JP5079816B2 - 好ましくは擬似正弦的に変化する磁石外形を有する磁気式位置センサ - Google Patents

Description

本発明は、少なくとも１つの永久磁石と、同じ箇所で２つの異なる成分を測定する少なくとも２つの素子、または２つの異なる箇所で磁界の同じ成分を測定する２つの磁気感応素子とを備える磁気式直線または回転位置センサの分野に関する。

本発明は、少なくとも１つの寸法が非定常的（好ましくは連続的）な関数としてまた擬似正弦的な態様（厚み、幅）で変化する永久磁石の利用を提供する。永久磁石の磁化は、その寸法の１つに沿って行なうことができる。

磁気式直線または角度位置センサには、次のいくつかの優位点がある。可動部分との機械的接触がないため磨耗せず、埃に対して鈍感であり、製造コストが低く、さらに耐用年数が長い。

大部分の非接触磁気式位置センサは、磁気回路と関連付けられる１つ又は複数の永久磁石を使用する。その磁気回路は、多かれ少なかれ複雑であり、かつ永久磁石によって生成される磁束を案内および／またはフォーカスするために用いられる強磁性体から形成されている。しかしながら、これにより、位置センサのコストおよび性能を犠牲にするものである。たとえば、このような強磁性体を用いる場合、位置センサにおいて磁気ヒステリシス現象が誘起される。これは、高価な材料を用いた場合には低減可能である。

加えて、これらのセンサは、１つ又は複数の磁石によって生成される磁束に比例した物理単位を測定している。従って、この磁束は、永久磁石の磁気特性に関して温度および時間（永久磁石の磁気特性の経年変化）によって生じる影響を受ける。したがって、このような位置センサは、温度の影響を抑制するための電子的な補償を組み込まなければならない。この補償は完全ではないため、このような原理に基づく磁気式位置センサの性能劣化が生じる。

現時点の技術では、単一の磁化方向を有する磁石の実現に関する特徴について説明していない特許文献１が知られている。それどころか、図１Ａ、２、３Ａ、および３Ｂは、磁石が、交互に並んだ磁極ＮＳおよびＳＮを備える多極型の磁石であることを示す。従って、この特許文献１では当業者に対して、磁化方向が１つしかないという解決方法を教示するわけではなく、それどころか、このような解決方法からそのことを除くものである。

加えて、図１および２は、中断された傾斜を有する磁石、したがって不連続に変化して連続的には変化していない傾斜を有する磁石を示す。そのため、本願請求項２の特徴は、特許文献１には教示されていない。なぜならば、この特許文献１では、外形が連続的に変化するタイプの磁石を当業者から放棄しているからである。

特許文献２で述べられている解決方法においても、双極磁化を有する磁石が具体化されている。加えて、この特許文献２には、使用される磁石の遷移に対して行なれる最適化について記載されている。本質的に、遷移によって磁石のＮ極とＳ極とが分離される。これらの２つの極は図７に示されており、説明中には、磁石を単一方向に磁化する解決方法を示すものはない。

加えて、特許文献２では、磁石の外形の変化に関連する特徴は開示されておらず、引用される全ての例において、磁石は一定の部分を有する。
特許文献３では、他の２つの従来の特許文献１，２以上の開示はなく、磁石の外形が連続的に変化する特徴が開示されている。そこでは、磁石が一定の外形または複数極性のいずれかを有する解決方法が提供されている。そこでは、その他の文献１，２以上の開示はなく、予想される技術的な効果を得るために本質的な請求項の特徴が開示されている。

米国特許第６４３３５３６号 米国特許用出願第２００２／０８９３２７号明細書 米国特許用出願第２００４／０１７１８７号明細書

本発明では、前述した問題の全部または一部の改善を、円筒（ｒ、Ｑ、ｚ）または直交（ｘ、ｙ、ｚ）座標系において規定される少なくとも１つの永久磁石と、少なくとも２つの磁気感応素子とを備え、磁石は前記２つの磁気感応素子に対して移動可能な角度または直線位置の磁石であって、磁石の少なくとも１つの寸法は非定常関数として変化し、磁石の磁化は単一方向に、直交座標系において規定される磁石の場合にはｘ、ｙ、またはｚに、または円筒座標系において規定される磁石の場合にはｒ、Ｑ、またはｚに向けられることを特徴とする角度または直線位置の磁石を提供することによって行なう。

