JP4234004B2 - 対象物の角位置を測定するための装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電流が流れると共に、自身の表面によって規定される平面と平行している磁場内に設けられるプレーナ磁気抵抗センサを使用して、対象物の角位置を測定するための装置に関する。前記磁場は、シャフト上に回転ジャーナルとしての磁石の装置によって生成される。前記シャフトの前記角位置は、前記測定されるべき対象物の角位置に対応する。
【０００２】
【従来の技術】
磁気抵抗センサは、薄膜基体に設けられる強磁性体ホイル（ｆｅｒｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ ｆｏｉｌ）によって構成される、少なくとも一つの磁気抵抗性の抵抗から構成される。温度の影響及び製造ばらつきを排除するために、好ましくは四つの磁気抵抗性の抵抗がブリッジ回路において使用される。前記ブリッジにおける出力電圧は、前記センサの表面の磁化と電流の方向との間の角αの目安となっていると共に、関数ｓｉｎ（２α）に比例している。
【０００３】
二つの抵抗ブリッジから構成され、第二の抵抗ブリッジが第一の抵抗ブリッジに対して４５度回転されている磁気抵抗センサが知られている。それによって、ほぼ１８０度の、測定可能な角度の範囲が達成されている。
【０００４】
二つの永久磁石が、互いに対向すると共に、当該磁石の間にもたらされる磁場は少なくとも磁場センサをカバーしている領域において均質となる態様でフラックスガイドリング（ｆｌｕｘ ｇｕｉｄｅ ｒｉｎｇ）の内側に設けられていることは、２０００年３月２４日に発行されたフィリップス社データシートＡＮ０００２３から知られている。当該フラックスガイドリングは、前記測定されるべき対象物のシャフト上の中心に設けられる。回転軸に対して垂直に設けられる磁気抵抗センサはロータリシャフト（ｒｏｔａｒｙ ｓｈａｆｔ）の端部に対向している。当該装置において、前記測定されるべき対象物の回転角αは、前記センサの表面上の磁場の回転角αに等しい。磁場の極性に関するいかなる情報も提供しない異方性効果のために、前記測定可能な角度の範囲は１８０度に制限されている。このことは、回転角１０度で生成される信号は、回転角１８０度＋１０度、すなわち１９０度で生成される信号に正確に対応していることを意味している。
【０００５】
コンパス（ｃｏｍｐａｓｓ）における磁気抵抗センサの使用は、ＤＥ４３０１７０４Ａ１から知られている。すなわち当該センサは、３６０度の角度の範囲をカバーしている。当該目的のために、少なくとも前記回転面とほぼ平行に方向付けられている層平面を有する複数の重畳層（ｓｕｐｅｒｉｍｐｏｓｅｄ ｌａｙｅｒ）から構成される層システムで形成され、前記層平面において前記磁場によって回転可能な磁化をもたらす少なくとも一つの測定層（ｍｅａｓｕｒｉｎｇ ｌａｙｅｒ）が設けられると共に、前記層平面において少なくとも前記磁場にほとんど依存していない磁化をもたらす少なくとも一つのバイアス層が設けられ、電気抵抗は前記測定層の磁化と前記バイアス層の磁化との間の角度に依存している、二つの精巧な磁気抵抗センサが必要とされる。コンパスとして使用されるとき、電流の強さに影響を及ぼす前記磁場は地磁気なので、グランド基準で測定されるべき対象物の位置依存性が得られる。基準点ｆ＝０度も自由に規定され得ない。
【０００６】
当該公知例には、所与の自由選択可能なシャフトの回りを回転すると共に磁石の装置を備える対象物の完全な回転が確認され得る態様について記載されていない。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
