JP2002542473A - 回転角を無接触方式で検出するための測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 本発明は、非導磁性材料からなるロータとして用いられる支持プレート（１２）の回転角度の無接触方式での検出のための測定装置（１０）に関している。この支持プレート（１２）上には、永久磁石（１５）が配設されており、この永久磁石は扁平に構成され、その分極方向は、軸（１１）に対して対蹠的に配向されている。ホール素子（２０）は非対称に配置されており、つまり永久磁石（１５）に対してホール素子（２０）の回転運動は楕円状に描かれ、そのため、出力信号の特性曲線においては、急峻に降下する領域とフラットな領域が存在する。この測定装置のもとでは、磁束ガイド部材は不要である。さらにこれは非常に小型に構成でき、システムや装置の中にも比較的容易に組み込める。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】 本発明は、請求項１の上位概念に記載された回転角度を無接触方式で検出する
ための測定装置に関している。これまでの例えば、ドイツ連邦共和国特許出願 D
E 197 53 775.8 A1 明細書にも記載されているような測定装置では、磁力線の配
向のために、導磁性材料からなる磁束ガイド部材が使用されている。そのためこ
の測定装置は、比較的大きな構造となり、限られた測定システムにしか組込む込
むことができない。さらにこのような構成のもとでは、測定曲線の線形領域の上
昇を十分に制御することができない。

【０００２】 ドイツ連邦共和国特許出願 DE 197 12 833 A1 明細書によるセンサでは、永久
磁石が回転子に配設され、これが磁気抵抗センサの前を通過する。ここでは測定
曲線中に、トリガパルスないしカウントパルスとして用いられる短いピークが生
じる。

【０００３】 ドイツ連邦共和国特許出願 DE 196 29 611 A1 明細書では、複数の固定された
ホール素子を有する測定装置が開示されている。このホール素子の前を軟磁性材
料からなるロータが通過し、それによって各ホール素子とロータとの間の間隔が
連続的に変化している。各ホール素子には、磁束を生成する永久磁石が剛性結合
されている。測定値の検出に対してはロータが磁束ガイド部材が付加的に必要で
ある。

【０００４】 ドイツ連邦共和国特許出願 DE 40 14 885 A1 明細書による回転角ピックアッ
プでは、永久磁石が磁束ガイド部材を有しており、それによって磁極間で可及的
に平行な磁束線と均等な磁束密度で延在する磁場が形成される。

【０００５】 ドイツ連邦共和国特許出願 DE 196 35 159 A1 明細書からは、１つまたは複数
のリードコンタクトの前を磁石が通過する回転角センサが開示されており、この
場合は回転角が段階的にしか測定できない。

【０００６】 発明の利点 請求項１の特徴部分に記載された本発明による回転角度の無接触方式での検出
のための測定装置は、それに対して次のような利点を有している。すなわち出力
信号を生成する磁場感応性素子のほぼ任意な位置付けによって、測定曲線の線形
領域の上昇が制御できる。その際生成される線形領域は、８０度より大きくても
よい。また比較的小さな磁石が使用されてもよい。これは簡単な形式でロータの
支持プレート上に留めたり、接着したりまたは合成樹脂内に射出成形されてもよ
い。その他にも無接触式センサの場合に通常の磁束部材の省略によって組付けコ
ストが大幅に削減可能である。またセンサ自体の構造によって、磁石における幾
何学形状上の許容偏差が大きくできる。ホール素子のセンタ領域における磁石は
、均質な磁場を有しているので、軸方向でのずれやその許容変動に対して不感で
ある。特性曲線自体は、急峻な領域とフラットな領域で統合され、それによって
フラットな領域に大きな角度を割当て、急峻な領域には小さな角度を割当てるこ
とが可能である。

【０００７】 従属請求項に記載された手段によれば、請求項１の特徴部分に記載された測定
装置の別の有利な実施例ないし改善例が可能である。

【０００８】 図面 図面には本発明の実施例が示されおり、これは以下の明細書で詳細に説明され
る。この場合、 図１は、センサの概略的断面図であり、 図２は、３６０度の回転角度に亘る出力信号（Ｖ）の経過を示した図であり、こ
の場合９０゜の間隔で、それぞれその下方に偏心的に設けられたホール素子に対
する永久磁石の位置が示されており、 図３及び図４は、特性曲線の最大の偏向とニューラルな偏向が示された図であり
図５、６，７は、永久磁石に対する磁場感応性素子の様々な位置を示した図並び
にそれに付随する出力信号のそれぞれの経過を３６０度に亘って示した図であり
、 図８は、本発明のさらなる変形例を示した図であり、この場合磁石は、当該構造
部の中心を円形に旋回するのではなく、卵形の旋回経路を進み、ホール素子は回
転軸に調心されている、 図９は、円錐軸受けを用いてスロットル弁調整器ケーシング内へ組込まれたセン
サの縦断面図が示されており、 図１０は、図９のラインＡ−Ａに沿った断面を示した図である。

