JP2005181313A - 磁気位置センサ装置および方法 - Google Patents

Abstract

【課題】磁気センサおよび磁石を使用して磁石の角位置を長時間安定に測定する位置センサを得る。
【解決手段】磁気位置センサは磁性材料で形成された固定子（１６，３６，５２）および固定子周りを回転可能に搭載され両角端間を移動でき１次円柱状空隙（５）により間隔のとられた一対の磁石（１４ａ，１４ｂ，３４ａ，３４ｂ，５４ａ，５４ｂ，６４ａ，６４ｂ）を有する。第２の空隙（４）が静止部材内に形成され、第１のホール効果センサ（１８）が第２の空隙内に配置され磁石の角位置表示として磁界を測定し、第２の基準センサ（２２）が磁石の磁気減退を検出する。第２のセンサは磁石の角位置に無関係に磁界が比較的一定の位置に配置されたホール効果センサであり、基準センサ出力は診断インジケータまたは第１のセンサ出力の修正として使用できる。
【選択図】図２

Description

本発明は一般的に磁気位置センサに関し、特に、回転部材の角位置に一般的に比例する電気的出力信号を有する磁気位置センサに関する。

ホール効果センサおよび磁気抵抗センサ等の磁気センサは要素の位置測定に使用されることがよく知られている。一般的に、磁石を使用して磁界が生成され、それが磁気感知機能を含むＩＣ（集積回路）により測定される。磁石は被測定要素に接続されＩＣに対して移動する。ＩＣにおける変化する磁界が移動に比例する出力信号へ変換される。

磁気ベースセンサには３つの主要な限界がある。第１に、磁石は時間および温度と共に強度を失い、表示位置に誤差を生じることがある。これらの損失はある準安定ドメインを回転させることができる温度に曝したり、冶金を変える腐食、または悪い処理により生じることがある。第２に、ＩＣは時間および温度と共にドリフトしたり完全に故障することがある。第３に、磁気センサの既存の構造は小さな機械的ミスアライメントにより生じる磁界の小さな変化に非常に敏感である。

有効な位置センサの例は対向する第１および第２の部分へ縦方向に分割された半径方向に磁化された永久リング磁石を含み、各部分のＮ極は互いに逆方位に揃えられ、磁性材料のヨーク内に搭載されてヨークと共に回転する。縦方向に第１および第２の部分に分割され選定された第２の空隙だけ互いに間隔をとられた一般的に同軸円筒状の固定子が１次空隙を形成するリング磁石内にそこから間隔をとって配置されている。ホールセンサが第１および第２の固定子部分間の２次空隙内に配置されている。この構成はリング磁石を搭載するヨークの角位置に比例するほぼ線型の電気的出力信号を提供し、回転および静止部材間のミスアライメントには感応しない。詳細については、その主題が本開示の一部としてここに組み入れられている米国特許第5,789,917号を参照されたい。

この発明の教示に従って作られたセンサは非常に有効ではあるが、その使用に限界がある。すなわち、時間と共に磁石の強度は減退しホールセンサがこれを角回転として反映する。この種の位置センサは典型的にサマリウムコバルト磁石を使用する。１５０°Ｃに３，０００時間置かれた後で、このような磁石は典型的に残留磁気が２−４％低減する。この減退磁界により出力が低減して角位置読取に誤差を生じる。応用によってはこの大きさの誤差は受け入れられるが、このような誤差を許容できない多くの応用がある。

磁石上で温度安定化サイクルを実行してこの問題に取り組む試みがなされてきている。これはエージングを低減するのにある有利な効果を有するが、それを解消はしない。さらに、最高品質、安定磁石に対して必要な１−２ppm欠陥レベルを得るために、ほぼ完全なプロセス制御を行わなければならない。

本発明の目的は磁気センサおよび磁石を使用して時間と共に安定に磁石の角位置を測定する位置センサを提供することである。本発明のもう一つの目的は前記した従来技術の限界を克服する従来のホール効果位置センサを確実かつ低廉に改善することである。

簡単に言えば、本発明の好ましい実施例に従って作られた位置センサは軟磁性材料で形成され互いに直径方向配置関係で円筒ヨーク上に搭載された２つの別々の部分で形成された磁石を含み、磁石部分のＮ極は互いに逆方位に揃えられている。円筒固定子は磁性材料により形成され縦軸に沿って４つの一般的に等しい四分円部分に分割され、一つの直径方向に延びる選定距離の第１の補足空隙および第１の方向に垂直で磁石位置と揃わない第２の直径方向に延びる選定距離の第２の補足空隙により互いに離されている。固定子は選定幅の１次円筒空隙により磁石部分から離された筒状ヨーク内に配置される。筒状ヨークは第１および第２端間の選定パスに沿って移動する磁石部分と共に、たとえば、中性位置からいずれかの回転方向に１５°回転することができ、磁石部分は第２の補足空隙と揃えられていない。第１の線型ホール効果センサが第１の補足空隙内に配置されており、磁石部分の中心は０°位置で第１の間隙に揃えられている。第１のホール効果センサは、前記した第5,789,917号特許に記載された、磁界の誘導集中により磁石部分の角位置に対して本質的に線型依存性を有する（１次まで）、ここではしばしばセンスと呼ばれる、電子的出力信号を提供する。

