JP6449935B2 - センサ - Google Patents

センサ Download PDF

Info

Publication number
JP6449935B2
JP6449935B2 JP2017101473A JP2017101473A JP6449935B2 JP 6449935 B2 JP6449935 B2 JP 6449935B2 JP 2017101473 A JP2017101473 A JP 2017101473A JP 2017101473 A JP2017101473 A JP 2017101473A JP 6449935 B2 JP6449935 B2 JP 6449935B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
component
sensor
evaluation unit
radial
value
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
JP2017101473A
Other languages
English (en)
Other versions
JP2018025540A (ja
Inventor
ブルーダウ トーマス
ブルーダウ トーマス
Original Assignee
ジック アーゲー
ジック アーゲー
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by ジック アーゲー, ジック アーゲー filed Critical ジック アーゲー
Publication of JP2018025540A publication Critical patent/JP2018025540A/ja
Application granted granted Critical
Publication of JP6449935B2 publication Critical patent/JP6449935B2/ja
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01DMEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01D5/00Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable
    • G01D5/12Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means
    • G01D5/14Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing the magnitude of a current or voltage
    • G01D5/142Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing the magnitude of a current or voltage using Hall-effect devices
    • G01D5/145Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing the magnitude of a current or voltage using Hall-effect devices influenced by the relative movement between the Hall device and magnetic fields
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F15FLUID-PRESSURE ACTUATORS; HYDRAULICS OR PNEUMATICS IN GENERAL
    • F15BSYSTEMS ACTING BY MEANS OF FLUIDS IN GENERAL; FLUID-PRESSURE ACTUATORS, e.g. SERVOMOTORS; DETAILS OF FLUID-PRESSURE SYSTEMS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F15B15/00Fluid-actuated devices for displacing a member from one position to another; Gearing associated therewith
    • F15B15/20Other details, e.g. assembly with regulating devices
    • F15B15/28Means for indicating the position, e.g. end of stroke
    • F15B15/2815Position sensing, i.e. means for continuous measurement of position, e.g. LVDT
    • F15B15/2861Position sensing, i.e. means for continuous measurement of position, e.g. LVDT using magnetic means

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Transmission And Conversion Of Sensor Element Output (AREA)
  • Measurement Of Length, Angles, Or The Like Using Electric Or Magnetic Means (AREA)

