JP4436982B2 - 回転角の無接触検出用測定装置 - Google Patents

Description

【０００１】
従来技術
本発明は請求項１の上位概念記載の回転角の無接触検出用測定装置に関する。
【０００２】
ドイツ連邦共和国特許出願公開第１９６３４３８１．３号明細書から、相互に３つの平面をなすように配置されたセンサが公知である。ロータは中央の平面を形成しており、永久磁石に対する支持体プレートから成る。支持体プレート自体は非導磁性材料から成っている。このため磁束は他の２つの平面すなわちステータの上方に延在し、磁束はステータの２つの平面の間に設けられている２つの間隔部により制御される。ロータに固定された軸のシャフトおよびその延長部は磁束に対する影響を有さない。このセンサによれば確かに比較的大きな角度領域を符号反転なしに測定できるが、軸線方向から見て平行な３つの平面から成るために構造が比較的大きくなる。
【０００３】
本発明の利点
本発明の請求項１の特徴部分の構成を有する回転角の無接触検出用測定装置は、従来技術に比べて、センサが軸線方向で見て比較的小さな寸法であるという利点を有する。センサは２つの平面をなす構造を取っている。ロータとなる永久磁石の支持体プレートが同時に磁束を案内するためにも用いられる。さらにロータの取り付けられているシャフトないし軸は磁束案内部材内へ通っており、これにより付加的な磁束案内部材を省略できる。なおこうした構造により部材数ひいてはこれに結びつく取り付けコストが低減される。
【０００４】
このセンサは簡単な構造かつ僅かな取り付けコストで、種々のシステム、例えばスロットル開度測定装置やアクセルペダル値センサ用のペダルモジュールなどに組み込むことができる。また独立したセンサとしてスロットルバルブセンサまたはボディサスペンション装置などにも使用可能である。
【０００５】
従属請求項に記載されている手段により、請求項１に記載されている測定装置の有利な実施形態および改善形態が得られる。
【０００６】
図面
本発明の実施例を図示し、以下に詳細に説明する。図１〜図４には第１の実施例の種々の側面図ないし平面図が示されている。ここで図１は図３の観察方向Ｘから見た長手方向側面図であり、図２は図４の線Ｂ−Ｂで切断した断面図であり、図３は図１の観察方向Ｙから見た平面図であり、図４は図３の方向Ａ−Ａから見た長手方向側面図である。図５、図６は回転角０゜および誘導値Ｂ＝０での磁束が示されており、図７、図８には最大回転角および最大誘導値Ｂ＝ｍａｘでの磁束が示されている。図９には回転角αに関する誘導値Ｂの特性が示されている。センサをスロットルバルブセンサまたはペダル値センサに組み込む別の実施例は長手方向側面図として図１０、図１１に示されている。別の実施例は図１２、図１４の平面図と図１３、図１５の長手方向側面図に示されている。図１６〜図２７には構造上の構成のオフセットが行われる実施例が示されている。このうち図２１〜図２６には同じギャップ幅による構成と磁束の状態とが示されている。
【０００７】
実施例の説明
図１〜図４には番号１０で軸１１を介して図示されていないモジュールの回転角を検出するために接続されたセンサが示されている。軸１１の端面には延長部１２が設けられており、その肩部１３の中央に支持体プレート１４が取り付けられている。この支持体プレートは同時にロータとして用いられる。軸１１、延長部１２、および支持体プレート１４は個別モジュールとして製造してもよいし、一体のモジュールとして製造してもよい。支持体プレート１４では中心点すなわち軸１１の付け根部分からできるだけ大きな半径方向距離を置いてリング状の永久磁石１５が配置されている。この場合前述の距離が大きくなるにつれて測定信号の分解能も良好となる。永久磁石１５は円形部分（円形セグメント）または円形リング部分として構成することができる。その角度領域は少なくとも監視すべきモジュールないし測定すべきモジュールで求められる最大回転角に相応する大きさである。図２、図３からわかるように、永久磁石１５の角度領域はこの実施例では１８０゜であり、したがって測定すべき回転角は１８０゜に達している。永久磁石１５はさらに軸方向、すなわち支持体プレート１４に対して垂直な方向で極性づけられている。支持体プレート１４は導磁性材料、特に軟磁性材料から成る。本発明によれば、軸１１および延長部１２、または少なくとも延長部１２が導磁性材料、特に軟磁性材料から形成される。
