JP2008530541A - 非接触位置センサにおける磁気インピーダンスの利用及び関連するセンサ - Google Patents

Abstract

本発明は、永久磁石（１１）の磁気作用を受ける感磁面（１０）を持つ導電体（１）を形成し、この感磁面の面積を磁石に対するその相対位置に従って変化させ、磁石と感磁面との間の前記相対位置を変化させることにより、導電体の少なくとも１つの物理的特性を変化させ、磁石（１１）の位置と相関する導電体の物理的特性の前記変化を記録するものである。

Description

本発明はセンサ分野における磁気インピーダンスの利用に関する。なお、磁気インピーダンスは本明細書ではＲＭＳ（resistive magnetic saturation）とも呼ばれる。

より詳細には、本発明は、この磁気インピーダンスを非接触位置センサにおいて使用すること、ならびにセンサ自体にも関している。

一般に、これに関係する物理現象は次の通りである：
交流電流の流れる導電体において電流が導体の外周に分布する。
この現象はふつう表皮効果と呼ばれている。
この表皮の深さは次の式で求まる：

ここで、
ｅは表皮深さであり、
ρはΩｍ単位での導体の抵抗率であり、
μ₀は自由空間の透磁率（４π×１０^-7）であり、
μ_rは材料の透磁率であり、
ｆはＨｚ単位での周波数である。
したがって、周波数ｆが高くなればなるほど、表皮深さは低減する。

さらに、導電体の電気抵抗は次の式で与えられる：

ここで、
ＲはΩ単位での導体の抵抗であり、
ρはΩｍ単位での導体の抵抗率であり、
Ｌはｍ単位での導体の長さであり、
Ｓは導体の断面積である。

ここで注意すべきことは、このような表皮効果現象においては、（その他の条件が同じならば）ある導電体に関して周波数ｆが高くなれば、断面積Ｓが小さくなり、したがって測定される抵抗Ｒは大幅に増大するということである。

適切な材料で作られた導電体に磁場を印加すると、材料の透磁率（μ）は変化する。

その結果、問題の外部磁場にさらされていない同じ導体に比べて、測定抵抗Ｒは低下する。

この現象は一般に非常に高い精度で絶対磁場を測定するために既に使用されており、磁気インピーダンスの原理に従って動作するセンサ、特に巨大な磁気インピーダンスで動作するセンサが開発されている。これらのセンサは非常に高い周波数（巨大な磁気インピーダンスの場合には１ＧＨｚよりも高い）で動作し、特に、感知素子として機能する導電体を形成するためにアモルファス材料を使用する。

ここで提起される問題は、特に上記センサにおいて、とりわけ、巨大磁気インピーダンスに関連して開発されたセンサにおいて、上述した物理現象に基づいて、問題の磁場を非常に精確に測定することなく、かつ、これまで課されてきた高コストを負うこともく、磁気インピーダンスの適用分野を如何に広げるかというものである。

このコンテキストにおいて、ここでは、磁気インピーダンスのこの現象を以下の特徴を備えた非接触位置センサにおいて使用することが提案される：
ａ）永久磁石の磁気作用を受ける感磁面を持った導電体を形成し、この感磁面の面積を磁石に対するその相対位置に応じて変化させる；
ｂ）磁石と導電体の感磁面との間の前記相対位置を変化させることにより、導体の少なくとも１つの物理的特性を変化させる；
ｃ）ステップｂ）において得られた導電体の物理的特性の前記変化を記録する。この変化は磁石の位置と相関している。

このように、磁気インピーダンスの現象は、とりわけ、従来公知のセンサの場合とは適用条件の異なる自動車産業において適用されうる。

好ましくは、ステップｂ）及びｃ）において変化させられ記録される導電体の物理的特性はこの導体の電気抵抗である。

具体的には、この電気抵抗は磁石と導電体の感磁面との間の相対位置の変化によって変わる。この抵抗を記録することは簡単かつ低コストの手続きであり、記録が高精度でなくてもよいならば、一層簡単かつ低コストとなる。

このような位置センサを形成するために磁気インピーダンスを利用するという選択は特に経済的なものであり、またこのアプローチの課題は正確な定量的測定を得ることではないので、ステップｂ）において、数キロヘルツから少なくとも１００メガヘルツ程度の間の交流電圧を印加することが推奨される。