Description

本発明は、測定区間に沿った発信磁石の直線的な相対運動を少なくとも1つのセンサ素子を用いて非接触で磁気的に検出するためのセンサに関する。
空気シリンダにおいては、多くの場合、ピストンの位置を該ピストンに固定された発信磁石を通じて特定する。その際、磁石の向き、磁化、残留磁気又は形状等の特性にはばらつきがあり得る。
前記の場合、磁石の位置の特定は測定領域とほぼ同じ長さの位置センサを用いて行うことがほとんどである。
発信磁石の位置を特定するため、まず、測定区間に沿った多数のホール素子の配列を用いるという測定方法がある。ホール素子は一定の間隔で配置されており、各々が磁場の半径方向の成分を各ホール素子の中心点の左右の狭い範囲内で測定することができる。測定領域を広げるにはホール素子の数を増やす。公知の製品として、例えば出願人の製品群「MPS」及び「MPA」がある。
この測定方法は高精度ではあるものの、センサの長さが、到達可能な測定領域に必ず一致していなければならないという欠点がある。その上、比較的複雑な制御で個々のホール素子を選択する必要があり、しかも軸方向に磁化された磁石を有するシリンダ上でなければそれらを駆動できない。また多数の部品を要するため、全体としてかなり高価な解決策である。
従来知られている3次元ホール素子の大部分は、求められた個々の磁場成分の測定値を伝送するデジタルインターフェイスを備えている。これを通じた後段のマイクロコントローラへの測定値の伝送はかなり低速である。しかも3次元ホール素子にはかなり大きな信号ノイズがあるため、磁石位置の高速且つ正確な測定は不可能である。
特許文献1は発信磁石の磁化方向を求めるためのセンサ配列に関するものであるが、少なくとも2つの磁場センサが必須である。
DE 10 2010 003 292 A1
本発明の課題は、全測定領域にわたって厳密に単調であるようなセンサの位置信号、出力信号乃至は出力特性曲線を提供することである。また、センサの長さをその測定領域よりもずっと短くできるセンサ構造を有するセンサを提供する。
更に該センサが、高い位置分解能、高い測定速度、高いノイズ低減性、できるだけ直線的な特性曲線及び/又はできるだけ大きな測定領域を有するようにする。
加えて該センサが、高分解能の場合でも、高いスイッチング周波数、高いノイズ低減性及びできるだけ線形性誤差の小さい特性曲線を同時に示すようにする。更に該センサを、軸方向及び半径方向のいずれに磁化された磁石を有するシリンダにも使用できるようにする。
この課題は、請求項1に記載の、測定区間に沿った発信磁石の直線的な相対運動を少なくとも1つのセンサ素子を用いて非接触で磁気的に検出するためのセンサにより解決される。該センサでは、センサ素子が発信磁石の磁場の2つの互いに直交する成分を検出し、該センサ素子とセンサが測定区間よりも短く、第1の成分が軸方向の成分であり、第2の成分が半径方向の成分であり、評価ユニットが設けられ、前記軸方向の成分と前記半径方向の成分が該評価ユニットにおいて数学的な関数により評価可能であり、該数学的な関数はARCTAN(半径方向の成分/軸方向の成分)又はARCTAN(軸方向の成分/半径方向の成分)であり、これにより、発信磁石の測定区間に沿った各位置に対して値域の一つの値が対応した、部分毎に単調な位置信号が生成され、前記評価ユニットは、前記位置信号を前記測定区間の少なくとも一領域において一定の補正値を用いて補正することで、全測定区間にわたって単調な値域を有する単調な位置信号を生成するように構成され、更に前記評価ユニットは真理値表を用いて前記位置信号の値の補正を行うように構成され、該真理値表は領域毎に一定の補正値を示している。
本発明によれば、1つのセンサ素子だけで単調な位置信号を生成することができる。従って、本センサは、発信磁石を有し長さの異なる多数の異なるシリンダ上で使用できる。
センサ素子は発信磁石の磁場の2つの互いに直交する成分を検出する。その際、該成分はシリンダの全長にわたり乃至は全測定領域にわたり検出される。これにより、センサ素子とセンサを測定区間より短くできる。
軸方向の成分と半径方向の成分は測定区間に沿って2つの異なる信号の推移を形成し、それらの組み合わせが発信磁石の正確な位置に関する一義的な情報をもたらす。
評価ユニットは数学的な関数により軸方向の成分と半径方向の成分を評価するものである。その数学的な関数は両成分の比率から求められる逆正接、即ち、ARCTAN(半径方向の成分/軸方向の成分)又はARCTAN(半径方向の成分/軸方向の成分)である。
これにより、まず、発信磁石の測定区間に沿った各位置に対して値域の一つの値が対応した、部分毎に単調な位置信号が生成される。ただ、ピストン行程が十分に大きい場合や測定領域が十分に大きい場合、この信号にはまだ不連続な箇所がある。逆正接の結果におけるこの不連続性は、値域がπ/2から−π/2に制限されていることから生じる。
