JP2005531784A - 合成磁束源を使用する位置センサ - Google Patents

Abstract

非接触位置センサは、２つの物体間の相対的な変位を検知する。磁束源は、回転式あるいは直線の変異に容易に適応される高度に設定可能な磁束源を生成するように選択的に決定された複数の個別の磁石によって提供さる。前記個別の磁石によって生成された前記個々の磁場の相互作用は、変位の変化に対して線形および非線形の両方の関係を生成するようにコントロールされる。磁束集合極片は、磁気センサに導く前記多数の個々の磁場を統合するために次元的に最適化される。

Description

本出願は、本特許出願と同一の譲受人に譲受された「コミュニケーション・システムおよび方法」とタイトルを付けられて1995年9月18日に出願された米国特許第5,451,923号、「磁気変位センサ用の磁束成形極片」とタイトルを付けられて1997年8月6日に出願された米国特許第6,060,881号、および「故障したバルブステムを検出する方法」とタイトルを付けられて2001年4月17日に出願された米国出願09/836,307号に関し、参照によってここに取り込まれる。

この出願は、２つの物体間の変位あるいは位置を測定する装置に関する。特に、非接触位置センサは、コントロール・バルブ上のバルブステム位置を検出するために使用される設定可能な磁束源を有して示される。

産業処理プラントは、食品加工工場における製品フローのコントロールから、大きなタンクファームにおける流体レベルを維持することまで、種々様々な用途でコントロール・バルブを使用する。コントロール・バルブ（典型的には自動化されている）は、可変オリフィスまたは通路のように機能することにより、製品フローを管理するために使用される。内部バルブ・コンポーネント（バルブ・プラグ）を移動させることによって、バルブ本体を通過する製品の量は、正確にコントロールされることができる。コントロール・バルブは、アクチュエータと、プラント・オペレータの望むコントロール戦略を達成するバルブ内のフロー変化を指令するためにプロセス制御コンピュータとアクチュエータとの間で通信する遠隔操作機器を使用して典型的には自動化される。位置センサは、正確なプロセス制御を維持する際に重大な役割を果たす。

プロセス制御コンピュータがフローを修正するコマンドを出すときには、遠隔操作機器は、現在のバルブ位置を読み、アクチュエータによって適切な矯正操作を適用しなければならない。典型的なアクチュエータは、気圧調節された空気源（遠隔操作機器によってコントロールされる）によって運転される。例えば、スライドするステムバルブ上で使用されるスプリングとダイアフラム・アクチュエータにおいては、大きなダイアフラムに与えられる空気圧の変化は、ダイアフラムの移動あるいは変位を引き起こす。ダイアフラムに取り付けられるのは、アクチュエータ・ステムであり、それは、バルブ・プラグに次に接続される。ダイアフラムへの空気圧を変更することによって、遠隔操作機器は、バルブプラグを直接的に位置決めすることができ、そしてしたがって、コントロール・バルブを通じた流れをコントロールする。適切にフローをコントロールするために、新しいコマンドに応じて、バルブ・プラグがどこにあるか、およびそれがどこへ移動しなければならないかを、機器は常に知らなければならない。これは、遠隔操作機器とアクチュエータ・ステムとの間に位置センサを取り付けることにより達成される。正確なバルブ・コントロールのためにステム位置フィードバックを提供するために、位置センサの出力は、遠隔操作機器に直接的に接続されることが可能である。

ポテンショメータのような従来の位置センサは、センサへ移動または変位を連結するために動的あるいは機械的な移動のリンケージを要求する。乱流によって引き起こされる機械的な振動が存在する用途においては、システム・エラーあるいは不安定さが、位置センサの信頼性を非常に短い期間に蓄積する何百万もの運転サイクルまで低下することができる。さらに、機械的なリンケージは、コンタクトあるいは損耗ポイントを有している。厳しい運転条件の間、不安定さは、損耗ポイントでの機械的なリンケージをまさに「ずたずた」にすることができ、それによって、バルブステムを遠隔操作機器から分離する。このタイプの破滅的な故障は、バルブ・コントロールを破壊し、そして、回避されなければならない。センサの信頼性を改善するために、センサの設計は、非接触位置検出方法に移行してきている。

１つのタイプの非接触センサの設計は、磁気位置センサである。磁気位置センサは、磁束源（典型的には磁石）を第１の物体へ取り付け、そして、ホール効果センサのようなセンサを第２の物体へ取り付けることにより、２つの物体間の変位を検出する。磁束源は、センサによって検出される磁界を表わしている。相対的な変位を生成する一方または両方の物体のいかなる移動も、センサに磁界の異なる部分を提示し、それによって、センサの出力を変更する。この出力は、アクチュエータとバルブステムとの間の相対的な変位に直接的に関係がある。

