JP2017529536A

JP2017529536A - 磁気センサにおける磁気干渉を能動的に平衡化し／打ち消すシステム及び方法

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Publication number: JP2017529536A
Application number: JP2017515745A
Authority: JP
Inventors: シュー，ジエン; セイボールド，アーロン
Original assignee: Bourns Inc
Current assignee: Bourns Inc
Priority date: 2014-09-26
Filing date: 2015-09-25
Publication date: 2017-10-05
Anticipated expiration: 2035-09-25
Also published as: JP6590915B2; US10302710B2; EP3198230A2; KR20170059442A; CN107110664A; EP3198230B1; US20160091574A1; EP3198230A4; WO2016049423A2; WO2016049423A3; CN107110664B; KR102198156B1

Abstract

第一の磁界を有する第一の磁石を含む感知システムである。１つの実施の形態において、該感知システムは、第一の磁界を受け取る形態とされた第一の固定子と、第一の磁界を受け取る形態とされた第二の固定子とも含む。第一のコレクタは、第一の固定子から第一の磁界を集める形態とされ、第二のコレクタは、第二の固定子から第一の磁界を集める形態とされ、また、磁気感知要素は、第一の磁界を感知する形態とされている。該感知システムは、第二の磁界を有する第二の磁石と、第三の磁界を有する第三の磁石とも含む。該第三の磁石は、第三の磁界が第二の磁界に対して対称であるように配置されている。

Description

[０００１] 本出願は、その内容の全体を参考として引用し、本明細書に含めた、２０１４年９月２６日付けで出願された米国仮特許出願第６２／０５５，７９１号の利益を主張するものである。

[０００２] 本発明の実施の形態は、磁気センサ、特に、トルク及び／又は角度センサ又はトルク及び／またはインデックスセンサにおける磁気干渉を平衡化しかつ／または打ち消すことに関する。

米国仮特許出願第６２／０５５，７９１号明細書

[０００３] トルク及び角度センサは、通常、磁気感知要素を含む。該磁気感知要素は、通常、磁石又はその他の磁気構成要素を含む。センサの１つからの磁石は、その他のセンサからの感知要素と干渉することが多い。この干渉は、「漏話」と称されている。特に、漏話は、不正確なセンサの測定値となる可能性がある。

[０００４] 漏話を少なくするため、２つのセンサの間の距離は物理的に増し、又は一方又は双方のセンサにて磁気遮蔽体を使用することができる。これらの解決策の双方の結果、大きい寸法／大型のパッケージ体となり又はセンサの性能が不良となる。

[０００５] 本発明の実施の形態は、１つの例において、第一の磁界を有する第一の磁石を含む感知システムを提供することにより、これらの問題点を解決し又は軽減するのに役立つ。該感知システムは、また、第一の磁界を受け取る形態とされた第一の固定子と、第一の磁界を受け取る形態とされた第二の固定子と、第一の固定子から第一の磁界を集める形態とされた第一のコレクタと、第二の固定子から第一の磁界を集める形態とされた第二のコレクタとを含む。磁気感知要素は、第一の磁界を感知する形態とされている。該感知システムは、また、第二の磁界を有する第二の磁石と、第三の磁界を有する第三の磁石とを含む。該第三の磁石は、第三の磁界が第二の磁界に対して対称であるように配置されている。

[０００６] 別の実施の形態において、本発明は、磁気センサの磁界を感知する方法を提供する。該磁気センサは、第一の磁界を有する第一の磁石と、第一の磁界を受け取る形態とされた第一の固定子と、第一の磁界を受け取る形態とされた第二の固定子とを有する磁石を含む。該磁気センサは、第一のコ固定子から第一の磁界を集める形態とされた第一のコレクタと、第二の固定子から第一の磁界を集める形態とされた第二のコレクタとを更に含む。磁界を感知する方法は、第二の磁石から第二の磁界を受け取り、かつ第三の磁界を有する第三の磁石を第三の磁界が第二の磁界に対して対称であるように配置するステップを含む。