この逆正接の制限を回避するため、測定区間の少なくとも一領域における結果乃至位置信号を一定の補正値を用いて補正することで、全測定区間にわたって単調な値域を有する単調な位置信号を生成する必要がある。
本発明では、評価ユニットが真理値表を用いて位置信号の値の補正を行うように構成され、該真理値表は領域毎に一定の補正値を示している。
例えば4つの領域が形成されている場合、位置信号は例えば1番目の領域と4番目の領域で補正される。また、例えば6つの領域が形成されている場合、位置信号は例えば1番目の領域と6番目の領域で補正される。真理値表の一定の補正値は、例えばゼロ、+π又は−π、乃至は比較可能な電圧値である。
軸方向に磁化された発信磁石と比べて、直径方向に磁化された磁石では軸方向と半径方向の成分の特性曲線が入れ替わる。両成分が入れ替わった後は、軸方向に磁化された磁石の場合と同じグラフが得られる。
本発明によれば、発信磁石は例えば軸方向又は直径方向のいずれに磁化されていてもよい。
本発明に係るセンサは従来技術に比べてはるかに安価である。
本発明の好ましい実施形態では、センサ素子がTMR技術に基づく角度センサである。トンネル磁気抵抗(英語でtunnel magnetoresistance、TMR)又はTMR効果は、磁気トンネル接合(英語でmagnetic tunnel junction、MTJ)において生じる磁気抵抗的な効果である。これは薄い断路器(アイソレータ)により分離された2つの強磁性体から成る部品である。断路層が十分に薄ければ(典型的には数nm)、2つの強磁性体の間を電子が通り抜けることができる。前記角度センサでは、磁場の半径方向及び軸方向の成分を測定するために、2つの部品が互いに対して垂直に配置される。
TMR型角度センサは信号ノイズが非常に少ない。またTMR型角度センサは非常に弱い場でも十分な信号を出力する。ゆえに、特に周縁領域での分解能が大幅に高まる。TMR型角度センサは特に磁場強度が低い場合に感度が良く、これが同様に分解能に良い作用を及ぼす。TMR技術に基づく角度センサには、ブリッジ抵抗が極めて高いため所要電流がマイクロアンペア程度で済むという利点がある。
また、前記角度センサの信号の高さは磁場強度に依存しない。故に、3次元ホールセンサに比べて、磁場成分の大きさは利用できない。
本発明の発展形態では、センサ素子が少なくとも1つのアナログ出力を有する集積部品である。本発明の発展形態における評価ユニットは、統合されたA/D変換器を含むマイクロコントローラであり、これにより軸方向の成分及び半径方向の成分に対応する値を持つ少なくとも1つのアナログ信号を評価ユニットにおいてデジタル的に処理できる。
これにより、軸方向の成分及び半径方向の成分に対応する値の非常に高速な信号処理が保証される。この高速性という利点から、センサの性能に関する更に2つの重要な利点が生まれる。例えば、より多くの信号の平均値を計算できるため、外乱の影響を受けにくくなる。同時に、それでもなおスイッチング周波数を高めることができる。なぜなら、高速性の利点はアナログ信号乃至アナログ電圧の読み出しの場合に極めて顕著だからである。
好ましい実施形態では、評価ユニットが測定区間を少なくとも4つの領域に分割するように構成され、該領域の境界が、ARCTANの値域の不連続箇所及び位置信号が最大の勾配を示す箇所にそれぞれある。
特に好ましくは、評価ユニットが測定区間を6つの領域に分割するように構成され、該領域の2つの追加の境界が、ARCTANの値域の不連続箇所と位置信号が最大の勾配を示す箇所との間にある。
複数の領域の形成により、位置信号を個々の領域でそれぞれ個別に分析し、位置信号の領域をそれぞれ個別に補正することができる。
本発明の発展形態では、前記評価ユニットが、各領域における軸方向の成分の値の勾配及び/又は半径方向の成分の値の勾配を検出するように構成される。
これにより、磁石の極性、つまり発信磁石が負極性又は正極性のいずれであるかが特定される。2つの磁場成分、つまり軸方向及び半径方向の磁場成分の値乃至測定値だけでは、場合によっては全ての領域における全ての場合に対しては一義的な結果が得られなくなる。軸方向及び半径方向の成分の現在の勾配に関する追加情報があれば、発信磁石が運動中の場合に一義的な割り当てができる。
本発明の発展形態では、前記評価ユニットが、半径方向の成分の大きさと軸方向の成分の大きさを求め、それらの大きさの差をとって減算結果を得るように構成される。これにより、部分的に直線状になった補助特性曲線が作られる。
本発明の発展形態では、軸方向の成分の値、半径方向の成分の値、軸方向の成分の勾配、半径方向の成分の勾配、及び減算結果がそれぞれ異なる重み付け因子で重み付けされ、特に該重み付け因子が2のべき乗に対応している。各領域の評価は個々のパラメータの二値的な重み付けにより行われる。この重み付けにより各値及び各勾配並びに減算結果を計算上互いに区別することができる。特に、この重み付け因子は評価ユニットにおいてデジタル的に容易に処理することができる。
