をインクリメンタルに測定する。直線位置を正確に測定するためには、１回転が直線スケール上の１周期又は半周期にわたる移動に対応するように同期が必要である。この配設は、第１の磁気感知デバイス３０８のＳＴセンサに加えて、又はその代わりに使用され得る。磁気トラック５００及びセンサ５０２が記載されているが、いくつかの他の直線エンコーダ、例えば、光学エンコーダも使用され得ることが理解される。

図６Ａ～図６Ｂは、磁気感知デバイスを使用して回転可能な機構によって駆動される構成要素の直線位置を監視するためのシステムの別の例を図示する。

この例では、磁石４０６は、モータ６０１によって駆動されている第１の回転シャフト６０４ａの端に取り付けられるが、任意の好適な駆動手段が使用され得、これが、次いで、第１の歯付き歯車６００Ａを駆動することが理解される。第１の歯車６００Ａの歯は、更なる構造的支持のために第２のシャフト６０４Ｂに取り付けられ得る第２の歯付き歯車６００Ｂの歯と協働するように配設されている。磁石６０６及び磁気感知デバイス６０８は、代替的に、第２の歯車６００Ｂと共に回転するように、第２のシャフト６０４Ｂ上に配設され得るとも理解される。次いで、第２の歯車６００Ｂは、その直線移動を引き起こすように、歯付きラック６０２の歯と協働するように配設されている。図３Ａ～Ｂの例を参照して上記に説明したように、シャフト６０４Ａが回転するにつれて、第１の歯車６００Ａは、回転し、第２の歯車６００Ｂの反対方向の対応する回転を引き起こし、次いで、ラック６０２に直線方向に対応する距離を並進させる。

前述のように、磁気感知デバイス６０８は、磁石６０６の周辺に位置し、それによって、シャフト６０４Ａが回転するにつれて磁石６０６によって生成される磁界を測定する。回転する磁界に基づいて、磁気感知デバイス６０８は、磁石４０６によって生成された回転する磁界を測定して、第１及び第２の歯車６００Ａ、６００Ｂの回転数及び絶対角度位置を測定し、次いで、第１及び第２の歯車６００Ａ、６００Ｂは、上述のように、ラック６０２の直線位置に並進することができる。

図７Ａ～７Ｂは、図３Ａ～３Ｂのものと同様に、磁気感知デバイスを使用して回転可能な機構によって駆動される構成要素の直線位置を監視するためのシステムの更なる例を図示するが、この例では、多極磁石７０６がシャフト７０４上に取り付けられている。多極磁石７０６の使用は、歯車７００の各回転に対して磁界の複数の回転を提供するため、感知デバイス７０８Ａ、７０８Ｂ、具体的には、ＳＴセンサ１０４の解像度を増加させるのに役立つ。そのような場合、磁気感知デバイス７０８は、ここで７０８Ａ及び７０８Ｂに示される２つの異なる位置に取り付けられ得る。第１の位置では、磁気感知デバイス７０８Ａは、磁石７０６がその外周縁部に隣接して配置されるように、磁石７０６と一直線に取り付けられる。この例では、感知デバイス７０８Ａが磁石７０６の上に示されているが、磁石７０６の円周縁部の周りの任意の場所に位置し得ることが理解される。第２の位置では、磁気感知デバイス７０８Ｂは、磁石７０６が極対と整列するように、磁石７０６の前方に取り付けられる。再び、磁気感知デバイス７０８Ｂは、任意の半径方向位置に位置し得ると理解される。これらの位置では、磁気感知デバイス７０８Ａ、７０８Ｂは、磁界の磁気ウィンドウ内に留まり、磁界角度の変化は、歯車７００の角度の変化に直接比例する。代替的に、システムは、上述のように、２つの異なる場所に位置する２つの磁気感知デバイス７０８Ａ、７０８Ｂを備え得、各感知デバイス７０８Ａ、７０８Ｂは、単一の半導体パッケージ内のＭＴセンサと、ＳＴセンサと、を備える。これにより、パッケージ内のセンサが故障した場合のフォールトトレランスを向上させることができる。

