JP4819943B2 - 磁気的な回転角度発生器 - Google Patents

Description

本発明は、所定の配置構成の磁界と、相互に相対的に回転可能である少なくとも１つのホールセンサとを備え、ホールセンサは回転軸線に対してずらされて配置されているという、磁気的な回転角発生器に関する。

数多くの用途において、回転角度発生器を用いて軸の絶対角度位置に関する情報を得る必要があり、その際いくつかの例においてはシステムのスイッチオン後に直ぐに、情報が使用できるようでなければならないことすらある。この種の使用例は例えば、インクリメンタルな位置発生器もしくはポジションセンサの使用が普及している自動車の絞り弁軸である。というのはポジションセンサはシステムスタートの際に参照走行を実施しなければならず、その際機械的な終位置に走行されるからである。絞り弁軸の場合このことで、機関が既にスタートしているときは、一方の終位置においてエンジンのストーリングが引き起こされ、他方の終位置においては絞り弁の全負荷位置に持って行かれることになる。機関のスタートの前に参照走行を実施するようにすれば、顧客にとっては容認されない時間遅延が生じることになる。安全性を考慮しても、インクリメンタルなポジションセンサは最適ではない。というのは、作動期間中、例えば点火によって引き起こされる可能性があるような線路における障害によって、監視される軸が動いているかのように受け取られるおそれが存在し、このために著しい機能上の問題を招来する可能性があるからである。

上に述べた考察は例えば車両の同様に既に説明した絞り弁軸にも当てはまる。そこでは例えば、所謂磁気抵抗センサ（ＤＥ１９７３１５５５Ａ１参照）または誘導方式によって動作するセンサが使用される。確かに基本的にこれらは要求を充足するのに適しているが、作製コストは比較的高いレベルにある。それは殊に、センサの出力信号を線形化するために煩雑なデジタル信号処理が必要であるという理由のためでもある。公知の永久磁石センサはアナログホールセンサでもある。この場合信号調製は著しく簡単でありかつ上手く設計されていればデジタル信号処理は全く必要でない。しかしホールセンサと磁界との協働には、簡単な磁気回路の場合ホールセンサの線形の測定領域では十分ではないという理由から不都合が生じている。磁力線が平行に配向されている磁界において回転されるホールセンサの出力信号はホールエレメントの感応面への磁界の投影に相応してサインカーブに従うので、磁界がホール面に対して垂直に配向されているときに最大の信号が生成されるが、この個所での勾配は零に等しく、この特性曲線領域は殆ど使い物にならない。煩雑な信号処理をしないとすれば、サインカーブの場合には、零点通過を中心に±２０°領域においてしか十分に線形な信号経過が生じず、一方例えば絞り弁位置の捕捉検出のためには９０°を上回る測定領域が必要とされるので、零点通過を中心に少なくとも±４５°の線形領域が必要ということになる。

申し分なく動作するが、同時に問題の非常に煩雑な解決法によれば、鉄回路を用いて磁束の特性経過が線形化される（例えばＥＰ０６６５４１６Ｂ１またはＥＰ１４６７１８４Ａ１参照）。鉄回路にかかるコストにより、冒頭に挙げた原理に対するホールセンサのコストメリットは殆どちゃらになる。とりわけ、非常に高価な磁石用工作材料である例えばサマリウム・コバルトのような希土類からなる材料を磁石のために使用しなければならないからである。更に、磁束ガイド部材に対して保持力の低い材料を使用して、運動方向が交番する際にヒステリシス効果が回避されるようにしなければならないことに気を付けなければならない。

ホールセンサを備えた回転角度発生器に対する解決法はＥＰ１５０６９４００Ｂ１から公知である。そこには磁界の意図した制御により、比較的大きな角度領域において線形化されている、ホールセンサの出力信号が実現され、ここでホールセンサ面は回転軸線に対して半径方向であってかつ垂直方向にある。この種の回転角度発生器において問題なのは、センサの、磁界に関連した位置的な偏差がセンサ出力信号に不都合な仕方で影響を及ぼす可能性があるので、センサをマウントする際にホールセンサが磁界内に特別正確に位置決めされるように気を付けなければならない。この場合位置決めは例えば絞り弁ケーシングのマウントの際にいつも簡単にできるようになっているとは限らない。更に、できるだけ同一の信号出力側を有する２つの冗長チャネルがしばしば要求されていることもある。この種の構成はＥＰ１０６９４００Ｂ１に記載されている解決法においてはそのまま実現することはできないものである。というのは、２つの測定検出器を順次配置した場合、ホールセンサの出力信号間に必然的に位相のずれが発生するからである。

