JP6113197B2 - 測定信号記憶部を有する３次元ホールセンサによって相対位置を非接触式に測定する方法 - Google Patents

Description

本発明は、磁界を生成する磁界源と磁界センサの互いに対する相対位置を非接触式に測定する方法に関する。本発明は、更に対応する変位センサにも関する。本発明は、ホール効果に基づき且つ磁界による制御が失われると以前の値を記憶することによって同時にサイズが減少する磁石を用いてセンサ出力範囲の増加を達成するセンサの動作原理を記述している。

本発明による方法によって、特に線形移動が、１個以上の永久磁石とホール効果に基づく磁気センサとの間の磁気相互作用によって非接触式に検出され且つ値を求めることを目的としている。

線形移動の測定は、例えばマシンツールを制御するために、空気圧技術において、自動化技術とロボットにおいて、及び自動車分野において使用されている。移動の非接触式検出によって、特に、摩耗が全くない利点が提供される。光学的及び磁気的方法は、非接触式測定方法のうち、最も普及している。光学的方法は光の波長が小さいために高レベルの精度を確保しているのに対し、磁気的方法は特に磁石における埃及び傷に対して極めて感度が低く、センサコンポーネントは、非磁性ハーメチックケーシング内に完全に囲まれている。

変位可能永久磁石の位置が２次元又は３次元ホールセンサによって確立される変位センサシステムが種々の製造業者によって市場に提供されている。

ある位置の相対線形移動を検出するために、２つの相互に対して垂直な磁界成分が測定され、それらの比率がその位置を検出するために値を求められる。この方法は、一方の磁界成分が極値を取り、従って小さな変位を検出しない領域において、他方の磁界成分が変位に対して全てより強く反応し、実質的に等しい高レベルの測定精度が完全な測定範囲内で提供される利点を有する。

更に、この原理は、磁界成分同士間の比例部材が位置を検出するために使用されているので、絶対磁界強度の変化に対して比較的に余り敏感ではない利点を有する。

欧州特許第０９７９９８８号明細書は、永久磁石と電子センサとの間の相対線形移動の非接触式磁気検出の測定方法を開示している。電子センサによってその相対線形移動を検出するために、位置を検出するために比率の値が求められる２つの相互に垂直な磁界成分が１つの位置で検出される。

第２の方法の変形例において、また、既知の測定方法は、電子センサによってその相対線形移動を検出するために、位置を検出するために比率の値が求められる２つの相互に垂直な磁界成分が２つの位置で検出されるように実行されることができる。

欧州特許出願公開第２１５９５４６号明細書は、２つの相互に垂直な磁界成分（Ｒ，Ａ）を検出するためにセンサ構成と永久磁石との間の相対線形移動の非接触式検出のための測定方法を開示している。２次元又は３次元ホールセンサが種々の磁界成分を検出するために個々のセンサの代わりに使用される。準線形位置測定線が関数Ｕ＝ｙ−ｅ+ｇによって形成される。ここで、ｙは磁界成分の機能関係であり、ｅとｇは予め決定可能な電圧値である。特に、準線形位置測定線Ｕ＝ｆ（ｙ）は、関係ｙ＝ａ+ｂ・Ｒ／ｆ（ｃ・Ｒ^ｎ+ｄ・Ａ^ｎ）に従って、ホールセンサの出力信号から形成される。ここでＲは半径方向磁界成分であり、Ａは軸方向磁界成分であり、Ｕは測定電圧であり、ａ，ｂ，ｃ，ｄ及びｎは定数係数である。

欧州特許出願公開第１２４３８９７号明細書は、所定の経路に沿って互いに対して変位されることができる磁界源と磁界センサを備える磁気変位センサに関する。磁界センサは、磁界源によって生成される磁界の２つの成分を測定する。次に、測定された成分から、磁界センサと磁界源の相対位置を構成する位置信号が導出される。変位センサに関するこの欧州特許出願公開第１２４３８９７号明細書で述べられる説明は、位置信号の成立には磁界の２つの測定された成分の分割が含まれる点で区別される。