従って、本発明の目的は、０度と全回転（ｃｏｍｐｌｅｔｅ ｒｏｔａｔｉｏｎ）との間にあってもよい対象物の角位置を測定するための装置を提供することにある。グランド基準の対象物の回転軸は、自由に選択可能であるべきである。当該装置は、かなり単純であるが、同時に温度の影響及び製造ばらつきを排除するセンサコンポーネントから構成されるべきである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、対称軸に対して対称形の磁石の装置が中心から外れてジャーナル（ｊｏｕｒｎａｌ）されることで当該目的は達成される。変形例において、本発明による対象物は、中心にジャーナルされた磁石の装置が非対称な断面を有することで達成される。本発明による両方の装置において、前記二つの磁気抵抗センサ上における磁場ベクトルの明確な組み合わせ（ｕｎａｍｂｉｇｕｏｕｓ ｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎ）が、０度と３６０度との間の磁石の装置のいかなる可能な角位置に対しても評価される。一方で前記二つの磁場ベクトルの組み合わせと、他方で前記測定されるべき角位置との間の明確な割り当て（ｕｎａｍｂｉｇｕｏｕｓ ａｓｓｉｇｎｍｅｎｔ）は、全ての単一の磁気抵抗センサの出力信号が、前記磁石の装置は一つの全回転を表す周期を正確にカバーすることで実現される。本発明によれば、このことは、磁気抵抗センサにおいて出力信号を変化させる角度αが、前記測定されるべき対象物の角位置を示す角度ｆに等しくならないことで実現される。
【０００９】
冒頭の段落において記載されている種類の磁気抵抗センサは、１８０度の周期的な出力信号を有している。すなわち、角度α＝Ｘに対して、前記出力信号はα＝Ｘ＋１８０度、α＝Ｘ＋３６０度、及びα＝Ｘ＋５４０度等に対する値と同じ（電圧）値をもたらす。このことは、非接触角位置測定の多くの用途において信頼性の高いことが分かった前記磁気抵抗センサの構成によって規定される。
【００１０】
本発明による装置において、出力信号の１８０度の周期性は、角度αが最初にほぼ０度からほぼ１８０度に増加し、その後ほぼ０度に再び減少することで排除される。角度αのターニングポイント（ｔｕｒｎｉｎｇ ｐｏｉｎｔ）は、好ましくは角位置ｆ＝１８０度である。従って、角度αに依存している、前記磁気抵抗センサの出力信号は、（想定されることに）横座標上のｆ＝１８０度における回転角ｆに関してミラー反転される。結果として、角度α＝Ｘ＋１８０度に対する出力値は、もはやα＝Ｘと同じではない。
【００１１】
従って、複数の角度ｆの値が、単一の磁気抵抗センサの出力信号の値に割り当てられる。前記明確な状態（ｕｎａｍｂｉｇｕｏｕｓ ｓｉｔｕａｔｉｏｎ）は、第二の磁気抵抗センサの出力信号との比較によってのみ実現される。自身の位置によって規定されるので、当該第二のセンサは、第一のセンサに対して９０度シフトされている出力信号を供給する。両方の出力信号は、電気的評価回路にもたらされる。
【００１２】
第二の磁気抵抗センサが、第一のセンサの平面と垂直な平面内に設けられると有利となる。その結果、前記磁石の装置は、第二の磁気抵抗センサを回転層の四分の一だけカバーする。前記二つの磁気抵抗センサが同じ構成を有しているので、当該センサの出力信号は均質となる。必要とされる前記二つのセンサの相互配置のため、当該センサの出力信号は９０度位相シフトされる。
【００１３】
前記磁石の装置が、中心に設けられた永久磁石、外側の強磁性体回路、並びに、前記永久磁石と前記外側の強磁性体回路との間のエアーギャップを有する場合有利となる。前記永久磁石からもたらされる力線（ｆｉｅｌｄ ｌｉｎｅ）は、空気よりも高い透磁率を有する強磁性体回路によって集められると共にフィードバックされる。
【００１４】
変形例において、前記永久磁石は、カム形状の断面を有している。従って、前記二つの磁気抵抗センサの各々は、同時に異なる磁場によって影響を受けること、すなわち前記二つの出力信号は互いに位相シフトされることが保証される。