本発明の発展形態では、評価ユニットが、各領域の軸方向の成分の値、半径方向の成分の値、軸方向の成分の勾配、半径方向の成分の勾配、及び減算結果の重み付け因子を加算してその都度重み付け因子和を求めるように構成される。これにより重み付け因子和が求められ、発信磁石の磁化及び/又は極性を検出乃至認識するために評価ユニットにおいて複数の重み付け因子和を評価することができる。
例えば4つの異なる領域の重み付け因子和を評価ユニットにより分析すれば、磁化を特定乃至認識することができる。
本発明の発展形態では、評価ユニットが、重み付け因子和から発信磁石の極性を特定するように構成される。
磁化が分かれば、評価対象は極性だけに絞られる。極性は、例えば2つの中央の領域の重み付け因子和を観察するだけで既に特定乃至認識することができる。
本発明の好ましい実施形態では、評価ユニットが、求められた重み付け因子和に基づいて、測定区間の少なくとも1つの領域における位置信号を一定の補正値で補正することで、全測定区間にわたって単調な値域を有する単調な位置信号を生成するように構成される。これにより、様々な発信磁石を軸方向又は直径方向の磁化乃至極性で以て自動的に区別し、認識することができる。
本発明の発展形態では、評価ユニットが、速度ベクトル乃至変化率を求めるために第1の成分の変化と第2の成分の変化を評価するように構成される。
磁場が非常に強く且つ磁石と溝底部との間隔が非常に狭いシリンダの場合、測定区間乃至測定領域の周縁領域において多義性が生じ、その結果、外側の領域の向こうに擬似領域が生じる可能性がある。この別の領域は誤認識されないように抑制する必要がある。この抑制は別の基準、つまり2つの磁場成分の変化率に基づく変化率又は速度ベクトルを導入することで達成される。一様な運動の場合、この変化率又は速度ベクトルは中間の4つの領域内の方がその外側の領域即ち擬似領域内よりも大きい。そこで、認識された各領域において変化率又は速度ベクトルを調べて、4つの認識された領域がほぼ同じ変化率又は同じ速度ベクトルを示している場合にのみ実在のものとして認識する。ある変化率又は速度ベクトルが他よりも明らかに小さい場合、それは疑似的な認識であるため拒絶される。
中央の2つの領域だけを用いた認識も可能であるが、その場合も変化率又は速度ベクトルが基準として一緒に取り込まれる。ここでも、ある有意な領域の遷移を有効なものと認識するには、それと同時に両方の領域の変化率又は速度ベクトルがほぼ同じ大きさでなければならないということが重要である。一方の変化率又は速度ベクトルが他方よりも明らかに大きければ、測定領域の中心を通過しておらず、それは疑似的な認識である。
本発明の発展形態では、評価ユニットが、ARCTAN(半径方向の成分/軸方向の成分)の一次導関数、ARCTAN(軸方向の成分/半径方向の成分)の一次導関数、ARCTAN(半径方向の成分/軸方向の成分)の二次導関数、又は、ARCTAN(軸方向の成分/半径方向の成分)の二次導関数を求め、それにより、磁化方向が所与の場合に磁石の極性を求めることができるように構成される。
発信磁石の磁化方向が所与であるとすれば、ARCTANの結果の勾配、即ち一次導関数、又は、湾曲、即ち二次導関数から、運動中の磁石の極性を直接求めることができる。その前提は、ARCTANの結果が磁石の極性に依存しないという事実である。
その場合、勾配は磁石の運動方向、つまり前進又は後退を示し、湾曲は勾配の変化を示す。次の表にその関係を示す。
Figure 0006449935
従って、半径方向の磁場成分の情報と組み合わせれば、領域の遷移が起きなくても、6つの領域のいずれかへの一義的な割り当てが可能である。
本発明の発展形態では、評価ユニットが、軸方向の成分の大きさと半径方向の成分の大きさを求め、それらの大きさの差をとって減算結果を得ることにより、磁化方向が所与の場合に磁石の極性を求めることができるように構成される。
即ち、軸方向に磁化された発信磁石の場合、出力が例えば閾値0.6を超えたら、軸方向の磁場成分に基づいて極性を求めることができる。その場合、磁石の極性は軸方向の磁場成分の極性と一致する。
本発明の発展形態では、少なくとも2つのセンサ素子が測定区間に沿って並べて配置される。これにより、測定領域を拡大し、直線性を改善することができる。そのために、第2のセンサ素子は測定領域の軸に沿って固定的に定められた距離に配置される。両方のセンサ素子が、逆正接の計算により符号は逆であるものの大きさは同じ結果値を出力しているとき、発信磁石は2つのセンサ素子のちょうど中間にある。この値は個々のセンサ素子の特性曲線の湾曲に対する指標として利用することができ、それにより例えば5次の多項式補償関数の係数を適合させることができる。
以下、本発明について、更なる利点及び特徴をも考慮しつつ、模範的な実施例に基づき、添付の図面を参照しながら詳しく説明する。
