JP2013527445A - 磁気式長さ計測システム、長さ計測方法並びに磁気式長さ計測システムの製造方法 - Google Patents

Abstract

長さ計測システムは、第１及び第２の軸方向端部を有している、二つの螺旋状の磁気伝導性又は磁気性の素子を備えている。素子は共通の長手方向軸に沿って相互に軸対称に配置されており、それにより素子の間には磁界が発生し、その磁界の角度が共通の長手方向軸に対して、所定の長さに沿って連続的に回転する。更に長さ測定システムは磁石センサを備えており、この磁石センサは二つの素子間において、素子の共通の長手方向軸に対して垂直に配置されており、且つ、評価ユニットと接続されている。

Description

本発明は、磁気式長さ計測システムのための磁気モジュール、磁気式長さ計測システム、磁気式長さ計測システムを用いる長さ計測方法、並びに、磁気式長さ計測システムのための磁気モジュールの製造方法に関する。

直線状ストローク計測を実現するための種々の方法が公知である。磁気を基礎とする直線状ストローク計測のための方法は他の方法に比べて、間隔変化、温度変化及び磁界強度変化に関して、高い横断方向感度を有している。従って、直線状ストローク計測を磁気抵抗式角度センサによって実現することが考察され続けている。もっとも現在のところ、この問題を解決するための廉価で精度の要求に応じたコンセプトは存在しない。更には、漂遊磁界を基礎とする公知の計測システムは外部の障害磁界に対して敏感に反応してしまう。

相対直線位置を計測するための装置がEP 0 997 706 B1から公知である。この装置は、センサと磁性体との間の相対直線位置を計測するために使用され、その際、位置は相互に相対的に所定の方向において直線的に変化する。センサは磁気抵抗式角度センサとして構成されており、磁性体として磁気ストリップが設けられている。磁気ストリップは磁極ペアと、その長さにわたり可変の角度で延在する磁界とを有している。磁界は相応の磁力線によって表すことができる。このようにして、磁気抵抗式角度センサを貫通する磁界の角度は、磁気ストリップを基準とした磁気抵抗式角度センサの相対的な位置に依存している。磁気抵抗式角度センサの出力信号からその都度の相対的な位置を求めることができる。

更にDE 199 10 636 A1からは、一つ又は複数の磁気式計測ロッドから成る長さ計測システムが公知である。この長さ計測システムの少なくとも一つの計測ロッドにおいては、磁化方向が計測方向に垂直に延びる横断方向の平面にあり、また磁化パターンを形成している。簡単なケースにおいては、横断面のこの磁化は均一である。計測方向に進むにつれ、磁化パターンは計測ロッドの開始位置における計測パターンに対して徐々に大きく回転されている。この磁化によって磁界が発生し、その方向は計測方向に進むにつれて同様に常に回転し続ける。磁界の方向に反応する少なくとも一つの磁界センサを用いることにより、その都度の位置に存在する磁界の角度が決定され、長さ計測システムの種々異なるバリエーションに関して、角度を位置に一義的に対応付けることができる。

使用される計測ロッドは、回転性の磁化部を有する塊状のロッド磁石である。センサは所定の間隔を空けてロッド磁石の長手方向軸に平行に設けられている。従ってセンサは、ロッド磁石の漂遊磁界の強度が最大である領域内を移動するような距離をロッド磁石に対して有するように配置されている。

従来技術による装置の欠点は、可変の角度を有する磁化を磁石の長さに沿って実現しなければならないことである。特に、最初の例による装置は、公知の手段では実施できない磁化を基礎としていることから実現することはできなかった。

DE 199 10 636 A1に記載されているようにロッド磁石を使用する場合にも、正確に回転する連続的な磁化を特にロッドの端部において形成することは同様に不可能である。その結果、この装置を用いる計測は、磁化が十分に連続的に回転しないことによって不正確になる。

別の欠点は、従来技術による装置を用いた際の精度が、漂遊磁界における磁界の均一性に依存すること、従ってセンサと磁石の間隔に依存することである。即ち、磁石の長手方向軸に平行に延びる、計測が実施されなければならない軸上にセンサにとっての最適点が存在する。従って従来技術による装置は、磁石の外側にある、磁気的に不均一な漂遊磁界を用いて動作するものである。この理由から、この装置は外部の影響、特に外部の障害磁界に対して非常に敏感である。これによって計測の精度が更に不正確になる虞がある。

更には、磁界強度は計測位置にも依存して変化する。従ってロッド磁石は相応に、センサを確実に飽和させるために比較的高い磁界強度を形成しなければならない。

更には、DE 199 10 636 A1によるロッド磁石はその回転によって時間の経過と共にもはや正確な計測を実施できなくなる虞がある。例えば、ロッド磁石が時間の経過と共に固定部から外れて、自身の長手方向軸に沿って回転する可能性がある。この装置の別の欠点は、回転する磁化を有するロッド磁石のコストが高いことである。

従って本発明の課題は、従来技術に対して長さ計測システムを最適なものにし、また相応の長さ計測方法並びに長さ計測システムの磁気モジュールの製造方法を提供することである。

上述の課題は、請求項１に記載されている磁気式長さ計測システムのための磁気モジュール、請求項８に記載されている長さ計測システム、請求項１１に記載されている長さ計測方法、並びに、請求項１２に記載されている磁気モジュールの製造方法によって解決される。別の有利な実施の形態は、以下の説明、添付の図面並びに特許請求の範囲の記載より明らかになる。