【０００９】 実施例の説明 図には符号１０でセンサが示されている。このセンサ１０は、軸１１を用いて
図には示されていない構成部材に結合されており、その回転移動が検出されてい
る。軸１１の端面側中央には、支持プレート２２が載置されており、これが同時
にロータとして用いられている。少なくともこの支持プレート２２と軸１１は、
非磁性材料からなっている。支持プレート１２は、円形に構成されたディスクと
して構成されている。支持プレート１２の中心から間隔をおいて、例えば支持プ
レート周辺に（図１及び図３参照）永久磁石１５が固定されている。この永久磁
石１５は、扁平に構成されており、すなわち曲線形状は有しておらず、これは支
持プレート１２の円形形状に整合し得る。永久磁石１５は、支持プレート１２の
中心Ｐを通って延在する平面１６に平行に配置される。さらに永久磁石１５の分
極は、軸１１に対して対蹠的に配向されている。換言すればこのことは、分極が
平面１６に対して垂直に延在していることを意味する。また円形の支持ディスク
上に設ける代わりに、軸１１上に載置されたアームかまたは円運動を実行し得る
凹部内に固定されてもよい。さらに懸架部材１９を用いて磁場感応性素子２０は
支持プレート１２の中心点Ｐ上方に、つまり平面１６内に固定的に配設されてい
る。図１では、もしくは図３に明らかに示されているように、磁場感応性素子２
０は、中心点に関して調心的に配置されているのではなく、中心点Ｐからシフト
されて平面１６内におかれている。磁場感応性素子２０として例えばフィールド
プレート、磁気トランジスタ、磁気抵抗素子、ホール素子などが適用可能である
。その際に重要なことは、磁場感応性の構成部材がその出力信号と磁束Ｂとの間
並びに磁流の入射角との間でできるだけ線形な依存性を有していることである。

【００１０】 有利には、平均値の形成のために複数の測定面が平面１６内に配置されたホー
ル素子が適用される。それにより、センサはｘ軸方向とｙ軸方向でのずれに不感
となる。すなわち許容偏差に対して不感となる。

【００１１】 図２には、出力信号の経過が３６０゜の角度の回転に亘って示されている。図
示の特性曲線ＩＩは、図１ないし図３に相応する磁場感応性素子２０の非対称配
置のもとでの出力信号の経過に相当する。図２においては、図の下方に、永久磁
石１５と磁場感応性素子２０のそのつどの対応状態が９０゜おきの角度位置で示
されている。周知のように、出力信号は、回転運動中の磁束Ｂの変化に起因する
。図３には、磁場感応素子２０における磁束Ｂ＝最大の場合の永久磁石１５の磁
力線の経過が示されている。この図３から明らかなことは、この場合永久磁石１
５のほぼ全ての磁力線がほぼ垂直に磁場感応性素子２０を貫通していることであ
る。これとは異なって図４においては、磁束Ｂ＝０に相当する場合の磁場感応性
素子２０と永久磁石１５との間の対応状態が示されている。図４から受け取れる
ことは、永久磁石１５のほぼ全ての磁力線が、磁場感応性素子２０と平行に延在
し、磁場感応性素子２０に対して垂直な成分は何も存在しないことである。磁流
分割の伴うこれまでの測定方法では、ホール素子の中の磁場強度の変化が評価さ
れていたのに対して、ここでは測定面への磁力線の入射角が評価される。図２の
下方に示されているないしは図１，図３，図４から明らかなように、ホール素子
の非対称な配置構成のもとでは、永久磁石１５は、ホール素子２０の周り及びそ
の中心点周りの運動において、つまりその磁場感応領域周りの運動において楕円
状または卵形の経路を描く。それにより、図３に示されているような位置におい
て磁力線の垂直な入射が生じる。他の位置では磁力線は、所定の角度のもとでホ
ール素子２０の磁場感応領域内に入射する。ここでは周知のように、成分の分析
に従ってそれぞれホール素子に対して垂直に延在する成分が有効となる。ホール
素子２０周りの永久磁石１５の楕円状のまたは卵形の運動は、ここでは次のよう
なことに作用する。すなわち磁力線の入射角度だけでなく、前述した成分の分析
に基づいて、さらに間隔距離の変化に基づく磁界強度の変化にも作用する。回転
に応じて入射角は変化し、さらに垂直に延在する磁力線の成分も変化する。ホー
ル素子２０を図１〜図４に示されているように非対称に配置するならば、図２に
示されている、フラットに上昇する領域と比較的急峻に上昇する領域とを備えた
特性曲線ＩＩが生じる。フラットに上昇している領域は、ホール素子２０が永久
磁石から離れた場合、すなわち間隔距離が楕円状のまたは卵形の運動に基づいて
拡大した場合に生じる。この場合非対称な配置構成に基づいて、９０゜以上に亘
って延在する特性曲線ＩＩにおいて線形な経過特性が達成できる。それとは異な
って特性曲線ＩＩの急峻に延在する領域は、ホール素子２０が永久磁石１５の方
向に移動すると、すなわちホール素子２０と永久磁石１５との間の間隔距離が楕
円状もしくは卵形の運動に基づいて低減されると生じる。