第２の線形ホール効果センサが第２の補足空隙内に配置されており基準センサとして働く。固定子の２つの四分円間の第２の補足空隙と交差する磁界は２つの先端間の磁石の全回転にわたって本質的に一定である。ここではしばしば基準と呼ばれる第２のホール効果センサの電気的出力信号は、したがって、一定磁界を測定する。固定子部分を通って分路される利用可能な総磁界は少なくなるため、磁石が減退すると第２の間隙内の磁界は比例的に減衰する。信号の振幅の選定減少が生じたら診断警報を発生できるように閾値を設定することができる。しかしながら、好ましい実施例では、第１の電気的出力信号の補償は第２の電気的信号により提供される。第１の電気的出力信号は１次方程式ｙ＝ｍｘ＋ｂの形であり、ｍは信号の減衰と共に変化する。前記したように、第２の電気的信号は磁石の減退に比例して減衰し勾配ｍの修正係数として使用される。

この実施例のもう一つの利点は基準センサを正確に位置決めする必要がないことである。第２の補足空隙内の磁界は、基準すなわち第２のホール効果センサの側面のミスアライメントが重要ではなくさらに、第１のホール効果センサと共に、回転子の遊びには感応せず外部磁界から良好に遮蔽され信号の優れた線形性を有するように間隙全体にわたって一定である。しかしながら、第２のホール効果センサは回転の中心ずれ対静止コンポーネントに対してある感度を有する。

図３に示すもう一つの好ましい実施例では、第２のすなわち基準ホール効果センサはこのような中心ずれに感応しない。この実施例では、ヨークおよび固定子の両方が静止型であり２つの対向する磁石部分はヨークおよび固定子間の円筒状空間内で回転することができる。各固定子は平面図において回転中心に対向する磁石部分側の各円弧状磁石から半径方向に間隔がとられた第１の円弧状部分および各第１の部分の中心から直径方向に回転中心に向かって延びかつ他方の一般的に線形部分から間隔がとられた一般的に線形の一定幅の第２の部分を有する。ヨークはリング状であり、第１の実施例と同様に、軟磁性材料により形成されるが、互いに間隔がとられた第１および第２の半円形部分へ分割される。第１の線型ホール効果センサがヨークの第１および第２の半円形部分間に形成された補足空隙の一つに配置され、その主題が本開示の一部としてここに組み入れられている米国特許第5,528,139号に記載されているようにヨーク内の間隙の側を移動する磁石により生じる回転磁界に応答する。第２の基準線型ホール効果センサが間隙にわたって一般的に一定磁界を有する固定子の第１および第２の線形部分間の補足空隙内に配置されている。

前記した両方の実施例において、基準ホール効果センサの有効性はホール効果センサの整合によって決まるが、センサの不整合によりある誤差を生じることがある。さらに精度を要する応用において、もう一つの好ましい実施例は選定された固定角位置において出力を与えるスイッチを利用し、この出力はその角位置における第１の電気的出力信号の予期出力値と比較されてずれがあるかどうかを決定する。ずれがあればオフセット修正係数として第１の電気的出力へ加えられる。第２の出力は前記した一つの好ましい実施例に従って選定された固定角度で閉じる機械的スイッチ、あるいは、光信号がその前で回転する磁石により遮断されるホトダイオードや光検出器等の光センサを使用して得ることができる。

もう一つの好ましい実施例では、アウターリング状ヨークおよび固定子は静止型であり第１および第２の円弧状磁石は回転子上に搭載されていてヨークおよび固定子間に形成された１次環状空隙内で回転することができる。ヨークおよび固定子は縦方向に２つの等サイズ部分に分割され、各補足空隙により互いに間隔がとられている。磁石は第１および第２の先端間で選定量、前記した実施例では３０°、だけ回転することができる。固定子部分間の補足空隙はヨーク部分間の補足空隙が延びる直径方向とおよそ１５°の角度を形成する直径方向に延びている。固定子部分の平坦な壁は固定子補足空隙のいずれかの端部で外向きに張り出している。磁石部分は行程の両先端においてフレア壁と重なり合っている。一端において（ゼロストローク）、円弧状磁石の中心はヨークの補足空隙と揃えられている。磁石のストロークの中点において（半ストローク）磁石の中心は固定子の補足空隙と揃えられており、反対端において（全ストローク）磁石の中心は両方の補足空隙と揃えられていない。センス磁石センサは固定子の補足空隙の中心に配置され、基準磁気センサはヨークの補足空隙の一つの中心に配置されている。この構成では、ゼロストロークにおいてヨークの補足空隙（基準空隙）内の磁束はゼロであり、基準位置において線形磁気センサの替わりに磁気スイッチを使用できるようにされる。

もう一つの実施例では、アウターリング状ヨークおよび固定子は静止型であり第２の円弧状磁石が回転子上に搭載され、前記した最後の実施例のように、ヨークおよび固定子間に形成された１次空隙内で回転することができる。しかしながら、ヨークは分割されず固定子は円筒状であり縦方向に２つの等サイズ部分に分割され、センス磁気センサが配置される補足空隙により互いに間隔がとられている。基準磁気センサは磁石の一つとヨーク間の間隙内に配置され、補足空隙が延びる直径方向に揃えられている。

