JP5558361B2 - 外部場の影響を受け難い磁気的な角度または直線位置センサ - Google Patents
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Description
−可動部との機械的な接触が存在せず、したがって摩耗が生じない。
−汚れの影響を受けない。
−生産コストが低減される。
−耐用年数が長くなる。
最近の技術では、出願人による特許文献2が知られている。特許文献2には、直径方向に磁化された環状磁石または円盤状磁石の回転軸外のほぼ1点のみにおいて測定される2つの磁場成分(径方向および接線、または軸方向および接線)を用いて、その角度位置を、角度が磁場の角度と一致しない場合であっても知ることを可能とする、位置センサについて記載されている(図3および図4)。磁石によって発生される磁場の径方向成分および軸方向成分の両方は同相のシヌソイドであるが、接線成分は、磁場の他の両成分に対して90°の電気的な位相差を有するシヌソイドである(図4を参照)。したがって、磁石の角度を復号するために、電気的な位相が90°異なる1対の磁場成分(接線および径方向、または接線および軸方向)を用いることが可能である。そのような2つの成分から磁石の角度位置を復号するには、それらの成分の振幅が一般に異なるため、両成分を正規化することが必要であり、正規化した両成分を用いて接弧を算出し、そこから角度を導くことができる。また、最近の技術では、出願人の特許文献3も知られている。特許文献3には、上述の360°センサと同じ原理を用いた直線および回転位置センサ(360°未満の角度用)について記載されている。特許文献3では、平坦な磁石またはタイル(tuile)によって発生され、ほぼ同じ点で測定される磁場の2つの成分(法線および接線、または軸方向および接線)が用いられる。磁化方向は変位に沿って連続的に変化する。
直線センサについては、周期はその長さである。
2つの成分は同じ点で測定され(物理的には、発明者らは、2つの磁場成分の測定点間の有効距離が5mm未満である場合、測定値が同じ点で得られたとみなす)、他の2つの成分は、約4分の1周期(たとえば、360°センサについては90°の位相差)だけ空間的に離れた別の1つの点で測定される。以下に記載の解決手段では、したがって、外部場の影響を減少させ、磁化による高調波誤差の一部を補償することが可能であり、もはや成分間の利得を用いなくてよい。
Bn1を点1における法線成分とし、
Bt1を点1における接線成分とし、
Bn2を点2における法線成分とし、
Bt2を点2における接線成分とする。
Bn=Bn1+Bt2,
Bt=Bt1−Bn2
のように2つずつ成分を組み合わせるので、次式が得られる。
全なシヌソイドである。実際、不完全な法線成分(第3高調波により三角形状である)を不完全な接線成分(第3高調波により矩形状である)と組み合わせることによって、そのような高調波の欠損を打ち消すかまたは少なくとも有意に減少させ、2つのほぼシヌソイドの成分を得ることが可能である。
有利な一実施形態では、回転センサの構成の精度を改良するために、第3高調波の法線成分および接線成分は等しくない(すなわち、(h’3−h3)≠0)。この実施形態についても、上述の記載の各事項があげられるので、その利点はすべて組み込まれる。
Bn1aを点1aにおける法線成分とし、
Bn1bを点1bにおける法線成分とし、
Bt1aを点1aにおける接線成分とし、
Bt1bを点1bにおける接線成分とし、
Bn2aを点2aにおける法線成分とし、
Bn2bを点2bにおける法線成分とし、
Bt2aを点2aにおける接線成分とし、
Bt2bを点2bにおける接線成分とする。
Bn1=Bn1a+Bn1b,
Bt1=Bt1a+Bt1b,
Bn2=Bn2a+Bn2b,
Bt2=Bt2a+Bt2b
のように、高調波の残差(h3−h’3)を打ち消すことが可能である。
デジタル信号処理回路は成分を組み合わせ(これによって、その振幅がほぼ同じである2つのシヌソイドを得ることが可能である)、除算および接弧の算出を実行する前に、様々な補償(離間度、直交性、温度プローブのパラメータの変化)を実行することが可能である。得られる角度は、たとえば、そのような角度に比例した電圧として、集積回路の出力にて利用可能である。
Bn1を点1における法線成分とし、
