JP5101528B2 - 変化する磁化方向を有する運動磁気センサ及び同センサの製造方法 - Google Patents
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Description
磁場に基づいて位置を検出するセンサは、種々の利点を提供する。
・可動部が機械的に非接触であるため磨耗しない
・埃に対して不感
・低い製造コスト
・長い寿命
また、可能な場合には、特定の磁気センサによって悩まされる欠点を取り除くのに有利である。それら欠点は、例えば強磁性体のピース及び永久磁石の残留誘導に起因するヒステリシスに依存する(この誘導は、温度変動に依存するのに加えて、特定の場合には補償されるが、磁石の経年のため時間の経過に伴い不可逆的に減少する)。
ここで、Byは磁場の法線成分、Bzは磁場の交差成分である。
By1=By cos(θ) − Bz sin(θ)
Bx1=Bx
ここで、Bx1及びBy1は計測面における磁気誘導の成分、Bxは磁気誘導の接線成分、Byは磁気誘導の法線成分、Bzは磁気誘導の軸方向成分、そしてθはプローブの傾斜角である。
この構成は、アークタンジェントの演算前に適用されるゲインを調節することが可能になる。
従って、傾斜角θを調節することにより、振幅の違いに対して補償するためのゲインを全く適用することなく、arctan(By1/Bx1)の演算によって直接的に運動を計測することが可能になる。
VA=S・cos(2α)
VB=S・sin(2α)
ここで、αは磁場の角度、VAは第1のホイートストンブリッジの出力電圧、そしてVBは第2のホイートストンブリッジの出力電圧である。
エッジ効果を低減するために、好適な実施形態では、一旦、磁石が広げられると、軸Xに沿った磁化をエッジ上に有するように、コイル内に磁石を配置することを可能とする。そして、計測される磁場の振幅を増大するために、強磁性ヨーク上に磁石を設けられることを可能とする。
別の実施形態において、磁石の対称性を利用して、同じ位置に対して磁場の同一成分を計測する2つのプローブを使用することが可能である。これは、外部の磁場の影響を除去又は低減するために有効である。
図1は、ベクトルM(矢印付き)によって表される磁化を有する磁石(1)を示す。磁化の方向は、運動方向X及びその方向に対する法線によって定義される平面において、磁石の長さに沿って直線的に変化する。観察されるように、磁石の中の磁場内の磁力線は、非同軸であり、本発明の基本的な原理の1つを構成する。
図5は、円筒状の支持体(3)の周囲に巻かれた磁石(1)を磁化する方法を示す。支持体の支持は、磁気特性に全く影響を与えない。結果として得られたアセンブリは、実質的に均一な磁場を生成するコイル(4)内に配置される。
図7、図8及び図9は、このセンサの変更例を示す。センサは、任意に強磁性ヨーク(2)上に設けられる磁石(1)を備え、同様の磁化を有するが、少なくとも2つの磁気感応素子(11、12)を備える。センサは、法線(図7)及び/又は交差又は接線(図8)の同じ磁場成分の位相のずれ(好ましくは1周期の4分の1のずれ)の検出を可能とする。図9は、2つのプローブを使用することにより、軸X、Yに沿った磁場を計測する実施形態を示す。
図17は、異なるように磁化された複数のトラックと、同じ支持体(2)に設けられた3つ磁石(31),(32)及び(33)と、各磁石の磁場を計測するプローブ(11),(12)及び(13)とを備えるセンサの一例を示す。
図20は、(強磁性体である場合)シールドとして機能し得るヨーク(2)上に設けられて幅方向に湾曲した磁石(1)を備えるセンサの実施形態を示す。プローブ(11)は、磁場の法線成分及び接線成分を計測する。
提示されたセンサにおいて、運動に比例する磁場の角度を得ることができ、図23に示される磁化平面に対して計測面を傾斜させることが十分に可能である。従って、プローブ(81)の傾斜角θを調節することにより、振幅の違いを補償するためのゲインを適用することなく、arctan(By1/Bx1)を演算することによって直接的に運動を計測することが可能である。
外部の磁場からセンサの磁気感応部(11)を磁気的に絶縁するように、強磁性シールド(31)を追加することが可能である。シールド(31)の一例は、図24及び図25に示されている。外部の磁力線は、空気と比較してシールドの低い磁気抵抗のため、シールド(11)の強磁性材料を主に通過し、計測には影響しない。
Claims (23)