添付図を参照して下記の詳細な説明を読めば本発明のさまざまな付加目的および利点が明らかになる。図１，１ａおよび１ｂに示す、従来技術に従って作られた位置センサ１０は駆動軸１１ａを有し軟磁性材により形成された円筒状ヨーク１２を搭載する非磁性材により形成された回転可能な部材１１を含んでいる。サマリウムコバルト等の長期持続磁気特性を有する適切な材料で作られた第１および第２の円弧状永久磁石部分１４ａ，１４ｂがヨーク１２の内側に固定搭載されてそれと一緒に回転し、互いに直径方向位置に配置されている。磁石部分は半径方向に磁化されＮ極が互いに逆方位に揃えられるようにされている。すなわち、磁石部分１４ａのＮ極は回転の中心（軸２）に最も近い部分側にあり磁石部分１４ｂのＮ極は軸２から最も遠い部分側にある。

軟磁性材の同軸搭載固定子１６は選定幅の補足空隙４により互いに離された２つの等サイズ部分１６ａ，１６ｂへその縦軸に沿って分割された円筒状である。固定子１６は、また、第１の一般的に環状の１次空隙５によりヨーク１２から間隔がとられている。線形ホール効果センサ１８が間隙４内に搭載されていて間隙と交差する磁束を測定する。ヨーク１２は両角端間で図１，１ａの中性すなわちゼロ度位置からいずれかの方向へ、たとえば、１５°回転することができ、間隙４内のホール効果センサ１８は磁石部分の中心といずれかの方向へ１５°の位置へ揃えられており、最先端反時計回り位置は図１ｂに示されている。

固定子部分１６ａ，１６ｂ内のヨーク１２ｂおよび９内の磁束線８から、磁束は集中されて案内されることが判る。この構成により、回転および静止部のミスアライメントに感応せず、ヨーク１２ｂのために、外部磁界に感応しない補足空隙４内に本質的に線形出力（１次）が提供される。

しかしながら、時間と共に磁石の磁気強度は減退しそれは制御システムにより角位置の変化として解釈される。減退は数パーセントしかないこともあるが、応用によっては受け入れられないものとなることがある。たとえば、ある自動車トランスミッションでは、位置センサはトランスミッションを最適動作させるための制御要素の位置を決定するのに使用される。

図２，２ａおよび２ｂに示す本発明の第１の好ましい実施例では、位置センサ２０の固定子は等四分円部分１６ａ１，１６ａ２および１６ｂ１，１６ｂ２へ分割され、図１の構造のように、四分円部分１６ａ１，１６ａ２は第１の補足空隙４により四分円部分１６ｂ１，１６ｂ２から分離されており、四分円部分１６ａ１，１６ｂ１は選定幅の第２の補足空隙６により四分円部分１６ａ２，１６ｂ２から分離されている。第１および第２の磁石、すなわち磁石部分、は図１の構造のように部材１１と共に回転するためにヨーク１２内に搭載されており、線形ホール効果センサ１８は図１の構造のように間隙４内に配置されている。ヨークは鉄、珪素鉄合金およびニッケル鉄合金等の任意の軟磁性材から作ることができる。固定子部分は軟磁性材、好ましくは、珪素鉄およびニッケル鉄等の低ヒステリシス材料から作ることができる。

第２の基準線形ホール効果センサ２２が間隙６に交差する磁束を測定するために間隙内に搭載されており、その位置において磁気部分の角位置から本質的に独立している、すなわち、磁界は数ガウス内で本質的に一定のままである。空隙４はその端部間の磁石部分の全回転経路中磁石部分に揃えられる直径方向に延びており、空隙６は磁石部分の全回転経路中磁石部分に揃えられない直径方向に延びている。図２ｃを見ると、図２，２ａに示す位置センサ２０は、他の好ましい実施例で後述するように、マイクロプロセッサ制御回路１００に入力される第１のホール効果センサ出力Ｓ１および基準ホール効果センサ出力Ｒ１を有し、基準信号Ｒ１に基づいて第１のホール効果センサの出力Ｓ１を補償して補償された出力Ｃ１を供給するように示されている。

基準ホール効果センサが配置される間隙６内の磁界に僅かに影響を及ぼすヨークの固定子に最も近い位置において間隙５に交差するいくらかの磁束により、基準ホール効果センサには回転するヨークの図２の実施例の固定子に関する中心ずれに対するある感度がある。

図３の実施例では、位置センサ３０は図２の実施例のヨーク１２と同じ材料で形成され非磁性材料のサポート３８内に搭載された静止筒状ヨークすなわちアウターリング３０および図２の実施例の固定子１６と同じ材料で形成された静止固定子３６を含み、可動磁石３４ａ，３４ｂがヨーク３２および固定子３４間の環状空間内で非磁性材料で作られた回転子３９上に搭載されて回転する。ヨーク３２は選定幅のセンス補足空隙４により互いに分離された第１および第２の部分３２ａ，３２ｂに、それぞれ、縦方向に分割され筒状壁面は一般的に円柱状であって縦軸２を有する。

固定子３６は第１および第２の要素３６ａ，３６ｂにより形成され、各々が円弧状の第１の間隔のとられた部分３６ａ１，３６ｂ１および円弧状部分両端の中間位置、好ましくは中心、から円弧状部分の軸２上の回転中心に向かってその手前まで延びて選定幅の基準補足空隙６を形成する線形部分３６ａ２，３６ｂ２を含んでいる。円弧状の第１および第２の部分３６ａ１，３６ｂ１は、磁石と固定子およびヨークの両方間に選定幅の空隙を提供しながら、間に磁石３４ａ，３４ｂを配置するのに十分なだけヨーク３２から間隔がとられている。円弧状部分３６ａ１，３６ｂ１の中心は、好ましくは、ヨーク３２内の間隙４が延びる直径方向に揃えられる。