このような範囲の周波数を適用することにより生じる効果は公知の周波数（上で述べた巨大磁気インピーダンスの場合の１ＧＨｚ）の場合に比べて小さいが、それでもこの効果はここで扱われるタイプのセンサで十分に検出可能である。

導電体上に可変の表面積を得ることに関しては、以下のバリアントのうちの一方又は他方が推奨されることを述べておきたい。すなわち、
導電体の断面積を変化させることによりこの可変の表面積を得るか、又は
磁石の磁気効果を受ける導電体の密度を変化させることによりこの表面積を得るかである。

この「密度」という用語は、動作中の磁石から見た導電体のセグメント（断面積は一定と仮定される）の長さを意味するものとして理解されなければならない。

例えば、磁石が３つのセグメントと対面してすぐそばを移動する場合の方が、同じ磁石が同じ変位と同じセグメント長で２つの離れたセグメントしか見ない場合よりも、密度は高くなる。

したがって、磁場を受ける導電体の表面積は、この導体の断面積が一定であっても、磁石の運動の位置に応じて変化することができる。

なお、上で述べた磁石と導電体の間の相対変位は特に並進又は回転であってよいことを理解されたい。

後者の場合、特に、低コスト、有効性、及び信頼性の目的に適うように、以下のことが提案される。すなわち、
ステップａ）において、導体が実質的に螺旋に沿って伸展するセグメントをその外周に有するように導体を巻き、
ステップｂ）において、互いに向き合った磁石とこの螺旋との間に相対回転を生じさせる。

したがって、上述のように磁気インピーダンス現象を利用することを除けば、本発明は下記の手段を備えた位置センサに、特に自動車向けの位置センサに適用される。上で述べた手段とは、
磁石の磁場を感知する表面と物理的特性と端子とを有する導電トラックエリア、
感知面に磁場を発生させるための永久磁石、
導電トラックエリアの前記端子間に交流電圧を発生させるための電源、
磁石と感知面との間の相対位置を変化させるための変位手段、及び
前記相対位置の変化によって生じる導電トラックエリアの少なくとも１つの物理的特性の変化を記録するための記録手段である。

すでに指摘されたように、記録手段は前記導電トラックエリアの電気抵抗又は電気抵抗の変化を記録する手段を含んでいることが推奨される。

競争力のあるコスト、信頼性、及び有効性といった意図された目的に適うように、導電体が（少なくとも感知エリアにおいては）常磁性材料又は強磁性材料を含むこと、又はそれらから構成されていることも推奨される。

加えて、センサの有効性又はその感度さえもさらに高めるために、次のことがさらに推奨される。すなわち、
磁石を感知面に対して変位方向に可動とする、
導電トラックエリアは、大部分は又は専ら、磁石の変位方向に対して垂直でない導電トラック部分を有する。

同様の目的のために、補足的又は代替的に、磁場を集中させるための極部材を磁石に設けることが提案される。

以下のより詳細な説明では、図面によって実施例を示す。

図１は、上に述べた磁気インピーダンスに基づいて設計された本発明による非接触位置センサの一例を概略的に示しており、
図２は、極部材を備えた磁石をもつ位置センサの側面図を示しており、
図３，４，５，６，７及び８は、導電体（上では、導電トラックエリアとも呼ばれている）のさまざまなジオメトリを示している。

したがって、当然に、ここでのアプローチの目的は正確な定量的測定（ＧＭＩセンサの場合のような外部磁場の測定）を行うことではない。

磁気インピーダンス（又はＲＭＳ）現象の利用が可能になるには磁石の作用が変化しなければならないが、以下では、この磁石の作用を受ける感知面１０における導電体１の物理的特性はこの導体の刺激周波数におけるインピーダンス、特に抵抗Ｒであると見なす。

具体的に図を扱う前に、本発明の位置センサは好適には導電体の抵抗Ｒの変化に基づいており、特に常磁性又は強磁性材料から形成されており、周波数ｆの交流電圧を受けるものであり、一般的には次のように記述されることに注意されたい：
既知の磁場を発生させる永久磁石が上記導電体と向かい合って動かされる；
上記永久磁石がその被影響エリアに生じる表皮効果を「妨げ」、部分的に又は完全に除去する；
したがって、導体の抵抗Ｒが変化させられる；
この抵抗の測定により磁石の位置が特定される。