しかしながら、これらの既知の方法には、磁気制御磁界が測定範囲の端部で非常に弱く、位置を計算するために使用される磁束密度の成分が小さな値を取り、従って、両方の値の信号対雑音比（ＳＮ比）が計算には好ましくなくなる欠点がある。

図１は、線形移動を非接触式に検出するためにホールセンサ１００が固定位置に構成され、移動可能永久磁石１０２の磁界が検出される構成を示している。永久磁石１０２の移動の方向におけるＮ極性付与やＳ極性付与に従って、移動方向へ延出する磁界は、後で、磁界成分Ｂｚであるように示され、その磁界を横切るように延出する成分は、後で、Ｂｙであるように示される。

図２は、永久磁石１０２が構成される位置ｚに従う磁束密度の成分ＢｙとＢｚの経路を示している。ゼロ位置は、永久磁石１０２とセンサ１００が互いに直接対向する位置である。

以下の式（１）に従って計算されることができる角度αは、一般的に測定信号として使用される。

磁束密度の絶対値

の経路が位置ｚの関数として図３に示されている。磁束密度のベクトルの絶対値

は、以下の式（２）に従って個々の成分ＢｙとＢｚから既知の方法で計算される。対応する計算ルールは、当業者にとっては従来通りであるので、他の座標系を使用する時や第３の磁界成分Ｂｘを含む時に当てはまる。

図４に示されるように、角度αは、ホールセンサ１００に関して所与の制限値まで比較的線形に永久磁石１０２の位置に依存する。現在測定された特性線は、線α＿ｌｉｎによって図４に示されるように、一般的には更に線形化される。次に、その線形化された線α＿ｌｉｎは、センサの出力特性線を形成する。図５は、そのセンサによって出力された位置信号ＯＵＴの経路を示している。

最も市販されている従来の３次元ホールセンサは、十分に強力な磁界の存在下でのみ動作される。永久磁石がセンサの検出範囲外に位置されると、センサ信号は、もはや利用することができない。

所謂「クランピング」すなわち測定範囲端で測定値の省略が行われる更に既知の構成がある。本測定からは独立した固定された所定の値が、もはや信頼できない実際の測定値の代わりに出力される。米国特許第６，５０２，５４４号明細書は、センサ信号が夫々センサの最小の又は最大の可能な出力電圧を各々構成する下又は上のクランプ電圧に設定されるスロットル弁構成に対するホールセンサを記述している。

しかしながら、このようなクランプ電圧は、それらが固定的に事前設定され且つ現在の測定値に依存しないために、特定の技術用途に対して十分にフレキシブルではない。特に、そのように固定的に設定されたクランプされた測定値は、センサが、例えば、自動車分野のＨブリッジ回路で生じるように、動的範囲の中心で磁界を失う時に不適切である。

本発明の目的は、既述されたタイプの測定方法と変位センサを向上することであり、それによって、変位センサが実質的により大きな偏向範囲に対して使用されることができ、より強力な磁界源を必要とすることなく、偏向範囲の定義された部分範囲で最適化された精度を有する。

この目的は、独立の特許請求の範囲の主題によって達成される。従属の請求項は、本発明に従う方法と変位センサの有利な展開に関連する。

本発明は、磁界センサが更に磁界源による制御が失われた時に有効なセンサ信号が更に出力されることができる記憶ユニットを更に備える概念に基づいている。特に、信頼できるものとして決定された最新の位置値は、永久磁石が十分に強力な磁界を中に生成するセンサに向かう方向まで再び移動するまで、記憶され且つ出力される。次に、本発明に従うセンサは、記憶された値の代わりに再び現在の測定値を出力する。

本発明に従うセンサは、有効な出力信号を常に出力するので、そのセンサは、理論的には、引き続くハードウェアやソフトウェアが許容できる値外である信号によって中断されることなく任意のサイズの変位経路に対して使用されることができる。変位経路が比較的に大きいけれども、実際に含まれる測定範囲が僅かに比較的に小さい用途に対して、全体の変位範囲をカバーする位置にある不必要に大きな磁石の選択を排することが更に可能である。

本発明に従う利点は、２次元ホールセンサ又は３次元ホールセンサが磁界センサとして使用され且つ磁界源が少なくとも１個の永久磁石を備える場合に特に容易に達成されることができる。

