JP2001510575A - 回転角度を無接触で捕捉する測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 回転角度を無接触で捕捉する測定装置は、ロータ（１２）とステータ（１１）によって構成されている。ステータ（１１）はたとえば、スリット（２６，２７）によって分離された２つのセグメント（２４，２５）から成る。この場合、スリット（２７）は次のように構成されている。すなわち、ロータ（１２）を成す永久磁石（２１）により発せられる磁界はスリット（２７）を介して進行するのではなく、内部に磁界感応素子（３０）の設けられたスリット（２６）を介して進行する。ここで永久磁石（２１）の形状は、スリット（２７）および２つのセグメント（２４，２５）と整合されていて、永久磁石（２１）の回転運動中、スリット（２７）のところを通過しないように構成されている。これにより、大きい測定角度を線形の測定曲線を伴う極性符号変化点なく捕捉できるようになる。

Description

【発明の詳細な説明】 回転角度を無接触で捕捉する測定装置 従来の技術 本発明は、独立請求項の上位概念に記載の回転角度を無接触で捕捉する測定装 置に関する。フランス国特許FR-OS 90 15 223により、ステータとロータが互い に相対的に動かされるように構成されている測定装置が公知である。この場合、 導磁性材料から成るステータとロータとの間には狭い空隙が設けられている。ロ ータには、１８０°の長さにわたって第１のリング状の永久磁石が配置されてお り、これは半径方向に分極されている。やはり１８０°を有するステータの残り の領域には、逆に分極された第２のリング状の永久磁石が設けられている。さら にステータは、直径方向に対向する２つの空隙を有している。これらの空隙のう ち少なくとも一方には、ホールセンサが配置されている。ロータがステータに対 し回転運動すると、ホールセンサを通って進行する磁界の強さが変化する。しか しこのようにして形成される測定信号の直線的な測定範囲は、±７５°の大きさ に限られている。しかもこの直線的な測定範囲は、極性符号変化点を有している 。そして場合によっては、これを後続の電気回路において手間をかけて補正する ことになる可能性がある 。 さらに、あとから公開されたドイツ連邦共和国特許出願DE-OS 196 34 381.3に より、３つの平面で上下に配置されているセンサが公知である。この場合、ロー タはまん中の平面を成しており、これは永久磁石のための支持プレートによって 構成されている。支持プレートそのものは非導磁性材料から成り、したがって磁 束は他の２つの平面すなわちステータを介して進み、ステータの２つの平面の間 に配置された２つのスペーサ部材によって制御される。このセンサによればたし かに極性符号変化なく比較的大きい角度範囲を測定できるが、１８０°を超える 測定には適していない。 発明の利点 これに対し、独立請求項の特徴部分に記載の構成を備えた回転角度を無接触で 捕捉する本発明による測定装置の有する利点とは、センサによって２００°を超 える回転角度を捕捉できることである。また、ほぼ直線的な測定ラインには極性 符号変化点がない。誘導のゼロ点は角度測定のゼロ点に等しい。磁束案内部材と 空隙ないしはスリットの構造的配置に基づき、測定範囲を２４０°よりも大きく 変化させることができる。測定スリットが湾曲していれば、表すべき角度よりも 永久磁石を小さくすることができる。スパイラル状の永久磁石系が表すべき角度 よりも小さければ、磁束案内部材はたとえば完全な円ないしは他の類似の完全な 形状である必要はない。また、駆動軸がセンサ中心点に配置されていなくてもよ い。従属請求項に記載の構成により、独立請求項に記載の測定装置の有利な実施 形態が可能である。 図面 次に、図面を参照しながら本発明の実施例について説明する。 図１は、図２に示すＩ−Ｉ方向における第１の実施例の断面図である。 図２および図３は、それを上から見た図および下から見た図でる。 図４は、永久磁石の形状を示す図である。 図５は、上記の永久磁石のスパイラルを角度αに依存して示す図である。 図６および図７は、最小角度と最大角度における永久磁石と個々の磁束の位置 を示す図である。 図８は、図１０に示すＶＩＩＩ−ＶＩＩＩ方向における別の実施例の断面図で ある。 