磁石３４ａ，３４ｂは直径方向位置に互いに固定され、前記した実施例と同様に、図３ｂおよび３ｃに示す両端間でユニットとして、たとえば、１５°回転することができる。磁石部分３４ａ，３４ｂが完全回転端にある図３ｂ，３ｃに示すように、固定子の第１の円弧状部分３６ａ１，３６ｂ１は、それぞれ、磁石部分の最近端を越えて延びている。

線形ホール効果センサ１８は、どちら側かで、ヨーク３２の空隙４内に搭載されており、基準線形ホール効果センサ２２は空隙６内に搭載されている。この構成では、角回転と共に線形に変化する磁界が空隙４内に生じるが線形第２部分３６ａ２，３６ｂ２を通る磁界は磁石部分の回転と共に本質的に変化せず磁気減退の結果変化するだけである。

本発明に従って作られた図３に従った位置センサのセンス４および基準６空隙における磁界対角回転は全回転時に線形ホール効果センサ１８に対しては７３２Ｇ変化を反映し、同じ回転に対する線形基準ホール効果センサ２２に対しては僅か２.２Ｇ変化しか反映しなかった。前記したように、ホール効果センサの電気的出力信号は線形でありｙ＝ｍｘ＋ｂの形である。ｍ項は信号減衰と共に変化する。好ましい実施例では、図２ｃ参照、ホール効果センサ１８の電気的出力信号Ｓ１は方程式ｙ＝（ｍ／ｒｅｆ）ｘ＋ｂを使用して修正され、ｒｅｆは磁石に比例して減衰する基準ホール効果センサ２２からの電気的出力Ｒ１信号である。

補償により悪い磁石、たとえば、３０％減退であっても誤差は比較的低く維持され、誤差をおよそ５％に制限する。

位置センサ３０のもう一つの利点は基準センサを正確に配置する必要がないことである。基準空隙６内の磁界は間隙全体にわたって一定であり基準センサの並びのミスアライメントは重要とはならない。位置センサ３０には回転子遊びに対する感度はなく、外部磁界はヨーク３２に結合して回転磁界センスホール効果センサ１８に直接結合するため、それには感応する。しかしながら、たとえば、外部磁界からの磁気シールドとして働く独立した金属ハウジング内に位置センサが搭載されるような、多くの応用に対して、外部磁界感度は問題とはならない。

図４は固定され、予め選定された基準角度で出力信号を供給するのにスイッチが使用される実施例に関連している。新しい磁石を使用してその角度で予期値が得られ、適切な制御回路内のメモリ内に格納される。正規動作中に、この予め選定された基準角度における出力は予期信号からの任意の偏差に対して格納されたその角度の予期値と比較される。任意のこのような偏差が１次出力信号に適用される修正係数として使用される。基準角度におけるスイッチの機械的起動、前で回転する磁石により光信号が入力されるホトダイオードおよび光検出器または、たとえば、磁石が完全延長端にある時の磁界値の予め選定されたウインドウに応答するホール効果スイッチ等のさまざまな手段により第２の電気的出力信号を供給することができる。

特に、図４には前記した図１，１ａ，１ｂの従来技術の構造を有するが、回転可能ヨーク１２の基準位置に形成されヨーク１２がその位置、図示する例では、全回転反時計回り位置に回転すると接点４４ａ，４４ｂが閉じて基準位置表示を与えるランプ状突起４２を有している。

図５，５ａ−５ｃの好ましい位置センサ５０実施例は、図３の実施例のような、静止円筒状ヨークまたはアウターリング３２およびヨーク３２と固定子５２間の環状空間で回転するように搭載された一対の可動磁石５４ａおよび５４ｂを有する静止固定子５２を含んでいる。前記した実施例と同様に、ヨーク３２は鉄、珪素鉄合金およびニッケル鉄合金等の適切な軟磁性材により形成される。ヨーク３２は２つのヨーク部分から間隔ととられたホール効果基準センサ２２をいずれかの間隙６ａ内に受け入れるのに十分な大きさの選定幅の補足空隙６ａにより互いに分離された、それぞれ、第１および第２の部分３２ａ，３２ｂへ縦方向に分割される。図５に示すように、ヨーク３２は非磁性材料により形成された円筒状ハウジング３８内に搭載されている。

固定子５２は軟磁性材、好ましくは、珪素鉄やニッケル鉄等の低ヒステリシス材料により形成された２つの一般的に半円形部分５２ａ，５２ｂを含んでいる。固定子部分は線形ホール効果センサ１８を配置する平坦な側面間にセンス空隙４を有し、平坦な各側面から間隔がとられ固定子およびヨークの縦軸２上に中心が置かれている。空隙４および６は直径方向に沿って延びており空隙４の方向は空隙６が延びる方向と鋭角を形成し、図示する実施例では、およそ１５°である。磁石５４ａ，５４ｂは円弧状であり非磁性材料で作られた回転子３９上に搭載され磁石の中心が空隙６ａに揃えられる図５ａに示す基準各位置における一端と図５ｂに示す中間角位置すなわちストローク間で、磁石の中心が空隙４に揃えられる図５ａの位置から角度１５°移動し、磁石の中心が空隙４，６が延びる直径方向を超えて配置される図５ｃに示す反対角端すなわちストロークへさらに１５°移動するようにされている。空隙４を画定する外部平坦壁の両端は５２ａ１および５２ｂ１において外向きに張り出していることに注目願いたい。円弧状磁石がその位置の両端で張出し間隙に重なり合う、図５ａおよび５ｂ。

