JP2008233090A - 指示要素及び磁気回転角センサ - Google Patents

Abstract

【課題】最適な磁場特性及び低コストの製造が達成できる磁気回転角センサ用の指示要素及び関連する磁気回転角センサの提供。
【解決手段】磁気回転角センサ（１２０）用の指示要素（１００）は磁場プローブ（１２２，１２６，１２８）を具備し、磁場プローブは、磁場プローブに対する指示要素の幾何学的位置に応答してセンサ信号を発生する。指示要素は、複数の部分（１０２，１０４，１０６，１１６，１１８）からなる環状断面を有する永久磁石を有する。複数の部分の磁化は、磁場プローブが配置できる均一な磁場が永久磁石の内部領域（１１２）に形成されるように異なる方向（１１０）を向く。本発明はまた、この種の指示要素を具備する磁気回転角センサに関する。
【選択図】図１

Description

本発明は、磁気回転角センサ用の指示要素に関する。ここで、指示要素は、磁場プローブに対する磁気指示要素の幾何学的位置に応答してセンサ信号を発生するための磁場プローブを有する。本発明はまた、この種の指示要素を有する磁気回転角センサに関する。

相対角度位置の非接触検出は、業界において広く使用されているセンサの一用途である。特に、非接触で回転角を磁気的に検出する際に、磁場を発生する指示要素はロータに接続され、指示要素の角度位置の関数として変化する、磁場プローブの磁場が検出され、磁場プローブは指示要素に対して静止するようにステータ上に実装される。或いは、磁場を発生する指示要素を静止するように実装すること、及び指示要素に対して移動可能に磁場プローブを配置することは公知である。後述する本発明による原理には、指示要素及び磁場プローブ間の相対移動のみが重要である。このため、これら２部品のうちのどちらがステータであり、どちらがロータであるかは重要なことではない。しかし、一般には電気信号処理が必要であるので、磁場プローブの静止取付けが好ましい。

本発明に従った磁気回転角センサの用途の可能性のある分野は、例えばスロットル、旋回フラップ、排気ガス再循環バルブ、可変タービン配置を有するターボチャージャ、調整可能な前照灯、自動変速装置のドライブ位置認識、自動ギアボックスの場合のギア認識、ペダル機構のペダル踏込み量計測及びペダル角度計測用等の自動車における角度測定ばかりでなく、コンバーチブルカーの天井用、他の可動シャーシ部品の場合の角度計測、ブラシレス直流モータにおけるロータ位置の検出がある。

従って、図９に示されるように、磁場発生指示要素として環状断面を有する永久磁石を使用することが公知である。この公知の実施形態において、永久磁石９００が２個の直径方向帯磁部９０２，９０４により形成される。矢印９０６は、一般的に知られているように、磁石のＮ極からＳ極を向く磁力線を指す。しかし、図９に示されるように、永久磁石９００の内部領域９０８には、この直径方向の磁化極性を有する比較的不均一な磁場が透過する。
米国特許出願公開第２００３／００３４７７５号明細書 国際公開第２００７／０１２４１９号明細書

これは、一方で、永久磁石及び磁場プローブ間の相対回転移動を検出するためにこの領域に配置される単一の磁場プローブを、再現可能な線形信号を得るために内部領域９０８の中央に可能な限り正確に配置しなければならないという欠点を有する。従って、この配置は、軸のずれ又は軸の傾き等の位置の誤差に対して特に敏感である。

他方、公知の配置は、同じ磁場条件では利用できる空間が十分でないので、２個以上の磁場プローブが指示要素の内部９０８に配置される重複回転角センサの原理を実現することができない。