磁束密度の絶対値が、センサの位置で監視される場合、特に簡単で効率的な方法で、磁界源が磁界センサから過剰に大きな距離に到達した状態を決定して、なお満足できるＳＮ比を確保することが可能である。いずれにせよ、センサが個々の磁束密度成分を検出するので、磁束密度の絶対値を計算するために、追加の技術的測定の複雑さが必要なく、代わりに、計算が実行される必要があるだけである。

本発明をより良く理解するために、以下の図面に示される実施形態を参照してより詳細に説明がなされる。同一のコンポーネントは、同じ参照番号と同じコンポーネント名称を使用して指示される。更に、図示され記述される実施形態からの個別の特徴と特徴の組合せは、また、それ自体発明的な独立の解決策やその発明に従う解決策を構成することができる。

本発明に従う、信号の値を求めることができる変位センサを示す。 永久磁石の位置に従って生成された磁界成分の経路を示す。 生成された磁界成分から計算された磁束の絶対値の経路を示す。 生成された磁界成分から計算された角度αの経路と直線化された角度の経路を示す。 位置の関数としてのセンサの出力信号の経路を示す。 実際の測定範囲の外側の変位経路に対する角度αの経路を示す。 大きな変位経路で動作中に記憶ユニットの無いセンサの出力信号の図である。 測定範囲のエッジ領域を検出するためのセンサ構成の概略図である。 変位範囲のエッジで部分測定範囲を効率的に検出するための本発明に従うセンサ構成の概略図である。 比較的に大きな変位経路ｚに対する計算された角度αの経路を示す。 図１０に属する磁束密度の絶対値の経路の図である。 本発明を使用する記憶された角度値の概略図である。 図１２の角度値から計算された出力値の図である。 磁束密度の種々の閾値に対する位置に従う出力値の図である。 シリンダ用途での引込み位置を正確に測定するための測定構成の概略図である。 変位経路に従う図１５の構成に対して出力された出力信号を示す。 選択レバーの中央位置を正確に測定するための測定構成の概略図である。 図１７の構成に対する角度ψに従う出力信号の経路を示す。 Ｈブリッジ回路の中立位置を検出するための測定構成の下からの図である。 図１９の構成に対する個々のギャップの側面図である。 第１の磁石の位置に従うセンサの出力信号を示す。 第２の磁石の位置に従うセンサの出力信号を示す。 第３の磁石の位置に従うセンサの出力信号を示す。

本発明は、ここで、図面を参照して以下により詳細に説明される。

第１の実施形態に従う変位センサ構成は、図１に示されている。ホールセンサ１００が固定位置に取り付けられ、一方では、永久磁石１０２がホールセンサ１００に関して線形に移動可能なように支持される。永久磁石１０２は、Ｎ軸やＳ軸が移動方向に平行に配向されるように極性付与される。しかしながら、原理的には、本発明の原理は、永久磁石１０２のＮ軸やＳ軸が移動方向に対して横切るように延出するように永久磁石１０２が極性付与される構成に適用されてもよい。永久磁石１０２は、各用途によって決定される変位経路１０４によって、２つの方向における図１に示されるゼロ位置の外側へ変位されることができる。ホールセンサ１００は、少なくとも２つの直交する磁界成分すなわち移動線に沿って延出する磁界成分とそれに対して横切るように延出する磁界成分を検出する（図２参照）。これらの２つの成分のベクトル加算によって図３に示されるように、磁界の絶対値

が提供される。角度αは、移動方向に対して垂直である全磁界ベクトル

によって囲まれる角度として定義される。

既に述べたように、角度αは、式（１）に従って移動方向の磁界成分又はその方向を横切る磁界成分から計算される。

計算された角度αは、図４と図５に示されるように、変位比例出力信号ＯＵＴとして利用可能にされるために線形化される。

当然、本発明に従う原理は、他の磁界源例えば電磁石へ及び磁気抵抗センサや誘導センサのような他の磁界センサへ移されてもよい。

本書では、一方では移動方向の磁界の値Ｂｚと他方では移動方向を横切る磁界の値Ｂｙは、磁界センサ、本例ではホールセンサ１００における永久磁石１０２の位置に従って測定される磁界成分として用いられる。当然、Ｂｙに直交して延出する値Ｂｘは、計算のために使用されてもよい。