図５ａの公称すなわち基準位置において、基準空隙６内の磁束密度は本質的にゼロでありセンサ空隙内の磁束密度は最大値である。回転子が回転すると、磁石は中心点、縦軸２、周りを回転しセンス空隙４内の磁束密度は減少し基準空隙６内の磁束密度は増加する。図５の位置センサに対するセンサ空隙４内の磁束密度、ｂ線、および基準空隙６内の磁束密度、ａ線、を示す図７に示すように、センスおよび基準位置における磁束密度は共に磁石の角度と共に線形に変化する。

磁石の基準位置はフレア５２ａ１，５２ｂ１をゼロから僅かにオフセットされた角位置、すなわち、磁束密度が全くゼロではない１.２５°位置となるように調節して選定される。これにより、戻りストロークにおいて基準位置を超えて移動しゼロガウスの基準位置へ戻って安定な開始点ができるように要素を監視することができる。

基準空隙内のゼロ磁界によりいくつかの利点が生じる。第１に、磁石強度の任意の変化は基準位置における間隙内の磁界強度に影響を及ぼず、磁界はゼロに留まるため、磁界を正確に測定することができる。第２に、任意のホール効果センサ誤差は零入力電圧点において最も小さいため、このような誤差を低減することができる。これはその動作点において回路利得が最小限に抑えられるために生じる。第３に、その位置において磁界はゼロであるため、磁石温度係数の影響を低減することができる。さらに、その結果基準点を測定する磁気スイッチを使用するオプションが与えられる。

基準位置（間隙６）における線形ホールセンサの替わりにホール効果スイッチを使用することができる。スイッチは回転子３８が回転してゼロ点となる時はオフ状態であり、その点において状態が変化して回転子は基準位置にあるという信号を供給する。

線形ホール効果センサは基準間隙内で使用される場合、出力が基準角位置における特定電圧となるように配置することができる。

回転子は基準角位置にあるという信号が与えられると、センスホール効果センサ１８の出力を測定して格納された予期値と比較することができる。センスセンサ値が予期値と異なる場合には、差を使用して診断フラグを設定することができあるいはそれを使用してホール効果センサ１８（空隙４内）の信号を修正することができる。

修正は１次方程式ｙ＝ｍｘ＋ｂの形の出力信号を取り出し、修正係数を乗じてＹｃ＝（ｍｘ＋ｂ）^＊（１＋ｃ）を得て行うことができ、ここに、ｃは出力の百分率差である。

他の修正方法も使用できることが判る。たとえば、どれが最も影響するかに応じて、利得だけを修正したりＹｃ＝ｍｘ（１＋ｃ）＋ｂ、あるいはオフセットだけを修正したりすることができるＹｃ＝ｍｘ＋ｂ^＊（１＋ｃ）。

図５の実施例では、利得とオフセットシフトの組合せを含む修正係数を全体方程式に乗じることが好ましい。図５の実施例に対する線形センス（１８）および線形基準（２２）センサの出力電圧対磁石の角位置のグラフが図８に示されている。両センサ共プログラマブル線形ホール効果センサであり、スパンすなわちストロークは３０°である。

ｄ線は温度補償ＴＣビットが磁石に一致する公称値に設定されホールセンサにドリフトがない室温における基本センス信号であり、ｃ線は起こりうる最大ＴＣビット誤差で１５０°Ｃにおける同じ信号である。それはホールセンサの最大量の寿命ドリフトも含んでいる。ＴＣ誤差は公称ＴＣビット値周りにランダムに分布されるため、値ＴＣビット誤差は勾配の増加または減少を来たすことがある。この例では、ＴＣ誤差は勾配が増加していることを示す。

ｆ線は室温における基本基準信号であり温度補償ビットは磁石に一致する公称値に設定されホールセンサにドリフトはない。ｇ線は起こりうる最大ＴＣビット誤差で１５０°Ｃにおける同じ信号である。それはホールセンサの最大量の寿命ドリフトも含んでいる。ＴＣ誤差は公称ＴＣビット値周りにランダムに分布されるため、値ＴＣビット誤差は勾配の増加または減少を来たすことがある。この例では、ＴＣ誤差は勾配が減少していることを示す。それにより２つのホールセンサ間の最大差が与えられ、一方は増加し他方は減少する。言い換えれば、２つのホールセンサのドリフトは両方向に生じる。

磁石が減退すると、ホールドリフト方向に応じて異なる影響を及ぼす。一方のケースでは、磁石減退はホールセンサドリフトからの増加した利得を補うのを実際に助ける。他方のケースでは、磁石減退はホールセンサドリフトに加わってそれをより悪化させる。

４％の強度減少により２つの磁石の一方が故障したら経年温度ホール効果センサの出力がどのように変化するかを同じグラフが示しており、ｈおよびｅ曲線、センスおよび基準曲線は減退磁石による勾配のさらなる減少があることを示している。この減少は基準位置におけるセンス１８出力内のデルタを取り出して修正を加えることにより修正することができる。

図９は一方の磁石の４％減退によるセンス１８出力誤差対角位置のグラフである。このグラフはホールセンサ経年および磁気減退と組み合わされたホールセンサ温度効果による誤差を示す。これはホール効果センサＩＣ温度補償パラメータのより悪いケースの設定に基づいており、全体誤差は２.１５％から１.５％Ｖｄｄへ低減されており出力内のデルタ誤差は３％から０.５％へ低減されて出力の時間変化を０.５％に制限することを示している。これは高精度を要する応用に対する重要な自己修正である。補償は磁気減退を修正するだけでなく、ホールセンサへの任意のドリフトおよび温度の影響も修正する。