磁気式長さ計測システムのための磁気モジュールは、第１及び第２の軸方向端部を有している螺旋状の第１の磁気伝導性又は磁気性の素子、並びに、第１及び第２の軸方向端部を有している螺旋状の第２の磁気伝導性又は磁気性の素子を備えており、第１の磁気伝導性又は磁気性の素子及び第２の磁気伝導性又は磁気性の素子は共通の長手軸方向に沿って相互に軸対称的に配置されているので、第１の磁気伝導性又は磁気性の素子と第２の磁気伝導性又は磁気性の素子との間には磁界を発生させることができ、この磁界の角度は共通の長手方向軸を基準にして所定の長さに沿って連続的に回転する。

磁気モジュールは磁気式長さ計測システムにおいて、第１の磁気伝導性又は磁気性の素子と第２の磁気伝導性又は磁気性の素子との間に案内される磁石センサと共に使用される。第１の磁気伝導性又は磁気性の素子と第２の磁気伝導性又は磁気性の素子との間には、理想的には均一な磁界が発生する。第１の磁気伝導性又は磁気性の素子と第２の磁気伝導性又は磁気性の素子との間の領域を以下では磁気モジュールの内側とも称する。

二つの素子が螺旋形状であることによって、長手方向において考察すると、磁界は磁気モジュールの内側の長手方向軸を中心に回転する。従って、二つの磁気伝導性又は磁気性の素子間で回転する磁界は二つの素子の幾何学及び配置を基礎とするだけで達成される。更には、素子の螺旋形状、並びに共通の長手方向軸を中心とした素子の配置によって、磁気モジュールは例えば管状の構造形態を有することになる。即ち、二つの磁気性の素子が共通の長手方向時から外側に向かって所定の間隔を空けて、その共通の長手方向軸を中心として、仮想の例えば管状物の上に配置されており、それによって上述のモジュールの内側が生じる。このことは少なくとも、磁気伝導性又は磁気性の素子が螺旋状の形態又は渦巻き状の形態で存在している、モジュールの領域に該当する。

二つの磁気伝導性又は磁気性の素子の幅、厚さ及び長さに関する正確な構成はそれぞれ、磁気モジュール全体の比率並びにそれぞれの用途に依存する。特に、二つの磁気伝導性又は磁気性の素子の比率は、二つの素子の間において最大磁界強度が達成されるように選定される。例えば、二つの磁気伝導性又は磁気性の素子は周方向において、共通の長手方向軸を中心として、仮想の円周の１／４又は１／３（９０°又は１２０°）にわたり延在している。二つの磁気伝導性又は磁気性の素子の長さは例えば２０ｍｍから２００ｍｍの間である。更には、二つの磁気伝導性又は磁気性の素子は相互に調整されており、即ち、有利には同一の幅、同一の長さ及び同一の厚さを有しており、従って軸対称である。更に、二つの素子は相互に平行に延在している。特に、二つの磁気伝導性又は磁気性の素子は細長く構成されている。

磁気伝導性又は磁気性の素子の螺旋形状の他に、それらの素子は開始領域又は終了領域において直線状の区間を有していても良い。直線状とは、素子が相互に平行に延在しており、且つ、共通の長手方向軸に対しても平行に延在していることを意味している。この直線状の区間は有利には、二つの軸方向の端部の内の一方に設けられている。この直線状の領域において、二つの素子は更に管状モジュールの丸みを有しているか、又は二つの素子を平坦にすることができる。

共通の長手方向軸は有利には直線状である。もっとも、共通の長手方向軸は曲線を描く長手方向軸であっても良い。このようにして、特別な用途にとって必要であれば、磁気モジュールの湾曲した形状が達成される。その場合、磁石センサは同様に二つの磁気性の素子の間に案内されるが、もっとも曲線を描く長手方向軸に沿って、又は曲線を描く長手方向軸に隣接して案内される。

本発明による磁気モジュールの利点は、動作時に長さ計測システムにおいて磁石センサがモジュールの内側に案内されることである。このようにして、磁石センサは外部の障害磁界から遮蔽される。更には、センサが均一な磁界内に存在しているので、センサを内側の任意の位置に配置することができ、また磁気性の素子の共通の長手方向軸に沿って配置する必要はない。その上、磁界強度は計測長にわたり十分一定に維持されている。

更には、従来技術のように磁化部を回転させる必要がないので、磁気モジュールのコストはより低くなっている。磁界の回転は専ら、磁気伝導性又は磁気性の素子の螺旋形状によって惹起されるので、本発明による磁気モジュールは均一な磁界に基づく正確な計測を実現する。同様に、従来技術に比べて廉価な製造を実現することができる。

この装置の従来技術と比較した際の欠点としては、磁石センサがフレキシブルな電気的な接続部を用いて動作されない限りは、長さ計測システムでの動作時に、設置のために計測ストロークの二倍の長さが必要になることである。従来技術においては、磁気抵抗式角度センサと磁石が相互に平行に配置されている。磁石の軸方向の長さは凡そ最大計測ストロークに相当し、また軸方向における最大限必要とされる面積に相当する。もっとも本発明によれば、磁石センサが磁気モジュールの内側に配置されている。例示的な極端なケースにおいては、第１の状態においてセンサがモジュールの第１の軸方向端部に存在する。ついで、モジュール及び磁石センサの位置が相互に相対的に変化すると、第２の状態においてはセンサがモジュールの第２の軸方向端部に存在する。従って、軸方向においては比較的大きい所要空間が存在する。この所要空間は例えば磁気モジュールの軸方向の長さの二倍である。

