JPH05505883A - ホール素子を有する磁気的位置および速度センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ホール素子を有する磁気的位置および速度センサ本発明は、磁気的位置センサに 関するものであり、他の表現をすれば、磁気的位置・速度センサに関するもので ある。

ホールプローブ（５ｏｎｄｅ　ｄｅ　Ｈａｌｌ）に対するマグネットの相対運動 により発生する磁束を検出するホールプローブを用いた位置センサが、従来より 知られている。特に、フランス特許２６２４９６６号は、ホール効果リニア検出 器とホイールにモールドされシャフトを取囲むように螺旋状の電流を形成するリ ングを形作る非鉄金属シャフトに載置された永久磁石とを備えた印刷胴（ｒｏｕ ｅ　ｄ’ｉｍｐｒｅｓｓｉｏｎ）の為の符号器（ｃｏｄｅｕｒ）開示している。

印刷胴の角度位置は、螺旋の推移点に対する信号の振幅の絶対値により決定され る。別の実施例においては、第二ホール効果検出器をシャフト上であって第一検 出器とは反対側に設置し、補強信号（ｓｉｇｎａｌ　ｒｅｎｆｏｒｃｅ）を供給 している。

この様なセンサは、実際のところ直線性に優れた信号を出力しない。従来技術に おいて、この欠点はホールプローブによりもたらされた信号をデジタル化し、デ ータ処理手段によりその信号を処理することにより補われていた。

従来技術において複素幾何学により磁界位置センサの直線性に関する欠点を補う ことが提案されている。１９９０年６月１３日から１５日にかけて開催された” 近代マグネットおよびその機械″に関するヨーロツをもたらす位置センサが発表 された。このセンサは、第一実施例では楕円形、または二つの円弧からなる基本 的に適切な形の磁化リングを備えている。したがって、直線性のずれが、離心率 （１’ｅｘｃｅｎｔｒｉｃｉｔ６）により解消される。理論的にはこの方法が優 れているとしても、産業的に大規模生産されるセンサに適用することは技術的に 困難である。これにより、多数の応用例において、製造コストがかさむことにな る。

本発明の目的は、低い製造コストの角度又はリニア位置センサを提供することに よりこれらの欠点を克服することであり、直線性のずれを１パーセントより小さ く、その測定範囲を磁極の長さよりわずかに短い長さまで拡大することである。

本発明に係る位置センサは、連結手段と一体となった移動マグネットがその内部 で移動するエアーギャップを形作る固定子を備えている。さらにこのセンサは、 前記主エアーギャップにほぼ垂直な２つの副エアーギャップを備え、少なくとも １つの副エアーギャップ内の誘導の変化を測定するホールブローブを備えている 。固定子は第１静止部及び静止もしくは移動可能な第２部を有している。該二つ の部分は、その間に移動部材の少なくとも一部分が移動するエアーギャップ（５ ）を形作る。該移動部材は、移動領域内において実質的に直線的な消磁特性及び 空気に近い可逆透磁率を示す材料からできており、交差（ｔｒａｎｓｖｅｒｓａ ｌｅｍｅｎｔ）磁化された少なくとも２つの薄い部分を有している。静止固定子 部は、移動部材が移動する主エアーギャップにほぼ垂直な少なくとも二つの副エ アーギャップを形作り、ホールプローブ（１２）はその副エアーギャップの一つ に収納される。Ｌ／Ｅ比は、６より大きいことが効果的で、好ましくは１０より 大きいほうがよい。ここでＬは、リニアセンサの場合、磁極の直線長さであり、 回転性センサの場合、極の平均半径の弧に対応する長さであり、Ｅは主エアーギ ャップの幅を示す。具体的な実施例では、移動部材は交差磁化された薄い部分を １つだけ備えており、変換された動きまたは回転円筒可動子のアクチュエータと しては１２０６に開いたタイル状のものとして、平面回転に対しては半円盤状の ものとして形成される。しかしながら、その出力信号は少なくとも二つの磁化部 分を用いた実施例より振幅が小さく質も劣る。