図９および図１０は、この実施例を下から見た図ないしは上から見た図である 。 図１１は、この実施例の永久磁石の形状を示す図である。 図１２および図１３は、ステータの磁束案内部材に関する変形実施例を示す図 である。 実施例の説明 図１において参照符号１０によってセンサが表されており、これはステータ１ １とロータ１２から成る。ステータはベースプレート１３とカバープレート１４ を有しており、これらは２つのスペーサ部材１５，１６により分離されている。 図３に詳しく示されているように、ベースプレート１３は孔１８を有しており、 この孔を通ってロータ１２の軸１９が突出している。軸１９は図示されていない 部材と連結可能であり、ここではその部材の回転運動を求めようとしている。ロ ータ１２の支持プレート２０は軸１９を中心にして固定されており、これは非導 磁性材料によって構成されている。支持プレート２０上には永久磁石２１が設け られており、図４にはその形状が詳細に描かれている。この場合、永久磁石２１ の分極方向は、軸１９に対して平行に配向されている。 図２にはセンサ１０のカバープレート１１について詳しく描かれており、これ は２つのセグメント２４および２５によって構成されている。これら両方のセグ メント２４，２５は、第１のスリット２６および第２のスリット２７によって互 いに分離されている。スリット２６は、カバープレート１４の中心点から半径方 向にまっすく外周へ向かって延びている。スリット２６内には、磁界感応素子３ ０が配置されている。ここではたとえばマグネットトランジスタや磁気抵抗素子 という磁気的に制御される抵抗部材、あるいはホール 素子を用いることができる。ここで重要であるのは、磁界感応素子はその出力信 号と磁束密度Ｂとができるかぎり直線的な関係をもつようにすることである。冗 長的な測定（確実な測定）のために、１つの素子ではなく複数の素子を組み込む こともできる。スリット２７は、カバープレート１１の中心点から出発して半径 方向で外側に向かう領域３２を有しており、この領域はスリット２６に対しおお よそ１２０°の角度を成している。さらにこれに続いてスリット２７は湾曲領域 ３３を有しており、これは外周まで延びている。これら両方のスリット２６およ び２７は、永久磁石２１の磁束ができるかぎりスリット２６だけを介して進行し 、スリット２７は磁束をほとんど阻止するよう、互いに整合されていなければな らない。この場合、スリット２７はスリット２６よりも幅が広い。また、スリッ ト２７を空気ではなく他の非導磁性材料によって満たすこともできる。 両方のセグメント２４，２５は、各セグメントが少なくとも永久磁石２１の角 度セグメント程度の大きさとなるように配置する必要がある。つまり、永久磁石 が１８０°よりも大きければ、両方のセグメント２４，２５は図２に示されてい るように入れ子構造になっている。さらに重要であるのは、永久磁石２１は回転 運動全体にわたりスリット２７を通り過ぎないよう、スリット２７と永久磁石２ １の形状を整合させること である。図４にはスリット２１の形状が描かれている。そこに示されているよう に、永久磁石２１の一方の端部は他方の端部よりも幅が狭くなっていなければな らない。さらに永久磁石は、スパイラル形状または円弧形状を有してなければな らない。図５には、永久磁石の形状についてダイアグラムとしてさらに詳しく示 されている。これによれば、半径の変化がそれぞれ求めるべき角度範囲に対して 示されている。ここで、永久磁石の一方の側面は直線的な勾配ｒを有することに なる。その場合、永久磁石の他方の側面は、次式で計算できる半径Ｒとなる。 Ａ＝永久磁石の面積 α＝回転角度 上記の式は、永久磁石がその長さにわたり一定の厚みを有することを前提とし ている。 永久磁石２１は周知の磁石材料のほかに、プラスチックにより結合された希土 類磁石（たとえばＳｍ₂Ｃｏ₁₇）から製造することもできる。 ステータ１１において、カバープレート１４の両方のセグメント２４，２５、 ベースプレート１３ならびにスペーサ部材１６は、導磁性材料殊に軟磁性材料か ら成る。これに対し第１のスペーサ部材１５は、非導磁性材料から成る。この場 合、軟磁性のスペーサ部材１６は、ベースプレート１３およびカバープレート１ ４における両セグメントのうち大きい方と連結されている。