特に軸方向に磁化された発信磁石の、測定区間に沿った直線的な相対運動を非接触で磁気的に検出するためのセンサ。 軸方向に磁化された正極性の発信磁石の2つの磁場成分の特性曲線を示すグラフ。 軸方向に磁化された負極性の発信磁石の2つの磁場成分の特性曲線を示すグラフ。 領域毎の一定の補正値を示す真理値表。 軸方向の成分、半径方向の成分、軸方向の成分の勾配、半径方向の勾配及び減算結果の異なる重み付け因子を示す表。 様々な領域及び異なる発信磁石に対する様々な重み付け因子和。 図6においてそれぞれ欠落している重み付け因子和。 評価ユニットにより分析される4つの異なる領域の重み付け因子和。 軸方向の成分の値、半径方向の成分の値、軸方向の成分の勾配及び半径方向の成分の勾配のそれぞれの重み付け因子、並びに重み付け因子和。 2つの一定の補正値で2つの領域において補正された測定区間の位置信号。 測定区間に沿って並べて配置された2つのセンサ素子を有するセンサ。
以下、各図において同一の部分には同一の符号が付されている。
図1は、特に軸方向に磁化された発信磁石2の、測定区間3に沿った直線的な相対運動を少なくとも1つのセンサ素子4を用いて非接触で磁気的に検出するためのセンサ1を示している。センサ素子4は発信磁石2の磁場5の2つの互いに直交する成分を検出し、該センサ素子4とセンサ1は測定区間よりも短く、第1の成分6は軸方向の成分Bxであり、第2の成分7は半径方向の成分Byであり、評価ユニット9が設けられ、軸方向の成分Bxと半径方向の成分Byが該評価ユニット9において数学的な関数により評価され、該数学的な関数はARCTAN(半径方向の成分By/軸方向の成分Bx)又はARCTAN(軸方向の成分Bx/半径方向の成分By)であり、これにより、図3のように、発信磁石2の測定区間3に沿った各位置13に対して値域12の一つの値11が対応した、部分毎に単調な位置信号10が生成され、該位置信号10は、図4及び図10のように、測定区間3の少なくとも一領域において一定の補正値21を用いて補正され、その結果、全測定区間3にわたって単調な値域を有する単調な位置信号10が生成される。
センサ素子4は発信磁石2の磁場5の2つの互いに直交する成分を検出する。その際、該成分はシリンダ28の全長にわたり乃至は全測定区間3にわたり検出される。これにより、センサ素子4とセンサ1を測定区間3より短くすることができる。更に、このセンサは測定区間の任意の箇所に配置することができる。
軸方向の成分Bxと半径方向の成分Byは測定区間3に沿って2つの異なる信号の推移を形成し、それらの組み合わせが発信磁石2の正確な位置13に関する一義的な情報をもたらす。
評価ユニット9は数学的な関数により軸方向の成分Bxと半径方向の成分Byを評価する。その数学的な関数は両成分の比率から求められる逆正接、即ち、ARCTAN(半径方向の成分By/軸方向の成分Bx)又はARCTAN(軸方向の成分Bx/半径方向の成分By)である。
図1のセンサ素子4はTMR技術に基づく角度センサである。この角度センサでは、磁場5の半径方向By及び軸方向の成分Bxを測定するために、2つの部品が互いに対して垂直に配置される。
図1のセンサ素子4は少なくとも1つのアナログ出力24を有する集積部品である。評価ユニット9は、例えば統合されたA/D変換器を含むマイクロコントローラであり、これにより軸方向の成分Bx及び半径方向の成分Byに対応する値を持つ少なくとも1つのアナログ信号を評価ユニット9においてデジタル的に処理できる。
図2のグラフは軸方向に磁化された正極性の発信磁石の2つの磁場成分の特性曲線を示している。位置信号10には不連続な箇所29が2つある。
図3のグラフは軸方向に磁化された負極性の発信磁石の2つの磁場成分の特性曲線を示している。もっとも、発信磁石は例えば軸方向又は直径方向のいずれに磁化されていてもよい。ここでも位置信号10には不連続な箇所29が2つある。
図3では、まず、発信磁石の測定区間に沿った各位置に対して値域の一つの値が対応した、部分毎に単調な位置信号10が生成されている。しかし、ピストン行程が十分に大きい場合や測定領域が十分に大きい場合、この信号にはまだ不連続な箇所29がある。逆正接の結果におけるこの不連続な箇所29は、値域がπ/2から−π/2に制限されていることから生じる。
図2及び図3のように、評価ユニットは測定区間3を少なくとも4つの領域Bに分割するように構成されており、該領域Bの境界は、ARCTANの値域の不連続な箇所29及び位置信号10が最大の勾配を示す箇所にそれぞれある。
評価ユニット9は測定区間3を6つの領域B、即ちB1からB6に分割するように構成されており、該領域Bの2つの追加の境界はARCTANの値域の不連続な箇所29と位置信号10が最大の勾配を示す箇所との間にある。
領域B1〜B6の形成により、位置信号10を個々の領域Bでそれぞれ個別に分析し、位置信号10の領域Bをそれぞれ個別に補正することができる。
この逆正接の制限を回避するため、図4のように、測定区間3の領域B1及びB6における結果乃至位置信号10を一定の補正値21を用いて補正することで、図10に示したように、全測定区間3にわたって単調な値域を有する単調な位置信号10を生成する必要がある。