冒頭に述べた形式の磁気的な回転角度発生器はＥＰ１５０３１８３Ａ１から公知である。

図１、図３および図５Ａ乃至Ｃに示されているような回転角度発生器は、零点通過を中心に少なくとも±６０°から線形の信号出力が実現される利点を提供することが分かっている。信号調製および殊にデジタル信号処理はこの種の出力特性では省略することができる。更に、本発明の回転角度発生器はホールセンサの、磁界に関連した機械的な位置許容偏差に対する影響を極めて受けにくいことが分かった。実験の結果、半径方向に０．１ｍｍずれると出力信号に０．２％の影響が生じ、その結果例えば絞り弁ケーシングの組立の際に期待される許容偏差においては顕著な信号歪は期待されないことが分かっている。更に驚くべきことに、接線方向において０．１ｍｍの領域におけるずれが中心位置の領域における上述したオーダのエラーだけを引き起こし、このために同様に問題なしと認めることができることが分かっている。更に、部分リング形状とは、勿論所定の深度を有している、つまり実際に部分中空シリンダの形状を有している永久磁石の横断面に関する。

回転軸線に関する軸線方向のシフトは、これらが通常の枠内で移動する限り、部分円筒形状に成形された永久磁石の高さを勘案すれば作用なしにとどまる。

本発明の課題は、簡単化された永久磁石式の回転角度発生器を提供することである。

本発明によれば、回転軸線にまで達する、強磁性の材料から成る短絡面部が設けられており、ここでホールセンサは唯一の部分リング形状の永久磁石に向かってずらされている。

にも拘わらずホールセンサの出力信号の所望の線形化の作用をする軸対称の磁界の配置構成により、第１のセンサと絶対的に同じ作用をする出力特性を有する第２のホールセンサの使用が可能になる。このことは、第１のホールセンサが第１の部分リング形状の永久磁石に向かって回転軸線からずらされかつ第２のホールセンサが第２の部分リング形状の永久磁石に向かってミラー対称に回転軸線からずらされて配置されていることによって実現される。これにより、２つの同一のホールセンサはそれぞれ、同一の磁界特性の元で磁界領域を移動することができる。

にも拘わらずホールセンサの出力信号の所望の線形化の作用をする軸対称の磁界のコンフィギュレーションにより、第１のセンサと絶対的に同じ作用をする出力特性を有する第２のホールセンサの使用が可能になる。このことは、第１のホールセンサが第１の部分リング形状の永久磁石に向かって回転軸線からずらされかつ第２のホールセンサが第２の部分リング形状の永久磁石に向かってミラー対称に回転軸線からずらされて配置されていることによって実現される。これにより、２つの同一のホールセンサはそれぞれ、同一の磁界特性の元で磁界領域を移動することができる。

磁界の所望の形態は永久磁石の種々の極性化方向により実現される。少なくとも１つの部分リング形状の永久磁石を半径方向において極性化すると特別有利であり、その結果別の永久磁石または短絡レベルとの関連において所望の磁力線経過特性が生じる。少なくとも１つの部分リング形状の永久磁石が直径方向において極性付けられている、すなわち中心位置におけるホールセンサのセンサ面に対して平行である基本方向において極性付けられている実施形態は多少不都合であるが、大抵の用途に対して十分である。しかし部分リング形状の純然たる半径方向または直径方向の磁化は実際には実現するのが極めて難しくかつこのような磁化形態間の用途次第の移行が可能であることを付記しておく。

本発明の更に別の実施形態において、少なくとも１つの部分リング形状の永久磁石の周りに強磁性の材料から成る閉じたリングが配置されているようになっている。このリングはリング形態の内部の磁界を形成するためのものでもあり、システムを、外側の強磁性のリングを通って測定検出器の傍らを通っていく外部磁界に対してシールドするためのものでもある。

本発明の回転角度発生器の別の基本的な利点は、簡単に比較的大きな磁石ボリュームが可能であり、その結果安価な硬フェライトが、磁束帰路リング内部に問題なく磁化することができる磁石材料として使用できるという点にある。この形式の磁化の別の利点は、磁石を磁化後、簡単な「対抗磁化パルス」によって予め老化させて、寿命効果を先取りすることができるという点にある。

次に本発明を添付図面に基づいて実施例に付き詳細に説明する。その際：
図１は磁気的な回転角度発生器の横断面を略示し、
図２は磁気的な回転角度発生器の別の実施例を横断面にて略示し、
図３は図１の横断面並びに磁石が主に半径方向に磁化されている場合のセンサにおける磁力線経過特性を示し、
図４は直径方向に磁化されている永久磁石エレメントを有する図１の回転角度発生器および相応に変化している磁力線経過特性を示し、
図５Ａ〜Ｃはホールセンサおよび種々の回転角度における磁力線に対して相対的なその位置を略示している。

