JP2016503173A - 磁気角エンコーダおよび電子水道メータ - Google Patents

Abstract

カウンティングホイール（２００１）、カウンティングホイールに同軸上に取り付けられている環形状永久磁石（１００、３００）、トンネリング磁気抵抗角変位センサ（５００）、およびデジタル処理回路を備える磁気角エンコーダ。磁気角エンコーダにおいて、トンネリング磁気抵抗角変位センサは、永久磁石（１００、３００）から一定の軸方向距離および特定の半径方向距離をおいた、永久磁石（１００、３００）の検出面（１２０、３２０）内の領域に位置する。この特定の半径範囲内で、検出面（１２０、３２０）内の永久磁石（１００、３００）によって生成される磁場の成分の回転磁場角（φ）は、永久磁石の回転位相角（α）とともに直線的に変化する。電子水道メータも開示され、電子水道メータは、複数の計数ユニットおよびデジタル処理回路を備える。計数ユニットは、カウンティングホイール（２００１）と、永久磁石（１００、３００）と、トンネリング磁気抵抗角変位センサ（５００）とを含む。デジタル処理回路は、各トンネル磁気抵抗角変位センサに接続されており、トンネリング磁気抵抗角変位センサの出力をデジタルコードに変換する。磁気角エンコーダおよび電子水道メータには、サイズが小さく、測定精度が高いという利点がある。【選択図】 図５

Description

本発明は、位置測定に使用される永久磁石の一種、特に、磁気角エンコーダに使用するのに適した永久磁石、および、磁気角エンコーダを利用する電子水道メータのような器具類に関する。

センサ技術の急速な発展によって、住宅用水道メータのような従来の機械式流量計は、徐々に新たな電子形態に移行しつつある。この目的のために、水道メータを通じて流れる液体の量を測定するための、インクリメンタルエンコーダを必要としない、直読式または絶対エンコーダ水道メータを製造することを可能にするための、絶対角エンコーダを構築するのに使用することができる、光学エンコーダ技術を含む、様々なセンサ技術が利用されている。不都合なことに、この技術には、気泡、光、ごみ、漏れおよび他の要因から生じるデジタル誤差の問題がある。光学エンコーダ技術と比較して、磁気符号化技術は分解能がより高く、デジタル誤差現象がなく、安定性が良好で、光起電力技術に特有の障害を完全になくすことができる。磁気角エンコーダ技術は直読式水道メータに対する良好な選択であり、良好な実施態様は、カウンティングホイールに取り付けられている円筒環型永久磁石によって生成される磁場の回転角を検知するためのトンネリング磁気抵抗角変位センサのような磁気抵抗センサを使用し、それによって、場の角度がカウンティングホイールの値を表し、センサからの角度信号が単純な電子構成要素を使用してデジタル読み値に変換される。

磁気角測定精度は、磁気角エンコーダの２つの構成要素の性能特性に応じて決まり、これらは磁気センサおよび永久磁石である。ホールセンサと比較して、トンネリング磁気抵抗センサのような磁気抵抗センサは、磁場感度がより良好であり、電力消費がより低く、サイズがより小さい。トンネリング磁気抵抗角変位センサは、２つの相互に直交するトンネリング磁気抵抗センサを備え得る。トンネリング磁気抵抗角変位センサは、回転永久磁石の磁場から、永久磁石によって生成される磁場の方位角φの正弦および余弦を表す２つの出力を生成し、これらの成分は、以下の関係を使用して角度を計算するのに使用され得る。

ＯＵＴ１＝ＣＯＳ （φ）

ＯＵＴ２＝ＳＩＮ （φ）

その後、逆正接関数を使用して、磁気抵抗角変位センサ出力ＯＵＴ１およびＯＵＴ２から回転磁場の角度φを計算することができる。

φ＝ＡＴＡＮ （ＯＵＴ２／ＯＵＴ１）

永久磁石が角度αだけ回転すると、永久磁石によって生成される磁場は、ｒおよび角度によって定義される点に位置するトンネリング磁気抵抗センサを通過し、当該センサによって検出される。磁石の角度αおよび磁場の角度φが０〜３６０°の範囲内で直線関係を形成するとき、トンネリング磁気抵抗センサによって検出される磁場の角度φは、永久磁石の機械的角度αを表す。たとえば、カウンティングホイール上の１０個の位置がカウンティングホイールの円周上の数０〜９によって表され、αの範囲を１０個の間隔に分割することによって定義される１０段階の等しい角度増分で離間されているとき、各角度間隔が特定の数字を表す。このように、信号を適切な出力フォーマットに変換するための電子機器と永久磁石角度エンコーダを組み合わせることによって、直読式水道メータを実現することができる。

トンネリング磁気抵抗角変位センサエンコーダ技術が電子水道メータ設計に適用されるとき、永久磁石に対して特別な性能および設計の要件があることになり、これは、以下の問題に起因して、既存の磁気エンコーダ技術では満たすことが困難である。

（１）既存の磁気角エンコーダは、センサの表面に垂直である永久磁石によって生成される磁場を検出するのにほとんどがホールセンサを使用しており、トンネリング磁気抵抗センサは、センサの表面に平行な磁場成分を検出するため、既存の永久磁石設計は、トンネリング磁気抵抗センサに適合しない。