図4のように、評価ユニットは真理値表26を用いて位置信号の値の補正を行うように構成され、該真理値表26は領域B1〜B6毎に一定の補正値21、つまり0(ゼロ)、+π及び−πを示している。
例えば4つの領域が形成されている場合、位置信号は例えば1番目の領域と4番目の領域で補正される。また、例えば図4のように6つの領域B1〜B6が形成されている場合、位置信号は例えば1番目の領域B1と6番目の領域B6で補正される。真理値表26の一定の補正値21は、例えば+π又は−π、乃至はそれらと同等の電圧値である。
軸方向に磁化された発信磁石と比べて、直径方向に磁化された磁石では軸方向と半径方向の成分の特性曲線が入れ替わる。両成分が入れ替わった後は、軸方向に磁化された磁石の場合と同じグラフが得られる。
図3において、評価ユニットは、各領域B1〜B6における軸方向の成分の値の勾配及び/又は半径方向の成分の値の勾配を検出するように構成されている。
これにより、磁石の極性、つまり発信磁石が負極性又は正極性のいずれであるかが特定される。2つの磁場成分、つまり軸方向の成分Bxと半径方向の成分Byの値乃至測定値だけでは、場合によっては全ての領域B1〜B6における全ての場合に対しては一義的な結果が得られなくなる。軸方向の成分Bx及び半径方向の成分Byの現在の勾配に関する追加情報があれば、発信磁石が運動中の場合に一義的な割り当てができる。
更に評価ユニットは、半径方向の成分の大きさと軸方向の成分の大きさを求め、それらの大きさの差をとって減算結果を得るように構成されている。これにより、部分的に直線状になった補助特性曲線が作られる。
図5のように、軸方向の成分の値Bx、半径方向の成分の値By、軸方向の成分の勾配Bxdx、半径方向の成分の勾配Bydx、及び減算結果SE、即ちSE=|Bx|−|By|が、それぞれ異なる重み付け因子Gで重み付けされ、特に該重み付け因子Gが2のべき乗に対応している。各領域の評価は個々のパラメータの二値的な重み付けにより行われる。この重み付けにより各値及び各勾配並びに減算結果SEを計算上互いに区別することができる。特に、重み付け因子Gは評価ユニットにおいてデジタル的に容易に処理することができる。
図9のように、評価ユニットは、各領域の軸方向の成分の値X、半径方向の成分の値Y、軸方向の成分の勾配、半径方向の成分の勾配、及び例えば減算結果(図9には示していない)の重み付け因子を加算してその都度重み付け因子和GSを求めるように構成されている。
これにより重み付け因子和GSが求められ、発信磁石の磁化及び/又は極性を検出乃至認識するために、評価ユニットにおいて図6のように複数の重み付け因子和GSを評価することができる。
図7には、図6において欠落している重み付け因子和が示されている。
例えば、図8のように、4つの異なる領域の重み付け因子和GSを評価ユニットにより分析すれば、磁化を特定乃至認識することができる。
また評価ユニットは、図6のように、重み付け因子和GSから発信磁石の極性を特定するように構成されている。
磁化が分かれば、評価対象は極性だけに絞られる。極性は、例えば2つの領域、即ち図6では領域B3と領域B4の重み付け因子和GSを観察するだけで既に特定乃至認識することができる。
図10のように、評価ユニットは、求められた重み付け因子和に基づいて、測定区間3の少なくとも1つの領域、即ち領域B1及びB6における位置信号10を一定の補正値で補正することで、全測定区間3にわたって単調な値域を有する単調な位置信号10を生成するように構成されている。
図11では、少なくとも2つのセンサ素子4が測定区間3に沿って並べて配置されている。これにより、測定領域を拡大し、直線性を改善することができる。そのために、第2のセンサ素子4は第1のセンサ素子4に対して測定領域の軸に沿って固定的に定められた距離に配置されている。両方のセンサ素子4が、逆正接の計算により符号は逆であるものの大きさは同じ結果値を出力しているとき、発信磁石2は2つのセンサ素子4のちょうど中間にある。この値は個々のセンサ素子4の特性曲線の湾曲に対する指標として利用することができ、それにより例えば5次の多項式補償関数の係数を適合させることができる。
1…センサ
2…発信磁石
3…測定区間
4…センサ素子
5…磁場
6…第1の成分
Bx…軸方向の成分
7…第2の成分
By…半径方向の成分
9…評価ユニット
10…位置信号
11…値
12…値域
13…位置
B、B1、B2、B3、B4、B5、B6…領域
21…一定の補正値
24…アナログ出力
26…真理値表
28…シリンダ
29…不連続箇所
|Bx|…軸方向の成分の大きさ
|By|…半径方向の成分の大きさ
SE…減算結果
X…軸方向の成分の値
Y…半径方向の成分の値
Bxdx…軸方向の成分の勾配
Bydx…半径方向の成分の勾配
G…重み付け因子
GS…重み付け因子和