しかしながら、このことは、所与の導電体に関して、その形状、したがって磁石の作用を受ける面の面積がこの磁石の位置に従って変化する場合にしか可能でない。したがって、直線導体は局所的に永久磁石によって生じた磁場の作用の下で変化する抵抗を有することとなるが、全体的な観点からすると、その抵抗は、磁石が不在のときに測定される抵抗よりも格段に低いにせよ、一定となる。

導体を適切な材料から形成し、磁石の位置とともに変化する磁石の作用を受ける面を設けることにより、磁石は異なる複数のエリアを覆い、導体の全抵抗は変化する。

これは好適には様々な仕方で達成される。特に、導体の断面積を変化させることにより達成される。これは例えばＰＣＢ（プリント回路基板）に固定された導体を用いて容易に達成される。所望の効果を得るには、（導体から構成された）種々の幅のトラックを形成し、及び／又は、磁石に従って導体の密度を変えるだけで十分である。上で述べたＰＣＢ上にエッチングされた導電トラックを例にとれば、結果を得るには、例えば多少とも間隔のあるループ又は「メアンダー」を形成するだけで十分である。

経済的な費用対効果比の理由から、有利には、非常に高価なアモルファス材料を例えばμメタル^(R)のような強磁性材料で代用してよい。これにより低コストの磁石の使用が可能になるが、それにもかかわらず、素晴らしい結果が得られる。したがって、μメタル^(R)のフィルムをＰＣＢに付着させることが考えられる。トラックはその後にエッチングされる。

μメタル^(R)は製造プロセス中に生じるさまざまな処理を考慮した比較的安定した結晶構造と良好な熱伝導性をもつ軟磁性合金である。それはニッケルと鉄をベースにした合金である（例えば、７７％Ｎｉ、１４％Ｆｅ、５％Ｃｕ、４％Ｍｏ）。

パーマロイ^(R)はまた別の使用可能な公知の磁性合金のブランド名であるが、他の材料を使用してもよい。例えば、鉄も使用可能であるが、その場合、より良好な性能を得るには、センサに関するＡＣ電流の動作周波数を変更する必要がある。

図１には、ＡＣ電源３のような交流電源によって給電され、５でアースされた導電体１が示されている。

交流入力電圧Ｕ₁は導体１の端子１ａと１ｂの間に印加される。

特に、常磁性又は強磁性材料から成る導体１の場合、この電圧Ｕ₁の周波数は数百Ｈｚから１０００ＭＨｚ未満の間、有利には、数ｋＨｚから１００ＭＨｚ未満の間、（これらの材料にとって）さらにより有利には、５ｋＨｚ〜５０ＭＨｚの間となる。

出力信号の振幅を測定するために、導電体１を出力側（端子１ｃ）で電圧計に接続してもよい。

感知素子の抵抗の変化に応じて出力電圧を測定する電子機器の便宜のために、振幅変調ＡＣ電源を使用することも可能である。

導電体１はセンサの感知部分を形成する導電トラックエリア１０を定めている。導電トラックはセンサの感知部分の中で導体が通っている箇所であり、抵抗トラックとも呼ばれる。エリア１０は向き合って配置された永久磁石１１の磁気作用を受ける（輪郭線１０で限定された）感磁面である。

図２に示されているように、導電トラックエリア１０は特に、ＰＣＢ（プリント回路基板）と呼ばれる、電子カードの製造において一般的に使用される支持基板の上に形成することができる。

磁石１１はこれらの抵抗トラックと向き合っており、図１及び２では、トラックの延長方向に対して平行な方向１１ａに沿って並進移動することができる。

図１の場合（しかし、このことは図３−８に示されている他の抵抗トラックのジオメトリに対しても当てはまる）、この感知導電素子はポテンショメータを使用するような仕方で使用することができる。しかし、ホイートストンブリッジ又はその変種のうちの１つ、あるいは他の公知の手段を使用する方が好ましい。エリア１０内の導体のジオメトリからして、磁石１１の位置に応じて変化するのは電圧比Ｕ₃／Ｕ₄である。ここで、Ｕ₃、Ｕ₄はそれぞれ端子１ａと１ｃ及び１ｂと１ｃの間の交流電圧である。

図１では、また図３でも、可動磁石１１は感知面をできるだけ広くするために抵抗トラックエリア１０の全幅にわたって延びている。

磁石と導電体１の感知エリアとの間の相対運動は、例えば（自動車エンジンの）エンジンシャフト、カムシャフト、クランクシャフト、さもなければ、クラッチ、サスペンションなどのような適切な１つの部材又は複数の部材によって生じさせることができる。

