JP2002535686A - 磁場測定装置及び磁場測定方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 少なくとも１つの検出個所（１０）の磁場（５）の強度及び方向に関しての磁場測定装置及び方法が紹介されており、その際、第１の手段が設けられており、該第１の手段は、磁場（５）に少なくとも、強度が分かっている補助磁場（６）を重畳し、第２の手段が設けられており、該第２の手段は、少なくとも、測定すべき前記磁場（５）と前記補助磁場（６）との重畳から形成された合成磁場（７）の方向を、前記検出個所（１０）で測定する。その際、検出個所（１０）での磁場（５）の測定は、測定すべき磁場（５）及び補助磁場（６）によって形成された合成磁場（７）を、少なくとも当該合成磁場の、少なくとも２つの種々異なった前記補助磁場（６）に対する方向に関して測定して、それから、測定すべき磁場（５）を算出するようにして行われる。提案されている方法は、特に、マグネットの表面の直ぐ近くの磁場の強度及び方向を測定するのに適している。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】 本発明は、独立請求項の上位概念に記載の、例えば、マグネットの表面の直ぐ
近くでの磁場の強度及び方向に関して、磁場を測定する装置及び方法に関する。

【０００２】 マグネット表面に対して垂直方向に発出する磁場又は磁場成分の測定は、公知
のように、ホールセンサ又はフィールドプレートをセンサとして用いて、非常に
正確に測定することができる。つまり、これは、センサ表面に対して垂直方向の
磁場成分に感応するからである。マグネット表面に対して平行な磁場成分は、こ
のセンサを用いてルーチン状に、しかし、比較的大きな間隔でしか、一般的には
数ミリメートル間隔でしか測定できない。つまり、この磁場成分は、それに対し
て垂直方向にマグネットの表面に垂直方向に形成される必要があるからである。

【０００３】 従来技術から公知の、ホール効果に基づく測定方法及び測定センサは、例えば
、論文 "Neue alternative Loesungen fuer Drehzahlsensoren im Kraftfahrzeu
g auf magnetoresistiver Basis"、VDI-Bericht Nr.509,1984, VDI-Verlag に記
載されている。更に、磁場表面に対して接線方向に配向された磁場の検出用のホ
ールセンサも、 "Sensors and Materials"、5.2(1992)、91〜101ページ、MYU、To
kyo、及び、殊に、その中に含まれている論文 Parajape、L.Ristic及びW Allegr
ettoの"Simulation, Design and Fabrication of a Vertical Hall Device for
Two-Dimensional Magnetic Field Sensing"から公知である。

【０００４】 ホール効果に基づくセンサの他に、更に所謂ＡＭＲ及びＧＭＲ角度センサも公
知であり、この角度センサは、所謂磁気抵抗効果に基づいており（ＧＭＲ＝gian
t magneto resistance, ＡＭＲ＝anisotropic magneto resistance)、この角度
センサを用いて、簡単にセンサ表面に対して平行に配向された、磁場の成分を測
定することができる。

【０００５】 しかし、ドイツ連邦共和国特許公開第１９５４３５６２号公報及びドイツ連邦
共和国特許公開第４４０８０７８号公報に記載されている、その種のセンサは、
その作動領域内で、実質的に、測定すべき磁場の方向に関してだけ感度があり、
その強度に関しては極めて弱い。その際、それと同時に、その種のセンサの測定
された振幅の温度依存性は大きく、それにより、極めて著しい測定エラーが生じ
ることがある。他方では、公知のＡＭＲ又はＧＭＲ角度センサでは、外側から、
乃至、センサによって測定すべき磁場の方向の測定のための角度精度、即ち、測
定精度は、約０．５°であり、その際、この角度測定は、強度測定とは異なって
、無視し得る程度にしか温度依存しない。

【０００６】 それと同時に、このセンサの利点は、例えば、測定すべき磁場を形成するマグ
ネットの表面の直ぐ近く、即ち、１ｍｍ以下の典型的な間隔で使用することがで
きるという点にある。そのために、再度、論文 "Neue alternative Loesungen f
uer Drehzahl Drehzahlsensoren im Kraftfahrzeug auf magnetoresistiver Bas
is" VDI-Bericht Nr.509,1984, VDI-Verlag を指摘する。