非接触位置センサは、非常に順応性があり、変位の多くの形態を測定することができる。しかしながら、現在の非接触位置センサは、それらを移動する要素に取り付ける方法によってしばしば制限される。変位を連結する「接触」動的なリンケージを依然として使用する遠隔操作機器における位置またはフィードバック・センサの多くの商用例がある。１つのそのような構成は、回転運動を非接触磁気抗性要素に直接的に結合するために従来のウォーム歯車装置を使用する。磁気抗性要素は、非接触センサとして分類することができるが、その運動は、「接触」装置を通じて実際には変換され、ちょうど従来のリンケージに基づいたポテンショメータのような低下した信頼性に苦しむであろう。

さらに、他の非接触位置センサは、様々なタイプの変位測定（例えば、直線式且つ回転式）にあらかじめ規定された出力を提供する磁束源を再設定する無力さに苦しむ。これらのタイプの位置センサの例は、リッグス（Riggs）らの米国特許第5,359,288号、ウルフ（Wolf）らの米国特許第5,497,081号、そして、高石らの米国特許第5,570,015号に見出せる。
米国特許第5,359,288号 米国特許第5,497,081号 米国特許第5,570,015号

ここに記述されるような位置センサ・アセンブリは、２つ以上の物体間の相対的な変位を正確に検出する非接触位置を提供し、特に、コントロール・バルブ・アセンブリにおけるバルブ・プラグの位置を正確に測定することを提供する。

１つの実施の形態においては、直線変位または回転変位の両方を測定するように構成された複数の個別の磁石を使用する高度に設定可能な磁束源を備えた位置センサである。これは、磁気アセンブリのコントロールされた設計によって達成される。個々の磁石は、連続的な複合磁場を生成するように組み立てられ、それによって、可変の物理幾何学的磁束源を生成する。

別の実施の形態においては、磁気アセンブリの調整は、移動および位置センサ出力の間の関係をあらかじめ決定する。多くの出力関係は、磁界をあらかじめ定めることにより、それから、希望の磁界を協働的に生成するように複数の個別の磁石を調整することによって設計される。

別の実施の形態は、回転の拡張範囲を通じた高度に線形の出力特性を備えるロータリ位置センサを生成するために円柱状の磁石を使用する。センサ・アセンブリ内の円柱状の磁石およびエアギャップの長さを正確にコントロールすることによって、レスポンス特性は非常に改善される。

ここに記述された位置センサの特徴および利点は、次の詳細な記述および添付の図面への参照によって最も評価されるであろう。

ここに記述される位置センサの利点を認識するために、位置センサのコンポーネントについて、そして、それらがどのようにしてコントロール・バルブの変位を測定するために動作するかについての理解を有していることが望ましい。好ましい実施の形態はコントロール・バルブに関する変位測定を教示するが、当業者は、他の変位測定用途との関連を同様に認識するであろう。図面に転じてまず図１Ａを参照し、非接触位置センサの重要なコンポーネントが示される。

図１Ａにおいて、センサ5は、磁束源8に隣接して配置される。一般に知られているように、磁束源8は、磁束源8およびセンサ5の両方を完全に包含する連続的で、三次元の磁場を提示する。続いて、センサ5は、それを囲む磁界10に比例した電気信号を生成する装置である。当業者に知られているように、磁界10の検出された大きさは、磁界10内の位置に関して変化する。したがって、図１Ｃのグラフにおいて示されるように、磁界10に対するセンサ5の相対的な位置あるいは変位のいかなる変化も、センサ5の出力の対応する変化を生じさせるであろう。この関係は、非接触位置センサを生成するように開発されることができる。

非接触位置または変位測定用途においては、センサ5および磁束源8は、２つの機械的に独立した物体（図示せず）に取り付けられる。動的なあるいは移動する機械的なリンケージは、磁束源8間の相対的な変位をセンサ5に直接結合するためには使用されない。図１Ａを再び参照して、センサ5および磁束センサ8の相対的な位置は、D1によって示される変位をもつ磁束源8の中心近傍にセンサ5を配置する。図１Ｃにおいて対応するグラフは、D1の変位に対してV1によって示されたセンサ5の出力を示す。図１Ｂにおいて、変位は、磁束源8の端部近傍にセンサ5を配置するD2によって示される、新しい位置へ変更される。図１Ｄにおいて対応するグラフは、磁束源8によって生成された磁界10内のセンサ5の位置の変化と直接的に関係するセンサ5の出力V2の変化を示す。センサ5の出力信号のこれらの変化は、２つの機械的に独立した物体間の変位の直接の測定として使用される。センサ5に接続された電子回路（図示せず）は、より詳しく下に説明されたコントロール・バルブの用途で使用されるセンサ5の出力信号を処理するために使用される。