従って、本発明は、最適な磁場特性及び低コストの製造が達成できる磁気回転角センサ用の指示要素及び関連する磁気回転角センサを提供することを目的とする。

この目的は、請求項１に記載された構成により達成される。従属請求項は、有利な発展形を提供する。

本発明は、複数の部分を有する永久磁石として指示要素を構成することにより、ほぼ均一な磁場が永久磁石の内部に形成され、永久磁石の内部での磁場プローブの正確な位置には実質的に無関係であるように、指示要素の磁化が異なる複数の方向を向く。典型的な場合において、指示要素の内部領域全体にほぼ均一な磁場が透過すると、重複するプローブは、今日入手可能な小型化された磁場プローブを使用することにより一体化することができ、異なる信号を発生することによる混乱を無くすことができる。この場合、「磁化の向き」とは、空間における磁力線の位置、すなわち半径方向、軸方向、正接方向（すなわち横方向）及び直径方向を指す。可能な２つの極性に、本発明に従った実際の極性を設けることができる。

本発明によれば、種々の異なる磁化リング区分が、指示要素の内部に可能な限り大きな均一磁場領域を形成するために、複数の部分として設けられる。例えば、２個の半径方向及び２個の横方向の磁化された磁石区分を組み合わせるか、又は、異なる直径方向及び横方向の磁化を有する８個の異なる磁石区分の全体を組み合わせることが可能である。本発明によれば、個別の磁場を重ね合わせる結果、磁力線が永久磁石の内部に直線的に延びる。

原理上、本発明の永久磁石に従った構成のため、剪断（ずれ）のレベルを低くすることができ、この理由により、フェライト又はプラスチック接合された希土類磁石等の低い残留磁化を有する材料を使用することができる。閉じた磁気回路が磁石配置内での逆流によって形成されるので、強磁性環境を有する相互作用のレベルが低い。このため、信号は、干渉に対して抵抗性を有する。

本発明による指示要素の有利な実施形態によれば、指示要素は、フェライト材料又は希土類材料等のプラスチック接合された材料を射出成形することにより製造されるのが好適である。これにより、指示要素を特に低コストで製造することができる。もちろん、フェライト及び希土類の混合磁石も可能である。

本発明による磁気回転角センサの有利な発展形によれば、磁場プローブは、ホール効果装置により形成される。ホール素子は、良好な線形性レベルを有し成熟技術に基づいて低コストで製造できるという利点を有する。

しかし、本発明の有利な発展形によれば、磁気抵抗センサはまた、例えば次の効果、すなわち、ＡＭＲ（異方性磁気抵抗）効果、ＧＭＲ（巨大磁気抵抗）効果、ＴＭＲ（トンネル磁気抵抗）効果、ＣＭＲ（コロッサル（colossal）磁気抵抗）効果又はＧＭＩ（巨大磁気インダクタンス）効果のうちの一つを有するセンサであってもよい。

一般に、ＭＲ（磁気抵抗）効果として知られているものは、全ての導電性材料で生ずる。このため、電荷キャリアが直線移動から逸れ、経路の長さが増大することになるので、磁場が印加される際に電気抵抗が増加する。原理上、磁気抵抗効果は、銅等の良好な導電体の材料における超高磁場強度での抵抗の有用な変化のみを達成する。ビスマスは、全金属の中で最も大きな抵抗リフトを有する。一般に磁気抵抗体と言われる特定の半導体材料において、100％を超える抵抗の変化が達成できる。

異方性磁気抵抗（ＡＭＲ）効果として知られるものは、磁性材料内で生ずる。磁性材料の抵抗率は、磁化に平行の場合が磁化に直交する場合よりも数％大きい。磁化は、センサが製造できる方法で磁性材料から製造される薄いシート内で単に回転することができる。１９８８年に、巨大磁気抵抗（ＧＭＲ）効果として知られるものが発見され、文献では総称ＸＭＲの下で従来から組み合わされた別のＭＲ効果の発見又は再発見という結果となる発展になった。

ＧＭＲ効果は、少なくとも２つの強磁性層及び中間金属層を有する層構造で生ずる。これらの層における磁化が平行でない場合、磁化が平行である場合よりも抵抗が大きくなる。これは50％までの差を含むので、「巨大」と命名される結果となる。

トンネル磁気抵抗（ＴＭＲ）効果として知られるものは、少なくとも２つの強磁性層及び薄い絶縁層を有する層構造で生ずる。２層間のトンネル抵抗は、ＧＭＲ効果と同じく、互いの磁化の方向の角度に依存する。