【０００７】 ＡＭＲ及びＧＭＲ角度センサの機能及び磁場測定に使用することは、更に詳細
に、Sensors and Actuators A21-A23, "A Thin Film Magnetoresistive Angle D
etector" ,1990,795-798ページに記載されている。

【０００８】 発明の効果 独立請求項の特徴要件を有する本発明の磁場測定装置及びそれにより実施され
る磁場測定方法の、従来技術に比した利点は、選択された検出個所でのほぼ任意
の磁場の強度及び方向を測定することができるという点にある。その際、特に有
利には、例えば、この磁場成分を形成するマグネットの表面に対して平行に配向
されていて、乃至、この表面から発出している磁場又は磁場成分も、このマグネ
ットの表面に接する迄測定することができる。

【０００９】 本発明の有利な実施例は、従属請求項に記載の手段から得られる。

【００１０】 関心のある、乃至、測定すべき磁場の測定に必要な補助磁場として、極めて有
利には、先ず任意に形成されてはいるが、少なくとも強度に関して、有利には、
強度及び方向に関して分かる必要がある補助磁場を使用することができる。この
補助磁場を形成するために、有利には、ヘルムホルツコイル対が適しており、こ
のヘルムホルツコイル対の中心部内では、公知のように、強度及び方向に関して
分かっていて、例えば、コイル電流を介して簡単に定義して調整可能な均一磁場
が形成されている。

【００１１】 補助磁場と測定すべき磁場との重畳から合成された磁場の方向を検出するため
に、特に有利には、公知の市販により入手できるＡＭＲ角度センサ又はＧＭＲ角
度センサが使用される。

【００１２】 その際、極めて有利には、ＡＭＲ又はＧＭＲ角度センサ内に、同時に、所定の
可変磁場を形成可能なコイルのような装置も、補助磁場の形成のために集積化さ
れており、その結果、外部の構成部品、例えば、ヘルムホルツコイル対は必要な
い。

【００１３】 更に、使用されたＧＭＲ又はＡＭＲ角度センサは、例えば、マグネットの表面
から発出する、関心のある磁場の測定開始前に、極めて有利には、較正又はテス
ト測定を利用することができ、その際、先ず、このような、ＧＭＲ又はＡＭＲ角
度センサを有するマグネットがない場合、形成された、各々の検出個所の補助磁
場が、その強度又は強度及び方向に関して、種々異なるパラメータ調整に対して
、補助磁場の形成のために測定又は較正することができる。択一選択的に、補助
磁場の測定のために、しかし有利には、ホールセンサを使用してもよい。補助磁
場は、従って、測定すべき磁場の後続の測定の際に（その際、例えば、測定すべ
き磁場を形成するマグネットは、当該検出個所に配設されている）、補助磁場（
例えば、コイル電流の）の種々異なったパラメータ調整に対してその都度分かっ
ている。

【００１４】 関心のある磁場の測定は、簡単且つ有利なやり方で、検出個所で測定された、
補助磁場と測定すべき磁場との重畳から形成された合成磁場の方向から、測定す
べき磁場を、分かっている補助磁場を用いて算出することができる。

【００１５】 そのために、合成磁場の方向が、少なくとも２回、検出個所の種々異なる補助
磁場に関して測定され、有利にはコンピュータプログラムを用いて実行される、
それ自体公知の数値整合を用いて、それから、測定すべき磁場が、その強度及び
方向に関して算出される。この数値整合は、数値的な安定性及び測定精度を改善
するために、極めて有利には、種々異なる各補助磁場で、合成磁場の多数の測定
から得られた測定データを使用して行われる。更に、測定精度のため、及び、数
値的な理由から、非常に有利には、補助磁場は、その都度、測定すべき磁場の予
想される方向に対してほぼ垂直方向に配向される。

【００１６】 本発明の方法は、特に有利には、マグネットの表面から発出する磁場を測定す
るのに、並びに、殊に、マグネットの表面に対してほぼ平行に配向された磁場を
、このマグネットの表面の直ぐ近くで測定するのに適している。

【００１７】 図面 以下、本発明について図示の実施例を用いて詳細に説明する。その際、図１は
、磁場の測定装置の略図、図２は、種々異なって形成される磁場の記号及び各方
向の説明に供する図である。