ホールプローブは、これを通過する誘導に比例した電気信号を生成する。このプ ローブが角度及び直線上の位置に対する直線性をもって信号を出力するように、 位置に応じてできるだけ直線的に変化する磁場にそのプローブを載置する必要が ある。

本発明における考え方として、固定子は高透磁率を持つ回路構成要素のグループ であり、静止部と多くの場合静止している第２部とによって構成される。

ただし、第２部は特別な例では移動マグネットに固定されて移動する。

特別な実施例として、固定子は、第１静止部と、移動部材の磁化部と一体となっ た第２部とを有している。この実施例では、センサの慣性特性がかなり増加され るが、移動部材の機械的強度を高めることができるので、もろい磁性材料を使用 することが可能である。

第一実施例において、固定子は同軸の二つのリングを有しており、外側のリング は少なくとも放射状のエアーギャップを備え、そのエアーギャップの一方の中に ホールプローブが配置され、移動部材は放射状に磁化された環状のマグネットを 有し、該マグネットは前記固定子リングと同心で、対称軸の周りを回転する。移 動部材の移動は中間位置の両端上において、Ｃ／２となる。ここで、中間位置と はその位置において前記移動部材の２つの磁化部の間の推移領域がホールプロー ブが収納されている放射状の副エネルギーギャップの対称面に垂直な面に入るよ うな位置をいう。Ｃはπよりわずかに小さいものである。

この実施例によれば、有効な移動を越えたことや高精度に角度位置に比例した出 力信号を出す小型化したセンサーを得ることができる。

第二実施例において、移動部材は、それぞれ約πを越える範囲に設けられた交差 磁化された２つの磁化部を有する薄いディスクを有し、固定子は、一方にホール プローブが収納された二つの放射状の副エアーギャップを形作る第１静止部と、 円盤状の軟材を有する第２部とを存している。

効果的には、そのエアーギャップは、移動部材と静止固定子部との間に位置する スラストボールベアリングにより形作られる。移動部材の磁化部と静止固定部と の間の磁力により、移動部材の位置及び中心が決定される。この磁力により生じ る運動は、スラストボールベアリングにより規制される。しかし、このボールベ アリングは、余裕のあるアライメント調整を維持でき、衝撃及び振動の有効な緩 衝材となり得る。

特別な例においては、静止固定子部は、それぞれ前述の副エアーギャップに収納 される２つのホールプローブを備える。

上述の２つのホールプローブの各々により出力された信号を合計することにより 、位置センサの機械的構造による欠点を補うことができる。

第三実施例において、固定子は、三つの固定子極を示す静止部と、移動部材が直 線的に移動するエアーギャップをその間に形作る第２部とを有している。

特別な例においては、静止固定子部は、副エアーギャップのいずれか１つに収納 され、磁束の時間的変化を検出する検出コイルをさらに備えている。

このコイルは、このコイルに対する移動部材の相対速度に比例した電気信号を出 力する。

効果的には、静止部は、さらに温度プローブの収納部を備えるとよい。

この温度プローブにより、磁化部及び／又はホールプローブの温度に基づく特性 変化を補償することができ、従って、妥当なコストの構成部材を用いることがで きる。この温度プローブは、副エアーギャップの一つに収納することができる。

本発明は、どの面からも発明の範囲を制限しない実施例に関する以下の記述を読 むことと、以下の図面を参照するすることによりさらに理解することができる。

図１は、角度位置および速度センサの軸方向断面図である。

図２は、角度位置および速度センサの中央断面図である。

図３は、異なった状態にある角度位置および速度センサの中央断面図である。

図４は、角度センナの第二実施例の軸方向断面図である。

図５は、第三実施例の軸方向断面図である。

図６は、リニアセンサの横断面図である。

図７は、他のリニアセンサの断面図である。

図（１）に示されたセンサは、第−固定子部（１）と管状マグネット（３）に一 体化された第二固定子部（２）とを備える固定子構造を有する。その固定子部（ １）、（２）は、高透磁率及び低磁気ヒステリシスを有する軟磁性体から成る。