好ましくは、前記寸法は、非定常的かつ連続的な法則として、非定常的かつ周期的な法則として、優位には正弦関数として変化する。
磁気感応素子は、磁界の２つの成分を実質的に同じ箇所で測定する。

位置の計算は、磁界の２つの成分の比率を計算することによって、または逆正接を計算することによって行なわれる。
永久磁石の磁化方向は、その寸法のいずれか１つに沿って、直線または角度位置を計算するために選択される磁界の成分の関数として選択することができる。

好ましくは、位置センサの直線的な変化については、磁石は、測定すべき移動範囲に近似する長さ（移動方向に従って）、実質的に正弦関数として変化する厚みを有する磁石からなる。磁石の磁化を、実質的に移動方向に垂直で、好ましくは厚みに沿った方向に行なう。磁石によって磁界が生成され、その長手方向（Ｘ）成分と横断方向（Ｚ）成分とが、磁石に近い直線部分上で測定され、その結果それぞれ、実質的に正弦関数の一部としておよび実質的に余弦関数の一部として変化する。以下の２つの式の一方を用いることで、永久磁石の直線または角度位置を導き出すことができる。

ｘ＝arctan（Ｂｘ／Ｂｚ） または θ＝arctan（Ｂｔ／Ｂｚ）
ここで、ｘ＝磁石の直線位置、θ＝磁石の角度位置、ＢｘおよびＢｔ＝磁界の接線成分、Ｂｚ＝磁界の法線成分である。

また、先行する等式の限定的な展開の第一項に対応するもっと単純な式を用いることもできる。
ｘ＝Ｂｘ／Ｂｚ または θ＝Ｂｔ／Ｂｚ
実際のところ、直線または回転位置センサの移動範囲が３００°未満である場合には、位置センサの移動範囲に沿って生じる横断方向成分Ｂｚの変化は小さく、したがって前述の式はかなり良好な近似である。

振幅比を計算した後に逆正接関数の計算をするかまたはしないことを、別個の素子によって行なうか、または直接的にＡＳＩＣ型の構成要素（たとえば、ＭＥＬＥＸＩＳ ９０３１６）を用いて、磁界の２つの成分の測定と、磁界の２つの成分の比率の逆正接の計算または単純に磁界の２つの成分の比率の計算とを統合することによって行なう。

より一般的には、出力信号の線形性を調整するために、磁束密度の２つの成分の比率に倍率を施すことを、同じ比率の逆正接を計算する前に行なうこともできる。したがって、位置の計算を可能にする関数は次のように与えられる。

ｘ＝arctan（α・Ｂｘ／Ｂｚ） または θ＝arctan（α・Ｂｔ／Ｂｚ）
この位置センサの実用的な実施形態は、直線位置センサの場合には固定磁石の前で軸Ｘに沿って移動するプローブを用いて、または可動磁石および固定プローブを用いて形成することができる。第１の解決方法は、たとえば必要とする空間が小さく、第２の解決方法は、固定接続部のおかげで簡単な組み立てが可能である。

本発明では、既存の解決方法に対して次のいくつかの優位点を提供する。直線または角度位置を振幅比を用いて計算するため、温度および時間経過における磁石の磁気特性の変動を除外することができる。直線および回転位置センサに対しては、測定すべき有効な移動範囲に近い長さを有する磁石を用いる。磁石の磁化を単一方向に行なう。

本発明の優位性は第１に、得られる移動範囲が主に磁石の寸法に依存し、測定が磁石の残留磁束密度に依存せず、したがってその漸進的変化に温度の関数として依存することがないため、このような温度の変動を補償することが回避されることである。

構造が有する経済的優位性は、単一方向に（直線位置センサの場合には、厚み、幅、または長さに沿って、回転位置センサの場合には、厚みに従って、径方向に、または接線方向に）磁化された永久磁石と、磁界の２つの成分の測定を好ましくは同じ箇所で行なうことができるプローブとを用いることによって、位置センサが最小になっているという事実に起因するものである。測定信号の処理が、磁界の２つの成分の角度の計算（逆正接の計算）または単純な比率の計算に対応するため、普通は角度または直線位置センサ（たとえば、メレキシス社製のＭＬＸ９０３１６）に対して用いられるプローブを、これらの位置センサにおいて用いられるすべての非線形性補正（もしあれば）とともに使用することができる。

磁気感応素子の平面内の磁束密度角度を測定することが可能な磁気抵抗に基づくプローブを使用することもできる。このようなプローブは、成分の比率の計算および／または逆正接の計算を直接統合するわけではない。したがってこの計算は、内部構成要素を通して行なわなければならない。