コロッサル磁気抵抗（ＣＭＲ）効果は体積効果であり、主にペロブスカイト材料に生ずる。金属から半導体の振舞いの遷移温度の近傍の温度において、200％を超える抵抗変化が観測される。しかし、今日まで、この効果は、100Ｋより低い遷移温度を有する材料で生ずることが知られているだけである。

巨大磁気インダクタンス（ＧＭＩ）効果は、磁気材料製の表面層を有するワイヤで主に生ずる。この表面層は、ワイヤの環状の周囲に磁化を有しなければならない。この磁化はまた、ワイヤの縦方向の磁場によりワイヤ方向に回転する。このため、磁性層により表皮効果が影響されるので、ワイヤのインダクタンスは特に高周波で変化する。この効果はまた、ほぼ低い程度であるが、磁性二重層の場合に観測できる。

磁気の流れを計測するため、形状、寸法、温度変動の影響、及び材料変動の点で干渉を受けやすい公知のホール素子とは対照的に、磁気抵抗センサは飽和軟磁性層で作動し、磁化の際に飽和する磁石、及び磁束密度ではなく磁場の方向のみが計測される。このため、特定の最小磁束密度が常に与えられる。従って、磁気抵抗センサの使用は、堅牢さ、及び特に自動車での使用にとって重要である干渉に対する抵抗が増大するという利点を提供する。

温度の影響又は引き算による電磁干渉等の混乱を無くすために、本発明による回転角センサは別の磁場プローブに取り付けることができ、その重複する信号は、適当な信号処理によってエラー訂正に使用することができる。このため、重複する磁場プローブは、半径方向又は軸方向のいずれかの方向に第１磁場プローブから所定距離に配置することができる。「軸方向」とは、検出される回転角が生ずる回転軸にほぼ対応する方向を指すのに対し、「半径方向」とは、回転軸に対して横断する方向を指す。

環状指示要素は、好適にはその縦軸の周りに回転可能であるのに対し、制御されるシステム又は任意であるが評価回路に電気接続された磁場プローブは、永久磁石の内面から所定距離で静止したままである。しかし、指示要素の質量が大きい場合、指示要素は静止してもよく、磁場プローブは回転可能であってもよい。機械的構造は、公知のタイプの回転角センサの任意の公知構造にも対応してもよい。

本発明をより理解するために、添付図面に示された実施形態を参照して本発明を詳細に説明する。異なる実施形態の同様の構成要素には同様の参照符号が付与される。説明全体に含まれる開示は、同様の参照符号を有する同様の部品又は部品の説明に同様に移行することができる。また、図示され説明された異なる実施形態からの同じ特徴又は特徴の組合せは、本発明による独立した解決手段を表わす。

以下、図１を参照して、本発明の基本原理を詳細に説明する。本発明による磁気指示要素１００は、環状断面を有する永久磁石として構成され、第１実施形態では図１に示されるように４個のリング区分の部分１０２，１０４，１０６，１０８を有する。２個の第１の部分１０２，１０４は、この場合、矢印１１０により示されるように、磁気極性の観点で横方向を向く。このため、これら２個の部分１０２，１０４は互いに逆向きである。

他の２つの部分１０６，１０８は、概略的に図示された磁場を内部領域１１２に形成するように、第１の部分１０２，１０４とは対照的に半径方向に磁化される。本構成を図９における公知の指示要素９００と比較すると、指示要素１００の内部における著しく改善された磁場の均一性が示される。

磁気回転角センサに指示要素１００が使用される場合、少なくとも１個の磁場プローブが領域１１２に配置され、磁場プローブ及び指示要素１００間の矢印１１４により示された相対回転が検出される。一般的な適用範囲を制限することなく、以下では、指示要素１００は、磁場プローブの周囲に投影平面に対して横断する方向に延びる回転軸の周囲を回転するものとする。