図６は、３次元ホールセンサ１００が検出される測定経路の中心に構成されている図１の構成に対して−４０ｍｍと＋４０ｍｍとの間よりも広範な変位範囲に対して式（１）に従って計算された角度αを示す。位置ｚ＝０で、磁気制御磁界の絶対値

は最大である。測定範囲端で（この例では、＋３５ｍｍ又は−３５ｍｍを超える値ｚで）、磁気制御磁界は、非常に弱くなり、それによって、その角度を計算するためのＢｙとＢｚに対する値が非常に小さくなり、従って、両方の値のＳＮ比が計算のためには好ましくなくなる。これによって、図６に示されるように、測定範囲端で値αの発振まで大きな変動となる。

この望ましくない挙動を抑制するために、この絶対値

は、多くの既知のセンサで連続的に監視される。値が最小値未満になると、センサ信号がスイッチオフされるか又は許容可能な特性線範囲の外側の値が出力される。これが図７に示されている。この例では、センサは、ｚ＜−３５ｍｍとｚ＞＋３５ｍｍ範囲でスイッチオフされ、磁石の変位位置は、もはや示されることができない。従って、磁束密度ＢｙやＢｚのＳＮ比は、磁束密度の成分が有意な測定信号を供給するのに十分なように大きくなければならないので、これらの既知のセンサにおいて磁石の最大の可能な変位範囲を定める。従って、本発明は、記憶ユニット１０６を有する３次元ホールセンサ１０２を提案している。

多くの用途のため或いは多くの用途において、磁石の変位範囲の一部分の正確な検出のみが必要であるが、残りの変位範囲では、比較的に不正確に表されることができ、この範囲では、一定の有効信号の出力で十分である。センサがそのような用途に対して全体の変位範囲において中心に構成される場合、非常に強力な制御磁界を有する比較的に大きな永久磁石１０２が使用されなければならず、それによってＳＮ比は、全測定範囲にわたる信頼できる検出に対して十分に大きなままである。図８は、ＭＢＡが測定範囲開始を示し、ＭＢＥが測定範囲端を示し、且つＭＢＭが測定範囲中心を示すようこのような構成を示す。ＴＭＢ１は、対象の部分的測定範囲１を示す。

本発明に従うセンサによって、出力特性線は、実質的により簡単な方法で生成されることができ、センサ１００の傍の実質的により小さな永久磁石１０２はＭＢＡとＴＭＢ１との間の部分的測定範囲内に直接構成され、移動可能磁石は、その制御磁界がこの部分的測定範囲に対して十分に強力であるように大きく構成される。本発明により、センサ１００は、磁石が検出範囲を出る前の最新の現在値αを記憶するためにラッチとして機能する位置にある記憶デバイス１０６を有する。或いは又はそれに加えて、任意ではあるが他の方法で更に処理される線状化された出力値ＯＵＴもまた記憶されることができる。

センサは、磁石１０２がセンサ１００の検出範囲内に戻されるまでこの値を出力する。換言すれば、本発明に従う３次元ホールセンサ１００は、最新の出力値の記憶機能によって補完され、それによって、理論的には無限に大きな磁石の変位範囲は、安定して挙動するにも拘らずセンサを有する測定構成において可能となる。

図１０は、磁石の拡張された変位範囲での角度αの挙動を示す。検出範囲を出る磁石は、図１１に示されるように、磁束密度の絶対値

によって値が求められる。絶対値

が最小磁束密度Ｂｍｉｎに対する閾値よりも小さい場合、αの最新の有効値が記憶値α＿ｌａｔｃｈｅｄとして記憶され、更に、出力信号ＯＵＴの計算のために使用される（図１２と図１３を参照）。

許容可能範囲がＢ磁界の絶対値に対していかに狭く選択されたかによって、記憶された値の位置と残りの線形範囲の幅が変化する。これは、概略的に、例えば図１４に示されている。より大きな閾値Ｂｍｉｎに対する範囲を定めることには、ＳＮ比がより大きく且つ中断のリスクがより低い利点があるが、実際の動的測定範囲がより狭い欠点が有る。