【００１５】
フェライト混入（ｆｅｒｒｉｔｉｃ ｃｏｎｔａｍｉｎａｔｉｏｎ）を防止するために、前記磁石の装置のエアーギャップは、非導電性材料、例えば合成樹脂材で満たされてもよい。
【００１６】
前記二つのプレーナ磁気抵抗センサの平面が、前記測定されるべき対象物の回転軸と平行に設けられると、非常に単純で、従って経済的な構成を有する装置の使用が可能となる。
【００１７】
前記二つの磁気抵抗センサが共通のキャリアプレート上に設けられると、当該センサは、互いに熱的に接続されると共に、温度変化で自身の特性を均質に変化させる。当該センサは、前記測定物に対して感度の高い領域が、可能な限り当該測定物から離れるように、好ましくは当該共通のキャリアプレート上に垂直に実装される。
【００１８】
前記キャリアプレートは、前記二つのセンサの間の距離が前記磁石の装置に対して均質な長さとなるように、好ましくは、前記測定されるべき対象物の回転軸と垂直な態様で設けられる。
【００１９】
一つの実施例において、前記磁気抵抗センサは集積回路の一部を形成するので、磁石の装置の実装が容易且つ経済的となる。
【００２０】
好ましい実施例において、磁気抵抗センサは、単一の抵抗の製造におけるばらつきの補償が前記出力信号に対して既に実現されているように、四つの磁気抵抗性の抵抗を各々備える、少なくとも一つのホイートストンブリッジ（Ｗｈｅａｔｓｔｏｎｅ ｂｒｉｄｇｅ）を有している。
【００２１】
対称的な回転によって構成される、磁石の装置の、中心から外れた配置、又は非対称な断面を有する永久磁石の中心配置の何れかによって、力線の変動は前記測定されるべき対象物の角位置の目安となる不均質な磁場が生成されることは本発明にとって不可欠なことである。
【００２２】
本発明のこれら及び他の態様は、以下に記載された実施例から明らかであり、これらの実施例を参照して説明される。
【００２３】
【発明の実施の形態】
図１は、磁気抵抗性の抵抗の薄膜構造１を概略的に示している。電流が流れる導体２は、薄膜構造１の平面と平行な磁場によって重畳される。抵抗は、磁化と電流方向との間で変化する角度αに伴って変化する。この関係は、等式
【数１】

によって表される。
【００２４】
図２は、永久磁石４しか示されていないが、集積回路３としての磁気抵抗センサを示している。図３における関連グラフは、ブリッジ回路の出力信号を示している。当該信号は、１８０度の周期を有する正弦波出力信号である。
【００２５】
図４及び５は、二つの永久磁石４によって生成される均質な磁場と、回転軸５と、当該軸に対して垂直に設けられている磁気抵抗センサ６と、回転角αとを備える最新技術を示している。二つの永久磁石４は、磁気の外部作用からの保護を更に保証する外側のフラックスガイドリング７上に設けられる。磁気抵抗センサ６は、非鉄製の支持体（ｎｏｎ−ｆｅｒｒｉｆｅｒｏｕｓ ｓｕｐｐｏｒｔ）８に固定される。
【００２６】
図６は、本発明による装置を示している。二つの磁気抵抗センサ６及び９は、表示のみされているキャリアプレート１０上に垂直に設けられている。永久磁石４が回転軸１１に対して中心から外れて設けられていることは明らかに認識され得る。当該図は、シャフト１１が、前記測定されるべき対象物に接続されていないことを示している。
【００２７】