有利な実施の形態においては、第１の磁気伝導性の素子の第１の端部及び第２の磁気伝導性の素子の第１の端部は永久磁石と接続されている。二つの磁気伝導性の素子は特に磁極ラミネートである。磁極ラミネートは有利には鉄材料から構成されている。もっとも、永久磁石性でない磁気性材料であればいずれの材料も使用することができる。

二つの磁気伝導性の素子の第１の軸方向端部は永久磁石の近傍に配置されている。永久磁石は例えば二つの単極性の永久磁石で良い。択一的に、永久磁石は双極性の永久磁石であっても良い。これに関しては下記においてより詳細に説明する。永久磁石のそれぞれ一つの極は一つの磁気伝導性の素子、即ち、一つの磁極ラミネートに割り当てられている。

二つの磁極ラミネートと一つ又は複数の永久磁石との間には隙間を設けることができ、その場合には、磁極ラミネートがそれぞれの永久磁石に可能な限り近接して配置されるべきである。特に、磁極ラミネートは永久磁石に接着されているか、又は、磁極ラミネートを射出成形して永久磁石を取り囲むようにして、磁極ラミネートは永久磁石上に配置されている。

一つ又は複数の永久磁石は円形又は四角形で良い。永久磁石が四角形である場合には、磁気伝導性の素子は有利には、上述したような平坦化された直線上の領域を有している。永久磁石とそれぞれの磁極ラミネートとの間の接続は、永久磁石と磁極ラミネートとの間で磁界が最大限に伝達されるように行われる。この理由から、永久磁石はそれぞれの磁極ラミネートの近傍に配置されており、例えばモジュールの内側においてモジュールの第１の軸方向端部に配置されている。

別の有利な実施の形態においては、永久磁石は双極性の永久磁石であり、この双極性の永久磁石の第１の極は第１の磁気伝導性の素子の第１の軸方向端部の近傍に配置されており、双極性の永久磁石の第２の極は第２の磁気伝導性の素子の第１の軸方向端部の近傍に配置されている。双極性の永久磁石は上述のように円形又は四角形で良い。双極性の永久磁石は特に強磁性材料から成り、第１の軸方向端部の開口部に挿入されているか、又は部分的にその開口部内に配置されている。有利には、永久磁石は第１及び第２の磁気性の素子の第１の軸方向端部と面一に終端している。択一的には、永久磁石を磁気モジュールの第１の軸方向端部の近傍の外側にのみ配置することができる。この配置の利点は、モジュールがその面において閉じられており、且つ、大きい体積を永久磁石のために使用できることである。

択一的な実施の形態においては、第１の磁気性の素子及び第２の磁気性の素子が双極性に磁化されている。双極性の磁石素子は、永久磁石を用いる二つの磁極ラミネートの使用とは異なり、モジュールが両端部において開かれている構成を実現する。もっとも、モジュールの一方の端部をプラスチックカバーによって閉じることもできる。モジュールを第１の軸方向端部において閉じるために、プラスチックカバーの代わりにあらゆる非磁性材料を使用することができる。このカバーの形状及び配置は、上記において永久磁石に関して説明した形状及び配置に対応する。この配置においては永久磁石がモジュールの軸方向端部において使用されないので、この配置においては永久磁石に起因する漂遊磁界は磁気モジュールの第１の端部には発生しない。従って、計測は更に正確になる。

更には磁気モジュールに関して、磁気モジュールが非磁性の支持体材料を含み、その支持体材料に第１及び第２の磁気伝導性又は磁気性の素子が配置されていることは有利である。磁気モジュールがプラスチックカバー又は永久磁石によって、もしくは、別のやり方で一方の軸方向の端部において閉じられている場合、磁極ラミネートないし永久磁石を一方の軸方向の端部に配置することができる。その場合、二つの磁気性の素子の間又は近傍には周方向において別の材料は必要とされない。つまり、二つの素子の間又は近傍には周方向において空気が存在していても良い。

別のケースにおいては、非磁性の支持体材料が磁気伝導性又は磁気性の素子の間又は近傍に設けられている。この場合、非磁性の支持体材料は例えばアルミニウムである。しかしながら有利には支持体材料はプラスチックである。このようにして、磁気モジュールの機械的な安定性が更に高められる。更には、第１の端部を閉じるためのカバーをこの支持体材料からワンピースで製造することもできる。従って磁気モジュールは鍋状又は管状に構成されている。

特に有利な実施の形態においては、第１及び第２の磁気伝導性又は磁気性の素子は相互に対向して軸対称性に配置されている。従って、二つの素子の周方向における間隔は常に等しく、且つ軸対称である。このようにして、非常に正確な計測を実現することができる。

更に有利には、第１及び第２の磁気伝導性又は磁気性の素子はその長手方向に沿って、共通の長手方向軸を中心にして４５°から３６０°、特に約１８０°回転している。いわゆる回転角度は使用される磁石センサの種類に依存する。この磁石センサの種類に関しては以下において詳細に説明する。更に、回転は長さ及び計測の所望の精度にも依存する。

長さ計測システムは本発明による磁気モジュール並びに磁石センサを備えており、磁石センサは螺旋状の第１及び第２の磁気伝導性又は磁気性の素子の間において、この第１及び第２の磁気伝導性又は磁気性の素子の共通の長手方向軸に対して垂直に配置することができ、且つ、評価ユニットと接続されているので、それにより磁気モジュール及び磁石センサは相互に相対的に移動することができる。