さて、図２Ａを参照して、位置センサは、コントロール・バルブの自動制御のために使用されるスライドするステム・アクチュエータ20に結合されたものとして示されている。スライドするステム・アクチュエータ20は、直線運動（つまり、直線の運動）に適応される。図２Ａの斜視図は、位置センサの磁気センサ・アセンブリ11および磁束源18a（図３−図７により詳しく示される）がスライドするステム・アクチュエータ20と遠隔操作機器19（遠隔に設置された機器のモジュール・ベースだけが示されている）との間でどのように独立して取り付けられるかを示している。

知られているように、スライドするステム・アクチュエータ20、遠隔操作機器19およびコントロール・バルブ（図示せず）は、バルブ・アセンブリ23を形成するために結合している。取付アセンブリ14は、磁束源18aをステム・コネクタ27に取り付けている。取付アセンブリ14は、取付プレート15aおよび位置決めプレート15bから構成されている。ステム・コネクタ27は、ステム・コネクタ・ボルト16aおよび16bを使用してアクチュエータ・ステム17とバルブステム21との間に接続されている。

本位置センサを装備しない典型的なバルブ・アセンブリの一般的なオペレーションは、米国特許第5,451,923号に記述され、フィッシャー・コントロールズ・インターナショナル社（Fisher Controls International, Inc.）に譲渡されており、参照によってここに取り込む。知られているように、バルブ・プラグを移動させるコマンドが遠隔操作機器19によって受信されるときに、加圧された空気は、スライドするステム・アクチュエータ20に導かれ、アクチュエータ・ステム17が移動するであろう。アクチュエータ・ステム17のいかなる変位も、センサ・アセンブリ11に対する磁束源18aの位置の相対的な変化を生じさせる。この位置変更は、センサ出力を修正する。出力信号は、バルブ・プラグ（図示せず）の正確なコントロールを生成するために処理する遠隔操作機器19に送信される。図２Ｂは、リニア位置センサ30aの斜視図を示している。磁束源18aおよびセンサ・アセンブリ11は、磁界10（図１Ａおよび図１Ｂ）をセンサ・アセンブリ11に適切に結合するように非常に隣接して配置されるが、オペレーション中においては非接触である。

さて、図２Ｃを参照して、センサ・アセンブリ11は、センサ・ハウジング22に取り付けられている。センサ・ハウジング22は、磁束集合極片32および磁気センサ35（より詳しく下に説明されている）の位置決めを提供する。磁気センサ35および磁束集合極片32は、ブラケット38と２つのネジ24aおよび24bとによってセンサ・ハウジング22に保持されている。さらに、センサ・ハウジング22を遠隔操作機器19へ直接的に統合することによって、電気的な接続は単純化され、当業者によく知られた危険な環境における本質的に安全で防爆のオペレーションのための産業上の制約に準拠する。センサ・ハウジング22は、アルミニウムあるいは他の適切な非磁性材料から製造され、センサ・アセンブリ11を受けるように構成される。

さて、図３Ａおよび図３Ｂを参照して、好ましい実施の形態における磁束源18a（図３Ａ）およびセンサ・アセンブリ11（図３Ｂ）が詳細に議論される。好ましい実施の形態においては、磁束源18aは、直線移動を測定し、且つ、変位測定の全範囲に亘った線形の出力信号を提供するように設計されている。例えば、変位の10パーセントの変化は、位置センサの出力信号の対応する10パーセントの変化を生じさせるであろう。位置センサ出力の変化はすべて、変位の変化に正比例している。線形の出力関係は、遠隔操作機器の機能において重要である。変位の正比例する測定の生成によって、遠隔操作機器19あるいはセンサ・エレクトロニクス13（図３Ｃおよび図３Ｄ）による補足処理は、位置フィードバックを提供するためには要求されない。

複数の個々のあるいは個別の円柱状の磁石50〜72は、磁束源18aを生成するために矩形に成形されたキャリア41に組み込まれる。キャリア41の好ましい材料は、アルミニウムまたはプラスチックのように非磁性のものである。好ましい実施の形態においては、約4.5インチの直線移動を測定することができるリニア・アレイを生成するために23個の個別の磁石50〜72がキャリア41内に配置される。個別の磁石50〜72は、好ましくはALNICO 8Ｈから製作され、垂直および水平に位置決めされる。１つの実施の形態においては、磁石50〜72は、ミネソタ州セント・パウロの３Ｍからの2214構造用接着剤のようなエポキシ樹脂を使用したキャリア内に取り付けられる。個別の磁石のそれぞれ50〜72は、およそ直径にして0.1875インチ、および長さにして0.1875インチである。垂直方向の個々の磁石の中心間距離は、アレイの中央部分に亘る約4.5インチの変位測定を提供するおよそ0.25インチである。キャリア41は、磁石アレイの機械的な配列を提供し、図２Ａにおいて前に示されたようなステム・コネクタ・ボルト16aおよび16bを使用してステム・コネクタ27に取り付けられる取付アセンブリ14を備えたステム・コネクタ27に直接的に取り付ける。