非導磁性のスペーサ 部材１５は、ベースプレート１３と小さい方のセグメント２５との間に配置され ている。スペーサ部材１５は、適切なケーシングへのセンサの組み込み次第では 空気によって構成することもできる。 図６および図７には、最小角度（図６）と最大角度（図７）における両方のセ グメント２４，２５に対する永久磁石の配置構成が描かれている。さらにこれら の図面には個々の磁束も書き込まれている。永久磁石の回転方向は時計回りで行 われる。図６に示されているように、回転角度が０°のときには永久磁石２１は 完全にセグメント２４の下に位置する。この場合、磁束はすべて、永久磁石２１ からスペーサ部材１６を介してセグメント２４へ向かうように発生し、図６には 示されていないがベースプレート１３を介して永久磁石２１へと戻ってくる。角 度が０°であるときには磁束はスリット２６を経由せず、つまりは磁界感応素子 ３０を通ることはできない。 センサが完全に回転した場合すなわち最大回転角度のとき、図７に描かれてい るように永久磁石は完全にセグメント２５の下に位置する。この場合、永久磁石 ２１において幅の広い方の端部は、スリット２７の領域３２に向かって突出して いる。したがってスリット２７における領域３２の長さは、永久磁石２１におけ るこの端部の幅に整合されていなければならない。図７に示されているように、 磁束は永久磁石２１からセグメント２５，スリット２６およびそこに配置された 磁界感応素子３０を介して、セグメント２４へ向かうように発生する。さらに磁 束は、スペーサ部材１６とベースプレート１３を介して永久磁石２１へ戻ってく る。スリット２７は、その領域においてセグメント２５からセグメント２４へ磁 束が向かうのを阻止する。この場合、すべての磁束はスリット２６および磁界感 応素子３０を経由して進まなければならない。このような配置構成によれば、２ ４０°までの角度範囲にわたり磁界感応素子３０における磁束密度の直線的な経 過特性が得られ、その際、直線的な測定曲線において極性符号変化点が生じない 。 図８以下の実施例には、ステータ１１ａのカバープレート１４ａに関する変形 実施形態が示されている。図９に示されているベースプレート１３は、第１の実 施例によるベースプレートに対応している。図１０に示されているように、カバ ープレート１４ａにおいて磁界感応素子３０を有するスリット２６ａが、ロータ １２の回転方向に湾曲している。この場合、回転方向は時計回りであるため、ス リット２６ａは時計回り方向に湾曲している。また、磁束を阻止するスリット２ ７ａは、図１０の場合にも半径方向に形成された領域３２ａと湾曲領域３３ａを 有している。スリット２６ ａの形状が回転方向に湾曲しているので、図１１に示されているように永久磁石 ２１ａは測定すべき角度範囲よりも小さい角度範囲を有しており、たとえば２４ ０°の測定角度のときには永久磁石２１ａは１７０°の角度範囲を有することに ある。 さらに永久磁石２１ａは、その長さ全体にわたり同じ厚さを有している。スリ ット２６ａと永久磁石２１ａとの間において、永久磁石の厚さが一定であること を前提として、表すべき角度セグメントごとにセグメント２４ａないしはセグメ ント２５ａの下で永久磁石２１ａの等しい面積が変位しなければならない。永久 磁石２１ａの外側の半径では永久磁石２１ａの内側の半径の領域よりも面積変化 が大きいので、スリット２６ａをロータ１２の回転運動で湾曲されているように 配置する必要がある。永久磁石２１ａが回転角度よりも小さく、永久磁石２１ａ がスパイラル状にないしは湾曲されて形成されていることによって、両方のセグ メント２４ａと２５ａを入れ子構造にして、ほぼ３６０°の回転角度を直線的な 測定信号で極性符号変化点なく捕捉することができるようになる。これに対応す る様子が図１２に示されている。この場合、セグメント２５ｂはおおよそハート 形の形態を有している。 図１２によれば、軸１１はたとえば３００°の回転角度を有している。このた めには、２１０°の角度範囲をもつ磁石が必要である。その場合、スリット２６ ｂは８８°以下で湾曲していなければならないことになる。また、スリット２７ ｂにおける範囲３２ｂの幅は、永久磁石２１の幅によって定まる。さらに、スリ ット２７ｂにおける区間３３ｂの湾曲は、永久磁石の外側の輪郭と湾曲に整合さ れていなければならない。 