上記において説明したように、磁石センサは磁気モジュールの内側に存在している。磁気モジュール及び磁石センサは計測時に相互に相対的に移動する。磁界の角度変化を検出できるセンサであれば、いずれのセンサも磁石センサとして適している。

磁気モジュールの内側における均一な磁界に基づき、螺旋状の磁気伝導性又は磁気性の素子の共通の長手方向軸に磁石センサを配置することは必ずしも必要ない。従って、動作時に磁石センサが二つの素子の共通の長手方向軸からずれた場合であっても計測誤差は存在しない。本発明による長さ計測システムの利点は、本発明による磁気モジュールの上述の利点から明らかになる。

一つの有利な実施の形態においては、磁石センサ及び評価ユニットが、磁気モジュールの内径よりも小さい外径を有する非磁性のケーシング材料によって包囲されている。特に、磁石センサ及び評価ユニットを非磁性のケーシング材料に注封することができる。この場合、ケーシング材料として例えばプラスチックが考えられる。

磁石センサ、評価ユニット並びに使用される電気ケーブルが非磁性材料から製造されている場合には更に有利である。このようにして、漂遊磁界に起因する計測の劣化を最小にすることができる。

磁石センサを包囲するケーシング材料の外径と管状のモジュールの内径との間に所定の隙間が存在するように、磁石センサ及び評価ユニットを包囲するケーシング材料の直径を選定することができる。上述したように、特にモジュールの内側における均一な磁界に基づき、所望であったとしても、素子の共通の長手方向軸に沿った正確な案内は必ずしも必要ない。更には、磁石センサ及び評価ユニットの包囲は磁石センサの配置の比較的高い機械的な安定性を保証する。

特に有利な実施の形態においては、磁石センサが磁気抵抗式角度センサ、特に、異方性の磁気抵抗式角度センサ（ＡＭＲ角度センサ）又は巨大磁気抵抗式角度センサ（ＧＭＲ角度センサ）、又は２Ｄホールセンサである。特に、ＡＭＲ角度センサが使用される場合には、共通の長手方向軸に沿った磁気伝導性又は磁気性の二つの素子の回転は最大で約１８０°である。ここで「約」とは、磁石センサが後に説明する計測法において１８０°の実際の角度回転を検出できるように選定されていることを意味する。従って、磁石センサは最初から最後までは正確に計測できない可能性があるので、磁気伝導性又は磁気性の二つの素子の実際の回転が約２００°になる可能性がある。この例では、最初の１０°の回転及び最後の１０°の回転を、特に第１の軸方向端部の近傍に配置されている永久磁石に基づき、磁石センサによって有効に検出できない可能性がある。より大きい実際の回転は較正過程に基づき生じることも考えられる。択一的に、実際の回転が例えば１８０°であれば、回転は１０°から１７０°の領域においてのみ計測される。もっとも、使用できるストローク区間の計測領域はモジュールの長さが不変の場合は縮小されている。

ＧＭＲ角度センサの場合、二つの磁気伝導性又は磁気性の素子の回転はＡＭＲ角度センサとは異なり約３６０°である。ここでもまた、最大限に検出できる３６０°の回転を達成するために、実際の回転は３８０°となることが考えられる。

本発明による長さ計測システムを用いる長さ計測方法は以下のステップを備えている：磁気モジュール及び磁石センサを相互に相対的に移動させるステップ。磁石センサを用いて、螺旋状の第１の磁気伝導性又は磁気性の素子と、螺旋状の第２の磁気伝導性又は磁気性の素子との間の磁界角度変化を検出するステップ。検出された磁界角度変化を評価しストローク信号を形成するステップ。本発明による長さ計測方法は上述の磁気モジュール並びに上述の長さ計測システムの利点を有している。磁石センサは磁気モジュールの内側に配置され、そこでは磁石センサに対する磁気モジュールの相対運動が行われる。この配置に基づき、上述したように、フレキシブルな電気的な接続部を有していなければ、計測装置に関して二倍のストローク長が必要になる。

特に有利には、磁気モジュールが移動する場合、磁石センサは評価ユニットと共に固定的に配置されている。この場合、磁石センサ及び評価ユニットの電気ケーブルを固定的に配置することができ、フレキシブルに形成する必要はない。このことは装置の構造を簡略化する。磁石センサを用いることにより、上述のように磁界回転が検出される。この場合、磁界回転は磁界の中心の角度変化である。磁石センサは複数の電気的な信号を評価ユニットに伝送し、評価ユニットはそれらの信号から少なくとも一つの角度回転、有利には絶対角度を求めることができる。

本発明による磁気モジュールの製造方法は以下のステップを備えている：第１及び第２の軸方向端部を有している、螺旋状の第１及び第２の磁気伝導性又は磁気性の素子を準備するステップ、第１の磁気伝導性又は磁気性の素子と第２の磁気伝導性又は磁気性の素子との間に磁界を形成でき、その角度が共通の長手方向軸に対して所定の長さに沿って連続的に回転するように、第１及び第２の磁気伝導性又は磁気性の素子を共通の長手方向軸に沿って相互に平行に配置するステップ。