【０００８】
永久磁石１５の上方の第２の平面には支持体プレート１４に対して平行に僅かな距離を置いてステータが配置されている。このステータは２つのセグメント１６、１７から成る。セグメント１６はここでは湾曲部１９の個所で延長部１２を包囲している。この実施例では湾曲部１９は円形湾曲部として構成されている。ただし他の輪郭も可能である。ここで重要なのは延長部１２とセグメント１６との間で導磁性の接続が可能となる点である。軸１１と湾曲部１９との間のギャップ２０はできる限り小さく構成しなければならない。２つのセグメント１６、１７の間には連続したギャップが設けられており、このギャップは図１〜図４の実施例では同様に構成された外側の２つの部分２１と、湾曲部１９の領域に位置する中央のギャップスペーサ部２２とを有する。ギャップスペーサ部２２ではセグメント１６、１７の間（すなわちこの実施例では湾曲部１９の領域）に永久磁石１５によって形成された磁力線の磁束ができるかぎり存在しないようにすることが重要である。したがってギャップスペーサ部２２は空気または他の非導磁性材料で充填される。ギャップスペーサ部２２が空気で充填されている場合、このギャップスペーサ部をギャップ部２１に比べて大きく構成し、上述の効果を達成しなければならない。空気の代わりに他の非導磁性材料を選択することもできる。ギャップ部２１ではほぼ中央に磁界感応性素子２５、例えばフィールドプレート、磁気トランジスタ、コイル、磁気抵抗性素子、またはホール素子などが配置されている。ここで重要なのは磁界感応性モジュールの出力信号と磁気誘導値Ｂとができる限り線形の依存性を有することである。図１〜図４にはそれぞれ唯一の磁界感応性素子２５、すなわちホール素子を用いた測定部が示されている。この実施例では素子２５はできる限りギャップ部２１の中央に配置しなければならない。これに対して素子２５をそれぞれ１つずつ２つのギャップ部２１内に配置して、例えばいわゆる冗長測定（安全測定）を行うこともできる。また１つのギャップ部に２つの素子を配置することもできる。図３に示されているように、一方のギャップ部２１にだけ唯一の磁界感応性素子２５を配置する場合には、対向するギャップ部２１もギャップスペーサ部２２の大きさを有し、このためにギャップスペーサ部２２に属する非導磁性の機能を備えることができる。もちろん測定ギャップとして用いられるギャップ部２１を図３に示されているような対称形ではなく、非対称または傾角を付けて配置することもできる。この場合に重要なのはギャップ部２１がギャップスペーサ部２２に比べて小さく構成されている点であり、これにより磁界感応性素子２５を通る磁力線で障害のない磁束が得られる。
【０００９】
図９には素子２５、例えばホール素子における磁気誘導値Ｂの特性曲線の経過が軸１１の回転角αに関して示されている。回転角αが０゜のときは誘導値Ｂも同様に０であり、回転角αが最大のときには最大の誘導値Ｂが達成される。この実施例では最大の回転角は１８０゜に達する。回転角が０゜のときのセンサ１０の位置が図５、図６に示されている。永久磁石１５の磁束がステータに対するロータの運動に用いられる小さなギャップを越えてセグメント１６へ案内され、そこから小さな支承部の空隙を越えて延長部１２へ達し、さらにそこから支持体プレート１４を介して永久磁石１５へ戻っている様子がわかる。特に図６から見てとれるように、磁束は回転角が０゜のときに素子２５を通って延在するように調整されるので、この場合素子２５には磁気誘導Ｂが発生しない。