【００１８】 実施例 図１に示されたマグネット１３の表面１４から、測定すべき磁場５（図１では
略示されている）が発出し、この磁場は、殊に、表面１４に対して平行な磁場成
分も有している。更に、ヘルムホルツコイル対１１が設けられており、このヘル
ムホルツコイル対は、補助磁場６（図１には、その方向を略示したにすぎない）
が形成され、この補助磁場の強度は、外側のパラメータ、例えば、コイル電流を
介して調整可能である。マグネット１３は、ヘルムホルツコイル対１１間のほぼ
中央部に配設されている。更に、それ字体公知の、市販により入手可能なＡＭＲ
角度センサ１２が設けられている。具体的な場合、角度センサは、Firma Philip
s Semiconductors, Hamburg のＫＭＺ４１である。しかし、ＡＭＲ角度センサの
代わりに、同様にそれ自体公知の市販により入手可能なＧＭＲ角度センサを使用
してもよい。

【００１９】 ＡＭＲ角度センサ１２は、マグネット１３の表面１４の直ぐ近くの検出個所１
０に設けられている。検出個所１０と表面１４との間隔は、例えば、０．３ｍｍ
〜３ｍｍである。その際、下側の間隔の限界は、ＡＭＲ角度センサ１２のケーシ
ングの厚みによってしか制限されない。

【００２０】 図１は、尺度通りではない。つまり、ヘルムホルツコイル対１１の直径は、検
出個所１０の表面１４の間隔よりも著しく大きいからである。従って、殊に、補
助磁場６の、検出個所１０と表面１４との間での強度及び方向の差異は、無視す
ることができる。

【００２１】 図２には、ベクトルとして表示されていて、各々値乃至強度及び方向が示され
ている、発生する磁場の方向について示されている。先ず、ヘルムホルツコイル
対１１を介して、Ｈでも示されている補助磁場６について説明する。マグネット
１３から、測定すべき磁場５が発出しており、この磁場は、Ｍでも示されている
。補助磁場６は、その際、ヘルムホルツコイル対１１の装置構成を介して、有利
には、先ず大雑把に配向されて、その方向が、測定すべき磁場５の予想される方
向に対してほぼ垂直方向になるようにされる。測定すべき磁場５と補助磁場６と
の重畳から、検出個所１０に、合成磁場７が形成され、この合成磁場は、測定す
べき磁場５及び補助磁場６に対して回転されており、Ｂで示されている。補助磁
場６の方向と合成磁場７の方向との間の角度は、αで示されている。測定すべき
磁場５の最初分かっていない方向は、角度βで示されており、この角度βは、同
様に補助磁場６の方向を向いている。

【００２２】 磁場５の測定のために、先ず、補助磁場６が少なくとも、その強度に関して、
しかし、有利には、検出個所１０での、その強度及び方向に関して分かっている
ようにされる。これは、例えば、マグネット１３を、その磁界中に導入する前に
、ホールセンサ及び／又はそれ自体公知のＧＭＲ又はＡＭＲ角度センサを用いて
、ヘルムホルツコイル対１１の磁場の測定又は較正を介して行われる。しかし、
このテスト又は較正測定時に、補助磁場６の測定又は較正のために具体的に使用
される方法は、全く任意である。更に、補助磁場６の強度は、例えば、外部パラ
メータ、例えば、補助磁場６を形成するコイル電流の調整によって、所定のやり
方で変えることができる。

【００２３】 この測定方法の核心的事実は、検出個所１０での補助磁場６の所定の重畳によ
って、合成磁場７の方向が、測定すべき磁場５の方向及び補助磁場６の方向に対
して回転される点にある。この回転は、補助磁場６の強度にも、測定すべき磁場
５の強度にも依存する。補助磁場６の強度又は強度及び方向の検出から、並びに
、回転角度αの測定から、その際、測定すべき磁場５の強度及び方向が算出され
る。

【００２４】 その際、個別磁場のベクトル加算から以下の関係が成立する: Mcos(β)tan(α)+Htan(α)-Msin(β)=0 (1) その際、βは、最初分かっていない角度として、測定すべき磁場５の方向を示
し、この磁場５は、先ず同様に分かっていない強度Ｍを有している。