この製造方法によって、上述の利点を有している、本発明による磁気モジュールを製造することができる。磁気伝導性又は磁気性の素子を準備するステップを、帯状の材料から出発する場合には型押しによって行うことができる。磁気伝導性又は磁気性の素子の基本的な幾何学形状は事前に例えば打ち抜かれている。磁気伝導性又は磁化可能の素子を管から製造する場合には、フライス削り、レーザ処理又は打ち抜きによって行うことができる。磁極ラミネートを使用する場合にはその都度同一の素子が製造される。

二つの磁石素子を使用する場合、同一の二つの磁石素子を製造することもできるが、もっともそれら二つの磁石素子は異なる極性に磁化されている。何故ならば、後の使用の際にそれぞれ二つの異なる極を共通の長手方向軸の方向において示さなければならないからである。このことは特に双極性の磁石素子が使用される場合に必要である。

従って、一つの有利な実施の形態においては、第１及び第２の磁化可能又は磁気性の素子の準備は型押し、打ち抜き、射出成形又はレーザ切断により行われる。

更に有利には、第１及び第２の磁気伝導性又は磁化可能の素子はプラスチックと結合されたフェライト材料から射出成形法によって成形される。択一的に、第１及び第２の磁気伝導性又は磁化可能の素子をハードフェライトから焼結方法によって成形することができる。

更に有利には、第１及び第２の素子が磁気伝導性の素子である場合、製造方法は、第１及び第２の磁極ラミネートである第１及び第２の磁気伝導性の素子の第１の軸方向端部の近傍に永久磁石を配置するステップを備えている。このようにして、上述の第１の実施の形態を二つの磁極ラミネートと、二つの単極性の永久磁石又は一つの双極性の永久磁石を用いて実現することができる。永久磁石における磁極ラミネートの配置を接着又は注封により行うことができる。

別の有利な実施の形態においては、製造方法は更に、第１及び第２の磁気伝導性又は磁化可能の素子を非磁性の支持体材料に配置するステップを備えている。このようにして、モジュールは周方向において閉じられ、これによってモジュールの機械的な安定性が高められる。プラスチックを射出成形することにより、プラスチックによって磁気伝導性又は磁化可能の素子を取り囲むことができるか、プラスチック管内に接着又はクリップ止めすることができる。永久磁石が使用される場合には、射出成形により永久磁石も取り囲むことができるので、永久磁石のそれぞれの極における磁極ラミネートの接着は付加的に必要とされないが、それにもかかわらず実施することができる。

以下では、添付の図面を参照しながら本願発明を複数の実施例に基づき詳細に説明する。図中、同一の参照番号はそれぞれ同一の構成要素又は構成部材を表している。

本発明による磁気式長さ計測システムの概略図を示す。 本発明による磁気式長さ計測システムの別の実施の形態を示す。 本発明による長さ計測方法のステップの概略図を示す。 相対的な距離にわたり計測された磁気的な角度回転の特性曲線のグラフを示す。 相対的な距離にわたるセンサの信号出力の特性曲線のグラフを示す。 磁気式長さ計測システムのための磁気モジュールの本発明による製造方法を示す。

磁気式長さ計測システムは線形のストローク計測に使用される。例えば、自動車に関する線形のストローク計測をボデーと、シャシー又は車輪との間のバネ圧縮ストロークを計測するために使用することができる。更には、線形のアクチュエータの位置を決定することができる。

図１を参照すると、本発明による長さ計測システム１の第１の実施の形態が示されている。長さ計測システム１は磁気モジュール１００並びに磁石センサ装置２００とから構成されている。

磁気モジュール１００は永久磁石１１０と、第１の磁極ラミネート１２０の形態の第１の磁気伝導性の素子と、第２の磁極ラミネート１３０の形態の第２の磁気伝導性の素子とを備えている。二つの磁極ラミネート１２０及び１３０は細長い螺旋状のものであり、且つ、第１の軸方向端部１２２，１３２並びに第２の軸方向端部１２４，１３４を有している。磁極ラミネート１２０，１３０は磁気伝導性が良好であり、且つ、永久磁石性ではない材料から製造されている。

永久磁石１１０は双極性で円形の永久磁石である。図１によれば、第１の極は永久磁石１１０の上側半分に存在しており、第２の極は永久磁石１１０の下側半分に存在している。第１の極の真ん中には、第１の磁極ラミネート１２０が例えば接着によって永久磁石の上に配置されている。相応に、第２の極の真ん中には、第２の磁極ラミネート１３０が配置されている。このようにして、二つの磁極ラミネート１２０，１３０は正確に反対側に位置している。二つの磁極ラミネート１２０，１３０は円周の約１／４から１／３の幅、即ち、円周において９０°から１２０°の幅を有している。

従って、各磁極ラミネートは一つの極を有しているか、又は一つの極を表す。二つの磁極ラミネート１２０，１３０の間には磁界が発生する。磁極ラミネート１２０，１３０が螺旋状であることに基づき、磁界はモジュール１００の長手方向に沿って回転する。これは矢印１５０によって表されている。

磁極ラミネート１２０，１３０の間には周方向において非磁性の支持体材料１４０が配置されており、これを以下では充填材料１４０と称する。充填材料１４０は例えばプラスチックであるが、非磁性の材料であればどの材料でも良い。図１によれば、充填材料１４０は磁極ラミネート１２０，１３０の厚さに相当する厚さを少なくとも有している。更に、充填材料１４０はモジュールの長手方向に沿って延在しており、それにより充填材料１４０は二つの磁極ラミネート１２０，１３０の第１の軸方向端部１２２，１３２並びに第２の軸方向端部１２４，１３４と面一に終端している。