軸１１および支持体プレート１４が永久磁石１５とともに回転すると、素子２５を通って延在する磁束は増大し、図９に示されている線形の測定線が得られる。最大回転角αでの調整の様子は図７、図８に示されている。図７は図８の観察方向Ａでの側面図である。最大回転角αの位置で永久磁石１５の全磁束が小さなギャップを越えてセグメント１７へ延在している。そこから磁束はギャップ部２１を通ってセグメント１６へ流れ、対向する側で他方のギャップ部２１を通って延長部１２の支承部の空隙へ達し、そこから支持体プレート１４を越えて永久磁石１５へ戻る。特に図８からわかる通り、ギャップ部２１を通過する際に全磁束はほぼ素子２５を通って案内され、これにより素子２５に最大の磁気誘導Ｂが生じる。図８からはさらにギャップスペーサ部２２を通ってほぼ完全な磁力線特性がギャップ部２１ひいては素子２４に作用することがわかる。ギャップスペーサ部２２を越える磁束は可能な限り存在しないようにしなければならない。
【００１０】
図１０には上述のセンサをスロットルバルブ調整ユニット３０に組み込む実施例が示されている。このユニット３０によれば機関制御のためのスロットルバルブの回転角が検出される。ここでステータのセグメント１６、１７は直接にスロットルバルブ調整ユニット３０のカバー部材３１内に配置されている。カバー部材３１はプラスティックから成るので、セグメント１６、１７はカバー部材３１とともに射出成形される。ただしステータの２つのセグメント１６、１７はカバー部材３１内で係止してもよい。もちろんその場合には永久磁石１５からセグメント１６、１７への磁束の流れを可能にするギャップ３３を設けなければならない。図１０には示されていないが、ギャップ３３には同様に１つまたは複数の素子２５が存在している。ここで軸１１はスロットルバルブのシャフト３２に固定されているか、またはこのシャフト３２の延長部となっている。ロータとして用いられる永久磁石１５を備えた支持体プレート１４はしたがって直接にスロットルバルブのシャフトに固定されている。大規模に変更しなくとも図１〜図４、図１２〜図１５のセンサをスロットルバルブ調整ユニット３０に組み込むことができる。ここで簡単に例えば従来使用されているポテンショメータを交換することができる。図１１にはペダル値センサが示されている。図１１ではステータのセグメント１６、１７がユニット３０の底部４０に配置されている。セグメント１６、１７はここでも底部４０と一体に成形されるか、またはここに係止される。シャフト３２の延長部はステータを通って突出しており、ロータとして用いられる支持体プレート１４は軸３２の端部に固定されている。このように図１０、図１１に相応して図１〜４、図１２〜１５の構成のセンサの構造上の性質はスロットルバルブ調整ユニット３０またはペダル値センサに適合可能である。
【００１１】
図１２、図１３の実施例ではセンサの支持体プレートは完全なディスク形ではない。支持体プレート１４ａは永久磁石１５の大きさに相応する角度領域を有すれば充分である。図１２には図１〜図４に関連して１８０゜の角度領域を有する永久磁石が示されている。したがってこの支持体プレート１４ａの角度領域はほぼ１８０゜である。セグメントとして構成された支持体ディスク１４ａの外輪郭は任意に構成できる。したがって例えば図１４、図１５では支持体セグメント１４ｂは歯車状セグメントとして構成されている。特に図１５からわかるように、歯車状セグメント４５は支持体ディスク１４ｂに接して射出成形されており、ここで歯車状セグメント４５は永久磁石１５もともに包囲している。非導磁性材料から製造された歯車状セグメントを用いれば、同時に支持体プレートへの駆動力を使用することができる。これにより駆動部への組み込みが可能となり、きわめてコンパクトな構造が得られる。
【００１２】
