JP2023110878A - 長ストローク線形位置センサ - Google Patents

Abstract

【課題】線形位置検知システムを提供する。【解決手段】位置検知システム１００は、センサ１０２、及びセンサ１０２に隣接する磁石アセンブリ１０５を備えることができ、磁石アセンブリ１０５は、第１の幅及び第１の高さをそれぞれが有する第１の磁石１１１及び第２の磁石１１２を有し、第１の幅及び第１の高さは異なる。磁石アセンブリ１０５は、第１及び第２の磁石１１１，１１２に隣接する第３の磁石１１３及び第４の磁石１１４を有することができ、第３及び第４の磁石１１３，１１４のそれぞれは、第２の幅及び第２の高さを有し、第２の幅及び第２の高さは同じである。【選択図】図１

Description

本開示の実施形態は、包括的には、線形位置センサに関し、より詳細には、複数の磁石を備える長ストローク線形位置センサシステムに関する。

２つの要素の互いに対する位置又は変位を測定することがしばしば必要とされる。特に有用な測定は、移動ステージが静止基部に沿って移動する際の直線変位である。この変位は、多くの異なる検知技術によって、広範囲の精度にわたって、異なるレベルの複雑さで、及び広範なコストで測定することができる。

直線変位を測定するいくつかの共通の装置は、リニアエンコーダ、静電容量式センサ、渦電流センサ、線形可変差動変圧器、光電又は光ファイバセンサ、又は磁場センサを含む。静電容量式センサは、導電性及び非導電性標的材料の双方と共に使用されるが、センサ及び対象の間の媒体、たいていは空気の誘電率を変化させる環境変数に非常に鋭敏である。線形可変差動変圧器（ＬＶＤＴ）センサは、中空円筒形シャフト内の一連のインダクタ、及び中実円筒形コアを有する。ＬＶＤＴは、シャフトに沿ってコアの変位に比例する電気出力を生成する。これらのコイル又はコアのサイズ及び取り付け、及び測定の感度は、渦電流又はＬＶＤＴセンサの使用における競合する設計要素である。

ホール効果センサ、ＧＭＲセンサ、ＡＭＲセンサ、又は永久磁石線形非接触変位（ＰＬＣＤ）センサ等の磁気センサを、互い違いの磁極と共に使用し、センサの直線運動を示す正弦波出力を生成することができる。しかしながら、初期位置を決定しなければならず、各磁極をカウントし、位相データを最大精度で分析しなければならない。線形位置に正比例する電圧を出力するセンサは、多くの利点を有する。しかしながら、長ストローク用途では、センサに近接する他の部品とのＥＭＩ干渉を増加させる、より大きい磁石が必要である。

簡略設計及びより低コストを伴う磁気線形変位センサが必要である。

いくつかの実施形態において、位置検知システムは、センサ、及びセンサに隣接する磁石アセンブリを備えることができ、磁石アセンブリは、第１の幅及び第１の高さをそれぞれが有する第１の磁石及び第２の磁石を有し、第１の幅及び第１の高さは異なる。磁石アセンブリは、第１及び第２の磁石に隣接する第３の磁石及び第４の磁石をさらに有することができ、第３及び第４の磁石のそれぞれは、第２の幅及び第２の高さを有し、第２の幅及び第２の高さは同じである。

いくつかの実施形態において、長ストローク線形位置センサは、センサ、及びセンサからエアギャップによって離隔した磁石アセンブリを備えることができる。磁石アセンブリは、第１の幅及び第１の高さをそれぞれが有する第１の磁石及び第２の磁石、前記第１の幅及び前記第１の高さは異なる、及び、第２の幅及び第２の高さをそれぞれが有する第３の磁石及び第４の磁石を備えることができる。第２の幅及び第２の高さは同じであり、第３の磁石は、第１及び第２の磁石の間に位置決めされており、第２の磁石は、第３及び第４の磁石の間に位置決めされている。

いくつかの実施形態において、線形位置センサの磁石アセンブリは、第１の幅及び第１の高さをそれぞれが有する第１の磁石及び第２の磁石を備えることができ、第１の幅及び第１の高さは異なる。磁石アセンブリは、第２の幅及び第２の高さをそれぞれが有する第３の磁石及び第４の磁石をさらに備えることができ、第２の幅及び第２の高さは同じであり、第３の磁石は、第１及び第２の磁石の間に位置決めされており、第２の磁石は、第３及び第４の磁石の間に位置決めされている。