当業者に理解されるように、アクチュエータ20上の遠隔取付機器19の取り付け中に生じる寸法公差の積み上げは、バルブ・アセンブリ23のオペレーションに先立つ機器のキャリブレーションを要求する。機器のキャリブレーションは、移動の縦軸に沿って、および該縦軸に水平垂直な平面内で粗い位置決めを提供することにより容易にされる。センサと、取付プレート15aと、取付アセンブリ14の位置決めプレート15bとへ直接的に運動を結合する先行技術のリンケージとは違い、静的であり、単に設置プロセス中における調節を提供する。磁束源18aおよびセンサ・アセンブリ11の水平配列は、図３Ｂにおいてさらに図示される。

図３Ｂにおいて示される上面図は、センサ・アセンブリ11のＵ形の磁束集合極片32を明白に示している。磁束集合極片32は、高い浸透性材料からなる２つのＬ形セクション33aおよび33bを備え、好ましくは、互いに鏡面対向して配置されたペンシルバニア州のカーペンター・テクノロジー・オブ・リーディング（Carpenter Technology of Reading）からの焼きなましされたHyMu「80」（登録商標）である。Ｌ形セクション33aおよび33bは、磁気センサ35を受け、且つ、各Ｌ形セクション33aおよび33bを磁気センサ35との密接な接触で配置するように構成されたギャップに、ベースで接合される。各Ｌ形セクション33aおよび33bの断面平方寸法は、およそ0.15インチである。好ましくは、各Ｌ形セクション33aおよび33bは、およそ深さで1.25インチ、およびベース脚に亘って0.445インチであり、したがって、およそ深さで1.25インチ、幅で0.89インチの外部寸法を有するＵ形を生成する。好ましい実施の形態においては、磁気センサ35はAllegro 3516ホール効果要素であるが、他のタイプの磁気センサも同様にあるいは付加的に使用されることができる。

磁気センサ35の出力は、電子回路13（図３Ｃおよび図３Ｄ）によって処理される。電子回路13は、磁気センサ35と遠隔操作機器19との間のインターフェースを提供する。図３Ｃにおいて示されるように、一対のコネクタJ1およびJ2は、産業標準4〜20mAカレントループから電力を受けている。当業者に理解されるように、磁気センサ35および電子回路13は、カリフォルニア州サンタクララのナショナル・セミコンダクター（National Semiconductor）からのLM285微小消費電力電圧参照ダイオードU2と共に設計された調整回路、および受動コンポーネントR5，R6，R7，R10，R11，R12，およびC5から生成されることが可能である。図３Ｃおよび図３Ｄのこれらおよび他のコンポーネントのための値／表示は、表１において示されている。

回路に電力を供給することは、磁気センサ35および電子回路13の電力消費を断続的に減少する。磁気センサ35は、コネクタJ3を通じて電子回路に接続され、「電力が切り換えられる」か、または、Ｎ−チャネル電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）Q2を通じておよそ200ヘルツでパルスを与えられる。当業者によって理解されるように、埋め込まれたコントローラU1、アリゾナ州フェニックスのマイクロチップ・テクノロジー（Microchip Technology）から利用可能なPIC12C508A、および受動コンポーネントR1，Y1，C1およびC2は、パルス・オペレーションのためのタイミングおよびコントロールを提供する。磁気センサ35からのパルス出力信号は、遠隔操作機器19によって処理されることができるアナログ信号を生成するために補間するか、または再構成しなければならない。ＦＥＴQ1、オペアンプU3A（図３０）、および受動コンポーネントR2，R8，R13，R14，C3，C6，およびC7は、サンプルを生成し、アナログ信号を再構成するために回路を保持する。オペアンプU3Bおよび受動コンポーネントR3，R4，R9，およびC4は、調製し（つまり、ゲインおよびオフセットを調節する）、最終の出力信号を生成するために、再構成されたアナログ信号にフィルタをかける。最終の出力信号あるいは位置変位測定は、コネクタJ4（図３Ｃ）を通じて遠隔操作機器19に送信される。最後に、テスト・コネクタJ5は、磁気センサ35および電子回路13のための診断評価のためにテスト信号を提供することができる。

図４Ｂへ続いて、磁束集合極片32は、磁束源18aから磁界10を集め、磁気センサ35に磁束を導き、より詳細に下に議論される。磁束源18aは、いかなる相対的な水平変位も磁束集合極片32上の内部脚を備えた磁束源18aの物理的な接触をもたらさないように、センサ・アセンブリ11にほぼ垂直に取り付けられる。磁束源18aは、Ｕ形の磁束集合極片32の開口を過ぎて約0.3125インチ係合する。磁束源18aの各側のおよそ0.2インチのエアギャップは、センサ・アセンブリ11内の磁束源18aに対称的に位置する。

個別の磁石50〜72のそれぞれは、磁界を生成する。知られているように、磁界の形状および密度は、いくつかの要因と直接的に関係がある。それらの要因のうちの２つは、磁石のインダクションおよび該磁石の外部の磁界との相互作用である。よりよく磁束源18aの特有な特性を理解するために、上述の要因は、より詳しく下に説明される。