Claims (14)

  1. 測定区間(3)に沿った発信磁石(2)の直線的な相対運動を少なくとも1つのセンサ素子(4)を用いて非接触で磁気的に検出するためのセンサであって、前記センサ素子(4)が前記発信磁石(2)の磁場(5)の2つの互いに直交する成分(6、7)を検出し、
    該センサ素子(4)とセンサ(1)が前記測定区間(3)よりも短く、
    第1の成分(6)が軸方向の成分(Bx)であり、
    第2の成分(7)が半径方向の成分(By)であり、
    評価ユニット(9)が設けられ、
    前記軸方向の成分(Bx)と前記半径方向の成分(By)が該評価ユニット(9)において数学的な関数により評価可能であり、該数学的な関数は、前記半径方向の成分(By)の前記軸方向の成分(Bx)に対する比率から求められる逆正接であるARCTAN(半径方向の成分/軸方向の成分)又は前記軸方向の成分(Bx)の前記半径方向の成分(By)に対する比率から求められる逆正接であるARCTAN(軸方向の成分/半径方向の成分)であり、
    これにより、前記発信磁石(2)の測定区間(3)に沿った各位置(13)に対して値域(12)の一つの値(11)が対応した、部分毎に単調な位置信号(10)が生成されるセンサにおいて、
    前記評価ユニットが、前記位置信号(10)を前記測定区間(3)を分割して成る複数の領域(14)の少なくとも一領域において一定の補正値(21)を用いて補正することで、全測定区間(3)にわたって単調な値域(12)を有する単調な位置信号(10)を生成するように構成され、更に前記評価ユニット(9)が前記複数の領域(14)の各々に対する一定の補正値(21)を示した真理値表(26)を用いて前記位置信号(10)の値(11)の補正を行うように構成されることを特徴とするセンサ。
  2. 前記センサ素子(4)がTMR技術に基づく角度センサであることを特徴とする請求項1に記載のセンサ。
  3. 前記センサ素子(4)が少なくとも1つのアナログ出力(24)を有する集積部品であり、前記評価ユニット(9)が統合されたA/D変換器を含むマイクロコントローラであり、これにより、軸方向の成分及び半径方向の成分に対応する値を持って前記アナログ出力(24)に現れる少なくとも1つのアナログ信号(24)を前記評価ユニット(9)においてデジタル的に処理できることを特徴とする請求項1又は2に記載のセンサ。
  4. 前記評価ユニット(9)が前記測定区間を少なくとも4つの領域(14)に分割するように構成され、該領域の境界(25)が、ARCTANの値域の不連続箇所及び位置信号(10)が最大の勾配を示す箇所にそれぞれあることを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載のセンサ。
  5. 前記評価ユニット(9)が、各領域における前記軸方向の成分(Bx)の値の勾配及び/又は前記半径方向の成分(By)の値の勾配を検出するように構成されていることを特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載のセンサ。
  6. 前記評価ユニット(9)が、前記半径方向の成分の大きさ(|By|)と前記軸方向の成分の大きさ(|Bx|)を求め、それらの大きさ(|By|、|Bx|)の差をとって減算結果(SE)を得るように構成されていることを特徴とする請求項1〜5のいずれかに記載のセンサ。
  7. 前記軸方向の成分(Bx)の値(X)、前記半径方向の成分(By)の値(Y)、前記軸方向の成分(Bx)の勾配(Bxdx)、前記半径方向の成分(By)の勾配(Bydx)、及び前記減算結果(SE)がそれぞれ二値的な評価値である重み付け因子(G)で重み付けされ、特に該重み付け因子(G)が2のべき乗に対応していることを特徴とする請求項6に記載のセンサ。
  8. 前記評価ユニット(9)が、各領域(14)の前記軸方向の成分(Bx)の値(X)、前記半径方向の成分(By)の値(Y)、前記軸方向の成分(Bx)の勾配(Bxdx)、前記半径方向の成分(By)の勾配(Bydx)、及び前記減算結果(SE)の二値的な評価値である重み付け因子(G)を加算して重み付け因子和(GS)を求めるように構成されていることを特徴とする請求項1〜7のいずれかに記載のセンサ。
  9. 前記評価ユニット(9)が、前記重み付け因子和(GS)から前記発信磁石(2)の極性(P)を特定するように構成されていることを特徴とする請求項8に記載のセンサ。
  10. 前記評価ユニット(9)が、二値的な評価値である重み付け因子(G)を加算して求められた重み付け因子和(GS)に基づいて、前記測定区間(3)の少なくとも1つの領域(14)における前記位置信号(10)を一定の補正値(21)で補正することで、全測定区間(3)にわたって単調な値域(12)を有する単調な位置信号(10)を生成するように構成されていることを特徴とする請求項1〜9のいずれかに記載のセンサ。
  11. 前記評価ユニット(9)が、速度ベクトル乃至変化率を求めるために第1の成分の変化と第2の成分の変化を評価するように構成されていることを特徴とする請求項1〜10のいずれかに記載のセンサ。
  12. 前記評価ユニット(9)が、前記半径方向の成分(By)の前記軸方向の成分(Bx)に対する比率から求められる逆正接であるARCTAN(半径方向の成分/軸方向の成分)の一次導関数、前記軸方向の成分(Bx)の前記半径方向の成分(By)に対する比率から求められる逆正接であるARCTAN(軸方向の成分/半径方向の成分)の一次導関数、前記ARCTAN(半径方向の成分/軸方向の成分)の二次導関数、又は、前記ARCTAN(軸方向の成分/半径方向の成分)の二次導関数を求め、それにより、磁化方向が所与の場合に磁石の極性を求めることができるように構成されていることされていることを特徴とする請求項1〜11のいずれかに記載のセンサ。
  13. 前記評価ユニット(9)が、前記軸方向の成分の大きさ(|Bx|)と前記半径方向の成分の大きさ(|By|)を求め、それらの大きさの差(|Bx|−|By|)をとって減算結果(SE)を得ることにより、磁化方向が所与の場合に磁石の極性を求めることができるように構成されていることを特徴とする請求項1〜12のいずれかに記載のセンサ。
  14. 少なくとも2つのセンサ素子(4)が前記測定区間(3)に沿って並べて配置されていることを特徴とする請求項1〜13のいずれかに記載のセンサ。
JP2017101473A 2016-06-15 2017-05-23 センサ Active JP6449935B2 (ja)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102016110968.1 2016-06-15
DE102016110968.1A DE102016110968B4 (de) 2016-06-15 2016-06-15 Sensor