添付図面は、本開示の原理の実用的な用途を含め、本開示の例示的な手法を示している。

本開示の実施形態による位置検知システムを示すブロック図である。

本開示の実施形態による磁石アセンブリの磁場を示す図である。

本開示の実施形態による、磁石アセンブリの変位と検出された磁束密度との関係を示すグラフである。

本開示の実施形態による、ｚ－ｘ平面における磁場の未加工のＡＴＡＮ２を示すグラフである。

本開示の実施形態による、ｚ－ｘ平面における磁場のＡＴＡＮ２の出力を線形化する補償された出力を示すグラフである。

図面は、必ずしも縮尺どおりではない。図面は単に代表的なものであり、本開示の特定のパラメータを描写することは意図されていない。図面は、本開示の典型的な実施形態を示すことを意図しており、したがって、範囲を限定するものと見なされるべきではない。
さらに、図のうちのいくつかにおける特定の要素は、説明の明確さのために省略されてもよい、又は縮尺どおりに図示されない場合がある。

ここで、本開示による位置検知システムを、位置検知システムの実施形態が示されている添付図面を参照して、以下により十分に説明する。しかしながら、位置検知システムは、多くの異なる形式で具現化することができ、本明細書に記載される実施形態に限定されるものと解釈されるべきでない。むしろ、これらの実施形態は、本開示が十分かつ完全であり、システム及び方法の範囲を当業者に十分に伝えるように提供されている。

図１は、本開示の少なくともいくつかの実施形態に従って配置された位置検知システム（以下、「システム」）１００のブロック図を示している。示されているように、システム１００は、プロセッサ（例えば、マイクロプロセッサ）１０４と通信するセンサ１０２を備えることができ、センサ１０２及びプロセッサ１０４は、磁石アセンブリ１０５からの磁場を検出するように、及び磁石アセンブリ１０５に対するセンサ１０２の位置を決定するように動作可能である。いくつかの実施形態において、システム１００は、監視される構成要素１０６を備えることができ、構成要素１０６は、磁石アセンブリ１０５及び／又はセンサ１０２に対して動くことができる。より具体的には、構成要素１０６は、例えば、ｘ方向に沿って線形に動くことができる。いくつかの実施形態において、センサ１０２は、センサ及び構成要素１０６が共に動くように、構成要素１０６に直接結合することができる。いくつかの実施形態において、構成要素１０６は、鉄、ニッケル、又はコバルト等の強磁性材料から作製することができる。非限定的であるが、センサ１０２は、ホール効果センサ、異方性磁気抵抗センサ、巨大磁気抵抗センサ、又はトンネル磁気抵抗センサ等の磁石効果センサとすることができる。

示されているように、磁石アセンブリ１０５は、一直線に配置された第１の磁石１１１、第２の磁石１１２、第３の磁石１１３、及び第４の磁石１１４を有することができる。単一の大きい磁石の代わりに、別個の磁石によって、他の部品とのＥＭＩ干渉が有益に低減される。第１の磁石１１１、第２の磁石１１２、第３の磁石１１３、及び第４の磁石１１４のそれぞれは、第２の端部１２２の反対側の第１の端部１２１を有することができ、第１及び第２の端部１２１、１２２は、各磁石の反対の磁極を表す。示されている構成において、各第１の端部１２１は、各第２の端部１２２よりもセンサ１０２の近くに位置決めされている。第１の磁石１１１の第１の端部１２１は、第１の極性（例えば、Ｎ）を有することができ、第１の磁石１１１の第２の端部１２２は、第２の極性（例えば、Ｓ）を有することができ、第３の磁石１１３の第１の端部１２１は、第２の極性を有することができ、第３の磁石１１３の第２の端部１２２は、第１の極性を有することができる。同様に、第２の磁石１１２の第１の端部１２１は、第１の極性を有することができ、第２の磁石１１２の第２の端部１２２は、第２の極性を有することができ、第４の磁石１１４の第１の端部１２１は、第２の極性を有することができ、第４の磁石１１４の第２の端部１２２は、第１の極性を有することができる。