（２）磁気角エンコーダに使用される既存の永久磁石は通常、中実円筒設計であり、カウンティングホイールは、各カウンティングホイールの中心、したがって磁石を通る必要がある軸に取り付けられるため、この永久磁石は一般的な水道メータに使用されるカウンティングホイールに適合しない。

本発明の目的は、回転永久磁石の内面付近の回転磁場成分が、永久磁石の物理的な回転角αに直線的に関係する角度φを有するように、空間を最小化してトンネリング磁気抵抗センサの要件を満たし、したがって磁気エンコーダの角度測定精度を改善しながら、永久磁石が電子水道メータのカウンティングホイール内に設置され得るように、磁気角エンコーダに適切な永久磁石を提供するために、従来技術の上記の欠点を克服することである。

本発明の一態様によれば、磁気角エンコーダが提供され、磁気角エンコーダは、

カウンティングホイールと、

カウンティングホイール上に同軸上に取り付けられている永久磁石と、

永久磁石によって生成される磁場を検出し、検知信号を出力するのに使用される、永久磁石の検出面内に位置するトンネリング磁気抵抗角変位センサと、

カウンティングホイール回転角に対応するデジタルコードを計算および出力するために、トンネリング磁気抵抗角変位センサから検知信号を受信するためのデジタル処理回路とを備え、

永久磁石は、第１の永久磁石ユニットおよび第２の永久磁石ユニットを備える円筒環型構造を有し、第１の永久磁石ユニットおよび第２の永久磁石ユニットは直径断面の対向する両側に位置し、永久磁石直径断面は、永久磁石の外径および軸長によって定義される。

第１の永久磁石ユニットの磁化および上記第２の永久磁石の磁化は、永久磁石の軸方向に沿った方向において極性化されているが、それらは反対方向に整列しており、または、

上記第１の永久磁石ユニットおよび第２の永久磁石ユニットは、それらの磁化方向が、同じ方向において、永久磁石の直径断面に垂直に整列されている。

トンネリング磁気抵抗センサは、永久磁石の検出面内で回転軸から一定の半径方向距離をおいて永久磁石に隣接する検出面内に位置し、回転永久磁石の検出面のこの特定の半径方向領域において、磁場成分は、永久磁石の回転角とともに直線的に変化する角度を有する。

好ましくは、トンネリング磁気抵抗角変位センサは、２つの相互に直交する単軸角変位センサまたは２軸ホイートストンブリッジ角変位センサを含み、軸は互いに対して９０度だけ回転されている。

好ましくは、円筒環型永久磁石の両端にある円形面は、検出面に平行に位置付けられる。

好ましくは、検出面と円筒環型永久磁石の円形端面との間の距離は、１〜５ｍｍの範囲内にある。

好ましくは、第１の永久磁石および第２の永久磁石単位セルサイズの磁化の同じ磁化。

好ましくは、円筒永久磁石環構造の外径は３〜２００ｍｍであり、円筒永久磁石環構造の内径は１〜１００ｍｍであり、円筒環型永久磁石の柱状構造の軸長は１〜５０ｍｍである。

本発明の別の態様によれば、複数のデジタル計数ユニットおよびデジタル処理回路を含む電子水道メータが提供され、

計数ユニットの各々は、

シャフト上の回転カウンティングホイールと、

カウンティングホイール上に同軸上に取り付けられている永久磁石と、

検出面内で永久磁石の磁場を検知し、比例信号を出力するのに使用される、永久磁石の検出面内のトンネル磁気抵抗角変位センサとを備え、

隣接する計数ユニットはＮ：１の比で回転し、Ｎは１よりも大きい整数であり、

デジタル処理回路は、各トンネル磁気抵抗角変位センサに接続されており、トンネリング磁気抵抗角変位センサがデジタル読み値を出力することを可能にし、

永久磁石は第１の永久磁石ユニットおよび第２の永久磁石ユニットを備える円筒環構造を有し、第１の永久磁石ユニットおよび第２の永久磁石ユニットは直径断面の対向する両側に位置し、永久磁石直径断面は、磁石の外径および軸長によって定義される。

第１の永久磁石ユニットの磁化および上記第２の永久磁石の磁化は、永久磁石の軸方向に沿った方向において極性化されるが、それらは反対方向に整列され、または、

上記第１の永久磁石ユニットおよび上記第２の永久磁石ユニットは、それらの磁化方向が、同じ方向において永久磁石の直径断面に垂直に整列されている。

トンネリング磁気抵抗センサは、永久磁石の検出面内で回転軸から一定の半径方向距離をおいて永久磁石に隣接する検出面内に位置し、回転永久磁石の検出面のこの特定の半径方向領域において、磁場成分は、永久磁石の回転角とともに直線的に変化する角度を有する。

好ましくは、トンネリング磁気抵抗角変位センサは、２つの相互に直交する単軸角変位センサまたは２軸ホイートストンブリッジ角変位センサを含み、軸は互いに対して９０度だけ回転されている。

