JP2019020418A - 組み立て品 - Google Patents

Abstract

【課題】如何なる部分的な誤作動であっても検出する決定システムの組み立て品を提供する。【解決手段】エンコーダ１は、第１の磁気トラック２と、第２の磁気トラック３と、センサ４とを備えている。センサ４は、エンコーダ１の磁気トラック２，３が生じさせる信号を検出することに適した２つの態様５の高感度素子を有する。第１の態様５の高感度素子は、検出された磁気トラック２，３の磁気信号に応じて抵抗値が変化する磁気抵抗材料をベースとし、２Ｎ−１個の磁極対を有する第２の磁気トラック３から読み取り距離Ｌを隔てた位置に配置されている。第２の態様５の高感度素子は、異方性磁気抵抗材料をベースとしてもよく、Ｎ個の磁極対を有する第１の磁気トラック２から読み取り距離Ｌを隔てた位置に配置されている。【選択図】図１

Description

本発明は、システムに含まれる部材の組み立て品に関する。該システムは、上記部材の位置を決定するためのシステムである。

部材の位置を決定するために、エンコーダと、センサと、を備えたシステムが知られている。

エンコーダは、上記部材に固定されるように設計されている。エンコーダは、第１の磁気トラック及び第２の磁気トラックを備えている。第１の磁気トラック及び第２の磁気トラックの各々は、エンコーダの動きに対応する周期的な磁気信号を発生せるために好適である。

センサは、２つの態様の高感度素子を有する。２つの態様の高感度素子は、エンコーダの磁気トラックにより発生された信号を検出するために好適である。２つの態様の各々は、磁気トラックの上記位置の対応信号を形成するために、磁気トラックから読み取り距離を隔てて配置されている。センサは、部材の位置を決定するために、２つの態様から受け取った信号を処理するための装置を更に備えている。

欧州特許出願公開第１，３５３，１５１号明細書

特に、特許文献１には、バーニヤ原理に従って位置（特には絶対位置、すなわち基準位置）を単純に決定することができるように、第１の磁気トラックの磁極とは異なるいくらかの磁極を備えた第２の磁気トラックが記載されている。

決定システムのこの様式は、各磁気トラックを読み取るための、そして、対応する信号を処理するための単一センサを用いるという利点を有する。各態様は、検出するために、磁気トラックから読み取り距離を隔てた位置に広がる表面に沿って配置するために好適に配置されている。

特に、高感度素子の各態様が同程度の磁気信号レベルを検出するために、各態様は、同一の読み取り表面に沿って配置されていてもよい。ここで、読み取り表面は、多磁極である磁気トラックに関して読み取り距離が一定となる位置に広がっている。

決定システムのこの様式は、特に電気自動車のための同期電動機（永久磁石式又は巻線型回転子式）のために応用することができる。電気自動車は、回転子コイル電源を制御するために回転子の位置の正確な測定を必要とする。二者択一的に、この決定システムは、その変形例において、部材の直線的な位置を決定してもよい。

求められる正確さは、従来、電気的に、すなわち、モータの極対において±１°のオーダーである。優れたモータの監視とは、優れた出力を可能にしつつ、（１）できる限り無駄をなくした、すなわち、重量と占有するスペースを節約するモータのデザインを実現し、（２）エネルギーを節約し、結果として、同じ走行距離に対して必要となるバッテリーの量（重量、コスト）を減少させる、又は、同じバッテリーの量に対して走行距離を増加させ、ジュール効果に起因する損失を抑制することにより発熱をさらに抑制する、ことが可能であることを意味する。

ユーザが感じるより優れている性能とは、トルクの飛びがなく、誤った方向に動き始めた場合であっても、発する雑音が小さいことである。

特に、応用のこの様式において、電気モータの監視の安全機能がますます現在求められている。実際、角度決定は、モータトルク制御ループにおいて直接的に用いられている。そのため、正しくない角度データは、電気モータへの誤った電力供給を招くことになり、その結果、電気自動車の場合において、潜在的に深刻な、時機を失した動きとなる。

機能安全規格ＩＳＯ２６２６２は、これらの危険な出来事及びシステムのカテゴリ及びその部品を、ＡＳＩＬ（Automotive Safety Integrity Level, 自動車安全性要求レベル）として、最も安全なレベルＤから少なくとも安全なレベルＡまでのレベルに定義している。

レベルＤセンサは、安全動作のみならず、その誤動作がただちに検出可能であることが保証されているべきである。これは、このレベルＤセンサを用いたシステムがセーフモードにセットされた場合、例えば、一時的に質を下げたモードで動作させるためである。