この実施形態において、第３の磁石１１３は、第１及び第２の磁石１１１、１１２の間に位置決めすることができ、第２の磁石１１２は、第３及び第４の磁石１１３、１１４の間に位置決めすることができる。示されているように、第１及び第３の磁石１１１、１１３は、第１の距離「Ｄ１」だけ（例えば、ｘ方向に沿って）分離することができ、第３及び第２の磁石１１３、１１２は、第２の距離「Ｄ２」だけ分離することができ、第２及び第４の磁石１１２、１１４は、第３の距離「Ｄ３」だけ分離することができる。この実施形態において、Ｄ１＝Ｄ２＝Ｄ３である。他の実施形態において、Ｄ１、Ｄ２、及びＤ３のうちの１つ又は複数は、異なる場合がある。非限定的であるが、Ｄ１、Ｄ２、及びＤ３のそれぞれは、１つの例において１２ｍｍとすることができる。

さらに示されているように、第１の磁石１１１は、第１の幅「Ｗ１」及び第１の高さ「Ｈ１」を有することができ、第２の磁石１１２は、第２の幅「Ｗ２」及び第２の高さ「Ｈ２」を有することができ、第３の磁石１１３は、第３の幅「Ｗ３」及び第３の高さ「Ｈ３」を有することができ、第４の磁石１１４は、第４の幅「Ｗ４」及び第４の高さ「Ｈ４」を有することができる。いくつかの実施形態において、Ｈ１＝Ｈ２＝Ｈ３＝Ｈ４である。他の実施形態において、高さのうちの１つ又は複数は異なる場合がある。さらに、いくつかの実施形態において、Ｗ１＝Ｗ２、及びＷ３＝Ｗ４であり、Ｗ１及びＷ２は、Ｗ３及びＷ４の少なくとも２倍の大きさとすることができる。非限定的であるが、１つの例において、Ｗ１及びＷ２は、８ｍｍとすることができ、Ｗ３及びＷ４は、４ｍｍとすることができる。Ｈ３及びＨ４も４ｍｍとすることができる。第１の磁石１１１、第２の磁石１１２、第３の磁石１１３、及び第４の磁石１１４のそれぞれの（例えば、ｙ方向における）厚さは、２ｍｍとすることができる。他の実施形態において、厚さは磁石間で異なる場合がある。

さらに示されているように、Ｄ１～Ｄ３は、Ｗ１及びＷ２の１．５倍の大きさとすることができ、また、Ｄ１～Ｄ３は、Ｗ３及びＷ４の３倍の大きさとすることができる。磁石アセンブリ１０５は、機械的なエアギャップ距離（ＡＤ）だけセンサ１０２から分離することができ、エアギャップ距離は、いくつかの実施形態において、４．５ｍｍとすることができる。示されている構成及び寸法の場合、システム１００は、２５ｍｍ～７０ｍｍの直線ストローク距離を検知するように構成されている。１つの具体的な例において、システムは、約５０ｍｍの直線ストローク距離を検知するように構成されている。システム１００の距離及び／又は寸法のうちの１つ又は複数は、有効な直線ストローク検知距離に影響を与えるように、所望に応じて修正することができることが理解されよう。

図２～５は、磁石アセンブリ１０５の磁石１１１～１１４の非限定的な磁気シミュレーション結果を示している。図２に示されているように、第１及び第２の磁石１１１、１１２の磁場１３２は、一般的に、第２の端部１２２から第１の端部１２１に方向付けることができる。一方、第３及び第４の磁石１１３、１１４の磁場１３４は、一般的に、第１の端部１２１から第２の端部１２２に方向付けることができる。

図３は、磁石アセンブリ１０５の変位と検出された磁束密度との関係、及び磁石アセンブリ１０５の変位とセンサ１０２の出力との関係を示すグラフ３００である。

図４は、磁石アレイがホール検知プレートを交差する際に発生する磁場からの未加工の信号を示すグラフ４００である。磁場出力は、それに基づいて計算された補正補償を必要とするため、出力は、図４に示されているような鋸歯状波よりもむしろ線形信号を有することになる。このグラフは、単に代表例であり、実際の印加出力は異なる場合がある。