図１に示された矢印方向に逆らう磁化によって、指示要素１００の内部１１２における同様の磁力線特性を達成することも可能である。本発明による解決手段において重要な要素は、磁化の半径方向及び横方向の整列間の変化である。

指示要素１００の内部１１２における磁場の更なる改良及び均一化の増大は、異なって磁化された区分に断面をさらに細分割することにより、達成することができる。

図２において、直径方向に極性を有する部分が横方向に極性を有する部分で置換された指示要素２００の一実施形態が示される。或いは、図２に示された極性に対して、逆極性も選択可能である。また、異なる磁化方向を有するより細かい部分に細分割することももちろん可能である。区分から区分まで磁場の方向の連続した遷移は、製造過程の間、磁化に基づいて区分の対応する組合せにより形成してもよい。

指示要素１００，２００の内部１１２における図１及び図２に示される本発明による磁場の均一構造は、磁場プローブ及び指示要素１００，２００間の仮想位置からの変位に抗して特に高いレベルの堅牢さが得られるという結果となる。

この配置の幾何学的関係は、図３ないし図５に概略的に示される。図のデカルト座標系は仮想の整列を指し、磁場プローブはその元の位置に配置される。図３において、指示要素１００は、指示要素１００の回転軸がｚ軸と一致するが、回転軸の方向に位置のずれΔｚがあるように、座標系の元の位置で磁場プローブに対して配置される。図４は、ｚ軸及び角度ΔΘによる指示要素の回転軸の間の傾きを示す。最後に、図５において、指示要素は、ｘ軸及びｙ軸の一方又は双方の方向に沿って回転軸に対して横にずれている。

図にやや強調して示された全ての変位は、指示要素１００において本発明による均一な磁場分布で補償してもよい。従って、取付け誤差は公知の指示要素ほど厳しく順守する必要は無く、従って、製造は簡素化される。

図６ないし図８は、本発明に従った回転角センサ１２０を概略的に示す。図６は、本発明に従った指示要素１００及び単一の磁場プローブ１２２を有する回転角センサ１２０を示す。この場合、磁場プローブ１２２及び指示要素１００間の理想的な位置が図示される。すなわち、磁場プローブ１２２は内側領域１１２の正確な中心に位置し、指示要素１００が回転する回転軸１２４はｚ軸と一致する。しかし、指示要素１００の本発明に従った構成により、図３ないし図５に指示される変位を明白に補償することができる。

指示要素１００の内部１１２の線形特性により、半径方向又は軸方向のずれのいずれかを有する重複した磁場プローブ１２６，１２８は、図７及び図８に示されるように有利に設けることができる。例えば、センサ技術で一般に知られているように電磁干渉又は温度効果により生じたコモンモード干渉は、磁場プローブの対応する信号評価により無くなる。

上述したように、ホール効果センサは、ＡＭＲセンサ及びＧＭＲセンサ等の誘導性センサ又は電子スピンベースのセンサと同様に、磁場プローブとして使用することができる。いずれにせよ、ずれ及び傾斜に関して大きな誤差範囲は、均一な磁場整列により、所望の信号を形成するよう低い相互作用で生成することができる。

指示要素の本発明に従った磁石配置は、射出成形技術等のプラスチック材料技術により特に簡単な方法で効率的且つ低コストで製造することができる。このため、柔軟性があり且つ汎用できる磁気回転角センサを製造することができ、特に自動車産業において、堅牢性、正確性及び低コスト生産の要求事項を満足する。

本発明の第１実施形態に従った磁気回転角センサ用の指示要素を示す図である。 本発明の第２実施形態に従った磁気回転角センサ用の指示要素を示す図である。 回転軸の方向に沿ったずれを有する指示要素を示す概略斜視図である。 磁場プローブ及び回転軸間に傾きを有する指示要素を示す概略斜視図である。 回転軸に対して横断する軸ずれを有する指示要素を示す概略斜視図である。 中央に配置された単一の磁場プローブを有する磁気回転角センサを示す斜視図である。 互いに半径方向に離間した２個の磁場プローブを有する磁気回転角センサを示す斜視図である。 互いに軸方向に離間した２個の磁場プローブを有する磁気回転角センサを示す斜視図である。 公知の直径方向に磁化した指示要素を示す図である。