本発明の目的は、信頼性が高められ、特にセンサの完全な誤動作の可能性に比例し、且つ、結果として、如何なる部分的な誤作動であっても検出する、特に決定システムの組み立て品を提案することによって、従来技術の課題を解決することである。

上記の課題を解決するために、本発明の一態様は、システムに含まれる部材の組み立て品に関する。該システムは、上記部材の位置を決定するためのシステムである。上記部材は、エンコーダと、センサと、を備えている。

上記エンコーダは、上記部材に保持されている。上記エンコーダは、第１の磁気トラックと、第２の磁気トラックとを備えている。第１の磁気トラック及び第２の磁気トラックの各々は、エンコーダの動きに対応する周期的な磁気信号を発生せるために好適である。

センサは、２つの態様の高感度素子を有する。２つの態様の高感度素子は、エンコーダの磁気トラックにより発生された信号を検出するために好適である。２つの態様の各々は、磁気トラックの上記位置の対応信号を形成するために、磁気トラックから読み取り距離を隔てて配置されている。センサは、部材の位置を決定するために、２つの態様から受け取った信号を処理するための装置を更に備えている。

第１の態様の高感度素子は、検出された上記磁気トラックの磁気信号に応じて抵抗値が変化する磁気抵抗材料をベースとする。第１の態様は、２Ｎ−１個の磁極対を有する第２の磁気トラックから読み取り距離を隔てて配置されている。第２の態様の高感度素子は、異方性磁気抵抗材料をベースとしてもよい。第２の態様は、Ｎ個の磁極対を有する上記第１の磁気トラックから読み取り距離を隔てて配置されていてもよい。

本発明の一態様によれば、如何なる部分的な誤作動であっても検出する、決定システムの組み立て品を提供することができる。

（ａ）〜（ｃ）は、本発明の一実施形態に係る、エンコーダに関するセンサの放射状組み立て品の概略図である。（ａ）は、放射状組み立て品を斜視した場合を示し、（ｂ）は、放射状組み立て品を側面視した場合を示し、（ｃ）は、放射状組み立て品を前面視した場合を示している。 （ａ）及び（ｂ）は、本発明の一実施形態に係る、エンコーダに関するセンサの面状組み立て品の概略図である。（ａ）は、面状組み立て品を斜視した場合を示し、図２の（ｂ）は、面状組み立て品を前面視した場合を示している。

本発明の主題及び利点は、添付の図１及び図２を参照しながら以下の説明により明らかになるだろう。

図１の（ａ）〜（ｃ）は、本発明のエンコーダに関するセンサの放射状組み立て品の概略図である。それぞれ、図１の（ａ）は、斜視した場合を示し、図１の（ｂ）は、側面視した場合を示し、図１の（ｃ）は、前面視した場合を示している。

図２の（ａ）及び（ｂ）は、本発明のエンコーダに関するセンサの面状組み立て品の概略図である。それぞれ、図２の（ａ）は、斜視した場合を示し、図２の（ｂ）は、前面視した場合を示している。

これらの図面を参照して、部材の位置を決定するためのシステムに含まれる部材の組み立て品が以下に説明される。１つの応用例において、部材は回転式であり、例えば、同期電動機の軸であり、上記同期電動機を駆動するために、角度位置の決定は、用いられる。二者択一的に、この決定システムは、変換において、部材の線形の位置を決定してもよい。

特に、位置は、絶対的に、すなわち基準位置に関して決定され、そして、部材の最小限の動きなしにシステムの出力はただちに高められる。この目的のために、決定システムは、部材に保持されたエンコーダ１を備えている。エンコーダ１は、第１の磁気トラック２と第２の磁気トラック３とを備えている。

特に、磁気トラック２，３は、多極、すなわち、交互に連続したＮ極とＳ極との対を有し、部材の方向に沿って延伸されている。磁気トラック２，３の各々、それ自体は、エンコーダの動きに対応する周期的な磁気信号、特に疑似正弦波形式の磁気信号を発生せるために好適である。

本実施形態は、エンコーダ１が、多磁極である磁気トラック２，３である磁石により形成されている場合について説明する。特に、磁石は、環状配列されていてもよく、例えば、樹脂又は弾性体材料をベースとして具体化されている。ここで、樹脂又は弾性体材料は、散乱された磁気粒子であり、特に、特にフェライト又はＮｄＦｅＢなどの希土類粒子である。二者択一的に、各磁気トラック２，３は、別個の磁石により構成されていてもよい。