図８Ａ～８Ｂは、磁気感知デバイスを使用して回転可能な機構によって駆動される構成要素の直線位置を監視するためのシステムの更なる例を図示する。この例では、回転可能な機構は、ウォーム駆動配設であり、磁石８０６及び磁気感知デバイス８０８は、上述のように、円筒形歯車８００Ｂ（「ウォーム歯車」とも称される）を駆動するように回転する「ウォーム」とも称されるねじ付きねじ８００Ａの端に取り付けられ、ウォーム歯車８００Ｂは、歯付きラック（図示せず）又は同様の直線移動を駆動している。磁気感知デバイス８０８は、ワーム８００Ａが回転するにつれて回転磁界を測定し、それによってワーム８００Ａによる回転量を測定する。ウォーム８００Ａの各回転度は、ウォーム歯車８００Ｂによる比例量の回転を引き起こし、これは、次いで、駆動構成要素による比例量の直線移動を引き起こすので、測定された回転位置は、直線位置に変換され得る。

図９Ａ～９Ｂは、磁気感知デバイスを使用して回転可能な機構によって駆動される構成要素の直線位置を監視するためのシステムの別の例を図示する。この例では、ナット９０２は、回転シャフト９０４によって回転可能であるリードねじ９００を有する回転シャフトによって直線方向に駆動される。ナット９０２は、リードねじ９００が回転するにつれて、ナット９０２がリードねじ９００に沿って直線的に移動し、リードねじ９００による各回転度によって、ナット９０２に直線方向に比例距離を並進させるように、リードねじ９００のねじと協働するボールねじの内ねじを有し得る。

前述のように、単極対磁石９０６は、回転磁界が生成されるように、回転シャフト９０４の端に取り付けられる。図１を参照して記載される磁気感知デバイス１であり得る磁気感知デバイス９０８は、磁石９０６の周辺に位置する。

前述のように、ナット９０２は、リードねじ９００が一方向又はもう一方向に回転するにつれて直線的に移動する。磁気感知デバイス９０８は、磁石９０６によって生成された回転する磁界を測定して、リードねじ９００がいずれかの方向に回転した量を、行われた回転数及び各回転内、又は好ましくは各半回転内の絶対角度位置をカウントすることによって測定し、これは、次いで、ナット９０２の直線位置を判定するために使用される。例えば、リードねじ９００は、ＭＴセンサ１０２によって測定されるような時計回りの方向、及びＳＴセンサ１０４によって測定されるような更なる１５°において、２全回転で回転され得る。これらの測定値及びリードねじ９００とナット９０２とのそれぞれの移動の間の比例関係に基づいて、例えば、位置デコーダ１１６によって、ナット９０２が左から右へ２０ｍｍ走行したと判定され得る。

前述のように、これは、ナット自体に直線感知システムを設置する必要がなく、ナット９０２の直線位置を簡単かつ非常に正確に測定する方式を提供する。更に、ＭＴセンサとＳＴセンサの両方を含む単一のセンサパッケージ９０８を同じ位置に配置することによって、両方のセンサが同じ回転磁界を測定しているため、２つのセンサの読み取り値を整列させるための較正は必要とされない。

図１０に例として示されるように、リードねじ９００を駆動する回転可能シャフト９０４は、モータ１０００、又はいくつかの他の好適な手段によって回転され得る。図１１に示される別の配設では、モータ１１００は、歯車ボックス１１０２又は他の何らかの動力伝達を介してシャフト９０４を駆動するように配設されている。そのような配設では、磁石１１０６は、周辺に位置する磁気感知デバイス１１０８を備えたモータ１１００のシャフトに取り付けられ得、それによって、モータ１１００の回転を測定する。この磁石１１０６及び磁気検出装置１１０８は、リードねじ９００上に位置する磁石９０６及びセンサ９０８の代わりに、又はそれに加えて提供され得る。前述のように、モータ１１００の測定された回転は、リードねじ９００の対応する回転を引き起こし、次いで、ナット９０２による対応する直線移動が引き起こされる。磁気感知デバイス１１０８によって測定されるモータ１１００による回転量は、したがって、ナット９０２の直線位置に変換され得る。