図１において、永久磁石１１０は第１の軸方向端部においてモジュール１００の開口部を閉じ、且つ、磁極ラミネート１２０，１３０の端部と面一に終端している。永久磁石１１０の厚さはその直径に対応するものであるか、又は直径より小さくても良い。第２の軸方向端部では磁気モジュール１００が開かれており、それによって磁石センサ装置２００が以下において説明するように進入することができる。

磁石センサ装置２００は磁石センサ２１０、評価ユニット２２０並びに電気ケーブル２３０を備えている。磁石センサ２１０はモジュール１００の長手方向軸に対して垂直に配置されている。磁石センサ２１０も評価ユニット２２０も電気的に絶縁されたケーシング材料２４０によって包囲されており、例えば注封されている。有利には、ケーシング材料も同様に非磁性材料２４０、例えばプラスチックである。ケーシング材料２４０は、モジュール１００の内側に適合された外形を有している。例えば、モジュール１００が管状である場合、ケーシング材料２４０は円筒状である。同様に、磁石センサ２１０、評価ユニット２２０及び電気ケーブル２３０にも非磁性材料が使用されている。これに基づき、長さ計測システム１の計測精度を改善することができる。

センサ装置２００の管状のケーシング材料２４０の直径は最大でモジュール１００の内径に相当する。このようにして、磁石センサ装置２００をモジュール１００の内側に配置することができ、且つ、二つのモジュール１００，２００を相互に相対的にスライドさせることができる。

図２には、長さ計測システムの代替的な実施の形態が示されている。この図２において磁石センサ装置２００は図１の磁石センサ装置２００に対応するものである。従って、下記においてこの磁石センサ装置２００について再度の説明は省略する。

磁気モジュール３００は双極性の二つの磁気性磁石素子３１０，３２０、即ち二つの磁気素子から構成されている。双極性の二つの磁気性磁石素子３１０，３２０は第１の軸方向端部３１２，３２２並びに第２の軸方向端部３１４，３２４を有している。二つの磁石素子３１０，３２０の相互に対向している面はそれぞれ相補的な極を有している。このようにして、磁石素子３１０，３２０の間には、図１に関して既に説明したように、やはり回転する磁界が発生する。このことは矢印３５０によって表されている。磁石素子３１０，３２０の間には周方向において非磁性の支持体材料３３０が配置されており、これを以下では充填材料３３０と称する。充填材料３３０の特性は図１の充填材料１４０の特性に対応している。同様に、磁石素子３１０，３２０の幾何学的配置は磁極ラミネート１２０，１３０の幾何学的配置に対応しており、また充填材料３３０の幾何学的配置も充填材料１４０の幾何学的配置に対応している。

モジュール３００の第１の軸方向端部を開かれた状態にすることができるか、又は、プラスチックカバーもしくは他の非磁性材料から成るカバーによって閉じることができる。同様に、モジュール３００の第１の軸方向端部を充填材料３３０によってワンピースに閉じることができ、それによってモジュール３００についての鍋状の形状が得られる。カバーの幾何学的配置は有利には、図１の永久磁石１１０に関して説明した幾何学的配置に対応する。

以下では図３を参照しながら本発明による長さ計測方法を説明する。ステップａにおいては、磁気モジュール１００，３００及び磁石センサ２１０が相互に相対的に移動される。ステップｂにおいては、磁石センサ２１０が螺旋状の第１の磁気伝導性又は磁気性の素子１２０，１３０と第２の磁気伝導性又は磁気性の素子３１０，３２０との間の磁界角度変化を検出する。ステップｃにおいては、検出された磁界角度変化が評価され、ストローク信号が形成される。磁気伝導性又は磁気性の素子相互の最大回転に依存して、種々の磁石センサを使用することができる。例えば、図１及び図２に示されているように１８０°の回転では、異方性磁気抵抗式角度センサが使用される。３６０°の回転では、有利にはＧＭＲ角度センサが使用される。それらの二つのセンサの代わりに、２Ｄホールセンサ又は他の磁気感応式センサも使用することができる。使用される磁石センサにおいて重要であることは、単に、その磁石センサが磁界の変化、有利には角度変化を検出できることだけである。

図４は、相対的なストローク長ｓに依存する磁界角度φの変化を示す。ここでは理想的な状態が示されている。二つの軸方向端部の内の一方から出発する際、磁界の角度は０°であり、進んだストローク長は０％である。磁気モジュール１００；３００の内側において磁石センサ２１０の位置が変化すると、磁界の角度も変化する。図示されている例においては最大で１８０°まで変化する。従って１８０°の角度は最大限に進んだ１００％のストローク長に相当する。ＧＭＲ角度センサにおいて３６０°の回転が使用される場合には、３６０°の磁界角度が１００％のストローク長に相当する。一実施例としてのストローク長は５０ｍｍから１００ｍｍの間にある。

図５は、磁石センサ２１０に由来する信号とストローク長ｓとの関係を示す。従って、進んだ相対的なストローク長ｓと磁石センサ２１０に由来する信号との間には線形の関係が存在する。つまり、進んだストローク長が０％の場合は信号も０％であり、進んだストローク長が１００％の場合は出力される信号も１００％である。もっとも、計測の所要の精度又は較正プロセスに依存して、図１，２，４及び５に関して０％の信号は１０°の回転角度になることが考えられる。同様に１００％の信号は１７０°の回転角度になることが考えられる。それとは異なり、磁気伝導性又は磁気性の素子１２０，１３０；３１０，３２０の実際の回転角度が１８０°ではなく２００°であっても良い。上述の１０°（この角度分、計測が短縮される）を考慮して、１８０°の計測可能な角度領域が生じる。このようにして、ＡＭＲ角度センサを使用する場合には、センサの最大検出領域を最適に利用することができる。