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2018025540A JP2018025540A (ja) 2018-02-15
JP6449935B2 true JP6449935B2 (ja) 2019-01-09

Family

ID=58715027

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2017101473A Active JP6449935B2 (ja) 2016-06-15 2017-05-23 センサ

Country Status (3)

Country Link
EP (1) EP3258217B1 (ja)
JP (1) JP6449935B2 (ja)
DE (1) DE102016110968B4 (ja)

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102019120538A1 (de) * 2018-08-27 2020-02-27 Sick Ag Sensor
DE102021114974A1 (de) 2021-06-10 2022-12-15 Infineon Technologies Ag Vorrichtungen und Verfahren zur Positionsdetektion durch einen3D-Magnetfeldsensor

Family Cites Families (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP4194484B2 (ja) * 2003-12-16 2008-12-10 アルプス電気株式会社 角度検出センサ
JP2005351849A (ja) * 2004-06-14 2005-12-22 Denso Corp 回転角度検出装置および回転角度検出方法
DE102005001077A1 (de) * 2005-01-08 2006-07-20 Leopold Kostal Gmbh & Co. Kg Verfahren zum Korrigieren aus Messwerten abgeleiteter Kennlinien eines magnetoresistiv ausgelegten Weg- oder Winkelsensors
US7635974B2 (en) * 2007-05-02 2009-12-22 Magic Technologies, Inc. Magnetic tunnel junction (MTJ) based magnetic field angle sensor
JP4941108B2 (ja) * 2007-05-31 2012-05-30 コニカミノルタオプト株式会社 位置検出装置および位置決め装置
DE102010003292A1 (de) * 2010-03-25 2011-09-29 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. Sensoranordnung und Verfahren zum Ermitteln einer Magnetisierungseinrichtung eines Gebermagneten
JP5062453B2 (ja) * 2011-05-24 2012-10-31 Tdk株式会社 磁気センサ
DE102011115302A1 (de) * 2011-09-29 2013-04-04 Tyco Electronics Amp Gmbh Verfahren zum berührungslosen Messen einer relativen Position mittels eines Hallsensors
DE102012203225A1 (de) * 2012-03-01 2013-09-05 Tyco Electronics Amp Gmbh Verfahren zum berührungslosen messen einer relativen position mittels eines 3d-hallsensors mit messsignalspeicher
DE102013222097B4 (de) * 2013-10-30 2023-03-02 Te Connectivity Germany Gmbh Temperatur-Kompensationsverfahren von Ansteuermagnetfeldern bei einem Hall-Sensor mit OS-Adaption

Also Published As

Publication number Publication date
DE102016110968B4 (de) 2019-05-02
EP3258217A1 (de) 2017-12-20
EP3258217B1 (de) 2019-05-08
JP2018025540A (ja) 2018-02-15
DE102016110968A1 (de) 2017-12-21

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US10816318B2 (en) Measuring an absolute angular position
US9057629B2 (en) Sensor assembly and method for determining a magnetization direction of an indicator magnet
US10571303B2 (en) Redundant fault detection device and method
US10585147B2 (en) Magnetic field sensor having error correction
JP5613839B2 (ja) 移動する物体の絶対的な位置特定のための方法及び装置
JP6705867B2 (ja) センサ
US20140375312A1 (en) Systems and Methods for Providing Signal Encoding Representative of a Signature Region in a Target
US20110291646A1 (en) Origin position signal detector
WO2013153015A1 (en) Displacement sensor for contactlessly measuring a relative position by means of a magnetic field sensor array on the basis of the hall effect
JP6449935B2 (ja) センサ
US20080218159A1 (en) Sensor System For Determining a Position or a Rotational Speed of an Object
JP6947194B2 (ja) 信号処理回路および磁気センサシステム
CN115900528A (zh) 用于无全旋转安全测量的角度传感器校准方法
US11313666B2 (en) Angle sensor and angle sensor system
EP3211380B1 (en) Rotation detection device
EP3273203A1 (en) Displacement detection device
US10697798B2 (en) Position forecasting apparatus and position detection apparatus
JP2018115928A (ja) 電流センサの信号補正方法、及び電流センサ
KR101271828B1 (ko) 차량 조향각 감지 장치를 이용한 조향각 산출 방법
US20170059359A1 (en) Rotation sensor
US10429452B2 (en) Rotation detection device
US20220018684A1 (en) Absolute position detection device and detection method of rotating body
US11639860B2 (en) Absolute position detection device and detection method of rotating body using magnetic material
JP2020008291A (ja) 位置検出装置
US11359908B2 (en) Angle sensor system

Legal Events

Date Code Title Description
A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20180830

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20180911

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20181119

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20181204

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20181206

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Ref document number: 6449935

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250