図１０は両方の磁石５４ａ，５４ｂの４％減退に対する図９と同様なグラフである。このケースでは、図５の実施例はより大きい誤差を２.４％よりも低い厳しい限界内にまだ維持しておりデルタを０.５％よりも低く維持している。

基準信号はシステムレベル、すなわち、位置センサが使用される特定の応用においていくつかの方法で使用することができる。たとえば、選定された油圧移動物体の位置を監視する自動車のトランスミッション。基準信号を使用できる一つの方法は組立てプラントにおける校正ツールとしてである。このような物体位置はシステム内のさまざまな公差により必ずしも加えられる油圧の線形関数ではないため、これは特に有効となることがある。このような校正手順は図１１に示されている。

ステップ１０２において、位置センサはトランスミッションに組立てられる。ステップ１０４において、トランスミッションは運転され被制御物体の位置は基準位置でゼロとなるまで変えられる。所望位置における出力電圧がステップ１０８において読み出される。この電圧は１０８において格納され、ステップ１１０においてセンス信号（センサ１８）がこの位置において読み出され、ステップ１１８において理想すなわち予期設定として格納される。ステップ１１４において物体は全ストローク範囲中を通され、入力制御信号が位置出力へマッピングされる。マッピングされたデータはステップ１１６においてルックアップテーブル内に格納され、ステップ１１８においてマッピングされたデータは所望により他の入力に基づいて物体の位置を制御するのに使用される。

図１１の手順によりシステムは所望の分解能内に入るまで次第に小さくなる増分で基準位置を前後に通過することにより基準位置を捜してゼロインするため、図１１の手順は基準位置内の線形センサとうまく働く。

トランスミッションが車両内に取り付けられると、基準信号は動作を制御するのにまだ有用とすることができる。１.２５°の基準角位置に関して前記したように、被制御物体がその正規動作中に時々基準位置を通過し、実際に基準位置を通過したり戻ることができるように制御システム設計が設定される場合、センサ１８出力をサンプリングして、必要ならば、修正するためのトリガとして基準信号を使用することができる。この修正によりシステムは長い１５−２０年の車両寿命にわたって安定かつ正確に維持される。

図１２はこの用途に対する制御アルゴリズムを示す。ステップ２００において、被制御物体はいくつかの入力に基づいて配置される。プロセスステップ２０２において、基準（２２）およびセンス（１８）センサの出力は周期的に、たとえば、１０ｍｓから１００ｍｓ毎にサンプリングされ、後述するように、結果はステップ２１８だけでなくステップ２０４へも転送される。ステップ２０４において、基準センサ２２が基準位置にあれば、センスセンサの出力が取り出されて格納される。ステップ２０６において、選定数、たとえば、１００のサンプルに対してノイズをフィルタリングするセンスの移動平均が計算される。判断ステップ２０８において、移動平均は選定された限界と比較され、平均が限界外であればルーチンはステップ２１０へ行きそこで修正係数が計算される。修正係数 c=(Yavg−Ystored)/Ystored。次に、ルーチンはステップ２１４へ行く。

ステップ２０８において移動平均が限界内であれば、次のステップはゼロを修正係数（ｃ）として割当てることであり、次にステップ２１４へ行く。判断ステップ２１４は修正係数がある値を超えるかどうかを調べ、超えれば、ステップ２１６において診断用フラグ２１７が設定され、ｃは前の値またはデフォルト値に制限される。修正値がある値を超えなければ、ルーチンはステップ２１８へ行きそこでセンス信号が修正される。

基準信号を使用できるもう一つの方法はある既知状態、たとえば、前記したトランスミッションの例ではエンジンが停止する時に被監視制御要素をゼロ位置に行かせることである。次に、制御物体を移動させるコマンドを送る前のちょうどキーオン時に、基準およびセンス出力が読み出され、必要ならば、センス出力が修正される。基準およびセンス出力を固定位置で読み出すことにより、付加曖昧性チェックが行われる。基準およびセンス出力がある量以内で予期値と一致しなければ、バインディング要素または油圧回路内のリーク等、システム内のどこかが悪いことがある。

基準信号を使用できる第３の方法はサービス診断用である。前記した例のトランスミッションが修理に持ち込まれると、修理人がセンス電圧を読み出して格納された理想すなわち予期値と比較することができる。差が大きければ、センサの問題点を示すことがある。差が大きくなければ、制御物体の位置に影響を及ぼすことがある他のエリアを調べる必要があることを示すことがある。

センスおよび基準信号の両方を提供するもう一つの実施例が図６ａ，６ｂ，６ｃに示されている。ここでは連続的な円筒状ヨークであるヨーク６２および固定子部分１６ａ，１６ｂ間に形成された環状空間内で回転する第１および第２の円弧状磁石６４ａ，６４ｂを含む点において、位置センサ６０は図３および５の位置センサ３０および５０と同様である。しかしながら、この実施例では、基準センサ２２は一方の磁石、磁石６４ａが図示されているがいずれの磁石でもよい、とヨーク６２との間に配置され基準センサの外部磁界に対する無感応性が改善されている。他については、動作原理は前記したように動作する。