図９Ａ～図９Ｂを参照して上記に記載された配設はまた、図１２に図示されるように、第２の磁気感知デバイスで補完され得る。ここで、ホールセンサ又は磁気抵抗センサを備え得る第２の磁気感知デバイス１２０２は、ナット９０２と共に移動するように、何らかの方式でナット９０２に取り付けられる。交互の北極と南極とを含むインクリメンタル直線トラック１２００は、リードねじ９００に平行に提供される。ナット９０２が直線的に移動するにつれて、第２の磁気感知デバイス１２０２は、磁極を検出して、トラック１２０２に沿って移動するにつれて位置の変化をインクリメンタルに測定する。直線位置を正確に測定するためには、１回転が直線スケール上の１周期又は半周期にわたる移動に対応するように同期が必要である。この配設は、第１の磁気感知デバイス９０８のＳＴセンサに加えて、又はその代わりに使用され得る。磁気トラック１２００及びセンサ１２０２が記載されているが、いくつかの他の直線エンコーダ、例えば、光学エンコーダも使用され得ることが理解される。

図１３Ａ～Ｂは、磁気感知デバイスを使用して回転可能な機構によって駆動される構成要素の直線位置を監視するためのシステムの別の例を図示する。

この例では、磁石１３０６は、第１の歯付き歯車１３１０Ａの端に取り付けられている。第１の歯車１３１０Ａの歯は、第１の歯付き歯車１３１０Ａ、第２の歯付き歯車１３１０Ｂ、及びリードねじ１３００が全て一緒に回転するように、リードねじ１３００のシャフト１３０４に取り付けられている第２の歯付き歯車１３１０Ｂの歯と協働するように配設されている。第１の歯付き歯車１３１０Ａは、第１の歯付き歯車１３１０Ａの回転が、第２の歯付き歯車１３１０Ｂ及びリードねじ１３００の回転を駆動するような、いくつかの他の手段によって駆動され得ることが理解される。代替的に、リードねじ１３００の回転が第１及び第２の歯車１３１０Ａ、１３１０Ｂの回転を駆動するように、リードねじ１３００のシャフト１３０４は、モータなどのいくつかの他の手段によって駆動され得る。

前述のように、磁気感知デバイス１３０８は、磁石１３０６の周辺に位置し、それによって、第１の歯付き歯車１３１０Ａが回転するにつれて磁石１３０６によって生成される磁界を測定する。回転磁界に基づいて、磁気感知デバイス１３０８は、磁石１３０６によって生成された回転する磁界を測定して、第１及び第２の歯車６００Ａ、６００Ｂの回転数及び絶対角度位置を測定し、次いで、第１及び第２の歯車１３００Ａ、１３００Ｂ、及びリードねじ１３００は、上述のように、ナット９０２の直線位置に並進することができる。

図１４Ａ～Ｂは、図９Ａ～Ｂのものと同様に、磁気感知デバイスを使用して回転可能な機構によって駆動される構成要素の直線位置を監視するためのシステムの更なる例を図示するが、この例では、多極磁石１４０６がシャフト１４０４上に取り付けられている。多極磁石１４０６の使用は、リードねじ１４００の各回転に対して磁界の複数の回転を提供するため、感知デバイス１４０８Ａ、１４０８Ｂ、具体的には、ＳＴセンサ１０４の解像度を増加させるのに役立つ。そのような場合、磁気感知デバイス１４０８は、１４０８Ａ及び１４０８Ｂでここに示される２つの異なる位置に取り付けられ得る。第１の位置では、磁気感知デバイス１４０８Ａは、磁石１４０６がその外周縁に隣接して配置されるように、磁石１４０６と一直線に取り付けられる。この例では、感知デバイス１４０８Ａが磁石１４０６の上に示されているが、磁石１４０６の円周縁部の周りの任意の場所に位置し得ることが理解される。第２の位置では、磁気感知デバイス１４０８Ｂは、磁石１４０６が極対と整列するように、磁石７０６の前方に取り付けられる。再び、磁気感知デバイス１４０８Ｂは、任意の半径方向位置に位置し得ると理解される。これらの位置では、磁気感知デバイス１４０８Ａ、１４０８Ｂは、磁界の磁気ウィンドウ内に留まり、磁界角度の変化は、歯車１４００の角度の変化に直接比例する。代替的に、システムは、上述のように、２つの異なる場所に位置する２つの磁気感知デバイス１４０８Ａ、１４０８Ｂを備え得、各感知デバイス１４０８Ａ、１４０８Ｂは、単一の半導体パッケージ内のＭＴセンサと、ＳＴセンサと、を備える。これにより、パッケージ内のセンサが故障した場合のフォールトトレランスを向上させることができる。