図７ａ乃至７ｃは、磁気抵抗センサ６に関連して、磁場ベクトル１２が前記測定されるべき対象物の回転角ｆの目安となる態様を例示によって示している。磁極と平行な直線１５と共に、磁場ベクトル１２は角度αを構成する。前記磁気抵抗センサが前記エアーギャップ上の中心にもたらされると、磁化角（ａｎｇｌｅ ｏｆ ｍａｇｎｅｔｉｚａｔｉｏｎ）は０度となる（図７ｂ参照）。前記磁気抵抗センサが二つの磁極のうちの一つの上にもたらされると、磁化角はほぼ＋９０度又はほぼ−９０度となる。Ｘ軸としての直線１５と、Ｚ軸としての回転軸１１とは、示されている座標系を構成している。磁気抵抗センサ６は、互いに接触しないように磁極に対してＺ方向にオフセットを持っている。好ましい実施例において、永久磁石４及び強磁性体回路１４を備える磁石の装置は、前記測定されるべき対象物の開始位置、すなわちｆ＝０度において、前記磁気抵抗センサが一方の磁極に対向して位置され（図７ａ参照）、前記磁気抵抗センサのｆ＝９０度の角回転の後に前記エアーギャップ上の中心に位置され、ｆ＝１８０度の回転後に他の磁極に対向して位置される（図７ｃ参照）態様で特徴付けられる。磁場ベクトル１２は、その間反時計回りに回転するので、角度αは変化する。対象物が１８０度を超えて更に回転されると、示されている位置は反対回り、すなわち図７ｂにおける位置を介して図７ｃにおける位置から図７ａにおける位置に逆回転し、これは３６０度のフル回転に相当している。その間、磁場ベクトル１２は時計回りに回転し、図７ａに示されている開始位置に戻る。前記出力信号は、磁場ベクトル１２が自身の回転方向（ｓｅｎｓｅ ｏｆ ｒｏｔａｔｉｏｎ）を変化させる時点から、磁場ベクトル１２が図７ａに示されている自身の開始位置に再び戻るまで、鏡像状態（ｍｉｒｒｏｒ−ｉｍａｇｅｄ）を保持している。このようにして、３６０度の周期を有する電圧が、前記磁気抵抗センサに対する出力信号として生成される。前記測定されるべき対象物の各々の角位置に対する測定値がもたらされる。あいまいな値（ａｍｂｉｇｕｉｔｙ）が当該基本正弦波出力信号においてもたらされるため、比較値が必要とされる。第一のセンサの平面と直交する面内に設けられると共に、９０度位相シフトされているが第一の磁気抵抗センサと同じ信号を生成する第二の磁気抵抗センサ９によって、当該値は生成される。
【００２８】
当該好ましい実施例において、ほとんど完全な磁場が、評価のために利用される。このことによって、可能な限り高い精度の測定結果がもたらされる。同じ構造を有すると共に同じ製造バッチ（ｂａｔｃｈ）に由来する磁気抵抗センサが好ましくは使用される。それによって、ばらつき（ｓｐｒｅａｄ）（例えば温度作用）によって引き起こされ得る影響の効果的な抑圧が実現される。
【００２９】
図８は、当該装置の平面図である。前記磁石が、前記永久磁石と外側の強磁性体回路１４との間の一定幅のエアーギャップ１３を備える対称構造を有していることは明らかに認識され得る。永久磁石４は、シャフト１１上において中心から外れて設けられている。
【００３０】
非対称な磁石を使用するときも、スループットエアーギャップ（ｔｈｒｏｕｇｈｐｕｔ ａｉｒ ｇａｐ）が設けられていることは図９から認識され得る。前記エアーギャップは、磁場が均質な態様で形成されるように、実用的な範囲でできる限り等間隔の幅にされるべきである。使用されてない範囲において、前記エアーギャップは、磁束（ｆｌｕｘ）が前記実用的な範囲に集められるように、拡げられるべきである。前記使用不可能なエアーギャップの範囲は、放射状に延在している。
【００３１】
前記実施例に示されているポット形状の磁気回路の代わりに、前記場（ｆｉｅｌｄ）の形状は、相応に磁化された永久磁気物質によって直接生成されてもよい。磁化させるために、前記エアーギャップの代わりに電流ループが形成されなければならない。当該電流ループは、そのとき正確に所望の磁化をもたらす。好適な磁化デバイスは、中心からずれた、環状の磁化を作り出す。
【００３２】
本発明による装置は、非接触測定、すなわちコンポーネントの機械的摩滅、従って磨耗がないという利点を有している。二つの磁気抵抗センサが共通のキャリアプレート上に設けられるので、当該センサは、自身の温度変動に関する限り同じに扱われる。それ故に、前記信号の評価における温度変化は無視され得る。