好ましくは、円筒環型永久磁石の両端にある円形面は、検出面に平行に位置付けられている。

好ましくは、検出面と円筒環型永久磁石の円形端面との間の距離は、１〜５ｍｍの範囲内にある。

好ましくは、第１の永久磁石および第２の永久磁石単位セルサイズの磁化の同じ磁化。

好ましくは、円筒永久磁石環構造の外径は３〜２０ｍｍであり、円筒永久磁石環構造の内径は１〜１５ｍｍであり、円筒環型永久磁石の柱状構造の軸長は１〜１０ｍｍである。

好ましくは、電子水道メータは２〜１０個の計数ユニットを備える。

好ましくは、隣接するカウンティングホイールは、１０：１の回転比で回転する。

本発明には、以下の有利な効果がある。

１）円筒環型永久磁石構造は単純で、既存のカウンティングホイール内に直接埋め込むことができ、スペースの節約になる。

２）本発明において使用される円筒環型永久磁石は、２つの単純な永久磁石ユニットを備え、磁化構成は容易に実装される。

３）本発明において使用される円筒環型永久磁石は、磁場配向を検出するために磁気抵抗センサを使用するときの必要に応じて、永久磁石の機械的回転角に直線的に関係する、検出面内の磁気位相角を生成する。

４）本発明に使用される円筒環型永久磁石によって、永久磁石の端面から検出面の特定の領域内の検出面までの距離が広い範囲にわたって変化することが可能になり、それによって、トンネリング磁気抵抗センサの性能が、センサの精密な位置により影響されにくくなる。

５）水道メータとして実装される本発明の磁気角エンコーダは、サイズをより小さくし、測定精度をより良好にすることを可能にする。

本発明の実施例１の永久磁石の上面図である。

図１に示す永久磁石の側断面図である。

本発明の実施例２の永久磁石の上面図である。

図３に示す永久磁石の側断面図である。

本発明の永久磁石に対するトンネリング磁気抵抗センサの相対位置を示す図である。

本発明の永久磁石に対するトンネリング磁気抵抗センサの相対位置の側断面図である。

実施例１で与えられている永久磁石設計の検知面におけるベクトル磁場分布を示す図である。

実施例１の回転磁石についての、検出面において検出される磁気角φと永久磁石の回転角αとの間の直線関係を示す図である。

実施例１の回転磁石についての、検出面において検出される磁気角φと永久磁石の回転角αとの間の関係が非直線性である事例を示す図である。

実施例１の回転磁石についての、検出面において検出される磁気角φと永久磁石の回転角αとの間の関係が非直線性である別の事例を示す図である。

実施例１についての、永久磁石回転位相角αの関数としての検出面におけるＢｘｙの磁場の大きさを示す図である。

回転軸からのトンネリング磁気抵抗センサの相対位置ｒ／Ｒｏの関数としての、実施例１の回転磁石に関する、検出面において検出される磁気角φおよび永久磁石の回転角αに対する直線近似の近似パラメータＲ２を示す図である。

実施例１において定義される永久磁石の回転軸からの相対距離ｒ／Ｒ０の関数としての、トンネリング磁気抵抗センサによって検出される正規化磁場成分を示す図である。

実施例２で与えられている永久磁石設計の検知面におけるベクトル磁場分布を示す図である。

実施例２の回転磁石についての、検出面において検出される磁気角φと回転角α永久磁石との間の直線関係を示す図である。

実施例２の回転磁石についての、検出面において検出される磁気角φと永久磁石の回転角αとの間の関係が非直線性である事例を示す図である。

実施例２の回転磁石についての、検出面において検出される磁気角φと永久磁石の回転角αとの間の関係が非直線性である別の事例を示す図である。

実施例２についての、永久磁石回転位相角αの関数としての検出面におけるＢｘｙの磁場の大きさを示す図である。

回転軸からのトンネリング磁気抵抗センサの相対位置ｒ／Ｒｏの関数としての、実施例２の回転磁石に関する、検出面において検出される磁気角φおよび回転角α永久磁石に対する直線近似の近似パラメータＲ２を示す図である。

実施例２において定義される永久磁石の回転軸からの相対距離ｒ／Ｒ０の関数としての、トンネリング磁気抵抗センサによって検出される正規化磁場成分を示す図である。

電子水道メータの一実施態様の概略図である。

図面および下記に与えられる特定の実施例を使用して、本発明の詳細な実施形態を説明する。

図１および図２は、本発明による永久磁石１００の一実施形態の概略図を示す。永久磁石１００は円筒環型の形状をしており、永久磁石ユニット１０１および永久磁石ユニット１０２から構成され、永久磁石ユニット１０１および永久磁石ユニット１０２は直径断面１１０を中心として対称に配置される。永久磁石ユニット１０１および１０２の磁化方向１０３および１０４は、軸に沿って逆平行に向いている。好ましくは、永久磁石ユニット１０１の磁化１０３および永久磁石ユニット１０２の磁化１０４は同じ大きさを有する。

当業者は、永久磁石１００を任意の所望のサイズに設計することができる。好ましくは、永久磁石１００は、内径１〜１００ｍｍ、３〜２００ｍｍの外径を有する円筒環型であり、１〜５０ｍｍの軸長を有する。

永久磁石１００の端面に隣接して、当該端面と平行に検出面１２０が位置している。好ましくは、検出面１２０は、１〜５ｍｍの距離だけ円筒環の端面から分離している。本件特許において、永久磁石１００は、検出面１２０において磁場成分１２１を生成する。ここで、軸から一定の半径方向距離内に位置する特定の検出領域１２２に対応する、検出面１２０の部分、特に、この検出領域内の磁場成分１２１は、永久磁石１００の角度に対して直線的に変化する角度を有する。これについては以下で具体的に説明する。