この決定システムは、エンコーダ１の磁気トラック２，３が生じさせる信号を検出することに適した２つの態様５の高感度素子を有するセンサ４を備えている。特に、各態様５は、少なくとも２つの高感度素子、特には、仏国特許出願公開第２，７９２，４０３号明細書、欧州特許出願公開第２，６０２，５９３号明細書、欧州特許出願公開第２，６０２，５９４号明細書に記載されているような複数の配列された高感度素子を備えていてもよい。

それ自体では、２つの態様５をそれぞれ磁気トラック２，３から読み取り距離を隔てて配置することによって、磁気トラック２，３の位置の対応信号を形成することができる。さらには、センサ４は、部材の位置を決定するために、２つの態様５から受け取った信号を処理するための装置６を備えている。

第２の磁気トラック３は、第１の磁気トラック２の磁極対とは数が異なる複数の磁極対を備えている。特に、磁気トラック２，３の始点及び終点において磁極対が一致していることによって、磁気トラック３の磁極対は、磁気トラック２の磁極対に対してオフセットを有する。

特に、絶対的な測定のために、第２の磁気トラック３は、第１の磁気トラック２の磁極対との間に約数を持たないいくらかの磁極対を備えている。一実施形態によれば、磁気トラック２，３は、１回転における角度位置を決定するために３６０°を覆うように伸びる。二者択一的に、１回転の一部分１／Ｑにおける角度位置を決定することができるように、磁気トラック２，３は、１回転の一部分１／Ｑを覆う。エンコーダ１は、それゆえ、１回転に亘るＱ個の磁気トラック２，３の連続物を有する。

一実施形態において、第１の磁気トラック２は、Ｍ個の磁極対を備え、第２の磁気トラック３は、Ｍ−１個の磁極対を備えている。

特許文献１に特に開示されている実施形態では、処理するための装置６は、絶対角度位置を決定するために、各態様５からの角度位置信号を比較することによって磁気的なバーニヤ原理を用いてもよい。

欧州特許出願公開第２，３７２，３１３号明細書に開示されている更なる実施形態では、各態様５は、磁気トラック２，３の角度位置の位相を含む信号を形成することを可能にする。処理するための装置６は、エンコーダ１の絶対角度位置をそこから推論するために、上記位相の間における差を計算する。

第１の態様５の高感度素子は、検出された上記磁気トラック２，３の磁気信号に応じて抵抗値が変化する磁気抵抗材料をベースとする。二者択一的に、第１の態様５の高感度素子は、ホール効果プローブであってもよい。

一実施形態において、第１の態様５の各高感度素子は、特には、トンネル効果を伴う磁気抵抗材料をベースとする少なくとも１つの高感度層を備えている。ここで、磁気抵抗材料の抵抗値は、検出された磁気トラック２，３の磁気信号に応じて変化する。

特に、例えば国際公開第２００４／０８３８８１号に記載されているように、第１の態様５の各高感度素子は、基準磁気層と、分離層と、検出された磁場に対して敏感な磁気層との積層構造を有する。基準磁気層と、磁場に対して敏感な磁気層との間の抵抗値は、両磁気層の磁化の相対的な向きに依存する。

この実施形態において、分離層は、ＴＭＲ型磁気抵抗素子を形成するために、絶縁体であってもよい。二者択一的に、分離層は、ＧＭＲ型磁気抵抗素子を形成するために、伝導性を有していてもよい。

第２の態様５の高感度素子は、その性質において、磁気トラック３，２により供給され、検出すべき磁気信号を検出するための技術に関して異なる。２つの異なる技術を使うことにより、両態様５の同時に起こる誤作動のトリガーとなりそうな誤作動の同じ原因は、抑制される。２つの態様５の何れかにおける誤動作を検出することよりも、両態様５の同時に起こる誤作動を検出することは、難しい。したがって、センサ４の機能安全レベルは、高められる。

第２の態様５の高感度素子は、特にＡＭＲ型の異方性磁気抵抗材料をベースにしている。

磁気トラック２，３の位置の対応信号を形成するために、各態様５は、読み取り表面Ｓに沿って配置されている。読み取り表面Ｓは、磁気トラック２，３から読み取り距離Ｌを隔てた位置に広がっている。特に、読み取り表面Ｓは、磁気トラック２，３に関して言うと、２つの態様５の各高感度素子は、強度がおおむね一定である磁気信号を検出することができるように、おおむね一定である読み取り距離Ｌを隔てた位置に沿って広がっている。

特に、磁気トラック２，３は、当該態様５からの読み取り距離Ｌが同じ位置に広がっているようなものなので、更に、２つの態様５は、同じ読み取り表面Ｓに沿って配置されていてもよい。