製造上の理由から、磁石を強磁性体ヨーク上に取り付けることができ、この結果、磁石の機械的抵抗を補強することができる。磁化に関しては、強磁性体ヨークを用いることによる磁界の成分の変更は、磁石を磁化する方向に依存する。成分の振幅は、磁石を磁化する方向によって、増やすこともできるし減らすこともできる。

磁石の形状は、永久磁石を製造するために使用される実施形態の方法に適合するものである。たとえば、フェライト、ネオジム鉄ボロン（ＮｂＦｅＢ）、またはサマリウムコバルト（ＳｍＣｏ）ベースの磁石を、種々の製造方法（たとえば注入、プレッシング、または焼結）とともに用いることができる。

別の実施形態においては、磁界の同じ成分を同じ位置に対して測定する２つの磁気感応プローブを、磁石の対称性を用いて使用することができる。これは、外部磁界の影響を打ち消すかまたは低減することに対して有用である。

より一般的には、永久磁石の少なくとも１つの寸法を、直線的な変化を強制的に起こすことをしないあらかじめ定義された関数に位置センサの出力信号を適応させるための任意の関数として、変化させることができる。

本発明による直線位置センサ用の、擬似正弦的に変化する厚みを有し実質的に幅に沿って磁化された直線状磁石を示す図である。 磁石の同じ側面に位置する箇所ｘ、ｙ、またはｚにおける磁束密度の成分ｘおよびｚを、図１に示す磁石の位置ｘの関数として示す図である。 本発明による直線位置センサ用の、平面を伴う擬似正弦的に変化する厚みを有し実質的に幅に沿って磁化された直線状磁石を示す図である。 本発明による直線位置センサ用の、擬似正弦的に変化する厚みを有し実質的に厚みに沿って磁化された直線状磁石を示す。 磁石の上方に位置する箇所ｘ、ｙ、およびｚにおける磁束密度の成分ｘおよびｚを、図４に示す磁石の位置ｘの関数として示す図である。 本発明による直線位置センサ用の、擬似正弦的に変化する厚みを有しその長さに沿って実質的に磁化された直線状磁石を示す図である。 磁石の上方に位置する箇所ｘ、ｙ、およびｚにおける磁束密度の成分ｘおよびｚを、図６に示す磁石の位置ｘの関数として示す図である。 実質的に正弦関数として変化する厚みを有し強磁性体ヨーク上に取り付けられた直線状磁石を示す図である。 本発明による直線位置センサ用の、擬似正弦的に変化する厚みを有し実質的に幅に従って反対方向に磁化された２つの直線状磁石を示す図である。 本発明による回転センサ用の、擬似正弦的に変化する厚みを有し実質的に径方向に磁化された曲線状磁石を示す図である。 本発明による回転センサ用の、擬似正弦的に変化する厚みを有し実質的に厚みに沿って磁化された曲線状磁石を示す図である。 本発明による回転センサ用の、擬似正弦的に変化する厚みを有し厚みに従って磁化された曲線状磁石を示す図である。 実質的に正弦関数として変化する厚みを有しその厚みに沿って磁化された円盤磁石を示す図である。 図１３の磁石付近における磁束密度の３つの成分を示す図である。 実質的に正弦関数として変化する厚みを有し実質的に軸方向に磁化され、磁束密度の同じ成分を測定する３つの磁気感応素子を有する円盤磁石を示す図である。 実質的に正弦関数として変化する厚みを有し、実質的に軸方向に磁化され、単一の箇所において磁界の２つの成分を測定することが可能な構成要素を有する２つの円盤磁石を示す図である。 図１６の磁石付近で測定した磁束密度の３つの成分を示す図である。 実質的に正弦関数として変化する厚みを有し実質的に接線方向に磁化された円盤磁石を示す図である。 図１８の磁石付近で測定した磁束密度の３つの成分を示す図である。 実質的に正弦関数として変化する厚みを有し実質的に接線方向に磁化され、単一の箇所において磁界の２つの成分を測定することが可能な構成要素を有する２つの円盤磁石を示す図である。 図２０の磁石付近で測定した磁束密度の３つの成分を示す図である。 実質的に正弦関数として変化する厚みを有し実質的に径方向に磁化された円盤磁石を示す図である。 図２２の磁石付近で測定した磁束密度の３つの成分を示す図である。 実質的に正弦関数として変化する厚みを有し実質的に径方向に磁化され、磁束密度の同じ成分を測定する３つの磁気感応素子を有する円盤磁石を示す図である。 実質的に正弦関数として変化する厚みを有し実質的に径方向に磁化され、単一の箇所において磁界の２つの成分を測定することが可能な構成要素を有する２つの円盤磁石を示す図である。 図２５の磁石付近で測定した磁束密度の３つの成分を示す図である。 実質的に正弦関数として変化する径方向の幅を有し実質的に接線方向に磁化された円盤磁石を示す図である。 実質的に正弦関数として変化する径方向の幅を有し実質的に軸方向に磁化された円盤磁石を示す図である。 実質的に正弦関数に従って変化する径方向の幅を有し実質的に径方向に磁化された円盤磁石を示す図である。 外部磁界外装デバイスを有する本発明による位置センサを示す図である。