図１３には、カバープレートの１つの変形実施形態が示されており、これは比 較的小さい角度範囲を捕捉すべきものである。このような配置構成における利点 は、両方のセグメント２４ｃと２５ｃを対称にする必要のないことである。また 、前述の実施例とは異なり軸１９がセンサ１０つまりは支持プレート２０の中心 点を通っていなくてもよい。さらにここで重要であるのは、スリット２７ｃがセ グメント２４ｃと２５ｃの間において、永久磁石２１ａがスリット２７ｃを通過 せず、また、スリット２７ｃを介してごく僅かな磁束しか進めないように形成さ れていることである。この場合も、スリット２７ｃを空気で構成しなくてもよく 、他の非導磁性材料つまり磁束を阻止する材料によって構成することもできる。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ティルマン ガウガー ドイツ連邦共和国 Ｄ―72461 アルプシ ュタット マティアス―グリューネヴァル ト―シュトラーセ 16

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．ステータ（１１）とロータ（１２）との間に空隙が存在し、 前記ステータ（１１）に少なくとも１つのスリット（２６）が形成されてお り、 少なくとも１つのスリット（２６）に少なくとも１つの磁界感応素子（３０ ）が配置されており、 前記ロータ（１２）に少なくとも１つの永久磁石（２１）の少なくとも１つ のセグメントが配置されており、 前記ステータ（１１）は複数の部材（１３，１４，１５，１６）から成り、 少なくとも１つの部材（１５）は、残りの部材（１３，１４，１６）とは導 磁性接続状態にない形式の、 ステータ（１１）とロータ（１２）との間の回転角度を無接触で捕捉する測 定装置において、 永久磁石（２１）は、１つの最大測定信号時にはステータ（１１）の第１の 部分（２４）の下のみに位置し、他の最大測定信号時にはステータ（１１）の第 ２の部分（２５）の下のみに位置することを特徴とする、 ステータ（１１）とロータ（１２）との間の回転角度を無接触で捕捉する測 定装置。 ２．前記永久磁石（２１）の一方の端部は該永久磁石（２１）の他方の端部より も幅が広く、移行部は連続的に構成されている、請求項１記載の測定装置。 ３．前記永久磁石（２１）は、一方の長手方向側面（ｒ）が連続的な直線的な経 過特性であるとき、他方の長手方向側面（Ｒ）は式 Ａ＝永久磁石の面積 α＝回転角度 に対応する、請求項１または２記載の測定装置。 ４．前記永久磁石（２１）の角度の大きさは少なくとも、求めるべき最大角度の 大きさに対応する、請求項１〜３のいずれか１項記載の測定装置。 ５．内部に磁界感応素子（３０）が配置されているスリット（２６ａ）は、ロー タ（１２）の回転方向に湾曲している、請求項１〜４のいずれか１項記載の測定 装置。 ６．前記永久磁石（２１ａ）は湾曲しており、全長にわたりほぼ同じ厚さである 、請求項１または５記載の測定装置。 ７．前記スリット（２７）は半径方向に延びる直線区間（３２）を有しており、 該区間に湾曲区間（３３）がつながっている、請求項１〜６のいずれか１項記載 の測定装置。 ８．スリット（２７）における前記直線区間（３２） は少なくとも、前記永久磁石（２１）における幅の広い方の端部程度の長さであ る、請求項７記載の測定装置。 ９．ステータ（１１ａ）の回転運動中、前記の第１の部分（２４ａ）と第２の部 分（２５ａ）に対して変位する永久磁石（２１ａ）の面積の大きさはほぼ等しい 、請求項１〜８のいずれか１項記載の測定装置。 10．スリット（２７）はスリット（２６）よりも大きく、永久磁石（２１）から 発生する磁界の磁束は、該スリット（２７）を介してはほとんど通過しない、請 求項１〜９のいずれか１項記載の測定装置。 11．前記永久磁石はスパイラル状に形成されている、請求項１〜１０のいずれか １項記載の測定装置。 12．前記永久磁石（２１）は湾曲して形成されている、請求項１〜１０のいずれ か１項記載の測定装置。 13．前記永久磁石（２１）の分極方向はロータ（１２）の軸線方向に配向されて いる、請求項１〜１２のいずれか１項記載の測定装置。 14．内部に磁界感応素子（３０）が配置されているスリット（２６）は、半径方 向に延びるように形成されている、請求項１〜６のいずれか１項記載の測定装置 。