図１にはプリント回路基板１２に配置されているホールセンサ１４を有している磁気的な回転角度発生器が簡単に示されている。ここでホールセンサのセンサ面は回転軸線１６に対して距離をおいており、その際センサ面の２つの主要方向は回転軸線１６に関して半径方向および軸線方向に配向されている。ホールセンサ１４は、相互にミラー対称に配置されている２つの永久磁石１８によって形成されている磁界に対して相対的に回転可能である。その際２つの永久磁石はそれぞれ横断面において部分リング形状に形成されており、すなわちこれらは部分中空シリンダ形状を有している。２つの部分リング形状の永久磁石１８はほぼ半円にわたって延在しており、その際２つの永久磁石１８のそれぞれの端部の間に、ギャップ２０が残っている。部分リング形状の永久磁石１８の端部によって形成されたギャップ壁は平行に延在している。

２つの部分リング形状の永久磁石１８の周りに強磁性材料から成るリング２２が設けられており、このリングはリング形状内部の磁界１０を形成するためよりむしろ主として、システムを、外側の強磁性のリングを通って測定検出器の傍らを通っていく外部磁界に対してシールドするために重要である。

ホールセンサ１４は図示の実施例において定置に配置されており、一方２つの部分リング形状の永久磁石１８と閉じられたリング２２とから成る連結体としてのマグネットホイールは軸（図示なし）、殊に絞り弁軸に回動不能に接続されている。図１においてホールセンサの運動軌道はマグネットホイールに対して相対的に示されている。しかしホールセンサを軸に配属させかつ永久磁石とリングとから成る連結体を定置に設けることも難なく可能である。

２つの相互に独立して生成される出力信号を有する冗長的なシステムを形成するために、従来技術からも公知である、永久磁石とリング２２とから成る連結体の対称構造に基づいて、第２のホールセンサ２６（図１には破線で示されている）を第１のホールセンサ１４に対してミラー対称に配置することが可能である。これについては後でもっと詳細に説明するが、永久磁石が相互に相応に磁化されている場合、回転軸線１６を中心に点対称の磁界が生じるので、第２のホールセンサ２６の運動軌道における磁力線パターンも第１のホールセンサ１４の運動軌道における磁力線パターンに相応するので、２つの出力信号は同一である。

回転角度発生器の冗長的な特性なしに唯一の出力信号だけが要求されている場合、対称的な連結体の半部が強磁性材料から成る短絡面部１００によって置換されている、回転角度発生器１１０の、図２に図示の簡単化された実施形態を使用することもできる。相応に、完全に半円形状に形成されておりかつ端部が回転軸線１１６を通っている短絡面部１００まで達している部分リング形状の永久磁石１１８だけが設けられている。相応に外側のリング１２２も半円形状に実現されておりかつ短絡面部１００で終了している。

磁界を形成するエレメントはここでも見えない軸に回動不能に連結されているが、短絡面部１００によって規定されて、磁界とホールセンサとの間の回転角度は運動軌道１２４上で１８０°以下に制限されている。実際にはこのことがたいして意味をなさない。何故ならば、回転角度の最も外側の縁領域はいずれにせよ回転角度発生器の出力信号の線形性が損なわれているからである。

図３にはもう一度図１の回転角度発生器１０が示されており、ここで更に磁界の磁力線３０が別に示されている。ここでは、２つの部分リング形状の永久磁石が回転軸線１６に関して半径方向磁化されているとき生じる磁力線が示されている。半径方向とは、永久磁石１８の２つの極の１つが凸状の外面にあり、一方他方の極は有利には凹状の内面にあることを言う。図４にはこれに対して永久磁石１８が直径方向に磁化されている、すなわち部分リング形状の永久磁石１８の磁化が回転軸線１６に関連して半径方向ではなく、水平方向に存在する中心面に対して傾向としてむしろ平行に行われる、構造形態的には同一の回転角度発生器１０が示されている。

磁力線経過特性の比較から容易に分かるように、実際に実現可能な磁力線経過特性はその前に略示した理想像に近似的に相応しているだけである。

図３の半径方向の磁化方向によりホールセンサ１４の出力信号の一層好適な線形化が実現され、その結果±約６０°の角度領域がほぼ線形の特性経過下で実現されることが分かっている。直径方向に磁化された永久磁石を有する実施形態では、僅かに不都合な像が生じるが、利用可能な回転角度領域はいずれにせよ±約５０°の間の領域にあり、このために例えば絞り弁軸の場合のような数多くの用途に対して同じく十分である。

次に図５Ａ，ＢおよびＣには図１および３に図示の信号発生器の磁力線の配向についてホールセンサ１４の作用面に関連して詳細に説明する。図５Ａには、０°の角度に相応する中心位置が示されている。その際中心垂線３２における磁力線３０は接線方向成分を有しておらず、すなわち中心位置における検出器の測定信号は零に等しく、従って零点通過と同じ意味である。