例としては、アニール処理された純鉄又はアニール処理されたニッケル鉄合金（ Ｃｒｅｕｓｏｔ　Ｌｏｉｒｅ社製のＡＮＨＹＳＴＥＲＤ　またはＭＵＭＥＴＡＬ 　タイプ）、もしくは焼結された鉄またはニッケル鉄で構成するとよい。

管状マグネット（３）は、反対の極性（ａｉｍａｎｔｉｗｓ　ｒａｄｉａｌｅｍ ｅｎｔ　ｅｎ　５ａｎｓ　ｏｐｐｏｓｅ）を帯びた二つの部材を合体することに より、あるいは等方性または異方性の放射配向を有するモールドサマリウムコバ ルト１１５を管状に磁化することにより製造される。マグネット（３）は、周辺 で二対の極性を示す。Ｎ極は１８０６よりわずかに小さい区間に、またＳ極は１ ８０″よりわずかに小さく直径上の反対側の区間に現われる。磁性体原料の品質 及び／又はこの可動子の製造技術によってその大きさが定まる２つの推移領域（ ６）（７）は、二対の磁極の間に位置する。

第二固定子部（２）及び管状マグネット（３）を構成するリングは、接着剤で組 まれて接続シャフト（４）に取り付けられる。

静止固定子部（１）は、長さＥのエアーギャップ（５）を介して、移動固定子部 （２）から隔たっている。図２に示すように、静止固定子部（１）は、好ましく は高透磁率及び低ヒステリシスを有する軟磁性材料から成る二つの半径リング（ ８）、（９）からできている。固定子部（１）は、二つの第二エアーギャップを 構成する放射状の溝（１０）、（１１）を有しており、その溝（１０）、（１１ ）にはそれぞれホールプローブ（１２）と電気コイル（１３）が収納される。二 つのエアーギャップの中心を切る対称面に垂直に測定すると、これらのエアーギ ャップの長さは、ミリメータのオーダである。

ホールプローブ（１２）は、好ましくは同じ収納場所に組込まれた増幅器を備え たタイプがよく、リード線を３本だけ有し、電気的影響（１ｎｔｅｒｆｅｒｅｎ ｃｅｓ　ｅｌｅｃｔｒｉｑｕｅｓ）に敏感に反応することなく、大振幅の電気信 号を得ることかできるものか好ましい。

例としては、ホールプローブは、Ｓｐｒａｇｕｅ社製のＵＧ　Ｎ　３５０３　ｔ ｙｐｅである。

電気コイル（１３）は、第２エアーギヤツプ（１１）を形作る固定子の面に垂直 な軸を有する巻線である。

主エアーギャップ（５）は、できるだけ小さくする。例えば、センサーが回転子 の中央において５ｍｍの平均半径であるとして、また磁化部が１ｍｍの厚さであ るとして、磁化部（３）の外周面（１５）と固定子部（１）の内周面との間のあ そび（ｊｅｕ）は０．２ｍ　ｍのオーダーとする。この実施例においては、Ｌ／ Ｅ比は、１３である。

Ｌは磁極の長さを示す。

Ｌは５ｍｍＸπ＝　１５．７ｍ　ｍより少し小さい。

Ｅはエアーギャップ（５）の大きさを示し、１ｍｍ　＋　０．２ｍ　ｍ　＝１． ２ｍ　ｍである。

図２に示した位置においては、推移領域（６）、（７）を横切る磁性面（１８） は、第２エアーギヤツプ（１０）、（１１）の中心を横切る固定子の対称面に対 し近い角度になっている。その差は、約１５°である。これらの条件のもとで、 一対の磁極より発生する磁束の大部分は、副エアーギャップ（１０）、（１１） を介して、もう一対の磁極に取り込まれる。機械的構造が良好であれば、各エア ーギャップは等しい磁束を生み、二つの副エアーギャップの誘導（ｉｎｄｕｃｔ ｉｏｎｓ）は等しく最大となる。１５°より小さい場合、推移領域（６）、（７ ）は、それぞれ副エアーギャップ（１０）、（１１）に近づきすぎ、これにより センサの応答を妨害する磁気不連続が引き起こされる。