[０００７] 更に別の実施の形態において、本発明は、第一の磁気センサを含む他感知システムを提供する。該第一の磁気センサは、第一の磁界を有する第一の磁石と、第一の磁界を受け取る形態とされた第一の固定子と、第一の磁界を受け取る形態とされた第二の固定子と、第一の固定子から第一の磁界を集める形態とされた第一のコレクタと、第二の固定子から第一の磁界を集める形態とされた第二のコレクタと、第一の磁界を感知する形態とされた磁気感知要素とを含む。該感知システムは、第二の磁界を有する第二の磁石であって、第一の固定子及び第二の固定子が第二の磁界の実質的に同様の量を受け取るように配置された前記第二の磁石を更に含む。

[０００８] 本発明のその他の局面は、詳細な説明及び添付図面を参照することにより、明らかになるであろう。

本発明の第一の実施の形態に従ったセンサの概略断面図である。図１のセンサと共に、かつ該センサと連絡する状態にて使用される制御システムのブロック図である。図１のセンサの一部分の概略断面図であり、特定の磁束を示す図である。本発明の別の実施の形態に従ったセンサの概略断面図である。図１のセンサの一部分の概略断面図であり、特定の磁束線を示す図である。本発明の別の実施の形態に従ったセンサの概略断面図である。磁束線を更に含む、図６のセンサの一部分の概略断面図である。

[００１６] 本発明の任意の実施の形態について詳細に説明する前に、本発明は、その適用例が以下の説明に記載し又は添付図面に示した構成要素の構造及び配置の詳細にのみ限定されるものではないことを理解すべきである。本発明は、その他の実施の形態が可能であり、多様な仕方にて実施し又は実行することができる。

[００１７] 図１には、１つの実施の形態に従った第一のセンサ１００が示されている。図示した実施の形態において、該第一のセンサ１００は、入力シャフト１０５と、出力シャフト１１０とを含む車の操舵システムと接続して使用される。該入力シャフト１０５及び出力シャフト１１０は、トーショントーシンバー（図示せず）を介して接続されている。該トーションバーは、所定の又は既知の捩れ剛性又は捩ればね定数を有している。該入力シャフト１０５が出力シャフト１１０に対して回転動作すると、加わったトルクに比例して、入力シャフト１０５と出力シャフト１１０との間にて相対的な角度変位が生ずる。一部の実施の形態において、第一のセンサ１００は、入力シャフト１０５と出力シャフト１１０との間にてトルク及び／または操舵角度を検出し又は感知する。

[００１８] 該センサ１００は、入力シャフト１０５と結合された第一の磁石１１５と、出力シャフト１１０と結合された第一及び第二の固定子１２０、１２５とを含む。その他の実施の形態において、該第一の磁石１１５は、出力シャフト１１０と結合される一方、第一の亭固定子１２０及び第二の固定子１２５は、入力シャフト１０５と結合されている。

[００１９] 該センサ１００は、また、第一のコレクタ１３０と、第二のコレクタ１３５とを含む。該第一のコレクタ１３０及び第二のコレクタ１３５は、第一の固定子１２０及び第二の固定子１２５に近接する（例えば，１つの実施の形態において、約０．２ｍｍから約２．０ｍｍ）の位置に配置されている。第一の及び第二のコレクタ１３０、１３５は、第一の固定子１２０及び第二の固定子１２５の少なくとも一部分をそれぞれ横断する。

[００２０] 第一のコレクタ１３０及び第二のコレクタ１３５は、少なくとも１つの磁気感知要素１４０と磁気的に結合されている。「磁気的に結合されている」という語句は、全体として、第一の構成要素と第二の構成要素との間にて磁気的に連絡し、第一の構成要素は、第二の構成要素から磁束を受け取り、又はその逆に、第二の構成要素が第一の構成要素から磁束を受け取ると定義することができる。かかる連絡は、使用された磁石の強度及び構成要素の間の距離に依存する。一部の実施の形態において、磁気的に結合するためには、第一の構成要素は、第二の構成要素から約０．２ｍｍから２．０ｍｍの距離にある。磁気感知要素１４０は、第一のコレクタ１３０と第二のコレクタ１３５との間にて、又はこれらのコレクタの近くにて、第一の磁石１１５の第一の磁束３００（図３）を検出する。一部の実施の形態において、磁気感知要素１４０は、ホール効果センサである。