本発明は、詳細な説明および添付の図面を参照することによってより良く理解されるであろう。
図１に示す磁石１は、実質的に磁石の幅に沿う方向に磁化され、厚みが実質的に正弦関数として変化するものである。磁石付近での磁界の測定を、１つまたは複数の磁気感応素子２および３によって行なう。図２に見られるように、直線部分上の２つの磁気感応素子２および３によって測定される磁束密度成分ｘおよびｚは、ｙに沿って磁石の中心に対してずれ、それぞれ実質的に正弦関数および余弦関数に従い、Ｂｘ／Ｂｚの逆正接またはＢｘ／Ｂｚの計算が４によって行なわれて、線形信号が与えられ、プローブに対する磁石の位置に比例する情報が提供される。

図３に示す磁石１は、実質的に磁石の幅に沿って向けられた方向に磁化され、厚みが平面に対して実質的に正弦関数として変化するものである。
図４に示す磁石１は、実質的に磁石の厚みに沿う方向に磁化され、厚みが擬似正弦的に変化するものである。磁石付近での磁界の測定を、２つの磁気感応素子２および３によって行なう。図５に見られるように、磁石上方の直線部分上の磁束密度ｘおよびｚの成分はそれぞれ実質的に正弦関数および余弦関数に従い、Ｂｘ／Ｂｚの逆正接またはＢｘ／Ｂｚの計算が４によって行なわれて、線形信号が与えられ、プローブに対する磁石の位置に関する情報が与えられる。

図６に示す磁石１は、実質的に磁石の長さに沿う方向に磁化を有し、厚みが実質的に正弦的に変化するものである。磁石付近での磁界の測定を、磁気感応素子２および３によって行なう。図７に見られるように、磁石付近の直線部分上での磁束密度ｘおよびｙの成分はそれぞれ実質的に正弦関数および余弦関数に従い、Ｂｘ／Ｂｚの逆正接またはＢｘ／Ｂｙの計算が４によって行なわれて、線形信号と、プローブに対する磁石の位置に関する情報とが与えられる。

図８に示す直線状磁石１は、厚みが実質的に正弦関数として変化するとともに、強磁性体ヨーク５上に取り付けられて、位置センサの機械的特性を向上させることができるようになっているものである。磁石をこの強磁性体ヨーク内に埋め込むこともできる。磁界の成分に誘起される変更は、成分に依存し磁石の磁化方向に依存する。磁界の成分の振幅は、磁化方向の関数として増やすこともできるし減らすこともできる。

図９に示す直線センサは、幅に沿って反対方向に磁化された２つの磁石１および７を有するものである。このような配置によって、位置センサの寿命の間に起こる測定箇所のずれによって誘起される影響を考慮に入れないようにすることができる。実際のところ、測定箇所は両方の磁石の間に位置する。図１の構造の場合、測定箇所の位置が時間とともに方向ｙにおいて変化するとき、線形性のわずかな誤差が生じ、対称的な構造によってこの影響を回避することができる。同様の構成を方向ｘおよびｚの磁化に対して見出すことができる。

図１０に示す曲線状磁石１は、角度長が３６０°未満であり、実質的に径方向に磁化され、厚みが実質的に正弦関数として変化するものである。磁石付近での磁界の測定を、磁気感応素子２によって行なう。磁石付近の円の円弧上での磁束密度の接線方向Ｂｔ成分および軸方向Ｂｚ成分は、実質的に正弦関数および余弦関数としてそれぞれ変化する。Ｂｔ／Ｂｚ比率の逆正接を計算することまたは単純にＢｔ／Ｂｚ比率を計算することによって、磁石の角度位置を導き出すことができる。