図３に示した位置においては、推移領域（６）、（７）を横切る磁性面（１８） と、副エアーギャップ（１０）、（１１）の中心を横切る固定子の対称面とが９ ０”を形成する。この場合、副エアーギャップ（１０）、（１１）には磁束が発 生せず、そこでの誘導もゼロである。１６５″″より大きい角度の場合、誘導の 振幅は等しく、図２の場合の誘導とは逆位相にｇａｌｅ　ａｎ　ａｍｐｌｉｔｕ ｄｅ　ｅｔ　ｄｅ　ｓｉｇｎｅ　ｏｐｐｏｓ５）となることは明らかである。Ｌ ／Ｅ比を大きくし、マグネットの性質を選択することにより、その誘導は、１５ ＠から１６５°の間の角度（約１５０°の間）で直線的に変化する。静止固定子 部（１）と移動固定子部（２）とは、どの点でも飽和しないように十分な断面積 を有するべきである。さらに、優れた直線性を得る為に、固定子の磁気抵抗を副 エアーギャップの磁気抵抗を考慮して低くすべきである。

同じ大きさのエアーギャップおよび同じ幅の推移領域（６）、（７）に対して、 マグネット（３）の半径を大きくすれば、直線的応答の範囲は増加し、極めて１ ８０″″に近い１７０＠台の値になることは明らかである。移動部材の移動終点 がない場合、回転するセンサからの応答は対称なのこぎり波に近づく。

マグネットの作動位置の変化によるセンサの駆動トルクを減少させる為に、また センサが測定対象に取り付けられることによって生じる寄生変動を減少させるた めに、マグネットの作動範囲を小さくすることが好ましく、すなわち１以上のホ ールプローブが位置するエアーギャップの磁気抵抗を小さくすることが好ましい 。この目的の為には、薄いホールプローブを選択するか、この副エアーギャップ の表面積を大きくするとよい。

図４に本発明に係るセンサの他の実施例の中央断面図を示す。前述の実施例との 対比において、固定子は、前述の静止部の形状とほぼ同一の静止部（１）と、円 盤型移動部（２）とからなる。マグネット（３）は、反対方向に交差磁化された 二つの半円形ワッシャーからなる。マグネット３は、移動固定子部（２）の−面 に接着される。例としては、マグネットの外径は１６ｍｍで、内径は８ｍｍであ り、その厚さは１ｍｍで、マグネットと静止固定子部（１）の最接面とのあそび は約０．３ｍ　ｍである。マグネット３の平均半径は６ｍｍであり、極の幅と２ つの固定子部の間で計測したエアーギャップとの比は約１５である。各磁極は、 約１８００に開いた扇形をしている。その磁力は、静止固定子部（１）に対して 移動部材を引き付ける。移動部と静止部との接触を防ぐ為、スラストボールベア リング（２０）によって軸の移動が制限されている。このスラストボールベアリ ング（２０）のリング（２１）は、非磁性体部（２２）によって固定子（１）か ら磁気的に分離されている。位置決め作用およびガイド作用は、磁気吸引力およ びスラストボールベアリング（２０）やその他の機械的ガイドによって確実にな される。

このことにより、衝撃及び振動の為の大きな緩衝となり、また連結シャフト（４ ）のアライメント問題の自己整合を可能とする。

前述の実施例の変形例の断面図を図５に示す。組立を簡単にする為に、固定子と 回転子の位置を逆にしている。連結シャフト（４）は、軸方向でなく、横方向に ベアリング（２３）により導かれる。