磁石のインダクションは、その固有の磁気強度の直接の目安であり、製造中にコントロールされるか、または調整されることができる。知られているように、磁石の与えられた物理的配置について、そのインダクションの増加は、その磁石の強さおよびその磁界の密度の対応する増加を生じさせる。個別の磁石のインダクションのコントロールによって、その磁束密度（つまり、与えられたボリュームにおける磁束量）およびしたがってその磁界は、コントロールされることができる。さらに、個別の磁石によって生成されないいかなる付加的なあるいは外部の磁界も、個別の磁石によって生成された磁界と結合されることができる。付加的な磁界の極性および密度は、個別の磁石を囲む磁界を「付加的に」増加させるか、または減少させる。ここに記述された磁気回路は、調整可能な磁束源を生成するために外部の磁界間のインダクションコントロールおよび相互作用の両方を利用する。

単一の棒磁石は、先行技術において実証されるように、変位測定のために磁石の全長を使用するときに困難さを示す。図４Ａにおいて示されるように、単一の棒磁石の用途における極性方向あるいは磁極の向きは、移動の方向と平行である。この極方向は、磁極近傍の高度に密集した磁界130aおよび130bを確立する。これらの密集した磁束領域においては、磁束のライン間の反発力が磁界の非常に非線形の変化を生じさせる。単一の棒磁石が変位測定のために使用される場合には、センサ・アセンブリ・エレクトロニクスによる特別な処理は、線形の出力を生成するために要求される。これに代えて、磁石の長さは、非線形の端部効果を打ち消すためにおよそ75%だけ増加されることができるが、このアプローチは、不必要にコストを増加させ、そして、物理的な長さの増加により位置センサの用途に限定する。好ましい実施の形態においては、磁束源の長さは検出される最大の変位と実質的に等しくなることができ、また、出力信号の特別な処理は要求されない。

図４Ｂは、より大きな複合磁界10を生成するために結合する磁界110〜116をグラフ式に示すために、たった７つの個別の磁石50〜56しか使用しない、好ましい実施の形態のフリースペース図である。次の磁気理論は、複数の個別の磁石間の関係について適切に説明する。図４Ｂに示されるように、個々の磁界110〜116は、それらが起源とする個別の磁石50〜56を包含するだけでなく、隣接した磁石のための交差する磁束線を提供する。オーバーラップした磁束領域は、磁束源全体を規定するより大きなあらかじめ規定された磁界10を生成するために付加的に結合する。好ましい実施の形態においては、個別の磁石50〜56のそれぞれの極軸は、連続する磁界を「積み重ねる」ことを容易にする相対的な運動の方向に垂直に導かれている。個別の磁石50〜56のそれぞれのインダクションまたは強さをコントロールし、そしてリニア・アレイにそれらを配置することによって、個別の磁界110〜116は、あらかじめ規定された磁界10を得る調整可能な磁束源を生成するために付加的に結合する。

前に述べられたように、個別の磁石のそれぞれは、それに関連する特定の量の磁気「エネルギ」あるいはインダクションを有する。物理的な磁気量、磁石配置、および磁石材料特性は、すべて、どれだけの磁気エネルギが磁石内に存在することができるかに影響する。当業者に知られているように、個別の磁石のそれぞれのインダクションは、インディアナ州インディアナポリスのマグネティック・インストゥルメンテーション社（Magnetic Instrumentation, Inc.）によって作られるモデル990Cマグネトリータ（Magnetreater）（登録商標）のような従来の磁石トリータを使用して調整するかまたはキャリブレーションをすることができる。前述の磁石特性は、すべて、モデル990Cマグネトリータ（登録商標）を使用するときに考慮される。下に示される表２は、図３Ａにおいて図示されるリニア・アレイのためのインダクション値を提供する。

前に述べ、また、表２において示されるように、連続する磁石のインダクション値は、磁束源18aの磁界10を生成するために、段階的な量で変化する。個別の磁石61は、アレイの幾何学的な中心に位置し、機器のキャリブレーション中に絶対的な基準のために磁気ゼロを提供するように0ガウスに調整される。さらに、絶対的な変位測定を提供するために、個別の磁石50〜72は、磁気ゼロの各側の反対の極性である。この極性差は、電子回路13（図４Ｂにおいては示されていない）によって検出され、絶対的な位置測定として遠隔操作機器19によって使用される。知られているように、表２の値における反対の演算符号は、極性変更を表示する。従来は、正の値は、磁気ゼロより上の相対的な変位に割り当てられ、また、負の値は、磁気ゼロより下の相対的な変位に割り当てられる。好ましい実施の形態は、線形の出力関係を備えた位置センサを教示するが、磁束源の固有の調整化可能性がセンサ・アセンブリ・エレクトロニクスを修正せずに多くの位置センサ出力信号の移動関係を提供することができることは、認識されるべきである。個別になった磁束源の特有な特性は、変位測定の様々な形態に同様に効率的な適応を提供する。その適応性は、下に記述される代替の実施の形態においてより詳しく説明される。