[００２１] 図１には、また、第二の磁気センサ２００も示されている。該第二の磁気センサ２００は、第一のセンサ１００に近接して配置され、かつ第二の磁石２０５を含む。一部の実施の形態において、該第二のセンサ３００は、第三及び第四の固定子と、第三及び第四のコレクタと、第二の磁気感知要素とを含む。かかる実施の形態において、第三及び第四の固定子、第三及び第四のコレクタ、及び第二の磁気感知要素は、第一及び第二の固定子１２０、１２５と、第一及び第二のコレクタ１３０，１３５と、及び磁気感知要素１４０と実質的に同様である。一部の実施の形態において、第一のセンサ１００及び第二のセンサ２００の双方は、回転角度及びトルクセンサのような、より大型のセンサ又はセンサ組み立て体の一部とである。一部の実施の形態において、第一のセンサ１００は、トルクセンサとすることができる一方、第二のセンサ２００は、回転センサとし、又はその逆に、第一のセンサを回転センサとし、第二のセンサをトルクセンサとしてもよい。

[００２２] 図示した実施の形態において、第一のセンサ１００は、第三の磁石すなわち、ミラー磁石２１０を含む。図示したように、該ミラー磁石２１０は、第二の磁石２０５に対して対称に配置し、該ミラー磁石２１０のミラー磁束２７５（図３）が第二のセンサ２００の第二の磁石２０５の第二の磁束２５０に対して対称であるようにする（図３）。一部の実施の形態において、該ミラー磁石２１０は、全体的なセンサの一部とし、又は一部としなくてもよい第三のセンサ内にて更に使用される。その他の実施の形態において、該ミラー磁石２１０は、第二の磁石２０５の第二の磁束２５０を打ち消すためにのみ使用されている。

[００２３] 第一の固定子１２０は、第一の側部１２１と、第二の側部１２２と、第一の外周１２４とを含む。第二の固定子１２５は、第一の側部１２６と、第二の側部１２７と、第二の外周１２９とを含む。図１の実施の形態にて図示したように、第一の磁石１１５は、第一の固定子１２０の第一の側部２１２１及び第二の固定子１２５の第一の側部１２６に隣接する位置に配置されている。更に、図示したように、第一の磁石１１５は、図示した基準座標系にてｘ軸に対して平行に伸びる軸方向に向けて第一の固定子１２０と第二の固定子１２５との間に配置されている。図示した実施の形態のような、一部の実施の形態において、第一の磁石１１５は、第一の固定子１２０の第二の側部１２２の第一の表面と第二の固定子１２５の第二の側部１２７の第二の表面との間にて、軸方向に配置されている。第二の磁石２０５は、第二の固定子１２５の第二の側部に隣接する位置に配置され、また、ミラー磁石２１０は、第一の固定子１２０の第二の側部１２２に隣接する位置に配置されている。

[００２４] 磁気感知要素１４０は、制御システムと電気的に接続されている（図２）。図２に示したように、該制御システム２１２は、メモリー２２０と、プロセッサ２２５とを有するコントローラ２１５を含む。該コントローラ２１５は、第一の磁石１１５の第一の磁束３００に関する信号を磁気感知要素１４０から受け取る。該信号は、磁束の大きさ及び／または極性に関する情報又はデータを含むことができる。該信号は、アナログ又はデジタル信号とすることができる。一部の実施の形態において、該信号は、磁束の変化に関係した情報を提供する。図示したように、一部の実施の形態において、該コントローラ２１５は、入力／出力Ｄ（Ｉ／Ｏ）インターフェース２３０及び電源２３５と電気的に接続することができる。一部の実施の形態において、該コントローラ２１５は、第二のセンサ２００と更に電気的に接続してもよい。一部の実施の形態において、該コントローラ２１５は、部分的に又は全体的に、半導体チップ上にて具体化されている。