好ましくは、永久磁石材料１００の組成はアルニコである。代替的に、永久磁石１００の組成は、ＭＯ６Ｆｅ２Ｏ３のようなフェライトセラミック材料であり、ＭはＢａ、Ｓｒまたはそれら両方の組み合わせである。代替的に、永久磁石１００の組成は、ＲＥＣｏ５（ＲＥ＝Ｓｍおよび／もしくはＰｒ）、ＲＥ２ＴＭ１７（ＲＥ＝Ｓｍ、ＴＭ＝Ｆｅ、Ｃｕ、Ｃｏ、Ｚｒおよび／もしくはＨｆ）、またはＲＥ２ＴＭ１４Ｂ（ＲＥ＝Ｎｄ、Ｐｒ、および／もしくはＤｙ、ＴＭ＝Ｆｅおよび／もしくはＣｏ）である。代替的に、永久磁石材料１００は、ＮｂＦｅＢまたはＦｅＣｒＣｏの合金から構成される。代替的に、永久磁石１００は、プラスチック、ゴム、または樹脂複合材に埋め込まれている永久磁石粉末から構成される。

図３および図４は、本発明の永久磁石３００の別の実施形態の概略図を示す。永久磁石３００は円筒環型の形状をしており、永久磁石ユニット３０１および永久磁石ユニット３０２から構成され、永久磁石ユニット３０１および永久磁石ユニット３０２は直径断面３１０を中心として対称に配置される。永久磁石ユニット３０１および３０２の磁化方向３０３および３０４は、直径に沿って同じ方向に向いている。好ましくは、永久磁石ユニット３０１の磁化３０３および永久磁石ユニット３０２の磁化３０４は同じ大きさを有する。

当業者は、永久磁石３００を任意の所望のサイズに設計することができる。好ましくは、永久磁石３００は、内径１〜１００ｍｍ、３〜２００ｍｍの外径を有する円筒環型であり、１〜５０ｍｍの軸長を有する。

永久磁石３００の端面の正面に、当該端面と平行に検出面３２０が位置している。好ましくは、検出面３２０は、１〜５ｍｍの距離だけ円筒環の端面から分離している。本件特許において、永久磁石３００は、検出面３２０に沿って磁場成分３２１を生成する。ここで、軸領域の特定の半径からの円筒環内に位置する特定の検出領域３２２に対応する検出面３２０、特に、この検出領域内の磁場成分３２１は、永久磁石３００の角度に対して直線的に変化する角度を有する。これについては以下で具体的に説明する。

好ましくは、永久磁石材料３００の組成はアルニコである。代替的に、永久磁石３００は、ＭＯ６Ｆｅ２Ｏ３のようなフェライトセラミック材料であり、ＭはＢａ、Ｓｒまたはそれら両方の組み合わせである。代替的に、永久磁石３００の組成は、ＲＥＣｏ５（ＲＥ＝Ｓｍおよび／もしくはＰｒ）、ＲＥ２ＴＭ１７（ＲＥ＝Ｓｍ、ＴＭ＝Ｆｅ、Ｃｕ、Ｃｏ、Ｚｒおよび／もしくはＨｆ）、またはＲＥ２ＴＭ１４Ｂ（ＲＥ＝Ｎｄ、Ｐｒ、および／もしくはＤｙ、ＴＭ＝Ｆｅおよび／もしくはＣｏ）である。代替的に、永久磁石材料３００は、ＮｂＦｅＢまたはＦｅＣｒＣｏの合金から構成される。代替的に、永久磁石３００は、プラスチック、ゴム、または樹脂複合材に埋め込まれている永久磁石粉末から構成される。

本発明の実施例３は、軸を中心として回転する回転カウンティングホイールと、カウンティングホイール内に埋め込まれている永久磁石と、磁気トンネル接合センサと、デジタル処理回路とを含む磁気角エンコーダである。トンネリング磁気抵抗センサは、永久磁石からの磁場を検知して信号を出力するために、永久磁石に隣接する検出面内に位置する。トンネリング磁気抵抗センサは、永久磁石の検出面内で回転軸から一定の半径方向距離に配置されており、回転永久磁石の検出面のこの特定の半径方向領域において、磁場成分は上記永久磁石の回転角αとともに直線的に変化する角度φを有する。デジタル処理回路は、トンネリング磁気抵抗センサからの出力信号を使用して、永久磁石の回転角を表すコードを計算し、出力する。

図５および図６は、本発明の上面図および側面図であり、永久磁石１００、３００の検出面、および、永久磁石の端面１２０、３２０から距離ｄのところにあるトンネリング磁気抵抗センサ取り付け位置５００を示している。ここで、永久磁石検出面１２０は、図５に示すようなＸＹ座標系の原点としての、永久磁石３２０の回転軸を有する。円筒環型永久磁石１００、３００は、内半径Ｒｉ、外半径Ｒｏ、および厚さｔを有し、トンネリング磁気抵抗センサ５００は、Ｘ軸に対して面１２０、３２０内で点ｒ（ｘ，ｙ）におけるベクトル磁場の方向を検出し、この方向は、角度αによって定義される。ｒにおける磁場線分はＢｘｙ（Ｂｘ，Ｂｙ）と示され、回転角βを定義する。角度αおよびβを計算するのに必要な関係は以下のとおりである。