極端な場合では、移動部（２）は、スラストボールベアリング（４１）の収納が 十分可能な深さの穴（４０）を形作る。この場合、固定子（１）は１本の直径方 向の溝をもつ硬質の円盤により形成できる。

この場合、二つのエアーギャップは、互いに他方を延長した位置に配置され一つ の溝となる。結果として、「二つのエアーギャップ」という概念は、この発明に おいて、このような溝を含むものとして拡張される。

リニア・アクチュエータの断面図を図６に示す。

固定子の静止部（１）は、３つの磁極（２４，２５，２６）をそれぞれ形作る。

移動固定子部（２７）は、反対方向の二対の極性を示す薄いマグネット（２８） と一体化される。静止固定子部（１）は、ホールプローブ（３３）が収納される 第−副エアーギャップ（３１）及び電気コイル（３４）または第２のホールプロ ーブが収納される第二副エアーギャップ（３６）を形作る。副エアーギャップ（ ３１）、（３６）の中央面は、主エアーギャップ（５）の中央面と垂直である。

移動部材は直線的に移動し、その有効移動範囲は、２対の磁極間の推移領域（３ ５）が副エアーギャップ（３１）、（３６）の一方もしくは他方の近傍（ａｕ　 ｖｏｉｓｉｎａｇｅ）まで近づいた所を両端とする範囲である。ここで、［近傍 （ａｕ　ｖｏｉｓｉｎａｇｅ）　Ｊとは、主エアーギャップ（５）の幅にほぼ等 しい距離を意味する。

上記の実施例において、その薄いマグネットは平面状である。もちろん、いろん な形で形成することは可能であり、特にその軸が移動部材の直線的運動の軸に対 応するようなタイル形や円筒形とする場合には、固定子部（２４，２５，２６） は、円筒形ワッシャとなる。

構造と機能は説明しないが、アクチュエータ（４２）に合体した直線性センサの 断面図を図７に示す。

センサステージ（４３）は、縦軸（４４）に対して、軸対称である。センサステ ージ（４３）は、アクチュエータの軸方向に固定され半径方向に異なる向きに磁 化された環状マグネットを備えた移動部材（４５）を備えている。その固定子は 、環状の三つの強磁性部（４８，４９，５０）からなる。この実施例において、 Ｌ／Ｅ比は、３よりわずかに大きい。

放射状に延びる２つのエアーギャップ（５１，５２）によって、ホールプローブ （５３）、（５４）の位置を決定することができる。

本発明は、上記実施例に制限されるものではなく、異なった実施例の全てに応用 され得る。

要　約　書 本発明は、変動マグネットが連結手段（４）と一体となった移動マグネット（３ ）がその内部で移動するエアーギャップを形作る固定子を備えた位置センサに関 するものである。そのセンサは、エアーギャップ（１０）内での誘導の変化を測 定するホールプローブ（１２）を備えている。固定子（１）は、第１静止部と静 止可能または移動可能な第２部を有している。その二つの部分は、その間に移動 部材の少なくとも一部分が移動する主エアーギャップを形作る。その移動部材は 、移動領域内において実質的に直線的な消磁特性及び空気のに近い可逆透磁率を 示す材料からできており、交差磁化された少なくとも２つの薄い部分を有してい る。静止固定部は、移動部材が移動する主エアーギャップ（５）にほぼ垂直な少 なくとも二つの副エアーギャップ（１０）、（１１）を形作る。ホール素子（１ ２）は副エアーギャップ（１０）、（１１）の一つに収納される。