[００２５] 該メモリー２２０は、例えば，プログラム記憶領域と、データ記憶領域とを含む。該プログラム記憶領域及びデータ記憶領域は、読み取り専用メモリー（「ＲＯＭ」）、ランダムアクセスメモリー（「ＲＡＭ」）（例えば、ダイナミックＲＡＭ（「ＤＲＡＭ」、同期型ＤＲＡＭ（「ＳＤＲＡＭ」等）、電気的に消去可能なプログラマブル読み取り専用メモリー（「ＥＥＰＲＯＭ」）、フラッシュメモリー、ハードディスク、ＳＤカード、その他の適当な磁気式、光学式、物理的又は電子的メモリーデバイスのような、多様な型式のメモリ―の組み合わせを含むことができる。プロセッサ―２２５は、メモリー２２０と接族され、かつソフトウェア指令を実行する。センサ１００及び／またはコントローラ２１５の具体化に内に含まれたソフトウェアは、コントローラ２１５のメモリー２２０に記憶することができる。該ソフトうぇたウェアは、例えば、ファームウェア、１つの又は複数のアプリケーション、プログラムデータ、フィルタ、ルール、１つ又は複数のプログラムモジュール及びその他の実行可能な指令を含む。該コントローラ２１５は、特に、本明細書に記載したプロセス及び方法に関連した指令を検索し、かつその指令を実行する形態とされている。その他の構造において、該コントローラ２１５は、追加的な、より少数の又は異なる構成要素を含む。

[００２６] Ｉ／Ｏインターフェース２３０は、例えば、別のコントローラ又はコンピータのような、周辺装置にコントローラ２１５を接続する形態とされている。該Ｉ／Ｏインターフェース２３０は、線接続、無線接続又は線接続と無線接続の組み合わせとすることができる。一部の実施の形態において、該Ｉ／Ｏインターフェース２３０は、センサ１００Ｓと関係した測定データを連絡する形態とされている。一部の実施の形態において、該Ｉ／Ｏインターフェース２３０はコントローラ２１５をユーザインターフェースと電気的に接続するために使用される。電源２３５は、名目電圧をコントローラにおよびセンサ１００のその他の構成要素に供給する。一部の実施の形態において、該電源２３５は、第一の電圧（例えば、バッテリからの）により作動され、かつコントローラ２１５及びセンサ１００のその他の構成要素に公称電圧を提供する。

[００２７] 図３には、第二の磁石２０５の第二の磁束２５０及びミラー磁石２１０の第三の又はミラー磁束２７５が図示されている。当該技術にて既知であるように、磁石は、磁束又は磁束線により図示することができる磁界を発生させる。図３に図示したように、ミラー磁束２７５は、第二の磁束２５０に対して対称である。このため、第二の磁束２５０及びミラー磁束２７５は、互いに打消し合う。その結果、感知要素に影響を与える唯一の磁束は、第一の磁束３００である。換言すれば、磁気感知要素１４０は、第一の磁束３００のみを検出する。勿論、対称が理想的でないならば、第二の及び／または第三の磁石からの僅かな又は名目的な量の干渉が生ずるであろう。

[００２８] 作動時、システムにトルクが加わったとき、トーションバー（図示せず）は、入力シャフト１０５と出力シャフト１１０の間の相対的な角度変位を調節する。入力シャフト１０５と出力シャフト１１０との相対的な角度変位は、磁石１１５（入力シャフト１０５と結合されている）と第一の及び第二の固定子１２０、１２５（出力シャフト１１０と結合されている）との間の角度変位に等しい。該システムのゼロ位置は、システムに加わるトルク得がゼロすなわち、存在せず、かつ磁石１１５と第一及び第二の固定子１２０、１２５の間の角度変位がゼロである位置である。このゼロ位置において、磁石１１５と第一及び第二の固定子１２０、１２５は、発生する磁界の磁束が正味ゼロであり、又は磁界の軸方向磁束が正味ゼロである。

[００２９] システムにトルクが加わったとき、磁石１１５と第一及び第二の固定子１２０，１２５との間にて角度変位がある。この磁石１１５と第一及び第二の固定子１２０、１２５との間の角度変位の結果、第一の磁束３００の変化が生ずる（例えば、磁界の磁束の大きさ及び／または極性の変化）。角度変位が大きければ大きいほど、磁束はより大きくなる。第一の回転方向への第一の角度変位によって、第一の磁束３００は、第一の方向を有する一方、第二の回転方向への第二の角度変位により、第一の磁束３００は、第一の方向と反対の第二の方向を有する。