図１１に示す曲線状磁石１は、角度長が３６０°未満であり、実質的にその厚みに沿って磁化され、厚みが実質的に正弦関数として変化するものである。磁石付近での磁界の測定を、磁気感応素子２によって行なう。磁石付近の円の円弧上での磁束密度の接線方向Ｂｔ成分および軸方向Ｂｚ成分は、実質的に正弦関数および余弦関数としてそれぞれ変化する。Ｂｔ／Ｂｚ比率の逆正接または単純にＢｔ／Ｂｚ比率を計算することによって、磁石の角度位置を導き出すことができる。

図１２に示す曲線状磁石は、角度長が３６０°未満であり、実質的に接線方向に磁化され、厚みが実質的に正弦関数として変化し、磁石周囲の円の円弧上での磁束密度の接線方向Ｂｔ成分および軸方向Ｂｚ成分は、実質的に正弦関数および余弦関数に沿ってそれぞれ変化するものである。Ｂｔ／Ｂｚ比率の逆正接または単純にＢｔ／Ｂｚ比率を計算することによって、磁石の角度位置を導き出すことができる。

図１３に示す円盤磁石１は、厚みが実質的に正弦関数として変化し、実質的に軸方向に磁化されているものである。
図１４に、図１３の磁石付近での磁束密度の３つの成分を示す。軸方向Ｂｚ成分および径方向Ｂｒ成分は同相であるが、接線方向Ｂｔ成分は他の２つの成分に対して９０°だけ逆位相である。磁界の２つの成分の測定を、ＡＳＩＣ型の磁気感応素子２によって行なう。Ｂｔ／Ｂｚ比率の逆正接またはＢｔ／Ｂｒ比率の計算をしてもうまくいかない。なぜならば、軸方向成分および径方向成分上にオフセットが存在するからである。このオフセットは補償しなければならない。比率の両成分の振幅の差も、補償しなければならない。そのため角度位置を導き出すために、ゲインＢｔ／（Ｂｚ−オフセットＢｚ）比率の逆正接を計算する必要がある。

図１５に示すのは、図１３のそれと同じ構成であるが、磁石の角度位置の計算を、磁石付近の半径Ｒの円上で１２０°ずれた３つのプローブ２、３、および４の位置決めを行なうことによって、および磁界Ｂ１、Ｂ２、およびＢ３の同じ成分を測定することによって行なうものである。磁界の成分は実質的に正弦関数として変化するため、磁石の角度位置を以下の式を用いて計算することができる。

３つの磁気感応素子間の角度距離は、前述の例では１２０°に等しくなるように選択されているが、他の値を用いて他の等式をもたらすこともできる。こうして、以下の系を解決するのに十分である。

Ｂ１＝振幅＊Ｃｏｓ（角度）＋オフセット
Ｂ２＝振幅＊Ｃｏｓ（角度＋θ_１）＋オフセット
Ｂ３＝振幅＊Ｃｏｓ（角度＋θ_２）＋オフセット
図１６に示す２つの円盤磁石１および６は、厚みが実質的に正弦関数として変化し、実質的に軸方向に同じ方向に磁化されているものである。両方の磁石は同軸で、特定の距離だけ軸方向にずれている。また両方の磁石は、実質的に１８０°に等しい角度だけ角度的にずれている。

図１７に、２つの磁石間の磁束密度の３つの成分を示す。２つの磁石の間で磁束密度の２つの成分を測定することを、同じハウジング２に組み込むことも組み込まないこともできる２つの磁気感応素子によって行なう。２つの磁石をこのように積層することによって、磁束密度の径方向成分上でのオフセットの問題を免れることができる。接線方向Ｂｔ成分および径方向Ｂｒ成分は正弦的であり、４分の１周期だけずれている。したがって、振幅補償を施した後でＢｔ／Ｂｒ比率の逆正接を計算することによって、磁石の角度位置を導き出すことができる。測定の位置を適切に選択することによって、２つの成分の振幅を同じにすることができ、したがって２つの成分間のゲイン補償を免れることができる。

図１８に示す円盤磁石１は、厚みが実質的に正弦関数として変化し、実質的に接線方向に磁化されているものである。磁石付近で両方の磁界の成分を測定することを、２つの磁気感応素子によって行なう。２つの磁気感応素子は、同じハウジング２内に一体化されているかまたはされておらず、両方の成分を同じ箇所で測定することができる。磁気感応素子は、振幅の比率の計算と逆正接の計算とを統合することができる。