多くの有利な用途例が、本発明に従う格納３次元ホールセンサに対して以下に述べられる。

図１５は、シリンダ用途での端部位置を制御するための引っ込み位置の正確な測定を可能とするセンサ構成である。移動可能磁石１０２は、この例では、シリンダピストン１０８に固定されている。センサ１００は、実際に対象となる測定範囲を構成する端部位置の領域内に構成される。

この位置にわたる関連する出力特性線が図１６に示されている。必要な変位経路が２００ｍｍで比較的に大きいが、大きな距離ｚ＞ＴＭＢ１にわたっては、位置ｚ＝ＴＭＢ１にある磁石１０２が、センサ１００に対して十分に高い磁界を生成する範囲に入るまで、記憶された最後の値ＯＵＴ＿ｌａｔｃｈｅｄのみが接続された信号処理ユニットに出力されることが明確に示されることができる。本発明により、センサは、記憶された値ＯＵＴ＿ｌａｔｃｈｅｄの代わりに実際に測定された値を再び出力する。

選択レバーの中心位置すなわちニュートラル位置の正確な検出のための本発明に従うセンサ構成の他の有利な一用途が図１７と図１８に示されている。永久磁石１０２の変位経路は、この例では円弧１１０にわたって延出し、選択レバー１１２は、永久磁石１０２に接続されている。センサ１００は、選択レバー１１２が検出されるべきゼロ位置に構成される時に、このセンサ１００が移動可能磁石１０２に最も近いように固定される。

図１８に示されるように、変位経路は、例えば、角度ψに対して−９０°から＋９０°の範囲内に延出できる。しかしながら、ゼロ位置回りの２°乃至３°の部分的範囲のみが正確に検出されなければならない。比較的に小さな磁石１０２は、有効測定値が原理上対象外にあるエッジ領域にある次の電子評価ユニットに伝送される場合、その磁石１０２の回りに延出する。これは、定義された測定範囲を出る前の最新の測定値が記憶され且つ全体の残りの変位範囲に対して出力される本発明に従って実行される。

他の有利な一用途が図１９から図２３に示されている。また、本発明に従う構成は、自動車においてＨブリッジ回路のニュートラル位置を正確に測定するのに有利は方法で使用することができる。原理的に既知のように、各ギャップに対して個別の制御磁石１０２Ａ，１０２Ｂ，１０２Ｃが使用される。図１９に示されるように、磁石構成の横方向の変位によってギャップが変化する場合、センサ１００は、隣のギャップの磁石が検出されるまで中心位置の範囲内に現在の値を記憶する。

関連する測定信号が図２１から図２３に示されている。自動車のバックギアＲから５速ギア５への仮想の切替え経路が不連続線によって概略的に示され、センサ１００は、磁界を全く測定せず、従って、出力信号として（磁石１０２Ｃによって生成された）最新の有効値を出力する。正のｚ方向への更なる変位中、制御磁界は磁石１０２Ｃによって十分に大きくなり、センサ１００が現在測定された値を出力する。ギャップが変化すると、図１９の全体の磁石構成がここでｘ方向へ移動し、センサ１００で測定されたＢ磁界が閾値

未満になる。次に、センサ１００は、磁石１０２Ｂが十分に大きな制御磁界を生成するまで図２３から特性線の動的範囲内で測定された最新の値を出力する。

この状態で、図２２からの特性線の現在の測定値が一時的に出力される。負のｘ方向への磁石構成の更なる変位が起こると、センサはまた、第２の磁石１０２Ｂによる制御を失い、そのセンサが第３の磁石１０２Ｃによって制御されるまで、記憶された最新の測定値を出力する。磁石構成が正のｚ方向へ移動するので、最初に、出力信号ＯＵＴは、測定された値が出力される動的範囲にわたって変化する。制御磁界がｚ方向で失われると、センサ１００は、約１０ｍｍにわたって全ての位置に対して最新の有効値を出力する。