[００３０] 図４には、第二の磁石２０５´を有する第二の固定子２００´に近接する位置に配置された第一のセンサ１００´の第二の実施の形態が図示されている。図示した実施の形態において、ミラー磁石２１０´は、該ミラー磁石２１０´のミラー磁束２７５´（図５）は、第二の磁石２０５´の第二の磁束２５０´に対して対称であるように配置されている。

[００３１] 図４の実施の形態にて図示したように、第一の磁石１１５は、第一の固定子１２０の第一の側部１２１に隣接し、かつ第二の固定子１２５の第一の側部１２６に隣接する位置に配置されている。図示したように、第一の磁石１１５は、図示した座標系のｘ軸と軸方向に整合しており、かつ第一の固定子１２０と第二の固定子１２５との間に配置されている。第二の磁石２０５´は、第二の固定子１２５の第二の外周１２９に隣接する位置に配置され、また、ミラー磁石２１０は、第一の固定子１２０の第一の外周１２４に隣接する位置に配置されている。更に、第二の磁石２０５´及びミラー磁石２１０´は、センサ１００´の長手方向軸線に対して半径方向に整合されている。

[００３２] 図５には、第二の磁石２０５´の第二の磁束２５０´と、ミラー磁石２１０´の第三の、すなわちミラー磁束２７５´とが示されている。図示したように、該ミラー磁束２７５´は、第二の磁束２５０´に対して対称である。このため、該第二の磁石２５０´及びミラー磁束２７５´は、互いに打ち消す。このように、磁気感知要素１４０は、第一の磁束３００のみを検出する。

[００３３] 図６には、第二の磁石２０５´´を有する第二のセンサ２００´´に近接する位置に配置された第一のセンサ１００´´の第三の実施の形態が図示されている。この場合、第二の磁石２０５´´は、形成される磁界がセンサ１００´の長手方向軸線の回りにて対称であるように磁化される。この実施の形態において、第二の磁石２０５´´は、第一のセンサ１００´´の第一の固定子及び第二の固定子１２０、１２５から実質的に等しい距離に配置されている。第二の磁石２０５´´をこのように配置する結果、第一の及び第二の固定子１２０、１２５及び第一のコレクタ及び第二のコレクタ１３０、１３５に対して対称な第二の磁束２５０´´（図７）となり、第一の及び第二の固定子１２０、１２５及び第一及び第二のコレクタ１３０、１３５は、ほぼ同一の磁束を受け取る。このため、磁気感知要素１４０は、第一の磁束３００のみを検出する。図示したように、第二の磁石２０５´´は、第一及び第二の固定子１２０、１２５から半径方向に分離している。

[００３４] このように、本発明は、特に、磁気センサにて、特に、トルク及び／または角度センサにおける磁気干渉を平衡化しかつ／または打ち消すシステム及び方法を提供するものである。本発明の各種の特徴及び有利な点は、以下の請求の範囲に記載されている。