直線の用途の別の実施の形態においては、磁束源内の個別の磁石の位置を変更することが相互作用をコントロールする。前に言及されるように、好ましい実施の形態は、あらかじめ規定された出力信号を生成するように隣接した個別の磁石のインダクションを調整することに依存する。図１Ａ〜図１Ｄを参照して、磁界内の物理的な位置は、その磁場の正確な強さを決定する。同様に、隣接した磁石間にスペースあるいは距離を生成することによって、個別の磁石の明白な強さ、そしてしたがってそれらの相互作用は、コントロールされることができる。

図５Ａは、代替の実施の形態の側面図である。磁束源18bの個別の磁石50〜72は、キャリア42の縦軸46に沿って再び等距離で離隔される。個別の磁石50〜72は、直径にしておよそ0.125インチ、および長さにして0.462インチである。キャリア42は、およそ0.25インチの中心間距離を備えた個別の磁石50〜72を受けるように構成される。磁界相互作用は、磁束源18bの縦軸46回りに個別の磁石50〜72を螺旋形に配向させるかまたは回転させることによりコントロールされる。知られているように、任意の方向へ磁石から遠ざけるようにスペースを増加させることによって、磁石の明白な強さは減少するであろう。この代替の実施の形態においては、縦軸回りの隣接した磁石間の正確な角変位の提供が、隣接した磁界間の相互作用をコントロールする。この代替の実施の形態においては、センサ・アセンブリ11（図示せず）は、好ましい実施の形態に詳細に説明されるものと同一である。したがって、個別の磁石50〜72の計算された配置によって、あらかじめ規定された出力信号は生成されることができる。

図５Ｂは、リニア位置センサ用の螺旋形に配置された磁束源18bの上面図である。例示は、個別の磁石50〜72用の回転基準平面126を示している。磁束源18bは、磁束集合極片32の第１および第２のＬ形セクション33aおよび33b間にほぼ集中させられる。下に示される表３は、およそ457ガウスに調整されたすべての個別の磁石50〜72で、センサ・アセンブリ11（図示せず）からの実質的に線形の出力を達成するのに必要な回転角度の例を提供している。

位置センサの別の実施の形態は、図６において示されている。ロータリ非接触位置センサ30bは、好ましい実施の形態に記述されたものと同様の技術を使用して構成される。15個の個別の磁石50〜64は、6度の一定の角度分配でセクタ形のキャリア43内で位置決めされる。セクタ形のキャリアは、回転式の磁束源18cを生成するために回転軸47に垂直に取り付けられている。再び、セクタ形のキャリア43は、好ましくはアルミニウムで作られている。回転式の磁束源18cは、回転式の取付アセンブリ79によって回転シャフト75に直接的に結合されている。磁束集合極片のＬ形セクション33aおよび33b、磁気センサ35、および個別の磁石50〜64は、上に説明されるものと同一である。下に示される表４は、図６において図示される回転式の磁束源18cのためのインダクション値を提供する。

図６において示されるロータリ位置センサ30bは、個別の磁石50〜64のそれぞれのインダクションのコントロールされたキャリブレーションを通じて回転移動およびセンサ出力の線形の関係を提供する。線形の出力を操作する特性は、90度の回転を通じて提供される。

ここに記述された原理も、拡張された線形の操作範囲で回転位置センサ30cに適用されることが可能である。図２Ｃを参照して上に記述されるように磁束集合極片32の同一のＬ形セクション33aおよび33bならびに磁気センサを使用して、単一の円柱状の棒磁石39は、位置センサのために磁束源として使用されることができる。図７Ａにおいて示されるように、ロータリセンサ30cは、線形に変化する出力を提供するように設計されている。円柱状の磁石39は、実質的に線形の出力信号を提供するために、磁束集合極片32の第１および第２のＬ形セクション33aおよび33bの間で回転される。最大の線形性は、磁石長さの適切な選択を通じて達成される。磁束集合極片32に関して、円柱状の磁石39のための最適な長さは、磁束集合極片32のＬ形セクション間のギャップの幅の実質的に３分の２である。例えば、およそ0.59インチの内部幅を備えた好ましい実施の形態の磁束集合極片32を使用して、円柱状の磁石39は、およそ0.385インチの長さを有するであろう。この代替の実施の形態においては、円柱状の磁石39の直径は、およそ0.1875インチである。示されるように、キャリア44は、回転シャフト75に円柱状の磁石39を取り付ける。キャリア44は、回転シャフト75の軸49回りに円柱状の磁石39に取り付けるように構成される。さらに、円柱状の磁石39は、磁束集合極片32の開口を過ぎて約0.3125インチ挿入される。