図１９に、図１８の磁石付近で測定した磁束密度の３つの成分を示す。軸方向Ｂｚ成分および径方向Ｂｒ成分は同相であるが、接線成分Ｂｔは他の２つの成分に対して９０°だけ逆位相である。振幅補償を施した後でＢｔ／Ｂｚ比率の逆正接またはＢｔ／Ｂｒ比率の計算を行なうことによって、磁石の角度位置を導き出すことができる。

図２０に示す２つの円盤磁石１および６は、厚みが実質的に正弦関数として変化し、実質的に接線方向に反対方向に磁化されているものである。両方の磁石は同軸であり、特定の距離だけ軸方向にずれている。また両方の磁石は、実質的に１８０°に等しい角度だけ角度的にずれている。２つの磁石の間で両方の磁界の成分を測定することを、同じハウジング内に一体化されているかまたはされていない２つの磁気感応素子２によって行なう。両方の磁石をこのように積層することによって、磁束密度の径方向成分上でのオフセット問題を免れることができる。

図２１に、図２０の２つの磁石の間の磁束密度の３つの成分を示す。接線方向Ｂｔ成分および径方向Ｂｒ成分は正弦的であり、４分の１周期だけ逆位相である。したがって、振幅補償を施した後でＢｔ／Ｂｒ比率の逆正接を計算することによって、磁石の角度位置を導き出すことができる。実際のところ、磁束密度の成分の振幅は異なっており、したがって、正弦的だが９０°だけ逆位相に変化する磁束密度の２つの成分を用いた角度のデコーディングがうまくいくためには、２つの信号に対して同一の振幅を有する必要がある。測定位置を適切に選択することによって、両方の成分の振幅を同じにすることができ、したがって２つの成分間のゲイン補償を免れることができる。

図２２に示す円盤磁石１は、厚みが実質的に正弦関数として変化し、径方向に磁化されているものである。磁束密度の両方の成分を磁石付近の同じ箇所で測定することを、同じハウジング２内に一体化された２つの磁気感応素子によって行なう。

図２３に、同じ箇所で測定した磁束密度の３つの成分を示す。軸方向Ｂｚ成分および径方向Ｂｒ成分は同相であるが、接線方向Ｂｔ成分は、他の２つの成分に対して９０°だけ逆位相である。３つの成分の振幅は異なっており、角度をデコードすることが可能であるべきものであり、逆正接を計算する前に２つの成分間に倍率ゲインを施すことによって振幅を規格化する必要がある。Ｂｔ／Ｂｚ比率の逆正接またはＢｔ／Ｂｒ比率の計算はうまくいかない。なぜならば、軸方向成分および径方向成分上にオフセットが存在するからである。角度位置を導き出すことができるためには、ゲインＢｔ／（Ｂｚ−オフセットＢｚ）比率の逆正接を計算する必要がある。

図２４に示すのは、図２２の構成と同等の構成であるが、磁束密度の測定を、磁石付近の半径Ｒの円上で１２０°だけずれた３つのプローブ２、３、および５の位置決めを行なうことによって、および磁界Ｂ１、Ｂ２、およびＢ３に対して同じ成分を測定し、以下の式を用いて磁石の角度位置を計算することによって行なうものである。

図２５に示す２つの異なる磁石１および６は、厚みが実質的に正弦関数として変化し、実質的に径方向に反対方向に磁化されているものである。両方の磁石は同軸であり、特定の距離だけ軸方向にずれている。またこれらの２つの磁石は、実質的に１８０°に等しい角度だけ角度的にずれている。２つの磁石の間で磁界磁束密度の両方の成分を測定することを、同じハウジング２内に一体化されているかまたはされていない２つの磁気感応素子によって行なう。両方の磁石をこのように積層することによって、磁束密度の径方向成分上でのオフセットの問題を免れることができる。

図２６に、２つの磁石の間で同じ箇所で測定した磁束密度の３つの成分を示す。接線方向Ｂｔ成分および径方向Ｂｒ成分は正弦的であり、４分の１周期だけ逆位相である。したがって、振幅補償を施した後でＢｔ／Ｂｒ比率の逆正接を計算することによって、磁石の角度位置を導き出すことができる。測定の位置を適切に選択することによって、振幅が同じ２つの成分を有することができ、したがって２つの成分間のゲイン補償を免れることができる。