本明細書に記載の直線位置を測定するための方法及びシステムは、これらに限定されないが、クラッチアクチュエータ、伝達アクチュエータ、シート位置／回転、電動スライドドア、サンルーフ、電動スライドウィンドウ、傾斜アクチュエータ、アクティブサスペンションフォークリフトステアリング（傾斜、位置、延長）、ウィンドウブラインド、ウィンドウシャッター、プリンタ、エレベータ、機械加工機器（旋盤機械、ミーリング、ワイヤーカット）、３Ｄプリンタ、及び分配／注入機器を含む、構成要素が回転機構によって直線方向に駆動されるいくつかの異なる用途に適用され得ることが理解される。

磁気感知デバイス及び磁石配設の使用は、そのような用途で現在使用されている既存の直線測定システムと比較して、大幅に小さく、より複雑でなく、より安価なシステムを提供するという点で、重要な利点を有する。更に、磁気センサは、回転数及び角度位置を測定するために電力を必要とせず、したがって、電力が他の場所で失われた場合、測定を出力し続けることができる。

追加、欠失、及び／又は置換の方式によって、上記の実施形態の全てに様々な修正を加えて、更なる実施形態を提供してもよく、そのいずれか及び／又は全ては、添付の特許請求の範囲によって包含されることが意図されている。

例えば、上記の配設のいずれかでは、強磁性材料から作られたキャップなどの形態のシールドを磁石及び磁気感知デバイスの周りに配置して、回転カウント及び角度測定を妨げる可能性のある迷走磁界から保護し得る。

他の例では、システムは、回転可能な機構及び駆動素子が開始位置にあるとき、例えば、駆動素子がその端位置のうちの１つにあるとき、又はその中間位置にあるときに、磁気感知デバイスを初期化する電磁石が提供され得る。好ましくは、電磁石は、磁気抵抗素子の全ての磁化を１つの方向に整列させるために、ＭＴセンサの近くに位置する。すなわち、駆動素子がその開始位置にあるとき、電磁石は、この位置が、ＭＴセンサによるゼロ回転カウント読み取り、及びＳＴセンサによるゼロ度角読み取りに対応するように、磁気センサを初期化し得る。次に、これは、回転可能な機構が回転して素子を直線的に駆動するときに、回転カウント及び角度が測定される開始点を提供する。

Claims (33)