各態様５は、高感度素子が磁気トラック２，３の読み取り表面Ｓに対して垂直な共通平面Ｐ内に広がるように、配置されている。磁気トラック２，３に関する高感度素子の配置によれば、回転している磁場であって、磁気トラック２，３に対して垂直に放射されている磁場の検出を可能にする。上記検出は、表面Ｓに沿って、磁気トラック２，３により放射される読み取り磁場の検出と比較して、値及び読み取り距離Ｌのばらつきによる影響を受けにくい。

好都合なことに、態様５は、回転する磁場を上記長さに沿って検出可能であるように、磁気トラック２，３に沿って広がる長さをもつ。さらには、磁気トラック２，３は、回転する部材の回転軸を中心軸とする同心環状形状を有する。

本実施形態では、処理するための装置６が実装されている基板８をセンサ４が備えている場合について説明する。特に、基板８は、２つの主面８ａ，８ｂを有している。主面８ａには、一方の態様５が配置されており、主面８ｂには、他方の態様５が配置されている。
好ましいことに、複数の高感度素子は、主面８ａ，８ｂと平行に広がるように配置されている。この構成によれば、エンコーダ１に対してセンサ４を取り付けるために、特に、小径筒状筐体内へのセンサ４の集積化を容易にすることができる。

磁気トラック２，３の形状（特に、磁気トラック２，３の直径と、磁気トラック２，３の間隔とに関する形状）、２つの態様５の形状（特に２つの態様５の間隔に関する形状）、及び、それらの相対的な位置は、とりわけ、計測中における一方の磁気トラック２の他方の磁気トラック３に対する干渉を妨げるように設計されている。

特に、２つの態様５は、軸方向に沿って離間していてもよいし、基板８のどちらか一方の主面上に一緒に配置されることによって、放射状に離間していてもよい。ここで、基板８の厚さは、２つの態様５同士の間隔を決定する。２つの態様５同士の間隔は、１又は複数の追加された印刷回路であって、厚さが適宜選択され、且つ、軸方向又は放射状に積層された１又は複数の追加された印刷回路上に、２つの態様５を配置することによって、広がることもできる。

更に、センサ４の機能安全レベルをより高めるために、２つの態様５は、電気系統が分離されていることが好ましい。これは、２つの電源のうち一方の電源の電気的な故障、又は、２つの回路のうち一方の回路における静電放電が、他方の電気系統に故障を引き起こすことを防ぐためである。

図１に示すように、多磁極である磁気トラック２，３は、磁石の環状形状の外周に沿って、特に、隣接した状態で且つ軸方向に並べられている。実質的に一定な、読み取り表面Ｓと磁気トラック２，３との距離である読み取り距離Ｌを定めることによって、読み取り表面Ｓは、磁石の環状形状の外周の周りに付随的に広がっている。

図１の（ｃ）において、読み取り表面Ｓは、おおよそ、態様５の高さにおける上記外周の接面になる。読み取り距離Ｌは、読み取り表面Ｓに沿って直線的に伸びている態様５に沿って、実質的に一定である。

基板８は、磁気トラック２，３の間に径方向に沿って配置されている。基板８の両主面の各々には、磁気トラック２，３から、径方向に沿って読み取り距離Ｌを隔てた位置に、２つの態様５の各々が軸方向に沿ってそれぞれ配置されている。回転する磁場の径方向に沿った検出を可能にするために、２つの態様５の各々は、複数の高感度素子の高さが径方向に沿って伸びるように、配置されている。

図２に示すように、多磁極である磁気トラック２，３は、磁石の環状形状の横壁の上に形成されており、特に、隣接した状態で且つ径方向に並べられている。実質的に一定な、読み取り表面Ｓと磁気トラック２，３との距離である読み取り距離Ｌを定めることによって、読み取り表面Ｓは、上記横壁に平行な平面に沿って広がっている。

基板８は、磁気トラック２，３の間に軸方向に沿って配置されている。基板８の両主面の各々には、磁気トラック２，３から、軸方向に沿って読み取り距離Ｌを隔てた位置に、２つの態様５の各々が径方向に沿ってそれぞれ配置されている。回転する磁場の軸方向に沿った検出を可能にするために、２つの態様５の各々は、複数の高感度素子の高さが軸方向に沿って伸びるように、配置されている。

第１の態様５の高感度素子は、磁気抵抗材料をベースにしている。このような第１の態様５の高感度素子の例としては、トンネル効果を発揮するＴＭＲ型の態様が挙げられる。第２の態様５の高感度素子は、異方性磁気抵抗材料をベースにしている。このような第２の態様５の高感度素子の例としては、ＡＭＲ型の態様が挙げられる。