Ｌ／Ｅは、６より大きい。Ｌは、磁極の長さを示し、Ｅは、主エアーギャップ（ ５）の幅を示す。

要約のための図面：図１ 国際ｇｌＩ萱報告 一一−−−−Ａ−−−−−ｅｈｈ　ＰＣ丁ＩＦＲ９１１００９フ３

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．連結手段（４）と一体となった移動マグネット（３）がその内部で移動する エアーギャップを形作る固定子（１）を備え、さらにエアーギャップ（１０）内 の誘導の変化を測定するホールプローブ（１２）を備えた位置センサにおいて、 固定子（１）は第１静止部及び第２部（２）を有し、該二つの部分は、その間に 移動部材の少なくとも一部分が移動するエアーギャップ（５）を形作り、該移動 部材は、移動領域内において実質的に直線的な消磁特性及び空気に近い可逆透磁 率を示す材料からできており、交差（ｔｒａｎｓｖｅｒｓａｌｅｍｅｎｔ）磁化 された少なくとも２つの薄い部分を有し、静止部は、移動部材が移動する主エア ーギャップ（５）にほぼ垂直な少なくとも二つの副エアーギャツプ（１０）、（ １１）を形作り、ホールプローブ（１２）は副エアーギャップ（１０）、（１１ ）の一つに収納されることを特徴とするもの。 ２．請求項１の位置センサにおいて、 移動部材が、互い違いに交差（ｔｒａｎｓｖｅｒｓａｌｅｍｅｎｔ）磁化された 、少なくとも２つの隣接する薄い部分を有するもの。 ３．請求項１又は２の位置センサにおいて、Ｌを磁極の長さとし、Ｅを主エアー ギャップ（５）の幅としたときに、Ｌ／Ｅ比が３より大きいもの。 ４．前記請求項のいずれかの位置センサにおいて、固定子（１）が、第１静止部 （１）及び移動部材の磁化部（３）と一体化された第二部（２）を有しているも の。 ５．請求項１から４のいずれかの位置センサにおいて、 固定子が同軸の二つのリングを有しており、外側のリングは少なくとも放射状の エアーギャップ（１０）（１１）を備え、そのエアーギャップの一方の中にホー ルプローブ（１２）が配置され、移動部材は放射状に磁化された環状のマグネッ トを有し、該マグネットは前記固定子リングと同心で、対称軸の周りを回転し、 移動部材の移動が中間位置の両端上において、Ｃ／２となるもの。ここで、中間 位置とはその位置において前記移動部材の２つの磁化部の間の推移領域が、ホー ルプローブ（１２）が収納されている放射状の副エアーギャップ（１０）の対称 面（１７）に垂直な面に入るような位置であり、Ｃはπよりわずかに小さいもの である。 ６．前記請求項のいずれかの位置センサにおいて、Ｌ／Ｅ比が６より大きいもの 。 ７．請求項１から４のいずれかの位置センサにおいて、 移動部材が、それぞれ約πを越える範囲に設けられた交差磁化された二つの磁性 体部を有する薄いディスクを有し、固定子が、一方にホールプローブ（１２）が 収納された二つの放射状の副エアーギャップを形作る第１静止部と、円盤状の軟 材を有する第２部とを有しているもの。 ８．前記請求項のいずれかの位置センサにおいて、エアーギャップが、移動部材 と静止固定子部との間に位置するスラストボールベアリング（２０）により形作 られるもの。 ９．請求項５又は７の位置センサのおいて、直径上で反対側にある放射状の副エ アーギャップに収納された２つのホールプローブを備えたもの。 １０．請求項１から４のいずれかの位置センサにおいて、 固定子が３つの固定子極（２４，２５，２６）を形成する静止部と移動部材が直 線的に移動するエアーギャップ（５）を形成する第２固定子部（２７）とを有し ているもの。 １１．前記請求項のいずれかの位置センサにおいて、磁束の時間的変化を検出す る検出コイル（１３）または（３４）が、副エアーギャップ（１１）または（３ ２）のいずれかに収納されているもの。 １２．前記請求項のいずれかの位置センサにおいて、静止固定子部が、さらに温 度プローブのための収納部を備えているもの。