【００１２】 以下でも説明する全ての実施例において、永久磁石１５は扁平に構成される。
その際永久磁石は矩形状であっても正方形であってもよい。またその端部が面取
りされて丸みを帯びていてもよい。考えられるのは丸い形状か楕円形状である。

【００１３】 図５には、ホール素子２０が中心点Ｐに配置されている、つまり軸の中心に配
設されている変化例が示されている。支持プレート１２上にはＸ軸とＹ軸で表わ
される座標系が示されており、この場合は交点、すなわちゼロ点が軸１１ないし
支持プレート１２の中心に存在している。それによりホール素子２０は、座標Ｘ
＝０とＹ＝０を有している。その他に図５にはホール素子２０の出力信号の測定
特性曲線が３６０゜の回転角度に亘って示されている。この特性曲線の経過は、
正弦関数に相応する。図５の特性曲線は、正弦関数からずれるフラットな領域ま
たは急峻な領域は有していない。なぜなら、ホール素子２０周りの永久磁石１５
の回転運動のもとでは、円運動が生じるからである。比較のためにこの測定特性
曲線は、図２に示されており、符号Ｉが付されている。

【００１４】 それとは異なって図６においてはホール素子２０がＹ軸方向でゼロ点から、す
なわち中心点Ｐからシフトされており、それに対してＸ軸方向では前述のように
ゼロ点におかれている。それにより、Ｘ＝０とＹ≠０の座標を有する。ホール素
子のこの位置は、図１〜図４に示され前述した様式に十分に相応している。図６
に示されているダイヤグラムは、ここではホール素子２０と永久磁石１５の間に
行われる楕円状の回転運動経過に基づいて図２に存在するフラットな領域と急峻
な領域を特性曲線が有している。

【００１５】 図７の構成では、ホール素子２０がＸ軸においてもＹ軸においてもシフトされ
ており、つまりＸ≠０とＹ≠０の座標を有している。従ってこの例では、ホール
素子２０は、四分円の第４象限に配置されている。その他に示されている測定特
性曲線の経過も、フラットな領域と急峻な領域を有している。永久磁石１５に対
するホール素子２０のシフトに基づいて、ここでは測定特性曲線が作用を受ける
。測定特性曲線におけるフラットな上昇領域は、大きな角度の測定のために重要
である。それに対して急峻な領域は、小さな角度の検出に対して有利である。そ
れによって、特に簡単な形式でセンサをそのつどの測定にマッチングできる。

【００１６】 これまでの実施例においては、永久磁石１５が支持体の支援のもとで軸１１周
りで円形状の運動を描いており、さらにホール素子２０の非対称な配置構成もし
くは軸１１ないし永久磁石１５に対する非対称な固定に基づいて、楕円状か卵形
の運動経過が生じていた。図８による実施例では、永久磁石１５が楕円状のもし
くは卵形の経路２１上を運動し、ホール素子２０は、軸１１に調心的にセットさ
れている、つまり軸１１の中心におかれている。但しここで重要な事は、永久磁
石１５が平らにおかれていることであり、そのため支持プレートに合ったカーブ
形状は有していない。