図６には、磁石１１を回転させるエンジンシャフト１２の一方の端部が概略的に示されている。磁石１１は開放端に固定されている。

磁石の運動が並進である（又は並進を含む）図１及び３−５では、滑り面が方向１１ａに沿った横方向変位を案内し、方向付けることができる（図３の点線１４ａ及び１４ｂを参照）。

導電体１は一般にその中央部分に実質的に直線のセグメント１３を有しており、このセグメント１３は１１ａの方へ極僅かに傾斜した、感知エリア１０の長さＬにわたって延在するスロープを有しているため、このエリア内では、導電体１０はこの実質的に直線の中央連結セグメントのどちら側にも、したがって中心軸１１ａのどちら側にも、２つの（近似的に）相似したエリア１５ａ、１５ｂを有していることに注意されたい。これら２つのエリア１５ａ、１５ｂは狭間模様の又はメアンダー状のセグメントから形成されており、軸１１ａに沿ってそれぞれ逆の方向に増大、縮小しており、実質的に２つの対向する三角形エリアを形成している。端子１ｃはセグメント１３の一方の端部にある（図１）。

図１ではつねにこのセグメントは直線である。したがって、交流出力信号Ｕ₂は、この図１の下部にある曲線によって示されているように、磁石が１１ａに沿って動くと、一定の傾斜をもって変化する。

図４では、抵抗トラック１のジオメトリの中央部分が変更されている。この中央部分の中心には平坦部が形成されており、この平坦部は、傾斜した中央セグメント１３（１３ａにおいて）にも、隣接する上側及び下側の狭間模様２５ａ及び２５ｂにも存在しており、所定数の連続して隣り合う狭間模様（ここでは、各側とも３つ）が、磁石の作用を受ける同じエリアを有している。

したがって、図４の下部に示されている曲線Ｕ₂＝ｆ（Ｌ）上の１７に平坦部を得ることができる。曲線のこの水平部分は、両方とも一定である先行する傾斜１７ａ及び後続する傾斜１７ｂとの比較により、エリア全体１０に対する磁石の特定の位置、この図で言えば中央位置、の識別を可能にする。

より一般的に、抵抗トラック１のジオメトリとこのトラックに沿ったジオメトリ変化の位置とに応じて、したがって、導体の密度の変化を調整することによって、所望の曲線を得ることができる。

図３及び５には、磁石の磁気作用を受ける導電体１の密度の変化に基づいて形成された導電トラックエリア１０の他の２つの幾何学的形状、すなわち、図３には、狭間模様をした全体的に三角形の形状が、図５には、変位方向１１ａに沿って狭間模様の間の間隔が一方向に減少していく狭間模様の形状が示されている。

また、前に述べたように、補足的又は代替的に、磁石の運動により生じた作用と連係して応答信号を増大させたいのか又は低減させたいのかに従って、導電体１の断面積を増大又は減少させることも可能である。

図３では、エリア１０において、磁石１１の変位軸１１ａに対して垂直な方向１９ａと、２１や２３のような導体１により形成された狭間模様の側辺の大部分（ここではすべて）に対して平行な方向１９ｂとの間に、０°＜α＜９０°の傾斜角αが見られる。
ここで、角度αはおよそ２°〜１０°の大きさである。

この導電トラックエリアの他のセグメント、すなわち、２５や２７のような底部及び端部のセグメントは変位軸１１ａと平行又はほぼ平行なため、導電トラックエリアは大部分は、或いは、このケースでは専ら、２１，２３，２５，２７のような磁石の変位方向１１ａに対して垂直でない部分を有する。

このことによって得られる効果は、測定の結果である曲線が平滑化されることである。この効果がなければ、αの値がゼロのときに、曲線に沿って小さな跳びが生じてしまう。

また、コストを抑えつつ測定の感度を上げるために、有利には図２に示されているような極部材２９ａ、２９ｂを、変位軸１１ａと交わる方向の磁石１１の両辺に設けてもよい。

図６，７及び８では、本発明の位置センサは、例えば図６のシャフト端部１２でのように、回転変位を測定するために使用されている。ここで、位置センサは抵抗トラックエリア１０と長方形磁石１１とからなる正方形のパターンを有しているが、エリア１０のジオメトリを、長方形エリアではなく正方形エリア上で、図４のジオメトリと同じにすることも可能である。