Bt1を点1における接線成分とし、
Bn2を点2における法線成分とし、
Bt2を点2における接線成分とし、
xをセンサの移動量とし、Lをセンサの全移動量とし、
dを点1と点2との間の距離(0<d<L)とする。
図1および図2には、外部場の影響を受け易い、従来技術の一解決手段を示す。この図には、ほぼ直径方向に磁化された環状の永久磁石1が見られる。この磁石は空間の任意の点に磁場を発生させる。その磁場の法線成分は、90°だけ空間的に離れた2つの磁気感知要素21,22によって測定される。この磁気感知要素の信号は、次いで、角度を復号するため、および磁石の角度位置に比例した電気信号を得るべく両方の成分を正規化するために処理される。
図7および図8には、本発明を示す。この解決手段は、ほぼ直径方向に磁化された環状の永久磁石1からなる。この磁石は空間の任意の点に磁場を発生させる。この磁場の法線成分、軸方向成分および接線成分は、4つの磁気感知要素によって測定される。2つの磁気感知要素は同じ点に位置し、有利には同じ筐体31に設けられている。他の2つの磁気感知要素は同じ点に位置し、有利には筐体31に対し90°だけ空間的に離れた1つの同じ筐体32に設けられている。4つの信号は、次いで、磁石の角度位置に完全に比例する電気信号を得るために、外部場の影響および直径方向の磁化による誤差を打ち消すように2つずつ組み合わせられる。信号処理回路は、筐体31,32のうちの一方に設けられてもよく、冗長性のために両方に設けられてもよく、筐体31,32の外部に設けられてもよい。
号は、31によって測定される法線成分および32によって測定される接線成分を加算することと、31によって測定される接線成分から32によって測定される法線成分を減算することとによって得られる。
この解決手段は、ほぼ直径方向に磁化された環状の永久磁石1からなる。この磁石1は空間の任意の点に磁場を発生させる。この磁場の法線成分、軸方向成分および接線成分は、8つの磁気感知要素によって測定される。2つの磁気感知要素は1つの点に位置し、有利には同じ筐体31aに設けられている。他の2つの磁気感知要素は同じ点に位置し、有利には筐体31aに対し90°だけ空間的に離れた同じ筐体32aに設けられている。他の2つの磁気感知要素は1点のみに位置し、有利には同じ筐体31bに設けられている。他の2つの磁気感知要素は1つの同じ点に位置し、有利には同じ筐体32bに設けられている。互いに対し90°だけ空間的に離れたハウジング31b,32bは、両方とも第1の直角位相ハウジング31a,32aに対し45°だけ空間的に離れている。8つの信号は、次いで、直径方向の磁化から生じる誤差のうちの1つを打ち消すように、2つずつ加算される。得られる4つの信号は、次いで、磁石の角度位置に完全に比例する電気信号を得るために、外部場の影響および直径方向の磁化による誤差を打ち消すように2つずつ組み合わせられる。信号処理回路は、筐体のうちの1つに設けられてもよく、冗長性のために4つの筐体に設けられてもよく、筐体の外部に設けられてもよい。
Claims (11)
- 磁気的な角度または直線位置センサにおいて、
1つ以上の磁石(1)を含む可動部材であって、該磁石は該磁石の移動方向および垂直方向によって定義される面において前記移動方向に沿って直線的に変化する磁化方向を有する、前記可動部材と、
第1の組の磁気感知要素(2,3)及び第2の組の磁気感知要素(4,5)を含む4つ以上の磁気感知要素(2,3および4,5)と、
可動部材の絶対位置に基づき信号を提供する1つ以上の処理回路(6)と、を備え、
−第1の組の磁気感知要素(2,3)は同じ点に位置する1対の磁気感知要素(2,3)からなり、
−第2の組の磁気感知要素(4,5)も同じ点に位置する1対の磁気感知要素(4,5)からなり、
−第1の組の磁気感知要素(2,3)は前記磁石の移動方向に沿って第2の組の磁気感知要素(4,5)から空間的に離れており、
−第1および第2の組の磁気感知要素の1つの磁気感知要素(3,5)は磁場の接線成分を測定することが可能であり、第1および第2の組の磁気感知要素の1つの磁気感知要素(2,4)は磁場の法線成分を測定することが可能であり、