図７Ｂにおいて示されるように、線形の出力の操作特性は、110度の回転を通じて提供され、それによって、その回転が、磁束集合極片32の第１および第２のＬ形セクション33aおよび33bを２分する平面119回りに対称的に分配される。２分する平面119は、磁気センサの検出面118に直角に配置されている。

多くの修正および変更が本発明の精神および範疇から逸脱せずにここに記述され例示された技術および構造においてなされ得る。例えば、強磁性体材料から構成される磁気分流器は、選択的にその磁界を縮小し、且つ、したがって、次の磁石のその影響をコントロールするために、個別の磁石のそれぞれ隣接して、あるいは完全に囲んで配置されることができる。さらに、個々の磁石間の非一定の間隔あるいは可変磁石の長さも使用されることができる。したがって、ここに記述された方法および装置が例示のみであり、また、本発明の範疇で限定するものではないことは理解されるべきである。

磁束源の中心近傍に位置した磁気センサの断面図を例示するブロック図を示している。 磁束源の１つの端部近傍に位置した図１Ａの磁気センサの断面図を例示するブロック図を示している。 図１Ａに対応する磁気センサ出力を示すグラフである。 図１Ｂに対応する磁気センサ出力を示すグラフである。 バルブステムの直線変位を検出するために、スライドするステム・アクチュエータに取り付けられた非接触位置センサ・アセンブリの斜視図である。 磁束源と非接触位置センサ・アセンブリとの間の相互接続を示す図２Ａの完全な非接触位置センサ・アセンブリの斜視図である。 リニア非接触位置センサのためのセンサ・ハウジングおよびセンサ・アセンブリの斜視図である。 直線移動のために位置された個々のインダクション値を有する複数の個別の磁石を含んだ磁束源を示す位置センサの側面図である。 直線移動のための図３Ａの位置センサの上面図であり、センサ・アセンブリ内の磁束源の側面位置および挿入深さを示している。 磁気センサに断続的に電力を供給し、且つ、遠隔操作機器における使用のためのアナログ信号を生成するパルス出力信号に条件付けるために使用される電子回路の結合された、模式的な例示である。 磁気センサに断続的に電力を供給し、且つ、遠隔操作機器における使用のためのアナログ信号を生成するパルス出力信号に条件付けるために使用される電子回路の結合された、模式的な例示である。 先行技術に記述されるように配置された単一の棒磁石の非線形の終端効果を示すために使用され、且つ、直線変位測定のための磁束源として使用されるフリースペース図である。 個別になった磁束源の個別の磁石によって生成されたオーバーラップする磁場、および磁束集合極片によって集められた結果として生じる複合磁界を示すために使用されるフリースペース図である。 4.5インチの直線移動位置センサのための磁束源における螺旋形に配置された個別の磁石の等距離垂直間隔を示すためにラベルが付けられた円柱状の磁石キャリアの例示の側面図である。 磁束源内の個別の磁石の角回転、およびセンサ・アセンブリ内の磁束源の側面位置および挿入深さを示すリニア位置センサのための螺旋形に配置された個別の磁石アレイの例示の上面図である。 回転式の磁束源を備えた複数の個別の磁石が回転軸回りの一定の角度分配で位置する、回転シャフトに結合されたロータリ位置センサの例示の斜視図である。 円柱状の磁束源が磁束集合極片の脚の間で回転する、端部取付けのロータリ位置センサの例示の斜視図である。 線形の出力特性を提示する端部取付けのロータリ位置センサのための基準検出平面および最大の角回転を示す例示の端部図である。

符号の説明

5 センサ
8 磁束源
10 磁界
11 磁気センサ・アセンブリ
13 センサ・エレクトロニクス（電子回路）
14 取付アセンブリ
15a 取付プレート
15b 位置決めプレート
16a，16b ステム・コネクタ・ボルト
17 アクチュエータ・ステム
18a，18b 磁束源
18c 回転式の磁束源
19 遠隔操作機器（遠隔取付機器）
20 ステム・アクチュエータ
21 バルブステム
22 センサ・ハウジング
23 バルブ・アセンブリ
24a，24b ネジ
27 ステム・コネクタ
30a リニア位置センサ
30b ロータリ非接触位置センサ
30c ロータリセンサ
32 磁束集合極片
33a，33b Ｌ形セクション
35 磁気センサ
38 ブラケット
39 円柱状の（棒）磁石
41，42 キャリア
43 セクタ形のキャリア
44 キャリア
46 縦軸
47 回転軸
49 軸
50〜72 磁石
75 回転シャフト
79 回転式の取付アセンブリ
110〜116 磁界
118 磁気センサの検出面
119 ２分する平面
126 回転基準平面
130a，130b 高度に密集した磁界
J1，J2，J3 コネクタ
R1〜R14 受動コンポーネント
C1〜C7 受動コンポーネント
Y1 受動コンポーネント
Q1 ＦＥＴ
Q2 Ｎ−チャネル電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）
U1 コントローラ
U2 微小消費電力電圧参照ダイオード
U3A，U3B オペアンプ