以下では図６を参照して、本発明による磁気モジュールの本発明による製造方法を説明する。ステップＡにおいては、第１及び第２の軸方向端部を有している、螺旋状の細長い第１素子及び第２の磁気伝導性又は磁化可能の素子が準備される。この準備を、帯状材料から出発して、打抜きとそれに続く型押しによって行なうことができる。磁気伝導性の素子は磁極ラミネートであるので、それによりその都度同一の二つの素子を製造することができる。

磁化可能の素子では、二つの相補的な極がそれぞれ反対側に位置しているので、二つの素子に対して二つの異なる磁化部が製造されなければならない。いずれの場合にも、帯状材料を使用する代わりに管を使用することもでき、その管からそれぞれの素子が打ち抜かれるか、フライス削りされるか、又は、レーザ処理される。別の製造方法を、圧縮成形とそれに続く焼結プロセスとによって行なうこともできる。

ステップＢにおいては二つの素子が相互に軸対称に共通の長手方向軸に沿って配置される。従って、第１の素子と第２の素子との間に磁界を発生させることができ、その角度は共通の長手方向軸に対して所定の長さに沿って連続的に変化もしくは回転する。

二つの素子は磁気伝導性の素子、即ち磁極ラミネートであり、その場合、ステップＣにおいては永久磁石が二つの素子の第１の軸方向端部の近傍に配置される。永久磁石の形状は上記において図１を参照して既に説明した。ステップＢにおいて、射出成形による磁極ラミネートの取り囲みが行なわれない場合、ステップＣにおいて、永久磁石と一緒に取り囲むことができ、それにより磁極ラミネートを別個に永久磁石に接着する必要は無くなる。上述のステップの順序は例示的なものであり、入れ替えることも可能である。

ステップＢにおいて磁石素子が使用される場合、永久磁石の代わりに、ステップＣにおいては、プラスチックカバー又は非磁性材料から成るカバーを二つの磁石素子の第１の軸方向端部に配置することができる。この配置を例えば張り付け又は射出成形を用いた取り囲みによって行なうことができる。このようにして磁気モジュールの鍋状の構造形態が達成される。

ステップＤにおいては、二つの素子が非磁性の支持体材料に配置される。特に、充填材料が周方向において素子間に配置されるので、それによって、磁気モジュールは高い機械的な安定性を備えることになる。充填材料の種類及び構成については既に図１及び図２の説明において詳細に述べたので、ここでの再度の説明は省略する。

Claims (17)