図１６〜図２７には特性曲線をオフセットポイントでずらす実施例が示されている。従来技術に相応する他の装置ではこのオフセットを電子回路装置を用いて行うが、これは煩雑でしかも高いコストがかかる。本発明の測定装置の構造は一貫して前述の実施例に相応する。図１０〜図１５に示されたバリエーションはここでは方向の変化にも適合可能である。この実施例では延長部１９が軸１２を把持し、これによりセグメント１７からセグメント１６へ向かう磁束が調整されるが、このために図１７のセグメント１６ａはギャップ部６０を有する。このギャップ部は円形に軸領域に延在し、セグメント１６ａの一部となっている。このギャップ部６０は空隙として構成してもよいし、また他の非導磁性材料で充填して構成してもよく、この点は上述のギャップ２２の場合と同様である。図１１に示されているように、セグメント１７、１６ａはセンサのカバー部材内に固定することができる。
【００１３】
２つのギャップ２２、６０の相互の比により特性曲線をずらす際のオフセット量が定められる。図２０では素子２５、例えばホール素子での磁気誘導値Ｂの特性曲線６２の経過が軸１１の回転角αに関して示されている。図１〜図７の実施例のギャップ部６０のない構成と比較するために、特性曲線６３が示されている。これは図１〜図１５の構成での回転角αに関する誘導値Ｂの経過である。図１６、図１７に示されているように回転角αが０゜であるとき、ギャップ部６０のために誘導値Ｂは負の値となり、これに対して回転角が最大であるとき誘導値も最大のＢ_ｍａｘとなる。図２０からわかるように、特性曲線６２、６３は相互に平行に延在している。２つの特性曲線はオフセット値Ｘだけ相互にずれている。２つのギャップ２２、６０の相互の比により、特性曲線６２、６３のオフセット量Ｘは所望の位置だけシフトさせることができる。ギャップ部６０がギャップ２２に対して小さくなるにつれて、特性曲線６２のオフセット調整幅は大きくなる。ギャップ部６０、２２の相互調整ないし２つのギャップ部６０、２２の比の調整により特性曲線６２がオフセットされる。
【００１４】
図２１〜図２７には本発明を説明するために、ギャップ部６０およびギャップ２２が同じ大きさ、すなわち比が１である実施例が示されている。角度α＝０の出発位置では最大の負の磁気誘導Ｂ_１が発生する。図２２からわかるように、回転角α＝０の出発位置では永久磁石１５は素子２５とオーバラップしていない。これに対して最大の回転角α_ｍａｘのときには最大の正の磁気誘導Ｂ_２が発生する。図２６から明らかであるように永久磁石はここでも素子２５とのオーバラップを有さない。装置は回転角α_ｍａｘ／２のときに誘導値Ｂが０に等しくなるように調整されている。図２３、図２４からわかるように、この位置では永久磁石は素子２５の上方中央に位置している。
【図面の簡単な説明】
【図１】 第１の実施例の側面図である。
【図２】 図４の線Ｂ−Ｂで切断した断面図である。
【図３】 図１の観察方向Ｙから見た平面図である。
【図４】 図３の方向Ａ−Ａから見た長手方向側面図である。
【図５】 回転角０゜および誘導値Ｂ＝０での磁束の状態を示す図である。
【図６】 回転角０゜および誘導値Ｂ＝０での磁束の状態を示す図である。
【図７】 最大回転角および最大誘導値Ｂ＝ｍａｘでの磁束の状態を示す図である。
【図８】 最大回転角および最大誘導値Ｂ＝ｍａｘでの磁束の状態を示す図である。
【図９】 誘導値Ｂの特性図である。
【図１０】 センサをスロットルバルブセンサまたはペダル値センサに組み込む実施例の長手方向側面図である。
【図１１】 センサをスロットルバルブセンサまたはペダル値センサに組み込む実施例の長手方向側面図である。
【図１２】 別の実施例の平面図である。
【図１３】 別の実施例の長手方向側面図である。
【図１４】 別の実施例の平面図である。
【図１５】 別の実施例の長手方向側面図である。
【図１６】 構造上のオフセットが行われる実施例を示す図である。
【図１７】 構造上のオフセットが行われる実施例を示す図である。
【図１８】 構造上のオフセットが行われる実施例を示す図である。
【図１９】 構造上のオフセットが行われる実施例を示す図である。