Claims (22)

1. バルブ・アセンブリ用の位置センサであって、
   あらかじめ規定された磁界を生成し、複数の個別の磁石を具備する磁束源と、
   該磁束源と前記センサとの間の相対的な変位の結果、前記磁界における変化を検出するように前記磁束源の近傍に配置されたセンサと
   を備える位置センサ。
2. 前記複数の個別の磁石は、複数の個々の磁界に対する前記センサの配置に依存する該センサからのあらかじめ規定された出力信号を得る複合磁界と相互作用し、且つ、該複合磁界を生成するように設計された複数の個々の磁界を生成する請求項１記載の位置センサ。
3. 前記センサは、
   磁気センサと、
   該磁気センサを通じた前記個々の磁界を蓄積し且つ導くために幾何学的に形成された磁束集合極片と、
   前記センサと前記磁束源との間の変位の信号表現を提供するために前記磁気センサに接続された処理手段と
   を備える請求項２記載の位置センサ。
4. 前記複数の個々の磁界の相互作用は、前記複数の個別の磁石の幾何学的な中心を通じた軸回りの前記複数の個別の磁石の角回転によって決定される請求項３記載の装置。
5. 前記複数の個々の磁界間の相互作用は、前記複数の個別の磁石のインダクションによって決定される請求項２記載の装置。
6. 前記複数の個別の磁石に対する前記センサの相対的な変位は、直線である請求項２記載の位置センサ。
7. 前記磁界における変化は、変位に対して実質的に線形である請求項６記載の位置センサ。
8. 前記複数の個別の磁石に対する前記センサの相対的な変位は、回転式である請求項２記載の位置センサ。
9. 前記複数の個別の磁石は、前記回転軸回りの一定の半径に配置され、前記回転軸回りの一定の角度分配で配置されている請求項８記載の位置センサ。
10. 前記磁界における変化は、変位に対して実質的に線形である請求項９記載の位置センサ。
11. 前記磁気センサは、ホール効果センサ、磁気抵抗器、巨大な磁気抵抗ブリッジ、またはフラックスゲートである請求項２記載の位置センサ。
12. 位置センサであって、
    磁界を生成し、相互作用する磁界を生成する複数の個別の磁石を具備する磁束源と、
    磁気センサと、
    該磁気センサと前記磁束源との間の変位の信号表現を提供するために前記磁気センサに接続された処理手段と
    を備える位置センサ。
13. 前記複数の個々の磁界間の相互作用は、前記複数の個別の磁石のインダクションによって決定される請求項１２記載の位置センサ。
14. 前記複数の個々の磁界の相互作用は、前記複数の個別の磁石のそれぞれの幾何学的な中心を通じた軸回りの前記複数の個別の磁石の角回転によって決定される請求項１２記載の装置。
15. 前記磁気センサは、磁界および磁束集合極片に応答する電子装置を具備し、前記磁束集合極片は、前記磁気センサを通じた相互作用する磁界を蓄積し且つ導くように構成されている請求項１２記載の位置センサ。
16. 前記電子装置は、ホール効果装置、磁気抵抗器、巨大な磁気抵抗ブリッジ、またはフラックスゲートである請求項１５記載の位置センサ。
17. 前記個々の磁界間の相互作用は、実質的に線形に前記変位の信号表現の変化を生じさせる請求項１２記載の位置センサ。
18. 位置センサであって、
    磁界および磁束集合極片に応答する電子装置を含むセンサと
    前記磁束集合極片は、Ｕ形を形成する磁気的に浸透性の材料の第１および第２のＬ形セクションの対称な配置によって構成され、
    前記Ｕ形の極片のベースは、前記第１および第２のＬ形セクションを分離するギャップを有し、
    該ギャップは、前記電子装置との密接な接触を提供するようなサイズとされ、
    実質的に線形に変化する磁界を生成し、前記センサと前記磁束源との間の変位の信号表現を提供する前記磁束集合極片の前記第１および第２のＬ形セクションの間で円柱状に形成され且つ回転する磁束源と、
    を備える位置センサ。
19. 前記磁束源は、実質的に前記磁束集合極片の内部幅の３分の２の長さを有している請求項１８記載の装置。
20. 前記磁束源は、単一の棒磁石を備える請求項１９記載の装置。
21. 前記磁束源は、極誘引との密接な接触で配置された複数の個別の磁石を備える請求項１９記載の装置。
22. 前記代表的な信号は、約110度の回転を通じて生成され、該回転は、前記磁束集合極片の前記第１および第２のＬ形セクションを２分する平面に関して対称的に分配され、該２分する平面は、前記磁気センサの検出面に直角である請求項１８記載の装置。

Images