【００１７】 全ての実施例において重要なことは、少なくとも回転運動の間に、磁場感応性
素子２０は磁石の磁界におかれ、さらに磁石の旋回経路内におかれることである
。

【００１８】 センサ１０は非常に小型に構成され、僅かな組付けコストしかかからないので
、センサは特に簡単にシステム内に、例えばタンクレベル表示モジュールやスロ
ットル装置、走行ペダルモジュール、変速機制御部などに集積化が可能である。
もちろんセンサ１０は、回転角度検出のための独立したセンサとして用いること
も可能である。その適用のもとで特に有利には、永久磁石が回転軸内へもしくは
回転軸の突起内に射出成形し得る。またホール素子はケーシング部材に固定され
てもよい。

【００１９】 図９による実施例のもとでは、符号４０で、スロットル弁調整器の例でポット
状のケーシングが示されている。このケーシング４０の底部４１には、孔部４２
が形成されており、これはケーシング４０の底部４１における突起４３と共に円
錐状の構造を有している。この孔部４２内には、ケーシング４０の開口部からシ
ャフト１１ａまたはこのシャフトの突起が挿入されている。このシャフト１１ａ
は、孔部４２の円錐形状に一致するように形成されており、そのためシャフト１
１ａは、少なくとも孔部４２内にある突起４３においては円形に構成されている
。ケーシング４０の底部４１の下方においてこのシャフト１１ａは、キャリヤ４
６内に突出している。それによって監視すべき構成部材の回転運動がシャフト１
１ａに伝達される。このキャリヤ４６と底部４１の外側には、ばね４７が配設さ
れており、このばね４７は、シャフト１１ａを円形の突起４３と共に孔部４２の
円錐領域に押し込んでいる。このばね４７は、コスト的な理由からレバーかまた
はギヤとして構成されたキャリヤ４６の構成部材であってもよい。キャリヤがプ
ラスチックからなっている場合には、このバネ４７は射出成形できる。また金属
性の場合には、バネアームが相応に曲げられる。シャフト１１ａの対向端部に、
ロータとして用いられる磁石ホルダー５０が回転不動に固定されている。この磁
石ホルダ５０は、図１０でも明らかなように、シャフト１１ａの軸方向に形成さ
れた突出部５１を有しており、この突出部５１に永久磁石５２が固定されている
。永久磁石５２は、その他の実施例のように半径方向に分極されている。磁石ホ
ルダ５０とシャフト１１ａは、非導磁性材料からなっている。ケーシング４０の
開口部内には、ガイドプレート５５が挿入されている。これはその他の電気的な
回路の構成部材５６を有しており、この場合この構成部材５６は差込端子５７に
接続されている。ケーシング４０の開口部は、さらにカバー５８によって遮蔽さ
れる。このカバー５８は、ケーシング４０の内部を湿気やその他の外部からの悪
影響から保護している。ガイドプレート５５の下側には、ホール素子２０が排泄
されており、このホール素子は回路構成部材５６に接続されている。さらにこの
ホール素子２０は、ガイドプレート５０の下側に固定されている支持体６０によ
って囲まれており、その内部にホール素子２０の終端部が埋込まれている。それ
によって振動やその他の機械的な影響が生じても外れたり損傷を受けることはな
い。これまでの実施例のように、ホール素子２０の感応面６１は、シャフトの中
心点に対して調心的には配置されてなく、そのためここでも永久磁石５２の経路
はホール素子２０の感応面６１の周りで卵形もしくは楕円状に描かれる。小さな
角度範囲での適用に対しては、すなわち−１５゜＜＜１５゜の範囲においては、
感応面６１は、中央に位置付けされてもよい。これは円形の経路に相応する。

【００２０】 しかしながら非対称な配置構成は、このような角度範囲でも可能である。さら
にホール素子２０は回転運動の間は常に永久磁石５２の磁界の中に存する。これ
に対してはこの実施例の場合でも永久磁石はホール素子の周りを移動し、そのた
めホール素子は、回転運動のもとで変化する磁界内に常に存在する。ここにおい
てセンサ方式が半径方向ないし軸方向に感応する場合ないしは非常に高精度なセ
ンサの場合でも、非常に有利な配置構成に基づいて、安価な製造が可能である。
線形性と測定精度は、スライド配置方式の例よりも良好である。その他にも種々
異なる製造許容偏差や温度変動による様々な伸張に基づいて生じる半径方向の遊
びもこの配置構成のもとではもはや存在しない。