【００２５】 式（１）で分かっているのは、補助磁場６の強度Ｈであり、この補助磁場は、
既述のように、例えば、予めホールセンサを用いての測定を介して求められてい
る。ＡＭＲ角度センサ１２を介して、更に、角度α、つまり、合成磁場７の、補
助磁場６の方向に関する方向が測定可能である。これは、例えば、公知のように
、ドイツ連邦共和国特許公開第１９５４３５６２．１号公報に記載されているサ
イン−コサイン−評価を介して行われる。この別のやり方を簡単にするために、
その際、非常に有利には、強度の他に補助磁場６の方向も分かっているとよい。
つまり、角度αは、この方向であるからである。

【００２６】 従って、総じて、式１は、補助磁場が分かっている場合に、分かっていない２
つの要素、即ち、β及びＭが得られる。原理的には、従って、この分かっていな
い要素を算出するために、２つの測定が、２つの種々異なった、即ち、種々異な
った強度の補助磁場６を用いると十分である。

【００２７】 補助磁場６の方向が、特別な場合に付加的に同様に分かっていない限り、式１
は、更に第３の分かっていない要素を含んでいる。この場合、従って、少なくと
も３つの測定が種々異なった強度であるが、その方向は各々一定の補助磁場６に
する必要がある。つまり、ＡＭＲ角度センサ１２によって測定される、合成磁場
７の角度は、分かっていないが、補助磁場６の一定方向、乃至、それによって定
義された基準角度に関係付ける必要がある。この付加的に複雑な操作によって、
βとＭを測定するのが一層難しくなってしまい、それと同時に、比較的大きな測
定誤差を生じてしまう。従って、このやり方は、強度も方向も分かっている場合
の補助磁場６の使用に対して不利である。

【００２８】 測定の不確実度の影響を最小にするために、できる限り多数の、又は、少なく
とも、２乃至３回以上の測定が、補助磁場６の種々異なった強度で実施され、そ
の結果、その都度種々異なったＨ及びαの測定値を用いて多数の式（１）が得ら
れ、この式から、公知のやり方で、数値的な適合方法を介して、例えば、相応の
コンピュータプログラムを用いて、この式全てで各々同じ値のＭ及びαが測定さ
れる。従って、測定すべき磁場５の強度及び方向が得られる。

【００２９】 この適合方法の数値的な安定性は、種々の補助磁場６の測定回数及び角度αの
大きさに依存している。αが、補助磁場６及び測定すべき磁場５が相互に垂直方
向に配向されている場合に４５°に近づけば近づく程、数値的な安定性は良くな
る。この場合、測定すべき磁場５と、重畳から合成された磁場７との間の最大方
向差が生じる。従って、補助磁場６の方向と、測定すべき磁場５の予想方向とが
、相互にほぼ垂直方向に配向されていると有利である。

【００３０】 説明している測定方法及び所属の装置の測定領域は、これまで、約５ｍＴ〜約
７００ｍＴである。その際、下側の限界は、使用されたＧＭＲ又はＡＭＲ角度セ
ンサ１２によって設定され、この角度センサは、少なくとも広範に飽和磁化領域
に達するために、所定の最小磁場を必要とする。上側の限界は、単に実際的な理
由から決められる。つまり、説明している装置を用いると、明らかに大きな磁場
を極めて弱く形成することができるからである。しかし、説明している測定方法
は、測定すべき磁場５の強度に関して原理的に制限されない点を強調しておく。

【００３１】 比較測定の際、説明している測定方法を用いて求められた、マグネットの表面
から発出した磁場５の強度及び方向は、マグネット１３の表面迄約４ｍｍ〜１２
ｍｍの間隔で、非常に良好に通常の、この間隔が同様に使用可能なホールセンサ
の場合と一致する。測定精度は、その際、１ｍＴよりも小さい。

【００３２】 説明している実施例は、補助磁場６の具体的な形成には技術的な意味はなく、
検出個所１０の強度及び方向が分かっていれば十分であるので、使用されるＡＭ
Ｒ角度センサ１２が付加的に所定の補助磁場６の形成用の装置を有するか、又は
、ＡＭＲ角度センサ１２及び補助磁場６の形成用の装置が１つの構成部品内に統
合されているようにして構成することができる。この場合、ヘルムホルツコイル
対１１及びそれにより形成される外部磁場を用いずに済む。前述の装置は、例え
ば、共通にＡＭＲ角度センサ１２と共に１つの構成部品内に統合されたコイルに
することができる。