こうして、ｃｏｓθとｓｉｎθの変化を得ることができ、式θ＝ａｒｃｔａｎ（ｓｉｎθ／ｃｏｓθ）から角θを導き出すことができる。

図７及び８には、それぞれ、導電体３０及び３１に対応する２つの導電トラックが示されている。

感知エリア１０を定めるために、導電体３０はその外周にセグメント３０ａ、３０ｂを、導電体３１はその外周にセグメント３１ａ、３１ｂを有するように巻かれている。これらのセグメントは、見ての通り、実質的に螺旋に従っている。さらに、所望の磁気抵抗センサを得るために、ここでは、磁石はこの螺旋に面して回転する。

磁気インピーダンスに基づいて設計された本発明による非接触位置センサの一例を概略的に示す。 極部材を備えた磁石をもつ位置センサの側面図を示す。 導電体のジオメトリを示す。 導電体のジオメトリを示す。 導電体のジオメトリを示す。 導電体のジオメトリを示す。 導電体のジオメトリを示す。 導電体のジオメトリを示す。

Claims (11)

1. 非接触位置センサにおいて磁気インピーダンスを利用する方法であって、
   ａ）永久磁石（１１）の磁気作用を受ける感磁面（１０）を持つ導電体（１）を形成し、感磁面の面積を磁石に対する相対位置に応じて変化させ、
   ｂ）磁石と導電体の感磁面との間の前記相対位置を変化させることにより、導電体の少なくとも１つの物理的特性（Ｒ）を変化させ、
   ｃ）ステップｂ）で得られた、磁石（１１）の位置と相関する導電体の物理的特性の前記変化を記録することを特徴とする、
   非接触位置センサにおいて磁気インピーダンスを利用する方法。
2. ステップｂ）及びｃ）において変化させられ記録される導電体の物理的特性は導電体のインピーダンスである、請求項１記載の方法。
3. ステップｂ）において、導電体（１）に数キロヘルツから少なくとも約１００メガヘルツまでの交流電圧を印加する、請求項１又は２記載の方法。
4. ステップａ）において、導電体（１）の断面積を変化させることにより、感磁面（１０）の面積を変化させる、請求項１から３のいずれか１項記載の方法。
5. ステップａ）において、磁石（１１）の磁気作用を受ける導電体（１）の密度を変化させることにより、感磁面（１０）の面積を変化させる、請求項１から３のいずれか１項記載の方法。
6. ステップａ）において、導電体の外周が実質的に螺旋に沿って伸展するセグメント（３０ａ、３０ｂ；３１ａ、３１ｂ）を有するように導電体を巻き、ステップｂ）において、互いに向き合った磁石（１１）と前記螺旋との間に相対回転を生じさせる、請求項１から５のいずれか１項記載の方法。
7. 導電トラックエリア（１，１０）と永久磁石（１１）と電源（３）と変位手段（１２）と記録手段（９）を備えた位置センサにおいて、
   導電トラックエリア（１，１０）は永久磁石（１１）の磁場を感知する面と物理的特性と端子（１ａ、１ｂ、１ｃ）を有しており、
   永久磁石（１１）は前記感知面上に磁場を形成するためのものであり、
   電源（３）は導電トラックエリアの端子間に交流電圧を発生させるためのものであり、変位手段（１２）は前記磁石と感知面（１０）との間の相対位置を変化させるためのものであり、
   記録手段（９）は前記相対位置の変化により生じた導電トラックエリアの少なくとも１つの物理的特性の変化を記録するためのものであることを特徴とする、
   位置センサ。
8. 前記記録手段は前記導電トラックエリアの電気抵抗（Ｒ）又は電気抵抗の変化を記録するための手段（９）を含んでいる、請求項７記載の位置センサ。
9. 導電体（１）は常磁性材料又は強磁性材料からなる、請求項７又は８記載の位置センサ。
10. 前記磁石（１１）は変位方向（１１ａ）に沿って前記感知面に対して可動であり、導電トラックエリア（１０）は、大部分は又は専ら、前記磁石の変位方向（１１ａ）に対して垂直でない導電トラック部分（２１，２３，２５，２７）を有している、請求項７から９のいずれか１項記載のセンサ。
11. 前記磁石（１１）には、磁場を集中させるための極部材Ｚ（２９ａ、２９ｂ）が設けられている、請求項７から１０のいずれか１項記載のセンサ。

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