Claims

感知システムにおいて、
第一の磁界を有する第一の磁石と、
第一の磁界を受け取る形態とされた第一の固定子と、
第一の磁界を受け取る形態とされた第二の固定子と、
該第一の固定子から第一の磁界を集める形態とされた第一のコレクタと、
該第二の固定子から第一の磁界を集める形態とされた第二のコレクタと、
第一の磁界を感知する形態とされた磁気感知要素と、
第二の磁界を有する第二の磁石と、
第三の磁界を有する第三の磁石であって、該第三の磁界が前記第二の磁界に対して対称であるように配置された前記第三の磁石と、を備える、感知システム。
請求項１に記載の感知システムにおいて、
前記第一の磁石は、第一の磁気センサの一部であり、前記第二の磁石は、第二の磁気センサの一部である、感知システム。
請求項１に記載の感知システムにおいて、
前記第三の磁界は、前記磁気感知要素の位置にて前記第二の磁界を打ち消す、感知システム。
請求項１に記載の感知システムにおいて、
前記第一の磁石と結合された入力シャフトと、前記第一の固定子及び第二の固定子と結合された出力シャフトとを更に備える、感知システム。
請求項４に記載の感知システムにおいて、
前記磁気感知要素は、前記入力シャフトと前記出力シャフトとの間のトルクと関係した磁界を感知する形態とされる、感知システム。
請求項４に記載の感知システムにおいて、
前記磁気感知要素は、前記入力シャフトと前記出力シャフトとの間の位置と関係した磁界を感知する形態とされる、感知システム。
請求項１に記載の感知システムにおいて、
前記第二の磁界を受け取る形態とされた第三の固定子と、
前記第二の磁界を受け取る形態とされた第四の固定子と、
該第三の固定子から前記第二の磁界を集める形態とされた第三のコレクタと、
該第四の固定子から前記第二の磁界を集める形態とされた第四のコレクタと、
前記第二の磁界を感知する形態とされた第二の磁気感知要素と、を更に備える、感知システム。
請求項１に記載の感知システムにおいて、
前記第一の磁石は、前記第一の固定子の第一の側部に隣接し、かつ前記第二固定子の第一の側部に隣接する位置に配置され、
前記第二の磁石は、前記第一の固定子の第二の側部に隣接する位置に配置され、
前記第三の磁石は、前記第二の固定子の第二の側部に隣接する位置に配置される、感知システム。
請求項１に記載の感知システムにおいて、
前記第一の磁石は、前記第二の固定子から最も離れた前記第一の固定子の表面と、前記第一の固定子から軸方向に最も離れた前記第二の固定子の表面との間にて軸方向に配置される、感知システム。
請求項９に記載の感知システムにおいて、
前記第二の磁石は、半径方向に向けて前記第二の固定子の外周に隣接する位置に配置され、
前記第三の磁石は、半径方向に向けて前記第一の固定子の外周に隣接する位置に配置される、感知システム。
感知システムにおいて、
第一の磁気センサであって、
第一の磁界を有する第一の磁石と、
第一の磁界を受け取る形態とされた第一の固定子と、
第一の磁界を受け取る形態とされた第二の固定子と、
該第一の固定子から第一の磁界を集める形態とされた第一のコレクタと、
該第二の固定子から第一の磁界を集める形態とされた第二のコレクタと、
第一の磁界を感知する形態とされた磁気感知要素とを含む前記第一の磁気センサと、
第二の磁界を有する第二の磁石であって、前記第一の固定子及び前記第二の固定子が同様の量の第二の磁界を受け取るように配置された、前記第二の磁石と、を備える、感知システム。
請求項１１に記載の感知システムにおいて、
前記第二の磁石は、第二の磁気センサの一部である、感知システム。
感知システムの磁界を感知する方法において、
第一の磁石により第一の磁界を提供するステップと、
第一の固定子により前記第一の磁界の少なくとも一部分を受け取るステップと、
第二の固定子により前記第一の磁界の少なくとも一部分を受け取るステップと、
第一のコレクタにより前記第一の固定子から前記第一の磁界の少なくとも一部分を集めるステップと、
第二のコレクタにより前記第二の固定子から前記第一の磁界の少なくとも一部分を集めるステップと、
第二の磁石から第二の磁界を受け取るステップと、
第三の磁界を有する第三の磁石を配置するステップであって、前記第三の磁界が前記第二の磁界に対して対称である、前記第三の磁石を配置するステップと、を備える方法。
請求項１３に記載の方法において、
前記第三の磁石を配置するステップは、前記第三の磁界が前記磁気感知要素にて前記第二の磁界を打ち消すステップを含む、方法。
請求項１３に記載の方法において、
前記第一の磁石を前記第一の固定子の第一の側部に隣接し、かつ前記第二の固定子の第一の側部に隣接する第一の位置に配置するステップと、
前記第二の磁石を前記第一の固定子の第二の側部に隣接する第二の位置に配置するステップと、
前記第三の磁石を前記第二の固定子の第二の側部に隣接する第三の位置に配置するステップと、を備える、方法。
請求項１３に記載の方法において、
軸方向に向けて前記第二の固定子から最も離れた前記第一の固定子の表面と前記第一の固定子から軸方向に最も離れた前記第二の固定子の表面との間にて前記第一の磁石を軸方向に配置するステップを更に備える、方法。
請求項１６に記載の方法において、
前記第二の磁石を半径方向に向けて前記第二の固定子の外周に隣接する第二の位置に配置するステップと、
前記第三の磁石を半径方向に向けて前記第一の固定子の外周に隣接する第三の位置に配置するステップと、を更に備える方法。