図２−６の実施例は全て図１，１ａ，１ｂの利点を有しながら磁気減退その他の磁石誤差に対する診断および修正能力を提供する。

本発明をその特定の実施例と組み合わせて説明してきたが、当業者ならば前記説明を読めば多くの変更、修正およびバリエーションが自明である。たとえば、２つのセンサ間のホール効果センサ利得の不整合を低減するために、図３の磁石部分の構成は基準ホール効果センサの磁界強度を低減して回転磁界センサのそれと同じ大きさとなるように修正することができる。前記した好ましい実施例は２つの磁石を利用しているが、対称的構造の関連する半部と共に単一磁石を使用することも本発明の範囲内である。

添付した特許請求の範囲は従来技術の観点からこのような全てのバリエーションおよび修正を含むようにできるだけ広範に解釈されるものとする。

同様な主題が米国特許出願第 号（参照番号(Attorney Docket)第A42155号）に含まれている。

従来技術に従って作られた位置センサの図１ａの１−１線上の断面図である。 センス磁石が中性すなわち０°角位置にある図１の断面に垂直な平面の単純化された断面図であり、磁界を示す線で示されている。 センス磁石が全回転反時計回り端にある図１ａと同様な図であり、磁界を示す線で示されている。 本発明の第１の好ましい実施例に従って作られた位置センサの図２ａの２−２線上の断面図である。 ０°角位置における本発明の図２の実施例に従って作られた位置センサの図１ａと同様な図である。 センサ磁石が全回転時計回り端にある図２ａと同様な図である。 第２の、基準、電気的出力信号に基づいて図２センサの第１の電気的出力信号を補償する位置センサおよび制御回路の略図である。 本発明の第２の好ましい実施例に従って作られた位置センサの図３ａの３−３線上の断面図である。 ０°角位置における図３の実施例の図１ｂと同様な図である。 センサ磁石が全回転時計回り位置にある図３ａと同様な図である。 センサ磁石が全回転反回転時計回り位置にある図３ａ，３ｂと同様な図である。 電磁スイッチを有するもう一つの好ましい実施例の図１ａと同様な図である。 もう一つの好ましい実施例に従って作られた位置センサの図５ａの５−５線上の断面図である。 ストロークの一端において磁石が基準角位置、すなわちゼロストローク、にある図５の実施例の図１ａと同様な図である。 磁石が中間ストロークにある図５ａと同様な図である。 磁石が全ストロークの反対端にある図５ａと同様な図である。 磁石が基準、すなわちゼロ角位置、にある本発明のもう一つの実施例の図１ａと同様な図である。 磁石が一端へ時計回りに全回転した図６ａと同様な図である。 磁石が反対端へ反転時計回りに全回転した図６ａと同様な図である。 図５の位置センサのセンスおよび基準センサの磁束密度を示すグラフである。 磁気減衰のあるおよびない１個の悪い磁石があるおよびない図５の実施例のセンスおよび基準センサ出力のグラフである。 オリジナル信号、減衰信号および修正信号に対する一方の磁石が４％減退した図５の位置センサのセンス出力誤差を示すグラフである。 オリジナル信号、減衰信号および修正信号に対する両方の磁石が４％減退した図５の位置センサのセンス出力誤差を示すグラフである。 組立てプラントにおいて図５の位置センサを校正する手順のステップを示す図である。 基準位置においてセンス出力をサンプリングし修正してシステムを長期にわたって安定かつ正確に維持する技術を示すフロー図である。

符号の説明

４，５，６ 空隙
１０，２０，３０，４０，５０，６０ 位置センサ
１１ 回転可能部材
１１ａ 駆動軸
１２，１２ｂ，３２，６２ ヨーク
１４ａ，１４ｂ 永久磁石部分
１６，３６，５２ 固定子
５２ａ，５２ｂ 半円形部分
１６ａ，１６ｂ 固定子部分
１８，２２ ホール効果センサ
３２ アウターリング
３４ａ，３４ｂ，５４ａ，５４ｂ 可動磁石
３６ａ１，３６ｂ１ 円弧状部分
３６ａ２，３６ｂ２ 線形部分
３８ ハウジング
３９ 回転子
４２ ランプ状突起
４４ａ，４４ｂ 接点
５２ａ１，５２ｂ１ フレア部分
６４ａ，６４ｂ 円弧状磁石

Claims (17)