α＝ａｔａｎ（ｙ／ｘ）
（ｘ＞０）

α＝ａｔａｎ（ｙ／ｘ）＋π
（ｘ＜０，ｙ＞０）

α＝ａｔａｎ（ｙ／ｘ）−π
（ｘ＜０，ｙ＜０）

β＝ａｔａｎ（Ｂｙ／Ｂｘ）
（Ｂｘ＞０）

β＝ａｔａｎ（Ｂｙ／Ｂｘ）＋π
（Ｂｘ＜０，Ｂｙ＞０）

β＝ａｔａｎ（Ｂｙ／Ｂｘ）−π
（Ｂｘ＜０，Ｂｙ＜０），

ここで、αおよびβは（−１８０°，１８０°）の範囲内にある。

トンネリング磁気抵抗センサ５００は、角度φ＝β−αを求めるために磁場Ｂｘｙを検出する。

磁気エンコーダの通常動作において、永久磁石１００、３００が回転軸を中心として回転する間、トンネリング磁気抵抗センサ５００の角度は固定されたままであり、軸は測定面の原点であり、ｒは原点からトンネリング磁気抵抗センサ５００までの半径であり、回転磁石は、回転磁場を生成し、その位相および振幅が、トンネリング磁気抵抗センサ５００によって測定される。これは、磁場を測定するために、固定されたままである永久磁石１００、３００および、円周周りに回転されているトンネリング磁気抵抗センサ５００と等価である。この事例において、永久磁石の角度はαであり、回転磁場の角度はφである。

図７は、永久磁石１００についての検出面１２０における磁場ベクトル分布を示す。この検出面１２０において、２次元磁場Ｂｘｙが計算され、ここで、ｒは範囲（０，Ｒｏ）内で変化され得、磁場の位相角φと、回転永久磁石の位相角αとの間の関係を得ることができ、これらの角度間の関係は、線形または非線形であり得る。たとえば、図８は、永久磁石の回転磁場の曲線１８を示し、磁場の角度φがαの線形関数であり得ることを示しており、一方で図９は、永久磁石の回転磁場の位相曲線１９を示し、角度φが、角度αに非線形的に、かつ非連続的に依存している事例を示している。また、図１０に示すように、永久磁石角度αと磁気角φとの間の関係を表す曲線２０は、不連続性を伴い、または伴わずに、非線形性の度合いが変化し得る。図１１は、曲線２１として示される、回転角αの関数としてのＢｘｙの大きさの依存関係を示すプロットである。曲線２１から見てとれるように、回転磁場の大きさは、Ｗ字形状の角度変化を有し、ここで、最大値および最小値がＢＨおよびＢＬに対応する。磁気抵抗角変位センサについて、センサ信号精度を保証するために、磁場振幅の変動を可能な限り小さくすることが好ましい。

Ｒ２近似パラメータを計算するために図８、図９、図１０に示すφ曲線およびα曲線に直線近似が適用され得、Ｒ２は、１の値に近づくにつれて直線挙動がより強くなることを示す。

Ｂ ２１の大きさの変動の度合いは、以下の関係を使用して特性化することができる。

ＮＯＲＭＡＬＩＺＥＤ＿Ｂ＝Ｂｐｐ／ＢＬ＝（ＢＨ−ＢＬ）／ＢＬ

ここで、ＮＯＲＭＡＬＩＺＥＤ＿Ｂの値がより小さくなることは、磁場変動がより小さくなることを示す。

検出面における磁場角φと回転磁場αとの間の非線形性の度合いを求めるために、（０，Ｒｏ）間のｒの様々な値においてφ対α曲線に対して曲線近似が実施され、加えて、ＮＯＲＭＡＬＩＺＥＤ＿Ｂであるαの関数としての磁場変動を、同じようにプロットすることができる。

図１２は、ｒ／Ｒｏの関数としてプロットされる直線近似パラメータＲ２を示す。曲線２２から見てとれるように、値が１に近い領域２３があり、これは、この領域において、回転磁場の角度φと永久磁石の角度αとが線形に近い関係を有することを示している。トンネリング磁気抵抗センサは、磁石１００の内面に対応する、検出面１２０の領域２３内で使用されている。この領域は、トンネリング磁気抵抗センサ５００によく適しているが、その領域２４は、トンネリング磁気抵抗センサ５００によく適してはいない。

図１３は、検出面１２０内のトンネリング磁気抵抗センサ５００の相対位置ｒ／Ｒｏの関数としての曲線ＮＯＲＭＡＬＩＺＥＤ＿Ｂを示す。曲線２５から見てとれるように、領域２３の一部について、トンネリング磁気抵抗センサ５００の磁場変動は、良好な性能が得られるために十分に小さい。

実施例４は、実施例２において説明したように回転軸を中心として回転する永久磁石構造と、トンネリング磁気抵抗センサと、デジタル処理回路とを含む、本発明の磁気エンコーダの別の実施態様を提供する。永久磁石に加えて、実施例３におけるものと同じである他の特徴は、実施例４の説明では省く。