相互に平行に存在している磁力線を有する磁界の場合、ホールセンサが円軌道において９０°の角度位置まで旋回する際に出力信号の正弦波形状の経過が生じることになる。

部分リング形状の永久磁石から成る選択されたこの装置では、真ん中の領域において、水平レベルからの距離が増大するに従って結局磁力線は相互に大きな距離を有するという磁力線経過特性が生じることになる。このことは、中心位置から振れるとまず、出力信号の比較的フラットな上昇が生じることを意味する。全体としてはできうる最高の出力信号の比較的高い絶対値を実現することができないので、このことは、比較的大きな線形の領域を使用できるようにするために必要である。振れ角度が増大するに従って（図５Ｂは２０°位置の場合、図５Ｃは５０°位置の場合、ここでマグネットホイールは定置のホールセンサ１４に対して時計方向に回転した）、磁力線の反りが角度の増大に従って漸進的に上昇し、その結果出力信号の線形化がその上からはそれ以上の線形の上昇はもはや実現されないという所定の限界角度まで存在していることが分かる。線形の究極の形状、つまり三角形の屋根の形状は上述の装置によっては実現されないが、１２０°（±６０°）の旋回角度にわたる線形の信号経過特性は例えば、絞り弁軸の位置を検出するための用途には十分である。

図５ＡないしＣから、第１のホールセンサ１４に対してミラー対称に配置されている第２のホールセンサ２６が磁力線に対して相応の位置にあり、その結果２つのホールセンサは絶対的に同一の出力信号を生成することができることがよく分かる。２つの部分リング形状の磁石エレメントが相互に反対方向に磁化されており、例えば図５Ａ〜Ｃに関連して上側の永久磁石がそのＮ極を例えば凸状の外面に有し、一方下側の永久磁石がその凹状の外面にそのＳ極を有しているときに磁界の磁力線の図示の経過特性が実現されることは勿論のことである。

磁気的な回転角度発生器の横断面の略図 磁気的な回転角度発生器の別の実施例の横断面の略図 図１の横断面並びに磁石が主に半径方向に磁化されている場合のセンサにおける磁力線経過特性を示す図 直径方向に磁化されている永久磁石エレメントを有する図１の回転角度発生器および相応に変化している磁力線経過特性を示す図 ホールセンサおよび種々の回転角度における磁力線に対して相対的なその位置を略示する図 ホールセンサおよび種々の回転角度における磁力線に対して相対的なその位置を略示する図 ホールセンサおよび種々の回転角度における磁力線に対して相対的なその位置を略示する図

Claims (7)

1. 所定の配置構成の磁界と、前記磁界に対して相対的に回転可能である少なくとも１つのホールセンサ（１４；１１４）とを備え、前記磁界は回転軸線（１６；１１６）の周囲に回転可能に延在している部分リング形状の永久磁石（１８；１１８）によって形成されており、前記ホールセンサ（１１４）は前記回転軸線（１６；１１６）から離間して配置されており、少なくとも１つの面状のホールセンサ（１４；１１４）の２つの主方向が回転軸線（１６；１１６）に対して半径方向および軸線方向であって、かつ、前記少なくとも１つの面状のホールセンサ（１４；１１４）は、前記永久磁石（１８；１１８）の回転角度０°に対応する中心位置における前記磁界の磁力線の中心垂線（３２）上にあり、前記回転軸線（１６；１１６）にまで達する強磁性材料から成る短絡面（１００）が設けられており、前記磁界は、前記磁力線の前記中心垂線（３２）を含む平面に関して鏡面対称に形成されている
   磁気的な回転角度発生器。
2. 前記部分リング形状の永久磁石（１８；１１８）の端部と前記短絡面との間にそれぞれギャップが形成されている
   請求項１記載の磁気的な回転角度発生器。
3. 前記ギャップ（２０）の壁は相互に平行に存在している
   請求項２記載の磁気的な回転角度発生器。
4. 前記部分リング形状の永久磁石（１８；１１８）は前記回転軸線に関して半径方向において磁化されている
   請求項１から３までのいずれか１項記載の磁気的な回転角度発生器。
5. 前記少なくとも１つの部分リング形状の永久磁石（１８；１１８）は前記中心位置において前記ホールセンサ（１４；１１４）のセンサ面に対して平行である直径方向において磁化されている
   請求項１から３までのいずれか１項記載の磁気的な回転角度発生器。
6. 前記部分リング形状の永久磁石（１８；１１８）は、半円形状の断面形状を有しており、かつ、前記短絡面（１００）にまで達している強磁性材料から成る半円形状のリング（２２）によって取り囲まれている
   請求項１から５までのいずれか１項記載の磁気的な回転角度発生器。
7. 内燃機関の絞り弁軸の角度位置を検出するために、前記永久磁石（１８；１１８）と前記リング（２２）とを含む連結体が前記絞り弁軸に回転不能に接続されている、請求項６記載の磁気的な回転角度発生器。

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