符号の説明

１００，２００ 指示要素
１０２，１０４，１０６，１０８ 指示要素の部分
１１０ 磁力線
１１２ 内部領域
１１４ 回転方向
１１６，１１８ 指示要素の部分
１２０ 回転角センサ
１２２ （第１）磁場プローブ
１２４ 回転軸
１２６ （半径方向に離間した第２）磁場プローブ
１２８ （軸方向に離間した第２）磁場プローブ

Claims (14)

1. 磁気回転角センサ（１２０）用の指示要素（１００，２００）であって、磁場プローブ（１２２，１２６，１２８）を具備し、該磁場プローブは、該磁場プローブに対する前記指示要素の幾何学的位置に応答してセンサ信号を発生し、前記指示要素は、複数の部分（１０２，１０４，１０６，１０８，１１６，１１８）からなる環状断面を有する永久磁石を有し、前記複数の部分の磁化は、前記磁場プローブが配置できる均一な磁場が前記永久磁石の内部領域（１１２）に形成されるように異なる方向を向く指示要素において、
   少なくとも２つの前記部分（１０６，１０８，１１６）が、半径方向の磁化又は直径方向の磁化を示し、
   少なくとも２つの部分（１０２，１０４，１１８）が、横方向の磁化を示すことを特徴とする指示要素。
2. 前記部分（１０２，１０４，１０６，１０８，１１６，１１８）は、前記永久磁石の異なるリング区分によりそれぞれ形成されていることを特徴とする請求項１記載の指示要素。
3. 区分の形態である前記部分は、個々の区分の磁場の方向の間が連続的に遷移するように組み合わされていることを特徴とする請求項１又は２記載の指示要素。
4. プラスチック接合された磁気材料から製造されることを特徴とする請求項１ないし３のうちいずれか１項記載の指示要素。
5. プラスチック接合されたフェライト材料又はプラスチック接合された希土類材料から製造されることを特徴とする請求項４記載の指示要素。
6. 射出成形により製造されることを特徴とする請求項４又は５記載の指示要素。
7. 少なくとも１個の磁場プローブ（１２２，１２６，１２８）に対する指示要素（１００，２００）の幾何学的位置に応答してセンサ信号を発生する前記磁場プローブを有する磁気回転角センサであって、
   請求項１ないし６のうちいずれか１項記載の前記指示要素を具備し、
   前記磁場プローブは、永久磁石の内部領域（１１２）の均一な磁場内に配置されることを特徴とする磁気回転角センサ。
8. 前記磁場プローブは、少なくとも１個のホール効果装置を具備することを特徴とする請求項７記載の磁気回転角センサ。
9. 前記磁場プローブは、少なくとも１個の磁気抵抗センサを具備することを特徴とする請求項７又は８記載の磁気回転角センサ。
10. 前記磁気抵抗センサは、異方性磁気抵抗（ＡＭＲ）センサ、巨大磁気抵抗（ＧＭＲ）センサ、又はトンネル磁気抵抗（ＴＭＲ）センサを具備することを特徴とする請求項９記載の磁気回転角センサ。
11. 重複するセンサ信号を発生するために、第１の前記磁場プローブから軸方向に離間するように別の磁場プローブが配置されていることを特徴とする請求項７ないし１０のうちいずれか１項記載の磁気回転角センサ。
12. 重複するセンサ信号を発生するために、第１の前記磁場プローブから半径方向に離間するように別の磁場プローブが配置されていることを特徴とする請求項７ないし１１のうちいずれか１項記載の磁気回転角センサ。
13. 前記磁場プローブに対して回転可能であるように前記指示要素がロータ上に配置されていることを特徴とする請求項７ないし１２のうちいずれか１項記載の磁気回転角センサ。
14. 前記指示要素に対して回転可能であるように前記磁場プローブがロータ上に配置されていることを特徴とする請求項７ないし１３のうちいずれか１項記載の磁気回転角センサ。

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