【図２０】 構造上のオフセットが行われる実施例を示す図である。
【図２１】 構造上のオフセットが行われる実施例を示す図である。
【図２２】 構造上のオフセットが行われる実施例を示す図である。
【図２３】 構造上のオフセットが行われる実施例を示す図である。
【図２４】 構造上のオフセットが行われる実施例を示す図である。
【図２５】 構造上のオフセットが行われる実施例を示す図である。
【図２６】 構造上のオフセットが行われる実施例を示す図である。
【図２７】 構造上のオフセットが行われる実施例を示す図である。

Claims (10)

1. ロータ（１４）上に永久磁石（１５）が配置されており、
   ステータ（１６、１７）とロータ（１４）との間に空隙が存在しており、
   ステータは少なくとも２つのセグメント（１６、１７）から成り、該２つのセグメントは少なくとも１つの非導磁性ギャップ（２１、２２、６０）によって分離されており、
   少なくとも１つのギャップ一方部（２１）に少なくとも１つの磁気感応性素子（２５）が配置されており、
   ステータの少なくとも１つのセグメント（１７）はロータ（１４）に対して導磁性の接続を有さない、
   ステータ（１６、１７）とロータ（１４）との間の回転角αの無接触検出用測定装置において、
   ロータ（１４）の軸（１１）は導磁性材料から成る少なくとも１つの領域を有しており、該領域は少なくともロータ（１４）からロータ（１４）への導磁性の接続を有するステータのセグメント（１６）へ向かっており、
   少なくとも１つのギャップ他方部（２２）がステータの２つのセグメント（１６、１７）間、すなわちステータの一方のセグメント（１７）内に設けられており、
   永久磁石（１５）の磁束が阻止されて少なくとも１つのギャップ一方部（２１）を越えて延在するように制御され、
   ステータのセグメント（１６ａ）に第２のギャップ部（６０）が設けられており、
   ギャップ他方部（２２）および第２のギャップ部（６０）はロータ（１４）の軸（１１）を少なくとも部分的に包囲している、
   ことを特徴とする回転角の無接触検出用測定装置。
2. ギャップ他方部（２２）はギャップ一方部（２１）よりも大きい、請求項１記載の測定装置。
3. ギャップ他方部および第２のギャップ部（２２、６０）がロータ（１４）の軸（１１）を包囲している、請求項１または２記載の測定装置。
4. ギャップ他方部（２２）の幅と第２のギャップ部（６０）の幅との比は、測定装置の特性曲線（６２、６３）のオフセット（ｘ）が得られるように調整される、請求項１から３までのいずれか１項記載の測定装置。
5. ロータおよびステータはディスク形に構成されている、請求項１から４までのいずれか１項記載の測定装置。
6. ロータはセグメントとして構成されている、請求項１から５までのいずれか１項記載の測定装置。
7. ２つのギャップ一方部（２１）が設けられており、該２つのギャップ部にそれぞれ少なくとも１つのホール素子（２５）が配置されている、請求項１から６までのいずれか１項記載の測定装置。
8. 軸（１１）およびロータ（１４）は一体に成形されている、請求項１から７までのいずれか１項記載の測定装置。
9. ステータ（１６、１７）として用いられる部分がセンサ（３０）のカバー部材（３１）内に組み込まれており、該カバー部材（３１）はプラスティックから成る請求項１から８までのいずれか１項記載の測定装置を備えている
   ことを特徴とするスロットルバルブセンサまたはペダル値センサ。
10. ステータ（１６、１７）として用いられる部分がセンサ（３０）の底部（４０）に組み込まれており、該底部（４０）はプラスティックから成る請求項１から８までのいずれか１項記載の測定装置を備えている
    ことを特徴とするスロットルバルブセンサまたはペダル値センサ。

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