図１４は、永久磁石３００についての検出面３２０における磁場ベクトル分布を示す。この検出面３２０において、２次元磁場Ｂｘｙが計算される。図１５、図１６、図１７に示すように、検出面３２０内で、回転磁場の角度φおよび永久磁石の角度αは曲線２６におけるような直線関係、曲線２７に示すような非直線性の非連続的な関係、曲線２８に示すような、中間的な線形性の度合いを有し得る。曲線２６の線形性は、検出面における回転磁場角φと永久磁石３００の永久磁石角αとの間の直線関係を示しており、それによって、磁気エンコーダとしての用途に役立つように、永久磁石の角度を求めることができる。

図１８は、永久磁石回転角αの関数としての、回転磁場Ｂｘｙの大きさの変動を示す。この曲線２９から、回転磁場Ｂｘｙは、永久磁石の角度αの関数としての、Ｍ字形状の周期的な変動を有することが見てとれる。

同様に、試験面３２０内の線形領域の範囲を求めるために、図１９に示すような種々の相対位置ｒ／Ｒｏにおいてφ−α曲線近似パラメータを得ることができ、線形性を示すＲ２近似パラメータが曲線３０としてプロットされており、検出面３２０の部分３１がトンネリング磁気抵抗センサ５００に最もよく適しており、一方で領域３２はトンネリング磁気抵抗センサ５００にはあまり適していない。さらに、図２０から見てとれるように、曲線３３として識別されるトンネリング磁気抵抗センサ５００の相対位置ｒ／Ｒｏの関数としてのＮＯＲＭＡＬＩＺＥＤ＿Ｂは、非理想的な動作領域である領域３２と比較して小さい領域３１と一致する。

上記の分析は、永久磁石１００および３００が、永久磁石の回転磁場の角度φを測定するためにトンネリング磁気抵抗センサ５００を使用するのに適した特定の検出領域２３および３１がある検出面１２０および３２０を有することを示している。これらの領域において、永久磁石角度αとの直線関係があり、磁場の大きさの変動は、センサの要件を満たすのに十分に小さい。したがって、トンネリング磁気抵抗センサによって測定される磁場の回転角は、磁気角エンコーダに使用するのに適した、永久磁石の回転角を表すコードを計算し出力するために、デジタル処理回路によって永久磁石の回転角に変換することができる。本発明の種々の実施態様が、電子水道メータおよび様々な他の用途に適用することができる磁気角エンコーダとして使用されてもよい。

図２１は、電子水道メータ２１とともに使用するために構成されている磁気角エンコーダ構成に対する永久磁石１００または３００の設置を示す。以下の説明では、本発明の電子水道メータを提供するために、実施例１の永久磁石を実施例４の磁気エンコーダと組み合わせている。電子水道メータは、中央シャフトと、少なくとも１つの磁気角エンコーダとを含む。電子水道メータ磁気エンコーダが複数の角度エンコーダを含むとき、様々な角度エンコーダがシャフトの回転と比較して異なる回数だけ回転し、回転数は角度エンコーダの優先度に関係する。

電子メータは、カウンティングホイール２００１を含み、カウンティングホイールとともに回転する円筒永久磁石環１００を含む。プリント回路基板がカウンティングホイールに隣接しており、プリント回路基板は、トンネリング磁気抵抗角変位センサ５００を含む。シャフトがカウンティングホイールの中心を通っている。柱状環型永久磁石１００およびそれらの関連付けられるカウンティングホイール２００１は各々、トンネリング磁気抵抗角変位センサ５００が位置する検出面を有し、これが磁気符号化ユニットを形成する。好ましくは、電子水道メータは２〜１０個のそのような計数ユニットを備えてもよい。隣接するカウンティングホイールはＮ：１の回転比で回転し、Ｎは１よりも大きい整数である。デジタル処理回路は、各トンネル磁気抵抗角変位センサに接続されており、それによって、トンネリング磁気抵抗角変位センサの出力がデジタル値に変換され得る。好ましくは、隣接するカウンティングホイールは１０：１の回転比を有する、すなわち、左にある第１のカウンティングホイールが１０^Ｍ回転する場合、ここで、Ｍは１よりも大きい整数、右にあるカウンティングホイールは、１０^Ｍ−１回だけ回転する、などである。各トンネリング磁気抵抗角変位センサはデジタル処理回路に接続されており、デジタル処理回路の出力はメータ読み取りインターフェースに接続されている。トンネリング磁気抵抗角変位センサは２つの磁気トンネル接合ブリッジセンサから構成されており、磁気トンネル接合ブリッジセンサピン止め層の磁気方向は、互いに位相が９０度ずれた２つの出力を生成するために、互いに対して垂直に向けられており、結果もたらされる正弦波信号は、磁場角φを計算するのに使用することができる。両方の出力機能が、互いに直交する２つの単軸回転センサのセットによって、または、２軸回転センサによってもたらされ得る。代表的な角変位センサは、たとえば、ＭｕｌｔｉＤｉｍｅｎｓｉｏｎ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｃｏ．，Ｌｔｄ．の単軸ＭＭＡ１５３Ｆまたは２軸ＭＭＡ２５３Ｆであるが、様々な他の角変位センサ構成要素が使用されてもよい。

実施例１に示したように、たとえば、永久磁石１００は円筒環型構造であり、永久磁石は、直径断面１１０に対して対称に配置された永久磁石ユニット１０１および１０２と、軸方向に整列された対応する磁化方向１０３および１０４とを備え、永久ユニット１０１および１０２の磁化は、逆平行に整列されており、同じ大きさを有する。