図５は、図４に示されている未加工の信号の較正された出力である、ＡＴＡＮ２（Ｂｚ，Ｂｘ）３６０度補償を示すグラフ５００である。これは、発生する鋸歯状波を取り、較正後には、移動距離にわたって使用可能な信号を保証するために補正された出力を示す。このグラフは、単に代表例であり、実際の印加出力は異なる場合がある。

上記論述は、例示及び説明の目的で提示されたものであり、本開示を本明細書に開示された１つの形態又は複数の形態に限定することは意図されていない。例えば、本開示の様々な特徴は、本開示の合理化の目的で、１つ又は複数の態様、実施形態、又は構成において共にグループ化され得る。しかしながら、本開示の特定の態様、実施形態、又は構成の様々な特徴は、代替的な態様、実施形態、又は構成において組み合わされ得ることが理解されるべきである。また、以下の特許請求の範囲は、ここでこの参照によってこの詳細な説明に組み込まれ、各請求項は、それ自体が本開示の別個の実施形態として独立している。

本明細書で使用される際、単数形で記載されていて、「ａ」又は「ａｎ」という語の後にある要素又は段階は、複数の要素又は段階を除外しないものとして理解されるべきであるが、ただしそのような除外が明示的に記載されている場合を除く。さらに、本開示の「一実施形態」への参照は、記載された特徴も組み込む追加の実施形態の存在を除外するものと解釈されることは意図されていない。

「含む」、「備える」、又は「有する」、及びこれらの変化形を本明細書において使用することは、これらの前に列挙された項目及びその等価物、並びに付加的な項目を包含することを意味している。それに応じて、「含む」、「備える」、又は「有する」という用語及びこれらの変化形は、オープンエンド表現であり、本明細書において交換可能に使用することができる。

「少なくとも１つの」、「１つ又は複数の」及び「及び／又は」というフレーズは、本明細書で使用される際、接続的及び非接続的の双方で機能するオープンエンド表現である。例えば、「Ａ、Ｂ及びＣのうちの少なくとも１つ」、「Ａ、Ｂ又はＣのうちの少なくとも１つ」、「Ａ、Ｂ及びＣのうちの１つ又は複数」、「Ａ、Ｂ又はＣのうちの１つ又は複数」及び「Ａ、Ｂ及び／又はＣ」という表現のそれぞれは、Ａのみ、Ｂのみ、Ｃのみ、ＡとＢとを合わせる、ＡとＣとを合わせる、ＢとＣとを合わせる、又はＡとＢとＣとを合わせることを意味する。

さらに、識別指示語（例えば、一次、二次、第１の、第２の、第３の、第４の等）は、重要度又は優先度を暗示することは意図されていないが、１つの特徴を別のものから区別するのに使用される。図面は、単に例示の目的のものであり、本明細書に添付される図面内に反映される寸法、位置、順序、及び相対的なサイズは変化し得る。

さらに、「実質的」又は「実質的に」という用語及び「おおよそ」又は「約」という用語は、いくつかの実施形態において交換可能に使用することができ、当業者によって容認可能な任意の相対的尺度を使用して記載することができる。例えば、これらの用語は、基準パラメータとの比較としての役割を果たして、意図する機能を提供することが可能な偏差を示すことができる。非限定的であるが、基準パラメータからの偏差は、例えば１％未満、３％未満、５％未満、１０％未満、１５％未満、２０％未満等の量とすることができる。

本開示は、本明細書に記載される特定の実施形態によって範囲が制限されるべきではない。実際に、本開示の他の様々な実施形態及び修正形態は、本明細書において説明されるものに加えて、前述の説明及び添付図面から当業者には明らかになるであろう。したがって、そのような他の実施形態及び修正形態は、本開示の範囲内に入ることが意図されている。さらに、本開示は、特定の目的のために特定の環境での特定の実装形態の文脈で本明細書に記載されてきた。当業者は、有用性がこれに限定されないことを認識し、本開示は、任意の数の目的のために任意の数の環境において有益に実現されてよい。したがって、以下に記載される特許請求の範囲は、本明細書に記載されるような本開示の全容及び趣旨を考慮して解釈されるべきである。

Claims (20)