- 互いに相対移動するように設けられた、少なくとも1つの永久磁石と、少なくとも1つの磁気感応素子とを使用して、回転運動、直線運動、又は曲線運動を感知する運動磁気センサにおいて、同センサが回転センサである場合における直径方向の磁化を除いて、前記永久磁石が前記運動方向及び法線方向によって定義される面の上を運動するように、前記永久磁石は運動方向に沿って直線的に変化する磁化方向を示し、
前記永久磁石は磁場を生成する磁石であり、前記磁石の表面で計測される場合、その磁場の法線成分(Y)と、接線成分(X)及びその交差成分(Z)によって構成される少なくとも1つの成分とが、運動方向に沿って正弦的に周期的に変化し、
前記法線成分(Y)及び前記交差成分(Z)は同一位相で変動するのに対して、前記接線成分(X)は1周期の4分の1だけ位相がずれていることを特徴とする運動磁気センサ。 - 前記定義される面は平面であることを特徴とする請求項1に記載の運動磁気センサ。
- 前記磁場の法線成分(Y)と、接線成分(X)及びその交差成分(Z)によって構成される少なくとも1つの成分とが、移動ストロークにわたってN周期で周期的に変化することを特徴とする請求項2に記載の運動磁気センサ。
- 前記Nは整数であることを特徴とする請求項3に記載の運動磁気センサ。
- 前記Nは1であることを特徴とする請求項3に記載の運動磁気センサ。
- 前記運動は直線運動であることを特徴とする請求項1〜5の何れか1項に記載の運動磁気センサ。
- 前記運動は360°±5°で異なる移動ストロークを提供する回転運動であることを特徴とする請求項1〜5の何れか1項に記載の運動磁気センサ。
- 前記運動は曲線運動であることを特徴とする請求項1〜5の何れか1項に記載の運動磁気センサ。
- 前記磁石は強磁性ヨーク上に設けられることを特徴とする請求項1〜8の何れか1項に記載の運動磁気センサ。
- 前記磁石は強磁性ヨークに埋設されることを特徴とする請求項1〜8の何れか1項に記載の運動磁気センサ。
- 前記磁石は柔軟性材料からなることを特徴とする請求項1〜10の何れか1項に記載の運動磁気センサ。
- 前記磁石は非柔軟性磁石の不連続かつ変形可能なアセンブリによって構成されることを特徴とする請求項1〜10の何れか1項に記載の運動磁気センサ。
- 前記磁石は湾曲又は曲線の支持体上に設けられることを特徴とする請求項7又は8に記載の運動磁気センサ。
- 前記運動方向に対して接線方向の磁場の成分と、前記運動方向における磁場の法線成分及び交差成分の直線的な合成とを計測する少なくとも2つの磁気感応素子を備えることを特徴とする請求項1〜13の何れか1項に記載の運動磁気センサ。
- 前記少なくとも2つの磁気感応素子から得られる位相が90°ずれた2つの電気信号を用いて、アークタンジェント演算を実行する信号処理のための回路を含むことを特徴とする請求項14に記載の運動磁気センサ。
- 前記信号処理のための回路は、角度を復号するのに有用な2つの信号のゲインを調節することを可能とすることを特徴とする請求項15に記載の運動磁気センサ。
- 前記信号処理のための回路は、伝送機能として、非線形にプログラム可能であることを特徴とする請求項15に記載の運動磁気センサ。
- 磁場の計測、ゲインの調節、及びアークタンジェントの復号演算は、単一のハウジング内で統合されることを特徴とする請求項12に記載の運動磁気センサ。
- 前記運動磁気センサは複数のトラックを定義する複数の磁石を含み、各トラックは運動方向において連続的に変化する磁化方向を有することを特徴とする請求項1〜18の何れか1項に記載の運動磁気センサ。
- 前記磁化方向は、計測される移動ストロークにわたって複数の周期を示すことを特徴とする請求項1〜19の何れか1項に記載の運動磁気センサ。
- 異なる長さの少なくとも2つの磁化周期を有することを特徴とする請求項1〜20の何れか1項に記載の運動磁気センサ。
- 請求項1〜21の何れか1項に記載の運動磁気センサを製造する方法であって、前記磁石が円筒状の支持体の周囲に巻かれて均一な磁場に暴露され、その後に所望の運動に依存する形状に形成されることを特徴とする方法。
- 請求項12に記載の運動磁気センサを製造する方法であって、前記非柔軟性磁石の不連続なアセンブリが円筒状の支持体の周囲に巻かれて均一な磁場に暴露され、その後に所望の運動に依存する形状に形成されることを特徴とする方法。
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