−処理回路(6)は、電気的な位相が約90°異なる2つのシヌソイド信号を定義するように、第1の組の磁気感知要素の成分および第2の組の磁気感知要素の成分を各々含む2つ以上の代数結合を実行することが可能である、センサ。 - 信号処理回路(6)は、磁石(1)によって発生される磁場の成分の増幅、加算、または減算を実行することが可能である、請求項1に記載の磁気的な位置センサ。
- 第1の組の磁気感知要素(2,3)および第2の組の磁気感知要素(4,5)は回転軸に沿って4分の1周期だけ離れており、信号処理回路(6)は、磁気感知要素(2,3,4,5)から生じる信号(B2,B3,B4,B5)をAtan((B2+B5)/(B3−B4))のように組み合わせることが可能であり、
−B2は、第1の組の磁気感知要素(2,3)に属する1つの磁気感知要素(2)によって測定される法線成分に相当し、
−B3は、第1の組の磁気感知要素(2,3)に属する1つの磁気感知要素(3)によって測定される接線成分に相当し、
−B4は、第2の組の磁気感知要素(4,5)に属する1つの磁気感知要素(4)によって測定される法線成分に相当し、
−B5は、第2の組の磁気感知要素(4,5)に属する1つの磁気感知要素(5)によって測定される接線成分に相当する、請求項1または2に記載の角度位置センサ。 - 第1の組の磁気感知要素(2,3)および第2の組の磁気感知要素(4,5)は可動部の並進軸に沿って16分の1周期乃至16分の15周期だけ空間的に離れており、信号処理回路(6)は、磁気感知要素(2,3,4,5)から生じる信号(B2,B3,B4,B5)をAtan((B2−B4)/Gain×(B3−B5))のように組み合わせることが可能であり、
−B2は、第1の組の磁気感知要素(2,3)に属する1つの磁気感知要素(2)によって測定される法線成分に相当し、
−B3は、第1の組の磁気感知要素(2,3)に属する1つの磁気感知要素(3)によって測定される接線成分に相当し、
−B4は、第2の組の磁気感知要素(4,5)に属する1つの磁気感知要素(4)によって測定される法線成分に相当し、
−B5は、第2の組の磁気感知要素(4,5)に属する1つの磁気感知要素(5)によって測定される接線成分に相当し、
−Gainは、電気的な位相が90°異なり振幅が同じである2つの信号(B2−B4)および(B3−B5)が得られるように信号(B3−B5)の振幅を調節することによって、信号(B2−B4)および(B3−B5)を正規化したものに相当する、請求項2に記載の直線位置センサ。 - 第1の組の磁気感知要素(2,3)は単一の同じハウジング(31)に設けられており、第2の組の磁気感知要素(4,5)は単一のハウジング(32)に設けられている、請求項1に記載の磁気的な位置センサ。
- 永久磁石(1)は、中空円筒、タイル状、または平坦な磁石である、請求項1乃至5のいずれか一項に記載の磁気的な位置センサ。
- 磁気感知要素は、磁石(1)の回転軸に垂直である磁石の中心面にほぼ位置する、請求項1乃至6のいずれか一項に記載の磁気的な位置センサ。
- 永久磁石(1)は、その位置が測定される回転シャフトまたは並進シャフト上に取り付けられている、請求項1乃至7のいずれか一項に記載の磁気的な位置センサ。
- 永久磁石(1)は強磁性の支持アセンブリ上に取り付けられている、請求項1乃至8のいずれか一項に記載の磁気的な位置センサ。
- 磁石は、磁石に沿って漸次変化するシヌソイド磁化を有する、請求項1乃至9のいずれか一項に記載の角度位置センサ。
- −第1の組および第2の組の磁気感知要素に対して空間的に離れた第3の組および第4の組の磁気感知要素を備え、
−第3の組および第4の組の磁気感知要素は各々、同じ点に位置する1対の磁気感知要素からなり、
−第3の組および第4の組の磁気感知要素の1つの磁気感知要素は磁場の接線成分を測定することが可能であり、第3の組および第4の組の磁気感知要素の1つの磁気感知要素
は磁場の法線成分を測定することが可能であり、
−処理回路は、前記代数結合を実行する前に、第1の組および第3の組の磁気感知要素の法線成分、ならびに第1の組および第3の組の磁気感知要素の接線成分をそれぞれ加算することと、第2の組および第4の組の磁気感知要素の法線成分、ならびに第2の組および第4の組の磁気感知要素の接線成分をそれぞれ加算することとが可能である、請求項1乃至10のいずれか一項に記載の角度位置センサ。
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