図２７に示す円盤磁石は、径方向の厚みが実質的に正弦関数として変化し、実質的に接線方向に磁化されているものである。このような構成では、磁界成分のうちの２つが正弦関数および余弦関数として変化する測定箇所を見出すことができる。これら２つの成分の比率の逆正接の計算をゲイン補償を伴ってまたは伴わずに行なうことによって、磁石の角度位置を導き出すことができる。好ましくは、このような構成では、磁束密度の接線方向成分および径方向成分を、磁石の対称面図上の測定箇所とともに用いるが、他の構成も可能である。

図２８に示す円盤磁石は、径方向の厚みが実質的に正弦関数として変化し、実質的に軸方向に磁化されているものである。この構成の場合、磁石付近で磁界の接線成分を測定するとともに、径方向成分もしくは軸方向成分またはこれら２つの成分の組み合わせを測定することによって、もしあればオフセットを差し引いた後で２つの成分の比率の逆正接を計算することで、磁石の角度位置を得ることができる。

図２９に示す円盤磁石は、径方向の厚みが実質的に正弦関数として変化し、実質的に径方向に磁化されているものである。この構成の場合、磁石付近で磁界の接線成分を測定するとともに、径方向成分もしくは軸方向成分またはこれら２つの成分の組み合わせを測定することによって、もしあればオフセットを差し引いた後で２つの成分の比率の逆正接を計算することで、磁石の角度位置を得ることができる。

図３０に示すのは、本発明による直線位置センサであり、厚みが実質的に正弦関数として変化する磁石１と、磁気感応素子の測定面内にある外部磁界外装システム８とを有するものである。この外装は強磁性体から形成されていて、位置センサの付近に位置する磁界源の影響を減らすかまたは打ち消すことができる。

Claims (14)