【図面の簡単な説明】

【図１】 センサの概略的断面図である。

【図２】 ３６０度の回転角度に亘る出力信号（Ｖ）の経過を示した図である。

【図３】 特性曲線の最大の偏向とニューラルな偏向が示された図である。

【図４】 特性曲線の最大の偏向とニューラルな偏向が示された図である。

【図５】 永久磁石に対する磁場感応性素子の様々な位置を示した図並びにそれに付随す
る出力信号のそれぞれの経過を３６０度に亘って示した図である。

【図６】 永久磁石に対する磁場感応性素子の様々な位置を示した図並びにそれに付随す
る出力信号のそれぞれの経過を３６０度に亘って示した図である。

【図７】 永久磁石に対する磁場感応性素子の様々な位置を示した図並びにそれに付随す
る出力信号のそれぞれの経過を３６０度に亘って示した図である。

【図８】 磁石が卵形の旋回経路を進み、ホール素子は回転軸に調心されている本発明の
さらなる変形例を示した図である。

【図９】 円錐軸受けを用いてスロットル弁調整器ケーシング内へ組込まれたセンサの縦
断面図である。

【図１０】 図９のラインＡ−Ａに沿った断面を示した図である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＣＹ， ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，Ｉ Ｔ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＡＵ，ＪＰ，Ｕ Ｓ (72)発明者 トーマス クロッツビューヒャー ドイツ連邦共和国 ルーダースベルク オ ーベラー ヴァイラー ９ Ｆターム(参考） 2F063 AA35 DA05 GA52 GA79 KA01 2F077 CC02 JJ01 JJ08 JJ09 JJ12 JJ23 VV02

Claims (12)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 磁石（１５）の載置されているロータ（１１，１２）と、測
   定信号生成のための磁場感応性素子（２０）とを有している、回転角度を無接触
   方式で検出するための測定装置（１０）において、 前記ロータ（１１，１２）が非導磁性材料から形成されており、前記磁石（１
   ５）は、扁平に構成され、ロータ（１２）の軸（１１）を通る面（１６）に対し
   て並行に配置されており、前記磁石（１５）の分極は、軸（１１）に対して対蹠
   的であり、前記測定装置（１０）は、磁束ガイド部材を有してなく、前記磁場感
   応性素子（２０）と磁石（１５）は、回転移動の間に当該素子（２０）が磁石（
   １５）の磁界の中に存するように配置されていることを特徴とする測定装置。
2. 【請求項２】 前記磁場感応性素子（２０）と磁石（１５）は、それらが相
   互に卵形の運動を描くように配置されている、請求項１記載の測定装置。
3. 【請求項３】 前記磁場感応性素子（２０）と磁石（１５）は、それらが相
   互に楕円状の円運動を描くように配置されている、請求項２記載の測定装置。
4. 【請求項４】 前記磁石（１５）は、丸みを帯びた角を有する矩形状の形態
   を有している、請求項１から３いずれか１項記載の測定装置。
5. 【請求項５】 前記磁石（１５）は、卵形の形状または丸い形状を有してい
   る、請求項１から３いずれか１項記載の測定装置。
6. 【請求項６】 前記磁場感応性素子（２０）は、軸（１１）に対して偏心的
   に配置されている、請求項１から５いずれか１項記載の測定装置。
7. 【請求項７】 前記磁場感応性素子（２０）は、平面（１６）に対して偏心
   的に配置されている、請求項１から５いずれか１項記載の測定装置。
8. 【請求項８】 前記磁場感応性素子（２０）は、ロータ（１２）の四分円の
   領域に存在する、請求項１から５いずれか１項記載の測定装置。
9. 【請求項９】 前記ロータ（２０）は、円形形状を有している、請求項１か
   ら８いずれか１項記載の測定装置。
10. 【請求項１０】 前記磁場感応性素子（２０）は、ホール素子であり、該素
    子は、平均値を形成するために複数の測定面を有している、請求項１から９いず
    れか１項記載の測定装置。
11. 【請求項１１】 前記ロータ（１２）にはシャフト（１１ａ）が配設されて
    おり、該シャフトは、円錐軸受けを用いてケーシング（４０）の開口部（４２）
    におかれている、請求項１から１０いずれか１項記載の測定装置。
12. 【請求項１２】 前記シャフト（１１ａ）の突起部（４３）は円錐形状に構
    成されており、該突起部（４３）は、ケーシング（４０）の円錐状に形成された
    開口部（４２）におかれている、請求項１１記載の測定装置。