各磁気角エンコーダは、３〜２０ｍｍの外径、１〜１５ｍｍの内径、および１．５〜１０ｍｍの軸長を有する永久磁石１００を有し、永久磁石１００はカウンティングホイール２００１内に埋め込まれ、カウンティングホイールは中心軸２００３の周囲を回転する。さらに、磁気角エンコーダは、検出領域２３に対応する相対的なｒ／Ｒｏ内の永久磁石１００の端面から１〜５ｍｍ内で検出面１２０内に取り付けられており、この検出面内で、永久磁石の角度を直線的に表す回転磁場の角度φを測定するのに必要な磁場成分を検出するトンネリング磁気抵抗センサ５００を含む。ベクトル１２１は、検出面１２０内で検出される磁場成分である。トンネリング磁気抵抗センサ５００は、プリント回路基板２００２上に位置しており、回路基板２００２によって出力される信号を送信する。カウンティングホイール２００１は中心軸２００３上に設置され、プリント回路基板２００２は水道メータフレーム２００４に取り付けられる。トンネリング磁気抵抗センサ５００を用いて得られる磁場成分１２１および磁場角φと永久磁石回転角αとの間の直線関係を利用して、角度αを測定することができる。その後、トンネリング磁気抵抗センサを使用して測定された磁場角は、デジタル処理回路によってカウンティングホイール回転角に変換することができ、この角度を特性化するコードを出力することができる。

種々のカウンティングホイールが種々の精度で数字を読み取るように意図されており、これは、隣接するカウンティングホイール間のＮ：１回転比の結果である。好ましくは、Ｎは１０である。カウンティングホイールに取り付けられている磁石の回転磁場を測定するためにトンネリング磁気抵抗センサ５００の対を使用することによって、各ホイールの角変位が磁石回転角αに関係付けられ、ホイールの角度は計算することができる。各カウンティングホイールの０〜３６０°の範囲が、１０個の数字を表す１０段階の等しい増分に分割され、それによって、角変位と数との間に関係を構築することが可能であり、その後、プリント回路基板２００２を使用して、これらの信号をデジタルコードに変換することができる。複数の異なるカウンティングホイール上の数を読み取ることによって、電子水道メータの読み値を直接得ることが可能である。

電子水道メータは、永久磁石タイプ１００または３００を備えてもよい。円筒環型永久磁石３００を使用するとき、永久磁石は、直径断面３１０に垂直な方向に向いている、同じ磁場の大きさを各々有する永久磁石ユニット３０１および３０２から構成されてもよい。永久磁石３００は、５〜２０ｍｍの外半径と、１〜５ｍｍの内半径と、１〜５ｍｍの、軸方向に沿った厚さとを有する。トンネリング磁気抵抗角変位センサ５００は、検知面内で軸に沿って永久磁石３００から１〜５ｍｍの距離に配置され、軸から内側検出領域３１へのｒ／Ｒｏの半径方向距離だけ離間されており、この特定の領域において、磁場回転角φは磁石の回転角αに線形的に関係付けられる。磁場成分３２１は検出面３２０内で測定される。残りの手順は、永久磁石１００を使用した電子水道メータのものと同じである。

上述した本発明の好ましい実施形態は、本発明の可能な変形形態を限定せず、当業者は、本発明の範囲を超えない様々な修正および変更を行うことができる。均等なまたは改善された特徴と置き換えることによって本発明の精神および原理内で行われる任意の修正が、本発明の範囲内に入る。

Claims (14)