1. 直線アクチュエータ装置であって、
   直線方向にシステムを作動させるための第１の構成要素と、
   前記第１の構成要素を前記直線方向に駆動するように構成された回転可能な機構と、
   前記回転可能な機構に取り付けられた磁石と、
   前記磁石の周辺の少なくとも１つの磁気感知デバイスであって、
   前記回転可能な機構が回転するにつれて前記磁石によって生成された磁界の配向を検出するように構成された角度センサと、
   前記回転可能な機構が回転するにつれて前記磁石の回転数を検出するように構成された磁気多回転センサと、を備える、少なくとも１つの磁気感知デバイスと、を備え、
   前記少なくとも１つの磁気感知デバイスが、前記磁界の前記検出された配向及び前記検出された回転数に基づいて、前記直線方向における前記第１の構成要素の位置を出力するように構成されている、直線アクチュエータ装置。
2. 前記角度センサ及び前記多回転センサが、第１の集積回路基板上に配設されている、請求項１に記載の直線アクチュエータ装置。
3. 前記少なくとも１つの磁気感知デバイスが、前記直線方向における前記第１の構成要素の前記位置を判定するための処理手段を更に備える、請求項１又は２に記載の直線アクチュエータ装置。
4. 前記角度センサが、０°～１８０°の範囲にわたる前記磁界の前記配向を検出するように構成されている、請求項１から３のいずれか一項に記載の直線アクチュエータ装置。
5. 前記角度センサが、異方性磁気抵抗（ＡＭＲ）ベースの単一回転センサ、巨大磁気抵抗（ＧＭＭ）ベースの単一回転センサ、トンネル磁気抵抗（ＴＭＲ）ベースの単一回転センサ、ホール効果センサ、及び誘導センサのうちの１つである、請求項１から４のいずれか一項に記載の直線アクチュエータ装置。
6. 前記多回転センサが、巨大磁気抵抗（ＧＭＲ）ベースの多回転センサ、又はトンネル磁気抵抗（ＴＭＲ）ベースの多回転センサである、請求項１から５のいずれか一項に記載の直線アクチュエータ装置。
7. 前記多回転センサが、電気的に直列に接続され、らせん構成で物理的にレイアウトされる複数の磁気抵抗素子を備える、請求項１から６のいずれか一項に記載の直線アクチュエータ装置。
8. 前記多回転センサが、前記複数の磁気抵抗素子の磁気抵抗素子を、前記複数の磁気抵抗素子の他の磁気抵抗素子に電気的に接続するように配設された電気接続のマトリックスを更に備え、前記マトリックスが、少なくとも３×３である、請求項７に記載の直線アクチュエータ装置。
9. 前記回転可能な機構が、第１の円筒形歯車を備え、前記第１の構成要素が、前記第１の円筒形歯車と協働するように構成された直線歯車を備え、その結果、前記第１の円筒形歯車の回転が、前記直線歯車を直線方向に並進させる、請求項１から８のいずれか一項に記載の直線アクチュエータ装置。
10. 前記回転可能な機構が、前記第１の円筒形歯車と協働するように構成された第２の円筒形歯車を更に備え、その結果、前記第２の円筒形歯車の回転が、前記第１の円筒形歯車の対応する回転を引き起こす、請求項９に記載の直線アクチュエータ装置。
11. 前記磁石が、前記第１の円筒形歯車又は前記第２の円筒形歯車に関連して取り付けられている、請求項１０に記載の直線アクチュエータ装置。
12. 前記回転可能な機構が、ねじ付きねじ及び円筒形歯車を備え、前記ねじ付きねじが、前記円筒形歯車と協働するように構成され、その結果、前記ねじ付きねじの回転が、前記円筒形歯車の回転を引き起こす、請求項１～８のいずれか一項に記載の直線アクチュエータ装置。
13. 前記第１の構成要素が、前記円筒形歯車と協働するように構成された直線歯車を備え、その結果、前記円筒形歯車の回転が、前記直線歯車を直線方向に並進させる、請求項１２に記載の直線アクチュエータ装置。
14. 前記回転可能な機構が、ねじ付きシャフトを備え、前記第１の構成要素が、前記ねじ付きシャフトの周りに配設され、前記ねじ付きシャフトと係合するように構成された環状部分を備え、その結果、前記ねじ付きシャフトの回転が、前記環状部分を、前記ねじ付きシャフトに沿って直線方向に並進させる、請求項１～８のいずれか一項に記載の直線アクチュエータ装置。
15. 前記ねじ付きシャフトが、前記ねじ付きシャフトの前記回転を駆動するように構成された歯車配設を更に備える、請求項１４に記載の直線アクチュエータ装置。
16. 前記磁石が、単極対磁石又は多極磁石である、請求項１から１５のいずれか一項に記載の直線アクチュエータ装置。