従って、本発明に従うセンサは、実質的により正確な方法で小さな部分測定範囲で測定するが、引き続くユニットに対して全変位範囲にわたって有効である測定値を供給し、その結果、実質的により広範な環境で使用されることができる利点を有する。更に、実質的により小さな制御磁石で測定目的を達成するのに十分である。更に、本発明に従う記憶機能は、記憶された値が測定値の上端又は下端ではない場合が生じても、センサが磁界源による制御を失う前に現在測定された任意の値を記憶する可能性を提供する。

１００ ホールセンサ
１０２，１０２Ａ，１０２Ｂ，１０２Ｃ 永久磁石
１０４ 変位経路
１０６ 記憶ユニット
１０８ シリンダピストン
１１０ 円弧
１１２ 選択レバー

Claims (10)

1. 磁界を生成する磁界源（１０２）と磁界センサ（１００）の互いに対する相対位置を非接触式に測定する方法であって、
   前記磁界源（１０２）と前記磁界センサ（１００）が互いに対して移動可能であり、
   前記磁界センサ（１００）は、前記磁界の磁束密度の少なくとも２つの空間成分（Ｂｙ，Ｂｚ）を検出し、位置信号が前記測定された成分から生成され、前記方法は、
   前記２つの磁束密度成分の比率に基づいて前記位置信号を計算するステップと、
   前記磁束密度の絶対値を計算し、前記絶対値を所定の閾値と比較するステップと、
   前記磁束密度の絶対値が前記閾値よりも高い場合、現在の計算された位置信号を出力するステップと、
   前記磁束密度の絶対値が前記閾値以下である場合、先行して記憶された位置信号を出力するステップと、
   前記出力位置信号を記憶するステップと
   を備える方法。
2. 前記磁界センサが２次元ホールセンサ（１００）又は３次元ホールセンサ（１００）を備える請求項１に記載の方法。
3. 前記磁界源が少なくとも１個の永久磁石（１０２）を備える請求項１又は請求項２に記載の方法。
4. 前記位置信号の計算は、
   

   

   に従って角度αを確立することと、
   変位比例出力信号を生成するために前記角度を線形化することを備える請求項１乃至３のいずれか一項に記載の方法。
5. 前記磁束密度の前記絶対値の計算は、前記磁界の前記磁束密度の前記少なくとも２つの空間成分（Ｂｙ，Ｂｚ）から前記ベクトルの絶対値を計算することによって実行される請求項１乃至４のいずれか一項に記載の方法。
6. 前記位置信号の記憶は、角度
   

   

   の値の記憶や前記角度の線形化値の記憶よりなる請求項１乃至５のいずれか一項に記載の方法。
7. 磁界を生成する磁界源（１０２）と磁界センサ（１００）の互いに対する相対位置を非接触式に測定する変位センサであって、
   前記磁界源（１０２）と前記磁界センサ（１００）が互いに対して移動可能であり、
   前記磁界センサ（１００）は、前記磁界の磁束密度の少なくとも２つの空間成分（Ｂｙ，Ｂｚ）を検出して前記測定された成分から位置信号を生成するように構成され、
   前記磁界センサ（１００）は、
   前記２つの磁束密度成分の比率に基づいて前記位置信号を計算するため及び前記磁束密度の絶対値を計算して前記絶対値を所定の閾値と比較するための制御及び計算ユニットであって、前記磁束密度の前記絶対値が前記閾値よりも高い場合に現在計算された位置信号を出力するため及び前記磁束密度の前記絶対値が前記閾値以下である場合に先行して記憶された位置信号を出力するために動作される制御及び計算ユニットと
   前記出力位置信号を記憶するための記憶ユニット（１０６）と
   を備える変位センサ。
8. 前記磁界センサ（１００）が２次元ホールセンサ又は３次元ホールセンサを備える請求項７に記載の変位センサ。
9. 前記磁界源（１０２）が少なくとも１個の永久磁石を備える請求項７又は請求項８に記載の変位センサ。
10. 前記磁界源（１０２）は、前記磁界源と前記磁界センサとの間の相対線形移動によって画定される軸に対して回転対称である磁界を生成する請求項７乃至９のいずれか一項に記載の変位センサ。

Images