1. 回転可能部材の角位置を表示する方法であって、
   磁石を取り出すステップと、
   磁石を回転可能部材上に搭載するステップと、
   磁性材料で形成された固定子を取り出すステップと、
   磁界強度が回転可能部材の角位置と共に変動する固定子の第１の角位置および磁界強度が回転可能部材の角位置に無関係に一般的に一定である固定子の第２の角位置を形成するように磁界を指向させるように固定子を構成するステップと、
   第１の角位置における磁界を感知して第１の角位置内の磁界強度に比例する電気的出力信号を回転可能部材の角位置の表示として与えるステップと、
   第２の角位置における磁界を感知して第２の角位置内の磁界強度に比例する電気的出力信号を磁石部分の磁界減退の表示として与えるステップと、
   を含む方法。
2. 請求項１に記載の方法であって、さらに、第２の電気的出力信号を修正係数として使用することにより第１の電気的出力信号を磁石部分の減退に対して補償するステップを含む方法。
3. 第１および第２の先端間の一般的に円形経路に沿って移動可能な磁石の位置を表示する方法であって、
   磁気センサを磁石と磁界結合関係で経路に隣接配置するステップと、
   経路に沿った磁石の角位置に応じて磁気センサから電気的出力信号を得るステップと、
   新しい磁石を使用して経路に沿った磁石の予め定められた角位置における電気的出力信号をサンプリングし、予め定められた角位置における電気的出力の予期値を確立するステップと、
   正規動作中に経路に沿った磁石の予め定められた角位置における電気的出力信号を測定するステップと、
   予め定められた角位置における電気的出力信号の測定値を磁石の減退の表示としての予期値と比較するステップと、
   を含む方法。
4. 請求項３に記載の方法であって、予め定められた角位置における電気的出力信号の測定値を予期値と比較するステップは、修正係数を与えるステップを含み、さらに、電気的出力信号を修正係数で補償するステップとを含む方法。
5. 請求項４に記載の方法であって、予め定められた角位置における信号の電気的出力を測定するステップは、予め定められた角位置において第２の接点と係合するように移動する可動接点を有する機械的スイッチを使用して達成される方法。
6. 請求項４に記載の方法であって、測定ステップはホール効果センサを使用して実施される方法。
7. 請求項６に記載の方法であって、ホール効果センサはスイッチである方法。
8. 磁性材料により形成された固定子と、
   磁界伝達関係で固定子周りを回転する第１および第２の磁石を搭載した回転可能な結合部材であって、磁石は互いに直径方向に対向して固定されかつ直径方向に沿って互いに逆方位の磁極を有し、磁石は２つの両端間を回転経路に沿って移動できる回転可能な結合部材と、を含み、
   固定子は磁石部分の角位置に応じて磁界が変動する第１の空隙を有する個別の別々の部分により形成されており、さらに、
   回転経路に沿った磁石部分の角位置に対応する第１の電気的出力信号を有する第１の間隙内に搭載された第１のホール効果センサと、
   磁界が磁石部分の角位置に無関係に一般的に一定である位置において磁石の磁界と磁界伝達関係に固定搭載された第２の電気的出力信号を有する第２のホール効果センサと、
   を含む磁気位置センサ。
9. 請求項８に記載の位置センサであって、第２の空隙は磁石部分と揃えられない位置で固定子内に形成され、第２のホール効果センサは第２の間隙内に配置される位置センサ。
10. 請求項８に記載の位置センサであって、回転可能な結合部材は磁性材料の筒状ヨークを含む位置センサ。
11. 請求項８に記載の位置センサであって、さらに、回転可能な結合部材および固定子が受け入れられる空間を画定する磁性材料の筒状ヨークを含む位置センサ。
12. 請求項１１に記載の位置センサであって、第２のホール効果センサは磁石部分と筒状ヨーク間に形成された空隙内に配置される位置センサ。
13. 磁性材料により形成された固定子と、
    磁界伝達関係で固定子周りを回転する第１および第２の磁石を搭載した回転可能な結合部材であって、磁石は結合部材に固定されかつ互いに直径方向に対向しており、磁石の磁極は直径方向に沿って互いに逆方位に揃えられてており、磁石は２つの両端間を回転経路に沿って移動できる回転可能な結合部材と、を含み、
    固定子は磁石部分の角位置に応じて磁界が変動する第１の間隙を有する個別の別々の部分により形成されており、さらに、
    回転経路に沿った磁石部分の角位置に対応する第１の電気的出力信号を有する第１の間隙内に搭載された第１のホール効果センサと、
    磁石の予め選定された角位置において起動できて、第１の電気的出力信号を予期ガウス値と比較することができる既知の基準位置を与えるスイッチと、
    を含む磁気位置センサ。
14. 請求項１３に記載の位置センサであって、スイッチは第２の接点と係合および解除されるように移動できる第１の可動接点を含み、回転可能な結合部材周辺の予め選定された角位置に突起が形成されていて、回転可能な結合部材が前記予め選定された角位置へ回転される時に第１の可動接点を第２の接点と係合させる位置センサ。
15. 磁性材料により形成された静止筒状ヨークと、
    回転中心を有する回転可能な結合部材と、
    結合部材上に互いに直径方向に対向する関係で固定搭載されかつ筒状ヨーク内にそこから均一に間隔をとって配置された第１および第２の可動円弧状磁石であって、各磁石がヨークに対向する一面および結合部材の回転中心に対向するもう一面を有する第１および第２の可動円弧状磁石と、
    磁性材料により形成された第１および第２の固定子要素であって、各固定子要素が磁石の回転中心に対向する面上の各円弧状磁石から半径方向に間隔のとられた円弧状の外周を有し、第１および第２の固定子要素は互いに間隔がとられて第１の空隙を形成する第１および第２の固定子要素と、を含み、
    結合部材はヨークと固定子要素間の開放空間内の第１および第２の先端間で磁石を移動させるように回転することができ、さらに、
    磁石の回転可能位置と共に変動する磁束に曝された第１の空隙内に配置された第１の電気的出力を有する第１のホール効果センサと、磁束が磁石の位置と本質的に無関係である位置に配置された第２の電気的出力を有する第２のホール効果センサと、
    を含む位置センサ。
16. 請求項１５に記載の位置センサであって、第２のホール効果センサはヨークおよび磁石間にそこから間隔をとって配置される位置センサ。
17. 請求項１５に記載の位置センサであって、筒状ヨークは間隔のとられたヨーク部分間に第２の空隙を画定する第１および第２の間隔のとられたヨーク部分へ分割され、第２のホール効果センサは第２の空隙内に配置される位置センサ。

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