ＡＭＲ型の態様の１つの特性は、測定された磁気信号の周波数を２倍にすることである。図１，２に示すように、回転におけるバーニヤ原理が有効であるので、第１の態様５は、２Ｎ−１個の磁極対を有する第２の磁気トラック３から読み取り距離Ｌを隔てた位置に配置されており、第２の態様５は、Ｎ個の磁極対を有する第１の磁気トラック２から読み取り距離Ｌを隔てた位置に配置されている。

上述のようなＭ／Ｍ−１型の電気信号は、絶対位置を得るために実際に用いられている。本実施形態の一例において、第１の磁気トラック２は、１６個の磁極対を有し、第２の磁気トラック３は、３１個の磁極対を有する。

更に、この２Ｎ−１／Ｎの配列によれば、ＡＭＲ型の態様について、大きな磁極に起因する利益を得ることができる。この２Ｎ−１／Ｎの配列は、ＴＭＲ型の態様よりも低いＡＭＲ型の態様の感度を補償する。同じ読み取り距離Ｌを隔てた位置に２つの態様５の各々の配列によれば、絶対位置を決定することができる。

１ エンコーダ
２ 第１の磁気トラック
３ 第２の磁気トラック
４ センサ
５ 高感度素子の第１の態様及び第２の態様
６ 装置

Claims (9)

1. 部材の位置を決定するためのシステムに含まれる部材の組み立て品において、
   上記部材と共に回転するエンコーダ（１）であって、該エンコーダ（１）の動きを表す周期的な磁気信号を放射するように構成された第１の磁気トラック（２）及び第２の磁気トラック（３）を有するエンコーダ（１）と、
   上記エンコーダの上記磁気トラック（２、３）からの上記磁気信号を検出するように構成され、上記磁気トラック（２、３）の位置を表す信号を生成するために上記磁気トラック（２、３）から読み取り距離を隔てて配置された２つの態様（５）の高感度素子、及び、上記部材の位置を決定するために上記２つの態様（５）の高感度素子からの上記信号を処理する装置（６）を有するセンサ（４）と、を備え、
   第１の態様（５）の上記高感度素子は、検出された上記磁気トラック（２、３）からの上記磁気信号に応じて抵抗値が変化する磁気抵抗材料をベースとしており、
   上記第１の態様は、２Ｎ−１個の磁極対を有する上記第２の磁気トラック（３）から読み取り距離を隔てて配置される態様であり、
   第２の態様（５）の上記高感度素子は、異方性磁気抵抗材料をベースとしており、
   上記第２の態様は、Ｎ個の磁極対を有する上記第１の磁気トラック（２）から読み取り距離を隔てて配置されている、
   ことを特徴とする組み立て品。
2. 上記第１の態様（５）の上記高感度素子は、上記磁気トラック（２、３）からの上記磁気信号を検出する技術に関する性質が上記第１の態様（５）の高感度素子の磁気抵抗材料と異なる磁気抵抗材料をベースとしている、
   ことを特徴とする請求項１に記載の組み立て品。
3. 上記第２の態様（５）の上記高感度素子は、ＡＲＭ型の磁気抵抗材料をベースとしている、
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載の組み立て品。
4. 上記第１の態様（５）の上記高感度素子は、トンネル磁気抵抗材料、ＧＲＭ、又はホールプローブをベースとしている、
   ことを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の組み立て品。
5. 上記第１の態様（５）の上記高感度素子は、参照用の磁性層、分離層、及び高感度層を含む積層体を備えており、上記磁性層間の抵抗は、それらの磁化の相対的な向きに応じて決まる、
   ことを特徴とする請求項４に記載の組み立て品。
6. 上記エンコーダ（１）は、多磁極の上記磁気トラック（２、３）が実装された磁石により構成されている、
   ことを特徴とする請求項１〜５の何れか１項に記載の組み立て品。
7. 上記磁気トラック（２、３）は、一周の全部又は一部の方位を決定するために、３６０°又は一周の一部に広がっている、
   ことを特徴とする請求項１〜６の何れか１項に記載の組み立て品。
8. 上記センサ（４）は、２つの面（８ａ，８ｂ）を有する電子基板（８）を備えており、上記２つの態様（５）の各々は、これら２つの面の各々に配置される態様である、
   ことを特徴とする請求項１〜７の何れか１項に記載の組み立て品。
9. 上記２つの態様（５）の各々は、上記磁気トラック（２、３）の読み取り面（Ｓ）に直交する一般化面（Ｐ）内に上記高感度素子が広がるように配置される態様である、
   ことを特徴とする請求項１〜８の何れか１項に記載の組み立て品。

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