17. 前記磁石が多極リング磁石であり、前記少なくとも１つの磁気感知デバイスが、前記多極磁石の外周縁部に隣接する第１の位置に位置し、かつ／又は前記多極磁石の前方の第２の位置が極対と整列している、請求項１から１６のいずれか一項に記載の直線アクチュエータ装置。
18. 前記回転可能な機構を駆動するように構成されたモータを更に備える、請求項１から１７のいずれか一項に記載の直線アクチュエータ装置。
19. 前記角度センサ及び多回転センサを初期化するための電磁石を更に備える、請求項１から１８のいずれか一項に記載の直線アクチュエータ装置。
20. 前記磁石及び磁気感知デバイスの周りに形成された保護シールドを更に備える、請求項１から１９のいずれか一項に記載の直線アクチュエータ装置。
21. 前記保護シールドが、強磁性材料を含む、請求項２０に記載の直線アクチュエータ装置。
22. 直線センサシステムを更に備える、請求項１から２１のいずれか一項に記載の直線アクチュエータ装置。
23. 前記直線センサシステムが、
    第１の数の磁極を含むインクリメンタル直線トラックと、
    前記第１の数の磁極をカウントするように構成された更なる磁気感知デバイスと、を備える、請求項２２に記載の直線アクチュエータ装置。
24. 磁気感知デバイスを使用して位置を監視する方法であって、磁石が、直線方向に第１の構成要素を作動させるように構成された回転可能な機構に取り付けられ、前記方法が、
    角度センサを使用して、前記回転可能な機構が回転するにつれて前記磁石によって生成される磁界の配向を検出することと、
    多回転センサを使用して、前記回転可能な機構が回転するにつれて前記磁石の回転数を検出することと、
    前記検出された配向及び検出された回転数に基づいて、前記直線方向における前記第１の構成要素の位置を判定することと、を含む、方法。
25. 前記直線方向における前記第１の構成要素の前記位置を判定することが、
    前記回転可能な機構によって、第１の方向の回転量を判定することと、
    前記判定された回転量に基づいて、前記直線方向に前記第１の構成要素によって走行される距離を判定することと、を含む、請求項２４に記載の方法。
26. 前記角度センサ及び前記多回転センサが、第１の集積回路基板上に配設される、請求項２４又は２５に記載の方法。
27. 前記磁界の前記配向を検出することが、０°～１８０°の範囲にわたる前記磁界の前記配向を検出することを含む、請求項２４～２６のいずれか一項に記載の方法。
28. 前記第１の構成要素が開始位置にあるときに、前記角度センサ及び／又は多回転センサを初期化することを更に含む、請求項２４～２７のいずれか一項に記載の方法。
29. 
    プロセッサと、
    実行時に前記プロセッサが請求項２４～２８のいずれか一項に記載の方法を実行させられるように配設される、１つ以上の命令を記憶するコンピュータ可読媒体と、を備える、コンピュータシステム。
30. 位置を監視するための磁気センサシステムであって、
    回転可能な機構に取り付けられた磁石であって、前記回転可能な機構が、直線方向に第１の構成要素を作動させるように構成されている、磁石と、
    前記磁石の近傍の少なくとも１つの磁気感知デバイスであって、
    前記回転可能な機構が回転するにつれて前記磁石によって生成された磁界の配向を検出するように構成された角度センサと、
    前記回転可能な機構が回転するにつれて前記磁石の回転数を検出するように構成された磁気多回転センサと、を備える、少なくとも１つの磁気感知デバイスと、を備え、
    前記少なくとも１つの磁気感知デバイスが、前記磁界の前記検出された配向及び前記検出された回転数に基づいて、前記直線方向における前記第１の構成要素の位置を出力するように構成されている、磁気センサシステム。
31. 前記角度センサ及び前記多回転センサが、第１の集積回路基板上に配設されている、請求項３０に記載の磁気センサシステム。
32. 前記少なくとも１つの磁気感知デバイスが、前記直線方向における前記第１の構成要素の前記位置を判定するための処理手段を更に備える、請求項３０又は３１に記載の磁気センサシステム。
33. 前記角度センサは、０°～１８０°の範囲にわたる前記磁界の前記配向を検出するように構成されている、請求項３０～３２のいずれか一項に記載の磁気センサシステム。