1. 円筒（ｒ、Ｑ、ｚ）または直交（ｘ、ｙ、ｚ）座標系において規定される少なくとも１つの永久磁石（１）と、少なくとも２つの磁気感応素子（２、３）とを備え、前記少なくとも１つの永久磁石（１）は前記少なくとも２つの磁気感応素子（２、３）に対して移動可能であり、前記少なくとも１つの永久磁石（１）の角度位置または直線位置を検出する磁気式位置センサであって、
   前記少なくとも１つの永久磁石（１）が直交座標系において規定される場合、前記少なくとも１つの永久磁石（１）は移動方向であるｘ方向に沿って延び、ｙ方向は前記少なくとも１つの永久磁石（１）と前記少なくとも２つの磁気感応素子（２、３）とが互いに対向する方向であり、ｚ方向は前記ｘ方向及び前記ｙ方向と直交する方向であり、
   前記少なくとも１つの永久磁石（１）が円筒座標系において規定される場合、前記少なくとも１つの永久磁石（１）は回転軸線の周りで回転可能であり、ｚ方向は回転軸線に沿った軸方向であり、ｒ方向は前記少なくとも１つの永久磁石（１）の回転軸線に対する径方向であり、Ｑ方向は前記少なくとも１つの永久磁石（１）の回転方向であり、前記少なくとも２つの磁気感応素子（２、３）は径方向において前記少なくとも１つの永久磁石（１）と対向するように配置され、
   前記少なくとも１つの永久磁石（１）は、非定常関数としてｘ方向、ｙ方向およびｚ方向の少なくとも一つの方向、或いはｒ方向、Ｑ方向およびｚ方向の少なくとも一つの方向において変化する寸法を有し、前記少なくとも１つの永久磁石（１）は、直交座標系において規定される磁石の場合にはｘ方向、ｙ方向、またはｚ方向に、あるいは円筒座標系において規定される磁石の場合にはｒ方向、Ｑ方向、またはｚ方向において単一方向に磁化されており、
   前記寸法は、連続的な法則に従う実質的に正弦関数として変化し、
   位置の計算が、磁界の２つの成分の比率の計算または該比率の逆正接の計算によって行なわれることを特徴とする磁気式位置センサ。
2. 前記磁気感応素子が、磁界の２つの成分を同じ箇所で測定することを特徴とする請求項１に記載の磁気式位置センサ。
3. 位置の計算が、考慮する磁界の２つの成分の比率に乗算係数を施した後で磁界の２つの成分の比率の逆正接を計算することによって行なわれることを特徴とする請求項１又は２に記載の磁気式位置センサ。
4. 磁界における２つの成分の比率の計算およびこの比率の逆正接の計算の少なくとも何れか一つが、専用の電子部品によって行なわれることを特徴とする請求項１〜３の何れか一項に記載の磁気式位置センサ。
5. 磁界の２つの成分の比率の計算素子およびこの比率の逆正接の計算の少なくとも何れか一つが、単一構成要素内の磁気感応素子によって統合されていることを特徴とする請求項１〜４の何れか一項に記載の磁気式位置センサ。
6. 前記少なくとも１つの永久磁石は前記ｙ方向に沿う幅又は前記ｒ方向に沿う幅を有し、前記少なくとも１つの永久磁石はその幅の方向に沿って磁化されていることを特徴とする請求項１〜５の何れか一項に記載の磁気式位置センサ。
7. 前記少なくとも１つの永久磁石は前記ｚ方向に沿う厚みを有し、前記少なくとも１つの永久磁石はその厚みの方向に沿って磁化されていることを特徴とする請求項１〜５の何れか一項に記載の磁気式位置センサ。
8. 前記少なくとも１つの永久磁石は前記ｘ方向に沿う長さ又は前記Ｑ方向に沿う長さを有し、前記少なくとも１つの永久磁石はその長さの方向に沿って磁化されていることを特徴とする請求項１〜５の何れか一項に記載の磁気式位置センサ。
9. 前記少なくとも１つの永久磁石が、強磁性体ヨークに取り付けられるか、または埋め込まれているか、或いは強磁性体ヨークに取り付けかつ埋め込まれていることを特徴とする請求項１〜８の何れか一項に記載の磁気式位置センサ。
10. 前記磁気式位置センサが３６０°未満の移動範囲に対する角度位置を検出する角度位置センサであり、前記少なくとも１つの永久磁石は前記軸方向に沿う厚みを有し、接線方向は前記少なくとも１つの永久磁石の回転方向に対する接線の方向として規定され、前記少なくとも１つの永久磁石がその厚みの方向に沿って磁化され、位置の計算が、接線方向Ｂｔ成分および径方向Ｂｒ成分または軸方向Ｂｚ成分を同じ箇所で測定することによって、かつ逆正接（ゲインＢｔ／Ｂｒ−オフセット）または逆正接（ゲインＢｔ／Ｂｚ−オフセット）を計算することによって得られることを特徴とする請求項１〜９の何れか一項に記載の磁気式位置センサ。
11. 前記磁気式位置センサが３６０°未満の移動範囲に対する角度位置を検出する角度位置センサであり、前記少なくとも１つの永久磁石は前記軸方向に沿う厚みを有し、接線方向は前記少なくとも１つの永久磁石の回転方向に対する接線の方向として規定され、前記少なくとも１つの永久磁石が厚みの方向または径方向にもしくは回転方向に磁化され、かつ位置の計算が、θ_１およびθ_２だけオフセットされた３つの箇所で同じ接線方向Ｂｔ成分、または径方向Ｂｒ成分、あるいは軸方向Ｂｚ成分を測定することによって、かつ以下の等式系
    Ｂ１＝振幅＊Ｃｏｓ（角度）＋オフセット
    Ｂ２＝振幅＊Ｃｏｓ（角度＋θ_１）＋オフセット
    Ｂ３＝振幅＊Ｃｏｓ（角度＋θ_２）＋オフセット
    の解によって得られる角度位置を計算することによって得られることを特徴とする請求項１〜１０の何れか一項に記載の磁気式位置センサ。
12. 前記磁気式位置センサが３６０°未満の移動範囲に対する角度位置を検出する角度位置センサであり、前記少なくとも１つの永久磁石は前記軸方向に沿う厚みを有し、前記少なくとも１つの永久磁石は２つであり、前記２つの磁気感応素子が、前記軸方向に積層されて厚みが実質的に正弦関数として変化する前記２つの永久磁石の中間に位置する同じ箇所において磁束密度の２つの成分を測定することを特徴とする請求項１に記載の磁気式位置センサ。
13. 前記磁気式位置センサが３６０°の移動範囲に対する角度位置を検出する角度位置センサであり、前記２つの永久磁石が互いに角度的にずれていることを特徴とする請求項１２の何れか一項に記載の磁気式位置センサ。
14. システムが外部磁界外装デバイスを組み込むことを特徴とする請求項１〜１３の何れか一項に記載の磁気式位置センサ。

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