【００３３】
本発明による装置は、自身が磁場の強さに依存していないという更なる利点を有している。従って、前記センサと前記磁石の装置との間の、許容条件距離（ｔｏｌｅｒａｎｃｅ−ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｅｄ ｄｉｓｔａｎｃｅ）は測定結果に影響を及ぼさない。
【図面の簡単な説明】
【図１】 薄膜構造の磁気抵抗効果を示している。
【図２】 関連した永久磁石を備える磁気抵抗センサを示している。
【図３】 関連した出力信号を示している。
【図４】 断面構造を示している。
【図５】 平面構造を示している。
【図６】 部分的な断面で、本発明による装置を示している。
【図７ａ】 前記センサの平面で、磁場ベクトルの回転を示している。
【図７ｂ】 前記センサの平面で、磁場ベクトルの回転を示している。
【図７ｃ】 前記センサの平面で、磁場ベクトルの回転を示している。
【図８】 二つの磁気抵抗センサの構造及び磁石の装置の平面図を示している。
【図９】 カム形状の磁芯を備える実施例を示している。

Claims (9)

1. 磁場内に設けられた第一及び第二のプレーナ磁気抵抗エレメントを使用して、対象物の角位置を測定するための装置であって、
   前記磁場が、シャフト上に回転可能に設けられた永久磁石と環状の強磁性体回路とによって生成され、前記永久磁石は前記環状の強磁性体回路の中心に設けられており、前記永久磁石と前記環状の強磁性体回路との間にはエアーギャップが形成されており、
   前記シャフトの前記角位置が、前記測定されるべき対象物の前記角位置に対応しており、
   前記シャフトは、前記環状の強磁性体回路の中心から外れて配置されており、
   前記第一及び第二のプレーナ磁気抵抗エレメントは、それぞれ、第一及び第二の磁気抵抗センサであり、
   前記第一及び第二の磁気抵抗センサに電流が流れ、
   前記第一及び第二の磁気抵抗センサは、それらの表面によって規定される平面が、前記環状の強磁性体回路の中心から外側に向かう面と平行になるように、それぞれ、設けられており、
   前記永久磁石における前記第一及び第二の磁気抵抗センサ側の端面と、前記環状の強磁性体回路における前記第一及び第二の磁気抵抗センサ側の端面との間に、磁路を形成するように、前記磁場は生成されており、
   前記第一及び第二の磁気抵抗センサは、共通のキャリアプレート上に設けられており、
   前記第二の磁気抵抗センサが、前記第一の磁気抵抗センサの前記平面と垂直な平面内に設けられている、
   ことを特徴とする装置。
2. 前記永久磁石が、カム形状の断面を有する、
   ことを特徴とする請求項１に記載の装置。
3. 前記エアーギャップが、非導電性物質で満たされることを特徴とする請求項１に記載の装置。
4. 前記第一及び第二の磁気抵抗センサの前記平面が、前記シャフトの回転軸と、平行に設けられることを特徴とする請求項１乃至３の何れか一項に記載の装置。
5. 前記第一及び第二の磁気抵抗センサが、共通のキャリアプレート上に前記プレートと垂直に設けられることを特徴とする請求項１乃至４の何れか一項に記載の装置。
6. 前記キャリアプレートが、前記シャフトの回転軸と垂直に設けられることを特徴とする請求項５に記載の装置。
7. 前記第一及び第二の磁気抵抗センサが、集積回路の一部を形成することを特徴とする請求項１乃至６の何れか一項に記載の装置。
8. 前記第一及び第二の磁気抵抗センサが、四つの磁気抵抗性の抵抗を各々備えるホイートストンブリッジを有することを特徴とする請求項１乃至７の何れか一項に記載の装置。
9. 評価デバイスに接続されることを特徴とする請求項１乃至８の何れか一項に記載の装置。

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