1. 磁気角エンコーダであって、カウンティングホイールと、前記カウンティングホイール上に同軸上に取り付けられている永久磁石（１００、３００）と、検出面内で前記永久磁石によって生成される磁場成分を検出し、代表的信号を出力するために、前記永久磁石の前記検出面内に位置するトンネリング磁気抵抗角変位センサと、前記トンネリング磁気抵抗角変位センサからの前記出力信号を、前記カウンティングホイール回転角を表すデジタルコードに変換するデジタル処理回路とを備え、前記永久磁石（１００、３００）は円筒環構造を有し、第１の永久磁石ユニット（１０１、３０１）および第２の永久磁石ユニット（１０２、３０２）を備え、前記第１の永久磁石ユニット（１０１、３０１）および前記第２の永久磁石ユニット（１０２、３０２）は直径断面（１１０、３１０）の対応する両側に対称に配置されており、前記第１の永久磁石ユニット（１０１、３０１）は、前記円筒環の軸方向に沿って整列されている磁化（１０３、３０３）を有し、前記第２の永久磁石ユニット（１０２、３０２）は、前記円筒環の軸方向に沿って逆平行の方向に整列されている磁化（１０４、３０４）を有し、または、前記第１の永久磁石ユニット（１０１、３０１）は、前記直径断面（１１０、３１０）に垂直に整列されている磁化（１０３、３０３）を有し、前記第２の永久磁石ユニット（１０２、３０２）は、前記直径断面に（１１０、３１０）垂直に整列されており、他方に対して平行に整列されている磁化（１０４、３０４）を有し、前記トンネリング磁気抵抗角変位センサは、前記永久磁石の前記検出面内で、前記軸に沿った相対距離をおいて、前記検出面の内側領域内で特定の半径をおいて位置しており、前記検出面の前記内側領域内で、前記永久磁石は、前記永久磁石の回転角αに線形比例する、角度φに向けられている磁場成分を生成することをさらに特徴とする、磁気角エンコーダ。
2. 前記トンネリング磁気抵抗角変位センサは２軸であり、互いに対して直行して配列されている２つの単軸角変位センサ、または、互いに対して９０度回転されている２つの別個のホイートストンブリッジセンサを含む、請求項１に記載の磁気角エンコーダ。
3. 前記検出面（１２０、３２０）は前記永久磁石（１００、３００）の前記円筒環形状面に隣接し、それに平行に位置する、請求項１に記載の磁気角エンコーダ。
4. 前記永久磁石の前記円筒環端面と前記トンネリング磁気抵抗角変位センサとの間の距離は、１〜５ｍｍの範囲内にある、請求項１に記載の磁気角エンコーダ。
5. 前記第１の永久磁石ユニット（１０１、３０１）の前記磁化（１０３、３０３）および前記第２の永久磁石ユニット（１０２、３０２）の前記磁化（１０４、３０４）は同じサイズである、請求項１に記載の磁気角エンコーダ。
6. 前記円筒環型永久磁石（１００、３００）の外径は３〜２００ｍｍであり、前記円筒環型永久磁石の内径は１〜１００ｍｍであり、前記円筒環型永久磁石の軸長は１〜５０ｍｍである、請求項１に記載の磁気角エンコーダ。
7. 電子水道メータであって、複数の計数ユニットおよびデジタル処理回路を備え、前記計数ユニットの各々は回転シャフトに接続されているカウンティングホイールと、カウンティングホイールに同軸上に取り付けられている永久磁石と、トンネリング磁気抵抗角変位センサとを備え、前記トンネリング磁気抵抗角変位センサは、検出面内で前記永久磁石によって生成される磁場成分を検出し、代表的信号を出力するために、前記永久磁石の前記検出面内に位置しており、隣接する計数ユニットはＮ：１の回転比で回転し、Ｎは１よりも大きい整数であり、前記デジタル処理回路は、各トンネリング磁気抵抗角変位センサの前記出力信号をデジタルコードに変換するために、各角変位センサに接続されており、前記永久磁石（１００、３００）は円筒環構造を有し、第１の永久磁石ユニット（１０１、３０１）および第２の永久磁石ユニット（１０２、３０２）を備え、前記第１の永久磁石ユニット（１０１、３０１）および前記第２の永久磁石ユニット（１０２、３０２）は直径断面（１１０、３１０）の対応する両側に対称に配置されており、前記第１の永久磁石ユニット（１０１、３０１）は、前記円筒環の軸方向に沿って整列されている磁化（１０３、３０３）を有し、前記第２の永久磁石ユニット（１０２、３０２）は、前記円筒環の軸方向に沿って逆平行の方向に整列されている磁化（１０４、３０４）を有し、または、前記第１の永久磁石ユニット（１０１、３０１）は、前記直径断面（１１０、３１０）に垂直に整列されている磁化（１０３、３０３）を有し、前記第２の永久磁石ユニット（１０２、３０２）は、前記直径断面（１１０、３１０）に垂直に整列されており、他方に対して平行に整列されている磁化（１０４、３０４）を有し、前記トンネリング磁気抵抗角変位センサは、前記永久磁石の前記検出面内で、前記軸に沿った相対距離をおいて、前記検出面の内側領域内で特定の半径をおいて位置しており、前記検出面の前記内側領域内で、前記永久磁石は、前記永久磁石の回転角αに線形比例する、角度φに向けられている磁場成分を生成することをさらに特徴とする、電子水道メータ。
8. 前記トンネリング磁気抵抗角変位センサは２軸であり、互いに対して直行して配列されている２つの単軸角変位センサ、または、互いに対して９０度回転されている２つの別個のホイートストンブリッジセンサを含む、請求項７に記載の電子水道メータ。
9. 前記電子水道メータの前記デジタル処理回路は通信インターフェースに接続されている、請求項７に記載の電子水道メータ。
10. 前記トンネリング磁気抵抗角変位センサは、前記永久磁石の前記検出面（１２０、３２０）内に位置しており、前記永久磁石（１００、３００）の前記円筒環端面と前記検出面との間の距離は、１〜５ｍｍの範囲内にある、請求項７に記載の電子水道メータ。
11. 前記第１の永久磁石ユニット（１０１、３０１）の磁化（１０３、３０３）および前記第２の永久磁石ユニット（１０２、３０２）の前記磁化（１０４、３０４）は同じサイズである、請求項７に記載の電子水道メータ。
12. 前記円筒環型永久磁石（１００、３００）の外径は３〜２０ｍｍであり、前記円筒環型永久磁石（１００、３００）の内径は１〜１５ｍｍであり、前記円筒環型永久磁石（１００、３００）の軸長は１〜１０ｍｍである、請求項７に記載の電子水道メータ。
13. 前記電子水道メータは２〜１０個の計数ユニットを含む、請求項７に記載の電子水道メータ。
14. 前記隣接する計数ユニットの前記カウンティングホイールは１０：１の回転比で回転する、請求項７に記載の電子水道メータ。