1. センサ；及び
   前記センサに隣接する磁石アセンブリ
   を備え、前記磁石アセンブリは、
   第１の幅及び第１の高さをそれぞれが有する第１の磁石及び第２の磁石、前記第１の幅及び前記第１の高さは異なる；及び
   前記第１の磁石及び前記第２の磁石に隣接する第３の磁石及び第４の磁石、前記第３の磁石及び前記第４の磁石のそれぞれは、第２の幅及び第２の高さを有し、前記第２の幅及び前記第２の高さは同じである
   を有する、
   位置検知システム。
2. 前記第３の磁石は、前記第１の磁石及び前記第２の磁石の間に位置決めされている、請求項１に記載の位置検知システム。
3. 前記第２の磁石は、前記第３の磁石及び前記第４の磁石の間に位置決めされている、請求項１又は２に記載の位置検知システム。
4. 前記第１の幅は、前記第２の幅よりも大きい、請求項１又は２に記載の位置検知システム。
5. 前記第１の幅は、前記第２の幅の２倍の大きさである、請求項１又は２に記載の位置検知システム。
6. 前記第１の高さ及び前記第２の高さは同じである、請求項１又は２に記載の位置検知システム。
7. 前記第１の幅は、前記第１の高さの２倍の大きさであり、前記第２の高さの２倍の大きさである、請求項１又は２に記載の位置検知システム。
8. 前記第１の磁石及び前記第３の磁石の間の第１の距離は、前記第３の磁石及び前記第２の磁石の間の第２の距離と等しい、請求項１又は２に記載の位置検知システム。
9. 前記センサから信号を受信するように、及び、前記第１の磁石、前記第２の磁石、前記第３の磁石、及び前記第４の磁石のそれぞれに対する前記センサの位置を決定するように動作可能なプロセッサをさらに備える、請求項１又は２に記載の位置検知システム。
10. センサ；及び
    前記センサからエアギャップによって離隔した磁石アセンブリ
    を備え、前記磁石アセンブリは、
    第１の幅及び第１の高さをそれぞれが有する第１の磁石及び第２の磁石、前記第１の幅及び前記第１の高さは異なる；及び
    第２の幅及び第２の高さをそれぞれが有する第３の磁石及び第４の磁石、前記第２の幅及び前記第２の高さは同じであり、前記第３の磁石は、前記第１の磁石及び前記第２の磁石の間に位置決めされており、前記第２の磁石は、前記第３の磁石及び前記第４の磁石の間に位置決めされている
    を有する、
    長ストローク線形位置センサ。
11. 前記第１の幅は、前記第２の幅よりも大きい、請求項１０に記載の長ストローク線形位置センサ。
12. 前記第１の幅は、前記第２の幅の２倍の大きさである、請求項１０又は１１に記載の長ストローク線形位置センサ。
13. 前記第１の高さ及び前記第２の高さは同じである、請求項１０又は１１に記載の長ストローク線形位置センサ。
14. 前記第１の幅は、前記第１の高さの２倍の大きさであり、前記第２の高さの２倍の大きさである、請求項１０又は１１に記載の長ストローク線形位置センサ。
15. 前記第１の磁石及び前記第３の磁石の間の第１の距離は、前記第３の磁石及び前記第２の磁石の間の第２の距離と等しい、請求項１０又は１１に記載の長ストローク線形位置センサ。
16. 第１の幅及び第１の高さをそれぞれが有する第１の磁石及び第２の磁石、前記第１の幅及び前記第１の高さは異なる；及び
    第２の幅及び第２の高さをそれぞれが有する第３の磁石及び第４の磁石、前記第２の幅及び前記第２の高さは同じであり、前記第３の磁石は、前記第１の磁石及び前記第２の磁石の間に位置決めされており、前記第２の磁石は、前記第３の磁石及び前記第４の磁石の間に位置決めされている
    を備える、線形位置センサの磁石アセンブリ。
17. 前記第１の幅は、前記第２の幅の２倍の大きさである、請求項１６に記載の磁石アセンブリ。
18. 前記第１の高さ及び前記第２の高さは同じである、請求項１６又は１７に記載の磁石アセンブリ。
19. 前記第１の幅は、前記第１の高さの２倍の大きさであり、前記第２の高さの２倍の大きさである、請求項１６又は１７に記載の磁石アセンブリ。
20. 前記第１の磁石及び前記第３の磁石の間の第１の距離は、前記第３の磁石及び前記第２の磁石の間の第２の距離と等しい、請求項１６又は１７に記載の磁石アセンブリ。