【００３３】 更に、前述のＧＭＲ又はＡＭＲ角度センサの他に他方のセンサも、説明してい
る方法を実施するのに適しており、その限りで、従って、少なくとも、検出個所
１０での合成磁場７の方向が測定可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】 磁場の測定装置の略図

【図２】 種々異なって形成される磁場の記号及び各方向の説明に供する図

Claims (17)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 少なくとも１つの検出個所（１０）での磁場の強度及び方向
   に関しての磁場測定装置において、 第１の手段が設けられており、該第１の手段は、磁場（５）に少なくとも、強度
   が分かっている補助磁場（６）を重畳し、第２の手段が設けられており、該第２
   の手段は、少なくとも、測定すべき前記磁場（５）と前記補助磁場（６）との重
   畳から形成された合成磁場（７）の方向を、前記検出個所（１０）で測定するこ
   とを特徴とする磁場測定装置。
2. 【請求項２】 第１の手段は、ヘルムホルツコイル対（１１）である請求項
   １記載の装置。
3. 【請求項３】 第２の手段は、ＧＭＲ角度センサ又はＡＭＲ角度センサ（１
   ２）である請求項１記載の装置。
4. 【請求項４】 第１の手段及び第２の手段は、１つの構成部品内に集積され
   ている請求項１記載の装置。
5. 【請求項５】 ＧＭＲ角度センサ又はＡＭＲ角度センサ（１２）は、補助磁
   場（６）の形成用装置を有している請求項４記載の装置。
6. 【請求項６】 測定すべき磁場（５）は、マグネット（１３）によって形成
   され、例えば、前記マグネット（１３）の表面（１４）から発出する請求項１記
   載の装置。
7. 【請求項７】 少なくとも１つの検出個所（１０）の磁場強度及び方向に関
   しての磁場測定方法において、 磁場（５）に少なくとも、強度が分かっている補助磁場（６）を重畳し、それか
   ら、測定すべき前記磁場（５）と前記補助磁場（６）とから形成された合成磁場
   （７）を、少なくとも当該合成磁場の、少なくとも２つの種々異なった前記補助
   磁場（６）に対する方向に関して、前記検出個所（１０）で測定することを特徴
   とする磁場測定方法。
8. 【請求項８】 合成磁場（７）の検出された方向から、測定すべき磁場（５
   ）を算出する請求項７記載の方法。
9. 【請求項９】 検出個所（１０）で測定すべき磁場（５）の算出を、補助磁
   場（６）の強度並びに合成磁場（７）の方向を用いて数値整合により行う請求項
   ８記載の方法。
10. 【請求項１０】 整合の数値的安定性を改善するために、種々異なる補助磁
    場（６）で合成磁場（７）を多数回測定する請求項９記載の方法。
11. 【請求項１１】 合成磁場（７）と、測定すべき磁場（５）とを異なった方
    向にする請求項７記載の方法。
12. 【請求項１２】 補助磁場（６）の形成のために、ヘルムホルツコイル対（
    １１）を用いる請求項７記載の方法。
13. 【請求項１３】 合成磁場（７）の方向を測定するために、ＡＭＲ角度セン
    サ（１２）又はＧＭＲ角度センサを用いる請求項７記載の方法。
14. 【請求項１４】 補助磁場（６）を、ＧＭＲ角度センサ又はＡＭＲ角度セン
    サ（１２）内に集積された装置を介して形成する請求項１３記載の方法。
15. 【請求項１５】 補助磁場（６）を、測定すべき磁場（５）と補助磁場（６
    ）とが少なくとも近似的に相互に垂直方向であるように重畳する請求項７記載の
    方法。
16. 【請求項１６】 測定すべき磁場（５）をマグネット（１３）から形成する
    ことを特徴とする先行する各請求項の少なくとも１項に記載の方法。
17. 【請求項１７】 マグネットの表面から発出する磁場の測定のため、及び、
    例えば、前記マグネットの前記表面に対してほぼ平行に配向された、前記マグネ
    ットの前記表面の直ぐ近くの磁場の測定のための、先行する各請求項の少なくと
    も１項に記載の方法の使用。