1. 磁気式長さ計測システム（１）のための磁気モジュール（１００；３００）において、
   ａ）第１の軸方向端部（１２２；３１２）及び第２の軸方向端部（１２４；３１４）を有している、螺旋状の第１の磁気伝導性又は磁気性の素子（１２０；３１０）と、
   ｂ）第１の軸方向端部（１３２；３２２）及び第２の軸方向端部（１３４；３２４）を有している、螺旋状の第２の磁気伝導性又は磁気性の素子（１３０；３２０）とを備えており、
   ｃ）前記第１の磁気伝導性又は磁気性の素子（１２０；３１０）及び前記第２の磁気伝導性又は磁気性の素子（１３０；３２０）は共通の長手方向軸（３０５）に沿って、相互に軸対称に配置されており、それにより、
   ｄ）前記第１の磁気伝導性又は磁気性の素子（１２０；３１０）と前記第２の磁気伝導性又は磁気性の素子（１３０；３２０）との間には磁界が発生し、該磁界の角度が前記共通の長手方向軸（３０５）に対して、所定の長さに沿って連続的に回転していることを特徴とする、磁気モジュール（１００；３００）。
2. 前記第１の磁気伝導性の素子（１２０）の前記第１の端部（１２２）及び前記第２の磁気伝導性の素子（１３０）の前記第１の端部（１３２）は永久磁石（１１０）と接続されている、請求項１に記載のモジュール（１００）。
3. 前記永久磁石（１１０）は双極性の永久磁石（１１０）であり、該双極性の永久磁石（１１０）の第１の極は前記第１の磁気伝導性の素子（１２０）の前記第１の軸方向端部（１２２）の近傍に配置されており、前記双極性の永久磁石（１１０）の第２の極は前記第２の磁気伝導性の素子（１３０）の前記第１の軸方向端部（１３２）の近傍に配置されている、請求項２に記載のモジュール（１００）。
4. 前記第１の磁気性の素子（３１０）及び前記第２の磁気性の素子（３２０）は双極性に磁化されている、請求項１に記載のモジュール（３００）。
5. 前記第１の磁気伝導性又は磁気性の素子（１２０；３１０）及び前記第２の磁気伝導性又は磁気性の素子（１３０；３２０）は非磁性の支持体材料（１４０；３３０）に配置されている、請求項１乃至４のいずれか一項に記載のモジュール（１００；３００）。
6. 前記第１の磁気伝導性又は磁気性の素子（１２０；３１０）及び前記第２の磁気伝導性又は磁気性の素子（１３０；３２０）は相互に反対側の位置において軸対称に配置されている、請求項１乃至５のいずれか一項に記載のモジュール（１００；３００）。
7. 前記第１の磁気伝導性又は磁気性の素子（１２０；３１０）及び前記第２の磁気伝導性又は磁気性の素子（１３０；３２０）はその長手方向に沿って、前記共通の長手方向軸（３０５）を中心にして４５°から３６０°、特に約１８０°回転している、請求項１乃至６のいずれか一項に記載のモジュール（１００；３００）。
8. 長さ計測システム（１）において、
   ａ）請求項１乃至７のいずれか一項に記載されている磁気モジュール（１００；３００）と、
   ｂ）磁石センサ（２１０）とを備えており、該磁石センサ（２１０）は、螺旋状の第１の磁気伝導性又は磁気性の素子（１２０；３１０）と、螺旋状の第２の磁気伝導性又は磁気性の素子（１３０；３２０）との間において、該第１の磁気伝導性又は磁気性の素子（１２０；３１０）及び該第２の磁気伝導性又は磁気性の素子（１３０；３２０）の共通の長手方向軸に対して垂直に配置されており、且つ、評価ユニット（２２０）と接続されており、それにより前記磁気モジュール（１００；３００）及び前記磁石センサ（２１０）は相互に相対的に移動可能であることを特徴とする、長さ計測システム（１）。
9. 前記磁石センサ（２１０）及び前記評価ユニット（２２０）は、前記磁気モジュール（１００；３００）の内径よりも小さい外径を有する非磁性のケーシング材料（２４０）によって包囲されている、請求項８に記載の長さ計測システム（１）。
10. 前記磁石センサ（２１０）は磁気抵抗式の角度センサ、特に、異方性磁気抵抗式角度センサ（ＡＭＲ角度センサ）又はＧＭＲ角度センサ、又は２Ｄホールセンサである、請求項８又は９に記載の長さ計測システム（１）。
11. 請求項８乃至１０のいずれか一項に記載の長さ計測システム（１）を用いる長さ計測方法において、
    ａ）磁気モジュール（１００；３００）及び磁石センサ（２１０）を相互に相対的に移動させるステップ（ａ）と、
    ｂ）前記磁石センサ（２１０）を用いて、螺旋状の第１の磁気伝導性又は磁気性の素子（１２０；３１０）と、螺旋状の第２の磁気伝導性又は磁気性の素子（１３０；３２０）との間の磁界角度変化を検出するステップ（ｂ）と、
    ｃ）検出された前記磁界角度変化を評価してストローク信号を形成するステップ（ｃ）と
    を備えていることを特徴とする、長さ計測方法。
12. 請求項１乃至７のいずれか一項に記載の磁気モジュール（１００；３００）の製造方法において、
    ａ）第１の軸方向端部（１２２，１３２；３１２，３２２）及び第２の軸方向端部（１２４，１３４；３１４，３２４）を有している、螺旋状の第１の磁気伝導性又は磁気性の素子（１２０；３１０）及び螺旋状の第２の磁気伝導性又は磁気性の素子（１３０；３２０）を準備するステップ（Ａ）と、
    ｂ）前記第１の磁気伝導性又は磁気性の素子（１２０；３１０）と前記第２の磁気伝導性又は磁気性の素子（１３０；３２０）との間に磁界を形成でき、該磁界の角度が共通の長手方向軸（３０５）に対して所定の長さに沿って連続的に回転するように、前記第１の磁気伝導性又は磁気性の素子（１２０；３１０）及び前記第２の磁気伝導性又は磁気性の素子（１３０；３２０）を前記共通の長手方向軸（３０５）に沿って相互に平行に配置するステップ（Ｂ）と
    を備えていることを特徴とする製造方法。
13. 前記第１の磁気伝導性又は磁気性の素子（１２０；３１０）及び前記第２の磁気伝導性又は磁気性の素子（１３０；３２０）の準備を、型押し、打ち抜き、射出成形又はレーザ切断により行なう、請求項１２に記載の製造方法。
14. 前記第１の磁気伝導性又は磁気性の素子（１２０；３１０）及び前記第２の磁気伝導性又は磁気性の素子（１３０；３２０）をプラスチックと結合されたフェライト材料から射出成形法によって成形する、請求項１２に記載の製造方法。
15. 前記第１の磁気伝導性又は磁気性の素子（１２０；３１０）及び前記第２の磁気伝導性又は磁気性の素子（１３０；３２０）をハードフェライトから焼結方法によって成形する、請求項１２に記載の製造方法。
16. 前記第１の素子（１２０）及び前記第２の素子（１３０）は磁気伝導性の素子（１２０，１３０）であり、前記製造方法は更に、
    ｃ）第１の磁極ラミネートである前記第１の磁気伝導性の素子（１２０）及び第２の磁極ラミネートである前記第２の磁気伝導性の素子（１３０）の前記第１の軸方向端部（１２２，１３２）の近傍に永久磁石（１１０）を配置するステップ（Ｃ）を備えている、請求項１２乃至１５のいずれか一項に記載の製造方法。
17. 更に、
    ｄ）前記第１の磁気伝導性又は磁気性の素子（１２０；３１０）及び前記第２の磁気伝導性又は磁気性の素子（１３０；３２０）を非磁性の支持体材料（１４０；３３０）に配置するステップ（Ｄ）を備えている、請求項１２乃至１６のいずれか一項に記載の方法。

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